JP7332770B2 - tactile sensor - Google Patents
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Description
本発明は、触覚センサに関する。 The present invention relates to a tactile sensor.
近年、ロボットハンド等に用いる触覚センサの研究開発が行われており、様々な方式の触覚センサが知られている。 In recent years, research and development of tactile sensors used for robot hands and the like have been carried out, and various types of tactile sensors are known.
例えば、プリント基板の端面からみて、プリント基板の一方の面に、所定方向（Ｘ軸方向）に所定ピッチで金属箔が形成され、他方の面に金属箔が全面に貼着されたプリント基板を、その厚さ方向（Ｙ軸方向）に絶縁材を挟んで複数積層した触覚センサが挙げられる。 For example, when viewed from the end face of a printed circuit board, a printed circuit board in which a metal foil is formed on one surface of the printed circuit board in a predetermined direction (X-axis direction) at a predetermined pitch, and the other surface is covered with a metal foil is used. , a tactile sensor in which a plurality of layers are laminated with an insulating material interposed therebetween in the thickness direction (Y-axis direction).
この触覚センサでは、積層されたプリント基板の端面に導電性シートを被着している。そして、導電性シートの一部を加圧すると、加圧された部分のＸ軸に位置する金属箔部分とＹ軸に位置する金属箔部分とが導電性シートを介して導通することにより、加圧部分の位置を電気的に検出できる（例えば、特許文献１参照）。
In this tactile sensor, a conductive sheet is attached to the end surfaces of the laminated printed circuit boards. Then, when a part of the conductive sheet is pressed, the metal foil portion located on the X axis and the metal foil portion located on the Y axis of the pressed portion are electrically connected through the conductive sheet. The position of the pressure portion can be detected electrically (see
しかしながら、上記の触覚センサでは、ＸＹ方向の２次元情報は得られるものの、Ｚ方向も含めた３次元情報を得ることはできなかった。 However, although the tactile sensor described above can obtain two-dimensional information in the XY directions, it is not possible to obtain three-dimensional information including the Z direction.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、３次元情報が得られる触覚センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a tactile sensor capable of obtaining three-dimensional information.
本触覚センサは、曲面を有する支持部材と、前記支持部材上に配置されたセンサ本体と、前記センサ本体を被覆し、物体に接すると前記物体から受けた力を前記センサ本体に伝達する緩衝部材と、を備え、前記センサ本体は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第１機能層と、前記絶縁層の他方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層と、前記第１機能層の一方の面に直接形成され、長手方向を第１方向に向けて並置された複数の第１抵抗部と、前記第２機能層の他方の面に直接形成され、長手方向を前記第１方向と交差する第２方向に向けて並置された複数の第２抵抗部と、各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部の両端部に設けられた１対の電極と、を有し、前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成され、前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、α－Ｃｒを主成分とし、前記第１機能層及び前記第２機能層は、前記α－Ｃｒの結晶成長を促進させ、前記α－Ｃｒを主成分とする膜を成膜する機能を有し、前記物体から受けた力が前記センサ本体に伝達され、前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部が押圧されると、押圧された前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部の前記１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。 The tactile sensor includes a support member having a curved surface, a sensor body disposed on the support member, and a cushioning member that covers the sensor body and transmits a force received from the object to the sensor body when in contact with the object. and the sensor body comprises an insulating layer, a first functional layer formed directly on one surface of the insulating layer from a metal, an alloy, or a metal compound, and the other surface of the insulating layer. A second functional layer formed directly from a metal, an alloy, or a metal compound, and a plurality of the first functional layer formed directly on one surface and arranged side by side with the longitudinal direction facing the first direction a first resistor portion; a plurality of second resistor portions formed directly on the other surface of the second functional layer and arranged side by side with their longitudinal directions directed in a second direction that intersects with the first direction; and a pair of electrodes provided at opposite ends of each of the first and second resistor portions, wherein the first and second resistor portions are composed of Cr, CrN, and Cr2N . wherein the first resistance portion and the second resistance portion are mainly composed of α-Cr, and the first functional layer and the second functional layer promote crystal growth of the α-Cr and has a function of forming a film containing α-Cr as a main component, the force received from the object is transmitted to the sensor main body, and the first resistance part and/or the second resistance part presses Then, the resistance value between the pair of electrodes of the pressed first resistor and/or the second resistor continuously changes according to the magnitude of the pressing force.
開示の技術によれば、３次元情報が得られる触覚センサを提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a tactile sensor capable of obtaining three-dimensional information.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る触覚センサを例示する分解斜視図である。図１及び図２を参照するに、触覚センサ５は、センサ本体１と、支持部材２と、緩衝部材３とを有している。
<First embodiment>
1 is a perspective view illustrating a tactile sensor according to a first embodiment; FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the tactile sensor according to the first embodiment; FIG. 1 and 2, the
触覚センサ５において、センサ本体１は、支持部材２上に配置され、緩衝部材３により被覆されている。つまり、センサ本体１は、支持部材２と緩衝部材３に挟持されている。センサ本体１については後述する。
In the
支持部材２は、金属や樹脂等から形成された、曲面を有する部材である。支持部材２の形状は、曲面を有する部材であれば特に限定されないが、例えば半球状とすることができる。支持部材２を人間の指先に近い形状（曲面部や偏平部を有する形状）としてもよい。 The support member 2 is a member having a curved surface made of metal, resin, or the like. The shape of the support member 2 is not particularly limited as long as it is a member having a curved surface, and may be hemispherical, for example. The support member 2 may have a shape similar to that of a human fingertip (a shape having a curved portion or a flat portion).
緩衝部材３は、センサ本体１を被覆して機械的に保護すると共に、物体に接すると物体から受けた力をセンサ本体１に伝達する部材である。緩衝部材３は、弾性体から形成することが好ましく、具体的な材料としては、例えば、シリコーンゴム等のゴムや、ポリウレタン等の高分子材料が挙げられる。なお、弾性体とは、力を加えるとひずみが生じるが、力を除去すれば元の形状に戻る物体を指す。
The buffer member 3 is a member that covers and mechanically protects the sensor
図３は、第１の実施の形態に係る触覚センサのセンサ本体を例示する平面図であり、支持部材２に貼り付ける前の状態を示している。図４は、第１の実施の形態に係る触覚センサのセンサ本体を例示する断面図であり、図３のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。 FIG. 3 is a plan view illustrating the sensor main body of the tactile sensor according to the first embodiment, showing a state before being attached to the supporting member 2. FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the sensor main body of the touch sensor according to the first embodiment, showing a cross section along line AA in FIG.
図３及び図４を参照するに、センサ本体１は、基材１０と、抵抗体３０（複数の抵抗部３１及び３２）と、複数の端子部４１及び４２とを有している。図３では、便宜上、センサ本体１の平面形状を略正方形としているが、センサ本体１は支持部材２に貼り付けやすいような平面形状に適宜加工することができる。
3 and 4, the sensor
なお、本実施の形態では、便宜上、センサ本体１において、基材１０の抵抗部３１が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗部３２が設けられている側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗部３１が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗部３２が設けられている側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサ本体１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
In the present embodiment, for the sake of convenience, in the sensor
基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる絶縁性の部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ～５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、抵抗部３１及び３２のひずみ感度誤差を少なくすることができる点で好ましい。
The
基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
The
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the
但し、基材１０が可撓性を有する必要がない場合には、基材１０に、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ２Ｎ３、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３）等の材料を用いても構わない。
However, if the
抵抗体３０は、基材１０上に形成されており、押圧力に応じて連続的に抵抗値が変化する受感部である。抵抗体３０は、基材１０の上面１０ａ及び下面１０ｂに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａ及び下面１０ｂに他の層を介して形成されてもよい。
The
抵抗体３０は、基材１０を介して積層された複数の抵抗部３１及び３２を含んでいる。すなわち、抵抗体３０は、複数の抵抗部３１及び３２の総称であり、抵抗部３１及び３２を特に区別する必要がない場合には抵抗体３０と称する。なお、図３では、便宜上、抵抗部３１及び３２を梨地模様で示している。
The
複数の抵抗部３１は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向に向けて所定間隔でＹ方向に並置された薄膜である。複数の抵抗部３２は、基材１０の下面１０ｂに、長手方向をＹ方向に向けて所定間隔でＸ方向に並置された薄膜である。但し、複数の抵抗部３１と複数の抵抗部３２とは平面視で直交している必要はなく、交差していればよい。
A plurality of
抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ－Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。
The
ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N, or the like is mixed. The Cr mixed phase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.
抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。又、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。
The thickness of the
抵抗体３０の幅は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．１μｍ～１０００μｍ程度とすることができる。隣接する抵抗体３０のピッチは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、１ｍｍ～１００ｍｍ程度とすることができる。なお、図３及び図４では、抵抗部３１を１０本、抵抗部３２を１０本図示しているが、抵抗部３１及び３２は、実際には数１００～数１０００本程度設けられる。
The width of the
例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、抵抗体３０の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗体３０の感度の向上を実現できる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味するが、抵抗体３０の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗体３０の感度の向上を実現する観点から、抵抗体３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
For example, when the
端子部４１は、基材１０の上面１０ａにおいて、各々の抵抗部３１の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部３１よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４１は、押圧力により生じる抵抗部３１の抵抗値の変化を外部に出力するための１対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４１の上面を、端子部４１よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３１と端子部４１とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
端子部４２は、基材１０の下面１０ｂにおいて、各々の抵抗部３２の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部３２よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４２は、押圧力により生じる抵抗部３２の抵抗値の変化を外部に出力するための１対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４２の上面を、端子部４２よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３２と端子部４２とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
なお、基材１０を貫通する貫通配線（スルーホール）を設け、端子部４１及び４２を基材１０の上面１０ａ側又は下面１０ｂ側に集約してもよい。
A through-wiring (through-hole) penetrating through the
抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層（絶縁樹脂層）を設けても構わない。又、抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するように基材１０の下面１０ｂにカバー層（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層を設けることで、抵抗部３１及び３２に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層を設けることで、抵抗部３１及び３２を湿気等から保護することができる。なお、カバー層は、端子部４１及び４２を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
A cover layer (insulating resin layer) may be provided on the
カバー層は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成することができる。カバー層は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。 The cover layer can be made of, for example, an insulating resin such as PI resin, epoxy resin, PEEK resin, PEN resin, PET resin, PPS resin, composite resin (eg, silicone resin, polyolefin resin). The cover layer may contain fillers and pigments. The thickness of the cover layer is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
センサ本体１を製造するためには、まず、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに図３に示す平面形状の抵抗部３１及び端子部４１を形成する。抵抗部３１及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗部３１と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。
In order to manufacture the sensor
抵抗部３１及び端子部４１は、例えば、抵抗部３１及び端子部４１を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗部３１及び端子部４１は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
The
抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現する観点から、抵抗部３１及び端子部４１を成膜する前に、下地層として膜厚が１ｎｍ～１００ｎｍ程度の機能層を真空成膜することが好ましい。機能層は、例えば、コンベンショナルスパッタ法により成膜できる。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗部３１及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗部３１及び端子部４１と共に図３に示す平面形状にパターニングされる。
From the viewpoint of stabilizing the temperature coefficient of the
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗部の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗部の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗部との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。
In the present application, the functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper layer, the resistance portion. The functional layer preferably further has a function of preventing oxidation of the resistance portion due to oxygen and moisture contained in the
基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗部がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗部の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
Since the insulating resin film that constitutes the
機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗部の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。 The material of the functional layer is not particularly limited as long as it has a function of promoting the crystal growth of the resistor portion which is the upper layer, and can be appropriately selected according to the purpose. ), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc ), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium ), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), one or more metals selected from the group consisting of Al (aluminum) , alloys of any metal of this group, or compounds of any metal of this group.
上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２等が挙げられる。 Examples of the above alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu, and the like. Examples of the above compounds include TiN, TaN , Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 and the like.
機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
The functional layer can be formed, for example, by a conventional sputtering method in which a raw material capable of forming the functional layer is used as a target and Ar (argon) gas is introduced into the chamber. By using the conventional sputtering method, the functional layer is formed while etching the
但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。
However, this is an example of the method of forming the functional layer, and the functional layer may be formed by another method. For example, before forming the functional layer, the
機能層の材料と抵抗部３１及び端子部４１の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、機能層としてＴｉを用い、抵抗部３１及び端子部４１としてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。
The combination of the material of the functional layer and the material of the
この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗部３１及び端子部４１を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗部３１及び端子部４１を成膜してもよい。
In this case, for example, the
これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα－Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現できる。なお、機能層がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。
In these methods, the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed phase film containing α-Cr, which has a stable crystal structure, as a main component can be formed. Further, by diffusing Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film, it is possible to stabilize the temperature coefficient of the
なお、抵抗部３１がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗部３１の結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗部３１の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗部３１との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
When the
このように、抵抗部３１の下層に機能層を設けることにより、抵抗部３１の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗部３１を作製できる。その結果、センサ本体１において、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗部３１に拡散することにより、センサ本体１において、抵抗部３１の温度係数の安定化や、押圧力に対する抵抗部３１の感度の向上を実現することができる。
By providing the functional layer below the
次に、基材１０の下面１０ｂに図３に示す平面形状の抵抗部３２及び端子部４２を形成する。抵抗部３２及び端子部４２は、抵抗部３１及び端子部４１と同様の方法で形成することができる。抵抗部３２及び端子部４２を成膜する前に、下地層として、基材１０の下面１０ｂに機能層を成膜することが好ましい点も同様である。
Next, on the
抵抗部３１及び端子部４１並びに抵抗部３２及び端子部４２を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するカバー層を、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するカバー層を設けてもよい。これにより、センサ本体１が完成する。
After forming the
カバー層は、例えば、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。又、カバー層は、例えば、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層は、絶縁樹脂フィルムのラミネートに代えて、液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。
The cover layer is prepared by, for example, laminating a semi-cured thermosetting insulating resin film so as to cover the
図５に示すように、触覚センサ５及び制御装置７により触覚センサモジュール８を実現できる。触覚センサモジュール８において、触覚センサ５は、例えば、ロボットハンドの指先に取り付けられ、制御装置７によりロボットが物体を把持した際の物体との接触個所や把持力等を検出することができる。複数の触覚センサ５をロボットハンドの複数の指先に取り付けてもよい。例えば、ロボットハンドの２本の指先の各々に触覚センサ５を取り付け、ロボットハンドの２本の指先で物体を把持した際に、各々の触覚センサ５の出力に基づいて、制御装置７によりロボットが対象物を把持した際の物体との接触位置や把持力等を検出できる。
As shown in FIG. 5, the
触覚センサモジュール８において、触覚センサ５におけるセンサ本体１の各々の端子部４１及び４２は、例えば、フレキシブル基板やリード線等を用いて、制御装置７に接続されている。
In the
制御装置７は、センサ本体１の端子部４１及び４２を介して得られた情報に基づいて、触覚センサ５のセンサ本体１が押圧された位置の座標や押圧力の大きさを検出することができる。例えば、センサ本体１の抵抗部３１はＸ座標の検出に用いることができ、抵抗部３２はＹ座標の検出に用いることができる。
Based on the information obtained through the
図６に示すように、制御装置７は、例えば、アナログフロントエンド部７１と、信号処理部７２とを含む構成とすることができる。
As shown in FIG. 6, the
アナログフロントエンド部７１は、例えば、入力信号選択スイッチ、ブリッジ回路、増幅器、アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）等を備えている。アナログフロントエンド部７１は、温度補償回路を備えていてもよい。
The analog
アナログフロントエンド部７１では、例えば、センサ本体１の全ての端子部４１及び４２が入力信号選択スイッチに接続され、入力信号選択スイッチにより１対の電極が選択される。入力信号選択スイッチで選択された１対の電極は、ブリッジ回路に接続される。
In the analog
すなわち、ブリッジ回路の１辺が入力信号選択スイッチで選択された１対の電極間の抵抗部で構成され、他の３辺が固定抵抗で構成される。これにより、ブリッジ回路の出力として、入力信号選択スイッチで選択された１対の電極間の抵抗部の抵抗値に対応した電圧（アナログ信号）を得ることができる。なお、入力信号選択スイッチは、信号処理部７２から制御可能に構成されている。 That is, one side of the bridge circuit is composed of a resistor portion between a pair of electrodes selected by an input signal selection switch, and the other three sides are composed of fixed resistors. As a result, a voltage (analog signal) corresponding to the resistance value of the resistance portion between the pair of electrodes selected by the input signal selection switch can be obtained as the output of the bridge circuit. Note that the input signal selection switch is configured to be controllable from the signal processing section 72 .
ブリッジ回路から出力された電圧は、増幅器で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル信号に変換され、信号処理部７２に送られる。アナログフロントエンド部７１が温度補償回路を備えている場合には、温度補償されたデジタル信号が信号処理部７２に送られる。入力信号選択スイッチを高速で切り替えることで、センサ本体１の全ての端子部４１及び４２の抵抗値に対応するデジタル信号を極短時間で信号処理部７２に送ることができる。
The voltage output from the bridge circuit is amplified by an amplifier, converted into a digital signal by an A/D conversion circuit, and sent to the signal processing section 72 . If the analog
信号処理部７２は、アナログフロントエンド部７１から送られた情報に基づいて、センサ本体１が押圧された位置の座標や押圧力の大きさを検出することができる。
The signal processing section 72 can detect the coordinates of the position where the
又、複数の抵抗部３１の抵抗値や複数の抵抗部３２の抵抗値が変化した場合には、センサ本体１が複数位置で押圧されたことを検出できる。
Moreover, when the resistance values of the plurality of
なお、押圧力の大きさが小さい場合等には、抵抗部３１及び抵抗部３２のうち、押圧される側に近い方の抵抗部のみが押圧され、押圧される側から遠い方の抵抗部は押圧されない場合がある。この場合には、押圧される側に近い方の抵抗部の１対の電極間の抵抗値のみが押圧力の大きさに応じて連続的に変化するが、この場合も、信号処理部７２は、押圧される側に近い方の抵抗部の抵抗値の変化の大小に基づいて、押圧力の大きさを検出することができる。
When the magnitude of the pressing force is small, only the resistance portion closer to the side to be pressed out of the
つまり、抵抗部３１及び／又は抵抗部３２が押圧されると、押圧された抵抗部（抵抗部３１及び／又は抵抗部３２）の１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。そして、信号処理部７２は、抵抗部３１と抵抗部３２の一方が押圧されたか両方が押圧されたかにかかわらず、押圧された抵抗部の抵抗値の変化の大小に基づいて、押圧力の大きさを検出することができる。
In other words, when the
信号処理部７２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。 The signal processing unit 72 can be configured to include, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a main memory, and the like.
この場合、信号処理部７２の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、信号処理部７２の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、信号処理部７２は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。 In this case, various functions of the signal processing unit 72 can be realized by reading a program recorded in a ROM or the like into a main memory and executing it by the CPU. However, part or all of the signal processing unit 72 may be realized only by hardware. Also, the signal processing unit 72 may be physically composed of a plurality of devices or the like.
図７は、触覚センサが物体に触れたときにセンサ本体に伝達される力を模式的に示す図である。図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）はセンサ本体が力を検出する様子を平面図で模式的に示したものである。 FIG. 7 is a diagram schematically showing forces transmitted to the sensor main body when the tactile sensor touches an object. FIG. 7(a) is a perspective view, and FIG. 7(b) is a plan view schematically showing how the sensor main body detects force.
図７（ａ）に示すように、触覚センサ５が物体３００に触れると、緩衝部材３が変形してセンサ本体１に力が伝達される。緩衝部材３が変形することで、図７（ｂ）のＢ部に示すように、センサ本体１において、力を点データではなく面データとして検出できる。これにより、指先のどの位置で、どの程度の力で物体を把持しているかを検出できる。なお、Ｂ部では、中心に近いほど力が大きく、周辺に行くに従って力が小さくなる様子を、異なる梨地模様で模式的に示している。
As shown in FIG. 7( a ), when the
又、ロボットハンドの複数の指先の各々に触覚センサ５を取り付け、ロボットハンドの複数の指先で物体を把持した場合、各々の触覚センサ５の出力に基づいて、ロボットが把持した物体の重心を検出できる。
Further, when a
このように、触覚センサ５において、緩衝部材３が物体に接すると、緩衝部材３が変形して物体から受けた力をセンサ本体１に伝達し、抵抗部３１及び３２が押圧される。センサ本体１の抵抗部３１及び３２が押圧されると、押圧された抵抗部３１及び３２が押圧力に応じて撓み、押圧された抵抗部３１及び３２の１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する。すなわち、触覚センサ５では、３次元情報（押圧された位置の座標と、押圧力の大きさ）を得ることができる。
Thus, in the
触覚センサモジュール８において、センサ本体１で得られた３次元情報は制御装置７に送られ、制御装置７はセンサ本体１で得られた３次元情報に基づいて、センサ本体１が押圧された位置の座標と共に、押圧力の大きさを検出することができる。
In the
特に、抵抗部３１及び３２がＣｒ混相膜から形成されている場合は、抵抗部３１及び３２がＣｕ－ＮｉやＮｉ－Ｃｒから形成されている場合と比べ、力に対する抵抗値の感度（同一の押圧力に対する抵抗部３１及び３２の抵抗値の変化量）が大幅に向上する。抵抗部３１及び３２がＣｒ混相膜から形成されている場合、力に対する抵抗値の感度は、抵抗部３１及び３２がＣｕ－ＮｉやＮｉ－Ｃｒから形成されている場合と比べ、おおよそ５～１０倍程度となる。そのため、抵抗部３１及び３２をＣｒ混相膜から形成することで、押圧された位置の座標の検出精度を向上できると共に、力を高感度で検出できる。
In particular, when the
又、力に対する抵抗値の感度が高いことで、力が小であることを検出した場合には所定の動作を行い、力が中であることを検出した場合には他の動作を行い、力が大であることを検出した場合には更に他の動作を行うような制御の実現が可能となる。或いは、力が小又は中であることを検出した場合には動作を行わず、力が大であることを検出した場合にのみ所定の動作を行うような制御の実現が可能となる。 Further, due to the high sensitivity of the resistance value to the force, when the force is detected to be small, a predetermined action is performed, and when the force is detected to be medium, another action is performed. When it is detected that is large, it becomes possible to implement control such that another operation is performed. Alternatively, it is possible to implement control such that no action is performed when a small or medium force is detected, and a predetermined action is performed only when a large force is detected.
又、力に対する抵抗値の感度が高いと、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができる。そのため、アナログフロントエンド部７１のＡ／Ｄ変換回路において平均化を行う回数を低減しても精度よく信号検出ができる。Ａ／Ｄ変換回路において平均化を行う回数を低減することで、１回のＡ／Ｄ変換に必要な時間を短縮できるため、入力信号選択スイッチを更に高速で切り替えることが可能となる。その結果、触覚センサ５に入力される速い動きも検出することができる。
Also, if the sensitivity of the resistance value to force is high, a signal with a high S/N ratio can be obtained. Therefore, even if the number of times of averaging in the A/D conversion circuit of the analog
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、センサ本体の抵抗部をジグザグパターンにする例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<
図８は、第１の実施の形態の変形例１に係るセンサ本体を例示する平面図であり、図３に対応する平面を示している。図８を参照するに、センサ本体１Ａは、抵抗体３０が抵抗体３０Ａに置換された点が、センサ本体１（図３及び図４参照）と相違する。
FIG. 8 is a plan view illustrating a sensor main body according to
抵抗体３０Ａは、抵抗部３１Ａ及び３２Ａを含んでいる。抵抗部３１Ａは、１対の端子部４１の間に形成されたジグザグのパターンである。又、抵抗部３２Ａは、１対の端子部４２の間に形成されたジグザグのパターンである。抵抗部３１Ａ及び３２Ａの材料や厚さは、例えば、抵抗部３１及び３２の材料や厚さと同様とすることができる。
The
このように、抵抗部３１Ａ及び３２Ａをジグザグパターンにすることで、直線状のパターンにした場合と比べて、１対の端子部４１間の抵抗値及び１対の端子部４２間の抵抗値を高くできる。その結果、押圧された際の１対の端子部４１間の抵抗値の変化量及び１対の端子部４２間の抵抗値の変化量が大きくなるため、押圧された位置の座標の検出精度を更に向上できると共に、力を更に高感度で検出できる。
In this way, by forming the
又、１対の端子部４１間の抵抗値及び１対の端子部４２間の抵抗値を高くできるため、センサ本体１Ａを低消費電力化することが可能である。
Moreover, since the resistance value between the pair of
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be made.
例えば、センサ本体１では、絶縁層である基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を設け、下面１０ｂに抵抗部３２を設ける例を示したが、絶縁層の一方の側に抵抗部３２を設け、他方の側に抵抗部３２を設ける構造であれば、これには限定されない。例えば、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を設け、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆する絶縁層を設け、絶縁層上に抵抗部３２を設けてもよい。又、抵抗部３１を設けた第１基材と、抵抗部３２を設けた第２基材を作製し、抵抗部３１と抵抗部３２を内側に向けて、絶縁層を挟んで抵抗部３１を設けた第１基材と抵抗部３２を設けた第２基材を貼り合わせてもよい。又、抵抗部３１を設けた第１基材と、抵抗部３２を設けた第２基材を作製し、抵抗部３１を設けた第１基材と抵抗部３２を設けた第２基材を同一方向に積層してもよい。センサ本体１Ａについても同様である。
For example, in the sensor
１、１Ａ センサ本体、２ 支持部材、３ 緩衝部材、５ 触覚センサ、７ 制御装置、８ 触覚センサモジュール、１０ 基材、１０ａ 基材の上面、１０ｂ 基材の下面、３０、３０Ａ 抵抗体、３１、３１Ａ、３２、３２Ａ 抵抗部、４１、４２ 端子部、７１ アナログフロントエンド部、７２ 信号処理部
Claims (3)
前記支持部材上に配置されたセンサ本体と、
前記センサ本体を被覆し、物体に接すると前記物体から受けた力を前記センサ本体に伝達する緩衝部材と、を備え、
前記センサ本体は、
絶縁層と、
前記絶縁層の一方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第１機能層と、
前記絶縁層の他方の面に直接、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層と、
前記第１機能層の一方の面に直接形成され、長手方向を第１方向に向けて並置された複数の第１抵抗部と、
前記第２機能層の他方の面に直接形成され、長手方向を前記第１方向と交差する第２方向に向けて並置された複数の第２抵抗部と、
各々の前記第１抵抗部及び各々の前記第２抵抗部の両端部に設けられた１対の電極と、を有し、
前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成され、
前記第１抵抗部及び前記第２抵抗部は、α－Ｃｒを主成分とし、
前記第１機能層及び前記第２機能層は、前記α－Ｃｒの結晶成長を促進させ、前記α－Ｃｒを主成分とする膜を成膜する機能を有し、
前記物体から受けた力が前記センサ本体に伝達され、前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部が押圧されると、押圧された前記第１抵抗部及び／又は前記第２抵抗部の前記１対の電極間の抵抗値が押圧力の大きさに応じて連続的に変化する触覚センサ。 a support member having a curved surface;
a sensor body disposed on the support member;
a buffer member that covers the sensor body and transmits a force received from the object to the sensor body when in contact with the object;
The sensor body is
an insulating layer;
a first functional layer formed of a metal, an alloy, or a metal compound directly on one surface of the insulating layer;
a second functional layer formed of a metal, an alloy, or a metal compound directly on the other surface of the insulating layer;
a plurality of first resistor portions directly formed on one surface of the first functional layer and arranged side by side with the longitudinal direction thereof directed in the first direction;
a plurality of second resistance portions directly formed on the other surface of the second functional layer and arranged side by side with the longitudinal direction thereof directed in a second direction intersecting the first direction;
a pair of electrodes provided at both ends of each of the first resistors and each of the second resistors;
The first resistance section and the second resistance section are formed of a film containing Cr, CrN, and Cr 2 N,
The first resistance portion and the second resistance portion are mainly composed of α-Cr,
The first functional layer and the second functional layer have a function of promoting the crystal growth of the α-Cr and forming a film containing the α-Cr as a main component,
When the force received from the object is transmitted to the sensor main body and the first resistance portion and/or the second resistance portion are pressed, the pressed first resistance portion and/or the second resistance portion A tactile sensor in which the resistance value between the pair of electrodes changes continuously according to the magnitude of the pressing force.
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