JP6128552B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置に関し、特に外部から作用する力を検出して所定の物理量を計測する計測装置に関するものである。

計測装置に用いられるセンサとしては、ガソリンなどの液体の粘度を計測するせん断力センサや、圧力差を計測する差圧センサなどが開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。特許文献１には、流路表面に流れる流体からのせん断力により変形する弾性体層に覆われており、弾性体が変形することにより流体の粘性を計測するせん断力センサが開示されている。特許文献２には、開口を有する空気室と、前記開口を塞ぐように設けられた検知部とを備えた差圧センサが開示されている。

国際公開第２０１３／００２３８０号 国際公開第２０１２／１０２０７３号

上記特許文献では、電源や温度の影響を受けやすく、ノイズが大きいため感度が低下してしまう、という問題があった。

そこで本発明は、より高感度で外部から作用する力を計測することができる計測装置を提供することを目的とする。

本発明係る計測装置は、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。

本発明によれば、外部から作用する力を感知するとともに、力覚センサの位置情報を感知し、それらの測定結果に基づき同期検波器によってノイズを除去することにより、力を高感度で計測することができる。

第１実施形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す正面図である。 第１実施形態に係るせん断力センサの構成を示す縦断面図である。 第１実施形態に係る計測回路の構成を示す回路図である。 第１実施形態に係るセンサ部の製造方法を段階的に示す図（１）であり、図４Ａは斜視図、図４Ｂは縦断面図である。 第１実施形態に係るセンサ部の製造方法を段階的に示す図（２）であり、図５Ａは斜視図、図５Ｂは縦断面図である。 第１実施形態に係るセンサ部の製造方法を段階的に示す図（３）であり、図６Ａは斜視図、図６Ｂは縦断面図である。 第１実施形態に係るセンサ部の製造方法を段階的に示す図（４）であり、図７Ａは斜視図、図７Ｂは縦断面図である。 第１実施形態に係るセンサ部の製造方法を段階的に示す図であり、カンチレバー部の可動部を起立させた状態を示す縦断面図である。 第１実施形態に係る計測装置の使用状態を示す概略図である。 従来の計測装置の測定結果を示すグラフ（１）であり、図１０Ａは引き上げ速度、図１０Ｂはセンサ出力の測定結果である。 従来の計測装置の測定結果を示すグラフ（２）であり、図１１Ａは引き上げ速度、図１１Ｂはセンサ出力の測定結果である。 第１実施形態の変形例に係る計測回路の構成を示す回路図である。 第２実施形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す正面図である。 第２実施形態に係る力センサの構成を示す横断面図である。 第２実施形態に係る力センサの構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係る計測装置の使用状態（１）を模式的に示す正面図である。 第２実施形態に係る計測装置の使用状態（２）を模式的に示す正面図である。 第３実施形態に係る計測装置の構成を模式的に示す正面図である。 第３実施形態に係る計測回路の構成を示す回路図である。 第４実施形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。 第４実施形態に係る圧力センサの構成を示す縦断面図である。 第４実施形態の変形例に係る計測装置の全体構成を模式的に示す部分縦断面図である。 第４実施形態の別の変形例に係る計測装置の全体構成を模式的に示す部分縦断面図である。 第４実施形態の別の変形例に係る計測装置の使用状態を示す模式図である。 本発明の実施例に係る計測装置の測定結果（１）を示すグラフである。 本発明の実施例に係る計測装置の測定結果を示すグラフであり、図２６Ａは周波数特性であり、図２６Ｂは図２６Ａにおける５Ｈｚ付近を拡大したグラフである。 本発明の実施例に係る計測装置の測定結果（３）を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

１．第１実施形態
（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。

支持部１２Ａは、ユーザが把持しやすい形状を有する棒状部材からなる。支持部１２Ａの一端側の側面にはせん断力センサ１４Ａが設けられている。速度センサ１６は、せん断力センサ１４Ａと隣り合うように設けられている。参照信号出力部としては、速度センサ１６に限定されず、例えば位置センサ、加速度センサを用いることができる。せん断力センサ１４Ａと速度センサ１６は、計測回路１８に電気的に接続されている。

せん断力センサ１４Ａは、図２に示すように、センサ部２０と、センサ部２０を覆うように形成された弾性体層２２とを有する。弾性体層２２は、表面に対し作用する力（せん断力）によって、当該力と同じ方向に弾性変形し得るように形成されている。

弾性体層２２は、例えば、ＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane；ポリジメチルシロキサン）等のシリコンゴムを主剤とし、このＰＤＭＳと硬化剤とからなる二液を所定の混合比率（例えば、20:1）で混合して柔軟性を調整しつつ硬化されて形成されている。

センサ部２０は、支持部１２Ａの側面に固着される基台部２６と、当該基台部２６に固定されるカンチレバー部２８とを有する。カンチレバー部２８は、基台部２６に固定される基部３０と、基部３０に連続して形成されたヒンジ部３２及び受圧部３４とを有する。ヒンジ部３２は、Ｌ字状に折り曲げ成形されている。これによりカンチレバー部２８は、外部から力が作用していないとき、受圧部３４が基台部２６の表面に対しほぼ垂直に起立した状態に保持される。

カンチレバー部２８は、Ｓｉ薄膜で形成されたＬ字状のＳｉ上層３６を有する。このＳｉ上層３６の表面には、薄膜状のピエゾ抵抗層３８が形成されている。基部３０及び受圧部３４のピエゾ抵抗層３８上には、Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０が設けられている。なお、基台部２６には、Ｓｉ下層４２が設けられており、Ｓｉ下層４２の所定位置にＳｉＯ_２層４４を介してカンチレバー部２８の基部３０が設けられている。

センサ部２０は、支持部１２Ａの側面を被覆するポリパラキシレン（商品名パリレン）でなる厚さ1[μm]程度の保護膜４６により被覆されている。センサ部２０は、弾性体層２２が変形した際に、弾性体層２２の変形に対応して保護膜４６と共に受圧部３４が変形する。

カンチレバー部２８は、Ｓｉ上層３６及びピエゾ抵抗層３８がnmオーダーの薄膜状に形成される。カンチレバー部２８は、一対のヒンジ部３２が細長い長方形状に形成されている。ヒンジ部３２に形成されたピエゾ抵抗層３８は、ピエゾ素子として機能する。また、カンチレバー部２８には、基部３０に形成されたＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０に配線４５が接続されている。配線４５は、計測回路１８に電気的に接続されている。

計測回路１８は、図３に示すように、第１増幅器４７と、第２増幅器４８と、同期検波器５０Ａとを備える。本実施形態に係る同期検波器５０Ａは、単相同期検波器であり、位相器５１と、乗算器５２と、ローパスフィルタ５３とを有する。

第１増幅器４７は、せん断力センサ１４Ａと電気的に接続されており、せん断力センサ１４Ａから出力される測定信号が入力され、測定信号を増幅して乗算器５２へ出力する。本実施形態の場合、第１増幅器４７は、ホイーストンブリッジ回路（図示しない）を備えており、ピエゾ抵抗層３８がホイーストンブリッジ回路の４つの抵抗の一つとして形成されている。

第２増幅器４８は、速度センサ１６と電気的に接続されており、速度センサ１６から出力される速度信号を参照信号として入力され、参照信号を増幅して位相器５１へ出力する。増幅された参照信号は、位相器５１によって測定信号との位相差が０になるように位相が調整された後、乗算器５２へ出力される。
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）

で表される。上記変調信号はローパスフィルタ５３よって、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の高調波が除去される。なお、上記式（１）において（α―β）は測定信号と参照信号との位相差であるが、位相器５１によって位相差が０になるように調整されている。したがって上記式（１）におけるｃｏｓ（α―β）は、ｃｏｓ（０）＝１となるから、上記式（１）は、Ａｃｏｓ（ωｔ＋α）・ｃｏｓ（ωｔ＋β）＝Ａ／２となる。このようにして同期検波器５０Ａは、測定信号と参照信号とを乗算することにより、測定信号の振幅Ａを出力することができる。

（２）せん断力センサの製造方法
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、ＳｉＯ_２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。

その後、すぐにｎ型不純物試薬をＳＯＩ基板２７の表面にスピンコートし、熱酸化炉を用いて当該ＳＯＩ基板２７を熱拡散し、不純物をドープして、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、Ｓｉ上層３６にピエゾ抵抗層３８を形成する。次いで、ＳＯＩ基板２７のピエゾ抵抗層３８の表面にＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ層をスパッタリングにより形成し、その後、所定の形状にパターニングして、このＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ層をマスクとして用い、ピエゾ抵抗層３８及びＳｉ上層３６をＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）にてエッチングを行う。これにより、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ＳＯＩ基板２７は、基部３０となる基部形成領域２９にＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０が形成されるとともに、ヒンジ部３２となるヒンジ部形成領域３１にピエゾ抵抗層３８が露出し、受圧部３４となる受圧部３４領域にＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４１が形成される。

次に、基部形成領域２９を残して、ヒンジ部形成領域３１及び受圧部領域３３の直下にあるＳｉ下層４２をＤＲＩＥによってエッチングし、さらにＳｉＯ_２層４４をＨＦ（フッ酸）ガスによって除去することで、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基台部２６の開口領域３５にカンチレバー部２８のヒンジ部３２及び受圧部３４が配置され、受圧部３４を自由端とした状態を形成する。

次いで、図８に示すように、下方からｙ軸方向に磁場（本図中矢印３７方向）を加え、磁場により、Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０を有した自由端である受圧部３４をｙ軸方向に変位させる。これによりカンチレバー部２８は、ヒンジ部３２が折り曲がり受圧部３４が起立して、当該受圧部３４の面部がｘ軸に対し垂直に配置された状態となる。

次いで、支持部１２Ａの側面に接着剤を介して上述したセンサ部２０を固定する。この状態で、図２に示すように、ＣＶＤ法により支持部１２Ａ側面及びセンサ部２０上にパリレンからなる保護膜４６を成膜する。次いで、センサ部２０の基台部２６に電極として設けたＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０に、第１増幅器４７に接続されている配線４５を接続する。

続いて、センサ部２０全体を覆い、表面が平面状の弾性体層２２を形成する。具体的には、弾性体層２２となる弾性材料としてＰＤＭＳを使用する。この場合、先ずＰＤＭＳの主剤と硬化剤とを所定の割合で混合し、弾性体層２２となる弾性材料を作製する。

次いで、センサ部２０を囲むように形成された枠部内（図示しない）に弾性材料を流し込み、デシケータに入れて脱泡を行う。その後、約70[℃]に保ったオーブンにて40分間ベークし、弾性材料を硬化させて弾性体層２２を形成することにより、せん断力センサ１４Ａを形成する。

（３）動作及び効果
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。

弾性体層２２がｚ軸に平行な方向へ変形すると、それに伴ってセンサ部２０の角度が変位する。すなわち、弾性体層２２がｚ軸に平行な方向へ変形すると、同時に受圧部３４はＺ軸に平行な方向に倒れる。受圧部３４には、ヒンジ部３２が連続して形成されているので、受圧部３４の変位量に応じてヒンジ部３２が変形する。これによりせん断力センサ１４Ａは、ｚ軸に平行な方向に作用する力の大きさに応じて、ヒンジ部３２の変位量が変化する。

このようにして弾性体層２２の変形に伴い、カンチレバー構造のセンサ部２０の角度が変位する。センサ部２０の電極（Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０）間には電位差が付与されており、センサ部２０の角度が変位することにより、ピエゾ抵抗層３８の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗層３８の抵抗値は、ヒンジ部３２の変位量に応じて変化する。せん断力センサ１４Ａは、変化する抵抗値を測定信号として計測回路１８に出力する。

同時に、参照信号出力部としての速度センサ１６は、支持部１２Ａが周期的に上下動する際の速度を感知し、参照信号として計測回路１８に出力する。

上記測定信号には、ピエゾ抵抗層３８の抵抗値のほか、電源ノイズなどの種々のノイズが含まれる。例えば、支持部１２Ａをｚ軸に平行に１回だけ引き上げた場合、図１０に示すように、引き上げ速度は、１回のピークが測定される。これに対応してせん断力センサ１４Ａの出力は、１回のピークが測定されると共に、実際上は図１０Ｂ中実線で示すように種々のノイズが含まれ、時間経過と共に理想応答（図１０Ｂ中の破線）との差が拡大してしまう。

同様に、支持部１２Ａをｚ軸に平行に周期的に移動させた場合、図１１に示すように、引き上げ速度に対応してせん断力センサ１４Ａの出力は、理想的には図１１Ｂ中の破線で示す周期的な応答である。しかし実際に出力される測定信号には図１１Ｂ中実線で示すように種々のノイズが含まれる。

本実施形態に係る計測装置１０Ａは、計測回路１８において、入力された測定信号と参照信号とに基づき、同期検波器５０Ａで測定信号からノイズを除去し、測定信号の振幅Ａを出力する。

次いで、上記測定信号の振幅Ａに基づき、図示しない情報処理部が液体６１の粘度係数を算出し、測定結果として出力する。具体的には、まず測定信号の振幅Ａからピエゾ抵抗層３８の抵抗値変化率△Ｒ／Ｒを算出する。さらに抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから流体のせん断応力τを求める。抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから流体のせん断応力τを求める方法は公知の方法を用いることができる（例えば、特許文献１）。
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）

で表される。したがって、測定信号の振幅Ａから求めたせん断応力τと、上記式（２）から、粘度係数を求めることができる。

上記のように本実施形態に係る計測装置１０Ａは、流体から作用される周期的なせん断力を感知するとともに、支持部１２Ａの周期的な速度を感知する。そして計測装置１０Ａは、それらの測定結果に基づきノイズを除去することにより、せん断応力を高感度で計測することができる。したがって、計測装置１０Ａは、測定信号からノイズを効果的に除去することができるので、より高感度で粘度係数を計測することができる。

（４）変形例
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。

第１乗算器５６は、増幅された計測信号と参照信号とを乗算し、その結果得た第１変調信号を第１ローパスフィルタ５８へ出力する。第１変調信号は、第１ローパスフィルタ５８によって高調波が除去され、出力信号Ｓｉを出力する。

ここで、測定信号をＡｃｏｓ（ωｔ＋φ）、参照信号をｃｏｓω_ｃｔとする。φは、測定信号と参照信号の位相差である。第１乗算器５６及び第１ローパスフィルタ５８における処理によって得られる出力信号Ｓｉは、式（３）

で表される。

第２乗算器５７は、増幅された測定信号と位相が９０°シフトされた参照信号とを乗算し、その結果得た第２変調信号を第２ローパスフィルタ５９へ出力する。第２変調信号は、第２ローパスフィルタ５９によって高調波が除去され、出力信号Ｓｑを出力する。第２乗算器５７及び第２ローパスフィルタ５９における処理によって得られる出力信号Ｓｑは、式（４）

で表される。

上記のように得られた出力信号Ｓｉ，Ｓｑと、式（５）

とにより、測定信号の振幅Ａ及び位相差φを得ることができる。このように同期検波器５０Ｂは、２位相ロックインアンプを用いることにより、測定信号と参照信号の位相を調整せずに、測定信号の振幅Ａを出力することができる。

２．第２実施形態
（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。

力センサ１４Ｂは、図１４に示すように、センサ群６４と、センサ群６４を覆う弾性体層６６とを備える。センサ群６４は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸にそれぞれ平行な方向の力を計測するように形成されている。本図において、ｘ軸及びｙ軸は互いに直交しており、ｚ軸はｘ軸及びｙ軸に対し直交している。

センサ群６４は、ｘ軸に平行な方向に作用する力を感知する第１センサ部２０Ａと、ｙ軸に平行な方向に作用する力を感知する第２センサ部２０Ｂと、ｚ軸に平行な方向に作用する力を感知する第３センサ部７０とを有する。第１センサ部２０Ａと第２センサ部２０Ｂと第３センサ部７０とは、互いに所定間隔を空けて基台部６８上に配置されている。

図１５に示すように、第１センサ部２０Ａ及び第２センサ部２０Ｂは、上記第１実施形態のセンサ部２０と同じ構成を有する。第１センサ部２０Ａ及び第２センサ部２０Ｂは、基台部６８に固定されるカンチレバー部２８を有する。カンチレバー部２８は、基台部６８に固定される基部３０と、基部３０に連続して形成されたヒンジ部３２及び受圧部３４とを有する。

第１センサ部２０Ａは、受圧部３４の表面がｘ軸に対し垂直に配置されている。これにより第１センサ部２０Ａは、ｘ軸に平行な方向に作用する力によって、受圧部３４がｘ軸に平行な方向に倒れる。第２センサ部２０Ｂは、受圧部３４の表面がｙ軸に対し垂直に配置されている。これにより第２センサ部２０Ｂは、ｙ軸に平行な方向に作用する力によって、受圧部３４がｙ軸に平行な方向に倒れる。

第３センサ部７０は、第１センサ部２０Ａ及び第２センサ部２０Ｂとは異なり、平面上の受圧部７８が基台部６８に対しほぼ同一面となるように設けられたカンチレバー部７２を有している。カンチレバー部７２は、受圧部７８の対向する両端部に薄板上のヒンジ部７６がそれぞれ設けられている。受圧部７８は、ｚ軸に平行な方向の力によって弾性体層６６が変形すると、それに伴ってｚ軸に平行な方向に変位する。受圧部７８には、ヒンジ部７６が連続して形成されているので、受圧部７８の変位量に応じてヒンジ部７６が変形する。これにより第３センサ部７０は、ｚ軸に平行な方向に作用する力の大きさに応じて、ヒンジ部７６の変位量が変化し、変位量に応じてピエゾ抵抗層３８の抵抗値が変化する。

このように第１センサ部２０Ａ、第２センサ部２０Ｂ、第３センサ部７０は、弾性体層６６に作用する３軸に平行な方向の力によってそれぞれ対応するヒンジ部３２、７６が変形することで、当該ヒンジ部３２、７６のピエゾ抵抗層３８の抵抗値を測定信号として計測回路１８へ出力する。計測回路１８は、第１センサ部２０Ａ、第２センサ部２０Ｂ、第３センサ部７０それぞれに対応して合計３個設けられている。

因みに本実施形態に係るセンサ群６４は、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することができる。

（２）動作及び効果
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。

例えば、力センサ１４Ｂを被測定物８０の表面上においてｙ軸に平行に滑らせた場合、弾性体層６６の表面にはｙ軸に平行方向にせん断力が作用する。このせん断力によって弾性体層６６は、ｙ軸に平行な方向へ変形する。弾性体層６６がｙ軸に平行な方向へ変形すると、それに伴ってセンサ部２０の角度が変位する。すなわち、弾性体層６６がｙ軸に平行な方向へ変形すると、同時に第２センサ部２０Ｂの受圧部３４はｙ軸に平行な方向に倒れる。受圧部３４には、ヒンジ部３２が連続して形成されているので、受圧部３４の変位量に応じてヒンジ部３２が変形する。これにより第２センサ部２０Ｂは、ｙ軸に平行な方向に作用する力の大きさに応じて、ヒンジ部３２の変位量が変化する。

このようにして弾性体層６６の変形に伴い、カンチレバー構造の第２センサ部２０Ｂの角度が変位する。第２センサ部２０Ｂの電極（Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ薄膜４０）間には電位差が付与されており、第２センサ部２０Ｂの角度が変位することにより、ピエゾ抵抗層３８の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗層３８の抵抗値は、第２ヒンジ部３２の変位量に応じて変化する。力センサ１４Ｂは、変化する抵抗値をｙ軸測定信号として第２センサ部２０Ｂに対応する計測回路１８に出力する。

さらに、参照信号出力部としての速度センサ１６は、力センサ１４Ｂが被測定物の表面上を周期的に移動する際の速度を計測し、参照信号として全ての計測回路１８に出力する。

本実施形態に係る計測装置１０Ｂは、計測回路１８において、入力されたｙ軸測定信号、及び参照信号に基づき、同期検波器５０Ａでｙ軸測定信号からノイズを除去し、ｙ軸測定信号の振幅を出力する。

次いで、上記測定信号の振幅に基づき、図示しない情報処理部が被測定物の摩擦係数を算出し、測定結果として出力する。具体的には、まず第２センサ部２０Ｂのｙ軸測定信号の振幅Ａからピエゾ抵抗層３８の抵抗値変化率△Ｒ／Ｒを算出する。さらに抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから摩擦力を求める。当該摩擦力は、予め所定の摩擦力と、当該摩擦力に対する抵抗値変化率△Ｒ／Ｒとの間の関係を表した検量線を作成しておくことで求めることができる。

摩擦係数μと、所定の圧縮荷重Ｐ、摩擦力Ｆとの関係は、式（６）Ｆ＝μＰで表される。したがって、ｙ軸測定信号、ｚ軸測定信号から求めた摩擦力Ｆと、圧縮荷重Ｐと、上記式（６）から、摩擦係数を求めることができる。

次に被測定物の表面弾性率を計測する場合について説明する。この場合、図１７に示すように、力センサ１４Ｂを被測定物８１の表面に押し付け、被測定物８１を圧縮方向に周期的に変形させる。そうすると、弾性体層６６の表面には、ｚ軸方向と反対方向の圧縮荷重が周期的に作用する。圧縮荷重は、上述した通り第３センサ部７０のピエゾ抵抗層３８の抵抗値を変化させる。力センサ１４Ｂは、変化する抵抗値をｚ軸測定信号として第３センサ部７０に対応する計測回路１８に出力する。

さらに、速度センサ１６は、力センサ１４Ｂが被測定物を圧縮方向に周期的に変形させる際の速度を計測し、参照信号として計測回路１８に出力する。

本実施形態に係る計測装置１０Ｂは、計測回路１８において、入力されたｚ軸測定信号、及び参照信号に基づき、同期検波器５０Ａでｚ軸測定信号からノイズを除去し、ｚ軸測定信号の振幅Ａを出力する。

次いで、上記測定信号の振幅に基づき、図示しない情報処理部が被測定物の表面弾性係数を算出し、測定結果として出力する。具体的には、まず第３センサ部７０のｚ軸測定信号の振幅Ａからピエゾ抵抗層３８の抵抗値変化率△Ｒ／Ｒを算出する。さらに抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから圧縮荷重を求める。当該圧縮荷重は、上記摩擦力と同様に予め作成しておいた検量線から求めることができる。そして圧縮荷重を弾性体層６６の表面積で除算することにより応力σを算出する。

さらに、速度ンセンサで計測した速度を時間で積分することにより、被測定物の変位（ひずみ）εを算出する。

表面弾性係数Ｅと、応力σ、ひずみεの関係は、式（７）Ｅ＝σ／εで表される。したがって、ｚ軸測定信号から求めた応力σ、参照信号から求めたひずみε、上記式（７）から、弾性係数を求めることができる。

上記のように本実施形態に係る計測装置１０Ｂは、被測定物８０，８１の表面との間に生じる周期的な力を計測するとともに、支持部１２Ｂの周期的な速度を測定し、それらの測定結果に基づきノイズを除去することにより、力センサ１４Ｂに作用する力を高感度で計測することができる。したがって、計測装置１０Ｂは、測定信号からノイズを効果的に除去することができるので、より高感度で摩擦係数及び表面弾性係数を計測することができる。

３．第３実施形態
（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。

駆動部８２は、力センサ１４Ｂに直線運動を付与し得るように構成されている。駆動部８２は、特に限定されないが、例えば、等速回転運動をするモータを用いることができる。この場合モータの出力軸に歯車を設ける。力センサ１４Ｂには、当該歯車に噛み合うラックを固定する。これによりモータの回転運動をラックの直線運動に変えることができる。モータとラックをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸にそれぞれ設けることにより、力センサ１４Ｂをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿って移動し得る。

計測回路８４は、図１９に示すように、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。参照信号出力部８６は、駆動部８２を駆動させる駆動信号をドライバ８８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位相器５１へ出力する。ドライバ８８は、駆動信号に基づき駆動部８２に所定の周期的な直線運動をさせる。

（２）動作及び効果
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。

例えば、力センサ１４Ｂがｙ軸に平行な方向に周期的に直線運動をした場合、弾性体層６６の表面が被測定物の表面上を滑る。これにより、弾性体層６６の表面にはｙ軸に平行な方向にせん断力が作用する。ｙ軸に平行な方向のせん断力は、上述した通り第２センサ部２０Ｂのピエゾ抵抗層３８の抵抗値を変化させる。力センサ１４Ｂは、変化する抵抗値をｙ軸測定信号として第３センサ部７０に対応する計測回路８４に出力する。さらに、参照信号出力部８６は、駆動信号と同じ信号を参照信号として計測回路８４へ出力する。

計測装置１０Ｃは、計測回路８４において、入力されたｙ軸測定信号と参照信号とに基づき、同期検波器５０Ａでｙ軸測定信号からノイズを除去し、ｙ軸測定信号の振幅Ａを出力する。

本実施形態に係る計測装置１０Ｃは、駆動部８２が所定の周期的な直線運動を力センサ１４Ｂに付与することとしたので、当該力センサ１４Ｂに作用する力のばらつきを少なくすることができる。したがって、計測装置１０Ｃは、測定信号に重なるノイズをより低減できるので、力センサ１４Ｂに作用する力をより高感度で計測することができる。本実施形態では、力センサ１４Ｂがｙ軸に平行な方向に周期的に直線運動をした場合について説明したが、ｘ軸、ｚ軸にそれぞれ平行な方向に周期的に直線運動をした場合でも同様の効果を得ることができる。

また、計測装置１０Ｃは、駆動部８２を駆動させる駆動信号と同じ信号を参照信号として用いることにより、ノイズのない参照信号を用いることができるので、より高感度で計測することができる。

本実施形態の場合、力覚センサが力センサ１４Ｂである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、せん断力センサ１４Ａに適用してもよい。これにより計測装置１０Ｃは、より高感度で粘度係数を計測することができる。

４．第４実施形態
（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。

圧力センサ９０は、図２１に示すように、空気室９２と開口９３とが形成された本体９４と、前記開口９３に設けられたセンサ部９５とを備えている。圧力センサ９０は、空気室９２の内と外の圧力差を、センサ部９５により計測し得るように形成されている。

本体９４は、開口９３を除いて閉塞されており、開口９３以外から空気室９２内に気体が流通しないように形成されている。センサ部９５は、本体９４の表面に固定され、開口９３に連通する連通路９７が形成されており、当該連通路９７を塞ぐように設けられたカンチレバー部９８を有する。連通路９７は、開口９３と相似形状に形成されている。

センサ部９５は、本体９４の表面に固着されたカンチレバー部９８を有する。カンチレバー部９８は、本体９４の表面に固着される基部９９と、基部９９に連続して形成されたヒンジ部１００及び受圧部１０６とを有する。

カンチレバー部９８は、Ｓｉ薄膜で形成されたＳｉ上層１０１を有する。このＳｉ上層１０１の表面には、薄膜状のピエゾ抵抗層１０２が形成されている。基部９９のピエゾ抵抗層１０２上には、Ｃｒ／Ａｕ薄膜１０５が設けられている。なお、基部９９には、Ｓｉ下層１０３が設けられており、Ｓｉ下層１０３の所定位置にＳｉＯ_２層１０４を介してＳｉ上層１０１が形成されている。

カンチレバー部９８は、Ｓｉ上層１０１及びピエゾ抵抗層１０２がnmオーダーの薄膜状に形成される。カンチレバー部９８は、一対のヒンジ部１００が細長い長方形状に形成されている。ヒンジ部１００に形成されたピエゾ抵抗層１０２は、ピエゾ素子として機能する。また、カンチレバー部９８には、基部９９に形成されたＣｒ／Ａｕ薄膜１０５に配線（図示しない）が接続されている。配線は、計測回路８４に電気的に接続されている。

カンチレバー部９８は、ヒンジ部１００を除いて外縁１０７と連通路９７の間に隙間１０８が形成されている。この隙間１０８は、空気室９２の内と外とを気体が流通しにくい大きさに形成される。このように構成されたカンチレバー部９８は、空気室９２の内と外の間に生じる圧力差により、ヒンジ部１００を中心に弾性変形し得る。

因みに本実施形態に係るセンサ部９５は、公知の方法（例えば、特許文献２）と同様の方法により製造することができる。

（２）動作及び効果
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（p_c）、本体９４の外の圧力を外圧（p_bar）と呼ぶこととする。

まず、内圧（p_c）と外圧（p_bar）とが等しい場合、例えば、圧力センサ９０が高さ方向において所定位置に一定時間保持されている場合、カンチレバー部９８は変形しない。この場合の内圧（p_c）および外圧（p_bar）の圧力を基準圧力（P₀）とする。

次いで、駆動部９１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９１を起動する。駆動部９１は出力軸８９を介して支持部１２Ｂに回転力を付与する。これにより支持部１２Ｂが回転すると、圧力センサ９０の高さ方向の位置が周期的に変化する。

図２０に示すように、圧力センサ９０が上方に配置されている状態を原点とする。支持部１２Ｂが半回転すると、圧力センサ９０は鉛直下方に移動する。圧力センサ９０を鉛直下方に移動させた場合、外圧（p_bar）は内圧（p₀）に対し大きくなる。そうすると、内圧（p_c）と外圧（p_bar）の間に圧力差が生じる。すなわち、外圧（p_bar）が内圧（p_c）に対し大きくなる。したがって、圧力センサ９０が鉛直方向に移動したとほぼ同時に、カンチレバー部９８は、ヒンジ部１００を中心として空気室９２の内側へ変形する。

次いで、空気室９２内には、隙間を通じて外部から気体が流入し、内圧（p_c）が時間経過と共に上昇する。内圧（p_c）の上昇に伴い、カンチレバー部９８の変形量が小さくなる。やがて内圧（p_c）が外圧（p_bar）と等しくなると、カンチレバー部９８は元の変形していない状態へ戻る。この場合の内圧（p_c）および外圧（p_bar）の圧力を変化後圧力（P₁）とする。

さらに支持部１２Ｂが半回転し、圧力センサ９０が鉛直下方から原点に復帰した場合、外圧（p_bar）は内圧（p₀）に対し小さくなる。そうすると、上述した動作とは逆に、カンチレバー部９８は、ヒンジ部１００を中心として空気室９２の外側へ変形し、時間経過とともに元の変形していない状態へ戻る。

このようにカンチレバー構造のセンサ部９５の角度が変位することにより、ピエゾ抵抗層１０２の抵抗値が変化する。圧力センサ９０は、変化する抵抗値を測定信号として計測回路１８に出力する。さらに、参照信号出力部８６は、駆動信号と同じ信号を参照信号として計測回路８４へ出力する。

計測装置１０Ｄは、計測回路８４において、入力された測定信号と参照信号とに基づき、同期検波器５０Ａで測定信号からノイズを除去し、測定信号の振幅Ａを出力する。

次いで、上記測定信号の振幅Ａに基づき、図示しない情報処理部が基準圧力（P₀）と変化後圧力（P₁）との圧力差ΔＰを算出し、測定結果として出力する。具体的には、測定信号の振幅Ａからピエゾ抵抗層１０２の抵抗値変化率△Ｒ／Ｒを算出する。さらに抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから圧力差ΔＰを求める。抵抗値変化率△Ｒ／Ｒから圧力差ΔＰを求める方法は公知の方法を用いることができる（例えば、特許文献２）。
基準圧力（P₀）と変化後圧力（P₁）との圧力差ΔＰは、式（８）

で表される。

ΔＲ（ｔ）／Ｒはカンチレバー部９８の抵抗値変化率、Ｃ_ｐは定数、Ｋは空気室９２の容積とＣ_ｐに比例する定数とする。したがって、測定信号の振幅Ａから求めた抵抗値変化率△Ｒ／Ｒと、上記式（７）とから、圧力差ΔＰを求めることができる。

上記のように本実施形態に係る計測装置１０Ｄは、周期的に変化する差圧を感知するとともに、支持部１２Ｂの周期的な速度を測定し、それらの測定結果に基づきノイズを除去することにより、差圧を高感度で計測することができる。したがって、計測装置１０Ｄは、測定信号からノイズを効果的に除去することができるので、より高感度で差圧を計測することができる。

（３）変形例
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。

このように構成された計測装置１０Ｅは、参照信号出力部８６（図示しない）が、所定の駆動信号をドライバ８８（図示しない）へ出力し、当該ドライバ８８を介して駆動部１１２を起動する。そうすると、駆動部１１２が伸長した位置と、収縮した位置との差に応じた圧力差がセンサ部９５に作用する。センサ部９５は、圧力差ΔＰに応じて角度が変位することにより、ピエゾ抵抗層１０２の抵抗値が変化する。圧力センサ９０は、周期的な運動に伴って変化する抵抗値を測定信号として計測回路８４に出力する。

そして計測装置１０Ｅは、測定信号と、参照信号出力部８６から入力される駆動信号と同じ信号からなる参照信号とに基づき、同期検波器５０Ａで測定信号からノイズを除去し、測定信号の振幅Ａを出力する。したがって、本変形例に係る計測装置１０Ｅは、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、図２３に示すように計測装置１０Ｆを形成してもよい。本図に示す計測装置１０Ｆは、支持部１１４と、当該支持部１１４上に設けられた力覚センサとしての圧力センサ９０、参照信号出力部としての変位センサ１１５及び計測回路１８（図示しない）とを備える。変位センサ１１５は支持部１１４に設けられている。

このように構成された計測装置１０Ｆは、図２４に示すように、ユーザに携帯される。例えば、本図に示すようにユーザが階段を一定速度で下りる場合、階段の高さに応じて生じた圧力差がセンサ部９５に周期的に作用する。センサ部９５は、圧力差ΔＰに応じてセンサ部９５の角度が変位することにより、ピエゾ抵抗層１０２の抵抗値が変化する。圧力センサ９０は、ユーザが階段を下りることに伴って変化する抵抗値を測定信号として計測回路１８に出力する。さらに、位置センサは、計測装置１０Ｆの位置を感知し、参照信号として計測回路１８へ出力する。そして計測装置１０Ｆは、測定信号と参照信号とに基づき、同期検波器５０Ａで測定信号からノイズを除去し、測定信号の振幅Ａを出力する。したがって、本変形例に係る計測装置１０Ｆは、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

５．実施例
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。

次いで、図２５の測定結果から、周波数特性を検証した。その結果を図２６に示す。図２６Ａ、図２６Ｂは、共に、縦軸がパワースペクトルを示し、横軸が応答周波数（Ｈｚ）を示している。図２６Ｂは、図２６Ａにおける応答周波数５Ｈｚ付近を拡大したグラフである。図２６Ａから、直線運動による応答に加え、電源ノイズと考えられる５０Ｈｚの大きい応答がせん断力センサ１４Ａから出力されていることが確認できる。さらに図２６Ｂから、直線運動による５Ｈｚの応答付近にも、５Ｈｚの応答と同程度のパワースペクトルを有する種々の周波数応答が出力されていることが確認できる。

次に、上記センサ出力を測定信号とし、周波数が５Ｈｚの信号を参照信号として、測定信号及び参照信号を同期検波器５０Ａに入力し、同期検波を行った。その結果を図２７に示す。図２７は、縦軸がセンサ出力（ｍＶ）を示し、横軸が時間（ｓｅｃ）を示している。本図に示すように、０．２０ｍＶ〜０．２３ｍＶのセンサ出力が得られている。このことから、同期検波器５０Ａによって、ノイズを除去し、５Ｈｚのセンサ出力を計測できることが確認できた。

以上より、計測装置１０Ａは、同期検波器５０Ａを有する計測回路１８を備えることにより、ノイズを除去し、より高感度で計測することができることが確認できた。

１０Ａ 計測装置
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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