JP6034114B2 - 作用力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、弾性部材の変形を検出するための技術に関する。

従来、センサ自体が柔軟変形可能で、その変形を検出することのできる触覚センサが提案されている（特許文献１参照）。この触覚センサは、センサ本体が光透過性弾性部材からなるものであり、センサ本体内には、光を照射する発光部と、発光部から照射されてセンサ本体内で散乱した光を受光する受光部と、が設けられている。受光部は、発光部から離間させて設けられており、発光部に対して互いに異なる配向を有した複数の受光素子を備える。これら複数の受光素子は、センサ本体の弾性変形に応じて変位するようにセンサ本体に設けられている。このような構成により、触覚センサは、センサ本体の弾性変形に応じて変位する各受光素子で取得される光量の変化に基づいて、センサ本体の立体的変形を検出する。

特開２０１１−７５５７号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載の構成は、光透過性弾性部材からなるセンサ本体内で受光される光に基づいてセンサ本体の変形を検出するようにしているため、外部光の影響を受けやすいという問題があった。

本発明は、こうした問題にかんがみてなされたものであり、外部光の影響を受けにくい構成で弾性部材の変形を検出することを目的としている。

本発明の作用力検出装置（１，２，３，４）は、検出デバイス（１０，２０）と、弾性部材（１９，２９）と、を備える。検出デバイスは、操作部（１２）の変位を検出する。弾性部材は、操作部を覆う形で設けられ、外力に対して体積が維持されるように変形する。

なお、「外力に対して体積が維持されるように変形する弾性部材」とは、例えば部分的に押圧されてその部分が凹んだ場合に、押圧されていない他の部分にその押圧力が伝わって膨らむことで、全体として体積が維持される性質を有する弾性部材のことである。逆に、外力に対して体積が維持されるように変形しない弾性部材としては、一般家庭で用いられるスポンジのようなものが挙げられる。

ちなみに、スポンジは発泡体の一種であるが、発泡体は、セル（気泡）が連続したオープンセル型と、セルが独立したクローズドセル型と、に大別され、それぞれ性質が異なる。すなわち、オープンセル型の発泡体は、セル内の気体が自由に出入りできるため、平常時の体積（セルを含む体積）が維持されるようには変形しない。なお、前述したスポンジは、オープンセル型の発泡体である。

一方、クローズドセル型の発泡体は、セル内の気体が自由に出入りできないので、平常時の体積（セルを含む体積）が維持されるように変形する。ここで、厳密には、外力に対
して多少の体積変化（例えばセル内の気体の圧縮）を伴う場合はあるが、このような場合も、弾性部材全体として体積が維持されるように（維持される方向に）変形することに変わりはない。つまり、オープンセル型の発泡体は、本発明の弾性部材に含まれないが、クローズドセル型の発泡体は、本発明の弾性部材に含まれる。

本発明の作用力検出装置によれば、弾性部材に外力が作用すると、その外力が弾性部材を介して操作部に伝わることにより操作部が変位し、その変位が検出デバイスにより検出される。このような構成によれば、検出デバイスの操作部の変位に基づいて、弾性部材の変形を検出することができる。

特に、この構成では、操作部の変位に基づいて弾性部材の変形を検出するようにしているため、外部光の影響を受けにくくすることができる。すなわち、弾性部材の変形を光を用いて検出する構成の場合、外部光の影響を受けにくくするための処置を講じる必要があるが、本発明の構成によれば、このような処置を講じる必要がないという利点がある。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の作用力検出装置の外観図である。 （Ａ）はIIＡ−IIＡ線を通る垂直平面を切断面とする作用力検出装置の断面図、（Ｂ）は操作部及びハウジングの図示が省略された検出デバイスの平面図である。 （Ａ）は操作部にＸ軸プラス方向への作用力が作用した場合に起歪体に作用する作用力を示す図、（Ｂ）は操作部にＹ軸プラス方向への作用力が作用した場合に起歪体に作用する作用力を示す図である。 （Ｃ）は操作部にＺ軸プラス方向への作用力が作用した場合に起歪体に作用する作用力を示す図、（Ｄ）は操作部にＺ軸反時計周りのモーメントが作用した場合に起歪体に作用する作用力を示す図である。 （Ａ）は起歪体固定部位を含めた起歪体第３部位の拡大平面図、（Ｂ）はＺ軸プラス方向の作用力が作用することに起因して起歪体第３部位がＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子の変形態様を側面方向から示す拡大図である。 （Ａ）は起歪体第３部位がＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子の抵抗値の変化を一覧にて示す図である。また、（Ｂ）は操作部のＸ軸方向、操作部のＹ軸方向、操作部のＺ軸方向、及びＺ軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路の構成例を表す回路図である。 操作部に作用する作用力及びモーメントの別に、ブリッジ回路の各中点における出力電圧の極性を一覧にて示す図である。 第２実施形態の作用力検出装置の断面図である。 挟持操作が行われている状態での第２実施形態の作用力検出装置の断面図である。 第３実施形態の作用力検出装置の断面図である。 第４実施形態の作用力検出装置の断面図である。 変形例としての操作体を示す斜視図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の作用力検出装置１は、検出デバイス１０と、弾性部材１９と、を備える。図２（Ａ）に示すように、弾性部材１９は、検出デバイス１０の操
作部１２を覆う形で設けられている。

検出デバイス１０は、操作部１２の微小な変位を検出するデバイスである。具体的には、図２（Ａ）に示すように、操作部１２と、起歪体１３と、連結体１４と、ハウジング１５と、を備える。

操作部１２は、平板部１２ａ及び軸１２ｂを備える剛体である。操作部１２の平板部１２ａは、弾性部材１９を介して作用する外力（作用力）により微小に変位する部分であり、適宜の材料にて平面視円状に形成されている。操作部１２の軸１２ｂは、平板部１２ａの中心から平板部１２ａの表面に対して垂直に伸長するように、平板部１２ａと一体に円柱状に形成されている。このように構成されることで、操作部１２の平板部１２ａに作用する作用力は、操作部１２の軸１２ｂ及び連結体１４を介して起歪体１３に伝達される。

図２（Ｂ）に示すように、起歪体１３は、２枚の平面視Ｉ字型の平板がこれら平板の各表面が同一平面となるように配列されて構成されている。そして、起歪体１３は、操作部１２に作用する作用力の方向に応じて異なる態様にて起歪体１３の表面に垂直な方向（後述するＺ軸方向）に弾性変形する。また、この起歪体１３の表面（詳しくは上面）には、４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈと、これらを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを用いたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｇ（図６（Ｂ））に電源を供給するための図示しない複数の電極が配置されている。４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈは、起歪体１３の変形を検出するためのものであり、本実施形態では歪ゲージが用いられている。

ここで、起歪体１３の表面に平行でかつ互いに直交する２軸であるＸ軸及びＹ軸の各々のプラス方向を、図２（Ｂ）で下方に向かう方向及び右方に向かう方向とし、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向を、起歪体１３の表面に垂直な方向とする。

また、説明の便宜上、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板における、連結体１４よりもＸ軸プラス方向に位置する部位を、起歪体第１部位１３ｅとする。また、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板における、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を、起歪体第２部位１３ｆとする。また、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板における、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を、起歪体第３部位１３ｇとする。また、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板における、連結体１４よりもＸ軸プラス方向側に位置する部位を、起歪体第４部位１３ｈとする。また、平板における、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈよりもＹ軸方向に幅が広い部位を、起歪体固定部位１３ｉとする。この起歪体固定部位１３ｉが、ハウジング１５にて固定される部位である。

歪検出部１７ｅは、起歪体第１部位１３ｅに配置されており、この歪検出部１７ｅを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７１ｅは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第１部位１３ｅのＺ軸方向の弾性変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｆは、起歪体第２部位１３ｆに配置されており、この歪検出部１７ｆを構成する歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第２部位１３ｆのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｇは、起歪体第３部位１３ｇに配置されており、この歪検出部１７ｇを構成する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｈは、起歪体第４部位１３ｈに配置されており、この歪検出部１７ｈを構成する歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第４部位１３ｈのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。

連結体１４は、複数回折り返された単一の板ばねによって平面視矩形状に構成されている。この連結体１４は、上面の長手方向略中央に位置する連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されており、下面の両端部に位置する連結領域Ｓｄにおいて、起歪体１３と一体に連結されている。なお、連結体１４の連結領域Ｓｄは、起歪体１３の長手方向の略中央の部分に対向する。また、連結体１４は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の表面に対して垂直となるように、これら操作部１２の軸１２ｂと起歪体１３の表面とを一体に連結している。

ハウジング１５は、適宜の材料によって形成されており、起歪体１３を保持し、ひいては起歪体１３に一体に連結される連結体１４や、この連結体１４に一体に連結される操作部１２等も保持する。なお、ハウジング１５には、起歪体１３の歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈが配置される部分に対向する箇所に凹部が形成されている。この凹部により、起歪体１３がその表面に垂直な方向に弾性変形しても、その弾性変形は阻害されないようになる。

また、作用力検出装置１は、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを組み合わせて構成されたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈ（図６（Ｂ）参照）を有して構成された信号処理部を備える。信号処理部は、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの検出信号に基づいて、操作部１２に作用する作用力を検出する。なお、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈ及び信号処理部の詳細については後述する。

以上のように構成された検出デバイス１０の動作について図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）を参照しつつ説明する。
ユーザによって操作部１２のＸ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図３（Ａ）に示すように、Ｘ軸プラス方向の作用力Ｆｘとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｘが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１２が作用する。連結体１４の左端部に作用力ｆｘ１１が作用すると、起歪体第４部位１３ｈには作用力ｆｘ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、起歪体第３部位１３ｇには作用力ｆｘ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｘ１２が作用すると、起歪体第１部位１３ｅには作用力ｆｘ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｘ３２がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｘは、連結体１４によって、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１並びにｆｘ２２及びｆｘ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｘ１が発生し、作用力ｆｘ２２及びｆｘ３２が作用する。このため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りには、モーメントｍｘ２が発生することになる。

また、ユーザによって操作部１２のＹ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図３（Ｂ）に示すように、Ｙ軸プラス方向の作用力Ｆｙとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｙが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｙ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸マイナス方向に作用力ｆｙ１２が作用する。連結体１４の左端部に作用力ｆｙ１１が作用すると、起歪体第４部位１３ｈには作用力ｆｙ２１がＺ軸プラス方向に作用し、起歪体第３部位１３ｇには作用力ｆｙ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｙ１２が作用すると、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｙ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｙ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｙは、連結体１４によって、
起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｙ２１及びｆｙ３１並びにｆｙ２２及びｆｙ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。

また、ユーザによって操作部１２のＺ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図４（Ｃ）に示すように、Ｚ軸プラス方向の作用力Ｆｚとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１３が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１４が作用する。連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１３が作用すると、起歪体第４部位１３ｈには作用力ｆｚ２３がＺ軸プラス方向に作用し、起歪体第３部位１３ｇには作用力ｆｚ３３がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１４が作用すると、起歪体第１部位１３ｅには作用力ｆｚ２４がＺ軸プラス方向に作用し、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｚ３４がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、連結体１４によって、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２３及びｆｚ３３並びにｆｚ２４及びｆｚ３４に変換され、起歪体１３に作用することになる。

また、ユーザによって操作部１２のＺ軸反時計周りにモーメントが加えられたとする。このとき、加えられたモーメントは、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図４（Ｄ）に示すように、Ｚ軸反時計周りのモーメントＭｚとして連結体１４に作用する。連結体１４にモーメントＭｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｚ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸マイナス方向に作用力ｆｚ１２が作用する。連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１１が作用すると、起歪体第４部位１３ｈには作用力ｆｚ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、起歪体第３部位１３ｇには作用力ｆｚ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１２が作用すると、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｚ２２がＺ軸プラス方向に作用し、起歪体第２部位１３ｆには作用力ｆｚ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、連結体１４によって、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ１が発生し、作用力ｆｚ２２及びｆｚ３２が作用する。このため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りには、モーメントｍｚ２が発生することになる。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の引張が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる。また、図示を割愛するが、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸マイナス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の引張が生じる。

このように、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って引張が生じ、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じるように、起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。また、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じ、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って引張が生じるように、起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。

なお、このような特性は、起歪体第３部位１３ｇの上面に配置される歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇに限らない。すなわち、起歪体第１部位１３ｅの上面に配置される歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅ、起歪体第２部位１３ｆの上面に配置される歪検出素子１７１ｆ〜
１７４ｆ、及び起歪体第４部位１３ｈの上面に配置される歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈについても同様である。

このような歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置は、材料力学上、起歪体１３（操作部１２）に作用する作用力の大きさ、起歪体１３の材質等によっては変化せず、連結体１４から起歪体固定部位１３ｉまでの距離によって特定される。なお、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置は、例えばＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）等によって特定可能である。

図６（Ａ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値は（引張が生じるため）増加する。逆に、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの抵抗値は（圧縮が生じるため）減少する。

なお、図示を省略するが、起歪体第１部位１３ｅ、起歪体第２部位１３ｆ、起歪体第４部位１３ｈのそれぞれがＺ軸方向に弾性変形する場合における歪検出素子の抵抗値の変化についても同様である。

つまり、歪検出部１７ｅ〜１７ｈは、起歪体１３の弾性変形に伴う変形により、抵抗値が増大するように起歪体１３の上面に配置された歪検出素子と、抵抗値が減少するように起歪体１３の上面に配置された歪検出素子と、をそれぞれ含んでいる。

図６（Ｂ）に示されるように、ブリッジ回路１８ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様が同一である歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを互いに対角に有する。また、ブリッジ回路１８ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様は同一だが歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値の変化態様とは逆である歪検出素子１７３ｇ及び１７３ｈを互いに対角に有する。

なお、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅを有するブリッジ回路１８ｅ、歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆを有するブリッジ回路１８ｆ、及び歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈを有するブリッジ回路１８ｈについても同様である。

そして、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形するとき、正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。また、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形するとき、負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。

先の図３（Ａ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「１行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｆ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＸ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「２行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。

先の図３（Ｂ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の
「３行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第３部位１３ｇ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｇ及びブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第２部位１３ｆがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｆは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＹ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「４行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。

先の図４（Ｃ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「５行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ〜ブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「６行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。

先の図４（Ｄ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「７行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。一方、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸時計回り方向へのモーメントが作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図７の「８行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。

信号処理部は、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの極性の組合せから、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、Ｚ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメント、の４自由度の作用力を検出する。

また、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量は、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例し、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量（ひずみ量）に比例する。このため、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例する。したがって、信号処理部は、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさから、上記４自由度の作用力の大きさも検出することができる。

つまり、検出デバイス１０では、それぞれ４個の歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを有する４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈ（すなわち、計１６個の歪検出素子）が起歪体１３の表面に配置されている。このような構成により、検出デバイス１０は、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、Ｚ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメント、の４自由度の作用力を検出することができる。

一方、弾性部材１９は、図１及び図２（Ａ）に示すように、概略円柱状に形成され、検出デバイス１０の操作部１２及び連結体１４が埋め込まれる形（操作部１２及び連結体１４と接触した状態）で設けられている。弾性部材１９は、指で押したりつまんだりすることで容易に変形する柔らかい感触（ゼリーのような感触）のものであり、外力に対して体積が維持されるように変形するとともに、外力から解放されると元の形状に戻る性質を有する。本実施形態では、弾性部材１９としてシリコンゴムが用いられている。

なお、「外力に対して体積が維持されるように変形する性質」とは、例えば部分的に押圧されてその部分が凹んだ場合に、押圧されていない他の部分にその押圧力が伝わって膨らむことにより、全体として体積が維持される性質のことである。換言すれば、変形に伴う密度の変化が小さい性質である。したがって、一般的な弾性素材（例えばラテックスゴム等）は、外力に対して体積が維持されるように変形する性質を有する。一方、オープンセル型の発泡体は、外力に対して体積が維持されるように変形する性質を有しない。なお、同じ発泡体であっても、クローズドセル型の発泡体は、外力に対して体積が維持されるように変形する性質を有する。

以上のように構成された作用力検出装置１では、弾性部材１９に外力が作用すると、その外力が弾性部材１９を介して操作部１２に伝わることにより操作部１２が微小に変位し、その微小な変位が検出デバイス１０により検出される。具体的には、弾性部材１９の外周面１９ａが押圧されると、その押圧位置（外周面１９ａの中心軸に対する向き）に応じて、操作部１２に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に作用する作用力が検出デバイス１０により検出される。また、弾性部材１９の上面１９ｂが押圧されると、操作部１２に対してＺ軸方向に作用する作用力が検出デバイス１０により検出される。また、弾性部材１９が外周面１９ａの中心軸周りにねじられると、操作部１２に対してＺ軸周りに作用するモーメントが検出デバイス１０により検出される。したがって、検出デバイス１０は、操作部１２に対して作用する作用力及びモーメント（操作部１２の変位）に基づいて、弾性部材１９の変形を検出することができる。

以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１Ａ）第１実施形態によれば、検出デバイス１０の操作部１２の微小な変位に基づいて、弾性部材１９の変形を検出することができる。このため、例えばユーザによる外部操作を入力する入力装置として（例えば従来のジョイスティックのような用途に）利用することができる。検出デバイス１０の操作部１２は、微小な変位を検出するものであり、操作部１２を直接操作しても操作感が得られにくいが、第１実施形態によれば、弾性部材１９の変形により良好な操作感を得ることができる。

（１Ｂ）第１実施形態によれば、操作部１２の微小な変位に基づいて弾性部材１９の変形を検出するようにしているため、外部光の影響を受けにくくすることができる。すなわち、弾性部材１９の変形を光を用いて検出する構成の場合、外部光の影響を受けにくくするための処置を講じる必要があるが、第１実施形態によれば、このような処置を講じる必要がないという利点がある。加えて、第１実施形態によれば、弾性部材１９に用いられる弾性素材が光透過性の弾性素材に限定されないため、様々な弾性素材を選択することができる。

（１Ｃ）検出デバイス１０は、操作部１２に作用する作用力として、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、Ｚ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメント、の４自由度の作用力を検出する。このため、第１実施形態によれば、弾性部材１９をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に変形させる操作と、弾性部材１９をＺ軸周りに捻る捻り操作と、を検出することができる。なお、弾性部材１９の変形を光を用いて検出する構成の場合、捻り操作では発光部と受光部との位置関係の変化が少ないため、捻り操作を検出することが困難である。これに対し、第１実施形態によれば、操作部１２の微小な変位を検出する構成であるため、捻り操作を精度よく検出することができる。

［第２実施形態］
図８に示すように、第２実施形態の作用力検出装置２は、検出デバイス２０と、弾性部材２９と、を備える。第２実施形態は、基本的には第１実施形態と同様の構成であるが、
第２実施形態の弾性部材２９は、第１実施形態の弾性部材１９と比較して、円柱軸方向に長く形成されている点で、第１実施形態と相違する。また、第２実施形態は、検出デバイス２０のハウジング２５には、弾性部材２９の円柱軸方向における一方の端部（この例では下部）を全周から覆う円筒状のカバー２５ａが形成されている点でも、第１実施形態と相違する。その他、第１実施形態と共通する構成については、同一符号を用い、説明を省略する。

弾性部材２９は、検出デバイス２０の操作部１２及び連結体１４が下部に埋め込まれる形で設けられている。弾性部材２９における下部（操作部１２及び連結体１４が埋め込まれた部分）は、その外周面２９ａがカバー２５ａにより覆われ、外部から押圧されないようにガードされている。つまり、外周面２９ａの一部（この例では下部）がカバー２５ａで覆われることにより、弾性部材２９を両側から挟む挟持操作（例えば外周面２９ａを握る操作）が可能な押圧位置が外周面（押圧面）２９ａの一部（この例では上部）に限定されている。そして、操作部１２及び連結体１４は、カバー２５ａに覆われた位置（換言すれば、カバー２５ａの上端位置よりも低い位置）に配置されている。

以上のように構成された作用力検出装置２では、弾性部材２９に外力が作用すると、その外力が弾性部材２９を介して操作部１２に伝わることにより操作部１２が変位し、その変位が検出デバイス２０により検出される。特に、第２実施形態では、図９に示すように、弾性部材２９が外周面２９ａを挟持する（例えば握る）ように押圧されると、弾性部材１９の上面２９ｂが押圧された場合と同様、操作部１２に対してＺ軸方向に作用する作用力が検出デバイス１０により検出される。

具体的には、弾性部材２９が外周面２９ａを挟持するように押圧されると、その押圧力でくびれ部２９ｃが形成される。操作部１２は、外周面２９ａにおいて想定される押圧位置（この例ではカバー２５ａよりも上方）での挟持操作により弾性部材２９に形成されるくびれ部２９ｃを避けた位置に設けられている。このため、挟持操作による押圧力は、操作部１２に対して横方向から直接伝達されるのではなく、操作部１２の上方に形成されるくびれ部２９ｃ側から下方向へ伝達される。その結果、外周面２９ａを挟持する操作が、Ｚ軸方向に変形させる操作と同様に検出される。したがって、検出デバイス２０の操作部１２の変位に基づいて、挟持操作（例えば握り操作）も含めた弾性部材２９の変形を検出することができる。

以上詳述した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、以下の効果が得られる。
（２Ａ）第２実施形態によれば、弾性部材２９の外周面２９ａを握る操作などの挟持操作を検出することができる。すなわち、弾性部材２９の変形を光を用いて検出する構成の場合、発光部から受光部への光路を遮断するような変形を検出することができないため、挟持操作を検出することが困難である。これに対し、第２実施形態によれば、光路の遮断を考慮する必要が無く、挟持操作の検出を実現することができる。

（２Ｂ）特に、第２実施形態では、操作部１２は、外周面２９ａにおいて想定される押圧位置での挟持操作により弾性部材２９に形成されるくびれ部２９ｃを避けた位置に設けられる。このため、第２実施形態によれば、外周面２９ａを握る操作などの挟持操作を精度よく検出することができる。すなわち、弾性部材２９が両側から挟むように押圧された場合に弾性部材２９に形成されるくびれ部２９ｃに操作部１２が設けられている場合、くびれ部２９ｃでは両側からの押圧力が打ち消されるため、操作部１２が変位しにくい。これに対し、操作部１２がくびれ部２９ｃを避けた位置に設けられた第２実施形態の構成によれば、挟持操作による押圧力がくびれ部２９ｃ側から操作部１２へ伝達されるため、操作部１２に加わる押圧力の方向が安定し、操作部１２が変位しやすくなる。したがって、
第２実施形態によれば、挟持操作を精度よく検出することができる。

（２Ｃ）第２実施形態では、弾性部材２９における外周面２９ａの一部を覆うことにより挟持操作が可能な押圧位置を限定するカバー２５ａが設けられ、操作部１２は、カバー２５ａに覆われた位置に設けられている。このような第２実施形態によれば、弾性部材２９の外周面２９ａにおいて、挟持操作が行われない部分を設けることができるため、操作部１２がくびれ部２９ｃに位置するような押圧位置で挟持操作が行われてしまうことを抑制することができる。

（２Ｄ）第２実施形態によれば、弾性部材１９をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に変形させる操作と、弾性部材１９をＺ軸周りに捻る捻り操作及び挟持操作と、を検出することができる。

［第３実施形態］
図１０に示すように、第３実施形態の作用力検出装置３は、基本的には第２実施形態と同様の構成であるが、振動子３１を備える点で相違する。その他、第２実施形態と共通する構成については、同一符号を用い、説明を省略する。

振動子３１は、弾性部材２９に作用するアクチュエータであり、この例では弾性部材２９の内部であって、カバー２５ａに覆われた位置に設けられている。そして、振動子３１は、外部からの通電により作動（振動）し、弾性部材２９を振動させる。

以上のように構成された作用力検出装置３では、弾性部材２９に外力が作用すると、その外力が弾性部材２９を介して操作部１２に伝わることにより操作部１２が変位し、その変位が検出デバイス２０により検出される。特に、第３実施形態では、振動子３１を作動させて弾性部材２９を振動させることで、弾性部材２９に手を触れているユーザに対し、弾性部材２９の振動を触覚的に把握させることができる。

以上詳述した第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果に加え、以下の効果が得られる。
第３実施形態によれば、振動子３１を作動させることで、弾性部材２９を振動させることができる。このため、弾性部材２９の振動に意味を持たせることで、弾性部材２９に手を触れているユーザに対し、触覚的に情報を伝達することができる。例えば、作用力検出装置３の操作によりディスプレイに表示されたポインタを移動させる使用態様において、ポインタが所定の領域（例えばボタン上）に位置した場合に、弾性部材２９に振動を与え、触覚的に把握させるといったことが可能となる。なお、弾性部材２９の変形を光を用いて検出する構成の場合、発光部から受光部への光路を確保する必要があることから、弾性部材２９の内部を加工したり、アクチュエータ等の機器を組み込んだりすることが困難である。これに対し、第２実施形態によれば、光路の確保を考慮する必要がないため、比較的自由度の高い形でアクチュエータ（この例では振動子３１）を組み込むことができる。

［第４実施形態］
図１１に示すように、第４実施形態の作用力検出装置４は、基本的には第１実施形態と同様の構成であるが、エアバッグ（膨張体）４１を備える点で相違する。その他、第１実施形態と共通する構成については、同一符号を用い、説明を省略する。

エアバッグ４１は、弾性部材１９に作用するアクチュエータであり、この例では弾性部材１９の内部であって、操作部１２の上部に設けられている。そして、エアバッグ４１は、図示しない外部の空気制御装置により空気が供給されることで膨張し、弾性部材１９の外形を変化させる（膨張させる）一方、空気制御装置により空気が吸引されることで膨張
状態から収縮して元の状態に戻る。なお、エアバッグ４１は、空気の供給路となる図示しないチューブを介して外部の空気制御装置と接続されている。

以上のように構成された作用力検出装置４では、弾性部材１９に外力が作用すると、その外力が弾性部材１９を介して操作部１２に伝わることにより操作部１２が変位し、その変位が検出デバイス１０により検出される。特に、第４実施形態では、エアバッグ４１に空気を供給して弾性部材１９を内部から膨張させることで、弾性部材１９に手を触れているユーザに対し、弾性部材１９の膨張を触覚的に把握させることができる。

以上詳述した第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、以下の効果が得られる。
第４実施形態によれば、エアバッグ４１に空気を供給して弾性部材１９を内部から膨張させることができるため、弾性部材１９に手を触れているユーザに対し、触覚的に情報を伝達することができる。なお、本実施形態では弾性部材１９を膨張させるために空気を供給する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば水などの液体を供給してもよく、また、他の流体を供給してもよい。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記第２実施形態（図８）及び第３実施形態（図１０）では、弾性部材２９における外周面２９ａの一部を覆うことにより挟持操作が可能な押圧位置を限定するカバー２５ａが設けられ、操作部１２は、カバー２５ａに覆われた位置に設けられている。これは、操作部１２がくびれ部２９ｃに位置するような押圧位置で挟持操作が行われてしまうことを抑制することで、挟持操作が顕著に検出されるようにする効果を得るためであるが、このような効果を得る構成は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、カバー２５ａを設けず、外周面２９ａに押圧位置を示す表示（文字や図形等）を付してもよい。このようにすれば、外周面２９ａにおける押圧位置をユーザに視認させることができる。

また、このような表示を付さない場合であっても、弾性部材２９の形状に基づき想定される押圧されやすい位置（例えば中央部分）に基づき、その位置を避けるように操作部１２を配置してもよい。例えば、上記第２実施形態及び第３実施形態で示した構成においても、弾性部材２９の外周面２９ａの軸方向における中間位置よりも片寄った位置（上記実施形態では上下方向中間位置よりも下方位置）に操作部１２が配置されている。このような構成によれば、カバー２５ａが設けられていないとしても、同様の効果が期待できる。

ただし、上記第２実施形態及び第３実施形態のように、弾性部材２９の一部（操作部１２が内部に設けられた部分）がカバー２５ａなどで覆われた構成によれば、押圧位置を所望の位置に規制する効果を高くすることができる。

（２）上記第３実施形態（図１０）では、上記第２実施形態（図８）と同様、挟持操作を検出するために操作部１２を片寄った位置（下方位置）に配置しているが、これに限定されるものではない。例えば、上記第１実施形態（図２（Ａ））と同様、操作部１２を片寄っていない位置に配置しつつ、振動子３１を設けてもよい。なお、振動子３１は、弾性部材の外面に装着してもよい。

これとは逆に、上記第４実施形態（図１１）では、上記第１実施形態（図２（Ａ））と
同様、操作部１２を片寄っていない位置に配置しているが、これに限定されるものではない。例えば、上記第２実施形態（図８）と同様、挟持操作を検出するために操作部１２を片寄った位置（例えば下方位置）に配置しつつ、エアバッグ４１を設けてもよい。なお、振動子３１及びエアバッグ４１の両方を設けてもよい。

（３）上記実施形態では、円柱状の弾性部材１９，２９を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、より握りやすい形状や、直方体状や立方体状などとしてもよく、また、他の形状としてもよい。

（４）上記実施形態では、弾性部材１９に用いられる弾性素材としてシリコンゴムを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ラテックスゴムやクローズドセル型の発泡体などを用いてもよく、また、他の弾性素材を用いてもよい。

（５）上記第３実施形態（図１０）及び第４実施形態（図１１）では、弾性部材１９，２９に作用する（動きを付与する）アクチュエータとして振動子３１及びエアバッグ４１を例示したが、これに限定されるものではなく、他のアクチュエータを用いてもよい。また、弾性部材１９，２９の内部に発光体（例えばＬＥＤ）を設け、ユーザが視認可能な程度に弾性部材１９，２９を内部から発光させるようにしてもよい。このような構成によれば、発光体の作動に意味を持たせることで、ユーザに対し、視覚的に情報を伝達することができる。

（６）上記実施形態の検出デバイス１０，２０は、あくまでも一例であり、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示すように、操作部１２において、平板部１２ａの上面１２ａ１に、平板部１２ａの直径方向に沿う形で、Ｚ軸方向上方へ垂直に延びる形状（側面視Ｉ字形）の板部１２ｃを形成してもよい。このような構成によれば、板部１２ｃを有しない構成（上記実施形態の構成）と比較して、Ｚ軸周りに作用するモーメントを検出しやすくすることができる。すなわち、この構成において、平板部１２ａには、Ｚ軸に対して直交する平面（上面）１２ａ１が形成されており、板部１２ｃには、Ｚ軸に対して平行な平面（側面）１２ｃ１，１２ｃ２が形成されている。つまり、平板部１２ａは、Ｚ軸方向に作用する作用力を検出するのに適しており、板部１２ｃは、Ｚ軸周りに作用するモーメントを検出するのに適している。したがって、４自由度の作用力を精度よく検出することができる。なお、平板部１２ａの上面１２ａ１が第１の平面の一例に相当し、板部１２ｃの側面１２ｃ１，１２ｃ２が第２の平面の一例に相当する。

一方、操作部１２は、平板部１２ａ及び軸１２ｂを備える形状に限定されるものではなく、例えば平板部１２ａを有しない棒状の形状としてもよく、また、他の形状としてもよい。

また、上記実施形態では、微小な変位を検出するための歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈとして歪ゲージを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、静電容量センサを用いてもよく、また、他のセンサ（素子）を用いてもよい。

（７）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

１，２，３，４…作用力検出装置、１０，２０…検出デバイス、１２…操作部、１３…起歪体、１４…連結体、１５，２５…ハウジング、１９，２９…弾性部材、１９ａ，２９
ａ…外周面、３１…振動子、４１…エアバッグ

Claims (6)

1. 操作部（１２）の変位を検出する検出デバイス（２０）と、
   前記操作部を覆う形で設けられ、外力に対して体積が維持されるように変形する弾性部材（２９）と、
   を備え、
   前記弾性部材は、当該弾性部材を両側から挟む挟持操作が可能な押圧面（２９ａ）を有し、
   前記操作部は、前記押圧面において想定される押圧位置での前記挟持操作により前記弾性部材に形成されるくびれ部（２９ｃ）を避けた位置に設けられ、
   前記検出デバイスは、前記挟持操作による前記操作部の変位を検出可能である
   ことを特徴とする作用力検出装置（２，３）。
2. 請求項１に記載の作用力検出装置であって、
   前記押圧面の一部を覆うことにより前記挟持操作が可能な押圧位置を限定するカバー（２５ａ）を更に備え、
   前記操作部は、前記カバーに覆われた位置に設けられる
   ことを特徴とする作用力検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の作用力検出装置であって、
   前記弾性部材に作用するアクチュエータ（３１，４１）を更に備える
   ことを特徴とする作用力検出装置。
4. 請求項３に記載の作用力検出装置であって、
   前記弾性部材を振動させるための振動子（３１）を、前記アクチュエータとして備える
   ことを特徴とする作用力検出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の作用力検出装置であって、
   前記検出デバイスは、前記操作部に作用する作用力として、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、Ｚ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメント、の４自由度の作用力を検出する
   ことを特徴とする作用力検出装置。
6. 請求項５に記載の作用力検出装置であって、
   前記操作部には、Ｚ軸に対して直交する第１の平面と、Ｚ軸に対して平行な第２の平面と、が形成されている
   ことを特徴とする作用力検出装置。

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