(57)【要約】【課題】小さな変位を検出可能な触覚センサを提供する。【解決手段】外力に応じた磁極の変位による磁界の変化を検出する磁気センサと、磁気センサと対向して配され、磁極が形成される可撓性の磁性膜とを備え、磁性膜に、磁性膜の面に沿った方向に並んだ異なる極性の磁極を有する磁化パターンが少なくとも１つ形成されている。【選択図】図１
2020165856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力に応じた磁極の変位による磁界の変化を検出する磁気センサと、
前記磁気センサと対向して配され、前記磁極が形成される可撓性の磁性膜とを備え、
前記磁性膜に、前記磁性膜の面に沿った方向に並んだ異なる極性の磁極を有する磁化パターンが少なくとも１つ形成されている
触覚センサ。
【請求項２】
前記磁性膜の、前記磁気センサの検出範囲内の領域に、前記磁化パターンが複数形成されている
請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記磁気センサを複数備え、
前記磁性膜の、異なる前記磁気センサの検出範囲内の領域毎に、
前記磁化パターンの周期が異なる
請求項１または２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記磁気センサを複数備え、
前記磁性膜の、異なる前記磁気センサの検出範囲内の領域毎に、
前記磁化パターンの大きさが異なる
請求項１から３のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記磁化パターンは、前記磁性膜の面に沿った方向に並んだ異なる極性の磁極を有し、
かつ前記磁性膜の面と垂直な方向に並んだ異なる極性の磁極を有する
請求項１から４のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記磁気センサと前記磁性膜との間に弾性体を備える
請求項１から５のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット等に使用可能な触覚センサとして、内部に磁石が設けられた弾性体と、磁気センサとを備え、外力印可による弾性体の変形に伴って磁石が変位する事による磁界の状態変化を磁気センサで検出することにより、弾性体に掛かる圧力及び振動等を検出可能な触覚センサが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２５３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の触覚センサでは、磁石の小型化に限界がある。磁石が大きいと磁力線のパターンも大きくなってしまい、外力印可により弾性体が変形しても磁気センサに対する磁界の変化が小さくなってしまうため、あまり小さな変位を検出できないという問題がある。
【０００５】
上記の問題に鑑み、本開示は、小さな変位を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】
【０００６】
本開示の一態様に係る触覚センサは、外力に応じた磁極の変位による磁界の変化を検出する磁気センサと、磁気センサと対向して配され、磁極が形成される可撓性の磁性膜とを備え、磁性膜に、磁性膜の面に沿った方向に並んだ異なる極性の磁極を有する磁化パターンが少なくとも１つ形成されている。
【０００７】
上記態様の触覚センサにおいては、磁性膜の、磁気センサの検出範囲内の領域に、磁化パターンが複数形成されていてもよい。
【０００８】
また、上記態様の触覚センサにおいては、磁気センサを複数備え、磁性膜の、異なる磁気センサの検出範囲内の領域毎に、磁化パターンの周期が異なるものとしてもよい。
【０００９】
また、上記態様の触覚センサにおいては、磁気センサを複数備え、磁性膜の、異なる磁気センサの検出範囲内の領域毎に、磁化パターンの大きさが異なるものとしてもよい。
【００１０】
また、上記態様の触覚センサにおいては、磁化パターンは、磁性膜の面に沿った方向に並んだ異なる極性の磁極を有し、かつ磁性膜の面と垂直な方向に並んだ異なる極性の磁極を有するものとしてもよい。
【００１１】
また、上記態様の触覚センサにおいては、磁気センサと磁性膜との間に弾性体を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、小さな変位を検出可能な触覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における触覚センサの概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態における触覚センサの変形例の概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態における触覚センサの概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態における触覚センサの変形例の概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【図５】本発明の第３の実施の形態における触覚センサの概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【図６】本発明の第３の実施の形態における触覚センサの変形例の概略構成および触覚センサに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態における触覚センサ１の概略構成および触覚センサ１に力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、触覚センサ１は、基板１０上において、基板１０側から順に、磁気センサ１１と、弾性体１２と、可撓性の磁性膜１３とが積層されて、構成されている。
【００１６】
この触覚センサ１は、外力に応じた磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）の変位による磁界の変化を磁気センサ１１で検出することにより、弾性体１２及び磁性膜１３に掛かっている圧力及び振動の状態を検出する。
【００１７】
磁気センサ１１は、例えば、ホールセンサ、磁気抵抗センサ、及び磁気インピーダンスセンサ等を用いることができる。
【００１８】
弾性体１２は、例えば、ゲル及びゴム等の弾性を有する素材から構成することができる。
【００１９】
磁性膜１３には、磁性膜１３の面に沿った方向に並んだＮ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓを有する磁化パターン１４が形成されている。なお、本発明において「磁化パターン」とは、１対のＮ極とＳ極とからなるパターンを意味する。磁性膜１３に対する磁化パターン１４の形成は、磁気ヘッド等を用いて行う。
【００２０】
［動作原理］
図１において中央の触覚センサ１の左側もしくは右側に示すように、触覚センサ１において、弾性体１２及び磁性膜１３に外力が係ると、磁気センサ１１に対する磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）の相対位置が変位する。相対位置が変位すると、図１中（Ａ）のグラフに示すように、磁気センサ１１からは、変位の方向および変位量に対応した信号が出力されるため、この信号に基づいて、弾性体１２及び磁性膜１３に掛かっている圧力又は振動の状態を検出することができる。なお、図面中の検出信号を示すグラフにおいて縦軸は磁束密度、横軸は変位量である。磁束密度の高い磁気パターンの端部が接近すると、磁束密度の上昇が検出される。ここでは接近する磁極がＮ極の場合＋、Ｓ極の場合−の磁束密度として検出されている。
【００２１】
このとき、検出できる圧力の大きさは、磁気センサ１１に対する磁化パターン１４のサイズと関係する。
【００２２】
磁気センサ１１に対し磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅が大きい場合、磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅が磁気センサ１１の変位の方向に沿った幅と同等又はより小さい場合と比べて、大きい変位まで検出できる。何故なら、磁気センサ１１に対する磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）の相対位置が大きく変位した状態では、磁気センサ１１の位置の磁界を大きく変化させることができるからである。しかしながら、磁気センサ１１に対する磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）の相対位置の変位が小さい状態では、検出感度が低くなる。何故なら、磁気センサ１１の位置の磁界の変化が小さくなるからである。
【００２３】
逆に、磁気センサ１１に対し磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅が小さい場合、磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅が磁気センサ１１の変位の方向に沿った幅と同等またはより大きい場合と比べて、検出感度が高くなる。何故なら、磁気センサ１１に対する磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）の相対位置が小さく変位した場合でも、磁気センサ１１の位置の磁界を大きく変化させることができるからである。しかしながら、磁気センサ１１に対し磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅が小さい場合、変位を検出できる範囲が狭くなる。何故なら、磁気センサ１１の位置の磁界の変化を生じさせることができる範囲が狭くなるからである。
【００２４】
そのため、想定される変位量と必要な検出感度とを考慮して、磁気センサ１１に対する磁化パターン１４の変位の方向に沿った幅を適切に設定すればよい。
【００２５】
［作用効果］
本実施の形態の触覚センサ１は、磁極（Ｎ極１４Ｎ及びＳ極１４Ｓ）が形成される可撓性の磁性膜１３を備える。
【００２６】
磁性膜１３に対する磁化パターン１４の形成は、磁気ヘッド等を用いて行うが、磁気ヘッドの磁極の分解能は数μｍ（マイクロメートル）程度であり、数μｍ程度のサイズを下限として、自由なサイズの磁化パターン１４を形成することができる。そのため、数ｍｍ（ミリメートル）程度が小型化の限界である磁石を用いた触覚センサと比較して、格段に小さな変位を検出可能な触覚センサ１を実現することができる。
【００２７】
また、磁性膜１３に対し、自由なサイズの磁化パターン１４を形成することができるため、想定される変位量と必要な検出感度とに対し、柔軟に対応することができる。
【００２８】
また、磁気センサ１１と磁性膜１３との間に弾性体１２を備えたため、磁気センサ１１及び磁性膜１３を弾性体１２により保持することができる。また、触覚センサ１に外力が加わった際には、弾性体１２が変形して、磁気センサ１１に対し磁性膜１３を変位させることができる。
【００２９】
［第１の実施の形態の変形例］
図２は第１の実施の形態の変形例における触覚センサ１Ａの概略構成および触覚センサ１Ａに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。図２に示す触覚センサ１Ａは、磁性膜１３に垂直磁化による磁化パターンが形成されている。形成される磁化パターン１５（第１の磁極部１５Ａ及び第２の磁極部１５Ｂ）について、磁性膜１３の面に沿った方向にＮ極及びＳ極が並んでいるだけでなく、磁性膜１３の面に垂直な方向についてもＮ極及びＳ極が並ぶように構成されている。具体的には、第１の磁極部１５Ａは、下層にＮ極、上層にＳ極が形成されている。また、第２の磁極部１５Ｂは、下層にＳ極、上層にＮ極が形成されている。
【００３０】
このような構成としても、図２中（Ａ）に示すように、相対位置が変位した場合に磁気センサ１１から出力される信号の波形が変化するだけで、上記触覚センサ１と同様の作用効果を得ることができる。また、触覚センサ１における磁化パターンが磁性膜１３内で単層の場合と比べて、磁性膜１３からの漏れ磁束の量が大きくなるので、磁気センサ１１と磁性膜１３との間の距離を大きくとることができる。そのため、磁気センサ１１に対し磁性膜１３をより大きく変位させることができる。
【００３１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。以下では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、第１の実施の形態と重複する内容についての説明は省略する。図３は第２の実施の形態における触覚センサ２の概略構成および触覚センサ２に力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。
【００３２】
図３に示すように、触覚センサ２においては、第１の実施の形態と異なり、磁性膜２３の面に沿った方向に並んだＮ極２４Ｎ及びＳ極２４Ｓを有する磁化パターン２４が、周期的に複数形成される。
【００３３】
このように、磁化パターン２４を周期的に複数形成した場合、触覚センサ２において、弾性体１２及び磁性膜１３に大きな外力が掛かって、弾性体１２及び磁性膜１３が大きく変形した状態でも、周期的に形成された磁化パターン２４が、磁気センサ２１の検出範囲内に入る。この場合、図３中（Ａ）に示すように、磁気センサ２１から周期的な信号が出力されるため、触覚センサ２は弾性体２２及び磁性膜２３に生じている微弱な振動を検出することができる。なお、本発明において「磁気センサの検出範囲」とは、磁化パターンの変位による磁界の変化を磁気センサにおいて検出可能な範囲を意味する。
【００３４】
検出できる振動の振幅の大きさは、第１の実施の形態で説明した通り、磁気センサ２１に対する磁化パターン２４のサイズと関係し、磁化パターン２４のサイズが大きい程、大きい振幅まで検出できるようになる。一方、磁化パターン２４のサイズを小さくし、磁化パターン２４の周期が短い程、高い周波数の振動まで検出できるようになる。
【００３５】
［第２の実施の形態の変形例］
図４は第２の実施の形態の変形例における触覚センサ２Ａの概略構成および触覚センサ２Ａに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。図４に示す触覚センサ２Ａは、磁性膜２３に垂直磁化による磁化パターンが形成されている。形成される磁極（第１の磁極部２５Ａ及び第２の磁極部２５Ｂ）について、磁性膜２３の面に沿った方向にＮ極及びＳ極が並んでいるだけでなく、磁性膜２３の面に垂直な方向についてもＮ極及びＳ極が並ぶように構成されている。具体的には、第１の磁極部２５Ａは、下層にＮ極、上層にＳ極が形成されている。また、第２の磁極部２５Ｂは、下層にＳ極、上層にＮ極が形成されている。
【００３６】
このような構成としても、図４中（Ａ）に示すように、相対位置が変位した場合に磁気センサ２１から出力される信号の波形が変化するだけで、上記触覚センサ２と同様の作用効果を得ることができる。また、触覚センサ２における磁化パターンが磁性膜２３内で単層の場合と比べて、磁性膜２３からの漏れ磁束の量が大きくなるので、磁気センサ２１と磁性膜２３との間の距離を大きくとることができる。そのため、磁気センサ２１に対し磁性膜２３をより大きく変位させることができる。
【００３７】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。以下では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、第１の実施の形態と重複する内容についての説明は省略する。図５は第３の実施の形態における触覚センサ３の概略構成および触覚センサ３に力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。
【００３８】
図５に示すように、触覚センサ３においては、第１の実施の形態と異なり、基板３０上において、２つの磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂを備え、２つの磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂを覆うように、１つの弾性体３２と、１枚の磁性膜３３とが積層されている。
【００３９】
また、磁性膜３３の、磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂの検出範囲内の領域毎に、周期及び大きさが異なる磁化パターンが構成されている。
【００４０】
具体的には、磁気センサ３１Ａの検出範囲内には、磁性膜３３の面に沿った方向に並んだＮ極３４Ｎ及びＳ極３４Ｓを有する磁化パターン３４が１つ形成されている。磁気センサ３１Ｂの検出範囲内には、磁性膜３３の面に沿った方向に並んだＮ極３５Ｎ及びＳ極３５Ｓを有する磁化パターン３５が複数形成されている。磁化パターン３４と磁化パターン３５とは、周期及び大きさが異なる。
【００４１】
第１の実施の形態で説明した通り、磁気センサの検出範囲内に１つの大きな磁化パターンを形成することにより、強い圧力の検出に有利となる。また、第２の実施の形態で説明した通り、磁気センサの検出範囲内に複数の小さな磁化パターンを形成することにより、微弱な振動の検出に有利となる。
【００４２】
本実施の形態の触覚センサ３は、一つの触覚センサ３内において、磁気センサ３１Ａの検出範囲内には大きな磁化パターン３４が１つ形成されており、磁気センサ３１Ｂの検出範囲内には小さな磁化パターン３５が複数形成されている。
【００４３】
そのため、一つの触覚センサ３で、図５中（Ａ）に示すように、磁気センサ３１Ｂのみから磁化パターンの変位を示す信号が検出された場合には、大きな変位がない状態で、微弱な振動のみの検出を行うことができる。また、図５中（Ｂ）に示すように、磁気センサ３１Ａのみから磁化パターンの変位を示す信号が検出された場合には、大きな変位のみの検出を行うことができる。また、図５中（Ｃ）に示すように、磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂの両方から磁化パターンの変位を示す信号が検出された場合には、大きな変位があった状態で、微弱な振動の検出を行うことができる。これは、人間の触覚と同等の特性であり、極めて有用性が高い触覚センサを実現することができる。
【００４４】
［第３の実施の形態の変形例］
図６は第３の実施の形態の変形例における触覚センサ３Ａの概略構成および触覚センサ３Ａに力が加わった場合に検出される検出信号を示す図である。図６に示す触覚センサ３Ａは、磁性膜３３に垂直磁化による磁化パターンが形成されている。形成される磁化パターン３６および磁化パターン３７の各々について、磁性膜３３の面に沿った方向にＮ極及びＳ極が並んでいるだけでなく、磁性膜３３の面に垂直な方向についてもＮ極及びＳ極が並ぶように構成されている。
【００４５】
具体的には、磁化パターン３６の第１の磁極部３６Ａは、下層にＮ極、上層にＳ極が形成されている。また、磁化パターン３６の第２の磁極部３６Ｂは、下層にＳ極、上層にＮ極が形成されている。また、磁化パターン３７の第１の磁極部３７Ａは、下層にＮ極、上層にＳ極が形成されている。また、磁化パターン３７の第２の磁極部３７Ｂは、下層にＳ極、上層にＮ極が形成されている。
【００４６】
このような構成としても、図６中（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、相対位置が変位した場合に磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂから出力される信号の波形が変化するだけで、上記触覚センサ３と同様の作用効果を得ることができる。また、触覚センサ３における磁化パターンが磁性膜３３内で単層の場合と比べて、磁性膜３３からの漏れ磁束の量が大きくなるので、磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂと磁性膜３３との間の距離を大きくとることができる。そのため、磁気センサ３１Ａ及び３１Ｂに対し磁性膜３３をより大きく変位させることができる。
【００４７】
［変形例］
以上、本発明をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明を適用可能な実施の形態は、上述の実施の形態に限定されものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【符号の説明】
【００４８】
１     触覚センサ
１Ａ   触覚センサ
２     触覚センサ
２Ａ   触覚センサ
３     触覚センサ
３Ａ   触覚センサ
１０   基板
１１   磁気センサ
１２   弾性体
１３   磁性膜
１４   磁化パターン
１４Ｎ Ｎ極
１４Ｓ Ｓ極
１５Ａ 磁極部
１５Ｂ 磁極部
２１   磁気センサ
２３   磁性膜
２４   磁化パターン
２４Ｎ Ｎ極
２４Ｓ Ｓ極
２５Ａ 磁極部
２５Ｂ 磁極部
３０   基板
３１Ａ 磁気センサ
３１Ｂ 磁気センサ
３２   弾性体
３３   磁性膜
３４   磁化パターン
３４Ｎ Ｎ極
３４Ｓ Ｓ極
３５   磁化パターン
３５Ｎ Ｎ極
３５Ｓ Ｓ極
３６   磁化パターン
３７   磁化パターン
【図１】
2020165856.tif 000003
【図２】
2020165856.tif 000004
【図３】
2020165856.tif 000005
【図４】
2020165856.tif 000006
【図５】
2020165856.tif 000007
【図６】
2020165856.tif 000008