JP6867573B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、導電流体型センサを用いた測定装置に関する。

薄膜電極を形成したポリマーシートをゴムリングを介して接合し、閉空間に液体電解質を充填して構成されたセンサが、非特許文献１〜３に提案されている。非特許文献１〜３に開示されたセンサは、薄型軽量で剪断力を測定できるという優れた特性を有する。

S. Toyama, S. Utsumi, T. Nakamura, T. Noguchi, Y. Yoshida, "A Novel Thin Shear-Stress Sensor Using Electrolyte as a Conductive Element", Sensor Letters, 11, 442 (2013). 上原遼、海野暁央、五十嵐洋、田中靖紘、中村隆、外山滋、「シート型剪断力センサの開発」、平成26年電気学会全国大会講演論文集、第3分冊、p. 188 (2014). 海野暁央、五十嵐洋、田中靖紘、外山滋、「シート型剪断力センサおよび測定システムの開発」、電気学会研究会資料、CHS-14-18, pp. 15-18 (2014).

非特許文献１〜３に開示されている剪断力センサに使用されている液体電解質の電気伝導度は、温度により大きく変動する。また、ゴムリングの厚みが圧力により変動し、電極間の距離が変化してしまう。従って、検出した電流値そのものから剪断力を推定すると、推定値が、温度および圧力の影響を受けて、不正確な値になってしまう場合がある。

この発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、剪断力を正確に測定可能な測定装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる測定装置は、
弾性体リングと、該弾性体リングを介して対向して配置された２枚のシートと、前記２枚のシートの対向する面の前記弾性体リングに囲まれた領域に配置され、複数の電極対を形成する複数の電極と、前記弾性体リングと前記２枚のシートとから構成される閉空間に充填され、前記複数の電極に接触している導電性流体とを備えるセンサの前記複数の電極対に接続され、各前記電極対を構成する電極の間に電圧を印加し、各前記電極対を流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記複数の電極対を流れる電流の値により、各前記電極対を流れる電流の値を正規化し、正規化後の各電流値に基づいて、前記センサに加わる剪断力を求める演算手段と、
を備える。

この発明かかる測定装置は、センサの各電極対に流れる電流の値を、複数の電極対に流れる電流を用いて正規化する。これにより、温度変化などに起因する導電性流体の電気伝導度の変動の影響を抑えて正確に剪断力を測定することができる。

本願発明の実施の形態１にかかる液体電解質型センサの外観図である。 図１に示す液体電解質型センサの分離斜視図である。 （ａ）は、図１に示した液体電解質型センサに剪断力が加わっていない状態の電極の位置関係を示す概略図、（ｂ）は、剪断力が加わっている状態における電極の位置関係を示す概略図である。 実施の形態１に係る測定装置の構成図である。 図４に示したセンサ制御部および電流測定部の構成図である。 図４に示した測定装置のハードウエア構成を示す構成図である。 図４に示した測定装置の動作のフローチャートである。 本願発明の実施の形態２にかかる液体電解質型センサの分解斜視図である。 （ａ）は、図８に示した液体電解質型センサに剪断力が加わっていない状態の電極の位置関係を示す概略図、（ｂ）は、剪断力が加わっている状態における電極の位置関係を示す概略図である。 実施の形態２に係る液体電解質型センサが接続されたときの測定装置の動作のフローチャートである。 本願発明の実施の形態３にかかる液体電解質型センサの分離斜視図である 実施の形態３にかかる液体電解質型センサが接続されたときの測定装置の動作のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る測定装置を説明する。

本発明の実施の形態１にかかる測定装置は、液体電解質型センサでの測定を前提とする。そこで、まず、図１と図２を参照して、実施の形態１で使用する液体電解質型センサ１０について説明する。

［実施の形態１］
図１に示されるように、液体電解質型センサ１０は、検出部１００と配線部２００とから構成される。
なお、理解を容易にするため、配線部２００の延在方向をＹ軸方向、その直交方向をＸ軸方向、液体電解質型センサ１０の厚み方向をＺ軸方向とするＸＹＺ座標を設定し、さらに、図示するように、上下左右を設定し、これらを適宜参照する。

検出部１００は、液体電解質型センサ１０に加えられた剪断力を検出する部分である。
配線部２００は、検出部１００の検出信号を後述する測定装置１に伝達する伝送路であり、複数の配線を備える。

図２に分解して示すように、検出部１００は、ゴムリング１１と、ゴムリング１１の両面に配置され、密閉空間１４を形成する上部絶縁シート１２と下部絶縁シート１３とを備える。

ゴムリング１１は、硬度５０°程度のゴムから構成され、例えば、外径が９ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度のリング状に形成されている。

上部絶縁シート１２は、ポリイミドシート等から形成され、ゴムリング１１の一面に接着剤等により固着されている。上部絶縁シート１２の下部絶縁シート１３と対向する面には、中心電極（第１の電極）ＥＣが形成されている。中心電極ＥＣは、例えば、円形に形成され、貫通孔を介して上部絶縁シート１２の外面に引き出され、上部絶縁シート１２上に形成された配線１２１を介して、上部ジョイント１２２に引き出されている。

下部絶縁シート１３は、ポリイミドシート等から形成され、ゴムリング１１の他面に接着剤等により固着されている。下部絶縁シート１３の上部絶縁シート１２と対向する面には、４つの電極ＥＵ、ＥＤ、ＥＬ、ＥＲが配置されている。４つの電極ＥＵ、ＥＤ、ＥＬ、ＥＲは、中心電極ＥＣから等距離で、９０°回転対称の位置に配置されている。理解を容易にするため、電極ＥＵ〜ＥＲをＸ軸とＹ軸上に配置し、それぞれ、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬ、右電極ＥＲと呼ぶこととする。

上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬ、右電極ＥＲは、それぞれ、貫通孔を介して下部絶縁シート１３の外面に引き出され、下部絶縁シート１３上に形成された配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲに接続されている。

ゴムリング１１と上部絶縁シート１２と下部絶縁シート１３とで形成された密閉空間１４には、液体電解質、例えば、ＬｉＣｌを含むエチレングリコールが充填されている。従って、中心電極ＥＣと、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬ、右電極ＥＲとは、それぞれ、液体電解質を介して、電気的に接続される。なお、中心電極ＥＣ、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬおよび右電極ＥＲは、例えば、１００ｎｍ厚のＡｇにより形成される。また、配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲは、例えば、Ａｕ／Ａｇ／Ｎｉの積層膜により形成され、液体電解質に接触しないように絶縁されている。

配線部２００は、下部絶縁シート１３と一体に形成された絶縁シート１５と、絶縁シート１５上に形成され、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬ、右電極ＥＲに接続された配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲを備えている。
また、配線部２００には、上部ジョイント１２２に接続される下部ジョイント１５１が形成されている。下部ジョイント１５１には、配線ＷＣが形成されている。

図３（ａ）に示すように、検出部１００に剪断力が加わっていない場合、中心電極ＥＣと、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬおよび右電極ＥＲとの距離は、互いに等しい。このため、中心電極ＥＣと上電極ＥＵの対、中心電極ＥＣと下電極ＥＤの対、中心電極ＥＣと左電極ＥＬの対、中心電極ＥＣと右電極ＥＲの対、の各電極対を構成する電極の間の電解液の抵抗値は互いに等しい。このため、各電極対を構成する電極の間に共通の基準電圧Ｖを印加したとき、各電極対の間には互いに等しい大きさの電流が流れる。

一方、図３（ｂ）に示すように、検出部１００に剪断力が加わると、ゴムリング１１が変形し、電極対を形成する電極の間の距離も変化する。

例えば、図３（ｂ）に示すように、上部絶縁シート１２に−Ｙ軸方向の剪断力が加わったと仮定すると、中心電極ＥＣと下電極ＥＤの距離が短くなる。このため、中心電極ＥＣと下電極ＥＤの間の電解液の抵抗値は減少し、基準電圧を印加したときに流れる電流は、剪断力を加える前より増加する。反対に、中心電極ＥＣと上電極ＥＵの距離は長くなる。このため、中心電極ＥＣと上電極ＥＵの間の電解液の抵抗値は増加し、基準電圧を印加したときに流れる電流は、剪断力を加える前より減少する。ゴムリング１１の変形の程度は、加えられる力が大きくなるに従って増加し、力が小さくなるに従って減少する。

従って、４つの電極対に基準電圧を印加したときに、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、右電極ＥＲ、左電極ＥＬそれぞれに流れる電流の値（以下、電流値と呼ぶ場合もある）ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬを測定し、それを剪断力が加わっていない状態での電流値と比較すれば、Ｙ軸方向とＸ軸方向にそれぞれどの程度の剪断力が加わっているかを判定することができる。

例えば、基準電圧Ｖを印加したときに、中心電極ＥＣと上電極ＥＵの間に流れる電流の値ｉＵが増加し、中心電極ＥＣと下電極ＥＤとの電極対に流れる電流の値ｉＤが減少したときには、中心電極ＥＣと上電極ＥＵとの間の距離が短くなり、中心電極ＥＣと下電極ＥＤとの間の距離が長くなったことになる。従って、このときには、下部絶縁シート１３を固定して考えると、＋Ｙ軸方向の剪断力が、上部絶縁シート１２に加わっていることになる。なお、−Ｙ軸方向の剪断力が、下部絶縁シート１３に加わっていると解してもよい。

反対に、中心電極ＥＣと上電極ＥＵとの間に流れる電流の値ｉＵが減少し、中心電極ＥＣと下電極ＥＤとの間に流れる電流の値ｉＤが増加したときには、中心電極ＥＣと上電極ＥＵとの間の距離が長くなり、中心電極ＥＣと下電極ＥＤとの間の距離が短くなったことになる。従って、このときには、下部絶縁シート１３を固定して考えると、−Ｙ軸方向の剪断力が、上部絶縁シート１２に加わっていることになる。なお、＋Ｙ軸方向の剪断力が、下部絶縁シート１３に加わっていると解してもよい。

中心電極ＥＣと左電極ＥＬとの間に流れる電流の値ｉＬ、中心電極ＥＣと右電極ＥＲの間に流れる電流の値ｉＲについても、Ｘ軸方向の剪断力に関して、同様の関係が成立する。

従って、液体電解質型センサ１０が、温度の影響を受けないときには、上電極ＥＵを流れる電流の値ｉＵと下電極ＥＤを流れる電流の値ｉＤとの差（ｉＵ−ｉＤ）を求めることにより、Ｙ軸方向の剪断力の大きさを求めることができ、右電極ＥＲを流れる電流の値ｉＲと左電極ＥＬを流れる電流の値ｉＬとの差（ｉＲ−ｉＬ）を求めることにより、Ｘ軸方向の剪断力の大きさを求めることができる。

しかし、液体電解質の電気伝導度は、環境温度の影響を受けて変化してしまう。従って、電流の差（ｉＲ−ｉＬ）および（ｉＵ−ｉＤ）は、単純には、剪断力の大きさを示さないものとなってしまう。

一方、上述のように、検出部１００の外径は９ｍｍと比較的小さいので、検出部１００全体に、均等に温度の影響が生じるとみなすことができる。従って、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬそれぞれを、その合計（＝ｉＵ＋ｉＤ＋ｉＲ＋ｉＬ）で除算して正規化することにより、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬそれぞれから、液体電解質型センサ１０に対する温度変化の影響を排除することができる。

また、液体電解質型センサ１０を製造すると、液体電解質型センサ１０それぞれの間に特定のばらつきが生じてしまう。特定のばらつきを補正するためには、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬそれぞれを測定し、測定結果に基づいて、補正値を予め求めておけばよい。つまり、測定値および測定値間の差分の少なくとも一方に、予め求められた補正値を乗算したり、加算したりすることにより、液体電解質型センサ１０の特性のばらつきを排除するための補正を行うことができる。

次に、温度変化による影響を補償する機能を有する測定装置１を説明する。
図４に示すように、測定装置１は、装置制御部１６０、センサ制御部１６２、電流測定部１６４、補正演算部１６６、測定値演算部１６８、入出力・記憶制御部１７０、入出力部１７２および記憶部１７４を備える。

装置制御部１６０は、液体電解質型センサ１０の出力信号（電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬ）を補正、即ち、正規化し、正規化した測定値から、加わった剪断力の値などを演算により推定するように、測定装置１の各構成要素を制御する。

センサ制御部１６２は、液体電解質型センサ１０の検出部１００が備える４つの電極対（中心電極ＥＣと上電極ＥＵ、中心電極ＥＣと下電極ＥＤ、中心電極ＥＣと左電極ＥＬ、中心電極ＥＣと右電極ＥＲ）の間に基準電圧を印加する。より具体的には、センサ制御部１６２は、図５に示すように、正極性と負極性の基準電圧を出力する交流電源５１を備え、中心電極ＥＣには配線ＷＣを介して接地電位を印加し、上電極ＥＵと下電極ＥＤと左電極ＥＬと右電極ＥＲには、配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲを介して、正極性と負極性の基準電圧を印加する。

図４に示す電流測定部１６４は、各電極対を流れる電流を測定する。具体的には、電流測定部１６４は、図５に示すように、配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲにそれぞれ介挿された微小抵抗Ｒにより各配線ＷＵ、ＷＤ、ＷＬ、ＷＲを流れる電流を電圧に変換し、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器５２によりデジタル値に変換して出力する。微小抵抗Ｒでの電圧降下を増幅してＡ／Ｄ変換器５２に供給してもよい。

センサ制御部１６２と電流測定部１６４及びこれらを制御する装置制御部１６０は、液体電解質型センサ１０の複数対の電極間に電圧を印加し、各電極対を流れる電流を測定する電流測定手段として機能する。

図４に示す補正演算部１６６は、電流測定部１６４が測定した電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬをこれらの値の和で除算することにより、正規化し、補正されたｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬを求める。以下、補正後、即ち、正規化後の電流値をｉＵ’、ｉＤ’、ｉＲ’、ｉＬ’と表記する。
従って、式（１）が成立する。
iU' = iU / (iU + iD + iR + iL)
iD' = iD / (iU + iD + iR + iL)
iR' = iR / (iU + iD + iR + iL)
iL' = iL / (iU + iD + iR + iL) ・・・（１）

測定値演算部１６８は、正規化された電流値ｉＵ’、ｉＤ’、ｉＲ’、ｉＬ’を用いて、検出部１００に加わった剪断力の値およびその方向を演算により求める。具体的には、測定値演算部１６８は、式（２）により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に加わる剪断力Ｆｘ、Ｆｙを求める。
Fx = kx1・(iR' - iL') + kx2
Fy = ky1・(iU' - iD') + ky2 ・・・（２）
なお、kx1［Ｎ／Ａ］、kx2［Ｎ］、ky1［Ｎ／Ａ］、ky2［Ｎ］は係数であり、液体電解質型センサ１０毎にわずかに異なる値を取る。

これらの係数は、例えば、液体電解質型センサ１０の製造段階、較正段階等に、既知の剪断力を検出部１００に加えた状態で、正規化電流を求め、これらの値を式（２）に代入することにより求められる。
測定値演算部１６８は、これらの係数の値を内部の不揮発性メモリ等に記憶しておき、実際の測定時に利用する。

補正演算部１６６と測定値演算部１６８及びこれらを制御する装置制御部１６０は、電極対を流れる電流の値により、各電極対を流れる電流を正規化し、正規化後の各電流値に基づいて、液体電解質型センサ１０に加わる剪断力を求める演算手段として機能する。

入出力・記憶制御部１７０は、測定値演算部１６８が推定した剪断力などの値の入出力部１７２のディスプレイへの表示、記憶部１７４への記憶、および、入出力部１７２のキーボードなどに対するユーザの操作を受け入れなどを行う。

入出力部１７２は、ディスプレイ装置等の出力装置、キーボード、マウス等の入力装置、タッチパネル等の入出力装置等を備える。
記憶部１７４は、ハードディスク装置、フラッシュメモリ装置等を備える。

図４に示した測定装置１は、ハードウエア的には、例えば、図６に例示するような演算処理装置１８により実現可能である。

ここで、演算処理装置１８は、演算処理部１８０、端子部１８２、センサインターフェース（ＩＦ）１８４、メモリ１８６、記憶装置１８８および入出力装置１９０などを備える。演算処理部１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)およびその周辺回路などを含み、メモリ１８６にロードされたソフトウェアを実行する。

端子部１８２には、液体電解質型センサ１０の配線ＷＵ〜ＷＲ、ＷＣが接続される。センサＩＦ１８４は、図５に示す交流電源５１、微小抵抗Ｒ、Ａ／Ｄ変換器５２等を備え、液体電解質型センサ１０に基準電圧を印加し、また、液体電解質型センサ１０の出力電流の値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬをデジタル値に変換する。また、演算処理装置１８による液体電解質型センサ１０に対する制御を実現する。メモリ１８６は、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Randum Access Memory)およびフラッシュメモリなどを含み、演算処理装置１８において用いられるデータを、揮発的または不揮発的に記憶する。記憶装置１８８は、ＨＤ(Hard Disk)およびＤＶＤ(Digital Versertile Disk)などの不揮発性の記憶媒体との間でデータの記録および再生を行う。入出力装置１９０は、ユーザからの操作を受け入れるキーボード、および、データをユーザに対して表示するディスプレイなどを含む。つまり、演算処理装置１８は、一般的なＰＣまたは組み込み用コンピュータと同様な構成要素を含む。

［測定装置１の動作］
以下、図４に示した測定装置１の全体的な動作を説明する。図７は、図４に示した測定装置１の動作を示すフローチャートである。

図７に示されるように、装置制御部１６０は、センサ制御部１６２を制御して、中心電極ＥＣをグランド電圧に接地し、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬおよび右電極ＥＲに基準電圧を印加させる（ステップＳ１０１）。

一方、装置制御部１６０は、電流測定部１６４を制御して、中心電極ＥＣと上電極ＥＵとの対に流れる電流の値ｉＵ、中心電極ＥＣと下電極ＥＤとの対に流れる電流の値ｉＤ、中心電極ＥＣと右電極ＥＲとの対に流れる電流の値ｉＲ、中心電極ＥＣと左電極ＥＬとの対に流れる電流の値ｉＬを測定させる（ステップＳ１０１）。電流測定部１６４は、測定した電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬを、補正演算部１６６に出力する。

続いて、装置制御部１６０は、補正演算部１６６を制御して、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬそれぞれから温度の影響を排除する。つまり、装置制御部１６０は、補正演算部１６６を制御して、式（１）により、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬそれぞれを、これらの電流値の総和（ｉＵ＋ｉＤ＋ｉＲ＋ｉＬ）で除算させることにより、正規化した電流値ｉＵ’、ｉＤ’、ｉＲ’、ｉＬ’を求めさせる（ステップＳ１０２）。

装置制御部１６０は、補正演算部１６６を制御して、式（２）により、Ｘ軸方向とＹ軸方向の剪断力Ｆｘ、Ｆｙを求めさせ、測定値演算部１６８に出力させる（ステップＳ１０３）。

装置制御部１６０は、測定値演算部１６８を制御し、求めた剪断力およびその方向を、入出力・記憶制御部１７０に出力させる。装置制御部１６０は、入出力・記憶制御部１７０を制御して、入出力部１７２のディスプレイに、求めた剪断力およびその方向を表示し、さらに、記憶部１７４に記憶する（ステップＳ１０４）。

以上説明したように、本実施の形態によれば、液体電解質型センサ１０の出力電流自体を用いて、各電流への温度の影響を除去し、温度変化の影響を抑えた正確な剪断力の測定値を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１においては、剪断力を測定する例を示したが、剪断力と共に圧力を測定できるようにすることも可能であり、以下、実施形態２として説明する。

実施形態２に係る液体電解質型センサ２０は、図８及び図９（ａ）、（ｂ）に示すように、下部中心電極（第２の電極）ＥＵＣを備える。また、下部中心電極ＥＵＣと測定装置１とを接続する配線ＷＵＣを備える。測定装置１は、中心電極ＥＣと下部中心電極ＥＵＣとの間に流れる電流の値ｉＣを、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬに加えて測定する。

なお、好適には、下部中心電極ＥＵＣは相対的に小さく、中心電極ＥＣは相対的に大きく形成される。このように下部中心電極ＥＵＣを小さく、中心電極ＥＣを大きく形成することにより、ゴムリング１１が変形しても、下部中心電極ＥＵＣは、中心電極ＥＣに対向し続けることができる。このため、上電極ＥＵ、下電極ＥＤ、左電極ＥＬおよび右電極ＥＲとの間の４つの電極対の電極間の抵抗値が、液体電解質型センサ２０の変形に応じて比例的に変化するのに対して、中心電極ＥＣと下部中心電極ＥＵＣとの間の抵抗値は、これらの電極間の距離の平方根に従って変化する。このような各電極対を構成する電極間の抵抗値、つまり、電流の値の変化の相違により、液体電解質型センサ２０の温度補正をしつつ、圧力の測定が可能となる。

以下、液体電解質型センサ２０を接続したときの測定装置１の動作を説明する。図１０は、液体電解質型センサ２０が接続されたときの測定装置１の動作を示すフローチャートである。

図１０に示すように、装置制御部１６０は、センサ制御部１６２を制御して、各電極対に基準電圧を印加させる（ステップＳ１２１）。また、装置制御部１６０は、電流測定部１６４を制御して、電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬ、さらに、中心電極ＥＣと下部中心電極ＥＵＣとの間に流れる電流の値ｉＵＣを測定させる（ステップＳ１２１）。電流測定部１６４は、測定した電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬ、ｉＵＣを、補正演算部１６６に出力する。

次に、装置制御部１６０は、補正演算部１６６を制御して、測定された電流値ｉＵ、ｉＤ、ｉＲ、ｉＬ、ｉＵＣの値を、下記式（３）に示すように、電流値の合計値（ｉＵ＋ｉＤ＋ｉＲ＋ｉＬ＋ｉＵＣ）で除算することにより、正規化させ、測定値演算部１６８に出力させる（ステップＳ１２２）。

iU' = iU / (iU + iD + iR + iL + iUC)
iD' = iD / (iU + iD + iR + iL + iUC)
iR' = iR / (iU + iD + iR + iL + iUC)
iL' = iL / (iU + iD + iR + iL + iUC)
iUC' = iUC / (iU + iD + iR + iL + iUC) ・・・（３）

測定値演算部１６８は、正規化された電流値を用いて、検出部１００のＸ軸方向とＹ軸方向に加わった剪断力Ｆｘ、Ｆｙ、と圧力（Ｚ方向の力）Ｆｚとを、下記式（４）により求める（ステップＳ１２３）。
Fx = kx1・(iR' - iL') + kx2
Fy = ky1・(iU' - iD') + ky2
Fz = kz1・(iUC' - iUC0') + kz2 ・・・（４）
なお、上式（４）において、ｋｚ１［Ｎ／Ａ］_、 ｋｚ２［Ｎ］は、液体電解質型センサ２０の個体ごとの特性を補正するための実測結果から予め求められた係数である。また、ｉＵＣ０’は、液体電解質型センサ２０に圧力及び剪断力が加えられていない状態における正規化されたｉＵＣである。

測定値演算部１６８は、求められた剪断力およびその方向と、圧力とを、入出力・記憶制御部１７０に出力する。装置制御部１６０は、入出力・記憶制御部１７０を制御して、入出力部１７２のディスプレイに、求めた剪断力およびその方向と、圧力とを表示し、さらに、記憶部１７４に記憶する（ステップＳ１２４）。

以上説明したように、本実施の形態によれば、剪断力に加えて圧力も温度変化の影響を抑えて測定することができる。

［実施の形態３］
実施の形態２においては、剪断力と圧力を測定可能としたが、トルクを測定することも可能である。以下、トルクを測定可能とした液体電解質型センサと測定装置にかかる実施の形態を説明する。

以下、実施の形態３を説明する。図１１に示すように、実施の形態３にかかる液体電解質型センサ３０は、電極の配置が実施形態１及び２とは異なる。具体的には、上部絶縁シート１２には、上電極ＥＵと下電極ＥＤとが、Ｙ軸上に配置され、下部絶縁シート１３には、右電極ＥＲと左電極ＥＬとがＸ軸上に配置されている。電極ＥＵ、ＥＤ、ＥＬ、ＥＲが９０°回転対称の位置にあることは実施形態１と同一である。

液体電解質型センサ３０においては、上電極ＥＵと左電極ＥＬ、上電極ＥＵと右電極ＥＲ、下電極ＥＤと左電極ＥＬ、下電極ＥＤと右電極ＥＲとがそれぞれ電極対を形成する。液体電解質型センサ３０は、測定装置１の制御に従って、これら合計４つの電極対を流れる電流を、出力信号として測定装置１に出力する。

次に、液体電解質型センサ３０を接続したときの測定装置１の動作を説明する。
図１２は、実施の形態３における測定装置１の動作のフローチャートである。

フローチャートに示す処理を開始すると、測定装置１の装置制御部１６０は、４つ全ての電極対の電極間に流れる電流の値ｉＵＲ、ｉＵＬ、ｉＤＲ、ｉＤＬの値の測定が済んだか否かを判断する（ステップＳ１４１）。装置制御部１６０は、全ての電極対を流れる電流の測定が済んでいると判断すると（ステップＳ１４１；Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１４４に進め、これ以外のときにはステップＳ１４２に進める。ステップＳ１４２において、装置制御部１６０は、センサ制御部１６２を制御して、電極間の電流の測定が済んでいない電極対を選択し、他の電極をフローティング状態とする（ステップＳ１４２）。

次に、装置制御部１６０は、センサ制御部１６２を制御して、選択した電極対を構成する電極の間に基準電圧を印加させ、そのときに流れる電流を測定する（ステップＳ１４３）。

装置制御部１６０は、この動作を繰り返すことにより、電流値ｉＵＲ、ｉＵＬ、ｉＤＲ、ｉＤＬを順次測定する。
測定値が４つ揃うと、ステップＳ１４１でＹｅｓと判別され、装置制御部１６０は、補正演算部１６６を制御して、Ｓ１４１〜Ｓ１４３の処理により測定された電流値ｉＵＲ、ｉＵＬ、ｉＤＲ、ｉＤＬの値を、下記式（５）により正規化させる（ステップＳ１４４）。
続いて、装置制御部１６０は、測定値演算部１６８を制御し、式（６）により、検出部１００に加わるトルクθを求める（ステップＳ１４５）。
続いて、トルクθを記憶及び出力する（ステップＳ１４６）。

iUR' = iUR / (iUR + iUL + iDR + iDL)
iUL' = iUL / (iUR + iUL + iDR + iDL)
iDR' = iDR / (iUR + iUL + iDR + iDL)
iDL' = iDL / (iUR + iUL + iDR + iDL) ・・・（５）

θ = kθ1・ (iUR' - iUL' - iDR' + iDL') + kθ2 ・・・（６）

上式（６）において、kθ1、 kθ2は、測定装置１に接続された液体電解質型センサ３０の個体ごとの特性のばらつきを補正するために実測結果から予め求められた補正値である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、温度変動の影響を除去してトルクを測定することが可能となる。

［変形例］
液体電解質型センサは、実施形態１〜３全ての構成を備えても良い。例えば、上部絶縁シートと下部絶縁シートに、電極ＥＣ、ＥＵ、ＥＤ、ＥＲ、ＥＬをそれぞれ配置し、電極の対を切り替えながら電流を流し、所望の電流値を測定することにより、剪断力、圧力、トルクの全てを１つのセンサで取得できるようにしてもよい。この場合に、電流の回り込みなどの不具合が発生するおそれがある場合には、測定装置１が他の電極をフローティング状態に設定すればよい。

なお、上述した液体電解質型センサの検出部、上部絶縁シート、下部絶縁シート、ゴムリングの直径、厚みおよび材料は例示であって、液体電解質型センサの用途および構成によって適宜、変更することができる。ゴムリングは任意の弾性体リングでよい。

また、電解液として、ＬｉＣｌを含むエチレングリコール以外の有機、無機電解液も用いられ得る。また、液体電解質以外にも、イオン液体および液体金属等の導電性を有する液体も用いられ得る。さらには、これらの導電性液体を含浸させたゲル状物質、或いは、スポンジ状物質、或いはこれらの導電性液体にラテックス粒子等の微粒子を分散させた材料なども用いられ得る。即ち、この発明は、導電性流体（ゾル・ゲルを含む）を使用するセンサに広く適用可能である。

また、電極および配線の材料は、Au/Ag/Ni多層膜に限定されず、導電性があれば他の金属薄膜、カーボン薄膜、有機導電体、あるいはこれらによる多層膜などが利用可能である。また、薄膜である必要もなく、スクリーン印刷法により形成された金属膜、リード線なども利用可能である。

上部電極シート、下部電極シート、ゴムリングの形状は、円に限らず、楕円であったり、四角形であったりしてもよい。つまり、これらの形状は、センサの用途および構成に応じて、適宜、変更可能である。従って、電極の取り付け位置は、上部電極シートおよび下部電極シートの形状に応じて、適宜、変更されうる。

センサ制御部１６２の一例として交流電源５１、電流測定部１６４の一例として、微小抵抗ＲとＡ／Ｄ変換器５２を例示したが、これらは適宜変更可能である。例えば、交流電源として５ｋＨＺ程度の正弦波交流電源を使用することも可能である。また、センサ１０、２０，３０の各電極対を構成する電極間に一定の基準電圧が正確に印加されるように、微小抵抗Ｒでの電圧降下分を補償（加算）した電圧を印加するようにしてもよい。
また、電流測定部１６４として、オペアンプを使用する等既知の任意のＩ−Ｖ変換回路を使用可能である。

また、検出部１００の下部絶縁シート１３が固定される場合を説明したが、上部電極シート側が制御対象に固定されてもよい。測定装置１によるセンサに対する電極制御の態様は、上部電極シートおよび下部電極シート測定対象に応じて変更され得る。

実施の形態２において、電流測定部１６４は、式（３）、（４）の代わりに、実施の形態１に示した式（１）、（２）を用いて測定値を補正してもよい。

また、実施の形態１，２において、測定装置１は、図７に示したステップＳ１０１、図１０に示したステップＳ１２１に代えて図１２に示したステップＳ１４１〜Ｓ１４３と同様の処理を液体電解質型センサに行ってもよい。

さらに、実施の形態１において、電流測定部１６４は、式（１）、（２）の代わりに、以下に示す式（７）、（８）を用いて測定値を正規化し、剪断力を求めもよい。
さらに、実施の形態２において、電流測定部１６４は、式（３）、（４）の代わりに、以下に示す式（９）、（１０）を用いて測定値を正規化し、剪断力を求めもよい。

なお、（７）式は、Ｙ軸上の電極ＥＵ，ＥＤを流れる電流ｉＵ，ｉＤを、中心電極ＥＣを通る仮想直線であるＹ軸上の電極ＥＵ，ＥＤを流れる電流の和（ｉＵ＋ｉＤ）で除算して正規化し、Ｘ軸上の電極ＥＲ，ＥＬを流れる電流ｉＲ，ｉＬを、中心電極ＥＣを通る仮想直線であるＸ軸上の電極ＥＲ，ＥＬを流れる電流の和（ｉＲ＋ｉＬ）で除算することにより正規化するものである。また、（８）式は、（７）式により正規化された電流値からＸ軸方向とＹ軸方向の剪断力を求める式である。

また、（９）式は、下部中央電極ＥＵＣを流れる電流ｉＵＣを、４つの電極ＥＵ、ＥＤ、ＥＲ、ＥＬを流れる電流の和（ｉＵ＋ｉＤ＋ｉＲ＋ｉＬ）で除算して正規化するものである。また、（１０）式は、（９）式により正規化された電流値から、Ｘ軸方向とＹ軸方向の剪断力及びＺ軸方向の圧力を求める式である。

iU' = iU / (iU + iD)
iR' = iR / (iR + iL)
iD' = iD / (iU + iD)
iL' = iL / (iR + iL) ・・・（７）

Fx = kx1・(iR' - iL') + kx2
Fy = ky1・(iR' - iL') + ky2 ・・・（８）

iU' = iU / (iU + iD)
iR' = iR / (iR + iL)
iD' = iD / (iD + iL)
iL' = iL / (iD + iL)
iUC' = iUC / (iU + iR + iD + iL) ・・・（９）

Fx = kx1・(iR' - iL') + kx2
Fy = ky1・(iR' - iL') + ky2
Fz = kz1・iUC' + kz2 ・・・（１０）

なお、実施の形態１、２において、測定装置１は、正規化に用いられない電流値を、測定しなくてもよい。また、上述の式（１）〜（１０）は、液体電解質型センサ１０、２０および測定装置１の動作と矛盾が生じない範囲で組み合わされ得る。

上記実施の形態では、電極を９０°回転対称の位置に実質的に４つ配置したが、任意の数の電極Ｎを配置してもよい。例えば、一方向の剪断力を測定できれば、Ｎ＝２でもかまわない。また、Ｎ＝４以上でもかまわない。

以上説明した実施の形態にかかるセンサは極めて薄型及び小型である。また、測定装置１も小型軽量化が可能である。このため、温度変化が発生する様々な場面で利用可能である。

例えば、ソケットと言われる切断肢体と義手・義足とをあわせる部分に、センサを配置し、圧迫や摩擦を測定することにより、ソケットの適合性を評価することが可能となる。

また、車椅子の例えば、腰或いは臀部が位置する部分にセンサを配置し、測定装置１を車椅子のフレームにセットしておき、車椅子への着座や車椅子からの起立時に、患部に加わる力、車椅子の適合性や、着座の手法を評価することが可能となる。

また、ベッドに液体電解質型センサを配置し、測定装置１をベッドの近傍に配置し、測定を継続的に行うことにより、寝返り時に患者に加わる力を評価し、じょくそう防止等に寄与することができる。

１ 測定装置
１０、２０、３０ 液体電解質型センサ
１１ ゴムリング
１２、１３、１５ 絶縁シート
１４ 密閉空間
５１ 交流電源
５２ Ａ／Ｄ変換器
１００ 検出部
１２１ 配線
１２２、１５１ ジョイント
１６０ 装置制御部
１６２ センサ制御部
１６４ 電流測定部
１６６ 補正演算部
１６８ 測定値演算部
１７０ 入出力・記憶制御部
１７２ 入出力部
ＥＣ 中心電極
ＥＵ 上電極
ＥＤ 下電極
ＥＬ 左電極
ＥＲ 右電極
ＥＵＣ 下部中心電極
ＷＵ、ＷＤ、ＷＲ、ＷＬ、ＷＣ、ＷＵＣ 配線

Claims (7)

1. 弾性体リングと、該弾性体リングを介して対向して配置された２枚のシートと、前記２枚のシートの対向する面の前記弾性体リングに囲まれた領域に配置され、複数の電極対を形成する複数の電極と、前記弾性体リングと前記２枚のシートとから構成される閉空間に充填され、前記複数の電極に接触している導電性流体とを備えるセンサの前記複数の電極対に接続され、各前記電極対を構成する電極の間に電圧を印加し、各前記電極対を流れる電流を測定する電流測定手段と、
   前記複数の電極対を流れる電流の値により、各前記電極対を流れる電流の値を正規化し、正規化後の各電流値に基づいて、前記センサに加わる剪断力を求める演算手段と、
   を備える測定装置。
2. 前記演算手段は、前記複数の電極対を流れる電流の和で、前記電極対それぞれを流れる電流を除算して正規化する、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記センサは、一方のシートに形成された第１の電極と、他方のシートに形成されたＮ個の電極を備え、
   前記電流測定手段は、前記第１の電極と前記Ｎ個の電極との組み合わせにより、Ｎ個の電極対を設定し、各前記電極対を流れる電流を求め、
   前記演算手段は、各前記電極対を流れる電流を複数の前記電極対を流れる電流の和で除算することにより、各前記電極対を流れる電流を正規化する、
   請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記Ｎ個の電極は、前記第１の電極から等距離の位置に形成されており、
   前記演算手段は、各前記電極対を流れる電流を、Ｎ個の前記電極対を流れる電流の和で除算することにより、各前記電極対を流れる電流を正規化する、
   請求項３に記載の測定装置。
5. 前記Ｎ個の電極は、前記第１の電極から等距離の位置に形成されており、
   前記演算手段は、各前記電極対を流れる電流を、前記第１の電極を通る仮想直線の上に位置する２つの電極が構成する２つの電極対を流れる電流の和で除算することにより、各前記電極対を流れる電流を正規化する、
   請求項３に記載の測定装置。
6. 前記Ｎ個の電極は、前記第１の電極から等距離の位置に形成され、さらに、前記他方のシートの前記第１の電極に対向する位置に第２の電極が形成されており、
   前記電流測定手段は、前記第１の電極と前記Ｎ個の電極及び前記第２の電極との組み合わせにより、Ｎ＋１個の前記電極対を設定し、各前記電極対を流れる電流を求め、
   前記演算手段は、各前記電極対を流れる電流を、複数の前記電極対を流れる電流の和で除算することにより、各前記電極対を流れる電流を正規化する、
   請求項３に記載の測定装置。
7. 前記Ｎ個の電極は、前記第１の電極から等距離の位置に形成され、さらに、前記他方のシートの前記第１の電極に対向する位置に第２の電極が形成されており、
   前記演算手段は、各前記電極対を流れる電流を、前記第１の電極を通る仮想直線の上に位置する２つの電極が構成する２つの電極対を流れる電流の和で除算することにより、各前記電極対を流れる電流を正規化する、
   請求項３に記載の測定装置。

Images