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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-06-21
(54)【発明の名称】磁気センサ並びにその作製方法及び使用方法
(51)【国際特許分類】
G01L 1/12 20060101AFI20240614BHJP
【ＦＩ】
G01L1/12
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023574268
(86)(22)【出願日】2022-05-31
(85)【翻訳文提出日】2024-01-24
(86)【国際出願番号】 US2022031608
(87)【国際公開番号】W WO2022256326
(87)【国際公開日】2022-12-08
(31)【優先権主張番号】63/195,115
(32)【優先日】2021-05-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516385790
【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ カンザス
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100100479
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 三喜夫
(72)【発明者】
【氏名】バークランド，コリー
(72)【発明者】
【氏名】ミラー，ジョナサン
(57)【要約】
本明細書に記載されるのは、磁気センサ（例えば、力センサ）、並びにその作製方法及び使用方法であり、磁気センサは、磁気計と対合された軟質磁性複合材料（例えば、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団を含む複合材料）を用いることができる。これらのセンサは、大きいサイズ、三次元感知能力の欠如、剛性構成要素を組み込むためのセンサの必要性、及び／又は圧縮下での軟質複合材料の配向若しくは変形に関連する信号品質の問題を含む、特定の用途における既存の圧縮センサの有効性を妨げている従来の欠点の多くを克服することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
力センサであって、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータであって、エラストマー樹脂と、前記エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む、磁気アクチュエータと、
前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、
前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するスペーサと、を備え、
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項2】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って印加された力の下、前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項4】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項5】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項6】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項7】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項６に記載のセンサ。
【請求項8】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項9】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項８に記載のセンサ。
【請求項10】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項11】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項12】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを５％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを４０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１～１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項13】
前記磁気計に対して前記ｘ－ｙ平面において前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成し、前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、若しくは減少し、かつ比例するか、又はこれらの任意の組み合わせである磁場応答を生成する、請求項１～１２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項14】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを３％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを２０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲の印加された力のウィンドウ下で前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１～１２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項15】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項16】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項17】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１５又は１６に記載のセンサ。
【請求項18】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項19】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１５～１８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項20】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項21】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１５～２０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項22】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項23】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１５～２２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項24】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項２３に記載のセンサ。
【請求項25】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため５％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、４０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下で前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１５～２４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項26】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため３％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、２０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１５～２５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項27】
前記磁気アクチュエータが、１ｍｍ～２５ｍｍの最大断面寸法を有する、請求項１～２６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項28】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円形の水平断面を有する、請求項１～２６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項29】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円筒形の形状又は実質的に円錐形の形状を有する、請求項１～２８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項30】
前記スタンドオフ距離が、０ｍｍ超～５ｍｍ、例えば、０ｍｍ超～１．５ｍｍである、請求項１～２９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項31】
前記スタンドオフ距離が、印加された力で１００μＴを超える磁場応答などの測定可能な信号を提供するように選択される、請求項１～３０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項32】
前記スペーサが、エラストマー樹脂、剛性材料、又はこれらの任意の組み合わせから形成されている、請求項１～３１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項33】
前記スペーサが、エラストマー樹脂から形成されている、請求項１～３２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項34】
前記スペーサが、エラストマー樹脂から形成されるとき、前記スペーサが、前記磁気アクチュエータを部分的又は完全に囲むハウジングの一部分を含む、請求項１～３３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項35】
前記磁性粒子が、磁性微粒子を含む、請求項１～３４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項36】
前記磁性微粒子が、１マイクロメートル～５０マイクロメートルなどの、１マイクロメートル～１５０マイクロメートルの平均粒子サイズを有する、請求項３５に記載のセンサ。
【請求項37】
前記磁性粒子が、磁性ナノ粒子を含む、請求項１～３６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項38】
前記磁性ナノ粒子が、５０ｎｍ～５００ｎｍなどの、５０ｎｍ～１マイクロメートル未満の平均粒子サイズを有する、請求項３７に記載のセンサ。
【請求項39】
前記磁性粒子が、異方性磁性粒子を含む、請求項１～３８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項40】
前記磁性粒子が、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、０．１重量％～９０重量％、例えば、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、５０重量％～９０重量％、４０重量％～８０重量％、３０重量％～７０重量％、２０重量％～６０重量％、１５重量％～５０重量％、０．１重量％～５０重量％、０．１重量％～４０重量％、０．１重量％～３０重量％、０．１重量％～２０重量％、０．１重量％～１０重量％、０．１重量％～５重量％、０．１重量％～２．５重量％、又は０．１重量％～１重量％の量で前記エラストマー樹脂中に存在する、請求項１～３９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項41】
前記エラストマー樹脂が、シリカ粒子などの非磁性フィラーを更に含む、請求項１～４０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項42】
前記エラストマー樹脂が、架橋可能なシリコーン組成物などの、架橋可能な組成物を含む、請求項１～４１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項43】
前記エラストマー樹脂が、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含む、請求項４２に記載のセンサ。
【請求項44】
前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項１～４３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項45】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で１０％～６０％圧縮されるとき、前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項４４に記載のセンサ。
【請求項46】
前記センサが、前記磁気計に動作可能に結合され、かつ磁場強度における変化の測定に基づいて前記磁気計に印加された力を計算するように構成された、マイクロコントローラ、プロセッサ、又はこれらの組み合わせを更に備える、請求項１～４５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項47】
力センサであって、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、
前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、
前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するエラストマースペーサと、を備え、
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項48】
前記エラストマースペーサが、エラストマー樹脂から形成されている、請求項４７に記載のセンサ。
【請求項49】
前記エラストマースペーサが、前記磁気アクチュエータを部分的又は完全に囲むハウジングの一部分を備える、請求項４７又は４８に記載のセンサ。
【請求項50】
前記磁気計と前記エラストマースペーサの前記遠位端部との間に配設され、それによって、前記磁気計と前記エラストマーハウジングの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する、剛性スペーサを更に備え、前記剛性スペーサが、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度、及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成されている、請求項４７～４９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項51】
力センサであって、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、
前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、
前記磁気アクチュエータの少なくとも一部分を囲み、前記磁気アクチュエータの前記遠位端部を越えて延在し、それによって、前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する、エラストマーハウジングと、
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項52】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って印加された力の下、前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項４７～５１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項53】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項４７～５２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項54】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項４７～５３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項55】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項５４に記載のセンサ。
【請求項56】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項４７～５５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項57】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項５６に記載のセンサ。
【請求項58】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項４７～５７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項59】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項５８に記載のセンサ。
【請求項60】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項４７～５９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項61】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項６０に記載のセンサ。
【請求項62】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを５％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを４０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項４７～６１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項63】
前記磁気計に対して前記ｘ－ｙ平面において前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成し、前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、若しくは減少し、かつ比例するか、又はこれらの任意の組み合わせである磁場応答を生成する、請求項４７～６２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項64】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを３％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを２０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項４７～６３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項65】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項４７～５１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項66】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項６５に記載のセンサ。
【請求項67】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項６５又は６６に記載のセンサ。
【請求項68】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項６７に記載のセンサ。
【請求項69】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項６５～６８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項70】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項６９に記載のセンサ。
【請求項71】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項６５～７０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項72】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項７１に記載のセンサ。
【請求項73】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項６５～７２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項74】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項７３に記載のセンサ。
【請求項75】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため５％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、４０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項６５～７４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項76】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため３％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、２０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項６５～７５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項77】
前記磁気アクチュエータが、１ｍｍ～２５ｍｍの最大断面寸法を有する、請求項４７～７６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項78】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円形の水平断面を有する、請求項４７～７６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項79】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円筒形の形状又は実質的に円錐形の形状を有する、請求項４７～７８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項80】
前記スタンドオフ距離が、０ｍｍ超～５ｍｍ、例えば、０ｍｍ超～１．５ｍｍである、請求項４７～７９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項81】
前記スタンドオフ距離が、印加された力で１００μＴを超える磁場応答などの測定可能な信号を提供するように選択される、請求項１～３０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項82】
前記磁気計と前記エラストマーハウジングの前記遠位端部との間に配設され、それによって、前記磁気計と前記エラストマーハウジングの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する、剛性スペーサを更に備え、前記剛性スペーサが、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度、及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成されている、請求項４７～８１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項83】
前記エラストマーハウジングが、エラストマー樹脂から形成されている、請求項４７～８２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項84】
前記磁気アクチュエータが、エラストマー樹脂と、前記エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む、請求項４７～８３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項85】
前記磁性粒子が、磁性微粒子を含む、請求項８４に記載のセンサ。
【請求項86】
前記磁性微粒子が、１マイクロメートル～５０マイクロメートルなどの、１マイクロメートル～１５０マイクロメートルの平均粒子サイズを有する、請求項８５に記載のセンサ。
【請求項87】
前記磁性粒子が、磁性ナノ粒子を含む、請求項８４に記載のセンサ。
【請求項88】
前記磁性ナノ粒子が、５０ｎｍ～５００ｎｍなどの、５０ｎｍ～１マイクロメートル未満の平均粒子サイズを有する、請求項８７に記載のセンサ。
【請求項89】
前記磁性粒子が、異方性磁性粒子を含む、請求項８４に記載のセンサ。
【請求項90】
前記磁性粒子が、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、０．１重量％～９０重量％、例えば、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、５０重量％～９０重量％、４０重量％～８０重量％、３０重量％～７０重量％、２０重量％～６０重量％、１５重量％～５０重量％、０．１重量％～５０重量％、０．１重量％～４０重量％、０．１重量％～３０重量％、０．１重量％～２０重量％、０．１重量％～１０重量％、０．１重量％～５重量％、０．１重量％～２．５重量％、又は０．１重量％～１重量％の量で前記エラストマー樹脂中に存在する、請求項４７～８９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項91】
前記エラストマー樹脂が、シリカ粒子などの非磁性フィラーを更に含む、請求項４７～９０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項92】
前記エラストマー樹脂が、架橋可能なシリコーン組成物などの、架橋可能な組成物を含む、請求項４７～９１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項93】
前記エラストマー樹脂が、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含む、請求項９２に記載のセンサ。
【請求項94】
前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項８４～９３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項95】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で１０％～６０％圧縮されるとき、前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項９４に記載のセンサ。
【請求項96】
前記センサが、前記磁気計に動作可能に結合され、かつ磁場強度における変化の測定に基づいて前記磁気計に印加された力を計算するように構成された、マイクロコントローラ、プロセッサ、又はこれらの組み合わせを更に備える、請求項４７～９５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項97】
力センサであって、各磁気アクチュエータが、近位端部及び遠位端部を有する、２つ以上の磁気アクチュエータと、
１つ以上の磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、
前記磁気計と前記１つ以上の磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって前記磁気計と前記１つ以上の磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するスペーサと、を備え、
前記２つ以上の磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせで前記２つ以上の磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項98】
前記磁気アクチュエータの各々が、互いに隣接している、請求項９７に記載のセンサ。
【請求項99】
前記磁気計が、前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされている、請求項９７又は９８に記載のセンサ。
【請求項100】
前記磁気計と前記２つ以上の磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって、前記磁気計と前記２つ以上の磁気アクチュエータの前記遠位端部との間の距離を作成する、剛性スペーサを更に備え、前記剛性スペーサが、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／又は１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成される、請求項９７～９９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項101】
力センサであって、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、
前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた２つ以上の磁気計と、
前記２つ以上の磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって、１つ以上の磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するスペーサと、を備え、
前記磁気アクチュエータ及び前記２つ以上の磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記２つ以上の磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記２つ以上の磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項102】
前記磁気計の各々が、互いに隣接している、請求項１０１に記載のセンサ。
【請求項103】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って印加された力の下、前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項９７～１０２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項104】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項９７～１０３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項105】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項９７～１０３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項106】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項１０５に記載のセンサ。
【請求項107】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項９７～１０５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項108】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項１０７に記載のセンサ。
【請求項109】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項９７～１０８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項110】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１０９に記載のセンサ。
【請求項111】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項９７～１０９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項112】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１１１に記載のセンサ。
【請求項113】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを５％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを４０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項９７～１１２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項114】
前記２つ以上の磁気計に対して前記ｘ－ｙ平面において前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成し、前記２つ以上の磁気計に対して前記ｚ軸に沿って前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、若しくは減少し、かつ比例するか、又はこれらの任意の組み合わせである磁場応答を生成する、請求項９７～１１３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項115】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを３％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを２０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項９７～１１４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項116】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項９７に記載のセンサ。
【請求項117】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１１６に記載のセンサ。
【請求項118】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１１６又は１１７に記載のセンサ。
【請求項119】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項１１８に記載のセンサ。
【請求項120】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１１６～１１９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項121】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項１２０に記載のセンサ。
【請求項122】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１１６～１２１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項123】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１２２に記載のセンサ。
【請求項124】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１１６～１２３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項125】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１２４に記載のセンサ。
【請求項126】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため５％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、４０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１１６～１２５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項127】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため３％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、２０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１１６～１２６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項128】
前記スペーサが、エラストマー樹脂、剛性材料、又はこれらの任意の組み合わせから形成されている、請求項９７～１２７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項129】
前記スペーサが、エラストマー樹脂から形成されている、請求項９７～１２８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項130】
前記スペーサが、エラストマー樹脂から形成されるとき、前記スペーサが、前記磁気アクチュエータを部分的又は完全に囲むハウジングの一部分を含む、請求項９７～１２９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項131】
前記２つ以上の磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間に配設され、それによって、前記２つ以上の磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間の距離を作成する、剛性スペーサを更に備え、前記剛性スペーサが、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／又は１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成されている、請求項９７～１３０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項132】
力センサであって、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、
前記磁気アクチュエータの前記遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、
前記磁気アクチュエータの少なくとも一部分を囲み、前記磁気アクチュエータの前記遠位端部を越えて延在し、それによって、前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する、エラストマーハウジングと、を備え、
前記磁気計と前記磁気アクチュエータの前記遠位端部との間にエラストマーハウジングが配設されておらず、
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において、前記磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、力センサ。
【請求項133】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って印加された力の下、前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２に記載のセンサ。
【請求項134】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２又は１３３に記載のセンサ。
【請求項135】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１３２～１３４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項136】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項１３５に記載のセンサ。
【請求項137】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１３２～１３６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項138】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項１３７に記載のセンサ。
【請求項139】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１３２～１３８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項140】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１３９に記載のセンサ。
【請求項141】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１３２～１４０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項142】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％圧縮されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１４１に記載のセンサ。
【請求項143】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを５％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを４０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２～１４２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項144】
前記磁気計に対して前記ｘ－ｙ平面において前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成し、前記磁気計に対して前記ｚ軸に沿って前記磁気アクチュエータに印加された力が、前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、若しくは減少し、かつ比例するか、又はこれらの任意の組み合わせである磁場応答を生成する、請求項１３２～１４３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項145】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気アクチュエータを３％圧縮するのに有効な印加された力から前記磁気アクチュエータを２０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータの圧縮が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２～１４４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項146】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため前記磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２～１４５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項147】
前記磁気計が、前記印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１４６に記載のセンサ。
【請求項148】
前記磁気アクチュエータが、印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１３２～１４７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項149】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５％～８０％である、請求項１４８に記載のセンサ。
【請求項150】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有する、請求項１３２～１４８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項151】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面寸法が、前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気計の前記最大断面寸法の５０％～９０％である、請求項１５０に記載のセンサ。
【請求項152】
前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１３２～１５１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項153】
前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１５２に記載のセンサ。
【請求項154】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータが、前記磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する、請求項１３２～１５３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項155】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で４０％せん断されるとき、前記磁気アクチュエータの前記最大断面積が、前記磁気計の前記最大断面積の５０％～９０％である、請求項１５４に記載のセンサ。
【請求項156】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため５％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、４０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２～１５５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項157】
前記磁気アクチュエータ及び前記磁気計が、互いに対してサイズ決定されており、そのため３％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、２０％の前記磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の前記磁気アクチュエータのせん断が、前記印加された力のウィンドウにわたる前記印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する、請求項１３２～１５６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項158】
前記磁気アクチュエータが、１ｍｍ～２５ｍｍの最大断面寸法を有する、請求項９７～１５７のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項159】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円形の水平断面を有する、請求項９７～１５８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項160】
前記磁気アクチュエータが、実質的に円筒形の形状又は実質的に円錐形の形状を有する、請求項９７～１５９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項161】
前記スタンドオフ距離が、０ｍｍ超～１．５ｍｍなどの、０ｍｍ超～５ｍｍである、請求項９７～１６０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項162】
前記スタンドオフ距離が、印加された力で１００μＴを超える磁場応答などの測定可能な信号を提供するように選択される、請求項９７～１６１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項163】
前記磁気計と前記エラストマーハウジングの前記遠位端部との間に配設され、それによって、前記磁気計と前記エラストマーハウジングの前記遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する、剛性スペーサを更に備え、前記剛性スペーサが、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度、及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成されている、請求項１３２～１６２のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項164】
前記エラストマーハウジングが、エラストマー樹脂から形成されている、請求項１３２～１６３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項165】
前記磁気アクチュエータが、エラストマー樹脂と、前記エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む、請求項９７～１６４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項166】
前記磁性微粒子が、１マイクロメートル～５０マイクロメートルなどの、１マイクロメートル～１５０マイクロメートルの平均粒子サイズを有する、請求項１６５に記載のセンサ。
【請求項167】
前記磁性粒子が、磁性ナノ粒子を含む、請求項１６５又は１６６に記載のセンサ。
【請求項168】
前記磁性ナノ粒子が、５０ｎｍ～５００ｎｍなどの、５０ｎｍ～１マイクロメートル未満の平均粒子サイズを有する、請求項１６７に記載のセンサ。
【請求項169】
前記磁性粒子が、異方性磁性粒子を含む、請求項１６５～１６８のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項170】
前記磁性粒子が、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、０．１重量％～９０重量％、例えば、前記エラストマー樹脂の総重量に基づいて、５０重量％～９０重量％、４０重量％～８０重量％、３０重量％～７０重量％、２０重量％～６０重量％、１５重量％～５０重量％、０．１重量％～５０重量％、０．１重量％～４０重量％、０．１重量％～３０重量％、０．１重量％～２０重量％、０．１重量％～１０重量％、０．１重量％～５重量％、０．１重量％～２．５重量％、又は０．１重量％～１重量％の量で前記エラストマー樹脂中に存在する、請求項１６５～１６９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項171】
前記エラストマー樹脂が、シリカ粒子などの非磁性フィラーを更に含む、請求項９７～１７０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項172】
前記エラストマー樹脂が、架橋可能なシリコーン組成物などの、架橋可能な組成物を含む、請求項９７～１７１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項173】
前記エラストマー樹脂が、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含む、請求項１７２に記載のセンサ。
【請求項174】
前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項１６５～１７３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項175】
前記磁気アクチュエータが、印加された力の下で１０％～６０％圧縮されるとき、前記磁性粒子の双極子が、前記磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向されている、請求項１７４に記載のセンサ。
【請求項176】
前記センサが、前記磁気計に動作可能に結合され、かつ磁場強度における変化の測定に基づいて前記磁気計に印加された力を計算するように構成された、マイクロコントローラ、プロセッサ、又はこれらの組み合わせを更に備える、請求項９７～１７５のいずれか一項に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０２１年５月３１日に出願された米国仮出願第６３／１９５，１１５号の利益を主張する。
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０２１年５月３１日に出願された米国仮出願第６３／１９５，１１５号の利益を主張する。
【0002】
連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発の記載
本開示は、エネルギー省によって授与されたＧｒａｎｔ Ｎｏ．ＤＥ－ＮＡ－０００２８９３の下で政府支援により行われた。米国政府は、この開示に対して特定の権利を有する。
本開示は、エネルギー省によって授与されたＧｒａｎｔ Ｎｏ．ＤＥ－ＮＡ－０００２８９３の下で政府支援により行われた。米国政府は、この開示に対して特定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
軟質圧縮センサは、ソフトロボティクス（Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）、ヘルスケア（Ｂｉｓｗａｓ ｅｔ ａｌ．２０２０）、バイオメカニクス（Ｌｏｗ ｅｔ ａｌ．２０１５）などを含む多様な分野で追求されている。シリコーンゴム又は他の軟質材料で構成されたセンサは、柔軟なインターフェースを作成し、基礎となる表面を保護しながら事象検出を可能にする。例えば、着用可能なセンサは、軟質材料を利用して、デバイスを着用者に感知できない状態にし得る。センサコンセプトの１つのタイプは、磁気計と対となったシリコーン又はシリコーン磁性粉末複合材料内に埋め込まれた剛性永久磁石を利用する（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ａ；Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ２０１９；Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９；Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）。
【0004】
かかるセンサは、安価な無線センサプラットフォームを提供し得るが、既存の設計は、動的材料圧縮事象を適切に検出することができない。したがって、改善されたセンサ設計が必要とされる。
【発明の概要】
【0005】
本明細書では、磁気センサ（例えば、力センサ）並びにその作製方法及び使用方法が説明される。磁気センサは、磁気計と対になった軟質磁性複合材料（例えば、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団を含む複合材料）を用いることができる。これらのセンサは、大きいサイズ、三次元感知能力の欠如、剛性構成要素を組み込むためのセンサの必要性、及び／又は圧縮下での軟質複合材料の配向若しくは変形に関連する信号品質の問題を含む、特定の用途における既存の圧縮センサの有効性を妨げている従来の欠点の多くを克服することができる。結果として、本明細書において説明されたセンサは、ウェアラブル技術用途において利用することができる。
【0006】
本明細書では、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離が作成されるスペーサと、を含む、力センサが提供される。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む。いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマースペーサであり得る。
【0007】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータであって、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む、磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するスペーサと、を含む。
【0008】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するエラストマースペーサと、を含む。
【0009】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気アクチュエータの少なくとも一部分を囲み、磁気アクチュエータの遠位端部を越えて延在するエラストマーハウジングと、を含むことができ、それによって、磁気計と、磁気アクチュエータの遠位端部との間のスタンドオフ距離を作成する。いくつかの実施形態では、エラストマーハウジングは、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されていない。
【0010】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において、磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0011】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｚ軸に沿って印加された力の下、磁気アクチュエータの圧縮は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0012】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、磁気アクチュエータのせん断は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0013】
いくつかの実施形態では、力センサは、２つ以上の磁気アクチュエータであって、各磁気アクチュエータが、近位端部及び遠位端部を有する、２つ以上の磁気アクチュエータと、１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されたスペーサと、を含むことができ、それによって磁気計と１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離が作成される。
【0014】
いくつかの実施形態では、２つ以上の磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において、磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせで２つ以上の磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの各々は、互いに隣接している。いくつかの実施形態では、磁気計は、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされる。いくつかの実施形態では、センサは、磁気計と２つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設された剛性スペーサを更に備え、それによって、磁気計と２つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間の距離を作成し、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。
【0015】
剛性スペーサを用いる実施形態は、例えば、遠隔感知のために、又は壁を通して、若しくは空の空気空間にわたって感知するために使用することができることが理解されるであろう。一例は、保護ケーシングを通して感知することであり、磁気計はケーシングの外側にあり、センサのエラストマー部分はケーシングの内側にある。これらの例では、ケーシングの壁は、剛性スペーサとして機能することができる。このように、剛性スペーサは、センサの排他的な一部である必要はない。いくつかの実施形態では、スペーサの一部分は、同様に、空隙空間（例えば、空気空間）であり得る。
【0016】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた２つ以上の磁気計と、２つ以上の磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されたスペーサと、を含むことができ、それによって、１つ以上の磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する。
【0017】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び２つ以上の磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため２つ以上の磁気計に対してｘ－ｙ平面において、２つ以上の磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気計の各々は、互いに隣接している。
【0018】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、実質的に円形の水平断面形状、円筒形の形状、又は実質的に円錐形の形状であり得る。いくつかの実施形態では、スタンドオフ距離は、０ｍｍ超～５ｍｍであり得る。
【0019】
いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマー樹脂、剛性材料、又はこれらの任意の組み合わせから形成され得る。いくつかの実施形態では、スペーサがエラストマー樹脂から形成されるとき、スペーサは、磁気アクチュエータを部分的に、又は完全に囲むハウジングの一部分を含む。いくつかの実施形態では、エラストマースペーサは、磁気アクチュエータを部分的に、又は完全に囲むハウジングの一部分を含む。いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、シリカ粒子などの非磁性フィラーを更に含む。いくつかの実施形態では、センサは、磁気計とエラストマースペーサの遠位端部との間に配設され、それによって、磁気計とエラストマースペーサの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する剛性スペーサを更に含むことができ、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。いくつかの他の実施形態では、センサは、磁気計とエラストマーハウジングの遠位端部との間に配設された剛性スペーサを更に備え、それによって、磁気計とエラストマーハウジングの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成し、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０Ａ超若しくは１０Ｄ超のショア硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。
【0020】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、磁性微粒子を含む。いくつかの実施形態では、磁性微粒子は、１マイクロメートル～１５０マイクロメートル（例えば、１マイクロメートル～５０マイクロメートル）の平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、磁性粒子は、磁性ナノ粒子を含む。いくつかの実施形態では、磁性ナノ粒子は、５０ｎｍ～５００ｎｍなどの、５０ｎｍ～１マイクロメートル未満の平均粒子サイズを有する。いくつかの実施形態では、磁性粒子は、異方性磁性粒子を含む。
【0021】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、エラストマー樹脂の総重量に基づいて、０．１重量％～９０重量％、例えば、エラストマー樹脂の総重量に基づいて、５０重量％～９０重量％、４０重量％～８０重量％、３０重量％～７０重量％、２０重量％～６０重量％、１５重量％～５０重量％、０．１重量％～５０重量％、０．１重量％～４０重量％、０．１重量％～３０重量％、０．１重量％～２０重量％、０．１重量％～１０重量％、０．１重量％～５重量％、０．１重量％～２．５重量％、又は０．１重量％～１重量％の量でエラストマー樹脂中に存在する。
【0022】
いくつかの実施形態では、磁性粒子の双極子は、磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向される。いくつかの実施形態では、磁性粒子の双極子は、磁気アクチュエータが印加された力の下で１０％～６０％圧縮されるとき、磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向される。
【0023】
いくつかの実施形態では、センサは、磁気計に動作可能に結合され、かつ磁場強度における変化の測定に基づいて、磁気計に印加された力を計算するように構成された、マイクロコントローラ、プロセッサ、又はこれらの組み合わせを更に備える。
【0024】
本開示の１つ以上の実施形態の詳細が、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本開示の他の特色、目的、及び利点は、明細書及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】Ａ）シリコーンセンサを作製するために使用される３Ｄ印刷された形態、Ｂ）研究で使用される磁気計、及びＣ）直径及び高さが変化する円筒形及び円錐形の磁気素子などのいくつかの磁気センサの一例を示す。磁石の引力によってＤ）歪みのない間、及びＥ）が歪みのある間の２つの磁石間のセンサの磁化の描写。Ｆ）圧縮試験、及びＧ）せん断試験のための実験設定の写真。全てのセンサ設計は、磁気計から離れて位置決めされた磁気素子を有し、そのため磁気素子と磁気計との間に純粋なゴム製の間隙が存在する。
【図2A】２×４円筒センサの圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。グラフは、磁石の引力によって歪みのない間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータ及び歪みのある間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータを表示する。
【図2B】２×２円筒の圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。グラフは、磁石の引力によって歪みのない間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータ及び歪みのある間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータを表示する。
【図2C】３×３円筒の圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。グラフは、磁石の引力によって歪みのない間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータ及び歪みのある間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータを表示する。
【図2D】５×４円筒センサの圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。グラフは、磁石の引力によって歪みのない間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータ及び歪みのある間に磁化されたセンサで実施された検査からのデータを表示する。
【図3A】２×４円筒センサを有するセンサのせん断試験中に時間に対してプロットされたＸ、Ｙ及びＺ軸における磁場応答を示す。
【図3B】２×４円筒センサを有するセンサの圧縮試験中に時間に対してプロットされたＸ、Ｙ及びＺ軸における磁場応答を示す。
【図3C】２×４円筒センサを有するセンサのせん断試験中に時間に対してプロットされたＸ、Ｙ及びＺ軸における磁場応答を示す。
【図3D】4×４円筒センサを有するセンサの圧縮試験中に時間に対してプロットされたＸ、Ｙ及びＺ軸における磁場応答を示す。
【図4A】２×４円筒センサ、並びに５×４円筒及び３×３円錐センサに関する圧縮試験の増加する圧縮段階中、変位に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。
【図4B】２×４円筒センサ、並びに５×４円筒及び３×３円錐センサに関する圧縮試験の増加する圧縮段階中、力に対してプロットされたＺ軸磁場応答を示す。
【図4C】センサの磁気素子のピークの大きさと体積との間の関係を示すプロットである。
【図4D】力の観点からの線形性と、センサの磁気素子の体積との間の関係を示すプロットである。
【図5A】５０％、６７％、及び８０％の磁性フィラーを含む２×４円筒センサの圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸における磁場応答を示す。
【図5B】６７％、及び８０％の磁性フィラーを含む２．５×４円筒センサの圧縮試験中の時間に対してプロットされたＺ軸における磁場応答を示す。
【図6A】試験中のセンサと磁気計との間に０～２ｍｍのシリコーンスペーサを有する２×４円筒センサ（全高４ｍｍ）の圧縮試験中の磁場応答対歪みを示す。
【図6B】試験中のセンサと磁気計との間に０～２．５ｍｍのシリコーンスペーサを有する３×４円筒センサ（全高４ｍｍ）の圧縮試験中の磁場応答対歪みを示す。
【図6C】剛性プラスチックスペーサを介してセンサと磁気計との間の追加の遠隔距離の効果を試験するための設定の画像、及びこれらの試験中に収集されたデータの一例としての挿入グラフを示す。
【図6D】試験中のセンサと磁気計との間に０～２ｍｍの剛性プラスチックスペーサを有する３×４円筒センサ（全高５ｍｍ）の圧縮試験中の磁場応答対歪みのプロットである。
【図7】本研究のような表面実装されたＭＬＸ９０３９３磁気計の上部に圧縮されている間の、直径２ｍｍ（Ａ－Ｂ）及び直径３ｍｍ（Ｃ－Ｄ）の磁気素子を有するセンサの変形を例解する。Ａ内のセンサ内の磁気素子の直径２ｍｍは、センサが５０％の歪みに圧縮されるときに、Ｂ内で３．３６ｍｍに増加することが示されている。Ｃ内のセンサ内の磁気素子の直径３ｍｍは、センサが５０％の歪みに圧縮されるときに、Ｄ内で４．５３ｍｍに増加することが示される。
【図8】Ａ）センサがフットボールヘルメットの既存のパッドに一体化されている画像、Ｂ）センサの一体化及びマイクロコントローラモジュールの実装後のヘルメットの画像、及びＣ）わずかに右向きの角度で実施されたヘルメット－力プレート衝突検査の画像を示す。Ｄ）未加工の力プレートデータのＸ軸及びＺ軸、ダウンサンプリング後の力プレートデータ、並びにＣに示されるヘルメット－力プレートの衝突からのヘルメット内センサデータからの時間に対してプロットされた力（Ｎ）。
【図9A】主に直進角度からのヘルメット－力プレート衝突中のヘルメット内センサ及び力プレートのＺ軸からの時間に対してプロットされた力（Ｎ）を示す。
【図9B】右向き角度からのヘルメット－力プレート衝突中のヘルメット内センサ及び力プレートのＸ軸からの時間に対してプロットされた力（Ｎ）を示す。
【図9C】左向き角度からの時間に対してプロットされた力（Ｎ）を示す。
【図10A】例示的なセンサに関する時間に対してプロットされた力（Ｎ）及び圧縮変位（ｍｍ）を示す。２．５ｍｍ×４ｍｍの円筒８０％フィラーセンサ性能較正式を示す。
【図10B】例示的なセンサに関する時間に対してプロットされた力（Ｎ）及び圧縮変位（ｍｍ）を示す。２．５ｍｍ×４ｍｍの円筒８０％フィラーセンサ性能力データを示す。
【図11】ピストン設計を例解する。
【図12】およそ４０％で歪みなしか又は歪みがある、磁化された５×４法線又はｚ軸感知（大きい体積例）の時間に対してプロットされた磁場強度を示す。大きさは、４２２ｕＴから７６６ｕＴに増加する（正方向のみ）。最初の約１ｍｍの圧縮でのみ正の応答。大きい磁気体積は、信号品質の問題を引き起こす。
【図13】歪みなしか又は歪みがある、磁化された２×４法線又はｚ軸感知の時間に対してプロットされた磁場強度を示す。大きさは、１６８４ｕＴから２７４７ｕＴに増加する。
【図14】力が垂直及び／又は水平配向に印加されたときに、異なる垂直及び水平遠隔距離に対する力センサの応答を試験するための設定の画像を示す。
【図15A】２ｍｍ～１０ｍｍの異なる垂直遠隔距離を使用して、２．５ｘ４円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有する１０ｘ５ｍｍ円筒クッションの時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図15B】１０ｍｍの垂直遠隔距離を使用して、２．５×４円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有する１０×５ｍｍ円筒クッションの時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図16】ゴムクッションから磁気計基板の２～７ｍｍの間隙（真の間隙は磁気計から磁気素子５．７５～１０．７５ｍｍ）のための異なる水平遠隔距離を使用して、２．５×４ｍｍ、８０％Ｎｄ磁気素子の時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図17】ゴムクッションから磁気計基板の２ｍｍ～７ｍｍの間隙（真の間隙は磁気計から磁気素子５．７５～１０．７５ｍｍ）のための異なる水平遠隔距離を使用して、５×４ｍｍ円筒、８０％Ｎｄ磁気素子の時間に対してプロットされた磁場応答を示す。両方のグラフ内で、１つのデータプロットは、すぐにベースラインに戻る。これは、機械的試験ユニットの故障に起因するが、センサからの力の除去とセンサのベースライン信号への復帰との間の最小のタイムラグを実証する。
【図18】間隙なく垂直配向で力が印加されたとき、１０×５ｍｍの円筒クッション及び２．５×４ｍｍの円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有するピストン設計設定の時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図19】２ｍｍ～５ｍｍの異なる垂直遠隔距離で垂直配向に力が印加されたとき、１０×５ｍｍの円筒クッション及び２．５×４ｍｍの円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有するピストン設計設定の時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図20】３ｍｍの全高ゴムクッション及び２ｍｍの直径に２～３ｍｍ高さの円筒磁気素子の時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図21】例示的な３Ｄ印刷された磁気センサの画像を示す。
【図22】４×４ｍｍ、３×４ｍｍ、及び２．４×４ｍｍを含む異なる寸法を有する例示的な３Ｄ印刷された磁気センサの画像を示す。
【図23】４×４ｍｍ、３×４ｍｍ、及び２．４×４ｍｍを含む異なる寸法を有する３Ｄ印刷された磁気センサの時間に対してプロットされた磁場応答を示す。
【図24A】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に円筒形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図24B】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の水平断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に円筒形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図25A】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に矩形の立方体形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図25B】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の水平断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に矩形の立方体形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図26A】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に円錐形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図26B】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の水平断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に円錐形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図27A】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に球形又は卵形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図27B】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の水平断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、磁気アクチュエータ（１０１）は、実質的に球形又は卵形の形状を有する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図28】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む、例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。この実施形態では、エラストマーハウジング（１１１）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より大きい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図29】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）は、磁気アクチュエータ（１０１）を完全には囲まない。しかしながら、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図30】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）は、磁気アクチュエータ（１０１）を完全には囲まない。エラストマーハウジング（１０４）は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、それによって、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この実施形態では、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間の領域（１１２）において、エラストマーハウジングが配設されていない。図３０では、エラストマーハウジング（１０４）が、磁気アクチュエータ（１０１）の近位端部（１０７）を越えて延在し、囲むことはない。しかしながら、いくつかの実施形態では、エラストマーハウジング（１０４）は、磁気アクチュエータ（１０１）の近位端部（１０７）を超えて延在し、囲む。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図31】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、並びにプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面図を示す。この例では、エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されている。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。
【図32】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）の第１の部分（１１４）を作成する。センサは、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設された剛性スペーサ（１１３）を更に含み、そのため剛性スペーサ（１１３）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）の第２の部分（１１５）を作成する。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図33】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた２つ磁気計（１０２Ａ及び１０２Ｂ）、並びにプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２Ａ及び１０２Ｂ）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２Ａ及び１０２Ｂ）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、２つの磁気計（１０２Ａ及び１０２Ｂ）間の最大断面距離（１１７）より小さい。このセンサを使用すると、ｘ－ｙ軸内の２つの磁気計によって検出された信号に基づいて、回転を測定することができる。
【図34】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を各々有する２つの磁気アクチュエータ（１０１Ａ及び１０１Ｂ）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、２つの磁気アクチュエータ（１０１Ａ及び１０１Ｂ）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、並びにプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータの遠位端部（１０８）を超えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と２つの磁気アクチュエータ（１０１Ａ及び１０１Ｂ）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と、２つの磁気アクチュエータ（１０１Ａ及び１０１Ｂ）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。この例では、磁気計（１１０）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、２つの磁気アクチュエータ（１０１Ａ及び１０１Ｂ）間の最大断面距離（１１６）よりも小さい。このセンサを使用して、エラストマーハウジングの上部表面に印加されたピンポイントの力の場所を判定することができる。
【図35】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）の第１の部分（１１４）を作成する。センサは、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設された剛性スペーサ（１１３）を更に含み、そのため剛性スペーサ（１１３）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）の第２の部分（１１５）を作成する。センサは、磁気計（１０２）と剛性スペーサ（１１３）との間の間隙（１１９）を更に含み、そのため間隙（１１９）は、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間のスタンドオフ距離（１０３）の第３の部分（１１８）を作成する。間隙（１１９）は、空隙（例えば、空間）であってもよく、又は布地などの任意の他の材料で充填されてもよい。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図36】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）に実質的に隣接し、磁気アクチュエータ（１０１）と平行に動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、並びにプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、エラストマーハウジング（１０４）の一部分は、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）を越えて延在し、そのためエラストマーハウジングの一部分は、プレート（１０６）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間に配設されたエラストマースペーサ（１０５）を形成する。エラストマースペーサ（１０５）は、プレート（１０６）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離（１０３）を作成する。
【図37】近位端部（１０７）及び遠位端部（１０８）を有する磁気アクチュエータ（１０１）、エラストマー樹脂から形成されたエラストマーハウジング（１０４）、磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）に近接して動作可能に位置決めされた磁気計（１０２）、及びプレート（１０６）を含む例示的な力センサ（１００）の垂直断面を示す。この例では、磁気アクチュエータ（１０１）は、磁気計（１０２）に当接する（すなわち、磁気計（１０２）と磁気アクチュエータ（１０１）の遠位端部（１０８）との間にスタンドオフ距離が存在しない）。この例では、磁気アクチュエータ（１０９）の最大断面寸法は、磁気アクチュエータ（１０１）が印加された力を受けないとき、磁気計（１１０）の最大断面寸法より小さい。いくつかの実施形態では、プレート（１０６）を欠く場合がある。
【図38A】平坦な可撓性磁気計回路及びコントローラチップの画像を示す。
【図38B】は、シリコーンセンサ構成要素（エラストマーホーシングにおいて囲まれた磁気アクチュエータ）を平坦な可撓性磁気計回路と組み合わせることによって形成されたセンサの画像を示す。
【図38C】平坦な可撓性磁気計回路を使用してセンサ上で実施されるいくつかの繰り返された段階的な１ｍｍ圧縮サイクル中の磁場応答対時間を示すプロットである。
【図39】定性シリコーン系接着剤接合試験（左上及び右上）の画像、並びにシリコーンセンサ構成要素（エラストマーホーシングにおいて囲まれた磁気アクチュエータ）を磁気計回路基板に接着するために、３つの異なるシリコーン系接着剤（ＳＩＬＰＯＸＹ、ＭＥＤ４－４２２０、及びＭＥＤ３－４０１３）を使用して構築された３つのセンサの画像を含む。これらの３つの接着剤の全ては、シリコーンセンサ構成要素を磁気計回路基板に接合するのに十分な結合強度を有することが見出された。
【図40】様々なシリコーン系接着剤を使用して、シリコーンセンサ構成要素を平坦な可撓性磁気計回路と組み合わせることによって形成されるセンサの１ｍｍの段階的圧縮試験中の磁場応答対時間を広めるプロットである。
【図41】例示的な平坦な可撓性磁気計回路及びコントローラチップの三次元レンダリングである。
【0026】
様々な図面における同様の参照記号は、同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本開示のいくつかの実施形態を説明した。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。
【0028】
定義
本明細書において記載される開示の理解を容易にするために、いくつかの用語を以下で定義する。別途定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、概して、本開示が属する技術分野の当業者に一般に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書で引用される刊行物及びそれらが引用される資料は、具体的に参照により組み込まれる。
本明細書において記載される開示の理解を容易にするために、いくつかの用語を以下で定義する。別途定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、概して、本開示が属する技術分野の当業者に一般に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書で引用される刊行物及びそれらが引用される資料は、具体的に参照により組み込まれる。
【0029】
一般定義
本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語及びその変形は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語及びその変形と同義的に使用され、開放的で非限定的な用語である。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、様々な実施形態を説明するために本明細書において使用されてきたが、本発明のより具体的な実施形態を提供するために、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の代わりに「本質的にからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」及び「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ」という用語を使用することができる。記載されている場合を除き、本明細書及び特許請求の範囲内で使用される成分、反応条件、幾何学形状、寸法などの量を表す全ての数は、少なくとも理解されるべきであり、請求項の範囲に対する同等物の原則の適用を制限する試みとしてではなく、大きな桁の数及び通常の四捨五入法を考慮して解釈されるべきである。
本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語及びその変形は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語及びその変形と同義的に使用され、開放的で非限定的な用語である。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、様々な実施形態を説明するために本明細書において使用されてきたが、本発明のより具体的な実施形態を提供するために、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の代わりに「本質的にからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」及び「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ」という用語を使用することができる。記載されている場合を除き、本明細書及び特許請求の範囲内で使用される成分、反応条件、幾何学形状、寸法などの量を表す全ての数は、少なくとも理解されるべきであり、請求項の範囲に対する同等物の原則の適用を制限する試みとしてではなく、大きな桁の数及び通常の四捨五入法を考慮して解釈されるべきである。
【0030】
本明細書及び以下の特許請求の範囲で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（並びに「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などのそれらの形、派生語、又は変形）及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（並びに「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」などのそれらの形、派生語、又は変形）という用語は、包括的（すなわち、オープンエンド）であり、追加の要素又は工程を除外しない。例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、整数、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素、及び／若しくはそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。したがって、これらの用語は、列挙された要素又は工程を網羅するだけでなく、明示的に列挙されていない他の要素又は工程も含み得る。更に、本明細書で使用される場合、要素と併せて使用される場合、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」などの用語の使用は、「１つ」を意味し得るが、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、及び「１つ又は２つ以上」の意味とも一致する。したがって、「ａ」又は「ａｎ」が先行する要素は、更なる制約なしに、追加の同一要素の存在を排除しない。
【0031】
「約」という用語の使用は、明示的に示されているかどうかにかかわらず、全ての数値に適用される。この用語は、概して、当業者が、列挙された数値に対する合理的な量の偏差（すなわち、同等の関数又は結果を有する）とみなすであろう数の範囲を指す。例えば、この用語は、かかる偏差が値の終了関数又は結果を変更しない限り、所与の数値の±１０パーセントの偏差を含むと解釈することができる。したがって、約１％の値は、０．９％～１．１％の範囲であると解釈することができる。更に、範囲は、範囲の開始及び終了を含むと解釈され得る。例えば、１０％～２０％の範囲（すなわち、１０％～２０％の範囲）は、本明細書に別段の明示的な記載がない限り、１０％を含むことができ、また２０％を含むことができ、１０％～２０％のパーセンテージを含むことができる。
【0032】
要素の組み合わせ、サブセット、群などが開示される場合（例えば、組成物中の成分の組み合わせ、又は方法中の工程の組み合わせ）、これらの要素の様々な個々の及び集合的な組み合わせ並びに置換の各々の具体的な参照が明示的に開示されない場合があるが、各々は、本明細書で具体的に企図及び説明されることが理解される。
【0033】
範囲は、本明細書において、「約」１つの特定の値から、及び／又は「約」別の特定の値までとして表され得る。「約」は、値の５％以内、例えば、値の４、３、２、又は１％以内を意味する。かかる範囲が表される場合、別の態様は、１つの特定の値から、及び／又は他の特定の値までを含む。同様に、値が先行詞「約」の使用により近似として表される場合、特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。範囲の各々の終点は、他の終点に関して、及び他の終点と関係なく、その両方において重要であることも更に理解されよう。本明細書に開示されるいくつかの値が存在し、各値はまた、値自体に加える特定の値を「約」として本明細書に開示されることも理解される。例えば、値「１０」が開示される場合、次いで「約１０」もまた開示される。
【0034】
本明細書で使用される場合、「であり得る」、「任意選択的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」、及び「任意選択的にあり得る（ｍａｙ ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」という用語は、互換的に使用され、状態が発生する場合、並びに状態が発生しない場合を含むことを意味する。このため、例えば、製剤が「賦形剤を含んでもよい」という記述は、製剤が賦形剤を含む場合、並びに製剤が賦形剤を含まない場合を含むことを意味する。
【0035】
非限定的な例解として、本開示のある特定の実施形態の例が、下記に与えられる。
【0036】
【0037】
簡潔には、本明細書に開示されるのは、近位端部及び遠位端部を有する、磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離が作成されるスペーサと、を含む、力センサである。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む。いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマースペーサであり得る。
【0038】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する、磁気アクチュエータであって、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子の集団と、を含む、磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するスペーサと、を含む。
【0039】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する、磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設され、それによって磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成するエラストマースペーサと、を含む。
【0040】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する、磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気アクチュエータの少なくとも一部分を囲み、磁気アクチュエータの遠位端部を越えて延在するエラストマーハウジングと、を含むことができ、それによって、磁気計と、磁気アクチュエータの遠位端部との間のスタンドオフ距離を作成する。いくつかの実施形態では、エラストマーハウジングは、磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されていない。
【0041】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において、磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0042】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｚ軸に沿って印加された力の下、磁気アクチュエータの圧縮は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0043】
いくつかの実施形態では、力センサは、２つ以上の磁気アクチュエータであって、各磁気アクチュエータが、近位端部及び遠位端部を有する、２つ以上の磁気アクチュエータと、１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた磁気計と、磁気計と１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されたスペーサと、を含み、それによって磁気計と１つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離が作成される。
【0044】
いくつかの実施形態では、２つ以上の磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において、磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせで２つ以上の磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して増加しかつ比例するか、又は減少しかつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの各々は、互いに隣接している。いくつかの実施形態では、磁気計は、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされる。いくつかの実施形態では、センサは、磁気計と２つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設された剛性スペーサを更に備え、それによって、磁気計と２つ以上の磁気アクチュエータの遠位端部との間の距離を作成し、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。
【0045】
いくつかの実施形態では、力センサは、近位端部及び遠位端部を有する磁気アクチュエータと、磁気アクチュエータの遠位端部に近接して動作可能に位置決めされた２つ以上の磁気計と、２つ以上の磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間に配設されたスペーサと、を含むことができ、それによって、１つ以上の磁気計と磁気アクチュエータの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する。
【0046】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び２つ以上の磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため２つ以上の磁気計に対してｘ－ｙ平面において、２つ以上の磁気計に対してｚ軸に沿って、又はこれらの任意の組み合わせにおいて磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して、増加かつ比例するか、又は減少かつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気計の各々は、互いに隣接している。
【0047】
いくつかの実施形態では、磁場応答は、印加された力に比例する増加よりも５～２０％少なく増加し得る。
【0048】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有することができる。磁気アクチュエータの最大断面寸法は、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面寸法の５％～８０％であり得る。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの最大断面寸法は、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、磁気計の最大断面寸法の５０％～９０％であり得る。
【0049】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有することができる。磁気アクチュエータの最大断面積は、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面積の５０％～９０％であり得る。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの最大断面積は、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％圧縮されるとき、磁気計の最大断面積の５０％～９０％である。
【0050】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため磁気アクチュエータを５％圧縮するのに有効な印加された力から磁気アクチュエータを４０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の磁気アクチュエータの圧縮が、印加された力のウィンドウにわたる印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため磁気アクチュエータを３％圧縮するのに有効な印加された力から磁気アクチュエータを２０％圧縮するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の磁気アクチュエータの圧縮が、印加された力のウィンドウにわたる印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0051】
いくつかの実施形態では、磁気計に対してｘ－ｙ平面内の磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して増加し、線形である磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気計に対してｚ軸に沿って磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して増加し、線形である磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気計に対してｘ－ｙ平面内の磁気アクチュエータに印加される力は、印加される力に対して増加し、線形である磁場応答を生成し、磁気計に対してｚ軸に沿って磁気アクチュエータに印加された力は、印加された力に対して増加し、線形である磁場応答を生成する。
【0052】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定することができ、そのため磁気計に対してｘ－ｙ平面において印加された力の下、磁気アクチュエータのせん断は、印加された力に対して、増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大の断面寸法よりも小さい最大の断面寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの最大断面寸法は、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面寸法の５％～８０％であり得る。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％せん断されるとき、磁気計の最大断面寸法よりも小さい最大断面寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの最大断面寸法は、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％せん断されるとき、磁気計の最大断面寸法の５０％～９０％であり得る。
【0053】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有することができる。磁気アクチュエータの最大断面積は、磁気アクチュエータが印加された力を受けないとき、磁気計の最大断面積の５０％～９０％であり得る。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％せん断されるとき、磁気計の最大断面積よりも小さい最大断面積を有する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータの最大断面積は、磁気アクチュエータが印加された力の下で４０％せん断されるとき、磁気計の最大断面積の５０％～９０％である。
【0054】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため５％の磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、４０％の磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の磁気アクチュエータのせん断が、印加された力のウィンドウにわたる印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータ及び磁気計は、互いに対してサイズ決定されており、そのため３％の磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力から、２０％の磁気アクチュエータのせん断歪みを誘導するのに有効な印加された力までの範囲にわたる印加された力のウィンドウ下の磁気アクチュエータのせん断が、印加された力のウィンドウにわたる印加された力に対して増加し、かつ比例するか、又は減少し、かつ比例する磁場応答を生成する。
【0055】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、１ｍｍ～２５ｍｍの最大断面寸法を有することができる。例えば、１ｍｍ～５ｍｍ、１ｍｍ～１０ｍｍ、１ｍｍ～１５ｍｍ、１ｍｍ～２０ｍｍ、５ｍｍ～２０ｍｍ、５ｍｍ～１５ｍｍ、１０ｍｍ～２５ｍｍ、又は１０ｍｍ～２０ｍｍである。
【0056】
いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、実質的に円形の水平断面形状、円筒形の形状、又は実質的に円錐形の形状であり得る。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、実質的に円形の水平断面を有する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、実質的に円筒形の形状を有する。いくつかの実施形態では、磁気アクチュエータは、実質的に円錐形の形状を有する。
【0057】
いくつかの実施形態では、スタンドオフ距離は、例えば、０ｍｍ超～１．５ｍｍ、０ｍｍ超～３ｍｍ、１ｍｍ超～５ｍｍ、１超～３ｍｍ、又は２ｍｍ超～５ｍｍなど、０ｍｍ超～５ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、スタンドオフ距離は、印加された力で１００μＴ超の磁場応答などの測定可能な信号を提供するように選択することができる。いくつかの実施形態では、スタンドオフ距離が存在しない場合がある。
【0058】
いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマー樹脂、剛性材料、又はこれらの任意の組み合わせから形成され得る。いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマー樹脂から形成することができる。いくつかの実施形態では、スペーサは、エラストマースペーサであり得る。
【0059】
いくつかの実施形態では、エラストマーハウジングは、エラストマー樹脂から形成される。いくつかの実施形態では、エラストマースペーサは、エラストマー樹脂から形成することができる。
【0060】
いくつかの実施形態では、スペーサは、剛性材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、スペーサがエラストマー樹脂から形成されるとき、スペーサは、磁気アクチュエータを部分的に、又は完全に囲むハウジングの一部分を含む。いくつかの実施形態では、エラストマースペーサは、磁気アクチュエータを部分的に、又は完全に囲むハウジングの一部分を含む。
【0061】
いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、シリカ粒子などの非磁性フィラーを更に含む。いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、架橋可能なシリコーン組成物などの架橋可能な組成物を含む。いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含む。いくつかの実施形態では、センサは、磁気計とエラストマースペーサの遠位端部との間に配設され、それによって、磁気計とエラストマースペーサの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成する剛性スペーサを更に含むことができ、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０超のショアＡ硬度及び／若しくは１０超のショアＤ硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。いくつかの他の実施形態では、センサは、磁気計とエラストマーハウジングの遠位端部との間に配設された剛性スペーサを更に備え、それによって、磁気計とエラストマーハウジングの遠位端部との間にスタンドオフ距離を作成し、剛性スペーサは、硬質プラスチック、木材、ガラス、非磁性金属、又は７０Ａ超若しくは１０Ｄ超のショア硬度を有する材料などの剛性材料から形成される。
【0062】
いくつかの実施形態では、センサは、磁気計に動作可能に結合され、かつ磁場強度における変化の測定に基づいて、磁気計に印加された力を計算するように構成された、マイクロコントローラ、プロセッサ、又はこれらの組み合わせを更に備える。
【0063】
磁気アクチュエータを形成する複合材料
上で考察されたように、磁気アクチュエータは、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子（例えば、異方性磁性粒子）の集団と、を含む複合材料から形成することができる。
上で考察されたように、磁気アクチュエータは、エラストマー樹脂と、エラストマー樹脂内に分散された磁性粒子（例えば、異方性磁性粒子）の集団と、を含む複合材料から形成することができる。
【0064】
磁性粒子
磁性粒子は、任意の好適な磁性粒子であり得る。
磁性粒子は、任意の好適な磁性粒子であり得る。
【0065】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、磁性微粒子を含む。微粒子は、任意の形状であり得、１マイクロメートル～１５０マイクロメートル（例えば、１マイクロメートル～１００マイクロメートル、又は１マイクロメートル～５０マイクロメートル）の範囲にわたる１つ以上の寸法を有する。いくつかの実施形態では、全ての寸法は、１マイクロメートル～１５０マイクロメートル（例えば、１マイクロメートル～１００マイクロメートル、又は１マイクロメートル～５０マイクロメートル）の範囲であり得る。
【0066】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、ナノ粒子を含むことができる。本明細書で使用される場合、「ナノ粒子」という用語は、概して、１ｎｍ～最大１マイクロメートル、ただし１マイクロメートルを含まず、の範囲にわたる１つ以上の寸法を有する任意の形状の粒子を指す。
【0067】
いくつかの実施形態では、磁性粒子の集団は、磁性粒子の単分散集団である。他の実施形態では、磁性粒子の集団は、異方性磁性粒子の多分散集団である。磁性粒子の集団が多分散であるいくつか場合では、粒子サイズ分布の５０％超、より好ましくは、粒子サイズ分布の６０％、最も好ましくは、粒子サイズ分布の７５％が、中央値粒子サイズの１０％以内にある。
【0068】
磁性粒子は、Ｆｅ、Ｎｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はこれらの組み合わせを含む強磁性合金などの任意の好適な磁性材料を含むことができる。ある特定の実施形態では、磁性粒子は、Ｎｉ粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、磁性粒子は、球形（又は実質的に球形）の磁性粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、磁性粒子は、立方体磁性粒子を含むことができる。他の実施形態では、磁性粒子は、異方性磁性粒子を含むことができる。かかる粒子は、適切な成形リガンドによって駆動される合成、テンプレート支援合成、テンプレート支援電着、及び磁気指向性アセンブリを含む、当該技術分野で既知の方法を使用して形成され得る。かかる材料の例は、例えば、Ｌｉｓｊａｋ ｅｔ ａｌ．“Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅｉｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ａｎｄ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１８，９５、２８６－３２８（これは、異方性磁性粒子のその説明のために参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、この出願に添付される）において説明される。
【0069】
磁性粒子は、全体を通して本質的に均一であり得、これは、組成物が（粒子表面から粒子中心までの）粒子断面全体を通して変化しないことを意味する。代替的に、磁性粒子は、非均一構造を保有することができる。例えば、粒子は、コアシェル構造、又は多層構造（例えば、非磁性シェル材料によってコーティングされた磁性コア）を所有し得る。
【0070】
磁性粒子は、任意の所望の形状を有し得る。ある特定の実施形態では、粒子は、非球形の形状を有し得る。本明細書で概して使用されるように、「非球形」は、少なくとも１：１．１０の比で別の寸法と異なる少なくとも１つの寸法を有する粒子を説明するために使用される。一実施形態では、非球形粒子は、少なくとも１：１．２５の比で別の寸法と異なる少なくとも１つの寸法を有する。多種多様の形状が、「非球形」の形状とみなされる。例えば、非球形粒子は、矩形ディスク、高アスペクト比矩形ディスク、ロッド、高アスペクト比ロッド、ウォーム、扁平楕円形、扁長楕円形、楕円形ディスク、ＵＦＯ、円形ディスク、バレル、弾丸、丸薬、滑車、二凸レンズ、リボン、ラビオリ、フラットピル、双円錐形、ダイヤモンドディスク、剥離ディスク、細長い六角形ディスク、タコス、しわ付き扁長楕円体、しわ付き扁平楕円体、又は多孔質楕円ディスクの形状であり得る。図に例解されるものを超える追加の形状もまた、「非球形」の形状の定義の範囲内である。
【0071】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、ロッド形状粒子を含むことができる。本明細書で使用される場合、「ロッド形状」は、細長い球形又は円筒形の形状（例えば、ピルの形状）又はグリーンビーンの形状などの平坦なロッド形状を有する粒子を指す。ロッド形状粒子は、少なくとも１．２５（例えば、少なくとも１．５、少なくとも２、少なくとも２．５、又は少なくとも５）のアスペクト比を有する。本明細書において使用される場合、「アスペクト比」は、粒子の直径で割った長さを指す。
【0072】
ある特定の実施形態では、粒子は、ロッド形状であり得る。いくつかの実施形態では、ロッド形状の粒子は、少なくとも１．２５（例えば、少なくとも２．５、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２５、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも１５０、少なくとも２００、少なくとも２５０、又はそれ以上）のロッド形状の粒子の長さをロッド形状の粒子の直径で割ったものとして定義されるアスペクト比を有することができる。いくつかの実施形態では、ロッド形状粒子は、５００以下（例えば、２５０以下、２００以下、１５０以下、１００以下、５０以下、２５以下、１５以下、１０以下、５以下、又は２．５以下）のロッド形状粒子の長さをロッド形状粒子の直径で割ったものとして定義されるアスペクト比を有することができる。
【0073】
ロッド形状の粒子は、上で説明された最小値のいずれかから上で説明された最大値のいずれかまでの範囲にわたるアスペクト比を有することができる。ある特定の実施形態では、ロッド形状の粒子は、１．２５～５００（例えば、５～５００、５～２５０、５～１００、５～５００、５～２５０、又は５～１００）のアスペクト比を有することができる。
【0074】
いくつかの実施形態では、ロッド形状の粒子は、少なくとも５ｎｍ（例えば、少なくとも２５ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも３００ｎｍ、少なくとも４００ｎｍ、少なくとも５００、少なくとも６００ｎｍ、少なくとも７００ｎｍ、少なくとも８００ｎｍ、又は少なくとも９００ｎｍ）の平均直径を有することができる。いくつかの実施形態では、ロッド形状の粒子は、９５０ｎｍ以下（例えば、９００ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、７００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、又は２５ｎｍ以下）の平均直径を有することができる。
【0075】
ロッド形状の粒子は、上で説明された最小値のいずれかから上で説明された最大値のいずれかまでの範囲の平均直径を有することができる。ある特定の実施形態では、ロッド形状の粒子は、５０ｎｍ～８００ｎｍ（例えば、５０ｎｍ～５００ｎｍ、又は１００ｎｍ～３００ｎｍ）の平均直径を有することができる。
【0076】
いくつかの実施形態では、ロッド形状の粒子は、少なくとも５００ｎｍ（例えば、少なくとも１マイクロメートル、少なくとも５マイクロメートル、少なくとも１０マイクロメートル、少なくとも１５マイクロメートル、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも２５マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも７５マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、少なくとも１５０マイクロメートル、又は少なくとも２００マイクロメートル）の平均長を有することができる。いくつかの実施形態では、ロッド形状の粒子は、２５０マイクロメートル以下（例えば、２００マイクロメートル以下、１５０マイクロメートル以下、１００マイクロメートル以下、７５マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、２５マイクロメートル以下、２０マイクロメートル以下、１５マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、５マイクロメートル以下、又は１マイクロメートル以下）の平均長さを有することができる。
【0077】
ロッド形状の粒子は、上で説明された最小値のいずれかから上で説明された最大値のいずれかまでの範囲の平均長を有することができる。ある特定の実施形態では、ロッド形状の粒子は、５００ｎｍ～１００マイクロメートル（例えば、１マイクロメートル～２５マイクロメートル）の平均長を有し得る。
【0078】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、異方性磁性粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、磁性粒子の双極子は、磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向される。いくつかの実施形態では、磁性粒子の双極子は、磁気アクチュエータが印加された力の下で１０％～６０％圧縮されるとき、磁気アクチュエータ内で整列及び／又は配向される。
【0079】
磁性粒子は、エラストマー樹脂の総重量に基づいて、０．１重量％～９０重量％、例えば、エラストマー樹脂の総重量に基づいて、５０重量％～９０重量％、４０重量％～８０重量％、３０重量％～７０重量％、２０重量％～６０重量％、１５重量％～５０重量％、０．１重量％～５０重量％、０．１重量％～４０重量％、０．１重量％～３０重量％、０．１重量％～２０重量％、０．１重量％～１０重量％、０．１重量％～５重量％、０．１重量％～２．５重量％、又は０．１重量％～１重量％の量で組成物中に存在し得る。
【0080】
磁性粒子は、組成物の総体積に基づいて、０．０１体積％～２０体積％（例えば、０．０１体積％～１５体積％、０．０１体積％～１０体積％、０．０１体積％～７．５体積％、０．０１体積％～５体積％、０．０１体積％～２．５体積％、又は０．０１体積％～１体積％）の量で組成物中に存在することができる。
【0081】
いくつかの実施形態では、磁性粒子は、エラストマー樹脂全体に均一に分散させることができる。他の実施形態では、磁性粒子は、エラストマー樹脂全体に非均質に分散させることができる。例えば、磁性粒子は、エラストマー樹脂全体にわたって変化する濃度であり得る（例えば、磁気計に近接する領域でより高い濃度であり、磁気計から更に離れた領域でより低い濃度である）。いくつかの実施形態では、磁性粒子の勾配は、エラストマー樹脂内に分散させることができる。
【0082】
エラストマー樹脂
エラストマー樹脂は、付加製造プロセスにおける使用に好適なエラストマー樹脂を含むことができる。かかる材料は、当該技術分野において既知である。いくつかの例では、エラストマー樹脂は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びこれらの組み合わせなどの熱可塑性ポリマーを含むことができる。いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、架橋可能な組成物（例えば、付加製造プロセス中に架橋することができるモノマー、オリゴマー、及び／又はポリマーのブレンド）を含むことができる。用いられる付加製造プロセスに応じて、架橋可能な組成物は、架橋が熱的に及び／又は電磁放射線（例えば、ＵＶ及び／又は可視光）を照射することによって誘導され得るように選択することができる。ある特定の実施形態では、エラストマー樹脂は、架橋可能なシリコーン組成物を含むことができる。例えば、エラストマー樹脂は、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含むことができる。好適なシリコーン組成物は、当該技術分野で既知である。例えば、これらの各々が、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｄｏｗ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ Ｃｏｒｐ．への米国特許第１０，１５５，８８４号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１７／０３１２９８１号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１８／０３７０１４１号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１８／００６６１１５号、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．への米国特許出願公開第２０１８／０１８６０７６号、及びＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ＬＬＣへの米国特許出願公開第２０１９／０１００６２６号を参照されたい。他の好適なエラストマー樹脂は、例えば、コーネル大学への米国特許出願公開第２０１６／０３１９１５０号に記載されている。
エラストマー樹脂は、付加製造プロセスにおける使用に好適なエラストマー樹脂を含むことができる。かかる材料は、当該技術分野において既知である。いくつかの例では、エラストマー樹脂は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、及びこれらの組み合わせなどの熱可塑性ポリマーを含むことができる。いくつかの実施形態では、エラストマー樹脂は、架橋可能な組成物（例えば、付加製造プロセス中に架橋することができるモノマー、オリゴマー、及び／又はポリマーのブレンド）を含むことができる。用いられる付加製造プロセスに応じて、架橋可能な組成物は、架橋が熱的に及び／又は電磁放射線（例えば、ＵＶ及び／又は可視光）を照射することによって誘導され得るように選択することができる。ある特定の実施形態では、エラストマー樹脂は、架橋可能なシリコーン組成物を含むことができる。例えば、エラストマー樹脂は、（Ａ）分子当たり少なくとも２つのエチレン系不飽和部分を有する第１の有機ケイ素化合物と、任意選択的に、（Ｂ）１つ以上の追加の有機ケイ素化合物と、を含むことができる。好適なシリコーン組成物は、当該技術分野で既知である。例えば、これらの各々が、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｄｏｗ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ Ｃｏｒｐ．への米国特許第１０，１５５，８８４号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１７／０３１２９８１号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１８／０３７０１４１号、Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧへの米国特許出願公開第２０１８／００６６１１５号、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．への米国特許出願公開第２０１８／０１８６０７６号、及びＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ＬＬＣへの米国特許出願公開第２０１９／０１００６２６号を参照されたい。他の好適なエラストマー樹脂は、例えば、コーネル大学への米国特許出願公開第２０１６／０３１９１５０号に記載されている。
【0083】
任意選択的に、組成物は、更に、任意選択的に、非磁性フィラーであり得る。非磁性フィラーは、例えば、有機フィラー、無機フィラー、セラミック粉末、又はこれらの組み合わせであり得る。有機フィラーは、限定されるものではないが、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのポリマーであり得る。有機フィラーはまた、本質的に非晶質又は結晶性のいずれかのより小さい分子であり得、様々な形状及びサイズであり得る。無機フィラー又はセラミック粉末は、硬化化学と適合する任意の無機化合物であり得る。限定されるものではないが、例としては、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムなどが挙げられる。２つ以上の無機又は有機と無機フィラーとの混合物もまた好適である。
【0084】
非磁性フィラーを含む実施形態では、非磁性フィラーは、組成物の任意の好適な重量％、例えば、約０．０１重量％～約９０重量％、約１重量％～約８０重量％、約５重量％～約８０重量％、約１０重量％～約８０重量％、約１５重量％～約８０重量％、約２５重量％～約８０重量％、約３０重量％～約８０重量％、約４０重量％～約８０重量％、約５０重量％～約７５重量％、約５５重量％～約７５重量％、約６０重量％～約７０重量％、代替的に、約０．１重量％、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１８、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、又は約７０重量％以上として存在することができる。
【0085】
非磁性フィラーは、任意の好適な粒子サイズ、例えば、平均最長寸法などの粒子の最長寸法を有することができる。例えば、非磁性フィラーは、約５～約１００、約１０～約９０、約２０～約８０、約３０～約７０、約４０～約６０、又は約５０マイクロメートル、代替的に、５マイクロメートル以下、代替的に、１００マイクロメートル以上の一次粒子サイズを有することができる。本明細書で使用される場合、「一次」粒子サイズは、非集塊状状態の実際の粒子を指し、これは、任意選択的に、より大きい「二次」粒子を形成するために集塊状となり得る。
【0086】
組成物のいずれも、任意選択的かつ独立して、追加の含有物又は成分（「添加剤」）を更に含み得る。追加の含有物の例としては、限定されるものではないが、接着促進剤、染料、顔料、抗酸化剤、架橋のための開始剤、担体ビヒクル、熱安定剤、難燃剤、チキソトロピック剤、フロー制御添加剤、阻害剤、伸長及び強化フィラー、並びに架橋剤が挙げられる。１つ以上の添加剤は、組成物の任意の好適な重量％、例えば、組成物の約０．１重量％～約１５重量％、約０．５重量％～約５重量％、又は約０．１重量％以下、約１重量％、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、若しくは約１５重量％以上として存在することができる。
【実施例】
【0087】
実施例１：原理の証明センサ
概要
圧縮又はせん断事象の大きさ及び速度を検出することは、機密機器又は更に人体によって経験される力を評価するための貴重なデータを提供することができる。圧縮センサは、従来、大きいサイズのセンサ、三次元感知能力の欠如、剛性構成要素の必要性、又は圧縮下での軟質複合材料の配向又は変形に関連する信号品質の問題に起因して、ウェアラブル技術などの分野での使用が限定されてきた。具体的には、材料の変形を感知するために磁気計と対になった軟質磁性複合材料は、かかる問題によって妨げられている。ここで、実験は、センサ性能を最適化するために、様々な形状、サイズ、磁性フィラー濃度、及び磁気計への配向の軟質シリコーン磁性粉末複合材料を評価した。より小さい直径（≦２．５ｍｍ）の円筒形の形状の磁気素子を有するセンサは、３ｍｍｘ３ｍｍの磁気計と対になるとき、圧縮に対して線形応答を呈した。試験した最高濃度である８０重量％の磁性粉末で構成された軟質磁気素子は、最大の感度を有した。これらの研究からのパラメータを使用して、フットボールヘルメットに一体化されたセンサを設計し、着用中の頭部衝突からの三次元力データを首尾よく記録し、ウェアラブル技術用途におけるそのようなセンサの可能性を実証した。
概要
圧縮又はせん断事象の大きさ及び速度を検出することは、機密機器又は更に人体によって経験される力を評価するための貴重なデータを提供することができる。圧縮センサは、従来、大きいサイズのセンサ、三次元感知能力の欠如、剛性構成要素の必要性、又は圧縮下での軟質複合材料の配向又は変形に関連する信号品質の問題に起因して、ウェアラブル技術などの分野での使用が限定されてきた。具体的には、材料の変形を感知するために磁気計と対になった軟質磁性複合材料は、かかる問題によって妨げられている。ここで、実験は、センサ性能を最適化するために、様々な形状、サイズ、磁性フィラー濃度、及び磁気計への配向の軟質シリコーン磁性粉末複合材料を評価した。より小さい直径（≦２．５ｍｍ）の円筒形の形状の磁気素子を有するセンサは、３ｍｍｘ３ｍｍの磁気計と対になるとき、圧縮に対して線形応答を呈した。試験した最高濃度である８０重量％の磁性粉末で構成された軟質磁気素子は、最大の感度を有した。これらの研究からのパラメータを使用して、フットボールヘルメットに一体化されたセンサを設計し、着用中の頭部衝突からの三次元力データを首尾よく記録し、ウェアラブル技術用途におけるそのようなセンサの可能性を実証した。
【0088】
序論
軟質磁気センサは、軟質材料の圧縮中に埋め込まれた磁性材料が磁気計に対して移動する際に、磁場の変化を検出することによって動作する。軟質磁気センサの以前の設計には限界があり、そのため、敏感な構成要素又はウェアラブル技術用途における力を正確かつ信頼性の高い方法で検出することを妨げる。例えば、ほとんどの以前のセンサは、耐久性の問題を作り出す剛性永久磁石（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ｂ；Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）を利用した（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ａ）。クッションが典型的な靴のインソールよりも著しく厚く作製されていない限り、靴のインソール内に埋め込まれている場合など、センサと人との間の強力な接触が不快感を引き起こす用途に大型の固体磁石は適していない（Ｊｏｈｎｓｏｎ ａｎｄ Ｏｚｋａｎ；Ｌａｍ ｅｔ ａｌ．２０１７）。
軟質磁気センサは、軟質材料の圧縮中に埋め込まれた磁性材料が磁気計に対して移動する際に、磁場の変化を検出することによって動作する。軟質磁気センサの以前の設計には限界があり、そのため、敏感な構成要素又はウェアラブル技術用途における力を正確かつ信頼性の高い方法で検出することを妨げる。例えば、ほとんどの以前のセンサは、耐久性の問題を作り出す剛性永久磁石（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ｂ；Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）を利用した（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ａ）。クッションが典型的な靴のインソールよりも著しく厚く作製されていない限り、靴のインソール内に埋め込まれている場合など、センサと人との間の強力な接触が不快感を引き起こす用途に大型の固体磁石は適していない（Ｊｏｈｎｓｏｎ ａｎｄ Ｏｚｋａｎ；Ｌａｍ ｅｔ ａｌ．２０１７）。
【0089】
力が印加された場合に準拠しながらも高い磁束を維持する材料が所望される。残念ながら、シリコーン磁性粉末複合材料で構成された軟質センサもまた信号品質の問題を経験し（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ ２０１９）、高い力を正確に感知するために必要な感度が不足しており（Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９）、せん断力を正確に感知する能力を表示するものはない。以前の報告では、更に圧縮する前に特定レベルの力を下回る動作を必要とするセンサを用いて、信号を減少させた（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ及びＡｇｈｅｌｉ ２０１９）。センサ内の磁気素子が圧縮下で変形したため、磁気双極子の不整列が仮定された。我々は、研究における最小の磁気素子が最大の力を感知することができるため、磁気素子の幾何学的形状もまた、大きすぎる可能性があると仮定した。
【0090】
軟質磁気センサはまた、圧縮に加えてせん断力を検出する機会を提示する。例えば、せん断は、適切に設計された軟質磁気素子と対になった三軸磁気計を使用して検出することができるが、かかるセンサはまだ報告されていない。これは、磁気素子の幾何学形状又はセンサ及び磁気素子の不適切な配向によって引き起こされる問題に起因する可能性が高い。確かに、ウェアラブル技術用途に適した軟質三次元力センサは実現されていない。
【0091】
したがって、軟質磁気センサは、以前の報告において提示された信号品質の問題を克服しながら、ウェアラブル技術に好適な特性を達成することを考慮して製作された。磁気素子の複数の幾何学形状及び磁性フィラー濃度を調査した。磁気素子内に埋め込まれた磁性粒子の双極子を整列させるための方法も調査された。磁気計の場所に対する磁気素子の相対位置を評価した。最後に、センサの設計上の考慮事項がコンパイルされ、ウェアラブル技術用途において使用された。
【0092】
方法
センサの設計及び製作
全てのセンサは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）シリコーンゴムエラストマー（Ｓｙｌｇａｒｄ １８４、２０：１塩基対硬化剤比、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ；Ｐｅｖｅｌｙ，ＭＯ，ＵＳＡ）で構成される直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円筒であり、シリコーン磁性粉末複合材料で構成される構築物の別個の円筒形又は円錐形の部分であった。複合材料中で使用される磁性粉末は、平均粒子サイズ＜１０μｍのネオジム鉄ホウ素合金（ＮｄＦｅＢ）であった（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ，ＣＡ，ＵＳＡ）。センサの磁気素子のための最も有効な幾何学形状は、調査の主な問題であったため、この磁気素子の幾何学形状は可変的であった。センサは、直径２、３、４、及び５ｍｍ、高さ２、３、及び４ｍｍの円筒形磁気素子、ベース直径３、４、及び５ｍｍ、高さ３、及び４ｍｍの円錐形磁気素子で製作した。センサは、規則：直径×高さ形状に従って、その磁気素子の幾何学的形状によって識別され、そのため直径２ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形状の磁気素子を有するセンサが、２×４円筒センサとラベル付けされた。
センサの設計及び製作
全てのセンサは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）シリコーンゴムエラストマー（Ｓｙｌｇａｒｄ １８４、２０：１塩基対硬化剤比、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ；Ｐｅｖｅｌｙ，ＭＯ，ＵＳＡ）で構成される直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円筒であり、シリコーン磁性粉末複合材料で構成される構築物の別個の円筒形又は円錐形の部分であった。複合材料中で使用される磁性粉末は、平均粒子サイズ＜１０μｍのネオジム鉄ホウ素合金（ＮｄＦｅＢ）であった（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ，ＣＡ，ＵＳＡ）。センサの磁気素子のための最も有効な幾何学形状は、調査の主な問題であったため、この磁気素子の幾何学形状は可変的であった。センサは、直径２、３、４、及び５ｍｍ、高さ２、３、及び４ｍｍの円筒形磁気素子、ベース直径３、４、及び５ｍｍ、高さ３、及び４ｍｍの円錐形磁気素子で製作した。センサは、規則：直径×高さ形状に従って、その磁気素子の幾何学的形状によって識別され、そのため直径２ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形状の磁気素子を有するセンサが、２×４円筒センサとラベル付けされた。
【0093】
製作は、２工程の成形プロセスを介して達成された。第１の工程の成形型は、平坦なプラスチック表面上に３Ｄ印刷することによって作成された（図１Ａ）。各成形型は、プロセスの工程２中にシリコーン磁性粉末複合材料によって充填される空洞を残すために、所望の磁気素子の幾何学形状に従う寸法のペグを含んだ。液体シリコーン前駆体を各成形型に注ぎ、成形型を歪ませないように周囲条件で４８時間硬化させた。硬化後、シリコーンを成形型から取り出した。別段の指示がない限り、磁性粉末を、液体シリコーン前駆体と１：１の比（５０重量％磁性フィラー濃度）で混合し、各シリコーン構造内の空洞に分配した。液体シリコーン磁性粉末複合材料を有するこれらのシリコーン円筒を、液体シリコーン内の磁性粉末の沈降させないように、６０℃で２時間硬化させた。
【0094】
磁気双極子の整列
シリコーン磁性粉末複合材料を作成するとき、シリコーンが硬化している間（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ ２０１９；Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９）、又はシリコーンが硬化した後（Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．２０１８）に、磁性材料の双極子を整列させることが可能である。この調査のために、シリコーンが硬化された後、磁性粒子の双極子を整列させて、センサの変形下での粒子双極子の不整列が信号を破損させるかどうかを試験した。圧縮試験は、２つの異なる磁気双極子整列スキームの下で、センサ上で実施された。第一に、磁気双極子は、センサの両側に強力な永久磁石（約６５０ｍＴ）を配置することによって整列され、センサは、元の１０ｍｍ×５ｍｍ円筒形成形型の外側部分内に配置され、そのため磁化されている間、センサは元の形状を維持した（図１Ｄ）。この方法を使用して、センサが圧縮されていない間、磁性粒子双極子は垂直方向に整列されるであろう。このため、センサの圧縮中の磁気素子の変形は、粒子双極子の不整列を引き起こす。第２の磁気双極子整列スキームは、センサが２つの磁石を引き付ける力によって約４０％歪むように、元の成形型円筒なしで同じ強力な永久磁石の間にセンサを配置することを伴った（図１Ｅ）。この構成は、センサが圧縮される間、垂直方向に磁気双極子を整列させた。したがって、磁気双極子は、センサ圧縮時に垂直方向において整列される。センサの変形は、それらを不整列にさせるのではなく、垂直方向に双極子を整列させるように働くべきであるため、信号強度は、第２の構成でより強力であろうと仮定される。
シリコーン磁性粉末複合材料を作成するとき、シリコーンが硬化している間（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ ２０１９；Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９）、又はシリコーンが硬化した後（Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．２０１８）に、磁性材料の双極子を整列させることが可能である。この調査のために、シリコーンが硬化された後、磁性粒子の双極子を整列させて、センサの変形下での粒子双極子の不整列が信号を破損させるかどうかを試験した。圧縮試験は、２つの異なる磁気双極子整列スキームの下で、センサ上で実施された。第一に、磁気双極子は、センサの両側に強力な永久磁石（約６５０ｍＴ）を配置することによって整列され、センサは、元の１０ｍｍ×５ｍｍ円筒形成形型の外側部分内に配置され、そのため磁化されている間、センサは元の形状を維持した（図１Ｄ）。この方法を使用して、センサが圧縮されていない間、磁性粒子双極子は垂直方向に整列されるであろう。このため、センサの圧縮中の磁気素子の変形は、粒子双極子の不整列を引き起こす。第２の磁気双極子整列スキームは、センサが２つの磁石を引き付ける力によって約４０％歪むように、元の成形型円筒なしで同じ強力な永久磁石の間にセンサを配置することを伴った（図１Ｅ）。この構成は、センサが圧縮される間、垂直方向に磁気双極子を整列させた。したがって、磁気双極子は、センサ圧縮時に垂直方向において整列される。センサの変形は、それらを不整列にさせるのではなく、垂直方向に双極子を整列させるように働くべきであるため、信号強度は、第２の構成でより強力であろうと仮定される。
【0095】
圧縮及びせん断試験
ＭＬＸ９０３９３三軸磁気計ブレイクアウト基板（Ａｄａｆｒｕｉｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｃｉｔｙ，ＮＹ，ＵＳＡ）を、Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラに配線し、Ｉ２Ｃを介してコンピュータにデータを通信した。ブレイクアウト基板の表面を、磁気計チップの周りのセンサ構築物の望ましくない変形を回避するために、ポリウレタンを使用して磁気計チップで水平にした（図１Ｂ）。磁気計基板を、両面テープを使用してＥｌｅｃｔｒｏｆｏｒｃｅ５５００（ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｅｄｅｎ Ｐｒａｉｒｉｅ，ＭＮ，ＵＳＡ）の底部幾何学形状に実装した。その後、センサを磁気計の上に配置し、センサの上側に接触するまで、ＥｌｅｃｔｒｏＦｏｒｃｅ５５００の軸方向移動子を下げた。パイロット研究が、磁気素子と磁気計の表面との間に隙間を残さないことが、信号強度を大幅に低下させることを示したので、センサは、磁気素子と磁気計との間に少なくとも１ｍｍの空間を与えて、磁気素子が磁気計から離れるように配向した。圧縮力は、試料上の圧縮変位の０．５ｍｍ～２．５ｍｍの増分で軸方向移動子を変位させることによって加えられ（図１Ｆ）、一致する減圧工程において０変位に戻された。各工程を、２．５ｍｍ変位工程を２０秒間維持したことを除き、１０秒間保持した（図２）。
ＭＬＸ９０３９３三軸磁気計ブレイクアウト基板（Ａｄａｆｒｕｉｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｃｉｔｙ，ＮＹ，ＵＳＡ）を、Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラに配線し、Ｉ２Ｃを介してコンピュータにデータを通信した。ブレイクアウト基板の表面を、磁気計チップの周りのセンサ構築物の望ましくない変形を回避するために、ポリウレタンを使用して磁気計チップで水平にした（図１Ｂ）。磁気計基板を、両面テープを使用してＥｌｅｃｔｒｏｆｏｒｃｅ５５００（ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｅｄｅｎ Ｐｒａｉｒｉｅ，ＭＮ，ＵＳＡ）の底部幾何学形状に実装した。その後、センサを磁気計の上に配置し、センサの上側に接触するまで、ＥｌｅｃｔｒｏＦｏｒｃｅ５５００の軸方向移動子を下げた。パイロット研究が、磁気素子と磁気計の表面との間に隙間を残さないことが、信号強度を大幅に低下させることを示したので、センサは、磁気素子と磁気計との間に少なくとも１ｍｍの空間を与えて、磁気素子が磁気計から離れるように配向した。圧縮力は、試料上の圧縮変位の０．５ｍｍ～２．５ｍｍの増分で軸方向移動子を変位させることによって加えられ（図１Ｆ）、一致する減圧工程において０変位に戻された。各工程を、２．５ｍｍ変位工程を２０秒間維持したことを除き、１０秒間保持した（図２）。
【0096】
せん断力の検出のための試験はまた、適合された設定を有するＥｌｅｃｔｒｏｆｏｒｃｅ５５００でも実施された（図１Ｇ）。磁気計に対するセンサ構築物の構成は、圧縮試験と一致した。センサの上部を、Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｃｅ５５００の軸方向移動子に接続された３Ｄ印刷アダプタに押圧した。軸方向移動子を、両方のＹ軸方向に合計１ｍｍの変位のために、０．５ｍｍ工程で変位させた。各工程を、１０秒間維持した（図３Ａ、図３Ｃ）。
【0097】
３軸全てからの磁気計の読み取り値、並びに時間及び軸方向移動子の変位を、各試験中に収集した。Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｃｅ５５００の底部幾何学形状に取り付けられたロードセルは、全ての圧縮試験中に力データを収集したが、せん断試験中に力を収集することはできなかった。
【0098】
フットボールヘルメットの一体化及び実証
８０重量％の磁性フィラーを有する２．５×４円筒センサを、ヘルメットの額パッドに直径１０ｍｍ×高さ５ｍｍの空洞を切り取り、センサを空洞内に固定することによって、フットボールヘルメット（Ｒｉｄｄｅｌｌ；Ｒｏｓｅｍｏｎｔ，ＩＬ）に一体化させた。磁気計をセンサに固定し、ＷＩＦＩ対応マイクロコントローラモジュール（Ｍ５Ｓｔｉｃｋ－Ｃ、Ｍ５Ｓｔａｃｋ、Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｃｈｉｎａ）を使用してデータを２９Ｈｚのサンプリングレートで近くのコンピュータにワイヤレスで通信した。ヘルメット内センサは、垂直に取り付けられ、ヘルメットを着用している間に、異なる角度からいくつかのヘルメット－力プレートの衝突を実施することによって、２ｋＨｚの速度でサンプリングされた三次元力プレート（４０６０－０８、Ｂｅｒｔｅｃ、Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡ）に対して較正された。力プレートからの力データ（Ｎ）は、ヘルメット内センサからのデータと一致するようにダウンサンプリングされ、較正回帰方程式は、衝突中にヘルメット内センサからの未加工の磁場強度読み取り値（μＴ）に対してプロットされた力プレート読み取り値に適合した。ヘルメットが着用されている間に、垂直に取り付けられた三次元力プレートに異なる角度から衝突を与えた１３の実験が実施された。
８０重量％の磁性フィラーを有する２．５×４円筒センサを、ヘルメットの額パッドに直径１０ｍｍ×高さ５ｍｍの空洞を切り取り、センサを空洞内に固定することによって、フットボールヘルメット（Ｒｉｄｄｅｌｌ；Ｒｏｓｅｍｏｎｔ，ＩＬ）に一体化させた。磁気計をセンサに固定し、ＷＩＦＩ対応マイクロコントローラモジュール（Ｍ５Ｓｔｉｃｋ－Ｃ、Ｍ５Ｓｔａｃｋ、Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｃｈｉｎａ）を使用してデータを２９Ｈｚのサンプリングレートで近くのコンピュータにワイヤレスで通信した。ヘルメット内センサは、垂直に取り付けられ、ヘルメットを着用している間に、異なる角度からいくつかのヘルメット－力プレートの衝突を実施することによって、２ｋＨｚの速度でサンプリングされた三次元力プレート（４０６０－０８、Ｂｅｒｔｅｃ、Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡ）に対して較正された。力プレートからの力データ（Ｎ）は、ヘルメット内センサからのデータと一致するようにダウンサンプリングされ、較正回帰方程式は、衝突中にヘルメット内センサからの未加工の磁場強度読み取り値（μＴ）に対してプロットされた力プレート読み取り値に適合した。ヘルメットが着用されている間に、垂直に取り付けられた三次元力プレートに異なる角度から衝突を与えた１３の実験が実施された。
【0099】
統計分析
各軸からの磁場強度読み取り値（μＴ）は、変位が０のとき、各試験の最初の５秒間に記録された平均信号を差し引くことによって正規化した。各センサの性能を考慮するとき、いくつかの測定基準を使用した。圧縮試験中のセンサのピークの大きさは、磁気計のＺ軸からのピーク観測磁場強度の読み取り値とみなされ、Ｙ軸からのピーク観測読み取り値の絶対値の平均は、せん断試験中に両方向において使用された。磁場応答と印加される圧縮力との間の関係の相関係数は、力の観点から直線性を考慮し、磁場応答と軸移動子の変位との関係の相関係数は、変位の観点から直線性を考慮した。
各軸からの磁場強度読み取り値（μＴ）は、変位が０のとき、各試験の最初の５秒間に記録された平均信号を差し引くことによって正規化した。各センサの性能を考慮するとき、いくつかの測定基準を使用した。圧縮試験中のセンサのピークの大きさは、磁気計のＺ軸からのピーク観測磁場強度の読み取り値とみなされ、Ｙ軸からのピーク観測読み取り値の絶対値の平均は、せん断試験中に両方向において使用された。磁場応答と印加される圧縮力との間の関係の相関係数は、力の観点から直線性を考慮し、磁場応答と軸移動子の変位との関係の相関係数は、変位の観点から直線性を考慮した。
【0100】
力プレートに関するヘルメット内センサの信頼性は、ヘルメット内センサ及び力プレートからの衝突の一次軸（すなわち、直線衝突の場合はｚ軸、角度付き衝突の場合はｘ軸）で測定したピーク力のクラス間相関係数（ＩＣＣ）によって評価した。加えて、ヘルメット内センサと力プレートとの間のピーク力読み取りのパーセント誤差を、各衝突に関して計算した。
【0101】
結果
圧縮試験結果
軟質磁性センサは、より大きいＰＤＭＳ円筒構築物内に埋め込まれた磁気素子として、ネオジム粉末で重点されたＰＤＭＳの異なる形状（円筒、円錐）を使用して構築された（図１）。これらの磁気素子は、センサが変形した際の磁場強度及び方向における変化を測定するために磁気計に近接して配置された（表１）。試験の前に、磁気素子が非圧縮であるか、又は約４０％の歪みに圧縮されたとき、希土類磁石を使用して、磁気粉末フィラーを磁化した。全てのセンサは、センサが圧縮されている間に磁性粒子の双極子が整列されたとき、かなり感度が高かった。各センサ設計に対するピークの大きさは、センサが圧縮されていない間に垂直に配向された磁性粒子双極子で実施された試験と比較して、５３％～２１７％増加した。磁気双極子整列中にセンサを圧縮すると、磁気素子の変形が、磁気計との双極子の不整列を引き起こし、その結果、磁場強度における低下を引き起こす、前述の問題に有効である（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ及びＡｇｈｅｌｉ ２０１９）。したがって、全ての更なる結果は、センサが圧縮されている間に、磁性粒子双極子が整列した状態のセンサからのみ提示される。
圧縮試験結果
軟質磁性センサは、より大きいＰＤＭＳ円筒構築物内に埋め込まれた磁気素子として、ネオジム粉末で重点されたＰＤＭＳの異なる形状（円筒、円錐）を使用して構築された（図１）。これらの磁気素子は、センサが変形した際の磁場強度及び方向における変化を測定するために磁気計に近接して配置された（表１）。試験の前に、磁気素子が非圧縮であるか、又は約４０％の歪みに圧縮されたとき、希土類磁石を使用して、磁気粉末フィラーを磁化した。全てのセンサは、センサが圧縮されている間に磁性粒子の双極子が整列されたとき、かなり感度が高かった。各センサ設計に対するピークの大きさは、センサが圧縮されていない間に垂直に配向された磁性粒子双極子で実施された試験と比較して、５３％～２１７％増加した。磁気双極子整列中にセンサを圧縮すると、磁気素子の変形が、磁気計との双極子の不整列を引き起こし、その結果、磁場強度における低下を引き起こす、前述の問題に有効である（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ及びＡｇｈｅｌｉ ２０１９）。したがって、全ての更なる結果は、センサが圧縮されている間に、磁性粒子双極子が整列した状態のセンサからのみ提示される。
【0102】
代表的な磁気素子幾何学形状を有するいくつかのセンサの例示的な圧縮試験データが、図２に提示される。全てのセンサは、圧縮事象の速度、持続時間、及び大きさをある程度検出することができた。しかしながら、変位及び力に関する応答の感度及び応答の直線性は、異なる磁気素子の幾何学形状間で広く変化した（表１）。より大きい体積の磁気素子を有するセンサは、概して、あるレベルの圧縮で失敗し、そのため圧縮における更なる増加は、以前に報告されたように、信号の増加又は逆転をもたらさなかった（図４）。力に関する各センサのピークの大きさ及びその磁気応答の直線性は、図４Ｃ～図４Ｄの磁気素子の体積に対してプロットされる。これらの関係は、より大きい磁気素子の体積が実際に信号品質に有害であることを示した。
【0103】
２×４円筒センサは、最大のピークの大きさ２，７４８μＴを表示したため、圧縮事象を感知するための最も感度の高い設計であった。このセンサは、変位と力の両方に関する応答の直線性を含む他の全ての測定基準に従っても良好に実施した（表１）。最大の磁気素子、５×４円筒センサで設計されたセンサは、逆説的に、全てのセンサの中で最小のピークの大きさ（７６６μＴ）を有し、考慮される他の全ての測定基準によって不十分に実施された。このセンサは、更なる圧縮が信号方向における反転をもたらす前に、最大約１ｍｍ（２０％歪み）の圧縮のみを感知することができた（図２Ｄ）。
【表1】
【0104】
せん断試験結果
代表的な磁気素子幾何学形状に関する例示的なせん断変位試験データが図３Ａ及び図３Ｃに提示される。表１は、せん断変位の２つの方向にわたって平均化されたＹ軸からのピーク応答を表示する。全てのセンサは、せん断変位事象の速度、持続時間、及び大きさを適切に検出し、圧縮事象の感知中のより大きい磁気素子体積について考察された、信号品質の問題を提示したセンサ設計はなかった。せん断変位に関する応答の直線性は、全てのセンサ設計についてｒ＝０．９９８超であった。
代表的な磁気素子幾何学形状に関する例示的なせん断変位試験データが図３Ａ及び図３Ｃに提示される。表１は、せん断変位の２つの方向にわたって平均化されたＹ軸からのピーク応答を表示する。全てのセンサは、せん断変位事象の速度、持続時間、及び大きさを適切に検出し、圧縮事象の感知中のより大きい磁気素子体積について考察された、信号品質の問題を提示したセンサ設計はなかった。せん断変位に関する応答の直線性は、全てのセンサ設計についてｒ＝０．９９８超であった。
【0105】
より大きい磁気素子体積センサからのより不十分な性能に関する傾向は、せん断力の感知には適用されなかった。直径４ｍｍ×高さ４ｍｍの円筒磁気素子を有するセンサは、ピークの大きさ５７０μＴの最も感度の高い設計であった。加えて、高さ４ｍｍの全ての円筒磁気素子は、せん断変位を感知するための他の全てのセンサ設計よりも感度が向上した。２ｍｍｘ４ｍｍの円筒磁気素子は、せん断及び法線の圧縮寸法で良好に実施する。４ｍｍｘ４ｍｍの円筒磁気素子は、せん断変位に関してわずかに大きい感度を有するが、法線の圧縮感知に関する品質は低い。
【0106】
磁石の直径、磁性フィラーの濃度、磁石の場所
より細かい解像度で最適な磁気素子の幾何学形状、及びセンサ感度に対する磁性フィラー濃度の増加の効果を調査するために、追加のセンサが構築された。各センサの磁気素子は、高さが４ｍｍであり、直径は１～３ｍｍ（０．５ｍｍ単位）の範囲にわたり、磁気素子の磁性フィラー濃度は６７重量％及び８０重量％であった。予想どおり、磁性フィラー濃度が高い磁気素子を有するセンサでは、信号強度が著しく増加した。磁性フィラー濃度が６７％及び８０％の２×４円筒センサは、磁気素子の５０％の磁性フィラー濃度を有する同じセンサ設計と比較して、感度がそれぞれ２．３倍及び４．８倍増加したことを示した（図５）。
より細かい解像度で最適な磁気素子の幾何学形状、及びセンサ感度に対する磁性フィラー濃度の増加の効果を調査するために、追加のセンサが構築された。各センサの磁気素子は、高さが４ｍｍであり、直径は１～３ｍｍ（０．５ｍｍ単位）の範囲にわたり、磁気素子の磁性フィラー濃度は６７重量％及び８０重量％であった。予想どおり、磁性フィラー濃度が高い磁気素子を有するセンサでは、信号強度が著しく増加した。磁性フィラー濃度が６７％及び８０％の２×４円筒センサは、磁気素子の５０％の磁性フィラー濃度を有する同じセンサ設計と比較して、感度がそれぞれ２．３倍及び４．８倍増加したことを示した（図５）。
【0107】
２×４円筒センサは、磁性フィラー濃度６７％を有するセンサで試験された他の磁気素子直径を上回り、これは磁性フィラー濃度５０％のセンサにおける元の研究の結果と一致する。１×４円筒及び１．５×４円筒のセンサは、２×４円筒のセンサほど高感度ではなく、２．５×４円筒及び３×４円筒のセンサは、以前に説明した磁気素子直径の大きいセンサに関する典型的な信号品質の問題を表示した。磁性フィラー濃度が８０％のセンサに関して、２．５×４円筒センサが、最高のピークの大きさを表示し、磁性フィラー濃度が６７％の２．５×４円筒センサに存在する信号品質の問題は有しなかった。このため、磁性フィラー濃度を増加させることはまた、鈍化又は逆信号応答を表示することなく、５０％歪みに圧縮することができる磁気素子の最大直径を増加させ得る。これは、圧縮中に発生する磁気素子の変形が少なくなるように、材料を硬化させる磁性フィラーの濃度が高いことに起因する可能性がある。実際、写真測量は、８０％磁性フィラーで構成されたセンサの磁気素子の直径における増加が、５０％磁性フィラー濃度を有するセンサの直径の増加未満であることを示した。５０％の歪みでは、２×４円筒センサの磁気素子の直径は、５０％及び８０％の磁性フィラーで構成される磁気素子に関して、それぞれ７０．６％及び５５．８％増加した。同様に、３×４円筒センサの磁気素子の直径は、５０％及び８０％の磁性フィラーで構成された磁気素子に関して、それぞれ４７．６％及び４１．７％増加した。
【0108】
磁気素子の幾何学形状を一定に保ちながら最適なセンサ高さを調査するために、磁気素子の磁性フィラー濃度が５０％である２×４円筒及び３×４円筒センサを、磁気素子がセンサの底部に露出され、磁気計と直接接触するように、４ｍｍの総センサ高さで構築した。高さが異なるが、センサと同じ材料（すなわち、同じ剛性）及び直径である純粋なシリコーンディスクが、それらが磁気計とセンサとの間にスペーサとして追加されて、総センサ高さを増加させることができるように作成された。各センサ構成を０．５及び０．２５ｍｍの工程で５０％の歪みに圧縮することによって、試験を実施した。２×４円筒センサの場合、センサ全体の高さが増加するにつれて、（歪みに関する）信号の直線性も増加するが、信号の感度は、付随してわずかに減少する（図６Ａ）。３×４円筒の場合、センサの高さが増加するにつれて、信号の直線性が大幅に増加して、センサの全高が６ｍｍを超えるまでセンサの感度もまた増加する（図６Ｂ）。したがって、より大きい磁気素子が適切に機能するために、磁気素子と磁気計との間の空間を増加させる、より高いセンサを必要とするため、最適なセンサ高さは、磁気素子の幾何学的形状によって変化する。しかしながら、全体的なセンサがより高くなると、薄型のセンサを必要とする多くのウェアラブル技術用途にとって不適切であり得る。
【0109】
同様の試験を実験において実施して、シリコーン磁性粉末センサ構築物と磁気計との間の遠隔距離を増加させる効果を定量化した。この実験では、硬質（ポリ乳酸）プラスチックディスクを３Ｄ印刷し、磁気計とセンサとの間のスペーサとして使用して、異なる距離での遠隔感知をシミュレートした（図６Ｃ）。この実験のための全ての試験を、方法において説明された元の研究と同じ設計の３×４円筒センサで実施した（全高５ｍｍ）。磁気計とセンサとの間の遠隔距離を増加させることは、信号の直線性を増加させ、そのため距離が１．５ｍｍ以上であるときに、信号が最大５０％の歪みまで磁場強度における増加を示し続けたが、信号の感度は低減した（図６Ｄ）。間隙（又はセンサの高さ）を増加すると、より大きいセンサ幾何学信号がより線形になる可能性がある。
【0110】
フットボールヘルメットの実証
アメリカンフットボールは、現在米国で行われている他のスポーツよりも多くの脳震盪に関連しており（Ｄａｎｅｓｈｖａｒ ｅｔ ａｌ．２０１１）、頭部衝突の運動学的特性を理解することは、脳震盪を起こした個人を理解し、予防し、適切な治療を提供するための重要な要因であり得る（ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒ ａｎｄ ＭｃＣｒｅａ ２０１７）。現実世界用途における電流センサ設計の有用性を評価するために、磁性フィラー濃度８０％の２．５×４円筒センサを、フットボールヘルメット内の既存のパッドに一体化した。ヘルメット内の追加のパッドは、このセンサを着用者に感知不可能にし、このため、ヘルメット内の磁気センサと比較して、衝突表面上に配置した従来の力を使用したヘルメット衝突の研究を可能にした。
アメリカンフットボールは、現在米国で行われている他のスポーツよりも多くの脳震盪に関連しており（Ｄａｎｅｓｈｖａｒ ｅｔ ａｌ．２０１１）、頭部衝突の運動学的特性を理解することは、脳震盪を起こした個人を理解し、予防し、適切な治療を提供するための重要な要因であり得る（ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒ ａｎｄ ＭｃＣｒｅａ ２０１７）。現実世界用途における電流センサ設計の有用性を評価するために、磁性フィラー濃度８０％の２．５×４円筒センサを、フットボールヘルメット内の既存のパッドに一体化した。ヘルメット内の追加のパッドは、このセンサを着用者に感知不可能にし、このため、ヘルメット内の磁気センサと比較して、衝突表面上に配置した従来の力を使用したヘルメット衝突の研究を可能にした。
【0111】
力ベクトルは、ヘルメット内磁気センサの３つの軸の各々の力－時間曲線を分析することによって、全ての実験で明確に観察可能であった（図８Ａ～図８Ｂ）。センサは、ピーク力について力プレートと優れた一致を表示した（ＩＣＣ＝０．９８１）。加えて、１３回の衝突のうち８回のピーク力は、力プレートと比較したとき、適度に低い誤差（１～１３％）を呈したが、いくつかの衝突は、より大きな誤差（２５～５１％）を有した。センサは、ＩＣＣに従って力プレートとの全体的な高い一致を有し、ほとんどの衝突は正確に測定されたが、高周波成分を含有する衝突を一貫して正確に定量化するには、より高いサンプリングレートが必要とされる可能性がある。全てのヘルメット－力プレートの衝突からのデータは、図９に提示される。
【0112】
考察
複合センサ設計のための信号品質
ＰＤＭＳ内に埋め込まれた磁石又は他の軟質材料を用いるセンサを設計した多くの以前の研究者は、シリコーン磁性粉末複合材料で設計されたセンサ（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ ２０１９；Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９）を含む、磁気素子の変位を使用して印加された力を感知するメカニズムを詳細に説明している（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ｂ、ｂ；Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）。シリコーン磁性粉末複合材料は、硬質永久磁石とは異なり、変形しやすいため、変形中に磁場が逸脱する可能性がある。軟質センサ用途に関するこの事実の意味は、以前にモデル化され、考察されている（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ及びＡｇｈｅｌｉ ２０１９）。著者らは、複合磁気素子内の粒子の磁気双極子が、圧縮下で垂直方向から徐々に逸脱し、これがあるレベルの力（センサ設計に応じて変化する）で観察された信号の方向の逆転に寄与し、その結果、センサがあるレベルの力又は歪みを下回ってのみ動作することができることを示した。本研究では、センサが圧縮されている間に磁性粒子の双極子を整列させたとき、各センサ設計について信号強度における大幅な増加が観察された。このため、増加する圧縮は、双極子を磁気計のＺ軸との整列から離れて移動させるよりも、磁気計のＺ軸と磁気双極子を整列させた。この知見は、シリコーン磁性粉末複合材料を使用する圧縮センサにおいて、磁気双極子の整列を移動させることを考慮しなければならないことを裏付ける。
複合センサ設計のための信号品質
ＰＤＭＳ内に埋め込まれた磁石又は他の軟質材料を用いるセンサを設計した多くの以前の研究者は、シリコーン磁性粉末複合材料で設計されたセンサ（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ ａｎｄ Ａｇｈｅｌｉ ２０１９；Ｈｅｌｌｅｂｒｅｋｅｒｓ ｅｔ ａｌ．２０１９）を含む、磁気素子の変位を使用して印加された力を感知するメカニズムを詳細に説明している（Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．２０１６ｂ、ｂ；Ｒｏｓｌｅ ｅｔ ａｌ．２０１９）。シリコーン磁性粉末複合材料は、硬質永久磁石とは異なり、変形しやすいため、変形中に磁場が逸脱する可能性がある。軟質センサ用途に関するこの事実の意味は、以前にモデル化され、考察されている（Ｍｉｒｚａｎｅｊａｄ及びＡｇｈｅｌｉ ２０１９）。著者らは、複合磁気素子内の粒子の磁気双極子が、圧縮下で垂直方向から徐々に逸脱し、これがあるレベルの力（センサ設計に応じて変化する）で観察された信号の方向の逆転に寄与し、その結果、センサがあるレベルの力又は歪みを下回ってのみ動作することができることを示した。本研究では、センサが圧縮されている間に磁性粒子の双極子を整列させたとき、各センサ設計について信号強度における大幅な増加が観察された。このため、増加する圧縮は、双極子を磁気計のＺ軸との整列から離れて移動させるよりも、磁気計のＺ軸と磁気双極子を整列させた。この知見は、シリコーン磁性粉末複合材料を使用する圧縮センサにおいて、磁気双極子の整列を移動させることを考慮しなければならないことを裏付ける。
【0113】
驚くべきことに、あるレベルの歪みを超えた信号方向の鈍化又は逆転は、磁気双極子整列にかかわらず持続的であったが、この現象は、より大きい体積の磁気素子に限定され、信号品質の問題の更なる考慮を招く。この信号品質に対する第２の損害は、磁気素子の変形に起因する圧縮中の磁性粒子の横方向の変位であった（図７）。ＭＬＸ９０３９３磁気計は、３ｍｍ×３ｍｍの正方形の表面を有し、このため、磁気計表面の境界に向かって又はそれを越えた磁性粒子の妥当な横方向移動は、磁場強度読み取り値を減少させるように作用し得る。本研究における円筒磁気素子に関して、直径２ｍｍ以下（磁気計の幅＜６７％）の磁気素子は、最大５０％の歪みの変形の増加に伴って信号の増加を呈した。写真測量法によると、２×４円筒センサの磁気素子の直径は、磁気計の幅よりもわずかに大きい５０％の歪みで３．３６ｍｍに増加し、この設計のセンサは、主要な信号品質の問題を表示しなかった。しかしながら、３×４円筒センサの信号は、更なる圧縮が磁場強度における低減を引き起こすように、歪み＞４０％で逆転した。写真測量法は、３×４円筒センサの磁気素子の直径が、４０％を上回る歪みにおいて４ｍｍを超えて増加したことを示した。したがって、圧縮により、磁気素子の周囲の磁性粒子が、磁気計のｚ軸から１ｍｍ超で横方向に変位し、その結果生じる位置は、磁気計の境界の１ｍｍ超横方向にある。かかる粒子は、磁場強度における増加とは反対に作用し、より大きい磁気素子を含有するセンサのより高い歪みで優勢な信号（全体的な信号を逆転させる）になる。この規則の単一の例外は、８０％の磁性フィラー濃度を有する２．５ｍｍ直径センサ（磁気計の幅の８３％）であり、最大５０％の歪みまで磁場強度の直線的な増加を表示した。これは、そのより硬い磁気素子に起因する可能性があり、写真測量法が、８０％の磁性フィラー濃度を有する磁気素子のより少ない変形を裏付けた。全体的に、磁気素子の幾何学形状及び磁気計に対するその位置は、圧縮された信号の直線性に主に影響し、一方で、磁性材料の量は、信号の感度又は強度に主に影響する。
【0114】
せん断力感知能力
せん断力又は変位を正確に定量化するための軟質力センサの能力はまた、その分野を進歩させ、生体力学を監視するための用途を広げるであろう。例えば、足底に作用するせん断力は、糖尿病性ニューロパシーを有する患者の足の潰瘍の発症の重要な危険因子であり（Ｗｕ ｅｔ ａｌ．２００７；Ｌａｍ ｅｔ ａｌ．２０１７）、水平面における地面反力の検出は、スポーツ運動の生体力学的分析に望ましい（Ｈｏｌｍ ｅｔ ａｌ．２００８）。最後に、計装されたフットボールヘルメットには、真の三次元力センサは現在利用できないが（Ｓｉｅｇｍｕｎｄ ｅｔ ａｌ．２０１６；Ｍｅｒｒｅｌｌ ｅｔ ａｌ．２０１７）、かかる技術は、外傷性脳損傷の有病率に対抗するため頭部衝突の適切な分析に役立つ可能性がある。
せん断力又は変位を正確に定量化するための軟質力センサの能力はまた、その分野を進歩させ、生体力学を監視するための用途を広げるであろう。例えば、足底に作用するせん断力は、糖尿病性ニューロパシーを有する患者の足の潰瘍の発症の重要な危険因子であり（Ｗｕ ｅｔ ａｌ．２００７；Ｌａｍ ｅｔ ａｌ．２０１７）、水平面における地面反力の検出は、スポーツ運動の生体力学的分析に望ましい（Ｈｏｌｍ ｅｔ ａｌ．２００８）。最後に、計装されたフットボールヘルメットには、真の三次元力センサは現在利用できないが（Ｓｉｅｇｍｕｎｄ ｅｔ ａｌ．２０１６；Ｍｅｒｒｅｌｌ ｅｔ ａｌ．２０１７）、かかる技術は、外傷性脳損傷の有病率に対抗するため頭部衝突の適切な分析に役立つ可能性がある。
【0115】
信号品質の問題は、全てのセンサが圧縮感知と比較したとき、せん断変位中に非常に線形の応答を有していたため、対照実験においてせん断を感知するときにはそれほど明白ではなかった。また、全てのセンサは、せん断変位（図３Ａ、図３Ｃ）及び法線の圧縮試験中（図３Ｂ、図３Ｄ）の両方で垂直方向及び水平方向の力を容易に区別できるように、各軸の信号において特異性を所有していた。せん断方向における感度について最も重要なセンサ設計仕様は、磁気素子の高さであったことがわかる。４×４円筒センサは、５７０．７μＴの最大のピークの大きさを表示した。しかしながら、２×４円筒センサは、圧縮試験中に大きな信号品質の問題を表示しなかったセンサのみを比較したとき、せん断感知の最大のピークの大きさ（４８７．４μＴ）を表示した。
【0116】
ウェアラブル用途の考慮事項
全ての測定基準で優れたセンサ設計はなかった、したがって、ここで調査したパラメータを使用して、特定の用途に対して最も効果的な設計が最適化され得る。例えば、３×３円錐センサは、全てのセンサ設計の力（ｒ＝０．９８０）に関して最も線形磁場応答を表示し、第２の最小磁性材料を必要とした（表１）。３×４円筒センサなどのより大きい磁気素子の感度及び直線性は、より高い全体的なセンサ設計とともに増加した、しかしながら、この高さの増加は、多くのウェアラブル用途に対してセンサを不適切にする可能性がある（図６Ｂ）。磁性フィラー濃度８０％の２．５×４円筒センサは、最大５０％の歪みを感知することができるセンサの最高の感度を表示した（図５Ｂ）が、磁気素子は、しっかりと圧縮された場合にタッチすることが潜在的に知覚されるほど十分に硬かった。しかしながら、ここで提示されるフットボールヘルメットなどの多くの用途に関して、これはセンサの有効性に悪影響を及ぼさない。数ミリメートルの追加のパッドは、着用者の頭部とセンサを分離して、センサを感知不可能にしたが、センサが適切に機能することができるように、追加のパッドを介して力がなお伝達された。
全ての測定基準で優れたセンサ設計はなかった、したがって、ここで調査したパラメータを使用して、特定の用途に対して最も効果的な設計が最適化され得る。例えば、３×３円錐センサは、全てのセンサ設計の力（ｒ＝０．９８０）に関して最も線形磁場応答を表示し、第２の最小磁性材料を必要とした（表１）。３×４円筒センサなどのより大きい磁気素子の感度及び直線性は、より高い全体的なセンサ設計とともに増加した、しかしながら、この高さの増加は、多くのウェアラブル用途に対してセンサを不適切にする可能性がある（図６Ｂ）。磁性フィラー濃度８０％の２．５×４円筒センサは、最大５０％の歪みを感知することができるセンサの最高の感度を表示した（図５Ｂ）が、磁気素子は、しっかりと圧縮された場合にタッチすることが潜在的に知覚されるほど十分に硬かった。しかしながら、ここで提示されるフットボールヘルメットなどの多くの用途に関して、これはセンサの有効性に悪影響を及ぼさない。数ミリメートルの追加のパッドは、着用者の頭部とセンサを分離して、センサを感知不可能にしたが、センサが適切に機能することができるように、追加のパッドを介して力がなお伝達された。
【0117】
結論
シリコーンに埋め込まれた剛性磁石、又はシリコーン磁性粉末複合材料の変位を検出するために磁気計を使用する圧縮センサの以前の設計は、実行可能性、機能性、及び信号品質の制限を有しており、それらの有用性を制限していた。センサの感度及び精度を改善するための設計パラメータを識別し、その結果、これらのセンサの用途を、ウェアラブル技術を含むように広げるために、いくつかの実験が実施された。シリコーン磁性粉末複合材料で構成されたセンサは、ウェアラブル技術における潜在的な使用に十分な軟質性を保ちながら、磁気計を飽和させることなく薄型センサを設計するためのプラットフォームを提供した。センサが磁性粒子の双極子を整列させるように圧縮される間に、センサの磁気素子を磁化することは、変形中の磁場の望ましくない偏差を低減し、それによって信号忠実度を改善する。最後に、磁気計の幅に関して、磁気素子の直径を制御して、センサの変形中の磁性粒子の横方向の動きが信号を破損させないようにした。これらの設計仕様に従って製作されたセンサは、高度な線形信号で三次元の力の速度、持続時間、及び大きさを検出することができ、フットボールヘルメットに一体化させたとき、頭部衝突を検出することにおいて適切に実施された。
シリコーンに埋め込まれた剛性磁石、又はシリコーン磁性粉末複合材料の変位を検出するために磁気計を使用する圧縮センサの以前の設計は、実行可能性、機能性、及び信号品質の制限を有しており、それらの有用性を制限していた。センサの感度及び精度を改善するための設計パラメータを識別し、その結果、これらのセンサの用途を、ウェアラブル技術を含むように広げるために、いくつかの実験が実施された。シリコーン磁性粉末複合材料で構成されたセンサは、ウェアラブル技術における潜在的な使用に十分な軟質性を保ちながら、磁気計を飽和させることなく薄型センサを設計するためのプラットフォームを提供した。センサが磁性粒子の双極子を整列させるように圧縮される間に、センサの磁気素子を磁化することは、変形中の磁場の望ましくない偏差を低減し、それによって信号忠実度を改善する。最後に、磁気計の幅に関して、磁気素子の直径を制御して、センサの変形中の磁性粒子の横方向の動きが信号を破損させないようにした。これらの設計仕様に従って製作されたセンサは、高度な線形信号で三次元の力の速度、持続時間、及び大きさを検出することができ、フットボールヘルメットに一体化させたとき、頭部衝突を検出することにおいて適切に実施された。
【0118】
追加的に、磁気素子は、（全体的なセンササイズの制約内で）可能な限り高くなければならないが、５０％の歪みが必要である場合、磁気素子と磁気計との間に少なくとも１ｍｍの隙間があるべきである。より低いレベルの歪みが最大であると予想される場合、この間隙を低減して、直径の小さい磁気素子で感度を増加させることができる。
【0119】
参考文献
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【0120】
実施例２：磁気クッション及び遠隔感知
力が垂直及び水平配向に印加されたときに、異なる垂直及び水平遠隔距離が試験された（図１４を参照されたい）。
力が垂直及び水平配向に印加されたときに、異なる垂直及び水平遠隔距離が試験された（図１４を参照されたい）。
【0121】
２．５×４円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有する１０×５ｍｍ円筒クッションを使用して、異なる垂直遠隔距離を、２ｍｍから１０ｍｍまで試験した。信号は、距離とともに減少する（図１５を参照されたい）。
【0122】
２．５×４ｍｍ又は５×４ｍｍ円筒を使用して、８０％Ｎｄ磁気素子の異なる水平遠隔距離を、ゴムクッションから磁気計基板までの間隙２～７ｍｍ（磁気計から磁気素子までの真の間隙５．７５～１０．７５ｍｍ）について試験した（図１６及び図１７を参照されたい）。５×４ｍｍ円筒を使用するとき、８０％Ｎｄ磁気素子５０％歪みに、電子力を使用して到達した（１５０Ｎ限界に到達）。
【0123】
およそ５ｍｍの距離で強力な信号を測定し、測定可能な信号は、およそ１０ｍｍの距離のままである。
【0124】
実施例３：ピストン磁気クッション及び遠隔感知
１０×５ｍｍ円筒クッション及び２．５×４円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有するピストン設計設定を使用して、垂直配向に力を印加するとき、２ｍｍ～１０ｍｍの異なる垂直遠隔距離を試験した（図１８及び図１９を参照されたい）。ピストン設計は、非ピストン設計と比較して全体的な感度がおよそ２倍増加した。しかしながら、２．５×４ｍｍを使用して、５ｍｍの高さのセンサ内の８０％のＮｄ磁気素子は、４０％の歪みに到達する前に磁気計を飽和状態にする。
１０×５ｍｍ円筒クッション及び２．５×４円筒磁気素子（８０％Ｎｄ）を有するピストン設計設定を使用して、垂直配向に力を印加するとき、２ｍｍ～１０ｍｍの異なる垂直遠隔距離を試験した（図１８及び図１９を参照されたい）。ピストン設計は、非ピストン設計と比較して全体的な感度がおよそ２倍増加した。しかしながら、２．５×４ｍｍを使用して、５ｍｍの高さのセンサ内の８０％のＮｄ磁気素子は、４０％の歪みに到達する前に磁気計を飽和状態にする。
【0125】
全高３ｍｍのゴムクッション及び直径２ｍｍ×高さ２～３ｍｍの円筒磁気素子を備えたセンサなど、高さがより短いセンサを試験した。０．２ｍｍ工程で１ｍｍの圧縮（３３％歪み）を各試験サンプルに印加した。３ｍｍの全高センサは、図２０に示されるように高い感度を示した。磁気素子と磁気計との間に間隙のない２×３ｍｍ円筒磁気素子は、最大３３％の歪みの感度を示した。０．７５ｍｍの間隙を有する２×２．２５ｍｍ円筒が、３３％の歪みで最も感度が高かった（図２０を参照されたい）。
【0126】
実施例４：３Ｄ印刷された磁気センサクッション
可変サイズの磁気素子を有する１０．５×１０．５×５ｍｍ構築物を印刷した（図２１）。使用した材料は、非磁性インクＳＥ１７００、及び２５重量％のＮｄＦｅＢ微粒子を有する磁性インクＳＥ１７００であった。インフィルは、０．５ｍｍのストランド間隔を有した。
可変サイズの磁気素子を有する１０．５×１０．５×５ｍｍ構築物を印刷した（図２１）。使用した材料は、非磁性インクＳＥ１７００、及び２５重量％のＮｄＦｅＢ微粒子を有する磁性インクＳＥ１７００であった。インフィルは、０．５ｍｍのストランド間隔を有した。
【0127】
印刷パラメータは、下の表２に示される。
サンプルは、４ｍｍの磁気部分を有する５ｍｍの高さのクッションを含むことができ、最初に印刷され、次に１ｍｍのＳＥ１７００層が上部に印刷される（図２２を参照されたい）。
【表2】
【0128】
２つのデュアル設計のために、間の０．６５ｍｍのオフセットを使用して、塗りつぶしを引き起こし、非磁性部分全体に配置された磁性欠陥をもたらす可能性のあるいずれの不必要な重複なしに磁性及び非磁性部分の完全な一体化を可能にした。いくつかの重要な印刷パラメータは、磁性フィラーの組み込みに起因する圧力の１０分の２のバー増加を含む。
【0129】
図２２は、４×４、３×４、及び２．４×４を含む異なる寸法の印刷を示す。
【0130】
印刷された磁気センサクッションの性能は、図２３に示される。４×４ｍｍの矩形プリズムは、より高い初期感度を有する。２．４×４ｍｍの矩形プリズムは、最大４０％の歪みで最も高い線形信号を有する。
【0131】
実施例５：フラットフレックス回路センサ
この例では、本明細書において説明されるセンサは、図３８Ａ～図３８Ｃに示されるように、平坦な可撓性回路に取り付けられた磁気計を使用しても達成され得ることを実証する。この戦略は、剛性回路基板を使用することなく、センサの製作を可能にする。結果として、センサ全体が、相対的に準拠することができ、センサをウェアラブル技術用途における使用により好適なものにする。フラットフレックスケーブルで作製された回路からの信号は堅牢であり、剛性回路基板上に取り付けられた磁気計で作製されたセンサと品質が類似しているようである。
この例では、本明細書において説明されるセンサは、図３８Ａ～図３８Ｃに示されるように、平坦な可撓性回路に取り付けられた磁気計を使用しても達成され得ることを実証する。この戦略は、剛性回路基板を使用することなく、センサの製作を可能にする。結果として、センサ全体が、相対的に準拠することができ、センサをウェアラブル技術用途における使用により好適なものにする。フラットフレックスケーブルで作製された回路からの信号は堅牢であり、剛性回路基板上に取り付けられた磁気計で作製されたセンサと品質が類似しているようである。
【0132】
異なる接着剤で接合されたセンサユニットの実証
シリコーン系接着剤の選択は、センサのゴム成分を磁気計に接合する際の使用をスクリーニングした（図３９）。ＮｕＳｉｌ（ＭＥＤ１－４０１３、ＭＥＤ３－４０１３、ＭＥＤ２－４２２０、及びＭＥＤ４－４２２０）によって作製された４つのシリコーン系接着剤、及びＳｍｏｏｔｈ－Ｏｎ（Ｓｉｌｐｏｘｙ）によって作製された１つの接着剤を定性的に試験して、それらが機能的な力センサのための十分な強度でシリコーン及び磁気計基板に十分に接合することができるかどうかを決定した。Ｓｉｌｐｏｘｙ、ＭＥＤ４－４２２０、及びＭＥＤ３－４０１３は、所望の材料との十分な接合能力を有するように見え、このため、後続のセンサ実施形態に使用された。
シリコーン系接着剤の選択は、センサのゴム成分を磁気計に接合する際の使用をスクリーニングした（図３９）。ＮｕＳｉｌ（ＭＥＤ１－４０１３、ＭＥＤ３－４０１３、ＭＥＤ２－４２２０、及びＭＥＤ４－４２２０）によって作製された４つのシリコーン系接着剤、及びＳｍｏｏｔｈ－Ｏｎ（Ｓｉｌｐｏｘｙ）によって作製された１つの接着剤を定性的に試験して、それらが機能的な力センサのための十分な強度でシリコーン及び磁気計基板に十分に接合することができるかどうかを決定した。Ｓｉｌｐｏｘｙ、ＭＥＤ４－４２２０、及びＭＥＤ３－４０１３は、所望の材料との十分な接合能力を有するように見え、このため、後続のセンサ実施形態に使用された。
【0133】
センサ構造
Ｓｉｌｐｏｘｙ、ＮｕＳｉｌ ＭＥＤ３－４０１３、及びＮｕＳｉｌ ＭＥＤ４－４２２０を使用して、シリコーンセンサ構成要素を磁気計回路基板に接合することによって、センサを構築した。各センサユニットを、段階的な圧縮サイクルに供して、このセンサプラットフォームがいくつかの異なる接着剤を使用して適切に機能することができることを実証した。センサは、センサのゴム成分（３ｍｍの高さ）の３３％の歪みであった、０．５ｍｍから合計１ｍｍの増分で圧縮され、圧縮は、同じ段階的な様式で除去された（図４０）。これらのデータは、シリコーンセンサ構成要素がいくつかの異なる接着剤を使用して磁気計に接合されたときにセンサプラットフォームが正しく動作し得ることを実証するが、より軟質の接着剤が圧縮からより強力な信号を生成するので、接着剤の特性がセンサの感度に影響を与えるという証拠も提供する。１ｍｍの圧縮からの磁気信号のピークの大きさは、ＭＥＤ４－４２２０（デュロメータ＝１７Ａ）、ＭＥＤ３－４０１３（２０Ａ）、及びＳｉｌｐｏｘｙ（４０Ａ）について、それぞれ１０，０９７μＴ、８，３９５μＴ、及び７，０５９μＴであった。
Ｓｉｌｐｏｘｙ、ＮｕＳｉｌ ＭＥＤ３－４０１３、及びＮｕＳｉｌ ＭＥＤ４－４２２０を使用して、シリコーンセンサ構成要素を磁気計回路基板に接合することによって、センサを構築した。各センサユニットを、段階的な圧縮サイクルに供して、このセンサプラットフォームがいくつかの異なる接着剤を使用して適切に機能することができることを実証した。センサは、センサのゴム成分（３ｍｍの高さ）の３３％の歪みであった、０．５ｍｍから合計１ｍｍの増分で圧縮され、圧縮は、同じ段階的な様式で除去された（図４０）。これらのデータは、シリコーンセンサ構成要素がいくつかの異なる接着剤を使用して磁気計に接合されたときにセンサプラットフォームが正しく動作し得ることを実証するが、より軟質の接着剤が圧縮からより強力な信号を生成するので、接着剤の特性がセンサの感度に影響を与えるという証拠も提供する。１ｍｍの圧縮からの磁気信号のピークの大きさは、ＭＥＤ４－４２２０（デュロメータ＝１７Ａ）、ＭＥＤ３－４０１３（２０Ａ）、及びＳｉｌｐｏｘｙ（４０Ａ）について、それぞれ１０，０９７μＴ、８，３９５μＴ、及び７，０５９μＴであった。
【0134】
添付の特許請求の範囲の組成物及び方法は、本明細書に記載される特定の組成物及び方法によって範囲が限定されず、これらは、特許請求の範囲のいくつかの態様の例示として意図されており、機能的に等価である任意の組成物及び方法は、特許請求の範囲内に収まることが意図されている。本明細書に示され、記載されるものに加えて、組成物及び方法の様々な修正は、添付の特許請求の範囲内であることが意図される。更に、本明細書に開示される特定の代表的な組成物及び方法工程のみが具体的に記載されるが、組成物及び方法工程の他の組み合わせもまた、具体的に列挙されていない場合であっても、添付の特許請求の範囲内であることが意図される。このため、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書に明示的に挙げられ得るが、明示的に記載されていなくても、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせが含まれる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24A】
【図24B】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38A】
【図38B】
【図38C】
【図39】
【図40】
【図41】
【国際調査報告】