JPH06507010A - 力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 力センサ 発明の背景 本発明は、アメリカ合衆国エネルギ省ｆＤｅｐａｒｔ■ｅｎｔ　ｏｆＥｎｅｒｇ ｙｌ　によって認可された５ＢＩＲフ工−ズ■契約番号［ＩＥ−ＡＣＯ２−１１ ５ＥＲ８０２９１及びアメリカ合衆国空電ｆＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ　Ａｉｒ 　Ｆｏｒｃｅｌ　によって認可された５ＢＩＲフ工−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０例えば、力センサ（ｆｏｒ ｃｅ　５ｅｎｓｏｒｌは足の力の分布の測定における用途を持つ１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、 車のシート及びマツ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（ｄｅｘｔ、ｅｒｏｕｓ　ｍａｎｉｐｕｌａ−ｔｉ ｏｎｌの科学的研究の分野においては、指及び車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。ｉ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ｆｔａｃｔｉｌｅ　５ｅｎｓｏｒｓ） と呼ばれる。産業ロボットエ字の分野においては、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、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６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（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｍｅｄｉｕｍｌ　と共に使用する。これに関 しては、　１９９［１年ＩＯ月２３日付の発明の名称「センサ（Ｓｅｎｓｏｒｌ 　Ｊ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１ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）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ＩＯ 日付の発明の名称［多重成分力トルクセンサ（Ｍｕｌｔｉｃｏｓ＋ｐｏｎｅｎｔ 　ＦｏｒｃｅＴｏｒｑｕｅ　５ｅｎｓｏｒｌＪについての合衆国特許第４．７０ ４．９０９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ｆｌｏａｄａｂｌｅ■ｅａｎｓｌ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（Ｓｅｎｓｏｒｌ　Ｊについての合衆国特許第４．９ ６４．３０２号は、第１図（３×３７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（ｒｏｗｌ及びＭ個のカラムｆｃｏｌｕｍｎｌ 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、ＮｘＭ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６１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　ｃｏｕｐｌｉｎｇｌ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。＋！！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りロ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、ＮＸＭ例のワイヤ）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 ６１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１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り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。

免豆皇貞１ 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（ｄｅｆｏｒ ■ａｂｌｅ）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ｆｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　５ｔｒａｔａｌ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　５ｔｒａｔａｌ　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［ａｐｔｏｎｌ　）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１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６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、 オプションとしで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　”　１／２　ｋｃ　Ｉｔ＋　−ｔｉｌ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、結果としで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しての力成分の分布のピクチャ が得られる０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１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。

の簡単な説明 Ｍ１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っ 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。

′な　施　の詳細な１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　）ＩＯ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０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ＩＯ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＠Ｌ４の形式での信 号レセプタを含む、信号受信母層Ｉ４は反射された音響信号を検出信号（ｄｅｔ ｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｌ　として機能する電気信号に変換する。信号受信０ 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　ｄｅｔｅｒｖｉｎａｔｉｏｎ■ｅａｎｓｌ　２２は加えら れた力を音響信号のトランジット時間Ｄｒａｎｓｉｔ　ｔｉｍｅｌ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１．０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ＩＯ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（１，０４０イ ンチ又はそれ以下から約　１０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Ｘ　Ｏ，０２０インチ又はそれ以下から約３フイート×３ フイ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（にａｐｔｏｎｌテープ（又は他のテープ、例 えば、マイラ（＆１ｙｌａｒｌ　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２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、信号生成器ｔ１３６を 含む。本実施例においては、この信号生成器ｖｉ３６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６第４図は３つの信号生成器ｔ！！３６を示すが、支障の使用におい 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 １−ランスジユーザとされる。１：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ｆｐｏｌｙｖｉｎｙ ｌｉｄｅｎｅ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ、Ｐ　Ｖ　Ｄ　Ｆ　）　（又は他の圧電材料、 例λば、ポリ−ガンマ−メチル−■、−グルタメート（ｐｏ　Ｉｙ−ｇａｍｍａ −ｓｅｔｙｌ−Ｌ−ｇｌｕｔａｍａｔｅ）、ポリアクリロ二１−リルｆｐｏｌｙ ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｌ　、ポリフッ化ビニルｆｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｆ ｌｕｏｒｉｄｅｌ、チタン酸−ジルコニウム酸鉛（ｌｅａｄ　ｔｉｔａｎａｔｅ −ｚｉｒｃｏｎａｔｅｌ　、メタニオブ酸鉛（ｌｅａｄｗｅｔａｎｉｏｂａｔｅ ｌ、チタン酸バリウ−ｈ　（ｂａｒｉｕｍ　ｔｉｔａｎａｔｅｌ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１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００２０インチ×　０．０２０インチ 又はそれ以下から約３フイート×３フイ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ースズ（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、従来のフォトエツチング技法を使用して基板から不要なアルミニウム ー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＠陽２ ４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２ ４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ｗ１２４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ースズ層（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 電帰層である。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０本発明の別の実施例にお いては、隔離層は信号生成器＠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０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＠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（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ｆｐｏｌｙｖｉｎｙ ｌｉｄｅｎｅ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ、　Ｐ　Ｖ　Ｄ　Ｆ　）　（又は他の圧電材料 、例えば、ポリ−ガンマ−メチル−Ｌ−グルタメ−ト（ｐｏｌｙ−ｇａｉ＊ｓａ −ｍｅｔｙｌ−Ｌ−ｇｌｕｔａ＋５ａＬｅｌ、ポリアクリロニトリル［ｐｏｌｙ ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｌ　、ポリフッ化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｆ ｌｕｏｒｉｄｅｌ、チタン酸−ジルコニウム酸鉛（ｌｅａｄ　ｔｉｔａｎａｔｅ −ｚｉｒｃｏｎａｔｅ）　、メタニオブ酸鉛ｆｌｅａｄｍｅｔａｎｉｏｂａｔｅ ｌ、チタン酸バリウム（ｂａｒｉｕｍ　ｔｉｔａｎａｔｅｌ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００２０インチＸ　Ｏ，０２０インチ又はそれ以下 から約３フイート×３フイ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Ｎ４４の上にアルミニウムースズ（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、従来のフォトエツチング技法を使用して基板から不要なアルミニウムース 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 １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。［注二本願明細 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１Ｒ且Ｍ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。１ 隔離層４２は金属化されたアルミニウムースズ層（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退蔵する。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５ ２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０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１Ｏ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に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０例えば、第１５図及び第１６図は信号生成領域３６がテーバされてい 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に重なるテーバされた信号生成類＠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（ｃｒｏ ｓｓ−ｆｉｅｌｄ　１ｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓｌ　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１Ｏ図においては、トップ領域 は信号生成類ｔｆｉ３６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聞届を 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 号受信領域（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、２ ４ｃ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４ ０ｃ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ｆｉｎｔｅ ｒｌｅａｖｅｌされる。インタリーピングは、例えば以下のステップによって達 成される。つまり、ｌ）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ｌ）からステップ ３）を複数のインク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 。インク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５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２４ａ、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１ ８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、を極２４ｃも生成制御手 段への共通ソースを持つ、これら′Ｉ４極２４ａ、２４ｂ、及び２４ｃ、圧電層 ２８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ｆｆ １４０ｃ（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４０ ａ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４０ａ、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５ ６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、インク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。こうして折り量まれ、インク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クリー 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ｌＯ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２４ａ、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、この方センサは、第３図及び第１３図に示されるように、可変形媒 体ｌＯ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０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ＩＫａｐｔｏｎｌ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９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 ２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３ ６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、５ ２ｂ笈び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５２ｃ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（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　ｋ　ｃ　（ｔ　＋　ｔ　＊　）係数ｋ及びＣは既知の定数で ある０時間１＋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及び媒体の弾性に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ｔ１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ｔ、の対応する値及びｔ、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。ｔｉ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、ｔｉ＝ｊ＋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（この寅施例においては、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０反射 された信号６０°は、可変形媒体ｌＯ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）１例えば５ ２ｂ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、５２ｂ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０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ｌＯ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６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。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、１０ ＦＩＧ、Ｉ＋ ＦＩＧ、１３ ＦＩＧ、１８ 国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、 ＴＧ）、ＡＵ、ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＦＩ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、 　ＫＲ。

ＬＫ、　ＭＣ，ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、　Ｎｏ、　ＰＬ、　ＲＯ，ＳＤ、ＳＵ

Claims (46)

【特許請求の範囲】
1. 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、（ｉ ｖ）（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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. １０．（ｖｉｉｉ）前記の信号生成領域が実質的に互いに平行なロウの形式を持 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の形式を持つことを 特徴とする請求項１に記載に記載の力センサ。
11. 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. 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に記載に記 載の力センサ。
13. 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. 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に記記載に 記載の力センサ。
15. 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 の信号生成傾城母層から構成されることを特徴とする請求項１に記載に記載の力 センサ。
16. 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に記載に記載の力セ ンサ。
17. 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に記載に記載の力センサ。
18. 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に記載に記載の力センサ。
19. 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に記載に記載の力センサ。
20. 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. ２１．（ｘｖｉｉ）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. 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、（ｉ ｖ）（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. 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. 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. 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. 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. 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. 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２６に記載の力センサ。
29. ２９．（ｘｉｖ）前記の信号生成領域が実質的に互いに平行なロウ（ｒｏｗ）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 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. 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. 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. 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. 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. 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前記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. 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. 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. ３７．（ｖｉｉｉ）前記の少なくとも１つの信号生成領域がロウの形式を持ち、 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 信領域の選択を行ない、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. 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. 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. 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。