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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022187868
(43)【公開日】2022-12-20
(54)【発明の名称】力検出装置
(51)【国際特許分類】
G01L 1/18 20060101AFI20221213BHJP
【ＦＩ】
G01L1/18 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021096080
(22)【出願日】2021-06-08
(71)【出願人】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石▲崎▼ 隆介
(72)【発明者】
【氏名】濱津 文哉
(72)【発明者】
【氏名】高橋 和幸
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 知之
(57)【要約】
【課題】圧抵抗効果を用いて力を検出する場合において、力の検出可能範囲を拡げることができる力検出装置を提供する。
【解決手段】力検出装置１は、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂと、第１及び第２押し子３ａ，３ｂを備える。第１及び第２押し子３ａ，３ｂは、互いに異なる面積の押圧面を有しており、同一の力Ｆが第１及び第２押し子３ａ，３ｂに作用した際、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂは、両者の出力が互いに異なる値を示すように構成されている。
【選択図】図５
【解決手段】力検出装置１は、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂと、第１及び第２押し子３ａ，３ｂを備える。第１及び第２押し子３ａ，３ｂは、互いに異なる面積の押圧面を有しており、同一の力Ｆが第１及び第２押し子３ａ，３ｂに作用した際、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂは、両者の出力が互いに異なる値を示すように構成されている。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧抵抗効果を用いて力を検出する力検出装置であって、
圧抵抗効果を有する第１圧力センサと、
当該第１圧力センサに対向するように配置され、当該第１圧力センサを押圧するための第１押圧面を有する第１押圧部と、
前記第１圧力センサに隣接するように配置され、圧抵抗効果を有する第２圧力センサと、
当該第２圧力センサに対向するように配置され、当該第２圧力センサを押圧するための第２押圧面を有する第２押圧部と、
を備え、
同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
圧抵抗効果を有する第１圧力センサと、
当該第１圧力センサに対向するように配置され、当該第１圧力センサを押圧するための第１押圧面を有する第１押圧部と、
前記第１圧力センサに隣接するように配置され、圧抵抗効果を有する第２圧力センサと、
当該第２圧力センサに対向するように配置され、当該第２圧力センサを押圧するための第２押圧面を有する第２押圧部と、
を備え、
同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項2】
請求項１に記載の力検出装置において、
前記第１押圧部の前記第１押圧面及び前記第２押圧部の前記第２押圧面が互いに異なる面積を有していることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
前記第１押圧部の前記第１押圧面及び前記第２押圧部の前記第２押圧面が互いに異なる面積を有していることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の力検出装置において、
前記第１押圧部及び前記第２押圧部が、弾性係数及び硬度の一方が異なるように構成されていることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
前記第１押圧部及び前記第２押圧部が、弾性係数及び硬度の一方が異なるように構成されていることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項4】
請求項１ないし３のいずれかに記載の力検出装置において、
前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサが、互いに異なる特性の圧抵抗効果を有していることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサが、互いに異なる特性の圧抵抗効果を有していることによって、同一の力が前記第１押圧部及び前記第２押圧部に作用した際、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項5】
請求項１ないし４のいずれかに記載の力検出装置において、
前記第１圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲は、前記第２圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲とオーバーラップするように構成されていることを特徴とする力検出装置。
前記第１圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲は、前記第２圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲とオーバーラップするように構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項6】
請求項１ないし５のいずれかに記載の力検出装置において、
複数の前記第１圧力センサと、
複数の前記第１押圧部と、
複数の前記第２圧力センサと、
複数の前記第２押圧部と、をさらに備えることを特徴とする力検出装置。
複数の前記第１圧力センサと、
複数の前記第１押圧部と、
複数の前記第２圧力センサと、
複数の前記第２押圧部と、をさらに備えることを特徴とする力検出装置。
【請求項7】
請求項６に記載の力検出装置において、
前記複数の前記第１圧力センサの各々及び前記複数の前記第２圧力センサの各々は、交互に隣接するように分散配置されていることを特徴とする力検出装置。
前記複数の前記第１圧力センサの各々及び前記複数の前記第２圧力センサの各々は、交互に隣接するように分散配置されていることを特徴とする力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧抵抗効果を用いて力を検出する力検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、力検出装置として特許文献１に記載されたものが知られている。この力検出装置は、複数の圧力センサと押圧部材とを備えている。押圧部材は、複数の突起を備えており、これらの突起は、複数の圧力センサの電極に対向するように配置されている。
【0003】
この力検出装置では、力が押圧部材に作用した際、押圧部材の突起が各圧力センサの電極を押圧することにより、電極の電気抵抗が変化する。それにより、圧力センサにおける電気抵抗の変化に基づいて、各圧力センサに作用した力が検出される。すなわち、圧力センサにおける圧抵抗効果を用いて力が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２００７／０７４８９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、力検出装置において、汎用性を高める観点から、力の検出可能範囲を拡げることが望まれており、上記従来の力検出装置においても同じことが望まれている。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、圧抵抗効果を用いて力を検出する場合において、力の検出可能範囲を拡大することができる力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電気抵抗Ｒの変化によって力を検出する力検出装置１であって、押圧されることによって電気抵抗Ｒが変化する感圧式の第１圧力センサ（圧力センサ１０、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂの一方）と、第１圧力センサに対向するように配置され、第１圧力センサを押圧するための第１押圧面を有する第１押圧部（第１及び第２押し子３ａ，３ｂの一方）と、第１圧力センサに隣接するように配置され、押圧されることによって電気抵抗Ｒが変化する感圧式の第２圧力センサ（圧力センサ１０、低負荷用及び高負荷用セル１０Ａ，１０Ｂの他方）と、第２圧力センサに対向するように配置され、第２圧力センサを押圧するための第２押圧面を有する第２押圧部（第１及び第２押し子３ａ，３ｂの他方）と、を備え、同一の力が第１押圧部及び第２押圧部に作用した際、第１圧力センサ及び第２圧力センサは、第１圧力センサ及び第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする。
【0008】
この力検出装置によれば、同一の力が第１押圧部及び第２押圧部に作用した際、第１圧力センサ及び第２圧力センサは、両者の出力が互いに異なる値を示すように構成されているので、第１圧力センサによって検出可能な力の範囲と、第２圧力センサによって検出可能な力の範囲が異なる状態となる。その結果、力の検出可能範囲が同じ複数の圧力センサを用いる従来の場合と比べて、力の検出可能範囲を拡大することができる。それにより、力検出装置の汎用性及び有用性を向上させることができる。
【0009】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の力検出装置１において、第１押圧部の第１押圧面（押圧面３ｃ，３ｄの一方）及び第２押圧部の第２押圧面（押圧面３ｃ，３ｄの他方）が互いに異なる面積Ｓａ，Ｓｂを有していることによって、同一の力が第１押圧部及び第２押圧部に作用した際、第１圧力センサ及び第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする。
【0010】
この力検出装置によれば、第１押圧部の第１押圧面及び第２押圧部の第２押圧面を、両者が互いに異なる面積を有するように構成することによって、力の検出範囲を拡大することができる。
【0011】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の力検出装置１において、第１押圧部及び第２押圧部が、弾性係数及び硬度の一方が異なるように構成されていることによって、同一の力が第１押圧部及び第２押圧部に作用した際、第１圧力センサ及び第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする。
【0012】
この力検出装置によれば、第１押圧部及び第２押圧部を、弾性係数及び硬度の一方が異なるように構成することによって、力の検出範囲を拡大することができる。
【0013】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の力検出装置１において、第１圧力センサ及び第２圧力センサが、互いに異なる特性の圧抵抗効果を有していることによって、同一の力が第１押圧部及び第２押圧部に作用した際、第１圧力センサ及び第２圧力センサの出力が互いに異なる値を示すように構成されていることを特徴とする。
【0014】
この力検出装置によれば、第１圧力センサ及び第２圧力センサを、互いに異なる特性の圧抵抗効果を有するように構成することによって、力の検出範囲を拡大することができる。
【0015】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の力検出装置１において、第１圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲は、第２圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲とオーバーラップするように構成されていることを特徴とする。
【0016】
この力検出装置によれば、２つの圧力センサの出力に基づく力の検出可能範囲がオーバーラップするように構成されているので、２つの検出可能範囲の上限値のうち、高い方の上限値から、２つの検出可能範囲の下限値のうち、低い方の下限値までの範囲内において、力を切れ目なく連続的に検出することができる。それにより、力検出装置の汎用性及び有用性をさらに向上させることができる
【0017】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の力検出装置１において、複数の第１圧力センサと、複数の第１押圧部と、複数の第２圧力センサと、複数の第２押圧部と、をさらに備えることを特徴とする。
【0018】
この力検出装置によれば、複数の第１圧力センサ、複数の第１押圧部、複数の第２圧力センサ、及び複数の第２押圧部をさらに備えているので、複数の箇所において、力の検出可能範囲を拡大することができる。
【0019】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の力検出装置１において、複数の第１圧力センサの各々及び複数の第２圧力センサの各々は、交互に隣接するように分散配置されていることを特徴とする。
【0020】
この力検出装置によれば、複数の第１圧力センサの各々及び複数の第２圧力センサの各々は、交互に隣接するように分散配置されているので、分布荷重が力検出装置作用した際、１種類の圧力センサを用いた場合と比べて、分解能を向上させることができ、圧力中心ＣＯＰ（Center of Pressure）を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の一実施形態に係る力検出装置の構成を模式的に示す正面図である。
【図3】圧力センサの構成を示す平面図である。
【図4】第１押圧面及び第２押圧面と、圧力センサの低負荷用セル及び高負荷用セルとの位置関係を示す平面図である。
【図5】力検出装置における力－電気抵抗の特性曲線を示す図である。
【図6】力検出装置に要求される圧力検出範囲と圧力センサの仕様検出範囲との関係を示す図である。
【図7】第１押圧面の面積を決定する手法の説明図である。
【図8】第２押圧面の面積を決定する手法の説明図である。
【図9】力検出装置による力の算出式などを示す図である。
【図10】力検出装置において、低負荷用セル及び高負荷用セルの値を用いる領域を示す図である。
【図11】圧力中心を説明するための図である。
【図12】低負荷用セルのみを用いた場合の圧力中心の算出結果を示す図である。
【図13】高負荷用セルのみを用いた場合の圧力中心の算出結果を示す図である。
【図14】低負荷用セル及び高負荷用セルを用いた場合の圧力中心の算出結果を示す図である。
【図15】画像補間手法を適用した力検出手法を説明するための図である。
【図16】画像補間手法を適用した他の力検出手法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、図１～４を参照しながら、本発明の一実施形態に係る力検出装置１について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図１の上下方向を「上下」、左右方向を「左右」、手前側を「前」、奥側を「後ろ」とそれぞれいう。
【0023】
図１に示すように、本実施形態の力検出装置１は、上から下に向かって順に、表層部材２、押圧部材３及び圧力センサ１０を備えている。表層部材２は、薄板状の部材であり、柔軟性を有する材質（例えばウレタン、シリコン、クロロプレンゴムなど）で構成されている。
【0024】
この表層部材２は、物体との接触衝撃を緩和したり、物体との摩擦力を確保したりするためのものである。なお、力検出装置１において、これらの機能が不要である場合には、表層部材２を省略してもよい。
【0025】
また、押圧部材３は、力が表層部材２に作用した際、その力によって圧力センサ１０を押圧する部材であり、所定硬さを備えた材質（例えばアクリル、シリコンなど）で構成されている。
【0026】
図２に示すように、押圧部材３は、基部３ｅ、多数（６つのみ図示）の第１押し子３ａ及び多数（６つのみ図示）の第２押し子３ｂを備えている。これらの第１及び第２押し子３ａ，３ｂは、一体に構成されているので、同一の物性を有している。なお、本実施形態では、第１押し子３ａが第１押圧部及び第２押圧部の一方に相当し、第２押し子３ｂが第１押圧部及び第２押圧部の他方に相当する。基部３ｅは、薄板状に形成され、表層部材２の下面に接した状態で配置されている。
【0027】
押圧部材３を平面視した場合、第１押し子３ａ及び第２押し子３ｂは、左右方向及び前後方向に交互に並ぶとともに、両者の中心が等間隔になるように配置されている。すなわち、第１押し子３ａ及び第２押し子３ｂは、平面視格子状に配置されている。
【0028】
第１押し子３ａは、基部３ｅと一体に形成され、基部３ｅから所定高さで下方に突出している。第１押し子３ａは、円錐台形状を有し、その頂面が円形の押圧面３ｄになっている。この押圧面３ｃは、押圧部材３が下方に押された際、圧力センサ１０に当接して圧力センサ１０を押圧するものであり、所定の第１面積Ｓａを備えている。なお、本実施形態では、押圧面３ｃが第１押圧面及び第２押圧面の一方に相当する。
【0029】
第２押し子３ｂは、第１押し子３ａと同様に、基部３ｅと一体に形成され、基部３ｅから第１押し子３ａと同じ高さで下方に突出している。第２押し子３ｂは、円錐台形状を有し、その頂面が円形の押圧面３ｄになっている。この押圧面３ｄは、押圧部材３が下方に押された際、圧力センサ１０に当接するものであり、所定の第２面積Ｓｂを備えている。なお、本実施形態では、押圧面３ｄが第１押圧面及び第２押圧面の他方に相当する。
【0030】
第１面積Ｓａ及び第２面積Ｓｂは、Ｓａ＜Ｓｂが成立するとともに、圧力センサ１０の後述する低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの出力において、後述する特性が得られるように設定されている。
【0031】
次に、圧力センサ１０について説明する。この圧力センサ１０は、圧抵抗効果（ピエゾ抵抗効果）を用いて、圧力を検出するものであり、図１及び図３に示すように、上から下に向かって順に、多数（３つのみ図示）の上側電極１１、感圧材１２及び多数（３つのみ図示）の下側電極１３を備えている。
【0032】
多数の上側電極１１は、前後方向に延び、互いに所定間隔で左右方向に並ぶように配置されている。各上側電極１１は、左右方向の所定幅と上下方向の所定厚さを有し、平面視矩形の細長い薄板状に形成されている。各上側電極１１は、図示しない電線を介して、図示しない電気回路装置に接続されている。
【0033】
また、多数の下側電極１３は、左右方向に延び、互いに所定間隔で前後方向に並ぶように配置されている。隣り合う下側電極１３，１３の間隔は、隣り合う上側電極１１，１１の間隔と同一に設定されている。
【0034】
さらに、下側電極１３は、平面視矩形の細長い薄板状に形成され、前後方向の幅が上側電極１１の左右方向の幅と同一であるとともに、上下方向の厚さが上側電極１１の上下方向の厚さと同一に構成されている。なお、下側電極１３及び上側電極１１において、両者の左右方向の幅及び上下方向の厚さが異なるように構成してもよい。各下側電極１３は、図示しない電線を介して、図示しない電気回路に接続されている。
【0035】
一方、感圧材１２は、薄板状の部材であり、上側電極１１と下側電極１３の間に配置されている。また、感圧材１２は、誘電性及び弾性を有する材質（例えば合成ゴム、エラストマなど）で構成され、その内部には、導電性粒子が多数含まれている。
【0036】
以上のように構成された圧力センサ１０では、上側電極１１が上方から押圧された際、感圧材１２が弾性変形し、感圧材１２内の導電性粒子間の距離が短くなるのに伴い、感圧材１２の電気抵抗が減少する。その結果、電気回路装置では、圧力センサ１０における上側電極１１と下側電極１３との間の電気抵抗の変化に基づいて、圧力センサ１０に作用した力（荷重）が検出可能になる。すなわち、圧力センサ１０は、圧抵抗効果を有している。
【0037】
本実施形態の力検出装置１の場合、前述したように、押圧部材３が２種類の第１及び第２押し子３ａ，３ｂを備えており、力が押圧部材３に作用した際、第１及び第２押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄは、図４に示す状態で圧力センサ１０に当接することになる。
【0038】
図４において、低負荷用セル１０Ａは、第１押し子３ａの押圧面３ｃが当接する上側電極１１の領域を便宜的に表したものであり、高負荷用セル１０Ｂは、第２押し子３ｂの押圧面３ｄが当接する上側電極１１の領域を便宜的に表したものである。また、図４では、理解の容易化のために、押圧面３ｃ及び押圧面３ｄがハッチングで表されている。
【0039】
本実施形態の力検出装置１の場合、第１押し子３ａに作用する力Ｆと低負荷用セル１０Ａの電気抵抗Ｒとの関係は、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ）となるように構成されている。
【0040】
また、第２押し子３ｂに作用する力Ｆと高負荷用セル１０Ｂの電気抵抗Ｒとの関係は、図５に示す特性曲線ｆｂ（Ｆ）となるように構成されている。なお、本実施形態では、低負荷用セル１０Ａが第１圧力センサ及び第２圧力センサの一方に相当し、高負荷用セル１０Ｂが第１圧力センサ及び第２圧力センサの他方に相当する。
【0041】
同図において、Ｆｒ＿ｍｉｎは、力検出装置１によって検出可能な力Ｆの最小値を、Ｆｒ＿ｍａｘは、力検出装置１によって検出可能な力Ｆの最大値をそれぞれ表している。また、Ｆ０，Ｆ１は、Ｆｒ＿ｍｉｎ＜Ｆ０＜Ｆ１＜Ｆｒ＿ｍａｘが成立するように設定される力Ｆの所定値である。
【0042】
特性曲線ｆａ（Ｆ）を参照すると明らかなように、第１押し子３ａ及び低負荷用セル１０Ａの組み合わせの場合、第１押し子３ａに作用する力Ｆの検出可能範囲は、最小値Ｆｒ＿ｍｉｎから所定値Ｆ１までの範囲に設定されている。また、第２押し子３ｂ及び高負荷用セル１０Ｂの組み合わせの場合、第２押し子３ｂに作用する力Ｆの検出可能範囲は、所定値Ｆ０から最大値Ｆｒ＿ｍａｘまでの範囲に設定されている。
【0043】
すなわち、本実施形態の力検出装置１では、第１押し子３ａに作用する力Ｆの検出可能範囲と、第２押し子３ｂに作用する力Ｆの検出可能範囲が、所定値Ｆ０～Ｆ１の間でオーバーラップするように構成されている。以下、力検出装置１がこのように構成されている理由について説明する。
【0044】
まず、力検出装置１に要求される力の検出範囲が上述した最小値Ｆｒ＿ｍｉｎから最大値Ｆｒ＿ｍａｘまでの範囲である場合、この範囲を圧力の範囲に置き換えると、図６に示すように、最小値Ｐｒ＿ｍｉｎから最大値Ｐｒ＿ｍａｘまでの範囲になる。この最小値Ｐｒ＿ｍｉｎは、前述した低負荷用セル１０Ａの面積（＝高負荷用セル１０Ｂの面積）をＳｅとした場合、Ｐｒ＿ｍｉｎ＝Ｆｒ＿ｍｉｎ／Ｓｅが成立する値であり、最大値Ｐｒ＿ｍａｘは、Ｐｒ＿ｍａｘ＝Ｆｒ＿ｍａｘ／Ｓｅが成立する値である。
【0045】
また、図６に示すように、圧力センサ１０の仕様における圧力の検出範囲が最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ（＞Ｐｒ＿ｍｉｎ）から最大値Ｐｓ＿ｍａｘ（＜Ｐｒ＿ｍａｘ）までの範囲である場合、この範囲Ｐｓ＿ｍｉｎ～Ｐｓ＿ｍａｘは、上記の範囲Ｐｒ＿ｍｉｎ～Ｐｒ＿ｍａｘよりも狭いので、この圧力センサ１０によって上記の検出範囲全体をカバーするのは不可能である。
【0046】
そのため、第１押し子３ａの押圧面３ｃの面積である第１面積ＳａをＳａ・Ｐｓ＿ｍｉｎ＝Ｆｒ＿ｍｉｎが成立するように構成することにより、第１押し子３ａ及び低負荷用セル１０Ａによって、最小値Ｆｒ＿ｍｉｎから所定値Ｆ１（＝Ｐｓ＿ｍａｘ・Ｓａ）の範囲の力Ｆを検出できることになる。その結果、第１押し子３ａに作用する力Ｆと低負荷用セル１０Ａの電気抵抗Ｒの値との関係が、図５の特性曲線ｆａ（Ｆ）のようになる。
【0047】
また、第２押し子３ｂの押圧面３ｄの面積である第２面積Ｓｂを、Ｓｂ・Ｐｓ＿ｍａｘ＝Ｆｒ＿ｍｍａｘが成立するように構成することにより、第２押し子３ｂ及び高負荷用セル１０Ｂによって、所定値Ｆ０（＝Ｐｓ＿ｍｉｎ・Ｓｂ）から最大値Ｆｒ＿ｍａｘまでの範囲の力Ｆを検出できることになる。その結果、第２押し子３ｂに作用する力と高負荷用セル１０Ｂの電気抵抗Ｒの値との関係が、図５の特性曲線ｆｂ（Ｆ）のようになる。
【0048】
これに加えて、圧力センサ１０の仕様、第１面積Ｓａ、及び第２面積Ｓｂは、以下の３つの条件（ａ１）～（ａ３）を満たすように決定される。これらの（ａ１）～（ａ３）の条件はいずれも、力検出装置１における力Ｆの検出精度を向上させるためのものである。
【0049】
（ａ１）上記図５の２つの特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）のオーバーラップする領域が可能な限り大きくなるように、圧力センサ１０の仕様及び２つの面積Ｓａ，Ｓｂを決定する。
【0050】
（ａ２）上述した力Ｆの最小値Ｆｒ＿ｍｉｎが第１押し子３ａに作用した際、低負荷用セル１０Ａの出力（電気抵抗Ｒ）が上限値Ｒ＿ｌｉｍ＿ｈとなるように、第１押し子３ａの押圧面３ｃの第１面積Ｓａ及び圧力センサ１０の仕様を決定する。この上限値Ｒ＿ｌｉｍ＿ｈは、図７に示すように、低負荷用セル１０Ａの出力が安定するような値に相当する。
【0051】
（ａ３）力検出装置１で必要とされる力Ｆの分解能をΔＦ＿ｒｅｑとし、ＡＤ変換値が１ＬＳＢ（最下位ビット）分、変化するのに必要な抵抗値をΔＲとした場合において、図８に示す特性曲線ｆｂ（Ｆ）における、Ｒ＿ｈ－Ｒ＿ｌ＞ΔＲかつＦ＿ｌ－Ｆ＿ｈ＜ΔＦ＿ｒｅｑの条件を満たす抵抗値Ｒ＿ｌの最小値を選択する。そして、値Ｆ＿ｌ（＝Ｆｂ－１（Ｒ＿ｌ））＝Ｆｒ＿ｍａｘが成立するように、第２面積Ｓｂを決定する。
【0052】
以上のように構成された力検出装置１では、力検出装置１に作用する力Ｆは、力Ｆの範囲に応じて、図９に示すように算出（検出）される。同図に示すように、力ＦがＦ＜Ｆ０の範囲内の値である場合には、低負荷用セル１０Ａの電気抵抗Ｒの値を、前述した特性曲線ｆａ（Ｆ）に適用することにより、力Ｆが算出される。すなわち、Ｆ＝ｆａ－１（Ｒ）の算出式により、力Ｆが算出される。
【0053】
この場合、力検出装置１の位置分解能は、隣り合う２つの低負荷用セル１０Ａ，１０Ａ間の距離に対応して、２電極分となる。また、圧力中心ＣＯＰ（Center of Pressure）は、低負荷用セル１０Ａの値のみを用いて算出される。
【0054】
また、力検出装置１に作用する力ＦがＦ１＜Ｆの範囲内の値である場合には、高負荷用セル１０Ｂの電気抵抗Ｒの値を、前述した特性曲線ｆｂ（Ｆ）に適用することにより、力Ｆが算出される。すなわち、Ｆ＝ｆｂ－１（Ｒ）の算出式により、力Ｆが算出される。
【0055】
この場合、力検出装置１の位置分解能は、隣り合う２つの高負荷用セル１０Ｂ，１０Ｂ間の距離に対応して、２電極分となる。また、圧力中心ＣＯＰ（Center of Pressure）は、高負荷用セル１０Ｂの値のみを用いて算出される。
【0056】
一方、力検出装置１に作用する力ＦがＦ０≦Ｆ≦Ｆ１の範囲内の値である場合には、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの出力を用いて力Ｆが算出される。
【0057】
例えば、図１０に示すように、力Ｆｘ（Ｆ０≦Ｆｘ≦Ｆ１）が力検出装置１に作用している場合において、低負荷用セル１０Ａの電気抵抗Ｒが値Ｒ１であるときには、Ｆｘ＝Ｆａ－１（Ｒ１）の算出式により、力Ｆｘが算出される。これと同時に、高負荷用セル１０Ｂの電気抵抗Ｒが値Ｒ２であるときには、Ｆｘ＝Ｆｂ－１（Ｒ２）の算出式により、力Ｆｘが算出される。
【0058】
さらに、力検出装置１の位置分解能は、隣り合う低負荷用セル１０Ａと高負荷用セル１０Ｂ間の距離に対応して、１電極分となる。また、圧力中心ＣＯＰは、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの値を用いて算出される。
【0059】
このように、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの値を用いた場合、以下の効果を得ることができる。すなわち、図１１に示すように、分布荷重である力Ｆｘ（Ｆ０≦Ｆｘ≦Ｆ１）が力検出装置１の低負荷用セル１０Ａ＿１，１０Ａ２及び高負荷用セル１０Ｂ＿１，１０Ｂ２に作用している場合、実際の圧力中心ＣＯＰは、隣り合う高負荷用セル１０Ｂ＿１と低負荷用セル１０Ａ＿２の間になる。
【0060】
しかしながら、図１２に示すように、低負荷用セル１０Ａ＿１，１０Ａ＿２の電気抵抗Ｒの値のみを用いた場合には、計算上の圧力中心ＣＯＰは、高負荷用セル１０Ｂ＿１の中心付近の位置になってしまう。
【0061】
また、図１３に示すように、高負荷用セル１０Ｂ＿１，１０Ｂ＿２の電気抵抗Ｒの値のみを用いた場合には、計算上の圧力中心ＣＯＰは、低負荷用セル１０Ａ＿２の中心付近の位置になってしまう。
【0062】
これに対して、図１４に示すように、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの双方の電気抵抗Ｒの値を用いた場合、計算結果の圧力中心ＣＯＰは、実際の圧力中心ＣＯＰと一致することになる。すなわち、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの値を用いることにより、圧力中心ＣＯＰの算出精度を向させることができる。
【0063】
以上のように、本実施形態の力検出装置１によれば、同一の力が第１押し子３ａ及び第２押し子３ｂに作用した際、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの電気抵抗Ｒが図５の特性曲線ｆａ（Ｆ）及びｆｂ（Ｆ）のように変化するように構成されている。
【0064】
この場合、特性曲線ｆａ（Ｆ）は、力Ｆの最小値Ｆｒ＿ｍｉｎから所定値Ｆ１までの範囲をカバーしており、特性曲線ｆｂ（Ｆ）は、力Ｆの所定値Ｆ０から最大値Ｆｒ＿ｍａｘまでの範囲をカバーしているとともに、両者は、所定値Ｆ０から所定値Ｆ１の範囲で互いにオーバーラップしている。
【0065】
それにより、力検出装置１によって、要求される検出範囲Ｆｒ＿ｍｉｎ～Ｆｒ＿ｍａｘ内の力Ｆを切れ目なく連続的に検出することができる。すなわち、第１押し子３ａの押圧面３ｃ及び第２押し子３ｂの押圧面３ｄを異なる面積に設定することによって、１種類の押し子を用いた場合と比べて、力の検出可能範囲を拡大することができる。
【0066】
その際、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂを１つの圧力センサ１０で構成できるとともに、第１押し子３ａ及び第２押し子３ｂを同一の部材で構成できるので、その分、コストを削減することができる。
【0067】
また、所定値Ｆ０から所定値Ｆ１の範囲の力Ｆを検出する際、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの双方の出力を用いることができるので、所定値Ｆ０から所定値Ｆ１の範囲の分布荷重が力検出装置１作用した際、１種類の圧力センサを用いた場合と比べて、分解能を向上させることができ、圧力中心ＣＯＰを精度よく検出することができる。
【0068】
なお、力検出装置１に作用する力ＦがＦ１＜Ｆの範囲内の値である場合、力Ｆの検出において高負荷用セル１０Ｂのみを用いる関係上、２つのセル１０Ａ，１０Ｂを用いる場合と比べて、分解能が低下してしまう。これを補償するために、以下に述べる画像補間手法を用いてもよい。
【0069】
例えば、図１５に示すように、４つの高負荷用セル１０Ｂ＿ａ～１０Ｂ＿ｄによって囲まれた低負荷用セル１０Ａ＿ｘの位置に作用する力Ｆ＿ｘを算出する場合、以下に述べる線形補間手法により、力Ｆ＿ｘが算出される。
【0070】
まず、４つの高負荷用セル１０Ｂ＿ａ～１０Ｂ＿ｄにおける電気抵抗Ｒ＿ａ～Ｒ＿ｄをグレースケール画像として捉える。そして、低負荷用セル１０Ａ＿ｘの位置における仮想の電気抵抗Ｒ＿ｘを、下式(１)により算出する。下式（１）のＫａ～Ｋｄは、所定の重み係数である。
【0071】
Ｒ＿ｘ＝Ｋａ・Ｒ＿ａ＋Ｋｂ・Ｒ＿ｂ＋Ｋｃ・Ｒ＿ｃ＋Ｋｄ・Ｒ＿ｄ ・・・（１）
【0072】
そして、電気抵抗Ｒ＿ｘを前述した特性曲線ｆｂ（Ｒ）に適用することにより、力Ｆ＿ｘが算出される。以上の手法を用いた場合、低負荷用セル１０Ａ＿ｘの位置に作用する力Ｆ＿ｘを検出でき、それにより、力検出装置１における分解能を向上させることができる。
【0073】
また、図１６に示すように、例えば、力Ｆの分布が関数ｆ（ｘ）に従うことが既知である場合には、２つの高負荷用セル１０Ｂ＿ａ，１０Ｂ＿ｂ間の距離も既知である関係上、下式(２)により、電気抵抗Ｒ＿ｘを算出することができる（非線形補間）。
【0074】
Ｒ＿ｘ＝ｆ（Ｒ＿ａ＋（Ｒ＿ｂ－Ｒ＿ａ）／２） ・・・（２）
【0075】
そして、電気抵抗Ｒ＿ｘを前述した特性曲線ｆｂ（Ｒ）に適用することにより、力Ｆ＿ｘが算出される。以上の手法を用いた場合でも、低負荷用セル１０Ａ＿ｘの位置に作用する力Ｆ＿ｘを検出でき、それにより、力検出装置１における分解能を向上させることができる。
【0076】
さらに、画像補間手法として、補間ネットワーク及び識別ネットワークを用いた学習手法により、電気抵抗Ｒ＿ｘを算出するように構成してもよい。
【0077】
また、実施形態は、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を異なる値Ｓａ，Ｓｂに設定することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）となるように構成した例であるが、これに代えて、以下に述べるように構成してもよい。
【0078】
例えば、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの圧抵抗効果を同一の特性に設定し、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を異なる値に設定するとともに、２つの押し子３ａ，３ｂの弾性係数及び硬度の一方を異なるように構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。
【0079】
その際、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも大きい場合において、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0080】
また、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも小さい場合において、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0081】
さらに、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも大きい場合において、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0082】
これに加えて、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも小さい場合において、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0083】
一方、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を異なる値に設定し、２つの押し子３ａ，３ｂの物性を同一に設定するとともに、セル１０Ａ，１０Ｂを互いに異なる特性の圧抵抗効果を有する別体のセンサとして構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。
【0084】
その際、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも大きい場合において、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが大きくなる特性を備えているように構成してもよく、これとは逆に、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが小さくなる特性を備えているように構成してもよい。
【0085】
また、押圧面３ｃの面積が押圧面３ｄの面積よりも小さい場合において、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが大きくなる特性を備えているように構成してもよく、これとは逆に、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが小さくなる特性を備えているように構成してもよい。
【0086】
一方、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を同一に設定し、２つの押し子３ａ，３ｂの物性を同一に設定するとともに、セル１０Ａ，１０Ｂを互いに異なる特性の圧抵抗効果を有する別体のセンサとして構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。その際には、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが大きくなる特性を備えているように構成すればよい。
【0087】
さらに、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの圧抵抗効果を同一の特性に設定し、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を同一に設定するとともに、２つの押し子３ａ，３ｂの弾性係数及び硬度の一方を異なるように構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。
【0088】
その際、２つの押し子３ａ，３ｂを、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも大きい値になるように構成してもよく、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも大きい値になるように構成してもよい。
【0089】
また、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を同一に設定し、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの圧抵抗効果を異なる特性に設定するとともに、２つの押し子３ａ，３ｂの弾性係数及び硬度の一方を異なるように構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。
【0090】
例えば、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積が同一であり、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが大きくなる特性を備えている場合において、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0091】
また、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積が同一であり、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが大きくなる特性を備えている場合において、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0092】
さらに、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積が同一であり、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが小さくなる特性を備えている場合において、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの弾性係数が第２押し子３ｂの弾性係数よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0093】
これに加えて、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積が同一であり、同一の圧力に対してセル１０Ａの方がセル１０Ｂよりも電気抵抗Ｒが小さくなる特性を備えている場合において、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも大きい値になるように構成してもよく、これとは逆に、第１押し子３ａの硬度が第２押し子３ｂの硬度よりも小さい値になるように構成してもよい。
【0094】
さらに、２つの押し子３ａ，３ｂの押圧面３ｃ，３ｄの面積を異なる値に設定し、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの圧抵抗効果を異なる特性に設定するとともに、２つの押し子３ａ，３ｂの弾性係数及び硬度の一方を異なるように構成することによって、２つのセル１０Ａ，１０Ｂの電気抵抗Ｒと力Ｆの関係が、図５に示す特性曲線ｆａ（Ｆ），ｆｂ（Ｆ）と同様になるように構成してもよい。
【0095】
また、実施形態は、第１押し子３ａ及び第２押し子３ｂの押圧面３ｃ，３ｄを平面視円形に構成した例であるが、これに代えて、押圧面３ｃ，３ｄを、平面視多角形、平面視楕円形、平面視半楕円形、又は平面視半円形の形状に構成してもよい。
【0096】
さらに、実施形態は、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂの検出可能範囲が図５に示すＦ０～Ｆ１の範囲でオーバーラップするように構成した例であるが、これに代えて、低負荷用セル１０Ａによって検出可能な力の最大値と、高負荷用セル１０Ｂによって検出可能な力の最小値が同じ値になるように構成してもよい。
【0097】
また、実施形態は、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂを、左右方向及び前後方向に等間隔で交互に配置した例であるが、これに代えて、低負荷用セル１０Ａ及び高負荷用セル１０Ｂを交互に隣接するように分散配置してもよい。さらに、複数の低負荷用セル１０Ａを互いに隣接するように配置してもよく、高負荷用セル１０Ｂを互いに隣接するように配置してもよい。
【符号の説明】
【0098】
１ 力検出装置
３ａ 第１押し子（第１押圧部及び第２押圧部の一方）
３ｂ 第２押し子（第１押圧部及び第２押圧部の他方）
３ｃ 押圧面（第１押圧面及び第２押圧面の一方）
３ｄ 押圧面（第１押圧面及び第２押圧面の他方）
１０ 圧力センサ（第１圧力センサ、第２圧力センサ）
１０Ａ 低負荷用セル（第１圧力センサ及び第２圧力センサの一方）
１０Ｂ 高負荷用セル（第１圧力センサ及び第２圧力センサの他方）
Ｆ 力
Ｒ 電気抵抗
Ｓａ 第１面積（第１押圧面及び第２押圧面の一方の面積）
Ｓｂ 第２面積（第１押圧面及び第２押圧面の他方の面積）
３ａ 第１押し子（第１押圧部及び第２押圧部の一方）
３ｂ 第２押し子（第１押圧部及び第２押圧部の他方）
３ｃ 押圧面（第１押圧面及び第２押圧面の一方）
３ｄ 押圧面（第１押圧面及び第２押圧面の他方）
１０ 圧力センサ（第１圧力センサ、第２圧力センサ）
１０Ａ 低負荷用セル（第１圧力センサ及び第２圧力センサの一方）
１０Ｂ 高負荷用セル（第１圧力センサ及び第２圧力センサの他方）
Ｆ 力
Ｒ 電気抵抗
Ｓａ 第１面積（第１押圧面及び第２押圧面の一方の面積）
Ｓｂ 第２面積（第１押圧面及び第２押圧面の他方の面積）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】