特開 2025-3101 歪センサ及び歪の検知方法

(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】P2025003101

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】歪センサ及び歪の検知方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20241226BHJP

【ＦＩ】

G01L5/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023103586

(22)【出願日】2023-06-23

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、ムーンショット型研究開発事業「機能性スマートスキン」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願、令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、ムーンショット型研究開発事業「人・環境適応変形ロボット機構」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 哲陽

(72)【発明者】

【氏名】西村 斉寛

(72)【発明者】

【氏名】野尻 晴太

(72)【発明者】

【氏名】多田隈 建二郎

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AB02

2F051AB04

2F051BA07

(57)【要約】

【課題】１自由度の流体制御が行われる起歪体が受ける外力を別の物理量に変換する、新しいタイプの歪センサ及び歪の検知方法を提供する。
【解決手段】弾性部材からなる板状の起歪体を備え、起歪体は、起歪体の第１側面に設けられた開口である入口１１と起歪体の第２側面に設けられた開口である出口１２とを繋いで起歪体の内部を貫通する流路１３を有し、流路１３は、流路の途中において、流路断面積が局所的に小さい箇所であるノズル１４を有し、ノズル１４は、起歪体が外力を受けることによってノズル１４に生じた歪に応じてノズル１４における流路断面積を変化させることで、入口１１に送り込まれる流体の圧力を変化させる、又は、ノズル１４は発生する音の特性を変化させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弾性部材からなる板状の起歪体を備え、
前記起歪体は、前記起歪体の第１側面に設けられた開口である入口と前記起歪体の第２側面に設けられた開口である出口とを繋いで前記起歪体の内部を貫通する流路を有し、
前記流路は、前記流路の途中において、流路断面積が局所的に小さい箇所であるノズルを有し、
前記ノズルは、前記起歪体が外力を受けることによって前記ノズルに生じた歪に応じて前記ノズルにおける流路断面積を変化させることで、前記入口に送り込まれる流体の圧力を変化させる、又は、前記ノズルは発生する音の特性を変化させる、
歪センサ。

【請求項2】

前記ノズルは、切れ込みを有する、
請求項１記載の歪センサ。

【請求項3】

請求項１又は２記載の歪センサを用いた歪の検知方法であって、
前記歪センサを、外力を受ける場所に設置する設置ステップと、
前記歪センサの前記入口に流体を送り込む流入ステップと、
前記歪センサの前記入口に送り込む流体の圧力を検知する検知ステップと、を含む、
歪の検知方法。

【請求項4】

前記起歪体は、前記ノズルよりも前記出口に近い前記流路を開閉する弁を有し、
前記起歪体は、前記弁よりも前記入口に近い前記流路に通じる開口である吸引放出口を有し、
前記流入ステップでは、前記開口が外界の空気を吸引することとなる流量で、前記入口に前記流体を送り込む、
請求項３記載の歪の検知方法。

【請求項5】

さらに、前記検知ステップで検知された前記流体の圧力を解析することで、前記外力の大きさを特定する解析ステップを含む、
請求項３記載の歪の検知方法。

【請求項6】

請求項１又は２記載の歪センサを用いた歪の検知方法であって、
前記歪センサを、外力を受ける場所に設置する設置ステップと、
前記歪センサの前記入口に流体を送り込む流入ステップと、
前記歪センサの前記ノズルが発生する音を検知する検知ステップと、を含む、
歪の検知方法。

【請求項7】

さらに、前記検知ステップで検知された前記音の大きさを解析することで、前記外力の大きさを特定する解析ステップを含む、
請求項６記載の歪の検知方法。

【請求項8】

さらに、前記検知ステップで検知された前記音の周波数スペクトルを解析することで、前記起歪体のうち前記外力を受けた位置を特定する解析ステップを含む、
請求項６記載の歪の検知方法。

【請求項9】

さらに、前記検知ステップで検知された前記音の周波数スペクトルを解析することで、前記起歪体が受けた湾曲の程度を特定する解析ステップを含む、
請求項６記載の歪の検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、歪センサ及び歪の検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、歪センサとして、様々なタイプの歪センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１３３１７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、流体の流れを利用した新しいタイプの歪センサ及び歪の検知方法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】

【0005】

上記目的を達成するために、本開示の一形態に係る歪センサは、弾性部材からなる板状の起歪体を備え、前記起歪体は、前記起歪体の第１側面に設けられた開口である入口と前記起歪体の第２側面に設けられた開口である出口とを繋いで前記起歪体の内部を貫通する流路を有し、前記流路は、前記流路の途中において、流路断面積が局所的に小さい箇所であるノズルを有し、前記ノズルは、前記起歪体が外力を受けることによって前記ノズルに生じた歪に応じて前記ノズルにおける流路断面積を変化させることで、前記入口に送り込まれる流体の圧力を変化させる、又は、前記ノズルは発生する音の特性を変化させる。

【0006】

上記目的を達成するために、本開示の一形態に係る歪の検知方法は、上記の歪センサを用いた歪の検知方法であって、前記歪センサを、外力を受ける場所に設置する設置ステップと、前記歪センサの前記入口に流体を送り込む流入ステップと、前記歪センサの前記入口に送り込む流体の圧力を検知する検知ステップと、を含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示により、流体の流れを利用した新しいタイプの歪センサ及び歪の検知方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施の形態１に係る歪センサの構造の一例を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１の歪センサの上面図である。

【図3】図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図である。

【図4】図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。

【図5】図５は、図１の歪センサに高流量の流体が送り込まれたときの動作を示す図である。

【図6】図６は、図１の歪センサに高流量の流体が送り込まれたときにおける図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。

【図7】図７は、図１の歪センサに低流量の流体が送り込まれたときの動作を示す図である。

【図8】図８は、図１の歪センサに低流量の流体が送り込まれたときにおける図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。

【図9】図９は、実施の形態１に係る歪検知システムの構成を示すブロック図である。

【図10】図１０は、図９における歪検知システムの動作を示すフローチャートである。

【図11】図１１は、図９に係る歪検知システムにおける荷重負荷装置の構成及び動作についての模式図である。

【図12】図１２は、図９の歪検知システムにおいて歪センサに送り込まれる流体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎと一定にした場合に、図１の歪センサが受ける外力と圧力センサが検知する流体の圧力との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、図９の歪検知システムにおいて歪センサに送り込まれる流体の流量を変化させた場合に、図１の歪センサが受ける外力と圧力センサが検知する流体の圧力との関係を示すグラフである。

【図14】図１４は、実施の形態２に係る歪センサの構造の一例を示す図である。

【図15】図１５は、図１４の歪センサの上面図である。

【図16】図１６は、図１５の（ｂ）の各断面から見た一例を示す断面図である。

【図17】図１７は、図１５の（ｂ）の各断面から見た別の一例を示す断面図である。

【図18】図１８は、図１５の（ｂ）の各断面から見たさらに別の一例を示す断面図である。

【図19】図１９は、実施の形態２に係る歪検知システムの構成を示すブロック図である。

【図20】図２０は、図１９における歪検知システムの主要な動作を示すフローチャートである。

【図21】図２１は、図２０における解析ステップの詳細な動作を示すフローチャートである。

【図22】図２２は、図１９に係る歪検知システムにおける荷重負荷装置の構成及び動作についての模式図である。

【図23】図２３は、図１４の歪センサに対して外力をかける位置と外力の大きさを変化させた場合におけるノズルから発生する音の音圧との関係を示すグラフである。

【図24】図２４は、図１４の歪センサに対して外力をかける位置と外力の大きさを変化させた場合におけるノズルが発生する音の周波数との関係を示すグラフである。

【図25】図２５は、図１４の歪センサを湾曲させる実験の様子を示す図である。

【図26】図２６は、図１９の歪検知システムにおいて歪センサに送り込まれる流体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎと一定にした場合に、図１４の歪センサが受ける湾曲の程度を変化させたときのノズルが発生する音の周波数におけるスペクトルの時間変化との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程、ステップ及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0010】

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。また、本明細書において、「上」及び「下」という用語は、必ずしも、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではない。

【0011】

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る歪センサ１について説明する。

【0012】

実施の形態１に係る歪センサ１は、１自由度の流体制御により放出と吸引を切り替える機能を有する歪センサ１が受ける外力を、１自由度の流体制御により送り込まれる流体の圧力に変換する歪センサである。１自由度の流体制御とは、流体が外部から歪センサ１に送り込まれる口が１つに限定されており、かつその流体の流量が一定量に制御されていることを意味する。つまり、実施の形態１に係る歪センサ１は、流体が送り込まれる状態で、歪センサ１が受ける外力を流体の圧力に変換する新しいタイプの歪センサである。

【0013】

図１は、実施の形態１に係る歪センサ１の構造の一例を示す斜視図である。図２は、図１の歪センサ１の上面図である。図１及び図２は、歪センサ１の構造を説明するために歪センサ１の上面を透視して、歪センサ１の内部を図示した図である。

【0014】

図１及び図２に示されるように、歪センサ１は、入口１１、出口１２、流路１３、ノズル１４、弁１５、吸引放出口１６、枝流路１７ａと１７ｂ、膨張室１８ａと１８ｂ及び壁１９ａと１９ｂを備える。歪センサ１は、弾性部材からなる板状の起歪体である。例えば、歪センサ１は、シリコーンゴム等で構成される。

【0015】

入口１１は、歪センサ１の第１側面に設けられた開口である。入口１１は、流体を外部から歪センサ１の内部に流入させるための開口である。

【0016】

出口１２は、歪センサ１の第２側面に設けられた開口である。出口１２は、歪センサ１に流入した流体を外部に流出させるための開口である。なお、実施の形態１において、出口１２は、入口１１に対向する面に設けられているが、入口１１に対向しない面に設けられていてもよい。

【0017】

流路１３は、歪センサ１の内部を貫通して入口１１と出口１２とを繋いでいる。より詳しくは、流路１３は、途中で２つの流路に分岐し、分岐のそれぞれの流路の最下流に設けられたノズル１４を経た後に合流し、その後、弁１５を経た後に、出口１２に接続されている。

【0018】

ノズル１４は、流路１３の途中（より詳しくは、流路１３の分岐における最下流）において、流路断面積が局所的に小さい箇所である。歪センサ１が受けた外力によってノズル１４の流路断面積が変化するが、その詳細な説明は後述する。

【0019】

弁１５は、ノズル１４よりも出口１２に近い流路１３の途中に設けられている。弁１５は流体の流量に依存して開閉する。弁１５が開いている場合に、上流から流れてきた流体は、弁１５を通過し、出口１２から流出する。

【0020】

図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図である。ＩＩＩ－ＩＩＩ線は、弁１５を通過する線である。弁１５は、上下に分離して設けられた２つの仕切り板１５ａ及び１５ｂにより構成され、弾性部材である。弁１５の全体の形は矩形の板状である。仕切り板１５ａ及び１５ｂは、仕切り板１５ａの上辺及び仕切り板１５ｂの下辺が歪センサ１を構成する上面、底面の部分と固定されている。仕切り板１５ａ及び１５ｂは、流体の流量に依存して開閉可能な構造となっている。なお、弁１５は、実施の形態１で示す構造だけに限定されず、１以上の仕切りにより構成され、流体の流量に依存して開閉可能な構造であってもよい。

【0021】

図１及び図２での説明に戻り、吸引放出口１６は、弁１５よりも入口１１に近い流路１３に通じる開口であり、本実施の形態では、歪センサ１の上面に設けられている。吸引放出口１６は、歪センサ１に入口１１から流入する流体の流量が変化することにより、外部から歪センサ１内に流体を吸引する、又は歪センサ１から外部へ流体を放出するための開口である。歪センサ１が吸引放出口１６を介して行う流体の吸引及び放出についての詳細な説明は後述する。

【0022】

枝流路１７ａ及び１７ｂは、ノズル１４よりも入口１１に近い流路１３が、吸引放出口１６を構成する部位を迂回する形で、枝分かれした流路である。入口１１から流入した流体の一部は、流路１３から枝流路１７ａ及び１７ｂに流れる。

【0023】

膨張室１８ａには枝流路１７ａが接続され、膨張室１８ｂには枝流路１７ｂが接続されている。膨張室１８ａ及び１８ｂは袋状であり、流体が外部に流出する開口を有していない。また、図１、図２及び図３に示されるように、膨張室１８ａ及び１８ｂは、歪センサ１の上面視で、壁１９ａ及び１９ｂを隔てて流路１３及び弁１５を挟む位置に設けられている。入口１１から流入した流体の一部は、流路１３から枝流路１７ａ及び１７ｂに流れ、それぞれ、枝流路１７ａ及び１７ｂを通って膨張室１８ａ及び１８ｂに充填される。歪センサ１は弾性部材で構成されていることから、流体の流量に依存して膨張室１８ａ及び１８ｂが膨張する。壁１９ａ及び１９ｂは、膨張室１８ａ及び１８ｂが膨張することにより流路１３を左右から狭める方向に押される。

【0024】

壁１９ａは、弾性部材であり、流路１３と膨張室１８ａを隔てる壁である。また、壁１９ｂは弾性部材であり、流路１３と膨張室１８ｂを隔てる壁である。

【0025】

図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。図４の（ａ）は、歪センサ１が外力を受けていない場合の図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。図４の（ｂ）は、歪センサ１が外力を受けた場合の図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。図４の（ｂ）における外力は、歪センサ１の上面からノズル１４の周辺に加わる。

【0026】

歪センサ１は外力を受けることにより変形する。そのため、歪センサ１が外力を受けた場合には、図４の（ｂ）で示されるように、ノズル１４の流路断面積は、図４の（ａ）で示されるノズル１４の流路断面積よりも小さくなる。このノズル１４の流路断面積が小さくなることにより、ノズル１４を通る流体の圧力は、図４の（ｂ）の場合の方が図４の（ａ）の場合よりも高くなる。これにより、歪センサ１に送り込まれる流体が一定の流量で制御されている場合、入口１１から送り込まれる流体の圧力は、図４の（ｂ）の場合の方が図４の（ａ）の場合よりも高くなる。この圧力変化をモニタリングすることにより、歪センサ１は、外力を受けているか否か及び外力の大きさを検知する。

【0027】

次に、歪センサ１の入口１１に流体を送り込んだときにおける歪センサ１の動作について説明する。

【0028】

１自由度の流体制御が行われる歪センサ１が吸引放出口１６から流体の吸引を行う機構について説明する。図５は、図１の歪センサ１に高流量の流体が送り込まれたときの動作を示す図である。図５は、歪センサ１の構造を説明するために歪センサ１の上面を透視して、歪センサ１の内部を図示した図である。図６は、図１の歪センサ１に高流量の流体が送り込まれたときにおける図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。

【0029】

図５に示されるように、入口１１から送り込まれた流体の大部分は、流路１３及びノズル１４を通り、弁１５まで流れる。一方、入口１１から送り込まれた流体の一部は、流路１３から枝流路１７ａ及び１７ｂに流れ、枝流路１７ａ及び１７ｂを通って膨張室１８ａ及び１８ｂに到達する。入口１１から送り込まれる流体が高流量の場合は、枝流路１７ａ及び１７ｂを通り、膨張室１８ａ及び１８ｂに到達する流体の割合は低流量の場合よりも大きくなる。十分な量の流体が膨張室１８ａ及び１８ｂに送り込まれると、膨張室１８ａ及び１８ｂは膨張する。壁１９ａ及び１９ｂは、膨張室１８ａ及び１８ｂが膨張することにより流路１３を狭める方向に押される。

【0030】

図６に示されるように、壁１９ａ及び１９ｂは、膨張室１８ａ及び１８が膨張することにより流路１３を狭める方向に押される。すると、膨張室１８ａ及び１８ｂに挟まれて設けられた弁１５は左右から押しつぶされて、仕切り板１５ａ及び１５ｂとの間に空間ができる。

【0031】

図５での説明に戻り、流体の流れについて説明をする。仕切り板１５ａ及び１５ｂとの間に大きな空間ができるため、流体は弁１５を通過し、出口１２から流出する。弁１５が開いて、入口１１から送り込まれた流体が出口１２から流出するとき、吸引放出口１６の流路１３の接続部付近で負圧が発生し、吸引放出口１６内の流体を巻き込む噴流が起きる。噴流により吸引放出口１６付近の流体は巻き込まれるため、歪センサ１外部の流体は吸引放出口１６を通じて歪センサ１に流入する。上記の歪センサ１の動作により、歪センサ１は吸引放出口１６から歪センサ１外部の流体を吸引する。

【0032】

また、１自由度の流体制御が行われる歪センサ１が吸引放出口１６から流体の放出を行う機構について説明する。図７は、図１の歪センサ１に低流量の流体が送り込まれたときの動作を示す図である。図７は、歪センサ１の動作を説明するために歪センサ１の上面を透視して、歪センサ１の内部を図示した図である。図８は、図１の歪センサ１に低流量の流体が送り込まれたときにおける図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線の断面図である。

【0033】

図７に示されるように、入口１１から送り込まれた流体の大部分は、流路１３及びノズル１４を通り、弁１５まで流れる。入口１１から送り込まれた流体の一部は、流路１３から枝流路１７ａ及び１７ｂに流れ、枝流路１７ａ及び１７ｂを通って膨張室１８ａ及び１８ｂに到達する。入口１１から送り込まれる流体が低流量の場合は、枝流路１７ａ及び１７ｂを通り、膨張室１８ａ及び１８ｂに到達する流体の割合は高流量の場合よりも小さくなる。そのため、十分な量の流体が膨張室１８ａ及び１８ｂに送り込まれず、膨張室１８ａ及び１８ｂはほとんど膨張しない。

【0034】

図８に示されるように、膨張室１８ａ及び１８ｂはほとんど膨張せず、弁１５はほとんど変形しない。

【0035】

図７での説明に戻り、流体の流れについて説明をする。仕切り板１５ａ及び１５ｂの間には小さな空間しかできないので、流体は、弁１５を僅かに通過する。流体の大部分は弁１５に衝突して流路１３を逆流して吸引放出口１６に流れ込み、吸引放出口１６を通じて歪センサ１の外部に流出する。上記の歪センサ１の動作により、歪センサ１は吸引放出口１６から流体を歪センサ１の外部に放出する。

【0036】

図９は、実施の形態１に係る歪検知システム２の構成を示すブロック図である。歪検知システム２は、歪センサ１にかかる外力を検出するシステムである。歪検知システム２は、歪センサ１、流体流入装置２１、荷重負荷装置２２、圧力センサ２３及び解析装置２４を備える。

【0037】

流体流入装置２１は、管を介して歪センサ１の入口１１に接続されており、管を介して歪センサ１に流体を送り込む。例えば、流体流入装置２１は、流体を歪センサ１に送り込むポンプであり、管を介して歪センサ１に、例えば、５～３０Ｌ／ｍｉｎの流体を送り込む。また、流体流入装置２１は、歪センサ１に送り込む流体の流入量を一定に制御する。

【0038】

荷重負荷装置２２は、歪センサ１の上面に外力を加える（つまり、荷重負荷をかける）、あるいは歪センサ１に加えた外力を解放して除荷する装置である。荷重負荷装置２２の詳細な構成及び動作については後述する。

【0039】

圧力センサ２３は、管を介して歪センサ１の入口１１と接続されている。圧力センサ２３は、流体流入装置２１から歪センサ１の入口１１に送り込まれる流体の圧力を検知するものであり、例えば、流体用圧力センサである。

【0040】

解析装置２４は、圧力センサ２３から信号を受け、圧力センサ２３が検知した流体の圧力を解析することにより、歪センサ１が受けている外力の大きさを特定する装置である。例えば、解析装置２４は、信号の入力処理（Ａ／Ｄ変換など）及び情報処理（物理量の変換など）を行うコンピュータである。

【0041】

荷重負荷装置２２は、歪センサ１に既知の外力を加えるために実験上備えられる装置であり、歪検知システム２の構成要素として必ずしも備えられる必要はない。

【0042】

次に、歪検知システム２の動作、つまり歪の検知方法について説明する。

【0043】

図１０は、図９における歪検知システム２の動作を示すフローチャートである。

【0044】

まず、歪センサ１を外力が加わる場所に置く（設置ステップＳ１）。

【0045】

歪センサ１の入口１１と接続した流体流入装置２１は、歪センサ１に流体を送り込む（流入ステップＳ２）。

【0046】

荷重負荷装置２２は、歪センサ１の上面に外力を加える（負荷ステップＳ３）。すると、歪センサ１のノズル１４は、受けた外力に応じて、流路断面積を変化させる。その結果、歪センサ１は、受けた外力を流体流入装置２１から歪センサ１に送り込む流体の圧力に変換する（変換ステップＳ４）。

【0047】

歪センサ１の入口１１に接続した圧力センサ２３は、流体流入装置２１から歪センサ１に送り込む流体の圧力を検知する（検知ステップＳ５）。

【0048】

解析装置２４は、圧力センサ２３からの信号を受け、予め準備した変換テーブルを参照することで、圧力センサ２３が検知した流体の圧力を歪センサ１が受けた外力の大きさに変換し、ディスプレイ等に表示出力する（解析ステップＳ６）。

【0049】

なお、負荷ステップＳ３は、実験上歪センサ１に既知の外力を加えるためのステップであるので、歪センサ１を未知の歪検知に用いる場合には、必ずしも歪検知システム２に含まれる必要はない。また、設置ステップＳ１及び流入ステップＳ２の順序は入れ替えてもよいし、同時に行われてもよい。

【0050】

図１１は、図９に係る歪検知システム２における荷重負荷装置２２の構成及び動作についての模式図である。図１１の（ａ）は、Ｙ軸方向から見た歪検知システム２の模式図である。また、図１１の（ｂ）は、荷重負荷装置２２により外力が加えられている箇所を示した歪センサ１の上面図である。図１１の（ｂ）は、歪センサ１に外力が加えられている箇所を説明するために歪センサ１の上面を透視して、歪センサ１の内部を図示した図である。

【0051】

図１１の（ａ）に示されるように、荷重負荷装置２２は、ロードセル２２１及びＺ軸方向リニアアクチュエータ２２２を備える。

【0052】

ロードセル２２１は、受けた力を電気信号に変換する変換器である。

【0053】

Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２は、ロードセル２２１をＺ軸方向で歪センサ１に押し当てるように動かす駆動装置である。

【0054】

図１１の（ｂ）に示されるように、実施の形態１では、Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２により動かされたロードセル２２１は、歪センサ１の円で囲まれた領域を押圧する。具体的には、Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２により動かされたロードセル２２１は、歪センサ１のノズル１４を含む領域を押圧する。

【0055】

図１２は、図９の歪検知システム２において歪センサ１に送り込まれる流体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎと一定にした場合に、図１の歪センサ１が受ける外力と圧力センサ２３が検知する流体の圧力との関係を示すグラフである。

【0056】

図１２の（ａ）は、歪検知システム２の歪センサ１に送り込まれる流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合における、時間経過に対する歪センサ１が受ける外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力を示すグラフである。図１２の（ａ）を用いて、実験手順を説明する。

【0057】

図１２の（ａ）に示されるように、荷重負荷装置２２は、外部からの制御指示によって、以下の操作１～３の手順で歪センサ１に外力を加える。

【0058】

Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２は、ロードセル２２１を０．１ｍｍ／ｓと一定の速度でＺ軸方向に対して下方に動かし、歪センサ１に外力をかける（操作１）。操作１は、図１２の（ａ）において、外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力が上昇する区間と対応する。

【0059】

歪センサ１は弾性部材であるため、歪センサ１は外力が加えられることにより変形する。荷重負荷装置２２が歪センサ１を１ｍｍ押し込むと、Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２は、ロードセル２２１を１０秒間その場で停止させる（操作２）。操作２は、図１２の（ａ）において、外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力が僅かに減少する区間と対応する。

【0060】

ロードセル２２１が１０秒間停止した後、Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２２２は、ロードセル２２１を０．１ｍｍ／ｓと一定の速度でＺ軸方向に対して上に動かし、歪センサ１に加える外力を解放する（操作３）。操作３は、図１２の（ａ）において、外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力が急激に減少する区間に対応する。

【0061】

荷重負荷装置２２はロードセル２２１と歪センサ１が完全に離れたことを確認すると、上記の操作１～３を繰り返す。実験において荷重負荷装置２２は、上記の操作１～３を３回繰り返した。この実験の間、歪センサ１は、流体流入装置２１から一定の流量１０Ｌ／ｍｉｎが送り込まれる。

【0062】

図１２の（ａ）に示される実験結果から、圧力センサ２３が検知する流体の圧力の変動は、歪センサ１が受ける外力の変動に追従している。圧力センサ２３が検知する流体の圧力は、歪センサ１が受ける外力と相関がある。歪検知システム２は、歪センサ１が受ける外力を検知することがわかる。

【0063】

以上の相関に基づいて、事前のキャリブレーションによって、歪センサ１に加えられる既知の外力の大きさを圧力センサ２３が検知する流体の圧力との関係を示す変換テーブルを予め作成しておくことができる。

【0064】

よって、解析装置２８は、圧力センサ２３が計測する流体の圧力を解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサ１が受けた未知の外力の大きさを特定することができる。

【0065】

図１２の（ｂ）は、歪検知システム２の歪センサ１に送り込まれる流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合における、歪センサ１が受ける外力に対する圧力センサ２３が検知する流体の圧力を示すグラフである。

【0066】

図１２の（ｂ）に示されるように、操作１で得られた直線と操作３で得られた直線に大きな違いはない。つまり、歪センサ１には、現在加わる外力だけでなく、過去に加わった外力により影響を受けるヒステリシス現象は起きていない。これにより、歪検知システム２は、歪センサ１に加わる外力が負荷あるいは除荷のいずれか一方で、歪センサ１が受ける外力の大きさを特定することができる。

【0067】

流体流入装置２１から歪センサ１に送り込まれる流量を変化させた場合における歪検知システム２に係る歪の検知方法の実験手順について説明する。図１２に係る実験手順と異なる点のみについて説明し、同じ点については省略する。

【0068】

荷重負荷装置２２が図１２に係る実験手順と同じ操作１～３を行う際に、流体流入装置２１から歪センサ１に送り込まれる流体の流量を変更した。具体的には、流体流入装置２１から歪センサ１に送り込まれる流体の流量を１０、２０及び３０Ｌ／ｍｉｎとした。

【0069】

図１３は、図９の歪検知システム２において歪センサ１に送り込まれる流体の流量を変化させた場合における図１の歪センサ１が受ける外力と圧力センサ２３が検知する流体の圧力との関係を示すグラフである。

【0070】

図１３の（ａ）は、流体流入装置２１から歪センサ１に送り込まれる流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合における、時間経過に対する歪センサ１が受ける外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力を示すグラフである。図１３の（ｂ）は、流体流入装置２１から歪センサ１に送り込まれる流体の流量が２０Ｌ／ｍｉｎの場合における、時間経過に対する歪センサ１が受ける外力及び圧力センサ２３が検知する流体の圧力を示すグラフである。

【0071】

図１３の（ａ）に示されるように、実施の形態１に係る歪センサ１において、歪センサ１の入口１１から送り込まれる流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎ以下の場合、流体は吸引放出口１６から放出される。一方で、図１３の（ｂ）に示されるように、歪センサ１の入口１１から送り込まれる流体の流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上の場合、流体は吸引放出口１６から吸引される。つまり、図１３に示される実験結果において、図１３の（ａ）は、歪センサ１が吸引放出口１６から流体を放出する状態での実験結果を示す図であり、図１３の（ｂ）は、歪センサ１が吸引放出口１６から流体を吸引する状態での実験結果を示す図である。

【0072】

図１３の（ａ）と図１３の（ｂ）を比較すると、図１３の（ｂ）の直線の傾きは、図１３の（ａ）の直線の傾きよりも大きくなった。これは、歪センサ１に同じ大きさの外力が加えられた場合に、圧力センサ２３が検知する流体の圧力は、流体流入装置２１から送り込まれる流体の流量が２０Ｌ／ｍｉｎの場合の方が１０Ｌ／ｍｉｎの場合よりも大きいということを示している。圧力センサ２３が検知する流体の圧力が大きくなることにより、解析装置２４が解析して特定する外力の大きさは大きくなる。つまり、歪センサ１に送り込まれる流体の流量を増加させて、歪センサ１が吸引放出口１６から流体を放出する状態から、流体を吸引放出口１６から吸引する状態に切り替えることにより、歪センサ１が受ける外力に対する歪検知システム２の感度を上昇させることができる。

【0073】

図１３に示される実験結果から、歪検知システム２は、歪センサ１が吸引放出口１６から流体の吸引及び放出を切り替えることにより、歪センサ１が受ける外力に対する感度を変更できることがわかる。

【0074】

以上のように、実施の形態１に係る歪センサ１は、弾性部材からなる板状の起歪体を備え、起歪体は、起歪体の第１側面に設けられた開口である入口１１と起歪体の第２側面に設けられた開口である出口１２とを繋いで起歪体の内部を貫通する流路１３を有し、流路１３は、流路１３の途中において、流路断面積が局所的に小さい箇所であるノズル１４を有し、ノズル１４は、起歪体が外力を受けることによってノズル１４に生じた歪に応じてノズル１４における流路断面積を変化させることで、入口１１に送り込まれる流体の圧力を変化させる。

【0075】

これにより、電子部品や配線を使用することなく、１自由度の流体制御が行われる新しいタイプの歪センサは、外力を受けているか否か及び外力の大きさを検知することができる。

【0076】

また、実施の形態１に係る歪の検知方法は、上記に記載の歪センサ１を用いた歪の検知方法であって、歪センサ１を、外力を受ける場所に設置する設置ステップＳ１と、歪センサ１の入口１１に流体を送り込む流入ステップＳ２と、歪センサ１の入口１１に送り込む流体の圧力を検知する検知ステップＳ５と、を含む。

【0077】

これにより、電子部品や配線を使用することなく、１自由度の流体制御が行われる新しいタイプの歪センサを用いて構成された新しいタイプ歪の検知方法によって、未知の外力の大きさを特定することができる。

【0078】

また、実施の形態１に係る歪の検知方法は、起歪体は、ノズル１４よりも出口１２に近い流路１３を開閉する弁１５を有し、起歪体は、弁１５よりも入口１１に近い流路１３に通じる開口である吸引放出口１６を有し、流入ステップＳ２では、前記開口が外界の空気を吸引または放出することとなる流量で、入口１１に流体を送り込む。

【0079】

これにより、新しいタイプの歪の検知方法によって、歪センサが流体の吸引及び放出を切り替えることにより、歪センサが受ける外力に対する感度を変更することができる。

【0080】

なお、実施の形態１に係る歪センサ１は、必ずしも弁１５、吸引放出口１６、枝流路１７ａと１７ｂ及び膨張室１８ａと１８ｂを備える必要はない。弁１５、吸引放出口１６、枝流路１７ａと１７ｂ及び膨張室１８ａと１８ｂを備えていない歪センサ１であっても、課題を達成できる。

【0081】

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る歪センサ１ａについて説明する。実施の形態１に係る歪センサ１は、歪センサ１が受ける外力を歪センサ１の入口１１に送り込む流体の圧力に変換する。一方で、実施の形態２に係る歪センサ１ａは、歪センサ１ａが受ける外力を歪センサ１ａのノズル１４が発生する音に変換する。

【0082】

実施の形態２に係る歪センサ１ａは、１自由度の流体制御により歪センサ１ａが受ける外力を音に変換する歪センサである。

【0083】

図１４は、実施の形態２に係る歪センサ１ａの構造を示す斜視図である。図１４は、歪センサ１ａの構造を説明するために歪センサ１ａの上面を透視して、歪センサ１ａの内部を図示した図である。以下、実施の形態１に係る歪センサ１と異なる点を説明し、同じ点の説明は省略する。

【0084】

歪センサ１ａは、実施の形態１に係る歪センサ１と同様に、入口１１、出口１２、流路１３、ノズル１４及び吸引放出口１６を備え、一方、実施の形態１に係る歪センサ１とは異なり、弁１５、枝流路１７ａと１７ｂ、膨張室１８ａと１８ｂ及び壁１９ａと１９ｂを備えていない。また、歪センサ１ａはノズル外壁１４ａを備える。ノズル外壁１４ａの詳細な説明は、図１５を用いて説明する。

【0085】

図１５は、図１４の歪センサ１ａの上面図である。図１５は、歪センサ１ａの構造を説明するために歪センサ１ａの上面を透視して、歪センサ１ａの内部を図示した図である。図１５の（ａ）は、図１４の歪センサ１ａ全体の上面図である。図１５の（ｂ）は、図１５の（ａ）の点線で囲われた部分を拡大した図である。

【0086】

図１５の（ａ）及び図１５の（ｂ）に示されるように、ノズル外壁１４ａは、出口１２の方向に向かって、ノズル１４の先端を延長させる方向に設けられている。これにより、歪センサ１ａのノズル１４は、歪センサ１のノズル１４よりも出口１２の方向に向かって長く形成されている。

【0087】

図１６は、図１５の（ｂ）の各断面から見た一例を示す断面図である。図１６の（ａ）は図１５の（ｂ）のＡ－Ａ’線における断面図である。図１６の（ｂ）は図１５の（ｂ）のＢ－Ｂ’線における断面図である。

【0088】

図１６の（ａ）及び図１６の（ｂ）に示されるように、ノズル外壁１４ａは、矩形の切れ込み１４ｂをノズル外壁１４ａの中央に有する。矩形の切れ込み１４ｂは、出口１２に近いノズル外壁１４ａの先端からノズル外壁１４ａの厚みが変わる位置まで設けられている。
図１７は、図１５の（ｂ）の各断面から見た別の一例を示す断面図である。図１７の（ａ）は図１５の（ｂ）のＡ－Ａ’線における断面図である。図１７の（ｂ）は図１５の（ｂ）のＢ－Ｂ’線における断面図である。

【0089】

図１７の（ａ）及び図１７の（ｂ）に示されるように、ノズル外壁１４ａは、矩形の切れ込み１４ｂをノズル外壁１４ａの上辺と下辺に有する。矩形の切れ込み１４ｂは、出口１２に近いノズル外壁１４ａの先端からノズル外壁１４ａの厚みが変わる位置まで設けられている。

【0090】

図１８は、図１５の（ｂ）の各断面から見たさらに別の一例を示す断面図である。図１８の（ａ）は図１５の（ｂ）のＡ－Ａ’線における断面図である。図１８の（ｂ）は図１５の（ｂ）のＢ－Ｂ’線における断面図である。

【0091】

図１８の（ａ）及び図１８の（ｂ）に示されるように、ノズル外壁１４ａは切れ込み１４ｂを有する。切れ込み１４ｂは、Ｌ字形状を有し、矩形の切れ込み１４ｂ１と別の矩形の切れ込み１４ｂ２で構成される。ノズル外壁１４ａは、矩形の切れ込み１４ｂ１をノズル外壁１４ａの上辺に有する。矩形の切れ込み１４ｂ１は、出口１２に近いノズル外壁１４ａの先端からノズル外壁１４ａの厚みが変わる位置まで設けられている。また、ノズル外壁１４ａは別の矩形の切れ込み１４ｂ２を有する。別の矩形の切れ込み１４ｂ２は、ノズル外壁１４ａの厚みが変わる位置に、ノズル外壁１４ａの上辺と下辺を繋ぐように設けられている。矩形の切れ込み１４ｂ１と別の矩形の切れ込み１４ｂ２はノズル外壁１４ａの上辺で繋がっている。

【0092】

歪センサ１ａに送り込まれた流体は、出口１２に近いノズル１４の先端から流路１３に流れるだけでなく、ノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂを通過して、流路１３に流れる。

【0093】

歪センサ１ａのノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂは、上記で説明した形状に制限されるものではなく、後述するノズル外壁１４ａが果たす機能を実現する形状であれば、本開示の変形の範囲内である。

【0094】

図１５の（ａ）に示されるように、歪センサ１ａに入口１１から送り込まれた流体は、流路１３及び流路１３の途中に設けられたノズル１４を通り、出口１２から流出する。歪センサ１ａに送り込まれた流体は、出口１２に近いノズル１４の先端から流路１３に流れるだけでなく、ノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂを通過して、流路１３に流れる。

【0095】

ノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂから流路１３に流れる流体により、ノズル外壁１４ａは振動する。ノズル外壁１４ａが振動することにより、ノズル１４は音を発生する。さらに、ノズル１４は、歪センサ１ａが受ける外力により、ノズル１４が発生する音の特性を変化させる。具体的には、ノズル１４は、歪センサ１ａが受ける外力の大きさ、歪センサ１ａのうち外力を受けた位置及び歪センサ１ａが受ける湾曲の程度により、ノズル１４が発生する音の特性を変化させる。ノズル１４が発生する音の特性の変化についての詳細な説明は、後述する実験結果を用いて説明する。

【0096】

図１９は、実施の形態２に係る歪検知システム２ａの構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る歪検知システム２ａの説明は、実施の形態１に係る歪検知システム２と異なる点を説明し、同じ点は省略する。

【0097】

図１９に示されるように歪検知システム２ａは、歪センサ１ａに係る外力を検出するシステムである。歪検知システム２ａは、実施の形態１に係る歪センサ１とは異なり、歪センサ１ａ、流体流入装置２５、荷重負荷装置２６、マイク２７及び解析装置２８を備える。

【0098】

流体流入装置２５は、実施の形態１の流体流入装置２１と同じ装置である。流体流入装置２５は、管を介して歪センサ１ａの入口１１に接続されており、管を介して歪センサ１ａに流体を送り込む。

【0099】

荷重負荷装置２６は、実施の形態１の荷重負荷装置２２と同様である。荷重負荷装置２６の詳細な構成及び動作については後述する。

【0100】

マイク２７は、歪センサ１ａのノズル１４が発生する音を検知する装置である。マイク２７は、歪センサ１ａの内部に備えられていてもよいし、外部に備えられていてもよい。

【0101】

解析装置２８は、マイク２７からの信号を受け、マイク２７が検知した音を解析（高速フーリエ変換などを）することで、歪センサ１ａが受けている外力の大きさ、歪センサ１ａのうち外力を受けた位置及び歪センサ１ａが受けている湾曲の程度を特定する装置である。例えば、解析装置２８は、信号の入力処理（Ａ／Ｄ変換など）及び情報処理（物理量の変換など）を行うコンピュータである。

【0102】

荷重負荷装置２６は、歪センサ１ａに既知の外力を加えるために、実験上備えられる装置であり、歪検知システム２ａの構成要素として必ずしも備えられる必要はない。

【0103】

次に、歪検知システム２ａの動作、つまり歪の検知方法について説明する。

【0104】

図２０は、図１９における歪検知システム２ａの主要な動作を示すフローチャートである。

【0105】

まず、歪センサ１ａを外力が加わる場所に置く（設置ステップＳ１）。

【0106】

歪センサ１ａの入口１１と接続した流体流入装置２５は、歪センサ１ａに流体を送り込む（流入ステップＳ２）。

【0107】

荷重負荷装置２６は、歪センサ１ａに外力を加える（負荷ステップＳ３）。すると、歪センサ１ａのノズル１４は、発生する音の特性を変化させる（変換ステップＳ４ａ）。

【0108】

マイク２７は、歪センサ１ａのノズル１４が発生する音を検知する（検知ステップＳ５ａ）。

【0109】

解析装置２８は、マイク２７からの信号を受け、マイク２７が検知した音を解析することで、歪センサ１ａが受けた外力の大きさ、位置、又は、歪センサ１ａが受けた湾曲の程度を特定し、ディスプレイ等に表示出力する（解析ステップＳ６ａ）。

【0110】

なお、負荷ステップＳ３は、実験上歪センサ１ａに既知の外力を加えるためのステップであるので、歪センサ１ａを未知の歪検知に用いる場合には、必ずしも歪検知システム２ａに含まれる必要はない。また、設置ステップＳ１及び流入ステップＳ２の順序は入れ替えてもよいし、同時に行われてもよい。

【0111】

図２１は、図２０における解析ステップＳ６ａの詳細な動作を示すフローチャートである。

【0112】

図２１の（ａ）は、歪センサ１ａが受けた外力の位置を特定する動作を示すフローチャートである。図２１の（ｂ）は、歪センサ１ａが受けた外力の大きさを特定する動作を示すフローチャートである。図２１の（ｃ）は、歪センサ１ａが受けた湾曲の程度を特定する動作を示すフローチャートである。

【0113】

図２１の（ａ）に示されるように、解析装置２８は、検知ステップＳ５ａにおいてマイク２７が検知した音の大きさを解析し、解析した音の大きさを、予め準備した変換テーブルを用いて、対応する力に変換することで、歪センサ１ａが受けた外力の大きさを特定する（解析ステップＳ６ａ）。

【0114】

図２１の（ｂ）に示されるように、解析装置２８は、検知ステップＳ５ａにおいてマイク２７が検知した音の周波数スペクトルを解析し、解析した音のピーク周波数または周波数スペクトルを、予め準備した変換テーブルを用いて、対応する位置に変換することで、歪センサ１ａが受けた外力の位置を特定する（解析ステップＳ６ａ）。

【0115】

図２１の（ｃ）に示されるように、解析装置２８は、検知ステップＳ５ａにおいてマイク２７が検知した音の周波数を解析し、解析した音の周波数スペクトルを、予め準備した変換テーブルを用いて、対応する湾曲の程度に変換することで、歪センサ１ａが受けた湾曲の程度を特定する（解析ステップＳ６ａ）。

【0116】

解析装置２８は、図２１の（ａ）、図２１の（ｂ）及び図２１の（ｃ）で示した解析ステップＳ６ａのうち少なくとも１つを実行する。なお、解析装置２８は、複数の解析ステップＳ６ａを同時に実行してもよい。複数の解析ステップＳ６ａの組み合わせに制限はない。

【0117】

図２２は、図１９に係る歪検知システム２ａにおける荷重負荷装置２６の構成及び動作についての模式図である。

【0118】

図２２の（ａ）は、Ｙ軸方向から見た歪検知システム２ａの模式図である。図２２の（ｂ）は、図１５の（ａ）歪センサ１ａに点線の枠を付して、その領域を拡大した拡大図である。図２２の（ｂ）は、歪センサ１ａに外力が加えられる箇所を説明するために歪センサ１ａの上面を透視して、歪センサ１ａの内部を図示した図である。

【0119】

図２２の（ａ）に示されるように、荷重負荷装置２６は、ロードセル２６１、Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２６２及びＸ軸方向リニアアクチュエータ２６３を備える。

【0120】

ロードセル２６１は、実施の形態１のロードセル２２１と同様の変換器である。

【0121】

Ｚ軸方向リニアアクチュエータ２６２は、実施の形態１のＺ軸方向リニアアクチュエータ２２２と同様の駆動装置である。

【0122】

歪センサ１ａと接触する部材の形状について説明する。図２２の（ａ）に示されるように、Ｙ軸方向から見ると、部材の形状は、歪センサ１ａと接する部分が尖った形状である。一方、図２２の（ｂ）に示されるように、Ｚ軸方向から見ると、歪センサ１ａは、部材から、例えば、点線（Ｉ）及び点線（ＩＩ）のように外力を受ける。つまり、部材の形状は、歪センサ１ａと接する部分が矩形である。

【0123】

Ｘ軸方向リニアアクチュエータ２６３は、Ｘ軸方向リニアアクチュエータ２６３に固定された歪センサ１ａをＸ軸方向に対して動かす駆動装置である。例えば、Ｘ軸方向リニアアクチュエータ２６３がＸ軸方向に歪センサ１ａを動かすことにより、図２２の（ｂ）に示されるように、荷重負荷装置２６は、両矢印が示す範囲（ノズル外壁１４ａが切れ込み１４ｂを有する箇所）で歪センサ１ａに外力を加える。

【0124】

次に、マイク２７が検知した音の大きさを解析し、歪センサ１ａが受けた外力の大きさを特定する実験方法について説明する。

【0125】

図２２の（ｂ）に示されるように、歪センサ１ａは、荷重負荷装置２６から点線（Ｉ）及び点線（ＩＩ）の位置に外力を受ける。点線（Ｉ）の位置は、ノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂの根元である。点線（ＩＩ）の位置は、ノズル外壁１４ａが有する切れ込み１４ｂの中央である。歪センサ１ａには荷重負荷装置２６から一定の外力が加えられ、歪センサ１ａに加えられた外力は、０．５Ｎ、０．７Ｎ及び１．０Ｎである。この実験の間、歪センサ１ａに一定の流量が送り込まれる。

【0126】

次にマイク２７が検知した音の大きさを解析し、歪センサ１ａが受けた外力の大きさを特定する実験結果について説明する。

【0127】

図２３は、図１４の歪センサ１ａに対して外力をかける位置と外力の大きさを変化させた場合におけるノズル１４から発生する音の音圧との関係を示すグラフである。

【0128】

図２３の（ａ）、図２３の（ｂ）及び図２３の（ｃ）は、歪センサ１ａが点線（Ｉ）に外力を受けたときの音圧を示すグラフである。図２３の（ｄ）、図２３の（ｅ）及び図２３の（ｆ）は、歪センサ１ａが点線（ＩＩ）に外力を受けたときの音圧を示すグラフである。また、図２３の（ａ）及び図２３の（ｄ）は、荷重負荷装置２６が歪センサ１ａに０．５Ｎの外力を加えたときの音圧を示すグラフである。図２３の（ｂ）及び図２３の（ｅ）は、荷重負荷装置２６が歪センサ１ａに０．７Ｎの外力を加えたときの音圧を示すグラフである。図２３の（ｃ）及び図２３の（ｆ）は、荷重負荷装置２６が歪センサ１ａに１．０Ｎの外力を加えたときの音圧を示すグラフである。図２３の（ａ）～（ｆ）に示された点線の間に荷重負荷装置２６から歪センサ１ａに所定の外力が加えられている。

【0129】

図２３の（ａ）～図２３の（ｆ）の縦軸は音圧であり、音圧は、計測された数値の絶対値が大きいほど、音の大きさが大きいことを示している。点線（Ｉ）に外力が加えられた場合の結果で音圧の大きさについて比較する。図２３の（ａ）～図２３の（ｃ）を比較すると、加えられた外力が大きいほど、音圧は大きいということを示している。同様に、点線（ＩＩ）に外力が加えられた場合の結果で音圧の大きさについて比較する。図２３の（ｄ）～図２３の（ｆ）を比較すると、加えられた外力が大きいほど、音圧は大きいということを示している。

【0130】

一方で、歪センサ１ａに加えられた外力が０．５Ｎの場合の結果で音圧の大きさを比較する。図２３の（ａ）と図２３の（ｄ）を比較すると、外力が加えられた位置の違いによる、音圧の大きさの違いはないことを示している。同様に、歪センサ１ａに加えられた外力が０．７Ｎ及び１．０Ｎの場合の結果で音圧の大きさを比較する。図２３の（ｂ）と図２３の（ｅ）、及び図２３の（ｃ）と図２３の（ｆ）を比較しても、外力が加えられた位置の違いによる、音圧の大きさの違いはないことを示している。

【0131】

図２３で示される実験結果から、歪センサ１ａに加えられる外力が大きいほど、マイク２７が検知する音圧は大きくなり、さらに、歪センサ１ａに加えられる外力の位置の違いにより、マイク２７が検知する音圧の大きさは変化しないことがわかる。

【0132】

以上のことから、事前のキャリブレーションによって、歪センサ１ａに加えられる既知の外力の大きさとマイク２７が検知する音圧との関係を示す変換テーブルを予め作成しておくことができる。

【0133】

よって、解析装置２８は、マイク２７が計測する音圧の大きさを解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサ１ａが受けた未知の外力の大きさを特定することができる。

【0134】

次に、マイク２７が検知した音の周波数スペクトルを解析装置２８が解析し、歪センサ１ａのうち外力を受けた位置を特定する実験方法について説明する。

【0135】

図２３に係る実験と同様に、歪センサ１ａは、荷重負荷装置２６から点線（Ｉ）及び点線（ＩＩ）の位置に外力を受けた。歪センサ１ａに荷重負荷装置２６から一定の外力が加えられ、歪センサ１ａに加えられた外力は、０．５Ｎ及び１．０Ｎである。この実験の間、歪センサ１ａに一定の流量が送り込まれる。

【0136】

図２４は、図１４の歪センサに対して外力をかける位置と外力の大きさを変化させた場合におけるノズル１４が発生する音の周波数との関係を示すグラフである。

【0137】

図２４の（ａ）及び図２４の（ｂ）は、０．５Ｎの外力が加えられたときの音の周波数スペクトルを示すグラフである。図２４の（ｃ）及び図２４の（ｄ）は、１．０Ｎの外力が加えられたときの音の周波数スペクトルを示すグラフである。図２４の（ａ）及び図２４の（ｃ）は、点線（Ｉ）の位置に外力が加えられたときの音の周波数スペクトルを示すグラフである。図２４の（ｂ）及び図２４の（ｄ）は、点線（ＩＩ）の位置に外力が加えられたときの音の周波数スペクトルを示すグラフである。

【0138】

歪センサ１ａに外力を加えられたことにより、複数の周波数の音が強く表れる。これはピーク周波数と呼ぶ。図２４の（ａ）～図２４の（ｄ）で示されるグラフには、複数本の線で表されている。

【0139】

歪センサ１ａに加えられた外力が０．５Ｎの場合の結果で音のピーク周波数を比較する。図２４の（ａ）と図２４の（ｂ）を比較すると、図２４の（ａ）のときの音のピーク周波数の方が図２４の（ｂ）のときの音のピーク周波数よりも高い。つまり、点線（Ｉ）の位置に外力が加えられたときの音のピーク周波数の方が点線（ＩＩ）の位置に外力が加えられたときの音のピーク周波数よりも高い結果を示した。

【0140】

同様に、歪センサ１ａに加えられた外力が１．０Ｎの場合の結果で音のピーク周波数を比較する。図２４の（ｃ）と図２４の（ｄ）を比較すると、図２４の（ｃ）のときの音のピーク周波数の方が図２４の（ｄ）のときの音のピーク周波数よりも高い。つまり、点線（Ｉ）の位置に外力が加えられたときの音のピーク周波数の方が点線（ＩＩ）の位置に外力が加えられたときの音のピーク周波数よりも高い結果を示した。

【0141】

図２４で示される実験結果から、歪センサ１ａに同じ大きさの外力が加えられたときには、歪センサ１ａに加えられる外力の位置がノズル外壁１４ａの切れ込み１４ｂの先端に近づくほど、マイク２７が検知する音のピーク周波数は下がることがわかる。

【0142】

以上のことから、事前のキャリブレーションによって、歪センサ１ａに加えられる既知の外力の位置とマイク２７が検知する音のピーク周波数との関係を示す変換テーブルを予め作成しておくことができる。

【0143】

よって、解析装置２８は、マイク２７が検知する音のピーク周波数を解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサ１ａのうち外力の位置を特定することができる。

【0144】

図２５は、図１４の歪センサ１ａを湾曲させる実験の様子を示す図である。

【0145】

図２５に示されるように、荷重負荷装置２６を使用せず、歪センサ１ａを人の手で折り曲げて、歪センサ１ａが受ける湾曲の程度を調整して実験を行った。また、歪センサ１ａに送り込まれる流体の流量を一定に制御した。

【0146】

図２６は、図１９の歪検知システム２ａにおいて歪センサ１ａに送り込まれる流体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎと一定にした場合に、図１４の歪センサ１ａが受ける湾曲の程度を変化させたときのノズル１４が発生する音の周波数（縦軸）におけるスペクトル（濃淡）の時間変化（横軸）との関係を示すグラフである。このグラフの濃淡では、白いほど音の強度が大きいことを示す。

【0147】

図２６における複数の白い線で示されるように、複数の周波数でピーク強度となる音が確認された。歪センサ１ａが受ける湾曲の程度が大きいほど（つまり、約５～７ｓｅｃにおいて時間が経過するに従って）、マイク２７が検知する音の周波数が高くなっていく（つまり、白い線が右肩上がりになる）結果を示した。

【0148】

以上のことから、事前のキャリブレーションによって、歪センサ１ａが受ける既知の湾曲の程度とマイク２７が検知するピーク音の周波数との関係を示す変換テーブルを予め作成しておくことができる。

【0149】

よって、解析装置２８は、マイク２７が検知する音の周波数を解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサ１ａが受けた湾曲の程度を特定することができる。

【0150】

以上のように、実施の形態２に係る歪センサ１ａは、弾性部材からなる板状の起歪体を備え、起歪体は、起歪体の第１側面に設けられた開口である入口１１と起歪体の第２側面に設けられた開口である出口１２とを繋いで起歪体の内部を貫通する流路１３を有し、流路１３は、流路１３の途中において、流路断面積が局所的に小さい箇所であるノズル１４を有し、ノズル１４は、起歪体が外力を受けることによってノズル１４に生じた歪に応じてノズル１４は発生する音の特性を変化させる。

【0151】

これにより、電子部品や配線を使用することなく、１自由度の流体を利用した新しいタイプの歪センサは、外力の大きさ、外力の位置及び湾曲の程度を検知することができる。

【0152】

実施の形態２に係る歪の検知方法は、上記に記載の歪センサ１ａを用いた歪の検知方法であって、歪センサ１ａを、外力を受ける場所に設置する設置ステップＳ１と、歪センサ１の入口１１に流体を送り込む流入ステップＳ２と、歪センサ１のノズル１４が発生する音を検知する検知ステップＳ５ａと、を含む。

【0153】

これにより、電子部品や配線を使用することなく、１自由度の流体を利用した新しいタイプの歪センサを用いて構成された新しいタイプ歪の検知方法は、外力の大きさ、外力の位置及び湾曲の程度を特定することができる。

【0154】

実施の形態２に係る歪の検知方法は、検知ステップＳ５ａで検知された音の大きさを解析することで、外力の大きさを特定する解析ステップＳ６ａを含む。

【0155】

これにより、新しいタイプの歪の検知方法は、歪センサが発生する音の大きさを解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサが受けた未知の外力の大きさを特定することができる。

【0156】

実施の形態２に係る歪の検知方法は、検知ステップＳ５ａで検知された音の周波数を解析することで、歪センサ１ａのうち外力を受けた位置を特定する解析ステップＳ６ａを含む。

【0157】

これにより、新しいタイプの歪の検知方法は、歪センサが発生する音の周波数特性を解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサのうち外力の受けた位置を特定できる。

【0158】

実施の形態２に係る歪の検知方法は、検知ステップＳ５ａで検知された音の周波数を解析することで、歪センサ１ａが受けた湾曲の程度を特定する解析ステップＳ６ａを含む。

【0159】

これにより新しいタイプの歪の検知方法は、歪センサが発生する音の周波数特性を解析し、予め作成した変換テーブルを参照することにより、歪センサが受けた湾曲の程度を特定することができる。

【0160】

なお、実施の形態２に係る歪センサ１ａは、吸引放出口１６を備えていなくてもよい。また、実施の形態２に係る歪センサ１ａは、弁１５、枝流路１７ａと１７ｂ、膨張室１８ａと１８ｂ及び壁１９ａと１９ｂを備えていてもよい。

【0161】

また、本開示の歪センサは、物体の把持を行うロボットハンドに貼り付けて用いることが可能である。これにより、ロボットハンドが物体を把持する際に、外力を検知する歪センサとして利用される。また、歪センサに吸引放出口が設けられることにより、歪センサは吸引放出口によって物体を吸着したり、吸着した物体を放出したりすることができる。これにより、歪センサは、ロボットハンドが行う物体の把持を補助する補助材料としても利用される。

【0162】

その他、上記の実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

【0163】

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素及びステップの中には、課題解決のために必須な構成要素及びステップだけでなく、上記実装を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素及びステップも含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素及びステップが添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素及びステップが必須であるとの認定をするべきではない。

【0164】

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0165】

本開示に係る歪センサ及び歪の検知方法は、流体の流れを利用した新しいタイプの歪センサとして、例えば、物体の把持を行うロボットハンドに利用できる。

【符号の説明】

【0166】

１、１ａ 歪センサ
２、２ａ 歪検知システム
１１ 入口
１２ 出口
１３ 流路
１４ ノズル
１４ａ ノズル外壁
１４ｂ、１４ｂ１、１４ｂ２ 切れ込み
１５ 弁
１５ａ、１５ｂ 仕切り板
１６ 吸引放出口
１７ａ、１７ｂ 枝流路
１８ａ、１８ｂ 膨張室
１９ａ、１９ｂ 壁
２１、２５ 流体流入装置
２２、２６ 荷重負荷装置
２３ 圧力センサ
２４、２８ 解析装置
２７ マイク
２２１、２６１ ロードセル
２２２、２６２ Ｚ軸方向リニアアクチュエータ
２６３ Ｘ軸方向リニアアクチュエータ

【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】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】