(57)【要約】【課題】  荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる荷重センサ及びそれを用いた荷重の検出方法を提供する。【解決手段】  荷重センサ１０は、内部にコイル状炭素繊維が分散された媒体により形成されるセンサ素子１１と、センサ素子１１に電気的に接続される一対の電極１２ａ、１２ｂと、電極１２ａに入力信号を供給する入力装置１４と、電極１２ｂに接続され、センサ素子１１に加えられる荷重によって変動する出力信号に基づいて荷重の変化を検出するための検出装置１８とを備えている。前記入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である。また、入力信号は矩形波であることが好ましい。さらに、検出装置１８はマルチプレクサを備えることにより、センサ素子１１に加えられる荷重の分布を測定できるように構成されている。【選択図】      図１
2006275622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にコイル状炭素繊維が分散された媒体により形成されるセンサ素子と、そのセンサ素子に電気的に接続される一対の電極と、一方の電極に入力信号を供給する入力装置と、他方の電極に接続される電気抵抗線と、前記センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて荷重を検出するための検出装置とを備え、
前記入力装置から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記入力信号は矩形波であることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記センサ素子を複数備えるとともに、検出装置はマルチプレクサを備え、そのマルチプレクサには各センサ素子に接続される一対の電極に電気的に接続され、センサ素子に加えられる荷重の分布を測定できるように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて検出装置で荷重を検出することを特徴とする荷重の検出方法。
【請求項５】
請求項３に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、各センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいてマルチプレクサを備えた検出装置で荷重の分布を検出することを特徴とする荷重の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばロボット分野、医療分野、電気・電子分野等において用いられる荷重センサ及びそれを用いた荷重の検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ミクロンメートル（μｍ）オーダーのコイル状炭素繊維を樹脂材料中に配合した複合材料が知られている（例えば、特許文献１を参照）。すなわち、樹脂中にコイル状炭素繊維を分散した成形体を焼成し、気孔を充填する緻密化処理を行うことにより得られる炭素複合材料である。そして、コイル状炭素繊維がスプリング特性を有し、ミクロメカニカル素子、スイチング素子等として適用することができる旨記載されている。しかし、この特許文献１には、そのような炭素複合材料をセンサとして利用する点については記載されていない。
【０００３】
一方、コイル状炭素繊維を用いたセンサとして、次のような構成のものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。すなわち、係るセンサは、マトリックス樹脂等の媒体と、媒体中に分散されるコイル状炭素繊維よりなるセンサ素子と、媒体に電気的に接続される一対の電極とを備えている。そして、センサ素子は、インダクタンス成分（Ｌ）を有するとともに、キャパシタンス成分（Ｃ）及びレジスタンス成分（Ｒ）を有し、ＬＣＲ共振回路として作用するようになっている。具体的には、電源から電流が媒体に通電されるとともに、媒体での電圧の変動が検出装置で検出されるように構成されている。
【特許文献１】特開平３−１０４９２７号公報（第２頁及び第３頁）
【特許文献２】特開２００５−４９３３１号公報（第２頁〜第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に記載のセンサにおいては、入力信号である電流が媒体に通電され、媒体に加えられた圧力によって変動する電圧が検出装置で検出される。しかしながら、入力信号の条件によっては、媒体に加えられる圧力（荷重）を精度良く検出することができない場合がある。例えば、入力信号の周波数によっては、媒体に加えられる荷重の変化に対して出力信号に歪みが生じて精度の良い荷重の検出を行うことができないうえに、安定した状態で検出を行うことができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる荷重センサ及びそれを用いた荷重の検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の荷重センサは、内部にコイル状炭素繊維が分散された媒体により形成されるセンサ素子と、そのセンサ素子に電気的に接続される一対の電極と、一方の電極に入力信号を供給する入力装置と、他方の電極に接続される電気抵抗線と、前記センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて荷重を検出するための検出装置とを備え、前記入力装置から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号であることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明の荷重センサは、請求項１に記載の発明において、前記入力信号は矩形波であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明の荷重センサは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記センサ素子を複数備えるとともに、検出装置はマルチプレクサを備え、そのマルチプレクサには各センサ素子に接続される一対の電極に電気的に接続され、センサ素子に加えられる荷重の分布を測定できるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４に記載の発明の荷重の検出方法は、請求項１又は請求項２に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて検出装置で荷重を検出することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項５に記載の発明の荷重の検出方法は、請求項３に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、各センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいてマルチプレクサを備えた検出装置で荷重の分布を検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の荷重センサにおいては、入力装置から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚという特定の周期的信号であることから、荷重に対応した出力信号を得ることができ、しかも検出に適した出力波形を得ることができる。従って、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明の荷重センサでは、入力信号として矩形波が使用されるため、出力信号の振幅の最大値をより正確に検出することができ、請求項１に係る発明の効果を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明の荷重センサでは、検出装置がマルチプレクサを備えていることから、請求項１又は請求項２に係る発明の効果に加えて、センサ素子に加えられる荷重の分布を容易に検出することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明の荷重の検出方法では、請求項１又は請求項２に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて検出装置で荷重が検出される。このため、請求項１又は請求項２に係る発明の効果を発揮させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明の荷重の検出方法では、請求項３に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、各センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいてマルチプレクサを備えた検出装置で荷重の分布が検出される。従って、請求項３に係る発明の効果を発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態につき、図面を用いて詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、荷重センサ１０を構成するセンサ素子１１は、内部にコイル状炭素繊維がランダムに分散された媒体により円柱状に形成されている。前記媒体（マトリックス又はマトリックス樹脂）としては、シリコーンゴム、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００１６】
媒体の硬さは荷重センサ１０の感度を向上させる上で重要であり、媒体として弾性力の優れたシリコーンゴム等の弾性材料を用いた場合には、微小な荷重（圧力）でも伸縮してその荷重を高精度で検出することができる。一方、硬いエポキシ樹脂等を用いた場合には、大きな荷重でないと伸縮せず、荷重センサ１０の精度は低いが、幅広い荷重範囲を検出することができる。
【００１７】
次に、前記媒体に分散されるコイル状炭素繊維としては二重巻きのコイル状炭素繊維等が用いられる。コイル状炭素繊維は伸縮性（弾力性）があり、その伸縮により電気特性である電気抵抗（Ｒ）が特に変化するため、その変化量に基づいて荷重を検出することができる。例えば、コイル状炭素繊維を伸ばすとＲが増加し、収縮させるとＲが減少する。そして、コイル状炭素繊維を収縮させて元の長さに戻すと、Ｒは元の値まで再現性良く戻る。コイル状炭素繊維を媒体中に分散させたセンサ素子１１に外部から荷重が加わったときには、まず媒体が伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、媒体を介してコイル状炭素繊維に加わる圧力に基づいて前記Ｒの値が変化する。
【００１８】
二重巻きのコイル状炭素繊維の場合には、２本のコイルが交互に密接した状態で螺旋状に延び、従って全体としてほぼ円筒状をなし、中心には空洞が形成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維としては、直径（コイル径）が１〜２０μｍ、ピッチがほぼ０及び長さが３００〜５００μｍであることが好ましい。なお、コイル状炭素繊維の巻き方向は、コイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）又は反時計方向（左巻き）のいずれであってもよい。
【００１９】
コイル状炭素繊維の含有量は、媒体中に１〜１０質量％であることが好ましい。この含有量が１質量％未満の場合には、媒体中におけるコイル状炭素繊維の割合が少なく、コイル状炭素繊維に基づく荷重センサ１０の検出精度が低下する。一方、含有量が１０質量％を越える場合には、媒体中におけるコイル状炭素繊維の割合が多くなり過ぎて硬くなり、荷重センサ１０の検出精度が低下するとともに、成形性等も悪くなる傾向を示す。
【００２０】
前記媒体にコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、次のような方法が採用される。
１）媒体にコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に流し込み、その後プレス成形する方法。この方法は、媒体としてシリコーンゴムを用いる場合等に採用される。
【００２１】
２）媒体となるマトリックス樹脂のペレットに可塑剤を添加した後、加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。この方法は、媒体としてエポキシ樹脂を用いる場合等に採用される。
【００２２】
前記媒体にコイル状炭素繊維が配合されて形成された荷重センサ１０においては、センサ素子１１が外部から荷重を受けると、コイル状炭素繊維が伸縮して電気抵抗（Ｒ）が変化し、外部からの荷重を検出することができる。
【００２３】
前記センサ素子１１の底部には、板状をなす一対の電極１２ａ、１２ｂが配置され、それぞれセンサ素子１１に電気的に接続されている。一方の電極１２ａには、第１接続線１３を介して入力装置１４が接続されている。その入力装置１４から一方の電極１２ａを経て供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である。入力信号の周波数が３００ｋＨｚ未満の場合には、センサ素子１１に加えられる荷重の変化に出力信号が十分に追従することができず不安定になり、荷重の検出を精度良く行うことができない。一方、５００ｋＨｚを越える場合には、出力信号の電圧が低下するようになって荷重の検出を安定して行うことができなくなる。係る周期的信号としては、パルス信号（矩形波）、正弦波（交流）等が用いられる。これらの周期的信号のうち、振幅の最大値（ピーク値）の平均値を算出して検出を行う場合に矩形波を採用することが望ましい。入力信号として前記周波数範囲の矩形波を採用した場合、出力信号における矩形波の頂部の傾きが緩やかになり、振幅の最大値をより正確に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができる。
【００２４】
他方の電極１２ｂには、第２接続線１５の一端が接続され、その他端は電気抵抗線１６を介して接地されている。つまり、センサ素子１１と電気抵抗線１６とは直列に接続されている。第２接続線１５には第３接続線１７を介して検出装置１８が接続され、検出装置１８にはオシロスコープ（デジタルオシロスコープ）１９が備えられている。そして、前記センサ素子１１に加えられる荷重がセンサ素子１１中のコイル状炭素繊維の変動となって出力される出力信号に基づいて検出装置１８が荷重の変化を検出し、その変化をオシロスコープ１９で見ることができるようになっている。
【００２５】
荷重センサ１０の電気的等価回路を図１（ｃ）に示す。同図に示すように、センサ素子１１のもつ電気抵抗（可変抵抗）Ｒ１と電気抵抗線１６による電気抵抗Ｒ２には入力装置１４から電圧Ｖが印加され、電気抵抗Ｒ２には電圧Ｖ０が出力される。オームの法則より電圧Ｖ０は次式で算出される。
【００２６】
Ｖ０＝〔Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）〕×Ｖ
本実施形態の荷重センサ１０は図１（ｂ）に示す構成をとることもできる。すなわち、前記第３接続線１７にＡＤ変換装置２０を介してパーソナルコンピュータ２１が接続されている点以外は図１（ａ）の構成と同じである。そして、センサ素子１１からの出力信号をデジタル変換してパーソナルコンピュータ２１で解析できるようになっている。
【００２７】
次に、分布荷重を測定するための荷重センサ１０について説明する。図２（ａ）に示すように、正方形板状をなすセンサ基板２２には、円板状のセンサ素子１１が縦、横４列に等間隔で埋め込まれている。図３（ａ）に示すように、各センサ素子１１には一対の電極１２ａ、１２ｂが取着され、各電極１２ａ、１２ｂには接続線２３が接続されている。各接続線２３はインターフェイス２４を介してパーソナルコンピュータ２１に接続され、各センサ素子１１に加えられる出力信号を解析できるようになっている。
【００２８】
また、マルチプレクサ（分割入力された信号を１つにまとめて出力する電気回路）を用いた荷重センサを図３（ｂ）及び（ｃ）に示す。これらの図に示すように、センサ基板２２の上面には４本の連結電極２５が図の上下方向に配線され、センサ基板２２の下面にも４本の接続電極２６が図の左右方向に配線されている。４本の連結電極２５は第１マルチプレクサ２７に接続され、４本の接続電極２６は第２マルチプレクサ２８に接続されている。そして、５（ｍｓ）などの短時間で高速に電極を順次切り替え、連結電極２５と接続電極２６との交点におけるセンサ素子１１に加えられる荷重を検出できるようになっている。
【００２９】
さらに、電極１２をセンサ基板２２の上面のみに図３（ｄ）に示すような配置で設けることもできる。すなわち、第１から第１４の結合電極２９が同図に示すように配置され、各結合電極２９は図示しないマルチプレクサに接続されている。この場合の荷重センサは、センサ基板２２上に各結合電極２９を印刷し、その上にセンサ素子１１を配置することにより製作される。そして、マルチプレクサを作動させ、例えば第１結合電極２９ａと第２結合電極２９ｂとに通電することにより、図中の左上に位置するセンサ素子１１に加えられる荷重を検出することができる。マルチプレクサを作動させ、他の２つの結合電極２９に通電することによって全てのセンサ素子１１について、荷重を検出することができる。この図３（ｄ）の形態では、図３（ｂ）及び（ｃ）の形態に比べ、結合電極２９をセンサ基板２２の片面にのみ配置して接続することができるため、容易に製作することができる。
【００３０】
このようなマルチプレクサを用いた荷重センサ１０により、各センサ素子１１に加えられる荷重を測定することができ、図２（ｂ）の二点鎖線に示すように、センサ素子１１に荷重を受けた部分（図中の矢印部分）からの荷重の大きさの分布（広がり）を知ることができる。
【００３１】
さて、荷重センサ１０をロボットハンドや医療機器等として用いる場合には、荷重センサ１０を構成するセンサ素子１１の表面に垂直方向又は斜め方向から荷重が加えられる。このとき、センサ素子１１の媒体が荷重を吸収するとともに、媒体中に分散されているコイル状炭素繊維が媒体を介して変位（コイルが変位）し、その変位が電気抵抗値に変換される。言い換えれば、機械力学的変動が電気的変動に変換される。そして、電気抵抗線１６における電圧値が変動し、その変動が検出装置１８で検出され、オシロスコープ１９に表示され、或いはパーソナルコンピュータ２１で解析される。この場合、入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの矩形波であることにより、出力電圧は荷重に対応したものとなり、しかも出力波形は検出に適した形になる。
【００３２】
以上の実施形態によって発揮される効果について、以下にまとめて記載する。
・  実施形態の荷重センサ１０においては、入力装置１４から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号であることから、荷重に対応した出力信号を得ることができ、しかも検出に適した出力波形を得ることができる。従って、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で荷重の検出を行うことができる。
【００３３】
・  また、入力信号として矩形波を使用することにより、出力信号の振幅の最大値をより正確に検出することができる。
・  さらに、検出装置１８がマルチプレクサを備えていることにより、センサ素子１１に加えられる荷重の分布を容易に測定することができる。
【００３４】
・  上記のような効果を奏する荷重センサ１０をロボットハンド等のロボット分野、医療機器等の医療分野、及び電気・電子分野において好適に利用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例を挙げて、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
前述した図１（ｂ）に示す荷重センサ１０を用い、入力装置１４に入力信号として周波数が３００ｋＨｚのパルス波を使用し、センサ素子１１（直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ）に荷重を加えたときの出力信号の変化を検出装置１８で検出した。センサ素子１１においては、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維（長さ３００μｍ、直径１０μｍ）を用いるとともに、マトリックスとしてシリコーンゴムを用い、コイル状炭素繊維の含有量を１０質量％とした。ＡＤ変換装置２０〔CONTEC（株）製〕は最大変換速度２（μｓ）であり、最大振幅値のみを５００（ｋＳ／ｓ）にて取得し、５０（ｍｓ）の短時間毎に平均値を算出した。
【００３６】
検出装置１８での検出結果を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）はセンサ素子１１に荷重を加えない場合を表し、図４（ｂ）はセンサ素子１１に１．０Ｎの荷重を加えた場合を表す。また、両図において、上段は入力波形を表し、下段は出力波形を表す。図４（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。
【００３７】
さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。この図９に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を忠実に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。
（実施例２）
入力装置１４に入力信号として周波数が４００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。図５（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。
【００３８】
さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図１０に示す。その図１０に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、実施例１と同様にセンサ素子１１に加えられる荷重の変化を忠実に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。
【００３９】
また、図１０にはセンサ素子１１中のコイル状炭素繊維の含有量を１質量％、３質量％、５質量％及び７質量％の場合についても実施例１と同様に実施した。その結果、コイル状炭素繊維の含有量が１質量％及び３質量％の場合には荷重の変化に対して出力電圧の変化はほとんど見られなかったが、コイル状炭素繊維の含有量が５質量％及び７質量％の場合には出力電圧が荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかであった。コイル状炭素繊維の含有量が多くなると、センサ素子１１が硬くなる傾向を示して出力電圧が上昇するものと考えられる。
【００４０】
さらに、センサ素子１１に対して荷重を増大させていったときの出力電圧の変化とその後荷重を減少させていったときの出力電圧の変化（ヒステリシス）を測定した。その結果を図１１に示した。同図に示すように、荷重を増大させていったときの出力電圧に比べて荷重を減少させていったときの出力電圧の方が若干高い値を示した。これは、センサ素子１１のマトリックスがシリコーンゴムであり、残留応力が生じるためと考えられる。また、双方の変化曲線はいずれも滑らかであった。
（実施例３）
入力装置１４に入力信号として周波数が５００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。図６（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。
【００４１】
さらに、センサ素子１１に加えられた圧力（ｋＰａ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図１２に示す。図１２に示すように、センサ素子１１に加えられる圧力を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、圧力の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、実施例１と同様にセンサ素子１１に加えられる圧力の変化を忠実に検出することができ、圧力の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。
【００４２】
さらに、センサ素子１１に対して圧力を増大させていったときの出力電圧の変化とその後圧力を減少させていったときの出力電圧の変化（ヒステリシス）を測定した。入力信号として周波数が４００ｋＨｚのパルス波を使用したとき及び入力信号として周波数が４５０ｋＨｚのパルス波を使用したときについても同様に測定した。そられの結果を図１２に示した。同図に示すように、いずれの場合についても荷重を増大させていったときの出力電圧に比べて荷重を減少させていったときの出力電圧の方が若干高い値を示した。また、双方の変化曲線はいずれも滑らかであった。
（比較例１）
入力装置１４に入力信号として周波数が１００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部は先鋭化しており、最大振幅値を正確に検出することができなかった。
【００４３】
さらに、センサ素子に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。同図に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大するが、荷重が０．３〜０．４（Ｎ）の場合及び荷重が０．５（Ｎ）以上の場合には、出力電圧が異常に増大し、その波形が不安定になった。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を正確に検出することができないことが判明した。
（比較例２）
入力装置１４に入力信号として周波数が２００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。図８（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部は先鋭化しており、最大振幅値を正確に検出することができなかった。
【００４４】
さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。図９に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大するが、荷重が０．６〜０．８（Ｎ）付近で出力電圧が急に増加又は減少し、その波形が不安定になった。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を正確に検出することができないことが判明した。
（実施例４及び比較例３）
実施例４では、媒体としてシリコーンゴムを用い、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維を５質量％配合してセンサ素子１１を作製した（直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ）。比較例３では、媒体としてエポキシ樹脂を用い、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維を４．５質量％配合してセンサ素子１１を作製した（直径１０ｍｍ、高さ１ｍｍ）。用いたシリコーンゴムのヤング率は１〜５（Ｎ／ｍｍ２）、エポキシ樹脂のヤング率は１０〜５０（Ｎ／ｍｍ２）である。
【００４５】
そして、図１（ｂ）に示す荷重センサ１０を用い、入力装置１４に入力信号として周波数が実施例４では４００ｋＨｚのパルス波を使用し、比較例３では２００ｋＨｚのパルス波を使用し、センサ素子に荷重を加えたときの出力信号の変化を検出装置１８で検出した。荷重（Ｎ）とセンサ素子の変位量（ｃｍ）との関係を図１３（ａ）に示し、エポキシ樹脂を用いた比較例３について出力電圧（Ｖ）と荷重（Ｎ）との関係を図１３（ｂ）に示した。
【００４６】
図１３（ａ）に示すように、シリコーンゴムでは小さい荷重で大きな変位が得られ、エポキシ樹脂では大きい荷重でも変位が小さい。従って、シリコーンゴムを用いることにより微小な荷重を検出でき、エポキシ樹脂を用いることにより大荷重を検出することができる。但し、エポキシ樹脂を使用した比較例３では入力信号の周波数が２００ｋＨｚであるため、出力波形に若干の歪みを生じて検出精度が低下する。また、図１３（ｂ）に示すように、一定荷重に対してはコイル状炭素繊維の配合量が多い方が出力電圧が高くなり、検出感度が向上した。
【００４７】
なお、前記実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。
・  コイル状炭素繊維として、長さ、コイルの直径、線径等の異なるものを配合することもできる。
【００４８】
さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・  前記センサ素子及び電極はセンサ基板の片面に設けられることを特徴とする請求項３に記載の荷重センサ。このように構成した場合、請求項３に係る発明の効果に加え、荷重センサの製作を容易にすることができる。
【００４９】
・  前記センサ素子は、媒体が弾性材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の荷重センサ。このように構成した場合、センサ素子に加えられる荷重の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）は実施形態における荷重センサを示す概略説明図、（ｂ）は別形態の荷重センサを示す概略説明図、（ｃ）は荷重センサの電気的等価回路を示す回路図。
【図２】（ａ）は荷重の分布を測定するための荷重センサを示す斜視図、（ｂ）荷重の分布状態を示す荷重センサの斜視図。
【図３】（ａ）はセンサ素子毎に荷重を検出する回路を示す説明図、（ｂ）はセンサ基板の両面に電極を有し、マルチプレクサを備えた荷重センサを示す説明図、（ｃ）は（ｂ）の荷重センサを示す斜視図、（ｄ）はセンサ基板の片面に電極を有し、マルチプレクサを備えた荷重センサを示す説明図。
【図４】（ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数３００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数３００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。
【図５】（ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数４００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数４００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。
【図６】（ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数５００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数５００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。
【図７】（ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数１００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数１００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。
【図８】（ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数２００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数２００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。
【図９】入力信号の周波数が１００〜３００ｋＨｚの場合における出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。
【図１０】コイル状炭素繊維の含有量を変化させた場合における出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。
【図１１】ヒステリシスを表すための出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。
【図１２】入力信号の周波数が４００〜５００ｋＨｚの場合における出力電圧と圧力との関係を示すグラフ。
【図１３】（ａ）は荷重（Ｎ）とセンサ素子の変位量（ｃｍ）との関係を示すグラフ、（ｂ）は出力電圧（Ｖ）と荷重（Ｎ）との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５１】
１０…荷重センサ、１１…センサ素子、１２ａ、１２ｂ…電極、１４…入力装置、１６…電気抵抗線、１８…検出装置、２７…第１マルチプレクサ、２８…第２マルチプレクサ。
【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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