JP5364886B2 - 触覚センサ - Google Patents
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Description
本発明は、触覚センサに関し、例えば把持力や摩擦力などを計測する場合に好適なものである。
従来、この種の把持力や摩擦力などを計測する触覚センサとして、内部に粘性流体を有し、応力を受けて変形を生じる弾性体としてのカプセルと、カプセルの内面に位置し、カプセルに変形が生じたときに発生する粘性流体との相対的な動きを検出する変形検出手段とを有する変形検出部材が開示されている（例えば、特許文献１）。上記カプセルは、応力を受けることにより変形する素材で構成されている。また、変形検出手段は、板状体と、前記板状体の根元であってカプセルの内面に固定された一端部に貼付された歪検出素子とからなる。
このように構成された変形検出部材は、カプセルに変形が生じたときに発生する粘性流体との相対的な動きを、カプセルの内面に位置する変形検出手段によって検出する。すなわち、カプセルに対しせん断力（カプセルの面に対し平行にはたらく力）が加わると、カプセルは変形する。このとき、粘性流体は、カプセルの変形と共に流動し、板状体を変形させる。この板状体の変形を歪検出素子で検出する。
このため、特許文献１に記載された変形検出部材では、カプセルに生じた変形が直接に変形手段へ伝達されることがないため、変形手段が損傷を受けにくく、壊れ難い変形検出部材を提供できるという効果が得られる。
しかしながら、上記特許文献１では、カプセルの内面にセンサ部としての変形検出手段を配置する構成としているため、触覚センサを微小化、及び薄膜化することが困難であるという問題がある。従って、上記特許文献１に係る変形検出部材を触覚センサとして使用する場合、例えばロボットの表面へ実装することは不可能である。
そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、微小化、及び薄膜化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。
本発明の請求項１に係る発明は、弾性体と、前記弾性体内に支持されたセンサ部と、前記センサ部を覆う保護膜とを備え、前記保護膜によって前記センサ部の周囲に内部空間が形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る発明は、前記内部空間内に、流体を充填したことを特徴とする。
本発明の請求項３に係る発明は、前記弾性体の内部に流路が形成されており、前記流路に前記センサ部を設けたことを特徴とする。
本発明の請求項４に係る発明は、前記流路が、中央において直交する２本の交差流路と、前記交差流路の端部同士を連通する連通路とを有し、前記センサ部が、前記中央からの距離が等しい位置に配置されたことを特徴とする。
本発明の請求項５に係る発明は、前記流路は、平行に形成された幅がそれぞれ異なる複数の平行流路からなることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る発明は、前記センサ部が、シリコン薄膜で形成したカンチレバーを有し、前記カンチレバーの表面にピエゾ抵抗層が形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項７に係る発明は、前記保護膜がポリパラキシリレンにより形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項８に係る発明は、前記流体がシリコンオイルであることを特徴とする。
本発明の請求項１によれば、内部空間の形状を保護膜で保持することにより、内部空間をセンサ部の周囲に保持した状態でセンサ部を弾性体内に埋め込むことができるので、微小化、薄膜化を実現することができる。
本発明の請求項２によれば、内部空間内に流体を充填した触角センサを提供することができる。また、充填された流体によって、間接的に外力をセンサ部へ伝達するので、センサ部の損傷をより確実に防ぐことができる。
本発明の請求項３によれば、流体の流れの大きさ及び方向を制御し、これにより、接触位置に対する応答を変えることができるので、すべりなどのせん断力だけでなく、接触力及び接触位置を特定することができる。
本発明の請求項４によれば、交差流路に配置されたセンサ部の応答の差に基づいて、接触力の大きさ及び接触位置をより確実に特定することができる。
本発明の請求項５によれば、流路幅の異なる複数の流路を有することにより、各流路で外力を伝達する流体の速度が異なるので、異なる周波数帯域の力変化を独立して計測することができる。
本発明の請求項６によれば、薄いシリコン薄膜で形成することで、ヒンジ部を回転中心として容易に変形し得るので、小型化を実現することができる。
本発明の請求項７によれば、ＣＶＤ法により、流体上により確実に保護膜を形成することができる。
本発明の請求項８によれば、ＣＶＤ法により保護膜を形成する際、シリコンオイルを蒸発させずに残すことができるので、センサ部の周囲に流体を容易に保持することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（１）第１実施形態
（１−１）全体構成
図1に示す触覚センサ１は、弾性体２と、前記弾性体２内に埋め込まれた複数のセンサユニット３とを備える。センサユニット３は、センサ部４、及び、前記センサ部４を覆う保護膜５を備える。
（１）第１実施形態
（１−１）全体構成
図1に示す触覚センサ１は、弾性体２と、前記弾性体２内に埋め込まれた複数のセンサユニット３とを備える。センサユニット３は、センサ部４、及び、前記センサ部４を覆う保護膜５を備える。
弾性体２は、センサユニット３を保持すると共に、外力によって弾性変形し得るように形成されており、湾曲した設置面（図示しない）にも取付け可能に構成されている。本実施形態では、弾性体２は、シート状に形成されており、基板６と、当該基板６上に設けられた壁部７と、表面に配置された表面部８と、シート部30とを有する。
基板６は、ポリイミド基板６上に図示しないCu薄膜を形成したものが用いられる。壁部７は、後述する流体を一時的に保持し得るように構成されている。本実施形態では、壁部７は、基板６上の所定の底面6aを囲むように、センサ部４を中心として、当該センサ部４の周囲に立設されており、高さhは、センサ部４の高さより高く形成されている。この壁部７は、せん断力（表面部８の表面に平行な方向にはたらく力）Fsによって弾性変形し得るようにシート部30と同様の柔軟性を有することが好ましく、シリコンゴム、例えばPDMS（Polydimethylsiloxane；ポリジメチルシロキサン）を用いて形成することができる。本実施形態の場合、壁部７は、PDMSの主剤と硬化剤とからなる二液を所定の混合比率、例えば、50:1で混合して硬化し、所定形状に成形される。壁部７の高さhは適宜選択することができ、例えば1mm以下とすることもできる。このように構成された壁部７は、同じPDMSを用いて基板６上に接着される。
表面部８は、後述する流体に上記せん断力Fsや接触力（表面部８の表面に対し垂直方向にはたらく力）Fcを効率的に伝達し得るように構成されている。この表面部８は、後述する流体に、外力をより強く伝達するため、壁部７より硬い材料で構成してもよく、例えば、壁部７とは主剤と硬化剤の混合比率を変えたPDMSで形成された所定厚さ（例えば400μm）を有する薄膜層を用いることができる。本実施形態では、この表面部８は、混合比率が10:1のPDMSを硬化して形成されている。当該表面部８は、PDMSを用いて壁部７上に接着される。
センサ部４は、シリコン薄膜で形成されたカンチレバー10を有する。当該カンチレバー10の表面には、ピエゾ抵抗層11が薄く形成されている。センサ部４は、カンチレバー10をnmオーダーの薄いシリコン薄膜で形成することで、ヒンジ部12を回転中心として容易に変形し得るように構成されている。
カンチレバー10は、平板部13と、当該平板部13の基端13aの角部に一端が連結された一対のヒンジ部12と、当該ヒンジ部12の他端に連結された基部14とからなる。平板部13は、ヒンジ部12を介して基部14に対し直角に起立している。
また、カンチレバー10には、ヒンジ部12を除いた表面に、金属薄膜としてAu薄膜が形成されている。さらに、平板部13には、磁性体としてNi薄膜15が形成されている。これにより、センサ部４は、ヒンジ部12の変形のみを抵抗値として計測可能に構成されている。
保護膜５は、CVD(Chemical Vapor Deposition)を用いて、ポリパラキシレン（商品名パリレン）を1μm程度の厚さで形成したものである。この保護膜５は、センサ部４の周囲に形成された内部空間17を保持し得るように形成されている。本実施形態の場合、保護膜５は、第１保護膜5aと第２保護膜5bとからなり、第１保護膜5aでセンサ部４の表面と、底面6aと、壁部７とを覆い、第２保護膜5bで壁部７の開口部分を塞ぐことにより、第１保護膜5aと第２保護膜5bとの間に密閉された内部空間17を形成している。
内部空間17には、流体18、すなわち、空気などの気体や、シリコンオイルやシリコンゴムなどの所定の粘度を有する液体が充填されている。
このように構成されたセンサ部４は、接着剤によって基部14が基板６上に固定されると共に、導電性接着剤によって基部14上に形成されたAu薄膜16と基板６上のCu薄膜とが電気的に接続される。
（１−２）製造方法
上記した触覚センサ１は、以下の手順により製造することができる。尚、触覚センサ１は、１個の弾性体２に複数のセンサユニット３を同時に埋め込むことができるものであるが、説明の便宜上、１個のセンサユニット３を埋め込む場合についてのみ、説明することとする。
上記した触覚センサ１は、以下の手順により製造することができる。尚、触覚センサ１は、１個の弾性体２に複数のセンサユニット３を同時に埋め込むことができるものであるが、説明の便宜上、１個のセンサユニット３を埋め込む場合についてのみ、説明することとする。
まず、センサ部４の製造方法について説明する。図2に示すように、表面から順にSi層22、SiO2層23、Si層24からなるSOI(Silicon On Insulator)基板21を形成する。各層の厚さは、順に290nm、400nm、300μmであり、ダイシングソーを用いて1×1（インチ）2に切り出す。このSOI基板21をHF（フッ化水素）溶液中で1分間洗浄し、SOI基板21の表面の自然酸化膜を除去する。
その後、すぐにn型不純物試薬P-59230(OCD,東京応化)をSOI基板21の表面にスピンコートして、当該SOI基板21を熱酸化炉を用いて熱拡散し、ピエゾ抵抗層11を形成する（図3）。
次いで、SOI基板21の表面に残留した不純物と、熱拡散によって生じたSiO2をHF溶液中で1分間洗浄し、除去する。
その後、すぐにSOI基板21の表面にAu薄膜16を蒸着する。蒸着には、真空蒸着装置を用いる。ここで、AuとSiO2とは、密着性が悪いので、HF溶液による洗浄の直後にSOI基板21の表面にAu薄膜16を蒸着する必要がある。
Au薄膜16を蒸着した後、スパッタ装置を用いてSOI基板21の表面にNi薄膜15を形成する。このときのNi薄膜15、Au薄膜16、及びSi層22の厚さは、それぞれ、350nm、50nm、及び、290nmとした。
次に、Ni薄膜15、Au薄膜16、及びSi層22をエッチングすることにより、最終的にカンチレバー10となるカンチレバー形成部10aを形成する。ここで、Ni/Au薄膜16に対してはウェットエッチングを用い、Si層22に対してはICP-RIE（Inductive Coupled Plasma-RIE；誘導結合型反応性イオンエッチング）によるドライエッチングを用い、パターニングを行う。
続いて、パターニング終了後、カンチレバー10の基部14に相当する部分14a、及びヒンジ部12に相当する部分12aからNi薄膜15を除去し、さらに、ヒンジ部12に相当する部分12aからAu薄膜16を除去する（図4）。このようにして、Au薄膜16を電極として形成した。
次に、カンチレバー形成部10aの直下におけるSOI基板21の最下層のSi層24を、基部14に相当する部分14aを除いて、ICP-RIEによってエッチングし、さらにSiO2層23をHF蒸気によって除去する（図5）。当該Si層24をエッチングするには、SOI基板21の裏面に図示しないAl薄膜を蒸着し、これをパターニングしたものをマスクとして用いた。Al薄膜及びNi薄膜15のエッチングに用いるエッチャントは、同じものを用いることができるため、Al薄膜をパターニングする前にSOI表面をフォトレジスト（OFPR800-100CP）にてコーティングしている。
次いで、弾性体２の製造方法について説明する。
図6において、基板６は、銅／ポリイミド基板としてのフレキシブル銅張積層板(KN28SE09C，信越化学工業)の表面にフォトレジスト（OFPR800-23CP）を用いてマスクを施し、ウェットエッチングによって銅をパターニングすることで作成した。
当該基板６上に二液式接着剤(AralditeR ラピッド，ハンツマン・ジャパン)を塗布し、センサ部４を基板６上に固定した。その後、二液式導電性接着剤(D-753，藤倉化成)を用いてセンサ部４のAu薄膜16と図示しない銅配線とを電気的に接続し、110℃の恒温器にて30分間ベークすることで、二液式導電性接着剤を硬化させ、配線を完了した。尚、銅配線は、センサ部４の抵抗値変化を計測するため、図示しないが、ホイーストンブリッジを用いた増幅回路に電気的に接続されている。
一方、図6に示すように、主剤と硬化剤の混合比率50:1のPDMSを硬化し、高さ1mmの壁部７を形成する。この壁部７は、基板６上に配線したセンサ部４の周囲の底面6aを囲むように配置される。当該壁部７は、壁部７の表面に混合比率50:1のPDMSを塗り、配置完了後に70℃の恒温器中にて60分硬化し、基板６上に固定される。
次に、基板６の下部より磁場（本図中矢印方向）を加えてカンチレバー形成部10aを起立させてセンサ部４を形成し、この状態で、ＣＶＤ法によりパリレンを形成して厚さ1μmの第１保護膜5aを形成する（図6）。磁場は、ネオジム磁石(NE009，二六製作所)を用いて加える。
続いて、壁部７で囲まれ、第１保護膜5aで覆われた領域17aに、流体18としてPDMSの主剤を流し込む。当該PDMSの主剤は、粘度が110×10-6[m2/s]、密度が1.03[kg/mm3]であり、微小な力でもカンチレバー10を変形させ得る。
次に、流し込んだ流体18上にＣＶＤ法により再びパリレンを形成して、壁部７の開口を塞ぐように厚さ1μmの第２保護膜5bを形成し、流体18を壁部７で囲まれた領域17a内に保持する（図7）。これにより、第１保護膜5aと第２保護膜5bとからなる保護膜５で内部空間17が密閉され、当該内部空間17内に流体18が満たされた状態となる。尚、PDMSの主剤は、蒸気圧が非常に高いため、真空蒸着で第２保護膜5bとしてのパリレンを形成する場合にも、状態の変化が少ないので、表面に直接高分子膜を形成することができる。
最後に、混合比率10:1のPDMSを硬化して作成した厚さ400μmの表面部８を壁部７上に配置し、壁部７と表面部８との間に、混合比率50:1のPDMSを流し込んで硬化させシート部30を形成する（図8）。このようにして製造された触覚センサ１は、基板６に銅/ポリイミド基板６を用いると共に、混合比50:1の柔軟性を有するPDMSを壁部７に用いることにより、湾曲した設置面にも容易に貼り付けることができる。
（１−３）作用及び効果
上記のように構成された触覚センサ１では、予めセンサ部４に対し、所定の入力電圧が印加されている。この状態で、表面部８の表面すなわちセンサ表面に平行な力、すなわちせん断力Fsが加わった場合、壁部７が表面部８を当該せん断力Fsの方向にずらすようにして変形する。ここで、壁部７は、柔軟性を有する材料で形成されていることにより、せん断力Fsが小さくても、加えられたせん断力Fsの方向へ確実に変形し得る。
上記のように構成された触覚センサ１では、予めセンサ部４に対し、所定の入力電圧が印加されている。この状態で、表面部８の表面すなわちセンサ表面に平行な力、すなわちせん断力Fsが加わった場合、壁部７が表面部８を当該せん断力Fsの方向にずらすようにして変形する。ここで、壁部７は、柔軟性を有する材料で形成されていることにより、せん断力Fsが小さくても、加えられたせん断力Fsの方向へ確実に変形し得る。
この変形により、センサユニット３内の流体18は、移動する。流体18の移動により、当該流体18とカンチレバー10の外縁との間に摩擦力が生じる。この摩擦力によって、センサ部４は、加えられたせん断力Fsの方向へヒンジ部12を回転中心として平板部13が傾く（図9(A)）。
センサ部４は、ピエゾ抵抗層11が形成されているので、ヒンジ部12が変形することにより、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、出力電流を測定することにより、計測することができる。ここで、触覚センサ１は、ヒンジ部12を除いてカンチレバー10がAu薄膜で覆われていることにより、ヒンジ部12の変形のみを抵抗値として計測可能に構成されている。
また、触覚センサ１の特徴的な作用として、センサ部４を流体18の流れによって変形させることとしたことにより、せん断力Fsが一定の場合、流体18の流れが止まるため、せん断力Fsが生じたままの状態であってもカンチレバー10を変形前の初期の状態へと戻すことができる（図9(B)）。これにより、触覚センサ１は、せん断力Fsの変化を計測することができる。また、触覚センサ１は、大きなせん断力Fsが加わった状態から力の変化を計測することができる。
因みに、従来の触覚センサ１では、物体の把持において、物体とセンサ表面との接触面に生じるすべりの計測や、センサ表面に加えられる振動を計測する場合には、加重の時間変化を求める必要がある。ところが、本実施形態に係る触覚センサ１は、せん断力Fsの変化に応答する機構であり、出力の時間差分をソフト上で算出する必要がないため、多数のセンサを集積する場合に、より効率的に計測することができる。
上記したように、本実施形態に係る触覚センサ１は、弾性体２が大きく変形しても、流体18の形状を保護膜５で保持することにより、弾性体２が直接センサ部４に接触することをより確実に防ぐことができる。従って、触覚センサ１は、センサ部４の損傷をより確実に防ぐことができるので、壊れ難い触覚センサ１を提供することができる。
また、センサユニット３を弾性体２内に埋め込む際、流体18を保護膜５で保持することができる構成とした。これにより、触覚センサ１は、流体18をセンサ部４の周囲に保持した状態でセンサユニット３を弾性体２内に埋め込むことができるので、微小化、薄膜化を実現することができる。また、触覚センサ１では、センサユニット３を小型化し、一度に複数のセンサユニット３を弾性体２内に埋め込むことができる。
また、触覚センサ１では、流体18をセンサ部４の周囲に保持する構成としたことにより、内部空間17内に充填された流体18によって、間接的に外力をセンサ部４へ伝達するので、センサ部４の損傷をより確実に防ぐことができる。
図10に示す実験装置35を用いて、本実施形態に係る触覚センサ１の評価を行った。実験装置35は、αβ軸ゴニオステージ(GH-40B15，シグマ光機)36に固定した半径30mmの半円柱部材37の円弧表面に触覚センサ１を取り付け、アクリル平板38に押し付けると共に、Z軸ステージ(TSD-603，シグマ光機)39を利用し、押し付け力を6軸力計(IFS-67M25A25140，ニッタ)40にて計測し得るように構成されている。尚、触覚センサ１は、平板部13がアクリル平板に対し垂直となるように固定した。この状態で、半円柱状部材を、図中矢印方向に移動し、これにより、触覚センサ１に加わったせん断力Fsを上記6軸力計で計測した。なぞり動作の速度は、10mm/sとした。
図11は、センサ表面に初期せん断力Fintとして0.4Nを加えた後、1.3Nのせん断力Fsを加えた場合における、触覚センサ１の抵抗値変化率と、6軸力計40にて計測したせん断力Fsの変化の関係を示す。このとき、触覚センサ１をアクリル平板38に押し付ける力、すなわち、接触力Fcは3.0Nとした。本図より、触覚センサ１は、せん断力Fsが加えられた後、約2秒後にその抵抗値が初期値に戻り、その後せん断力Fsが変化するまでその状態が保たれることが確認された。
図12は、センサ表面に加えられる初期せん断力Fsが0Nの状態で、-0.6Nから-4.6Nまでせん断力Fsを加えた際の抵抗値変化率のピーク値を比較した結果を示す。ただし、接触力Fcは3.0Nとした。本図は、図11の結果を元に、二次関数による近似曲線を当てはめている。触覚センサ１の抵抗値変化率と近似曲線との相関係数は、R2=0.99であり、本実施形態に係る触覚センサ１は、センサ表面に加えられたせん断力Fsの2乗値と比例関係にあることが確認された。ただし、本図の結果において、-0.6Nから-1.7Nまでのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係、及び、-1.7Nから-4.6Nまでのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係はそれぞれ線形近似が可能である。それぞれの場合のせん断力Fsに対するセンサの感度は、DFs>-1.7N=1.22×10-2N-1，DFs<-1.7N=0.56×10-2N-1であり、相関係数はともにR2=0.99となった。この点から本実施形態に係る触覚センサ１は、それぞれの領域において線形応答をする触覚センサ１として、応答特性を評価することが可能といえる。
この結果を元に、以下では触覚センサ１の応答特性として、せん断力Fsに対する抵抗値変化率の感度の変化を評価するため、触覚センサ１が線形応答すると近似できる-1.0Nから-3.0Nまでのせん断力Fsに対して触覚センサ１の抵抗値変化率を計測した。
図13(A)に接触力3.0Nが加わった際の触覚センサ１とアクリル平板との接触面の様子を示す。本図からも明らかなように、触覚センサ１は、センサ表面に加えられた圧力により大きく変形する。また、本図(B)に2.0N、3.0N、4.0Nの接触力Fcをセンサ表面にそれぞれ加えた際の接触面の面積A[mm2]の変化を示す。計測した2.0Nから4.0Nまでの範囲において、接触面積A[mm2]は接触力Fcに対して線形に減少する。この結果から、触覚センサ１の感度は接触力Fcの2乗に反比例することから、接触力Fcが増加した場合にセンサ感度の向上が見受けられると考えられる。
この結果を元に接触力Fcの変化に伴うせん断力Fsに対するセンサ感度の変化を計測した結果を図14(A)に、接触力Fcとセンサ感度の関係を本図(B)に示す。本図が示すとおり、せん断力Fsに対するセンサ感度と触覚センサ１の接触面積との間には、線形関係が存在し、接触力Fc及び接触面積の増加とともにセンサ感度が上昇しているのが確認できる。接触面積とセンサ感度との間に線形関係が生まれた理由としては、せん断力Fsの計測において、触覚センサ１の線形応答領域を用いた点が考えられる。
続いて、センサ表面に予めせん断力Fsを加えた状態でのセンサ感度の変化を計測した。図15は、触覚センサ１に0N、0.3N、0.6Nの初期せん断力Fintをそれぞれ加えた場合におけるセンサ感度の変化を示す。本図(A)は、各条件でのせん断力Fsと抵抗値変化率の関係、(B)は初期せん断力Fintとセンサ感度との関係である。本図(B)が示すとおり、初期せん断力Fintが増加した場合にセンサ感度は減少する傾向にある。これは、初期変位によって接触面の状態が変化したことが原因であると考えられる。但し、初期変位によるセンサ感度の変化は最大でも10%程度であるので、測定した範囲においては、ほぼ影響がないと考えられる。この結果より、触覚センサ１は、物体加重などに因らず接触面でのせん断力Fsの変化を計測することが可能であることが確認できた。従って、触覚センサ１は、物体を把持した際のすべりによるせん断力Fsの変化、なぞり動作における表面構造の変化を検出することができる。
次に、触覚センサ１に加えられたせん断力Fsの速度変化と、触覚センサ１内の流体18の流れの大きさとの関係を調べた。図16に示すように、触覚センサ１は、コップ45を把持している半円柱部材46,46の円弧表面に取り付けられている。当該コップ45に水を注ぐことにより、触覚センサ１に対してせん断力Fsを加える。本図中、ａが触覚センサ１の抵抗値の時間変化を示しており、ｂが触覚センサ１に加えられたせん断力Fsの時間変化を示す。本図(A)では、水を緩やかに注ぐことによって0.08N/secのせん断力Fs変化を与えているが、触覚センサ１の応答はほとんど生じていない。これに対し、本図(B)では、水を100cc注ぎ、コップが滑り落ちるように把持力を設定した。触覚センサ１が水を注いでいる間は無反応であるにもかかわらず、すべりが生じた瞬間にのみ応答を示していることがわかる。
この結果より、触覚センサ１に生じる流れの大きさは、センサ表面に加えられたせん断力Fsの速度変化によって決まることが確認された。すなわち、せん断力Fsの速度変化が大きいほど流れの速度が大きくなる一方で、せん断力Fsの速度変化が遅くなり、流体の流れの強さがセンサ部４の剛性に比べて十分に弱くなった場合、加えたせん断力Fsの絶対値が同じ場合でもセンサ部４は抵抗変化しなくなる。従って、触覚センサ１では、一定速度でのせん断力Fsの変化のみを計測可能であることが確認できた。この特徴は数値処理をすることなく力の変化を計測し、把持状態で生じるすべりや、なぞり動作など瞬間的な力の変化に反射的に対応することが可能であることを示す。
次に、図17に示す実験装置50により、本実施形態に係る触覚センサ１がハイパスフィルタとして用いることができることを確認した。センサ表面には、図18に示す所定の凹凸を有する表面部51を設け、アクリル平板52に接触力10Nで押し付けた状態で、速度[15mm/sec]でなぞり動作を行った。アクリル平板52の表面には、測定対象物としての凸部53が形成されている。比較例として、センサ部４の周囲を混合比率10:1のPDMSで覆った触覚センサ１を用いた。その結果を図19及び図20に示す。同図から明らかなように、比較例（図中ａ）では、センサ表面とアクリル平板52の平坦な表面との摩擦などの影響による低周波数の応答が確認できた。これに対し、本実施形態に係る触覚センサ１（図中ｂ）では、低周波数における応答はほとんど認められず、凸部53との接触による応答のみを確認することができた。上記結果から、本実施形態に係る触覚センサ１を、ハイパスフィルタとして用いることができることが確認できた。
（２）第２実施形態
図21に示す触覚センサ60は、壁部７で囲まれた領域17a内に流路61が形成されている点において、上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
図21に示す触覚センサ60は、壁部７で囲まれた領域17a内に流路61が形成されている点において、上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
当該流路61は、壁部７で囲まれた領域の中央において直交する２本の交差流路62と、当該交差流路62の端部同士をそれぞれ連通する連通路63とを有する。これにより、流路61は、平面視において、田の字形に形成されている。前記交差流路62には、中央Ｏからの距離が等しい位置にそれぞれセンサ部４が合計４個(4A,4B,4C,4D)設けられている。尚、本図には図示しないが、触覚センサ60は、保護膜５、当該保護膜５によって形成された内部空間17に充填された流体18、及び表面部８を備える。
このように構成したことにより、触覚センサ60は、流体18の流れの大きさ及び方向を制御し、これにより、接触位置に対する応答を変えることができるので、すべりなどのせん断力Fsだけでなく、接触力Fc及び接触位置を特定することができる。
本実施形態に係る触覚センサ60に対して、図21中のＣ点に接触力Fcを加えた場合における、４個のセンサ部４（4a,4b,4c,4d）の抵抗値変化の様子を図22に示す。この結果は、Ｃ点に0.5Nの圧力を加えた場合の応答である。図21に示すように、Ｃ点に加えた接触力Fcによって生じた流れは、まずセンサ部4aに伝わり、その後、中央の交差部を経てセンサ部4b，4c，4dへと分散する。このため、図22では、センサ部4aの出力がセンサ部4b，4c，4dに比べ大きくなる。また、センサ部4b，4c，4dでは、出力がほぼ同一であることが確認された。このように、各センサ部４における出力の大きさの変化を計測することで、接触位置及び接触力Fcの大きさを特定することができる。
また、図24及び図25は、図23に示す連通路63の各点に対し、0.5Nの接触力Fcを加えた場合における各センサ部４（4a,4b,4c,4d）の抵抗値の変化の様子を示す。この結果からも、接触位置からの距離によって、センサ部４（4a,4b,4c,4d）の応答の絶対値が変化することが確認された。この結果より、本実施形態に係る触覚センサ60では、接触位置、及び接触力Fcの大きさを計測することができることが確認できた。
（３）第３実施形態
図26に示す触覚センサ70は、壁部７に囲まれた領域17a内に流路71が形成されている点において、上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
図26に示す触覚センサ70は、壁部７に囲まれた領域17a内に流路71が形成されている点において、上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、簡単のため、説明を省略する。
当該流路は、壁部７で囲まれた領域17aにおいて一方向に平行に形成された複数（本図では、第１〜第４流路）の平行流路72(72a,72b,72c,72d)からなる。この平行流路72は、両端において互いに連通しており、当該流路の幅がそれぞれ異なる。すなわち、平行流路72は、第１流路72aに対し第２流路72bの幅が広く、当該第２流路72bに対し第３流路72cの幅が広く形成されている。各流路72a,72b,72c,72dには、端部から同じ距離となる位置にセンサ部４がそれぞれ設けられている。尚、本図には、図示しないが、触覚センサ70は、保護膜５、当該保護膜５によって形成された内部空間17に充填された流体18、及び表面部８を備える。
このように構成したことにより、触覚センサ70では、加えられたせん断力Fsの大きさが一定の場合であっても流路幅が狭まることで流路72中に生じる流れが強くなる。このため、触覚センサ70では、センサ部４を配置する流路幅を変化させることでセンサ部４が応答する周波数帯域を制御することができる。従って、触覚センサ70では、流路幅の異なる複数の流路72を有することにより、異なる周波数帯域の力変化を独立して計測することができる。
（４）変形例
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
例えば、上記した実施形態では、保護膜５でセンサ部４の周囲に密閉された内部空間17を形成し、当該内部空間17に流体18を充填する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図27に示すように、触覚センサ80を構成してもよい。触覚センサ80は、弾性体としての基板６及びシート部材84を備え、センサ部４を設けた基板６上の所定範囲83に疎水処理面81が形成されていると共に、当該範囲83外に親水性処理面82が形成されている。これにより、触覚センサ80では、当該疎水処理面81に流体18を配置して、流体18の表面張力により所定量の流体18を当該範囲83に載置し、当該流体18上に保護膜５を形成することにより、前記範囲83内に流体18を保持することができる。この場合、保護膜５を形成した後、基板６上を例えばシリコンゴムで形成したシート部材84で覆うことにより、触覚センサ80を得ることができる。従って、予め壁部７でセンサ部４の周囲を覆う必要がないので、製造工数を低減することができる。
また、図28に示す触覚センサ90では、前記範囲83の外縁に溝91が形成されている。当該溝91で前記範囲83を囲むことにより、触覚センサ90では、範囲83に流体18を載置することができる。
さらに、図29に示す触覚センサ95では、前記範囲83が、当該範囲83外よりも一段高く形成されている。このように範囲83を形成することにより、流体18の表面張力を利用して当該範囲83内に流体18を載置することができる。
また、上記した実施形態では、内部空間17に流体18を充填する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、内部空間17を真空としてもよい。内部空間17を真空とした触覚センサの応答を利用して、流体18を充填した触覚センサにおける流体18によって生じる誤差を補正することができる。
また、上記した実施形態では、保護膜５はポリパラキシレンで形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、絶縁性、柔軟性、密閉性、基板６との固着可能性、真空蒸着可能性を有する材料であれば、保護膜５に適用することができる。
また、上記した実施形態では、壁部と表面部とは異なる材料で構成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、壁部と表面部とを同一の材料で構成してもよく、また、一体化された構成としてもよい。
１ 触覚センサ
２ 弾性体
４ センサ部
５ 保護膜
17 内部空間
18 流体
61 流路
62 交差流路
63 連通路
Ｏ 中央
10 カンチレバー
11 ピエゾ抵抗層
２ 弾性体
４ センサ部
５ 保護膜
17 内部空間
18 流体
61 流路
62 交差流路
63 連通路
Ｏ 中央
10 カンチレバー
11 ピエゾ抵抗層
Claims (8)
- 弾性体と、前記弾性体内に支持されたセンサ部と、前記センサ部を覆う保護膜とを備え、前記保護膜によって前記センサ部の周囲に内部空間が形成されていることを特徴とする触覚センサ。
- 前記内部空間内に、流体を充填したことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
- 前記弾性体は、内部に流路が形成されており、前記流路に前記センサ部を設けたことを特徴とする請求項２記載の触覚センサ。
- 前記流路は、中央において直交する２本の交差流路と、前記交差流路の端部同士を連通する連通路とを有し、
前記センサ部が、前記中央からの距離が等しい位置に配置されたことを特徴とする請求項３記載の触覚センサ。 - 前記流路は、平行に形成された幅がそれぞれ異なる複数の平行流路からなることを特徴とする請求項３記載の触覚センサ。
- 前記センサ部は、シリコン薄膜で形成したカンチレバーを有し、前記カンチレバーの表面にピエゾ抵抗層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の触覚センサ。
- 前記保護膜はポリパラキシリレンにより形成されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の触覚センサ。
- 前記流体がシリコンオイルであることを特徴とする請求項２〜５のうちいずれか１項に記載の触覚センサ。
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