(57)【要約】【課題】構造が簡単で剪断力を検出可能な触覚センサを提供することを課題とする。【解決手段】触覚センサ１は、接触対象物から荷重Ｆが入力される入力面３０と、荷重Ｆにより所定の電気量を出力する複数のセンサ部２ａ、２ｂ、２ｃと、を備える。複数のセンサ部２ａ、２ｂ、２ｃのうち、少なくとも二つのセンサ部２ａ、２ｂは、各々、第一センサ部２ａ、２ｂである。複数の第一センサ部２ａ、２ｂは、各々、入力面３０に荷重Ｆが入力されていない無荷重状態において、入力面３０の面方向に対して交差する方向に延在している。複数の第一センサ部２ａ、２ｂ同士は、互いに交差する方向に延在している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触対象物から荷重が入力される入力面と、該荷重により所定の電気量を出力する複数のセンサ部と、を備える触覚センサであって、
複数の前記センサ部のうち、少なくとも二つの該センサ部は、各々、第一センサ部であり、
複数の該第一センサ部は、各々、前記入力面に前記荷重が入力されていない無荷重状態において、該入力面の面方向に対して交差する方向に延在しており、
複数の該第一センサ部同士は、互いに交差する方向に延在していることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
複数の前記センサ部のうち、少なくとも一つの該センサ部は、前記無荷重状態において、前記入力面の前記面方向に対して平行な方向に延在している第二センサ部である請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記センサ部は、誘電層と、該誘電層の表裏方向両側に配置される複数の電極と、を有し、前記荷重により弾性変形可能であり、静電容量に関する前記電気量を出力する請求項１または請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記入力面と、該入力面の裏側に配置される複数の伝達面と、を有し、前記荷重により弾性変形可能な表側基材と、
該表側基材の裏側に配置され、各々該伝達面に対向して配置される複数の支持面を有し、該荷重により弾性変形可能な裏側基材と、
複数の前記センサ部に電気的に接続され、複数の該センサ部から伝送される前記電気量を基に、剪断力を判別可能な制御装置と、
を備え、
複数の該伝達面のうち、少なくとも二つの該伝達面は、各々、第一伝達面であり、
複数の該第一伝達面は、各々、前記無荷重状態において、該入力面の前記面方向に対して交差する方向に展開されており、
複数の該第一伝達面同士は、互いに交差する方向に展開されており、
複数の該支持面のうち、少なくとも二つの該支持面は、各々、該第一伝達面に対向して配置される第一支持面であり、
複数の該第一センサ部は、各々、該第一伝達面と該第一支持面との間に配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項５】
複数の前記伝達面のうち、少なくとも一つの該伝達面は、前記無荷重状態において、前記入力面の前記面方向に対して平行な方向に展開されている第二伝達面であり、
複数の前記支持面のうち、少なくとも一つの該支持面は、該第二伝達面に対向して配置される第二支持面であり、
複数の該第二センサ部は、各々、該第二伝達面と該第二支持面との間に配置されている請求項４に記載の触覚センサ。
【請求項６】
複数の前記第一センサ部は、全体として、前記入力面の法線方向に凹む凹状に配置されている請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記入力面の法線方向から見て、複数の前記第一センサ部は、全体として、放射状に配置されている請求項１ないし請求項６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、ロボットの人工皮膚やマットレスなどに用いられる触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、２には、静電容量型の触覚センサが開示されている。特許文献３には、圧電素子を備える触覚センサが開示されている。これらの触覚センサは、いずれも剪断力を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２２０１８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２４７２９７号公報
【特許文献３】特開２００９−２９４１４０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、これらの触覚センサは、いずれも構造が複雑である。特許文献１の触覚センサの場合、誘電層の表裏両側の一対の電極を、表側または裏側から見て、互いにずらして配置する必要がある。また、特許文献２の触覚センサの場合、誘電層の変形方向に異方性を付与するために、誘電層にスリットや貫通孔などを配置する必要がある。また、特許文献３の触覚センサの場合、四つの圧電素子を、各々、カンチレバー状に配置する必要がある。また、四つの圧電素子を、各々、Ｌ字状に湾曲させる必要がある。このように、従来の触覚センサは、いずれも構造が複雑である。
【０００５】
そこで、本発明は、構造が簡単で剪断力を検出可能な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】
【０００６】
（１）上記課題を解決するため、本発明の触覚センサは、接触対象物から荷重が入力される入力面と、該荷重により所定の電気量を出力する複数のセンサ部と、を備える触覚センサであって、複数の前記センサ部のうち、少なくとも二つの該センサ部は、各々、第一センサ部であり、複数の該第一センサ部は、各々、前記入力面に前記荷重が入力されていない無荷重状態において、該入力面の面方向に対して交差する方向に延在しており、複数の該第一センサ部同士は、互いに交差する方向に延在していることを特徴とする。
【０００７】
本発明の触覚センサは、少なくとも二つ（つまり複数）の第一センサ部を備えている。無荷重状態において、複数の第一センサ部は、各々、入力面の面方向（面が展開されている方向）に対して交差する方向に延在している。また、複数の第一センサ部同士は、互いに交差する方向に延在している。このため、入力面に対する荷重の入力方向（入力面から見た場合の入力方向）と、第一センサ部に対する荷重の伝達方向（第一センサ部から見た場合の伝達方向）と、は異なっている。並びに、複数の第一センサ部の各々に対する荷重の伝達方向（第一センサ部から見た場合の伝達方向）は、互いに異なっている。したがって、任意の方向から入力面に荷重が入力される場合、複数の第一センサ部に対して、各々、異なる方向から、当該荷重が伝達されることになる。よって、本発明の触覚センサは、複数の第一センサ部から出力される電気量（例えば、電流、電圧など）を基に、入力された荷重に、入力面の面方向の力（剪断力）が含まれているか否かを、検出することができる。すなわち、剪断力を検出することができる。
【０００８】
また、本発明の触覚センサは、入力面と複数の第一センサ部との相対的な配置、および複数の第一センサ部同士の相対的な配置を利用して、剪断力を検出している。このため、第一センサ部自体の構造を、敢えて特殊化する必要がない。したがって、本発明の触覚センサは、構造が簡単である。
【０００９】
（１−１）少なくとも二つの前記第一センサ部のうち、少なくとも一対の該第一センサ部は、前記入力面の法線方向の断面において、該法線に対して、互いに線対称に配置されている構成とする方がよい。本構成によると、線対称に配置された一対の第一センサ部から出力される電気量を比較することにより、荷重が入力された方向を判別することができる。
【００１０】
（２）上記（１）の構成において、複数の前記センサ部のうち、少なくとも一つの該センサ部は、前記無荷重状態において、前記入力面の前記面方向に対して平行な方向に延在している第二センサ部である構成とする方がよい。本構成によると、第二センサ部は、入力面の法線方向の力（圧縮力）に対して、正対することになる。このため、第二センサ部を用いて、圧縮力を検出することができる。
【００１１】
（３）上記（１）または（２）の構成において、前記センサ部は、誘電層と、該誘電層の表裏方向両側に配置される複数の電極と、を有し、前記荷重により弾性変形可能であり、静電容量に関する前記電気量を出力する構成とする方がよい。
【００１２】
本構成によると、静電容量型のセンサ部を用いて、剪断力を検出することができる。すなわち、センサ部の静電容量は、式（１）から算出される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ  ・・・式（１）
式（１）中、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは対向する電極の面積、ｄは電極間距離である。センサ部に荷重が加わると、誘電層の表側の電極と、誘電層の裏側の電極と、の間の距離が変化する。このため、式（１）の電極間距離ｄ、つまり静電容量Ｃが変化する。本構成によると、当該静電容量Ｃの変化を基に、剪断力を検出することができる。
【００１３】
（４）上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記入力面と、該入力面の裏側に配置される複数の伝達面と、を有し、前記荷重により弾性変形可能な表側基材と、該表側基材の裏側に配置され、各々該伝達面に対向して配置される複数の支持面を有し、該荷重により弾性変形可能な裏側基材と、複数の前記センサ部に電気的に接続され、複数の該センサ部から伝送される前記電気量を基に、剪断力を判別可能な制御装置と、を備え、複数の該伝達面のうち、少なくとも二つの該伝達面は、各々、第一伝達面であり、複数の該第一伝達面は、各々、前記無荷重状態において、該入力面の前記面方向に対して交差する方向に展開されており、複数の該第一伝達面同士は、互いに交差する方向に展開されており、複数の該支持面のうち、少なくとも二つの該支持面は、各々、該第一伝達面に対向して配置される第一支持面であり、複数の該第一センサ部は、各々、該第一伝達面と該第一支持面との間に配置されている構成とする方がよい。
【００１４】
本構成によると、表側基材の第一伝達面と、裏側基材の第一支持面と、の間に、第一センサ部が介在している。このため、第一センサ部の柔軟性が高い場合であっても、複数の第一センサ部を、各々、所定の方向に配置することができる。
【００１５】
（５）上記（４）の構成において、複数の前記伝達面のうち、少なくとも一つの該伝達面は、前記無荷重状態において、前記入力面の前記面方向に対して平行な方向に展開されている第二伝達面であり、複数の前記支持面のうち、少なくとも一つの該支持面は、該第二伝達面に対向して配置される第二支持面であり、複数の該第二センサ部は、各々、該第二伝達面と該第二支持面との間に配置されている構成とする方がよい。
【００１６】
本構成によると、表側基材の第二伝達面と、裏側基材の第二支持面と、の間に、第二センサ部が介在している。このため、第二センサ部の柔軟性が高い場合であっても、第二センサ部を、所定の方向に配置することができる。
【００１７】
（６）上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、複数の前記第一センサ部は、全体として、前記入力面の法線方向に凹む凹状に配置されている構成とする方がよい。本構成によると、触覚センサの表裏方向断面（入力面の法線方向断面）において、複数の第一センサ部は、全体として、裏側に凹む凹状に配置されている。このため、複数の第一センサ部同士の交角（詳しくは、複数の第一センサ部の仮想延長面同士の交角）の設定の自由度が高くなる。
【００１８】
（７）上記（１）ないし（６）のいずれかの構成において、前記入力面の法線方向から見て、複数の前記第一センサ部は、全体として、放射状に配置されている構成とする方がよい。
【００１９】
本構成によると、触覚センサの表側（入力面側）または裏側から見て、複数の第一センサ部は、全体として、放射状に配置されている。このため、入力面の面方向のうち、あらゆる方向から入力される剪断力を、検出することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、構造が簡単で剪断力を検出可能な触覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態の触覚センサの透過上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図である。
【図３】図２の円ＩＩＩ内の拡大図である。
【図４】荷重入力時にセンサ部から出力される電気量の時系列的変化の模式図である。
【図５】第二実施形態の触覚センサの上下方向断面図である。
【図６】第三実施形態の触覚センサの透過上面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向断面図である。
【図８】第四実施形態の触覚センサの上下方向断面図である。
【図９】第五実施形態の触覚センサの透過周方向展開図である。
【図１０】同触覚センサの径方向断面図である。
【図１１】図１０の楕円ＸＩ内の拡大図である。
【図１２】第六実施形態の触覚センサの透過周方向展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の触覚センサの実施の形態について説明する。なお、図１〜図８において、前後左右方向は、本発明の「入力面の面方向」に対応している。上下方向は、本発明の「入力面の法線方向」に対応している。また、図９〜図１１において、周方向、軸方向は、本発明の「入力面の面方向」に対応している。径方向は、本発明の「入力面の法線方向」に対応している。
【００２３】
＜第一実施形態＞
［触覚センサの構成］
まず、本実施形態の触覚センサの構成について説明する。図１に、本実施形態の触覚センサの透過上面図を示す。なお、第一センサ部には、右後−左前方向にハッチングを施す。また、第二センサ部には、左後−右前方向にハッチングを施す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図を示す。図３に、図２の円ＩＩＩ内の拡大図を示す。
【００２４】
図１〜図３に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、左右一対の第一センサ部２ａ、２ｂと、第二センサ部２ｃと、表側基材３と、裏側基材４と、制御装置５と、を備えている。
【００２５】
裏側基材４は、ウレタン発泡体（スポンジ）製であって、上向きの凹部を有している。裏側基材４は、柔軟性、絶縁性を有している。裏側基材４は、左右一対の第一支持面４１ａ、４１ｂと、第二支持面４１ｃと、を備えている。
【００２６】
第一支持面４１ａは、左上から右下に向かって展開する、平面状を呈している。第一支持面４１ｂは、右上から左下に向かって展開する、平面状を呈している。第二支持面４１ｃは、水平方向に展開する平面状を呈している。第一支持面４１ａと第二支持面４１ｃと第一支持面４１ｂとは、左右方向に連なっている。
【００２７】
表側基材３は、ウレタン発泡体製であって、下向きの凸部を有している。表側基材３は、柔軟性、絶縁性を有している。表側基材３は、入力面３０と、左右一対の第一伝達面３１ａ、３１ｂと、第二伝達面３１ｃと、を備えている。
【００２８】
入力面３０は、表側基材３の上面（表面）である。入力面３０は、水平方向に展開する平面状を呈している。入力面３０には、接触対象物（例えば人）から、荷重Ｆが入力される。
【００２９】
第一伝達面３１ａは、左上から右下に向かって展開する、平面状を呈している。第一伝達面３１ａは、第一支持面４１ａに対向している。第一伝達面３１ａと第一支持面４１ａとは、互いに平行である。第一伝達面３１ｂは、左上から右下に向かって展開する、平面状を呈している。第一伝達面３１ｂは、第一支持面４１ｂに対向している。第一伝達面３１ｂと第一支持面４１ｂとは、互いに平行である。第二伝達面３１ｃは、水平方向に展開する平面状を呈している。第二伝達面３１ｃは、第二支持面４１ｃに対向している。第二伝達面３１ｃと第二支持面４１ｃとは、互いに平行である。第一伝達面３１ａと第二伝達面３１ｃと第一伝達面３１ｂとは、左右方向に連なっている。
【００３０】
第一センサ部２ａは、第一支持面４１ａと、第一伝達面３１ａと、の間に介在している。第一センサ部２ａは、誘電層２０ａと、上下一対の電極２１ａと、上下一対の配線２２ａと、を備えている。誘電層２０ａは、アクリルゴム製であって、薄膜状を呈している。誘電層２０ａは、柔軟性、絶縁性を有している。上下一対の電極２１ａは、誘電層２０ａの上下両面（表裏両面）に配置されている。電極２１ａは、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。電極２１ａは、薄膜状を呈している。電極２１ａは、柔軟性、導電性を有している。上下一対の配線２２ａは、上下一対の電極２１ａと、後述する制御装置５と、を電気的に接続している。配線２２ａは、銀ペースト製であって、線状を呈している。配線２２ａは、柔軟性、導電性を有している。
【００３１】
第一センサ部２ｂは、第一支持面４１ｂと、第一伝達面３１ｂと、の間に介在している。第一センサ部２ｂの構成は、第一センサ部２ａの構成と、同様である。すなわち、第一センサ部２ｂは、誘電層と、上下一対の電極と、上下一対の配線２２ｂと、を備えている。
【００３２】
第二センサ部２ｃは、第二支持面４１ｃと、第二伝達面３１ｃと、の間に介在している。第二センサ部２ｃの構成は、第一センサ部２ａの構成と、同様である。すなわち、第二センサ部２ｃは、誘電層と、上下一対の電極と、上下一対の配線２２ｃと、を備えている。
【００３３】
無荷重状態において、第一センサ部２ａ、第一伝達面３１ａ、第一支持面４１ａの延在方向と入力面３０の面方向（左右方向）とは、交角θ１ａで交差している。第一センサ部２ｂ、第一伝達面３１ｂ、第一支持面４１ｂの延在方向と入力面３０の面方向とは、交角θ１ｂで交差している。第一センサ部２ａ、第一伝達面３１ａ、第一支持面４１ａの延在方向と第一センサ部２ｂ、第一伝達面３１ｂ、第一支持面４１ｂの延在方向とは、交角θ２で交差している。第二センサ部２ｃ、第二伝達面３１ｃ、第二支持面４１ｃの延在方向と入力面３０の面方向とは、平行である。図２に示すように、入力面３０の法線Ｌ方向の断面において、第一センサ部２ａ、第一伝達面３１ａ、第一支持面４１ａと、第一センサ部２ｂ、第一伝達面３１ｂ、第一支持面４１ｂと、は入力面３０の法線Ｌ（詳しくは、入力面３０のうち、下側（裏側）にセンサ部（第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃ）が配置されている部分の、図心（図形重心）Ｇを通る法線）に対して、互いに線対称に配置されている。
【００３４】
制御装置５は、図示しない電源と、入力側切替回路と、出力側切替回路と、静電容量検出部と、を備えている。電源は、上側（表側）の配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃを介して、上側の電極２１ａに、交流電圧（具体的には矩形波電圧）を印加する。
【００３５】
入力側切替回路の一端は、電源に接続されている。入力側切替回路の他端は、三つの上側の配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃに接続されている。入力側切替回路は、電源に対して、三つの上側の配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃを、順番に切り替えて接続する。
【００３６】
出力側切替回路の一端は、三つの下側（裏側）の配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃに接続されている。出力側切替回路の他端は、静電容量検出部に接続されている。出力側切替回路は、静電容量検出部に対して、三つの下側の配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃを、順番に切り替えて接続する。
【００３７】
静電容量検出部は、三つのセンサ部（第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃ）のうち、任意のセンサ部（上側の電極２１ａに電圧が印加されており、かつ下側の電極２１ａが静電容量検出部に接続されているセンサ部）の静電容量を計測する。具体的には、静電容量検出部は、センサ部の充電電流を静電容量に変換している。そして、当該静電容量を計測している。充電電流は、本発明の「静電容量に関する電気量」の概念に含まれる。三つのセンサ部には、走査的に、順番に電圧が印加される。
【００３８】
［触覚センサの動き］
次に、本実施形態の触覚センサの動きについて説明する。図４に、荷重入力時にセンサ部から出力される電気量の時系列的変化の模式図を示す。なお、図４（Ｌ）においては、触覚センサ１の入力面３０に対して、右側から荷重（入力面３０の面方向の力、つまり剪断力）を入力している。図４（Ｒ）においては、触覚センサ１の入力面３０に対して、左側から荷重（入力面３０の面方向の力、つまり剪断力）を入力している。図４（Ｍ）においては、触覚センサ１の入力面３０に対して、上側から荷重（入力面３０の法線方向の力、つまり圧縮力）を入力している。すなわち、これらの荷重を、（Ｌ）→除荷→（Ｒ）→（Ｌ）→除荷→（Ｒ）→除荷→（Ｍ）→除荷→（Ｍ）のパターンで、触覚センサ１に入力している。
【００３９】
（右側から荷重が入力される場合）
図２、図４（Ｌ）に示すように、入力面３０に対して、右側から荷重が入力されると、無荷重状態（図４に一点鎖線で示す）に対して入力面３０が左側にずれるように、触覚センサ１が弾性変形する。このため、主に第一センサ部２ａが弾性的に圧縮変形する。すなわち、第一センサ部２ａには、図３に示す一対の電極２１ａ間の距離が小さくなるように（つまり式（１）の電極間距離ｄが小さくなるように）、荷重が加わる。したがって、図４（Ｌ）に示すように、第一センサ部２ａから出力される電気量（充電電流）が大きくなる。さらに、第二センサ部２ｃについては、荷重によって対向する電極の面積Ｓが小さくなるため、出力される電気量が小さくなる。
【００４０】
（左側から荷重が入力される場合）
図２、図４（Ｒ）に示すように、入力面３０に対して、左側から荷重が入力されると、無荷重状態に対して入力面３０が右側にずれるように、触覚センサ１が弾性変形する。このため、主に第一センサ部２ｂが弾性的に圧縮変形する。すなわち、第一センサ部２ｂには、一対の電極間の距離が小さくなるように、荷重が加わる。したがって、図４（Ｒ）に示すように、第一センサ部２ｂから出力される電気量が大きくなる。さらに、第二センサ部２ｃについては、荷重によって対向する電極の面積Ｓが小さくなるため、出力される電気量が小さくなる。
【００４１】
（上側から荷重が入力される場合）
図２、図４（Ｍ）に示すように、入力面３０に対して、上側から荷重が入力されると、無荷重状態に対して入力面３０が下側にずれるように、触覚センサ１が弾性変形する。このため、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃが弾性的に圧縮変形する。すなわち、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃには、各々、一対の電極間の距離が小さくなるように、荷重が加わる。したがって、図４（Ｍ）に示すように、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃから出力される電気量が大きくなる。
【００４２】
なお、荷重が右上側から加わる場合は、荷重は、右側からの剪断力と、上側からの圧縮力と、に分解可能である。この場合は、第一センサ部２ａ、第二センサ部２ｃから出力される電気量が大きくなる。図１に示す制御装置５は、双方の電気量の比により、荷重が加わる方向を判別することができる。同様に、荷重が左上側から加わる場合は、荷重は、左側からの剪断力と、上側からの圧縮力と、に分解可能である。この場合は、第一センサ部２ｂ、第二センサ部２ｃから出力される電気量が大きくなる。図１に示す制御装置５は、双方の電気量の比により、荷重が加わる方向を判別することができる。
【００４３】
このように、制御装置５は、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃからの電気量を基に、荷重が加わる方向を判別することができる。
【００４４】
［作用効果］
次に、本実施形態の触覚センサの作用効果について説明する。本実施形態の触覚センサ１は、二つの第一センサ部２ａ、２ｂを備えている。図２に示すように、無荷重状態において、二つの第一センサ部２ａ、２ｂは、各々、入力面３０の面方向に対して交差する方向に延在している。また、二つの第一センサ部２ａ、２ｂ同士は、互いに交差する方向に延在している。このため、任意の方向から入力面３０に荷重Ｆが入力される場合、入力面３０（第二センサ部２ｃ）に対する荷重の入力角度δｃと、第一センサ部２ａに対する荷重の伝達角度δａと、第一センサ部２ｂに対する荷重の伝達角度δｂと、は互いに異なっている。したがって、入力面３０に荷重Ｆが入力される場合、二つの第一センサ部２ａ、２ｂに対して、各々、異なる伝達角度δａ、δｂから、荷重Ｆが伝達されることになる。よって、触覚センサ１は、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量を基に、入力された荷重Ｆに、剪断力が含まれているか否かを、検出することができる。すなわち、剪断力を検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態の触覚センサ１は、入力面３０と二つの第一センサ部２ａ、２ｂとの相対的な配置、および二つの第一センサ部２ａ、２ｂ同士の相対的な配置を利用して、剪断力を検出している。このため、第一センサ部２ａ、２ｂ自体の構造を、敢えて特殊化する必要がない。したがって、触覚センサ１は、構造が簡単である。
【００４６】
また、図２に示すように、二つの第一センサ部２ａ、２ｂは、入力面３０の図心Ｇを通る法線Ｌに対して、互いに線対称に配置されている。このため、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量を比較することにより、荷重Ｆが入力された方向を判別することができる。
【００４７】
すなわち、荷重Ｆを、剪断力と、圧縮力と、に分解して考える場合、図４（Ｌ）、（Ｒ）に示すように、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量の差が大きいことから、剪断力が大きく、圧縮力が小さいことが判る。また、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量の差が小さいことから、剪断力が小さく、圧縮力が大きいことが判る。また、第一センサ部２ａから出力される電気量と、第一センサ部２ｂから出力される電気量と、の大小関係から、荷重Ｆが加わる方向（図４の場合、左側または右側）が判る。
【００４８】
また、本実施形態の触覚センサ１は、第二センサ部２ｃを備えている。図２に示すように、第二センサ部２ｃは、圧縮力に対して、正対することになる。このため、図４（Ｍ）に示すように、第二センサ部２ｃを用いて、圧縮力を検出することができる。
【００４９】
また、本実施形態の触覚センサ１のセンサ部（第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃ）は、全て静電容量型のセンサ部である。このため、静電容量の変化を基に、剪断力を検出することができる。
【００５０】
また、図２に示すように、第一センサ部２ａ、２ｂは、表側基材３の第一伝達面３１ａ、３１ｂと、裏側基材４の第一支持面４１ａ、４１ｂと、の間に、介在している。このため、第一センサ部２ａ、２ｂの柔軟性が高い場合であっても、第一センサ部２ａ、２ｂを、各々、所定の交角θ１ａ、θ１ｂ、θ２で、配置することができる。
【００５１】
また、図２に示すように、第二センサ部２ｃは、表側基材３の第二伝達面３１ｃと、裏側基材４の第二支持面４１ｃと、の間に、介在している。このため、第二センサ部２ｃの柔軟性が高い場合であっても、第二センサ部２ｃを、入力面３０の面方向と平行に、配置することができる。
【００５２】
また、図２に示すように、二つの第一センサ部２ａ、２ｂは、全体として、入力面３０の法線Ｌの方向（ただし、表側（上側）から裏側（下側）に向かう方向）に凹む凹状に配置されている。このため、二つの第一センサ部２ａ、２ｂ同士の交角θ２の設定の自由度が高くなる。
【００５３】
また、図２に示すように、第二センサ部２ｃは、二つの第一センサ部２ａ、２ｂの間に介在している。このため、一方の第一センサ部（例えば第一センサ部２ａ）の弾性変形が、他方の第一センサ部（例えば第一センサ部２ｂ）に、拘束されにくい。すなわち、二つの第一センサ部２ａ、２ｂが、各々、独立して変形しやすい。
【００５４】
また、本実施形態の触覚センサ１の表側基材３、裏側基材４は、いずれもウレタン発泡体製である。また、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃの誘電層２０ａは、いずれもアクリルゴム製である。また、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃの電極２１ａは、いずれもアクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。このため、触覚センサ１は、全体的に柔軟である。したがって、本実施形態の触覚センサ１は、人用あるいは動物用として用いるのに、特に適している。
【００５５】
＜第二実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、第二センサ部が配置されていない点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図５に、本実施形態の触覚センサの上下方向（表裏方向）断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００５６】
図５に示すように、触覚センサ１は、センサ部として、二つの第一センサ部２ａ、２ｂだけを備えている。すなわち、触覚センサ１には、図２に示す第二センサ部２ｃが配置されていない。
【００５７】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の触覚センサ１によると、第二センサ部が配置されていない分、構成が簡単である。また、本実施形態の触覚センサ１によると、二つの第一センサ部２ａ、２ｂの誘電層が共用化（一体化）されている。この点においても、構成が簡単である。
【００５８】
図４（Ｌ）、図４（Ｒ）に示すように、入力面３０に入力される荷重のうち、剪断力が大きい場合、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量の差が大きくなる。図４（Ｍ）に示すように、入力面３０に入力される荷重のうち、圧縮力が大きい場合、二つの第一センサ部２ａ、２ｂから出力される電気量の差が小さくなる。このような電気量の変化から、制御装置は、荷重が入力される方向を、判別することができる。
【００５９】
＜第三実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、上側から見て、八つの第一センサ部が、全体として、放射状に配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００６０】
図６に、本実施形態の触覚センサの透過上面図を示す。なお、図１と対応する部位については、同じ符号で示す。図７に、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００６１】
図６、図７に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、八つの第一センサ部２ｄと、第二センサ部２ｅと、表側基材３と、裏側基材４と、を備えている。表側基材３は、八つの第一伝達面３１ｄと、第二伝達面３１ｅと、を備えている。裏側基材４は、八つの第一支持面４１ｄと、第二支持面４１ｅと、を備えている。上側から見て、八つの第一センサ部２ｄは、全体として、放射状に配置されている。また、上側から見て、八つの第一センサ部２ｄは、全体として、環状に配置されている。また、上側から見て、八つの第一センサ部２ｄは、図心Ｇ（詳しくは、入力面３０のうち、下側（裏側）にセンサ部（八つの第一センサ部２ｄ、第二センサ部２ｅ）が配置されている部分の、図心）に対して、互いに点対称に配置されている。また、上側から見て、第二センサ部２ｅは、八つの第一センサ部２ｄの環の中央に配置されている。無荷重状態において、第一センサ部２ｄの延在方向と入力面３０の面方向とは、交差している。また、八つの第一センサ部２ｄの延在方向は、互いに交差している。
【００６２】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の触覚センサ１によると、触覚センサ１の上側から見て、八つの第一センサ部２ｄは、全体として、放射状に配置されている。このため、入力面３０の面方向のうち、あらゆる方向から入力される剪断力を、検出することができる。
【００６３】
本実施形態の触覚センサ１は、特に、上側から見て、第二センサ部２ｅを挟んで、二つの第一センサ部２ｄが一直線に並んでいる方向から入力される剪断力を検出しやすい。具体的には、前後方向（前側または後側）、左右方向（左側または右側）、左前右後方向（左前側または右後側）、右前左後方向（右前側または左後側）から入力される剪断力を検出しやすい。
【００６４】
＜第四実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、触覚センサが上下逆さまに配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００６５】
図８に、本実施形態の触覚センサの上下方向（表裏方向）断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図８に示すように、裏側基材４は、上向きの凸部を有している。表側基材３は、下向きの凹部を有している。
【００６６】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の触覚センサ１によると、二つの第一センサ部２ａ、２ｂは、全体として、入力面３０の法線Ｌの方向（ただし、裏側（下側）から表側（上側）に向かう方向）に突出する凸状に配置されている。このため、二つの第一センサ部２ａ、２ｂ同士の交角θ２の設定の自由度が高くなる。
【００６７】
＜第五実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとの相違点は、触覚センサが多数のセンサセルを有している点である。また、触覚センサが、ロボットの腕部の表面に巻装されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００６８】
図９に、本実施形態の触覚センサの透過周方向展開図を示す。図１０に、同触覚センサの径方向断面図を示す。図１１に、図１０の楕円ＸＩ内の拡大図を示す。なお、これらの図において、図１〜図３と対応する部位については、同じ符号で示す。また、図９、図１０に示す角度（０°、９０°、１８０°、２７０°）は、腕部９２の中心角である。
【００６９】
図９〜図１１に示すように、本実施形態の触覚センサ１は、ロボットの腕部９２に巻装されている。すなわち、触覚センサ１は、ロボットの人工皮膚として用いられている。触覚センサ１は、多数のセンサセル６を備えている。センサセル６は、周方向に３０°ずつ十二個、軸方向に六個並んでいる。
【００７０】
任意の単一のセンサセル６は、四つの第一センサ部２ｆと、第二センサ部２ｇと、表側基材３と、裏側基材４と、を備えている。表側基材３、裏側基材４は、全てのセンサセル６に共用されている。
【００７１】
表側基材３のうち、単一のセンサセル６に対応する部分は、四つの第一伝達面３１ｆと、第二伝達面３１ｇと、を備えている。裏側基材４のうち、単一のセンサセル６に対応する部分は、四つの第一支持面４１ｆと、第二支持面４１ｇと、を備えている。
【００７２】
図９に示すように、任意の単一のセンサセル６に着目すると、径方向外側（表側）から見て、四つの第一センサ部２ｆは、全体として、放射状に配置されている。また、径方向外側から見て、四つの第一センサ部２ｆは、全体として、環状に配置されている。また、上側から見て、四つの第一センサ部２ｆは、図心Ｇ（詳しくは、入力面３０のうち、単一のセンサセル６に対応する部分における、裏側（径方向内側）にセンサ部（四つの第一センサ部２ｆ、第二センサ部２ｇ）が配置されている部分の、図心）に対して、互いに点対称に配置されている。また、上側から見て、第二センサ部２ｇは、四つの第一センサ部２ｆの環の中央に配置されている。無荷重状態において、第一センサ部２ｆの延在方向と入力面３０の面方向とは、交差している。また、四つの第一センサ部２ｆの延在方向は、互いに交差している。
【００７３】
本実施形態の触覚センサと、第一実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の触覚センサ１のセンサセル６によると、センサセル６の径方向外側から見て、四つの第一センサ部２ｆは、全体として、放射状に配置されている。このため、入力面３０の面方向のうち、あらゆる方向から入力される剪断力を、検出することができる。
【００７４】
本実施形態の触覚センサ１は、特に、径方向外側から見て、第二センサ部２ｇを挟んで、二つの第一センサ部２ｆが一直線に並んでいる方向から入力される剪断力を検出しやすい。具体的には、軸方向、周方向から入力される剪断力を検出しやすい。
【００７５】
また、本実施形態の触覚センサ１は、多数のセンサセル６を備えている。このため、腕部９２の全体に亘って、剪断力を検出することができる。例えば、ロボットが腕部９２を用いて人を抱き上げた際、腕部９２に対して人がずれると、任意のセンサセル６が剪断力を検出する。このため、本実施形態の触覚センサ１によると、腕部９２から人がずれ落ちるのを、いち早く検出することができる。したがって、ロボットは、人の脱落を未然に防止することができる。
【００７６】
＜第六実施形態＞
本実施形態の触覚センサと、第五実施形態の触覚センサとの相違点は、センサセルが、特に、周方向から入力される剪断力を検出しやすいように配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００７７】
図１２に、本実施形態の触覚センサの透過周方向展開図を示す。なお、図９と対応する部位については、同じ符号で示す。図１２に示すように、センサセル６は、軸方向に長い帯状を呈している。センサセル６は、周方向に３０°ずつ十二個並んでいる。任意の単一のセンサセル６は、二つの第一センサ部２ｆと、第二センサ部２ｇと、表側基材（図略）と、裏側基材（図略）と、を備えている。センサセル６は、第一実施形態の触覚センサ１（図１〜図３参照）と同様の構造を呈している。また、図１の左右方向と、図１２の周方向と、は対応している。並びに、図１の前後方向と、図１２の軸方向と、は対応している。
【００７８】
本実施形態の触覚センサと、第五実施形態の触覚センサとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。また、腕部９２から人がずり落ちる際、腕部に対して周方向から剪断力が入力されやすい。この点、本実施形態の触覚センサ１によると、多数のセンサセル６が周方向に並んで配置されている。また、任意の単一のセンサセル６の二つの第一センサ部２ｆが、第二センサ部２ｇを挟んで、周方向に並んでいる。このため、特に、周方向から入力される剪断力を検出しやすい。したがって、本実施形態の触覚センサ１によると、腕部９２からの人の脱落を未然に防止しやすい。また、第五実施形態の触覚センサと比較して、本実施形態の触覚センサ１は、構造が簡単である。
【００７９】
＜その他＞
以上、本発明の触覚センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００８０】
図２、図８に示す交角θ１ａ、θ１ｂ、θ２は特に限定しない。交角θ１ａ、θ１ｂ、θ２は、各々、０でなければよい。また、交角θ１ａと、交角θ１ｂと、は一致していても、異なっていてもよい。また、図６、図７に示すように、第一センサ部２ｄのペア（具体的には、第二センサ部２ｅを挟んで、一直線に並んでいる二つの第一センサ部２ｄ）が複数ある場合、任意のペアの交角θ２（図２参照）と、他のペアの交角θ２と、は一致していても、異なっていてもよい。
【００８１】
また、第一伝達面３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、第一支持面４１ａ、４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ、第二伝達面３１ｃ、３１ｅ、３１ｇ、第二支持面４１ｃ、４１ｅ、４１ｇは、平面状でも、曲面状であってもよい。言い換えると、第一センサ部２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｆ、第二センサ部２ｃ、２ｅ、２ｇは、平らな膜状であっても、湾曲した膜状であってもよい。図９に示すセンサセル６の配置数は特に限定しない。また、単一のセンサセル６における第一センサ部２ｆ、第二センサ部２ｇの配置数は特に限定しない。
【００８２】
図２に示す表側基材３と裏側基材４とは一体物（共用基材）であってもよい。すなわち、共用基材にスリットを形成し、当該スリットに、第一センサ部２ａ、２ｂ、第二センサ部２ｃを挿入してもよい。
【００８３】
図３に示す電極２１ａから図１に示す制御装置５に入力される電気量は特に限定しない。電気抵抗、インピーダンス、位相、静電容量などであってもよい。図３に示す電極２１ａ、誘電層２０ａの形成方法は特に限定しない。例えば、成形、印刷（スクリーン印刷など）、塗布により、これらの部材を形成してもよい。
【００８４】
センサ部（第一センサ部２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｆ、第二センサ部２ｃ、２ｅ、２ｇ）の種類は、特に限定しない。例えば、圧電素子などであってもよい。センサ部と、基材（表側基材３、裏側基材４）と、は接合しても、接合しなくてもよい。
【００８５】
図３に示す誘電層２０ａの材質は特に限定しない。ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。例えば、静電容量を大きくするという観点では、比誘電率が高いものが望ましい。この観点からは、常温における比誘電率が３以上、さらには５以上のものが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。また、エラストマーのヤング率を調整することにより、用途に応じて荷重の検出感度や検出レンジを調整すればよい。特に、接触対象物から入力される荷重が小さい場合は、エラストマーとして、発泡体（スポンジ）を用いると好適である。その理由は、発泡体はヤング率が小さいため、接触対象物から加わる荷重が小さい場合であっても、誘電層２０ａが充分に変形するからである。すなわち、確実に荷重を検出することができるからである。好適なエラストマー（エラストマーの発泡体を含む）としては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。
【００８６】
電極２１ａの材質は特に限定しない。電極２１ａは、アクリルゴム以外のエラストマーを含んでいてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。電極２１ａは、導電性カーボンブラック以外の導電性フィラーを含んでいてもよい。導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの誘導体、グラファイト、導電性炭素繊維などが挙げられる。配線２２ａ〜２２ｃの材質は特に限定しない。例えば、カーボンペースト製としてもよい。また、上記電極２１ａ用の材料を用いて、配線２２ａ〜２２ｃを作製してもよい。
【００８７】
上側の電極２１ａの上側、および下側の電極２１ａの下側に、各々絶縁層を配置してもよい。絶縁層は、例えば、エラストマー製としてもよい。エラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム、などが挙げられる。好ましくは、電極２１ａとの接着性に優れるエラストマーがよい。ウレタンゴム、アクリルゴム、ヒドリンゴムが好適である。
【００８８】
表側基材３、裏側基材４の材質は特に限定しない。ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。好適なエラストマー（エラストマーの発泡体を含む）としては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが挙げられる。第三実施形態のように、複数の第一センサ部２ｄ（図６参照）を、全体として、放射状に配置する場合、第一センサ部２ｄの配置数は特に限定しない。三つ以上であればよい。
【００８９】
本発明の触覚センサの用途は特に限定しない。例えば、ロボットの人工皮膚、医療用、介護用などのマットレス、車椅子のシートなどに用いることができる。特に、触覚センサが配置された器具に対する、人（接触対象物）のずれ（つまり剪断力）を検出するのに好適である。
【符号の説明】
【００９０】
１：触覚センサ。
２ａ：第一センサ部、２０ａ：誘電層、２１ａ：電極、２２ａ：配線、２ｂ：第一センサ部、２２ｂ：配線、２ｃ：第二センサ部、２２ｃ：配線、２ｄ：第一センサ部、２ｅ：第二センサ部、２ｆ：第一センサ部、２ｇ：第二センサ部。
３：表側基材、３０：入力面、３１ａ：第一伝達面、３１ｂ：第一伝達面、３１ｃ：第二伝達面、３１ｄ：第一伝達面、３１ｅ：第二伝達面、３１ｆ：第一伝達面、３１ｇ：第二伝達面。
４：裏側基材、４１ａ：第一支持面、４１ｂ：第一支持面、４１ｃ：第二支持面、４１ｄ：第一支持面、４１ｅ：第二支持面、４１ｆ：第一支持面、４１ｇ：第二支持面。
５：制御装置。
６：センサセル。
９２：腕部。
Ｆ：荷重、Ｇ：図心、Ｌ：法線、δａ：伝達角度、δｂ：伝達角度、δｃ：入力角度、θ１ａ：交角、θ１ｂ：交角、θ２：交角。
【図１】
2015045552.tif 000003
【図２】
2015045552.tif 000004
【図３】
2015045552.tif 000005
【図４】
2015045552.tif 000006
【図５】
2015045552.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015045552.tif 000009
【図８】
2015045552.tif 000010
【図９】
2015045552.tif 000011
【図１０】
2015045552.tif 000012
【図１１】
2015045552.tif 000013
【図１２】
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