(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、
前記感応部は、
磁石と、
温度に対して略一定のホール電圧を発生する第１ホール素子と、
ホール電圧が温度依存性を有する第２ホール素子とを備え、
前記第２ホール素子は前記弾性体の表面近傍に埋設され、
前記第１ホール素子及び前記磁石は、前記第２ホール素子から前記弾性体の内側方向に相互に離隔対応しつつ、しかも、前記磁石、前記第１ホールの順に、又は前記第１ホール素子、前記磁石の順に埋設され、
前記第１ホール素子に、前記第１ホール素子と前記磁石との距離を検出させ、
前記第２ホール素子に、前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出させることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記第１ホール素子は、ＧａＡｓホール素子からなることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記第１ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電圧駆動され、前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電流駆動されることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記弾性体より大きい剛性を有する基材を、前記感応部の一端側であって、前記第２ホール素子の反対端側に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサ。    
【請求項６】
ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、
前記感応部は、
前記弾性体の表面近傍に埋設されるホール素子であって、ＩｎＳｂ素子又はＩｎＡｓホール素子からなる第３ホール素子と、
前記第３ホール素子から前記弾性体の内側方向に離隔対応しつつ埋設される磁石とを備え、
前記第３ホール素子は、定電圧駆動時に前記第３ホール素子と前記磁石との距離を検出し、定電流駆動時にそのホール電圧の温度特性を利用して前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出することを特徴とする触覚センサ。
【請求項７】
前記感応部の一端側であって、前記第３ホール素子の反対端側に前記弾性体より高い硬度を有する基材を備えることを特徴とする請求項６記載の触覚センサ。
【請求項８】
前記弾性体の表面に、磁気シールド層を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか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、感圧及び感温可能な触覚センサに関し、特にホール素子を用いた触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間の動きを再現する人型ロボットの開発が活発に行われており、最近では、人間に近い動作を行うものも登場し、注目を集めている。このような人型ロボットを、より人間の動きに近づけるためには、機構的な再現だけでなく、感覚系・神経系・思考系の高度な再現も求められ、これらの分野の研究も活発に行われている。
【０００３】
この中で、感覚系を担う触覚センサも重要な地位を占めている。この触覚センサは、圧力・温度等の複数の物理情報を同時に扱って処理しなければならない部分である。しかし、人体における触覚のメカニズムに関しては、未だ科学的に解明されていない部分が多いことと相まって、複数の情報を同時に扱うことが可能なセンサが、いまのところ数多く開発されている状況ではない。
【０００４】
このような中でも、いくつかの提案や報告がなされている。（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】湯治  準一郎等  「熱型皮膚感覚センサの試み」，電気学会計測研究会資料ＩＭ−０２−７０，ｐｐ．５１−５４（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１によれば、シリコンゴム等の弾性層の中に温度センサとしてのサーミスタが埋設された熱型センサであり、この熱型センサの温度を一定温度に保つヒータを備える熱型センサが開示されている。
【０００７】
そして、この熱型センサは、ヒータを用いて熱型センサを、例えば室温等の周囲温度より高い所定温度にあらかじめ温めておき、対象物に接触させた後に発生する弾性材料内部の温度変化から対象物の熱伝導率等の熱的性質を検出し、また、対象物に押し当てた際に発生する弾性材料の厚さの変化に応じた内部の温度変化から熱型センサと対象物との荷重を検出可能なものである。
【０００８】
しかしながら、非特許文献１の熱型センサによれば、例えばヒータの温度と等しい対象物に接触させた場合、弾性層内に温度変化が生じないため、上述した荷重を検出できない虞があるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接触させる対象物の温度や周囲温度を検出可能であるとともに、センサの温度と等しい対象物に接触させた場合であっても、加えられる荷重を確実に検出可能な触覚センサを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、前記感応部は、磁石と、温度に対して略一定のホール電圧を発生する第１ホール素子と、ホール電圧が温度依存性を有する第２ホール素子とを備え、前記第２ホール素子は前記弾性体の表面近傍に埋設され、前記第１ホール素子及び前記磁石は、前記第２ホール素子から前記弾性体の内側方向に相互に離隔対応しつつ、しかも、前記磁石、前記第１ホールの順に、又は前記第１ホール素子、前記磁石の順に埋設され、前記第１ホール素子に、前記第１ホール素子と前記磁石との距離を検出させ、前記第２ホール素子に、前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出させる、触覚センサである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載の触覚センサにおいて、前記第１ホール素子は、ＧａＡｓホール素子からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の触覚センサにおいて、前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１記載の触覚センサにおいて、前記第１ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電圧駆動され、前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電流駆動されることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の触覚センサにおいて、前記弾性体より大きい剛性を有する基材を、前記感応部の一端側であって、前記第２ホール素子の反対端側に備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、前記感応部は、前記弾性体の表面近傍に埋設されるホール素子であって、ＩｎＳｂ素子又はＩｎＡｓホール素子からなる第３ホール素子と、前記第３ホール素子から前記弾性体の内側方向に離隔対応しつつ埋設される磁石とを備え、前記第３ホール素子は、定電圧駆動時に前記第３ホール素子と前記磁石との距離を検出し、定電流駆動時にそのホール電圧の温度特性を利用して前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出する、触覚センサである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項６記載の触覚センサにおいて、前記感応部の一端側であって、前記第３ホール素子の反対端側に前記弾性体より高い硬度を有する基材を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の触覚センサにおいて、前記弾性体の表面に、磁気シールド層を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、前記感応部は、磁石と、温度に対して略一定のホール電圧を発生する第１ホール素子と、ホール電圧が温度依存性を有する第２ホール素子とを備え、前記第２ホール素子は前記弾性体の表面近傍に埋設され、前記第１ホール素子及び前記磁石は、前記第２ホール素子から前記弾性体の内側方向に相互に離隔対応しつつ、しかも、前記磁石、前記第１ホールの順に、又は前記第１ホール素子、前記磁石の順に埋設され、前記第１ホール素子に、前記第１ホール素子と前記磁石との距離を検出させ、前記第２ホール素子に、前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出させる構成であるから、第２ホール素子を介して接触させる対象物の温度や周囲温度を検出可能である。また、弾性体に加えられる荷重に応じて第１ホール素子と磁石との距離が変位すると、その変位を第１ホール素子のホール電圧の変動として検出し、前記荷重を検出できることから、センサの温度と等しい対象物に接触させた場合であっても、加えられる荷重を確実に検出可能な触覚センサを提供できる。
【００１９】
また、前記第１ホール素子は、ＧａＡｓホール素子からなる構成であるから、ＧａＡｓホール素子のホール電圧の特性である、周囲温度の影響を殆ど受けないとともに定電圧駆動或いは定電流駆動のいずれであっても磁束密度に対して略直線的に変化する特性を利用することにより、センサの温度と等しい対象物に接触させた場合であっても、周囲温度の影響を殆ど受けることなく加えられる荷重を確実に検出可能な触覚センサを提供できる。
【００２０】
また、前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなる構成であるから、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子の定電流駆動時の温度特性を利用することにより、接触させる対象物の温度や周囲温度を感度高く検出可能な触覚センサを提供できる。
【００２１】
また、前記第１ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電圧駆動され、前記第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子又はＩｎＡｓホール素子からなるとともに、定電流駆動される構成であるから、第１ホール素子及び第２ホール素子として例えば同じＩｎＳｂホール素子を利用することにより、部材の種類を低減できるので、触覚センサの低コスト化を図ることができる。
【００２２】
また、前記弾性体より大きい剛性を有する基材を、前記感応部の一端側であって、前記第２ホール素子の反対端側に備える構成であるから、例えば基材部分を介してロボットハンドに接続させる等、利便性が高い触覚センサを提供できる。
【００２３】
また、ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に感応部を有する触覚センサであって、前記感応部は、前記弾性体の表面近傍に埋設されるホール素子であって、ＩｎＳｂ素子又はＩｎＡｓホール素子からなる第３ホール素子と、前記第３ホール素子から前記弾性体の内側方向に離隔対応しつつ埋設される磁石とを備え、前記第３ホール素子は、定電圧駆動時に前記第３ホール素子と前記磁石との距離を検出し、定電流駆動時にそのホール電圧の温度特性を利用して前記弾性体の前記表面近傍の温度を検出する構成であるから、第３ホール素子を定電流駆動させることにより接触させる対象物の温度や周囲温度を検出可能である。また、弾性体に加えられる荷重に応じて第１ホール素子と磁石との距離が変位すると、その変位を第３ホール素子の定電圧駆動時のホール電圧の変動として検出し、前記荷重を検出できることから、センサの温度と等しい対象物に接触させた場合であっても、加えられる荷重を確実に検出可能な触覚センサを提供できる。
【００２４】
また、前記感応部の一端側であって、前記第３ホール素子の反対端側に前記弾性体より高い硬度を有する基材を備える構成であるから、例えば基材部分を介してロボットハンドに接続させる等、利便性が高い触覚センサを提供できる。
【００２５】
また、前記弾性体の表面に、磁気シールド層を備える構成であるから、例えば磁界が弾性体の外部に漏れることにより、弾性体への鉄製品の付着を防止できる等、取扱い易い触覚センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る触覚センサの概略断面説明図である。
【図２】ホール素子の説明図である。
【図３】ＧａＡｓホール素子の特性を説明する図である。
【図４】ＩｎＳｂホール素子の特性を説明する図である。
【図５】磁石からの距離と磁束密度との関係を説明する図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る触覚センサのバネモデル例を説明する図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る触覚センサによる検出方法を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る触覚センサの特性例を示すグラフである。
【図９】本発明の第１実施形態に係る触覚センサの特性例を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る触覚センサの他の例の概略断面説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る触覚センサの概略断面説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る触覚センサのバネモデル例を説明する図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る触覚センサによる検出方法を説明する図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る触覚センサの概略断面説明図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る触覚センサの概略断面説明図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る触覚センサの概略断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態の例について、図を用いて説明する。
本実施形態の触覚センサは、ゴム状又はスポンジ状の弾性体の中に、磁石とこの磁石の磁界に応じたホール電圧を発生させるホール素子とを備える感応部を埋設した触覚センサであって、弾性体に加えられる荷重による磁石とホール素子との距離の変化をホール電圧として検出し、前記距離の情報から弾性体の弾性特性に基づいて前記荷重を検出するとともに、ホール素子の温度特性を利用して弾性体の表面温度や接触した対象物の温度を検出するものである。
【００２８】
まず、本発明の第１実施形態の触覚センサ１０について説明する。
本実施形態の触覚センサ１０は、図１に示すように、弾性体１２と、感応部１１と、基材２０とを備える。
本実施形態の弾性体１２は、例えばシリコンゴム等のようなゴム状の非磁性体の弾性材料で、直方体状に形成される。
弾性体は、シリコンゴム以外にも、例えば人間の手指や皮膚等に近い弾力性を有するウレタンゴム等のエラストマ製であってもよいし、スポンジ状であってもよい。また、形状も直方体状に限るものではなく、例えば人間の手指、掌等の任意の形状であってもよい。
【００２９】
次に、本実施形態の感応部１１は、図１に示すように、磁石１８と、磁石１８の磁界に応じたホール電圧を発生する第１ホール素子１４及び第２ホール素子１６とを備える。
この磁石１８は、例えばネオジウム磁石或いはフェライト磁石等の永久磁石で構成される。そして、磁石１８は、図１に示すように、例えばＮ極を上方、Ｓ極を下方に向けた状態で弾性体１２の略中央部に埋設される。なお、磁石は、永久磁石に限るものではなく、通電により磁界を発生させる電気磁石で形成されていてもよい。また、磁石の極性は、本実施形態におけるＮ極を上方に向けるものに限らず、上下が逆になっていてもよい。
【００３０】
本実施形態の感応部１１は、上述したホール素子が用いられる。このホール素子は、図２に示すように、例えば薄板状に形成され、磁界Ｍがその板厚方向（Ｚ方向）を通過するように配置され、電子等のキャリアをｘ方向に移動させると、ｙ方向にホール電圧ＶＨが発生することが知られており、磁気センサとして多用される。
【００３１】
本実施形態において第１ホール素子１４は、ＧａＡｓホール素子２１からなるが、このＧａＡｓホール素子２１の特性について図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、ＧａＡｓホール素子２１のホール電圧と磁束密度との関係例を示すグラフであり、図３（ｂ）は、前記ホール電圧と温度との関係例を示すグラフである。
図３（ａ）においては、横軸が磁束密度で縦軸がホール電圧であり、例えば温度２５℃の特性例が示される。実線ＶＣが定電圧ＶＣ＝６Ｖを印加した場合のホール電圧特性を示し、鎖線ＩＣが定電流ＩＣ＝１０ｍＡを印加した場合のホール電圧特性をそれぞれ示す。図３（ａ）に示されるように、ＧａＡｓホール素子２１のホール電圧は、磁束密度が上昇するに伴ってホール電圧も略直線的に上昇し、定電圧駆動（ＶＣ）と定電流駆動（ＩＣ）とで殆ど差異は見られない。
【００３２】
次に、図３（ｂ）において、横軸が温度で縦軸がホール電圧であり、例えば磁束密度５０ｍＴの特性例が示される。実線ＶＣが、定電圧ＶＣ＝６Ｖを印加した場合のホール電圧特性を示し、鎖線ＩＣが定電流ＩＣ＝１０ｍＡを印加した場合の温度特性をそれぞれ示す。
図３（ｂ）で示されるように、ＧａＡｓホール素子のホール電圧は、特に定電流駆動（ＩＣ）の場合、ホール電圧の温度依存性はほとんど見られない。一方、定電圧駆動（ＶＣ）の場合、定電流駆動（ＩＣ）の場合に比べるとややホール電圧の温度依存性が見られるものの、２５℃等の室温近傍の温度範囲では、殆ど温度依存性がないものと看做すことができる。このように、本実施形態の第１ホール素子１４は、温度に対して略一定のホール電圧を発生する構成となっているのである。
【００３３】
本実施形態の第１ホール素子１４は、図１（ａ）に示すように、例えば磁石１８の上方の弾性体１２の表面近傍に埋設される。その際、磁石１８と第１ホール素子１４とは、図１（ａ）に示すように  例えばＬ０の距離を空けて対向配置される。
また、第１ホール素子１４には、図示されていないが、例えば定電流や定電圧を印加するための配線や電源装置、ホール電圧を検出するための配線や電圧計等が接続される。
【００３４】
次に、本実施形態の第２ホール素子１６は、ＩｎＳｂホール素子２３からなるが、このＩｎＳｂホール素子２３の特性について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、ＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧と磁束密度との関係例を示すグラフであり、図４（ｂ）は、前記ホール電圧と温度との関係例を示すグラフである。
図４（ａ）において、横軸が磁束密度で縦軸がホール電圧であり、例えば温度２５℃の場合の特性例が示される。鎖線ＶＣが、定電圧ＶＣ＝１Ｖを印加した場合のホール電圧特性を示し、実線ＩＣが定電流ＩＣ＝５ｍＡを印加した場合のホール電圧特性をそれぞれ示す。図４（ａ）から判るように、ＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧は、磁束密度が上昇するに伴って略直線的に上昇している。また、定電流駆動（ＩＣ）の方が定電圧駆動（ＶＣ）の場合より傾きが大きい。
【００３５】
次に、図４（ｂ）において、横軸が温度で縦軸がホール電圧であり、例えば磁束密度５０ｍＴの場合の特性例が示される。実線ＩＣが定電流ＩＣ＝５ｍＡを印加した場合のホール電圧特性を、鎖線ＶＣが定電圧ＶＣ＝１Ｖの場合のホール電圧特性をそれぞれ示す。図４（ｂ）から判るように、ＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧は、定電流駆動（ＩＣ）の場合、温度依存性が大きく、特にー５０℃〜５０℃の範囲での依存性が大きい。一方、定電圧駆動（ＶＣ）の場合、図４（ｂ）から判るように、殆ど温度依存性は見られない。このように、第２ホール素子１６は、そのホール電圧が温度依存性を有するホール素子である。
【００３６】
本実施形態の第２ホール素子１６は、図１（ａ）に示すように、例えば磁石１８の下方の弾性体１２の表面２５近傍である底面近傍に埋設される。その際、磁石１８と距離Ｌ０を空けて対向配置される。すなわち、本実施形態において、磁石１８は、第１ホール素子１４と第２ホール素子１６との間の中央に配置される。
なお、第２ホール素子１６には、図示されていないが、例えば定電流や定電圧を印加するための配線や電源装置、ホール電圧を検出するための配線や電圧計等が接続されている。
【００３７】
以上説明した様に、本実施形態において第１ホール素子１４及び磁石１８は、第２ホール素子１６から弾性体１２の内側方向に相互に離隔対応しつつ、しかも、磁石１８、第１ホール素子１４の順に埋設される構成となっているのである。
【００３８】
本実施形態の基材２０は、図１に示すように、例えばガラスエポキシ製或いはプラスティック製のように弾性体１２より大きい剛性を有する基板で形成される。そして、基材２０は、図１に示すように、第１ホール素子１４の真上であって弾性体１２の上面に、例えば接着剤等により接続されて配置される。
なお、基材は、ガラスエポキシ製或いはプラスティック製に限るものではなく、例えば人の爪或いは骨等の剛性を有する素材であればよい。また、例えば銅、ステンレス等の非磁性体の金属製であってもよい。さらに、形状も板状に限るものではなく、棒状であってもよい。
このように、基材２０は、感応部１１の一端側であって、第２ホール素子１６の反対端側に配置される。
【００３９】
このように構成される本実施形態の触覚センサ１０は、図１に示すように、弾性体１２の第２ホール素子１６側の表面２５としての底面を対象物２２に接触させ、荷重Ｆが上から下方に向かって加えられる。言い換えると、荷重Ｆは、第１ホール素子１４、磁石１８及び第２ホール素子１６が配列した配列方向に加えられる。
【００４０】
次に、本実施形態の触覚センサ１０の荷重検出方法、温度検出方法について図１及び図５〜図７を用いて説明する。
［荷重検出方法］
まず、荷重検出方法について説明する。なお、図１（ａ）は、弾性体１２に荷重が略加えられていない状態、すなわち弾性体１２が略自然長の状態で触覚センサ１０が対象物と接触した様子を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態から、触覚センサ１０が対象物に荷重Ｆ１で押し付けられた様子を示す。
本実施形態の触覚センサ１０では、図１（ａ）に示すように、磁石１８は、第１ホール素子１４と第２ホール素子１６との間の中央に配置されるため、それぞれのホール素子に係る磁束密度も略同じ磁束密度Ｂ０となる。次に、図１（ｂ）に示すように、荷重Ｆ１が加わり弾性体１２が圧縮された状態で、第１ホール素子１４（ＧａＡｓ）のホール電圧ＶＧを測定し、図３（ａ）に示されるホール電圧ＶＧと磁束密度との関係から、このときの磁束密度Ｂ１がわかる。
【００４１】
ここで磁石からの距離Ｌと磁束密度Ｂとの関係は、図５に示すように、Ｂ∝１／Ｌ２    の関係になっており、磁石の磁極の強さをｍ（Ｗｂ）とした場合Ｂ＝ｍ／４πＬ２で表される。そのため、磁束密度Ｂ１がわかれば磁石１８と第１ホール素子１４との距離Ｌ１がわかる。
【００４２】
また、シリコンゴム等の弾性体は、弾性変形の範囲では、加えられる荷重Ｆに対してフックの法則に従って伸縮する。そのため、本実施形態の触覚センサ１０をバネモデルで表すと図６のように表される。そして、図６に示すように、磁石１８と第１ホール素子１４及び第２ホール素子１６の間のバネ定数をｋ１とし、ｘを弾性体１２の縮み量とするとＦ＝ｋ１ｘの関係にある。なお、図６（ａ）は図１（ａ）に対応し、図６（ｂ）は、図１（ｂ）に対応する。
【００４３】
例えば、磁石１８から第１ホール素子１４及び第２ホール素子１６までの距離Ｌを変数にとり、上述したように弾性体１２が自然長の場合の磁石１８から第１ホール素子１４及び第２ホール素子１６までの距離をＬ０とすると、弾性体１２に加えられる荷重Ｆは、Ｆ＝ｋ１（Ｌ０−Ｌ）の関係で示される。Ｌを横軸にとり、Ｆを縦軸にとると図７のように表される。
【００４４】
したがって、図１及び図６に示されるように、弾性体１２が略自然長の状態から荷重Ｆ１が加わることにより磁石１８と第１ホール素子１４及び第２ホール素子１６との距離がＬ０→Ｌ１に圧縮されているので、このときに加えられた荷重Ｆ１を図７に示すように求めることができる。
なお、上述したように、ＧａＡｓホール素子２１のホール電圧ＶＧの温度依存性は、定電圧駆動或いは定電流駆動のいずれの場合も、小さいため、周囲温度や接触対象物の温度に依存することなく荷重Ｆ１を求めることができる。
このように、本実施形態の触覚センサ１０は、第１ホール素子１４としてのＧａＡｓホール素子のホール電圧ＶＧを測定することにより、第１ホール素子１４を通過する磁界の磁束密度Ｂ１を検出し、この磁束密度Ｂ１に基づいて第１ホール素子１４と磁石１８との距離Ｌを検出し、この距離Ｌに基づいて触覚センサ１０に加えられる荷重Ｆを検出可能な構成となっているのである。
【００４５】
［温度検出方法］
次に、温度検出方法について説明する。
まず、磁束密度をパラメータとし、図４（ｂ）に示すような定電流駆動における第２ホール素子１６のホール電圧の温度特性を予め求めておく。次に、本実施形態の触覚センサ１０は、磁石１８が第１ホール素子１４と第２ホール素子１６との略中央に配置されるため、荷重Ｆ１が加わった状態で第２ホール素子１６を通過する磁束密度は、上述した様にＢ１となる。そのため、磁束密度Ｂ１のときの第２ホール素子１６のホール電圧ＶＩがわかれば、図４（ｂ）の温度依存性から第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出することができる。
【００４６】
このように、本実施形態の触覚センサ１０は、上述の様にして第２ホール素子１６のホール電圧の温度特性を利用して、第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出する構成となっているのである。
第２ホール素子は、ＩｎＳｂホール素子２３によるものに限らず、例えばＩｎＡｓホール素子のように、ホール電圧の温度依存性が大きいホール素子であってもよい。
【００４７】
ここで本実施形態の触覚センサ１０の実施例について図８及び図９を用いて説明する。
なお、本実施例において、第１ホール素子１４（ＧａＡｓホール素子２１）及び第２ホール素子１６（ＩｎＳｂホール素子２３）の駆動はいずれも定電流駆動による。また、図１に示すように、対象物２２の上に触覚センサ１０を配置し、基材２０の上側から荷重をかけた状態でこれらのホール素子のホール電圧を測定した。なお、対象物２２は、アルミニウム板を用い、恒温槽によってアルミニウム板の温度を変化させた。
図８（ａ）は、触覚センサ１０において、上述した温度をパラメータとしてー１０℃〜５０℃まで１０℃間隔で振った時の、荷重（単位Ｎ＝ニュートン）とＧａＡｓホール素子２１のホール電圧ＶＧとの関係を示す。
一方、図８（ｂ）は、触覚センサ１０において、荷重をパラメータとして５Ｎ〜２０Ｎまで５Ｎ間隔で振った時の、温度とＧａＡｓホール素子２１のホール電圧ＶＧとの関係を示す。特に図８（ｂ）に示すように、ＧａＡｓホール素子は、温度に対してほとんど略一定のホール電圧ＶＧを発生させることがわかる。すなわち、ＧａＡｓホール素子２１は温度の影響を受けることなく、荷重を検出するホール素子として好適である。また、図８（ａ）に示すように、ホール電圧ＶＧは、荷重に対して略直線的に変化するため、荷重に対する分解能に優れるといえる。
【００４８】
図９（ａ）は、触覚センサ１０において、上述した温度をパラメータとしてー１０℃〜５０℃まで１０℃間隔で振った時の、荷重とＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧ＶＩとの関係を示す。
図９（ｂ）は、触覚センサ１０において、上述した荷重をパラメータとして５Ｎ〜２０Ｎまで５Ｎ間隔で振った時の、温度とＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧ＶＩとの関係を示す。特に、図９（ｂ）に示すように、所定荷重における前記ホール電圧ＶＩの差は、最大で５０ｍｖで、温度に対して略直線的に変化していることから、ＩｎＳｂホール素子２３は、接触した対象物の温度に対する分解能に優れるといえる。
【００４９】
本実施形態の触覚センサ１０を用い、まずＧａＡｓホール素子２１のホール電圧ＶＧから荷重Ｆの情報を取得し、この荷重Ｆが加えられた状態でＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧ＶＩから対象物の温度の情報を取得できる。
例えば、ＧａＡｓホール素子２１のホール電圧ＶＧがー２０．５ｍｖで、ＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧ＶＩが２４０ｍｖであれば、まず図８（ａ）に示す特性から荷重が１５Ｎであることがわかり、図９（ｂ）の特性のうち１５Ｎのときの特性から対象物の温度が略２５℃であることがわかる。
このように、本実施形態の触覚センサ１０は、第１ホール素子１４のホール電圧に基づいて、弾性体１２に加えられる荷重を検出し、第２ホール素子のホール電圧に基づいて、弾性体１２の外部の温度を検出する構成となっているのである。
【００５０】
なお、触覚センサは、図１０に示すように、弾性体１２の表面を例えばＦｅ製の薄網等の磁気シールド層３０で覆う構成であってもよい。弾性体１２の外に磁界が漏れて鉄製品等を付着することを防止するためである。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態の触覚センサ１０ａについて図１１を用いて説明する。
第１実施形態との相違は、磁石１８と第１ホール素子１４との配列を入れ替えて感応部１１ａを構成した点であり、第１実施形態と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
具体的には、図１１に示すように、触覚センサ１０ａの表面側から内側方向に向かって第２ホール素子１６、次に第１ホール素子１４、次に磁石１８の順番で埋設される。
なお、第１実施形態と異なり、本実施形態の触覚センサ１０ａの磁石１８は、図１１に示すように、その極性が上下逆になるように配置される。
【００５２】
このように構成される触覚センサ１０ａの荷重検出方法及び温度検出方法について図１１〜図１３を用いて説明する。なお、図１１（ａ）は、弾性体１２に荷重が略加えられていない状態、すなわち弾性体１２が略自然長の状態で触覚センサ１０ａが対象物と接触した様子を示し、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の状態から、触覚センサ１０ａが対象物に荷重Ｆ１で押し付けられた様子を示す。
また、図１２は、本実施形態の触覚センサ１０ａのバネモデルを示す図であり、１２（ａ）は、図１１（ａ）に対応し、図１２（ｂ）は、図１１（ｂ）に対応する。図１２中の、ｋ１は、磁石１８と第１ホール素子１４との間のバネ定数であり、ｋ２は、磁石１８と第２ホール素子１６との間のバネ定数である。
【００５３】
このようなバネモデルにおいて、磁石１８から第１ホール素子１４までの距離Ｌを変数し、上述したように弾性体１２が自然長の場合の磁石１８から第１ホール素子１４までの距離をＬ０とすると、弾性体１２に加えられる荷重Ｆは、Ｆ＝ｋ１（Ｌ０−Ｌ）の関係で示される（図７参照）。
また、磁石１８から第２ホール素子１６までの距離Ｄを変数とし、上述したように弾性体１２が自然長の場合の磁石１８から第２ホール素子１６までの距離をＬ００とし、弾性体１２に加えられる荷重を変数Ｆとすると、Ｆ＝ｋ２（Ｌ００−Ｄ）の関係で示される。Ｌを横軸にとり、Ｆを縦軸にとると図１３のように表される。
【００５４】
荷重検出方法は、第１実施形態と同様な方法による。
具体的には、図１１（ｂ）に示すように、荷重Ｆ１が加わり弾性体１２が圧縮された状態で、第１ホール素子１４（ＧａＡｓ）のホール電圧ＶＧを測定し、図３（ａ）に示されるホール電圧ＶＧと磁束密度との関係から、このときの磁束密度Ｂ１を求めることにより荷重Ｆ１を検出する方法である。
【００５５】
次に、温度検出方法について説明する。
まず、磁束密度をパラメータとし、図４（ｂ）に示すような定電流駆動における第２ホール素子１６のホール電圧の温度特性を予め求めておく。次に、上述したようにしてＦ１が検出されると、図１３に示す関係から、磁石１８と第２ホール素子１６との距離Ｌ２を求め、次にＢ２＝ｍ／４πＬ２２の関係から第２ホール素子１６を通過する磁界の磁束密度Ｂ２を求める。そして、磁束密度Ｂ２のときの第２ホール素子１６のホール電圧ＶＩから、第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出することができる。
【００５６】
次に、本発明の第３実施形態の触覚センサ１０ｂについて、図１４を用いて説明する。
第３実施形態と第１実施形態との相違点は、図１４に示すように、第１ホール素子１４がＩｎＳｂホール素子２３からなる点である。以下、第１実施形態と同じ部材には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５７】
本実施形態の触覚センサ１０ｂによる荷重検出方法は、第１ホール素子１４としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電圧駆動させつつそのホール電圧ＶＩを測定し、図４（ａ）に示す磁束密度とホール電圧ＶＨとの関係に基づいてＩｎＳｂホール素子２３を通過する磁束密度を求め、次に図５の関係に基づいて、磁石からＩｎＳｂホール素子２３までの距離を求め、そしてフックの法則に基づいて荷重Ｆ１を求める方法による。
ＩｎＳｂホール素子２３のホール電圧は、図４（ｂ）に示すように、定電圧駆動の場合、温度依存性が殆どみられないため、周囲温度や接触対象物の温度に依存することなく、ＩｎＳｂホール素子２３を通過する磁界の磁束密度を検出できる。すなわち、周囲温度や接触対象物の温度に依存することなく荷重Ｆ１を求めることができるのである。
【００５８】
次に、本実施形態の触覚センサ１０ｂによる温度検出方法は、第２ホール素子１６としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電流駆動させてそのホール電圧ＶＩを測定し、第１実施形態と同様に、このホール電圧ＶＩの温度特性を利用して第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出する方法による。
なお、本実施形態におけるＩｎＳｂホール素子に替えて、ＩｎＳｂと同様な特性を有するＩｎＡｓホール素子を用いてもよい。
【００５９】
次に、本発明の第４実施形態の触覚センサ１０ｃについて、図１５を用いて説明する。
第４実施形態と第２実施形態との相違点は、図１５に示すように、第１ホール素子１４としてＩｎＳｂホール素子２３を用いる点である。以下、第２実施形態と同じ部材には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の触覚センサ１０ｃによる荷重検出方法は、第１ホール素子１４としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電圧駆動させつつそのホール電圧ＶＩを測定し、第２実施形態の場合と同様に、このホール電圧ＶＩに基づいて荷重Ｆ１を求める方法による。
【００６１】
また、本実施形態の触覚センサ１０ｃによる温度検出方法は、第２ホール素子１６としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電流駆動させてそのホール電圧ＶＩを測定し、第２実施形態と同様に、このホール電圧ＶＩの温度特性を利用して第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出する方法による。
【００６２】
次に、本発明の第５実施形態の触覚センサ１０ｄについて、図１６を用いて説明する。
第１〜第４実施形態との相違点は、図１６に示すように、感応部１１ｄを形成する２つのホール素子を１つのホール素子とした点である。以下、上述した実施形態と同じ部材には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００６３】
本実施形態の触覚センサ１０ｄの感応部１１ｄは、図１６に示すように、磁石１８と、磁石１８の磁界に応じたホール電圧を発生するＩｎＳｂホール素子２３からなる第３ホール素子１９とを備え、第３ホール素子１９は弾性体１２の表面近傍としての底面近傍に埋設され、磁石１８は、第３ホール素子１９から弾性体１２の内側方向に離隔対応しつつ埋設される。
【００６４】
本実施形態の触覚センサ１０ｄによる荷重検出方法は、第３ホール素子１９としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電圧駆動させつつそのホール電圧ＶＩを測定し、上述したと同様に、磁石１８と第３ホール素子１９との間の距離を検出し、この距離及びフックの法則により荷重Ｆ１を求める方法による。このように、触覚センサ１０ｄは、磁石１８と第３ホール素子１９とが配列した配列方向に加わる荷重を検出可能な構成となっている。
【００６５】
また、本実施形態の触覚センサ１０ｄによる温度検出方法は、第３ホール素子１９としてのＩｎＳｂホール素子２３を定電流駆動させつつそのホール電圧ＶＩを測定し、上述したと同様に、このホール電圧ＶＩの温度特性を利用して第２ホール素子１６の周囲温度、すなわち弾性体１２の表面近傍の温度を検出する方法による。
このように、ホール素子を１つで構成し、定電圧駆動と定電流駆動とを切換えてそれぞれのホール電圧を測定することにより、触覚センサの低コスト化を図ることができる。
なお、第３ホール素子１９は、本実施形態のＩｎＳｂホール素子２３に限るものではなく、上述したＩｎＡｓホール素子で構成してもよい。
【００６６】
これまで説明してきたように、上述してきた実施形態の触覚センサ１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄによれば、接触させる対象物の温度や周囲温度を検出可能であるとともに、センサの温度と等しい対象物に接触させた場合であっても、対象物とセンサとの荷重を確実に検出可能な触覚センサを提供できる。
【００６７】
以上、本発明の実施形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  触覚センサ
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  感応部
１２  弾性体
１４  第１ホール素子
１６  第２ホール素子
１８  磁石
２０  基材
２１  ＧａＡｓホール素子
２２  対象物
２３  ＩｎＳｂホール素子
２５  表面
３０  磁気シールド層
【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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