JPH08297061A - 触覚センサヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁障害を受けにくく電気スパークや感電の
危険も伴わずに、二次元状の表面状態などを効率よく検
知できる触覚センサヘッドを得ること。 【構成】 可撓性反射膜（１）に対し同じ空隙部（２
１）を介して単繊維からなる光ファイバ（５）の複数又
は単繊維からなる１本のシングルモードの光ファイバを
入光又は／及び出光が可能な状態に配置してなるセンサ
ユニットの複数を平面状に一体的に配列してなる触覚セ
ンサヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、接触圧や圧力等を検知
して形状認識などに用いうる光検知式の触覚センサヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンダイヤフラムを用いてそ
の圧力による変位をピエゾ抵抗や容量の変化として電気
信号により検出するようにした、半導体圧力計からなる
圧力センサが知られていた。

【０００３】しかしながら、前記センサにて表面状態を
二次元的に検知することは、表面に沿っての移動が必要
であるため実質的に困難な問題点があった。また電磁障
害を受けやすく、高周波機器等が存在する雰囲気ではそ
のノイズのため正確な検知ができない問題点、あるいは
爆発性の雰囲気や生体には電気スパークや感電の危険が
あるため適用できない問題点などもあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電磁障害を
受けにくく電気スパークや感電の危険も伴わずに、二次
元状の表面状態などを効率よく検知できる触覚センサヘ
ッドを得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、可撓性反射膜
に対し同じ空隙部を介して単繊維からなる光ファイバの
複数又は単繊維からなる１本のシングルモードの光ファ
イバを入光又は／及び出光が可能な状態に配置してなる
センサユニットの複数を平面状に一体的に配列してなる
ことを特徴とする触覚センサヘッドを提供するものであ
る。

【０００６】

【作用】前記の構成により、平面状に一体的に配列させ
た各可撓性反射膜がその接触箇所の表面状態や圧力等に
応じて変位し、その各可撓性反射膜の変位を光ファイバ
を介して検知することにより各可撓性反射膜の接触箇所
の総和として表面状態等を二次元的に同時に検知するこ
とができる。

【０００７】なお前記において、複数の光ファイバを設
けたセンサユニットでは、その一部の光ファイバより光
を出射（出光）させて可撓性反射膜で反射させ、その反
射光を残る光ファイバで受けて（入光）光量を測定し、
接触箇所に応じた可撓性反射膜の変位の程度と反射光量
との対応関係より表面状態等を検知する。

【０００８】一方、１本のシングルモードの光ファイバ
を設けたセンサユニットでは、その光ファイバよりシン
グルモードの光を出射させて可撓性反射膜で反射させ、
その反射光を同じ光ファイバで受けてその位相を調べ、
接触箇所に応じた可撓性反射膜の変位による光学距離の
変化と反射光の位相との対応関係より表面状態等を検知
する。

【０００９】

【実施例】本発明の触覚センサヘッドは、可撓性反射膜
に対し同じ空隙部を介して単繊維からなる光ファイバの
複数又は単繊維からなる１本のシングルモードの光ファ
イバを入光又は／及び出光が可能な状態に配置してなる
センサユニットの複数を平面状に一体的に配列したもの
からなる。

【００１０】図１に本発明による触覚センサヘッドを例
示した。１が可撓性反射膜、２１が空隙部、５が単繊維
からなる光ファイバである。可撓性反射膜１は、１体の
枠スペーサ２に形成した複数の孔部（２１）に対して、
枠スペーサの片面の同じ側に設けられており、これによ
り可撓性反射膜を有してなるセンサユニットの複数が、
１体の枠スペーサを介して平面状に、かつ一体的に配列
されている。

【００１１】また単繊維からなる光ファイバ５は、枠ス
ペーサ２の各孔部における可撓性反射膜１に対して入光
又は／及び出光が可能な状態に配置されており、これに
よりセンサユニットが形成されている。センサユニット
における前記枠スペーサの孔部からなる同じ空隙部を介
して配置される単繊維からなる光ファイバは、複数か、
あるいはシングルモードの光ファイバの１本である。

【００１２】図２に、単繊維からなる光ファイバ６の複
数を配置したセンサユニットを例示した。また図３に、
単繊維からなる１本のシングルモードの光ファイバ７を
配置したセンサユニットを例示した。これらのセンサユ
ニットでは、透明基板３の一方に枠スペーサ２の孔部を
介し可撓性反射膜１を設けて、当該孔部からなる空隙部
２１が密封状態に形成されている。また光ファイバ６，
７は、その先端が空隙部２１と透明基板３を介して配置
されており、サポート４の案内孔４１を介し接着固定さ
れて入光又は／及び出光が可能となっている。

【００１３】本発明においてセンサユニットは、可撓性
反射膜に対して所定の光ファイバが同じ空隙部を介して
入光又は／及び出光が可能な状態に配置されていればよ
く、図２や図３における透明基板３を省略して、光ファ
イバが空隙部に直接接続された構造などとすることもで
き、適宜な構造に形成することができる。

【００１４】なお前記において透明基板３は、空隙部を
アルゴンや窒素や空気等の適宜なガスによる減圧ないし
加圧雰囲気として形成することを目的に、密封状態の空
隙部を効率よく形成するために用いたものである。すな
わち減圧雰囲気や加圧雰囲気で空隙部を密封処理するこ
とにより空隙部内の圧力を制御でき、可撓性反射膜の撓
み特性を調節することができる。

【００１５】本発明においては、非密封状態の空隙部と
して形成することもできる。枠スペーサ２とサポート４
の接着体に光ファイバを接続することで形成できて量産
性に優れる利点を有し、通例、大気圧からなる空隙部と
して形成される。

【００１６】一方、図２、図３に示した符号の１１は、
突起である。突起は、センサヘッドを検知対象に接触さ
せた際に可撓性反射膜１を撓みやすくするためのもので
あり、可撓性反射膜の外部側に突出状態に必要に応じて
設けられる。

【００１７】本発明において可撓性反射膜は、測定に使
用する光を反射し、接触物の表面状態や圧力等に応じて
変形する可撓性を示す適宜な材料で形成することができ
る。一般には、蒸着方式やメッキ方式等で形成した金属
薄膜やそれを付設したプラスチックフィルム、特にゴム
系プラスチックフィルム、金属箔、あるいは光反射性の
半導体薄膜などで形成される。可撓性反射膜の厚さ制御
で接触時の変位量を調節でき、使用目的に応じたセンサ
ヘッドを形成することができる。

【００１８】センサユニットにおける空隙部を介した可
撓性反射膜と光ファイバの配置は適宜な方式で行ってよ
く、空隙部の形成性や、可撓性反射膜と光ファイバとの
間隔の規制性などの点より枠スペーサを用いる方式が好
ましい。

【００１９】空隙部の深さ、従って可撓性反射膜と透明
基板やサポート等との間隔、ないし枠スペーサの厚さは
適宜に決定してよい。一般には１０mm以下、就中０．０
１〜３mm程度とされる。

【００２０】空隙部の径は、センサユニット、ひいては
センサヘッドの小型化の点より１０mm以下、就中５mm以
下、特に１mm以下とされる。複数の光ファイバを接続す
る場合には、光ファイバの配置径以上の空隙径とするこ
とが検知精度の点より好ましい。また１本のシングルモ
ードの光ファイバを接続する場合にはその光ファイバの
径の半分よりも大きい空隙径とすることが検知精度等の
点より好ましい。

【００２１】枠スペーサの使用は、上記の如く複数のセ
ンサユニットが平面状に、かつ一体的に配列したものを
効率よく形成しうる利点を有している。枠スペーサは、
複数の孔部を形成できればよいことから、適宜な材料で
形成することができる。一般にはポリマーや金属、ある
いは半導体などで形成される。

【００２２】ポリマーや金属からなる枠スペーサは、例
えばシートや板等にレーザー光照射方式や微細放電加工
方式などによりミクロンオーダー等の微細な穿孔処理を
施すことにより得ることができる。

【００２３】シリコン等の半導体からなる枠スペーサ
は、例えば半導体基板にフォトリソグラフイーによるパ
ターンニングと異方性エッチングを施す半導体回路の形
成に準じたマイクロマシニング方式などで得ることがで
きる。その場合、半導体基板の片面に予め蒸着方式等で
可撓性反射膜となる薄膜を付設しておき、パターンニン
グ後その半導体基板の裏面より異方性エッチングを施し
て可撓性反射膜一体型のダイヤフラムを得ることもでき
る。

【００２４】図４に、シリコン基板を異方性エッチング
して図２に例示の如き断面形態を有するダイヤフラム単
位の製造方法を例示した。すなわち図４において、熱酸
化やウェット酸化などにより両面にシリカ層２２を設け
たシリコン基板２３（ａ）の片面に、蒸着方式等により
クロム膜２４と金膜２５を順次形成した後（ｂ）、その
クロム膜と金膜をフォトリソグラフイー方式によりパタ
ーンニングしてシリカ層２２の一部を露出させる
（ｃ）。

【００２５】次に、反対面におけるシリカ層２２をフォ
トリソグラフイー方式によりパターンニングしてシリコ
ン基板面を部分的に露出させ（ｄ）、その露出部２６に
エッチャントによる異方性エッチングを施して穿孔処理
し、裏面のシリカ層２２を露出させて孔部２１を形成す
る（ｅ）。

【００２６】ついで、孔部２１に露出したシリカ層２２
をエッチングしてクロム層２４を露出させる（ｆ）。そ
の場合、クロム層はエッチングストップ層として機能
し、それにより目的とするクロムと金の重畳膜からなる
可撓性反射膜を一体的に有するダイヤフラムとしての枠
スペーサ２が得られる。

【００２７】本発明において必要に応じて用いられる透
明基板としては、使用光に対して透明性を示す適宜なも
のを用いることができる。一般には、ガラス等の透明性
セラミックや、ポリマーなどからなるものが用いられ
る。透明基板の厚さは任意であり、一般には１０mm以
下、就中０．１〜５mm程度とされる。透明基板として
は、マイクロレンズのアレイ板などのレンズ機能を有す
るものも用いうる。

【００２８】また本発明において図例に示したサポート
４は必要に応じて用いられるが、サポートはそれに設け
たテーパ形等の案内孔４１を介して光ファイバを装着固
定し、透明基板あるいはダイヤフラム等の枠スペーサに
対する光ファイバの接続状態を良好に維持するためのも
のである。かかるサポートは、レーザー光照射方式や微
細放電加工方式、マイクロマシニング方式などの上記し
た枠スペーサの形成方式に準じて形成することができ
る。

【００２９】可撓性反射膜の外部側に突出させて必要に
応じて設けられる突起は、フォトリソグラフィー方式な
どにより可撓性反射膜を多段形態に形成する方式や、高
分子材料にレーザーアブレーション方式等にて微小突起
アレイを別途に形成し、それを可撓性反射膜上に接着す
る方式などの適宜な方式で形成してよい。なお突起の高
さは、可撓性反射膜の撓み許容量などに応じて適宜に決
定しうる。ちなみに、１３０μm角で厚さが１μmの金膜
からなる可撓性反射膜の場合、撓み許容量は６μm程度
である。

【００３０】上記において触覚センサヘッドを形成する
各部品は接着剤等による適宜な方式で接着して組立てよ
い。量産性に優れる製造方法は、光ファイバ以外の各部
品をガラスやシリコン等の陽極接合が可能な材料で形成
し、センサユニットの多数を配列形成したシートないし
板等の状態でそれらを積層して陽極接合したのち、その
光ファイバ装着前のセンサユニットの所定数を横列や縦
横列等の状態、例えば４個×４個、８個×８個、１６個
×１６個等の縦横列状態で有する目的寸法の触覚センサ
ヘッドごとにカットし、それに光ファイバを装着固定す
る方法である。

【００３１】本発明において光ファイバとしては、単繊
維からなるものが用いられる。これにより細さに優れる
光ファイバが得られて小型ないし超小型のセンサユニッ
ト、ひいては触覚センサヘッドを得ることができる。ち
なみに直径が１００〜２００μmの光ファイバを用いて
複数の、就中２本の光ファイバを接続するタイプでは、
外径が０．４〜１．２mmのセンサユニットからなるもの
を得ることが可能である。また１本のシングルモードの
光ファイバを接続するタイプでは、外径が０．２〜０．
５mmのセンサユニットからなる触覚センサヘッドを得る
ことが可能である。

【００３２】なお複数の光ファイバを接続するタイプの
センサユニットからなる触覚センサヘッドの形成には通
例、マルチモードの光ファイバが用いられるが、シング
ルモードのものも用いうる。用いる光ファイバは、プラ
スチックやガラスなどの適宜な材質からなるものであっ
てよい。光ファイバの透明基板やサポート等への接続
は、接着剤方式などの適宜な方式で行ってよい。

【００３３】本発明の触覚センサヘッドは、それを検知
対象に接触させて表面形状や圧力等を二次元状で検知す
るものであるが、その触覚センサの形成は、例えば当該
ヘッドから延びる各光ファイバに光スイッチや光導波路
等からなる光学系を経由して光源ないし検出器に接続す
る方式などにより形成することができる。

【００３４】ちなみに前記の光スイッチとしては、例え
ば８×８や１６×１６等の光マルチスイッチなどがあげ
られ、光導波路としては１２８×１２８等の光導波路な
どがあげられる。また光源としては、ＬＥＤや半導体レ
ーザなどを用いうる。ＬＥＤは、反射光の強度を測定す
る強度変調方式の場合に好ましく、半導体レーザは反射
光の位相差を測定する位相変調方式の場合に好ましく用
いうる。

【００３５】さらに検出器としても、目的とする検知精
度などに応じて適宜なものを用いうる。例えば前記の強
度変調方式の場合、２．５μm以上の撓みを検知対象と
するときには通例の光量測定器で検知できるし、２μm
以下等の微小な撓みを検知対象とするときには発光量を
正確に知りうる光源と高分解能の光量測定器を用いるこ
とで検知することができる。なお位相変調方式の場合に
は、装置の大型化を招くものの、測定に用いる光の半波
長、従って波長が０．８５μmの光の場合にはは約０．
４μmの撓みも検知でき高精度の検知を達成しうる。

【００３６】かかる触覚センサの具体的用途としては、
ロボットハンドの手先部に装着してそのハンドと作業対
象ないし環境との接触の有無、さらには接触圧やその分
布の検出、食品加工工程や加工後における食品の硬度等
やその分布の検出、あるいは生体病変部の硬さ分布の検
出などがあげられる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、表面状態等を二次元ス
ケールで効率よく検知でき、電磁障害を受けずに、また
電気スパークや感電の危険も伴わずに、従って生体にも
適用できる光検知式の触覚センサヘッドを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の部分断面斜視図

【図２】センサユニット例の断面図

【図３】他のセンサユニット例の断面図

【図４】ダイヤフラムの製造工程例の説明図

【符号の説明】

１：可撓性反射膜 ２：枠スペーサ ２１：空隙部（孔部） ３：透明基板 ４：サポート ５，６，７：光ファイバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可撓性反射膜に対し同じ空隙部を介して
   単繊維からなる光ファイバの複数を入光又は出光が可能
   な状態に配置してなるセンサユニットの複数を平面状に
   一体的に配列してなることを特徴とする触覚センサヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 可撓性反射膜に対し空隙部を介して単繊
   維からなる１本のシングルモードの光ファイバを入出光
   が可能な状態に配置してなるセンサユニットの複数を平
   面状に一体的に配列してなることを特徴とする触覚セン
   サヘッド。
3. 【請求項３】 可撓性反射膜が外部側に突出した突起を
   有する請求項１又は２に記載の触覚センサヘッド。
4. 【請求項４】 空隙部が密封状態に形成されてなる請求
   項１〜３に記載の触覚センサヘッド。