JP4023619B2 - 触覚センサ及び触覚センサの製造方法 - Google Patents
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請求項3に記載の発明の触覚センサは、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維の外周面には、導電性の物質からなる被覆層が形成され、前記被覆層は、コイル状炭素繊維に対して1〜50質量%の割合で形成されているものである。
請求項5に記載の発明の触覚センサは、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記各センサ素子は、配向した状態で前記媒体中に設けられているものである。
請求項6に記載の発明の触覚センサは、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発明において、前記媒体中に圧電体粉末を分散させているものである。
請求項7に記載の発明の触覚センサの製造方法は、液状をなすシリコーン樹脂中に、コイル状炭素繊維により構成されコイル状炭素繊維の螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分並びにキャパシタンス(C)成分及びレジスタンス(R)成分を有しLCR共振回路として作用する複数のセンサ素子を所定量配合し、さらに硬化剤を配合して撹拌した混合液を調製して金型内に充填した後、混合液が固化することにより、誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有し触圧が加わったときに変形する媒体を形成し、媒体を金型から取出して媒体に一対の電極を電気的に接続するようにした触覚センサの製造方法において、前記コイル状炭素繊維は、コイル径が1nm〜50μmであるとともにコイル長さが10nm〜10mmであり、前記センサ素子の含有量が媒体に対して1.0質量%を超えるとともに10.0質量%以下に設定されている。
請求項8に記載の発明の触覚センサの製造方法は、請求項7に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維は、非晶質の炭素繊維に1500〜3000℃で加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有している。
請求項9に記載の発明の触覚センサの製造方法は、請求項7又は請求項8に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維の外周面には、蒸着法、溶射法、塗装法、浸漬法、メカノケミカル法から選ばれる一つの方法により、導電性の物質からなる被覆層が形成され、前記被覆層は、コイル状炭素繊維に対して1〜50質量%の割合で形成されている。
請求項10に記載の発明の触覚センサの製造方法は、請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の発明において、磁力線が一方向に延びる磁場を印加することにより、前記各センサ素子は配向した状態で前記媒体中に設けられている。
請求項1〜10に記載の発明によれば、構成が簡単であるとともに感度を向上させることができる。また、感度の調整を容易に行うことができる。
請求項6に記載の発明によれば、媒体中に圧電体粉末を分散させることにより、LCR共振回路として作用するセンサ素子の出力を安定させることができる。
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1(a)及び(b)に示すように、第1実施形態の触覚センサ11は、円板状をなす固体の媒体12中に複数のセンサ素子13がランダムに分散され、銅等の金属材料により円板状に形成されている一対の電極14が媒体12の上面及び下面にそれぞれ取付けられることにより、円板状に形成されている。尚、図1(b)、図2(a)及び(b)、図4並びに図6(a)及び(b)においては、媒体12中に分散されているセンサ素子13の理解を容易にするために、媒体12はその厚みを誇張して厚く描かれている。
・ 第1実施形態の触覚センサ11を構成するセンサ素子13は、コイル状炭素繊維13aにより構成されている。このため、従来の触覚センサに比べてセンサ素子13の構成を簡単にすることにより、触覚センサ11の構成を簡単にすることができる。さらに、媒体12中に分散されているセンサ素子13は複合バネ質点系の機械力学的等価回路26として構成され、触覚センサ11に触圧が加わったときにはこの触圧に起因して複合バネ質点系の機械力学的等価回路26において微小バネ20の長さ等が変動する。
以下、本発明の第2実施形態について詳細に説明する。尚、この第2実施形態については、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
・ 第2実施形態の触覚センサ11を構成するセンサ素子13は、導電性繊維により構成されている。このため、触覚センサ11は、第1実施形態と同様に、従来の触覚センサに比べて構成を簡単にすることができる。さらに、センサ素子13は、LCR共振回路25として作用し電気的等価回路として構成されるために、触圧を電磁気的変動に変換することができる。このため、第2実施形態の触覚センサ11は、従来の触覚センサに比べて感度を向上させることができる。加えて、センサ素子13を構成する導電性繊維の繊維長さ等を変更することにより、LCR共振回路25におけるL成分22等の大きさを容易に変更することができる。このため、導電性繊維の繊維長さ等を変更するだけでセンサ素子13の感度を容易に調整することができるために、触覚センサ11の感度の調整を容易に行うことができる。
・ 前記各実施形態において、媒体12の形状を四角板状等の多角板状に変更してもよい。また、図5(a)に示すように、触覚センサ11を、四角板状をなすとともにセンサ素子が分散されている媒体12の下面の両側部に細長四角板状をなす一対の電極14をそれぞれ取付けることにより形成してもよい。また、図5(b)に示すように、四角柱状をなすとともにセンサ素子が分散されている媒体12を、アクリル樹脂により略四角柱状に形成されている台座28の上面に取付ける。次いで、媒体12の下部及び台座28の上部の両側面に、たすき状に形成されている一対の電極14を取付けることにより、触覚センサ11を形成してもよい。
・ 前記各実施形態において、媒体12中に圧電体粉末を分散させてもよい。圧電体粉末の具体例としてはフェライト、酸化チタン(TiO2)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(PbZrTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)等が挙げられる。このとき、媒体12中に圧電体粉末を分散させることにより、LCR共振回路25として作用するセンサ素子13の出力を安定させることができる。
(実施例1〜3及び比較例1)
実施例1においては、まず主剤及び硬化剤からなる2液型のシリコーン樹脂(信越シリコーンKE103;信越化学工業株式会社製)の主剤にコイル状炭素繊維13aからなるセンサ素子13を配合した後、さらに硬化剤を配合して混合液を調製した。ここで、主剤と硬化剤との配合比率を質量比で主剤:硬化剤=100:5とした。次いで、混合液を5分間撹拌してセンサ素子13を混合液中にランダムに分散させた後、混合液が硬化する前に金型内部のキャビティに混合液を充填し、混合液を硬化させて媒体12を形成した。ここで、媒体12は直径が10cmであるとともに厚みが20mmの円板状をなし、金型内部のキャビティは円板状をなす媒体12の形状に対応するように形成した。
各例の触覚センサ11上にビーカーを載置した後にビーカー内に給水し、オシロスコープにおける波形の変化を測定した。給水量は100mlから100mlずつ増量し、上限を1000mlとした。また、触覚センサ11に重りを載置し、オシロスコープにおける波形の変化を観察した。ここで、重りの質量は0.3gから0.3gずつ増量し、3.0gを上限とした。
図7に示すように、各例の触覚センサ11を圧電プリロード印加装置29にそれぞれ取付けた。ここで、圧電プリロード印加装置29は、L字板状をなすプリロード30が図7の上下方向に移動するとともに、プリロード30の移動距離はコントローラ31によって調整されるように構成されている。そして、プリロード30の下面と触覚センサ11の上面とが接触しているとともに触覚センサ11がプリロード30によって押圧されていないときのプリロード30の下面の位置を基準面とし、この基準面から下方へプリロード30を移動、即ち変位させた。そして、プリロード30が変位したときのオシロスコープによる波形の変化を測定した。ここで、プリロード30の移動距離は、50μm又は100μmずつ長くし、上限を3000μmとした。また、20μmずつ長くし、上限を200μmとした。
所定の質量を有する重りを所定の高さから触覚センサ11に落下させて衝突させ、オシロスコープにおける波形の変化を測定した。ここで、重りの質量は1g、3g、5g又は10gとし、重りを触覚センサ11に対して垂直方向から落下させるとともにその高さは10cmから5cmずつ高くして40cmを上限とした。ここで、重りを落下させる高さは、触覚センサ11の上面と落下させる前の重りとの距離を示す。
第3の実施形態の触覚センサ11を、(2)変位試験と同様にして圧電プリロード印加装置29に取付けた。そして、基準面から下方へプリロード30を移動させたときのオシロスコープにおける波形の変化を測定した。ここで、プリロードの移動距離は、10μm、5μm、1μm、0.5μm又は0.1μmとした。この結果、プリロード30のいずれの移動距離おいてもプリロード30の変位に応じてインパルス的な応答波形を示した。このため、実施例3の触覚センサ11は、プリロード30の0.1μm等の微小な変位による触圧を検出することができた。
各例の触覚センサ11に人間の指、楊枝、直径が5cmの丸棒、こより等で直接刺激を与え、オシロスコープにおける波形の変化を測定した。ここで、人間の指を用いて触覚センサ11に刺激を与えるときには、触覚センサ11を押し下げる、触覚センサ11の表面に軽く触れる又は撫でるの3種類を行った。また、楊枝を用いたときには、楊枝で触覚センサ11の表面を1mm押し下げる、触覚センサ11の表面に軽く触れる、撫でる、連続して突く、軽く突く又は楊枝で触覚センサ11の表面を強く押した後に楊枝を触覚センサ11の表面から離間させるの6種類を行った。一方、丸棒を用いたときには触覚センサ11を押し下げ、こよりを用いたときには触覚センサ11の表面を撫でた。
(実施例4〜9)
実施例4においては、媒体12の形状を図5(a)に示すように縦及び横100mm並びに厚さ5mmの四角板状に変更し、媒体12の下面の両側部に縦100mm、横10mm及び厚さ0.1mmの電極14を取付けた以外は、実施例1と同様にして触覚センサ11を得た。実施例5においてはセンサ素子13の含有量を媒体12に対して2.0質量%に変更し、実施例6においてはセンサ素子13の含有量を媒体12に対して3.0質量%に変更した以外は、実施例4と同様にしてそれぞれ触覚センサ11を得た。
実施例10においては、媒体12を直径10mmであるとともに厚みが3mmの円板状形成する。そして、媒体12の下面に四角板状をなす一対の電極14(厚み0.5mm、幅3mm、長さ30mm、電極間の距離2.5mm)を取付けて触覚センサ11を得た。さらに、センサ素子13をVGCFで構成した以外は、実施例1と同様にして触覚センサシステムを構成した。ここで、VGCFは、繊維直径が50〜100nmの範囲であるとともに繊維長さが10〜50μmの範囲であった。さらに、センサ素子13の含有量は媒体12に対して1質量%とした。
マニュピレータに取付けられた石英製棒(直径0.5cm、重さ1g)を用い、各例の触覚センサ11を断続的(0.3〜0.5秒間隔)に押圧した後、さらに触覚センサ11を3〜5秒間連続して押圧し、オシロスコープによる波形の変化を測定した。この結果、実施例10〜20においては、石英製棒による押圧に応じてインパルス的な応答波形を示し、押圧による触圧を検出することができた。ここで、実施例10における応答波形を図10(a)、実施例11における応答波形を図10(b)、実施例12における応答波形を図10(c)、実施例13における応答波形を図10(d)、実施例14における応答波形を図10(e)、実施例15における応答波形を図10(f)に示す。さらに、実施例16における応答波形を図11(a)、実施例17における応答波形を図11(b)、実施例18における応答波形を図11(c)、実施例19における応答波形を図11(d)、実施例20における応答波形を図11(e)に示す。
実施例21においては、実施例12と同様にして触覚センサ11を得た。そして、実施例21の触覚センサ11について、前記(6)の項目に関して評価を行った。ここで、石英製棒の重さを20gとした。この結果、実施例21においては、実施例10〜20と同様に、石英製棒による押圧に応じてインパルス的な応答波形を示し、押圧による触圧を検出することができた。ここで、実施例20における応答波形を図11(f)に示す。
実施例22においては、実施例12と同様にして触覚センサ11を得た。そして、実施例22の触覚センサ11について、前記(5)刺激種類試験を行った。ここで、刺激の種類は、人間の指を用いて触覚センサ11を押し下げる、針で触覚センサ11の表面を連続して突く、刷毛を用いて触覚センサ11表面を擦るの3種類で行った。この結果、実施例22においては、各種刺激に応じてインパルス的な応答波形を示した。ここで、指で触覚センサ11を押し下げたときの応答波形を図12(a)に示し、針で連続して突いたときの応答波形を図12(b)に示し、刷毛で擦るときの応答波形を図12(c)に示す。尚、図10(a)〜図12(c)においては、R成分における電圧変位32と、L成分及びC成分における電圧変位33とをそれぞれ分けて示した。
Claims (10)
- 誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有し触圧が加わったときに変形する媒体と、コイル状炭素繊維により構成され前記媒体中に設けられているとともにコイル状炭素繊維の螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分並びにキャパシタンス(C)成分及びレジスタンス(R)成分を有しLCR共振回路として作用する複数のセンサ素子と、前記媒体に電気的に接続されている一対の電極とを備え、
前記コイル状炭素繊維は、コイル径が1nm〜50μmであるとともにコイル長さが10nm〜10mmであり、前記センサ素子の含有量が媒体に対して1.0質量%を超えるとともに10.0質量%以下に設定されていることを特徴とする触覚センサ。 - 前記コイル状炭素繊維は、結晶化されたグラファイト層を有している請求項1に記載の触覚センサ。
- 前記コイル状炭素繊維の外周面には、導電性の物質からなる被覆層が形成され、前記被覆層は、コイル状炭素繊維に対して1〜50質量%の割合で形成されている請求項1又は請求項2に記載の触覚センサ。
- 前記センサ素子は、コイル径が互いに異なるコイル状炭素繊維によりそれぞれ構成されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の触覚センサ。
- 前記各センサ素子は、配向した状態で前記媒体中に設けられている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の触覚センサ。
- 前記媒体中に圧電体粉末を分散させている請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の触覚センサ。
- 液状をなすシリコーン樹脂中に、コイル状炭素繊維により構成されコイル状炭素繊維の螺旋構造に基づくインダクタンス(L)成分並びにキャパシタンス(C)成分及びレジスタンス(R)成分を有しLCR共振回路として作用する複数のセンサ素子を所定量配合し、さらに硬化剤を配合して撹拌した混合液を調製して金型内に充填した後、混合液が固化することにより、誘電体により形成されキャパシタンス(C)成分を有し触圧が加わったときに変形する媒体を形成し、媒体を金型から取出して媒体に一対の電極を電気的に接続するようにした触覚センサの製造方法において、
前記コイル状炭素繊維は、コイル径が1nm〜50μmであるとともにコイル長さが10nm〜10mmであり、前記センサ素子の含有量が媒体に対して1.0質量%を超えるとともに10.0質量%以下に設定されていることを特徴とする触覚センサの製造方法。 - 前記コイル状炭素繊維は、非晶質の炭素繊維に1500〜3000℃で加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有している請求項7に記載の触覚センサの製造方法。
- 前記コイル状炭素繊維の外周面には、蒸着法、溶射法、塗装法、浸漬法、メカノケミカル法から選ばれる一つの方法により、導電性の物質からなる被覆層が形成され、前記被覆層は、コイル状炭素繊維に対して1〜50質量%の割合で形成されている請求項7又は請求項8に記載の触覚センサの製造方法。
- 磁力線が一方向に延びる磁場を印加することにより、前記各センサ素子は配向した状態で前記媒体中に設けられている請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の触覚センサの製造方法。
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