(57)【要約】【課題】押圧力だけでなく、ずり応力または滑り摩擦も検出することができる触力覚センサ、触力覚センサの製造方法および触力覚センサを用いた検知方法を提供する。【解決手段】触力覚センサ１００ａは、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシート１と、第一のシート１上に配置される可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第二のシート２と、を備え、第二のシート２は、第一のシート１に対向する面と反対側の面に複数の突起３を有し、複数の突起３の内側面には少なくとも１本の第二電極パターン５ａおよび５ｂが配置され、第二のシート２と第一のシート１とが固定され、突起３の内側面と第一のシート１との間に密閉空間４を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシートと、
可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有し、前記第一のシートに対向する第一の面と前記第一の面の反対側の第二の面とを有する第二のシートと、
を備え、
前記第二の面は、複数の突起形状を有し、
前記複数の突起形状のそれぞれの内部には、前記第二のシートの前記第一の面および前記第一のシートで画定される密閉空間が存在し、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記第一のシート上に少なくとも１本の第一電極パターンが配置され、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記第一の面に少なくとも１本の第二電極パターンが配置され、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記少なくとも１本の第一電極パターンの数および前記少なくとも１本の第二電極パターンの数の少なくとも一方は複数である、
触力覚センサ。
【請求項２】
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記少なくとも１本の第二電極パターンは、複数の第二電極パターンを含み、
前記複数の第二電極パターンは平行に延在している、
請求項１に記載の触力覚センサ。
【請求項３】
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記少なくとも１本の第一電極パターンは、前記複数の第一電極パターンを含み、
前記複数の第一電極パターンは平行に延在している、
請求項１または２に記載の触力覚センサ。
【請求項４】
前記第一の面において、前記複数の突起形状のそれぞれ周囲の部分は前記第一のシートに接着されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１本の第二電極パターンと、前記少なくとも１本の第一電極パターンとが、平面視において交差する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項６】
前記第二のシートはエラストマーで構成される、
請求項１から５のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項７】
前記少なくとも１本の第一電極パターンおよび前記少なくとも１本の第二電極パターンは伸縮性を有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項８】
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内の前記少なくとも１本の第二電極パターンは、他の密閉空間内の前記少なくとも１本の第二電極パターンに電気的に接続されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項９】
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内の前記少なくとも１本の第一電極パターンは、他の密閉空間内の前記少なくとも１本の第一電極パターンに電気的に接続されている、
請求項１から８のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項１０】
前記密閉空間内に流体が封入されている、
請求項１から９のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項１１】
前記複数の突起形状の各々が、平面視において、蛇行形状を有する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の触力覚センサ。
【請求項１２】
前記可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシート上に複数の第一電極パターンを形成し、
前記可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有し、第一の面と前記第一の面の反対側の第二の面とを有する第二のシートの前記第一の面上に複数の第二電極パターンを形成し、
前記第二のシートの前記第一の面に複数の凹形状を形成することで、前記第二の面に複数の突起形状を形成し、
前記複数の突起形状のそれぞれの内部に、前記第二のシートの前記第一の面および前記第一のシートで画定される密閉空間を形成するように、前記第一および第二のシートを配置し、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内おいて、前記複数の第一電極パターンのうちの少なくとも１本が配置され、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記複数の第二電極パターンのうちの少なくとも１本が配置され、
前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記少なくとも１本の第二電極パターンの数および前記少なくとも１本の第二電極パターンの数の少なくとも一方は、複数である、
触力覚センサの製造方法。
【請求項１３】
前記第一および第二のシートを配置する工程では、前記第一の面において、前記複数の突起形状のそれぞれ周囲の部分を前記第一のシートに接着する、
請求項１２に記載の触力覚センサの製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の触力覚センサに含まれる少なくとも１本の前記第二電極パターンと、少なくとも１本の前記第一電極パターンとの間に生じる静電容量の変化を測定し、
前記静電容量の変化に基づいて前記複数の突起形状のうち少なくとも一つの突起形状の変形を検知する、
検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触力覚の情報を取得する触力覚センサ、触力覚センサの製造方法および触力覚センサを用いた検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用ロボット向けに、一定の形状および硬度を有する対象物、例えば、自動車の組み立て部品などを把持するためのセンサが開発されている。
【０００３】
産業用ロボットの把持力を制御するためのセンサとして、例えば、特許文献１の接触センサが知られている。特許文献１の接触センサは、柔軟な材料によって気密性を保持した袋状の把持部の内部に、液状の圧力伝達流体を封入し、圧力検出器によって該流体の圧力変化を測定して、把持部と物体の接触を検出する。また、特許文献２は、多数の電極、感圧導電性ゴム、コモン電極および取付部より構成されるロボットハンド用の触覚センサを開示している。
【０００４】
ずり応力を検出するセンサとして、例えば、特許文献３は、ロボット用力覚センサなどに利用される力検出位置変位装置を開示している。また、滑り摩擦を検出するセンサとして、例えば、特許文献４の滑り検出装置が知られている。特許文献４の検出装置は、圧力センサと膨出部を有する接触子とを連結して、膨出部が対象物との間に生ずるせん断振動を圧力センサに伝達する。
【０００５】
また、近年のロボティクス技術の進展に伴い、人の作業を支援するロボット、人が行なう作業を人と共に作業支援する協働型のロボットなど、人間に何らかのサービスを提供するサービスロボットに用いられるセンサの開発も行われている。
【０００６】
サービスロボット用の触覚センサとして、例えば、特許文献５は、積層方向のバネ定数が異なる複数の誘電層からなる誘電体の表側と裏側に電極を設けた静電容量型センサを開示している。また、特許文献６は、対象物の接触により弾性変形可能な弾性膜と、弾性膜の変形に応じて位置が移動する超音波反射体と、超音波を発信および反射された超音波を受信する超音波素子と、超音波素子を制御する制御部と、を備える触覚センサを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−１６３９３号公報
【特許文献２】特開昭６０−１１４４９３号公報
【特許文献３】特開平１−２９５７９１号公報
【特許文献４】特開平１−３１６１９４号公報
【特許文献５】特開２０１１−２３７２８８号公報
【特許文献６】特開２０１２−１４１２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示の一態様は、対象物に対する押圧力だけでなく、ずり応力または滑り摩擦も検出できる触力覚センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様に係る触力覚センサは、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシートと、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有し、前記第一のシートに対向する第一の面と前記第一の面の反対側の第二の面とを有する第二のシートと、を備えている。前記第二の面は、複数の突起形状を有する。前記複数の突起形状のそれぞれの内部には、前記第二のシートの前記第一の面および前記第一のシートで画定される密閉空間が存在する。前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記第一のシート上に少なくとも１本の第一電極パターンが配置される。前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記第一の面に少なくとも１本の第二電極パターンが配置される。前記複数の突起形状のそれぞれの前記密閉空間内において、前記少なくとも１本の第一電極パターンの数および前記少なくとも１本の第二電極パターンの数の少なくとも一方は複数である。
【００１０】
なお、本開示の包括的または具体的な態様は、センサ、装置、システム、方法、またはこれらの任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の触力覚センサによれば、対象物に対する押圧力だけでなく、ずり応力または滑り摩擦も検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る触力覚センサの構成を模式的に示した説明図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る触力覚センサの構成を模式的に示した上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線における概略断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る触力覚センサの動作を模式的に示した断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る触力覚センサの製造方法を説明する図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態２に係る触力覚センサの構成を模式的に示した上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＶＢ−ＶＢ線における概略断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、参考形態に係る触力覚センサの構成を模式的に示した上面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線における概略断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施の形態３に係る触力覚センサの構成を模式的に示した斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における断面の一部を示した概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本開示に至った知見）
まず、本発明者らが本開示の触力覚センサを案出するに至った前段階の思想について説明する。
【００１４】
従来、ロボットは、専ら産業用途向けであった。しかし、近年のロボティクス技術の進展に伴い、ロボティクス機器の様々なシーンへの展開が進んでいる。そのようなロボティクス機器としては、遠隔操作用のマニプレータまたはロボットハンドなど人の作業を支援するロボット、人が行なう作業を人と共に作業支援する協働型のロボット、人の機能または能力を補完するアシストスーツ、電動義手および義足、さらに人の生活の中で共存して作業を行なう家事ロボットなど、がある。
【００１５】
これらのシーンにおいて、例えば人と同じような作業を実現するには、様々な形態および材質の対象物をトラブル無く把持する必要がある。また、その把持の制御のためには人の手の触力覚に迫るセンシングが必要になる。また、ロボティクス機器が人と協働して活動するに際しては、人に合わせた微妙な力加減の制御、および人を傷付けないといったケアが必要である。よって、ここでも触力覚センシングが重要になっている。
【００１６】
ロボットが対象物を把持する力を制御するなどの用途として、その把持力を検出する触力覚センサが古くから開示されている。例えば、特許文献１に開示されている触覚センサでは、流体を封入した箱状の把持部で対象物を把持し、把持力によって箱状の把持部が変形して封入流体を押し、それを圧力検出器で測定して把持力の情報を得ている。また、特許文献２に開示されている触覚センサでは、マトリックス状の配線パターンを形成したベースフィルムとカバーフィルムとで感圧導電性ゴムを挟み込んで、面状に多点の圧力分布を測れるようにしている。特許文献１、特許文献２のいずれにしても旧来の触覚センサでは把持力といった圧力の情報しか得ることができなかった。産業用ロボットのように、対象物の形状および材質がある程度制約された中での作業に用いられるロボティクス機器であれば、把持力の情報取得だけで制御が可能である。しかしながら、人との協働または共存するロボティクス機器などを想定すると、対象物は、機械部品または電子部品のような固いものだけでなく、人の作業または生活環境で使用する様々なものとなり得る。例えば、対象物の形状は大きいものから小さいものまで様々である。また、対象物の材質も、食品のように柔らかくてもろいものであったり、ガラスのように強く把持すると割れるものであったり、弱く把持すると滑って落ちるものであったりといった様々なものとなる。そのため、人との協働または共存するロボティクス機器では、把持する対象物に応じた制御が必要になる。よって、把持力の検出のみではこれを達成できなくなっている。
【００１７】
そこで、様々な対象物に触れたり把持したりするロボティクス機器において、対象物の表面の凹凸など様々な形状に追随した触覚センサの表面状態の検出、対象物の表面に対して擦る方向のずり応力または滑り摩擦の検出が重要になっている。
【００１８】
特許文献３は、従来のずり応力の検出方法の例として、力検出およびアクチェータを一体化した位置決め装置を開示している。この装置は、円盤状の構造体の中心に棒状の力伝達体を立てた構成を有する。この棒状の力伝達体の先に、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の応力が加わった場合、その加わった応力に応じて円盤状の構造体が歪む。その歪を円盤の円周上のＸ方向とＹ方向に配置した歪みセンサで検出することで、Ｚ方向の応力とＸ，Ｙ平面のずり応力の情報を取得する。この例のようにずり応力を含めて３軸方向の応力を検出するセンサは多数の例がある。この例では、棒状の力伝達体の先端のように極めて小さい箇所に加わった応力を検出する。そのため、上記センサを用いたロボティクス装置が対象物を把持した際に対象物に加わる圧力が局所的に大きくなり対象物に損傷を与える可能性がある。また、小さい接触面積では対象物を把持できない可能性がある。また、上記センサは、複雑な構造体であるため、製造コストが高くなり、また、ロボットハンドの指先など限られたスペースに設置することが困難である。
【００１９】
特許文献４に開示された滑り検出装置は、対象物に触れる膨出部が対象物との間の滑り摩擦によって振動し、その振動を圧力センサに伝達して検出する滑り摩擦センサの例である。この滑り検出装置で検出できるのは摩擦振動のみである。しかし、ロボットハンドなどのロボティクス装置においては、滑り摩擦振動だけでなく、滑りの方向を知るためのずり応力などの情報が取得できる必要がある。これらの情報が取得できないと、適切な制御へのフィードバックが困難である。また、この事例のように膨出部と圧力センサと振動伝達部とを分けた複雑な構造体は、製造コストが高くなり、ロボットハンドの指先など限られたスペースに設置することが困難である。
【００２０】
以上のように、人と協働や共存するロボティクス機器などにおける微妙な制御に適応できる、つまり、対象物に対する押圧力だけでなくずり応力または滑り摩擦も検出できるセンサが実現されているとは言えない。
【００２１】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、本開示の触力覚センサに想到した。本開示の触力覚センサでは、対象物と接触するエラストマーシートに、所定の幅を持った凸形状を有する複数の突起を形成し、その凸形状の周囲においてエラストマーシートとベースシートとを接着固定して突起内部に密閉空間を形成する。本開示の触力覚センサは、複数の突起が対象物に接触したときの変形状態を検知する。これにより、複数の突起が対象物から受けた圧力を検出できるだけでなく、ずり応力による変形または滑り摩擦による摩擦振動なども検出できる。さらに、突起を設けたエラストマーシートと、ベースシートと、突起の変形状態を検知する検知部といった簡単な構成で、触力覚センサをシート状に形成できる。そのため、本開示の触力覚センサは、ロボットハンドの指先などといった限られたスペースまたは曲面などにも容易に装着することができる。また、本開示の触力覚センサは、簡単な構成であるため、安いコストで製造することが可能である。
【００２２】
本開示では、対象物に対する押圧力だけでなく、ずり応力または滑り摩擦も検出できる触力覚センサ、触力覚センサの製造方法および触力覚センサを用いた検知方法を提供する。
【００２３】
以下、本開示の実施の形態に係る触力覚センサ、触力覚センサの製造方法および触力覚センサを用いた検知方法について説明する。なお、図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比および外観などは実物と異なり得る。
【００２４】
本開示の一態様に係る触力覚センサは、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシートと、第一のシート上に配置される可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第二のシートと、を備え、第二のシートは、当該第二のシートの内側面と前記第一のシートとの間に密閉空間を有する複数の突起を有し、複数の突起の内側面には少なくとも１本の第二電極パターンが配置され、複数の突起の密閉空間内の第一のシート上に少なくとも１本の第一電極パターンが配置されている。この密閉空間は、第二のシートおよび第一のシートで画定されるものであってもよい。また、複数の突起のそれぞれの密閉空間内において、少なくとも１本の第一電極パターンの数および少なくとも１本の第二電極パターンの数の少なくとも一方は複数であってもよい。
【００２５】
このように、上記触力覚センサは、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシートおよび第二のシートから構成されているため、外部からの応力に柔軟に追随して変形することができる。また、触力覚センサは、複数の突起を有しているため、対象物を把持する際に対象物に加わる圧力を分散することができる。さらに、触力覚センサは、複数の突起の内側面と第一のシートとの間に密閉空間を有するため、把持力を増大させても、複数の突起がゴム風船のように柔軟に変形して対象物に接触することができる。また、複数の突起の内側面には少なくとも１本の第二電極パターンが配置されているため、複数の突起の変形を検知することができる。これにより、対象物に対する押圧力だけでなく、複数の突起の変形の方向からずり応力または滑り摩擦も検出することができる。
【００２６】
さらに、対向する第二電極パターンおよび第一電極パターンの間の静電容量の変化に基づいて複数の突起の変形を検知することができる。
【００２７】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、複数の突起の内側面には複数の第二電極パターンが配置され、複数の第二電極パターンは平行に延在していてもよい。
【００２８】
複数の突起が外部からの応力に追随して変形すると、それに伴い第二電極パターンも追随して変形する。このとき、複数の第二電極パターンが平行に延在すると、複数の突起が第二電極パターンと交わる方向に変形する状態をより詳細に検知することができる。
【００２９】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、第一のシートの第二のシートに対向する面上で密閉空間に複数の第一電極パターンが配置され、複数の第一電極パターンは平行に延在していてもよい。
【００３０】
複数の突起が外部からの応力に追随して変形すると、それに伴い複数の突起の内側面に配置された第二電極パターンも追随して変形する。このとき、複数の第一電極パターンが平行に延在すると、対向する第二電極パターンと第一電極パターンとの組み合わせが増え、これらの対向する電極パターン間の静電容量が変化を測定することができる。これにより、複数の突起の変形をより詳細に検知することができる。
【００３１】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、第二電極パターンと、第一電極パターンとが、平面視において交差してもよい。
【００３２】
これにより、複数の突起の変形を異なる２方向について検知することができ、第一および第二電極パターンが平面視において交差しない場合に比べて、より精度良く押圧力およびずり応力または滑り摩擦を検知することができる。なお、本開示において、平面視とは、第１シートを平面上に広げ、第１シートに垂直な方向から観察することをいう。
【００３３】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサでは、第二のシートはエラストマーから構成されてもよい。
【００３４】
これにより、複数の突起は対象物の表面形状および応力に追随しやすくなる。触力覚センサを用いると、例えば、ロボットハンドなどで把持した対象物がずれて移動し始める初期の状態、つまり、複数の突起にずり応力が加わる初期の状態から、把持した対象物がずれることを容易に検知することができる。
【００３５】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、第一電極パターンおよび第二電極パターンは伸縮性を有してもよい。
【００３６】
これにより、第一のシートおよび第二のシートの可撓性または伸縮性が妨げられない。
【００３７】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、第二電極パターンは、複数の突起において電気的に接続されていてもよい。
【００３８】
複数の突起に亘って第二電極パターンが電気的に接続されているため、計測装置の構成を簡素化できる。
【００３９】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、第一電極パターンは、複数の突起に対応する前記第一のシートの領域において電気的に接続されていてもよい。
【００４０】
複数の突起に対応する領域に亘って第一電極パターンが電気的に接続されているため、計測装置の構成を簡素化できる。
【００４１】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、密閉空間内に流体が封入されていてもよく、密閉空間内に第一のシートおよび第二のシートよりも柔軟性の高いエラストマーを有してもよい。
【００４２】
このように、触力覚センサは、密閉空間内に流体（例えば、空気）または第一のシートおよび第二のシートよりも柔軟性の高いエラストマーを有するため、突起の一部に強い圧力が加えられたとしても、押圧により力を受けた流体またはエラストマーが密閉空間内を移動することができる。流体またはエラストマーが密閉空間内を移動することにより、複数の突起が受けた押圧力を密閉空間内で分散することができる。これにより、対象物の表面形状が凹凸を有していても、複数の突起は対象物の表面に均一な圧力で接触することができる。
【００４３】
例えば、本開示の一態様に係る触力覚センサは、複数の突起の各々が、第二のシートに対する平面視において、蛇行形状を有してもよい。
【００４４】
このように、触力覚センサは、一連なりの密閉空間を有するため、蛇行形状の突起の一部に強い圧力が加えられたとしても、押圧により力を受けた流体が密閉空間内を移動することができる。流体が密閉空間内を移動することにより、複数の突起が受けた押圧力を密閉空間内で分散することができる。これにより、対象物の表面形状が凹凸を有していても、複数の突起は対象物の表面に均一な圧力で接触することができる。
【００４５】
本開示の一態様に係る触力覚センサの製造方法は、第二のシートの一方の面に第二電極パターンを形成する電極パターン形成工程と、第二のシートの一方の面に複数の凹部を形成することで、一方の面に対向する面に複数の突起を形成する突起形成工程と、第二のシートの一方の面を第一のシートに接着することで、複数の突起の内側面と第一のシートとの間に密閉空間を形成する接着工程と、を含む。
【００４６】
これにより、対象物に対する押圧力だけでなく、ずり応力または滑り摩擦も検出できる触力覚センサを得ることができる。
【００４７】
本開示の一態様に係る触力覚センサを用いた検知方法は、上記の触力覚センサを用いて、少なくとも１本の前記第二電極パターンと、少なくとも１本の第一電極パターンとの間に生じる静電容量の変化を測定する測定ステップと、静電容量の変化に基づいて複数の突起のそれぞれの変形を検知する検知ステップと、を含む。
【００４８】
これにより、触力覚センサを用いると、静電容量の変化に基づいて複数の突起のそれぞれの変形を検知することができるため、複数の突起におけるずり応力または滑り摩擦が生じる初期の状態を検知することができる。そのため、例えば、ロボットハンドなどが対象物を把持する力を適切に制御することができる。
【００４９】
また、触力覚センサを用いると、対向する第二電極パターンと第一電極パターンとの間の静電容量の変化に基づいて複数の突起それぞれの変形を検知することができる。そのため、複数の突起におけるずり応力または滑り摩擦が生じる初期の状態をより精度良く検知することができる。そのため、例えば、ロボットハンドなどが対象物を把持する力を適切に制御することができる。
【００５０】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００５１】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａの構成を模式的に示した斜視図および拡大断面図を含む図である。図１では、触力覚センサ１００ａがロボットハンド７０の指先に装着されて、対象物６０を把持するための制御に使われている事例を示している。以下、本開示の全ての実施の形態に係る触力覚センサは、ロボットハンドの指先に装着されて使用される例を説明する。
【００５３】
図１に示すように、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａは、第一のシート１と、第一のシート１上に配置される第二のシート２と、を備え、第二のシート２は、第二のシート２の内側面と第一のシート１との間に密閉空間４を有する複数の突起３を有する。複数の突起３の内側面には少なくとも１本、本実施の形態では、２本の第二電極パターン５ａおよび５ｂが配置されている。第二のシート２は、複数の突起３が形成された部分以外の部分で、かつ、複数の突起３が形成された面の反対側の面で第一のシート１と接着固定される。これにより、複数の突起３の内側面と第一のシート１との間に密閉空間４が形成される。密閉空間４は、第一のシート１および第二のシート２で画定されている。本実施の形態では、密閉空間４の中は空気が封入されている。さらに、触力覚センサ１００ａは、密閉空間４内に第一のシート１上に少なくとも１本、本実施の形態では、１本の第一電極パターン５ｃを備える。
【００５４】
なお、本開示に係る触力覚センサでは、第一のシートおよび第二のシートは可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有するが、可撓性だけでなく伸縮性を有してもよい。本開示の実施の形態１では、第一のシート１および第二のシート２は、可撓性および伸縮性を有している。
【００５５】
図２Ａは、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａの構成を模式的に示した上面図である。図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線における概略断面図である。
【００５６】
図２Ａに示すように、触力覚センサ１００ａは、複数の突起３のそれぞれの内側面には複数の第二電極パターン５ａおよび５ｂが配置され、第二電極パターン５ａおよび５ｂは平行に延在している。また、上述したように、触力覚センサ１００ａは、密閉空間内の第一のシート１上に１本の第一電極パターン５ｃを備える。ここで、第一電極パターン５ｃならびに第二電極パターン５ａおよび５ｂは伸縮性を有する。また、複数の突起３のそれぞれの密閉空間内の第二電極パターン５ａは、他の密閉空間内の第二電極パターン５ａに電気的に接続されている。また、複数の突起３のそれぞれの密閉空間内の第二電極パターン５ｂは、他の密閉空間内の第二電極パターン５ｂに電気的に接続されている。また、複数の突起３のそれぞれ密閉空間内の第一電極パターン５ｃは、他の密閉空間内の第一電極パターン５ｃに電気的に接続されている。
【００５７】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、本実施の形態では、複数の突起３はそれぞれ半球状である。また、図２Ｂに示すように、複数の突起３は、第二のシート２の一方の面に、所定の高さがＨ１および幅がＷ１になるように形成される。なお、幅Ｗ１とは、第二のシート２に対する平面視において、突起３の最長径を示している。第二のシート２は、複数の突起３それぞれの幅Ｗ１よりも外側部分において第一のシート１に接着固定されている。
【００５８】
突起３の変形を検知する検知部５は、第二電極パターン５ａおよび５ｂと、第一電極パターン５ｃとで構成される。本実施の形態に係る触力覚センサ１００ａでは、図示しないが、触力覚センサ１００ａに接続された計測装置で、第二電極パターン５ａと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量、および、第二電極パターン５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量を測定する。測定装置（不図示）によって得られた測定結果を演算装置（不図示）が取得して、複数の突起３の変形の状態、例えば、変形の方向を計測することができる。また、このとき、演算装置は、測定装置によって得られた測定結果に基づいて、複数の突起３が受けた押圧力、ずり応力、または滑り摩擦などの情報を算出することができる。よって、複数の突起３の変形の状態に対する総合的な情報を取得することができる。第二電極パターン５ａおよび５ｂ、ならびに第一電極パターン５ｃで構成される検知部５は、複数の突起３においてこれらの電極パターン５ａ〜５ｃを共有しており、それぞれの電極パターンがショートしないように引き回されている。これにより、触力覚センサ１００ａを用いると、複数の突起３の変形の状態について総合的な情報を取得することができる。なお、触力覚センサ１００ａは、図２Ａに示すＹ方向、例えば、対象物の表面に平行な方向のずり応力をセンシングする例である。
【００５９】
図３は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａの動作を模式的に示した断面図である。対象物６０に接触する前の触力覚センサ１００ａは、図３の（ａ）に示す状態であり、複数の突起３の形状はそれぞれ半球状である。このとき、検知部５の第二電極パターン５ａと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量と、第二電極パターン５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量とはほぼ同じ値になり、この値が触力覚のゼロ点として参照される。
【００６０】
ところで、触力覚センサ１００ａでは、第二のシート２はエラストマーで構成されている。また、上述したように、触力覚センサ１００ａは、複数の突起３の内側面と第一のシート１との間の密閉空間４内に空気が封入されている。
【００６１】
そのため、図３の（ｂ）に示すように、複数の突起３が対象物６０に接触し始めると、複数の突起３のそれぞれは、ゴム風船のように突起３の頂部から対象物６０の表面に追随する形に変形し始める。突起３の変形に追随して、第二電極パターン５ａおよび５ｂは突起３の内側面に押されて変形し、第一電極パターン５ｃに近づく。そのため、検知部５の第二電極パターン５ａと第一電極パターン５ｃとの間に静電容量、および第二電極パターン５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量は双方ともに、図３の（ａ）に示す触力覚センサ１００ａが対象物６０に接触する前の状態よりも増大する。触力覚センサ１００ａを用いると、検知部５における静電容量の変化量から、複数の突起３が対象物６０から受ける押圧力およびずれの方向を知ることができる。これにより、例えば、対象物６０を把持した場合の把持圧力が適切であるかを、突起３を形成した局所的な情報として得ることができる。
【００６２】
ところが、ロボットハンドで把持した対象物６０が重い、把持した状態で対象物６０の重量が増える、または、把持した対象物６０がずれて移動すると、触力覚センサ１００ａに形成された複数の突起３にひずみが生じる。例えば、図３の（ｃ）に示すように、ロボットハンドで把持した対象物６０が矢印で示した方向にずれて移動すると、触力覚センサ１００ａと対象物６０との間に、ずり状態または滑り状態が生ずる。例えば対象物６０をロボットハンドで把持している場合に、ずり状態または滑り状態のまま放置すると、ロボットハンドが対象物６０を落としてしまうといったトラブルが生ずる。
【００６３】
また、ロボットハンドでの対応が難しい典型的な例として、把持した状態で対象物６０の重量が増える場合のトラブルを挙げる。ロボットハンドで空のコップを把持した状態で、飲み物などの液体をコップに注ぐと、徐々に対象物６０であるコップが重くなる。このとき、一定の力で対象物６０を把持するような制御では、把持力以上に対象物６０の重量が増えると、ロボットハンドがコップを落としてしまうというトラブルが生ずる。しかしながら、触力覚センサ１００ａを用いると、複数の突起３におけるずり応力または滑り摩擦が生ずる初期の状態を検知することができるので、上述したトラブルの発生を抑制する制御を行なうことができる。
【００６４】
図３の（ｃ）では、複数の突起３は、矢印で示した方向にずり応力を受けてずり応力の方向に追随して変形している。このような複数の突起３の変形に追随して、第二電極パターン５ａおよび５ｂもずり応力の方向に移動している。一方で第一電極パターン５ｃは第一のシート１と共にロボットハンドに固定されているので、ずり応力の方向に追随して移動することは少ない。そのため、ずり応力を受ける前よりも、第二電極パターン５ａと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量は小さくなり、第二電極パターン５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量は大きくなる。つまり、ずり応力の方向に複数の突起３が追随して変形することにより、第二電極パターン５ｂと第一電極パターン５ｃとが平面視上重なる面積が大きくなり、第二電極パターン５ａと第一電極パターン５ｃとが平面視上重なる面積が小さくなる。そのため、上記のような電極パターン間の静電容量の変化が生じる。本実施の形態に係る触力覚センサを用いると、検知部５における２つの対向する電極パターン間の静電容量の変化から、ずり方向に歪み変形を受けていることを検知することができる。一方、複数の突起３がずり応力の方向に追随したところで滑りが発生した状態では、複数の突起３はずり応力の方向と反対の方向に引き戻される。そのため、滑りが発生した場合には、ずり方向の歪み変形は、振動するような形で検知される。
【００６５】
本実施の形態では、複数の突起３は、ゴム風船のように空気を密閉空間４に封入した伸縮性のあるエラストマーで構成されるため、ずり応力の方向に追随して容易に変形する。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ａを用いると、ロボットハンドで把持した対象物６０がずれて移動し始める初期の状態、つまり、複数の突起３にずり応力が加わる初期の状態から、把持した対象物６０がずれることを容易に検知することができる。これにより、ロボットハンドが把持した対象物６０を落としてしまうというトラブルを未然に防ぐための制御が可能になる。
【００６６】
図３の（ｄ）は、複数の突起３が受けるずり応力を検出して上述したトラブルを未然に防ぐ制御の例として、ロボットハンドの把持力を適切に増加した場合の触力覚センサ１００ａの状態を示している。このように、ロボットハンドの把持力を適切に増加することで、複数の突起３の頂部がより変形を増して、複数の突起３の頂部が対象物６０の表面を押圧して接触する面積が増大する。押圧によって複数の突起３と対象物６０との接触面積が大きくなると密閉空間４内の体積が小さくなる。このように、押圧によって密閉空間４内の流体の圧力が増すことにより、ロボットハンドは対象物６０をしっかりと把持することができる。また、密閉空間４の圧力が増すことにより、複数の突起３の形状保持力が増すため、図３の（ｄ）に示すように図３の（ｃ）の状態よりもずり方向への歪み変形が減少する。このような変形特性を有することから、ずり方向への歪みが所定の値を超えないように把持力を制御することが可能である。
【００６７】
例えば、固い素材で作られた指先、または、表面が滑らかで均質な平面状の指先を有するロボットハンドの場合、ロボットハンドが対象物６０に加える把持力を増大させると、対象物６０を変形または破壊してしまうといったトラブルが懸念される。しかしながら、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ａは、可撓性および伸縮性の少なくとも一方を有する第一のシート１および第二のシート２から構成されているため、外部からの応力に柔軟に追随して変形することができる。また、触力覚センサ１００ａは、複数の突起３を有しているため、対象物６０を把持する際に対象物６０に加わる圧力を分散することができる。
【００６８】
さらに、触力覚センサ１００ａは、複数の突起３の内側面と第一のシート１との間に密閉空間４を有し、密閉空間４内に空気が封入されているため、把持力を増大させても、複数の突起３がゴム風船のように柔軟に変形して対象物６０に接触することができる。また、ロボットハンドの把持力を増大させても、図３の（ｄ）に示すように、複数の突起３は頂部から対象物６０の表面に追随するように変形して対象物６０に接触する面積が増大する。そのため、ロボットハンドの把持力を増大させても、対象物６０の表面が単位面積当りに受ける圧力は把持力に比例して増大しにくい。
【００６９】
また、図１の拡大断面図に示したように、対象物６０の表面が凹凸を有する不均一な場合でも、複数の突起３のそれぞれが対象物６０の表面形状に追随して変形することができる。そのため、ロボットハンドが対象物６０に加える把持力を増大させても、対象物６０に対して局所的に強い圧力が加わりにくいため、従来のロボットハンドに比べて、対象物６０を変形または破壊してしまうといったトラブルを低減することが可能である。
【００７０】
次に、図４を用いて本実施の形態に係る触力覚センサ１００ａの製造方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａの製造方法を説明する図である。
【００７１】
（電極パターン形成工程）
まず、図４の（ａ）に示すように、第二のシート２の一方の面に導電性ペーストを印刷して第二電極パターン５ａおよび５ｂを形成する。ここでは、第二のシート２として可撓性および伸縮性を有するポリウレタンシートを用い、導電性ペーストとして伸縮性を有するウレタン樹脂に銀粉をフィラーとして混練したペーストを用いている。このように、第二のシート２と第二電極パターン５ａおよび５ｂとがともに伸縮性を有するため、本工程で得られるシートを用いると、対象物の形状およびずり応力に柔軟に追随できる複数の突起３を形成することができる。複数の突起３が対象物の形状に柔軟に追随することにより、複数の突起３のそれぞれが面で対象物と接触する。そのため、ロボットハンドの把持力を増大させても、対象物に対して局所的に強い圧力が加わりにくくなる。また、複数の突起３がずり応力に柔軟に追随することにより、ずり応力の大きさおよび方向を検出することができる。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ａをロボットハンドに使用すると、ロボットハンドの把持力を適切な強さに制御することができる。
【００７２】
（突起形成工程）
続いて、図４の（ｂ）に示すように、一方の面に第二電極パターン５ａおよび５ｂを形成した第二のシート２を、第二電極パターン５ａおよび５ｂが形成された面とは反対側の面が金型５０Ａに対向するように配置する。例えば、第二のシート２を加熱しながら押圧することにより複数の突起３を成型する。なお、突起形成工程では、第二のシート２を金型５０Ａの凹部に配置して、上方から押圧用の金型５０Ｂで押して複数の突起３を成型してもよい。また、第二のシート２を空圧または液圧で加圧して複数の突起３を成型してもよい。または、金型５０Ａの凹部側に真空引きする経路を設けて、金型５０Ａの形状に沿うように第二のシート２を真空吸引して複数の突起３を形成してもよい。このとき、第二のシート２と第二電極パターン５ａおよび５ｂとはともに伸縮性に優れた素材を用いているため、容易に金型５０Ａの形状に沿った複数の突起３を成型することができる。
【００７３】
（接着工程）
続いて、図４の（ｃ）に示すように、あらかじめ一方の面に第一電極パターン５ｃを形成した第一のシート１を、第一電極パターン５ｃが形成された面が金型５０Ａに対向するように第二のシート２に重ねて金型５０Ｃで押圧する。これにより、第二のシート２を第一のシート１に接着する。このとき、第二のシート２の、複数の突起３が成型された部分以外の領域が、接着層７を介して第一のシート１に接着される。これにより、複数の突起３の内側に密閉空間４を形成する。第二のシート２と第一のシート１との間に接着層７として熱可塑性のウレタンシートを挟み、金型５０Ａと金型５０Ｃとで加圧しながら加熱することで、接着層７を軟化させた後、冷却することで第二のシート２と第一のシート１とを接着することができる。これにより、図４の（ｄ）に示すように、密閉空間４を有する触力覚センサ１００ａを製造することができる。ここでは、第一のシート１の全面に接着層７を設けているが、第一のシート１の複数の突起３が形成された部分に穴を設けた接着層７を用いて、複数の突起３が成型された部分以外の領域において第一のシート１と第二のシート２を接着してもよい。触力覚センサ１００ａは、電極間の静電容量を測定しているため、電極の間隙内に接着層７を介しても静電容量の変化を測定することができ、触力覚を検知することができる。なお、接着層７については、説明の容易のため、図４以外の図面では図示を省略している。
【００７４】
上記の製造方法では、接着工程により形成された密閉空間４内に空気が封入される例を説明した。他の態様としては、上述のように、密閉空間４内に流体または第一のシート１および第二のシート２よりも柔軟性の高いエラストマーが封入されてもよい。このような態様の場合、突起形成工程の後、第一のシート１を第二のシート２の上に重ねるのに先立って、複数の突起３の密閉空間４に相当する凹部に液体などの流体または樹脂材を充填する。この充填工程の後、接着工程を行う。これにより、密閉空間４内にシリコーンオイルまたは柔軟なウレタン樹脂を封入することも可能である。
【００７５】
（実施の形態２）
図５Ａは、実施の形態２に係る触力覚センサ１００ｂの構成を模式的に示した上面図である。図５Ｂは、図５ＡのＶＢ−ＶＢ線における概略断面図である。
【００７６】
本実施の形態では、実施の形態１と異なり、複数の第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄ、ならびに、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂが平面視において交差するように配置されている。また、検知部１５は、上記４つの電極パターン１５ａ〜１５ｄで構成され、複数の第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄは平行に延在しており、複数の第二電極パターン１５ａおよび１５ｂは平行に延在している。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂは、対象物に対する押圧力に加えて、第一のシート１１に平行な面内のＸ方向およびＹ方向のずり応力の検出が可能である。
【００７７】
なお、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂは、上述した相違点以外は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａと同様であるため、重複部分の説明を一部省略する。また、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂは、密閉空間１４内に空気が封入されている。
【００７８】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂは、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａと同様に、複数の突起１３はそれぞれ半球状である。また、図５Ｂに示すように、複数の突起１３は、第二のシート１２の一方の面に、所定の高さがＨ２および幅がＷ２になるように形成される。第二のシート１２は、複数の突起１３それぞれの幅Ｗ２よりも外側部分において第一のシート１１に接着固定されている。
【００７９】
突起１３の変形を検知する検知部１５は、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂと、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄとで構成される。本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂでも、上述した実施の形態１と同様に、触力覚センサ１００ｂに接続された計測装置（不図示）で、第二電極パターン１５ａと、第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量、第二電極パターン１５ａと、第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量、第二電極パターン１５ｂと、第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量、第二電極パターン１５ｂと、第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量を測定する。測定装置（不図示）によって得られた測定結果を演算装置（不図示）が取得して、複数の突起１３の変形の状態、例えば、変形の方向を計測することができる。また、このとき、演算装置は、測定装置によって得られた測定結果に基づいて、複数の突起１３が受けた押圧力、Ｘ方向およびＹ方向へのずり応力または滑り摩擦などの情報を算出することができる。これにより、複数の突起１３の変形の状態に対する総合的な情報を取得することができる。
【００８０】
複数の突起１３の内側面に配置された第二電極パターン１５ａおよび１５ｂは、それぞれＸ方向に延伸しており、Ｘ方向に隣接する複数の突起１３同士が電気的に接続されている。また、第一のシート１１の第二のシート１２に対向する面に配置された第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄは、それぞれＹ方向に延伸しており、Ｙ方向に隣接する複数の突起１３に対応する領域を貫くように配置されている。このように、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂ、ならびに、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄは、平面視において、Ｘ方向およびＹ方向に延伸するマトリックス配線を構成している。Ｘ方向に延伸する第二電極パターン１５ａおよび１５ｂと、Ｙ方向に延伸する第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄとの交差部分は、密閉空間１４において離間して交差しているため互いに短絡することが回避されている。
【００８１】
この電極パターンの構成では、Ｘ方向とＹ方向のマトリックス配線パターンになっているため、測定装置を用いてＸ方向およびＹ方向の引出し配線端を電気的にスキャンすることで、個々の突起１３における第二電極パターン１５ａ、１５ｂと、これらに対向する第一電極パターン１５ｃ、１５ｄとの間の静電容量を個別に測定することができる。
【００８２】
ここで検知部１５として、対向する電極パターン間の各静電容量の測定から、突起１３の変形の状態をセンシングする動作について説明する。
【００８３】
まず、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量、第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量、および第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量が全て同様に増加した場合を考える。この場合、ロボットハンドが対象物を把持することにより、複数の突起１３が対象物を押圧し、突起１３の頂部から対象物の表面に追随する形で変形が始まる。このとき、対象物が安定して把持されているため、ずり応力は生じていないものとする。そのため、複数の突起１３は対象物の表面に対して垂直に押圧し、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂと、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄとの間の距離が均等に短くなる。これにより、検知部１５における４組全ての対向する電極パターンの静電容量の変化量が略同一になるため、複数の突起１３が対象物を押圧する力および押圧力の方向をセンシングできる。
【００８４】
次に、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂと、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄとの間の静電容量（すなわち、上記４組の対向する電極パターンの静電容量）の変化量が互いに異なる場合を考える。例えば−Ｙ方向に変形した場合、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｃとが平面視において重なる部分の面積および第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｄとが平面視において重なる部分の面積が増大する。よって、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量が増加する。一方、第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｃとが平面視において重なる部分の面積および第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｄとが平面視において重なる部分の面積が減少する。よって、第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量が減少する。このように、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量の変化量と、第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量の変化量とを検知することによって、Ｙ方向（すなわち、＋Ｙ方向および−Ｙ方向）のずり応力をセンシングすることができる。
【００８５】
なお、複数の突起１３がＸ方向（すなわち、＋Ｘ方向および−Ｘ方向）に変形した場合も同様にＸ方向のずり応力をセンシングすることができる。すなわち、第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ａと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量の変化量と、第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｃとの間の静電容量および第二電極パターン１５ｂと第一電極パターン１５ｄとの間の静電容量の変化量とを検知することによって、Ｘ方向のずり応力をセンシングすることができる。
【００８６】
なお、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｂの製造方法は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａの製造方法と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００８７】
（参考形態）
図６Ａは、参考形態に係る触力覚センサ１００ｃの構成を模式的に示した上面図である。図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線における概略断面図である。
【００８８】
本参考形態では、実施の形態１および実施の形態２と異なり、第一電極パターンは配置されていない。第二のシート２２の対象物と接触する側の面に、伸縮性を有する第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄが配置される。また、第二電極パターン２５ａおよび２５ｂ、ならびに、第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄ（以下、単に、電極パターン２５ａ〜２５ｄと称する場合がある。）は、伸縮によって抵抗が変化する抵抗膜パターンであり、平面視において交差するように配置されている。また、検知部２５は、上記４つの電極パターン２５ａ〜２５ｄで構成され、複数の第二電極パターン２５ａおよび２５ｂは平行に延在しており、複数の第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄは平行に延在している。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｃは、対象物に対する押圧力に加えて、第一のシート２１に平行な面内のＸ方向およびＹ方向のずり応力の検出が可能である。
【００８９】
なお、本参考形態に係る触力覚センサ１００ｃは、上述した相違点以外は、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａと同様であるため、重複部分の説明を一部省略する。本参考形態に係る触力覚センサ１００ｃは、密閉空間２４内に空気が封入されている。
【００９０】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、本参考形態に係る触力覚センサ１００ｃは、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａと同様に、複数の突起２３はそれぞれ半球状である。また、図６Ｂに示すように、複数の突起２３は、第二のシート２２の一方の面に、所定の高さがＨ３および幅がＷ３になるように形成される。第二のシート２２は、複数の突起２３のそれぞれの幅Ｗ３よりも外側部分において第一のシート２１と接着固定されている。
【００９１】
伸縮性を有する第二電極パターン２５ａおよび２５ｂは、第二のシート２２の複数の突起２３の内側面に配置され、それぞれがＸ方向に延伸しており、Ｘ方向に隣接する複数の突起２３の内側面を貫いている。また、伸縮性を有する第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄは、第二のシート２２の対象物と接触する側の面に配置され、Ｙ方向に延伸しており、Ｙ方向に隣接する複数の突起２３の外側面を貫いている。このように、第二電極パターン２５ａおよび２５ｂ、ならびに、第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄは、平面視において、Ｘ方向よびＹ方向に延伸するマトリックス配線を構成している。Ｘ方向に延伸する第二電極パターン２５ａおよび２５ｂと、Ｙ方向に延伸する第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄとの交差部分は、第二のシート２２を挟んで離間して交差しているため互いに短絡することが回避されている。
【００９２】
第二電極パターン２５ａおよび２５ｂ、ならびに、第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄは、例えば、伸縮性を有するウレタン樹脂に抵抗体フィラーとしてカーボン粉を混練したペーストを用いて形成することができる。第二のシート２２の一方の面に上記ペーストを印刷して第二電極パターン２５ａおよび２５ｂを形成する。また、第二のシート２２の他方の面に第二電極パターン２５ａおよび２５ｂと平面視において交差するように上記ペーストを印刷して第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄを形成する。これにより、高い伸縮性を有する電極パターン２５ａ〜２５ｄがＸ方向およびＹ方向に延伸するようにマトリックス状に配置されたシートが得られる。なお、第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄは、ロボットハンドで把持する対象物と接触する面側に形成されるため、絶縁膜で覆われている。得られたシートを用いて、実施の形態１に係る触力覚センサ１００ａと同様の製造方法にて、本参考形態に係る触力覚センサ１００ｃを得ることができる。なお、上述した電極パターン２５ａ〜２５ｄは引き伸ばされるに従って抵抗値が高くなる性質を持つ。また、電極パターン２５ａ〜２５ｄはマトリックス状に配線されている。そのため、測定装置を用いてＸ方向およびＹ方向の引き出し配線端を電気的にスキャンして伸縮した際の抵抗値の変化を測定することで、複数の突起２３のそれぞれが受けた押圧力、Ｘ方向およびＹ方向へのずり応力または滑り摩擦などの情報を算出することができる。これにより、本参考形態に係る触力覚センサ１００ｃを用いると、複数の突起２３の変形の状態に対する総合的な情報を取得することができる。
【００９３】
以下に、検知部２５として、各電極パターン２５ａ〜２５ｄの抵抗値の測定から、突起２３の変形の状態をセンシングする動作について説明する。
【００９４】
まず、触力覚センサ１００ｃを備えるロボットハンドが対象物を把持するときの検知部２５における抵抗値の変化を考える。触力覚センサ１００ｃが対象物に接触する前の状態、つまり、初期状態では、電極パターン２５ａ〜２５ｄそれぞれの抵抗値は、製造時に平面状の第二のシート２２に電極パターン２５ａ〜２５ｄを形成した時の抵抗値よりも高い。ここで、ロボットハンドが対象物を把持すると、複数の突起２３が対象物を押圧し、突起２３の頂部から対象物の表面に追随する形で変形が始まる。このとき、突起２３の成型により半球状に引き伸ばされた第二のシート２２は、突起２３の頂部から対象物の表面に追随して変形することにより、突起２３の形状が少しずつ成型前の平面状に近づく。よって、電極パターン２５ａ〜２５ｄの全ての抵抗値が減少する。このような抵抗値の減少に伴う変化から、押圧による突起２３の変形をセンシングすることができる。
【００９５】
次に、突起２３にＹ方向のずり変形が生じた場合、例えば−Ｙ方向に変形させられた場合の検知部２５における抵抗値の変化を考える。このとき、突起２３のＹ方向に対する変形は、Ｘ方向に延伸する第二電極パターン２５ａおよび２５ｂの抵抗値の変化により検知する。突起２３が−Ｙ方向に変形させられた場合、突起２３の＋Ｙ方向側の面はずり応力により引き伸ばされ、−Ｙ方向側の面はずり応力により縮ませられる。このとき、第二電極パターン２５ａは、−Ｙ方向に引き伸ばされるため、抵抗値が大きくなり、第二電極パターン２５ｂは−Ｙ方向に縮ませられるため抵抗値が小さくなる。このように、検知部２５、ここでは、Ｘ方向に延伸する第二電極パターン２５ａおよび２５ｂの抵抗値の変化に基づいて、複数の突起２３のそれぞれの変形の方向を検知することにより、Ｙ方向のずり応力をセンシングすることができる。
【００９６】
なお、複数の突起２３がＸ方向に変形した場合も同様に、Ｙ方向に延伸する第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄの抵抗値の変化から、Ｘ方向のずり応力をセンシングすることができる。
【００９７】
（実施の形態３）
図７Ａは、実施の形態３に係る触力覚センサ１００ｄの構成を示した斜視図である。図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における断面の一部を示した概略断面図である。
【００９８】
本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｄは、実施の形態１と同様に、第二のシート３２の複数の突起３３が形成された面の反対側の面を第一のシート３１に接着固定することで、複数の突起３３の内側面と第一のシートとの間に密閉空間３４が形成される。なお、密閉空間３４内は、液体、例えば、シリコーンオイルが封入されている。
【００９９】
本実施の形態では、実施の形態１、２および参考形態と異なり、複数の突起３３のそれぞれは半球状ではなく、所定の幅で連続的に蛇行して形成された凸形状である。個々の突起３３は、一連なりの蛇行形状であるが、図７Ａに示す矢印の方向に蛇行形状の突起３３を見ると、所定の幅の複数の突起３３が矢印の方向に向かって規則的に並んだ形状になっている。
【０１００】
ここで、図７Ａに示すように、複数の突起３３と対象物との間のずり応力が矢印の方向に加わった場合には、図７Ｂの（ｂ）に示すように、複数の突起３３はずり応力の方向に追随して変形する。このとき、検知部３５において、第二電極パターン３５ａと第一電極パターン３５ｃとが平面視において重複する部分の面積、および、第二電極パターン３５ｂと第一電極パターン３５ｃとが平面視において重複する部分の面積が変化する。本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｄを用いると、検知部３５における重複部分の面積の変化による静電容量の変化量を測定して比較することによって、複数の突起３３がずり応力の方向に歪み変形を受けていることを検知することができる。
【０１０１】
上述したように、本実施の形態では密閉空間３４内にシリコーンオイルを封入しているが、封入する流体として液体と気体とでそれぞれに特長があるため、用途に応じて使い分けてもよい。密閉空間３４内に、例えば、空気などの気体を封入した場合、高い流動性を有するためゴム風船を変形させるように複数の突起３３は自由に柔軟に変形して対象物６０に追随することができる。ただし空気などの気体は体積圧縮も容易であるため、複数の突起３３を対象物６０に対して強く押圧すると、複数の突起３３が大きく変形し、第二のシート３２に形成された複数の突起３３の内側面と、第一のシート３１の第二のシート３２に対向する面とが接触する可能性がある。この接触を回避するために、突起３３の所定の幅を狭めて適正な値に設計することができる。また、封入する流体を液体にすることにより、接触を回避することもできる。液体は、気体に比べて圧縮性が非常に小さいため、強い押圧を受けても圧縮されにくい。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｄのように、密閉空間３４内にシリコーンオイルなどの流体を封入している場合は、突起３３が第二のシート３２に形成された複数の突起３３の内側面と、第一のシート３１の第二のシート３２に対向する面とが接触するまで変形することを回避することができる。しかしながら、液体は気体のような高い流動性を有しないため、密閉空間３４内に空気などの気体を封入した場合に比べると、複数の突起３３の応力に対する追随性は制限される。
【０１０２】
また、本実施の形態における突起３３は、実施の形態１〜３における半球状の突起のように独立した突起ではなく、一連なりの蛇行形状をした突起である。本実施の形態では、個々の突起３３を一連なりの蛇行形状にすることで、密閉空間３４も一連なりの蛇行形状となる。そのため、密閉空間３４内に封入された流体は、一連なりの密閉空間３４内を自由に行き来して流動することができる。このように、一連なりの密閉空間３４内を流体が流動することで、突起３３が局所的に受けた圧力は分散され、平均化される。そのため、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｄを用いると、ロボットハンドが対象物６０を把持した場合に、対象物６０の表面形状が凹凸を有していても、複数の突起３３は対象物６０の表面に均一な圧力で接触することができる。一方、固い素材で作られた指先、または、表面が滑らかで均質な平面上の指先を有するロボットハンドでは、例えば、一定の力で対象物６０を把持した場合、対象物６０の表面形状が膨らんでいる部分を押圧する力は強くなり、凹んだ部分を押圧する力は弱くなる。すなわち、このようなロボットハンドでは、対象物６０に対する把持圧力の不均一が生ずる。以上のように、本実施の形態における一連なりの蛇行形状の突起３３の内側面と第一のシート３１との間の密閉空間３４に流体を封入することで、対象物６０の表面形状によらず、対象物６０の全表面を均一な圧力で把持できるロボットハンドを実現することができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態に係る触力覚センサ１００ｄの製造方法は、突起形成工程にて使用する突起３３の成型金型の形状が異なる以外は、実施の形態１と同様である。
【０１０４】
以上、本開示に係る生体センサおよびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
【０１０５】
例えば、本開示に係る触力覚センサは、静電容量の変化および抵抗値の変化の両方に基づいて複数の突起それぞれの変形の方向を検知してもよい。
【０１０６】
具体的には、実施の形態１では第二電極パターン５ａおよび５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量の変化に基づいて一方向（ここでは、Ｙ方向）に対する複数の突起３の変形を検知するが、第二電極パターン５ａおよび５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量の変化に加え、第二電極パターン５ａおよび５ｂ、ならびに第一電極パターン５ｃの抵抗値の変化を測定してもよい。これにより、静電容量の変化および抵抗値の変化の両方に基づいて複数の突起３の変形を検知することができる。
【０１０７】
また、実施の形態１では、第二電極パターン５ａおよび５ｂと第一電極パターン５ｃとの間の静電容量の変化に基づいて複数の突起３の変形を検知するが、さらに、複数の突起３の外側面、つまり、対象物と接触する側の面に、伸縮により抵抗値が変化する第三電極パターンを配置してもよい。また、第三電極パターンは、第二電極パターンが延在する方向と同じ方向に延伸するように配置されてもよく、第二電極パターンが延在する方向と平面視において交差方向に延伸するように配置してもよい。これにより、複数の突起３の変形の方向を一方向だけでなく、互いに異なる二方向に対しても検知することができる。
【０１０８】
また、実施の形態２では、第二電極パターン１５ａおよび１５ｂと、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄとを平面視において交差するように配置して、静電容量の変化に基づいて複数の突起１３の変形の方向を異なる二方向で検知している。実施の形態２では、静電容量の変化に加え、抵抗値の変化に基づいて複数の突起１３の変形の方向を検知してもよい。例えば、伸縮により抵抗値が変化する抵抗膜パターンを第二電極パターン１５ａおよび１５ｂの間に配置してもよく、第一電極パターン１５ｃおよび１５ｄの間に配置してもよい。さらに、複数の突起１３の外側面に第二電極パターンと平面視において交差するように第三電極パターンを配置してもよい。これにより、静電容量の変化および抵抗値の変化の両方に基づいて複数の突起１３の変形を検知することができる。
【０１０９】
また、参考形態では、第二電極パターン２５ａおよび２５ｂ、ならびに、第三電極パターン２５ｃおよび２５ｄの伸縮による抵抗値の変化に基づいて複数の突起２３の変形を検知するが、抵抗値の変化に加え、静電容量の変化に基づいて複数の突起２３の変形を検知してもよい。例えば、上記構成に加え、さらに第一電極パターンを少なくとも１本設け、第二電極パターン２５ａおよび２５ｂと第一電極パターンとの間の静電容量の変化を測定してもよい。これにより、抵抗値の変化および静電容量の変化の両方に基づいて複数の突起２３の変形の方向を異なる二方向で検知することができる。
【０１１０】
また、実施の形態３では、蛇行形状の突起３３の形状に沿って配置された、第二電極パターン３５ａおよび３５ｂと、第一電極パターン３５ｃとの間の静電容量の変化に基づいて複数の突起３３の変形を検知するが、さらに抵抗値の変化に基づいて複数の突起３３の変形を検知してもよい。例えば、複数の突起３３の外側面に、蛇行形状を横断するように、第三電極パターンを形成してもよい。これにより、静電容量の変化および抵抗値の変化の両方に基づいて複数の突起３３の変形を検知することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本開示に係る触力覚センサは、対象物に対する押圧力だけでなくずり応力または滑り摩擦も検出できるため、介護用ロボット、アシストロボット、ペットロボットなどのサービスロボットのロボットハンドに取り付けられるセンサとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１１、２１、３１  第一のシート
２、１２、２２、３２  第二のシート
３、１３、２３、３３  突起
４、１４、２４、３４  密閉空間
５、１５、２５、３５  検知部
５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、３５ａ、３５ｂ  第二電極パターン
５ｃ、１５ｃ、１５ｄ、３５ｃ  第一電極パターン
２５ｃ、２５ｄ  第三電極パターン
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  触力覚センサ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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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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