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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】P2024093905
(43)【公開日】2024-07-09
(54)【発明の名称】力検出器
(51)【国際特許分類】
G01L 5/162 20200101AFI20240702BHJP
【ＦＩ】
G01L5/162
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022210548
(22)【出願日】2022-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000006507
【氏名又は名称】横河電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100169823
【弁理士】
【氏名又は名称】吉澤 雄郎
(74)【代理人】
【識別番号】100202326
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 大佑
(72)【発明者】
【氏名】濃野 友人
【テーマコード（参考）】
2F051
【Ｆターム（参考）】
2F051AB10
2F051DA03
2F051DB03
(57)【要約】
【課題】一のセンサユニットでも６軸の外力を互いに区別して検出することができる力検出器を提供する。
【解決手段】本開示に係る力検出器１は、検出対象の外力Ｆが作用する第１層１１、及び第１層１１が積層されていると共に第１層１１とヤング率が異なる材料で形成されている第２層１２を有する層構造体１０と、層構造体１０の内部に形成されていると共に、第１層１１に外力Ｆが作用すると第１層１１の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部２０と、応力発生部２０の周囲に分散配置されている複数のセンサ３０と、を備え、一の応力発生部２０に関連付けられる複数のセンサ３０は、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力Ｆを互いに区別して検出する。
【選択図】図２
【解決手段】本開示に係る力検出器１は、検出対象の外力Ｆが作用する第１層１１、及び第１層１１が積層されていると共に第１層１１とヤング率が異なる材料で形成されている第２層１２を有する層構造体１０と、層構造体１０の内部に形成されていると共に、第１層１１に外力Ｆが作用すると第１層１１の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部２０と、応力発生部２０の周囲に分散配置されている複数のセンサ３０と、を備え、一の応力発生部２０に関連付けられる複数のセンサ３０は、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力Ｆを互いに区別して検出する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
検出対象の外力が作用する第１層、及び前記第１層が積層されていると共に前記第１層とヤング率が異なる材料で形成されている第２層を有する層構造体と、
前記層構造体の内部に形成されていると共に、前記第１層に前記外力が作用すると前記第１層の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部と、
前記応力発生部の周囲に分散配置されている複数のセンサと、
を備え、
一の前記応力発生部に関連付けられる前記複数のセンサは、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の前記外力を互いに区別して検出する、
力検出器。
前記層構造体の内部に形成されていると共に、前記第１層に前記外力が作用すると前記第１層の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部と、
前記応力発生部の周囲に分散配置されている複数のセンサと、
を備え、
一の前記応力発生部に関連付けられる前記複数のセンサは、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の前記外力を互いに区別して検出する、
力検出器。
【請求項2】
請求項１に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、少なくとも６つの前記センサを有する、
力検出器。
前記センサユニットは、少なくとも６つの前記センサを有する、
力検出器。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、６軸の前記外力に含まれる前記力の各々に対して、前記応力分布が形成される位置に少なくとも３つの前記センサが配置されるようなセンサ配置を有する、
力検出器。
前記センサユニットは、６軸の前記外力に含まれる前記力の各々に対して、前記応力分布が形成される位置に少なくとも３つの前記センサが配置されるようなセンサ配置を有する、
力検出器。
【請求項4】
請求項３に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、前記応力発生部の中心から第１距離の範囲内に位置する複数の第１センサと、前記中心から前記第１距離よりも長い第２距離と前記第１距離との間の範囲内に位置する複数の第２センサと、を有する、
力検出器。
前記センサユニットは、前記応力発生部の中心から第１距離の範囲内に位置する複数の第１センサと、前記中心から前記第１距離よりも長い第２距離と前記第１距離との間の範囲内に位置する複数の第２センサと、を有する、
力検出器。
【請求項5】
請求項４に記載の力検出器であって、
前記第１センサは、前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている、
力検出器。
前記第１センサは、前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている、
力検出器。
【請求項6】
請求項５に記載の力検出器であって、
複数の前記第１センサの各々は、前記法線方向から見たときに前記直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている、
力検出器。
複数の前記第１センサの各々は、前記法線方向から見たときに前記直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている、
力検出器。
【請求項7】
請求項４に記載の力検出器であって、
前記応力発生部は、前記法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有し、
複数の前記第２センサは、前記法線方向から見たときに、前記応力発生部の前記中心に対してｎ回対称の回転対称性を有する、
力検出器。
前記応力発生部は、前記法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有し、
複数の前記第２センサは、前記法線方向から見たときに、前記応力発生部の前記中心に対してｎ回対称の回転対称性を有する、
力検出器。
【請求項8】
請求項７に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、ｎ個の前記第１センサと、ｎ個の前記第２センサと、を有する、
力検出器。
前記センサユニットは、ｎ個の前記第１センサと、ｎ個の前記第２センサと、を有する、
力検出器。
【請求項9】
請求項８に記載の力検出器であって、
ｎ個の前記第２センサの各々は、前記応力発生部の前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線が前記応力発生部の形状である前記ｎ角形の対応する辺の中心を通るように前記辺と対向する、
力検出器。
ｎ個の前記第２センサの各々は、前記応力発生部の前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線が前記応力発生部の形状である前記ｎ角形の対応する辺の中心を通るように前記辺と対向する、
力検出器。
【請求項10】
請求項７に記載の力検出器であって、
前記ｎ角形は、正多角形である、
力検出器。
前記ｎ角形は、正多角形である、
力検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、力検出器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば触覚センサモジュールとして用いられる力検出器であって、外部から作用する力を検出する力検出器に関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ヤング率が極めて大きな圧力伝達部材を内部に備える必要がなく、信頼性が高くかつより湾曲が容易な力検出器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－１００４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の力検出器は、検出対象の外力が検出面に作用すると応力分布を自らの周囲に形成する構造と、４つのセンサを含むセンサユニットと、を有する。センサは、例えば、ひずみセンサ及び圧力センサなどを含む。当該力検出器は、一のセンサユニットで３軸方向の力を互いに区別して検出する。しかしながら、当該力検出器では、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力を一のセンサユニットで互いに区別して検出することは困難であった。
【0005】
本開示は、一のセンサユニットでも６軸の外力を互いに区別して検出することができる力検出器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】
【0006】
幾つかの実施形態に係る力検出器は、検出対象の外力が作用する第１層、及び前記第１層が積層されていると共に前記第１層とヤング率が異なる材料で形成されている第２層を有する層構造体と、前記層構造体の内部に形成されていると共に、前記第１層に前記外力が作用すると前記第１層の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部と、前記応力発生部の周囲に分散配置されている複数のセンサと、を備え、一の前記応力発生部に関連付けられる前記複数のセンサは、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の前記外力を互いに区別して検出する。
【0007】
これにより、一のセンサユニットでも６軸の外力、すなわち３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を互いに区別して検出することができる。力検出器は、一のセンサユニットでねじりモーメントを含む６軸の外力を互いに区別して測定することができる。したがって、回転方向の力を測定するために複数のセンサユニットを用いる必要がある従来技術と比較して、６軸の外力を測定する場合の空間分解能が向上する。
【0008】
一実施形態における力検出器では、前記センサユニットは、少なくとも６つの前記センサを有してもよい。これにより、各センサが一軸型であったとしても、力検出器は、一のセンサユニットで６軸の外力を互いに区別して検出することができる。したがって、任意の外力の６軸の成分を計算して外力の大きさ及び方向を測定することが可能となる。
【0009】
一実施形態における力検出器では、前記センサユニットは、６軸の前記外力に含まれる前記力の各々に対して、前記応力分布が形成される位置に少なくとも３つの前記センサが配置されるようなセンサ配置を有してもよい。これにより、力検出器は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0010】
一実施形態における力検出器では、前記センサユニットは、前記応力発生部の中心から第１距離の範囲内に位置する複数の第１センサと、前記中心から前記第１距離よりも長い第２距離と前記第１距離との間の範囲内に位置する複数の第２センサと、を有してもよい。これにより、力検出器は、６軸の外力の各々に基づく応力分布が形成される位置に少なくとも３つのセンサが配置されるようなセンサ配置でセンサユニットを構成可能である。したがって、力検出器は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0011】
一実施形態における力検出器では、前記第１センサは、前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されていてもよい。これにより、例えば、Ｙ軸に対する回転方向の外力が検出面に対して作用したときであっても、後述の図６及び図７に示されるように、ひずみ分布が形成される位置により確実にセンサを配置することが可能である。力検出器は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0012】
一実施形態における力検出器では、複数の前記第１センサの各々は、前記法線方向から見たときに前記直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されていてもよい。これにより、上記と同様の効果が得られ、力検出器は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0013】
一実施形態における力検出器では、前記応力発生部は、前記法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有し、複数の前記第２センサは、前記法線方向から見たときに、前記応力発生部の前記中心に対してｎ回対称の回転対称性を有してもよい。これにより、検出面の法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部に対する複数の第２センサの対称性が向上する。
【0014】
一実施形態における力検出器では、前記センサユニットは、ｎ個の前記第１センサと、ｎ個の前記第２センサと、を有してもよい。これにより、センサユニットは、検出面の法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部に対して適切な数のセンサを有することができる。
【0015】
一実施形態における力検出器では、ｎ個の前記第２センサの各々は、前記応力発生部の前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線が前記応力発生部の形状である前記ｎ角形の対応する辺の中心を通るように前記辺と対向してもよい。これにより、検出面の法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部に対する複数の第２センサの対称性がさらに向上する。
【0016】
一実施形態における力検出器では、前記ｎ角形は、正多角形であってもよい。これにより、一の応力発生部と一のセンサユニットとを含むユニットの対称性がさらに向上する。
【発明の効果】
【0017】
本開示によれば、一のセンサユニットでも６軸の外力を互いに区別して検出することができる力検出器を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本開示の一実施形態に係る力検出器の概略構成を検出面の法線方向から見たときの模式図である。
【図11】従来の力検出器の内部に形成されるひずみ分布の第１例を示す模式図である。
【図12】従来の力検出器の内部に形成されるひずみ分布の第２例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
従来技術の背景及び問題点についてより詳細に説明する。
【0020】
従来の力検出器は、硬さの異なる柔軟な樹脂、例えばシリコーン樹脂を２種類以上用いて形成される層構造体を有する。樹脂は、柔軟であれば、アクリル樹脂及びウレタン樹脂などを含んでもよい。層構造体は、検出面を有する第１層と、第１層と比較してヤング率が大きい樹脂材料により形成されている第２層と、を有する。
【0021】
当該力検出器は、検出対象の外力が検出面に作用するとひずみ分布を自らの周囲に形成する突起構造のアレイを層構造体の内部に有する。ひずみ分布は応力分布と対応付けられる。突起構造は、例えば四角錐の形状を有する。一のセンサユニットは、一の突起構造の周囲に配置されている。複数のセンサユニットは、ヤング率がより小さい第１層の内部に配置されている。
【0022】
図１１は、従来の力検出器の内部に形成されるひずみ分布の第１例を示す模式図である。図１２は、従来の力検出器の内部に形成されるひずみ分布の第２例を示す模式図である。図１１及び図１２は、当該力検出器の層構造体の内部を示すＸＺ平面での断面を模式的に示す図である。図１１及び図１２は、第１層が有する検出面の法線方向から見たときの様子を示す。なお、視認を容易とするため、図１１及び１２においては、層構造体の内部に配置されているセンサＳを実線で示している。
【0023】
従来の力検出器では、４つのセンサＳは、ＸＺ面において図１１及び図１２に示されるような配置を有する。４つのセンサＳを含む一のセンサユニットは、一の突起構造Ｐの周囲に配置されている。例えば、当該力検出器にＸ軸方向の力が加わると、図１１に示されるようなひずみ分布が形成される。色が黒いほど、Ｘ軸方向の引張ひずみが大きいことを示す。色が白いほど、Ｘ軸方向の圧縮ひずみが大きいことを示す。各センサＳに加わるひずみは、力の大きさ及び方向によって異なる。各センサＳから出力される信号を演算処理することによって力の大きさ及び方向を計算することができる。
【0024】
一方、Ｙ軸に対する回転方向の力、すなわちねじりモーメントが当該力検出器に加わると、図１２に示されるようなひずみ分布が形成される。しかしながら、図１２に示されるようなセンサ配置では、センサＳにひずみが加わらない。したがって、Ｙ軸に対する回転方向の力は、一のセンサユニットでは検出できない。結果として、回転方向の力を測定するためには、複数のセンサユニットに加わる３軸方向の力の分布に基づいて計算する必要があり空間分解能が低下する。
【0025】
本開示は、以上のような問題点を解決するために、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力を一のセンサユニットでも互いに区別して検出することができる力検出器を提供することを目的とする。
【0026】
以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。
【0027】
図１は、本開示の一実施形態に係る力検出器１の概略構成を検出面の法線方向から見たときの模式図である。図２は、図１のＡ－Ａ矢線に沿った断面図である。なお、視認を容易とするため、図１においては、後述する第１層１１で被覆されたセンサ３０を実線で示している。初めに、一実施形態に係る力検出器１の概略構成について主に説明する。
【0028】
力検出器１は、検出面Ｍに作用した外力を電気信号に変換して出力するセンサモジュールである。力検出器１は、例えば、触覚センサモジュールとして用いられる。本開示において、「外力」は、例えば、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む。力検出器１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力を互いに区別して検出する。力検出器１は、層構造体１０と、応力発生部２０と、複数のセンサ３０と、を有する。
【0029】
図２に示されるように、層構造体１０は、検出対象の外力が作用する第１層１１を有する。第１層１１は、検出面Ｍを有する。本開示において、「検出面Ｍ」は、第１層１１の表面を意味する。層構造体１０は、第１層１１の検出面Ｍとは反対側の面に設けられると共に第１層１１とヤング率が異なる材料で形成されている第２層１２を有する。層構造体１０は、検出層としての第１層１１と支持層としての第２層１２とが積層された構造を有する。
【0030】
以下の説明において、説明の便宜上、図１及び図２に示されるように、第１層１１と第２層１２との積層方向をＹ方向とする。Ｙ方向は、検出面Ｍの法線方向に対応する。Ｙ方向と直交する一方向をＸ方向とする。Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とする。一実施形態に係る力検出器１の設置姿勢は重力方向に対して特に限定されるものではない。
【0031】
図２に示されるように、第１層１１は、第２層１２に積層されており、第２層１２と反対側の表面が検出面Ｍとされた層である。例えば、第１層１１は、第２層１２よりもヤング率が小さい材料によって形成されている。例えば、第１層１１は、第２層１２の形成材料よりもヤング率が小さなシリコーン樹脂によって形成されている。これに限定されず、第１層１１は、第２層１２よりもヤング率が小さい材料で形成されていればよく、例えば、アクリル樹脂及びウレタン樹脂などを含む他の樹脂材料によって形成されていてもよい。
【0032】
検出面Ｍは、検出対象の外力が作用する面であり、例えば、平面である。検出面Ｍは、Ｘ－Ｚ平面と平行な面である。これに限定されず、検出面Ｍは、湾曲面であってもよい。検出面Ｍに対して直接的に外部の物体が接触すると、当該物体から受ける力が検出対象の外力となる。力検出器１は、検出面Ｍの接線方向、すなわちＸ軸方向及びＺ軸方向に作用する力成分、及び検出面Ｍの法線方向、すなわちＹ方向に沿って検出面Ｍを押圧する力成分のいずれも検出可能である。力検出器１は、このような３軸方向の力に加えて、各軸に対する回転方向の力も互いに区別して検出可能である。
【0033】
第２層１２は、第１層１１の検出面Ｍと反対側の面に固着されており、第１層１１を支持する。上述のように、第１層１１は、第２層１２よりもヤング率が小さい材料によって形成されている。すなわち、第２層１２は、第１層１１よりもヤング率が大きい材料によって形成されている。例えば、第２層１２は、第１層１１の形成材料よりもヤング率が大きなシリコーン樹脂によって形成されている。これに限定されず、第２層１２は、第１層１１よりもヤング率が大きい材料で形成されていればよく、例えば、アクリル樹脂及びウレタン樹脂などを含む他の樹脂材料によって形成されていてもよい。
【0034】
応力発生部２０は、層構造体１０の内部に形成されている。応力発生部２０は、第１層１１、例えば検出面Ｍに外力が作用すると、検出面Ｍの法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する。応力分布とひずみ分布とは互いに対応付けられる。応力発生部２０は、第１層１１及び第２層１２の一方が他方に向けて突出することで形成されている。応力発生部２０は、例えば、第２層１２が第１層１１に向けて突出した突部２１を含む。応力発生部２０は、ヤング率が相対的に大きい第２層１２側からヤング率が相対的に小さい第１層１１側に向けて突出する突部２１として形成されている。突部２１は、第２層１２の一部によって形成され、第１層１１よりもヤング率が大きな材料により形成されている。突起構造としての突部２１は、例えば、四角錐の形状を有する。
【0035】
複数のセンサ３０は、応力発生部２０の周囲に分散配置されている。複数のセンサ３０は、ヤング率がより小さく柔軟な第１層１１の内部に埋設されている。センサ３０は、ひずみを検出するひずみセンサを含んでもよいし、第１層１１において生じる応力を検出する圧力センサを含んでもよい。複数のセンサ３０の各々は、応力発生部２０としての突部２１の頂部よりも検出面Ｍ側に配置されている。応力発生部２０としての突部２１の頂部よりも検出面Ｍ側でひずみが大きくなる。
【0036】
図１に示されるように、複数のセンサ３０は、一の応力発生部２０に関連付けられる。これは、一の応力発生部２０を中心としてその周囲に複数のセンサ３０が分散配置されていることを意味する。一の応力発生部２０に関連付けられる複数のセンサ３０は、一のセンサユニットを構成する。センサユニットは、少なくとも６つのセンサ３０を有する。一例として、センサユニットは、８つのセンサ３０を有する。すなわち、センサ３０は、１つの突部２１に対して８つ設けられている。突部２１の頂部を囲むように、８つのセンサ３０が設けられている。
【0037】
応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有する。ｎ角形は、正多角形であってもよいし、正多角形以外の多角形であってもよい。このとき、センサユニットは、ｎ個の第１センサ３１と、ｎ個の第２センサ３２と、を複数のセンサ３０として有する。例えば、応力発生部２０は、四角錐の形状を有する突部２１を含む場合、検出面Ｍの法線方向から見たときに、四角形の形状、例えば正方形の形状を有する。このとき、センサユニットは、４つの第１センサ３１と、４つの第２センサ３２と、を有する。
【0038】
４つの第１センサ３１には、第１センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、及び３１ｄが含まれる。第１センサ３１ａは、応力発生部２０の中心Ｐ０、すなわち突部２１の頂部に対して－Ｘ方向及び－Ｚ方向に変位した位置にある。本開示において、「中心Ｐ０」は、例えば、検出面Ｍの法線方向から見たときの応力発生部２０の形状に対する幾何中心である。第１センサ３１ｂは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して＋Ｘ方向及び－Ｚ方向に変位した位置にある。第１センサ３１ｃは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して＋Ｘ方向及び＋Ｚ方向に変位した位置にある。第１センサ３１ｄは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して－Ｘ方向及び＋Ｚ方向に変位した位置にある。
【0039】
４つの第２センサ３２には、第２センサ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、及び３２ｄが含まれる。第２センサ３２ａは、応力発生部２０の中心Ｐ０、すなわち突部２１の頂部に対して－Ｚ方向に変位した位置にある。第２センサ３２ｂは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して＋Ｘ方向に変位した位置にある。第２センサ３２ｃは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して＋Ｚ方向に変位した位置にある。第２センサ３２ｄは、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して－Ｘ方向に変位した位置にある。
【0040】
センサユニットにおける複数の第１センサ３１は、応力発生部２０の中心Ｐ０から第１距離Ｌ１の範囲内に位置する。例えば、各第１センサ３１の中心Ｐ１と応力発生部２０の中心Ｐ０とは、同一の第１距離Ｌ１だけ離れている。本開示において、「中心Ｐ１」は、例えば、検出面Ｍの法線方向から見たときの第１センサ３１の形状に対する幾何中心である。センサユニットにおける複数の第２センサ３２は、応力発生部２０の中心Ｐ０から第１距離Ｌ１よりも長い第２距離Ｌ２と第１距離Ｌ１との間の範囲内に位置する。例えば、各第２センサ３２の中心Ｐ２と応力発生部２０の中心Ｐ０とは、同一の第２距離Ｌ２だけ離れている。本開示において、「中心Ｐ２」は、例えば、検出面Ｍの法線方向から見たときの第２センサ３２の形状に対する幾何中心である。
【0041】
第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも短いので、複数の第１センサ３１は、複数の第２センサ３２と比較して、応力発生部２０により近接して配置されている。複数の第１センサ３１は、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してより近くに位置する。複数の第２センサ３２は、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してより遠くに位置する。複数の第１センサ３１は、応力発生部２０と複数の第２センサ３２との間に位置する領域に含まれる。
【0042】
複数の第１センサ３１は、応力発生部２０の周囲に対称的に配置されている。例えば、複数の第１センサ３１は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してｎ回対称の回転対称性を有する。検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０が四角形の形状を有する場合、複数の第１センサ３１は、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して４回対称の回転対称性を有する。
【0043】
第１センサ３１は、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている。より具体的には、複数の第１センサ３１の各々は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、当該直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている。
【0044】
第１センサ３１ａは、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２ａの中心Ｐ２とを結ぶ直線に対し反時計回りに所定の角度でずれた位置に配置されている。
【0045】
第１センサ３１ｂは、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２ｂの中心Ｐ２とを結ぶ直線に対し反時計回りに所定の角度でずれた位置に配置されている。
【0046】
第１センサ３１ｃは、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２ｃの中心Ｐ２とを結ぶ直線に対し反時計回りに所定の角度でずれた位置に配置されている。
【0047】
第１センサ３１ｄは、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２ｄの中心Ｐ２とを結ぶ直線に対し反時計回りに所定の角度でずれた位置に配置されている。
【0048】
複数の第２センサ３２は、応力発生部２０の周囲に対称的に配置されている。例えば、複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してｎ回対称の回転対称性を有する。検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０が四角形の形状を有する場合、複数の第２センサ３２は、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して４回対称の回転対称性を有する。
【0049】
ｎ個の第２センサ３２の各々は、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線が応力発生部２０の形状であるｎ角形の対応する辺の中心Ｃを通るように当該辺と対向する。複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、上記のｎ回対称の回転対称性に加えて、線対称性も有する。
【0050】
より具体的には、第２センサ３２ａと第２センサ３２ｃとは、応力発生部２０の中心Ｐ０を通りＸ軸方向に平行となる直線を軸として互いに線対称となる位置に配置されている。第２センサ３２ｂと第２センサ３２ｄとは、応力発生部２０の中心Ｐ０を通りＺ軸方向に平行となる直線を軸として互いに線対称となる位置に配置されている。
【0051】
センサ３０とセンサ本体との間で電気信号を伝える配線は、例えば、印刷技術を用いて作製される。このような配線は、ヤング率がより小さく柔軟な材料で形成されている第１層１１の内部に埋設されている。
【0052】
図１及び図２から理解されるように、力検出器１では、一の応力発生部２０と一のセンサユニットとを含むユニットがアレイ状に配置されて複数設けられていてもよい。複数の突部２１は、Ｘ方向及びＺ方向において、互いに等間隔で配列されていてもよいし、互いに不等間隔で配列されていてもよい。複数の突部２１の配置間隔は変更可能である。
【0053】
続いて、一実施形態に係る力検出器１の機能について主に説明する。
【0054】
図３は、図２の層構造体１０の内部に形成されるひずみ分布の第１例を示す、図１に対応する模式図である。図４は、図２の層構造体１０の内部に形成されるひずみ分布の第２例を示す、図１に対応する模式図である。応力分布は、図３及び図４の各々に示されるひずみ分布に対応して形成されている。ひずみ分布に関する以下の他の図においても同様である。
【0055】
図３及び図４は、第１層１１の検出面Ｍに対して検出面Ｍの接線方向、例えばＸ方向に外力Ｆを作用させた場合に第１層１１の内部に形成されるひずみ分布のシミュレーション結果を示す。図３は、Ｘ軸の負方向に外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。図４は、Ｘ軸の正方向に外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。
【0056】
図３及び図４において、引張ひずみの大きさ及び圧縮ひずみの大きさが色の濃さで示されている。色が黒いほど、引張ひずみが大きいことを示す。色が白いほど、圧縮ひずみが大きいことを示す。ひずみ分布に関する以下の他の図においても同様である。
【0057】
図３に示されるように、検出面Ｍに対して－Ｘ方向に外力が作用すると、第１層１１の全体が－Ｘ方向に移動しようとする。このとき、突部２１のヤング率が第１層１１のヤング率よりも大きいため、第１層１１において突部２１に対し＋Ｘ方向側に位置する部位は、突部２１に押し当てられる。一方で、第１層１１において突部２１に対し－Ｘ方向側に位置する部位は、外力Ｆの作用方向に対して突部２１の裏側に位置し、変形が小さい突部２１によって引っ張られることになる。以上により、応力発生部２０は、自らの周囲にひずみ分布、すなわち応力分布を形成する。
【0058】
例えば、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側で圧縮ひずみが生じる。圧縮ひずみは、応力発生部２０に対して＋Ｘ方向に隣接する部位において最も大きく、＋Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて小さくなる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも－Ｘ方向側で引張ひずみが生じる。引張ひずみは、応力発生部２０に対して－Ｘ方向に隣接する部位において最も大きく、－Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて小さくなる。
【0059】
図４に示されるように、検出面Ｍに対して＋Ｘ方向に外力が作用すると、第１層１１の全体が＋Ｘ方向に移動しようとする。このとき、突部２１のヤング率が第１層１１のヤング率よりも大きいため、第１層１１において突部２１に対し－Ｘ方向側に位置する部位は、突部２１に押し当てられる。一方で、第１層１１において突部２１に対し＋Ｘ方向側に位置する部位は、外力Ｆの作用方向に対して突部２１の裏側に位置し、変形が小さい突部２１によって引っ張られることになる。以上により、応力発生部２０は、自らの周囲にひずみ分布、すなわち応力分布を形成する。
【0060】
例えば、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも－Ｘ方向側で圧縮ひずみが生じる。圧縮ひずみは、応力発生部２０に対して－Ｘ方向に隣接する部位において最も大きく、－Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて小さくなる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側で引張ひずみが生じる。引張ひずみは、応力発生部２０に対して＋Ｘ方向に隣接する部位において最も大きく、＋Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて小さくなる。
【0061】
図３及び図４に示されるように、検出面Ｍの接線方向に外力Ｆが作用すると、突部２１を挟んで外力Ｆの上流側と下流側とでひずみの大きさ及び種類が異なる。これは、突部２１が検出面Ｍの接線方向に作用する外力Ｆを受けて自らの周囲に検出面Ｍの法線方向から見て非対称なひずみ分布を発生させていることを意味する。ひずみ分布は応力分布と対応付けられる。したがって、応力発生部２０としての突部２１は、検出面Ｍの接線方向に作用する外力Ｆを受けて、検出面Ｍの法線方向から見たときに自らの周囲に非対称な応力分布を形成する。
【0062】
図３と図４とを比較すると、検出面Ｍの接線方向に作用する外力Ｆの向きが反転すると、ひずみ分布、すなわち応力分布も反転する。したがって、これらの応力分布をセンサ３０により検出することによって、検出面Ｍの接線方向に作用する外力Ｆの向きを測定することが可能である。
【0063】
以上のように、力検出器１では、突部２１が設けられていることにより、検出面Ｍに作用する外力Ｆの方向に応じて突部２１の周囲に加わる応力の大きさ及び方向が変化する。応力の大きさ及び方向によってセンサユニットに含まれる８つのセンサ３０の少なくとも一部に異なったひずみが加わる。＋Ｘ方向と－Ｘ方向とではＸ軸に対して逆のひずみが加わる。したがって、８つのセンサ３０の出力を演算してＸ軸方向の外力Ｆの大きさ及び方向を計算することができる。
【0064】
より具体的には、センサ３０は、第１層１１に生じたひずみ、すなわち応力に応じた強度の信号を出力する。１つの突部２１に対して設けられた８つのセンサ３０の出力信号が示す値、すなわち検出値に基づいて、突部２１の－Ｙ方向側の位置において検出面Ｍにどのような外力Ｆが作用しているかを算出することができる。
【0065】
センサ３０は、例えば、圧縮ひずみで負の出力となり、引張ひずみで正の出力になる方式のものである。このようなセンサ３０としては、例えばピエゾ抵抗式ひずみゲージを用いることが可能である。これに限定されず、圧縮ひずみで正の出力となり、引張ひずみで負の出力になる方式のセンサをセンサ３０として用いることも可能である。
【0066】
例えば、第１センサ３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ｂの検出値が負で圧縮ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｄの検出値が正で引張ひずみを示す場合には、図３に示すように、検出面Ｍに対して－Ｘ方向に外力Ｆが作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ｂの検出値と、第１センサ３１ａ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｄの検出値との間の差分から、－Ｘ方向に作用する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0067】
例えば、第１センサ３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ｂの検出値が正で引張ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｄの検出値が負で圧縮ひずみを示す場合には、図４に示すように、検出面Ｍに対して＋Ｘ方向に外力Ｆが作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ｂの検出値と、第１センサ３１ａ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｄの検出値との間の差分から、＋Ｘ方向に作用する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0068】
以上の説明は、検出面Ｍに対してＺ軸方向に作用する外力に対しても同様に当てはまる。
【0069】
例えば、第１センサ３１ｃ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｃの検出値が負で圧縮ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｂ、及び第２センサ３２ａの検出値が正で引張ひずみを示す場合には、検出面Ｍに対して－Ｚ方向に外力Ｆが作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｃ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｃの検出値と、第１センサ３１ａ、３１ｂ、及び第２センサ３２ａの検出値との間の差分から、－Ｚ方向に作用する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0070】
例えば、第１センサ３１ｃ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｃの検出値が正で引張ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｂ、及び第２センサ３２ａの検出値が負で圧縮ひずみを示す場合には、検出面Ｍに対して＋Ｚ方向に外力Ｆが作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｃ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｃの検出値と、第１センサ３１ａ、３１ｂ、及び第２センサ３２ａの検出値との間の差分から、＋Ｚ方向に作用する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0071】
図５は、図２の層構造体１０の内部に形成されるひずみ分布の第３例を示す、図１に対応する模式図である。図５は、第１層１１の検出面Ｍに対して検出面Ｍの法線方向、すなわちＹ方向に外力Ｆを作用させた場合に第１層１１の内部に形成されるひずみ分布のシミュレーション結果を示す。すなわち、図５は、検出面Ｍを法線方向から押圧した場合に第１層１１の内部に形成されるひずみ分布のシミュレーション結果を示す。
【0072】
このとき、突部２１の頂部を中心として、Ｘ方向における両側及びＺ方向における両側は、略均等な大きさのひずみ、すなわち応力が生じる。したがって、突部２１の周囲における第１層１１の応力部分をセンサユニットにより検出することによって、検出面Ｍに作用する外力Ｆの方向を測定することが可能となる。このとき、センサユニットに含まれる８つの全てのセンサ３０に引張ひずみが加わる。
【0073】
例えば、第１センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、及び第２センサ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの検出値が全て正で引張ひずみを示す場合には、検出面Ｍに対して＋Ｙ方向に外力Ｆが作用していることが分かる。このとき、８つのセンサ３０から検出値が出力されると共に、これらの検出値が同一か、あるいは略同一の大きさになる。これらの検出値の大きさ、あるいは検出値の和から、検出面Ｍに対して法線方向に押圧する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0074】
以上のように、センサユニットは、３軸方向の力を互いに区別して検出する。これに加えて、センサユニットは、各軸に対する回転方向の力も互いに区別して検出する。一の応力発生部２０に関連付けられる複数のセンサ３０は、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力を互いに区別して検出する。
【0075】
【0076】
図６及び図７は、Ｙ軸に対する回転方向の外力Ｆを検出面Ｍに対して作用させた場合に第１層１１の内部に形成されるひずみ分布のシミュレーション結果を示す。図６は、Ｙ軸に対して左回転する外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。図７は、Ｙ軸に対して右回転する外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。
【0077】
図６に示されるように、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側かつ－Ｚ方向側及び－Ｘ方向側かつ＋Ｚ方向側の２つの領域で圧縮ひずみが生じる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側かつ＋Ｚ方向側及び－Ｘ方向側かつ－Ｚ方向側の２つの領域で引張ひずみが生じる。
【0078】
図７に示されるように、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側かつ＋Ｚ方向側及び－Ｘ方向側かつ－Ｚ方向側の２つの領域で圧縮ひずみが生じる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側かつ－Ｚ方向側及び－Ｘ方向側かつ＋Ｚ方向側の２つの領域で引張ひずみが生じる。
【0079】
図６と図７とを比較すると、検出面Ｍに対して作用する外力ＦのＹ軸に対する回転方向が反転すると、ひずみ分布、すなわち応力分布も反転する。したがって、これらの応力分布をセンサ３０により検出することによって、検出面Ｍに対して作用する外力ＦのＹ軸に対する回転方向を測定することが可能である。
【0080】
以上のように、力検出器１では、突部２１が設けられていることにより、検出面Ｍに作用する外力Ｆの回転方向に応じて突部２１の周囲に加わる応力の大きさ及び方向が変化する。応力の大きさ及び方向によってセンサユニットに含まれる８つのセンサ３０の少なくとも一部に異なったひずみが加わる。一の組のセンサ３０と他の組のセンサ３０との間で逆のひずみが加わる。したがって、８つのセンサ３０の出力を演算してＹ軸に対する回転方向の外力Ｆの大きさ及び向きを計算することができる。
【0081】
例えば、第１センサ３１ｂ、３１ｄを含む一の組のセンサ３０の検出値が負で圧縮ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｃを含む他の組のセンサ３０の検出値が正で引張ひずみを示す場合には、図６に示すように、Ｙ軸に対して左回転する外力Ｆが検出面Ｍに対して作用していることが分かる。加えて、一の組のセンサ３０の検出値と、他の組のセンサ３０の検出値とに基づいて、Ｙ軸に対して左回転する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0082】
例えば、第１センサ３１ｂ、３１ｄを含む一の組のセンサ３０の検出値が正で引張ひずみを示し、第１センサ３１ａ、３１ｃを含む他の組のセンサ３０の検出値が負で圧縮ひずみを示す場合には、図７に示すように、Ｙ軸に対して右回転する外力Ｆが検出面Ｍに対して作用していることが分かる。加えて、一の組のセンサ３０の検出値と、他の組のセンサ３０の検出値とに基づいて、Ｙ軸に対して右回転する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0083】
【0084】
図８及び図９は、Ｚ軸に対する回転方向の外力Ｆを検出面Ｍに対して作用させた場合に第１層１１の内部に形成されるひずみ分布のシミュレーション結果を示す。図８は、Ｚ軸に対して右回転する外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。図９は、Ｚ軸に対して左回転する外力Ｆが作用した場合のひずみ分布に関する。
【0085】
図８に示されるように、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側で引張ひずみが生じる。引張ひずみは、一のセンサユニットが配置されている第１層１１の領域内で＋Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて大きくなる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも－Ｘ方向側で圧縮ひずみが生じる。圧縮ひずみは、一のセンサユニットが配置されている第１層１１の領域内で－Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて大きくなる。
【0086】
図９に示されるように、第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも－Ｘ方向側で引張ひずみが生じる。引張ひずみは、一のセンサユニットが配置されている第１層１１の領域内で－Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて大きくなる。第１層１１において突部２１の頂部よりも検出面Ｍに近い部位において、突部２１の頂部よりも＋Ｘ方向側で圧縮ひずみが生じる。圧縮ひずみは、一のセンサユニットが配置されている第１層１１の領域内で＋Ｘ方向に沿って応力発生部２０から離れるにつれて大きくなる。
【0087】
図８と図９とを比較すると、検出面Ｍに対して作用する外力ＦのＺ軸に対する回転方向が反転すると、ひずみ分布、すなわち応力分布も反転する。したがって、これらの応力分布をセンサ３０により検出することによって、検出面Ｍに対して作用する外力ＦのＺ軸に対する回転方向を測定することが可能である。
【0088】
以上のように、力検出器１では、突部２１が設けられていることにより、検出面Ｍに作用する外力Ｆの回転方向に応じて突部２１の周囲に加わる応力の大きさ及び方向が変化する。応力の大きさ及び方向によってセンサユニットに含まれる８つのセンサ３０の少なくとも一部に異なったひずみが加わる。＋Ｘ方向と－Ｘ方向とでは逆のひずみが加わる。したがって、８つのセンサ３０の出力を演算してＺ軸に対する回転方向の外力Ｆの大きさ及び向きを計算することができる。
【0089】
例えば、第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄの検出値が負で圧縮ひずみを示し、第２センサ３２ｂの検出値が正で引張ひずみを示す場合には、図８に示すように、Ｚ軸に対して右回転する外力Ｆが検出面Ｍに対して作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄの検出値と、第２センサ３２ｂの検出値との間の差分から、Ｚ軸に対して右回転する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0090】
例えば、第１センサ３１ｂ及び第２センサ３２ｂの検出値が負で圧縮ひずみを示し、第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄの検出値が正で引張ひずみを示す場合には、図９に示すように、Ｚ軸に対して左回転する外力Ｆが検出面Ｍに対して作用していることが分かる。加えて、第１センサ３１ｂ及び第２センサ３２ｂの検出値と、第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄの検出値との間の差分から、Ｚ軸に対して左回転する外力Ｆの大きさを測定することができる。
【0091】
以上の説明は、Ｘ軸に対する回転方向の外力Ｆが検出面Ｍに対して作用したときも同様に当てはまる。
【0092】
【0093】
例えば、図３及び図４に示されるように、第１層１１の検出面Ｍに対してＸ方向に外力Ｆを作用させた場合、第１センサ３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ｂ、並びに第１センサ３１ａ、３１ｄ、及び第２センサ３２ｄの配置位置においてひずみ分布が形成されている。一方で、第２センサ３２ａ、３２ｃの配置位置ではひずみ分布が形成されていない。
【0094】
例えば、図５に示されるように、第１層１１の検出面Ｍに対してＹ方向に外力Ｆを作用させた場合、センサユニットに含まれる８つのセンサ３０の全ての配置位置においてひずみ分布が形成されている。
【0095】
例えば、図６及び図７に示されるように、Ｙ軸に対する回転方向の外力Ｆを検出面Ｍに対して作用させた場合、第１センサ３１ｂ、３１ｄ、及び第１センサ３１ａ、３１ｃの配置位置においてひずみ分布が形成されている。一方で、第２センサ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの配置位置ではひずみ分布が形成されていない。
【0096】
例えば、図８に示されるように、Ｚ軸に対して右回転する外力Ｆを検出面Ｍに対して作用させた場合、第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄ、並びに第２センサ３２ｂの配置位置においてひずみ分布が形成されている。一方で、第１センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、及び第２センサ３２ａ、３２ｃの配置位置ではひずみ分布が形成されていない。
【0097】
例えば、図９に示されるように、Ｚ軸に対して左回転する外力Ｆを検出面Ｍに対して作用させた場合、第１センサ３１ｂ及び第２センサ３２ｂ、並びに第１センサ３１ｄ及び第２センサ３２ｄの配置位置においてひずみ分布が形成されている。一方で、第１センサ３１ａ、３１ｃ、及び第２センサ３２ａ、３２ｃの配置位置ではひずみ分布が形成されていない。
【0098】
力検出器１を用いて任意の大きさ及び方向を有する外力Ｆを測定するための演算方法について主に説明する。一実施形態に係る力検出器１では一のセンサユニットは８つのセンサ３０を有するが、演算方法に関する以下の説明においてはセンサ３０の数を一般化してｎ個のセンサ３０が用いられる場合を考える。ｎ個のセンサ３０を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の３軸方向の力と、各軸に対する回転方向の力とを含む６軸の外力Ｆを測定する場合の演算方法を説明する。
【0099】
任意の大きさ及び方向を有する外力Ｆは、基準となる６軸の力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、及びＦ６の線形結合で表される。
ここで、ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６は、線形結合における係数である。
【数1】
【0100】
力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、及びＦ６を検出面Ｍに対して個別に作用させたときの各センサ３０の出力は、以下の行列で表される。
行列の成分Ｓｉｊ（ｉ、ｊは整数であり、１≦ｉ≦６、１≦ｊ≦ｎ）は、力Ｆｉを検出面Ｍに対して作用させたときに、ｎ個のセンサ３０のうちｊ番目のセンサ３０から得られる出力、例えば検出値を表す。当該行列は、実際に力Ｆｉを作用させて行われる校正作業又は有限要素法のシミュレーションに基づき予め取得される。
【数2】
【0101】
任意の外力Ｆを検出面Ｍに作用させた場合の各センサ３０からの出力は、以下のベクトルで表される。
【数3】
【0102】
以上により、次の関係式が得られる。
この逆問題をｋについて解くことで、任意の外力Ｆの６軸の成分が計算可能となる。
【数4】
【0103】
以上のような一実施形態に係る力検出器１によれば、一のセンサユニットでも６軸の外力、すなわち３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を互いに区別して検出することができる。力検出器１は、一のセンサユニットでねじりモーメントを含む６軸の外力を互いに区別して測定することができる。したがって、回転方向の力を測定するために複数のセンサユニットを用いる必要がある従来技術と比較して、６軸の外力を測定する場合の空間分解能が向上する。
【0104】
センサユニットが少なくとも６つのセンサ３０を有することで、各センサ３０が一軸型であったとしても、力検出器１は、一のセンサユニットで６軸の外力を互いに区別して検出することができる。これにより、任意の外力Ｆの６軸の成分を計算して外力Ｆの大きさ及び方向を測定することが可能となる。
【0105】
６軸の外力Ｆに含まれる力の各々に対して、応力分布が形成される位置に少なくとも３つのセンサ３０が配置されるようなセンサ配置をセンサユニットが有することで、力検出器１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0106】
センサユニットは、応力発生部２０の中心Ｐ０から第１距離Ｌ１の範囲内に位置する複数の第１センサ３１と、中心Ｐ０から第１距離Ｌ１よりも長い第２距離Ｌ２と第１距離Ｌ１との間の範囲内に位置する複数の第２センサ３２と、を有する。これにより、力検出器１は、６軸の外力Ｆに含まれる力の各々に対して、応力分布が形成される位置に少なくとも３つのセンサ３０が配置されるようなセンサ配置でセンサユニットを構成可能である。したがって、力検出器１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0107】
第１センサ３１は、中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている。これにより、例えば、Ｙ軸に対する回転方向の外力Ｆが検出面Ｍに対して作用したときであっても、図６及び図７に示されるように、ひずみ分布が形成される位置により確実にセンサ３０を配置することが可能である。力検出器１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0108】
複数の第１センサ３１の各々は、検出面Ｍの法線方向から見たときに上記の直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている。これにより、上記と同様の効果が得られ、力検出器１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力の各々をより確実に検出可能である。
【0109】
複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してｎ回対称の回転対称性を有する。これにより、検出面Ｍの法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部２０に対する複数の第２センサ３２の対称性が向上する。
【0110】
センサユニットは、ｎ個の第１センサ３１と、ｎ個の第２センサ３２と、を有する。これにより、センサユニットは、検出面Ｍの法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部２０に対して適切な数のセンサ３０を有することができる。
【0111】
ｎ個の第２センサ３２の各々は、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線が応力発生部２０の形状であるｎ角形の対応する辺の中心Ｃを通るように辺と対向する。これにより、検出面Ｍの法線方向から見たときにｎ角形の形状を有する応力発生部２０に対する複数の第２センサ３２の対称性がさらに向上する。
【0112】
ｎ角形が正多角形であることで、一の応力発生部２０と一のセンサユニットとを含むユニットの対称性がさらに向上する。
【0113】
本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。
【0114】
例えば、上述した各構成部の形状、大きさ、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、大きさ、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。図示した力検出器１の各構成要素は機能概念的なものであり、各構成要素の具体的形態は図示のものに限定されない。
【0115】
図１０は、変形例に係る力検出器１の概略構成を示す、図１に対応する模式図である。上記実施形態では、センサユニットは、８つのセンサ３０を有すると説明したが、これに限定されない。センサユニットは、少なくとも６つ、例えば６つのセンサ３０を有してもよい。上記実施形態において説明した内容は、図１０に示す変形例に係る力検出器１に対しても同様に当てはまる。以下では、上記実施形態と異なる内容について主に説明する。
【0116】
応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、正三角形の形状を有してもよい。このとき、センサユニットは、３個の第１センサ３１と、３個の第２センサ３２と、を有してもよい。複数の第１センサ３１は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心に対して３回対称の回転対称性を有してもよい。複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心に対して３回対称の回転対称性を有してもよい。
【0117】
上記実施形態及び上記変形例では、センサユニットは、少なくとも６つのセンサ３０を有すると説明したが、これに限定されない。センサユニットは、例えば、センサ３０が一軸型でなく複数軸に対応可能であれば、５つ以下のセンサ３０を有してもよい。
【0118】
上記実施形態及び上記変形例では、センサユニットは、６軸の外力Ｆに含まれる力の各々に対して、応力分布が形成される位置に少なくとも３つのセンサ３０が配置されるようなセンサ配置を有すると説明したが、これに限定されない。センサユニットは、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力Ｆを互いに区別して検出可能であれば、任意の他のセンサ配置を有してもよい。
【0119】
上記実施形態及び上記変形例では、センサユニットは、応力発生部２０の中心Ｐ０から第１距離Ｌ１に位置する複数の第１センサ３１と、中心Ｐ０から第１距離Ｌ１よりも長い第２距離Ｌ２に位置する複数の第２センサ３２と、を有すると説明したが、これに限定されない。第２距離Ｌ２は、第１距離Ｌ１以下であってもよい。すなわち、センサユニットは、中心Ｐ０から第１距離Ｌ１に位置する複数の第１センサ３１と、中心Ｐ０から第１距離Ｌ１以下となる第２距離Ｌ２に位置する複数の第２センサ３２と、を有してもよい。
【0120】
上記実施形態及び上記変形例では、複数の第１センサ３１の全てが、中心Ｐ０から互いに同一の第１距離Ｌ１に位置すると説明したが、これに限定されない。複数の第１センサ３１の少なくとも一部が、中心Ｐ０から互いに異なる距離に位置してもよい。
【0121】
上記実施形態及び上記変形例では、複数の第２センサ３２の全てが、中心Ｐ０から互いに同一の第２距離Ｌ２に位置すると説明したが、これに限定されない。複数の第２センサ３２の少なくとも一部が、中心Ｐ０から互いに異なる距離に位置してもよい。
【0122】
上記実施形態及び上記変形例では、第１センサ３１は、中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されていると説明したが、これに限定されない。第１センサ３１は、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の外力Ｆを互いに区別して検出可能であれば、中心Ｐ０と中心Ｐ２とを結ぶ直線上の位置に配置されていてもよい。
【0123】
上記実施形態及び上記変形例では、複数の第１センサ３１の各々は、検出面Ｍの法線方向から見たときに上記の直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されていると説明したが、これに限定されない。複数の第１センサ３１の少なくとも一部は、検出面Ｍの法線方向から見たときに上記の直線に対し互いに異なる回転方向及び異なる角度の少なくとも一方でずれた位置に配置されていてもよい。
【0124】
上記実施形態及び上記変形例では、応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有すると説明したが、これに限定されない。応力発生部２０は、検出面Ｍに外力Ｆが作用すると検出面Ｍの法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成可能であれば、任意の形状を有してもよい。応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、辺の一部が凹んだり突出したりするような任意の他の図形に対応する形状、円形状、及び楕円形状などを含む任意の他の形状を有してもよい。
【0125】
例えば、応力発生部２０の突部２１は、四角錐の形状に限定されるものではなく、検出面Ｍに作用する外力Ｆの方向に応じて突部２１の周囲に加わる応力の大きさ及び方向が変化する形状であればよい。例えば、突部２１は、多角柱形状、円柱形状、半球形状、円錐形状、及び四角以外の多角錐形状などを含む任意の他の形状であってもよい。
【0126】
上記実施形態及び上記変形例では、応力発生部２０は、突部２１のような突起構造を有すると説明したが、これに限定されない。応力発生部２０は、第２層１２から突出する突起構造に代えて、第２層１２の表面に形成された凹設構造を有してもよい。応力発生部２０は、第２層１２に形成されていなくてもよく、例えば、より柔軟な材料から構成される第１層１１に形成されている空隙であってもよい。
【0127】
上記実施形態及び上記変形例では、複数の第１センサ３１は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してｎ回対称の回転対称性を有すると説明したが、これに限定されない。複数の第１センサ３１は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して、応力発生部２０のｎ角形の形状に対応しないｔ（ｔ≠ｎ）回対称の回転対称性を有してもよい。複数の第１センサ３１は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して回転対称性をそもそも有さなくてもよい。
【0128】
上記実施形態及び上記変形例では、複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対してｎ回対称の回転対称性を有すると説明したが、これに限定されない。複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して、応力発生部２０のｎ角形の形状に対応しないｔ（ｔ≠ｎ）回対称の回転対称性を有してもよい。複数の第２センサ３２は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、応力発生部２０の中心Ｐ０に対して回転対称性をそもそも有さなくてもよい。
【0129】
上記実施形態及び上記変形例では、センサユニットは、ｎ個の第１センサ３１と、ｎ個の第２センサ３２と、を有すると説明したが、これに限定されない。センサユニットは、応力発生部２０のｎ角形の形状に対応しない、ｔ（ｔ≠ｎ）個の第１センサ３１を有してもよい。センサユニットは、応力発生部２０のｎ角形の形状に対応しない、ｔ（ｔ≠ｎ）個の第２センサ３２を有してもよい。センサユニットは、互いに異なる数の第１センサ３１及び第２センサ３２を有してもよい。
【0130】
上記実施形態及び上記変形例では、ｎ個の第２センサ３２の各々は、応力発生部２０の中心Ｐ０と第２センサ３２の中心Ｐ２とを結ぶ直線が応力発生部２０の形状であるｎ角形の対応する辺の中心Ｃを通るように辺と対向すると説明したが、これに限定されない。ｎ個の第２センサ３２の少なくとも一部は、中心Ｐ０と中心Ｐ２とを結ぶ直線が辺の中心Ｃを通らずに辺と対向してもよい。ｎ個の第２センサ３２の少なくとも一部は、そもそも辺と対向しなくてもよい。
【0131】
上記実施形態及び上記変形例では、ｎ角形は、正多角形であると説明したが、これに限定されない。ｎ角形は、正多角形でなくてもよい。例えば、応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、正方形の形状ではなく、長方形、平行四辺形、及びひし形などの任意の他の形状を有してもよい。例えば、応力発生部２０は、検出面Ｍの法線方向から見たときに、正三角形の形状ではなく、二等辺三角形及び直角三角形などの任意の他の形状を有してもよい。
【0132】
上述したとおり、力検出器１では、一の応力発生部２０と一のセンサユニットとを含むユニットがアレイ状に配置されて複数設けられていてもよい。このとき、各ユニットに含まれる突部２１は、互いに同一の形状を有してもよいし、互いに異なる形状を有してもよい。各ユニットは、互いに同一の平面上にあってもよいし、互いに異なる平面上にあってもよい。力検出器１は、アレイ状に配列された複数のユニットを有することで、各ユニットにおいて６軸の外力を互いに区別して検出可能である。
【0133】
上記実施形態及び上記変形例では、第１層１１を形成する材料のヤング率が第２層１２を形成する材料のヤング率よりも小さいと説明したが、これに限定されない。第１層１１を形成する材料のヤング率が第２層１２を形成する材料のヤング率よりも大きくてもよい。第１層１１を形成する材料のヤング率が第２層１２を形成する材料のヤング率よりも大きい場合には、センサ３０は、第２層１２に埋設配置されていてもよい。
【0134】
以下に本開示の実施形態の一部について例示する。しかしながら、本開示の実施形態はこれらに限定されない点に留意されたい。
［付記１］
検出対象の外力が作用する第１層、及び前記第１層が積層されていると共に前記第１層とヤング率が異なる材料で形成されている第２層を有する層構造体と、
前記層構造体の内部に形成されていると共に、前記第１層に前記外力が作用すると前記第１層の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部と、
前記応力発生部の周囲に分散配置されている複数のセンサと、
を備え、
一の前記応力発生部に関連付けられる前記複数のセンサは、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の前記外力を互いに区別して検出する、
力検出器。
［付記２］
付記１に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、少なくとも６つの前記センサを有する、
力検出器。
［付記３］
付記１又は２に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、６軸の前記外力に含まれる前記力の各々に対して、前記応力分布が形成される位置に少なくとも３つの前記センサが配置されるようなセンサ配置を有する、
力検出器。
［付記４］
付記３に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、前記応力発生部の中心から第１距離の範囲内に位置する複数の第１センサと、前記中心から前記第１距離よりも長い第２距離と前記第１距離との間の範囲内に位置する複数の第２センサと、を有する、
力検出器。
［付記５］
付記４に記載の力検出器であって、
前記第１センサは、前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている、
力検出器。
［付記６］
付記５に記載の力検出器であって、
複数の前記第１センサの各々は、前記法線方向から見たときに前記直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている、
力検出器。
［付記７］
付記４乃至６のいずれか１つに記載の力検出器であって、
前記応力発生部は、前記法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有し、
複数の前記第２センサは、前記法線方向から見たときに、前記応力発生部の前記中心に対してｎ回対称の回転対称性を有する、
力検出器。
［付記８］
付記７に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、ｎ個の前記第１センサと、ｎ個の前記第２センサと、を有する、
力検出器。
［付記９］
付記８に記載の力検出器であって、
ｎ個の前記第２センサの各々は、前記応力発生部の前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線が前記応力発生部の形状である前記ｎ角形の対応する辺の中心を通るように前記辺と対向する、
力検出器。
［付記１０］
付記７乃至９のいずれか１つに記載の力検出器であって、
前記ｎ角形は、正多角形である、
力検出器。
［付記１］
検出対象の外力が作用する第１層、及び前記第１層が積層されていると共に前記第１層とヤング率が異なる材料で形成されている第２層を有する層構造体と、
前記層構造体の内部に形成されていると共に、前記第１層に前記外力が作用すると前記第１層の法線方向から見たときに自らの周囲に応力分布を形成する少なくとも１つの応力発生部と、
前記応力発生部の周囲に分散配置されている複数のセンサと、
を備え、
一の前記応力発生部に関連付けられる前記複数のセンサは、一のセンサユニットとして、３軸方向の力及び各軸に対する回転方向の力を含む６軸の前記外力を互いに区別して検出する、
力検出器。
［付記２］
付記１に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、少なくとも６つの前記センサを有する、
力検出器。
［付記３］
付記１又は２に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、６軸の前記外力に含まれる前記力の各々に対して、前記応力分布が形成される位置に少なくとも３つの前記センサが配置されるようなセンサ配置を有する、
力検出器。
［付記４］
付記３に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、前記応力発生部の中心から第１距離の範囲内に位置する複数の第１センサと、前記中心から前記第１距離よりも長い第２距離と前記第１距離との間の範囲内に位置する複数の第２センサと、を有する、
力検出器。
［付記５］
付記４に記載の力検出器であって、
前記第１センサは、前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線上の位置と異なる位置に配置されている、
力検出器。
［付記６］
付記５に記載の力検出器であって、
複数の前記第１センサの各々は、前記法線方向から見たときに前記直線に対し互いに同一回転方向及び同一角度でずれた位置に配置されている、
力検出器。
［付記７］
付記４乃至６のいずれか１つに記載の力検出器であって、
前記応力発生部は、前記法線方向から見たときに、ｎ角形の形状を有し、
複数の前記第２センサは、前記法線方向から見たときに、前記応力発生部の前記中心に対してｎ回対称の回転対称性を有する、
力検出器。
［付記８］
付記７に記載の力検出器であって、
前記センサユニットは、ｎ個の前記第１センサと、ｎ個の前記第２センサと、を有する、
力検出器。
［付記９］
付記８に記載の力検出器であって、
ｎ個の前記第２センサの各々は、前記応力発生部の前記中心と前記第２センサの中心とを結ぶ直線が前記応力発生部の形状である前記ｎ角形の対応する辺の中心を通るように前記辺と対向する、
力検出器。
［付記１０］
付記７乃至９のいずれか１つに記載の力検出器であって、
前記ｎ角形は、正多角形である、
力検出器。
【符号の説明】
【0135】
１ 力検出器
１０ 層構造体
１１ 第１層
１２ 第２層
２０ 応力発生部
２１ 突部
３０ センサ
３１ 第１センサ
３１ａ 第１センサ
３１ｂ 第１センサ
３１ｃ 第１センサ
３１ｄ 第１センサ
３２ 第２センサ
３２ａ 第２センサ
３２ｂ 第２センサ
３２ｃ 第２センサ
３２ｄ 第２センサ
Ｃ 中心
Ｆ 外力
Ｌ１ 第１距離
Ｌ２ 第２距離
Ｍ 検出面
Ｐ０ 中心
Ｐ１ 中心
Ｐ２ 中心
１０ 層構造体
１１ 第１層
１２ 第２層
２０ 応力発生部
２１ 突部
３０ センサ
３１ 第１センサ
３１ａ 第１センサ
３１ｂ 第１センサ
３１ｃ 第１センサ
３１ｄ 第１センサ
３２ 第２センサ
３２ａ 第２センサ
３２ｂ 第２センサ
３２ｃ 第２センサ
３２ｄ 第２センサ
Ｃ 中心
Ｆ 外力
Ｌ１ 第１距離
Ｌ２ 第２距離
Ｍ 検出面
Ｐ０ 中心
Ｐ１ 中心
Ｐ２ 中心
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
