(57)【要約】【課題】  単一あるいは少数の単機能の超音波探触子を用いた簡易な構成で、対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサを提供する。【解決手段】  超音波透過性材料（透過体１）を介在して、一端に形成され対象物Ｍの表面Ｍａと接触する接触表面２と、接触表面２に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子３ａ，３ｂと、を有する触覚センサ１０であって、対象物Ｍに対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の領域が設定され、触覚センサ１０を対象物Ｍの表面Ｍａに接触させながら移動させて接触表面２に各超音波を照射させ、対象物Ｍの表面Ｍａからの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂおよびこれらが重畳した反射波Ｃを計測し、対象物Ｍの表面Ｍａの粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子と、を有する触覚センサであって、
前記対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の照射領域が設定され、前記触覚センサを前記対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、前記対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記対象物への超音波の照射時間、および／または前記超音波探触子と対象物との距離を、前記反射波Ａに係る超音波探触子と反射波Ｂに係る超音波探触子で変えて照射し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記反射波Ａに係る超音波探触子または前記反射波Ｂに係る超音波探触子よりも前記接触表面からの距離が短く、近距離音場限界距離よりも短い位置に、反射波Ｄに係る超音波探触子が設けられ、前記対象物表面に照射された前記反射波Ｄを受信した反射波Ｄに係る波高を演算し、前記対象物表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と前記反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高から、前記対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、
または／および受信された前記反射波Ｃの波高成分をフーリエ変換して、前記反射波Ａ成分に係る波高と反射波Ｂ成分に係る波高に分離し、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、
該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１〜３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、超音波探触子を用いて対象物の表面状態を計測する触覚センサに関し、特に対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば，人間の指腹やゲル状の柔軟物と相手面の接触評価のように，移動物体裏面の接触情報が必要な場合が多くあり、人間の触覚を代用する種々の触覚センサの開発が盛んに行われている。例えば、感圧導電ゴムの利用、電極間の容量変化の検知、巧妙な音響共鳴触覚素子、そして、透明なゴム製半球でのレーザー光の反射を利用するもの等多くのセンサが挙げられる。例えば、下記特許文献１は、光学式触覚センサであり、透明弾性体で構成された入力デバイスとカメラ部から構成され、弾性体に加えられた３次元の力ベクトルの分布を実時間で計測するものである。これにより、人間の触覚情報とほぼ同様な情報を計測しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８８０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の触覚センサは、指その物や表皮・感覚受容器を模倣したセンサであって、特定方向の圧力や温度等の情報を基に計測するものである。表面の凹凸や柔軟度については、精度良く測定することが可能であるが、実際の指のように、圧感，触感（粗さやうねりを含む），振動，伸縮および緊張といった機械的な要素や暖熱や冷寒といった温度的な要素、あるいは酸やアルカリによる刺激といった化学的な要素を検知し、対象物との接触を評価するものではない。また、ざらつきといった複合的な感触を検知することは、さらに難しい。
【０００５】
仮に、人間の指そのものを利用したセンサ技術ができたとすると、個人の実際の触動作過程における、その場での官能的な評価との一対一の対応も可能であり、例えば、化粧用のクリームを肌に延ばす際の指荷重のかかり具合と使用感の関係を従来にない正確さで評価できる。また、製品表面の触り心地の官能評価結果とセンサで計測される触動作時の接触状態の対比から、触り心地の良い表面の創出に寄与できる可能性も高い。
【０００６】
また、歪センサや圧力センサあるいは温度センサ等複数の機能センサを配置し、これらの情報を基に人間の触覚に近い情報として処理することは理論的には可能であるが、例えば人間の指の機能を補完するロボット等に適用する場合にあっては、操作部を含む大掛かりな触覚センサとならざるをえない。装置や機能が煩雑であり、コスト面を含め実用化は甚だ困難であるといえる。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一あるいは少数の単機能の超音波探触子を用いた簡易な構成で、例えば人間の指腹部と対象物との接触状態を，そのときの官能的な評価との直接的な対応も含めて検知することによって、対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す触覚センサによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
本発明は、軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子と、を有する触覚センサであって、
前記対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の存在領域が設定され、前記触覚センサを前記対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、前記対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
【００１０】
上記のように、人間の指先と同様の触覚機能を有する触覚センサを実現することは非常に難しい。本発明者は、超音波を用いた触覚センサの研究過程における種々の検証の結果、照射された超音波の対象物の表面（超音波透過性材料の対象物との接触面）からの反射波の強度は、軟質性の超音波透過性材料の変形（対象物の表面の凹凸に合わせた変形）による局部的な超音波の路程差によって変化するとの知見を得た。さらに、こうした知見を基に、照射する超音波の特性によって、細かな表面粗さ（以下「粗さ」ということがある）の計測に加え、対象物の表面の大きなうねり（以下単に「ウネリ」ということがある）を同時かつ区分して計測し、それらを組合せて演算することによって、指先に似た触覚を評価することが可能であるとの知見を得た。また、対象物の表面に照射した超音波の反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａから得られた情報は、粗さに対する反射波高成分は小さく、ウネリに対する反射波高成分は大きい一方、高周波かつ狭領域の反射波Ｂから得られた情報は、粗さに対する反射波高成分は大きく、ウネリに対する反射波高成分は小さいとの知見を得た。つまり、実測した反射波Ａからの情報と反射波Ｂの情報を組合せることによって、対象物表面における人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することが可能となった。具体的には、反射波Ａからの情報と反射波Ｂの情報が適切に重畳された情報を創成することによって、人間の触感（人間の指の特性は，年齢や性差，障害の有無等により異なる）にあった触覚情報を得ることができる。また、本発明者は、検証過程において、反射波Ａと反射波Ｂが一部重畳した場合に、重畳部分の計測された情報が、移動する位置（距離）や時間等の変動に対して他の情報に比較し安定であるとともに、人間の触覚と一致する傾向を示すとのの知見を得た。超音波自体が相互に干渉し合うことによって、ウネリ要素を含む情報と対象物の表面の微細状態に係る情報を得ることができるとともに、後述するフーリエ変換によって、反射波Ａと反射波Ｂにかかる情報、つまり粗さに係る情報とウネリ係る情報を分離して得ることが可能となる。こうした情報を基とした種々の新たな製品表面の開発や、ロボット等の機器の制御に生かすことができる。
【００１１】
本発明は、上記触覚センサであって、前記対象物への超音波の照射時間、および／または前記超音波探触子と対象物との距離を、前記反射波Ａに係る超音波探触子と反射波Ｂに係る超音波探触子で変えて照射し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
両探触子単独での夫々の反射エコー高さ変動と同じ変動を得ることができる。加えて探触子ＡとＢへの超音波が干渉している箇所がある場合には，２つ（それ以上）の超音波の干渉波でのエコー高さ変動を得ることができるとともに、干渉を生じさせるタイミングを調整するために，一方の探触子へ電圧を印加する時間やタイミングを調整したり，伝播の距離（相手面との距離）を調整したりすることができる。また、超音波探触子と対象物を所定の距離（ここでは「近距離音場限界距離」という）以内の位置に設置した場合、反射波の反射波高分布（音圧分布）が，近距離音場限界距離を超えたときの反射波高分布と大きく変わることを利用した。つまり、後者において平坦でほぼ等しい音圧分布となり，前者において複数の局所高音圧箇所を持つ音圧分布となる。本発明は、こうした特性を生かし、対象物との距離および時間の相違する複数の探触子を設けることによって、対象物との接触の違いや細かな粗さの分布を感度良く検知できることになり，より細かな表面の粗さおよびウネリ（以下「表面性状」ということがある）の把握が可能となった。後述するように、同一領域に照射された超音波の反射波は、該領域とこれを受信した超音波探触子との距離によって、受信された音圧分布が変化する。ここでいう「近距離音場限界距離」とは、音圧が平坦でほぼ等しい領域を有する音圧分布を形成する距離と複数箇所に音圧の高い場所を有する音圧分布を形成する距離との境界となる距離をいう。
【００１２】
本発明は、上記触覚センサであって、前記反射波Ａに係る超音波探触子または前記反射波Ｂに係る超音波探触子よりも前記接触表面からの距離が短く、近距離音場限界距離よりも短い位置に、反射波Ｄに係る超音波探触子が設けられ、前記対象物表面に照射された前記反射波Ｄを受信した反射波Ｄに係る波高を演算し、前記対象物表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
上記のように、対象物と探触子が「近距離音場限界距離」内に設置された場合の音場が、照射領域内で複雑に変動し、複数箇所に音圧の高い場所が現れることを利用することにより，対象物の略同一領域において、複数の局所高音圧箇所を持たすことが可能となる。従って、そこ（極端に狭い領域）での相手面との接触の違いを感度良く検知できることになり、より細かな表面性状の把握が可能になる。狭領域の探触子の照射領域中心近傍での音圧が平坦でほぼ等しくなる場合は後述する。本発明は、反射波Ａに係る超音波探触子および反射波Ｂに係る超音波探触子を有する構成に加え、反射波Ｄに係る超音波探触子を対象物表面に近接して設けることによって、こうした対象物の表面の微細状態を高精度に計測することが可能となる。
【００１３】
本発明は、上記触覚センサであって、前記反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と前記反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高から、前記対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、または／および受信された前記反射波Ｃの波高成分をフーリエ変換して、前記反射波Ａ成分に係る波高と反射波Ｂ成分に係る波高に分離し、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
触覚センサを対象物の表面に接触させながら移動させて得られた対象物の表面からの反射波に係る情報は、超音波探触子からの照射量によって変化するとともに、時間の関数として現される。本発明は、反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高の比を変化させることによって、対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、該推定を基に触覚を評価することが可能となった。また、２つの異なる周波数と照射領域の超音波を照射した場合、その反射波に係る情報は、それぞれ固有の時間の関数として現される。本発明者は、２つの異なる周波数と照射領域の超音波を照射し、その反射波Ａ，Ｂを重畳させた場合、その重畳した反射波Ｃに係る情報をフーリエ変換することによって、反射波Ａおよび反射波Ｂに係る情報に分離することができることを見出した。従って、分離された反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報から、対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することが可能となった。これらは、いずれかのみの比率を変化させることで、反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報の比率を変化させることができるとともに、両方を組合せることによって、より精度の高い対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】超音波探触子の受信強度（振幅）／周波数特性を例示する模式図
【図２】本発明に係る触覚センサを構成する超音波探触子の基本的な特性を例示する説明図
【図３】反射波Ａと反射波Ｂが干渉しない場合の特性を例示する説明図
【図４】超音波探触子と対象物との距離による特性変化を例示する説明図
【図５】本発明に係る触覚センサの基本構成例を示す説明図
【図６】本発明に係る触覚センサの他の構成例を示す説明図
【図７】本発明に係る触覚センサにおける超音波探触子の構成を例示する説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る触覚センサ（以下「本センサ」ということがある）は、軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子（以下「探触子」ということがある）と、を有する。こうした構成において、対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の照射領域が設定され、触覚センサを対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物表面の粗さおよびウネリを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。以下、好適な実施形態につき図面を用いて説明する。
【００１６】
＜計測原理について＞
最初に、本センサを用いた表面状態の計測原理を説明する。図１は、所定の表面状態を有する対象物の表面に超音波を照射しながら所定の距離本センサまたは対象物を移動した場合の、反射波Ａに係る照射領域と反射波Ｂに係る照射領域が重なり合う領域での反射波を受信した探触子の受信強度（振幅）／周波数特性の模式図を例示する。低周波領域Ｌ（例えば０．１〜２ＭＨｚ）の超音波が広い領域に照射された場合では、対象物との接触表面の長周期の平均的な凹凸の情報（ウネリ）が得られ、徐々に周波数が高くなるに従い、接触表面の細かな凹凸が計測され、高周波領域Ｈ（例えば５ＭＨｚ以上）の超音波が狭い領域に照射された場合では、表面のさらに細かな表面粗さの情報（粗さ）が得られる。
【００１７】
このとき、ウネリは、対象物の表面領域のいくらか広い範囲（距離）からの反射波の低周波領域Ｌの成分を取り出すことによって、より正確に対比ができる情報を得ることができる。一方、粗さは、対象物の表面領域のいくらか狭い範囲（距離）からの反射波の高周波領域Ｈの成分を取り出すことによって、より精緻な対比ができる情報を得ることができる。また、対象物の表面状態に対する人間の触覚形成において、こうしたウネリの要素と粗さの要素が大きく寄与していることが判った。さらに、触覚には個人差があり、こうしたウネリの要素と粗さの要素の感受具合が、その個人差を形成する大きな１つの要因であることが判った。従って、探触子が受信する反射波を解析することによって、対象物の表面状態を客観的に判断できる情報を獲得することができるとともに、こうした情報について、ウネリの要素に係る情報と粗さの要素に係る情報を適切な割合で組合せることによって、個人差が反映された人間の触覚に近い表面状態の情報を得ることができる。
【００１８】
〔超音波探触子の基本的な特性」
図２（Ａ）、（Ｃ）は、本センサを構成する探触子の基本的な特性を例示する模式図である。対象物Ｍの表面Ｍａに接触するように、本センサ１０が載置されている。本センサ１０は、軟質性の超音波透過性材料からなる透過体１と、その一端に形成され表面Ｍａと接触する接触表面２と、他端の位置に装着された探触子３（３ａ，３ｂ）と、を有する。探触子３は、駆動部（図示せず）によって駆動され、所定の周波数の超音波を発信し、接触表面２において反射された反射波を受信した探触子３からの信号は、コンピュータを中核として構成される計測装置（図示せず）により計測される。
【００１９】
本センサ１０は、対象物Ｍの表面Ｍａの同一または近傍する領域から反射する超音波について、その周波数特性（実際には、特定の周波数のみならず所定の範囲（帯域）を持つ周波数を利用するとともに、該特性に適した反射波の受信領域(照射領域)を設定することによって、より正確な表面Ｍａの状態に係る情報を得ることができる。具体的には、少なくとも高周波領域Ｈと低周波領域Ｌという２つの周波数領域における探触子の受信強度から、対象物Ｍの表面状態に関する異なる情報を取得し、その情報自体の比較あるいは両方を加算等演算することによって、対象物Ｍの表面状態を定量的に把握することができる。
【００２０】
図２（Ａ）は、探触子３ａから低周波領域Ｌの超音波を発信し、低周波かつ広領域の反射波Ａ（以下「反射波Ａ」ということがある）を受信した場合を模式的に例示し、このとき、本センサ１０を対象物Ｍの表面Ｍａに接触させながら移動させたときの、反射波Ａについての反射波高成分／移動距離特性を、図２（Ｂ）に例示する。表面Ｍａの大きなウネリを示すとともに、（ａ）表面Ｍａが粗いときには、その粗さについての平均的な変動を大きな振幅を有するウネリとして計測し、（ｂ）表面Ｍａが滑らかなときには、その滑らかさを小さなウネリとして計測することができる。
【００２１】
図２（Ｃ）は、探触子３ｂから高周波領域Ｈの超音波を発信し、高周波かつ狭領域の反射波Ｂ（以下「反射波Ｂ」ということがある）を受信した場合を模式的に例示し、このとき、本センサ１０を対象物Ｍの表面Ｍａに接触させながら移動させたときの、反射波Ｂについての反射波高成分／移動距離特性を、図２（Ｄ）に例示する。（ａ）表面Ｍａが粗いときには、表面Ｍａの細かく大きな振幅を有する変化を捉えた粗さとして計測し、（ｂ）表面Ｍａが滑らかなときには、細かく小さな粗さが含まれた、滑らかさが鮮明な情報として計測することができる。
【００２２】
また、これらの反射波Ａ，Ｂが、接触表面２の同一領域あるいは近接する領域に照射されてから反射された場合には、反射波Ａ，Ｂが重畳（干渉）しない場合あるいは重畳（干渉）した場合がある。このとき、
（ア）反射波Ａと反射波Ｂが干渉しない場合
両者の受信量（出力）を加算（演算）して触覚情報とするとともに、演算比率または超音波の照射量を変えることによって、触覚に関する個人差を実現することができる。
（イ）反射波Ａと反射波Ｂが干渉した場合
干渉した反射波（反射波Ｃ）は、後述するように、人間の触覚に非常に近い情報として安定的に取り出すことができる。また、両者および重畳部分の受信量（出力）を加算（演算）して触覚情報とするとともに、演算比率または超音波の照射量を変えることによって個人差を実現することができる。
【００２３】
図３は、本センサ１０において、反射波Ａと反射波Ｂが干渉しない場合の構成を例示する。反射波Ａに係る探触子３ａと反射波Ｂに係る探触子３ｂが、本センサ１０の移動方向または反対方向あるいは垂直方向に直線的に配設され、異なる周波数帯／領域幅を有する複数（図中は２つ）の超音波を発信する探触子３ａ，３ｂが、直線的に配設した状態で移動する。説明上、探触子３ａ，３ｂから発信された超音波が接触表面２で反射した後の反射波の波路（復路）を、反射面に対して対称となるように折り返し仮想的に直進させ、それぞれの反射波が、仮想の探触子３ａ’，３ｂ’に受信される構成を示す。近傍のスポットにおける反射波Ａ，Ｂを受信し、演算することによって、「粗さ」あるいは「ウネリ」を同時に計測することができ、そのスポットにおける人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することができる。また、このときの探触子３ａ’において受信した反射波Ａは、図中のように、ブロードな反射波高分布（音圧分布）Ｓａを示す。一方探触子３ｂ’において受信した反射波Ｂは、シャープな音圧分布Ｓｂを示す。
【００２４】
〔超音波探触子と対象物との距離による特性変化〕
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波で狭領域の反射波Ｂに係る探触子３ｂと対象物Ｍとの距離を変化させた場合の音圧分布の変化を例示する。図４（Ａ）は、実際に探触子３ｂから発信された超音波における、濃淡をつけて音圧分布を模式的に例示したものである。探触子３ｂから近距離音場限界距離以内Ｄｃでは複数箇所に音圧の高い場所が現れ、これを超えた距離Ｄｂにおいては音圧が平坦でほぼ等しい領域が見られる。図４（Ｂ），（Ｃ）は、対象物Ｍとの距離を、近距離音場限界距離より短くした場合の音圧分布の変化を例示する。図４（Ｂ）のように、探触子３と対象物Ｍとの距離Ｄｂにおいては、探触子３ｂの照射領域中心近傍（ガウス分布の頂上付近）の領域Ｒａで、平坦でほぼ等しい音圧分布Ｓａとなる。一方、図４（Ｃ）のように、探触子３ｂと対象物Ｍとの距離Ｄｃ内においては、照射領域内Ｒｃで複雑に変動し，複数箇所に音圧の高い音圧分布Ｓｃとなる。大きな音圧の変動が現れる音圧分布Ｓｃを、平坦でほぼ等しい音圧分布Ｓａの代わりに用いるか、もしくは組合せて演算（加算）することによって、この領域での対象物との接触の違い（触覚）を感度良く検知できることになり，音圧分布Ｓａの場合よりさらに細かな表面性状の把握を行うことができる。
【００２５】
＜本発明に係る触覚センサの基本的な構成例＞
本センサにおいては、上記の表面状態の計測原理を用い、反射波Ａと反射波Ｂが干渉した反射波Ｃを計測することによって、対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測することができる。具体的には、図５（Ａ）〜（Ｃ）に例示するような本センサ１０の構成例を挙げることができる。本センサ１０において、反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が、対象物Ｍの表面Ｍａへの照射直前または反射後において重畳（干渉）し、反射波Ｃとして受信することができる。探触子３ａ，３ｂが他の反射波の影響を受けずに受信した情報から、互いに干渉せずに実測した反射波Ａからの情報と反射波Ｂからの情報を得るとともに、探触子３ｃによって、反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報が干渉された反射波Ｃに係る情報として、直接的に得ることができる（実質的に演算されたものと同様の情報として取り出すことができる）。
【００２６】
反射波Ｃにおける反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報の割合は、対象物Ｍへの超音波の照射時間および／または探触子３と対象物Ｍとの距離を、反射波Ａに係る探触子３ａと反射波Ｂに係る探触子３ｂで変えることによって、任意に設定することができる。これによって略同一領域における「粗さ」と「ウネリ」に係る触覚（触感）情報の割合を変更し、より人間の触覚に近い情報として計測することができる。なお、ここでいう「照射時間」とは、連続照射において、照射開始から所定時間経過後に照射を停止するまでの時間（印加時間）、およびパルス照射において、照射波のパルス数あるいは数パルスを１単位とする単位数をいう。いずれも、「照射時間」（印加時間）を変更させることによって、照射量（Ｐｏｗｅｒ）を変更することができる。
【００２７】
また、受信された反射波Ｃに係る情報から、対象物Ｍの表面Ｍａの粗さおよびうねりを推定することができる。具体的には、受信された反射波の波高成分は、時間の関数として現されることから、反射波Ｃに係る情報をフーリエ変換し、反射波Ａ成分に係る波高と反射波Ｂ成分に係る波高に分離し、反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、対象物Ｍの表面Ｍａの粗さおよびウネリを推定し、該推定を基に触覚を評価することができる。
【００２８】
例えば、特定の時間ｔ（ｉ）あるいは特定の移動距離ｓ（ｉ）における反射波Ａに係る波高Ａｉと反射波Ｂに係る波高Ｂｉとすると、反射波Ａと反射波Ｂが重畳した反射波Ｃは、反射波Ａと反射波Ｂが重畳した比率（演算比率ｆとする）を基に、下式１により波高値Ｔ（ｉ）を演算することができる。
Ｔ（ｉ）＝Ａｉ×ｆ＋Ｂ×（１−ｆ）    ［式１］
ここで、例えば、多くの人間の平均的な触覚に対応した演算比率ｆｏを設定することによって、個人差が補正された表面状態に対する客観性の高い触覚として評価することができる。具体的には、表面Ｍａの状態を、波高Ａｉによって「粗さ」の大小あるいは波高Ｂｉによって「ウネリ」の大小等の触覚として評価するとともに、演算比率ｆｏにおいて、波高値Ｔｏとなる表面状態であるとして評価することができる。また、予め特定の個人間の触覚について計測し得られた各情報から演算比率ｆｉを設定し、個人にあった触覚に近い情報として表面状態を評価することができる。また、波高値Ｔ（ｉ）ではなく、これを時間あるいは本センサ１０の移動距離で微分した変動値ΔＴ（ｉ）で表面状態を評価することができる。波高値Ｔ（ｉ）は、例えば押圧あるいは柔軟性の大小に相当する評価基準とし、変動値ΔＴ１は、例えば表面の凹凸あるいは鋭鈍の大小に相当する評価基準として用いることができる。また、反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報が独立して得られることから、演算比率ｆを設定して表面状態を評価する方法を示したが、探触子３ａ，３ｂに印加される、それぞれのＰｏｗｅｒまたは印加時間（照射時間）を変動させ、探触子３ａ，３ｂから照射される超音波のＤｕｔｙ（所定時間内における照射時間と停止時間の比率）の比率を設定することによって、同様の機能を実現することができる。
【００２９】
図５（Ａ）は、反射波Ｃを、探触子３ａ，探触子３ｂとは別に、仮想の探触子３ａ’，３ｂ’と同様の受信位置に設けられた探触子３ｃ（３ｃ’）によって計測する構成を示す。反射波Ａと反射波Ｂが重畳して形成され、両者が干渉した反射波Ｃとして探触子３ｃ（３ｃ’）によって計測することによって、人間の触覚と一致する傾向を示す情報を直接計測することができる。と同時に、反射波Ａおよび反射波Ｂに係る、ウネリと粗さについての情報を別途、他の情報の干渉を受けずに取り出すことができることから、人間の触覚により近い情報を得ることができる。また、個人差を補正した計測を行うことができる。
【００３０】
図５（Ｂ），（Ｃ）は、本センサ１０において、例えば，探触子３ａにパルス電圧を印加後、遅延時間ｔ１を空けて探触子３ｂにパルス電圧を印加した場合の探触子３ｃでの受信波形（振幅）である。図５（Ｂ）に示すように、最初に、遅延時間ｔ１までの時間帯において実線で示す反射波Ａを受信し、時間ｔ１〜ｔ２の時間帯において反射波Ａと破線で示す反射波Ｂが重畳した反射波Ｃを受信し、時間ｔ２〜ｔ３の時間帯において反射波Ｂを受信する。従って、探触子３ｃからは、図５（Ｃ）に示すような、受信波形を取り出すことができる。ただし、遅延時間ｔ１，ｔ２は、０．１ｍｓ以下であるため，ほぼ同時に計測することができる。このとき、後述するように各探触子を配置することによって、略同一領域からの反射波Ａ〜Ｃが受信でき、かつそれぞれ互いに干渉させることなく、探触子３ａによって反射波Ａに係る情報を計測し、探触子３ｂによって反射波Ｂに係る情報を計測し、探触子３ｃによって反射波Ａ〜Ｃに係る情報を計測することができる。また、上記のように探触子３ｃの受信波形は、時間を指標として、フーリエ解析を用いずとも、それぞれ分離可能な反射波Ａ〜Ｃに係る情報として取り出すことができる。
【００３１】
〔本発明に係る触覚センサの他の構成例〕
図６は、本センサ１０の他の構成例を示す。本センサ１０は、反射波Ａに係る探触子３ａまたは反射波Ｂに係る探触子３ｂよりも接触表面Ｍａからの距離が短く、近距離音場限界距離よりも短い位置に、反射波Ｄに係る探触子３ｄが設けられたことを特徴とする。上記のように、探触子３と対象物Ｍとの距離によって探触子３における音圧分布等の特性が大きく変化し、特に近距離音場限界距離Ｄｃ以内では非常に細かな表面性状の把握を行うことができる。第３構成例では、反射波Ｄに係る探触子３ｄを近距離音場限界距離以内Ｄｄに設けることによって、より細かな表面性状の把握ができるという優れた機能を有する本センサ１０を構成することができる。
【００３２】
〔透過体〕
透過体１は、本センサ１０に適用可能な周波数領域の超音波透過性と軟質性を有し、探触子３を接触表面２との位置関係が略一定となる条件で保持することができる定形性を維持するとともに、対象物Ｍの表面Ｍａの凹凸に追随して変形する接触表面２を有する。こうした要件を具備すれば、素材や形状等を限定するものではない。また、対象物Ｍの素材や表面状態等によって、種々の素材や形状を選択することができる。例えば、人間や動物の指先を透過体１とすることができる。爪の一部に探触子３を固定し、指腹を接触表面２とすることによって、超音波透過性の優れた本センサ１０を構成することができる。あるいは、シリコンやシリコン系樹脂またはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの機能性高分子や澱粉などの天然高分子等の成形体を用いることによって、対象物Ｍの形状や表面状態に適した材料および形状を作製することができる。
【００３３】
〔探触子の配置構成について〕
図７（Ａ）は、反射波Ａに係る探触子３ａと反射波Ｂに係る探触子３ｂによって挟まれる配置に、反射波Ｃに係る探触子３ｃが配設された構成を例示する。探触子３ａでは反射波Ａのみを受信し、探触子３ｂでは反射波Ｂのみを受信するとともに、反射波Ａと反射波Ｂが重畳された反射波Ｃのみを探触子３ｃによって受信することができる。例えば、中央の軸心方向に移動させ、その方向に合せて超音波の照射のタイミングを合わせることによって、略同一領域に絞り込まれた領域からの反射波の情報として受信することができる。つまり、探触子３ａによってその領域を含む広い領域の「ウネリ」を計測し、探触子３ｂによって絞り込まれた狭い領域における「粗さ」を計測することができると同時に、探触子３ｃによって実質的に同一領域における「粗さ」と「ウネリ」に係る情報が重畳された情報を計測することができる。
【００３４】
図７（Ｂ）は、反射波Ｂに係る探触子３ｂの外周に、反射波Ｃに係る探触子３ｃが配設され、さらにその外周に反射波Ａに係る探触子３ａが配設された構成を例示する。反射波Ａの領域と反射波Ｂの領域が重畳する部分を有するとともに、あたかも、反射波Ａと反射波Ｂが重畳する反射波Ｃの領域によって、両領域が分断された状態が形成され、反射波Ａと反射波Ｂが重畳された反射波Ｃは、探触子３ｃによってのみ受信することができる。探触子３ｂによって絞り込まれた狭い領域における「粗さ」を計測すると同時に、その領域を中心とする周囲の広い領域の「ウネリ」を計測することができ、同一領域における「粗さ」と「ウネリ」に係る触覚（触感）情報を計測することができる。
【００３５】
図７（Ｃ）は、上記図７（Ａ）に係る構成と上記図７（Ｂ）に係る構成の中間的な構成となる。対向する反射波Ａに係る探触子３ａと反射波Ｂに係る探触子３ｂの内周部に、反射波Ｃに係る探触子３ｃが配設され、反射波Ａと反射波Ｂが重畳する領域で探触子３ｃが反射波Ｃを受信することができるとともに、その外周部の半円錐形状の超音波照射・反射領域において反射波Ａおよび反射波Ｂを互いに干渉しあわずに受信することができる。中心部の反射波Ｃと略同じ領域からの反射波Ａおよび反射波Ｂを計測することが可能であり、探触子３ｂによって「粗さ」を計測し、探触子３ａによってその領域と隣接する領域の「ウネリ」を計測することができると同時に、探触子３ｃによって略同一領域における「粗さ」と「ウネリ」に係る触覚（触感）情報を計測することができる。
【００３６】
なお、本センサ１０において、探触子３として、探触子３ｃを用いずに探触子３ａおよび探触子３ｂによって計測することが可能である。具体的には、図７（Ｄ），（Ｅ）のように、探触子３ａが探触子３ｂの周囲にリング状に配置された場合は，探触子３ａ，３ｂのいずれか、または双方において反射波Ａと反射波Ｂが重畳した反射波Ｃを計測することができるため、各探触子３ａ，３ｂにおいて受信した情報についてフーリエ解析を行うことによって、反射波Ｃ受信専用の探触子３ｃが不要になる。
【００３７】
上記のように、本センサによって対象物表面における人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することが可能となった。また、本センサにおける「触覚」との概念は、人間の指先に限定して捉えるだけでなく、指先では触れることができない対象物（高温条件や接触による汚染の排除等の理由による場合）の表面状態を定性的な評価を行う場合においても、定量的に計測された情報を基に推定することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    透過体（超音波透過性材料）
２    接触表面
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  超音波探触子（探触子）
３ａ’，３ｂ’  仮想の探触子
１０  触覚センサ（本センサ）
Ｍ    対象物
Ｍａ  対象物の表面
Ｓａ，Ｓｂ  反射波高分布（音圧分布）
【図１】
2015145832.tif 000003
【図２】
2015145832.tif 000004
【図３】
2015145832.tif 000005
【図４】
2015145832.tif 000006
【図５】
2015145832.tif 000007
【図６】
2015145832.tif 000008
【図７】
2015145832.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月28日(2014.11.28)
【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】
軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子と、を有する触覚センサであって、
前記対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の照射領域が設定され、前記触覚センサを前記対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、前記対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物の表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記対象物への超音波の照射時間、および／または前記超音波探触子と対象物との距離を、前記反射波Ａに係る超音波探触子と反射波Ｂに係る超音波探触子で変えて照射し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記反射波Ａに係る超音波探触子または前記反射波Ｂに係る超音波探触子よりも前記接触表面からの距離が短く、近距離音場限界距離よりも短い位置に、反射波Ｄに係る超音波探触子が設けられ、前記対象物の表面に照射された前記反射波Ｄを受信した反射波Ｄに係る波高を演算し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と前記反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高から、前記対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、
または／および受信された前記反射波Ｃの波高成分をフーリエ変換して、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高に分離し、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、
該推定を基に触覚を評価することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子と、を有する触覚センサであって、
前記対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の存在領域が設定され、前記触覚センサを前記対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、前記対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物の表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記のように、人間の指先と同様の触覚機能を有する触覚センサを実現することは非常に難しい。本発明者は、超音波を用いた触覚センサの研究過程における種々の検証の結果、照射された超音波の対象物の表面（超音波透過性材料の対象物との接触面）からの反射波の強度は、軟質性の超音波透過性材料の変形（対象物の表面の凹凸に合わせた変形）による局部的な超音波の路程差によって変化するとの知見を得た。さらに、こうした知見を基に、照射する超音波の特性によって、細かな表面粗さ（以下「粗さ」ということがある）の計測に加え、対象物の表面の大きなうねり（以下単に「ウネリ」ということがある）を同時かつ区分して計測し、それらを組合せて演算することによって、指先に似た触覚を評価することが可能であるとの知見を得た。また、対象物の表面に照射した超音波の反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａから得られた情報は、粗さに対する反射波高成分は小さく、ウネリに対する反射波高成分は大きい一方、高周波かつ狭領域の反射波Ｂから得られた情報は、粗さに対する反射波高成分は大きく、ウネリに対する反射波高成分は小さいとの知見を得た。つまり、実測した反射波Ａからの情報と反射波Ｂの情報を組合せることによって、対象物の表面における人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することが可能となった。具体的には、反射波Ａからの情報と反射波Ｂの情報が適切に重畳された情報を創成することによって、人間の触感（人間の指の特性は，年齢や性差，障害の有無等により異なる）にあった触覚情報を得ることができる。また、本発明者は、検証過程において、反射波Ａと反射波Ｂが一部重畳した場合に、重畳部分の計測された情報が、移動する位置（距離）や時間等の変動に対して他の情報に比較し安定であるとともに、人間の触覚と一致する傾向を示すとのの知見を得た。超音波自体が相互に干渉し合うことによって、ウネリ要素を含む情報と対象物の表面の微細状態に係る情報を得ることができるとともに、後述するフーリエ変換によって、反射波Ａと反射波Ｂにかかる情報、つまり粗さに係る情報とウネリ係る情報を分離して得ることが可能となる。こうした情報を基とした種々の新たな製品表面の開発や、ロボット等の機器の制御に生かすことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、上記触覚センサであって、前記反射波Ａに係る超音波探触子または前記反射波Ｂに係る超音波探触子よりも前記接触表面からの距離が短く、近距離音場限界距離よりも短い位置に、反射波Ｄに係る超音波探触子が設けられ、前記対象物の表面に照射された前記反射波Ｄを受信した反射波Ｄに係る波高を演算し、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
上記のように、対象物と探触子が「近距離音場限界距離」内に設置された場合の音場が、照射領域内で複雑に変動し、複数箇所に音圧の高い場所が現れることを利用することにより，対象物の略同一領域において、複数の局所高音圧箇所を持たすことが可能となる。従って、そこ（極端に狭い領域）での相手面との接触の違いを感度良く検知できることになり、より細かな表面性状の把握が可能になる。狭領域の探触子の照射領域中心近傍での音圧が平坦でほぼ等しくなる場合は後述する。本発明は、反射波Ａに係る超音波探触子および反射波Ｂに係る超音波探触子を有する構成に加え、反射波Ｄに係る超音波探触子を対象物の表面に近接して設けることによって、こうした対象物の表面の微細状態を高精度に計測することが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明は、上記触覚センサであって、前記反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と前記反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高から、前記対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、または／および受信された前記反射波Ｃの波高成分をフーリエ変換して、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高に分離し、前記反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、前記対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。
触覚センサを対象物の表面に接触させながら移動させて得られた対象物の表面からの反射波に係る情報は、超音波探触子からの照射量によって変化するとともに、時間の関数として現される。本発明は、反射波Ａに係る超音波探触子からの照射量と反射波Ｂに係る超音波探触子からの照射量を変化させて、各超音波探触子が受信する反射波Ａと反射波Ｂの波高の比を変化させることによって、対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定し、該推定を基に触覚を評価することが可能となった。また、２つの異なる周波数と照射領域の超音波を照射した場合、その反射波に係る情報は、それぞれ固有の時間の関数として現される。本発明者は、２つの異なる周波数と照射領域の超音波を照射し、その反射波Ａ，Ｂを重畳させた場合、その重畳した反射波Ｃに係る情報をフーリエ変換することによって、反射波Ａおよび反射波Ｂに係る情報に分離することができることを見出した。従って、分離された反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報から、対象物の表面の粗さおよびうねりを推定し、該推定を基に触覚を評価することが可能となった。これらは、いずれかのみの比率を変化させることで、反射波Ａに係る情報と反射波Ｂに係る情報の比率を変化させることができるとともに、両方を組合せることによって、より精度の高い対象物の表面の粗さおよびうねりの程度を推定することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明に係る触覚センサ（以下「本センサ」ということがある）は、軟質性の超音波透過性材料を介在して、一端に形成され対象物の表面と接触する接触表面と、該接触表面に対向する他端の位置に装着された複数の超音波探触子（以下「探触子」ということがある）と、を有する。こうした構成において、対象物に対して照射される低周波側と高周波側の超音波の周波数、および狭領域と広領域の超音波の照射領域が設定され、触覚センサを対象物の表面に接触させながら移動させて接触表面に各超音波を照射させ、対象物の表面からの反射波について、低周波かつ広領域の反射波Ａと高周波かつ狭領域の反射波Ｂを受信するとともに、該反射波Ａに係る照射波と反射波Ｂに係る照射波が前記対象物の表面への照射直前または反射後において重畳した反射波Ｃとして受信し、反射波Ａ〜Ｃに係る波高を演算し、前記対象物の表面の粗さおよびウネリを推定し、該推定を基に触覚を評価することを特徴とする。以下、好適な実施形態につき図面を用いて説明する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、受信された反射波Ｃに係る情報から、対象物Ｍの表面Ｍａの粗さおよびウネリを推定することができる。具体的には、受信された反射波の波高成分は、時間の関数として現されることから、反射波Ｃに係る情報をフーリエ変換し、反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高に分離し、反射波Ａに係る波高と反射波Ｂに係る波高の演算比率を変えて演算することによって、対象物Ｍの表面Ｍａの粗さおよびウネリを推定し、該推定を基に触覚を評価することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
上記のように、本センサによって対象物の表面における人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することが可能となった。また、本センサにおける「触覚」との概念は、人間の指先に限定して捉えるだけでなく、指先では触れることができない対象物（高温条件や接触による汚染の排除等の理由による場合）の表面状態を定性的な評価を行う場合においても、定量的に計測された情報を基に推定することが可能である。