ゴムのポアソン効果を用いた柔軟力覚面センサの開発研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05650222
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 長南 征二 東北大学, 工学部, 教授 (20005424)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 江 鐘偉 東北大学, 工学部, 助教授 (60225357)
• Keywords: ゴム / ひずみゲージ / PVDF圧電フィルム / 力覚センサ / ポアソン効果

Research Abstract

現存の圧力センサは受感部が点接触であるものが多く,面接触のものは圧力測定フィルムや加圧導電性ゴムなどがわずかに開発されているに過ぎない。圧力センサは一般にセンサ母材であるダイヤフラムにひずみゲージを貼りつけダイヤフラムの曲げひずみを測定,力に換算している。また,これらのセンサはダイヤフラムとして金属を使用しているが,ロボットハンドに導入し利用する為にはセンサの表面が人間の指のように柔軟性を持つことが好ましく,さらに面接触であることも好ましい。その他微小荷重が測定可能である事,小型である事も重要な問題である。
本研究では柔軟性を考慮しセンサ母材にゴム材を用い,ゴム表面の任意点に荷重が加わると,ゴムのへこみおよびポアソン効果により荷重方向と垂直方向にひずみの生ずること,そのひずみは付加荷重の大きさに比例することに着目し,表面と平行にゴム材に埋め込んだひずみゲージ及びPVDF圧電フィルムを面内変形させ,その任意点に加わる荷重を感知・測定する新しいタイプの柔軟構造触覚センサを開発した。
具体的には,始めに二層のゴム材の接着面にひずみゲージあるいはPVDFフィルムを埋め込んだセンサモデルにつきFEM解析を行い,ゴム材の表面に加わる荷重に対し受感部の変形量が最大となるゴム材の最適硬度,厚さを決定し試作した。試作した種々のセンサに対して実験を行い,その特性を測定した。結果より,小さな荷重を感知できるためには,ベースとなるゴム材は柔らかく厚くする必要がある。また,本研究で試作したセンサは市販されているセンサと実験により比較を行い,かなり満足な結果が得られ,新しい柔軟構造の力覚センサとしてこれからの応用が期待できることが確認された。

Research Products

• [Publications] S.Chonan: "Stress Analysis of a Silicon-Wafer Slicer Cutting the Crystal Ingot" Transactions of the ASME,Journal of Mechanical Design. 115. 711-717 (1993)
• [Publications] 江鐘偉: "分布圧電アクチュエータを用いたフレキシブルアームのマルチモード振動制御" 日本機械学会論文集. 60. (1994)
• [Publications] 長南征二: "ニューラルネットワークを用いたトライボセンサの開発" 日本機械学会東北支部第29期総会・講演会講演論文集. 941-1. 109-111 (1994)
• [Publications] 江鐘偉: "PVDF圧電フィルムセンサ・アクチュエータの非線形動作特性" 日本AEM学会論文集. (掲載予定).