(57)【要約】【課題】  単一の単機能の超音波探触子を用いた簡易な構成で、対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサを提供する。【解決手段】  指の爪甲部に相当する板状体１１と、皮下組織に相当する指状基部１４と、指状基部１４が内封された隔壁部１５と、超音波探触子１と、隔壁部１５を被覆するように装着される真皮部２と、真皮部２を内封するように装着され対象物Ｍに接触させる表皮部３と、を有し、対象物Ｍに対して表皮部３を接触させたときに、指状基部１４を通過して隔壁部１５において反射する反射波Ｒｂを受信し、受信された反射波Ｒｂの位相から指荷重の大きさを推定し、隔壁部１５からの反射波Ｒｂの波高の変動から対象物Ｍの表面性状Ａを推定し、隔壁部１５からの反射波Ｒｂまたは隔壁部１５を通過して真皮部２において反射する反射波Ｒｃと、表皮部３からの反射波Ｒｄとの干渉波の波高の変動から対象物Ｍの表面性状Ｂを推定する。【選択図】  図１
2017133967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性の高い樹脂を素材Ｓａとし、指の爪甲部に相当する板状体と、
内部に指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、その一部において該板状体が当接するように形成された指状基部と、
前記板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃからなり、該指状基部を内封するように装着された隔壁部と、
前記板状体の上面に装着され、前記指状基部において該板状体と対向する方向に向けて超音波を発信する超音波探触子と、
指の皮下組織と同質の素材Ｓｄからなり、１／４波長以下の膜厚を有し、前記隔壁部を被覆するように装着される真皮部と、
前記隔壁部よりも柔軟性が高く、薄膜の形成が可能な素材Ｓｅからなり、前記真皮部を内封するように装着され、対象物に接触させる表皮部と、を有し、
該対象物に対して表皮部を接触させたときに、
前記指状基部を通過して前記隔壁部において反射する反射波を受信し、受信された該反射波の位相から指荷重の大きさを推定し、
前記隔壁部からの反射波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ａを推定し、
前記隔壁部からの反射波または隔壁部を通過して前記真皮部において反射する反射波と、前記表皮部からの反射波との干渉波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ｂを推定する、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記真皮部の素材として、前記素材Ｓｄに代え、前記隔壁部の素材Ｓｃよりも音響インピーダンスの高い素材Ｓｆを用いることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記隔壁部からの反射波の波高と前記表皮部からの反射波の波高が、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子を用いて対象物の表面状態を計測する触覚センサに関し、特に対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば，人間の指腹やゲル状の柔軟物と相手面の接触評価のように，移動物体裏面の接触情報が必要な場合が多くあり、人間の触覚を代用する種々の触覚センサの開発が盛んに行われている。例えば、感圧導電ゴムの利用、電極間の容量変化の検知、巧妙な音響共鳴触覚素子、そして、透明なゴム製半球でのレーザー光の反射を利用するもの等多くのセンサが挙げられる。例えば、下記特許文献１は、光学式触覚センサであり、透明弾性体で構成された入力デバイスとカメラ部から構成され、弾性体に加えられた３次元の力ベクトルの分布を実時間で計測するものである。これにより、人間の触覚情報とほぼ同様な情報を計測しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８８０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の触覚センサは、指その物や表皮・感覚受容器を模倣したセンサであって、特定方向の圧力や温度等の情報を基に計測するものである。表面の凹凸や柔軟度については、精度良く測定することが可能であるが、実際の指のように、圧感，触感（粗さやうねりを含む），振動，伸縮および緊張といった機械的な要素を正確に検知し、対象物との接触を評価するものではない。また、ざらつきといった複合的な感触を検知することは、さらに難しい。
【０００５】
仮に、人間の指そのものを利用したセンサ技術ができたとすると、個人の実際の触動作過程における、その場での官能的な評価との一対一の対応も可能であり、例えば、化粧用のクリームを肌に延ばす際の指荷重のかかり具合と使用感の関係を従来にない正確さで評価できる。また、製品表面の触り心地の官能評価結果とセンサで計測される触動作時の接触状態の対比から、触り心地の良い表面の創出に寄与できる可能性も高い。しかし、従前のセンサ技術では、官能評価結果と触り心地とのよい相関を得ることは非常に困難であった。
【０００６】
また、歪センサや圧力センサ等複数の機能センサを配置し、これらの情報を基に人間の触覚に近い情報として処理することは理論的には可能であるが、例えば人間の指の機能を補完するロボット等に適用する場合にあっては、操作部を含む大掛かりな触覚センサとならざるをえない。装置や機能が煩雑であり、コスト面を含め実用化は甚だ困難であるといえる。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一の単機能の超音波探触子を用いた簡易な構成で、例えば人間の指腹部と対象物との接触状態を，対象物の表面状態を人間の触覚に近い情報として計測が可能な触覚センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す触覚センサによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
本発明は、触覚センサであって、剛性の高い樹脂を素材Ｓａとし、指の爪甲部に相当する板状体と、
内部に指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、その一部において該板状体が当接するように形成された指状基部と、
前記板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃからなり、該指状基部を内封するように装着された隔壁部と、
前記板状体の上面に装着され、前記指状基部において該板状体と対向する方向に向けて超音波を発信する超音波探触子と、
指の皮下組織と同質の素材Ｓｄからなり、１／４波長以下の膜厚を有し、前記隔壁部を被覆するように装着される真皮部と、
前記隔壁部よりも柔軟性が高く、薄膜の形成が可能な素材Ｓｅからなり、前記真皮部を内封するように装着され、対象物に接触させる表皮部と、を有し、
該対象物に対して表皮部を接触させたときに、
前記指状基部を通過して前記隔壁部において反射する反射波を受信し、受信された該反射波の位相から指荷重の大きさを推定し、
前記隔壁部からの反射波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ａを推定し、
前記隔壁部からの反射波または隔壁部を通過して前記真皮部において反射する反射波と、前記表皮部からの反射波との干渉波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ｂを推定する、
ことを特徴とする。
【００１０】
上記のように、対象物の表面性状に対して人間の指先と同様の触覚機能を有する触覚センサを実現することは非常に難しい。本発明者は、超音波を用いた触覚センサの研究過程における種々の検証の結果、人間の表皮部と対象物との接触状態は、主として
（ｉ）表皮部に対する対象物からの押圧（指荷重）に係る要素，
（ii）ウネリに相当する対象物表面の比較的荒い凹凸（表面性状Ａ）に係る要素，および
（iii）対象物表面の微小な凹凸（表面性状Ｂ）に係る要素
によって影響されるとの知見を得た。また、後述するように、表皮部からの反射波のみから同時に表面性状Ａと表面性状Ｂに関する情報を分離して得ることは難しく、特に数１０μｍ以下の微小な凹凸を精度よく表面性状Ｂの情報として取り出すことは難しかった。本発明は、指の皮下組織に相当する部分を、その内部に設けた隔壁部によって厚肉の指状基部と薄肉の真皮部に分割し、１つの超音波探触子から発信された超音波について、対象物に対して表皮部を接触させたときに大きな変化が生じる薄肉の真皮部からの反射波と隔壁部からの反射波との干渉波の波高から、微小な凹凸に関する情報を入手し、比較的小さな変化が生じる隔壁部からの反射波から、指荷重および比較的荒い凹凸に関する情報を入手することによって、人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することを可能とした。特に、真皮部の膜厚を１／４波長以下とすることによって、真皮部の膜厚（微小な凹凸の状態）に対応した相関性の高い干渉波の波高を取り出すことが可能となり、微小な凹凸の状態を精度よく検知することが可能であるとの知見を得た。つまり、単一の単機能の超音波探触子を用い、隔壁部からの反射波から指荷重の大きさおよび表面性状Ａの情報を推定し、真皮部の膜厚を１／４波長以下とする表皮部からの反射波と隔壁部からの反射波との干渉波から表面性状Ｂの情報を推定することによって、人間の触感（人間の指の特性は，年齢や性差，障害の有無等により異なる）にあった触覚情報を得ることが可能となり、人間の指の機能についてもロボット等に利用することが可能となった。
【００１１】
本発明は、上記触覚センサであって、前記真皮部の素材として、前記素材Ｓｄに代え、前記隔壁部の素材Ｓｃよりも音響インピーダンスの高い素材Ｓｆを用いることを特徴とする。
上記の構成において、隔壁部は音響インピーダンスが高い素材Ｓｃから形成され、真皮部は音響インピーダンスが低い素材Ｓｄから形成される。従って、隔壁部からの反射波と真皮部を通過した波の表皮部における反射波とは同位相での干渉波となり、指荷重のない状態において所定の波高を有し、指荷重の増加に伴い波高の増加量を検出することとなる。ただし、低インピーダンスの素材Ｓｄの場合，真皮部での多重反射時の音波が減衰し易く、凹凸に対して十分な波高値の変化を得られない場合がある。そこで、本発明は、真皮部の素材を隔壁部よりも音響インピーダンスが高く、減衰が少ない素材とする。この場合の隔壁部からの反射波は順位相の反射波となるため、逆位相の表皮部からの反射波との干渉波の波高値は、指荷重の増加に伴い大きく低下するようになる。こうした構成によって、表皮部の変化をもたらす対象物表面の微小な凹凸に対応した情報を感度良く得ることが可能となった。
【００１２】
本発明は、上記いずれかの触覚センサであって、前記隔壁部からの反射波の波高と前記表皮部からの反射波の波高が、ほぼ等しいことを特徴とする。
上記のように、本発明は、人間の指に単数の触覚センサを配設し、指の触覚機能を複数の要素に分けて定量的に把握し、対象物の表面に対する人間の触感にあった触覚情報を定量的に得ることができる。このとき、触覚センサの構成要素（例えば真皮部や表皮部の素材や厚み等）を、対象物によって種々調整・変更することによって最適条件での検出を行うことができる。また、隔壁部等についても、その素材や厚み等を調整・変更し、さらに最適条件として検出を行うことができる。具体的には、こうした触覚センサの構成要素を設定し、隔壁部からの反射波の波高と表皮部からの反射波の波高が、ほぼ等しくすることによって、表面性状Ａおよび表面性状Ｂに対する十分な情報量を確保し、対象物の表面に対する人間の触感にあった触覚情報を定量的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る触覚センサの基本構成を例示する説明図
【図２】本発明に係る触覚センサを構成する超音波探触子を用いた場合の基本的な特性を例示する模式図
【図３】人間の指が対象物に接触したときのエコー高さの変動を実測した場合の特性を例示する説明図
【図４】本発明に係る触覚センサを用いたときの反射波および干渉波の特性を例示する説明図
【図５】本発明に係る触覚センサを用いたときの干渉波の特性を例示する説明図
【図６】超音波探触子から発信される超音波としてバースト波を用いた場合の反射波の特性を例示する説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る触覚センサ（以下「本センサ」ということがある）は、剛性の高い樹脂を素材Ｓａとし、指の爪甲部に相当する板状体と、
内部に指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、その一部において該板状体が当接するように形成された指状基部と、
板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃからなり、該指状基部を内封するように装着された隔壁部と、
板状体の上面に装着され、指状基部において該板状体と対向する方向に向けて超音波を発信する超音波探触子と、
指の皮下組織と同質の素材Ｓｄからなり、１／４波長以下の膜厚を有し、隔壁部を被覆するように装着される真皮部と、
隔壁部よりも柔軟性が高く、薄膜の形成が可能な素材Ｓｅからなり、真皮部を内封するように装着され、対象物に接触させる表皮部と、を有する。
こうした構成を用いて表皮部と対象物との接触状態において、
（ｉ）表皮部に対する対象物からの押圧（指荷重）に係る要素，
（ii）ウネリに相当する対象物表面の比較的荒い凹凸（表面性状Ａ）に係る要素，および
（iii）対象物表面の微小な凹凸（表面性状Ｂ）に係る要素
についての情報を得ることによって、人間の指腹部と対象物との接触と同様の触覚を定量的に把握することを可能とした。以下、好適な実施形態につき図面を用いて説明する。
【００１５】
＜本センサの基本構成＞
図１（Ａ），（Ｂ）は、本センサ１０の基本構成を例示する。指の爪甲部に相当する板状体１１の上面１２に超音波探触子１が装着され、その発信部１ａから板状体１１を介して対象物Ｍとの接触状態が形成される表皮部３方向に向けて超音波が発信される。発信された超音波の一部は、板状体１１の下面１３において反射（反射波Ｒａ）するとともに、残りの超音波は、指の皮下組織と同質の指状基部１４を通過して隔壁部１５に到達する。隔壁部１５の下面には、隔壁部１５を被覆するように真皮部２が装着・形成され、さらに内層部を被覆するように表皮部３が装着・形成される。隔壁部１５到達した超音波の一部は、隔壁部１５の上面（指状基部１４側）において反射（反射波Ｒｂ）し、さらに隔壁部１５を通過した超音波の一部は、隔壁部１５の下面（真皮部２側）において反射（反射波Ｒｃ）するとともに、残りの超音波は、真皮部２を通過して表皮部３に到達する。表皮部３（外層部）が対象物Ｍに接触した状態において、表皮部３に到達した超音波は、殆どが表皮部３の上面（真皮部２側）において反射（反射波Ｒｄ）する。反射波Ｒａ〜Ｒｄは、それぞれ爪甲部方向に反転し、順次超音波探触子１の受信部１ｂによって受信される。
【００１６】
ここで、表皮部３（外層部）が非接触状態から対象物Ｍに接触した状態に変化した場合における反射波Ｒａ〜Ｒｄの位相および波高の変化について検証する。
（ａ）硬度の高い板状体１１の状態は殆ど変化しないことから、対象物Ｍへの接触前後における反射波Ｒａの位相および波高の変動は殆どない。
（ｂ）反射波Ｒｂは、対象物Ｍへの接触に伴い、柔軟性の高い指状基部１４の厚みが短縮することから、位相および波高の変化が生じる。従って、
（ｉ）隔壁部１５に対する対象物Ｍからの押圧（指荷重）を位相の変化として取り出すことができ、
（ii）対象物Ｍの表面Ｍａの比較的荒い凹凸（表面性状Ａ）を波高の変化として取り出すことができ、その波高の平均からウネリに相当する情報を取り出すことができる。
（ｃ）反射波Ｒｃは、柔軟性の低い隔壁部１５の厚みが殆ど変化しないことから、反射波Ｒｂと同様、位相および波高の変化が生じる。
（ｄ）反射波Ｒｄは、柔軟性の高い真皮部２および表皮部３に対する対象物Ｍへの接触に伴う大きな変形が生じることから、位相および波高の変化が生じる。このとき、指荷重が小さな場合では反射波の波高の変化は小さく、反射波Ｒｄ単独では小さな凹凸の情報を取り出すことができない。本センサにおいては、真皮部の厚みや素材等を選定し反射波Ｒｃと反射波Ｒｄの干渉波の波高の変化を検知することによって小さな凹凸の情報を取り出すことを可能とした。つまり
（iii）対象物Ｍの表面Ｍａの微小な凹凸（表面性状Ｂ）を反射波の波高の変化として取り出すことができる。
【００１７】
〔本センサの構成要素について〕
本センサ１０の構成要素について、板状体１１は、剛性の高い樹脂、例えばアクリル樹脂等を素材Ｓａとして用いる。厚みは、超音波の波長や周波数等により適正な範囲が設定され、例えば、そこでの超音波の波長の約１０倍程度が設定される。指状基部１４は、内部に例えばスライムや水等、指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、約１０ｍｍ程度の厚みＤｂを有し、その一部において板状体１１が当接するように形成される。隔壁部１５は、例えば軟質性のプラスチック（塩化ビニルやアクリル等）やシリコンゴム等、上記板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃを用い、指状基部１４を内封する。厚みは使用条件によって異なるが、例えば隔壁部の上面と下面の反射波を分離する必要がある場合には超音波波長の２倍以上が好ましい。隔壁部１５を被覆するように真皮部２が装着される。真皮部２は、指状基部１４と同等の特性を有する素材Ｓｄ、例えば組成が同等あるいは粘弾性特性や超音波透過特性等が同等の素材が内封されることが好ましい。具体的には、水やスライム等を挙げることができる。真皮部２は、対象物Ｍの表面Ｍａの微小な凹凸（表面性状Ｂ）に従って柔軟に変形可能な厚みを有することが条件となるとともに、隔壁部１５の下面からの反射波Ｒｃと表皮部３の上面からの反射波Ｒｄとが干渉して形成される干渉波の波高を決定する条件となることから重要な要素となる。具体的には、１／４波長以下の膜厚を有することによって、真皮部２の膜厚（微小な凹凸の状態）に対応した相関性の高い干渉波の波高を取り出すことが可能となり、微小な凹凸の状態を精度よく検知することができる。また、真皮部２の素材として、隔壁部１５の素材Ｓｃよりも音響インピーダンスの高い素材Ｓｆを用いることによって、隔壁部１５の下面からの反射波Ｒｃを順位相として表皮部３の上面からの逆位相の反射波Ｒｄと干渉させることができる。こうした素材Ｓｆとして、具体的には、水銀やアマルガム，インジウムとスズの合金等を挙げることができる。
【００１８】
さらに真皮部２を被覆するように表皮部３が装着・形成される。表皮部３は、対象物Ｍに接触させ、その表面Ｍａの状態に対応して変形が可能で、隔壁部１５よりも高い柔軟性を有するとともに、真皮部２を被覆し、薄膜の形成が可能な所定の強度を有する素材Ｓｄが好ましい。具体的な素材Ｓｄとして、例えばシリコン系ゴム等を挙げることができ、その厚みは１０μｍ程度が好ましい。さらに、表皮部３の対象物Ｍと接する部分に、人間の指紋に相当する凹凸を設けることによって、対象物Ｍの表面Ｍａの１０μｍ以下の微小な凹凸に対する情報を取り出すことができる。
【００１９】
＜計測原理について＞
次に、本センサ１０を用いた表面状態の計測原理を説明する。図２は、超音波探触子１を用いた場合の基本的な特性を例示する模式図である。図２（Ａ）において、軟質性の超音波透過性材料からなる透過体２０の一端が対象物Ｍの表面Ｍａに接触するように載置され、他端の位置に超音波探触子１が装着される。超音波探触子１は、駆動部（図示せず）によって駆動され、所定の周波数の超音波を発信し、接触表面２１において反射された反射波を受信した超音波探触子１からの信号は、コンピュータを中核として構成される計測装置（図示せず）により計測される。対象物Ｍの表面Ｍａの同一または近傍領域から反射する超音波について、超音波探触子１の受信強度から、対象物Ｍの表面状態に関する情報を取得し、演算することによって、対象物Ｍの表面状態を定量的に把握することができる。
【００２０】
超音波探触子１から超音波を発信し、透過体２０を対象物Ｍの表面Ｍａに接触させながら移動させたときの、反射波についての反射波高成分／移動距離ｓの特性を、図２（Ｂ）に例示する。表面Ｍａが粗いときには、その粗さについての平均的な変動を大きな振幅を有するウネリとして計測し、表面Ｍａが滑らかなときには、その滑らかさを小さなウネリとして計測することができる。
【００２１】
しかしながら、図２に示す基本的な触覚センサを用いて、人間の指（従前の模擬指を含む）が対象物Ｍに接触したときのエコー高さの変動を実測すると、図３のように、２０μｍ以下の微小な凹凸を検知することは非常に難しいことが判った。本発明は、こうした実証結果を基に、さらに微小な凹凸を検知できる触覚センサを検証したもので、図１に示す基本構成例、具体的には、隔壁部１５を被覆するように装着される真皮部２と、薄膜によって真皮部２を被覆するように装着される表皮部３を有し、表皮部３の下面を対象物Ｍに接触させることによって、２０μｍ以下の凹凸を検知することを可能とした。以下、その構成を模擬的に表した図４に基づき、その特性を示す。
【００２２】
〔本センサを用いたときの反射波の特性と対象物の表面性状の検知について〕
図４（Ａ）において、板状体１１の上面１２に装着された超音波探触子１から発信された超音波は、厚みＤａの板状体１１を通過し、その一部は板状体１１の下面１３において反射し、反射波Ｒａを形成する。さらに、残りの超音波は、厚みＤｂの指状基部１４を通過して隔壁部１５の上面で反射し、反射波Ｒｂを形成する。さらに厚みＤｃの隔壁部１５を通過した超音波の一部は、隔壁部１５の下面において反射し、反射波Ｒｃを形成する。残りの超音波は、厚みＤｄの真皮部２を通過して表皮部３の上面において反射し、反射波Ｒｄを形成する。
【００２３】
このとき、反射波Ｒａ〜Ｒｄを受信した超音波探触子１における出力（反射波高）は、時間を横軸とすると、図４（Ｂ）に例示するように、最初に位相が反転した反射波Ｒａ，次に時間ｔ１後に順位相の反射波Ｒｂ，さらに時間ｔ２後に反転した反射波Ｒｃ，および時間ｔ３後に反転した反射波Ｒｄが形成される。時間ｔ１〜ｔ３は、音速，入射波および反射波が通過する各層の厚み（距離）および媒体の特性に依存する。ここで、いわゆる指荷重がかかった状態において、指状基部１４の厚みＤｂが変化し時間ｔ１が変化する。指荷重が大きい場合には、指状基部１４の厚みＤｂが変化し時間ｔ１が変化するとともに、隔壁部１５の上面において反射する反射波Ｒｂにおいて、その位相の変化から指荷重の大きさを検出することができる。また、対象物Ｍの凹凸の変化に伴う反射波Ｒｂの波高の変動も大きくなり、その変化から大きな凹凸に対応した表面状態（表面状態Ａ）を検出することができる。
【００２４】
指荷重が小さい場合にも、反射波Ｒｂの位相の変化から指荷重の大きさを検出することができるが、反射波Ｒｂの波高の変化は殆どなく、微小な凹凸の検出は難しい。本センサ１０は、真皮部２の膜厚Ｄｄを音速の１／４波長以下とし、隔壁部１５を通過して真皮部２との界面（隔壁部１５の下面）において反射する反射波Ｒｃと、表皮部３からの反射波Ｒｄによって形成される干渉波について、その干渉波の波高の変化を検知することによって小さな凹凸の情報を取り出すことを可能とした。真皮部２の膜厚Ｄｄが厚い場合の干渉波の波高の状態を図４（Ｃ）に、薄い場合の干渉波の干渉波の波高の状態を、図４（Ｄ）に例示する。つまり、２０μｍ以下の凹凸に対し、さらには数μｍの微小な凹凸に対しても、その変化に対応した情報を取り出すことができ、微小な凹凸に関する表面性状Ｂを推定することができる。図５は、真皮部２の厚みＤｄと干渉波の波高情報との相関を実証した結果を示す。膜厚（Ｄｄ）が音速の１／４波長以下において、膜厚に対応した相関性の高い干渉波の波高を取り出すことができ、それを超えると相関を得ることが難しいことが判る。適正な膜厚条件を設定することによって、微小な凹凸の状態を精度よく検知することができる。
【００２５】
次に、真皮部２の素材として、素材Ｓｄに代え、隔壁部１５の素材Ｓｃよりも音響インピーダンスの高い素材Ｓｆを用いる場合について述べる。図４（Ｂ）に例示するように、本センサ１０は、隔壁部１５が音響インピーダンスの高い素材Ｓｃから形成され、真皮部２が音響インピーダンスの低い素材Ｓｄから形成されるため、隔壁部１５からの反射波Ｒｃと真皮部２を通過した波の表皮部３における反射波Ｒｄとは同位相の干渉波となり、指荷重のない状態において所定の波高（例えば通常最大波高の５０％程度）を有し、指荷重の増加に伴い波高の低下量を検出することとなる。ただし、低インピーダンスの素材Ｓｄの場合，真皮部２での多重反射時の音波が減衰し易く、凹凸に対して十分な波高値の変化を得られない場合がある。そこで、本センサ１０の真皮部２の素材として、素材Ｓｄに代えて、真皮部２を隔壁部１５よりも音響インピーダンスの高く減衰の少ない素材Ｓｆによって形成する。この場合、隔壁部１５からの反射波Ｒｃは順位相の反射波となるため、逆位相の表皮部３からの反射波Ｒｄとの干渉波の波高は、指荷重の増加に伴い大きく低下するようになる。こうした構成によって、表皮部３の変化をもたらす対象物Ｍの表面Ｍａの微小な凹凸に対応した情報を得ることができる。
【００２６】
また、本センサ１０にあって、隔壁部１５からの反射波Ｒｂ（またはＲｃ）の波高と表皮部３からの反射波Ｒｄの波高が、ほぼ等しいことが好ましい。上記のように、前者は比較的大きな凹凸を有する表面性状Ａに対する情報を得るのに好適であり、後者は微小な凹凸を有する表面性状Ｂに対する情報を得るのに好適である。特に後者は、両者の干渉波を利用することによって、従前検知できなかったレベルの微小領域の凹凸を有する表面性状Ｂまでの情報を得ることが可能となった。本センサ１０は、両反射波の波高を、ほぼ等しくすることによって、単独の単機能の超音波探触子１を用いて表面性状Ａから表面性状Ｂにまでの対象物Ｍの広い範囲の凹凸状態に対する十分な情報量を確保し、対象物Ｍの表面Ｍａに対する人間の触感にあった触覚情報を定量的に得ることができる。具体的には、本センサ１０の構成要素である隔壁部１５あるいは真皮部２や表皮部３の素材や厚み等を、対象物によって種々調整・変更することによって最適条件での検出を行うことができる。
【００２７】
上記のように、本センサ１０において、真皮部２の膜厚を１／４波長以下に設定し、隔壁部１５等構成要素を対象物によって種々調整・変更することによって最適条件での検出を行うことができる。しかし、こうした触覚センサの構成要素の調整では、真皮部の膜厚を１／４波長以下に設定することができない場合がある。そこで、本センサ１０では、超音波探触子１から発信される超音波の特性を調整・変更すること、具体的には超音波探触子１から発信される超音波として高周波のバースト波を用い、多くのパルス波の変化を取り出すことによって、真皮部の膜厚が１／４波長以上の場合であっても微小な凹凸に対応した干渉波の波高を確保することを可能にした。図６のように、超音波探触子１から発信される超音波の特性を高周波のバースト波に変更することによって、反射波ＲｂとＲｃが干渉し、１つの反射波（Ｒｂ＋Ｒｃ）として情報を取り出すことができ、上記と同等の検知機能を発現することができる。また、各反射波Ｒａ〜Ｒｄの検出時間（波数）を多くすることができることから、反射波の微小変化、つまり表面性状Ａ，Ｂについて微小変化（凹凸）を検知することができるとともに、高い精度で情報を取り出すことができる。
【００２８】
上記のように、本センサによって対象物の表面における人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することが可能となった。また、本センサにおける「触覚」との概念は、人間の指先に限定して捉えるだけでなく、人間の指先では触れることができない対象物（汚染物質の表面等の場合）の表面状態を定性的な評価を行う場合においても、定量的に計測された情報を基に推定することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１    超音波探触子
１ａ  （超音波探触子の）発信部
１ｂ  （超音波探触子の）受信部
２    真皮部
３    表皮部
１０  指
１１  板状体
１２  （板状体）上面
１３  （板状体の）下面
１４  指状基部
１５  隔壁部
Ｍ    対象物
Ｍａ  対象物の表面
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ  反射波
【図１】
2017133967.tif 000003
【図２】
2017133967.tif 000004
【図３】
2017133967.tif 000005
【図４】
2017133967.tif 000006
【図５】
2017133967.tif 000007
【図６】
2017133967.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月22日(2016.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性の高い樹脂を素材Ｓａとし、指の爪甲部に相当する板状体と、
内部に指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、その一部において該板状体が当接するように形成された指状基部と、
前記板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃからなり、該指状基部を内封するように装着された隔壁部と、
前記板状体の上面に装着され、前記指状基部において該板状体と対向する方向に向けて所定の周波数の超音波を発信する超音波探触子と、
指の皮下組織と同質の素材Ｓｄからなり、前記超音波探触子から発信された超音波の１／４波長以下の膜厚を有し、前記隔壁部を被覆するように装着される真皮部と、
前記隔壁部よりも柔軟性が高く、薄膜の形成が可能な素材Ｓｅからなり、前記真皮部を内封するように装着され、対象物に接触させる表皮部と、を有し、
該対象物に対して表皮部を接触させたときに、
前記指状基部を通過して前記隔壁部において反射する反射波（反射波Ｒｂ）を受信し、受信された該反射波Ｒｂの位相から指荷重の大きさを推定し、
前記隔壁部からの反射波Ｒｂの波高の変動から前記対象物の表面性状Ａを推定し、
前記隔壁部からの反射波Ｒｂまたは隔壁部を通過して前記真皮部において反射する反射波（反射波Ｒｃ）と、前記真皮部を通過して前記表皮部において反射する反射波（反射波Ｒｄ）との干渉波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ｂを推定する、
ことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記真皮部の素材として、前記素材Ｓｄに代え、前記隔壁部の素材Ｓｃよりも音響インピーダンスの高い素材Ｓｆを用いることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記隔壁部からの反射波Ｒｂの波高と前記表皮部からの反射波Ｒｄの波高が、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、触覚センサであって、剛性の高い樹脂を素材Ｓａとし、指の爪甲部に相当する板状体と、
内部に指の皮下組織と同質の素材Ｓｂが封じられ、その一部において該板状体が当接するように形成された指状基部と、
前記板状体よりも柔軟性が高い素材Ｓｃからなり、該指状基部を内封するように装着された隔壁部と、
前記板状体の上面に装着され、前記指状基部において該板状体と対向する方向に向けて所定の周波数の超音波を発信する超音波探触子と、
指の皮下組織と同質の素材Ｓｄからなり、前記超音波探触子から発信された超音波の１／４波長以下の膜厚を有し、前記隔壁部を被覆するように装着される真皮部と、
前記隔壁部よりも柔軟性が高く、薄膜の形成が可能な素材Ｓｅからなり、前記真皮部を内封するように装着され、対象物に接触させる表皮部と、を有し、
該対象物に対して表皮部を接触させたときに、
前記指状基部を通過して前記隔壁部において反射する反射波（反射波Ｒｂ）を受信し、受信された該反射波Ｒｂの位相から指荷重の大きさを推定し、
前記隔壁部からの反射波Ｒｂの波高の変動から前記対象物の表面性状Ａを推定し、
前記隔壁部からの反射波Ｒｂまたは隔壁部を通過して前記真皮部において反射する反射波（反射波Ｒｃ）と、前記真皮部を通過して前記表皮部において反射する反射波（反射波Ｒｄ）との干渉波の波高の変動から前記対象物の表面性状Ｂを推定する、
ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記のように、対象物の表面性状に対して人間の指先と同様の触覚機能を有する触覚センサを実現することは非常に難しい。本発明者は、超音波を用いた触覚センサの研究過程における種々の検証の結果、人間の表皮部と対象物との接触状態は、主として
（ｉ）表皮部に対する対象物からの押圧（指荷重）に係る要素，
（ii）ウネリに相当する対象物表面の比較的荒い凹凸（表面性状Ａ）に係る要素，および
（iii）対象物表面の微小な凹凸（表面性状Ｂ）に係る要素
によって影響されるとの知見を得た。また、後述するように、表皮部からの反射波Ｒｄのみから同時に表面性状Ａと表面性状Ｂに関する情報を分離して得ることは難しく、特に数１０μｍ以下の微小な凹凸を精度よく表面性状Ｂの情報として取り出すことは難しかった。本発明は、指の皮下組織に相当する部分を、その内部に設けた隔壁部によって厚肉の指状基部と薄肉の真皮部に分割し、１つの超音波探触子から発信された超音波について、対象物に対して表皮部を接触させたときに大きな変化が生じる薄肉の真皮部からの反射波Ｒｃと隔壁部からの反射波Ｒｂとの干渉波の波高から、微小な凹凸に関する情報を入手し、比較的小さな変化が生じる隔壁部からの反射波Ｒｂから、指荷重および比較的荒い凹凸に関する情報を入手することによって、人間の指先と同様の触覚を定量的に把握することを可能とした。特に、真皮部の膜厚を１／４波長以下とすることによって、真皮部の膜厚（微小な凹凸の状態）に対応した相関性の高い干渉波の波高を取り出すことが可能となり、微小な凹凸の状態を精度よく検知することが可能であるとの知見を得た。つまり、単一の単機能の超音波探触子を用い、隔壁部からの反射波Ｒｂから指荷重の大きさおよび表面性状Ａの情報を推定し、真皮部の膜厚を１／４波長以下とする表皮部からの反射波Ｒｄと隔壁部からの反射波Ｒｂとの干渉波から表面性状Ｂの情報を推定することによって、人間の触感（人間の指の特性は，年齢や性差，障害の有無等により異なる）にあった触覚情報を得ることが可能となり、人間の指の機能についてもロボット等に利用することが可能となった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、上記いずれかの触覚センサであって、前記隔壁部からの反射波Ｒｂの波高と前記表皮部からの反射波Ｒｄの波高が、ほぼ等しいことを特徴とする。
上記のように、本発明は、人間の指に単数の触覚センサを配設し、指の触覚機能を複数の要素に分けて定量的に把握し、対象物の表面に対する人間の触感にあった触覚情報を定量的に得ることができる。このとき、触覚センサの構成要素（例えば真皮部や表皮部の素材や厚み等）を、対象物によって種々調整・変更することによって最適条件での検出を行うことができる。また、隔壁部等についても、その素材や厚み等を調整・変更し、さらに最適条件として検出を行うことができる。具体的には、こうした触覚センサの構成要素を設定し、隔壁部からの反射波Ｒｂの波高と表皮部からの反射波Ｒｄの波高が、ほぼ等しくすることによって、表面性状Ａおよび表面性状Ｂに対する十分な情報量を確保し、対象物の表面に対する人間の触感にあった触覚情報を定量的に得ることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
指荷重が小さい場合にも、反射波Ｒｂの位相の変化から指荷重の大きさを検出することができるが、反射波Ｒｂの波高の変化は殆どなく、微小な凹凸の検出は難しい。本センサ１０は、真皮部２の膜厚Ｄｄを超音波探触子から発信された超音波の１／４波長以下とし、隔壁部１５を通過して真皮部２との界面（隔壁部１５の下面）において反射する反射波Ｒｃと、表皮部３からの反射波Ｒｄによって形成される干渉波について、その干渉波の波高の変化を検知することによって小さな凹凸の情報を取り出すことを可能とした。真皮部２の膜厚Ｄｄが厚い場合の干渉波の波高の状態を図４（Ｃ）に、薄い場合の干渉波の波高の状態を、図４（Ｄ）に例示する。つまり、２０μｍ以下の凹凸に対し、さらには数μｍの微小な凹凸に対しても、その変化に対応した情報を取り出すことができ、微小な凹凸に関する表面性状Ｂを推定することができる。図５は、真皮部２の厚みＤｄと干渉波の波高情報との相関を実証した結果を示す。膜厚（Ｄｄ）が超音波探触子から発信された超音波の１／４波長以下において、膜厚に対応した相関性の高い干渉波の波高を取り出すことができ、それを超えると相関を得ることが難しいことが判る。適正な膜厚条件を設定することによって、微小な凹凸の状態を精度よく検知することができる。