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WO2015156069A1 - 曲げ量計測装置 - Google Patents

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WO2015156069A1
WO2015156069A1 PCT/JP2015/056913 JP2015056913W WO2015156069A1 WO 2015156069 A1 WO2015156069 A1 WO 2015156069A1 JP 2015056913 W JP2015056913 W JP 2015056913W WO 2015156069 A1 WO2015156069 A1 WO 2015156069A1
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WO
WIPO (PCT)
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sheet
elastic body
bending amount
capacitor
conductive elastic
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/056913
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
哲也 辻上
健人 井ノ口
田中　守
林　義明
勇三 今堀
山口　和也
正光 小谷
Original Assignee
株式会社 イマック
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 イマック filed Critical 株式会社 イマック
Publication of WO2015156069A1 publication Critical patent/WO2015156069A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Definitions

  • the present invention relates to a bending amount measuring apparatus that measures the bending amount of an object that is bent and deformed in a human or animal body or machine.
  • bending amount measuring devices for measuring the bending amount (degree of bending) of an object to be bent and deformed.
  • a comparatively simple structure for example, in Patent Document 1, two piezoelectric films are attached in accordance with the amount of bending by closely attaching a sensor unit obtained by bonding two piezoelectric films to the surface of an object.
  • a bending amount measuring apparatus for measuring a bending amount by measuring an electromotive force generated during the period is disclosed.
  • the bending amount measuring device is an industrial-use device that measures the amount of bending by setting it to a joint part of a medical or exercise device or robot that measures the amount of bending of a part of a human or animal body such as an elbow or knee. Since it can be used for various devices such as devices, it is desirable that it be as simple as possible.
  • the present invention has been made in view of such reasons, and an object thereof is to provide a bending amount measuring apparatus having a simpler configuration.
  • a bending amount measuring apparatus uses first and second sheet-like elastic bodies as dielectrics, and first to first sandwiching these dielectrics in a sandwich shape. 3 as an electrode, the first capacitor, the second sheet-like conductive elastic body, and the second sheet-like conductive elastic body between the first sheet-like conductive elastic body and the second sheet-like conductive elastic body.
  • An AC voltage is applied to the first capacitor by applying an AC voltage to the sensor section formed by forming a second capacitor between the three sheet-like conductive elastic bodies and a terminal of the first sheet-like conductive elastic body.
  • the capacitance value of the second capacitor increases and the value of the alternating current flowing therethrough increases.
  • An alternating current flows through the terminal of the conductive elastomer, and a current obtained by combining the alternating current and the alternating current flowing through the first capacitor flows as an alternating current through the second capacitor.
  • both of the first and second sheet-like elastic bodies are not provided with a gap or a depression, or both of the first and second sheet-like elastic bodies are provided. Are provided with a number of voids or depressions.
  • the first and second sheet-like elastic bodies are made of the same material. More preferably, the first and second sheet-like elastic bodies have the same thickness.
  • the bending amount is obtained by adding the angles of both ends of the sensor unit.
  • a bending amount measuring device having a simpler configuration can be provided.
  • the bending amount measuring apparatus 1 includes a sensor unit 2 and an electric circuit unit 3.
  • the bending amount measuring apparatus 1 includes a sensor unit 2 incorporated in a supporter 4 and applied to an elbow or the like, and from an electric circuit unit 3 through electric wirings 51 to 53 in a cable 5. A signal is sent to the sensor unit 2 or from the sensor unit 2 to the electric circuit unit 3.
  • the sensor unit 2 includes a first sheet-like elastic body 23 having a first sheet-like elastic body 21 and a second sheet-like elastic body 22 as dielectrics and sandwiching the dielectric bodies 21 and 22 in a sandwich shape.
  • the second sheet-like conductive elastic body 24 and the third sheet-like conductive elastic body 25 are used as an electrode between the first sheet-like conductive elastic body 23 and the second sheet-like conductive elastic body 24.
  • a second capacitor C2 is formed between the first capacitor C1, the second sheet-like conductive elastic body 24, and the third sheet-like conductive elastic body 25 (see FIG. 3). That is, the sensor unit 2 is formed by stacking five layers of sheet-like elastic bodies 23, 21, 24, 22, 25 in this order. For adhesion between the layers, for example, a thin adhesive can be used.
  • the first and second sheet-like elastic bodies 21 and 22 are made of insulating silicon rubber, and the first to third sheet-like conductive elastic bodies 23, 24, and 25 are made of conductive silicon rubber. Can be used.
  • the third sheet-like conductive elastic body 25 greatly extends.
  • the third sheet-like elastic elastic body 25 side of the second sheet-like elastic body 22 extends greatly, and the thickness of the second sheet-like elastic body 22 decreases according to the extension.
  • the electrode area of the second capacitor C2 is greatly enlarged and the distance between the electrodes is shortened, the capacitance value thereof becomes very large.
  • the capacitance value of the first capacitor C1 is changed. It is very small compared to the change of the second capacitor C2.
  • the capacitance value of the first capacitor C1 becomes very large in the same manner.
  • the change of the capacitance value of the second capacitor C2 is very small compared to the change of the first capacitor C1.
  • the terminals 23 a of the first sheet-like conductive elastic body 23, the terminals 24 a of the second sheet-like conductive elastic body 24, and the terminals 25 a of the third sheet-like conductive elastic body 25 are electrical wirings constituting the cable 5. 51, 52, 53 are connected, and these electric wirings 51, 52, 53 are connected to the electric circuit section 3. Normally, the terminals 23a, 24a, and 25a are formed at end portions of the first to third sheet-like conductive elastic bodies 23, 24, and 25, respectively.
  • Electrical circuit section 3 includes a first AC output circuit 31 supplies the alternating currents I 1 to the first capacitor C1 by applying an AC voltages V 1 to the terminal 23a of the first sheet-like conductive elastic body 23, the a second AC output circuit 32 to the terminal 25a of the third sheet-like conductive elastic body 25 by applying an AC voltage V 2 to the second capacitor C2 supplies the alternating current I 2, the second sheet-like conductive elastic It has a current measuring circuit 33 for converting an AC current I 3 flowing through the terminals 24a of the body 24 to the voltage (bending amount measuring voltage Vo) measurement, the.
  • the bending amount measurement voltage Vo is a voltage corresponding to the bending amount.
  • the bending amount measurement voltage Vo may be an alternating current or a direct current converted voltage.
  • the AC voltage V 1 applied to the terminal 23 a of the first sheet-like conductive elastic body 23 and the AC voltage V 2 applied to the terminal 25 a of the third sheet-like conductive elastic body 25 are:
  • the ground potential is set as a reference potential
  • the terminal 24a of the second sheet-like conductive elastic body 24 is set to be held at the same potential as the ground potential.
  • the first AC output circuit 31 and the second AC output circuit 32 are configured such that when the sensor unit 2 is not bent and deformed, the AC current I 1 and the AC current I 2 have the same amplitude with a phase difference of 180 degrees. either or both of the AC voltages V 1 and the AC voltage V 2 is adjusted.
  • AC voltages V 1 and an AC voltage V 2 for example, a frequency of about 10 KHz, an amplitude of approximately 5V. Therefore, when the sensor unit 2 is not bent and deformed, the alternating current I 1 flowing through the first capacitor C 1 flows as the alternating current I 2 through the second capacitor, so that the second sheet-like conductive elastic body 24 The alternating current I 3 does not flow through the terminal 24a, that is, the current measuring circuit 33.
  • the alternating current I 3 flows through the terminal 24a of the second sheet-like conductive elastic body 24, and the current obtained by combining the alternating current I 3 and the alternating current I 1 flowing through the first capacitor C1 is the second current.
  • the capacitor C2 flows as AC current I 2.
  • a second alternating current terminal 24a of the sheet-like conductive elastic body 24 current I 3 is, the sensor unit 2 to flow in the opposite direction as when bending deformation in the first sheet-like conductive elastic body 23 side, the current AC current I 2 flowing through the AC current I 3 to the second capacitor C2 is touched if flows in the first capacitor C1 as an alternating current I 1.
  • the bending amount measuring device 1 is constituted by the sensor unit 2 and the electric circuit unit 3.
  • the sensor unit 2 may be a dielectric body in which the first and second sheet-like elastic bodies 21 and 22 are elastically deformed, and the first to third sheet-like conductive elastic bodies 23, 24 and 25 are elastically deformed. As long as it is conductive, no special material is used.
  • the electric circuit unit 3 is configured by a simple circuit. Therefore, the bending amount measuring apparatus 1 has a simpler configuration than the conventional one.
  • the first and second sheet-like elastic bodies 21 and 22 are preferably provided with no voids or depressions in the following points. If the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are not provided with a gap or a depression, the sensor unit 2 is bent and deformed toward the first sheet-like conductive elastic body 23. In this case, the change in the thickness of the second sheet-like elastic body 22 is increased, and the change in the capacitance value of the second capacitor C2 is increased, so that the sensor unit 2 moves toward the third sheet-like conductive elastic body 25. In the case of bending deformation, the change in the thickness of the first sheet-like elastic body 21 increases, and the change in the capacitance value of the first capacitor C1 increases. As a result, the sensitivity (bending amount measurement voltage Vo with respect to the bending amount) is increased. (The slope of the characteristic curve) increases.
  • the first and second sheet-like elastic bodies 21 and 22 may be those provided with a large number of voids 21a and 22a or depressions. As an advantage in this case, they are easily bent and deformed.
  • the orientations of the large number of voids 21 a and 22 a or the depressions are not necessarily the same in the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22.
  • the orientations of a large number of voids 21 a or depressions of the first sheet-like elastic body 21 and the orientations of the numerous voids 22 a or depressions of the second sheet-like elastic body 22 may be orthogonal to each other. Is possible.
  • FIG. 5 the orientations of a large number of voids 21 a or depressions of the first sheet-like elastic body 21 and the orientations of the numerous voids 22 a or depressions of the second sheet-like elastic body 22 may be orthogonal to each other. Is possible.
  • FIG. 5 the orientations of a large number of voids 21 a
  • the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are preferably made of the same material. As a result, the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are almost the same or very close to the characteristic curve of the bending amount measurement voltage Vo with respect to the bending amount, so that the entire sensor unit 2 is bent. The characteristic curve of the bending amount measurement voltage Vo with respect to the amount becomes stable. For this advantage, it is more preferable that the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 have the same thickness.
  • the sensor unit 2 may be bent and deformed only on the first sheet-like conductive elastic body 23 side, but the sensor unit 2 is in the first sheet-like shape.
  • the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are If the same material, the same thickness, and no gaps or depressions are provided, or both are provided with a large number of gaps 21a, 22a or depressions, the amount of bending relative to the bending amount regardless of which one is bent Almost the same characteristic curve of the measurement voltage Vo can be used.
  • FIG. 7 shows a characteristic curve obtained by experiment of the bending amount measurement voltage Vo with respect to the bending amount.
  • the bending amount is an angle ⁇ of bending deformation when the sensor unit 2 is bent toward the first sheet-like conductive elastic body 23, and actually the both ends of the sensor unit 2 with respect to the horizontal axis. The angles of the parts were added together, that is, doubled.
  • the sensor unit 2 is arranged linearly along the horizontal axis.
  • the length of the sensor unit 2 in the bending deformation direction (the length between both fixing positions to the experimental device 6) is 50 mm
  • the length perpendicular to the bending deformation direction (the width direction) is 70 mm
  • the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are both provided with no gap or depression and have a thickness of 2 mm.
  • the first sheet-like conductive elastic body 23 and the second sheet The thickness of each of the sheet-like conductive elastic body 24 and the third sheet-like conductive elastic body 25 was 0.7 mm.
  • FIG. 9 shows the result of a simulation in which the total sum of strains in the thickness direction of the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 is nonlinearly analyzed under the same conditions.
  • the vertical axis represents the total sum of distortion in the thickness direction of each element of the nonlinear analysis.
  • the bending amount measurement voltage Vo is output according to the bending amount. It can also be seen that the bending amount measurement voltage Vo with respect to the bending amount changes linearly (in a straight line). Further, as shown in FIG. 9, distortion occurs in the thickness direction of the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22, and the sum total thereof is linear (linearly) with respect to the bending amount. You can see that it is changing.
  • the bending amount measuring apparatus 1 described above can be applied to a medical or exercise device that measures the bending amount of a part of a human or animal body such as an elbow or a knee as shown in FIG. Further, the present invention can also be applied to industrial equipment that is set in a joint portion such as a robot and measures a bending amount.
  • the bending amount measuring device has been described above, but the present invention is not limited to the one described in the embodiment, and various design changes within the scope of the matters described in the claims. Is possible.
  • the sensor unit 2 is not limited to the flat shape shown in FIG. 3 or the like in the initial state before bending deformation, but depending on the object to which the bending amount measuring device 1 is applied, the cross section is almost half as shown in FIG. An arc shape or the like is also possible.
  • the sensor unit 2 forms an angle ⁇ a at an end A and an angle ⁇ b at an end B with respect to a reference axis (for example, a horizontal axis) S.
  • the bent portions C, D, F, and H are bent and deformed toward the first sheet-like conductive elastic body 23 at angles of ⁇ c, ⁇ d, ⁇ f, and ⁇ h, respectively, and the bent portions E and G have ⁇ e and ⁇ g, respectively. It is bent and deformed to the third sheet-like conductive elastic body 25 side at an angle.
  • the relational expression of these angles is as follows.
  • ⁇ a + ⁇ b ⁇ c + ⁇ d- ⁇ e + ⁇ f- ⁇ g + ⁇ h
  • R is a bending radius
  • t is the thickness of the first sheet-like elastic body 21 and the second sheet-like elastic body 22 in a state where they are not bent
  • K is a constant.
  • the numerator in this equation is due to a change in length and the denominator is due to a change in thickness.
  • the capacitance value of the first capacitor C1 is as follows.
  • the capacitance value of the second capacitor C2 is larger than the capacitance value of the first capacitor C1 by 4Kt ⁇ c, 4Kt ⁇ d, 4Kt ⁇ f, and 4Kt ⁇ h, respectively, and in the bent portions E and G, The capacitance value of the second capacitor C2 is smaller than the capacitance value of the first capacitor C1 by 4Kt ⁇ e and 4Kt ⁇ g, respectively.
  • the difference between the capacitance value of the second capacitor C2 and the capacitance value of the first capacitor C1 is as follows.
  • C2-C1 4Kt ( ⁇ c + ⁇ d + ⁇ f + ⁇ h- ⁇ e- ⁇ g) That is, it is as follows.
  • C2-C1 4Kt ( ⁇ a + ⁇ b)
  • the bending amount is defined as the sum of the angles ⁇ a and ⁇ b at both ends of the sensor unit 2, even if a large number of wrinkles (bending portions) occur, the capacitance of the second capacitor C2 with respect to the bending amount The difference between the value and the capacitance value of the first capacitor C1 is stabilized, and as a result, a stable characteristic of the bending amount measurement voltage Vo with respect to the bending amount can be obtained.
  • the sensor unit 2 In the initial state before bending deformation, the sensor unit 2 is arranged linearly along the horizontal axis.
  • the length of the sensor 2 in the bending direction (the length between both fixing positions to the experimental device 6) is 200 mm
  • the length perpendicular to the bending direction (the width direction) is 30 mm
  • the first sheet-like elasticity Both the body 21 and the second sheet-like elastic body 22 are not provided with voids or depressions, have a thickness of 0.5 mm, the first sheet-like conductive elastic body 23, and the second sheet-like conductivity.
  • the thicknesses of the elastic body 24 and the third sheet-like conductive elastic body 25 were all 0.7 mm.
  • the black circles in FIG. 13 indicate the bend amount by making the angle ⁇ a of the end A equal to the angle ⁇ b of the end B without generating wrinkles and adding them to the bend amount.
  • This is data obtained by measuring the voltage Vo.
  • the range indicated by a in FIG. 13 was obtained by adding the angle ⁇ a of the end A and the angle ⁇ b of the end B as shown in FIGS. 14A to 14C using the same experimental apparatus as described above. This is the range of the bending amount measurement voltage Vo obtained by generating and measuring wrinkles so that the bending amount becomes zero.
  • the same experimental apparatus as described above was used to generate wrinkles by setting both the angle ⁇ a of the end A and the angle ⁇ b of the end B to 30 degrees as shown in FIG.
  • the bending amount measurement voltage Vo obtained by measurement. In each experiment shown in (a) to (d) of FIG. 14, the measurement was performed 5 times while changing the bending method little by little.
  • both the range indicated by a and the range indicated by b are located in the vicinity of a straight line obtained from ⁇ (black circle).

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

　簡便な構成である曲げ量計測装置を提供する。この曲げ量計測装置１は、同材質の第１及び第２のシート状弾性体２１、２２を誘電体とし、これらの誘電体をサンドイッチ状に挟んだ第１乃至第３のシート状導電性弾性体２３～２５を電極として、第１のコンデンサＣ１、第２のコンデンサＣ２、を形成してなるセンサ部２を備えており、センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形すると、第２のコンデンサＣ３に流れる交流電流の値は大きくなり、第２のシート状導電性弾性体２４の端子に交流電流が流れて電気回路部３から曲げ量計測電圧Ｖｏが出力される。

Description

曲げ量計測装置
  本発明は、人又は動物の体、或いは機械などにおいて曲げ変形する対象物の曲げ量を計測する曲げ量計測装置に関する。
　従来より、曲げ変形する対象物の曲げ量（曲げの程度）を計測する幾つかの曲げ量計測装置が知られている。その中で、比較的簡易な構成のものとしては、例えば、特許文献１に、２枚の圧電フィルムを貼り合わせたセンサ部を対象物表面に密着させて曲げ量に応じて２枚の圧電フィルムの間に生じる起電力を測定することによって、曲げ量を計測する曲げ量計測装置が開示されている。
特開２００６－３８７１０号公報
　曲げ量計測装置は、肘や膝など人又は動物の体の一部においての曲げ量を計測する医療用又は運動用の機器やロボットなどの関節部にセットして曲げ量を計測する産業用の機器など様々な機器に用いることができるので、できるだけ簡便なものであるのが望ましい。
　しかし、比較的簡易な構成のものである特許文献１に開示される曲げ量計測装置にしても、柔軟でかつ圧電性を備え所望の特性を示す特別な圧電フィルムが必要である。
　本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡便な構成である曲げ量計測装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る曲げ量計測装置は、第１及び第２のシート状弾性体を誘電体とし、これらの誘電体をサンドイッチ状に挟んだ第１乃至第３のシート状導電性弾性体を電極として、第１のシート状導電性弾性体と第２のシート状導電性弾性体の間に第１のコンデンサ、第２のシート状導電性弾性体と第３のシート状導電性弾性体の間に第２のコンデンサ、を形成してなるセンサ部と、第１のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加して第１のコンデンサに交流電流を流す第１の交流出力回路、第３のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加して第２のコンデンサに交流電流を流す第２の交流出力回路、第２のシート状導電性弾性体の端子に流れる交流電流を測定し曲げ量計測電圧に変換する電流測定回路、を有する電気回路部と、を備えており、前記センサ部が第１のシート状導電性弾性体側に曲げ変形すると、第２のシート状弾性体の第３のシート状導電性弾性体側が大きく延びるとともに第２のシート状弾性体の厚さが延びに応じて薄くなることにより、第２のコンデンサの容量値が大きくなってそれに流れる交流電流の値は大きくなり、第２のシート状導電性弾性体の前記端子に交流電流が流れて、この交流電流と第１のコンデンサに流れる交流電流が合わさった電流が第２のコンデンサに交流電流として流れる。
　好ましくは、前記第１及び第２のシート状弾性体の両方は、空隙又は窪みが設けられていないものであるか、或いは、前記第１及び第２のシート状弾性体の両方又はいずれか一方は、多数の空隙又は窪みが設けられている。
　好ましくは、前記第１及び第２のシート状弾性体は、同材質である。更に好ましくは、前記第１及び第２のシート状弾性体は、同じ厚さである。
　好ましくは、前記曲げ量は、前記センサ部の両端部の角度を足し合わせたものとする。
　本発明によれば、より簡便な構成である曲げ量計測装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る曲げ量計測装置を示す模式図である。 同上の曲げ量計測装置の使用例を示す模式図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の構成要素を分離して模式的に示す斜視図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の変形例を示すもので、その構成要素を分離して模式的に示す斜視図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の別の変形例を示すもので、その構成要素を分離して模式的に示す斜視図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の更に別の変形例を示すもので、その構成要素を分離して模式的に示す斜視図である。 同上の曲げ量計測装置における曲げ量に対する曲げ量計測電圧の実験による特性曲線を示すグラフである。 図７の実験構成を模式的に示す側面図である。 同上の曲げ量計測装置における曲げ量に対する歪みのシミュレーションによる特性曲線を示すグラフである。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の別の変形例を模式的に示す斜視図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部に多数の屈曲部が発生した場合を示す模式図である。 同上の曲げ量計測装置のセンサ部の屈曲部を拡大して示す模式図である。 同上の曲げ量計測装置における曲げ量に対する曲げ量計測電圧の実験による特性曲線を示すグラフである。 図１３の実験における皺の様子を示す模式図である。
　以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る曲げ量計測装置１は、図１に示すように、センサ部２と電気回路部３と、を備えている。この曲げ量計測装置１は、例えば、図２に示すように、センサ部２がサポータ４に組み込まれて肘などに当てられ、ケーブル５の中の電気配線５１～５３を通して、電気回路部３からセンサ部２へ又はセンサ部２から電気回路部３へ信号が送られる。
　センサ部２は、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２を誘電体とし、これらの誘電体２１、２２をサンドイッチ状に挟んだ第１のシート状導電性弾性体２３、第２のシート状導電性弾性体２４、第３のシート状導電性弾性体２５を電極として、第１のシート状導電性弾性体２３と第２のシート状導電性弾性体２４の間に第１のコンデンサＣ１、第２のシート状導電性弾性体２４と第３のシート状導電性弾性体２５の間に第２のコンデンサＣ２、を形成してなる（図３参照）。つまり、センサ部２は、５層のシート状の弾性体２３、２１、２４、２２、２５をこの順に積層して形成されている。各層間の接着は、例えば薄い接着剤などを用いることが可能である。また、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２は、絶縁性のシリコンゴムなど、第１乃至第３のシート状導電性弾性体２３、２４、２５は、導電性のシリコンゴムなどを用いることができる。
　センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形すると、第３のシート状導電性弾性体２５が大きく延びる。また、このとき、第２のシート状弾性体２２の第３のシート状導電性弾性体２５側が大きく延びるとともに、第２のシート状弾性体２２はその延びに応じて厚さが薄くなる。そうすると、第２のコンデンサＣ２は、電極面積が大きく拡大して電極間距離が短くなるのでその容量値が非常に大きくなる。一方、第１のシート状導電性弾性体２３及び第１のシート状弾性体２１の形状変化による電極面積及び電極間距離の変化が小さいので、第１のコンデンサＣ１は、その容量値の変化が第２のコンデンサＣ２の変化に比べて非常に小さい。
　また、センサ部２が第３のシート状導電性弾性体２５側に曲げ変形すると、同様にして、第１のコンデンサＣ１は、その容量値が非常に大きくなる。一方、第２のコンデンサＣ２は、その容量値の変化が第１のコンデンサＣ１の変化に比べて非常に小さい。
　第１のシート状導電性弾性体２３の端子２３ａ、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａ、第３のシート状導電性弾性体２５の端子２５ａは、ケーブル５を構成する電気配線５１、５２、５３が接続されており、これらの電気配線５１、５２、５３は、電気回路部３に接続されている。なお、通常、上記の端子２３ａ、２４ａ、２５ａはそれぞれ、第１乃至第３のシート状導電性弾性体２３、２４、２５の端部に形成されている。
　電気回路部３は、第１のシート状導電性弾性体２３の端子２３ａに交流電圧Ｖ１を印加して第１のコンデンサＣ１に交流電流Ｉ１を流す第１の交流出力回路３１と、第３のシート状導電性弾性体２５の端子２５ａに交流電圧Ｖ２を印加して第２のコンデンサＣ２に交流電流Ｉ２を流す第２の交流出力回路３２と、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａに流れる交流電流Ｉ３を測定し電圧（曲げ量計測電圧Ｖｏ）に変換する電流測定回路３３と、を有している。曲げ量計測電圧Ｖｏは、曲げ量に応じた電圧である。曲げ量計測電圧Ｖｏは、交流のままであってもよいし、直流変換されたものであってもよい。本実施形態では、第１のシート状導電性弾性体２３の端子２３ａに印加される交流電圧Ｖ１と第３のシート状導電性弾性体２５の端子２５ａに印加される交流電圧Ｖ２は、接地電位を基準電位として設定され、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａは接地電位と同電位に保持されるように設定されている。
　第１の交流出力回路３１と第２の交流出力回路３２は、センサ部２が曲げ変形していないとき交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２が１８０度の位相差で振幅が等しくなるように、交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２のどちらか一方或いは両方が調整される。交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２は、例えば、周波数が約１０ＫＨｚ、振幅が約５Ｖである。よって、センサ部２が曲げ変形していないとき、第１のコンデンサＣ１に流れる交流電流Ｉ１は、第２のコンデンサに交流電流Ｉ２として流れるので、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａ、つまり電流測定回路３３に交流電流Ｉ３は流れない。
　センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形すると、第２のコンデンサＣ２の容量値が非常に大きくなるので、第２のコンデンサＣ２に流れる交流電流Ｉ２の値は非常に大きくなる。一方、第１のコンデンサＣ１の容量値の変化は小さいので、第１のコンデンサＣ１に流れる交流電流Ｉ１の値の変化は小さい。よって、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａに交流電流Ｉ３が流れて、この交流電流Ｉ３と第１のコンデンサＣ１に流れる交流電流Ｉ１が合わさった電流が、第２のコンデンサＣ２に交流電流Ｉ２として流れる。
　センサ部２が第３のシート状導電性弾性体２５側に曲げ変形すると、第１のコンデンサＣ１の容量値が非常に大きくなるので、第１のコンデンサＣ１に流れる交流電流Ｉ１の値は非常に大きくなる。一方、第２のコンデンサＣ２の容量値の変化は小さいので、第２のコンデンサＣ２に流れる交流電流Ｉ２の値の変化は小さい。よって、第２のシート状導電性弾性体２４の端子２４ａに交流電流Ｉ３が、センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形した場合と反対方向に流れて、この交流電流Ｉ３と第２のコンデンサＣ２に流れる交流電流Ｉ２が合さわった電流が、第１のコンデンサＣ１に交流電流Ｉ１として流れる。
　このようなセンサ部２と電気回路部３により曲げ量計測装置１が構成される。センサ部２は、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２が弾性変形する誘電体であればよく、第１乃至第３のシート状導電性弾性体２３、２４、２５が、弾性変形する導電性のものであればよいので、特別な材料を用いることはない。電気回路部３は、簡素な回路で構成される。よって、曲げ量計測装置１は、従来のものに比してより簡便な構成なものとなる。
　第１及び第２のシート状弾性体２１、２２は、図３に示すように、空隙又は窪みが設けられていないものであるのが次の点で好ましい。第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２が空隙又は窪みが設けられていないものであると、センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形する場合に、第２のシート状弾性体２２の厚さの変化が大きくなって第２のコンデンサＣ２の容量値の変化が大きくなり、センサ部２が第３のシート状導電性弾性体２５側に曲げ変形する場合に、第１のシート状弾性体２１の厚さの変化が大きくなって第１のコンデンサＣ１の容量値の変化が大きくなり、その結果、感度（曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの特性曲線の傾き）が大きくなる。
　これに対し、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２は、図４に示すように、多数の空隙２１ａ、２２ａ又は窪みが設けられているものを用いることも可能である。この場合の利点としては、それらが曲げ変形し易いことなどが挙げられる。なお、多数の空隙２１ａ、２２ａ又は窪みの配向は、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２とで、同一の方向とは限らない。例えば、図５に示すように、第１のシート状弾性体２１の多数の空隙２１ａ又は窪みの配向と第２のシート状弾性体２２の多数の空隙２２ａ又は窪みの配向を互いに直交させることも可能である。また、図６に示すように、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２の多数の空隙２１ａ、２２ａ又は窪みを、対角方向などの斜め方向の配向とすることも可能である。また、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２のいずれか一方のみを多数の空隙２１ａ、２２ａ又は窪みが設けられているものとすることも可能である。
　また、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２は、同材質であるのが好ましい。こうすると、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２が、曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの特性曲線についてほぼ同じ或いは非常に近くになるので、センサ部２全体について曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの特性曲線が安定したものとなる。また、この利点のためには、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２は、同じ厚さであるのが更に好ましい。
　また、曲げ量計測装置１が適用される対象によっては、センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側にのみ曲げ変形される場合もあるが、センサ部２が第１のシート状導電性弾性体２３側と第３のシート状導電性弾性体２５側の両方に曲げ変形されるなどの場合には、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２が、同材質で、同じ厚さで、ともに空隙又は窪みが設けられていないもの或いはともに多数の空隙２１ａ、２２ａ又は窪みが設けられているものならば、どちらに曲げ変形されても曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏのほぼ同じ特性曲線を用いることができる。
　次に、本願発明者が行った実験とシミュレーションについて述べる。図７に示すのは、曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの実験による特性曲線である。曲げ量は、図８に示すように、センサ部２を第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形したときの曲げ変形の角度θとし、実際には水平軸に対するセンサ部２の両端部の角度を足し合わせて、すなわち２倍にして求めた。曲げ変形する前の初期状態では、センサ部２は水平軸に沿って直線状に配置されたものである。また、センサ部２の曲げ変形方向の長さ（実験装置６への両方の固定位置の間の長さ）が５０ｍｍ、その曲げ変形方向に直交する方向（幅方向）の長さが７０ｍｍ、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２がともに空隙又は窪みが設けられていないものであって厚さが２ｍｍ、第１のシート状導電性弾性体２３、第２のシート状導電性弾性体２４、第３のシート状導電性弾性体２５の厚さがすべて０．７ｍｍ、の条件とした。図９に示すのは、同様の条件で第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２の厚さ方向の歪みの総和を非線形解析したシミュレーションの結果である。縦軸は、非線形解析の各要素の厚さ方向の歪みの総和である。
　図７に示すように、曲げ量に応じて曲げ量計測電圧Ｖｏが出力されることが分かる。また、曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏは、線形に（直線状に）変化していることが分かる。また、図９に示すように、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２の厚さ方向に歪みが生じ、その総和は曲げ量に対して線形に（直線状に）変化していることが分かる。
　なお、図示しないが、本願発明者が行った実験において、センサ部２の幅方句の長さが長いほど、感度が高く、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２の厚さが薄いほど感度が高いことを確認した。また、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２に多数の空隙２１ａ、２２ａが設けられたセンサ部２は、第１及び第２のシート状弾性体２１、２２に空隙又は窪みが設けられていないセンサ部２に比べて、感度が低いことを確認した。
　以上説明した曲げ量計測装置１は、図２に示したように肘や膝など人又は動物の体の一部においての曲げ量を計測する医療用又は運動用の機器に適用可能である。また、ロボットなどの関節部にセットして曲げ量を計測する産業用の機器にも適用可能である。
　以上、本発明の実施形態に係る曲げ量計測装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、センサ部２は、曲げ変形する前の初期状態を、図３等で示した平板状に限らず、曲げ量計測装置１が適用される対象によっては、図１０に示すような断面略半円弧状などとすることも可能である。
　曲げ量は、上述した実験で述べたように、センサ部２の両端部の角度を足し合わせたものとするのがよいことを以下に説明する。このように定義すると、センサ部２が曲げ変形したときに、図１１に示すように多数の皺（屈曲部）が発生しても、皺によらず安定した曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの特性を得ることができる。
　先ず、図１１を用いて計算式によって説明する。センサ部２は、基準軸（例えば、水平軸）Ｓに対して端部Ａでは角度φａ、端部Ｂでは角度φｂを成している。屈曲部Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｈでは、それぞれφｃ、φｄ、φｆ、φｈの角度で第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形し、屈曲部Ｅ、Ｇでは、それぞれφｅ、φｇの角度で第３のシート状導電性弾性体２５側に曲げ変形している。これらの角度の関係式は、次のようになる。
φａ＋φｂ＝φｃ＋φｄ－φｅ＋φｆ－φｇ＋φｈ
　φの角度で第１のシート状導電性弾性体２３側に曲げ変形した屈曲部では、図１２に示すパラメータを用いると、第２のコンデンサＣ２の容量値は、次のようになる。なお、第２のシート状導電性弾性体２４の厚さは０として計算している。
Ｃ２＝Ｋ（Ｒ＋ｔ）φ／（１－ｔ／Ｒ）
ここで、Ｒは曲げ半径、ｔは第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２の曲げ変形していない状態の厚さ、Ｋは定数である。この式における分子は長さの変化によるもの、分母は厚さの変化によるものである。一方、第１のコンデンサＣ１の容量値は、次のようになる。
Ｃ１＝Ｋ（Ｒ－ｔ）φ／（１＋ｔ／Ｒ）
従って、第２のコンデンサＣ２の容量値と第１のコンデンサＣ１の容量値の差は、次のようになる。
Ｃ２－Ｃ１＝４Ｋｔφ
この結果、屈曲部における第２のコンデンサＣ２の容量値と第１のコンデンサＣ１の容量値の差は、曲げ半径Ｒには依存しないことになる。φの角度で第３のシート状導電性弾性体２５側に曲げ変形した屈曲部においても同様である。
　よって、屈曲部Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｈでは、それぞれ４Ｋｔφｃ、４Ｋｔφｄ、４Ｋｔφｆ、４Ｋｔφｈだけ第２のコンデンサＣ２の容量値が第１のコンデンサＣ１の容量値よりも増え、屈曲部Ｅ、Ｇでは、それぞれ４Ｋｔφｅ、４Ｋｔφｇだけ第２のコンデンサＣ２の容量値が第１のコンデンサＣ１の容量値よりも減る。これらを合算すると、第２のコンデンサＣ２の容量値と第１のコンデンサＣ１の容量値の差は次のようになる。
Ｃ２－Ｃ１＝４Ｋｔ（φｃ＋φｄ＋φｆ＋φｈ－φｅ－φｇ）
すなわち、次のようになる。
Ｃ２－Ｃ１＝４Ｋｔ（φａ＋φｂ）
　このように、曲げ量をセンサ部２の両端部の角度φａ、φｂを足し合わせたものと定義すると、多数の皺（屈曲部）が発生しても、曲げ量に対する第２のコンデンサＣ２の容量値と第１のコンデンサＣ１の容量値の差の値が安定し、その結果、曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの安定した特性を得ることができる。
　このことを確認した実験を以下に述べる。上述した実験の場合と同様の（図８で示した）実験装置６を用いた。曲げ変形する前の初期状態では、センサ部２は水平軸に沿って直線状に配置されたものである。センサ２の曲げ方向の長さ（実験装置６への両方の固定位置の間の長さ）が２００ｍｍ、その曲げ方向に直交する方向（幅方向）の長さが３０ｍｍ、第１のシート状弾性体２１と第２のシート状弾性体２２がともに空隙又は窪みが設けられていないものであって厚さが０．５ｍｍ、第１のシート状導電性弾性体２３、第２のシート状導電性弾性体２４、第３のシート状導電性弾性体２５の厚さがすべて０．７ｍｍ、の条件とした。
　図１３中の●（黒丸）で示すのは、皺を発生させずに、端部Ａの角度φａと端部Ｂの角度φｂを等しくして、それらを足し合わせて曲げ量とし、曲げ量計測電圧Ｖｏを計測したデータである。図１３中のａで示す範囲は、上記と同じ実験装置を用い、図１４の（ａ）～（ｃ）のように端部Ａの角度φａと端部Ｂの角度φｂを足し合わして求めた曲げ量が０になるように皺を発生させて、計測して得た曲げ量計測電圧Ｖｏの範囲である。図１３中のｂで示す範囲は、上記と同じ実験装置を用い、図１４の（ｄ）のように端部Ａの角度φａと端部Ｂの角度φｂをともに３０度にして皺を発生させて、計測して得た曲げ量計測電圧Ｖｏの範囲である。図１４の（ａ）～（ｄ）で示すそれぞれの実験では、少しずつ曲げ方を変えて５回測定した。
　図１３中のａで示す範囲とｂで示す範囲はともに、●（黒丸）から求めた直線の近傍に位置する。これにより、多数の皺（屈曲部）が発生しても、曲げ量に対する曲げ量計測電圧Ｖｏの安定した特性を得ることができることが分かる。
　１　　曲げ量計測装置
　２　　センサ部
　２１　第１のシート状弾性体
　２２　第２のシート状弾性体
　２１ａ、２２ａ　第１及び第２のシート状弾性体の空隙
　２３　第１のシート状導電性弾性体
　２３ａ　第１のシート状導電性弾性体の端子
　２４　第２のシート状導電性弾性体
　２４ａ　第２のシート状導電性弾性体の端子
　２５　第３のシート状導電性弾性体
　２５ａ　第３のシート状導電性弾性体の端子
　３　　電気回路部
　３１　第１の交流出力回路
　３２　第２の交流出力回路
　３３　電流測定回路
　４　　サポータ
　５　　ケーブル
　５１～５３　電気配線
　Ｃ１　第１のコンデンサ
　Ｃ２　第２のコンデンサ
　Ｉ１　第１のコンデンサに流れる交流電流
　Ｉ２　第２のコンデンサに流れる交流電流
　Ｉ３　第２のシート状導電性弾性体の端子に流れる交流電流
　Ｖ１　第１の交流出力回路が出力する交流電圧
　Ｖ２　第２の交流出力回路が出力する交流電圧
　Ｖｏ　曲げ量計測電圧

Claims (6)

  1. 　第１及び第２のシート状弾性体を誘電体とし、これらの誘電体をサンドイッチ状に挟んだ第１乃至第３のシート状導電性弾性体を電極として、第１のシート状導電性弾性体と第２のシート状導電性弾性体の間に第１のコンデンサ、第２のシート状導電性弾性体と第３のシート状導電性弾性体の間に第２のコンデンサ、を形成してなるセンサ部と、
    　第１のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加して第１のコンデンサに交流電流を流す第１の交流出力回路、第３のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加して第２のコンデンサに交流電流を流す第２の交流出力回路、第２のシート状導電性弾性体の端子に流れる交流電流を測定し曲げ量計測電圧に変換する電流測定回路、を有する電気回路部と、を備えており、
    　前記センサ部が第１のシート状導電性弾性体側に曲げ変形すると、第２のシート状弾性体の第３のシート状導電性弾性体側が大きく延びるとともに第２のシート状弾性体の厚さが延びに応じて薄くなることにより、第２のコンデンサの容量値が大きくなってそれに流れる交流電流の値は大きくなり、第２のシート状導電性弾性体の前記端子に交流電流が流れて、この交流電流と第１のコンデンサに流れる交流電流が合わさった電流が第２のコンデンサに交流電流として流れることを特徴とする曲げ量計測装置。
  2. 　請求項１に記載の曲げ量計測装置において、
    　前記第１及び第２のシート状弾性体の両方は、空隙又は窪みが設けられていないものであることを特徴とする曲げ量計測装置。
  3. 　請求項１に記載の曲げ量計測装置において、
    　前記第１及び第２のシート状弾性体の両方又はいずれか一方は、多数の空隙又は窪みが設けられていることを特徴とする曲げ量計測装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の曲げ量計測装置において、
    　前記第１及び第２のシート状弾性体は、同材質であることを特徴とする曲げ量計測装置。
  5. 　請求項４に記載の曲げ量計測装置において、
    　前記第１及び第２のシート状弾性体は、同じ厚さであることを特徴とする曲げ量計測装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の曲げ量計測装置において、
    　前記曲げ量は、前記センサ部の両端部の角度を足し合わせたものとすることを特徴とする曲げ量計測装置。
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