JP3083844B2 - 力センサ - Google Patents

力センサ

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、アメリカ合衆国エネルギ省（Department o
f Energy）によって認可されたSBIRフェーズＩ契約番号
DE−AC02−85ER80291及びアメリカ合衆国空軍（United
States Air Force）によって認可されたSBIRフェーズＩ
契約番号F41622−89−Ｃ−1027の下での政府援助を得て
達成されたものである。アメリカ合衆国政府は、本発明
について幾らかの権利を持つものである。
多くの産業上、医療上、科学上及びその他のアプリケ
ーションにおいては、様々な要求タスクを達成するため
に、十分で、多様性があり、信頼性が高く、しかも低コ
ストのセンサシステムを持つことが必要である。例え
ば、力センサ（force sensor）は足の力の分布の測定に
おける用途を持つ。足の力の分布は、運動競技の訓練、
スポーツによる負傷、糖尿病性神経病に起因する高圧ポ
イント、足の疾病等における分野での進展の分析に使用
することができる。椅子、車のシート及びマットレスの
人間工学的設計においては、力センサが不愉快な原因と
なる大きな力の位置及び規模を示すのに使用できる。
機械ハンドによる器用な操作（dexterous manipulati
on）の科学的研究の分野においては、指及び掌上の力セ
ンサがコンタクト力の位置及び大きさを示すために必須
である。機械ハンド上の力の分布を示すために使用され
る力センサは、通常、触覚センサ（tactile sensors）
と呼ばれる。産業ロボット工学の分野においては、触覚
センサによって提供される力情報に適切に応答できるロ
ボットの設計を可能とする技術が既に存在する。しか
し、触覚センサはしばしば信頼性の低い測定値を提供
し、また頑丈さに欠けるという問題もある。触覚センサ
はロボットハンドと握られる物体との間にコンタクトが
起きたときロボットを制御することによって他のロボッ
トシステムを補完する。信頼性及び多様性を持つ触覚セ
ンサは、ロボットが、人間が物体に対して感じるのと匹
敵する方法で機能することを可能にする。これはロボッ
トにパーツを特定の位置に置かせるようなタスクを遂行
させることを可能にする。
１つのタイプの力センサは、力成分を決定するために
超音波トランスジューサを可変形媒体（deformable med
ium）と共に使用する。これに関しては、1990年10月23
日付の発明の名称「センサ（Sensor）」についての合衆
国特許第4,964,302号を参照されたい。信号の送信及び
検出の両方を行なう超音波トランスジューサが信号を可
変形媒体を通過するように送り、この可変形媒体の表面
からのこの信号のエコーを検出するために使用される。
この可変形媒体に力が加えられると、信号が伝わるべき
距離が変化することになる。信号の生成とエコーの検出
との間の差分（differential）が加えられた力を決定す
るために使用される。
もう１つのタイプの力センサは、力トルク成分を決定
するために超音波トランスジューサを可変形媒体と共に
使用する。これに関しては、1987年11月10日付の発明の
名称「多重成分力トルクセンサ（Multicomponent Force
Torque Sensor）」についての合衆国特許第4,704,909
号を参照されたい。複数の信号生成手段が、可変形媒体
を通過して伝送される複数の信号を生成し、ロード手段
（loadable means）の表面からのこれら信号のエコーが
複数の信号受信手段によって検出される。これら信号の
生成とこれら信号の検出との間の時間の差分が複数の力
トルク成分を決定するために使用される。
上述の発明の名称「センサ（Sensor）」についての合
衆国特許第4,964,302号は、第１図（３×３アレイを示
す）に示されるように、センサの表面に対して垂直に加
えられる力を決定し、量子化するためにクロスポイント
スイッチング（cross−point switching）を使用する。
クロスポイントスイッチングにおいては、１つの超音波
トランスジューサが信号の送信及び検出の両方を行な
う。従来の力センサアレイはセンサアセンブリを出るた
めに各センシング要素に対して１つのワイヤを要求す
る。センシング要素の数が多くなればなるほど、より多
くのワイヤが必要となる。クロスポイントスイッチング
は外部ワイヤの数を減らすことを可能にする。Ｎ個のロ
ウ（row）及びＭ個のカラム（column）に配列されたセ
ンシング要素を持つクロスポイントスイッチングを使用
するアレイは各センシング要素に対して１つのワイヤ
（つまり、Ｎ×Ｍ個のワイヤ）に対比してＮ＋Ｍ個のワ
イヤを持つ。しかし、実際にはクロスポイントスイッチ
ングは少数のロウ及びカラムを持つアレイに対してのみ
実用的であることが知られている。第１図において、ロ
ウ選択手段80は複数のロウから１つのロウを選択し、カ
ラム選択手段81は複数のカラム84から１つのカラムを選
択する。
隣接するロウと隣接するカラムとの間のキャパシタン
ス、及びセンサエレクトロニクスを通じてのグラウンド
へのキャパシタンスは励起電圧の選択された以上のセン
シング要素へのスプリアス結合（spurious coupling）
を起こす。このようなスプリアス結合は選択されたセン
シング要素からのより小さな規模の信号及び選択されな
いセンシング要素からの誤った信号の生成を起こす。
同様に、エコー信号も１つ以上のセンシング要素に誤
ってスプリアスに結合される。選択されたセンシング要
素の信号及び誤ってスプリアスに結合された信号が生成
された後に、これらは触覚センサの表面から反射して戻
される。これらエラー信号は選択されたセンシング要素
のより小さなエコーを隠す大きなエコーを生成する。要
求されるエコーを抽出するためは、個々のセンシング要
素の信号のコストのかかる数学的な処理がこれをそれと
隣接するものの影響から隔離するために必要となる。こ
の悪影響はロウ及びカラムの数が増加すると一層重大に
なる。
本発明は、第２図に示されるようなクロスフィールド
スイッチングを使用する装置及びプロセスに関する。ク
ロスフィールドスイッチングにおいては、信号生成（励
起）手段と信号受信手段が電気的に隔離される。クロス
フィールドスイッチングはまた外部ワイヤの数を低減で
きる。Ｎ個のロウ及びＭ個のカラムに配列されたセンシ
ング要素を持つクロスフィールドスイッチングを使用す
るアレイは各センシング要素に対して１つのワイア（つ
まり、Ｎ×Ｍ個のワイヤ）に対比してＮ＋Ｍ個のワイヤ
を持つ。第２図において、ロウ選択手段85は複数のロウ
87から１つのロウを選択し、カラム選択手段86は複数の
カラム88から１つのカラムを選択する。
本発明は、クロスポイントスイッチングではなくクロ
スフィールドスイッチングを使用する。クロスフィール
ドスイッチングはロウ−カラムセンシング要素を使用す
る。信号生成手段及び信号受信手段は、例えば、電気的
に隔離された超音波トランスジューサであり得る。信号
生成手段の特定のロウを起動し、また信号受信手段の１
つの特定のカラムからの信号を受信することによって、
重なり合う信号生成領域と信号レセプション領域に共通
なクロスフィールド交差の直上の物体からの信号のみが
受信される。このクロスフィールドスイッチングは伝送
された信号にて追加のセンシング要素を寄生的に励起す
る問題を回避する。これに加えて、クロスフィールドス
イッチングはセンシング要素間での受信された信号のス
プリアス結合の問題を回避する。
クロスフィールドスイッチングの励起及びレセプショ
ンエレクトロニクスは、第２図に示されるように隔離さ
れるために、エコーがより速く検出でき、従って、より
薄い可変形媒体の使用が可能となる。信号の別個の生成
及びレセプションは受信手段が信号生成手段の起動の最
中にオーバロードされないために、より迅速な応答時間
を可能にする。本発明のその他の目的及び特徴は、以下
の説明から更に明らかになるものである。
発明の概要 本発明の力センサは、力が加えられるコンタクト表面
を持つ可変形（deformable）媒体を持つ。この可変形媒
体は既知の機械的及び音速特性を持つべきである。可変
形媒体は弾性材料、例えばゴムであり得る。好ましく
は、この可変形材料は、エラストメリックな弾性材料、
例えばウレタンゴム、天然ゴム、シリコンゴム、その他
とされる。力が加えられると、この可変形媒体は厚さを
変える。この可変形材料はまた可変形媒体と加えられた
力との間に位置するコンタクト表面として機能する金属
層を持つ。この可変形媒体はセンサが用いられるアプリ
ケーションに適当な任意のサイズ又は寸法とされる。
この力センサは、更に信号生成器を含む。信号生成器
は１つ又は複数の信号生成領域を持つ。複数の信号生成
領域が好ましい。信号生成領域は可変形媒体を通じて伝
わり、コンタクト表面によって信号レセプション領域に
反射される信号を生成するための任意の手段であり得
る。好ましくは、信号生成領域は音響信号を生成する能
力を持つ超音波トランスジューサとされる。
複数の信号生成母層（signal generation strata）を
持つことが可能である。信号生成母層は積み重ね及び／
又は織り成すことができる。各信号生成母層は少なくと
も１つの信号生成領域、好ましくは、複数の信号生成領
域を持つ。１つの母層内の信号生成領域は他の信号生成
母層内の各々の信号生成領域と重なり合うべきである。
これら重なり合う信号生成領域は、好ましくは、追加の
トランスジューサ材料がよりパワーの強い音響信号を生
成するように音響的に直列にされるべきである。
力センサは更に信号レセプタを含む。この信号レセプ
タは１つ又は複数の信号受信領域を持つ。複数の信号受
信領域が好ましい。信号受信領域は信号生成領域によっ
て生成された信号を受信し、これに応答して検出信号を
生成するための任意の手段であり得る。好ましくは、信
号受信領域は音響信号を受信し、この音響信号を検出信
号として機能する電気信号に変換する能力を持つ超音波
トランスジューサであり得る。
複数の信号受信母層（signal reception strata）を
持つことが可能である。信号受信母層は積み重ね及び／
又は織り成すことができる。各信号受信母層は少なくと
も１つの信号受信領域、好ましくは、複数の信号受信領
域を持つ。１つの母層の信号受信領域は他の各信号受信
母層の信号受信領域と重なり合うべきである。これら重
なり合う信号受信領域は、好ましくは、追加のトランス
ジューサ材料がよりセンシティブな１つのレセプタを形
成するように音響的に直列にされるべきである。
信号生成領域と信号受信領域の重なりがクロスフィー
ルド交差を定義する。信号生成領域と信号受信領域は文
字通りには交差しないが、本願における開示及び請求の
範囲の目的に対しては、この重なりは、クロスフィール
ド交差と呼ばれる。好ましくは、この信号生成領域はク
ロスフィールド交差を形成するように信号受信領域と垂
直に重なり合う。
信号生成領域と信号受信領域はクロスフィールド交差
の様々なパターンを形成するように重なり合うことがで
きる。信号を生成するために信号生成領域を起動し、信
号受信領域のところでこの信号を受信することによっ
て、クロスフィールド交差が使用され、クロスポイント
スイッチングのスプリアス結合の問題が回避できる。信
号の別個の生成及び受信は、受信手段が受信が起こる前
に回復されることを必要としないために、より迅速な応
答時間を可能にする。
好ましくは、この力センサは可変形媒体、信号生成器
及び信号レセプタをサポートするための任意の手段であ
り得る基板を含む。この基板は直接のサポートを提供す
るために硬直材料（例えば、セラミック、スチール、ア
ルミニウム等）又はフレキシブル材料（例えば、カプト
ン（Kapton））であり得る。
この力センサは更に信号生成領域を選択及び起動する
ための生成制御手段を含む。好ましくは、単一のパルス
生成器がスイッチによって要求される信号生成領域に接
続される。いったん接続されると、このパルス生成器は
選択された信号生成領域を起動する電気パルスを生成す
るようにトリガされる。別の実施例においては、各信号
生成領域は別個のパルス生成器に接続される。要求され
る信号生成領域を付勢するために、対応するパルス生成
器がトリガされる。これらスイッチ及びパルス生成器の
ために従来のアナログ及びデジタル回路を使用すること
ができる。
この力センサは更に信号受信領域を選択し、この信号
受信領域によって生成された検出信号を検出するための
受信制御手段を含む。この受信制御手段はどの信号受信
領域が選択され、そこからの検出信号が受信されるべき
かを復号するスイッチとして機能する。好ましくは、単
一の信号検出器がスイッチによって要求される信号受信
領域に接続される。別の実施例においては、別個の信号
検出器が各信号受信領域に接続される。要求される信号
受信領域からの信号を検出するために、対応する信号検
出器の出力が選択される。従来のアナログ回路がこれら
スイッチ及び検出器のために使用できる。検出は従来の
振幅検出器又は位相検出回路によって達成することがで
きる。
この力センサは力成分を決定するための力決定手段を
含む。信号生成領域によって生成され、コンタクト表面
からの反射によって信号受信領域に伝送される信号のト
ランジット時間は従来の電子タイマによって測定するこ
とができる。信号生成領域が生成制御手段によって起動
されると、力決定手段内のタイマがカウントを開始す
る。受信制御手段による検出信号の検出によってカウン
タが停止される。タイマによって測定された時間間隔は
音響信号のトランジット時間に等しい。これは生成制御
手段による起動と受信制御手段による検出のタイミング
によって力決定手段がいかに信号トランジット時間を測
定することができるかの一例である。起動及び検出のタ
イミングのための他の方法も本発明の範囲内に入るもの
である。更に、本発明の別の実施例においては、従来の
位相検出回路が音響信号の信号トランジット時間に比例
する検出信号の位相を測定するために使用される。これ
ら及びその他の信号トランジット時間の測定を構成し、
これと等価であるものとみなされる代替も本発明の範囲
に入るものである。
信号のトランジット時間は信号が信号生成領域から可
変形媒体のコンタクト表面に進み、ここから信号受信領
域に反射されて進むまでの距離に比例する。可変形媒体
に加えられた力によってこの距離が変化すると、結果と
して信号のトランジット時間が変化する。
力決定手段は信号のトランジットを測定するための任
意の手段であり得る。力決定手段の重要な要素はこのト
ランジット時間を測定するための手段である。多くの場
合においては、加えられた力成分はこのトランジット時
間の変化に単純に比例し、従って、トランジット時間の
変化からの力への変換は、これが定数に乗数を掛けるこ
とによって計算できるために非常に簡単である。力決定
手段はまた、オプションとしてある選択されたクロスフ
ィールド交差（つまり、信号生成領域と信号受信領域と
任意の交差）に対する力成分を決定するための手段を含
む。加えられた力によって生成される信号トランジット
時間の変化は、力決定手段によって力成分Ｆを計算する
ために使用することができる。このセンサは可変形媒体
のコンタクト表面に力が加えられてないときの各クロス
フィールド交差に対する信号トランジット時間を測定及
び格納することによって調整（校正）することができ
る。音響信号の場合は、特定のクロスフィールド交差に
対する力成分Ｆは以下により詳細に説明されるように、
Ｆ＝1/2kc（t1−t2）によって与えられる。
生成制御手段は信号生成領域を起動し、信号生成領域
が信号を生成するようにする。この信号は、可変形媒体
を通過し、可変形媒体のコンタクト表面から反射され、
信号受信領域に戻る。信号受信領域は反射された信号に
反応して受信制御手段に対する検出信号を生成する。受
信制御手段は信号受信領域を選択し、この検出信号を検
出する。
この可変形媒体のコンタクト表面がより低い音響イン
ピーダンスを持つ媒体（例えば、空気）とコンタクトす
る場合は、伝送された信号は表面のところでの反射にお
いて180度の位相シフトを起こす。可変形媒体のコンタ
クト表面がより高い音響インピーダンスを持つ媒体（例
えば、金属）とコンタクトする場合は、信号は位相の反
転なしに反射される。
起動のために特定の信号生成領域を選択し、また特定
の信号受信領域を選択することによって、この重なり合
う信号生成領域及び信号受信領域に共通するクロスフィ
ールド交差の直上の対象からの信号のみが受信される。
このクロスフィールドスイッチングは伝送される信号に
て追加のセンシング要素が寄生的に励起される問題を回
避する。これに加えて、このクロスフィールドスイッチ
ングは追加の要素間での受信された信号のスプリアス結
合の問題を回避する。
いったん検出信号が受信制御手段によって検出される
と、信号の信号生成領域から選択された信号受信領域ま
でのトランジット時間が従来の時間測定又は位相検出電
子回路を使用して測定される。信号のトランジット時間
は信号が信号生成領域から可変形媒体のコンタクト表面
に進み、ここから信号受信領域に進むまでに必要とされ
る距離に比例する。
加えられた力によって可変形媒体が変化すると、結果
としてあるクロスフィールド交差に対する信号のトラン
ジット時間が変化する。各クロスフィールド交差に対す
る信号トランジット時間を測定することによって、ある
物体によってこの力センサの表面に加えられた垂直の力
の成分を決定することができる。可変形媒体に加えられ
た力は可変形媒体のコンタクト表面上の力成分の分布と
して表わすことができる。従って、力成分は、クロスフ
ィールド交差に加えられる力である。クロスフィールド
交差がコンタクト表面上の複数の力成分を決定するため
に順番に選択される。これによってコンタクト表面を通
じての力成分の分布のピクチャが得られる。時間を通じ
て、ある与えられたクロスフィールド交差に加えられる
力成分が変化することがある。時間を通じての力成分の
変化を決定するためには、個々の（つまり、任意の）ク
ロスフィールド交差が反復的に選択され、これに対する
力成分が反復的に決定される。
図面の簡単な説明 第１図はクロスポイントスイッチングの概念図を示
し、 第２図はクロスフィールドスイッチングの概念図を示
し、 第３図は力センサを示し、 第４図は信号生成母層を示し、 第５図は信号生成領域を示し、 第６図は折り畳まれた信号生成シートを示し、 第７図は信号受信母層を示し、 第８図は信号受信領域を示し、 第９図は折り畳まれた信号受信シートを示し、 第10図はクロスフィールド交差を示し、 第11図は折り畳まれた信号受信シート上に積み重ねら
れ接合された折り畳まれた信号生成シートを示し、 第12図は織り成された信号生成母層及び信号受信母層
を示し、 第13図は力が加えられてない状態の力センサの３つの
クロスフィールド交差の断面図を示し、 第14図は可変形媒体のコンタクト表面上に力が加えら
れた状態の力センサの３つのクロスフィールド交差の断
面図を示し、 第15図は信号受信領域とクロスフィールド交差を形成
する信号生成領域を持つ力センサアレイを示し、 第16図は第15図のアレイを使用するロボットフィンガ
を示し、 第17図はくさび状信号生成領域を示し、そして 第18図は円形信号受信領域を示す。
尚、図面を見易くするため、また表現上の便宜より図
面中の相対的な寸法は歪められていることに注意すべき
である。
好適な実施例の詳細な説明 本発明の力センサ10は第３図に示されるようにコンタ
クト表面８を持つ可変形媒体（deformable medium）10
を含む。コンタクト表面８はこれに対して力が加えられ
る表面である。これに加えて、このセンサは音響信号を
生成する信号生成母層12の形式での信号生成器を含む。
本発明の他の実現においては音響信号の代わりに他のタ
イプの信号（例えば、光学信号など）が使用される。信
号生成器12は第３図に示されるように生成制御手段18か
らの電子パルスによって起動される。信号生成器12によ
って生成された音響信号は可変形媒体10を通過し、コン
タクト表面８から反射される。
このセンサは更に反射された音響信号を受信する信号
受信母層14の形式での信号レセプタを含む。信号受信母
層14は反射された音響信号を検出信号（detection sign
al）として機能する電気信号に変換する。信号受信母層
14は、第３図に示されるように受信制御手段20によって
制御される。力決定手段（force determination mean
s）22は加えられた力を音響信号のトランジット時間（t
ransit time）を測定し、これに基づいて力の成分を計
算することによって決定する。
基板16は、第３図に示されるように、可変形媒体10、
信号生成器12及び信号レセプタ14をサポートする。
可変形媒体10は第３図に示されるように既知の機械的
及び音速特性を持たなければならない。好ましくは、可
変形媒体10はウレタンゴム（又は他の伸縮自在で弾力性
のある材料、例えば天然ゴム、エラストマ、シリコンゴ
ムなど）のシートとされる。本実施例における可変形媒
体の厚さは、通常は約0.040インチ又はそれ以下から約
1.0インチ又はそれ以上までの範囲とされる。サイズは
約0.020インチ×0.020インチ又はそれ以下から約３フィ
ート×３フィート又はそれ以上までの範囲とされる。可
変形媒体10はこのセンサが使用されるアプリケーション
に適当な任意の形状、サイズ又は寸法であってよい。
可変形媒体10の片側はコンタクト表面８であり、これ
に対して力が加えられる。可変形媒体の反対側はカプト
ン（Kapton）テープ（又は他のテープ、例えば、マイラ
（Mylar）テープ）にてコートされる。信号生成器母層1
2もカプトンテープ（又は他のテープ、例えば、マイラ
テープ）にてコートされる。可変形媒体10のテープでコ
ートされた側は信号生成器母層12のテープでコートされ
た側とウレタン粘着剤（又は粘着性を持つ他の材料、例
えばエポキシ等）で接合される。可変形媒体10は信号生
成器母層12にこのようにして又は他の手段によって接合
される。可変形媒体10は、別の方法として、信号生成器
12と信号レセプタ10の位置が反転している場合は、信号
受信母層14に接合することもできる。
信号生成器12は、第４図及び第５図に示されるよう
に、信号生成領域36を含む。本実施例においては、この
信号生成領域36は互いに接合された分離したユニット、
デバイス等ではなく、これらは単一の統合された信号生
成母層の部分である。他の実施例においては、信号生成
領域は、母層を形成するように配列又は位置された信号
を生成するための別個のユニット、デバイス、又は他の
手段であり得る。第４図は３つの信号生成領域36を示す
が、実際の使用においては、信号生成領域の数はセンサ
が使用されるアプリケーションに依存する１から80又は
それ以上の数とされる。信号生成領域はコンタクト表面
８からの反射によって（後に説明される）信号受信領域
の少なくとも１つに伝送される信号を生成するための任
意の手段であり得る。好ましくは、信号生成領域36は超
音波トランスジューサとされる。この超音波トランスジ
ューサは第４図及び第５図に示されるような構造及び形
式を持つ。
信号生成領域36の１つの母層28はポリフッ化ビニリデ
ン（polyvinylidene fluoride,PVDF）（又は他の圧電材
料、例えば、ポリ−ガンマ−メチル−Ｌ−グルタメート
（poly−gamma−metyl−Ｌ−glutamate）、ポリアクリ
ロニトリル（polyacrylonitrile）、ポリフッ化ビニル
（polyvinyl fluoride）、チタン酸−ジルコニウム酸鉛
（lead titanate−zirconate）、メタニオブ酸鉛（lead
metaniobate）、チタン酸バリウム（barium titanat
e）等であり得る。圧電層28は第５図に示されるように
電極24と隔離層26との間に位置される。圧電層28がPVDF
である場合は、この厚さは、通常は６から1000ミクロン
までの範囲とされる。好ましくは、PVDFの厚さは９〜52
ミクロンの厚さとされる。圧電層のサイズは、通常は約
0.020インチ×0.020インチ又はそれ以下から約３フィー
ト×３フィート又はそれ以上までの範囲とされる。これ
の形状、サイズ及び寸法は意図されるアプリケーション
に適当に合わせることができる。
信号生成器領域36の電極24は圧電層28の上にアルミニ
ウム−スズ（又は電極の機能を果たす能力を有する他の
材料、例えばニッケル、金等）の薄い膜を真空堆積し、
従来のフォトエッチング技法を使用して基板から不要な
アルミニウム−スズを取り除くことによって形成するこ
とができる。この除去によって電極24の必要とされるパ
ターンが残される。これを形成するための任意の他の適
当な方法、例えば、導電性インクのスクリーニングを使
用することもできる。電極24は、第４図に示されるよう
にワイヤ32に接続される。電極24が生成制御手段18から
の電気パルスによって起動されると、電極24は電極24と
隔離層26との間の圧電層28の一部分を励起し、音響信号
を生成する。
隔離層26は金属化されたアルミニウム−スズ層（又は
導電の能力を持つ任意の他の材料、例えばニッケル、金
等）であり得る。隔離層26は、第４図及び第５図に示さ
れるように、ワイヤ34によって生成制御手段18の電極に
接続された電極層である。この実施例においては、ワイ
ヤ34はグラウンドに終端し、従って、隔離層26はグラウ
ンドシートである。隔離層26は信号生成母層12及び信号
受信母層14を電気的に電気的干渉から遮蔽する。本発明
の別の実施例においては、隔離層は信号生成領域36と信
号受信領域52を電気的に隔離する任意の層であり得る。
第３図において、信号生成器12は単一の信号生成母層
12である。但し、好ましくは信号生成器12は複数の信号
生成母層を持ち、各々の母層が少なくとも１つの信号生
成領域、好ましくは、複数の信号生成領域を持つ。フレ
キシブル圧電材料に対してこれを達成する１つの方法
は、第６図に示されるように、ポイント38において信号
生成シート37を自身の上に折り重ねる方法である。いっ
たん折り重ねられると、第６図のシート37は個々の母層
が複数の信号生成領域36を持つ３つの信号生成母層を提
供する。この例においては、信号生成器12は上部母層、
下部母層及び中間母層を持つ。これら母層が互いに折り
重なる。
多くの折り重ね及び多くの重複する中間信号生成母層
が存在し得る。いったん折り重ねられると、この信号生
成母層は１つの信号生成領域の電極が別の信号生成領域
の電極と短絡しないように整合されるべきである。この
重ねられた信号生成領域は音響的に直列になるべきであ
る。こうして、追加のトランスジューサ材料はより強力
な音響信号を生成する。
この力センサは第７図に示されるように信号受信母層
14を含む。信号受信母層14は、第７図及び第８図に示さ
れるように、信号受信領域52を含む。本実施例において
は、この信号受信領域52は互いに接合された分離したユ
ニット、デバイス等ではなく、これらは単一の統合され
た信号受信母層の部分である。他の実施例においては、
信号受信領域は、母層を形成するように配列又は位置さ
れた信号を生成するための別個のユニット、デバイス又
は他の手段であり得る。第７図は３つの信号受信領域52
を示すが、実際の使用においては、信号受信領域の数は
センサが使用されるアプリケーションに依存する１〜80
又はそれ以上の数とされる。信号受信領域は信号生成領
域36の少なくとも１つによって生成及びこれから伝送さ
れ、コンタクト表面８から反射された信号を受信するた
め及びこの反射された信号の受信に応答して検出信号を
生成するための任意の手段であり得る。好ましくは、信
号受信領域52は超音波トランスジューサとされる。この
超音波トランスジューサは第７図及び第８図に示される
ような構造及び形式を持つ。
信号受信領域52の１つの層44は、ポリフッ化ビニリデ
ン（polyvinylidene fluoride、PVDF）（又は他の圧電
材料、例えば、ポリ−ガンマ−メチル−Ｌ−グルタメー
ト（poly−gamma−metyl−Ｌ−glutamate）、ポリアク
リロニトリル（polyacrylonitrile）、ポリフッ化ビニ
ル（polyvinyl fluoride）、チタン酸−ジルコニウム酸
鉛（lead titanate−zirconate）、メタニオブ酸鉛（le
ad metaniobate）、チタン酸バリウム（barium titanat
e）等）であり得る。圧電層44が第８図に示されるよう
に電極40と隔離層42との間に位置される。圧電層がPVDF
である場合は、この厚さは、通常は６〜1000ミクロンの
範囲とされる。好ましくは、PVDFの厚さは９〜52ミクロ
ンの厚さとされる。圧電層のサイズは、通常は約0.020
インチ×0.020インチ又はそれ以下から約３フィート×
３フィート又はそれ以上のまで範囲とされる。これの形
状、サイズ及び寸法は意図されるアプリケーションに適
当に合わせることができる。
信号受信領域52の電極40は圧電層44の上にアルミニウ
ム−スズ（又は電極の機能を果たす能力を持つ他の材
料、例えばニッケル、金等）の薄い膜を真空堆積し、従
来のフォトエッチング技法を使用して基板から不要なア
ルミニウム−スズを取り除くことによって形成すること
ができる。この除去によって電極40の必要とされるパタ
ーンが残される。これを形成するための任意の他の適当
な方法、例えば、導電性インクのスクリーニングを使用
することもできる。電極40は、第７図に示されるよう
に、ワイヤ48に接続される。信号受信領域52が信号生成
領域36から音響信号を受信すると第８図に示されるよう
に、電極40と隔離層42との間の圧電層44の部分が音響信
号によって起動され、電極40上に電気信号（検出信号）
が生成される。この方法により、信号受信領域52は信号
を受信し、この受信された信号に応答して検出信号を生
成する。［注：本願明細書及び請求の範囲においては、
検出信号が信号生成領域によって生成された信号（この
実施例においては、音響信号）と混同して考えられるべ
きではない。この混同を回避するために、検出信号は常
に検出信号と示される。単に“信号”と記述されている
場合は、信号生成領域によって生成された信号を意味す
るものと理解されるべきである。］ 隔離層42は金属化されたアルミニウム−スズ層（又は
導電の能力を持つ任意の他の材料、例えばニッケル、金
等）であり得る。隔離層42は、第７図及び第８図に示さ
れるように、ワイヤ504によって受信制御手段20の電極
に接続された電極層である。この実施例においては、ワ
イヤ50はグラウンドに終端し、従って、隔離層42はグラ
ウンドシートである。隔離層42は信号生成母層12と信号
受信母層14を電気的に電気的干渉源から遮蔽する。他の
実施例においては、隔離層は信号受信領域52と信号生成
領域36を電気的に隔離する任意の層であり得る。
第３図において、信号レセプタ14は単一の信号受信母
層12である。但し、好ましくは、信号レセプタ14は複数
の信号受信母層を持ち、各々の母層が少なくとも１つの
信号受信領域、好ましくは、複数の信号受信領域を持
つ。フレキシブル圧電材料に対してこれを達成する１つ
の方法は、第９図に示されるように、ポイント38におい
て信号受信シート39を自身の上に折り重ねる方法であ
る。いったん折り重ねられると、第９図のシート39は個
々の母層が複数の信号受信52を持つ３つの信号受信母層
を提供する。この例においては、信号レセプタは上部母
層、下部母層及び中間母層を持つ。これら母層が互いに
折り重なる。
多くの折り重ね及び多くの重複する中間信号受信母層
が存在し得る。いったん折り重ねられると、この信号受
信母層は１つの信号受信領域の電極が別の信号生成受信
領域の電極と短絡しないように整合されるべきである。
この重ねられた信号受信領域は音響的に直列になるべき
である。こうして、追加のトランスジューサ材料はより
センシティブな音響信号レセプタを形成する。
第10図に示されるように、電極40のパターンは電極24
のパターンに対して直角の方位を持つ。本実施例におい
ては、信号生成領域36はロウ電極24を持ち、信号受信領
域52はカラム電極40を持つ。これはロウの形式での信号
生成領域及びカラムの形式での受信領域が構成される１
つの方法である。構成の別の方法も本発明の範囲内に入
るものである。本実施例においては、ロウはカラムに対
して垂直に方位する。第10図では、信号生成領域のロウ
36と信号受信領域のカラム52は互いに直交するように重
なり合う。この信号生成領域ロウの信号受信カラムに対
する垂直の重なり方位は好ましいものである。但し、本
発明の他の実施例においては、これらロウ及びカラムは
直交でない方法にて（つまり、ロウがカラムに対して垂
直でないように）重なり合う。信号生成領域ロウ及び信
号受信カラムは好ましい方法ではあるが、本発明の実現
においては他の重複パターンを使用することもできる。
他の実施例においては、電極の別の重複パターンが使用
される。例えば、第15図及び第16図は信号生成領域36が
テーパされているために信号受信領域52に線型的に直角
でない信号生成領域36を示す。信号受信領域52に重なる
テーパされた信号生成領域36のこの配列は、例えば、第
16図に示されるようにロボット指90の部分として使用す
ることができる。第17図及び第18図はさくび状の信号生
成領域36及び円形の信号受信領域52を示す。第17図のく
さび状の信号生成領域36を第18図の円形信号受信52と重
ねることにより本発明のもう１つの実施例のクロスフィ
ールド交差（cross−field intersections）を形成する
ことができる。
第10図に示されるように、信号生成領域36及び信号受
信52はクロスフィールド交差53を定義又は形成する。信
号生成領域と信号受信領域は文字通りには交差しない
が、本開示及び付属の請求項の目的に対しては、この重
なりはクロスフィールド交差を定義するものと見なされ
る。第10図においては、トップ領域は信号生成領域36で
ある。別の方法として、信号受信領域52と信号生成領域
36の位置を交換することもできる。
本実施例においては、信号生成ロウ36及び信号受信カ
ラム52が重なり合って複数のクロスフィールド交差を形
成する。信号生成領域ロウ36を反射によって選択された
信号受信領域カラム52に伝送される信号が生成されよう
に起動し、各クロスフィールド交差53に対して信号受信
領域カラム52からの検出信号を受信することによって、
クロスポイントスイッチングのスプリアス結合の問題を
回避することができる。
第６図の折り重ねられた信号生成シート37と第９図の
折り重ねられた信号受信シート39は第11図に示されるよ
うに互いに接合することができる。この例では、信号生
成シート37及び信号受信シート39は各々２回折り重ねら
れ、エポキシ粘着剤（又は粘着能力を持つ他の任意の材
料、例えば、ウレタン、シアノアクリレート等）によっ
て互いに接合される。信号生成シート37内の折り重ねの
数は、信号受信シート39内の折り重ねの数と異なること
がある。従って、信号生成母層の数は信号受信母層の数
と異なることがある。クロスフィールド交差は、１つ又
はそれ以上の信号生成領域（例えば、24a）を１つ又は
それ以上の信号生成領域（例えば、40a）と重ねること
によって形成（又は定義）されるが、但し、この重複
は、ここでは複数の母層を通じて続く。第11図において
は、各信号生成母層が３つの信号生成領域を持つことが
観察される。ある任意の信号生成母層内において、電極
24aが圧電層28及び隔離層26と一体となって１つの１つ
の信号生成領域を生成する。この母層内の他の２つの信
号生成領域は同様にして電極24b及び24cによってこの母
層内の圧電層28及び隔離層26と一体となって形成され
る。各信号生成母層はセットの電極24a、24b、24c及び
圧電層28及び隔離層26を持つ。同様に、各信号受信母層
は３つの信号受信領域を持つことが観察される。任意の
信号受信母層内において、１つの電極40aが圧電層44及
び分離層42と一体となって１つの信号受信領域を形成す
る。この母層内の他の２つの信号受信領域は同様にして
電極40b及び40cによってこの母層内の圧電層44及び隔離
層42と一体となって形成される。各信号受信母層はセッ
トの電極40a、40b及び40c及び圧電層44及び隔離層42を
持つ。
別の実施例においては、信号生成母層と信号受信母層
がインタリーブ（interleave）される。インタリービン
グは、例えば以下のステップによって達成される。つま
り、１）信号生成シートが一度折り畳まれ、２）信号受
信シートが一度折り畳まれ、３）折り畳まれた信号生成
シートが折り畳まれた信号受信シートにエポキシ粘着剤
（又は粘着力を持つ任意の他の材料、例えばウレタン、
シアノアクリレート等）によって接合され、そして４）
ステップ１）からステップ３）を複数のインタリーブさ
れた母層に対して反復することによって達成される。イ
ンタリーブされた母層の数は１から20又はそれ以上のレ
ンジであり得る。好ましくは、３から６のインタリーブ
された母層が使用されるが、但し、個々のケースにおい
て使用される数は意図されるアプリケーション及び本発
明の実施者の好みによって変動する。折り畳みの他の方
法を使用することもできるが、但し、信号生成母層と信
号受信母層の電極がグラウンド又は他の電極と短絡しな
いようにすべきである。
第12図はインタリーブされた信号生成母層及び信号受
信母層を示す。信号生成母層は、折り重ねられた電極24
a、24b、及び24cを形成する。換言すれば、電極24aと電
極24aによって定義される信号生成領域ロウが重なり合
う。同一のことが電極24b（及びこれによって定義され
るロウ）及び電極24c（及びこれによって定義されロ
ウ）にも適用する。電極24aは生成制御手段18への共通
ソースを持つ（つまり、生成制御手段からの電気パルス
は電極24aを起動できる）。電極24bは生成制御手段18へ
の共通ソースを持ち、電極24cも生成制御手段への共通
ソースを持つ。これら電極24a、24b、及び24c、圧電層2
8及び隔離層26又は56が信号生成領域を定義する。
信号受信母層は折り畳まれた電極40a、40b及び40cを
形成する。換言すれば、電極40aと40aによって定義され
る信号受信領域カラムは重なり合う。同一のことが電極
40c（及びこれによって定義されるカラム）及び電極40c
（及びこれによって定義されるカラム）についても適用
する。電極40aは受信制御手段20への共通ソースを持
つ。電極40bは受信制御手段20への共通ソースを持つ。
電極40cも受信制御手段20への共通ソースを持つ。電極4
0a、40b及び40c、圧電層44及び隔離層42又は56は信号受
信領域を形成する。折り畳まれた母層が接合されている
場合、重なり合う隔離層56は、より厚いがこの共通の終
端のために単一の隔離層として機能する。隔離層56は隔
離層26及び42によって形成される。
こうして折り畳まれ、インタリーブされた信号生成母
層はより大きな規模の信号を生成することができる。こ
うして折り畳まれ、インタリーブされた信号受信母層内
での音響信号の受信はよりセンシティブである。クロス
フィールド交差は（電極24a、24b及び24cとして定義さ
れる）信号生成領域と（電極40a、40b及び40cとして定
義される）信号受信領域の重ね合わせによって定義（つ
まり、形成）される。但し、この重ね合わせは、ここで
は複数のインタリーブされた母層を通じて連続する。信
号受信母層と信号生成母層を反転してトップの信号受信
母層が可変形媒体10に接合されるようにすることもでき
る。
第12図においては、各信号生成母層がセットの電極24
a、24b及び24c、圧電層28及び隔離層56又は26を持つこ
とが観察される。同様に、各信号受信母層はセットの電
極24a、24b及び24c、圧電層44及び隔離層56又は42を持
つことが観察される。
好ましくは、この力センサは、第３図及び第13図に示
されるように、可変形媒体10をサポートするために任意
の手段であり得る基板16、信号生成器12及び信号レセプ
タ14を含む。本実施例においては、基板はセラミック
（又は任意の他の硬直材料、例えばスチール、アルミニ
ウム等）であり、信号生成器及び信号レセプタに対する
直接のサポートを提供する。本発明の他の実施例におい
ては、フレキシブル材料、例えば、カプトン（Kapton）
が使用される。
この力センサは、更に第３図に示されるように信号生
成領域を選択及び起動するための生成制御手段18を含
む。生成制御手段18は異なる様々な構成を持つことがで
きる。１つの構成においては、単一のパルス生成器がス
イッチによって信号生成領域に接続される。いったん接
続されると、パルス生成器は選択された信号生成領域を
起動する電気パルスを生成するようにトリガされる。別
の構成においては、各信号生成領域が別個のパルス生成
器に接続される。要求される信号生成領域を選択及び起
動するためには、対応するパルス生成器がトリガされ
る。従来のアナログ及びデジタル回路をこれらスイッチ
及びパルス生成器として使用することができる。
この力センサは信号受信領域を選択するため及び選択
された信号受信領域からの検出信号を検出するための第
３図の受信制御手段を含む。この受信制御手段も異なる
構成を持つことができる。１つの構成においては、単一
の検出信号検出器がスイッチによって要求される信号受
信領域に接続される。もう１つの構成においては、別個
の検出信号検出器が各信号受信領域に接続される。選択
された信号受信領域からの検出信号を検出するために
は、対応する検出信号検出器の出力が選択される。検出
は振幅検出又は位相検出回路によって達成される。これ
らスイッチ及び検出器のために従来のアナログ回路を使
用することができる。
この力センサは力成分を決定するための第３図に示さ
れる力決定手段を含む。信号生成領域から信号受信領域
までの信号のトランジット時間は起動と検出のタイミン
グによって測定することができる。従来の電子タイマ又
はその他の手段をこの目的に使用することができる。信
号生成領域が生成制御手段18によって起動されると、力
決定手段22内のタイマがカウントを開始する。信号はコ
ンタクト表面８からの反射によって信号受信領域に伝送
される。信号受信領域はこの信号を受信し、これに応答
して検出信号を生成する。受信制御手段20による検出信
号の検出はカウンタタイマを停止させる。タイマによっ
て測定された時間間隔はこの信号（この実施例において
は音響信号）のトランジット時間に等しい。別の実施例
においては、従来の位相検出回路が信号（つまり、信号
生成領域によって生成された信号）のトランジット時間
と関連する検出信号の位相を測定するために使用され
る。力決定手段は単に信号のトランジット時間を決定で
きるのみである。このトランジット時間は実際の力成分
に比例し、従って、力成分の相対測定値を提供する。更
に、与えられた時間期間を通じてのトランジット時間計
算値の変化はこれと同一期間を通じての力成分計算値の
変化に比例する。必要であれば、力決定手段はオプショ
ンとして更に力成分を計算するための手段を含むことが
できる。
生成制御手段18、受信制御手段20及び力決定手段22の
ために、従来の構成、回路及びプログラミング論理を修
正して使用できることに注意する。この開示を読んだ場
合、当業者においては、本発明を実現するための構成、
回路及びプログラミング論理を簡単に選択、組み立て及
び展開できるものである。ここに必要とされる知識及び
経験は周知であり、本発明の本質を表わすものではな
い。
信号のトランジット時間は、第13図に示されるよう
に、信号が信号生成領域36から可変形媒体10のコンタク
ト表面８に進み、次に信号受信領域52a、52b及び52cに
進むまでに必要な距離に比例する。可変形媒体に加えら
れた力62によってこの距離に変動が起こると、第１第４
図に示されるように、信号（60及び60′）が信号受信領
域52bに進むまでのトランジット時間が変動する。
第13図及び第14図は、信号受信領域52a、52b、及び52
c上に位置される信号生成領域36の交差によって形成さ
れる３つのクロスフィールド交差を示す。第14図に示さ
れるように力62が加えられることによって生成される信
号トランジット時間の変化は、力決定手段によって選択
されたクロスフィールド交差に対する力成分Ｆを計算す
るために使用される。（他の実施例においては、力決定
手段は単に信号トランジット時間のみを測定するが、多
くのアプリケーションにおいてはこの測定値で十分であ
り、力成分の実際の決定は必要とされないことに注意す
る。）センサが第13図に示されるように可変形媒体のコ
ンタクト表面８に力が加えられてないときの各クロスフ
ィールド交差についての信号58の信号トランジット時間
を測定及び格納することによって調節（校正）される。
ある選択されたクロスフィールド交差に対する力成分Ｆ
は以下によって決定される。
Ｆ＝1/2 kc（t1−t2） 係数ｋ及びｃは既知の定数である。時間t1は信号が信
号生成領域から力が加えられてない状態の可変形媒体を
通って信号受信領域に到達するまでの時間である。可変
形媒体内での音の速度ｃ及び媒体の弾性ｋは参考書に示
されており、或は実験によって測定することもできる。
第14図内の信号60及び60′に対する時間t2は力決定手段
によって測定することができる。この測定は繰り返して
行なうことができる。力成分Ｆがセンサの調節の際に格
納されたt1の対応する値及びt2の測定値を使用して各ク
ロスフィールド交差に対して計算される。t2が測定され
たときクロスフィールド交差に力が加えられてない場合
は、t2＝t1であり、従ってＦ＝０である。
力センサが動作中である場合、生成制御手段18は信号
生成器12の信号生成領域（この実施例においては、信号
生成ロウ36）を選択する。生成制御手段18からの電気パ
ルスは選択された信号生成領域（ロウ36）の電極を起動
する。付勢された電極は第14図に示されるように、圧電
層に音響信号60を生成させる。この信号は可変形媒体10
を通過し、コンタクト表面８から反射される。反射され
た信号60′は、可変形媒体10を通過して第14図に示され
るように反射された信号60′を受信するように位置され
た信号受信領域52a、52b、及び52cの部分に戻る。
受信制御手段20は信号レセプタ14から１つの受信領域
（カラム）、例えば52bを選択し、選択された信号生成
領域36と一体となって、それに対して力成分が計算され
るべき１つのクロスフィールド交差を定義する。信号が
第14図に示されるように可変形媒体10のコンタクト表面
８から反射されると、これは信号受信領域カラム52a、5
2b及び52cの個々によって受信される。信号受信領域内
の圧電層は反射された音響信号60′を電極40a、40b及び
40cによって運ばれる電気信号に変換する。この電気信
号が検出信号である。選択された信号受信領域52bの電
極40bによって運ばれた検出信号は受信制御手段20によ
って検出される。検出信号が検出されると、信号の選択
された信号生成領域36から選択された信号受信領域まで
のトランジット時間が起動及び検出のタイミングによっ
て力決定手段によって測定される。可変形媒体に加えら
れた力62によるこの距離の変化は信号のトランジット時
間を変化させる。力決定手段は、次に、トランジット時
間t2を使用して上に説明されたように選択されたクロス
フィールド交差に対して力成分を計算することができ
る。
この方法によって各クロスフィールド交差が順番に選
択され、各選択されたクロスフィールド交差に対する力
成分を決定する（計算する）ことによって、コンタクト
表面上に加えられた複数の力成分、或は力成分のパター
ンを決定することができる。この決定は、コンタクト表
面８を通じての力成分の分布の指標を与える。１インチ
の1/8の厚さの典型的なゴム製の可変形媒体10に対して
は音響信号のトランジット時間は約４〜６マイクロ秒で
ある。現在の電子技術を使用すると、力の測定値が256
のクロスフィールド交差を持つセンサでは力センサのク
ロスフィールド交差の各々から１秒間に数100回得られ
る。このため、コンタクト表面８上に加えられた力成分
を各クロスフィールド交差に対する力成分を反復して決
定することによって反復して決定することができる。従
って、個々のクロスフィールド交差を反復して選択し、
これに対する力成分を決定することにより、時間を通じ
ての力成分の変化を測定することが可能となる。
こうして、力センサに対して加えられた力成分パター
ンの時間シーケンスをモニタ又は記録することが可能と
なる。加えられた力成分のパターンのこの時間シーケン
スは、例えば、人が歩くときに足の底に掛かる力の分布
の変動を示すため又はロボットの腕から握られた物体が
スリップするところを示すために使用することが可能と
なる。
上述の説明及び図面は本発明の一般的特徴並びに新規
性及び及び長所を十分に示すものであるが、本発明はこ
の一般的な概念から逸脱することなく他人によって様々
なアプリケーションに簡単に修正及び適応できるもので
あり、従って、これら修正及び適応としてのバージョン
もここに付属される出願人によって出願人の発明である
と見なされるべき主題を定義する請求項及びこれに相当
するものの意味及び範囲に入るものと理解されるべきで
ある。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−296178（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−48232（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−251726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−195431（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−506714（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 5/00

Claims (46)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】力センサであって、 （ａ）コンタクト表面に加えられた力に応答して変形可
    能な可変形媒体、 （ｂ）複数の信号生成領域を含む信号生成器、 （ｃ）前記の信号生成領域を選択及び起動するための生
    成制御手段、 （ｄ）複数の信号受信領域を含む信号レセプタ、 （ｅ）前記信号受信領域を選択し、選択された信号受信
    領域からの検出信号を検出するための受信制御手段、及
    び （ｆ）力決定手段を含む力センサであって、 （ｉ）信号生成領域が前記コンタクト表面からの反射に
    よって前記信号受信領域の少なくとも１つに伝送される
    信号を生成するための手段であり、 （ii）信号受信領域が前記信号生成領域の少なくとも１
    つによって生成及び伝送され、前記コンタクト表面から
    反射される信号を受信するため、及び前記反射された信
    号の受信に応答して検出信号を生成するための手段であ
    り、 （iii）（ｃ）によって選択された信号生成領域の
    （ｃ）による起動によって前記起動された信号生成領域
    が（ｉ）内に提供される信号の生成を起こし、 （iv）（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）が前記可変形媒体のコ
    ンタクト表面に加えられた力が少なくとも１つの前記信
    号生成領域から少なくとも１つの前記信号受信領域に信
    号が伝わる距離を変化させ、従って信号のトランジット
    時間を変化させるように互いに設計及び配置され、 （ｖ）前記信号生成領域が前記信号受信領域と複数のク
    ロスフィールド交差を形成するように重ね合わされ、 （vi）（ｃ）による信号生成領域の選択及び起動及び
    （ｅ）による信号受信領域の選択が１つの選択されたク
    ロスフィールド交差を定義し、そして （vii）前記力決定手段が（ｃ）による起動及び（ｅ）
    による検出のタイミングによって信号のトランジット時
    間を測定するための手段であることを特徴とする力セン
    サ。
  2. 【請求項２】前記力決定手段が更にある選択されたクロ
    スフィールド交差に対する力成分を決定するための手段
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
  3. 【請求項３】（viii）前記信号生成領域が超音波トラン
    スジューサであることを特徴とする請求項１に記載の力
    センサ。
  4. 【請求項４】（ix）前記信号受信領域が超音波トランス
    ジューサであることを特徴とする請求項３に記載の力セ
    ンサ。
  5. 【請求項５】（viii）前記信号受信領域が超音波トラン
    スジューサであることを特徴とする請求項１に記載の力
    センサ。
  6. 【請求項６】（viii）（ｉ）、（ii）及び（iii）にお
    いて言及される信号が音響信号であることを特徴とする
    請求項１に記載の力センサ。
  7. 【請求項７】（ix） 前記の検出信号を生成するための
    信号生成領域手段が（ii）の受信された音響信号を電気
    信号に変換するための手段であり、 （ｘ）前記の電気信号が前記の検出信号として機能し、
    そして （xi）検出信号を検出するための前記の受信制御手段が
    前記の電気信号を検出するための手段であることを特徴
    とする請求項６に記載の力センサ。
  8. 【請求項８】（viii）（ｉ）、（ii）及び（iii）にお
    いて言及される信号が光学信号であることを特徴とする
    請求項１に記載の力センサ。
  9. 【請求項９】（ix）検出信号を生成するための前記の信
    号受信領域手段が（ii）の受信された光学信号を電気信
    号に変換するための手段であり、 （ｘ）前記の電気信号が前記の検出信号として機能し、
    そして （xi）検出信号を検出するための前記の受信制御手段が
    前記の電気信号を検出するための手段であることを特徴
    とする請求項８に記載の力センサ。
  10. 【請求項１０】（viii）前記の信号生成領域が実質的に
    互いに平行なロウ（行）の形式を持ち、そして （ix）前記の信号受信領域が実質的に互いに平行なカラ
    ム（列）の形式を持つことを特徴とする請求項１に記載
    の力センサ。
  11. 【請求項１１】（ｘ）前記のロウが前記のカラムに対し
    て実質的に垂直であることを特徴とする請求項10に記載
    の力センサ。
  12. 【請求項１２】（viii）信号生成領域が電極と隔離層と
    の間に位置された圧電層から構成される超音波トランス
    ジューサであることを特徴とする請求項１に記載の力セ
    ンサ。
  13. 【請求項１３】（ix）信号受信領域が電極と隔離層との
    間に位置された圧電層から構成される超音波トランスジ
    ューサであることを特徴とする請求項12に記載の力セン
    サ。
  14. 【請求項１４】（viii）信号受信領域が電極と隔離層と
    の間に位置された圧電層から構成される超音波トランス
    ジューサであることを特徴とする請求項１に記載の力セ
    ンサ。
  15. 【請求項１５】前記の信号生成器が各々が少なくとも１
    つの前記信号生成領域を含む複数の信号生成領域母層か
    ら構成されることを特徴とする請求項１に記載の力セン
    サ。
  16. 【請求項１６】前記の信号レセプタが各々が少なくとも
    １つの前記信号生成領域を含む複数の信号受信母層から
    構成されることを特徴とする請求項１に記載の力セン
    サ。
  17. 【請求項１７】クロスフィールド交差が前記コンタクト
    表面上の複数の力成分を決定するために順番に選択でき
    ることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
  18. 【請求項１８】個々のクロスフィールド交差が反復的に
    選択でき、それにかかる力成分が時間を通じての力の成
    分の変化が測定できるように反復的に決定できることを
    特徴とする請求項１に記載の力センサ。
  19. 【請求項１９】（viii）前記の信号生成領域が超音波ト
    ランスジューサであり、 （ix）前記信号受信領域が超音波トランスジューサであ
    り、 （ｘ）（ｉ）、（ii）及び（iii）において言及される
    信号が音響信号であり、 （xi）検出信号を生成するための前記信号受信領域手段
    が（ii）の受信された音響信号を電気信号に変換するた
    めの手段であり、 （xii）前記電気信号が前記検出信号として機能し、 （xiii）検出信号を検出するための前記受信制御手段が
    前記電気信号を検出するための手段であり、 （xiv）前記信号生成領域が互いに実質的に平行なロウ
    の形式を持ち、 （xv）前記信号受信領域が互いに実質的に平行なカラム
    の形式を持つことを特徴とする請求項１に記載の力セン
    サ。
  20. 【請求項２０】（xvi）クロスフィールド交差が前記コ
    ンタクト表面上の複数の力成分を決定するために順番に
    選択でき、 （xvii）時間を通じての力成分の変化が測定できるよう
    に個々のクロスフィールド交差が反復して選択でき、こ
    れにかかる力成分が反復的に決定できることを特徴とす
    る請求項19に記載の力センサ。
  21. 【請求項２１】（xviii）信号生成領域が電極と隔離層
    間に位置された圧電層からなる超音波トランスジューサ
    であり、 （xix）信号受信領域が電極と隔離層間に位置された圧
    電層からなる超音波トランスジューサであることを特徴
    とする請求項20に記載の力センサ。
  22. 【請求項２２】力センサであって、 （ａ）コンタクト表面に加えられた力に応答して変形可
    能な可変形媒体、 （ｂ）少なくとも１つの信号生成領域を含む重なり合う
    信号生成母層から構成される信号生成器、 （ｃ）前記の信号生成母層の信号生成領域を選択及び起
    動するための生成制御手段、 （ｄ）少なくとも１つの信号受信領域を含む信号受信母
    層から構成される信号レセプタ、 （ｅ）前記信号受信母層の信号受信領域を選択し、選択
    された信号受信領域からの検出信号を検出するための受
    信制御手段、及び （ｆ）力決定手段を含む力センサであって、 （ｉ）信号生成領域が前記コンタクト表面からの反射に
    よって前記信号受信領域の少なくとも１つに伝送される
    信号を生成するための手段であり、 （ii）信号受信領域が前記信号生成領域の少なくとも１
    つによって生成及び伝送され、前記コンタクト表面から
    反射される信号を受信するため、及び前記反射された信
    号の受信に応答して検出信号を生成するための手段であ
    り、 （iii）（ｃ）によって選択された信号生成領域の
    （ｃ）による起動によって前記起動された信号生成領域
    が（ｉ）内に提供される信号の生成を起こし、 （iv）（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）が前記可変形媒体のコ
    ンタクト表面に加えられた力が少なくとも１つの前記信
    号生成領域から少なくとも１つの前記信号レセプション
    領域に信号が伝わる距離を変化させ、従って、信号のト
    ランジット時間を変化させるように互いに設計及び配置
    され、 （ｖ）前記信号生成領域が前記信号受信領域と複数のク
    ロスフィールド交差を形成するように重ね合わされ、 （vi）（ｃ）による信号生成領域の選択及び起動及び
    （ｅ）による信号受信領域の選択が１つの選択されたク
    ロスフィールド交差を定義し、そして （vii）前記力決定手段が（ｃ）による起動及び（ｅ）
    による検出のタイミングによって信号のトランジット時
    間を測定するための手段であることを特徴とする力セン
    サ。
  23. 【請求項２３】前記力決定手段が更にある選択されたク
    ロスフィールド交差に対する力成分を決定するための手
    段を含むことを特徴とする請求項22に記載の力センサ。
  24. 【請求項２４】（viii）重なり合う信号生成領域が音響
    的に直列にあることを特徴とする請求項22に記載の力セ
    ンサ。
  25. 【請求項２５】（viii）重なり合う信号受信領域が音響
    的に直列にあることを特徴とする請求項22に記載の力セ
    ンサ。
  26. 【請求項２６】（viii）前記信号生成領域が超音波トラ
    ンスジューサであり、 （ix）前記信号受信領域が超音波トランスジューサであ
    ることを特徴とする請求項22に記載の力センサ。
  27. 【請求項２７】（ｘ）（ｉ）、（ii）及び（iii）にお
    いて言及される信号が音響信号であることを特徴とする
    請求項26に記載の力センサ。
  28. 【請求項２８】（xi）前記の検出信号を生成するための
    信号生成領域手段が（ii）の受信された音響信号を電気
    信号に変換するための手段であり、 （xii）前記の電気信号が前記の検出信号として機能
    し、そして （xiii）検出信号を検出するための前記の受信制御手段
    が前記の電気信号を検出するための手段であることを特
    徴とする請求項27に記載の力センサ。
  29. 【請求項２９】（xiv）前記の信号生成領域が実質的に
    互いに平行なロウ（行）の形式を持ち、そして （xv）前記の信号受信領域が実質的に互いに平行なカラ
    ム（列）の形式を持つことを特徴とする請求項28に記載
    の力センサ。
  30. 【請求項３０】（xvi）前記のロウが前記のカラムに対
    して実質的に垂直であることを特徴とする請求項29に記
    載の力センサ。
  31. 【請求項３１】（xvi）信号生成領域が電極と隔離層と
    の間に位置された圧電層から構成され、そして （xv）信号受信領域が電極と隔離層との間に位置された
    圧電層から構成される超音波トランスジューサであるこ
    とを特徴とする請求項28に記載の力センサ。
  32. 【請求項３２】クロスフィールド交差が前記コンタクト
    表面上の複数の力成分を決定するために順番に選択でき
    ることを特徴とする請求項22に記載の力センサ。
  33. 【請求項３３】個々のクロスフィールド交差が反復的に
    選択でき、それにかかる力成分が時間を通じての力の成
    分の変化が測定できるように反復的に決定できることを
    特徴とする請求項32に記載の力センサ。
  34. 【請求項３４】力センサにおいて、 （ａ）コンタクト表面に加えられた力に応答して変形可
    能な可変形媒体、 （ｂ）少なくとも１つの信号生成領域を含む信号生成
    器、 （ｃ）前記の少なくとも１つの信号生成領域を選択及び
    起動するための生成制御手段、 （ｄ）少なくとも１つの信号受信領域を含む信号レセプ
    タ、 （ｅ）前記の少なくとも１つの信号受信領域を選択し、
    選択された信号受信領域からの検出信号を検出するため
    の受信制御手段、及び （ｆ）力決定手段を含む力センサであって、 （ｉ）信号生成領域が前記コンタクト表面からの反射に
    よって前記の少なくとも１つの信号受信領域に伝送され
    る信号を生成するための手段であり、 （ii）信号受信領域が前記の少なくとも１つの信号生成
    領域によって生成及び伝送され、前記のコンタクト表面
    から反射される信号を受信するため、及び前記反射され
    た信号の受信に応答して検出信号を生成するための手段
    であり、 （iii）（ｃ）によって選択された前記少なくとも１つ
    の信号生成領域の（ｃ）による起動によって前記起動さ
    れた信号生成領域が（ｉ）内に提供される信号の生成を
    起こし、 （iv）（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）が前記可変形媒体のコ
    ンタクト表面に加えられた力が前記の少なくとも１つの
    信号生成領域から前記の少なくとも１つの信号受信領域
    に信号が伝わる距離を変化させ、従って、信号のトラン
    ジット時間を変化させるように互いに設計及び配置さ
    れ、 （ｖ）前記の少なくとも１つの信号生成領域が前記の少
    なくとも１つの信号受信領域と少なくとも１つのクロス
    フィールド交差を形成するように重ね合わされ、 （vi）（ｃ）による前記の少なくとも１つの信号生成領
    域の選択及び起動及び（ｅ）による前記の少なくとも１
    つの信号受信領域の選択が１つの選択されたクロスフィ
    ールド交差を定義し、そして （vii）前記力決定手段が（ｃ）による起動及び（ｅ）
    による検出のタイミングによって信号のトランジット時
    間を測定するための手段であることを特徴とする力セン
    サ。
  35. 【請求項３５】前記力決定手段が更にある選択されたク
    ロスフィールド交差に対する力成分を決定するための手
    段を含むことを特徴とする請求項34に記載の力センサ。
  36. 【請求項３６】（viii）前記の少なくとも１つの信号生
    成領域が音響信号を生成する超音波トランスジューサで
    あり、 （ix）前記の少なくとも１つの信号受信領域が前記音響
    信号を受信し、これに応答して検出信号を生成する超音
    波トランスジューサであることを特徴とする請求項34に
    記載の力センサ。
  37. 【請求項３７】（viii）前記の少なくとも１つの信号生
    成領域がロウ（行）の形式を持ち、そして （ix）前記の少なくとも１つの信号受信領域がカラム
    （列）の形式を持つことを特徴とする請求項34に記載の
    力センサ。
  38. 【請求項３８】前記の少なくとも１つのクロスフィール
    ド交差が反復的に選択でき、それにかかる力成分が時間
    を通じての力の成分の変化が測定できるように反復的に
    決定できることを特徴とする請求項34に記載の力セン
    サ。
  39. 【請求項３９】前記の少なくとも１つの信号生成領域が
    テーパされていることを特徴とする請求項34に記載の力
    センサ。
  40. 【請求項４０】前記の少なくとも１つの信号生成領域が
    くさび形状を持つことを特徴とする請求項34に記載の力
    センサ。
  41. 【請求項４１】前記の少なくとも１つの信号受信領域が
    円形であることを特徴とする請求項34に記載の力セン
    サ。
  42. 【請求項４２】前記の少なくとも１つの信号生成領域が
    円形であることを特徴とする請求項34に記載の力セン
    サ。
  43. 【請求項４３】可変形媒体のコンタクト表面に加えられ
    た力の力成分を決定するための方法であって、この方法
    が、 （ａ）生成制御手段による信号生成領域の選択、及び受
    信制御手段による信号受信領域の選択を行い、これによ
    って１つの選択されたクロスフィールド交差を定義する
    ステップ、 （ｂ）前記生成制御手段による前記選択された生成制御
    手段の起動によって信号を生成するステップ、 （ｃ）前記信号生成領域からの前記信号をコンタクト表
    面からの反射によって前記信号受信領域に伝送し、これ
    によって前記信号受信領域が前記信号を受信するステッ
    プ、 （ｄ）前記信号受信領域による（ｂ）内で生成された前
    記信号の受信に応答して前記信号受信領域が検出信号を
    生成するステップ、 （ｅ）前記受信制御手段によって前記検出信号を検出す
    るステップ、及び （ｆ）（ｂ）における起動及び（ｅ）における検出のタ
    イミングによって前記信号のトランジット時間を決定す
    るステップを含むことを特徴とする方法。
  44. 【請求項４４】（ｇ）前記トランジット時間に基づいて
    前記選択されたクロスフィールド交差に対する力成分を
    決定するステップが更に含まれることを特徴とする請求
    項43に記載の方法。
  45. 【請求項４５】前記コンタクト表面上の複数の力成分を
    決定するためにステップ（ａ）からステップ（ｇ）が複
    数の異なるクロスフィールド交差に対して反復されるこ
    とを特徴とする請求項44に記載の方法。
  46. 【請求項４６】時間を通じての力成分の変化を測定する
    ためにステップ（ａ）からステップ（ｇ）が個々のクロ
    スフィールド交差に対して反復されることを特徴とする
    請求項44に記載の方法。
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