(57)【要約】【課題】構造が簡単で、人間の指のように対象物を撫でることにより対象物の表面硬さと表面粗さを同時に認識することができる触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法を提供することである。【解決手段】ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、前記ポリマー圧電体フィルム及びこのポリマー圧電体フィルムと前記第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材２と、この弾性部材を固定する基板４と、この基板４の一部に設置される歪ゲージ３と、この歪ゲージ３から延設される第２の電気信号線とを有する。【選択図】　図１
2004077346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、前記ポリマー圧電体フィルム及びこのポリマー圧電体フィルムと前記第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムに接続される導電性繊維と、この導電性繊維から延設される第１の電気信号線と、前記ポリマー圧電体フィルム及び前記導電性繊維に加えて前記導電性繊維と第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有することを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
ポリマー圧電体フィルムとこのポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と前記ポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材とこの弾性部材を固定する基板とこの基板の一部に設置される歪ゲージとこの歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有する触覚センサと、前記第１の電気信号線及び前記第２の電気信号線に接続されこの第２の電気信号線から得られる歪ゲージ信号に基づいて前記第１の電気信号線から得られる圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する信号分離部と、この信号分離部に接続され前記第１信号部に基づいて表面硬さを演算する第１の演算部と、前記信号分離部に接続され前記第２信号部に基づいて表面粗さを演算する第２の演算部とを有することを特徴とする触覚センサを用いた表面形態計測システム。
【請求項４】
ポリマー圧電体フィルムと歪ゲージを備える触覚センサを被測定物に接触させる工程と、前記ポリマー圧電体フィルムから圧電体センサ信号を計測するとともに前記歪ゲージから歪ゲージ信号を計測する工程と、前記歪ゲージ信号に基づいて前記圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する工程と、前記第１信号部を用いて表面硬さの演算を行う工程と、前記第２信号部を用いて表面粗さを演算する工程とを有することを特徴とする表面形態計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面硬さと表面粗さの両方を一度の操作で測定する触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ロボットハンド分野や医療分野などで用いられている表面状態を検出する触覚センサは圧電素子の特性を利用したものが多い。近年、人間との共存を想定したロボットの実用化や医療技術の更なる進歩に伴い、より人間の感覚に近い触覚センサの必要性が高まってきている。
【０００３】ロボットハンドに応用可能な触覚センサとして、例えば、特開２００２−３１５７４号公報（以下、イ号公報という。）には、「触覚センサ」として「圧電素子と一定の周波数で発振する振動子とが絶縁部材を介した積層構造で一体的に接合され、前記圧電素子の両端の電極に出力信号を取り出す手段が設けられていることを特徴とする触覚センサ」が開示されている。
【０００４】以下、図１０を参照し、イ号公報を引用しながら開示された技術について説明する。
図１０において、触覚センサ２６は、一定の周波数で発振する振動子２７と、その両面の電極２７ａ，２７ｂと、圧覚及びすべり覚などの触覚を検出するための圧電素子２８と、その両面の電極２８ａ，２８ｂとが絶縁シート２９を介して積層された構造となっている。また、電極２８ｂには圧電素子２８及び電極２８ｂを保護するための保護シート３０が設けられており、電極２７ａ側にはロボットハンド等に取付けるためのセンサ取付板３１が設置されている。
【０００５】このような構成の触覚センサ２６は、図示しないが、一定の周波数で発振する発振回路が電極２７ａ，２７ｂに接続され、電極２８ａ，２８ｂは増幅回路、スイッチ回路及びノイズカットフィルタを介して発振回路の発振周波数のみの信号を通過させるバンドパスフィルタに接続されている。さらに、バンドパスフィルタからは、圧覚を検出するための波動整形回路とすべり覚を検出するための差動アンプが分岐した形で接続された回路構成によって圧覚とすべり覚を同時に検出することができる。
【０００６】触覚センサ２６を被測定物に対して垂直方向に押し当てた状態で水平方向になぞりながら移動すると、振動子２７の振動が押圧に応じて圧電素子２８に伝達された圧覚の信号波形と、表面状態に応じて変化するすべり覚の信号波形との合成波形が得られる。この合成波形はバンドパスフィルタにより発振回路で発振した周波数の信号のみを通過させることによって圧覚検出用の信号波形を分離することができ、さらに、分離された圧覚検出用の信号波形を合成波形から差動アンプを用いて引算するとすべり覚検出用の信号波形が得られる。圧覚の強弱については信号レベルの大小を参照することで判断できるようにしている。
【０００７】また、生体などの硬さを測定する触覚センサ等として、特開平１０−２３４６７９号公報（以下、ロ号公報という。）には、「触覚センサ」として、「振動子と、この振動子を含む機械的振動部の振動特性を測定する機械的振動測定手段とを有し、前記機械的振動部を被測定物に接触させたときに生じる前期機械的振動部の共振状態を検出することで、前記被測定物の硬さを測定する触覚センサにおいて、前記機械的振動部に関連して設置され、前記機械的振動部に負荷を与えるための加圧体と、この加圧体の機械的インピーダンスを制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ」が開示されている。
このロ号公報に開示された発明では、センサ側の機械的インピーダンスを変化させて振動特性を変化させることにより、生体のような柔らかい組織の硬さを比較する場合に良好な分解能を有する触覚センサを提供することができる。
【０００８】さらに、特開平１１−２８１５５５号公報（以下、ハ号公報という。）には、「触覚センサプローブ」として、「圧電体と、この圧電体を挟んで設けられ、該圧電体に電圧を印加する一対の電極と、この一対の電極に電圧を供給する発振回路とを有する触覚センサプローブであって、前記一対の電極のうち少なくとも一方は前記圧電体上に形成された薄膜状の電極であるとともに、前記薄膜状の電極を介して前記圧電体が被検体に接触可能に構成されていることを特徴とする触覚センサプローブ」が開示されている。
このハ号公報に開示された発明では、圧電体の機械的、電気的特性を維持した状態で安定に且つ感度よく生体等の被検体の持つ硬さ柔らかさを表す機械的インピーダンス特性情報を得ることができる。
【０００９】そして、特開平１１−１３２９２８号公報（以下、ニ号公報という。）には、「触覚センサプローブ」として、「測定対象物の硬さを測定する触覚センサを有する触覚センサプローブにおいて、前記触覚センサに接合された弾性部材と、前記弾性部材に接して設けられた圧電素子とを有し、前記圧電素子によって前記触覚センサに加わる圧力を検出するとともに、前記圧電素子によって前記触覚センサに加わる圧力を打ち消す方向に前記触覚センサに加わる力と同一の大きさの力を発生させることを特徴とする触覚センサプローブ」が開示されている。
このニ号公報に開示された発明では、接触圧の影響を受けずに対象物の硬さを検出でき、またこの手段に関する構造が単純かつ制御が簡単な触覚センサプローブを提供することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術においては、まず、イ号公報に記載の従来技術においては、確かに発振回路を伴った振動子を圧電素子に接合した触覚センサを用いて、被測定物との接触による信号情報を分離することで圧覚とすべり覚に関する情報を同時に得ることができるが、発振回路等を設けているので装置の構造が複雑になるという課題があった。
また、圧覚についてはこの強弱を信号レベルの大小を参照することで判断できるが、具体的な定量化の手段に関する思想は開示されていない。一方、すべり覚の評価方法については明細書に記載されていないので詳細は不明であるが、信号パターンから判断するものと考えられ、すべり覚の定量化についての思想も開示されていない。
一方、ロ号公報、ハ号公報及びニ号公報に記載の従来技術においては、測定対象物の硬さ或いは柔らかさを測定するものであり、表面の粗さに関する情報を同時に得ることができないという課題があった。
【００１１】本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、構造が簡単で、人間の指のように対象物を撫でることにより対象物の表面硬さと表面粗さを同時に精度良く計測、定量評価することができる触覚センサとそれを用いた表面形態計測システム並びに表面形態計測方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である触覚センサは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムに加えてこのポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有するものである。
【００１３】上記構成の触覚センサにおいては、対象物の被測定面をなぞる際にポリマー圧電体フィルムに生じる圧力変動を電気信号として第１の電気信号線から取り出し、また、同時に対象物の被測定面をなぞる際に生じる接触圧を歪ゲージから電気信号として第２の電気信号線から取り出すという作用を有する。
また、非導電性の弾性部材による被覆は、弾性を保ちながら触覚センサの形状を変化させて衝撃を和らげてポリマー圧電体フィルムを保護する作用を有する。
【００１４】また、請求項２記載の発明である触覚センサは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムに接続される導電性繊維と、この導電性繊維から延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムや導電性繊維、さらには導電性繊維と第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有するものである。
【００１５】上記構成の触覚センサにおいては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、導電性繊維によってポリマー圧電体フィルムに加わる歪を低減する作用を有する。
【００１６】請求項３記載の発明である触覚センサを用いた表面形態計測システムは、ポリマー圧電体フィルムと、このポリマー圧電体フィルムから延設される第１の電気信号線と、ポリマー圧電体フィルムと第１の電気信号線との接続部を被覆する非導電性の弾性部材と、この弾性部材を固定する基板と、この基板の一部に設置される歪ゲージと、この歪ゲージから延設される第２の電気信号線とを有する触覚センサを備え、第１の電気信号線及び第２の電気信号線に接続されこの第２の電気信号線から得られる歪ゲージ信号に基づいて第１の電気信号線から得られる圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する信号分離部と、この信号分離部に接続され第１信号部に基づいて表面硬さを演算する第１の演算部と、信号分離部に接続され第２信号部に基づいて表面粗さを演算する第２の演算部とを有するものである。
【００１７】上記構成の触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、信号分離部は触覚センサから得られる歪ゲージ信号に基づいて、時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分して、第１の演算部は第１信号部からそして第２の演算部は第２信号部からというように表面硬さと表面粗さは同じ信号の別々の部分から演算する作用を有する。
【００１８】請求項４記載の発明である表面形態計測方法は、ポリマー圧電体フィルムと歪ゲージを備える触覚センサを被測定物に接触させる工程と、ポリマー圧電体フィルムから圧電体センサ信号を計測するとともに歪ゲージから歪ゲージ信号を計測する工程と、歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する工程と、第１信号部を用いて表面硬さの演算を行う工程と、第２信号部を用いて表面粗さを演算する工程とを有するものである。
【００１９】上記構成の表面形態計測方法においては、触覚センサを被測定物に接触させてポリマー圧電体フィルムから圧電体センサ信号と歪ゲージから歪ゲージ信号を同時に計測し、この歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分し、第１信号部に基づいて表面硬さを演算し、第２信号部に基づいて表面粗さを演算する作用を有する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る触覚センサの実施の形態を図１及び図２に基づき説明する。（請求項１及び請求項２に対応）
図１は本実施の形態に係る触覚センサの概念図である。図１において、触覚センサ１は、対象物の被測定面をなぞる際に生じる圧力変動を感知するポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）センサ２と接触圧を感知する歪ゲージ３が基板４に固定されている。また、図示していないが、ＰＶＤＦセンサ２と歪ゲージ３には各々で発生する出力信号を取り出すためのリード線が各々に接続されている。
【００２１】ＰＶＤＦセンサ２は人間の指頭の形状を想定してシリコンゴムで覆われているが、このシリコンゴムを用いることによってＰＶＤＦセンサ２を人間の皮膚の感触に近づけることができると同時に、液体シリコンゴムの鋳造によって種々の形状に型取ることができるため様々な形状のセンサに対応できる。さらに、シリコンゴムは非導電性であるので、電源ノイズや生体の電気ノイズを低減する効果がある。なお、シリコンゴム以外にも非導電性の弾性部材を用いてもよい。
本実施の形態においては、ＰＶＤＦセンサ２の表面を市販のガーゼで覆うと、人間の指紋を模擬することにもなり、かつ、ＰＶＤＦセンサ２を保護するため効果的である。
【００２２】次に、図２を用いてＰＶＤＦセンサ２の内部構造について説明する。図２は本実施の形態に係る触覚センサのＰＶＤＦセンサの内部を示す外形図である。図２において触覚受感器５は、ＰＶＤＦフィルム６に導電性繊維７を接着し、銅シール８を介してリード線９を取付けている。また、導電性繊維７及び銅シール８とＰＶＤＦフィルム６との間には絶縁シート１０が設けられている。なお、触覚受感器５の片面についてのみ説明したが、図示していない裏面についても同様の構造を有している。
このように触覚受感器５では、ＰＶＤＦフィルム６とリード線９の間に導電性繊維７を設けることによって、リード線を直接接続した場合に比べてＰＶＤＦフィルム６の破損をより効果的に防ぐことができ、さらに、安定した信号を得ることが可能である。図２においては導電性繊維７を用いた例を示したが、導電性繊維７を設けることなく、ＰＶＤＦフィルム６の両面に銅シール８を貼りつけて電極としてそれぞれからリード線９を延設してもよい。
【００２３】また、触覚受感器５は所定の型に入れ、上述のシリコンゴムによって覆われるが、この埋め込みの際には、触覚受感器５をシリコンゴムの表面近傍に埋没することによってセンサの感度を向上させることができる。
このように構成された本実施の形態に係る触覚センサにおいては、歪ゲージ３が基板に固定されており、この歪ゲージの出力信号を参照しながらＰＶＤＦセンサの出力信号を処理することができるので、ＰＶＤＦセンサによる表面硬度と表面粗さの測定の精度を向上させることができる。
【００２４】続いて、図３及び図４を参照しながら本発明に係る表面形態計測システムの実施の形態について説明する。（請求項３に対応）
図３は本実施の形態に係る表面形態計測システムの概念図である。本実施の形態の表面形態計測システム１１は、ＰＶＤＦセンサ２と歪ゲージ３を有する触覚センサ１を備えており、ＰＶＤＦセンサ２はリード線２ａを介してＰＶＤＦセンサ信号入力部１３に接続され、歪ゲージ３はリード線３ａを介して歪ゲージ信号入力部１２に接続されている。歪ゲージ信号入力部１２とＰＶＤＦセンサ信号入力部１３はＰＶＤＦセンサ信号分離部１４に接続されて歪ゲージ信号とＰＶＤＦセンサ信号を送信する。ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４には、表面硬さ演算部１５、表面粗さ演算部１６が接続され、さらにこれらに表示部１７が接続されている。
歪ゲージ信号入力部１２やＰＶＤＦセンサ信号入力部１３においては信号の０Ｖ調整や増幅度の調整などを行ったり、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換を行い、その後の信号処理のための調整を行う。
【００２５】ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４では歪ゲージ３によって発生する歪ゲージ信号に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する。そして、この信号分離部で得られた第１信号部と第２信号部に関する情報は演算部へ送信され、表面硬さ演算部１５では第１信号部に基づいて表面硬さを演算し、表面粗さ演算部１６では第２信号部に基づいて表面粗さを演算することができる。このＰＶＤＦセンサ信号分離部１４における信号の区分の方法及び信号の定量評価の方法については、後に図５乃至８を参照しながら詳細に説明する。
また、表示部１７は、歪ゲージ信号入力部１２、ＰＶＤＦセンサ信号入力部１３、ＰＶＤＦセンサ信号分離部１４、表面硬さ演算部１５及び表面粗さ演算部１６で得られる信号情報や演算結果を表示することができる。
【００２６】図４は本実施の形態に係る表面形態計測システムの実施例である。図４において、触覚センサ１のＰＶＤＦセンサ２のリード線９はデジタルオシロスコープ１８に接続されている。一方、歪ゲージ３のリード線１９はブリッジボックス２０及びシグナルコンディショナー２１を介してデジタルオシロスコープ１８に接続されている。ブリッジボックス２０は、歪ゲージ３の抵抗変化を電圧信号に変換するものであり、シグナルコンディショナー２１は増幅用のアンプである。
デジタルオシロスコープ１８では、測定中のＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号を観察及び記録することができる。また、信号の０Ｖ調整や増幅度の調整なども行うことができる。
デジタルオシロスコープ１８で記録したデータはＵＳＢケーブル２２を通してコンピュータ２３へ転送される。このコンピュータ２３では、歪ゲージ信号に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分し、第１信号部に基づいて表面硬さを、第２信号部に基づいて表面粗さを演算し、その結果を表示することができる。デジタルオシロスコープ１８は、測定中のＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号をよりわかりやすく観察したり、記録するためのものであるので、それぞれのセンサからＡ／Ｄ変換カードを用いてコンピュータに入力してもよい。
【００２７】ここで、図５乃至図８を用いて、本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムによる表面形態の評価方法について詳しく説明する。
図５は本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムを用いて御影石を計測した出力図であり、図６は同じくナイロンたわしを計測した出力図である。
図５（ａ）乃至（ｃ）は御影石のＰＶＤＦセンサ信号波形を示すチャート図であり、また、図６（ａ）乃至（ｃ）も同じくナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号波形を表示するチャート図である。いずれの対象物のＰＶＤＦセンサ信号においてもある時間を境に出力パターンに相違が現れているが、この相違は触覚センサによる「押す」動作と「なぞる」動作の相違を反映している。そこで、接触圧をモニタする歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用して「押す」動作を反映した部分と「なぞる」動作を反映した部分に区分する。
【００２８】歪ゲージ信号は、触覚センサが被測定物の表面に接触した瞬間から時間の経過とともに徐々に低下し、その後一定の値を示した後、また被測定物から離れるときに上昇する出力パターンを示す。従って、歪ゲージ信号が時間軸に対して最初に低下し始める時間を用いて、この時間より前の部分をＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部２４、すなわち「押す」動作を反映した部分とし、後の部分をＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部２５、すなわち「なぞる」動作を反映した部分とする。
この前半の「押す」動作の信号部と後半の「なぞる」動作の信号部の区分の方法としては、歪ゲージ信号の出力変化が５％となった時点を、図３ではＰＶＤＦセンサ信号分離部１４が、そして図４ではコンピュータ２３が検出する。その時点を境界として、ＰＶＤＦセンサ信号を区分している。このように歪ゲージの出力信号の絶対値に基づいてＰＶＤＦセンサ信号を区分してもよいし、歪ゲージ信号の微分値をＰＶＤＦセンサ信号分離部１４あるいはコンピュータ２３において算出しこの微分値が所定の値となる時間を読み取り、その時点を境界として区分してもよい。
【００２９】図５の（ｂ）は上述の方法で区分した御影石のＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部であり、（ｃ）は同じく御影石のＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部である。また、図６の（ｂ）は同じくナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号の第１信号部であり、（ｃ）はナイロンたわしのＰＶＤＦセンサ信号の第２信号部である。
図５の御影石のＰＶＤＦセンサ出力を見ると、第１信号部の出力が大きく、第２信号部の出力が小さい。これは、御影石の硬度が高く、表面に触覚センサが接触する瞬間でセンサ出力が大きくなる一方、なぞる場合には、表面は滑らかで摩擦力が小さいため第２信号部のセンサ出力は小さくなることを示している。御影石とは逆に、ナイロンたわしはその逆の特性を備えているため、図６に示されるように第１信号部の出力が小さく第２信号部の出力が大きくなっている。
【００３０】このように図５及び図６を参照することによって、定性的にはＰＶＤＦセンサ出力の大小をある程度把握できる。さらに、本願明細書においては、このような定性的な評価を進めて、第１信号部及び第２信号部を用いて表面硬さ及び表面粗さを定量的に示す評価指数の演算方法について説明する。
ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の「押す」動作を反映した第１信号部の極大値ｍ点の平均値を変数Ｆｐとして次式（１）で定義し、この変数Ｆｐを表面硬さの評価指数とする。
【数１】
2004077346.tif 000003
また、同様に、ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の「なぞる」動作を反映した第２信号部の絶対値Ｎ点の平均値を変数Ｍｓとして次式（２）で定義し、この変数Ｍｓを表面粗さの評価指数とする。また、第２信号部のデータは、第２信号部の始まりから０．５秒間を使用すると測定誤差などの影響の少ない結果を得ることができる。なお、この０．５秒間という第２信号部のデータ長さについては測定対象などを考慮しながら修正するとよい。
【数２】
2004077346.tif 000004
【００３１】図７（ａ）は本実施に係る表面形態計測システムを用いて計測された表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値であり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値である。但し、式（１）において極大値点の数ｍは５とし、また、式（２）においては、サンプリングレートが５ＫＨｚの条件で第２信号部の始まりから０．５秒間のデータを用いたので絶対値Ｎは２５００となった。極大値点の数ｍについては、本実施の形態においては５を選択したが、この５に限定するものではなく波形から極大値の数を参照しながら決定するとよい。また、サンプリングレートも５ＫＨｚに固定する必要はなく、測定対象などによって調整するとよい。
なお、図７（ａ）及び（ｂ）には、図５及び図６において示した御影石及びナイロンたわし以外にも測定を行った発泡スチロールとスポンジについての結果も併せて表示している。
図７（ａ）の表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値は、スポンジ、ナイロンたわし、発泡スチロールそして御影石の順に大きくなっており定量的に評価されていることがわかる。一方、図７（ｂ）の表面粗さの評価指数Ｍｓの平均値は、御影石、スポンジ、ナイロンたわしそして発泡スチロールの順に大きくなっており、表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値と同様に定量的に評価されていることがわかる。
【００３２】図８（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて対象物を５回測定し算出された表面硬さの評価指数Ｆｐの平均値とそれにおける標準偏差であり、（ｂ）は同じく表面粗さの評価指数Ｍｓの平均値とそれにおける標準偏差である。
表面硬さの評価指数Ｆｐでは、スポンジ、ナイロンたわし、発泡スチロールそして御影石の順に平均値は大きくなっており、また、表面硬さが小さい方が標準偏差は小さく再現性が優れている。一方、表面粗さの評価指数Ｍｓでは、御影石、スポンジ、ナイロンたわしそして発泡スチロールの順に平均値は大きくなっており、また、表面粗さが小さい方が標準偏差は小さく再現性が優れている。これらの測定において再現性を上げるには対象の被測定物への触覚センサの押し付け力やなぞり速度を一定にするとよい。なお、本実施例では、歪ゲージの出力電圧が４Ｖとなるように、また、なぞる速度は人間の指の平均なぞり速度である約１７５ｍｍ／ｓｅｃとなるようにしてデータを採集した。
【００３３】このように構成された本実施の形態に係る触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、簡単な構造を有する触覚センサを用いて対象の被測定物上をなぞることによって、ＰＶＤＦセンサ及び歪ゲージからＰＶＤＦセンサ信号と歪ゲージ信号を同時に計測することができる。続いて、入力部においてこれらの信号を入力及び調整した後、ＰＶＤＦ信号分離部において、歪ゲージ信号の時間軸に対する変化に基づいて、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分することができる。演算部では、第１信号部に基づいて表面硬さを、第２信号部に基づいて表面粗さを演算するが、その際には、表面硬さと表面粗さを示す評価指数を用いて定量的にかつ容易に精度良く評価することができる。
【００３４】最後に、本発明に係る表面形態計測方法の実施の形態を図９に基づき説明する。（請求項４に対応）
図９は本実施の形態に係る表面形態計測方法を示すフローチャート図である。図９において、ステップＳ１は、触覚センサを被測定物に接触させる工程を示している。
次に、ステップＳ２は、ＰＶＤＦセンサと歪ゲージによる計測の工程を示している。このステップＳ２では、対象の被測定物上を人間が指でなぞるように触覚センサを押し付けてなぞる動作を行い、ＰＶＤＦセンサからＰＶＤＦセンサ信号を、歪ゲージから歪ゲージ信号を各々のリード線を通して同時に取り出すものである。
ステップＳ３は、ＰＶＤＦセンサ信号の分離の工程を示している。このステップＳ３では、ステップＳ２において測定した歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用して、ＰＶＤＦセンサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に区分する。
【００３５】触覚センサを対象の被測定物上に押し当てなぞる動作を行うと、ＰＶＤＦセンサ信号には最初の押し当てる部分とその後のなぞる部分とで相違が生じるが、これらの区分は歪ゲージ信号の時間に対する変化を利用すると容易に行うことができる。歪ゲージ信号の時間に対する変化の境界を求めるには、例えば歪ゲージ信号の絶対値に対して５％の出力変化が生じた場合などのように信号出力の絶対値を基にしてある時点を求める方法の他、歪ゲージ信号の出力変化、すなわち微分値に対して所定の値となった時点を選択するなどの方法がある。いずれの方法を選択するかについては、測定対象などを考慮して決定するとよい。
【００３６】ステップＳ４は、第１信号部を用いた表面硬さの演算の工程を示している。このステップＳ４では、ＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の第１信号部における極大値ｍ点の平均値を表面硬さの評価指数Ｆｐとして前述の式（１）で算出する。
ステップＳ５は、第２信号部を用いた表面粗さの演算の工程を示している。このステップＳ５では、表面粗さのＰＶＤＦセンサ信号（Ｖ（ｎ））の第２信号部における絶対値Ｎ点の平均値を表面粗さの評価指数Ｍｓとして前述の式（２）で算出する。極大値数のｍあるいは、絶対値数のＮの選択については、測定対象などを考慮し、また、計測から得られた波形などを考慮しながら行うとよい。
最後に、ステップＳ６は、表面硬さと表面粗さの表示の工程を示している。このステップＳ６では、ディスプレイ装置などにステップＳ４及びステップＳ５において算出された表面硬さと表面粗さを表示するものである。
【００３７】このように構成された表面形態計測方法においては、歪ゲージ信号を用いてＰＶＤＦセンサ信号を第１信号部と第２信号部に区分してそれぞれから表面硬さを示す評価指数と表面粗さを示す評価指数を算出することによって、精度良く定量的に表面硬さと表面粗さを評価できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１及び請求項２に記載の触覚センサにおいては、対象物の被測定面からポリマー圧電体フィルムに生じる圧力変動を計測しながら、歪ゲージを用いて接触圧をモニターすることができる。そのため、歪ゲージの出力信号を用いてポリマー圧電体フィルムの出力信号を処理することが可能となり、表面硬度と表面粗さの測定精度を向上させることができる。
また非導電性の弾性部材は電気ノイズの低減に効果的であり、さらに弾性部材の形状を変化させることによって様々な形状を有する触覚センサを作成することが可能である。
【００３９】また、特に、本発明の請求項２に記載の触覚センサにおいては、導電性繊維によってポリマー圧電体フィルムの破損を防ぐことができる。
【００４０】本発明の請求項３に記載の触覚センサを用いた表面形態計測システムにおいては、信号分離部において、触覚センサから同時に得られる歪ゲージ信号と圧電体センサ信号から、歪ゲージ信号に基づいて圧電体センサ信号を時間軸上で前部分の第１信号部と後部分の第２信号部に容易に区分することができ、さらに、第１の演算部によって表面硬さを、第２の演算部によって表面粗さを演算することによって表面形態に関する情報を精度良く定量的に評価することができる。
【００４１】本発明の請求項４に記載の表面形態計測方法においても、被測定物の表面形態に関する情報である表面硬さと表面粗さを同時に計測、演算して精度良く定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る触覚センサの概念図である。
【図２】本実施の形態に係る触覚センサのＰＶＤＦセンサの内部を示す外形図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る表面形態計測システムの構成図である。
【図４】本実施の形態の実施例に係る表面形態計測システムの構成図である。
【図５】本実施例に係る表面形態計測システムを用いて御影石を計測した結果を示すチャート図である。
【図６】本実施例に係る表面形態計測システムを用いてナイロンたわしを計測した結果を示すチャート図である。
【図７】（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて計測された表面硬さＦｐの平均値であり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値である。
【図８】（ａ）は本実施例に係る表面形態計測システムを用いて対象物を５回測定し算出された表面硬さＦｐの平均値とそれにおける標準偏差を示すグラフであり、（ｂ）は同じく表面粗さＭｓの平均値とそれにおける標準偏差を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る表面形態計測方法を示すフローチャート図である。
【図１０】触覚センサの従来技術を説明するための触覚センサの断面図である。
【符号の説明】
１…触覚センサ　２…ＰＶＤＦセンサ　２ａ…リード線　３…歪ゲージ　３ａ…リード線　４…基板　５…触覚受感器　６…ＰＶＤＦフィルム　７…導電性繊維　８…銅シール　９…リード線　１０…絶縁体シート　１１…表面形態計測システム　１２…歪ゲージ信号入力部　　１３…ＰＶＤＦセンサ信号入力部　１４…ＰＶＤＦセンサ信号分離部　１５…表面硬さ演算部　１６…表面粗さ演算部　１７…表示部　１８…デジタルオシロスコープ　１９…リード線　２０…ブリッジボックス　２１…シグナルコンディショナー　２２…ＵＳＢケーブル　２３…コンピュータ　２４…第１信号部　２５…第２信号部　２６…触覚センサ　２７…振動子　２７ａ，２７ｂ…電極　２８…圧電素子　２８ａ，２８ｂ…電極　２９…絶縁シート　３０…保護シート　３１…センサ取付板
【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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