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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-17
(45)【発行日】2024-06-25
(54)【発明の名称】薄膜人工皮膚
(51)【国際特許分類】
G01L 1/14 20060101AFI20240618BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20240618BHJP
【ＦＩ】
G01L1/14 J
G01L1/14 L
G01L5/00 101Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020087970
(22)【出願日】2020-05-20
(65)【公開番号】P2021181946
(43)【公開日】2021-11-25
【審査請求日】2023-03-13
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月３０日に日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会２０１９抄録集にて発表 令和１年１１月３０日に日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会２０１９にて発表 令和２年３月２６日にＩＩＰ２０２０情報・知能・精密機器部門（ＩＩＰ部門）講演会のウエブサイト上において発表
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100067736
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃
(74)【代理人】
【識別番号】100192212
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 貴明
(74)【代理人】
【識別番号】100204032
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 浩之
(72)【発明者】
【氏名】土方 亘
(72)【発明者】
【氏名】松本 爽
【審査官】松山 紗希
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１３－５２９８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１４５４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０２２２５８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭５３－０３３６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０３８２８０８２（ＣＮ，Ａ）
【文献】西独国特許出願公開第０２８２９２２５（ＤＥ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６
Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８
Ｇ０１Ｄ ５／００－５／２５２
５／３９－５／６２
Ａ６１Ｌ ２７／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
上部電極膜と誘電エラストマー膜とエレクトレット膜と下部電極膜と積層してなり、検出処理部において、上記上部電極膜と上記下部電極膜との間の静電容量が上記上部電極膜への接触により変化することにより生ずる上記エレクトレット膜からの電荷の移動量として上記上部電極膜への接触情報を検出する薄膜人工皮膚であって、
上記検出処理部は、上記上部電極膜と上記下部電極膜に外部接続された複数の検出抵抗を備え、上記複数の検出抵抗と上記上部電極膜への接触位置に応じて変化する内部抵抗との比から上記上部電極膜への接触位置情報を検出することを特徴とする薄膜人工皮膚。
【請求項2】
上記検出処理部は、上記上部電極膜と上記下部電極膜の４隅に外部接続された４個の検出抵抗を備え、
上記上部電極膜の中央を原点としたＸＹ座標上において、上記４個の検出抵抗における降下電圧Ｖｉを左上部より反時計回り（ｉ＝１、２、３、４）にＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４として、上記上部電極膜への接触位置座標（Ｘ 、Ｙ）情報を次の(１)式、(２)式により、得ることを特徴とする請求項１に記載の薄膜人工皮膚。
【数1】
【請求項3】
上記検出処理部は、上記接触位置座標（Ｘ、Ｙ）における接触押圧力（Ｆ） 情報を次の(３)式により、得ることを特徴とする請求項２に記載の薄膜人工皮膚。
【数2】
【請求項4】
上記上部電極膜と上記下部電極膜は、カーボンブラック含有エラストマー膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の薄膜人工皮膚。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ヒトと協働するロボット等の触覚センサとして機能する薄膜人工皮膚に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、医療や福祉，生産現場などにおいて人との協働作業を目的としたソフトロボットの研究・開発が進められている。これらソフトロボットには人との接触を検出するための触覚センサが必要であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【0003】
しかし、従来の触覚センサは硬く、厚みがあり検出範囲が小さいため、ソフトロボットに搭載するには課題が多い。さらに、人間とロボットの接触はロボットの体表面で生じるが、ロボットが接触を理解しデータとして取得するには、触覚センサをロボット全体に搭載する必要がある。
【0004】
そこで近年、柔軟で検出範囲の大きいセンサとして、圧電素子、磁気、生体音響や静電容量を利用した人工皮膚の研究が行われている。中でもNittalaらは厚さ約1mmの投影型静電容量方式を利用した複数の位置検出が可能なオンスキンセンサを開発した（例えば、非特許文献２参照）。また、Zirkiらはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた圧電型の柔軟なセンサを提案し、センサが湾曲した状態でも接触による出力電圧が線形性を保持し、検出が可能であることを確認した（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【文献】T.Mukai, S.Hirano, H.Nakashima, Y.Kato, “Development of a Nursing-Care Assistant Robot RIBA That Can Lift a Human in Its Arms”, IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vol. 10-1109, pp. 5996-6001, 2010.
【文献】Keer, L.M., Knapp, W., and Hocken, R.,“Resonance Effects for a Crack Near a Free Surface”, Transactions of the ASME, Journal of Applied Mechanics, vol.51-1, pp.65-69, 1986.
【文献】M. Zirkl, G. Scheipl, B. Stadlober, C. Rendl, P. Greindl, M. Haller, P.Hartmann, “PyzoFlex: a printed piezoelectric pressure sensing foil for human machine interfaces”, SPIE Organic Photonics + Electronics, Vol.8831, No. 24, pp.1-8, 2019.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
先に提案された静電容量方式のセンサでは、電界を形成し続けるために外部電源を必要とするという課題がある 。また、圧電型のセンサでは、センサを丸めたり、ロボットの形状に沿わせることに適していないという課題がある 。さらに、これら従来方式の触覚センサでは、柔軟性を確保することができ位置検出可能であるが、薄膜化や配線の簡易化などにおいて課題がある 。
【0007】
そこで、本発明は、柔軟性のある薄膜で、なおかつ入力動作に外部電源を必要としない、触覚機能を有する大面積の薄膜人工皮膚を提供することを目的とする。
【0008】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明では、電荷を打ち込み半永久的に帯電させた誘電体からなるエレクトレット素子に着目し、エレクトレット膜からの電荷の移動量として接触情報を検出する触覚機能を有する薄膜人工皮膚を実現した。
【0011】
すなわち、本発明は、上部電極膜と誘電エラストマー膜とエレクトレット膜と下部電極膜と積層してなり、検出処理部において、上記上部電極膜と上記下部電極膜との間の静電容量が上記上部電極膜への接触による変化することにより生ずる上記エレクトレット膜からの電荷の移動量として上記上部電極膜への接触情報を検出する薄膜人工皮膚であって、上記検出処理部は、上記上部電極膜と上記下部電極膜に外部接続された複数の検出抵抗を備え、上記複数の検出抵抗と上記上部電極膜への接触位置に応じて変化する内部抵抗との比から上記上部電極膜への接触位置情報を検出することを特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る薄膜人工皮膚において、上記検出処理部は、上記上部電極膜と上記下部電極膜の４隅に外部接続された４個の検出抵抗を備え、上記上部電極膜の中央を原点としたＸＹ座標上において、上記４個の検出抵抗における降下電圧Ｖｉを左上部より反時計回り（ｉ＝１，２，３，４）にＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４として、上記上部電極膜への接触位置座標（Ｘ、Ｙ）情報を次の(１)式、(２)式により、得るものとすることができる。
【数1】
【0013】
また、本発明に係る薄膜人工皮膚において、上記検出処理部は、上記接触位置座標（Ｘ，Ｙ）における接触押圧力（Ｆ）情報を次の(３)式により、得るものとすることができる。
【数2】
【0014】
さらに、本発明に係る薄膜人工皮膚において、上記上部電極膜と上記下部電極膜は、カーボンブラック含有エラストマー膜であることものとすることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明では、上部電極膜と誘電エラストマー膜とエレクトレット膜と下部電極膜を積層した構造により、検出処理部において上記上部電極膜と上記下部電極膜との間の静電容量が上記上部電極膜への接触による変化することにより生ずる上記エレクトレット膜からの電荷の移動量として上記上部電極膜への接触情報を検出する触覚機能を実現し、上記上部電極膜と上記下部電極膜に外部接続された複数の検出抵抗を備える検出処理部により、上記複数の検出抵抗と上記上部電極膜への接触位置に応じて変化する内部抵抗との比から上記上部電極膜への接触位置情報を検出することができ、柔軟性のある薄膜でなおかつ入力動作に外部電源を必要としない、触覚機能を有する大面積の薄膜人工皮膚を提供することができる。
【0017】
また、本発明に係る薄膜人工皮膚では、上記上部電極膜と上記下部電極膜に外部接続された複数の検出抵抗を備える検出処理部により、上記接触位置における接触押圧力（Ｆ）情報をことができる。
【0018】
さらに、本発明では、上記上部電極膜と上記下部電極膜は、カーボンブラック含有エラストマー膜であるものとすることにより、高感度の触覚機能を有する大面積の薄膜人工皮膚を実現することができる。
【0019】
したがって、本発明によれば、ヒトと協働するロボットの触覚センサとして機能する薄膜人工皮膚を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態に係る薄膜人工皮膚の構造を模式的に示す断面図である。
【図2】上記薄膜人工皮膚の指圧により誘電エラストマー膜が圧縮された状態を模式的に示す断面図である。
【図3】薄膜人工皮膚の２次元平面における指圧位置の検出原理を模式的に示す平面図である。
【図4】エレクトレット膜からの電荷の移動量として接触情報を検出する触覚機能を確認するために試作した人工皮膚の誘電エラストマー膜とエレクトレット膜を示す平面図である。
【図5】エレクトレット膜の試作過程の説明に供する模式図である。
【図6】試作したエレクトレット膜について測定して得られた表面電位の保持特性を示す特性図である。
【図7】試作した人工皮膚について接触検出実験を行って負荷抵抗により得られた電圧波形を示す波形図であり、（Ａ）は、指圧した場合を示し、（Ｂ）はソレノイドスイッチの場合を示す。
【図8】接触位置座標情報と接触押圧力情報を得ることができる触覚機能を確認するために試作した人工皮膚の誘電エラストマー膜とエレクトレット膜を示す平面図である。
【図9】電極膜について電極材料を変えて測定して得られた接触位置に応じた内部抵抗の変化を示す特性図であり、（Ａ）は銅箔電極膜の内部抵抗変化を示し、（Ｂ）は銅箔電極膜の内部抵抗変化を示す。
【図10】試作した接触位置検出用の短冊状人工皮膚の構造を模式的に示す断面図である。
【図11】上記短冊状人工皮膚についてソレノイドを用いて圧縮位置を変化させて得られた抵抗両端電圧の差分電圧波形を示す波形図である。
【図12】上記差分電圧波形のピーク電圧を横軸を押圧位置としてプロットした特性図である。
【図13】エレクトレット膜とポリフッ化ビニリデン(PVDF)の柔軟性を示す図であり、（Ａ）はＰＶＤＦ片を片持ち指示した状態を示し、（Ｂ）はエレクトレット膜を片持ち指示した状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【0022】
図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜人工皮膚１０の構造を示す断面図である。
【0023】
この薄膜人工皮膚１０は、上部電極膜１と誘電エラストマー膜２とエレクトレット膜３と下部電極膜４を積層した構造、すなわち、誘電エラストマー膜２とエレクトレット膜３を対向する２枚の電極膜１、４で挟んだ積層構造となっている。
【0024】
エレクトレット膜３は半永久的に電荷を内部に蓄積した誘電体であり、エレクトレット膜３の表面には電荷が保持されており、これに釣り合うよう上下の電極膜１，４に電荷が誘導される。この際，上下の電極膜１、４に誘導される電荷の比率は、エレクトレット膜３から上下の電極膜１、４までの静電容量により定まる。
【0025】
この薄膜人工皮膚１０は、図２に示すように、指圧により誘電エラストマー膜２が圧縮されると、人工皮膚内部の静電容量が変化することで誘導電流が発生し、誘電エラストマー膜２の上部電極膜１に誘導されていた負電荷の一部が検出抵抗５を通ってエレクトレット膜３の下部電極膜４側へ移動する。除荷されると、誘電エラストマー膜２の復元力により上部電極膜１が押し戻され、再び検出抵抗５を通って誘電エラストマー膜２側の上部電極膜１に電荷が移動する。
【0026】
この薄膜人工皮膚１０では、上記電荷の移動を利用して、検出処理部６において上記上部電極膜１への接触情報を検出することができる。検出処理部６では、上記上部電極膜１と上記下部電極膜４に外部接続された検出抵抗６における降下電圧Ｖの変化として、上記上部電極膜１への指圧状態の変化に応じた電荷の移動量を検出する。
【0027】
すなわち、この薄膜人工皮膚１０では、検出処理部６において、外部電源を必要とすることなく、上記上部電極膜１と上記下部電極膜４との間の静電容量が上記上部電極膜１への接触により変化することにより生ずる上記エレクトレット膜３からの電荷の移動量として上記上部電極膜１への接触情報を検出する触覚機能を実現している。
【0028】
また、この薄膜人工皮膚１０における検出処理部６では、上記上部電極膜１と上記下部電極膜４に外部接続された複数の検出抵抗５を備えることにより、上記上部電極膜１への接触位置に応じて変化する各検出抵抗５の接続点までの距離に応じた電極膜１、４の内部抵抗の比を上記複数の検出抵抗５における降下電圧Ｖｉの比として検出することにより、上記上部電極膜１への接触位置情報を得ることができる。
【0029】
すなわち、この薄膜人工皮膚１０では、例えば、図３に模式的に示すように、指圧位置に応じて、電極膜１、４の四隅までの内部抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４が変化するので、上記検出処理部６は、上記上部電極膜１と上記下部電極膜４の四隅に外部接続された四個の検出抵抗５１、５２、５３、５４における降下電圧Ｖｉを左上部より反時計回り（ｉ＝１、２、３、４）にＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４として計測して、それらを比率に換算することにより、電極膜１、４の中央を原点ＯとしたＸＹ座標上における上記上部電極膜１への接触位置座標（Ｘ，Ｙ）情報を次の(１)式、(２)式により得ることができる。
【数3】
【0030】
また、上記接触位置座標（Ｘ、Ｙ）における接触押圧力（Ｆ）は、次の(３)式により得ることができる。
【数4】
【0031】
すなわち、この薄膜人工皮膚１０は、入力動作に外部電源を必要とすることなく、上記検出処理部６により上記上部電極膜１への接触位置座標（Ｘ，Ｙ）情報と接触押圧力（Ｆ）情報を得ることができる触覚機能を有する。
〔接触検出実験〕
〔接触検出実験〕
【0032】
ここで、本件発明者等は、このようにエレクトレット膜３からの電荷の移動量として接触情報を検出する触覚機能を有する薄膜人工皮膚１０における上記触覚機能を確認するために、図４に示すように、５０×５０ｍｍ２、厚さ０．０１ｍｍの銅極板１Ａ、４Ａ間に誘電エラストマー膜２Ａとエレクトレット膜３Ａを積層した厚さ５０μｍの人工皮膚１０Ａを試作した。
【0033】
誘電エラストマー膜２Ａは、銅極板１Ａ上に比誘電率３．０のシリコーン系ゴム（Dragon skin 10 fast, Smooth-On社）を厚さ２０μｍの膜状に成型した。
【0034】
エレクトレット膜２Ａは、図５に示すように、銅極板４Ａにアモルファス系フッ素樹脂をフィルムアプリケータ（064,All good社）を用いて厚さ１５μｍで塗布し、２３０℃で６０分間加熱することで成膜し、その後、加熱プレート１１上で１００℃に加熱した状態で、放電電極１２に－９ｋＶ印加して１０分間のコロナ放電を行うことにより試作した。
【0035】
試作エレクトレット膜２Ａについて，表面電位計で表面電位を測定したところ、図６に示すように、コロナ放電直後のエレクトレット膜２Ａは－４５０Ｖの表面電位を保持し、２週間ほどで安定し－４００Ｖを保持することを確認することができた。
【0036】
そして、このようにして試作した人工皮膚１０Ａについて、負荷抵抗５として１５０ＭΩを接続して、指圧した場合とソレノイドスイッチ(LE-33-21, タキゲン製造)を使用した場合で接触検出実験を行ったところ、図７の（Ａ）、（Ｂ）に示すような電圧波形が得られた。
【0037】
指圧した場合では、図７の（Ａ）に電圧波形を示すように、抵抗両端電圧の最大値は約１Ｖを確認することができた。
【0038】
一方、ソレノイドを用いた場合では、図７の（Ｂ）に電圧波形を示すように、約０．５Ｖと指圧の場合と比較して小さいことが確認された。しかし、ノイズの影響が小さく、検出に十分なピーク電圧を得ることができた。
【0039】
ソレノイドを用いた場合にピーク電圧が減少した原因として、圧縮範囲の減少による誘導電流の減少が考えられる。また、ピーク電圧の波形に着目すると、波形の表れ方が異なることが確認できる。これは、指圧の場合では圧縮力を与えたときに、指の粘弾性により力が持続的に伝わったため，電圧波形に影響したと考えられる。
〔接触位置検出実験〕
〔接触位置検出実験〕
【0040】
また、本件発明者等は、上述の如く、検出処理部６により、上部電極膜１への接触位置座標（Ｘ、Ｙ）情報と接触押圧力（Ｆ）情報を得ることができる触覚機能を有する薄膜人工皮膚１０における上記触覚機能を確認するために、図８に示すように、接触検出と同様のエレクトレット材料を用いて３０×１１０ｍｍ２の短冊状の人工皮膚１０Ｂを試作した。
【0041】
上述したように位置検出のためには通常２次元での検出を行う必要があるが、ここでは、原理検証のため、まず１次元用での人工皮膚１０Ｂを作成し検出可能か検討した。
【0042】
先ず、上部電極膜１への接触位置に応じて変化する各検出抵抗６の接続点までの距離に応じた電極膜１、４の内部抵抗の比率を読み取る接触位置検出では、電極膜１、４の内部抵抗が大きい方が有利なので、銅箔電極膜、ステンレス箔電極膜、導電性ペイント電極膜、カーボン粉末添加電極膜について、それらの内部抵抗を確認した。
【0043】
銅箔電極膜では、図９の（Ａ）に示すように、極板の内部抵抗が検出抵抗と比較して非常に小さく、位置による電位差の変化が確認できなかった。
【0044】
そこで、金属材料と比較して抵抗が大きく、かつエラストマー内部の抵抗値を調節可能にするカーボンブラックを添加したカーボン粉末添加電極膜を電極膜１Ｂ、４Ｂに使用した。
【0045】
カーボン粉末添加電極膜では、図９の（Ｂ）に示すように、両端部で４ＭΩ程度の内部抵抗を有していることが確認された。
【0046】
接触位置検出実験では、比誘電率３．０のシリコーン系ゴム（Dragon skin 10 fast, Smooth-On 社）に重量比２５％となるようカーボンブラック（東レ社製）を添加し、良く攪拌したシリコーン系ゴムからなるエラストマーをカーボン粉末添加電極膜として対向電極１Ｂ、４Ｂに使用し、図１０に示すように、試作したエラストマー膜２Ｂとエレクトレット膜３Ｂとを対向電極１Ｂ、４Ｂ間に挟んで積層構造とした接触位置検出用の短冊状人工皮膚１０Ｂを構成した。
【0047】
また、両端に等負荷となるように２００ＭΩの検出抵抗５ＢＡ、５ＢＢを接続した。
【0048】
そして、このようにして試作した薄膜人工皮膚１Ｂについて、ソレノイドを用いて圧縮位置を変化させ、抵抗両端電圧ＶＡ、ＶＢを測定したところ、図１１に示すように、抵抗両端電圧ＶＡ、ＶＢの差分電圧（ＶＡ－ＶＢ）波形が得られた。
【0049】
そして、この薄膜人工皮膚１Ｂでは、左端部を０として１０，３０，５０，７０，９０ｍｍの２０ｍｍ間隔で圧縮位置を変化させて得られた抵抗両端電圧ＶＡ、ＶＢの差分電圧（ＶＡ－ＶＢ）波形は、横軸を押圧位置としてプロットした図１２に示すように、高い線形性を有し、２０ｍｍで０．２Ｖの変化量とおおよそ位置に比例したピーク電圧を得ることができ、１０ｍｍ分解能で接触位置検出を行うことができる。
【0050】
ここで、人間の場合、体の部位に応じて感度が異なり、手指では５ｍｍ以下，顔においては１０ｍｍ以下であるのに対して、上肢では３０ｍｍ以上であることが分かっている。ロボットに人工皮膚を搭載する場合、腕部や胸部を覆う面積が必要であると考えられ、人の上肢の接触分解能が３０ｍｍ以上であること考慮すると１０ｍｍという分解能は充分に高解像度のセンサである。
【0051】
上述の如く、上記薄膜人工皮膚１０では、エレクトレット膜３からの電荷の移動量として接触情報を検出する触覚機能を有する薄膜人工皮膚を実現している。
【0052】
エレクトレット膜３は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた圧電型の触覚センサに用いられるポリフッ化ビニリデン(PVDF)と比較して、図１３の（Ａ）にＰＶＤＦ片を片持ち指示した状態を示すとともに、図１３の（Ｂ）にエレクトレット膜３の片持ち指示状態を示すように、柔軟性に優れ、接触感度の良好な触覚機能を実現することができる。
【0053】
上記薄膜人工皮膚１０は、電極膜１、４としてカーボンブラック含有エラストマー膜を使用することにより、高感度の触覚機能を有する大面積の薄膜人工皮膚を実現するとができる。
【0054】
したがって、上記薄膜人工皮膚１０は、柔軟性のある薄膜でなおかつ入力動作に外部電源を必要とすることなく、ヒトと協働するロボット等の触覚センサとして機能する触覚機能を有する大面積の薄膜人工皮膚を実現することができる。
【符号の説明】
【0055】
１、１Ａ、１Ｂ、４、４Ａ、４Ｂ 電極膜、２、２Ａ、２Ｂ エラストマー膜、３、３Ａ、３Ｂ エレクトレット膜、５、５１、５２、５３、５４、５ＢＡ、５ＢＢ 検出抵抗、１０、１０Ａ、１０Ｂ 薄膜人工皮膚
【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】
