JP5608865B2 - Load measurement system - Google Patents
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Description
本発明は、対象物に作用する荷重を検出するための荷重測定システムに関し、特に、高温環境を含む様々な環境下で安定して三軸荷重あるいは荷重分布を測定することが可能な荷重測定システムに関する。 The present invention relates to a load measuring system for detecting a load acting on an object, and in particular, a load measuring system capable of stably measuring a triaxial load or a load distribution under various environments including a high temperature environment. About.
従来、質量やトルクなどの物体に作用する力を検出するための荷重センサは、秤や各種試験機、自動車部品やその他の産業界など多くの分野で利用されている。 Conventionally, a load sensor for detecting a force acting on an object such as mass or torque is used in many fields such as a scale, various testing machines, automobile parts, and other industries.
また、荷重センサの方式、種類についても、ばねを用いたエレベータの荷重検出装置(例えば特許文献1参照)や、ピエゾ素子を用いた荷重測定装置(例えば特許文献2参照)など、様々なものが存在する。 Various types of load sensors are available, such as an elevator load detection device using a spring (see, for example, Patent Document 1) and a load measurement device using a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 2). Exists.
そして、歪みゲージを用いたロードセルは、荷重を電気信号に変換する荷重変換器であり、荷重検出後のデータ処理が容易であること、また安価で一般的に高寿命であることから、体重計(例えば特許文献3参照)や荷重センサ(例えば特許文献4参照)として広く用いられている。ロードセルには、その用途ごとに、ビーム型、ダイヤフラム型などいくつか種類が存在する。また、その材料には一般的に、鉄、ステンレス、アルミなどの金属が用いられている。 A load cell using a strain gauge is a load converter that converts a load into an electric signal, and is easy to process data after detecting the load, and is inexpensive and generally has a long life. (See, for example, Patent Document 3) and load sensors (see, for example, Patent Document 4). There are several types of load cells, such as a beam type and a diaphragm type, depending on the application. In general, metals such as iron, stainless steel, and aluminum are used as the material.
荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでにシート状センサ装置(例えば特許文献5参照)やタイヤの接地荷重分布検出装置(例えば特許文献6参照)など幾つか提案されている。 When the load sensor measures the load applied to the object, especially when the load sensor and the object are in surface contact, information on the distribution of the load applied to the object is required. There have been proposed several load sensors for measuring such load distribution, such as a sheet sensor device (see, for example, Patent Document 5) and a tire ground contact load distribution detection device (see, for example, Patent Document 6). .
また、荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に精密な作業が必要になる場合などは、荷重センサに加わる荷重から、垂直成分と水平成分とをそれぞれに検出して、荷重のベクトルを高精度に測定する必要があり、そのための方式についても歪みゲージを用いた三次元荷重分布センサ(例えば特許文献7参照)や三軸方向荷重センサ(例えば特許文献8参照)など幾つか提案されている(特許文献7、8)。
Also, when the load sensor measures the load applied to the object, especially when precise work is required, the vertical component and the horizontal component are detected from the load applied to the load sensor, respectively. It is necessary to measure the load vector with high accuracy, and there are several methods for this purpose, such as a three-dimensional load distribution sensor using a strain gauge (for example, see Patent Document 7) and a triaxial load sensor (for example, see Patent Document 8). (
また、荷重センサが、対象物に加えられた荷重を測定するとき、特に、荷重センサと対象物とが面接触している場合には、対象物に加えられた荷重の分布の情報が必要になることがあり、そうした荷重分布を測定するための荷重センサについてこれまでに感圧導電性インク、感圧導電性ゴムなどの感圧抵抗体を用いたセンサシート(特許文献9参照)が提案されている。 In addition, when the load sensor measures the load applied to the object, especially when the load sensor and the object are in surface contact, information on the distribution of the load applied to the object is required. As a load sensor for measuring such load distribution, a sensor sheet using a pressure-sensitive resistor such as pressure-sensitive conductive ink or pressure-sensitive conductive rubber has been proposed (see Patent Document 9). ing.
また、本発明者らは、ロボットのアーム、ボディー、手先部等の作用力を検出する力覚センサとして、特にロボット、医療用ベッドなどの物体表面に固着させることによって、人体などの接触体との接触時に柔軟変形すると同時に、接触体から物体表面に作用する接触荷重(3軸方向の力)の大きさ及びその荷重方向を検出可能な柔軟接触型荷重測定センサ(特許文献10参照)を提案している。 In addition, the present inventors, as a force sensor for detecting the acting force of a robot arm, body, hand portion, etc., particularly a contact body such as a human body by being fixed to an object surface such as a robot or a medical bed. A flexible contact-type load measurement sensor (see Patent Document 10) capable of detecting the magnitude of the contact load (triaxial force) acting on the object surface from the contact body and the direction of the load simultaneously with the flexible deformation at the time of contact doing.
また、食品用ロボット、医療用ロボット、産業用ロボット、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等の利用に供し得る、感圧素子を用いた触覚センサ(特許文献11参照)なども提案されている。 Also proposed are tactile sensors using pressure sensitive elements (see Patent Document 11) that can be used for food robots, medical robots, industrial robots, pressure sensors for mechanical devices, computer input devices, etc. Has been.
さらに、食品用ロボット、医療用ロボット、産業用ロボット、機械装置用の感圧センサ、コンピュータの入力装置等の利用に供し得る、感圧素子を用いた触覚センサ(特許文献11参照)、外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応した成分を検出可能な、感圧抵抗体を用いたセンサシート(特許文献12参照)なども提案されている。 Furthermore, a tactile sensor using a pressure sensitive element (see Patent Document 11) that can be used for food robots, medical robots, industrial robots, pressure sensors for mechanical devices, computer input devices, and the like, from the outside There has also been proposed a sensor sheet (see Patent Document 12) using a pressure-sensitive resistor capable of detecting components corresponding to a plurality of different directions of applied force.
しかし、上記特許文献に記載の従来の荷重センサは、いずれも耐熱性が一つの弱点となっている。例えば、一般的な歪ゲージを用いたロードセルなどのセンサは使用温度範囲の上限値が40℃から60℃程度であり、それよりも高い温度条件下での荷重測定が必要なケースが増えつつある。特に近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術の発達に伴い、μm単位の高度な微細加工技術として熱ナノインプリントが注目されており、熱ナノインプリントに用いるモールドに加わる荷重分布を測定しようとする場合などには、測定対象物は300℃乃至1500℃程度まで加熱されるため、前記従来の荷重センサでは耐えられないという問題がある。 However, each of the conventional load sensors described in the above-mentioned patent documents has a weak point in heat resistance. For example, a sensor such as a load cell using a general strain gauge has an upper limit of the operating temperature range of about 40 ° C. to 60 ° C., and cases in which load measurement under higher temperature conditions is required are increasing. . In recent years, with the development of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, thermal nanoimprinting has attracted attention as an advanced microfabrication technology in units of μm. Let's measure the load distribution applied to the mold used for thermal nanoimprinting In such a case, since the measurement object is heated to about 300 ° C. to 1500 ° C., there is a problem that the conventional load sensor cannot withstand.
また、特許文献7、8記載の三軸方向荷重を測定する荷重センサは、荷重方向の成分毎に、一軸荷重センサを配置する構成になっているため、装置が複雑化、大型化する傾向があり、例えば、対象物が微小、脆弱な物である場合や、荷重センサを薄型化する必要がある場合に、その適用が困難となる等の問題もある。
Moreover, since the load sensor which measures the triaxial direction load of
特許文献9記載のセンサシート201は、図24に示すように、帯状であり且つ互いに離隔するように配置された複数の第1電極211が配置された基板210と、基板220の上方に配置された支持部材230と、支持部材230及びカバー層231よりも硬い材質からなる複数の円柱形状のコア部材240と、外部から加えられる力を受ける平坦な(凹凸のない)カバー層231と、基板210の上面に形成された帯状であり且つ互いに離隔すると共に平面視において複数の第1電極211と交差するように配置されており、外部から加えられる力に伴って第1電極211に近接する方向に変位可能である複数の第2電極221と、複数の第1電極211と複数の第2電極221とをそれぞれ覆うように配置された複数の感圧抵抗体212、222と、を備えており、部品点数が多く煩雑な構成となっている。このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成のセンサシート201は、前記耐熱性に乏しいという問題点の他に、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。
As shown in FIG. 24, the sensor sheet 201 described in Patent Document 9 is disposed above the substrate 210 and the substrate 210 on which a plurality of first electrodes 211 arranged in a strip shape and spaced apart from each other are disposed. The support member 230, a plurality of cylindrical core members 240 made of a material harder than the support member 230 and the cover layer 231, a flat cover layer 231 that receives external force, and the substrate 210. The strips are formed on the upper surface of the first electrode 211 and are spaced apart from each other and are arranged so as to intersect with the plurality of first electrodes 211 in a plan view, in a direction approaching the first electrode 211 in accordance with a force applied from the outside. A plurality of pressure
特許文献10記載の柔軟接触型荷重測定センサは、接触体側に配置される弾性体及びスキン層からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板と、弾性体側の基板の下面に形成されマイクロスイッチをオン状態とする電極と、電極と対向する基板の上面に形成されたマイクロスイッチSの端子306と、からなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチSの位置に基づいて、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出するユニットとなるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、部品点数が多く煩雑な構成となっている。このように、部品点数が多く積層された煩雑な構成の柔軟接触型荷重測定センサは、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなるという問題点がある。さらに、柔軟接触型荷重測定センサは、荷重に応じてマイクロスイッチSがON−OFF反応することを利用して荷重を検出するように構成しているため、荷重分解能があまりよくはなく荷重測定値が階段状になるとともに、マイクロスイッチS用の配線が煩雑になる等々の問題点がある。
The flexible contact type load measurement sensor described in
さらに、特許文献3に記載の触覚センサは、硬質材料で形成され、変位可能な接触子と、この接触子を表面に設け、接触子の変位を検出ポイントで検出して出力する感圧素子とを備え、感圧素子は、シート状に形成した感圧導電シートと、この感圧導電シートの表面に設けた複数の第一電極と、第一電極と感圧導電シートを介して交差するように感圧導電シートの裏面に設けた複数の第二電極とを有するユニットであるセンサセルが、図示しないが、複数連接された、特に交叉する複数の第一電極及び第二電極の部品点数が多く煩雑な構成となっている。
Furthermore, the tactile sensor described in
このような構成の触覚センサは、前記耐熱性に乏しいという問題点の他に、各センサセルが互いに異なる複数の方向に対応した多数の櫛型又は平行電極(複数の交叉する第1電極及び第2電極)を有しているので、小型化が難しいとともに、特に多数のセンサセルが近接するように配置した場合には、多数の第1電極及び第2電極の全てからリード線を引き出すことは非常に困難である。また、各センサセルの構成が煩雑であり、センサセルの密度を高める場合の効率が非常に悪い。さらに、各センサセルで検出した荷重をその大きさに比例した電圧に変換する場合に、全ての接触抵抗に対して1:1の比率で抵抗を電圧に変換するR/V変換回路が必要となり、変換回路が大がかりなものとなり、小型・軽量化が難しいとともに製作コストも高くなる等々の問題点がある。 In the tactile sensor having such a configuration, in addition to the problem that the heat resistance is poor, each sensor cell has a large number of comb-shaped or parallel electrodes (a plurality of intersecting first electrodes and second electrodes corresponding to a plurality of different directions). It is difficult to reduce the size of the device, and particularly when a large number of sensor cells are arranged close to each other, it is very difficult to draw out lead wires from all of the large number of first electrodes and second electrodes. Have difficulty. Further, the configuration of each sensor cell is complicated, and the efficiency in increasing the density of sensor cells is very poor. Furthermore, when converting the load detected by each sensor cell into a voltage proportional to the magnitude, an R / V conversion circuit that converts the resistance to voltage at a ratio of 1: 1 with respect to all the contact resistances is required. There is a problem that the conversion circuit becomes large, and it is difficult to reduce the size and weight, and the manufacturing cost is increased.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡潔な小形・軽量構造で設計の自由度を有し、例えば熱ナノインプリントなどにおける高温環境を含む様々な環境下で安定して三軸荷重あるいは荷重分布を測定することが可能な荷重センサを有する荷重測定システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to have a simple, small and lightweight structure and to have a degree of design freedom, for example, various types including high temperature environments such as thermal nanoimprint. An object of the present invention is to provide a load measuring system having a load sensor capable of stably measuring a triaxial load or a load distribution under a harsh environment.
上記目的を達成するため、本発明の荷重測定システムは、 荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、前記荷重センサは、電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、前記接触部に任意荷重Pが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から、前記任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptと垂直成分である垂直荷重Pnに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、前記導電性部材は、グラッシーカーボンからなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a load measuring system according to the present invention includes a contact portion that is a measurement object placed in contact with a load sensor, and a load sensor that measures a load acting on the contact portion. The load sensor is sandwiched between a pair of substrates on which electrodes are formed and the electrodes of the pair of substrates, and has a characteristic that an electric resistance value changes when a load is applied in a state where a voltage is applied. A conductive member comprising a conductive composite material, and the pair of substrates is formed by equally dividing the electrodes formed on one or both substrates into a plurality of planar electrode zones, When an arbitrary load P is applied to the contact portion, a shear load Pt, which is a horizontal component of the arbitrary load P, and a vertical load, which is a vertical component, are detected from the voltage change detection values of the electrode zones divided into the plurality. Pn A part or the whole of the arithmetic processing system for performing arithmetic processing separately is provided inside or outside the load sensor as a part of the configuration of the load sensor, and the conductive member is made of glassy carbon. To do.
また、荷重センサに接触させて配置する測定対象物である接触部と、前記接触部に作用する荷重を測定する荷重センサとを有する荷重測定システムであって、前記荷重センサは、電極が形成された一対の基板と、前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、前記接触部に任意荷重Pが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から、前記任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptと垂直成分である垂直荷重Pnに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、前記導電性部材は、グラッシーカーボンに気相成長炭素繊維を添加した複合材料からなることを特徴とする。 Further, the load measuring system includes a contact portion that is a measurement object to be placed in contact with the load sensor, and a load sensor that measures a load acting on the contact portion, and the load sensor includes an electrode. A pair of substrates, and a conductive member made of a conductive composite material sandwiched between the electrodes of the pair of substrates and having a characteristic that an electric resistance value changes when a load is applied in a state where a voltage is applied. The pair of substrates is formed by equally dividing the electrodes formed on one or both substrates into a plurality of planar electrode zones and applying an arbitrary load P to the contact portion. An arithmetic processing system that performs arithmetic processing by separating the detected voltage change value of each of the electrode zones divided into the shear load Pt that is a horizontal component of the arbitrary load P and the vertical load Pn that is a vertical component of the arbitrary load P. Partly Whole, provided inside or outside of the load sensors as part of the configuration of the load sensor, the conductive member may be made of a composite material obtained by adding a vapor-grown carbon fibers in glassy carbon.
また、前記一対の基板のうち、一方の基板が、前記導電性部材により電極を兼ねて一体的に形成された構成に置き換えられることを特徴とする。 In addition, one of the pair of substrates may be replaced with a configuration in which the conductive member is integrally formed to serve as an electrode.
また、前記電極は、前記接触部が配置される平面内において、4つの均等に分割された電極ゾーンに形成されていることを特徴とする。 Further, the electrode is formed in four equally divided electrode zones in a plane where the contact portion is arranged .
また、前記電極が形成された一対の基板及び前記導電性部材は、いずれも生体適合性材料から構成されることを特徴とする。 The pair of substrates on which the electrodes are formed and the conductive member are both made of a biocompatible material .
また、前記電極が形成された一対の基板は生体適合性材料のチタン(Ti)からなり、前記導電性部材は生体適合性材料のグラッシーカーボン(GC)からなることを特徴とする。 The pair of substrates on which the electrodes are formed is made of a biocompatible material titanium (Ti), and the conductive member is made of a biocompatible material glassy carbon (GC) .
また、本発明に係る荷重センサに用いられる電極は、十分な導電性及び前記耐熱性を有している限り、材料に特に限定されない。 Moreover, the electrode used for the load sensor according to the present invention is not particularly limited to the material as long as it has sufficient conductivity and heat resistance.
本発明に係る荷重センサに用いられる電極が形成された基板は、前記耐熱性を有し電極の固定が可能なものであれば、材料に特に限定されない。さらに、基板自体を金属あるいはGCを含む導電性複合材料からなる導電性部材で作製し、前記電極兼ねて一体化させた導電性部材に置き換えてもよい。 The substrate on which the electrode used in the load sensor according to the present invention is formed is not particularly limited to a material as long as it has the heat resistance and can fix the electrode. Further, the substrate itself may be made of a conductive member made of a conductive composite material containing metal or GC, and replaced with a conductive member integrated as the electrode.
本発明に係る荷重センサにおいては、電極が形成された一対の基板のうちの一方又は双方の電極を複数に分割して、前記分割された電極をそれぞれゾーン1、2、・・・などと定義して区別する。荷重センサに任意荷重Pが負荷されたときには、前記各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧が変化する。これを利用して、各ゾーンの電圧変化の関係から前記荷重センサに負荷される任意荷重Pを水平成分であるせん断荷重Ptと、垂直成分である垂直荷重Pnに分離して測定することが可能になる。また、前記電極の分割数を増やすことにより、各ゾーンの電圧変化の分解能を向上させ、これにより、詳細な荷重分布を正確に測定することが可能になる。
In the load sensor according to the present invention, one or both of the pair of substrates on which the electrodes are formed is divided into a plurality of parts, and the divided electrodes are defined as
さらに、せん断荷重Ptと、垂直荷重Pnの測定には、各ゾーンの電圧検出値を用いての演算処理が必要となるため、この演算処理を行うための、演算処理手段乃至制御手段を有する演算処理システムの一部又は全体を前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は/及び外部に設けても良い。 Furthermore, since the calculation of the shear load Pt and the vertical load Pn requires a calculation process using the voltage detection value of each zone, a calculation having calculation processing means or control means for performing this calculation process. A part or the whole of the processing system may be provided inside or / and outside the load sensor as part of the configuration of the load sensor.
本発明によれば、電極が形成された一対の基板と、一対の基板間に挟持されたグラッシーカーボンを含む物質などの耐熱性及び電圧を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値が変化するという特性を兼ね備えた導電性複合材料からなる導電性部材と、を有する簡潔な構成の荷重センサを有することから、小形・軽量化が容易で設計の自由度を有し、例えば熱ナノインプリントなどにおける高温環境を含む様々な環境下で安定して対象物に加わる荷重のうち、水平荷重と垂直荷重とをそれぞれに分離して三軸荷重あるいは分布荷重を測定することが可能な荷重測定システムを提供できる効果がある。 According to the present invention, the electrical resistance value changes when a load is applied while applying a heat resistance and a voltage such as a pair of substrates on which electrodes are formed and a glassy carbon sandwiched between the pair of substrates. Because it has a load sensor with a simple structure and a conductive member made of a conductive composite material that also has characteristics, it is easy to make it compact and lightweight, and has a high degree of design freedom, for example, a high temperature environment such as thermal nanoimprint The effect of providing a load measurement system that can measure a triaxial load or a distributed load by separating a horizontal load and a vertical load out of loads applied to an object stably under various environments including There is.
また、本発明に係る荷重センサにおいて、前記電極が形成された一対の基板に生体適合性材料のチタン(Ti)、前記導電性部材に生体適合性材料であるグラッシーカーボン(GC)を適用することにより、小形・軽量で、各種医療用器具に適用可能な把持力とせん断力を測定できる荷重測定システムを提供することが可能となる効果がある。 In the load sensor according to the present invention, biocompatible material titanium (Ti) is applied to the pair of substrates on which the electrodes are formed, and glassy carbon (GC) is applied to the conductive member. Accordingly, there is an effect that it is possible to provide a load measuring system that is small and lightweight and can measure a gripping force and a shearing force that can be applied to various medical instruments.
以下、本発明の荷重測定システムを実施するための形態の具体例を、添付図面を参照しながら説明する。これらの添付図中、実施例1乃至3における構成部材の一部形状が異なっていても同じ部材には同一の符号を付してある。 Hereinafter, a specific example of an embodiment for carrying out the load measuring system of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In these accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same members even if the shapes of the constituent members in the first to third embodiments are different.
本発明の一実施形態による実施例1の荷重測定システム1は、図1に概念的に示すように、図示しない電気絶縁部材を介して測定対象物例えば熱ナノインプリントなどに用いる金型を接触部20として備え、この接触部20に作用する荷重Pを測定する荷重センサ10を有する。
As conceptually shown in FIG. 1, the
荷重センサ10は、電極31、51がそれぞれ形成された上下一対の基板30、50と、一対の基板30、50の電極31、51間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重Pを負荷することにより電気抵抗値が変化する特性及び1000℃を超える高温環境下でも安定しているという耐熱性を兼ね備えた導電性部材40とを有する。電極31、51がそれぞれ形成された一対の基板30、50及び導電性部材40は、荷重検出層を構成する。
The
導電性部材40には、グラッシーカーボン(以下、GCという)及びGCに気相成長炭素繊維(以下、VGCFという)を添加した複合材料GC/VGCFを用いた。GC/VGCFは、グラッシーカーボンと同様、高温で使用可能な導電性部材として有効である。また、GC及びGC/VGCFは、導電性複合材料であるため、電圧を印加しながら荷重Pを負荷すると電気抵抗値が変化する性質があり、一対の基板30、50の電極31、51間の電圧変化を測定することで負荷された荷重Pを測定することができる。この実施例では、GCに、VGCFを質量比で12wt%添加したGC/12wt%VGCFを用いた。
As the
この実施例では、電極51が形成された下部基板50を面状に4分割することで荷重検出層を面状の4つのゾーンに分割し、図1に示すように、各ゾーンの対角線上にx軸とy軸を定義し、荷重センサ10に対して垂直方向にz軸を定義する。また、分割された各ゾーンをx軸の正方向を基準にゾーン1とし、反時計回りにゾーン2、ゾーン3、ゾーン4と定義する。
In this embodiment, the load detection layer is divided into four planar zones by dividing the
この実施例では、図2に示すように、金型20には、10mm×10mm×5mm形状のSKD11材の角柱を用いた。
In this example, as shown in FIG. 2, a square column of SKD11 material having a shape of 10 mm × 10 mm × 5 mm was used for the
下部基板50にはガラスエポキシ製の基板を用い、エッチング処理によって4つの面状の電極51を形成し導電性部材40を下部電極51上に固定した。また、図2の例では、図1における上部基板30を省略して金型20の下面を上部電極31として上部及び下部電極31、51により導電性部材40を挟み込む基本構造とした。電極が形成された下部基板50及び導電性部材40は、いずれも平面大きさ4mm×4mmの4つに分割されて10mm×10mmの平面内に配置した。金型20を荷重センサ10に固定するため、金型の中心に直径2mmのねじ穴を開けM2形状のねじ(図示しない)により金型20を固定した。
A glass epoxy substrate was used as the
荷重センサ10に使用する導電性部材40をGCとした場合と、GC/12wt%VGCFとした場合の2通りの荷重センサ10を作製し、任意荷重Pの測定を行った。
Two types of
荷重センサ10に設置された金型20に任意荷重Pが負荷されたとき、各ゾーンに荷重が分離されることで各ゾーンの電圧が変化する。これにより、各ゾーンの電圧変化の関係から金型20に負荷される任意荷重Pを水平成分であるせん断荷重Ptと垂直成分である垂直荷重Pnに分離して測定することができる。
When an arbitrary load P is applied to the
せん断荷重Pt及び垂直荷重Pnの測定には、各ゾーンの電圧検出値を用いての演算処理が必要となるため、この実施例の荷重測定システム1は、各ゾーンの電圧を検出する電圧検出手段120と、この電圧検出手段120からの電圧検出値を取込んで演算処理を行うための演算処理手段(又は制御手段)110と、上部電極31と下部基板50に形成された電極51への電圧を供給する安定化電源130とを有する演算処理システム100を備えている。演算処理システム100のこれら一部の手段又は全体は、荷重センサ10の構成の一部として、荷重センサ10の内部又は/及び外部に設けてもよい。
The measurement of the shear load Pt and the vertical load Pn requires an arithmetic process using the voltage detection value of each zone. Therefore, the
荷重センサ10は、抵抗値R=100Ωの固定抵抗を荷重検出層にある下部基板50の各ゾーンにそれぞれ接続し、図4に示すように、並列に構成した電気回路である。また、GC/12wt%VGCF及びGCは、いずれも荷重Pが負荷されると電気抵抗値が変化するため、可変抵抗R1、R2、R3、R4と考えることができ、図4の電気回路図のように表すことができる。図4中の記号Iは電流、V0は安定化電源130の供給電圧、V1、V2、V3、V4は各ゾーンの上部及び下部電極31、51間の電圧を示す。
The
荷重検出層に形成された各ゾーンに負荷される荷重をP1、P2、P3、P4、各ゾーンでの電圧変化量をdV1、dV2、dV3、dV4と定義すると、ゾーン1に負荷される荷重P1はゾーン1の電圧変化量dV1を用いて式(1)のようにベクトルとして表すことができる。
ゾーン2、ゾーン3、ゾーン4も同様に考えることができるので、各ゾーンに負荷される荷重P2、P3、P4はベクトルとして式(2)のように表すことができる。
これらの関係を模式的に表すと、図3に示すように、荷重センサ10に負荷される任意荷重Pは荷重ベクトル図として表すことができる。図3は4つのゾーンに負荷される荷重Pm (m=1、2、3、4)と4つのゾーンの電圧変化量dVm (m=1、2、3、4)の関係を表している。
When these relationships are schematically represented, as shown in FIG. 3, an arbitrary load P applied to the
任意荷重Pは、各ゾーンに負荷される荷重Pm (m=1、2、3、4)の総和となる。このことから、任意荷重Pは、式(3)に示すように、電圧の変化量dVm (m=1、2、3、4)で表すことができる。
また、任意荷重Pはx、y、z(軸)成分もつためx、y、z成分の荷重をそれぞれPx、Py、Pzとすれば任意荷重Pは新たに式(4)のように表すことができる。
任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pn は、式(4)からPn =Pzとなり各ゾーンの電圧変化量dVm (m=1、2、3、4)の総和で表すことができる。各ゾーンの電圧変化量dVmの総和をVとすると、各ゾーンの電圧変化量dVmから垂直荷重Pn の大きさを求めることができる The vertical load Pn, which is the vertical component of the arbitrary load P, is expressed by the sum of the voltage change amounts dVm (m = 1, 2, 3, 4) in each zone as Pn = Pz from Equation (4). When the sum of the voltage change amounts dVm in each zone is V, the magnitude of the vertical load Pn can be obtained from the voltage change amount dVm in each zone.
任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptは、任意荷重Pのx、y成分Px、Pyで表すことができるため、 Px、Pyの大きさを求めることでせん断荷重Ptを求めることができる。ここでPx、Pyは式(4)から各ゾーンの電圧変化量dVm (m=1、2、3、4)を用いてそれぞれ式(6)、(7)のようにVx、Vyとして表すことができる。よって、せん断荷重Ptは式(8)となり電圧変化ΔVを求めることで、せん断荷重Ptの大きさを求めることができる。
任意荷重Pは垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの合力であるため、式(9)によって求めることができる。また、任意荷重Pの水平成分と垂直成分がなす角度をΦ(荷重負荷方向角度)とすると、式(10)のように、任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnと水平成分であるせん断荷重Ptの比から求めることができる。
以上により、荷重センサ10の荷重検出層を4つのゾーンに分割し、各ゾーンの電圧変化量dVm (m=1、2、3、4)を測定することで任意に負荷される荷重Pを垂直成分である垂直荷重Pnと水平成分であるせん断荷重Ptに分離して測定することを可能とした。垂直荷重Pnを各ゾーンの電圧変化量の総和V、せん断荷重Ptを電圧変化ΔVで表すことができる。また、測定した垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの値から任意荷重Pの大きさと任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φが測定できる。
As described above, the load detection layer of the
また、荷重を算出する際に電圧変化量dVmを求めるため、各ゾーンの可変抵抗と置き換えられた部分に生じる電圧をVm (m=1、2、3、4)、各ゾーンの初期電圧をVm0 (m=1、2、3、4)と定義し、式(11)を用い各ゾーンの電圧変化量dVm (m=1、2、3、4)を求め、荷重の算出を行う。そのため、上部及び下部電極間の電圧を測定した。
荷重センサ10の荷重測定結果は、以下の通りである。
The load measurement result of the
〔垂直荷重の測定例〕
荷重測定の原理から各ゾーンの電圧Vm (m=1、2、3、4) 変化を求めることで、荷重センサ10に設置された金型20に負荷される任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnを測定することができる。
[Example of vertical load measurement]
By calculating the change in voltage Vm (m = 1, 2, 3, 4) in each zone from the principle of load measurement, the vertical component which is the vertical component of the arbitrary load P applied to the
荷重センサ10に設置された金型20の中心に対し任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φを0、5、10、15degと変化させ、任意荷重Pを負荷し、各ゾーンの電圧Vm変化と任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnの関係を求めた。実験条件は電源電圧V0 = 5V一定で供給し、センサインタフェース(株式会社共和電業生PCD−300B)により荷重センサ10の電圧Vm変化を測定した。
The load load direction angle Φ of the arbitrary load P with respect to the center of the
また、金型20の中心に対して任意荷重Pを負荷するため、金型20の中心にあけたいずれも図示しないねじ穴にSUS製の直径5mmの球を設置し、球の頂点に対して荷重負荷方向角度Φを変化させた。荷重の負荷には小型卓上試験(島津製作所EZ−500N)を用い、荷重負荷速度0.5mm/minで任意荷重Pを負荷した。このときロードセルによって測定した値からセンサに負荷される垂直荷重Pnとせん断荷重Ptは式(12)、 (13)によって算出できる。
一例としてΦ=0degにおいて任意荷重Pを負荷したときの各ゾーンの電圧Vm変化と任意の荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnの関係を図5に示す。 As an example, FIG. 5 shows the relationship between the change in voltage Vm in each zone and the vertical load Pn that is the vertical component of the arbitrary load P when an arbitrary load P is applied at Φ = 0 deg.
荷重センサ10に使用する導電性部材40をGC/VGCFとした場合、GCとした場合のいずれも、それぞれ図5(a)、(b)に示すように、垂直荷重Pnが増加するにしたがい各ゾーンの電圧Vmが減少していることが確認できる。
When the
荷重センサ10では各ゾーンの電圧変化量dVmを出力とするため、図5で得られた結果から式(11)を用い、各ゾーンの電圧変化量dVmを求めた。各ゾーンの電圧変化量dVmと垂直荷重Pnの関係を図6(a)、(b)に示す。導電性部材40をGC/VGCFとした場合、GCとした場合のいずれも、垂直荷重Pnが増加するにしたがい各ゾーンの電圧変化量dVmも増加していることが確認できる。
Since the
荷重測定原理から、垂直荷重Pnを測定するには各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vを求める必要がある。そこで、図6(a)、(b)で得られた各ゾーンの電圧変化量dVmから式(5)により各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vを算出する。これにより、得られた各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vと垂直荷重Pnの関係を図7に示す。図7から、垂直荷重Pnが増加するにしたがい各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vが増加していることが確認できる。 From the load measurement principle, in order to measure the vertical load Pn, it is necessary to obtain the sum V of the voltage change amount dVm of each zone. Therefore, the sum V of the voltage change amount dVm of each zone is calculated from the voltage change amount dVm of each zone obtained in FIGS. 6A and 6B by Equation (5). FIG. 7 shows the relationship between the sum V of the voltage variation dVm and the vertical load Pn thus obtained. From FIG. 7, it can be confirmed that as the vertical load Pn increases, the total sum V of the voltage change amount dVm in each zone increases.
ここで図7の両軸を入れ替え、電圧変化量dVmの総和Vと垂直荷重Pnの関係を最小二乗法によって3次式で近似した結果を図8に示す。 FIG. 8 shows the result of approximating the relationship between the sum V of the voltage change amount dVm and the vertical load Pn by a cubic equation by the least square method by exchanging both axes in FIG.
また、GC/VGCFを導電性部材としたときに得られた実験式を式(14)に示し、GCを導電性部材としたときに得られた実験式を式(15)に示す。
したがって、各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vを求め、得られた実験式に代入することにより、荷重センサ10は任意の荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnを測定することができる。
Therefore, the
そこで、各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vを式(14)、式(15)に代入して得られた垂直荷重Pnと、別途ロードセル(Inter face 製 SM−500)により測定した値から式(12)を用いて算出した垂直荷重Pnを比較した結果を図9に示す。図9からロードセルが検出した垂直荷重Pnと荷重センサ10が検出した垂直荷重Pnが一致しており、荷重検出層に使用する導電性材料にGC/VGCF、GCどちらを用いても荷重センサ10は正確に垂直荷重Pnを測定できることがわかった。
Therefore, the equation is based on the vertical load Pn obtained by substituting the sum V of the voltage change amount dVm in each zone into Equations (14) and (15) and a value measured by a separate load cell (SM-500 manufactured by Interface). The result of comparing the vertical load Pn calculated using (12) is shown in FIG. From FIG. 9, the vertical load Pn detected by the load cell and the vertical load Pn detected by the
荷重センサ10の再現性を明らかにするため、垂直荷重Pnを5回負荷したときの垂直荷重Pnと各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vの関係を図10(a)、(b)に示す。図10(a)、(b)から、5回の測定を行っても、垂直荷重Pnと各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vは同様な傾向を示すため、荷重センサ10の再現性を確認することができた。
In order to clarify the reproducibility of the
任意の荷重Pを負荷する方向を変化させても任意の荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnを測定できるか明らかにするため、任意荷重の負荷方向角度Φを0、5、10、15degと変化させたとき、それぞれの角度における垂直荷重Pnと各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vの関係を図11(a)、(b)に示す。 In order to clarify whether the vertical load Pn, which is the vertical component of the arbitrary load P, can be measured even if the direction in which the arbitrary load P is applied is changed, the load direction angle Φ of the arbitrary load is set to 0, 5, 10, 15 deg. 11A and 11B show the relationship between the vertical load Pn at each angle and the total sum V of the voltage change amount dVm in each zone when changed.
図11(a)、(b)から、各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vと垂直荷重Pnの関係は、任意荷重の負荷方向角度Φを変化させても同様の軌跡をたどることが確認できる。したがって、荷重センサ10は任意の方向から負荷される任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnの大きさを測定できることがわかった。
11 (a) and 11 (b), it can be confirmed that the relationship between the sum V of the voltage change amount dVm of each zone and the vertical load Pn follows the same locus even when the load direction angle Φ of the arbitrary load is changed. . Therefore, it was found that the
〔せん断荷重の測定例〕
荷重測定原理から、任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptを測定するためには電圧変化ΔVを求める必要がある。得られた各ゾーンの電圧変化量dVmから式(8)を用いて求めた電圧変化ΔVとせん断荷重Ptの関係を図12(a)、(b)に示す。
[Measurement example of shear load]
In order to measure the shear load Pt, which is the horizontal component of the arbitrary load P, from the load measurement principle, it is necessary to obtain the voltage change ΔV. FIGS. 12A and 12B show the relationship between the voltage change ΔV obtained from the obtained voltage change amount dVm of each zone using Equation (8) and the shear load Pt.
図12(a)、(b)からせん断荷重Ptが増加するに従い電圧変化ΔVが増加し、せん断荷重Ptが一定の値を超えると電圧変化ΔVは一定の値となっていることが確認できる。 12A and 12B, the voltage change ΔV increases as the shear load Pt increases, and it can be confirmed that the voltage change ΔV becomes a constant value when the shear load Pt exceeds a certain value.
電圧変化ΔVが変化し、一致する範囲で電圧変化ΔVとせん断荷重Ptの関係を求め、最小二乗法により2次式で近似した結果を図13(a)、(b)に示す。 FIGS. 13A and 13B show the results of obtaining the relationship between the voltage change ΔV and the shear load Pt within a range in which the voltage change ΔV changes and approximating with a quadratic equation by the least square method.
また、GC/VGCFを導電性部材としたときに得られた実験式を式(16)に示し、GCを導電性部材としたときに得られた実験式を式(17)に示す。
図13(a)、(b)から、任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φを変化させても電圧変化ΔVとせん断荷重Ptの関係は同様の軌跡で変化していることが確認できる。 13 (a) and 13 (b), it can be confirmed that the relationship between the voltage change ΔV and the shear load Pt changes in the same locus even when the load load direction angle Φ of the arbitrary load P is changed.
したがって、各ゾーンの電圧変化ΔVを求め、得られた実験式(16)、(17)に代入することにより、荷重センサ10は任意の荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptを測定することができる。そこで、各ゾーンの電圧変化ΔVを式(15)に代入して得られたせん断荷重Ptと別途ロードセルにより測定した値から式(13)により算出したせん断荷重Ptを比較した結果を図14(a)、(b)に示す。
Therefore, the
図14(a)、(b)から、ロードセルの測定した任意の荷重Pから算出したせん断荷重Ptと荷重センサ10が検出したせん断荷重Ptは一致することが確認できる。したがって、荷重センサ10は電圧変化ΔVが変化する範囲で任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptの大きさを測定できることがわかった。
14 (a) and 14 (b), it can be confirmed that the shear load Pt calculated from the arbitrary load P measured by the load cell and the shear load Pt detected by the
〔任意荷重の測定例〕
任意荷重Pの大きさは式(9)から測定した任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnと水平方向成分であるせん断荷重Ptから求めることができる。そこで、せん断荷重Ptが測定できる範囲で荷重センサ10が検出した任意荷重Pと別途ロードセルにより測定した値を比較した結果を図15(a)、(b)に示す。
[Arbitrary load measurement example]
The magnitude of the arbitrary load P can be obtained from the vertical load Pn that is the vertical component of the arbitrary load P measured from the equation (9) and the shear load Pt that is the horizontal component. Accordingly, FIGS. 15A and 15B show the results of comparing the arbitrary load P detected by the
図15(a)、(b)から、荷重センサ10が検出した任意荷重Pの値とロードセルが検出した任意荷重Pの値が一致していることが確認できる。したがって、荷重センサ10は任意荷重Pの大きさを測定できることがわかった。
15A and 15B, it can be confirmed that the value of the arbitrary load P detected by the
荷重測定原理から、任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φは、測定した任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnと水平方向成分であるせん断荷重Ptの比で表すことができる。測定した垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの関係を図16に示す。 From the load measurement principle, the load load direction angle Φ of the arbitrary load P can be expressed by the ratio of the vertical load Pn that is the vertical component of the measured arbitrary load P and the shear load Pt that is the horizontal component. The relationship between the measured vertical load Pn and shear load Pt is shown in FIG.
図16から任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φと荷重センサ10が測定した垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの比から求めた任意荷重Pの荷重負荷方向角度Φが一致していることが確認できる。
From FIG. 16, it can be confirmed that the load load direction angle Φ of the arbitrary load P and the load load direction angle Φ of the arbitrary load P obtained from the ratio of the vertical load Pn measured by the
以上の荷重測定結果から、次のことが判明した。
(1)各ゾーンの電圧Vm変化を測定することで、金型に負荷される任意荷重Pを垂直成分の垂直荷重Pnと水平成分のせん断荷重Ptに分離できること。
(2)荷重センサ10に設置された金型20に任意方向から荷重Pを負荷したときに、各ゾーンの電圧変化量dVmの総和Vを測定することで任意荷重Pの垂直成分である垂直荷重Pnの大きさを測定できること。
(3)荷重センサ10に設置された金型20に任意方向から荷重Pを負荷したときに、各ゾーンの電圧変化量dVmの関係を測定することで任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptの大きさを測定できること。
(4)荷重センサ10は、測定した垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの関係から任意荷重Pの大きさを測定できること。
(5)荷重センサ10は、測定した垂直荷重Pnとせん断荷重Ptの関係から任意荷重Pの負荷される荷重負荷方向角度Φを測定できること。
(6)荷重センサ10に使用する導電性部材をGC/VGCF、GCと変えても同様に荷重の測定が行えること。
From the above load measurement results, the following was found.
(1) By measuring the voltage Vm change in each zone, the arbitrary load P applied to the mold can be separated into a vertical load Pn of a vertical component and a shear load Pt of a horizontal component.
(2) When a load P is applied to the
(3) When a load P is applied to the
(4) The
(5) The
(6) The load can be measured similarly even if the conductive member used for the
なお、この実施例の荷重センサ10は、単一な荷重ベクトルは測定できるが荷重ベクトルの分布は測定できない。そこで、荷重検出層に使用する下部電極51の分割数を増やすことで複数の荷重ベクトルの分布を測定できる。
The
本発明の別の実施形態による実施例2の荷重測定システム1Aは、図17に概念的に示すように、三軸荷重測定用柔軟接触センサの原理を利用して把持力とせん断力を測定することができるとともに各種医療用器具に適用可能な生体適合性材料からなる小形・軽量な荷重センサ10Aである点を除き、前記実施例1と同様の基本構成である。
The
荷重センサ10Aに用いる導電性部材40Aとして、特にGCを選定した。GCは、耐熱性の他、電気伝導性、加工性、耐薬品性に優れ、発塵が少なく、血液、生体組織適合性が良好であるという生体適合性の特徴と、電圧を印加しながら荷重を負荷することで電気抵抗値が変化する性質とを兼ね備える。
In particular, GC was selected as the
この実施例の荷重センサ10Aの基本構成は、上部電極30A、GCからなる導電性部材40A、固定用フィルム60A、下部電極50Aからなる。固定用フィルム60Aは、導電性部材40Aを下部電極50A上面に固定するために用いられ、生体適合性の電気絶縁部材であることが好ましい。
The basic configuration of the
この実施例の荷重センサ10Aにおいて、GCからなる導電性部材40Aを各種医療用器具に使用できる荷重センサ10Aに適合する小型サイズに変化させたときの垂直荷重と電圧変化の関係を以下の通り測定し、機能の評価を行った。
In the
この実施例の荷重測定システム1Aにおいて、荷重センサ10Aの上部及び下部電極30A、50Aには生体適合性を有するチタン(Ti)を用い、寸法は25mm×25mm、厚さ0.3mmとした。又、GCの導電性部材40Aのサイズを変化させたときの影響を調べるため、10mm×10mm×0.5mm、5mm×5mm×0.5mm、2.5mm×2.5mm×0.5mmの3種類のサイズを比較した。
In the
チタンの上部及び下部電極30A、50AでGCの導電性部材40Aを上下から挟みこみ、上部電極30AにR=100Ωの抵抗を配置することで、図18に示すように、分圧回路とした。GCの導電性部材40Aは電圧V0を印加しながら荷重を負荷すると電気抵抗値Rxが変化するため、可変抵抗と考えることができ、上部及び下部電極30A、50A間の電圧をVmと定義し測定を行った。
As shown in FIG. 18, a voltage dividing circuit was obtained by sandwiching a GC
〔垂直荷重の測定例〕
卓上万能試験機((株)島津製作所EZ−L−500N)を用いて垂直荷重をPnと定義し、垂直荷重Pnを100Nまで負荷した。荷重負荷速度を0.5mm/min一定とし、図19に示すように、上部電極30Aの上面には電気絶縁部材60Bとしてテフロン(登録商標)シートを敷き、また、荷重Pnを均一に負荷するため球面座70を設置し、荷重センサ10Aの中心に対して荷重Pnを負荷した。球面座70は直径24.4mm、重さ60.6gである。電圧の供給には安定化電源130を用い(図17)、供給電圧V0=5V一定とし、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmの測定を行った。
[Example of vertical load measurement]
A vertical load was defined as Pn using a desktop universal testing machine (Shimadzu Corporation EZ-L-500N), and the vertical load Pn was applied to 100N. In order to keep the load loading speed constant at 0.5 mm / min and to lay a Teflon (registered trademark) sheet as an electrical insulating
荷重センサ10Aに垂直荷重Pnを負荷した時の上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmと垂直荷重Pnの関係を図20に示す。
FIG. 20 shows the relationship between the voltage Vm between the upper and
図20から垂直荷重Pnの増加に伴い、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmが減少していることがわかる。また、供給電圧V0=5Vであるのに対し、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmが約2Vから変化している。これは、荷重センサ10Aに球面座70を用いているため、球面座70の自重が初期荷重として負荷されているためである。
As can be seen from FIG. 20, the voltage Vm between the upper and
さらに、電圧Vmと垂直荷重Pnの測定を10回行い、垂直荷重Pnの増加により上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmは同様の変化をしていることから、再現性を有していることがわかる。
Further, the measurement of the voltage Vm and the vertical load Pn is performed 10 times, and the voltage Vm between the upper and
また、同じサイズの2枚のGCの導電性部材40Aにそれぞれ垂直荷重Pnを負荷した時の上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmと垂直荷重Pnの関係を図21示す。
FIG. 21 shows the relationship between the voltage Vm between the upper and
図21から、GCの導電性部材40Aのサイズが同じならば、異なるGCの導電性部材40Aを用いても垂直荷重Pnを負荷したときの上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmは同様の変化をすることがわかる。
From FIG. 21, if the size of the GC
さらに、GCの導電性部材40Aのサイズを厚さ0.5mmで、10mm×10mm、5mm×5mm、2.5mm×2.5mmの3種類に変化させたときの電圧Vmと垂直荷重Pnの関係を図22に示す。
Further, the relationship between the voltage Vm and the vertical load Pn when the size of the GC
図22から、導電性部材40Aのサイズによらず、垂直荷重Pnが増加すると上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmが減少している同じ傾向を示すことがわかる。
From FIG. 22, it can be seen that regardless of the size of the
しかし、一般的に電気抵抗値は、式(18)に表されるように、電極との接触面積に反比例して変化する。
把持力とせん断力を測定することができる生体適合性が良好な荷重センサ10Aは、以上の荷重測定結果から、次のことが判明した。
(1)垂直荷重Pnの増加により、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmが減少すること。
(2)垂直荷重Pnを繰り返し負荷しても同様の電圧Vm変化が生じることから再現性があること。
(3)同じサイズの2枚のGCの導電性部材40Aにそれぞれ垂直荷重Pnを負荷すると、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmの変化は同様であることから個体差による影響を無視できること。
(4)GCの導電性部材40Aのサイズを小さく変化させても、垂直荷重Pnを増加させることで上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmは減少すること。
(5)GCの導電性部材40Aのサイズが小さくなると、上部及び下部電極30A、50A間の電圧Vmは大きく変化する傾向があること。
The
(1) The voltage Vm between the upper and
(2) Since the same voltage Vm change occurs even when the vertical load Pn is repeatedly applied, reproducibility is present.
(3) When a vertical load Pn is applied to two GC
(4) The voltage Vm between the upper and
(5) When the size of the GC
以上から、GCサイズを小さく変化させても同様に荷重センサ10Aの導電性部材40Aとして利用できることが判明した。したがって、この実施例に係る荷重センサ10Aは、各種医療用器具に装着可能なように、十分な小型化が必要な場合であっても適用が可能であると認められる。
From the above, it has been found that even if the GC size is changed small, it can be similarly used as the
なお、この実施例では、電極などの荷重検出層の分割によるせん断荷重Ptは測定していないが、前記実施例1と同様に、荷重検出層を分割することにより、せん断荷重Ptの測定も十分に可能である。 In this embodiment, the shear load Pt due to the division of the load detection layer such as the electrode is not measured, but the shear load Pt is sufficiently measured by dividing the load detection layer as in the first embodiment. Is possible.
本発明のまた別の実施形態による実施例3の荷重測定システムは、図23に示すように、荷重センサ10Bを下部電極と導電性部材を一体として構成した点を除き、前記実施例2と同様の基本構成である。
As shown in FIG. 23, the load measuring system of Example 3 according to another embodiment of the present invention is the same as Example 2 except that the
この実施例の荷重センサ10Bは、チタン(Ti)からなる上部電極30Bと下部電極40Bを兼ね備えるように一体的に構成したGCからなる導電性部材とを使用し、前記実施例における下部基板を省略した構成である。これにより、一層小型・軽量化で薄型の各種医療用器具にも適用可能な荷重センサの実現が可能となる。
The
このように下部電極と導電性部材を一体として構成を簡略化した実施例3の荷重センサ10Bの作用を確認するため、前記実施例2と同様に、以下の通り測定を行った。
In order to confirm the operation of the
〔垂直荷重の測定例〕
荷重センサ10Bに垂直荷重Pnを負荷した時の上部及び下部電極30A、40B間の電圧Vmと垂直荷重Pnの関係の一例を図24に示す。
[Example of vertical load measurement]
FIG. 24 shows an example of the relationship between the voltage Vm between the upper and
図24から、垂直荷重Pnが増加すると、前記実施例と同様に、上部及び下部電極30A、40B間の電圧Vmが減少していることが認められる。
From FIG. 24, it can be seen that when the vertical load Pn increases, the voltage Vm between the upper and
したがって、この実施例に係る荷重センサ10Bは、一方又は双方の電極と、それぞれ導電性部材とを一体として構成された場合であっても、荷重センサとして適用が可能であると認められる。
Therefore, it is recognized that the
なお、この実施例でも、電極などの荷重検出層の分割によるせん断荷重Ptは測定していないが、前記実施例1と同様に、荷重検出層を分割することにより、せん断荷重Ptの測定も十分に可能である。 In this embodiment, the shear load Pt due to the division of the load detection layer such as the electrode is not measured. However, as in the first embodiment, the measurement of the shear load Pt is sufficient by dividing the load detection layer. Is possible.
本発明に係る荷重測定システムは、高い耐熱性を有していながら、高温環境を含む様々な環境下で安定して三軸荷重あるいは荷重分布の測定が可能な荷重センサを有するため、熱ナノインプリントなどの高度な微細加工技術分野における加圧時の金型の面圧測定等を含む広範な産業分野に利用することが可能である。また、本発明に係る荷重センサは簡潔な構造で小型・軽量化、薄型化が容易なため設計の自由度を有し、例えば生体を扱う場合のような、繊細な作業が必要な様々な医療分野等にも、機器の精度を落とすことなく、好適に利用が可能である。 Since the load measuring system according to the present invention has a load sensor capable of measuring triaxial load or load distribution stably under various environments including high temperature environment while having high heat resistance, thermal nanoimprint, etc. It can be used in a wide range of industrial fields including measurement of the surface pressure of a mold during pressurization in the field of advanced micromachining technology. In addition, the load sensor according to the present invention has a simple structure, and can be easily reduced in size, weight, and thickness, and thus has a degree of freedom in design. For example, various medical treatments that require delicate work, such as when handling a living body. It can be suitably used in a field or the like without degrading the accuracy of the device.
1、1A、1B;荷重測定システム
10、10A、10B;荷重センサ
20;金型(接触部)
30;(上部)基板
30A、30B;上部電極
31;(上部)電極
40、40A;導電性部材
40B;下部電極(GC)
50;(下部)基板
50A;下部電極
51;(下部)電極
60A;固定用フィルム
60B;電気絶縁部材
70;球面座
100;演算処理システム
110;演算処理(又は制御)手段
120;電圧検出手段
130;安定化電源
dVm;(m=1、2、3、4) (各ゾーンの)電圧変化量
GC;グラッシーカーボン
P;任意荷重
Pm;(m=1、2、3、4) 各ゾーンに負荷される荷重
Pn;垂直荷重
Pt;せん断荷重
Px;任意荷重のx(軸)成分
Py;任意荷重のy(軸)成分
Pz;任意荷重のz(軸)成分
R;(電気)抵抗(抵抗値)
R1、R2、R3、R4;(各ゾーンの抵抗)可変抵抗
Rx;(電気)抵抗(抵抗値)(可変抵抗)
Ti;チタン
V;電圧変化量の総和
V0;電源電圧
VGCF;気相成長炭素繊維
Vm;(m=1、2、3、4) 各ゾーンの(上部及び下部電極間の)電圧
Vm0;(m=1、2、3、4) 各ゾーンの初期電圧
ΔV;電圧変化
Φ;荷重負荷方向角度
1, 1A, 1B;
30; (Upper)
50; (lower)
R1, R2, R3, R4; (resistance of each zone) variable resistance Rx; (electrical) resistance (resistance value) (variable resistance)
Ti; Titanium V; Total voltage change V0; Power supply voltage VGCF; Vapor growth carbon fiber Vm; (m = 1, 2, 3, 4) Voltage Vm0 (between upper and lower electrodes) Vm0; (m = 1, 2, 3, 4) Initial voltage in each zone ΔV; Voltage change Φ; Load load direction angle
Claims (6)
前記荷重センサは、
電極が形成された一対の基板と、
前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、
前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、
前記接触部に任意荷重Pが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から、前記任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptと垂直成分である垂直荷重Pnに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、
前記導電性部材は、グラッシーカーボンからなることを特徴とする荷重測定システム。 A load measurement system having a contact portion that is a measurement object to be placed in contact with a load sensor, and a load sensor that measures a load acting on the contact portion,
The load sensor is
A pair of substrates on which electrodes are formed;
A conductive member made of a conductive composite material that is sandwiched between the electrodes of the pair of substrates and has a characteristic that an electric resistance value changes by applying a load in a state where a voltage is applied;
The pair of substrates is formed by equally dividing the electrodes formed on one or both substrates into a plurality of planar electrode zones,
When an arbitrary load P is applied to the contact portion, a shear load Pt, which is a horizontal component of the arbitrary load P, and a vertical load, which is a vertical component, are detected from the voltage change detection values of the electrode zones divided into the plurality. A part or the whole of the arithmetic processing system that performs the arithmetic processing separated into Pn is provided inside or outside the load sensor as a part of the configuration of the load sensor ,
The load measuring system , wherein the conductive member is made of glassy carbon .
前記荷重センサは、
電極が形成された一対の基板と、
前記一対の基板の電極間に挟持され、電圧を印加した状態で荷重を負荷することにより電気抵抗値が変化する特性を備えた導電性複合材料からなる導電性部材とを備え、
前記一対の基板は、一方又は双方の基板上に形成された電極が、複数の面状の電極ゾーンに均等に分割して形成され、
前記接触部に任意荷重Pが負荷されるときに、前記複数に分割された各電極ゾーンの電圧変化の検出値から、前記任意荷重Pの水平成分であるせん断荷重Ptと垂直成分である垂直荷重Pnに分離して演算処理を行う演算処理システムの一部又は全体が、前記荷重センサの構成の一部として荷重センサの内部又は外部に設けられ、
前記導電性部材は、グラッシーカーボンに気相成長炭素繊維を添加した複合材料からなることを特徴とする荷重測定システム。 A load measurement system having a contact portion that is a measurement object to be placed in contact with a load sensor, and a load sensor that measures a load acting on the contact portion,
The load sensor is
A pair of substrates on which electrodes are formed;
A conductive member made of a conductive composite material that is sandwiched between the electrodes of the pair of substrates and has a characteristic that an electric resistance value changes by applying a load in a state where a voltage is applied;
The pair of substrates is formed by equally dividing the electrodes formed on one or both substrates into a plurality of planar electrode zones,
When an arbitrary load P is applied to the contact portion, a shear load Pt, which is a horizontal component of the arbitrary load P, and a vertical load, which is a vertical component, are detected from the voltage change detection values of the electrode zones divided into the plurality. A part or the whole of the arithmetic processing system that performs the arithmetic processing separated into Pn is provided inside or outside the load sensor as a part of the configuration of the load sensor,
The load measuring system, wherein the conductive member is made of a composite material obtained by adding vapor grown carbon fiber to glassy carbon .
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