JP2021081265A - 触覚センサー、センシング装置および状態再現装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状が矩形でアスペクト比が高い電極からなる単位構造を備えた高感度な触覚センサーを提供する。【解決手段】基材４０１上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた２本の線状電極４０２の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層２０１を挿入した単位構造４０４が、複数個、並列して備えられている触覚センサーにおいて、線状電極が延伸する方向に直交する平面における線状電極の断面において、断面の形状が矩形であって、線状電極が基材と接する部分の長さより、線状電極の高さの方が大きいことを特徴とする触覚センサー１。【選択図】図１

Description

本発明は、センサーおよびセンサーで読み取った信号を出力する方法に関し、特に、ＩｏＴなどの分野や、センサーなどでユーザーや空間を把握し、その情報をソフトウェアで処理して、アクチュエータやロボットなどでユーザーにフィードバックする分野に用いられるセンサーおよび表現技術に関する。

ヒトとロボット、空間をつなぐインターフェース技術の開発が盛んになってきている。
この様なインターフェース技術に使用される入力センサーとしては、光を用いたリモートセンシング技術であるＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）やカメラ、圧力センサー、変位センサーなどを挙げることができる。
一方、出力側であるアクチュエータとしては、液晶ディスプレーや照明、超音波、ピエゾ素子などを挙げる事ができる。

例えば、ロボットがセンサーを積んで動き回り、ユーザーを計測しても良いし、システムを使う人の手の大きさや目の能力など、ヒトを基準に新しい要素をはめ込んでいくようなアイデアも生まれてきている。

また、印刷エレクトロニクス（Ｐｒｉｎｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）分野でも、導電材料、絶縁材料、半導体をインク化、ペースト化し、グラビア印刷、スクリーン印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷などでセンサー用途の配線パターンを形成する試みがなされている。

しかし、これらの印刷法は、図１３に示すように、印刷物１０１の断面形状が、半円形状でかつアスペクト比（印刷物の高さ÷印刷物の幅）が小さい印刷物となることが多い。断面形状が半円形状で、高い（または、大きい）アスペクト比が得られないと、平面的なセンサー構造しか形成できない。例えば圧力センサーの場合、図１４に示すように、圧力を与えると導通する感圧層２０１と、その上下に電極２０２と電極２０３を配置するサンドイッチ構造が一般的な構造である。

アスペクト比が高い印刷物に関する先行技術としては、特許文献１に、印刷物の断面形状が矩形でアスペクト比が高い印刷が開示されている。この印刷技術を使うことによって、アスペクト比の低い（または、小さい）印刷物では作製できなかった触覚センサーの印刷が可能となった。

また、図１５に示すように、感圧層２０１´の左右に電極２０２´、２０３´を配置する構造も考えられるが、電極の形状が半円形状の様な１未満の低いアスペクト比であるため、この構造に一定の圧力などの刺激を与えても感圧層２０１´への歪量が極めて小さくなり、センサーの感度が小さくなってしまう。

この様に、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷などの印刷方式は、印刷性を重視する為、印刷インキの粘度を下げて印刷する必要があり、電極を印刷しても高アスペクト比および矩形の電極を得ることができない。従って、基材に対し、平面的な構造のセンサー構造しか形成できず、高感度の触覚センサーができなかった。

その為、高感度の触覚センサーを製造可能な、断面形状が矩形でアスペクト比が高い電極からなる高感度の触覚センサーが望まれていた。

特開２０１８−７０８５４号公報 特開２０１０−２４０７号公報 特開２０１３−２３２２９３号公報 特表２０１８−５１７４５８号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、断面形状が矩形でアスペクト比が高い電極からなる単位構造を備えた高感度な触覚センサーを提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、基材上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた２本の線状電極の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層を挿入した単位構造が、複数個、並列して備えられている触覚センサーにおいて、
線状電極が延伸する方向に直交する平面における線状電極の断面において、
断面の形状が矩形であって、
線状電極が基材と接する部分の長さより、線状電極の高さの方が大きいことを特徴とする触覚センサーである。

また、請求項２に記載の発明は、前記弾性体がエラストマーであることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサーである。

また、請求項３に記載の発明は、前記感圧層の高さが、前記線状電極の高さ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサーである。

また、請求項４に記載の発明は、前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極を導電性材料により直列接続されており、且つ両端部に配置された単位構造の外側の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサーである。

また、請求項５に記載の発明は、前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されており、且つ隣接する前記単位構造の前記線状電極間は任意の位置で導電性材料により接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサーである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の触覚センサーを使用したセンシング装置であって、
前記触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、
前記触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えていることを特徴とするセンシング装置である。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のセンシング装置を使用した状態再現
装置であって、
前記センシング装置が取得した前記触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した前記出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、
前記出力データに基づいて、前記触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えていることを特徴とする状態再現装置である。

また、請求項８に記載の発明は、前記接触状態を再現する手段が、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項７に記載の状態再現装置である。

本発明の触覚センサーによれば、基材上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた２本の線状電極の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層を挿入した単位構造が、複数個、並列して備えられており、線状電極の断面形状が矩形で、アスペクト比が高い為、高感度な触覚センサーとなる。また、触覚センサーの単位構造は、電圧信号を出力するだけでなく、抵抗体としても機能しており、直流電圧につなげば、抵抗変動値を指標としたセンサーにもすることができる。

また、本発明のセンシング装置によれば、本発明の触覚センサーを使用しているため、高感度であり、起伏の細かい物体の表面をセンシングできるセンシング装置となる。

また、本発明の状態再現装置によれば、本発明のセンシング装置を使用しているため、起伏の細かい物体の表面を高感度にセンシング可能であり、その取得した情報に基づき、忠実にセンシング装置が捉えた状態を再現することができる。

本発明の触覚センサーの一例を示す俯瞰図である。 本発明の触覚センサーの一例を示す俯瞰図である。 本発明の触覚センサーの動作原理を説明する断面説明図である。 本発明の触覚センサーの動作原理を説明する断面説明図である。 （ａ）は実施例１で作製したストライプ線８０１の断面写真、（ｂ）はストライプ線８０２の断面写真、である。 実施例１で作製した触覚センサーの上面写真である。 実施例１で作製した触覚センサーの計測装置を俯瞰した写真である。 実施例２で作製したストライプ線１１０１の断面写真である。 実施例２で作製した触覚センサーの一例を示す上面図である。 個々の単位構造を電気的に接続しない触覚センサーの一例を示す上面図である。また、実施例３で作製した触覚センサーの一例を示す上面図でもある。 図９と図１０の触覚センサーを組み合わせた構成の触覚センサーの一例を示す上面図である。 本発明の触覚センサーを使用した入力出力システムの模式図である。 従来の印刷で形成された電極の断面形状の一例を示す断面写真である。 従来の印刷法で形成された平面的センサーの一例を示す断面図である。 従来の印刷法で形成された電極間に感圧層を挿入する事で作製した触覚センサーが、指で擦っても電極が歪まない状態を説明する断面模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には、同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定
するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明者が鋭意検討を重ねた結果、高アスペクト比で、長手方向に直交する平面における断面形状が矩形の複数のストライプ電極（線状電極とも記す。）を形成し、隣接する一対のストライプ電極間に、ポリウレタン樹脂等のマトリックス材料、カーボンブラックなどの導電性材料で構成した感圧層形成用材料を充填した構造を実現可能にした。その様な基材に対してたて型の電極間に感圧層を挿入したサンドイッチ構造を複数個、一定間隔をもって形成することで、触覚センサーとしての感度向上に好適であることを見出した。

また、上記の複数個形成したサンドイッチ構造への配線の繋ぎこみを変えることで、触覚センサーの性能に多様性を与えることができることを発見した。この多様性を得たことによって、触覚センサーでセンシングした情報を加工し、出力側であるピエゾ素子などのアクチュエータへの情報伝達手段を得ることも可能となった。

本発明の一態様に係る触覚センサーは、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、伸縮性樹脂、セラミックなどの基材と、前記基材上に形成するストライプ状もしくは任意の間隔で高アスペクト比および矩形の断面形状を備えた複数本の線状電極と複数本の線状電極間に充填されたポリウレタン樹脂等を主材料とした歪を与えると導電性が向上する感圧層と、複数本の線状電極間を任意に接続する銀、銅、カーボン等の導電材料と、感圧層で発生した信号を取り出すため任意に複数本の線状電極に端子として形成した銀、銅、カーボンなどの導電材料で形成された構造物を有する。保護層として絶縁体で全体を保護しても良い。

また、本発明の一態様に係る触覚センサーの出力形態は、触覚センサーの端子に任意の交流電圧を任意の周波数にて付加して得られた、電圧変動、位相差変動を基準とし、本発明の触覚センサーに、任意の擦り圧力を加えた際に発生する電圧変動値および位相差変動値を出力信号として扱うことである。この出力信号は、触覚センサーに、任意の擦り圧力を加えたことによる抵抗値変動に伴う電流変動、静電容量変動も含まれる。抵抗値変動においては直流電圧によるものでもよい。

次に、図１〜図１２を使用して、本発明の、触覚センサーと、その触覚センサーを使用したセンシング装置と、そのセンシング装置を使用した状態再現装置について説明する。＜触覚センサー＞
本発明の触覚センサー１は、図１に例示した様に、基材４０１上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた２本の線状電極４０２の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層２０１を挿入した単位構造４０４が、複数個、並列して備えられている触覚センサーである。図１では、複数個の単位構造４０４が平行に備えらえた場合を示しているが、必ずしも平行でなくても構わない。

線状電極４０２が延伸する方向に直交する平面における線状電極４０２の断面において、線状電極４０２の断面の形状が矩形であって、線状電極４０２が基材４０１と接する部分の長さより、線状電極４０２の高さの方が大きいことが特徴である。例えば、断面の形状が台形である場合、下底の長さより、下底と上底との距離の方が大きい事が特徴である。アスペクト比が１より大きい事が特徴である。

上記の弾性体としてはエラストマーを好適に使用する事ができる。導電性を備えた線状電極４０２とするため、エラストマーに金属やカーボンなどの導電性材料の粉体を混合した複合材料（導電エラストマー）として使用する。

また、感圧層２０１の高さは、線状電極４０２の高さ以下である事が好ましい。感圧層
２０１の高さが線状電極４０２の高さを超える様に形成する事は不可能ではないが、製造工程が増えるデメリットや、物体が接触する際に、感圧層２０１が先に接触する為、好ましくない。

また、複数個の単位構造４０４は、互いに平行に配置されており、それぞれの単位構造４０４の一対の線状電極４０２を導電性材料により直列接続され、且つ両端部に配置された単位構造４０４の外側の線状電極４０２の端部には、導電性材料により端子１２０１が形成されていても良い（図９参照）。

また、複数個の単位構造４０４は、互いに平行に配置されており、それぞれの単位構造４０４の一対の線状電極４０２の端部には、導電性材料により端子１２０１が形成されており、且つ隣接する単位構造４０４の線状電極４０２間は任意の位置で導電性材料により接続されていても良い。

本実施形態の触覚センサー１は、図１に例示した様に、支持基材であるＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、伸縮性樹脂、セラミックなどの基材４０１上に、導電性を有するエラストマー（導電エラストマーとも記す。）４０２を、複数本の線状電極４０２の間に挿入した構造を備えている。複数本の線状電極４０２は、例えば、互いに平行に形成された高アスペクト比で、断面形状が矩形の、ストライプ状の電極、もしくは、任意の間隔で形成した複数本の線状電極４０３である。

従来の方法、例えば、ディスペンサー、スクリーン印刷、３Ｄプリンター、フォトリソ法、を使って高アスペクト比の溝を複数本形成したシリコンウエハーをマスター版とし、そのマスター版にシリコーン樹脂を流し込む事により複数本の線状電極４０３とは逆の凹凸関係の版を模った後、その版に導電性を有するエラストマーを充填する事により複数本の線状電極４０３を形成する。

形成した複数本の線状電極４０３間に、ポリウレタン樹脂等を主材料とした、歪を与えると導電性が向上する感圧層２０１を挿入する。感圧層２０１を挿入する方法は、例えば１本の線状電極４０２と、感圧層２０１と、もう１本の線状電極４０２と、を一対とした単位構造４０４とし、その単位構造４０４に隣接する線状電極４０２との間には感圧層２０１を形成せず一つ飛ばしにして、再び一対の単位構造４０４を形成する、といった構造を連続的に並べた構造を形成する（図１参照）。感圧層２０１は、複数本の線状電極４０３の長さ方向の一部分もしくは全長さに亘って形成してもよい。

触覚センサー１の１つの単位構造４０４と、それに隣接する単位構造４０４と、の間の任意の場所に、銀、銅、カーボン等の導電材料を使用して接続部５０１（図２参照）を形成する。これによって、複数個の単位構造４０４が電気的に接続される。
また、単位構造４０４同士をつながなくても良い。この様にすることで、より微細なセンシング機能につながる。

次に、上記の様にして形成した１つの単位構造４０４または電気的に接続された複数の単位構造４０４の両端部の線状電極１１０１に、銀、銅、カーボン等の導電材料を形成し、端子（センサー端子とも記す。）１２０１とすることができる（図９参照）。ただし、端子１２０１の形成は単位構造４０４の両端部の線状電極１１０１に限定する必要は無く、一部の単位構造４０４に導電材料を形成することでもよい。この様にして、触覚センサーを得る事ができる。

（触覚センサーからの出力信号）
触覚センサーの端子に、任意の電圧を付加することで、電気的に繋がった触覚センサー
の複数個の単位構造の抵抗に応じた電流が流れる。この状態での抵抗値を基準とし、例えば図３のように、人間の指先を触覚センサー１の表面に接した状態（図３（ａ））で横方向に移動させると、単位構造４０４の一方の線状電極４０２が横方向に押圧され、歪み６０１を生じる（図３（ｂ））と、感圧層２０１の厚みが小さくなり、抵抗値の変動または静電容量の変化として反映される。高アスペクト比の線状電極４０２になればなるほど、線状電極４０２が傾斜し易くなり、この横方向への歪み量が大きくなる。すなわち、感圧層２０１が歪み易くなる。

抵抗値を出力信号とするやり方のほかに、ファンクションジェネレーターなどで、例えば任意の周波数の正弦波電圧を触覚センサーの端子に印加しておいて、指先で触覚センサーの表面を接した状態で横方向に移動させることにより、触覚センサーの歪みによって抵抗値が変動すると、出力側の電圧が変動する。この電圧変動と周波数を出力信号とすると、例えば、ピエゾ素子などのアクチュエータを、触覚センサーの出力信号に基づいて駆動させることができる。

また、触覚センサーの個々の単位構造を電気的に接続しない場合（図１０参照）は、単位構造４０４が独立している状態である為、各単位構造４０４の両方の電極である両端子１３０１に、それぞれ独立した電圧、周波数を付加することができる。指先ではない起伏のある物体を接した状態で移動させることによって、移動させる物体の詳細な起伏を、表面粗さ計の様に信号として捉え、出力することができる。

図４で、その一連の動作を説明する。
図４（ｄ）は、４つの単位構造４０４を備えた触覚センサー１´の右端の単位構造４０４−１に起伏のある物体７０１を接触させた状態である。既にわずかに接触している為、一番右側の単位構造４０４−１の下に、単位構造４０４−１から得られる信号の強弱を棒グラフの高さで示した様に、弱い信号が得られる。
次に、図４（ｃ）は、図４（ｄ）の状態から物体７０１が図の左側に進み、単位構造４０４−１を強く歪ませ、単位構造４０４−２を弱く歪ませた状態である。その為、その各単位構造の歪みの状態に対応した信号が、すなわち、単位構造４０４−１からは強い信号が、単位構造４０４−２からは弱い信号が、発せられる。
更に、図４（ｂ）は、図４（ｃ）の状態から物体７０２が図の左側に進み、単位構造４０４−２を強く歪ませ、単位構造４０４−３を弱く歪ませた状態である。それらに対応した信号が発せられる。
図４（ｄ）は、同様に、図４（ｃ）の状態から物体７０２が更に図の左側に進み、単位構造４０４−３を強く歪ませ、単位構造４０４−４を弱く歪ませた状態である。
この様に、物体７０１が触覚センサー１´の単位構造４０４−１、４０４−２、４０４−３、４０４−４から発せられる信号を捉える事により、物体７０１の触覚センサー１´への押圧の強度と、触覚センサー１´の中での動きを把握する事ができる。

（電極の材料）
本実施形態の電極は、フレキシブル性を有し、導電性を有していなければならない。例えば、カーボンを含む導電エラストマー、ポリウレタン系のストレッチャブルな銀ペーストなど可とう性を有した導電材料を使用し焼成して形成される。

（感圧層）
感圧層も、可とう性を有する歪を与えると導電性が上がる材料でなければならない。例えば、ポリウレタン樹脂にカーボンなどを分散したものなどがあり、所定の数の線状電極を形成した後に、線状電極間へディスペンサー、インクジェットなどを使って充填し、焼成する。ポリフッ化ビニリデン、シリコーン等の誘電エラストマーでも良い。

感圧層の材料としては、マトリックス材料として、シリコーンゴム、シリコーン樹脂、ウレタンゴム、ウレタン樹脂、アクリル系ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリシロキサン、スチレン系エラストマー、ポリエステル系バインダー、アルキルセルロース、アルキルセルロースなどで、これらの複合材料もある。また、上記マトリックス材料へ添加して感圧抵抗体とする導電性材料は、ニッケル粒子、黒鉛粒子、カーボンブラック、酸化スズ粒子、酸化アンチモン粒子、炭素粒子、チタン酸カリウム粒子、カーボンナノチューブ、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化錫）、グラフェン、などからなる粉体または微粒子で、これらの複合材料もある。

（接続部、端子部の材料）
単位構造４０４の間を接続する接続部９０２と端子１２０１（図９参照）を形成する導電性材料は、銀粉、銅粉、カーボン、グラファイトなどのフィラーを分散した導電性ペーストを使用し、端子１２０１、接続部９０２にディスペンサー、インクジェット、スクリーン印刷などを使用して形成する。

（基材）
本発明の触覚センサーの構成要素である単位構造を形成する基材としては、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、ストレッチャブル素材、セラミックなどのフィルム、プレートなどを挙げる事ができる。

（オーバーコート層）
本発明の触覚センサーは、上記構成でも機能するが、触覚センサーの上面を指先や任意の物体で擦るなどの接触による破損を防止する為、絶縁物で構成されたオーバーコート層を触覚センサーの上面に形成しても支障はない。

＜触覚センサー＞
本発明のセンシング装置は、本発明の触覚センサーを使用したセンシング装置である。
本発明のセンシング装置は、触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えている。

＜状態再現装置＞
本発明の状態再現装置は、本発明のセンシング装置を使用した装置である。
本発明の状態再現装置は、本発明のセンシング装置が取得した触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、その出力データに基づいて、触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えている装置である。接触状態を再現する手段がピエゾ素子であっても良い。

次に、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
＜実施例１＞
２液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ａ（旭化成ワッカー社製）」及び「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ｂ（旭化成ワッカー社製）」を１対１で混合した導電性塗布剤を用意した。

次に図５（ａ）に示すように、上記導電性塗布剤を、幅１００μｍ、高さ１００μｍ、間隙０．９ｃｍの複数本のストライプ線８０１をポリイミドフィルム上に印刷した。
また、図５（ｂ）に示すように、幅１００μｍ、高さ６００μｍ、間隙０．９ｃｍの複数本のストライプ線８０２も同様にポリイミドフィルム上に印刷した。この２種類の印刷物を１００℃３０分間焼成した。

次に、ポリウレタンおよびカーボンと架橋剤を主成分とする感圧層用のペーストを、上
記２種類の印刷物に形成された複数のストライプ線１１０１（図６参照）の間の間隙に１つ飛ばしでストライプ線１１０１の端から１ｃｍの長さで注入し、１２０℃３０分間焼成する事で、１ｃｍの長さの感圧部９０３を形成した。

次に、図６に示した写真の様に、複数本形成された隣接する単位構造４０４のストライプ線１１０１（線状電極と同じ）のうち、感圧層９０１を注入していない部分の任意の部位に銀ペーストからなる接続部９０２を形成する事により、各単位構造４０４を直列に接続した。

次に、各線状電極であるストライプ線１１０１の末端（または端部）に銀ペーストを塗布し、１２０℃３０分間焼成する事により、端子１２０１を形成した（図９参照）。
この状態でセンサーとして使用できるが、擦り実験中に電極および感圧層９０１が損傷することを防ぐ為、センサー上部にポリウレタンからなる絶縁層（図示省略）を保護層として形成した。以上の様にして、触覚センサーを作製した。

次に、図７に示した様に、ファンクションジェネレーター（ＡＷＧ１００５（アズワン社製））１００１と、ピエゾ式アクチュエータとして圧電スピーカー１００２、上記で制作した２種類の印刷物１００４と、オシロスコープ１００３を用意した。ファンクションジェネレーター１００１の正極側と圧電スピーカー１００２の正極をつなぎ、圧電スピーカーの負極側と印刷物１００４の端子１２０１、さらに印刷物１００４のもう一方の端子１２０１とファンクションジェネレーター１００１の負極側を、ワニ口クリップ線を使って接続し、回路を形成した。なお、印刷物１００４は触覚センサーである。

次に、ファンクションジェネレーター１００１の設定値を、最大電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波に設定し、印刷物１００４の入力側と出力側の信号をオシロスコープ１００３で計測した。
まず、幅１００μｍ、高さ１００μｍの複数本のストライプ線を使った印刷物１００４の入力信号が最大電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最大電圧５０ｍＶ、周波数３ｋＨｚであることを確認した。

次に、先端が半径４ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒１００５を使って、幅１００μｍ、高さ１００μｍの複数本のストライプ線１１０１に直交する様に０．１Ｎの力をかけながらストライプ線１１０１と直交する方向に表面を滑らせた。その際にオシロスコープ１００３（図７）の出力側の信号を確認した結果、最大電圧５０ｍＶ、周波数３ｋＨｚであった。スピーカー１００２の音の変動は確認できなかった。

次に、幅１００μｍ、高さ６００μｍの複数本のストライプ線１１０１を使った印刷物１００４も同様にファンクションジェネレーター１００１の設定値を、最大電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波に設定し、印刷物１００４の入力側と出力側の信号をオシロスコープ１００３で計測した。まず、印刷物１００４の入力信号が最大電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最大電圧５０ｍＶ、周波数３ｋＨｚであることを確認した。

次に、先端が半径４ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、幅１００μｍ、高さ６００μｍの複数本のストライプ線１１０１に直交する様に０．１Ｎの力をかけながら表面を滑らせた。その際にオシロスコープ１００３の出力側の信号を確認した結果、最大電圧３００ｍＶ、周波数３ｋＨｚであった。スピーカー１００２の音の変動を確認した。
従って、２種類の印刷物１００４で唯一違う電極（ストライプ線１１０１）の高さが６倍程度の違いで出力側の信号の大きさが６倍程度変化する事が判った。これは、電極の高
さが高いほど出力信号の感度が上がり、センサーとしての感度が上がることを意味する。

＜実施例２＞
２液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ａ（旭化成ワッカー社製）」及び「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ｂ（旭化成ワッカー社製）」を１対１で混合した導電性塗布剤を用意した。

次に、上記導電性塗布剤を、幅１００μｍ、高さ２００μｍ、間隙０．３ｃｍの複数本のストライプ線１１０１をポリイミドフィルム上に印刷し、１００℃３０分間焼成する事により電極（ストライプ線）を作製した（図８参照）。

次に、ポリウレタンおよびカーボンと架橋剤を主成分とする感圧層用のペーストを、上記の複数本のストライプ線の間隙に１つ飛ばしでストライプ線１１０１の端から１ｃｍの長さで注入した（図９参照）後、１２０℃３０分間焼成する事により感圧層９０１を形成した。

次に、電極（ストライプ線１１０１）と感圧層９０１と電極（ストライプ線１１０１）を一対とした単位構造４０４と、その単位構造４０４に隣接した単位構造４０４との間の任意の部位を、銀ペーストを使用して接続した。同様にして、図９に示した様に、４つの単位構造４０４を銀ペーストからなる接続部９０２によって直列接続した。図９において、両端部のストライプ線１１０１の感圧層９０１が注入された側とは反対側の端部に端子１２０１を形成した。
この状態で触覚センサーとして使用できるが、擦り実験中に電極（ストライプ線１１０１）および感圧層９０１が損傷することを防ぐ為、絶縁層を、触覚センサーである単位構造４０４の上に保護層として被覆した。

次に、ファンクションジェネレーター（ＡＷＧ１００５（アズワン社製））と、ピエゾ式アクチュエータとして圧電スピーカーと、上記で作製した２種類の印刷物（触覚センサー）と、オシロスコープを用意した。ファンクションジェネレーターの正極側と圧電スピーカーの正極、圧電スピーカーの負極側と印刷物の端子、さらに印刷物のもう一方の端子とファンクションジェネレーターの負極側を、それぞれワニ口クリップ線を使って接続し回路を形成した。

次に、ファンクションジェネレーターの設定値を、最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波に設定し、印刷物の入力側と出力側の信号をオシロスコープで計測した。
まず、幅１００μｍ、高さ２００μｍの複数本のストライプ線を使った印刷物の入力信号が最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最高電圧２０Ｖ、周波数２０ｍＶであることを確認した。次に、先端が半径４ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、幅１００μｍ、高さ２００μｍの複数本のストライプ線に直交する様に０．１Ｎの力で表面を滑らせた。その際にオシロスコープの出力側の信号を確認した結果、最高電圧１２０ｍＶ、周波数３ｋＨｚであった。スピーカーの音の変動も確認できた。従って、電極（ストライプ線）の高さが高く、電極（ストライプ線）間の距離が狭いと、出力側の信号の大きさが増大する事が判った。
この結果は、実施例１の場合と比べ、電極（ストライプ線）高さが２倍、電極（ストライプ線）間の距離が３分の１となっており、２÷（１／３）＝６（倍）となっていた。

実施例１および２の結果から、本発明の触覚センサーの感度は、電極（ストライプ線）間の長さに反比例し、電極（ストライプ線）の高さに比例することが判った。
つまり、本発明の触覚センサーの特徴である垂直方向に立ち上がる断面形状が矩形状の電極（ストライプ線）の高さを高くする事、即ちアスペクト比を高くする事が、触覚セン
サーの感度向上に直結し、かつ、電極（ストライプ線）間を狭くすることによって、さらに感度の向上が図れることが分かった。

＜実施例３＞
２液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ａ（旭化成ワッカー社製）」及び「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ｂ（旭化成ワッカー社製）」を１対１で混合した導電性塗布剤を用意した。

次に、上記導電性塗布剤を、幅１００μｍ、高さ２００μｍ、間隙０．３ｃｍの複数本のストライプ線をポリイミドフィルム上に印刷し、１００℃３０分間焼成する事により、電極（ストライプ線）を作製した。

次に、ポリウレタンおよびカーボンと架橋剤を主成分とする感圧層用のペーストを、上記の印刷物に形成された複数本のストライプ線の間隙に１つ飛ばしで、ストライプ線の端から１ｃｍの長さで注入し、１２０℃３０分間焼成する事により、感圧層を形成した。

次に、電極（ストライプ線１１０１）と感圧層９０１と電極（ストライプ線１１０１）を一対とした単位構造４０４とし、それぞれの電極（ストライプ線１１０１）の感圧層９０１が形成されている側とは反対側の端部に、銀ペーストを塗布し、１２０℃３０分間焼成する事により、端子１３０１を形成した（図１０参照）。これによって、独立した電極（ストライプ線１１０１）と感圧層９０１と電極（ストライプ線１１０１）からなる複数の単位構造４０４からなる触覚センサーが形成された。
この状態でセンサーとして使用できるが、擦り実験中に電極および感圧層が損傷することを防ぐ為、ポリウレタンからなる絶縁層を単位構造４０４の上に保護層として被覆した。

次に、図１０に示す様に、ファンクションジェネレーターの複数のチャンネルを使って、電極と感圧層と電極を一対とした１つの単位構造４０４に対して、１つ目のチャンネル１３０２を割り当て、電極と感圧層と電極を一対とした単位構造４０４に形成された２本の電極（ストライプ線１１０１）の内、一方を正極に繋ぎ、もう一方を負極に繋いだ。さらに隣接する単位構造４０４に対して、２つ目のチャンネル１３０３を割り当て、その単位構造４０４の２本の電極（ストライプ線１１０１）に、１つ目のチャンネル１３０２と同様にしてファンクションジェネレーターをつないで、入力信号を最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚとし、それに対する出力信号をそれぞれ別にオシロスコープで測定した。

次に、先端が半径０．５ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、電極と感圧層と電極を一対とした単位構造４０４のストライプ線に直交する様に０．１Ｎの力で表面を滑らせた。その際にオシロスコープの出力側の信号を確認した結果、電極と感圧層と電極を一対とした単位構造４０４への入力信号が最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波であることを確認した。

その結果、１つ目のチャンネル１３０２の電極と感圧層と電極を一対とした単位構造４０４を、先端が半径０．５ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒をストライプ線に直交する方向に０．１Ｎの力をかけながら滑らせている時に、出力信号の最高電圧が２０ｍＶから１００ｍＶと変動し、次に２つ目のチャンネル１３０３の電極（ストライプ線１１０１）と感圧層９０１と電極（ストライプ線１１０１）を一対とした単位構造４０４に先端が半径０．５ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒をストライプ線１１０１に直交する方向に０．１Ｎの力をかけながら滑らせている時に、１つ目のチャンネル１３０２の最高電圧が２０ｍＶに戻り、２つ目のチャンネル１３０３の最高電圧が１００ｍＶに変動した。

つまり、個々の単位構造４０４に対して、１つ目のチャンネルや２つ目のチャンネルの様に、入力を割り振ることで、単位構造４０４の幅分の歪を感知する事ができる。それは、単位構造４０４と単位構造４０４の間隔を狭くすることで、触覚センサーとしての解像度が向上することを意味する。

また、実施例１、実施例２、実施例３の結果から、図９と図１０の仕組みを組み合わせた触覚センサーも作る事ができる。例えば、図１１に示す様な構成が可能である。この触覚センサーは、図１０に示した触覚センサーの各チャンネル間を、銀ペーストからなる接続部９０２により直列接続した構成を備えている。その為、図９に示した構成の触覚センサーとして機能する事も可能であり、また図１０に示した触覚センサーとしても機能する事ができる。即ち、単チャンネルと多チャンネルのハイブリット方式の触覚センサーであり、単チャンネルの抵抗値変動、電圧変動の検知と各チャンネル間の抵抗値変動、電圧変動の検知を行うことで、全体のセンシング結果と各チャンネルセンシング結果の両方が把握できる。

＜実施例４＞
２液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマー「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ａ（旭化成ワッカー社製）」及び「ＥＲＡＳＴＯＳＩＬＬＲ３１６２Ｂ（旭化成ワッカー社製）」を１対１で混合した導電性塗布剤を用意した。

次に、上記導電性塗布剤を、幅１００μｍ、高さ２００μｍ、間隙０．３ｃｍの複数本のストライプ線をポリイミドフィルム上に印刷し、１００℃３０分間焼成した。

次に、ポリウレタンおよびカーボンと架橋剤を主成分とする感圧層用のペーストを上記の印刷物に形成されたストライプ線の間隙に１つ飛ばしでストライプ線の端から１ｃｍの長さで注入し、１２０℃３０分間焼成した。

次に、電極と感圧層と電極を一対とした単位構造と、それに隣接した同じ構造の単位構造との間の任意の場所に、銀ペーストを使用して接続した。これによって、複数個の単位構造が電気的に接続された。

次に、各電極（ストライプ線）の感圧層が形成されていない側の端部に銀ペーストを塗布し、１２０℃３０分間焼成する事によって端子を形成した。この状態でセンサーとして使用できるが、擦り実験中に電極および感圧層が損傷することを防ぐ為、ポリウレタンからなる絶縁層を単位構造からなる触覚センサーの上に保護層として被覆した。

次に、ファンクションジェネレーターＡＷＧ１００５（アズワン社製）と、ピエゾ式アクチュエータとして圧電スピーカーと、上記で作製した２種類の印刷物と、オシロスコープを用意した。ファンクションジェネレーターの正極側と圧電スピーカーの正極をつなぎ、圧電スピーカーの負極側と印刷物の端子、さらに印刷物のもう一方の端子とファンクションジェネレーター負極側とを、ワニ口クリップ線を使って接続し、回路を形成した。

次に、ファンクションジェネレーターの設定値を、最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波に設定し、印刷物の入力側と出力側の信号をオシロスコープで計測した。
まず、幅１００μｍ、高さ２００μｍの複数本のストライプ線を使った触覚センサーの入力信号が、最高電圧２０Ｖ、周波数３ｋＨｚの正弦波であることを確認し、出力側の信号が最高電圧２０Ｖ、周波数２０ｍＶであることを確認した。次に、先端が半径４ｍｍの球状に加工された絶縁体からなる棒を使って、幅１００μｍ、高さ２００μｍの複数本のストライプ線に直交する様に０．１Ｎの力で表面を滑らせた。その際にオシロスコープの
出力側の信号を確認した結果、最高電圧２０Ｖ、周波数１２０ｍＶであった。スピーカーの音の変動も確認できた。

そこで、オシロスコープ（ＴＤＳ１０００Ｃ−ＥＤＵ（テクトロニクス社製））でリアルタイムにサンプリングする機能を実行し、信号をＵＳＢデバイス・ポートからＰＣに接続し、付属のＰＣ接続ソフトウェアを使用し、測定結果を取得、保存した。波形データは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｏｒｄ、Ｅｘｅｌ、テキスト形式で保存した。保存した時系列の電圧、周波数の数値を別のスタンドアローンＰＣにダウンロードし、別のファンクションジェネレーターで、本発明の触覚センサーを介さず、直接ピエゾスピーカーにつなげたところ、本発明の触覚センサーを介して出力された圧電スピーカーから同じ音色の音が確認された。つまり、リアルタイムでサンプリングする機能を使うことによって、直接圧電スピーカーなどのピエゾ素子で出力する以外に、データを電波遠隔地に送信するかもしくは記憶媒体に記憶し、任意の場所で再現することができることが判った。このシステムの模式図を図１２に示す。

以上説明したように、本発明の一態様によれば、以下の効果を奏する。
（ａ）導電エラストマーによる高アスペクト比の、断面形状が矩形の電極を狭いピッチで形成し、それらの電極間に感圧層を充填した構造物を造る事によって、人の指紋の様なセンサーが形成できる為、上からの圧力かつ横への物体の移動時の歪を感度良くとらえる事ができる。
（ｂ）電極と感圧層と電極を一対とした単位構造を構成要素とする触覚センサーとして、並列に並べる事により、個々の単位構造への信号の入力が可能となり、センシングする対象物の細かな起伏による歪、移動距離を個々の単位構造のセンサー毎に電圧および周波数、位相変化、抵抗値として測定する事ができる。
（ｃ）ファンクションジェネレーターによる交流の入力信号を本発明の触覚センサーに入力し、出力された信号をリアルタイムにサンプリング可能な機能付きのオシロスコープで記録した波形をＰＣに取り込む事で、出力側である遠隔地に同様のＰＣ、ファンクションジェネレーターがあれば、出力側のアクチュエータに合った信号に変調するなどを行い、適宜、ピエゾ素子などに出力する事ができる。
すなわち、ヒトとロボット、空間をつなぐインターフェースの開発に応用する手段として有効となる発明である。

本発明は、これまで平面的な電極でしか形成出来なかった、エレクトロニクス分野、特に印刷センサー分野、ストレッチャブルセンサー分野における発明である。これまで上下の電極間に感圧層を挟む構造であった為、感圧層の変位を電気的に取り込める方向は主に上下方向（垂直方向）の変位しかとる事が出来なかった。電極に水平方向にも若干感圧層が歪む為、感圧層の変位を電気的に取り込む事は可能であるが、既存の方法では膜厚を厚くする事に限界があった。しかし、本発明においては、電極を、高さ方向に高くした、断面形状が矩形の複数本のストライプ線を形成し、そのストライプ線の間隙に感圧層となる材料を挿入することによって、狭ピッチにすればするほど、毛細管現象により高さ方向に感圧層が形成され、垂直方向にこれまで上下にしかできなかった電極と感圧層と電極のサンドイッチ構造を形成する事で、３次元的なセンサー構造を実現できる。これにより、これまで、細かい波形のテクスチャを形成した板状のシートを平面センサー上に貼りつけて、物体が擦った波形を平面センサーが拾い、その波形をザラツキ波形として捉えていた。
本発明のセンサー構造は、電極と感圧層と電極のサンドイッチ構造が、縦になっている為、並列に細かくセンサーが並ぶことで、細かい波形のテクスチャを細かく細分化したセンサーとなっている。例えば、表面粗さ計で言えば、これまで一本の針の付いたプローブを測定する物体の表面をなぞる事で表面の凹凸や粗さを計測していたが、本発明のセンサーは、このプローブが狭いピッチで並列に並んでいる為、物体の表面をなぞらなくても押し当てるだけで凹凸や粗さを計測できる可能性がある。人の指紋は約０．３５ｍｍピッチと言われている。本発明のセンサーは、このピッチを実現できるため、ロボティクスなどの分野でも利用の可能性がある。

１、１´、１−１…触覚センサー
１０１…印刷物
２０１…感圧層
２０２…電極
２０３…電極
４０１…基材
４０２…線状電極（またはストライプ線）
４０３…複数本の電極
４０４、４０４−１、４０４−２、４０４−３、４０４−４…（電極と感圧層と電極を一対とした）単位構造
５０１…接続部
６０１…歪み
７０１…（起伏のある）物体
７０２…信号
８０１…ストライプ線
８０２…ストライプ線
９０１…感圧層
９０２…（銀ペーストからなる）接続部
９０３…１ｃｍの長さの感圧部
１００１…ファンクションジェネレーター
１００２…圧電スピーカー
１００３…オシロスコープ
１００４…印刷物
１００５…（先端が球状に加工された）棒
１１０１…ストライプ線
１２０１…端子
１３０１…端子
１３０２…１つ目のチャンネル
１３０３…２つ目のチャンネル

Claims (8)

1. 基材上に、導電性を備えた弾性体からなり、且つ平行に備えられた２本の線状電極の間に、力が加わると電気抵抗が変化する感圧層を挿入した単位構造が、複数個、並列して備えられている触覚センサーにおいて、
   線状電極が延伸する方向に直交する平面における線状電極の断面において、
   断面の形状が矩形であって、
   線状電極が基材と接する部分の長さより、線状電極の高さの方が大きいことを特徴とする触覚センサー。
2. 前記弾性体がエラストマーであることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサー。
3. 前記感圧層の高さが、前記線状電極の高さ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサー。
4. 前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
   複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極を導電性材料により直列接続されており、且つ両端部に配置された単位構造の外側の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサー。
5. 前記基材上に複数個の前記単位構造が形成された触覚センサーにおいて、
   複数個の前記単位構造は、互いに平行に配置されており、それぞれの前記単位構造の一対の線状電極の端部には、導電性材料により端子が形成されており、且つ隣接する前記単位構造の前記線状電極間は任意の位置で導電性材料により接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚センサー。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の触覚センサーを使用したセンシング装置であって、
   前記触覚センサーに任意の交流電圧または直流電圧を入力する手段と、
   前記触覚センサーから出力される信号を出力データとして取得する手段と、を備えていることを特徴とするセンシング装置。
7. 請求項６に記載のセンシング装置を使用した状態再現装置であって、
   前記センシング装置が取得した前記触覚センサーと任意の物体との接触状態に対応した前記出力データを記憶する手段または送信する手段のいずれかまたは両方と、
   前記出力データに基づいて、前記触覚センサーと任意の物体との接触状態を再現する手段と、を備えていることを特徴とする状態再現装置。
8. 前記接触状態を再現する手段が、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項７に記載の状態再現装置。

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