超音波センサー、触覚センサー、および把持装置
【課題】簡単な構成で、接触物の接触検出が可能な触覚センサー、および把持装置を提供する。
【解決手段】触覚センサーは、基板１１と、基板１１上に設けられ、接触物の接触により弾性変形可能な弾性膜１５と、弾性膜１５の内部に設けられ、弾性膜１５が弾性変形すると、その変形に応じて位置が移動する超音波反射体１６と、基板１１上に設けられ、弾性膜１５内に超音波を発信するとともに、超音波反射体１６により反射された超音波を受信する複数の超音波素子２０と、各超音波素子２０の超音波の発信および受信を制御する制御部と、を備え、超音波反射体１６は、超音波素子２０に対向する素子対向面１６１を、複数の超音波素子２０のそれぞれに対応して複数有する。
【解決手段】触覚センサーは、基板１１と、基板１１上に設けられ、接触物の接触により弾性変形可能な弾性膜１５と、弾性膜１５の内部に設けられ、弾性膜１５が弾性変形すると、その変形に応じて位置が移動する超音波反射体１６と、基板１１上に設けられ、弾性膜１５内に超音波を発信するとともに、超音波反射体１６により反射された超音波を受信する複数の超音波素子２０と、各超音波素子２０の超音波の発信および受信を制御する制御部と、を備え、超音波反射体１６は、超音波素子２０に対向する素子対向面１６１を、複数の超音波素子２０のそれぞれに対応して複数有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を発信する超音波センサー、および超音波センサーから発信された超音波により接触物の接触を検出する触覚センサー、および触覚センサーを備えた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持する際に、対象物の接触により作用する応力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通されている。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により正圧力が測定可能となる。ここで、この触覚センサーでは、センサー基板に対して起立した構造体により剪断力が検出され、センサー基板に対して平行に保持される構造体により正圧力が検出される。また、起立した構造体は、平板状の構造体を磁力により折り曲げることで形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０８２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のような触覚センサーでは、センサー基板に対して起立させる構造体と、センサー基板に対して平行に保持する構造体とが分離され、起立した構造体により剪断力が検出され、基板に対して平行な構造体により正圧力が検出される。このような剪断力検出用の構造体は、正圧力検出用の構造体を磁力により曲げる必要があり、複雑な立体構造を有しているため、生産性が悪く、生産コストも増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡単な構成で、接触物の接触検出が可能な超音波センサー、触覚センサー、および把持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波センサーは、基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子と接して配置される弾性変形可能な弾性膜と、前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、を備え、前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有することを特徴とする。
ここで、本発明で述べる、「超音波素子に対向する素子対向面」とは、素子対向面の法線方向への射影空間内に超音波素子が存在していることを意味する。
【０００８】
この発明では、超音波反射体は複数の素子対向面を有し、基板には、これらの素子対向面に対向して複数の超音波素子が設けられている。このような構造では、超音波素子から超音波を発信し、超音波素子に対向する素子対向面で反射された超音波を当該超音波素子で受信し、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間（ＴＯＦデータ）を計測することで、超音波素子から素子対向面までの距離を検出することが可能となる。
そして、弾性膜に接触物が接触して弾性膜が弾性変形すると、超音波反射体は、弾性膜の変形に応じた位置に移動される。この時、弾性膜の変形前のＴＯＦデータと、弾性膜の変形後のＴＯＦデータとの差分を算出することで、各素子対向面の移動方向および移動量をもとめることができる。また、各素子対向面の移動方向および移動量が分かれば、超音波反射体全体としての移動方向および移動距離をも分析することが可能となり、弾性膜に作用する応力をも算出することが可能となる。
このような構成では、超音波素子が配設された基板上に弾性膜を形成し、弾性膜中に超音波反射体を埋設させる構成であるため、例えば立体的な検出部材を基板上に形成するような構成に比べて、構成を簡略化でき、生産性も良好となり、生産コストも低減させることができる。
【０００９】
本発明の超音波センサーでは、前記基板の表面に沿う一軸をＸ軸とし、前記基板の表面に沿い、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸およびＺ軸とした際に、前記超音波反射体は、前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、前記頂部からＸ軸における＋Ｘ方向に連続して設けられる第一素子対向面と、前記頂部からＸ軸における−Ｘ方向に連続して設けられる第二素子対向面と、を有し、前記第一素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で＋Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第二素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で−Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がＸ軸に沿って配設されていることが好ましい。
【００１０】
この発明では、超音波反射体の第一素子対向面および第一超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第一素子対向面の法線方向への移動量（第一法線ベクトル）が算出可能となり、第二素子対向面および第二超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第二素子対向面の法線方向の移動量（第二法線ベクトル）が算出可能となる。また、第一法線ベクトルの第二傾斜角度方向へのベクトル成分（第一成分ベクトル）、第二法線ベクトルの第一傾斜角度方向へのベクトル成分（第二成分ベクトル）をそれぞれ算出することが可能となる。ここで、これらの第一成分ベクトルおよび第二成分ベクトルは、Ｙ軸に沿う方向（以降、Ｙ軸方向と称す）の移動量成分が含まれてないため、これらをベクトル合成することで、超音波反射体のＸＺ平面内で移動ベクトル（ＸＺ移動ベクトル）を算出することが可能となる。したがって、このＸＺ移動ベクトルを、それぞれ、Ｘ軸に平行なベクトル成分と、Ｚに沿う方向（以降Ｚ軸方向と称す）に平行なベクトル成分に分解することで、超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸に沿う方向（以降、Ｘ軸方向と称す）への移動量をそれぞれ算出することが可能となり、弾性膜のＺ軸方向に作用する力（正圧力）と、弾性膜のＸ軸方向に作用する力（Ｘ方向剪断力）と、を算出することが可能となる。すなわち、上記のような構成の超音波反射体および超音波素子を用いることで、ベクトル演算のみにより容易に超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、正圧力、およびＸ方向剪断力を算出することができる。
【００１１】
本発明の超音波センサーでは、前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、Ｘ軸に対して４５度であることが好ましい。
【００１２】
この発明では、第一傾斜角度および第二傾斜角度は、それぞれＸ軸に対して４５度に設定されている。このため、第一成分ベクトルと第一法線ベクトルとが同一となり、第二成分ベクトルと第二法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をより簡略化することができ、より容易に超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、正圧力、およびＸ方向剪断力を算出することができる。
【００１３】
本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、前記頂部からＹ軸における＋Ｙ方向に連続して設けられる第三素子対向面と、前記頂部からＹ軸における−Ｙ方向に連続して設けられる第四素子対向面と、を有し、前記第三素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で＋Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第四素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で−Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がＹ軸方向に沿って配設されていることが好ましい。
【００１４】
この発明では、上記に加えてさらに、Ｘ軸方向の移動成分が含まれない、第三素子対向面の法線方向への移動量（第三法線ベクトル）、および第四素子対向面の法線方向への移動量（第四法線ベクトル）が算出可能となり、これらの第三法線ベクトルの第四傾斜角度方向へのベクトル成分（第三成分ベクトル）、第四法線ベクトルの第三傾斜角度方向へのベクトル成分（第四成分ベクトル）が算出することが可能となる。したがって、これらの第三成分ベクトルおよび第四成分ベクトルの合成ベクトルから超音波反射体のＹＺ平面内での移動ベクトル（ＹＺ移動ベクトル）を算出することが可能となり、このＹＺ移動ベクトルから、超音波反射体のＹ軸方向への移動量や、弾性膜のＹ軸方向に作用する力（Ｙ方向剪断力）をも容易に算出することが可能となる。また、上記発明により算出されるＸ方向剪断力と、Ｙ方向剪断力に基づいて、ＸＹ平面内での剪断力の大きさ、および剪断力の方向をも容易に算出することができる
【００１５】
本発明の超音波センサーでは、前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Ｙ軸に対して４５度であることが好ましい。
【００１６】
この発明では、上記発明と同様に、第三傾斜角度および第四傾斜角度が、それぞれ、Ｙ軸に対して４５度に設定されているため、第三成分ベクトルと第三法線ベクトルとが同一となり、第四成分ベクトルと第四法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をさらに簡略化することができ、より容易に超音波反射体のＹ軸方向への移動量、およびＹ方向剪断力を算出することができる。
【００１７】
本発明の超音波センサーでは、前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されていることが好ましい。
【００１８】
この発明では、第五素子対向面と、第五超音波素子とにより、超音波反射体のＺ軸方向の移動量を算出することが可能となる。
ここで、上記したように、ＸＺ移動ベクトルやＹＺ移動ベクトルから、超音波反射体のＺ軸方向の移動量を算出することができるが、基板に最も近い位置の頂部（第五素子対向面）の移動量を第五超音波素子により算出することで、超音波反射体のＺ軸方向への移動量をより高精度に検出することができる。このような第五素子対向面および第五超音波素子により検出された超音波反射体のＺ軸方向への移動量を用いて、超音波反射体のＸ軸方向移動量やＹ軸方向移動量を算出することで、より精度の高い移動量を算出することができ、正圧力および剪断力を算出する際にもより精度の高い値を算出することが可能となる。
【００１９】
本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、四角錐台形状であることが好ましい。
【００２０】
この発明では、超音波反射体が第一〜第五素子対向面を有する四角錐台形状であるため、上記のように、超音波反射体のＺ軸方向移動量、Ｘ軸方向移動量、およびＹ軸方向移動量を高精度に検出することができる。
また、これらの素子対向面がそれぞれ平面で構成される場合、超音波の反射面を大きくすることができる。例えば、所定面積を有する超音波素子から全方位拡散性の超音波（指向性を有さない超音波）を発信させ、球状の超音波反射体により超音波を反射させる場合、超音波反射体の表面のうち、超音波を当該超音波素子の方向に反射させることができる部分は１点のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体では、各超音波対向面のうち、法線方向に当該超音波素子が存在する領域内で反射された超音波が当該超音波素子に反射されて受信されることとなる。これにより、超音波の受信感度が良好となり、検出精度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の超音波センサーでは、前記基板上には、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置されたことが好ましい。
【００２２】
この発明では、１つのセンサー本体により、そのセンサー本体内の弾性膜に接触物が接触した際の弾性膜の歪み量や応力を測定することができ、このようなセンサー本体をアレイ状に配置することで、例えば一定面積を有する接触面のどの位置に接触物が接触しても、いずれかのセンサー本体により応力を検出することができる。
【００２３】
本発明の超音波センサーでは、前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられたことが好ましい。
【００２４】
この発明では、超音波センサーには、近接検出用超音波素子が設けられ、超音波センサーに近接する接触物までの距離を検出することができる。このような構成では、例えば、近接検出用超音波素子にて検出された超音波センサーと接触物との距離が、予め設定された規定値となった状態で、各超音波素子から超音波を出力させるなどの制御も可能となり、省エネルギー化を図ることも可能となる。
【００２５】
本発明の触覚センサーは、上述のような超音波センサーと、前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２６】
この発明では、触覚センサーは、上述のような超音波センサーを備えている。したがって、制御部により、超音波センサーの超音波の送受信を制御することで、上述のように、簡単な構成で、弾性膜に接触物が接触した際の剪断力や押圧力といった応力を検出することができる。
【００２７】
本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、を備えたことが好ましい。
【００２８】
この発明では、超音波発信制御部により各超音波素子の超音波発信タイミングが制御され、時間計測部により、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測し、移動量算出部により、計測された時間に基づいて、超音波反射体の移動量を算出する。
このため、各超音波素子に対して超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、各超音波素子に対応する超音波反射体の素子対向面の移動ベクトルを算出することができる。したがって、上述したように、これらの移動ベクトルを合成することで、超音波反射体全体としての移動量および移動ベクトルを容易に算出することができる。
【００２９】
本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備えることが好ましい。
【００３０】
この発明では、応力算出部は、弾性膜のヤング率と、移動量算出部により算出された超音波反射体の移動量とを乗算することで、弾性膜に作用する応力を算出する。つまり、移動量算出部により算出される超音波反射体のＺ軸方向への移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、正圧力を算出することができ、超音波反射体のＸＹ平面方向での移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、剪断力を算出することができる。
【００３１】
本発明の触覚センサーでは、前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、これらの複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、当該触覚センサーは、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、を備えることが好ましい。
【００３２】
ここで、記憶部に記憶される、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データとは、例えば、弾性膜に作用する応力に対する接触物の接触面の粗さが記録されたデータであってもよく、弾性膜に作用する応力に対する接触物の材質の種別が記録されたデータであってもよい。また、例えば接触物が弾性体である場合、弾性膜に作用する応力に対する弾性体の柔らかさが記録されるものであってもよい。
【００３３】
この発明では、接触物判別部は、記憶部から上記のような相関データを読み出し、この相関データから、応力算出部で算出された応力に対する接触物の状態を判別する。
このような構成では、例えば、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の粗さデータが記録されている場合、弾性膜に接触した接触物の粗さを求めることができ、粗さからさらに接触物の接触面の素材を求めることもできる。また、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の素材が記録されている場合では、算出された応力から、直接接触物の接触面における素材を検出することもできる。さらには、相関データとして、例えば、応力に対する接触物の柔らかさデータが記録されている場合、例えばパン生地の捏ね状態などを、触覚センサーで判別して最適な捏ね状態であるか否かを判断することもできる。
【００３４】
本発明の把持装置は、上述のような触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００３５】
この発明では、上記したように、触覚センサーにより、把持の対象物を把持した際の剪断力を計測することで、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを計測することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
また、上述したように、把持装置を構成する触覚センサーは、基板上に、超音波素子、超音波反射体が埋設された弾性膜を積層させただけの簡単な構成を有するものであり、容易に製造可能であり、このような触覚センサーを用いた把持装置においても、同様に簡単な構成とすることができ、製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る第一実施形態の触覚センサーのセンサー本体の概略構成を示す平面図である。
【図２】第一実施形態のセンサー本体をＸＺ平面で断面した断面図である。
【図３】第一実施形態のセンサー本体をＹＺ平面で断面した断面図である。
【図４】第一実施形態の触覚センサーの概略構成を示すブロック図である。
【図５】図２において、接触物が弾性膜に接触して超音波反射体が移動した状態を示す断面図である。
【図６】超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。
【図７】第一実施形態の触覚センサーの応力算出処理のフローチャートである。
【図８】第二実施形態における超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。
【図９】第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す平面図である。
【図１０】図９におけるセンサーアレイのうち、互いに隣接する２つのセンサー本体の断面構造を示した断面図である。
【図１１】第三実施形態の触覚センサーにおける制御部の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
【図１３】第四実施形態の把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
【図１４】第四実施形態の制御装置の制御による把持装置の把持動作を示すフローチャートである。
【図１５】第四実施形態の把持装置の把持動作時において、アーム駆動部への駆動制御信号、触覚センサーから出力される検出信号の発信タイミングを示すタイミング図である。
【図１６】第五実施形態に係るアイロンの概略構成を示すブロック図である。
【図１７】第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
〔１．触覚センサーの構成〕
図１は、第一実施形態の触覚センサー１におけるセンサー本体１０（超音波センサー）の概略構成を示す平面図であり、図２は、センサー本体１０をＸＺ平面で断面した断面図であり、図３は、センサー本体１０でＹＺ平面に断面した断面図である。
【００３８】
触覚センサー１は、少なくとも１つ以上のセンサー本体１０を備えた超音波センサーと、後述する制御部３０（図４参照）と、を備えて構成されている。センサー本体１０は、図１に示すように、基板１１上、支持膜１４、超音波素子２０、および弾性膜１５を積層することで構成されており、弾性膜１５の内部には、超音波反射体１６が埋設されている。この触覚センサー１は、弾性膜１５に接触物が接触した際に加わる正圧力および剪断力を検出するセンサーである。
なお、第一実施形態では、超音波センサーとして、センサー本体１０が１つ設けられた例を示すが、これに限定されず、超音波センサーとして、これらのセンサー本体１０が複数設けられる構成としてもよい。また、複数のセンサー本体１０がアレイ状に配設された構成を有する超音波センサーについては、後述の第三実施形態において説明する。
【００３９】
（１−１．基板の構成）
基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。この基板１１には、図１〜図３に示すように、１つの超音波反射体１６に対して、５つの開口部１１１が形成されている。具体的には、図１に示すように、基板１１を厚み方向から見た平面視（センサー平面視）において、超音波反射体の設置位置を原点とし、図１の左右方向にＸ軸、上下方向にＹ軸を設定した場合、開口部１１１は、座標位置（ａ，０）、（−ａ，０）、（０，ａ）、（０，−ａ）、（０，０）にそれぞれ設けられている。
なお、この開口部１１１は、基板１１の厚み方向から当該基板１１を見る平面視（センサー平面視）において、円形状に形成されているが、例えば矩形上などに形成されていてもよい。また、基板１１厚み方向を貫通する開口部１１１を例示したが、例えば、基板１１の弾性膜１５側の面（図２、図３における上側）にエッチング等により凹状溝を形成して開口部１１１とする構成としてもよい。さらには、基板１１上に支持膜１４を形成する構成を例示したが、基板１１の弾性膜１５とは反対側の面（図２、図３の下側）からエッチング等により凹状溝を形成し、溝底部を支持膜１４とし溝内部を開口部１１１とする構成としてもよい。
【００４０】
（１−２．超音波素子の構成）
超音波素子２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ）は、センサー平面視において、開口部１１１の内側領域に配置されている。ここで、座標（ａ，０）には、第一超音波素子２０Ａが配置され、座標（−ａ，０）には、第二超音波素子２０Ｂが配置され、座標（０，ａ）には、第三超音波素子２０Ｃが配置され、座標（０，−ａ）には、第四超音波素子２０Ｄが配置され、座標（０，０）には、第五超音波素子２０Ｅが配置されている。
これらの超音波素子２０は、開口部１１１と、開口部１１１を閉塞する支持膜１４（メンブレン１４１）と、膜状の圧電膜２１と、圧電膜２１を挟んで配置される下部電極２２および上部電極２３と、により構成されている。
【００４１】
支持膜１４は、図示は省略するが、基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ２層と、このＳｉＯ２層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ２層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ２層は、後述する超音波素子２０の焼成形成時に、圧電膜２１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、圧電膜２１が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ２層が形成されていないと、圧電膜２１に含まれるＰｂがＳｉＯ２層に拡散して、ＳｉＯ２層の融点が下がり、ＳｉＯ２層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ２層がない場合、圧電膜２１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ２層がＳｉＯ２層上に形成される場合、圧電膜２１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、支持膜１４のうち、開口部１１１を閉塞する領域をメンブレン１４１と称す。
【００４２】
圧電膜２１は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜２１としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）、窒化アルミ（AlN）、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いてもよい。
【００４３】
下部電極２２および上部電極２３は、圧電膜２１の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、下部電極２２は、圧電膜２１のメンブレン１４１に対向する面に形成され、上部電極２３は、下部電極２２が形成される面とは反対側の面に形成されている。
【００４４】
下部電極２２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極であり、メンブレン１４１内に形成される。この下部電極２２としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。
また、上部電極２３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この上部電極２３は、圧電膜２１の上面を覆って形成される。
【００４５】
また、図１に示すように、支持膜１４上には、下部電極２２の外周部から延出する下部電極線２２Ａ、および上部電極２３の外周部から延出する上部電極線２３Ａが、それぞれ形成されている。これらの電極線２２Ａ，２３Ａは、例えば基板１１の外周部に設けられる図示しない端子パッドまで引き出され、端子パッドから後述する制御部３０に接続される。
【００４６】
そして、このような超音波素子２０は、制御部３０から入力される信号（交流電圧）により振動し、弾性膜１５に超音波を発信する。具体的には、制御部３０から下部電極２２および上部電極２３間に交流電圧が印可されると、圧電膜２１が印可電圧に応じて伸縮する。これにより、支持膜１４が振動して超音波が弾性膜１５側に発信される。なお、本実施形態では、超音波素子２０から全方向に放射状に拡散する拡散型超音波が出力される。
また、超音波素子２０は、弾性膜１５から入力された超音波を受信して、受信信号を制御部３０に出力する。具体的には、電極２１，２２間に電圧が印可されていない状態で、弾性膜１５から超音波を入力されて支持膜１４が振動すると、圧電膜２１が支持膜１４の振動により伸縮する。この伸縮量に応じて圧電膜２１の下部電極２２側および上部電極２３側で電位差が発生し、下部電極２２および上部電極２３に圧電膜２１からの電流が流れて電気信号（受信信号）が出力される。
【００４７】
（１−３．弾性膜および超音波反射体の構成）
弾性膜１５は、上述のような支持膜１４、超音波素子２０を覆って形成される膜であり、超音波素子２０の保護膜としても機能する。この弾性膜１５としては、本実施形態では、例えばＰＤＭＳ（PolyDiMethylSiloxane）を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性膜１５の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。
【００４８】
また、弾性膜１５の表面には、図２および図３に示すように、接触層１５１が形成されている。この接触層１５１は、接触物が接触して剪断方向に変位した際、その剪断力を弾性膜１５に伝達させて歪ませるために、常に一定の摩擦係数を保つ必要があり、交換可能なフィルム材などにより形成されることが好ましい。また、超音波素子２０から発信された超音波が接触層１５１により反射されると、弾性膜１５の内部で超音波が乱反射してしまい、各超音波素子２０での測定精度が低下してしまうおそれがある。このため、接触層１５１は、超音波を吸収または表面で散乱させる形状に形成されることが好ましい。このような接触層１５１としては、例えば、フェルトや不織布、内部にシリカなどを混合させて多孔質にしたポリマーを接着したＰＥＴフィルムなどを例示することができる。
【００４９】
そして、座標（０，０）の位置には、弾性膜１５の内部に超音波反射体１６が埋設されている。この超音波反射体１６は、弾性膜１５と異なる音響インピーダンスを有している。したがって、弾性膜１５を進む超音波は超音波反射体１６の表面で反射される。
この超音波反射体１６は、図１〜図３に示すように、正四角錐台形状に形成される。なお、本実施形態では、外周表面の形状が正四角錐台形状となる器状の超音波反射体１６を例示するが、例えばブロック状の四角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
【００５０】
具体的には、超音波反射体１６は、基板１１に対向する頂部である第五素子対向面１６１Ｅを中心として４つの台形状の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄを備えている。
図１、図２に示すように、第一素子対向面１６１Ａは、第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｘ方向側に連続し、ＸＺ平面において＋Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｙ軸に平行な直線とで規定される平面である。第二素子対向面１６１Ｂは、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｘ方向側に連続し、ＸＺ平面において−Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｙ軸に平行な直線とで規定される平面である。
また、図１、図３に示すように、第三素子対向面１６１Ｃは、第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｙ方向側に連続し、ＹＺ平面において＋Ｙ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｘ軸に平行な直線とで規定される平面である。第四素子対向面１６１Ｄは、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｙ方向側に連続し、ＹＺ平面において−Ｙ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｘ軸に平行な直線とにより規定される平面である。
ここで、図２、図３に示すように、超音波素子２０Ａ〜２０Ｅは、各素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｅの法線方向上に位置するものであり、すなわち各素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｅの法線方向への射影空間内に位置している。
【００５１】
（１−４．制御部の構成）
図４は、触覚センサー１の概略構成を示すブロック図である。
制御部３０は、図４に示すように、素子切替回路３１と、送受信切替回路３２と、送受信切替制御部３３と、超音波信号発信回路３４と、時間計測部３５と、記憶部３６と、演算処理部３７と、を備えている。なお、素子切替回路３１、送受信切替回路３２、送受信切替制御部３３、および超音波信号発信回路３４により本発明の超音波発信制御部が構成される。
【００５２】
素子切替回路３１は、センサー本体１０の５つの超音波素子２０のうち、駆動させる超音波素子２０を切り替えるスイッチング回路である。
本実施形態の触覚センサー１では、１つの超音波素子２０から超音波の送受信が実施されている間、他の超音波素子２０への駆動信号の出力、および他の超音波素子２０からの受信信号の受信は実施しない。これにより、駆動対象となった超音波素子２０では、他の超音波素子２０から発信された超音波を受信してしまい、ノイズが検出される不都合や、駆動対象以外の超音波素子２０から受信信号が検出されてしまう不都合を回避できる。
この素子切替回路３１は、例えば、各超音波素子２０の下部電極線２２Ａおよび上部電極線２３Ａに接続される端子群を備え、送受信切替制御部３３から入力される指令信号に基づいて、指令信号に対応する超音波素子２０に対応した端子群と、送受信切替回路３２とを接続する。また、駆動させない超音波素子２０に対応した端子群は、例えば、下部電極線２２Ａおよび上部電極線２３Ａの双方をＧＮＤに接続するなどすることで、駆動させない構成としてもよい。
【００５３】
送受信切替回路３２は、送受信切替制御部３３から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、送受信切替制御部３３から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、送受信切替回路３２は、超音波信号発信回路３４から入力された駆動信号を、センサー本体１０の超音波素子２０Ａ〜２０Ｅに出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
一方、送受信切替回路３２は、送受信切替制御部３３から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、センサー本体１０の超音波素子２０Ａ〜２０Ｅから入力される受信信号を時間計測部３５に出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
【００５４】
送受信切替制御部３３は、各超音波素子２０から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子２０にて超音波を受信させる超音波受信モードと、を切り替える。
具体的には、送受信切替制御部３３は、例えば触覚センサー１の電源がＯＮ状態に切り替わると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２に超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路３４から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。また、送受信切替制御部３３は、図示しない計時部（タイマー）により計測される時間を監視し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、超音波素子２０から例えば１〜２周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。超音波受信モードでは、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２に超音波受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、送受信切替回路３２を、超音波素子２０から入力される受信信号を時間計測部３５に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
【００５５】
超音波信号発信回路３４は、発信モードにおいて、送受信切替制御部３３から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、超音波素子２０を駆動させるための駆動信号（駆動パルス）を送受信切替回路３２に出力する。
【００５６】
時間計測部３５は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されまでの時間を計測する。
具体的には、時間計測部３５は、送受信切替制御部３３が超音波発信モードに切り替える処理を実施した超音波発信タイミング、すなわち超音波素子２０から超音波が発信されてからの時間をカウントする。なお、送受信切替制御部３３は、超音波発信タイミングで、計時部でカウントされる時間をリセットする。そして、送受信切替制御部３３が超音波受信モードに切り替える処理を実施し、超音波素子２０で受信された反射超音波に応じた受信信号が送受信切替回路３２から時間計測部３５に入力されると、時間計測部３５は、その入力されたタイミングでの時間（ＴＯＦデータ：Time Of Flightデータ）を取得する。また、取得したＴＯＦデータは、演算処理部３７に入力される。
【００５７】
記憶部３６は、演算処理部３７の各種処理を実施するための各種プログラムや各種データなどを記憶する。
具体的には、記憶部３６には、弾性膜１５のヤング率、弾性膜１５における超音波の音速、演算処理部３７により実施される各種プログラムなどが予め記憶される。また、演算処理部３７で算出された各種データが記憶される構成などとしてもよい。さらに、記憶部３６には、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の傾斜角度が記録されてもよい。
【００５８】
演算処理部３７は、移動量算出部３７１と、応力算出部３７２とを備えている。具体的には、演算処理部３７は、中央演算回路やメモリーなどの演算回路、記憶回路などにより構成されるものであり、例えば記憶部３６に記憶される移動量算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、移動量算出部３７１として機能し、記憶部３６に記憶される応力算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、応力算出部３７２として機能する。
【００５９】
移動量算出部３７１は、時間計測部３５から入力されたＴＯＦデータと、記憶部３６に予め記憶されている弾性膜１５中での音速とに基づいて、超音波反射体の移動量、すなわち弾性膜１５の歪み量を算出する。
応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５の歪み量と、記憶部３６に予め記憶されている弾性膜１５のヤング率とに基づいて、弾性膜１５に作用する応力を算出する。
移動量算出部３７１の歪み量の算出方法（超音波反射体１６の移動量算出方法）、および応力算出部３７２の応力算出方法の詳細については、後述する。
【００６０】
〔２．触覚センサーの動作〕
次に、上記のような触覚センサー１による、正圧力および剪断力の測定動作について、図５、図６、図７に基づいて、詳細に説明する。なお、本実施形態では、弾性膜１５の歪みによる超音波反射体１６の回転は十分に小さく、無視出来るものとして以下説明する。また、超音波反射体１６のＹ軸方向への移動量の検出、弾性膜１５に作用するＹ軸方向への剪断力の検出は、Ｘ軸方向への移動量の検出、弾性膜１５に作用するＹ軸方向への剪断力の検出と同様の処理により算出することができるため、ここでの説明は省略する。
図５は、図２において、接触物Ｌが弾性膜１５に接触して超音波反射体１６が移動した状態を示す断面図である。図６は、超音波反射体１６が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体１６の移動量を算出するための説明図である。図５および図６において、二点鎖線で示される超音波反射体１６は、接触物Ｌが接触していない初期位置Ｐ０を示すものであり、実線で示される超音波反射体１６は接触物Ｌの接触による移動位置Ｐ１を示すものである。図７は、第一実施形態の触覚センサー１における応力算出処理のフローチャートである。
【００６１】
触覚センサー１による正圧力および剪断力を検出動作では、図７に示すように、まず、制御部３０は、素子設定変数ｎを初期化（ｎ＝０）する処理を行う（ステップＳ１）。
この後、制御部３０は、素子設定変数ｎに対応する超音波素子を駆動させてＴＯＦデータを取得する処理を実施する。
【００６２】
具体的には、制御部３０の送受信切替制御部３３は、超音波発信モードに切り替える。すなわち、送受信切替制御部３３は、素子切替回路３１を、第ｎ超音波素子２０への信号の送受信が可能な状態にスイッチングさせ、他の超音波素子２０への駆動信号の送信、他の超音波素子２０からの受信信号の受信を遮断する。また、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２を、駆動信号を超音波素子２０に出力可能な状態にスイッチングさせるとともに、超音波信号発信回路３４にて駆動信号を生成させ、送受信切替回路３２に出力させる。これにより、第ｎ超音波素子２０から１〜２バースト波の超音波が発信される（ステップＳ２）。また、この超音波発信タイミングで、送受信切替制御部３３は、タイマーをリセットする。
【００６３】
この後、送受信切替回路３２は、超音波受信モードに切り替え、送受信切替回路３２を超音波素子２０から入力された受信信号を時間計測部３５に出力可能な状態にスイッチングする（ステップＳ３）。
これにより、時間計測部３５は、受信信号が入力されると、タイマーの時間を取得、すなわち、超音波が、超音波素子２０から発信されて超音波反射体１６により反射されて超音波素子２０に戻ってくるまでの時間（ＴＯＦデータ）を取得する（ステップＳ４）。また、時間計測部３５は、取得したＴＯＦデータを記憶部３６に記憶させる。
ここで、記憶部３６には、先に記憶されたＴＯＦデータと、新たに記憶されたＴＯＦデータとの比較処理を実施するために、取得したＴＯＦデータを蓄積して記憶する。例えば、記憶部３６には、ループｍ−１回目に取得したＴＯＦデータと、ループｍ回目に取得したＴＯＦデータとが記憶される。
【００６４】
次に、制御部３０は、素子設定変数ｎの値が５（センサー本体１０に設けられる超音波素子２０の数）以上であるか否かを判断する（ステップＳ５）。
ここで、制御部３０は、素子設定変数ｎが４以下であると判断した場合、素子設定変数ｎに１を加算し（ステップＳ６）、ステップＳ２〜ステップＳ４の処理を繰り返し実施する。
【００６５】
一方、制御部３０は、素子設定変数ｎが５であると判断すると、取得したＴＯＦデータが、前回取得したＴＯＦデータと比べて変動しているか否かを判断する（ステップＳ７）。なお、例えば電源投入時など、触覚センサー１を初めて駆動させた状態では、ループ１回目に取得したＴＯＦデータしか記憶されていないので、ステップＳ１の処理に戻り、再度ステップＳ１〜ステップＳ５の処理を実施してループ２回目のＴＯＦデータを取得する。
また、記憶部３６に記憶されたＴＯＦデータに変動がない場合、すなわち、ループｍ−１回目のＴＯＦデータと、ループｍ回目のＴＯＦデータとの差が予め設定された閾値の範囲内である場合、制御部３０は、再びステップＳ１〜ステップＳ５の処理（ループｍ＋１回目の処理）を実施させる。
【００６６】
このステップＳ７において、ループｍ−１回目のＴＯＦデータと、ループｍ回目のＴＯＦデータとの差が閾値以上である場合、制御部３０は、これらのＴＯＦデータの変動量を算出する処理を実施する（ステップＳ８）。
このように、取得したＴＯＦデータに変動がある場合、触覚センサー１は、弾性膜１５に接触物Ｌが接触して、図５に示すように、弾性膜１５が弾性変形していることを意味する。
【００６７】
この後、移動量算出部３７１は、算出されたＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体１６の移動量を算出する（ステップＳ９）
このステップＳ９では、以下のようにして超音波反射体１６の移動量が算出される。
すなわち、超音波反射体１６が初期位置Ｐ０に位置する状態でのＴＯＦデータがＴ０であり、超音波反射体１６が位置Ｐ１に移動した際のＴＯＦデータがＴ１である場合、移動量算出部３７１は、次式によりＴＯＦデータの変動量に対する移動量Ｍを算出する。
【００６８】
[数１]
【００６９】
上記式（１）において、ｃは、弾性膜１５中の音速であり、記憶部３６に予め記憶されている。
ここで、各超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）から発信された超音波のうち、素子対向面１６１（１６１Ａ〜１６１Ｅ）で反射されて、元の超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）に戻る超音波成分は、素子対向面１６１（１６１Ａ〜１６１Ｅ）に対して垂直に入射した超音波である。例えば、第一超音波素子２０Ａから発信された超音波のうち、第一素子対向面１６１Ａに垂直に入射する超音波成分が、第一超音波素子２０Ａに向かって反射され、第一超音波素子２０Ａで受信される。
したがって、上記により求められる移動量Ｍは、各素子対向面１６１の法線方向への移動量であり、図６において、第一素子対向面１６１Ａの法線方向への移動に対応する第一法線ベクトル（Ａ）、第二素子対向面１６１Ｂの法線方向の移動に対応する第二法線ベクトル（Ｂ）で示される。
【００７０】
また、本実施形態の触覚センサー１において、超音波反射体１６の素子対向面１６１Ａ，１６１Ｂは、Ｘ軸に対して４５度の角度で傾斜している。このため、これらの図６に示すように、第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルが超音波反射体１６のＸＺ平面における移動ベクトル（ＸＺ移動ベクトル（Ｃ））となり、以下のベクトル式が成立する。
【００７１】
[数２]
【００７２】
したがって、移動量算出部３７１は、上記（２）式に示すベクトル式に基づいて、ＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出する。さらに、移動量算出部３７１は、このＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を、Ｘ軸方向の成分であるＸ剪断方向ベクトル（ｘ）と、Ｚ軸方向の成分である正圧方向ベクトル（ｚ）とに分解する。
ここで、Ｘ剪断方向ベクトル（ｘ）の絶対値が超音波反射体１６のＸ軸方向への移動量となり、弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量となる。また、正圧方向ベクトル（ｚ）の絶対値が超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量となり、弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量となる。
【００７３】
さらに、移動量算出部３７１は、第五超音波素子２０Ｅから発信された超音波が第五素子対向面１６１Ｅで反射されて第五超音波素子２０Ｅにまで戻るまでのＴＯＦデータの変動量を算出し、式（１）に基づいて、第五素子対向面１６１Ｅの移動量を算出する。
この第五素子対向面１６１Ｅの移動量は、超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量であるが、第一素子対向面１６１Ａ〜第四素子対向面１６１Ｄの移動に基づいて算出された値よりも高精度な値となる。これは、第五素子対向面１６１Ｅと第五超音波素子２０Ｅとの距離が、他の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄと、これらの素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄに対応する超音波素子２０Ａ〜２０Ｄとの距離に比べて小さく、超音波の減衰等が抑えられるためである。
したがって、移動量算出部３７１は、第五素子対向面１６１Ｅおよび第五超音波素子２０Ｅにより算出した超音波反射体１６のＺ軸方向の測定移動量と、式（２）に基づいて算出されたＺ軸方向の算出移動量とを比較し、これらの差が予め設定された規定値以上となる場合、測定移動量をＺ軸方向の移動量として設定する。また、この場合、移動量算出部３７１は、測定移動量に基づいた正圧方向ベクトル（ｚ）を設定し、式（２）に基づいてＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を補正する処理をしてもよい。
【００７４】
なお、上記において、超音波反射体１６がＺＸ方向にのみ移動する場合を例示して、移動量算出部３７１により、超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量（弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量）および超音波反射体１６のＸ軸方向への移動量（弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量）を算出したが、超音波反射体１６のＹ軸方向への移動量も同様の手法により、算出することができる。
【００７５】
つまり、移動量算出部３７１は、第三素子対向面１６１Ｃおよび第三超音波素子２０Ｃにより取得されるＴＯＦデータの変動量から第三素子対向面１６１Ｃの法線方向への移動量である第三法線ベクトルを算出し、第四素子対向面１６１Ｄおよび第四超音波素子２０Ｄにより取得されるＴＯＦデータの変動量から第四素子対向面１６１Ｄの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出する。
また、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１Ｄは、Ｙ軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しているため、第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルが超音波反射体１６のＹＺ移動ベクトルとなる。
したがって、移動量算出部３７１は、ＹＺ移動ベクトルを算出し、このＹＺ移動ベクトルをさらにＺ軸方向成分の正圧方向ベクトルと、Ｙ軸方向成分のＹ剪断方向ベクトルに分解する。この正圧方向ベクトルが弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量となり、Ｙ剪断方向ベクトルが弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量となる。
【００７６】
また、移動量算出部３７１は、上記のように算出されたＸ剪断方向ベクトルおよびＹ剪断方向ベクトルを合成することで、ＸＹ平面内での超音波反射体１６の移動方向および移動量を算出してもよい。
そして、移動量算出部３７１は、算出された超音波反射体１６の移動量を記憶部３６に記憶する。
【００７７】
このステップＳ９の後、制御部３０の応力算出部３７２は、弾性膜１５に作用する応力を算出する（ステップＳ１０）。
具体的には、応力算出部３７２は、記憶部３６に記憶された弾性膜１５のヤング率を読み出し、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、Ｘ軸方向への剪断力を算出する。
また、応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、正圧力を算出する。
同様にして、応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＹ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、Ｙ軸方向への剪断力を算出する。なお、ＸＹ平面での超音波反射体の移動量を算出した場合では、その移動量のヤング率を乗算することで、Ｘ軸方向の剪断力およびＹ軸方向の剪断力の合力を算出することもできる。
そして、応力算出部３７２は、算出された正圧力および剪断力を記憶部３６に記憶する。
【００７８】
〔３．第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の触覚センサー１では、センサー本体１０と、センサー本体１０を制御する制御部３０とを備えている。また、センサー本体１０は、基板１１と、基板１１上に設けられる５つの超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）と、これらの超音波素子２０を覆う弾性膜１５と、弾性膜１５内に埋設される超音波反射体１６とを備え、超音波反射体１６は、各超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）に対向する素子対向面１６１を備えている。
このような構成の触覚センサーでは、各超音波素子２０から得られるＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の移動量および移動方向を検出することができ、これらの移動量と弾性膜１５のヤング率を乗算することで、弾性膜１５に作用する応力を算出することができる。
また、基板１１上に超音波素子２０および弾性膜１５を積層するだけの構成であるため、例えば立体的な剪断力検出構造体を設ける場合などに比べて、構成を簡単にでき、生産性を向上させることができ、生産コストをも低減させることができる。
【００７９】
そして、本実施形態の触覚センサー１では、超音波反射体１６は、正四角錐台形状に形成されており、正四角錐台形状を構成する第一素子対向面１６１Ａが、基板１１に対向する頂部である第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｘ側に設けられ、＋Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度で傾斜し、かつＹ軸に平行な傾斜面により形成されている。また、正四角錐台形状を構成する第二素子対向面１６１Ｂが、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｘ側に設けられ、−Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度で傾斜し、かつＹ軸に平行な傾斜面により形成されている。
このような構成では、第一超音波素子２０Ａおよび第一素子対向面１６１Ａにより取得されるＴＯＦデータの変動量および第二超音波素子２０Ｂおよび第二素子対向面１６１Ｂにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第一素子対向面１６１Ａの法線方向への移動量である第一法線ベクトル（Ａ）および第二素子対向面１６１Ｂの法線方向への移動量である第二法線ベクトル（Ｂ）を算出することができる。また、第一素子対向面１６１Ａ、第二素子対向面１６１ＢがそれぞれＸ軸に対して４５度で傾斜しているため、移動量算出部３７１は、これらの第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出することができる。また、移動量算出部３７１は、このＸＺ移動ベクトルを式（２）に示すように、正圧方向ベクトル（ｚ）と、Ｘ剪断力方向ベクトル（ｘ）に分解することで、弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量およびＸ軸方向の歪み量を容易に算出することができる。
【００８０】
また、同様に、第三超音波素子２０Ｃおよび第三素子対向面１６１Ｃにより取得されるＴＯＦデータの変動量および第四超音波素子２０Ｄおよび第四素子対向面１６１Ｄにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第三素子対向面１６１Ｃの法線方向への移動量である第三法線ベクトルおよび第四素子対向面１６１Ｄの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出することができる。このため、移動量算出部３７１は、これらの第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体１６のＹＺ移動ベクトルを算出することができ、弾性膜１５のＹ軸方向の歪み量を容易に算出することができる。
【００８１】
さらに、同様にして、第五超音波素子２０Ｅおよび第五素子対向面１６１Ｅにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第五素子対向面１６１Ｅの法線方向への移動量、すなわち超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量を直接測定することができる。
ここで、第五素子対向面１６１Ｅは、超音波反射体１６のうち頂部を構成し、基板１１に最も近接する位置に配置されるものであり、その直下に第五超音波素子２０Ｅが設けられている。このため、他の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄと、これに対応する超音波素子２０Ａ〜２０Ｄとの距離比べて、第五素子対向面１６１Ｅと第五超音波素子２０Ｅとの距離は近く、弾性膜１５中における超音波の減衰等がなく、精度の高いＴＯＦデータを取得することができる。したがって、このようなＴＯＦデータを用いて、超音波反射体１６のＺ軸方向の移動量を測定することで、高精度に移動量を測定することができる。
また、このような高精度に測定されたＺ軸方向の移動量に基づいて、超音波反射体１６のＸＹ剪断方向の移動量を補正することもでき、より精度の高い測定を実施することができる。
【００８２】
また、上述したように、正四角錐台形状の超音波反射体１６を用いる構成では、各素子対向面１６１が平面により形成されるため、超音波の反射領域を拡大させることができる。例えば、超音波反射体として、例えば球形状を有する構造とした場合、超音波素子２０から発信された超音波のうち、当該超音波素子２０に反射される超音波は、球面のうちの一点により反射される超音波のみとなるため、受信信号が小さく検出精度が悪化する。円錐台形状を有する構造である場合でも、超音波素子２０から発信された超音波のうち、当該超音波素子２０に反射される超音波は、曲面のうちの一直線上により反射される超音波のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体１６では、素子対向面１６１のうち、超音波素子２０に対向する面積領域内で反射される超音波が超音波素子２０に入力されるので、球面形状や円錐台形状の超音波反射体を用いる場合に比べて受信信号が大きくなり、検出精度を向上させることができる。
【００８３】
そして、本実施形態の触覚センサー１では、制御部３０は、超音波発信制御部を構成する送受信切替回路３２、送受信切替制御部３３および超音波信号発信回路３４と、各超音波素子２０から取得される受信信号に基づいて、ＴＯＦデータを取得する時間計測部３５と、時間計測部３５で取得されたＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部３７１とを備えている。
このような触覚センサー１では、上述したように、時間計測部３５により取得されたＴＯＦデータに基づいて、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の法線方向の移動量である法線ベクトルを算出でき、これらの法線ベクトルに基づいて超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、Ｙ軸方向への移動量、すなわち弾性膜１５のＸＹＺ各軸方向の歪み量をそれぞれ容易に算出することができる。
【００８４】
また、制御部３０は、応力算出部３７２を備え、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５の歪み量と弾性膜１５のヤング率から弾性膜１５に作用する応力、すなわち弾性膜１５に作用する剪断力、正圧力を容易に算出することができる。
【００８５】
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態の触覚センサー１について、図面に基づいて説明する。
上記第一実施形態では、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１ＢがＸ軸に対して４５度に傾斜し、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１ＤがＹ軸に対して４５度に傾斜する構成を例示した。
これに対して、第二実施形態では、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１Ｂが、Ｘ軸に対して０度＜θ＜９０度（θ≠４５度）に形成される例を示す。なお、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１ＤがＹ軸に対して０度＜θ＜９０度（θ≠４５度）に形成される場合も同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００８６】
上記第一実施形態のように、θ＝４５度に形成される場合では、第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルが超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトルとなったが、第二実施形態のように、θ≠４５度である場合、移動量算出部３７１は、上記ステップＳ９において、異なる処理によりＸＺ移動ベクトルを算出する。
図８は、第二実施形態における超音波反射体１６が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体１６の移動量を算出するための説明図である。なお、第二実施形態の触覚センサー１は、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１Ｂの傾斜角度が異なる点を除いて、上記第一実施形態と同様の構成であるため、各構成に同符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
第二実施形態の触覚センサー１では、弾性膜１５に接触物Ｌが接触すると、接触物Ｌから弾性膜１５にＺ軸方向への正圧力や、ＸＹ方向に沿う剪断力を受けると、図８に示すように、弾性膜１５が弾性変形して歪み、弾性膜１５の内部に埋設された超音波反射体も弾性膜１５の弾性変形に応じて位置が移動する。
【００８８】
ここで、第一超音波素子２０Ａから発信された超音波のうち、第一素子対向面１６１Ａで反射されて第一超音波素子２０Ａに戻る超音波成分は、第一素子対向面１６１Ａに対して垂直に入射した超音波である。したがって、上記第一実施形態と同様に、移動量算出部３７１は、式（１）に基づいて、第一法線ベクトル（Ａ）及び第二法線ベクトル（Ｂ）を算出する。
一方、超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトル（Ｃ）は、第一素子対向面１６１Ａの第二素子対向面１６１Ｂの傾斜角度（第一傾斜角度θ１）に沿うベクトル成分（第一成分ベクトル（Ａ´））と、第二素子対向面１６１Ｂの第一素子対向面１６１Ａの傾斜角度（第二傾斜角度θ２）に沿うベクトル成分（第二成分ベクトル（Ｂ´））との合成ベクトルにより表される。
【００８９】
したがって、移動量算出部３７１は、図８に示すように、第一法線ベクトル（Ａ）を分解して第一成分ベクトル（Ａ´）を算出し、第二法線ベクトル（Ｂ）を分解して第二成分ベクトル（Ｂ´）を算出する。これには、制御部３０の記憶部３６に、第一傾斜角度θ１、および第二傾斜角度θ２を予め記憶しておき、移動量算出部３７１は、これらの傾斜角度θ１，θ２を読み出し、下記式（３）により第一成分ベクトル（Ａ´）および第二成分ベクトル（Ｂ´）を算出する。
【００９０】
[数３]
【００９１】
この後、移動量算出部３７１は、第一成分ベクトル（Ａ´）および第二成分ベクトル（Ｂ´）を合成してＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出し、このＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を分解して、正圧方向ベクトル（ｚ）およびＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を算出する。
【００９２】
［第二実施形態の作用効果］
上記第二実施形態のような触覚センサー１でも、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第二実施形態では、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の傾斜角度が０度＜θ＜９０度であるいかなる場合であっても、精度よく正圧方向ベクトル（ｚ）およびＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を算出することができる。
したがって、例えば、超音波反射体１６の傾斜角度を０度＜θ＜４５度に設定することもでき、この場合、第一実施形態に比べて超音波反射体１６のＺ軸方向の厚み寸法を小さくでき、触覚センサー１のさらなる小型化を促進することができる。
【００９３】
[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
図９は、第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す図である。図１０は、図９におけるセンサーアレイ１０Ａ（超音波センサー）のうち、互いに隣接する２つのセンサー本体１０の断面構造を示した断面図である。なお、第一および第二実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略する。
第三実施形態の触覚センサー１Ａは、第一及び第二実施形態のセンサー本体１０を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って均等に配置したアレイ構造を有するセンサーアレイ１０Ａを備えている。
【００９４】
ここで、超音波センサーを構成するセンサーアレイ１０Ａにおいて、各センサー本体１０の基板１１および支持膜１４は共通部材であり、１つの基板１１上に支持膜１４が形成され、この支持膜１４上に図９に示すように、矩形上の区画に区分された各センサー本体１０が形成されている。
そして、センサーアレイ１０Ａの互いに隣り合うセンサー本体１０の間には、図１０に示すように、近接検出用超音波素子４０が設けられている。
【００９５】
この近接検出用超音波素子４０は、基板１１に形成される開口部１１１と、開口部１１１を閉塞する支持膜１４（メンブレン１４１）と、メンブレン１４１の内部領域に配置される膜上の圧電膜４１と、圧電膜４１を挟んで配置される下部電極４２および上部電極４３と、により構成されている。また、この近接検出用超音波素子４０上には、弾性膜１５は形成されない。したがって、近接検出用超音波素子４０に交流電圧を印可すると、超音波は、センサーアレイ１０Ａ直上に空気を伝搬して発信される。
【００９６】
ここで、圧電膜４１、下部電極４２、および上部電極４３は、超音波素子２０を構成する圧電膜２１、下部電極２２、および上部電極２３と同様の構成素材により構成されている。また、センサー平面視において、近接検出用超音波素子４０の開口部１１１およびメンブレン１４１は、超音波素子２０の開口部１１１およびメンブレン１４１よりも大きい面積に形成されており、圧電膜４１、下部電極４２、および上部電極４３も、圧電膜２１、下部電極２２、および上部電極２３より大きい面積を有している。これにより、近接検出用超音波素子４０は、超音波素子２０よりも大音圧の超音波を出力可能であり、より遠方にまで超音波を送出することができる。
このような触覚センサー１Ａでは、センサーアレイ１０Ａの直上に接触物Ｌが近接すると、近接検出用超音波素子４０から発信された超音波は、接触物Ｌで反射され、近接検出用超音波素子４０で受信される。
【００９７】
なお、図９において、センサー本体１０毎に弾性膜１５が分離される構成を例示したが、これに限定されず、例えば支持膜１４全体を覆う弾性膜１５が設けられる構成としてもよい。この場合、近接検出用超音波素子４０の直上領域のみ、弾性膜１５に開口を設け、この開口から距離検出用の超音波を発信させる構成とすればよい。
【００９８】
図１１は、触覚センサー１Ａにおける制御部３０Ａの概略構成を示すブロック図である。
制御部３０Ａは、図１１に示すように、第一および第二実施形態の各構成に加え、演算処理部３７は、距離算出部３７３を備えている。
この距離算出部３７３は、近接検出用超音波素子４０から出力される受信信号に基づいて、時間計測部３５でＴＯＦデータが取得されると、このＴＯＦデータに基づいて、センサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を算出する。具体的には、制御部３０Ａの記憶部３６には、空気中の音速が予め記憶されており、時間計測部３５は、取得したＴＯＦデータと記憶部３６から読み出した空気中の音速とに基づいて、センサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を算出する。
【００９９】
また、制御部３０Ａの送受信切替制御部３３は、触覚センサー１Ａの電源がＯＮ状態にされると、触覚センサー１Ａを待機モードに設定する。この待機状態では、送受信切替制御部３３は、超音波素子２０を停止させ、近接検出用超音波素子４０のみを駆動させる。すなわち、送受信切替制御部３３は、周期的に、近接検出用超音波素子４０から超音波を発信させる超音波発信モードと、近接検出用超音波素子４０にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。なお、近接検出用超音波素子４０の超音波発信モードでは、超音波信号発信回路３４は、超音波素子２０を駆動させるための駆動電圧より大きい駆動電圧を設定して、駆動信号として出力する。
【０１００】
そして、送受信切替制御部３３は、時間計測部３５において近接検出用超音波素子４０から出力された受信信号に基づくＴＯＦデータが取得されると、距離算出部３７３により算出されるセンサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を監視する。そして、送受信切替制御部３３は、このセンサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離が予め設定された閾値以下になったことを判断すると、駆動モードに設定する。この駆動モードでは、上記第一および第二実施形態と同様に、周期的に、超音波素子２０から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子２０にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。これにより、制御部３０Ａは、上記第一および第二実施形態と同様に、接触物Ｌが弾性膜１５に接触した際の弾性膜１５に作用する応力を算出する処理を実施する。この時、送受信切替制御部３３は、近接検出用超音波素子４０の駆動を停止させる。
そして、送受信切替制御部３３は、応力算出部３７２により算出される応力（正圧力および剪断力）が「０」になったと判断すると、再び待機モードに移行させ、超音波素子２０を停止させて、近接検出用超音波素子４０を駆動させる。
【０１０１】
［第三実施形態の作用効果］
上記第三実施形態の触覚センサー１Ａでは、上記第一実施形態の作用効果に加え、次の効果を奏することができる。すなわち、触覚センサー１Ａは、複数のセンサー本体１０をアレイ状に配設したセンサーアレイ１０Ａを備える。このため、複数のセンサー本体１０により広範囲に亘って正圧力および剪断力の検出を実施することができる。
【０１０２】
また、隣り合うセンサー本体１０間には、近接検出用超音波素子４０が設けられている。このため、近接検出用超音波素子４０から発信された超音波が、接触物Ｌにより反射されて戻ってきたか否かを判断することで、触覚センサー１Ａ近傍に接触物Ｌがあるか否かを判別することができる。
さらに、制御部３０Ａには距離算出部３７３が設けられているので、近接検出用超音波素子４０から出力される受信データに基づいて計測されるＴＯＦデータを用いて、センサーアレイ１０Ａから接触物Ｌまでの距離を算出することができる。
【０１０３】
さらには、送受信切替制御部３３は、距離算出部３７３により算出される接触物Ｌまでの距離が予め設定された閾値以上である場合に、超音波素子２０の駆動を停止させ、接触物Ｌまでの距離が予め設定された閾値より小さくなった際に、超音波素子２０を駆動させる。このように、超音波素子２０の駆動を切り替えることで、省電力化を図ることができる。
【０１０４】
[第四実施形態]
次に、上述した触覚センサー１，１Ａを用いた装置の応用例として、触覚センサー１Ａを備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
【０１０５】
図１２は、本発明に係る第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図１２において、把持装置５０は、少なくとも一対の把持アーム５１を備え、この把持アーム５１により、接触物Ｌ（把持対象物）を把持する装置である。この把持装置５０としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置５０は、前記把持アーム５１と、把持アーム５１を駆動するアーム駆動部５２と、アーム駆動部５２の駆動を制御する制御装置５４と、を備えて構成されている。
【０１０６】
一対の把持アーム５１は、それぞれ先端部に接触面である把持面５３を備え、この把持面５３を接触物Ｌに当接させて把持することで接触物Ｌを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム５１が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム５１により、接触物Ｌを３点支持により把持する構成などとしてもよい。
【０１０７】
把持アーム５１に設けられる把持面５３は、表面には、第三実施形態において説明した触覚センサー１Ａが設けられており、触覚センサー１Ａの表面部の弾性膜１５が露出されている。そして、把持アーム５１は、この弾性膜１５を接触物Ｌに接触させ、接触物Ｌに所定の圧力（正圧力）を印加することで、接触物Ｌを把持する。このような把持アーム５１では、把持面５３に設けられる触覚センサー１Ａにより、接触物Ｌに印加する正圧力、および把持した際に接触物Ｌが把持面５３から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置５４に出力する。
【０１０８】
アーム駆動部５２は、一対の把持アーム５１を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部５２としては、把持アーム５１を移動可能に保持する保持部材５５と、把持アーム５１を移動させる駆動力を発生する駆動源５６と、駆動源の駆動力を把持アーム５１に伝達させる駆動伝達部５７を備えている。
保持部材５５は、例えば把持アーム５１の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム５１を保持することで、把持アーム５１を移動可能に保持する。また、保持部材５５は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源５６は、例えば駆動モーターであり、制御装置５４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部５７は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源５６で発生した駆動力を把持アーム５１および保持部材５５に伝達させ、把持アーム５１および保持部材５５を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム５１を保持部材５５の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源５６としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部５７としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
【０１０９】
制御装置５４は、把持アーム５１の把持面５３に設けられる触覚センサー１Ａ、およびアーム駆動部５２に接続され、把持装置５０における接触物Ｌの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置５４は、図１２に示すように、アーム駆動部５２および触覚センサー１Ａに接続され、把持装置５０の全体動作を制御する。この制御装置５４は、触覚センサー１Ａから入力される剪断力検出信号、および正圧力検出信号を読み取る信号検出手段５４１、接触物Ｌの滑り状態を検出する把持検出手段５４２、およびアーム駆動部５２に把持アーム５１の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段５４３を備えている。また、この制御装置５４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、接触物Ｌの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段５４１、把持検出手段５４２、および駆動制御手段５４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【０１１０】
信号検出手段５４１は、触覚センサー１Ａに接続され、触覚センサー１Ａから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出手段５４１にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段５４２に出力される。
【０１１１】
把持検出手段５４２は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム５１により接触物Ｌを把持したか否かを判断する。
ここで、図１３に、把持装置５０の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図１３において、正圧力が所定値に達するまでは、正圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、接触物Ｌと把持面５３との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧力が所定値以上となると、正圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、接触物Ｌと把持面５３との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
【０１１２】
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部５２の動作を制御する。
【０１１３】
次に、制御装置５４の動作について図面に基づいて説明する。
図１４は、制御装置５４の制御による把持装置５０の把持動作を示すフローチャートである。図１５は、把持装置５０の把持動作時において、アーム駆動部５２への駆動制御信号、触覚センサー１Ａから出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
【０１１４】
把持装置５０で接触物Ｌを把持するためには、まず制御装置５４の駆動制御手段５４３は、各把持アーム５１を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部５２に出力する（把持動作）。これにより、把持アーム５１の把持面５３が接触物Ｌに近接する（図１４：ステップＳ１１）。
【０１１５】
次に、制御装置５４の把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３に接触したか否かを判断する（図１４：ステップＳ１２）。具体的には、制御装置５４は、信号検出手段５４１で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、把持面５３が接触物Ｌに接触していないと判断し、駆動制御手段５４３は、ステップＳ１１を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム５１をさらに駆動させる。
【０１１６】
一方、把持面５３が接触物Ｌに接触する（図１５：タイミングＴ１）と、触覚センサー１Ａの弾性膜１５が歪み、その歪み量に基づいて算出された正圧力に対応する正圧力検出信号が出力される。
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２において、正圧力検出信号を検出すると、把持アーム５１の近接移動（接触物Ｌへの押圧）を停止させる（図１４：ステップＳ１３、図１５：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２に駆動制御信号を出力し、把持アーム５１を上方に持ち上げる動作（持上げ動作）を実施させる（図１４：ステップＳ１４、図１５：タイミングＴ２〜Ｔ３）。
【０１１７】
ここで、接触物Ｌを持ち上げる際に、弾性膜１５が剪断力により剪断方向に歪み、触覚センサー１Ａでは、その歪み量に応じた剪断力が算出され、その剪断力に対応する剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段５４２は、信号検出手段５４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【０１１８】
この時、把持検出手段５４２において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２を制御して、把持アーム５１を、把持面５３を接触物Ｌに押し付ける方向に移動させて、把持力（正圧力）を増大させる（図１４：ステップＳ１６）。
すなわち、制御装置５４は、図１５におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段５４３にて把持動作を実施させ、接触物Ｌへの正圧力を増大させ、信号検出手段５４１にて、再び触覚センサー１Ａから出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ｓ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ１５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
【０１１９】
［第四実施形態の作用効果］
上述したような第四実施形態の把持装置５０では、上記第三実施形態の触覚センサー１Ａを備えている。このような触覚センサー１Ａは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、把持装置５０においても精度の高い剪断力検出信号および正圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー１Ａでは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第四実施形態では、接触物Ｌを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
【０１２０】
[第五実施形態]
上記第四実施形態では、触覚センサー１Ａが設けられた把持装置を、触覚センサーを備えた装置の一例として例示したが、これに限定されない。
第五実施形態では、触覚センサー１，１Ａを用いた装置の他の応用例として、触覚センサー１Ａを備えたアイロンについて、図面に基づいて説明する。
図１６は、第五実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図である。
【０１２１】
アイロン６０は、ヒーター６１と、ベース部６２と、ベース部６２に設けられた温度センサー６３と、ベース部６２に設けられた触覚センサー１Ａと、ヒーター駆動回路６４と、を備えている。このアイロン６０のヒーター駆動回路６４は、温度センサー６３および触覚センサー１Ａからの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御し、ベース部６２を対象布地に対して最適な温度に加熱する。
【０１２２】
ヒーター６１は、ヒーター駆動回路６４から印可された電圧により発熱し、ベース部６２を加熱する。
ベース部６２は、対象布地に接触して、対象布地の皺を伸ばす部分であり、ヒーター６１により加熱される。そして、このベース部６２の一部には、図１６に示すように、触覚センサー１Ａが設けられ、触覚センサー１Ａの弾性膜１５が、対象布地に接触可能に露出されている。
また、ベース部６２には、温度センサー６３が設けられており、この温度センサー６３は、ベース部６２の温度を検出してヒーター駆動回路６４に出力する。
【０１２３】
ヒーター駆動回路６４は、触覚センサー１Ａ、温度センサー６３、およびヒーター６１に接続され、触覚センサー１Ａおよび温度センサー６３からの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御する。このヒーター駆動回路６４は、図１６に示すように、本発明の記憶部であるメモリー６４１と、信号検出部６４２と、布地判別部６４３と、温度制御部６４４と、を備えている。
このヒーター駆動回路６４としては、例えばＣＰＵ等の演算回路や、記憶回路を備えたコンピューターとして構成され、布地判別部６４３や温度制御部６４４が、演算回路による演算処理により実行されるソフトウェアとして機能される構成としてもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【０１２４】
メモリー６４１は、本発明の相関データである応力−粗さ値データを記憶している。この応力−粗さ値データには、触覚センサー１Ａにより検出された応力に応じた、対象布地の粗さ値が記録されているデータであり、例えば、剪断力に対応する粗さ値が、正圧力毎に記録されている。
また、メモリー６４１には、粗さ値に対応したベース部６２の最適温度が記録された粗さ−温度データが記憶されていてもよい。
【０１２５】
信号検出部６４２は、触覚センサー１Ａに接続され、触覚センサー１Ａから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出部６４２にて検出された検出信号は、メモリー６４１に出力されて記憶されるとともに、布地判別部６４３に出力される。
【０１２６】
布地判別部６４３は、信号検出部６４２から入力された剪断力および正圧力、およびメモリー６４１に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、対象布地の種別を判別する。
例えば、本実施形態では、応力−粗さ値データとして、正圧力毎に、剪断力に対応する粗さが記憶されている。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力に対応した応力−粗さ値データをメモリー６４１から読み出し、この応力−粗さ値データから剪断力に対応した粗さ値を取得する。
そして、布地判別部６４３は、取得した粗さ値を温度制御部６４４に出力する。
【０１２７】
温度制御部６４４は、布地判別部６４３から入力された粗さ値、および温度センサー６３により検出されるベース部６２の温度に基づいて、ヒーター６１への印加電圧を制御する。
具体的には、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、布地判別部６４３から入力された粗さ値に応じたベース部６２の最適温度を取得する。そして、温度制御部６４４は、温度センサー６３から入力された検出温度と最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印加電圧値を算出して、ヒーター６１に印加する。
【０１２８】
［アイロンの動作］
次に、上記のようなアイロン６０の動作について説明する。
図１７は、第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
利用者によりアイロン６０に電力が供給されると、触覚センサー１Ａの近接検出用超音波素子４０が駆動される。これにより、上記第三実施形態において説明したように、触覚センサー１Ａは、対象布地と触覚センサー１Ａ（ベース部６２）との距離を算出する。そして、対象布地とベース部６２との距離が予め設定された距離以内になると、触覚センサー１Ａは、駆動モードに移行する（ステップＳ２１）。
【０１２９】
この後、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、対象布地がベース部６２に接触したか否かを判断する（ステップＳ２２）。具体的には、ヒーター駆動回路６４は、信号検出部６４２で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、ベース部６２に対象布地が接触していないと判断する。この場合は、ヒーター駆動回路６４は、ステップＳ２２を継続し、対象布地とベース部６２との接触判断処理を継続する。
【０１３０】
また、ステップＳ２２において、信号検出部６４２が正圧力検出信号の入力が検知した場合、さらに、剪断力検出信号の入力を検出し、剪断力の大きさが０より大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。
つまり、正圧力の大きさは、利用者がアイロン６０を対象布地に押し付ける強さにより変化するため、正圧力のみでは対象布地の種別を判別することはできない。したがって、剪断力の大きさが０である場合は、継続してステップＳ２３の処理を実行する。
一方、ステップＳ２３により、剪断力検出信号により検出された剪断力の大きさが０より大きい場合、布地判別部６４３は、メモリー６４１から、正圧力に対応した応力−粗さ値データを読み出し、剪断力に対応した粗さ値を取得する（ステップＳ２４）。
【０１３１】
この後、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、ステップＳ２４で取得された粗さ値に対応した温度を取得し、最適温度として設定する（ステップＳ２５）。
さらに、温度制御部６４４は、温度センサー６３により検出された検出温度と、ステップＳ２５により設定された最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印可電圧値を算出し、ヒーター６１にその電圧値を印可する（ステップＳ２６）。
これにより、アイロン６０は、対象布地の種別に応じて、ベース部６２の温度を、自動で設定することが可能となる。
【０１３２】
［第五実施形態の作用効果］
上述したような第五実施形態のアイロン６０では、上記第三実施形態の触覚センサー１Ａを備えている。このような触覚センサー１Ａは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、アイロン６０においても、ベース部６２に対象布地が接触した際の正圧力および剪断力を高精度で検出することができる。
【０１３３】
そして、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、布地判別部６４３により、検出された正圧力および剪断力に対応した、対象布地の粗さを判別することができる。したがって、判断された対象布地の粗さから、対象布地の種別を判断することができ、温度制御部６４４は、布地の種別に対応してベース部６２の温度を設定することができる。したがって、アイロン６０において、布地に対応してベース部６２の温度を自動で設定することができ、対象布地の種別に応じて、温度設定を変更する煩雑な作業を省略することができる。
【０１３４】
なお、上記第五実施形態では、メモリー６４１に、正圧力および剪断力に応じた粗さ値が記録された応力−粗さ値データを記憶する例を示したが、例えば、正圧力および剪断力に応じた対象布地の種類を記録した応力−布地種別データがメモリー６４１に記憶される構成などとしてもよい。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力および剪断力に応じて、対象布地の種別を直接判別し、温度制御部６４４は、判別された布地の種別に対応した温度を取得する。
また、相関データとして、正圧力および剪断力に対応したベース部６２の最適温度が記憶された応力−温度データが記憶されていてもよく、この場合では、粗さ−温度データを記憶する必要がなくなり、より少ないデータ量で、ベース部６２の温度を自動で設定可能なアイロン６０を提供することができる。
【０１３５】
さらに、上記アイロン６０では、ヒーター駆動回路６４により自動でベース部６２の温度が設定される例を示したが、例えば、ベース部６２の温度を自動設定する自動モードと、手動により温度を設定する手動モードと、を適宜切り替え可能な構成としてもよい。
【０１３６】
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【０１３７】
例えば、上記実施形態において、正四角錐形状の超音波反射体１６が設けられた触覚センサー１，１Ａを例示したが、これに限定されず、例えば球面形状や円錐台形状に形成されるものであってもよい。ただし、この場合、上述したように、超音波の反射位置が狭くなり受信信号が小さくなるので、例えば超音波の出力値を増大させたり、受信信号を増幅させる増幅回路を別途設けたりする必要がある。
【０１３８】
また、正四角錐台形状の超音波反射体１６を用いることで、Ｘ軸方向、およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向に沿った剪断力を検出可能な構成としたが、例えば、超音波反射体１６を弾性膜１５の厚みに対して直交する方向に断面した断面形状がひし形状となるものであってもよい。この場合、Ｘ軸方向と、Ｘ軸方向に交差するＹ´軸方向とに作用する剪断力をそれぞれ算出することができる。
また、検出すべき剪断力の方向が予め決まっており、その方向が一方向のみである場合では、２つの素子対向面を有する超音波反射体と、各素子対向面に対向する２つの超音波素子とが設けられていればよく、より構成を簡単にできる。
さらに、検出対象となる剪断力の方向が予め決まっており、その方向が３方向以上である場合、これらの各方向に対してそれぞれ一対の素子対向面を有する多角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
【０１３９】
そして、上記実施形態では、超音波反射体１６には、頂部に第五素子対向面１６１Ｅが設けられ、基板１１には、第五素子対向面１６１Ｅに対向する第五超音波素子２０Ｅが設けられる構成としたが、第五素子対向面１６１Ｅや第五超音波素子２０Ｅが設けられない構成、例えば四角錐形状の超音波反射体を用いてもよい。このような構成では、上述したように、正圧力に対して第一〜第四素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄおよび第一〜第四超音波素子２０Ａ〜２０Ｄにより取得されるＴＯＦデータに基づいて算出することが可能であり、かつ第五超音波素子２０Ｅが設けられない分、構成をより簡略化することができる。また、超音波反射体１６に第五素子対向面１６１Ｅが設けられない構成とすることで、超音波反射体１６の体積をも小型化でき、触覚センサー１，１Ａの小型化を図ることができる。
【０１４０】
また、上記第一から第四実施形態の触覚センサー１，１Ａでは、１つの超音波素子２０から放射状に拡散する超音波を発信する構成を例示したが、例えば、各超音波素子２０の代わりに、複数の超音波素子をアレイ状に配列した超音波アレイを配置する構成としてもよい。このような超音波アレイでは、各超音波素子から超音波を発信させるタイミングを遅延させることで、所望の方向に平面波として伝搬するビーム状の超音波を発信可能となる。したがって、各超音波アレイから、これらの超音波アレイに対応した素子対向面に向かって超音波を発信させてもよい。このような構成では、弾性膜１５の歪みが大きく、超音波反射体１６が大きく変位した場合、各超音波素子の駆動タイミングを調整して、超音波の発信角度を適宜調整する必要が生じるが、複数の超音波素子から発信される超音波が互いに強め合うことで、大音圧の超音波を発信させることが可能となる。このため、各超音波アレイにおいて、大きい反射超音波を受信することができ、信号検出精度を向上させることができる。また、大音圧の超音波を発信することができるため、超音波反射体１６として、球形状や円錐台形状のものを用いた場合でも、比較的大きい音圧の反射超音波を受信することができる。
【０１４１】
また、第三実施形態において、センサーアレイ１０Ａ内に配置される各センサー本体１０は、基板１１および支持膜１４が共通部材とされる構成としたが、例えばセンサー本体１０毎に基板１１および支持膜１４が設けられる構成としてもよい。この場合、例えば、別途センサー載置用基板を用意し、このセンサー載置用基板にセンサー本体１０をアレイ状に配置することでセンサーアレイを構成すればよい。
【０１４２】
さらに、第四実施形態において、把持装置５０として、一対の把持アーム５１が設けられる構成を例示したが、３本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて接触物Ｌを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム（固定壁）側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。
【０１４３】
さらには、第四実施形態では、触覚センサー１Ａを、接触物Ｌを把持する把持装置５０に適用する例を示し、第五実施形態では、触覚センサー１Ａを備えたアイロン６０を例示したが、これに限定されない。例えば、触覚センサー１Ａを、例えば入力装置などとして適用してもよい。入力装置として用いる場合は、例えばノート型パソコンや、パーソナルコンピューターに組み込むことができる。具体的には、板状の入力装置本体に設けられる表面部に触覚センサー１Ａを設ける構成などが例示できる。このような入力装置では、表面部上で利用者の指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や正圧力が発生する。この剪断力および正圧力を触覚センサー１Ａにより検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。
また、接触物判別部として、メモリー６４１に記憶された応力−粗さデータに基づいて、布地の種別（粗さ値）を判別する布地判別部６４３を例示したが、これに限らない。例えば、触覚センサー１，１Ａを、パン製造装置に設け、パン生地の柔らかさ（捏ね状態）を判断する接触物判別部を設ける構成としてもよい。この場合、接触部判別部は、パン生地に対して加えた応力と、その応力に対して最適弾性力との関係データをメモリーに記憶する。そして、接触物判別部は、触覚センサー１，１Ａで検出された正圧力や剪断力が、最適弾性力を中心とした所定閾値以内であれば、捏ね状態が最適であると判断する。このような構成のパン製造装置では、パン生地の捏ね状態を一定に維持することができ、安定した品質のパン生地を製造することができる。
【０１４４】
上記各実施形態において、基板１１上に複数の超音波素子２０を配置した触覚センサー１，１Ａを例示したが、これに限定されない。すなわち、超音波素子２０は、基板１１の上方に配置されていればよく、例えば基板１１上に中間層を積層し、その上に超音波素子２０が配置される構成などとしてもよい。
また、超音波素子２０上に、弾性膜１５と同一音響インピーダンスを有する保護膜を積層して、その保護膜上に弾性膜１５が積層される構成などとしてもよい。
【０１４５】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【０１４６】
１，１Ａ…触覚センサー、１０…センサー本体、１１…基板、１５…弾性膜、１６…超音波反射体、２０…超音波素子、２０Ａ…第一超音波素子、２０Ｂ…第二超音波素子、２０Ｃ…第三超音波素子、２０Ｄ…第四超音波素子、２０Ｅ…第五超音波素子、３０，３０Ａ…制御部、３１…超音波発信制御部を構成する素子切替回路、３２…超音波発信制御部を構成する送受信切替回路、３３…超音波発信制御部を構成する送受信切替制御部、３４…超音波発信制御部を構成する超音波信号発信回路、３５…時間計測部、４０…近接検出用超音波素子、５０…把持装置、５１…把持アーム、５３…接触面である把持面、１６１…素子対向面、１６１Ａ…第一素子対向面、１６１Ｂ…第二素子対向面、１６１Ｃ…第三素子対向面、１６１Ｄ…第四素子対向面、１６１Ｅ…頂部である第五素子対向面、３７１…移動量算出部、３７２…応力算出部、５４２…把持検出手段、５４３…駆動制御手段、６４１…記憶部を構成するメモリー、６４３…接触物判別部を構成する布地判別部、Ｌ…接触物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を発信する超音波センサー、および超音波センサーから発信された超音波により接触物の接触を検出する触覚センサー、および触覚センサーを備えた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットのアームなどにより、重量や摩擦係数が未知である対象物を把持する際に、対象物の接触により作用する応力を検出するセンサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の触覚センサーは、センサー基板に開設される開口の縁部から延伸するカンチレバー構造の構造体を有し、この構造体は、平板状の感応部と、感応部とセンサー基板とを連結するヒンジ部とから構成される。そして、この構造体の感応部には導電性磁性体膜が形成され、ヒンジ部には、ピエゾ抵抗膜が形成され、導電性磁性体膜とピエゾ抵抗膜とが導通されている。また、ヒンジ部には電極が設けられ、圧力によりヒンジ部が曲がることで、ヒンジ部のピエゾ抵抗で発生する電流が電極から流れる構成となっている。そして、この触覚センサーは、センサー基板上に上記のような構造体が複数形成され、これらの構造体のうち一部がセンサー基板に対して起立し、他の一部がセンサー基板に対して平行に保持されている。また、このセンサー基板上には、弾性体が設けられ、起立した構造体は、弾性体に埋め込まれている。そして、起立した構造体により剪断力が測定可能となり、基板面に平行な構造体により正圧力が測定可能となる。ここで、この触覚センサーでは、センサー基板に対して起立した構造体により剪断力が検出され、センサー基板に対して平行に保持される構造体により正圧力が検出される。また、起立した構造体は、平板状の構造体を磁力により折り曲げることで形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０８２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のような触覚センサーでは、センサー基板に対して起立させる構造体と、センサー基板に対して平行に保持する構造体とが分離され、起立した構造体により剪断力が検出され、基板に対して平行な構造体により正圧力が検出される。このような剪断力検出用の構造体は、正圧力検出用の構造体を磁力により曲げる必要があり、複雑な立体構造を有しているため、生産性が悪く、生産コストも増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みて、簡単な構成で、接触物の接触検出が可能な超音波センサー、触覚センサー、および把持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波センサーは、基板と、前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子と接して配置される弾性変形可能な弾性膜と、前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、を備え、前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有することを特徴とする。
ここで、本発明で述べる、「超音波素子に対向する素子対向面」とは、素子対向面の法線方向への射影空間内に超音波素子が存在していることを意味する。
【０００８】
この発明では、超音波反射体は複数の素子対向面を有し、基板には、これらの素子対向面に対向して複数の超音波素子が設けられている。このような構造では、超音波素子から超音波を発信し、超音波素子に対向する素子対向面で反射された超音波を当該超音波素子で受信し、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間（ＴＯＦデータ）を計測することで、超音波素子から素子対向面までの距離を検出することが可能となる。
そして、弾性膜に接触物が接触して弾性膜が弾性変形すると、超音波反射体は、弾性膜の変形に応じた位置に移動される。この時、弾性膜の変形前のＴＯＦデータと、弾性膜の変形後のＴＯＦデータとの差分を算出することで、各素子対向面の移動方向および移動量をもとめることができる。また、各素子対向面の移動方向および移動量が分かれば、超音波反射体全体としての移動方向および移動距離をも分析することが可能となり、弾性膜に作用する応力をも算出することが可能となる。
このような構成では、超音波素子が配設された基板上に弾性膜を形成し、弾性膜中に超音波反射体を埋設させる構成であるため、例えば立体的な検出部材を基板上に形成するような構成に比べて、構成を簡略化でき、生産性も良好となり、生産コストも低減させることができる。
【０００９】
本発明の超音波センサーでは、前記基板の表面に沿う一軸をＸ軸とし、前記基板の表面に沿い、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸およびＺ軸とした際に、前記超音波反射体は、前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、前記頂部からＸ軸における＋Ｘ方向に連続して設けられる第一素子対向面と、前記頂部からＸ軸における−Ｘ方向に連続して設けられる第二素子対向面と、を有し、前記第一素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で＋Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第二素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で−Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がＸ軸に沿って配設されていることが好ましい。
【００１０】
この発明では、超音波反射体の第一素子対向面および第一超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第一素子対向面の法線方向への移動量（第一法線ベクトル）が算出可能となり、第二素子対向面および第二超音波素子により、超音波反射体が移動した際の第二素子対向面の法線方向の移動量（第二法線ベクトル）が算出可能となる。また、第一法線ベクトルの第二傾斜角度方向へのベクトル成分（第一成分ベクトル）、第二法線ベクトルの第一傾斜角度方向へのベクトル成分（第二成分ベクトル）をそれぞれ算出することが可能となる。ここで、これらの第一成分ベクトルおよび第二成分ベクトルは、Ｙ軸に沿う方向（以降、Ｙ軸方向と称す）の移動量成分が含まれてないため、これらをベクトル合成することで、超音波反射体のＸＺ平面内で移動ベクトル（ＸＺ移動ベクトル）を算出することが可能となる。したがって、このＸＺ移動ベクトルを、それぞれ、Ｘ軸に平行なベクトル成分と、Ｚに沿う方向（以降Ｚ軸方向と称す）に平行なベクトル成分に分解することで、超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸に沿う方向（以降、Ｘ軸方向と称す）への移動量をそれぞれ算出することが可能となり、弾性膜のＺ軸方向に作用する力（正圧力）と、弾性膜のＸ軸方向に作用する力（Ｘ方向剪断力）と、を算出することが可能となる。すなわち、上記のような構成の超音波反射体および超音波素子を用いることで、ベクトル演算のみにより容易に超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、正圧力、およびＸ方向剪断力を算出することができる。
【００１１】
本発明の超音波センサーでは、前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、Ｘ軸に対して４５度であることが好ましい。
【００１２】
この発明では、第一傾斜角度および第二傾斜角度は、それぞれＸ軸に対して４５度に設定されている。このため、第一成分ベクトルと第一法線ベクトルとが同一となり、第二成分ベクトルと第二法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をより簡略化することができ、より容易に超音波反射体のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、正圧力、およびＸ方向剪断力を算出することができる。
【００１３】
本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、前記頂部からＹ軸における＋Ｙ方向に連続して設けられる第三素子対向面と、前記頂部からＹ軸における−Ｙ方向に連続して設けられる第四素子対向面と、を有し、前記第三素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で＋Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記第四素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で−Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がＹ軸方向に沿って配設されていることが好ましい。
【００１４】
この発明では、上記に加えてさらに、Ｘ軸方向の移動成分が含まれない、第三素子対向面の法線方向への移動量（第三法線ベクトル）、および第四素子対向面の法線方向への移動量（第四法線ベクトル）が算出可能となり、これらの第三法線ベクトルの第四傾斜角度方向へのベクトル成分（第三成分ベクトル）、第四法線ベクトルの第三傾斜角度方向へのベクトル成分（第四成分ベクトル）が算出することが可能となる。したがって、これらの第三成分ベクトルおよび第四成分ベクトルの合成ベクトルから超音波反射体のＹＺ平面内での移動ベクトル（ＹＺ移動ベクトル）を算出することが可能となり、このＹＺ移動ベクトルから、超音波反射体のＹ軸方向への移動量や、弾性膜のＹ軸方向に作用する力（Ｙ方向剪断力）をも容易に算出することが可能となる。また、上記発明により算出されるＸ方向剪断力と、Ｙ方向剪断力に基づいて、ＸＹ平面内での剪断力の大きさ、および剪断力の方向をも容易に算出することができる
【００１５】
本発明の超音波センサーでは、前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Ｙ軸に対して４５度であることが好ましい。
【００１６】
この発明では、上記発明と同様に、第三傾斜角度および第四傾斜角度が、それぞれ、Ｙ軸に対して４５度に設定されているため、第三成分ベクトルと第三法線ベクトルとが同一となり、第四成分ベクトルと第四法線ベクトルが同一となる。したがって、上述したようなベクトル演算をさらに簡略化することができ、より容易に超音波反射体のＹ軸方向への移動量、およびＹ方向剪断力を算出することができる。
【００１７】
本発明の超音波センサーでは、前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されていることが好ましい。
【００１８】
この発明では、第五素子対向面と、第五超音波素子とにより、超音波反射体のＺ軸方向の移動量を算出することが可能となる。
ここで、上記したように、ＸＺ移動ベクトルやＹＺ移動ベクトルから、超音波反射体のＺ軸方向の移動量を算出することができるが、基板に最も近い位置の頂部（第五素子対向面）の移動量を第五超音波素子により算出することで、超音波反射体のＺ軸方向への移動量をより高精度に検出することができる。このような第五素子対向面および第五超音波素子により検出された超音波反射体のＺ軸方向への移動量を用いて、超音波反射体のＸ軸方向移動量やＹ軸方向移動量を算出することで、より精度の高い移動量を算出することができ、正圧力および剪断力を算出する際にもより精度の高い値を算出することが可能となる。
【００１９】
本発明の超音波センサーでは、前記超音波反射体は、四角錐台形状であることが好ましい。
【００２０】
この発明では、超音波反射体が第一〜第五素子対向面を有する四角錐台形状であるため、上記のように、超音波反射体のＺ軸方向移動量、Ｘ軸方向移動量、およびＹ軸方向移動量を高精度に検出することができる。
また、これらの素子対向面がそれぞれ平面で構成される場合、超音波の反射面を大きくすることができる。例えば、所定面積を有する超音波素子から全方位拡散性の超音波（指向性を有さない超音波）を発信させ、球状の超音波反射体により超音波を反射させる場合、超音波反射体の表面のうち、超音波を当該超音波素子の方向に反射させることができる部分は１点のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体では、各超音波対向面のうち、法線方向に当該超音波素子が存在する領域内で反射された超音波が当該超音波素子に反射されて受信されることとなる。これにより、超音波の受信感度が良好となり、検出精度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の超音波センサーでは、前記基板上には、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置されたことが好ましい。
【００２２】
この発明では、１つのセンサー本体により、そのセンサー本体内の弾性膜に接触物が接触した際の弾性膜の歪み量や応力を測定することができ、このようなセンサー本体をアレイ状に配置することで、例えば一定面積を有する接触面のどの位置に接触物が接触しても、いずれかのセンサー本体により応力を検出することができる。
【００２３】
本発明の超音波センサーでは、前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられたことが好ましい。
【００２４】
この発明では、超音波センサーには、近接検出用超音波素子が設けられ、超音波センサーに近接する接触物までの距離を検出することができる。このような構成では、例えば、近接検出用超音波素子にて検出された超音波センサーと接触物との距離が、予め設定された規定値となった状態で、各超音波素子から超音波を出力させるなどの制御も可能となり、省エネルギー化を図ることも可能となる。
【００２５】
本発明の触覚センサーは、上述のような超音波センサーと、前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２６】
この発明では、触覚センサーは、上述のような超音波センサーを備えている。したがって、制御部により、超音波センサーの超音波の送受信を制御することで、上述のように、簡単な構成で、弾性膜に接触物が接触した際の剪断力や押圧力といった応力を検出することができる。
【００２７】
本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、を備えたことが好ましい。
【００２８】
この発明では、超音波発信制御部により各超音波素子の超音波発信タイミングが制御され、時間計測部により、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測し、移動量算出部により、計測された時間に基づいて、超音波反射体の移動量を算出する。
このため、各超音波素子に対して超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、各超音波素子に対応する超音波反射体の素子対向面の移動ベクトルを算出することができる。したがって、上述したように、これらの移動ベクトルを合成することで、超音波反射体全体としての移動量および移動ベクトルを容易に算出することができる。
【００２９】
本発明の触覚センサーでは、前記制御部は、前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備えることが好ましい。
【００３０】
この発明では、応力算出部は、弾性膜のヤング率と、移動量算出部により算出された超音波反射体の移動量とを乗算することで、弾性膜に作用する応力を算出する。つまり、移動量算出部により算出される超音波反射体のＺ軸方向への移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、正圧力を算出することができ、超音波反射体のＸＹ平面方向での移動量と弾性膜のヤング率とに基づいて、剪断力を算出することができる。
【００３１】
本発明の触覚センサーでは、前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、これらの複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、当該触覚センサーは、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、を備えることが好ましい。
【００３２】
ここで、記憶部に記憶される、前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データとは、例えば、弾性膜に作用する応力に対する接触物の接触面の粗さが記録されたデータであってもよく、弾性膜に作用する応力に対する接触物の材質の種別が記録されたデータであってもよい。また、例えば接触物が弾性体である場合、弾性膜に作用する応力に対する弾性体の柔らかさが記録されるものであってもよい。
【００３３】
この発明では、接触物判別部は、記憶部から上記のような相関データを読み出し、この相関データから、応力算出部で算出された応力に対する接触物の状態を判別する。
このような構成では、例えば、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の粗さデータが記録されている場合、弾性膜に接触した接触物の粗さを求めることができ、粗さからさらに接触物の接触面の素材を求めることもできる。また、相関データとして、応力に対する接触物の接触面の素材が記録されている場合では、算出された応力から、直接接触物の接触面における素材を検出することもできる。さらには、相関データとして、例えば、応力に対する接触物の柔らかさデータが記録されている場合、例えばパン生地の捏ね状態などを、触覚センサーで判別して最適な捏ね状態であるか否かを判断することもできる。
【００３４】
本発明の把持装置は、上述のような触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００３５】
この発明では、上記したように、触覚センサーにより、把持の対象物を把持した際の剪断力を計測することで、対象物が把持アームから滑り落ちている状態であるか、把持されている状態であるかを計測することが可能となる。すなわち、対象物を把持する動作において、対象物を十分に把持できていない状態では、動摩擦力に応じた剪断力が働き、把持力を強めるほど、この剪断力も大きくなる。一方、把持力を強め、静摩擦力に応じた剪断力が検出される状態では、対象物の把持が完了した状態であり、把持力を強めた場合でも静摩擦力は一定であるため、剪断力も変化しない。したがって、例えば、対象物の把持力を徐々に増加させ、剪断力が変化しなくなった時点を検出することで、対象物を破損させることなく、最低限の把持力のみで対象物を把持することができる。
また、上述したように、把持装置を構成する触覚センサーは、基板上に、超音波素子、超音波反射体が埋設された弾性膜を積層させただけの簡単な構成を有するものであり、容易に製造可能であり、このような触覚センサーを用いた把持装置においても、同様に簡単な構成とすることができ、製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る第一実施形態の触覚センサーのセンサー本体の概略構成を示す平面図である。
【図２】第一実施形態のセンサー本体をＸＺ平面で断面した断面図である。
【図３】第一実施形態のセンサー本体をＹＺ平面で断面した断面図である。
【図４】第一実施形態の触覚センサーの概略構成を示すブロック図である。
【図５】図２において、接触物が弾性膜に接触して超音波反射体が移動した状態を示す断面図である。
【図６】超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。
【図７】第一実施形態の触覚センサーの応力算出処理のフローチャートである。
【図８】第二実施形態における超音波反射体が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体の移動量を算出するための説明図である。
【図９】第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す平面図である。
【図１０】図９におけるセンサーアレイのうち、互いに隣接する２つのセンサー本体の断面構造を示した断面図である。
【図１１】第三実施形態の触覚センサーにおける制御部の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
【図１３】第四実施形態の把持装置の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
【図１４】第四実施形態の制御装置の制御による把持装置の把持動作を示すフローチャートである。
【図１５】第四実施形態の把持装置の把持動作時において、アーム駆動部への駆動制御信号、触覚センサーから出力される検出信号の発信タイミングを示すタイミング図である。
【図１６】第五実施形態に係るアイロンの概略構成を示すブロック図である。
【図１７】第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
〔１．触覚センサーの構成〕
図１は、第一実施形態の触覚センサー１におけるセンサー本体１０（超音波センサー）の概略構成を示す平面図であり、図２は、センサー本体１０をＸＺ平面で断面した断面図であり、図３は、センサー本体１０でＹＺ平面に断面した断面図である。
【００３８】
触覚センサー１は、少なくとも１つ以上のセンサー本体１０を備えた超音波センサーと、後述する制御部３０（図４参照）と、を備えて構成されている。センサー本体１０は、図１に示すように、基板１１上、支持膜１４、超音波素子２０、および弾性膜１５を積層することで構成されており、弾性膜１５の内部には、超音波反射体１６が埋設されている。この触覚センサー１は、弾性膜１５に接触物が接触した際に加わる正圧力および剪断力を検出するセンサーである。
なお、第一実施形態では、超音波センサーとして、センサー本体１０が１つ設けられた例を示すが、これに限定されず、超音波センサーとして、これらのセンサー本体１０が複数設けられる構成としてもよい。また、複数のセンサー本体１０がアレイ状に配設された構成を有する超音波センサーについては、後述の第三実施形態において説明する。
【００３９】
（１−１．基板の構成）
基板１１は、例えばＳｉにより形成され、厚み寸法が例えば２００μｍに形成されている。この基板１１には、図１〜図３に示すように、１つの超音波反射体１６に対して、５つの開口部１１１が形成されている。具体的には、図１に示すように、基板１１を厚み方向から見た平面視（センサー平面視）において、超音波反射体の設置位置を原点とし、図１の左右方向にＸ軸、上下方向にＹ軸を設定した場合、開口部１１１は、座標位置（ａ，０）、（−ａ，０）、（０，ａ）、（０，−ａ）、（０，０）にそれぞれ設けられている。
なお、この開口部１１１は、基板１１の厚み方向から当該基板１１を見る平面視（センサー平面視）において、円形状に形成されているが、例えば矩形上などに形成されていてもよい。また、基板１１厚み方向を貫通する開口部１１１を例示したが、例えば、基板１１の弾性膜１５側の面（図２、図３における上側）にエッチング等により凹状溝を形成して開口部１１１とする構成としてもよい。さらには、基板１１上に支持膜１４を形成する構成を例示したが、基板１１の弾性膜１５とは反対側の面（図２、図３の下側）からエッチング等により凹状溝を形成し、溝底部を支持膜１４とし溝内部を開口部１１１とする構成としてもよい。
【００４０】
（１−２．超音波素子の構成）
超音波素子２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ）は、センサー平面視において、開口部１１１の内側領域に配置されている。ここで、座標（ａ，０）には、第一超音波素子２０Ａが配置され、座標（−ａ，０）には、第二超音波素子２０Ｂが配置され、座標（０，ａ）には、第三超音波素子２０Ｃが配置され、座標（０，−ａ）には、第四超音波素子２０Ｄが配置され、座標（０，０）には、第五超音波素子２０Ｅが配置されている。
これらの超音波素子２０は、開口部１１１と、開口部１１１を閉塞する支持膜１４（メンブレン１４１）と、膜状の圧電膜２１と、圧電膜２１を挟んで配置される下部電極２２および上部電極２３と、により構成されている。
【００４１】
支持膜１４は、図示は省略するが、基板１１上に例えば厚み寸法が３μｍに成膜されるＳｉＯ２層と、このＳｉＯ２層上に積層される厚み寸法が例えば４００ｎｍのＺｒＯ２層との２層構造により形成されている。ここで、ＺｒＯ２層は、後述する超音波素子２０の焼成形成時に、圧電膜２１の剥離を防止するために形成される層である。すなわち、圧電膜２１が例えばＰＺＴにより形成される場合、焼成時にＺｒＯ２層が形成されていないと、圧電膜２１に含まれるＰｂがＳｉＯ２層に拡散して、ＳｉＯ２層の融点が下がり、ＳｉＯ２層の表面に気泡が生じ、この気泡によりＰＺＴが剥離してしまう。また、ＺｒＯ２層がない場合、圧電膜２１の歪みに対する撓み効率が低下するなどの問題もある。これに対して、ＺｒＯ２層がＳｉＯ２層上に形成される場合、圧電膜２１の剥離、撓み効率の低下などの不都合を回避することが可能となる。
また、以降の説明において、図１に示すようなセンサー平面視において、支持膜１４のうち、開口部１１１を閉塞する領域をメンブレン１４１と称す。
【００４２】
圧電膜２１は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を厚み寸法が例えば５００ｎｍとなる膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜２１としてＰＺＴを用いるが、膜の応力変化により電荷を発生することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）、窒化アルミ（AlN）、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いてもよい。
【００４３】
下部電極２２および上部電極２３は、圧電膜２１の膜厚み方向を挟んで形成される電極であり、下部電極２２は、圧電膜２１のメンブレン１４１に対向する面に形成され、上部電極２３は、下部電極２２が形成される面とは反対側の面に形成されている。
【００４４】
下部電極２２は、厚み寸法が例えば２００ｎｍに形成される膜状の電極であり、メンブレン１４１内に形成される。この下部電極２２としては、導電性を有する導電薄膜であれば、いかなるものであってもよいが、本実施形態では、例えば、Ti/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用いる。
また、上部電極２３は、厚み寸法が例えば５０ｎｍに形成される膜状の電極である。この上部電極２３は、圧電膜２１の上面を覆って形成される。
【００４５】
また、図１に示すように、支持膜１４上には、下部電極２２の外周部から延出する下部電極線２２Ａ、および上部電極２３の外周部から延出する上部電極線２３Ａが、それぞれ形成されている。これらの電極線２２Ａ，２３Ａは、例えば基板１１の外周部に設けられる図示しない端子パッドまで引き出され、端子パッドから後述する制御部３０に接続される。
【００４６】
そして、このような超音波素子２０は、制御部３０から入力される信号（交流電圧）により振動し、弾性膜１５に超音波を発信する。具体的には、制御部３０から下部電極２２および上部電極２３間に交流電圧が印可されると、圧電膜２１が印可電圧に応じて伸縮する。これにより、支持膜１４が振動して超音波が弾性膜１５側に発信される。なお、本実施形態では、超音波素子２０から全方向に放射状に拡散する拡散型超音波が出力される。
また、超音波素子２０は、弾性膜１５から入力された超音波を受信して、受信信号を制御部３０に出力する。具体的には、電極２１，２２間に電圧が印可されていない状態で、弾性膜１５から超音波を入力されて支持膜１４が振動すると、圧電膜２１が支持膜１４の振動により伸縮する。この伸縮量に応じて圧電膜２１の下部電極２２側および上部電極２３側で電位差が発生し、下部電極２２および上部電極２３に圧電膜２１からの電流が流れて電気信号（受信信号）が出力される。
【００４７】
（１−３．弾性膜および超音波反射体の構成）
弾性膜１５は、上述のような支持膜１４、超音波素子２０を覆って形成される膜であり、超音波素子２０の保護膜としても機能する。この弾性膜１５としては、本実施形態では、例えばＰＤＭＳ（PolyDiMethylSiloxane）を用いるが、これに限定されず、弾性を有する合成樹脂など、その他の弾性素材により形成されるものであってもよい。また、弾性膜１５の厚み寸法としては、特に限定されないが、例えば３００μｍに形成されている。
【００４８】
また、弾性膜１５の表面には、図２および図３に示すように、接触層１５１が形成されている。この接触層１５１は、接触物が接触して剪断方向に変位した際、その剪断力を弾性膜１５に伝達させて歪ませるために、常に一定の摩擦係数を保つ必要があり、交換可能なフィルム材などにより形成されることが好ましい。また、超音波素子２０から発信された超音波が接触層１５１により反射されると、弾性膜１５の内部で超音波が乱反射してしまい、各超音波素子２０での測定精度が低下してしまうおそれがある。このため、接触層１５１は、超音波を吸収または表面で散乱させる形状に形成されることが好ましい。このような接触層１５１としては、例えば、フェルトや不織布、内部にシリカなどを混合させて多孔質にしたポリマーを接着したＰＥＴフィルムなどを例示することができる。
【００４９】
そして、座標（０，０）の位置には、弾性膜１５の内部に超音波反射体１６が埋設されている。この超音波反射体１６は、弾性膜１５と異なる音響インピーダンスを有している。したがって、弾性膜１５を進む超音波は超音波反射体１６の表面で反射される。
この超音波反射体１６は、図１〜図３に示すように、正四角錐台形状に形成される。なお、本実施形態では、外周表面の形状が正四角錐台形状となる器状の超音波反射体１６を例示するが、例えばブロック状の四角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
【００５０】
具体的には、超音波反射体１６は、基板１１に対向する頂部である第五素子対向面１６１Ｅを中心として４つの台形状の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄを備えている。
図１、図２に示すように、第一素子対向面１６１Ａは、第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｘ方向側に連続し、ＸＺ平面において＋Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｙ軸に平行な直線とで規定される平面である。第二素子対向面１６１Ｂは、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｘ方向側に連続し、ＸＺ平面において−Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｙ軸に平行な直線とで規定される平面である。
また、図１、図３に示すように、第三素子対向面１６１Ｃは、第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｙ方向側に連続し、ＹＺ平面において＋Ｙ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｘ軸に平行な直線とで規定される平面である。第四素子対向面１６１Ｄは、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｙ方向側に連続し、ＹＺ平面において−Ｙ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度の角度で傾斜する直線と、Ｘ軸に平行な直線とにより規定される平面である。
ここで、図２、図３に示すように、超音波素子２０Ａ〜２０Ｅは、各素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｅの法線方向上に位置するものであり、すなわち各素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｅの法線方向への射影空間内に位置している。
【００５１】
（１−４．制御部の構成）
図４は、触覚センサー１の概略構成を示すブロック図である。
制御部３０は、図４に示すように、素子切替回路３１と、送受信切替回路３２と、送受信切替制御部３３と、超音波信号発信回路３４と、時間計測部３５と、記憶部３６と、演算処理部３７と、を備えている。なお、素子切替回路３１、送受信切替回路３２、送受信切替制御部３３、および超音波信号発信回路３４により本発明の超音波発信制御部が構成される。
【００５２】
素子切替回路３１は、センサー本体１０の５つの超音波素子２０のうち、駆動させる超音波素子２０を切り替えるスイッチング回路である。
本実施形態の触覚センサー１では、１つの超音波素子２０から超音波の送受信が実施されている間、他の超音波素子２０への駆動信号の出力、および他の超音波素子２０からの受信信号の受信は実施しない。これにより、駆動対象となった超音波素子２０では、他の超音波素子２０から発信された超音波を受信してしまい、ノイズが検出される不都合や、駆動対象以外の超音波素子２０から受信信号が検出されてしまう不都合を回避できる。
この素子切替回路３１は、例えば、各超音波素子２０の下部電極線２２Ａおよび上部電極線２３Ａに接続される端子群を備え、送受信切替制御部３３から入力される指令信号に基づいて、指令信号に対応する超音波素子２０に対応した端子群と、送受信切替回路３２とを接続する。また、駆動させない超音波素子２０に対応した端子群は、例えば、下部電極線２２Ａおよび上部電極線２３Ａの双方をＧＮＤに接続するなどすることで、駆動させない構成としてもよい。
【００５３】
送受信切替回路３２は、送受信切替制御部３３から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、送受信切替制御部３３から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、送受信切替回路３２は、超音波信号発信回路３４から入力された駆動信号を、センサー本体１０の超音波素子２０Ａ〜２０Ｅに出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
一方、送受信切替回路３２は、送受信切替制御部３３から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、センサー本体１０の超音波素子２０Ａ〜２０Ｅから入力される受信信号を時間計測部３５に出力可能なスイッチング状態に切り替わる。
【００５４】
送受信切替制御部３３は、各超音波素子２０から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子２０にて超音波を受信させる超音波受信モードと、を切り替える。
具体的には、送受信切替制御部３３は、例えば触覚センサー１の電源がＯＮ状態に切り替わると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２に超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路３４から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。また、送受信切替制御部３３は、図示しない計時部（タイマー）により計測される時間を監視し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、超音波素子２０から例えば１〜２周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。超音波受信モードでは、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２に超音波受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、送受信切替回路３２を、超音波素子２０から入力される受信信号を時間計測部３５に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
【００５５】
超音波信号発信回路３４は、発信モードにおいて、送受信切替制御部３３から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、超音波素子２０を駆動させるための駆動信号（駆動パルス）を送受信切替回路３２に出力する。
【００５６】
時間計測部３５は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されまでの時間を計測する。
具体的には、時間計測部３５は、送受信切替制御部３３が超音波発信モードに切り替える処理を実施した超音波発信タイミング、すなわち超音波素子２０から超音波が発信されてからの時間をカウントする。なお、送受信切替制御部３３は、超音波発信タイミングで、計時部でカウントされる時間をリセットする。そして、送受信切替制御部３３が超音波受信モードに切り替える処理を実施し、超音波素子２０で受信された反射超音波に応じた受信信号が送受信切替回路３２から時間計測部３５に入力されると、時間計測部３５は、その入力されたタイミングでの時間（ＴＯＦデータ：Time Of Flightデータ）を取得する。また、取得したＴＯＦデータは、演算処理部３７に入力される。
【００５７】
記憶部３６は、演算処理部３７の各種処理を実施するための各種プログラムや各種データなどを記憶する。
具体的には、記憶部３６には、弾性膜１５のヤング率、弾性膜１５における超音波の音速、演算処理部３７により実施される各種プログラムなどが予め記憶される。また、演算処理部３７で算出された各種データが記憶される構成などとしてもよい。さらに、記憶部３６には、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の傾斜角度が記録されてもよい。
【００５８】
演算処理部３７は、移動量算出部３７１と、応力算出部３７２とを備えている。具体的には、演算処理部３７は、中央演算回路やメモリーなどの演算回路、記憶回路などにより構成されるものであり、例えば記憶部３６に記憶される移動量算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、移動量算出部３７１として機能し、記憶部３６に記憶される応力算出プログラムが中央演算回路に読み出されて処理が実行されることで、応力算出部３７２として機能する。
【００５９】
移動量算出部３７１は、時間計測部３５から入力されたＴＯＦデータと、記憶部３６に予め記憶されている弾性膜１５中での音速とに基づいて、超音波反射体の移動量、すなわち弾性膜１５の歪み量を算出する。
応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５の歪み量と、記憶部３６に予め記憶されている弾性膜１５のヤング率とに基づいて、弾性膜１５に作用する応力を算出する。
移動量算出部３７１の歪み量の算出方法（超音波反射体１６の移動量算出方法）、および応力算出部３７２の応力算出方法の詳細については、後述する。
【００６０】
〔２．触覚センサーの動作〕
次に、上記のような触覚センサー１による、正圧力および剪断力の測定動作について、図５、図６、図７に基づいて、詳細に説明する。なお、本実施形態では、弾性膜１５の歪みによる超音波反射体１６の回転は十分に小さく、無視出来るものとして以下説明する。また、超音波反射体１６のＹ軸方向への移動量の検出、弾性膜１５に作用するＹ軸方向への剪断力の検出は、Ｘ軸方向への移動量の検出、弾性膜１５に作用するＹ軸方向への剪断力の検出と同様の処理により算出することができるため、ここでの説明は省略する。
図５は、図２において、接触物Ｌが弾性膜１５に接触して超音波反射体１６が移動した状態を示す断面図である。図６は、超音波反射体１６が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体１６の移動量を算出するための説明図である。図５および図６において、二点鎖線で示される超音波反射体１６は、接触物Ｌが接触していない初期位置Ｐ０を示すものであり、実線で示される超音波反射体１６は接触物Ｌの接触による移動位置Ｐ１を示すものである。図７は、第一実施形態の触覚センサー１における応力算出処理のフローチャートである。
【００６１】
触覚センサー１による正圧力および剪断力を検出動作では、図７に示すように、まず、制御部３０は、素子設定変数ｎを初期化（ｎ＝０）する処理を行う（ステップＳ１）。
この後、制御部３０は、素子設定変数ｎに対応する超音波素子を駆動させてＴＯＦデータを取得する処理を実施する。
【００６２】
具体的には、制御部３０の送受信切替制御部３３は、超音波発信モードに切り替える。すなわち、送受信切替制御部３３は、素子切替回路３１を、第ｎ超音波素子２０への信号の送受信が可能な状態にスイッチングさせ、他の超音波素子２０への駆動信号の送信、他の超音波素子２０からの受信信号の受信を遮断する。また、送受信切替制御部３３は、送受信切替回路３２を、駆動信号を超音波素子２０に出力可能な状態にスイッチングさせるとともに、超音波信号発信回路３４にて駆動信号を生成させ、送受信切替回路３２に出力させる。これにより、第ｎ超音波素子２０から１〜２バースト波の超音波が発信される（ステップＳ２）。また、この超音波発信タイミングで、送受信切替制御部３３は、タイマーをリセットする。
【００６３】
この後、送受信切替回路３２は、超音波受信モードに切り替え、送受信切替回路３２を超音波素子２０から入力された受信信号を時間計測部３５に出力可能な状態にスイッチングする（ステップＳ３）。
これにより、時間計測部３５は、受信信号が入力されると、タイマーの時間を取得、すなわち、超音波が、超音波素子２０から発信されて超音波反射体１６により反射されて超音波素子２０に戻ってくるまでの時間（ＴＯＦデータ）を取得する（ステップＳ４）。また、時間計測部３５は、取得したＴＯＦデータを記憶部３６に記憶させる。
ここで、記憶部３６には、先に記憶されたＴＯＦデータと、新たに記憶されたＴＯＦデータとの比較処理を実施するために、取得したＴＯＦデータを蓄積して記憶する。例えば、記憶部３６には、ループｍ−１回目に取得したＴＯＦデータと、ループｍ回目に取得したＴＯＦデータとが記憶される。
【００６４】
次に、制御部３０は、素子設定変数ｎの値が５（センサー本体１０に設けられる超音波素子２０の数）以上であるか否かを判断する（ステップＳ５）。
ここで、制御部３０は、素子設定変数ｎが４以下であると判断した場合、素子設定変数ｎに１を加算し（ステップＳ６）、ステップＳ２〜ステップＳ４の処理を繰り返し実施する。
【００６５】
一方、制御部３０は、素子設定変数ｎが５であると判断すると、取得したＴＯＦデータが、前回取得したＴＯＦデータと比べて変動しているか否かを判断する（ステップＳ７）。なお、例えば電源投入時など、触覚センサー１を初めて駆動させた状態では、ループ１回目に取得したＴＯＦデータしか記憶されていないので、ステップＳ１の処理に戻り、再度ステップＳ１〜ステップＳ５の処理を実施してループ２回目のＴＯＦデータを取得する。
また、記憶部３６に記憶されたＴＯＦデータに変動がない場合、すなわち、ループｍ−１回目のＴＯＦデータと、ループｍ回目のＴＯＦデータとの差が予め設定された閾値の範囲内である場合、制御部３０は、再びステップＳ１〜ステップＳ５の処理（ループｍ＋１回目の処理）を実施させる。
【００６６】
このステップＳ７において、ループｍ−１回目のＴＯＦデータと、ループｍ回目のＴＯＦデータとの差が閾値以上である場合、制御部３０は、これらのＴＯＦデータの変動量を算出する処理を実施する（ステップＳ８）。
このように、取得したＴＯＦデータに変動がある場合、触覚センサー１は、弾性膜１５に接触物Ｌが接触して、図５に示すように、弾性膜１５が弾性変形していることを意味する。
【００６７】
この後、移動量算出部３７１は、算出されたＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体１６の移動量を算出する（ステップＳ９）
このステップＳ９では、以下のようにして超音波反射体１６の移動量が算出される。
すなわち、超音波反射体１６が初期位置Ｐ０に位置する状態でのＴＯＦデータがＴ０であり、超音波反射体１６が位置Ｐ１に移動した際のＴＯＦデータがＴ１である場合、移動量算出部３７１は、次式によりＴＯＦデータの変動量に対する移動量Ｍを算出する。
【００６８】
[数１]
【００６９】
上記式（１）において、ｃは、弾性膜１５中の音速であり、記憶部３６に予め記憶されている。
ここで、各超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）から発信された超音波のうち、素子対向面１６１（１６１Ａ〜１６１Ｅ）で反射されて、元の超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）に戻る超音波成分は、素子対向面１６１（１６１Ａ〜１６１Ｅ）に対して垂直に入射した超音波である。例えば、第一超音波素子２０Ａから発信された超音波のうち、第一素子対向面１６１Ａに垂直に入射する超音波成分が、第一超音波素子２０Ａに向かって反射され、第一超音波素子２０Ａで受信される。
したがって、上記により求められる移動量Ｍは、各素子対向面１６１の法線方向への移動量であり、図６において、第一素子対向面１６１Ａの法線方向への移動に対応する第一法線ベクトル（Ａ）、第二素子対向面１６１Ｂの法線方向の移動に対応する第二法線ベクトル（Ｂ）で示される。
【００７０】
また、本実施形態の触覚センサー１において、超音波反射体１６の素子対向面１６１Ａ，１６１Ｂは、Ｘ軸に対して４５度の角度で傾斜している。このため、これらの図６に示すように、第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルが超音波反射体１６のＸＺ平面における移動ベクトル（ＸＺ移動ベクトル（Ｃ））となり、以下のベクトル式が成立する。
【００７１】
[数２]
【００７２】
したがって、移動量算出部３７１は、上記（２）式に示すベクトル式に基づいて、ＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出する。さらに、移動量算出部３７１は、このＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を、Ｘ軸方向の成分であるＸ剪断方向ベクトル（ｘ）と、Ｚ軸方向の成分である正圧方向ベクトル（ｚ）とに分解する。
ここで、Ｘ剪断方向ベクトル（ｘ）の絶対値が超音波反射体１６のＸ軸方向への移動量となり、弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量となる。また、正圧方向ベクトル（ｚ）の絶対値が超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量となり、弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量となる。
【００７３】
さらに、移動量算出部３７１は、第五超音波素子２０Ｅから発信された超音波が第五素子対向面１６１Ｅで反射されて第五超音波素子２０Ｅにまで戻るまでのＴＯＦデータの変動量を算出し、式（１）に基づいて、第五素子対向面１６１Ｅの移動量を算出する。
この第五素子対向面１６１Ｅの移動量は、超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量であるが、第一素子対向面１６１Ａ〜第四素子対向面１６１Ｄの移動に基づいて算出された値よりも高精度な値となる。これは、第五素子対向面１６１Ｅと第五超音波素子２０Ｅとの距離が、他の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄと、これらの素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄに対応する超音波素子２０Ａ〜２０Ｄとの距離に比べて小さく、超音波の減衰等が抑えられるためである。
したがって、移動量算出部３７１は、第五素子対向面１６１Ｅおよび第五超音波素子２０Ｅにより算出した超音波反射体１６のＺ軸方向の測定移動量と、式（２）に基づいて算出されたＺ軸方向の算出移動量とを比較し、これらの差が予め設定された規定値以上となる場合、測定移動量をＺ軸方向の移動量として設定する。また、この場合、移動量算出部３７１は、測定移動量に基づいた正圧方向ベクトル（ｚ）を設定し、式（２）に基づいてＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を補正する処理をしてもよい。
【００７４】
なお、上記において、超音波反射体１６がＺＸ方向にのみ移動する場合を例示して、移動量算出部３７１により、超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量（弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量）および超音波反射体１６のＸ軸方向への移動量（弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量）を算出したが、超音波反射体１６のＹ軸方向への移動量も同様の手法により、算出することができる。
【００７５】
つまり、移動量算出部３７１は、第三素子対向面１６１Ｃおよび第三超音波素子２０Ｃにより取得されるＴＯＦデータの変動量から第三素子対向面１６１Ｃの法線方向への移動量である第三法線ベクトルを算出し、第四素子対向面１６１Ｄおよび第四超音波素子２０Ｄにより取得されるＴＯＦデータの変動量から第四素子対向面１６１Ｄの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出する。
また、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１Ｄは、Ｙ軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しているため、第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルが超音波反射体１６のＹＺ移動ベクトルとなる。
したがって、移動量算出部３７１は、ＹＺ移動ベクトルを算出し、このＹＺ移動ベクトルをさらにＺ軸方向成分の正圧方向ベクトルと、Ｙ軸方向成分のＹ剪断方向ベクトルに分解する。この正圧方向ベクトルが弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量となり、Ｙ剪断方向ベクトルが弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量となる。
【００７６】
また、移動量算出部３７１は、上記のように算出されたＸ剪断方向ベクトルおよびＹ剪断方向ベクトルを合成することで、ＸＹ平面内での超音波反射体１６の移動方向および移動量を算出してもよい。
そして、移動量算出部３７１は、算出された超音波反射体１６の移動量を記憶部３６に記憶する。
【００７７】
このステップＳ９の後、制御部３０の応力算出部３７２は、弾性膜１５に作用する応力を算出する（ステップＳ１０）。
具体的には、応力算出部３７２は、記憶部３６に記憶された弾性膜１５のヤング率を読み出し、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＸ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、Ｘ軸方向への剪断力を算出する。
また、応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＺ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、正圧力を算出する。
同様にして、応力算出部３７２は、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５のＹ軸方向への歪み量にヤング率を乗算することで、Ｙ軸方向への剪断力を算出する。なお、ＸＹ平面での超音波反射体の移動量を算出した場合では、その移動量のヤング率を乗算することで、Ｘ軸方向の剪断力およびＹ軸方向の剪断力の合力を算出することもできる。
そして、応力算出部３７２は、算出された正圧力および剪断力を記憶部３６に記憶する。
【００７８】
〔３．第一実施形態の作用効果〕
上述したように、上記第一実施形態の触覚センサー１では、センサー本体１０と、センサー本体１０を制御する制御部３０とを備えている。また、センサー本体１０は、基板１１と、基板１１上に設けられる５つの超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）と、これらの超音波素子２０を覆う弾性膜１５と、弾性膜１５内に埋設される超音波反射体１６とを備え、超音波反射体１６は、各超音波素子２０（２０Ａ〜２０Ｅ）に対向する素子対向面１６１を備えている。
このような構成の触覚センサーでは、各超音波素子２０から得られるＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の移動量および移動方向を検出することができ、これらの移動量と弾性膜１５のヤング率を乗算することで、弾性膜１５に作用する応力を算出することができる。
また、基板１１上に超音波素子２０および弾性膜１５を積層するだけの構成であるため、例えば立体的な剪断力検出構造体を設ける場合などに比べて、構成を簡単にでき、生産性を向上させることができ、生産コストをも低減させることができる。
【００７９】
そして、本実施形態の触覚センサー１では、超音波反射体１６は、正四角錐台形状に形成されており、正四角錐台形状を構成する第一素子対向面１６１Ａが、基板１１に対向する頂部である第五素子対向面１６１Ｅの＋Ｘ側に設けられ、＋Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度で傾斜し、かつＹ軸に平行な傾斜面により形成されている。また、正四角錐台形状を構成する第二素子対向面１６１Ｂが、第五素子対向面１６１Ｅの−Ｘ側に設けられ、−Ｘ方向に向かうに従って基板１１から離れる方向に４５度で傾斜し、かつＹ軸に平行な傾斜面により形成されている。
このような構成では、第一超音波素子２０Ａおよび第一素子対向面１６１Ａにより取得されるＴＯＦデータの変動量および第二超音波素子２０Ｂおよび第二素子対向面１６１Ｂにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第一素子対向面１６１Ａの法線方向への移動量である第一法線ベクトル（Ａ）および第二素子対向面１６１Ｂの法線方向への移動量である第二法線ベクトル（Ｂ）を算出することができる。また、第一素子対向面１６１Ａ、第二素子対向面１６１ＢがそれぞれＸ軸に対して４５度で傾斜しているため、移動量算出部３７１は、これらの第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出することができる。また、移動量算出部３７１は、このＸＺ移動ベクトルを式（２）に示すように、正圧方向ベクトル（ｚ）と、Ｘ剪断力方向ベクトル（ｘ）に分解することで、弾性膜１５のＺ軸方向の歪み量およびＸ軸方向の歪み量を容易に算出することができる。
【００８０】
また、同様に、第三超音波素子２０Ｃおよび第三素子対向面１６１Ｃにより取得されるＴＯＦデータの変動量および第四超音波素子２０Ｄおよび第四素子対向面１６１Ｄにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第三素子対向面１６１Ｃの法線方向への移動量である第三法線ベクトルおよび第四素子対向面１６１Ｄの法線方向への移動量である第四法線ベクトルを算出することができる。このため、移動量算出部３７１は、これらの第三法線ベクトルおよび第四法線ベクトルの合成ベクトルを算出するだけで、容易に超音波反射体１６のＹＺ移動ベクトルを算出することができ、弾性膜１５のＹ軸方向の歪み量を容易に算出することができる。
【００８１】
さらに、同様にして、第五超音波素子２０Ｅおよび第五素子対向面１６１Ｅにより取得されるＴＯＦデータの変動量から、第五素子対向面１６１Ｅの法線方向への移動量、すなわち超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量を直接測定することができる。
ここで、第五素子対向面１６１Ｅは、超音波反射体１６のうち頂部を構成し、基板１１に最も近接する位置に配置されるものであり、その直下に第五超音波素子２０Ｅが設けられている。このため、他の素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄと、これに対応する超音波素子２０Ａ〜２０Ｄとの距離比べて、第五素子対向面１６１Ｅと第五超音波素子２０Ｅとの距離は近く、弾性膜１５中における超音波の減衰等がなく、精度の高いＴＯＦデータを取得することができる。したがって、このようなＴＯＦデータを用いて、超音波反射体１６のＺ軸方向の移動量を測定することで、高精度に移動量を測定することができる。
また、このような高精度に測定されたＺ軸方向の移動量に基づいて、超音波反射体１６のＸＹ剪断方向の移動量を補正することもでき、より精度の高い測定を実施することができる。
【００８２】
また、上述したように、正四角錐台形状の超音波反射体１６を用いる構成では、各素子対向面１６１が平面により形成されるため、超音波の反射領域を拡大させることができる。例えば、超音波反射体として、例えば球形状を有する構造とした場合、超音波素子２０から発信された超音波のうち、当該超音波素子２０に反射される超音波は、球面のうちの一点により反射される超音波のみとなるため、受信信号が小さく検出精度が悪化する。円錐台形状を有する構造である場合でも、超音波素子２０から発信された超音波のうち、当該超音波素子２０に反射される超音波は、曲面のうちの一直線上により反射される超音波のみとなる。これに対して、四角錐台形状の超音波反射体１６では、素子対向面１６１のうち、超音波素子２０に対向する面積領域内で反射される超音波が超音波素子２０に入力されるので、球面形状や円錐台形状の超音波反射体を用いる場合に比べて受信信号が大きくなり、検出精度を向上させることができる。
【００８３】
そして、本実施形態の触覚センサー１では、制御部３０は、超音波発信制御部を構成する送受信切替回路３２、送受信切替制御部３３および超音波信号発信回路３４と、各超音波素子２０から取得される受信信号に基づいて、ＴＯＦデータを取得する時間計測部３５と、時間計測部３５で取得されたＴＯＦデータの変動量に基づいて、超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部３７１とを備えている。
このような触覚センサー１では、上述したように、時間計測部３５により取得されたＴＯＦデータに基づいて、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の法線方向の移動量である法線ベクトルを算出でき、これらの法線ベクトルに基づいて超音波反射体１６のＺ軸方向への移動量、Ｘ軸方向への移動量、Ｙ軸方向への移動量、すなわち弾性膜１５のＸＹＺ各軸方向の歪み量をそれぞれ容易に算出することができる。
【００８４】
また、制御部３０は、応力算出部３７２を備え、移動量算出部３７１により算出された弾性膜１５の歪み量と弾性膜１５のヤング率から弾性膜１５に作用する応力、すなわち弾性膜１５に作用する剪断力、正圧力を容易に算出することができる。
【００８５】
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態の触覚センサー１について、図面に基づいて説明する。
上記第一実施形態では、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１ＢがＸ軸に対して４５度に傾斜し、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１ＤがＹ軸に対して４５度に傾斜する構成を例示した。
これに対して、第二実施形態では、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１Ｂが、Ｘ軸に対して０度＜θ＜９０度（θ≠４５度）に形成される例を示す。なお、第三素子対向面１６１Ｃおよび第四素子対向面１６１ＤがＹ軸に対して０度＜θ＜９０度（θ≠４５度）に形成される場合も同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００８６】
上記第一実施形態のように、θ＝４５度に形成される場合では、第一法線ベクトル（Ａ）および第二法線ベクトル（Ｂ）の合成ベクトルが超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトルとなったが、第二実施形態のように、θ≠４５度である場合、移動量算出部３７１は、上記ステップＳ９において、異なる処理によりＸＺ移動ベクトルを算出する。
図８は、第二実施形態における超音波反射体１６が初期状態から所定位置に移動した際の、超音波反射体１６の移動量を算出するための説明図である。なお、第二実施形態の触覚センサー１は、超音波反射体１６の第一素子対向面１６１Ａおよび第二素子対向面１６１Ｂの傾斜角度が異なる点を除いて、上記第一実施形態と同様の構成であるため、各構成に同符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
第二実施形態の触覚センサー１では、弾性膜１５に接触物Ｌが接触すると、接触物Ｌから弾性膜１５にＺ軸方向への正圧力や、ＸＹ方向に沿う剪断力を受けると、図８に示すように、弾性膜１５が弾性変形して歪み、弾性膜１５の内部に埋設された超音波反射体も弾性膜１５の弾性変形に応じて位置が移動する。
【００８８】
ここで、第一超音波素子２０Ａから発信された超音波のうち、第一素子対向面１６１Ａで反射されて第一超音波素子２０Ａに戻る超音波成分は、第一素子対向面１６１Ａに対して垂直に入射した超音波である。したがって、上記第一実施形態と同様に、移動量算出部３７１は、式（１）に基づいて、第一法線ベクトル（Ａ）及び第二法線ベクトル（Ｂ）を算出する。
一方、超音波反射体１６のＸＺ移動ベクトル（Ｃ）は、第一素子対向面１６１Ａの第二素子対向面１６１Ｂの傾斜角度（第一傾斜角度θ１）に沿うベクトル成分（第一成分ベクトル（Ａ´））と、第二素子対向面１６１Ｂの第一素子対向面１６１Ａの傾斜角度（第二傾斜角度θ２）に沿うベクトル成分（第二成分ベクトル（Ｂ´））との合成ベクトルにより表される。
【００８９】
したがって、移動量算出部３７１は、図８に示すように、第一法線ベクトル（Ａ）を分解して第一成分ベクトル（Ａ´）を算出し、第二法線ベクトル（Ｂ）を分解して第二成分ベクトル（Ｂ´）を算出する。これには、制御部３０の記憶部３６に、第一傾斜角度θ１、および第二傾斜角度θ２を予め記憶しておき、移動量算出部３７１は、これらの傾斜角度θ１，θ２を読み出し、下記式（３）により第一成分ベクトル（Ａ´）および第二成分ベクトル（Ｂ´）を算出する。
【００９０】
[数３]
【００９１】
この後、移動量算出部３７１は、第一成分ベクトル（Ａ´）および第二成分ベクトル（Ｂ´）を合成してＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を算出し、このＸＺ移動ベクトル（Ｃ）を分解して、正圧方向ベクトル（ｚ）およびＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を算出する。
【００９２】
［第二実施形態の作用効果］
上記第二実施形態のような触覚センサー１でも、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第二実施形態では、超音波反射体１６の各素子対向面１６１の傾斜角度が０度＜θ＜９０度であるいかなる場合であっても、精度よく正圧方向ベクトル（ｚ）およびＸ剪断方向ベクトル（ｘ）を算出することができる。
したがって、例えば、超音波反射体１６の傾斜角度を０度＜θ＜４５度に設定することもでき、この場合、第一実施形態に比べて超音波反射体１６のＺ軸方向の厚み寸法を小さくでき、触覚センサー１のさらなる小型化を促進することができる。
【００９３】
[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態の触覚センサーについて、図面に基づいて説明する。
図９は、第三実施形態の触覚センサーにおけるセンサーアレイの構成を示す図である。図１０は、図９におけるセンサーアレイ１０Ａ（超音波センサー）のうち、互いに隣接する２つのセンサー本体１０の断面構造を示した断面図である。なお、第一および第二実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略する。
第三実施形態の触覚センサー１Ａは、第一及び第二実施形態のセンサー本体１０を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って均等に配置したアレイ構造を有するセンサーアレイ１０Ａを備えている。
【００９４】
ここで、超音波センサーを構成するセンサーアレイ１０Ａにおいて、各センサー本体１０の基板１１および支持膜１４は共通部材であり、１つの基板１１上に支持膜１４が形成され、この支持膜１４上に図９に示すように、矩形上の区画に区分された各センサー本体１０が形成されている。
そして、センサーアレイ１０Ａの互いに隣り合うセンサー本体１０の間には、図１０に示すように、近接検出用超音波素子４０が設けられている。
【００９５】
この近接検出用超音波素子４０は、基板１１に形成される開口部１１１と、開口部１１１を閉塞する支持膜１４（メンブレン１４１）と、メンブレン１４１の内部領域に配置される膜上の圧電膜４１と、圧電膜４１を挟んで配置される下部電極４２および上部電極４３と、により構成されている。また、この近接検出用超音波素子４０上には、弾性膜１５は形成されない。したがって、近接検出用超音波素子４０に交流電圧を印可すると、超音波は、センサーアレイ１０Ａ直上に空気を伝搬して発信される。
【００９６】
ここで、圧電膜４１、下部電極４２、および上部電極４３は、超音波素子２０を構成する圧電膜２１、下部電極２２、および上部電極２３と同様の構成素材により構成されている。また、センサー平面視において、近接検出用超音波素子４０の開口部１１１およびメンブレン１４１は、超音波素子２０の開口部１１１およびメンブレン１４１よりも大きい面積に形成されており、圧電膜４１、下部電極４２、および上部電極４３も、圧電膜２１、下部電極２２、および上部電極２３より大きい面積を有している。これにより、近接検出用超音波素子４０は、超音波素子２０よりも大音圧の超音波を出力可能であり、より遠方にまで超音波を送出することができる。
このような触覚センサー１Ａでは、センサーアレイ１０Ａの直上に接触物Ｌが近接すると、近接検出用超音波素子４０から発信された超音波は、接触物Ｌで反射され、近接検出用超音波素子４０で受信される。
【００９７】
なお、図９において、センサー本体１０毎に弾性膜１５が分離される構成を例示したが、これに限定されず、例えば支持膜１４全体を覆う弾性膜１５が設けられる構成としてもよい。この場合、近接検出用超音波素子４０の直上領域のみ、弾性膜１５に開口を設け、この開口から距離検出用の超音波を発信させる構成とすればよい。
【００９８】
図１１は、触覚センサー１Ａにおける制御部３０Ａの概略構成を示すブロック図である。
制御部３０Ａは、図１１に示すように、第一および第二実施形態の各構成に加え、演算処理部３７は、距離算出部３７３を備えている。
この距離算出部３７３は、近接検出用超音波素子４０から出力される受信信号に基づいて、時間計測部３５でＴＯＦデータが取得されると、このＴＯＦデータに基づいて、センサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を算出する。具体的には、制御部３０Ａの記憶部３６には、空気中の音速が予め記憶されており、時間計測部３５は、取得したＴＯＦデータと記憶部３６から読み出した空気中の音速とに基づいて、センサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を算出する。
【００９９】
また、制御部３０Ａの送受信切替制御部３３は、触覚センサー１Ａの電源がＯＮ状態にされると、触覚センサー１Ａを待機モードに設定する。この待機状態では、送受信切替制御部３３は、超音波素子２０を停止させ、近接検出用超音波素子４０のみを駆動させる。すなわち、送受信切替制御部３３は、周期的に、近接検出用超音波素子４０から超音波を発信させる超音波発信モードと、近接検出用超音波素子４０にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。なお、近接検出用超音波素子４０の超音波発信モードでは、超音波信号発信回路３４は、超音波素子２０を駆動させるための駆動電圧より大きい駆動電圧を設定して、駆動信号として出力する。
【０１００】
そして、送受信切替制御部３３は、時間計測部３５において近接検出用超音波素子４０から出力された受信信号に基づくＴＯＦデータが取得されると、距離算出部３７３により算出されるセンサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離を監視する。そして、送受信切替制御部３３は、このセンサーアレイ１０Ａと接触物Ｌとの距離が予め設定された閾値以下になったことを判断すると、駆動モードに設定する。この駆動モードでは、上記第一および第二実施形態と同様に、周期的に、超音波素子２０から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波素子２０にて反射超音波を受信させる超音波受信モードとに切り替える。これにより、制御部３０Ａは、上記第一および第二実施形態と同様に、接触物Ｌが弾性膜１５に接触した際の弾性膜１５に作用する応力を算出する処理を実施する。この時、送受信切替制御部３３は、近接検出用超音波素子４０の駆動を停止させる。
そして、送受信切替制御部３３は、応力算出部３７２により算出される応力（正圧力および剪断力）が「０」になったと判断すると、再び待機モードに移行させ、超音波素子２０を停止させて、近接検出用超音波素子４０を駆動させる。
【０１０１】
［第三実施形態の作用効果］
上記第三実施形態の触覚センサー１Ａでは、上記第一実施形態の作用効果に加え、次の効果を奏することができる。すなわち、触覚センサー１Ａは、複数のセンサー本体１０をアレイ状に配設したセンサーアレイ１０Ａを備える。このため、複数のセンサー本体１０により広範囲に亘って正圧力および剪断力の検出を実施することができる。
【０１０２】
また、隣り合うセンサー本体１０間には、近接検出用超音波素子４０が設けられている。このため、近接検出用超音波素子４０から発信された超音波が、接触物Ｌにより反射されて戻ってきたか否かを判断することで、触覚センサー１Ａ近傍に接触物Ｌがあるか否かを判別することができる。
さらに、制御部３０Ａには距離算出部３７３が設けられているので、近接検出用超音波素子４０から出力される受信データに基づいて計測されるＴＯＦデータを用いて、センサーアレイ１０Ａから接触物Ｌまでの距離を算出することができる。
【０１０３】
さらには、送受信切替制御部３３は、距離算出部３７３により算出される接触物Ｌまでの距離が予め設定された閾値以上である場合に、超音波素子２０の駆動を停止させ、接触物Ｌまでの距離が予め設定された閾値より小さくなった際に、超音波素子２０を駆動させる。このように、超音波素子２０の駆動を切り替えることで、省電力化を図ることができる。
【０１０４】
[第四実施形態]
次に、上述した触覚センサー１，１Ａを用いた装置の応用例として、触覚センサー１Ａを備えた把持装置について、図面に基づいて説明する。
【０１０５】
図１２は、本発明に係る第四実施形態の把持装置の概略構成を示す装置ブロック図である。
図１２において、把持装置５０は、少なくとも一対の把持アーム５１を備え、この把持アーム５１により、接触物Ｌ（把持対象物）を把持する装置である。この把持装置５０としては、例えば製品を製造する製造工場などにおいて、ベルトコンベアーなどにより搬送された対象物を把持して持ち上げる装置である。そして、この把持装置５０は、前記把持アーム５１と、把持アーム５１を駆動するアーム駆動部５２と、アーム駆動部５２の駆動を制御する制御装置５４と、を備えて構成されている。
【０１０６】
一対の把持アーム５１は、それぞれ先端部に接触面である把持面５３を備え、この把持面５３を接触物Ｌに当接させて把持することで接触物Ｌを把持し、持ち上げる。ここで、本実施形態において、把持アーム５１が一対設けられる構成を例示するが、これに限定されず、例えば３本の把持アーム５１により、接触物Ｌを３点支持により把持する構成などとしてもよい。
【０１０７】
把持アーム５１に設けられる把持面５３は、表面には、第三実施形態において説明した触覚センサー１Ａが設けられており、触覚センサー１Ａの表面部の弾性膜１５が露出されている。そして、把持アーム５１は、この弾性膜１５を接触物Ｌに接触させ、接触物Ｌに所定の圧力（正圧力）を印加することで、接触物Ｌを把持する。このような把持アーム５１では、把持面５３に設けられる触覚センサー１Ａにより、接触物Ｌに印加する正圧力、および把持した際に接触物Ｌが把持面５３から滑り落ちようとする剪断力を検出し、正圧力や剪断力に応じた電気信号を制御装置５４に出力する。
【０１０８】
アーム駆動部５２は、一対の把持アーム５１を互いに近接離隔する方向に移動させる装置である。このアーム駆動部５２としては、把持アーム５１を移動可能に保持する保持部材５５と、把持アーム５１を移動させる駆動力を発生する駆動源５６と、駆動源の駆動力を把持アーム５１に伝達させる駆動伝達部５７を備えている。
保持部材５５は、例えば把持アーム５１の移動方向に沿う案内溝を備え、この案内溝内で把持アーム５１を保持することで、把持アーム５１を移動可能に保持する。また、保持部材５５は、鉛直方向に移動可能に設けられている。
駆動源５６は、例えば駆動モーターであり、制御装置５４から入力される駆動制御信号に応じて駆動力を発生させる。
駆動伝達部５７は、例えば複数のギアにより構成され、駆動源５６で発生した駆動力を把持アーム５１および保持部材５５に伝達させ、把持アーム５１および保持部材５５を移動させる。
なお、本実施形態では、一例として上記構成を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、把持アーム５１を保持部材５５の案内溝に沿って移動させる構成に限らず、把持アームを回動可能に保持する構成などとしてもよい。駆動源５６としても駆動モーターに限られず、例えば油圧ポンプなどにより駆動される構成としてもよく、駆動伝達部５７としても、例えば駆動力を歯車により伝達する構成に限らず、ベルトやチェーンにより伝達する構成、油圧などにより駆動されるピストンを備えた構成などとしてもよい。
【０１０９】
制御装置５４は、把持アーム５１の把持面５３に設けられる触覚センサー１Ａ、およびアーム駆動部５２に接続され、把持装置５０における接触物Ｌの把持動作の全体を制御する。
具体的には、制御装置５４は、図１２に示すように、アーム駆動部５２および触覚センサー１Ａに接続され、把持装置５０の全体動作を制御する。この制御装置５４は、触覚センサー１Ａから入力される剪断力検出信号、および正圧力検出信号を読み取る信号検出手段５４１、接触物Ｌの滑り状態を検出する把持検出手段５４２、およびアーム駆動部５２に把持アーム５１の駆動を制御するための駆動制御信号を出力する駆動制御手段５４３を備えている。また、この制御装置５４としては、例えばパーソナルコンピューターなどの汎用コンピューターを用いることもでき、例えばキーボードなどの入力装置や、接触物Ｌの把持状態を表示させる表示部などを備える構成としてもよい。
また、信号検出手段５４１、把持検出手段５４２、および駆動制御手段５４３は、プログラムとして例えばメモリーなどの記憶部に記憶され、ＣＰＵなどの演算回路により適宜読み出されて実行されるものであってもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【０１１０】
信号検出手段５４１は、触覚センサー１Ａに接続され、触覚センサー１Ａから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出手段５４１にて認識された検出信号は、例えば図示しないメモリーなどの記憶部に出力されて記憶されるとともに、把持検出手段５４２に出力される。
【０１１１】
把持検出手段５４２は、剪断力検出信号に基づいて、把持アーム５１により接触物Ｌを把持したか否かを判断する。
ここで、図１３に、把持装置５０の把持動作における触覚センサーに作用する正圧力および剪断力の関係を示す図を示す。
図１３において、正圧力が所定値に達するまでは、正圧力の増加に応じて剪断力が増加する。この状態は、接触物Ｌと把持面５３との間に動摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３から滑り落ちている滑り状態で、把持が未完了であると判断する。一方、正圧力が所定値以上となると、正圧力を増大させても剪断力が増加しない状態となる。この状態は、接触物Ｌと把持面５３との間に静摩擦力が作用している状態であり、把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３により把持された把持状態であると判断する。
具体的には、剪断力検出信号の値が、静摩擦力に対応した所定の閾値を越える場合に、把持が完了したと判断する。
【０１１２】
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２にて検出された電気信号に基づいてアーム駆動部５２の動作を制御する。
【０１１３】
次に、制御装置５４の動作について図面に基づいて説明する。
図１４は、制御装置５４の制御による把持装置５０の把持動作を示すフローチャートである。図１５は、把持装置５０の把持動作時において、アーム駆動部５２への駆動制御信号、触覚センサー１Ａから出力される検出信号の発信タイミング示すタイミング図である。
【０１１４】
把持装置５０で接触物Ｌを把持するためには、まず制御装置５４の駆動制御手段５４３は、各把持アーム５１を互いに近接させる方向に移動させる旨の駆動制御信号をアーム駆動部５２に出力する（把持動作）。これにより、把持アーム５１の把持面５３が接触物Ｌに近接する（図１４：ステップＳ１１）。
【０１１５】
次に、制御装置５４の把持検出手段５４２は、接触物Ｌが把持面５３に接触したか否かを判断する（図１４：ステップＳ１２）。具体的には、制御装置５４は、信号検出手段５４１で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、把持面５３が接触物Ｌに接触していないと判断し、駆動制御手段５４３は、ステップＳ１１を継続して、駆動制御信号を出力し、把持アーム５１をさらに駆動させる。
【０１１６】
一方、把持面５３が接触物Ｌに接触する（図１５：タイミングＴ１）と、触覚センサー１Ａの弾性膜１５が歪み、その歪み量に基づいて算出された正圧力に対応する正圧力検出信号が出力される。
駆動制御手段５４３は、把持検出手段５４２において、正圧力検出信号を検出すると、把持アーム５１の近接移動（接触物Ｌへの押圧）を停止させる（図１４：ステップＳ１３、図１５：タイミングＴ２）。また、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２に駆動制御信号を出力し、把持アーム５１を上方に持ち上げる動作（持上げ動作）を実施させる（図１４：ステップＳ１４、図１５：タイミングＴ２〜Ｔ３）。
【０１１７】
ここで、接触物Ｌを持ち上げる際に、弾性膜１５が剪断力により剪断方向に歪み、触覚センサー１Ａでは、その歪み量に応じた剪断力が算出され、その剪断力に対応する剪断力検出信号が出力される。
把持検出手段５４２は、信号検出手段５４１に入力される剪断力検出信号に基づいて、滑りがあるか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【０１１８】
この時、把持検出手段５４２において、滑りがあると判断されると、駆動制御手段５４３は、アーム駆動部５２を制御して、把持アーム５１を、把持面５３を接触物Ｌに押し付ける方向に移動させて、把持力（正圧力）を増大させる（図１４：ステップＳ１６）。
すなわち、制御装置５４は、図１５におけるタイミングＴ３において、駆動制御手段５４３にて把持動作を実施させ、接触物Ｌへの正圧力を増大させ、信号検出手段５４１にて、再び触覚センサー１Ａから出力される剪断力検出信号を検出する。以上のような滑り検知動作（タイミングＴ２〜Ｔ６）を繰り返し、剪断力検出信号が、所定の閾値Ｓ１以上となった場合（タイミングＴ６）に、ステップＳ１５において、滑りがない、すなわち把持が完了したと判断し、滑り検知動作を停止させる。
【０１１９】
［第四実施形態の作用効果］
上述したような第四実施形態の把持装置５０では、上記第三実施形態の触覚センサー１Ａを備えている。このような触覚センサー１Ａは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、把持装置５０においても精度の高い剪断力検出信号および正圧力検出信号に基づいて、正確な把持動作を実施することができる。
また、このような触覚センサー１Ａでは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方に対して剪断力を検出することができる。したがって、第四実施形態では、接触物Ｌを持ち上げる際の剪断力を測定したが、例えばベルトコンベアー上で搬送される対象物に対して把持を実施する際に、搬送方向への剪断力をも測定することができる。
【０１２０】
[第五実施形態]
上記第四実施形態では、触覚センサー１Ａが設けられた把持装置を、触覚センサーを備えた装置の一例として例示したが、これに限定されない。
第五実施形態では、触覚センサー１，１Ａを用いた装置の他の応用例として、触覚センサー１Ａを備えたアイロンについて、図面に基づいて説明する。
図１６は、第五実施形態のアイロンの概略構成を示すブロック図である。
【０１２１】
アイロン６０は、ヒーター６１と、ベース部６２と、ベース部６２に設けられた温度センサー６３と、ベース部６２に設けられた触覚センサー１Ａと、ヒーター駆動回路６４と、を備えている。このアイロン６０のヒーター駆動回路６４は、温度センサー６３および触覚センサー１Ａからの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御し、ベース部６２を対象布地に対して最適な温度に加熱する。
【０１２２】
ヒーター６１は、ヒーター駆動回路６４から印可された電圧により発熱し、ベース部６２を加熱する。
ベース部６２は、対象布地に接触して、対象布地の皺を伸ばす部分であり、ヒーター６１により加熱される。そして、このベース部６２の一部には、図１６に示すように、触覚センサー１Ａが設けられ、触覚センサー１Ａの弾性膜１５が、対象布地に接触可能に露出されている。
また、ベース部６２には、温度センサー６３が設けられており、この温度センサー６３は、ベース部６２の温度を検出してヒーター駆動回路６４に出力する。
【０１２３】
ヒーター駆動回路６４は、触覚センサー１Ａ、温度センサー６３、およびヒーター６１に接続され、触覚センサー１Ａおよび温度センサー６３からの信号に基づいてヒーター６１に印加する電圧を制御する。このヒーター駆動回路６４は、図１６に示すように、本発明の記憶部であるメモリー６４１と、信号検出部６４２と、布地判別部６４３と、温度制御部６４４と、を備えている。
このヒーター駆動回路６４としては、例えばＣＰＵ等の演算回路や、記憶回路を備えたコンピューターとして構成され、布地判別部６４３や温度制御部６４４が、演算回路による演算処理により実行されるソフトウェアとして機能される構成としてもよく、例えばＩＣなどの集積回路により構成され、入力された電気信号に対して所定の処理を実施するものであってもよい。
【０１２４】
メモリー６４１は、本発明の相関データである応力−粗さ値データを記憶している。この応力−粗さ値データには、触覚センサー１Ａにより検出された応力に応じた、対象布地の粗さ値が記録されているデータであり、例えば、剪断力に対応する粗さ値が、正圧力毎に記録されている。
また、メモリー６４１には、粗さ値に対応したベース部６２の最適温度が記録された粗さ−温度データが記憶されていてもよい。
【０１２５】
信号検出部６４２は、触覚センサー１Ａに接続され、触覚センサー１Ａから入力される正圧力検出信号や剪断力検出信号などを取得する。この信号検出部６４２にて検出された検出信号は、メモリー６４１に出力されて記憶されるとともに、布地判別部６４３に出力される。
【０１２６】
布地判別部６４３は、信号検出部６４２から入力された剪断力および正圧力、およびメモリー６４１に記憶された応力−粗さ値データに基づいて、対象布地の種別を判別する。
例えば、本実施形態では、応力−粗さ値データとして、正圧力毎に、剪断力に対応する粗さが記憶されている。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力に対応した応力−粗さ値データをメモリー６４１から読み出し、この応力−粗さ値データから剪断力に対応した粗さ値を取得する。
そして、布地判別部６４３は、取得した粗さ値を温度制御部６４４に出力する。
【０１２７】
温度制御部６４４は、布地判別部６４３から入力された粗さ値、および温度センサー６３により検出されるベース部６２の温度に基づいて、ヒーター６１への印加電圧を制御する。
具体的には、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、布地判別部６４３から入力された粗さ値に応じたベース部６２の最適温度を取得する。そして、温度制御部６４４は、温度センサー６３から入力された検出温度と最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印加電圧値を算出して、ヒーター６１に印加する。
【０１２８】
［アイロンの動作］
次に、上記のようなアイロン６０の動作について説明する。
図１７は、第五実施形態のアイロンの動作を示すフローチャートである。
利用者によりアイロン６０に電力が供給されると、触覚センサー１Ａの近接検出用超音波素子４０が駆動される。これにより、上記第三実施形態において説明したように、触覚センサー１Ａは、対象布地と触覚センサー１Ａ（ベース部６２）との距離を算出する。そして、対象布地とベース部６２との距離が予め設定された距離以内になると、触覚センサー１Ａは、駆動モードに移行する（ステップＳ２１）。
【０１２９】
この後、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、対象布地がベース部６２に接触したか否かを判断する（ステップＳ２２）。具体的には、ヒーター駆動回路６４は、信号検出部６４２で正圧力検出信号の入力が検知されたか否かを判断する。ここで、正圧力検出信号が検出されない場合は、ベース部６２に対象布地が接触していないと判断する。この場合は、ヒーター駆動回路６４は、ステップＳ２２を継続し、対象布地とベース部６２との接触判断処理を継続する。
【０１３０】
また、ステップＳ２２において、信号検出部６４２が正圧力検出信号の入力が検知した場合、さらに、剪断力検出信号の入力を検出し、剪断力の大きさが０より大きいか否かを判断する（ステップＳ２３）。
つまり、正圧力の大きさは、利用者がアイロン６０を対象布地に押し付ける強さにより変化するため、正圧力のみでは対象布地の種別を判別することはできない。したがって、剪断力の大きさが０である場合は、継続してステップＳ２３の処理を実行する。
一方、ステップＳ２３により、剪断力検出信号により検出された剪断力の大きさが０より大きい場合、布地判別部６４３は、メモリー６４１から、正圧力に対応した応力−粗さ値データを読み出し、剪断力に対応した粗さ値を取得する（ステップＳ２４）。
【０１３１】
この後、温度制御部６４４は、メモリー６４１から粗さ−温度データを読み出し、ステップＳ２４で取得された粗さ値に対応した温度を取得し、最適温度として設定する（ステップＳ２５）。
さらに、温度制御部６４４は、温度センサー６３により検出された検出温度と、ステップＳ２５により設定された最適温度との差分値から、ベース部６２を最適温度に設定するために必要なヒーター６１への印可電圧値を算出し、ヒーター６１にその電圧値を印可する（ステップＳ２６）。
これにより、アイロン６０は、対象布地の種別に応じて、ベース部６２の温度を、自動で設定することが可能となる。
【０１３２】
［第五実施形態の作用効果］
上述したような第五実施形態のアイロン６０では、上記第三実施形態の触覚センサー１Ａを備えている。このような触覚センサー１Ａは、上述したように、任意位置における剪断力および正圧力を容易に精度よく検出することができるものであるため、アイロン６０においても、ベース部６２に対象布地が接触した際の正圧力および剪断力を高精度で検出することができる。
【０１３３】
そして、アイロン６０のヒーター駆動回路６４は、布地判別部６４３により、検出された正圧力および剪断力に対応した、対象布地の粗さを判別することができる。したがって、判断された対象布地の粗さから、対象布地の種別を判断することができ、温度制御部６４４は、布地の種別に対応してベース部６２の温度を設定することができる。したがって、アイロン６０において、布地に対応してベース部６２の温度を自動で設定することができ、対象布地の種別に応じて、温度設定を変更する煩雑な作業を省略することができる。
【０１３４】
なお、上記第五実施形態では、メモリー６４１に、正圧力および剪断力に応じた粗さ値が記録された応力−粗さ値データを記憶する例を示したが、例えば、正圧力および剪断力に応じた対象布地の種類を記録した応力−布地種別データがメモリー６４１に記憶される構成などとしてもよい。この場合では、布地判別部６４３は、正圧力および剪断力に応じて、対象布地の種別を直接判別し、温度制御部６４４は、判別された布地の種別に対応した温度を取得する。
また、相関データとして、正圧力および剪断力に対応したベース部６２の最適温度が記憶された応力−温度データが記憶されていてもよく、この場合では、粗さ−温度データを記憶する必要がなくなり、より少ないデータ量で、ベース部６２の温度を自動で設定可能なアイロン６０を提供することができる。
【０１３５】
さらに、上記アイロン６０では、ヒーター駆動回路６４により自動でベース部６２の温度が設定される例を示したが、例えば、ベース部６２の温度を自動設定する自動モードと、手動により温度を設定する手動モードと、を適宜切り替え可能な構成としてもよい。
【０１３６】
〔その他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【０１３７】
例えば、上記実施形態において、正四角錐形状の超音波反射体１６が設けられた触覚センサー１，１Ａを例示したが、これに限定されず、例えば球面形状や円錐台形状に形成されるものであってもよい。ただし、この場合、上述したように、超音波の反射位置が狭くなり受信信号が小さくなるので、例えば超音波の出力値を増大させたり、受信信号を増幅させる増幅回路を別途設けたりする必要がある。
【０１３８】
また、正四角錐台形状の超音波反射体１６を用いることで、Ｘ軸方向、およびＸ軸方向に直交するＹ軸方向に沿った剪断力を検出可能な構成としたが、例えば、超音波反射体１６を弾性膜１５の厚みに対して直交する方向に断面した断面形状がひし形状となるものであってもよい。この場合、Ｘ軸方向と、Ｘ軸方向に交差するＹ´軸方向とに作用する剪断力をそれぞれ算出することができる。
また、検出すべき剪断力の方向が予め決まっており、その方向が一方向のみである場合では、２つの素子対向面を有する超音波反射体と、各素子対向面に対向する２つの超音波素子とが設けられていればよく、より構成を簡単にできる。
さらに、検出対象となる剪断力の方向が予め決まっており、その方向が３方向以上である場合、これらの各方向に対してそれぞれ一対の素子対向面を有する多角錐台形状の超音波反射体を用いてもよい。
【０１３９】
そして、上記実施形態では、超音波反射体１６には、頂部に第五素子対向面１６１Ｅが設けられ、基板１１には、第五素子対向面１６１Ｅに対向する第五超音波素子２０Ｅが設けられる構成としたが、第五素子対向面１６１Ｅや第五超音波素子２０Ｅが設けられない構成、例えば四角錐形状の超音波反射体を用いてもよい。このような構成では、上述したように、正圧力に対して第一〜第四素子対向面１６１Ａ〜１６１Ｄおよび第一〜第四超音波素子２０Ａ〜２０Ｄにより取得されるＴＯＦデータに基づいて算出することが可能であり、かつ第五超音波素子２０Ｅが設けられない分、構成をより簡略化することができる。また、超音波反射体１６に第五素子対向面１６１Ｅが設けられない構成とすることで、超音波反射体１６の体積をも小型化でき、触覚センサー１，１Ａの小型化を図ることができる。
【０１４０】
また、上記第一から第四実施形態の触覚センサー１，１Ａでは、１つの超音波素子２０から放射状に拡散する超音波を発信する構成を例示したが、例えば、各超音波素子２０の代わりに、複数の超音波素子をアレイ状に配列した超音波アレイを配置する構成としてもよい。このような超音波アレイでは、各超音波素子から超音波を発信させるタイミングを遅延させることで、所望の方向に平面波として伝搬するビーム状の超音波を発信可能となる。したがって、各超音波アレイから、これらの超音波アレイに対応した素子対向面に向かって超音波を発信させてもよい。このような構成では、弾性膜１５の歪みが大きく、超音波反射体１６が大きく変位した場合、各超音波素子の駆動タイミングを調整して、超音波の発信角度を適宜調整する必要が生じるが、複数の超音波素子から発信される超音波が互いに強め合うことで、大音圧の超音波を発信させることが可能となる。このため、各超音波アレイにおいて、大きい反射超音波を受信することができ、信号検出精度を向上させることができる。また、大音圧の超音波を発信することができるため、超音波反射体１６として、球形状や円錐台形状のものを用いた場合でも、比較的大きい音圧の反射超音波を受信することができる。
【０１４１】
また、第三実施形態において、センサーアレイ１０Ａ内に配置される各センサー本体１０は、基板１１および支持膜１４が共通部材とされる構成としたが、例えばセンサー本体１０毎に基板１１および支持膜１４が設けられる構成としてもよい。この場合、例えば、別途センサー載置用基板を用意し、このセンサー載置用基板にセンサー本体１０をアレイ状に配置することでセンサーアレイを構成すればよい。
【０１４２】
さらに、第四実施形態において、把持装置５０として、一対の把持アーム５１が設けられる構成を例示したが、３本以上の把持アームを互いに近接離間する方向に移動させて接触物Ｌを把持する構成としてもよい。また、アーム駆動部により駆動される駆動アームと、駆動しない固定アームまたは固定壁とを備え、駆動アームを固定アーム（固定壁）側に移動させて対象物を把持する構成などとしてもよい。
【０１４３】
さらには、第四実施形態では、触覚センサー１Ａを、接触物Ｌを把持する把持装置５０に適用する例を示し、第五実施形態では、触覚センサー１Ａを備えたアイロン６０を例示したが、これに限定されない。例えば、触覚センサー１Ａを、例えば入力装置などとして適用してもよい。入力装置として用いる場合は、例えばノート型パソコンや、パーソナルコンピューターに組み込むことができる。具体的には、板状の入力装置本体に設けられる表面部に触覚センサー１Ａを設ける構成などが例示できる。このような入力装置では、表面部上で利用者の指を動かしたり、タッチペンなどを動かしたりすると、これらの動きにより剪断力や正圧力が発生する。この剪断力および正圧力を触覚センサー１Ａにより検出することで、利用者の指やタッチペンの接触位置座標、移動方向を検出して電気信号として出力することができる。
また、接触物判別部として、メモリー６４１に記憶された応力−粗さデータに基づいて、布地の種別（粗さ値）を判別する布地判別部６４３を例示したが、これに限らない。例えば、触覚センサー１，１Ａを、パン製造装置に設け、パン生地の柔らかさ（捏ね状態）を判断する接触物判別部を設ける構成としてもよい。この場合、接触部判別部は、パン生地に対して加えた応力と、その応力に対して最適弾性力との関係データをメモリーに記憶する。そして、接触物判別部は、触覚センサー１，１Ａで検出された正圧力や剪断力が、最適弾性力を中心とした所定閾値以内であれば、捏ね状態が最適であると判断する。このような構成のパン製造装置では、パン生地の捏ね状態を一定に維持することができ、安定した品質のパン生地を製造することができる。
【０１４４】
上記各実施形態において、基板１１上に複数の超音波素子２０を配置した触覚センサー１，１Ａを例示したが、これに限定されない。すなわち、超音波素子２０は、基板１１の上方に配置されていればよく、例えば基板１１上に中間層を積層し、その上に超音波素子２０が配置される構成などとしてもよい。
また、超音波素子２０上に、弾性膜１５と同一音響インピーダンスを有する保護膜を積層して、その保護膜上に弾性膜１５が積層される構成などとしてもよい。
【０１４５】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【０１４６】
１，１Ａ…触覚センサー、１０…センサー本体、１１…基板、１５…弾性膜、１６…超音波反射体、２０…超音波素子、２０Ａ…第一超音波素子、２０Ｂ…第二超音波素子、２０Ｃ…第三超音波素子、２０Ｄ…第四超音波素子、２０Ｅ…第五超音波素子、３０，３０Ａ…制御部、３１…超音波発信制御部を構成する素子切替回路、３２…超音波発信制御部を構成する送受信切替回路、３３…超音波発信制御部を構成する送受信切替制御部、３４…超音波発信制御部を構成する超音波信号発信回路、３５…時間計測部、４０…近接検出用超音波素子、５０…把持装置、５１…把持アーム、５３…接触面である把持面、１６１…素子対向面、１６１Ａ…第一素子対向面、１６１Ｂ…第二素子対向面、１６１Ｃ…第三素子対向面、１６１Ｄ…第四素子対向面、１６１Ｅ…頂部である第五素子対向面、３７１…移動量算出部、３７２…応力算出部、５４２…把持検出手段、５４３…駆動制御手段、６４１…記憶部を構成するメモリー、６４３…接触物判別部を構成する布地判別部、Ｌ…接触物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、
前記複数の超音波素子と接して配置される弾性変形可能な弾性膜と、
前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、
を備え、
前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有する
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
前記基板の表面に沿う一軸をＸ軸とし、前記基板の表面に沿い、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸およびＺ軸とした際に、
前記超音波反射体は、
前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、
前記頂部からＸ軸における＋Ｘ方向に連続して設けられる第一素子対向面と、
前記頂部からＸ軸における−Ｘ方向に連続して設けられる第二素子対向面と、
を有し、
前記第一素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で＋Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第二素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で−Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がＸ軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサーにおいて、
前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、Ｘ軸に対して４５度である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、
前記頂部からＹ軸における＋Ｙ方向に連続して設けられる第三素子対向面と、
前記頂部からＹ軸における−Ｙ方向に連続して設けられる第四素子対向面と、
を有し、
前記第三素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で＋Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第四素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で−Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がＹ軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサーにおいて、
前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Ｙ軸に対して４５度である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、
前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、四角錐台形状である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上には、
前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置された
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられた
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の超音波センサーと、
前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１１】
請求項１０に記載の触覚センサーおいて、
前記制御部は、
前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、
前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１２】
請求項１１に記載の触覚センサーにおいて、
前記制御部は、
前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備える
ことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１３】
請求項１２に記載の触覚センサーにおいて、
前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、これらの複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、
当該触覚センサーは、
前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、
前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１４】
請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、
前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた複数の超音波素子と、
前記複数の超音波素子と接して配置される弾性変形可能な弾性膜と、
前記弾性膜の内部に設けられ、超音波を反射可能な超音波反射体と、
を備え、
前記超音波反射体は、前記超音波素子に対向する素子対向面を、前記複数の超音波素子の各々に対応して複数有する
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサーにおいて、
前記基板の表面に沿う一軸をＸ軸とし、前記基板の表面に沿い、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸およびＺ軸とした際に、
前記超音波反射体は、
前記基板に最も近い位置に位置する頂部と、
前記頂部からＸ軸における＋Ｘ方向に連続して設けられる第一素子対向面と、
前記頂部からＸ軸における−Ｘ方向に連続して設けられる第二素子対向面と、
を有し、
前記第一素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で＋Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第一傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第二素子対向面は、Ｙ軸に対して平行な直線と、ＸＺ平面で−Ｘ方向に向かうに従って前記基板から離れる第二傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第一素子対向面に対向する第一超音波素子、および前記第二素子対向面に対向する第二超音波素子がＸ軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサーにおいて、
前記第一傾斜角度および前記第二傾斜角度は、Ｘ軸に対して４５度である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、
前記頂部からＹ軸における＋Ｙ方向に連続して設けられる第三素子対向面と、
前記頂部からＹ軸における−Ｙ方向に連続して設けられる第四素子対向面と、
を有し、
前記第三素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で＋Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第三傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記第四素子対向面は、Ｘ軸に対して平行な直線と、ＹＺ平面で−Ｙ方向に向かうに従って前記基板から離れる第四傾斜角度で傾斜した直線と、で規定される平面であり、
前記基板上には、前記第三素子対向面に対向する第三超音波素子、および前記第四素子対向面に対向する第四超音波素子がＹ軸に沿って配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサーにおいて、
前記第三傾斜角度および前記第四傾斜角度は、Ｙ軸に対して４５度である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記頂部は、前記基板の表面に対して平行な第五素子対向面であり、
前記基板上には、前記第五素子対向面に対向する第五超音波素子が配設されている
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波センサーにおいて、
前記超音波反射体は、四角錐台形状である
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上には、
前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子により構成されたセンサー本体が複数アレイ状に配置された
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波センサーにおいて、
前記基板上の隣り合う前記センサー本体の間には、空気中に超音波を発信するとともに、接触物にて反射された超音波を受信する近接検出用超音波素子が設けられた
ことを特徴とする超音波センサー。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の超音波センサーと、
前記超音波センサーの各超音波素子の超音波の発信および受信を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１１】
請求項１０に記載の触覚センサーおいて、
前記制御部は、
前記超音波素子から超音波を発信させる超音波発信制御部と、
前記超音波素子の超音波の発信タイミングから、前記超音波反射体により反射された超音波が前記超音波素子により受信される受信タイミングまでの時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部により計測された時間に基づいて、前記超音波反射体の移動量および移動方向を算出する移動量算出部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１２】
請求項１１に記載の触覚センサーにおいて、
前記制御部は、
前記移動量算出部により算出された前記超音波反射体の移動量および移動方向と、前記弾性膜のヤング率とに基づいて、前記弾性膜に作用する応力を算出する応力算出部を備える
ことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１３】
請求項１２に記載の触覚センサーにおいて、
前記超音波センサーは、前記基板上に、前記弾性膜、前記超音波反射体、および前記超音波反射体の複数の前記素子対向面に対向する複数の前記超音波素子が配置されて構成されたセンサー本体を複数備えるとともに、これらの複数のセンサー本体がアレイ状に配置されて構成され、
当該触覚センサーは、
前記弾性膜に作用する応力に対する、前記弾性膜に接触した接触物の状態が記録された相関データを記憶する記憶部と、
前記応力算出部により算出された前記応力と、前記相関データに基づいて、前記接触物の状態を判別する接触物判別部と、
を備えたことを特徴とする触覚センサー。
【請求項１４】
請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の触覚センサーを備え、対象物を把持する把持装置であって、
前記対象物を把持するとともに、前記対象物に接触する接触面に前記触覚センサーが設けられる少なくとも一対の把持アームと、
前記触覚センサーから出力される信号に基づいて、前記対象物のすべり状態を検出する把持検出手段と、
前記すべり状態に基づいて、前記把持アームの駆動を制御する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする把持装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１４１２５５（Ｐ２０１２−１４１２５５Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７６（Ｐ２０１１−９７６）
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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