JP2008102090A - Deformation sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a deformation sensor system that can be used for, for example, a pressure-sensitive sensor.
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。 Conventional pressure-sensitive sensors include, for example, Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-36331 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-81977 (Patent Document 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-115678 (Patent Document 3), and the like. One disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-56259 (Patent Document 4).
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、圧力の付加を検出するというものである。
The pressure-sensitive sensors described in
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、圧力の付加を検出するというものである。 Moreover, the pressure-sensitive sensor described in Patent Document 3 includes an upper pressure-sensitive ink and a lower pressure-sensitive ink, and the two are separated when no pressure is applied. The application of pressure is detected by changing the electrical resistance.
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、圧力の付加を検出するというものである。
しかし、従来の感圧センサは、何れも、加圧部位に圧力検出素子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(圧力検出素子)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、圧力検出素子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、圧力検出素子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。
However, in any conventional pressure-sensitive sensor, a member corresponding to a pressure detection element is disposed at a pressurization site. For example, in
このように、圧力検出素子が加圧部位に配置されている構成によれば、当該圧力検出素子が配置された部位への圧力付加を検出することはできるが、その他の部位への圧力付加を検出することはできない。つまり、検出できる圧力付加の部位が限定されている。また、例えば、所定の面の全部位への圧力付加を検出するような感圧センサを構成するとした場合には、面の全部位に多数の圧力検出素子を配置する必要がある。このように多数の電極を面の全部位に配置したとしても、より小さな単位で見ると、やはり検出できる圧力付加の部位が限定されていることになる。従って、従来の構成では、圧力付加の部位が限定されてしまう。多数の圧力検出素子を配置することで、ある程度の圧力付加の部位を限定しないようにできるとしても、この場合には、多数の圧力検出素子を必要とするため、高コスト化を招来する。 As described above, according to the configuration in which the pressure detection element is arranged at the pressurizing part, it is possible to detect the pressure applied to the part where the pressure detecting element is arranged, but it is possible to detect the pressure addition to the other part. It cannot be detected. In other words, the pressure application sites that can be detected are limited. For example, when a pressure-sensitive sensor that detects pressure application to all parts of a predetermined surface is configured, it is necessary to arrange a large number of pressure detection elements at all parts of the surface. Even if a large number of electrodes are arranged in all the parts of the surface in this way, the parts of pressure application that can still be detected are limited when viewed in smaller units. Therefore, in the conventional configuration, the pressure application site is limited. Even if it is possible to arrange a large number of pressure detection elements so as not to limit a portion where a certain amount of pressure is applied, in this case, a large number of pressure detection elements are required, resulting in an increase in cost.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、検出できる外力付加部位を限定しないようにでき、且つ、外力を検出する素子に相当する部材の個数を低減することが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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a deformation sensor that can limit the number of external force application sites that can be detected and can reduce the number of members that correspond to elements that detect external force. The purpose is to provide a system.
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、このゴム弾性材料の電気抵抗の変化を検出することを思いつき、本発明を完成するに至った。 Therefore, the present inventor has eagerly studied to solve this problem, and as a result of repeated trial and error, has come up with the idea of developing a new rubber elastic material and detecting a change in electric resistance of the rubber elastic material. It came to complete.
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、外力を受けた場合に弾性変形する所定領域を備えるセンサ本体と、センサ本体の所定領域を挟むように離隔して配置された複数の電極と、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に基づいて、所定領域に外力を受けたことを検出する検出部と、を備えることを特徴とする。 That is, the deformation sensor system of the present invention is made of a rubber elastic material whose electric resistance increases as the amount of elastic deformation increases, and includes a sensor body having a predetermined area that elastically deforms when receiving an external force, and a predetermined area of the sensor body. When a voltage is applied between the plurality of electrodes that are spaced apart so as to sandwich the electrode, the external force is applied to the predetermined region based on the change in the electrical resistance of the sensor body due to the external force between the electrodes. And a detecting unit for detecting.
まず、本発明の変形センサシステムにおいて、外力を受けた場合にセンサ本体の所定外力を受けたことを検出できる理由について説明する。 First, the reason why the deformation sensor system of the present invention can detect that the sensor body has received a predetermined external force when receiving an external force will be described.
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。 As described above, the sensor body in the present invention is made of a rubber elastic material whose electric resistance increases as the amount of elastic deformation increases. That is, this rubber elastic material has the smallest electric resistance when not deformed, and the electric resistance becomes large when deformed. Therefore, when a constant voltage is applied to the rubber elastic material, the largest current flows when there is no deformation, and the current value decreases according to the deformation.
つまり、センサ本体の所定領域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が最も小さい。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、センサ本体の所定領域に外力を受けた状態(以下、「負荷状態」という)には、センサ本体の所定領域が外力により弾性変形し、その結果、センサ本体の所定領域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。 That is, the state where the external force is not applied to the predetermined region of the sensor body (hereinafter referred to as “no load state”) has the smallest electrical resistance between the electrodes. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes in this no-load state, the current flows most easily between the electrodes. Thus, current flows between the electrodes in a no-load state. On the other hand, when an external force is applied to a predetermined area of the sensor body (hereinafter referred to as “load state”), the predetermined area of the sensor body is elastically deformed by the external force, and as a result, the electrical resistance of the predetermined area of the sensor body is large. Become. Furthermore, even if the amount of change in the electrical resistance varies depending on the position where the external force is received, the electrical resistance between the electrodes always increases as a result of receiving the external force. Then, when the applied voltage is constant, the current flowing between the electrodes is reduced by receiving an external force.
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。 Here, when a voltage is applied between the electrodes, the detection unit detects a change in the electrical resistance of the sensor main body due to an external force between the electrodes. For example, the detection unit detects a current flowing between the electrodes when a voltage is applied between the electrodes. In this case, the detection unit detects the maximum current in the no-load state, and detects a smaller current in the load state. Therefore, regardless of the position where the external force is received, the detection unit can reliably detect a change in electrical resistance between the electrodes.
このように、電極間の電気抵抗は、センサ本体の所定領域が外力を受けることにより変化する。さらに、当該電極間の電気抵抗の変化を検出できるので、確実にセンサ本体の所定領域に外力を受けたことを検出できる。つまり、センサ本体のうち所定領域であれば何れの位置に外力を受けたとしても、外力を受けたことを検出できる。このように、本発明の変形センサシステムによれば、検出できる外力付加部位を限定しないようにできる。 Thus, the electrical resistance between the electrodes changes when a predetermined region of the sensor body receives an external force. Furthermore, since a change in electrical resistance between the electrodes can be detected, it can be reliably detected that an external force has been applied to a predetermined region of the sensor body. In other words, even if an external force is received at any position within a predetermined region of the sensor body, it can be detected that the external force has been received. Thus, according to the deformation | transformation sensor system of this invention, it can avoid limiting the external force addition site | part which can be detected.
さらに、所定領域の大きさにもよるが、電極は少なくとも2つあれば、外力を受けたことを検出できる。そして、外力を受ける領域が拡大したとしても、その所定領域を介在するように電極を配置すればよいため、従来の圧力検出素子の個数に比べて、本発明における電極の個数を大幅に低減することができる。 Furthermore, depending on the size of the predetermined region, if there are at least two electrodes, it can be detected that an external force has been applied. Even if the area for receiving the external force is enlarged, it is only necessary to arrange the electrodes so that the predetermined area is interposed therebetween, so that the number of electrodes in the present invention is greatly reduced compared to the number of conventional pressure detection elements. be able to.
ところで、従来のゴム弾性材料として、例えば、特許文献1および特許文献2などに感圧導電性エラストマーが開示されている。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。このような性質を有する公知のエラストマーを本発明のセンサ本体に適用できるか否かについて検討する。
By the way, as a conventional rubber elastic material, for example,
このエラストマーのうち外力を受ける所定領域を挟むように離隔して複数の電極を配置したとすると、無負荷状態においては電極間に電流が全く流れない状態となる。これは、電極間のエラストマーが絶縁性を示しているためである。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、公知のエラストマーは、本発明のセンサ本体に適用することができない。 If a plurality of electrodes are arranged so as to sandwich a predetermined region that receives an external force in the elastomer, no current flows between the electrodes in a no-load state. This is because the elastomer between the electrodes exhibits insulating properties. And only when it deform | transforms by pressurization over the whole between electrodes, an electric current flows between electrodes. That is, when only a part between the electrodes is pressurized and deformed, no current flows between the electrodes. Therefore, when pressure is applied only to a part between the electrodes, it is impossible to detect pressure application. That is, a known elastomer cannot be applied to the sensor body of the present invention.
ここで、上述した本発明の変形センサシステムにおいて、電極は複数とした。特に、この電極は3以上からなり、検出部は、電気抵抗の変化に基づいて外力を受けた位置を検出するようにしてもよい。電極を3以上としたことにより、電極間の経路として複数の経路を形成することができる。つまり、検出部は、複数の経路の電極間における電気抵抗の変化を検出できる。そして、外力を受けた位置によって、複数の経路の電極間それぞれにおける電気抵抗の変化への影響が異なる。この影響度に基づいて、外力を受けた位置を検出することができる。 Here, in the deformation sensor system of the present invention described above, a plurality of electrodes are used. In particular, the number of electrodes may be three or more, and the detection unit may detect a position that receives an external force based on a change in electrical resistance. By using three or more electrodes, a plurality of paths can be formed as paths between the electrodes. That is, the detection unit can detect a change in electrical resistance between the electrodes of the plurality of paths. And the influence on the change of the electrical resistance in each between the electrodes of a some path | route changes with the position which received external force. Based on this degree of influence, the position where the external force is received can be detected.
このように、外力の位置を検出する場合において、電極を以下のようにするとよい。すなわち、電極は、所定の面上において、所定の第1方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、所定の面上において、第1方向に直交する第2方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群とを備えるようにする。つまり、第1方向電極群における電極間の経路と、第2方向電極群における電極間の経路とが、直交するように配置されている。このように直交2方向に複数の電極間の経路を形成すること、すなわちマトリックス状に電極間の経路を形成することで、外力の位置の検出が容易となる。 Thus, in the case of detecting the position of the external force, the electrodes are preferably set as follows. That is, the electrode has a first direction electrode group including a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to sandwich a predetermined region in a predetermined first direction, and on the predetermined surface, And a second direction electrode group including a plurality of second direction electrode pairs arranged so as to sandwich a predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction. That is, the path between the electrodes in the first direction electrode group and the path between the electrodes in the second direction electrode group are arranged to be orthogonal to each other. Thus, by forming a path between a plurality of electrodes in two orthogonal directions, that is, by forming a path between the electrodes in a matrix, the position of the external force can be easily detected.
さらに、上述したように、電極を3以上とした場合において、検出部は、電気抵抗の変化に基づいて外力の位置および当該位置における外力の大きさを検出するようにしてもよい。電極を3以上とすることにより、上述したように、電極間の経路として複数の経路を形成することができる。つまり、検出部は、複数の経路の電極間における電気抵抗の変化を検出できる。そして、外力を受けた位置によって、複数の経路の電極間それぞれにおける電気抵抗の変化への影響が異なる。 Furthermore, as described above, when the number of electrodes is three or more, the detection unit may detect the position of the external force and the magnitude of the external force at the position based on the change in electrical resistance. By setting the number of electrodes to 3 or more, as described above, a plurality of paths can be formed as paths between the electrodes. That is, the detection unit can detect a change in electrical resistance between the electrodes of the plurality of paths. And the influence on the change of the electrical resistance in each between the electrodes of a some path | route changes with the position which received external force.
さらに、外力の大きさが同一であっても、外力を受けた位置が異なる場合には、複数の経路の電極間それぞれにおける電気抵抗の変化への影響が異なる。ただし、外力の大きさと外力の位置との関係は、一義的な関係からなる。具体的には、電極からの距離が遠い位置ほど、外力の大きさによる電気抵抗の変化への影響が小さく、電極からの距離が近い位置ほど、外力の大きさによる電気抵抗の変化への影響が大きくなる。このように、電極の位置と外力を受ける位置との関係に基づいて、その位置における外力の大きさが電気抵抗の変化への影響度を決定することができる。この影響度に基づいて、検出部は、外力を受けた位置およびその位置における外力の大きさを検出することができる。 Furthermore, even if the magnitude of the external force is the same, if the position where the external force is received is different, the influence on the change in electrical resistance between the electrodes of the plurality of paths is different. However, the relationship between the magnitude of the external force and the position of the external force is a unique relationship. Specifically, the farther the distance from the electrode, the smaller the effect on the change in electrical resistance due to the magnitude of the external force, and the closer the distance from the electrode, the effect on the change in electrical resistance due to the magnitude of the external force. Becomes larger. Thus, based on the relationship between the position of the electrode and the position that receives the external force, the magnitude of the external force at that position can determine the degree of influence on the change in electrical resistance. Based on the degree of influence, the detection unit can detect the position where the external force is received and the magnitude of the external force at that position.
このように、外力の位置およびその位置における外力の大きさを検出する場合において、検出部を以下のようにするとよい。すなわち、検出部は、所定領域における所定面上の位置に応じた係数を記憶する係数記憶部と、係数および電気抵抗の変化に基づいて、それぞれの所定面上の位置における外力の大きさを算出する外力算出部と、を備えるようにする。 As described above, when detecting the position of the external force and the magnitude of the external force at the position, the detection unit may be configured as follows. That is, the detection unit calculates the magnitude of the external force at each position on the predetermined surface based on the coefficient storage unit that stores the coefficient according to the position on the predetermined surface in the predetermined region and the change in the coefficient and the electric resistance. And an external force calculating unit.
つまり、電極の位置と外力を受ける位置との関係に基づいて決定される当該位置における外力の大きさが電気抵抗の変化への影響度が、係数記憶部に記憶された係数に相当する。この係数は、電極の位置と外力を受ける位置との関係、すなわち、予め把握できる2つの離間距離に応じたものである。つまり、予めこの影響度に相当する係数を決定しておき記憶しておく。そして、実際の電極間の電気抵抗の変化に加えて、位置に応じた係数により補正することで、実際に受けた当該位置における外力を算出することができる。 That is, the degree of influence of the magnitude of the external force at the position determined based on the relationship between the position of the electrode and the position receiving the external force on the change in electrical resistance corresponds to the coefficient stored in the coefficient storage unit. This coefficient corresponds to the relationship between the position of the electrode and the position where the external force is received, that is, two separation distances that can be grasped in advance. That is, a coefficient corresponding to this influence degree is determined and stored in advance. Then, in addition to the actual change in electrical resistance between the electrodes, the external force at the position actually received can be calculated by correcting with a coefficient corresponding to the position.
特に、外力算出部は、所定面上の所定位置における係数、所定面上の所定位置を通り所定の第1方向に所定領域を挟むように離隔して配置された仮想第1方向電極対間における電気抵抗の変化、および、所定面上の所定位置を通り第1方向に直交する第2方向に所定領域を挟むように離隔して配置された仮想第2方向電極対間における電気抵抗の変化に基づいて、所定面上の位置における外力の大きさを算出するようにしてもよい。 In particular, the external force calculation unit includes a coefficient at a predetermined position on a predetermined surface, between virtual first direction electrode pairs arranged so as to pass through a predetermined position on the predetermined surface and sandwich a predetermined region in a predetermined first direction. Changes in electrical resistance, and changes in electrical resistance between virtual second direction electrode pairs arranged so as to sandwich a predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction through a predetermined position on a predetermined surface Based on this, the magnitude of the external force at the position on the predetermined surface may be calculated.
より具体的には、係数記憶部は、所定面上の位置に応じた第1方向に関する第1係数および所定面上の位置に応じた第2方向に関する第2係数を記憶し、外力算出部は、式(1)に従って外力の大きさを算出するようにしてもよい。 More specifically, the coefficient storage unit stores a first coefficient related to the first direction corresponding to the position on the predetermined surface and a second coefficient related to the second direction corresponding to the position on the predetermined surface, and the external force calculation unit The magnitude of the external force may be calculated according to equation (1).
このようにすることで、確実に且つ容易に、当該位置における外力を算出することができる。 By doing in this way, the external force in the said position can be calculated reliably and easily.
また、外力算出部が、係数、仮想第1方向電極対間における電気抵抗の変化、および、仮想第2方向電極対間における電気抵抗の変化に基づいて、所定面上の位置における外力の大きさを算出する場合には、以下のようにするとよい。すなわち、電極は、所定の面上において、所定の第1方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、所定の面上において、第1方向に直交する第2方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群とを備えるようにする。さらに、外力算出部は、仮想第1方向電極対間における電気抵抗の変化を、所定位置を挟むように位置する隣接した第1方向電極対の電気抵抗の変化に基づいて算出し、仮想第2方向電極対間における電気抵抗の変化を、所定位置を挟むように位置する隣接した第2方向電極対の電気抵抗の変化に基づいて算出するようにする。 Further, the external force calculation unit determines the magnitude of the external force at a position on the predetermined plane based on the coefficient, the change in electrical resistance between the virtual first direction electrode pair, and the change in electrical resistance between the virtual second direction electrode pair. When calculating, it is better to do as follows. That is, the electrode has a first direction electrode group including a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to sandwich a predetermined region in a predetermined first direction, and on the predetermined surface, And a second direction electrode group including a plurality of second direction electrode pairs arranged so as to sandwich a predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction. Further, the external force calculation unit calculates the change in electrical resistance between the virtual first direction electrode pairs based on the change in electrical resistance of the adjacent first direction electrode pairs positioned so as to sandwich the predetermined position, The change in the electrical resistance between the directional electrode pairs is calculated based on the change in the electrical resistance of the adjacent second directional electrode pairs located so as to sandwich the predetermined position.
ここで、所定位置を通る仮想第1方向電極対間における電気抵抗の変化は、所定位置を挟むように位置する隣接する第1方向電極対の電気抵抗の変化に連関しており、補間関係を有している。つまり、外力算出部は、所定位置を通る仮想第1方向電極対間における電気抵抗の変化を、所定位置を挟むように位置する隣接する第1方向電極対の電気抵抗の変化に基づいて、補間により算出できる。また、所定位置を通る仮想第2方向電極対間における電気抵抗の変化は、所定位置を挟むように位置する隣接する第2方向電極対の電気抵抗の変化に連関しており、補間関係を有している。つまり、外力算出部は、所定位置を通る仮想第2方向電極対間における電気抵抗の変化を、所定位置を挟むように位置する隣接する第2方向電極対の電気抵抗の変化に基づいて、補間により算出できる。 Here, the change in the electrical resistance between the virtual first direction electrode pair passing through the predetermined position is related to the change in the electrical resistance of the adjacent first direction electrode pair located so as to sandwich the predetermined position, and the interpolation relation is Have. That is, the external force calculation unit interpolates the change in electrical resistance between the virtual first direction electrode pairs passing through the predetermined position based on the change in the electrical resistance of the adjacent first direction electrode pairs located so as to sandwich the predetermined position. Can be calculated. In addition, the change in electrical resistance between the virtual second direction electrode pairs passing through a predetermined position is related to the change in the electrical resistance of adjacent second direction electrode pairs positioned so as to sandwich the predetermined position, and has an interpolation relationship. is doing. That is, the external force calculation unit interpolates the change in electrical resistance between the virtual second direction electrode pairs passing through the predetermined position based on the change in the electrical resistance of the adjacent second direction electrode pair positioned so as to sandwich the predetermined position. Can be calculated.
つまり、第1方向電極対および第2方向電極対を適切な間隔に配置することで、それぞれの間における外力の大きさを算出できる。 That is, by arranging the first direction electrode pair and the second direction electrode pair at appropriate intervals, the magnitude of the external force between them can be calculated.
ここで、上述においては、所定の面上の任意の位置における外力の大きさを算出することができる。ただし、任意の位置ではなく、特定の位置における外力の大きさを算出できればよい場合がある。特に、このような場合には、以下のようにしてもよい。 Here, in the above description, the magnitude of the external force at an arbitrary position on the predetermined surface can be calculated. However, it may be sufficient to calculate the magnitude of the external force at a specific position instead of an arbitrary position. In such a case, the following may be performed.
すなわち、電極は、所定の面上において、所定の第1方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、所定の面上において、第1方向に直交する第2方向に所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群とを備えるようにする。そして、係数記憶部は、それぞれの第1方向電極対間を結ぶ線分とそれぞれの第2方向電極対間を結ぶ線分との交差点における係数を記憶する。さらに、外力算出部は、それぞれの交差点における係数、それぞれの交差点を通過する第1方向電極対間の電気抵抗の変化、および、それぞれの交差点を通過する第2方向電極対間の電気抵抗の変化に基づいて、それぞれの交差点における外力の大きさを算出するようにする。 That is, the electrode has a first direction electrode group including a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to sandwich a predetermined region in a predetermined first direction, and on the predetermined surface, And a second direction electrode group including a plurality of second direction electrode pairs arranged so as to sandwich a predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction. The coefficient storage unit stores the coefficient at the intersection of the line segment connecting each first direction electrode pair and the line segment connecting each second direction electrode pair. Further, the external force calculation unit includes a coefficient at each intersection, a change in electrical resistance between the first direction electrode pairs passing through each intersection, and a change in electrical resistance between the second direction electrode pairs passing through each intersection. Based on the above, the magnitude of the external force at each intersection is calculated.
これにより、第1方向電極対間を結ぶ線分と第2方向電極対間を結ぶ線分との交差点のみの外力の大きさを確実に且つ容易に算出することができる。具体的には、係数の設定や、外力の大きさの算出が、非常に容易にできる。 Thereby, the magnitude of the external force only at the intersection of the line segment connecting the first direction electrode pairs and the line segment connecting the second direction electrode pairs can be calculated reliably and easily. Specifically, it is very easy to set the coefficient and calculate the magnitude of the external force.
なお、センサ本体部のゴム弾性材は、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。 When the rubber elastic material of the sensor main body is an elastomer having a predetermined rubber and a spherical conductive filler blended in a substantially single particle state and with a high filling rate in the elastomer. Good. Here, the “substantially single particle state” means that 50% by mass or more when the total mass of the conductive filler is 100% by mass exists not as aggregated secondary particles but as single primary particles. That means. In addition, “mixed at a high filling rate” means that the conductive filler is blended in a close-packed state.
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、センサ本体部が無加圧時に、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、センサ本体部への加圧時には、センサ本体部が弾性変形する。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。 In this way, the conductive filler is blended at a high filling rate (close to the most dense state), and is present in the state of primary particles in the elastomer, so that the sensor body is conductive when no pressure is applied. A three-dimensional conductive path is formed by the filler. On the other hand, at the time of pressurization to the sensor body, the sensor body is elastically deformed. And since the conductive filler is mix | blended in the state close | similar to a close-packed state, conductive fillers repel each other by this elastic deformation, and the contact state of conductive fillers changes. As a result, the three-dimensional conductive path when no pressure is applied collapses and the electrical resistance increases. That is, the rubber elastic material can have a property that electric resistance increases as the amount of elastic deformation increases.
本発明の変形センサシステムによれば、センサ本体のうち所定領域であれば何れの位置に外力を受けたとしても、外力を受けたことを検出できる。つまり、検出できる外力付加部位を限定しないようにできる。さらに、本発明の変形センサシステムによれば、センサ本体の所定領域を介在するように電極を配置すればよいため、従来の圧力検出素子などの個数に比べて、本発明における電極の個数を大幅に低減することができる According to the deformation sensor system of the present invention, it is possible to detect that an external force has been received regardless of the position of the sensor body that is in a predetermined region. That is, it is possible not to limit the external force application site that can be detected. Furthermore, according to the modified sensor system of the present invention, the number of electrodes in the present invention is greatly increased compared to the number of conventional pressure detection elements and the like because the electrodes need only be arranged so as to intervene a predetermined region of the sensor body. Can be reduced to
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.
(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。
(1) Overall Configuration of Deformation Sensor System The overall configuration of the deformation sensor system of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a deformation sensor system. Fig.2 (a) shows the AA sectional drawing of FIG. 1 in the state (no-load state) in which the sensor
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。
As shown in FIG. 1, the deformation sensor system includes a
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。
The
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。
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。
The
Here, the upper surface of the
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。
The electrode pairs 13a to 13h are a plurality of electrodes fixed in contact with the
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。
That is, all these electrodes are not arranged in a region of the
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。
These electrode pairs 13a to 13h are specifically composed of four electrode pairs (eight electrodes) arranged to face each other with the
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。
The
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。
The
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。
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。
The
The
(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。
(2) Material Description of
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。
The rubber elastic material of the sensor
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。
And in a no-load state, as shown to Fig.3 (a), many of the
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。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when an external force (for example, a pressing external force) is applied to the
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。
Here, in the sensor
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。
Then, when the blending amount of the
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。
From another viewpoint, when the volume of the
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。
A specific example of the rubber elastic material forming the
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。 Next, 270 parts by mass of carbon beads (“Nika Beads ICB0520” manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.), an average particle diameter of about 5 μm and a sulfur content of D90 / D10 = 3.2) are added and mixed in a roll kneader. Dispersed. Furthermore, as a vulcanization accelerator, 1.5 parts by mass of zinc dimethyldithiocarbamate (“Noxeller (registered trademark) PZ-P” manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.), tetramethylthiuram disulfide (“Sunseller (registered by Sanshin Chemical Co., Ltd.)) (Trademark) TT-G ") 1.5 parts by mass, 0.5 part by mass of 2-mercaptobenzothiazole (" Noxeller MP "manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) and sulfur (" Sunfax T "manufactured by Tsurumi Chemical Co., Ltd.) −10 ”) and 0.56 parts by mass were added, mixed and dispersed by a roll kneader to prepare an elastomer composition.
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。
The critical volume fraction of the elastomer composition in the percolation carp was about 43% by volume, and the saturated volume fraction was about 48% by volume. Next, the elastomer composition was formed into a predetermined size (in this embodiment, a square plate shape), and the
(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。
(3) Regarding Change in Electrical Resistance of
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(2)により定義する。
First, as shown in FIG. 4, the sensor
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。
And in the state which changed the curvature C by changing the pressing external force suitably, the electrical resistance between the
(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。
(4) Detailed Configuration of
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
The
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。
Here, as described above, the
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。
In FIG. 6, the applied voltage Vin is a DC voltage applied by the
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。
As shown in FIG. 7, the electrical resistance changes ΔRx1, ΔRx2, ΔRx3, and ΔRx4 are the electrical resistance changes of the
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。
The
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(3)に示すように定義できる。
The coefficients Kx and Ky will be described in detail with reference to FIG. Here, the
つまり、式(3)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。
That is, according to the expression (3), when the position P of the pressing external force F is located between the two electrodes constituting the
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。
Thus, even if the
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。
When the voltage Vin is applied by the
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。
Calculation of the magnitude of the pressing external force F by the
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(4)に従って算出する。
First, it is assumed that the virtual first
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。
That is, the change amount ΔRx (v) of the electrical resistance between the virtual
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(5)に従って算出する。
Further, it is assumed that the virtual second
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。
That is, the change amount ΔRy (v) of the electrical resistance between the virtual
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(6)に従って算出する。
And the external
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。
In this way, the external
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。
In the embodiment described above, the magnitude of the pressing external force at an arbitrary position on the
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。
It is also possible to detect only whether or not the
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。 The deformation sensor system of the present invention can be used as a pressure-sensitive sensor and a load sensor. In addition, it can also be used as a tactile sensor such as a medical robot or an industrial robot. As an example of a tactile sensor, it can be applied to the skin of a humanoid robot.
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
10: sensor structure, 20: control unit, 30: monitor,
11: mounting plate, 12: sensor body, 12a: force receiving surface, 12b: elastomer, 12c: conductive filler,
13a to 13h: electrode pairs,
13x: virtual first direction electrode pair, 13y: virtual second direction electrode pair,
14: Connector, 15: Wiring,
21: Power supply circuit, 22: Detection unit, 23: Output unit,
22a: resistance change amount detection unit, 22b: coefficient storage unit, 22c: external force calculation unit,
Ps: conductive path,
Kx: first coefficient, Ky: second coefficient
Claims (10)
前記センサ本体の前記所定領域を挟むように離隔して配置された複数の電極と、
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に基づいて、前記所定領域に前記外力を受けたこと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。 A sensor body comprising a rubber elastic material whose electrical resistance increases as the amount of elastic deformation increases, and having a predetermined region that elastically deforms when subjected to an external force;
A plurality of electrodes arranged so as to sandwich the predetermined region of the sensor body;
A detection unit that detects that the external force is applied to the predetermined region based on a change in the electrical resistance of the sensor body due to the external force between the electrodes when a voltage is applied between the electrodes;
A deformation sensor system comprising:
前記検出部は、前記電気抵抗の変化に基づいて前記外力を受けた位置を検出する請求項1に記載の変形センサシステム。 The electrode consists of 3 or more,
The deformation sensor system according to claim 1, wherein the detection unit detects a position where the external force is received based on a change in the electrical resistance.
所定の面上において、所定の第1方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、
前記所定の面上において、前記第1方向に直交する第2方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群と、
を備える請求項2に記載の変形センサシステム。 The electrode is
A first direction electrode group comprising a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to be spaced apart from each other in the predetermined first direction;
A second direction electrode group comprising a plurality of second direction electrode pairs disposed on the predetermined surface so as to sandwich the predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction;
A deformation sensor system according to claim 2.
前記所定領域における所定面上の位置に応じた係数を記憶する係数記憶部と、
前記係数および前記電気抵抗の変化に基づいて、それぞれの前記所定面上の位置における前記外力の大きさを算出する外力算出部と、
を備える請求項4に記載の変形センサシステム。 The detector is
A coefficient storage unit that stores a coefficient according to a position on a predetermined surface in the predetermined area;
An external force calculation unit that calculates the magnitude of the external force at each position on the predetermined surface based on the coefficient and the change in the electrical resistance;
A deformation sensor system according to claim 4.
前記外力算出部は、式(1)に従って前記外力の大きさを算出する請求項6に記載の変形センサシステム。
The deformation sensor system according to claim 6, wherein the external force calculation unit calculates the magnitude of the external force according to Equation (1).
所定の面上において、所定の第1方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、
前記所定の面上において、前記第1方向に直交する第2方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群と、
を備え、
前記外力算出部は、
前記仮想第1方向電極対間における前記電気抵抗の変化を、前記所定位置を挟むように位置する隣接した前記第1方向電極対の前記電気抵抗の変化に基づいて算出し、
前記仮想第2方向電極対間における前記電気抵抗の変化を、前記所定位置を挟むように位置する隣接した前記第2方向電極対の前記電気抵抗の変化に基づいて算出する請求項6または7に記載の変形センサシステム。 The electrode is
A first direction electrode group comprising a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to be spaced apart from each other in the predetermined first direction;
A second direction electrode group comprising a plurality of second direction electrode pairs disposed on the predetermined surface so as to sandwich the predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction;
With
The external force calculator is
Calculating a change in the electrical resistance between the virtual first direction electrode pair based on the change in the electrical resistance of the adjacent first direction electrode pair positioned so as to sandwich the predetermined position;
The change in the electrical resistance between the virtual second direction electrode pairs is calculated based on the change in the electrical resistance of the adjacent second direction electrode pairs located so as to sandwich the predetermined position. The deformation sensor system described.
所定の面上において、所定の第1方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第1方向電極対を複数備える第1方向電極群と、
前記所定の面上において、前記第1方向に直交する第2方向に前記所定領域を挟むように離隔して配置された第2方向電極対を複数備える第2方向電極群と、
を備え、
前記係数記憶部は、それぞれの前記第1方向電極対間を結ぶ線分とそれぞれの前記第2方向電極対間を結ぶ線分との交差点における前記係数を記憶し、
前記外力算出部は、それぞれの前記交差点における前記係数、それぞれの前記交差点を通過する前記第1方向電極対間の前記電気抵抗の変化、および、それぞれの前記交差点を通過する前記第2方向電極対間の前記電気抵抗の変化に基づいて、それぞれの前記交差点における前記外力の大きさを算出する請求項5に記載の変形センサシステム。 The electrode is
A first direction electrode group comprising a plurality of first direction electrode pairs arranged on a predetermined surface so as to be spaced apart from each other in the predetermined first direction;
A second direction electrode group comprising a plurality of second direction electrode pairs disposed on the predetermined surface so as to sandwich the predetermined region in a second direction orthogonal to the first direction;
With
The coefficient storage unit stores the coefficient at an intersection of a line segment connecting each of the first direction electrode pairs and a line segment connecting each of the second direction electrode pairs,
The external force calculation unit includes the coefficient at each intersection, the change in the electrical resistance between the first direction electrode pairs passing through each intersection, and the second direction electrode pair passing through each intersection. The deformation sensor system according to claim 5, wherein the magnitude of the external force at each of the intersections is calculated based on a change in the electric resistance between the two.
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-
2006
- 2006-10-20 JP JP2006286710A patent/JP2008102090A/en active Pending
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