(57)【要約】【課題】各々３次元の力成分を検出するため、自然な歩行を妨げることなく姿勢の推定に必要な圧力情報を得ることができる３次元接地圧力値計測機能を有する靴を提供する。【解決手段】棒状スタッド１０４を有し、この棒状スタッド１０４先端に加えられる３次元圧力値を検出する３次元圧力センサ１０３と、この３次元圧力センサ１０３の出力を信号処理し、信号を出力する信号処理回路１０５と、この信号処理回路１０５から信号を出力する信号出力手段１０７および靴本体１０１からなり、前記３次元圧力センサ１０３は、前記靴本体１０１の底部に、また、靴が接地する際には接地が前記棒状スタッド１０４先端で行なわれるように配置され、靴が接地する際には、前記棒状スタッド１０４先端に加わる接地圧力値を、前記棒状スタッド軸方向の圧力値、前後圧力値および左右圧力値として前記信号出力手段１０７に出力する。【選択図】    図１
2004239622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）棒状スタッドを有し、該棒状スタッド先端に加えられる３次元圧力値を検出する３次元圧力センサと、該３次元圧力センサの出力を信号処理し、信号を出力する信号処理回路と、該信号処理回路から信号を出力する信号出力手段と、および靴本体からなり、
（ｂ）前記３次元圧力センサは、前記靴本体の底部に、また、靴が接地する際には接地が前記棒状スタッド先端で行なわれるように配置され、靴が接地する際に前記棒状スタッド先端に加わる接地圧力値を、前記棒状スタッド軸方向の圧力値、前後圧力値および左右圧力値として前記信号出力手段に出力することを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項２】
請求項１記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサの３個の組が、靴底のつま先部分と踵部分に各々１組ずつ配置されることを特徴とする３次元圧力値計測機能を有する靴。
【請求項３】
請求項１記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記信号処理回路は、前記３次元圧力センサの３個の組に対して、前記棒状スタッドの軸方向圧力成分に関しては、各々３個の３次元圧力センサからの圧力値を独立に前記信号出力手段に出力し、前後圧力値および左右圧力値に関しては、前記３個の３次元圧力センサ圧力値の合計値を前記信号出力手段に出力するよう構成されることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項４】
請求項１記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサは、棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、および該曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記棒状スタッドの他端部分は接地に供せられる結果、接地圧力は前記曲げ歪検出板上に配置された歪センサにより検出されることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項５】
請求項４記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の中心には、前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する、上向きアーム、右向きアーム、下向きアーム、および左向きアームの表面上に各々、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、接地圧力が無い場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０とし、接地圧力が加えられた場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄとするとき、〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を、前記棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍を前後の接地圧力値とし、〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を左右の接地圧力値として前記信号出力手段に出力するように構成されることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項６】
請求項５記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の周辺は各々結合されており、前記十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、また、前記十字形状部を結合する周辺部分で、該十字形状部の方向とほぼ４５度の方向上において前記ベース部材と結合されることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項７】
請求項４記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、３個の前記３次元圧力センサよりなり、各々の３次元圧力センサは、前記棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、および該曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記ベース部材は３個の３次元圧力センサに共通な部材よりなることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項８】
請求項４記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、該十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、棒状スタッド寄りの部分には、各々、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３からなる歪センサが配置されており、また、十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、前記ベース部材寄りの部分には、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４からなる歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、Ｓａ１とＳｃ１との直列回路、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路、およびＳｂ４とＳｄ４との直列回路の４つのアームにより形成されるブリッジの出力電圧を適宜増幅して棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、また、Ｓａ２、Ｓｃ２、Ｓａ３、Ｓｃ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して前後方向の接地圧力値とし、更にＳｂ２、Ｓｄ２、Ｓｂ３、Ｓｄ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して左右方向の接地圧力値として各々前記信号出力手段に出力することを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【請求項９】
請求項４から６のいずれか１項に記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記歪センサは絶縁材料上に形成されたＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜よりなることを特徴とする３次元接地圧力値計測機能を有する靴。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＥＳ（機能的電気刺激）医学、リハビリテーション医学、スポーツ医学、あるいは人間型ロボット等において、人の姿勢状態を足裏に加わる圧力の計測値から判定し、倒れないように機能的電気刺激の電圧あるいはアクチュエータ等を制御し、あるいは、姿勢の善し悪しを判定して、その改善点を明確にする装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人の足裏に加わる圧力を測定することは、靴底に圧力センサを設けることにより達成できる。例えば以下に示す圧力センサは下記非特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１１はかかる従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴の分解斜視図である。
【０００４】
この図において、十字形のスプリングエレメント１の表面には、上下および側面に歪ゲージ２が接着されており、十字形のスプリングエレメント１の４端に配置されるエンドサポート３と中心の間で６自由度の力計測が可能である。つまり、このスプリングエレメント１をマウンティングプレート４と靴５のソールプレート（靴底）６との間に配置しているため、６自由度の力が計測可能である。
【０００５】
さらに、従来技術では圧力のみを計測する他の技術もあるが、この場合には、一つの方向の圧力値のみしか計測することができない。人の姿勢の状態を把握するには、１方向の圧力値のみでは不十分であり、前後および左右方向の圧力成分も必要である。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｇ．Ａ．Ｓｐｏｌｅｋ，Ｆ．Ｇ．Ｌｉｐｐｅｒｔ，“Ａｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ  Ｓｈｏｅ−Ａ  Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｆｏｒｃｅ  ＭｅａｓｕｒｉｎｇＤｅｖｉｃｅ”，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．９，ｐｐ．７７９−７８３，１９７６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴を実際の応用に適用しようとした場合に、大きな問題があることが判明した。
【０００８】
その一つは、センサが地面に当たる部分が平面になっていることである。人が歩く場合には、靴は床に対して平行な上下運動のみではなく、前後に回転運動を起こす必要がある。しかし、上記した従来の靴の構造では、ソールプレート６が平らなため、前後に起こる回転運動を邪魔する結果となり、この靴を履いた場合の接地圧力は実際の歩行状態の圧力とは違ったものになっている。
【０００９】
また、もう一つの問題は、センサ構造体の高さ寸法が高いため、靴底の厚さが通常の靴よりもかなり厚いものになることである。これも現実問題としては計測した結果が現実の歩行状態のものとは異なる原因になる。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、棒状スタッドを持った３次元力センサを靴底に配置し、棒状スタッドの他端を接地に供することにより、各々３次元の力成分を検出し、自然な歩行を妨げることなく姿勢の推定に必要な圧力情報を得ることができる３次元接地圧力値計測機能を有する靴を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、棒状スタッドを有し、この棒状スタッド先端に加えられる３次元圧力値を検出する３次元圧力センサと、この３次元圧力センサの出力を信号処理し、信号を出力する信号処理回路と、この信号処理回路から信号を出力する信号出力手段と、および靴本体からなり、前記３次元圧力センサは、前記靴本体の底部に、また、靴が接地する際には接地が前記棒状スタッド先端で行なわれるように配置され、靴が接地する際に前記棒状スタッド先端に加わる接地圧力値を、前記棒状スタッド軸方向の圧力値、前後圧力値および左右圧力値として前記信号出力手段に出力することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサの３個の組が、靴底のつま先部分と踵部分に各々１組ずつ配置されることを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔１〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記信号処理回路は、前記３次元圧力センサの３個の組に対して、前記棒状スタッドの軸方向圧力成分に関しては、各々３個の３次元圧力センサからの圧力値を独立に前記信号出力手段に出力し、前後圧力値および左右圧力値に関しては、前記３個の３次元圧力センサ圧力値の合計値を前記信号出力手段に出力するよう構成されることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサは、棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、およびこの曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記棒状スタッドの他端部分は接地に供せられる結果、接地圧力は前記曲げ歪検出板上に配置された歪センサにより検出されることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の中心には、前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する、上向きアーム、右向きアーム、下向きアーム、および左向きアームの表面上に各々、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、接地圧力が無い場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０とし、接地圧力が加えられた場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄとするとき、〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を、前記棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍を前後の接地圧力値とし、〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を左右の接地圧力値として前記信号出力手段に出力するように構成されることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔５〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の周辺は各々結合されており、前記十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、また、前記十字形状部を結合する周辺部分で、この十字形状部の方向とほぼ４５度の方向上において前記ベース部材と結合されることを特徴とする。
【００１７】
〔７〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、３個の前記３次元圧力センサよりなり、各々の３次元圧力センサは、前記棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、およびこの曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記ベース部材は３個の３次元圧力センサに共通な部材よりなることを特徴とする。
【００１８】
〔８〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は、十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、棒状スタッド寄りの部分には、各々、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３からなる歪センサが配置されており、また、十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、前記ベース部材寄りの部分には、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４からなる歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、Ｓａ１とＳｃ１との直列回路、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路、およびＳｂ４とＳｄ４との直列回路の４つのアームにより形成されるブリッジの出力電圧を適宜増幅して棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、また、Ｓａ２、Ｓｃ２、Ｓａ３、Ｓｃ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して前後方向の接地圧力値とし、更にＳｂ２、Ｓｄ２、Ｓｂ３、Ｓｄ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して左右方向の接地圧力値として各々前記信号出力手段に出力することを特徴とする。
【００１９】
〔９〕上記〔４〕から〔６〕のいずれか１項に記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記歪センサは絶縁材料上に形成されたＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜よりなることを特徴とする。
【００２０】
本発明では、従来の構造の問題を解決するため、地面に接する部分の構造を平面でなく、基本的に点となるようにしている。地面との接触が点である場合には、最低限３個以上の接触点がないと靴の状態は不安定になる。歩行の途中等では過渡的現象として、地面との接触点が３点以下であったり、あるいは他方側の足が地面に着いているために全く地面に接触しないこともある。しかし、静的に姿勢を保持するには、３点以上の接触点が必要である。
【００２１】
このような靴の構造は、運動靴で用いられるスパイクに見ることができる。但し、運動靴のスパイクの場合には、靴の接地が必ずしもスパイクを通してのみ行なわれるとは限らないが、本発明の場合には、必ずスパイクのうち少なくとも一つを通して靴は接地されることを前提としている。このような前提のもとでは、圧力測定ができるようなスパイクを実現すれば接地圧力の計測は完全に可能になる。
【００２２】
このように地面との接触を点で考える場合には、接地応力の計測として６自由度は不必要である。つまり、棒状スタッド先端の接触が一点で行われる場合には、棒状スタッドに対して回転モーメントあるいは曲げモーメントを加えることは原理的にできないので、直交する３つの力成分が計測できれば十分である。つまり、棒状スタッドを持った３次元力センサを用意し、その３次元センサを靴底に配置し、棒状スタッドの他端を接地に供することが本発明の基本的技術思想である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図であり、図１（ａ）はその靴の側面図、図１（ｂ）はその靴の底面図である。
【００２５】
これらの図において、１０１は靴本体、靴本体１０１の靴底１０２は、つま先部分の靴底１０２Ａと踵部分の靴底１０２Ｂを有している。１０３は３次元圧力センサ、１０４は３次元圧力センサ１０３に力を伝える棒状スタッド、１０５は３次元圧力センサ１０３に接続される信号処理回路、１０６はリード線、１０７は信号出力手段である。
【００２６】
このように、靴本体１０１のつま先部分の靴底１０２Ａには、棒状スタッド１０４を持った３次元力センサ１０３が結合されている。３次元力センサ１０３が計測する力は、棒状スタッド１０４の先端に加えられた力である。この棒状スタッド１０４は靴本体１０１のつま先部分の靴底１０２Ａより飛び出しており、靴が接地した場合には必ずこの棒状スタッド１０４の先端が接地するように構成されている。
【００２７】
ここで、３次元力センサ１０３の取付け方向は、靴の前後と左右が３次元力センサ１０３の検出する力方向と一致するように取り付けられている。３次元圧力センサ１０３からは、信号処理回路１０５に向かってリード線１０６が延びている。信号処理回路１０５は、この図では靴の脇に配置されているが、小型化により、靴底１０２の目立たない部分に収納することも可能である。信号処理回路１０５からは信号出力手段１０７が出ており、これは他の機器との接続に供せられる。信号出力手段は他の機器との間を有線で接続するものであっても良く、また、必要に応じて無線とすることも可能である。
【００２８】
図２は本発明の第２実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図であり、図２（ａ）はその靴の側面図、図２（ｂ）はその靴の底面図である。
【００２９】
これらの図において、２０１は靴本体、靴本体２０１の靴底２０２は、つま先部分の靴底２０２Ａと踵部分の靴底２０２Ｂを有している。２０３Ａ〜２０３Ｆは３次元圧力センサ（図示なし）に結合される棒状スタッドである。つまり、つま先部分の靴底２０２Ａには三角形状に棒状スタッド２０３Ａ〜２０３Ｃが、踵部分の靴底２０２Ｂにも三角形状に棒状スタッド２０３Ｄ〜２０３Ｆがそれぞれ配置されている。その他の点は上記した第１実施例と同様である。
【００３０】
このように、ここでは、棒状スタッド２０３Ａ〜２０３Ｃ，および２０３Ｄ〜２０３Ｆを有する３個の３次元圧力センサの組を靴のつま先部分と踵部分に各１組ずつ配列している。信号処理回路および出力信号手段は図１と同様なのでここでは省略している。３次元圧力センサを１組３個としている理由は、３個であれば任意の地面形状に接する場合に一意的に位置が決まるからである。
【００３１】
しかし、歩行の際には靴の底は曲がることが必要で、靴のつま先と踵部分は独立して動けるようになっているため、このような３個の３次元圧力センサの組はつま先部分と踵部分の２か所に分割して配置している。このような合計６個の３次元圧力センサは、歩行時点ではすべてが地面に接することは前提としていない。
【００３２】
図３は本発明の第２実施例における３次元圧力センサを用いた３次元接地圧力値計測システムの構成図である。
【００３３】
この図において、３個の３次元圧力センサ３０１〜３０３については、各々３方向の力成分の計測結果として、合計９個の結果が得られる。この９個の結果をすべて利用することも可能であるが、より簡単な情報で十分な場合もある。つまり、重心位置と、前後の圧力および左右の圧力があれば十分な場合もある。
【００３４】
重心位置を求めるには、３個の３次元圧力センサ３０１〜３０３の棒状スタッド３０４〜３０６の軸方向圧力３０７〜３０９と各々のセンサの座標位置が必要であり、軸方向圧力３０７〜３０９については３個の情報を３個共に残す必要がある。
【００３５】
一方、前後方向圧力３１０〜３１２および左右方向圧力３１３〜３１５については、各々３個の情報をそのまま残す必要はなく、加算器３１６と３１７で加算された３個の和である前後方向接地圧力３１８と左右方向接地圧力３１９があれば良い。そのように簡略化することにより、出力手段の簡略化と出力手段を受けた後の回路の処理が楽になる。
【００３６】
図４は本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）はその側面図である。
【００３７】
これらの図において、４０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴４０２が形成されたリング状のベース部材、４０３はベース部材４０１上に配置される曲げ歪検出板、４０４〜４０７は曲げ歪検出板４０３に配置される歪センサ、４０８は曲げ歪検出板４０３の中央部に結合される棒状スタッドである。
【００３８】
このように、靴底（図示なし）との結合に供せられるベース部材４０１と、棒状スタッド４０８の間には曲げ歪検出板４０３が配置される。曲げ歪検出板４０３の上には複数個の歪センサ４０４〜４０７が結合、または曲げ歪検出板４０３の上に直接形成される。本発明の場合には、棒状スタッド４０８が点接触することを前提としているので、その接触点から得られる圧力情報は６個ではなく、軸方向・前後方向・左右方向の３個である。
【００３９】
このような場合には、図１１の従来例で示した力センサのように十字形の側面に歪センサを設けることは不必要で、図４に示すように曲げ歪検出板４０３の表面上のみで十分である。また、一般に曲げ歪検出板４０３の伸び変形は無視できるので、曲げ変形のみを検出すればよい。この前提に立てば、曲げ歪検出板４０３の表面上に形成される歪センサ４０４〜４０７は曲げ歪検出板４０３の両面には必要なく、どちらか片面のみで十分である。また、図４において、曲げ歪検出板４０３をベース部材４０１の裏面に結合することも可能であり、これによれば３次元圧力センサの高さ寸法を更に低くすることが可能である。
【００４０】
図５は本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図５（ａ）はその上面図、図５（ｂ）はその側面図である。
【００４１】
これらの図において、５０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴５０２が形成されたリング状のベース部材、５０３はベース部材５０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板５０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所に穴５０４〜５０７が形成され、棒状スタッド５１２はその十字形のほぼ中央に結合される。歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）は棒状スタッド５１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板５０３の４箇所に配置する。
【００４２】
曲げ歪検出板５０３の曲げ歪はその曲げ歪検出板５０３の中心から上下および左右に引いた直線上に最も大きな歪が現れ、これらの直線の間での歪は少である。そこで、歪が大きい部分の上に歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）を形成し、その他の部分については歪が大きい部分に歪が集中するよう、曲げ歪検出板５０３に穴５０４〜５０７をあけたが、この方がより良い結果が得られた。
【００４３】
この場合に、３方向から加えられた圧力と、各歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）の出力の関係は表１のようになる。
【００４４】
【表１】
2004239622.tif 000003
【００４５】
ここで、歪センサ出力とは例えば抵抗値変化の意味であり、＋および−とは抵抗値の変化方向を示す。０は変化しないことを意味する。ここで、歪センサ５０８（Ｓａ）、５０９（Ｓｂ）、５１０（Ｓｃ）、５１１（Ｓｄ）の変化の和を取れば、上下方向および左右方向圧力による抵抗値変化はキャンセルされて出て来ないので、軸方向の圧力が得られる。また、歪センサ５０８（Ｓａ）と５１０（Ｓｃ）の差を取れば上下方向の圧力を得ることができ、５０９（Ｓｂ）と５１１（Ｓｄ）の差を取れば左右方向の圧力を得ることができる。
【００４６】
この場合に、抵抗値については、変化量が必要なので、あらかじめ、圧力０の場合の抵抗値を測定し、この抵抗値を基準としてこれからの変化を測定すればよい。また、抵抗値の変化は圧力値そのものではなく、それぞれの場合対応した比例係数（符号を含む）を決めて、抵抗値変化に比例係数を掛けて圧力を求める必要がある。このようにして、各圧力値は次のようにして決定される。
【００４７】
（１）棒状スタッドの軸方向圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
（２）上下方向の圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍
（３）左右方向の圧力値；
〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
ここで、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０は圧力０の場合の抵抗値、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは圧力が加わった場合の抵抗値である。この図では、上下方向と左右方向となっているが、靴に配置された場合には上下方向を前後方向に読み替えられる。
【００４８】
図６は本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図６（ａ）はその上面図、図６（ｂ）はその側面図である。
【００４９】
この図において、６０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴６０２が形成されたリング状のベース部材、６０３はベース部材６０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板６０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所に穴６０４〜６０７が形成され、棒状スタッド６１２はその十字形のほぼ中央に結合される。６０８〜６１１は曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合部である。なお、歪センサ（図示なし）は棒状スタッド６１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板６０３の４箇所に配置する。
【００５０】
このように、曲げ歪検出板６０３については、中心付近は十字形であるが、図１１の従来例のように十字形そのままではなく、周縁部は十字形が互いに接続された構造になっている。この理由は、曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合構造に関連する。曲げ歪検出板６０３が曲げ変形を起こす場合には、一般に曲げ歪検出板６０３の周辺は図６の矢印で示すように、力６１３〜６１６が働き、内側に引っ張られるような変形を起こす。
【００５１】
この変形は極めて微細なものであるが、この微細な変形を許容しない場合には曲げ歪変形自体が拘束されて、圧力と歪センサ出力の関係が比例関係にならず、徐々に傾斜が低下するいわゆるクリッピング現象を呈することが分かった。そこで、曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合は、十字形の延長上で行なわず、十字形の周辺で十字形と４５度をなす線上で行なうこととした。結合方法としては、スポット溶接、電子ビーム溶接等が適用可能である。
【００５２】
図７は本発明の第４の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図７（ａ）はその上面図、図７（ｂ）はその側面図である。
【００５３】
この図において、７０１は３個の３次元圧力センサの共通のベース部材、７０２〜７０４は図６において得られた３次元圧力センサ、７０６〜７０８は棒状スタッドである。
【００５４】
３次元圧力センサ７０２〜７０４を靴底に配置するに当たっては、十字の方向が靴の前後左右方向に一致している必要がある。一方、前後の圧力および左右の圧力を検出する場合には、ベース部材７０１自体が前後あるいは左右に傾いてしまってはならないので、ベース部材７０１を靴底に固く固定する必要がある。しかし、靴底は一般にゴムのようなやわらかい素材でできているので、靴底に固く固定するには、ベース部材７０１の面積もどうしてもある程度大きくする必要が出てくる。しかし、ベース部材７０１の面積を大きくすることは、全体としての重量増加に繋がり、望ましくない。
【００５５】
そこで、図７に示すように、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４間でベース部材７０１を共通化することが有効になる。つまり、各々のベース部材の占有面積はそれほど大きくしなくても、３個のベース部材を結合した場合の面積はかなり大きくなり、前後および左右の圧力に十分抗し得るだけの固さで靴底に結合することが可能になる。十字形の方向を靴の前後方向に一致させるように配置することは、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４のベース部材を共通化した場合には容易である。
【００５６】
このように３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４のベース部材７０１を共通化した場合には、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４から出る出力リード線（図示なし）を共通化して信号処理回路（図示なし）に持っていくことが可能になるため、例えばフレキケーブルの採用等により大変簡潔な構造にすることが可能である。
【００５７】
図８は本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図、図９はその歪センサの回路図である。
【００５８】
図８において、８０１は曲げ歪検出板、８０２〜８０５は４個の穴、８０６〜８０９は曲げ歪検出板８０１とベース部材（図示なし）との結合部、Ｓａ１〜Ｓａ４は第１の歪センサ、Ｓｂ１〜Ｓｂ４は第２歪センサ、Ｓｃ１〜Ｓｃ４は第３の歪センサ、Ｓｄ１〜Ｓｄ４は第４の歪センサである。
【００５９】
３次元圧力センサ全体構造は図５と同様であり、図８は曲げ歪検出板８０１の部分のみを示している。この場合には、曲げ歪検出板８０１上に配置された歪センサとしては、十字の各アームに対して棒状スタッド（図示なし）に近い位置に各々３個、ベース部材に近い位置に各１個、合計１６個の歪センサが配置されている。
【００６０】
図９において、歪センサＳａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４，Ｓｃ１〜Ｓｃ４，Ｓｄ１〜Ｓｄ４の回路図が示されている。つまり、Ｓａ１とＳｃ１の直列回路と、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路と、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路と、Ｓｂ４とＳｄ４との直列回路とを入力電圧８１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として軸方向圧力８１１を得ることができる。
【００６１】
また、Ｓａ２とＳｃ２とＳａ３とＳｃ３とで入力電圧８１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として前後方向圧力８１２を得ることができる。
【００６２】
更に、Ｓｄ２とＳｂ３とＳｄ３とＳｂ２とで入力電圧８１０を印加したホイストーンブリッジ接続すると、その出力として左右方向圧力８１３を得ることができる。
【００６３】
この場合の圧力とセンサ出力の関係は、表１と同様に＋−を定義するとき、表２のようになる。
【００６４】
【表２】
2004239622.tif 000004
【００６５】
ここで、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４がＳａ１〜Ｓａ３等と比較して符号が反転する理由は、図８において中心付近に結合された棒状スタッド（図示なし）に圧力が加わるとき、曲げ歪検出板８０１の曲げ変形は単に円弧の一部のような変形でなく、途中に変曲点の存在するＳ字状の変形になる。それは周辺部分がベース部材に結合されているからである。従って、曲げ歪検出板８０１の表面上では、片側の面の中でも、棒状スタッドに近い部分とベース部材に近い部分では歪センサの出力としては符号が逆転するような場所が存在する。これを利用すれば、ブリッジ回路の４つの素子を歪センサのみで構成することができる。また、この構成では、各アームに複数個の独立した歪センサを配置しているので、これらの歪センサを用いて複数個のブリッジ回路を直接構成することができる。図９はこのブリッジ回路の例である。この場合には、図５に示す実施例のように各センサの出力に対して更に加減算を施すことなく、直接ブリッジ出力として３方向の圧力を得ることができる。このことにより、各圧力成分をより正確に、また簡単な回路で検出することが可能になる。
【００６６】
図１０は本発明の第５の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０（ｂ）はその側面図である。
【００６７】
通常、歪センサには、樹脂基板の上に圧延成形した抵抗歪材料を接着等の手段で接合したものが用いられる。この歪センサは曲げ歪検出板に接着して使用する。しかし、図７に示す実施例のように歪センサを多数個配置する場合には、通常の歪センサでは形が大きく、実行が難しい。
【００６８】
そこで、図１０では、曲げ歪検出板９０１が金属である場合には、その表面上にＡｌ２  Ｏ３  またはＳｉＯ２  等の絶縁膜９０２を形成し、その上にＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒからなる歪センサ９０３を形成するようにしている。この形成プロセスはフォトプロセスおよびスパッタプロセスであり、極めて微細な形状の形成が比較的容易に実現できる。これらの材料の中で、ＣｒＮはゲージ率（加えられた歪に対する抵抗変化率）が約６と、通常の抵抗歪材料の２に対して約３倍大きいので、加えられた圧力に対する出力感度の向上が可能である。
【００６９】
本発明によれば、
（１）棒状スタッド先端に加えられる３次元圧力値を検出する３次元圧力センサ、３次元圧力センサ出力を信号処理し、出力する信号処理回路、信号出力手段および靴本体からなり、３次元圧力センサは、靴本体の底部に、靴が接地する際には接地が棒状スタッド先端で行なわれるように配置され、靴が接地する時は、棒状スタッド軸方向圧力値、前後方向圧力値、および左右方向圧力値として信号出力することができる。
【００７０】
（２）３次元圧力センサの３個の組を、靴のつま先部分と踵部分に各１組ずつ配置することができる。
【００７１】
（３）信号処理回路は、３個の３次元圧力センサの組に対して棒状スタッドの軸方向成分に対しては、３個の独立な信号とし、前後方向および左右方向力成分に関しては３個の合計値を出力するよう構成することができる。
【００７２】
（４）３次元圧力センサは、棒状スタッド、ベース部材、曲げ歪検出板、曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサより構成することができる。
【００７３】
（５）曲げ歪検出板は十字形状部を有し、十字形状部の各アーム上に配置された歪センサ出力の和および差を用いて、棒状スタッド軸方向成分、前後方向成分、左右方向成分に分離することができる。
【００７４】
（６）十字形状部の４つのアーム上に各々４個の歪センサを配置し、その１６個の歪センサを直並列接続することにより、軸方向成分、前後方向成分、および左右方向成分を出力するブリッジ回路を得ることができる。
【００７５】
（７）歪センサはＣｒＮよりなる薄膜により形成することができる。ＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜の適用により、従来抵抗歪材料として用いられている圧延材料では不可能であった微細な形状、寸棒の実現が可能になる。またＣｒＮ薄膜の場合には、ＣｒＮ薄膜の高いゲージ率のために高い出力感度を付与することが可能になる。
【００７６】
下肢完全麻痺患者を機能的電気刺激システム（ＦＥＳ）により、目的の場所で起立・歩行させるためには、患者の姿勢の把握とこれに基づいて適切に設定された電気刺激の発生が必要である。本発明の靴は、この目的を達成するための基本的な道具を提供することができる。
【００７７】
さらに、本発明の靴は、健常者の歩行時の各人のクセを検出して、正しい歩行習慣を身に付けさせることや、また、スポーツ医学の分野で、可能な限り効率的な走り方がどうあるべきかの研究、また、ゴルフ練習時において体重移動が適切に行なわれているかどうかの判定など、広い応用と社会貢献が可能である。
【００７８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００８０】
（Ａ）従来技術では、接地される部分の形状が板であったのに対して、本発明で接地される部分の形状は点とし、点の数は複数個を許容する。これらの各点に対して各々３次元の力成分を検出するため、自然な歩行を妨げることなく姿勢の推定に必要な圧力情報を得ることができる。つまり、この圧力値情報は、人間の姿勢状態を推定し、ＦＥＳシステムに対して姿勢状態の立て直しのための信号を出力することに用いることができる。
【００８１】
（Ｂ）圧力計測センサとしては、印加された圧力を曲げ歪検出板の曲げ変形に変換し、また、曲げ歪検出板に生じた歪を歪センサで検出することにより、正確な値を測定することができる。
【００８２】
（Ｃ）人の姿勢を靴の圧力から推定するには、接地される棒状スタッドの軸方向、前後方向および左右方向の圧力成分を分離検出することが必要である。本発明では、曲げ歪検出板上に歪センサを複数個配置してそれらを直列および並列に接続することにより、これらの力方向成分を直接且つ正確に計測することを可能にしている。
【００８３】
（Ｄ）歪センサをＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜で形成することにより、接地圧力計測精度の向上と、小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図である。
【図３】本発明の第２実施例における３次元圧力センサを用いた３次元接地圧力値計測システムの構成図である。
【図４】本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図５】本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図６】本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図７】本発明の第４の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図８】本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図である。
【図９】本発明の３次元圧力センサの歪センサの回路図である。
【図１０】本発明の第５の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図１１】従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴の分解斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１    靴本体
１０２，２０２    靴本体の靴底
１０２Ａ，２０２Ａ    つま先部分の靴底
１０２Ｂ，２０２Ｂ    踵部分の靴底
１０３，３０１〜３０３，７０２〜７０４    ３次元圧力センサ
１０４，２０３Ａ〜２０３Ｆ，３０４〜３０６，４０８，５１２，６１２，７０６〜７０８    棒状スタッド
１０５    信号処理回路
１０６    リード線
１０７    信号出力手段
３０７〜３０９，８１１    軸方向圧力
３１０〜３１２，８１２    前後方向圧力
３１３〜３１５，８１３    左右方向圧力
３１６，３１７    加算器
３１８    前後方向接地圧力
３１９    左右方向接地圧力
４０１，５０１，６０１    ベース部材
４０２，５０２，６０２    円形の穴
４０３，５０３，６０３，８０１，９０１    曲げ歪検出板
４０４〜４０７，５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）    歪センサ
５０４〜５０７，６０４〜６０７，８０２〜８０５    穴
Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０    圧力０の場合の抵抗値
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ    圧力が加わった場合の抵抗値
６０８〜６１１，８０６〜８０９    結合部
６１３〜６１６    力
７０１    ３個の３次元圧力センサの共通のベース部材
Ｓａ１〜Ｓａ４    第１の歪センサ
Ｓｂ１〜Ｓｂ４    第２の歪センサ
Ｓｃ１〜Ｓｃ４    第３の歪センサ
Ｓｄ１〜Ｓｄ４    第４の歪センサ
８１０    入力電圧
９０２    絶縁膜（樹脂ベース）
９０３    ＣｒＮからなる歪センサ
【図１】
2004239622.tif 000005
【図２】
2004239622.tif 000006
【図３】
2004239622.tif 000007
【図４】
2004239622.tif 000008
【図５】
2004239622.tif 000009
【図６】
2004239622.tif 000010
【図７】
2004239622.tif 000011
【図８】
2004239622.tif 000012
【図９】
2004239622.tif 000013
【図１０】
2004239622.tif 000014
【図１１】
2004239622.tif 000015