触覚センサ
【課題】外力を測定することができる触覚センサを提供する。
【解決手段】風速等の外力を測定するための触覚センサであって、第１導電部材１１と、第１導電部材１１と所定の間隔で配置された第２導電部材１２と、第１導電部材１１を内部に備えた弾性部材１３と、弾性部材１３に設けられ、外力を受ける触覚部材１４と、外力を検知するための検知部とを有する。弾性部材１３は、触覚部材１４が受けた外力によって変形し、これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づいて外力を検知する。
【解決手段】風速等の外力を測定するための触覚センサであって、第１導電部材１１と、第１導電部材１１と所定の間隔で配置された第２導電部材１２と、第１導電部材１１を内部に備えた弾性部材１３と、弾性部材１３に設けられ、外力を受ける触覚部材１４と、外力を検知するための検知部とを有する。弾性部材１３は、触覚部材１４が受けた外力によって変形し、これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づいて外力を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサに関し、特に、風力等の外力を検知し、風速又は風圧等の外力を測定するための触覚センサに関する。さらに、本発明は、風向等、外力の方向を検知することのできる触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の触覚センサとして、例えば、特許文献１に記載されたものがある。図１０は、従来の触覚センサの断面図である。
【０００３】
図１０に示すように、従来の触覚センサ１００は、圧電フィルム等の圧電素子１０１と一定周波数を発振する振動子１０２とが絶縁部材１０３を介して一体的に接合されている。圧電素子１０１と振動子１０２は、それぞれ一対の電極で挟まれている。
【０００４】
従来の触覚センサ１００は、外力が加えられると、外力に応じた振動子１０２の振動が圧電素子１０１に伝達され、信号波形の変化となって検出される。この場合、圧覚として垂直方向の外力が加えられた場合は、信号波形の振幅が変化する。一方、すべり覚として水平方向の外力が加えられた場合は、信号波形の周波数が変化する。また、両方の外力が加えられた場合は、信号波形は振幅も周波数も変化する。
【０００５】
このように従来の触覚センサ１００によれば、圧覚及びすべり覚を同時に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の触覚センサ１００は、圧電素子１０１を用いたものであり、高感度化には限界がある。すなわち、圧電素子によって外力を検知するためには、比較的に大きい外力が要求される。
【０００８】
このように、従来の触覚センサ１００は、比較的に大きい外力に対しては外力を検知することができるものの、風力等の比較的に小さい外力を検知することが難しく、また、その外力の値を測定することも難しいという問題がある。
【０００９】
また、従来の触覚センサは、外力の方向を検知することができないという問題もある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、風力等の比較的に小さい外力であっても外力を検知することができる触覚センサを提供することを目的とする。また、本発明は、外力の方向を検知することができる触覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明に係る触覚センサの一態様は、第１導電部材と、前記第１導電部材と所定の間隔で配置された第２導電部材と、前記第１導電部材を内部に備えた弾性部材と、前記弾性部材に設けられ、外力を受けるための触覚部材と、前記外力を検知するための検知部とを有し、前記第１導電部材は、前記触覚部材が受けた前記外力による前記弾性部材の変形によって前記第２導電部材に対する位置が変位し、前記検知部は、前記第１導電部材の位置の変位によって変化した、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間の静電容量に基づいて前記外力を検知するものである。
【００１１】
このように、触覚部材が受けた外力によって弾性部材が変形することにより、弾性部材内部における第１導電部材と第２導電部材の相対的位置関係が変化する。これにより、第１導電部材と第２導電部材との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて外力を検知することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記検知部は、容量周波数変換部と、容量算出部及び外力情報算出部を有する演算部とを有し、前記容量周波数変換部は、前記第１導電部材と前記第２導電部材の間における前記静電容量に依存した所定の周波数信号を生成し、前記容量算出部は、前記容量周波数変換部によって生成された前記周波数信号に基づいて、前記静電容量の値を算出し、前記外力情報算出部は、前記容量算出部によって算出された前記静電容量の値に基づいて、前記外力に関する情報の値を算出することが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記容量周波数変換部は、前記静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、基準となる発振周波数である基準発振周波数の信号を出力する基準発振器とを備え、当該容量周波数変換部によって生成される前記周波数信号は、前記発振器から出力された信号の発振周波数と、前記基準発振器から出力された信号の基準発振周波数との差に相当する周波数の信号であることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記弾性部材のヤング率が、１ＭＰａ〜１００ＭＰａであることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記第２導電部材は、少なくとも、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極及び接地電極で構成されており、前記第１電極と前記第２電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置され、前記第３電極と前記第４電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置されていることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記第１導電部材は、金属粉で構成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記触覚部材は、線状部材で構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る触覚センサによれば、風力等の外力を検知し、風速又は風圧等の外力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおいて、第２導電部材を構成する電極の平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データを示したものである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの動作を示す図である。
【図９Ａ】本発明の変形例に係る触覚センサの外観図である。
【図９Ｂ】本発明の変形例に係る触覚センサの部分拡大図である。
【図１０】従来の触覚センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る触覚センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサについて、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、人工触覚センサであって、第１導電部材１１、第２導電部材１２、弾性部材１３及び触覚部材１４で構成される容量検出部１０を有する。また、本実施形態に係る触覚センサ１は、後述する容量周波数変換部２０及び演算部３０を有する検知部１５を備える。
【００２３】
第１導電部材１１は、矩形状の金属電極で構成されており、弾性部材１３の内部に埋め込まれている。第１導電部材１１は、弾性部材１３内部に固定されているが、弾性部材１３の変形に伴って、その位置が変位する。
【００２４】
本実施形態では、第１導電部材１１として金箔を用いた。なお、第１導電部材１１の材料としては、その他、金属粉などの導電性塗料を用いることができる。また、第１導電部材１１の形状としては、金箔のような薄膜状のものに限らず、金属板等の板状体で構成しても構わない。
【００２５】
第２導電部材１２は、第１導電部材１１と所定の間隔で離間して配置されており、検知部１５上に固定電極として形成されている。第２導電部材１２上には、弾性部材１３が設けられている。第２導電部材１２は、弾性部材１３が変形しても基本的にはその位置は変位しない。
【００２６】
第１導電部材１１と第２導電部材１２とは、その間に存在する弾性部材１３を誘電体として、コンデンサを形成しており、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間には所定の静電容量が存在する。
【００２７】
なお、本実施形態では、第２導電部材１２の材料としては、アルミニウムを用いた。また、本実施形態では、第１導電部材１１と第２導電部材１２とは平行配置されており、第１導電部材１１と第２導電部材１２との距離は０．５ｍｍとした。
【００２８】
弾性部材１３は、円柱体で構成されており、その内部に第１導電部材１１を備える。弾性部材１３内部の第１導電部材１１は、弾性部材１３のほぼ中央に、その主面が弾性部材１３の底面と略平行となるように配置されている。また、弾性部材１３の底面には、第２導電部材１２が設けられている。
【００２９】
弾性部材１３は、低ヤング率の材料で構成されており、本実施形態では、ヤング率が２．０ＭＰａのシリコーンゴムを用いた。本実施形態において、弾性部材１３の材料としては、ヤング率が１ＭＰａ〜１００ＭＰａである低ヤング率の材料を用いることが好ましい。弾性部材１３の材料として、このような低ヤング率の材料を用いることにより、触覚部材１４が受けた外力が比較的に小さいものであっても、触覚部材１４から伝達された当該外力によって、外力を検知できるだけの弾性部材１３の変形を得ることができる。
【００３０】
なお、弾性部材１３の形状としては円柱体に限らず、半球体、直方体又は立方体、その他製造しやすい形体を適宜採用することができる。
【００３１】
触覚部材１４は、薄円板状のベース１４ａと、当該ベース中央に立設された線状の触覚毛１４ｂとによって構成されており、弾性部材１３の上面に設けられている。ベース１４ａと触覚毛１４ｂは、剛性材料で構成されており、本実施形態では、黒鉛を用いた。触覚毛１４ｂは、外力（外部から作用する力）を直接受けるためのものである。触覚毛１４ｂが外力を受けることによって、当該外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。
【００３２】
なお、本実施形態では、ベース１４ａを介して触覚毛１４ｂを設けたが、ベース１４ａを用いずに触覚毛１４ｂを直接弾性部材１３に設けるように構成しても構わない。
【００３３】
検知部１５は、所定の回路素子を備える集積回路である。上述のとおり、検知部１５上には第２導電部材１２が設けられている。なお、本実施形態においては、集積回路として２．５ｍｍ角のＬＳＩチップを用いた。
【００３４】
次に、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理を示す図である。
【００３５】
図２に示すように、触覚毛１４ｂによって風力等の外力を受けると、外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。そして、弾性部材１３の変形に伴って、弾性部材１３の内部に埋め込まれた第１導電部材１１の位置が変位する。
【００３６】
これにより、第２導電部材１２に対する第１導電部材１１の位置が変位する。すなわち、第１導電部材１１と第２導電部材１２の相対的位置関係が変化する。これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知部１５によって検出することにより、外力を検知することができる。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサによって外力を測定するための方法について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【００３８】
図３に示すように、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、容量検出部１０、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備える。
【００３９】
容量検出部１０は、図１に示す構成要素からなり、この容量検出部１０によって、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が検出される。
【００４０】
容量周波数変換部２０は、第１導電部材１１と第２導電部材１２の間の静電容量に依存した所定の周波数信号を生成する機能を有し、図３に示すように、第１発振器２１、基準発振器２２、ミキサ２３、フィルタ２４及びカウンタ２５で構成されている。
【００４１】
第１発振器２１は、第２導電部材１２に接続されており、容量検出部１０によって検出された静電容量に応じた発振周波数である第１発振周波数ｆ1の信号を出力する。静電容量が変化すると第１発振周波数ｆ1も変化する。なお、本実施形態では、第１発振器２１として、リングオシレータを用いた。
【００４２】
基準発振器２２は、基準となる一定の発振周波数（固定周波数）である基準発振周波数ｆrefの信号を出力する。なお、本実施形態では、基準発振器２２として、リングオシレータを用いた。
【００４３】
ミキサ２３は、第１発振器２１から第１発振周波数ｆ1で発振された信号と、基準発振器２２から基準発振周波数ｆrefで発振された信号とが入力されることにより、乗算処理を施し、ｆ1、ｆref、ｆ1−ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの周波数の信号を出力する。
【００４４】
フィルタ２４は、高周波の信号成分を除去するＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）である。フィルタ２４は、ミキサ２３からの信号に対して、ｆ1、ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの信号を除去して、第１発振周波数ｆ1と基準発振周波数ｆrefとの差分の周波数であるｆ1−ｆrefの信号のみを出力する。
【００４５】
カウンタ２５は、フィルタ２４からの周波数ｆ1−ｆrefの信号に対して、周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値、すなわち、単位時間当たりの周波数ｆ1−ｆrefを十進数で算出した周波数信号、を生成する周波数カウンタである。算出した周波数信号は演算部３０に出力される。
【００４６】
また、演算部３０は、図３に示すように、容量算出部３１、外力情報算出部３２及びメモリ３３を備える。
【００４７】
容量算出部３１は、カウンタ２５によって生成された周波数信号を入力し、当該周波数信号に基づいて静電容量の値を算出する。この静電容量の値は、第１導電部材１１と第２導電部材１２との相対位置関係の変化に伴って変化した静電容量の変化値（ΔＣ）である。算出した静電容量の値は、外力情報算出部３２に出力される。
【００４８】
外力情報算出部３２は、容量算出部３１によって算出された静電容量の値に基づいて、外力に関する情報である外力情報の値を算出する。外力情報とは、例えば、外力が風力の場合は、風圧又は風速等がある。外力情報の値の算出は、実測して算出した静電容量に対して、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データを参照することによって行うことができる。
【００４９】
例えば、算出したい外力情報が風速の場合、風速と静電容量の変化値（増減値）との相関データを予め作成しておき、当該相関データと実測して算出された静電容量の変化値とによって実測の風速を算出することができる。当該既知の相関データはメモリ３３に記憶されている。
【００５０】
なお、本実施形態において、容量周波数変換部２０と演算部３０は、ＬＳＩチップで構成される検知部１５に備えられる。容量周波数変換部２０と演算部３０の各構成要素は、ＬＳＩチップ内の所定の回路素子で構成されている。ＬＳＩチップには、その他必要な周辺回路が設けられている。
【００５１】
次に、本実施形態に係る触覚センサの製造方法について説明する。
まず、シリコーンゴム等の材料を用いて薄膜を形成する。薄膜は、材料を溶媒に溶かして、薄く延ばして乾燥させることによって作製することができる。
【００５２】
次に、この薄膜上に第１導電部材１１として金箔を載置する。そして、その上に、同じシリコーンゴム等の薄膜を載置して、両薄膜を溶着させる。これにより、第１導電部材１１が埋め込まれた弾性部材１３を形成することができる。
【００５３】
その後、その弾性部材１３の上に、針金等で構成された触覚毛を傾かないようにして固着させる。
【００５４】
次に、容量周波数変換部２０及び演算部３０の機能を備えるとともに上面に第２導電部材１２が形成されたＬＳＩチップを予め準備しておき、このＬＳＩチップの第２導電部材１２に第１導電部材１１が対向するようにして、第１導電部材１１と触覚部材１４が設けられた弾性部材１３をＬＳＩチップに実装する。
【００５５】
これにより、本実施形態に係る触覚センサを製造することができる。
以上、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、容量検出部１０に加えて、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備えることにより、単に外力を検知するだけではなく、外力情報の値を算出することができる圧力センサとして利用することができる。しかも、本実施形態では、静電容量の変化を検出する方法として周波数を用いている。これにより、信号の伝送中にエラーが発生することが少なくなるので、測定精度が高い圧力センサを実現することができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサについて、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。なお、図４において、図１における本発明の第１の実施形態に係る構成と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略している。
【００５７】
図４において、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２が、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサと異なる点は、第２導電部材１２の構成である。
【００５８】
本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２は、外力の方向を検知することができる触覚センサであって、図４に示すように、検知部１５の集積回路表面に配置される第２導電部材１２が、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ、第４電極１２ｄ及び接地電極１２ＧＮＤで構成されている。なお、図４に示すように、第２導電部材１２が形成される電極領域全体の面積は、第１導電部材１１の面積よりも小さいことが好ましい。
【００５９】
この第２導電部材１２の電極構成について、図５を用いて詳述する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける第２導電部材の電極領域の平面図である。
【００６０】
図５に示すように、本実施形態に係る第２導電部材１２は、点線で示される正方形の電極領域において、接地電極１２ＧＮＤを中心として、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄが点対称に配置されたものである。
【００６１】
接地電極１２ＧＮＤは、第１導電部材１１が電気的に浮かないようにするために、集積回路のグランド配線に接続されており、接地電位となっている。
【００６２】
第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄは、接地電極１２ＧＮＤの周辺に配置されている。第１電極１２ａと第２電極１２ｂとは、図面左右方向において、接地電極１２ＧＮＤを挟んで対向配置されている。第３電極１２ｃと第４電極１２ｄとは、図面上下方向において、接地電極１２ＧＮＤを挟んで対向配置されている。第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、その内側辺が接地電極１２ＧＮＤの外形に沿うように形成されている。
【００６３】
なお、本実施形態では、各電極間の隙間が、３００μｍとなるように構成した。以上、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの各電極は、それぞれ集積回路内の発振器に接続されている。
【００６４】
このように、本実施形態では、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、接地電極１２ＧＮＤを中心として、直交する２直線が指し示す４方向に配置されている。すなわち、第１電極１２ａの中心と第２電極１２ｂの中心を結ぶ直線は、第３電極１２ｃの中心と第４電極１２ｄの中心とを結ぶ直線と直交し、その交点が接地電極１２ＧＮＤの中心を通るように構成されている。
【００６５】
なお、センサの感度を向上させるために、接地電極１２ＧＮＤと第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの面積比率は、発振器から見たときの静電容量の変化量が最大となるように設定することが好ましい。すなわち、発振器の周波数変化が最も大きくなるように設定することが好ましい。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２の全体構成について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。なお、図６において、図３における本発明の第１の実施形態に係る構成と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略している。
【００６７】
図６に示すように、本実施形態に係る触覚センサ２は、容量検出部１０、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備える。
【００６８】
容量検出部１０は、図５に示す構成要素からなり、この容量検出部１０によって、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が検出される。本実施形態では、第２導電部材１２における第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、それぞれ発振器に接続されている。従って、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの各電極と第１導電部材１１との間の静電容量は、それぞれ独立して検出することができる。
【００６９】
容量周波数変換部２０は、第２導電部材１２の各電極に対する静電容量に依存する所定の周波数信号を生成する機能を有し、図６に示すように、第１発振器２１ａ、第２発振器２１ｂ、第３発振器２１ｃ及び第４発振器２１ｄの４つの発振器と、１つの基準発振器２２とを備える。
【００７０】
また、容量周波数変換部２０は、４つの発振器それぞれに接続される第１ミキサ２３ａ、第２ミキサ２３ｂ、第３ミキサ２３ｃ及び第４ミキサ２３ｄを備え、さらに、フィルタ２４及びカウンタ２５を備える。
【００７１】
第１発振器２１ａは、第１電極１２ａに接続されており、第１の実施形態と同様にして、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の静電容量に応じた発振周波数である第１発振周波数ｆ1の信号を発振し出力する。
【００７２】
第２発振器２１ｂは、第２電極１２ｂに接続されており、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の静電容量に応じた発振周波数である第２発振周波数ｆ2の信号を出力する。
【００７３】
第３発振器２１ｃは、第３電極１２ｃに接続されており、第１導電部材１１と第３電極１２ｃとの間の静電容量に応じた発振周波数である第３発振周波数ｆ3の信号を出力する。
【００７４】
第４発振器２１ｄは、第４電極１２ｄに接続されており、第１導電部材１１と第４電極１２ｄとの間の静電容量に応じた発振周波数である第４発振周波数ｆ4の信号を出力する。
【００７５】
基準発振器２２は、第１の実施形態と同様に、基準となる一定の発振周波数（固定周波数）である基準発振周波数ｆrefの信号を発振し出力する。
【００７６】
なお、本実施形態では、以上の第１発振器２１ａ〜第４発振器２１ｄ及び基準発振器２２として、リングオシレータを用いた。
【００７７】
第１ミキサ２３ａは、第１発振器２１ａから第１発振周波数ｆ1で発振された信号と、基準発振器２２から基準発振周波数ｆrefで発振された信号とが入力される。これにより、乗算処理を施して、ｆ1、ｆref、ｆ1−ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの周波数の信号を出力する。
【００７８】
同様に、第２ミキサ２３ｂ、第３ミキサ２３ｃ及び第４ミキサ２３ｄは、それぞれ、周波数ｆ2〜ｆ4の信号と基準発振周波数ｆrefの信号とについて乗算処理を施し、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref、ｆ4−ｆref等の周波数の信号を出力する。
【００７９】
フィルタ２４は、第１の実施形態と同様に、高周波の信号成分を除去するＬＰＦである。フィルタ２４は、第１ミキサ２３ａ〜第４ミキサ２３ｄからの信号に対して、ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref及びｆ4−ｆref以外の信号を除去して、ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref及びｆ4−ｆrefの信号のみを出力する。
【００８０】
カウンタ２５は、フィルタ２４からの周波数ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref又はｆ4−ｆrefの信号に対して、それぞれ周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値を生成する周波数カウンタである。すなわち、カウンタ２５は、単位時間当たりの周波数ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref又はｆ4−ｆrefを十進数で算出した第１周波数信号〜第４周波数信号を生成する。算出した第１周波数信号〜第４周波数信号は演算部３０に出力される。
【００８１】
また、図６に示すように、演算部３０は、第１の実施形態と同様に、容量算出部３１、外力情報算出部３２及びメモリ３３を備える。演算部３０の各構成の機能は、第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。容量算出部によって、第１周波数信号〜第４周波数信号それぞれについて静電容量の値が算出され、外力情報算出部によって、当該静電容量の値に基づいて外力情報の値が算出される。
【００８２】
外力情報の値の算出は、第１の実施形態と同様に、実測して算出した静電容量に対して、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データを参照することによって行うことができる。
【００８３】
具体的には、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄの静電容量から、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の静電容量変位ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZを算出し、静電容量変位ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZそれぞれと外力情報（例えば、応力σ）との相関が示された既知の相関データを参照することによって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における外力情報（例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の応力成分σX、σY、σZ）を算出することができる。
【００８４】
この既知の相関データについて、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データを示したものである。本実施形態において、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データは、図７に示すように二次曲線となる。
【００８５】
例えば、本実施形態では、触覚センサを構成する各構成要素の条件を以下のように設定することによって、既知の相関データを算出した。
【００８６】
第１導電部材１１と第２導電部材１２の電界領域は、一辺の長さが１．０ｍｍの正方形とした。第１導電部材１１と第２導電部材１２との距離は０．５ｍｍとした。第２導電部材１２における接地電極１２ＧＮＤが第２導電部材１２の電界領域全域に占める割合は０．４６とした。弾性部材１３のヤング率は２ＭＰａとし、比誘電率は２とした。弾性部材１３は、円柱として、その高さを１．０ｍｍとし、直径を２．０ｍｍとした。触覚毛１４ｂは、円柱として、長さを１０．０ｍｍとし、直径を１．０ｍｍとした。なお、真空の誘電率は、８．８５×１０-12とし、空気の密度は１．２９３ｋｇ／ｃｍ3とし、弾性部材１３が受ける空気抵抗は０．７とした。
【００８７】
以上の条件によって算出した風速に対する静電容量の変化は、以下の表１ようになる。
【００８８】
【表１】
【００８９】
表１の結果をプロットすることによって、図７に示す相関データを作成することができる。
【００９０】
容量算出部３１によって算出された静電容量の変化値（ΔＣ）は、この図７に示す二次曲線の相関データに基づいて、風速に換算することができる。
【００９１】
次に、このように構成される本実施形態に係る触覚センサの動作について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの動作を示す図である。
【００９２】
図８に示すように、触覚毛１４ｂによって風力等の外力を受けると、外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。そして、弾性部材１３の変形に伴って、第１導電部材１１の位置が変位する。これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２の相対的位置関係が変化する。
【００９３】
この場合、本実施形態において、第２導電部材１２が、直交する２直線の４方向に配置された第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄで構成されているので、第１導電部材１１と第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄとの間の静電容量がそれぞれ変化する。本実施形態では、この４つの静電容量の変化を検知部１５によって検出することにより、外力の方向を特定することができる。
【００９４】
例えば、図８に示すように弾性部材１３が変形したとすると、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の距離が増加しているので、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の静電容量は減少する。一方、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の距離は減少しているので、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の静電容量は増加する。
【００９５】
従って、この静電容量の変化を算出することによって、外力が第１電極１２ａから第２電極１２ｂに向かって作用していることを検知することができる。例えば、外力が風力の場合は、風向を測定することができる。
【００９６】
以上、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２によれば、スカラ量の外力の値を算出するだけではなく、外力の方向を示すベクトル量も測定することができる応力センサとして利用することができる。しかも、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、静電容量の変化を検出する方法として周波数を用いているので、測定精度の高い応力センサを実現することができる。
【００９７】
なお、風向等の外力の方向のみを検知したい場合は、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄに関する静電容量の値そのものは算出する必要はなく、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄに関する４つの静電容量の相対的なバランス変化のみを検知すればよい。
【００９８】
また、風向等の外力の方向を検知する場合、触覚毛１４ｂは線状部材等の断面が円形の部材とすることが好ましい。これにより、外力の方向を正確に弾性部材１３に伝達することができ、当該方向が第１導電部材１１の位置の変位として正確に伝達される。例えば、触覚毛１４ｂを板状体にすると板状体の主面垂直方向に応力が集中して指向性の感度が悪くなる。これに対して、触覚毛１４ｂを線状部材等の断面が円形の部材にするとことにより、３６０度全ての方向に対して均等に指向性を持たせることができる。
【００９９】
同様の理由で、弾性部材１３についても断面が円形の部材がよく、本実施形態のように円柱体を用いることが好ましい。これにより、弾性部材１３が受けた外力の方向を正確に第１導電部材１１に伝達することができる。
【０１００】
なお、本実施形態において、外力情報の算出は、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データに基づいて行ったが、外力情報の算出は、以下の数式によっても行うことができる。以下、その算出方法について詳述する。
【０１０１】
まず、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄの静電容量をそれぞれＣa、Ｃb、Ｃc、Ｃdとし、また、弾性部材１３に外力が加わっていない状態での静電容量をＣ0すると、以下の式が成り立つ。
【０１０２】
Ｃa＝Ｃ0＋ΔＣa
Ｃb＝Ｃ0＋ΔＣb
Ｃc＝Ｃ0＋ΔＣc
Ｃd＝Ｃ0＋ΔＣd
【０１０３】
また、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄのそれぞれに接続された発振器の発振周波数をそれぞれｆa、ｆb、ｆc、ｆdとし、また、弾性部材１３に外力が加わっていない状態での発振周波数をｆ0とすると、以下の式が成り立つ。
【０１０４】
ΔｆX＝ｆb−ｆa
ΔｆY＝ｆc−ｆd
ΔｆZ＝（ｆa＋ｆb＋ｆc＋ｆd）／４−ｆ0
【０１０５】
ここで、ΔｆX、ΔｆY、ΔｆZは、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向における周波数変位を表している。
【０１０６】
また、発振器の発振周波数と静電容量との関係は、次式で表すことができる。
【０１０７】
ｆ＝Ｋosc×Ｃ0-n（１＋ΔＣ／Ｃ0）-n
≒Ｋosc×Ｃ0-n（１−ｎ×ΔＣ／Ｃ0）
【０１０８】
ここで、Ｋoscは、容量周波数変換利得であり、回路定数によって決定される。また、ｎは、発振器の動作メカニズムによって決定され、ＬＣタンク回路の場合は、ｎ＝０．５であり、リングオシレータの場合は、ｎ＝１である。
【０１０９】
従って、上記の３軸方向における周波数変位と静電容量との関係は、次のように表すことができる。まず、Ｘ軸方向における周波数変位ΔｆXは、次式で表すことができる。
【０１１０】
ｆX＝ｆb−ｆa
≒Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（−ΔＣb＋ΔＣa）
【０１１１】
ここで、ΔＣa＝ΔＣZ−ΔＣX、ΔＣb＝ΔＣZ＋ΔＣXとすると、上記ｆXは、以下の式に近似される。
【０１１２】
ｆX≒−２Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣX）
【０１１３】
同様に、ΔＣd＝ΔＣZ−ΔＣY、ΔＣc＝ΔＣZ＋ΔＣYとすると、Ｙ方向及びＺ軸方向における周波数変位ΔｆY、ΔｆZは、次式で近似することができる。
【０１１４】
ｆY＝ｆc−ｆd
≒Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（−ΔＣc＋ΔＣd）
≒−２Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣY）
ｆZ≒−Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣZ）
【０１１５】
次に、周波数変位と応力との関係について、説明する。
まず、電極の静電容量Ｃについては、電極間の誘電率をεとし、電極面積をＳとし、応力による電極間隔の変化をΔＺとすると、以下の式で表すことができる。
【０１１６】
Ｃ＝Ｃ0＋ΔＣ
＝ε×Ｓ×（１／（Ｚ＋ΔＺ））
≒ε×Ｓ×（１／Ｚ）×（１−ΔＺ）
＝Ｃ0（１−ΔＺ）
【０１１７】
従って、ΔＣは、以下のように表すことができる。
【０１１８】
ΔＣ≒−Ｃ0×ΔＺ
【０１１９】
ここで、本実施形態において、弾性部材１３に加えられる応力をσとし、弾性部材１３のコンプライアンスをＣPとすると、ΔＺは以下の式で表すことができる。
【０１２０】
ΔＺ＝−Ｚ×ＣP×σ
【０１２１】
従って、上記の静電容量変位ΔＣは、以下の式で表すことができる。
【０１２２】
ΔＣ＝−Ｃ0×ΔＺ
＝−ε×Ｓ×（１／Ｚ）×ΔＺ
＝−ε×Ｓ×（１／Ｚ）×（−Ｚ×ＣP×σ）
＝ ε×Ｓ×ＣP×σ
【０１２３】
ここで、応力σのＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分をそれぞれσX、σY、σZとし、σXに対する容量変化ΔＣX、σYに対する容量変化ΔＣY、σZに対する容量変化ΔＣZは各々独立であって、それぞれσX、σY、σZに比例すると仮定すると、容量変化ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZは、次のように表すことができる。
【０１２４】
ΔＣX≒ε×Ｓ×ＣPX×σX
ΔＣY≒ε×Ｓ×ＣPY×σY
ΔＣZ≒ε×Ｓ×ＣPZ×σZ
【０１２５】
この式を変形すると、次のように表すことができる。
【０１２６】
σX≒ΔＣX／（ε×Ｓ×ＣPX）
σY≒ΔＣY／（ε×Ｓ×ＣPY）
σZ≒ΔＣZ／（ε×Ｓ×ＣPZ）
【０１２７】
ここで、上述した周波数変位と静電容量との関係式を変形すると、以下のように表すことができる。
【０１２８】
ΔＣX＝−ΔｆX／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
ΔＣY＝−ΔｆY／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
ΔＣZ＝−ΔｆX／（ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
【０１２９】
これを上記の式に代入すると、σX、σY、σZは、次のように表すことができる。
【０１３０】
σX＝−ΔｆX／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPX）
σY＝−ΔｆY／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPY）
σZ＝−ΔｆZ／（ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPZ）
【０１３１】
このようにして、周波数変化と応力との関係を数式で表すことができる。
なお、上記関係式において、ＫOSC、ｆ0、ｎは、回路設計によって決定される。また、Ｃ0とＳは、電極の形状により決定される。また、ε、ＣPX、ＣPY、ＣPZは、構成材料によって決定される。
【０１３２】
以上のとおり、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄのそれぞれに接続された発振器の発振周波数ｆa、ｆb、ｆc、ｆdを算出することにより、計算式によっても応力を算出することができる。
【０１３３】
（変形例）
以上、本発明に係る触覚センサについて、２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【０１３４】
例えば、本実施形態では、第１導電部材１１として金箔等の薄膜又は板状のものを用いたが、これに限らない。第１導電部材１１として金属粉を用い、弾性部材１３の中に当該金属粉を分散させるように構成しても構わない。金属粉としては、金粉を用いることができる。
【０１３５】
また、本実施形態では、触覚毛１４ｂは１本にしたが、複数本設けても構わない。触覚毛１４ｂを複数本設けることにより、より外力を受けやすくなって弾性部材１３が変形しやすくなる。これにより、センサの感度を向上させることができる。
【０１３６】
また、触覚毛１４ｂは線状部材としたが、線状のみの部材で構成する必要はない。例えば、触覚毛１４ｂ線状部材の上方部分に、別の部材を設けても構わない。これにより、外力を受けやすくすることができるので、センサの感度を向上させることができる。但し、外力の方向を検知する場合は、外力の指向性に影響を与えないように、別に設ける部材としては、線状部材を中心として同心円形状の部材とすることが好ましい。
【０１３７】
また、本実施形態において、触覚部材１４の長さは、図１に示す触覚毛１４ｂの長さのように、弾性部材１３の高さと同程度か、それよりもやや長くしているが、これに限らない。例えば、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、触覚部材１４’の長さを弾性部材１３の高さに対して非常に長くなるように設定しても構わない。これにより、外力に対する触覚センサの感度を向上させることができる。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、図１Ａに示す構成と同じ構成については、同じ符号を付している。
【０１３８】
さらに、本実施形態では、外力として風力を例示したが、風力以外の外力であっても構わない。例えば、本発明に係る触覚センサは、水力についても適用することができる。この場合、水圧及び水流方向を検知し測定することができる。
【０１３９】
また、第２の実施形態において、接地電極１２ＧＮＤをドーナツ状にして、当該接地電極１２ＧＮＤの内側に第５電極を設けて、さらに静電容量を算出するように構成することもできる。をこの構成により、垂直方向の外力を検知することも可能となる。
【０１４０】
また、第２の実施形態において、外力の方向を検知するために、接地電極１２ＧＮＤ以外の電極は４つの電極で構成したが、これに限らない。例えば、２つの電極であっても２方向を検知することができる。また、電極の数を４つ以上として４つ以上の静電容量を算出するように構成することにより、より細かな方向を検知することもできる。但し、電極数が増えると、電極同士を離間するための隙間の面積が増加することになり、静電容量が小さくなってセンサの感度が低下する。従って、本実施形態のように４つの電極とすることが最も好ましい。
【０１４１】
さらに、本発明に係る触覚センサを複数配列することにより、センサアレイを構成することもできる。このセンサアレイを用いることにより、風力等の外力を可視化することができる。
【０１４２】
なお、その他、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明に係る触覚センサは、外力を検知して測定するためのセンサとして有用である。特に、風速及び風向を測定するためのセンサとして有用である。
【符号の説明】
【０１４４】
１、２、１００ 触覚センサ
１０ 容量検出部
１１ 第１導電部材
１２ 第２導電部材
１２ａ 第１電極
１２ｂ 第２電極
１２ｃ 第３電極
１２ｄ 第４電極
１２ＧＮＤ 接地電極
１３ 弾性部材
１４、１４’ 触覚部材
１４ａ ベース
１４ｂ 触覚毛
２０ 容量周波数変換部
２１、２１ａ 第１発振器
２１ｂ 第２発振器
２１ｃ 第３発振器
２１ｄ 第４発振器
２２ 基準発振器
２３ ミキサ
２３ａ 第１ミキサ
２３ｂ 第２ミキサ
２３ｃ 第３ミキサ
２３ｄ 第４ミキサ
２４ フィルタ
２５ カウンタ
３０ 演算部
３１ 容量算出部
３２ 外力情報算出部
３３ メモリ
１０１ 圧電素子
１０２ 振動子
１０３ 絶縁部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサに関し、特に、風力等の外力を検知し、風速又は風圧等の外力を測定するための触覚センサに関する。さらに、本発明は、風向等、外力の方向を検知することのできる触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の触覚センサとして、例えば、特許文献１に記載されたものがある。図１０は、従来の触覚センサの断面図である。
【０００３】
図１０に示すように、従来の触覚センサ１００は、圧電フィルム等の圧電素子１０１と一定周波数を発振する振動子１０２とが絶縁部材１０３を介して一体的に接合されている。圧電素子１０１と振動子１０２は、それぞれ一対の電極で挟まれている。
【０００４】
従来の触覚センサ１００は、外力が加えられると、外力に応じた振動子１０２の振動が圧電素子１０１に伝達され、信号波形の変化となって検出される。この場合、圧覚として垂直方向の外力が加えられた場合は、信号波形の振幅が変化する。一方、すべり覚として水平方向の外力が加えられた場合は、信号波形の周波数が変化する。また、両方の外力が加えられた場合は、信号波形は振幅も周波数も変化する。
【０００５】
このように従来の触覚センサ１００によれば、圧覚及びすべり覚を同時に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の触覚センサ１００は、圧電素子１０１を用いたものであり、高感度化には限界がある。すなわち、圧電素子によって外力を検知するためには、比較的に大きい外力が要求される。
【０００８】
このように、従来の触覚センサ１００は、比較的に大きい外力に対しては外力を検知することができるものの、風力等の比較的に小さい外力を検知することが難しく、また、その外力の値を測定することも難しいという問題がある。
【０００９】
また、従来の触覚センサは、外力の方向を検知することができないという問題もある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、風力等の比較的に小さい外力であっても外力を検知することができる触覚センサを提供することを目的とする。また、本発明は、外力の方向を検知することができる触覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明に係る触覚センサの一態様は、第１導電部材と、前記第１導電部材と所定の間隔で配置された第２導電部材と、前記第１導電部材を内部に備えた弾性部材と、前記弾性部材に設けられ、外力を受けるための触覚部材と、前記外力を検知するための検知部とを有し、前記第１導電部材は、前記触覚部材が受けた前記外力による前記弾性部材の変形によって前記第２導電部材に対する位置が変位し、前記検知部は、前記第１導電部材の位置の変位によって変化した、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間の静電容量に基づいて前記外力を検知するものである。
【００１１】
このように、触覚部材が受けた外力によって弾性部材が変形することにより、弾性部材内部における第１導電部材と第２導電部材の相対的位置関係が変化する。これにより、第１導電部材と第２導電部材との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて外力を検知することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記検知部は、容量周波数変換部と、容量算出部及び外力情報算出部を有する演算部とを有し、前記容量周波数変換部は、前記第１導電部材と前記第２導電部材の間における前記静電容量に依存した所定の周波数信号を生成し、前記容量算出部は、前記容量周波数変換部によって生成された前記周波数信号に基づいて、前記静電容量の値を算出し、前記外力情報算出部は、前記容量算出部によって算出された前記静電容量の値に基づいて、前記外力に関する情報の値を算出することが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記容量周波数変換部は、前記静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、基準となる発振周波数である基準発振周波数の信号を出力する基準発振器とを備え、当該容量周波数変換部によって生成される前記周波数信号は、前記発振器から出力された信号の発振周波数と、前記基準発振器から出力された信号の基準発振周波数との差に相当する周波数の信号であることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記弾性部材のヤング率が、１ＭＰａ〜１００ＭＰａであることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記第２導電部材は、少なくとも、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極及び接地電極で構成されており、前記第１電極と前記第２電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置され、前記第３電極と前記第４電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置されていることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記第１導電部材は、金属粉で構成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明に係る触覚センサの一態様において、前記触覚部材は、線状部材で構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る触覚センサによれば、風力等の外力を検知し、風速又は風圧等の外力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおいて、第２導電部材を構成する電極の平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データを示したものである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの動作を示す図である。
【図９Ａ】本発明の変形例に係る触覚センサの外観図である。
【図９Ｂ】本発明の変形例に係る触覚センサの部分拡大図である。
【図１０】従来の触覚センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る触覚センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサについて、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、人工触覚センサであって、第１導電部材１１、第２導電部材１２、弾性部材１３及び触覚部材１４で構成される容量検出部１０を有する。また、本実施形態に係る触覚センサ１は、後述する容量周波数変換部２０及び演算部３０を有する検知部１５を備える。
【００２３】
第１導電部材１１は、矩形状の金属電極で構成されており、弾性部材１３の内部に埋め込まれている。第１導電部材１１は、弾性部材１３内部に固定されているが、弾性部材１３の変形に伴って、その位置が変位する。
【００２４】
本実施形態では、第１導電部材１１として金箔を用いた。なお、第１導電部材１１の材料としては、その他、金属粉などの導電性塗料を用いることができる。また、第１導電部材１１の形状としては、金箔のような薄膜状のものに限らず、金属板等の板状体で構成しても構わない。
【００２５】
第２導電部材１２は、第１導電部材１１と所定の間隔で離間して配置されており、検知部１５上に固定電極として形成されている。第２導電部材１２上には、弾性部材１３が設けられている。第２導電部材１２は、弾性部材１３が変形しても基本的にはその位置は変位しない。
【００２６】
第１導電部材１１と第２導電部材１２とは、その間に存在する弾性部材１３を誘電体として、コンデンサを形成しており、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間には所定の静電容量が存在する。
【００２７】
なお、本実施形態では、第２導電部材１２の材料としては、アルミニウムを用いた。また、本実施形態では、第１導電部材１１と第２導電部材１２とは平行配置されており、第１導電部材１１と第２導電部材１２との距離は０．５ｍｍとした。
【００２８】
弾性部材１３は、円柱体で構成されており、その内部に第１導電部材１１を備える。弾性部材１３内部の第１導電部材１１は、弾性部材１３のほぼ中央に、その主面が弾性部材１３の底面と略平行となるように配置されている。また、弾性部材１３の底面には、第２導電部材１２が設けられている。
【００２９】
弾性部材１３は、低ヤング率の材料で構成されており、本実施形態では、ヤング率が２．０ＭＰａのシリコーンゴムを用いた。本実施形態において、弾性部材１３の材料としては、ヤング率が１ＭＰａ〜１００ＭＰａである低ヤング率の材料を用いることが好ましい。弾性部材１３の材料として、このような低ヤング率の材料を用いることにより、触覚部材１４が受けた外力が比較的に小さいものであっても、触覚部材１４から伝達された当該外力によって、外力を検知できるだけの弾性部材１３の変形を得ることができる。
【００３０】
なお、弾性部材１３の形状としては円柱体に限らず、半球体、直方体又は立方体、その他製造しやすい形体を適宜採用することができる。
【００３１】
触覚部材１４は、薄円板状のベース１４ａと、当該ベース中央に立設された線状の触覚毛１４ｂとによって構成されており、弾性部材１３の上面に設けられている。ベース１４ａと触覚毛１４ｂは、剛性材料で構成されており、本実施形態では、黒鉛を用いた。触覚毛１４ｂは、外力（外部から作用する力）を直接受けるためのものである。触覚毛１４ｂが外力を受けることによって、当該外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。
【００３２】
なお、本実施形態では、ベース１４ａを介して触覚毛１４ｂを設けたが、ベース１４ａを用いずに触覚毛１４ｂを直接弾性部材１３に設けるように構成しても構わない。
【００３３】
検知部１５は、所定の回路素子を備える集積回路である。上述のとおり、検知部１５上には第２導電部材１２が設けられている。なお、本実施形態においては、集積回路として２．５ｍｍ角のＬＳＩチップを用いた。
【００３４】
次に、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサの動作原理を示す図である。
【００３５】
図２に示すように、触覚毛１４ｂによって風力等の外力を受けると、外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。そして、弾性部材１３の変形に伴って、弾性部材１３の内部に埋め込まれた第１導電部材１１の位置が変位する。
【００３６】
これにより、第２導電部材１２に対する第１導電部材１１の位置が変位する。すなわち、第１導電部材１１と第２導電部材１２の相対的位置関係が変化する。これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検知部１５によって検出することにより、外力を検知することができる。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサによって外力を測定するための方法について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。
【００３８】
図３に示すように、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、容量検出部１０、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備える。
【００３９】
容量検出部１０は、図１に示す構成要素からなり、この容量検出部１０によって、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が検出される。
【００４０】
容量周波数変換部２０は、第１導電部材１１と第２導電部材１２の間の静電容量に依存した所定の周波数信号を生成する機能を有し、図３に示すように、第１発振器２１、基準発振器２２、ミキサ２３、フィルタ２４及びカウンタ２５で構成されている。
【００４１】
第１発振器２１は、第２導電部材１２に接続されており、容量検出部１０によって検出された静電容量に応じた発振周波数である第１発振周波数ｆ1の信号を出力する。静電容量が変化すると第１発振周波数ｆ1も変化する。なお、本実施形態では、第１発振器２１として、リングオシレータを用いた。
【００４２】
基準発振器２２は、基準となる一定の発振周波数（固定周波数）である基準発振周波数ｆrefの信号を出力する。なお、本実施形態では、基準発振器２２として、リングオシレータを用いた。
【００４３】
ミキサ２３は、第１発振器２１から第１発振周波数ｆ1で発振された信号と、基準発振器２２から基準発振周波数ｆrefで発振された信号とが入力されることにより、乗算処理を施し、ｆ1、ｆref、ｆ1−ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの周波数の信号を出力する。
【００４４】
フィルタ２４は、高周波の信号成分を除去するＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）である。フィルタ２４は、ミキサ２３からの信号に対して、ｆ1、ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの信号を除去して、第１発振周波数ｆ1と基準発振周波数ｆrefとの差分の周波数であるｆ1−ｆrefの信号のみを出力する。
【００４５】
カウンタ２５は、フィルタ２４からの周波数ｆ1−ｆrefの信号に対して、周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値、すなわち、単位時間当たりの周波数ｆ1−ｆrefを十進数で算出した周波数信号、を生成する周波数カウンタである。算出した周波数信号は演算部３０に出力される。
【００４６】
また、演算部３０は、図３に示すように、容量算出部３１、外力情報算出部３２及びメモリ３３を備える。
【００４７】
容量算出部３１は、カウンタ２５によって生成された周波数信号を入力し、当該周波数信号に基づいて静電容量の値を算出する。この静電容量の値は、第１導電部材１１と第２導電部材１２との相対位置関係の変化に伴って変化した静電容量の変化値（ΔＣ）である。算出した静電容量の値は、外力情報算出部３２に出力される。
【００４８】
外力情報算出部３２は、容量算出部３１によって算出された静電容量の値に基づいて、外力に関する情報である外力情報の値を算出する。外力情報とは、例えば、外力が風力の場合は、風圧又は風速等がある。外力情報の値の算出は、実測して算出した静電容量に対して、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データを参照することによって行うことができる。
【００４９】
例えば、算出したい外力情報が風速の場合、風速と静電容量の変化値（増減値）との相関データを予め作成しておき、当該相関データと実測して算出された静電容量の変化値とによって実測の風速を算出することができる。当該既知の相関データはメモリ３３に記憶されている。
【００５０】
なお、本実施形態において、容量周波数変換部２０と演算部３０は、ＬＳＩチップで構成される検知部１５に備えられる。容量周波数変換部２０と演算部３０の各構成要素は、ＬＳＩチップ内の所定の回路素子で構成されている。ＬＳＩチップには、その他必要な周辺回路が設けられている。
【００５１】
次に、本実施形態に係る触覚センサの製造方法について説明する。
まず、シリコーンゴム等の材料を用いて薄膜を形成する。薄膜は、材料を溶媒に溶かして、薄く延ばして乾燥させることによって作製することができる。
【００５２】
次に、この薄膜上に第１導電部材１１として金箔を載置する。そして、その上に、同じシリコーンゴム等の薄膜を載置して、両薄膜を溶着させる。これにより、第１導電部材１１が埋め込まれた弾性部材１３を形成することができる。
【００５３】
その後、その弾性部材１３の上に、針金等で構成された触覚毛を傾かないようにして固着させる。
【００５４】
次に、容量周波数変換部２０及び演算部３０の機能を備えるとともに上面に第２導電部材１２が形成されたＬＳＩチップを予め準備しておき、このＬＳＩチップの第２導電部材１２に第１導電部材１１が対向するようにして、第１導電部材１１と触覚部材１４が設けられた弾性部材１３をＬＳＩチップに実装する。
【００５５】
これにより、本実施形態に係る触覚センサを製造することができる。
以上、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサ１は、容量検出部１０に加えて、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備えることにより、単に外力を検知するだけではなく、外力情報の値を算出することができる圧力センサとして利用することができる。しかも、本実施形態では、静電容量の変化を検出する方法として周波数を用いている。これにより、信号の伝送中にエラーが発生することが少なくなるので、測定精度が高い圧力センサを実現することができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサについて、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの外観斜視図である。なお、図４において、図１における本発明の第１の実施形態に係る構成と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略している。
【００５７】
図４において、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２が、本発明の第１の実施形態に係る触覚センサと異なる点は、第２導電部材１２の構成である。
【００５８】
本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２は、外力の方向を検知することができる触覚センサであって、図４に示すように、検知部１５の集積回路表面に配置される第２導電部材１２が、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ、第４電極１２ｄ及び接地電極１２ＧＮＤで構成されている。なお、図４に示すように、第２導電部材１２が形成される電極領域全体の面積は、第１導電部材１１の面積よりも小さいことが好ましい。
【００５９】
この第２導電部材１２の電極構成について、図５を用いて詳述する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける第２導電部材の電極領域の平面図である。
【００６０】
図５に示すように、本実施形態に係る第２導電部材１２は、点線で示される正方形の電極領域において、接地電極１２ＧＮＤを中心として、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄが点対称に配置されたものである。
【００６１】
接地電極１２ＧＮＤは、第１導電部材１１が電気的に浮かないようにするために、集積回路のグランド配線に接続されており、接地電位となっている。
【００６２】
第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄは、接地電極１２ＧＮＤの周辺に配置されている。第１電極１２ａと第２電極１２ｂとは、図面左右方向において、接地電極１２ＧＮＤを挟んで対向配置されている。第３電極１２ｃと第４電極１２ｄとは、図面上下方向において、接地電極１２ＧＮＤを挟んで対向配置されている。第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、その内側辺が接地電極１２ＧＮＤの外形に沿うように形成されている。
【００６３】
なお、本実施形態では、各電極間の隙間が、３００μｍとなるように構成した。以上、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの各電極は、それぞれ集積回路内の発振器に接続されている。
【００６４】
このように、本実施形態では、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、接地電極１２ＧＮＤを中心として、直交する２直線が指し示す４方向に配置されている。すなわち、第１電極１２ａの中心と第２電極１２ｂの中心を結ぶ直線は、第３電極１２ｃの中心と第４電極１２ｄの中心とを結ぶ直線と直交し、その交点が接地電極１２ＧＮＤの中心を通るように構成されている。
【００６５】
なお、センサの感度を向上させるために、接地電極１２ＧＮＤと第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの面積比率は、発振器から見たときの静電容量の変化量が最大となるように設定することが好ましい。すなわち、発振器の周波数変化が最も大きくなるように設定することが好ましい。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２の全体構成について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサのブロック図である。なお、図６において、図３における本発明の第１の実施形態に係る構成と同じ構成については同じ符号を付しており、その説明は簡略化又は省略している。
【００６７】
図６に示すように、本実施形態に係る触覚センサ２は、容量検出部１０、容量周波数変換部２０及び演算部３０を備える。
【００６８】
容量検出部１０は、図５に示す構成要素からなり、この容量検出部１０によって、第１導電部材１１と第２導電部材１２との間の静電容量が検出される。本実施形態では、第２導電部材１２における第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄは、それぞれ発振器に接続されている。従って、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄの各電極と第１導電部材１１との間の静電容量は、それぞれ独立して検出することができる。
【００６９】
容量周波数変換部２０は、第２導電部材１２の各電極に対する静電容量に依存する所定の周波数信号を生成する機能を有し、図６に示すように、第１発振器２１ａ、第２発振器２１ｂ、第３発振器２１ｃ及び第４発振器２１ｄの４つの発振器と、１つの基準発振器２２とを備える。
【００７０】
また、容量周波数変換部２０は、４つの発振器それぞれに接続される第１ミキサ２３ａ、第２ミキサ２３ｂ、第３ミキサ２３ｃ及び第４ミキサ２３ｄを備え、さらに、フィルタ２４及びカウンタ２５を備える。
【００７１】
第１発振器２１ａは、第１電極１２ａに接続されており、第１の実施形態と同様にして、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の静電容量に応じた発振周波数である第１発振周波数ｆ1の信号を発振し出力する。
【００７２】
第２発振器２１ｂは、第２電極１２ｂに接続されており、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の静電容量に応じた発振周波数である第２発振周波数ｆ2の信号を出力する。
【００７３】
第３発振器２１ｃは、第３電極１２ｃに接続されており、第１導電部材１１と第３電極１２ｃとの間の静電容量に応じた発振周波数である第３発振周波数ｆ3の信号を出力する。
【００７４】
第４発振器２１ｄは、第４電極１２ｄに接続されており、第１導電部材１１と第４電極１２ｄとの間の静電容量に応じた発振周波数である第４発振周波数ｆ4の信号を出力する。
【００７５】
基準発振器２２は、第１の実施形態と同様に、基準となる一定の発振周波数（固定周波数）である基準発振周波数ｆrefの信号を発振し出力する。
【００７６】
なお、本実施形態では、以上の第１発振器２１ａ〜第４発振器２１ｄ及び基準発振器２２として、リングオシレータを用いた。
【００７７】
第１ミキサ２３ａは、第１発振器２１ａから第１発振周波数ｆ1で発振された信号と、基準発振器２２から基準発振周波数ｆrefで発振された信号とが入力される。これにより、乗算処理を施して、ｆ1、ｆref、ｆ1−ｆref、ｆ1＋ｆref、２ｆ1、２ｆrefの周波数の信号を出力する。
【００７８】
同様に、第２ミキサ２３ｂ、第３ミキサ２３ｃ及び第４ミキサ２３ｄは、それぞれ、周波数ｆ2〜ｆ4の信号と基準発振周波数ｆrefの信号とについて乗算処理を施し、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref、ｆ4−ｆref等の周波数の信号を出力する。
【００７９】
フィルタ２４は、第１の実施形態と同様に、高周波の信号成分を除去するＬＰＦである。フィルタ２４は、第１ミキサ２３ａ〜第４ミキサ２３ｄからの信号に対して、ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref及びｆ4−ｆref以外の信号を除去して、ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref及びｆ4−ｆrefの信号のみを出力する。
【００８０】
カウンタ２５は、フィルタ２４からの周波数ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref又はｆ4−ｆrefの信号に対して、それぞれ周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値を生成する周波数カウンタである。すなわち、カウンタ２５は、単位時間当たりの周波数ｆ1−ｆref、ｆ2−ｆref、ｆ3−ｆref又はｆ4−ｆrefを十進数で算出した第１周波数信号〜第４周波数信号を生成する。算出した第１周波数信号〜第４周波数信号は演算部３０に出力される。
【００８１】
また、図６に示すように、演算部３０は、第１の実施形態と同様に、容量算出部３１、外力情報算出部３２及びメモリ３３を備える。演算部３０の各構成の機能は、第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。容量算出部によって、第１周波数信号〜第４周波数信号それぞれについて静電容量の値が算出され、外力情報算出部によって、当該静電容量の値に基づいて外力情報の値が算出される。
【００８２】
外力情報の値の算出は、第１の実施形態と同様に、実測して算出した静電容量に対して、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データを参照することによって行うことができる。
【００８３】
具体的には、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄの静電容量から、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の静電容量変位ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZを算出し、静電容量変位ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZそれぞれと外力情報（例えば、応力σ）との相関が示された既知の相関データを参照することによって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における外力情報（例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の応力成分σX、σY、σZ）を算出することができる。
【００８４】
この既知の相関データについて、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサにおける、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データを示したものである。本実施形態において、風速と静電容量の変化値に関する既知の相関データは、図７に示すように二次曲線となる。
【００８５】
例えば、本実施形態では、触覚センサを構成する各構成要素の条件を以下のように設定することによって、既知の相関データを算出した。
【００８６】
第１導電部材１１と第２導電部材１２の電界領域は、一辺の長さが１．０ｍｍの正方形とした。第１導電部材１１と第２導電部材１２との距離は０．５ｍｍとした。第２導電部材１２における接地電極１２ＧＮＤが第２導電部材１２の電界領域全域に占める割合は０．４６とした。弾性部材１３のヤング率は２ＭＰａとし、比誘電率は２とした。弾性部材１３は、円柱として、その高さを１．０ｍｍとし、直径を２．０ｍｍとした。触覚毛１４ｂは、円柱として、長さを１０．０ｍｍとし、直径を１．０ｍｍとした。なお、真空の誘電率は、８．８５×１０-12とし、空気の密度は１．２９３ｋｇ／ｃｍ3とし、弾性部材１３が受ける空気抵抗は０．７とした。
【００８７】
以上の条件によって算出した風速に対する静電容量の変化は、以下の表１ようになる。
【００８８】
【表１】
【００８９】
表１の結果をプロットすることによって、図７に示す相関データを作成することができる。
【００９０】
容量算出部３１によって算出された静電容量の変化値（ΔＣ）は、この図７に示す二次曲線の相関データに基づいて、風速に換算することができる。
【００９１】
次に、このように構成される本実施形態に係る触覚センサの動作について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサの動作を示す図である。
【００９２】
図８に示すように、触覚毛１４ｂによって風力等の外力を受けると、外力が弾性部材１３に伝達し、これにより弾性部材１３が変形する。そして、弾性部材１３の変形に伴って、第１導電部材１１の位置が変位する。これにより、第１導電部材１１と第２導電部材１２の相対的位置関係が変化する。
【００９３】
この場合、本実施形態において、第２導電部材１２が、直交する２直線の４方向に配置された第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄで構成されているので、第１導電部材１１と第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄとの間の静電容量がそれぞれ変化する。本実施形態では、この４つの静電容量の変化を検知部１５によって検出することにより、外力の方向を特定することができる。
【００９４】
例えば、図８に示すように弾性部材１３が変形したとすると、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の距離が増加しているので、第１導電部材１１と第１電極１２ａとの間の静電容量は減少する。一方、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の距離は減少しているので、第１導電部材１１と第２電極１２ｂとの間の静電容量は増加する。
【００９５】
従って、この静電容量の変化を算出することによって、外力が第１電極１２ａから第２電極１２ｂに向かって作用していることを検知することができる。例えば、外力が風力の場合は、風向を測定することができる。
【００９６】
以上、本発明の第２の実施形態に係る触覚センサ２によれば、スカラ量の外力の値を算出するだけではなく、外力の方向を示すベクトル量も測定することができる応力センサとして利用することができる。しかも、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、静電容量の変化を検出する方法として周波数を用いているので、測定精度の高い応力センサを実現することができる。
【００９７】
なお、風向等の外力の方向のみを検知したい場合は、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄに関する静電容量の値そのものは算出する必要はなく、第１電極１２ａ〜第４電極１２ｄに関する４つの静電容量の相対的なバランス変化のみを検知すればよい。
【００９８】
また、風向等の外力の方向を検知する場合、触覚毛１４ｂは線状部材等の断面が円形の部材とすることが好ましい。これにより、外力の方向を正確に弾性部材１３に伝達することができ、当該方向が第１導電部材１１の位置の変位として正確に伝達される。例えば、触覚毛１４ｂを板状体にすると板状体の主面垂直方向に応力が集中して指向性の感度が悪くなる。これに対して、触覚毛１４ｂを線状部材等の断面が円形の部材にするとことにより、３６０度全ての方向に対して均等に指向性を持たせることができる。
【００９９】
同様の理由で、弾性部材１３についても断面が円形の部材がよく、本実施形態のように円柱体を用いることが好ましい。これにより、弾性部材１３が受けた外力の方向を正確に第１導電部材１１に伝達することができる。
【０１００】
なお、本実施形態において、外力情報の算出は、外力情報と静電容量との相関が示された既知の相関データに基づいて行ったが、外力情報の算出は、以下の数式によっても行うことができる。以下、その算出方法について詳述する。
【０１０１】
まず、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄの静電容量をそれぞれＣa、Ｃb、Ｃc、Ｃdとし、また、弾性部材１３に外力が加わっていない状態での静電容量をＣ0すると、以下の式が成り立つ。
【０１０２】
Ｃa＝Ｃ0＋ΔＣa
Ｃb＝Ｃ0＋ΔＣb
Ｃc＝Ｃ0＋ΔＣc
Ｃd＝Ｃ0＋ΔＣd
【０１０３】
また、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄのそれぞれに接続された発振器の発振周波数をそれぞれｆa、ｆb、ｆc、ｆdとし、また、弾性部材１３に外力が加わっていない状態での発振周波数をｆ0とすると、以下の式が成り立つ。
【０１０４】
ΔｆX＝ｆb−ｆa
ΔｆY＝ｆc−ｆd
ΔｆZ＝（ｆa＋ｆb＋ｆc＋ｆd）／４−ｆ0
【０１０５】
ここで、ΔｆX、ΔｆY、ΔｆZは、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向における周波数変位を表している。
【０１０６】
また、発振器の発振周波数と静電容量との関係は、次式で表すことができる。
【０１０７】
ｆ＝Ｋosc×Ｃ0-n（１＋ΔＣ／Ｃ0）-n
≒Ｋosc×Ｃ0-n（１−ｎ×ΔＣ／Ｃ0）
【０１０８】
ここで、Ｋoscは、容量周波数変換利得であり、回路定数によって決定される。また、ｎは、発振器の動作メカニズムによって決定され、ＬＣタンク回路の場合は、ｎ＝０．５であり、リングオシレータの場合は、ｎ＝１である。
【０１０９】
従って、上記の３軸方向における周波数変位と静電容量との関係は、次のように表すことができる。まず、Ｘ軸方向における周波数変位ΔｆXは、次式で表すことができる。
【０１１０】
ｆX＝ｆb−ｆa
≒Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（−ΔＣb＋ΔＣa）
【０１１１】
ここで、ΔＣa＝ΔＣZ−ΔＣX、ΔＣb＝ΔＣZ＋ΔＣXとすると、上記ｆXは、以下の式に近似される。
【０１１２】
ｆX≒−２Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣX）
【０１１３】
同様に、ΔＣd＝ΔＣZ−ΔＣY、ΔＣc＝ΔＣZ＋ΔＣYとすると、Ｙ方向及びＺ軸方向における周波数変位ΔｆY、ΔｆZは、次式で近似することができる。
【０１１４】
ｆY＝ｆc−ｆd
≒Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（−ΔＣc＋ΔＣd）
≒−２Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣY）
ｆZ≒−Ｋosc×Ｃ0-(n+1)×ｎ×（ΔＣZ）
【０１１５】
次に、周波数変位と応力との関係について、説明する。
まず、電極の静電容量Ｃについては、電極間の誘電率をεとし、電極面積をＳとし、応力による電極間隔の変化をΔＺとすると、以下の式で表すことができる。
【０１１６】
Ｃ＝Ｃ0＋ΔＣ
＝ε×Ｓ×（１／（Ｚ＋ΔＺ））
≒ε×Ｓ×（１／Ｚ）×（１−ΔＺ）
＝Ｃ0（１−ΔＺ）
【０１１７】
従って、ΔＣは、以下のように表すことができる。
【０１１８】
ΔＣ≒−Ｃ0×ΔＺ
【０１１９】
ここで、本実施形態において、弾性部材１３に加えられる応力をσとし、弾性部材１３のコンプライアンスをＣPとすると、ΔＺは以下の式で表すことができる。
【０１２０】
ΔＺ＝−Ｚ×ＣP×σ
【０１２１】
従って、上記の静電容量変位ΔＣは、以下の式で表すことができる。
【０１２２】
ΔＣ＝−Ｃ0×ΔＺ
＝−ε×Ｓ×（１／Ｚ）×ΔＺ
＝−ε×Ｓ×（１／Ｚ）×（−Ｚ×ＣP×σ）
＝ ε×Ｓ×ＣP×σ
【０１２３】
ここで、応力σのＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分をそれぞれσX、σY、σZとし、σXに対する容量変化ΔＣX、σYに対する容量変化ΔＣY、σZに対する容量変化ΔＣZは各々独立であって、それぞれσX、σY、σZに比例すると仮定すると、容量変化ΔＣX、ΔＣY、ΔＣZは、次のように表すことができる。
【０１２４】
ΔＣX≒ε×Ｓ×ＣPX×σX
ΔＣY≒ε×Ｓ×ＣPY×σY
ΔＣZ≒ε×Ｓ×ＣPZ×σZ
【０１２５】
この式を変形すると、次のように表すことができる。
【０１２６】
σX≒ΔＣX／（ε×Ｓ×ＣPX）
σY≒ΔＣY／（ε×Ｓ×ＣPY）
σZ≒ΔＣZ／（ε×Ｓ×ＣPZ）
【０１２７】
ここで、上述した周波数変位と静電容量との関係式を変形すると、以下のように表すことができる。
【０１２８】
ΔＣX＝−ΔｆX／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
ΔＣY＝−ΔｆY／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
ΔＣZ＝−ΔｆX／（ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ）
【０１２９】
これを上記の式に代入すると、σX、σY、σZは、次のように表すことができる。
【０１３０】
σX＝−ΔｆX／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPX）
σY＝−ΔｆY／（２×ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPY）
σZ＝−ΔｆZ／（ＫOSC×Ｃ0-(n+1)×ｎ×ε×Ｓ×ＣPZ）
【０１３１】
このようにして、周波数変化と応力との関係を数式で表すことができる。
なお、上記関係式において、ＫOSC、ｆ0、ｎは、回路設計によって決定される。また、Ｃ0とＳは、電極の形状により決定される。また、ε、ＣPX、ＣPY、ＣPZは、構成材料によって決定される。
【０１３２】
以上のとおり、第１電極１２ａ、第２電極１２ｂ、第３電極１２ｃ及び第４電極１２ｄのそれぞれに接続された発振器の発振周波数ｆa、ｆb、ｆc、ｆdを算出することにより、計算式によっても応力を算出することができる。
【０１３３】
（変形例）
以上、本発明に係る触覚センサについて、２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【０１３４】
例えば、本実施形態では、第１導電部材１１として金箔等の薄膜又は板状のものを用いたが、これに限らない。第１導電部材１１として金属粉を用い、弾性部材１３の中に当該金属粉を分散させるように構成しても構わない。金属粉としては、金粉を用いることができる。
【０１３５】
また、本実施形態では、触覚毛１４ｂは１本にしたが、複数本設けても構わない。触覚毛１４ｂを複数本設けることにより、より外力を受けやすくなって弾性部材１３が変形しやすくなる。これにより、センサの感度を向上させることができる。
【０１３６】
また、触覚毛１４ｂは線状部材としたが、線状のみの部材で構成する必要はない。例えば、触覚毛１４ｂ線状部材の上方部分に、別の部材を設けても構わない。これにより、外力を受けやすくすることができるので、センサの感度を向上させることができる。但し、外力の方向を検知する場合は、外力の指向性に影響を与えないように、別に設ける部材としては、線状部材を中心として同心円形状の部材とすることが好ましい。
【０１３７】
また、本実施形態において、触覚部材１４の長さは、図１に示す触覚毛１４ｂの長さのように、弾性部材１３の高さと同程度か、それよりもやや長くしているが、これに限らない。例えば、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、触覚部材１４’の長さを弾性部材１３の高さに対して非常に長くなるように設定しても構わない。これにより、外力に対する触覚センサの感度を向上させることができる。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、図１Ａに示す構成と同じ構成については、同じ符号を付している。
【０１３８】
さらに、本実施形態では、外力として風力を例示したが、風力以外の外力であっても構わない。例えば、本発明に係る触覚センサは、水力についても適用することができる。この場合、水圧及び水流方向を検知し測定することができる。
【０１３９】
また、第２の実施形態において、接地電極１２ＧＮＤをドーナツ状にして、当該接地電極１２ＧＮＤの内側に第５電極を設けて、さらに静電容量を算出するように構成することもできる。をこの構成により、垂直方向の外力を検知することも可能となる。
【０１４０】
また、第２の実施形態において、外力の方向を検知するために、接地電極１２ＧＮＤ以外の電極は４つの電極で構成したが、これに限らない。例えば、２つの電極であっても２方向を検知することができる。また、電極の数を４つ以上として４つ以上の静電容量を算出するように構成することにより、より細かな方向を検知することもできる。但し、電極数が増えると、電極同士を離間するための隙間の面積が増加することになり、静電容量が小さくなってセンサの感度が低下する。従って、本実施形態のように４つの電極とすることが最も好ましい。
【０１４１】
さらに、本発明に係る触覚センサを複数配列することにより、センサアレイを構成することもできる。このセンサアレイを用いることにより、風力等の外力を可視化することができる。
【０１４２】
なお、その他、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明に係る触覚センサは、外力を検知して測定するためのセンサとして有用である。特に、風速及び風向を測定するためのセンサとして有用である。
【符号の説明】
【０１４４】
１、２、１００ 触覚センサ
１０ 容量検出部
１１ 第１導電部材
１２ 第２導電部材
１２ａ 第１電極
１２ｂ 第２電極
１２ｃ 第３電極
１２ｄ 第４電極
１２ＧＮＤ 接地電極
１３ 弾性部材
１４、１４’ 触覚部材
１４ａ ベース
１４ｂ 触覚毛
２０ 容量周波数変換部
２１、２１ａ 第１発振器
２１ｂ 第２発振器
２１ｃ 第３発振器
２１ｄ 第４発振器
２２ 基準発振器
２３ ミキサ
２３ａ 第１ミキサ
２３ｂ 第２ミキサ
２３ｃ 第３ミキサ
２３ｄ 第４ミキサ
２４ フィルタ
２５ カウンタ
３０ 演算部
３１ 容量算出部
３２ 外力情報算出部
３３ メモリ
１０１ 圧電素子
１０２ 振動子
１０３ 絶縁部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電部材と、
前記第１導電部材と所定の間隔で配置された第２導電部材と、
前記第１導電部材を内部に備えた弾性部材と、
前記弾性部材に設けられ、外力を受けるための触覚部材と、
前記外力を検知するための検知部と
を有し、
前記第１導電部材は、前記触覚部材が受けた前記外力による前記弾性部材の変形によって前記第２導電部材に対する位置が変位し、
前記検知部は、前記第１導電部材の位置の変位によって変化した、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間の静電容量に基づいて前記外力を検知する
触覚センサ。
【請求項２】
前記検知部は、容量周波数変換部と、容量算出部及び外力情報算出部を有する演算部とを有し、
前記容量周波数変換部は、前記第１導電部材と前記第２導電部材の間における前記静電容量に依存した所定の周波数信号を生成し、
前記容量算出部は、前記容量周波数変換部によって生成された前記周波数信号に基づいて、前記静電容量の値を算出し、
前記外力情報算出部は、前記容量算出部によって算出された前記静電容量の値に基づいて、前記外力に関する情報の値を算出する
請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記容量周波数変換部は、
前記静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、
基準となる発振周波数である基準発振周波数の信号を出力する基準発振器と
を備え、
当該容量周波数変換部によって生成される前記周波数信号は、前記発振器から出力された信号の発振周波数と、前記基準発振器から出力された信号の基準発振周波数との差に相当する周波数の信号である
請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記弾性部材のヤング率が、１ＭＰａ〜１００ＭＰａである
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記第２導電部材は、少なくとも、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極及び接地電極で構成されており、
前記第１電極と前記第２電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置され、
前記第３電極と前記第４電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置されている
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記第１導電部材は、金属粉で構成される
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記触覚部材は、線状部材で構成される
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項１】
第１導電部材と、
前記第１導電部材と所定の間隔で配置された第２導電部材と、
前記第１導電部材を内部に備えた弾性部材と、
前記弾性部材に設けられ、外力を受けるための触覚部材と、
前記外力を検知するための検知部と
を有し、
前記第１導電部材は、前記触覚部材が受けた前記外力による前記弾性部材の変形によって前記第２導電部材に対する位置が変位し、
前記検知部は、前記第１導電部材の位置の変位によって変化した、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間の静電容量に基づいて前記外力を検知する
触覚センサ。
【請求項２】
前記検知部は、容量周波数変換部と、容量算出部及び外力情報算出部を有する演算部とを有し、
前記容量周波数変換部は、前記第１導電部材と前記第２導電部材の間における前記静電容量に依存した所定の周波数信号を生成し、
前記容量算出部は、前記容量周波数変換部によって生成された前記周波数信号に基づいて、前記静電容量の値を算出し、
前記外力情報算出部は、前記容量算出部によって算出された前記静電容量の値に基づいて、前記外力に関する情報の値を算出する
請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記容量周波数変換部は、
前記静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する発振器と、
基準となる発振周波数である基準発振周波数の信号を出力する基準発振器と
を備え、
当該容量周波数変換部によって生成される前記周波数信号は、前記発振器から出力された信号の発振周波数と、前記基準発振器から出力された信号の基準発振周波数との差に相当する周波数の信号である
請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記弾性部材のヤング率が、１ＭＰａ〜１００ＭＰａである
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記第２導電部材は、少なくとも、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極及び接地電極で構成されており、
前記第１電極と前記第２電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置され、
前記第３電極と前記第４電極とは、前記接地電極を挟んで対向配置されている
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記第１導電部材は、金属粉で構成される
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記触覚部材は、線状部材で構成される
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２１５０００（Ｐ２０１１−２１５０００Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８３４１７（Ｐ２０１０−８３４１７）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、重点地域研究開発推進プログラム（シーズ発掘試験）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、重点地域研究開発推進プログラム（シーズ発掘試験）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
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