計測自動制御学会東北支部第232回研究集会（2006．11．24）
資料番号232−14光センサを用いた半球レンズによる柔らかさ測定方法
Method of measuring softness using hemispherelens with opticalsensor
O 土川義貴（Yoshitaka Tuchikawa）柳沼孝イ有（TakayukiYaginuma）横田理（Osamu Yokota）
日本大学工学部（Nihon University）

キーワード：半球レンズ（hemispherelens）シリコーン（Silicone）入射光（incidentlight）
射出光（reflectedlight）受光減少率（reduction rate of receivedlight）
1 緒言

現在，ピラミッドアレイ状センサや球面状センサなどの光導波路触覚センサが開発されているが，これらは被測定物が接触部より硬い場合でな

1ncidentIight Reflected LightABCCB Aければ測定できない．
本研究では，被測定物の硬度に係わらず，柔らHemisphere

かさに適用できる接触測定方法を目的とした，光センサを用いたデバイスを開発した．本研究はこれまで，接触部は一様な硬さのシリコーンで作ら（a）Propagation oflightin the atmosphere

れた半球レンズ（1層式と呼ぶ）を使用し測定を行

lncidentlight RefIectedlightっていたが，1層式では測定が不十分であった．
そこで，半球レンズ内により柔らかいシリコーン

lensABBA

ゲルを注入した半球レンズ（2層式と呼ぶ）にすることによって輝度の測定範囲を拡大した．今回はその2層式のシリコーンゲルの割合を変えて測定した結果を報告する．

2 測定原理
スネルの法則1）により，屈折率が大きい媒質（シリコーン）から小さい媒質（大気）に光が入射する時，入射角が臨界角以上になると全反射し，臨界角以下では，反射と屈折が起きる．
Fig．1（a）は，半球レンズに投光された光の伝播を示す．外周面付近からの入射光A，Bは入射角が大きく，また半球レンズは屈折率も大きいため，全反射した射出光A ，B となる．中心付近の入射光Cは入射角が小さく，反射・屈折により，受光量が減少し，受光部の位置が明確ではない．

以上のことから，受光位置が明確とされる入射光AあるいはBの投光位置で測定を行う．

次に接触時に被測定物が半球レンズより硬い
場合をFig．1（b）に示す．入射光A，Bは，半球レンズが弾性変形することにより，反射角が臨界角（b）The casein which measurement objectis

harder than henlispherelens
1ncidentlight RefLectedlight
ABBA二三トSPhereIens

腎￣ 一■■Measurement
Oヒ扇ect（c）The casein which hemispherelensis
harder than measurement object
Fig．1Principle of measurement

以下になり，全反射していた光は，反射・屈折する．そのため，光量A，Bは共に減少する．
最後に接触時に被測定物が半球レンズより軟らかい場合をFig．1（c）に示す．被測定物だけの変形により，入射光A，Bはほぼ全反射し射出光
A ，B は僅かに減少する．

以上の測定原理を利用することにより，接触状態で被測定物の柔らかさの評価ができる．

Fig．2Experimentalapparatus

3 実験装置積が少なくなることから，面積変化は軟体物の柔実験装置の概略図をFig．2に示す．実験装置は半球レンズ，光センサシステム，ロードセル，変位センサ，およびデジタルレコーダーから構成されている．半球レンズを直径30［mm］とし，被測らかさを評価する資料となると考えられる．

6 結言（1）2層式半球レンズのシリコーンゲルの割合は，8［g］入っている暗が受光減少率の変化が大きく定物は縦・横30×30［mm］，厚さ10［mm］とした．

現れることがわかった．また，水分の有無で受光減少率に差は現れたが，水分を含む各軟体物の受光減少率に差が現れなかったので，水分の影響に

4 実験方法
半球レンズと被測定物が接触するところを原点

よる光の減衰の対策をする必要がある．
（2）受光部の写真では，変位量が増えるごとに，とし0．1［mm］毎接触させ，変位量が［2mm］までの各受光量の測定を行った．なお，柔らかさの評価
は受光減少率とし，次式で表す．

0250−
辞去ぎ
−

5 実験結果5．1 水分の影響

UO芋0コPむ∝

し，GrayVa132を用いて撮影画像を比較した．

5

上記の方法で射出部をマイクロスコープで棉影

2

ここでのAは接触直前の受光量，A は任意の変位量における接触後の受光量を表す．次いで，（1）

Pむ＞芯じ巴−○むl巴

受光減少率＝各軟体物も受光部が変形していることから，受光減少率が大きくなっていくことがわかる．

測定の結果，軟体物の表面にある水分が，半球レンズに接触することにより毛管現象が現れ，受光減少率の値が安定しなかった．したがって，受1．5

12Displacement，mm（a）Experiment result using silicone gel

光減少率が安定する変位0．5［mm］の時点を原点

比較をFig．3（a）に示す．全体的に変位1．5［mm］軟体物の測定結果をFig．3（b）に示す、受光減△Jelly05．3 軟体物の測定

OCotton tofuu
Devils tongueue●Silken tofu

0るが，シリコーンゲルが8［g］のときに，受光減少率の差が大きかった．よって，ここではシリコーンゲルが8［g］の半球レンズによる軟体物を中心に比較を行う．

uO〜︸0コマむ∝あたりから，シリコーンゲルの量ごとに受光減少率に差が現れた．各軟体物により多少の誤差はあ

▲PVC

02
㌔亡もニ

5．2 2層式のゲルの比較
シリコーンゲルの量の割合を変えたゼリーのPむ＞芯0巴−0む葛﹂とし，比較を行った．

1．5

1Displacement，mm（b）Experiment result using soft objects

Fig．3 Relation between reduction rate ofreceivedlight and displacement

少率は変位量の増大と共に増加し比例傾向にある．上からPVC（塩化ポリビニール），木綿豆腐，コンニャク，絹豆腐，ゼリーの順で受光減少率に差が現れた．PCVと他の軟体物との差は，水分による光の減衰によるものと考えられ，水を含む軟体物は受光減少率の差が現れず判別しにくい．
また，この実験とは別に，同じ軟体物を被験者10人の硬軟判別を行ったが上記と結果と異なった．このため水分が共に柔らかさに影響していると考えられる．

5．4 受光部の解析
Fig．4は接触前と変位量2［mm］の接触後のPVCの受光部の写真を示す．接触前と接触後の光の形の違いを見ることができ，これは半球レンズの変形による光の減衰と考えられる．また，輝度の面

Olnmlm2mm

Fig．4Photograph of PVC（displacement ofOm〜2m）
7 参考文献1） 栖原敏明：光波工学，（1998）
2） 高橋大輔：光センサを用いた微小接触および微小変形，（2005）．修士学位論文