【手続補正書】
【提出日】平成26年12月12日(2014.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各チャネルが、第1の端部から第2の端部まで延在し、歪み軸に実質的に平行である、2つまたはそれ以上のチャネルを有する弾性材料と、
第1のチャネルの該第1の端部を第2のチャネルの該第1の端部に接続し、該歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、少なくとも1つのループ部と、
該第1のチャネルの少なくとも該第2の端部から該ループ部を通って該第2のチャネルの該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体と
を備える、該歪み軸に沿った歪みを検知するための弾性歪みセンサ。
【請求項２】
前記導電性液体が導電性液体金属である、請求項1記載の弾性歪みセンサ。
【請求項３】
前記導電性液体が共晶ガリウム-インジウムを含む、請求項1記載の弾性歪みセンサ。
【請求項４】
各チャネルの幅が約250マイクロメートルであり、かつ、前記ループ部の断面部の幅が少なくとも1ミリメートルである、請求項1記載の弾性歪みセンサ。
【請求項５】
少なくとも1つのループ部をさらに備え、該ループ部が、前記第2のチャネルの前記第2の端部を第3のチャネルの前記第2の端部に接続し、前記歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、請求項1記載の弾性歪みセンサ。
【請求項６】
N個のチャネルおよびN-1個のループ部を備え、Nが整数である、請求項1記載の弾性歪みセンサ。
【請求項７】
その歪み軸が第1の軸に沿って延在する、請求項1〜6のいずれか一項記載の第1の弾性歪みセンサ、
その歪み軸が第2の軸に沿って延在する、請求項1〜6のいずれか一項記載の第2の弾性歪みセンサ
を備え、かつ
該第1の弾性歪みセンサの弾性材料が、該第2の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されている、
該第1の軸および該第2の軸に沿った歪みを検知するための弾性歪みセンサ。
【請求項８】
請求項1または7記載の弾性歪みセンサの1つまたは複数を備える、人工皮膚。
【請求項９】
円形パターンに配置されたチャネルを有し、該チャネルが、第1の端部および第2の端部を有する、弾性材料、
該チャネルの該第1の端部から該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体
を備え、
表面に平行な軸に沿って該弾性材料に歪みを与えることが、該チャネル中の該導電性液体の厚みにおいて実質的な変化を生じさせない、
該表面の一部に印加された圧力を検知するための弾性圧力センサ。
【請求項１０】
前記導電性液体が導電性液体金属である、請求項9記載の弾性圧力センサ。
【請求項１１】
前記導電性液体が共晶ガリウム-インジウムを含む、請求項9記載の弾性圧力センサ。
【請求項１２】
その歪み軸が第1の軸に沿って延在する、請求項1〜6のいずれか一項記載の第1の弾性歪みセンサ、
その歪み軸が第2の軸に沿って延在する、請求項1〜6のいずれか一項記載の第2の弾性歪みセンサ、
該第1の軸と該第2の軸の交点を含む領域にわたって円形パターンが延在する、請求項9〜11のいずれか一項記載の弾性圧力センサ
を備え、かつ
該第1の弾性歪みセンサの弾性材料が該第2の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されており、かつ、該弾性圧力センサの弾性材料が該第1の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されている、
該第1の軸および該第2の軸に沿った歪みと表面への圧力とを検知するための弾性センサ。
【請求項１３】
両肢がジョイントに接続されている、第2の肢に対する第1の肢の角度を検知するためのジョイントセンサであって、
歪み軸に沿った歪みを検知するように適合されており、該歪み軸に沿った第1の位置における第1の端部と、該第1の位置から第1の距離にある第2の位置における第2の端部とを有する、弾性歪みセンサ
を備え、
該ジョイントの角度が、該弾性歪みセンサの該歪み軸に沿った歪みの関数として決定され得るように、該弾性歪みセンサの該第1の端部が該第1の肢に取り付けられており、かつ、該弾性歪みセンサの該第2の端部が該第2の肢に取り付けられている、
ジョイントセンサ。
【請求項１４】
前記弾性歪みセンサが、
各チャネルが、第1の端部から第2の端部まで延在し、前記歪み軸に実質的に平行である、2つまたはそれ以上のチャネルを有する弾性材料と、
第1のチャネルの該第1の端部を第2のチャネルの該第1の端部に接続し、該歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、少なくとも1つのループ部と、
該第1のチャネルの少なくとも該第2の端部から該ループ部を通って該第2のチャネルの該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体と
を備え、
該歪みセンサに印加された歪みが、該導電性液体を通して測定された抵抗の関数である、
請求項13記載のジョイントセンサ。
【請求項１５】
前記第2の肢に対する第1の肢の角度が、前記導電性液体を通して測定された抵抗の関数として決定される、請求項14記載のジョイントセンサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
[本発明1001]
各チャネルが、第1の端部から第2の端部まで延在し、歪み軸に実質的に平行である、2つまたはそれ以上のチャネルを有する弾性材料と、
第1のチャネルの該第1の端部を第2のチャネルの該第1の端部に接続し、該歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、少なくとも1つのループ部と、
該第1のチャネルの少なくとも該第2の端部から該ループ部を通って該第2のチャネルの該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体と
を備える、該歪み軸に沿った歪みを検知するための弾性歪みセンサ。
[本発明1002]
前記導電性液体が導電性液体金属である、本発明1001の弾性歪みセンサ。
[本発明1003]
前記導電性液体が共晶ガリウム-インジウムを含む、本発明1001の弾性歪みセンサ。
[本発明1004]
各チャネルの幅が約250マイクロメートルであり、かつ、前記ループ部の断面部の幅が少なくとも1ミリメートルである、本発明1001の弾性歪みセンサ。
[本発明1005]
少なくとも1つのループ部をさらに備え、該ループ部が、前記第2のチャネルの前記第2の端部を第3のチャネルの前記第2の端部に接続し、前記歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、本発明1001の弾性歪みセンサ。
[本発明1006]
N個のチャネルおよびN-1個のループ部を備え、Nが整数である、本発明1001の弾性歪みセンサ。
[本発明1007]
その歪み軸が第1の軸に沿って延在する、本発明1001〜1006のいずれかの第1の弾性歪みセンサ、
その歪み軸が第2の軸に沿って延在する、本発明1001〜1006のいずれかの第2の弾性歪みセンサ
を備え、かつ
該第1の弾性歪みセンサの弾性材料が、該第2の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されている、
該第1の軸および該第2の軸に沿った歪みを検知するための弾性歪みセンサ。
[本発明1008]
本発明1001または1007の弾性歪みセンサの1つまたは複数を備える、人工皮膚。
[本発明1009]
円形パターンに配置されたチャネルを有し、該チャネルが、第1の端部および第2の端部を有し、歪み軸に実質的に平行である、弾性材料、
該チャネルの該第1の端部から該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体
を備え、
表面に平行なアクセスに沿って該弾性材料に歪みを与えることが、該チャネル中の該導電性液体の厚みにおいて実質的な変化を生じさせない、
該表面の一部に印加された圧力を検知するための弾性圧力センサ。
[本発明1010]
前記導電性液体が導電性液体金属である、本発明1009の弾性圧力センサ。
[本発明1011]
前記導電性液体が共晶ガリウム-インジウムを含む、本発明1009の弾性圧力センサ。
[本発明1012]
その歪み軸が第1の軸に沿って延在する、本発明1001〜1006のいずれかの第1の弾性歪みセンサ、
その歪み軸が第2の軸に沿って延在する、本発明1001〜1006のいずれかの第2の弾性歪みセンサ、
該第1の軸と該第2の軸の交点を含む領域にわたって円形パターンが延在する、本発明1009〜1011のいずれかの弾性圧力センサ
を備え、かつ
該第1の弾性歪みセンサの弾性材料が該第2の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されており、かつ、該弾性圧力センサの弾性材料が該第1の弾性歪みセンサの弾性材料に接着されている、
該第1の軸および該第2の軸に沿った歪みと表面への圧力とを検知するための弾性センサ。
[本発明1013]
両肢がジョイントに接続されている、第2の肢に対する第1の肢の角度を検知するためのジョイントセンサであって、
歪み軸に沿った歪みを検知するように適合されており、該歪み軸に沿った第1の位置における第1の端部と、該第1の位置から第1の距離にある第2の位置における第2の端部とを有する、弾性歪みセンサ
を備え、
該ジョイントの角度が、該弾性歪みセンサの該歪み軸に沿った歪みの関数として決定され得るように、該弾性歪みセンサの該第1の端部が該第1の肢に取り付けられており、かつ、該弾性歪みセンサの該第2の端部が該第2の肢に取り付けられている、
ジョイントセンサ。
[本発明1014]
前記弾性歪みセンサが、
各チャネルが、第1の端部から第2の端部まで延在し、前記歪み軸に実質的に平行である、2つまたはそれ以上のチャネルを有する弾性材料と、
第1のチャネルの該第1の端部を第2のチャネルの該第1の端部に接続し、該歪み軸を横切る軸に沿って実質的に大きい断面積を有する、少なくとも1つのループ部と、
該第1のチャネルの少なくとも該第2の端部から該ループ部を通って該第2のチャネルの該第2の端部まで連続的に延在する、導電性液体と
を備え、
該歪みセンサに印加された歪みが、該導電性液体を通して測定された抵抗の関数である、
本発明1013のジョイントセンサ。
[本発明1015]
前記第2の肢に対する第1の肢の角度が、前記導電性液体を通して測定された抵抗の関数として決定される、本発明1014のジョイントセンサ。
本発明のこれらのおよびその他の能力は、本発明そのものと共に、以下の図面、詳細な説明、および特許請求項の範囲に目を通した後により完全に理解されると考えられる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図1および図2は、本発明の一態様による弾性歪みセンサ100を示す。歪みセンサ100は、細長いマイクロチャネル110およびループ部120を形成するために、モールディングまたはエッチングによって可撓性の弾性基板材料102から形成することができる。マイクロチャネル110およびループ部120は、導電性液体130で満たすことができる。弾性材料および伝導性液体が引っ張られると、導電性液体130の電気抵抗における変化からセンサ100上の歪みを決定することができる。ループ部120は、蛇行するチャネルを形成するための細長いマイクロチャネル110の隣接する端部を接続しており、該細長いマイクロチャネル110は第1の接続貯蔵部132から第2の接続貯蔵部134まで延在する。第1の接続貯蔵部132および第2の接続貯蔵部134は、導電性液体130がマイクロチャネル110の各々の中を流れて、結合されたマイクロチャネル110およびループ部120の全領域の電気抵抗を測定する制御システムに接続するためのワイヤを受け取ることができるように、導電性液体130を注入するために用いることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明の一態様によれば、36本のチャネルを有する歪みセンサが形成され、各チャネルは幅250μm×高さ250μmで、ループ部は幅1.0mm×高さ250μmであった。このデバイスは、5.8オームの静止時公称抵抗値を有した。歪みゲージのゲージ率は、以下の通りに決定することができる。
2014528079.tif 000001
式中、ΔRは抵抗値の変化であり、R0は静止時の抵抗であり、εは歪みであり、αは温度係数であり、θは温度変化である。温度効果がない場合には、ゲージ率は経験的に3.04に決定された。図3は、抵抗値の変化および歪みのプロットが、温度効果を考慮せずに実質的に線形であることを示す。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
予想通りに、印加された圧力の中心がチャネルから遠くに移動するほど、ΔRは減少する。図17は、圧力p＝15kPaおよびp＝25kPaについて、横変位xに対するΔRのプロットを示す。図18に示すように、xはチャネルの中心線と接触領域の長軸との間の水平距離として定義される。両方の圧力について、信号ΔRは相対変位の増加と共に著しく減少する。理論的な予測値を15kPaおよび25kPaについて破線および実線の曲線によりそれぞれ示しているが、これらの予測値は、白抜きの四角および丸に対応する実験による測定値と合理的に一致する。表面圧力が近似的に均一である場合には、接触領域の縁の近くに小さい応力集中が存在する。それ故、x＝4 mmでチャネルが接触領域の中心と縁との間にある場合には、公称応力はわずかにより大きく、より大きい応答ΔRが測定される。最後に、チャネル深さz（x＝0について）に対するΔRのプロットは、図19で示される。図18を参照すると、zはエラストマーの表面とチャネルの上面壁との間の距離として定義される。実験結果で実証されるように、チャネルが表面から遠くなるほど、抵抗値の変化ΔRは減少する。この傾向は理論によっても予測されるが、理論は絶対的変化を2倍程度過大評価すると考えられる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図5は、本発明の一態様による多層歪みセンサを製造する方法の概略図を示す。本方法は、各層のためのモールドを準備することを含む。本態様では、センサの2つの層が提供され、図5（a）に示すように、3層エラストマー材料を形成するために3つのモールドを用いることができる。エラストマー材料が硬化した後、キャスト材料をモールドから取り除く。図5（b）に示すように、層0はパターニングされない層であり、モールドに残ってもよい。また、層1は、エラストマー材料の層間に形成されるマイクロチャネルを接続するための相互接続を含むことができる。図5（c）に示すように、層0は、2000rpmで50秒間、エラストマー材料でスピンコートすることができ、それから、60℃で1分間、部分的に硬化することができる。図5（d）に示すように、層1は、光圧を用いたラミネート加工によって、層0に接着されることができる。層2は、層1が層0に接着されたのと同じプロセスにより、層1の上面に接着されることができる。図5（e）に示すように、層1の上面は、エラストマー材料でスピンコートすることができ、それから部分的に硬化することができる。エラストマー材料のさらなる層を、同じプロセスを用いて接着することができる。図5（f）に示すように、最後の層が弾性歪みセンサに接着された後、層0をモールドから取り除くことができる。伝導性液体130は、シリンジを用いてチャネル110に注入することができる。本発明の一態様では、複数のシリンジを、注入プロセスで用いることができる。図5（g）に示すように、少なくとも1つのシリンジは、伝導性液体、例えばeGaInを1つの接続貯蔵部に注入するために用いることができ、一方、少なくとも1つの他のシリンジは、他の接続貯蔵部などからトラップされた空気を取り除くために用いることができる。図5（h）に示すように、伝導性液体がチャネル、ループ部および接続貯蔵部を満たした後、ワイヤを接続貯蔵部に挿入することができる。ワイヤは、弾性歪みセンサを、センサ出力を読み込む入力電子回路に電気的に接続するために用いることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
マルチモーダルセンサは、例えば、材料検査器（例えばInstron 5544A, Instron, Norwood, MA）を用いて、複数の方向の歪みおよび接触圧力を印加することにより、較正することができる。本発明の一態様では、マルチモーダルセンサは、歪み検知（図10B）のためにx軸およびy軸の両方で100％まで引き伸ばすことができる。また、センサの中心は、圧力検知のために60kPaまで圧縮することができる。図11に示すように、結果は、歪み検知については線形性を示し、圧力検知については非線形性を示した。図11（a）はx軸歪みを示し、図11（b）はy軸歪みを示し、図11（c）はz軸圧力を示す。しかし、センサ信号はいずれの場合においても再現性があった。3つのセンサ層からの信号が各実験で異なる応答を示したので、本試作品は歪みおよび圧力の大きさを測定するだけでなく、刺激のタイプを区別することも可能である。