(57)【要約】  作用された力に関して、所定方向の力を抽出して検出を正確に行うとともに、所定方向以外の方向への歪みを小さくする。相互に所定方向に相対運動可能に構成したブロック１およびレール２と、ブロック１とレール２との所定方向に沿った相対的変位によって、一対のホール素子５近傍の磁石４が形成する磁界の変化に基づいた信号を出力するホール素子５と、ブロック１および／またはレール２に対して相対的変位量を減少させる向きに復元力を作用させる板バネ９を有する。磁石４の磁極の方向は、相対運動をする所定方向に対して角度をなして設けられている。外部からブロック１に作用される外力に伴うブロック１に対するレール２の相対的変位量に基づいて、ホール素子５が相対的変位量に基づいた信号を出力する。
2009041682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位量を計測する検知装置であって、
前記磁界発生手段は、前記磁界発生手段のＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の方向が前記予め決められた運動方向に対して角度をなして設けられている
ことを特徴とする検知装置。
【請求項２】
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との前記予め決められた方向に沿った相対的変位量に基づいた信号を出力する検知手段と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との少なくとも一方の移動体に対して前記相対的変位量を減少させる向きに復元力を作用させる復元手段とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位量に基づいて、前記検知手段から信号が出力される
ことを特徴とする検知装置。
【請求項３】
前記検知手段は、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位の量に基づいた信号が、前記検知手段から出力される
ことを特徴とする請求項２に記載の検知装置。
【請求項４】
前記復元手段は弾性部材を含み、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが前記弾性部材によって相互に結合され、
前記弾性部材により前記第１の移動体と前記第２の移動体とにそれぞれ互いに反対向きの復元力が作用されることによって、前記相対的変位の量が減少する向きに復元力が作用する
ことを特徴とする請求項２または３記載の検知装置。
【請求項５】
前記磁電変換素子が一対で設けられているとともに、前記磁界発生手段が磁石からなり、
前記磁石におけるＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の向きが、前記一対の磁電変換素子の配置方向に対して、４５°以上７０°以下の角度をなしている
ことを特徴とする請求項１または３記載の検知装置。
【請求項６】
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが転動体を介して互いに相対運動可能に規制されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の検知装置。
【請求項７】
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが相互に連結されて規制され、前記第１の移動体と前記第２の移動体との相対運動が直線運動である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の検知装置。
【請求項８】
前記磁電変換素子がホール素子である
ことを特徴とする請求項１、３、及び５のうちのいずれか１項記載の検知装置。
【請求項９】
前記検知手段が歪みゲージを有し、
前記第２の移動体の相対的変位によって前記歪みゲージが歪められ、前記歪みゲージの歪みに基づいて、前記信号が出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の検知装置。
【請求項１０】
前記復元手段は弾性部材を含み、
前記弾性部材と前記第２の移動体との間で相互に力を伝達する力伝達手段をさらに有し、
前記歪みゲージが前記弾性部材に固着されており、
前記第２の移動体の前記第１の移動体に対する相対運動に伴う相対的変位によって、前記力伝達手段を通じて前記第２の移動体から前記弾性部材に力が伝達されて前記歪みゲージが歪められる
ことを特徴とする請求項９記載の検知装置。
【請求項１１】
前記復元手段は、前記第１の移動体と前記第２の移動体とに設けられ、同じ極性の磁極が対向するように各々配置された磁石の間に発生する反発力によって前記復元力を作用させることを特徴とする請求項２に記載の検知装置。
【請求項１２】
前記第２の移動体は、前記予め定められた方向から見て複数箇所において転動ボール列を介して前記第１の移動体に相対移動可能に結合されており、
前記検知手段は、
前記複数箇所のうちの特定の２箇所における転動ボール列を含む平面に垂直で且つ前記予め定められた方向に平行な平面において、前記予め定められた方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように前記第１の移動体および第２の移動体の一方に配列された複数の磁界発生手段と、
前記第１の移動体および第２の移動体の他方に備えられ磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、を有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることを特徴とする請求項２に記載の検知装置。
【請求項１３】
前記磁電変換素子は、前記複数の磁界発生手段の配列方向に対して垂直方向に２個同じ姿勢で並べて配置されており、
前記２つの磁電変換素子からの出力の差分を前記検知手段の出力とすることを特徴とする請求項１２に記載の検知装置。
【請求項１４】
前記検知手段は、
前記予め定められた方向に平行な平面において、前記予め定められた方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように前記第１の移動体および第２の移動体の一方に配列された複数の磁界発生手段と、
前記第１の移動体および第２の移動体の他方に備えられ磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、を有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界に応じた信号が前記磁電変換素子から出力され、
前記磁電変換素子は、前記複数の磁界発生手段の配列方向に対して垂直方向に２個同じ姿勢で並べて配置されており、
前記２つの磁電変換素子からの出力の差分を前記検知手段の出力とすることを特徴とする請求項２に記載の検知装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のうち、いずれか１項記載の検知装置と、
前記検知装置から出力される信号を増幅する増幅手段と、
前記検知装置から出力された信号に基づいて、前記力検知装置に検知された物理量の所定方向の成分の大きさを外部に出力する出力部を設けた信号検出手段とを有して構成されている
ことを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば位置検知装置および位置計測装置、力検知装置および力計測装置、速度検知装置および速度計測装置、加速度検知装置および加速度計測装置などの力学的な物理量の検知装置または測定装置に関し、特に、微小な力の変化を検知する精密力計測装置や力覚検知センサに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば圧力の検知を例にとって説明すると、従来、急激に圧力を加えるような使用状況においても正確に検知可能な圧力センサとして、ダイアフラム型圧力センサが知られている。このような従来技術による圧力センサを図２２に示す。
【０００３】
図２２に示すように、この圧力センサ１００は、端部に薄肉のダイアフラム部１０１を形成した筒状の圧力受容室１０２内に、ダイアフラム部１０３の内壁１０３ｂの略全面に密接する加圧板部１０９を備えた受圧体１０８を、スプリング１１０を介してダイアフラム部１０３の内壁１０３ｂに加圧板部１０９を密着させた状態で収容して構成されている。そして、受圧体１０８を介してダイアフラム部１０３が圧力を受けて歪みゲージ１０７から圧力信号を得る構成である（特許文献２参照）。
【０００４】
また、ビーム型荷重センサとして、特許文献３に記載されたものが提案されている。このビーム型荷重センサ２００を図２３に示す。
【０００５】
すなわち、ビーム型荷重センサ２００は、基礎部に固定される固定部２０１、載荷部２０２、上下ビーム（梁）２０３，２０４、上下ビーム２０３，２０４にスペースを介してはさまれた中間部２０５，２０６、載荷部２０２に固定された矩形型印加荷重部２０７を有している。また、歪みゲージ２０８が中間部２０５と中間部２０６の間の薄壁の一面に設置されている。歪みゲージ２０８は、薄膜チップにより構成されている。
【０００６】
この歪みゲージ２０８は、ビーム２０３，２０４の長さ方向において、ビーム２０３，２０４の中央部で、矩形型印加荷重部２０７の中央に設けられている。また、歪みゲージ２０８は、ビーム２０３，２０４の厚み方向において、ビーム形荷重センサの構成要素全体の形状寸法と、中間部２０５と中間部２０６の間の薄壁の厚みおよび形状寸法との相関から求められるビーム２０３，２０４の捩れの中心となるモーメントゼロライン上に設けられている。
【０００７】
これらの圧力センサ１００やビーム型荷重センサ２００は、工業用以外にも応用展開として、例えば家庭用途、介護用途、または医療用途などが考えられる。そのため、市場の要請として、安価で堅牢なセンサを実現する必要がある。
【０００８】
しかしながら、上述した従来の歪みゲージを用いた圧力センサや荷重センサなどの、いわゆるロードセルと称される力覚検知装置においては、構造上の問題や歪みゲージの問題などがある。
【０００９】
すなわち、構造上の問題点としては、所定の軸上の力が、他の軸に影響しないようにするために、非常に複雑な梁構造体にする必要がある。また、梁構造体の変位量が力覚検出対象となるため、Ｓ／Ｎ比が低くなってしまう。さらに、この梁構造体の変位量が力覚検出対象となるため、ひずみなどの誤差が蓄積してしまう。
【００１０】
また、ひずみゲージ上の問題点としては、検査器に対して手作業で接着を行うため、作業者により精度が均一にならず、作業、検査、キャリブレーション工数などが必要となるため、高コスト化してしまうという問題がある。そして、これらのことに起因して、振動、衝撃、温度などの外乱に弱いという問題がある。
【特許文献１】特開２００７−１８７５９６号公報
【特許文献２】特開平１０−０６２２７９号公報
【特許文献３】特開平０７−２２９７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、この発明の目的は、作用された力に関して、予め設定された方向に沿った力などの力学的な物理量のみを抽出して、検出をより正確に行うことができ、予め設定された方向に沿った以外の方向への歪みを小さくするとともに、製品の製造の低コスト化を図ることができる力学的な物理量の検知装置および計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位量を計測する検知装置であって、
前記磁界発生手段は、前記磁界発生手段のＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の方向が前記予め決められた運動方向に対して角度をなして設けられている
ことを特徴とする検知装置である。
【００１３】
本発明の第２の発明は、
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との前記予め決められた方向に沿った相対的変位量に基づいた信号を出力する検知手段と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との少なくとも一方の移動体に対して前記相対的変位量を減少させる向きに復元力を作用させる復元手段とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位量に基づいて、前記検知手段から信号が出力される
ことを特徴とする検知装置である。
【００１４】
この発明の第３の発明は、
前記検知手段は、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位の量に基づいた信号が、前記検知手段から出力される
ことを特徴とする請求項２に記載の検知装置である。
【００１５】
これによって、外力の作用によって移動するいわゆる梁構造体と、梁構造体の変位量を検知する変位量検出部とを別に設けることにより、梁構造体の歪みが検知装置に影響を及ぼすことがなくなるため、歪みゲージの歪みにより外力の大きさを測定した従来技術による検知装置に比して、より堅牢で再現性の高い力学的物理量の検知装置を得ることができる。なお、本発明における力学的物理量としては、例えば、力、速度、加速度、位置などを挙げることができる。
【００１６】
また、本発明は、
前記復元手段は弾性部材を含み、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが前記弾性部材によって相互に結合され、
前記弾性部材により前記第１の移動体と前記第２の移動体とにそれぞれ互いに反対向きの復元力が作用されることによって、前記相対的変位の量が減少する向きに復元力が作用する
ようにしてもよい。【００１７】
また、本発明は、
前記磁電変換素子が一対で設けられているとともに、前記磁界発生手段が磁石からなり、
前記磁石におけるＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の向きが、前記一対の磁電変換素子の配置方向に対して、４５°以上７０°以下の角度をなしているようにしてもよい。
【００１８】
また、本発明は、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが転動体を介して互いに相対運動可能に規制されているようにしてもよい。【００１９】
また、本発明は、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが相互に連結されて規制され、前記第１の移動体と前記第２の移動体との相対運動が直線運動であるようにしてもよい。【００２０】
また、本発明は、
前記磁電変換素子がホール素子である
こととしてもよい。【００２１】
また、本発明は、
前記検知手段が歪みゲージを有し、
前記第２の移動体の相対的変位によって前記歪みゲージが歪められ、前記歪みゲージの歪みに基づいて、前記信号が出力するように構成されているようにしてもよい。【００２２】
また、本発明は、
前記復元手段は弾性部材を含み、
前記弾性部材と前記第２の移動体との間で相互に力を伝達する力伝達手段をさらに有し、
前記歪みゲージが前記弾性部材に固着されており、
前記第２の移動体の前記第１の移動体に対する相対運動に伴う相対的変位によって、前記力伝達手段を通じて前記第２の移動体から前記弾性部材に力が伝達されて前記歪みゲージが歪められるようにしてもよい。【００２３】
また、本発明は、
前記復元手段は、前記第１の移動体と前記第２の移動体とに設けられ、同じ極性の磁極が対向するように各々配置された磁石の間に発生する反発力によって前記復元力を作用させるようにしてもよい。【００２４】
また、本発明は、
前記第２の移動体は、前記予め定められた方向から見て複数箇所において転動ボール列を介して前記第１の移動体に相対移動可能に結合されており、
前記検知手段は、
前記複数箇所のうちの特定の２箇所における転動ボール列を含む平面に垂直で且つ前記予め定められた方向に平行な平面において、前記予め定められた方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように前記第１の移動体および第２の移動体の一方に配列された複数の磁界発生手段と、
前記第１の移動体および第２の移動体の他方に備えられ磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、を有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されるようにしてもよい。【００２５】
また、本発明は、
前記磁電変換素子は、前記複数の磁界発生手段の配列方向に対して垂直方向に２個同じ姿勢で並べて配置されており、
前記２つの磁電変換素子からの出力の差分を前記検知手段の出力とするようにしてもよい。【００２６】
また、本発明において前記検知手段は、
前記予め定められた方向に平行な平面において、前記予め定められた方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように前記第１の移動体および第２の移動体の一方に配列された複数の磁界発生手段と、
前記第１の移動体および第２の移動体の他方に備えられ磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、を有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界に応じた信号が前記磁電変換素子から出力され、
前記磁電変換素子は、前記複数の磁界発生手段の配列方向に対して垂直方向に２個同じ姿勢で並べて配置されており、
前記２つの磁電変換素子からの出力の差分を前記検知手段の出力とするようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明は、
上記のいずれかの検知装置と、
前記検知装置から出力される信号を増幅する増幅手段と、
前記検知装置から出力された信号に基づいて、前記力検知装置に検知された物理量の所定方向の成分の大きさを外部に出力する出力部を設けた信号検出手段とを有して構成されている
ことを特徴とする計測装置であってもよい。
【００２８】
この発明において、典型的には、第１の移動体と第２の移動体とが相互に連結されて規制され、第１の移動体と前記第２の移動体との相対運動が直線運動である。すなわち、この発明において、予め決められた方向の相対運動は相対的な直線運動であり、この場合においては、第１の移動体と第２の移動体とを有して直線運動案内装置が構成される。なお、第１の移動体と第２の移動体とを有する曲線運動案内装置を構成して、予め決められた方向の相対運動を円運動や円弧運動などの曲線運動とすることも可能である。
【００２９】
この発明において、典型的には、第１の移動体に磁電変換素子が設けられているとともに第２の移動体に磁石が設けられて検知手段が構成され、第１の移動体と第２の移動体との相対運動に伴う、磁電変換素子の近傍における磁石による磁界の変化により、磁電変換素子から信号が出力される。また、典型的には、検知手段として磁電変換素子が用いられる場合には、典型的にホール効果を利用した磁電変換素子であるホール素子が採用されるが、例えば磁気抵抗型素子（ＭＲ素子）などのその他の磁電変換素子を採用することも可能である。この構成によれば、ホール素子などの磁電変換素子と磁石とを用いて力の検知を行っていることにより、変位量検出部と梁構造体とを分けて構成することができるので、力検知の再現性（繰返し性）を向上させることが可能となる。
【００３０】
この発明において、好適には、磁電変換素子が一対で設けられているとともに、磁界発生手段が磁石からなり、磁石におけるＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の向きが、一対のホール素子などの磁電変換素子の配置方向に対して、所定角度（９０°−θ）だけ傾いて設けられている。（例えば、４５°以上７０°以下の角度をなしている。）すなわち、予め決められた方向が磁電変換素子の配置方向に垂直な方向である構成によれば、予め決められた方向に対して、磁石の磁極が所定角度θだけ傾斜するように、磁界発生手段としての磁石が配置されることになる。この構成によれば、磁石を傾けた磁気回路と、磁気を検出する磁電変換素子を複数個用いていることにより、磁電変換素子を単体（１個）で用いる場合に比して、より大きい出力を得ることが可能となる。なお、磁石としては、通常の固定磁石や電磁石を採用することが可能である。
【００３１】
この発明において、典型的には、第１の移動体はリニアガイドにおけるブロックであり、第２の移動体はリニアガイドにおけるレールであるが、反対に、第１の移動体をレールとし、第２の移動体をブロックとすることも可能である。すなわち、所定間隔を隔てて互いに平行に設けられる一対の側壁を備えた第１の移動体と、第１の移動体の側壁間に挿入され第１の移動体の長手方向に往復移動自在に設けられる第２の移動体とを有する構成が望ましい。また、通常、外力を計測する場合においては、外力が作用される移動体とは異なる側の移動体を固定させるようにするのが好ましい。この発明において、好適には、第１の移動体と第２の移動体とが転動体を介して互いに相対運動可能に規制されている。
【００３２】
この発明において、他の典型的な一例は、検知手段が歪みゲージを有してなり、第２の移動体の相対的変位によって歪みゲージが歪められ、歪みゲージの歪みに基づいて、信号が出力されるように構成されている。【００３３】
この発明において、好適には、第１の移動体と第２の移動体とが弾性部材によって相互に結合され、弾性部材により第１の移動体と第２の移動体とに反対向きの復元力が作用されることにより、相対的変位量が減少する向きに復元力が作用されるように構成されている。
【００３４】
また、本発明は、
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位量を計測する力検知装置であって、
前記磁界発生手段は、前記磁界発生手段のＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の方向が前記予め決められた運動方向に対して角度をなして設けられている
ことを特徴とする力検知装置であってもよい。【００３５】
また、本発明は、
相互に予め決められた方向に相対運動可能に構成された第１の移動体および第２の移動体と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との前記予め決められた方向に沿った相対的変位量に基づいた信号を出力する検知手段と、
前記第１の移動体と前記第２の移動体との少なくとも一方の移動体に対して前記相対的変位量を減少させる向きに復元力を作用させる弾性部材とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位量に基づいて、前記検知手段から信号が出力される
ことを特徴とする力検知装置であってもよい。【００３６】
また、本発明は、前記検知手段が、
前記第１の移動体に設けられた、磁界の大きさに基づいた電圧を出力する磁電変換素子と、
前記第２の移動体に設けられた、磁界を発生可能な磁界発生手段とを有し、
外部から前記第２の移動体に作用される外力に伴う前記第１の移動体に対する前記第２の移動体の相対的変位により、前記磁界発生手段により形成された磁界における前記磁電変換素子近傍の磁界の変化に応じた信号が前記磁電変換素子から出力されることにより、前記相対的変位の量に基づいた信号が、前記検知手段から出力される
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００３７】
また、本発明は、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが前記弾性部材によって相互に結合され、
前記弾性部材により前記第１の移動体と前記第２の移動体とにそれぞれ互いに反対向きの復元力が作用されることによって、前記相対的変位の量が減少する向きに復元力が作用する
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００３８】
また、本発明は、
前記磁電変換素子が一対で設けられているとともに、前記磁界発生手段が磁石からなり、
前記磁石におけるＳ極とＮ極とを結ぶ磁極の向きが、前記一対の磁電変換素子の配置方向に対して、４５°以上７０°以下の角度をなしている
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００３９】
また、本発明は、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが転動体を介して互いに相対運動可能に規制されている
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００４０】
また、本発明は、
前記第１の移動体と前記第２の移動体とが相互に連結されて規制され、前記第１の移動体と前記第２の移動体との相対運動が直線運動である
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００４１】
また、本発明は、
前記磁電変換素子がホール素子である
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００４２】
また、本発明は、
前記検知手段が歪みゲージを有し、
前記第２の移動体の相対的変位によって前記歪みゲージが歪められ、前記歪みゲージの歪みに基づいて、前記信号が出力するように構成されている
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００４３】
また、本発明は、
前記弾性部材と前記第２の移動体との間で相互に力を伝達する力伝達手段をさらに有し、
前記歪みゲージが前記弾性部材に固着されており、
前記第２の移動体の前記第１の移動体に対する相対運動に伴う相対的変位によって、前記力伝達手段を通じて前記第２の移動体から前記弾性部材に力が伝達されて前記歪みゲージが歪められる
ことを特徴とする上記の力検知装置であってもよい。【００４４】
また、本発明は、
上記の力検知装置と、
前記力検知装置から出力される信号を増幅する増幅手段と、
前記力検知装置から出力された信号に基づいて、前記力検知装置に作用された外力の所定方向の成分の大きさを表示する表示部を設けた信号検出手段とを有して構成されている
ことを特徴とする力計測装置であってもよい。
【発明の効果】
【００４５】
以上説明したように、この発明によれば、作用された力に関して、予め設定された方向に沿った力学的物理量のみを抽出して、より正確に検出することができ、この方向に沿った力以外の方向に対する歪みを小さくするとともに低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１の実施形態による力計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による力検知装置を示す上面図（図２Ａ）、側断面図（図２Ｂ）、横断面図（図２Ｃ）である。
【図３】この発明の実施形態によるホール素子を用いる場合の、ホール素子の配置と永久磁石の傾きとにおける実験方法を説明するための側面図（図３Ａ）および平面図（図３Ｂ）である。
【図４】ホール素子の配置に対する正方形状磁石（Ｗ１０×Ｌ１０）の取り付け角度ごとの、出力電圧の送り量依存性を示すグラフである。
【図５】ホール素子の配置に対する短冊状磁石（Ｗ３×Ｌ１０）の取り付け角度ごとの、出力電圧の送り量依存性を示すグラフである。
【図６】ホール素子の配置に対するネオジウム磁石（φ３．２×２）の取り付け角度ごとの、出力電圧の送り量依存性を示すグラフである。
【図７】この発明の第２の実施形態による力検知装置を示す上面図（図７Ａ）、側断面図（図７Ｂ）、横断面図（図７Ｃ）である。
【図８】この発明の第３の実施形態による力検知装置を示す上面図（図８Ａ）、側断面図（図８Ｂ）、横断面図（図８Ｃ）である。
【図９】この発明の第４の実施形態による力検知装置を示す上面図（図９Ａ）、側断面図（図９Ｂ）、横断面図（図９Ｃ）である。
【図１０】この発明の第４の実施形態による力検知装置の別の例を示す側断面図（図１０Ａ）、上面図の一部を抜き出した図（図１０Ｂ）である。
【図１１】この発明の第５の実施形態による力検知装置を示す上面図（図１１Ａ）、側面図（図１１Ｂ）、ホール素子と磁石列の配置についての図（図１１Ｃ）である。
【図１２】レールに対するブロックの相対位置の変化を検出する場合の、ブロックの傾きの影響について示す比較例としての図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態において、レールに対するブロックの相対位置の変化を検出する場合の、ブロックの傾きの影響について示す図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態において、２つのホール素子から得られる出力信号の差分をとり、レールに対するブロックの相対位置信号とするための構成について示す図である。
【図１５】この発明の第６の実施形態におけるホール素子と磁石列の配置についての上面図（図１５Ａ）、側面図（図１５Ｂ）、正面図（図１５Ｃ）、力検知装置を示す上面図（図１５Ｄ）である。
【図１６】この発明の第６の実施形態におけるホール素子と磁石列の配置の他の例についての上面図である。
【図１７】この発明の第７の実施形態による力検知装置を示す上断面図（図１７Ａ）、側断面図（図１７Ｂ）である。
【図１８】この発明の第７の実施形態による力検知装置の他の例を示す側断面図（図１８Ａ、Ｂ）である。
【図１９】この発明の第８の実施形態による加速度ピックアップを示す側断面図（図１９Ａ、Ｂ）である。
【図２０】この発明の第９の実施形態による力検知装置を示す上面図（図２０Ａ）及び板バネの斜視図（図２０Ｂ）である。
【図２１】この発明の参考実施形態による力検知装置を示す上面図（図２１Ａ）および横面図（図２１Ｂ）並びにゲージ部を示す平面図（図２１Ｃ）である。
【図２２】従来技術によるダイアフラム型力検知装置を示す断面図である。
【図２３】従来技術によるせん断（ビーム）型力検知装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  レール
１ｂ  凹部
２  ブロック
２ａ  転動体
２ｂ  溝
２ｃ  凹部
３  保持器
３ａ  転動体
４  磁石
５  ホール素子
５ａ  出力ライン
６  コネクタ
７  弾性材
８  固定用ねじ
９  板バネ
１０  力検知装置
１１  スペーサ
１２  ストッパ
１３  弾性材
１４  結合板
１５  ゲージ板
１６  歪みゲージ
１７  球体
２０  増幅器
３０  外部信号検出器
３０ａ  表示部
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００４９】
（第１の実施形態）
まず、この発明の第１の実施形態による力計測装置について説明する。図１に、この第１の実施形態による力計測装置の全体構成を示す。
【００５０】
（力検出装置）
図１に示すように、この第１の実施形態による力計測装置においては、外力を検知してこの外力の大きさに基づいた信号を出力する力検知装置１０を有して構成されている。そして、力計測装置は、この力検知装置１０から出力された信号を増幅させる増幅手段としての増幅器２０と、この増幅器２０によって増幅された信号の電圧値を検出する信号検出手段としての外部信号検出器３０とをさらに有している。また、この外部信号検出器３０には、電圧値に基づいた値として、例えば電圧値に基づいた外力の大きさを表示として外部に出力する、出力部としての表示部３０ａが設けられている。
【００５１】
以上のように構成された力検出装置においては、力検知装置１０により計測された外力が、この外力に応じた電圧値として出力され、増幅器２０により増幅された後、外部信号検出器３０において、例えばＮ（ニュートン）やｋｇｆ（ｋｇ重）の単位で表示される力の値に変換され、表示部３０ａに表示される。なお、後述するように力検知装置１０からの出力は、磁電変換素子からの出力であるため、微弱な電流である場合が多いため、ノイズを低減するために、増幅器２０や外部信号検出器３０においてローパスフィルタ（ＬＰＦ）を設けて、ノイズの低減を図るようにする。なお、上記において出力部は、Ｎ（ニュートン）やｋｇｆ（ｋｇ重）の単位とともに力の値を表示する表示部３０ａとしたが、出力部は視覚的に認識可能な形で力の大きさを出力するものに限られない。別途準備されたディスプレイやＬＥＤ、別機器などに力の大きさを出力する機能を有するものを全て含んでいる。
【００５２】
（力検知装置１０）
次に、この第１の実施形態による力検知装置について説明する。図２に、この第１の実施形態による力検知装置１０を示す。
【００５３】
図２に示すように、この第１の実施形態による力検知装置１０においては、ブロック１、レール２、保持器３、磁石４、一対の磁電変換素子としてのホール素子５、コネクタ６および板バネ９を有して構成されている。
【００５４】
図２Ｃに示すように、コの字型のブロック１と矩形状のレール２とは、ブロック１の内周部と、レール２の外周部とが、レール２の側壁に設けられた転動体２ａおよび保持器３に保持された転動体３ａを介して相対運動可能に構成されている。すなわち、ブロック１とレール２とにより、相対的に直線運動を行うリニアガイドが構成されている。なお、この発明においては、ブロック１を第１の移動体とし、レール２を第２の移動体としているが、ブロック１を第２の移動体とし、レール２を第１の移動体としても良い。
【００５５】
また、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、レール２の上面には、溝２ｂが形成されている。この溝２ｂは、磁界発生手段としての磁石４をレール２の長手方向に対して傾斜させつつ保持可能に形成されている。すなわち、磁石４がレール２の運動に連動するように構成されている。そして、この第１の実施形態において、磁石４は、そのＮ−Ｓの磁極の方向がレール２の長手方向、すなわち、ブロック１とレール２との相対的な運動方向に対して角度θをなして、溝２ｂの内部に配置されている。ここで、この角度θは例えば３０°（θ＝３０°）である。
【００５６】
また、ブロック１には凹部１ｂが形成されている。この凹部１ｂ内に一対のホール素子５が互いに対向して配置されている。すなわち、一対のホール素子５は、ブロック１の運動に連動するように、その配置方向がブロック１の運動方向に垂直になるように配置されている。
【００５７】
また、ホール素子５からの出力は、出力ライン５ａを通じてコネクタ６にそれぞれ供給される。この第１の実施形態において用いられるホール素子５の出力端子は例えば４端子であるが、言うまでもなく、このホール素子５以外のホール素子を採用することも可能である。そして、このコネクタ６に導線の端子（図示せず）を接続し、この導線を通じて図１に示す増幅器２０に接続することによって、力検知装置１０からの出力信号を増幅器２０に供給可能になっている。
【００５８】
また、弾性部材としての板バネ９は、ブロック１とレール２との移動に抗するように、ブロック１とレール２の移動方向における端面に固定用ねじ８を用いて設けられている。また、図２Ｃに示すように、この板バネ９は、コの字型のブロック１の両側の形状に倣った部分と、レール２の矩形状に倣った部分とが、これらの部分に比して細い部分によって連結された形状を有する。本発明者の知見によれば、板バネ９を図２Ｃに示す形状にすることにより、バネの復元の再現性を高く維持することが可能となる。そして、この板バネ９は、固定用ねじ８によってブロック１およびレール２に固定されている。すなわち、固定用ねじ８および板バネ９によってブロック１およびレール２が相互に固定されている。
【００５９】
また、レール２の長手方向に沿った長さ、すなわち運動方向に沿った長さが、ブロック１の長手方向に沿った長さに比して長くなるように、スペーサ１１が設けられている。この第１の実施形態においては、図２Ａに示すように、両側に例えば約１００μｍ程度長くなるようにスペーサ１１が設けられている。なお、スペーサ１１を設けることなく、レール２をブロック１より長く形成することにより、同様の構成を得ることも可能である。
【００６０】
このようにレール２をブロック１より長くなるように、例えばスペーサ１１を設けることにより、レール２に対して両側の板バネ９からの移動方向に沿って内側に向かう一対の押圧力が作用する。このように両側端面における板バネ９からの押圧力がレール２に作用され、これらの作用された力の合力が０になるときに、ブロック１とレール２とが相対的な安定状態となる。
【００６１】
換言すると、安定状態においては、レール２に移動方向の押圧力が両側面から作用してレール２に作用する力が０になり、レール２がブロック１に対して相対的に移動して変位した変位状態のときに、移動した向きと反対側の向きに力（復元力）が作用される。
【００６２】
このとき、安定状態であってもそれぞれの板バネ９から押圧力が作用されているように構成していることによって、レール２の移動量に基づくホール素子５からの出力乱れの発生を防止することが可能となる。
【００６３】
すなわち、スペーサ１１を設けることなく、ブロック１とレール２とを同じ長さにすると、ブロック１とレール２との両端部が同一面上になった段階で板バネ９からの押圧力が作用されなくなって安定状態となるが、レール２が微小に移動されたときのホール素子５における磁電変換の反応が緩慢になることから、出力に乱れが生じる。これに対し、この第１の実施形態のようにスペーサ１１を設けることにより、両側端面の板バネ９によって常にレール２に力が作用されるので、移動が微小であっても常に復元力が作用されることになるので、ホール素子５からの出力が安定される。
【００６４】
（力検知原理）
次に、以上の構成を前提とした、この力検知装置１０を用いた力検知の原理について説明する。
【００６５】
すなわち、ブロック１が固定された状態でレール２に対して板バネ９による力以外の力（外力）が作用されるとする。この場合、その外力のうちで、ブロック１とレール２との相対的な移動方向に沿った力成分に沿ってレール２が移動される。これにより、磁石４の一方の極がホール素子５に近づくとともに、他方の極が遠ざかることになる。例えば、レール２が図２Ａ中右向きに移動すると、ホール素子５に磁石４のＮ極が近づくとともに、Ｓ極が遠ざかる。
【００６６】
このレール２の移動によって、一対のホール素子５の周囲の磁界が変化する。この磁界の変化によってホール効果が生じ、ホール素子５からレール２の移動量（以下、送り量）に基づいた電圧値が信号として出力される。なお、移動方向に対して磁極を傾斜させた磁石４を一対のホール素子５に対して相対的に変位させた場合における、出力電圧の送り量依存性については、後述する。
【００６７】
出力された信号は出力ライン５ａを通じてコネクタ６に供給され、増幅器２０に入力される。増幅器２０において増幅された信号は、外部信号検出器３０に供給され、この信号の電圧値に基づいて、表示部３０ａに、上述した外力の移動方向成分の大きさが表示される。
【００６８】
以上のようにして、レール２に外力が作用されたときに、このレール２とブロック１との相対的な移動方向に沿った力成分を選択的に測定することが可能となる。なお、本実施例において、検知手段は、ホール素子５と磁石４とを含んで構成される。また、復元手段は板バネ９を含んで構成される。
【００６９】
（磁石の取り付け角度ごとのホール素子の出力電圧に関する送り量依存性）
次に、上述した力検知原理を想起するに至った本発明者による、磁電変換素子の一種としてのホール素子の配置方法および磁石の取り付け角度θに関する考察について説明する。図３Ａおよび図３Ｂに、本発明者の実験および考察におけるホール素子と磁石との位置関係を示す。
【００７０】
図３Ａに示すように、ホール素子５の出力電圧に関する送り量依存性の実験においては、２つのホール素子５を所定の間隔Ｄ（ｍｍ）（ここでは、Ｄ＝３．２）隔てて一対に設け、この間でかつ２つのホール素子５を配置した方向から、ｄ（ｍｍ）（ここでは、ｄ＝１．０）隔てた位置に磁石４を設ける。そして、磁石は、３種類の磁石を用いる。
【００７１】
すなわち、第１の磁石として幅Ｗが１０ｍｍ、長さＬが１０ｍｍの矩形のラバー磁石（図３中、実線）を用い、第２の磁石として幅Ｗが３ｍｍで長さＬが１０ｍｍのラバー磁石（図３中、二点鎖線）を用い、第３の磁石として円柱形状で円の直径がφ３．２ｍｍで厚さ２ｍｍのネオジウム磁石（図３中、点線）を用いる。そして、それぞれの磁石４を、２つのホール素子５の配置方向に対して、図３Ｂ中に示す角度θ（取付角度θ）だけ傾け、図３Ｂ中矢印方向に相対的に移動させる。なお、この実験においては、磁石４（第２の磁石）の取り付け角度θを０°としたときに、出力電圧が０となるように出力が調整されている。
【００７２】
以上の構成による実験において、それぞれの第１の磁石、第２の磁石および第３の磁石によって、移動量（送り量）（μｍ）によるホール素子５の出力電圧依存性を、それぞれの角度θを変えた結果を、それぞれ図４、図５、図６に示す。
【００７３】
図４、図５、図６における測定に併って、磁石４の両側にＮＳ磁極の方向に対して角度（９０°−θ）をなす直線状にホール素子５を２つ並べて配置することにより、単磁極でホール素子を１個用いる場合に比して、ホール素子５からの出力電圧を４倍にすることができることが確認された。すなわち、ホール素子５を２個設けるとともに、それぞれのホール素子５において、Ｎ極からの影響とＳ極からの影響がそれぞれ出力電圧に影響することから、（ホール素子が）２個×（Ｎ極による磁気変動＋Ｓ極による磁気変動）で４倍の電圧出力が得られた。
【００７４】
また、図４〜図６から、取り付け角度θが小さくなると、第１の磁石（ラバー磁石（Ｗ１０×Ｌ１０））、第２の磁石（ラバー磁石（Ｗ３×Ｌ１０））および第３の磁石（ネオジウム磁石）のいずれの場合においても送り量（μｍ）に対する出力電圧特性の直線性が良好であることが分かる。さらに、図４および図５から、レンジの中央付近で良好な直線性が得られることが分かるとともに、さらに図４と比較することにより、ラバー磁石であってもネオジウム磁石であっても、特性が変わらないことが分かる。
【００７５】
さらに、本発明者は、以上の実験結果に基づいて種々考察を行い、鋭意検討を行った。その結果、それぞれの磁石４の取り付け角度と出力電圧について、磁石４の磁力が強くなるにしたがって、または、ホール素子５と磁石の距離が近くなるにしたがって、グラフの傾きに顕著に反映されることを知見するに至った。
【００７６】
また、本発明者は、磁石の形状が矩形であることから、磁力線と空隙との相関関係により出力電圧がなだらかとなり、第１の磁石や第２の磁石を４５度の角度で取り付けると、出力電圧の送り量依存特性が極端になだらかな出力になることも知見するに至った。
【００７７】
すなわち、ホール素子５を一対で設け、磁石４をブロック１の移動方向に対して角度θだけ傾斜させて設けて、一対のホール素子５と磁石４とを近接して配置することにより、出力電圧の送り量依存特性の線形性および測定範囲が向上される。そして、この線形領域を力検知に利用することにより、力の移動方向成分が送り量に反映され、この送り量が線形に出力電圧値に反映されるので、出力電圧値に基づいて、外力の移動方向成分を検出することが可能となる。
【００７８】
以上の本発明者の実験および検討に基づいて、この発明においては、磁石４として第２の磁石（ラバー磁石（Ｗ３×Ｌ１０））を用い、出力電圧の送り量依存特性から、取り付け角度θを３０°とした。なお、必要に応じて、安価なラバー磁石の第１の磁石や、ネオジウム磁石の第３の磁石を採用することも可能である。さらに、磁石の取り付け角度θを３０°以外の角度、例えば０°や４５°とすることも可能である。この点、本発明者の知見に基づくと、取り付け角度θは、典型的には０°以上９０°以下、好適には、０°以上４５°以下、より好適には、２０°以上４５°以下である。
【００７９】
また、本発明者の検討によれば、計測回路として、前段の演算増幅器（オペレーション・アンプリファイア）を計測用増幅器として採用しつつ後段に低ゲイン増幅器を採用することが望ましい。さらに、電源として、リニア電源（リニアレギュレータ）を採用することにより、ホール素子５に一定電圧を供給することが望ましい。
【００８０】
以上説明したように、この第１の実施形態によれば、力検知装置１０、ブロック１またはレール２に対して外力が作用された場合に、その外力のベクトル成分から、所望とする方向の力成分を抽出して、その大きさを測定することが可能となる。また、高い剛性のリニアガイドを用いているため、所望とする方向の以外の力成分に対する歪みを効果的に小さくすることが可能となる。
【００８１】
（第２の実施形態）
次に、この発明の第２の実施形態による力計測装置における力検知装置１０について説明する。なお、力検知装置１０以外の構成については第１の実施形態におけると同様である。図７に、この第２の実施形態による力検知装置１０を示す。
【００８２】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、この力検知装置１０においては、第１の実施形態と異なり、ブロック１の移動方向に沿った両側端面に、板バネ９の代わりに、ストッパ１２が設けられている。そして、このストッパ１２の内側側面におけるレール２の移動方向両端面側に復元力を作用させる弾性部材としての弾性材７がそれぞれ設けられている。この弾性材７は、安定状態において、レール２に対して進行方向に沿った内側に向けて押圧力を作用するように設けられている。そして、図７Ｃに示すように、その他の構成については第１の実施形態におけると同様であるので、その説明を省略する。
【００８３】
この第２の実施形態においても、復元手段としての弾性部材以外は第１の実施形態と同様の構成を有していることにより、第１の実施形態におけると同様の効果を得ることができる。
【００８４】
（第３の実施形態）
次に、この発明の第３の実施形態による力計測装置における力検知装置１０について説明する。なお、力検知装置１０以外の構成については第１の実施形態におけると同様である。図８に、この第３の実施形態による力検知装置１０を示す。
【００８５】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、この力検知装置１０においては、第１および第２の実施形態と異なり、レール２の上面に弾性部材としての弾性材１３の一面が固着されているとともに、レール２の上面に対向する位置におけるブロック１の内周部下面側に弾性材１３の他面が固着されている。ここで、弾性材１３の安定状態における固着位置を、レール２よりブロック１側に若干ずらして弾性材１３をひずませる。これにより、安定状態において、弾性材１３によりレール２には移動方向内側、ブロック１には移動方向外側に向かう力が作用されている。そして、それぞれのブロック１およびレール２における合力が安定状態で０になるように構成されている。これにより、弾性材１３によりレール２に作用する力に関しては、第１および第２の実施形態におけると同様になる。その他の構成については第１の実施形態におけると同様であるので、その説明を省略する。
【００８６】
この第３の実施形態においても、復元手段としての弾性材１３の構成以外は第１の実施形態と同様の構成を有していることにより、第１の実施形態におけると同様の効果を得ることができる。
【００８７】
（第４の実施形態）
次に、この発明の第４の実施形態による力検知装置１０について説明する。本実施形態は、レール２が安定位置に復元するような復元力を、磁気バネによってレール２に作用させる形態である。図９には、この第４の実施形態による力検知装置１０を示す。図９Ａは力検知装置１０の上面図、図９ＢはＹ−Ｙ矢視図、図９ＣはＸ−Ｘ矢視図を示している。なお、力検知装置１０において、以下に説明する構成以外の構成については第１の実施形態と同様である。従って、図９においては、本実施形態の説明に不要な構成は省略してある。
【００８８】
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、この力検知装置１０においては、第１の実施形態と異なり、ブロック１の移動方向に沿った両側端面に、板バネ９の代わりに、軟磁性ステンレスで形成されたヨークストッパ２０が設けられている。そして、２つのヨークストッパ２０におけるレール２側の面には、ブロック側磁石セット２２が各々設けられている。このブロック側磁石セット２２は、本実施形態においては、直径φが２ｍｍ、厚みｔが１ｍｍの円板状のネオジウム磁石２２ａ、２２ｂを並べて配置したものである。ここで各々のブロック側磁石セット２２におけるネオジウム磁石２２ａと２２ｂとは、それぞれ異なる側の磁極においてヨークストッパ２０に固着されており、それぞれ異なる側の磁極がレール２と対向している。
【００８９】
一方、レール２の移動方向の両端面には、軟磁性ステンレスで形成されたヨーク２１が設けられており、２つのヨーク２１には、レール側磁石セット２３がそれぞれ設けられている。このレール側磁石セット２３も、ブロック側磁石セット２２と同じ円板状のネオジウム磁石２３ａ及び２３ｂを並べて配置したものである。そして、ネオジウム磁石２３ａと２３ｂとは、それぞれ異なる側の磁極においてヨーク２１に固着されている。また、ネオジウム磁石２２ａと２３ａ、２２ｂと２３ｂとはそれぞれ異なる磁極が対向するように配置されている。
【００９０】
以下に、本実施形態の構成を採用した場合の効果について説明する。ここでまず、レール２を安定位置に復元する復元力を機械的なバネによって発生させた場合について考える。このような場合には、バネの特性がヒステリシスを持つため、レール２またはブロック１に対して移動方向から加えられる力覚情報を短いトストロークで精度良く測定することが困難な場合があった。例えば数ｇｆの程度の微小な力を測定するような場合には、バネ特性のヒステリシスの影響で正常な力覚情報の測定ができないことがあった。
【００９１】
これに対し、本実施形態の構成によれば、相反する極の磁石による反発力を利用して復元力を得るのでヒステリシスの影響が少なく、レール２もしくはブロック１の短いストローク（例えば１００μｍ以内）の移動量によって微小な力を測定する場合でも、より精度よく力覚情報を測定することが可能となった。また、レール２若しくはブロック１に対して移動方向と異なる方向には反発力が作用しづらいので、ころがり抵抗以外には抵抗の極めて少ない測定系を構成できる。ここで、本実施の形態における復元手段は、レール側磁石セット２３、ブロック側磁石セット２２を含んで構成される。
【００９２】
なお、上記説明に係る実施形態ではブロック側磁石セット２２におけるネオジウム磁石２２ａ、２２ｂと、レール側磁石セット２３におけるネオジウム磁石２３ａ、２３ｂとは、図９に示したようにそれぞれ対向する磁石の中心が一致するように配置されている。これに対し、対向する磁石の中心をずらすように配置してもよい。以下、このような例について図１０を用いて説明する。
【００９３】
この場合は、例えば、図１０Ａに示したように、レール側磁石セット２３を構成するネオジウム磁石２３ａ、２３ｂの磁極中心はレール２の上面側にシフトさせ、ブロック側磁石セット２２を構成するネオジウム磁石２２ａ、２２ｂの磁極中心はブロック１の内周部下面と離れる方向にシフトさせることで、各々の磁極中心を偏らせてもよい。こうすれば、ネオジウム磁石どうしの反発力によって、レール２をブロック1内周部下面側に付勢する与圧を与えることが可能となる。これにより、簡単な構造で、ブロック１とレール２とのガタツキを抑制し相対移動をより円滑にすることが可能となる。
【００９４】
また、図１０Ｂに示したように、ブロック側磁石セット２２を構成するネオジウム磁石２２ａ、２２ｂの磁極中心はレール２の中心軸に対して外側にシフトさせることで、各々の磁極中心を偏らせてもよい。この場合には、ネオジウム磁石どうしの反発力によって、レール２を両側から中心軸側に付勢する与圧を与えることが可能となる。こうすれば、ブロック１とレール２との間のころがり抵抗を抑制することができ、両者の相対移動をより円滑にすることが可能となる。なお、上記のプロック側磁石セット２２、レール側磁石セット２３を構成する磁石はネオジウム磁石に限られない。フェライト系の磁石など他の種類の磁石でもよいことは当然である。
【００９５】
（第５の実施形態）
次に本発明における第５の実施形態について説明する。本実施形態においては、ブロック１に対するレール２の相対位置の検出のための磁石及びホール素子の新たな配置について説明する。図１１は、本実施形態における力検知装置について表示した図である。
【００９６】
図１１Ａは、力検知装置１０をブロック1側から見た図、図１１Ｂは、ブロック1及びレール２を離した上で力検知装置１０の側面側から見た図。図１１Ｃは、ホール素子２５ａ及び２５ｂと、磁石列２６及び２７の配置について説明するための図である。
【００９７】
本実施形態においては図１１Ｃに示すように、レール２に対するブロック１の相対位置情報は、レール２に配置された磁石により発生した磁界を、ホール素子によって検出することで検知される。本実施形態においては、ホール素子２５ａとホール素子２５ｂとが、取り付け姿勢を同じくして、ブロック１の進行方向に対して垂直に、水平方向に離れて並べられるように、磁気検出基板２４に取り付けられている。この磁気検出基板２４は、ブロック１に設けられた基板用溝１Ｃに嵌め込められ、固定孔２４ａ、２４ｂを用いてブロック１にねじ止めされる。また、ホール素子２５ａ、２５ｂは、それらの間に設けられた樹脂製の強化板２６に固定されており、お互いの相対位置が安定し、且つ振動を抑制するように構成されている。
【００９８】
また、レール２の上面には、磁石配置溝２ｃが形成されている。そして、磁石配置溝２ｃにおけるブロック１の進行方向に平行な側面の一方に２つの磁石２７ａ、２７ｂが配置されることで、磁石列２７が形成されている。また、磁石配置溝２ｃにおけるブロック１の進行方向に平行な側面の他方には、２つの磁石２８ａ、２８ｂが配置されることで磁石列２８が形成されている。この磁石列２７、２８が形成された平面は、レール２とブロック１とが結合されている２箇所における転動ボール列を含む平面に垂直で且つ本実施形態で予め定められた方向（ブロック１の進行方向）に平行な平面である。
【００９９】
そして、ブロック１に磁気検出基板２４が取り付けられた状態では、ホール素子２５ａ及び２５ｂが磁石配置溝２ｃ内に侵入し、ブロック１がレール２に対して相対的に移動することで、ホール素子２５ａ及び２５ｂが磁石配置溝２ｃ内を、磁石列２７、２８に両側から挟まれた状態で、磁石の並び方向に移動する。
【０１００】
ここで、磁石列２７における磁石２７ａと磁石２７ｂでは、ホール素子２５ｂと対向する磁極が互いに逆になっている。また、磁石２８ａと磁石２８ｂでは、ホール素子２５ａと対向した磁極が互いに逆になっている。さらに、磁石２７ａと磁石２８ａとは逆の磁極で互いに対向するようになっており、磁石２７ａと磁石２８ａも逆の磁極で互いに対向するようになっている。これにより、ブロック２に力が加えられ、レール１に対してブロック２が相対移動した場合には、ホール素子２５ａとホール素子２５ｂとが、磁石列２７、２８から発生する磁界の変化を検出して、ブロック２の位置を精度よく検出することが可能となっている。
【０１０１】
次に、本実施形態の構成を採用することによる作用、効果について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２には、比較例として、単一のホール素子２９をブロック１に取り付けるとともに、レール２の上面において、磁極がブロック１の内周部下面に対向するように並べられた磁石３０ａ、３０ｂを用いて、レール２に対するブロック１の相対位置の変化を検出する場合の、ブロック１の傾きの影響について示す。図１３には、本実施形態の構成を採用した場合の、ブロック１の傾きの影響について示す。
【０１０２】
まず、図１２に示した場合について考える。ここで、本実施形態のような力検知装置１０においては、ブロック１はレール２に対して転動ボール列としての、保持器に保持された転動体によって、レール２の進行方向に対して左右両脇で結合している。このため、図１２Ｂ中矢印の方向には比較的傾き易い構造となっており、矢印方向の力の成分によりミクロンレベルの変位（傾き）が生じる場合がある。ブロック１が図１２Ｂに示すように傾いた場合には、ホール素子２９と磁石３０ａとの距離Ｄ１は長くなり、ホール素子２９と磁石３０ｂとの距離Ｄ２は短くなるため、Ｄ１とＤ２との間に差が生じてホール素子２９で検出される磁界強度の値が変動し易く、精度の良い検出が困難となる場合があった。
【０１０３】
また、これを抑制するためにブロック１とレール２との間の剛性を高めようとすると、ころがり抵抗が増大し、微小な力の測定や、微小な変位の測定を行う際に不感帯やヒステリシスが現れ、これにより精度の良い検出が困難となる場合があった。
【０１０４】
これに対し、図１３に示したように、本実施形態によれば、ブロック１が傾いた場合にも、ホール素子２５ｂは、磁石２７ａ、２７ｂに対する距離は維持されたまま、磁石列２７に対するねじれ角θが変化する。この場合は、実際には、ホール素子２５ｂにおいて磁界を検出する領域はごく小さい部分であるので、ねじれ角θが変化しても、ホール素子２５ｂの出力には殆ど影響がない。また、ホール素子２５ｂと磁石２７ａとの間のねじれ角θ１と、ホール素子２５ｂと磁石２７ｂとの間のねじれ角θ２とが等しいため、各磁石に対するホール素子２５ｂの姿勢の変化の影響がキャンセルされ易くなる。
【０１０５】
このように、本実施形態のような構成をとることで、ブロック１が傾き易い方向に対して、ホール素子２５ａ、２５ｂの出力信号への傾きの影響度を低下させ、そのことで、レール２に対してブロック１が傾いた場合にも力の検知精度を高精度に維持することが可能である。なお、本実施形態においては、ブロック１はレール２に対して、保持器に保持された転動体によって、レール２の進行方向に対して左右両脇で結合している場合を想定して説明したが、本発明が適用される構成は、ブロックが２条の転動ボール列を介してレールと結合している構成に限られない。例えば４条または６条の転動ボール列によってブロックとレールとが結合されている構成にも適用可能である。その場合には、最も傾き易い組合せに係る特定の２条のボール列を含む平面の傾きに対して、本実施形態を適用すればよい。
【０１０６】
次に、本実施形態におけるホール素子からの出力の検出方法について説明する。本実施形態においては、ホール素子２５ａとホール素子２５ｂとは、前述のように姿勢を同じくして磁気検出基板２４に並べて固定されている。また、磁石列２７と、磁石列２８により発生する磁界は、お互いに全く逆方向となっている。従って、ホール素子２５ａから発生する出力信号と、ホール素子２５ｂから発生する出力信号とは、正負が全く逆転した信号となる。
【０１０７】
そこで、本実施形態においては、図１４に示すように、ホール素子２５ａから得られる出力信号と、ホール素子２５ｂから得られる出力信号との差分をとり、これをレール２に対するブロック１の相対位置信号とすることにした。そうすれば、磁石列２７及び磁石列２８により磁界に起因して各ホール素子によって出力されるべき信号を略２倍に増大させることができ、ブロック１の位置をより精度良く検出することが可能となる。さらに、外乱としての磁場が働いた場合には、図１４に示すように、外乱磁場に起因する各ホール素子からの信号をキャンセルさせることができ、より外乱に強い測定系とすることが可能になる。
【０１０８】
従って、装置の近くに電磁石（モータ）や永久磁石などが配置された場合でも、それらから発生する磁界によって測定精度が悪化することを抑制できる。また、上記の構成では、２つのホール素子からの差動信号によるアナログ通信を、ホール素子２５ａ、２５ｂと増幅器２０との間で行うことで、ＣＰＵによる演算などを必要とせず、簡単な構成によって外乱磁場による影響を低減させることができる。本実施形態においては、検出する磁界強度自体に外乱磁場によるノイズが混入されることを想定しており、検出するハードウェアを２系統用意し、通信も２系統用意したことが大きな特徴と言える。
【０１０９】
なお、上記の実施形態においては、微小な移動量を検出するために各々の矩形の磁石２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂの取り付け角度をホール素子２５ａ、２５ｂに対して傾斜させてもよい。また、測定範囲（最大ストローク）を大きくするために、磁石２７ａと２７ｂとの間及び、磁石２８ａと２８ｂとの間にある程度以上の間隔を設けても良いことが発明者らの研究によって判ってきた。上記においては０．５ｍｍの間隔を設けている。なお、本実施形態において、検知手段は、ホール素子２５ａ、ホール素子２５ｂ、磁石列２７と、磁石列２８を含んで構成される。また、本実施形態においては、ホール素子２５ａから得られる出力信号と、ホール素子２５ｂから得られる出力信号との差分をとり、これをレール２に対するブロック１の相対位置信号とする構成を採用するとともに、ブロック１の特に磁気検出基板２４の外側に磁気シールドを施すことにより、外乱磁場の影響をさらに確実に抑制することができる。また、ホール素子２５ａから得られる出力信号と、ホール素子２５ｂから得られる出力信号との差分をとり、外乱磁場の影響を抑制するという構成については、本実施形態の磁石列２７、２８のような磁石配列にしか適用できないということではない。例えば図１４において磁石２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂの磁極方向がそれぞれ紙面に垂直方向であるような配列の磁石列に対しても適用可能である。
【０１１０】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。本実施形態は上記第５の実施形態で説明したホール素子及び、磁石の配置を変更した形態である。その他の構成については、第５の実施形態において説明した内容と同等である。
【０１１１】
本実施の形態の構成例について、図１５に示す。図１５Ａは本実施形態におけるホール素子付近の上面図、図１５Ｂは正面図、図１５Ｃは側面図である。本実施の形態においても、第５の実施形態と同様に、ホール素子３１ａ及び３１ｂが姿勢を同じくして磁界検出基板２４上に固定されている。第５の実施形態では、２つのホール素子を挟むように２列の磁石列が形成されたが、本実施の形態においては、ホール素子３１ａと３１ｂの間に、磁石３３ａ、３３ｂからなる１列の磁石列が設けられる。ここで、磁石３３ａと磁石３３ｂの磁極は、ホール素子３１ａと３１ｂの並び方向に平行に形成されており、互いに逆方向となっている。図１５Ｄには、本実施形態における磁界検出基板２４をブロック１に取り付けた状態を示す。
【０１１２】
この構成によっても、第５の実施形態で説明した構成と同様、ブロック１の傾きに起因する検出精度の低下を抑制することが可能である。また、ホール素子３１ａの出力とホール素子３１ｂの出力との差分をとることにより、出力信号を略２倍に増加させることができ、外乱磁場の影響をキャンセルし、外乱磁場による検出精度の低下を抑制することが可能となる。
【０１１３】
また、この場合、磁石列を構成する磁石の数は２個以外としてもよい。また、ホール素子の数も２個以外としてもよい。例えば、図１６に示すように、磁石列３３を構成する磁石の数は２個でなく、さらに多くの磁石３３ａ、３３ｂ、・・・・を並べることにより、レール２に対するブロック１の相対位置検出のストロークを増加させることが可能である。
【０１１４】
また、ホール素子の数も２個ではなく、ホール素子３１ａの、ブロック１の進行方向にホール素子３２ａを、ホール素子３１ｂの、ブロック１の進行方向にホール素子３２ｂを設け、４個のホール素子によって磁界を検知することとしてもよい。これにより、各ホール素子の出力のばらつきを平均化できてより精度のよい位置検出を行うことができる。また、この場合の装置は、ブロック１とレール２との間の相対位置の変化を検出する磁気エンコーダとして使用することができ、力検出装置の他に、位置検出装置、速度検出装置や加速度検出装置として利用することも可能である。なお、本実施形態において、検知手段は、ホール素子３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、磁石列３３を含んで構成される。
【０１１５】
（第７の実施形態）
次に本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明をリニアブッシュとシャフトとからなる直動システムに適用した実施形態である。図１７には、本実施形態における力検知装置４０の概略構成を示す。この力検知装置４０は、リニアブッシュの外筒４１と、シャフト４２との間を、４条のボール列４３〜４６で結合し、外筒４１に対してシャフト４２が軸方向に往復移動可能となるように構成されている。
【０１１６】
４条のボール列４３〜４６においては４３ａ〜４６ａが負荷ボール列として外筒４１とシャフト４２との間に介在しており、この負荷ボール列４３ａ〜４６ａを通過した転動体（ボール）は逃げボール列４３ｂ〜４６ｂで循環するようになっている。外筒４１は、両端が先端カバー４１ａと後端カバー４１ｂで閉塞されており、シャフト４２は、後端カバー４１ｂに対して付勢バネ４９で先端カバー４１ａ側に付勢されている。また、先端カバー４１ａの中央部付近には孔部４１ｃが設けられており、孔部４１ｃからシャフト４２の検出突起４２ａが外部に突出するようになっている。これにより、検出突起４２ａに力が作用した場合には、付勢バネ４９が弾性変形してシャフト４２が外筒４１に対して相対的に移動する。
【０１１７】
シャフト４２の内部には、後端カバー４１ｂから延設された円柱状の磁石部４７が挿入されている。この磁石部４７は、軸方向から見た断面の中央において２分された２つの部分から形成されており、それぞれの部分は逆極性に着磁されている。また、軸方向においても中央において２分された２つの部分から形成されており、軸方向のそれぞれの部分についても各々逆極性となるように着磁されている。さらに、シャフト４２の内部には、ホール素子４８ａ〜４８ｄが設けられており、外筒４１に対するシャフト４２の相対的な変位をホール素子４８ａ〜４８ｄの出力信号によって検知可能となっている。
【０１１８】
この構成によれば、シャフト４２は４条のボール列４３〜４６によって外筒４１に対して結合されているため、モーメントに強く、磁石部４７の各磁極と、ホール素子４８ａ〜４８ｄの距離を安定化させることができる。従って、外筒４１に対するシャフト４２の相対的な変位を検知することで、検出突起４２ａに作用する力をより精度よく検知することが可能となる。また、本実施形態によれば、外筒４１によって可動部分やホール素子の駆動用の基板部分（不図示）を密閉することが可能となるので耐環境性を向上することができ、外筒４１に磁気シールドを兼ねさせることができるなどの利点がある。さらに、力検知装置４０全体を後端カバー４１ｂにおいて他部材に支持固定する構成とすれば、取り付け方向とシャフト４２の変位方向とを合わせることができるので、装置の変形や傾きを抑制でき、重さ測定などへの利用を容易にすることができる。また、本実施形態において検知手段は、磁石部４７、ホール素子４８ａ〜４８ｄを含んで構成される。復元手段は付勢バネ４９を含んで構成される。
【０１１９】
図１８Ａ及び図１８Ｂには、本発明をリニアブッシュとシャフトとからなる直動システムに適用した別の実施形態について示す。まず、図１８Ａに示した力検出装置５０について説明する。この実施形態も、リニアブッシュの外筒５１とシャフト５２とを、４条のボール列で結合し、シャフト５２が外筒５１の軸方向に往復相対移動可能となっている。図１８Ａにおいては４条のボール列５３〜５６における負荷ボール列５３ａと５５ａについてのみ図示している。
【０１２０】
外筒５１は、先端が先端カバー５１ａで閉塞されており、先端カバー５１ａの中央部には検出突起５１ｂが設けられている。また、外筒５１の後端には密閉性を高めるための後端カバー５１ｃが設けられており、シャフト５２との間の隙間を少なくしている。また、本形態においては磁石部５７は、先端カバー５１ａの中央部から後端カバー５１ｃ側に延設されている。この磁石部５７が、軸方向から見た断面において、また軸方向において２つの部分から形成されており、それぞれの部分は逆極性に着磁されている点は図１７で説明した形態と同様である。
【０１２１】
また、シャフト５２の後端はシャフト後端カバー５２ｂによって閉塞されている。また、シャフト５２の先端はシャフト先端カバー５２ａが設けられ、このシャフト先端カバー５２ａの中央部はシャフト孔部５２ｃにおいて開口しており、このシャフト孔部５２ｃに磁石部５７が先端側から挿入されている。また、外筒５１の先端カバー５１ａの内側と、シャフト先端カバー５２ａとの間には付勢バネ５９が設けられており、外筒５１に力が作用して外筒５１がシャフト５２に接近する際には付勢バネ５９の弾性変形によって抵抗力が働くようになっている。シャフト５２の内部にはホール素子５８ａ〜５８ｄが設けられており、検出突起５１ｂに力が加えられた場合に、磁石部５７から発生する磁界をホール素子５８ａ〜５８ｄで検出することで、シャフト５２に対する外筒５１の相対的な変位を検知可能となっている。
【０１２２】
この構成によっても、モーメントに強く、磁石部５７の各磁極と、ホール素子５８ａ〜５８ｄの距離を安定化させることができるので、シャフト５２に対する外筒５１の相対的な変位をより精度よく検知することが可能となる。なお、この形態において検知手段は、磁石部５７、ホール素子５８ａ〜５８ｄを含んで構成される。復元手段は付勢バネ５９を含んで構成される。
【０１２３】
次に、図１８Ｂに示した力検出装置６０について説明する。この実施形態も、リニアブッシュの外筒６１とシャフト６２とを、４条のボール列で結合し、シャフト６２が外筒６１の軸方向に往復相対移動可能となっている。図１８Ｂにおいては４条のボール列６３〜６６における負荷ボール列６３ａと６５ａについてのみ図示している。
【０１２４】
外筒６１は、後端が後端カバー６１ａで閉塞されており、先端部６１ｂの中央部には磁石挿入孔部６１ｃが設けられている。この磁石挿入孔部６１ｃに対してシャフト６２の磁石部６７が挿入される。そして、４条のボール列６３〜６６の負荷ボール列６３ａ〜６６ａが磁石部挿入孔部６１ｃとシャフト６２との間に介在している。シャフト６２の先端側には円盤状の先端プレート６２ａが設けられている。この先端プレート６２ａの中央部には検出突起６２ｂが外部に突出するようになっている。また、先端プレート６２ａは、外周部６２ｃにおいて外筒６１の先端部６１ｂに当接している。先端プレート６２ａには軸方向からみて円形の溝６２ｄ及び６２ｅが設けられている。検出突起６２ｂに力が作用した際に、この溝６２ｄ及び６２ｅにおいて先端プレート６２ａが弾性変形して抵抗力を生じるようになっている。
【０１２５】
また、シャフト６２の後端には、円柱状の磁石部６７が設けられている。この磁石部６７が、軸方向から見た断面において、また軸方向において２つの部分から形成されており、それぞれの部分は逆極性に着磁されている点は図１７で説明した形態と同様である。さらに、外筒６１の内周面６１ｄにはホール素子６８ａ〜６８ｄが設けられている。
【０１２６】
この構成によっても、シャフト６２は４条のボール列６３〜６６によって外筒６１に対して結合されているため、モーメントに強く、磁石部６７の各磁極と、ホール素子６８ａ〜６８ｄの距離を安定化させることができる。従って、外筒６１に対するシャフト６２の相対的な変位を検知することで、検出突起６２ｂに作用する力をより精度よく検知することが可能となる。なお、この形態において検知手段は、磁石部６７、ホール素子６８ａ〜６８ｄを含んで構成される。復元手段は先端プレート６２ａに円形の溝６２ｄ及び６２ｅが設けられた構造を含んで構成される。
【０１２７】
なお、本実施形態においては、シャフトと外筒とは４条のボール列によって結合された例について説明したが、ボール列の数は４条に限られない。５条、６条など、想定されるモーメントによってボール列の数を適宜変更することができる。また、磁石部が、軸方向から見た断面において、また軸方向において２つの部分から形成されており、それぞれの部分は逆極性に着磁されている例について説明したが、この着磁パターンに関しても、ホール素子の配置、数に併せて適宜定めることができる。
【０１２８】
（第８の実施形態）
次に本発明の第８の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明をリニアブッシュとシャフトとからなる直動システムに適用し、加速度ピックアップを構成した形態である。図１９Ａには、本実施形態における加速度ピックアップ７０の概略構成を示す。この加速度ピックアップ７０は、リニアブッシュの外筒７１と、シャフト７２との間を、４条のボール列で結合し、シャフト７２が軸方向に往復移動可能に取り付けられている。
【０１２９】
図１９Ａにおいては４条のボール列のうち２つのボール列の負荷ボール列７３ａ及び７５ａについて図示する。外筒７１は、両端が先端カバー７１ａと後端カバー７１ｂで閉塞されて密閉構造をとっている。また、先端カバー７１ａと後端カバー７１ｂには、後述の付勢バネやホール素子を支持する先端側ホルダ７１ｃと後端側ホルダ７１ｄが設けられている。先端側ホルダ７１ｃと後端側ホルダ７１ｄには、付勢バネ７９ａと付勢バネ７９ｂとが取り付けられている。そして、シャフト７２は、後端カバー７１ｂに対して付勢バネ７９ｂで先端側に付勢されているとともに先端カバー７１ａに対しても付勢バネ７９ａで後端側に付勢されている。
【０１３０】
また、シャフト７２の先端側及び後端側には、円柱状の磁石部７７ａ及び７７ｂが設けられている。この磁石部７７ａ及び７７ｂは、軸方向から見た断面において２分割されており、分割された各々の部分は逆極性に着磁されている。また、軸方向においても２分割されており、分割された部分は各々逆極性となるように着磁されている。さらに、先端側ホルダ７１ｃと後端側ホルダ７１ｄにおいて、磁石部７７ａ及び７７ｂの各磁極に対向する部分には、ホール素子７８ａ〜７８ｄが設けられており、外筒７１に対するシャフト７２の相対的な変位をホール素子７８ａ〜７８ｄの出力信号によって検知することが可能となっている。
【０１３１】
ここで、加速度検知装置７０に加速度が加わった場合に、外筒７１に対してシャフト７２が相対移動し、その変位をホール素子７８ａ〜７８ｄの出力で検出することが可能である。この構成によれば、シャフト７２は４条のボール列によって外筒７１に対して結合されているため、モーメントに強く、磁石部７７ａ、７７ｂの各磁極の、ホール素子７８ａ〜７８ｄに対する変位を均等化、安定化させることができ、外筒７１に対するシャフト７２の加速度をより精度よく検知することが可能となる。なお、この形態において検知手段は、磁石部７７ａ、７７ｂ、ホール素子７８ａ〜７８ｄを含んで構成される。復元手段は付勢バネ７９ａ、７９ｂを含んで構成される。
【０１３２】
次に、図１９Ｂには、同じく、本発明をリニアブッシュとシャフトとからなる直動システムに適用し、加速度ピックアップを構成した別の例について示す。図１９Ｂに示す加速度ピックアップ８０は、リニアブッシュの外筒８１と、シャフト８２との間を、４条のボール列で結合し、シャフト８２が軸方向に往復移動可能に取り付けられている。
【０１３３】
図１９Ｂにおいては４条のボール列のうち２つのボール列の負荷ボール列８３ａ及び８５ａについて図示する。外筒８１は、両端が先端カバー８１ａと後端カバー８１ｂで閉塞されて密閉構造となっている。シャフト８２の先端部８２ａと後端部８２ｂには先端側ボール８７ａと後端側ボール８７ｂを介して先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂが設けられている。そして、シャフト８２は、後端側板バネ８８ｂによって先端側に付勢されているとともに先端側板バネ８８ａによって後端側に付勢されている。先端側ボール８７ａと後端側ボール８７ｂは、先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂの変形のモードを均一化するためのものである。この先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂに付勢されることによって、シャフト８２は安定位置に停止する。また、先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂには各々先端側圧電素子８９ａと後端側圧電素子８９ｂが固着されている。
【０１３４】
ここで、加速度ピックアップ８０に加速度が加わった場合に、外筒８１に対してシャフト８２が相対移動し、その変位に応じた先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂの変形を先端側圧電素子８９ａと後端側圧電素子８９ｂの出力で検出することが可能である。
【０１３５】
この構成によれば、シャフト８２は４条のボール列によって外筒８１に対して結合されているため、モーメントに強く、先端側板バネ８８ａ及び後端側板バネ８８ｂの変形モードを均等化、安定化させることができ、先端側圧電素子８９ａと後端側圧電素子８９ｂの出力によって、外筒８１に対するシャフト８２の加速度をより精度よく検知することが可能となる。この形態において検知手段は、先端側板バネ８８ａ、後端側板バネ８８ｂ、先端側圧電素子８９ａ、後端側圧電素子８９ｂを含んで構成される。復元手段は先端側板バネ８８ａ、後端側板バネ８８ｂを含んで構成される。
【０１３６】
なお、本実施形態においても、シャフトと外筒とは４条のボール列によって結合された例について説明したが、ボール列の数は４条に限られない。５条、６条など、想定されるモーメントによってボール列の数を適宜変更することができる。また、図１９Ａでは、円柱状の磁石部７７ａ及び７７ｂが、軸方向から見た断面においても、軸方向においても２分割されており、分割された部分は各々逆極性となるように着磁されている例について説明した。しかしながら、この着磁パターンに関しても、ホール素子の配置、数に併せて適宜定めることができる。また、シャフト７２の先端部及び後端部におけるホール素子７８ａ〜７８ｄに対向する部分に別々の磁石を設け、それぞれ隣合う磁石の磁極を逆極性としてもよい。
【０１３７】
（第９の実施形態）
次に本発明の第９の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態における板バネを変更した形態である。図２０には、本実施形態における力検知装置９０の概略構成を示す。
【０１３８】
図２０Ａに示すように、この第８の実施形態による力検知装置９０においては、ブロック９１、レール９２、保持器９３、保持器に保持された転動体（ボール）９３ａ及び板バネ９６を有して構成されている。他の構成は第１の実施形態と同等であるので図示及び説明は省略する。
【０１３９】
本実施形態では、コの字型のブロック９１と矩形状のレール９２とは、ブロック９１の内周部と、レール９２の外周部とが、レール２の側壁に設けられた図示しない転動体および保持器９３に保持された転動体（ボール）９３ａを介して相対運動可能に構成されている。すなわち、ブロック９１とレール９２とにより、相対的に直線運動を行うリニアガイドが構成されている。
【０１４０】
また、この力検知装置９０においては、ブロック９１の移動方向に沿った両側端面に、ストッパ９４が設けられている。このストッパ９４は固定用ねじ９５によってブロック９１に固定されている。そして、このストッパ９４の内側側面におけるレール２の移動方向両端面側に復元力を作用させる弾性部材としての板バネ９６がそれぞれ設けられている。この板バネ９６の外側端面９６ａはストッパ９４に、内側端面９６ｂはレール９２に接着されている。図２０Ａ中における２つの板バネ９６は、安定状態において、レール９２に対して進行方向に沿った内側に向けて互いに押圧力を作用するように設けられている。
【０１４１】
図２０Ｂには、板バネ９６の斜視図を示す。この板バネ９６は、外側端面９６ａと内側端面９６ｂとの間に弾性変形可能なバネ部９６ｃが形成されたものであり、図２０Ａの紙面に垂直方向については断面一定となっている。
【０１４２】
弾性部材としての板バネ９６をこのような形状にすることにより、レール９２の端面全体に対して一様に押圧力を作用させることができる。これにより、レール９２がブロック９１に対して相対移動する際にレール９２に対して図１２、図１３で示したようなモーメント（ピッチング方向のモーメント）が作用することを抑制でき、レール９２の傾きを抑制することができる。これにより、微小な力、微小な変位量を検知する場合に、レール９２をより円滑に転動体（ボール）９３ａの並び方向に移動させることができ、より正確に変位量を検知することができる。本実施の形態において復元手段は板バネ９６を含んで構成される。なお、板バネ９６の材質としては、弾性が認められれば、バネ鋼などの金属材料でも、非金属材料でも使用することができる。
【０１４３】
（参考実施形態）
次に、この発明の参考実施形態による力計測装置における力検知装置１０について説明する。なお、力検知装置１０以外の構成については第１の実施形態におけると同様である。図２１に、この参考実施形態による力検知装置１０を示す。
【０１４４】
図２１Ａに示すように、この力検知装置１０においては、第１乃至第３の実施形態と異なり、ホール素子５および磁石４を設けずに、歪みゲージを利用する構成である。また、レール２の長手方向に沿った両側部に凹部２ｃが形成され、この凹部２ｃに、力伝達手段としての例えばセラミックや金属からなる球体１７が設けられている。
【０１４５】
また、図２１Ｂに示すように、ブロック１とレール２とを結合するために、これらの長手方向の両側端面に結合板１４が設けられているとともに、さらにその外側表面に、歪みゲージ１６を複数個、ここでは例えば３個並べて配置した弾性部材としてのゲージ板１５が固定されている。すなわち、レール２は、力伝達手段としての球体１７を介して、ゲージ板１５から弾性力が作用されるように構成されている。また、これらの４個の歪みゲージ１６からは出力ライン（図示せず）が接続されており、歪みゲージ１６の歪みに基づいた電圧が出力される。
【０１４６】
そして、この歪みゲージ１６を歪ませる方法としては、第１乃至第３の実施形態と同様にブロック１とレール２との相対移動（相対運動）による移動量に基づいている。例えば、ブロック１を固定させてレール２に外力を作用させると、レール２との移動方向に沿った力成分によって、レール２が移動する。そして、このレール２の移動による力が力伝達手段としての球体１７を介してゲージ板１５に１点で作用することにより、歪みゲージ１６が歪まされる。そして、この歪みに基づいて、複数（ここでは３個）の歪みゲージ１６から電圧が出力される。この歪みゲージ１６から出力される電圧に基づいて、レール２に作用される外力の特定方向（レール２の移動方向）の力成分の大きさが検出される。なお、歪みゲージ１６自体を利用した力検知原理に関しては、従来公知であるので、その説明を省略する。
【０１４７】
以上説明した参考実施形態においても、第１乃至第３の実施形態におけると同様に、力を実際に計測する力検知のための歪みゲージ板１５の構成と、作用された外力の特性方向の成分のみを変位成分として抽出するブロック１およびレール２の構成とを分けていることにより、第１乃至第３の実施形態と同様の構成となり、同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【０１４９】
例えば、上述の実施形態による力検知装置においては、永久磁石を用いているが、電磁石を用いることも可能である。また、この発明は、この構造における相対運動をＲガイドに実装することによって、回転方向のみの力を検出することも可能となる。また、高剛性かつ高感度であることから、ロボットの腕などに直接組み込ませることが可能である。また、磁石と検出部との相対的な配置によって、多軸力覚センサを構成することが可能である。また、可動部をより軽量化することによって、加速度センサとして機能させることも可能となる。これらのことから、この発明は、骨折などの整復手術の補助を行うための整復装置、直動案内装置、スプライン、ねじ、またはアクチュエータ関連製品全般に適用することが可能である。
【０１５０】
また、例えば上述の実施形態においては、磁電変換素子としてホール効果を利用したホール素子を用いているが、その他の磁力を電力に変換する手段であれば、あらゆる素子を利用することが可能である。磁電変換素子の他の例としては、ＭＲ素子、磁歪素子などを挙げることができる。
【０１５１】
例えば上述の第１の実施形態においては、レール２の長手方向に沿った長さをブロック１の長手方向に沿った長さに比して長くなるように構成しているが、逆に、ブロック１の長手方向に沿った長さを、レール２の長手方向に沿った長さに比して長くなるようにしても良い。この場合においては、レール２には、常に移動方向にそって両外側に向かう斥力が作用することになり、静止時においてレール２に作用する力が０であり、レール２がブロック１に対して相対的に移動した場合に復元力が生じるようにすることができる。なお、上記のそれぞれの実施形態においては、力検知装置、加速度ピックアップなど一種類の装置を例にとって本発明を説明した。しかし、それぞれの実施形態と同等の構成または原理によって、位置検知装置、速度検知装置、力検知装置、加速度ピックアップ（検知装置）などのいずれの力学的物理量の検知装置を構成しても構わない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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