(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定するためのセンサであって、
面状に広がった相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有し、その対向面が同一の形状である一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟まれたシート状の感圧導電性素材とを有し、
上記一対の圧板の対向面の凹凸を傾斜面によって形成されたものとし、
上記凹凸の傾斜面にそれぞれ対向する電極を配設して検出部を構成し、
上記各検出部における電極間の導電性を検出する検出手段を設け、
検出した導電性に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定する
ことを特徴とする圧力分布及び摩擦力分布測定用センサ。
【請求項２】
面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定するためのセンサであって、
面状に広がった相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有し、その対向面が同一の形状である一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟まれた薄型の圧力検出素子シートにより構成される検出部とを有し、
上記一対の圧板の対向面の凹凸を傾斜面によって形成されたものとし、
上記各検出部における圧力を検出する検出手段を設け、
検出した圧力に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定する
ことを特徴とする圧力分布及び摩擦力分布測定用センサ。
【請求項３】
面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定するためのセンサであって、
面状に広がった相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有し、その対向面が同一の形状である一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟設された圧力分布記録フィルムにより構成される検出部とを有し、
上記一対の圧板の対向面の凹凸を傾斜面によって形成されたものとし、
上記圧力分布記録フィルムの記録に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定する
ことを特徴とする圧力分布及び摩擦力分布測定用センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定するためのセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面状の圧力分布計測法としては、従来から、ロードセルを測定面上に必要数配置し、その出力を増幅器により適宜増幅して計測する方法や、本発明者らが既に特許第２０３４８４６号（特許文献１）において明らかにしているように、面状の感圧導電性ゴムにより形成した感圧素子をマトリクス状に配置し、所要の走査回路やスイッチング回路、信号処理回路などと組み合わせることにより計測する方法が知られている。また、本発明者らが既に特許第２０５３８１１号（特許文献２）において明らかにしたように、後者の方法における材料の可撓性を利用して、手袋に類似した形状に検出部を構成することをもって、人間の手の操作力分布を測定する方法も知られている。
【０００３】
一方、摩擦力の計測方法としては、ロードセルによる３分力計などを用いる方法が一般的に普及しているほか、本発明者らがすでに特許第１６４６０２８号（特許文献３）において明らかにしたように、弾性体のスペーサを介して対向させた一対の面圧力センサにより、作用する力の重心位置のずれを測定することをもって、摩擦係数を検出し、別途適宜測定した面圧力に該摩擦係数を乗ずることによって摩擦力を計測する方法が知られている。特に、上記３分力計を多数配列すれば、圧力分布と摩擦力分布とを同時に計測することも場合によって可能であるが、検出部が堅く寸法も小型化が困難なため、たとえば人間が物体を操作する場合のように、測定対象となる接触面の一方乃至両方が柔軟性を有していたり、易損性であったりする場合や、人間の手のような狭い範囲での測定には、対応できなかった。
【特許文献１】
特公平７−５８２２３号公報
【特許文献２】
特公平７−８６４３９号公報
【特許文献３】
特公平３−４７６９９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決課題は、上述の事情に鑑み、構造が比較的簡単で、かつ必要に応じて柔軟性を有する材料で構成可能な圧力分布及び摩擦力分布測定用センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明による圧力分布及び摩擦力分布測定用のセンサは、相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有する一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟まれたシート状の感圧導電性素材とを有し、かつ上記圧板の対向面の凹凸の例えば頂面、底面及びそれらの中間平面にそれぞれ対向する電極を配設して検出部を構成し、上記各検出部における電極間の導電性を検出する検出手段を設け、検出した導電性に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定可能にしたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明によるセンサは、上記構成のセンサにおけるシート状の感圧導電性素材及び電極に代えて、圧板の対向面間における電極の配設位置に薄型の圧力検出素子を挟設せしめることにより、一対の圧板の対向面の各部分に作用する圧力を測定可能に構成したことを特徴とするものである。
すなわち、上記本発明によるセンサは、相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有する一対の圧板と、それらの圧板の対向面の凹凸の例えば頂面、底面及びそれらの中間平面の間に挟まれた薄型の圧力検出素子により構成される検出部とを有し、上記各検出部における圧力検出素子出力を検出する検出手段を設け、検出した圧力に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布、及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定可能にしたことを特徴とするものである。
【０００７】
さらに、本発明のセンサは、前記構成のセンサにおける感圧導電性素材及び電極に代えて、対向面に相互に嵌合する形状の多数の凹凸を有する一対の圧板の間に、圧力分布記録フィルムを挟設し、その圧力分布記録フィルムの記録に基づいて上述した面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定可能にしたことを特徴とするものである。
すなわち、上記本発明のセンサは、相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有する一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟設された圧力分布記録フィルムにより構成される検出部とを有し、上記圧力分布記録フィルムの記録に基づいて、圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布、及び該センサ面と平行に作用する摩擦力分布をそれぞれ測定可能にしたことを特徴とするものである。
【０００８】
上記構成のセンサにおいては、例えば圧板の対向面の凹凸にセンサ面に平行な底面及び頂面を設けず、相互に嵌合する傾斜面のみよって該凹凸を形成することができ、また、圧板の対向面の凹凸の中途にセンサ面に平行な第三面を設けることができる。
【０００９】
上記の構成を有する面状の圧力分布及び摩擦力分布測定用のセンサによれば、それを作業機械の作用面や人間の体表面などに装着し、各電極等の配設様態に応じた処理回路を接続することにより、当該作用面や体表面と接触する対象物との間の圧力分布及び摩擦力分布を同時的に計測することができる。
また、前記圧力分布記録フィルムを用いる場合には、同様にそのセンサを作業機械の作用面や人間の体表面などに取り付け、作業後に圧力記録フィルムを取り出して、記録された圧力記録を適宜解析することにより、当該作用面や体表面と接触する対象物との間の最大圧力分布及び最大摩擦力分布を測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の検出原理を説明するための断面図である。本発明に係るセンサは、面状の圧力分布及び摩擦力分布を測定するためのセンサであり、図１ではそのセンサを１次元のものとして表現しているが、実際には面状として２次元的に構成されるものである。
【００１１】
図１に示すセンサは、対向面に相互に嵌合する形状の多数の凹凸を有する一対の圧板１，２と、それらの圧板１，２のほぼ一定間隔の対向面間に挟まれたシート状の感圧導電性素材３とを有し、上記圧板１，２の対向面の凹凸の頂面１１、底面１２及びそれらの間の中間平面１３に、感圧導電性素材３を挟んで互いに対向する電極Ａ１と電極Ａ２とにより構成される検出部Ａ、同様に対向する電極Ｂ１と電極Ｂ２により構成される検出部Ｂ、電極Ｃ１と電極Ｃ２により構成される検出部Ｃ、電極Ｄ１と電極Ｄ２により構成される検出部Ｄを配設している。上記頂面１１と底面１２との間の中間平面１３は、図示したように、圧板１，２の外側面であるセンサ面１ａ，２ａに対して角度θだけ傾斜する傾斜面とすることもできるが、上記センサ面１ａ，２ａに垂直な側面とすることもできる。
そして、上記圧板１，２の対向する各電極間には、感圧導電性素材３の導電性に基づいて圧力分布及び摩擦力分布を測定するため、その測定手段として上記各電極の配設様態に応じた処理回路が接続される。
【００１２】
上記構成を有するセンサは、感圧導電性素材３の各部分に配した検出部Ａ〜Ｄによって、圧板１，２に作用する圧力分布及び摩擦力分布を測定できるようにしたものであり、更に具体的には、上記圧板１，２の対向面における凹凸の頂面１１、底面１２及びそれらの間の中間平面（傾斜面）１３において、センサ面１ａ，２ａに垂直方向に作用する圧力ｐの分布を測定し、凹凸の中間平面（傾斜面または側面）においてセンサ面１ａ，２ａと平行方向に作用する摩擦力ｔの分布を測定するものである。
【００１３】
すなわち、検出部の近傍において単位面積当たり圧力ｐ及び摩擦力ｔが作用している場合には、センサ面１ａ，２ａに平行な底面及び頂面に設けられた検出部Ｂ及び検出部Ｄにおいて、各検出部に垂直に作用する力は圧力ｐに由来する力のみであり、かつ両検出部においてその値は等しく、そのため、検出部Ｂ及び検出部Ｄにおいて圧力を測定すれば、圧力ｐを直接求めることができる。
【００１４】
一方、中間平面に設けられた検出部Ａ及び検出部Ｃに作用する力は、次のように表すことができる。すなわち、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて圧力ｐにより作用する力をそれぞれＦｐ１、Ｆｐ２とし、ｌを検出部ＡないしＤの面積とすると、それらの大きさは、
Ｆｐ１＝Ｆｐ２＝ｐ・ｌ
であって、その方向は圧力ｐの方向と同一である。同様にして、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて摩擦力ｔにより作用する力をそれぞれＦｔ１，Ｆｔ２とすると、その大きさは
Ｆｔ１＝Ｆｔ２＝ｔ・ｌ
であって、その方向は摩擦力ｔの方向と同一である。
【００１５】
而して、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて、圧力ｐに由来してそれらの検出部に垂直の方向に作用する力をそれぞれＮｐ１，Ｎｐ２とすると、
Ｎｐ１＝Ｆｐ１ｃｏｓθ＝ｐ・ｌｃｏｓθ、
Ｎｐ２＝Ｆｐ２ｃｏｓθ＝ｐ・ｌｃｏｓθ
であり、一方、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて、摩擦力ｔに由来してそれらの検出部に垂直方向に作用する力をそれぞれＮｔ１，Ｎｔ２とすると、
Ｎｔ１＝Ｆｔ１ｓｉｎθ＝ｔ・ｌｓｉｎθ、
Ｎｔ２＝−Ｆｔ２ｓｉｎθ＝−ｔ・ｌｓｉｎθ
である。
【００１６】
そして、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて作用するそれらの検出部に垂直方向の力は、圧力ｐに由来して当該部分に垂直に作用する力Ｎｐ１，Ｎｐ２と、摩擦力ｔに由来して当該部分に垂直に作用する力Ｎｔ１，Ｎｔ２との和になるから、それぞれをＮ１，Ｎ２とすれば、
Ｎ１＝Ｎｐ１＋Ｎｔ１＝ｐ・ｌｃｏｓθ＋ｔ・ｌｓｉｎθ、
Ｎ２＝Ｎｐ２＋Ｎｔ２＝ｐ・ｌｃｏｓθ−ｔ・ｌｓｉｎθ
である。
【００１７】
したがって、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいて作用する圧力を、それぞれｐ１，ｐ２とすれば、
ｐ１＝Ｎ１／ｌ＝ｐｃｏｓθ＋ｔｓｉｎθ、
ｐ２＝Ｎ２／ｌ＝ｐｃｏｓθ−ｔｓｉｎθ
である。
【００１８】
そして、検出部Ａ及び検出部Ｃにおいてそれぞれ圧力を測定すれば、上記ｐ１，ｐ２を得ることができ、ｐ１からｐ２を減じて圧板の対向面の形状によって定まる定数２ｓｉｎθで除すれば、摩擦力ｔを得ることができる。すなわち、
ｔ＝（ｐ１−ｐ２）／２ｓｉｎθ
として摩擦力ｔを計測することができる。
【００１９】
このとき、前記ｐ２の式において、ｔｓｉｎθがｐｃｏｓθよりも大きくなると、この式は成り立たなくなり、ｐ２＝０になるが、ｔは摩擦力であるため、圧力ｐに最大静止摩擦係数μを乗じた値より大きくなることはないから、測定対象となる面の材質等に応じてθを適宜選択して設計することにより、ｔｓｉｎθがｐｃｏｓθよりも大きくならないようにすることができる。
【００２０】
この点をさらに詳述すると、最大静止摩擦係数の定義から、
ｔ≦μｐ
であり、これを上記のｐ２の式に適用すると、
ｐ２≧ｐｃｏｓθ−μｐｓｉｎθ＝ｐ（ｃｏｓθ−μｓｉｎθ）
である。
しかも、本発明は負圧を対象とするものではなく、ｐ≧０の場合を対象としているので、
ｃｏｓθ−μｓｉｎθ≧０
であれば、常にｐ２≧０が成立することになり、したがって、０＜θ＜９０°の範囲で、ｔａｎθ＜１／μであるようにθを設計すれば、常に上述の方法で摩擦力ｔを得ることができる。
【００２１】
一方、θ＝９０°の場合には、検出部Ａ及び検出部Ｃは圧板の対向面の凹凸の側面に設置されることとなり、これらの検出部には圧力ｐの影響は現れず、摩擦力ｔに対向する方向にある検出部、図１の場合でいえば検出部Ａのみに摩擦力ｔが直接作用することとなるから、それを容易に検出することができる。
なお、ｐ１とｐ２とを加えあわせて圧板１，２の対向面の形状によって定まる定数２ｃｏｓθで除すれば、圧力ｐを得ることができる。すなわち、
ｐ＝（ｐ１＋ｐ２）／２ｃｏｓθ
として圧力ｐを計測することができる。
したがって、０＜θ＜９０°の範囲では検出部Ｂ及び検出部Ｄを省略しても圧力ｐを求めることは可能であり、つまり、圧板１，２の対向面の凹凸に、センサ面１ａ，２ａに平行な底面及び頂面を設けず、相互に嵌合する傾斜面のみよって圧板対向面の凹凸を形成することができる。この場合、２次元的な面状センサに構成するに当たり、たとえば圧板１，２の対向面の凹凸形状を図２に示すような形状とすることにより実現可能である。
【００２２】
また、２次元的な面状センサに構成するに当たり、図３に示すように圧板１，２の対向面の凹凸における頂面１１と底面１２の中途に、センサ面に平行な第三面１４を設けることにより、一対の圧板の対向面の凹凸形状を有効に利用することができる。すなわち、上記第三面１４を設けない場合には、図４に示すように圧板の凹凸の頂面２１と底面２２との間に検出部を設置できない無効な空間２５が生じるが、上記第三面１４を設けることによりこれを廃し、圧板対向面のすべての部分に検出部を設置することが可能になる。
【００２３】
以上においては、各々の検出部が対向する一対の電極とシート状の感圧導電性素材とによって構成されている実施例について説明したが、検出部において一対の電極を対向させることに代えて、図５に示すようなくし形の電極を同一面状に並置させることも可能である。これを図１の検出部Ａの場合に即して説明すると、電極Ａ１を廃し、電極Ａ２に代えて同じ場所にくし形の電極Ｅ１，Ｅ２を並置することにより、電極Ｅ１，Ｅ２と感圧導電性素材３とによって検出部Ａを構成することができる。
【００２４】
また、上記センサにおける圧板１，２及び感圧導電性素材３には柔軟性を持たせることができるが、センサに柔軟性を持たせる必要のない場合には、上記第１実施例において用いている各検出部の一対の電極とシート状の感圧導電性素材に代えて、薄型の圧力検出素子を使用することもできる（第２実施例）。
【００２５】
上記第１実施例及び第２実施例においては、刻一刻の圧力分布及び摩擦力分布を検出することができるが、任意の期間における圧力分布及び摩擦力分布のそれぞれの最大値を記録する場合には、圧板１，２を含むセンサ全体を分解組立可能に構成し、かつ第１実施例の一対の電極とシート状の感圧導電性素材を用いることに代えて、圧力記録フィルムを使用することができる（第３実施例）。
この第３実施例によって、面状の圧力分布及び摩擦力分布測定用センサを記録器としても使用することが可能になる。この場合には、測定の都度圧力記録フィルムを交換する必要があるが、電極及び配線を要しないため、時間的な変化を無視して最大値のみの測定が必要な用途には、簡便に利用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧力分布及び摩擦力分布測定用センサは、構造が比較的簡単で小型化が容易であり、かつ必要に応じて柔軟性を有する材料で構成可能である。したがって、たとえば人間が物体を操作する場合のように、測定対象となる接触面の一方乃至両方が柔軟性を有していたり、易損性であったりする場合にも適用でき、人間の手のような狭い範囲における圧力分布及び摩擦力分布を測定することも容易に可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定原理を説明するための断面図である。
【図２】圧板の対向面の形状の他の形状例を示す斜視図である。
【図３】圧板の対向面の凹凸に第三面を設けた形状例を示す斜視図である。
【図４】圧板の対向面の凹凸の中途に第三面を設けない場合に検出部を設置できない無効な空間が生じる状態を示す部分斜視図である。
【図５】同一面状にくし形電極を並置させて構成した検出部の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２    圧板
１ａ，２ａ    センサ面
３    感圧導電性素材
１１，２１    頂面
１２，２２    底面
１３    中間平面
１４    第三面
２５    無効な空間
Ａ１  〜Ｄ１，Ａ２  〜Ｄ２      電極
Ａ〜Ｄ    検出部
ｐ    圧力
ｔ    摩擦力
【図１】
0003731051.tif 000002
【図２】
0003731051.tif 000003
【図３】
0003731051.tif 000004
【図４】
0003731051.tif 000005
【図５】
0003731051.tif 000006