(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ素子が二次元に並べられた触覚センサであって、
前記触覚センサは、開口を有する中空部が複数設けられた基材を備え、
前記基材は、柔軟性材料からなるシートであり、
前記開口の形状は、円形であり、
各センサ素子は、前記開口を有する前記中空部と、前記開口の全体を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、
前記突起部は、前記開口の中心に配置され、
各センサ素子に含まれる前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、
各センサ素子に含まれる３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、かつ、前記開口の縁に沿って等間隔に配置され、
前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記歪みセンサは、高分子材料中に導電性微粒子及びカーボンナノチューブが混練された感圧抵抗部を有し、前記感圧抵抗部の電気抵抗値から前記可撓部の歪みを検出する請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の触覚センサと、前記基材上に設けられた温度センサとを備える集積化センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサ及び集積化センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドが物を掴む場合、ロボットハンドには適切な把持力の調節が求められる。ロボットハンドの把持力が強すぎる場合、物が損傷するおそれがある。また、ロボットハンドの把持力が弱すぎる場合、ロボットハンドから物が滑り落ちてしまう場合がある。また、ロボットハンドにより脆弱な物を掴む場合、ロボットハンドには絶妙な把持力の調節が求められる。このため、ロボットハンドの把持力を調節するための触覚センサが開発されている。
【０００３】
弾性変形可能なカンチレバーを備えた触覚センサや、可撓性の梁を備えた触覚センサが知られている。（例えば、特許文献１、２参照。）これらの触覚センサでは、外装材に加えられた力によりカンチレバーや梁を変形させ、センサの感圧面に垂直な方向の力や感圧面に平行な方向の力を検出している。また、これらのセンサでは、ＣＶＤ法などにより基板上に積層体を形成している。
また、Ｓｉ基板の開口部を支持膜で覆いこの支持膜上に２つの圧電体を設置した触覚センサが知られている。（例えば、特許文献３参照。）この検出素子では、圧電体上の弾性膜に加えられた力により支持膜を変形させ、圧電体の電位差を測定することにより加えられた剪断力を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３４５４３号公報
【特許文献２】特開２０１３−６８５０３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１２４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の触覚センサは感圧面に平行な力に対する感度が十分に高くないという問題がある。また、従来の触覚センサは半導体基板を用いているため、曲面上に設けることが難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、感圧面に平行な力に対する感度が高い触覚センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする触覚センサを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように可撓部上に設けられた突起部とを備えるため、対象物を突起部に直接的又は間接的に接触させることにより可撓部を中空部に向かって撓ませることができる。また、対象物との接触により外部圧力が上方から突起部にかかった場合突起部を沈み込ませることができ、可撓部を撓ませることができる。また、対象物との接触により外部圧力が斜め上又は側方から突起部にかかった場合や突起部と対象物との間に摩擦力が生じた場合、その外部圧力や摩擦力により突起部を傾斜させることができ、可撓部を撓ませることができる。従って、突起部にかかる力の大きさや方向により異なる形状に可撓部を撓ませることができる。また、斜め上又は側方からの外部圧力又は摩擦力が突起部にかかった場合、突起部を傾斜させることができるため、外部圧力又は摩擦力の大きさや方向を感度よく可撓部の形状に反映させることができる。
本発明によれば、少なくとも一部が中空部の開口と重なるように可撓部上又は可撓部中に設けられた歪みセンサを備えるため、対象物が突起部に接触することにより撓んだ可撓部の歪みを歪みセンサにより検出することができる。
本発明によれば、３つ以上の歪みセンサが突起部の周りに配置されるため、撓んだ可撓部の形状に応じた歪みパターンを検出することができる。可撓部の形状は対象物との接触による突起部にかかった力の大きさや方向を反映しているため、検出された歪みパターンをパターン解析することにより、突起部にかかった力の大きさや方向を算出することができる。また、３つ以上の歪みセンサを備えることにより、突起部にかかった力の大きさや方向を三次元で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の触覚センサの概略上面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける触覚センサの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の触覚センサの概略上面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態の触覚センサの概略断面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態の触覚センサに含まれる歪みセンサが有する感圧抵抗部の概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の集積化センサの概略上面図である。
【図７】本発明の一実施形態の集積化センサに含まれる温度検知シートの概略上面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、感圧抵抗測定実験の測定装置の概略断面図である。
【図９】感圧抵抗測定実験の測定結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は歪み検知実験の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は突起部への荷重の向きを示す図である。
【図１１】（ａ）は歪み検知実験の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は突起部への荷重の向きを示す図である。
【図１２】（ａ）はシミュレーションの計算結果を示す図であり、（ｂ）は、中空部の開口の位置を示す図である。
【図１３】シミュレーションの計算結果を示す図である。
【図１４】（ａ）は温度検知実験の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は温度検知実験の測定装置の概略断面図である。
【図１５】温度検知実験の測定結果を示すグラフである。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は歪み・温度検知実験の測定結果などを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の触覚センサは、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする。
【００１０】
本発明の触覚センサにおいて、基材は柔軟性を有することが好ましい。
このような構成によれば、曲面上や柔軟構造上に触覚センサを配置することが可能になる。
本発明の触覚センサにおいて、歪みセンサは、高分子材料中に導電性微粒子及びカーボンナノチューブが混練された感圧抵抗部を有し、感圧抵抗部の電気抵抗値から可撓部の歪みを検出することが好ましい。
このような構成によれば、感圧抵抗部を印刷法により形成することができるため、柔軟性シート上または接触部材の裏面上に感圧抵抗部を容易に設けることができる。
【００１１】
本発明の触覚センサにおいて、中空部、可撓部、突起部及び３つ以上の歪みセンサは、センサ素子を構成し、複数のセンサ素子が二次元に並べられたことが好ましい。
このような構成によれば、対象物を複数のセンサ素子の突起部に接触させることができ、触覚センサにより対象物の大きさを検出することができる。また、触覚センサと対象物との間の局所的な滑り状態や局所的な摩擦力を検出することができる。
また、本発明は、本発明の触覚センサと、前記基材上に設けられた温度センサとを備える集積化センサも提供する。
本発明の集積化センサによれば、対象物により突起部にかかる力と対象物の温度を同時に検出することができる。
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１３】
触覚センサ及び集積化センサ
図１は本実施形態の触覚センサの概略上面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける触覚センサの概略断面図であり、図２（ｂ）（ｃ）は突起部に対象物が接触した際の触覚センサの概略断面図である。図３は、複数のセンサ素子を有する本実施形態の触覚センサの概略上面図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本実施形態の触覚センサの概略断面図である。
本実施形態の触覚センサ２０は、開口を有する中空部３が設けられた基材１と、前記開口の少なくとも一部を覆うように基材１上に設けられた可撓部５と、前記開口と重なるように可撓部５上に設けられた突起部７と、３つ以上の歪みセンサ９とを備え、可撓部５は、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触することにより中空部３に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサ９は、突起部７の周りに配置され、かつ、各歪みセンサ９の少なくとも一部が前記開口と重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けられ、可撓部５が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサ９が検知することを特徴とする。
以下、本実施形態の触覚センサ２０及び集積化センサについて説明する。
【００１４】
１．触覚センサ
触覚センサ２０は、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触した際、突起部７にかかった力の大きさや方向を検知するセンサである。また、触覚センサ２０は、図１〜３のように、中空部３、可撓部５、突起部７、３つ以上の歪みセンサ９を含むセンサ素子１２を含んでもよく、触覚センサ２０は、図３のように複数のセンサ素子１２を含んでもよい。
触覚センサ２０は、例えば、義手、ロボット、電子皮膚、入力装置、異常検出装置、安全装置などに利用することができる。
【００１５】
２．基材、中空部
基材１は、触覚センサ２０の基材である。基材１は、剛性材料からなってもよく、柔軟性材料からなってもよいが、柔軟性材料からなることが好ましい。このことにより、曲面上や柔軟構造上に触覚センサ２０を配置することが可能になる。また、ロボットハンドの把持部に触覚センサ２０を設ける場合、基材１が柔軟性材料からなると、対象物１３の形状に倣って触覚センサ２０が変形することが可能になり、対象物１３を安定して把持することが可能になる。基材１の材料は、例えば、シリコーンゴムなどである。
【００１６】
基材１は、中空部３を有する。このことにより、可撓部５を中空部３に向かって撓ませることができ、可撓部５の撓みを利用して突起部７にかかった力の大きさや方向を検知することができる。また、中空部３は開口を有し、この開口の少なくとも一部を可撓部５が覆う。
中空部３は、可撓部５を撓ませることができる空間であればよく、基材１に設けられた貫通穴であってもよく、有底穴であってもよい。中空部３の開口の形状は、円形であってもよく、方形であってもよく、多角形であってもよいが、円形であることが好ましい。中空部３の開口の形状を円形とすることにより、その中心部に突起部７を設けることができ、円周上に等間隔で３つ以上の歪みセンサ９を設けることが可能になる。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の大きさや方向を感度よく検知することができる。中空部３の開口の直径又は幅は、例えば０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。
中空部３の深さは、例えば中空部３の開口の直径（又は幅）１６分の１より深く、４分の１より浅くすることができる。このことにより、突起部７に大きな力がかかった場合に可撓部５を中空部３の底又は触覚センサ２０の下の物体に接触させることができ、可撓部５及び歪みセンサ９が損傷することを抑制することができる。
【００１７】
図３のように触覚センサ２０が複数のセンサ素子１２を有する場合、基材１に複数の中空部３を設け、それぞれの中空部３上に可撓部５、歪みセンサ９、突起部７を設けることにより、複数のセンサ素子１２を設けることができる。また、触覚センサ２０が複数のセンサ素子１２を有する場合、それぞれのセンサ素子１２が基材１を有してもよい。
【００１８】
３．可撓部、突起部、歪みセンサ
可撓部５は、中空部３の開口を覆うように基材１上に設けられる。また、突起部７は、中空部３の開口と重なるように可撓部５上に設けられる。このことにより、図２（ｂ）（ｃ）のように、対象物１３を突起部７に直接的又は間接的に接触させることにより可撓部５を中空部３に向かって撓ませることができる。
可撓部５は、中空部３の開口全体を覆うように基材１上に設けられてもよく、中空部３の開口の一部を覆うように基材１上に設けられてもよいが、中空部３の開口全体を覆うように設けられることが好ましい。可撓部５が中空部３の開口全体を覆うことにより、可撓部５の全周囲を基材１に固着することができ、突起部７に力がかかった際の可撓部５の形状変化を安定化することができる。また、可撓部５に柔軟性の高い材料を用いることが可能になる。
【００１９】
可撓部５は、例えば、図１、２のように、基材１上に設けられた柔軟性シート６と、柔軟性シート６上に設けられた円柱状の突起部７が設けられた接触部材８の一部とを含んでもよい。この場合、柔軟性シート６の材料は、ポリエチレン、シリコーンゴムなどの高分子材料とすることができ、接触部材８の材料は、シリコーンゴムなどの高分子材料とすることができる。また、可撓部５は、図４（ａ）（ｂ）（ｄ）のように柔軟性シート６から構成されてもよく、図４（ｃ）のように接触部材８の一部から構成されてもよい。
【００２０】
突起部７は、対象物１３と直接的又は間接的に接触する接触部材８の全部又は一部であってもよい。また、接触部材８は、図２、図４（ｃ）のように突起部７と可撓部５の両方を構成する部材であってもよい。この場合、接触部材８の材料は、シリコーンゴムなどの柔軟性材料とすることができる。また、接触部材８は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｄ）のように突起部７を構成する部材であってもよい。この場合、接触部材８の材料は、剛性材料であってもよく、柔軟性材料であってもよい。
なお、突起部７が対象物１３と間接的に接触する場合には、触覚センサ２０の上にカバーなどを設け、カバーなどの上から対象物１３が突起部７に接触する場合を含む。
【００２１】
突起部７の形状は、可撓部５から突起した形状であれば特に限定されないが、例えば、図２、図４（ａ）〜（ｃ）のように円柱状であってもよく、図４（ｄ）のようにドーム状であってもよい。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の方向を感度よく検出することができる。突起部７の直径又は幅は、例えば、中空部３の開口の直径又は幅の４分の１以上４分の３以下とすることができる。また、突起部７の高さは、例えば、中空部３の開口の直径又は幅の８分の１以上８分の７以下とすることができる。
突起部７は、中空部３の中心部と重なるように可撓部５上に設けられてもよい。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の大きさや方向を感度よく検知することができる。
【００２２】
歪みセンサ９は、少なくとも一部が中空部３の開口と重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けられる。また、歪みセンサ９は、中空部３の開口の周りの基材１と中空部３の開口との両方に重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けることができる。このことにより、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触することにより撓んだ可撓部５の歪みを歪みセンサ９により検出することができる。歪みセンサ９は、図２（ａ）のように、可撓部５を構成する柔軟性シート６と接触部材８との間に設けられてもよい。また、歪みセンサ９は、図４（ａ）（ｄ）のように柔軟性シート６の上面上に設けられてもよく、図４（ｂ）のように柔軟性シート６の裏面上に設けられてもよい。また、歪みセンサ９は、図４（ｃ）のように接触部材８の裏面上に設けられてもよい。
【００２３】
歪みセンサ９は、可撓部５が撓むことにより生じる歪みを検知することができれば特に限定されない。歪みセンサ９は、高分子材料中に導電性微粒子が混練された感圧抵抗部１０を有するものであってもよい。
図５（ａ）（ｂ）は、本実施形態の触覚センサ２０に含まれる歪みセンサ９が有する感圧抵抗部１０の概略断面図である。歪みセンサ９は、高分子材料１５中に導電性微粒子１６及びカーボンナノチューブ１７が混練された感圧抵抗部１０を有し、感圧抵抗部１０の電気抵抗値から可撓部５の歪みを検出するセンサであってもよい。このような感圧抵抗部１０は、スクリーン印刷などの印刷法により形成することができるため、柔軟性シート６上または接触部材８の裏面上に容易に設けることができる。なお、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定するための配線１１は、感圧抵抗部１０と同一面上に印刷法により形成することができる。
【００２４】
図５（ａ）は、変形していない感圧抵抗部１０の概略断面図であり、図５（ｂ）は、一端が下向きに変形し伸張した感圧抵抗部１０の概略断面図である。この感圧抵抗部１０に電流を流したとき、電流は主に導電性微粒子１６を流れる。図５（ｂ）のように、この感圧抵抗部１０が伸張すると、導電性微粒子１６の接触面積が狭くなるため感圧抵抗部１０の電気抵抗は大きくなる。逆に感圧抵抗部１０が圧縮されると導電性微粒子１６の接触面積が広くなるため、感圧抵抗部１０の電気抵抗は小さくなる。従って、感圧抵抗部１０を可撓部５の撓みと共に変形するように設け、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定することにより、可撓部５の歪みを測定することができる。
【００２５】
突起部７の周りには３つ以上の歪みセンサ９が配置される。また、３つ以上の歪みセンサ９が中空部３の開口の縁に沿って等間隔に配置することができる。３つ以上の歪みセンサ９により、それぞれ歪みを検知することにより、撓んだ可撓部５の形状に応じた歪みパターンを検出することができる。この歪みパターンをパターン解析することにより、突起部７にかかった力の大きさ及び向きを検出することができる。また、３つ以上の歪みセンサ９で検知することにより、突起部７にかかった力の大きさや方向を三次元で検出することができる。
なお、突起部７の周りの歪みセンサ９の数は、３つ以上６つ以下であってもよく、４つ以上７つ以下であってもよく、５つ以上８つ以下であってもよく、６つ以上１０つ以下であってもよい。歪みセンサ９の数を増やすことにより突起部７にかかった力の向きを検出する解像度を大きくすることができる。
【００２６】
例えば、図２（ｂ）のように、上方から対象物１３を突起部７に接触させた場合、対象物１３からの圧力により突起部７を沈み込ませることができ、可撓部５を撓ませることができる。この場合、突起部７の周囲の撓んだ可撓部５では実質的に均等に歪みが生じ、突起部７の周囲に設けた３つ以上の歪みセンサ９は、同等の歪みを検出する。従って、３つ以上の歪みセンサ９により歪みを検出することにより、突起部７に対象物１３が接触し上方から突起部７に圧力がかかったことを検出することができる。
【００２７】
例えば、図２（ｃ）のように、対象物１３を突起部７に接触させ斜め上又は側方から圧力が突起部７にかかった場合や突起部７と対象物１３との間に摩擦力が生じた場合、その圧力や摩擦力により突起部７を傾斜させることができ、可撓部５を撓ませることができる。
この場合、突起部７の周囲の撓んだ可撓部５では、圧力又は摩擦力の向きにより不均一な歪みが生じる。従って、突起部７の周囲に設けた３つ以上の歪みセンサ９では、圧力又は摩擦力の向きに応じて異なる歪みを検出する。従って、３つ以上の歪みセンサ９の歪みパターンから、突起部７にかかった力の大きさ及び向きを検出することができる。また、突起部７の周りの歪みセンサ９の数を増やすことにより、触覚センサ２０が検出する力の向きの解像度を高くすることができる。
また、斜め上又は側方からの圧力又は摩擦力が突起部７にかかった場合、突起部７を傾斜させることができるため、圧力又は摩擦力の大きさや方向を感度よく撓んだ可撓部５の形状に反映させることができる。この可撓部５の撓みにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサ９により検出することができるため、突起部７にかかった力の向きを感度よく検出することができる。
【００２８】
また、予め、突起部７にかかった力の大きさ及び向きと３つ以上の歪みセンサ９の歪みパターンとの関係を調べデータベース化することができる。このことにより、測定された歪みパターンとデータベースの歪みパターンとを比較しパターン解析することにより、突起部７にかかった力の大きさや方向を算出することができる。
【００２９】
図３のように、触覚センサ２０が中空部３、可撓部５、突起部７、３つ以上の歪みセンサ９を含むセンサ素子１２を複数含み、複数のセンサ素子１２が二次元に並べられている場合、複数のセンサ素子１２による外部圧力などの検出は並列に実行することができる。この場合、対象物１３を複数のセンサ素子１２の突起部７に接触させることができ、触覚センサ２０により対象物１３の大きさを検出することができる。また、触覚センサ２０と対象物１３との間の局所的な滑り状態や局所的な摩擦力を検出することができる。このことにより、触覚センサ２０をロボットハンドなどに設置すると、重量や摩擦係数が未知の対象物１３を把持することが可能になる。
複数のセンサ素子１２による突起部７にかかった力の検出は、同時に検出してもよく、スイッチを切り替えることにより順次検出してもよい。
【００３０】
４．集積化センサ、温度センサ
集積化センサ３０は、本実施形態の触覚センサ２０と基材１上に設けられた温度センサ２２とを備える。このため、集積化センサ３０により、対象物１３により突起部７にかかる力と対象物１３の温度を同時に検出することができる。
図６は、本実施形態の集積化センサ３０の概略上面図であり、図７は、本実施形態の集積化センサ３０に含まれる温度検知シート２８の概略上面図である。図６に示した集積化センサ３０は、図３に示した触覚センサ２０に図７に示した温度検知シート２８を重ね合わせた構造を有している。
【００３１】
集積化センサ３０が備える温度センサ２２は、対象物１３の温度を測定することができるものであれば特に限定されないが、熱電対であってもよく、温度により電気抵抗値が変化する測温抵抗部を備えたセンサであってもよい。温度センサ２２は、測温抵抗部を備えたセンサであることが好ましい。このことにより、温度センサ２２を印刷法などにより形成することができる。
温度センサ２２は、基材１上に直接設けられてもよく、柔軟性シート６上に設けられてもよく、接触部材８上に設けられてもよく、温度センサ用シート２４上に設けてもよい。図７のように温度センサ２２を温度センサ用シート２４上に設け温度検知シート２８を形成する場合、温度検知シート２８を図３に示したような触覚センサ２０に重ね合わせて接着することにより集積化センサ３０を形成することができる。この場合、温度センサ２２及び温度センサ用配線を温度センサ用シート２４上に形成することができるため、歪みセンサ９用の配線１１と温度センサ用の配線とを積層することができ、集積化センサ３０の小型化が可能になる。また、温度センサ用シート２４に接触部材用開口２６を設けることにより、温度センサ用シート２４が突起部７と重なることを防止することができる。
【００３２】
感圧抵抗測定実験
歪みセンサ９を作製し、シリコーンゴムシート３２の歪みと感圧抵抗部１０の電気抵抗値との関係を調べた。
まず、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）インクに銀微粒子を混練して作成したペーストを、厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）シート３２上に塗布・乾燥することにより感圧抵抗部１０を作成した。図８のように、ＰＤＭＳシート３２及び感圧抵抗部１０が張り出すようにこのＰＤＭＳシート３２を試料台３３に固定した。そして、図８（ｂ）（ｃ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させ感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定した。なお、図８（ｂ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させた場合、引張り荷重により感圧抵抗部１０が伸張した状態であり、図８（ｃ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させた場合圧縮荷重により感圧抵抗部１０が圧縮された状態である。
【００３３】
感圧抵抗測定実験の結果を図９に示す。なお、図９は、感圧抵抗部１０の電気抵抗値Ｒを、図８（ａ）のように感圧抵抗部１０に荷重がかかっていない状態の感圧抵抗部１０の電気抵抗値Ｒ0で割った値と、ＰＤＭＳシート３２の端部の変位との関係を示している。
図９から感圧抵抗部１０が伸長すると感圧抵抗部１０の電気抵抗値が大きくなり、感圧抵抗部１０が圧縮されると感圧抵抗部１０の電気抵抗値が小さくなることがわかった。また、Ｒ／Ｒ0は、０．０４〜５０で変化することがわかった。従って、感圧抵抗部１０をＰＤＭＳシート３２と共に形状が変化するように設け、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定することによりＰＤＭＳシート３２に歪みを検知することができることがわかった。
【００３４】
歪み検知実験
図１、２に示したような４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄが突起部７の周りに設けられた触覚センサ２０を作製し、図２（ｂ）、図１０（ｂ）のようにほぼ上方から突起部７に指で約０．３秒荷重をかけ可撓部５を撓ませて歪みセンサ９ａ〜９ｄの感圧抵抗部１０の電気抵抗値の変化を測定した。なお、基材１には、ポリエステル製のシートを用い、柔軟性シート６には、ポリエチレン（ＰＥ）製のシートを用い、接触部材８はシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）で作製した。また、歪みセンサ９は、ＣＮＴインクに銀微粒子を混練して作製したペーストを柔軟性シート６上にスクリーン印刷することにより作製し、配線１１は銀ペーストを柔軟性シート６上にスクリーン印刷することにより作製した。また、中空部３の開口は、直径５ｍｍの円とし、突起部７は、直径２ｍｍ、高さ１ｍｍの円柱とした。
測定結果を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）では、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を感圧抵抗部１０にかかる圧力に換算している。
図１０（ａ）に示したように、歪みセンサ９ａ、９ｄでは、約１５ｍＮの圧力が計測され、歪みセンサ９ｂ、９ｃでは、約１２ｍＮの圧力が計測された。従って、ほぼ上方から突起部７に荷重をかけると、歪みセンサ９ａ〜９ｄで測定される圧力はほぼ同じになることがわかった。
【００３５】
次に、図２（ｃ）、図１１（ｂ）のように、歪みセンサ９ａから歪みセンサ９ｃに向かう斜め上方向からの荷重を約０．３秒指で突起部７にかけ可撓部５を撓ませて歪みセンサ９ａ〜９ｄの感圧抵抗部１０の電気抵抗値の変化を測定した。
測定結果を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）では、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を感圧抵抗部１０にかかる圧力に換算している。
図１１（ａ）に示したように、荷重方向に配置された歪みセンサ９ｃでは約１３ｍＮの圧力が計測され、歪みセンサ９ｃと対向するように配置された歪みセンサ９ａでは約８．５ｍＮの圧力が計測された。また、歪みセンサ９ｂ、９ｃでは約５ｍＮの圧力が計測された。従って、斜め上方向からの荷重を突起部７にかけると荷重方向に配置された歪みセンサで最も高い圧力が計測されることがわかった。
【００３６】
シミュレーション
図１、２に示したような触覚センサ２０について、突起部７にｚ方向に−２０ｍＮの荷重（上方からの荷重）をかけた際の可撓部５の歪みについてシミュレーションを行った。中空部３の開口は、図１２（ｂ）に示したように直径５ｍｍの円として計算した。
シミュレーション結果を図１２（ａ）に示す。図１２に示したように、上方から突起部７に荷重がかかると、開口の縁に沿って円状に圧力がかかることがわかった。従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄでは、同等の歪みが検出されると考えられる。この結果は、図１０（ａ）に示した歪み検知実験の測定結果と一致している。
従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄから計測される歪みがほぼ同等である場合、対象物１３が上方から突起部７に接触したことを触覚センサ２０により検出することができる。
【００３７】
次に、図１、２に示したような触覚センサ２０について、ｘ方向に２０ｍＮ、ｚ方向に−１０ｍＮの荷重（斜め上方向からの荷重）を突起部７にかけた際の可撓部５の歪みについてシミュレーションを行った。中空部３の開口は、直径５ｍｍとして計算した。
シミュレーション結果を図１３に示す。図１３に示したように、斜め上方向から突起部７に荷重がかかると、荷重方向に配置された歪みセンサ９ｃ付近に大きな圧力がかかることがわかった。従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄのうち歪みセンサ９ｃで最も大きい歪みが検出されると考えられる。この結果は、図１１（ａ）に示した歪み検知実験の測定結果と一致している。
従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄから測定される歪みのうち１つの歪みセンサ９ｃから計測される歪みが特に大きい場合、歪みセンサ９ｃに向かう斜め上方向からの荷重が突起部７にかかったことを触覚センサ２０により検出することができる。
【００３８】
温度検知実験
測温抵抗部を備えた温度センサ２２を作製し、温度センサ２２の温度応答性を調べた。測温抵抗部は、ＣＮＴインクに高分子材料のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを混練して作製したペーストを温度センサ用シート２４上に印刷することにより作製した。作製した温度センサ２２を図１４（ｂ）のように配置し、温度センサ２２の上方１ｍｍの箇所に６０℃の加熱物体３５を約５７秒間配置して測温抵抗部の電気抵抗値の変化を測定した。この測定結果を図１４（ａ）に示す。なお、図１４（ａ）では、測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲと時間の関係を示している。
図１４（ａ）に示したように、加熱物体３５を配置して約２０秒で約１０％電気抵抗値が変化した。また、加熱物体３５を除去して約５０秒でΔＲは約２％まで回復した。
【００３９】
次に、２２℃〜８０℃の加熱物体３５を用いて、同様の方法で測温抵抗部の電気抵抗値の変化を測定し測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲを調べた。この測定結果を図１５に示す。なお、図１５に示したΔＲは、加熱物体３５を配置して電気抵抗値が安定した時点でのΔＲである。図１５に示したように、２２℃〜８０℃にかけて測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲは温度が高くなると比例して大きくなることがわかった。また、感度は０．２５％／℃であった。従って、作製した温度センサ２２により、１ｍｍ上方の加熱物体３５の温度を測定することができることがわかった。
【００４０】
歪み・温度検知実験
図３に示したような９つのセンサ素子１２ａ〜１２ｉを有する触覚センサ２０を作製した。また、図７に示したような温度検知シート２８を作製した。そして、温度検知シート２８を触覚センサ２０に重ね合わせて図６のような集積化センサ３０を作製した。なお、触覚センサ２０の作製方法は、上述の歪み検知実験と同様である。また、隣接する突起部７の間隔は、１５ｍｍとした。
温度検知シート２８は、ポリエチレンテレフタラート製の温度センサ用シート２４上にＣＮＴインクに高分子材料のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを混練して作製したペーストを印刷し温度センサ２２を形成することにより作製した。なお、温度センサ２２は、センサ素子１２ａ〜１２ｉにそれぞれ近接するように設けた。
【００４１】
まず、図１６（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｆの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１６（ｂ）（ｃ）に示す。図１６（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｆの４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｆの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１６（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｆに近接して設置した温度センサ２２で最も高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｆに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
従って、対象物１３が集積化センサ３０に接触した位置及びこの接触による圧力の大きさ、圧力の方向並びに温度を同時に検出することができた。
【００４２】
次に、図１７（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｅの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１７（ｂ）（ｃ）に示す。図１７（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｅの４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｅの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１７（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｅに近接して設置した温度センサ２２で最も高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｅに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
【００４３】
次に、図１８（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｄ、１２ｇの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１８（ｂ）（ｃ）に示す。図１８（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｄ、１２ｇでそれぞれ４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｄ、１２ｇの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１８（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｄ、１２ｇに近接して設置した２つの温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｄ、１２ｇに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
従って、集積化センサ３０に含まれる複数のセンサ素子１２で同時に圧力などを検出できた。
【００４４】
次に、図１９（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｄの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１９（ｂ）（ｃ）に示す。図１９（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｄ４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｄの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１９（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｄに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｄに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
【００４５】
次に、図２０（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｂの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図２０（ｂ）（ｃ）に示す。図２０（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｂの４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｂの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図２０（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｂに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｂに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
【００４６】
次に、図２１（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｃ、１２ｆの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図２１（ｂ）（ｃ）に示す。図２１（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｃの４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出され、センサ素子１２ｆの４つの歪みセンサ９のうち２つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｃではこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｃの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。センサ素子１２ｆでは、荷重が加えられた方向を検出することはできなかった。これは突起部７にかかる荷重が大きすぎたためと考えられる。また、図２１（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｃ、１２ｆに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｃ、１２ｆに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
【符号の説明】
【００４７】
１：基材    ３：中空部    ５：可撓部    ６：柔軟性シート    ７：突起部    ８：接触部材    ９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：歪みセンサ    １０：感圧抵抗部    １１：配線    １２：センサ素子    １３：対象物    １４：接続端子    １５：高分子材料    １６：導電性微粒子    １７：カーボンナノチューブ    ２０：触覚センサ    ２２：温度センサ    ２４：温度センサ用シート    ２６：接触部材用開口    ２８：温度検知シート    ３０：集積化センサ    ３２：シリコーンゴムシート    ３３：試料台    ３５：加熱物体
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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