センサ装置および分布測定装置
【課題】せん断応力及び接触圧力の直接同時測定に際し、生体へ適用可能で且つ接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定ができるセンサ装置７０を提供する。
【解決手段】圧力変換素子５０はポリピロール薄膜を用い、電極材は銅張ポリイミドフィルムを用いた。せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込む。接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込む。４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力を得ることにより、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を行う。
【解決手段】圧力変換素子５０はポリピロール薄膜を用い、電極材は銅張ポリイミドフィルムを用いた。せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込む。接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込む。４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力を得ることにより、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触圧力およびせん断応力を測定するセンサ装置と、該センサ装置を用いて接触圧力およびせん断応力の分布を測定する分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内の詳細なせん断応力および接触圧力を直接測定することは、外科的な臨床治療において医師が病態の検査・診断・治療を行うに際し貴重な情報をもたらす。そのため、近年、生体内の接触圧力測定は感圧紙、感圧導電インク、導電性フィルム、感圧導電ゴム等を利用したセンサによる測定が行われてきている（非特許文献１参照）。しかし、固体接触に伴うせん断応力の測定に関しては、当該測定に用いるセンサに関してわずかな研究例が見られるのみである（非特許文献２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
センサ感圧素子のせん断変形によるせん断応力測定を行う場合、接触圧力による影響が避けられず、正確なせん断応力の測定の障害となるという問題があった。加えて、従来のせん断応力測定センサは、固体のせん断歪量からせん断応力へ変換する機構であるため、厚みおよび剛性があり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用は困難であるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、せん断応力および接触圧力を直接同時測定するに際し、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定ができるセンサ装置等を提供することにある。
【０００５】
本発明の第２の目的は、生体内のせん断応力および接触圧力を直接同時測定することへ適用可能なセンサ装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の対向する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部と、別の対向する２辺に各々配置されたせん断応力を測定するせん断応力測定部とを備えた４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【０００７】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、接触圧力を測定する方形電極とせん断応力を測定する櫛型電極とが一端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた片面側電極と、２つの櫛型電極が１端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた対面側電極と、櫛型電極の櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極と前記対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の櫛型電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、ブリッジ回路の対向する２辺に前記接触圧力測定部が各々配置され、別の対向する２辺に前記せん断応力測定部が各々配置されて４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【０００８】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を切った状態で測定された前記接触圧力測定部における電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることができる。
【０００９】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を印加した状態で測定された前記接触圧力測定部における電圧により電気抵抗を得るという測定原理に基づき、該電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることができる。
【００１０】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の隣接する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部及びせん断応力を測定するせん断応力測定部と、他の隣接する２辺に各々配置された固定抵抗とを備えた２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【００１１】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、接触圧力を測定する方形電極と２次元平面の一次元方向を向いたせん断応力を測定する線状電極とが接続された形状の片面側電極と、前記片面側電極の方形電極に対応する線状電極と前記片面側電極の線状電極に対応する線状電極とを有する対面側電極と、前記片面側電極の線状電極と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とを揃わせて対面させた状態で、該片面側電極と該対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と該方形電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は線部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の線状電極と前記圧力変換素子と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、ブリッジ回路の隣接する２辺に前記接触圧力測定部及び前記せん断応力測定部が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗が各々配置されて２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【００１２】
この発明のセンサ装置は、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置と、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の別の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置とを、各２ゲージ法ブリッジ回路の電源を共通にして重ね合わせたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記接触圧力測定部に隣接する辺に配置された固定抵抗の電圧は該接触圧力測定部の抵抗の変化の影響を受けるという測定原理に基づき、該固定抵抗の電圧と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該固定抵抗の電圧から接触圧力を求めることができる。
【００１４】
ここで、この発明のセンサ装置において、該センサ装置を構成する各電極は銅薄膜を貼り付けられたポリイミドフィルムをエッチング処理することにより作製することができる。
【００１５】
この発明の分布測定装置は、本発明のセンサ装置を複数個接続して所定の配置を行ったことを特徴とする接触圧力及びせん断応力の分布測定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセンサ装置では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用い、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。センサ装置の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、本発明のセンサ装置によれば、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能というという効果がある。
【００１７】
本発明のセンサ装置によれば、４ゲージ法ブリッジ回路の抵抗変化量の関係に基づき、せん断応力測定部における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能としたという効果がある。センサ装置は、４ゲージ法ブリッジ回路の対向する２つの抵抗の位置に各々配置された接触圧力測定部と、別の対向する２つの抵抗の位置に各々配置されたせん断応力測定部とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部の電気抵抗と２つのせん断応力測定部の電気抵抗とは等しいものになるように設計する。ここで、センサ装置に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、４ゲージ法ブリッジ回路（に対応させたセンサ装置）の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を求めておき、該関係により４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができるという効果がある。
【００１８】
入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、接触圧力による抵抗変化ΔＲｐは後述する式１４のようになる。式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。つまり、本発明のセンサ装置によれば、接触圧力とせん断応力とのより同時な測定ができるという効果がある。
【００１９】
本発明の別のセンサ装置によれば、４ゲージ法ブリッジ回路の隣接する２辺に接触圧力測定部（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成の２ゲージ法ブリッジ回路に対応させることができる。２ゲージ法ブリッジ回路においても４ゲージ法ブリッジ回路と同様に、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。当該センサ装置に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅとせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅからせん断応力測定部におけるせん断応力を求めることができるという効果がある。接触圧力は、固定抵抗の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができるという効果がある。
【００２０】
本発明のさらに別のセンサ装置によれば、入力電圧Ｅが共通となるようにして２ゲージ法ブリッジ回路をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。１つのセンサ装置内には２つの２ゲージ法ブリッジ回路の各抵抗を含む。独立した２つの２ゲージ法ブリッジ回路が存在する１つのセンサ装置を用いることにより、２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定することができるという効果がある。
【００２１】
本発明の分布測定装置によれば、上記２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定するセンサ装置を複数個接続して四辺形状に配置（所定の配置）することにより、接触圧力およびせん断応力の分布を測定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１のセンサ装置における片面側電極１０の電極パターンを示す図である。
【図２】本発明の実施例１のセンサ装置における対面側電極２０の電極パターンを示す図である。
【図３（Ａ）】本発明の実施例１のセンサ装置におけるせん断応力測定部３０を示す図である。
【図３（Ｂ）】せん断応力測定部３０に対して生じたせん断変形を示す図である。
【図４（Ａ）】本発明の実施例１のセンサ装置における接触圧力測定部４０を示す図である。
【図４（Ｂ）】接触圧力測定部４０に対して生じた変形を示す図である。
【図５】標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０を示す図である。
【図６】センサ装置７０の各電気抵抗の状態を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における接触圧力の測定を説明するための回路図である。
【図８】実験を行うために作製した較正装置９０を示す図である。
【図９】試作したセンサ装置７０に接触圧力を作用させた際の接触圧力と電気抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１０】センサ装置７０に３０、５０、９０ｋＰａの接触圧力を作用させ４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時のせん断応力と出力電圧との関係を示すグラフである。
【図１１】接触圧力とせん断応力とを連続的に作用させたときの測定結果を示すグラフである。
【図１２】実施例２の方法による接触圧力測定の例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例３のセンサ装置における片面側電極１００の電極パターンおよび対面側電極２００の電極パターンを示す図である。
【図１４】片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の一方の線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態を示す図である。
【図１５】せん断応力測定部３００の垂直方向断面図および接触圧力測定部４００の垂直方向断面図である。
【図１６】標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５を示す図である。
【図１７】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２、Ｒ３とセンサ部分７５とによる２ゲージ法ブリッジ回路６５の回路図である。
【図１８】本発明の実施例４のセンサ装置における片面側電極１５０および対面側電極２５０の電極パターンを示す図である。
【図１９】片面側電極１５０の線状電極１１０ｙ等と対面側電極２５０の一つの線状電極２６３等とを線を揃わせて対面させた状態を俯瞰的に示す図である。
【図２０】ｘ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘを示す図である。
【図２１】ｙ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙを示す図である。
【図２２】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ３ｘとセンサ部７５ｘとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの回路図である。
【図２３】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｙ、Ｒ３ｙとセンサ部分７５ｙとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの回路図である。
【図２４】２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとを入力電圧（電源）Ｅを共通にして重ね合わせた２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘｙを示す図である。
【図２５】実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して所定の配置を行った接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００における片面側電極１７０および対面側電極２７０の電極パターンを示す図である。
【図２６】図８に示される較正装置９０を用いてセンサ装置７５ｘｙに加えられる接触圧力およびせん断応力の方向を示す図である。
【図２７】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を作用させた際の接触圧力と電圧との関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図２８】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図２９】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｙ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図３０】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３による正負のｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図３１】実験８を説明するための図等である。
【図３２】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を負荷させた状態でアクチュエータ９２または９３によるｘ、ｙ方向のせん断応力を順次作用させたときの測定結果を示すグラフである。
【図３３】分布測定装置３００の実験のために作製した実験装置４００を示す図である。
【図３４】実験装置４００を用いてせん断応力τを分布測定装置３００に印加しｘ方向のせん断応力を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
まず、本発明の概要について説明する。本発明のセンサ装置では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用いた。ポリピロール薄膜は導電性の高分子材料であり、作用圧力に応じて厚さ方向の電気抵抗が変化する特性を有している。より詳しくは、作用圧力が加わるのに応じて導電率が上がるという性質を有している。本発明のセンサ装置では、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。より詳しくは、センサ装置の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行うことにより、銅箔電極の形状となるように作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能となった。
【００２４】
本発明のセンサ装置の測定原理によれば、ホイートストンブリッジ回路の抵抗変化量の関係により、せん断応力の測定部における抵抗変化量から接触圧力の影響による抵抗変化量を差し引きした出力を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。以下では、まず本発明のセンサ装置と測定原理とについて詳述し、続いて実験とその結果とについて述べる。以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１のセンサ装置における片面側電極１０の電極パターンを示す。図１に示されるように、片面側電極１０はせん断応力を測定する櫛型電極１１ａと接触圧力を測定する方形電極１２ａとが一端Ｂで接続された形状の第１電極と、第１電極に点対称な形状（櫛型電極１１ｂと方形電極１２ｂとが一端Ａで接続された形状）の第２電極とを対向させた配置となっている。測定領域のサイズは１１×１１ｍｍ２とし、方形電極１２ａ、１２ｂのサイズは各々４．５×４．５ｍｍ２とし、櫛型電極１１ａ、１１ｂのサイズは各々４×４ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００２６】
図２は、本発明の実施例１のセンサ装置における対面側電極２０の電極パターンを示す。図２に示されるように、対面側電極２０は２つの櫛型電極２１aおよび２１ｂが１端Ｄで接続された形状の第３電極と、第３電極に点対称な形状（２つの櫛型電極２ｃおよび２１ｄが１端Ｃで接続された形状）の第４電極とを対向させた配置となっている。櫛型電極２１ａ等のサイズは上記１１ａ等と同様である。
【００２７】
本発明のセンサ装置は、櫛型電極１１ａと２１ａとの櫛部分（同様に、櫛型電極１１ｂと２１ｄとの櫛部分）を揃わせて対面させた片面側電極１０と対面側電極２０との間に、導電性で薄膜状の上記圧力変換素子を挟み込むことにより構成されている。図３（Ａ）は、本発明の実施例１におけるセンサ装置におけるせん断応力測定部３０を示す。図３（Ａ）で図１および図２と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図３（Ａ）で、符号１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３は、図１に示した片面側電極１０における櫛型電極１１ａの各櫛を示し、符号２１ａ−１、２１ａ−２、２１ａ−３は、図２に示した対面側電極２０における櫛型電極２１ａの各櫛を示し、符号５０は圧力変換素子を示す。図３（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。図３（Ａ）では片面側電極１０の第１電極と対面側電極２０の第３電極とにより構成されるせん断応力測定部３０について示したが、片面側電極１０の第２電極と対面側電極２０の第４電極とにより構成されるせん断応力測定部３０’についても同様に示すことができるため、説明は省略する。図３（Ａ）に示される櫛形電極１１ａ等は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。
【００２８】
図３（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３０に対してせん断応力τが働くと、図３（Ｂ）に示されるようにせん断変形が生じる。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示されるせん断応力測定部３０の垂直方向断面図であり、図３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図３（Ｂ）に示されるように、せん断応力測定部３０では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１０における櫛形電極１１ａ−１と対面側電極２０における櫛形電極２１ａ−１との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３０の電気抵抗が増加する。
【００２９】
図４（Ａ）は、本発明の実施例１のセンサ装置における接触圧力測定部４０を示す。図４（Ａ）で図１、図２および図３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図４（Ａ）で、符号１２ａは図１に示した片面側電極１０における方形電極１２ａを示し、符号２１ｃ−１、２１ｃ−２、２１ｃ−３は、図２に示した対面側電極２０における櫛型電極２１ｃの各櫛を示す。図４（Ａ）に示されるように、接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。図４（Ａ）では片面側電極１０の第１電極と対面側電極２０の第４電極とにより構成される接触圧力測定部４０について示したが、片面側電極１０の第２電極と対面側電極２０の第３電極とにより構成される接触圧力測定部４０’についても同様に示すことができるため、説明は省略する。
【００３０】
図４（Ａ）に示されるように接触圧力測定部４０に対して接触圧力Ｐが働くと、図４（Ｂ）に示されるように、点線で示される櫛形電極２１ｃ−１が実線で示される櫛形電極２１ｃ−１へと押されて圧力変換素子５０の変形が生じる。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示される接触圧力測定部４０の垂直方向断面図であり、図４（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。接触圧力測定部４０では、片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃ−１との間の圧力変換素子５０における圧力Ｐにより変化した抵抗値を測定し、その抵抗値に対応した圧力を導出することで接触圧力測定とする。この時、せん断応力により圧力変換素子５０（感圧素子）はせん断変形を生じるが、電極間距離は変化しないため、せん断応力の影響による抵抗変化は生じない。これにより、せん断応力の影響を受けない接触圧力測定を可能とする。図４（Ａ）に示される方形電極１２ａ等も櫛形電極１１ａ等と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。図１に示される片面側電極１０の電極パターンおよび図２に示される対面側電極２０の電極パターンも同様である。
【００３１】
次に、本発明のセンサ装置における測定原理について説明する。図５は、標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０を示す。図５に示される点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは図１および図２に示される点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤと同じである。図５に示されるように、４辺の各ゲージの抵抗値はＲ１ないしＲ４であり、入力電圧Ｅは点Ｃと点Ｄとの間に印加され、出力電圧ｅは点Ａと点Ｂとの間から取るものとする。ここで、４ゲージ法ブリッジ回路６０の４辺に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４したとすると、出力電圧ｅもΔｅ変化する。最初に４ゲージ法ブリッジ回路６０が平衡していたとすると、ひずみによる出力電圧はΔｅ＝ｅとおけるから、以下の式１のようになる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、各ゲージの初期抵抗値がすべて等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）とすると、式１の最初の係数は１／４となるため、式２のようになる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
次に、センサ装置の各電気抵抗について考察する。図６は、センサ装置７０の各電気抵抗の状態を示す。図６で図１、図２および図５と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図６に示されるセンサ装置７０は、図１に示した片面側電極１０と図２に示した対面側電極２０との間に、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように圧力変換素子５０を挟み込みんだ状態を示す。図６で、符号Ｒａはせん断応力測定部３０の電気抵抗とせん断応力測定部３０’の電気抵抗とを示し、符号Ｒｂは接触圧力測定部４０の電気抵抗と接触圧力測定部４０’の電気抵抗とを示す。
【００３６】
図６に示されるセンサ装置７０で、入力電圧Ｅは対面側電極２０の第３電極側の１端Ｄと第４電極側の１端Ｃとの間に印加し、出力電圧ｅは片面側電極１０の第１電極側の１端Ｂと第２電極側の１端Ａとの間から得ることにする。あるいは、入力電圧は片面側電極１０の第１電極側の１端Ｂと第２電極側の１端Ａとの間に印加し、出力電圧は対面側電極２０の第３電極側の１端Ｄと第４電極側の１端Ｃとの間から得ることにしてもよい。以上により、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に接触圧力測定部４０と４０’とが各々配置され、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置にせん断応力測定部３０と３０’とが各々配置され、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒｂと２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒａとがすべて等しい４ゲージ法ブリッジ回路（Ｒａ＝Ｒｂ）を構成することができる。言い換えれば、センサ装置７０の各電気抵抗について、接触圧力とせん断応力とは接触圧力およびせん断応力が無印加状態での４つの電気抵抗は等しいため、センサ装置７０の各電気抵抗へ図５に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の構成を取り入れることができる。
【００３７】
以上説明した標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０とセンサ装置７０との間の各電気抵抗の対応に基づき、式２に対応する式３を以下に示す。式３は式２で抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒａとし、Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒｂとしたものである。式３で、センサ電極の接触面積がそれぞれ等しいことから接触圧力およびせん断応力が無印加状態でのＲａとＲｂとは等しくなるため、分母をＲａ＝Ｒｂとすると式４になる。櫛形電極（せん断応力測定部３０等）での抵抗Ｒａはせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４０等）での電気抵抗Ｒｂは接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。従って、式４は式５となり、最終的に式６が得られる。式６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
以上説明した本発明の測定原理によれば、４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係（式２）に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力（式４から式６）を得ることができるため、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。従って、予め４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を得ておくことにより、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定すれば当該関係からせん断応力を得ることができる。纏めると、センサ装置７０は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に各々配置された接触圧力測定部４０および４０’と、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置に各々配置されたせん断応力測定部３０および３０’とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒ２、Ｒ４と２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒ１、Ｒ３とは等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）ものになるように設計する。ここで、センサ装置７０に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部４０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部３０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、式６を根拠として４ゲージ法ブリッジ回路６０（対応させたセンサ装置７０）の出力電圧ｅからせん断応力を求めることができる。
【００４０】
次に、接触圧力の測定について説明する。図７は、本発明の実施例１における接触圧力の測定を説明するための回路図を示す。図７で図６と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。なお、電圧計８２は実施例２で用いる。図７に示されるように、せん断応力の測定では点ＡＢ間の出力電圧ｅを電圧計８１で測定するが、接触圧力の測定の場合、一旦入力電圧Ｅの電源を切り点ＢＣ間の抵抗（または点ＡＤ間の抵抗）、即ち1個の方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗（Ｒ＋ΔＲｐ）を別の電気回路で測定する。方形電極１２ａ等とその対面側電極２１ｃ等間において、電極間距離は圧力変換素子５０のせん断変形に影響されず接触圧力の大きさによる膜厚方向の変化のみとなるため、接触圧力のみによる電気抵抗変化を測定することができる。この抵抗変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば当該関係から接触応力を得ることができる。以上により、接触圧力とせん断応力との（ほぼ）同時な測定を可能とした。
【００４１】
４ゲージ法ブリッジ回路の実験（実験１〜３）．
せん断応力に対する本発明のセンサ装置７０の構造の有効性と、接触圧力およびせん断応力を同時に測定できるセンサ装置７０の有効性とを検討するために、作製したセンサ装置７０に対して接触圧力およびせん断応力の負荷実験を行った。図８は、実験を行うために作製した較正装置９０を示す。図８に示されるように、較正装置９０は接触圧力用のアクチュエータ９１（１台）と、せん断応力用のアクチュエータ９２および９３（２台）とにより、Ｘ−Ｙステージ９４に接触圧力およびせん断応力を作用させる構造となっている。アクチュエータ９１、９２および９３の先端には圧縮型ロードセル９５をそれぞれ設置している。
【００４２】
センサ装置７０の特性を調べる実験としてまず、（実験１）センサ装置７０に接触圧力を５ｋＰａ刻みで４０ｋＰａまで作用させ、接触圧力の変化に伴う方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値変化を測定した。次に、（実験２）センサに入力電圧Ｅ＝０．５Ｖを印加し、３種類の接触圧力を作用させた状態で横方向から４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時の出力電圧ｅを測定した。さらに、（実験３）４０ｋＰａの接触圧力を負荷し、その後４０ｋＰａのせん断応力を連続的に負荷した時の接触圧力とせん断応力との測定を行った。
【００４３】
結果および考察．
実験1.
図９は、試作したセンサ装置７０に接触圧力を作用させた際の接触圧力と電気抵抗値との関係を示すグラフである。図９で横軸は印加した接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は電気抵抗値（ＭΩ）である。図９に示されるように、接触圧力が大きくなるにつれ、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値が低下している。負荷（黒菱形で示す０から４０ｋＰａ）および除荷（白四角で示す４０から０ｋＰａ）のどちらの場合も同じ変化を生じることがわかった。これは、圧力変換素子（ポリピロール薄膜）５０が有する作用圧力が加わるのに応じて導電率が上がるという性質を示している。以上より、予め図９に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触応力を得ることができる。
【００４４】
実験２．
図１０は、センサ装置７０に３０、５０、９０ｋＰａの接触圧力を作用させ４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時のせん断応力と出力電圧との関係を示すグラフである。図１０で横軸は印加したせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（ｍＶ）である。図１０に示されるように、接触圧力を３０（白菱形）、５０（バツ印）、９０（白三角）ｋＰａと変化させても、せん断応力に対する出力電圧eの関係は変化しなかった。せん断応力が作用し感圧素子である圧力変換素子５０が面方向に変形することにより、電極間の距離が増加する。このため、式６の電気抵抗変化ΔＲτが大きくなり、図１０に示されるように出力電圧ｅが増大する。以上より、式６の正しさが検証された。この結果、図１０に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）から、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができる。
【００４５】
実験３．
図１１は、接触圧力とせん断応力とを連続的に作用させたときの測定結果を示すグラフである。図１１で横軸は経過時間（秒）、縦軸は接触圧力／せん断応力（ｋＰａ）である。図１１に示されるように、０−１００秒で接触圧力(黒菱形)の印加が測定でき、１５０−３００秒でせん断応力（白四角）の負荷・除荷が測定できていることがわかる。これらは同時に得られた値であり、接触圧力とせん断応力とを同時に測定することができた。
【００４６】
以上より、本発明の実施例１によれば、本発明のセンサ装置７０では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用い、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。センサ装置７０の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能となった。
【００４７】
せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に上記圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。接触圧力測定部４０では、片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃ−１との間の圧力変換素子５０における圧力Ｐにより変化した抵抗値を測定し、その抵抗値に対応した圧力を導出することで接触圧力測定とする。この時、せん断応力により圧力変換素子５０（感圧素子）はせん断変形を生じるが、電極間距離は変化しないためせん断応力の影響による抵抗変化は生じない。これにより、せん断応力の影響を受けない接触圧力測定を可能とする。
【００４８】
本発明の測定原理によれば、４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係（式２）に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力（式４から式６）を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。センサ装置７０は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に各々配置された接触圧力測定部４０および４０’と、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置に各々配置されたせん断応力測定部３０および３０’とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒ２、Ｒ４と２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒ１、Ｒ３とは等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）ものになるように設計する。ここで、センサ装置７０に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部４０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部３０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、４ゲージ法ブリッジ回路６０（対応させたセンサ装置７０）の出力電圧Ｅに基づき、式６によりせん断応力測定部３０等におけるせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτを取得することができる。この電気抵抗変化ΔＲτによりせん断応力を求めることができる。以上により、せん断応力および接触圧力を直接測定するに際し、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定ができるセンサ装置を提供することができた。この結果、図１０に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）から、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができる。
【００４９】
接触圧力の測定の場合、一旦入力電圧Ｅの電源を切り点ＢＣ間の抵抗（または点ＡＤ間の抵抗）、即ち1個の方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗（Ｒ＋ΔＲｐ）を別の電気回路で測定する。方形電極１２ａ等とその対面側電極２１ｃ等間において、電極間距離は圧力変換素子５０のせん断変形に影響されず接触圧力の大きさによる膜厚方向の変化のみとなるため、接触圧力のみによる電気抵抗変化を測定することができ、この抵抗変化と接触圧力との関係から接触圧力を求める。以上により、接触圧力とせん断応力との（ほぼ）同時な測定を可能とした。以上より、予め図９に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触応力を得ることができる。
【実施例２】
【００５０】
実施例２では、実施例１よりさらに接触圧力とせん断応力との同時測定ができる接触圧力の測定方法について説明する。せん断応力の測定に関しては実施例１と同様であるため、説明は省略する。発明者は接触圧力の測定に関して鋭意検討を重ねた結果、図７に示されるブリッジ回路７０の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐおよび入力電圧Ｅが判れば、実施例１のように一旦入力電圧Ｅの電源を切ることなく、接触圧力による抵抗変化を測定できるという知見を得ることができた。
【００５１】
入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、出力電圧ｅは上述した式６で表され、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐは以下のようになる。図７に示される接触圧力測定部４０等の電圧ｅｐは、接触圧力測定部４０等に流れる電流をｉ、接触圧力測定部４０等の抵抗をＲＰとすると、オームの法則から、式７となる。
【００５２】
【数４】
【００５３】
このときの電流ｉは式８となる。
【００５４】
【数５】
【００５５】
ここで、Ｒτはせん断応力測定部３０等での抵抗である。従って式７は式９となる。
【００５６】
【数６】
【００５７】
抵抗Ｒτ、Ｒｐは、接触圧力およびせん断応力が作用すると、各々式１０、１１のようになる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
ここで、Ｒはせん断応力および接触圧力の作用していない状態での抵抗値、ΔＲτはせん断応力による抵抗変化量、ΔＲｐは接触圧力による抵抗変化量である。式９へ式１０および１１を代入すると、式１２が得られる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
ここで、式６のΔＲτを、式１３のように変形し、
【００６２】
【数９】
【００６３】
式１３を式１２に代入すると、式１４の関係が得られる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。図１２は、上述した実施例２の方法による接触圧力測定の例を示すグラフである。図１２で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は抵抗値（Ω）である。図１２に示されるように、３種類のせん断応力（原図では青菱形が１０ｋＰａ、赤四角が３０ｋＰａ、緑三角が４０ｋＰａ）の作用下で接触圧力を作用させた時の抵抗変化ΔＲｐを求めたところ、せん断応力の大小によらず接触圧力による抵抗変化ΔＲｐが得られ、この方法による接触圧力測定の有効性を示すことができた。従って、予め図１２に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触圧力を得ることができる。
【００６６】
以上より、本発明の実施例２によれば、入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、出力電圧ｅは上述した式６で表され、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐは式１２で表される。結果的に、接触圧力による抵抗変化ΔＲｐは式１４のようになる。式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。つまり、実施例１のように一旦入力電圧Ｅの電源を切ることなく、接触圧力による抵抗変化を測定できることがわかった。実施例２の計測方法の方が一旦入力電圧Ｅの電源を切ることがないため、接触圧力とせん断応力とのより同時な測定ができる。
【実施例３】
【００６７】
図１３（Ａ）は、本発明の実施例３のセンサ装置における片面側電極１００の電極パターンを示す。図１３（Ａ）に示されるように、片面側電極１００は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０と、接触圧力を測定する方形電極１２０とが点Ｄ’で接続された形状となっている。図１３（Ｂ）は、本発明の実施例３のセンサ装置における対面側電極２００の電極パターンを示す。対面側電極２００は線状電極１１０に対応する線状電極２１０と方形電極１２０に対応する線状電極２２０とを有している。図１３（Ｂ）に示されるように、線状電極２１０は点線楕円Ｋで示される部分がｙ方向を向いた形状であり、端子Ｂ’を有している。線状電極２２０は点線楕円Ｌで示される部分がｘ方向を向いた形状であり、端子Ａ’を有している。図１３（Ａ）に示されるように方形電極１２０のサイズは９．０×９．０ｍｍ２とし、線状電極１１０のサイズは１０ｍｍとした。図１３（Ｂ）の４つの鉤マークで示されるように測定領域のサイズは２２×２２ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００６８】
実施例３のセンサ装置も実施例１と同様に、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１００と対面側電極２００との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。線を揃わせた対面は、より詳しくは点線楕円Ｊで示される部分と点線楕円Ｋで示される部分とを揃わせるように行う。図１３（Ａ）に示される片面側電極１００と図１３（Ｂ）に示される対面側電極２００とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図１３（Ａ）および（Ｂ）中の＋マーク（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ６）および鉤棒状マーク（Ｍ４、Ｍ５）は片面側電極１００と対面側電極２００とを圧力変換素子５０を挟んで重ね合わせる際の位置合わせマーカーであり、電極ではない。
【００６９】
図１４は、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態を示す。図１４で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１４では理解の便宜のために、対面側電極２００は点線で示す。図１４に示されるように、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の線状電極２１０とは、点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。せん断応力を測定するせん断応力測定部３００は線部分（点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１００の線状電極１１０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４００は対面させた片面側電極１００の方形電極１２０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（方形電極１２０に対応する）線状電極２２０（点線円Ｌで示される部分）により構成されている。
【００７０】
図１５（Ａ）は、図３（Ｂ）と同様に、せん断応力測定部３００の垂直方向断面図を示す。図１５（Ａ）で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１５（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３００に対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。ここでｙ方向は図１５（Ａ）上で紙面奥方向である。せん断応力測定部３００では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１００における線状電極１１０と対面側電極２００における線状電極２１０との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３００の電気抵抗が増加する。図１５（Ａ）に示される線状電極１１０、２１０等は、実施例１と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。
【００７１】
図１５（Ｂ）は、図４（Ｂ）と同様に、接触圧力測定部４００の垂直方向断面図を示す。図１５（Ｂ）で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１５（Ｂ）に示されるように接触圧力測定部４００に対して接触圧力Ｐが働くと、点線で示される線状電極２２０が実線で示される線状電極２２０へと押されて圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。図１５（Ｂ）に示される方形電極１２０等も線状電極１１０等と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。図１３（Ａ）に示される片面側電極１００の電極パターンおよび図１３（Ｂ）に示される対面側電極２００の電極パターンも同様である。
【００７２】
次に、実施例３のセンサ装置における測定原理について説明する。図１６は、標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５を示す。図１６に示される点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１３（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａ’、Ｂ’およびＤ’と同じである。２ゲージ法ブリッジ回路６５は実施例１の４ゲージ法ブリッジ回路６０（図５参照）における抵抗値Ｒ１をせん断応力測定部３００の抵抗値Ｒτとし、抵抗値Ｒ４を接触圧力測定部４００の抵抗値ＲＰとし、抵抗値Ｒ２およびＲ３を固定抵抗とした回路に相当する。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の隣接する２辺に接触圧力測定部３００（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部４００（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成となっている。２ゲージ法ブリッジ回路６５の接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ）ように平衡をとる。図１６に示されるように、入力電圧Ｅは点Ｃ’と点Ｄ’との間に印加され、出力電圧ｅは点Ａ’と点Ｂ’との間から取るものとする。ここで、２ゲージ法ブリッジ回路６５の２辺（接触圧力測定部４００およびせん断応力測定部３００）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ４したとすると、実施例１で説明した式２においてΔＲ２およびΔＲ３を０とした式１５が成り立つ。
【００７３】
【数１１】
【００７４】
図１７は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２、Ｒ３とセンサ部分７５とによる２ゲージ法ブリッジ回路６５の回路図を示す。図１７で図１６と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図１７の点線内に示されるセンサ部分（センサ装置）７５は、図１３（Ａ）に示した片面側電極１００と図１３（Ｂ）に示した対面側電極２００との間に、図１５（Ａ）および（Ｂ）に示されるように圧力変換素子５０を挟み込みんだ状態となっている。図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５で、センサ装置７５に含まれるのは抵抗Ｒ１（＝Ｒτ）およびＲ４（＝Ｒｐ）だけであり、固定抵抗Ｒ２およびＲ３は基板上に配置し、センサ装置７５の抵抗Ｒ１およびＲ４と各々接続してある。入力電圧Ｅは点Ｃ’とＤ’との間に印加し、出力電圧ｅは点Ａ’とＢ’との間から得ることにする。あるいは、入力電圧は点Ａ’とＢ’との間に印加し、出力電圧は点Ｃ’とＤ’との間から得ることにしてもよい。以上により、実施例１と同様に考えて２ゲージ法ブリッジ回路６５を構成することができる。
【００７５】
センサ装置７５では、実施例１と同様に、線状電極（せん断応力測定部３００）での抵抗Ｒ１はせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４００）での電気抵抗Ｒ４は接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。上述したようにＲ１＝Ｒ４＝Ｒであるため、式１５は式１６となる。式１６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。つまり、センサ装置７５に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅからせん断応力測定部３００におけるせん断応力を求めることができる。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
接触圧力は、図１７の固定抵抗Ｒ３の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３（抵抗値＝Ｒ）の電位（Ａ’Ｃ’間の電圧）Ｖは、Ｒ４つまり接触圧力測定部４００の抵抗ＲＰ（＝Ｒ＋ΔＲｐ）の影響を受けて、式１７のように変化する。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐは逆に減少し、ΔＲｐは負の値をとる。この結果、式１７で示される電圧Ｖは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００８０】
以上より、本発明の実施例３によれば、片面側電極１００は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０と、接触圧力を測定する方形電極１２０とが点Ｄ’で接続された形状となっている。対面側電極２００は２つの線状電極２１０および２２０を有している。図１３（Ｂ）に示されるように、線状電極２１０は点線楕円Ｋで示される部分がｙ方向を向いた形状であり、端子Ｂ’を有している。線状電極２２０は点線楕円Ｌで示される部分がｘ方向を向いた形状であり、端子Ａ’を有している。実施例３のセンサ装置も実施例１と同様に、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１００と対面側電極２００との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。せん断応力を測定するせん断応力測定部３００は線部分（点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１００の線状電極１１０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４００は対面させた片面側電極１００の方形電極１２０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（方形電極１２０に対応する）線状電極２２０（点線円Ｌで示される部分）により構成されている。せん断応力測定部３００に対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３００では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１００における線状電極１１０と対面側電極２００における線状電極２１０との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３００の電気抵抗が増加する。接触圧力測定部４００に対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。２ゲージ法ブリッジ回路６５は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の隣接する２辺に接触圧力測定部３００（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部４００（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成となっている。２ゲージ法ブリッジ回路６５の接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５の２辺（接触圧力測定部３００およびせん断応力測定部４００）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ４したとすると、実施例１で説明した式２においてΔＲ２およびΔＲ３を０とした式１５が成り立つ。センサ装置７５では、実施例１と同様に、線状電極（せん断応力測定部３００）での抵抗Ｒ１はせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４００）での電気抵抗Ｒ４は接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。上述したようにＲ１＝Ｒ４＝Ｒであるため、式１５は式１６となる。式１６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。つまり、センサ装置７５に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅからせん断応力測定部３００におけるせん断応力を求めることができる。接触圧力は、図１７の固定抵抗Ｒ３の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３（抵抗値＝Ｒ）の電位（Ａ’Ｃ’間の電圧）Ｖは、Ｒ４つまり接触圧力測定部４００の抵抗ＲＰ（＝Ｒ＋ΔＲｐ）の影響を受けて、式１７のように変化する。接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐは逆に減少し、ΔＲｐは負の値をとる。この結果、式１７で示される電圧Ｖは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【実施例４】
【００８１】
図１８（Ａ）は、本発明の実施例４のセンサ装置における片面側電極１５０および対面側電極２５０の電極パターンを示す。図１８（Ａ）に示されるように、俯瞰すると、片面側電極１５０は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０ｘと接触圧力を測定する方形電極１２０ｘとが点Ｄｘで接続され、さらに、２次元（ｘｙ）平面の別の一次元（ｘ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０ｙと接触圧力を測定する方形電極１２０ｙとが点Ｄｙで接続された形状となっている。実際の回路は線状電極１１０ｘおよび方形電極１２０ｘと線状電極１１０ｙおよび方形電極１２０ｙとが重なって構成されているが、詳細については後述する。図１８（Ｂ）は、本発明の実施例４のセンサ装置における対面側電極２５０の電極パターンを示す。対面側電極２５０は、線状電極１１０ｘに対応する線状電極２６２と、線状電極１１０ｙに対応する線状電極２６３と、方形電極１２０ｘに対応する線状電極２６１と、方形電極１２０ｙに対応する線状電極２６０とを有している。図１８（Ｂ）に示されるように、線状電極２６０および２６１は各々点線楕円Ｌ１およびＬ２で示される部分がｙ方向を向いた形状であり各々、端子ＡｙおよびＡｘを有している。線状電極２６２は点線楕円Ｋｘで示される部分がｙ方向を向いた形状であり端子Ｂｘを有しており、線状電極２６３は点線楕円Ｋｙで示される部分がｘ方向を向いた形状であり端子Ｂｙを有している。図１８（Ａ）に示されるように方形電極１２０のサイズは１２．０×１２．０ｍｍ２とし、線状電極１１０ｘ（および１１０ｙ）のサイズは１１ｍｍとした。図１８（Ｂ）の４つの鉤マークに示されるように測定領域のサイズは２２×２２ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００８２】
実施例４のセンサ装置も実施例３等と同様に、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とを線を揃わせて対面させ、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１５０と対面側電極２５０との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。線を揃わせた対面は、より詳しくは点線楕円Ｊｘで示される部分と点線楕円Ｋｘで示される部分とを揃わせ、点線楕円Ｊｙで示される部分と点線楕円Ｋｙで示される部分とを揃わせるように行う。図１８（Ａ）に示される片面側電極１５０と図１８（Ｂ）に示される対面側電極２５０とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図１８（Ａ）および（Ｂ）中の＋マーク（Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４、Ｍ１５、Ｍ１６）は片面側電極１５０と対面側電極２５０とを圧力変換素子５０を挟んで重ね合わせる際の位置合わせマーカーであり、電極ではない。
【００８３】
図１９は、上述したように片面側電極１５０の線状電極１１０ｙ等と対面側電極２５０の一つの線状電極２６３等とを線を揃わせて対面させた状態を俯瞰的に示す。図１９で図１８（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１９では理解の便宜のために、対面側電極２５０は点線で示す。図１９に示されるように、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の線状電極２６２とは、点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。さらに、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の線状電極２６３とは、点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。ｘ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｘは線部分（点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とにより構成されている。ｙ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｙは線部分（点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｘは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の方形電極１２０ｘに対応する線状電極２６１（点線楕円Ｌ２で示される部分）とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｙは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｙに対応する）線状電極２６０（点線円Ｌ１で示される部分）とにより構成されている。
【００８４】
せん断応力測定部３５０ｘの垂直方向断面図は図１５（Ａ）と同様であり、せん断応力測定部３５０ｘに対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３５０ｙの垂直方向断面図も図１５（Ａ）と同様に考えることができ、せん断応力測定部３５０ｙに対してｙ方向のせん断応力τが働くと、ｙ方向のせん断変形が生じる。他は実施例３と同様であるため、説明は省略する。
【００８５】
接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙの垂直方向断面図は図１５（Ｂ）と同様であり、接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙに対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。他は実施例３と同様であるため、説明は省略する。
【００８６】
実施例４のセンサ装置における測定原理は実施例３と同様であり、図１６に示される標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。図２０は、ｘ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘを示す。図２０に示されるように、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは図１６の点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１８（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａｘ、Ｂｘ、Ｄｘとなり、図１６の抵抗値Ｒ１（＝Ｒτ）、Ｒ４（＝Ｒｐ）、Ｒ２およびＲ３は各々Ｒ１ｘ（＝Ｒτｘ）、Ｒ４ｘ（＝Ｒｐｘ）、Ｒ２ｘおよびＲ３ｘとなる。実施例３と同様に、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｘ＝Ｒ２ｘ＝Ｒ３ｘ＝Ｒ４ｘ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは、入力電圧Ｅは点Ｃｘと点Ｄｘとの間に印加され、出力電圧ｅｘは点Ａｘと点Ｂｘとの間から取る。
【００８７】
図２１は、ｙ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙを示す。図２１に示されるように、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは図１６の点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１８（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａｙ、Ｂｙ、Ｄｙとなり、図１６の抵抗値Ｒ１（＝Ｒτ）、Ｒ４（＝Ｒｐ）、Ｒ２およびＲ３は各々Ｒ１ｙ（＝Ｒτｙ）、Ｒ４ｙ（＝Ｒｐｙ）、Ｒ２ｙおよびＲ３ｙとなる。実施例３と同様に、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｙ＝Ｒ２ｙ＝Ｒ３ｙ＝Ｒ４ｙ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは、入力電圧Ｅは点Ｃｙと点Ｄｙとの間に印加され、出力電圧ｅｙは点Ａｙと点Ｂｙとの間から取る。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとにおいて、入力電圧Ｅは共通となるようにとる。各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの２辺（接触圧力測定部３５０ｘ、３５０ｙおよびせん断応力測定部４５０ｘ、４５０ｙ）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１ｘ、ΔＲ４ｘ、ΔＲ１ｙ、ΔＲ４ｙしたとすると、実施例３で説明した式１５が、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙにおいて成り立つ。
【００８８】
図２２は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ３ｘとセンサ部７５ｘとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの回路図を示す。図２２で図１８（Ａ）、（Ｂ）および図２０と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘは、基本的には図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５と同じである。図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５では線状電極２１０と方形電極１２０とが点Ｄ’で図示されるように接続されていたが、図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは線状電極２６２と方形電極１２０ｘとが点Ｄｘで図示されるように（鉤状に）接続されている。これは、線状電極と方形電極との接続方法のバリエーションの違いであって、ｘ方向のせん断応力を測定可能であれば他の接続方法を用いてもよい。図２２に示されるセンサ装置７５ｘにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。但し、式１６の出力電圧ｅはｅｘとなり、ΔＲτはΔＲτｘとなる。つまり、接触圧力Ｐによる電気抵抗変化ΔＲｐｘを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτｘのみの出力を実現することができる。実施例３と同様に、センサ装置７５ｘに接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘからせん断応力測定部３５０ｘにおけるせん断応力を求めることができる。
【００８９】
接触圧力も実施例３と同様に、図２２の固定抵抗Ｒ３ｘの電圧Ｖｘを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｘ（抵抗値＝Ｒ）の電位（ＡｘＣｘ間の電圧）Ｖｘは、Ｒ４ｘつまり接触圧力測定部４５０ｘの抵抗ＲＰｘ（＝Ｒ＋ΔＲｐｘ）の影響を受けて、上述した式１７のように変化する。但し、式１７でＶはＶｘとなり、ＲＰはＲＰｘとなる。実施例３と同様に、接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐｘは逆に減少し、ΔＲｐｘは負の値をとる。この結果、電圧Ｖｘは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖｘとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖｘを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００９０】
図２３は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｙ、Ｒ３ｙとセンサ部７５ｙとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの回路図を示す。図２３で図１８（Ａ）、（Ｂ）および図２１と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図２３に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙは、ｙ方向のせん断応力を測定するという点が異なるだけで基本的には図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと同じである。図２３に示されるセンサ装置７５ｙにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。但し、式１６の出力電圧ｅはｅｙとなり、ΔＲτはΔＲτｙとなる。つまり、接触圧力Ｐによる電気抵抗変化ΔＲｐｙを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτｙのみの出力を実現することができる。実施例３と同様に、センサ装置７５ｙに接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙからせん断応力測定部３５０ｙにおけるせん断応力を求めることができる。
【００９１】
接触圧力も実施例３と同様に、図２３の固定抵抗Ｒ３ｙの電圧Ｖｙを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｙ（抵抗値＝Ｒ）の電位（ＡｙＣｙ間の電圧）Ｖｙは、Ｒ４ｙつまり接触圧力測定部４５０ｙの抵抗ＲＰｙ（＝Ｒ＋ΔＲｐｙ）の影響を受けて、上述した式１７のように変化する。但し、式１７でＶはＶｙとなり、ＲＰはＲＰｙとなる。実施例３と同様に、接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐｙは逆に減少し、ΔＲｐｙは負の値をとる。この結果、電圧Ｖｙは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖｙとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖｙを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００９２】
図２４は、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとを入力電圧（電源）Ｅを共通にして重ね合わせた２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘｙを示す。図２４で図２２および図２３と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図２４に示されるように、センサ装置７５ｘｙは、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｘの向きが２次元（ｘｙ）平面の一次元方向（ｙ方向）を向いたセンサ装置７５ｘと、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｙの向きが２次元平面の別の一次元方向（ｘ方向）を向いたセンサ装置７５ｙとを、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙの電源Ｅを共通にして重ね合わせたものと考えることができる。１つのセンサ装置７５ｘｙ内には２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙの各抵抗（Ｒ１ｘ、Ｒ４ｘ）、（Ｒ１ｙ、Ｒ４ｙ）を含む。２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定する時は、独立した２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙが存在する１つのセンサ装置７５ｘｙを用いることになる。但し、Ｒ４ｘ（Ｒｐｘ）とＲ４ｙ（Ｒｐｙ）とが全く等しいとみなすことができるならば、Ｒ４ｘとＲ３ｘとの直列回路またはＲ４ｙとＲ３ｙとの直列回路のどちらかを２つの２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘ、６５ｙに共通して用い、残りの方を省略することができる。
【００９３】
以上より、本発明の実施例４によれば、センサ装置は実施例３等と同様に、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の一つの線状電極２６２とを線を揃わせて対面させ、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の線状電極１１０ｙに対応する線状電極２６３とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１５０と対面側電極２５０との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。ｘ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｘは線部分（点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とにより構成されている。ｙ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｙは線部分（点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｘは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｘに対応する）線状電極２６１（点線円Ｌ２で示される部分）とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｙは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｙに対応する）線状電極２６０（点線円Ｌ１で示される部分）とにより構成されている。せん断応力測定部３５０ｘに対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３５０ｙに対してｙ方向のせん断応力τが働くと、ｙ方向のせん断変形が生じる。接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙに対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。
【００９４】
実施例４のセンサ装置における測定原理は実施例３と同様であり、２ゲージ法ブリッジ回路６５をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｘ＝Ｒ２ｘ＝Ｒ３ｘ＝Ｒ４ｘ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは、入力電圧Ｅは点Ｃｘと点Ｄｘとの間に印加され、出力電圧ｅｘは点Ａｘと点Ｂｘとの間から取る。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｙ＝Ｒ２ｙ＝Ｒ３ｙ＝Ｒ４ｙ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは、入力電圧Ｅは点Ｃｙと点Ｄｙとの間に印加され、出力電圧ｅｙは点Ａｙと点Ｂｙとの間から取る。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとにおいて、入力電圧Ｅは共通となるようにとる。各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙにおいても実施例３で説明した式１５が成り立つ。センサ装置７５ｘおよび７５ｙにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。接触圧力も実施例３と同様に、固定抵抗Ｒ３ｘ、Ｒ３ｙの電圧Ｖｘ、Ｖｙを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｘ、Ｒ３ｙ（抵抗値＝Ｒ）の電位Ｖｘ、Ｖｙは、式１７のように変化する。センサ装置７５ｘｙは、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｘの向きが２次元（ｘｙ）平面の一次元方向（ｙ方向）を向いたセンサ装置７５ｘと、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｙの向きが２次元平面の別の一次元方向（ｘ方向）を向いたセンサ装置７５ｙとを、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙの電源Ｅを共通にして重ね合わせたものと考えることができる。１つのセンサ装置７５ｘｙ内には２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙの各抵抗（Ｒ１ｘ、Ｒ４ｘ）、（Ｒ１ｙ、Ｒ４ｙ）を含む。２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定する時は、独立した２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙが存在する１つのセンサ装置７５ｘｙを用いることになる。但し、Ｒ４ｘ（Ｒｐｘ）とＲ４ｙ（Ｒｐｙ）とが全く等しいとみなすことができるならば、Ｒ４ｘとＲ３ｘとの直列回路またはＲ４ｙとＲ３ｙとの直列回路のどちらかを２つの２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘ、６５ｙに共通して用い、残りの方を省略することができる。
【実施例５】
【００９５】
図２５（Ａ）は、実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して所定の配置を行った接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００における片面側電極１７０の電極パターンを示す。図２５（Ａ）に示されるように、４つのセンサ装置７５ｘｙ1ないし７５ｘｙ４が四辺形状に配置（所定の配置）されて接続されている。所定の配置として他の形状の配置を用いることができることは勿論であり、センサ装置７５ｘｙの個数も４個に限定されるものではない。センサ装置７５ｘｙ１はｘ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｘ１と、ｙ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｙ１と、接触圧力を測定する方形電極４５０ｘ１および４５０ｙ１とを有している。図面の都合上、他の電極の符号は省略するが、他のセンサ装置７５ｘｙ２等も同様にｘ方向のせん断応力を測定する線状電極とｙ方向のせん断応力を測定する線状電極と接触圧力を測定する方形電極とを有している。
【００９６】
図２５（Ｂ）は、分布測定装置３００における対面側電極２７０の電極パターンを示す。図２５（Ａ）に示される片面側電極１７０と図２５（Ｂ）に示される対面側電極２７０とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図２５（Ｂ）に示されるように、対面側電極２７０はｘ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｘ１等に対応するｙ方向の線状電極と、ｙ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｙ１等に対応するｘ方向の線状電極とを有している。さらに対面側電極２７０は接触圧力を測定する方形電極４５０ｘ１等および４５０ｙ１等に対応するｙ方向の線状電極を有している。線状電極部Ｒのみｘ方向の線状電極となっている理由は、接触圧力測定用の対面側電極はｘｙ方向が測定に無関係であるため、ｘ方向にすることで対面側電極の取り回し形状の複雑化を防ぐことを目的としたからである。接触圧力測定用の対面側電極はｘｙ方向が測定に無関係であるという点は、図１４の線状電極２７０がｘ方向であり、図１９の線状電極２６０および２６１がｙ方向であることにも示されている。
【００９７】
以上より、本発明の実施例５によれば、実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して四辺形状に配置（所定の配置）することにより、接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００を構成することができる。
【００９８】
２ゲージ法ブリッジ回路の実験（実験４〜１０）．
せん断応力に対する本発明のセンサ装置７５ｘｙの構造の有効性と、接触圧力およびせん断応力を同時に測定できるセンサ装置７５ｘｙの有効性とを検討するために、作製したセンサ装置７５ｘｙに対して接触圧力およびせん断応力の負荷実験を行った。本実験においても４ゲージ法ブリッジ回路の実験と同じ較正装置９０を用いた。図２６は、図８に示される較正装置９０を用いてセンサ装置７５ｘｙに加えられる接触圧力およびせん断応力の方向を示す。図２６で図８と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。
【００９９】
結果および考察．
実験４．
図２７は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を作用させた際の接触圧力と電圧との関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２７で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は上述した図２２および図２３における電圧Ｖｘ、Ｖｙ（Ｖ）である。図２７に示されるように、ｘ方向のせん断応力は０ｋＰａ（青菱形で示す。）、５ｋＰａ（赤四角で示す。）、１０ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、接触圧力の変化に応じて電圧Ｖｘ等が上昇している。
【０１００】
実験５．
図２８は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２８で、横軸はｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）である。図２８に示されるように、接触圧力は５ｋＰａ（青菱形で示す。）、１０ｋＰａ（赤四角で示す。）、１５ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、ｘ方向のせん断応力に対する出力電圧ｅの関係は変化しなかった。これにより、接触圧力の影響を排除したｘ方向のせん断応力の測定が可能であることがわかる。
【０１０１】
実験６．
図２９は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｙ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２９で、横軸はｙ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）である。図２９に示されるように、接触圧力は５ｋＰａ（青菱形で示す。）、１０ｋＰａ（赤四角で示す。）、１５ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、ｙ方向のせん断応力に対する出力電圧ｅの関係は変化しなかった。これにより、接触圧力の影響を排除したｙ方向のせん断応力の測定が可能であることがわかる。
【０１０２】
実験７．
図３０は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３による正負のｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図３０で、横軸は正負のｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）であり、正方向のせん断応力は青菱形、負方向のせん断応力は赤四角で示す。図３０に示されるように、正負のいずれの方向においてもほぼ同様の性質を示すことがわかる。
【０１０３】
実験８．
実験７の結果から次のことが明らかである。すなわち、上下で揃わせる櫛形線状電極を初期の状態で、ちょうど揃ったところを基準としそこからわずかに平行にずらすことにより、図３１（Ａ）に示されるように、櫛形線状電極３００と３１０との間隔が広がる方向ｘｉに加え、狭まる方向ｘｊもできるため、櫛形線状電極３００および３１０の垂直方向に沿ったせん断方向の正負を図３１（Ｂ）に示されるように検知することが可能である。
【０１０４】
実験９．
図３２は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を負荷した状態でアクチュエータ９２または９３によるｘ、ｙ方向のせん断応力を順次作用させたときの測定結果を示すグラフである。図３２で、横軸は時間（秒）、縦軸は接触圧力（ｋＰａ）およびｘ、ｙ方向のせん断応力（ｋＰａ）である。図３２に示されるように、接触圧力（青菱形で示す。）、ｘ方向せん断応力（赤四角で示す。）およびｙ方向せん断応力（緑三角で示す。）は、各々独立して測定できていることがわかる。
【０１０５】
実験１０．
図３３（Ａ）および（Ｂ）は、分布測定装置３００の実験のために作製した実験装置４００を示す。図３３（Ａ）に示されるように、分布測定装置３００を軸４３０を介して２枚のアクリル板４１０と４２０とで挟み、下部のアクリル板４２０に力Ｆを加えて回旋させることにより、一様でないせん断応力τを分布測定装置３００に負荷させることができる。図３３（Ｂ）は分布測定装置３００を軸４３０を介して２枚のアクリル板４１０と４２０とで挟み込んだ状態の断面図であり、図３３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。
【０１０６】
図３４（Ａ）は、分布測定装置３００の４つの電極であり、電極１ないし４は各々図２５（Ａ）に示されるセンサ装置７５ｘｙ１ないし７５ｘｙ４に対応している。図３４（Ｂ）は、実験装置４００を用いてせん断応力τを分布測定装置３００に印加しｘ方向のせん断応力を測定した結果を示すグラフである。図３４（Ｂ）で，横軸は実験装置４００の回旋に要した力Ｆ（Ｎ）、縦軸は測定されたｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）である。図３４（Ｂ）に示されるように、回旋の外側となる電極４（紫×で示す。）で大きなせん断応力が測定され、回旋の内側となる電極１（青菱形で示す。）で小さなせん断応力が測定された。電極２（赤四角で示す。）および電極３（緑三角で示す。）は、電極１と４との間の大きさのせん断応力が測定された。以上により、分布測定装置３００に印加されたせん断応力の分布が測定できたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の活用例として、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへ適用することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０、１００、１５０、１７０ 片面側電極、 １１ａ、１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３、１１ｂ、２１ａ、２１ａ−１、２１ａ−２、２１ａ−３、２１ｂ、２１ｃ、２１ｃ−１、２１ｃ−２、２１ｃ−３、２１ｄ 櫛形電極、 １２ａ、１２ｂ、１２０、１２０ｘ、１２０ｙ 方形電極、 ２０、２００、２５０，２７０ 対面側電極、 ３０、３０’、３００、３５０ｘ、３５０ｙ せん断応力測定部、 ４０、４０’、４００、４５０ｘ、４５０ｘ１、４５０ｙ、４５０ｙ１ 接触圧力測定部、 ５０ 圧力変換素子、 ６０ ４ゲージ法ブリッジ回路、 ６５、６５ｘ、６５ｙ、６５ｘｙ ２ゲージ法ブリッジ回路、 ７０、７５、７５ｘ、７５ｙ、７５ｘｙ、７５ｘｙ１、７５ｘｙ２、７５ｘｙ３、７５ｘｙ４ センサ装置、 ８１、８２ 電圧計、 ９０ 較正装置、 ９１ 接触圧力用のアクチュエータ、 ９２、９３ ｘｙ方向のせん断応力用のアクチュエータ、 ９４ Ｘ−Ｙステージ、 ９５ 圧縮型ロードセル、 １１０、１１０ｘ、１１０ｘ１、１１０ｙ、１１０ｙ１、２１０、２２０、２６０、２６１、２６２、２６３、３００、３１０ 線状電極、 ４００ 実験装置、 ４１０、４２０ アクリル板、 ４３０ 軸。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１０９】
【非特許文献１】Narita, J., Sasagawa, K., Miyata, H. and Toh, S., Development ofMeasurement System of Contact Pressure Distribution in Human Small Joint,Journal of Biomechanics, Vol. 39, Supplement 1, (2006), pp.S81.
【非特許文献２】Lin, W., and Beebe, D. J., A Silicon-based Shear Force Sensor:Development and Characterization, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 84,Issue 1-2, (2000), pp. 33-44.
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触圧力およびせん断応力を測定するセンサ装置と、該センサ装置を用いて接触圧力およびせん断応力の分布を測定する分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内の詳細なせん断応力および接触圧力を直接測定することは、外科的な臨床治療において医師が病態の検査・診断・治療を行うに際し貴重な情報をもたらす。そのため、近年、生体内の接触圧力測定は感圧紙、感圧導電インク、導電性フィルム、感圧導電ゴム等を利用したセンサによる測定が行われてきている（非特許文献１参照）。しかし、固体接触に伴うせん断応力の測定に関しては、当該測定に用いるセンサに関してわずかな研究例が見られるのみである（非特許文献２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
センサ感圧素子のせん断変形によるせん断応力測定を行う場合、接触圧力による影響が避けられず、正確なせん断応力の測定の障害となるという問題があった。加えて、従来のせん断応力測定センサは、固体のせん断歪量からせん断応力へ変換する機構であるため、厚みおよび剛性があり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用は困難であるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、せん断応力および接触圧力を直接同時測定するに際し、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定ができるセンサ装置等を提供することにある。
【０００５】
本発明の第２の目的は、生体内のせん断応力および接触圧力を直接同時測定することへ適用可能なセンサ装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の対向する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部と、別の対向する２辺に各々配置されたせん断応力を測定するせん断応力測定部とを備えた４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【０００７】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、接触圧力を測定する方形電極とせん断応力を測定する櫛型電極とが一端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた片面側電極と、２つの櫛型電極が１端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた対面側電極と、櫛型電極の櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極と前記対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の櫛型電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、ブリッジ回路の対向する２辺に前記接触圧力測定部が各々配置され、別の対向する２辺に前記せん断応力測定部が各々配置されて４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【０００８】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を切った状態で測定された前記接触圧力測定部における電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることができる。
【０００９】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を印加した状態で測定された前記接触圧力測定部における電圧により電気抵抗を得るという測定原理に基づき、該電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることができる。
【００１０】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の隣接する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部及びせん断応力を測定するせん断応力測定部と、他の隣接する２辺に各々配置された固定抵抗とを備えた２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【００１１】
この発明のセンサ装置は、接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、接触圧力を測定する方形電極と２次元平面の一次元方向を向いたせん断応力を測定する線状電極とが接続された形状の片面側電極と、前記片面側電極の方形電極に対応する線状電極と前記片面側電極の線状電極に対応する線状電極とを有する対面側電極と、前記片面側電極の線状電極と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とを揃わせて対面させた状態で、該片面側電極と該対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と該方形電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は線部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の線状電極と前記圧力変換素子と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、ブリッジ回路の隣接する２辺に前記接触圧力測定部及び前記せん断応力測定部が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗が各々配置されて２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とする。
【００１２】
この発明のセンサ装置は、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置と、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の別の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置とを、各２ゲージ法ブリッジ回路の電源を共通にして重ね合わせたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、この発明のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記接触圧力測定部に隣接する辺に配置された固定抵抗の電圧は該接触圧力測定部の抵抗の変化の影響を受けるという測定原理に基づき、該固定抵抗の電圧と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該固定抵抗の電圧から接触圧力を求めることができる。
【００１４】
ここで、この発明のセンサ装置において、該センサ装置を構成する各電極は銅薄膜を貼り付けられたポリイミドフィルムをエッチング処理することにより作製することができる。
【００１５】
この発明の分布測定装置は、本発明のセンサ装置を複数個接続して所定の配置を行ったことを特徴とする接触圧力及びせん断応力の分布測定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセンサ装置では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用い、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。センサ装置の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、本発明のセンサ装置によれば、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能というという効果がある。
【００１７】
本発明のセンサ装置によれば、４ゲージ法ブリッジ回路の抵抗変化量の関係に基づき、せん断応力測定部における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能としたという効果がある。センサ装置は、４ゲージ法ブリッジ回路の対向する２つの抵抗の位置に各々配置された接触圧力測定部と、別の対向する２つの抵抗の位置に各々配置されたせん断応力測定部とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部の電気抵抗と２つのせん断応力測定部の電気抵抗とは等しいものになるように設計する。ここで、センサ装置に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、４ゲージ法ブリッジ回路（に対応させたセンサ装置）の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を求めておき、該関係により４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができるという効果がある。
【００１８】
入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、接触圧力による抵抗変化ΔＲｐは後述する式１４のようになる。式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。つまり、本発明のセンサ装置によれば、接触圧力とせん断応力とのより同時な測定ができるという効果がある。
【００１９】
本発明の別のセンサ装置によれば、４ゲージ法ブリッジ回路の隣接する２辺に接触圧力測定部（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成の２ゲージ法ブリッジ回路に対応させることができる。２ゲージ法ブリッジ回路においても４ゲージ法ブリッジ回路と同様に、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。当該センサ装置に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅとせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧ｅからせん断応力測定部におけるせん断応力を求めることができるという効果がある。接触圧力は、固定抵抗の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができるという効果がある。
【００２０】
本発明のさらに別のセンサ装置によれば、入力電圧Ｅが共通となるようにして２ゲージ法ブリッジ回路をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。１つのセンサ装置内には２つの２ゲージ法ブリッジ回路の各抵抗を含む。独立した２つの２ゲージ法ブリッジ回路が存在する１つのセンサ装置を用いることにより、２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定することができるという効果がある。
【００２１】
本発明の分布測定装置によれば、上記２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定するセンサ装置を複数個接続して四辺形状に配置（所定の配置）することにより、接触圧力およびせん断応力の分布を測定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１のセンサ装置における片面側電極１０の電極パターンを示す図である。
【図２】本発明の実施例１のセンサ装置における対面側電極２０の電極パターンを示す図である。
【図３（Ａ）】本発明の実施例１のセンサ装置におけるせん断応力測定部３０を示す図である。
【図３（Ｂ）】せん断応力測定部３０に対して生じたせん断変形を示す図である。
【図４（Ａ）】本発明の実施例１のセンサ装置における接触圧力測定部４０を示す図である。
【図４（Ｂ）】接触圧力測定部４０に対して生じた変形を示す図である。
【図５】標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０を示す図である。
【図６】センサ装置７０の各電気抵抗の状態を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における接触圧力の測定を説明するための回路図である。
【図８】実験を行うために作製した較正装置９０を示す図である。
【図９】試作したセンサ装置７０に接触圧力を作用させた際の接触圧力と電気抵抗値との関係を示すグラフである。
【図１０】センサ装置７０に３０、５０、９０ｋＰａの接触圧力を作用させ４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時のせん断応力と出力電圧との関係を示すグラフである。
【図１１】接触圧力とせん断応力とを連続的に作用させたときの測定結果を示すグラフである。
【図１２】実施例２の方法による接触圧力測定の例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例３のセンサ装置における片面側電極１００の電極パターンおよび対面側電極２００の電極パターンを示す図である。
【図１４】片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の一方の線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態を示す図である。
【図１５】せん断応力測定部３００の垂直方向断面図および接触圧力測定部４００の垂直方向断面図である。
【図１６】標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５を示す図である。
【図１７】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２、Ｒ３とセンサ部分７５とによる２ゲージ法ブリッジ回路６５の回路図である。
【図１８】本発明の実施例４のセンサ装置における片面側電極１５０および対面側電極２５０の電極パターンを示す図である。
【図１９】片面側電極１５０の線状電極１１０ｙ等と対面側電極２５０の一つの線状電極２６３等とを線を揃わせて対面させた状態を俯瞰的に示す図である。
【図２０】ｘ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘを示す図である。
【図２１】ｙ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙを示す図である。
【図２２】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ３ｘとセンサ部７５ｘとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの回路図である。
【図２３】基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｙ、Ｒ３ｙとセンサ部分７５ｙとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの回路図である。
【図２４】２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとを入力電圧（電源）Ｅを共通にして重ね合わせた２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘｙを示す図である。
【図２５】実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して所定の配置を行った接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００における片面側電極１７０および対面側電極２７０の電極パターンを示す図である。
【図２６】図８に示される較正装置９０を用いてセンサ装置７５ｘｙに加えられる接触圧力およびせん断応力の方向を示す図である。
【図２７】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を作用させた際の接触圧力と電圧との関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図２８】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図２９】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｙ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図３０】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３による正負のｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。
【図３１】実験８を説明するための図等である。
【図３２】センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を負荷させた状態でアクチュエータ９２または９３によるｘ、ｙ方向のせん断応力を順次作用させたときの測定結果を示すグラフである。
【図３３】分布測定装置３００の実験のために作製した実験装置４００を示す図である。
【図３４】実験装置４００を用いてせん断応力τを分布測定装置３００に印加しｘ方向のせん断応力を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
まず、本発明の概要について説明する。本発明のセンサ装置では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用いた。ポリピロール薄膜は導電性の高分子材料であり、作用圧力に応じて厚さ方向の電気抵抗が変化する特性を有している。より詳しくは、作用圧力が加わるのに応じて導電率が上がるという性質を有している。本発明のセンサ装置では、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。より詳しくは、センサ装置の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行うことにより、銅箔電極の形状となるように作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能となった。
【００２４】
本発明のセンサ装置の測定原理によれば、ホイートストンブリッジ回路の抵抗変化量の関係により、せん断応力の測定部における抵抗変化量から接触圧力の影響による抵抗変化量を差し引きした出力を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。以下では、まず本発明のセンサ装置と測定原理とについて詳述し、続いて実験とその結果とについて述べる。以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１のセンサ装置における片面側電極１０の電極パターンを示す。図１に示されるように、片面側電極１０はせん断応力を測定する櫛型電極１１ａと接触圧力を測定する方形電極１２ａとが一端Ｂで接続された形状の第１電極と、第１電極に点対称な形状（櫛型電極１１ｂと方形電極１２ｂとが一端Ａで接続された形状）の第２電極とを対向させた配置となっている。測定領域のサイズは１１×１１ｍｍ２とし、方形電極１２ａ、１２ｂのサイズは各々４．５×４．５ｍｍ２とし、櫛型電極１１ａ、１１ｂのサイズは各々４×４ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００２６】
図２は、本発明の実施例１のセンサ装置における対面側電極２０の電極パターンを示す。図２に示されるように、対面側電極２０は２つの櫛型電極２１aおよび２１ｂが１端Ｄで接続された形状の第３電極と、第３電極に点対称な形状（２つの櫛型電極２ｃおよび２１ｄが１端Ｃで接続された形状）の第４電極とを対向させた配置となっている。櫛型電極２１ａ等のサイズは上記１１ａ等と同様である。
【００２７】
本発明のセンサ装置は、櫛型電極１１ａと２１ａとの櫛部分（同様に、櫛型電極１１ｂと２１ｄとの櫛部分）を揃わせて対面させた片面側電極１０と対面側電極２０との間に、導電性で薄膜状の上記圧力変換素子を挟み込むことにより構成されている。図３（Ａ）は、本発明の実施例１におけるセンサ装置におけるせん断応力測定部３０を示す。図３（Ａ）で図１および図２と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図３（Ａ）で、符号１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３は、図１に示した片面側電極１０における櫛型電極１１ａの各櫛を示し、符号２１ａ−１、２１ａ−２、２１ａ−３は、図２に示した対面側電極２０における櫛型電極２１ａの各櫛を示し、符号５０は圧力変換素子を示す。図３（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。図３（Ａ）では片面側電極１０の第１電極と対面側電極２０の第３電極とにより構成されるせん断応力測定部３０について示したが、片面側電極１０の第２電極と対面側電極２０の第４電極とにより構成されるせん断応力測定部３０’についても同様に示すことができるため、説明は省略する。図３（Ａ）に示される櫛形電極１１ａ等は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。
【００２８】
図３（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３０に対してせん断応力τが働くと、図３（Ｂ）に示されるようにせん断変形が生じる。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示されるせん断応力測定部３０の垂直方向断面図であり、図３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図３（Ｂ）に示されるように、せん断応力測定部３０では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１０における櫛形電極１１ａ−１と対面側電極２０における櫛形電極２１ａ−１との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３０の電気抵抗が増加する。
【００２９】
図４（Ａ）は、本発明の実施例１のセンサ装置における接触圧力測定部４０を示す。図４（Ａ）で図１、図２および図３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図４（Ａ）で、符号１２ａは図１に示した片面側電極１０における方形電極１２ａを示し、符号２１ｃ−１、２１ｃ−２、２１ｃ−３は、図２に示した対面側電極２０における櫛型電極２１ｃの各櫛を示す。図４（Ａ）に示されるように、接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。図４（Ａ）では片面側電極１０の第１電極と対面側電極２０の第４電極とにより構成される接触圧力測定部４０について示したが、片面側電極１０の第２電極と対面側電極２０の第３電極とにより構成される接触圧力測定部４０’についても同様に示すことができるため、説明は省略する。
【００３０】
図４（Ａ）に示されるように接触圧力測定部４０に対して接触圧力Ｐが働くと、図４（Ｂ）に示されるように、点線で示される櫛形電極２１ｃ−１が実線で示される櫛形電極２１ｃ−１へと押されて圧力変換素子５０の変形が生じる。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示される接触圧力測定部４０の垂直方向断面図であり、図４（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。接触圧力測定部４０では、片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃ−１との間の圧力変換素子５０における圧力Ｐにより変化した抵抗値を測定し、その抵抗値に対応した圧力を導出することで接触圧力測定とする。この時、せん断応力により圧力変換素子５０（感圧素子）はせん断変形を生じるが、電極間距離は変化しないため、せん断応力の影響による抵抗変化は生じない。これにより、せん断応力の影響を受けない接触圧力測定を可能とする。図４（Ａ）に示される方形電極１２ａ等も櫛形電極１１ａ等と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。図１に示される片面側電極１０の電極パターンおよび図２に示される対面側電極２０の電極パターンも同様である。
【００３１】
次に、本発明のセンサ装置における測定原理について説明する。図５は、標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０を示す。図５に示される点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは図１および図２に示される点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤと同じである。図５に示されるように、４辺の各ゲージの抵抗値はＲ１ないしＲ４であり、入力電圧Ｅは点Ｃと点Ｄとの間に印加され、出力電圧ｅは点Ａと点Ｂとの間から取るものとする。ここで、４ゲージ法ブリッジ回路６０の４辺に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４したとすると、出力電圧ｅもΔｅ変化する。最初に４ゲージ法ブリッジ回路６０が平衡していたとすると、ひずみによる出力電圧はΔｅ＝ｅとおけるから、以下の式１のようになる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、各ゲージの初期抵抗値がすべて等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）とすると、式１の最初の係数は１／４となるため、式２のようになる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
次に、センサ装置の各電気抵抗について考察する。図６は、センサ装置７０の各電気抵抗の状態を示す。図６で図１、図２および図５と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図６に示されるセンサ装置７０は、図１に示した片面側電極１０と図２に示した対面側電極２０との間に、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように圧力変換素子５０を挟み込みんだ状態を示す。図６で、符号Ｒａはせん断応力測定部３０の電気抵抗とせん断応力測定部３０’の電気抵抗とを示し、符号Ｒｂは接触圧力測定部４０の電気抵抗と接触圧力測定部４０’の電気抵抗とを示す。
【００３６】
図６に示されるセンサ装置７０で、入力電圧Ｅは対面側電極２０の第３電極側の１端Ｄと第４電極側の１端Ｃとの間に印加し、出力電圧ｅは片面側電極１０の第１電極側の１端Ｂと第２電極側の１端Ａとの間から得ることにする。あるいは、入力電圧は片面側電極１０の第１電極側の１端Ｂと第２電極側の１端Ａとの間に印加し、出力電圧は対面側電極２０の第３電極側の１端Ｄと第４電極側の１端Ｃとの間から得ることにしてもよい。以上により、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に接触圧力測定部４０と４０’とが各々配置され、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置にせん断応力測定部３０と３０’とが各々配置され、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒｂと２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒａとがすべて等しい４ゲージ法ブリッジ回路（Ｒａ＝Ｒｂ）を構成することができる。言い換えれば、センサ装置７０の各電気抵抗について、接触圧力とせん断応力とは接触圧力およびせん断応力が無印加状態での４つの電気抵抗は等しいため、センサ装置７０の各電気抵抗へ図５に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の構成を取り入れることができる。
【００３７】
以上説明した標準的な４ゲージ法ブリッジ回路６０とセンサ装置７０との間の各電気抵抗の対応に基づき、式２に対応する式３を以下に示す。式３は式２で抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒａとし、Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒｂとしたものである。式３で、センサ電極の接触面積がそれぞれ等しいことから接触圧力およびせん断応力が無印加状態でのＲａとＲｂとは等しくなるため、分母をＲａ＝Ｒｂとすると式４になる。櫛形電極（せん断応力測定部３０等）での抵抗Ｒａはせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４０等）での電気抵抗Ｒｂは接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。従って、式４は式５となり、最終的に式６が得られる。式６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
以上説明した本発明の測定原理によれば、４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係（式２）に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力（式４から式６）を得ることができるため、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。従って、予め４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）を得ておくことにより、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定すれば当該関係からせん断応力を得ることができる。纏めると、センサ装置７０は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に各々配置された接触圧力測定部４０および４０’と、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置に各々配置されたせん断応力測定部３０および３０’とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒ２、Ｒ４と２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒ１、Ｒ３とは等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）ものになるように設計する。ここで、センサ装置７０に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部４０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部３０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、式６を根拠として４ゲージ法ブリッジ回路６０（対応させたセンサ装置７０）の出力電圧ｅからせん断応力を求めることができる。
【００４０】
次に、接触圧力の測定について説明する。図７は、本発明の実施例１における接触圧力の測定を説明するための回路図を示す。図７で図６と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。なお、電圧計８２は実施例２で用いる。図７に示されるように、せん断応力の測定では点ＡＢ間の出力電圧ｅを電圧計８１で測定するが、接触圧力の測定の場合、一旦入力電圧Ｅの電源を切り点ＢＣ間の抵抗（または点ＡＤ間の抵抗）、即ち1個の方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗（Ｒ＋ΔＲｐ）を別の電気回路で測定する。方形電極１２ａ等とその対面側電極２１ｃ等間において、電極間距離は圧力変換素子５０のせん断変形に影響されず接触圧力の大きさによる膜厚方向の変化のみとなるため、接触圧力のみによる電気抵抗変化を測定することができる。この抵抗変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば当該関係から接触応力を得ることができる。以上により、接触圧力とせん断応力との（ほぼ）同時な測定を可能とした。
【００４１】
４ゲージ法ブリッジ回路の実験（実験１〜３）．
せん断応力に対する本発明のセンサ装置７０の構造の有効性と、接触圧力およびせん断応力を同時に測定できるセンサ装置７０の有効性とを検討するために、作製したセンサ装置７０に対して接触圧力およびせん断応力の負荷実験を行った。図８は、実験を行うために作製した較正装置９０を示す。図８に示されるように、較正装置９０は接触圧力用のアクチュエータ９１（１台）と、せん断応力用のアクチュエータ９２および９３（２台）とにより、Ｘ−Ｙステージ９４に接触圧力およびせん断応力を作用させる構造となっている。アクチュエータ９１、９２および９３の先端には圧縮型ロードセル９５をそれぞれ設置している。
【００４２】
センサ装置７０の特性を調べる実験としてまず、（実験１）センサ装置７０に接触圧力を５ｋＰａ刻みで４０ｋＰａまで作用させ、接触圧力の変化に伴う方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値変化を測定した。次に、（実験２）センサに入力電圧Ｅ＝０．５Ｖを印加し、３種類の接触圧力を作用させた状態で横方向から４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時の出力電圧ｅを測定した。さらに、（実験３）４０ｋＰａの接触圧力を負荷し、その後４０ｋＰａのせん断応力を連続的に負荷した時の接触圧力とせん断応力との測定を行った。
【００４３】
結果および考察．
実験1.
図９は、試作したセンサ装置７０に接触圧力を作用させた際の接触圧力と電気抵抗値との関係を示すグラフである。図９で横軸は印加した接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は電気抵抗値（ＭΩ）である。図９に示されるように、接触圧力が大きくなるにつれ、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値が低下している。負荷（黒菱形で示す０から４０ｋＰａ）および除荷（白四角で示す４０から０ｋＰａ）のどちらの場合も同じ変化を生じることがわかった。これは、圧力変換素子（ポリピロール薄膜）５０が有する作用圧力が加わるのに応じて導電率が上がるという性質を示している。以上より、予め図９に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触応力を得ることができる。
【００４４】
実験２．
図１０は、センサ装置７０に３０、５０、９０ｋＰａの接触圧力を作用させ４０ｋＰａまでのせん断応力を作用させた時のせん断応力と出力電圧との関係を示すグラフである。図１０で横軸は印加したせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（ｍＶ）である。図１０に示されるように、接触圧力を３０（白菱形）、５０（バツ印）、９０（白三角）ｋＰａと変化させても、せん断応力に対する出力電圧eの関係は変化しなかった。せん断応力が作用し感圧素子である圧力変換素子５０が面方向に変形することにより、電極間の距離が増加する。このため、式６の電気抵抗変化ΔＲτが大きくなり、図１０に示されるように出力電圧ｅが増大する。以上より、式６の正しさが検証された。この結果、図１０に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）から、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができる。
【００４５】
実験３．
図１１は、接触圧力とせん断応力とを連続的に作用させたときの測定結果を示すグラフである。図１１で横軸は経過時間（秒）、縦軸は接触圧力／せん断応力（ｋＰａ）である。図１１に示されるように、０−１００秒で接触圧力(黒菱形)の印加が測定でき、１５０−３００秒でせん断応力（白四角）の負荷・除荷が測定できていることがわかる。これらは同時に得られた値であり、接触圧力とせん断応力とを同時に測定することができた。
【００４６】
以上より、本発明の実施例１によれば、本発明のセンサ装置７０では、接触圧力およびせん断応力の変換素子（圧力変換素子）として、電解重合により作製した厚さ約２０μｍのポリピロール薄膜を用い、電極材として銅張ポリイミドフィルム(銅厚３５μｍ)を用いた。センサ装置７０の電極は銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルムの銅薄膜をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。このため、従来のせん断応力センサにはない薄さとしなやかさとを有している。この電極で薄膜状の上記変換素子を挟み込むことによりセンサ装置とした。この結果、センサ装置全体が薄く且つしなやかであり、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへの適用が可能となった。
【００４７】
せん断応力測定部３０は片面側電極１０における櫛型電極１１ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ａとの櫛部分を揃わせて対面させ、両電極の間に上記圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。接触圧力測定部４０は片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃとを対面させ、両電極の間に圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。接触圧力測定部４０では、片面側電極１０における方形電極１２ａと対面側電極２０における櫛形電極２１ｃ−１との間の圧力変換素子５０における圧力Ｐにより変化した抵抗値を測定し、その抵抗値に対応した圧力を導出することで接触圧力測定とする。この時、せん断応力により圧力変換素子５０（感圧素子）はせん断変形を生じるが、電極間距離は変化しないためせん断応力の影響による抵抗変化は生じない。これにより、せん断応力の影響を受けない接触圧力測定を可能とする。
【００４８】
本発明の測定原理によれば、４ゲージ法ブリッジ回路６０の抵抗変化量の関係（式２）に基づき、せん断応力測定部３０等における抵抗変化量ΔＲaから接触圧力の影響による抵抗変化量ΔＲbを差し引きした出力（式４から式６）を得ることによって、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定を可能とした。センサ装置７０は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の対向する２つの抵抗Ｒ２およびＲ４の位置に各々配置された接触圧力測定部４０および４０’と、別の対向する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の位置に各々配置されたせん断応力測定部３０および３０’とを備えており、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における２つの接触圧力測定部４０および４０’の電気抵抗Ｒ２、Ｒ４と２つのせん断応力測定部３０および３０’の電気抵抗Ｒ１、Ｒ３とは等しい（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）ものになるように設計する。ここで、センサ装置７０に接触圧力およびせん断応力が印加され、接触圧力測定部４０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐのみが生じ、せん断応力測定部３０等では接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐおよびせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτが生じた場合、４ゲージ法ブリッジ回路６０（対応させたセンサ装置７０）の出力電圧Ｅに基づき、式６によりせん断応力測定部３０等におけるせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτを取得することができる。この電気抵抗変化ΔＲτによりせん断応力を求めることができる。以上により、せん断応力および接触圧力を直接測定するに際し、接触圧力による影響を排除したせん断応力の測定ができるセンサ装置を提供することができた。この結果、図１０に示される４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅと規定のせん断応力との関係（キャリブレーションカーブ）から、４ゲージ法ブリッジ回路６０の出力電圧ｅを測定することにより、せん断応力を得ることができる。
【００４９】
接触圧力の測定の場合、一旦入力電圧Ｅの電源を切り点ＢＣ間の抵抗（または点ＡＤ間の抵抗）、即ち1個の方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗（Ｒ＋ΔＲｐ）を別の電気回路で測定する。方形電極１２ａ等とその対面側電極２１ｃ等間において、電極間距離は圧力変換素子５０のせん断変形に影響されず接触圧力の大きさによる膜厚方向の変化のみとなるため、接触圧力のみによる電気抵抗変化を測定することができ、この抵抗変化と接触圧力との関係から接触圧力を求める。以上により、接触圧力とせん断応力との（ほぼ）同時な測定を可能とした。以上より、予め図９に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触応力を得ることができる。
【実施例２】
【００５０】
実施例２では、実施例１よりさらに接触圧力とせん断応力との同時測定ができる接触圧力の測定方法について説明する。せん断応力の測定に関しては実施例１と同様であるため、説明は省略する。発明者は接触圧力の測定に関して鋭意検討を重ねた結果、図７に示されるブリッジ回路７０の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐおよび入力電圧Ｅが判れば、実施例１のように一旦入力電圧Ｅの電源を切ることなく、接触圧力による抵抗変化を測定できるという知見を得ることができた。
【００５１】
入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、出力電圧ｅは上述した式６で表され、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐは以下のようになる。図７に示される接触圧力測定部４０等の電圧ｅｐは、接触圧力測定部４０等に流れる電流をｉ、接触圧力測定部４０等の抵抗をＲＰとすると、オームの法則から、式７となる。
【００５２】
【数４】
【００５３】
このときの電流ｉは式８となる。
【００５４】
【数５】
【００５５】
ここで、Ｒτはせん断応力測定部３０等での抵抗である。従って式７は式９となる。
【００５６】
【数６】
【００５７】
抵抗Ｒτ、Ｒｐは、接触圧力およびせん断応力が作用すると、各々式１０、１１のようになる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
ここで、Ｒはせん断応力および接触圧力の作用していない状態での抵抗値、ΔＲτはせん断応力による抵抗変化量、ΔＲｐは接触圧力による抵抗変化量である。式９へ式１０および１１を代入すると、式１２が得られる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
ここで、式６のΔＲτを、式１３のように変形し、
【００６２】
【数９】
【００６３】
式１３を式１２に代入すると、式１４の関係が得られる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。図１２は、上述した実施例２の方法による接触圧力測定の例を示すグラフである。図１２で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は抵抗値（Ω）である。図１２に示されるように、３種類のせん断応力（原図では青菱形が１０ｋＰａ、赤四角が３０ｋＰａ、緑三角が４０ｋＰａ）の作用下で接触圧力を作用させた時の抵抗変化ΔＲｐを求めたところ、せん断応力の大小によらず接触圧力による抵抗変化ΔＲｐが得られ、この方法による接触圧力測定の有効性を示すことができた。従って、予め図１２に示されるような方形電極間（接触圧力測定部４０等）の電気抵抗値の変化と規定の接触圧力との関係（キャリブレーションカーブ）を予め得ておくことにより、方形電極間（接触圧力測定部４０等）の抵抗を測定すれば図９に示される関係から接触圧力を得ることができる。
【００６６】
以上より、本発明の実施例２によれば、入力電圧Ｅの作用下で、初期抵抗Ｒからせん断応力によりΔＲτ、接触圧力によりΔＲｐの抵抗変化を生じた場合、出力電圧ｅは上述した式６で表され、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐは式１２で表される。結果的に、接触圧力による抵抗変化ΔＲｐは式１４のようになる。式１４の右辺はすべて既知、または測定可能であるため、ブリッジ回路の出力電圧ｅ、接触圧力測定部４０等での電圧ｅｐが得られれば接触圧力による抵抗変化ΔＲｐを得ることができる。つまり、実施例１のように一旦入力電圧Ｅの電源を切ることなく、接触圧力による抵抗変化を測定できることがわかった。実施例２の計測方法の方が一旦入力電圧Ｅの電源を切ることがないため、接触圧力とせん断応力とのより同時な測定ができる。
【実施例３】
【００６７】
図１３（Ａ）は、本発明の実施例３のセンサ装置における片面側電極１００の電極パターンを示す。図１３（Ａ）に示されるように、片面側電極１００は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０と、接触圧力を測定する方形電極１２０とが点Ｄ’で接続された形状となっている。図１３（Ｂ）は、本発明の実施例３のセンサ装置における対面側電極２００の電極パターンを示す。対面側電極２００は線状電極１１０に対応する線状電極２１０と方形電極１２０に対応する線状電極２２０とを有している。図１３（Ｂ）に示されるように、線状電極２１０は点線楕円Ｋで示される部分がｙ方向を向いた形状であり、端子Ｂ’を有している。線状電極２２０は点線楕円Ｌで示される部分がｘ方向を向いた形状であり、端子Ａ’を有している。図１３（Ａ）に示されるように方形電極１２０のサイズは９．０×９．０ｍｍ２とし、線状電極１１０のサイズは１０ｍｍとした。図１３（Ｂ）の４つの鉤マークで示されるように測定領域のサイズは２２×２２ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００６８】
実施例３のセンサ装置も実施例１と同様に、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１００と対面側電極２００との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。線を揃わせた対面は、より詳しくは点線楕円Ｊで示される部分と点線楕円Ｋで示される部分とを揃わせるように行う。図１３（Ａ）に示される片面側電極１００と図１３（Ｂ）に示される対面側電極２００とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図１３（Ａ）および（Ｂ）中の＋マーク（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ６）および鉤棒状マーク（Ｍ４、Ｍ５）は片面側電極１００と対面側電極２００とを圧力変換素子５０を挟んで重ね合わせる際の位置合わせマーカーであり、電極ではない。
【００６９】
図１４は、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態を示す。図１４で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１４では理解の便宜のために、対面側電極２００は点線で示す。図１４に示されるように、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の線状電極２１０とは、点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。せん断応力を測定するせん断応力測定部３００は線部分（点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１００の線状電極１１０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４００は対面させた片面側電極１００の方形電極１２０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（方形電極１２０に対応する）線状電極２２０（点線円Ｌで示される部分）により構成されている。
【００７０】
図１５（Ａ）は、図３（Ｂ）と同様に、せん断応力測定部３００の垂直方向断面図を示す。図１５（Ａ）で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１５（Ａ）に示されるように、せん断応力測定部３００に対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。ここでｙ方向は図１５（Ａ）上で紙面奥方向である。せん断応力測定部３００では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１００における線状電極１１０と対面側電極２００における線状電極２１０との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３００の電気抵抗が増加する。図１５（Ａ）に示される線状電極１１０、２１０等は、実施例１と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。
【００７１】
図１５（Ｂ）は、図４（Ｂ）と同様に、接触圧力測定部４００の垂直方向断面図を示す。図１５（Ｂ）で図１３（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１５（Ｂ）に示されるように接触圧力測定部４００に対して接触圧力Ｐが働くと、点線で示される線状電極２２０が実線で示される線状電極２２０へと押されて圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。図１５（Ｂ）に示される方形電極１２０等も線状電極１１０等と同様に、銅薄膜の貼り付けられたポリイミドフィルム（圧力変換素子５０）の銅薄膜(銅厚３５μｍ)をウェットエッチング処理による加工を行って銅箔電極の形状を作製した。図１３（Ａ）に示される片面側電極１００の電極パターンおよび図１３（Ｂ）に示される対面側電極２００の電極パターンも同様である。
【００７２】
次に、実施例３のセンサ装置における測定原理について説明する。図１６は、標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５を示す。図１６に示される点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１３（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａ’、Ｂ’およびＤ’と同じである。２ゲージ法ブリッジ回路６５は実施例１の４ゲージ法ブリッジ回路６０（図５参照）における抵抗値Ｒ１をせん断応力測定部３００の抵抗値Ｒτとし、抵抗値Ｒ４を接触圧力測定部４００の抵抗値ＲＰとし、抵抗値Ｒ２およびＲ３を固定抵抗とした回路に相当する。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の隣接する２辺に接触圧力測定部３００（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部４００（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成となっている。２ゲージ法ブリッジ回路６５の接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ）ように平衡をとる。図１６に示されるように、入力電圧Ｅは点Ｃ’と点Ｄ’との間に印加され、出力電圧ｅは点Ａ’と点Ｂ’との間から取るものとする。ここで、２ゲージ法ブリッジ回路６５の２辺（接触圧力測定部４００およびせん断応力測定部３００）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ４したとすると、実施例１で説明した式２においてΔＲ２およびΔＲ３を０とした式１５が成り立つ。
【００７３】
【数１１】
【００７４】
図１７は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２、Ｒ３とセンサ部分７５とによる２ゲージ法ブリッジ回路６５の回路図を示す。図１７で図１６と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図１７の点線内に示されるセンサ部分（センサ装置）７５は、図１３（Ａ）に示した片面側電極１００と図１３（Ｂ）に示した対面側電極２００との間に、図１５（Ａ）および（Ｂ）に示されるように圧力変換素子５０を挟み込みんだ状態となっている。図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５で、センサ装置７５に含まれるのは抵抗Ｒ１（＝Ｒτ）およびＲ４（＝Ｒｐ）だけであり、固定抵抗Ｒ２およびＲ３は基板上に配置し、センサ装置７５の抵抗Ｒ１およびＲ４と各々接続してある。入力電圧Ｅは点Ｃ’とＤ’との間に印加し、出力電圧ｅは点Ａ’とＢ’との間から得ることにする。あるいは、入力電圧は点Ａ’とＢ’との間に印加し、出力電圧は点Ｃ’とＤ’との間から得ることにしてもよい。以上により、実施例１と同様に考えて２ゲージ法ブリッジ回路６５を構成することができる。
【００７５】
センサ装置７５では、実施例１と同様に、線状電極（せん断応力測定部３００）での抵抗Ｒ１はせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４００）での電気抵抗Ｒ４は接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。上述したようにＲ１＝Ｒ４＝Ｒであるため、式１５は式１６となる。式１６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。つまり、センサ装置７５に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅからせん断応力測定部３００におけるせん断応力を求めることができる。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
接触圧力は、図１７の固定抵抗Ｒ３の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３（抵抗値＝Ｒ）の電位（Ａ’Ｃ’間の電圧）Ｖは、Ｒ４つまり接触圧力測定部４００の抵抗ＲＰ（＝Ｒ＋ΔＲｐ）の影響を受けて、式１７のように変化する。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐは逆に減少し、ΔＲｐは負の値をとる。この結果、式１７で示される電圧Ｖは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００８０】
以上より、本発明の実施例３によれば、片面側電極１００は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０と、接触圧力を測定する方形電極１２０とが点Ｄ’で接続された形状となっている。対面側電極２００は２つの線状電極２１０および２２０を有している。図１３（Ｂ）に示されるように、線状電極２１０は点線楕円Ｋで示される部分がｙ方向を向いた形状であり、端子Ｂ’を有している。線状電極２２０は点線楕円Ｌで示される部分がｘ方向を向いた形状であり、端子Ａ’を有している。実施例３のセンサ装置も実施例１と同様に、片面側電極１００の線状電極１１０と対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１００と対面側電極２００との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。せん断応力を測定するせん断応力測定部３００は線部分（点線円Ｊで示される部分と点線円Ｋで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１００の線状電極１１０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（線状電極１１０に対応する）線状電極２１０とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４００は対面させた片面側電極１００の方形電極１２０と、圧力変換素子５０と、対面側電極２００の（方形電極１２０に対応する）線状電極２２０（点線円Ｌで示される部分）により構成されている。せん断応力測定部３００に対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３００では、せん断応力τによる圧力変換素子５０のせん断変形により、片面側電極１００における線状電極１１０と対面側電極２００における線状電極２１０との間の距離が増加し、この結果、せん断応力測定部３００の電気抵抗が増加する。接触圧力測定部４００に対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。２ゲージ法ブリッジ回路６５は、４ゲージ法ブリッジ回路６０の隣接する２辺に接触圧力測定部３００（抵抗値Ｒｐ）およびせん断応力測定部４００（抵抗値Ｒτ）が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗（抵抗値Ｒ２およびＲ３）が各々配置された構成となっている。２ゲージ法ブリッジ回路６５の接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５の２辺（接触圧力測定部３００およびせん断応力測定部４００）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１、ΔＲ４したとすると、実施例１で説明した式２においてΔＲ２およびΔＲ３を０とした式１５が成り立つ。センサ装置７５では、実施例１と同様に、線状電極（せん断応力測定部３００）での抵抗Ｒ１はせん断応力による抵抗変化ΔＲτと接触圧力による抵抗変化ΔＲｐとを生じ、方形電極（接触圧力測定部４００）での電気抵抗Ｒ４は接触圧力による抵抗変化ΔＲｐのみを生じる。上述したようにＲ１＝Ｒ４＝Ｒであるため、式１５は式１６となる。式１６に示されるように、接触圧力による電気抵抗変化ΔＲｐを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτのみの出力を実現することができる。つまり、センサ装置７５に接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５の出力電圧ｅからせん断応力測定部３００におけるせん断応力を求めることができる。接触圧力は、図１７の固定抵抗Ｒ３の電圧Ｖを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３（抵抗値＝Ｒ）の電位（Ａ’Ｃ’間の電圧）Ｖは、Ｒ４つまり接触圧力測定部４００の抵抗ＲＰ（＝Ｒ＋ΔＲｐ）の影響を受けて、式１７のように変化する。接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐは逆に減少し、ΔＲｐは負の値をとる。この結果、式１７で示される電圧Ｖは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【実施例４】
【００８１】
図１８（Ａ）は、本発明の実施例４のセンサ装置における片面側電極１５０および対面側電極２５０の電極パターンを示す。図１８（Ａ）に示されるように、俯瞰すると、片面側電極１５０は２次元（ｘｙ）平面の一次元（ｙ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０ｘと接触圧力を測定する方形電極１２０ｘとが点Ｄｘで接続され、さらに、２次元（ｘｙ）平面の別の一次元（ｘ）方向を向いたせん断応力を測定する線状電極１１０ｙと接触圧力を測定する方形電極１２０ｙとが点Ｄｙで接続された形状となっている。実際の回路は線状電極１１０ｘおよび方形電極１２０ｘと線状電極１１０ｙおよび方形電極１２０ｙとが重なって構成されているが、詳細については後述する。図１８（Ｂ）は、本発明の実施例４のセンサ装置における対面側電極２５０の電極パターンを示す。対面側電極２５０は、線状電極１１０ｘに対応する線状電極２６２と、線状電極１１０ｙに対応する線状電極２６３と、方形電極１２０ｘに対応する線状電極２６１と、方形電極１２０ｙに対応する線状電極２６０とを有している。図１８（Ｂ）に示されるように、線状電極２６０および２６１は各々点線楕円Ｌ１およびＬ２で示される部分がｙ方向を向いた形状であり各々、端子ＡｙおよびＡｘを有している。線状電極２６２は点線楕円Ｋｘで示される部分がｙ方向を向いた形状であり端子Ｂｘを有しており、線状電極２６３は点線楕円Ｋｙで示される部分がｘ方向を向いた形状であり端子Ｂｙを有している。図１８（Ａ）に示されるように方形電極１２０のサイズは１２．０×１２．０ｍｍ２とし、線状電極１１０ｘ（および１１０ｙ）のサイズは１１ｍｍとした。図１８（Ｂ）の４つの鉤マークに示されるように測定領域のサイズは２２×２２ｍｍ２とした。しかし、これらのサイズは一例であって、本発明のセンサ装置のサイズはこれらのサイズに限定されるものではない。
【００８２】
実施例４のセンサ装置も実施例３等と同様に、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とを線を揃わせて対面させ、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１５０と対面側電極２５０との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。線を揃わせた対面は、より詳しくは点線楕円Ｊｘで示される部分と点線楕円Ｋｘで示される部分とを揃わせ、点線楕円Ｊｙで示される部分と点線楕円Ｋｙで示される部分とを揃わせるように行う。図１８（Ａ）に示される片面側電極１５０と図１８（Ｂ）に示される対面側電極２５０とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図１８（Ａ）および（Ｂ）中の＋マーク（Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４、Ｍ１５、Ｍ１６）は片面側電極１５０と対面側電極２５０とを圧力変換素子５０を挟んで重ね合わせる際の位置合わせマーカーであり、電極ではない。
【００８３】
図１９は、上述したように片面側電極１５０の線状電極１１０ｙ等と対面側電極２５０の一つの線状電極２６３等とを線を揃わせて対面させた状態を俯瞰的に示す。図１９で図１８（Ａ）および（Ｂ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図１９では理解の便宜のために、対面側電極２５０は点線で示す。図１９に示されるように、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の線状電極２６２とは、点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。さらに、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の線状電極２６３とは、点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分とが揃うように対面させ（重ねわせ）ている。ｘ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｘは線部分（点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とにより構成されている。ｙ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｙは線部分（点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｘは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の方形電極１２０ｘに対応する線状電極２６１（点線楕円Ｌ２で示される部分）とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｙは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｙに対応する）線状電極２６０（点線円Ｌ１で示される部分）とにより構成されている。
【００８４】
せん断応力測定部３５０ｘの垂直方向断面図は図１５（Ａ）と同様であり、せん断応力測定部３５０ｘに対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３５０ｙの垂直方向断面図も図１５（Ａ）と同様に考えることができ、せん断応力測定部３５０ｙに対してｙ方向のせん断応力τが働くと、ｙ方向のせん断変形が生じる。他は実施例３と同様であるため、説明は省略する。
【００８５】
接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙの垂直方向断面図は図１５（Ｂ）と同様であり、接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙに対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。他は実施例３と同様であるため、説明は省略する。
【００８６】
実施例４のセンサ装置における測定原理は実施例３と同様であり、図１６に示される標準的な２ゲージ法ブリッジ回路６５をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。図２０は、ｘ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘを示す。図２０に示されるように、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは図１６の点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１８（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａｘ、Ｂｘ、Ｄｘとなり、図１６の抵抗値Ｒ１（＝Ｒτ）、Ｒ４（＝Ｒｐ）、Ｒ２およびＲ３は各々Ｒ１ｘ（＝Ｒτｘ）、Ｒ４ｘ（＝Ｒｐｘ）、Ｒ２ｘおよびＲ３ｘとなる。実施例３と同様に、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｘ＝Ｒ２ｘ＝Ｒ３ｘ＝Ｒ４ｘ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは、入力電圧Ｅは点Ｃｘと点Ｄｘとの間に印加され、出力電圧ｅｘは点Ａｘと点Ｂｘとの間から取る。
【００８７】
図２１は、ｙ方向のせん断応力測定用の２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙを示す。図２１に示されるように、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは図１６の点Ａ’、Ｂ’およびＤ’は図１８（Ａ）および（Ｂ）に示される点Ａｙ、Ｂｙ、Ｄｙとなり、図１６の抵抗値Ｒ１（＝Ｒτ）、Ｒ４（＝Ｒｐ）、Ｒ２およびＲ３は各々Ｒ１ｙ（＝Ｒτｙ）、Ｒ４ｙ（＝Ｒｐｙ）、Ｒ２ｙおよびＲ３ｙとなる。実施例３と同様に、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｙ＝Ｒ２ｙ＝Ｒ３ｙ＝Ｒ４ｙ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは、入力電圧Ｅは点Ｃｙと点Ｄｙとの間に印加され、出力電圧ｅｙは点Ａｙと点Ｂｙとの間から取る。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとにおいて、入力電圧Ｅは共通となるようにとる。各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの２辺（接触圧力測定部３５０ｘ、３５０ｙおよびせん断応力測定部４５０ｘ、４５０ｙ）に接続した各ゲージがひずみを受けて各抵抗値が微小変化ΔＲ１ｘ、ΔＲ４ｘ、ΔＲ１ｙ、ΔＲ４ｙしたとすると、実施例３で説明した式１５が、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙにおいて成り立つ。
【００８８】
図２２は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ３ｘとセンサ部７５ｘとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの回路図を示す。図２２で図１８（Ａ）、（Ｂ）および図２０と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘは、基本的には図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５と同じである。図１７に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５では線状電極２１０と方形電極１２０とが点Ｄ’で図示されるように接続されていたが、図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは線状電極２６２と方形電極１２０ｘとが点Ｄｘで図示されるように（鉤状に）接続されている。これは、線状電極と方形電極との接続方法のバリエーションの違いであって、ｘ方向のせん断応力を測定可能であれば他の接続方法を用いてもよい。図２２に示されるセンサ装置７５ｘにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。但し、式１６の出力電圧ｅはｅｘとなり、ΔＲτはΔＲτｘとなる。つまり、接触圧力Ｐによる電気抵抗変化ΔＲｐｘを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτｘのみの出力を実現することができる。実施例３と同様に、センサ装置７５ｘに接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの出力電圧ｅｘからせん断応力測定部３５０ｘにおけるせん断応力を求めることができる。
【００８９】
接触圧力も実施例３と同様に、図２２の固定抵抗Ｒ３ｘの電圧Ｖｘを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｘ（抵抗値＝Ｒ）の電位（ＡｘＣｘ間の電圧）Ｖｘは、Ｒ４ｘつまり接触圧力測定部４５０ｘの抵抗ＲＰｘ（＝Ｒ＋ΔＲｐｘ）の影響を受けて、上述した式１７のように変化する。但し、式１７でＶはＶｘとなり、ＲＰはＲＰｘとなる。実施例３と同様に、接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐｘは逆に減少し、ΔＲｐｘは負の値をとる。この結果、電圧Ｖｘは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖｘとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖｘを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００９０】
図２３は、基板上に配置した固定抵抗Ｒ２ｙ、Ｒ３ｙとセンサ部７５ｙとによる２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの回路図を示す。図２３で図１８（Ａ）、（Ｂ）および図２１と同じ符号を付した個所は同じ要素または点を示すため、説明は省略する。図２３に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙは、ｙ方向のせん断応力を測定するという点が異なるだけで基本的には図２２に示される２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと同じである。図２３に示されるセンサ装置７５ｙにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。但し、式１６の出力電圧ｅはｅｙとなり、ΔＲτはΔＲτｙとなる。つまり、接触圧力Ｐによる電気抵抗変化ΔＲｐｙを差し引いたせん断応力による電気抵抗変化ΔＲτｙのみの出力を実現することができる。実施例３と同様に、センサ装置７５ｙに接触圧力およびせん断応力が印加された場合、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙには接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙとせん断応力との関係を求めておき、この関係により２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの出力電圧ｅｙからせん断応力測定部３５０ｙにおけるせん断応力を求めることができる。
【００９１】
接触圧力も実施例３と同様に、図２３の固定抵抗Ｒ３ｙの電圧Ｖｙを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｙ（抵抗値＝Ｒ）の電位（ＡｙＣｙ間の電圧）Ｖｙは、Ｒ４ｙつまり接触圧力測定部４５０ｙの抵抗ＲＰｙ（＝Ｒ＋ΔＲｐｙ）の影響を受けて、上述した式１７のように変化する。但し、式１７でＶはＶｙとなり、ＲＰはＲＰｙとなる。実施例３と同様に、接触圧力が増大すると、圧力変換素子５０の性質より導電率が増大するため、ΔＲｐｙは逆に減少し、ΔＲｐｙは負の値をとる。この結果、電圧Ｖｙは増大する。そこで、接触圧力と電圧Ｖｙとの関係を予め測定しておくことにより、電圧Ｖｙを測定すれば当該関係より接触圧力を得ることができる。
【００９２】
図２４は、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとを入力電圧（電源）Ｅを共通にして重ね合わせた２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘｙを示す。図２４で図２２および図２３と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。図２４に示されるように、センサ装置７５ｘｙは、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｘの向きが２次元（ｘｙ）平面の一次元方向（ｙ方向）を向いたセンサ装置７５ｘと、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｙの向きが２次元平面の別の一次元方向（ｘ方向）を向いたセンサ装置７５ｙとを、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙの電源Ｅを共通にして重ね合わせたものと考えることができる。１つのセンサ装置７５ｘｙ内には２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙの各抵抗（Ｒ１ｘ、Ｒ４ｘ）、（Ｒ１ｙ、Ｒ４ｙ）を含む。２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定する時は、独立した２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙが存在する１つのセンサ装置７５ｘｙを用いることになる。但し、Ｒ４ｘ（Ｒｐｘ）とＲ４ｙ（Ｒｐｙ）とが全く等しいとみなすことができるならば、Ｒ４ｘとＲ３ｘとの直列回路またはＲ４ｙとＲ３ｙとの直列回路のどちらかを２つの２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘ、６５ｙに共通して用い、残りの方を省略することができる。
【００９３】
以上より、本発明の実施例４によれば、センサ装置は実施例３等と同様に、片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと対面側電極２５０の一つの線状電極２６２とを線を揃わせて対面させ、片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと対面側電極２５０の線状電極１１０ｙに対応する線状電極２６３とを線を揃わせて対面させた状態で、片面側電極１５０と対面側電極２５０との間に、導電性で薄膜状の圧力変換素子５０を挟み込むことにより構成されている。ｘ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｘは線部分（点線円Ｊｘで示される部分と点線円Ｋｘで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｘに対応する）線状電極２６２とにより構成されている。ｙ方向のせん断応力を測定するせん断応力測定部３５０ｙは線部分（点線円Ｊｙで示される部分と点線円Ｋｙで示される部分）を揃わせて対面させた片面側電極１５０の線状電極１１０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（線状電極１１０ｙに対応する）線状電極２６３とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｘは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｘと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｘに対応する）線状電極２６１（点線円Ｌ２で示される部分）とにより構成されている。接触圧力を測定する接触圧力測定部４５０ｙは、対面させた片面側電極１５０の方形電極１２０ｙと、圧力変換素子５０と、対面側電極２５０の（方形電極１２０ｙに対応する）線状電極２６０（点線円Ｌ１で示される部分）とにより構成されている。せん断応力測定部３５０ｘに対してｘ方向のせん断応力τが働くと、ｘ方向のせん断変形が生じる。せん断応力測定部３５０ｙに対してｙ方向のせん断応力τが働くと、ｙ方向のせん断変形が生じる。接触圧力測定部４５０ｘ、４５０ｙに対して接触圧力Ｐが働くと、圧力変換素子５０が圧縮され、圧力変換素子５０の電気抵抗値が減少する。
【００９４】
実施例４のセンサ装置における測定原理は実施例３と同様であり、２ゲージ法ブリッジ回路６５をｘ、ｙ方向の各せん断応力測定用に２つ用いる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｘ＝Ｒ２ｘ＝Ｒ３ｘ＝Ｒ４ｘ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘでは、入力電圧Ｅは点Ｃｘと点Ｄｘとの間に印加され、出力電圧ｅｘは点Ａｘと点Ｂｘとの間から取る。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙの接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗が等しくなる（Ｒ１ｙ＝Ｒ２ｙ＝Ｒ３ｙ＝Ｒ４ｙ＝Ｒ）ように平衡をとる。２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙでは、入力電圧Ｅは点Ｃｙと点Ｄｙとの間に印加され、出力電圧ｅｙは点Ａｙと点Ｂｙとの間から取る。即ち、２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘと２ゲージ法ブリッジ回路６５ｙとにおいて、入力電圧Ｅは共通となるようにとる。各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙにおいても実施例３で説明した式１５が成り立つ。センサ装置７５ｘおよび７５ｙにおいても、実施例３と同様に式１６が成り立つ。接触圧力も実施例３と同様に、固定抵抗Ｒ３ｘ、Ｒ３ｙの電圧Ｖｘ、Ｖｙを測定することにより得ることができる。固定抵抗Ｒ３ｘ、Ｒ３ｙ（抵抗値＝Ｒ）の電位Ｖｘ、Ｖｙは、式１７のように変化する。センサ装置７５ｘｙは、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｘの向きが２次元（ｘｙ）平面の一次元方向（ｙ方向）を向いたセンサ装置７５ｘと、片面側電極１５０等の線状電極１１０ｙの向きが２次元平面の別の一次元方向（ｘ方向）を向いたセンサ装置７５ｙとを、各２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘおよび６５ｙの電源Ｅを共通にして重ね合わせたものと考えることができる。１つのセンサ装置７５ｘｙ内には２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙの各抵抗（Ｒ１ｘ、Ｒ４ｘ）、（Ｒ１ｙ、Ｒ４ｙ）を含む。２ゲージ法ブリッジ回路で２次元（ｘｙ）方向のせん断応力を測定する時は、独立した２つのセンサ装置７５ｘおよび７５ｙが存在する１つのセンサ装置７５ｘｙを用いることになる。但し、Ｒ４ｘ（Ｒｐｘ）とＲ４ｙ（Ｒｐｙ）とが全く等しいとみなすことができるならば、Ｒ４ｘとＲ３ｘとの直列回路またはＲ４ｙとＲ３ｙとの直列回路のどちらかを２つの２ゲージ法ブリッジ回路６５ｘ、６５ｙに共通して用い、残りの方を省略することができる。
【実施例５】
【００９５】
図２５（Ａ）は、実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して所定の配置を行った接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００における片面側電極１７０の電極パターンを示す。図２５（Ａ）に示されるように、４つのセンサ装置７５ｘｙ1ないし７５ｘｙ４が四辺形状に配置（所定の配置）されて接続されている。所定の配置として他の形状の配置を用いることができることは勿論であり、センサ装置７５ｘｙの個数も４個に限定されるものではない。センサ装置７５ｘｙ１はｘ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｘ１と、ｙ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｙ１と、接触圧力を測定する方形電極４５０ｘ１および４５０ｙ１とを有している。図面の都合上、他の電極の符号は省略するが、他のセンサ装置７５ｘｙ２等も同様にｘ方向のせん断応力を測定する線状電極とｙ方向のせん断応力を測定する線状電極と接触圧力を測定する方形電極とを有している。
【００９６】
図２５（Ｂ）は、分布測定装置３００における対面側電極２７０の電極パターンを示す。図２５（Ａ）に示される片面側電極１７０と図２５（Ｂ）に示される対面側電極２７０とは点線Ｎについて鏡像の関係となるように表されている。図２５（Ｂ）に示されるように、対面側電極２７０はｘ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｘ１等に対応するｙ方向の線状電極と、ｙ方向のせん断応力を測定する線状電極１１０ｙ１等に対応するｘ方向の線状電極とを有している。さらに対面側電極２７０は接触圧力を測定する方形電極４５０ｘ１等および４５０ｙ１等に対応するｙ方向の線状電極を有している。線状電極部Ｒのみｘ方向の線状電極となっている理由は、接触圧力測定用の対面側電極はｘｙ方向が測定に無関係であるため、ｘ方向にすることで対面側電極の取り回し形状の複雑化を防ぐことを目的としたからである。接触圧力測定用の対面側電極はｘｙ方向が測定に無関係であるという点は、図１４の線状電極２７０がｘ方向であり、図１９の線状電極２６０および２６１がｙ方向であることにも示されている。
【００９７】
以上より、本発明の実施例５によれば、実施例４のセンサ装置７５ｘｙを複数個接続して四辺形状に配置（所定の配置）することにより、接触圧力およびせん断応力の分布測定装置３００を構成することができる。
【００９８】
２ゲージ法ブリッジ回路の実験（実験４〜１０）．
せん断応力に対する本発明のセンサ装置７５ｘｙの構造の有効性と、接触圧力およびせん断応力を同時に測定できるセンサ装置７５ｘｙの有効性とを検討するために、作製したセンサ装置７５ｘｙに対して接触圧力およびせん断応力の負荷実験を行った。本実験においても４ゲージ法ブリッジ回路の実験と同じ較正装置９０を用いた。図２６は、図８に示される較正装置９０を用いてセンサ装置７５ｘｙに加えられる接触圧力およびせん断応力の方向を示す。図２６で図８と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。
【００９９】
結果および考察．
実験４．
図２７は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を作用させた際の接触圧力と電圧との関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２７で、横軸は接触圧力（ｋＰａ）、縦軸は上述した図２２および図２３における電圧Ｖｘ、Ｖｙ（Ｖ）である。図２７に示されるように、ｘ方向のせん断応力は０ｋＰａ（青菱形で示す。）、５ｋＰａ（赤四角で示す。）、１０ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、接触圧力の変化に応じて電圧Ｖｘ等が上昇している。
【０１００】
実験５．
図２８は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２８で、横軸はｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）である。図２８に示されるように、接触圧力は５ｋＰａ（青菱形で示す。）、１０ｋＰａ（赤四角で示す。）、１５ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、ｘ方向のせん断応力に対する出力電圧ｅの関係は変化しなかった。これにより、接触圧力の影響を排除したｘ方向のせん断応力の測定が可能であることがわかる。
【０１０１】
実験６．
図２９は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３によるｙ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図２９で、横軸はｙ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）である。図２９に示されるように、接触圧力は５ｋＰａ（青菱形で示す。）、１０ｋＰａ（赤四角で示す。）、１５ｋＰａ（緑三角で示す。）と大きさを変化させたにもかかわらず、ｙ方向のせん断応力に対する出力電圧ｅの関係は変化しなかった。これにより、接触圧力の影響を排除したｙ方向のせん断応力の測定が可能であることがわかる。
【０１０２】
実験７．
図３０は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９２または９３による正負のｘ方向のせん断応力を作用させた際のせん断応力と出力電圧ｅとの関係（キャリブレーションカーブ）を示すグラフである。図３０で、横軸は正負のｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）、縦軸は出力電圧ｅ（Ｖ）であり、正方向のせん断応力は青菱形、負方向のせん断応力は赤四角で示す。図３０に示されるように、正負のいずれの方向においてもほぼ同様の性質を示すことがわかる。
【０１０３】
実験８．
実験７の結果から次のことが明らかである。すなわち、上下で揃わせる櫛形線状電極を初期の状態で、ちょうど揃ったところを基準としそこからわずかに平行にずらすことにより、図３１（Ａ）に示されるように、櫛形線状電極３００と３１０との間隔が広がる方向ｘｉに加え、狭まる方向ｘｊもできるため、櫛形線状電極３００および３１０の垂直方向に沿ったせん断方向の正負を図３１（Ｂ）に示されるように検知することが可能である。
【０１０４】
実験９．
図３２は、センサ装置７５ｘｙにアクチュエータ９１による接触圧力を負荷した状態でアクチュエータ９２または９３によるｘ、ｙ方向のせん断応力を順次作用させたときの測定結果を示すグラフである。図３２で、横軸は時間（秒）、縦軸は接触圧力（ｋＰａ）およびｘ、ｙ方向のせん断応力（ｋＰａ）である。図３２に示されるように、接触圧力（青菱形で示す。）、ｘ方向せん断応力（赤四角で示す。）およびｙ方向せん断応力（緑三角で示す。）は、各々独立して測定できていることがわかる。
【０１０５】
実験１０．
図３３（Ａ）および（Ｂ）は、分布測定装置３００の実験のために作製した実験装置４００を示す。図３３（Ａ）に示されるように、分布測定装置３００を軸４３０を介して２枚のアクリル板４１０と４２０とで挟み、下部のアクリル板４２０に力Ｆを加えて回旋させることにより、一様でないせん断応力τを分布測定装置３００に負荷させることができる。図３３（Ｂ）は分布測定装置３００を軸４３０を介して２枚のアクリル板４１０と４２０とで挟み込んだ状態の断面図であり、図３３（Ａ）と同じ符号を付した個所は同じ要素を示すため、説明は省略する。
【０１０６】
図３４（Ａ）は、分布測定装置３００の４つの電極であり、電極１ないし４は各々図２５（Ａ）に示されるセンサ装置７５ｘｙ１ないし７５ｘｙ４に対応している。図３４（Ｂ）は、実験装置４００を用いてせん断応力τを分布測定装置３００に印加しｘ方向のせん断応力を測定した結果を示すグラフである。図３４（Ｂ）で，横軸は実験装置４００の回旋に要した力Ｆ（Ｎ）、縦軸は測定されたｘ方向のせん断応力（ｋＰａ）である。図３４（Ｂ）に示されるように、回旋の外側となる電極４（紫×で示す。）で大きなせん断応力が測定され、回旋の内側となる電極１（青菱形で示す。）で小さなせん断応力が測定された。電極２（赤四角で示す。）および電極３（緑三角で示す。）は、電極１と４との間の大きさのせん断応力が測定された。以上により、分布測定装置３００に印加されたせん断応力の分布が測定できたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の活用例として、生体内のせん断応力および接触圧力を直接測定することへ適用することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０、１００、１５０、１７０ 片面側電極、 １１ａ、１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３、１１ｂ、２１ａ、２１ａ−１、２１ａ−２、２１ａ−３、２１ｂ、２１ｃ、２１ｃ−１、２１ｃ−２、２１ｃ−３、２１ｄ 櫛形電極、 １２ａ、１２ｂ、１２０、１２０ｘ、１２０ｙ 方形電極、 ２０、２００、２５０，２７０ 対面側電極、 ３０、３０’、３００、３５０ｘ、３５０ｙ せん断応力測定部、 ４０、４０’、４００、４５０ｘ、４５０ｘ１、４５０ｙ、４５０ｙ１ 接触圧力測定部、 ５０ 圧力変換素子、 ６０ ４ゲージ法ブリッジ回路、 ６５、６５ｘ、６５ｙ、６５ｘｙ ２ゲージ法ブリッジ回路、 ７０、７５、７５ｘ、７５ｙ、７５ｘｙ、７５ｘｙ１、７５ｘｙ２、７５ｘｙ３、７５ｘｙ４ センサ装置、 ８１、８２ 電圧計、 ９０ 較正装置、 ９１ 接触圧力用のアクチュエータ、 ９２、９３ ｘｙ方向のせん断応力用のアクチュエータ、 ９４ Ｘ−Ｙステージ、 ９５ 圧縮型ロードセル、 １１０、１１０ｘ、１１０ｘ１、１１０ｙ、１１０ｙ１、２１０、２２０、２６０、２６１、２６２、２６３、３００、３１０ 線状電極、 ４００ 実験装置、 ４１０、４２０ アクリル板、 ４３０ 軸。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０１０９】
【非特許文献１】Narita, J., Sasagawa, K., Miyata, H. and Toh, S., Development ofMeasurement System of Contact Pressure Distribution in Human Small Joint,Journal of Biomechanics, Vol. 39, Supplement 1, (2006), pp.S81.
【非特許文献２】Lin, W., and Beebe, D. J., A Silicon-based Shear Force Sensor:Development and Characterization, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 84,Issue 1-2, (2000), pp. 33-44.
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の対向する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部と、別の対向する２辺に各々配置されたせん断応力を測定するせん断応力測定部とを備えた４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、
接触圧力を測定する方形電極とせん断応力を測定する櫛型電極とが一端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた片面側電極と、
２つの櫛型電極が１端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた対面側電極と、
櫛型電極の櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極と前記対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、
接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の櫛型電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、
ブリッジ回路の対向する２辺に前記接触圧力測定部が各々配置され、別の対向する２辺に前記せん断応力測定部が各々配置されて４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を切った状態で測定された前記接触圧力測定部における電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を印加した状態で測定された前記接触圧力測定部における電圧により電気抵抗を得るという測定原理に基づき、該電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の隣接する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部及びせん断応力を測定するせん断応力測定部と、他の隣接する２辺に各々配置された固定抵抗とを備えた２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項６】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、
接触圧力を測定する方形電極と２次元平面の一次元方向を向いたせん断応力を測定する線状電極とが接続された形状の片面側電極と、
前記片面側電極の方形電極に対応する線状電極と前記片面側電極の線状電極に対応する線状電極とを有する対面側電極と、
前記片面側電極の線状電極と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とを揃わせて対面させた状態で、該片面側電極と該対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、
接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と該方形電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は線部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の線状電極と前記圧力変換素子と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、
ブリッジ回路の隣接する２辺に前記接触圧力測定部及び前記せん断応力測定部が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗が各々配置されて２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項７】
前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置と、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の別の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置とを、各２ゲージ法ブリッジ回路の電源を共通にして重ね合わせたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれかに記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記接触圧力測定部に隣接する辺に配置された固定抵抗の電圧は該接触圧力測定部の抵抗の変化の影響を受けるという測定原理に基づき、該固定抵抗の電圧と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該固定抵抗の電圧から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサ装置において、該センサ装置を構成する各電極は銅薄膜を貼り付けられたポリイミドフィルムをエッチング処理することにより作製することを特徴とするセンサ装置。
【請求項１０】
請求項７記載のセンサ装置を複数個接続して所定の配置を行ったことを特徴とする接触圧力及びせん断応力の分布測定装置。
【請求項１】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の対向する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部と、別の対向する２辺に各々配置されたせん断応力を測定するせん断応力測定部とを備えた４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、
接触圧力を測定する方形電極とせん断応力を測定する櫛型電極とが一端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた片面側電極と、
２つの櫛型電極が１端で接続された形状の電極と該電極に点対称な形状の電極とを対向させた対面側電極と、
櫛型電極の櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極と前記対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、
接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は櫛部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の櫛型電極と前記圧力変換素子と前記対面側電極の櫛型電極とにより構成し、
ブリッジ回路の対向する２辺に前記接触圧力測定部が各々配置され、別の対向する２辺に前記せん断応力測定部が各々配置されて４ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該４ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を切った状態で測定された前記接触圧力測定部における電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記４ゲージ法ブリッジ回路への入力電圧を印加した状態で測定された前記接触圧力測定部における電圧により電気抵抗を得るという測定原理に基づき、該電気抵抗と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該接触圧力測定部における電気抵抗から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、ブリッジ回路の隣接する２辺に各々配置された接触圧力を測定する接触圧力測定部及びせん断応力を測定するせん断応力測定部と、他の隣接する２辺に各々配置された固定抵抗とを備えた２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加され、前記接触圧力測定部では接触圧力による電気抵抗変化のみが生じ、前記せん断応力測定部では接触圧力による電気抵抗変化及びせん断応力による電気抵抗変化が生じた場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項６】
接触圧力及びせん断応力を測定するセンサ装置であって、該センサ装置は、
接触圧力を測定する方形電極と２次元平面の一次元方向を向いたせん断応力を測定する線状電極とが接続された形状の片面側電極と、
前記片面側電極の方形電極に対応する線状電極と前記片面側電極の線状電極に対応する線状電極とを有する対面側電極と、
前記片面側電極の線状電極と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とを揃わせて対面させた状態で、該片面側電極と該対面側電極との間に挟み込まれた導電性で薄膜状の圧力変換素子とを備え、
接触圧力を測定する接触圧力測定部は対面させた前記片面側電極の方形電極と前記圧力変換素子と該方形電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、せん断応力を測定するせん断応力測定部は線部分を揃わせて対面させた前記片面側電極の線状電極と前記圧力変換素子と該線状電極に対応する前記対面側電極の線状電極とにより構成し、
ブリッジ回路の隣接する２辺に前記接触圧力測定部及び前記せん断応力測定部が各々配置され、別の隣接する２辺に固定抵抗が各々配置されて２ゲージ法ブリッジ回路を構成し、接触圧力およびせん断応力が無印加状態における４辺の電気抵抗は等しいものであり、
前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧には接触圧力による影響が排除されているという測定原理に基づき、該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧とせん断応力との関係を求めておき、該関係により該２ゲージ法ブリッジ回路の出力電圧から該せん断応力測定部におけるせん断応力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項７】
前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置と、前記片面側電極の線状電極の向きが２次元平面の別の一次元方向を向いた請求項６記載のセンサ装置とを、各２ゲージ法ブリッジ回路の電源を共通にして重ね合わせたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれかに記載のセンサ装置において、前記センサ装置に接触圧力及びせん断応力が印加された場合、前記接触圧力測定部に隣接する辺に配置された固定抵抗の電圧は該接触圧力測定部の抵抗の変化の影響を受けるという測定原理に基づき、該固定抵抗の電圧と印加された接触圧力との関係を求めておき、該関係により該固定抵抗の電圧から接触圧力を求めることを特徴とするセンサ装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサ装置において、該センサ装置を構成する各電極は銅薄膜を貼り付けられたポリイミドフィルムをエッチング処理することにより作製することを特徴とするセンサ装置。
【請求項１０】
請求項７記載のセンサ装置を複数個接続して所定の配置を行ったことを特徴とする接触圧力及びせん断応力の分布測定装置。
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１】
【図２】
【図３（Ａ）】
【図３（Ｂ）】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１】
【図２】
【図３（Ａ）】
【図３（Ｂ）】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２０１２−５８１５９（Ｐ２０１２−５８１５９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３６２１（Ｐ２０１０−２０３６２１）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 日本機械学会東北支部第４５期総会・講演会、社団法人日本機械学会東北支部主催、平成２２年３月１２日開催
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 日本機械学会東北支部第４５期総会・講演会、社団法人日本機械学会東北支部主催、平成２２年３月１２日開催
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【Ｆターム（参考）】
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