(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の金属電極間に誘電体を介装し、当該第１の金属電極の表面に誘電体からなる表面部材を接着し、前記第２の金属電極を接地して形成され、前記表面部材を測定試料に接触・離反させて前記第１及び第２の金属電極間に生じる電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出電圧に基づいて電圧の波形を検出する電圧波形検出手段と、
前記検出された電圧波形における最大電圧値及び当該最大電圧値に至るまでの立上がり時間並びに複数の測定試料について予め得られた基準試料データに基づいて前記複数の測定試料のいずれかの材質を判別する材質判別手段とを備え、
前記電圧検出手段が、前記表面部材を測定試料に接触・離反させて、当該表面部材及び測定試料間での摩擦により生じる静電気が前記第１及び第２の金属電極に分極され、当該分極された電荷により前記第１及び第２の金属電極間に生じる電圧を検出することを
特徴とする材質識別装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の材質識別装置において、
前記電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させることを
特徴とする材質識別装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載の材質識別装置において、
前記電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させる速度及び／又は圧力を変化させることを
特徴とする材質識別装置。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれかに記載の材質識別装置において、
前記電圧検出手段が、第１及び第２の金属電極間に介装される誘電体を複数の異なる種類で各々形成し、
前記材質判別手段が、前記複数の異なる種類の誘電体に対応して予め得られた各基準試料データに基づいて材質を判別することを
特徴とする材質識別装置。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の材質識別装置において、
前記電圧検出手段が、圧電セラミックスを用い、当該圧電セラミックスの一側の電極を接地すると共に、他側電極に誘電体からなる表面部材を接着して形成されることを
特徴とする材質識別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定試料の材質を識別する材質識別装置に関し、特に測定試料の表面に接触時に生じる電圧に基づいて測定試料の材質を識別する材質識別装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の材質識別装置として触覚センサが特開２００５−４９３３号公報に開示されるものがあり、これを図９に触覚センサの外観斜視図及び全体システム構成図として示す。
【０００３】
同図において従来の触覚センサは、触覚センサ１１１は、媒体１１２と、媒体１１２中に分散されているセンサ素子１１３と、媒体１１２に電気的に接続されている一対の電極１１４とから構成されている。媒体１１２は、各センサ素子１１３同士を機械力学的に接続するとともに各センサ素子１１３同士並びに電極１１４及びセンサ素子１１３を電気的に接続し、誘電体により形成されキャパシタンス成分を有するものが好ましい。センサ素子１１３はコイル状炭素繊維１１３ａにより構成され、微小バネとして作用するとともにＬＣＲ共振回路として作用する。センサ素子１１３は、各センサ素子１１３の相互間に存在する媒体１１２を介して接続され、機械力学的等価回路及び電気的等価回路として構成されている。
【０００４】
前記各電極１１４は媒体１１２に電気的に接続されるとともに導線１１５の一端がそれぞれ接続され、各導線１１５の他端には増幅回路１１６を介して電源１１７及びオシロスコープ等の測定器１１８が取付けられている。ここで、電極１１４が媒体１１２に電気的に接続されると、電流が電極１１４を介して媒体１１２に通電されるように電極１１４が媒体１１２に接続されることとなる。触覚センサ１１１、増幅回路１１６、電源１１７及び測定器１１８により触覚センサシステムを構成している。この構成に基づき構成が簡単であるとともに感度を向上させるようにできる。
【特許文献１】特開２００５−４９３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術に係る触覚センサ１１１は以上のように構成されていたことから、  単に触圧を検出することができても、測定試料の材質については何ら識別することができない。また、この従来技術によって触圧により材質を類推したとしても、一対の電極１１４間にセンサ素子１１３のコイル状炭素繊維１１３ａを分散させた媒体１１２を配設しなければならず、この媒体１１２の製造工程で繁雑化し、製造コストを低減できないという課題を有していた。特に、前記触覚センサ１１１は、センサ素子１１３を媒体１１２全体に均一に分布させなければ検出精度が区々となり、検出感度を向上させることができないという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別する材質識別装置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】
【０００７】
本発明に係る材質識別装置は、第１及び第２の金属電極間に誘電体を介装し、当該第１の金属電極の表面に誘電体からなる表面部材を接着し、前記第２の金属電極を接地して形成され、前記表面部材を測定試料に接触・離反させて前記第１及び第２の金属電極間に生じる電圧を検出する電圧検出手段と、前記検出電圧に基づいて電圧の波形を検出する電圧波形検出手段と、前記検出された電圧波形における最大電圧値及び当該最大電圧値に至るまでの立上がり時間並びに複数の測定試料について予め得られた基準試料データに基づいて前記複数の測定試料のいずれかの材質を判別する材質判別手段とを備え、前記電圧検出手段が、前記表面部材を測定試料に接触・離反させて、当該表面部材及び測定試料間での摩擦により生じる静電気が前記第１及び第２の金属電極に分極され、当該分極された電荷により前記第１及び第２の金属電極間に生じる電圧を検出するものである。
【０００８】
このように本発明においては、第１の金属電極の表面に装着される誘電体からなる表面部材を測定試料に接触・離反させて当該表面部材及び測定試料間で生じる静電気が前記第１及び第２の金属電極に分極され、当該分極された電荷により第１及び第２の金属電極間に生じる電圧を電圧検出手段で検出し、この検出電圧に基づいて電圧の波形を電圧波形検出手段で検出し、この検出された電圧波形複数の測定試料について予め得られた基準試料データに基づいて前記複数の測定試料のいずれかの材質を材質判別手段で判別するようにしているので測定試料に接触・離反する際に生じる静電気の電圧波形により区別できることとなり、簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。また、本発明においては、電圧波形における最大電圧値及び当該最大電圧値に至るまでの立上がり時間に基づいて材質を材質判別手段が判別するようにしているので、各材質の相違により生じる異なる静電気の電圧波形のうち最大値及び立上がり時間で区別できることとなり簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。
【００１１】
また、本発明に係る材質識別装置は必要に応じて、電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させるものである。
【００１２】
このように本発明においては、電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させるようにしているので、この衝突による一定の接触・離反で各測定試料から異なる静電気の電圧波形を発生できることとなり簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。
【００１３】
また、本発明に係る材質識別装置は必要に応じて、電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させる速度及び／又は圧力を変化させるものである。
【００１４】
このように本発明においては、電圧検出手段が、表面部材を測定試料に衝突させる速度及び／又は圧力を変化させるようにしていることから、この衝突の速度及び／又は圧力を変化させて各測定試料における特徴的（ピーク的）な静電気の電圧波形を検出できることとなり、この特徴的な電圧波形に基づき簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。
【００１５】
また、本発明に係る材質識別装置は必要に応じて、電圧検出手段が、第１及び第２の金属電極間に介装される誘電体を複数の異なる種類で各々形成し、前記材質判別手段が、前記複数の異なる種類の誘電体に対応して予め得られた各基準試料データに基づいて材質を判別するものである。
【００１６】
このように本発明においては、電圧検出手段が、第１及び第２の金属電極間に介装される誘電体を複数の異なる種類で各々形成し、前記材質判別手段が、前記複数の異なる種類の誘電体に対応して予め得られた各基準試料データに基づいて材質を判別することから、誘電体の種類の相違により生じる異なる静電気の電圧波形のうち最大値及び立上がり時間で区別できることとなり簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。
【００１７】
また、本発明に係る材質識別装置は必要に応じて、電圧検出手段が、圧電セラミックスを用い、当該圧電セラミックスの一側の電極を接地すると共に、他側電極に誘電体からなる表面部材を接着して形成されるものである。
【００１８】
このように本発明においては、圧電セラミックスを用いて電圧検出手段を形成しているので、測定試料に対する接触・離反の際に生じる電圧を各測定試料に応じて均一に発生させることができることとなり、簡易な構成で測定試料の材質を単に接触・離反するのみで確実且つ迅速に識別するという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る材質識別装置を図１ないし図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る材質識別装置の全体ブロック構成図、図２は図１記載の材質識別装置における電圧検出部の拡大斜視図、図３は図１に記載の材質識別装置における電圧検出部の検出電圧出力図、図４は図３に記載の検出電圧に基づく電圧波形検出部による電圧波形図を示す。
【００２０】
前記各図において本実施形態に係る材質識別装置は、第１及び第２の金属電極１１、１２間に誘電体１３を介装し、この第１の金属電極１１の表面に誘電体１３からなる表面部材１４を接着し、この第２の金属電極１２を接地して形成され、前記表面部材１４を測定試料１００に接触・離反させて第１及び第２の金属電極１１、１２間に生じる電圧を検出する電圧検出部１と、この検出電圧に基づいて電圧の波形（以下、「検出電圧波形」という。）を検出する電圧波形検出部２と、この検出電圧波形から検出電圧の最大電圧値を検出する最大電圧検出部３と、この検出電圧波形における最大電圧値の１／１０の電圧値から最大電圧値に至る時間（以下「電圧立上がり時間」という。）を検出する電圧立上がり時間検出部４と、この検出された最大電圧値及び電圧立上がり時間が複数の測定試料１００について予め得られた基準試料データに適合するか否かにより前記複数の測定試料１００のいずれかの材質を判別する材質判別部５とを備える構成である。
【００２１】
前記電圧検出部１は、駆動装置６におけるロボットアーム６３の先端に取り付けられたアクリル容器６２内に表面部材１４を露出された状態で収納される構成である。この駆動装置６は、電圧検出部１を測定試料１００に対して所定条件で衝突させる動作を制御する衝突動作制御部６１と、この衝突動作制御部６１の制御に基づきアクリル容器６２に収納された電圧検出部１を測定試料１００に矢印方向に回動して衝突させるロボットアーム６３とを備える構成である。
【００２２】
前記材質判別部５は、この基準試料データが複数材質からなる各測定試料１００を予め試験的に試験（材質判別時と同一の条件で実行される）して得られる検出電圧に基づき最大電圧値及び電圧立ち上がり時間を各材質の測定試料１００毎にデータベース化して形成され、メモリ（図示を省略する。）に格納されるものである。また、この材質判別部５で判別された材質の判別結果が表示装置７に出力され、この表示装置７は材質の種類と共に、測定試料１００の表面形状を画像として表示することもできる。
【００２３】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係る材質識別装置の材質判別動作について説明する。まず、駆動装置６を起動させて所定の衝突状態（例えば、測定試料１００に対して電圧検出部１の表面部材１４が直角に衝突する状態）となるように衝突動作制御部６１で制御され、ロボットアーム６３が矢印Ａ方向へ回動する。
【００２４】
このロボットアーム６３の回動に伴ってアクリル容器６２に収納された電圧検出部１は、所定の速度で測定試料１００に衝突する。この測定試料１００への衝突に際して、電圧検出部１の表面部材１４と測定試料１００との間での摩擦により静電気が生じ、この静電気が誘電体１３に絶縁される第１及び第２の金属電極１１、１２に分極され、この分極された正電荷が金属電極１１から電圧波形検出部２へ入力される。
【００２５】
この正電荷の電圧が入力された電圧波形検出部２は、図３に示す入力電圧から１０Ｈｚないし３０Ｈｚの間の信号のみをバンドパスフィルタ（図示を省略する。）にてフィルタリング処理して図４に示す検出電圧波形を検出する。この検出電圧波形に基づいて最大電圧検出部３は、検出電圧波形における検出電圧の最大電圧値を検出する。他方、電圧立上がり時間検出部４は、前記検出電圧波形に基づいて最大電圧値の１／１０の電圧から最大電圧値に至るまでの時間を電圧立上がり時間として検出する。
【００２６】
この検出された最大電圧値及び電圧立ち上がり時間が材質判別部５へ入力され、この材質判別部５は基準試料データをメモリから順次読出して最大電圧値及び電圧立上がり時間が一致する測定試料１００の材質を検索し、この検索結果に基づいて材質を判別する。この判別結果は表示装置７の表示画面に表示され、測定試料１００がどのような材質であるかを知ることができることとなる。
（本発明の他の実施形態）
本発明の他の実施形態に係る材質識別装置は、前記第１の実施形態が測定試料１００の材質判別を電圧波形の最大電圧値及び電圧立上がり時間に基づいて判別する構成としたのに対し、電圧波形検出部２で検出した電圧波形自体で材質判別部５が材質を判別する構成とすることもできる。この材質判別部５は、基準試料データとして複数の測定試料１００毎に予め求められた電圧波形を画像データとしてメモリに格納し、この画像データをパターンマッチングにより一致を検出し、この一致検出により材質の判別を行う。なお、本実施形態の場合には、電圧波形検出部２での検出された電圧波形が材質判別部５に直接入力されることから、最大電圧検出部３、電圧立上がり時間検出部４を省略した回路構成とすることができる。
【００２７】
また、他の実施形態に係る材質識別装置は、駆動装置６が電圧検出部１を測定試料１００へ衝突又は接触（若しくは当接）させる速度及び／又は圧力を変化させて電圧検出を行う構成とすることもできる。特に、この速度及び／又は圧力を変化させた衝突又は接触（若しくは当接）は、測定試料１００の材質の相違により検出電圧又は電圧波形が特徴的に出現する条件で実行されることが望ましい。従って、材質が異なる毎に異なる速度及び／又は圧力で衝突又は接触が実行されて基準試料データが作成されると共に、この作成時と同一の条件で電圧検出動作が実行されることとなる。
【００２８】
さらに、前記各実施形態においては電圧検出部１の誘電体１３に単一種類のみ介装する構成としたが、複数種類の誘電体１３を各々介装した複数の誘電体１３を形成し、この複数種類の誘電体１３を用いた複数の電圧検出部１で各々基準試料データを予め作成して構成することもできる。この複数種類の誘電体１３は、例えばアクリル、シリコン、セラミックス等の形状等が容易に変化しない各種誘電体で構成することもできる。
【００２９】
このように電圧検出部１の誘電体１３を各種異なる誘電体で形成することにより、各種の測定試料１００に対して特徴的（ピーク的）な検出結果が得られる最適な組合わせで電圧検出動作を実行できることとなり、より高い精度で材質の判別が可能となる。
【実施例１】
【００３０】
実施例１として、測定試料１００としてアルミニウム、木、アクリル、スポンジの材質を判別する動作を、電圧検出部１の誘電体１３がセラミックス（圧電素子）、アクリル及びシリコンを各々用いて構成した場合である。この測定試料１００のアルミニウム、木、アクリル、スポンジの形状は、２０×２０×１０ｍｍの寸法で形成される。
【００３１】
測定条件は、セラミックス、アクリル及びシリコンの各電圧検出部１により各１０回づつ接触させて、この接触３回目以降の波形の測定を行い、この測定値で駆動装置６が各電圧検出部１を同じ３０ｃｍ／ｓｅｃの速度で測定試料１００へ衝突させ、この衝突による圧力及び接触状態を総て同一の条件で行った。この測定条件により得られた数値データを表に示す。
【００３２】
【表１】
0004701394.tif 000002
この表に示す各測定データは、衝突の３回目以降について測定された波形で計測１０回目までについて電圧検出部１より電圧を検出し、この各電圧の各波形をアルミニウム、木、アクリル、スポンジ毎に重畳した検出電圧に基づく電圧特性図を図５ないし図７に示す。
【００３３】
前記図５ないし図７の各図において、縦軸の電圧［ｍＶ］における正側への大きな出力波形は測定試料１００への電圧検出部１が衝突当初に発生する静電気の波形であり、その後の負側への大きな出力波形は測定試料１００から電圧検出部１が離反する際に発生する静電気の波形である。また、この正及び負の各大きな出力波形の中間で小さく振動する出力波形は、測定試料１００の表面に電圧検出部１の表面部材１４が押圧されて静電気がほとんど生じない状態の出力波形である。
【００３４】
前記各々重畳された各電圧特性から電圧波形検出部２が電圧波形を検出し、この電圧波形を図５ないし図７中に各々破線で示す。この破線で示す各電圧波形から最大電圧検出部３が各最大電圧値を検出すると共に、電圧立上がり時間検出部４が各電圧立上がり時間を検出した。この検出された各最大電圧値及び電圧立上がり時間を各々図８（Ａ）、（Ｂ）に重畳して表示した。
【００３５】
まず、図８（Ａ）において各最大電圧値に基づいてアルミニウム、木、アクリル、スポンジの測定試料１００の判別を行う。このアルミニウム、木、アクリルの材質はセラミックス、アクリル、シリコンのいずれの電圧検出部１であっても明らかに判別することができる。アクリルとスポンジの材質については、セラミックス及びシリコンの電圧検出部１の場合に近似して判断が若干難しいが、アクリルの電圧検出部１の場合に明らかに判別することができる。
【００３６】
次に、図８（Ｂ）において各電圧立上がり時間に基づいてアルミニウム、木、アクリル、スポンジの測定試料１００の判別を行う。このアルミニウムと木とはセラミックス、アクリル、シリコンのいずれの電圧検出部１であっても極めて近似して判別が困難である。このアルミニウム、木に対してアクリル及びスポンジは、セラミックス、アクリル、シリコンのいずれの電圧検出部１であっても明確に判別することができる。
【００３７】
以上のように最大電圧値ではアルミニウムと木との材質を区別し、電圧立上がり時間でアクリルとスポンジとの材質を区別できることから、いずれの材質であっても正確に判別できることが解る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る材質識別装置の全体ブロック構成図である。
【図２】図１記載の材質識別装置における電圧検出部の拡大斜視図である。
【図３】図１に記載の材質識別装置における電圧検出部の検出電圧出力図である。
【図４】図３に記載の検出電圧に基づく電圧波形検出部による電圧波形図である。。
【図５】本発明の実施例１における誘電体をアクリルとした測定データに基づく電圧特性図を示す。
【図６】本発明の実施例１における誘電体をシリコンとした測定データに基づく電圧特性図を示す。
【図７】本発明の実施例１における誘電体をセラミックスとした測定データに基づく電圧特性図を示す。
【図８】本発明の実施例１における図５ないし図７に基づく各最大電圧値及び電圧立上がり時間の重畳特性図を示す。
【図９】従来の材質識別装置の一例である触覚センサの外観斜視図及び全体システム構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      電圧検出部
２      電圧波形検出部
３      最大電圧検出部
４      電圧立上がり時間検出部
５      材質判別部
６      駆動装置
６１    衝突動作制御部
６２    アクリル容器
６３    ロボットアーム
７      表示装置
１１、１２  金属電極
１３    誘電体
１４    表面部材
１００  測定試料
１１１  触覚センサ
１１２  媒体
１１３  センサ素子
１１３ａ    コイル状炭素繊維
１１４  電極
１１５  導線
１１６  増幅回路
１１７  電源
１１８  測定器
【図１】
0004701394.tif 000003
【図２】
0004701394.tif 000004
【図３】
0004701394.tif 000005
【図４】
0004701394.tif 000006
【図５】
0004701394.tif 000007
【図６】
0004701394.tif 000008
【図７】
0004701394.tif 000009
【図８】
0004701394.tif 000010
【図９】
0004701394.tif 000011