(57)【要約】【課題】荷重、荷重負荷位置および荷重方向が測定できる弾性体を用いた三軸荷重測定用センサ、圧縮および引張荷重も測定できる三軸荷重測定用センサ、及び、内蔵型三軸荷重測定用センサを提供する。【解決手段】本発明は、感圧導電性材料を適用して荷重、荷重負荷位置、及び荷重方向が測定可能な三軸荷重測定用センサであって、荷重を受け止める弾性体と、１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、  感圧導電性材料と、下部電極と、を含み、前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、前記上部電極の上に、前記弾性体を載せて構成し、前記荷重は、前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする。【選択図】図１１
2013210368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧導電性材料を適用して荷重、荷重負荷位置、及び荷重方向が測定可能な三軸荷重測定用センサであって、
荷重を受け止める弾性体と、
１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、
感圧導電性材料と、
１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、
を含み、
前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層し、
前記上部電極の上に、あるいは前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した場合は前記下部電極の上に、前記弾性体を載せて構成し、
前記荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする三軸荷重測定用センサ。
【請求項２】
前記弾性体は、形状、サイズ、硬さを任意に変化させることができることを特徴とする請求項１記載の三軸荷重測定用センサ。
【請求項３】
前記三軸荷重のうち垂直荷重Ｐｎは、（数１）で算定できることを特徴とする請求項１に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数１】
2013210368.tif 000019
また、ａα、β、ｂｉおよびｊはセンサの感度によって変化する変数であり、ｍは上部電極の数によって変化する変数である。
【請求項４】
前記三軸荷重のうちせん断荷重Ｐｔは（数２）の通り電圧変化ΔＶより求めることが出来ることを特徴とする請求項１に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数２】
2013210368.tif 000020
ここで、Ｖｘは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｘ成分を乗じたものの総和。Ｖｙは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｙ成分を乗じたものの総和。
【請求項５】
前記荷重が負荷されるゾーン１からの角度φは（数３）で算定できることを特徴とする請求項１に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数３】
2013210368.tif 000021
【請求項６】
前記垂直荷重Ｐｎによりｚ方向の押し込み量Δｈは、（数４）で算定できることを特徴とする請求項１に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数４】
2013210368.tif 000022
ここで、ζとｄψはセンサの感度により変化する変数である。
【請求項７】
前記荷重が負荷される前記三軸荷重測定用センサ中心からの距離Δｒは、（数５）で算定できることを特徴とする請求項１に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数５】
2013210368.tif 000023
ここで、σとｅωはセンサの感度によって変化する変数である。
【請求項８】
感圧導電性材料を適用して圧縮及び引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサであって、
弾性体が弾性膜で覆われた荷重を受け止める荷重受台と、
１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、
感圧導電性材料と、
１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、
を含み、
前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層し、
前記上部電極の上に、あるいは前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した場合は前記下部電極の上に、前記荷重受台が載せられ、前記弾性膜が前記弾性体に接合されて前記弾性膜および前記弾性体を通して前記導電性材料に予荷重がかけられており、
前記圧縮及び引張荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする圧縮および引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサ。
【請求項９】
前記弾性体は、形状、サイズ、硬さを任意に変化させることができることを特徴とする請求項８記載の圧縮および引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサ。
【請求項１０】
前記三軸荷重のうち垂直荷重Ｐｎは、（数６）のように各ゾーンの電圧変化量または総和Ｖで表すことができることを特徴とする請求項８に記載の圧縮および引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサ
【数６】
2013210368.tif 000024
また、ａα、β、ｂｉおよびｊはセンサの感度によって変化する変数であり、ｍは上部電極の数によって変化する変数である。
【請求項１１】
前記三軸荷重のうちせん断荷重Ｐｔは（数７）の通り電圧変化ΔＶより求めることが出来ることを特徴とする請求項８に記載の圧縮および引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサ。
【数７】
2013210368.tif 000025
ここで、Ｖｘは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｘ成分を乗じたものの総和。Ｖｙは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｙ成分を乗じたものの総和。
【請求項１２】
前記荷重が負荷されるゾーン１からの角度φは（数３）で算定できることを特徴とする請求項８に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数３】
2013210368.tif 000026
【請求項１３】
前記垂直荷重Ｐｎによりｚ方向の押し込み量Δｈは、（数４）で算定できることを特徴とする請求項８に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数４】
2013210368.tif 000027
ここで、ζとｄψはセンサの感度により変化する変数である。
【請求項１４】
前記荷重が負荷される前記三軸荷重測定用センサ中心からの距離Δｒは、（数５）で算定できることを特徴とする請求項８に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数５】
2013210368.tif 000028
ここで、σとｅωはセンサの感度によって変化する変数である。
【請求項１５】
感圧導電性材料を適用して荷重検出部を弾性体の中に分散させることで、切断しても荷重が測定できる内蔵型三軸荷重測定用センサであって、
荷重を受け止める弾性体と、
１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、
感圧導電性材料と、
１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、
を含み、
前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した荷重検出部を弾性体の内部に収納し、
前記荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする内蔵型三軸荷重測定用センサ。
【請求項１６】
前記弾性体は、形状、サイズ、硬さを任意に変化させることができることを特徴とする請求項１５記載の内蔵型三軸荷重測定用センサ。
【請求項１７】
前記三軸荷重のうち垂直荷重Ｐｎは、（数１）のように各ゾーンの電圧変化量または総和Ｖで表すことができることを特徴とする請求項１５に記載の内蔵型三軸荷重測定用センサ。
【数１】
2013210368.tif 000029
また、ａα、β、ｂｉおよびｊはセンサの感度によって変化する変数であり、ｍは上部電極の数によって変化する変数である。
【請求項１８】
前記三軸荷重のうちせん断荷重Ｐｔは（数９）の通り電圧変化ΔＶより求めることが出来ることを特徴とする請求項１５に記載の内蔵型三軸荷重測定用センサ。
【数９】
2013210368.tif 000030
ここで、Ｖｘは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｘ成分を乗じたものの総和。Ｖｙは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｙ成分を乗じたものの総和。
【請求項１９】
前記荷重が負荷されるゾーン１からの角度φは（数３）で算定できることを特徴とする請求項１５に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数３】
2013210368.tif 000031
【請求項２０】
前記垂直荷重Ｐｎによりｚ方向の押し込み量Δｈは、（数４）で算定できることを特徴とする請求項１５に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数４】
2013210368.tif 000032
ここで、ζとｄψはセンサの感度により変化する変数である。
【請求項２１】
前記荷重が負荷される前記三軸荷重測定用センサ中心からの距離Δｒは、（数５）で算定できることを特徴とする請求項１５に記載の三軸荷重測定用センサ。
【数５】
2013210368.tif 000033
ここで、σとｅωはセンサの感度によって変化する変数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧導電性材料による三軸荷重測定用センサ、引張荷重測定用センサ、および内蔵型荷重測定用センサに係り、より詳しくは、感圧導電性材料を適用した荷重、荷重負荷位置及び荷重方向が測定できる三軸荷重測定用センサ、
高荷重から低荷重まで任意に測定でき、その上、引張荷重も測定できる引張荷重測定用センサ、及び圧力検出部を弾性体の中に分散させることで、あらゆる方向からの荷重測定及び切断しても荷重が測定できる内蔵型荷重測定用センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、医療・介護・福祉の分野でロボットの開発と導入が進み、義手やヒューマノイドロボットへの応用を目的としたロボットハンドが開発されている。ロボットハンドには、硬さや形状の異なる対象物を把持する能力が備わっている必要がある。しかし、ロボットハンドの表面は使い金属であるため、高荷重を負荷すると把持する対象物に損傷を与えてしまう恐れがある。また、把持したい対象物のずれ落ち防止のために荷重の大きさと荷重が負荷される位置、荷重の方向を測定し、制御する必要がある。
そのため、ロボットハンドの指先に柔軟変形し、荷重の大きさ、荷重が負荷される位置及び荷重の方向が測定でき、指先の形状に類似のセンシング面が半球などの曲面であるセンサを取り付けることが必要となる。
【０００３】
そのようなセンサとして、感圧導電性材料と弾性体からなる３軸荷重測定用柔軟接触センサがある。このセンサは負荷される荷重を垂直成分と剪断成分に分離し測定することができる。さらに、弾性体は、球、半球、円柱などの形状を用い、荷重を検出することが可能である。  しかし、このセンサの荷重測定原理では、センサ中心軸上の位置に負荷される荷重しか測定できないと言う問題があった。
また、従来のセンサで測定できるのは圧縮荷重とせん断荷重のみであり、引張荷重を測定することができなかった。さらに、人を抱きかかえるような「高荷重」や指先の繊細な作業を可能にする「低荷重」などの広範囲の測定が出来ない問題もあり、高荷重から低荷重まで任意に測定でき、その上、引張荷重も測定できる三軸荷重測定センサの開発が望まれていた。
【０００４】
さらに、医療分野に於ける内視鏡による腹腔鏡下手術は、開腹手術のようにメスで体を切ることなく、より患者の負担を軽減し、術後の早期回復・早期退院につながるため急速に普及してきた。
しかし、腹腔鏡下手術では微細紺子を用いることで過大な荷重が臓器に負荷され裂創を生じる問題がある。従って、手術トレーニングシステムに適した荷重測定センサを有する弾性臓器モデルの開発が急務となっている。
現在は、トレーニング用の臓器にはセンサが取り付けられておらず、画像処理により変位を測定し、荷重を算出しているが荷重の誤差が大きい問題がある。そのため、電気メスなどで臓器モデルを切除、止血をする場合でも圧力を測定できるセンサの開発が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８７５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、荷重、荷重負荷位置および荷重方向が測定できる半球形弾性体を用いた三軸荷重測定用センサ、高荷重から低荷重まで任意に測定でき、その上、引張荷重も測定できる引張荷重測定用センサ、及び、臓器モデルを切除、止血をする場合でも荷重の測定ができる内蔵型荷重測定用センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、感圧導電性材料を適用して荷重、荷重負荷位置、及び荷重方向が測定可能な三軸荷重測定用センサであって、荷重を受け止める弾性体と、１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、感圧導電性材料と、１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、を含み、前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層し、前記上部電極の上に、あるいは前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した場合は前記下部電極の上に、前記弾性体を載せて構成し、  前記荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする。
【０００８】
前記弾性体は、形状、サイズ、硬さを任意に変化させることができることを特徴とする。
【０００９】
前記三軸荷重のうち垂直荷重Ｐｎは、（数１）で算定できることを特徴とする。
【数１】
2013210368.tif 000003
また、ａα、β、ｂｉおよびｊはセンサの感度によって変化する変数であり、ｍは上部電極の数によって変化する変数である。
【００１０】
前記三軸荷重のうちせん断荷重Ｐｔは（数２）の通り電圧変化ΔＶより求めることが出来ることを特徴とする。
【数２】
2013210368.tif 000004
ここで、Ｖｘは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｘ成分を乗じたものの総和。Ｖｙは前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍにそれぞれのｙ成分を乗じたものの総和。
【００１１】
前記荷重が負荷されるゾーン１からの角度φは（数３）で算定できることを特徴とする。
【数３】
2013210368.tif 000005
【００１２】
前記垂直荷重Ｐｎによりｚ方向の押し込み量Δｈは、（数４）で算定できることを特徴とする。
【数４】
2013210368.tif 000006
ここで、ζとｄψはセンサの感度により変化する変数である。
【００１３】
前記荷重が負荷される前記三軸荷重測定用センサ中心からの距離Δｒは、（数５）で算定できることを特徴とする。
【数５】
2013210368.tif 000007
ここで、σとｅωはセンサの感度によって変化する変数である。
【００１４】
また、本発明は、感圧導電性材料を適用して圧縮及び引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサであって、弾性体が弾性膜で覆われた荷重を受け止める荷重受台と、１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、感圧導電性材料と、１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、を含み、前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層し、前記上部電極の上に、あるいは前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した場合は前記下部電極の上に、前記荷重受台が載せられ、前記弾性膜が前記弾性体に接合されて前記弾性膜および前記弾性体を通して前記導電性材料に予荷重がかけられており、前記圧縮及び引張荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする。
【００１５】
前記三軸荷重のうち垂直荷重Ｐｎは、（数６）のように各ゾーンの電圧変化量または総和Ｖで表すことができることを特徴とする請求項８に記載の圧縮および引張荷重が測定可能な三軸荷重測定用センサ
【数６】
2013210368.tif 000008
また、ａα、β、ｂｉおよびｊはセンサの感度によって変化する変数であり、ｍは上部電極の数によって変化する変数である。
【００１６】
また、本発明は、感圧導電性材料を適用して荷重検出部を弾性体の中に分散させることで、切断しても荷重が測定できる内蔵型三軸荷重測定用センサであって、荷重を受け止める弾性体と、１面もしくは複数面の電極から形成される上部電極と、感圧導電性材料と、１面もしくは複数面の電極から形成される下部電極と、を含み、前記下部電極の上に前記感圧導電性材料、前記上部電極を積層し、あるいは、前記上部電極と前記下部電極を上下部逆転させて積層した荷重検出部を弾性体の内部に収納し、前記荷重は、前記上部電極の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において  前記弾性体を通して前記感圧導電性材料が受ける荷重により変化する前記各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、・・・、ｄＶｍを検知して測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、各ゾーンの電圧変化の関係を測定することで垂直荷重、荷重が負荷されるゾーン１からの角度、センサ中心からの距離及び垂直荷重からｚ方向の押し込み量を求めることができる。
また、高荷重から低荷重まで任意に測定でき、その上、引張荷重も測定できるほか、臓器モデルを切除、止血をする場合でも荷重の測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の三軸荷重測定用センサの構成図である。
【図２】本発明の三軸荷重測定用センサの正面図である。
【図３】本発明の三軸荷重測定用センサの平面図である。
【図４】本発明の三軸荷重測定用センサの荷重検出層の構成を示す図である。
【図５】本発明の三軸荷重測定用システムを示す概略図である。
【図６】本発明の三軸荷重測定用センサの回路図である。
【図７】センサ中心からの距離Δｒを変化させたときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係を示す図である。
【図８】Δｒ＝１５ｍｍのときの電圧変化Ｖｘ、Ｖｙとの関係を示す図である。
【図９】Δｒにおける垂直荷重Ｐｎとｚ方向の押し込み量Δｈの関係を示す図である。
【図１０】センサ中心からの距離Δｒを変えた場合の各ゾーンの電圧変化の総和Ｖと電圧変化ΔＶの関係を示す図である。
【図１１】本発明の引張荷重測定用センサの断面図である。
【図１２】本発明の引張荷重測定用センサへの負荷方法を示す図である。
【図１３】各ゾーンの電圧変化量の和Ｖと引張荷重Ｐｔの関係を示す図である。
【図１４】各ゾーンの電圧変化量の和Ｖと圧縮荷重Ｐｎの関係を示す図である。
【図１５】本発明の内蔵型荷重測定用センサの作用効果を説明する図である。
【図１６】本発明の内蔵型荷重測定用センサの圧力検出部を示す図である。
【図１７】本発明の内蔵型荷重測定用センサの実施例の構成を示す図である。
【図１８】本発明の内蔵型荷重測定用センサの実施例の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付した図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の三軸荷重測定用センサの構成図、図２は本発明の三軸荷重測定用センサの正面図、  図３は本発明の三軸荷重測定用センサの平面図、図４は本発明の三軸荷重測定用センサの荷重検出層の構成を示す図、図５は本発明の三軸荷重測定用システムを示す概略図である。
【００２０】
図２に示す通り、本発明の三軸荷重測定用センサ１は、荷重を受け止める半球形弾性体２と、Ｘ軸の正方向のゾーン１、Ｙ軸の正方向のゾーン２、Ｘ軸の負方向のゾーン３、Ｙ軸の負方向のゾーン４の各電極から形成される上部電極３と、ポリカーボネート（ＰＣ）に気相成長炭素繊維を添加した感圧導電性材料４と、下部電極５とから構成されている。
そして、図２に示す通り、三軸荷重測定用センサ１は、下部電極５の上に感圧導電性材料４、上部電極３を積層し、上部電極３の上に半球形弾性体２を載せて形成されている。
【００２１】
上部電極３には、ポリイミド製のフレキシブル基板が使用され、エッチング処理により、図４に示す通り、Ｘ軸の正方向のゾーン１、Ｙ軸の正方向のゾーン２、Ｘ軸の負方向のゾーン３、Ｙ軸の負方向のゾーン４の各電極が形成され、図５に示す通り、４つの電極には各々固定抵抗が接続されて図６に示す回路が形成されている。
他方、下部電極５にはガラスエポキシ製のポジ感光基板を使用し、エッチング処理により下部電極５の上面に下部電極５（第２の電極部）が設けられている。そして、上下各電極には外部機器への接続用端子が設けられている。    
荷重は、ゾーン１乃至４の各電極と各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した回路において、半球形弾性体２を通して感圧導電性材料４が受ける荷重により変化する各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、ｄＶ３、ｄＶ４を検知して測定される。    
【００２２】
図５には本発明の三軸荷重測定システム６を示す。  
図５に示す通り、本発明の三軸荷重測定システム６は、各ゾーンの電圧を検出する電圧検出器８と、この電圧検出器８からの電圧検出値を取込んで演算処理を行うための演算処理器９と、上下の電極へ電圧を供給する安定化電源７とを備えている。
【００２３】
次に、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、三軸荷重測定用センサ１の半球形弾性体２として液体シリコンと硬化剤を９：１の質量比で混合し、シンナーを添加したものを使用し、柔軟性があり弾性復元性のあるものとした。シンナーを添加することで、ヤング率を変えることができる。この実施例の半球形弾性体２は、シンナーを質量比で４０％添加しており、ヤング率は０．４０４ＭＰａ、  ポアソン比は０．４９２であった。なお、半球形弾性体２の材質は上記材質に限定されるものではなく、例えば、ゴム、エポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の高分子材料が適用可能である。  半球形弾性体２の球体の直径は、６０ｍｍであるが、大きさも任意に変更可能である。
【００２４】
感圧導電性材料４には、ボリカーボネート（ＰＣ）に気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を質量比で２０％添加したＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦを使用し、サイズは６５ｘ６５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。
ＰＣ／ＶＧＣＦは荷重が負荷されると電気抵抗値が変化する性質を有し、上下の電極間の電圧が変化するため、各ゾーンの電圧変化量の総和をＶとすると、各ゾーンの電圧変化量を測定することで垂直荷重を測定することが出来る。
上部電極３には、ポリイミド製のフレキシブル基板を使用し、エッチング処理することにより、図１に示すような４つの電極が上部電極３の下面に設けられている。
他方、下部基板３２にはガラスエポキシ製のポジ感光基板を使用し、エッチング処理をすることにより下部電極が設けられている。なお、上部電極３と下部電極５とを天地逆転させた変形形態、すなわち、上側に一面電極を有する下部基板５、下側には４つに分離された上部電極３を配置してもよい。
【００２５】
次に、垂直荷重、荷重が負荷されるゾーン１からの角度、センサ中心からの距離及び垂直荷重からｚ方向の押し込み量の算出方法について説明する。
先ず、垂直荷重の測定方法について説明する。
図７にセンサ中心からの距離Δｒを変化させたときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係を示す。図７のΔｒ＝０のときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係をマスターカーブとし、マスターカーブに係数ｃを乗じることでセンサ中心からの距離Δｒのときの垂直荷重Ｐｎと各ゾーンの電圧変化量の総和Ｖの関係が求められる。
【００２６】
各距離Δｒにおける垂直荷重Ｐｎ＝４０Ｎのときの各ゾーンの電圧変化量の総和をＶΔｒとすると、係数ｃは（数１０）から求めることができ以下の通りとなる。
【数１０】
2013210368.tif 000009
Δｒ＝０、５、１０、１５ｍｍより求めた係数ｃとセンサ中心からの距離Δｒの関係を最小二乗法を用い２次関数で近似した結果を（数１１）に示す。
［数１１］
ｃ  ＝ｂ１Δｒ２−ｂ２Δｒ十ｌ
ｂ１＝０．００１６２３、ｂ２＝０．００７３７
【００２７】
次に、最小二乗法を用いマスターカーブを５次関数で近似すると（数１２）となる。
［数１２］
Ｐｎ＝ａ１  Ｖ５＋ａ２Ｖ４  ＋  ａ３Ｖ３＋ａ４Ｖ２＋ａ５Ｖ  
ａ１＝０  ．００００５５０５、ａ２＝−０．００１１５７、ａ３＝  ０．０１７、ａ４＝０．０５１６４、ａ５＝０．７７１７
（数１２）に前記係数ｃを適用することで（数１３）に示す通りΔｒの位置に負荷される垂直荷重Ｐｎが得られる。
［数１３］
Ｐｎ＝  ａ１（ｃＶΔｒ）５＋ａ２（ｃＶΔｒ）４  ＋  ａ３（ｃＶΔｒ）３＋ａ４（ｃＶΔｒ）２＋ａ５（ｃＶΔｒ）
ａ１＝  ０．００００５５０５、ａ２＝−０．００１１５７、  ａ３＝０．０１７、ａ４＝−０．０５１６４、ａ５＝０．７７１７
【００２８】
次に、荷重が負荷されるゾーン１からの角度の算定法について説明する。
図８にΔｒ＝１５ｍｍのときの電圧変化Ｖｘ、Ｖｙとの関係を示す。
電圧変化のｘ、ｙ成分をＶｘ、Ｖｙとすれば、Ｖｘ、Ｖｙは以下の（数１４）通りとなる。
［数１４］
Ｖｘ＝ｄＶ１−ｄＶ３、    Ｖｙ＝ｄＶ２−ｄＶ４
ゾーン１からの角度φと電圧変化のＶｘ、Ｖｙとの関係は（数１５）の通りとなり、ゾーン１からの角度φを求めることが出来る。
【数１５】
2013210368.tif 000010
【００２９】
次に、ｚ方向の押し込み量Δｈの求め方を説明する。
図９にΔｒにおける垂直荷重Ｐｎとｚ方向の押し込み量Δｈの関係を示す。
Δｒが変化しても垂直荷重Ｐｎとｚ方向の押し込み量Δｈの関係は変わらないことが分かる。  
最小二乗法を用いて垂直荷重Ｐｎとｚ方向の押し込み量Δｈの関係を３次関数で近似すると（数１６）が得られる。
［数１６］
Δｈ＝ｄ１Ｐｎ３＋ｄ２Ｐｎ２＋ｄ３Ｐｎ
ｄ１＝０．００００５３２３、ｄ２＝０．００８３０８、ｄ３＝０．５９６５
数１６に垂直荷重Ｐｎを代入することでｚ方向の押し込み量Δｈを求めることが出来る。
【００３０】
次に、センサ中心からの距離Δｒの求め方を説明する。  
電圧変化ΔＶは、（数１７）により以下の通り表せる。
【数１７】
2013210368.tif 000011
図１０にセンサ中心からの距離Δｒを変えた場合の各ゾーンの電圧変化の総和Ｖと電圧変化ΔＶの関係を示す。
最小二乗法により１次関数で近似すると勾配ｋが（数１８）の通り得られる。
［数１８］
ｋ＝ΔＶ／Ｖ
この関係を用いてセンサ中心からの距離Δｒと係数ｋ  の関係が図１１の通り得られる。この関係から最小二乗法により二次関数で近似し、（数１９）が得られる。
【数１９】
2013210368.tif 000012
ｅ１＝−７０．５４、ｅ２＝７０．５０
電圧変化ΔＶと各ゾーンの電圧変化の総和Ｖを測定することで（数１９）によりセンサ中心からの距離Δｒを求めることが出来る。
【００３１】
次に、引張荷重測定用センサについて説明する。
図１１に示す通り、引張荷重測定用センサ１１は、弾性体１２、１３が弾性膜１４で覆われた荷重を受け止める荷重受台１５と、Ｘ軸の正方向のゾーン１、Ｙ軸の正方向のゾーン２、Ｘ軸の負方向のゾーン３、Ｙ軸の負方向のゾーン４の各電極から形成される上部電極１６と、ポリカーボネート（ＰＣ）に気相成長炭素繊維を添加した感圧導電性材料１７と、下部電極１８と、からなっている。
弾性体１２、１３は、形状、サイズ、アスペクト比、硬さを任意に変化させることができるが、実施例では円柱弾性体１３の半球形弾性体１２を結合したものを使用した。
下部電極１８の上に感圧導電性材料１７、上部電極１６を積層し、上部電極１６の上に弾性体１２、１３及び弾性膜１４からなる荷重受台１５が載せられている。荷重受台１５は、弾性膜１４で覆われ弾性膜１４の全周が上部電極１６の上面に接合されて弾性膜１４によって弾性体１２、１３を通して感圧導電性材料１７に予荷重がかけられている。
圧縮及び引張荷重は、ゾーン１からゾーン４の各電極と前記各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した図６に示す回路及び図５の三軸荷重測定用システムにおいて弾性体１２、１３を通して感圧導電性材料１７が受ける荷重により変化する各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、ｄＶ３、ｄＶ４を検知して測定する。
【００３２】
図１２に示す通り、本引張荷重測定用センサ１１は弾性膜１４を用い、弾性膜１４によって弾性体１２、１３を通して感圧導電性材料１７に予荷重を負荷することで、引張荷重の測定を可能としている。
引張荷重測定用センサ１１に対し、弾性膜１４で圧縮の予荷重を負荷した状態をオフセット値とし、引張荷重によって、予荷重が除去されると除去された量の引張荷重が測定できる。
即ち、図１２に示すように、弾性体のｚ軸上の任意の位置を引張ることで、センサに負荷される予荷重が除去され、引張荷重が測定できる。
実施例では、荷重検出部は１２ｍｍ角の感圧導電性樹脂（ＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦ）を上、下部電極１６、１８で挟み込み、その上部には直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱弾性体１３と半径５ｍｍの半球弾性体１２が設置されており、その半球弾性体１２の上部は余荷重を負荷させるように弾性膜１４としてゴム膜で覆われている。
図１３に示すように引張荷量を負荷すると、各ゾーンの電圧変化量の和Ｖが減少する。
また、圧縮した場合は図１４に示すように電圧変化量の和Ｖが増加している。
【００３３】
次に、本引張荷重測定用センサ１１による引張及び圧縮荷重の測定法について説明する。
各ゾーンにおける電圧をＶｍ（ｍ＝１、２、３、４）  とする。ここで電源電圧Ｖｏと各ゾーンの電圧Ｖｍの差を電圧変化量ｄＶｍ（ｍ＝ｌ、２  、３  、４）  とし、各ゾーンにおけるに負荷される荷重をそれぞれＰｍ（ｍ＝１、２、３、４）  とすると、Ｐｍは（数２０）のようにベクトルとして表わすことができる．
【数２０】
2013210368.tif 000013
従って、センサに負荷される任意の荷重Ｐは各ゾーンに負荷される荷重Ｐｍ（ｍ＝１、  ２、３、４）の総和、およびｘ、ｙ、  ｚ成分に分解することができ、これをＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとすれば任意の荷重Ｐは（数２１）のように表すことができる．
【数２１】
2013210368.tif 000014
【００３４】
垂直荷重Ｐｎは、（数２１）よりＰｎ＝Ｐｚとなり各ゾーン電圧変化量ｄＶｍ（ｍ＝ｌ、２  、３  ）の総和となる。
ここで各ゾーンの電圧変化量の総和をＶとすると、Ｐｎは（数２２）の通りとなり、各ゾーンの電圧変化量から垂直荷重Ｐｎの大きさを求めることができる。  せん断荷重Ｐｔは任意荷重Ｐのｘ、ｙ成分の大きさを求めることで求めることができる。ここでＰｘ、Ｐｙは（数２１）から各ゾーンの電圧変化量ｄＶｍ（ｍ＝ｌ、２  、３  、４）を用いて（数２３）、（数２４）のようにＶｘ、Ｖｙとして表すことができる。
従って、せん断荷重Ｐｔは（数２５）の通り電圧変化ΔＶを求めることで求めることができる．
【数２２】
2013210368.tif 000015
【数２３】
2013210368.tif 000016
【数２４】
2013210368.tif 000017
【数２５】
2013210368.tif 000018
【００３５】
次に、内蔵型荷重測定用センサ２１について説明する。
内蔵型荷重測定用センサ２１は、荷重を受け止める弾性体２２と、Ｘ軸の正方向のゾーン１、Ｙ軸の正方向のゾーン２、Ｘ軸の負方向のゾーン３、Ｙ軸の負方向のゾーン４の各電極から形成される上部電極２４と、ポリカーボネート（ＰＣ）に気相成長炭素繊維を添加した感圧導電性材料２５と、下部電極２６と、から成っている。
下部電極２６の上に感圧導電性材料２５、上部電極２４を積層し、積層した荷重検出部２３を弾性体２２の内部に収納するようにしている。
荷重は、ゾーン１乃至４の各電極と各電極に接続される固定抵抗から形成される回路を並列に接続した図５の三軸荷重測定用システム及び図６の三軸荷重測定用センサの回路図において感圧導電性材料２５が受ける荷重により変化する各ゾーンの電圧変化量ｄＶ１、ｄＶ２、ｄＶ３、ｄＶ４を検知して測定する。
本内蔵型荷重測定用センサの圧縮荷重Ｐｎ及び引張荷重Ｐｔの測定法は、引張荷重測定用センサの場合と同様であるので省略する。
【００３６】
本内蔵型荷重測定用センサは、荷重検出部を弾性体の中に分散させることで、切断しでも荷重が測定できるセンサであり、その特徴は以下の通りである。
１．多面体の荷重検出部を弾性体の内部に多数配置する立体構造（図１５（ａ））である。
２．  荷重を負荷した場合、複数の荷重検出部のそれぞれの方向の荷重から鉗子による圧縮荷重ベクトルＰを求めることができるセンサ（図１５（ｂ））である。
３．  さらに、荷重を負荷しつつ鉗子に電圧を負荷させることで弾性体を切断することが可能なセンサであり且つ残ったセンサは引き続き荷重が測定できる（図１５（ｃ））。
【００３７】
図１６に内蔵型荷重測定用センサの荷重検出部を示す。図１６は、上面のみの図になっているが、荷重検出部が立方体であれば六面全てに上部電極と下部電極の間に導電性材料が配置してある。ただし、必ずしも全ての面に配置する必要はなく、１面、２面のみに配置してもよい。
荷重検出部は、立方体、直方体、三角錐、四角錐、球、多面体でも構わない。
荷重が負荷されることで導電性材料が変形し抵抗値が変化することを利用して荷重ベクトルを測定できる構造になっている。
図１６中の上部電極および下部電極は１面ずつであるが、それぞれを複数に分割することも可能であり、分割することで垂直荷重とせん断荷重を測定することが可能となる。
これらの荷重検出部を弾性体で覆うが、その弾性体の形状は球状、立方体、直方体、楕円、円錐、角錐、多面体でもよい。
【００３８】
図１７に内蔵型荷重測定用センサの実施例を示す。
本実施例では、一辺が３０ｍｍの立方体からなる荷重検出部を作製し、その周りを直径６０ｍｍの弾性球体で覆った。図１８に実際に作製したセンサの外観を示す。
荷重検出部は上部電極、下部電極と導電性樹脂からなっている。今回は上部電極が４分割されたセンサを作製した。導電性樹脂はＰＣ／２０ｗｔ％ＶＧＣＦである。
【００３９】
本発明の三軸荷重測定用センサによれば、各ゾーンの電圧変化量を測定することで垂直荷重や荷重が負荷されるゾーン１からの角度、及びセンサ中心からの距離が求められるほか、垂直荷重からｚ方向の押し込み量が求められる。
また、引張荷重測定用センサは、弾性体が弾性変形するゴム状の膜（板）で覆われており、この膜によって圧縮の予荷重が負荷されている。これまでの柔軟接触センサは圧縮の予荷重が無いため、引張荷重を測定することが出来なかったが、本センサでは圧縮及び引張垂直荷重を測定することが可能である。
【００４０】
さらに、電圧変化を瞬時に解析することができるため、瞬時に荷量を測定することができるほか、センサ自体の厚さが数ｍｍであるため小形化が可能である。
また、引張荷重測定用センサでは、導電性樹脂の感度（荷重と電圧変化）を制御することにより高荷重から低荷重まで測定できる。
そのため、母材である樹脂材料を結晶性樹脂や非結晶樹脂、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂など種々変化させ、さらに導電性材料である分散材もＣＮＴのみならずカーボンブラック、炭素繊維、黒鉛、金属粉末等を分散させた材料も使用するようにしている。
【００４１】
本内蔵型荷重測定用センサについては、圧力検出部を弾性体の中に分散させることで、切断しでも荷重が測定できるようにしており、多面体の圧力検出部を弾性体の内部に多数配置することができるほか、荷重を負荷した場合、複数の荷重検出部のそれぞれの方向の荷重から鉗子による圧縮荷重ベクトルＰを求めることができ、さらに、荷重を負荷しつつ鉗子に電圧を負荷させることで弾性体を切断することが可能であり且つ残ったセンサは引き続き荷重が測定できる。
【符号の説明】
【００４２】
１  三軸荷重測定用センサ
２  半球形弾性体
３  上部電極
４  感圧導電性材料
５  下部電極
６  三次元荷重測定用システム
７  安定化電源
８  電圧検出器
９  演算処理器
１１  引張荷重測定用センサ
１２  半球形弾性体
１３    円柱弾性体
１４  弾性膜
１５  荷重受台
１６  上部電極
１７    感圧導電性材料
１８    下部電極
２１    内蔵型荷重測定用センサ
２２  弾性体
２３  荷重検出部
２４    上部電極
２５  感圧導電性材料
２６    下部電極
【図１】
2013210368.tif 000034
【図２】
2013210368.tif 000035
【図３】
2013210368.tif 000036
【図４】
2013210368.tif 000037
【図５】
2013210368.tif 000038
【図６】
2013210368.tif 000039
【図７】
2013210368.tif 000040
【図８】
2013210368.tif 000041
【図９】
2013210368.tif 000042
【図１０】
2013210368.tif 000043
【図１１】
2013210368.tif 000044
【図１２】
2013210368.tif 000045
【図１３】
2013210368.tif 000046
【図１４】
2013210368.tif 000047
【図１５】
2013210368.tif 000048
【図１６】
2013210368.tif 000049
【図１７】
2013210368.tif 000050
【図１８】
2013210368.tif 000051