柔軟接触型荷重測定システム
【課題】小形・軽量化が容易な簡潔・薄型構造で設計の自由度及び高温環境下での安定性を有し、荷重分解能が良く、高温環境下でも安定して接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出できる柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムを提供する。
【解決手段】本発明の柔軟接触型荷重測定システム１は、荷重を受ける柔軟弾性接触部２及び柔軟弾性接触部が直接接して荷重を検出する荷重検出層３、３Ｘ、３Ｙを備える柔軟接触型荷重センサ１、１Ｘ、１Ｙを有し、荷重検出層は、電極が形成された一対の基板３１、３２及びその電極間に挟持され、電圧印加下で荷重を負荷することで電気抵抗値が変化する特性を備えたカーボン系や金属系を含む導電性複合材料の導電性部材３３、３３Ｙを有し、一方又は双方の基板は導電性部材３３Ｙにより電極を兼ねて一体的に形成された構成に置換えできる。
【解決手段】本発明の柔軟接触型荷重測定システム１は、荷重を受ける柔軟弾性接触部２及び柔軟弾性接触部が直接接して荷重を検出する荷重検出層３、３Ｘ、３Ｙを備える柔軟接触型荷重センサ１、１Ｘ、１Ｙを有し、荷重検出層は、電極が形成された一対の基板３１、３２及びその電極間に挟持され、電圧印加下で荷重を負荷することで電気抵抗値が変化する特性を備えたカーボン系や金属系を含む導電性複合材料の導電性部材３３、３３Ｙを有し、一方又は双方の基板は導電性部材３３Ｙにより電極を兼ねて一体的に形成された構成に置換えできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な対象物に作用する荷重を検出するための柔軟接触型荷重測定システムに関し、特に、荷重分解能が良く、小型化が図れ、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な設計の自由度がある柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、質量やトルクなどの物体に作用する力を検出するための荷重センサは、秤や各種試験機、自動車部品やその他の産業界など多くの分野で利用されている。
【０００３】
また、荷重センサの方式、種類についても、ばねを用いたエレベータの荷重検出装置や、ピエゾ素子を用いた荷重測定装置など、様々なものが存在する。
【０００４】
そして、歪みゲージを用いたロードセルは、荷重を電気信号に変換する荷重変換器であり、荷重検出後のデータ処理が容易であること、また安価で一般的に高寿命であることから、体重計や荷重センサとして広く用いられている。ロードセルには、その用途ごとに、ビーム型、ダイヤフラム型などいくつか種類が存在する。また、その材料には一般的に、鉄、ステンレス、アルミなどの金属が用いられている。
【０００５】
荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでにシート状センサ装置やタイヤの接地荷重分布検出装置など幾つか提案されている。
【０００６】
また、荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に精密な作業が必要になる場合などは、荷重センサに加わる荷重から、垂直成分と水平成分とをそれぞれに検出して、荷重のベクトルを高精度に測定する必要があり、そのための方式についても歪みゲージを用いた三次元荷重分布センサや三軸方向荷重センサなど幾つか提案されている。
【０００７】
荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでに感圧導電性インク、感圧導電性ゴムなどの感圧抵抗体を用いたセンサシート（例えば特許文献１参照）など幾つか提案されている。
【０００８】
一方、近年、各種の工場などでは人間とロボットの共同作業によって製品が製造されていることから、作業中に人間とロボットが接触する恐れがある。ロボットの表面、特にロボットアーム部の表面は金属製のボディーで形成されているため、人と接触すると危険である。また、人手不足、作業効率の向上などの理由から、今後、医療や福祉等今までロボットが使川されなかった分野においてもロボットが使用されることは当然に予想され得ることであり、今後ロボットと人間が接触する頻度が一層増えつつある。
【０００９】
人間とロボットが、もし予想外に接触した場合に、ロボットが荷重、荷重位置、荷重方向等を検出できないまま動き続ければ、人間に危害を加えることになる。そこで、人間とロボットが接触した揚合でも安全であり、かつ、接触した際の接触荷重を検出するセンサをロボットアーム部の表面に設けることが従来から提案されている。
【００１０】
そのようなセンサの１つとして、本発明者らは、ロボットのアーム、ボディー、手先部等の作用力を検出する力覚センサとして、特にロボット、医療用ベッドなどの物体表面に固着させることによって、人体などの柔軟な接触体との接触時に柔軟変形すると同時に、接触体から物体表面に作用する接触荷重（３軸方向の力）の大きさ及びその荷重方向を検出可能な柔軟接触型荷重測定センサ（特許文献２参照）を提案している。
【００１１】
さらに、食品用ロボット、医療用ロボット、産業用ロボット、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等の利用に供し得る、感圧素子を用いた触覚センサ（特許文献３参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２０９３８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８７５０２号公報
【特許文献３】特開２００８−１６４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上記特許文献１に記載のセンサシート２０１は、図２４に示すように、帯状であり且つ互いに離隔するように配置された複数の第１電極２１１が配置された基板２１０と、基板２２０の上方に配置された支持部材２３０と、支持部材２３０及びカバー層２３１よりも硬い材質からなる複数の円柱形状のコア部材２４０と、外部から加えられる力を受ける平坦な（凹凸のない）カバー層２３１と、基板２１０の上面に形成された帯状であり且つ互いに離隔すると共に平面視において複数の第１電極２１１と交差するように配置されており、外部から加えられる力に伴って第１電極２１１に近接する方向に変位可能である複数の第２電極２２１と、複数の第１電極２１１と複数の第２電極２２１とをそれぞれ覆うように配置された複数の感圧抵抗体２１２、２２２と、を備えており、部品点数が多く煩雑な構成となっている。
【００１４】
このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成のセンサシート２０１は、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。
【００１５】
また、特許文献２に記載の柔軟接触型荷重測定センサは、図２５（ａ）、（ｂ）に示すように、接触体側に配置される弾性体３０１及びスキン層３０３からなる層と、物体側に配置される荷重測定層３０２とを具備し、荷重測定層３０２は、可撓性を有する弾性体３０１側の基板３０２Ａと、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板３０２Ｂと、基板３０２Ａの下面に形成されマイクロスイッチＳをオン状態とする電極３０５と、電極３０５と対向する基板３０２Ｂの上面に形成されたマイクロスイッチＳの端子３０６と、からなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチＳの位置に基づいて、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出するユニットとなるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、部品点数が多く煩雑な構成となっている。図中、３０７は直流電源、３０８は抵抗、３０９は試験台、３１０ ロードセルである。
【００１６】
このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成の柔軟接触型荷重測定センサは、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。さらに、柔軟接触型荷重測定センサは、荷重に応じてマイクロスイッチＳがＯＮ−ＯＦＦ反応することを利用して荷重を検出するように構成しているため、荷重分解能があまりよくはなく荷重測定値が階段状になるとともに、マイクロスイッチＳ用の配線が煩雑になる等々の問題点がある。
【００１７】
さらに、特許文献３に記載の触覚センサ４１０は、図２６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、硬質材料で形成され、変位可能な接触子４２０と、この接触子４２０を表面に設け、接触子の変位を検出ポイント４４５で検出して出力する感圧素子４４０とを備え、感圧素子４４０は、シート状に形成した感圧導電シート４４１と、この感圧導電シート４４１の表面に設けた複数の第一電極４４２と、第一電極４４２と感圧導電シート４４１を介して交差するように感圧導電シート４４１の裏面に設けた複数の第二電極４４３とを有するユニットであるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、特に交叉する複数の第一電極４４２及び第二電極４４３の部品点数が多く煩雑な構成となっている。
【００１８】
このような構成の触覚センサ４１０は、各センサセルが互いに異なる複数の方向に対応した多数の櫛型又は平行電極（複数の交叉する第１電極４４２及び第２電極４４３）を有しているので、小型化が難しいとともに、特に多数のセンサセルが近接するように配置した場合には、多数の第１電極４４２及び第２電極４４３の全てからリード線を引き出すことは非常に困難である。また、各センサセルの構成が煩雑であり、センサセルの密度を高める場合の効率が非常に悪い。さらに、各センサセルで検出した荷重をその大きさに比例した電圧に変換する場合に、全ての接触抵抗に対して１：１の比率で抵抗を電圧に変換するＲ／Ｖ変換回路が必要となり、変換回路が大がかりなものとなり、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなる等々の問題点がある。
【００１９】
また、特許文献１に記載のセンサシート２０１及び特許文献３に記載の触覚センサ４１０は、いずれも外部からの荷重の互いに異なる複数方向に対応した成分を正確に検出可能なように、それぞれコア部材２４０、接触子４２０を硬質材料で形成する必要があり、それぞれ感圧抵抗体２１２、２２２を有する荷重検出層、感圧素子４４０に簡易化し直接柔軟性物質を接触させて荷重を検出することができないという基本的な問題点がある。
【００２０】
さらに、上記特許文献に記載等の従来の荷重センサは、いずれも耐熱性が一つの弱点となっている。例えば、一般的な歪ゲージを用いたロードセルなどのセンサは使用温度範囲の上限値が４０℃から６０℃程度であり、それよりも高い温度条件下での荷重測定が必要なケースが増えつつある。
【００２１】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡潔な小形・軽量構造で設計の自由度を有し、荷重分解能が良く、高温環境を含む様々な環境下でも安定して接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することができる柔軟接触型荷重測定センサを有する柔軟接触型荷重測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するため、本発明の柔軟接触型荷重測定システムは、電気絶縁材料からなるスキン層を介して測定対象物と接触し荷重を受けるように配置された、柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部と、前記柔軟弾性接触部が直接接触するように配置されて前記荷重を検出する荷重検出層とを備える柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムであって、前記荷重検出層は、電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた、カーボン系あるいは金属系を含む導電性複合材料からなる導電性部材と、を有し、前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板は、前記導電性部材により電極を兼ねて一体的に形成された構成に置き換えが可能であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記導電性部材は、グラッシーカーボン（以下、ＧＣという）を含む導電性複合材料からなることを特徴とする。
【００２４】
また、前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の均等に分割され配置されることを特徴とする。
【００２５】
また、前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板が、前記電極と一体的に構成されることを特徴とする。
【００２６】
また、前記柔軟弾性接触部は、球状、半球状、柱体状、切頭錐体状のうちのいずれかの形状に形成されることを特徴とする。
【００２７】
また、前記柔軟接触型荷重センサは、前記柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットが複数連設されてなることを特徴とする。
【００２８】
さらに、前記柔軟接触型荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から前記任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けられることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサは、例えばグラッシーカーボン（ＧＣ：Ｇｌａｓｓ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）又はグラッシーカーボン（ＧＣ）を含む例えば気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ：Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）を添加したＧＣ／ＶＧＣＦなどの導電性複合材料からなる導電性部材が有する性質のうち、６０℃さらには１０００℃を超える環境下でも安定しているという耐熱性、及び電圧を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値が変化するという性質を利用したものである。したがって、このような性質を有する物質であれば、どの物質であっても本発明の柔軟接触型荷重センサの導電性部材として使用することが可能である。
【００３０】
また、本発明に係る柔軟接触型荷重センサに用いられる電極は、十分な導電性及び前記耐熱性を有している限り、材料に特に限定されない。
【００３１】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサに用いられる電極が形成された基板は、前記耐熱性を有し電極の固定が可能なものであれば、材料に特に限定されない。さらに、基板自体を金属あるいはＧＣを含む導電性複合材料などからなる導電性部材で作製し、前記電極と一体化させ電極を兼ねた導電性部材の構成に置き換える形態とすることもできる。
【００３２】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサにおいては、電極が形成された一対の基板のうちの一方又は双方の電極を例えば４等分などの複数に分割して、前記分割された電極をそれぞれゾーンα、β、γ、δ・・・などと定義して区別する。荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されたときには、前記各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧が変化する。これを利用して、各ゾーンの電圧変化の関係から前記柔軟接触型荷重センサに負荷される任意荷重Ｐを水平成分であるせん断荷重Ｐｔと、垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して測定することが可能になる。また、前記電極の分割数を増やすことにより、各ゾーンの電圧変化の分解能を向上させ、これにより、詳細な荷重分布を正確に測定することが可能になる。
【００３３】
さらに、せん断荷重Ｐｔと、垂直荷重Ｐｎの測定には、各ゾーンの電圧変化の検出値を用いての演算処理が必要となるため、この演算処理を行うための、演算処理手段乃至制御手段を有する演算処理システムの一部又は全体を前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、電極が形成された一対の基板と、一対の基板の電極間に挟持されたグラッシーカーボンを含む導電性複合材料などの耐熱性及び電圧を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値が変化するという特性を兼ね備えた導電性部材と、を有する簡潔な構成の柔軟接触型荷重センサにより、小形・軽量化が容易で設計の自由度を有し、例えば６０℃さらには１０００℃を超える高温環境を含む様々な環境下で安定して対象物に加わる荷重Ｐのうち、水平荷重Ｐｔと垂直荷重Ｐｎとをそれぞれに分離して荷重分解能が良く、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な柔軟接触型荷重測定システムを提供できる効果がある。
【００３５】
さらに、本発明の構成によると、外部から加えられた荷重の互いに異なる複数方向に対応した成分が、柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットの複数のゾーンに対応した抵抗値の変化に基づいて検出されるので、各成分を検出するための演算システムが簡略化される効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る一実施形態（実施例１）の柔軟接触型荷重測定システムの概念を示す模式図である。
【図２】図１の柔軟接触型荷重センサの平面図であって、（ａ）はＡ−Ａ線矢視図、（ｂ）はＢ−Ｂ線矢視図である。
【図３】図１の柔軟接触型荷重センサの導電性部材における気相成長炭素繊維の配向（圧延）方向を説明するためのＣ−Ｃ線矢視平面図（模式図）であって、（ａ）は配向（圧延）方向θ＝０°、（ｂ）はθ＝４５°の場合の模式図である。
【図４】本発明に係る柔軟接触型荷重センサを複数のセンサユニットが連設されシート状に形成された実施形態の概念を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】図１の柔軟接触型荷重ゼンサに対し任意の荷重を負荷した状態を説明するための模式図である。
【図６】図１の柔軟接触型荷重ゼンサに対する任意の荷重をベクトル表記した模式図である。
【図７】図６の任意の荷重をベクトル解析して説明するための荷重ベクトル図である。
【図８】図１の柔軟接触型荷重測定システムの模式的な電気回路図である。
【図９】図１の柔軟接触型荷重ゼンサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ（ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係、（ｂ）は垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖとの関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は特許文献２記載の柔軟接触型荷重ゼンサの荷重分解能、（ｂ）は図１の柔軟接触型荷重センサの荷重分解能を示すグラフである。
【図１１】図１の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ再現性、ヒステリシスを示す。
【図１２】図１の柔軟接触型荷重センサの中心からの距離を△ｘとしたとき、ｘ方向へ△ｘ移動させ（図６参照）、その位置で垂直荷重Ｐｎを負荷したときの、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量の総和Ｖの関係を示すグラフである。
【図１３】図１の柔軟接触型荷重センサに垂直荷重を７（Ｎ）負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧変化とせん断荷重Ｐｔの関係、（ｂ）は電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１４】図１の柔軟接触型荷重センサに垂直荷重Ｐｎ＝３〜７（Ｎ）を負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１５】図１４における垂直荷重Ｐｎの変化による傾きＫの関係を表したグラフである。
【図１６】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明に係る柔軟接触型荷重センサの変形実施形態の柔軟弾性部を模式的に示す斜視図である。
【図１７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明に係る柔軟接触型荷重センサの変形実施形態の上部電極を模式的に示す平面図である。
【図１８】（ａ）は本発明に係る別の実施形態（実施例２）の柔軟接触型荷重センサの垂直荷重測定の構成を概念的に説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線矢視平面図である。
【図１９】図１８の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧Ｖｍ（ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係、（ｂ）は各ソーンの電圧変化量ｄＶｍと垂直荷重Ｐｎとの関係を示すグラフである。
【図２０】図１８の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ再現性、ヒステリシスを示す。
【図２１】図１８の柔軟接触型荷重センサの導電性部材としてＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦとＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを用いたときにそれぞれ垂直荷重Ｐｎを負荷した時の電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図２２】本発明に係るさらに別の実施形態（実施例３）の柔軟接触型荷重センサの垂直荷重測定の構成を概念的に説明するための模式図である。
【図２３】図２２の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧Ｖｍ変化と垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれヒステリシス、再現性を示す。
【図２４】従来（特許文献１）のセンサシートの概略構成を示す模式図である。
【図２５】（ａ）は従来（特許文献２）の柔軟接触型荷重測定センサのテスト時の概略構成を示す模式図、（ｂ）は（ａ）の柔軟接触型荷重測定センサの基板に形成した模式的な電気回路図である。
【図２６】（ａ）は従来（特許文献３）の触覚センサの一例を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の接触子に垂直荷重Ｆが加わった場合の接触子の変位を説明する概略図、（ｃ）は（ａ）の接触子に水平荷重Ｆが加わった場合の接触子の変位を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の柔軟接触型荷重測定システムを実施するための形態の具体例を、添付図面を参照しながら説明する。これらの添付図中、実施例１乃至３における構成部材の一部形状が異なっていても同じ部材には同一の符号を付してある。
【実施例１】
【００３８】
本発明に係る一実施形態による実施例１の柔軟接触型荷重測定システム１は、図１に概念的に示すように、電気絶縁材料のスキン層４を介して測定対象物例えば人体などと接触する柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部２を備え、この柔軟弾性接触部２に作用する荷重Ｐを測定する柔軟接触型荷重センサ１を有する。
【００３９】
実施例１の柔軟接触型荷重センサ１は、柔軟弾性接触部２と、荷重検出層３と、スキン層４とからなる。なお、以下においては、柔軟接触型荷重センサ１を例えば図示しないロボットアーム部の表面に取付けた場合をー例として説明する。
【００４０】
荷重検出層３はロボットアーム部側、スキン層４は人体などの接触する測定対象物側にそれぞれ配置され、柔軟弾性接触部２は荷重検出層３とスキン層４との間に直接接触するように配置し挾持される構造になっている。
【００４１】
柔軟弾性接触部２は、液体シリコンと硬化剤を９：１の質量比でシンナーも混合し、柔軟性があり弾性復帰力（復元性）を有している。シンナーを添加することで、柔軟弾性接触部２のヤング率を変えることができる。この実施例の柔軟弾性接触部２は、シンナーを質量比で４０％添加しており、ヤング率は０．４０４ＭＰａ、 ポアソン比は０．４９２で、直径１０ｍｍの球体形状である。なお、柔軟弾性接触部２の材質は上記した材質に限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の高分子材料が適用可能である。
【００４２】
荷重検出層３は、上部基板３１と、下部基板３２と、導電性部材３３と、固定用フィルム３４とからなり、上部基板３１と下部基板３２とにそれぞれ形成された電極の間に導電性部材３３が挟持され、固定用フィルム３４で固定し構成される。
【００４３】
上部基板３１には、ポリイミド製のフレキシブル基板を使用し、エッチング処理することにより、図２（ｂ）に示すような９０度毎四方に配置された４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δ（以上まとめて第１の電極部）が上部基板３１下面上に設けられている。他方、下部基板３２にはガラスエポキシ製のポジ感光基板を使用し、エッチング処理をすることにより下部基板３２上面上には下部電極３２Ａ（第２の電極部）が設けられている。なお、上部基板３１と下部基板３２とを天地逆転させた変形形態、すなわち、図中上側に一面電極を有する下部基板３２、下側には４つに分離された電極３１α、３１β、３１γ、３１δが配置された上部基板３１としてもよい。
【００４４】
導電性部材３３には、ＰＣ（ポリカーボネート）に気相成長炭素繊維（昭和電工製の「ＶＧＣＦ」（登録商標））を例えば２０ｗｔ％添加させた複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用している。ＰＣ粉末と気相成長炭素繊維をペレット状にし、圧延することで気相成長炭素繊維が配向する。
【００４５】
次いで、この気相成長炭素繊維の配向方向（圧延方向）について図３を参照して説明する。図３には、上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δと、導電性部材３３における気相成長炭素繊維の配向方向（図中の矢印方向）の関係が図示されており、図３（ａ）は配向方向θ＝０°の状態、（ｂ）は配向方向θ＝４５゜の状態を示している。同図（ａ）においては、上部電極３１α、３１γ下方における配向方向と、上部電極３１β、３１δ下方における配向方向が９０度異なり、その結果、上部電極間において気相成長炭素繊維の量が異なってしまう。そこで、この実施例の柔軟接触型荷重センサ１においては、気相成長炭素繊維の量を一致させるために、同図（ｂ）のように配向方向をθ＝４５°としている。
【００４６】
また、この実施例においては、導電性部材３３の四角形サイズは、１２ｍｍｘ１２ｍｍとしている。なお、柔軟弾性接触部２は何ら荷重が加わっていない状態においては、基準位置、すなわち４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δの延長線が交差する部分の上方すなわち荷重検出層３の中心上に中心軸を一致させ配置されている。
【００４７】
また、導電性部材３３の材質としては、上記に限定されず例えば下記表に示すものも適用可能である。
【表１】
なお、複合材料中に添加される形状としては、フレーク状、粉末状、繊維状などが適用可能である。
【００４８】
さらに、導電性部材３３として、グラッシーカーボン及びＧＣに気相成長炭素繊維を添加した複合材料ＧＣ／ＶＧＣＦ、例えば、ＧＣに、ＶＧＣＦを質量比で１２ｗｔ％添加したＧＣ／１２ｗｔ％ＶＧＣＦなどを用いることもできる。ＧＣ／ＶＧＣＦは、グラッシーカーボンと同様、高温で使用可能な導電性部材として有効である。
【００４９】
柔軟弾性接触部２とスキン層４及び荷重検出層３とは接着剤で接続されており、例えば、エポキシ系、シアノアクリレート系の接着剤等が適用可能である。
【００５０】
柔軟接触型荷重センサ１に設置された柔軟弾性接触部２に任意荷重Ｐが負荷されたとき、各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）が変化する。これにより、各ゾーンの電圧変化の関係から柔軟弾性接触部２に負荷される任意荷重Ｐを水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して測定することができる。
【００５１】
せん断荷重Ｐｔ及び垂直荷重Ｐｎの測定には、各ゾーンの電圧検出値を用いての演算処理が必要となるため、この実施例の柔軟接触型荷重測定システム１０は、各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）を検出する電圧検出手段１２０と、この電圧検出手段１２０からの電圧検出値を取込んで演算処理を行うための演算処理手段（又は制御手段）１１０と、上部電極３１と下部基板５０に形成された電極５１への電圧を供給する安定化電源１３０とを有する演算処理システム１００を備えている。演算処理システム１００のこれら一部の手段又は全体は、柔軟接触型荷重センサ１の構成の一部として、柔軟接触型荷重センサ１の内部又は／及び外部に設けてもよい。
【００５２】
以上、柔軟接触型荷重センサ１の柔軟弾性接触部２及び荷重検出層３がそれぞれ１つからなるセンサユニットについて説明したが、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、このセンサユニットを複数配置し連設してシート状に形成することにより、大面積の荷重を測定することも可能となる。
【００５３】
（荷重測定の原理）
次に、上記のような構造の本発明に係る柔軟接触型荷重センサ１の荷重測定の原理について図５〜８を参照して説明する。なお、以下において荷重Ｐ及びＰに下付き文宇が付加されたものは、ベクトル表記である。
【００５４】
柔軟接触型荷重センサ１に負荷される任意の荷重Ｐは、図５に模式的に示すように、垂直方向の荷重Ｐｎとせん断方向の荷重Ｐｔに分離することができる。なお、図中、Ｚ軸が荷重検出層３の中心軸であり、柔軟弾性接触部２の基準位置である。
【００５５】
次に、荷重Ｐは大きさと方向を持つことから、図６及び７を参照して、柔軟接触型荷重センサ１に対する任意の荷重Ｐをベクトル表記により説明する。
【００５６】
柔軟接触型荷重センサ１は、荷重Ｐを負荷することにより導電性部材３３の抵抗値が変化することを利用し、その結果、上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δと下部電極３２Ａとの間に電圧変化が生じ、この電圧変化を検出することにより接触荷重Ｐの大きさ及び方向を測定するものである。したがって、図６においては、この電圧変化が生ずる部分である、上部電極３１αと下部電極３２Ａとの間、上部電極３１βと下部電極３２Ａとの間、上部電極３１γと下部電極３２Ａとの間及び上部電極３１δと下部電極３２Ａとの間を、それぞれαゾーン、βゾーン、γゾーン及びδゾーンと表記する。また、図示の通り、各ゾーンの対角線上にｘ軸とｙ軸を定義し、荷重検出層３に対して垂直方向にその中心軸となるｚ軸を定義する。
【００５７】
α〜δソーンでの任意の荷重ベクトルをそれぞれＰα、Ｐβ、Ｐγ、Ｐδとすると、柔軟接触型荷重センサ１に負荷される任意の荷重ベクトルＰは、下記式（１）のように表記することができる。
【数１】
【００５８】
そこで、αゾーンを例にとると、荷重ベクトルＰαはｘ方向、ｚ方向の荷重ベクトルである。αゾーン荷重ベクトルＰαが負荷され、αゾーンの電圧がｄＶα変化したとする。ｘ、ｙ、ｚ方向の単位ベクトルをそれぞれｉ、ｊ、ｋとすると荷重ベクトルＰαは下記式（２）のように表わすことができる。すなわち、各ゾーンの電圧変化は、ｘ、ｙ、ｚ方向を持った荷重による電圧変化であるため、電圧変化をｘ、ｙ、ｚの座標点と考えるのである。
【数２】
【００５９】
同様にβゾーン、γゾーン、δゾーンについても考えると、荷重ベクトルＰβ、Ｐγ、Ｐδは下記［式３］のように表せる。
【数３】
【００６０】
式（１）、（２）、（３）から、任意の荷重Ｐは式（４）のように表わせる。
【数４】
【００６１】
これより、垂直方向の荷重ベクトルをＰｎ、せん断方向の荷重ベクトルをＰｔとすると、それぞれ式（５）、（６）のように表わせる。
【数５】
【数６】
【００６２】
したがって、垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔは、これらの関係を明らかにすることで求めることができ、その大きさはそれぞれ式（７）、（８）のように表わせる。
【数７】
【数８】
【００６３】
柔軟接触型荷重センサ１は、抵抗値Ｒ＝１００Ωの固定抵抗を荷重検出層３の下部基板３２の各ゾーンにそれぞれ接続し、図８に模式的に示すように、並列に構成した電気回路で表すことができる。また、導電性部材３３は、いずれも荷重Ｐが負荷されると電気抵抗値が変化するため、可変抵抗Ｒα、Ｒβ、Ｒγ、Ｒδと考えることができ、図６の電気回路図のように表すことができる。各ゾーンの電圧をＶα、Ｖβ、Ｖγ、Ｖδとした柔軟接触型荷重センサ１は安定化電源を用いて回路に初期電圧を流しているため、初期電圧をＶ０とし、各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）を式（９）のように表わす。また、各ソーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを式（１０）のように表し、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの電圧変化△Ｖの関係を式（１１）のように表わす。
【００６４】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【００６５】
（垂直荷重の測定例）
次に、柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷し、垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化の関係を調べた。
【００６６】
卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用いて荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とした。電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝９（Ｖ）一定に制御した。柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重（Ｎｏｒｍａ１ Ｌｏａｄ）Ｐｎを負荷したときの各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係を図９（ａ）のグラフに、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和（Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｎｇｅ）Ｖとの関係を図９（ｂ）のグラフ示す。柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷しているため、各ゾーンで電圧変化量ｄＶｍが一致していることがわかる。
【００６７】
また、このときの垂直荷重Ｐｎと時間（Ｔｉｍｅ）の関係である荷重分解能を図１０（ｂ）に示す。ここで比較のため、特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの荷重分解能を図１０（ａ）に示す。
【００６８】
特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサは、複数のマイクロスイッチをＯＮ−ＯＦＦすることで荷重を検出するため階段状のグラフになり、荷重分解能が劣っていることが明白である。
【００６９】
―方、本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１は、スイッチをＯＮ−ＯＦＦすることで荷重を測定する構成ではなく、導電性部材３３を使用し荷重Ｐｎを加えた際の連続的な抵抗変化を検出することにより荷重測定を行なうことから、階段状にはならず滑らかに変化しているグラフとなっている。この結果から、本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１は、特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサに比して荷重分解能が良く、しかも、荷重分解能は市販のロードセルと略同じであることが分かる。また、アンプ（増幅器）を使用していないのでノイズも生じない。
【００７０】
本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図１１（ａ）に示す。垂直荷重増加時と減少時とで差異はほとんどなくヒステリシスが小さいことがわかる。
【００７１】
柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを４回（１ｔｈ〜４ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係の再現性を図１１（ｂ）のグラフに示す。同図から、４回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加により電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【００７２】
本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心からの距離を△ｘとしたとき、ｘ方向へ△ｘ移動させた位置で垂直荷重Ｐｎを負荷したときの、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係を図１２のグラフに示す。△ｘをそれぞれ０．０（荷重検出層３の中心）、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍと変化させて電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの測定を行った。その結果、垂直荷重Ｐｎの負荷される位置が変化しても電圧変化に違いは見られない。したがって、任意の荷重が負荷され、せん断荷重Ｐｔにより柔軟弾性接触部２が荷重検出層３の中心から移動しても正確に垂直荷重Ｐｎを測定できることがわかった。
【００７３】
以上の本発明の柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎが負荷されたときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を最小二乗法により式（１２）を求めた。式（１２）に各ソーンで得られた電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを代入することで垂直荷重Ｐｎを測定できる。なお、本発明の柔軟接触型荷重センサ１の荷重分解能は０．０５Ｎであり、市販のロードセルと同様の分解能であった。
【数１２】
【００７４】
（せん断荷重の測定例）
次いで、垂直荷重Ｐｎをそれぞれ３〜７［Ｎ］負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷し、垂直荷重Ｐｎがせん断荷重Ｐｔに及ぼす影響について調べた。せん断荷重Ｐｔはα方向からγ方向へ負荷した。せん断荷重負荷速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ、せん断距離は２．０ｍｍで負荷した。
【００７５】
垂直荷重を７［Ｎ］負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの結果を図１３（ａ）、（ｂ）に示し、同図（ａ）はせん断荷重（Ｓｈｅａｒｉｎｇ ｌｏａｄ）Ｐｔを負荷させたときの各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）とせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフであり、（ｂ）はせん断荷重Ｐｔを負荷させたときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの開係を示すグラフである。このグラフから、せん断荷重Ｐｔにより、各ソーンで電圧が変化していることが分かる。
【００７６】
垂直荷重Ｐｎ＝３〜７［Ｎ］を負荷し、せん断荷重Ｐｔを負荷させたときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を図１４に示す。垂直荷重Ｐｎの増加に従い、せん断荷重Ｐｔと電圧変化△Ｖの関係は緩やかになる傾向を示している。電圧変化△Ｖは２次的に増加していることがわかり、この曲線の傾きをＫとし、式（１３）の関係を得た。また、垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの間には一定の傾向が見られ、負荷する垂直荷重Ｐｎが大きくなるほど変化が緩やかになる傾向を示す。
【数１３】
【００７７】
図１４における垂直荷重Ｐｎの変化による傾きＫ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｋ）の関係を図１５に示す。傾きＫは、式（１４）の関係があり、式（１３）、（１４）から式（１５）を得た。図１５中の実線は実験結果から得られた計算式である。以下の関係式に電圧変化量ｄＶを代入することでせん断荷重Ｐｔを求めることができる。
【数１４】
【数１５】
【００７８】
以上をまとめると、本発明に係る一実施形態による実施例１の柔軟接触型荷重センサ１では、以下のような結果が得られた。
（１）ヒステリシスが小さい。
（２）負荷された荷重Ｐをベクトルとして検出でき、垂直荷重Ｐｎベクトルと水平荷重Ｐｔベクトルに分離することができた。また中心から離れて垂直荷重Ｐｎが負荷されても、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量の総和Ｖの関係は変わらず、電圧変化量ｄＶとせん断荷重Ｐｔは２次的な関係にあった。
（３）荷重検出層３に例えばＰＣ（ポリカーボネート）に気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を添加させた複合材料を使用し、ヤング率０．４０４ＭＰａ、直径１０ｍｍの柔軟弾性接触部２を用いることで、小型で柔軟な柔軟接触型荷重センサ１が実現でき、荷重分解能は市販されているロードセルと同じであった。なお、柔軟接触型荷重センサ１の柔軟弾性接触部２及び荷重検出層３がそれぞれ１つからなるセンサユニットを多数配置することにより、例えば、ロボットアーム、医療用ベッドなど大面積の荷重測定に使用できる。
【００７９】
なお、上記実施例１においては、柔軟弾性接触部２は球状としたがこれに限定されるものではなく、例えば、図１６（ａ）〜（ｈ）に柔軟弾性接触部２の変形形態例の斜視図を示す（ただし、スキン層は省賂して図示している）ように、半球状、円往・四角柱などの柱体状、切頭円錐・切頭三角錐などの切頭鍾体状などで構成されてもよい。具体的には、図１５（ａ）は柔軟弾性接触部２Ａを半球状とした場合であり、底面２１Ａの中心がＸ、Ｙ、Ｚ軸の交点（原点）となるよう設置される。―方、この変形形態例として、図１５（ｂ）のように天地逆転して設置してもよい。
【００８０】
同様に、図１６（ｃ）には切頭円錐体状の柔軟弾性接触部２Ｂを使用した場合が図示され、底面２１Ｂを荷重検出層３上に設置させた場合である。これを天地逆転して設置した場合、すなわち天面２２Ｂを荷重検出層３上に設置し底面２１Ｂを天面とする変形形態を同図（ｄ）に示している。
【００８１】
図１６（ｅ）は、柔軟弾性接触部２Ｃを円柱状としている構成以外は上記と同様であり、同図（ｆ）は柔軟弾性接触部２Ｄを四角柱状としている。
【００８２】
図１６（ｇ）（ｈ）も、柔軟弾性接触部２Ｅが切頭四角錘とする構成以外は同図（ｃ）、（ｄ）と同様である。
【００８３】
また、上記実施例１においては、上部電極は、９０度毎四方に配置された４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δとしたが、上部電極の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、図１７（ａ）〜（ｇ）に示すような変形形態例が適用可能である。図７（ａ）〜（ｇ）には、複数に分割された上部電極のバリエーションが平面図により図示されており、それぞれを構成する電極の形態は異なるが符号を変更して表記すると複雑化することから、使宜上同一符号（３１Ａ〜３１Ｇ）を付している。
【００８４】
図１７（ａ）及び（ｂ）は、上部電極を２つの電極３１Ａ、３１Ｂから構成するパターンであり、この場合、原則的に荷重の方向はｘ方向のみ検知し得る実施形態である。実施形態によっては、ｘ−ｙの２次元の方向を検知する必要はなく、ｘ方向（あるいはｙ方向）のみの一次元の荷重方向のみを検知すれば足りる場合がある。そのような例として、例えば、ｘ軸プラス方向に荷重が加わった場合には「ＯＮ」とし、ｘ軸マイナス方向に荷重が加わった場合には「ＯＦＦ」とする「スイッチ」として適用した場合には、このセンサは、ＯＮ−ＯＦＦ動作だけでなく、「ＯＮ」あるいは「ＯＦＦ」となったときの荷重の大きさまで測定することが可能となる。なお、図１６（ａ）は、同図（ｂ）に比べて電極３１Ａ、３１Ｂの面積を広くした形態であり、電極の面積を広くした方が荷重の大きさの測定精度は向上する。
【００８５】
図１７（ｂ）及び（ｃ）は、３つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから上部電極を構成した実施形態、同図（ｅ）は４つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄから上部電極を構成した変形実施形態、同図（ｆ）及び（ｇ）は８つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ、３１Ｇ、３１Ｈから上部電極を構成した揚合の実施形態である。２つの電極３１Ａ、３１Ｂだけでは、一次元の荷重方向しか測定できないが、少なくとも３つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを設ければ２次元の荷重方向の測定が可能となり、電極の数が増えれば増えるほど荷重方向の側定精度は向上する傾向にある。
【実施例２】
【００８６】
本発明に係る別の実施形態による実施例２の柔軟接触型荷重センサ１Ｘは、図１８（ａ）に概念的に示すように、柔軟弾性接触部２の形状が直径１０ｍｍ×長さ５ｍｍの円柱状に形成されている点と、荷重検出層３Ｘの導電性部材３３Ｘに、ＰＰ（ポリプロピレン）に３０ｗｔ％の気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を添加させた複合材料ＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用している点を除き、前記実施例１と同様の基本構成である。
【００８７】
（垂直荷重の測定例）
次に、柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷し、垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）変化の関係を調べた。卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用い荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とするなど前記実施例１と同じ条件として、電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝９（Ｖ）一定に制御した。
【００８８】
柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重（Ｎｏｒｍａ１ Ｌｏａｄ）Ｐｎを負荷したときの各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）変化と垂直荷重Ｐｎとの関係を図１９（ａ）のグラフに、電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係を図１９（ｂ）のグラフに示す。柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷しているため、各ゾーンで電圧変化が一致していることがわかる。
【００８９】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを５回（１ｔｈ〜５ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係の再現性を図２０（ａ）のグラフに示す。同図から、５回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加により電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【００９０】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図２０（ｂ）に示す。垂直荷重増加時と減少時とで差異はほとんどなくヒステリシスが小さいことがわかる。
【００９１】
導電性部材３３Ｘに実施例２の複合材料ＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合と前記実施例１の複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合の柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を比較したグラフを図２１に示す。
【００９２】
図２１から導電性部材３３Ｘに複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合に比べてＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合の方が、特に低荷重域における感度が高いことがわかる。
【００９３】
なお、ここでは、せん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層３Ｘを分割することによるせん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【００９４】
また、導電性部材として上記の他、例えば、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などにＶＧＣＦを添加する複合材料も適用できる。
【実施例３】
【００９５】
本発明に係るまた別の実施形態による実施例３の柔軟接触型荷重センサ１Ｙは、図２２に示すように、荷重検出層３Ｙの下部電極と導電性部材３３Ｙを一体として構成した点を除き、前記実施例２と同様の基本構成である。この実施例では、下部電極を兼ねた導電性部材３３ＹとしてＧＣを用いた。
【００９６】
（垂直荷重の測定例）
このように下部電極と導電性部材３３Ｙを一体として前記実施例１、２における下部基板３２を省き構成を簡略化した実施例３の柔軟接触型荷重センサ１Ｙの作用を確認するため、前記実施例２と同様に、以下の通り垂直荷重Ｐｎの測定を行った。卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用いて荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とした。電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝５（Ｖ）一定に制御した
【００９７】
柔軟接触型荷重センサ１Ｙの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧Ｖｍ変化と垂直荷重Ｐｎの関係の一例で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図２３（ａ）に示す。垂直荷重Ｐｎ増加時と減少時とで差異はほとんどなく、ヒステリシスが小さいことがわかる。
【００９８】
また、図２３（ａ）から、垂直荷重Ｐｎが増加すると、前記実施例１、２と同様に、電圧Ｖｍが減少していることが認められる。
【００９９】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｙの中心に垂直荷重Ｐｎを５回（１ｔｈ〜５ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧Ｖｍの関係の再現性を図２３（ｂ）のグラフに示す。同図から、５回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加に従い電圧Ｖｍは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【０１００】
したがって、この実施例の柔軟接触型荷重センサ１Ｙは、一方又は双方の電極と導電性部材３３Ｙとを一体として構成された場合であっても、柔軟接触型荷重センサとして適用が可能であると認められる。
【０１０１】
なお、この実施例でも、せん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層３Ｙを分割することによるせん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【０１０２】
こように、導電性部材３３Ｙが電極の機能も兼ね備える構成により、構造が一層簡潔化され小形・軽量化された柔軟接触型荷重センサ１Ｙを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る柔軟接触型荷重測定システムは、高い耐熱性を有していながら、高温環境を含む様々な環境下で安定して荷重分解能が良く、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な柔軟接触型荷重センサを有するため、あらゆる分野のロボット関係、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等を含む広範な産学会分野に利用することが可能である。また、本発明に係る柔軟接触型荷重センサは簡潔な構造で小型・軽量化、薄型化が容易なため設計の自由度を有し、例えば生体を扱う場合のような、繊細な作業が必要な様々な医療分野等にも、機器の精度を落とすことなく、好適に利用が可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１、１Ｘ、１Ｙ；柔軟接触型荷重センサ
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｘ；柔軟弾性接触部
３、３Ｘ、３Ｙ；荷重検出層
４；スキン層
１０；柔軟接触型荷重測定システム
３１；上部基板
３１α、３１β、３１γ、３１δ；上部電極（纏めて、第１の電極部）
３２；下部基板
３２Ａ；下部電極
３３、３３Ｘ、３３Ｙ；導電性部材
３４；固定用フィルム
１００；演算処理システム
１１０；演算処理（又は制御）手段
１２０；電圧検出手段
１３０；安定化電源
ｄＶｍ；（ｍ＝α、β、γ、δ） （各ゾーンの）電圧変化量
ＧＣ；グラッシーカーボン
Ｐ；任意荷重
Ｐｍ； （ｍ＝α、β、γ、δ） 各ゾーンに負荷される荷重
Ｐｎ；垂直荷重
Ｐｔ；せん断荷重（水平荷重）
Ｒ；（電気）抵抗（抵抗値）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４；（各ゾーンの抵抗）可変抵抗
Ｖ；電圧変化量の総和
Ｖ０；初期電圧（電源電圧）
ＶＧＣＦ；気相成長炭素繊維
Ｖｍ；（ｍ＝α、β、γ、δ） 各ゾーンの（上部及び下部電極間の）電圧
Ｖｍ０；（ｍ＝１、２、３、４） 各ゾーンの初期電圧
ΔＶ；電圧変化
θ；（気相成長炭素繊維の）配向（圧延）方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な対象物に作用する荷重を検出するための柔軟接触型荷重測定システムに関し、特に、荷重分解能が良く、小型化が図れ、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な設計の自由度がある柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、質量やトルクなどの物体に作用する力を検出するための荷重センサは、秤や各種試験機、自動車部品やその他の産業界など多くの分野で利用されている。
【０００３】
また、荷重センサの方式、種類についても、ばねを用いたエレベータの荷重検出装置や、ピエゾ素子を用いた荷重測定装置など、様々なものが存在する。
【０００４】
そして、歪みゲージを用いたロードセルは、荷重を電気信号に変換する荷重変換器であり、荷重検出後のデータ処理が容易であること、また安価で一般的に高寿命であることから、体重計や荷重センサとして広く用いられている。ロードセルには、その用途ごとに、ビーム型、ダイヤフラム型などいくつか種類が存在する。また、その材料には一般的に、鉄、ステンレス、アルミなどの金属が用いられている。
【０００５】
荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでにシート状センサ装置やタイヤの接地荷重分布検出装置など幾つか提案されている。
【０００６】
また、荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に精密な作業が必要になる場合などは、荷重センサに加わる荷重から、垂直成分と水平成分とをそれぞれに検出して、荷重のベクトルを高精度に測定する必要があり、そのための方式についても歪みゲージを用いた三次元荷重分布センサや三軸方向荷重センサなど幾つか提案されている。
【０００７】
荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでに感圧導電性インク、感圧導電性ゴムなどの感圧抵抗体を用いたセンサシート（例えば特許文献１参照）など幾つか提案されている。
【０００８】
一方、近年、各種の工場などでは人間とロボットの共同作業によって製品が製造されていることから、作業中に人間とロボットが接触する恐れがある。ロボットの表面、特にロボットアーム部の表面は金属製のボディーで形成されているため、人と接触すると危険である。また、人手不足、作業効率の向上などの理由から、今後、医療や福祉等今までロボットが使川されなかった分野においてもロボットが使用されることは当然に予想され得ることであり、今後ロボットと人間が接触する頻度が一層増えつつある。
【０００９】
人間とロボットが、もし予想外に接触した場合に、ロボットが荷重、荷重位置、荷重方向等を検出できないまま動き続ければ、人間に危害を加えることになる。そこで、人間とロボットが接触した揚合でも安全であり、かつ、接触した際の接触荷重を検出するセンサをロボットアーム部の表面に設けることが従来から提案されている。
【００１０】
そのようなセンサの１つとして、本発明者らは、ロボットのアーム、ボディー、手先部等の作用力を検出する力覚センサとして、特にロボット、医療用ベッドなどの物体表面に固着させることによって、人体などの柔軟な接触体との接触時に柔軟変形すると同時に、接触体から物体表面に作用する接触荷重（３軸方向の力）の大きさ及びその荷重方向を検出可能な柔軟接触型荷重測定センサ（特許文献２参照）を提案している。
【００１１】
さらに、食品用ロボット、医療用ロボット、産業用ロボット、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等の利用に供し得る、感圧素子を用いた触覚センサ（特許文献３参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２０９３８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８７５０２号公報
【特許文献３】特開２００８−１６４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上記特許文献１に記載のセンサシート２０１は、図２４に示すように、帯状であり且つ互いに離隔するように配置された複数の第１電極２１１が配置された基板２１０と、基板２２０の上方に配置された支持部材２３０と、支持部材２３０及びカバー層２３１よりも硬い材質からなる複数の円柱形状のコア部材２４０と、外部から加えられる力を受ける平坦な（凹凸のない）カバー層２３１と、基板２１０の上面に形成された帯状であり且つ互いに離隔すると共に平面視において複数の第１電極２１１と交差するように配置されており、外部から加えられる力に伴って第１電極２１１に近接する方向に変位可能である複数の第２電極２２１と、複数の第１電極２１１と複数の第２電極２２１とをそれぞれ覆うように配置された複数の感圧抵抗体２１２、２２２と、を備えており、部品点数が多く煩雑な構成となっている。
【００１４】
このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成のセンサシート２０１は、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。
【００１５】
また、特許文献２に記載の柔軟接触型荷重測定センサは、図２５（ａ）、（ｂ）に示すように、接触体側に配置される弾性体３０１及びスキン層３０３からなる層と、物体側に配置される荷重測定層３０２とを具備し、荷重測定層３０２は、可撓性を有する弾性体３０１側の基板３０２Ａと、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板３０２Ｂと、基板３０２Ａの下面に形成されマイクロスイッチＳをオン状態とする電極３０５と、電極３０５と対向する基板３０２Ｂの上面に形成されたマイクロスイッチＳの端子３０６と、からなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチＳの位置に基づいて、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出するユニットとなるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、部品点数が多く煩雑な構成となっている。図中、３０７は直流電源、３０８は抵抗、３０９は試験台、３１０ ロードセルである。
【００１６】
このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成の柔軟接触型荷重測定センサは、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。さらに、柔軟接触型荷重測定センサは、荷重に応じてマイクロスイッチＳがＯＮ−ＯＦＦ反応することを利用して荷重を検出するように構成しているため、荷重分解能があまりよくはなく荷重測定値が階段状になるとともに、マイクロスイッチＳ用の配線が煩雑になる等々の問題点がある。
【００１７】
さらに、特許文献３に記載の触覚センサ４１０は、図２６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、硬質材料で形成され、変位可能な接触子４２０と、この接触子４２０を表面に設け、接触子の変位を検出ポイント４４５で検出して出力する感圧素子４４０とを備え、感圧素子４４０は、シート状に形成した感圧導電シート４４１と、この感圧導電シート４４１の表面に設けた複数の第一電極４４２と、第一電極４４２と感圧導電シート４４１を介して交差するように感圧導電シート４４１の裏面に設けた複数の第二電極４４３とを有するユニットであるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、特に交叉する複数の第一電極４４２及び第二電極４４３の部品点数が多く煩雑な構成となっている。
【００１８】
このような構成の触覚センサ４１０は、各センサセルが互いに異なる複数の方向に対応した多数の櫛型又は平行電極（複数の交叉する第１電極４４２及び第２電極４４３）を有しているので、小型化が難しいとともに、特に多数のセンサセルが近接するように配置した場合には、多数の第１電極４４２及び第２電極４４３の全てからリード線を引き出すことは非常に困難である。また、各センサセルの構成が煩雑であり、センサセルの密度を高める場合の効率が非常に悪い。さらに、各センサセルで検出した荷重をその大きさに比例した電圧に変換する場合に、全ての接触抵抗に対して１：１の比率で抵抗を電圧に変換するＲ／Ｖ変換回路が必要となり、変換回路が大がかりなものとなり、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなる等々の問題点がある。
【００１９】
また、特許文献１に記載のセンサシート２０１及び特許文献３に記載の触覚センサ４１０は、いずれも外部からの荷重の互いに異なる複数方向に対応した成分を正確に検出可能なように、それぞれコア部材２４０、接触子４２０を硬質材料で形成する必要があり、それぞれ感圧抵抗体２１２、２２２を有する荷重検出層、感圧素子４４０に簡易化し直接柔軟性物質を接触させて荷重を検出することができないという基本的な問題点がある。
【００２０】
さらに、上記特許文献に記載等の従来の荷重センサは、いずれも耐熱性が一つの弱点となっている。例えば、一般的な歪ゲージを用いたロードセルなどのセンサは使用温度範囲の上限値が４０℃から６０℃程度であり、それよりも高い温度条件下での荷重測定が必要なケースが増えつつある。
【００２１】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡潔な小形・軽量構造で設計の自由度を有し、荷重分解能が良く、高温環境を含む様々な環境下でも安定して接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することができる柔軟接触型荷重測定センサを有する柔軟接触型荷重測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するため、本発明の柔軟接触型荷重測定システムは、電気絶縁材料からなるスキン層を介して測定対象物と接触し荷重を受けるように配置された、柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部と、前記柔軟弾性接触部が直接接触するように配置されて前記荷重を検出する荷重検出層とを備える柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムであって、前記荷重検出層は、電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた、カーボン系あるいは金属系を含む導電性複合材料からなる導電性部材と、を有し、前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板は、前記導電性部材により電極を兼ねて一体的に形成された構成に置き換えが可能であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記導電性部材は、グラッシーカーボン（以下、ＧＣという）を含む導電性複合材料からなることを特徴とする。
【００２４】
また、前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の均等に分割され配置されることを特徴とする。
【００２５】
また、前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板が、前記電極と一体的に構成されることを特徴とする。
【００２６】
また、前記柔軟弾性接触部は、球状、半球状、柱体状、切頭錐体状のうちのいずれかの形状に形成されることを特徴とする。
【００２７】
また、前記柔軟接触型荷重センサは、前記柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットが複数連設されてなることを特徴とする。
【００２８】
さらに、前記柔軟接触型荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から前記任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けられることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサは、例えばグラッシーカーボン（ＧＣ：Ｇｌａｓｓ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）又はグラッシーカーボン（ＧＣ）を含む例えば気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ：Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）を添加したＧＣ／ＶＧＣＦなどの導電性複合材料からなる導電性部材が有する性質のうち、６０℃さらには１０００℃を超える環境下でも安定しているという耐熱性、及び電圧を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値が変化するという性質を利用したものである。したがって、このような性質を有する物質であれば、どの物質であっても本発明の柔軟接触型荷重センサの導電性部材として使用することが可能である。
【００３０】
また、本発明に係る柔軟接触型荷重センサに用いられる電極は、十分な導電性及び前記耐熱性を有している限り、材料に特に限定されない。
【００３１】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサに用いられる電極が形成された基板は、前記耐熱性を有し電極の固定が可能なものであれば、材料に特に限定されない。さらに、基板自体を金属あるいはＧＣを含む導電性複合材料などからなる導電性部材で作製し、前記電極と一体化させ電極を兼ねた導電性部材の構成に置き換える形態とすることもできる。
【００３２】
本発明に係る柔軟接触型荷重センサにおいては、電極が形成された一対の基板のうちの一方又は双方の電極を例えば４等分などの複数に分割して、前記分割された電極をそれぞれゾーンα、β、γ、δ・・・などと定義して区別する。荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されたときには、前記各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧が変化する。これを利用して、各ゾーンの電圧変化の関係から前記柔軟接触型荷重センサに負荷される任意荷重Ｐを水平成分であるせん断荷重Ｐｔと、垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して測定することが可能になる。また、前記電極の分割数を増やすことにより、各ゾーンの電圧変化の分解能を向上させ、これにより、詳細な荷重分布を正確に測定することが可能になる。
【００３３】
さらに、せん断荷重Ｐｔと、垂直荷重Ｐｎの測定には、各ゾーンの電圧変化の検出値を用いての演算処理が必要となるため、この演算処理を行うための、演算処理手段乃至制御手段を有する演算処理システムの一部又は全体を前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、電極が形成された一対の基板と、一対の基板の電極間に挟持されたグラッシーカーボンを含む導電性複合材料などの耐熱性及び電圧を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値が変化するという特性を兼ね備えた導電性部材と、を有する簡潔な構成の柔軟接触型荷重センサにより、小形・軽量化が容易で設計の自由度を有し、例えば６０℃さらには１０００℃を超える高温環境を含む様々な環境下で安定して対象物に加わる荷重Ｐのうち、水平荷重Ｐｔと垂直荷重Ｐｎとをそれぞれに分離して荷重分解能が良く、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な柔軟接触型荷重測定システムを提供できる効果がある。
【００３５】
さらに、本発明の構成によると、外部から加えられた荷重の互いに異なる複数方向に対応した成分が、柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットの複数のゾーンに対応した抵抗値の変化に基づいて検出されるので、各成分を検出するための演算システムが簡略化される効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る一実施形態（実施例１）の柔軟接触型荷重測定システムの概念を示す模式図である。
【図２】図１の柔軟接触型荷重センサの平面図であって、（ａ）はＡ−Ａ線矢視図、（ｂ）はＢ−Ｂ線矢視図である。
【図３】図１の柔軟接触型荷重センサの導電性部材における気相成長炭素繊維の配向（圧延）方向を説明するためのＣ−Ｃ線矢視平面図（模式図）であって、（ａ）は配向（圧延）方向θ＝０°、（ｂ）はθ＝４５°の場合の模式図である。
【図４】本発明に係る柔軟接触型荷重センサを複数のセンサユニットが連設されシート状に形成された実施形態の概念を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】図１の柔軟接触型荷重ゼンサに対し任意の荷重を負荷した状態を説明するための模式図である。
【図６】図１の柔軟接触型荷重ゼンサに対する任意の荷重をベクトル表記した模式図である。
【図７】図６の任意の荷重をベクトル解析して説明するための荷重ベクトル図である。
【図８】図１の柔軟接触型荷重測定システムの模式的な電気回路図である。
【図９】図１の柔軟接触型荷重ゼンサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ（ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係、（ｂ）は垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖとの関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は特許文献２記載の柔軟接触型荷重ゼンサの荷重分解能、（ｂ）は図１の柔軟接触型荷重センサの荷重分解能を示すグラフである。
【図１１】図１の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ再現性、ヒステリシスを示す。
【図１２】図１の柔軟接触型荷重センサの中心からの距離を△ｘとしたとき、ｘ方向へ△ｘ移動させ（図６参照）、その位置で垂直荷重Ｐｎを負荷したときの、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量の総和Ｖの関係を示すグラフである。
【図１３】図１の柔軟接触型荷重センサに垂直荷重を７（Ｎ）負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧変化とせん断荷重Ｐｔの関係、（ｂ）は電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１４】図１の柔軟接触型荷重センサに垂直荷重Ｐｎ＝３〜７（Ｎ）を負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１５】図１４における垂直荷重Ｐｎの変化による傾きＫの関係を表したグラフである。
【図１６】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明に係る柔軟接触型荷重センサの変形実施形態の柔軟弾性部を模式的に示す斜視図である。
【図１７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明に係る柔軟接触型荷重センサの変形実施形態の上部電極を模式的に示す平面図である。
【図１８】（ａ）は本発明に係る別の実施形態（実施例２）の柔軟接触型荷重センサの垂直荷重測定の構成を概念的に説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線矢視平面図である。
【図１９】図１８の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの結果で、（ａ）は各ソーンの電圧Ｖｍ（ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係、（ｂ）は各ソーンの電圧変化量ｄＶｍと垂直荷重Ｐｎとの関係を示すグラフである。
【図２０】図１８の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ再現性、ヒステリシスを示す。
【図２１】図１８の柔軟接触型荷重センサの導電性部材としてＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦとＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを用いたときにそれぞれ垂直荷重Ｐｎを負荷した時の電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図２２】本発明に係るさらに別の実施形態（実施例３）の柔軟接触型荷重センサの垂直荷重測定の構成を概念的に説明するための模式図である。
【図２３】図２２の柔軟接触型荷重センサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧Ｖｍ変化と垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれヒステリシス、再現性を示す。
【図２４】従来（特許文献１）のセンサシートの概略構成を示す模式図である。
【図２５】（ａ）は従来（特許文献２）の柔軟接触型荷重測定センサのテスト時の概略構成を示す模式図、（ｂ）は（ａ）の柔軟接触型荷重測定センサの基板に形成した模式的な電気回路図である。
【図２６】（ａ）は従来（特許文献３）の触覚センサの一例を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の接触子に垂直荷重Ｆが加わった場合の接触子の変位を説明する概略図、（ｃ）は（ａ）の接触子に水平荷重Ｆが加わった場合の接触子の変位を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の柔軟接触型荷重測定システムを実施するための形態の具体例を、添付図面を参照しながら説明する。これらの添付図中、実施例１乃至３における構成部材の一部形状が異なっていても同じ部材には同一の符号を付してある。
【実施例１】
【００３８】
本発明に係る一実施形態による実施例１の柔軟接触型荷重測定システム１は、図１に概念的に示すように、電気絶縁材料のスキン層４を介して測定対象物例えば人体などと接触する柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部２を備え、この柔軟弾性接触部２に作用する荷重Ｐを測定する柔軟接触型荷重センサ１を有する。
【００３９】
実施例１の柔軟接触型荷重センサ１は、柔軟弾性接触部２と、荷重検出層３と、スキン層４とからなる。なお、以下においては、柔軟接触型荷重センサ１を例えば図示しないロボットアーム部の表面に取付けた場合をー例として説明する。
【００４０】
荷重検出層３はロボットアーム部側、スキン層４は人体などの接触する測定対象物側にそれぞれ配置され、柔軟弾性接触部２は荷重検出層３とスキン層４との間に直接接触するように配置し挾持される構造になっている。
【００４１】
柔軟弾性接触部２は、液体シリコンと硬化剤を９：１の質量比でシンナーも混合し、柔軟性があり弾性復帰力（復元性）を有している。シンナーを添加することで、柔軟弾性接触部２のヤング率を変えることができる。この実施例の柔軟弾性接触部２は、シンナーを質量比で４０％添加しており、ヤング率は０．４０４ＭＰａ、 ポアソン比は０．４９２で、直径１０ｍｍの球体形状である。なお、柔軟弾性接触部２の材質は上記した材質に限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の高分子材料が適用可能である。
【００４２】
荷重検出層３は、上部基板３１と、下部基板３２と、導電性部材３３と、固定用フィルム３４とからなり、上部基板３１と下部基板３２とにそれぞれ形成された電極の間に導電性部材３３が挟持され、固定用フィルム３４で固定し構成される。
【００４３】
上部基板３１には、ポリイミド製のフレキシブル基板を使用し、エッチング処理することにより、図２（ｂ）に示すような９０度毎四方に配置された４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δ（以上まとめて第１の電極部）が上部基板３１下面上に設けられている。他方、下部基板３２にはガラスエポキシ製のポジ感光基板を使用し、エッチング処理をすることにより下部基板３２上面上には下部電極３２Ａ（第２の電極部）が設けられている。なお、上部基板３１と下部基板３２とを天地逆転させた変形形態、すなわち、図中上側に一面電極を有する下部基板３２、下側には４つに分離された電極３１α、３１β、３１γ、３１δが配置された上部基板３１としてもよい。
【００４４】
導電性部材３３には、ＰＣ（ポリカーボネート）に気相成長炭素繊維（昭和電工製の「ＶＧＣＦ」（登録商標））を例えば２０ｗｔ％添加させた複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用している。ＰＣ粉末と気相成長炭素繊維をペレット状にし、圧延することで気相成長炭素繊維が配向する。
【００４５】
次いで、この気相成長炭素繊維の配向方向（圧延方向）について図３を参照して説明する。図３には、上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δと、導電性部材３３における気相成長炭素繊維の配向方向（図中の矢印方向）の関係が図示されており、図３（ａ）は配向方向θ＝０°の状態、（ｂ）は配向方向θ＝４５゜の状態を示している。同図（ａ）においては、上部電極３１α、３１γ下方における配向方向と、上部電極３１β、３１δ下方における配向方向が９０度異なり、その結果、上部電極間において気相成長炭素繊維の量が異なってしまう。そこで、この実施例の柔軟接触型荷重センサ１においては、気相成長炭素繊維の量を一致させるために、同図（ｂ）のように配向方向をθ＝４５°としている。
【００４６】
また、この実施例においては、導電性部材３３の四角形サイズは、１２ｍｍｘ１２ｍｍとしている。なお、柔軟弾性接触部２は何ら荷重が加わっていない状態においては、基準位置、すなわち４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δの延長線が交差する部分の上方すなわち荷重検出層３の中心上に中心軸を一致させ配置されている。
【００４７】
また、導電性部材３３の材質としては、上記に限定されず例えば下記表に示すものも適用可能である。
【表１】
なお、複合材料中に添加される形状としては、フレーク状、粉末状、繊維状などが適用可能である。
【００４８】
さらに、導電性部材３３として、グラッシーカーボン及びＧＣに気相成長炭素繊維を添加した複合材料ＧＣ／ＶＧＣＦ、例えば、ＧＣに、ＶＧＣＦを質量比で１２ｗｔ％添加したＧＣ／１２ｗｔ％ＶＧＣＦなどを用いることもできる。ＧＣ／ＶＧＣＦは、グラッシーカーボンと同様、高温で使用可能な導電性部材として有効である。
【００４９】
柔軟弾性接触部２とスキン層４及び荷重検出層３とは接着剤で接続されており、例えば、エポキシ系、シアノアクリレート系の接着剤等が適用可能である。
【００５０】
柔軟接触型荷重センサ１に設置された柔軟弾性接触部２に任意荷重Ｐが負荷されたとき、各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）が変化する。これにより、各ゾーンの電圧変化の関係から柔軟弾性接触部２に負荷される任意荷重Ｐを水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して測定することができる。
【００５１】
せん断荷重Ｐｔ及び垂直荷重Ｐｎの測定には、各ゾーンの電圧検出値を用いての演算処理が必要となるため、この実施例の柔軟接触型荷重測定システム１０は、各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）を検出する電圧検出手段１２０と、この電圧検出手段１２０からの電圧検出値を取込んで演算処理を行うための演算処理手段（又は制御手段）１１０と、上部電極３１と下部基板５０に形成された電極５１への電圧を供給する安定化電源１３０とを有する演算処理システム１００を備えている。演算処理システム１００のこれら一部の手段又は全体は、柔軟接触型荷重センサ１の構成の一部として、柔軟接触型荷重センサ１の内部又は／及び外部に設けてもよい。
【００５２】
以上、柔軟接触型荷重センサ１の柔軟弾性接触部２及び荷重検出層３がそれぞれ１つからなるセンサユニットについて説明したが、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、このセンサユニットを複数配置し連設してシート状に形成することにより、大面積の荷重を測定することも可能となる。
【００５３】
（荷重測定の原理）
次に、上記のような構造の本発明に係る柔軟接触型荷重センサ１の荷重測定の原理について図５〜８を参照して説明する。なお、以下において荷重Ｐ及びＰに下付き文宇が付加されたものは、ベクトル表記である。
【００５４】
柔軟接触型荷重センサ１に負荷される任意の荷重Ｐは、図５に模式的に示すように、垂直方向の荷重Ｐｎとせん断方向の荷重Ｐｔに分離することができる。なお、図中、Ｚ軸が荷重検出層３の中心軸であり、柔軟弾性接触部２の基準位置である。
【００５５】
次に、荷重Ｐは大きさと方向を持つことから、図６及び７を参照して、柔軟接触型荷重センサ１に対する任意の荷重Ｐをベクトル表記により説明する。
【００５６】
柔軟接触型荷重センサ１は、荷重Ｐを負荷することにより導電性部材３３の抵抗値が変化することを利用し、その結果、上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δと下部電極３２Ａとの間に電圧変化が生じ、この電圧変化を検出することにより接触荷重Ｐの大きさ及び方向を測定するものである。したがって、図６においては、この電圧変化が生ずる部分である、上部電極３１αと下部電極３２Ａとの間、上部電極３１βと下部電極３２Ａとの間、上部電極３１γと下部電極３２Ａとの間及び上部電極３１δと下部電極３２Ａとの間を、それぞれαゾーン、βゾーン、γゾーン及びδゾーンと表記する。また、図示の通り、各ゾーンの対角線上にｘ軸とｙ軸を定義し、荷重検出層３に対して垂直方向にその中心軸となるｚ軸を定義する。
【００５７】
α〜δソーンでの任意の荷重ベクトルをそれぞれＰα、Ｐβ、Ｐγ、Ｐδとすると、柔軟接触型荷重センサ１に負荷される任意の荷重ベクトルＰは、下記式（１）のように表記することができる。
【数１】
【００５８】
そこで、αゾーンを例にとると、荷重ベクトルＰαはｘ方向、ｚ方向の荷重ベクトルである。αゾーン荷重ベクトルＰαが負荷され、αゾーンの電圧がｄＶα変化したとする。ｘ、ｙ、ｚ方向の単位ベクトルをそれぞれｉ、ｊ、ｋとすると荷重ベクトルＰαは下記式（２）のように表わすことができる。すなわち、各ゾーンの電圧変化は、ｘ、ｙ、ｚ方向を持った荷重による電圧変化であるため、電圧変化をｘ、ｙ、ｚの座標点と考えるのである。
【数２】
【００５９】
同様にβゾーン、γゾーン、δゾーンについても考えると、荷重ベクトルＰβ、Ｐγ、Ｐδは下記［式３］のように表せる。
【数３】
【００６０】
式（１）、（２）、（３）から、任意の荷重Ｐは式（４）のように表わせる。
【数４】
【００６１】
これより、垂直方向の荷重ベクトルをＰｎ、せん断方向の荷重ベクトルをＰｔとすると、それぞれ式（５）、（６）のように表わせる。
【数５】
【数６】
【００６２】
したがって、垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔは、これらの関係を明らかにすることで求めることができ、その大きさはそれぞれ式（７）、（８）のように表わせる。
【数７】
【数８】
【００６３】
柔軟接触型荷重センサ１は、抵抗値Ｒ＝１００Ωの固定抵抗を荷重検出層３の下部基板３２の各ゾーンにそれぞれ接続し、図８に模式的に示すように、並列に構成した電気回路で表すことができる。また、導電性部材３３は、いずれも荷重Ｐが負荷されると電気抵抗値が変化するため、可変抵抗Ｒα、Ｒβ、Ｒγ、Ｒδと考えることができ、図６の電気回路図のように表すことができる。各ゾーンの電圧をＶα、Ｖβ、Ｖγ、Ｖδとした柔軟接触型荷重センサ１は安定化電源を用いて回路に初期電圧を流しているため、初期電圧をＶ０とし、各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）を式（９）のように表わす。また、各ソーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを式（１０）のように表し、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの電圧変化△Ｖの関係を式（１１）のように表わす。
【００６４】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【００６５】
（垂直荷重の測定例）
次に、柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷し、垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化の関係を調べた。
【００６６】
卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用いて荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とした。電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝９（Ｖ）一定に制御した。柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重（Ｎｏｒｍａ１ Ｌｏａｄ）Ｐｎを負荷したときの各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係を図９（ａ）のグラフに、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和（Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｎｇｅ）Ｖとの関係を図９（ｂ）のグラフ示す。柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷しているため、各ゾーンで電圧変化量ｄＶｍが一致していることがわかる。
【００６７】
また、このときの垂直荷重Ｐｎと時間（Ｔｉｍｅ）の関係である荷重分解能を図１０（ｂ）に示す。ここで比較のため、特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの荷重分解能を図１０（ａ）に示す。
【００６８】
特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサは、複数のマイクロスイッチをＯＮ−ＯＦＦすることで荷重を検出するため階段状のグラフになり、荷重分解能が劣っていることが明白である。
【００６９】
―方、本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１は、スイッチをＯＮ−ＯＦＦすることで荷重を測定する構成ではなく、導電性部材３３を使用し荷重Ｐｎを加えた際の連続的な抵抗変化を検出することにより荷重測定を行なうことから、階段状にはならず滑らかに変化しているグラフとなっている。この結果から、本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１は、特許文献２の柔軟接触型荷重ゼンサに比して荷重分解能が良く、しかも、荷重分解能は市販のロードセルと略同じであることが分かる。また、アンプ（増幅器）を使用していないのでノイズも生じない。
【００７０】
本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図１１（ａ）に示す。垂直荷重増加時と減少時とで差異はほとんどなくヒステリシスが小さいことがわかる。
【００７１】
柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心に垂直荷重Ｐｎを４回（１ｔｈ〜４ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係の再現性を図１１（ｂ）のグラフに示す。同図から、４回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加により電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【００７２】
本発明の柔軟接触型荷重ゼンサ１の中心からの距離を△ｘとしたとき、ｘ方向へ△ｘ移動させた位置で垂直荷重Ｐｎを負荷したときの、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係を図１２のグラフに示す。△ｘをそれぞれ０．０（荷重検出層３の中心）、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍと変化させて電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの測定を行った。その結果、垂直荷重Ｐｎの負荷される位置が変化しても電圧変化に違いは見られない。したがって、任意の荷重が負荷され、せん断荷重Ｐｔにより柔軟弾性接触部２が荷重検出層３の中心から移動しても正確に垂直荷重Ｐｎを測定できることがわかった。
【００７３】
以上の本発明の柔軟接触型荷重センサ１の中心に垂直荷重Ｐｎが負荷されたときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を最小二乗法により式（１２）を求めた。式（１２）に各ソーンで得られた電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを代入することで垂直荷重Ｐｎを測定できる。なお、本発明の柔軟接触型荷重センサ１の荷重分解能は０．０５Ｎであり、市販のロードセルと同様の分解能であった。
【数１２】
【００７４】
（せん断荷重の測定例）
次いで、垂直荷重Ｐｎをそれぞれ３〜７［Ｎ］負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷し、垂直荷重Ｐｎがせん断荷重Ｐｔに及ぼす影響について調べた。せん断荷重Ｐｔはα方向からγ方向へ負荷した。せん断荷重負荷速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ、せん断距離は２．０ｍｍで負荷した。
【００７５】
垂直荷重を７［Ｎ］負荷した状態で、せん断荷重Ｐｔを負荷したときの結果を図１３（ａ）、（ｂ）に示し、同図（ａ）はせん断荷重（Ｓｈｅａｒｉｎｇ ｌｏａｄ）Ｐｔを負荷させたときの各ソーンの電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）とせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフであり、（ｂ）はせん断荷重Ｐｔを負荷させたときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの開係を示すグラフである。このグラフから、せん断荷重Ｐｔにより、各ソーンで電圧が変化していることが分かる。
【００７６】
垂直荷重Ｐｎ＝３〜７［Ｎ］を負荷し、せん断荷重Ｐｔを負荷させたときの電圧変化△Ｖとせん断荷重Ｐｔの関係を図１４に示す。垂直荷重Ｐｎの増加に従い、せん断荷重Ｐｔと電圧変化△Ｖの関係は緩やかになる傾向を示している。電圧変化△Ｖは２次的に増加していることがわかり、この曲線の傾きをＫとし、式（１３）の関係を得た。また、垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの間には一定の傾向が見られ、負荷する垂直荷重Ｐｎが大きくなるほど変化が緩やかになる傾向を示す。
【数１３】
【００７７】
図１４における垂直荷重Ｐｎの変化による傾きＫ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｋ）の関係を図１５に示す。傾きＫは、式（１４）の関係があり、式（１３）、（１４）から式（１５）を得た。図１５中の実線は実験結果から得られた計算式である。以下の関係式に電圧変化量ｄＶを代入することでせん断荷重Ｐｔを求めることができる。
【数１４】
【数１５】
【００７８】
以上をまとめると、本発明に係る一実施形態による実施例１の柔軟接触型荷重センサ１では、以下のような結果が得られた。
（１）ヒステリシスが小さい。
（２）負荷された荷重Ｐをベクトルとして検出でき、垂直荷重Ｐｎベクトルと水平荷重Ｐｔベクトルに分離することができた。また中心から離れて垂直荷重Ｐｎが負荷されても、垂直荷重Ｐｎと電圧変化量の総和Ｖの関係は変わらず、電圧変化量ｄＶとせん断荷重Ｐｔは２次的な関係にあった。
（３）荷重検出層３に例えばＰＣ（ポリカーボネート）に気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を添加させた複合材料を使用し、ヤング率０．４０４ＭＰａ、直径１０ｍｍの柔軟弾性接触部２を用いることで、小型で柔軟な柔軟接触型荷重センサ１が実現でき、荷重分解能は市販されているロードセルと同じであった。なお、柔軟接触型荷重センサ１の柔軟弾性接触部２及び荷重検出層３がそれぞれ１つからなるセンサユニットを多数配置することにより、例えば、ロボットアーム、医療用ベッドなど大面積の荷重測定に使用できる。
【００７９】
なお、上記実施例１においては、柔軟弾性接触部２は球状としたがこれに限定されるものではなく、例えば、図１６（ａ）〜（ｈ）に柔軟弾性接触部２の変形形態例の斜視図を示す（ただし、スキン層は省賂して図示している）ように、半球状、円往・四角柱などの柱体状、切頭円錐・切頭三角錐などの切頭鍾体状などで構成されてもよい。具体的には、図１５（ａ）は柔軟弾性接触部２Ａを半球状とした場合であり、底面２１Ａの中心がＸ、Ｙ、Ｚ軸の交点（原点）となるよう設置される。―方、この変形形態例として、図１５（ｂ）のように天地逆転して設置してもよい。
【００８０】
同様に、図１６（ｃ）には切頭円錐体状の柔軟弾性接触部２Ｂを使用した場合が図示され、底面２１Ｂを荷重検出層３上に設置させた場合である。これを天地逆転して設置した場合、すなわち天面２２Ｂを荷重検出層３上に設置し底面２１Ｂを天面とする変形形態を同図（ｄ）に示している。
【００８１】
図１６（ｅ）は、柔軟弾性接触部２Ｃを円柱状としている構成以外は上記と同様であり、同図（ｆ）は柔軟弾性接触部２Ｄを四角柱状としている。
【００８２】
図１６（ｇ）（ｈ）も、柔軟弾性接触部２Ｅが切頭四角錘とする構成以外は同図（ｃ）、（ｄ）と同様である。
【００８３】
また、上記実施例１においては、上部電極は、９０度毎四方に配置された４つの上部電極３１α、３１β、３１γ、３１δとしたが、上部電極の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、図１７（ａ）〜（ｇ）に示すような変形形態例が適用可能である。図７（ａ）〜（ｇ）には、複数に分割された上部電極のバリエーションが平面図により図示されており、それぞれを構成する電極の形態は異なるが符号を変更して表記すると複雑化することから、使宜上同一符号（３１Ａ〜３１Ｇ）を付している。
【００８４】
図１７（ａ）及び（ｂ）は、上部電極を２つの電極３１Ａ、３１Ｂから構成するパターンであり、この場合、原則的に荷重の方向はｘ方向のみ検知し得る実施形態である。実施形態によっては、ｘ−ｙの２次元の方向を検知する必要はなく、ｘ方向（あるいはｙ方向）のみの一次元の荷重方向のみを検知すれば足りる場合がある。そのような例として、例えば、ｘ軸プラス方向に荷重が加わった場合には「ＯＮ」とし、ｘ軸マイナス方向に荷重が加わった場合には「ＯＦＦ」とする「スイッチ」として適用した場合には、このセンサは、ＯＮ−ＯＦＦ動作だけでなく、「ＯＮ」あるいは「ＯＦＦ」となったときの荷重の大きさまで測定することが可能となる。なお、図１６（ａ）は、同図（ｂ）に比べて電極３１Ａ、３１Ｂの面積を広くした形態であり、電極の面積を広くした方が荷重の大きさの測定精度は向上する。
【００８５】
図１７（ｂ）及び（ｃ）は、３つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃから上部電極を構成した実施形態、同図（ｅ）は４つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄから上部電極を構成した変形実施形態、同図（ｆ）及び（ｇ）は８つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ、３１Ｇ、３１Ｈから上部電極を構成した揚合の実施形態である。２つの電極３１Ａ、３１Ｂだけでは、一次元の荷重方向しか測定できないが、少なくとも３つの電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを設ければ２次元の荷重方向の測定が可能となり、電極の数が増えれば増えるほど荷重方向の側定精度は向上する傾向にある。
【実施例２】
【００８６】
本発明に係る別の実施形態による実施例２の柔軟接触型荷重センサ１Ｘは、図１８（ａ）に概念的に示すように、柔軟弾性接触部２の形状が直径１０ｍｍ×長さ５ｍｍの円柱状に形成されている点と、荷重検出層３Ｘの導電性部材３３Ｘに、ＰＰ（ポリプロピレン）に３０ｗｔ％の気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を添加させた複合材料ＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用している点を除き、前記実施例１と同様の基本構成である。
【００８７】
（垂直荷重の測定例）
次に、柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷し、垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）変化の関係を調べた。卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用い荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とするなど前記実施例１と同じ条件として、電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝９（Ｖ）一定に制御した。
【００８８】
柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重（Ｎｏｒｍａ１ Ｌｏａｄ）Ｐｎを負荷したときの各ゾーンの電圧Ｖｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）変化と垂直荷重Ｐｎとの関係を図１９（ａ）のグラフに、電圧変化量ｄＶｍ （ｍ＝α、β、γ、δ）と垂直荷重Ｐｎとの関係を図１９（ｂ）のグラフに示す。柔軟接触型荷重センサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷しているため、各ゾーンで電圧変化が一致していることがわかる。
【００８９】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを５回（１ｔｈ〜５ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係の再現性を図２０（ａ）のグラフに示す。同図から、５回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加により電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【００９０】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図２０（ｂ）に示す。垂直荷重増加時と減少時とで差異はほとんどなくヒステリシスが小さいことがわかる。
【００９１】
導電性部材３３Ｘに実施例２の複合材料ＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合と前記実施例１の複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合の柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｘの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を比較したグラフを図２１に示す。
【００９２】
図２１から導電性部材３３Ｘに複合材料ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合に比べてＰＰ／３０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用した場合の方が、特に低荷重域における感度が高いことがわかる。
【００９３】
なお、ここでは、せん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層３Ｘを分割することによるせん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【００９４】
また、導電性部材として上記の他、例えば、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などにＶＧＣＦを添加する複合材料も適用できる。
【実施例３】
【００９５】
本発明に係るまた別の実施形態による実施例３の柔軟接触型荷重センサ１Ｙは、図２２に示すように、荷重検出層３Ｙの下部電極と導電性部材３３Ｙを一体として構成した点を除き、前記実施例２と同様の基本構成である。この実施例では、下部電極を兼ねた導電性部材３３ＹとしてＧＣを用いた。
【００９６】
（垂直荷重の測定例）
このように下部電極と導電性部材３３Ｙを一体として前記実施例１、２における下部基板３２を省き構成を簡略化した実施例３の柔軟接触型荷重センサ１Ｙの作用を確認するため、前記実施例２と同様に、以下の通り垂直荷重Ｐｎの測定を行った。卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用いて荷重負荷速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎ―定とした。電圧の供給には安定化電源を用いＶｏ＝５（Ｖ）一定に制御した
【００９７】
柔軟接触型荷重センサ１Ｙの中心に垂直荷重Ｐｎを負荷したときの電圧Ｖｍ変化と垂直荷重Ｐｎの関係の一例で、荷重Ｐｎを徐々に増大させて負荷したときをｌｏａｄｅｄ、その荷重Ｐｎを徐々に減ずる復帰時をｒｅｌｅａｓｅｄでそれぞれ表記したヒステリシスを図２３（ａ）に示す。垂直荷重Ｐｎ増加時と減少時とで差異はほとんどなく、ヒステリシスが小さいことがわかる。
【００９８】
また、図２３（ａ）から、垂直荷重Ｐｎが増加すると、前記実施例１、２と同様に、電圧Ｖｍが減少していることが認められる。
【００９９】
柔軟接触型荷重ゼンサ１Ｙの中心に垂直荷重Ｐｎを５回（１ｔｈ〜５ｔｈ）繰り返し負荷する測定を行ったときの垂直荷重Ｐｎと電圧Ｖｍの関係の再現性を図２３（ｂ）のグラフに示す。同図から、５回の繰り返し荷重測定を行った結果、垂直荷重Ｐｎの増加に従い電圧Ｖｍは同様の変化をしていることから、再現性があることが確認できた。
【０１００】
したがって、この実施例の柔軟接触型荷重センサ１Ｙは、一方又は双方の電極と導電性部材３３Ｙとを一体として構成された場合であっても、柔軟接触型荷重センサとして適用が可能であると認められる。
【０１０１】
なお、この実施例でも、せん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層３Ｙを分割することによるせん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【０１０２】
こように、導電性部材３３Ｙが電極の機能も兼ね備える構成により、構造が一層簡潔化され小形・軽量化された柔軟接触型荷重センサ１Ｙを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明に係る柔軟接触型荷重測定システムは、高い耐熱性を有していながら、高温環境を含む様々な環境下で安定して荷重分解能が良く、接触荷重の大きさ及び方向を迅速に検出することが可能な柔軟接触型荷重センサを有するため、あらゆる分野のロボット関係、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等を含む広範な産学会分野に利用することが可能である。また、本発明に係る柔軟接触型荷重センサは簡潔な構造で小型・軽量化、薄型化が容易なため設計の自由度を有し、例えば生体を扱う場合のような、繊細な作業が必要な様々な医療分野等にも、機器の精度を落とすことなく、好適に利用が可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１、１Ｘ、１Ｙ；柔軟接触型荷重センサ
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｘ；柔軟弾性接触部
３、３Ｘ、３Ｙ；荷重検出層
４；スキン層
１０；柔軟接触型荷重測定システム
３１；上部基板
３１α、３１β、３１γ、３１δ；上部電極（纏めて、第１の電極部）
３２；下部基板
３２Ａ；下部電極
３３、３３Ｘ、３３Ｙ；導電性部材
３４；固定用フィルム
１００；演算処理システム
１１０；演算処理（又は制御）手段
１２０；電圧検出手段
１３０；安定化電源
ｄＶｍ；（ｍ＝α、β、γ、δ） （各ゾーンの）電圧変化量
ＧＣ；グラッシーカーボン
Ｐ；任意荷重
Ｐｍ； （ｍ＝α、β、γ、δ） 各ゾーンに負荷される荷重
Ｐｎ；垂直荷重
Ｐｔ；せん断荷重（水平荷重）
Ｒ；（電気）抵抗（抵抗値）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４；（各ゾーンの抵抗）可変抵抗
Ｖ；電圧変化量の総和
Ｖ０；初期電圧（電源電圧）
ＶＧＣＦ；気相成長炭素繊維
Ｖｍ；（ｍ＝α、β、γ、δ） 各ゾーンの（上部及び下部電極間の）電圧
Ｖｍ０；（ｍ＝１、２、３、４） 各ゾーンの初期電圧
ΔＶ；電圧変化
θ；（気相成長炭素繊維の）配向（圧延）方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁材料からなるスキン層を介して測定対象物と接触し荷重を受けるように配置された、柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部と、前記柔軟弾性接触部が直接接触するように配置されて前記荷重を検出する荷重検出層とを備える柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムであって、
前記荷重検出層は、
電極が形成された一対の基板と、
前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた、カーボン系あるいは金属系を含む導電性複合材料からなる導電性部材と、を有し、
前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板は、前記導電性部材により電極を兼ねて一体的に形成された構成に置き換えが可能であることを特徴とする柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項２】
前記導電性部材は、グラッシーカーボンを含む導電性複合材料からなることを特徴とする請求項１記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項３】
前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の均等に分割され配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項４】
前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板が、前記電極と一体的に構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項５】
前記柔軟弾性接触部は、球状、半球状、柱体状、切頭錐体状のうちのいずれかの形状に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項６】
前記柔軟接触型荷重センサは、前記柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットが複数連設されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項７】
前記柔軟接触型荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から前記任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項１】
電気絶縁材料からなるスキン層を介して測定対象物と接触し荷重を受けるように配置された、柔軟で復元性がある柔軟弾性接触部と、前記柔軟弾性接触部が直接接触するように配置されて前記荷重を検出する荷重検出層とを備える柔軟接触型荷重センサを有する柔軟接触型荷重測定システムであって、
前記荷重検出層は、
電極が形成された一対の基板と、
前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた、カーボン系あるいは金属系を含む導電性複合材料からなる導電性部材と、を有し、
前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板は、前記導電性部材により電極を兼ねて一体的に形成された構成に置き換えが可能であることを特徴とする柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項２】
前記導電性部材は、グラッシーカーボンを含む導電性複合材料からなることを特徴とする請求項１記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項３】
前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の均等に分割され配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項４】
前記一対の基板のうち、一方又は双方の基板が、前記電極と一体的に構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項５】
前記柔軟弾性接触部は、球状、半球状、柱体状、切頭錐体状のうちのいずれかの形状に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項６】
前記柔軟接触型荷重センサは、前記柔軟弾性接触部と荷重検出層とからなるセンサユニットが複数連設されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【請求項７】
前記柔軟接触型荷重センサに任意荷重Ｐが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から前記任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔと垂直成分である垂直荷重Ｐｎに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記柔軟接触型荷重センサの構成の一部として柔軟接触型荷重センサの内部又は／及び外部に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の柔軟接触型荷重測定システム。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１３−６１２０８（Ｐ２０１３−６１２０８Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９１０９（Ｐ２０１１−１９９１０９）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【出願人】（５０２０３４９０３）株式会社スズキプレシオン (13)
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【出願人】（５０２０３４９０３）株式会社スズキプレシオン (13)
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