(57)【要約】【課題】１種類のモジュールでありながら、センサエレメントの密度の調整、実装領域の調整を容易に行うことができ、複雑な曲面への適応性が高い、触覚センサ用モジュールを提供する。【解決手段】触覚センサ用モジュールは、複数のセンサエレメント、通信用端子、電子回路部が設けられたフレキシブル基板を有し、フレキシブル基板は複数の帯状部からなる。センサエレメントは帯状部の末端部位に設けてあり、センサエレメントと電子回路部、電子回路部と端子は、帯状部を延出する配線を介して電気的に接続されており、少なくとも１つの帯状部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している。【選択図】図１
2007078382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つ又は複数の帯状部を有するフレキシブル基板と、
フレキシブル基板を構成する1つ又は複数の帯状部に配置された複数のセンサエレメントと、
フレキシブル基板に設けた１つ以上の通信用端子と、
フレキシブル基板に設けられ、フレキシブル基板を延出する配線によってセンサエレメント及び通信用端子に電気的に接続されており、各センサエレメントにより取得された情報を受信し、当該情報を通信用端子に送信する通信機能を有する１つ以上の電子回路部と、からなり、
前記複数の帯状部の少なくともいずれか１つは、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している、
触覚センサ用モジュール。
【請求項２】
前記折り曲げ可能領域は、前記複数のセンサエレメントの内、いずれかのセンサエレメント間に位置する１つ又は複数の帯状部、あるいは／および、１つ又は複数の帯状部の１つ又は複数の部分である、
触覚センサ用モジュール。
【請求項３】
前記折り曲げ可能領域は、帯状部における配線のみを有する領域である、請求項１，２いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項４】
前記折り曲げ可能領域は、フレキシブル基板を構成する帯状部において、センサエレメント、電子回路部、通信用端子を除いた領域である、請求項１乃至３いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項５】
前記切断可能領域は、当該領域を切断することで、1つ又は複数のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、他の１つ又は複数のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域である、請求項１乃至４いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項６】
前記センサエレメントは、帯状部の末端部位に設けてある、請求項１乃至５いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項７】
前記通信用端子は、帯状部の末端に設けてある、請求項１乃至６いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項８】
前記フレキシブル基板は、
１つの第１帯状体と第１帯状体に連結された複数の第２帯状体とを有し、
前記第１帯状体は、1つ又は複数の帯状部から構成され、少なくとも１つの電子回路部を備えており、
各第２帯状体は、1つ又は複数の帯状部から構成され、少なくとも1つのセンサエレメントを末端部位に備えている、
請求項６に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項９】
前記第２帯状体は、センサエレメントの装着部位を除いて、配線のみを有する折り曲げ可能領域である、請求項８に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１０】
少なくとも１つの第２帯状体は、他の少なくとも１つの第２帯状体のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該第２帯状体の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有している、請求項８，９いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１１】
前記第２帯状体は、複数の帯状部が階層的に分岐しているツリー構造から構成されており、各分岐帯状部の末端部位には１つ以上のセンサエレメントが設けてある、請求項８乃至１０いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１２】
前記第２帯状体は、基端側が第１帯状体に連結された基部と、該基部の末端に一体的に形成された4本の分岐帯状部からなるＨ型帯状体と、から構成されており、各分岐帯状部の末端部位には１つ以上のセンサエレメントが設けてある、請求項８乃至１１いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１３】
第２帯状体を構成する各分岐帯状部は、他の分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有する、請求項１１，１２いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１４】
前記第１帯状体は、少なくとも1つの通信用端子を末端に備えている、請求項８乃至１３いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１５】
前記第１帯状体において、電子回路部、通信用端子を除いた部位は、配線のみを有する折り曲げ可能領域である、請求項１４に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１６】
前記第１帯状体は、少なくとも1つのセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該第１帯状体の部分あるいは／および当該第１帯状体の部分に連結されている１つまたは複数の第２帯状体に設けられた１つまたは複数のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有している、請求項８乃至１５いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１７】
前記第１帯状体は、基端側を互いに連結して放射状に延出する複数の帯状部から構成されており、該連結部位には電子回路部が配置されている、請求項８乃至１６いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１８】
前記フレキシブル基板の少なくとも部分は、1つ又は複数の帯状部が階層的に分岐しているツリー構造から構成されており、各帯状部の末端部のうち少なくとも２つの末端部には１つ以上のセンサエレメントが設けてある、請求項６に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項１９】
前記ツリー構造を構成する分岐帯状部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している、請求項１８に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２０】
複数の分岐帯状部の末端部位にそれぞれ１つ以上のセンサエレメントが設けてあり、末端部位にセンサエレメンを有する各分岐帯状部は、他の分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有する、請求項１９に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２１】
前記フレキシブル基板は、複数の帯状部が基端側で連結されたスター構造から構成されており、少なくとも１つの帯状部の末端には通信用端子が設けてあり、その他の帯状部の末端部位には１つ以上のセンサエレメントが設けてあり、複数の帯状部の基端側の連結部位には電子回路部が設けてある、請求項１８に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２２】
帯状部は、帯状部基部と、該基部の末端に一体形成された幅広部から構成されており、幅広部には、１つ又は複数のセンサエレメントが設けてある、請求項１乃至２１いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２３】
前記基部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している、請求項２２に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２４】
前記通信用端子は、シリアル通信用端子である、請求項１乃至２３いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２５】
電子回路部と通信用端子間の配線は、シリアルバスである、請求項２４に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２６】
電子回路部は、プロセッサユニットを備えており、シリアル通信用端子を介して外部装置とシリアル通信可能であり、センサエレメントにより取得された情報を、外部装置へ送信可能なように構成されている、請求項２５に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２７】
電子回路部は、アナログ・デジタル変換手段を備えており、センサエレメントにより取得されたアナログ情報をデジタル情報としてプロセッサユニットが取り込む、請求項２６に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２８】
触覚センサ用モジュールは、通信用端子を介して、他の触覚センサ用モジュールと接続可能である、請求項１乃至２７いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項２９】
前記センサエレメントは、圧力検知器である、請求項１乃至２８いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項３０】
前記圧力検知器は、発光素子と受光素子とを備えており、前記触覚センサ用モジュールは、さらに、光散乱用弾性素材を有し、該弾性素材を、該圧力検知部を覆うようにしてフレキシブル基板に装着することで、発光素子から発光された光を弾性素材内で散乱/反射させ、受光素子は光の強度信号を取得する、請求項２９に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項３１】
前記弾性素材は、発泡ウレタンである、請求項３０に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項３２】
前記圧力検知器は、反射型フォトインタラプタである、請求項３０，３１いずれかに記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項３３】
反射型フォトインタラプタによる検知を時分割制御することで、複数の反射型フォトインタラプタが、検知信号を取り出すためのアナログ配線および電子回路部に設けたアナログ・デジタル変換手段を共有する、請求項３２に記載の触覚センサ用モジュール。
【請求項３４】
請求項１乃至３３いずれかに記載の触覚センサ用モジュールを用いた触覚センサの実装方法であって、
（ａ）１つあるいは複数の帯状部を折り曲げることで、センサエレメントの位置を調整し、
あるいは／および、
（ｂ）１つあるいは複数の帯状部を切断することで、センサエレメントの数を減らし、
（ｃ）帯状部の折り曲げあるいは／および切断によって、センサエレメントの密度調整、あるいは／および、実装領域の調整、を行うことを特徴とする触覚センサの実装方法。
【請求項３５】
複数の触覚センサ用モジュールを、通信用端子を介して接続することを含む、請求項３４に記載の触覚センサの実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚センサに係り、詳しくは、任意の曲面への実装が可能な触覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットやヒューマノイドの分野で、全身分布の触覚センサのニーズが高まっている。全身分布の触覚センサとは、システムの全体に触知覚を付与することを可能とする触覚センサである。触覚センサの研究というとその多くが、単一のセンサ特性に関するものである。「滑り」や「ざらつき」などの手の巧みさに必要な特徴量をいかに検出するかが研究の対象となる。また、触覚をコンピュータの入力インタフェースとするための研究も多くなされている。従来の多くの触覚センサ研究は、得られる特徴量を重視したものであるが、触覚センサの実用化の観点からは、曲面的な形状に適用できること、製造が容易であること、実装領域を容易に調整できることなどが求められる。
【０００３】
触覚センサは、ロボット分野以外にも、イスやベッドの表面の圧力分布の測定など、医療・健康・福祉分野においても求められている。これは、すわり心地などを調べるなど製品開発への利用や、患者のモニタリング、運動計測とリハビリテーションなどのためである。このような場合も、曲面的な形状に適応できる圧力分布センサは有用である。
【０００４】
分布触覚センサを実現するためには、曲面に適応可能であり、配線量の問題に対処できることが必要となる。また、実装領域の大きさや形は実装するシステムに応じて変わるため、実装領域の調整ができる必要がある。しかし、従来の触覚センサでは、曲面への適用、配線の問題、実装領域の調整のすべてを同時に満たし、かつ、製造方法やコストを十分考慮したものは存在しなかった。
【０００５】
触覚センサをシステムに実装するとき、配線コストの削減のためにフレキシブル基板を導入することが多い。その際、従来技術では、基板上の圧力検知器の配置が固定的であり、密度調整を行うことができない。また、感圧ゴムなどの主要な圧力検知器は、検知器付近の圧力しか計測できないため、密度を変化させるためには、圧力検知器の大きさを変化させることで検知範囲を広げなければならない。そのため、密度調整のためには個別の製品が必要となり、コストの増加につながっていた。
【０００６】
また、圧力検知器を個々に配線すると配線量が膨大になるため、ｎ＋ｍ本の配線でｎ×ｍ個の圧力検知器の信号を処理できるマトリックス方式の配線方法が一般的に用いられる。この場合、各検知器は縦方向のn本と横方向のｍ本の配線を共有するため、全体が一塊の領域からなる基板形状となってしまう。その結果、フレキシブル基板を用いた場合でも、円筒のような単純な曲面には適応できても、ロボットの肩や肘のような複雑な曲面に適応させることは困難である。
【０００７】
従来、ロボットの肩や肘のような非定形的な領域で触覚センサを使用する場合、個々の領域形状にあわせた製品を特注せざるを得なかった。触覚センサを実装する領域の大きさと形状が対象によって大きくことなることが主な原因である。それに対して、従来の触覚センサで、製品後のセンサ実装領域の調整を考慮したものは皆無である。
【０００８】
圧力検知器として、感圧抵抗、静電容量型感圧素子、ピエゾ素子などさまざまあるが、これらを採用する場合、２つの圧力検知器の間に作用する圧力を２つの検知量の比率から計算できる性質である補間性がないため、分解能をあげるには多数の検知器を必要とする。これに対し、特許文献１に示される圧力検知方式は、光を散乱／反射する光散乱用弾性素材に対し、発光素子により光をあて、その散乱／反射した光の光量を、受光素子により計測すると言うものである。これは、光を散乱／反射する光散乱用弾性素材に圧力を与えると、変形により散乱／反射の量が変化するため、圧力量を計測できると言う原理に基づく。以降、これを光散乱型圧力検知方式と呼ぶことにする。光散乱用弾性素材のある点に圧力を与えると、圧力点から少し離れた点まで変形の影響が及ぶため、圧力点から少し離れた点にある受光素子と発光素子の組においても圧力を検知することができる。圧力点から遠いほど、圧力変化の影響は小さくなるため、２組の受光素子と発光素子が計測を行う２点の間に位置する点に圧力を加えると、計測される２点での圧力値の比から、２点の間のどの点が加圧されたかを知ることができる。また、２点での圧力値の和からその圧力値を推定できる。以上のような原理で、光散乱型圧力検知方式における補間性が実現できる。また、光散乱型圧力検知方式は、光を散乱／反射する光散乱用弾性素材を変更することで、容易に感度調整が可能だと言う特徴も有する。しかし、特許文献１に示されている光ファイバを用いた実装方法の場合、小型化や自動製造が困難であると言う問題がある。
【０００９】
すなわち、フレキシブル基板を配線に用いた従来の触覚センサにおいて、以下のような問題点がある。
（１）異なる密度を必要とする場合、配線基板、圧力検知器ともに異なる製品を必要とすること；
（２）実装領域の製品後の調整を考慮してないこと；
（３）異なる感度が必要な場合、感度に応じて異なる検知器を備えた製品が必要なこと；
（４）配線基板が単純な曲面にしか適応できないこと；
がある。
【特許文献１】ＷＯ  ９９／０４２３４（特許第３６５３２８４号）
【特許文献２】特開昭６４−１６９０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
複数のセンサエレメントと通信機能をモジュール化し、省配線で接続することを考えたとき、作成するモジュールの種類は少ないことが求められる。モジュールの種類が多くなるほど、繁雑となり、製作のコストが高くなるからである。一方で、分布触覚を実装するシステムに応じて、必要な触覚センサエレメントの数は異なるし、同一システムにおいてさえ実装部位によって必要な触覚センサエレメントの実装密度が異なるのが一般的である。このような観点から、触覚センサエレメントの数や実装密度を変更できるような触覚センサのモジュール化が課題となる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、１種類のモジュールでありながら、センサエレメントの密度の調整、実装領域の調整を容易に行うことができ、複雑な曲面への適応性が高い、触覚センサ用モジュールを提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、センサエレメントの密度や実装領域の調整を行うことができる、触覚センサの実装方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、感度調整が容易で、自動製造に適したセンサエレメントを備えた触覚センサ用モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明が採用した触覚センサ用モジュールは、1つ又は複数の帯状部を有するフレキシブル基板と、フレキシブル基板を構成する1つ又は複数の帯状部に配置された複数のセンサエレメントと、フレキシブル基板に設けた１つ以上の通信用端子と、フレキシブル基板に設けられ、フレキシブル基板を延出する配線によってセンサエレメント及び通信用端子に電気的に接続されており、各センサエレメントにより取得された情報を受信し、当該情報を通信用端子に送信する通信機能を有する１つ以上の電子回路部と、からなり、前記複数の帯状部の少なくともいずれか１つは、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している。本明細書において、センサエレメントとは圧力、温度、光、音などの物理量を測定する単一の計測デバイスであり、圧力検知器、温度センサ、光センサ、音センサなどが含まれる。
【００１５】
好ましい態様では、前記折り曲げ可能領域は、前記複数のセンサエレメントの内、いずれかのセンサエレメント間に位置する１つ又は複数の帯状部、あるいは／および、１つ又は複数の帯状部の１つ又は複数の部分である。帯状部を介して互いに離間しているあるセンサエレメント間にある領域を折り曲げることで、当該センサエレメント間の距離を変更することができる。また、この場合であっても、センサエレメント間以外の部位、例えば、通信用端子とセンサエレメントとの間の帯状部が折り曲げ可能領域を有することが好ましい。複数の触覚センサ用モジュールを、通信用端子同士を介して接続した場合には、1つの触覚センサ用モジュールの通信用端子とセンサエレメントとの間の帯状部は、複数の触覚センサ用モジュールから構成された触覚センサとして見た場合に、センサエレメント間に位置する帯状部となる。
【００１６】
前記折り曲げ可能領域は、帯状部における配線のみを有する領域である。１つの好ましい態様では、前記折り曲げ可能領域は、フレキシブル基板を構成する帯状部において、センサエレメント、電子回路部、通信用端子を除いた領域である。
【００１７】
前記切断可能領域は、当該領域を切断することで、1つ又は複数のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、他の１つ又は複数のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域である。
【００１８】
好ましい態様では、前記センサエレメントは、帯状部の末端部位に設けてある。センサエレメントが装着された帯状部の末端部位は、フレキシブル基板の末端部位を構成する。また、この場合であっても、帯状部の末端部位に設けたセンサエレメントに加えて、帯状部の末端部位以外の部位にセンサエレメントを設けてもよい。また、好ましくは、前記通信用端子は、帯状部の末端に設けてある。
【００１９】
本発明において、フレキシブル基板を構成する帯状部の形状や配置形態は限定されない。幾つかの好ましい態様として以下のようなものが例示される。
【００２０】
第１の態様では、前記フレキシブル基板は、１つの第１帯状体と第１帯状体に連結された複数の第２帯状体とを有し、前記第１帯状体は、1つ又は複数の帯状部から構成され、少なくとも１つの電子回路部を備えており、各第２帯状体は、1つ又は複数の帯状部から構成され、少なくとも1つのセンサエレメントを末端部位に備えている。好ましくは、前記第２帯状体は、センサエレメントの装着部位を除いて、配線のみを有する折り曲げ可能領域である。好ましくは、少なくとも１つの第２帯状体は、他の少なくとも１つの第２帯状体のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該第２帯状体の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有している。
【００２１】
第１の態様において、前記第２帯状体を、複数の帯状部が階層的に分岐しているツリー構造から構成し、各分岐帯状部の末端部位に１つ以上のセンサエレメントを設けてもよい。ここで、末端部位とはツリー構造における末端の枝に位置する帯状部のことである。一例では、前記第２帯状体は、基端側が第１帯状体に連結された基部と、該基部の末端に一体的に形成された4本の分岐帯状部からなるＨ型帯状体と、から構成されており、各分岐帯状部の末端部位には１つ以上のセンサエレメントが設けてある。好ましくは、第２帯状体を構成する各分岐帯状部は、他の分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有する。
【００２２】
第１の態様において、好ましくは、前記第１帯状体は、少なくとも1つの通信用端子を末端に備えている。好ましくは、前記第１帯状体において、電子回路部、通信用端子を除いた部位は、配線のみを有する折り曲げ可能領域である。好ましくは、前記第１帯状体は、少なくとも1つのセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該第１帯状体の部分あるいは／および当該第１帯状体の部分に連結されている１つまたは複数の第２帯状体に設けられた１つまたは複数のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有している。好ましくは、前記第１帯状体は、基端側を互いに連結して放射状に延出する複数の帯状部から構成されており、該連結部位には電子回路部が配置されている。
【００２３】
第２の態様では、前記フレキシブル基板の少なくとも部分は、1つ又は複数の帯状部が階層的に分岐しているツリー構造から構成されており、各帯状部の末端部のうち少なくとも２つの末端部には１つ以上のセンサエレメントが設けてある。好ましくは、各帯状部の末端部の少なくとも１つの末端部に通信用端子が設けられる。フレキシブル基板全体がツリー構造から構成されていてもよい。前記ツリー構造を構成する分岐帯状部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している。好ましくは、複数の分岐帯状部の末端部位にそれぞれ１つ以上のセンサエレメントが設けてあり、末端部位にセンサエレメントを有する各分岐帯状部は、他の分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントのセンサ信号についての通信機能を保持したまま、当該分岐帯状部の１つ以上のセンサエレメントをフレキシブル基板から切り離すことが可能な領域を有する。
【００２４】
第３の態様では、前記フレキシブル基板は、複数の帯状部が基端側で連結されたスター構造から構成されており、少なくとも１つの帯状部の末端には通信用端子が設けてあり、その他の帯状部の末端部位には１つ以上のセンサエレメントが設けてあり、複数の帯状部の基端側の連結部位に電子回路部が設けてある。前記スター構造を構成する各帯状部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している。
【００２５】
第４の態様では、帯状部は、基部と、該基部の末端に一体形成された幅広部から構成されており、幅広部には、１つ又は複数のセンサエレメントが設けてある。
前記帯状基部は、折り曲げ可能領域、あるいは／および、切断可能領域を有している。
【００２６】
好ましくは、前記通信用端子は、シリアル通信用端子である。そして、電子回路部と通信用端子間の配線は、シリアルバスである。
【００２７】
好ましい態様では、電子回路部は、プロセッサユニットを備えており、シリアル通信用端子を介して外部装置とシリアル通信可能であり、センサエレメントにより取得された情報を、外部装置へ送信可能なように構成されている。
【００２８】
さらに、アナログ・デジタル変換手段を備えており、センサエレメントにより取得されたアナログ情報をデジタル情報としてプロセッサユニットが取り込む。
【００２９】
好ましい態様では、触覚センサ用モジュールは、通信用端子を介して、他の触覚センサ用モジュールと接続可能である。接続とは、触覚センサ用モジュールの通信用端子と他の触覚センサ用モジュールの通信用端子を電気的接続したときに、通信機能を用いて、それぞれの触覚センサ用モジュールと外部装置との間で情報の送受信を行うことが可能である機能とする。
【００３０】
好ましい態様では、前記センサエレメントは、圧力検知器である。圧力検知器とは、回路図上で圧力に応じて電流量や電圧を変化させることで圧力信号を取り出すことを可能とする素子のことをいう。圧力検知器としては、感圧抵抗、静電容量型感圧素子、ピエゾ素子、ひずみゲージ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、反射型フォトインタラプタ、等が例示される。
【００３１】
一般に、センサエレメントによる触知覚は、触ったかどうかの2値情報、圧力分布情報、触点における6軸力情報などが考えられるが、好ましい態様では、触知覚は圧力分布情報に限定する。さらに好ましい態様では、前記圧力検知器は、発光素子と受光素子とを備えており、前記触覚センサ用モジュールは、さらに、光を散乱可能な光散乱用弾性素材を有し、該弾性素材を該圧力検知部を覆うようにしてフレキシブル基板に装着することで、発光素子から発光された光を弾性素材内で散乱/反射させ、受光素子は光の強度信号を取得する。前記圧力検知器の好適な例として、光型圧力検知器が挙げられる。光型圧力検知器とは、発光素子と受光素子から構成され、LEDとフォトダイオード、LEDとフォトトランジスタ、LEDとフォトダイオードあるいはフォトトランジスタから構成される反射型フォトインタラプタなどを含む。また、好ましくは、前記弾性素材は、発泡ウレタンである。
【００３２】
好ましい態様では、光型圧力検知器による検知においては、以下で定義する時分割制御が行われる。例えば、LEDとフォトトランジスタからなる反射型フォトインタラプタを例として説明する。時分割制御とは、N個の反射型フォトインタラプタに対し、それより少ないn個のアナログ・デジタル変換器により、それらすべてのセンサ出力を独立に取り出すための制御である。1個から最大n個のLEDを同時にONとするLEDスイッチをm個用意する。LEDスイッチはプロセッサが制御するLED駆動回路である。このときｍ×n≧Nが成り立たなければならない。m個のLEDスイッチi（i=1…ｍ）によってLEDがON・OFF制御される反射型フォトインタラプタの組Piのフォトトランジスタの信号はアナログ・デジタル変換器を共有せず、異なる組のフォトトランジスタのみがアナログ・デジタル変換器を共有するように構成する。この条件のもとで、m個のLEDスイッチのうち、LEDスイッチiをONにしたときのアナログ・デジタル変換器の値をフォトトランジスタの組Piのセンサ出力として取り出すことができる。このように、LEDスイッチを常に1組のみがONになるように制御することでセンサ出力を共有配線から取り出すことを時分割制御と定義する。
【００３３】
本発明が採用した他の技術手段は、前記の触覚センサ用モジュールを用いた触覚センサの実装方法であって、（ａ）１つあるいは複数の帯状部を折り曲げることで、センサエレメントの位置を調整し、あるいは／および、（ｂ）１つあるいは複数の帯状部を切断することで、センサエレメントの数を減らし、（ｃ）帯状部の折り曲げあるいは／および切断によって、センサエレメントの密度調整、あるいは／および、実装領域の調整、を行うことを特徴とする。一つの態様では、より広い領域の計測を行うために、複数の触覚センサ用モジュールを、通信用端子を介して接続することを含む。帯状部の折り曲げ、切断の両方を行う場合において、折り曲げ工程と切断工程との順序は限定されない。いずれかの工程を先に行うことができ、また、折り曲げ工程と切断工程とを交互に行うこともできる。また、触覚センサ用モジュールが、発泡ウレタン等の光散乱用弾性素材を有する場合には、帯状部の折り曲げあるいは／および切断の工程と、触覚センサ用モジュールに光散乱用弾性素材を装着する工程との、順序は限定されない。折り曲げあるいは／および切断の工程に先立って、触覚センサ用モジュールに光散乱用弾性素材を装着してもよく、折り曲げあるいは／および切断の工程の後に、触覚センサ用モジュールに光散乱用弾性素材を装着してもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る触覚センサ用モジュールは、折り曲げ、あるいは／および、切断が可能な帯状のフレキシブル基板から構成され、1種類で密度調整、実装領域調整、任意の曲面への適応が可能であり、また、触覚センサのコストダウンにつながる。従来の触覚センサは、密度調整ができない上、任意の曲面に適応できないため、個別のフレキシブル基板を必要とした。このことが、コストの増大につながった。本発明に係る触覚センサ用モジュールは、任意の曲面に実装することができるため、ロボットの触覚センサ、イスやベッドの圧力分布計測など応用範囲が広い。また、触覚センサ用モジュールを複数接続することで、容易に大面積の触覚センサを構成できる。
【００３５】
補間性を有する光散乱型圧力検知方式を採用することで、密度調整、実装領域の調整、曲面への適応に加えて、感度調整のすべてを1つのモジュールで実現することができる。感度調整のできない圧力検知器を用いた従来の触覚センサの場合、部位ごとに個別に開発が必要であった。また、圧力検知器を構成する反射型フォトインタラプタの制御に時分割制御を採用することで、省配線化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
［Ａ］触覚センサ用モジュールの基本構成
本発明では、密度調整や曲面適応に適した形状のフレキシブル基板を構成し、これに複数の圧力を電気信号に変換する圧力検知器を実装した、１つの触覚センサ用モジュールを構成する。フレキシブル基板は複数の帯状部からなり、圧力検知器は帯状部の末端部位に設けてあり、圧力検知器が設けられた末端部位とは異なる末端にはシリアル通信用端子が設けてある。フレキシブル基板には、圧力量を表す電気信号を処理する電子回路部が設けてあり、各圧力検知器と電子回路部、電子回路部と通信用端子とは、配線を通じて電気的に接続されている。電子回路部は、通信用端子を介して、外部の装置と通信可能である。圧力検知器によって検知された圧力情報は、フレキシブル基板に搭載された電子回路部にて情報処理され、シリアル通信化により、フレキシブル基板に設けた通信用端子を介して、外部の装置へと出力される。触覚センサ用モジュールは、通信用端子を介して複数個繋げて大面積化できる。
【００３７】
図１に示すように、触覚センサ用モジュール１は、配線基板を構成する薄肉のフレキシブル基板２と、複数の圧力検知器３と、電子回路部４と、通信用端子５と、を有する。フレキシブル基板２は、複数の帯状部からなり、フレキシブル基板２を構成する帯状部は、通信用端子５を末端に備えた第１帯状体６と、基端部が第１帯状体６に連結されており、末端部位に１つの圧力検知器３を備えた第２帯状体７とから構成されている。図１の例では、第１帯状体６は４本の帯状部６Ａからなり、第２帯状体７は１本の帯状部７Ａからなる。電子回路部４は、第１帯状体６の中途部位に配置されている。通信用端子５と電子回路部４を電気的に接続する配線６０は、第１帯状体６を通って延出している。通信用端子５はシリアル通信用端子であって、通信用端子５と電子回路部４を電気的に接続する配線６０はシリアルバスである。圧力検知器３と電子回路部４を電気的に接続する配線７０は、第２帯状体７及び第１帯状体６を通って延出している。電子回路部４は、各圧力検知器３の圧力量を表す電子情報を処理し、シリアル通信化する。触覚センサ用モジュール１はシリアル通信用の端子５を備え、外部装置（触覚センサによって取得された情報を処理する情報処理装置が例示される）や他のモジュールとデータ通信を行う。電子回路部４が扱う検知器３の数に応じて、帯状部６Ａ，７Ａの配線量、つまり帯状部６Ａ，７Ａの幅が決まるため、所望の幅となるよう検知器３の数を決める。図１の例では、第１帯状体６の帯状部６Ａは、第２帯状体７の帯状部７Ａに比べて幅広に形成されている。図１に示す例では、触覚センサ用モジュール１は、全体として十字型の第１帯状体６と、十字型の一方向に延出する帯状部６Ａに対して連結され、当該帯状部６Ａに対して垂直状に延出する８本の第２帯状体７と、各第２帯状体７の末端部位に設けた圧力検知器３と、第１帯状体６の交差部位に配置された電子回路部４と、第１帯状体６の末端に設けたシリアル通信用端子５、とから構成されている。
【００３８】
すなわち、本発明に係るフレキシブル基板２は、細幅の複数の帯状部６Ａ，７Ａから構成される形状のため、一塊につながった形状の従来のフレキシブル基板にくらべて、より複雑な曲面への適応が容易である。第２帯状体７には圧力検知器３を末端に実装する他は部品を実装しないことにより、単に細長い配線基板とみなされるため、薄く折り曲がりやすい構造となっている。第１帯状体６も、シリアル通信用端子５が設けられた末端部、及び、十字型の第１帯状体６の交差部（電子回路部４）、第２帯状体７との交差部、を除いては何ら部品が設けられない単なる細長い配線基板であるため、薄く折り曲がりやすい構造となっている。
【００３９】
各モジュール１はシリアル通信にてデータ通信を行うため、各モジュール１のシリアル通信の端子５同士を接続するだけで、容易に大面積の触覚センサを構成できる。図２に示すように、各モジュール１は、それぞれが圧力検知器３を備えた複数の帯状部７Ａと、電子回路４と、端子５と、圧力検知器３の信号を電子回路に送信するための配線７０と、電子回路４と端子５とをシリアル通信するための配線６０と、を有し、各モジュール１のシリアル通信の端子５同士を、シリアル配線８を介して接続することで、触覚センサの実装面積を拡大していくことができる。
【００４０】
［Ｂ］折り曲げ可能領域
フレキシブル基板２は、各帯状部６Ａ，７Ａが折り曲げ可能な領域を持つような基板構造とする。図１の斜線領域は、帯状部６Ａ，７Ａにおける折り曲げ可能な領域を示し、斜線領域は、配線以外に実装部品が存在しない薄肉の折り曲げ可能領域である。フレキシブル基板２を構成する各帯状部６Ａ，７Ａにおいて、帯状部同士の交差部位と端部との間の部位は、折り曲げ可能な領域となっている。第１帯状体６において、第１帯状体６同士の交差部位（電子回路４が設けられた部位）、第２帯状体７との交差部位、端子５、との間の部位は、折り曲げ可能な領域となっている。第２帯状体７において、第１帯状体６との交差部位と圧力検知器３が装着された末端部分との間の部位は、折り曲げ可能な領域となっている。折り曲げ場所を調整し、各圧力検知器３同士の相対位置を変更することで、圧力検知器３の実装領域を調整したり、圧力検知器３を任意の密度に調整したりすることができる。
【００４１】
フレキシブル基板２を折り曲げることによる圧力検知器３の密度調整について図７、図８に基づいて詳細に説明する。まず、説明に必要な用語を定義する。フレキシブル基板２の表面２０とは、製作時において圧力検知器３が実装されている面をいう。その反対の面を裏面２１とする。1個または複数個の圧力検知器３を、ある折り目において裏面方向に折り曲げる1回の折り方と、1個または複数個の圧力検知器３を、ある折り目において表面方向に折り曲げる1回の折り方がある。この1回の折り曲げにより、圧力検知器３は向く面の方向を変える。この折り方を利用することで、圧力検知器３の向く面の向きを変更することと、圧力検知器３の間の距離の変更を同時に行うことができる。この折り方を２つ折りと呼ぶ。図７に2つ折りを例示する。
【００４２】
もう1つの代表的な折り方が３つ折りである。３つ折りは、表面の向きの２つ折りと裏面の向きの２つ折りを組み合わせたもので、任意の２点間の距離を変更するのに便利である。このとき、圧力検知器３は向く面の方向を変えない。異なる２つの圧力検知器３の間の距離の変更や、複数の圧力検知器３の組の間の距離の変更に使うことができる。図８に３つ折りを例示する。
【００４３】
また、斜め方向に折り曲げることで、圧力検知器３を様々な方向に配置することができる。この場合、折り曲げ箇所を中心とし、折り曲げ箇所と圧力検知器３を結ぶ長さを半径とする円の内側の、ほぼ任意の点に、圧力検知器３を配置可能となる。
【００４４】
［Ｃ］切断可能領域
触覚センサ用モジュール１は、第１帯状体６の帯状部６Ａ，第２帯状体７の７Ａが少なくとも部分的に切断可能なような、回路構成を有する。帯状部６Ａ，７Ａを切断することで、圧力検知器３の数の減数調整が可能であるため、実装領域の調整や、密度調整が可能となる。切断可能回路の例を、図３，図４，図５に示す。
【００４５】
切断可能性について説明する。フレキシブル基板２のいかなる部位をも切断可能ということは一般にはありえない。しかし、多くの圧力検知器３の原理において、圧力検知器３を切り離すことが可能な部位が存在する。ここで、切断可能性を「回路図の上で、配線上のいくつかの点で配線を分割し、その間の抵抗値を無限大としたときに、少なくとも1つの圧力検知器３のセンサ信号を通信する機能を保持したまま、１つまたは複数の圧力検知器３を切り離すことが可能であること」と定義する。上記、切断可能な配線のみからなる配線基板として切断可能領域を実現できる。
【００４６】
［Ｄ］切り貼り実装
本発明に係る触覚センサ用モジュールの切り貼り実装について説明する。図２１にその概念図を示す。切り貼り実装とは、「複数のセンサエレメントとそれらのセンサ信号を省配線で伝えるための通信機能を備えた触覚センサ用モジュールを単位として、それを複数枚組み合わせて曲面に実装する」実装方法である。各触覚センサ用モジュールは、単体でも触覚センサとして機能するが、それらを複数貼り合わせても機能できるようにする。触覚センサ用モジュールを複数接続することでシステムに実装するセンサエレメントの数をコントロールすることができる。また、触覚センサ用モジュールは切断したり、折り曲げたりすることでセンサエレメントの実装密度を変化できるようにする。このような切り貼り実装によって、1種類のセンサ用モジュールでシステム全体を覆うことを可能とする。
【００４７】
［Ｅ］補間性を備えたセンサエレメント
センサエレメントの好ましい態様として、補間性を備えたセンサエレメントについて説明する。触覚センサにおける不感部位をなくすためには、センサエレメントを複数並べた時に補間性を有するかどうかが極めて重要となる。補間性とは、２つの圧力検知器の間に作用する圧力を２つの検知量の比率から計算できる性質である。触覚センサにこの特性を持たせることで、不感部分を少なくすることが可能となる。感圧抵抗や静電容量型感圧素子などの力センサは、一般に、中心部の変化と周辺部の変化を区別できないため補間性を有しない。補間性のないセンサを使用する場合には、全身を隙間なくセンサエレメントで覆わなければ、不感部分をなくすことはできない。本明細書に記載する補間性を備えたセンサエレメントは、複数の帯状部からなるフレキシブル基板とは独立して単独で成立する技術思想であって、補間性を備えたセンサエレメントを従来のシート状の触覚センサに適用することも可能である。
【００４８】
本発明の好ましい態様では、補間性を有する圧力検知器３として、反射型フォトインタラプタを用いた光散乱型圧力検知方式を導入する。圧力検知器３が補間性を有する場合には、圧力を検知する範囲が広いため、圧力検知器３の密度を変更しても圧力検知器を変える必要がない。図１８に示すように、弾性体の変形を用いてセンサエレメント上以外の点の圧力を検知することができる。図１９に示すように、反射型フォトインタラプタを発泡ウレタンで被覆し、隣り合う反射型フォトインタラプタの周りを５ｍｍ間隔で一定荷重をかけたとき、負荷をかける位置が反射型フォトインタラプタに近づく程、電圧が下がることが確認された。反射型フォトインタラプタのある位置以外でも荷重に反応した電圧が得られており、補間性があることが確認できた。
【００４９】
補間性を備えたセンサエレメントは、発光素子と受光素子の組を有する光型圧力検知器（好適な例では反射型フォトインタラプタ）であって、発光素子の発した光の散乱/反射光を、受光素子が受光するように構成されたものに対し、発光を遮るように光散乱用弾性素材（好適な例では発泡ウレタン）で覆うことで以下のように圧力を検知する圧力検知器である。発光素子の発光した光が光散乱用弾性素材内で散乱/反射し、光散乱用弾性素材内に発光部を中心とした光の強度分布を構成する。受光素子は、配置された場所における光の強度に相関した光電流を流すので、それを信号として取り出すことができる。光散乱用弾性素材に圧力をかけることにより、光散乱用弾性素材は変形を起こし、光の強度分布が変化する。このことにより受光素子の配置された場所における光の強度が変化する。これを圧力情報として取り出す。
【００５０】
図６のように、反射型フォトインタラプタ３０を備えた配線基板２の上面に、発泡ウレタン３１を載せた構造とする。反射型フォトインタラプタ３０は、ＬＥＤなどによる発光部、フォトトランジスタ等の受光部からなり、発光部の光が発泡ウレタン３１に散乱/反射され、受光部にてその反射光の強度を測定する。圧力を受けると発泡ウレタン３１の変形や密度の変化などにより、受光部の光量が変化し、圧力量を検知できる。より詳しくは、反射型フォトインタラプタ３０のＬＥＤ部分から発泡ウレタン３１内に放射された光は、発泡ウレタン内部で拡散する。このとき発泡ウレタン３１に荷重がかかると、発泡ウレタンの特性から光拡散領域が変化するので、反射型フォトインタラプタ３０の受光部へ届く光量が変化する。発泡ウレタンの特性とは、発泡ウレタン表面にかかった荷重によって、発泡ウレタン内の光拡散領域が縮小するという性質である。つまり、受光量を計測することで、発泡ウレタン表面にかかる荷重を求めることができる。加えて、発泡ウレタンという弾性体を用いることで補間性も有している。さらに、発泡ウレタンの材質を選択することで、センサ特性を変更することも可能である。本発明に係る触覚センサは、フレキシブル基板上に超小型反射型フォトインタラプタを配置し、その上から発泡ウレタンを接着することで構成されるので、光ファイバ方式に比べて、容易に実装することができる。超小型で面実装可能な反射型フォトインタラプタ３０は低価格で入手できるため、光ファイバ方式では困難な小型化や低コスト化が実現できる。
【００５１】
発泡ウレタン３１の硬さや密度などに応じて、圧力による発泡ウレタンの散乱/反射量が変化するため、発泡ウレタンを交換することで、容易に感度の調整が可能となる。さらに、補間性があるため、圧力検知器３の間隔を広げ、密度を下げることができる。また、基板２の構造も密にならないため曲面適応性がさらに高まる。また、全体の圧力検知器３の総数が減るため、コストや信頼性向上につながる。さらに、図１７のように、発泡ウレタン３１はフレキシブル基板２上を覆うため、反射型フォトインタラプタ３０や電子回路４の保護の機能をも有する。さらに、面実装反射型フォトインタラプタ３０はフレキシブル基板２上に自動実装できるため、自動製造が容易である。
【００５２】
また、反射型フォトインタラプタ３０を用いた場合、電子回路４として特許文献２に開示される時分割制御を導入すると、モジュール１内の配線数を大幅に減らすことができる。これは、フォトトランジスタが電流出力であることを利用し、複数のフォトトランジスタの出力を1つの配線で共有しても、各ＬＥＤを時分割に発光させることで、個々のフォトトランジスタの出力を独立に計測可能であると言う原理に基づく。モジュール１内の配線を削減することにより、帯状部６Ａ，７Ａの幅をより細くすることが可能となる。特許文献２において、反射型フォトインタラプタのLEDを直列に、フォトトランジスタを並列に並べ、マトリックス状に構成した場合について、時分割制御により配線量を減らす、反射型フォトインタラプタを用いた触覚センサが開示されている。ここで用いる時分割制御は、特許文献２の時分割制御の上位概念にあたるものである。具体的には、特許文献２ではＬＥＤが直列駆動に限定されているのに対し、ここではＬＥＤを並列もしくは直列による駆動で良い。また、特許文献２では、マトリックスの全ての格子点に反射型フォトインタラプタを配置した回路となっているが、ここではマトリックスの一部もしくは全ての格子点に反射型フォトインタラプタを配置した回路で良い。
【実施例１】
【００５３】
［Ｆ］Ｈ型形状の帯状部
［Ｆ−１］触覚センサ用モジュールの全体構成
実施例１について、主に図９乃至図１４に基づいて説明する。実施例１において、圧力検知器３は、帯状体基部と帯状体基部の末端に一体的に形成された複数の分岐帯状部とから構成された帯状体に設けられている。具体的には、第２帯状体７の末端部位は、分岐した複数の帯状部からなるH型の帯状体９から構成されている。すなわち、第２帯状体７は、帯状体基部を構成する帯状部７Ａと、帯状部７Ａの末端に一体形成されたH型の帯状体９からなり、帯状部７Ａの基端部は第１帯状体６の帯状部６Ａに連結され、帯状部７Ａの他端部はH型の帯状体９に連結されている。H型の帯状体９は、その帯状部７Ａが連結している帯状部６Ａに対して垂直方向に延出する２本の帯状のセンサエレメント装着部９０，９１と、第１帯状体６の帯状部６Ａに平行状に延出し、２本の帯状のセンサエレメント装着部９０，９１の長さ方向中間部位を連結する帯状の連結部９２とから構成されている。帯状のセンサエレメント装着部（分岐した帯状部）９０，９１の長さ方向両端部位（末端部位）には、それぞれ圧力検知器３が設けてある。本実施例に係る触覚センサ用モジュール１は、いわゆる光散乱型圧力検知方式を採用しており、圧力検知手段は、圧力検知器３としての反射型フォトインタラプタ３０と、光散乱用弾性素材としての発泡ウレタン３１と、から構成される。
【００５４】
H型の帯状体９は折り曲げ可能なように薄いフレキシブル基板２から構成されており、H型の帯状体９の４隅に圧力検知器３を1個ずつ実装する。圧力検知器３をH型の帯状体９に設けることで、４個の圧力検知器３間の間隔を調整することができる。このようなH型の圧力検知部分を複数並べて、1個の触覚センサ用モジュール１を構成する。
【００５５】
図１０に、H型の帯状体９を８個並べて３２個の圧力検知器３からなる触覚センサ用モジュール１の例を図１０に示す。図１０に示す触覚センサ用モジュール１は、全体として十字型の第１帯状体６と、第１帯状体６の交差部位に配置された電子回路部４と、第１帯状体６の末端に設けたシリアル通信用端子５、とを有し、十字型の第１帯状体６一方向に延出する帯状部６Ａに対して８個の第２帯状体７が連結されており、各第２帯状体７の帯状体基部を構成する帯状部７Ａの末端には、H型の帯状体９が一体形成されており、各H型の帯状体９の４隅には、４個の圧力検知器３が設けてある。
【００５６】
反射型フォトインタラプタ３０のセンサ出力は、電子回路部４のアナログ・デジタル変換器を用いて変換され、電子回路部４を構成するプロセッサに渡される。プロセッサは、デジタルに変換されたセンサ値をシリアル通信化し、シリアル通信用端子５を通じて、外部装置にデータ通信する。シリアル通信は、プロセッサから出力される4方向の信号線のいずれか（複数選択可能）によって行われ、圧力検知器３が搭載されたH型の帯状体９を含む第２帯状体７には経路を持たない。交差する第１帯状体６には、十字状に延出する配線６０が延出しており、中央の交差部に電子回路部４が配置されると共に、末端にシリアル通信用端子５が実装される。このように構成された触覚センサ用モジュール１を、シリアル通信用端子５を介して、複数接続することで、触覚センサの実装領域を大面積化できる。
【００５７】
［Ｆ−２］折り曲げ可能領域
フレキシブル基板の構成及び折り曲げ可能領域について説明する。フレキシブル基板は、一つの態様では、カバーレイ、ベース、銅箔、めっき、接着剤からなり、ベースとカバーレイは典型的にはポリイミドから形成される。フレキシブル基板の構成としては、基板の片面のみに配線部を有する片面配線基板と、基板の両面に配線部を有する両面配線基板と、がある。フレキシブル基板の厚みは、一つの態様では、カバーレイ＋接着剤：12+15=27μm、ベース：25μm、銅箔＋めっき：12+10=22μmであり、片面配線基板で25+22+27=74μm、両面配線基板で74+22+27=123μmである。フレキシブル基板の厚さや材質にもよるが、折り曲げ可能領域としては、片面配線基板が有利である。また、カバーレイも片側のみ設けることが望ましい。折り曲げ不可なスルーホールやメッキは、折り曲げ可能領域以外の部位に配置する。また、折り曲げ領域以外の部分（センサエレメント実装部など、配線以外が実装された部分、通信端子や、プロセッサユニットなどの実装部も含む）は、両面配線基板とすることができる。
【００５８】
実施例１の触覚センサ用モジュールにおいて、電子素子（圧力検知器としての反射型フォトインタラプタ、電子回路部を構成するプロセッサ、抵抗、キャパシタ、通信端子などの実装部品すべて）が実装された部位以外の配線のみを有する部位は、折り曲げ可能領域である。すなわち、実施例１の触覚センサ用モジュールでは、第２帯状体７（帯状体基部を構成する帯状部７Ａと、帯状部７Ａの末端に一体形成されたH型の帯状体９）は、圧力検知器３の装着部位を除いて折り曲げ可能領域である。第１帯状体６は、電子回路部、通信用端子を除いて折り曲げ可能領域である。H型の帯状体９については、図９右図のように折り曲げることができる。すなわち、連結部９２の両端において、２本の帯状のセンサエレメント装着部９０，９１を、表面２０から裏面２１へと折り返し、さらに、裏面となったセンサエレメント装着部９０，９１の圧力検知器３が装着された長さ方向端部を、表面２０から裏面２１へと折り返すことで、各圧力検知器３間の距離を小さくすることができる。また、折り曲げ可能領域では3つ折りによって、圧力検知器３の間の相対位置を変更することができる。第１帯状体６や第２帯状体７の基部７Ａについても、電子素子装着部位以外の領域において、図8の要領で長さを変更できる。
【００５９】
［Ｆ−３］切断可能領域
帯状部分では、基板を切断できるように回路を作成する。図３は、反射型フォトインタラプタ３０を用いて圧力検知を行う場合の回路図例と、切断する場合の切断点を示す。矢印の左側が切断前を示し、右側が切断後を示す。切断後のセンサ出力の信号線のインピーダンスの変化は無視することができ、電圧値は0Vとなる。この場合、その他の部位に影響を与えることなく、圧力検知器３（反射型フォトインタラプタ３０）を切断することが可能となる。H型の部分を図１２のように構成することで切断可能なフレキシブル基板を構成することができる。また、図１１中にも切断可能な部分の例を点線で示した。図１１では、第１帯状体６を切断する場合を示している。図１３には、反射型フォトインタラプタ単体を切断するように、H型の帯状体９のセンサエレメント装着部９１の一部を切断する場合を示している。図１４には、H型の帯状体９と第１帯状体６とを連結する第２帯状体７の帯状部７Ａを切断することで、複数の反射型フォトインタラプタ３０をまとめて切断する場合を示している。
【００６０】
［Ｆ−４］光散乱型圧力検知方式
本実施例に係る触覚センサ用モジュール１は、いわゆる光散乱型圧力検知方式を採用しており、圧力検知手段は、反射型フォトインタラプタ３０と発泡ウレタン３１とから構成される。図１７に示すように、反射型フォトインタラプタ３０を平面上に法線方向を向くようにならべ、その上に発泡ウレタン３１を接着するのみで作成できる。接着層３２は、透明なエポキシ系の接着剤を用いる。反射型フォトインタラプタ３０の発光素子（ＬＥＤ部）からの発光のうち受光素子（フォトトランジスタ部あるいはフォトダイオード部）へ届く光の割合が、荷重により変化することを利用して圧力検知器とする。
【００６１】
光散乱型圧力検知方式の基本的な原理は、特許文献１に記載されており、基本原理の詳細については特許文献１を参照することができる。この原理を用いた場合の特徴は、補間性を有することにある。補間性とは、2つの圧力検知器の間に作用する圧力を2つの検知量の比率から計算できる性質である。本実施例に係るセンサは、実装面の改善を目的に光ファイバを用いない構成とした点に特徴を有する。特許文献１の圧力センサは、発光用の光ファイバとディテクト用の光ファイバを用意し、並べて実装することで、散乱/反射光の密集度を測定することでセンサを構成する。特許文献１の圧力センサは、光ファイバを使用しているため耐久性に問題があり、取り回しが困難である。光ファイバを接続する発光素子や受光素子に光ファイバが集中するため、インタフェース部分が非常に大きいことも問題である。本実施例では、光ファイバをなくし、反射型フォトインタラプタに変更することで、製作、実装が容易になる。
【００６２】
圧力検知器３として、反射型フォトインタラプタ３０を利用することで、超小型の圧力検知器を構成することができる。実施例で採用した反射型フォトインタラプタ（SHARP製GP2S60）は、3.2mm×1.7mm×1.1mmという大きさである。また、発泡ウレタンの変形を利用したセンサであるため、補間性を有する。また、発泡ウレタンは発泡材であるため、ゴムなどと比較すると軽量である。反射型フォトインタラプタの重量は1個あたり０．１g以下である。
【００６３】
反射型フォトインタラプタの上に実装する発泡ウレタンの種類を変更することで、さまざまな応答特性を得ることができる。例えば、初期荷重に対して大きく電圧が降下し、その後の変化が小さくなるような非線形性を持つ応答特性を得ることが可能である。このような応答特性は発泡ウレタンの種類によって異なる。つまり、使用部位によって感度やダイナミックレンジを発泡ウレタンの種類を変えることで調節することが可能であることを意味する。
【００６４】
反射型フォトインタラプタを用いたセンサは、消費電流が大きいという課題がある。反射型フォトインタラプタのLEDに流れる電流量を減らすために、後述する時分割制御により、電流を流すLEDの数を、マイクロコントローラを用いて制限する。こうすることで、全体の消費電流を減少させる。
【００６５】
個々のLEDに流れる電流の量をPWM制御することができる。LEDに流す電流量を制御することで、センサの感度やダイナミックレンジを変化させることができる。また、センサエレメント間のばらつきを少なくすることが可能となる。そこで、電流を流すLEDの数の制御に用いたマイクロコントローラから、PWM信号を生成することで、LEDに流す電流量を制御する。
【００６６】
［Ｆ−５］時分割制御
図１１にブロック回路図を示す。電源は省略してある。H型部分は合計8箇所あり、それぞれH1からH8でと表す。それぞれのLEDのON・OFFをDigital Outputで制御することができ、信号線LED SWITCH1からLED SWITCH8で表現する。アナログの信号は、H1からH8で共有されておりAnalog1からAnalog4がそれにあたる。すべてのLEDを非駆動にすると、フォトトランジスタに流れる光電流は暗電流のみとなるので、Analog1からAnalog4までのすべてのアナログ信号線の電圧は圧力により変化しない。ＬＥＤの制御回路のみを図２０に示す。
【００６７】
LED SWITCH1によりH1のLEDをすべてONとすると、H1のフォトトランジスタには光電流が流れるため、H1部の圧力変化を取り出すことができる。LED SWITCH1をOFFとしLED SWITCH2をONとしたときには、H2のLEDのみに電流が流れるため、Analog1からAnalog4の信号から取り出すことのできる信号はH2部にかかる圧力のみである。このようにH型の部分のLEDを時分割制御することで、共通のアナログ配線を用いてそれぞれのセンサ部の圧力変化を取り出すことができる。フォトトランジスタからの信号を別々に処理する場合、32本の信号線が必要であるのに対し、本方式では12本で良いことがわかる。
【００６８】
［Ｆ−６］通信機能
圧力検知器３で得られたセンサ信号を、電子回路部によって、ローカルでデジタル化し、シリアル通信により伝えることで、配線を分散化、省配線化することができ実装が容易になる。電子回路部のプロセッサユニットには小型のマイコン8051（Silicon Laboratories）を用いる。このマイコンは4mm角という小型のパッケージで、発振器やAD変換器、シリアル通信機能を備えており、限られたスペースで通信機能を実現可能にする。シリアル通信にはSMBusを使用することが可能であり、本実施例においても、これを使用する。
【００６９】
触覚センサ用モジュールはすべて5bitのアドレスを持つSMBusスレーブとして構成する。そのため、1つのSMBusには最大32（25）枚の触覚センサ用モジュールを接続可能である。それぞれの触覚センサ用モジュールはLED  SWITCHを8ch持っており、それぞれのチャンネルで4個のセンサ信号を得ることができるため、32（8×4）個のセンサ信号を読みとることができる。SMBusマスタからノードID5bitとLED  SWITCHのチャンネル3bitの合計8bitを指定することにより、4つのセンサを8bitAD変換した値で得ることができる。
【００７０】
［Ｆ−７］実験例
実施例１に示した反射型フォトインタラプタとウレタンを用いた小型の触覚センサの実験例について説明する。触覚センサ用モジュールを設計し、センサ機能、通信機能、モジュール間の接続機能について実験を行なった。触覚センサ用モジュールは、32個の触覚センサエレメント、マイコン8051(Silicon Laboratories)からなる電子回路部、モジュール間を接続することが可能な通信用端子を有する。これらを、1つのフレキシブル基板上にすべて実装することで、モジュール単体でも、複数のモジュールを接続しても機能するようにする。32個の触覚センサエレメントに対して4つのAD変換器を用意し、各8chの触覚センサエレメントで共有する。4つのAD変換器と8chのLEDスイッチをマイクロコントローラ内で実現する。これらは前述の時分割制御の利用の結果であり、配線数の減少やマイクロコントローラのポート数の減少と小型化といった著しい効果が得られる。モジュール間の接続は、通信用端子をＡＣＦ接続方式で接続することで行う。
【００７１】
光散乱型圧力検知方式の特性を、触覚センサ用モジュールに実装された反射型フォトインタラプタの上に、INOAC社製POLYOLEFIN FOAM P・E-LITE A-8を接着して測定した。応答特性としては、荷重に応じて出力電圧が減少していくことが確認された。初期荷重に対して大きく電圧は下降し、その後変化は小さくなるという非線形性を持つことにより、大きなダイナミックレンジと高感度を両立することができる。また、発泡ウレタンを使用しているためヒステリシスがあることが確認される。これら特性は、発泡ウレタンの種類により調節することができる。つまり、使用部位によって感度やダイナミックレンジを変化させることが可能である。また、ヒステリシスの大きさも発泡ウレタンの種類に応じて異なる。
【００７２】
複数の触覚センサ用モジュールを接続し、ヒューマノイドの脚部に実装した。組み合わせた触覚センサは、128の触点を持ち重さは58gとなった。重量の内訳は40gが触覚センサ用モジュールであり、18gがウレタンである。触覚センサ用モジュールをACF接続方式によって接続した。触覚センサ用モジュールを適宜折り曲げて、あるいは、センサ用モジュールの不要の部分を切断しながら、センサの実装密度を実装部位により変更しながらヒューマノイドに貼り付けた。
【００７３】
通信機能を確認した。32個のSMBusスレーブで構成されたSMBusネットワークにおいて可能な通信速度を測定したところ1MBps以下であった。通信にかかる時間とLEDのスイッチング後、センサ値が安定となるまでの時間の和は約0.2msecであった。
【００７４】
以上、本発明の一つの好ましい態様である実施例１について説明した。実施例１は、反射型フォトインタラプタと発泡ウレタンを用いた小型の触覚センサに係る。このセンサは、構成が単純で作成が容易であるという特徴がある。また、発泡ウレタンの種類により、その特性をコントロール可能である。小型であるため、大量のセンサを実装する場合には都合がよい。また、補間性があるため、センサエレメントの数を減らすことができ、不感部分を削減できる。一方で、消費電力の問題がある。それに対して、LEDのスイッチングにより消費電流を減少できることを示した。また、LEDのスイッチングを利用し、配線やAD変換器の共有や、PWMによるLEDに流れる電流量の制御を提案した。フレキシブル基板を用いて、複数のセンサエレメントとネットワーク機能を実装し触覚センサ用モジュールを作成し、それらを接続することで切り貼り実装を行なう。このとき、一つあるいは複数のセンサエレメント毎に、フレキシブル基板の帯状部を適宜切断したり、折り曲げて使用することで、センサエレメントの実装密度や実装領域を調整することで、任意の曲面への実装を行なう。また、触覚センサ用モジュールを複数接続することで、実装するセンサエレメントの数や実装領域を自由に変更できる。また、基板を折り曲げることでセンサの実装密度を変更できる。
【実施例２】
【００７５】
［Ｇ］センサエレメントの配置自由度の高いフレキシブル基板
実施例１における、基板形状を変更した例を示す。実施例２のフレキシブル基板は、複数の帯状部が基端側で連結されたスター構造から構成されている。図１５(a)のように、長方形のフレキシブル基板に、縦に８つの切れ目を入れ１０本の帯状部を構成し、中央に電子回路部４、下側の中央の帯状部１０Ａに通信用の端子５、その他の９つの帯状部１０の末端部位にはフォトインタラプタ３０を設置する。各帯状部１０は、途中を一度折り曲げるだけで、帯状部１０の基端部（切れ目の根元）と帯状部の末端部（フォトインタラプタ３０）の間の寸法を半径とする円の内側領域内の、ほぼ任意の位置に、フォトインタラプタ３０を配置することができる。そのため、図１５(b)や図１５(c)のように、１枚のフレキシブル基板２から、様々なパターンの配置を構成することができる。図１５(c)では、右側上部の帯状部１０を切断して、フォトインタラプタ３０の数を８つとし、数を調整している。なお図１５(a)において、フォトインタラプタ３０は帯状部１０の裏側に実装されており、帯状部１０を折り曲げることで、図１５(b)(c)に示すように表側となる。実施例２のフレキシブル基板は、長方形の基板に切れ目を入れただけの簡素な構造であるため、コストの低減化が可能である。
【実施例３】
【００７６】
［Ｈ］圧力検知器としての感圧抵抗
実施例1では、圧力検知器３を反射型フォトインタラプタ３０から構成したが、圧力検知器３を感圧抵抗３００から構成してもよい。この場合、補間性を持たないため、実装密度の変更には適していない。図１６のように、反射型フォトインタラプタ同様の時分割制御を行うこともできる。SW3および、SW4に電源電圧を印加したり、ハイインピーダンスとすることで、感圧抵抗３００の圧力信号を独立に取り出すことが可能となる。
【００７７】
感圧抵抗３００を用いた場合においても、時分割制御を用いた省配線化により帯状部の幅をなるべく細幅にすることが可能となる。また、帯状部では切断も可能となっている。図４、図５に感圧抵抗３００を用いた場合の回路図と切断点を示す。左図が切断前の回路図を示し、右図が切断後の回路図を示す。図１６において、切断可能な領域が、帯状領域内に実現されるようにすることで、切断可能な帯状部を実現できる。
【実施例４】
【００７８】
［Ｉ］方形状の幅広部を有する帯状部
実施例１におけるH型の帯状部に代えて、方形の幅広部９００が第２帯状体７の帯状体基部を構成する帯状部７Ａの末端側に一体形成されており、方形状幅広部９００の四隅に反射型フォトインタラプタ３０が設けてある。第２帯状体７の帯状部７Ａを折り返すことで、反射型フォトインタラプタ３０の密度を調整することができる。また、第２帯状体の基部を構成する帯状部７Ａを切断することで、反射型フォトインタラプタを有する方形状幅広部を切り離すことができる。4方向にSMBusの配線2本と電源線2本が延びており、通信用端子の接続によって複数の触覚センサ用モジュール間を接続する。通信線についても、接続しない方向は切断することが可能である。
【００７９】
図２２に実装の方法を示す。まず、複数のセンサ用モジュール１を接続する。次に、実装曲面に合わせてセンサの配線部分を折り曲げる。このように、フレキシブル基板２を折り曲げ、あるいは/および、切断して使用することで、センサエレメントの実装密度を可変とすることができ、柔軟に曲面に実装できる。最後に、実装密度を調整したフレキシブル基板２に発泡ウレタン３１を接着して実装を行なう。尚、第４実施例の触覚センサ用モジュールは、第２帯状体７の末端部位の形状を除いて、実施例１の触覚センサ用モジュールと同じであり、実施例４の触覚センサ用モジュールの説明として実施例１の記載を援用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る触覚センサは、任意の曲面に実装可能な分布触覚センサとして用いることができ、ロボットの触覚インタフェース、ロボットの触覚センサ、圧力分布測定器、コンピュータの入力インタフェース等に利用することが可能である。本発明に係る触覚センサは、任意の曲面に実装することができるため、ロボットの触覚センサや、イスやベッドの圧力分布計測などその応用範囲は極めて広範囲に及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係る触覚センサ用モジュールの全体構成を示す図である。
【図２】触覚センサ用モジュールの配線および、触覚センサ用モジュール同士の接続を示す図である。
【図３】センサエレメントを有する帯状部の切断可能な回路図である。
【図４】センサエレメントを有する帯状部の切断可能な回路図である。
【図５】センサエレメントを有する帯状部の切断可能な回路図である。
【図６】反射型フォトインタラプタとウレタンからなるセンサエレメントを示す図である。
【図７】センサエレメントを有する帯状部の折り曲げを説明する図である。
【図８】センサエレメントを有する帯状部の折り曲げを説明する図である。
【図９】センサエレメントを有するＨ型の帯状部の折り曲げを説明する図である。
【図１０】センサエレメントを有するＨ型の帯状部を備えた触覚センサ用モジュールの全体構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す触覚センサ用モジュールの回路構成を示す図である。
【図１２】センサエレメントを有するＨ型の帯状部の切断可能な回路図である。
【図１３】センサエレメントを有するＨ型の帯状部の切断例を示す図である。
【図１４】センサエレメントを有するＨ型の帯状部の切断例を示す図である。
【図１５】他の実施例に係るセンサエレメントを有する帯状部を示す図である。
【図１６】感圧抵抗からなるセンサエレメントの回路図である。
【図１７】反射型フォトインタラプタとウレタンからなるセンサエレメントを備えたフレキシブル基板を示す図である。
【図１８】反射型フォトインタラプタとウレタンからなるセンサエレメントにおける補間性を説明する図である。
【図１９】反射型フォトインタラプタとウレタンからなるセンサエレメントにおける補間性の実験を示す図である。
【図２０】フォトインタランプタのＬＥＤの制御における、時分割制御の回路図である。
【図２１】切り貼り実装の概念図である。
【図２２】実験例における実装を説明する図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  触覚用センサモジュール
２  フレキシブル基板
３  圧力検知器
３０  反射型フォトインタラプタ
４  電子回路部
５  通信用端子
【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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【図２２】
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