(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を含む層をそれぞれ有する複数のアクチュエーターがそれぞれ積層される複数の積層構造体であって、第１の方向および前記第１の方向と交差する第２の方向に配置される複数の積層構造体と、
前記第１の方向に延び、前記第１の方向に配置される複数の前記積層構造体における第１の面に電気的に接続する複数の第１の電極と、
前記第２の方向に延び、前記第２の方向に配置される複数の前記積層構造体における前記第１の面に対向する第２の面に電気的に接続する複数の第２の電極と、を備え、
複数の前記積層構造体は、錐体の形状を有する、
ことを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
前記複数のアクチュエーターは錐体の形状を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサーと、
前記複数の第１の電極を通電可能にする複数の第１のスイッチと、
前記複数の第２の電極を通電可能にする複数の第２のスイッチと、
前記複数の第１の電極のうちの一つが通電可能になるとともに前記複数の第２の電極のうちの一つが通電可能になるように、前記複数の第１のスイッチおよび前記複数の第２のスイッチを制御する制御回路と、を備える
圧力測定装置。
【請求項４】
前記複数のアクチュエーターの電位差のレベルを増幅可能な増幅回路を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の圧力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、電解質を含むアクチュエーターを用いる圧力センサーおよび圧力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のアクチュエーターの一つとして、高分子アクチュエーターが知られている。この高分子アクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、電圧を加えるのをやめると元に戻る特性を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平４−２７５０７８号公報や特開平１１−１６９３９３号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２７５０７８号公報
【特許文献２】特開平１１−１６９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前述のような電解質膜を有するアクチュエーターでは、電解質膜に外部から力（外的応力）を加えると電解質膜に電位差（電圧）が発生する。発生した電圧は電解質膜の湾曲（曲がり加減）に関係している。この電圧を電解質膜の両側の電極で検出することにより、電解質膜を有するアクチュエーターは、加えられる力（圧力）を検出する圧力センサーとして使用することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、このアクチュエーターを用いて所定の広がりをもつ二次元の圧力の分布（圧力分布）を得ようとすると、二次元の所定領域内に複数のアクチュエーターを配置し、電解質膜の両側に設けられた電極で各アクチュエーターの電圧を検出する必要があるため、その構造および制御が複雑になる、という問題があった。
【０００６】
本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、電解質を含むアクチュエーターを用いて、二次元の圧力に対する圧力分布を容易に得ることのできる圧力センサーおよび圧力測定装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧力センサーは、電解質を含む層をそれぞれ有する複数のアクチュエーターがそれぞれ積層される複数の積層構造体であって、第１の方向および前記第１の方向と交差する第２の方向に配置される複数の積層構造体と、第１の方向に延び、第１の方向に配置される複数の積層構造体における第１の面に電気的に接続する複数の第１の電極と、第２の方向に延び、第２の方向に配置される複数の積層構造体における第１の面に対向する第２の面に電気的に接続する複数の第２の電極と、を備え、複数の積層構造体は、錐体の形状を有する。
【０００８】
かかる構成によれば、それぞれ電解質を含む層を有する複数のアクチュエーターが、第１の方向および第１の方向と交差する第２の方向に配置される。これにより、各アクチュエーターを二次元の所定領域内に高密度に配置することが可能となる。また、第１の方向にそれぞれ延びる複数の第１の電極が、第１の方向に配置される複数のアクチュエーターにおける電解質を含む層の第１の面にそれぞれ電気的に接続し、第２の方向にそれぞれ延びる複数の第２の電極が、第２の方向に配置される複数のアクチュエーターにおける電解質を含む層の第１の面に対向する第２の面にそれぞれ電気的に接続する。これにより、複数のアクチュエーターの電解質を含む層の互いに対向する第１の面および第２の面が、それぞれ第１の電極および第２の電極に電気的に接続されるので、各アクチュエーターの電解質を含む層に発生する電位差（電圧）を検出することが可能となる。
【０００９】
ここで、本発明の圧力センサーに所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられると、第１の方向および第２の方向に配置された複数のアクチュエーターには、それぞれに加わる圧力に応じて電位差（電圧）が発生する。よって、複数の第１の電極および複数の第２の電極によって、各アクチュエーターの電圧を検出することにより、加えられた二次元の圧力の分布（圧力分布）を得ることが可能となる。したがって、電解質を含む層を有する各アクチュエーターを高密度に配置し、電解質を含む層の互いに対向する面にそれぞれ電極を設ける場合よりも簡略な構造の複数の第１の電極および複数の第２の電極によって、各アクチュエーターの両面が電気的に接続されることで、二次元の圧力に対する圧力分布を容易に得ることができる。また、こうして得られた圧力分布は、二次元の圧力を加える対象物との間の滑り（ズレ）、当該対象物の硬さや重さなどの情報を得るのに利用することができる。
【００１０】
さらに、電解質を含む層を有するアクチュエーターは、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力が加わると即座に応答して電圧（電位差）生じ、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。したがって、複数のアクチュエーターを備える本発明の圧力センサーは、これらの特徴のうち少なくとも１つを要件とする用途に、好適に適用することができる。
【００１１】
好ましくは、複数のアクチュエーターのそれぞれは前記層を複数有する積層構造体である。
【００１２】
かかる構成によれば、各アクチュエーターが電解質を含む層を複数有する積層構造体である。これにより、加えられる圧力に対する検出信号（圧力検出信号）として、電解質を含む層を一つ有するアクチュエーターに発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。したがって、電解質を含む層を複数有する積層構造体を用いて、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。
【００１３】
好ましくは、複数のアクチュエーターは錐体の形状を有する。
【００１４】
かかる構成によれば、各アクチュエーターは、錐体の形状を有する。これにより、アクチュエーターの頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。したがって、アクチュエーターの頂点（頭頂点）側を圧力の接触部（印加部）とすることで、微小な圧力を検出しやすくなり、センシング感度を高めることができる。
【００１５】
また、本発明に係る圧力測定装置は、前述の圧力センサーと、複数の第１の電極を通電可能にする複数の第１のスイッチと、複数の第２の電極を通電可能にする複数の第２のスイッチと、複数の第１の電極のうちの一つが通電可能になるとともに複数の第２の電極のうちの一つが通電可能になるように、複数の第１のスイッチおよび複数の第２のスイッチを制御する制御回路と、を備える。
【００１６】
かかる構成によれば、制御回路が、複数の第１の電極のうちの一つが通電可能になるとともに、複数の第２の電極のうちの一つが通電可能になるように、複数の第１のスイッチおよび複数の第２のスイッチを制御する。これにより、複数のアクチュエーターのうち、通電可能にされた第１の電極に接続されるとともに、通電可能にされた第２の電極に接続されるアクチュエーターの電位差（電圧）が検出可能となる。また、各アクチュエーターの電圧を順次検出することで、本発明の圧力センサーに所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられる場合に、二次元の圧力に対する圧力分布を得ることが可能となる。したがって、本発明の圧力センサーに対して複雑な制御を必要とせずに、制御回路が、複数の第１の電極のそれぞれを通電可能にする複数の第１のスイッチと複数の第２の電極のそれぞれを通電可能にする複数の第２のスイッチとを制御することで、二次元の圧力に対する圧力分布を更に容易に得ることができる。
【００１７】
好ましくは、複数のアクチュエーターの電位差のレベルを増幅可能な増幅回路をさらに備える。
【００１８】
かかる構成によれば、各アクチュエーターの電位差（電圧）のレベルを増幅可能な増幅回路を備える。これにより、アクチュエーターで発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。したがって、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る圧力センサーの一例を説明する斜視図である。
【図２】図１に示したアクチュエーターの一例を説明する斜視図である。
【図３】、図１および図２に示したアクチュエーターに電圧を印加した場合の動作を説明する説明図である。
【図４】図１および図２に示したアクチュエーターに力を加えた場合の動作を説明する説明図である。
【図５】図１および図２に示したアクチュエーターに加える力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。
【図６】図５に示したアクチュエーターにおける変位量と電圧との関係を示すグラフである。
【図７】金属板に設置したアクチュエーターに加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。
【図８】図７に示したアクチュエーターにおける圧力と電圧との関係を示すグラフである。
【図９】図１に示した圧力センサーが備える積層構造体を説明する斜視図である。
【図１０】図９に示した積層構造体に加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。
【図１１】図７に示したアクチュエーターと図１０に示した積層構造体における電圧の関係を示すグラフである。
【図１２】錐体の形状を有する積層構造体の一例を説明する斜視図である。
【図１３】錐体の形状を有する積層構造体の他の例を説明する斜視図である。
【図１４】本発明に係る圧力測定装置の一例を説明する概略回路図である。
【図１５】図１４に示した制御回路の機能を説明するブロック図である。
【図１６】図１４および図１５に示した第１方向スイッチおよび第２方向スイッチを制御する制御信号を説明するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」、紙面の手前側を「前」、奥側を「後」、という。
【００２１】
［圧力センサー］
図１ないし図１３は、本発明に係る圧力センサーの一実施形態を示すためのものである。図１は、本発明に係る圧力センサーの一例を説明する斜視図である。図１に示すように、圧力センサー１００は、４つのアクチュエーター１０と、２つの第１方向電極１１０と、２つの第２方向電極１２０と、を備える。
【００２２】
図２は、図１に示したアクチュエーター１０の一例を説明する斜視図である。図２に示すように、アクチュエーター１０は、電解質膜１５と、電極１１と、電極１２と、を備える。
【００２３】
電極１１は、電解質膜１５の一方の面（図２において前面）に設けられ、電極１２は、電解質膜１５の他方の面（図２において後面）に設けられている。
【００２４】
電解質膜１５は、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用することができ、より詳細には、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができる。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。
【００２５】
本実施形態では、電解質膜１５として、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標）を使用している。また、電解質膜１５の形状は、短辺が２［ｃｍ］、長辺が５［ｃｍ」、厚さが２００［μｍ］〜１［ｍｍ］程度の長方形に形成されている。
【００２６】
なお、電解質膜１５としてパーフルオロスルホン酸膜の例を示したが、これに限定されず、他の材料、例えば、パーフルオロカルボン酸膜（商品名「フレミオン」、旭化成（株）登録商標）など、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。また、電解質膜１５の形状および寸法も同様に、前述した例に限定されるものではない。
【００２７】
電極１１および１２は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することができる。電極１１および１２の電解質膜１５への接合には、化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などが適宜に使用される。
【００２８】
本実施形態では、電極１１および１２は、電解質膜１５に金メッキを施すことによって形成している。電解質膜１５への金メッキは、まず、塩化ジクロロフェナントロリン金（III）［Ａｕ(phen)Ｃｌ2］Ｃｌ水溶液に浸潤し、イオン交換反応で金錯イオンを吸着させる。次に、吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ3）水溶液に浸漬させ、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンが外側に析出する。これによって膜の両面に金メッキを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面１〜２［ｍｇ／ｃｍ2］である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、４回〜８回程度メッキを繰り返すと、片面１０［ｍｇ／ｃｍ2］程度の金が析出する。この場合、金層（電極）の膜厚はおおよそ１〜５［μｍ］程度である。
【００２９】
なお、電極１１および１２の材料は、前述した例に限定されるものではなく、他の材料を使用してもよい。また、電極１１および１２の電解質膜１５への接合も同様に、前述した例に限定されるものではない。
【００３０】
アクチュエーター１０の電解質膜１５は、電界が与えられると変形する。電圧の印加によって電解質膜１５が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。
【００３１】
図３は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に電圧を印加した場合の動作を説明する説明図である。図３の左図に示すように、直流電源からアクチュエーター１０の電極１１および１２にそれぞれ正電圧と負電圧とが印加されると、電解質膜１５中の陽イオンは電極１２側に移動する。この陽イオンの移動に伴って水分子（溶媒）も移動するので、電極１２側の水分が相対的に増大し、電極１１側の水分が相対的に減少する。このため、電解質膜１５の正電極側と負電極側とでは、電解質膜１５中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜１５中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ（膨潤し）、水分量が減った側では電解質膜が収縮するので、アクチュエーター１０は電極１１側（図３において左側）に湾曲して曲がる。
【００３２】
一方、図３の右図に示すように、直流電源から電極１１および１２にそれぞれ負電圧と正電圧とが印加されると、電解質膜１５中の陽イオンは電極１１側に移動する。この陽イオンの移動に伴って水分子（溶媒）も移動するので、電極１１側の水分が相対的に増大し、電極１１側の水分が相対的に減少する。このため、電解質膜１５の正電極側と負電極側とでは、電解質膜１５中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜１５中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ（膨潤し）、水分量が減った側では電解質膜が収縮するので、アクチュエーター１０は電極１２側（図３において右側）に湾曲して曲がる。
【００３３】
また、アクチュエーター１０の電解質膜１５は、力（外的応力）が加えられると電位差（電圧）が発生する。力を加えることによって電解質膜１５に電圧が発生する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。
【００３４】
図４は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に力を加えた場合の動作を説明する説明図である。図４の左図に示すように、アクチュエーター１０の電極１２に外部から力（外的応力）が加わると、アクチュエーター１０は左側に湾曲して曲がる。このとき、電解質膜１５中の水分子（溶媒）は電極１２側に移動する。この水分子（溶媒）の移動に伴って陽イオンも移動するので、電極１２側の陽イオン密度が相対的に高くなり、電極１１側の陽イオン密度が相対的に低くなる。このため、電解質膜１５の電極１２側と電極１１側とでは、電解質膜１５中の電位に差が生じ、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ負電位と正電位になる電位差（電圧）が発生する。
【００３５】
一方、図４の右図に示すように、アクチュエーター１０の電極１１に外部から力（外的応力）が加わると、アクチュエーター１０は右側に湾曲して曲がる。このとき、電解質膜１５中の水分子（溶媒）は電極１１側に移動する。この水分子（溶媒）の移動に伴って陽イオンも移動するので、電極１１側の陽イオン密度が相対的に高くなり、電極１２側の陽イオン密度が相対的に低くなる。このため、電解質膜１５の電極１１側と電極１２側とでは、電解質膜１５中の電位に差が生じ、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位になる電位差（電圧）が発生する。
【００３６】
図５は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に加える力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図５に示すように、アクチュエーター１０の電極１２に外部から力Ｆ0が加わると、アクチュエーター１０は加えられた力Ｆ0に比例する変位量ｄ0だけ下側に変位する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ負電位と正電位となる電圧Ｖ0が発生する。図示を省略するが、同様に、アクチュエーター１０の電極１１に外部から力Ｆ0が加わると、アクチュエーター１０は変位量ｄ0だけ上側に変位する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位となる電圧Ｖ0が発生する。
【００３７】
図６は、図５に示したアクチュエーター１０における変位量と電圧との関係を示すグラフである。なお、図６のグラフは、横軸が時間、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が変位量を示し、図５に示すように、電圧は電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位になる場合を正、変位量はアクチュエーター１０が下側に変位する場合を正として表したものである。また、実線Ｌ１が電圧Ｖ0、破線Ｌ２が変位量ｄ0を表している。電極１２側および電極１１側に、経時的に変化する力Ｆ0を交互に加える場合に、アクチュエーター１０の変位量ｄ0と、アクチュエーター１０の電極１１および１２に発生する電圧Ｖ0とを測定すると、図６に示すようなグラフになる。図６に示すように、アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ0は、そのレベルがアクチュエーター１０の変位量ｄ0に比例しており、アクチュエーター１０の変位量ｄ0の変化に応答する応答性を有していることが分かる。
【００３８】
図７は、金属板Ａに設置したアクチュエーター１０に加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図７に示すように、アクチュエーターの電極１１側を金属板Ａの上に載置して固定した上で、アクチュエーター１０の電極１２の中央部に外部から圧力（力）Ｆ0が加わると、アクチュエーター１０は上側に反って湾曲する。このとき、前述したように、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧（電位差）が発生する。
【００３９】
図８は、図７に示したアクチュエーター１０における圧力と電圧との関係を示すグラフである。なお、図８のグラフは、横軸が時間、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が圧力を示し、四角でプロットした実線Ｌ３が電圧Ｖ0、菱形でプロットした破線Ｌ４が圧力Ｆ0を表している。アクチュエーター１０に所定時間の間、圧力Ｆ0を加えた後、加えていた圧力Ｆ0を取り除く場合に、アクチュエーター１０の電極１１および１２に発生する電圧Ｖ0を測定すると、図８に示すようなグラフになる。図８に示すように、アクチュエーターに発生する電圧Ｖ0は、そのレベルが圧力Ｆ0の大きさに比例しており、圧力Ｆ0の変化に応答する応答性を有していることが分かる。また、アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ0は、圧力Ｆ0が加えられている間は発生し続け、圧力Ｆ0が除去されるとそのレベルがゼロになることが分かる。
【００４０】
このように、電解質膜１５を有するアクチュエーター１０は、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力を加えると即座に応答して電圧（電位差）が発生し、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。
【００４１】
図１に示すように、４つのアクチュエーター１０は、平面視において、マトリックス（行列）状に配置される。すなわち、第１方向（図１において横方向または左右方向）に、２つのアクチュエーター１０を互いに平行な２つの行のそれぞれに配置するとともに、第１方向と直角に交差する第２方向（図１において縦方向または上下方向）に、２つのアクチュエーター１０を互いに平行な２つの列のそれぞれに配置する。これにより、各アクチュエーター１０を二次元の所定領域内に高密度に配置することが可能となる。
【００４２】
２つの第１方向電極１１０は、第１方向にそれぞれ延びている。各第１方向電極１１０は、第１方向に配置される２つのアクチュエーター１０において、電解質膜１５の互いに対向する面（図１において上下面）のうちの第１面（図１において上面）に電気的に接続する。また、２つの第２方向電極１２０は、第２方向にそれぞれ延びている。各第２方向電極１２０は、第２方向に配置される２つのアクチュエーター１０において、電解質膜１５の互いに対向する面（図１において上下面）のうちの第１面に対向する第２面（図１において下面）に電気的に接続する。これにより、複数のアクチュエーター１０の電解質膜１５の互いに対向する第１面および第２面が、それぞれ第１方向電極１１０および第２方向電極１２０に電気的に接続されるので、各アクチュエーター１０の電解質膜１５に発生する電位差（電圧）を検出することが可能となる。
【００４３】
ここで、圧力センサー１００に所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられると、第１方向および第２方向に配置された複数のアクチュエーター１０には、それぞれに加わる圧力に応じて電位差（電圧）が発生する。よって、複数の第１方向電極１１０および複数の第２方向電極１２０によって、各アクチュエーター１０の電圧を検出することにより、加えられた二次元の圧力の分布（圧力分布）を得ることが可能となる。
【００４４】
本実施形態では、圧力センサー１００が４つのアクチュエーター１０を備える例を示したが、これに限定されない。アクチュエーター１０の数は、複数であればよく、４つより少なくても多くてもよい。また、複数のアクチュエーター１０が２行２列に配置される例を示したが、これに限定されない。アクチュエーター１０の配置は、正方行列でなくてもよく、第１方向（行）および第２方向（列）がそれぞれ複数であればよい。さらに、第１方向および第２方向は、互いに直交する場合に限定されず、第１方向と第２方向とが交差していればよい。
【００４５】
各第１方向電極１１０および各第２方向電極１２０は、例えば、導電性を有する帯状（シート状）の部材から構成される。これにより、圧力センサー１００の一方の面、例えば、上面側に圧力が加えられた場合に、複数の第１方向電極１１０および複数の第２方向電極１２０の間の各アクチュエーター１０が変位しやすくなり、各アクチュエーター１０に発生する電圧のレベルが高くなる。
【００４６】
本実施形態では、圧力センサー１００が、それぞれが１つの電解質膜１５を有する複数のアクチュエーター１０を備える例を示したが、これに限定されない。アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ0は、例えば、２［ｍＶ］程度であり、最大でも数［ｍＶ］程度である。そのため、圧力センサー１００が複数のアクチュエーター１０を備える場合に、各アクチュエーター１０に発生する電圧は、加えられる圧力を検出する信号（圧力検出信号）として、信号レベルが低いことがある。以上のことを考慮すると、圧力センサー１００が備える各アクチュエーターは、後述するように、複数の電解質膜を有する積層構造体であることが好ましい。
【００４７】
図９は、図１に示した圧力センサー１００が備える積層構造体１００Ａを説明する斜視図である。図９に示すように、積層構造体１００Ａは、２つのアクチュエーター１０および２０により形成される。アクチュエーター２０は、電解質膜２５と、電極２１と、電極２２と、を備えており、アクチュエーター１０の上に積み重ねられている。なお、アクチュエーター２０は、アクチュエーター１０と同様の構成であるため、その説明を省略する。
【００４８】
図１０は、図９に示した積層構造体１００Ａに加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図１０に示すように、積層構造体１００Ａの電極１１側を金属板Ａの上に載置して固定した上で、積層構造体１００Ａの電極２２の中央部に外部から圧力（力）Ｆ0が加わると、積層構造体１００Ａは上側に反って湾曲する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧Ｖ1が発生し、アクチュエーター２０には、電極２１および２２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧Ｖ2が発生する。
【００４９】
図１１は、図７に示したアクチュエーター１０と図１０に示した積層構造体１００Ａにおける電圧の関係を示すグラフである。なお、図１１のグラフは、横軸が圧力、縦軸が電圧を示し、四角のプロットが図１０に示した積層構造体１００Ａに発生する電圧、菱形のプロットが図７に示したアクチュエーター１０に発生する電圧、を表している。図１１に示すように、加えられる圧力Ｆ0の全ての範囲において、積層構造体１００Ａに発生する電圧（Ｖ1＋Ｖ2）は、図７に示した単体のアクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ0より高いレベルであり、２倍または略２倍となることが分かる（Ｖ1＋Ｖ2≒２×Ｖ0）。
【００５０】
このように、複数、例えば２つのアクチュエーター１０および２０が積層されて２つの電解質膜１５および２５を有する積層構造体１００Ａを形成することにより、加えられる圧力に対する検出信号（圧力検出信号）として、１つの電解質膜１５を有するアクチュエーター１０に発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。
【００５１】
前述した例では、直方体の形状を有するアクチュエーター１０および積層構造体１００Ａを示したが、これに限定されない。各アクチュエーター１０および各積層構造体１００Ａは、例えば、錐体の形状を有することが好ましい。これにより、アクチュエーター１０および積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。なお、以下の説明では積層構造体１００Ａの場合を示し、アクチュエーター１０の場合も同様であるため、その説明を省略する。
【００５２】
図１２は、錐体の形状を有する積層構造体１００Ａの一例を説明する斜視図である。図１２に示すように、積層構造体１００Ａは角錐の形状を有している。なお、図１２に示す積層構造体１００Ａは、厳密には（数学的に）角錐ではないが、本願における「角錐」は、図１２に示すような略角錐の形状を含むものとする。
【００５３】
積層構造体１００Ａは、アクチュエーター１０、２０、および３０を順に積み重ねて形成されている。なお、アクチュエーター３０は、前述したアクチュエーター１０および２０と同様に、電解質膜と電解質膜の対向する面に設けられる２つの電極とを有する。また、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、それぞれ一辺の長さが４［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］の正方形である。
【００５４】
図１２では、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状が正方形の例を示したが、これに限定されない。積層構造体１００Ａの形状が略角錐を含む「角錐」であればよく、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、長方形であっても、三角形であっても、あるいは多角形であってもよい。
【００５５】
このように、平面視における形状がそれぞれ寸法（サイズ）の異なる同一の多角形である、複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、角錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体１００Ａを、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーター１０、２０、および３０で容易に実現（構成）することができる。
【００５６】
図１３は、錐体の形状を有する積層構造体１００Ａの他の例を説明する斜視図である。図１３に示すように、積層構造体１００Ａは円錐の形状を有している。なお、図１３に示す積層構造体１００Ａは、厳密には（数学的に）円錐ではないが、本願における「円錐」は、図１３に示すような略円錐の形状を含むものとする。
【００５７】
積層構造体１００Ａは、アクチュエーター１０、２０、および３０を順に積み重ねて形成されている。また、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、それぞれ半径の長さが４［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］の円形である。
【００５８】
このように、平面視における形状がそれぞれ直径の長さの異なる円形である、複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、円錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体１００Ａを、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーター１０、２０、および３０で容易に実現（構成）することができる。
【００５９】
前述した例では、積層構造体１００Ａが２つまたは３つのアクチュエーターを備える例を示したが、これに限定されない。積層構造体１００Ａは４つ以上の複数のアクチュエーターを備え、当該複数のアクチュエーターが積層されて複数の電解質膜を含むようにしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、アクチュエーター１０、２０、および３０がそれぞれ電極を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、アクチュエーター１０、２０、および３０のうちの少なくとも１つが、電解質膜の一方または両方の面に電極を有するようにしてもよいし、アクチュエーター１０、２０、および３０が電極を有さなくてもよい。
【００６１】
このように、本実施形態の圧力センサー１００によれば、それぞれ電解質膜１５を有する複数のアクチュエーター１０が、第１方向および第１方向と交差する第２方向に配置される。これにより、各アクチュエーター１０を二次元の所定領域内に高密度に配置することが可能となる。また、第１方向にそれぞれ延びる複数の第１方向電極１１０が、第１方向に配置される複数のアクチュエーター１０における電解質膜１５の第１面にそれぞれ電気的に接続し、第２方向にそれぞれ延びる複数の第２方向電極１２０が、第２方向に配置される複数のアクチュエーター１０における電解質膜１５の第１面に対向する第２面にそれぞれ電気的に接続する。これにより、複数のアクチュエーター１０の電解質膜１５の互いに対向する面が、それぞれ第１方向電極１１０および第２方向電極１２０に電気的に接続されるので、各アクチュエーター１０の電解質膜１５に発生する電位差（電圧）を検出することが可能となる。
【００６２】
ここで、圧力センサー１００に所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられると、第１方向および第２方向に配置された複数のアクチュエーター１０には、それぞれに加わる圧力に応じて電位差（電圧）が発生する。よって、複数の第１方向電極１１０および複数の第２方向電極１２０によって、各アクチュエーター１０の電圧を検出することにより、加えられた二次元の圧力の分布（圧力分布）を得ることが可能となる。したがって、電解質膜１５を有する各アクチュエーター１０を高密度に配置し、電解質膜１５の互いに対向する面にそれぞれ電極を設ける場合よりも簡略な構造の複数の第１方向電極１１０および複数の第２方向電極１２０によって、各アクチュエーター１０の両面が電気的に接続されることで、二次元の圧力に対する圧力分布を容易に得ることができる。また、こうして得られた圧力分布は、二次元の圧力を加える対象物との間の滑り（ズレ）、当該対象物の硬さや重さなどの情報を得るのに利用することができる。
【００６３】
さらに、電解質膜を有するアクチュエーター１０は、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力が加わると即座に応答して電圧（電位差）生じ、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。したがって、アクチュエーター１０を備える本発明の圧力センサー１００は、これらの特徴のうち少なくとも１つを要件とする用途に、好適に適用することができる。
【００６４】
また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、各アクチュエーターが複数の電解質膜１５および２５を有する積層構造体１００Ａである。これにより、加えられる圧力に対する検出信号（圧力検出信号）として、１つの電解質膜１５を有するアクチュエーター１０に発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。したがって、複数の電解質膜１５および２５を有する積層構造体１００Ａを用いて、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。
【００６５】
また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、各アクチュエーター１０および各積層構造体１００Ａは、錐体の形状を有する。これにより、アクチュエーター１０および積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。したがって、アクチュエーター１０および積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）側を圧力の接触部（印加部）とすることで、微小な圧力を検出しやすくなり、センシング感度を高めることができる。
【００６６】
［圧力測定装置］
図１４ないし図１６は、本発明に係る圧力測定装置の一実施形態を示すためのものである。なお、前述した本発明に係る圧力センサーの実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、図示しない構成部分は、前述した本発明に係る圧力センサーの実施形態と同様とする。
【００６７】
図１４は、本発明に係る圧力測定装置の一例を説明する概略回路図である。図１４に示すように、圧力測定装置２００は、前述した本発明に係る圧力センサー１００と、２つの第１方向スイッチ１３０と、２つの第２方向スイッチ１４０と、増幅回路１５０と、制御回路１６０と、を備える。なお、図１４ないし図１６では、必要に応じて第１方向の各行および第２方向の各列に番号を付与し、第Ｘ行第Ｙ列（但し、ＸおよびＹは正の整数）に配置されたアクチュエーターを１０（ＡXY）、第Ｘ行の第１方向電極を１１０（ＢX）、第Ｙ列の第２方向電極を１２０（ＣY）、第Ｘ行の第１方向スイッチを１３０（ＤX）、第Ｙ列の第２方向スイッチを１４０（ＥY）、とそれぞれ表記する。
【００６８】
２つの第１方向スイッチ１３０は、例えば、トランジスタであり、圧力センサー１００の２つの第１方向電極１１０にそれぞれ設けられ、一端側が第１方向電極１１０にそれぞれ接続されている。すなわち、第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）は第１行（図１４において縦方向に延びる行のうち左側の行）に設けられて第１方向電極１１０（Ｂ1）に接続され、第１方向スイッチ１３０（Ｄ2）は第２行（図１４において縦方向に延びる行のうち右側の行）に設けられて第２方向電極１１０（Ｂ2）に接続される。
【００６９】
２つの第２方向スイッチ１４０は、例えば、トランジスタであり、圧力センサー１００の２つの第２方向電極１２０にそれぞれ設けられ、一端側が第２方向電極１２０にそれぞれ接続されている。すなわち、第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）は第１列（図１４において横方向に延びる列のうち上側の列）に設けられて第２方向電極１２０（Ｃ1）に接続され、第２方向スイッチ１４０（Ｅ2）は第２行（図１４において横方向に延びる列のうち下側の列）に設けられて第２方向電極１２０（Ｃ2）に接続される。
【００７０】
各第１方向スイッチ１３０は、後述する制御信号に基づいてオン状態またはオフ状態に切り替えられ、当該行の第１方向電極１１０を、電気的に接続した状態（オン状態）および電気的に切断した状態（オフ状態）のいずれかにする。これにより、各第１方向スイッチ１３０がオン状態のときに当該行の第１方向電極１１０が通電可能になる。また、各第２方向スイッチ１４０は、後述する制御信号に基づいてオン状態またはオフ状態に切り替えられ、当該列の第２方向電極１２０を、電気的に接続した状態（オン状態）および電気的に切断した状態（オフ状態）のいずれかにする。これにより、各第２方向スイッチ１４０がオン状態のときに当該列の第２方向電極１２０が通電可能になる。
【００７１】
増幅回路１５０は、例えば、作動増幅器であり、一方の（負の）入力端子が２つの第１方向スイッチ１３０のそれぞれの他端側に接続され、他方の（正の）入力端子が２つの第２方向スイッチ１４０のそれぞれの他端側に接続されている。２つの入力端子には、後述するように、複数のアクチュエーターのうちの一つのアクチュエーター１０の電位差（電圧）が入力される。また、増幅回路１５０は、２つの入力端子に入力された信号の電位差（電圧）を所定の増幅率（利得）で増幅し、増幅した信号（電圧）を出力端子から制御回路１６０へ出力する。これにより、アクチュエーター１０で発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。
【００７２】
図１５は、図１４に示した制御回路１６０の機能を説明するブロック図である。図１５に示すように、制御回路１６０は、例えば、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）であり、図示を省略する記憶手段、演算手段、入出力手段などを内蔵し、または、接続されている。制御回路１６０は、増幅回路１５０の出力端子に接続されており、増幅回路１５０から増幅電圧ＶOPが入力される。また、制御回路１６０は、第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および１３０（Ｄ2）と、第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）および１４０（Ｅ2）とに接続している。制御回路１６０は、複数の第１方向電極１１０（Ｂ1）および１１０（Ｂ2）のうちの一つが通電可能になるとともに、複数の第２方向電極１２０（Ｃ1）および１２０（Ｃ2）のうちの一つが通電可能になるように、複数の第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および１３０（Ｄ2）と、複数の第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）および１４０（Ｅ2）とを制御する。これにより、複数のアクチュエーター１０のうち、通電可能にされた第１方向電極１１０に接続されるとともに、通電可能にされた第２方向電極１２０に接続されるアクチュエーター１０の電位差（電圧）が検出可能となる。
【００７３】
具体的には、制御回路１６０は、第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および１３０（Ｄ2）と、第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）および１４０（Ｅ2）とに、それぞれ制御信号Ｘ1、Ｘ2、Ｙ1、およびＹ2を出力して制御している。例えば、各第１方向スイッチ１３０および各第２方向スイッチ１４０が全てトランジスタである場合に、制御回路１６０が、制御信号として、各ゲート電極にハイレベル（Ｈ）の電圧またはローレベル（Ｌ）の電圧を印加することで、各第１方向スイッチ１３０および各第２方向スイッチ１４０をオン状態またはオフ状態に切り替えている。
【００７４】
図１６は、図１４および図１５に示した第１方向スイッチ１３０および第２方向スイッチ１４０を制御する制御信号を説明するタイミングチャートである。なお、図１６では、前述した例のように、各第１方向スイッチ１３０および各第２方向スイッチ１４０が全てのトランジスタである場合の例を示している。また、図１６のタイミングチャートは、上段から、制御信号Ｘ1、制御信号Ｘ2、制御信号Ｙ1、制御信号Ｙ2をそれぞれ表している。図１６の期間Ｔ１に示すように、制御回路１６０が、制御信号Ｘ1としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｘ2としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｙ1としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｙ2としてローレベル（Ｌ）の電圧、をそれぞれ出力する場合、図１４に示す第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）がオン状態になり、第１方向スイッチ１３０（Ｄ2）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ2）がオフ状態になる。このとき、第１方向電極１１０（Ｂ1）が通電可能になるとともに、第２方向電極１２０（Ｃ1）が通電可能になるので、アクチュエーター１０（Ａ11）の電位差（電圧）が検出可能となる。そして、アクチュエーター１０（Ａ11）の電圧が増幅回路１５０に入力され、増幅回路１５０で増幅されて増幅電圧ＶOPとして出力される。
【００７５】
また、図１６の期間Ｔ２に示すように、制御回路１６０が、制御信号Ｘ1としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｘ2としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｙ1としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｙ2としてハイレベル（Ｈ）の電圧、をそれぞれ出力する場合、図１４に示す第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ2）がオン状態になり、第１方向スイッチ１３０（Ｄ2）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）がオフ状態になる。このとき、第１方向電極１１０（Ｂ1）が通電可能になるとともに、第２方向電極１２０（Ｃ2）が通電可能になるので、アクチュエーター１０（Ａ12）の電位差（電圧）が検出可能となる。そして、アクチュエーター１０（Ａ12）の電圧が増幅回路１５０に入力され、増幅回路１５０で増幅されて増幅電圧ＶOPとして出力される。
【００７６】
また、図１６の期間Ｔ３に示すように、制御回路１６０が、制御信号Ｘ1としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｘ2としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｙ1としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｙ2としてローレベル（Ｌ）の電圧、をそれぞれ出力する場合、図１４に示す第１方向スイッチ１３０（Ｄ2）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）がオン状態になり、第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ2）がオフ状態になる。このとき、第１方向電極１１０（Ｂ2）が通電可能になるとともに、第２方向電極１２０（Ｃ1）が通電可能になるので、アクチュエーター１０（Ａ21）の電位差（電圧）が検出可能となる。そして、アクチュエーター１０（Ａ21）の電圧が増幅回路１５０に入力され、増幅回路１５０で増幅されて増幅電圧ＶOPとして出力される。
【００７７】
また、図１６の期間Ｔ４に示すように、制御回路１６０が、制御信号Ｘ1としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｘ2としてハイレベル（Ｈ）の電圧、制御信号Ｙ1としてローレベル（Ｌ）の電圧、制御信号Ｙ2としてハイレベル（Ｈ）の電圧、をそれぞれ出力する場合、図１４に示す第１方向スイッチ１３０（Ｄ2）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ2）がオン状態になり、第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）がオフ状態になる。このとき、第１方向電極１１０（Ｂ2）が通電可能になるとともに、第２方向電極１２０（Ｃ2）が通電可能になるので、アクチュエーター１０（Ａ22）の電位差（電圧）が検出可能となる。そして、アクチュエーター１０（Ａ22）の電圧が増幅回路１５０に入力され、増幅回路１５０で増幅されて増幅電圧ＶOPとして出力される。
【００７８】
このように、期間ごとにアクチュエーター１０の電圧を順次検出することで、圧力センサー１００に所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられる場合に、二次元の圧力に対する圧力分布を得ることが可能となる。
【００７９】
本実施形態では、増幅回路１５０が出力した増幅電圧ＶOPを制御回路１６０に入力する例を示したが、これに限定されず、表示回路や通信回路などの出力手段に入力するようにしてもよい。
【００８０】
また、本実施形態では、圧力測定装置２００が増幅回路１５０を備える例を示したが、これに限定されず、圧力測定装置２００が増幅回路を備えずに、各アクチュエーター１０の電圧をそのまま制御回路１６０などに入力するようにしてもよい。
【００８１】
さらに、本実施形態では、圧力センサー１００が複数のアクチュエーター１０を備える例を示したが、これに限定されず、圧力センサー１００が複数の積層構造体１００Ａを備えていてもよい。
【００８２】
このように、本実施形態の圧力測定装置２００によれば、制御回路１６０が、複数の第１方向電極１１０（Ｂ1）および１１０（Ｂ2）のうちの一つが通電可能になるとともに、複数の第２方向電極１２０（Ｃ1）および１２０（Ｃ2）のうちの一つが通電可能になるように、複数の第１方向スイッチ１３０（Ｄ1）および１３０（Ｄ2）と、複数の第２方向スイッチ１４０（Ｅ1）および１４０（Ｅ2）とを制御する。これにより、複数のアクチュエーター１０のうち、通電可能にされた第１方向電極１１０に接続されるとともに、通電可能にされた第２方向電極１２０に接続されるアクチュエーター１０の電位差（電圧）が検出可能となる。また、各アクチュエーター１０の電圧を順次検出することで、圧力センサー１００に所定の広がりをもった二次元の圧力が加えられる場合に、二次元の圧力に対する圧力分布を得ることが可能となる。したがって、前述の圧力センサー１００に対して複雑な制御を必要とせずに、制御回路１６０が、複数の第１方向電極１１０のそれぞれを通電可能にする複数の第１方向スイッチ１３０と複数の第２方向電極１２０のそれぞれを通電可能にする複数の第２方向スイッチ１４０とを制御することで、二次元の圧力に対する圧力分布を更に容易に得ることができる。
【００８３】
また、本実施形態の圧力測定装置２００によれば、各アクチュエーター１０の電位差（電圧）のレベルを増幅可能な増幅回路１５０を備える。これにより、アクチュエーター１０で発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。したがって、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。
【００８４】
なお、前述した実施形態の構成を組み合わせたり、あるいは、一部の構成部分を入れ替えたりしてもよい。また、本発明の構成は、前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１０，２０，３０…アクチュエーター、１１，１２，２１，２２…電極、１５，２５…電解質膜、１００…圧力センサー、１００Ａ…積層構造体、１１０…第１方向電極，１２０…第２方向電極、１３０…第１方向スイッチ、１４０…第２方向スイッチ、１５０…増幅回路、１６０…制御回路、２００…圧力測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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