(57)【要約】【課題】電極を含む導電路の保護部材を用いることなく、確実に外力の付加などを検出できる変形センサシステムを提供する。【解決手段】弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなり、外力を受け得る力受面１２ａを有するセンサ本体１２と、センサ本体１２の力受面１２ａの周縁部にそれぞれ離隔して複数配置される電極１３ａ〜１３ｈと、電極１３ａ〜１３ｈ間に電圧を印加した場合に、電極１３ａ〜１３ｈ間における外力によるセンサ本体１２の電気抵抗の変化を検出する検出部２２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなり、外力を受け得る力受面を有するセンサ本体と、
前記センサ本体の前記力受面の周縁部にそれぞれ離隔して複数配置される電極と、
前記電極間に電圧を印加した場合に、前記電極間における前記外力による前記センサ本体の前記電気抵抗の変化を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする変形センサシステム。
【請求項２】
一端がそれぞれの前記電極に接続され、前記力受面の周縁部より外方に配置される配線をさらに備え、
前記検出部は、前記配線を介して前記電極に接続される請求項１に記載の変形センサシステム。
【請求項３】
前記外力は、前記力受面の法線方向の押圧外力を含む請求項１または２に記載の変形センサシステム。
【請求項４】
前記センサ本体は、板状からなり、
前記力受面は、前記板状の広がる面である請求項１〜３の何れか一項に記載の変形センサシステム。
【請求項５】
前記ゴム弾性材は、所定のゴムからなるエラストマーと、前記エラストマー中に略単粒子状態で且つ高充填率で配合されている球状の導電性フィラーとを有する請求項１〜４の何れか一項に記載の変形センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、感圧センサ等に用いることができる変形センサシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、感圧センサとしては、例えば、実開平５−３６３３１号公報（特許文献１）、特開平５−８１９７７号公報（特許文献２）、特開平１１−１１５６７８号公報（特許文献３）および特開２００１−５６２５９号公報（特許文献４）に開示されたものがある。
【０００３】
特許文献１および特許文献２に記載の感圧センサは、感圧導電性エラストマー部材の表面に圧力検出用凸部を形成し、その裏面側に電極を配置する構成からなる。この感圧導電性エラストマーは、無加圧時には絶縁性を示し、加圧時に内部の導電性粒子が互いに接近して電気抵抗値が次第に低下することに伴って導電性を示す材料からなる。つまり、圧力検出用凸部に圧力が付加された場合に、その表面と裏面との離間距離が短くなることにより、感圧導電性エラストマー部材が導電性を示すこととなる。そして、この絶縁性から導電性への変化を裏面側の電極により検出して、圧力の付加を検知するというものである。
【０００４】
また、特許文献３に記載の感圧センサは、上側感圧インクと下側感圧インクとを備えており、無加圧時には両者は離間しており、加圧時に両者が接触してその間の電気抵抗が変化することにより、圧力の付加を検知するというものである。
【０００５】
また、特許文献４に記載の感圧センサは、配線パターンが形成されている下側フィルムと、その下側フィルムに重ね合わさるように離間して配置され感圧抵抗が形成されている上側フィルムとを備えている。つまり、無加圧時には配線パターンと感圧抵抗とが離間しているので導通されず、加圧時に配線パターンと感圧抵抗とが接触することにより導通する。従って、導通することにより発生する電気信号に基づいて、圧力の付加を検知するというものである。
【特許文献１】実開平５−３６３３１号公報
【特許文献２】特開平５−８１９７７号公報
【特許文献３】特開平１１−１１５６７８号公報
【特許文献４】特開２００１−５６２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の感圧センサは、何れも、加圧部位に電極に相当する部材が配置されている。例えば、特許文献１および特許文献２においては、導電性へ変化を検出する電極が、加圧部位の裏面側に配置されている。また、特許文献３においては、電極に相当する上側感圧インクと下側感圧インクが、加圧部位に配置されている。特許文献４においても、電極に相当する配線パターンと感圧抵抗との接触部位が、加圧部位に配置されている。
【０００７】
このように、電極または電極に相当する部材が加圧部位に配置されていることにより、例えば、電極摩耗などが生じるおそれがある。電極摩耗などにより、確実な圧力付加の検出ができなくなるおそれがある。さらに、電極が加圧部位に配置されているため、電極から検出回路までの導電路の一部は、加圧部位に配置されることになる。このため、電極を含む導電路が、加圧により断線、断裂など生じるおそれがある。このような場合にも、確実な圧力付加の検出ができなくなるおそれがある。これらの問題の発生を抑制するために、これまでは、例えば、電極を含む導電路の保護部材を用いることなどが行われている。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極を含む導電路の保護部材を用いることなく、確実に外力の付加などを検出できる変形センサシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、新たなゴム弾性材料を開発し、このゴム弾性材料を用いることでそもそも電極を加圧部位に配置しないようにすることを思いつき、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の変形センサシステムは、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなり、外力を受け得る力受面を有するセンサ本体と、センサ本体の力受面の周縁部にそれぞれ離隔して複数配置される電極と、電極間に電圧を印加した場合に、電極間における外力によるセンサ本体の電気抵抗の変化を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
ここで、「力受面」とは、所定の面に外力を受け得る場合に、当該所定の面のことをいう。この力受面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。そして、「力受面の周縁部」とは、力受面の境界部分、すなわち力受面の輪郭部分のことをいう。
【００１２】
そして、本発明の変形センサシステムにおいては、電極を、センサ本体のうち外力を受け得る力受面の周縁部に配置されている。ここで、センサ本体の力受面にのみ外力を直接的に受け、力受面の周縁部は外力を直接的に受けない位置となる。つまり、電極は、外力を直接受け得る位置、すなわち加圧部位に、配置されていない。従って、電極は圧力を直接受けないので、電極はそもそも加圧により摩耗を生じるということ自体存在しない。さらに、電極が、加圧部位に配置されていないので、加圧により断線、断裂など生じることもない。従って、電極摩耗の抑制および加圧による断線などを保護するための保護部材を必要としない。さらに、電極摩耗および断線などが生じることがないため、センサとしての耐久性を向上することができる。
【００１３】
ここで、本発明において、電極を力受面の周縁部、すなわち加圧部位の周縁部に配置している。例えば、電極は、その端部が力受面の周縁部に接続され、この力受面の周縁部への接続点から外側に延びるように（飛び出すように）配置されている。さらには、例えば、電極は、力受面が受ける外力方向から見た場合に、力受面に対して重なり合わないように配置されている。この場合、すなわち電極を従来のように加圧部位に配置しない場合でも、圧力付加を検出できる理由について説明する。
【００１４】
本発明におけるセンサ本体は、上述したように、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなる。つまり、このゴム弾性材は、無変形時に電気抵抗が最も小さく、変形時に電気抵抗が大きくなる。従って、このゴム弾性材に一定の電圧を印加した場合には、無変形時に最も大きな電流が流れ、変形に応じて電流値が小さくなっていく。
【００１５】
つまり、センサ本体の力受面に外力を受けていない状態（以下、「無負荷状態」という）が電極間の電気抵抗は最も小さい。従って、この無負荷状態にて電極間に電圧を印加した場合が、電極間に電流は最も流れやすい状態となる。このように、無負荷状態にて、電極間に電流が流れていることになる。一方、センサ本体の力受面に外力を受けた状態（以下、「負荷状態」という）には、センサ本体のうち外力により弾性変形した部位の電気抵抗が大きくなる。さらに、外力を受ける位置によって電気抵抗の変化量は異なるとしても、電極間の電気抵抗は、外力を受けることにより必ず増加する。そうすると、印加する電圧を一定とした場合に、電極間に流れる電流は、外力を受けることにより小さくなる。
【００１６】
ここで、検出部は、電極間に電圧を印加した場合に、電極間における外力によるセンサ本体の電気抵抗の変化を検出している。例えば、検出部は、電極間に電圧を印加した場合に、電極間に流れる電流を検出する。この場合、検出部は、無負荷状態にて最大電流を検出し、負荷状態においてはそれより小さい電流を検出することになる。従って、外力を受ける位置がどこであっても、検出部は、確実に電極間の電気抵抗の変化を検出できる。
【００１７】
ところで、従来の感圧センサにおいて、電極を加圧部位の周縁部に配置することができるか否かについて検討する。例えば、特許文献１および特許文献２に開示された感圧センサでは、感圧面（表面）と電極が配置される裏面との離間距離が短くなることにより、圧力の付加を検出している。従って、電極は加圧部位に存在しなければ検出することができない。また、特許文献１および特許文献２に記載の感圧導電性エラストマーを用いた場合に、本発明と同様の構成を適用できるか否かについても検討する。この感圧導電性エラストマーは、無負荷状態においては絶縁性を示し、負荷状態にて内部の導電性粒子が互いに接近して電気抵抗値が次第に低下することに伴って導電性を示す材料からなる。従って、電極を加圧部位の周縁部に配置したとすると、無負荷状態において電流が全く流れない状態となる。そして、電極間全体に亘って加圧により変形した場合にのみ、電極間に電流が流れる。つまり、電極間の一部のみが加圧されて変形した場合には電極間に電流が流れない。従って、電極間の一部のみに加圧された場合に、圧力付加を検出できないことになる。つまり、特許文献１および特許文献２に記載の感圧センサでは、電極を加圧部位の周縁部に配置することはできない。
【００１８】
また、特許文献３および特許文献４は、接触する一対の電極（特許文献３においては上側インクと下側インク、特許文献４においては配線パターンと感圧抵抗）を用いているため、加圧により両者が接触することが圧力付加の検出に必要な条件となっている。つまり、これらにおいても、電極を加圧部位の周縁部に配置することはできない。このように、本発明の変形センサシステムは、従来では成し得なかった構成を採用するものである。
【００１９】
また、上述した本発明の変形センサシステムにおいて、一端がそれぞれの電極に接続され、力受面の周縁部より外方に配置される配線をさらに備え、検出部は、配線を介して電極に接続されるようにしてもよい。このように電極に接続する配線を用いる場合に、この配線も加圧部位の周縁部に配置することができる。従って、電極に加えて配線についても、力受面への加圧により断線、断裂などを生じることを防止できる。
【００２０】
また、上述した本発明の変形センサシステムにおいて、センサ本体の力受面への外力は、力受面の法線方向の押圧外力を含む力とするとよい。つまり、この場合、本発明の変形センサシステムは、力受面の法線方向の押圧外力を含む力を検出することに適用するということになる。このように、力受面の法線方向の押圧外力を受ける場合に、従来の感圧センサの構造を用いると、電極摩耗や導電路の断線などが生じやすい。しかし、本発明の変形センサシステムを適用することで、押圧外力を受ける場合であっても、確実に電極摩耗や導電路の断線を防止できる。
【００２１】
ここで、本発明の変形センサシステムは、力受面への押圧外力を検出することができることはもちろんである。この他に、本発明の変形センサシステムは、センサ本体が弾性変形し得る外力であれば、押圧外力以外の外力であっても、検出することができる。例えば、本発明の変形センサシステムは、力受面の法線方向の引張力、力受面に沿ったせん断力、ねじり力など種々の外力を検出することができる。
【００２２】
また、本発明の変形センサシステムにおいて、センサ本体は、板状からなり、力受面は、板状の広がる面であるとしてもよい。すなわち、センサ本体を含むセンサ構造体部分の全体形状が実質的に板状をなす場合に、本発明の変形センサシステムを適用することができる。ここで、板状とは、平板状、曲面板状や、厚みの非常に薄いシート状などを含む。すなわち、当該板状とは、板状の厚みに対して板状の広がる面の幅が大きい形状を含む意味である。
【００２３】
センサ全体形状が板状からなる場合には、従来のように電極を加圧部位に配置した場合には、特に電極や配線が外力を受けやすい状態となる。しかし、センサ全体形状が板状からなる場合であっても、本発明の変形センサシステムを適用することで、電極や配線が外力を受けることを防止できる。従って、センサ全体形状が板状からなる場合に、本発明は非常に有効となる。
【００２４】
なお、センサ本体のゴム弾性材は、所定のゴムからなるエラストマーと、エラストマー中に略単粒子状態で、且つ、高充填率で配合されている球状の導電性フィラーとを有するものを用いるとよい。ここで、「略単粒子状態」とは、導電性フィラーの全質量を１００質量％とした場合の５０質量％以上が、凝集した二次粒子としてではなく、単独の一次粒子として存在していることをいう。また、「高充填率で配合」とは、導電性フィラーが最密状近い状態で配合されていることをいう。
【００２５】
このように、導電性フィラーが、高充填率（最密状態に近い状態）で配合され、且つ、エラストマー中に一次粒子の状態で存在することにより、センサ本体が無加圧時に、導電性フィラーによる三次元的な導電パスが形成される。これに対して、センサ本体への加圧時には、センサ本体が弾性変形する。そして、導電性フィラーが最密状態に近い状態で配合されているため、この弾性変形により、導電性フィラー同士が反発し合い、導電性フィラー同士の接触状態が変化する。その結果、無加圧時における三次元的な導電パスが崩壊し、電気抵抗が増加する。つまり、当該ゴム弾性材は、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する性質を有することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の変形センサシステムによれば、電極を含む導電路の保護部材を用いることなく、確実に外力の付加などを検出できる。従って、変形センサシステムを例えば感圧センサとして用いた場合などに、耐久性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００２８】
（１）変形センサシステムの全体構成
本実施形態の変形センサシステムの全体構成について図１および図２を参照して説明する。図１は、変形センサシステムの全体構成図を示す。図２（ａ）は、センサ本体１２が押圧外力を受けていない状態（無負荷状態）における図１のＡ−Ａ断面図を示す。図２（ｂ）は、センサ本体１２が押圧外力を受けた状態（負荷状態）における図１のＡ−Ａ断面図を示す。
【００２９】
図１に示すように、変形センサシステムは、センサ構造体１０と、制御部２０と、モニタ３０とから構成される。ここで、本発明の変形センサシステムは、センサ構造体１０と制御部２０の検出部２２とを含むものである。
【００３０】
センサ構造体１０は、載置板１１と、センサ本体１２と、複数の電極対１３ａ〜１３ｈと、コネクタ１４と、配線１５とから構成される。載置板１１は、図１および図２（ａ）（ｂ）に示すように、矩形の平板状からなり、弾力性のある発砲材またはクッション材などからなる。すなわち、載置板１１は、図２（ｂ）に示すように、その上面（図２の上側面）を押圧された場合に、押圧部位が凹状に変形する。この載置板１１は、例えば、平面の基盤上に配置される。
【００３１】
センサ本体１２は、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなる。このセンサ本体１２は、矩形状、特に本実施形態においては正方形状の平板状に形成されている。さらに、センサ本体１２は、載置板１１よりも小さな正方形状からなる。そして、センサ本体１２は、載置板１１の上面のうち中央部に、載置板１１に重ね合わさるように配置されている。
【００３２】
ここで、センサ本体１２の上面、すなわち、平板状の広がる面は、図２（ａ）（ｂ）の下方への押圧外力を受け得る力受面１２ａをなす。つまり、センサ本体１２の力受面１２ａが力受面１２ａの法線方向の押圧外力を受けた場合には、図２（ｂ）に示すように、センサ本体１２のうち当該押圧外力を受けた部位が図２（ｂ）の下方側に向かって湾曲するように曲げ弾性変形する。さらに換言すると、力受面１２ａに押圧外力を受けた場合に、センサ本体１２全体が曲げ弾性変形し得る領域（本発明における所定領域に相当する）となる。なお、センサ本体１２のゴム弾性材の詳細については、後述する「（２）センサ本体１２の材料説明」の項目において説明する。
【００３３】
電極対１３ａ〜１３ｈは、センサ本体１２の周縁部（すなわち、力受面１２ａの周縁部）に、センサ本体１２に接触した状態で固定された複数の電極であって、それぞれ離隔して配置された対の電極からなる。具体的には、電極対１３ａ〜１３ｈは、それぞれ、その端部が力受面１２ａの周縁部に接続され、この力受面１２ａの周縁部への接続点から外側に延びるように（飛び出すように）配置されている。さらには、電極対１３ａ〜１３ｈは、センサ本体１２が受ける押圧外力の方向から見た場合に、力受面１２ａに対して重なり合わないように配置されている。
【００３４】
つまり、これら全ての電極は、センサ本体１２の力受面１２ａが押圧外力を受けた場合にセンサ本体１２のうち曲げ弾性変形する領域に配置されていない。従って、センサ本体１２の力受面１２ａが押圧外力を受けた場合であっても、これらの電極が直接押圧外力を受けることがない。
【００３５】
そして、これらの電極対１３ａ〜１３ｈは、具体的には、Ｙ方向（図１の上下方向）にセンサ本体１２を挟むようにして離隔対向して配置された４つの電極対（８つの電極）からなる第１方向電極群と、Ｘ方向（図１の左右方向）にセンサ本体１２を挟むようにして離隔対向して配置された４つの電極対（８つの電極）からなる第２方向電極群とからなる。なお、Ｘ方向とＹ方向とは、相互に直交する方向である。第１方向電極群を構成する４つの電極対は、第１電極対１３ａ、第２電極対１３ｂ、第３電極対１３ｃおよび第４電極対１３ｄである。そして、これらの電極対１３ａ〜１３ｄは、図１の左側から右側に向かって順に等間隔に配置されている。また、第２方向電極群を構成する４つの電極対は、第５電極対１３ｅ、第６電極対１３ｆ、第７電極対１３ｇおよび第８電極対１３ｈである。そして、これらの電極対１３ｅ〜１３ｈは、図１の上側から下側に向かって順に等間隔に配置されている。
【００３６】
コネクタ１４は、後述する制御部２０と電気的接続のための部材である。このコネクタ１４は、載置板１１の上面のうち図１の左下角部であって、センサ本体１２の周縁部よりも外方に配置されている。つまり、コネクタ１４は、センサ本体１２に対して離隔した位置に配置されている。
【００３７】
配線１５は、一端が電極対１３ａ〜１３ｈを構成するそれぞれの電極に接続され、他端がコネクタ１４に接続されている。そして、それぞれの配線１５は、載置板１１の上面であって、センサ本体１２の周縁部の外方に配置されている。つまり、配線１５は、電極同様、センサ本体１２の力受面１２ａが押圧外力を受けた場合にセンサ本体１２のうち曲げ弾性変形する領域に配置されていない。従って、センサ本体１２の力受面１２ａが押圧外力を受けた場合であっても、配線１５が直接押圧外力を受けることがない。
【００３８】
制御部２０は、電源回路２１と、検出部２２と、出力部２３とから構成される。電源回路２１は、コネクタ１４および配線１５を介してそれぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ、並びに、後述する検出部２２の抵抗変化量検出部２２ａに、電気的接続されており、直流電圧Ｖｉｎを印加する回路である。
【００３９】
検出部２２は、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間のセンサ本体１２の電気抵抗を検出すると共に、検出した電気抵抗に基づいてセンサ本体１２の力受面１２ａが受けた押圧外力の大きさを算出する。出力部２３は、検出部２２にて算出された力受面１２ａの任意の位置における押圧外力に基づいて、モニタ３０に表示する。すなわち、モニタ３０には、センサ本体１２の力受面１２ａに相当する面が表示されており、押圧外力を受けた部位を種々の色を用いて表示したり、色の明暗を用いて表示したりする。なお、制御部２０の詳細は、後述する「（４）制御部２０の詳細説明」の項目において説明する。
【００４０】
（２）センサ本体１２の材料説明
次に、センサ本体１２に用いるゴム弾性材、すなわち弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する性質を有するゴム弾性材について、図３を参照して詳細に説明する。図３（ａ）は、無負荷状態におけるセンサ本体１２の断面模式図を示し、図３（ｂ）は、負荷状態におけるセンサ本体１２の断面模式図を示す。なお、図３（ｂ）において、無負荷状態のセンサ本体１２の形状を破線にて示す。
【００４１】
このセンサ本体部１２のゴム弾性材は、所定のゴムからなるエラストマー１２ｂと、エラストマー中に略単粒子状態で、且つ、高充填率で配合されている球状の導電性フィラー１２ｃとを有するものである。ここで、所定のゴムからなるエラストマー１２ｂ自体は、絶縁性を有している。また、「略単粒子状態」および「高充填率で配合」については、上述した意味である。
【００４２】
そして、無負荷状態では、図３（ａ）に示すように、導電性フィラー１２ｃの多くは、エラストマー１２ｂ中に一次粒子状態で存在している。また、導電性フィラー１２ｃの充填率は高く、最密状態で配合されている。これにより、無負荷状態において、センサ本体１２には、導電性フィラー１２ｃによる三次元的な導電パスＰｓが形成されている。従って、無負荷状態では、センサ本体１２の電気抵抗が小さくなる。
【００４３】
一方、図３（ｂ）に示すように、センサ本体１２の力受面１２ａに外力（例えば、押圧外力）を受けた場合（負荷状態）には、センサ本体１２は弾性変形する。ここで、導電性フィラー１２ｃは最密状態に近い状態で配合されているため、導電性フィラー１２ｃが移動できるスペースがほとんどない。従って、センサ本体１２が弾性変形すると、導電性フィラー１２ｃ同士が反発し合い、導電性フィラー１２ｃ同士の接触状態が変化する。その結果、無負荷状態において形成されていた三次元的な導電パスＰｓが崩壊し、センサ本体１２の電気抵抗が増加する。
【００４４】
ここで、センサ本体１２において、エラストマー１２ｂに対して導電性フィラー１２ｃの配合量を増加させるにつれて、センサ本体１２の電気抵抗は低下する。具体的には、所定量のエラストマー１２ｂに導電性フィラー１２ｃを配合していく場合を考えると、導電性フィラー１２ｃの配合量が少ない状態では、センサ本体１２の電気抵抗は大きな値を示す。すなわち、この場合のセンサ本体１２の電気抵抗は、導電性フィラー１２ｃを配合していない状態におけるエラストマー１２ｂ自体の電気抵抗にほとんど等しい。
【００４５】
そして、導電性フィラー１２ｃの配合量を増加させて、その配合量が所定の体積分率に達すると、センサ本体１２の電気抵抗が急激に低下して、絶縁体−導電体転移が起こる（第一変極点）。この第一変曲点における導電性フィラー１２ｃの配合量（体積％）を、臨界体積分率という。また、さらに導電性フィラー１２ｃの配合量を増加していくと、所定の体積分率から、センサ本体１２の電気抵抗の変化量が小さくなり、電気抵抗の変化が飽和する（第二変極点）。この第二変極点における導電性フィラー１２ｃの配合量（体積％）を、飽和体積分率という。このようなセンサ本体１２の電気抵抗の変化は、パーコレーションカーブと呼ばれ、エラストマー１２ｂ中に導電性フィラー１２ｃによる導電パスＰｓ（図３（ａ）に示す）が形成されるためと考えられている。そして、無負荷状態にて導電パスＰｓを適切に形成することができるために、飽和体積分率が３５体積％以上とする。
【００４６】
また、他の視点によれば、センサ本体１２全体の体積を１００体積％とした場合に、導電性フィラー１２ｃの充填率を３０体積％以上６５体積％以下とするとよい。この場合にも同様に、導電性フィラー１２ｃが一次粒子の状態で存在し、且つ、最密状態に近い状態で配合されているので、無負荷状態にて導電パスＰｓを適切に形成できる。
【００４７】
センサ本体１２を形成するゴム弾性材の具体的な一例を以下に挙げる。まず、油展ＥＰＤＭ（住友化学社製「エスプレン（登録商標）６１０１」）８５質量部と、油展ＥＰＤＭ（住友化学社製「エスプレン６０１」３４質量部と、ＥＰＤＭ（住友化学社製「エスプレン５０５」）３０質量部と、酸化亜鉛（共に白水化学工業社製）５質量部と、スチアリン酸（花王社製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）１部と、パラフィン系プロセスオイル（日本サン石油社製「サンパー（登録商標）１１０」）２０質量部と、をロール練り機にて素練りした。
【００４８】
次に、カーボンビーズ（日本カーボン社製「ニカビーズＩＣＢ０５２０」）、平均粒子径約５μｍ、硫度分におけるＤ９０／Ｄ１０＝３．２）２７０質量部を添加して、ロール練り機にて混合し、分散させた。さらに、加硫促進剤として、ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛（大内新興化学社製「ノクセラー（登録商標）ＰＺ−Ｐ」）１．５質量部、テトラメチルチウラムジスルフィド（三新化学社製「サンセラー（登録商標）ＴＴ−Ｇ」）１．５質量部、２−メルカプトベンゾチアゾール（大内新興化学社製「ノクセラーＭ−Ｐ」）０．５質量部と、硫黄（鶴見化学工業社製「サンファックスＴ−１０」）０．５６質量部とを添加して、ロール練り機にて混合し、分散させて、エラストマー組成物を調整した。
【００４９】
このエラストマー組成物のパーコレーションカープにおける臨界体積分率は、約４３体積％、飽和体積分率は約４８体積％であった。次に、エラストマー組成物を所定の大きさ（本実施形態では正方形板状）に成形して、所定温度でプレス加硫によりセンサ本体１２を成形した。成形されたセンサ本体１２におけるカーボンビーズの充填率は、センサ本体１２の体積を１００体積％とした場合の約４８体積％であった。
【００５０】
（３）センサ本体１２の電気抵抗の変化について
次に、上述したように成形されたセンサ本体１２の電気抵抗の変化の特性について、図４および図５を参照して説明する。図４は、センサ本体１２の電気抵抗の変化を説明する図である。図５は、センサ本体１２の曲率Ｃに対する電気抵抗の変化の関係を示す図である。
【００５１】
まず、図４に示すように、センサ本体１２を長尺板状とし、その両端に電極１３を配置した。この場合に、センサ本体１２の中央部に押圧外力を付加して、センサ本体１２全体が図４の下側に湾曲するように曲げ弾性変形する状態を考える。このとき、無負荷状態におけるセンサ本体１２の長手方向長さをＬとし、負荷状態におけるセンサ本体１２の両端の離間距離をＬ１とし、ＬとＬ１との差を曲げ歪距離Ｓとした場合に、曲率Ｃ（％）は、以下の式（１）により定義する。
【００５２】
【数１】
2008102089.tif 000003
【００５３】
そして、押圧外力を適宜変更して曲率Ｃを変化させた状態において、そのときの電極１３間の電気抵抗を計測した。この結果は、図５に示すように、曲率Ｃが増加するに従って、電極１３間の電気抵抗が増加している。このことから、センサ本体１２の弾性変形量が大きいほど、電気抵抗が増加するということが言える。
【００５４】
（４）制御部２０の詳細構成
次に、変形センサシステムにおける制御部２０の詳細構成について、図１および図６〜図８を参照して説明する。図６は、制御部２０の検出部２２を構成する抵抗変化量検出部２２ａを説明する図である。図７は、抵抗変化量検出部２２ａおよび外力算出部２２ｃを説明する図である。図８は、係数記憶部２２ｂに記憶される係数Ｋｘ、Ｋｙについて説明する図である。
【００５５】
制御部２０は、図１に示すように、電源回路２１と、検出部２２と、出力部２３とから構成される。電源回路２１は、コネクタ１４および配線１５を介してそれぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ、並びに、後述する検出部２２の抵抗変化量検出部２２ａに、電気的接続されており、直流電圧Ｖｉｎを印加する回路である。
【００５６】
検出部２２は、抵抗変化量検出部２２ａと、係数記憶部２２ｂと、外力算出部２２ｃとから構成される。抵抗変化量検出部２２ａは、電源回路２１および電極対１３ａ〜１３ｂに電気的接続されている。そして、抵抗変化量検出部２２ａは、図６に示すように、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗を第１抵抗Ｒ１とするホイートストン・ブリッジ回路を構成している。ただし、この第１抵抗Ｒ１の両端電極は、第１電極対１３ａから第８電極対１３ｈまで、順次切り替えられている。つまり、ここでいう第１抵抗Ｒ１は、第１電極対１３ａ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗、第２電極対１３ｂ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗、・・・、第７電極対１３ｇ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗、第８電極対１３ｈ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗が、順次切り替えられている。
【００５７】
ここで、センサ本体１２は、上述したように、弾性変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するゴム弾性材からなる。従って、電極対１３ａ〜１３ｈ間のそれぞれのセンサ本体１２の電気抵抗は、押圧外力により生じた曲げ弾性変形量に応じて変化する。また、ホイートストン・ブリッジ回路を構成する第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３および第４抵抗Ｒ４は、一定の抵抗値としている。ここでは、第１抵抗Ｒ１と第４抵抗Ｒ４とを掛け合わせた値が、第２抵抗Ｒ２と第３抵抗Ｒ３とを掛け合わせた値に等しくなるように設定する。
【００５８】
そして、図６において、印加電圧Ｖｉｎは、電源回路２１により印加される直流電圧である。また、抵抗変化量検出部２２ａは、ブリッジ中間電位差Ｖｍを検出する。つまり、このブリッジ中間電位差Ｖｍは、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗の変化に伴って変化する。すなわち、抵抗変化量検出部２２ａは、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間に電圧を印加した場合に、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗の変化量ΔＲｘ１〜ΔＲｘ４、ΔＲｙ１〜ΔＲｙ４を検出できる。
【００５９】
なお、図７に示すように、電気抵抗の変化量ΔＲｘ１、ΔＲｘ２、ΔＲｘ３、ΔＲｘ４は、それぞれ、電極対１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗の変化量である。また、電気抵抗の変化量ΔＲｙ１、ΔＲｙ２、ΔＲｙ３、ΔＲｙ４は、それぞれ、電極対１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗の変化量である。
【００６０】
係数記憶部２２ｂは、センサ本体１２の力受面１２ａの位置に応じた第１係数Ｋｘおよび第２係数Ｋｙを記憶している。第１係数Ｋｘは、Ｘ方向に並列された電極対１３ａ〜１３ｄに関する係数、すなわち、力受面１２ａの位置に応じたＹ方向に関する係数である。第２係数Ｋｙは、Ｙ方向に並列された電極対１３ｅ〜１３ｈに関する係数、すなわち、力受面１２ａの位置に応じたＸ方向に関する係数である。
【００６１】
この係数Ｋｘ、Ｋｙについて、図８を参照して詳細に説明する。ここで、第２電極対１３ｂを例に挙げて説明する。第２電極対１３ｂ間におけるセンサ本体１２の電気抵抗は、押圧外力を受ける位置によって、その影響度が異なる。例えば、Ｐ１に所定の押圧外力Ｆを受けた場合に第２電極対１３ｂ間の電気抵抗の変化量ΔＲｘ２は、Ｐ２に同一の押圧外力Ｆを受けた場合に第２電極対１３ｂ間の電気抵抗の変化量ΔＲｘ２より小さくなる。これは、押圧外力Ｆの位置Ｐ１、Ｐ２が、第２電極対１３ｂを構成する電極から遠いほど、電気抵抗の変化量として表れる影響度が小さいためである。すなわち、第２電極対１３ｂ間の電気抵抗の変化量ΔＲｘ２と押圧外力Ｆの位置Ｐ３との関係は、式（２）に示すように定義できる。
【００６２】
【数２】
2008102089.tif 000004
【００６３】
つまり、式（２）によれば、第２電極対１３ｂを構成する電極を結ぶ線分上においては、押圧外力Ｆの位置Ｐが第２電極対１３ｂを構成する両電極の中間に位置する場合が、最も電気抵抗の変化量ΔＲｘ２が小さくなる。一方、第２電極対１３ｂを構成する電極を結ぶ線分上において、押圧外力Ｆの位置Ｐが第２電極対１３ｂを構成する何れかの電極付近に位置する場合が、最も電気抵抗の変化量ΔＲｘ２が大きくなる。そして、電極付近から両電極の中間位置までにおいては、ほぼ乗数的に変化している。つまり、押圧外力Ｆの位置Ｐが第２電極対１３ｂを構成する電極から遠ざかれば遠ざかるほど、その電気抵抗の変化量ΔＲｘ２の変化幅が大きくなる。
【００６４】
このように、センサ本体１２の力受面１２ａに同一の押圧外力を受けたとしても、その位置によって、それぞれの電極対１３ａ〜１３ｈ間の電気抵抗の変化量が異なる。そこで、この関係を係数化して、当該係数に検出された電気抵抗の変化量を掛け合わせることで、算出された値が、何れの位置に押圧外力を受けた場合であっても、同一の押圧外力を受けたのであれば、同一の値とするように補間している。つまり、当該係数Ｋｘ、Ｋｙは、センサ本体１２の力受面１２ａの位置と、その位置による電極対１３ａ〜１３ｈ間の電気抵抗の変化量との関係に応じた係数である。そして、第１係数Ｋｘと第２係数Ｋｙとを有する理由は、センサ本体１２の力受面１２ａの位置が同一であっても、Ｙ方向に対向配置された第１電極対１３ａ〜第４電極対１３ｄと、Ｘ方向に対向配置された第５電極対１３ｅ〜第８電極対１３ｈとでは、それぞれ電気抵抗の変化量が異なるためである。
【００６５】
外力算出部２２ｃは、電源回路２１により電圧Ｖｉｎを印加した場合に、抵抗変化量検出部２２ａにより検出されたΔＲｘ１〜ΔＲｘ４、ΔＲｙ１〜ΔＲｙ４と、係数記憶部２２ｂに記憶されている第１係数Ｋｘ、第２係数Ｋｙとに基づいて、センサ本体１２の力受面１２ａのそれぞれの位置における押圧外力Ｆの大きさを算出する。
【００６６】
この外力算出部２２ｃによる押圧外力Ｆの大きさの算出については、図７を参照して説明する。ここで、外力算出部２２ｃにより、図７のセンサ本体１２の力受面１２ａの所定位置Ｐにおける押圧外力Ｆの大きさを算出する場合を例に挙げて説明する。また、係数記憶部２２ｂに記憶されている係数Ｋｘ、Ｋｙのうち、所定位置Ｐにおける第１係数はＫｘｐとし、第２係数はＫｙｐとする。
【００６７】
まず、センサ本体１２の周縁部のうち、所定位置Ｐを通りＹ方向（図７の上下方向）に離隔した位置に、仮想第１方向電極対１３ｘが対向配置されたと仮定する。そして、仮想第１方向電極１３ｘ間の電気抵抗の変化量ΔＲｘ（ｖ）を、式（３）に従って算出する。
【００６８】
【数３】
2008102089.tif 000005
【００６９】
すなわち、仮想第１方向電極１３ｘ間の電気抵抗の変化量ΔＲｘ（ｖ）は、所定位置Ｐを挟むように位置する隣接した第１方向電極群の電極対の電気抵抗の変化量に基づいて算出される。図７においては、この電気抵抗の変化量ΔＲｘ（ｖ）は、第１電極対１３ａおよび第２電極対１３ｂ間のそれぞれの電気抵抗の変化量ΔＲｘ１、ΔＲｘ２に基づいて算出される。そして、第１電極対１３ａと第２電極対１３ｂとの間は、線形補間により算出している。
【００７０】
さらに、センサ本体１２の周縁部のうち、所定位置Ｐを通りＸ方向（図７の左右方向）に離隔した位置に、仮想第２方向電極対１３ｙが対向配置されたと仮定する。そして、仮想第２方向電極１３ｙ間の電気抵抗の変化量ΔＲｙ（ｖ）を、式（４）に従って算出する。
【００７１】
【数４】
2008102089.tif 000006
【００７２】
すなわち、仮想第２方向電極１３ｙ間の電気抵抗の変化量ΔＲｙ（ｖ）は、所定位置Ｐを挟むように位置する隣接した第２方向電極群の電極対の電気抵抗の変化量に基づいて算出される。図７においては、この電気抵抗の変化量ΔＲｙ（ｖ）は、第５電極対１３ｅおよび第６電極対１３ｆ間のそれぞれの電気抵抗の変化量ΔＲｙ１、ΔＲｙ２に基づいて算出される。そして、第５電極対１３ｅと第６電極対１３ｆとの間は、線形補間により算出している。
【００７３】
そして、外力算出部２２ｃは、所定位置Ｐにおける押圧外力Ｆｐの大きさを、式（５）に従って算出する。
【００７４】
【数５】
2008102089.tif 000007
【００７５】
このようにして、外力算出部２２ｃは、センサ本体１２の力受面１２ａ全面について、押圧外力Ｆの大きさを算出する。そして、出力部２３が、外力算出部２２ｃにより算出された力受面１２ａのそれぞれの位置における押圧外力の大きさをモニタ３０へ出力する。このとき、図１に示すように、モニタ３０には、押圧外力が大きな位置ほど、明るい色となるように表示されている。つまり、モニタ３０において明るく表示された位置が、力受面１２ａにおいて押圧外力を受けた位置であると把握することができる。また、力受面１２ａがどの程度の大きさの押圧外力を受けたかを把握することもできる。
【００７６】
なお、上記実施形態においては、センサ本体１２の力受面１２ａの任意の位置における押圧外力の大きさを算出し、表示することとした。この他に、力受面１２ａの特定の位置のみにおける押圧外力の大きさを算出できればよい場合には、以下のようにすることもできる。この場合、例えば、第１方向電極対と第２方向電極対との交差点が、その特定位置となるように電極を配置して、その交差点の第１係数Ｋｘおよび第２係数Ｋｙを用いて、特定位置の押圧外力の大きさを算出するようにしてもよい。なお、押圧外力の算出方法は、実質的に上記実施形態の同様である。
【００７７】
また、力受面１２ａの所定位置における押圧外力の大きさを算出することまで行わず、力受面１２ａが押圧外力を受けたか否かのみを検出することもできる。この場合は、力受面１２ａの大きさとの関係によるが、電極対は一対のみでもよい場合がある。さらに、押圧外力の大きさまで算出せず、単に押圧外力の位置を検出することもできる。この場合には、少なくとも電極が３つ以上配置して、少なくとも電極間の経路を２経路以上形成できるようにすれば足りる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の変形センサシステムは、感圧センサおよび荷重センサなどとして用いることができる。その他に、医療用ロボットや産業用ロボットなどの触覚センサとして用いることもできる。触覚センサの一例として、人間型ロボットの皮膚などに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】変形センサシステムの全体構成図を示す。
【図２】無負荷状態および負荷状態における図１のＡ−Ａ断面図を示す。
【図３】センサ本体１２のゴム弾性材を説明する図を示す。
【図４】センサ本体１２の電気抵抗の変化を説明する図を示す。
【図５】センサ本体１２の曲率Ｃに対する電気抵抗の変化の関係を示す。
【図６】制御部２０の検出部２２を構成する抵抗変化量検出部２２ａを説明する図を示す。
【図７】抵抗変化量検出部２２ａおよび外力算出部２２ｃを説明する図を示す。
【図８】係数記憶部２２ｂに記憶される係数Ｋｘ、Ｋｙについて説明する図を示す。
【符号の説明】
【００８０】
１０：センサ構造体、  ２０：制御部、  ３０：モニタ、
１１：載置板、  １２：センサ本体、  １２ａ：力受面、  １２ｂ：エラストマー、  １２ｃ：導電性フィラー、
１３ａ〜１３ｈ：電極対、  
１３ｘ：仮想第１方向電極対、  １３ｙ：仮想第２方向電極対、
１４：コネクタ、  １５：配線、
２１：電源回路、  ２２：検出部、  ２３：出力部、
２２ａ：抵抗変化量検出部、  ２２ｂ：係数記憶部、  ２２ｃ：外力算出部、
Ｐｓ：導電パス、
Ｋｘ：第１係数、  Ｋｙ：第２係数
【図１】
2008102089.tif 000008
【図２】
2008102089.tif 000009
【図３】
2008102089.tif 000010
【図４】
2008102089.tif 000011
【図５】
2008102089.tif 000012
【図６】
2008102089.tif 000013
【図７】
2008102089.tif 000014
【図８】
2008102089.tif 000015