(57)【要約】【課題】受けた応力を精度よく検出することのできる感圧センサーおよびハンドを提供すること。【解決手段】感圧センサーは、感圧素子と、被測定物と接触して応力を受ける受圧板と、前記感圧素子と前記受圧板との間に配置され、前記感圧素子と前記受圧板とに接続するスペーサーと、を有し、前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、前記スペーサーと前記感圧素子との接続部は、前記感圧素子に内包されている。また、前記感圧素子は、カーボンナノチューブが混合されている樹脂混合物と、前記受圧板が受けた荷重により前記樹脂混合物との接触面積が変化するように配置されている電極と、を有する。【選択図】図１
2020106464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧素子と、
被測定物と接触して応力を受ける受圧板と、
前記感圧素子と前記受圧板との間に配置され、前記感圧素子と前記受圧板とに接続するスペーサーと、を有し、
前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、
前記スペーサーと前記感圧素子との接続部は、前記感圧素子に内包されていることを特徴とする感圧センサー。
【請求項２】
前記感圧素子は、
カーボンナノチューブが混合されている樹脂混合物と、
前記受圧板が受けた荷重により前記樹脂混合物との接触面積が変化するように配置されている電極と、を有する請求項１に記載の感圧センサー。
【請求項３】
前記感圧素子は、
半導体基板と、
前記受圧板が受けた荷重により前記半導体基板との接触面積が変化するように配置されている電極と、を有する請求項１に記載の感圧センサー。
【請求項４】
前記感圧素子は、
誘電層と、
前記誘電層を間に挟んで配置されている一対の電極と、を有し、
前記受圧板が受けた荷重により前記一対の電極の間の静電容量が変化する請求項１に記載の感圧センサー。
【請求項５】
前記感圧素子と前記受圧板との間に複数の前記スペーサーが配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の感圧センサー。
【請求項６】
前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、
二次元的に配置されている３つ以上の前記感圧素子を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の感圧センサー。
【請求項７】
前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、前記接続部の輪郭は、円形である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の感圧センサー。
【請求項８】
前記スペーサーは、前記感圧素子と前記受圧板とが並ぶ方向の厚さが、前記並ぶ方向に直交する幅よりも小さい請求項１ないし７のいずれか１項に記載の感圧センサー。
【請求項９】
感圧素子と、
被測定物と接触して応力を受ける受圧板と、
前記感圧素子と前記受圧板との間に配置され、前記感圧素子と前記受圧板とに接続するスペーサーと、を有し、
前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、
前記スペーサーと前記感圧素子との接続部は、前記感圧素子に内包されていることを特徴とする感圧センサーを
備えることを特徴とするハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧センサーおよびハンドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、一対のローラー間のニップ幅を計測するためのニップ幅計測用センサーシートが開示されている。このニップ幅計測用センサーシートは、ニップの幅方向に沿って延びる４４本の第１電極と、第１電極と直交する方向に延びる６本の第２電極と、これらの間に挟まれた感圧導電性インクと、を有する。このような構成のニップ幅計測用センサーシートは、一対のローラーで挟まれてニップ圧（荷重）を受けることにより第１電極と第２電極との間の抵抗値が変化し、この抵抗値変化に基づいてニップ幅を測定できる仕組みとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１００４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなセンサーシートでは、荷重が受圧面のどの位置に加わるかによって、抵抗値が変動してしまう。つまり、同じ大きさの荷重を受けた場合であっても、受圧面の全面で荷重を受けた場合と、受圧面の一部で荷重を受けた場合とでは、抵抗値が変動してしまう。そのため、荷重を受ける受圧面の位置によって、測定値がばらつくといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の感圧センサーは、感圧素子と、
被測定物と接触して応力を受ける受圧板と、
前記感圧素子と前記受圧板との間に配置され、前記感圧素子と前記受圧板とに接続するスペーサーと、を有し、
前記受圧板の厚さ方向からの平面視で、
前記スペーサーと前記感圧素子との接続部は、前記感圧素子に内包されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【図２】感圧センサーの検出方法について説明するための断面図である。
【図３】感圧センサーの平面図である。
【図４】感圧センサーの使用方法の一例を示す断面図である。
【図５】受圧面への荷重の加わり方を示す平面図である。
【図６】受圧面への荷重の加わり方を示す平面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【図１０】図９に示す感圧センサーの平面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【図１２】図１１に示す感圧センサーの平面図である。
【図１３】本発明の第６実施形態に係るハンドを示す平面図である。
【図１４】図１３に示すハンドが有する指部の断面図である。
【図１５】図１４に示す指部に配置された感圧センサーの断面図である。
【図１６】感圧センサーが荷重を検知する仕組みを説明するための断面図である。
【図１７】感圧センサーが荷重を検知する仕組みを説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の感圧センサーおよびハンドを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【０００８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。図２は、感圧センサーの検出方法について説明するための断面図である。図３は、感圧センサーの平面図である。図４は、感圧センサーの使用方法の一例を示す断面図である。図５および図６は、受圧面への荷重の加わり方を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。
【０００９】
図１に示す感圧センサー１は、感圧素子２と、感圧素子２の上側に配置された受圧板３と、感圧素子２の下側に配置された支持基板４と、受圧板３と感圧素子２との間に配置されたスペーサー５と、を有する。このような感圧センサー１は、受圧板３が受圧した荷重Ｎがスペーサー５を介して感圧素子２に伝達され、感圧素子２で受圧板３に加わった荷重Ｎを検出する構成となっている。以下、感圧センサー１の各部の構成について詳細に説明する。
【００１０】
図１に示すように、感圧素子２は、シート状の樹脂混合物２１と、樹脂混合物２１の上側に配置された第１支持基板２２と、樹脂混合物２１の下側に配置された第２支持基板２３と、樹脂混合物２１と第１支持基板２２との間に配置され、第１支持基板２２に支持された第１電極２４と、樹脂混合物２１と第２支持基板２３との間に配置され、第２支持基板２３に支持された第２電極２５と、を有する。そして、第１電極２４と第２電極２５とは、樹脂混合物２１を介して電気的に接続されている。
【００１１】
図２に示すように、樹脂混合物２１の表面には微小な凹凸が形成されており、受圧板３およびスペーサー５を介して感圧素子２に荷重Ｎが加わると、第１、第２電極２４、２５と樹脂混合物２１との接触面積（接触抵抗）が変化し、それに伴って第１電極２４と第２電極２５との間の抵抗値が変化する。そのため、感圧素子２は、第１電極２４と第２電極２５との間の抵抗値の変化に基づいて、受けた荷重Ｎを検出することができる。
【００１２】
なお、本実施形態では、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２４、２５と樹脂混合物２１との接触面積が増加する。ただし、これとは反対に、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２４、２５と樹脂混合物２１との接触面積が減少してもよい。また、本実施形態では、荷重Ｎが加わると、第１電極２４と樹脂混合物２１との接触面積および第２電極２５と樹脂混合物２１との接触面積の両方が変化するが、これに限定されず、どちらか一方の接触面積は、加わる荷重Ｎによらず一定であってもよい。
【００１３】
図１に示すように、樹脂混合物２１は、ベースとなる絶縁性の樹脂２１１と導電性材料であるカーボンナノチューブ２１２とを含む材料である感圧導電性樹脂で構成されている。このような構成によれば、容易に樹脂混合物２１をシート状に成形することができ、感圧素子２の薄型化および軽量化を図ることができる。導電性材料としてカーボンナノチューブ２１２を用いることにより、樹脂混合物２１の体積抵抗率が温度の影響を受け難くなり、温度変化による測定値の変動を低減することができる。そのため、例えば、過度な温度補正の必要がなく、受けた荷重を精度よく検出することができる。また、導電性材料としてカーボンナノチューブ２１２を用いることにより、比較的少ない含有量で、樹脂混合物２１の抵抗値を十分に下げることができる。そのため、樹脂２１１との混練が容易となる。カーボンナノチューブ２１２は、樹脂２１１内に均一に分散されているのが好ましいが、これに限定されず、例えば、樹脂混合物２１中のカーボンナノチューブ２１２の含有量が樹脂混合物２１の厚さ方向に沿って変化している部分を有していてもよい。
【００１４】
樹脂混合物２１の平面視形状としては、特に限定されないが、例えば、一辺が約６ｍｍの正方形とすることができる。また、樹脂混合物２１の厚さｔ２１としては、特に限定されないが、例えば、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることができる。また、樹脂混合物２１のヤング率としては、特に限定されないが、例えば、３ＧＰａ以上５ＧＰａ以下であることが好ましい。これにより、樹脂混合物２１が十分に硬くなり、検出可能範囲が広くなるため、より高荷重まで検出することができる。また、過度に硬くなるのを抑制することができ、低荷重のときに検出特性が低下することを効果的に抑制することができる。
【００１５】
樹脂２１１としては、特に限定されないが、本実施形態では、ＰＣ（ポリカーボネート）を用いている。これにより、安価で、取り扱い易く、樹脂２１１とカーボンナノチューブ２１２との混練も容易となる。また、樹脂混合物２１を硬くし易い。そのため、単位面積当たりの許容荷重が大きくなり、感圧素子２の機械的強度を高めることができると共に、測定可能範囲を広く確保することもできる。また、樹脂混合物２１の経時的な変形やへたりが抑えられ、経時的な検出特性の低下や変動を抑制することができる。ただし、樹脂２１１としては、ＰＣに限定されず、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の各種熱可塑性樹脂を用いることできる。
【００１６】
図１に示すように、第１電極２４は、樹脂混合物２１の上側に位置し、第２電極２５は、樹脂混合物２１の下側に位置している。また、第１電極２４は、樹脂混合物２１の上面と接合されることなく接触しており、第２電極２５は、樹脂混合物２１の下面と接合されることなく接触している。このように、第１、第２電極２４、２５を樹脂混合物２１の上下面と接合しないことにより、荷重Ｎに応じて、第１、第２電極２４、２５と樹脂混合物２１との接触面積または接触抵抗が変化し易くなる。
【００１７】
第１、第２電極２４、２５の平面視形状としては、特に限定されないが、例えば、樹脂混合物２１よりもひと回り小さい形状とすることができ、前述したように、樹脂混合物２１が一辺を６ｍｍとする正方形である場合には、一辺を５ｍｍとする正方形とすることができる。なお、第１電極２４および第２電極２５の配置としては、特に限定されず、例えば、樹脂混合物２１の上面側に第１電極２４および第２電極２５が互いに離間して配置されていてもよいし、下面側に第１電極２４および第２電極２５が互いに離間して配置されていてもよい。また、この場合には、第１電極２４および第２電極２５は、互いに噛み合った櫛歯状の電極としてもよい。
【００１８】
図１に示すように、第１支持基板２２は、第１電極２４の上側に位置している。そして、第１支持基板２２の下面に第１電極２４が設けられ、第１支持基板２２が有する図示しない配線と第１電極２４とが電気的に接続されている。同様に、第２支持基板２３は、第２電極２５の下側に位置している。そして、第２支持基板２３の上面に第２電極２５が設けられ、第２支持基板２３が有する図示しない配線と第２電極２５とが電気的に接続されている。第１支持基板２２および第２支持基板２３としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、フレキシブルプリント配線基板、リジッドプリント配線基板等の各種プリント基板を用いることができる。ただし、本実施形態では、フレキシブルプリント配線基板を用いている。
【００１９】
また、第１支持基板２２および第２支持基板２３は、それぞれ、樹脂混合物２１の外側において、接着剤Ｄを介して互いに接合されている。
【００２０】
以上、感圧素子２について説明した。このような構成の感圧素子２の下側には、支持基板４が配置されている。支持基板４は、下側から感圧素子２を支持している。支持基板４は、樹脂混合物２１に対して十分に硬質であり、好ましくはヤング率が２００ＧＰａ以上である。これにより、受圧板３が受けた荷重Ｎを支持基板４によってより確実に受け止めることができる。つまり、荷重Ｎによる支持基板４の変形が抑制され、それに伴う荷重Ｎの逃げを抑制することができる。そのため、受けた荷重Ｎを不足なく感圧素子２に伝達することができ、感圧素子２によって精度よく荷重Ｎを検出することができる。このような支持基板４は、例えば、各種金属材料、各種合金材料、各種セラミック材料で構成することができる。本実施形態では、支持基板４は、ステンレス鋼で構成されている。
【００２１】
また、感圧素子２の上側には、受圧板３が配置されている。受圧板３は、荷重Ｎを受ける受圧部として機能し、その上面が受圧面３１である。受圧板３は、樹脂混合物２１に対して十分に硬質であり、好ましくはヤング率が２００ＧＰａ以上である。これにより、荷重Ｎによる受圧板３の変形が抑制され、それに伴う荷重Ｎの吸収を抑制することができる。そのため、受圧板３が受けた荷重Ｎを不足なく感圧素子２に伝達することができ、感圧素子２によって精度よく荷重Ｎを検出することができる。このような受圧板３は、例えば、各種金属材料、各種合金材料、各種セラミック材料で構成することができる。本実施形態では、受圧板３は、前述した支持基板４と同様、ステンレス鋼で構成されている。また、受圧板３の厚さｔ３としては、特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍとすることができる。
【００２２】
このような受圧板３は、十分に大きく形成され、その厚さ方向からの平面視で、樹脂混合物２１の全域と重なっている。言い換えると、受圧板３は、その厚さ方向からの平面視で、樹脂混合物２１の全域を内包している。このように、受圧板３を樹脂混合物２１より大きくすることにより、受圧面３１が十分に大きくなり、荷重Ｎをより受け易くなる。ただし、これに限定されず、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、樹脂混合物２１の一部が受圧板３と重なっていなくてもよい。
【００２３】
また、図１に示すように、受圧板３と感圧素子２との間には、スペーサー５が配置されている。そして、スペーサー５の上面５１は、受圧板３の下面に接合され、スペーサー５の下面５２は、感圧素子２の上面に接合されている。また、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、スペーサー５の下面５２は、感圧素子２に内包されている。より具体的には、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、下面５２の全域が、第１電極２４、樹脂混合物２１および第２電極２５が積層されている領域Ｓと重なっている。
【００２４】
このようなスペーサー５は、受圧板３が受けた荷重Ｎを感圧素子２に伝達する荷重伝達部材として機能する。スペーサー５は、樹脂混合物２１に対して十分に硬質であり、好ましくはヤング率が２００ＧＰａ以上である。これにより、荷重Ｎによるスペーサー５の変形が抑制され、それに伴う荷重Ｎの吸収を抑制することができる。そのため、受圧板３が受けた荷重Ｎを不足なく感圧素子２に伝達することができ、感圧素子２によって精度よく荷重Ｎを検出することができる。このようなスペーサー５は、例えば、各種金属材料、各種合金材料、各種セラミック材料で構成することができる。本実施形態では、スペーサー５は、前述した支持基板４や受圧板３と同様、ステンレス鋼で構成されている。
【００２５】
このように、受圧板３と感圧素子２との間に荷重伝達部材としてのスペーサー５を配置することにより、受圧面３１への荷重Ｎの加わり方に関わらず、感圧素子２の押圧個所が一定となる。つまり、受圧面３１のどの位置に荷重Ｎが加わっても、同じように、その荷重Ｎは、スペーサー５を介して、感圧素子２のスペーサー５の下面５２と重なっている領域Ｓの全域にほぼ均一に伝達される。そのため、受圧板３への荷重Ｎの加わり方に影響されることなく、受圧板３が受けた荷重Ｎを精度よく検出することができる。よって、荷重Ｎの検出精度に優れ、さらには、検出の再現性にも優れた感圧センサー１が得られる。
【００２６】
特に、本実施形態では、図３に示すように、スペーサー５の感圧素子２との接続部である下面５２の輪郭が円形となっている。例えば、第１、第２電極２４、２５が一辺を５ｍｍとする正方形である場合、下面５２を直径が３ｍｍ程度の円形とすることができる。このように、下面５２の輪郭を円形とすることにより、例えば、三角形や四角形等の角を有する形状と比較して、上述した効果をより顕著に発揮することができる。つまり、下面５２が角を有する形状の場合、荷重Ｎの加わり方によっては、当該角に荷重Ｎが集中し、領域Ｓ内で荷重Ｎの大きさに分布が生じるおそれもあるが、下面５２を角のない円形とすることにより、このような問題が生じるおそれがなくなる。そのため、受圧板３への荷重Ｎの加わり方に影響されることなく、荷重Ｎを下面５２から領域Ｓの全域により均一に伝達することができる。よって、荷重Ｎの検出精度および再現性に優れた感圧センサー１が得られる。
【００２７】
なお、前記「円形」とは、真円と一致する場合の他、例えば、製造上生じ得る微小誤差等の影響により真円から若干崩れた形状を含む意味である。また、上述の記載は、下面５２の形状を角のある形状とすることを否定せず、下面５２の形状としては、円形の他、楕円形、長円形等の過度のない形状の他にも、三角形、四角形、五角形、六角形以上の多角形等の角のある形状であってもよい。
【００２８】
また、図１に示すように、スペーサー５は、感圧素子２と受圧板３とが並ぶ方向の厚さｔ５が、この方向に直交する幅Ｗ５よりも小さい。つまり、ｔ５＜Ｗ５の関係となっている。なお、スペーサー５の平面視形状が円形の場合、その直径が幅Ｗ５となる。また、厚さｔ５および幅Ｗ５がその測定箇所によって異なる場合には、それぞれの値の平均値とする。上記の関係を満たすことにより、感圧センサー１の薄型化を図ることができる。ただし、厚さｔ５と幅Ｗ５の関係は、これに限定されず、ｔ５≧Ｗ５であってもよい。
【００２９】
以上、感圧センサー１の構成について詳細に説明した。次に、感圧センサー１の使用方法の一例を説明する。図４に示すように、感圧センサー１は、例えば、互いに押し付けられて配置された一対のローラーＲ１、Ｒ２のニップ圧Ｎｎを測定するのに用いられる。この場合、感圧センサー１を一対のローラーＲ１、Ｒ２の間に配置することにより、ニップ圧が受圧板３およびスペーサー５を介して感圧素子２に伝達され、感圧素子２によってニップ圧が検出される。この際、例えば、図５に示すようなニップ圧Ｎｎが受圧面３１の全面に加わる場合、図６に示すようなニップ圧Ｎｎが受圧面３１の一部にだけ加わっている場合に関係なく、ニップ圧Ｎｎがスペーサー５の下面５２全域から感圧素子２に均一に伝達される。そのため、感圧センサー１は、ニップ圧Ｎｎを精度よく検出することができる。また、ニップ圧Ｎｎの加わり方に影響を受けないため、感圧センサー１は、ニップ圧Ｎｎの検出再現性に優れている。
【００３０】
なお、一対のローラーＲ１、Ｒ２は、例えば、プリンターの搬送ローラー、転写ローラー、定着ローラー等に用いられているし、他の機器にも用いられている。また、感圧センサー１の使用方法は、ニップ圧Ｎｎの測定に限定されず、例えば、ロボット等に搭載して使用することもできる。
【００３１】
以上、感圧センサー１について説明した。このような感圧センサー１は、前述したように、感圧素子２と、被測定物と接触して応力である荷重Ｎを受ける受圧板３と、感圧素子２と受圧板３との間に配置され、感圧素子２と受圧板３とに接続するスペーサー５と、を有する。そして、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、スペーサー５と感圧素子２との接続部である下面５２は、感圧素子２に内包されている。このような構成の感圧センサー１によれば、受圧板３のどの位置に荷重Ｎが加わっても、同じように、その荷重Ｎは、スペーサー５を介して、感圧素子２のスペーサー５の下面５２と重なっている領域Ｓの全域にほぼ均一に伝達される。そのため、受圧板３への荷重Ｎの加わり方に関係なく、受圧板３が受けた荷重Ｎを精度よく検出することができる。そのため、荷重Ｎの検出精度に優れ、さらには、検出の再現性にも優れた感圧センサー１となる。
【００３２】
また、前述したように、感圧素子２は、カーボンナノチューブ２１２が混合されている樹脂混合物２１と、受圧板３が受けた荷重Ｎにより樹脂混合物２１との接触面積が変化するように配置されている電極としての第１、第２電極２４、２５と、を有する。これにより、感圧素子２の構成が簡単なものとなると共に、荷重Ｎを精度よく検出することができる。
【００３３】
また、前述したように、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、スペーサー５の下面５２の輪郭は、円形である。そのため、受圧板３への荷重Ｎの加わり方に関係なく、荷重Ｎを下面５２から領域Ｓの全域により均一に伝達することができる。したがって、荷重Ｎの検出精度および再現性により優れた感圧センサー１となる。
【００３４】
また、前述したように、スペーサー５は、感圧素子２と受圧板３とが並ぶ方向の厚さｔ５が、感圧素子２と受圧板３とが並ぶ方向に直交する幅Ｗ５よりも小さい。つまり、ｔ５＜Ｗ５である。これにより、感圧センサー１の薄型化を図ることができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【００３６】
本実施形態に係る感圧センサー１は、感圧素子２の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第２実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図７では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００３７】
図７に示す感圧センサー１では、感圧素子２は、半導体基板２６と、半導体基板２６の上側に配置された第１支持基板２２と、半導体基板２６の下側に配置された第２支持基板２３と、半導体基板２６と第１支持基板２２との間に配置され、第１支持基板２２に支持された第１電極２４と、半導体基板２６と第２支持基板２３との間に配置され、第２支持基板２３に支持された第２電極２５と、を有する。そして、第１電極２４と第２電極２５とは、半導体基板２６を介して電気的に接続されている。
【００３８】
半導体基板２６の表面には微小な凹凸が形成されており、受圧板３およびスペーサー５を介して感圧素子２に荷重Ｎが加わると、第１、第２電極２４、２５と半導体基板２６との接触面積（接触抵抗）が変化し、それに伴って第１電極２４と第２電極２５との間の抵抗値が変化する。そのため、感圧素子２は、第１電極２４と第２電極２５との間の抵抗値の変化に基づいて、受けた荷重Ｎを検出することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２４、２５と半導体基板２６との接触面積が増加する。ただし、これとは反対に、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２４、２５と半導体基板２６との接触面積が減少してもよい。また、本実施形態では、荷重Ｎが加わると、第１電極２４と半導体基板２６との接触面積および第２電極２５と半導体基板２６との接触面積の両方が変化するが、これに限定されず、どちらか一方の接触面積は、加わる荷重Ｎによらず一定であってもよい。
【００４０】
このような感圧素子２は、樹脂混合物２１に替えて半導体基板２６を用いたこと以外は、前述した第１実施形態の感圧素子２と同様の構成である。そのため、以下では、半導体基板２６について説明し、他については、その説明を省略する。
【００４１】
本実施形態では、半導体基板２６として、シリコン基板が用いられている。これにより、感圧素子２の機械的強度が増す。そのため、感圧素子２は、より高い荷重Ｎを検出することができる。特に、本実施形態では、半導体基板２６として、単結晶シリコン基板を用いている。これにより、上述した効果がより顕著となる。なお、単結晶シリコン基板であれば、結晶方位は限定されず、（１１０）単結晶シリコン基板、（１００）単結晶シリコン基板等を用いることができる。
【００４２】
なお、半導体基板２６としては、例えば、多結晶シリコン基板、アモルファスシリコン基板等、単結晶シリコン基板以外のシリコン基板を用いてもよい。また、半導体基板２６としては、シリコン基板以外の半導体基板、例えば、Ｇｅ基板、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体基板を用いてもよい。
【００４３】
また、半導体基板２６には、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）等の不純物がドープされている。そして、本実施形態では、半導体基板２６の体積抵抗率が５Ωｃｍ以上１５Ωｃｍ以下の範囲に調整されている。なお、体積抵抗率は、例えば、［ＪＩＳ  Ｈ  ０６０２］に準じて測定することができる。ただし、半導体基板２６の体積抵抗率は、上述の範囲に限定されず、５Ωｃｍ未満であってもよいし、１５Ωｃｍを超えてもよい。
【００４４】
以上のように、本実施形態の感圧素子２は、半導体基板２６と、受圧板３が受けた荷重Ｎｎにより半導体基板２６との接触面積が変化するように配置されている電極としての第１、第２電極２４、２５と、を有する。これにより、感圧素子２の機械的強度を高めることができ、より大きい荷重Ｎを検出することができる。また、感圧素子２の構成が簡単なものとなると共に、荷重Ｎを精度よく検出することができる。
【００４５】
＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。
【００４６】
本実施形態に係る感圧センサー１は、感圧素子２の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第３実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図８では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００４７】
図８に示す感圧センサー１では、感圧素子２は、誘電層２７と、誘電層２７の上側に配置された第１支持基板２２と、誘電層２７の下側に配置された第２支持基板２３と、誘電層２７と第１支持基板２２との間に配置され、第１支持基板２２に支持された第１電極２４と、誘電層２７と第２支持基板２３との間に配置され、第２支持基板２３に支持された第２電極２５と、を有する。そして、第１電極２４と第２電極２５との間には、静電容量Ｃが形成されている。
【００４８】
このような構成では、受圧板３およびスペーサー５を介して感圧素子２に荷重Ｎが加わると、誘電層２７が変形して第１電極２４と第２電極２５とのギャップすなわち間隙距離Ｔが変化し、それに伴って第１電極２４と第２電極２５との間の静電容量Ｃが変化する。そのため、感圧素子２は、静電容量Ｃの変化に基づいて、受けた荷重Ｎを検出することができる。つまり、本実施形態の感圧素子２は、前述した第１実施形態のような第１、第２電極２４、２５と樹脂混合物２１との接触面積または接触抵抗の変化に基づいて荷重Ｎを検出するのではなく、静電容量Ｃの変化に基づいて荷重Ｎを検出するものである。
【００４９】
誘電層２７は、誘電体で構成され、絶縁性を有する。また、誘電層２７は、柔軟性を有し、荷重Ｎを受けて変形する。誘電層２７としては、特に限定されず、例えば、ポリウレタン発泡体、ポリスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体、ポリプロピレン発泡体、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂発泡体等の各種発泡体、各種エラストマー、各種ゴム材料等を用いることができる。本実施形態では、誘電層２７は、ポリウレタン発泡体で構成されている。このように、発泡体を用いることにより、柔軟な誘電層２７を容易に得ることができる。なお、前述した第１実施形態とは異なって、第１、第２電極２４、２５は、例えば、印刷等によって誘電層２７の上下面に形成されている。
【００５０】
以上のように、本実施形態の感圧素子２は、誘電層２７と、誘電層２７を間に挟んで配置されている一対の電極としての第１電極２４および第２電極２５と、を有する。そして、受圧板３が受けた荷重Ｎにより第１電極２４と第２電極２５との間の静電容量Ｃが変化する。これにより、感圧素子２の構成が簡単なものとなると共に、荷重Ｎを精度よく検出することができる。
【００５１】
＜第４実施形態＞
図９は、本発明の第４実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。図１０は、図９に示す感圧センサーの平面図である。
【００５２】
本実施形態に係る感圧センサー１は、１つの感圧素子２に対してスペーサー５が複数配置されていること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第４実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図９および図１０では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００５３】
図９および図１０に示す感圧センサー１は、複数のスペーサー５を有する。そして、全てのスペーサー５が、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、１つの領域Ｓと重なるように、すなわち、それらの下面５２が感圧素子２に内包されるように配置されている。本実施形態の感圧センサー１は、前述した第１実施形態のスペーサー５を複数に分割した構成となっている。これにより、例えば、前述した第１実施形態と比べて感圧素子２とスペーサー５との接触面積を小さくすることができ、感圧素子２の感度が向上する。
【００５４】
本実施形態では、スペーサー５が４つ配置され、これらは、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、二次元的に２行×２列に配置されている。つまり、任意に選択される１つまたは２つのスペーサー５は、その中心が、他の２つまたは３つのスペーサー５の中心を通る直線Ｌから離間して配置されている。特に、本実施形態では、図１０に示すように、４つのスペーサー５が、正方形の各角部に位置するように配置されている。このように、４つのスペーサー５を二次元的に配置することにより、スペーサー５を領域Ｓに対してバランスよく配置することができる。また、スペーサー５によって、バランスよく受圧板３を支持することができる。
【００５５】
ただし、これに限定されず、例えば、スペーサー５の数は、２つまたは３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。また、全てのスペーサー５が一列に並んで一次元的に配置されていてもよい。
【００５６】
以上のように、本実施形態の感圧センサー１では、感圧素子２と受圧板３との間に複数のスペーサー５が配置されている。これにより、例えば、１つの大きなスペーサー５を配置した第１実施形態と比べて、感圧素子２とスペーサー５との接触面積を小さくすることができ、感圧素子２の感度を向上させることができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、感圧センサー１が４つの感圧素子２を有するが、感圧素子２の数としては、３つ以上であれば特に限定されず、例えば、３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。また、感圧素子２の配置としては、二次元的に配置されていれば、特に限定されず、感圧素子２の数に応じて適宜設定すればよい。
【００５８】
＜第５実施形態＞
図１１は、本発明の第５実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。図１２は、図１１に示す感圧センサーの平面図である。
【００５９】
本実施形態に係る感圧センサー１は、感圧素子２が複数配置されていること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第５実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１１および図１２では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００６０】
図１１および図１２に示す感圧センサー１は、３つ以上の感圧素子２を有し、本実施形態では、４つの感圧素子２を有する。なお、本実施形態では、各感圧素子２の第１支持基板２２および第２支持基板２３は、共通化されて一体形成されている。ただし、これに限定されず、第１支持基板２２および第２支持基板２３は、感圧素子２毎に個別に形成されていてもよい。
【００６１】
また、図１２に示すように、４つの感圧素子２は、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、二次元的に２行×２列に配置されている。つまり、任意に選択される１つまたは２つの感圧素子２は、その中心が、他の２つまたは３つの感圧素子２を通る直線Ｌから離間して配置されている。特に、本実施形態では、４つの感圧素子２は、正方形の各角部に位置するようにバランスよく配置されている。また、感圧センサー１は、４つの感圧素子２に対応して４つのスペーサー５を有する。そのため、各感圧素子２には、対応するスペーサー５を介して受圧板３に加わった荷重Ｎが伝達される。
【００６２】
このような構成の感圧センサー１では、例えば、図１２に示すように、２つ感圧素子２（２Ａ、２Ｂ）と、残り２つの感圧素子２（２Ｃ、２Ｄ）との間でニップ圧Ｎｎを受けることが好ましい。これにより、受圧板３が捩じれて、感圧素子２に対して傾斜してしまうのを抑制でき、４つの感圧素子２でバランスよく荷重Ｎを受け止めることができる。そのため、荷重Ｎをより精度よく検出することができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態の感圧センサー１は、受圧板３の厚さ方向からの平面視で、二次元的に配置されている３つ以上の感圧素子２を有する。そのため、例えば、前述した第１実施形態と比べて、荷重Ｎの検出感度が高くなる。したがって、より精度よく、荷重Ｎを検出することができる。
【００６４】
＜第６実施形態＞
図１３は、本発明の第６実施形態に係るハンドを示す平面図である。図１４は、図１３に示すハンドが有する指部の断面図である。図１５は、図１４に示す指部に配置された感圧センサーの断面図である。図１６および図１７は、それぞれ、感圧センサーが荷重を検知する仕組みを説明するための断面図である。
【００６５】
図１３に示すハンド１００は、例えば、ロボット等に装着された状態で使用され、対象物を両側から挟み込んで把持することのできるハンドである。ハンド１００は、ベース１１０と、ベース１１０に対してスライド可能に支持された一対のスライダー１２１、１２２と、スライダー１２１、１２２に固定された指部８、９と、スライダー１２１、１２２をスライドさせるモーター１３１、１３２と、を有する。
【００６６】
スライダー１２１、１２２は、それぞれ、スライドガイドＳＧを介してベース１１０に支持され、ベース１１０に対して図中の矢印方向にスライド可能となっている。また、スライダー１２１にはモーター１３１が接続されており、モーター１３１の駆動によってスライダー１２１がスライドする。同様に、スライダー１２２にはモーター１３２が接続されており、モーター１３２の駆動によってスライダー１２２がスライドする。なお、モーター１３１、１３２としては、特に限定されず、例えば、圧電モーターを用いることができる。このように、モーター１３１、１３２によってスライダー１２１、１２２を移動させることにより、指部８、９で対象物を把持したり、把持した対象物をリリースしたりすることができる。
【００６７】
以下、指部８、９について説明するが指部８、９は、互いに同様の構成であるため、以下では、指部８について代表して説明し、指部９については、その説明を省略する。図１４に示すように、指部８は、スライダー１２１に固定された固定部８１と、固定部８１に固定された爪部８２と、を有する。また、固定部８１は、スライダー１２１にねじ止めされた基部８１１と、基部８１１に接続された応力伝達部８１２と、を有する。また、応力伝達部８１２は、基部８１１と空隙を隔てて対向配置された変位部８１３と、変位部８１３の一端部と基部８１１とを接続する接続部８１４と、を有する。変位部８１３に応力が加わると、変位部８１３が接続部８１４を支点にして基部８１１に対して変位する。
【００６８】
爪部８２は、変位部８１３にねじ止めされ、指部９側に向けて斜めに延びている。また、爪部８２は、基部８１１と空隙Ｇを隔てて対向する基部８２１を有する。そして、基部８１１と基部８２１との間に感圧センサー１が配置されている。
【００６９】
また、図１５に示すように、ハンド１００は、感圧センサー１を与圧する与圧部１１を有する。与圧部１１は、１本のねじ１１１を有し、ねじ１１１は、爪部８２の基部８２１に螺号している。そして、ねじ１１１を締め込むことにより、ねじ１１１の先端部において受圧板３が押圧され、これにより、感圧センサー１が与圧される。
【００７０】
このような構成によれば、例えば、爪部８２、９２の先端で対象物を押圧するような動作を行った場合等、図１６に示すように、爪部８２に矢印Ａ１の応力が加わった際には、接続部８１４を支点にして変位部８１３が矢印Ａ２に示すように変位する。そのため、基部８１１と基部８２１との間の空隙Ｇのギャップが広がり、それに伴って、感圧センサー１に加わる力が減少する。一方、例えば、爪部８２、８２で対象物を把持する動作を行った場合等、図１７に示すように、爪部８２に矢印Ｂ１の応力が加わった際には、接続部８１４を支点にして変位部８１３が矢印Ｂ２に示すように変位する。そのため、基部８１１と基部８２１との間の空隙Ｇのギャップが縮まり、それに伴って、感圧センサー１に加わる力が増大する。したがって、このような構成によれば、例えば、爪部８２、８２の先端で対象物を押圧する動作により加わる力と、爪部８２、８２で対象物を把持する動作により加わる力と、を判別することができると共に、それらの力を精度よく検出することができる。
【００７１】
以上のように、ハンド１００は、感圧センサー１を備える。そのため、ハンド１００は、感圧センサー１の効果を享受でき、優れた信頼性を発揮することができる。
【００７２】
なお、ハンド１００の構成としては、特に限定されない。例えば、本実施形態のハンド１００では、２つの指部８、９を有しているが、指部の数としては、これに限定されず、１本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、本実施形態のハンド１００では、指部８、９がそれぞれ感圧センサー１を有しているが、これに限定されず、いずれか一方を省略してもよい。すなわち、複数の指部を有する場合、少なくとも１つの指部に感圧センサー１が配置されていればよい。
【００７３】
以上、本発明の感圧センサーおよびハンドについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１…感圧センサー、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ…感圧素子、３…受圧板、４…支持基板、５…スペーサー、８…指部、９…指部、１１…与圧部、２１…樹脂混合物、２２…第１支持基板、２３…第２支持基板、２４…第１電極、２５…第２電極、２６…半導体基板、２７…誘電層、３１…受圧面、５１…上面、５２…下面、８１…固定部、８２…爪部、９２…爪部、１００…ハンド、１１０…ベース、１１１…ねじ、１２１、１２２…スライダー、１３１、１３２…モーター、２１１…樹脂、２１２…カーボンナノチューブ、８１１…基部、８１２…応力伝達部、８１３…変位部、８１４…接続部、８２１…基部、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…矢印、Ｃ…静電容量、Ｄ…接着剤、Ｇ…空隙、Ｎｎ…ニップ圧、Ｒ１、Ｒ２…ローラー、Ｓ…領域、ＳＧ…スライドガイド、Ｎ…荷重、ｔ３、ｔ５、ｔ２１…厚さ、Ｔ…間隙距離、Ｗ５…幅、Ｌ…直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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