(57)【要約】  個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できる圧力センサ装置を提供するため、圧力センサ装置は、表面に凹凸を有する基材と、基材の凸部に配設された第１の圧力センサと、基材の凹部に配設された第２の圧力センサと、第１及び第２圧力センサの出力値に基づいて圧力値を算出する制御部とを備え、第１の圧力センサにて低い圧力が、第２の圧力センサにて強い圧力が検出される構成とした。
2010101174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸を有する基材と、該基材の凸部に配設された第１の圧力センサと、該基材の凹部に配設された第２の圧力センサとを備えた圧力センサ装置であって、
第１及び第２圧力センサの出力値に基づいて圧力値を算出する制御部を有することを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項２】
前記基材の凹凸が周期的であり、各凸部にそれぞれ第１の圧力センサを、各凹部にそれぞれ第２の圧力センサを配設することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【請求項３】
前記凸部又は前記凹部を上下動させる高さ調整部を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記高さ調整部を第１及び第２の圧力センサの出力値に基づいて制御することを特徴とする請求項３記載の圧力センサ装置。
【請求項５】
前記高さ調整部は、チューブと、該チューブ内を移動する流体とを有し、
前記流体の移動に伴ってチューブが膨張・収縮することにより前記凸部又は前記凹部を上下動させることを特徴とする請求項３記載の圧力センサ装置。
【請求項６】
前記高さ調整部は、圧電素子、形状記憶合金、形状記憶ポリマー又は静電アクチュエータからなることを特徴とする請求項３記載の圧力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面圧を測定する圧力センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、多種多様な圧力センサとそれを用いた圧力センサ装置が、それぞれに適した用途に利用されている。例えば、介護器具などに用いられる人力補助装置では、体に接触している部分の微妙な面圧の変化を検出するために圧力センサが利用されており、検出した圧力値を基に補助動力の制御を行っている。また、産業用などに用いられるロボットアームでは、指先となる部分に圧力センサが設けられており、対象物を掴む強さを制御するために検出した圧力値が利用されている。【０００３】
一般的な圧力センサとしては、ダイアフラムゲージがあり、隔膜（ダイアフラム）に加わる圧力を膜の変形として検出するものである。変形を検出する方法には静電容量の変化や歪みゲージを用いている。これは、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）圧力センサとして製品化されている。【０００４】
また、特許文献１には、複雑な曲面に対して装着可能とし、かつ柔らかい接触状態で検出できることを目的とした面接触センサが開示されている。これは、被検出面に装着される基板電極と、基板電極面に、絶縁性スペーサを介して空隙が形成されるように取り付けられる弾性シート状の導電性触感部と、基板電極と触感部間に、基板電極と触感部が接触することを検出する電気回路とを備える構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０２７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、様々な圧力センサとそれを用いた圧力センサ装置が提案されている中で、上記のＭＥＭＳ圧力センサは検出できる圧力範囲が狭いため、用途によっては十分でない場合がある。【０００７】
また特許文献１の技術では、波状の弾性シートが圧力で基板電極に接触することで通電して軽い接触を検出する。さらに、この導電性シートの凹部の基板電極との接合部が、さらに強い圧力で通電状態になり強い接触を検出する。しかしながら、これは２種類の相対的な圧力を検出するものであり、任意の圧力値を検出するものではない。【０００８】
本発明は、個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できる圧力センサ装置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】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、表面に凹凸を有する基材と、該基材の凸部に配設された第１の圧力センサと、該基材の凹部に配設された第２の圧力センサとを備えた圧力センサ装置であって、第１及び第２圧力センサの出力値に基づいて圧力値を算出する制御部を有することを特徴とする。【００１０】
この構成によれば、第１の圧力センサにて低い圧力が、第２の圧力センサにて強い圧力が検出される。【００１１】
上記の圧力センサ装置において、前記基材の凹凸が周期的であり、各凸部にそれぞれ第１の圧力センサを、各凹部にそれぞれ第２の圧力センサを配設することが望ましい。複数の圧力センサを用いることで、広い面積の圧力を検出でき、測定精度も向上する。【００１２】
また上記の圧力センサ装置において、前記凸部又は前記凹部を上下動させる高さ調整部を備えることが望ましい。【００１３】
この構成によれば、高さ調整部を備えない構成よりも広い検出範囲で圧力値を検出できる。【００１４】
なお、前記制御部は、前記高さ調整部を第１及び第２の圧力センサの出力値に基づいて制御する。【００１５】
例えば、前記高さ調整部は、チューブと、該チューブ内を移動する流体とを有し、前記流体の移動に伴ってチューブが膨張・収縮することにより前記凸部又は前記凹部を上下動させるようにしてもよい。【００１６】
また例えば、前記高さ調整部は、圧電素子、形状記憶合金、形状記憶ポリマー又は静電アクチュエータからなるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、圧力センサ装置に凹凸があるため、第１の圧力センサにて低い圧力が、第２の圧力センサにて強い圧力が検出されるので、個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できる。【００１８】
また、凸部又は凹部を上下動させる高さ調整部を備えることにより、さらに広い検出範囲で圧力値を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の圧力センサ装置の斜視図である。
【図２Ａ】第１実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図２Ｂ】第１実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図３】第１及び第２の圧力センサの出力と圧力との関係を示すグラフである。
【図４】第２実施形態の圧力センサ装置の斜視図である。
【図５Ａ】第２実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図５Ｂ】第２実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図６】第１及び第２の圧力センサの出力と圧力との関係を示すグラフである。
【図７】第３実施形態の圧力センサ装置の斜視図である。
【図８Ａ】第３実施形態の圧力センサ装置の初期状態の断面図である。
【図８Ｂ】第３実施形態の圧力センサ装置の凸部を高くした状態の断面図である。
【図９】第３実施形態の圧力センサ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】第３実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図１０Ｂ】第３実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図１０Ｃ】第３実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図である。
【図１１】第１及び第２の圧力センサの出力と圧力との関係を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明の圧力センサ装置の一例を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２ＡのＤ−Ｄ線断面図である。
【図１３Ａ】本発明の圧力センサ装置の一例を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３ＡのＥ−Ｅ線断面図である。
【図１４】本発明の圧力センサ装置の一例を示す断面図である。
【図１５】第１及び第２実施形態の圧力センサ装置の要部構成のブロック図である。
【図１６】第３実施形態の圧力センサ装置の要部構成のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
第１実施形態では、指先に圧力センサ装置を有するロボットアームが剛体を掴む場合を想定する。つまり、圧力センサ装置側が軟らかく、検出対象物側が硬い場合である。図１は、第１実施形態の圧力センサ装置の斜視図、図１５は、第１及び第２実施形態の圧力センサ装置の要部構成のブロック図である。圧力センサ装置１０は、表面に凹凸を有する基材１１と、基材１１の凸部１１ａに配設された第１の圧力センサ１２と、基材１１の凹部１１ｂに配設された第２の圧力センサ１３とを備え、第１及び第２圧力センサ１２、１３の出力値に基づいて圧力値を算出するものである。圧力値の算出や第１及び第２の圧力センサ１２、１３の制御は全てマイクロプロセッサ等からなる制御部１６で行う。
【００２１】
基材１１の凹凸は周期的であり、ライン状の凸部１１ａ、１１ａの間に溝状の凹部１１ｂが形成されている。そして、各凸部１１ａの頂上に所定の間隔で複数の第１の圧力センサ１２が、各凹部１１ｂの底部に所定の間隔で複数の第２の圧力センサ１３が配設されている。なお、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の間隔は、検出する対象物の接触面積を考慮して決定すればよい。
【００２２】
基材１１としては、剛体である対象物を掴む際に対象物の形状に合わせて変形するような、適当な弾性係数を有する材料を用い、例えば、樹脂、特にシリコンゴムなどのゴムを用いることが好ましい。
【００２３】
第１及び第２の圧力センサ１２、１３としては、特に限定はないが、例えば、変形量に応じた抵抗変化による電流値の変化により圧力を検出する素子などを用いることができる。例えばＭＥＭＳ圧力センサを用いることができ、その存在が無視できるような軽薄短小のものが好ましく、特に厚みの薄いものが好ましい。
【００２４】
検出対象物としては、上記の通りロボットアームで掴んだときに変形しない程度の剛体を想定しており、例えば、金属や硬質樹脂からなるものが想定される。
【００２５】
図２Ａ、図２Ｂは、第１実施形態の圧力センサ装置１０の圧力検出時の断面図であり、図１のＡ−Ａ線断面を示している。図２Ａは低い圧力がかかっている状態を、図２Ｂは高い圧力がかかっている状態をそれぞれ示している。図３は、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の出力と圧力との関係を示すグラフである。図３では、Ｌ1が第１の圧力センサ１２を、Ｌ2が第２の圧力センサ１３を示している。
【００２６】
まず、対象物１４が圧力センサ装置１０に軽く接触している場合は、図２Ａのように、対象物１４が第１の圧力センサ１２に接触して凸部１１ａを少し押し下げ、かつ対象物１４が第２の圧力センサ１３に接触していない状態となる。
【００２７】
このとき、図３のように、第１の圧力センサ１２の出力値がａとなり、圧力値はｂと算出される。このように、対象物１４によって凸部１１ａが押し込まれて第１の圧力センサ１２だけに接触している間は、第１の圧力センサ１２の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００２８】
一方、対象物１４が圧力センサ装置１０に強く接触している場合は、図２Ｂのように、対象物１４が第１の圧力センサ１２に接触して凸部１１ａを押し下げ、かつ対象物１４が第２の圧力センサ１３に接触している状態となる。
【００２９】
このとき、第１の圧力センサ１２は検出範囲の上限を超え、図３のように、第２の圧力センサ１３の出力値がｃとなり、圧力値はｄと算出される。このように、対象物１４によって凸部１１ａが押し込まれて第１の圧力センサ１２と第２の圧力センサ１３の両方に接触している場合は、第２の圧力センサ１３の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００３０】
このような圧力センサ装置１０の構成により、第１の圧力センサ１２の検出範囲に第２の圧力センサ１３の検出範囲を足し合わせた範囲の圧力を検出することができる。したがって、指先にこの圧力センサ装置１０を有するロボットアームは、個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できるので、低い圧力で掴むことのできる軽い対象物から強い圧力で掴む必要のある重い対象物まで様々な対象物を適切な圧力を掛けて掴むことができる。
【００３１】
なお、図３のように、第１の圧力センサ１２の検出範囲と第２の圧力センサ１３の検出範囲とが連続するように設計するには、第１の圧力センサ１２の検出範囲の上限値と、凸部１１ａを完全に押し込むのに必要な圧力値とが一致するように設計しなければならない。そのためには、基材１１の弾性係数、凸部１１ａの高さや形状などを考慮する必要がある。
【００３２】
他にも、例えば凸部１１ａをより高くすれば、第２の圧力センサ１３のグラフＬ2が図３に示したものよりも右にずれるので、両検出範囲は不連続になるが、第２の圧力センサ１３はより高い圧力を検出することができる。このような設計は、圧力センサ装置１０に求められる仕様によって適宜決定すればよい。
【００３３】
また、上記の圧力センサ装置１０の凹凸のピッチを指紋のピッチ程度に小さくすれば、皮膚の変形なしに指紋の凹凸が圧力センサ装置１０の凹凸に入り込むので、皮膚を剛体とみなして扱うことができる。この場合の圧力センサ装置１０は指で押される圧力を検出するのに有効である。
【００３４】
（第２実施形態）
第２実施形態では、介護器具などに用いられる人力補助装置が、体に接触している部分の面圧の変化を検出する場合を想定する。つまり、圧力センサ装置側が硬く、検出対象物側が軟らかい場合である。図４は、第２実施形態の圧力センサ装置の斜視図である。圧力センサ装置２０は、表面に凹凸を有する基材２１と、基材２１の凸部２１ａに配設された第１の圧力センサ１２と、基材２１の凹部２１ｂに配設された第２の圧力センサ１３とを備え、第１及び第２圧力センサ１２、１３の出力値に基づいて圧力値を算出するものである。圧力値の算出や第１及び第２の圧力センサ１２、１３の制御は全て制御部１６で行う。
【００３５】
基材２１の凹凸は周期的であり、ライン状の凸部２１ａ、２１ａの間に溝状の凹部２１ｂが形成されている。そして、各凸部２１ａの頂上に所定の間隔で複数の第１の圧力センサ１２が、各凹部１１ｂの底部に所定の間隔で複数の第２の圧力センサ１３が配設されている。なお、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の間隔は、検出する対象物の接触面積を考慮して決定すればよい。
【００３６】
基材２１としては、皮膚である対象物に接触する際に対象物が凹凸形状に合わせて変形するのを妨げない程度の剛性を有する材料を用い、例えば、金属や硬質樹脂を用いることが好ましい。
【００３７】
図５Ａ、図５Ｂは、第２実施形態の圧力センサ装置２０の圧力検出時の断面図であり、図４のＢ−Ｂ線断面を示している。図５Ａは低い圧力がかかっている状態を、図５Ｂは高い圧力がかかっている状態をそれぞれ示している。図６は、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の出力と圧力との関係を示すグラフである。図６では、Ｌ3が第１の圧力センサ１２を、Ｌ4が第２の圧力センサ１３を示している。
【００３８】
まず、対象物２４が圧力センサ装置１０に軽く接触している場合は、図５Ａのように、対象物２４が第１の圧力センサ１２に接触して、対象物２４の接触面が少し押し込まれ、かつ対象物２４が第２の圧力センサ１３に接触していない状態となる。
【００３９】
このとき、図６のように、第１の圧力センサ１２の出力値がｅとなり、圧力値はｆと算出される。このように、対象物２４が第１の圧力センサ１２だけに接触している間は、第１の圧力センサ１２の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００４０】
一方、対象物１４が圧力センサ装置２０に強く接触している場合は、図５Ｂのように、対象物２４が第１の圧力センサ１２に接触して、対象物２４の接触面が押し込まれ、かつ対象物２４が第２の圧力センサ１３に接触している状態となる。
【００４１】
このとき、図６のように、第２の圧力センサ１３の出力値がｇとなり、圧力値はｈと算出される。このように、対象物２４が第１の圧力センサ１２と第２の圧力センサ１３の両方に接触している場合は、第２の圧力センサ１３の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００４２】
このような圧力センサ装置２０の構成により、第１の圧力センサ１２の検出範囲に第２の圧力センサ１３の検出範囲を加えた範囲の圧力を検出することができる。したがって、この圧力センサ装置２０を有する人力補助装置は、個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できるので、体に接触している部分の面圧の大きな変化を検出することができる。
【００４３】
なお、図６のように、第１の圧力センサ１２の検出範囲と第２の圧力センサ１３の検出範囲とが一部重なるように設計するには、第１の圧力センサ１２の検出範囲の上限値、凸部２１ａ高さや形状、対象物２４の弾性係数などを考慮する必要がある。
【００４４】
上記の実施形態では対象物２４を標準モデル（予め記憶されている所定の弾性係数を有する対象物）と一致するものとして扱っている。しかし、人間の皮膚は個人によって異なるので、検出対象物が必ずしも標準モデルと一致するとは限らない。そこで、個々の対象物に応じて標準モデルから補正することが考えられる。
【００４５】
例えば、補正値を測定するための補正値測定モードを準備しておき、装置の使用開始時などの適当なタイミングでこのモードを自動又は手動で実行すればよい。補正値測定モードにおいては、対象物２４によって所定の圧力がかけられたときの第１及び第２の圧力センサ１２、１３の出力値に基づいて補正値を算出する。
【００４６】
一例としては、図６のグラフを用い、第１の圧力センサ１２の出力値がｉとなったときの第２の圧力センサ１３の出力値を読み取る。なお、ｉは第１及び第２の圧力センサ１２、１３の検出範囲が重複している範囲内に設定する。このとき標準モデルであれば、第１の圧力センサ１２から求められる圧力値がｊとなり、第２の圧力センサ１３の出力値は圧力値ｊに対応したｋとなる。
【００４７】
しかし、標準モデルよりも硬い（弾性係数の小さい）対象物の場合、第２の圧力センサ１３の出力値は例えばｌとなり、それに対応する圧力値はｍとなり、第１の圧力センサ１２の出力値ｉから求めた圧力値ｊよりも低く算出される。この結果を用い、ｊ−ｍを補正値として登録する。これにより、以降の圧力測定においては、対象物が第２の圧力センサ１３に接触している場合の圧力は、図６を用いて求めた圧力値からｊ−ｍだけ減じた値を正確な圧力値とすることができる。
【００４８】
一方、標準モデルよりも軟らかい（弾性係数の大きい）対象物の場合、第２の圧力センサ１３の出力値は例えばｎとなり、それに対応する圧力値はｏとなり、第１の圧力センサ１２の出力値ｉから求めた圧力値ｊよりも高く算出される。この結果を用い、ｏ−ｊを補正値として登録する。これにより、以降の圧力測定においては、対象物が第２の圧力センサ１３に接触している場合の圧力は、図６を用いて求めた圧力値からｏ−ｊだけ加えた値を正確な圧力値とすることができる。
【００４９】
これにより、様々な弾性力の対象物による圧力を、補正値を用いる簡単な計算方法で正確に測定することができる。
【００５０】
（第３実施形態）
第３実施形態では、第１実施形態の検出範囲を広げた圧力センサ装置について説明する。よって、圧力センサ装置側が軟らかく、検出対象物側が硬い場合を想定する。図７は、第３実施形態の圧力センサ装置の斜視図、図１６は、第３実施形態の圧力センサ装置の要部構成のブロック図である。圧力センサ装置３０は、表面に凹凸を有する基材３１と、基材３１の凸部３１ａに配設された第１の圧力センサ１２と、基材１１の凹部１１ｂに配設された第２の圧力センサ１３とを備え、第１及び第２圧力センサ１２、１３の出力値に基づいて圧力値を算出するものである。圧力値の算出や第１及び第２の圧力センサ１２、１３や後述する高さ調整部の制御は全て制御部１６で行う。
【００５１】
基材３１の凹凸は周期的であり、ライン状の凸部３１ａ、３１ａの間に溝状の凹部３１ｂが形成されている。そして、各凸部３１ａの頂上に所定の間隔で複数の第１の圧力センサ１２が、各凹部３１ｂの底部に所定の間隔で複数の第２の圧力センサ１３が配設されている。なお、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の間隔は、検出する対象物の接触面積を考慮して決定すればよい。
【００５２】
基材３１としては、剛体である対象物を掴む際に対象物の形状に合わせて変形するような、適当な弾性係数を有する材料を用い、例えば、樹脂、特にシリコンゴムなどのゴムを用いることが好ましい。
【００５３】
基材３１には、凸部３１ａを上下動させる高さ調整部３５が設けられている。高さ調整部３５は、凸部３１ａ内に凸部３１ａに沿って設けられた空洞であるチューブ３５ａと、チューブ３５ａ内を移動する流体３５ｂとを有する。流体３５ｂの移動はポンプ（不図示）によって行われ、流体の移動に伴ってチューブ３５ａが膨張・収縮することにより凸部３１ａが上下動する。
【００５４】
流体３５ｂとしては、液体又は気体であればよく、水、油、空気などを用いることができる。
【００５５】
図８Ａ、図８Ｂは、図７のＣ−Ｃ線断面図であり、図８Ａは、凸部の高さが初期状態の図、図８Ｂは、凸部を高くした状態の図である。図８Ａでは、チューブ３５ａ内の流体３５ｂを少なくすることでチューブ３５ａを収縮させて凸部３１ａの高さを低く（初期状態）保っており、図８Ｂでは、チューブ３５ａ内の流体３５ｂを多くすることでチューブ３５ａを膨張させて凸部３１ａの高さを高く保っている。
【００５６】
次に、圧力センサ装置３０の動作について説明する。図９は、圧力センサ装置３０の動作を示すフローチャートである。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、第３実施形態の圧力センサ装置の圧力検出時の断面図であり、図７のＣ−Ｃ線断面を示している。図１１は、第１及び第２の圧力センサ１２、１３の出力と圧力との関係を示すグラフである。図１１では、Ｌ5が第１の圧力センサ１２を、Ｌ6、Ｌ7が第２の圧力センサ１３を示している。
【００５７】
図９に示すように、まずステップＳ１０において、凸部３１ａを初期状態の高さに調整する（図８Ａの状態）。そして、ステップＳ１１へ進んで第１の圧力センサ１２が検知したか否かを判別する。第１の圧力センサ１２が検知すれば、対象物が接触しているということなので、圧力検出を行うためステップＳ１２へ進む。
【００５８】
ステップＳ１２では、第１の圧力センサ１２にかかっている圧力が検出範囲の上限を超えているか否かを判別する。ステップＳ１２において、対象物１４が圧力センサ装置３０に軽く接触している場合、つまり第１の圧力センサ１２の検出範囲の上限を超えていない場合は、図１０Ａのように、対象物１４が第１の圧力センサ１２に接触して凸部３１ａを少し押し下げ、かつ対象物１４が第２の圧力センサ１３に接触していない状態となる。この状態のときは、ステップＳ１３へ進んで第１の圧力センサ１２の出力値から圧力値を算出する。
【００５９】
ステップＳ１３では、例えば図１１のように、第１の圧力センサ１２の出力値がｐとなり、圧力値はｑと算出される。そしてステップＳ１４へ進んで圧力値を出力し、ステップＳ１１に戻り測定を続ける。このように、対象物１４によって凸部３１ａが押し込まれて第１の圧力センサ１２だけに接触している間は、第１の圧力センサ１２の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００６０】
一方、ステップＳ１２において、対象物１４が圧力センサ装置３０に強く接触している場合、つまり第１の圧力センサ１２の検出範囲の上限を超えている場合は、ステップＳ１５へ進んで第２の圧力センサ１３が検知しているか否かを判別する。
【００６１】
ステップＳ１５で第２の圧力センサ１３が検知している場合は、ステップＳ１６へ進んで第２の圧力センサ１３にかかっている圧力が検出範囲の上限を超えているか否かを判別する。ステップＳ１６において、第２の圧力センサ１３の検出範囲の上限を超えていない場合は、図１０Ｂのように、対象物１４が第１の圧力センサ１２に接触して凸部３１ａを押し下げ、かつ対象物１４が第２の圧力センサ１３に接触している状態となる。この状態のときは、ステップＳ１７へ進んで図１１のＬ6のグラフを用いて、第２の圧力センサ１３の出力値から圧力値を算出する。
【００６２】
ステップＳ１７では、例えば図１１のように、第２の圧力センサ１３の出力値がｒとなり、圧力値はｓと算出される。そしてステップＳ１４へ進んで圧力値を出力し、ステップＳ１１に戻り測定を続ける。このように、対象物１４によって凸部１１ａが押し込まれて第１の圧力センサ１２と第２の圧力センサ１３の両方に接触している場合は、第２の圧力センサ１３の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００６３】
一方、ステップＳ１６において、第２の圧力センサ１３の検出範囲の上限を超えている場合は、ステップＳ１８へ進んで高さ調整部３５を駆動して凸部３１ａを図８Ｂのように高く調整する。そうすると、図１０Ｃのように、チューブ３５ａが膨張を保ちつつ、対象物１４が第１の圧力センサ１２に接触して凸部３１ａを押し下げ、かつ対象物１４が第２の圧力センサ１３に接触している状態となる。この状態では第２の圧力センサ１３の検出範囲の上限を超えることは通常ないので、ステップＳ１７へ進んで図１１のＬ7のグラフを用いて、第２の圧力センサ１３の出力値から圧力値を算出する。Ｌ7のグラフは、凸部３１ａが高くなった分に相当する検出圧力の増加分をＬ6のグラフに加算したものである。
【００６４】
ステップＳ１７では、例えば図１１のように、第２の圧力センサ１３の出力値がｔとなり、圧力値はｕと算出される。そしてステップＳ１４へ進んで圧力値を出力し、ステップＳ１１に戻り測定を続ける。このように、対象物１４によって凸部１１ａが押し込まれて第１の圧力センサ１２と第２の圧力センサ１３の両方に接触している場合であって第２の圧力センサ１３の検出範囲の上限を超えた場合は、凸部３１ａを高くした後、第２の圧力センサ１３の出力値に基づいて圧力が算出される。
【００６５】
また、ステップＳ１５で第２の圧力センサ１３が検知していない場合、例えば、ステップＳ１８で凸部を高くした後に対象物からかかる圧力が低くなった場合などは、ステップＳ１９へ進んで高さ調整部３５を駆動して凸部３１ａを図８Ａのように低く調整する。そうすると、図１０Ｂの状態になるので、ステップＳ１７へ進んで図１１のＬ6のグラフを用いて、第２の圧力センサ１３の出力値から圧力値を算出する。そしてステップＳ１４へ進んで圧力値を出力し、ステップＳ１１に戻り測定を続ける。
【００６６】
このような圧力センサ装置３０の構成により、第１の圧力センサ１２の検出範囲に第２の圧力センサ１３の検出範囲を足し合わせた連続した範囲の圧力（図１１のＳ1の範囲の圧力）を検出することができ、さらに、第１の圧力センサ１３の検出範囲に第２の圧力センサ１３の検出範囲を足し合わせた不連続な範囲の圧力（図１１のＳ2とＳ3の範囲の圧力）を検出することができる。したがって、指先にこの圧力センサ装置３０を有するロボットアームは、個々の圧力センサの検出範囲より広い検出範囲で圧力値を検出できるので、低い圧力で掴むことのできる軽い対象物から強い圧力で掴む必要のある重い対象物まで様々な対象物を適切な圧力を掛けて掴むことができる。
【００６７】
なお、高さ調整部３５は、凸部３１ａを上下動させる構成であれば特に限定はなく、例えば、圧電素子、形状記憶合金、形状記憶ポリマー又は静電アクチュエータなどを採用することもできる。
【００６８】
また、高さ調整部は凹部３１ｂを上下動させるものであってもよい。この場合、高さ調整部は、凹部３１ｂの下方に配設される。
【００６９】
なお本発明において、圧力センサ装置の形状は上記の実施形態以外の形状でも特に問題はない。例えば、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、ブロック状に掘り込まれた凹部４１ｂを格子状に配置し、凹部４１ｂ、４１ｂ間の掘り込まれていない部分を凸部４１ａとする基材４１を用い、凸部４１ａの十字の交点に第１の圧力センサ１２を、凹部４１ｂの底部に第２の圧力センサ１３をそれぞれ配設してもよい。
【００７０】
また例えば、図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、凸部５１ａが渦巻き状に配置され、凸部５１ａ、５１ａ間に渦巻き状の凹部５１ｂが形成された基材５１を用い、凸部５１ａの頂上に所定の間隔で複数の第１の圧力センサ１２が、凹部１１ｂの底部に所定の間隔で複数の第２の圧力センサ１３が配設されるようにしてもよい。凹凸のピッチを指紋のピッチ程度に小さくすれば、皮膚の変形なしに指紋の凹凸が圧力センサ装置５１の渦巻き状の凹凸に入り込むことも想定される。
【００７１】
また例えば、図１４に示すように、第１の凸部６１ａ、第１の凸部６１ａより低い第２の凸部６２ｂ、第２の凸部６２ｂより低い凹部６１ｃとを有する基材６１を用いてもよい。第１の凸部６１ａ、第２の凸部６２ｂ、凹部６１ｃは図１のようにライン状に並んでいる。そして、第１の凸部６１ａ、凹部６１ｃ、第２の凸部６２ｂのそれぞれに第１〜第３の圧力センサ１２、１３、１５を設けている。この構成によれば、より広い範囲の圧力を検出することができる。なお、基材の凹凸の段数をさらに増やし、それに応じて圧力センサを設けてもよい。
【００７２】
なお本発明において、圧力センサ装置は、少なくとも、１つの凸部と、１つの凹部と、１つの第１の圧力センサと、１つの第２の圧力センサとを備えていれば成立する。
【００７３】
また本発明において、基材の凹凸の形状によっては、対象物を掴んだりする際の滑り止めの効果も期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の圧力センサ装置は、介護器具などに用いられる人力補助装置では、体に接触している部分の微妙な面圧の変化を検出するために利用することで、検出した圧力値を基に補助動力の制御を行うことができる。また本発明の圧力センサ装置は、産業用などに用いられるロボットアームの指先となる部分に設けることで、検出した圧力値を、対象物を掴む強さを制御するために利用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、２０、３０、４０、５０、６０    圧力センサ装置
１１、２１、３１、４１、５１、６１    基材
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ    凸部
１２    第１の圧力センサ
１３    第２の圧力センサ
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ    凹部
１６    制御部
３５    高さ調整部
３５ａ    チューブ
３５ｂ    流体
【図１】
2010101174.tif 000003
【図２Ａ】
2010101174.tif 000004
【図２Ｂ】
2010101174.tif 000005
【図３】
2010101174.tif 000006
【図４】
2010101174.tif 000007
【図５Ａ】
2010101174.tif 000008
【図５Ｂ】
2010101174.tif 000009
【図６】
2010101174.tif 000010
【図７】
2010101174.tif 000011
【図８Ａ】
2010101174.tif 000012
【図８Ｂ】
2010101174.tif 000013
【図９】
2010101174.tif 000014
【図１０Ａ】
2010101174.tif 000015
【図１０Ｂ】
2010101174.tif 000016
【図１０Ｃ】
2010101174.tif 000017
【図１１】
2010101174.tif 000018
【図１２Ａ】
2010101174.tif 000019
【図１２Ｂ】
2010101174.tif 000020
【図１３Ａ】
2010101174.tif 000021
【図１３Ｂ】
2010101174.tif 000022
【図１４】
2010101174.tif 000023
【図１５】
2010101174.tif 000024
【図１６】
2010101174.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月5日(2010.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸を有する基材と、該基材の凸部に配設された第１の圧力センサと、該基材の凹部に配設された第２の圧力センサとを備えた圧力センサ装置であって、
前記凸部又は前記凹部を上下動させる高さ調整部と、第１及び第２圧力センサの出力値に基づいて圧力値を算出する制御部とを有することを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項２】
前記基材の凹凸が周期的であり、各凸部にそれぞれ第１の圧力センサを、各凹部にそれぞれ第２の圧力センサを配設することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記高さ調整部を第１及び第２の圧力センサの出力値に基づいて制御することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【請求項４】
前記高さ調整部は、チューブと、該チューブ内を移動する流体とを有し、
前記流体の移動に伴ってチューブが膨張・収縮することにより前記凸部又は前記凹部を上下動させることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【請求項５】
前記高さ調整部は、圧電素子、形状記憶合金、形状記憶ポリマー又は静電アクチュエータからなることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ装置。
【国際調査報告】
2010101174.tif 000026
2010101174.tif 000027
2010101174.tif 000028
2010101174.tif 000029