JP2015010963A - 計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外部から作用する周期的な力によって変形し、変形状態に基づく抵抗値変化を測定信号として出力する力覚センサ14Aと、周期的に変位する前記力覚センサ14Aの位置情報を参照信号として出力する参照信号出力部16と、前記測定信号と前記参照信号とが入力され、所定周波数の信号を出力する同期検波器50Aとを備えることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
(1)全体構成
図1に示す計測装置10Aは、支持部12Aと、当該支持部12Aに設けられた力覚センサとしてのせん断力センサ14A、参照信号出力部としての速度センサ16、及び計測回路18とを備える。計測装置10Aは、図示しない情報処理部をさらに備え、計測回路18から出力された結果に基づき、流体の粘度係数(本明細書では粘度とも言う)を計測し得るように構成されている。
乗算器52は、増幅された計測信号と参照信号とを乗算し、その結果得た変調信号をローパスフィルタ53へ出力する。
ここで、測定信号をAcos(ωt+α)、参照信号をcos(ωt+β)とすると、変調信号は式(1)
次に、上述したせん断力センサ14Aの製造方法について以下説明する。図4A及び図4Bに示すように、表面からSi上層36、SiO2層44及びSi下層42の順に積層されたSOI(Silicon On Insulator)基板27を用意する。なお、このSOI基板27をHF(フッ化水素)溶液中で洗浄し、SOI基板27の表面に形成されている自然酸化膜を除去する。
次に本実施形態に係る計測装置10Aの動作及び効果について説明する。まず、図9に示すように容器60に収容された液体61中に、計測装置10Aの支持部12Aを一端からほぼ中央まで浸漬する。支持部12Aの一端に設けたせん断力センサを液体61中に浸漬した状態を保ちながら、支持部12Aをz軸に平行に、周期的に上下動させる。そうすると、弾性体層22の表面に液体61からのせん断力が作用する。これによりせん断力センサ14Aは、せん断力によって弾性体層22がz軸に平行な方向へ変形する。
粘度係数μは、弾性体層22表面をz軸に平行な方向に流れる流体の表面の流速をUとすると、式(2)
上記第1実施形態では、同期検波器50Aとして単相ロックインアンプを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。図12に示すように、本変形例に係る同期検波器50Bは、2位相ロックインアンプを用いることもできる。本図に示す同期検波器50Bは、位相器55と、第1乗算器56と、第2乗算器57と、第1ローパスフィルタ58と、第2ローパスフィルタ59とを有する。位相器55は、入力された信号の位相を90°シフトして出力する。
(1)全体構成
第2実施形態に係る計測装置10Bについて説明する。上記第1実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。図13に示す計測装置10Bは、支持部12Bと、当該支持部12Bに設けられた力覚センサとしての力センサ14B、参照信号出力部としての速度センサ16、及び計測回路18とを備える。計測装置10Bは、図示しない情報処理部をさらに備え、計測回路18から出力された結果に基づき、力センサ14Bに接触させた被測定物の摩擦係数や弾性係数を測定し得るように構成されている。
本実施形態に係る計測装置10Bの動作及び効果について説明する。まず、被測定物の摩擦係数を計測する場合について説明する。この場合、図16に示すように、力センサ14Bを被測定物80の表面に所定の圧縮荷重で押し付け、弾性体層66の表面を被測定物80の表面に接触させ、滑らせる。すなわち力センサ14Bを被測定物80の表面に接触させた状態で、被測定物80の表面に平行に支持部12Bを周期的に移動させる。そうすると、弾性体層66の表面には、被測定物80の表面との間に移動方向と反対方向の摩擦力が作用する。この摩擦力によって、弾性体層66は、移動方向と反対方向に変形する。
(1)全体構成
第3実施形態に係る計測装置10Cについて説明する。上記第2実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。図18に示す計測装置10Cは、支持部12Bと、当該支持部12Bに対しx軸、y軸、z軸に沿って移動可能に支持された力覚センサとしての力センサ14B、駆動部82及び計測回路84とを備える。計測装置10Cは、図示しない情報処理部をさらに備え、計測回路84から出力された結果に基づき、力センサ14Bに接触させた被測定物(本図には図示しない)の摩擦係数や弾性係数を測定し得るように構成されている。
本実施形態に係る計測装置10Cの動作及び効果について説明する。力センサ14Bを被測定物の表面に押し付け、支持部12Bを固定した状態で駆動部82を起動する。すなわち参照信号出力部86は、所定の駆動信号をドライバ88へ出力し、当該ドライバ88を介して駆動部82を起動する。駆動部82は力センサ14Bに所定の周期的な直線運動をさせる。
(1)全体構成
第4実施形態に係る計測装置10Dについて説明する。上記第2実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。図20に示す計測装置10Dは、支持部12Bと、当該支持部12Bの一端に設けられた力覚センサとしての圧力センサ90、駆動部91及び計測回路84(図示しない)とを備える。計測回路84は、図示しないが図19に示す上記第3実施形態と同じ構成を有しており、参照信号出力部86と、ドライバ88と、同期検波器50Aと、増幅器47とを備える。駆動部91は、出力軸89を備えたモータである。出力軸89は、先端において支持部12Bの略中央に接続されている。
本実施形態に係る計測装置10Dの動作及び効果について説明する。なお、以下の説明において、空気室92内の圧力を内圧(pc)、本体94の外の圧力を外圧(pbar)と呼ぶこととする。
基準圧力(P0)と変化後圧力(P1)との圧力差ΔPは、式(8)
上記第4実施形態では、駆動部82が支持部12Aに回転力を付与し、支持部12Aに回転運動させる場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図22に示すように、計測装置10Eは、支持部111と、当該支持部111に設けられた力覚センサとしての圧力センサ90、駆動部112及び計測回路84(図示しない)とを備える。駆動部112は、支持部111と基台113の間に設けられており、鉛直方向に屈伸運動し得るように形成されている。これにより、駆動部112は、基台113に対し支持部111を鉛直方向に直線運動させることができる。
実際に、上記第1実施形態の「(2)せん断力センサの製造方法」に示した方法と同様の方法により製造したせん断力センサ14Aを支持部12Aに固定し、評価を行った。試料として用いた液体61は、水にとろみ調整剤を混合した高粘度の液体61を用いた。図9に示すように、せん断力センサ14Aを当該液体61に浸した状態で、5Hzの速度でz軸に平行な方向に支持部12Aに周期的な直線運動をさせた。この場合の測定結果を図25に示す。図25は、縦軸がセンサ出力(V)を示し、横軸が時間(sec)を示している。本図から、直線運動に伴ってピエゾ抵抗層38の抵抗値が変化していることがわかる。
14A せん断力センサ(力覚センサ)
14B 力センサ(力覚センサ)
16 速度センサ(参照信号出力部)
50A 同期検波器
82 駆動部
91 駆動部
Claims (5)
- 外部から作用する周期的な力によって変形し、変形状態に基づく抵抗値変化を測定信号として出力する力覚センサと、
周期的に変位する前記力覚センサの位置情報を参照信号として出力する参照信号出力部と、
前記測定信号と前記参照信号とが入力され、所定周波数の信号を出力する同期検波器と
を備えることを特徴とする計測装置。 - 前記参照信号出力部は、
前記力覚センサの前記位置情報を取得する位置情報取得センサを有し、
前記位置情報取得センサで検出した前記位置情報を前記参照信号として出力することを特徴とする請求項1記載の計測装置。 - 前記位置情報取得センサは、前記力覚センサの位置、加速度、速度のいずれか1つを検出することを特徴とする請求項2記載の計測装置。
- 前記力覚センサを周期的に変動させる駆動部を備え、
前記参照信号出力部は、
前記駆動部を駆動させる駆動信号を前記駆動部へ出力するとともに、
前記駆動信号と同じ信号を前記参照信号として出力する
ことを特徴とする請求項1記載の計測装置。 - 前記力覚センサは、力センサであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の計測装置。
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