(57)【要約】【課題】薄膜形状の圧電体であるピエゾフィルムが信号電極とグラウンド電極の間に挟まれた振動センサにおいて、ＥＭＩノイズを低減しながらも振動センサの厚みの増加を抑制する。【解決手段】導電性の導電部６１を有する取付対象物６に取り付けられる振動センサは、薄膜形状の圧電体であるピエゾフィルム１０と、ピエゾフィルム１０に対して導電部６１の側に、ピエゾフィルム１０に対向して配置され、ピエゾフィルム１０の振動に応じた信号を出力する薄膜形状の信号電極１１と、ピエゾフィルム１０に対して導電部６１とは反対の側に、ピエゾフィルム１０に対向して配置されてアースされる薄膜形状のグラウンド電極１２と、ピエゾフィルム１０、信号電極１１、およびグラウンド電極１２を覆うと共に電気的絶縁性を有する絶縁フィルム１３と、導電部６１をアースするアース部材３４と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の導電部（６１、６２、７２）を有する取付対象物（６、７）に取り付けられる振動センサであって、
薄膜形状の圧電体であるピエゾフィルム（１０）と、
前記ピエゾフィルムに対して前記導電部の側に、前記ピエゾフィルムに対向して配置され、前記ピエゾフィルムの振動に応じた信号を出力する薄膜形状の信号電極（１１）と、
前記ピエゾフィルムに対して前記導電部とは反対の側に、前記ピエゾフィルムに対向して配置されてアースされる薄膜形状のグラウンド電極（１２）と、
前記ピエゾフィルム、信号電極、および前記グラウンド電極を覆うと共に電気的絶縁性を有する絶縁フィルム（１３）と、
前記導電部をアースするアース部材（３４、３５）と、を備えた振動センサ。
【請求項２】
前記アース部材は、前記グラウンド電極と前記導電部とを導通させることを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
【請求項３】
信号線（３１）と、
シールド線（３２）と、
電気的絶縁性を有する絶縁被覆（３３）と、を備え、
前記信号電極は、前記ピエゾフィルムに積層される信号電極本体（１１ａ）と、前記信号電極本体から伸びて前記絶縁フィルムの外部に露出する信号取出部（１１ｂ）とを有し、
前記グラウンド電極は、前記ピエゾフィルムに積層されるグラウンド電極本体（１２ａ）と、前記グラウンド電極本体から伸びて前記絶縁フィルムの外部に露出するグラウンド接続部（１２ｂ）とを有し、
前記信号線は、電気的絶縁性を有する保護皮膜によって被覆されると共に前記信号取出部に導通し、
前記シールド線は、前記グラウンド接続部に導通し、
前記絶縁被覆は、前記信号取出部を覆い、
前記アース部材は、前記信号取出部、前記グラウンド接続部、前記信号線、前記シールド線、および前記絶縁被覆を覆い、かつ、前記グラウンド接続部および前記シールド線と導通し、かつ、前記信号取出部にも前記信号線にも導通せず、かつ、前記取付対象物の前記導電部に導通することを特徴とする請求項２に記載の振動センサ。
【請求項４】
前記取付対象物の前記導電部は、前記ピエゾフィルムよりもヤング率が小さい柔軟部であり、
前記絶縁フィルムのうち、前記信号電極と前記導電部の間にある部分は、前記柔軟部に取り付けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の振動センサ。
【請求項５】
前記取付対象物は人の手の指であり、
当該振動センサの厚みは５７．２μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の振動センサ。
【請求項６】
前記取付対象物は、前記導電部とは別に、前記ピエゾフィルムよりもヤング率が小さい柔軟部を有し、
前記絶縁フィルムのうち、前記信号電極と前記導電部の間にある部分は、前記柔軟部に取り付けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の振動センサ。
【請求項７】
前記柔軟部における前記振動センサ側の表面から３ｍｍの深さまでの表面部と同じ曲げ剛性を有し、かつ、前記ピエゾフィルムと同じヤング率を有する物質の厚みに対する、当該振動センサの厚みの比は、０．８８以下であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピエゾフィルムが信号電極とグラウンド電極の間に挟まれた振動センサが知られている。ピエゾフィルムは、薄膜形状の圧電体である。このような振動センサにおいて、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）ノイズを低減する方法が、特許文献１、非特許文献１に記載されている。
【０００３】
具体的には、特許文献１には、信号電極とグラウンド電極の外側に更にＥＭＩノイズ低減用の金属膜を追加配置する技術が記載されている。また、非特許文献１には、グラウンド電極を外側にしてグラウンド電極、ピエゾフィルム、信号電極を折り畳むことでＥＭＩノイズを低減する技術が、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６?２１２３２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"ピエゾフィルムセンサ  ＳＤＴシリーズ"、［online］、株式会社東京センサ、［平成２７年１１月１１日検索］、インターネット〈URL：http://www.t-sensor.co.jp/piezo_film/sdt/〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術では、追加の金属膜の分だけ振動センサの厚みが増えてしまう。また、非特許文献１に記載の技術では、折り畳んだ分だけ振動センサの厚みが増える。振動センサの厚みが増すと、振動センサの柔軟性および出力が低減し、微小振動の検出能力が低下してしまう。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、薄膜形状の圧電体であるピエゾフィルムが信号電極とグラウンド電極の間に挟まれた振動センサにおいて、ＥＭＩノイズを低減しながらも振動センサの厚みの増加を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、導電性の導電部（６１、６２、７２）を有する取付対象物（６、７）に取り付けられる振動センサであって、薄膜形状の圧電体であるピエゾフィルム（１０）と、前記ピエゾフィルムに対して前記導電部の側に、前記ピエゾフィルムに対向して配置され、前記ピエゾフィルムの振動に応じた信号を出力する薄膜形状の信号電極（１１）と、前記ピエゾフィルムに対して前記導電部とは反対の側に、前記ピエゾフィルムに対向して配置されてアースされる薄膜形状のグラウンド電極（１２）と、前記ピエゾフィルム、信号電極、および前記グラウンド電極を覆うと共に電気的絶縁性を有する絶縁フィルム（１３）と、前記導電部をアースするアース部材（３４、３５）と、を備えた振動センサである。
【０００９】
このようになっていることで、取付対象物の導電部、信号電極、ピエゾフィルム、グラウンド電極がこの順に積層配置される。そして、アース部材によって取付対象物の導電部がアースされる。したがって、共にアースされた導電部とグラウンド電極が信号電極とピエゾフィルムの両方を挟む配置が実現する。この結果、導電部とグラウンド電極がシールドとなって、ＥＭＩノイズが低減される。このような構成では、ＥＭＩノイズを低減するために追加の金属膜を使用することや振動センサを折り曲げることは行われないので、振動センサの厚みの増加を抑制することができる。
【００１０】
なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第２実施形態における触覚検出システム１００を指６に取り付けた状態の斜視図である。
【図２】触覚検出システム１００を指６に取り付けた状態の斜視図である。
【図３】指６から取り外された状態の振動センサ９の表面図である。
【図４】指６から取り外された状態の振動センサ９の裏面図である。
【図５】触覚検出システム１００を指６に取り付けた状態のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】触覚検出システム１００を指６に取り付けた状態のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】触覚検出システム１００を指６に取り付けた状態のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。
【図８】触覚検出システム１００の電気的接続関係を示す図である。
【図９】中立軸６５等を示す図である。
【図１０】１／（１＋ａ）３を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態における取付対象物７および振動センサ９の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態について説明する。図１、図２に示すように、本実施形態に係る触覚検出システム１００は、振動センサ９、同軸ケーブル４、計測装置５を備えている。
【００１３】
振動センサ９は、帯状の形状を有しており、人の指６の第１関節と第２関節の間の指腹部に巻き付けられる。指６の指先が試料の表面をなぞったときに微小振動が指６に発生して振動センサ９に伝達される。振動センサ９は、伝達された微小振動に応じた信号を同軸ケーブル４に出力する。
【００１４】
振動センサ９は、指先と試料との接触面に直接干渉しない。また、振動センサ９は、指６に巻き付いているため、指６の動きには反応せず、指６の皮膚上で起こった変形について反応する。
【００１５】
同軸ケーブル４は、振動センサ９から出力された信号を計測装置５に伝送する。同軸ケーブル４は、ＢＮＣコネクタを有し、このＢＮＣコネクタを介して振動センサ９に接続されている。
【００１６】
計測装置５は、振動センサ９が出力し同軸ケーブル４が伝送した信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータとして記録し、記録したデータに基づいた解析および表示を行う。このようにすることで、計測装置５は、指先が試料をなぞったことに起因する微小振動の情報を記録、解析、表示することができる。
【００１７】
振動センサ９は、フィルム部１、バンド２、ベース部３を有している。そして、図３、図４に示すように、バンド２の長手方向の一端がフィルム部１の長手方向の一端に固定され、フィルム部１の長手方向の他端がベース部３の一端に固定されている。
【００１８】
フィルム部１は、図３、図４、図５、図６に示す通り、ピエゾフィルム１０、信号電極１１、グラウンド電極１２、絶縁フィルム１３を有している。
【００１９】
なお、図５に示す通り、指６は、皮膚６１と、皮膚６１の内側にある皮下組織６２と、皮下組織６２の内側にある絶縁性の骨６３とを有している。皮膚６１および皮下組織６２は、導電性を有する導電部である。また、皮膚６１および皮下組織６２は、ピエゾフィルム１０よりもヤング率が小さい柔軟部でもある。骨６３は、ヤング率が皮膚６１および皮下組織６２よりも大きい。
【００２０】
ピエゾフィルム１０は、長方形の薄膜形状を有した高分子圧電体である。より具体的には、ピエゾフィルム１０は、ポリフッ化ビニリデンから成るＰＶＤＦ（polyvinylidence fluoride）フィルムである。ピエゾフィルム１０の寸法は、長さ約４ｃｍ、幅約１ｃｍ、厚み２８μｍである。また、ピエゾフィルム１０は、長方形以外の薄膜形状であってもよい。ＰＶＤＦフィルムは、ヤング率が４ＧＰａ程度と柔軟であり、感度も高く、加工もしやすい。ピエゾフィルム１０としては、ＰＶＤＦフィルム以外を用いてもよい。
【００２１】
信号電極１１は、信号電極本体１１ａと信号取出部１１ｂを有している。信号電極本体１１ａは、長方形の薄膜形状を有した金属導体（例えば銀）であり、長さ、幅はピエゾフィルム１０とほぼ同じである。この信号電極本体１１ａは、ピエゾフィルム１０に対して皮膚６１の側に、ピエゾフィルム１０に対向して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に接して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に積層されて、配置されている。
【００２２】
信号取出部１１ｂは、信号電極本体１１ａと同材質かつ信号電極本体１１ａと一体に形成され、長方形の薄膜形状を有した金属導体である。信号取出部１１ｂは、信号電極本体１１ａの長手方向の一端から、信号電極本体１１ａよりも細い形状で、伸びている。この信号取出部１１ｂは、ピエゾフィルム１０に積層されていない。この信号電極１１は、アースされていない。
【００２３】
グラウンド電極１２は、グラウンド電極本体１２ａとグラウンド接続部１２ｂを有している。グラウンド電極本体１２ａは、長方形の薄膜形状を有した金属導体（例えば銀）であり、長さ、幅、厚みは信号電極本体１１ａとほぼ同じである。このグラウンド電極本体１２ａは、ピエゾフィルム１０に対して皮膚６１とは反対の側に、ピエゾフィルム１０に対向して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に接して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に積層されて、配置されている。
【００２４】
グラウンド接続部１２ｂは、グラウンド電極本体１２ａと同材質かつグラウンド電極本体１２ａと一体に形成され、長方形の薄膜形状を有した金属導体である。グラウンド接続部１２ｂは、グラウンド電極本体１２ａの長手方向の一端から、グラウンド電極本体１２ａよりも細い形状で、信号取出部１１ｂと同じ方向に、伸びている。このグラウンド接続部１２ｂは、ピエゾフィルム１０に積層されていない。このグラウンド電極１２は、後述する通り、アースされている。
【００２５】
このように、ピエゾフィルム１０は、信号電極本体１１ａとグラウンド電極本体１２ａに挟まれて配置されている。このようになっていることで、ピエゾフィルム１０、信号電極本体１１ａ、グラウンド電極本体１２ａが、１つの圧電素子として機能する。したがって、ピエゾフィルム１０に伝達された振動および変形に応じて、信号電極本体１１ａとグラウンド電極本体１２ａの間に電位差が発生する。この結果、信号電極本体１１ａは、ピエゾフィルム１０の振動および変形に応じた信号を、信号取出部１１ｂを介して出力する。
【００２６】
絶縁フィルム１３は、長方形または他の形状の薄膜形状を有し、かつ、電気的絶縁性を有する部材である。例えば、絶縁フィルム１３は、透明な樹脂フィルムであってもよい。
【００２７】
絶縁フィルム１３のうち、信号電極本体１１ａに重なり、かつ、信号電極本体１１ａを基準としてピエゾフィルム１０の反対側にある部分の厚みと、グラウンド電極本体１２ａの厚みの和は、６μｍである。
【００２８】
また、絶縁フィルム１３のうち、グラウンド電極本体１２ａに重なり、かつ、グラウンド電極本体１２ａを基準としてピエゾフィルム１０の反対側にある部分の厚みと、グラウンド電極本体１２ａの厚みの和は、６μｍである。
【００２９】
ピエゾフィルム１０の全体、信号電極本体１１ａの全体、信号取出部１１ｂの信号電極本体１１ａ側の部分、グラウンド電極本体１２ａの全体、および、グラウンド接続部１２ｂのグラウンド電極本体１２ａ側の部分は、絶縁フィルム１３の内部に配置されることで、絶縁フィルム１３に覆われる。信号電極本体１１ａのうち、先端側（信号電極本体１１ａから離れた側）の部分は、絶縁フィルム１３の外部に露出している。
【００３０】
図５、図６に示すように、絶縁フィルム１３のうち信号電極１１と皮膚６１の間にある部分は、皮膚６１に取り付けられる。これにより、絶縁フィルム１３のうち信号電極１１と皮膚６１の間にある部分は、皮膚６１に接触する。この接触により、皮膚６１の振動が絶縁フィルム１３、信号電極本体１１ａを介してピエゾフィルム１０に伝達される。
【００３１】
バンド２は、薄膜形状を有するフレキシブルな部材であり、長手方向の一端が絶縁フィルム１３のベース部３から最も遠い側の端部に接着等で固定されている。また、バンド２は、図５に示すように、振動センサ９が指に装着される際には、ベース部３に固定される。このとき、バンド２が引っ張られるよう、バンド２のフィルム部１からベース部３までの長さが調整される。これにより、フィルム部１の両端が、フィルム部１が伸びる方向に、引っ張られる。その結果、絶縁フィルム１３の信号電極本体１１ａから見て皮膚６１側にある部分が、皮膚６１に押しつけられる。
【００３２】
ベース部３は、信号線３１、シールド線３２、絶縁被覆３３、導電性被覆３４を有している。信号線３１は、電気的絶縁性を有する保護皮膜によって被覆される銅線である。この信号線３１は、一端が信号取出部１１ｂに半田付け、圧着等により取り付けられている。これにより、信号線３１は信号取出部１１ｂと導通する。また、信号線３１は、他端が同軸ケーブル４の内部導体４１に接続されている。
【００３３】
シールド線３２は、導線である。このシールド線３２は、一端がグラウンド接続部１２ｂに半田付け、圧着等により取り付けられている。これにより、シールド線３２はグラウンド接続部１２ｂと導通する。また、シールド線３２は、他端が同軸ケーブル４の外部導体４２に接続されている。
【００３４】
絶縁被覆３３は、電気的絶縁性を有する薄膜形状の樹脂部材である。図３、図４、図７に示すように、絶縁被覆３３は、信号取出部１１ｂの全体および信号線３１の信号取出部１１ｂ側端部を覆う。これにより、絶縁被覆３３は、信号取出部１１ｂの全体および信号線３１の信号取出部１１ｂ側端部を、グラウンド接続部１２ｂ、導電性被覆３４から絶縁する。絶縁被覆３３は、例えば、信号取出部１１ｂの全体および信号線３１の信号取出部１１ｂ側端部の周囲に巻回されたビニールテープであってもよい。
【００３５】
導電性被覆３４は、薄膜形状を有する導電性金属である。図３、図４、図７に示すように、導電性被覆３４は、絶縁フィルム１３のベース部３側端部、信号取出部１１ｂの全体、グラウンド接続部１２ｂの全体、信号線３１の全体、シールド線３２の全体、絶縁被覆３３の全体、および同軸ケーブル４のベース部３側端部を、覆う。また、導電性被覆３４はグラウンド接続部１２ｂと接触することで、または、半田、導電性接着剤等でグラウンド接続部１２ｂに取り付けられることで、グラウンド接続部１２ｂと導通する。シールド線３２も、グラウンド接続部１２ｂを介して、導電性被覆３４と導通する。
【００３６】
しかし、絶縁被覆３３の存在により、導電性被覆３４は、信号取出部１１ｂにも信号線３１にも導通しない。また、導電性被覆３４は、振動センサ９が指６に取り付けられたとき、図５、図７に示すように、皮膚６１に接触して導通する。これにより、皮膚６１、導電性被覆３４、グラウンド接続部１２ｂが同電位になる。また、これにより、グラウンド接続部１２ｂおよび信号線３１が導電性被覆３４によって電気的にシールドされる。導電性被覆３４は、例えば、厚み３０μｍの導電性金属テープであってもよい。
【００３７】
また、図８に示すように、計測装置５は、Ａ／Ｄコンバータ５１を有する。そして、計測装置５には、同軸ケーブル４の内部導体４１および外部導体４２が接続され、計測装置５の内部で、外部導体４２に導通する線がアースされると共にＡ／Ｄコンバータ５１に接続される。また、計測装置５の内部で、同軸ケーブル４の内部導体４１に導通する線がＡ／Ｄコンバータ５１に接続される。Ａ／Ｄコンバータ５１と接続された、内部導体４１および外部導体４２の間には、抵抗が接続される。例えば、この抵抗は、１MΩであっても良い。Ａ／Ｄコンバータ５１は、内部導体４１からの信号およびアースされた外部導体４２の電圧に基づいて、内部導体４１からの信号をデジタルデータに変換する。
【００３８】
このように構成された触覚検出システム１００の電気的接続関係は、図８の通りである。指６と信号電極本体１１ａの間には絶縁フィルム１３が介在しているので、指６は信号電極本体１１ａに導通しない。また、指６は、導電性被覆３４と直接接触して導通する。また、導電性被覆３４は、グラウンド接続部１２ｂと直接接触して導通する。また、グラウンド電極本体１２ａは、グラウンド接続部１２ｂと直接接触して導通する。また、グラウンド接続部１２ｂは、シールド線３２と直接接触して導通する。またシールド線３２は、外部導体４２と直接接触して導通する。そして、外部導体４２は、計測装置５内部の線を介して、アースされると共にＡ／Ｄコンバータ５１に接続される。このようになっているので、皮膚６１およびグラウンド電極１２は、導電性被覆３４と接触することでアースされて同電位になる。
【００３９】
また、信号電極本体１１ａと導電性被覆３４の間には絶縁被覆３３が介在するので、信号電極本体１１ａと導電性被覆３４は導通しない。また、信号電極本体１１ａは信号取出部１１ｂと直接接触して導通する。また、信号取出部１１ｂは信号線３１と直接接触して導通する。また、信号線３１と導電性被覆３４の間には信号線３１を覆う電気的絶縁性の保護皮膜が介在するので、信号線３１と導電性被覆３４は導通しない。また、信号線３１と内部導体４１は直接接触して導通する。また、内部導体４１は計測装置５の内部の信号線を介してＡ／Ｄコンバータ５１に接続される。
【００４０】
次に、上記のような構成の触覚検出システム１００の作動について説明する。まず、既に説明した通り、図１、図２、図５のように、指６の第１関節と第２関節の間の指腹部に振動センサ９が巻き付けられる。
【００４１】
その後、指６の指先の腹の部分が、試料の表面をなぞる。試料は、指先の腹で触ることのできる物なら、どのようなものでもよい。例えば、試料は、紙でも、布地でも、皮膚でも、樹脂でも、金属でもよい。
【００４２】
指６の指先の腹の部分が、試料の表面をなぞったとき、その振動が表面弾性波として指６の皮膚６１を伝搬し、更に、皮膚６１からフィルム部１の絶縁フィルム１３、信号電極本体１１ａを介してピエゾフィルム１０に伝達される。ピエゾフィルム１０の振動の振る舞いは、試料の表面の特性、および、指６の皮膚特性に依存する。
【００４３】
すると、ピエゾフィルム１０の振動に応じた信号が、信号電極本体１１ａから信号取出部１１ｂ、信号線３１、内部導体４１を介して、計測装置５に入力され、更にＡ／Ｄコンバータ５１でＡ／Ｄ変換される。計測装置５は、Ａ／Ｄコンバータ５１によってＡ／Ｄ変換されたデジタルデータを記録し、記録したデータに基づいた解析および表示を行う。このようにして記録されたデジタルデータには、試料の表面の特性の情報、および、指６の皮膚特性の情報が、含まれる。
【００４４】
したがって、触覚検出システム１００は、人が指先で触れた際に得ている触覚情報（皮膚振動）を計測できる。この触覚情報は、触った対象の試料の手触りの評価に使用することができる。
【００４５】
また、職人の指に振動センサ９を巻き付け、職人の指先が試料をなぞった場合、職人の触覚情報が計測装置５で記録される。この触覚情報に応じた振動を訓練生の指に伝えれば、訓練生に職人の技を客観的、直接的に伝えることができる。つまり、触覚検出システム１００は、触対象の評価や各人の触覚情報の評価や共有に応用できる。
【００４６】
次に、ピエゾフィルム１０と皮膚６１の表面部との間の、厚みおよびヤング率の関係について説明する。ここで、皮膚６１の表面部は、指６のフィルム部１側の表面（より具体的には、フィルム部１に接する表面）から深さｈ２＝３ｍｍまでの範囲の部分である。上述の表面弾性波は、概ね指６の表面から深さｈ２＝３ｍｍまでの範囲を伝達すると考えられる。
【００４７】
ここでは、計算を簡単にするため、皮膚６１の表面部を、ピエゾフィルム１０と同じヤング率および当該表面部と同じ曲げ剛性を有する物質（以下、相当物質という）に置き換えて説明する。曲げ応力の観点からは、フィルム部１が皮膚６１に取り付けられている状態は、フィルム部１が相当物質に取り付けられている状態と同等である。
【００４８】
ある物質の曲げ剛性は、Ｅをヤング率、ｂを幅方向の長さ（一定値）、ｈを厚みとすると、Ｅ×ｂ×ｈ３／１２となる。なお、幅方向とは、フィルム部１の幅方向をいう。ピエゾフィルム１０（本実施形態ではＰＶＤＦフィルム）のヤング率Ｅ１は、４×１０９Ｐａである。人の皮膚６１のヤング率Ｅ２は、４×１０４Ｐａであるとする。
【００４９】
この場合、ピエゾフィルム１０と同じヤング率を有する相当物質の厚みを相当厚みｈ２’とすると、皮膚６１の表面部と同じ曲げ剛性を有するためには、
ｈ２’＝（Ｅ２／Ｅ１）１／３×ｈ２
となる。したがって、相当厚みｈ２’は、６５μｍとなる。なお、本実施形態のフィルム部１の厚み（振動センサ９のうち絶縁フィルム１３、信号電極１１、ピエゾフィルム１０、グラウンド電極１２が積層された部分の厚み）は４０μｍである。
【００５０】
ここで、フィルム部１が上記相当物質に取り付けられている状態における信号電極１１の出力電圧について、図９を用いて説明する。図９に示すように、相当物質６４の厚みをｈ２’として、フィルム部１の厚みをａ×ｈ２’とする。
【００５１】
中立軸６５（図９の図心を通る主軸方向の軸）からの距離をｙとすると、ピエゾフィルム１０の曲げ応力σ（ｙ）は、
σ（ｙ）＝Ｍ×ｙ／Ｌ
という式で得られる。ここで、Ｍは矢印６５１、６５２、６５３、６５４、６５５、６５６のように力が加えられた場合の曲げモーメントである。また、Ｌは断面二次モーメントであり、
Ｌ＝ｂ×（１＋ａ）３×（ｈ２’）３／１２
という式で得られる。
【００５２】
ここで、フィルム部１の一方側の面から他方側の面までの、曲げ応力σの平均値σａは、以下のような式で得られる。
σａ
＝１／ａ／ｈ２’×Ｉｎｔｅｇｒａｌ｛１２×Ｍ×ｙ／（１＋ａ）３／ｂ／（ｈ２’）３｝ｄｙ
＝６Ｍ／（１＋ａ）３／ｂ／（ｈ２’）２
なお、Ｉｎｔｅｇｒａｌ｛｝ｄｙという記号は、｛｝内の式を変数ｙについて（１−ａ）×ｈ２’／２から（１＋ａ）×ｈ２’／２まで積分することを意味している。
【００５３】
なお、σａの算出では、フィルム部１のうち、ピエゾフィルム１０でない部分についても積分を行っている。しかし、このような積分をしても、フィルム部１のうちピエゾフィルム１０でない部分の影響はσａに表れない。これは、信号電極本体１１ａとグラウンド電極本体１２ａはピエゾフィルム１０の両面にピエゾフィルム１０の中心面を基準として面対称に存在し、絶縁フィルム１３のうちピエゾフィルム１０の一方側に重なる部分と他方側に重なる部分はピエゾフィルム１０の両面にピエゾフィルム１０を基準として面対称に存在するからである。
【００５４】
以上により、ピエゾフィルム１０の曲げ応力σの平均値σａは、１／（１＋ａ）３に比例する。そして、ピエゾフィルム１０が振動した際の信号電極１１の出力電圧は、曲げ応力σの平均値σａに比例する。したがって、信号電極１１の出力電圧は、１／（１＋ａ）３に比例する。このようになるのは、ａが小さいほど、中立軸がピエゾフィルム１０の中心から離れるからである。
【００５５】
本実施形態では、既に説明した通り、ａ×（ｈ２’）＝４０μｍであり、ｈ２’＝６５μｍである。したがって、ａ≒０．６２である。この場合、図１０に示すように、１／（１＋ａ）３＝０．２４となる。
【００５６】
そもそも、フィルム部１は薄い方が皮膚６１の表面弾性波に対して変形し易いので、薄い方が出力が大きくなって好ましい。それに加え、上記のような同じ曲げモーメントＭに対する信号電極１１の出力電圧を大きくするという観点からも、薄い方が、すなわち、ａが小さい方が、好ましい。
【００５７】
実際、非特許文献１に示された、グラウンド電極を外側にしてグラウンド電極、ピエゾフィルム、信号電極を折り畳んだものは、折り畳んだ分だけフィルム部の厚みが７５μｍと厚くなる。その結果、非特許文献１のフィルム部（点６７に対応）はａ≒１．１５となり、図１１の実線６６に示すように、本実施形態のフィルム部１（点６８に対応）の方が、１／（１＋ａ）３の値が、約２．４倍増大する。したがって、本実施形態のフィルム部１は、非特許文献１のフィルム部に比べて、同じ変形に対する出力が約２．４倍増大する。
【００５８】
更には、図１１の実線６６の傾きの絶対値は、ａが小さくなるほど大きくなる。つまり、フィルム部の出力の増大に対するａの低下の寄与度合いは、ａが小さければ小さい程大きくなる。
【００５９】
なお、ａの値は、０．８８以下であれば、１／（１＋ａ）３の値はａ＝１．１５である従来に比べて１．５倍になるので、従来技術に対する出力増大の効果が十分顕著になる。ａの値が０．８８以下であるということは、フィルム部１の厚みが５７．２μｍ以下であるということである。このような範囲では、従来よりも振動センサ９が薄く、かつ、振動センサを薄くすることによる出力増大効果も顕著であるので、振動センサ９の厚みの増加を抑制することが特に有意義である。
【００６０】
以上説明した通り、本実施形態の振動センサ９は、導電性の皮膚６１、皮下組織６２を有する取付対象物（本実施形態では指６）に取り付けられ、信号電極本体１１ａおよびグラウンド電極本体１２ａがピエゾフィルム１０に対してそれぞれ皮膚６１側および皮膚６１とは反対の側に配置される。
【００６１】
このようになっていることで、指６の皮膚６１、信号電極本体１１ａ、ピエゾフィルム１０、グラウンド電極本体１２ａがこの順に積層配置される。そして、導電性被覆３４（アース部材の一例に相当する）によって指６の皮膚６１がアースされる。したがって、共にアースされた皮膚６１とグラウンド電極本体１２ａが信号電極本体１１ａとピエゾフィルム１０の両方を挟む配置が実現する。この結果、皮膚６１とグラウンド電極本体１２ａがシールドとなって、信号電極１１から出力される信号から、ＥＭＩノイズが低減される。このような構成では、ＥＭＩノイズを低減するために追加の金属膜を使用することや振動センサ９を折り曲げることは行われないので、振動センサの厚みの増加を抑制することができる。
【００６２】
また、導電性被覆３４は、グラウンド電極本体１２ａと皮膚６１とを導通させる。このようにすることで、グラウンド電極本体１２ａとピエゾフィルム１０の両方を挟むグラウンド電極本体１２ａと皮膚６１が同電位なので、ＥＭＩノイズの低減効果が更に高まる。
【００６３】
また、絶縁被覆３３は、信号取出部１１ｂを覆い、導電性被覆３４は、信号取出部１１ｂ、グラウンド接続部１２ｂ、信号線３１、シールド線３２、絶縁被覆３３を覆う。そして、導電性被覆３４は、グラウンド接続部１２ｂおよびシールド線３２と導通し、かつ、信号取出部１１ｂにも信号線３１にも導通せず、かつ、皮膚６１に導通する。
【００６４】
このような構成を実現する手順としては、例えば、まず、信号取出部１１ｂおよびグラウンド接続部１２ｂにそれぞれ信号線３１およびシールド線３２を繋げ、次に、グラウンド接続部１２ｂの全体および信号線３１の露出部を絶縁被覆３３で覆い、次に、絶縁被覆３３、グラウンド接続部１２ｂ、シールド線３２を、導電性被覆３４で覆う。
【００６５】
このようになっていることで、信号取出部１１ｂおよび信号線３１は、導電性被覆３４によって覆われると共に導電性被覆３４と導通しないので、導電性被覆３４によって電気的にシールドされる。その一方で、グラウンド接続部１２ｂおよびシールド線３２は、導電性被覆３４に覆われることで、導電性被覆３４を介して皮膚６１に導通する。つまり、導電性被覆３４は、信号取出部１１ｂ、グラウンド接続部１２ｂ、信号線３１、シールド線３２、および導電性被覆３４をまとめて覆うことで、グラウンド電極１２と皮膚６１とを導通させる機能と、信号取出部１１ｂおよび信号線３１を電気的にシールドする機能の両方を実現することができる。このようにすることで、ＥＭＩノイズの影響を更に低減することができる。
【００６６】
なお、ＰＶＤＦフィルムを有する圧電素子が指に巻き付けられ、指先が試料に触れた際に圧電素子が出力する信号に基づいて、皮膚で発生する振動を計測する技術は、以下の文献に記載されている。しかし、これらの文献には、本実施形態のようなＥＭＩノイズ低減技術は記載されていない。
・田中由浩，グエン ズイ フォン，福田智弘，佐野明人，PVDFフィルムを用いたウェアラブル触覚センサによる皮膚振動モニタに関する基礎検討，信学技報, vol. 114, no. 483, HIP2014-91, pp. 63-66, 2015年3月
・田中由浩，グエン ズイ フォン，佐野明人，PVDF フィルムを用いたウェアラブル皮膚振動センサのモデル化，日本機械学会ロボティクスメカトロニクス部門講演会2015講演論文集, 2A2-X06，2015年5月
・Yoshihiro Tanaka, DuyPhuong Nguyen, Tomohiro Fukuda, and Akihito Sano, Wearable skin vibration sensor using a PVDF film, Proceedings of the 2015 IEEE World Haptics Conference, pp. 146-151, 2015年6月
・田中由浩，佐野明人，ウェアラブル皮膚振動センサの応用に関する基礎検討（接触力がセンサ出力に及ぼす影響），日本機械学会2015年次大会講演論文集，J1610105，2015年9月
・吉田智哉，田中由浩，佐野明人，皮膚振動方向がウェアラブル皮膚振動センサの出力に及ぼす影響，日本機械学会第７回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集，28pm1-E-4，2015年10月
（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。本実施形態の触覚検出システム１００は、第１実施形態の触覚検出システム１００に対して、振動センサ９の取付対象物を変更したものである。
【００６７】
図１１に示すように、本実施形態においては、振動センサ９は、指６ではなく取付対象物７に取り付けられる。取付対象物７は、ラバー７１およびロボットアーム７２を有している。
【００６８】
ラバー７１は、振動センサ９のフィルム部１が取り付けられるゴム製の部材であり、ロボットアーム７２の先端部に固定される。ラバー７１は、ピエゾフィルム１０よりもヤング率が小さい柔軟部である。
【００６９】
ロボットアーム７２は、図示しないアーム駆動機構により自動的にまたは手動で移動する部材であり、導電性を有している。ロボットアーム７２は、ヤング率がラバー７１よりも大きい。
【００７０】
振動センサ９は、第１実施形態の振動センサ９に対して、配線３５が追加されたものである。配線３５は、一端がロボットアーム７２に接触して導通する。また配線３５は、他端が、グラウンド電極１２、シールド線３２、導電性被覆３４、同軸ケーブル４の外部導体４２、および、同軸ケーブル４のコネクタ部分のうち、いずれか１つまたは複数と接触することで、グラウンド電極１２と導通する。同軸ケーブル４のコネクタ部分とは、同軸ケーブル４の端部のコネクタ部分のうち外部導体４２と導通して露出する金属部分をいう。
【００７１】
このようにすることで、信号電極本体１１ａとピエゾフィルム１０の両方を挟むグラウンド電極本体１２ａがロボットアーム７２と同電位なので、ＥＭＩノイズの低減効果が更に高まる。
【００７２】
振動センサ９が取付対象物７に巻き付けられることで、フィルム部１が、ラバー７１の表面に接触する。このとき、信号電極本体１１ａは、ピエゾフィルム１０に対してラバー７１の側に、ピエゾフィルム１０に対向して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に接して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に積層されて、配置されている。また、グラウンド電極本体１２ａは、ピエゾフィルム１０に対してラバー７１とは反対の側に、ピエゾフィルム１０に対向して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に接して、かつ、ほぼ全体がピエゾフィルム１０に積層されて、配置されている。
【００７３】
したがって、第１実施形態と同様、ピエゾフィルム１０の振動および変形に応じて、信号電極本体１１ａとグラウンド電極本体１２ａの間に電位差が発生する。この結果、信号電極本体１１ａは、ピエゾフィルム１０の振動および変形に応じた信号を、信号取出部１１ｂを介して出力する。
【００７４】
本実施形態においては、ロボットアーム７２が移動したとき、ラバー７１と振動センサ９もロボットアーム７２と共に移動し、絶縁フィルム１３のうち、ピエゾフィルム１０に対してロボットアーム７２とは反対側にある部分が、試料の表面をなぞる。試料は、第１実施形態と同じものが使用可能である。
【００７５】
そして、絶縁フィルム１３の当該部分が、試料の表面をなぞったとき、振動が絶縁フィルム１３、信号電極本体１１ａを介してピエゾフィルム１０に伝達される。ピエゾフィルム１０の振動の振る舞いは、試料の表面の特性に依存する。
【００７６】
すると、ピエゾフィルム１０の振動に応じた信号が、信号電極本体１１ａから信号取出部１１ｂ、信号線３１、内部導体４１を介して、計測装置５に入力され、更にＡ／Ｄコンバータ５１でＡ／Ｄ変換される。計測装置５は、Ａ／Ｄコンバータ５１によってＡ／Ｄ変換されたデジタルデータを記録し、記録したデータに基づいた解析および表示を行う。このようにして記録されたデジタルデータには、試料の表面の特性の情報が含まれる。したがって、触覚検出システム１００は、試料の表面の状態を計測できる。
【００７７】
以上説明した通り、本実施形態の振動センサ９は、導電性のロボットアーム７２を有する取付対象物７に取り付けられ、信号電極本体１１ａおよびグラウンド電極本体１２ａがピエゾフィルム１０に対してそれぞれロボットアーム７２側およびロボットアーム７２とは反対の側に配置される。
【００７８】
このようになっていることで、ロボットアーム７２、信号電極本体１１ａ、ピエゾフィルム１０、グラウンド電極本体１２ａがこの順に積層配置される。そして、配線３５（アース部材の一例に相当する）によってロボットアーム７２がアースされる。したがって、共にアースされたロボットアーム７２とグラウンド電極本体１２ａが信号電極本体１１ａとピエゾフィルム１０の両方を挟む配置が実現する。この結果、ロボットアーム７２とグラウンド電極本体１２ａがシールドとなって、信号電極１１から出力される信号から、ＥＭＩノイズが低減される。このような構成では、ＥＭＩノイズを低減するために追加の金属膜を使用することや振動センサ９を折り曲げることは行われないので、振動センサの厚みの増加を抑制することができる。
【００７９】
また、本実施形態では、取付対象物７は、導電部に相当するロボットアーム７２とは別に、ピエゾフィルム１０よりもヤング率が小さい柔軟部に相当するラバー７１を有している。そして、絶縁フィルム１３のうち、信号電極本体１１ａとロボットアーム７２の間にある部分は、ラバー７１に取り付けられる。
【００８０】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。特に、ある量について複数個の値が例示されている場合、特に別記した場合および原理的に明らかに不可能な場合を除き、それら複数個の値の間の値を採用することも可能である。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。また、本発明は、上記各実施形態に対する以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。
【００８１】
（変形例１）
上記第１、第２実施形態では、取付対象物の導電部（皮膚６１およびロボットアーム７２）をアースするアース部材として、グラウンド電極１２に導通する導電性被覆３４、配線３５が例示されている。しかし、アース部材は、グラウンド電極１２に導通せずに、取付対象物の導電部をアースするようになっていてもよい。
【００８２】
（変形例２）
上記各実施形態においては、フィルム部１が皮膚６１、ラバー７１に接着剤等で貼り付けられていてもよい。
【００８３】
（変形例３）
上記各実施形態に記載された各部材の寸法（例えば厚み）は、一例であって、当該寸法以外の寸法も実現可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１              フィルム部
６              指
７              取付対象物
９              振動センサ
１０            ピエゾフィルム
１１            信号電極
１２            グラウンド電極
３３            絶縁被覆
３４            導電性被覆
３５            配線
【図１】
2017110928.tif 000003
【図２】
2017110928.tif 000004
【図３】
2017110928.tif 000005
【図４】
2017110928.tif 000006
【図５】
2017110928.tif 000007
【図６】
2017110928.tif 000008
【図７】
2017110928.tif 000009
【図８】
2017110928.tif 000010
【図９】
2017110928.tif 000011
【図１０】
2017110928.tif 000012
【図１１】
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