素子構造と計測原理

図１　センサ素子断面図 厚さ２ｍｍの軟らかい発泡ウレタンと 硬い発泡ウレタンを重ね、 ３ｃｍ×３ｃｍの導電繊維３枚ではさんだ構造。 導電繊維間の静電容量Ｃ１とＣ２を計測する。

図２　問題設定 円形の接触面内で一様な表面応力分布σを考えます。 知りたいのは接触力Ｆと接触面積Ｓです。 通常の圧力センサにはＳを知る能力はありません。

図３　非線形弾性 発泡ウレタンは軟らかい（ヤング率とポアソン比が小さい）ので、 強く押されると限界まで圧縮され、それ以上圧縮されなくなります。 その性質が、下式のエントロピー弾性* で表されると仮定します。 軟らかい発泡ウレタンλ１は弱い圧力でも限界まで圧縮されます。

図４　シミュレーション（静電容量の変化） 非線形弾性と硬さの違いのため （ΔＣ１, ΔＣ２）はＤ（Ｓの直径）によって異なる曲線に載り、 またＦが大きくなると原点からの距離が大きくなります。 このプロットをあらかじめ調べておけば、 静電容量から接触力と接触面積を知ることができます。