(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、
前記荷重センサは、
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導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、
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、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、
前記接触部に任意荷重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、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、
前記導電性部材は、グラッシーカーボンからなることを特徴とする荷重測定システム。
【請求項２】
荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、
前記荷重センサは、
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導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、
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、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、
前記接触部に任意荷重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、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、
前記導電性部材は、グラッシーカーボンに気相成長炭素繊維を添加した複合材料からなることを特徴とする荷重測定システム。
【請求項３】
前記一対の基板のうち、一方の基板が、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られることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の荷重測定システム。
【請求項４】
前記電極は、前記接触部が配置される平面内において、４つの均等に分割された電極ゾーンに形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の荷重測定システム。
【請求項５】
前記電極が形成された一対の基板及び前記導電性部材は、いずれも生体適合性材料から構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項記載の荷重測定システム。
【請求項６】
前記電極が形成された一対の基板は生体適合性材料のチタン（Ｔｉ）からなり、前記導電性部材は生体適合性材料のグラッシーカーボン（ＧＣ）からなることを特徴とする請求項１記載の荷重測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に作用する荷重を検出するための荷重測定システムに関し、特に、高温環境を含む様々な環境下で安定して三軸荷重あるいは荷重分布を測定することが可能な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（例えば特許文献１参照）や、ピエゾ素子を用いた荷重測定装置（例えば特許文献２参照）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（例えば特許文献３参照）や荷重センサ（例えば特許文献４参照）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（例えば特許文献５参照）やタイヤの接地荷重分布検出装置（例えば特許文献６参照）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（例えば特許文献７参照）や三軸方向荷重センサ（例えば特許文献８参照）など幾つか提案されている（特許文献７、８）。
【０００７】
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、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（特許文献９参照）が提案されている。
【０００８】
また、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１０参照）を提案している。
【０００９】
また、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１１参照）なども提案されている。
【００１０】
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１１参照）、外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応した成分を検出可能な、感圧抵抗体を用いたセンサシート（特許文献１２参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１１−４２４８１号公報
【特許文献２】特開平９−２６３６６号公報
【特許文献３】特開２００８−２１６１５５号公報
【特許文献４】特開２００８−１５７２９４号公報
【特許文献５】特表２００８−５３１１７７号公報
【特許文献６】特開２０１０−３２２６３号公報
【特許文献７】特開２０００−１６２０５４号公報
【特許文献８】特開２００６−３２９６５３号公報
【特許文献９】特開２００８−２０９３８４号公報
【特許文献１０】特開２００７−１８７５０２号公報
【特許文献１１】特開２００８−１６４５５７号公報
【特許文献１２】特開２００８−２０９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記特許文献に記載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。特に近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）技術の発達に伴い、μｍ単位の高度な微細加工技術として熱ナノインプリントが注目されており、熱ナノインプリントに用いるモールドに加わる荷重分布を測定しようとする場合などには、測定対象物は３００℃乃至１５００℃程度まで加熱されるため、前記従来の荷重センサでは耐えられないという問題がある。
【００１３】
また、特許文献７、８記載の三軸方向荷重を測定する荷重センサは、荷重方向の成分毎に、一軸荷重センサを配置する構成になっているため、装置が複雑化、大型化する傾向があり、例えば、対象物が微小、脆弱な物である場合や、荷重センサを薄型化する必要がある場合に、その適用が困難となる等の問題もある。
【００１４】
特許文献９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。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、前記耐熱性に乏しいという問題点の他に、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】
特許文献１０記載の柔軟接触型荷重測定センサは、接触体側に配置される弾性体及びスキン層からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板と、弾性体側の基板の下面に形成されマイクロスイッチをオン状態とする電極と、電極と対向する基板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。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。
【００１６】
さらに、特許文献３に記載の触覚センサは、硬質材料で形成され、変位可能な接触子と、この接触子を表面に設け、接触子の変位を検出ポイントで検出して出力する感圧素子とを備え、感圧素子は、シート状に形成した感圧導電シートと、この感圧導電シートの表面に設けた複数の第一電極と、第一電極と感圧導電シートを介して交差するように感圧導電シートの裏面に設けた複数の第二電極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及び第二電極の部品点数が多く煩雑な構成となっている。
【００１７】
このような構成の触覚センサは、前記耐熱性に乏しいという問題点の他に、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電極及び第２電極）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電極及び第２電極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。
【００１８】
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、例えば熱ナノインプリントなどにおける高温環境を含む様々な環境下で安定して三軸荷重あるいは荷重分布を測定することが可能な荷重センサを有する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】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明の荷重測定システムは、  荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、前記荷重センサは、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導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、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、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、前記接触部に任意荷重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、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、前記導電性部材は、グラッシーカーボンからなることを特徴とする。
【００２０】
また、荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、前記荷重センサは、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導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、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、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、前記接触部に任意荷重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、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、前記導電性部材は、グラッシーカーボンに気相成長炭素繊維を添加した複合材料からなることを特徴とする。
【００２１】
また、前記一対の基板のうち、一方の基板が、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られることを特徴とする。
【００２２】
また、前記電極は、前記接触部が配置される平面内において、４つの均等に分割された電極ゾーンに形成されていることを特徴とする。
【００２３】
また、前記電極が形成された一対の基板及び前記導電性部材は、いずれも生体適合性材料から構成されることを特徴とする。
【００２４】
また、前記電極が形成された一対の基板は生体適合性材料のチタン（Ｔｉ）からなり、前記導電性部材は生体適合性材料のグラッシーカーボン（ＧＣ）からなることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る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。
【００２９】
本発明に係る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からなる導電性部材で作製し、前記電極兼ねて一体化させた導電性部材に置き換えてもよい。
【００３０】
本発明に係る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複数に分割して、前記分割された電極をそれぞれゾーン１、２、・・・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。
【００３１】
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荷重センサの構成の一部として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】
【００３２】
本発明によれば、電極が形成された一対の基板と、一対の基板間に挟持されたグラッシーカーボンを含む物質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複合材料からなる導電性部材と、を有する簡潔な構成の荷重センサを有することから、小形・軽量化が容易で設計の自由度を有し、例えば熱ナノインプリントなどにおけ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のうち、水平荷重と垂直荷重とをそれぞれに分離して三軸荷重あるいは分布荷重を測定することが可能な荷重測定システムを提供できる効果がある。
【００３３】
また、本発明に係る荷重センサにおいて、前記電極が形成された一対の基板に生体適合性材料のチタン（Ｔｉ）、前記導電性部材に生体適合性材料であるグラッシーカーボン（ＧＣ）を適用することにより、小形・軽量で、各種医療用器具に適用可能な把持力とせん断力を測定できる荷重測定システムを提供することが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態（実施例１）の荷重測定システムの概念を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の荷重センサの構成を概念的に説明するための模式図である。
【図３】図１の荷重センサへの任意荷重負荷時において複数に分割された各ゾーンに分離される荷重の関係を示す荷重ベクトル図である。
【図４】図１の荷重測定システムの模式的な電気回路図である。
【図５】図１の荷重センサに荷重負荷方向角Φ＝０度で任意荷重Ｐを負荷したときの各ゾーンの電圧Ｖｍと任意荷重Ｐの垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ荷重センサに使用する導電性部材をＧＣ／ＶＧＣＦ、ＧＣとした場合を示す。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）の電圧Ｖｍから算出した各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）の電圧変化量ｄＶｍから算出した各ゾーン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８】図７の電圧変化量の総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を最小二乗法によって３次式で近似した結果を示すグラフである。
【図９】図８の各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖから算出した垂直荷重Ｐｎと別途ロードセルにより測定した垂直荷重Ｐｎとを比較した結果を示すグラフである。
【図１０】図１の荷重センサの再現性を確認するため、垂直荷重Ｐｎを５回負荷したときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ荷重センサの導電性材料をＧＣ／ＶＧＣＦ、ＧＣとした場合を示す。
【図１１】図１の荷重センサに任意荷重Ｐを負荷する荷重負荷方向角度をΦ＝０、５、１０、１５ｄｅｇと変化させたときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係を示すグラフで、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ荷重センサの導電性材料をＧＣ／ＶＧＣＦ、ＧＣとした場合を示す。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）の電圧変化量ｄＶｍから算出した電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１２（ａ）、（ｂ）の電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔの関係を最小二乗法によって２次式で近似した結果を示すグラフである。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１２（ａ）、（ｂ）の電圧変化ΔＶから算出したせん断荷重Ｐｔと別途ロードセルにより測定したせん断荷重Ｐｔとを比較した結果を示すグラフである。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図７（ａ）、（ｂ）の垂直荷重Ｐｎと図１２（ａ）、（ｂ）のせん断荷重Ｐｔとから算出した任意荷重Ｐと別途ロードセルにより測定した任意荷重Ｐとを比較した結果を示すグラフである。
【図１６】任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φは、測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの比で表わされ、測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の別の実施形態（実施例２）の荷重測定システムの概念を示す模式図である。
【図１８】図１７の荷重測定システムの模式的な電気回路図である。
【図１９】図１７の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２０】図１９の荷重センサに垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図２１】ＧＣからなる同じサイズの２枚の導電性部材を有する図１９の荷重センサにそれぞれ垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図２２】図１９の荷重センサのＧＣからなる導電性部材のサイズを変化させた時の上部及び下部電極間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【図２３】本発明のまた別の実施形態（実施例３）の荷重測定システムにおける荷重センサの概念を示す模式図である。
【図２４】図２３の荷重センサに垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の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】
【００３６】
本発明の一実施形態による実施例１の荷重測定システム１は、図１に概念的に示すように、図示しない電気絶縁部材を介して測定対象物例えば熱ナノインプリントなどに用いる金型を接触部２０として備え、この接触部２０に作用する荷重Ｐを測定する荷重センサ１０を有する。
【００３７】
荷重センサ１０は、電極３１、５１がそれぞれ形成された上下一対の基板３０、５０と、一対の基板３０、５０の電極３１、５１間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重Ｐを負荷することにより電気抵抗値が変化する特性及び１０００℃を超える高温環境下でも安定しているという耐熱性を兼ね備えた導電性部材４０とを有する。電極３１、５１がそれぞれ形成された一対の基板３０、５０及び導電性部材４０は、荷重検出層を構成する。
【００３８】
導電性部材４０には、グラッシーカーボン（以下、ＧＣという）及びＧＣに気相成長炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）を添加した複合材料ＧＣ／ＶＧＣＦを用いた。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。また、ＧＣ及びＧＣ／ＶＧＣＦは、導電性複合材料であるため、電圧を印加しながら荷重Ｐを負荷すると電気抵抗値が変化する性質があり、一対の基板３０、５０の電極３１、５１間の電圧変化を測定することで負荷された荷重Ｐを測定することができる。この実施例では、ＧＣに、ＶＧＣＦを質量比で１２ｗｔ％添加したＧＣ／１２ｗｔ％ＶＧＣＦを用いた。
【００３９】
この実施例では、電極５１が形成された下部基板５０を面状に４分割することで荷重検出層を面状の４つのゾーンに分割し、図１に示すように、各ゾーンの対角線上にｘ軸とｙ軸を定義し、荷重センサ１０に対して垂直方向にｚ軸を定義する。また、分割された各ゾーンをｘ軸の正方向を基準にゾーン１とし、反時計回りにゾーン２、ゾーン３、ゾーン４と定義する。
【００４０】
この実施例では、図２に示すように、金型２０には、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ形状のＳＫＤ１１材の角柱を用いた。
【００４１】
下部基板５０にはガラスエポキシ製の基板を用い、エッチング処理によって４つの面状の電極５１を形成し導電性部材４０を下部電極５１上に固定した。また、図２の例では、図１における上部基板３０を省略して金型２０の下面を上部電極３１として上部及び下部電極３１、５１により導電性部材４０を挟み込む基本構造とした。電極が形成された下部基板５０及び導電性部材４０は、いずれも平面大きさ４ｍｍ×４ｍｍの４つに分割されて１０ｍｍ×１０ｍｍの平面内に配置した。金型２０を荷重センサ１０に固定するため、金型の中心に直径２ｍｍのねじ穴を開けＭ２形状のねじ（図示しない）により金型２０を固定した。
【００４２】
荷重センサ１０に使用する導電性部材４０をＧＣとした場合と、ＧＣ／１２ｗｔ％ＶＧＣＦとした場合の２通りの荷重センサ１０を作製し、任意荷重Ｐの測定を行った。
【００４３】
荷重センサ１０に設置された金型２０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が変化する。これにより、各ゾーンの電圧変化の関係から金型２０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。
【００４４】
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、この実施例の荷重測定システム１は、各ゾーンの電圧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、荷重センサ１０の構成の一部として、荷重センサ１０の内部又は／及び外部に設けてもよい。
【００４５】
荷重センサ１０は、抵抗値Ｒ＝１００Ωの固定抵抗を荷重検出層にある下部基板５０の各ゾーンにそれぞれ接続し、図４に示すように、並列に構成した電気回路である。また、ＧＣ／１２ｗｔ％ＶＧＣＦ及びＧＣ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Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と考えることができ、図４の電気回路図のように表すことができる。図４中の記号Ｉは電流、Ｖ０は安定化電源１３０の供給電圧、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は各ゾーンの上部及び下部電極３１、５１間の電圧を示す。
【００４６】
荷重検出層に形成された各ゾーンに負荷される荷重をＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、各ゾーンでの電圧変化量をｄＶ１、ｄＶ２、ｄＶ３、ｄＶ４と定義すると、ゾーン１に負荷される荷重Ｐ１はゾーン１の電圧変化量ｄＶ１を用いて式（１）のようにベクトルとして表すことができる。
【数１】
0005608865.tif 000002
【００４７】
ゾーン２、ゾーン３、ゾーン４も同様に考えることができるので、各ゾーンに負荷される荷重Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４はベクトルとして式（２）のように表すことができる。
【数２】
0005608865.tif 000003
【００４８】
これらの関係を模式的に表すと、図３に示すように、荷重センサ１０に負荷される任意荷重Ｐは荷重ベクトル図として表すことができる。図３は４つのゾーンに負荷される荷重Ｐｍ    （ｍ＝１、２、３、４）と４つのゾーンの電圧変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）の関係を表している。
【００４９】
任意荷重Ｐは、各ゾーンに負荷される荷重Ｐｍ    （ｍ＝１、２、３、４）の総和となる。このことから、任意荷重Ｐは、式（３）に示すように、電圧の変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）で表すことができる。
【数３】
0005608865.tif 000004
【００５０】
また、任意荷重Ｐはｘ、ｙ、ｚ（軸）成分もつためｘ、ｙ、ｚ成分の荷重をそれぞれＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとすれば任意荷重Ｐは新たに式（４）のように表すことができる。  
【数４】
0005608865.tif 000005
【００５１】
任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎ  は、式（４）からＰｎ  ＝Ｐｚとなり各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）の総和で表すことができる。各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和をＶとすると、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍから垂直荷重Ｐｎ  の大きさを求めることができる
【００５２】
任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔは、任意荷重Ｐのｘ、ｙ成分Ｐｘ、Ｐｙで表すことができるため、  Ｐｘ、Ｐｙの大きさを求めることでせん断荷重Ｐｔを求めることができる。ここでＰｘ、Ｐｙは式（４）から各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）を用いてそれぞれ式（６）、（７）のようにＶｘ、Ｖｙとして表すことができる。よって、せん断荷重Ｐｔは式（８）となり電圧変化ΔＶを求めることで、せん断荷重Ｐｔの大きさを求めることができる。
【数５】
0005608865.tif 000006
【数６】
0005608865.tif 000007
【数７】
0005608865.tif 000008
【数８】
0005608865.tif 000009
【００５３】
任意荷重Ｐは垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの合力であるため、式（９）によって求めることができる。また、任意荷重Ｐの水平成分と垂直成分がなす角度をΦ（荷重負荷方向角度）とすると、式（１０）のように、任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎと水平成分であるせん断荷重Ｐｔの比から求めることができる。  
【数９】
0005608865.tif 000010
【数１０】
0005608865.tif 000011
【００５４】
以上により、荷重センサ１０の荷重検出層を４つのゾーンに分割し、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）を測定することで任意に負荷される荷重Ｐを垂直成分である垂直荷重Ｐｎと水平成分であるせん断荷重Ｐｔに分離して測定することを可能とした。垂直荷重Ｐｎを各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖ、せん断荷重Ｐｔを電圧変化ΔＶで表すことができる。また、測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの値から任意荷重Ｐの大きさと任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φが測定できる。
【００５５】
また、荷重を算出する際に電圧変化量ｄＶｍを求めるため、各ゾーンの可変抵抗と置き換えられた部分に生じる電圧をＶｍ    （ｍ＝１、２、３、４）、各ゾーンの初期電圧をＶｍ０  （ｍ＝１、２、３、４）と定義し、式（１１）を用い各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ  （ｍ＝１、２、３、４）を求め、荷重の算出を行う。そのため、上部及び下部電極間の電圧を測定した。
【数１１】
0005608865.tif 000012
【００５６】
荷重センサ１０の荷重測定結果は、以下の通りである。
【００５７】
〔垂直荷重の測定例〕
荷重測定の原理から各ゾーンの電圧Ｖｍ    （ｍ＝１、２、３、４）  変化を求めることで、荷重センサ１０に設置された金型２０に負荷される任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎを測定することができる。
【００５８】
荷重センサ１０に設置された金型２０の中心に対し任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φを０、５、１０、１５ｄｅｇと変化させ、任意荷重Ｐを負荷し、各ゾーンの電圧Ｖｍ変化と任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎの関係を求めた。実験条件は電源電圧Ｖ０  ＝  ５Ｖ一定で供給し、センサインタフェース（株式会社共和電業生ＰＣＤ−３００Ｂ）により荷重センサ１０の電圧Ｖｍ変化を測定した。
【００５９】
また、金型２０の中心に対して任意荷重Ｐを負荷するため、金型２０の中心にあけたいずれも図示しないねじ穴にＳＵＳ製の直径５ｍｍの球を設置し、球の頂点に対して荷重負荷方向角度Φを変化させた。荷重の負荷には小型卓上試験（島津製作所ＥＺ−５００Ｎ）を用い、荷重負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで任意荷重Ｐを負荷した。このときロードセルによって測定した値からセンサに負荷される垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔは式（１２）、  （１３）によって算出できる。
【数１２】
0005608865.tif 000013
【数１３】
0005608865.tif 000014
【００６０】
一例としてΦ＝０ｄｅｇにおいて任意荷重Ｐを負荷したときの各ゾーンの電圧Ｖｍ変化と任意の荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎの関係を図５に示す。
【００６１】
荷重センサ１０に使用する導電性部材４０をＧＣ／ＶＧＣＦとした場合、ＧＣとした場合のいずれも、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示すように、垂直荷重Ｐｎが増加するにしたがい各ゾーンの電圧Ｖｍが減少していることが確認できる。
【００６２】
荷重センサ１０では各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍを出力とするため、図５で得られた結果から式（１１）を用い、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍを求めた。各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍと垂直荷重Ｐｎの関係を図６（ａ）、（ｂ）に示す。導電性部材４０をＧＣ／ＶＧＣＦとした場合、ＧＣとした場合のいずれも、垂直荷重Ｐｎが増加するにしたがい各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍも増加していることが確認できる。
【００６３】
荷重測定原理から、垂直荷重Ｐｎを測定するには各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを求める必要がある。そこで、図６（ａ）、（ｂ）で得られた各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍから式（５）により各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを算出する。これにより、得られた各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係を図７に示す。図７から、垂直荷重Ｐｎが増加するにしたがい各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖが増加していることが確認できる。
【００６４】
ここで図７の両軸を入れ替え、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って３次式で近似した結果を図８に示す。
【００６５】
また、ＧＣ／ＶＧＣＦを導電性部材としたときに得られた実験式を式（１４）に示し、ＧＣを導電性部材としたときに得られた実験式を式（１５）に示す。
【数１４】
0005608865.tif 000015
【数１５】
0005608865.tif 000016
【００６６】
したがって、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを求め、得られた実験式に代入することにより、荷重センサ１０は任意の荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎを測定することができる。
【００６７】
そこで、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを式（１４）、式（１５）に代入して得られた垂直荷重Ｐｎと、別途ロードセル（Ｉｎｔｅｒ  ｆａｃｅ  製  ＳＭ−５００）により測定した値から式（１２）を用いて算出した垂直荷重Ｐｎを比較した結果を図９に示す。図９からロードセルが検出した垂直荷重Ｐｎと荷重センサ１０が検出した垂直荷重Ｐｎが一致しており、荷重検出層に使用する導電性材料にＧＣ／ＶＧＣＦ、ＧＣどちらを用いても荷重センサ１０は正確に垂直荷重Ｐｎを測定できることがわかった。
【００６８】
荷重センサ１０の再現性を明らかにするため、垂直荷重Ｐｎを５回負荷したときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。図１０（ａ）、（ｂ）から、５回の測定を行っても、垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖは同様な傾向を示すため、荷重センサ１０の再現性を確認することができた。
【００６９】
任意の荷重Ｐを負荷する方向を変化させても任意の荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎを測定できるか明らかにするため、任意荷重の負荷方向角度Φを０、５、１０、１５ｄｅｇと変化させたとき、それぞれの角度における垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖの関係を図１１（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７０】
図１１（ａ）、（ｂ）から、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖと垂直荷重Ｐｎの関係は、任意荷重の負荷方向角度Φを変化させても同様の軌跡をたどることが確認できる。したがって、荷重センサ１０は任意の方向から負荷される任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎの大きさを測定できることがわかった。
【００７１】
〔せん断荷重の測定例〕
荷重測定原理から、任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔを測定するためには電圧変化ΔＶを求める必要がある。得られた各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍから式（８）を用いて求めた電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔの関係を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７２】
図１２（ａ）、（ｂ）からせん断荷重Ｐｔが増加するに従い電圧変化ΔＶが増加し、せん断荷重Ｐｔが一定の値を超えると電圧変化ΔＶは一定の値となっていることが確認できる。
【００７３】
電圧変化ΔＶが変化し、一致する範囲で電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔの関係を求め、最小二乗法により２次式で近似した結果を図１３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７４】
また、ＧＣ／ＶＧＣＦを導電性部材としたときに得られた実験式を式（１６）に示し、ＧＣを導電性部材としたときに得られた実験式を式（１７）に示す。
【数１６】
0005608865.tif 000017
【数１７】
0005608865.tif 000018
【００７５】
図１３（ａ）、（ｂ）から、任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φを変化させても電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔの関係は同様の軌跡で変化していることが確認できる。
【００７６】
したがって、各ゾーンの電圧変化ΔＶを求め、得られた実験式（１６）、（１７）に代入することにより、荷重センサ１０は任意の荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔを測定することができる。そこで、各ゾーンの電圧変化ΔＶを式（１５）に代入して得られたせん断荷重Ｐｔと別途ロードセルにより測定した値から式（１３）により算出したせん断荷重Ｐｔを比較した結果を図１４（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７７】
図１４（ａ）、（ｂ）から、ロードセルの測定した任意の荷重Ｐから算出したせん断荷重Ｐｔと荷重センサ１０が検出したせん断荷重Ｐｔは一致することが確認できる。したがって、荷重センサ１０は電圧変化ΔＶが変化する範囲で任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔの大きさを測定できることがわかった。
【００７８】
〔任意荷重の測定例〕
任意荷重Ｐの大きさは式（９）から測定した任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎと水平方向成分であるせん断荷重Ｐｔから求めることができる。そこで、せん断荷重Ｐｔが測定できる範囲で荷重センサ１０が検出した任意荷重Ｐと別途ロードセルにより測定した値を比較した結果を図１５（ａ）、（ｂ）に示す。
【００７９】
図１５（ａ）、（ｂ）から、荷重センサ１０が検出した任意荷重Ｐの値とロードセルが検出した任意荷重Ｐの値が一致していることが確認できる。したがって、荷重センサ１０は任意荷重Ｐの大きさを測定できることがわかった。
【００８０】
荷重測定原理から、任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φは、測定した任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎと水平方向成分であるせん断荷重Ｐｔの比で表すことができる。測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの関係を図１６に示す。
【００８１】
図１６から任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φと荷重センサ１０が測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの比から求めた任意荷重Ｐの荷重負荷方向角度Φが一致していることが確認できる。
【００８２】
以上の荷重測定結果から、次のことが判明した。
（１）各ゾーンの電圧Ｖｍ変化を測定することで、金型に負荷される任意荷重Ｐを垂直成分の垂直荷重Ｐｎと水平成分のせん断荷重Ｐｔに分離できること。
（２）荷重センサ１０に設置された金型２０に任意方向から荷重Ｐを負荷したときに、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの総和Ｖを測定することで任意荷重Ｐの垂直成分である垂直荷重Ｐｎの大きさを測定できること。
（３）荷重センサ１０に設置された金型２０に任意方向から荷重Ｐを負荷したときに、各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍの関係を測定することで任意荷重Ｐの水平成分であるせん断荷重Ｐｔの大きさを測定できること。
（４）荷重センサ１０は、測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの関係から任意荷重Ｐの大きさを測定できること。
（５）荷重センサ１０は、測定した垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔの関係から任意荷重Ｐの負荷される荷重負荷方向角度Φを測定できること。
（６）荷重センサ１０に使用する導電性部材をＧＣ／ＶＧＣＦ、ＧＣと変えても同様に荷重の測定が行えること。
【００８３】
なお、この実施例の荷重センサ１０は、単一な荷重ベクトルは測定できるが荷重ベクトルの分布は測定できない。そこで、荷重検出層に使用する下部電極５１の分割数を増やすことで複数の荷重ベクトルの分布を測定できる。
【実施例２】
【００８４】
本発明の別の実施形態による実施例２の荷重測定システム１Ａは、図１７に概念的に示すように、三軸荷重測定用柔軟接触センサの原理を利用して把持力とせん断力を測定することができるとともに各種医療用器具に適用可能な生体適合性材料からなる小形・軽量な荷重センサ１０Ａである点を除き、前記実施例１と同様の基本構成である。
【００８５】
荷重センサ１０Ａに用いる導電性部材４０Ａとして、特にＧＣを選定した。ＧＣは、耐熱性の他、電気伝導性、加工性、耐薬品性に優れ、発塵が少なく、血液、生体組織適合性が良好であるという生体適合性の特徴と、電圧を印加しながら荷重を負荷することで電気抵抗値が変化する性質とを兼ね備える。
【００８６】
この実施例の荷重センサ１０Ａの基本構成は、上部電極３０Ａ、ＧＣからなる導電性部材４０Ａ、固定用フィルム６０Ａ、下部電極５０Ａからなる。固定用フィルム６０Ａは、導電性部材４０Ａを下部電極５０Ａ上面に固定するために用いられ、生体適合性の電気絶縁部材であることが好ましい。
【００８７】
この実施例の荷重センサ１０Ａにおいて、ＧＣからなる導電性部材４０Ａを各種医療用器具に使用できる荷重センサ１０Ａに適合する小型サイズに変化させたときの垂直荷重と電圧変化の関係を以下の通り測定し、機能の評価を行った。
【００８８】
この実施例の荷重測定システム１Ａにおいて、荷重センサ１０Ａの上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａには生体適合性を有するチタン（Ｔｉ）を用い、寸法は２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍとした。又、ＧＣの導電性部材４０Ａのサイズを変化させたときの影響を調べるため、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍ、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．５ｍｍの３種類のサイズを比較した。
【００８９】
チタンの上部及び下部電極３０Ａ、５０ＡでＧＣの導電性部材４０Ａを上下から挟みこみ、上部電極３０ＡにＲ＝１００Ωの抵抗を配置することで、図１８に示すように、分圧回路とした。ＧＣの導電性部材４０Ａは電圧Ｖ０を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値Ｒｘが変化するため、可変抵抗と考えることができ、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧をＶｍと定義し測定を行った。
【００９０】
〔垂直荷重の測定例〕
卓上万能試験機（（株）島津製作所ＥＺ−Ｌ−５００Ｎ）を用いて垂直荷重をＰｎと定義し、垂直荷重Ｐｎを１００Ｎまで負荷した。荷重負荷速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎ一定とし、図１９に示すように、上部電極３０Ａの上面には電気絶縁部材６０Ｂとしてテフロン（登録商標）シートを敷き、また、荷重Ｐｎを均一に負荷するため球面座７０を設置し、荷重センサ１０Ａの中心に対して荷重Ｐｎを負荷した。球面座７０は直径２４．４ｍｍ、重さ６０．６ｇである。電圧の供給には安定化電源１３０を用い（図１７）、供給電圧Ｖ０＝５Ｖ一定とし、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍの測定を行った。
【００９１】
荷重センサ１０Ａに垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を図２０に示す。
【００９２】
図２０から垂直荷重Ｐｎの増加に伴い、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍが減少していることがわかる。また、供給電圧Ｖ０＝５Ｖであるのに対し、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍが約２Ｖから変化している。これは、荷重センサ１０Ａに球面座７０を用いているため、球面座７０の自重が初期荷重として負荷されているためである。
【００９３】
さらに、電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの測定を１０回行い、垂直荷重Ｐｎの増加により上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍは同様の変化をしていることから、再現性を有していることがわかる。
【００９４】
また、同じサイズの２枚のＧＣの導電性部材４０Ａにそれぞれ垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を図２１示す。
【００９５】
図２１から、ＧＣの導電性部材４０Ａのサイズが同じならば、異なるＧＣの導電性部材４０Ａを用いても垂直荷重Ｐｎを負荷したときの上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍは同様の変化をすることがわかる。
【００９６】
さらに、ＧＣの導電性部材４０Ａのサイズを厚さ０．５ｍｍで、１０ｍｍ×１０ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ、２．５ｍｍ×２．５ｍｍの３種類に変化させたときの電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係を図２２に示す。
【００９７】
図２２から、導電性部材４０Ａのサイズによらず、垂直荷重Ｐｎが増加すると上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍが減少している同じ傾向を示すことがわかる。
【００９８】
しかし、一般的に電気抵抗値は、式（１８）に表されるように、電極との接触面積に反比例して変化する。
【数１８】
0005608865.tif 000019
ここで、Ｒ＝ＲｘはＧＣの導電性部材４０Ａの抵抗値、ρは体積抵抗率、Ｌは厚さ、Ａは電極との接触面積である。式（１）から導電性部材４０Ａのサイズが小さいほうが上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍは大きいはずだが、図２２ではサイズが小さいと上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍが小さくなる。これは、ＧＣの結晶構造がアモルファスであるため、荷重Ｐｎを負荷したことにより結晶構造が配列され、電流Ｉが流れ易くなったためだと考えられる。
【００９９】
把持力とせん断力を測定することができる生体適合性が良好な荷重センサ１０Ａは、以上の荷重測定結果から、次のことが判明した。
（１）垂直荷重Ｐｎの増加により、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍが減少すること。
（２）垂直荷重Ｐｎを繰り返し負荷しても同様の電圧Ｖｍ変化が生じることから再現性があること。
（３）同じサイズの２枚のＧＣの導電性部材４０Ａにそれぞれ垂直荷重Ｐｎを負荷すると、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍの変化は同様であることから個体差による影響を無視できること。
（４）ＧＣの導電性部材４０Ａのサイズを小さく変化させても、垂直荷重Ｐｎを増加させることで上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍは減少すること。
（５）ＧＣの導電性部材４０Ａのサイズが小さくなると、上部及び下部電極３０Ａ、５０Ａ間の電圧Ｖｍは大きく変化する傾向があること。
【０１００】
以上から、ＧＣサイズを小さく変化させても同様に荷重センサ１０Ａの導電性部材４０Ａとして利用できることが判明した。したがって、この実施例に係る荷重センサ１０Ａは、各種医療用器具に装着可能なように、十分な小型化が必要な場合であっても適用が可能であると認められる。
【０１０１】
なお、この実施例では、電極などの荷重検出層の分割によるせん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層を分割することにより、せん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【実施例３】
【０１０２】
本発明のまた別の実施形態による実施例３の荷重測定システムは、図２３に示すように、荷重センサ１０Ｂを下部電極と導電性部材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。
【０１０３】
この実施例の荷重センサ１０Ｂは、チタン（Ｔｉ）からなる上部電極３０Ｂと下部電極４０Ｂを兼ね備えるように一体的に構成したＧＣからなる導電性部材とを使用し、前記実施例における下部基板を省略した構成である。これにより、一層小型・軽量化で薄型の各種医療用器具にも適用可能な荷重センサの実現が可能となる。
【０１０４】
このように下部電極と導電性部材を一体として構成を簡略化した実施例３の荷重センサ１０Ｂの作用を確認するため、前記実施例２と同様に、以下の通り測定を行った。
【０１０５】
〔垂直荷重の測定例〕
荷重センサ１０Ｂに垂直荷重Ｐｎを負荷した時の上部及び下部電極３０Ａ、４０Ｂ間の電圧Ｖｍと垂直荷重Ｐｎの関係の一例を図２４に示す。
【０１０６】
図２４から、垂直荷重Ｐｎが増加すると、前記実施例と同様に、上部及び下部電極３０Ａ、４０Ｂ間の電圧Ｖｍが減少していることが認められる。
【０１０７】
したがって、この実施例に係る荷重センサ１０Ｂは、一方又は双方の電極と、それぞれ導電性部材とを一体として構成された場合であっても、荷重センサとして適用が可能であると認められる。
【０１０８】
なお、この実施例でも、電極などの荷重検出層の分割によるせん断荷重Ｐｔは測定していないが、前記実施例１と同様に、荷重検出層を分割することにより、せん断荷重Ｐｔの測定も十分に可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明に係る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三軸荷重あるいは荷重分布の測定が可能な荷重センサを有するため、熱ナノインプリントなどの高度な微細加工技術分野における加圧時の金型の面圧測定等を含む広範な産業分野に利用することが可能である。また、本発明に係る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】
【０１１０】
１、１Ａ、１Ｂ；荷重測定システム
１０、１０Ａ、１０Ｂ；荷重センサ
２０；金型（接触部）
３０；（上部）基板
３０Ａ、３０Ｂ；上部電極
３１；（上部）電極
４０、４０Ａ；導電性部材
４０Ｂ；下部電極（ＧＣ）
５０；（下部）基板
５０Ａ；下部電極
５１；（下部）電極
６０Ａ；固定用フィルム
６０Ｂ；電気絶縁部材
７０；球面座
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＝１、２、３、４）  （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＝１、２、３、４）    各ゾーンに負荷される荷重
Ｐｎ；垂直荷重
Ｐｔ；せん断荷重
Ｐｘ；任意荷重のｘ（軸）成分
Ｐｙ；任意荷重のｙ（軸）成分
Ｐｚ；任意荷重のｚ（軸）成分
Ｒ；（電気）抵抗（抵抗値）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４；（各ゾーンの抵抗）可変抵抗
Ｒｘ；（電気）抵抗（抵抗値）（可変抵抗）
Ｔｉ；チタン
Ｖ；電圧変化量の総和
Ｖ０；電源電圧
ＶＧＣＦ；気相成長炭素繊維
Ｖｍ；（ｍ＝１、２、３、４）  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
Φ；荷重負荷方向角度
【図１】
0005608865.tif 000020
【図２】
0005608865.tif 000021
【図３】
0005608865.tif 000022
【図４】
0005608865.tif 000023
【図５】
0005608865.tif 000024
【図６】
0005608865.tif 000025
【図７】
0005608865.tif 000026
【図８】
0005608865.tif 000027
【図９】
0005608865.tif 000028
【図１０】
0005608865.tif 000029
【図１１】
0005608865.tif 000030
【図１２】
0005608865.tif 000031
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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