JP2009236799A - 光学式力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 同一の大きさ及び方向の外力を異なる場所に付加した場合でも、センサ特性を変化させずに測定精度を維持できる光学式力センサを提供すること。
【解決手段】 光学式力センサ１０は、発光素子２８及び受光素子２９が内部に収容された収容体１２と、収容体１２に装着されるとともに、発光素子２８及び受光素子２９を含む光空間３０を収容体１２との間に形成する蓋体１３とを備えており、収容体１２又は蓋体１３に外力が付加されたときに、光空間３０の形状変化に伴う前記受光素子２９の受光量の変化により、前記外力の大きさが検出可能になる。ここで、蓋体１３は、外力が付加されたときに、光空間３０の形状を変化させる一定方向に相対移動可能となるように、収容体１２に係合されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は光学式力センサに係り、更に詳しくは、外力の大きさに応じて変化する光空間に発光素子及び受光素子を配置し、発光素子から照射された光を受光素子で検出し、その受光量に基づいて外力の大きさを求める光学式力センサに関する。

本出願人は、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７に示される光学式力センサ５０が用いられている。この光学式力センサ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を有するフォトインタラプタ５５と、このフォトインタラプタ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、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。以上の光学式力センサ５０は、次の原理で外力の大きさが検出される。つまり、発光素子５３から光空間６０に照射された光は、反射板５９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からフォトインタラプタ５５までの距離が変わり、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。この際、電圧値と外力との関係を示す特性線が図示しない測定機器に予め記憶されており、測定された電圧値に応じて外力が求められる。
特開２００８−６４８２４号公報

しかしながら、前記光学式力センサ５０にあっては、外力が付加される接触面５９Ａの位置が異なると、同一の大きさ及び方向で外力を加えても、検出される電圧値が一定にならず、所望の測定精度が得られないという問題がある。つまり、接触面５９Ａを下方に押圧する場合、当該押圧部位が接触面５９Ａの中央付近であると、弾性部材５７が全周でほぼ均一に圧縮された状態になり、反射板５９は、ほぼ水平状態を保持しながら下降する。ところが、前記押圧部位が接触面５９Ａの端部になると、当該端部付近の弾性部材５７の圧縮量が他の部位よりも大きくなり、反射板５９は、前記端部を下側にした傾斜状態で下降する。これにより、接触面５９Ａに同一方向で同一の大きさの押圧力を加えても、押圧部位によって光空間６０の形状及び体積が変わり、受光素子５４の受光量が変わってしまうため、センサの特性を一定に保てないという問題がある。このことについて、本発明者らは、後述するように、図３の（Ｄ）〜（Ｇ）に示される通り、接触面５９Ａの異なる位置に、同一の大きさ及び方向の押圧力をそれぞれ作用させた場合に、図５のグラフに示されるように、特性線に大きな差が出ることを実験実証した。

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、同一の大きさ及び方向の外力を異なる場所に付加した場合でも、センサ特性を変化させずに測定精度を維持できる光学式力センサを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、発光素子及び受光素子が内部に収容された収容体と、当該収容体に装着されるとともに、前記発光素子及び受光素子を含む光空間を前記収容体との間に形成する蓋体とを備え、前記収容体又は蓋体に外力が付加されたときに、前記光空間の形状変化に伴う前記受光素子の受光量の変化により、前記外力の大きさを検出する光学式力センサにおいて、
前記蓋体は、前記外力が付加されたときに、前記光空間の形状を変化させる一定方向に相対移動可能に前記収容体に係り合う、という構成を採っている。

（２）また、本発明は、発光素子及び受光素子が内部に収容された収容体と、当該収容体に装着されるとともに、前記発光素子及び受光素子を含む光空間を前記収容体との間に形成する蓋体とを備え、前記収容体又は蓋体に外力が付加されたときに、前記光空間の形状変化に伴う前記受光素子の受光量の変化により、前記外力の大きさを検出する光学式力センサにおいて、
前記収容体及び前記蓋体は、その何れか一方に前記外力が付加される接触面を含むとともに、一定の大きさ及び方向の外力が前記接触面のどの領域に作用しても、前記光空間が同一の形状変化をするように相対移動可能に係り合う、という構成を採っている。

（３）以上において、前記収容体と前記蓋体の間に、前記相対移動方向に付勢する付勢部材を設けるとよい。

なお、本明細書において、「上」、「下」は、特に明示しない限り、図１及び図２の光学式力センサの向きにおける「上」、「下」を意味する。

本発明によれば、前記収容体及び蓋体に外力が付加されたときに、その場所に関係なく光空間の形状を一定に変化させることができるため、センサ特性を変化させずに測定精度を維持することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る光学式力センサの概略斜視図が示され、図２には、図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図が示されている。これらの図において、光学式力センサ１０は、上端側が開放する筒状の収容体１２と、収容体１２の上端側の開放部分から装着されて当該収容体１２の内部空間を閉塞する蓋体１３と、収容体１２の内部に収容されたフォトインタラプタ１５（図２参照）と、収容体１２と蓋体１３との間に配置された付勢部材としてのコイルばね１６とを備えて構成されている。

前記収容体１２は、外部からの光が内部に侵入しにくく、且つ、弾性変形しにくい材料によって形成されており、下側に位置する円盤状のベース１８と、このベース１８の上面ほぼ中央に固定された円筒状の筒状体１９とからなる。

前記蓋体１３は、弾性変形しにくい材料によって形成されており、図２に示されるように、上側に位置する円盤状の板部材２０と、板部材２０の下面側のほぼ中央に固定されるとともに、筒状体１９内に嵌め入れられる円柱状の軸部材２１とからなる。

前記板部材２０の上面は、検出対象の外力（押圧力又は引張力）が付加される接触面２３となっている。

前記軸部材２１は、筒状体１９の内径とほぼ同一若しくは僅かに小さい外径となっており、筒状体１９の軸線方向に沿って相対移動可能となるように筒状体１９に嵌め入れられている。なお、筒状体１９の内周面及び軸部材２１の外周面は、それらの相対移動に伴って発生する摩擦力を少なくする材料で形成されている。以上から、接触面２３に押圧力又は引張力が作用すると、軸部材２１は、筒状体１９の内周面にガイドされながら上下方向に移動することになる。このため、接触面２３上のどの部分に押圧力又は引張力が作用しても、上下方向における力の大きさが同一であれば、蓋体１３全体が同一の姿勢及び移動量で動くことになる。また、軸部材２１の下面は、所定の遮光性を備えた反射面２５となっており、この反射面２５では、後述するように、フォトインタラプタ１５から照射された光が反射される。

収容体１２及び蓋体１３の取り付け状態においては、ベース１８の上面、筒状体１９の内周面及び反射面２５で囲まれる光空間３０が形成される。

前記フォトインタラプタ１５は、ベース１８の上面に固定されており、発光ダイオード等の発光素子２８と、フォトトランジスタ等の受光素子２９とを備えた公知の構成となっている。発光素子２８から照射された光は、光空間３０を伝播して受光素子２９で検出される。なお、このとき、発光素子２８からの光は、僅かに筒状体１９等に吸収されるが、殆どが反射面２５で反射されて受光素子２９で検出されることになる。

前記コイルばね１６は、その両端部分がベース１８の上面と板部材２０の下面に固定されるとともに、筒状体１９及び軸部材２１の外方に巻回されて、収容体１２と蓋体１３の相対移動方向に付勢するようになっている。従って、接触面２３への外力の付加が解除されると、コイルばね１６が自然長となる収容体１２及び蓋体１３の初期位置に復元されることになる。なお、このような付勢を可能にする限り、他のばねや弾性体等の他の付勢部材に代替してもよい。

以上の構成により、発光素子２８から照射された光は、光空間３０内を伝播し、反射面２５で反射されて受光素子２９で検出される。ここで、接触面２３に外力が加わると、その外力の大きさに応じて軸部材２１が上下動し、反射面２５からフォトインタラプタ１５までの距離が変わる。すると、受光素子２９で検出される光量が変わり、受光素子２９から出力される電流値が変化することになる。つまり、接触面２３にかかる押圧力が大きい程、反射面２５がフォトインタラプタ１５に近づき、受光素子２９で検出される光量が増えて、当該受光素子２９から出力される電流値が増える。逆に、接触面２３にかかる引張力が大きい程、反射面２５がフォトインタラプタ１５から遠ざかり、受光素子２９で検出される光量が減って、当該受光素子２９から出力される電流値が減少する。

このように、光学式力センサ１０は、外力の付加によって光空間３０の形状（体積）が変化し、それに伴い受光素子２９から出力される電流値が変化し、当該電流の変化に対応した電圧値の変化を図示しない測定機器で測定することで、接触面２３に加わった力の大きさを特定可能となる。つまり、接触面２３に付加される外力と受光素子２９の受光量に対応する電圧値との関係データを予め実験等で取得して前記測定機器に記憶させ、前記関係データを使って、測定した電圧値から、付加された外力の大きさが求められる。なお、特に限定されるものではないが、本実施形態では、外力が作用していないときに検出される電圧値を基準（ゼロ）とするようにキャリブレーションされ、押圧力が作用したときにプラスの電圧値、引張力が作用したときにマイナスの電圧値とされ、外力の大きさと電圧値とがほぼ比例関係になっている。

本実施形態の光学式力センサ１０の効果を実証するための次の実験を行った。

本実験においては、本実施形態の光学式力センサ１０と、図７を用いて既述した従来の光学式力センサ５０との間で、電圧値と押圧力との関係を示す特性線の相違を確認した。ここでは、本実施形態のセンサ１０は、全体の高さを１５ｍｍ程度とし、筒状体１９の内径を５ｍｍ程度とし、押圧力が作用していない初期状態の光空間３０の高さを２．５ｍｍとした。一方、比較例となる従来のセンサは、各辺が１０ｍｍ程度となる立方体状のものを使用した。各光空間３０，６０内のフォトインタラプタ１５，５５は同一のものを使用した。

実験条件としては、本実施形態のセンサ１０及び従来のセンサ５０について、何れも同一となる大きさの押圧力を鉛直方向に付加し、図３に示されるように、各センサ１０，５０において、それぞれ押圧力を付加する位置を変え、それぞれの位置について前記特性線を求めた。つまり、本実施形態のセンサ１０では、接触面２３に作用する押圧力の位置を図３中（Ａ）〜（Ｃ）に示される３種類とし、それぞれの押圧位置における特性線を求めた。一方、従来のセンサ５０では、接触面５９Ａに作用する押圧力の位置を同図中（Ｄ）〜（Ｇ）に示される４種類とし、それぞれの押圧位置における特性線を求めた。

この結果、本実施形態のセンサ１０では、図４に示されるように、押圧位置が変わってもほぼ同一の特性線が得られたのに対し、従来のセンサ５０では、図５に示されるように、押圧位置が変わると全く異なる特性線が得られた。このため、従来のセンサ５０で外力の大きさを正確に検出するには、接触面５９Ａの押圧位置毎に特性線を予め定めなければならず、また、外力が作用する接触面５９Ａの位置を正確に把握しなければならない。ところが、本実施形態のセンサ１０では、接触面２３のどこに押圧力が作用しても、同一の特性が得られ、接触面２３に対する外力の作用位置を把握しなくても、一つの特性線によりセンサ１０に作用した外力の大きさを正確に検出することができる。

なお、本実施形態に対する変形例として、以下の態様を例示できる。第１の変形例としては、図６（Ａ）に示されるように、コイルばね１６を光空間３０内に配置することができる。第２の変形例としては、同図（Ｂ）に示されるように、前記実施形態に対し、収容体１２と蓋体１３との位置関係を上下反転させて、軸部材２１の同図中上端面にフォトインタラプタ１５を取り付け、ベース１８の下面側を反射材からなる反射面２５とした構造としてもよい。要するに、前記実施形態や第１及び第２の変形例のように、接触面２３のどの部分に外力を付加しても、光空間３０が同一に変形できる限り、種々の構造を採用することができる。

また、前記実施形態や第１及び第２の変形例では、蓋体１３側の接触面２３に外力が付加されるようになっているが、収容体１２のベース１８を接触面２３として、収容体１２側に外力を付加させることもでき、この場合も前述と同様の作用効果を奏する。

更に、コイルばね１６の代わりに、透光性を有するスポンジ等の弾性体を光空間３０内に充填してもよい。

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。

本実施形態に係る光学式力センサの概略斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿う概略断面図。 本実施形態のセンサの効果を実証する実験において、（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態のセンサにおける押圧位置を説明するための図であり、（Ｄ）〜（Ｇ）は、従来のセンサにおける押圧位置を説明するための図である。 実験の結果得られた本実施形態のセンサの特性線を示すグラフ。 実験の結果得られた従来のセンサの特性線を示すグラフ。 （Ａ）は、第１変形例に係る光学式力センサの概略断面図であり、（Ｂ）は、第２変形例に係る光学式力センサの概略断面図である。 従来の光学式力センサの概略断面図。

符号の説明

１０ 光学式力センサ
１２ 収容体
１３ 蓋体
１５ フォトインタラプタ
１６ コイルばね（付勢部材）
２３ 接触面
２８ 発光素子
２９ 受光素子
３０ 光空間

Claims (3)

1. 発光素子及び受光素子が内部に収容された収容体と、当該収容体に装着されるとともに、前記発光素子及び受光素子を含む光空間を前記収容体との間に形成する蓋体とを備え、前記収容体又は蓋体に外力が付加されたときに、前記光空間の形状変化に伴う前記受光素子の受光量の変化により、前記外力の大きさを検出する光学式力センサにおいて、
   前記蓋体は、前記外力が付加されたときに、前記光空間の形状を変化させる一定方向に相対移動可能に前記収容体に係り合うことを特徴とする光学式力センサ。
2. 発光素子及び受光素子が内部に収容された収容体と、当該収容体に装着されるとともに、前記発光素子及び受光素子を含む光空間を前記収容体との間に形成する蓋体とを備え、前記収容体又は蓋体に外力が付加されたときに、前記光空間の形状変化に伴う前記受光素子の受光量の変化により、前記外力の大きさを検出する光学式力センサにおいて、
   前記収容体及び前記蓋体は、その何れか一方に前記外力が付加される接触面を含むとともに、一定の大きさ及び方向の外力が前記接触面のどの領域に作用しても、前記光空間が同一の形状変化をするように相対移動可能に係り合うことを特徴とする光学式力センサ。
3. 前記収容体と前記蓋体の間には、前記相対移動方向に付勢する付勢部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式力センサ。

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