JP2005351653A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性感圧ゴムと電極基板との接着構造、及び導電性感圧ゴムとその上に配置される保護フィルムとの接着構造を工夫することで、感圧センサを円筒状表面に屈曲または湾曲させて配置した場合にも、その円筒軸方向の圧力分布を精度よく検出可能とする。
【解決手段】 柔軟な電極基板１１上に複数個の導電性感圧ゴム１２が配置され、これら導電性感圧ゴム１２上に柔軟な保護フィルム１３が若干の弛みを持って配置された構造であって、導電性感圧ゴム１２は短冊状に形成されており、その長辺１２ａが、円筒状基材上に配置したときに電極基板１１の曲率の小さい方向（Ｙ方向）と一致するように、かつ、電極基板１１の曲率の大きい方向（Ｘ方向）に沿って一定の間隔となるように配置されるとともに、短辺側の両端部１２ｂ，１２ｂが電極基板１１に接着固定され、保護フィルム１３のＸ方向の両端部１３ａ，１３ａが電極基板１１に接着固定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、柔軟な電極基板上に導電性感圧ゴムが配置された感圧センサに係り、より詳細には、円筒状表面を持った基材上に配置する分布型の感圧センサに関する。

従来より、柔軟な電極基板上に導電性感圧ゴムが配置された感圧センサが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

この感圧センサは、短冊状の導電性感圧ゴムをフレキシブル基板上に一定間隔で配列し、これらをポリエチレン粘着テープ（以下、単に「フィルム」という。）で上下から挟み込んで固定するようになっている。この感圧センサの目的は、感圧導電性ゴムの曲がりによる導電性の変化を防ぐことによって、感圧センサを曲面柔軟体に装着可能な構造とすることにある。つまり、従来の感圧センサでは、圧力分布の検出はできないことはないが，その精度は考慮されていない。
特開平４−３８４３２号公報

そのため、上記構造の感圧センサを、分布型感圧センサとして用いた場合には、次のような問題が生じる。ここで、分布型感圧センサとは、柔軟な電極基板上に検出用平行電極をアレイ状に配置し、その上に導電性感圧ゴムを配置した構造の感圧センサを言う。

すなわち、導電性感圧ゴムが上面のフィルムとのみ接着され、電極基板が下面のフィルムとのみ接着されていることから、導電性感圧ゴムと電極基板上の電極との位置関係がずれ易く、圧力分布検出において精度や再現性が低下する。
導電性感圧ゴムを電極基板とともに上下からフィルムで接着すると、感圧センサを屈曲した時に上面フィルムの屈曲方向に直交する方向（以下、「屈曲軸方向」という。）の剛性が高くなり、屈曲軸方向の圧力分布検出ができなくなる。
導電性感圧ゴムを短冊状にしても、導電性感圧ゴムを上下から挟み込むようにフィルムで固定しているので、センサ屈曲時にフィルムが押し付け力となり、導電性感圧ゴムの抵抗値が下がることがある。

フィルムが導電性感圧ゴムの表面に接着していると、電極基板を例えば円筒状表面（すなわち、円筒体の周側面）に屈曲または湾曲させて配置したとき、導電性感圧ゴムがフィルムに引っ張られる形となって接触がない状態ですでに歪んでいるため、ダイナミックレンジが低下する。

本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、導電性感圧ゴムと電極基板との接着構造、及び導電性感圧ゴムとその上に配置される保護フィルムとの接着構造を工夫することにより、感圧センサを例えば円筒状表面に屈曲または湾曲させて配置した場合にも、その円筒軸方向の圧力分布を精度よく検出可能とした感圧センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の感圧センサは、柔軟な電極基板上に導電性感圧ゴムが配置された感圧センサであって、前記導電性感圧ゴムが短冊状に形成されるとともに、この導電性感圧ゴムをその長辺が前記電極基板の曲率の小さい方向と一致するように、かつ、前記電極基板の曲率の大きい方向に沿って一定の間隔となるように複数配置されており、このように配置された導電性感圧ゴムの短辺のみが前記電極基板に接着固定されていることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、導電性感圧ゴムの短辺のみを電極基板（ＦＰＣ）に接着することで、導電性感圧ゴムと電極基板上の電極との相対位置がずれにくくなり、圧力分布検出において精度や再現性を保つことができる。また、電極基板を円筒体の周曲面に巻き付けるタイプの感圧センサにおいては、円筒体の軸方向においても圧力分布を精度よく検出することが可能となる。

また、本発明の感圧センサによれば、導電性感圧ゴム上に柔軟な保護フィルムが弛みを持たせて配置されるとともに、保護フィルムの端部のみが電極基板に接着固定されていることを特徴としている。
このように、保護フィルムを電極基板の上面（すなわち、導電性感圧ゴムの上面）にのみ配置し、かつ、保護フィルムと導電性感圧ゴムとを非接着の構造とすることにより、電極基板と導電性感圧ゴムとを上下両側からフィルムで挟み込む従来の構造に比べ、センサの感度やダイナミックレンジを保ちやすく、また、屈曲可能な角度も従来のものより拡大することができる。さらに、保護フィルムを導電性感圧ゴムと直接接着しないことにより、接着剤によって加圧時の歪が妨げられることがなくなり、検出感度を保つことができる。この場合、上面の保護フィルムを弛ませているので、感圧センサを屈曲または湾曲して配置した場合でも、上面の保護フィルムが導電性感圧ゴムを押し付けることがないので、屈曲または湾曲時においてもダイナミックレンジを保つことができる。

本発明の感圧センサによれば、導電性感圧ゴムの短辺のみを電極基板に接着することで、導電性感圧ゴムと電極基板上の電極との相対位置がずれにくくなり、圧力分布検出において精度や再現性を保つことができる。また、電極基板を円筒体の周曲面に巻き付けた場合において、円筒体の軸方向においても圧力分布を精度よく検出することが可能となる。また、保護フィルムと導電性感圧ゴムとを非接着の構造とすることにより、電極基板と導電性感圧ゴムとを上下両側からフィルムで挟み込む従来の構造に比べ、センサの感度やダイナミックレンジを保ちやすく、また、屈曲可能な角度も従来のものより拡大することができる。さらに、保護フィルムを導電性感圧ゴムと直接接着しないことにより、接着剤によって加圧時の歪が妨げられることがなくなり、検出感度を保つことができる。このセンサをロボットハンドの指先に搭載することで，接触位置検出を±０．７ｍｍ以内の精度で検出可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本実施形態である柔軟な感圧センサ１を平らな状態として上から見た平面図、（ｂ）は同側面図である。また、図２（ａ）は、図１に示す感圧センサ１を円筒状基材５１上に配置した状態を示す斜視図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１に示すように、本実施形態の感圧センサ１は、柔軟な電極基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃuｉｔ：ＦＰＣ）１１上に複数個（本実施形態では４個）の導電性感圧ゴム１２が配置された構造となっており、導電性感圧ゴム１２は短冊状に形成されている。

また、電極基板１１には、渦巻き状の並行電極１１ａ，１１ａ・・・が、一定の間隔で縦方向（図１（ａ）中Ｙ方向）に３個、横方向（図１（ａ）中Ｘ方向）に４個の合計１２個配置されてプリントされている。すなわち、並行電極１１ａ，１１ａ・・・は１２素子あり、図示しない外部回路にて各並行電極間それぞれの抵抗値を検出するようになっている。

導電性感圧ゴム１２は、その長辺１２ａが、後述する円筒状基材５１上に配置したときに電極基板１１の曲率の小さい方向（図１（ａ）ではＹ方向）と一致するように、かつ、電極基板１１の曲率の大きい方向（図１（ａ）ではＸ方向）に沿って一定の間隔となるように４個配置されている。すなわち、１個の導電性感圧ゴム１２が縦一列に配置された３個の並行電極１１ａ，１１ａ，１１ａを被覆するように、４列配置されている。そして、このように配置された各導電性感圧ゴム１２の短辺側の両端部１２ｂ，１２ｂのみが電極基板１１に接着固定されている。すなわち、接着箇所は、並行電極１１ａ，１１ａ，１１ａから離れた箇所となっており、導電性感圧ゴム１２とその下に配置される３個の並行電極１１ａ，１１ａ，１１ａとは接着固定されていない状態となっている。
このように配置することで、１２個の並行電極１１ａ，１１ａ・・・で導電性感圧ゴム１２の抵抗値をそれぞれ検出することができる。すなわち圧力分布を検出することができる。この場合、導電性感圧ゴム１２と電極基板１１とを接着することで、導電性感圧ゴム１２と平行電極１１ａとの相対的位置ずれがなく、圧力分布検出において精度や再現性を保つことができる。また、電極基板と導電性感圧ゴムとを上下両側からフィルムで挟み込む従来の構造に比べ、センサの感度やダイナミックレンジを保ちやすく、また、屈曲可能な角度も従来のものより拡大することができる。

ただし、接着位置は導電性感圧ゴム１２の短辺側の端部１２ｂのみではなく、図２に示すように電極部（平行電極１１ａ）以外の一部の箇所１２ｃ（図５では、各平行電極１１ａを介して長辺１２ａ側の両端部）に接着しても良い。図５の場合では、接着剤の厚みや導電性感圧ゴム１２と平行電極１１ａの大きさ、導電性感圧ゴム１２の感度にもよるが、接触検出の感度は短辺のみの接着に比べて、３分の２に減少する場合もある。しかし、長辺１２ａの一部を接着することは、感度への影響は比較的少なく、接着箇所や面積はセンサの使用感度分布などにより決定すればよい．
そして、このように４列に配置された４個の導電性感圧ゴム１２の全体を被覆するようにして、柔軟な保護フィルム１３が若干の弛みを持たせて配置されている。この保護フィルム１３は、感圧センサ１を後述する円筒状基材５１上に配置したときに、電極基板１１の曲率の大きい方向（図１（ａ）ではＸ方向）の両端部１３ａ，１３ａのみが電極基板１１に接着固定されている。すなわち、保護フィルム１３とその下に配置される各導電性感圧ゴム１２とは接着固定されていない状態となっている。

なお、上記構成では、並行電極１１ａの縦一列につき１個の導電性感圧ゴム１２を配置しているが、２列、３列など、複数列を１個の短冊状導電性感圧ゴム１２で被覆してもよい。何列分を１個の導電性感圧ゴムで被覆するのかは、この導電性感圧ゴム１２の感度や、感圧センサ１を後述する円筒状基材５１上に配置したときの曲率の大きさ等により決定すればよい。

上記構成の感圧センサ１を円筒状基材５１に配置した状態を示したのが図３である。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態の感圧センサ１を円筒状基材５１の周側面に沿って屈曲（湾曲）させて配置した場合でも、保護フィルム１３は弛みを持って電極基板１１に接着固定されているので、保護フィルム１３が各導電性感圧ゴム１２を押し付ける状態とはなっていない。

図４は、図３に示すように円筒状基材５１の周側面上に配置した本実施形態の感圧センサ１を、図中Ｂ−Ｂ線に沿って円筒軸方向に切断した状態を示す断面図であり、同図（ａ）は加圧していない状態、同図（ｂ）は中央部に位置する平行電極１１ａ２上の１点で加圧している状態を示している。また、図５は、導電性感圧ゴム１２と保護フィルム１３とを接着剤１４で接着した従来構造の感圧センサを円筒状基材の周側面上に配置した状態の円筒軸方向断面図であり、同図（ａ）は加圧していない状態、同図（ｂ）は中央部に位置する平行電極１１ａ２上の１点で加圧している状態を示している。すなわち、図４（ｂ）、図５（ｂ）は、中央部に位置する平行電極１１ａ２上の１点を同じ圧力で加圧した状態を示している。

導電性感圧ゴム１２と保護フィルム１３とを接着固定した従来の感圧センサでは、円筒状に屈曲（湾曲）させると、屈曲部（湾曲部）の保護フィルム１３の剛性が上がる。そのため、図５（ｂ）に示すように１点で加圧しても、保護フィルム１３が導電性感圧ゴム１２を押し付ける面積が大きくなり、中央部の平行電極１１ａ２のみでなく、その両側に位置する平行電極１１ａ１，１１ａ３上の導電性感圧ゴム１２も歪むことになる。そのため、３個すべての平行電極１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３が出力し、正確な圧力分布が検出できない。

これに対し、保護フィルム１３を導電性感圧ゴム１２と接着せず、弛ませて電極基板１１と接着した場合には、図４（ｂ）に示すように、中央部の平行電極１１ａ２上の導電性感圧ゴム１２のみが歪み、その両側の平行電極１１ａ１，１１ａ３には影響を与えないので、中央部の平行電極１１ａ２のみが出力することになる。これにより、正確な圧力分布が検出できる。

図４及び図５に示す結果から、次のことが言える。

すなわち、電極基板１１を円筒状基材の周側面に巻き付けるタイプの感圧センサ１において、円筒軸方向においても圧力分布検出が可能となる。また、上面の保護フィルム１３を導電性感圧ゴム１２と直接接着しないことにより、接着剤によって加圧時の歪が妨げられることがなくなり、感度が保たれる。さらに、保護フィルム１３を弛ませることにより、センサ屈曲時に保護フィルム１３が導電性感圧ゴム１２を押し付けることを防ぐことができ、屈曲状態においてもダイナミックレンジを保つことができる。

次に、保護フィルム２３の表面に柔軟なシリコーン樹脂を被覆した場合の感圧センサ１の感度について検討する。

すなわち、本発明の感圧センサ１を円筒状基材５１上に配置し、保護フィルム１３表面に均一な厚みを持った柔軟層（シリコーン）を配置し、このシリコーンと電極基板（ＦＰＣ）１１とを接着することで、このシリコーン表面に加わる圧力分布を検出することも可能である。このような構造にすることで、導電性感圧ゴム１２や電極基板（ＦＰＣ）１１を保護することができる。このような構成の感圧センサを以下では感圧センサ２とする。

以下に、本感圧センサ２の接触位置検出性能を実験によって検証する。

＜実験例＞
今回の実験では、平行電極間の間隔を図１（ａ）でのＸ方向、Ｙ方向ともに２ｍｍピッチとしている。シリコーン厚さは数ミリ程度である。それぞれの素子（平行電極１１ａ）で測定した抵抗値を適当な閾値で２値化し、接触有無の判断を行う。以下、接触と判断された素子（平行電極）を出力素子とする。全出力素子の重心位置を算出し、接触位置として検出する。

この感圧センサ２を固定し、２ｍｍ角平面で各素子に対し法線方向の力５０ｇｆを加え、その時の接触位置を検出する。同一感圧ゴム上のある３点についてそれぞれ１０回測定を繰り返し、再現性を評価した。各素子に関する接触位置検出ばらつき（３σ，標準偏差の3倍）は、１点目は円周方向（図１（ａ）でのＸ方向）０．３ｍｍ、軸方向（図１（ａ）でのＹ方向）０．７ｍｍ、２点目は円周方向０．０ｍｍ、軸方向０．０ｍｍ、３点目は円周方向０．５ｍｍ、軸方向０．０ｍｍであった。このように、接触平面が２ｍｍ角平面の場合、ばらつきは軸方向で±０．７ｍｍ以内に収まることが確認できた。

＜比較例＞
上述した実験例と同じセンサ形状で導電性感圧ゴムを図６のように接着固定（全周を接着固定）した場合、感圧感度は２分の１〜５分の１程度低下する。また、接触位置検出においても、再現性が２分の１程度低下する。

本発明の感圧センサ１は、具体的には、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指機構部に用いることができる。また、感圧センサ２についても同様のロボットハンドの指先部に用いることができる。この場合、柔軟層により把持物体と指先部との接触面積が増加し、より安定な把持などの動作を行うことができる。

人の手と同様の構造を有するロボットハンドは、手のひらに相当するベースに複数の指機構部が装着され、その各指機構部は複数の関節部を介して複数のフレーム部（上記構成の円筒状基材５１に相当）を順次連結させて構成されている。そして、各関節部を作動させるアクチュエータが、適宜の箇所に設けられている。このロボットハンドは、複数の指機構部で物体の把持を行うだけでなく、本発明の圧力センサを搭載することで硬度、材質、形状等の異なる多様な物体の把持を実現することができる。

図７ないし図１０は、このようなロボットハンドの一構成例を示しており、図７はロボットハンドを手の甲側から見た平面図（上面図）、図８は親指側から見た側面図、図９は小指側から見た側面図、図１０は手のひら側から見た平面図（下面図）である。

ロボットハンドは、手のひらに相当するベース６１と、ベース６１に装着されている複数本（この例では人間の指と同じ５本）の指機構部６２，６３，６４，６５，６６と、各指機構部６２，６３，６４，６５，６６を駆動する駆動部とを備えている。駆動部は、アクチュエータとしての複数のモータと、各モータの駆動力を指機構部６２，６３，６４，６５，６６に伝達する動力伝達部としての図示しないワイヤーとを備えている。
駆動部であるモータは、ベース６１部分において３平面に納められている。第１の平面上に親指用指機構部６２を駆動する親指用モータ７２〜７４が配置されており、第２の平面上に人差指用指機構部６３を駆動する人差指用モータ７６〜７８と、薬指用指機構部６４及び小指用指機構部６５を駆動する薬指・小指用モータ８１とが配置されている。また、第３平面上に、親指用指機構部６２を手のひらと平行に駆動するモータ７１と、人差指用指機構部６３を手のひらと平行に駆動するモータ７５とが配置されているとともに、中指用指機構部６４を駆動する中指用モータ７９，８０が配置されている。
各指機構部６２，６３，６４，６５，６６は、３つの関節部８３，８４，８５と、この関節部９３，８４，８５によって連結された２つのフレーム部８６，８７及び１つの指先部８８とからなり、各関節部８３，８４，８５はそれぞれ上記の対応するモータで駆動される。

このような構造のロボットハンドにおいて、本発明の感圧センサ１や感圧センサ２を各指機構部６２，６３，６４，６５，６６のフレーム部８６，８７及び指先部８８に装着することで、硬度、材質、形状等の異なる多様な物体のスムーズな把持が可能となる。

また、感圧センサ２をこのような構造のロボットハンドの指先部に装着し、茶筅の持ち手を把持した場合についても、先に述べた繰り返し再現性と同程度の性能を示すことができる。

本発明の感圧センサは、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指機構部に装着して使用することができる。

（ａ）は、本実施形態の一例である柔軟な感圧センサを平らな状態として上から見た平面図、（ｂ）は同側面図である。 本実施形態の他の例である柔軟な感圧センサを平らな状態として上から見た平面図である。 （ａ）は、本実施形態の感圧センサを円筒状基材上に配置した状態を示す斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 円筒状基材の周側面上に配置した本実施形態の感圧センサを、図２（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿って円筒軸方向に切断した断面図であり、（ａ）は加圧していない状態、（ｂ）は中央部に位置する平行電極上の１点で加圧している状態を示している。 導電性感圧ゴムと保護フィルムとを接着剤で接着した従来構造の感圧センサを円筒状基材の周側面上に配置した状態の円筒軸方向断面図であり、（ａ）は加圧していない状態、（ｂ）は中央部に位置する平行電極上の１点で加圧している状態を示している。 比較例としての柔軟な感圧センサを平らな状態として上から見た平面図である。 ロボットハンドを手の甲側から見た上面図である。 ロボットハンドを親指側から見た側面図である。 ロボットハンドを小指側から見た側面図である。 ロボットハンドを手のひら側から見た下面図である。

符号の説明

１，２ 感圧センサ
１１ 電極基板
１１ａ 平行電極
１２ 導電性感圧ゴム
１２ａ 長辺
１２ｂ 端部
１３ 保護フィルム
１３ａ 端部
５１ 円筒状基材

Claims (2)

1. 柔軟な電極基板上に導電性感圧ゴムが配置された感圧センサであって、
   前記導電性感圧ゴムが短冊状に形成されるとともに、この導電性感圧ゴムをその長辺が前記電極基板の曲率の小さい方向と一致するように、かつ、前記電極基板の曲率の大きい方向に沿って一定の間隔となるように複数配置されており、このように配置された導電性感圧ゴムの短辺が前記電極基板に接着固定されており、導電性感圧ゴムの長辺の少なくとも一部が前記電極基板に接着固定されていないことを特徴とする感圧センサ。
2. 前記導電性感圧ゴム上に柔軟な保護フィルムが弛みを持たせて配置されるとともに、前記保護フィルムの端部が前記電極基板に接着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
   
   

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