JP2019124645A - 硬さセンサおよび硬さセンサアレイ並びに硬さ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度が高く小型のセンサを提供する。【解決手段】硬さセンサは、開口面積の異なる複数の開口部を有する基板と、基板の上面と同一面が上面となるように複数の開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する複数の歪みセンサ部と、膜状で下面が基板の上面に接触するように取り付けられ、上面が測定対象の押圧面を構成する弾性部材と、を備える。測定対象を弾性部材の押圧面に押圧し、その押圧の前後で複数の歪みセンサ部の変形を検出し、その変形に対する歪み比ｒを用いて測定対象のヤング率Ｅを導出する。【選択図】図１

Description

本発明は、硬さセンサおよび硬さセンサアレイ並びに硬さ検出方法に関し、詳しくは、測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さセンサ、および、こうした硬さセンサを面状に複数配置した硬さセンサアレイ、並びに、測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さ検出方法に関する。

従来、この種の技術としては、対象物に押圧される球状接触面を有する接触子と、押圧時の接触面積を測定する機構を有する接触面積測定部と、押圧に伴う対象物からの反力を測定する応力測定部とを備える硬さ測定器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この測定器では、対象物に接触子を押圧したときに接触面積測定部により接触面積を測定すると共に、応力測定部により対象物からの反力を測定し、反力／接触面積に基づいて対象物の硬さを測定している。ここで、接触面積測定部は、対象物と接触したときにオン信号を出力する触覚センサを接触子の球状接触面に複数取り付け、オン信号を出力している触覚センサの数に基づいて接触面積を測定している。

特開２００６−２５０６３３号公報

しかしながら、上述の硬さ測定器では、触覚センサの大きさによって測定の精度が定まるから、測定精度を高くするためには可能な限り触覚センサを小さくして接触子に多数取り付ける必要がある。このため、精度が高く、且つ、小型の測定器を構成するのは困難なものとなる。

本発明の硬さセンサは、精度が高く小型のセンサを提供することを主目的とする。本発明の硬さセンサアレイは、精度が高く小型のセンサを緻密に配置したセンサアレイを提供することを主目的とする。本発明の硬さ検出方法は、小型のセンサでも精度よく測定対象の硬さを検出する方法を提供することを主目的とする。

本発明の硬さセンサおよび硬さセンサアレイ並びに硬さ検出方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の硬さセンサは、
押圧した測定対象の硬さを検出する硬さセンサであって、
開口面積の異なる複数の開口部を有する基板と、
前記基板の上面と同一面が上面となるように前記複数の開口部の各端部に取り付けられ、上面側からの押圧力に対して変形する複数の歪みセンサ部と、
膜状で下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられ、上面が測定対象の押圧面を構成する弾性部材と、
を備えることを要旨とする。

本発明の硬さセンサは、開口面積の異なる複数の開口部を有する基板と、基板の上面と同一面が上面となるように複数の開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する複数の歪みセンサ部と、膜状で下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられ、上面が測定対象の押圧面を構成する弾性部材と、を備える。測定対象を押圧面に押圧すると、弾性部材が弾性変形を生じる。この弾性変形は複数の開口部の複数の歪みセンサ部を変形させる。複数の歪みセンサ部は形成された開口部の開口面積によってその変形の程度が異なるものとなる。複数の歪みセンサ部の変形による歪みの比は、測定対象の硬さ（ヤング率）に応じたものとなるから、複数の歪みセンサ部の変形による歪みの比に基づいて測定対象の硬さを測定することができる。複数の開口部や複数の歪みセンサ部は、２以上であればよく、僅かな開口面積でもよいから、精度が高く小型のセンサとすることができる。特に、基板や歪みセンサ部については半導体技術を用いて構成することができる。この結果、精度が高く小型のセンサとすることができる。ここで、歪みセンサ部は、「前記基板の上面と同一面が上面となるように」取り付けられるものであるが、歪みセンサ部の全ての上面が「基板の上面と同一面」となる必要はなく、上面側から押圧力を受ける部分が「基板の上面と同一面」であればよい。また、「同一面」としては、完全に同一面となる場合だけでなく、上面側から押圧力に対してリニアに変形する程度で「同一面」を担保すればよく、若干の相違があっても構わない。なお、開口部の形状は、円形や多角形のように開口部が閉じているものが含まれる他、コ字状のように開口部が開いているものも含まれる。また、複数の開口部の空間には、空気や弾性部材より軟らかい弾性体或いはゲルなどが充填されているものとしてもよい。

本発明の硬さセンサにおいて、
前記複数の歪みセンサ部は、上面側からの押圧力に対して変形する部位が変形に応じて抵抗値が変化する素材により形成されているものとしてもよい。こうすれば、抵抗値により歪みを計算することができるから、精度をより高くすることができる。

この場合、前記複数の開口部は、第１開口部と第２開口部との２つの開口部であり、前記複数の歪みセンサ部は、前記第１開口部に形成された第１歪みセンサ部と前記第２開口部に形成された第２歪みセンサ部との２つの歪みセンサ部であり、測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２としたときの、ΔＲ２／Ｒ２に対するΔＲ１／Ｒ１の比に基づいて測定対象のヤング率を導出する導出部を備えるものとしてもよい。また、前記複数の開口部は、第１開口部と、前記第１開口部に対して対称に形成された第２開口部および第３開口部と、の３つの開口部であり、前記複数の歪みセンサ部は、前記第１開口部に形成された第１歪みセンサ部と前記第２開口部に形成された第２歪みセンサ部と前記第３開口部に形成された第３歪みセンサ部との３つの歪みセンサ部であり、測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３としたときの、ΔＲ１／Ｒ１の２倍の値に対するΔＲ２／Ｒ２とΔＲ３／Ｒ３の和の比に基づいて測定対象のヤング率を導出する導出部を備えるものとしてもよい。複数の開口部が４つ以上であっても同様である。

本発明の硬さセンサアレイは、上述のいずれかの態様の本発明の硬さセンサ、即ち、基本的には、押圧した測定対象の硬さを検出する硬さセンサであって、開口面積の異なる複数の開口部を有する基板と、前記基板の上面と同一面が上面となるように前記複数の開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する複数の歪みセンサ部と、膜状に下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられ、上面が測定対象の押圧面を構成する弾性部材と、を備える硬さセンサを、面状に複数備えることを要旨とする。

本発明の硬さセンサアレイは、精度が高く小型の硬さセンサを面状に複数備えるから、精度が高く小型のセンサを緻密に配置したセンサアレイとすることができる。

本発明の硬さ検出方法は、
第１開口部および前記第１開口部とは開口面積が異なる第２開口部を有する基板と、前記基板の上面と同一面が上面となるように前記第１開口部および前記第２開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する第１歪みセンサ部および第２歪みセンサ部と、下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられた膜状の弾性部材と、を備えるセンサに対して、前記弾性部材の上面に測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さ検出方法であって、
測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２としたときに、ΔＲ２／Ｒ２に対するΔＲ１／Ｒ１の比に基づいて測定対象の硬さを検出する、
ことを特徴とする。

また、本発明の硬さ検出方法は、
第１開口部と、前記第１開口部とは開口面積が異なり且つ前記第１開口部に対して対称に形成された第２開口部および第３開口部と、を有する基板と、前記基板の上面と同一面が上面となるように前記第１開口部，前記第２開口部，第３開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する第１歪みセンサ部，第２歪みセンサ部，第３歪みセンサ部と、下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられた膜状の弾性部材と、を備えるセンサに対して、前記弾性部材の上面に測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さ検出方法であって、
測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３としたときに、ΔＲ１／Ｒ１の２倍の値に対するΔＲ２／Ｒ２とΔＲ３／Ｒ３の和の比に基づいて測定対象の硬さを検出する、
ことを特徴とする。

本発明の硬さ検出方法では、測定対象を押圧面に押圧すると、弾性部材に弾性変形が生じ、この弾性変形により複数の開口部の複数の歪みセンサ部に変形が生じる。複数の歪みセンサ部は形成された開口部の開口面積によってその変形の程度が異なるものとなる。複数の歪みセンサ部の変形による歪みの比は、測定対象の硬さ（ヤング率）に応じたものとなるから、複数の歪みセンサ部の変形による歪みの比に基づいて測定対象の硬さを測定することができる。各開口部は僅かな開口面積でもよいから、精度が高く小型のセンサとすることができる。特に、基板や歪みセンサ部については半導体技術を用いて構成すれば、より精度が高くより小型のセンサとすることができる。これらの結果、小型のセンサでも精度よく測定対象の硬さを検出することができる。なお、開口部の形状は、円形や多角形のように開口部が閉じているものが含まれる他、コ字状のように開口部が開いているものも含まれる。また、複数の開口部の空間には、空気や弾性部材より軟らかい弾性体或いはゲルなどが充填されているものとしてもよい。

第１実施形態の硬さセンサ２０の構成の概略を示す構成図である。 図１のＡ−Ａ断面により第１実施形態の硬さセンサ２０を示す説明図である。 第１実施形態の硬さセンサ２０により測定対象１０のヤング率Ｅを測定している様子を示す説明図である。 第２実施形態の硬さセンサ１２０の構成の概略を示す構成図である。 図４のＣ−Ｃ断面により第２実施形態の硬さセンサ１２０を示す説明図である。 第２実施形態の硬さセンサ１２０により測定対象１０のヤング率Ｅを測定している様子を示す説明図である。 第２実施形態の硬さセンサ１２０の実測値とシミュレーション結果とを示す説明図である。 図４のＣ−Ｃ断面に相当する断面により変形例の硬さセンサ１２０Ｂを示す説明図である。 硬さセンサアレイ２２０の構成を説明する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、第１実施形態の硬さセンサ２０の構成の概略を示す構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面により第１実施形態の硬さセンサ２０を示す説明図である。なお、図１は、図２のＢ−Ｂ断面により第１実施形態の硬さセンサ２０を示す説明図となる。

第１実施形態の硬さセンサ２０は、図示するように、基板２２と、基板２２に形成された第１開口部２４および第２開口部２６と、第１開口部２４および第２開口部２６の端部に形成された第１歪みセンサ部３４および第２歪みセンサ部３６と、基板２２の上面に載置された弾性部材４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。

基板２２は、ケイ素などの半導体材料により厚さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の板状基板として構成されている。第１開口部２４は、直径が３００μｍ〜１０００μｍ程度の円形の開口部として形成されており、第２開口部２６は、直径が３００μｍ〜１０００μｍ程度で第１開口部２４とは開口面積の異なる円形の開口部として形成されている。

第１歪みセンサ部３４は、第１開口部２４の端部（図１，２における左側端部）から開口部の中央に向けて突出するように、且つ、上面が基板２２の上面と同一になるように、片持ち梁状に形成されている。第２歪みセンサ部３６も、第１歪みセンサ部３４と同様に、第２開口部２６の端部（図１，２における左側端部）から開口部の中央に向けて突出するように、且つ、上面が基板２２の上面と同一になるように、片持ち梁状に形成されている。第１歪みセンサ部３４および第２歪みセンサ部３６は、厚みが１μｍ〜１００μｍ程度で、図２に示すように、１０μｍ〜２００μｍ程度の矩形または円形の頭部３４ａ，３６ａを２つの脚部３４ｂ，３６ｂにより片持ち状に形成されている。２つの脚部３４ｂ，３６ｂは、変形に対して抵抗値が変化するピエゾ抵抗により形成されている。例えば、２つの脚部３４ｂ，３６ｂは、ケイ素層にピエゾ抵抗層を積層することにより構成することができる。第１歪みセンサ部３４および第２歪みセンサ部３６では、頭部３４ａ，３６ａに作用する荷重が変化すると、２つの脚部３４ｂ，３６ｂの撓みの程度が変化し、これにより２つの脚部３４ｂ，３６ｂのピエゾ抵抗層の抵抗値が変化するから、この抵抗値の変化を検出信号として出力する。

弾性部材４０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）により形成された厚さが１０μｍ〜１０００μｍの膜状に形成されている。弾性部材４０の上面は測定対称１０の押圧面となる。

電子制御ユニット５０は、図示しないＣＰＵを中心とする汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないが、ＣＰＵの他にＲＯＭやＲＡＭ、入出力ポートなどを備える。電子制御ユニット５０では、定電圧を第１歪みセンサ部３４，第２歪みセンサ部３６の脚部３４ｂ，３６ｂに作用させ、脚部３４ｂ，３６ｂに流れる電流Ｉ１，Ｉ２を入力し、この電流Ｉ１，Ｉ２により脚部３４ｂ，３６ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２を演算する。

図３は、第１実施形態の硬さセンサ２０により測定対象１０のヤング率Ｅを測定している様子を示す説明図である。図示するように、測定対象１０を弾性部材４０の上面（押圧面）に押圧すると、測定対象１０の弾性変形に伴って弾性部材４０が弾性変形する。弾性部材４０は、下面で第１歪みセンサ部３４および第２歪みセンサ部３６を押圧し、第１歪みセンサ部３４および第２歪みセンサ部３６を変形させる。第１歪みセンサ部３４と第２歪みセンサ部３６は、取り付けられた第１開口部２４と第２開口部２６の開口面積が異なるため、その変形量は異なるものとなる。第１歪みセンサ部３４，第２歪みセンサ部３６の脚部３４ｂ，３６ｂは、変形により抵抗値を変化させるから、変形の前後の抵抗値の変化量ΔＲ１，ΔＲ２を計算すれば、変形前の抵抗値Ｒ１，Ｒ２に対する抵抗値変化量ΔＲ１，ΔＲ２として抵抗歪みε１＝ΔＲ１／Ｒ１，ε２＝ΔＲ２／Ｒ２を得ることができる。いま、ヤング率Ｅを歪み比ｒの関数とすれば、ヤング率Ｅは次式（１）により求めることができる。歪み比ｒは、抵抗歪みε１，ε２を用いれば式（２）として表わすことができる。したがって、第１実施形態の硬さセンサ２０では、測定対象１０の押圧の前後で第１歪みセンサ部３４，第２歪みセンサ部３６の脚部３４ｂ，３６ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２を検出することにより、測定対象１０のヤング率Ｅ、即ち、測定対象１０の硬さを検出することができる。

以上説明した第１実施形態の硬さセンサ２０では、基板２２に開口面積の異なる第１開口部２４と第２開口部２６とを形成し、第１開口部２４と第２開口部２６に片持ち梁状に第１歪みセンサ部３４と第２歪みセンサ部３６とを形成し、基板２２の上面に弾性部材４０を載置する。測定対象１０を弾性部材４０の上面（押圧面）に押圧し、その押圧の前後の第１歪みセンサ部３４，第２歪みセンサ部３６の脚部３４ｂ，３６ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２を検出し、式（２）により得られる歪み比ｒを用いて測定対象１０のヤング率Ｅを導出する。第１実施形態の硬さセンサ２０は半導体技術を用いて形成することができるから、高い精度で小型のセンサとすることができる。

次に、本発明の第２実施形態の硬さセンサ１２０について説明する。図４は、第２実施形態の硬さセンサ１２０の構成の概略を示す構成図である。図５は、図４のＣ−Ｃ断面により第２実施形態の硬さセンサ１２０を示す説明図である。なお、図４は、図５のＤ−Ｄ断面により第２実施形態の硬さセンサ１２０を示す説明図となる。

第２実施形態の硬さセンサ１２０は、図示するように、基板１２２と、基板１２２に形成された第１開口部１２４，第２開口部１２６，第３開口部１２８と、第１開口部１２４，第２開口部１２６，第３開口部１２８に形成された第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８と、基板１２２の上面に載置された弾性部材１４０と、電子制御ユニット１５０と、を備える。

基板１２２は、第１実施形態と同様に、シリコンなどの半導体材料により厚さＴで幅Ｌ１、長さＬ２の全体として矩形の板状に形成されている。第１開口部１２４は、Ｌ１の１／３程度の矩形の開口部として形成されている。第２開口部１２６は、基板１２２の図中左側から台形状に切り落とした開口部として形成されている。第３開口部１２８は、第１開口部１２４に対して対称に第２開口部１２６と対となるように形成されている。

第１歪みセンサ部１３４は、第１開口部２４の端部（図５における上側端部）から開口部の中央に向けて突出するように、且つ、上面が基板１２２の上面と同一になるように、片持ち梁状に形成されている。第２歪みセンサ部１３６は、第２開口部１２６の端部（図５における右側端部）から開口部の中央に向けて突出するように、且つ、上面が基板１２２の上面と同一になるように、片持ち梁状に形成されている。第３歪みセンサ部１３８は、第２歪みセンサ部１３６と対をなすように、即ち、第３開口部１２８の端部（図５における左側端部）から開口部の中央に向けて突出するように、且つ、上面が基板１２２の上面と同一になるように、片持ち梁状に形成されている。第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８は、いずれも、厚みｔ、全体として幅ｌ１、長さｌ２の矩形の頭部１３４ａ，１３６ａ，１３８ａと２つの脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂとにより片持ち状に形成されている。２つの脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂは、変形に対して抵抗値が変化するピエゾ抵抗により形成されている。

弾性部材１４０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）により形成された厚さｍの膜状に形成されている。弾性部材４０の上面は測定対称１０の押圧面となる。

電子制御ユニット１５０は、第１実施形態の電子制御ユニット５０と同様に、図示しないＣＰＵを中心とする汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないが、ＣＰＵの他にＲＯＭやＲＡＭ、入出力ポートなどを備える。電子制御ユニット１５０では、定電圧を第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８の脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂに作用させ、脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂに流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を入力し、この電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３により脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を演算する。

図６は、第２実施形態の硬さセンサ１２０により測定対象１０のヤング率Ｅを測定している様子を示す説明図である。図示するように、測定対象１０を弾性部材１４０の上面（押圧面）に押圧すると、測定対象１０の弾性変形に伴って弾性部材１４０が弾性変形する。弾性部材１４０は、下面で第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８を押圧し、第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８を変形させる。第１歪みセンサ部１３４と第２歪みセンサ部１３６および第３歪みセンサ部１３８は、取り付けられた第１開口部１２４と第２開口部１２６および第３開口部１２８の開口面積が異なるため、その変形量は異なるものとなる。第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８の脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂは、変形により抵抗値を変化させるから、変形の前後の抵抗値の変化量ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３を計算すれば、変形前の抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に対する抵抗値変化量ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３として抵抗歪みε１＝ΔＲ１／Ｒ１，ε２＝ΔＲ２／Ｒ２,ε３＝ΔＲ３／Ｒ３を得ることができる。歪み比ｒとして、抵抗歪みε１，ε２，ε３を用いて次式（３）を考えれば、式（１）に示すように、この歪み比ｒの関数としてヤング率Ｅを求めることができる。したがって、第２実施形態の硬さセンサ１２０では、測定対象１０の押圧の前後で第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８の脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を検出することにより、測定対象１０のヤング率Ｅ、即ち、測定対象１０の硬さを検出することができる。

図７は、第２実施形態の硬さセンサ１２０の実測値とシミュレーション結果とを示す説明図である。図中、実線の折れ線グラフはシミュレーション結果を示し、縦線による範囲と黒四角形により平均値を示すマークが実測値である。この実測値は、第２実施形態の硬さセンサ１２０の基板１２２としては厚さＴ＝０．３ｍｍ、幅Ｌ１＝３ｍｍ、長さＬ２＝３ｍｍとし、第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８としては厚みｔ＝２０μｍ、全体としての幅ｌ１＝１００μｍ、長さｌ２＝１５０μｍとし、第１歪みセンサ部１３４と第２歪みセンサ部１３６との間隔については７５０μｍとした。また、弾性部材１５０としては厚みｍ＝５００μｍとした。図示するように、実測値は、ヤング率Ｅが小さい範囲でシミュレーション結果から乖離するが、ヤング率Ｅが大きい範囲ではシミュレーション結果によく一致する。したがって、実測値から歪み比ｒとヤング率Ｅとの関係を求めてマップとして用いることにより、精度良く測定対象１０のヤング率Ｅを求めることができる。

以上説明した第２実施形態の硬さセンサ１２０では、基板１２２に第１開口部１２４と第１開口部１２４に対して対称に対となるように第２開口部１２６と第３開口部１２８とを形成し、第１開口部１２４，第２開口部１２６，第３開口部１２８に片持ち梁状に第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８を形成し、基板１２２の上面に弾性部材１４０を載置する。測定対象１０を弾性部材１４０の上面（押圧面）に押圧し、その押圧の前後の第１歪みセンサ部１３４，第２歪みセンサ部１３６，第３歪みセンサ部１３８の脚部１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を検出し、式（３）により得られる歪み比ｒを用いて測定対象１０のヤング率Ｅを導出する。第２実施形態の硬さセンサ１２０は半導体技術を用いて形成することができるから、高い精度で小型のセンサとすることができる。

第１実施形態の硬さセンサ２０では２つの開口部と２つの歪みセンサ部とによりセンサを構成するものとし、第２実施形態の硬さセンサ１２０では３つの開口部と３つの歪みセンサ部とによりセンサを構成するものとした。しかし、４つ以上の開口部と４つ以上の歪みセンサ部とによりセンサを構成するものとしても構わない。

第１実施形態の硬さセンサ２０の２つの歪みセンサ部３４，３６や第２実施形態の硬さセンサ１２０の３つの歪みセンサ部１３４，１３６，１３８では、頭部３４ａ，３６ａ，１３４ａ，１３６ａ，１３８ａと２つの脚部３４ｂ，３６ｂ，１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂにより片持ち支持するものとしたが、頭部を単一の脚部で片持ち支持するものとしてもよい。

第１実施形態の硬さセンサ２０の２つの歪みセンサ部３４，３６や第２実施形態の硬さセンサ１２０の３つの歪みセンサ部１３４，１３６，１３８では、頭部３４ａ，３６ａ，１３４ａ，１３６ａ，１３８ａと２つの脚部３４ｂ，３６ｂ，１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂにより片持ち支持するものとしたが、複数の歪みセンサ部は両持ち支持による梁部材としてもよい。例えば、図５と同様の断面として示す図８の変形例の硬さセンサ１２０Ｂのように、基板１２２Ｂに形成された第１開口部１２４Ｂ，第２開口部１２６Ｂ，第３開口部１２８Ｂの端部に両持ち支持による３つの歪みセンサ部１３４Ｂ，１３６Ｂ，１３８Ｂを備えるものとしてもよい。

第１実施形態の硬さセンサ２０の第１開口部２４，第２開口部２６や第２実施形態の硬さセンサ１２０の第１開口部１２４，第２開口部１２６，第３開口部１２８の空間には、特に何も充填しないもの、即ち空気が存在するものとしたが、これらの開口部の空間に弾性部材４０，１４０より軟らかい弾性体或いはゲルなどが充填されているものとしてもよい。

第２実施形態の硬さセンサ１２０は単独で作用するセンサとして構成したが、図９に例示するように、第２実施形態の硬さセンサ１２０を縦横に複数配置して硬さセンサアレイ２２０としてもよい。なお、図９では、弾性部材１４０の図示は省略したが、センサアレイ全体を弾性部材で覆うものとしてもよい。この場合、センサアレイの背面も弾性部材で覆うものとしてもよい。このような硬さセンサアレイ２２０は、ロボットの表面に取り付けることにより、ロボットに触れた対象物の硬さを測定し、対象物の特定に役立てることができる。硬さセンサアレイとしては、第１実施形態の硬さセンサ２０を縦横に複数配置するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、硬さセンサの製造産業などに利用可能である。

２０，１２０，１２０Ｂ 硬さセンサ、２２，１２２，１２２Ｂ 基板、２４，１２４，１２４Ｂ 第１開口部、２６，１２６，１２６Ｂ 第２開口部、１２８，１２８Ｂ 第３開口部、３４，１３４，１３４Ｂ 第１歪みセンサ部、３６，１３６，１３６Ｂ 第２歪みセンサ部、１３８，１３８Ｂ 第３歪みセンサ部、３４ａ，３６ａ，１３４ａ，１３６ａ，１３８ａ 頭部、３４ｂ，３６ｂ，１３４ｂ，１３６ｂ，１３８ｂ 脚部、５０，１５０ 電子制御ユニット、２２０ 硬さセンサアレイ。

Claims (7)

1. 押圧した測定対象の硬さを検出する硬さセンサであって、
   開口面積の異なる複数の開口部を有する基板と、
   前記基板の上面と同一面が上面となるように前記複数の開口部の各端部に取り付けられ、上面側からの押圧力に対して変形する複数の歪みセンサ部と、
   膜状で下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられ、上面が測定対象の押圧面を構成する弾性部材と、
   を備える硬さセンサ。
2. 請求項１記載の硬さセンサであって、
   前記複数の歪みセンサ部は、上面側からの押圧力に対して変形する部位が変形に応じて抵抗値が変化する素材により形成されている、
   硬さセンサ。
3. 請求項２記載の硬さセンサであって、
   前記複数の開口部は、第１開口部と第２開口部との２つの開口部であり、
   前記複数の歪みセンサ部は、前記第１開口部に形成された第１歪みセンサ部と前記第２開口部に形成された第２歪みセンサ部との２つの歪みセンサ部であり、
   測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２としたときの、ΔＲ２／Ｒ２に対するΔＲ１／Ｒ１の比に基づいて測定対象のヤング率を導出する導出部を備える、
   硬さセンサ。
4. 請求項２記載の硬さセンサであって、
   前記複数の開口部は、第１開口部と、前記第１開口部に対して対称に形成された第２開口部および第３開口部と、の３つの開口部であり、
   前記複数の歪みセンサ部は、前記第１開口部に形成された第１歪みセンサ部と前記第２開口部に形成された第２歪みセンサ部と前記第３開口部に形成された第３歪みセンサ部との３つの歪みセンサ部であり、
   測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３としたときの、ΔＲ１／Ｒ１の２倍の値に対するΔＲ２／Ｒ２とΔＲ３／Ｒ３の和の比に基づいて測定対象のヤング率を導出する導出部を備える、
   硬さセンサ。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の硬さセンサを面状に複数備える硬さセンサアレイ。
6. 第１開口部および前記第１開口部とは開口面積が異なる第２開口部を有する基板と、前記基板の上面と同一面が上面となるように前記第１開口部および前記第２開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する第１歪みセンサ部および第２歪みセンサ部と、下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられた膜状の弾性部材と、を備えるセンサに対して、前記弾性部材の上面に測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さ検出方法であって、
   測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２としたときに、ΔＲ２／Ｒ２に対するΔＲ１／Ｒ１の比に基づいて測定対象の硬さを検出する、
   ことを特徴とする硬さ検出方法。
7. 第１開口部と、前記第１開口部とは開口面積が異なり且つ前記第１開口部に対して対称に形成された第２開口部および第３開口部と、を有する基板と、前記基板の上面と同一面が上面となるように前記第１開口部，前記第２開口部，第３開口部の各端部に取り付けられて上面側からの押圧力に対して変形する第１歪みセンサ部，第２歪みセンサ部，第３歪みセンサ部と、下面が前記基板の上面に接触するように取り付けられた膜状の弾性部材と、を備えるセンサに対して、前記弾性部材の上面に測定対象を押圧したときに測定対象の硬さを検出する硬さ検出方法であって、
   測定対象を押圧していないときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、測定対象を押圧したときの前記第１歪みセンサ部，前記第２歪みセンサ部，前記第３歪みセンサ部の抵抗値の変化量をΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３としたときに、ΔＲ１／Ｒ１の２倍の値に対するΔＲ２／Ｒ２とΔＲ３／Ｒ３の和の比に基づいて測定対象の硬さを検出する、
   ことを特徴とする硬さ検出方法。