触覚センサ
【課題】構造が簡単で、入力された荷重を剪断力と圧縮力とに分解して、さらには剪断力を二方向に分解して検出可能な触覚センサを提供することを課題とする。
【解決手段】触覚センサ１は、接触対象物９０から荷重Ｆ１が入力される入力面５０ａを有し、荷重Ｆ１を剪断力と圧縮力とに分解して検出する。触覚センサ１は、Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層２と、Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層３と、Ｚ方向の変形に異方性を有する、または変形に等方性を有するＺ方向用誘電層４と、を備える。触覚センサ１は、荷重Ｆ１が入力される際の変形に伴う各誘電層２、３、４の静電容量の変化を基に、剪断力、圧縮力を検出する。
【解決手段】触覚センサ１は、接触対象物９０から荷重Ｆ１が入力される入力面５０ａを有し、荷重Ｆ１を剪断力と圧縮力とに分解して検出する。触覚センサ１は、Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層２と、Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層３と、Ｚ方向の変形に異方性を有する、または変形に等方性を有するＺ方向用誘電層４と、を備える。触覚センサ１は、荷重Ｆ１が入力される際の変形に伴う各誘電層２、３、４の静電容量の変化を基に、剪断力、圧縮力を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの人工皮膚などに用いられ、接触対象物から入力される荷重を、剪断力と圧縮力とに分解して検出可能な静電容量型の触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、接触対象物から入力される荷重を、剪断力と圧縮力とに分解して検出可能な静電容量型の触覚センサが開示されている。同文献の触覚センサは、剪断力検出部と、圧縮力検出部と、を備えている。剪断力検出部、圧縮力検出部は、各々、表側電極層と、裏側電極層と、誘電層と、を備えている。
【０００３】
コンデンサの静電容量は、式（１）から算出される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ ・・・式（１）
式（１）中、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは対向する電極の面積、ｄは電極間距離である。
【０００４】
同文献の触覚センサに剪断力が加わると、触覚センサを表側または裏側から見た場合の、剪断力検出部の表側電極層と裏側電極層との重複面積が変化する。すなわち、式（１）の面積Ｓが変化する。この面積Ｓの変化を利用して、触覚センサは剪断力を検出している。
【０００５】
また、同文献の触覚センサに圧縮力が加わると、圧縮力検出部の表側電極層と裏側電極層との間の距離が変化する。すなわち、式（１）の電極間距離ｄが変化する。この電極間距離ｄの変化を利用して、触覚センサは圧縮力を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２２０１８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、同文献の触覚センサによると、剪断力を、さらに、Ｘ方向分力とＹ方向分力とに分解して検出する場合、同文献の［図１１］〜［図１４］に示すように、電極層の配置が複雑だった。すなわち、Ｘ方向用表側電極層、Ｙ方向用表側電極層、Ｘ方向用裏側電極層、Ｙ方向用裏側電極層という四種類の電極層を精度良く配置する必要があった。このため、触覚センサの構造が複雑化していた。
【０００８】
本発明の触覚センサは、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、構造が簡単で、入力された荷重を剪断力と圧縮力とに分解して、さらには剪断力を二方向に分解して検出可能な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】
【０００９】
（１）上記課題を解決するため、本発明の触覚センサは、接触対象物から荷重が入力される入力面を有し、該荷重を、該入力面の面展開方向に加わる剪断力と、該入力面の略法線方向に加わる圧縮力と、に分解して検出可能な静電容量型の触覚センサであって、互いに交差する方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として、該Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｚ方向の変形に異方性を有する、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向の変形に等方性を有するＺ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表裏両側、該Ｙ方向用誘電層の表裏両側、該Ｚ方向用誘電層の表裏両側に配置される複数の電極層と、を備え、前記荷重が入力される際の変形に伴う各誘電層の静電容量の変化を基に、前記剪断力、前記圧縮力を検出することを特徴とする。
【００１０】
ここで、「Ｘ方向の変形に異方性を有する」とは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、Ｘ方向の変形に、最も特徴があることをいう。例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、最もＸ方向に変形しやすいことをいう。または、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、最もＸ方向に変形しにくいことをいう。「Ｙ方向の変形に異方性を有する」、「Ｚ方向の変形に異方性を有する」についても、同様である。
【００１１】
本発明の触覚センサは、Ｘ方向用誘電層と、Ｙ方向用誘電層と、Ｚ方向用誘電層と、を備えている。これら三種類の誘電層は、各々、変形方向に異方性を有している（ただし、Ｚ方向用誘電層は、変形方向に等方性を有している場合もある。）。このため、入力された荷重を、三方向に分解して検出することができる。したがって、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００１２】
また、本発明の触覚センサによると、各誘電層（Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層、Ｚ方向用誘電層）の変形の異方性（Ｚ方向用誘電層の変形は等方性の場合もある。）に基づいて、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出している。このため、構造が簡単である。
【００１３】
（１−１）好ましくは、上記（１）の構成において、前記圧縮力が加わる方向は、前記Ｚ方向であり、前記剪断力が加わる二方向は、各々該Ｚ方向に略直交すると共に、互いに略直交する前記Ｘ方向および前記Ｙ方向である構成とする方がよい。
【００１４】
本構成によると、Ｘ方向用誘電層およびＹ方向用誘電層により、互いに直交する二方向の剪断力を検出することができる。また、Ｚ方向用誘電層により、圧縮力を検出することができる。
【００１５】
また、荷重の分解方向（圧縮力が加わる方向、剪断力が加わる方向）と、各誘電層が異方性を有する方向（Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向）と、が対応していない場合と比較して（この場合も勿論（１）の構成に含まれる。）、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００１６】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記Ｘ方向用誘電層は前記Ｘ方向に変形しやすく、前記Ｙ方向用誘電層は前記Ｙ方向に変形しやすく、前記Ｚ方向用誘電層は前記Ｚ方向に変形しやすい、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向に均等に変形しやすい構成とする方がよい。
【００１７】
本構成によると、荷重のＸ方向分力により、Ｘ方向用誘電層およびＺ方向用誘電層のうち、少なくともＸ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、少なくともＸ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄ（式（１）参照）が小さくなる。
【００１８】
また、荷重のＹ方向分力により、Ｙ方向用誘電層およびＺ方向用誘電層のうち、少なくともＹ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、少なくともＹ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄが小さくなる。
【００１９】
また、荷重のＺ方向分力により、Ｚ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、Ｚ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄが小さくなる。
【００２０】
本構成によると、Ｘ方向用誘電層がＸ方向に変形しにくく、Ｙ方向用誘電層がＹ方向に変形しにくく、Ｚ方向用誘電層がＺ方向に変形しにくい（またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に均等に変形しにくい）場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００２１】
（３）好ましくは、上記（２）の構成において、前記Ｘ方向用誘電層、前記Ｙ方向用誘電層、前記Ｚ方向用誘電層のうち、少なくとも一つの誘電層は、該誘電層の変形に異方性を付与するために、該誘電層を優先的に変形させたい方向に対して略直交する方向に延在するスリット、セル、フィラー、突起列のうち少なくとも一つを有する構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、誘電層の変形に異方性を付与することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、構造が簡単で、入力された荷重を剪断力と圧縮力とに分解して、さらには剪断力を二方向に分解して検出可能な触覚センサを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一実施形態の触覚センサの斜視図である。
【図２】同触覚センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、無荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図である。（ｂ）は、荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図である。
【図４】同触覚センサの左上方向から荷重が加わる場合の斜視図である。
【図５】同触覚センサの左後上方向から荷重が加わる場合の斜視図である。
【図６】第二実施形態の触覚センサの斜視図である。
【図７】第三実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の斜視図である。
【図８】第四実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の透過斜視図である。
【図９】第五実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層付近の透過斜視図である。
【図１０】第六実施形態の触覚センサのＺ方向用誘電層の透過斜視図である。
【図１１】第七実施形態の触覚センサの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の触覚センサの実施の形態について説明する。
【００２５】
＜第一実施形態＞
以下に示す図面において、左右方向は、本発明の「Ｘ方向」および「面展開方向」に対応している。また、前後方向は、本発明の「Ｙ方向」および「面展開方向」に対応している。また、上下方向は、本発明の「Ｚ方向」および「法線方向」に対応している。
【００２６】
［触覚センサの構成］
まず、本実施形態の触覚センサの構成について説明する。図１に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。図２に、同触覚センサの分解斜視図を示す。図１、図２に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ方向用誘電層２と、Ｙ方向用誘電層３と、Ｚ方向用誘電層４と、四つの電極層５ａ〜５ｄと、を備えている。これらの層は、上方から下方に向かって、電極層５ａ、Ｘ方向用誘電層２、電極層５ｂ、Ｙ方向用誘電層３、電極層５ｃ、Ｚ方向用誘電層４、電極層５ｄの順番に、積層されている。最上層である電極層５ａの上面は、接触対象物９０から荷重が入力される入力面５０ａである。
【００２７】
四つの電極層５ａ〜５ｄは、各々、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。四つの電極層５ａ〜５ｄは、各々、正方形の薄膜状を呈している。四つの電極層５ａ〜５ｄには、各々、配線（図略）を介して、制御装置（図略）が接続されている。電極層５ａ、５ｂにより、Ｘ方向用誘電層２の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。また、電極層５ｂ、５ｃにより、Ｙ方向用誘電層３の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。また、電極層５ｃ、５ｄにより、Ｚ方向用誘電層４の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。
【００２８】
Ｘ方向用誘電層２は、アクリルゴム製であって、正方形の薄膜状を呈している。図３（ａ）に、無荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図を示す。図３（ｂ）に、荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図を示す。図１〜図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数のスリット２０が形成されている。複数のスリット２０は、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０は、Ｘ方向用誘電層２の上面に開口している。スリット２０は、前後方向に延在している。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向用誘電層２の上面に、左方から右方に剪断力が加わると、Ｘ方向用誘電層２の上面は、Ｘ方向用誘電層２の下面に対して、右方に変位する。ここで、スリット２０により、Ｘ方向用誘電層２の組織の左右方向の連続は、切断されている。このため、スリット２０が配置されていない場合と比較して、Ｘ方向用誘電層２の上面の変位量は大きくなる。このように、Ｘ方向用誘電層２が変形するため、図３（ａ）に示す無荷重状態に対して、図３（ｂ）に示す荷重状態の方が、Ｘ方向用誘電層２の上下方向の層厚Ｄが薄くなる。したがって、図１に示すように、Ｘ方向用誘電層２の表裏両側の電極層５ａ、５ｂ間の電極間距離ｄ（式（１）参照）が小さくなる。よって、静電容量Ｃ（式（１）参照）が大きくなる。当該静電容量Ｃの変化に関する電気量は、図１、図２に示す電極層５ａ、５ｂにより、制御装置に伝送される。
【００３０】
Ｙ方向用誘電層３は、複数のスリット３０が前後方向に配置され左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層４は、スリットが配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３と同様の構成を有している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表１に、各誘電層の変形量を一覧表で示す。ただし、表１に示すＺ方向（上下方向）の変形量には、任意の誘電層に荷重が加わり当該誘電層が変形したことに伴う、Ｚ方向の収縮量は含まれていない。例えば、Ｘ方向用誘電層２にＸ方向（左右方向）から荷重が加わると、Ｘ方向用誘電層２は左右方向に大きく変形する。この際、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、当該変形により、Ｘ方向用誘電層２はＺ方向に収縮する。当該収縮量は、表１には含まれていない。
【００３３】
表１に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、いずれの方向から荷重が加わる場合であっても、当該方向に大きく変形する。つまり、Ｚ方向用誘電層４は、いずれの方向から荷重が加わる場合であっても、大きく収縮する。
【００３４】
Ｘ方向用誘電層２は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合（荷重がＸ方向、ＺＸ方向、ＸＹ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｘ方向に大きく変形する。つまり、Ｘ方向用誘電層２は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００３５】
Ｙ方向用誘電層３は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合（荷重がＹ方向、ＸＹ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｙ方向に大きく変形する。つまり、Ｙ方向用誘電層３は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００３６】
［触覚センサの動き］
次に、本実施形態の触覚センサの動きについて説明する。まず、入力面５０ａに対して真上方向から荷重が加わる場合について説明する。図１に示すように、真上方向から接触対象物９０が入力面５０ａを押圧する場合（つまり表１においてＺ方向から荷重Ｆ１が加わる場合）、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層３は、あまり変形しない。これに対して、Ｚ方向用誘電層４は、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ１の入力方向、荷重値を演算する。なお、入力面５０ａに対して前、後、左、右方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３７】
次に、入力面５０ａに対して左上方向から荷重が加わる場合について説明する。図４に、本実施形態の触覚センサの左上方向から荷重が加わる場合の斜視図を示す。図４に示すように、図１に示す状態から接触対象物９０を右方に移動させると、入力面５０ａには、左上方向から荷重Ｆ２が加わることになる。つまり、表１において、ＺＸ方向から荷重Ｆ２が加わることになる。この場合、Ｙ方向用誘電層３は、あまり変形しない。これに対して、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｘ方向用誘電層２（電極層５ａ〜電極層５ｂ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ２の入力方向、荷重値を演算する。なお、入力面５０ａに対して右上、前上、後上、左前、左後、右前、右後方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３８】
次に、入力面５０ａに対して、左後上方向から荷重が加わる場合について説明する。図５に、本実施形態の触覚センサの左後上方向から荷重が加わる場合の斜視図を示す。図５に示すように、図１に示す状態から接触対象物９０を右前方に移動させると、入力面５０ａには、左後上方向から荷重Ｆ３が加わることになる。つまり、表１において、ＺＸＹ方向から荷重Ｆ３が加わることになる。この場合、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向、前後方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｙ方向用誘電層３は、前後方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｘ方向用誘電層２（電極層５ａ〜電極層５ｂ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｙ方向用誘電層３（電極層５ｂ〜電極層５ｃ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ３の入力方向、荷重値を演算する。入力面５０ａに対して左前上、右後上、右前上方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３９】
［作用効果］
次に、本実施形態の触覚センサの作用効果について説明する。本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ方向用誘電層２と、Ｙ方向用誘電層３と、Ｚ方向用誘電層４と、を備えている。Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３は、変形方向に異方性を有している。Ｚ方向用誘電層４は、変形方向に等方性を有している。このため、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００４０】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３の変形の異方性、Ｚ方向用誘電層４の変形の等方性に基づいて、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出している。このため、触覚センサ１の構造が簡単である。
【００４１】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重の分解方向（圧縮力が加わる方向、剪断力が加わる方向）と、各誘電層が異方性を有する方向（Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向）と、が対応していない場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００４２】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重のＸ方向分力により、Ｘ方向用誘電層２およびＺ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。また、荷重のＹ方向分力により、Ｙ方向用誘電層３およびＺ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。また、荷重のＺ方向分力により、Ｚ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。このため、Ｘ方向用誘電層２がＸ方向に変形しにくく、Ｙ方向用誘電層３がＹ方向に変形しにくく、Ｚ方向用誘電層４がＺ方向に変形しにくい（またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に均等に変形しにくい）場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００４３】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、Ｘ方向用誘電層２は、複数のスリット２０を備えている。スリット２０は前後方向に延在している。このため、スリット２０により、Ｘ方向用誘電層２の組織の左右方向の連続が断たれている。したがって、Ｘ方向用誘電層２の左右方向の変位量を大きくすることができる。同様に、Ｙ方向用誘電層３は、複数のスリット３０を備えている。スリット３０は左右方向に延在している。このため、スリット３０により、Ｙ方向用誘電層３の組織の前後方向の連続が断たれている。したがって、Ｙ方向用誘電層３の前後方向の変位量を大きくすることができる。
【００４４】
＜第二実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、各誘電層専用の電極層が配置されている点である。また、積層方向（表裏方向）に隣り合う電極層間に絶縁層が介装されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００４５】
図６に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。なお、図１と対応する部位については、同じ符号で示す。図６に示すように、Ｘ方向用誘電層２の上下方向両側には、電極層５Ａ、５Ｂが配置されている。電極層５Ａの上面は入力面５０Ａである。また、Ｙ方向用誘電層３の上下方向両側には、電極層５Ｃ、５Ｄが配置されている。また、Ｚ方向用誘電層４の上下方向両側には、電極層５Ｅ、５Ｆが配置されている。
【００４６】
積層方向に隣り合う電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間には、ポリウレタン製の絶縁層６ａが介装されている。また、積層方向に隣り合う電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間には、ポリウレタン製の絶縁層６ｂが介装されている。
【００４７】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサ１によると、絶縁層６ａにより、電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間の導通を遮断することができる。また、絶縁層６ｂにより、電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間の導通を遮断することができる。
【００４８】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、絶縁層６ａ、６ｂの層厚を、各誘電層の層厚に対して、充分厚く設定することができる。このため、電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間や、電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間に、擬似的にコンデンサが形成される場合であっても、当該コンデンサに蓄積される静電容量が大きくなるのを、抑制することができる。したがって、本実施形態の触覚センサ１によると、剪断力、圧縮力の検出精度が高い。
【００４９】
＜第三実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなく貫通孔が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５０】
図７に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図７に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数の貫通孔２１が穿設されている。貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２を、前後方向に貫通している。貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に潰れにくい。このため、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２が左右方向に変形する際に潰れやすい。このため、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５１】
Ｙ方向用誘電層は、複数の貫通孔が左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、貫通孔が配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００５２】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、貫通孔２１が配置されている分だけ、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層を、軽量化することができる。
【００５３】
＜第四実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなくフィラーが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５４】
図８に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図８に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数のフィラー２２が配置されている。フィラー２２は、ガラスファイバー製であって、前後方向に長い棒状を呈している。フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に、あたかも「突っ張り棒」のように作用する。すなわち、フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２の前後方向の変形を妨げる。このため、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２の左右方向の変形を妨げない。このため、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５５】
Ｙ方向用誘電層は、複数のフィラーが左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、フィラーが配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００５６】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層に形状的、外観的な加工を施すことなく、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層の変形に異方性を付与することができる。
【００５７】
＜第五実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなく突起が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５８】
図９に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層付近の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図９に示すように、Ｘ方向用誘電層２は、複数の突起２３と、空気層２４と、を備えている。突起２３は、短軸円柱状を呈している。突起２３は、上下方向に延在している。空気層２４は、複数の突起２３の間に配置されている。複数の突起２３は、前後方向に密に並べられている。言い換えると、Ｘ方向用誘電層２には、前後方向に延在する突起列が配置されている。このため、突起２３は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に曲がりにくい。したがって、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、複数の突起２３は、左右方向に疎に並べられている。このため、突起２３は、Ｘ方向用誘電層２が左右方向に変形する際に曲がりやすい。したがって、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５９】
Ｙ方向用誘電層は、複数の突起が前後方向に疎に左右方向に密に並べられている（突起列が左右方向に延在している）点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、前後左右方向均等に突起が配置されている点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００６０】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、空気層２４が配置されている分だけ、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層、Ｚ方向用誘電層を、軽量化することができる。
【００６１】
＜第六実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｚ方向用誘電層に、プレートが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００６２】
図１０に、本実施形態の触覚センサのＺ方向用誘電層の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図１０に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、複数のプレート４０を備えている。プレート４０は、正方形薄板状を呈している。上方または下方から見て、プレート４０は、Ｚ方向用誘電層４の略全面に配置されている。プレート４０は、Ｚ方向用誘電層４よりも、左右方向、前後方向のばね定数が大きい。このため、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向、前後方向に変形しにくい。一方、Ｚ方向用誘電層４は、上下方向に変形しやすい。なお、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層の構成は、第一実施形態のＸ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層と同様である。
【００６３】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、Ｚ方向用誘電層４が、上下方向に変形しやすい。
【００６４】
【表２】
【００６５】
表２に、各誘電層の変形量を一覧表で示す。ただし、表１同様に、表２に示すＺ方向（上下方向）の変形量には、任意の誘電層に荷重が加わり当該誘電層が変形したことに伴う、Ｚ方向の収縮量は含まれていない。
【００６６】
表２に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、荷重にＺ方向分力が含まれている場合（荷重がＺ方向、ＺＸ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｚ方向に大きく変形する。つまり、Ｚ方向用誘電層４は、荷重にＺ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６７】
Ｘ方向用誘電層は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合（荷重がＸ方向、ＺＸ方向、ＸＹ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｘ方向に大きく変形する。つまり、Ｘ方向用誘電層は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６８】
Ｙ方向用誘電層は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合（荷重がＹ方向、ＸＹ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｙ方向に大きく変形する。つまり、Ｙ方向用誘電層は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６９】
本実施形態の触覚センサのように、Ｚ方向用誘電層４の変形に異方性を付与しても、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００７０】
＜第七実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層が、各々二層ずつ配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００７１】
図１１に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。なお、図１と対応する部位については同じ符号で示す。図１１に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと、Ｙ正方向用誘電層３Ｕと、Ｙ負方向用誘電層３Ｄと、Ｚ方向用誘電層４と、六つの電極層５ａ〜５ｆと、を備えている。
【００７２】
Ｘ正方向用誘電層２Ｕ、Ｘ負方向用誘電層２Ｄは、本発明の「Ｘ方向用誘電層」の概念に含まれる。Ｙ正方向用誘電層３Ｕ、Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、本発明の「Ｙ方向用誘電層」の概念に含まれる。
【００７３】
これらの層は、上方から下方に向かって、電極層５ａ、Ｘ正方向用誘電層２Ｕ、電極層５ｂ、Ｘ負方向用誘電層２Ｄ、電極層５ｃ、Ｙ正方向用誘電層３Ｕ、電極層５ｄ、Ｙ負方向用誘電層３Ｄ、電極層５ｅ、Ｚ方向用誘電層４、電極層５ｆの順番に、積層されている。最上層である電極層５ａの上面は、接触対象物から荷重が入力される入力面５０ａである。
【００７４】
Ｘ正方向用誘電層２Ｕには、複数のスリット２０Ｕが形成されている。複数のスリット２０Ｕは、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０Ｕは、Ｘ正方向用誘電層２Ｕの上面に開口している。スリット２０Ｕは、前後方向に延在している。スリット２０Ｕの開口は、スリット２０Ｕの底に対して、右側にずれて配置されている。すなわち、スリット２０Ｕは、右上（開口）から左下（底）に進展している。このため、Ｘ正方向用誘電層２Ｕは、左右方向のうち、右方に変形しやすい。
【００７５】
Ｘ負方向用誘電層２Ｄには、複数のスリット２０Ｄが形成されている。複数のスリット２０Ｄは、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０Ｄは、Ｘ負方向用誘電層２Ｄの上面に開口している。スリット２０Ｄは、前後方向に延在している。スリット２０Ｄの開口は、スリット２０Ｄの底に対して、左側にずれて配置されている。すなわち、スリット２０Ｄは、左上（開口）から右下（底）に進展している。このため、Ｘ負方向用誘電層２Ｄは、左右方向のうち、左方に変形しやすい。
【００７６】
Ｙ正方向用誘電層３Ｕは、複数のスリット３０Ｕが前後方向に配置され左右方向に延在し前上（開口）から後下（底）に進展している点以外は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと同様の構成を有している。Ｙ正方向用誘電層３Ｕは、前後方向のうち、前方に変形しやすい。
【００７７】
Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、複数のスリット３０Ｄが前後方向に配置され左右方向に延在し後上（開口）から前下（底）に進展している点以外は、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと同様の構成を有している。Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、前後方向のうち、後方に変形しやすい。
【００７８】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重が加わる方向を、より正確に判別することができる。すなわち、左方から荷重が加わる場合は、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと比較して、Ｘ正方向用誘電層２Ｕが右方に大きく変形する。このため、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと比較して、Ｘ正方向用誘電層２Ｕが上下方向に大きく収縮する。したがって、電極５ａ、５ｂにより検出される、Ｘ正方向用誘電層２Ｕの静電容量に関する電気量から、荷重が左方から入力されたことを判別することができる。
【００７９】
同様に、右方から荷重が加わる場合は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと比較して、Ｘ負方向用誘電層２Ｄが左方に大きく変形する。また、後方から荷重が加わる場合は、Ｙ負方向用誘電層３Ｄと比較して、Ｙ正方向用誘電層３Ｕが前方に大きく変形する。また、前方から荷重が加わる場合は、Ｙ正方向用誘電層３Ｕと比較して、Ｙ負方向用誘電層３Ｄが後方に大きく変形する。
【００８０】
このように、各誘電層は、単一の方向（例えばＸ方向）における正方向（例えば右方）または負方向（例えば左方）に特化した異方性を有している。このため、各誘電層の変形の程度（上下方向の収縮の程度）から、荷重が加わる方向を正確に判別することができる。
【００８１】
＜その他＞
以上、本発明の触覚センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００８２】
電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆから制御装置に入力される電気量は特に限定しない。電気抵抗、インピーダンス、位相、静電容量などであってもよい。Ｘ方向と左右方向、Ｙ方向と前後方向、Ｚ方向と上下方向とが、各々対応しなくてもよい。荷重を三方向に分解して検出できれば、検出された分力を基に圧縮力と二方向の剪断力とを合成することができる。
【００８３】
誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄの積層順は特に限定しない。例えば、Ｚ方向用誘電層４が最上層であってもよい。誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄ、電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆ、絶縁層６ａ、６ｂの形成方法は特に限定しない。例えば、成形、印刷（スクリーン印刷など）、塗布により、これらの層を形成してもよい。
【００８４】
誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄの材質は特に限定しない。ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。例えば、静電容量を大きくするという観点では、比誘電率が高いものが望ましい。この観点からは、常温における比誘電率が３以上、さらには５以上のものが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。また、エラストマーのヤング率を調整することにより、用途に応じて荷重の検出感度や検出レンジを調整すればよい。特に、接触対象物から入力される荷重が小さい場合は、エラストマーとして、発泡体を用いると好適である。その理由は、発泡体はヤング率が小さいため、接触対象物から加わる荷重が小さい場合であっても、誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄが充分に変形するからである。すなわち、確実に荷重を検出することができるからである。好適なエラストマー（エラストマーの発泡体を含む）としては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。
【００８５】
電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆの材質は特に限定しない。電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆは、アクリルゴム以外のエラストマーを含んでいてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆは、導電性カーボンブラック以外の導電性フィラーを含んでいてもよい。導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの誘導体、グラファイト、導電性炭素繊維などが挙げられる。
【００８６】
絶縁層６ａ、６ｂの材質は特に限定しない。例えば、エラストマー製としてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム、などが挙げられる。好ましくは、電極層５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅとの接着性に優れるエラストマーがよい。ウレタンゴム、アクリルゴム、ヒドリンゴムが好適である。
【００８７】
第七実施形態においては、スリット２０Ｕ、２０Ｄ、３０Ｕ、３０Ｄを傾斜配置することにより誘電層２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄに異方性を付与したが、図９に示す突起２３を傾斜配置することにより誘電層２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄに異方性を付与してもよい。
【００８８】
本発明の触覚センサは、ロボットに指示を入力するインターフェイスとして、人工皮膚に用いることができる。すなわち、接触対象物（例えば人間の手）から人工皮膚に入力される荷重の方向、荷重値を介して、指示をロボットに伝達することができる。また、本発明の触覚センサは、荷重センサや荷重分布センサ（面圧分布センサ）として用いることができる。荷重分布センサとして用いる場合は、例えば、図１に示す電極層５ａとして、左右方向に並べられ前後方向に延在する複数の帯状電極層を配置し、図１に示す電極層５ｂとして、前後方向に並べられ左右方向に延在する複数の帯状電極層を配置し、上方または下方から見た場合のこれらの帯状電極層の重複部を、Ｘ方向用誘電層２用の検出部として用いればよい。電極層５ｂ、５ｃ（Ｙ方向用誘電層３）、電極層５ｃ、５ｄ（Ｚ方向用誘電層４）についても同様である。
【符号の説明】
【００８９】
１：触覚センサ、２：Ｘ方向用誘電層、２Ｄ：Ｘ負方向用誘電層（Ｘ方向用誘電層）、２Ｕ：Ｘ正方向用誘電層（Ｘ方向用誘電層）、３：Ｙ方向用誘電層、３Ｄ：Ｙ負方向用誘電層（Ｙ方向用誘電層）、３Ｕ：Ｙ正方向用誘電層（Ｙ方向用誘電層）、４：Ｚ方向用誘電層、５Ａ〜５Ｆ：電極層、５ａ〜５ｆ：電極層、６ａ：絶縁層、６ｂ：絶縁層。
２０：スリット、２０Ｄ：スリット、２０Ｕ：スリット、２１：貫通孔、２２：フィラー、２３：突起、２４：空気層、３０：スリット、３０Ｄ：スリット、３０Ｕ：スリット、４０：プレート、５０Ａ：入力面、５０ａ：入力面、９０：接触対象物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの人工皮膚などに用いられ、接触対象物から入力される荷重を、剪断力と圧縮力とに分解して検出可能な静電容量型の触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、接触対象物から入力される荷重を、剪断力と圧縮力とに分解して検出可能な静電容量型の触覚センサが開示されている。同文献の触覚センサは、剪断力検出部と、圧縮力検出部と、を備えている。剪断力検出部、圧縮力検出部は、各々、表側電極層と、裏側電極層と、誘電層と、を備えている。
【０００３】
コンデンサの静電容量は、式（１）から算出される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ ・・・式（１）
式（１）中、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは対向する電極の面積、ｄは電極間距離である。
【０００４】
同文献の触覚センサに剪断力が加わると、触覚センサを表側または裏側から見た場合の、剪断力検出部の表側電極層と裏側電極層との重複面積が変化する。すなわち、式（１）の面積Ｓが変化する。この面積Ｓの変化を利用して、触覚センサは剪断力を検出している。
【０００５】
また、同文献の触覚センサに圧縮力が加わると、圧縮力検出部の表側電極層と裏側電極層との間の距離が変化する。すなわち、式（１）の電極間距離ｄが変化する。この電極間距離ｄの変化を利用して、触覚センサは圧縮力を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２２０１８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、同文献の触覚センサによると、剪断力を、さらに、Ｘ方向分力とＹ方向分力とに分解して検出する場合、同文献の［図１１］〜［図１４］に示すように、電極層の配置が複雑だった。すなわち、Ｘ方向用表側電極層、Ｙ方向用表側電極層、Ｘ方向用裏側電極層、Ｙ方向用裏側電極層という四種類の電極層を精度良く配置する必要があった。このため、触覚センサの構造が複雑化していた。
【０００８】
本発明の触覚センサは、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、構造が簡単で、入力された荷重を剪断力と圧縮力とに分解して、さらには剪断力を二方向に分解して検出可能な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】
【０００９】
（１）上記課題を解決するため、本発明の触覚センサは、接触対象物から荷重が入力される入力面を有し、該荷重を、該入力面の面展開方向に加わる剪断力と、該入力面の略法線方向に加わる圧縮力と、に分解して検出可能な静電容量型の触覚センサであって、互いに交差する方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として、該Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｚ方向の変形に異方性を有する、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向の変形に等方性を有するＺ方向用誘電層と、該Ｘ方向用誘電層の表裏両側、該Ｙ方向用誘電層の表裏両側、該Ｚ方向用誘電層の表裏両側に配置される複数の電極層と、を備え、前記荷重が入力される際の変形に伴う各誘電層の静電容量の変化を基に、前記剪断力、前記圧縮力を検出することを特徴とする。
【００１０】
ここで、「Ｘ方向の変形に異方性を有する」とは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、Ｘ方向の変形に、最も特徴があることをいう。例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、最もＸ方向に変形しやすいことをいう。または、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の中で、最もＸ方向に変形しにくいことをいう。「Ｙ方向の変形に異方性を有する」、「Ｚ方向の変形に異方性を有する」についても、同様である。
【００１１】
本発明の触覚センサは、Ｘ方向用誘電層と、Ｙ方向用誘電層と、Ｚ方向用誘電層と、を備えている。これら三種類の誘電層は、各々、変形方向に異方性を有している（ただし、Ｚ方向用誘電層は、変形方向に等方性を有している場合もある。）。このため、入力された荷重を、三方向に分解して検出することができる。したがって、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００１２】
また、本発明の触覚センサによると、各誘電層（Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層、Ｚ方向用誘電層）の変形の異方性（Ｚ方向用誘電層の変形は等方性の場合もある。）に基づいて、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出している。このため、構造が簡単である。
【００１３】
（１−１）好ましくは、上記（１）の構成において、前記圧縮力が加わる方向は、前記Ｚ方向であり、前記剪断力が加わる二方向は、各々該Ｚ方向に略直交すると共に、互いに略直交する前記Ｘ方向および前記Ｙ方向である構成とする方がよい。
【００１４】
本構成によると、Ｘ方向用誘電層およびＹ方向用誘電層により、互いに直交する二方向の剪断力を検出することができる。また、Ｚ方向用誘電層により、圧縮力を検出することができる。
【００１５】
また、荷重の分解方向（圧縮力が加わる方向、剪断力が加わる方向）と、各誘電層が異方性を有する方向（Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向）と、が対応していない場合と比較して（この場合も勿論（１）の構成に含まれる。）、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００１６】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記Ｘ方向用誘電層は前記Ｘ方向に変形しやすく、前記Ｙ方向用誘電層は前記Ｙ方向に変形しやすく、前記Ｚ方向用誘電層は前記Ｚ方向に変形しやすい、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向に均等に変形しやすい構成とする方がよい。
【００１７】
本構成によると、荷重のＸ方向分力により、Ｘ方向用誘電層およびＺ方向用誘電層のうち、少なくともＸ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、少なくともＸ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄ（式（１）参照）が小さくなる。
【００１８】
また、荷重のＹ方向分力により、Ｙ方向用誘電層およびＺ方向用誘電層のうち、少なくともＹ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、少なくともＹ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄが小さくなる。
【００１９】
また、荷重のＺ方向分力により、Ｚ方向用誘電層の層厚が薄くなる。つまり、Ｚ方向用誘電層の表裏両側の電極層の電極間距離ｄが小さくなる。
【００２０】
本構成によると、Ｘ方向用誘電層がＸ方向に変形しにくく、Ｙ方向用誘電層がＹ方向に変形しにくく、Ｚ方向用誘電層がＺ方向に変形しにくい（またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に均等に変形しにくい）場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００２１】
（３）好ましくは、上記（２）の構成において、前記Ｘ方向用誘電層、前記Ｙ方向用誘電層、前記Ｚ方向用誘電層のうち、少なくとも一つの誘電層は、該誘電層の変形に異方性を付与するために、該誘電層を優先的に変形させたい方向に対して略直交する方向に延在するスリット、セル、フィラー、突起列のうち少なくとも一つを有する構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、誘電層の変形に異方性を付与することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、構造が簡単で、入力された荷重を剪断力と圧縮力とに分解して、さらには剪断力を二方向に分解して検出可能な触覚センサを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一実施形態の触覚センサの斜視図である。
【図２】同触覚センサの分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、無荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図である。（ｂ）は、荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図である。
【図４】同触覚センサの左上方向から荷重が加わる場合の斜視図である。
【図５】同触覚センサの左後上方向から荷重が加わる場合の斜視図である。
【図６】第二実施形態の触覚センサの斜視図である。
【図７】第三実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の斜視図である。
【図８】第四実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の透過斜視図である。
【図９】第五実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層付近の透過斜視図である。
【図１０】第六実施形態の触覚センサのＺ方向用誘電層の透過斜視図である。
【図１１】第七実施形態の触覚センサの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の触覚センサの実施の形態について説明する。
【００２５】
＜第一実施形態＞
以下に示す図面において、左右方向は、本発明の「Ｘ方向」および「面展開方向」に対応している。また、前後方向は、本発明の「Ｙ方向」および「面展開方向」に対応している。また、上下方向は、本発明の「Ｚ方向」および「法線方向」に対応している。
【００２６】
［触覚センサの構成］
まず、本実施形態の触覚センサの構成について説明する。図１に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。図２に、同触覚センサの分解斜視図を示す。図１、図２に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ方向用誘電層２と、Ｙ方向用誘電層３と、Ｚ方向用誘電層４と、四つの電極層５ａ〜５ｄと、を備えている。これらの層は、上方から下方に向かって、電極層５ａ、Ｘ方向用誘電層２、電極層５ｂ、Ｙ方向用誘電層３、電極層５ｃ、Ｚ方向用誘電層４、電極層５ｄの順番に、積層されている。最上層である電極層５ａの上面は、接触対象物９０から荷重が入力される入力面５０ａである。
【００２７】
四つの電極層５ａ〜５ｄは、各々、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。四つの電極層５ａ〜５ｄは、各々、正方形の薄膜状を呈している。四つの電極層５ａ〜５ｄには、各々、配線（図略）を介して、制御装置（図略）が接続されている。電極層５ａ、５ｂにより、Ｘ方向用誘電層２の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。また、電極層５ｂ、５ｃにより、Ｙ方向用誘電層３の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。また、電極層５ｃ、５ｄにより、Ｚ方向用誘電層４の静電容量に関する電気量が、制御装置に伝送される。
【００２８】
Ｘ方向用誘電層２は、アクリルゴム製であって、正方形の薄膜状を呈している。図３（ａ）に、無荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図を示す。図３（ｂ）に、荷重状態のＸ方向用誘電層の前面図を示す。図１〜図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数のスリット２０が形成されている。複数のスリット２０は、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０は、Ｘ方向用誘電層２の上面に開口している。スリット２０は、前後方向に延在している。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向用誘電層２の上面に、左方から右方に剪断力が加わると、Ｘ方向用誘電層２の上面は、Ｘ方向用誘電層２の下面に対して、右方に変位する。ここで、スリット２０により、Ｘ方向用誘電層２の組織の左右方向の連続は、切断されている。このため、スリット２０が配置されていない場合と比較して、Ｘ方向用誘電層２の上面の変位量は大きくなる。このように、Ｘ方向用誘電層２が変形するため、図３（ａ）に示す無荷重状態に対して、図３（ｂ）に示す荷重状態の方が、Ｘ方向用誘電層２の上下方向の層厚Ｄが薄くなる。したがって、図１に示すように、Ｘ方向用誘電層２の表裏両側の電極層５ａ、５ｂ間の電極間距離ｄ（式（１）参照）が小さくなる。よって、静電容量Ｃ（式（１）参照）が大きくなる。当該静電容量Ｃの変化に関する電気量は、図１、図２に示す電極層５ａ、５ｂにより、制御装置に伝送される。
【００３０】
Ｙ方向用誘電層３は、複数のスリット３０が前後方向に配置され左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層４は、スリットが配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３と同様の構成を有している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表１に、各誘電層の変形量を一覧表で示す。ただし、表１に示すＺ方向（上下方向）の変形量には、任意の誘電層に荷重が加わり当該誘電層が変形したことに伴う、Ｚ方向の収縮量は含まれていない。例えば、Ｘ方向用誘電層２にＸ方向（左右方向）から荷重が加わると、Ｘ方向用誘電層２は左右方向に大きく変形する。この際、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、当該変形により、Ｘ方向用誘電層２はＺ方向に収縮する。当該収縮量は、表１には含まれていない。
【００３３】
表１に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、いずれの方向から荷重が加わる場合であっても、当該方向に大きく変形する。つまり、Ｚ方向用誘電層４は、いずれの方向から荷重が加わる場合であっても、大きく収縮する。
【００３４】
Ｘ方向用誘電層２は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合（荷重がＸ方向、ＺＸ方向、ＸＹ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｘ方向に大きく変形する。つまり、Ｘ方向用誘電層２は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００３５】
Ｙ方向用誘電層３は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合（荷重がＹ方向、ＸＹ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｙ方向に大きく変形する。つまり、Ｙ方向用誘電層３は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００３６】
［触覚センサの動き］
次に、本実施形態の触覚センサの動きについて説明する。まず、入力面５０ａに対して真上方向から荷重が加わる場合について説明する。図１に示すように、真上方向から接触対象物９０が入力面５０ａを押圧する場合（つまり表１においてＺ方向から荷重Ｆ１が加わる場合）、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層３は、あまり変形しない。これに対して、Ｚ方向用誘電層４は、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ１の入力方向、荷重値を演算する。なお、入力面５０ａに対して前、後、左、右方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３７】
次に、入力面５０ａに対して左上方向から荷重が加わる場合について説明する。図４に、本実施形態の触覚センサの左上方向から荷重が加わる場合の斜視図を示す。図４に示すように、図１に示す状態から接触対象物９０を右方に移動させると、入力面５０ａには、左上方向から荷重Ｆ２が加わることになる。つまり、表１において、ＺＸ方向から荷重Ｆ２が加わることになる。この場合、Ｙ方向用誘電層３は、あまり変形しない。これに対して、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｘ方向用誘電層２（電極層５ａ〜電極層５ｂ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ２の入力方向、荷重値を演算する。なお、入力面５０ａに対して右上、前上、後上、左前、左後、右前、右後方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３８】
次に、入力面５０ａに対して、左後上方向から荷重が加わる場合について説明する。図５に、本実施形態の触覚センサの左後上方向から荷重が加わる場合の斜視図を示す。図５に示すように、図１に示す状態から接触対象物９０を右前方に移動させると、入力面５０ａには、左後上方向から荷重Ｆ３が加わることになる。つまり、表１において、ＺＸＹ方向から荷重Ｆ３が加わることになる。この場合、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向、前後方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。並びに、Ｙ方向用誘電層３は、前後方向に大きく変形し、上下方向に大きく収縮する。このため、Ｚ方向用誘電層４（電極層５ｃ〜電極層５ｄ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｘ方向用誘電層２（電極層５ａ〜電極層５ｂ間）の静電容量が大きくなる。並びに、Ｙ方向用誘電層３（電極層５ｂ〜電極層５ｃ間）の静電容量が大きくなる。制御装置は、当該静電容量の変化に関する電気量から、荷重Ｆ３の入力方向、荷重値を演算する。入力面５０ａに対して左前上、右後上、右前上方向から荷重が加わる場合についても同様である。
【００３９】
［作用効果］
次に、本実施形態の触覚センサの作用効果について説明する。本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ方向用誘電層２と、Ｙ方向用誘電層３と、Ｚ方向用誘電層４と、を備えている。Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３は、変形方向に異方性を有している。Ｚ方向用誘電層４は、変形方向に等方性を有している。このため、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００４０】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層３の変形の異方性、Ｚ方向用誘電層４の変形の等方性に基づいて、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出している。このため、触覚センサ１の構造が簡単である。
【００４１】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重の分解方向（圧縮力が加わる方向、剪断力が加わる方向）と、各誘電層が異方性を有する方向（Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向）と、が対応していない場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００４２】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重のＸ方向分力により、Ｘ方向用誘電層２およびＺ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。また、荷重のＹ方向分力により、Ｙ方向用誘電層３およびＺ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。また、荷重のＺ方向分力により、Ｚ方向用誘電層４の層厚が薄くなる。このため、Ｘ方向用誘電層２がＸ方向に変形しにくく、Ｙ方向用誘電層３がＹ方向に変形しにくく、Ｚ方向用誘電層４がＺ方向に変形しにくい（またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に均等に変形しにくい）場合と比較して、制御装置における荷重の分解処理が簡単である。
【００４３】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、Ｘ方向用誘電層２は、複数のスリット２０を備えている。スリット２０は前後方向に延在している。このため、スリット２０により、Ｘ方向用誘電層２の組織の左右方向の連続が断たれている。したがって、Ｘ方向用誘電層２の左右方向の変位量を大きくすることができる。同様に、Ｙ方向用誘電層３は、複数のスリット３０を備えている。スリット３０は左右方向に延在している。このため、スリット３０により、Ｙ方向用誘電層３の組織の前後方向の連続が断たれている。したがって、Ｙ方向用誘電層３の前後方向の変位量を大きくすることができる。
【００４４】
＜第二実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、各誘電層専用の電極層が配置されている点である。また、積層方向（表裏方向）に隣り合う電極層間に絶縁層が介装されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００４５】
図６に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。なお、図１と対応する部位については、同じ符号で示す。図６に示すように、Ｘ方向用誘電層２の上下方向両側には、電極層５Ａ、５Ｂが配置されている。電極層５Ａの上面は入力面５０Ａである。また、Ｙ方向用誘電層３の上下方向両側には、電極層５Ｃ、５Ｄが配置されている。また、Ｚ方向用誘電層４の上下方向両側には、電極層５Ｅ、５Ｆが配置されている。
【００４６】
積層方向に隣り合う電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間には、ポリウレタン製の絶縁層６ａが介装されている。また、積層方向に隣り合う電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間には、ポリウレタン製の絶縁層６ｂが介装されている。
【００４７】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサ１によると、絶縁層６ａにより、電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間の導通を遮断することができる。また、絶縁層６ｂにより、電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間の導通を遮断することができる。
【００４８】
また、本実施形態の触覚センサ１によると、絶縁層６ａ、６ｂの層厚を、各誘電層の層厚に対して、充分厚く設定することができる。このため、電極層５Ｂと電極層５Ｃとの間や、電極層５Ｄと電極層５Ｅとの間に、擬似的にコンデンサが形成される場合であっても、当該コンデンサに蓄積される静電容量が大きくなるのを、抑制することができる。したがって、本実施形態の触覚センサ１によると、剪断力、圧縮力の検出精度が高い。
【００４９】
＜第三実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなく貫通孔が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５０】
図７に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図７に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数の貫通孔２１が穿設されている。貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２を、前後方向に貫通している。貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に潰れにくい。このため、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、貫通孔２１は、Ｘ方向用誘電層２が左右方向に変形する際に潰れやすい。このため、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５１】
Ｙ方向用誘電層は、複数の貫通孔が左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、貫通孔が配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００５２】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、貫通孔２１が配置されている分だけ、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層を、軽量化することができる。
【００５３】
＜第四実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなくフィラーが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５４】
図８に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図８に示すように、Ｘ方向用誘電層２には、複数のフィラー２２が配置されている。フィラー２２は、ガラスファイバー製であって、前後方向に長い棒状を呈している。フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に、あたかも「突っ張り棒」のように作用する。すなわち、フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２の前後方向の変形を妨げる。このため、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、フィラー２２は、Ｘ方向用誘電層２の左右方向の変形を妨げない。このため、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５５】
Ｙ方向用誘電層は、複数のフィラーが左右方向に延在している点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、フィラーが配置されていない点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００５６】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層に形状的、外観的な加工を施すことなく、Ｘ方向用誘電層２およびＹ方向用誘電層の変形に異方性を付与することができる。
【００５７】
＜第五実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層に、スリットではなく突起が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００５８】
図９に、本実施形態の触覚センサのＸ方向用誘電層付近の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図９に示すように、Ｘ方向用誘電層２は、複数の突起２３と、空気層２４と、を備えている。突起２３は、短軸円柱状を呈している。突起２３は、上下方向に延在している。空気層２４は、複数の突起２３の間に配置されている。複数の突起２３は、前後方向に密に並べられている。言い換えると、Ｘ方向用誘電層２には、前後方向に延在する突起列が配置されている。このため、突起２３は、Ｘ方向用誘電層２が前後方向に変形する際に曲がりにくい。したがって、Ｘ方向用誘電層２は、前後方向に変形しにくい。一方、複数の突起２３は、左右方向に疎に並べられている。このため、突起２３は、Ｘ方向用誘電層２が左右方向に変形する際に曲がりやすい。したがって、Ｘ方向用誘電層２は、左右方向に変形しやすい。
【００５９】
Ｙ方向用誘電層は、複数の突起が前後方向に疎に左右方向に密に並べられている（突起列が左右方向に延在している）点以外は、Ｘ方向用誘電層２と同様の構成を有している。Ｚ方向用誘電層は、前後左右方向均等に突起が配置されている点以外は、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層と同様の構成を有している。
【００６０】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、空気層２４が配置されている分だけ、Ｘ方向用誘電層２、Ｙ方向用誘電層、Ｚ方向用誘電層を、軽量化することができる。
【００６１】
＜第六実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｚ方向用誘電層に、プレートが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００６２】
図１０に、本実施形態の触覚センサのＺ方向用誘電層の透過斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図１０に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、複数のプレート４０を備えている。プレート４０は、正方形薄板状を呈している。上方または下方から見て、プレート４０は、Ｚ方向用誘電層４の略全面に配置されている。プレート４０は、Ｚ方向用誘電層４よりも、左右方向、前後方向のばね定数が大きい。このため、Ｚ方向用誘電層４は、左右方向、前後方向に変形しにくい。一方、Ｚ方向用誘電層４は、上下方向に変形しやすい。なお、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層の構成は、第一実施形態のＸ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層と同様である。
【００６３】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサによると、Ｚ方向用誘電層４が、上下方向に変形しやすい。
【００６４】
【表２】
【００６５】
表２に、各誘電層の変形量を一覧表で示す。ただし、表１同様に、表２に示すＺ方向（上下方向）の変形量には、任意の誘電層に荷重が加わり当該誘電層が変形したことに伴う、Ｚ方向の収縮量は含まれていない。
【００６６】
表２に示すように、Ｚ方向用誘電層４は、荷重にＺ方向分力が含まれている場合（荷重がＺ方向、ＺＸ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｚ方向に大きく変形する。つまり、Ｚ方向用誘電層４は、荷重にＺ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６７】
Ｘ方向用誘電層は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合（荷重がＸ方向、ＺＸ方向、ＸＹ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｘ方向に大きく変形する。つまり、Ｘ方向用誘電層は、荷重にＸ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６８】
Ｙ方向用誘電層は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合（荷重がＹ方向、ＸＹ方向、ＹＺ方向、ＺＸＹ方向から加わる場合）、Ｙ方向に大きく変形する。つまり、Ｙ方向用誘電層は、荷重にＹ方向分力が含まれている場合に、大きく収縮する。
【００６９】
本実施形態の触覚センサのように、Ｚ方向用誘電層４の変形に異方性を付与しても、入力された荷重を、圧縮力と、二方向の剪断力と、に分解して検出することができる。
【００７０】
＜第七実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、Ｘ方向用誘電層、Ｙ方向用誘電層が、各々二層ずつ配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００７１】
図１１に、本実施形態の触覚センサの斜視図を示す。なお、図１と対応する部位については同じ符号で示す。図１１に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと、Ｙ正方向用誘電層３Ｕと、Ｙ負方向用誘電層３Ｄと、Ｚ方向用誘電層４と、六つの電極層５ａ〜５ｆと、を備えている。
【００７２】
Ｘ正方向用誘電層２Ｕ、Ｘ負方向用誘電層２Ｄは、本発明の「Ｘ方向用誘電層」の概念に含まれる。Ｙ正方向用誘電層３Ｕ、Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、本発明の「Ｙ方向用誘電層」の概念に含まれる。
【００７３】
これらの層は、上方から下方に向かって、電極層５ａ、Ｘ正方向用誘電層２Ｕ、電極層５ｂ、Ｘ負方向用誘電層２Ｄ、電極層５ｃ、Ｙ正方向用誘電層３Ｕ、電極層５ｄ、Ｙ負方向用誘電層３Ｄ、電極層５ｅ、Ｚ方向用誘電層４、電極層５ｆの順番に、積層されている。最上層である電極層５ａの上面は、接触対象物から荷重が入力される入力面５０ａである。
【００７４】
Ｘ正方向用誘電層２Ｕには、複数のスリット２０Ｕが形成されている。複数のスリット２０Ｕは、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０Ｕは、Ｘ正方向用誘電層２Ｕの上面に開口している。スリット２０Ｕは、前後方向に延在している。スリット２０Ｕの開口は、スリット２０Ｕの底に対して、右側にずれて配置されている。すなわち、スリット２０Ｕは、右上（開口）から左下（底）に進展している。このため、Ｘ正方向用誘電層２Ｕは、左右方向のうち、右方に変形しやすい。
【００７５】
Ｘ負方向用誘電層２Ｄには、複数のスリット２０Ｄが形成されている。複数のスリット２０Ｄは、左右方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。スリット２０Ｄは、Ｘ負方向用誘電層２Ｄの上面に開口している。スリット２０Ｄは、前後方向に延在している。スリット２０Ｄの開口は、スリット２０Ｄの底に対して、左側にずれて配置されている。すなわち、スリット２０Ｄは、左上（開口）から右下（底）に進展している。このため、Ｘ負方向用誘電層２Ｄは、左右方向のうち、左方に変形しやすい。
【００７６】
Ｙ正方向用誘電層３Ｕは、複数のスリット３０Ｕが前後方向に配置され左右方向に延在し前上（開口）から後下（底）に進展している点以外は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと同様の構成を有している。Ｙ正方向用誘電層３Ｕは、前後方向のうち、前方に変形しやすい。
【００７７】
Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、複数のスリット３０Ｄが前後方向に配置され左右方向に延在し後上（開口）から前下（底）に進展している点以外は、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと同様の構成を有している。Ｙ負方向用誘電層３Ｄは、前後方向のうち、後方に変形しやすい。
【００７８】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、本実施形態の触覚センサ１によると、荷重が加わる方向を、より正確に判別することができる。すなわち、左方から荷重が加わる場合は、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと比較して、Ｘ正方向用誘電層２Ｕが右方に大きく変形する。このため、Ｘ負方向用誘電層２Ｄと比較して、Ｘ正方向用誘電層２Ｕが上下方向に大きく収縮する。したがって、電極５ａ、５ｂにより検出される、Ｘ正方向用誘電層２Ｕの静電容量に関する電気量から、荷重が左方から入力されたことを判別することができる。
【００７９】
同様に、右方から荷重が加わる場合は、Ｘ正方向用誘電層２Ｕと比較して、Ｘ負方向用誘電層２Ｄが左方に大きく変形する。また、後方から荷重が加わる場合は、Ｙ負方向用誘電層３Ｄと比較して、Ｙ正方向用誘電層３Ｕが前方に大きく変形する。また、前方から荷重が加わる場合は、Ｙ正方向用誘電層３Ｕと比較して、Ｙ負方向用誘電層３Ｄが後方に大きく変形する。
【００８０】
このように、各誘電層は、単一の方向（例えばＸ方向）における正方向（例えば右方）または負方向（例えば左方）に特化した異方性を有している。このため、各誘電層の変形の程度（上下方向の収縮の程度）から、荷重が加わる方向を正確に判別することができる。
【００８１】
＜その他＞
以上、本発明の触覚センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００８２】
電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆから制御装置に入力される電気量は特に限定しない。電気抵抗、インピーダンス、位相、静電容量などであってもよい。Ｘ方向と左右方向、Ｙ方向と前後方向、Ｚ方向と上下方向とが、各々対応しなくてもよい。荷重を三方向に分解して検出できれば、検出された分力を基に圧縮力と二方向の剪断力とを合成することができる。
【００８３】
誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄの積層順は特に限定しない。例えば、Ｚ方向用誘電層４が最上層であってもよい。誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄ、電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆ、絶縁層６ａ、６ｂの形成方法は特に限定しない。例えば、成形、印刷（スクリーン印刷など）、塗布により、これらの層を形成してもよい。
【００８４】
誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄの材質は特に限定しない。ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。例えば、静電容量を大きくするという観点では、比誘電率が高いものが望ましい。この観点からは、常温における比誘電率が３以上、さらには５以上のものが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。また、エラストマーのヤング率を調整することにより、用途に応じて荷重の検出感度や検出レンジを調整すればよい。特に、接触対象物から入力される荷重が小さい場合は、エラストマーとして、発泡体を用いると好適である。その理由は、発泡体はヤング率が小さいため、接触対象物から加わる荷重が小さい場合であっても、誘電層２、３、４、２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄが充分に変形するからである。すなわち、確実に荷重を検出することができるからである。好適なエラストマー（エラストマーの発泡体を含む）としては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。
【００８５】
電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆの材質は特に限定しない。電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆは、アクリルゴム以外のエラストマーを含んでいてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。電極層５ａ〜５ｆ、５Ａ〜５Ｆは、導電性カーボンブラック以外の導電性フィラーを含んでいてもよい。導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの誘導体、グラファイト、導電性炭素繊維などが挙げられる。
【００８６】
絶縁層６ａ、６ｂの材質は特に限定しない。例えば、エラストマー製としてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム、などが挙げられる。好ましくは、電極層５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅとの接着性に優れるエラストマーがよい。ウレタンゴム、アクリルゴム、ヒドリンゴムが好適である。
【００８７】
第七実施形態においては、スリット２０Ｕ、２０Ｄ、３０Ｕ、３０Ｄを傾斜配置することにより誘電層２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄに異方性を付与したが、図９に示す突起２３を傾斜配置することにより誘電層２Ｕ、２Ｄ、３Ｕ、３Ｄに異方性を付与してもよい。
【００８８】
本発明の触覚センサは、ロボットに指示を入力するインターフェイスとして、人工皮膚に用いることができる。すなわち、接触対象物（例えば人間の手）から人工皮膚に入力される荷重の方向、荷重値を介して、指示をロボットに伝達することができる。また、本発明の触覚センサは、荷重センサや荷重分布センサ（面圧分布センサ）として用いることができる。荷重分布センサとして用いる場合は、例えば、図１に示す電極層５ａとして、左右方向に並べられ前後方向に延在する複数の帯状電極層を配置し、図１に示す電極層５ｂとして、前後方向に並べられ左右方向に延在する複数の帯状電極層を配置し、上方または下方から見た場合のこれらの帯状電極層の重複部を、Ｘ方向用誘電層２用の検出部として用いればよい。電極層５ｂ、５ｃ（Ｙ方向用誘電層３）、電極層５ｃ、５ｄ（Ｚ方向用誘電層４）についても同様である。
【符号の説明】
【００８９】
１：触覚センサ、２：Ｘ方向用誘電層、２Ｄ：Ｘ負方向用誘電層（Ｘ方向用誘電層）、２Ｕ：Ｘ正方向用誘電層（Ｘ方向用誘電層）、３：Ｙ方向用誘電層、３Ｄ：Ｙ負方向用誘電層（Ｙ方向用誘電層）、３Ｕ：Ｙ正方向用誘電層（Ｙ方向用誘電層）、４：Ｚ方向用誘電層、５Ａ〜５Ｆ：電極層、５ａ〜５ｆ：電極層、６ａ：絶縁層、６ｂ：絶縁層。
２０：スリット、２０Ｄ：スリット、２０Ｕ：スリット、２１：貫通孔、２２：フィラー、２３：突起、２４：空気層、３０：スリット、３０Ｄ：スリット、３０Ｕ：スリット、４０：プレート、５０Ａ：入力面、５０ａ：入力面、９０：接触対象物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触対象物から荷重が入力される入力面を有し、該荷重を、該入力面の面展開方向に加わる剪断力と、該入力面の略法線方向に加わる圧縮力と、に分解して検出可能な静電容量型の触覚センサであって、
互いに交差する方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として、
該Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｚ方向の変形に異方性を有する、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向の変形に等方性を有するＺ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表裏両側、該Ｙ方向用誘電層の表裏両側、該Ｚ方向用誘電層の表裏両側に配置される複数の電極と、
を備え、前記荷重が入力される際の変形に伴う各誘電層の静電容量の変化を基に、前記剪断力、前記圧縮力を検出することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記Ｘ方向用誘電層は前記Ｘ方向に変形しやすく、
前記Ｙ方向用誘電層は前記Ｙ方向に変形しやすく、
前記Ｚ方向用誘電層は前記Ｚ方向に変形しやすい、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向に均等に変形しやすい請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記Ｘ方向用誘電層、前記Ｙ方向用誘電層、前記Ｚ方向用誘電層のうち、少なくとも一つの誘電層は、該誘電層の変形に異方性を付与するために、該誘電層を優先的に変形させたい方向に対して略直交する方向に延在するスリット、セル、フィラー、突起列のうち少なくとも一つを有する請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項１】
接触対象物から荷重が入力される入力面を有し、該荷重を、該入力面の面展開方向に加わる剪断力と、該入力面の略法線方向に加わる圧縮力と、に分解して検出可能な静電容量型の触覚センサであって、
互いに交差する方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として、
該Ｘ方向の変形に異方性を有するＸ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｙ方向の変形に異方性を有するＹ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表側または裏側に配置され、該Ｚ方向の変形に異方性を有する、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向の変形に等方性を有するＺ方向用誘電層と、
該Ｘ方向用誘電層の表裏両側、該Ｙ方向用誘電層の表裏両側、該Ｚ方向用誘電層の表裏両側に配置される複数の電極と、
を備え、前記荷重が入力される際の変形に伴う各誘電層の静電容量の変化を基に、前記剪断力、前記圧縮力を検出することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記Ｘ方向用誘電層は前記Ｘ方向に変形しやすく、
前記Ｙ方向用誘電層は前記Ｙ方向に変形しやすく、
前記Ｚ方向用誘電層は前記Ｚ方向に変形しやすい、または該Ｘ方向、該Ｙ方向、該Ｚ方向に均等に変形しやすい請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記Ｘ方向用誘電層、前記Ｙ方向用誘電層、前記Ｚ方向用誘電層のうち、少なくとも一つの誘電層は、該誘電層の変形に異方性を付与するために、該誘電層を優先的に変形させたい方向に対して略直交する方向に延在するスリット、セル、フィラー、突起列のうち少なくとも一つを有する請求項２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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４７２９７（Ｐ２０１２−２４７２９７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９０３８（Ｐ２０１１−１１９０３８）
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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