(57)【要約】【課題】歪ゲージに代わって並進力を検出する装置を利用して６軸力センサを形成するとともに、６軸力センサの小型化、軽量化を図る。【解決手段】６軸力センサにおいて、外力が作用する作用部と、外部からの圧力に応じてその導電率が変化する性質を有する導電率変化部を内部に有し、互いに直交する三軸方向の各々に設けられ、該導電率変化部における導電率の変化を検出する感圧式導電性センサと、三軸方向の各々において感圧式導電性センサと接触し、作用部と連結して設けられた接触部と、を備え、感圧式導電性センサによって検出される導電率の変化に基づいて、三軸方向の各々における並進力を算出し、該並進力に基づいて該三軸周りの各々のモーメントを算出する。【選択図】図１
2007108079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が作用する作用部と、
外部からの圧力に応じてその導電率が変化する性質を有する導電率変化部を内部に有し、互いに直交する三軸方向、もしくは三次元空間で互いに重ならない三軸方向の各々に設けられ、該導電率変化部における導電率の変化を検出する感圧式導電性センサと、
前記三軸方向の各々において前記感圧式導電性センサと接触し、前記作用部と連結して設けられた接触部と、
前記作用部に外力が作用するとき、前記感圧式導電性センサによって検出される導電率の変化に基づいて、前記三軸方向の各々における並進力を算出する並進力算出手段と、
前記並進力算出手段によって算出された前記三軸方向の各々における並進力に基づいて、該三軸周りの各々のモーメントを算出するモーメント算出手段と、
を備えることを特徴とする６軸力センサ。
【請求項２】
前記接触部は、前記三軸方向の各々において、該接触部と連結され、又は該接触部と分離した、前記感圧式導電性センサと球面で接触する球体接触部材を有することを特徴とする請求項１に記載の６軸力センサ。
【請求項３】
前記感圧式導電性センサは、前記三軸方向の各々において、前記接触部を両側から挟んだ状態で該接触部と接触していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の６軸力センサ。
【請求項４】
少なくとも三組の前記感圧式導電性センサと前記接触部を、一直線上に無い状態で備え、
前記並進力算出手段は、各感圧式導電性センサによって検出される導電率の変化に基づいて、該感圧式導電性センサにおける三軸方向に作用する並進力を算出することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の６軸力センサ。
【請求項５】
前記並進力算出手段は、前記感圧式導電性センサにおける前記導電率変化部は感圧インク層で形成され、前記接触部からの接触圧力によって感圧インク層の導電率が変化することを利用して、前記三軸方向の各々における並進力を算出することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の６軸力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三軸方向の並進力および各軸周りのモーメントを同時に計測可能ないわゆる６軸力センサであって、例えば、人間の歩行分析やロボットの姿勢制御等に利用可能な６軸力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
６軸力センサにおける６軸力とは、それぞれ直交した三軸方向の並進力と、各軸周りのモーメントをいう。一般的な６軸力センサは、力の成分に対して感度の異なる歪み部を複数配置し、これら歪み部の歪量を歪ゲージによって測定して各軸力を計測している。この中でも代表的な６軸力センサは、三組の平行平板状の構造を直列に三つ組み合わせたものがある。このように、歪み部を直列に組み合わせた構成では、全ての計測部に全ての力がかかることとなる。そのため、非測定成分の力に対する剛性を高くする必要がある。
【０００３】
そこで、各軸方向の並進力および各軸周りのモーメントが干渉されないように計測するための６軸力センサに関する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術による６軸力センサおいては、球体を有する起歪み部に対して、直交する三軸方向においてそれぞれ独立して設けられた、点接触する検出部が設けられている。起歪み部に外力が作用すると、それが各軸方向の検出部に伝わり、各検出部に設けられた歪ゲージによって作用した力（並進力）が検出される。
【特許文献１】特開２００２−２２１４５９号公報
【特許文献２】特開平６−３４７３５０号公報
【特許文献３】特開２００４−３２９２８０号公報
【特許文献４】特開２００１−１３０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図２７に示すように、従来の６軸力センサにおいて三軸方向に働く並進力の検出に歪ゲージが広く利用されている。しかし、この歪ゲージにはその利用に当たって、様々な問題が生じる。例えば、第一に、外力によって歪が生じる歪み部に歪ゲージを正確に設置するのが困難であること、第二に、その歪み部において作用する外力と生じる歪の関係が線形となるように、歪み部の加工に高い精度が要求されること、等が列挙できる。
【０００５】
また、歪ゲージを使用する場合、例えば直交する三軸方向にそれぞれ歪を生じる歪み部を設ける必要があり、且つそれぞれの方向の歪が互いに干渉し合わないようにするために、６軸力センサ自体の大きさが比較的大きくなってしまい、その小型化、軽量化が困難となる場合がある。
【０００６】
本発明では、上記した問題に鑑み、歪ゲージに代わって並進力とモーメントを検出する装置を利用して６軸力センサを形成するとともに、６軸力センサの小型化、軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記した課題を解決するために、感圧式の導電性センサに着目した。この感圧式導電性センサは、外部からの圧力に応じてセンサ内部に有する導電率変化部の導電率が変化し、その導電率変化を検出するセンサである。歪ゲージは、外部からの力に対して構造物を歪ませその歪み量を検出するため、外部からの力を検出する構造物という仲介物が必要になるのに対し、この感圧式導電性センサは外部からの力を導電率変化部
での導電率の変化という形でより直接的に検出することが可能となる。そのため、外部からの力を検出するにあたり、そして検出された力をもとに三軸方向の並進力および三軸周りのモーメントを検出するにあたり、感圧式導電性センサは非常に有用である。
【０００８】
詳細には、本発明は、外力が作用する作用部と、外部からの圧力に応じてその導電率が変化する性質を有する導電率変化部を内部に有し、互いに直交する三軸方向、もしくは三次元空間で互いに重ならない三軸方向の各々に設けられ、該導電率変化部における導電率の変化を検出する感圧式導電性センサと、前記三軸方向の各々において前記感圧式導電性センサと接触し、前記作用部と連結して設けられた接触部と、前記作用部に外力が作用するとき、前記感圧式導電性センサによって検出される導電率の変化に基づいて、前記三軸方向の各々における並進力を算出する並進力算出手段と、前記並進力算出手段によって算出された前記三軸方向の各々における並進力に基づいて、該三軸周りの各々のモーメントを算出するモーメント算出手段と、を備えることを特徴とする６軸力センサである。
【０００９】
上記の６軸力センサの特徴点は、前記三軸方向に働く並進力と該三軸周りのモーメントを算出にあたり、感圧式導電性センサが利用される点である。この感圧式導電性センサは、その内部に導電率変化部を有している。作用部に外力が作用すると、該作用部に連結された接触部を介して、感圧式導電性センサにその力による圧力が伝わる。その結果、前記三軸方向における感圧式導電性センサの導電率変化部の導電率が変化する。
【００１０】
この導電率変化部の導電率は、外部から感圧式導電性センサにかけられる力、即ち三軸方向の各軸方向に作用する並進力との間に、線形や非線形等の何らかの相対関係を有した状態で変化する。従って、この三軸方向における感圧式導電性センサの導電率変化部の導電率の変化に基づいて、三軸方向の各軸方向に作用する並進力を並進力算出手段が算出する。更に、並進力算出手段が算出した三軸方向の並進力と６軸力センサにおける三軸との構造的な相対的な位置関係から、該三軸周りのモーメントを、モーメント算出手段が算出する。
【００１１】
本発明に係る６軸力センサでは、このように感圧式導電性センサを利用して三軸方向の並進力と該三軸周りのモーメントが算出されるが、この感圧式導電性センサは上述したように外部からの力を導電率変化部での導電率の変化という形でより直接的に検出するため、６軸力センサをより小型化、軽量化して構成することが可能となる。特に、従来のように歪ゲージを使用する場合と比べて、６軸力センサ内に外力によって歪が生じる歪み部を設ける必要がないため、歪み部形成に起因する上述の不都合の影響を回避することが可能となる。
【００１２】
ここで、上記の６軸力センサにおいて、前記接触部は、前記三軸方向の各々において、該接触部と連結され、又は該接触部と分離した、前記感圧式導電性センサと球面で接触する球体接触部材を有するようにしてもよい。球体接触部材を備えることで、球体接触部材が感圧式導電性センサと点接触する。その結果、両者間での摩擦の低減を図り、以て導電率変化部における導電率の変化に反映され、６軸力センサの並進力およびモーメントの算出の精度が向上する。尚、球体接触部材による点接触とすることで、感圧式導電性センサへの荷重が集中荷重となり、該感圧式導電性センサの検出特性によっては十分な精度での検出が困難となる場合がある。そこで、球体接触部と感圧式導電性センサとの間に、該感圧式導電性センサと平面で固定接触する平面部材を介在させてもよい。この平面部材の存在により、球体接触部材によって集中荷重が分布荷重に変換されて感圧式導電性センサへと伝播し、該感圧式導電性センサの検出精度を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、上述までの６軸力センサの構造において、前記感圧式導電性センサは、前記三軸方向の各々において、前記接触部を両側から挟んだ状態で該接触部と接触しているように
してもよい。即ち、感圧式導電性センサは、該三軸の各軸における＋（プラス）方向と−（マイナス）方向で、接触部から外力の各軸への並進力を受けることになる。
【００１４】
また、上述までの６軸力センサおいて、少なくとも三組の前記感圧式導電性センサと前記接触部を、一直線上に無い状態で備えると、前記並進力算出手段は、各感圧式導電性センサによって検出される導電率の変化に基づいて、該感圧式導電性センサにおける三軸方向に作用する並進力を算出することができる。このようにすることで、更に外力の作用点である移動重心ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）を測定することが可能となる。
【００１５】
ここで、上述までの６軸力センサにおいて、前記並進力算出手段は、前記感圧式導電性センサにおける前記導電率変化部は感圧インク層で形成され、前記接触部からの接触圧力によって感圧インク層の導電率が変化することを利用して、前記三軸方向の各々における並進力を算出するようにしてもよい。即ち、外部からの力によって導電率が変化する導電率変化部を、いわゆる感圧インクによって形成することで感圧式導電性センサの小型化、軽量化をより効率的に進め、以て６軸力センサの小型化、軽量化が促進される。尚、感圧インク層に代えて、感圧ゴム層を利用することも可能である。
【発明の効果】
【００１６】
歪ゲージに代わって並進力を検出する装置を利用して６軸力センサを形成するとともに、６軸力センサの小型化、軽量化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ここで、本発明に係る６軸力センサの実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る６軸力センサ１の概略構成を示すとともに、その把握が容易になるように６軸力センサ１を分解した図である。この６軸力センサ１は、任意に設定される互いに直交する三軸方向における並進力と、該三軸周りのモーメントを検出することが可能なセンサである。尚、図１においては、６軸力センサ１に対応する三軸は、図示するように、紙面の左右方向にＸ軸、紙面の手前前後方向にＹ軸、紙面の上下方向にＺ軸が設定され、これらの三軸は互いに直交する。
【００１９】
６軸力センサ１は、外力が作用する作用部としても機能する上板２と、該センサの多くの部品が固定される下板３と、６軸力センサ１に対応する三軸（以下、単に「三軸」という。）の一部の軸方向における並進力を電気的に検出する第一検出部４と、三軸のうち残りの軸方向における並進力を電気的に検出する第二検出部５とで、主に構成されている。上板２および下板３は、ほぼ同型の板材であり、本実施例においては矩形体である。そして、上板２および下板３の辺は、Ｘ軸およびＹ軸に平行に設定される。また、第一検出部４は、上板２および下板３の各隅に四台設けられ、第二検出部５は上板２および下板３の各辺の中央部に設けられている。
【００２０】
この第一検出部４と第二検出部５によって検出される並進力に対応する電気信号が、アンプとＡＤ変換器を介してパソコン６に送られ、パソコン６の演算部によって、三軸方向の並進力および該三軸周りのモーメントが算出される。以下に、更に６軸力センサ１について詳細に説明する。
【００２１】
先ず、第一検出部４の構造について、図１および図２に基づいて説明する。一つの第一検出部４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ設けられた感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃと、球体のボール４ｄと、上板２に接着された矩形部材であって
その端面が上板２のＸ軸方向またはＹ軸方向の辺と平行なロッド４ｅ、４ｆで構成される。
【００２２】
更に、感圧式導電性センサユニット４ａは、下板３に固定されＸ軸方向にセンサ固定面を有するセンサ取り付け具４ａ１と、該センサ固定面に固定された感圧式導電性センサ４ａ２と、該感圧式導電性センサ４ａ２の表面に接着され該センサを面で受け、且つ保護するセンサ保護板４ａ３とで構成される。また、感圧式導電性センサユニット４ｂは、下板３に固定されＹ軸方向にセンサ固定面を有するセンサ取り付け具４ｂ１と、該センサ固定面に固定された感圧式導電性センサ４ｂ２と、該感圧式導電性センサ４ｂ２の表面に接着され該センサを面で受け、且つ保護するセンサ保護板４ｂ３とで構成される。また、感圧式導電性センサユニット４ｃは、下板３に固定された感圧式導電性センサ４ｃ２と、該感圧式導電性センサ４ｃ２の表面に接着され該センサを面で受け、且つ保護するセンサ保護板４ｃ３とで構成される。
【００２３】
尚、感圧式導電性センサ４ａ２、４ｂ２、４ｃ２は、その内部に、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の外力に対して導電率が変化する導電率変化部を有しており、その導電率の変化に基づいて各軸に作用する並進力の大きさを検出する。その詳細について、図３に基づいて説明する。図３は、本発明に係る６軸力センサ１に使用される感圧式導電性センサの一例について、その構成を示す図である。
【００２４】
感圧式導電性センサが並進力ｆを検出する感圧部は、外表にポリエステルフィルム層、その内部に銅インクあるいは銀インクを該ポリエステルフィルム層にスクリーン印刷機を用いてスクリーンプリントして形成される電極層、更にその電極層に包まれるように位置し、該電極層の上から感圧インクをスクリーンプリントして形成される感圧インク層とで構成される。感圧式導電性センサの外部から並進力ｆが加わると、その力が板を介して感圧インク層に伝わり、その導電率（抵抗値）が変化する。従って、この感圧インク層が、上記の導電率変化部として機能する。この板は、感圧インク層に伝わる並進力をより広い範囲に分布する分布荷重に変換し、感圧インク層での導電率の変化をより効果的に生じさせることが可能となる。
【００２５】
そこで、この感圧インク層の導電率の変化を検出することで、感圧式導電性センサに加えられた並進力ｆが算出される。尚、外力の算出に当たり、感圧インク層の導電率の変化と並進力ｆとの間に線形の相対関係があるのが好ましいが、それだけには限られない。図４に基づいて、図３に示す感圧式導電性センサを用いた並進力ｆの具体的な算出について説明する。
【００２６】
図４は、感圧式導電性センサを用いた並進力ｆを算出するための、基本的な回路構成を示す図である。尚、本実施例においては、感圧インク層の導電率に反比例する該感圧インク層の抵抗値Ｒと並進力ｆとの間には、式１で表される関係が存在する。
ｆ  ＝  α  ／  Ｒ  ・・・（式１）
αは、係数である。
【００２７】
ここで、図４に示す回路は、固定抵抗値Ｒｆを有する固定抵抗と、感圧インク層による可変抵抗値Ｒを有する可変抵抗が、電源電圧Ｖに対して直列に接続されている。ここで、電源電圧Ｖが一定であるとき、固定抵抗値Ｒｆにかかる電圧Ｖｆは、可変抵抗値Ｒの値に応じて変動する。その変動をＡＤ変換器を介してパソコン６が検出する。そして、式２に従い、可変抵抗値Ｒが算出される。
Ｒ  ＝  （Ｖ−Ｖｆ）Ｒｆ／Ｖｆ  ・・・（式２）
そして、式１および式２に従って、パソコン６は、並進力ｆを算出することが可能である。このように、本発明に係る６軸力センサ１は、感圧式導電性センサを用いて並進力を
検出する。
【００２８】
再び、図１および図２に戻り、第一検出部４の構造の説明を続ける。第一検出部４は、その完成状態では、感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれが有する各センサ保護板を介してボール４ｄが接触した状態で、ロッド４ｅ、４ｆおよび上板２が、該ボール４ｄをＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に拘束した状態とする。
【００２９】
ここで、上述したように、第一検出部４は、上板２および下板３の四隅に設けられる。そして、各隅において、感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれがボール４ｄに接触した状態となる。従って、Ｘ軸方向においては、二つのロッド４ｆの端面によって、Ｘ軸のプラス側とマイナス側のそれぞれから、それぞれのボール４ｄを介して感圧式導電性センサユニット４ａに接触し、且つその構成が二組存在する。また、Ｙ軸においても、二つのロッド４ｅの端面によって、Ｙ軸のプラス側とマイナス側のそれぞれから、それぞれのボール４ｄを介して感圧式導電性センサユニット４ｂに接触し、且つその構成が二組存在する。また、Ｚ軸方向においては、四つの第一検出部４によって、マイナス側からそれぞれのボール４ｄを介して、プラス側に位置する感圧式導電性センサユニット４ｃに接触する。これらの第一検出部４の動作については、後述する。
【００３０】
ここで、図２に示す感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃの作成方法について、図５〜図９に基づいて具体的に説明する。図５に示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向においてボール４ｄと接触する感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂと、Ｚ軸方向においてボール４ｄと接触する感圧式導電性センサユニット４ｃとは、感圧式導電性センサの感圧面の形状が異なる。これは、感圧式導電性センサの寸法と感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃの寸法上の制限による。即ち、６軸力センサの小型化を図るために、Ｘ軸方向とＹ軸方向の感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂの寸法を可及的に小さくすることが好ましいからである。
【００３１】
本実施例において使用される感圧式導電性センサは図６に示すように、テープ状になっており、一端（図面の円形部の位置する端部）がセンサの感圧面となっており、他端がリード線を介して電極となっている。これは、一般に市販されている感圧式導電性センサの標準的な形状である。この感圧式導電性センサの感圧面をＸ軸方向、Ｙ軸方向にそのまま使用すると、感圧面の寸法から感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂの大きさが大きくなり６軸力センサの小型化が阻害される。そこで、図６に示すように、センサの感圧面を三つに折り曲げて、その中央部がボール４ｄと接触するようにして感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂを作成する。
【００３２】
より具体的には、図５、７に示すように、センサ取り付け具の下にスペーサを設け、折り曲げられたセンサの感圧面の上端部が、スペーサによって作られた空間に収まるようにする。このとき、センサ感圧面の上端部に荷重が作用しないように、該上端部をセンサ取り付け具の底部に貼り付けておく。そして、ボール４ｄと接触するセンサ感圧面の中央部にはセンサ保護板を取り付ける。また、電極が延出するセンサ感圧面の下端部は上板２に接触しないように、センサ取り付け具の上面に貼り付けておく。このようにすることで、感圧式導電性センサは、センサ感圧面の中央部のみで荷重を受けることになるが、感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂの大きさを抑制することが可能となる。尚、Ｚ軸方向の感圧式導電性センサユニット４ｃについては、センサの寸法による制限は無いためセンサ感圧面を折り曲げることなく、そのままの形状で感圧式導電性センサを利用する。
【００３３】
しかし、このように感圧式導電性センサの感圧面を折り曲げて使用すると、感圧式導電性センサには外部から荷重はかかっていないものの、折り曲げによってセンサ感圧面に歪みが生じ無負荷時の感圧式導電性センサの出力が０（Ｖ）とならず、バイアス荷重ｆ０（
該センサの出力のＶｆ０（Ｖ）に相当）がかかった状態となる。そこで、ボール４ｄから受ける荷重Δｆは以下の式に従って算出される。
Δｆ  ＝  ｆ−ｆ０  ＝  α（１／Ｒ−１／Ｒ０）
但し、Ｒ０  ＝  （Ｖ−Ｖｆ０）Ｒｆ／Ｖｆ０である。
【００３４】
また、上記のように感圧式導電性センサの感圧面を折り曲げるのではなく、図８に示すように該感圧面が荷重を検知するために適当な大きさ、形状となるように、それを切断してもよい。この場合、感圧式導電性センサの感圧面を構成する電極層、感圧インク層が外気と触れて酸化等によって変質するのを防止するために、ポリエチレンフィルム等でその切断面をコーティングするのが好ましい。
【００３５】
次に、第二検出部５の構造について、図１、９、１０に基づいて説明する。一つの第二検出部５は、図９に示す、上板２に固定される下側ユニット５ａと、図１０に示す、下板３に固定される上側ユニット５ｂによって構成される。下側ユニット５ａは、コの字型をした金具５ａ１と、金具５ａ１の凹部の中央に螺合されるネジであってその端部に球形部を有するボール付きネジ５ａ２から構成される。ボール付きネジ５ａ２は、その球形部が金具５ａ１の凹部表面から突出した状態で該金具５ａ１と螺合する。
【００３６】
上側ユニット５ｂは、図１０（ａ）に示すように、凹部形状を有する金具５ｂ１と、金具５ｂ１の凹部に固定される感圧式導電性センサ５ｂ２と、該感圧式導電性センサ５ｂ２の表面に接着され該センサを保護するセンサ保護板５ｂ３とで構成される。尚、図１０（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１０（ａ）のＶ１、Ｖ２方向から、上側ユニット５ｂを見た図である。尚、感圧式導電性センサ５ｂ２は、上述の感圧式導電性センサ４ａ２、４ｂ２、４ｃ２と実質的に同質のものである。
【００３７】
ここで、上述したように、第二検出部５は、二つの第一検出部４の間の上板２と下板３の辺の中間に設けられる。そして、下側ユニット５ａの凹部（コの字の奥の部分）と上側ユニット５ｂの凹部とが組み合うように上側ユニット５ｂが下板３に固定される。そして、６軸力センサ１の組み立て時に下側ユニット５ａが上板２に固定されると、ボール付きネジ５ａ２の球形部がセンサ保護板５ｂ３と接触した状態となる。従って、第二検出部５においては、Ｚ軸方向で、プラス側からボール付きネジ５ａ２の球形部を介して、マイナス側に位置する上側ユニット５ｂの感圧式導電性センサ５ｂ２に接触する。これらの第二検出部５の動作については、後述する。
【００３８】
次に、上述した第一検出部４と第二検出部５を備える６軸力センサ１の具体的な組み立てについて、図１１、１２に基づいて説明する。先ず、図１１に示すように、上述したように下側ユニット５ａの凹部と上側ユニット５ｂの凹部とが組み合うように上側ユニット５ｂを下板３に固定する。更に、下板３の四隅に設けられた第一検出部４のそれぞれにおいて、ボール４ｄを各軸方向のセンサ保護板に接触するように配置する。
【００３９】
次に、図１２に示すように、各第一検出部４のロッド４ｅ、４ｆが固定された上板２を、各ロッド４ｅ、４ｆが、対応するボール４ｄにＸ軸方向およびＹ軸方向で接触するように下板３に被せる。それとともに、各第二検出部５の下側ユニット５ａの金具５ａ１の二つの突起部（コの字の両端部）の端面を、上板２に固定する。このとき、各第一検出部４におけるボール４ｄが対応するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸方向の感圧式導電性センサ（そのセンサ保護板）に接触し、且つ各第二検出部５におけるボール付きネジの球形部がＺ軸方向の感圧式導電性センサ（そのセンサ保護板）に接触すべく、第一検出部４および第二検出部５の各構成要素の寸法や形状が設定されている。
【００４０】
図１３に、組み立て後の６軸力センサ１の概観を示す。上板２と下板３との間には、第
一検出部４と第二検出部５の高さに応じた間隙が形成される。また、図１４に、組み立て後の６軸力センサ１を上から（Ｚ軸方向から）見た図を示す。尚、図中斜線が引かれている部分は、上板２に固定されている構成要素である。第一検出部４において、ボール４ｄは固定はされていないが、ロッド４ｅ、４ｆ、センサ保護板４ａ３、４ｂ３、４ｃ３および上板２によって拘束された状態となっている。
【００４１】
また、図１５は、組み立て後の６軸力センサ１を側面から（Ｙ軸方向から）見た図を示す。尚、図中斜線が引かれている部分は、上板２に固定されている構成要素である。第二検出部５において、ボール付きネジ５ａ２の球形部が適切にセンサ保護板５ｂ３と接触するように、ボール付きネジ５ａ２と金具５ａ１のネジの噛み合い量が調整されている。
【００４２】
ここで、図１５に示すようにボール４ｄと上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）は直接接触しているが、そのような場合、ボール４ｄと接触する上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）の材質を、表面硬さＨＲＣが６２程度の鋼とするのが好ましい。硬い材質を上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）に使用することで、ボール４ｄと上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）との接触部が、より理想的な点接触となり、ボール４ｄに発生する摩擦力を低減させることが可能となる。尚、上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）全体に、表面硬さＨＲＣが６２程度の鋼等の硬い材質が使用できない場合は、図１６に示すようにボール４ｄと上板２およびロッド４ｆ（４ｅ）との接触部７のみに、該硬い材質のあて板を併設してもよい。
【００４３】
上述のように組み立てられた６軸力センサ１における、三軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）方向における並進力と、該三軸周りのモーメントの算出について、以下に説明する。６軸力センサ１の上板２の表面中心が原点となるように、図１７のように三軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）を設定する。そして、作用部である上板２に作用する外力Ｆの、Ｘ軸方向成分をＦｘ、Ｙ軸方向成分をＦｙ、Ｚ軸方向成分をＦｚとする。更に、Ｘ軸周りのモーメントをＭｘ、Ｙ軸周りのモーメントをＭｙ、Ｚ軸周りのモーメントをＭｚとする。また、外力Ｆが上板２に作用する作用点の座標を、Ｘ−Ｙ平面上の（Ｘ、Ｙ）とする。
【００４４】
上板２に外力Ｆが作用すると、第一検出部４においては、外力の三軸方向における並進力がボール４ｄを介して各感圧式導電性センサにかかり、第二検出部５においては、外力のＺ軸方向（紙面の上方向）における並進力がボール付きネジ５ａ２の球形部を介して感圧式導電性センサ５ｂ２にかかる。そこで、上述したように、これらの感圧式導電性センサによって生じた導電率の変化に対応する電気信号がパソコン６に送られ、パソコン６がその導電率の変化に基づいて、各検出部における外力Ｆの並進力を算出する。
【００４５】
図１８に基づいて説明すると、紙面左側手前の第一検出部４によっては、Ｘ軸方向の並進力ｆ１ｘ、Ｙ軸方向の並進力ｆ１ｙ、Ｚ軸方向の並進力ｆ１ｚが検出される。また、紙面右側手前の第一検出部４によっては、Ｘ軸方向の並進力ｆ２ｘ、Ｙ軸方向の並進力ｆ２ｙ、Ｚ軸方向の並進力ｆ２ｚが検出される。また、紙面右側奥の第一検出部４によっては、Ｘ軸方向の並進力ｆ３ｘ、Ｙ軸方向の並進力ｆ３ｙ、Ｚ軸方向の並進力ｆ３ｚが検出される。また、紙面左側奥の第一検出部４によっては、Ｘ軸方向の並進力ｆ４ｘ、Ｙ軸方向の並進力ｆ４ｙ、Ｚ軸方向の並進力ｆ４ｚが検出される。更に、紙面左の第二検出部５によってはＺ軸方向の並進力ｆ５ｚが、紙面手前の第二検出部５によってはＺ軸方向の並進力ｆ６ｚが、紙面右の第二検出部５によってはＺ軸方向の並進力ｆ７ｚが、紙面奥の第二検出部５によってはＺ軸方向の並進力ｆ８ｚが、検出される。
【００４６】
ここで、図１９に、Ｙ軸方向から見た図１８に示した各検出部で検出される各軸方向の並進力と、原点から各検出部までの距離を示す。図１９に示すように、原点から左右（Ｘ軸方向）の第一検出部４までの距離は、それぞれＬ１とする。また、原点からボール４ｄの中心までのＺ方向の距離をｈとする。更に、図２０に、Ｚ軸方向から見た図１８に示し
た各検出部で検出される各軸方向の並進力と、原点から各検出部までの距離を示す。図２０に示すように、原点から前後（Ｙ軸方向）の第一検出部４までの距離は、それぞれＬ２とする。また、原点から左右（Ｘ軸方向）の第二検出部５までの距離をそれぞれＬ４とし、原点から前後（Ｙ軸方向）の第二検出部５までの距離はそれぞれＬ３とする。尚、原点から左右（Ｘ軸方向）の第一検出部４までの距離は、左右で必ずしも同一である必要はなく、適宜任意の距離を設定可能である。原点から前後（Ｙ軸方向）の第一検出部４までの距離、原点から前後（Ｙ軸方向）の第二検出部５までの距離についても同様である。
【００４７】
以上の設定により、外力ＦによるＸ、Ｙ、Ｚ軸の並進力は以下の式に従って、パソコン６の演算部によって算出される。
Ｆｘ  ＝  −ｆ１ｘ＋ｆ２ｘ＋ｆ３ｘ−ｆ４ｘ
Ｆｙ  ＝  ｆ１ｙ＋ｆ２ｙ−ｆ３ｙ−ｆ４ｙ
Ｆｚ  ＝  ｆ１ｚ＋ｆ２ｚ＋ｆ３ｚ＋ｆ４ｚ−ｆ５ｚ−ｆ６ｚ−ｆ７ｚ−ｆ８ｚ
【００４８】
更に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りのモーメントは以下の式に従って、パソコン６の演算部によって算出される。
Ｍｘ  ＝  ｆ１ｚ・Ｌ２＋ｆ２ｚ・Ｌ２−ｆ３ｚ・Ｌ２−ｆ４ｚ・Ｌ２−ｆ１ｙ・ｈ
−ｆ２ｙ・ｈ＋ｆ３ｙ・ｈ＋ｆ４ｙ・ｈ−ｆ６ｚ・Ｌ３＋ｆ８ｚ・Ｌ３
Ｍｙ  ＝  −ｆ１ｚ・Ｌ１＋ｆ２ｚ・Ｌ１＋ｆ３ｚ・Ｌ１−ｆ４ｚ・Ｌ１＋ｆ１ｘ・ｈ
−ｆ２ｘ・ｈ−ｆ３ｘ・ｈ＋ｆ４ｘ・ｈ＋ｆ５ｚ・Ｌ４−ｆ７ｚ・Ｌ４
Ｍｚ  ＝  −ｆ１ｘ・Ｌ２＋ｆ２ｘ・Ｌ２−ｆ３ｘ・Ｌ２＋ｆ４ｘ・Ｌ２
＋ｆ１ｙ・Ｌ１−ｆ２ｙ・Ｌ１＋ｆ３ｙ・Ｌ１−ｆ４ｙ・Ｌ１
【００４９】
また、上記の式より、外力Ｆが上板２に作用している作用点（Ｘ、Ｙ）の座標は、以下の式に従って、パソコン６の演算部によって算出される。
Ｘ  ＝  Ｍｙ／Ｆｚ
Ｙ  ＝  Ｍｘ／Ｆｚ
【００５０】
以上より、本実施例に係る６軸力センサ１を用いることで、歪みゲージを用いなくとも直交する三軸における並進力と、該三軸周りのモーメントを検出することが可能となる。更に、この６軸力センサ１には感圧式導電性センサを利用していることにより、６軸力センサ１の小型化および軽量化を劇的に促進することが可能となる。
【００５１】
従って、例えば、図２１に示すように、この６軸力センサを人間の足裏に取り付けることで、重量やその大きさで人間の歩行に負担をかけることなく、人間の歩行を分析するために必要な足裏にかかる床からの反力（床反力）の作用点（ＺＭＰ：Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）等が検出可能となる。また、二足歩行ロボットの足裏にこの６軸力センサを取り付けることで、ロボットの歩行制御にも応用することが可能である。
【００５２】
また、この６軸力センサを片足の裏面に一つ取り付けたときに歩行時の安定性が悪くなり歩行が困難となる場合は、図２２に示すように６軸力センサを複数個設けることも可能である。このように片足に複数個の６軸力センサを設けた場合の、その足が床から受ける反力は図２３に示すように、各６軸力センサで検出された床反力の合力として求められる。
【００５３】
ここで、複数の６軸センサを用いて足が床から受ける反力およびＺＭＰをより正確に求めるには、複数の６軸センサの相対位置を正確に検知する必要がある。そこで、例えば、図２４に示すように、各６軸力センサの一直線上にない三点（例えば、各６軸力センサの三つの隅）にカメラが認識できるマーカを設置しておき、三台以上のカメラでこのマーカの位置を測定することで各６軸力センサの位置を正確に検知し、それとこれらの６軸力セ
ンサによって検出された床反力とから、足が床から受ける反力およびＺＭＰをより正確に求めることが可能となる。
【実施例２】
【００５４】
本発明に係る６軸力センサの第二の実施例について、図２５、２６に基づいて説明する。本実施例に係る６軸力センサは、上述の第一の実施例に係る６軸力センサにおいて、第一検出部４と第二検出部５の一部構成を変更したものである。尚、第一の実施例に係る６軸力センサの構成要素と同一の機能を有する構成要素については、同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５５】
図２５は、上述の図１５と同様に、組み立て後の６軸力センサ１を側面から（Ｙ軸方向から）見た図を示す。本実施例においても、感圧式導電性センサユニット４ａ、４ｂ、４ｃの構成（センサ取り付け具４ａ等、感圧式導電性センサ４ａ２等、センサ保護板４ａ３等）は、第一の実施例と同一である。
【００５６】
ここで、本実施例に係る６軸力センサ１においては、ロッド４ｅ、４ｆに代わってロッド１５が用いられる。このロッド１５は、上板２にスペーサ１７を介して取り付けられる。スペーサ１７の高さは、６軸力センサ１の組み立て時にロッド１５がボール４ｄに適切に負荷を伝えられるように調整される。そして、本実施例では、このロッド１５に上述した第二検出部５の下側ユニット５ａの機能を付加させている。具体的には、ロッド１５の中央付近に、上板２側にボール部分を向けてボール付きネジ１６が螺着されている。更に、このボール付きネジ１６にボール部分が対向するように、上板２にボール付きネジ１８が螺着されている。
【００５７】
この一対のボール付きネジ１６、１８によって、本実施例に係る上側ユニット２０上の感圧式導電性センサが負荷を検知する。上側ユニット２０は、図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、コの字型をした金具２０ａの凹部の両表面に、感圧式導電性センサ２０ｂ、２０ｄを設置し、更に両センサ上にセンサ保護板２０ｃ、２０ｅを設置することで形成される。これらの感圧式導電性センサおよびセンサ保護板は、第一の実施例のものと同等の機能を有する。そして、このセンサ保護板２０ｃ、２０ｅに、ボール付きネジ１６、１８のボール部分がそれぞれ接触する。尚、図２５は６軸力センサ１をＹ軸方向から見た図であるが、Ｘ軸方向から６軸力センサ１を見ても同様の構成となっている。
【００５８】
このように構成される６軸力センサ１では、ロッド１５およびボール付きネジ１６が、第一の実施例におけるロッド４ｅ、４ｆおよび下側ユニット５ａと同等の機能を発揮する。即ち、ロッド１５がＸ軸方向（Ｙ軸方向）の負荷を感圧式導電性センサ４ａ２（４ｂ２）に伝え、ボール付きネジ１６、１８がＺ軸方向の負荷を感圧式導電性センサ２０ｂ、２０ｄに伝える。従って、第一の実施例における下側ユニット５ａを省略できるため、６軸力センサ１の小型化に寄与し得る。
【００５９】
更に、本実施例に係る６軸力センサ１では、上板２に作用する力（鉛直下方向の力）を第一検出部４の感圧式導電性センサ４ｃ２と、上側ユニット２０に設けられた感圧式導電性センサ２０ｄの二つによって検出することが可能となる。そのため、一つの感圧式導電性センサに掛かる負荷（分力）が小さくなる。ここで、一般に、市販の感圧式導電性センサは、その負荷の測定範囲が広いほど測定精度が低下する傾向がある。従って、本実施例に係る６軸力センサのように上板２に作用する力を二つの感圧式導電性センサで分けて検出することで、一つの感圧式導電性センサに掛かる負荷を小さくし、以て負荷の測定精度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施例に係る６軸力センサの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る６軸力センサの第一検出部の、下板側の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る６軸力センサにおいて使用される感圧式導電性センサの概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る６軸力センサにおいて、感圧式導電性センサにかかる力を検出するための基本回路を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る６軸力センサを構成する感圧式導電性センサユニットの詳細な構成を表す第一の図である。
【図６】本発明の実施例に係る６軸力センサで使用する感圧式導電性センサの感圧面の折り曲げの様子を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る６軸力センサを構成する感圧式導電性センサユニットの詳細な構成を表す第二の図である。
【図８】本発明の実施例に係る６軸力センサで使用する感圧式導電性センサの感圧面の切断の様子を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る６軸力センサの第二検出部の下側ユニットの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る６軸力センサの第二検出部の上側ユニットの構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立工程を示す第一の図である。
【図１２】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立工程を示す第二の図である。
【図１３】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立後の概観図である。
【図１４】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立後の、上板を省略して上から見た図である。
【図１５】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立後の側面から見た第一の図である。
【図１６】本発明の実施例に係る６軸力センサの組立後の側面から見た第二の図である。
【図１７】本発明の実施例に係る６軸力センサに設定された三軸の状態と、該センサに作用する外力の様子を表す図である。
【図１８】本発明の実施例に係る６軸力センサに外力が作用したときの、各検出部によって検出された並進力の様子を表す第一の図である。
【図１９】本発明の実施例に係る６軸力センサに外力が作用したときの、各検出部によって検出された並進力の様子を表す第二の図である。
【図２０】本発明の実施例に係る６軸力センサに外力が作用したときの、各検出部によって検出された並進力の様子を表す第三の図である。
【図２１】本発明の実施例に係る６軸力センサを人間の足の裏に設置し、歩行時に床から受ける床反力の検出の様子を示す図である。
【図２２】人間の足の裏への、本発明の実施例に係る６軸力センサの設置方法を示す図である。
【図２３】本発明の実施例に係る６軸力センサを複数個人間の足の裏に設置した際の、足にかかる床反力の算出について説明する図である。
【図２４】本発明の実施例に係る６軸力センサを複数個人間の足の裏に設置した際の、６軸力センサの位置を検出する様子を示す図である。
【図２５】本発明の第二の実施例に係る６軸力センサの組み立て後の側面から見た図である。
【図２６】本発明の第二の実施例に係る６軸力センサの上側ユニットの構成を示す図である。
【図２７】歪みゲージを使用した従来の６軸力センサの概略構成を示す図である。
【００６１】
１・・・・６軸力センサ
２・・・・上板
３・・・・下板
４・・・・第一検出部
４ａ、４ｂ、４ｃ・・・・感圧式導電性センサユニット
４ａ１、４ｂ１・・・・センサ取り付け具
４ａ２、４ｂ２、４ｃ２・・・・感圧式導電性センサ
４ａ３、４ｂ３、４ｃ３・・・・センサ保護板
４ｄ・・・・ボール
４ｅ、４ｆ・・・・ロッド
５・・・・第二検出部
５ａ・・・・下側ユニット
５ａ１・・・・金具
５ａ２・・・・ボール付きネジ
５ｂ・・・・上側ユニット
５ｂ１・・・・金具
５ｂ２・・・・感圧式導電性センサ
５ｂ３・・・・センサ保護板
６・・・・パソコン
７・・・・接触部
【図１】
2007108079.tif 000003
【図２】
2007108079.tif 000004
【図３】
2007108079.tif 000005
【図４】
2007108079.tif 000006
【図５】
2007108079.tif 000007
【図６】
2007108079.tif 000008
【図７】
2007108079.tif 000009
【図８】
2007108079.tif 000010
【図９】
2007108079.tif 000011
【図１０】
2007108079.tif 000012
【図１１】
2007108079.tif 000013
【図１２】
2007108079.tif 000014
【図１３】
2007108079.tif 000015
【図１４】
2007108079.tif 000016
【図１５】
2007108079.tif 000017
【図１６】
2007108079.tif 000018
【図１７】
2007108079.tif 000019
【図１８】
2007108079.tif 000020
【図１９】
2007108079.tif 000021
【図２０】
2007108079.tif 000022
【図２１】
2007108079.tif 000023
【図２２】
2007108079.tif 000024
【図２３】
2007108079.tif 000025
【図２４】
2007108079.tif 000026
【図２５】
2007108079.tif 000027
【図２６】
2007108079.tif 000028
【図２７】
2007108079.tif 000029