JP7519366B2 - ２次元力センサ - Google Patents

Description

本発明は、２次元の力センサに関する。

出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０７４５５８号（参照番号２０１７ＰＦ０２２７４）は、ヘアスタイリング又は分析装置で使用するための２次元力センサを開示する。

本発明の目的は特に、改良された２次元の力センサを提供することである。

本発明は、独立請求項により規定される。有利な実施形態は、従属請求項に規定される。

本発明の１つの側面は、第１の方向の第１の力と、第１の方向とは異なる第２の方向の第２の力とを測定する２次元力センサを提供する。２次元力センサは、第２の方向に向けられた第１の弾性構造体（例えば、プレート又は梁）であって、上記第１の弾性構造体の第１の端部が、基準点に結合される、第１の弾性構造体と、第１の方向に向けられた第２の弾性構造体であって、第２の弾性構造体の第１の端部が、第１の弾性構造体の第２の端部に結合される、第２の弾性構造体と、上記第２の弾性構造体の第２の端部に結合された測定プローブとを有する。

本発明の実施形態によれば、第１及び／又は第２の弾性構造体は、弾性プレートである。弾性プレートを使用することは、せん断型ロードセルに比べて比較的軽量であることをもたらし、２次元力センサ要素の自重が測定結果に与える影響ははるかに小さい。第１及び第２の弾性プレートは、適切に成形された（例えば、湾曲した）１つのプレートの一部であってもよいし、又は互いに適切に接続された２つの異なるプレートであってもよい。

本発明の他の実施形態によれば、第１及び／又は第２の弾性構造体は、曲げゾーンを含む梁である。曲げゾーンとは、梁に荷重がかかったときに曲がるよう構成された梁のゾーンのことである。これは例えば、梁の他の部分と比較して、曲げゾーンの位置で梁の幅及び／又は高さを小さくすることにより実現されることができる。

本発明の実施形態と従来技術との重要な違いは、本発明の実施形態によれば、構造体の端部は、せん断型弾性梁に見られるような梁の他端部に対して平行に並進するのではなく、構造体の他端部に対して角度を付けて曲げられることである。

本発明の様々な実施形態は、以下の利点を提供する。本発明の実施形態による２次元力センサは、斯かる２次元力センサを含むヘアスタイリング又は分析装置が床に落下した場合に破損する可能性のあるせん断型ロードセルを採用したソリューションよりも、２次元力センサがより堅牢であるという利点を提供する。

力センサは、ヘアケア装置での使用に特に有利である。なぜなら、それは、消費者が認識する髪の健康に関連するパラメータを測定するために使用されることができるからである。力センサは例えば、スキンケアのようなパーソナルケアの分野でも有利に働く。更に、力センサは、機械の分野で使用されることもできる。

測定プローブは好ましくは、第２の弾性構造体の第２の端部に取り付けられた延長装置に取り付けられる。上記延長装置は、上記第１の弾性構造体の中立軸及び上記第２の弾性構造体の中立軸の仮想断面点から、上記延長装置の長さの２０％以下、好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下の範囲で逸脱した位置に上記測定プローブを配置するよう構成される。

中立軸は、構造物の断面において、縦方向の応力又はひずみが存在しない軸のことである。断面が対称で等方性であり、曲げが発生する前に湾曲していない場合、中立軸は幾何学的重心にある。中立軸の片側の繊維はすべて緊張状態にあり、反対側の繊維は圧縮状態にある。従って、弾性構造体がプレートである状況では、第１の弾性プレートの中立軸と第２の弾性プレートの中立軸の仮想断面点は、２つの弾性プレートの仮想断面点とほぼ同じ位置にある。

この断面点にできるだけ近い位置に測定プローブを配置することが、クロストークを最大限に低減する利点を提供する。クロストークは即ち、ある方向の力が他の方向の力の誤った（望ましくない）測定を誘発する。測定の結果、１％の位置ずれが約１％の測定誤差をもたらすことが示された。製造公差により、測定プローブが、第１の弾性プレート及び第２の弾性プレートの仮想断面点に正確に位置する最適な位置に配置されないことがある。

第１の弾性構造体は、第１の力を測定するための第１の歪み測定ユニットを備えていてもよく、第２の弾性構造体は、第２の力を測定するための第２の歪み測定ユニットを備えていてもよい。これは非常にシンプルでありながら、２次元の力の測定を正確に実行することができる。歪み測定ユニットは、弾性構造体のいずれかの側にある２つのハーフブリッジ歪みゲージ（プレートの実施形態に最も適している）、又は弾性構造体の片側にある１つのフルブリッジ歪みゲージ（梁の実施形態に最も適している）のセットを含むことができる。両側に１つの歪みゲージを使用してハーフブリッジにする方法が代替的に可能であるが、温度の影響を受けやすくなる。片側にハーフブリッジの歪みゲージを使用することも可能であるが、（実行状況に応じて）温度に対する感度が低くなったり高くなったりする。

第１の弾性構造体及び第２の弾性構造体は、第１の弾性構造体及び第２の弾性構造体がそれぞれ第１及び第２のひずみ測定ユニットを備えている位置において、縮小された幅を有してもよい。これは、第１及び第２の弾性構造体において、明確な曲げゾーンが得られるという利点を提供する。

代替的な実施形態では、２次元力センサは、第１の力及び第２の力を測定するための測定プローブの位置偏差を感知するためのトランスデューサを更に備える。良好で手頃な価格のトランスデューサは、測定プローブに結合される磁石の位置偏差を検出するためのホール効果センサを含む。

第１の弾性プレート及び第２の弾性プレートは、第２の方向に向いた第１のセクション（第１の弾性プレートを形成する）と、第１の方向に向いた第２のセクション（第２の弾性プレートを形成する）とを持つように形成された単一の弾性プレートから作られてもよい。

出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０７４５５８号に記載されるタイプのヘアスタイリング又は分析装置が、有利には斯かる２次元力センサを備えることができる。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明される。

本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。 本発明による２次元力センサの様々な実施形態を示す図である。

本発明の様々な実施形態は、例えば互いに直角（９０°）である２つの異なる方向の力を、有意なクロストークなしに独立して測定できる２次元力センサを提供することを目的としている。様々な実施形態において、この特徴は、２つの弾性構造体Ｈ１、Ｈ２を互いに垂直に取り付け、力Ｆｘ、Ｆｙが誘起される位置（測定プローブＰ）を両方の弾性構造体Ｈ１、Ｈ２と正確に一致させることにより得られる。弾性構造体Ｈ１、Ｈ２の変形は、様々なトランスデューサ、例えばひずみゲージを用いて測定されることができる。様々な実施形態において、２つの弾性構造体Ｈ１、Ｈ２は、互いに垂直に取り付けられる。これは、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２の間に別の接続要素Ｃを設けて行われることができる。代替的に、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２は、９０°の角度で曲げられた１つのプレートから作られることもできる。有利なことに、２つの弾性構造体Ｈ１、Ｈ２は、２つの弾性構造体Ｈ１、Ｈ２が互いに交差するであろう位置が、測定されるべき力Ｆｘ、Ｆｙが誘起される測定プローブＰを配置するために利用可能であるように取り付けられる。有利なことに、アームＡにより形成された延長装置は、測定プローブＰを２つの弾力性構造Ｈ１、Ｈ２と一致する位置に配置する。一実施形態では、アームＡの長さは約２ｃｍである。

測定プローブＰにＸ方向の力Ｆｘが誘起されると、弾性構造体Ｈ２は押し／引き方向に負荷がかかり、運動量がないので、Ｙ方向には弾性構造体Ｈ２の変形はない。Ｘ方向に力Ｆｘがかかると、弾性構造体Ｈ１は純粋な曲げ方向に荷重がかかり、Ｘ方向に変形する。Ｙ方向の変形は、いわゆるコサイン誤差に限定され、Ｘ方向の弾性構造体Ｈ１の曲げによる変形が相対的に小さい場合には、無視できる。

測定プローブＰにＹ方向の力Ｆｙが誘起されると、弾性構造体Ｈ１は押し／引き方向に負荷がかかり、運動量がないので、Ｘ方向における弾性構造体Ｈ１の変形はない。Ｙ方向に力Ｆｙが加わると、弾性構造体Ｈ２には、運動量及び力が加わる。弾性構造体Ｈ２の実行に基づき、弾性構造体Ｈ２には一重又は二重の曲がりができ、Ｙ方向に変形が生じる。弾性構造体Ｈ２のＸ方向の変形は、いわゆるコサイン誤差に限定され、弾性構造体Ｈ２のＸ方向の曲げによる変形が相対的に小さい場合には、無視できる。

弾性構造体Ｈ１、Ｈ２は、単純な形状であるため、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２は様々な材料、例えば高張力鋼から作られることが可能であるが、特定の特性を満たす場合にはあらゆる材料が可能である。

センサが様々な向きで使用される場合、又は動的な環境で使用される場合、重量又は慣性質量がセンサの所望の精度の範囲内で弾性構造体Ｈ１、Ｈ２を変形させるように、材料の弾性係数及びセンサの質量（材料比質量）の比が最小値を持つことが望ましい。

材料の変形におけるヒステリシスは、センサの望ましい精度の範囲内であるべきである。

材料の降伏強度は、センサの最大荷重の範囲内で、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２の塑性変形をもたらさないものであるべきである。

上記のような制限は一般的に、スチール、アルミニウム、複合材などのエンジニアリング材料が好ましいことをもたらす。適切な材料は、０．６ｍｍ、より好ましくは０．８ｍｍのステンレススチールであるように思われる。しかしながら、適切なプラスチック材料が代替的に、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２に使用されることができる。

ヒンジの変形を電気信号に変換するために、さまざまなトランスデューサが使用されることができる。最も直接的な方法は、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２におけるひずみゲージにより、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２のひずみを測定することである。変形は、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２の位置の変化を測定し、又は線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）、光学式距離センサ、ホールセンサ、渦電流センサ若しくは静電容量センサなどの（非接触）測定方法で測定プローブＰの位置の変化を測定することにより測定されることができる。測定プローブＰの位置変化を測定する場合、非対称な負荷によるクロストークが所望のセンサ精度の範囲内となるように、アームＡの剛性を十分に確保する必要がある。

様々な実施形態は、以下の利点を提供する。

センサは薄い素材から作られることができるので、重量が少なくて済む。センサが複数の方向で使用される場合、センサの重さはあまり重要ではない。

センサは薄い素材から作られることができる。センサが動的な状況で使用される場合、センサの慣性の役割は小さく、簡単に補正されることができる。

センサの材料は、ドリル加工又はミル加工が容易な材料に限定されるものではない。これらは、せん断型ロードセルに必要とされ、そこでは穴が開けられ、せん断型ロードセルが変形することを可能にするヒンジを形成するため、この穴から材料が除去される。スチールのような高強度の材料を選択することで、高負荷がかかったときに荷重下で塑性変形を起こさない堅牢な設計が可能になる。

慣性質量に起因する力は、センサの質量が小さいため、特に高強度の材料との組み合わせで小さくなる。慣性質量が小さくなることで発生するより低い力は、高強度材料により少ない影響（ダメージ）を与える。高強度材料は、弾性構造体Ｈ１、Ｈ２のより大きなたわみを可能にするため、塑性変形を防ぐストロークを制限することが容易になる。

センサは薄いプレートから作られており、スペースを取らない。それは、小さなボリュームにもフィットする。

シンプルな構造の結果として、このセンサは本質的に安価なソリューションであり、ヘアスタイリング又は分析装置に有利に使用されることができる。

図面において、図１Ａ、図１Ｂは、２次元力センサの基本的な動作を示しており、静止状態において、アームＡは、測定プローブＰが弾性プレートＨ１、Ｈ２の仮想交差部に揃って配置されることを確実にする。弾性プレートＨ１、Ｈ２の間には、接続部Ｃが存在する。

図２の表示は、プローブＰの測定位置（即ち、力Ｆｘ、Ｆｙが測定プローブに作用する位置）が、これらの力Ｆｘ、Ｆｙが測定される手段である弾性プレートＨ１、Ｈ２の上にある場合があることを示す。

図３は、測定プローブの動き、及び従って力Ｆｘ、Ｆｙが、測定プローブＰ上の磁石Ｍと、磁石Ｍに隣接するホール効果センサＨＳにより測定される実施形態を示す。

図４は、ひずみゲージＳ１、Ｓ２を弾性プレートＨ１、Ｈ２に取り付けた（例えば、接着した）構成を示す。

図５は、弾性プレートＨ１、Ｈ２から材料が除去され、明確な曲げゾーンを形成した実施形態を示す。

図６Ａ、図６Ｂは、弾性プレートＨ１、Ｈ２が、測定プローブＰのためのスペースを確保するために（接続領域Ｃで）適切に曲げられた１つのプレートの一部である場合を示す。

図７は、アームＡも、適切に曲げられたこの１つのプレートの一部であってもよいことを示す。ひずみゲージを使って力を測定する場合、アームＡが弾性プレートＨ１、Ｈ２よりも剛性が高くなければ十分である。

図８は、アームＡにおいて、１つのプレートを曲げて補強リブＳＲを形成し、力が加わってもアームＡがほとんど曲がらないように十分な剛性であることを確実にし、力の測定が妨げられない実施形態を示す。これは、図３に示すように、例えばホールセンサＨＳを用いて力を測定する場合など、測定プローブＰにトランスデューサが配置される場合に望ましい。図６Ｂは、第１の弾性プレートＨ１及び第２の弾性プレートＨ２を有するプレートとは別の、比較的剛性の高いアームＡを得るための代替的な方法を示す。補強リブＳＲは、プレートの曲げとは別の方法、例えば鋳造又は押し出し成形により得られることができる。

図１Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７、図８の実施形態は、２つの異なるロードセルのアセンブリの代わりに、１つのロードセルで法線力及び摩擦力が測定されることができるという利点を提供する。

必要に応じて、ストローク制限保護手段が適用され、過負荷状態での弾性プレートＨ１、Ｈ２の塑性変形が防止されることができる。

こうして、本発明の様々な実施形態は、最小限の要素を有し、測定に影響を与えるクロスなしに法線力及び摩擦力の両方を測定し、１回の測定後に試験片の摩擦係数を計算することを可能にするロードセルを提供する。平らな曲げプレートを使用することで、良好な強度対剛性比が実現される。せん断型ロードセルのアセンブリを用いた場合と比較して、センサアセンブリの質量が減少したことで、硬い表面への落下による衝撃力に耐えるセンサの能力が改善された。測定プローブを２つのロードセルブレードＨ１、Ｈ２の仮想断面点に配置することで、法線力及び摩擦力の相互干渉が避けられる。せん断型ロードセルでは手作業での調整が必要な場合が多いが、このロードセルは、レーザーカット又はスタンピングなどの大量生産技術を用いて製造されることができる。

本発明の主な特徴は、１つのセンサで法線力Ｆｎ及び摩擦力Ｆｆを測定できることであり、従って、１つのプローブ及びセンサで摩擦係数μ＝Ｆｆ／Ｆｎを計算できることである。１つのプローブで摩擦係数を測定する任意の場所で、本発明が使用されることができる。例えば、毛髪又は皮膚の摩擦係数を測定しなければならない場合である。他の産業では、それは、表面仕上げ又は摩耗の変化を検出するのに有用な場合がある。

図９は、第１及び第２の弾性構造体が、曲げゾーンＢＺ１、ＢＺ２を有する梁Ｈ１、Ｈ２である２次元力センサを概略的に示す。歪み測定ユニット９０は、曲げゾーンに提供されることができる。梁Ｈ１及びＨ２の中立軸は破線で示されており、この破線は仮想断面点で交差している。これは、測定プローブＰが配置される場所である。

上記の実施形態は、本発明を限定するものではなく例示するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計できることに留意されたい。第１の方向及び第２の方向は互いに直角である必要はなく、例えば、互いに４５°又は１３５°であってもよい。請求項において、括弧の間に置かれた任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」という語は、請求項に記載される以外の要素の存在を排除するものではない。要素に先行する単語「ａ」又は「ａｎ」は、斯かる要素の複数の存在を排除するものではない。本発明は、いくつかの別個の要素を含むハードウェアにより実現されることができる。いくつかの手段を列挙するデバイスクレームにおいて、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの１つの同じアイテムにより実現されることができる。相互に異なる従属請求項に記載される手段は、組み合わせて有利に使用されることができる。

Claims (9)

1. 第１方向における第１の力と、前記第１方向とは異なる第２方向における第２の力とを測定する２次元力センサであって、
   前記第２の方向に向けられた第１の弾性構造体であって、前記第１の弾性構造体の第１の端部が、基準点に結合される、第１の弾性構造体と、
   前記第１の方向に向けられた第２の弾性構造体であって、前記第２の弾性構造体の第１の端部が、前記第１の弾性構造体の第２の端部に結合される、第２の弾性構造体と、
   前記第２の弾性構造体の第２の端部に結合される測定プローブとを有し、
   前記測定プローブが、前記第２の弾性構造体の第２の端部に取り付けられた延長装置に取り付けられ、前記延長装置は、前記第１の弾性構造体の中立軸と前記第２の弾性構造体の中立軸との仮想断面点から、前記延長装置の長さの２０％以下の範囲で逸脱した位置に前記測定プローブを配置するよう構成される、２次元力センサ。
2. 前記第１及び／又は第２の弾性構造体が、弾性プレートである、請求項１に記載の２次元力センサ。
3. 前記第１及び／又は第２の弾性構造体が、曲げゾーンを含む梁である、請求項１に記載の２次元力センサ。
4. 前記第１の弾性構造体が、前記第１の力を測定するための第１のひずみ測定ユニットを備え、前記第２の弾性構造体は、前記第２の力を測定するための第２のひずみ測定ユニットを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の２次元力センサ。
5. 前記第１の弾性構造体及び前記第２の弾性構造体が、前記第１の弾性構造体及び前記第２の弾性構造体がそれぞれ前記第１及び第２のひずみ測定ユニットを備えている位置において、縮小された幅を持つ、請求項３に記載の２次元力センサ。
6. 前記第１の力及び前記第２の力を測定するために、前記測定プローブの位置のずれを検出するトランスデューサを更に有する、請求項１に記載の２次元力センサ。
7. 前記トランスデューサが、前記測定プローブに結合された磁石の位置ずれを検出するホール効果センサを有する、請求項６に記載の２次元力センサ。
8. 前記第１の弾性構造体及び前記第２の弾性構造体が、前記第２の方向に向いた第１のセクションと前記第１の方向に向いた第２のセクションを持つように形成された単一の弾性プレートの一部である、請求項１乃至７のいずれかに記載の２次元力センサ。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の２次元力センサを備えたヘアスタイリング又は分析装置。

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