(57)【要約】【課題】  検出感度が高く、かつ広範囲にわたる触圧を検出することができる触覚センサ素子を提供する。【解決手段】  触覚センサ素子１３は、コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される複数の層が積層して構成されている。複数の層を形成するマトリックス樹脂は、硬度が異なるように構成することが好ましく、また各層に分散されるコイル状炭素繊維の含有量が異なるように構成することが好ましい。例えば、触覚センサ素子１３が２層で構成され、触圧を受ける上層２４を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であって軟らかく、下層２３を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で３０〜１００であって硬くなるように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される複数の層が積層して構成されていることを特徴とする触覚センサ素子。
【請求項２】
前記複数の層を形成する各層のマトリックス樹脂は、硬度の異なるものであることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ素子。
【請求項３】
前記複数の層を形成する各層に分散されるコイル状炭素繊維の含有量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚センサ素子。
【請求項４】
前記複数の層のうち、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の触覚センサ素子。
【請求項５】
前記複数の層は２層であり、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であり、内層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で３０〜１００であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の触覚センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば微小なカテーテルの先端に取付けられ、腹腔鏡手術を容易に行うために用いられる触覚センサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、触覚センサとしては、次のような構成のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。すなわち、触覚センサは、コイルとコンデンサとが直列接続されているＬＣ直列共振回路を複数備えている。このＬＣ直列共振回路には外部発振器及びスペクトルアナライザが接続され、外部発振器により掃引電気信号等の入力信号がＬＣ直列共振回路に入力された後にスペクトルアナライザに出力されるようになっている。ＬＣ直列共振回路はコイルの固有の周波数に基づく共振周波数を有し、スペクトルアナライザに出力される信号はＬＣ直列共振回路の共振周波数に対応する周波数において信号強度が低下する。
【０００３】
そして、触覚センサに触圧が加わったときには触圧によりコイルのピッチ（巻線間隔）や面積が変化し、この変化に伴いコイルのインダクタンスが変化する。ここで、ＬＣ直列共振回路の共振周波数はコイルのインダクタンスの変化に伴い変動する。よって、スペクトルアナライザに出力された信号において、信号強度が低下する位置はＬＣ直列共振回路の共振周波数の変動に伴い変位するために、ＬＣ直列共振回路の共振周波数の変動を検知することができる。このため、触覚センサにより触圧を検出できるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２３６０５９号公報（第２頁〜第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の触覚センサは、コイルとコンデンサとが直列に接続されたＬＣ直列共振回路は、コイルのインダクタンスの変化のみによりその共振周波数が変動する。このため、例えば触覚センサに微弱な触圧が加わることによりコイルのインダクタンスがほとんど変化しないときには、ＬＣ直列共振回路の共振周波数はほとんど変動しない。よって、触覚センサは、コイルのインダクタンスがほとんど変化しない微弱な触圧を検出することができず、検出感度が低いという問題があった。しかも、触圧がインダクタンスの変化のみに基づいて検出されることから、広範囲にわたる触圧を検出することができなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、検出感度が高く、かつ広範囲にわたる触圧を検出することができる触覚センサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の触覚センサ素子は、コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される複数の層が積層して構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明の触覚センサ素子は、請求項１に記載の発明において、前記複数の層を形成する各層のマトリックス樹脂は、硬度の異なるものであることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明の触覚センサ素子は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記複数の層を形成する各層に分散されるコイル状炭素繊維の含有量が異なるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明の触覚センサ素子は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記複数の層のうち、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５に記載の発明の触覚センサ素子は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記複数の層は２層であり、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であり、内層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で３０〜１００であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の触覚センサ素子は、コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される複数の層が積層して構成されている。このため、触覚センサ素子が触圧を受けたとき、その触圧によって複数の各層間において複合共振的な共鳴が起きるものと考えられる。従って、その複合共振的な共鳴に基づいて触覚センサ素子の検出感度が高く、かつ広範囲にわたる触圧を検出することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明の触覚センサ素子は、複数の層を形成する各層のマトリックス樹脂は、硬度が異なるように構成されている。このため、触覚センサ素子が触圧を受けたとき、各層のマトリックス樹脂の硬度の相違に基づいて、各層間における複合共振的な共鳴が増大される。従って、請求項１に係る発明の効果を向上させることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明の触覚センサ素子では、複数の層を形成する各層に分散されるコイル状炭素繊維の含有量が異なるように構成されている。このため、請求項１又は請求項２に係る発明の効果に加えて、各層におけるコイル状炭素繊維の含有量に応じた検出感度及び触圧検出範囲を設定することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明の触覚センサ素子においては、複数の層のうち、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０である。従って、触圧を受ける外層の弾力性が適正なものになり、請求項１から請求項３のいずれか一項に係る発明の効果に加えて、検出感度を向上させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明の触覚センサ素子では、前記複数の層は２層であり、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であり、内層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で３０〜１００である。すなわち、触圧を受ける外層が軟らかく、内層がそれより硬くなるように構成され、触圧を外層で十分に吸収し、内層に伝播することができる。よって、２層の簡単な構成で請求項１から請求項４のいずれか一項に係る発明の効果を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態につき、図面を用いて詳細に説明する。
触覚センサは、コイル状炭素繊維が配合された触覚センサ素子を備えている。その触覚センサ素子は、コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される２層、３層等の複数の層が積層して構成されている。この場合、各層はマトリックス樹脂の種類、硬度等、又はコイル状炭素繊維の種類、含有量等が異なるように構成される。このように、触覚センサ素子として複数の層を積層して形成することにより、各層の相乗的作用によって触覚センサ素子の検出感度を高め、広範囲にわたる触圧（応力）を検出することが可能となる。
【００１７】
そこで、図１（ａ）に基づき触覚センサ１１について説明する。一対の細長い板状をなす電極１２ａ,１２ｂが一定の間隔ｓをおいて配置され、それら電極１２ａ,１２ｂ上には円柱状をなす触覚センサ素子１３が電気的に導通されるように配置されている。電極１２ａ,１２ｂは例えば銅板により形成され、間隔ｓは２．５ｍｍに設定される。各電極１２ａ,１２ｂには第１接続線１４及び第２接続線１５の各一端が接続され、それらの第１接続線１４及び第２接続線１５の他端がＬＣＲ測定装置１６に接続されている。ＬＣＲ測定装置１６には第３接続線１７及び第４接続線１８を介して交流電源１９が接続されている。尚、交流電源１９は直流電源であってもよい。更に、ＬＣＲ測定装置１６は第５接続線２０及び第６接続線２１を介して表示装置としてのデジタルオシロスコープ２２に接続され、電気特性としてインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ、キャパシタンス）及び電気抵抗（Ｒ、レジスタンス）の波形を表示すことができるようになっている。これらの触覚センサ素子１３、電極１２ａ,１２ｂ、ＬＣＲ測定装置１６、交流電源１９、デジタルオシロスコープ２２等により触覚センサ１１が構成されている。
【００１８】
前記触覚センサ素子１３は、例えば図１（ｂ）に示すような２層に構成される。すなわち、下層（内層）２３及び上層（外層）２４がほぼ同じ厚さで円板状に形成され、各層はマトリックス樹脂にコイル状炭素繊維が配合されて構成されている。マトリックス樹脂は誘電体であって、静電容量（Ｃ）を有し、コンデンサとして作用する。触覚センサ素子１３としては、下層２３と上層２４との間に中間層を設けた３層、或いは更に４層以上の構成にすることもできる。マトリックス樹脂としては、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等が用いられる。具体的には、シリコーン樹脂として、信越化学（株）製の商品名、ＫＥ１０３（ＪＩＳ Ａ硬度１８）、ＫＥ１０６（ＪＩＳ Ａ硬度５０）、ＫＥ１２０２（ＪＩＳ Ａ硬度６５）等が挙げられる。スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂として、（株）クラレの商品名、セプトン樹脂＃４０３３（ＪＩＳ Ａ硬度７６）、＃８１０４（ＪＩＳ Ａ硬度９８）等が挙げられる。液状エポキシ樹脂として大日本インキ化学工業（株）の商品名、EXA-5850-150等が挙げられる。ゲル状形態をなすゲル樹脂として、大場機工（株）の商品名、ゲル-OK-パッキング等が挙げられる。ウレタン樹脂として日本ポリウレタン（株）の商品名、コロネート４３８７等が挙げられる。
【００１９】
マトリックス樹脂の硬さは触覚センサの感度を向上させる上で重要であり、マトリックス樹脂として弾性力の優れたシリコーン樹脂等を用いた場合には、微小な触圧でも伸縮してその触圧を高感度で検出することができる。一方、硬いシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、セプトン樹脂等を用いた場合には、大きな触圧でないと伸縮せず、触覚センサ素子の感度は低いが、幅広い触圧範囲を検出することができる。
【００２０】
具体的には、マトリックス樹脂の硬さはＪＩＳ Ａ硬度（ＪＩＳ Ｋ６３０１）で１０〜１００が好ましく、１５〜５０がより好ましい。ＪＩＳ Ａ硬度で１０未満の場合には、マトリックス樹脂が軟らかくなり過ぎて、ノイズの検出が大きくなって好ましくない。一方、ＪＩＳ Ａ硬度が１００を越える場合には、マトリックス樹脂が硬くなり過ぎて、触圧の伝播性が悪く、検出感度が低下する。
【００２１】
触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度は、内層を形成するマトリックス樹脂の硬度より小さくなるように、すなわち軟らかくなるように構成することが好ましい。この場合、外層における触圧の吸収性を向上させることができ、従って触圧の検出感度を高めることができ、広範囲にわたる触圧に対応することができる。
【００２２】
更に、触覚センサ素子１３が２層構成の場合には、上層２４が軟らかく、下層２３がそれより硬くなるように設定することが望ましい。触覚センサ素子１３に印加される触圧は、まず外層である上層２４に加わる。その触圧を十分に検出するために、上層２４には弾力性を持たせることが好ましい。その上層２４で吸収された触圧は更に下層２３に伝播され、下層２３で検出される。このため、下層２３においても触圧を十分に検出することができる。更に、上層２４と下層２３との間に中間層を設けて３層構成にした場合にも、上層２４が中間層及び下層２３よりも軟らかくなるように設定することが好ましい。
【００２３】
上記各層の積層の形態は、２層の場合には外層がシリコーン樹脂層で内層がセプトン樹脂層、外層がウレタン樹脂層で内層がセプトン樹脂層等の組合せが挙げられる。また、３層の場合には、外層がシリコーン樹脂層で中間層がセプトン樹脂層で内層がゲル樹脂層、外層がセプトン樹脂層で中間層がゲル樹脂層で内層がシリコーン樹脂層等の組合せが挙げられる。
【００２４】
各層の厚さは好ましくは０．０１〜１０ｍｍ、より好ましくは０．１〜３ｍｍ、最も好ましくは０．５〜１ｍｍである。各層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、触覚センサ素子への外部からの触圧による伸縮が不足し、その触圧を十分に検出できないおそれがある。一方、各層の厚さが１０ｍｍを越える場合には、触覚センサ素子１３の全体に触圧が十分に伝達されず、検出精度が低下する傾向となる。
【００２５】
前記各層はマトリックス樹脂にコイル状炭素繊維が配合されて形成され、積層されるが、各層を接合する方法としては、次のような方法が採用される。
ａ）各層を形成した後、各層間を接着剤を用いて接着する方法。
【００２６】
ｂ）各層を形成し、各層が溶融状態にある段階で重ね合せて接合する方法。
ｃ）各層を形成した後、各層の表面が粘着性を有するとき、圧着して接合する方法。
次に、前記各層にはコイル状炭素繊維が分散されるが、そのコイル状炭素繊維としては一重巻きのコイル状炭素繊維、二重巻きのコイル状炭素繊維、超弾性コイル又はそれらの混合物等が用いられる。コイル状炭素繊維は伸縮性（弾力性）があり、その伸縮により電気特性であるインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）が変化するため、それらの変化量に基づいて触圧を検出することができる。例えば、コイル状炭素繊維を伸ばすと上記Ｌ、Ｃ及びＲが増加し、収縮させるとＬ、Ｃ及びＲが減少する。具体的には、コイル状炭素繊維を４ｍｍ伸ばすと、Ｌは０．１ｍＨ増加し、Ｃは６００ｐＦ増加し、Ｒは４．５ｋΩ増加する。そして、コイル状炭素繊維を収縮させて元の長さに戻すと、Ｌ、Ｃ及びＲは元の値まで再現性良く戻る。
【００２７】
コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂中に分散させたときには、外部から触圧が加わったとき、まずマトリックス樹脂が伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、マトリックス樹脂を介してコイル状炭素繊維に加わる触圧に基づいて前記Ｌ、Ｃ及びＲの値が変化する。
【００２８】
一重巻きのコイル状炭素繊維２５は、図２（ａ）に示すように、１本のコイル２６の直径Ｄが０．０１〜５０μｍ、コイル２６のピッチＰが０．０１〜１０μｍ及びコイル２６の長さＸが０．１〜１０ｍｍとなるように構成されている。製造の容易性等の観点から、コイル２６の直径Ｄは０．１〜１０μｍであることが好ましく、ピッチＰは０．１〜１０μｍであることが好ましい。このコイル状炭素繊維２５は、一定の太さを有するコイル２６が一定のピッチＰ（間隔）をおいて一重巻きで螺旋状に延びるように形成されている。このため、一重巻きのコイル状炭素繊維２５は、弾力性に優れ、あらゆる方向からの触圧に対して容易に変形し、従ってあらゆる方向からの触圧を高感度で検出することができる。
【００２９】
一方、図２（ｂ）に示すように、二重巻きのコイル状炭素繊維２７の場合には、２本のコイル２８ａ,２８ｂが交互に密接した状態で螺旋状に延び、従って全体としてほぼ円筒状をなし、中心には空洞が形成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維２７は、直径Ｄが０．０１〜５０μｍ、ピッチＰがほぼ０及び長さＸが０．１〜１０ｍｍとなるように構成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維２７は弾力性が乏しく、触圧を受けたときに変位しにくいという性質がある。
【００３０】
また、超弾性コイルはコイルの直径が大きく、線径が小さいものをいい、弾力性がより大きいコイルのことをいう。具体的には、超弾性コイルは、コイルの直径が５〜５０μｍ、コイルのピッチが０．１〜１０μｍ及びコイルの長さが０．３〜５ｍｍとなるように構成されている。尚、コイル状炭素繊維の巻き方向は、コイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）又は反時計方向（左巻き）のいずれであってもよい。
【００３１】
コイル状炭素繊維の含有量は、マトリックス樹脂中に０．１〜５０質量％であることが好ましく、１〜１０質量％であることがより好ましい。この含有量が０．１質量％未満の場合には、マトリックス樹脂中におけるコイル状炭素繊維の割合が少なく、コイル状炭素繊維に基づく触覚センサの感度が低下する。一方、含有量が５０質量％を越える場合には、マトリックス樹脂中におけるコイル状炭素繊維の割合が多くなり過ぎて硬くなり、触覚センサ素子の感度が低下すると共に、成形性等も悪くなる傾向を示す。
【００３２】
触覚センサ素子１３を２層構成にした場合には、上層２４中のコイル状炭素繊維の含有量より下層２３中の含有量が多くなるように設定することが好ましい。触覚センサ素子１３に印加される触圧は、まず外層である上層２４に加わり、その上層２４から下層２３に伝播されるため、下層２３での変位が小さくなる。従って、下層２３における感度を上げて触圧の検出精度を向上させることが望ましい。このため、上層２４と下層２３との間に中間層を設けて３層構成にした場合には、コイル状炭素繊維の含有量を、上層２４、中間層、下層２３の順に多くなるように設定することが好ましい。
【００３３】
前記コイル状炭素繊維の表面には、導電性を高めるために、金、銅等の金属薄膜を形成することにより、触覚センサ素子１３の感度及び安定性を向上させることができる。また、各層を形成するマトリックス樹脂中には、コイル状炭素繊維以外に気相成長繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノファイバー、炭素粉末、金属粉末、誘電体粉末、圧電体粉末等を配合することもできる。
【００３４】
前記マトリックス樹脂にコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、次のような方法が採用される。
１）マトリックス樹脂にコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に流し込み、その後プレス成形する方法。この方法は、マトリックス樹脂としてシリコーン樹脂を用いる場合等に採用される。
【００３５】
２）マトリックス樹脂のペレットに可塑剤を添加した後、加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。この方法は、マトリックス樹脂としてセプトン樹脂を用いる場合等に採用される。
【００３６】
３）マトリックス樹脂を加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。この方法は、マトリックス樹脂としてゲル樹脂を用いる場合等に採用される。
【００３７】
前記マトリックス樹脂にコイル状炭素繊維が配合されて形成された触覚センサ素子１３においては、外部から触圧を受けると、マトリックス樹脂が伸縮して静電容量（Ｃ）が変化すると共に、コイル状炭素繊維が伸縮してインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）が変化する。そして、両者が共振的に共鳴し、触覚センサ素子全体の電気特性が著しく変化して外部からの触圧を検出することができる。
【００３８】
さて、コイル状炭素繊維を、シリコーン樹脂等のマトリックス樹脂に配合して円板状に成形することにより触覚センサ素子１３の各層が形成される。そして、各層を例えば接着剤で接着することにより、２層が積層された触覚センサ素子１３が得られる。そして、その触覚センサ素子１３の外層に触圧が加わったとき、外層を形成するマトリックス樹脂が触圧を吸収すると共に、外層中に配合されているコイル状炭素繊維がマトリックス樹脂を介して変位する。更に、触圧は内層を形成するマトリックス樹脂及びその中に配合されているコイル状炭素繊維に伝播される。そして、内層を形成するマトリックス樹脂が触圧を吸収すると共に、内層中に配合されているコイル状炭素繊維も変位する。
【００３９】
この場合、触覚センサ素子１３のマトリックス樹脂は静電容量（Ｃ）成分として作用し、コイル状炭素繊維はＬＣＲ共振回路として作用し、従って機械力学的変動が電気的変動に変換される。このため、ＬＣＲ共振回路の電圧等が変動し、その変動がＬＣＲ測定装置１６で測定され、デジタルオシロスコープ２２に表示される。このとき、外層及び内層のコイル状炭素繊維がマトリックス樹脂を介して複合共振的に作用する。よって、触覚センサ素子１３は、微小な触圧を十分に検出することができると共に、広範囲にわたる触圧についても検出することができる。
【００４０】
以上の第１実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・  第１実施形態の触覚センサ素子１３は、コイル状炭素繊維をマトリックス樹脂に分散させて形成される複数の層が積層して構成されている。このため、触覚センサ素子１３が触圧を受けたとき、その触圧によって複数の各層間において複合共振的な共鳴が起きるものと考えられる。従って、その複合共振的な共鳴に基づいて触覚センサ素子１３の検出感度が高く、かつ広範囲にわたる触圧を検出することができる。
【００４１】
・  更に、複数の層を形成する各層のマトリックス樹脂は、硬度が異なるように構成されている。このため、触覚センサ素子１３が触圧を受けたとき、各層のマトリックス樹脂の硬度の相違に基づいて、各層間における複合共振的な共鳴が増大される。従って、触覚センサ素子の検出感度を一層高めることができる。
【００４２】
・  また、触覚センサ素子１３は、複数の層を形成する各層に分散されるコイル状炭素繊維の含有量が異なるように構成されている。このため、各層におけるコイル状炭素繊維の含有量に応じた検出感度及び触圧検出範囲を設定することができる。
【００４３】
・  更に、触覚センサ素子１３においては、複数の層のうち、触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０である。従って、触圧を受ける外層の弾力性を適正になものにでき、検出感度を向上させることができる。
【００４４】
・  加えて、触覚センサ素子１３では、複数の層は２層であり、触圧を受ける外層のマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で１０〜３０であり、内層のマトリックス樹脂の硬度がＪＩＳ Ａ硬度で３０〜１００に設定されている。つまり、触圧を受ける外層が軟らかく、内層がそれより硬くなるように構成され、触圧を外層で十分に吸収し、内層に伝播することができる。よって、２層の簡単な構成により、高い検出感度で広範囲にわたる触圧検出を行うことができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例及び比較例を挙げて、前記実施形態を更に具体的に説明する。
（実施例１）
上層及び下層の２層を積層することにより触覚センサ素子を調製した。
【００４６】
上層のマトリックス樹脂としてシリコーン樹脂（信越化学（株）製、ＫＥ１０３、ＪＩＳ  Ａ硬度が１８）を用い、下層のマトリックス樹脂としてセプトン樹脂〔（株）クラレ製、セプトン＃４０３３、ＪＩＳ  Ａ硬度７６〕を用いた。コイル状炭素繊維は、上層及び下層の各層中に５質量％配合した。
【００４７】
その触覚センサ素子について、触圧１〜２００ｍＮ（ｇｆ）でインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）を測定した。測定にはアジレントテクノロジー社の精密インピーダンスアナライザー、E-4991Aを用いた。電極間距離は２．５ｍｍ、触覚センサ素子は直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤状とした。触圧は直径３ｍｍの木製の棒で触覚センサ素子表面に一定触圧を１〜３秒間断続的に印加したときのインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）の平均的変化量を測定した。最小検出感度は、微小分銅を触覚センサ素子上に置いて触圧を加え、インダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）とスペクトルのＳ／Ｎ比から求めた。いずれの場合も触圧の大きさは電子天秤で測定した。
【００４８】
それらの結果を図３、図４及び表１に示した。尚、コイル状炭素繊維はマトリックス樹脂中に３次元的に均一分散していた。触覚センサ素子に０．１ｍＮの触圧を印加したときのインダクタンス、静電容量及び電気抵抗を測定し、その結果を図３（ａ）〜（ｃ）に示した。図３（ａ）において、縦軸のインダクタンスの１目盛りは１ｍＨを表し、図３（ｂ）において、縦軸の静電容量の１目盛りは０．１ｐＦを表し、図３（ｃ）において、縦軸の電気抵抗の１目盛りは０．１ｋΩを表す。
【００４９】
図３（ａ）に示したように、触圧を加えるとインダクタンスの変化がパルス状のピークとして現れた。図３（ｂ）に示したように、触圧を加えると静電容量の変化もパルス状のピークとして現れた。図３（ｃ）に示したように、触圧を加えると電気抵抗の変化もパルス状のピークとして現れた。また、微小触圧（０．００１〜０．１ｍＮ）を印加したときの静電容量の変化を図４に示した。図４において、縦軸の静電容量の１目盛りは０．２ｐＦを表す。図４に示すように、触圧を０．１ｍＮから次第に小さくし、０．００１ｍＮに到っても静電容量の変化を認めることができ、最小検出感度に優れていることがわかった。
（実施例２）
上層のマトリックス樹脂としてシリコーン樹脂（信越化学（株）製、ＫＥ１０６、ＪＩＳ  Ａ硬度が５０）を用いたほかは、実施例１と同様にして最小検出感度及び最大検出感度を測定した。最小検出感度は０．００８ｍＮ及び最大検出感度は３００ｍＮであった。
（実施例３）
上層のマトリックス樹脂としてシリコーン樹脂（信越化学（株）製、ＫＥ１２０２、ＪＩＳ  Ａ硬度が６５）を用いたほかは、実施例１と同様にして最小検出感度及び最大検出感度を測定した。最小検出感度は０．００１ｍＮ及び最大検出感度は３００ｍＮであった。
（実施例４）
下層のマトリックス樹脂としてセプトン樹脂〔（株）クラレ製、セプトン＃８１０４、ＪＩＳ  Ａ硬度９８〕を用いたほかは、実施例１と同様にして最小検出感度及び最大検出感度を測定した。最小検出感度は０．００５ｍＮ及び最大検出感度は４５０ｍＮであった。
（実施例５）
上層のマトリックス樹脂としてセプトン樹脂〔（株）クラレ製、セプトン＃４０３３、ＪＩＳ  Ａ硬度７６〕を用い、下層のマトリックス樹脂としてシリコーン樹脂（信越化学（株）製、ＫＥ１０３、ＪＩＳ  Ａ硬度が１８）を用いたほかは、実施例１と同様にして静電容量の変化、最小検出感度及び最大検出感度を測定した。その結果、１０ｍＮの触圧で１ｐＦの静電容量の変化を示し、その後触圧の増加に伴なって静電容量が増加した。また、最小検出感度は１０ｍＮ、最大検出感度は２５０ｍＮであった。
（実施例６）
下層のマトリックス樹脂としてゲル樹脂〔大場機工（株）の商品名、ゲル-OK-パッキング、ＪＩＳ  Ａ硬度４５〕を用いると共に、上層中のコイル状炭素繊維の含有量を３質量％としたほかは、実施例１と同様にして静電容量の変化、最小検出感度及び最大検出感度を測定した。その結果、１ｍＮの触圧で０．１ｐＦの静電容量の変化を示し、その後触圧の増加に伴なって静電容量が増加した。また、最小検出感度は０．０５ｍＮ及び最大検出感度は２７０ｍＮであった。
（実施例７）
上層のマトリックス樹脂としてウレタン樹脂〔日本ポリウレタン（株）の商品名、コロネート４３８７、ＪＩＳ  Ａ硬度７５〕を用いると共に、上層中のコイル状炭素繊維の含有量を３質量％とし、下層中のコイル状炭素繊維の含有量を１０質量％としたたほかは、実施例１と同様にして静電容量の変化、最小検出感度及び最大検出感度を測定した。その結果、１ｍＮの触圧で０．１ｐＦの静電容量の変化を示し、その後触圧の増加に伴なって静電容量が増加した。また、最小検出感度は０．０５ｍＮ及び最大検出感度は１００ｍＮであった。
【００５０】
【表１】
2006084354.tif 000003
（実施例８）
表２に示すような組成の３層構造を有する触覚センサ素子を調製し、実施例１と同様にして検出感度を測定した。コイル状炭素繊維の含有量は、次のように設定した。シリコーン樹脂中に１質量％／セプトン樹脂中に３質量％／ゲル樹脂中に５質量％。シリコーン樹脂中に２質量％／ゲル樹脂中に４質量％／セプトン樹脂中に７質量％。セプトン樹脂中に３質量％／ゲル樹脂中に５質量％／シリコーン樹脂中に１０質量％。
【００５１】
表２に示したように、最外層のマトリックス樹脂としてシリコーン樹脂を用いた場合には、高い検出感度と幅広い測定範囲が得られることがわかる。また、最外層のマトリックス樹脂としてセプトン樹脂を用いた場合には、１０ｍＮでも信号はほとんど出なかった。
【００５２】
【表２】
2006084354.tif 000004
（比較例１）
表３に示すように、マトリックス樹脂としてシリコーン樹脂を用い、コイル状炭素繊維を５質量％配合した単層の触覚センサ素子を使用した。そして、実施例１と同様にして、静電容量の変化を測定した。その結果、触圧１０ｍＮで５ｐＦの静電容量の変化を示したが、それ以上の触圧ではほとんど変化せず一定であった。すなわち、１０ｍＮ以上の触圧の変化量を検出することができなかった。また、最小検出感度は０．００１ｍＮ、最大検出感度は１０ｍＮであった。
（比較例２）
表３に示すように、マトリックス樹脂としてセプトン樹脂を用いたほかは、比較例１と同様にして単層の触覚センサ素子を使用した。そして、比較例１と同様にして、静電容量の変化を測定した。その結果、触圧１００ｍＮで３０ｐＦの静電容量の変化を示したが、２００ｍＦの触圧ではほとんど変化せず一定であった。その結果を図５にも示した。図５において、縦軸の静電容量の１目盛りは０．０２ｐＦを表す。すなわち、１００ｍＮ以上の触圧の変化量を検出することができなかった。また、最小検出感度は５ｍＮ、最大検出感度は５０ｍＮであった。
（比較例３）
表３に示すように、マトリックス樹脂としてウレタン樹脂を用いたほかは、比較例１と同様にして単層の触覚センサ素子を使用した。そして、比較例１と同様にして、静電容量の変化を測定した。その結果、触圧５０ｍＮで４ｐＦの静電容量の変化を示したが、それ以上の触圧ではほとんど変化せず一定であった。すなわち、５０ｍＮ以上の触圧の変化量を検出することができなかった。また、最小検出感度は０．００５ｍＮ、最大検出感度は５０ｍＮであった。
（比較例４）
表３に示すように、マトリックス樹脂としてゲル樹脂を用いたほかは、比較例１と同様にして単層の触覚センサ素子を使用した。そして、比較例１と同様にして、静電容量の変化を測定した。その結果、触圧５０ｍＮで５ｐＦの静電容量の変化を示し、触圧１００ｍＮで２０ｐＦの静電容量の変化を示したが、それ以上の触圧ではほとんど変化せず一定であった。すなわち、１００ｍＮ以上の触圧の変化量を検出することができなかった。また、最小検出感度は１０ｍＮ、最大検出感度は１００ｍＮであった。
【００５３】
【表３】
2006084354.tif 000005
尚、前記実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。
【００５４】
・  複数の層を形成するマトリックス樹脂として、硬度等の異なる同種の樹脂を使用することもできる。この場合、層間の接合を熱融着等の手段により容易に行うことができる。
【００５５】
・  複数の層を形成するマトリックス樹脂として同種の樹脂を用い、コイル状炭素繊維の含有量を変えることもできる。
・  コイル状炭素繊維として一重巻きのコイル状炭素繊維のみを所定量配合して使用することもできる。この場合、触覚センサ素子の検出感度をより向上させることができる。
【００５６】
・  コイル状炭素繊維として一重巻きのコイル状炭素繊維を外層に配合し、二重巻きのコイル状炭素繊維を内層に配合することもできる。この場合、特に外層で触圧を十分に吸収でき、検出感度を高めることができる。
【００５７】
更に、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・  触圧を受ける外層を形成するマトリックス樹脂の硬度が内層を形成するマトリックス樹脂の硬度より小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の触覚センサ素子。このように構成した場合、触圧の吸収性を向上させてその検出感度を高めることができ、広範囲にわたる触圧に対応することができる。
【００５８】
・  前記コイル状炭素繊維の含有量は、外層中の含有量より内層中の含有量が高くなるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の触覚センサ素子。このように構成した場合、触圧の検出精度を向上させることができる。
【００５９】
・  前記コイル状炭素繊維は、一重巻きのコイル状炭素繊維であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の触覚センサ素子。このように構成した場合、一重巻きのコイル状炭素繊維の特性に基づいて、触圧の検出感度をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】（ａ）は触覚センサの電気的特性を測定する装置を示す概略説明図、（ｂ）は触覚センサ素子を示す断面図〔（ａ）の１ｂ−１ｂ線における断面図〕。
【図２】（ａ）は一重巻きのコイル状炭素繊維を示す正面図、（ｂ）は二重巻きのコイル状炭素繊維を示す正面図。
【図３】（ａ）はインダクタンスと時間との関係を示すグラフ、（ｂ）は静電容量と時間との関係を示すグラフ、（ｃ）は電気抵抗と時間との関係を示すグラフ。
【図４】最小検出感度を測定するための静電容量と時間との関係を示すグラフ。
【図５】単層の触覚センサ素子に触圧を印加した場合の静電容量と時間との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６１】
１３…触覚センサ素子、２３…内層としての下層、２４…外層としての上層、２５…一重巻きのコイル状炭素繊維、２７…二重巻きのコイル状炭素繊維。
【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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