力检测器以及力检测系统的制作方法

1.本发明涉及一种力检测器以及一种力检测系统。
2.本技术要求2020年12月24日提交的日本专利申请第2020-214413号的优先权，其内容通过援引加入本文。


背景技术：

3.近来，已经使用了检测从触觉传感器等的外部施加的力的力检测器。例如，未经审查的日本专利申请公开第2008-128940号公开了一种触觉传感器，其包括压敏导电构件、按压压敏导电构件的压力传递构件以及压力传递构件所涂覆的弹性涂层。在未经审查的日本专利申请公开第2008-128940号中公开的这种触觉传感器中，涂覆有弹性涂层的压力传递构件通过施加到弹性涂层的表面的力而倾斜，并且通过检测压敏导电部件上的根据倾斜度而变化的压力来检测从外部施加的力。
4.由于在未经审查的日本专利申请公开第2008-128940号中公开的触觉传感器具有根据由于压敏导电构件被按压而导致的压力传递构件的倾斜来检测力的结构，因此弹性涂层与压力传递构件之间的刚度差异需要非常大，以提高压力传递构件的灵敏度。然而，有可能由于触觉传感器的长期使用，弹性涂层和压力传递构件在其间的界面处彼此分离，这可能导致检测精度的降低。由于压力传递构件的杨氏模量大，所以触觉传感器难以整体弯曲，并且难以将触觉传感器部署在曲面或形状可变的表面上。


技术实现要素：

5.(1)根据本发明的一个或多个实施例的力检测器可以包括层状结构，该层状结构包括第一层和第二层，所述第一层具有接收待检测的力的检测面，所述第二层设置在与所述检测面相对的面上。所述第一层的杨氏模量与所述第二层的杨氏模量不同。所述力检测器还包括应力发生器，该应力发生器在层状结构中形成，并且该应力发生器接收沿所述检测面的切线方向作用的力，并在应力发生器周围生成关于所述检测面的法线方向呈不对称分布的应力。所述力检测器还包括多个传感器，该多个传感器分布并布置在所述应力发生器周围。
6.(2)在根据一个或多个实施例的力检测器中，所述多个传感器通过嵌入具有较小杨氏模量的所述第一层或所述第二层的内部来设置。
7.(3)在根据一个或多个实施例的力检测器中，具有较小杨氏模量的所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的突起。
8.(4)在根据一个或多个实施例的力检测器中，具有较小杨氏模量的所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的空隙。
9.(5)根据一个或多个实施例的力检测器还可以包括力分散层，该力分散层堆叠在所述第一层的检测面上，并且由杨氏模量比所述第一层大的材料形成。
10.(6)在根据一个或多个实施例的力检测器中，将从所述力分散层向所述第一层突
出而形成的力分散层突起用作应力发生器。
11.(7)在根据一个或多个实施例的力检测器中，所述多个传感器被设置为围绕所述突起的顶点。
12.(8)在根据一个或多个实施例的力检测器中，具有较大杨氏模量的所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的凹槽。
13.(9)在根据一个或多个实施例的力检测器中，所述第一层的杨氏模量小于所述第二层的杨氏模量，所述第一层是检测层，所述第二层是支撑所述检测层的支撑层。
14.(10)根据一个或多个实施例的力检测器还可以包括导线，该导线与所述多个传感器连接并且通过嵌入所述检测层中来设置。
15.(11)根据一个或多个实施例的力检测系统可以包括：根据(1)的力检测器；以及计算设备，该计算设备被配置为执行基于所述力检测器的输出和预定的校正值计算作用在所述力检测器上的力的值的计算处理。
16.(12)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，所述多个传感器通过嵌入具有较小杨氏模量的所述第一层或所述第二层的内部来设置。
17.(13)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，具有较小杨氏模量的所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的突起。
18.(14)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，具有较小杨氏模量所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的空隙。
19.(15)根据一个或多个实施例的力检测系统还可以包括力分散层，该力分散层堆叠在所述第一层的检测面上，并且由杨氏模量比所述第一层大的材料形成。
20.(16)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，将从所述力分散层向所述第一层突出而形成的力分散层突起用作应力发生器。
21.(17)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，所述多个传感器被设置为围绕所述突起的顶点。
22.(18)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，具有较大杨氏模量的所述第一层或所述第二层具有用作所述应力发生器的凹槽。
23.(19)在根据一个或多个实施例的力检测系统中，所述第一层的杨氏模量小于所述第二层的杨氏模量，所述第一层是检测层，所述第二层是支撑所述检测层的支撑层。
24.(20)根据一个或多个实施例的力检测系统还可以包括导线，该导线与所述多个传感器连接并且通过嵌入所述检测层来设置。
25.根据本发明的一个或多个实施例，在包括所述第一层和所述第二层的层状结构中形成所述应力发生器，所述应力发生器被配置为接收沿所述第一层的检测面的切线方向作用的力，并且在应力发生器周围生成关于所述检测面的法线方向呈不对称分布的应力。即使当所述第一层和所述第二层之间的杨氏模量存在较小差异时，也可以使所述应力发生器生成具有不对称分布的应力。通过使用传感器检测所述不对称应力分布，可以计算作用在所述检测面上的力。因此，根据本发明的一个或多个实施例，不必在其中设置杨氏模量非常大的压力传递构件，可以提高可靠性并且使所述力检测器容易弯曲。
26.通过以下参照附图对示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征和方面将变得显而易见。
附图说明
27.图1是示意性地示出了当沿检测面的法线方向观察时根据本发明第一实施例的力检测器的配置的图。
28.图2是沿图1中的线a-a获取的截面图。
29.图3是示意性地示出了根据本发明第一实施例的力检测器的配置的分解图。
30.图4a和图4b是示出了当力f沿检测面的切线方向作用于检测层的检测面时，表示在该检测层的y方向上的正态应变分布的模拟结果的示意图，其中图4a是示出了力f沿+x方向作用的情况的示意图，图4b是示出了力f沿
–
x方向作用的情况的示意图。
31.图5是示出了杨氏模量比和传感器输出之间的关系的图。
32.图6是示意性地示出了根据本发明第二实施例的力检测器的配置的截面图。
33.图7是示意性地示出了根据本发明第二实施例的力检测器的配置的分解图。
34.图8是示意性地示出了根据本发明第三实施例的力检测器的配置的截面图。
35.图9是示意性地示出了根据本发明第三实施例的力检测器的配置的分解图。
36.图10是示意性地示出了根据本发明第四实施例的力检测器的配置的截面图。
37.图11是示意性地示出了根据本发明第四实施例的力检测器的配置的分解图。
38.图12是示意性地示出了根据本发明第五实施例的力检测器的配置的截面图。
39.图13是示意性地示出了根据本发明第五实施例的力检测器的配置的分解图。
40.图14是示意性地示出了根据本发明第六实施例的力检测系统的配置的框图。
41.图15是示出了用于描述根据本发明第六实施例的力检测系统中的校正方法的二维模型的图。
具体实施方式
42.在此参照附图描述本发明的实施例。本领域技术人员将认识到，使用本发明的教导可以实现许多可供选择的优选实施例，并且本发明不限于出于说明目的而在此示出的优选实施例。
43.本发明的一个或多个实施例提供一种力检测器，该力检测器不需要在其中设置杨氏模量非常大的压力传递构件，具有高可靠性，并且可以容易弯曲。
44.在下文中，将参照附图描述根据本发明的力检测器以及力检测系统的实施例。在下面的描述中，将给出本发明的实施例的概述，然后将描述本发明的实施例的细节。
45.[概述]
[0046]
本发明的实施例是为了实现一种力检测器，该力检测器不需要在其中设置杨氏模量非常大的压力传递构件，具有高可靠性，并且可以容易弯曲。也就是说，本发明的实施例是为了实现具有高可靠性、整体是柔性的并且可以变形为与对象(例如，机器人的手)的形状相对应的适当形状的力检测器。
[0047]
由于在未经审查的日本专利申请公开第2008-128940号中公开的触觉传感器具有用于通过根据压力传递构件的倾斜按压压敏导电构件来检测力的结构，因此弹性涂层与压力传递构件之间的刚度差异需要大大增加以提高压力传递构件的灵敏度。例如，弹性涂层的杨氏模量可以是0.6mpa，压力传递构件的杨氏模量是100mpa以上，即相差100倍以上。以这种方式，当弹性涂层和压力传递构件之间的刚度差异非常大时，有可能由于触觉传感器
的长期使用，弹性涂层和压力传递构件在其间的界面处彼此分离，这可能导致检测精度的降低。由于压力传递构件的杨氏模量更大，所以难以使触觉传感器整体弯曲，并且难以将触觉传感器部署在曲面或形状可变的表面上。
[0048]
根据本发明实施例的力检测器包括层状结构，该层状结构包括：第一层，该第一层具有待检测的力作用在其上的检测面；以及第二层，该第二层设置在第一层的与检测面相对的面上，并且由杨氏模量与第一层的杨氏模量不同的材料形成。在层状结构中形成应力发生器(被配置为接收沿检测面的切线方向作用的力并且在应力发生器周围生成关于检测面的法线方向呈不对称分布的应力的部件)，并且多个传感器分布并布置在应力发生器周围。因此，可以实现一种不需要在其中设置杨氏模量非常大的压力传递构件、具有高可靠性并且可以容易弯曲的力检测器。
[0049]
[第一实施例]
[0050]
图1是示意性地示出了当沿检测面的法线方向观察时根据本发明第一实施例的力检测器的配置的图。图2是沿图1中的线a-a获取的截面图。图3是根据该实施例的力检测器的分解图。为了易于视觉识别，在图1中用实线示出了被检测层2覆盖的传感器5和导线6，检测层2将在稍后描述。在图2和图3中，省略了导线6。
[0051]
根据本实施例的力检测器1是将作用在检测面m上的外力转换成电信号并输出该电信号的传感器，并且例如用作触觉传感器。根据本实施例的力检测器1包括检测层2(第一层)、支撑层3(第二层)、应力发生器4、传感器5和导线6。
[0052]
在下面的描述中，为了便于描述，检测层2和支撑层3的堆叠方向被定义为y方向，垂直于y方向的一个方向被定义为x方向，垂直于x方向和y方向的方向被定义为z方向，如图1至图3所示。根据本实施例的力检测器1的安装姿势相对于重力方向没有特别限制。
[0053]
检测层2堆叠在支撑层3上，并且检测层2的与支撑层3相对的表面为检测面m。在本实施例中，检测层2由杨氏模量比支撑层3的杨氏模量小的材料形成。例如，检测层2可以由杨氏模量比支撑层3的材料的杨氏模量小的硅树脂形成。检测层2由杨氏模量比支撑层3小的材料构成即可，并且也可以由丙烯酸树脂或聚氨酯树脂构成。
[0054]
检测面m是待检测的力作用在其上的面，并且在本实施例中是平面。检测面m是与x-z平面平行的平面。检测面m可以是曲面。在本实施例中，外部的对象直接接触检测面m，并且从该对象施加的力是待检测的力。根据本实施例的力检测器1可以检测沿检测面m的切线方向(平行于x-z平面的方向)作用的分力和沿检测面m的法线方向挤压检测面m的分力。
[0055]
支撑层3固定于检测层2的与检测面m相对的表面并支撑检测层2。如上所述，检测层2由杨氏模量比支撑层3的杨氏模量小的材料形成。也就是说，支撑层3由杨氏模量比检测层2的杨氏模量大的材料形成。例如，支撑层3可以由杨氏模量比检测层2的材料的杨氏模量大的硅树脂形成。支撑层3由杨氏模量比检测层2大的材料构成即可，并且也可以由丙烯酸树脂或聚氨酯树脂构成。
[0056]
根据本实施例的力检测器1具有其中检测层2和支撑层3堆叠的结构，即具有包括检测层2和支撑层3的层状结构7。应力发生器4在这样的层状结构7中形成。应力发生器4接收沿检测面m的切线方向作用的力，并在应力发生器4周围生成关于检测面m的法线方向呈不对称分布的应力。在本实施例中，支撑层3包括向检测层2突出而形成的突起3a，并且突起3a用作应力发生器4。也就是说，根据本实施例的力检测器1包括突起3a作为应力发生器4，
该突起3a从具有相对较大的杨氏模量的层(支撑层3侧)向具有相对较小的杨氏模量的层(检测层2侧)突出而形成。
[0057]
如图1所示，多个突起3a被布置成阵列状。在本实施例中，突起3a具有相同的四棱锥形状。例如，如图3所示，由于突起3a形成为支撑层3的部分，突起3a由杨氏模量大于检测层2的杨氏模量的材料形成。在本实施例中，多个突起3a在x方向和z方向上以相等的间隔布置。多个突起3a的布置间隔可以改变。多个突起3a可以以不相等的间隔布置。
[0058]
图4a和图4b是示出了当力f沿检测面m的切线方向作用于检测层2的检测面m时，表示在该检测层2的y方向上的正态应变分布的模拟结果的示意图，其中图4a是示出了力f沿+x方向作用的情况的示意图，图4b是示出了力f沿-x方向作用的情况的示意图。在图4a和图4b中，压缩应变和拉伸应变用颜色的深度表示。深色的部分(黑色部分)是压缩应变部分，浅色的部分(白色部分)是拉伸应变部分。
[0059]
当如图4a所示，力f沿+x方向作用在检测面m上时，整个检测层2试图沿+x方向移动。由于突起3a的杨氏模量大于检测层2的杨氏模量，所以检测层2在每个突起3a的-x侧的部分被突起3a挤压和压缩。因此，在突起3a的-x侧的部分中生成压缩应变。另一方面，检测层2在每个突起3a的+x侧的部分在力f的作用方向上位于突起3a的后方，并且被突起3a以小的变形进行拉拽，因此生成拉伸应变。如图4a所示，在比每个突起3a的顶点更靠近检测面m的部分中，在突起3a的顶点的+x侧的部分中压缩应变增加，在突起3a的顶点的-x侧的部分中拉伸应变增加。
[0060]
当如图4b所示，力f沿-x方向作用在检测面m上时，整个检测层2试图沿-x方向移动。检测层2的在每个突起3a的+x侧的部分被突起3a挤压和压缩。因此，在突起3a的+x侧的部分中生成压缩应变。另一方面，在检测层2的位于每个突起3a的-x侧的部分中，拉伸应变增加。如图4b所示，在比每个突起3a的顶点更靠近检测面m的部分中，在突起3a的顶点的-x侧的部分中压缩应变增加，在突起3a的顶点的+x侧的部分中拉伸应变增加。
[0061]
如图4a和图4b所示，当力f沿检测面m的切线方向作用时，相对于每个突起3a，力f的上游侧和下游侧之间的应变大小不同。这意味着突起3a接收沿检测面m的切线方向作用的力f，并在突起周围生成关于检测面m的法线方向不对称的应变分布。应变分布对应于应力分布。因此，每个突起3a接收沿检测面m的切线方向作用的力f，并在突起周围生成关于检测面m的法线方向不对称的应力分布。在本实施例中，如图2所示，多个突起3a在层状结构7的内部形成。
[0062]
比较图4a和图4b，当沿检测面m的切线方向作用的力f的方向反转时，应变分布(即应力分布)也反转。因此，可以通过检测应力分布来获得沿检测面m的切线方向作用的力f的方向。当沿法线方向挤压检测面m时，在每个突起3a的x方向和z方向上生成大小相等的应变(即，应力)。因此，通过检测检测层2在突起3a周围的受力部分，可以获取作用在检测面m上的力f的方向。
[0063]
如上所述，在本实施例中，由于设置了具有四棱锥形状的突起3a，所以施加到突起3a的周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化。突起3a的形状不限于四棱锥。突起3a只要具有其中施加到突起3a周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化的形状即可，例如可以具有多棱柱形状、圆柱形状、半球形状、圆锥形状或除四棱锥以外的多棱锥形状。在本实施例中，所有突起3a具有相同的形状，但是可
以包括具有另一形状的突起3a。
[0064]
如图2和图3所示，传感器5通过嵌入检测层2来设置。可以使用检测应变的应变传感器作为每个传感器5。在检测层2中也生成对应于应力分布的压力分布。因此，也可以使用检测压力的压力传感器作为每个传感器5。
[0065]
为每个突起3a设置四个传感器5。如图1所示，设置四个传感器5来围绕每个突起3a的顶点。为了描述的目的，根据需要，如图1所示，位于从顶点沿+x方向偏移的位置处的传感器5被定义为传感器5a，位于从顶点沿-x方向偏移的位置处的传感器5被定义为传感器5b，位于从顶点沿+z方向偏移的位置处的传感器5被定义为传感器5c，位于从顶点沿-z方向偏移的位置处的传感器5被定义为传感器5d。如图2所示，传感器5位于突起3a的顶点的检测面m侧。
[0066]
传感器5输出具有与在检测层2中生成的应力(即，应变或压力)相对应的强度的信号。可以基于由为每个突起3a设置的四个传感器5的输出信号表示的值(以下称为检测值)来计算在突起3a的-y侧的位置处作用在检测面m上的力f。在本实施例中，假设每个传感器5采用在压缩应变下输出负值、在拉伸应变下输出正值的模式。例如，可以使用压阻式应变计作为这种传感器5。也可以使用采取在压缩应变下输出正值并且在拉伸应变下输出负值的模式的传感器。
[0067]
例如，当力f仅沿x方向作用时，由于来自传感器5a的检测值为负(压缩应变)，而来自传感器5b的检测值为正(拉伸应变)，所以可以看出，力f沿检测面m的+x方向作用，如图4a所示。可以基于来自传感器5b的检测值和来自传感器5a的检测值之间的差来计算作用在+x方向上的力f的大小。
[0068]
当力f仅沿x方向作用时，由于来自传感器5a的检测值为正(拉伸应变)，而来自传感器5b的检测值为负(压缩应变)，所以可以看出，力f沿检测面m的-x方向作用，如图4b所示。可以基于来自传感器5a的检测值和来自传感器5b的检测值之间的差来计算作用在-x方向上的力f的大小。
[0069]
当力f仅沿z方向作用时，由于来自传感器5c的检测值为负(压缩应变)，而来自传感器5d的检测值为正(拉伸应变)，所以可以看出，力f沿检测面m的+z方向作用。沿+z方向作用的力f的大小可以基于来自传感器5d的检测值与来自传感器5c的检测值的差来计算。
[0070]
当力f仅沿z方向作用时，由于来自传感器5c的检测值为正(拉伸应变)，而来自传感器5d的检测值为负(压缩应变)，所以可以看出，力f沿检测面m的-z方向作用。沿-z方向作用的力f的大小可以基于来自传感器5c的检测值与来自传感器5d的检测值之间的差来计算。
[0071]
当从四个传感器5输出检测值并且检测值大小相同或大致相同时，可以看出力f作用在检测面m的法线方向上。沿检测面m的法线方向作用的力f的大小可以基于检测值的大小(或检测值的总和)来计算。
[0072]
以这种方式，当向检测面m(其为力检测器1的表面)施加力f时，在层状结构7中生成应变或压力。当沿检测面m的切线方向施加力f时，由于突起3a由杨氏模量比检测层2的杨氏模量大的材料形成，因此突起3a比突起3a周围的检测层2变形更小。因此，根据力f的方向或大小，突起3a周围的应变或压力比突起3a中的应变或压力变化更大。突起3a周围的应变或压力(即，应力)由传感器5检测。
[0073]
如图4a和图4b所示，通过反转施加力f的方向来使应变分布反转。因此，被布置为将突起3a夹在其间的两个传感器5的输出差包含力f的方向和力f的大小的信息。另一方面，当向检测面m施加均匀分布的沿法线方向的力时，被布置成将突起3a夹在其间的两个传感器5受到相同的应变。因此，两个传感器5的输出的总和包含力f的大小的信息。可以基于传感器5的输出的差和总和来计算施加到力检测器1的力f的大小和方向。
[0074]
图5是示出了通过将突起3a(在本实施例中为支撑层3)的杨氏模量除以检测层2的杨氏模量而获得的值(杨氏模量比)与传感器5的输出强度(传感器输出)之间的关系的图。在图5中，对传感器输出进行归一化，当杨氏模量比无穷大时传感器输出为1。如图5所示，当杨氏模量比等于或大于2时，获得的传感器输出约为杨氏模量比为无穷大时的传感器输出的一半。
[0075]
导线6与传感器5连接，用于从传感器5获取输出信号，并且在本实施例中通过嵌入检测层2来设置。在本实施例中，与传感器5的一侧的输出端子连接的多个导线6沿垂直方向平行布置，与传感器5的另一侧的输出端子连接的多个导线6沿水平方向平行布置，由此，从检测面m的法线方向看，设置了垂直方向的导线6和水平方向的导线6彼此交叉的矩阵状布线结构。导线6的布线图案没有特别限制，只要能够获取每个传感器5的输出信号即可。
[0076]
根据一个或多个实施例，通过嵌入检测层2来设置的传感器5和导线6在力f作用在检测面m上时不妨碍检测层2的变形。因此，传感器5和导线6由具有与检测层2相同的杨氏模量的材料形成。传感器5和导线6可以使用诸如喷墨印刷法、丝网印刷法或凹版胶印法的印刷法形成。
[0077]
在根据本实施例的力检测器1中，如上所述，当力f作用在检测面m上时，在检测层2中生成应力分布。此时，当力f沿检测面m的切线方向作用时，通过突起3a在突起3a周围生成关于检测面m的法线方向不对称的应力分布。该应力分布由多个传感器5检测。如上所述，可以基于突起3a周围的应力分布计算力f的方向和大小。因此，利用根据本实施例的力检测器1，可以在其中不设置具有非常大的杨氏模量(例如，约为检测层2的杨氏模量的100倍)的压力传递构件的情况下获取检测值，使得能够计算力f。
[0078]
如上所述，根据本实施例的力检测器1包括：检测层2，该检测层2包括待检测的力f作用在其上的检测面m；以及支撑层3，该支撑层3设置在检测层2的与检测面m相对的面上，并且由杨氏模量与检测层2的杨氏模量不同的材料形成。力检测器1还包括应力发生器4和传感器5。应力发生器4在包括检测层2和支撑层3的层状结构7中形成，接收沿检测面m的切线方向作用的力，并在应力发生器周围生成关于检测面m的法线方向呈不对称分布的应力。多个传感器5分布并布置在应力发生器4周围。
[0079]
在根据本实施例的力检测器1中，在包括检测层2和支撑层3的层状结构7中设置应力发生器，该应力发生器接收沿检测层2的检测面m的切线方向作用的力f，并且在应力发生器周围生成关于检测面m的法线方向呈不对称分布的应力。即使当检测层2和支撑层3之间的杨氏模量差异较小时，也可以使用应力发生器4生成具有不对称分布的应力。因此，利用根据本实施例的力检测器1，不需要在其中设置具有非常大的杨氏模量的压力传递构件，可以抑制压力传递构件与相邻层分离的现象，并且可以提高可靠性。检测层2和支撑层3可以具有相似的杨氏模量，并且检测层2和支撑层3都可以由柔性可变形材料形成。因此，根据本实施例的力检测器1能够容易弯曲。
[0080]
在根据本实施例的力检测器1中，传感器5通过嵌入检测层2和支撑层3中杨氏模量相对较小的层(本实施例中为检测层2)来设置。在具有相对较大的杨氏模量的层中生成应变等，但是具有相对较小的杨氏模量的层中的应变等更大。因此，通过将传感器5安装在杨氏模量相对较小的层中，可以更容易地检测应变(即，应力)等。然而，传感器5可以安装在具有相对较大的杨氏模量的层中。
[0081]
在根据本实施例的力检测器1中，将从检测层2和支撑层3中的具有相对较大的杨氏模量的层(本实施例中为支撑层3)向具有相对较小的杨氏模量的层(本实施例中为检测层2)突出而形成的突起3a设置为应力发生器4。利用根据本实施例的力检测器1，可以简化应力发生器4的结构。由于传感器5布置在每个突起3a周围，所以可以容易地牵引与传感器5连接的导线6以避开突起3a。
[0082]
[第二实施例]
[0083]
将参照图6和图7描述本发明的第二实施例。在描述本实施例时，将省略或简化与第一实施例相同的构成部分的描述。
[0084]
图6是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1a的配置的截面图。图7是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1a的配置的分解图。如附图所示，根据本实施例的力检测器1a包括设置在检测层2的检测面m上的力分散层10。也就是说，在根据本实施例的力检测器1a中，除了检测层2和支撑层3之外，层状结构7还包括力分散层10。
[0085]
力分散层10由杨氏模量比检测层2的杨氏模量大的材料形成。例如，力分散层10可以由杨氏模量比检测层2的材料的杨氏模量大的硅树脂形成。力分散层10由杨氏模量比检测层2大的材料构成即可，并且也可以由丙烯酸树脂或聚氨酯树脂构成。力分散层10只要能够在xz平面上分散力f即可，其厚度(y方向的尺寸)可以小于检测层2和支撑层3的厚度。
[0086]
当不设置力分散层10，并且空间频率的周期比应力发生器4(突起3a)的布置间隔(应力发生器4的周期)更短的力f作用在检测面m上时，根据采样定理输出与实际力f不同的分力作为误差。另一方面，当设置力分散层10时，力f分散在xz平面上，作用在检测面m上的力f的空间频率降低。因此，可以防止与实际力f不同的分力作为误差输出。
[0087]
以这种方式，根据本实施例的力检测器1a包括堆叠在检测层2的检测面m上并且由杨氏模量大于检测层2的杨氏模量的材料形成的力分散层10。因此，可以防止与实际力f不同的分力作为误差输出，并且可以降低检测误差。
[0088]
通过调节力分散层10和检测层2的厚度(y方向上的尺寸)或杨氏模量，可以调节空间频率的截止频率。
[0089]
[第三实施例]
[0090]
将参照图8和图9描述本发明的第三实施例。在描述本实施例时，将省略或简化与第一实施例和第二实施例相同的构成部分的描述。
[0091]
图8是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1b的配置的截面图。图9是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1b的配置的分解图。如附图所示，根据本实施例的力检测器1b包括从力分散层10向检测层2突出而形成的突起10a(应力发生器)。另一方面，在根据本实施例的力检测器1b中，不在支撑层3中设置突起3a。也就是说，在根据本实施例的力检测器1b中，将力分散层10的突起10a(力分布层突起)设置为应力发生器4。
[0092]
在根据本实施例的力检测器1b中，将设置在力分散层10中的突起10a用作应力发
生器4。也就是说，根据本实施例的力检测器1b包括突起10a作为应力发生器4，该突起10a从具有相对较大的杨氏模量的层(力分散层10侧)向具有相对较小的杨氏模量的层(检测层2侧)突出而形成。
[0093]
当沿检测面m的法线方向观察时，多个突起10a例如以阵列状布置在与根据第一实施例的突起3a相同的位置处。在本实施例中，突起10a具有相同的四棱锥形状。例如，如图8所示，由于突起10a形成为力分散层10的部分，突起10a由杨氏模量大于检测层2的杨氏模量的材料形成。在本实施例中，多个突起10a在x方向和z方向上等间隔地排列。多个突起10a的布置间隔可以改变。多个突起10a可以以不相等的间隔布置。
[0094]
在根据本实施例的力检测器1b中，由于设置了具有四棱锥形状的突起10a，所以施加到突起10a的周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化。突起10a的形状不限于四棱锥。突起10a只要具有其中施加到突起10a周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化的形状即可，例如可以具有多棱柱形状、圆柱形状、半球形状、圆锥形状或除四棱锥以外的多棱锥形状。在本实施例中，所有突起10a具有相同的形状，但是可以包括具有另一形状的突起10a。
[0095]
为每个突起10a设置四个传感器5。传感器5设置在从突起10a的向下顶点沿+x方向偏移的位置、从顶点沿-x方向偏移的位置、从顶点沿+z方向偏移的位置以及从顶点沿-z方向偏移的位置，使得当在检测面m的法线方向上观察时，这些传感器围绕顶点。如图8所示，传感器5被布置在突起10a的向下顶点的支撑层3侧上。.
[0096]
传感器5输出具有与在检测层2中生成的应力(即，应变或压力)相对应的强度的信号。可以基于来自为每个突起10a设置的四个传感器5的检测值来计算作用在检测面m的位于突起10a的-y侧的部分上的力f。
[0097]
以这种方式，当力f施加到力检测器1b的检测面m时，在层状结构7中生成应变或压力。当沿检测面m的切线方向施加力f时，由于突起10a由杨氏模量比检测层2的杨氏模量大的材料形成，因此突起10a比突起10a周围的检测层2变形更小。因此，根据力f的方向或大小，突起10a周围的应变或压力比突起10a中的应变或压力变化更大。突起10a周围的应变或压力(即，应力)由传感器5检测。通过反转施加力f的方向来使应变分布反转。因此，被布置为将突起10a夹在其间的两个传感器5之间的输出差包含力f的方向和力f的大小的信息。
[0098]
另一方面，当均匀分布的沿法线方向的力作用在检测面m上时，相同的应变施加于被布置成将突起10a夹在其间的两个传感器5。因此，两个传感器5的输出总和包含力f的大小的信息。可以基于传感器5的输出的差和总和来计算施加到力检测器1b的力f的大小和方向。
[0099]
利用根据本实施例的力检测器1b，由于力分散层10的突起10a用作应力发生器4，所以如图8和图9所示在支撑层3中不设置突起3a的配置成为可能。
[0100]
[第四实施例]
[0101]
下面将参照图10和图11来描述本发明的第四实施例。在描述本实施例时，将省略或简化与第一实施例和第二实施例相同的构成部分的描述。
[0102]
图10是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1c的配置的截面图。图11是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1c的配置的分解图。如附图所示，根据本实施例的力检测器1c包括设置在检测层2中的空隙2b(应力发生器)。另一方面，在根据本实施例的力检
测器1c中，不在支撑层3中设置突起3a。也就是说，在本实施例的力检测器1c中，设置空隙2b作为应力发生器4。
[0103]
在根据本实施例的力检测器1c中，将设置在检测层2中的空隙2b用作应力发生器4。也就是说，根据本实施例的力检测器1c包括作为应力发生器4的空隙2b，该空隙2b在检测层2和支撑层3中杨氏模量相对较小的层(本实施例中为检测层2)中形成。
[0104]
当沿检测面m的法线方向观察时，多个空隙2b例如以阵列状布置在与根据第一实施例的突起3a相同的位置处。在本实施例中，空隙2b具有相同的长方体形状。在本实施例中，多个空隙2b在x方向和z方向上等间隔地排列。多个空隙2b的布置间隔可以改变。多个空隙2b可以以不相等的间隔布置。
[0105]
在根据本实施例的力检测器1c中，由于设置了具有长方体形状的空隙2b，所以施加到空隙2b的周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化。空隙2b的形状不限于长方体。空隙2b只要具有其中施加到空隙2b周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化的形状即可，例如可以具有四棱锥形状、圆柱形状或半球形状。在本实施例中，所有空隙2b具有相同的形状，但是可以包括具有另一形状的空隙2b。
[0106]
为每个空隙2b设置四个传感器5。传感器5设置在从空隙2b的中心位置沿+x方向偏移的位置、从中心位置沿-x方向偏移的位置、从中心位置沿+z方向偏移的位置以及从中心位置沿-z方向偏移的位置，使得当在检测面m的法线方向上观察时，这些传感器围绕该中心位置。如图10所示，传感器5被布置在空隙2b的检测面m侧上。.
[0107]
传感器5输出具有与在检测层2中生成的应力(即，应变或压力)相对应的强度的信号。可以基于来自为每个空隙2b设置的四个传感器5的检测值来计算作用在检测面m的位于空隙2b的-y侧的部分上的力f。
[0108]
以这种方式，当力f施加到力检测器1c的检测面m时，在层状结构7中生成应变或压力。当沿检测面m的切线方向施加力f时，由于空隙2b引起的应力松弛或应力集中，在空隙2b周围生成不对称的应变分布。空隙2b周围的应变或压力(即，应力)由传感器5检测。通过反转施加力f的方向来使应变分布反转。因此，被布置为将空隙2b夹在其间的两个传感器5之间的输出差包含力f的方向和力f的大小的信息。
[0109]
另一方面，当向检测面m施加均匀分布的沿法线方向的力时，被布置成将空隙2b夹在其间的两个传感器5受到相同的应变。因此，两个传感器5的输出总和包含力f的大小的信息。可以基于传感器5的输出的差和总和来计算施加到力检测器1c的力f的大小和方向。
[0110]
利用根据本实施例的力检测器1c，由于将空隙2b设置为应力发生器4，所以在支撑层3或力分散层10中不设置突起的配置成为可能。这里，除了空隙2b之外，力检测器1c还可以包括根据第一实施例的突起3a和根据第二实施例的突起10a。
[0111]
[第五实施例]
[0112]
下面将参照图12和图13来描述本发明的第五实施例。在描述本实施例时，将省略或简化与第一实施例相同的构成部分的描述。
[0113]
图12是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1d的配置的截面图。图13是示意性地示出了根据本实施例的力检测器1d的配置的分解图。如附图所示，根据本实施例的力检测器1d包括设置在支撑层3中的凹槽3b(应力发生器)。另一方面，在根据本实施例的力检
测器1d中，不在支撑层3中设置突起3a。也就是说，在本实施例的力检测器1d中，设置凹槽3b作为应力发生器4。
[0114]
在根据本实施例的力检测器1d中，将设置在支撑层3中的凹槽3b用作应力发生器4。也就是说，根据本实施例的力检测器1d包括作为应力发生器4的凹槽3b，该凹槽3b在检测层2和支撑层3中杨氏模量相对较大的层(本实施例中为支撑层3)中形成。
[0115]
当沿检测面m的法线方向观察时，多个凹槽3b以阵列状布置在例如与根据第一实施例的突起3a相同的位置处。在该实施例中，例如，当沿检测面m的法线方向观察时，凹槽3b具有相同的正方形形状。在该实施例中，多个凹槽3b在x方向和z方向上等间隔排列。多个凹槽3b的布置间隔可以改变。多个凹槽3b可以以不相等的间隔布置。
[0116]
在根据本实施例的力检测器1d中，由于设置了当沿检测面m的法线方向观察时具有正方形形状的凹槽3b，所以施加到凹槽3b的周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化。在本实施例中，凹槽3b的周围是指支撑层3的形成凹槽3b的壁面周围，并且包括凹槽3b的内部。
[0117]
凹槽3b在沿检测面m的法线方向观察时的形状不限于正方形。凹槽3b只要具有其中施加到凹槽3b周围的应力的大小或方向根据作用在检测面m上的力f的方向而变化的形状即可。凹槽3b在沿检测面m的法线方向观察时的形状例如可以是圆形。在本实施例中，所有凹槽3b具有相同的形状，但是可以包括具有另一形状的凹槽3b。
[0118]
为每个凹槽3b设置四个传感器5。传感器5设置在从凹槽3b的中心位置沿+x方向偏移的位置、从中心位置沿-x方向偏移的位置、从中心位置沿+z方向偏移的位置以及从中心位置沿-z方向偏移的位置，使得当在检测面m的法线方向上观察时，这些传感器围绕该中心位置。如图12所示，传感器5被布置在凹槽3b中。
[0119]
传感器5输出具有与在检测层2中生成的应力(即，应变或压力)相对应的强度的信号。可以基于来自为每个凹槽3b设置的四个传感器5的检测值来计算作用在检测面m的位于凹槽3b的-y侧的部分上的力f。
[0120]
以这种方式，当力f施加到力检测器1d的检测面m时，在层状结构7中生成应变或压力。当沿检测面m的切线方向施加力f时，由于检测层2压靠在凹槽3b的壁表面上，在凹槽3b周围生成不对称的应变分布。凹槽3b周围的应变或压力(即，应力)由传感器5检测。通过反转施加力f的方向来使应变分布反转。因此，被布置为将凹槽3b的中心位置夹在其间的两个传感器5之间的输出差包含力f的方向和力f的大小的信息。
[0121]
另一方面，当向检测面m施加均匀分布的沿法线方向的力时，相同的应变施加于被布置成将凹槽3b的中心位置夹在其间的两个传感器5。因此，两个传感器5的输出总和包含力f的大小的信息。可以基于传感器5的输出的差和总和来计算施加到力检测器1d的力f的大小和方向。
[0122]
[第六实施例]
[0123]
下面将参照图14和图15来描述本发明的第六实施例。在描述本实施例时，将省略或简化与第一实施例相同的构成部分的描述。
[0124]
图14是示意性地示出了根据本实施例的力检测系统s的配置的框图。如附图所示，根据本实施例的力检测系统s包括根据第一实施例的力检测器1以及计算设备20。力检测系统s可以包括根据第二实施例的力检测器1a、根据第三实施例的力检测器1b、根据第四实施
例的力检测器1c或根据第五实施例的力检测器1d来代替根据第一实施例的力检测器1。
[0125]
计算设备20由计算机设备或工作站构成，并且基于力检测器1的输出进行计算处理。如图14所示，计算设备20包括输入单元21、存储器22、控制器23(计算器)、显示器24和输出单元25。
[0126]
输入单元21包括能够接收从力检测器1输出的信号的输入接口或能够接收操作者的命令的操作单元等。输入单元21以有线或无线方式与力检测器1直接连接，并且力检测器1中的传感器5的检测值被输入到输入单元21。
[0127]
存储器22例如是由半导体存储器、磁存储器或光学存储器构成，但不特别限于此。例如，存储器22还可以用作计算机设备或工作站的主存储设备、辅助存储设备或高速缓冲存储器。存储器22存储用于计算设备20的操作的任意信息。例如，存储器22可以存储各种类型的信息，例如系统程序和应用程序。
[0128]
在本实施例中，存储器22预先存储用于控制器23计算作用在力检测器1上的力f的校正值。下面将参照图15描述使用存储在存储器22中的校正值的校正方法的构思。图15示出了用于描述校正方法的构思的二维模型。
[0129]
如图15所示，在力检测器1的检测面m的特定点上施加具有恒定大小的沿法线方向的力f1。此时，将n个传感器5的检测值s
11
,
…
,s
1n
记录为校正值。随后，将施加力的位置沿x方向移动微小距离，并且向该位置施加具有相同大小的沿法线方向的力f2。类似地，将传感器的检测值s
21
,
…
,s
2n
记录为校正值。以这种方式，在移动位置的同时记录直到力f
m/2
的校正值。这里，m是偶数。
[0130]
然后，类似地向已经在力检测器1中施加力f1的位置施加沿x方向的力f
m/2+1
，并且将传感器5的检测值记录为校正值。类似地，向已经在力检测器1中施加力f2的位置施加沿x方向的力f
m/2+2
，并且将传感器5的检测值记录为校正值。以这种方式，将传感器5的直到力fm的校正值记录为校正值。将力f0施加到任意位置时的传感器输出定义为s
01
,
…
,s
0n
。可以使用f1到fm的线性组合将f0表示为表达式(1)。
[0131]
f0＝k1f1+k2f2+k3f3+
…
+k
mfm
…
(1)
[0132]
这里，系数k1,
…
,km与校正值s
01
,
…
,s
0n
的关系式可以表示为表达式(2)。
[0133][0134]
这里，系数k1,
…
,km按照近似解进行计算。f0通过将近似解代入表达式(1)来计算。
[0135]
在实际的力检测器1中，突起3a和传感器5沿深度方向(z方向)被布置成阵列状，力所施加的位置通过校正存在于z方向上，并且将z方向添加到力的方向上。在这种情况下，可以使用相同的校正方法。校正方法不限于该方法，而是可以在校正中向诸如球体或矩形的特定形状而不是一个点施加力，并且可以使用传感器5此时的检测值作为校正值。
[0136]
控制器23包括至少一个处理器以及至少一个专用电路，例如具有其组合。处理器是诸如中央处理器(cpu)或图形处理器(gpu)之类的通用处理器或专用于特定处理的专用处理器。例如，专用电路是现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)。控制器23在控制计算设备20的构成部分的同时，执行与计算设备20的操作相关联的处理。
[0137]
控制器23基于存储在存储器22中的校正值以及力检测器1中的传感器5的检测值来计算作用在力检测器1上的力f的值。此时，控制器23基于上述校正方法计算作用在力检测器1上的力f的值。本发明不限于此，而是可以使用深度学习等作为由控制器23执行的操作方法。
[0138]
显示器24显示各种类型的信息。显示器24例如可以采用液晶显示器。这里，显示器24不限于液晶显示器，例如可以采用有机电致发光(el)显示器。输出单元25用于将计算设备20的操作结果或力检测器1的检测值输出到外部。
[0139]
利用根据本实施例的力检测系统s，使用根据力检测器1的特性预先获取的校正值来校正力检测器1的检测值。因此，能够更准确地计算作用在力检测器1上的力f的值。
[0140]
虽然以上已经参照附图描述了本发明的示例性实施例，但是本发明不限于上述实施例。在上述实施例中描述的构成部分的所有形状、组合等仅仅是示例，并且可以基于设计要求以各种形式进行修改而不脱离本发明的主旨。
[0141]
例如，在一个或多个实施例中，已经描述了检测层2的材料的杨氏模量小于支撑层3的材料的杨氏模量的配置。然而，本发明的一个或多个实施例不限于上述配置。本发明的一个或多个实施例可以采用检测层2的材料的杨氏模量大于支撑层3的材料的杨氏模量的配置。当检测层2的材料的杨氏模量大于支撑层3的材料的杨氏模量时，本发明的一个或多个实施例可以采用传感器5通过嵌入支撑层3来设置的配置。
[0142]
如本文所使用的，以下方向术语“前、后、上、下、右、左、垂直、水平、下方、横向、行和列”以及任何其它类似的方向术语是指根据一个或多个实施例的设备的那些指示。因此，用于描述一个或多个实施例的这些术语应当关于根据一个或多个实施例的设备来解释。
[0143]
术语“配置”用于描述设备的组件、单元或部分，包括经构造和/或编程以执行功能的硬件和/或软件。
[0144]
此外，在权利要求中表示为“功能性限定”的术语应当包括可用于执行一个或多个实施例的该部分的功能的任何结构。
[0145]
术语“单元”用于描述经构造和/或编程以执行功能的硬件和/或软件的的组件、单元或部分。硬件的典型示例可以包括但不限于设备和电路。
[0146]
虽然已经在上面描述和示出了本发明的优选实施例，但是应当理解，这些是本发明的示例，而不应被认为是限制性的。可以进行添加、省略、替换以及其它修改而不脱离本发明的范围。因此，不应认为本发明受到前面描述的限制，而应该仅受到权利要求的范围的限制。