(57)【要約】  触覚センサ（１）は、基板（２）上に形成された非磁性柔軟層（３）と、非磁性柔軟層（３）の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、非磁性柔軟層（３）により支持されるように形成された磁性柔軟層（４）と、基板（２）に形成されて、磁性柔軟層（４）に作用する外力による粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化するコイル（５）と、コイル（５）のインダクタンスの変化を計測するインダクタンス計測回路（６）とを備える。
2019049888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成された第１柔軟層と、  前記第１柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第１柔軟層により支持されるように形成された第２柔軟層と、  前記基材に形成されて、前記第２柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、  前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備えたことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記粒子が、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末、及びＣｏ系粉末のうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記粒子が、鉄粉を含む請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記コイルが、平面コイルとソレノイドコイルとの少なくとも一方を含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記基材が、フレキシブル基板である請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記第２柔軟層が、エラストマ又は弾性発泡体を含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記コイルが複数個配置され、  前記基材に垂直な方向から見て前記第２柔軟層の一部が各コイルの一部と重なるように、前記第２柔軟層が前記第１柔軟層に埋め込まれる請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項８】
前記コイルが、２行２列に配置された４個のコイルであるか、又は、三角形の頂点位置に配置された３個のコイルであり、  前記第２柔軟層が円盤状に形成される請求項７に記載の触覚センサ。
【請求項９】
前記粒子の変位が、前記基材に垂直な方向に沿った粒子の変位と、前記基材の表面の方向に沿った粒子の変位とを含む請求項７に記載の触覚センサ。
【請求項１０】
前記第１柔軟層の厚み及び剛性が、前記触覚センサの感度及び測定幅を調整するように設定される請求項１に記載の触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、肉厚柔軟素材の変形を検知するインダクタンス計測式触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】  肉厚柔軟素材に変形検知機能を与える場合、変形検知機能の耐久性と感度との両立が課題となる。例えば、肉厚柔軟素材の中に配線、センサ素子を埋め込むと、肉厚柔軟素材の大変形時に配線、センサ素子が容易に破壊されてしまう。しかしながら、配線、センサ素子の容易な破壊を回避するために配線、センサ素子を肉厚柔軟素材の底面に配置すると、肉厚柔軟素材の表面部における微小な変形に対するセンサ素子の感度が損なわれる。【０００３】  この問題に対して、肉厚柔軟素材の中に磁石を配置し、肉厚柔軟素材の変形に伴う磁石の移動を、肉厚柔軟素材の底面に配置した磁気検知センサ素子によって遠隔で検出する仕組みとすることで、耐久性と感度との両立を図る触覚センサが知られている（特許文献１）。【０００４】  しかしながら、特許文献１のように磁石をそのまま肉厚柔軟素材の中に配置した場合には肉厚柔軟素材に対する触感が損なわれる。この問題を回避するため、微細粒子とした磁石を肉厚柔軟素材の表面に分散させる触覚センサが知られている（特許文献２）。【０００５】  また、鉄粉粒子が分散された磁性エラストマ（肉厚柔軟素材）をフレームに固定し、上記フレームを挟んで磁性エラストマの反対側にコイルを配置した触覚センサが知られている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2011-153826号公報（2011年08月11日公開）
【特許文献２】特開2015-202821号公報（2015年11月16日公開）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「磁性エラストマを利用した磁気式触覚センサ」堀井他、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会講演論文集 公知日 2014年5月21日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  しかしながら、特許文献１及び２に記載の上述のような触覚センサは、肉厚柔軟素材の中に磁石が存在するため、以下の問題がある。【０００９】  まず、磁石となる素材の磁化方向を触覚センサの表面形状に沿って揃える製造工程が触覚センサの高感度化には必須であるため、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が困難である。【００１０】  また、触覚センサの外に漏れる磁束の量が多いため、磁気に弱い対象に触覚センサを接触させることが困難である。また、触覚センサ表面付近にあって表面には触れていない金属が存在すると、漏れる磁束の量に応じて磁場が変化してしまうため、触覚センサの応答が変化してしまう。【００１１】  そして、磁気の変化を計測するセンサを用いているため、地磁気中でセンサ自体の傾きが変化する状況や、磁場を発する磁石や電気モータが近くに存在する状況での使用に難がある。【００１２】  また、非特許文献１に記載の触覚センサは、磁性エラストマに分散された粒子が外力により圧縮され、粒子同士が近づいて密度が高まることによるインダクタンスの変化を検出するので、外力に対するインダクタンスの変化が微小であり、触覚センサの感度が極めて低いという問題がある。【００１３】  本発明の一態様は、複雑な形状を容易に実現することができ、磁気に弱い対象に対しても接触させることができ、かつ外部磁場の存在する環境中でも使用可能な感度の高い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】
【００１４】  上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る触覚センサは、基材上に形成された第１柔軟層と、前記第１柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第１柔軟層により支持されるように形成された第２柔軟層と、前記基材に形成されて、前記第２柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】  本発明の一態様によれば、複雑な形状を容易に実現することができ、磁気に弱い対象に対しても接触させることができ、かつ外部磁場の存在する環境中でも使用可能な感度の高い触覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は実施形態１に係る触覚センサの断面図であり、（ｂ）はその下面図であり、（ｃ）は上記触覚センサに設けられたコイルのインダクタンスを説明するための図である。
【図２】（ａ）は上記触覚センサの動作原理を示す断面図であり、（ｂ）は上記触覚センサの外観を示す斜視図であり、（ｃ）は上記触覚センサに設けられた基板、コイル、非磁性柔軟層、及び磁性柔軟層を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は上記触覚センサの試作品の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は上記触覚センサに設けられた基板を示す平面図であり、（ｃ）は上記基板に設けられたコイルの平面図であり、（ｄ）は上記基板に設けられたコイルを示す斜視図である。
【図４】上記触覚センサの実験装置を示す斜視図である。
【図５】上記触覚センサに押し込まれた圧子の押込み深さと経過時間との間の関係を示すグラフである。
【図６】上記触覚センサへの押下力と上記コイルのインダクタンスとの間の関係を示すグラフである。
【図７】実施形態２に係る触覚センサの断面図である。
【図８】（ａ）は上記触覚センサの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は上記触覚センサに設けられた基板、コイル、非磁性柔軟層、及び磁性柔軟層を示す斜視図である。
【図９】上記触覚センサに設けられたコイルと磁性柔軟層との間の関係を模式的に示す平面図である。
【図１０】（ａ）は上記磁性柔軟層のＺ軸方向の変位と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は上記磁性柔軟層に加わった垂直力と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【図１１】上記触覚センサに設けられたコイルと＋Ｘ方向に移動する磁性柔軟層との間の関係を模式的に示す平面図である。
【図１２】（ａ）は上記磁性柔軟層のＸ軸方向の変位と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は上記磁性柔軟層に加わったＸ軸方向の剪断力と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【図１３】上記触覚センサに設けられたコイルと＋Ｙ方向に移動する磁性柔軟層との間の関係を模式的に示す平面図である。
【図１４】（ａ）は上記磁性柔軟層のＹ軸方向の変位と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は上記磁性柔軟層に加わったＹ軸方向の剪断力と上記コイルのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】  以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
【００１８】  〔実施形態１〕  図１（ａ）は実施形態１に係る触覚センサ１の断面図であり、（ｂ）はその下面図であり、（ｃ）は触覚センサ１に設けられたコイル５のインダクタンスを説明するための図である。
【００１９】  触覚センサ１は、基板２（基材）上に形成された非磁性柔軟層３（第１柔軟層）を備える。非磁性柔軟層３により支持されるように磁性柔軟層４（第２柔軟層）が形成される。磁性柔軟層４には、非磁性柔軟層３の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。ただし、基板２と非磁性柔軟層３の間には、磁性柔軟層４よりも透磁率の低い非柔軟素材を挟み込み、この非柔軟素材を基板２の保護面としてもよい。
【００２０】  磁性柔軟層４に作用する外力による粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化するコイル５が基板２に形成される。
【００２１】  触覚センサ１には、コイル５のインダクタンスの変化を計測するインダクタンス計測回路６（計測回路）が設けられる。
【００２２】  磁性柔軟層４に分散される粒子は、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末、及びＣｏ系粉末のうちの少なくとも一つを含む。ここでは上記粒子が、高い透磁率を有し、比較的容易に入手可能な鉄粉である例を説明する。粒子の形状は、特に限定的ではなく、球状、扁平状、針状、柱状、線状、および不定形のいずれであっても良い。
【００２３】  基板２に形成されるコイル５は、渦巻きコイル又は螺旋コイルである。図１（ａ）（ｂ）は渦巻きコイルの例を示している。
【００２４】  基板２は、フレキシブル基板であることが好ましいが、剛性を有する基板であってもよい。また、基板２は、伸縮性を有する基板であってもよく、ゴム状の基板であってもよい。そして、基板２は、導電性の低い素材であれば、硬さや厚さ、表面性状、形状、形態は問わない。例えば、基板２は、木、繊維、樹脂、ガラス、ゴム、セラミックなどにより構成されてもよい。
【００２５】  磁性柔軟層４は、非磁性柔軟層３の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子を含み、また、容易に変形可能な弾性体の素材であればよい。例えばエラストマ、弾性発泡体等の柔軟素材により磁性柔軟層４を構成することができる。
【００２６】  非磁性柔軟層３は、磁性柔軟層４を安定に支えることができ、且つ、容易に変形可能な素材であればよく、例えばエラストマ、弾性発泡体を用いることができ、これらのいずれでもよい。もし、非磁性柔軟層３が磁性柔軟層４により密閉されるように構成される場合は、非磁性柔軟層３は気体、液体、例えば、空気、水であってもよい。
【００２７】  コイル５は，磁性柔軟層４の弾性変形に基づく接近によりそのインダクタンスが変化するコイルであれば良い。このコイル５には，例えばチップインダクタ、パワーインダクタなど一般の回路部品用コイルを用いることができ、これらのいずれでも良い。さらに、コイル５は、必ずしも基板２から磁性柔軟層４に向かって螺旋状に巻かれた螺旋コイルである必要はなく、基板２の表面上で渦巻くように配線を実装した平面コイル（渦巻きコイル）でもよい。このため、例えばフレキシブル基板などのように薄い柔軟シート上にも平面コイルのコイル５を実装することができる。コイル５の形状は、特に限定的ではなく、円形、四角形、三角形、および不定形のいずれであっても良く、コイル５として動作するインダクタンスを持つ閉回路がコイル５により形成されていれば良い。また、コイル５の直径、厚み、巻き数も特に限定的では無い。
【００２８】  触覚センサ１は、磁性柔軟層４に加わった外力の大きさ、又は、外力による磁性柔軟層４の変位自体を、コイル５に接続されたインダクタンス計測回路６により計測可能な電気信号に変換する。
【００２９】  ここでインダクタンスとは、下記（式１）に示すように、あるコイルに電流Ｉを流した際に発生する磁束φを決定するコイル固有の値を意味する。
【００３０】  （磁束φ）＝（インダクタンスＬ）×（電流Ｉ）  …（式１）、  従って、インダクタンスＬの大きなコイルは、より大きな磁束φを発生させる。
【００３１】  図１（ｃ）に示すように、コイル５がソレノイドコイル（螺旋コイル）であり、巻き数Ｎ、長さｌ、断面積Ｓのコイル５に透磁率μのコアが使用されている場合、コイル５のインダクタンスＬは、下記（式２）により決定される。Ｌ＝μＮ２Ｓ／ｌ  …（式２）、  従って、インダクタンスＬは、コイル５のコアの透磁率μに応じて変化する。
【００３２】  図２（ａ）は触覚センサ１の動作原理を示す断面図であり、（ｂ）は触覚センサ１の外観を示す図であり、（ｃ）は触覚センサ１に設けられた基板２、コイル５、非磁性柔軟層３、及び磁性柔軟層４を示す斜視図である。
【００３３】  渦巻き状に形成されたコイル５に向かって磁性柔軟層４を押し下げる外力が加わると、図２（ａ）に示すように、磁性柔軟層４がコイル５に近づくように弾性変形する。このため、磁性柔軟層４とコイル５との間の位置関係が変化する。コイル５のインダクタンス値は、コイル５の周辺の物質の透磁率の空間分布によって変化する。従って、コイル５のインダクタンス値をインダクタンス計測回路６により計測すると、磁性柔軟層４に外力が加わったことを検出することができる。
【００３４】  また、磁性柔軟層４に加わる外力又は外力により生じる磁性柔軟層４の変位とコイル５のインダクタンス値との間の関係を把握しておけば、磁性柔軟層４に加えられた外力の大きさ又は磁性柔軟層４の変位を、インダクタンス計測回路６により計測されたコイル５のインダクタンス値により推定することができる。
【００３５】  図３（ａ）は触覚センサ１の試作品の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は触覚センサ１に設けられた基板２を示す平面図であり、（ｃ）は基板２に設けられたコイル５の平面図であり、（ｄ）は基板２に設けられたコイル５を示す斜視図である。
【００３６】  触覚センサ１の試作品の例示的な寸法は以下のとおりである。触覚センサ１の試作品は、例えば横寸法Ｘ１＝１５０ｍｍ、縦寸法Ｙ１＝１５０ｍｍの略直方体形状を有する。触覚センサ１の裏面に例えば横寸法Ｘ２＝６０ｍｍ、縦寸法Ｙ２＝６０ｍｍの基板２が設けられる。基板２に渦巻き状のコイル５が形成される。コイル５は、図３（ｄ）に示すように、例えば厚みＴ＝１．６ｍｍの基板２の表面及び裏面に２層に形成される。コイル５は、図３（ｃ）に示すように、例えば直径Ｄ＝２０ｍｍ、巻き数Ｎ＝３４、線幅Ｗ＝０．１ｍｍ、線間幅Ｐ＝０．１ｍｍで構成される。
【００３７】  基板２の上に形成される非磁性柔軟層３は、エラストマにより構成され、例えば縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの寸法を有し、材料はEcoflex30が使用される。
【００３８】  非磁性柔軟層３の上に形成される磁性柔軟層４は、エラストマにより構成され、例えば縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの寸法を有し、材料はEcoflex30が使用される。磁性柔軟層４は鉄粉含有比が例えば体積比２０％である。含有鉄粉は粒子径が例えば３００μｍである。但し、これらの寸法に限定されるものではない。
【００３９】  図４は触覚センサ１の実験装置を示す斜視図である。触覚センサ１に押込み方向の外力を加えたときのコイル５のインダクタンスを測定する実験装置を構築した。
【００４０】  この実験装置は、触覚センサ１を搭載する３軸ステージ１１と、３軸ステージ１１に搭載された触覚センサ１に押込み方向の外力を加えるためのプラスチック製円柱形状で例えば直径１０ｍｍの圧子７と、圧子７により触覚センサ１に加えられた外力を測定する３軸フォーストルクセンサ８と、３軸フォーストルクセンサ８により測定された外力を表す信号をＡＤ変換してコンピュータ１０に供給するＡＤ変換器９と、触覚センサ１に設けられたコイル５のインダクタンスを測定するインダクタンス計測回路６とを備える。
【００４１】  図５は触覚センサ１に押し込まれた圧子７の押込み深さと経過時間との間の関係を示すグラフである。
【００４２】  直径１０ｍｍの圧子７によりコイル５の中心に対応する磁性柔軟層４の表面を押下した。図５に示すように、押下開始後６秒間は押込み深さを０ｍｍから６ｍｍまで直線的に増加させた。そして、６秒から１６秒まで押込み深さ６ｍｍを保持した。次に、１６秒から２２秒まで、押込み深さを６ｍｍから０ｍｍまで直線的に減少させた。
【００４３】  図６は触覚センサ１への押下力とコイル５のインダクタンスとの間の関係を示すグラフである。図６に示される曲線Ｃ１は、図５に示す実験を１０回試行したときに計測されたコイル５のインダクタンスの平均値を表す。領域Ｒ１は、上記コイル５のインダクタンスの標準偏差２σ区間の領域を表す。
【００４４】  押下力に対するインダクタンスを示す曲線Ｃ１は、図６に示すように、ヒステリシスがあるものの、単調増加することが確認された。そして、そのインダクタンスの応答レベルに対するノイズが非常に小さく、信号ノイズ比（ＳＮ比）が５３ｄＢ程度（信号とノイズとの比が約１０００）であることが確認された。また、コイル５のインダクタンスの標準偏差２σ区間の領域Ｒ１がセンサ応答に比べて非常に狭いことが確認された。
【００４５】  以上のように実施形態１によれば、非磁性柔軟層３により支持されるように形成された磁性柔軟層４に、非磁性柔軟層３の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。このため、強磁場の中に磁性柔軟層４を配置して磁石となる素材を磁化させる製造工程が不要になる。この結果、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が容易になる。
【００４６】  また、触覚センサ１の外に漏れる磁束の量が少ないため、磁気に弱い対象に触覚センサ１を接触させることができるようになる。また、触覚センサの表面付近にあって触れていない金属によって触覚センサの応答が変化してしまうという問題も軽減される。
【００４７】  そして、磁気を計測する方式ではないため、地磁気中で触覚センサ自体が傾いたり、磁気を発生させる磁石や電気モータなどが近くに存在する状況で触覚センサの応答が変化してしまうという問題も解決される。
【００４８】  実施形態１に係る触覚センサ１は、磁性柔軟層４に粒子を分散させる構成であるため、表面の磁性柔軟層４に電流が流れず、従って、安全性が高い。
【００４９】  実施形態１によれば、外力により歪が生じる磁性柔軟層４及び非磁性柔軟層３には、配線、電気素子等の固形物が存在しない。このため、外力により大変形が生じても配線、電気素子等の破壊が生じない。そして、外力が加わる触覚センサ１の底部の基板２に配置されるのは、コイル５と、コイル５をインダクタンス計測回路６に接続する配線のみである。さらに、コイル５と外力が加わる磁性柔軟層４との間に非磁性柔軟層３が配置される。従って、触覚センサ１の外力に対する耐久性が高い。
【００５０】  さらに、触覚センサ１の表面に形成される磁性柔軟層４は、柔軟であるため、接触対象の形状に馴染む性質を有する。
【００５１】  また、触覚センサ１の表面付近に固形物が存在しないため、触覚センサ１が接触対象を傷つける恐れが少ない。
【００５２】  そして、磁性柔軟層４、非磁性柔軟層３を含む柔軟部分が傷んだ場合であっても、コイル５を含む基板２の回路部分に何ら変更を加えることなく、柔軟部分を新しいものと交換可能である。柔軟部分の交換に際して位置決めも不要である。
【００５３】  触覚センサ１は、小さな外力で変形する柔軟層（磁性柔軟層４、非磁性柔軟層３）の変形を検知する方式であり、最表面の変形を検知する方式であるため、高い検知感度を実現することができる。
【００５４】  コイル５は、平面コイル（渦巻きコイル）である場合、導電性インクの基板への印刷により形成することが可能であるため、触覚センサ１は大量生産が容易になる。
【００５５】  非磁性柔軟層３の厚みを減らすことにより、又は、非磁性柔軟層３の剛性を下げることにより触覚センサ１の感度を高めることができる。このように、非磁性柔軟層３の材料特性を調整することにより、触覚センサ１の感度を調整することができる。これにより、磁性柔軟層４の粒子の含有量を増やしたり、より高いインダクタンスのコイル５を採用したり、より強い電流をコイル５に流したりすることなく、非磁性柔軟層３の材料特性を調整するだけで、触覚センサ１の感度を調整することができる。
【００５６】  非磁性柔軟層３の厚みを増やすことにより、又は、非磁性柔軟層３の剛性を上げることにより触覚センサ１の測定幅を広げることができる。このように、非磁性柔軟層３の材料特性を調整することにより、触覚センサ１の測定幅を調整することができる。
【００５７】  さらに、非磁性柔軟層３は、必ずしも単一の材料（層）で構成されている必要はなく、例えば剛性の異なる複数の層が表面に垂直の方向に折り重なった構成となっていてもよい。このような構成とすることで、感度と測定幅の調整がより容易になる。
【００５８】  非特許文献１に記載の触覚センサは、磁性エラストマが外力で圧縮されることによるインダクタンスの変化を検出するが、実施形態１に係る触覚センサ１は、磁性エラストマ（磁性柔軟層４）が外力で変位することによるインダクタンスの変化を検出する点で相違する。非特許文献１では、磁性エラストマに分散された粒子が外力により圧縮され、粒子同士が近づいて密度が高まることによるインダクタンスの変化を検出するが、実施形態１に係る触覚センサ１は、磁性エラストマ（磁性柔軟層４）が変位し、磁性エラストマに分散された粒子が全体として一方向に変位してコイル５に近づいたり離れたりすることによるインダクタンスの変化を検出する点で異なる。非特許文献１の磁性エラストマはフレームに固定されており、コイルはフレームを挟んで磁性エラストマの反対側に配置されるので、外力が作用しても磁性エラストマは圧縮されるだけであって変位するわけではない。これに対して、実施形態１に係る触覚センサ１の磁性エラストマ（磁性柔軟層４）に分散された粒子は、外力の作用により変位し、これによりコイル５のインダクタンスが変化する点で、非特許文献１の磁性エラストマと相違する。この結果、実施形態１に係る触覚センサ１は、コイル５のインダクタンスの変化が大きくなり、非特許文献１の触覚センサよりも感度を高くすることができる。
【００５９】  〔実施形態２〕  本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【００６０】  図７は実施形態２に係る触覚センサ１Ａの断面図である。図８（ａ）は触覚センサ１Ａの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は触覚センサ１Ａに設けられた基板２、コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄ、非磁性柔軟層３、及び磁性柔軟層４Ａを示す斜視図である。図９は触覚センサ１Ａに設けられたコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄと磁性柔軟層４Ａとの間の関係を模式的に示す平面図である。
【００６１】  磁性柔軟層（磁性エラストマ、ＭＲＥ）４Ａを空間的に局所配置し、複数個のコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化を計測すると、３次元方向の外力を推定可能な触覚センサ１Ａを構築することができる。
【００６２】  ２行２列に配置された４個のコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄが基板２に形成される。基板２に垂直な方向から見て、円盤状に形成された磁性柔軟層４Ａの一部が各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄの一部と重なるように、磁性柔軟層４Ａが非磁性柔軟層３に埋め込まれる。なお、基板２に垂直な方向から見て磁性柔軟層４Ａの一部が各コイルの一部と重なるように複数のコイルを基板２に形成すればよく、例えば、三角形の頂点位置に配置された３個のコイルを基板２に形成してもよい。
【００６３】  コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄの各インダクタンスは、円盤状の磁性柔軟層４Ａと各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄとの間の距離に応じて増減し、且つ、基板２に垂直な方向から見た磁性柔軟層４Ａと各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄとの重なり度合いに応じて増減する。従って、コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄの各インダクタンスをインダクタンス計測回路６で計測することにより、３次元方向の接触力が加わった磁性柔軟層４Ａの３次元変位を推定することができる。
【００６４】  各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄ、磁性柔軟層４Ａの例示的な寸法は以下のとおりである。各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄは、例えば、直径Ｄ１＝１０ｍｍで構成される。コイル５Ａ・５Ｄ間、及び、コイル５Ｂ・５Ｃ間の距離ｄ１＝１５ｍｍであり、コイル５Ａ・５Ｂ間、及び、コイル５Ｃ・５Ｄ間の距離ｄ２＝１５ｍｍである。磁性柔軟層４Ａの直径は例えば１６ｍｍであり、厚みは例えば３ｍｍである。
【００６５】  図１０（ａ）は磁性柔軟層４ＡのＺ軸方向の変位とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は磁性柔軟層４Ａに加わった垂直力とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【００６６】  非磁性柔軟層３に埋め込まれた磁性柔軟層４Ａに、基板２に垂直なＺ方向に沿った垂直力を加えると、磁性柔軟層４ＡがＺ方向に移動する。＋Ｚ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、全てのコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスが増加し、−Ｚ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、全てのコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスが減少すると予想される。
【００６７】  図１０（ａ）（ｂ）に示すように、＋Ｚ方向に沿った垂直力が作用した磁性柔軟層４Ａが＋Ｚ方向に変位すると、全てのコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスが増加することが確認された。
【００６８】  図１１は触覚センサ１Ａに設けられたコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄと＋Ｘ方向に移動する磁性柔軟層４Ａとの間の関係を模式的に示す平面図である。図１２（ａ）は磁性柔軟層４ＡのＸ軸方向の変位とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は磁性柔軟層４Ａに加わったＸ軸方向の剪断力とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【００６９】  非磁性柔軟層３に埋め込まれた磁性柔軟層４Ａに、基板２に平行なＸ方向に沿った剪断力を加えると、磁性柔軟層４ＡがＸ方向に移動する。＋Ｘ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、コイル５Ａ・５Ｄのインダクタンスが増加し、コイル５Ｂ・５Ｃのインダクタンスが減少すると予想される。そして、−Ｘ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、コイル５Ａ・５Ｄのインダクタンスが減少し、コイル５Ｂ・５Ｃのインダクタンスが増加すると予想される。
【００７０】  図１２（ａ）（ｂ）に示すように、Ｘ方向に沿った剪断力、Ｘ方向に沿った磁性柔軟層４Ａの変位に対して、コイル５Ａ・５Ｄのインダクタンスの変化傾向が一致し、コイル５Ｂ・５Ｃのインダクタンスの変化傾向が一致することが確認された。
【００７１】  図１３は触覚センサ１Ａに設けられたコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄと＋Ｙ方向に移動する磁性柔軟層４Ａとの間の関係を模式的に示す平面図である。図１４（ａ）は磁性柔軟層４ＡのＹ軸方向の変位とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は磁性柔軟層４Ａに加わったＹ軸方向の剪断力とコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化との間の関係を示すグラフである。
【００７２】  非磁性柔軟層３に埋め込まれた磁性柔軟層４Ａに、基板２に平行なＹ方向に沿った剪断力を加えると、磁性柔軟層４ＡがＹ方向に移動する。＋Ｙ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、コイル５Ａ・５Ｂのインダクタンスが増加し、コイル５Ｃ・５Ｄのインダクタンスが減少すると予想される。そして、−Ｙ方向に磁性柔軟層４Ａが移動すると、コイル５Ａ・５Ｂのインダクタンスが減少し、コイル５Ｃ・５Ｄのインダクタンスが増加すると予想される。
【００７３】  図１４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｙ方向に沿った剪断力、Ｙ方向に沿った磁性柔軟層４Ａの変位に対して、コイル５Ａ・５Ｂのインダクタンスの変化傾向が一致し、コイル５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化傾向が一致することが確認された。
【００７４】  以上のように実施形態２によれば、実施形態１の効果に加えて、以下の効果を奏する。即ち、基板２に垂直な方向から見て円盤状に形成された磁性柔軟層４Ａの一部が各コイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄの一部と重なるように、磁性柔軟層４Ａが非磁性柔軟層３に埋め込まれることにより、複数個のコイル５Ａ・５Ｂ・５Ｃ・５Ｄのインダクタンスの変化を計測して３次元方向の外力を推定することができる触覚センサ１Ａを提供することができる。
【００７５】  実施形態１及び２に係る触覚センサ１・１Ａは、例えば以下の用途に適用することができる。
【００７６】  まず、ロボット用皮膚センサとして、様々な部位における要求感度や想定外力に合わせて柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）の硬度や厚みを調整して効果的に触覚センサ１・１Ａを用いることができる。
【００７７】  例えば、ロボットの指先であれば、高い感度が必要であるものの衝撃分散性は要求されないため、柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）を薄くすればよい。大きな衝撃や負荷に耐える必要があるロボットの足裏であれば、柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）の硬度と厚みを増せばよい。高い衝撃分散性が求められるロボットの臀部には、柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）の硬度を下げ、厚みを増せば良い。
【００７８】  また、コイル５の面方向の幅（線間幅Ｐ、線幅Ｗ）を変えることで、部位ごとに適した触覚センサ１・１Ａの空間解像度を容易に実現し、不要なセンサチャンネル数を省くことができる。例えば、高い空間解像度が求められるロボットの指先では狭い幅のコイル５とし、ロボットの背中や臀部では広い幅のコイル５とすればよい。
【００７９】  さらに、介護ロボットやペットロボットのような人が触れ合うロボットの表面に触覚センサ１・１Ａを用いる場合には、安全かつ感度の良い触覚表面とすることができる。これと同時に、柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）の硬度や厚みの分布を変えたり、柔軟層中に繊維や柔軟管を配置することによって、触覚センサ１・１Ａのさわり心地を動物の皮膚に近づけるなどの工夫を凝らすことができる。
【００８０】  安全性と衛生性とが求められる、人の体や臓器に触れる医療器具の先端に設けられる接触センサとしての活用にも触覚センサ１・１Ａは適している。例えば、内視鏡や腹腔鏡手術の際に、手術対象部の組織の硬さを測ったり、手術中に過度な負荷を人体に与えていないかを把握するといったことが触覚センサ１・１Ａにより可能になる。このような用途においては、使用した後に表面の柔軟層（磁性柔軟層４・４Ａ、非磁性柔軟層３）を新品に交換するだけで衛生性が保たれる。触覚センサ１・１Ａのコイル部分や柔軟層には人体を傷つける恐れのある突起物や大電流回路がないため、強く押し付けても安全である。
【００８１】  乱暴に扱われ得る玩具に触覚センサ１・１Ａを搭載すると、玩具の柔らかい感触と安全性とを損なわずに触覚機能を玩具に追加し、エンターテインメント性や教育効果などの玩具の付加価値を高めることができる。例えば、握ることでストレスを解消するような弾力感のあるボールに触覚センサ１・１Ａを搭載し、握られた強さに応じて音や光の演出を行うことで、ストレス解消効果の増加が期待できる。また、子供が遊ぶ人形の柔らかい部分にこの触覚センサ１・１Ａを搭載すれば、強く握ったり乱暴に扱った際に、「痛いよ」と人形に言わせるような機能が追加できる。
【００８２】  マッサージチェアや操縦席シート、枕など、心地よさが必要な人との接触面に触覚センサ１・１Ａを搭載することで、心地よさを損なわず、人の接触状態を検知し、より快適な状態へと誘導することが可能になる。例えば、接触状態の記録と、人の心地よさの評価とを対応付けてデータを蓄積することで、心地よくない状態になってしまっている場合に、どうすれば心地よい状態になるか（もう少し右に寄るとよい、など）を人にアドバイスする機能がマッサージチェア等に搭載できる。
【００８３】  筋肉トレーニング機器や美顔器などの健康器具に、接触状態を加味した動作調整機能を搭載し、効果を高める用途で触覚センサ１・１Ａを使用できる。例えば、体の一部に押し当てた状態で振動したり電気刺激を与えることで筋肉トレーニング効果や美顔効果を与える機器の接触面に触覚センサ１・１Ａを搭載し、強く接触している箇所とそうでない箇所で、振動や刺激の量を変えることが可能になる。
【００８４】  食品を扱うロボットのエンドエフェクタに取り付ける触覚センサとしても触覚センサ１・１Ａは適している。触覚センサ１・１Ａの表面の磁性柔軟層４・４Ａが柔軟であるため、柔らかい食品を傷つけにくい。触覚センサ１・１Ａは表面の洗浄や交換が容易であるため、衛生性も確保できる。触覚センサ１・１Ａは表面の素材として、調理器具にも使用されているシリコンゴムが利用できるため、安全適合性も高い。
【００８５】  （まとめ）  上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る触覚センサは、基材上に形成された第１柔軟層と、前記第１柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第１柔軟層により支持されるように形成された第２柔軟層と、前記基材に形成されて、前記第２柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備えたことを特徴とする。
【００８６】  この特徴によれば、第１柔軟層により支持されるように形成された第２柔軟層に、第１柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散される。この粒子は磁化されていなくてもその変位によって前記コイルのインダクタンスの変化が生じるため、強磁場の中に第２柔軟層を配置して磁石となる素材を磁化させる製造工程が不要になる。この結果、曲面形状等の複雑な形状をした触覚センサの製造が容易になる。
【００８７】  そして、触覚センサの外に漏れる磁束の量が少ないため、磁気に弱い対象に触覚センサを接触させることできるようになる。
【００８８】  また、磁気の変化を計測するセンサを用いていないため、外部磁場の存在する環境中でも触覚センサが使用可能となる。
【００８９】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子が、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末、及びＣｏ系粉末のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。
【００９０】  上記構成によれば、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末、及びＣｏ系粉末のうちの少なくとも一つを含む粒子が変位することにより、コイルのインダクタンスが変化する。
【００９１】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子が、鉄粉を含むことが好ましい。
【００９２】  上記構成によれば、高い透磁率を有し、比較的容易に入手できる粒子を第２柔軟層に分散させる粒子に使用することができる。
【００９３】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが、平面コイルとソレノイドコイルとの少なくとも一方を含むことが好ましい。
【００９４】  上記構成によれば、平面コイル、ソレノイドコイルのインダクタンスが、第２柔軟層に作用する外力による粒子の変位に基づいて変化する。
【００９５】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記基材が、フレキシブル基板であることが好ましい。
【００９６】  上記構成によれば、ロボットの曲面形状等の複雑な形状をした部位に触覚センサを搭載することができる。
【００９７】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第２柔軟層が、エラストマ又は弾性発泡体を含むことが好ましい。
【００９８】  上記構成によれば、容易に変形可能な弾性体の素材により第２柔軟層を構成することができる。
【００９９】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが複数個配置され、前記基材に垂直な方向から見て前記第２柔軟層の一部が各コイルの一部と重なるように、前記第２柔軟層が前記第１柔軟層に埋め込まれることが好ましい。
【０１００】  上記構成によれば、３次元方向の外力を推定することができる。
【０１０１】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記コイルが、２行２列に配置された４個のコイルであるか、又は、三角形の頂点位置に配置された３個のコイルであり、前記第２柔軟層が円盤状に形成されることが好ましい。
【０１０２】  上記構成によれば、簡単な構成で３次元方向の外力を推定することができる。
【０１０３】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記粒子の変位が、前記基材に垂直な方向に沿った粒子の変位と、前記基材の表面の方向に沿った粒子の変位とを含むことが好ましい。
【０１０４】  上記構成によれば、３次元方向の第２柔軟層の変位を推定することができる。
【０１０５】  本発明の一態様に係る触覚センサは、前記第１柔軟層の厚み及び剛性が、前記触覚センサの感度及び測定幅を調整するように設定されることが好ましい。
【０１０６】  上記構成によれば、第１柔軟層の材料特性の調整により、触覚センサの感度及び測定幅を調整することができる。
【０１０７】  本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０１０８】  １  触覚センサ  ２  基板（基材）  ３  非磁性柔軟層（第１柔軟層）  ４  磁性柔軟層（第２柔軟層）  ５  コイル  ６  インダクタンス計測回路（計測回路）
【図１】
2019049888.tif 000003
【図２】
2019049888.tif 000004
【図３】
2019049888.tif 000005
【図４】
2019049888.tif 000006
【図５】
2019049888.tif 000007
【図６】
2019049888.tif 000008
【図７】
2019049888.tif 000009
【図８】
2019049888.tif 000010
【図９】
2019049888.tif 000011
【図１０】
2019049888.tif 000012
【図１１】
2019049888.tif 000013
【図１２】
2019049888.tif 000014
【図１３】
2019049888.tif 000015
【図１４】
2019049888.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月28日(2018.12.28)
【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】
基材上に形成された第１柔軟層と、
前記第１柔軟層の透磁率よりも高い透磁率を有して磁化されていない粒子が分散され、前記第１柔軟層により支持されるように形成された第２柔軟層と、
前記基材に形成されて、前記第２柔軟層に作用する外力による前記粒子の変位に基づいてインダクタンスが変化する一つ以上のコイルと、
前記コイルのインダクタンスの変化を計測する計測回路とを備え、
前記コイルが複数個配置され、
前記基材に垂直な方向から見て前記第２柔軟層の一部が各コイルの一部と重なるように、前記第２柔軟層が前記第１柔軟層に埋め込まれたことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記粒子が、Ｆｅ系粉末、Ｎｉ系粉末、及びＣｏ系粉末のうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記粒子が、鉄粉を含む請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記コイルが、平面コイルとソレノイドコイルとの少なくとも一方を含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記基材が、フレキシブル基板である請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記第２柔軟層が、エラストマ又は弾性発泡体を含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記コイルが、２行２列に配置された４個のコイルであるか、又は、三角形の頂点位置に配置された３個のコイルであり、
前記第２柔軟層が円盤状に形成される請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項８】
前記粒子の変位が、前記基材に垂直な方向に沿った粒子の変位と、前記基材の表面の方向に沿った粒子の変位とを含む請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項９】
前記第１柔軟層の厚み及び剛性が、前記触覚センサの感度及び測定幅を調整するように設定される請求項１に記載の触覚センサ。
【国際調査報告】
2019049888.tif 000017
2019049888.tif 000018