(57)【要約】【課題】センサ受圧面に沿った方向に作用するせん断荷重を測定可能な、廉価で、配線数が少なく、検出分解能の高いシートセンサシステムを実現すること。【解決手段】シートセンサシステム１では、センサ受圧面２０を包含する状態に共通電極２２を配置し、センサ受圧面２ａを複数の検出区画２０（ｎ）に分割し、共通電極２２に対して感圧シート２５を介して対峙している個別電極２４を各検出区画２０（ｎ）にそれぞれ配置してある。各検出区画２０（ｎ）には、センサ受圧面２ａに沿ったｘ方向に配列した２つの個別電極２４が含まれている。共通電極２２と、個別電極２４のそれぞれの間の電圧変化量に基づき、各検出区画２０（ｎ）においてｘ方向に作用するせん断荷重を検出できる。【選択図】図１
2015169532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定めたセンサ受圧面（２０）を包含する範囲に配置された感圧導電性材料からなる感圧シート（２５）と、
前記感圧シート（２５）の一方の側において、前記センサ受圧面（２０）を包含する範囲に配置した共通電極（２２）と、
前記感圧シート（２５）を挟み、前記共通電極（２２）に対向配置されている複数の個別電極（２４）と、
前記共通電極（２２）と前記個別電極（２４）のそれぞれとの間に生ずる電圧変化量に基づき前記センサ受圧面（２０）の各部に作用する荷重を算出する演算部（５１）と、
を有し、
前記センサ受圧面（２０）は複数の検出区画（２０（ｎ））に分割され、
前記センサ受圧面（２０）に沿った一つ方向をｘ方向とすると、前記検出区画（２０（ｎ））のそれぞれには、ｘ方向に沿って複数の個別電極が配列され、
前記演算部（５１）は、前記共通電極（２２）と各検出区画（２０（ｎ））の複数の前記個別電極（２４）のそれぞれとの間の電圧変化量（ｄＶｍ）に基づき、各検出区画（２０（ｎ））に作用するｘ方向のせん断荷重（Ｐｔ）の大きさを算出することを特徴とするシートセンサシステム（１）。
【請求項２】
ｘ方向に直交する前記センサ受圧面（２０）に沿った方向をｙ方向とすると、
前記検出区画（２０（ｎ））のそれぞれには、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに沿って複数の前記個別電極（２４）が配列され、
前記演算部（５１）は、前記共通電極（２２）と各検出区画（２０（ｎ））の複数の前記個別電極（２４）のそれぞれとの間の電圧変化量（ｄＶｍ）に基づき、各検出区画（２０（ｎ））に作用する前記センサ受圧面（２０）に沿った任意方向のせん断荷重（Ｐｔ）の大きさ、及び方向（φ）を算出する、
請求項１に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項３】
隣り合う一対の前記検出区画を、第１検出区画（２０（１））および第２検出区画（２０（２））とすると、
前記第１検出区画（２０（１））に属するｘ方向に沿って配列されている前記個別電極の少なくとも一つ（２４（１．２））が、前記第２検出区画（２０（２））に属するｘ方向に沿って配列されている前記個別電極に含まれるように、前記センサ受圧面（２０）が複数の前記検出区画（２０（ｎ））に分割されている、
請求項１または２に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項４】
前記第１検出区画（２０（１））に属するｙ方向に沿って配列されている前記個別電極の少なくとも一つ（２４（２．２））が、前記第２検出区画（２０（２））に属するｙ方向に沿って配列されている前記個別電極に含まれるように、前記センサ受圧面（２０）が複数の前記検出区画（２０（ｎ））に分割されている、
請求項３に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項５】
前記個別電極（２４）はｘ方向およびｙ方向のそれぞれに所定のピッチで格子状に配列され、
前記検出区画（２０（ｎ））のそれぞれには４個の前記個別電極（２４）が含まれている、
請求項４に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項６】
前記演算部（５１）は、前記共通電極（２２）と前記個別電極（２４）のそれぞれとの間の電圧変化量（ｄＶｍ）に基づき、前記検出区画（２０（ｎ））のそれぞれに作用する
垂直荷重（Ｐｎ）、および、前記個別電極（２４）のそれぞれの部分に作用する垂直荷重のうちの少なくとも一方を算出する、
請求項１ないし５のうちのいずれか一つの項に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項７】
前記共通電極（２２）を覆う状態に積層した弾性シート（２６）、あるいは、前記感圧シート（２５）および前記個別電極（２４）を覆う状態に積層した弾性シート（２６）を有し、
前記弾性シート（２６）のシート表面によって前記センサ受圧面（２０）が規定されている、
請求項１ないし６のうちのいずれか一つの項に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項８】
各検出区画（２０（ｎ））に加わる任意荷重のｘ、ｙ方向および、これらに直交するｚ方向の成分をＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとすると、前記演算部（５１）は、
各検出区画（２０（ｎ））に作用する垂直荷重Ｐｎ（＝Ｐｚ）を、次の式で示すように、当該検出区画に属する４つの前記個別電極の電圧変化量ｄＶ１〜ｄＶ４の総和に基づき算出し、
【数１】
2015169532.tif 000014
各検出区画に作用するせん断荷重Ｐｔを、次の式で示すように、各検出区画に属する４つの前記個別電極の電圧変化量ΔＶに基づき算出し、
【数２】
2015169532.tif 000015
各検出区画に作用する前記せん断荷重Ｐｔの方向を、ｚ方向の軸線を中心としたｘ方向から反時計回りの角度φで表すと、
【数３】
2015169532.tif 000016
により算出する、
請求項５に記載のシートセンサシステム（１）。
【請求項９】
請求項１ないし８のうちのいずれか一つの項に記載のシートセンサシステム（１）に用いるシートセンサ（２）であって、
予め定めたセンサ受圧面（２０）を包含する範囲に配置された感圧導電性材料からなる感圧シート（２５）と、
前記感圧シート（２５）の一方の側において、前記センサ受圧面（２０）を包含する範囲に配置した共通電極（２２）と、
前記感圧シート（２５）を挟み、前記共通電極（２２）に対向配置されている複数の個別電極（２４）と、
を有し、
前記センサ受圧面（２０）は複数の検出区画（２０（ｎ））に分割され、
前記センサ受圧面（２０）に沿った直交する二つの方向をｘ方向およびＹ方向とすると、前記検出区画（２０（ｎ））のそれぞれには、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれ沿って、複数の前記個別電極（２４）が配列されている、
ことをと特徴とするシートセンサ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物の表面に作用する荷重を検出するシートセンサシステムに関し、特に、検出対象物の表面の各部において、当該表面に沿った方向に作用するせん断荷重の分布状態を検出可能なシートセンサシステム、当該シートセンサシステムに用いるシートセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、生産現場では、作業効率、安全性向上のために、ロボットハンドによる作業の自動化が期待されている。ロボットの表面は金属または硬質な樹脂で覆われているので、人間と接触すると危害を加える可能性がある。したがって、ロボット表面に柔軟で且つ荷重を測定できるセンサを配置することが望まれる。
【０００３】
現在開発されている柔軟なセンサとして、画像処理を用いて接触状態を測定するセンサが挙げられるが、情報量が多い、小型化が難しいという問題がある。また、感圧導電性ゴムを用いたセンサでは、垂直荷重のみ測定可能であり、せん断荷重等を測定できない。このような問題を解消するために、本発明者等は、特許文献１、２において、垂直荷重およびせん断荷重を測定可能な柔軟型三軸荷重測定センサ、四軸荷重測定センサを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７９８３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１０３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１、２において提案しているセンサを用いて、例えば自動車のシート、ベッド等の大面積の表面に作用する垂直荷重、せん断荷重の分布を測定するためのセンサシステムを構築するために、特許文献１、２において提案しているセンサを用いることが考えられる。この場合には、多数個のセンサを所定のピッチで検出対象物の表面に配列する必要がある。この構成のセンサシステムは、多数個のセンサを必要とするので、コストが高い、配線数が増加するなどの問題点がある。また、センサの配列密度によって荷重の検出分解能が制約を受けるので、検出分解能を高めることが困難であるという問題もある。
【０００６】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、大面積の表面に作用するせん断荷重を測定可能な廉価で、配線数が少なくて済むシートセンサシステム、および当該シートセンサシステムに用いるシートセンサを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の課題は、上記の課題に加えて、荷重分解能を向上可能なシートセンサシステム、および当該シートセンサシステムに用いるシートセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明のシートセンサシステムは、
予め定めたセンサ受圧面を包含する範囲に配置された感圧導電性材料からなる感圧シートと、
前記感圧シートの一方の側において、前記センサ受圧面を包含する範囲に配置した共通
電極と、
前記感圧シートを挟み、前記共通電極に対向配置されている複数の個別電極と、
前記共通電極と前記個別電極のそれぞれとの間に生ずる電圧変化量に基づき、前記センサ受圧面の各部に作用する荷重を算出する演算部と、
を有し、
前記センサ受圧面は複数の検出区画に分割され、
前記センサ受圧面に沿った一つの方向をｘ方向とすると、前記検出区画のそれぞれには、ｘ方向に沿って複数の個別電極が配列され、
前記演算部は、前記共通電極と各検出区画の複数の前記個別電極のそれぞれとの間の電圧変化量に基づき、各検出区画に作用するｘ方向のせん断荷重の大きさを算出することを特徴としている。
【０００９】
本発明のシートセンサシステムでは、共通電極と、個別電極のそれぞれとの間の電圧変化量から算出した各検出区画に生ずる電圧変化量に基づき、各検出区画においてｘ方向に作用するせん断荷重を検出できる。また、演算部は、共通電極と個別電極のそれぞれとの間の電圧変化量に基づき、各検出区画に作用する垂直荷重、個別電極のそれぞれの部位に作用する垂直荷重を算出できることは勿論である。
【００１０】
本発明によれば、多数個の独立したセンサを検出対象の表面に配列する場合に比べて、センサ部分をコンパクトに構成でき、配線数も少なくて済む。また、個々のセンサの配列密度ではなく、検出区画の配列密度によって検出分解能が規定されるので、多数個の独立したセンサを配列する場合に比べて、検出分解能を高めることが容易である。
【００１１】
本発明において、センサ受圧面に作用する任意の方向のせん断荷重を検出するためには、各検出区画に、ｘ方向に直交する方向に配列した少なくとも２つの個別電極が備わっていればよい。
【００１２】
この場合における本発明のシートセンサシステムは、上記構成に加えて、ｘ方向に直交する前記センサ受圧面に沿った方向をｙ方向とすると、前記検出区画のそれぞれには、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに沿って複数の前記個別電極が配列され、前記演算部は、前記共通電極と各検出区画の複数の前記個別電極のそれぞれとの間の電圧変化量から算出した各検出区画に生ずる電圧変化量に基づき、各検出区画に作用する前記センサ受圧面に沿った任意方向のせん断荷重Ｐｔの大きさ、及び方向を算出するように構成すればよい。
【００１３】
ここで、荷重検出の分割能を高めるためには、次のようにすることが望ましい。すなわち、前記検出区画は、隣り合う一対の前記検出区画を、第１検出区画および第２検出区画とすると、前記第１検出区画に属するｘ方向に沿って配列されている前記個別電極の少なくとも一つが、前記第２検出区画に属するｘ方向に沿って配列されている前記個別電極に含まれるように、前記センサ受圧面が複数の前記検出区画に分割されていることが望ましい。
【００１４】
上記構成に加えて、ｙ方向においても、前記第１検出区画に属するｙ方向に沿って配列されている前記個別電極の少なくとも一つが、前記第２検出区画に属するｙ方向に沿って配列されている前記個別電極に含まれるように、前記センサ受圧面が複数の前記検出区画に分割されていることが望ましい。
【００１５】
本発明における典型的な構成では、前記個別電極はｘ方向およびｙ方向のそれぞれに所定のピッチで格子状に配列され、前記検出区画のそれぞれに４個の前記個別電極が含まれるようにされる。
【００１６】
本発明のシートセンサシステムにおいて、前記共通電極を覆う状態に積層した弾性シート、あるいは、前記感圧シートおよび前記個別電極を覆う状態に積層した弾性シートを有し、前記弾性シートのシート表面によって前記センサ受圧面を規定してもよい。
【００１７】
なお、本発明のシートセンサシステムにおいては、各検出区画に加わる任意荷重Ｐのｘ、ｙ方向および、これらに直交するｚ方向の成分をＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとすると、前記演算部は、
各検出区画に作用する垂直荷重Ｐｎ（＝Ｐｚ）を、次の式で示すように、当該検出区画に属する４つの前記個別電極の電圧変化量ｄＶ１〜ｄＶ４の総和に基づき算出し、
【数１】
2015169532.tif 000003
各検出区画に作用するせん断荷重Ｐｔを、次の式で示すように、各検出区画に属する４つの前記個別電極の電圧変化量ΔＶに基づき算出し、
【数２】
2015169532.tif 000004
各検出区画に作用する前記せん断荷重Ｐｔの方向を、ｘ方向から反時計回りの角度φで表すと、
【数３】
2015169532.tif 000005
により算出することができる。
【００１８】
一方、本発明は、上記構成のシートセンサシステムに用いるシートセンサであって、
予め定めたセンサ受圧面を包含する範囲に配置された感圧導電性材料からなる感圧シートと、
前記感圧シートの一方の側において、前記センサ受圧面を包含する範囲に配置した共通電極と、
前記感圧シートを挟み、前記共通電極に対向配置されている複数の個別電極と、
を有し、
前記センサ受圧面は複数の検出区画に分割され、
前記センサ受圧面に沿った直交する二つの方向をｘ方向およびｙ方向とすると、前記検出区画のそれぞれには、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに沿って、複数の前記個別電極が配列されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は本発明を適用したシートセンサシステムの概略構成図であり、（ｂ）はそのシートセンサの断面構成を示す模式図である。
【図２】シートセンサのセンサ受圧面に設定した検出区画を示す説明図である。
【図３】（ａ）はシートセンサの１つの検出区画を示す説明図であり、（ｂ）はその等価回路を示す回路図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は荷重測定原理を説明するための模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は荷重測定手順を示す説明図である。
【図６】（ａ）は実験装置の一例を示す模式図であり、（ｂ）は荷重印加位置を示す説明図である。
【図７】測定されたせん断荷重ベクトルの分布状態および垂直荷重の分布状態を示す画面表示例を示す説明図である。
【図８】（ａ）は実験により得られた各ゾーンに生ずる電圧変化量とせん断荷重の関係を示す図表であり、（ｂ）は実験により得られた電圧変化とせん断荷重の関係を示す図表であり、（ｃ）は各ゾーンの位置を示す説明図である。
【図９】個別電極の配列パターンの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したシートセンサシステムおよびシートセンサの実施の形態を説明する。
【００２１】
（全体構成）
図１（ａ）は本実施の形態に係るシートセンサシステムを示す概略構成図であり、図１（ｂ）はそのシートセンサの断面構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、シートセンサシステム１は、シートセンサ２、シートセンサ２に電力を供給する安定化電源３、シートセンサ２の出力電圧を検出する電圧検出器４、および、電圧検出器４による電圧検出値に基づき演算処理を行って、シートセンサ２のセンサ受圧面２０の各部に作用する荷重を算出するコンピューターを中心に構成されるコントローラー５を備えている。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、シートセンサ２は、下側電極基板２１の上側表面に形成した共通電極２２と、上側電極基板２３の下側表面に形成した多数個の個別電極２４との間に、感圧導電性材料からなる一定厚さの感圧シート２５が挟まれた構成となっている。上側電極基板２３の上側表面には、弾性材料からなる表面プレート２６が積層されている。この表面プレート２６の上側表面がセンサ受圧面２０である。
【００２３】
下側電極基板２１に形成されている共通電極２２は、センサ受圧面２０を包含する範囲に亘って形成されている。本例の共通電極２２は、図１（ａ）に示すように、太線枠で示す矩形輪郭のセンサ受圧面２０を包含する大きさの太い破線枠で示す矩形輪郭の電極層である。これに対して、個別電極２４のそれぞれは同一の大きさの正方形輪郭の電極である。個別電極２４は、図１（ａ）に示すように、縦横に同一の間隔ｐで格子状に配列されており、個々の個別電極２４は電気的に相互に分離している。
【００２４】
図において、センサ受圧面２０に対応する矩形領域に、３６個の正方形の個別電極２４が６行６列の格子を形成する状態に配列されている。センサ受圧面２０の形状は矩形に限定されるものではなく、多角形、円形等の任意の形状にすることができる。同様に、個別電極２４の形状は矩形に限定されるものではなく、多角形、円形、線状などの各種の形状とすることができる。また、個別電極２４の配列個数も３６個に限定されるものではないことは勿論である。
【００２５】
感圧シート２５を形成している感圧導電性材料には、例えば、グラッシーカーボン（以下、「ＧＣ」と呼ぶ。）およびＧＣに気相成長炭素繊維（以下「ＶＧＣＦ」と呼ぶ。）を添加した複合材料ＧＣ／ＶＧＣＦを用いることができる。ＧＣ／ＶＧＣＦは、グラッシーカーボンと同様に、高温で使用可能な導電性材料として有効である。また、ＧＣおよびＧＣ／ＶＧＣＦは、導電性複合材料であるので、電圧を印加しながら荷重を加えると、その電気抵抗値が変化する。例えば、ＧＣにＶＧＣＦを質量比で１２ｗｔ％添加したＧＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを用いることができる。また、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エンジニ
アリングプラスチック等の任意の樹脂をマトリクス材（母材）とし、表１に示すフィラー材を添加した複合材料を使用することができる。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。
【００２６】
【表１】
2015169532.tif 000006
【００２７】
下側電極基板２１、上側電極基板２３には、フレキシブルフィルム、例えば、ポリエステル製のフレキシブルフィルムを用いることができる。また、個別電極２４は、上側電極基板２３にエッチング処理によって形成することができる。表面プレート２６は例えばシリコーンゴムから形成することができる。これにより、柔軟な積層フィルム状のシートセンサ２が構成される。ここで、場合によっては、表面プレート２６を省略することも可能である。また、平坦な表面にシートセンサ２を設置して検出を行う場合には、センサ受圧面２ａとは反対側の電極基板としてガラスエポキシ製の剛性の基板を用いることも可能である。
【００２８】
この構成のシートセンサ２には、共通電極２２と個別電極２４のそれぞれとの間に直流電圧を印加するための給電用の配線パターンが作り込まれている。給電用の配線パターンはセンサ端子部２７から給電ライン２８を介して安定化電源３に接続される。安定化電源３によって、感圧シート２５を挟み対峙している共通電極２２と個別電極２４のそれぞれの間（対向電極間）に、一定の直流電圧が印加される。感圧シート２５の各部の電気抵抗値は、センサ受圧面２０から加えられる荷重によって変動する。
【００２９】
また、シートセンサ２には、荷重印加によって変動する共通電極２２と個別電極２４のそれぞれの間の電圧値を検出するための検出用の配線パターンが作り込まれている。検出用の配線パターンはセンサ端子部２９から検出ライン３０を介して電圧検出器４に接続される。電圧検出器４によって各対向電極間の電圧が検出される。コントローラー５では、演算部５１において、各対向電極間の検出電圧値に基づき、センサ受圧面２０に加わる任意荷重における垂直荷重成分の大きさ、センサ受圧面２０に沿った方向のせん断荷重成分の大きさ及び方向を、以下に述べるように、４個の個別電極２４を含む検出区画毎に算出する。
【００３０】
図２は、シート受圧面２０における荷重検出用の検出区画を示す説明図である。コントローラー５の演算部５１では検出区画を単位として荷重検出を行う。本例では、縦横に隣り合って配置されている４個の個別電極２４を一つの荷重検出単位としているので、概念的には、４個の個別電極２４を含むように、センサ受圧面２０を同一形状の２５個の検出区画に分けている。すなわち、実線枠で示すように、センサ受圧面２０は９個の検出区画２０Ａが形成されていると共に、破線枠で示すように、隣接する実線枠の検出区画に重なる状態に１５個の検出区画２０Ｂが形成されている。センサ受圧面２０に任意荷重が加わった場合において、検出区画２０（ｎ）（ｎ＝１〜２５）のそれぞれについて、４個の個別電極２４からの検出電圧値に基づき、後述のように垂直荷重成分の大きさ、せん断荷重成分の大きさ及び方向を算出可能である。
【００３１】
４個の個別電極を備えた独立のセンサを、同一のセンサ受圧面２０に配置する場合には、図２において実線枠で示すように、３行３列の９個のセンサによって９か所の検出区画２０Ａにおいてのみ荷重検出が可能である。本例の場合には、実線枠および破線枠で示すように、同一のセンサ受圧面２０上において、５行５列の２５か所の検出区画２０Ａ、２０Ｂにおいて荷重検出が可能になる。換言すると、同一個数の個別電極２４を用いて、検出の分解能を高めることができる。
【００３２】
（荷重測定原理）
次に、図３、図４を参照して、各検出区画においての荷重測定の原理を説明する。図３（ａ）はシートセンサ２における一つの検出区画２０（ｎ）（ｎ＝１〜２５）を取り出して示す説明図である。この図に示すように、検出区画２０（ｎ）において、受圧面に平行で相互に直交する方向をそれぞれｘ方向およびｙ方向とし、これらに直交する方向（センサ受圧面２ａに直交する方向）をｚ方向とする。検出区画２０（ｎ）の中心からｘ方向の一方を正方向、同様に中心からｙ方向の一方を正方向とし、検出区画２０（ｎ）におけるｘ方向およびｙ方向の正方向をゾーン（ｚｏｎｅ）１と定義し、検出区画２０（ｎ）の中心をｚ方向に延びる中心軸線を中心として反時計回りに、ゾーン（ｚｏｎｅ）２、ゾーン（ｚｏｎｅ）３、ゾーン（ｚｏｎｅ）４と定義する。
【００３３】
図３（ｂ）は、シートセンサシステム１の検出区画２０（ｎ）を含む部分の等価回路を示す回路図である。Ｖ０は、安定化電源３の電圧であり、Ｒは分圧用の抵抗を示し、Ｒ１〜Ｒ４は感圧シート２５における個別電極２４ｍのそれぞれに対応する部位における可変抵抗を示し、Ｖ１〜Ｖ４は、共通電極２２と４つの個別電極２４ｍ（ｍ＝１〜４）のそれぞれとの間の電位差を示す。各ゾーンｍの電圧変化量をｄＶｍとすると、ｄＶｍ＝Ｖ０−Ｖｍで表される。
【００３４】
図４（ａ）は、検出区画２０（ｎ）に加えられる任意荷重Ｐと各ゾーン１〜４の電圧変化量の関係を示す模式図である。ゾーン１〜４に作用する荷重Ｐ１〜Ｐ４はベクトル量として、電圧変化量ｄＶ１〜ｄＶ４を用いて次式で表される。
【数４】
2015169532.tif 000007
【００３５】
また、任意荷重Ｐは各ゾーンｍに加わる荷重Ｐ１〜Ｐ４の総和であり、任意荷重Ｐは電圧の変化量ｄＶ１〜ｄＶ４を用いて、次のように表される。
【数５】
2015169532.tif 000008
【００３６】
ここで、図４（ｂ）に示すように、任意荷重Ｐはｘ、ｙ、ｚ方向の成分に分解でき、ｚ方向の成分が垂直荷重に相当し、ｘ、ｙ方向の成分の合力がせん断荷重に相当する。ｘ、ｙ、ｚ方向の成分を、それぞれＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとすると、任意荷重Ｐは各成分Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚを用いて、次式で表される。
【数６】
2015169532.tif 000009
【００３７】
したがって、垂直荷重Ｐｎは、次の式で示すように、各ゾーン１〜４の電圧変化量の総和に基づき算出できる。
【数７】
2015169532.tif 000010
【００３８】
また、せん断荷重Ｐｔは、次の式に示すように、任意荷重Ｐのｘ、ｙ成分Ｐｘ、Ｐｙを
用いて表すことができ、成分Ｐｘ、Ｐｙは各ゾーン１〜４の電圧変化量ｄＶ１〜ｄＶ４を用いて表すことができる。よって、せん断荷重Ｐｔは、各ゾーン１〜４の電圧変化量ΔＶに基づき算出できる。
【数８】
2015169532.tif 000011
【００３９】
さらに、図４（ｃ）に示すように、せん断荷重Ｐｔの方向をｘ方向から反時計回りの角度φで表すと、次の式に示すように、成分ＰｙとＰｘの比に基づき、せん断荷重Ｐｔの方向φを求めることができる。なお、ｘｙ平面に対する任意荷重Ｐの作用方向は、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の比から同様に求めることができる。
【数９】
2015169532.tif 000012
【００４０】
（荷重測定手順の例）
シートセンサシステム１を用いた具体的な荷重測定に当っては、シートセンサ２において、センサ受圧面２０に任意荷重を加えた場合における、検出区画２０（ｎ）の４つのゾーンに生ずる電圧変化量ｄＶｍと、発生するせん断荷重Ｐｔとの関係、検出区画２０（ｎ）に発生した電圧変化ΔＶとせん断荷重Ｐｔとの関係、センサ受圧面２０の荷重印加位置に対する各検出区画の電圧変化の関係等を、予め測定しておく。測定によって得られた関係に基づき、上記の各式に基づく垂直荷重の大きさ、せん断荷重の大きさ、方向を算出するための算出式を設定する。コントローラー５の演算部５１においては、各検出区画２０（ｎ）における各ゾーン１〜４から検出される検出電圧の変化ｄＶｍに基づき、垂直荷重Ｐｎの算出、各検出区画２０（ｎ）に生ずる電圧変化量ΔＶに基づくせん断荷重Ｐｔの大きさの算出、およびせん断荷重Ｐｔの方向の算出等を行う。
【００４１】
図５には具体的な荷重測定手順の一例を示してある。例えば、図５（ａ）に示すように、矩形のセンサ受圧面２０の角に位置する実線で囲む検出区画２０（１）の４つの個別電極２４（１．１）、２４（１．２）、２４（２．１）、２４（２．２）の検出電圧に基づき、当該検出区画２０（１）に作用する垂直荷重Ｐｎ（１）とせん断荷重Ｐｔ（１）を算出する。
【００４２】
次に、図５（ｂ）に示すように、センサ受圧面２０の幅方向Ｗに、個別電極１個分だけずれた位置において、４つの個別電極２４（１．２）、２４（１．３）、２４（２．２）、２４（２．３）を含む実線で囲む検出区画２０（２）に作用する垂直荷重Ｐｎ（２）とせん断荷重Ｐｔ（２）を算出する。
【００４３】
このようにして、センサ受圧面２０において、その幅方向Ｗおよび縦方向Ｌに沿って、４個ずつの個別電極２４を含む２５個の検出区画２０（ｎ）について、順次に、垂直荷重Ｐｎとせん断荷重Ｐｔを算出する。これにより、センサ受圧面２０における２５か所の位置において荷重検出を行うことができる。先に、図２を参照して説明したように、４つの個別電極２４を備えた独立したセンサをセンサ受圧面２０に配置して荷重検出を行う場合
には、検出箇所は、９か所だけである。したがって、本例のシートセンサシステム１によれば、従来に比べて高い分解能でせん断荷重の検出が可能になる。
【００４４】
（実験例）
図６（ａ）はシートセンサシステム１を用いた実験装置の模式図であり、図６（ｂ）は荷重負荷位置を示す模式図である。実験装置１００は、ＸＹステージ１０１上の６軸ロードセル１０２に、シートセンサシステム１のシートセンサ２を載せ、この上から、載荷機構１０３を用いて荷重を加えた。載荷機構１０３の圧子１０４の直径は２０ｍｍ、垂直荷重Ｐｎを２０Ｎで一定とし、荷重印加位置をシートセンサ２のセンサ受圧面２ａの中心とした。ｘ方向のせん断荷重Ｐｘを０Ｎから徐々に増加させながら、各個別電極２４の検出電圧に基づき、各検出区画２０（ｎ）に発生する垂直荷重Ｐｎおよびせん断荷重Ｐｔの分布状態を算出した。シートセンサ２としては、図６（ｂ）に示すように、センサ受圧面２ａに縦横８個の個別電極２４を配置した構成のものを使用した。
【００４５】
図７には実験により得られたせん断荷重ベクトルの分布と垂直荷重の分布の画面表示例を示す説明図である。図７（ａ１）、（ａ２）は、垂直荷重Ｐｎ＝２０Ｎでせん断荷重Ｐｘ０Ｎの場合であり、図７（ｂ１）、（ｂ２）は、垂直荷重Ｐｎ＝２０Ｎ、せん断荷重Ｐｘ＝６．５Ｎの場合であり、図７（ｃ１）（ｃ２）は、垂直荷重Ｐｎ＝２０Ｎ、せん断荷重Ｐｘ＝１２．１Ｎの場合の結果である。
【００４６】
図８（ａ）は、実験により測定されたシートセンサ２の中心の検出区画２０（ｎ）における４つのゾーン１〜４に生ずる電圧変化量ΔＶｍとせん断荷重Ｐｘの関係を示すグラフであり、図８（ｂ）は、電圧変化Ｖｐｘとせん断荷重Ｐｘの関係を示す図表である。図８（ｃ）に示すように、測定対象の検出区画２０（ｎ）における４つのゾーンは、ゾーン（４．４）、ゾーン（４．５）、ゾーン（５．５）、ゾーン（５．４）である。これらのゾーンに生ずる電圧変化量をΔＶ（４．４）、ΔＶ（４．５）、ΔＶ（５．５）、ΔＶ（５．４）とすると、次式に示すように、検出区画２０（ｎ）に現れる電圧変化Ｖｐｘが算出される。
【数１０】
2015169532.tif 000013
【００４７】
図８（ａ）、（ｂ）の図表から分かるように、電圧変化量ΔＶｍとせん断荷重Ｐｘの間には所定の相関が確認され、電圧変化Ｖｐｘとせん断荷重Ｐｘの間にも所定の相関が確認される。よって、本例のシートセンサシステム１を用いて、シート受圧面２０に加わる荷重によって各検出区画２０（ｎ）に生ずる垂直荷重の大きさは勿論のこと、せん断荷重の大きさ及び方向（分布）が測定可能であることが分かる。
【００４８】
（その他の実施の形態）
なお、上記のシートセンサ２では、シート受圧面２０にマトリックス状に個別電極を配置し、各検出区画２０（ｎ）には縦横に２個ずつの個別電極が含まれており、任意の方向に作用するせん断荷重を検出可能である。一つの検出区画に含まれる個別電極の数は、２個、３個あるいは５個以上であってもよい。
【００４９】
また、検出対象のせん断力の方向が一方向である場合には、当該方向に複数の個別電極が配列された検出区画を構成すればよい。例えば、図９に示すように、ｘ方向に直線状に複数個の個別電極２４が配列されている場合には、ｘ方向に作用するせん断荷重を測定することができる。この場合には、２個の個別電極２０（１）、２０（２）の検出電圧値に基づき、これらを含む検出区画２０（１）に作用する垂直荷重およびｘ方向のせん断荷重
を算出し、次に、個別電極１個分だけｘ方向にずれた次の検出区画において荷重の算出を行う動作を繰り返して行えば良い。勿論、検出区画として、３個以上の個別電極を含む検出区画を設定して、荷重演算を行っても良いことは勿論である。
【符号の説明】
【００５０】
１    シートセンサシステム
２    シートセンサ
３    安定化電源
４    電圧検出器
５    コントローラー
２０  センサ受圧面
２１  下側電極基板
２２  共通電極
２３  上側電極基板
２４  個別電極
２５  感圧シート
２６  表面プレート
２７、２９  センサ端子部
２８  給電ライン
３０  検出ライン
５１  演算部
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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