力センサ及び力センシングシステム
【課題】 フォトリフレクタ等の安価な力検出手段を用いながらも、測定感度調整を簡単に行うことができ、想定される外力の大きさに応じた交換を不要にすること。
【解決手段】 力センサ１１は、相対配置された第１及び第２の棒状体１４，１５と、棒状体１４，１５の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように棒状体１４，１５を支持する支持体１７と、第１の棒状体１４，１５に取り付けられて外力が作用する力入力部１９と、第１の棒状体１４に取り付けられるとともに、第２の棒状体１５に向かって光を発し、当該第２の棒状体１５で反射した光の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段２１とを備えている。力入力部１９及び力検出手段２１は、棒状体１４，１５の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられている。
【解決手段】 力センサ１１は、相対配置された第１及び第２の棒状体１４，１５と、棒状体１４，１５の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように棒状体１４，１５を支持する支持体１７と、第１の棒状体１４，１５に取り付けられて外力が作用する力入力部１９と、第１の棒状体１４に取り付けられるとともに、第２の棒状体１５に向かって光を発し、当該第２の棒状体１５で反射した光の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段２１とを備えている。力入力部１９及び力検出手段２１は、棒状体１４，１５の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサ及び力センシングシステムに係り、更に詳しくは、フォトリフレクタや超音波センサ等の反射型距離センサを用いた力センサ及び力センシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、医師や救急救命士等により行われる気管挿管手技を評価する気管挿管訓練装置を既に提案している（特許文献１）。当該気管挿管訓練装置には、図８に示される力センサ５０が用いられている。この力センサ５０は、ベース５１と、このベース５１上に固定され、発光素子５３及び受光素子５４を有するフォトリフレクタ５５と、このフォトリフレクタ５５の周囲を覆うスポンジ等の弾性部材５７と、この弾性部材５７の上面に固定された遮光性の反射板５９と、前記ベース５１、弾性部材５７及び反射板５９で囲まれて発光素子５３から照射された光が伝播する光空間６０とを備えている。以上の力センサ５０は、次の原理で外力の大きさが検出される。すなわち、発光素子５３から光空間６０に照射された光は、反射板５９の内面で反射されて受光素子５４で検出されるが、反射板５９の上面である接触面５９Ａに外力が加わると、その外力の大きさに応じて弾性部材５７が変形し、光空間６０の形状（体積）が変化して反射板５９からフォトリフレクタ５５までの反射距離が変わり、受光素子５４で検出される光量が変わる。従って、接触面５９Ａへの外力の付加による弾性部材５７の変形により、受光素子５４からの電流が変化することになり、当該電流の変化による電圧変化を測定することで、接触面５９Ａに加わった外力を検出可能となる。ここで、一般的に、フォトリフレクタ５５は、図９に示される出力特性を有しており、当該出力特性によれば、フォトリフレクタ５５と反射板５９の離間距離となる光の反射距離に対する電圧値の関係は、全体的に非線形になる。ところが、図９中における反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲のように、前記反射距離と電圧値との関係を線形に近似できる反射距離の範囲が存在する。このため、例えば、反射板５９に外力が作用していない初期状態の前記反射距離をＤ１としたときに、反射板５９に図８中上方への引張力が作用した場合、反射距離Ｄ２までは、作用した引張力の大きさに応じて増大する反射距離と電圧値とがほぼ比例関係になる。従って、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の間では、測定される電圧値と作用した外力の大きさとがほぼ比例関係になり、当該比例係数を図示しない測定機器に記憶しておくことで、測定した電圧値から力センサ５０に作用した外力の大きさを求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記力センサ５０にあっては、フォトリフレクタ５５の特性上、反射距離がＤ２を超えると、外力の大きさを正確に測定できなくなってしまう。すなわち、反射距離がＤ２を超えると、線形近似できなくなることから、前述した電圧値と外力の大きさとの比例関係を使えず、測定した電圧値から外力の大きさを簡単に求められなくなる。更に、測定される電圧値自体が小さくなるばかりか、反射距離の変化割合に対する電圧変化割合が次第に小さくなってしまい、電圧測定誤差等を考えると、外力の大きさの正確な測定が不能になってしまう。従って、図９の出力特性を有するフォトリフレクタ５５を使った力センサ５０では、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の線形近似範囲内における反射板５９の変位でしか使うことができず、反射距離Ｄ２を超える外力が作用すると想定される場合には、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲が異なる他のフォトリフレクタ５５を備えた力センサ５０に交換しなければならない。また、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲内で反射板５９が変位するような外力が作用しても、当該範囲内で反射板５９が微小範囲で変位するような場合には、電圧変化の割合も微小になるため、この場合も、電圧測定誤差等を考えると、外力の大きさを正確に測定できない虞がある。従って、このような場合には、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲の幅の狭い高感度のフォトリフレクタ５５を備えた力センサ５０に交換しなければならない。以上により、前記力センサ５０の構造では、出力特性上、反射距離と電圧値との関係を一部範囲でしか利用できないフォトリフレクタ５５を用いているため、外力の大きさを広範囲で測定することができない。このため、フォトリフレクタ５５の感度が相互に異なる多種の力センサ５０の中から、測定対象の外力の大きさに応じて、適切な力センサ５０を選択する必要があり、その都度、外力測定対象部位に一旦取り付けた力センサ５０を交換しなければならず、手間がかかるという問題がある。なお、この問題は、広範囲且つ高精度に外力の大きさを測定できる高性能の力センサを使えば解決するが、当該力センサは、安価なフォトリフレクタ５５を用いた前述の力センサ５０よりも遥かに高価になり、取り付けられる前記気管挿管訓練装置の製造コストの高騰化を招来することになる。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、フォトリフレクタ等の安価な力検出手段を用いながらも、測定感度調整を簡単に行うことができ、想定される外力の大きさに応じた交換を不要にすることができる力センサ及び力センシングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサにおいて、
相対配置された一対の棒状体と、当該各棒状体の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体を支持する支持体と、前記各棒状体の少なくとも一方に取り付けられて前記外力が作用する力入力部と、前記何れか一方の棒状体に取り付けられるとともに、前記何れか他方の棒状体に向かって光若しくは超音波を発し、当該他方の棒状体で反射した前記光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段とを備え、
前記力入力部及び／又は前記力検出手段は、前記棒状体の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられる、という構成を採っている。
【０００７】
また、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段と、前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段とを更に備える、という構成も併せて採用することができる。
【０００８】
更に、本発明は、請求項１に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離と前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離とが入力される距離入力部と、当該距離入力部で入力された前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備える、という構成を採っている。
【０００９】
また、本発明は、請求項２に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記第１及び第２の距離測定手段からの電気信号に基づき前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部と、当該距離演算部で求めた前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備える、という構成を採っている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、力入力部及び／又は力検出手段の取り付け位置が、一端側が自由端側で他端側が固定端側となる棒状体の延出方向に沿って調整可能となっているため、当該位置調整により、作用する外力の大きさが同一であっても、力検出手段の変位量が変わることになる。従って、予め想定される外力の大きさに応じて、力入力部及び／又は力検出手段の前記位置調整をすることにより、外力の大きさに拘らず、力検出手段及び棒状体の離間距離である反射距離と電気信号との関係における線形近似範囲を使うことができる。また、例えば、微小な外力が力入力部に作用するような場合でも、前記位置調整により、前記反射距離を大きくすることにより、力作用前後で発生する電気信号の差を増幅できる。従って、本発明によれば、反射距離と出力値との関係が全体的に非線形になるものの一部領域で線形近似可能となるフォトリフレクタ等の安価な反射型距離センサを用いても、あらゆる大きさの外力の測定に対応できるとともに、当該測定に際する感度調整を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る力センシングシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】第１実施形態に係る力センシングシステムに適用される力センサの概略斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図。
【図４】第２実施形態に係る力センシングシステムの概略構成を表すブロック図。
【図５】第２実施形態に係る力センシングシステムに適用される力センサの概略斜視図。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う概略断面図。
【図７】変形例に係るトルクセンサの概略側面図。
【図８】従来例における力センサの概略断面図。
【図９】フォトリフレクタの一般的な特性を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る力センシングシステムの構成を表すブロック図が示されている。この図において、前記力センシングシステム１０は、作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサ１１と、力センサ１１からの電気信号により、当該力センサ１１に作用した外力の大きさを求める外力演算装置１２とを備えて構成されている。なお、本実施形態に係る力センシングシステム１０は、特に限定されるものではないが、医師や救急救命士等により行われる気管挿管手技を評価する気管挿管訓練装置（図示省略）に適用される。
【００１３】
前記力センサ１１は、図２及び図３に示されるように、当該各図中上下に相対配置された角材からなる一対の第１及び第２の棒状体１４，１５と、当該各棒状体１４，１５の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体１４，１５を支持する支持体１７と、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられて外力が作用する力入力部１９と、図２中上側に位置する第１の棒状体１４に取り付けられ、力入力部１９に作用した外力による棒状体１４，１５の変位に応じて電気信号を発生する力検出手段２１とを備えて構成されている。
【００１４】
前記第１の棒状体１４は、その延出方向に沿って複数箇所に形成されたねじ穴２３を有する固定端側領域２５と、先端側が開放して上下両側に貫通するスリット２７が形成された二股状の自由端側領域２８とからなる。
【００１５】
前記第２の棒状体１５は、第１の棒状体１４の各ねじ穴２３にそれぞれ対向する位置に形成されたねじ穴３０を有する固定端側領域３１と、前記スリット２７に対向する上面部分に反射材３２が設けられた自由端側領域３３とからなる。この反射材３２は、後述するように、力検出手段２１から照射される光を当該力検出手段２１に向かって反射可能な材材質や色彩により形成されている。なお、自由端側領域３３の上面部分が光を反射可能な材質や色彩により形成されていれば、反射材３２を設けなくても良い。
【００１６】
前記支持体１７は、力入力部１９に外力が作用しても変位しないように、図示省略した前記気管挿管訓練装置の一部分に固定されている。この支持体１７は、第１の棒状体１４が連なる部位よりも図２中上側に位置する上側部分３５と、第２の棒状体１５が連なる部位よりも図２中下側に位置する下側部分３６と、上側部分３５と下側部分３６の間に位置する中間部分３７とからなる。
【００１７】
前記力入力部１９は、第１及び第２の棒状体１４，１５に形成されたねじ穴２３，３０にそれぞれねじ込んで取り付け可能な連結部材３８からなる。当該連結部材３８には、前記気管挿管訓練装置（図示省略）中で張力が作用するワイヤＷが固定されており、これにより、力入力部３８に作用する外力はワイヤＷの張力となり、力センサ１１は引張力測定センサとして機能する。また、第１及び第２の棒状体１４，１５に対する連結部材３８の取り付け位置は、当該連結部材３８が挿入されるねじ穴２３，３０を適宜変更することにより、各棒状体１４，１５の延出方向に沿って調整可能となる。この際、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられる各連結部材３８，３８は、支持体１７からの離間距離が相互に同一になるように、相対する位置のねじ穴２３，３０に取り付けられる。
【００１８】
前記力検出手段２１は、スリット２７内に配置されて外力演算装置１２（図１参照）に繋がるフォトリフレクタ３９と、フォトリフレクタ３９を上方から支持するスライド部材４０とを備えている。
【００１９】
前記フォトリフレクタ３９は、図示省略しているが、赤外線光を照射する発光素子と、赤外線光を受光する受光素子とからなり、受光素子で検出した光量に応じて電流を発生させるものであり、当該電流は外力演算装置１２で検出される。つまり、フォトリフレクタ３９から第２の棒状体１５の反射材３２に向かって照射された光が、当該反射材３２で反射されてフォトリフレクタ３９で検出される。ここで、力入力部１９に外力が作用すると、各棒状体１４，１５の各自由端側領域２８，３３が上下方向に撓み変形し、作用した外力の大きさに応じて、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離である反射距離が変化し、当該変化に応じてフォトリフレクタ３９での受光量が変化することになる。よって、当該受光量に対応した電流変化に基づく電圧変化を測定することで、外力の大きさを求めることが可能になる。また、特に限定されるものではないが、フォトリフレクタ３９は、図３に示されるように、発光及び受光する下面部分が、第１の棒状体１４の厚みの約半分程度となる高さに配置される。
【００２０】
なお、フォトリフレクタ３９の代わりに、超音波を発して第２の棒状体１５で反射した超音波を受けて電気信号に変換する超音波センサを用いることもできる。要するに、ここでは、第２の棒状体１５に向かって光若しくは超音波を発し、当該第２の棒状体１５で反射した光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する反射型距離センサであれば何でも良い。
【００２１】
前記スライド部材４０は、スリット２７を跨いで自由端側領域２８の上面に載せられ、当該スリット２７に沿って移動可能となっている。従って、スライド部材４０に支持されるフォトリフレクタ３９の位置を第１の棒状体１４の延出方向に沿って変えることができ、これに伴って、当該延出方向に沿ってフォトリフレクタ３９の発光及び受光位置を調整可能となる。なお、このような位置調整がなされた後、スライド部材４０は、図示省略したねじ等の固定手段で第１の棒状体１４に移動不能に固定される。
【００２２】
前記外力演算装置１２は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成されており、図１に示されるように、所定の距離情報が入力される距離入力部４１と、距離入力部４１で入力された距離情報とフォトリフレクタ３９からの電流状態に基づいて、力入力部１９に作用した外力の大きさを求める力演算部４２とを備えて構成されている。
【００２３】
前記距離入力部４１には、支持体１７から連結部材３８までの第１の離間距離と、支持体１７からフォトリフレクタ３９までの第２の離間距離とが入力される。ここで、距離入力部４１へは、例えば、連結部材３８を挿入したねじ穴２３，３０の位置、例えば、支持体１７側から何番目のねじ穴２３，３０に挿入したか等が入力される。すると、図示しないメモリに記憶されたねじ穴２３，３０の位置と第１の離間距離との関係から、このときの第１の離間距離が求められる。また、第２の離間距離も、同様に、スライド部材４０を固定する前記固定手段（図示省略）の位置の入力により求められる。なお、第１の棒状体１４の側面にスケール等を設け、当該スケールを使って使用者が実測した値を第１及び第２の離間距離として距離入力部４１に入力しても良い。
【００２４】
前記力演算部４２は、フォトリフレクタ３９からの電流に係る電圧値を測定する機能と、当該電圧値と第１及び第２の離間距離とをパラメータとして、力入力部１９に作用した外力を求める演算式を記憶する機能と、測定された電圧値と距離入力部４１からの第１及び第２の離間距離とを前記演算式に代入することで、力入力部１９に作用した外力すなわちワイヤＷの張力を求める機能とを備えている。
【００２５】
前記演算式は、フォトリフレクタ１９の特性と片持ち梁の材料力学演算とから得られた次式で表される。
【００２６】
Ｆ＝（ＡＶ＋Ｂ）／（−Ｌ１３＋２Ｌ２３＋３Ｌ１２Ｌ２−６Ｌ１Ｌ２２）
【００２７】
ここで、「Ｆ」は、求める外力の大きさであり、「Ｌ１」は、距離入力部４１から送られた第１の離間距離であり、「Ｌ２」は、距離入力部４１から送られた第２の離間距離である。また、「Ｖ」は、フォトリフレクタ３９からの発生電流に基づき測定された電圧値である。更に、「Ａ」、「Ｂ」は、フォトリフレクタ３９の特性と各棒状体１４，１５の材質等に応じて定まる定数である。具体的に、定数Ａは、フォトリフレクタ３９の出力特性線図（例えば、図９参照）において線形近似可能な有効領域の近似直線の傾きと、棒状体１４，１５の縦弾性係数及び断面二次モーメントとから決まる。また、定数Ｂは、前記近似曲線の直線式と、前記縦弾性係数及び断面二次モーメントと、外力が作用していない初期状態のときの第１及び第２の棒状体１４，１５の上下方向の離間幅とから定まる。なお、この離間幅は、フォトリフレクタ３９の有効領域となる図９の反射距離Ｄ１〜Ｄ２の最小値Ｄ１になるように設定される。
【００２８】
以上の力センシングシステム１０では、次のようにして、力入力部１９若しくは力検出手段２１の位置決めが行われ、ワイヤＷから力入力部１９を通じて第１及び第２の棒状体１４，１５を上下方向に離間させる引張力が測定される。
【００２９】
先ず、力入力部１９に作用する引張力の想定値から、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離（反射距離）が、フォトリフレクタ３９の有効領域となる図９の反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲よりも大きくなると思われる場合には、力入力部１９若しくは力検出手段２１を現在の取り付け位置よりも支持体１７寄りに変更する。この結果、当該変更前後で力入力部１９に作用した引張力が同一であっても、片持ち梁の性質から、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離が変更前より減少して前記反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲内に収めることが可能になり、従来、同一のフォトリフレクタ３９で測定不能であった引張力の測定が可能になる。なお、フォトリフレクタ３９からの電流に伴う電圧値が所定値以下と測定された場合には、前記反射距離が前記Ｄ２を超えていると判断し、警告や表示等により、力入力部１９若しくは力検出手段２１の取り付け位置を変更するように促す機能を前記力演算部４２に設けることも可能である。
【００３０】
また、例えば、想定される引張力が小さく、当該引張力の作用前後での前記反射距離の変化が微小となり、それに伴う電圧値の変化量が測定誤差に相当する微小値となるような場合には、力入力部１９若しくは力検出手段２１を現在の取り付け位置よりも先端寄りに変更する。その結果、当該変更前後で力入力部１９に作用した引張力が同一であっても、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離が変更前より増大し、引張力の作用前後での電圧値の差を実質的に増幅することができ、力センサ１１の感度が上がることになる。
【００３１】
従って、このような第１実施形態によれば、想定される外力の大きさに応じて、力入力部１９と力検出手段２１の位置を調整することで、片持ち梁の力学的性質から、外力の大きさに拘らず、フォトリフレクタ３９の出力特性線図において線形近似可能な有効領域を常に利用可能になるとともに、力センサ１１の感度調整を簡単に行うことができる。この結果、一度、前記気管挿管訓練装置に取り付けた力センサ１１を、想定される外力の大きさに応じて出力特性の異なる他の力センサ１１に交換する手間が不要になるという効果を得る。
【００３２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
【００３３】
（第２実施形態）
本実施形態は、支持体１７から力入力部１９までの第１の離間距離と、支持体１７から力検出手段２１までの第２の離間距離とを自動的に測定し、当該測定結果を用いて前記外力の大きさを求める点が特徴となっている。すなわち、本実施形態では、図４〜図６に示されるように、力センサ１１は、前記第１実施形態に対し、前記第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段４３と、前記第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段４４とを更に備えている。また、外力演算装置１２は、第１実施形態の距離入力部４１の代わりに、第１及び第２の距離測定手段４３，４４からの電気信号に基づいて前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部４５を新たに備えている。それ以外の構成は、前記第１実施形態と実質的に同一となっている。
【００３４】
前記第１の距離測定手段４３は、図５及び図６に示されるように、支持体１７の上側部分３５に固定されて力入力部１９に向かって発光可能なフォトリフレクタ４６と、第１の棒状体１４に取り付けられる連結部材３８の上端側に連なり、フォトリフレクタ４６からの光を反射可能に設けられた第１の反射板４７とからなる。この構成によれば、フォトリフレクタ４６の図示しない発光素子からの光が第１の反射板４７で反射し、フォトリフレクタ４６の図示しない受光素子で受光することになり、当該受光量は、フォトリフレクタ４６と第１の反射板４７との間の第１の離間距離に応じて変化することになる。そして、フォトリフレクタ４６で発生した電流は、外力演算装置１２の距離演算部４５に送られる。
【００３５】
前記第２の距離測定手段４４は、支持体１７の中間部分３７に固定されて第１及び第２の棒状体１４，１５の間の撓み空間Ｓに向かって発光可能なフォトリフレクタ４８と、スライド部材４０の下面からスリット２７を通って撓み空間Ｓに延びるとともに、フォトリフレクタ４８からの光を反射可能に設けられた第２の反射板４９とからなる。従って、第１の距離測定手段４３のフォトリフレクタ４６と同様の原理で、フォトリフレクタ４８の受光量は、フォトリフレクタ４８と第２の反射板４９との間の第２の離間距離に応じて変化することになり、ここでの電流も外力演算装置１２の距離演算部４５に送られる。
【００３６】
前記距離演算部４５では、フォトリフレクタ４６，４８からの発生電流に基づく電圧値を測定し、予め記憶されたフォトリフレクタ４６，４８の出力特性に基づき、測定した電圧値に対応する離間距離を求めるようになっている。なお、第１の離間距離を測定するフォトリフレクタ４６としては、その出力特性線図における前記有効領域に第１の離間距離の範囲が収まる特性のものが採用され、同様に、第２の離間距離を測定するフォトリフレクタ４８としては、前記有効領域に第２の離間距離の範囲が収まる特性のものが採用される。
【００３７】
前記力演算部４２では、力検出手段２１のフォトリフレクタ３９で発生した電流に伴う電圧値と距離演算部４５からの第１及び第２の離間距離とが、第１の実施形態と同一の演算式に代入されることで、力入力部１９に作用した外力が求められる。
【００３８】
従って、前記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、力入力部１９と力検出手段２１の取り付け位置を変えたときに、第１及び第２の離間距離を測定して入力する手間を省くことができる。
【００３９】
なお、力入力部１９は、必ずしも第１及び第２の棒状体１４，１５の双方に設ける必要はなく、外力の入力状況に応じ、第１及び第２の棒状体１４，１５の少なくとも一方に設けることもできる。
【００４０】
また、第１及び第２の棒状体１４，１５における自由端側領域２８，３３の構成を前記各実施形態と逆にしても良い。すなわち、第１の棒状体１４に反射材３２を設け、第２の棒状体１５に力検出手段２１やスリット２７を設けても良い。
【００４１】
更に、前記各実施形態では、力入力部１９と力検出手段２１とが、共に、第１の棒状体１４の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能になっているが、当該取り付け位置の調整は、力入力部１９及び力検出手段２１の少なくとも一方で可能になっていれば良い。
【００４２】
また、力センサ１１の形状は、前記各実施形態の形状に限定されず、支持体１７の上側部分３５と下側部分３６を省略し、中間部分３７のみを残した側面視ほぼコ字状のものや、当該中間部分３７を各棒状体１４，１５の反対側に張り出すように湾曲させた側面視ほぼ横Ｕ字状のものを採用することも可能である。
【００４３】
更に、本発明の力センサ１１は、前述と同様の原理により、圧縮力測定センサ、トルクセンサ、曲げモーメントセンサとして利用することもできる。トルクセンサとしては、図７に示されるように、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられる各連結部材３８，３８に、第１及び第２のアームＡ１，Ａ２をそれぞれ固定した構造のものを例示できる。第１及び第２のアームＡ１，Ａ２は、その一端側が軸部材Ｃで相互に連結され、当該軸部材Ｃにトルクが作用すると、軸部材Ｃを回転支点として相互に回転する。当該回転が発生すると、前記トルクの大きさに応じて第１及び第２の棒状体１４，１５が離間接近することになり、前記各実施形態と同様の手順でトルクの大きさを求めることができる。
【００４４】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 力センシングシステム
１１ 力センサ
１２ 外力演算装置
１４ 第１の棒状体
１５ 第２の棒状体
１７ 支持体
１９ 力入力部
２１ 力検出手段
４１ 距離入力部
４２ 力演算部
４３ 第１の距離測定手段
４４ 第１の距離測定手段
４５ 距離演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサ及び力センシングシステムに係り、更に詳しくは、フォトリフレクタや超音波センサ等の反射型距離センサを用いた力センサ及び力センシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、医師や救急救命士等により行われる気管挿管手技を評価する気管挿管訓練装置を既に提案している（特許文献１）。当該気管挿管訓練装置には、図８に示される力センサ５０が用いられている。この力センサ５０は、ベース５１と、このベース５１上に固定され、発光素子５３及び受光素子５４を有するフォトリフレクタ５５と、このフォトリフレクタ５５の周囲を覆うスポンジ等の弾性部材５７と、この弾性部材５７の上面に固定された遮光性の反射板５９と、前記ベース５１、弾性部材５７及び反射板５９で囲まれて発光素子５３から照射された光が伝播する光空間６０とを備えている。以上の力センサ５０は、次の原理で外力の大きさが検出される。すなわち、発光素子５３から光空間６０に照射された光は、反射板５９の内面で反射されて受光素子５４で検出されるが、反射板５９の上面である接触面５９Ａに外力が加わると、その外力の大きさに応じて弾性部材５７が変形し、光空間６０の形状（体積）が変化して反射板５９からフォトリフレクタ５５までの反射距離が変わり、受光素子５４で検出される光量が変わる。従って、接触面５９Ａへの外力の付加による弾性部材５７の変形により、受光素子５４からの電流が変化することになり、当該電流の変化による電圧変化を測定することで、接触面５９Ａに加わった外力を検出可能となる。ここで、一般的に、フォトリフレクタ５５は、図９に示される出力特性を有しており、当該出力特性によれば、フォトリフレクタ５５と反射板５９の離間距離となる光の反射距離に対する電圧値の関係は、全体的に非線形になる。ところが、図９中における反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲のように、前記反射距離と電圧値との関係を線形に近似できる反射距離の範囲が存在する。このため、例えば、反射板５９に外力が作用していない初期状態の前記反射距離をＤ１としたときに、反射板５９に図８中上方への引張力が作用した場合、反射距離Ｄ２までは、作用した引張力の大きさに応じて増大する反射距離と電圧値とがほぼ比例関係になる。従って、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の間では、測定される電圧値と作用した外力の大きさとがほぼ比例関係になり、当該比例係数を図示しない測定機器に記憶しておくことで、測定した電圧値から力センサ５０に作用した外力の大きさを求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記力センサ５０にあっては、フォトリフレクタ５５の特性上、反射距離がＤ２を超えると、外力の大きさを正確に測定できなくなってしまう。すなわち、反射距離がＤ２を超えると、線形近似できなくなることから、前述した電圧値と外力の大きさとの比例関係を使えず、測定した電圧値から外力の大きさを簡単に求められなくなる。更に、測定される電圧値自体が小さくなるばかりか、反射距離の変化割合に対する電圧変化割合が次第に小さくなってしまい、電圧測定誤差等を考えると、外力の大きさの正確な測定が不能になってしまう。従って、図９の出力特性を有するフォトリフレクタ５５を使った力センサ５０では、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の線形近似範囲内における反射板５９の変位でしか使うことができず、反射距離Ｄ２を超える外力が作用すると想定される場合には、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲が異なる他のフォトリフレクタ５５を備えた力センサ５０に交換しなければならない。また、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲内で反射板５９が変位するような外力が作用しても、当該範囲内で反射板５９が微小範囲で変位するような場合には、電圧変化の割合も微小になるため、この場合も、電圧測定誤差等を考えると、外力の大きさを正確に測定できない虞がある。従って、このような場合には、反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲の幅の狭い高感度のフォトリフレクタ５５を備えた力センサ５０に交換しなければならない。以上により、前記力センサ５０の構造では、出力特性上、反射距離と電圧値との関係を一部範囲でしか利用できないフォトリフレクタ５５を用いているため、外力の大きさを広範囲で測定することができない。このため、フォトリフレクタ５５の感度が相互に異なる多種の力センサ５０の中から、測定対象の外力の大きさに応じて、適切な力センサ５０を選択する必要があり、その都度、外力測定対象部位に一旦取り付けた力センサ５０を交換しなければならず、手間がかかるという問題がある。なお、この問題は、広範囲且つ高精度に外力の大きさを測定できる高性能の力センサを使えば解決するが、当該力センサは、安価なフォトリフレクタ５５を用いた前述の力センサ５０よりも遥かに高価になり、取り付けられる前記気管挿管訓練装置の製造コストの高騰化を招来することになる。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、フォトリフレクタ等の安価な力検出手段を用いながらも、測定感度調整を簡単に行うことができ、想定される外力の大きさに応じた交換を不要にすることができる力センサ及び力センシングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサにおいて、
相対配置された一対の棒状体と、当該各棒状体の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体を支持する支持体と、前記各棒状体の少なくとも一方に取り付けられて前記外力が作用する力入力部と、前記何れか一方の棒状体に取り付けられるとともに、前記何れか他方の棒状体に向かって光若しくは超音波を発し、当該他方の棒状体で反射した前記光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段とを備え、
前記力入力部及び／又は前記力検出手段は、前記棒状体の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられる、という構成を採っている。
【０００７】
また、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段と、前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段とを更に備える、という構成も併せて採用することができる。
【０００８】
更に、本発明は、請求項１に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離と前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離とが入力される距離入力部と、当該距離入力部で入力された前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備える、という構成を採っている。
【０００９】
また、本発明は、請求項２に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記第１及び第２の距離測定手段からの電気信号に基づき前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部と、当該距離演算部で求めた前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備える、という構成を採っている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、力入力部及び／又は力検出手段の取り付け位置が、一端側が自由端側で他端側が固定端側となる棒状体の延出方向に沿って調整可能となっているため、当該位置調整により、作用する外力の大きさが同一であっても、力検出手段の変位量が変わることになる。従って、予め想定される外力の大きさに応じて、力入力部及び／又は力検出手段の前記位置調整をすることにより、外力の大きさに拘らず、力検出手段及び棒状体の離間距離である反射距離と電気信号との関係における線形近似範囲を使うことができる。また、例えば、微小な外力が力入力部に作用するような場合でも、前記位置調整により、前記反射距離を大きくすることにより、力作用前後で発生する電気信号の差を増幅できる。従って、本発明によれば、反射距離と出力値との関係が全体的に非線形になるものの一部領域で線形近似可能となるフォトリフレクタ等の安価な反射型距離センサを用いても、あらゆる大きさの外力の測定に対応できるとともに、当該測定に際する感度調整を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る力センシングシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】第１実施形態に係る力センシングシステムに適用される力センサの概略斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面図。
【図４】第２実施形態に係る力センシングシステムの概略構成を表すブロック図。
【図５】第２実施形態に係る力センシングシステムに適用される力センサの概略斜視図。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿う概略断面図。
【図７】変形例に係るトルクセンサの概略側面図。
【図８】従来例における力センサの概略断面図。
【図９】フォトリフレクタの一般的な特性を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る力センシングシステムの構成を表すブロック図が示されている。この図において、前記力センシングシステム１０は、作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサ１１と、力センサ１１からの電気信号により、当該力センサ１１に作用した外力の大きさを求める外力演算装置１２とを備えて構成されている。なお、本実施形態に係る力センシングシステム１０は、特に限定されるものではないが、医師や救急救命士等により行われる気管挿管手技を評価する気管挿管訓練装置（図示省略）に適用される。
【００１３】
前記力センサ１１は、図２及び図３に示されるように、当該各図中上下に相対配置された角材からなる一対の第１及び第２の棒状体１４，１５と、当該各棒状体１４，１５の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体１４，１５を支持する支持体１７と、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられて外力が作用する力入力部１９と、図２中上側に位置する第１の棒状体１４に取り付けられ、力入力部１９に作用した外力による棒状体１４，１５の変位に応じて電気信号を発生する力検出手段２１とを備えて構成されている。
【００１４】
前記第１の棒状体１４は、その延出方向に沿って複数箇所に形成されたねじ穴２３を有する固定端側領域２５と、先端側が開放して上下両側に貫通するスリット２７が形成された二股状の自由端側領域２８とからなる。
【００１５】
前記第２の棒状体１５は、第１の棒状体１４の各ねじ穴２３にそれぞれ対向する位置に形成されたねじ穴３０を有する固定端側領域３１と、前記スリット２７に対向する上面部分に反射材３２が設けられた自由端側領域３３とからなる。この反射材３２は、後述するように、力検出手段２１から照射される光を当該力検出手段２１に向かって反射可能な材材質や色彩により形成されている。なお、自由端側領域３３の上面部分が光を反射可能な材質や色彩により形成されていれば、反射材３２を設けなくても良い。
【００１６】
前記支持体１７は、力入力部１９に外力が作用しても変位しないように、図示省略した前記気管挿管訓練装置の一部分に固定されている。この支持体１７は、第１の棒状体１４が連なる部位よりも図２中上側に位置する上側部分３５と、第２の棒状体１５が連なる部位よりも図２中下側に位置する下側部分３６と、上側部分３５と下側部分３６の間に位置する中間部分３７とからなる。
【００１７】
前記力入力部１９は、第１及び第２の棒状体１４，１５に形成されたねじ穴２３，３０にそれぞれねじ込んで取り付け可能な連結部材３８からなる。当該連結部材３８には、前記気管挿管訓練装置（図示省略）中で張力が作用するワイヤＷが固定されており、これにより、力入力部３８に作用する外力はワイヤＷの張力となり、力センサ１１は引張力測定センサとして機能する。また、第１及び第２の棒状体１４，１５に対する連結部材３８の取り付け位置は、当該連結部材３８が挿入されるねじ穴２３，３０を適宜変更することにより、各棒状体１４，１５の延出方向に沿って調整可能となる。この際、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられる各連結部材３８，３８は、支持体１７からの離間距離が相互に同一になるように、相対する位置のねじ穴２３，３０に取り付けられる。
【００１８】
前記力検出手段２１は、スリット２７内に配置されて外力演算装置１２（図１参照）に繋がるフォトリフレクタ３９と、フォトリフレクタ３９を上方から支持するスライド部材４０とを備えている。
【００１９】
前記フォトリフレクタ３９は、図示省略しているが、赤外線光を照射する発光素子と、赤外線光を受光する受光素子とからなり、受光素子で検出した光量に応じて電流を発生させるものであり、当該電流は外力演算装置１２で検出される。つまり、フォトリフレクタ３９から第２の棒状体１５の反射材３２に向かって照射された光が、当該反射材３２で反射されてフォトリフレクタ３９で検出される。ここで、力入力部１９に外力が作用すると、各棒状体１４，１５の各自由端側領域２８，３３が上下方向に撓み変形し、作用した外力の大きさに応じて、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離である反射距離が変化し、当該変化に応じてフォトリフレクタ３９での受光量が変化することになる。よって、当該受光量に対応した電流変化に基づく電圧変化を測定することで、外力の大きさを求めることが可能になる。また、特に限定されるものではないが、フォトリフレクタ３９は、図３に示されるように、発光及び受光する下面部分が、第１の棒状体１４の厚みの約半分程度となる高さに配置される。
【００２０】
なお、フォトリフレクタ３９の代わりに、超音波を発して第２の棒状体１５で反射した超音波を受けて電気信号に変換する超音波センサを用いることもできる。要するに、ここでは、第２の棒状体１５に向かって光若しくは超音波を発し、当該第２の棒状体１５で反射した光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する反射型距離センサであれば何でも良い。
【００２１】
前記スライド部材４０は、スリット２７を跨いで自由端側領域２８の上面に載せられ、当該スリット２７に沿って移動可能となっている。従って、スライド部材４０に支持されるフォトリフレクタ３９の位置を第１の棒状体１４の延出方向に沿って変えることができ、これに伴って、当該延出方向に沿ってフォトリフレクタ３９の発光及び受光位置を調整可能となる。なお、このような位置調整がなされた後、スライド部材４０は、図示省略したねじ等の固定手段で第１の棒状体１４に移動不能に固定される。
【００２２】
前記外力演算装置１２は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成されており、図１に示されるように、所定の距離情報が入力される距離入力部４１と、距離入力部４１で入力された距離情報とフォトリフレクタ３９からの電流状態に基づいて、力入力部１９に作用した外力の大きさを求める力演算部４２とを備えて構成されている。
【００２３】
前記距離入力部４１には、支持体１７から連結部材３８までの第１の離間距離と、支持体１７からフォトリフレクタ３９までの第２の離間距離とが入力される。ここで、距離入力部４１へは、例えば、連結部材３８を挿入したねじ穴２３，３０の位置、例えば、支持体１７側から何番目のねじ穴２３，３０に挿入したか等が入力される。すると、図示しないメモリに記憶されたねじ穴２３，３０の位置と第１の離間距離との関係から、このときの第１の離間距離が求められる。また、第２の離間距離も、同様に、スライド部材４０を固定する前記固定手段（図示省略）の位置の入力により求められる。なお、第１の棒状体１４の側面にスケール等を設け、当該スケールを使って使用者が実測した値を第１及び第２の離間距離として距離入力部４１に入力しても良い。
【００２４】
前記力演算部４２は、フォトリフレクタ３９からの電流に係る電圧値を測定する機能と、当該電圧値と第１及び第２の離間距離とをパラメータとして、力入力部１９に作用した外力を求める演算式を記憶する機能と、測定された電圧値と距離入力部４１からの第１及び第２の離間距離とを前記演算式に代入することで、力入力部１９に作用した外力すなわちワイヤＷの張力を求める機能とを備えている。
【００２５】
前記演算式は、フォトリフレクタ１９の特性と片持ち梁の材料力学演算とから得られた次式で表される。
【００２６】
Ｆ＝（ＡＶ＋Ｂ）／（−Ｌ１３＋２Ｌ２３＋３Ｌ１２Ｌ２−６Ｌ１Ｌ２２）
【００２７】
ここで、「Ｆ」は、求める外力の大きさであり、「Ｌ１」は、距離入力部４１から送られた第１の離間距離であり、「Ｌ２」は、距離入力部４１から送られた第２の離間距離である。また、「Ｖ」は、フォトリフレクタ３９からの発生電流に基づき測定された電圧値である。更に、「Ａ」、「Ｂ」は、フォトリフレクタ３９の特性と各棒状体１４，１５の材質等に応じて定まる定数である。具体的に、定数Ａは、フォトリフレクタ３９の出力特性線図（例えば、図９参照）において線形近似可能な有効領域の近似直線の傾きと、棒状体１４，１５の縦弾性係数及び断面二次モーメントとから決まる。また、定数Ｂは、前記近似曲線の直線式と、前記縦弾性係数及び断面二次モーメントと、外力が作用していない初期状態のときの第１及び第２の棒状体１４，１５の上下方向の離間幅とから定まる。なお、この離間幅は、フォトリフレクタ３９の有効領域となる図９の反射距離Ｄ１〜Ｄ２の最小値Ｄ１になるように設定される。
【００２８】
以上の力センシングシステム１０では、次のようにして、力入力部１９若しくは力検出手段２１の位置決めが行われ、ワイヤＷから力入力部１９を通じて第１及び第２の棒状体１４，１５を上下方向に離間させる引張力が測定される。
【００２９】
先ず、力入力部１９に作用する引張力の想定値から、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離（反射距離）が、フォトリフレクタ３９の有効領域となる図９の反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲よりも大きくなると思われる場合には、力入力部１９若しくは力検出手段２１を現在の取り付け位置よりも支持体１７寄りに変更する。この結果、当該変更前後で力入力部１９に作用した引張力が同一であっても、片持ち梁の性質から、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離が変更前より減少して前記反射距離Ｄ１〜Ｄ２の範囲内に収めることが可能になり、従来、同一のフォトリフレクタ３９で測定不能であった引張力の測定が可能になる。なお、フォトリフレクタ３９からの電流に伴う電圧値が所定値以下と測定された場合には、前記反射距離が前記Ｄ２を超えていると判断し、警告や表示等により、力入力部１９若しくは力検出手段２１の取り付け位置を変更するように促す機能を前記力演算部４２に設けることも可能である。
【００３０】
また、例えば、想定される引張力が小さく、当該引張力の作用前後での前記反射距離の変化が微小となり、それに伴う電圧値の変化量が測定誤差に相当する微小値となるような場合には、力入力部１９若しくは力検出手段２１を現在の取り付け位置よりも先端寄りに変更する。その結果、当該変更前後で力入力部１９に作用した引張力が同一であっても、反射材３２とフォトリフレクタ３９との離間距離が変更前より増大し、引張力の作用前後での電圧値の差を実質的に増幅することができ、力センサ１１の感度が上がることになる。
【００３１】
従って、このような第１実施形態によれば、想定される外力の大きさに応じて、力入力部１９と力検出手段２１の位置を調整することで、片持ち梁の力学的性質から、外力の大きさに拘らず、フォトリフレクタ３９の出力特性線図において線形近似可能な有効領域を常に利用可能になるとともに、力センサ１１の感度調整を簡単に行うことができる。この結果、一度、前記気管挿管訓練装置に取り付けた力センサ１１を、想定される外力の大きさに応じて出力特性の異なる他の力センサ１１に交換する手間が不要になるという効果を得る。
【００３２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
【００３３】
（第２実施形態）
本実施形態は、支持体１７から力入力部１９までの第１の離間距離と、支持体１７から力検出手段２１までの第２の離間距離とを自動的に測定し、当該測定結果を用いて前記外力の大きさを求める点が特徴となっている。すなわち、本実施形態では、図４〜図６に示されるように、力センサ１１は、前記第１実施形態に対し、前記第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段４３と、前記第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段４４とを更に備えている。また、外力演算装置１２は、第１実施形態の距離入力部４１の代わりに、第１及び第２の距離測定手段４３，４４からの電気信号に基づいて前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部４５を新たに備えている。それ以外の構成は、前記第１実施形態と実質的に同一となっている。
【００３４】
前記第１の距離測定手段４３は、図５及び図６に示されるように、支持体１７の上側部分３５に固定されて力入力部１９に向かって発光可能なフォトリフレクタ４６と、第１の棒状体１４に取り付けられる連結部材３８の上端側に連なり、フォトリフレクタ４６からの光を反射可能に設けられた第１の反射板４７とからなる。この構成によれば、フォトリフレクタ４６の図示しない発光素子からの光が第１の反射板４７で反射し、フォトリフレクタ４６の図示しない受光素子で受光することになり、当該受光量は、フォトリフレクタ４６と第１の反射板４７との間の第１の離間距離に応じて変化することになる。そして、フォトリフレクタ４６で発生した電流は、外力演算装置１２の距離演算部４５に送られる。
【００３５】
前記第２の距離測定手段４４は、支持体１７の中間部分３７に固定されて第１及び第２の棒状体１４，１５の間の撓み空間Ｓに向かって発光可能なフォトリフレクタ４８と、スライド部材４０の下面からスリット２７を通って撓み空間Ｓに延びるとともに、フォトリフレクタ４８からの光を反射可能に設けられた第２の反射板４９とからなる。従って、第１の距離測定手段４３のフォトリフレクタ４６と同様の原理で、フォトリフレクタ４８の受光量は、フォトリフレクタ４８と第２の反射板４９との間の第２の離間距離に応じて変化することになり、ここでの電流も外力演算装置１２の距離演算部４５に送られる。
【００３６】
前記距離演算部４５では、フォトリフレクタ４６，４８からの発生電流に基づく電圧値を測定し、予め記憶されたフォトリフレクタ４６，４８の出力特性に基づき、測定した電圧値に対応する離間距離を求めるようになっている。なお、第１の離間距離を測定するフォトリフレクタ４６としては、その出力特性線図における前記有効領域に第１の離間距離の範囲が収まる特性のものが採用され、同様に、第２の離間距離を測定するフォトリフレクタ４８としては、前記有効領域に第２の離間距離の範囲が収まる特性のものが採用される。
【００３７】
前記力演算部４２では、力検出手段２１のフォトリフレクタ３９で発生した電流に伴う電圧値と距離演算部４５からの第１及び第２の離間距離とが、第１の実施形態と同一の演算式に代入されることで、力入力部１９に作用した外力が求められる。
【００３８】
従って、前記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、力入力部１９と力検出手段２１の取り付け位置を変えたときに、第１及び第２の離間距離を測定して入力する手間を省くことができる。
【００３９】
なお、力入力部１９は、必ずしも第１及び第２の棒状体１４，１５の双方に設ける必要はなく、外力の入力状況に応じ、第１及び第２の棒状体１４，１５の少なくとも一方に設けることもできる。
【００４０】
また、第１及び第２の棒状体１４，１５における自由端側領域２８，３３の構成を前記各実施形態と逆にしても良い。すなわち、第１の棒状体１４に反射材３２を設け、第２の棒状体１５に力検出手段２１やスリット２７を設けても良い。
【００４１】
更に、前記各実施形態では、力入力部１９と力検出手段２１とが、共に、第１の棒状体１４の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能になっているが、当該取り付け位置の調整は、力入力部１９及び力検出手段２１の少なくとも一方で可能になっていれば良い。
【００４２】
また、力センサ１１の形状は、前記各実施形態の形状に限定されず、支持体１７の上側部分３５と下側部分３６を省略し、中間部分３７のみを残した側面視ほぼコ字状のものや、当該中間部分３７を各棒状体１４，１５の反対側に張り出すように湾曲させた側面視ほぼ横Ｕ字状のものを採用することも可能である。
【００４３】
更に、本発明の力センサ１１は、前述と同様の原理により、圧縮力測定センサ、トルクセンサ、曲げモーメントセンサとして利用することもできる。トルクセンサとしては、図７に示されるように、第１及び第２の棒状体１４，１５に取り付けられる各連結部材３８，３８に、第１及び第２のアームＡ１，Ａ２をそれぞれ固定した構造のものを例示できる。第１及び第２のアームＡ１，Ａ２は、その一端側が軸部材Ｃで相互に連結され、当該軸部材Ｃにトルクが作用すると、軸部材Ｃを回転支点として相互に回転する。当該回転が発生すると、前記トルクの大きさに応じて第１及び第２の棒状体１４，１５が離間接近することになり、前記各実施形態と同様の手順でトルクの大きさを求めることができる。
【００４４】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 力センシングシステム
１１ 力センサ
１２ 外力演算装置
１４ 第１の棒状体
１５ 第２の棒状体
１７ 支持体
１９ 力入力部
２１ 力検出手段
４１ 距離入力部
４２ 力演算部
４３ 第１の距離測定手段
４４ 第１の距離測定手段
４５ 距離演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサにおいて、
相対配置された一対の棒状体と、当該各棒状体の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体を支持する支持体と、前記各棒状体の少なくとも一方に取り付けられて前記外力が作用する力入力部と、前記何れか一方の棒状体に取り付けられるとともに、前記何れか他方の棒状体に向かって光若しくは超音波を発し、当該他方の棒状体で反射した前記光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段とを備え、
前記力入力部及び／又は前記力検出手段は、前記棒状体の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられていることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段と、前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離と前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離とが入力される距離入力部と、当該距離入力部で入力された前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備えたことを特徴とする力センシングシステム。
【請求項４】
請求項２に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記第１及び第２の距離測定手段からの電気信号に基づき前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部と、当該距離演算部で求めた前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備えたことを特徴とする力センシングシステム。
【請求項１】
作用した外力の大きさに応じて電気信号を発生する力センサにおいて、
相対配置された一対の棒状体と、当該各棒状体の一端側が自由端側で他端側が固定端側となるように当該各棒状体を支持する支持体と、前記各棒状体の少なくとも一方に取り付けられて前記外力が作用する力入力部と、前記何れか一方の棒状体に取り付けられるとともに、前記何れか他方の棒状体に向かって光若しくは超音波を発し、当該他方の棒状体で反射した前記光若しくは超音波の大きさに対応する電気信号を発生する力検出手段とを備え、
前記力入力部及び／又は前記力検出手段は、前記棒状体の延出方向に沿って取り付け位置を調整可能に設けられていることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離に応じて電気信号を発生する第１の距離測定手段と、前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離に応じて電気信号を発生する第２の距離測定手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記支持体から前記力入力部までの第１の離間距離と前記支持体から前記力検出手段までの第２の離間距離とが入力される距離入力部と、当該距離入力部で入力された前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備えたことを特徴とする力センシングシステム。
【請求項４】
請求項２に記載された力センサと、当該力センサからの電気信号により前記外力の大きさを求める外力演算装置とを備えた力センシングシステムであって、
前記外力演算装置は、前記第１及び第２の距離測定手段からの電気信号に基づき前記第１及び第２の離間距離を求める距離演算部と、当該距離演算部で求めた前記第１及び第２の離間距離と前記力検出手段からの電気信号の大きさとを予め記憶された演算式に代入することで、前記外力の大きさを算出する力演算部とを備えたことを特徴とする力センシングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１０２９４（Ｐ２０１０−２１０２９４Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４３１１（Ｐ２００９−５４３１１）
【出願日】平成２１年３月７日（２００９．３．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年９月９日 社団法人 日本ロボット学会発行の「第２６回日本ロボット学会学術講演会 予稿集ＣＤ−ＲＯＭ」に発表
【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）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月７日（２００９．３．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年９月９日 社団法人 日本ロボット学会発行の「第２６回日本ロボット学会学術講演会 予稿集ＣＤ−ＲＯＭ」に発表
【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）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
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