接触検出装置及びロボット
【課題】外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を従来よりも高めること。
【解決手段】ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、ベース層５１と、ベース層５１上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する抵抗層５２と、抵抗層５２上に積層されると共に、抵抗層５２の粗面に対応する粗面を有する抵抗層５４と、ベース層５１上に積層されると共に、抵抗層５２、５４間に層間空間を形成するスペーサ層５３と、を備え、抵抗層５２、５４間の間隔は、抵抗層５２、５４の少なくとも一方の変形時、抵抗層５２の粗面と抵抗層５４の粗面間に摩擦が生じるように設定されている。この構成を採用することによって、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を従来よりも高めることができる。
【解決手段】ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、ベース層５１と、ベース層５１上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する抵抗層５２と、抵抗層５２上に積層されると共に、抵抗層５２の粗面に対応する粗面を有する抵抗層５４と、ベース層５１上に積層されると共に、抵抗層５２、５４間に層間空間を形成するスペーサ層５３と、を備え、抵抗層５２、５４間の間隔は、抵抗層５２、５４の少なくとも一方の変形時、抵抗層５２の粗面と抵抗層５４の粗面間に摩擦が生じるように設定されている。この構成を採用することによって、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を従来よりも高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触検出装置及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットは、工場での製造補助に限らず、ヒトの介護支援等の様々な用途を見込んで開発されている。ロボットは所望の場所に固定されるものから、自律的に空間移動するものまで様々である。ロボットが固定型又は移動型であるか否かに関わりなく、ロボットに対して物体検出機能を具備させることが従前から行われている。例えば、ロボットにカメラを具備し、ソフト的なパターン認識処理を実行することで、製品ラインを流れる被加工部品が到着したことを検出することができる。
【０００３】
ロボットに対して物体検出機能を具備させる方法の１つとして、物理的な接触を検出するセンサ（以下、接触センサと呼ぶこともある）をロボットの外表面に設け、センサの出力に基づいて物体の接触の有無を検出する方法がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、高速で接触検出が可能な接触検出装置が開示され、また、これを具備するロボットが開示されている。特許文献１に開示の接触検出装置は、多数の開口を有する絶縁スペーサを介して、導電シートを対向配置させている。導電シート間の接触を電気的に検出して、接触検出装置への物理的な接触を検出している。
【０００５】
特許文献２には、ベース上に離散的に敷設された複数個の触覚センサを備えるロボットの外被が開示されている。同文献の段落００５７に記載されているように、触覚センサは、導電性ゴムを素材の１つとする。導電性ゴムは、荷重に応じて圧縮されると、内部の導電粉末の密度が変化して抵抗値が低下する。同文献の段落００６２に記載されているように、抵抗値に応じて変化する電流値を電圧の変化として検出することでワーク等との接触を検出する。
【０００６】
なお、特許文献３には、タッチパネルに組み込み可能なニュートンリング防止フィルムが開示されている。特許文献４にも、同様に、ニュートンリング防止抵抗膜型タッチパネルが開示されている。特許文献５には、液晶表示装置に組み込まれる透明座標入力装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０２７１９号公報
【特許文献２】特開２００７−１９６３７２号公報
【特許文献３】特開２００２−３７３０５６号公報
【特許文献４】特開平１１−２５０７６４号公報
【特許文献５】特開２００４−３６２４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ロボットに実装される接触センサでは、任意の方向から力が加わる場合がある。この場合、特に積層構造を有する接触センサでは、外部から加わる力に対して接触センサ自体が所望の耐久性を備えることが要求される。接触センサの耐久性を高めるためには、対向配置された一組の抵抗層の間にスペーサ層を配置すると良い。しかしながら、上述のように接触センサには任意の方向から力が加わる場合があるため、一組の抵抗層間へのスペーサ層の配置だけでは十分でない場合がある。例えば、接触センサから見て斜め上から斜め下方向へ力が加わるとき、許容外のせん断力が接触センサに加わるおそれがある。許容外のせん断力が接触センサの積層部に生じると、接触センサが故障し、結果的に、ロボットのセンシング系統が故障してしまう。
【０００９】
上述の説明から明らかなように、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を従来よりも高めることが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る接触検出装置は、ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、ベース層と、前記ベース層上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する第１抵抗層と、前記第１抵抗層上に積層されると共に、前記第１抵抗層の前記粗面に対応する粗面を有する第２抵抗層と、前記ベース層上に積層されると共に、前記第１及び第２抵抗層間に層間空間を形成するスペーサ層と、を備え、前記第１及び第２抵抗層間の間隔は、当該第１及び第２抵抗層の少なくとも一方の変形時、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間に摩擦が生じるように設定されている。この構成を採用することによって、効果的に接触検出装置の耐久性を高めることができる。
【００１１】
前記第１及び第２抵抗層夫々に形成された前記粗面は、平坦面に粗面化処理を施すことで形成される、と良い。これによれば、既存の製造プロセスを大きく変更することなく、簡易に粗面を形成することができる。
【００１２】
前記粗面の最大深さをＲｚとし、前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。
【００１３】
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとし、前記第１抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、前記第２抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足する、と良い。
【００１４】
前記スペーサ層は、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間が接触する接触領域を少なくとも部分的に囲む枠状体を含む、と良い。この構成を採用することで、任意の方向に生じるせん断力に対する強度を確保することができる。
【００１５】
前記スペーサ層は、前記第１及び第２抵抗層夫々に対して接着固定されている、と良い。この構成を採用することで、任意の方向に生じるせん断力に対する強度を高めることができる。
【００１６】
前記第１及び第２抵抗層は、上面視して多角形状であり、前記第１抵抗層では、その上辺及び下辺部分夫々に配線が接続されており、前記第２抵抗層では、その右辺及び左辺部分夫々に配線が接続されている、と良い。
【００１７】
前記ベース層、前記第１抵抗層、前記第２抵抗層、及び前記スペーサ層上に積層された弾性層を更に備える、と良い。
【００１８】
本発明に係るロボットは、上述のいずれかに記載の接触検出装置と、前記接触検出装置が表面に配置された把持部と、を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるロボットの概略的な模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの積層構造を示す概略的な模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの部分的な概略斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる接触センサに接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの動作条件を示す説明表である。
【図９】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１０】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１２】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの製造工程を示す概略工程図である。
【図１３】本発明の第２実施形態にかかる接触センサの部分的な概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。
【００２２】
〔第１実施形態〕
以下、図１乃至図１２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、ロボットの概略的な模式図である。図２乃至図４は、ロボットの把持部の概略的な模式図である。図５は、接触センサの積層構造を示す概略的な模式図である。図６は、接触センサの部分的な概略斜視図である。図７は、接触センサに接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。図８は、接触センサの動作条件を示す説明表である。図９乃至図１１は、抵抗層の構成を説明するための説明図である。図１２は、接触センサの製造工程を示す概略工程図である。
【００２３】
はじめに図１乃至図４を参照して第１実施形態に係るロボットについて説明する。
【００２４】
図１に示すように、ロボット１００は、頭部９０、胴部９１、腕部９２、腕部９３、把持部９８、把持部９９、脚部９４、脚部９５、足部９６、および足部９７を有する。
【００２５】
腕部９２、９３は、その基端部分で胴部９１に対して軸着している。腕部９２、９３は、その基端部分を回転中心として、ｙｚ平面で回動可能である。腕部９２、９３は、その中間部分に関節を有し、上腕部分と下腕部分とが揺動可能に構成される。各腕部９２、９３の先端部分には、把持部９８、９９が夫々設けられている。
【００２６】
脚部９４、９５は、その上端部分で胴部９１に対して接続している。脚部９４、９５は、その上端部分を回転中心として、ｙｚ平面で回動可能である。脚部９４、９５は、その中間部分に関節を有し、上脚部と下脚部とが揺動可能に構成されている。各脚部９４、９５の下端部分には、足部９６、９７が夫々設けられている。
【００２７】
頭部９０は、胴部９１に対して軸着しており、ｘｚ平面内で回転可能に構成される。
【００２８】
ロボット１００の筐体には、様々な電気／機械コンポーネントが内蔵される。例えば、ロボット１００の胴部９１には、各種センサ、マイコン、電源、モータ、及びリンク機構等の様々な電気／機械コンポーネントが内蔵される。例えば、ロボット１００は、マイコンで生成される指令に応じて、腕部９２を上方へ回転移動させ、上方に位置する物体を把持部９８で把持する。また、ロボット１００は、マイコンで生成される指令に応じて、脚部９４、９５を交互に前方へ押し出し、前方の所望の位置まで移動する。なお、上述のロボット１００の各動作は、モータで発生する駆動力が、ベルト、ギア等の機械要素を介在して、各部位の空間的変位に変換されることで実現される。なお、ロボット１００のタイプ並びに具体的な構造は任意である。
【００２９】
図２に図１の把持部９９の概略的な部分拡大模式図を示す。図２に示すように、把持部９９は、ベース部８０、指部８１、及び指部８２を有する。指部８１は、リンク８３、及びリンク８４を有する。指部８１は、ベース部８０とリンク８３間を関節として有し、かつリンク８３とリンク８４間を関節として有する。リンク８３は、ベース部８０間の関節を回転中心としてｘｙ平面内で揺動可能に構成される。リンク８４は、リンク８３間の関節を回転中心としてｘｙ平面内で揺動可能に構成される。指部８２は、リンク８７、及びリンク８８を有する。指部８２に関する説明は、指部８１に関する説明と同様である。ただし、リンク８３をリンク８７に読み替え、リンク８４をリンク８８に読み替えるものとする。
【００３０】
図３に示すように、把持部９９の把持面には、複数の接触センサ（接触検出装置）５０が装着される。なお、上述の指部８１は、２つの指部８１ａ、８１ｂから構成される。
【００３１】
各接触センサ５０は、ベース部及び各リンクに対応づけて配置されている。これによって、部位毎に外部から受ける力を適切に検出し、把持部９９の現状の把持状態を適切に評価することができる。なお、各部位に設ける接触センサの個数は任意である。
【００３２】
図４に示すように、把持部９９は、対象物７０を把持する。リンク８３、８４、８７、８８をｘｙ平面内にて変位させることで、把持部９９に対象物７０を把持させることができる。なお、把持部９９の具体的な構成は任意であり、多関節のリンク構造の採用の有無は任意である。
【００３３】
次に、接触センサ５０の構造及び動作について図５乃至図９を参照して説明する。図５は、接触センサ５０の積層構造を示す概略的な模式図である。図６は、接触センサ５０の部分的な概略斜視図である。図７は、接触センサ５０に接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。図８は、接触センサ５０の動作条件を示す説明表である。図９乃至図１１は、抵抗層の構成を説明するための説明図である。なお、図５以降の図に示す座標系は、図１乃至４に示す座標系とは別個に定義されているものとする。
【００３４】
図５に示すように、接触センサ５０は、ロボット１００の実装面（上述の把持面）から離間する順に、ベース層５１、抵抗層５２、スペーサ層５３、抵抗層５４、ベース層５５、及びシリコンゴム層（弾性層）６０を有する。
【００３５】
把持対象物がシリコンゴム層６０に接触すると、シリコンゴム層６０が受けた力は最下層のベース層５１まで伝達する。この過程で、スペーサ層５３を介して対向配置された抵抗層５２、５４は、把持対象物の位置に応じた位置で互いに接触する。一組の抵抗層間の接触を電気的に検出することによって、把持対象物の接触、平面内での把持対象物の接触位置を検出することができる。また、算出処理の実行により、加えられた荷重も推定することもできる。
【００３６】
はじめに接触センサ５０の積層構造について説明する。
【００３７】
ベース層５１、５５は、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）等の樹脂から成り、可撓性を有する薄層体である。ベース層５１、５５は、通常の半導体プロセス技術（スピンコート等のコート法など）によって均一な層厚に形成されている。なお、ベース層５１、５５の製造方法は任意である。ベース層５１、５５は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な樹脂を採用して各ベース層を形成しても良い。
【００３８】
抵抗層５２、５４は、抵抗値が調整された導電層であり、例えば、導電性樹脂、ポリシリコン、銅、アルミニウム等の導電性材料からなる。抵抗層５２、５４は、通常の半導体プロセス技術（コート法、蒸着等）によってベース層の下面又は上面に均一な厚みで形成されている。後述の説明から明らかなように、抵抗層５２の上面には粗面が形成され、抵抗層５４の下面には粗面が形成されている。なお、抵抗層５２、５４の製造方法は任意である。抵抗層５２、５４は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な導電性材料を採用して各抵抗層を形成しても良い。
【００３９】
スペーサ層５３は、対向配置された抵抗層５２、５４間に設けられる。各抵抗層５２、５４は、スペーサ層５３を介して互いに固着される。スペーサ層５３は、一般的な樹脂材料からなり任意の接着性を有する。また、スペーサ層５３は、絶縁性を有する。スペーサ層５３の上面視形状は枠状である。スペーサ層５３は、抵抗層５２の粗面を囲むように形成されている。同様に、スペーサ層５３は、抵抗層５４の粗面を囲むように形成されている。
【００４０】
スペーサ層５３は、通常の半導体プロセス技術（薄膜形成、フォトリソグラフィー等）を活用して製造される。スペーサ層５３を枠状とすることで、抵抗層５２、５４間の接触空間を確保しつつ、スペーサ層５３の機械的強度を効果的に高めることができる。なお、スペーサ層５３は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な樹脂材料を採用して各スペーサ層を形成しても良い。熱硬化性、紫外線硬化性等の接着剤によって、スペーサ層５３を抵抗層５２、５４に対して強固に固着させても良い。
【００４１】
シリコンゴム層６０は、シリコンゴムからなる弾性層である。シリコンゴム層６０は、通常の貼り合せ技術（接着等）を活用して、積層体６３（ベース層５１、抵抗層５２、スペーサ層５３、抵抗層５４、及びベース層５５からなる積層体）上に貼り合わされる。シリコンゴム層６０によって外部から加わる力が所定範囲で分散されるため、局所的に強い力が積層体６３に対して加えられて積層体６３が破損することを効果的に抑制することができる。なお、シリコンゴム以外の材料（可視光に対して不透明な弾性材料等）を採用しても良い。
【００４２】
図５に模式的に示すように、抵抗層５２の上面には粗面が形成されている。具体的には、抵抗層５２の上面には、複数の窪み３２が連続して形成されている。換言すると、抵抗層５２の上面には、複数の突出部３３が連続して形成されている。
【００４３】
また、抵抗層５２と同様に、抵抗層５４の下面にも粗面が形成されている。具体的には、抵抗層５４の下面には、複数の窪み３０が連続して形成されている。換言すると、抵抗層５４の上面には、複数の突出部３１が連続して形成されている。
【００４４】
また、抵抗層５２と抵抗層５４間の間隔は、外部から接触センサ５０に対して力が加えられたとき、抵抗層５２と抵抗層５４とが互いに接触し、両者の間に摩擦が生じるように設定されている。
【００４５】
一組の抵抗層５２、５４が互いに接触するとき、両者の間に生じる摩擦力によって、スペーサ層５３に対して加えられるせん断力が緩和される。ロボットに対する接触を検出する接触センサ５０では、接触センサ５０から見て斜め上から斜め下方向へ力が加えられ、許容外のせん断力が接触センサに加わるおそれがある。許容外のせん断力が接触センサ５０の積層部に生じると、接触センサ５０が故障し、結果的に、ロボットのセンシング系統が故障してしまう。
【００４６】
本実施形態では、変形時に接触可能に対抗配置された一組の抵抗層５２、５４夫々の対向面を粗面とし、両者の接触時に摩擦が生じるようにする。これによって、スペーサ層に加えられるせん断力を緩和し、効果的に接触センサ５０の耐久性を高めることができる。なお、図９乃至図１１を参照して、抵抗層の構成について詳細に後述する。なお、粗面に関する指標は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１を参照するものとする。
【００４７】
なお、接触センサ５０の製造方法は任意である。上述のように、半導体プロセス技術を活用して製造しても良いし、他の方法によって製造しても良い。また、上述の粗面の具体的な製造方法は任意である。抵抗層が有する平坦面に対してサンドペーパーをこすり付けることによって、上述の粗面を形成しても良い。抵抗層が形成されるベース層の表面上に凹凸を形成することによって、上述の粗面を形成しても良い。
【００４８】
次に、図６乃至図８を参照して、接触センサ５０の接触検出の仕組みについて説明する。
【００４９】
図６に示すように、抵抗層５２の左辺側には電極層４０が形成されており、抵抗層５２の右辺側には電極層４１が形成されている。なお、電極層４０、４１は、抵抗層５２に対してオーミック接触しているものとする。電極層４０、４１は、良好な導電性を有する金属で形成すると良い。電極層４０には配線Ｌ３が半田付けされている。同様に、電極層４１には配線Ｌ４が半田付けされている。
【００５０】
抵抗層５４の下辺側には電極層４２が形成されており、抵抗層５２の上辺側には電極層４３が形成されている。なお、電極層４２、４３は、抵抗層５４に対してオーミック接触しているものとする。電極層４２、４３は、良好な導電性を有する金属で形成すると良い。電極層４３には配線Ｌ１が半田付けされている。同様に、電極層４２には配線Ｌ２が半田付けされている。
【００５１】
図７に示すように、上述の各配線Ｌ１〜Ｌ４は、半導体集積回路３５に接続される。半導体集積回路３５には、電源電位ＶＤＤ及び接地電位ＧＮＤが供給される。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ１、Ｌ３に電源電位を供給する。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ２、Ｌ４を接地電位に接続する。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ１〜Ｌ４を自身が具備する電圧検出回路に接続する。ただし、半導体集積回路３５の具体的な回路構成は任意である。例えば、市販のタッチスクリーン用の半導体集積回路を採用すれば良い。このような市販の半導体集積回路では、ＭＯＳスイッチによって上述のスイッチング制御を実現し、マルチプレクサによって電圧検出回路への入力を選択する。また、そのような市販の半導体集積回路内には、スイッチングを制御するコントローラも組み込まれる。
【００５２】
図８を参照して、接触センサ５０の動作状態について説明する。
【００５３】
半導体集積回路３５が第１状態のとき、配線Ｌ１を高電位側とし配線Ｌ２を低電位側として電圧が印加される。これに応じて、抵抗層５４には上辺側から下辺側へ電圧が印加される。この状態のとき、抵抗層５４が抵抗層５２に接触すると、抵抗層５４と抵抗層５２間の接触位置に応じた値の電圧が配線Ｌ３、Ｌ４を介して半導体集積回路３５に入力する。半導体集積回路３５は、入力した電圧値をデジタル変換し、生成したデジタル値を接触位置を示す位置データとしてマイコンへ出力する。このようにして、接触センサ５０の検出エリア内におけるｘ軸上の把持対象物の接触位置（ｘ座標）が検出される。
【００５４】
半導体集積回路３５が第２状態のとき、配線Ｌ３を高電位側とし配線Ｌ４を低電位側として電圧が印加される。これに応じて、抵抗層５２には左辺側から右辺側へ電圧が印加される。この状態のとき、抵抗層５４が抵抗層５２に接触すると、抵抗層５４と抵抗層５２間の接触位置に応じた値の電圧が配線Ｌ１、Ｌ２を介して半導体集積回路３５に入力する。半導体集積回路３５は、入力した電圧値をデジタル変換し、生成したデジタル値を接触位置を示す位置データとしてマイコンへ出力する。このようにして、接触センサ５０の検出エリア内におけるｚ軸上の把持対象物の接触位置（ｚ座標）が検出される。
【００５５】
半導体集積回路３５に上述の動作モードを時分割して実行させると、接触センサ５０の検出エリア（ｘｚ平面）内での把持対象物の接触座標（ｘ、ｚ）を取得することができる。このように把持対象物の接触位置を座標情報として取得することによって、把持部９９をより高精度に制御することが可能になる。把持部９９の制御性の向上によって、例えば、壊れやすい物、滑りやすい物などを好適に把持することが可能になる。
【００５６】
接触した把持対象物から受ける荷重を算出しても良い。これによって、把持部９９をより高精度に制御することが可能になる。
【００５７】
半導体集積回路３５が第１状態のとき、上述のようにｘ軸上の接触位置（ｘ座標）を取得することができる。抵抗層５２の電位をＺ１とし、抵抗層５４の電位をＺ２とし、抵抗層５２の抵抗値をＲとしたとき、接触抵抗値ＣＲを次式（１）により算出することができる。
【００５８】
ＣＲ＝Ｒ＊（ｘ座標値／４０９５）＊（（Ｚ２／Ｚ１）−１）・・・（１）
【００５９】
接触抵抗値ＣＲから、接触の有無を判定すると共に、把持対象物から受けた荷重を任意の演算式によって算出することができる。
【００６０】
図６に示すように各配線を各抵抗層に接続することによって、ｘｚ平面内での接触位置の座標情報を取得することができる。２次元的な接触位置情報を取得することによって、把持部９９の把持状態をより正確に評価し、把持部９９をより適切な状態へフィードバック制御することができる。
【００６１】
次に、図９乃至図１１を参照して、抵抗層の構成について説明する。
【００６２】
図９に示すように、各抵抗層５２、５４に形成される粗面の最大深さをＲｚとし、抵抗層５２、５４間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことを効果的に抑制することができる。なお、図１０に示すように、抵抗層５２と抵抗層５４間の間隔Ｌは、抵抗層５２と抵抗層５４間の平面内での平均的な間隔に相当する。
【００６３】
また、各突出部の傾斜角θ（図９参照）を大きく設定すると良い。好適には、傾斜角θを４５度〜９０度に設定すると良い。より好適には、傾斜角θを６０度〜９０度に設定すると良い。これによって、接触時、抵抗層５２、５４間が確実に噛み合う状態とし、抵抗層５２、５４間に生じる摩擦力を効果的に高め、せん断力に対する接触センサ５０の耐性を効果的に高めることができる。
【００６４】
また、図１１に模式的に示すように、抵抗層５２の粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、抵抗層５４の粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足すると良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことをより確実に抑制することができる。抵抗層５２と抵抗層５４間の平面内での平均的な間隔が十分であっても、局所的に抵抗層５２と抵抗層５４とが接触してしまう場合がある。上記条件を満足することによって、このような場合にも対処することが可能になる。なお、粗面の粗さの標準偏差は、二乗平均平方根高さと呼ばれることもある。
【００６５】
最後に図１２を参照して、接触センサ５０の製造工程について補足的に説明する。
【００６６】
まず、図１２（ａ）に示すように、ベース層５１上に抵抗層５２を通常の薄膜形成技術によって形成し、抵抗層５２の上面に対して粗面化処理を施す。抵抗層５２の形成方法は任意である。抵抗層５２の材質に応じて、スピンコート、蒸着等を活用すれば良い。粗面化処理の具体的な方法は任意である。例えば、サンドペーパー等の粗面化手段を活用すると良い。ただし、マスク、エッチング等の一般的な半導体プロセス技術を活用しても良い。
【００６７】
次に、図１２（ｂ）に示すように、スペーサ層５３を抵抗層５２上に形成する。スペーサ層５３は、例えば、一般的な印刷方法によって形成すると良い。
【００６８】
次に、図１２（ｃ）に示すように、積層体の左側部分を積層体の右側部分上に貼り合せ、この状態で接着固定する。なお、スペーサ層５３上に接着剤を塗布することで、折り返された抵抗層をスペーサ層５３に対して接着固定すると良い。折返しによって生じるＵ字状の部分は、一般的な切削機器、ダイシング装置等を活用して除去しても良い。
【００６９】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、変形時に接触可能に対抗配置された一組の抵抗層５２、５４夫々の対向面を粗面とし、両者の接触時に摩擦が生じるようにする。これによって、スペーサ層に加えられるせん断力を緩和し、効果的に接触センサ５０の耐久性を高めることができる。
【００７０】
また、各抵抗層５２、５４に形成される粗面の最大深さをＲｚとし、抵抗層５２、５４間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことを効果的に抑制することができる。
【００７１】
更に、抵抗層５２の粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、抵抗層５４の粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足すると良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことをより確実に抑制することができる。
【００７２】
〔第２実施形態〕
以下、図１３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図１３は、接触センサの部分的な概略斜視図である。
【００７３】
第１実施形態では、抵抗層５２と抵抗層５４間に枠状のスペーサ層５３を配置する。本実施形態では、図１３に模式的に示すように、スペーサ層５３は、枠状部分（図１３では不図示）に加えて、枠状部分の枠内に粒状のスペーサ６１を分散配置する。このような場合であっても、スペーサ６１の配置密度を適宜調整することによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、スペーサ６１は、一般的な樹脂材料からなり任意の接着性を有する。また、スペーサ６１は、絶縁性を有する。
【００７４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。粗面の形成範囲は任意である。粗面の形成方法は任意である。粗面の具体的な態様は任意である。スペーサ層の具体的な構成は任意である。接触センサの具体的な積層構造は任意である。ベース層の直上にスペーサ層を形成しても良い。粒状スペーサのみでスペーサ層を構成しても良い。
【符号の説明】
【００７５】
５０ 接触センサ
５１ ベース層
５２ 抵抗層
５３ スペーサ層
５４ 抵抗層
５５ ベース層
３０ 窪み
３１ 突出部
３２ 窪み
３３ 突出部
４０ 電極層
４１ 電極層
４２ 電極層
４３ 電極層
６０ シリコンゴム層
６１ スペーサ
６３ 積層体
７０ 対象物
８０ ベース部
８１ 指部
８１ａ 指部
８２ 指部
８３ リンク
８４ リンク
８７ リンク
８８ リンク
３５ 半導体集積回路
１００ ロボット
９０ 頭部
９１ 胴部
９２ 腕部
９３ 腕部
９４ 脚部
９５ 脚部
９６ 足部
９７ 足部
９８ 把持部
９９ 把持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触検出装置及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットは、工場での製造補助に限らず、ヒトの介護支援等の様々な用途を見込んで開発されている。ロボットは所望の場所に固定されるものから、自律的に空間移動するものまで様々である。ロボットが固定型又は移動型であるか否かに関わりなく、ロボットに対して物体検出機能を具備させることが従前から行われている。例えば、ロボットにカメラを具備し、ソフト的なパターン認識処理を実行することで、製品ラインを流れる被加工部品が到着したことを検出することができる。
【０００３】
ロボットに対して物体検出機能を具備させる方法の１つとして、物理的な接触を検出するセンサ（以下、接触センサと呼ぶこともある）をロボットの外表面に設け、センサの出力に基づいて物体の接触の有無を検出する方法がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、高速で接触検出が可能な接触検出装置が開示され、また、これを具備するロボットが開示されている。特許文献１に開示の接触検出装置は、多数の開口を有する絶縁スペーサを介して、導電シートを対向配置させている。導電シート間の接触を電気的に検出して、接触検出装置への物理的な接触を検出している。
【０００５】
特許文献２には、ベース上に離散的に敷設された複数個の触覚センサを備えるロボットの外被が開示されている。同文献の段落００５７に記載されているように、触覚センサは、導電性ゴムを素材の１つとする。導電性ゴムは、荷重に応じて圧縮されると、内部の導電粉末の密度が変化して抵抗値が低下する。同文献の段落００６２に記載されているように、抵抗値に応じて変化する電流値を電圧の変化として検出することでワーク等との接触を検出する。
【０００６】
なお、特許文献３には、タッチパネルに組み込み可能なニュートンリング防止フィルムが開示されている。特許文献４にも、同様に、ニュートンリング防止抵抗膜型タッチパネルが開示されている。特許文献５には、液晶表示装置に組み込まれる透明座標入力装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０２７１９号公報
【特許文献２】特開２００７−１９６３７２号公報
【特許文献３】特開２００２−３７３０５６号公報
【特許文献４】特開平１１−２５０７６４号公報
【特許文献５】特開２００４−３６２４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ロボットに実装される接触センサでは、任意の方向から力が加わる場合がある。この場合、特に積層構造を有する接触センサでは、外部から加わる力に対して接触センサ自体が所望の耐久性を備えることが要求される。接触センサの耐久性を高めるためには、対向配置された一組の抵抗層の間にスペーサ層を配置すると良い。しかしながら、上述のように接触センサには任意の方向から力が加わる場合があるため、一組の抵抗層間へのスペーサ層の配置だけでは十分でない場合がある。例えば、接触センサから見て斜め上から斜め下方向へ力が加わるとき、許容外のせん断力が接触センサに加わるおそれがある。許容外のせん断力が接触センサの積層部に生じると、接触センサが故障し、結果的に、ロボットのセンシング系統が故障してしまう。
【０００９】
上述の説明から明らかなように、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を従来よりも高めることが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る接触検出装置は、ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、ベース層と、前記ベース層上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する第１抵抗層と、前記第１抵抗層上に積層されると共に、前記第１抵抗層の前記粗面に対応する粗面を有する第２抵抗層と、前記ベース層上に積層されると共に、前記第１及び第２抵抗層間に層間空間を形成するスペーサ層と、を備え、前記第１及び第２抵抗層間の間隔は、当該第１及び第２抵抗層の少なくとも一方の変形時、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間に摩擦が生じるように設定されている。この構成を採用することによって、効果的に接触検出装置の耐久性を高めることができる。
【００１１】
前記第１及び第２抵抗層夫々に形成された前記粗面は、平坦面に粗面化処理を施すことで形成される、と良い。これによれば、既存の製造プロセスを大きく変更することなく、簡易に粗面を形成することができる。
【００１２】
前記粗面の最大深さをＲｚとし、前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。
【００１３】
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとし、前記第１抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、前記第２抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足する、と良い。
【００１４】
前記スペーサ層は、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間が接触する接触領域を少なくとも部分的に囲む枠状体を含む、と良い。この構成を採用することで、任意の方向に生じるせん断力に対する強度を確保することができる。
【００１５】
前記スペーサ層は、前記第１及び第２抵抗層夫々に対して接着固定されている、と良い。この構成を採用することで、任意の方向に生じるせん断力に対する強度を高めることができる。
【００１６】
前記第１及び第２抵抗層は、上面視して多角形状であり、前記第１抵抗層では、その上辺及び下辺部分夫々に配線が接続されており、前記第２抵抗層では、その右辺及び左辺部分夫々に配線が接続されている、と良い。
【００１７】
前記ベース層、前記第１抵抗層、前記第２抵抗層、及び前記スペーサ層上に積層された弾性層を更に備える、と良い。
【００１８】
本発明に係るロボットは、上述のいずれかに記載の接触検出装置と、前記接触検出装置が表面に配置された把持部と、を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、外部から加えられる力に対する接触センサの耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるロボットの概略的な模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるロボットの把持部の概略的な模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの積層構造を示す概略的な模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの部分的な概略斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる接触センサに接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの動作条件を示す説明表である。
【図９】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１０】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第１実施形態にかかる抵抗層の構成を説明するための説明図である。
【図１２】本発明の第１実施形態にかかる接触センサの製造工程を示す概略工程図である。
【図１３】本発明の第２実施形態にかかる接触センサの部分的な概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。
【００２２】
〔第１実施形態〕
以下、図１乃至図１２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、ロボットの概略的な模式図である。図２乃至図４は、ロボットの把持部の概略的な模式図である。図５は、接触センサの積層構造を示す概略的な模式図である。図６は、接触センサの部分的な概略斜視図である。図７は、接触センサに接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。図８は、接触センサの動作条件を示す説明表である。図９乃至図１１は、抵抗層の構成を説明するための説明図である。図１２は、接触センサの製造工程を示す概略工程図である。
【００２３】
はじめに図１乃至図４を参照して第１実施形態に係るロボットについて説明する。
【００２４】
図１に示すように、ロボット１００は、頭部９０、胴部９１、腕部９２、腕部９３、把持部９８、把持部９９、脚部９４、脚部９５、足部９６、および足部９７を有する。
【００２５】
腕部９２、９３は、その基端部分で胴部９１に対して軸着している。腕部９２、９３は、その基端部分を回転中心として、ｙｚ平面で回動可能である。腕部９２、９３は、その中間部分に関節を有し、上腕部分と下腕部分とが揺動可能に構成される。各腕部９２、９３の先端部分には、把持部９８、９９が夫々設けられている。
【００２６】
脚部９４、９５は、その上端部分で胴部９１に対して接続している。脚部９４、９５は、その上端部分を回転中心として、ｙｚ平面で回動可能である。脚部９４、９５は、その中間部分に関節を有し、上脚部と下脚部とが揺動可能に構成されている。各脚部９４、９５の下端部分には、足部９６、９７が夫々設けられている。
【００２７】
頭部９０は、胴部９１に対して軸着しており、ｘｚ平面内で回転可能に構成される。
【００２８】
ロボット１００の筐体には、様々な電気／機械コンポーネントが内蔵される。例えば、ロボット１００の胴部９１には、各種センサ、マイコン、電源、モータ、及びリンク機構等の様々な電気／機械コンポーネントが内蔵される。例えば、ロボット１００は、マイコンで生成される指令に応じて、腕部９２を上方へ回転移動させ、上方に位置する物体を把持部９８で把持する。また、ロボット１００は、マイコンで生成される指令に応じて、脚部９４、９５を交互に前方へ押し出し、前方の所望の位置まで移動する。なお、上述のロボット１００の各動作は、モータで発生する駆動力が、ベルト、ギア等の機械要素を介在して、各部位の空間的変位に変換されることで実現される。なお、ロボット１００のタイプ並びに具体的な構造は任意である。
【００２９】
図２に図１の把持部９９の概略的な部分拡大模式図を示す。図２に示すように、把持部９９は、ベース部８０、指部８１、及び指部８２を有する。指部８１は、リンク８３、及びリンク８４を有する。指部８１は、ベース部８０とリンク８３間を関節として有し、かつリンク８３とリンク８４間を関節として有する。リンク８３は、ベース部８０間の関節を回転中心としてｘｙ平面内で揺動可能に構成される。リンク８４は、リンク８３間の関節を回転中心としてｘｙ平面内で揺動可能に構成される。指部８２は、リンク８７、及びリンク８８を有する。指部８２に関する説明は、指部８１に関する説明と同様である。ただし、リンク８３をリンク８７に読み替え、リンク８４をリンク８８に読み替えるものとする。
【００３０】
図３に示すように、把持部９９の把持面には、複数の接触センサ（接触検出装置）５０が装着される。なお、上述の指部８１は、２つの指部８１ａ、８１ｂから構成される。
【００３１】
各接触センサ５０は、ベース部及び各リンクに対応づけて配置されている。これによって、部位毎に外部から受ける力を適切に検出し、把持部９９の現状の把持状態を適切に評価することができる。なお、各部位に設ける接触センサの個数は任意である。
【００３２】
図４に示すように、把持部９９は、対象物７０を把持する。リンク８３、８４、８７、８８をｘｙ平面内にて変位させることで、把持部９９に対象物７０を把持させることができる。なお、把持部９９の具体的な構成は任意であり、多関節のリンク構造の採用の有無は任意である。
【００３３】
次に、接触センサ５０の構造及び動作について図５乃至図９を参照して説明する。図５は、接触センサ５０の積層構造を示す概略的な模式図である。図６は、接触センサ５０の部分的な概略斜視図である。図７は、接触センサ５０に接続される半導体集積回路を示す概略的な模式図である。図８は、接触センサ５０の動作条件を示す説明表である。図９乃至図１１は、抵抗層の構成を説明するための説明図である。なお、図５以降の図に示す座標系は、図１乃至４に示す座標系とは別個に定義されているものとする。
【００３４】
図５に示すように、接触センサ５０は、ロボット１００の実装面（上述の把持面）から離間する順に、ベース層５１、抵抗層５２、スペーサ層５３、抵抗層５４、ベース層５５、及びシリコンゴム層（弾性層）６０を有する。
【００３５】
把持対象物がシリコンゴム層６０に接触すると、シリコンゴム層６０が受けた力は最下層のベース層５１まで伝達する。この過程で、スペーサ層５３を介して対向配置された抵抗層５２、５４は、把持対象物の位置に応じた位置で互いに接触する。一組の抵抗層間の接触を電気的に検出することによって、把持対象物の接触、平面内での把持対象物の接触位置を検出することができる。また、算出処理の実行により、加えられた荷重も推定することもできる。
【００３６】
はじめに接触センサ５０の積層構造について説明する。
【００３７】
ベース層５１、５５は、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）等の樹脂から成り、可撓性を有する薄層体である。ベース層５１、５５は、通常の半導体プロセス技術（スピンコート等のコート法など）によって均一な層厚に形成されている。なお、ベース層５１、５５の製造方法は任意である。ベース層５１、５５は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な樹脂を採用して各ベース層を形成しても良い。
【００３８】
抵抗層５２、５４は、抵抗値が調整された導電層であり、例えば、導電性樹脂、ポリシリコン、銅、アルミニウム等の導電性材料からなる。抵抗層５２、５４は、通常の半導体プロセス技術（コート法、蒸着等）によってベース層の下面又は上面に均一な厚みで形成されている。後述の説明から明らかなように、抵抗層５２の上面には粗面が形成され、抵抗層５４の下面には粗面が形成されている。なお、抵抗層５２、５４の製造方法は任意である。抵抗層５２、５４は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な導電性材料を採用して各抵抗層を形成しても良い。
【００３９】
スペーサ層５３は、対向配置された抵抗層５２、５４間に設けられる。各抵抗層５２、５４は、スペーサ層５３を介して互いに固着される。スペーサ層５３は、一般的な樹脂材料からなり任意の接着性を有する。また、スペーサ層５３は、絶縁性を有する。スペーサ層５３の上面視形状は枠状である。スペーサ層５３は、抵抗層５２の粗面を囲むように形成されている。同様に、スペーサ層５３は、抵抗層５４の粗面を囲むように形成されている。
【００４０】
スペーサ層５３は、通常の半導体プロセス技術（薄膜形成、フォトリソグラフィー等）を活用して製造される。スペーサ層５３を枠状とすることで、抵抗層５２、５４間の接触空間を確保しつつ、スペーサ層５３の機械的強度を効果的に高めることができる。なお、スペーサ層５３は透明性を有する必要がないため、可視光に対して不透明な樹脂材料を採用して各スペーサ層を形成しても良い。熱硬化性、紫外線硬化性等の接着剤によって、スペーサ層５３を抵抗層５２、５４に対して強固に固着させても良い。
【００４１】
シリコンゴム層６０は、シリコンゴムからなる弾性層である。シリコンゴム層６０は、通常の貼り合せ技術（接着等）を活用して、積層体６３（ベース層５１、抵抗層５２、スペーサ層５３、抵抗層５４、及びベース層５５からなる積層体）上に貼り合わされる。シリコンゴム層６０によって外部から加わる力が所定範囲で分散されるため、局所的に強い力が積層体６３に対して加えられて積層体６３が破損することを効果的に抑制することができる。なお、シリコンゴム以外の材料（可視光に対して不透明な弾性材料等）を採用しても良い。
【００４２】
図５に模式的に示すように、抵抗層５２の上面には粗面が形成されている。具体的には、抵抗層５２の上面には、複数の窪み３２が連続して形成されている。換言すると、抵抗層５２の上面には、複数の突出部３３が連続して形成されている。
【００４３】
また、抵抗層５２と同様に、抵抗層５４の下面にも粗面が形成されている。具体的には、抵抗層５４の下面には、複数の窪み３０が連続して形成されている。換言すると、抵抗層５４の上面には、複数の突出部３１が連続して形成されている。
【００４４】
また、抵抗層５２と抵抗層５４間の間隔は、外部から接触センサ５０に対して力が加えられたとき、抵抗層５２と抵抗層５４とが互いに接触し、両者の間に摩擦が生じるように設定されている。
【００４５】
一組の抵抗層５２、５４が互いに接触するとき、両者の間に生じる摩擦力によって、スペーサ層５３に対して加えられるせん断力が緩和される。ロボットに対する接触を検出する接触センサ５０では、接触センサ５０から見て斜め上から斜め下方向へ力が加えられ、許容外のせん断力が接触センサに加わるおそれがある。許容外のせん断力が接触センサ５０の積層部に生じると、接触センサ５０が故障し、結果的に、ロボットのセンシング系統が故障してしまう。
【００４６】
本実施形態では、変形時に接触可能に対抗配置された一組の抵抗層５２、５４夫々の対向面を粗面とし、両者の接触時に摩擦が生じるようにする。これによって、スペーサ層に加えられるせん断力を緩和し、効果的に接触センサ５０の耐久性を高めることができる。なお、図９乃至図１１を参照して、抵抗層の構成について詳細に後述する。なお、粗面に関する指標は、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１を参照するものとする。
【００４７】
なお、接触センサ５０の製造方法は任意である。上述のように、半導体プロセス技術を活用して製造しても良いし、他の方法によって製造しても良い。また、上述の粗面の具体的な製造方法は任意である。抵抗層が有する平坦面に対してサンドペーパーをこすり付けることによって、上述の粗面を形成しても良い。抵抗層が形成されるベース層の表面上に凹凸を形成することによって、上述の粗面を形成しても良い。
【００４８】
次に、図６乃至図８を参照して、接触センサ５０の接触検出の仕組みについて説明する。
【００４９】
図６に示すように、抵抗層５２の左辺側には電極層４０が形成されており、抵抗層５２の右辺側には電極層４１が形成されている。なお、電極層４０、４１は、抵抗層５２に対してオーミック接触しているものとする。電極層４０、４１は、良好な導電性を有する金属で形成すると良い。電極層４０には配線Ｌ３が半田付けされている。同様に、電極層４１には配線Ｌ４が半田付けされている。
【００５０】
抵抗層５４の下辺側には電極層４２が形成されており、抵抗層５２の上辺側には電極層４３が形成されている。なお、電極層４２、４３は、抵抗層５４に対してオーミック接触しているものとする。電極層４２、４３は、良好な導電性を有する金属で形成すると良い。電極層４３には配線Ｌ１が半田付けされている。同様に、電極層４２には配線Ｌ２が半田付けされている。
【００５１】
図７に示すように、上述の各配線Ｌ１〜Ｌ４は、半導体集積回路３５に接続される。半導体集積回路３５には、電源電位ＶＤＤ及び接地電位ＧＮＤが供給される。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ１、Ｌ３に電源電位を供給する。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ２、Ｌ４を接地電位に接続する。半導体集積回路３５は、スイッチング制御に基づいて、配線Ｌ１〜Ｌ４を自身が具備する電圧検出回路に接続する。ただし、半導体集積回路３５の具体的な回路構成は任意である。例えば、市販のタッチスクリーン用の半導体集積回路を採用すれば良い。このような市販の半導体集積回路では、ＭＯＳスイッチによって上述のスイッチング制御を実現し、マルチプレクサによって電圧検出回路への入力を選択する。また、そのような市販の半導体集積回路内には、スイッチングを制御するコントローラも組み込まれる。
【００５２】
図８を参照して、接触センサ５０の動作状態について説明する。
【００５３】
半導体集積回路３５が第１状態のとき、配線Ｌ１を高電位側とし配線Ｌ２を低電位側として電圧が印加される。これに応じて、抵抗層５４には上辺側から下辺側へ電圧が印加される。この状態のとき、抵抗層５４が抵抗層５２に接触すると、抵抗層５４と抵抗層５２間の接触位置に応じた値の電圧が配線Ｌ３、Ｌ４を介して半導体集積回路３５に入力する。半導体集積回路３５は、入力した電圧値をデジタル変換し、生成したデジタル値を接触位置を示す位置データとしてマイコンへ出力する。このようにして、接触センサ５０の検出エリア内におけるｘ軸上の把持対象物の接触位置（ｘ座標）が検出される。
【００５４】
半導体集積回路３５が第２状態のとき、配線Ｌ３を高電位側とし配線Ｌ４を低電位側として電圧が印加される。これに応じて、抵抗層５２には左辺側から右辺側へ電圧が印加される。この状態のとき、抵抗層５４が抵抗層５２に接触すると、抵抗層５４と抵抗層５２間の接触位置に応じた値の電圧が配線Ｌ１、Ｌ２を介して半導体集積回路３５に入力する。半導体集積回路３５は、入力した電圧値をデジタル変換し、生成したデジタル値を接触位置を示す位置データとしてマイコンへ出力する。このようにして、接触センサ５０の検出エリア内におけるｚ軸上の把持対象物の接触位置（ｚ座標）が検出される。
【００５５】
半導体集積回路３５に上述の動作モードを時分割して実行させると、接触センサ５０の検出エリア（ｘｚ平面）内での把持対象物の接触座標（ｘ、ｚ）を取得することができる。このように把持対象物の接触位置を座標情報として取得することによって、把持部９９をより高精度に制御することが可能になる。把持部９９の制御性の向上によって、例えば、壊れやすい物、滑りやすい物などを好適に把持することが可能になる。
【００５６】
接触した把持対象物から受ける荷重を算出しても良い。これによって、把持部９９をより高精度に制御することが可能になる。
【００５７】
半導体集積回路３５が第１状態のとき、上述のようにｘ軸上の接触位置（ｘ座標）を取得することができる。抵抗層５２の電位をＺ１とし、抵抗層５４の電位をＺ２とし、抵抗層５２の抵抗値をＲとしたとき、接触抵抗値ＣＲを次式（１）により算出することができる。
【００５８】
ＣＲ＝Ｒ＊（ｘ座標値／４０９５）＊（（Ｚ２／Ｚ１）−１）・・・（１）
【００５９】
接触抵抗値ＣＲから、接触の有無を判定すると共に、把持対象物から受けた荷重を任意の演算式によって算出することができる。
【００６０】
図６に示すように各配線を各抵抗層に接続することによって、ｘｚ平面内での接触位置の座標情報を取得することができる。２次元的な接触位置情報を取得することによって、把持部９９の把持状態をより正確に評価し、把持部９９をより適切な状態へフィードバック制御することができる。
【００６１】
次に、図９乃至図１１を参照して、抵抗層の構成について説明する。
【００６２】
図９に示すように、各抵抗層５２、５４に形成される粗面の最大深さをＲｚとし、抵抗層５２、５４間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことを効果的に抑制することができる。なお、図１０に示すように、抵抗層５２と抵抗層５４間の間隔Ｌは、抵抗層５２と抵抗層５４間の平面内での平均的な間隔に相当する。
【００６３】
また、各突出部の傾斜角θ（図９参照）を大きく設定すると良い。好適には、傾斜角θを４５度〜９０度に設定すると良い。より好適には、傾斜角θを６０度〜９０度に設定すると良い。これによって、接触時、抵抗層５２、５４間が確実に噛み合う状態とし、抵抗層５２、５４間に生じる摩擦力を効果的に高め、せん断力に対する接触センサ５０の耐性を効果的に高めることができる。
【００６４】
また、図１１に模式的に示すように、抵抗層５２の粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、抵抗層５４の粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足すると良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことをより確実に抑制することができる。抵抗層５２と抵抗層５４間の平面内での平均的な間隔が十分であっても、局所的に抵抗層５２と抵抗層５４とが接触してしまう場合がある。上記条件を満足することによって、このような場合にも対処することが可能になる。なお、粗面の粗さの標準偏差は、二乗平均平方根高さと呼ばれることもある。
【００６５】
最後に図１２を参照して、接触センサ５０の製造工程について補足的に説明する。
【００６６】
まず、図１２（ａ）に示すように、ベース層５１上に抵抗層５２を通常の薄膜形成技術によって形成し、抵抗層５２の上面に対して粗面化処理を施す。抵抗層５２の形成方法は任意である。抵抗層５２の材質に応じて、スピンコート、蒸着等を活用すれば良い。粗面化処理の具体的な方法は任意である。例えば、サンドペーパー等の粗面化手段を活用すると良い。ただし、マスク、エッチング等の一般的な半導体プロセス技術を活用しても良い。
【００６７】
次に、図１２（ｂ）に示すように、スペーサ層５３を抵抗層５２上に形成する。スペーサ層５３は、例えば、一般的な印刷方法によって形成すると良い。
【００６８】
次に、図１２（ｃ）に示すように、積層体の左側部分を積層体の右側部分上に貼り合せ、この状態で接着固定する。なお、スペーサ層５３上に接着剤を塗布することで、折り返された抵抗層をスペーサ層５３に対して接着固定すると良い。折返しによって生じるＵ字状の部分は、一般的な切削機器、ダイシング装置等を活用して除去しても良い。
【００６９】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、変形時に接触可能に対抗配置された一組の抵抗層５２、５４夫々の対向面を粗面とし、両者の接触時に摩擦が生じるようにする。これによって、スペーサ層に加えられるせん断力を緩和し、効果的に接触センサ５０の耐久性を高めることができる。
【００７０】
また、各抵抗層５２、５４に形成される粗面の最大深さをＲｚとし、抵抗層５２、５４間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、Ｒｚ<Ｌ／２を満足する、と良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことを効果的に抑制することができる。
【００７１】
更に、抵抗層５２の粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、抵抗層５４の粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、Ｌ>３×σ１＋３×σ２を満足すると良い。この条件を満足することによって、接触センサ５０に対して外部から力が加えられていない状態のとき、抵抗層５２、５４同士が互いに接触し、接触を誤検出してしまうことをより確実に抑制することができる。
【００７２】
〔第２実施形態〕
以下、図１３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図１３は、接触センサの部分的な概略斜視図である。
【００７３】
第１実施形態では、抵抗層５２と抵抗層５４間に枠状のスペーサ層５３を配置する。本実施形態では、図１３に模式的に示すように、スペーサ層５３は、枠状部分（図１３では不図示）に加えて、枠状部分の枠内に粒状のスペーサ６１を分散配置する。このような場合であっても、スペーサ６１の配置密度を適宜調整することによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、スペーサ６１は、一般的な樹脂材料からなり任意の接着性を有する。また、スペーサ６１は、絶縁性を有する。
【００７４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。粗面の形成範囲は任意である。粗面の形成方法は任意である。粗面の具体的な態様は任意である。スペーサ層の具体的な構成は任意である。接触センサの具体的な積層構造は任意である。ベース層の直上にスペーサ層を形成しても良い。粒状スペーサのみでスペーサ層を構成しても良い。
【符号の説明】
【００７５】
５０ 接触センサ
５１ ベース層
５２ 抵抗層
５３ スペーサ層
５４ 抵抗層
５５ ベース層
３０ 窪み
３１ 突出部
３２ 窪み
３３ 突出部
４０ 電極層
４１ 電極層
４２ 電極層
４３ 電極層
６０ シリコンゴム層
６１ スペーサ
６３ 積層体
７０ 対象物
８０ ベース部
８１ 指部
８１ａ 指部
８２ 指部
８３ リンク
８４ リンク
８７ リンク
８８ リンク
３５ 半導体集積回路
１００ ロボット
９０ 頭部
９１ 胴部
９２ 腕部
９３ 腕部
９４ 脚部
９５ 脚部
９６ 足部
９７ 足部
９８ 把持部
９９ 把持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、
ベース層と、
前記ベース層上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する第１抵抗層と、
前記第１抵抗層上に積層されると共に、前記第１抵抗層の前記粗面に対応する粗面を有する第２抵抗層と、
前記ベース層上に積層されると共に、前記第１及び第２抵抗層間に層間空間を形成するスペーサ層と、を備え、
前記第１及び第２抵抗層間の間隔は、当該第１及び第２抵抗層の少なくとも一方の変形時、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間に摩擦が生じるように設定されている、接触検出装置。
【請求項２】
前記第１及び第２抵抗層夫々に形成された前記粗面は、平坦面に粗面化処理を施すことで形成されることを特徴とする請求項１に記載の接触検出装置。
【請求項３】
前記粗面の最大深さをＲｚとし、
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、
Ｒｚ<Ｌ／２
を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の接触検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとし、
前記第１抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、
前記第２抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、
Ｌ>３×σ１＋３×σ２
を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項５】
前記スペーサ層は、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間が接触する接触領域を少なくとも部分的に囲む枠状体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項６】
前記スペーサ層は、前記第１及び第２抵抗層夫々に対して接着固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項７】
前記第１及び第２抵抗層は、上面視して多角形状であり、
前記第１抵抗層では、その上辺及び下辺部分夫々に配線が接続されており、
前記第２抵抗層では、その右辺及び左辺部分夫々に配線が接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項８】
前記ベース層、前記第１抵抗層、前記第２抵抗層、及び前記スペーサ層上に積層された弾性層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の接触検出装置と、
前記接触検出装置が表面に配置された把持部と、
を備えるロボット。
【請求項１】
ロボットに対する物体の接触を検出する接触検出装置であって、
ベース層と、
前記ベース層上に積層されると共に、少なくとも部分的に粗面を有する第１抵抗層と、
前記第１抵抗層上に積層されると共に、前記第１抵抗層の前記粗面に対応する粗面を有する第２抵抗層と、
前記ベース層上に積層されると共に、前記第１及び第２抵抗層間に層間空間を形成するスペーサ層と、を備え、
前記第１及び第２抵抗層間の間隔は、当該第１及び第２抵抗層の少なくとも一方の変形時、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間に摩擦が生じるように設定されている、接触検出装置。
【請求項２】
前記第１及び第２抵抗層夫々に形成された前記粗面は、平坦面に粗面化処理を施すことで形成されることを特徴とする請求項１に記載の接触検出装置。
【請求項３】
前記粗面の最大深さをＲｚとし、
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとしたとき、
Ｒｚ<Ｌ／２
を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の接触検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２抵抗層間の平面内の平均的な面間隔をＬとし、
前記第１抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ１とし、
前記第２抵抗層の前記粗面の粗さの標準偏差をσ２としたとき、
Ｌ>３×σ１＋３×σ２
を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項５】
前記スペーサ層は、前記第１抵抗層の前記粗面と前記第２抵抗層の前記粗面間が接触する接触領域を少なくとも部分的に囲む枠状体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項６】
前記スペーサ層は、前記第１及び第２抵抗層夫々に対して接着固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項７】
前記第１及び第２抵抗層は、上面視して多角形状であり、
前記第１抵抗層では、その上辺及び下辺部分夫々に配線が接続されており、
前記第２抵抗層では、その右辺及び左辺部分夫々に配線が接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項８】
前記ベース層、前記第１抵抗層、前記第２抵抗層、及び前記スペーサ層上に積層された弾性層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の接触検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の接触検出装置と、
前記接触検出装置が表面に配置された把持部と、
を備えるロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−７６５４（Ｐ２０１１−７６５４Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５１９７４（Ｐ２００９−１５１９７４）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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