JP2018017536A - 変形測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも利用しやすい変形測定装置を提供する。【解決手段】変形測定装置１００が提供される。変形測定装置１００は、変形可能であって、磁場勾配を生じさせるように磁性体が散在する第１の層１１０と、変形可能であって、第１の層１１０と略平行に配置される第２の層１２０と、磁場を生成するための部材１３０と、磁束密度を測定するためのセンサ１４０と、センサ１４０の測定結果に基づいて第１の層の変形量を計算するための制御部１９０と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、変形可能な部材の変形量および／または変形方向を測定するための変形測定装置に関するものである。

従来から、変形可能な部材の変形量を測定するための技術が提案されている。たとえば、特開２０１４−９８６８７号公報（特許文献１）には、触覚センサが開示されている。より詳細には、特許文献１には、磁性フィラーを含むエラストマと、前記エラストマの触覚による変形に起因する磁気変化を検出する磁気センサと、から構成され、前記磁性フィラーがエラストマ中で偏在しており、その偏在度が１〜１００であることを特徴とする触覚センサが開示されている。

また、特開２０１５―２０２８２１号公報（特許文献２）には、クッションパッドの変形を検出するシステムおよびその製造方法が開示されている。より詳細には、特許文献２には、エラストマに磁性フィラーが分散されている磁性エラストマと、該磁性エラストマに自己接着により一体化されている軟質発泡ポリウレタンと、からなるクッションパッド、および該クッションパッドの変形に起因する磁気変化を検出する磁気センサ、からなるクッションパッドの変形を検出するシステムが開示されている。

また、特開２０１５―２１２１３１号公報（特許文献３）にも、クッションパッドの変形を検出するシステムおよびその製造方法が開示されている。より詳細には、特許文献３には、エラストマに磁性フィラーが分散されていて算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜１０μｍである磁性エラストマと、該磁性エラストマに接着により一体化されている軟質発泡ポリウレタンと、からなるクッションパッド、および該クッションパッドの変形に起因する磁気変化を検出する磁気センサ、からなるクッションパッドの変形を検出するシステムおよびその製造方法が開示されている。

特開２０１４−９８６８７号公報 特開２０１５−２０２８２１号公報 特開２０１５−２１２１３１号公報

従来よりも利用しやすい変形測定装置が求められている。本発明の目的は、従来よりも利用しやすい変形測定装置を提供することにある。

この発明のある態様に従うと、変形測定装置が提供される。変形測定装置は、変形可能であって、磁場勾配を生じさせるように磁性体が散在する第１の層と、変形可能であって、第１の層と略平行に配置される第２の層と、磁場を生成するための部材と、磁束密度を測定するためのセンサと、センサの測定結果に基づいて第１の層の変形量を計算するための制御部と、を備える。

好ましくは、変形測定装置は、第１の層に平行に配置される繊維シートをさらに備える。

好ましくは、繊維シートは、第１の層の、第２の層とは逆側の表面を覆うように配置されている。

好ましくは、繊維シートは、第１の方向よりも、第１の方向に直行する第２の方向に伸びやすく形成されている。繊維シートは、第１の層または第２の層が伸縮されやすい方向と第２の方向とが略一致するように配置される。

好ましくは、部材とセンサは、第２の層の、第１の層とは逆側に配置される。部材とセンサの距離は、第１の層の厚みと第２の層の厚みの合計の０．７倍以上１．３倍未満である。

好ましくは、センサは、第２の層と略平行な磁束の成分を測定する。

好ましくは、第１の層に被験者の足裏を接触させることによって、制御部が静止中または移動中の足裏の形状に関する情報を取得する。

この発明によれば、従来よりも利用しやすい変形測定装置を提供される。

第１の実施の形態にかかる変形測定装置１００の全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる変形測定装置１００の斜視図である。 第１の実施の形態にかかる変形測定装置１００の平面図である。 第１の実施の形態の制御部１９０のブロック図である。 第１の実施の形態にかかるシミュレーションに用いた変形測定装置１００のモデルを示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかるセンサ直上（ｘ＝２５）に直径２０ｍｍの圧子で０ｍｍから８ｍｍまで０．５ｍｍ毎に押下深さを与えた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる試作された変形測定装置１００の実験用のシステムを示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる測定した押下力と磁束密度センサ１４０の応答の測定結果を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる押下深さと磁束密度センサ１４０の応答の測定結果を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる二層構造の第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の各々の厚みを変更した場合の変形測定装置１００を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる３種類の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の組み合わせを用いて測定した押下力と磁束密度センサ１４０の出力値との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる３種類の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の組み合わせを用いて測定した押下深さと磁束密度センサ１４０の出力値との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる変形測定装置１００に関して、直径が１０ｍｍの樹脂製円筒圧子２１０を１ｍｍ間隔で第１のエラストマ層１１０に７ｍｍ、５ｍｍ、３ｍｍ押し込んだ場合の、磁束密度センサ１４０の出力値を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の製造方法を示すイメージ図である。 第２の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。 第２の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂの第１および第２のエラストマ層１１０Ｂ、１２０の製造方法を示すイメージ図である。 第３の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。 第３の実施の形態にかかるコーシー歪みと反発力とのグラフである。 第３の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の製造方法を示すイメージ図である。 第４の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。 第４の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の製造方法を示すイメージ図である。 第５の実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｅの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
＜第１の実施の形態＞
＜変形測定装置１００の全体構成と動作概要＞

まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の全体構成と動作概要について説明する。なお、図１は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００は、主に、鉄粉などの磁性体が散在する第１のエラストマ層１１０と、第１のエラストマ層１１０よりも透磁率が低い第２のエラストマ層１２０と、磁石１３０と、磁束密度センサ１４０と、制御部１９０とを含む。そして、磁束密度センサ１４０が測定した磁束密度に基づいて、制御部１９０が第１のエラストマ層１１０の変形量を計算する。

たとえば、図１（ａ）に示すように、第１のエラストマ層１１０に力がかかっていないときは、磁束密度センサ１４０が、磁石１３０からの所定の磁束密度を計測することになる。そして、図１（ｂ）に示すように、第１のエラストマ層１１０が押し込まれると、磁石１３０からの磁場や磁束の経路が変形し、磁束密度センサ１４０による測定値が変化する。これによって、制御部１９０が、第１のエラストマの変形量や変形方向などを求めることができる。

このように、本実施の形態にかかる変形測定装置１００は、柔軟素材中に配線や大きな固形物を配置する必要がなく、永久磁石１３０と磁束密度センサ１４０の位置関係が被覆物を交換する際にも不変であるため、耐久性やメンテナンス性において構造的に有利である．また、表面の第１のエラストマ層１１０の変位を感知可能であるため、柔軟性と感度とを両立できる。
＜変形測定装置１００の構成＞

次に、図２および図３を参照しながら、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の構成について詳細に説明する。なお、図２は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の斜視図である。図３は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の平面図である。

変形測定装置１００の表面の柔軟部は、層状に成形した第１のエラストマ層１１０と第２のエラストマ層１２０とを重ねて接着し二層構造としたものである。そして、第１のエラストマ層１１０は、後述するように、シリコーンエラストマなどの柔軟素材に微小な磁性粒子、たとえば透磁率の大きな鉄粉などの金属、を散在させた磁気応答性機能性材料である。

本実施の形態においては、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０は、白金を触媒とする付加重合によりゲル化するシリコーンにシンナーを配合して硬度を調製したものである。そして、シンナーを質量比２００％で配合させ、軽い接触で容易に変形する程度の非常に低剛性なものである。製作した第１および第２のエラストマ層１１０、１２０のサイズは、両者を合わせて幅５０ｍｍ、奥行き５０ｍｍ、高さ１２ｍｍである。なお、本実施の形態においては、第１のエラストマ層の厚みは２ｍｍである。

第１のエラストマ層１１０には粒子径２μｍのカルボニル鉄粉（ＢＡＳＦ社製ハードグレードＨＱ）を体積比３０％で含有させる。この鉄粉の含有率は、後述の動作原理のセンサ押下力に対する感度を決定する一つの要因となる。鉄粉の含有率が高いほどその感度が向上するが、一方で第１のエラストマ層１１０に不純物が多く含まれるため固形化し難くなる。そのため、鉄粉含有率は、第１のエラストマ層１１０が固形化することを確認できた最大の体積比である３０％とした。

第２のエラストマ層１２０の裏面にはネオジウム永久磁石１３０と、巨大磁気抵抗センサ１４０（ＮＶＥ社製ＡＡ００３−０２Ｅ）が基板上に配置される。なお、ネオジウム永久磁石１３０は、直径が５ｍｍかつ厚みが１．５ｍｍの円柱形状を有し、表面磁束密度０．２Ｔである。なお、本実施の形態においては、永久磁石１３０を基板１５０の中心に、磁束密度センサ１４０を永久磁石１３０と同一平面上で１０ｍｍ離れた位置に配置した。磁束密度センサ１４０の感度軸は磁石１３０に向かう方向である。

制御部１９０は、図４に示すように、主に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１９１と、メモリ１９２と、通信インターフェイス１９６とを有する。

ＣＰＵ１９１は、メモリ１９２に記憶されているプログラムを実行することによって、制御部１９０の各部を制御する。さらに、ＣＰＵ１９１は、通信インターフェイス１９６を介して、変形測定装置１００の他の部分を制御してもよい。

メモリ１９２は、各種のＲＡＭ（Random Access Memory）、各種のＲＯＭ（Read-Only Memory）などによって実現される。そして、メモリ１９２は、ＣＰＵ１９１によって実行されるプログラムや、ＣＰＵ１９１によるプログラムの実行により生成されたデータ、通信インターフェイス１９６を介して受信したデータ、その他の本実施の形態に利用されるデータベースなどを記憶する。

通信インターフェイス１９６は、ＣＰＵ１９１からのデータを、変形測定装置１００の他のユニットに送信したり、変形測定装置１００の他のユニットからのデータをＣＰＵ１９１に受け渡したりする。

なお、制御部１９０は、ＣＰＵ１９１からの信号に基づいて、テキストや画像を表示するためのディスプレイや、ユーザからの命令を受け付けて、当該命令をＣＰＵ１９１に入力するための操作部を有してもよい。
＜変形測定装置１００の動作原理＞

ここで、図１に戻って、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の動作原理について詳細に説明する。図１（ａ）に示すように、変形測定装置１００に無負荷時において、永久磁石１３０からもたらされる磁束は直上にある第２のエラストマ層１２０を貫き、磁束密度センサ１４０で検出される．すなわち、第１のエラストマ層１１０に変形が与えられていない場合は、常に一定量の磁束が磁束密度センサ１４０で検出される。

そして、図１（ｂ）に示すように第１のエラストマ層１１０に押下力を与えると、第１のエラストマ層１１０と第２のエラストマ層１２０とが変形し第１のエラストマ層１１０が磁束密度センサ１４０に近づく。第１のエラストマ層１１０は透磁率の大きな鉄粉を内包しているため、第１のエラストマ層１１０の磁束密度センサ１４０への接近に伴い、磁束密度センサ１４０の直上の透磁率が増加し、その結果磁束密度センサ１４０を貫く磁束が増加する。

このようにして、制御部１９０が、第１のエラストマ層１１０の押下方向への変形を、磁束密度センサ１４０を貫く磁束量の変化として検出することによって、変形測定装置１００の表面に対する押下力および／または押下深さを計算することが可能となる．
＜変形測定装置１００のシミュレーション＞

次に、変形測定装置１００の検出特性を確認するために、シミュレーションによる評価について説明する。ここでは、変形測定装置１００の表面に対して垂直方向の押下力と押下深さを与え、その場合の磁束密度を磁束密度センサ１４０で測定するものとする。

まず、シミュレーションによる評価について説明する。磁束密度センサ１４０の振る舞いを磁界シミュレータによって評価した。シミュレーションには、２次元静電磁界シミュレータであるＳＡＴＥ（株式会社アドバンスト・サイエンス・ラボラトリー社製）を用いた。

図５は、本実施の形態にかかるシミュレーションに用いた変形測定装置１００のモデルを示すイメージ図である。図５を参照して、変形測定装置１００は、第１のエラストマ層１１０と、第２のエラストマ層１２０と、基板１５０と、永久磁石１３０、磁束密度センサ１４０と、それらを取り巻く大気から構成されている。

なお、シミュレーションに用いた実験パラメータは、表１の通りである。本シミュレーションにおいては簡単化のため、第１のエラストマ層１１０は物体の全域において均一な透磁率を持つものとして扱った。

このモデルに対して、センサ直上（ｘ＝２５）に直径２０ｍｍの圧子で０ｍｍから８ｍｍまで０．５ｍｍ毎に押下深さを与えた場合のシミュレーション結果を図６に示す。横軸は圧子の押下深さを表し、縦軸はセンサ位置においてセンサ感度軸方向の磁束密度成分から磁束量を算出したものである。この磁束量が磁束密度センサ１４０の応答値に相当する。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００は無負荷時からの磁束量の変化分を磁束密度センサ１４０の検出量とするため、図５における縦軸の値は押下深さ０ｍｍからの差分として表示した。図５のシミュレーション結果に示すように、磁束量は押下深さに対して二次曲線的に増加する。このようにして、制御部１９０のＣＰＵ１９１は、磁束密度センサ１４０によって磁束量の変化を検出することによって、第１のエラストマ層１１０の押下量を計算する。
＜試作された変形測定装置１００に関する実験＞

次に、変形測定装置１００の検出特性を確認するために、試作された変形測定装置１００を用いた実験について説明する。ここでも、変形測定装置１００の表面に対して垂直方向の押下力と押下深さを与え、その場合の磁束密度を磁束密度センサ１４０で測定するものとする。

図７は、試作された変形測定装置１００の実験用のシステムを示すイメージ図である。図７を参照して、変形測定装置１００をＺ軸ステージ（日本電産シンポ社製ＦＧＳ−５０ＥＨ）上に設置する。Ｚ軸ステージに取り付けた５０Ｎまで測定可能なディジタルフォースゲージ２２０（日本電産シンポ社製ＦＧＰ５）によって、センサ押下力を測定した。本実施の形態においては、センサを押下するための圧子２１０は、直径２０ｍｍの円柱形状とし、フォースゲージ２２０の先端に取り付けられる。なお、本実施の形態にかかるＺ軸ステージは、ステージの上昇および下降速度のみを設定可能であり、Ｚ軸方向の位置を検出できないため、Ｚ軸方向の位置は、ステージ速度と測定したステージの移動時間を基に算出するものとする。

磁束密度センサ１４０の応答は、増幅率を１００倍とした１段の差動増幅器２３０（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＩＮＡ１２１）からなる測定回路を通じてオシロスコープ２４０で測定した．このとき、フォースゲージ２２０にて測定された押下力に対応するアナログ電位を、オシロスコープ２４０にて同時に測定することで押下力と磁束密度センサ１４０の出力値の関係を測定した．このときのサンプリング周期は１ｍｓである。

次に、本実施の形態にかかる磁束密度センサ１４０の応答とヒステリシスについて説明する。まず、押下力と押下深さに対する磁束密度センサ１４０の応答の関係を測定した。実験手順は次の通りである。
（１）Ｚ軸ステージに取り付けた圧子２１０を、７０ｍｍ／ｍｉｎの降下速度で変形測定装置１００の第１のエラストマ層１１０に押し込んでいき、上記のシミュレーションと同様に深さがおよそ８ｍｍとなるまで押下する。
（２）３秒間静止する。
（３）押下と同様の速度で圧子２１０を上昇させ、押下力を除去する。

以上を一つのシーケンスとして、実験を行った。その結果、測定した押下力と磁束密度センサ１４０の応答の測定結果は、図８のようになった。各データ点は、フォースゲージ２２０および磁束密度センサ１４０の出力結果の１０ｍｓ毎の区間平均値である。なお、図８中の矢印は押下方向を示しており、右向きが押下力の印加を示し、左向きが押下力の除去を意味する。二本の点線は、押下力の印加時および除去時のそれぞれのデータに対する二次の近似曲線である。実験結果より、押下力に対してほぼ正の相関を持つ出力が得られ、その出力にはヒステリシスが見られる。本実施の形態にかかる変形測定装置１００は、ある程度以上の力で押し付けた場合、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の形状の回復までに要する時間が急激に長くなる。このエラストマの粘性が、磁束密度センサ１４０の出力値に見られるヒステリシスをもたらす。

図９は、押下深さと磁束密度センサ１４０の応答の測定結果を示すグラフである。なお、横軸の押下深さは前述のようにステージ速度と移動時間を基に算出するため、厳密な押下深さとは必ずしも一致しない。図９では、フォースゲージ２２０の値の立ち上がりのタイミングを押下開始時点とみなしている。押下深さに対する磁束密度センサ１４０の応答は、深さ０．５ｍｍ程度までは磁束密度センサ１４０の出力が得られていないものの、図８の応答に比べてヒステリシスの少ない二次曲線的な応答を示す。

また、シミュレーション結果と変形測定装置１００による実測値との比較を行った．図９中の白抜きの四角プロットは、上記のシミュレーションにより算出した値である。押下深さに対する磁束密度センサ１４０の出力値が、二次曲線的に増減する同様の傾向を見せており、シミュレーションと試作センサによる実験結果が一致することが解る。
＜第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の厚みの影響＞

ここで、第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の厚みの影響について説明する。変形測定装置１００に用いる第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の構成を変化させた場合、変形測定装置１００の磁束密度センサ１４０の出力値に変化が生じると推測される。特に第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の厚みを変化させた場合、磁束密度センサ１４０の感度や測定範囲に変化が生じると考えられる。

そこで、変形測定装置１００に用いる二層構造の第１および／または第２のエラストマ層１１０，１２０の各々の厚みを変更した場合の、押下力と押下深さと磁束密度センサ１４０の出力値との関係を測定した結果について説明する。

図１０と表２に、本実施の形態にかかる３種類の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の厚みを示す。なお、上述の図８と図９の実験で用いた第１および第２のエラストマ層１１０、１２０は、図１０と表２のＴｙｐｅＡである。

なお、実験手順は上述のものと同様であり、それぞれの最大の押下深さは、ＴｙｐｅＡでおよそ２ｍｍであり、ＴｙｐｅＢでおよそ４ｍｍであり、ＴｙｐｅＣでおよそ８ｍｍである。これらの最大の押下深さは、第１および／または第２のエラストマ層１１０、１２０の形状の回復時間に大きな変化を起こさない範囲における最大の深さとした。

３種類の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の組み合わせを用いて測定した押下力と磁束密度センサ１４０の出力値との関係を図１１に示す。また、３種類の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の組み合わせを用いて測定した押下深さと磁束密度センサ１４０の出力値との関係を図１２に示す。これらの結果より、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の厚みに応じて、押下力や深度に対する感度、線形性などの磁束密度センサ１４０の出力値の特性が変化することが解る。

同様に、上記のシミュレーション結果と試作された変形測定装置１００による実測値の比較を行った。図１２中の白抜きの四角・三角・丸のプロットは、ＴｙｐｅＡ・ＴｙｐｅＢ・ＴｙｐｅＣの変形測定装置１００に関するシミュレーション値である。なお、シミュレーションの方法は図５および図６に示したものの場合と同様である。

以上のように、本実施の形態にかかる変形測定装置１００に関しては、変形に対する感度を高めたい場合は、第２のエラストマ層１２０を薄くすることが好ましい。

また、図１３は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００に関して、直径が１０ｍｍの樹脂製円筒圧子２１０を１ｍｍ間隔で第１のエラストマ層１１０に押し込んだ場合の、磁束密度センサ１４０の出力値を示すグラフである。制御部１９０は、複数の磁束密度センサ１４０と、当該グラフとに基づいて、押し込み位置や押し込み量をより正確に計算することができる。
＜第１および第２のエラストマ層の製造方法＞

次に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の製造方法について説明する。図１４は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の製造方法を示すイメージ図である。

まず、図１４（ａ）を参照して、型に、未硬化の第２のエラストマを流し込む。なお、最終的な第２のエラストマの厚みと型の大きさに応じて、流し込む第２のエラストマの量を調整する。その後、図１４（ｂ）に示すように、当該第２のエラストマが硬化して、第２のエラストマ層１２０となる。

次に、図１４（ｃ）を参照して、未硬化のエラストマに鉄粉を投入する。図１４（ｄ）を参照して、未硬化のエラストマを攪拌して、未硬化の第１のエラストマを生成する。

次に、図１４（ｅ）を参照して、硬化した第２のエラストマ層１２０の上に、鉄粉が散在する未硬化の第１のエラストマを流し込む。なお、最終的な第１のエラストマの厚みや型の大きさに応じて、流し込む第１のエラストマの量を調整する。

その後、図１４（ｆ）を参照して、第１のエラストマが硬化して、第１のエラストマ層１１０となる。図１４（ｇ）を参照して、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０を基板１５０に接着する。
＜第２の実施の形態＞

第１の実施の形態の変形測定装置１００に関しては、鉄粉などの磁性体が第１のエラストマ層１１０に散在するものであった。第２の実施の形態の変形測定装置１００Ｂにおいては、さらに、第１のエラストマ層１１０が磁場勾配を有するものである。

まず、図１５を参照して、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂの全体構成と動作概要について説明する。なお、図１５は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂは、主に、磁場勾配が生じさせられた磁性体が散在する第１のエラストマ層１１０Ｂと、第１のエラストマ層１１０Ｂよりも透磁率が低い第２のエラストマ層１２０と、磁石１３０と、磁束密度センサ１４０と、制御部１９０とを含む。そして、磁束密度センサ１４０が測定した磁束密度に基づいて、制御部１９０が第１のエラストマ層１１０の変形量を計算する。

たとえば、図１５（ａ）に示すように、第１のエラストマ層１１０Ｂに力がかかっていないときは、磁束密度センサ１４０が、所定の磁束密度を計測することになる。そして、図１５（ｂ）に示すように、第１のエラストマ層１１０Ｂが押し込まれると、磁石からの磁場や磁束が変化し、磁束密度センサ１４０による測定値が変化する。これによって、制御部１９０が、第１のエラストマ層１１０の変形量や変形方向などを求めることができる。

特に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００は、第１のエラストマ層１１０Ｂが磁場勾配を有するため、第１のエラストマ層１１０Ｂの小さな変形を検知しやすくなる。換言すれば、第１のエラストマ層１１０Ｂを薄く構成しても、第１のエラストマ層１１０Ｂの変形を検知することができる。

次に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｂの第１および第２のエラストマ層１１０Ｂ、１２０の製造方法について説明する。図１６は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０Ｂ、１２０の製造方法を示すイメージ図である。

なお、図１６（ａ）〜図１６（ｅ）に関する処理は、第１の実施の形態のそれらと同様であるため、ここでは説明を繰り返さない。

次に、図１６（ｅ−２）を参照して、鉄粉が散在する未硬化の第１のエラストマに、当該第１のエラストマが硬化するまで、上下方向から磁場をかける。そして、図１６（ｆ）に示すように、第１のエラストマが硬化して、第１のエラストマ層１１０Ｂとなる。このように作成することによって、第１のエラストマ層１１０Ｂは、磁場勾配を有することになる。図１６（ｇ）を参照して、第１および第２のエラストマ層１１０Ｂ、１２０を基板１５０に接着する。
＜第３の実施の形態＞

第１の実施の形態の変形測定装置１００に関しては、第１のエラストマ層１１０と第２のエラストマ層１２０とが接着されたものである。第３の実施の形態の変形測定装置１００Ｃに関しては、さらに、第１のエラストマ層１１０の表面に繊維シート１７０が張り付けられたものである。

まず、図１７を参照して、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの全体構成と動作概要について説明する。なお、図１７は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃは、主に、磁性体が散在する第１のエラストマ層１１０と、第１のエラストマ層１１０の表面に張り付けられた繊維シート１７０と、第１のエラストマ層１１０よりも透磁率が低い第２のエラストマ層１２０と、磁石１３０と、磁束密度センサ１４０と、制御部１９０とを含む。そして、磁束密度センサ１４０が測定した磁束密度に基づいて、制御部１９０が第１のエラストマ層１１０の変形量を計算する。

たとえば、図１７（ａ）に示すように、第１のエラストマ層１１０に力がかかっていないときは、磁束密度センサ１４０が、所定の磁束密度を計測することになる。そして、図１７（ｂ）に示すように、繊維シート１７０と第１のエラストマ層１１０とが押し込まれると、磁石１３０からの磁場や磁束が変化し、磁束密度センサ１４０による測定値が変化する。これによって、制御部１９０が、第１のエラストマ層１１０の変形量や変形方向などを求めることができる。

特に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃは、繊維シート１７０が張り付けられているため、図１８に示すように、押し込み量が少ない場合は、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の弾性力が主な反発力となり、押し込み量が多くなると引っ張られた繊維シート１７０が押し込みを規制するようになる。これによって、ユーザが、変形測定装置１００Ｃの表面に触れたり、当該表面を押し込んだりしても、徐々に反発力を大きくしていきながら、硬い基板１５０に当たる感触をユーザに与えずにすむ可能性を高めることができる。

次に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０および繊維シート１７０の製造方法について説明する。図１９は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｃの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０および繊維シート１７０の製造方法を示すイメージ図である。

なお、図１９（ａ）〜図１９（ｅ）に関する処理は、第１の実施の形態の図１４（ａ）〜図１４（ｅ）の処理と同様であるため、ここでは説明を繰り返さない。

次に、図１９（ｅ−２）を参照して、鉄粉が散在する未硬化の第１のエラストマの表面に繊維シート１７０を敷く。そして、図１９（ｆ）に示すように、第１のエラストマが硬化して、第１のエラストマ層１１０となる。このように作成することによって、第１のエラストマ層１１０に、繊維シート１７０が接着される。最後に、図１９（ｇ）を参照して、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０を基板１５０に接着する。

なお、繊維シート１７０は、第１のエラストマ層１１０が硬化してから、接着材などによって第１のエラストマ層１１０の表面に接着されてもよい。あるいは、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０が基板１５０に接着されてから、接着材などによって第１のエラストマ層１１０の表面に接着されてもよい。
＜第４の実施の形態＞

第３の実施の形態においては、第１のエラストマ層１１０の表面に繊維シート１７０が張り付けられたものである。より詳細には、繊維シート１７０は、第１のエラストマ層１１０の、基板１５０または磁束密度センサ１４０とは逆側の表面に張り付けられるものであった。しかしながら、このような形態には限られない。たとえば、第４の実施の形態においては、第１のエラストマ層１１０と第２のエラストマ層１２０との間に繊維シート１７０が張り付けられたものである。

まず、図２０を参照して、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの全体構成と動作概要について説明する。なお、図２０は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄは、主に、磁性体が散在する第１のエラストマ層１１０と、第１のエラストマ層１１０よりも透磁率が低い第２のエラストマ層１２０と、第１のエラストマ層１１０と第２のエラストマ層１２０との間に敷かれた繊維シート１７０と、磁石１３０と、磁束密度センサ１４０と、制御部１９０とを含む。そして、磁束密度センサ１４０が測定した磁束密度に基づいて、制御部１９０が第１のエラストマ層１１０の変形量を計算する。

たとえば、図２０（ａ）に示すように、第１のエラストマ層１１０に力がかかっていないときは、磁束密度センサ１４０が、所定の磁束密度を計測することになる。そして、図２０（ｂ）に示すように、繊維シート１７０と第１のエラストマ層１１０とが押し込まれると、磁石１３０からの磁場や磁束が変化し、磁束密度センサ１４０による測定値が変化する。これによって、制御部１９０が、第１のエラストマ層１１０の変形量や変形方向などを求めることができる。

特に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄは、繊維シート１７０が張り付けられているため、押し込み量が少ない場合は、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の弾性力が主な反発力となり、押し込み量が多くなると引っ張られた繊維シート１７０が押し込みを規制するようになる。これによって、ユーザが、変形測定装置１００Ｄの表面に触れたり、当該表面を押し込んだりしても、徐々に反発力を大きくしていきながら、硬い基板１５０に当たる感触をユーザに与えずにすむ可能性が高まる。

次に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０および繊維シート１７０の製造方法について説明する。図２１は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｄの第１および第２のエラストマ層１１０、１２０および繊維シート１７０の製造方法を示すイメージ図である。

まず、図２１（ａ）を参照して、型に、未硬化の第２のエラストマを流し込む。最終的な第２のエラストマの厚みに応じて、流し込む第２のエラストマの量を調整する。

次に、図２１（ａ−２）を参照して、未硬化の第２のエラストマの表面に繊維シート１７０を敷く。そして、図２１（ｂ）に示すように、第２のエラストマが硬化して、第２のエラストマ層１２０となる。このように作成することによって、第２のエラストマ層１２０に、繊維シート１７０が接着される。

なお、繊維シート１７０は、第２のエラストマ層１２０が硬化してから、接着材などによって第２のエラストマ層１２０の表面に接着されてもよい。

なお、図２１（ｃ）〜図２１（ｇ）に関する処理は、第１の実施の形態の図１４（ｃ）〜図１４（ｇ）の処理と同様であるため、ここでは説明を繰り返さない。
＜第３および第４の実施の形態の補足＞

繊維シート１７０は、第１のエラストマ層１１０の表面、側面、裏面などを覆ってもよい。すなわち、繊維シート１７０を袋状に形成して、第１のエラストマ層１１０を内包してもよい。あるいは、繊維シート１７０は、第２のエラストマ層１２０の表面、側面、裏面などを覆ってもよい。すなわち、繊維シート１７０を袋状に形成して、第２のエラストマ層１２０を内包してもよい。あるいは、繊維シート１７０は、第１および第２のエラストマ層１１０，１２０をまとめてその表面、側面、裏面を覆ってもよい。すなわち、繊維シート１７０を袋状に形成して、第１および第２のエラストマ層１１０，１２０を内包してもよい。

さらに、繊維シート１７０は、縦、横、または斜めのいずれかの方向に伸びやすく、当該いずれかの方向に直角な方向に伸びにくいものを利用することが好ましい。そして、当該いずれかの方向を、変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０が延ばされたり曲げられたりしやすい方向に合わせるように、変形測定装置１００の第１および第２のエラストマ層１１０、１２０を配置することが好ましい。

たとえば、ロボットの腕や関節の部分に第１および第２のエラストマ層１１０、１２０を使用する場合は、繊維シート１７０が伸びやすい方向を腕の長さ方向に合わせて、繊維シート１７０が伸びにくい方向を腕の周囲の方向に合わせることが好ましい。
＜第５の実施の形態＞

第１〜第４の実施の形態においては、磁束密度センサ１４０を、磁石１３０と同じ方向に向けて配置するものであった。すなわち、第１〜第４の実施の形態においては、磁石１３０からの磁束が第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の法線方向に発し、磁束密度センサ１４０も、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の法線方向の磁束密度を測定するものであった。しかしながら、磁石１３０の向きと、磁束密度センサ１４０の向きは、そのような方向には限られない。

図２２を参照して、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｅの全体構成と動作概要について説明する。なお、図２２は、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｅの全体構成と動作概要とを示すイメージ図である。

本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｅは、主に、磁性体が散在する第１のエラストマ層１１０と、第１のエラストマ層１１０よりも透磁率が低い第２のエラストマ層１２０と、磁石１３０と、磁束密度センサ１４０と、制御部１９０とを含む。そして、磁束密度センサ１４０が測定した磁束密度に基づいて、制御部１９０が第１のエラストマ層１１０の変形量を計算する。

特に、本実施の形態においては、磁石１３０は、磁石１３０からの磁束が第１および第２のエラストマ層１１０、１２０の法線方向に発するように基板１５０に取り付けられる。そして、磁束密度センサ１４０は、磁石１３０の方向に向けて基板１５０に取り付けられる。すなわち、本実施の形態においては、磁束密度センサ１４０は、磁束密度センサ１４０から磁石１３０への方向の磁束の密度を測定するように構成されている。

換言すれば、第１〜第４の実施の形態の磁束密度センサ１４０は、図２２の上下方向の磁束の量を測定するものであって、第５の実施の形態の磁束密度センサ１４０は、図２２の左右方向の磁束の量を測定するものである。

たとえば、図２２（ａ）に示すように、第１のエラストマ層１１０に力がかかっていないときは、磁束密度センサ１４０が、所定の磁束密度を計測することになる。そして、図２２（ｂ）に示すように、第１のエラストマ層１１０が押し込まれると、磁石１３０からの磁場や磁束が変化し、磁束密度センサ１４０による測定値が変化する。これによって、制御部１９０が、第１のエラストマ層１１０の変形量や変形方向などを求めることができる。

特に、本実施の形態にかかる変形測定装置１００Ｅは、単に磁束の量を測定するものではなく、第１のエラストマ層１１０によって、磁束の経路が変形された度合い、または経路が変形された磁束の量または割合を測定するものである。
＜第６の実施の形態＞

第１〜第４の実施の形態においては、永久磁石を利用するものであった。しかしながら、このような形態には限られない。たとえば、変形測定装置１００は、電磁石や、コイルを利用するものであってもよい。
＜上記の複数の実施の形態の変形測定装置１００〜１００Ｅの利用方法＞

上記の第１〜第６の実施の形態にかかる変形測定装置１００〜１００Ｅは、上述したように、ロボットの表面に対するユーザの押し込み量や押し込み方向を測定するために利用することができる。その他にも、様々なシーンで利用可能である。

たとえば、上記の第１〜第６の実施の形態にかかる変形測定装置１００〜１００Ｅは、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０とセンサ１４０などを、脚の裏に張り付けたり、靴の内側面に取り付けたりすることによって、制御部１９０が、ユーザの脚の形状を取得することにも利用することができる。

あるいは、第１および第２のエラストマ層１１０、１２０とセンサ１４０などを、脚の裏に張り付けたり、靴の内側面に取り付けたりすることによって、ユーザが座っているとき、ユーザが立っているとき、ユーザが歩いているとき、ユーザが走っているときなどの、ユーザの脚の形状や力のかかり方を制御部１９０が計算することもできる。
＜上記の複数の実施の形態のまとめ＞

上記の第１〜第６の実施の形態においては、変形測定装置１００が提供される。変形測定装置１００は、変形可能であって、磁場勾配を生じさせるように磁性体が散在する第１の層１１０と、変形可能であって、第１の層１１０と略平行に配置される第２の層１２０と、磁場を生成するための部材１３０と、磁束密度を測定するためのセンサ１４０と、センサ１４０の測定結果に基づいて第１の層の変形量を計算するための制御部１９０と、を備える。

好ましくは、変形測定装置１００は、第１の層１１０に平行に配置される繊維シート１７０をさらに備える。

好ましくは、繊維シート１７０は、第１の層１１０の、第２の層１２０とは逆側の表面を覆うように配置されている。

好ましくは、繊維シート１７０は、第１の方向よりも、第１の方向に直行する第２の方向に伸びやすく形成されている。繊維シート１７０は、第１の層または第２の層が伸縮されやすい方向と第２の方向とが略一致するように配置される。

好ましくは、部材とセンサは、第２の層の、第１の層とは逆側に配置される。部材とセンサの距離は、第１の層の厚みと第２の層の厚みの合計の０．７倍以上１．３倍未満である。

好ましくは、センサ１４０は、第２の層と略平行な磁束の成分を測定する。

好ましくは、第１の層１１０に被験者の足裏を接触させることによって、制御部１９０が静止中または移動中の足裏の形状に関する情報を取得する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ ：変形測定装置
１１０ ：第１のエラストマ層
１１０Ｂ ：第１のエラストマ層
１２０ ：第２のエラストマ層
１３０ ：磁石
１４０ ：磁束密度センサ
１５０ ：基板
１７０ ：繊維シート
１９０ ：制御部
１９１ ：ＣＰＵ
１９２ ：メモリ
１９６ ：通信インターフェイス
２１０ ：樹脂製円筒圧子
２２０ ：ディジタルフォースゲージ
２３０ ：差動増幅器
２４０ ：オシロスコープ

Claims (7)

1. 変形可能であって、磁場勾配を生じさせるように磁性体が散在する第１の層と、
   変形可能であって、前記第１の層と略平行に配置される第２の層と、
   磁場を生成するための部材と、
   磁束密度を測定するためのセンサと、
   前記センサの測定結果に基づいて前記第１の層の変形量を計算するための制御部と、を備える変形測定装置。
2. 前記第１の層に平行に配置される繊維シートをさらに備える、請求項１に記載の変形測定装置。
3. 前記繊維シートは、前記第１の層の、前記第２の層とは逆側の表面を覆うように配置されている、請求項２に記載の変形想定装置。
4. 前記繊維シートは、第１の方向よりも、前記第１の方向に直行する第２の方向に伸びやすく形成されており、
   前記繊維シートは、前記第１の層または前記第２の層が伸縮されやすい方向と前記第２の方向とが略一致するように配置される、請求項２または３に記載の変形測定装置。
5. 前記部材と前記センサは、前記第２の層の、前記第１の層とは逆側に配置され、
   前記部材と前記センサの距離は、前記第１の層の厚みと前記第２の層の厚みの合計の０．７倍以上１．３倍未満である、請求項１から４のいずれか１項に記載の変形測定装置。
6. 前記センサは、前記第２の層と略平行な磁束の成分を測定する、請求項１から５のいずれか１項に記載の変形測定装置。
7. 前記第１の層に被験者の足裏を接触させることによって、前記制御部が静止中または移動中の前記足裏の形状に関する情報を取得する、請求項１から６のいずれか１項に記載の変形測定装置。