(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は複数個の光源によって照明されており透光性を備えている塊状のエラストマと、そのエラストマを覆っており含有する反射粒子によりエラストマの内部からの入射光を弱めの指向性または無指向性で反射するようにされた反射皮膜と、その反射光の一部を受光しうるよう配置された光検知機構と、を備え、
その反射皮膜に物体が接触し圧力が加わったときに、反射皮膜が幾何学的に変形してその面法線が局所的に変化し、その変化に伴い反射皮膜から光検知機構に向かう反射光の量が局所的に変化し、圧力を及ぼしている物体に備わる１個又は複数個の特徴を示す画像状の反射光が光検知機構に入射する接触センサ。
【請求項２】
請求項１記載の接触センサであって、上記エラストマがシリコーンラバー、ポリウレタン、プラスチゾル、熱可塑性エラストマ、天然ゴム、ポリイソプレン、ポリ塩化ビニル又はその混合物を含む接触センサ。
【請求項３】
請求項１記載の接触センサであって、上記エラストマのショアＡ硬度が５〜９０である接触センサ。
【請求項４】
請求項１記載の接触センサであって、上記エラストマがスラブ状である接触センサ。
【請求項５】
請求項１記載の接触センサであって、上記光検知機構がカメラを有する接触センサ。
【請求項６】
請求項１記載の接触センサであって、上記光検知機構が検知素子のアレイを有する接触センサ。
【請求項７】
請求項１記載の接触センサであって、上記特徴の一つが上記物体の粗さである接触センサ。
【請求項８】
請求項１記載の接触センサであって、上記特徴の一つが上記圧力の印加部位、振幅又は印加方向である接触センサ。
【請求項９】
請求項１記載の接触センサであって、上記特徴の一つが、上記圧力をもたらした物体の形状、寸法又は輪郭である接触センサ。
【請求項１０】
請求項１記載の接触センサであって、上記特徴の一つが、上記反射皮膜に接触している面の動き又は滑りである接触センサ。
【請求項１１】
請求項１記載の接触センサであって、人肌を模した弾性を有する接触センサ。
【請求項１２】
請求項１記載の接触センサであって、上記反射皮膜が凹凸模様を有する接触センサ。
【請求項１３】
請求項１記載の接触センサであって、上記反射皮膜が、その色が異なる複数個の光源で照明される接触センサ。
【請求項１４】
請求項１記載の接触センサであって、上記反射皮膜が、上記反射粒子として指向性反射粒子を含有する接触センサ。
【請求項１５】
接触検知を実行する方法であって、
１個又は複数個の光源によって照明されるよう透光性のある塊状のエラストマを設けるステップと、
エラストマの内部からの入射光を、含有する反射粒子により弱めの指向性または無指向性で反射するようにされた反射皮膜でエラストマを覆うステップと、
その反射皮膜に物体を接触させて圧力により幾何学的に変形させることで、その反射皮膜の面法線、ひいてはその反射皮膜から光検知機構に向かう反射光の量を局所的に変化させるステップと、
その反射光の一部を受光しうるよう且つその反射光が圧力を及ぼしている物体に備わる１個又は複数個の特徴を示す画像状の反射光となるよう光検知機構を配置するステップと、
を有する方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法であって、上記エラストマがシリコーンラバー、ポリウレタン、プラスチゾル、熱可塑性エラストマ、天然ゴム、ポリイソプレン、ポリ塩化ビニル又はその混合物を含む方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法であって、上記エラストマのショアＡ硬度が５〜９０である方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の方法であって、上記エラストマがスラブ状である方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の方法であって、上記光検知機構がカメラを有する方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の方法であって、上記光検知機構が検知素子のアレイを有する方法。
【請求項２１】
請求項１５記載の方法であって、上記特徴の一つが上記物体の粗さである方法。
【請求項２２】
請求項１５記載の方法であって、上記特徴の一つが上記圧力の印加部位、振幅又は印加方向である方法。
【請求項２３】
請求項１５記載の方法であって、上記特徴の一つが、上記圧力をもたらした物体の形状、寸法又は輪郭である方法。
【請求項２４】
請求項１５記載の方法であって、上記特徴の一つが、上記反射皮膜に接触している面の動き又は滑りである方法。
【請求項２５】
請求項１５記載の方法であって、人肌を模した弾性を有するセンサを使用する方法。
【請求項２６】
請求項１５記載の方法であって、上記反射皮膜が凹凸模様を有するセンサを使用する方法。
【請求項２７】
請求項１５記載の方法であって、上記反射皮膜が、その色が異なる複数個の光源で照明される方法。
【請求項２８】
請求項１５記載の方法であって、上記反射皮膜が、上記反射粒子として指向性反射粒子を含有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年６月１９日付米国暫定特許出願第６１／０７３９０４号に基づく優先権主張を伴う出願である。当該暫定特許出願の内容をこの参照を以て本願に繰り入れることとする。
【０００２】
本発明はセンサ、特に接触センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
本件技術分野では様々な二次元接触センサが既に公表されている。その多くは、加圧に応じ個々の素子の電気特性、例えば抵抗や静電容量が変化する素子アレイを使用するものであり、電気特性の変化を検知し配線等の電気的手段でコントローラやユーザに届ける仕組みを採っている。その他の接触センサとしては光学式のものがある。これは、加圧に応じた光学特性、例えば輝度や反射率の変化を光検知システムで検知し、その結果を示す信号をコントローラやユーザに届ける仕組みを採っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５６１６８３９号明細書
【特許文献２】米国特許第５３５７７９９号明細書
【特許文献３】米国特許第５９６７９４０号明細書
【特許文献４】米国特許第５９６７９９０号明細書
【特許文献５】米国特許第４５４９０９３号明細書
【特許文献６】米国特許第４７７５９６１号明細書
【特許文献７】米国特許第４４８１８１５号明細書
【特許文献８】米国特許第４５８４６２５号明細書
【特許文献９】米国特許第４１２０５８５号明細書
【特許文献１０】米国特許第４３４０３００号明細書
【特許文献１１】米国特許第４５８８３４８号明細書
【特許文献１２】米国特許第５４４８６４９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００８／０１０６２５８号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００７／０２８８１８６号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００３／０１７８５５６号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】MAEKAWA et al., "Development of a Finger-Shaped Tactile Sensor and its Evaluation by Active Touch", Proceedings of the 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, France, May 1992, pages 1327-1334.
【非特許文献２】LEE et al., "A Modular Expandable Tactile Sensor Using Flexible Polymer", 18th IEEE International Conference 2005, pages 642-645.
【非特許文献３】BEGEJ, "Planar and Finger-Shaped Optical Tactile Sensors for Robotic Applications", IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol.4, No.5, October 1988, pages 472-484.
【非特許文献４】HRITSU et al., "The performance of a deformable-membrane tactile sensor : basic results on geometrically-defined tasks", IEEE International Conference on Robotics and Automation 2000, pages 508-513.
【非特許文献５】HEO et al., "Tactile Sensor arrays using fiber Bragg grating sensors", Sensors and Actuators A 126, 2006, pages 312-327.
【非特許文献６】MAHESHWARI et al., "Tactile Sensors to Sense Touch on a Par with a Human Finger", Angewandte Chem. Int. Ed. 2008, 47, pages 7808-7826.
【非特許文献７】MAHESHWARI et al., "High-Resolution Thin Film Device to Sense Texture by Touch", Science, Vol.312, June 9, 2006, pages 1501-1504.
【非特許文献８】FULL et al., "Maximun single leg force production : Cockroaches Righting on Photoelastic Gelatin", The Journal of Experimental Biology 198, 1995, pages 2441-2452.
【非特許文献９】O'GORMAN et al., "Fingerprint Verification", Chapter 2, Biometrics : Personal Identification in Networked Society 1999, pages 1-22.
【非特許文献１０】GRAZ et al., "Flexible ferroelectret field-effect transistor for large-area sensor skins and microphones", Applied Physics Letters, 89, 2006, pages 073501-1-073501-3.
【非特許文献１１】NODA, "300nm-Thick Cantilever in PDMS for Tactile Sensing", 2005 IEEE, pages 283-286.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロボット用フィンガーパッド等の用途では接触センサに対し様々な特性が求められる。まず、精細な空間認識を可能にする高い分解能、小幅な圧力偏差を検知可能にする高い感度、並びに加圧に応じ弾性変形する柔軟性を備えていることが求められる。十分に大面積なものを製造できることも求められる。安価な素材を用い容易に製造できることも求められる。従来は、こうした要請に対しそれ１個で応えうるセンサが存在していなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに、本発明の一実施形態に係る接触センサは、１個又は複数個の光源によって照明されており透光性を備えている塊状のエラストマと、そのエラストマを覆っており含有する反射粒子でエラストマの内部からの入射光を反射させる反射皮膜と、その反射光の一部を受光しうるよう配置された光検知機構と、を備える。本実施形態では、その反射皮膜に物体が接触し圧力が加わったときに、反射皮膜が幾何学的に変形してその面法線が局所的に変化し、その変化に伴い反射皮膜から光検知機構に向かう反射光の量が局所的に変化し、圧力を及ぼしている物体に備わる１個又は複数個の特徴を示す画像状の反射光が光検知機構に入射する。
【０００８】
また、本発明の他の実施形態に係る方法は、接触検知を実行する方法であって、１個又は複数個の光源によって照明されるよう透光性のある塊状のエラストマを設けるステップと、エラストマの内部からの入射光を反射する反射粒子入りの反射皮膜でエラストマを覆うステップと、その反射皮膜に物体を接触させて圧力により幾何学的に変形させることで、その反射皮膜の面法線、ひいてはその反射皮膜から光検知機構に向かう反射光の量を局所的に変化させるステップと、その反射光の一部を受光しうるよう且つその反射光が圧力を及ぼしている物体に備わる１個又は複数個の特徴を示す画像状の反射光となるよう光検知機構を配置するステップと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係り透明エラストマ、反射皮膜、光源及びカメラを備えるセンサの構成を示す模式図である。
【図２】微細金色片含有皮膜で覆われたスラブ状の透明エラストマを２０ドル紙幣で押圧している状態を捉えた写真である。
【図３】微細金色片含有皮膜で覆われたスラブ状の透明エラストマをウニの殻で押圧している状態を捉えた写真である。
【図４Ａ】小型構造物用撮像系の構成を示す模式図である。
【図４Ｂ】小型構造物用撮像系の構成を示す模式図である。
【図４Ｃ】小型構造物用撮像系の構成を示す模式図である。
【図４Ｄ】小型構造物用撮像系の構成を示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係り散光性光源を使用する撮像系の構成を示す模式図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態に係りエッジ照明を使用する撮像系の構成を示す模式図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る変形計測方法を示す模式図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に係る剪断力計測方法を示す模式図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る接触センサの構成を示す模式図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係る接触センサの構成を示す模式図である。
【図８】物体三次元形状再構築機構を示す模式図である。
【図９】小型センサをタイル状に配置することで形成された大面積高分解能センサを示す模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係りＣＩＳ（接触イメージセンサ）リニアアレイをそのまま使用している接触センサを示す模式図である。
【図１１】布で覆われた反射皮膜を示す模式図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係りその上に毛又は髭状の部材が設けられている接触センサを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る接触センサ形成手法は、感度向上、空間分解能向上及びコスト低減に資する新規な手法である。しかも、本発明では、柔軟でロボットフィンガーに組み込めるセンサを形成することができ、ひいては深さ方向に弾性変形可能でその輪郭に従い操作対象物体を好適に制御可能なロボットフィンガーを得ることができる。
【００１１】
図１に、本発明の一実施形態として、ガラス等、堅固な透明素材で形成されたシート状の硬質支持材７でスラブ状の透明エラストマ３を支持し、そのエラストマ３の表面を層状の反射皮膜２で覆った構成を示す。皮膜２は例えば弾性素材に金属粉体を入れた弾性塗料で形成されており、エラストマ３に面する面（内面）と外界に面する面（外面）とを有している。照明器５で支持材７及びエラストマ３越しに皮膜２を照らしている状態で、指等の物体１によりその外面を加圧して皮膜２を歪ませると、それによる局所的な圧力変化に応じ皮膜２の面法線、ひいてはカメラ方向に向かう反射光の量に局所的な変化が生じ、皮膜２の内面を向いているカメラ４によってその反射光が捉えられ、パターン状の画像として記録されることとなる。その画像のパターンは加圧に伴い生じたパターンであるので、その画像のパターンから加圧のパターンを知ることができる。なお、その画像の画素値は圧力値そのものではなく、その空間的偏差、ひいては面法線の角度を反映している。
【００１２】
透明エラストマは様々な素材で形成することができる。例えば、シリコーンラバー、ポリウレタン、熱可塑性エラストマ、プラスチゾル、天然ゴム、ポリイソプレン、ポリ塩化ビニル、その混合物等を用い、そのショアＡ硬度が５〜９０となるよう形成するとよい。反射皮膜も弾性を有するもの、例えば透明エラストマの躯体と同じかそれ以上の硬度を有するもので形成するのが望ましい。透明エラストマの素材と反射皮膜の基材を同じにすることも違えることも可能である。
【００１３】
反射皮膜内の反射粒子は指向性反射粒子か否かを問わない。非指向性反射粒子であれば、その入射角によらずどの方向にも均一に光が反射されるので、ランベルト面のように全く指向性のない反射皮膜が得られる。例えば、白色塗料に倣い二酸化チタン粉体を使用すれば、反射はほぼランベルト状の反射となる。また、微細な金属片を反射粒子として使用し互いに幾らかでも整列させれば、指向性反射皮膜、即ち光の入射角によって反射光の分布が変わる反射皮膜が得られる。その金属片が平坦ミラー状で並び方も精密であれば反射光の分布に顕著な指向性が現れるが、金属片が大粒、不規則形状乃至不規則配列であれば弱めの指向性が現れ、サンドブラストを浴びた金属のような画像が生じる。金属以外、例えば雲母等の素材片でも指向性反射を実現することができる。光の波長により指向性が変わる多層干渉被覆で覆われた素材片を含有する顔料もある。
【００１４】
強い指向性反射を呈する反射皮膜を強い指向性を有する光源で照らすことで、小規模な圧力偏差を感知しうる装置を実現することもできる。非加圧時の反射皮膜を捉えた画像を基準画像として記録しておき、反射皮膜を加圧したときに記録される画像からその基準画像を差し引くようにすることで、圧力偏差に対する感度を更に高くすることもできる。柔軟なエラストマを使用すれば低振幅加圧パターンに対する感度が高い装置が得られる。
【００１５】
図２に、指向性を有する微細金色青銅片含有反射皮膜を捉えた画像を示す。この画像は、ガラスシート上に実装されており且つ薄い微細金色片含有反射皮膜で覆われている約１ｃｍ厚のスラブ状透明エラストマを、２０ドル紙幣で押圧したところを、ガラスシート及びエラストマ越しに捉えたものである。２０ドル紙幣は一部のパターンが浮き上がるように印刷されているので、２０ドル紙幣で反射皮膜を加圧するとその表面が紙幣表面の凹凸に従い変形する。その変形に伴いカメラに向かう反射光の量が変化するため、紙幣表面の細部を読み取れる画像が得られることとなる。
【００１６】
図３に別の例を示す。この画像は、青銅片含有反射皮膜で覆われているスラブ状の透明エラストマが、その皮膜を上に向けフラットベッドスキャナのプラテンに載っている状態で、ウニの殻で押圧されているところを捉えたものである。接触域６では三次元的な変形が生じており、平坦なままの非接触域８からは元来の平坦な姿を示す画像が得られている。スキャナの内蔵光源から発せられた光が反射皮膜の面法線に応じ様々に反射されるため、このようにウニの殻の姿が陰影付で浮き上がって見える画像が得られることとなる。
【００１７】
これらの画像の画素値は圧力そのものを表すものではない。反射皮膜に加わる圧力の空間分布が皮膜全体に亘り均一であると、面法線が一定になるので、画像の外観には変化が現れない。これは、画素値が面法線、ひいては圧力の空間微分を反映しているからである。即ち、画像となって現れているのは反射皮膜表面における圧力分布のパターンである。
【００１８】
反射皮膜に圧力を加える物体は堅固か否かを問わない。堅固でない物体例えば指先の場合、物体及び反射皮膜が共に変形するので、反射皮膜がどのような形状になるかは、その反射皮膜に作用する圧力と物体に作用する圧力とのバランスで左右される。液体や気体で加圧すること、例えば反射皮膜に水流を当てて変形させそのパターンを画像として捉えることもできる。反射皮膜及びエラストマを非常に柔軟なゲル状素材で形成すれば、反射皮膜に石鹸泡を接触させ、その泡壁から作用する力を画像化することもできる。
【００１９】
図４Ａ〜図４Ｄに、本発明の他の実施形態として、丸片状のエラストマを堅固な部材上に搭載し、小型構造物例えばロボットフィンガーチップ向けの撮像系に適する構成にした例を示す。
【００２０】
まず、図４Ａでは、一対のＬＥＤ１２及び小型のカメラ１４を、硬質支持材１７上に位置する丸片状のエラストマ１６越しに反射皮膜１８に向け、その皮膜１８の内面をカメラ１４により画像として捉えるようにしている。図４Ｂではそのカメラとしてピンホールカメラ２０を使用している。図４Ｃでは、反射皮膜からの反射光を湾曲ミラー２２で反射させてカメラ２４に届ける光路屈曲型光学系を使用している。図４Ｄでは、反射皮膜を内視鏡２６（ビデオ内視鏡、硬視鏡、ファイバスコープ等の近縁装置でもよい）で撮像しているので、カメラ２８をセンサから離れた場所に配置することができる。
【００２１】
図５Ａに、本発明の他の実施形態として、センサ３０に長尺散光性光源３１を搭載した構成を示す。その光源３１はカメラ３６と共に硬質支持材３２上に配置されており、その支持材３２上には塊状の透明エラストマ３４も配置されている。
【００２２】
図５Ｂに、本発明の他の実施形態として、コンパクトな構成にするため光を支持材の縁から入射するようにした構成を示す。この実施形態では、１個又は複数個の光源３３を用い、ガラス等の透明素材で形成されている硬質支持材３２の縁即ちエッジから、そのセンサ内を照明する。光は支持材３２の背面による内部全反射、並びに反射皮膜３８の表面による通常反射により反射され、その光線の多くがガラス及びエポキシの塊のなかに留まり皮膜３８の表面を照らすので、それらの光線で照らされている面をカメラ３６で捉えることができる。また、通常のガラスシートを用いるよりガラスウェッジを用いた方がよい。ガラスウェッジ、例えばライトウェッジブックライトを用いると、その前面及び背面で光が交互に反射され、反射のたびに大きな角度になるので、光源から遠い部位からの出射光を多めにすることができる。
【００２３】
図６Ａ及び図６Ｂに、本発明の他の実施形態として、変形や剪断力を計測する手法を示す。まず、変形、特に面法線の変化を伴うものを検知するには、図６Ａに示すように、ワークピース４６からの作用で皮膜４４上の諸点に生じる反射強度変化を計測すればよい。次に、図６Ｂに示すように面４８からエラストマ及び皮膜５０に対し剪断力が作用しているときには、面法線は変化しないものの横方向変位が発生する。通常、反射粒子によるランダムなパターンが影響して皮膜５０上には可視的な微細模様が現れているので、剪断力が作用するとその微細模様が変位する。従って、モーション解析法を用いることで剪断力を推定することができる。
【００２４】
図７Ａに、本発明の他の実施形態として、非加圧時の入射角と反射角が平行になるよう光源・カメラ間の光学的距離を無限遠にし、記録される画像全体に亘り空間的に均一な光学特性を呈するようにした装置を示す。この実施形態では、反射皮膜１３４で覆われているスラブ状のエラストマ１３６にレンズ１４６を装着してある。１３８は皮膜１３４を加圧する物体である。レンズ１４６の焦点距離は、光源１４６から発せられた光線が屈折し互いに平行になって皮膜１３４に入射するよう設計されている。カメラ１４４はそのレンズ１４６越しに皮膜１３４を捉えるので、カメラ１４４で捉えられる皮膜１３４の光学特性は画像全体に亘りほぼ均一になる。
【００２５】
図７Ｂに、本発明の他の実施形態として、反射皮膜１５２で覆われているスラブ状のエラストマ１６０に直角プリズム１６２を装着した構成を示す。この実施形態では、光源１５６から発せられレンズ１６４を通ることで平行になった光線が、プリズム１６２を介し皮膜１５２に入射する。物体１５４で皮膜１５２を加圧すると面法線に局所的な変化が生じる。レンズ１６６は、カメラ１５８から見た皮膜１５２の光学的位置が無限遠になるよう配してある。カメラ１５８はそのレンズ１６６越しに皮膜１５２を捉えるので、カメラ１５８で捉えられる皮膜１５２の光学特性は画像全体に亘りほぼ均一になる。
【００２６】
図８に、本発明の他の実施形態として、面の変形を捉えてその三次元形状を再構築することができる構成を示す。この実施形態では、２個の光源８０及び８２を用いスラブ状のエラストマ７９越しに皮膜８４を照明する。一方がエラストマ７９のｘ軸沿いに、他方がｙ軸沿いに、というように、皮膜８４の表面を照明する方位を光源８０と光源８２とで違えるのが望ましい。この実施形態では、光源８０及び８２を１個ずつ点灯させてカメラ７８で撮像することで二種類の画像を取得し、それらの画像を既知の測光立体視法に従い解析することで、諸部位の面法線及び面高を推定することができる。光源８０及び８２を互いに異なる色、例えば赤と青にし、カメラ７８としてカラーカメラを用いることで、別々の色チャネルに係る二種類の画像を同時に記録することができる。測光立体視を好適に行うには画像の種類が多い方がよい。使用するカメラがカラーカメラであれば、三種類の光源を使用し色チャネル毎に分離することで、難なく三種類の画像を得ることができる。無論、１個ずつ点灯させる光源の個数は任意に決めることができる。
【００２７】
複数の光源を使用して複数種類の画像を得ることは、三次元再構築を行わない場合でも有益である。即ち、一種類の光で判るのはある一軸に沿った面法線の変化のみであり、それに直交する軸に沿った面法線の変化は判らない。複数種類の光をうまく用いれば、ある一種類の光で捉えきれなかった凹凸を別の種類の光で捉えることができるので、様々な面法線を様々な方向から識別することができる。特に、使用する複数種類の光を互いに異なる色とすれば、カラーカメラを用い色チャネル別に分離することで、それら複数種類の光についての情報を互いに分離させることができる。
【００２８】
図９に、本発明の他の実施形態として、センサ１個で大きな面積をカバーできるようにした構成を示す。まず、デスクトップ全体をカバーするタッチパッドが必要な場合等には、装置を単純に大きくしたのではカメラをその面から遠く離れた場所におかねばならず、装置構成が不本意に大きくなってしまう。この問題を軽減する策としては、多くの背面投写型テレビジョン受像機に倣い光路屈曲型の光学系を使用する策もあるが、この実施形態ではカメラをタイル状に並べる策を採っている。即ち、堅固で透明な支持材１８４上に実装されている透明エラストマ１８２を反射皮膜１８０で覆う一方、それらエラストマ１８２及び皮膜１８０からあまり離れていない部位に複数個のカメラ１８６をアレイ状に配置してある。その視野が僅かずつ重複するようカメラ１８６を配置すれば、それらで得られる複数種類の画像を一般的な画像継ぎ合わせ手法に従い結合させて１枚の大きな画像を得ることができる。
【００２９】
本発明は、凹凸のない皮膜ではなく模様のある皮膜を使用する形態で実施することも可能である。この実施形態が役立つのは、人肌の一部に加わる圧力の分布を調べたい場合等である。例えば、スキンケア製品を皮膚に塗る過程で皮膚に加わる圧力分布がどのように経時変化するかを推定するには、その模様、弾性等を含め人肌を模した特性を有する皮膜（人工皮膚）を備える接触センサを作成し、例えばスキンケア製品を塗りつけたときに人肌と同様の形態で歪むようにすればよい。そのセンサの機械特性が人肌のそれに似ていれば、圧力分布のパターンを調べるのに使用することができる。そうしたセンサを実現するには、反射皮膜の模様及び弾性を人肌表層のそれに似せ、その皮膜の下にある透明エラストマの機械特性を人肌深層のそれに似せればよい。人肌に備わる複雑な特性を模した透明エラストマを得るには、層毎に機械特性が異なる多層透明エラストマにすればよい。そうして実現される装置にスキンケア製品を塗り、多層透明エラストマ越しにカメラで撮像すれば、それに加わる機械力に応じ反射皮膜に生じる歪を捉えることができる。
【００３０】
本発明は、タイヤ、靴のソール等、特定物体の表面における圧力分布を調べるのに役立つ形態で実施することも可能である。例えば、接触センサの形状をその物体の形状を模した形状にすると共に、硬度その他の物理特性をその物体の物理特性を模した特性にするとよい。
【００３１】
図１０に、本発明の他の実施形態として、撮像用のカメラや像形成用のレンズが必要ない構成を示す。これは、フラットベッドスキャナの多くでスキャン対象物体のすぐそばに配置されるＣＩＳ、即ち複数個のレンズ及び光センサからからなるリニアアレイを使用する実施形態であり、反射皮膜１９２で覆われたストリップ状のエラストマ１９８をＣＩＳ１９４上に実装した構成を有している。物体１９６で皮膜１９２を加圧するとその面法線が変化し、それに面している光検知素子に向かい反射される光の量が変化するので、その結果得られるＩＤ画像から、皮膜１９２のうち圧力変化が生じた部位及びその圧力変化の振幅についての情報を得ることができる。
【００３２】
本発明は、フラットパネル型ＬＥＤディスプレイと併用されるマルチタッチ型タッチスクリーンデバイスの形態で実施することも可能である。例えば、薄いシート状の透明エラストマを半反射性の皮膜で覆い、そのエラストマでＬＥＤディスプレイの前面を覆った構成である。この構成では、ＬＥＤから発せられた光の大部分が皮膜を透過しユーザの目に到達する一方、一部の光がその皮膜によって反射されてＬＥＤに戻り、ＬＥＤに備わる光センサ機能によってその量が計測される。ユーザがスクリーンに触れると、皮膜に加わる圧力ひいては面法線に局所的な変化が生じ、アレイを構成しているＬＥＤに向かい反射される光の量がＬＥＤ毎にばらつくので、ＬＥＤからの光検知応答出力として、皮膜に対する加圧パターンを示す画像を得ることができる。得られる画像は生得的に高解像度な画像であるので、その画像から、ユーザが触れた部位を知ることだけでなく、ユーザの指紋を検知し人別、指別の識別を行うこともできる。
【００３３】
図１１に、本発明の他の実施形態として、伸縮性のある布を反射皮膜の上方に配した接触センサ２０２を示す。こうした布を配するのは、ロボット用マニピュレータ等の用途に適した機械的性質を有する面、例えば優れた摩擦特性や産業用機器で発生する力に耐えうる性質を備えた面を提供するためである。この断面図に示す通り、その布カバー２０４は透明エラストマ２０８上の反射皮膜２０６に装着されており、何かの物体２１４で押されるとそのカバー２０４の模様２１０が皮膜２０６上に映り込む。織布の場合、その模様２１０はカバー２０４のそれに対応する格子状の模様となる。圧力が強ければ強いほど、カメラ２１２に写る布模様２１０のコントラストは強くなる。その布模様２１０の局所的変化、例えば平均値やコントラストから、その部位に加わった圧力を知ることができる。
【００３４】
図１２に、本発明の他の実施形態として、流体の流れを計測できる装置を示す。図示の通り、その反射皮膜２２４には毛又は髭状の部材２２０が装着されている。その装着に使用されている点状取付具２２２は小さなパッドであり、髭２２０はその取付具２２２に対し堅固に固定されている。髭２２０に流体の流れがぶつかるとその髭２２０が撓んで取付具２２２が傾斜し、皮膜２２４の面法線が変化する。その皮膜２２４をカメラで捉えたときに得られる画像は、面法線ばらつきに伴う諸点間の画像輝度ばらつきを示す画像となる。その画像を調べることで、髭２２０に対する流体の流速及び流動方向を知ることができる。
【００３５】
本発明は、高い分解能が不要又は有害な用途向けに実施することもできる。皮膜の上にエラストマ層を追加し、機械的ローパスフィルタとして機能させればよい。例えば、１ｍｍ厚の層を追加することで、得られる分解能を１ｍｍオーダに抑えることができる。
【００３６】
以上、好適な実施形態を幾つか示すことで本発明について説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、その形態及び細部に対し変形、省略及び追加を施すことも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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