センサモジュールおよび力センサ
【課題】計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】外部より押圧される鋼板１７と、作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有する感圧式導電性センサ１１であって、鋼板１７を介して作用した力に応じた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１１と、鋼板１７を介して感圧式導電性センサ１１に作用し得る力の一部を受けることで、外部からの押圧の力のうち、感圧式導電性センサ１１に作用する力を減らす弾性部材１２と、を備えた。
【解決手段】外部より押圧される鋼板１７と、作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有する感圧式導電性センサ１１であって、鋼板１７を介して作用した力に応じた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１１と、鋼板１７を介して感圧式導電性センサ１１に作用し得る力の一部を受けることで、外部からの押圧の力のうち、感圧式導電性センサ１１に作用する力を減らす弾性部材１２と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力またはモーメントを計測する力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、力またはモーメントを計測する力センサとして、力の検出にひずみゲージを用いた力センサがある。
【０００３】
また、外部からの圧力に応じて導電率が変化する性質を有する導電率変化部を有する感圧式導電性センサに関する技術があり（特許文献１〜４を参照）、このような感圧式導電性センサを用いて並進力およびモーメントを計測する６軸力センサに関する技術がある（特許文献５を参照）。
【特許文献１】特開２００１−０９３７０７号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４０９８号公報
【特許文献３】特開平１０−０７８３５７号公報
【特許文献４】特開昭５４−０５７６８０号公報
【特許文献５】特開２００７−１０８０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、力またはモーメントを計測する力センサとして、力の検出にひずみゲージを用いた力センサが広く用いられている。しかし、このひずみゲージを用いた力センサでは、ひずみ部を配置する必要があるため、ひずみ部を配置する空間が必要になり、センサの小型化が困難である。また、そのひずみ部において作用する力と生じるひずみの関係が線形となるように、ひずみ部の加工に高い加工精度が要求される。
【０００５】
そこで、ひずみゲージを用いずに、外部からの圧力に応じて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た感圧式導電性センサを用いて外力を計測する６軸力センサに関する技術が公開されている（特許文献５を参照）。
【０００６】
感圧式導電性センサは、外部からの圧力に応じて導電率が変化する導電率変化部をセンサ内部に有することで、力に応じた導電率の変化を検出するセンサである（図１８を参照）。また、感圧式導電性センサは、電極で計測器と接続され、計測器は、導電率によって変化する電圧に基づいて、感圧式導電性センサに加えられた圧力を算出する。感圧式導電性センサは感圧面を有し、感圧面（センシングエリア）には、感圧面内に収まるように鋼板が両面テープあるいは接着剤で接着される（図１９を参照）。
【０００７】
このような構成を有する感圧式導電性センサを用いて力を計測すると、鋼板に作用する力は、すべてセンサの感圧面のみに負荷する（図２０を参照）。このため、鋼板に作用する力を計測する際に、センサで計測可能な最大荷重までは計測出来るが、センサ性能を超える力が加わった時には精度が低下し、実質的には計測が困難になる。特に、市販されている感圧式導電性センサは、バリエーションが少なく、計測出来る荷重の上限に制限がある。このため、市販の感圧式導電性センサをそのまま用いて作成した力センサでは、計測出来る力に制限が加えられる。
【０００８】
本発明は、上記した問題に鑑み、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記した課題を解決するために、免荷手段を備え、この免荷手段と感圧式導電性センサとに力が分散される構造のセンサモジュールとすることで、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することを可能とした。
【００１０】
詳細には、本発明は、外部より押圧される被押圧部と、作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有し、前記被押圧部を介して作用した力に応じた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、前記被押圧部を介して前記感圧式導電性センサに作用し得る力の一部を受けることで、前記外部からの押圧の力のうち、前記感圧式導電性センサに作用する力を減らす免荷部と、を備える、センサモジュールである。
【００１１】
ここで、センサモジュールとは、作用する力を計測するためのセンサを構成する要素であり、被押圧部にかかった力を計測するための装置である。センサモジュールの使用時には、感圧式導電性センサより出力されるセンサ信号に基づいて、このセンサ信号を受信したコンピュータ等によって被押圧部にかかった力が算出される。
【００１２】
本発明に係るセンサモジュールでは、該センサモジュールが免荷部を備えることによって、実際の計測対象の力である被押圧部にかかった力よりも小さい力が感圧式導電性センサにかかることとなる。この実際の計測対象の力よりも小さい力に応じた導電率の変化に基づいて、実際の計測対象の力を算出することとしているため、本発明に係るセンサモジュールは、使用している感圧式導電性センサの計測範囲の上限を超える力を計測することが可能となる。
【００１３】
換言すると、感圧式導電性センサへ掛かる荷重は、免荷部へ分散された分だけ減少するために、結果としてセンサモジュールへは感圧式導電性センサの計測範囲の上限を超える荷重をかけることが可能となる。本発明に拠れば、目的とする計測荷重に合わせて免荷部を選定することにより種々の計測範囲のセンサモジュールを製作することが出来る。
【００１４】
また、本発明において、前記感圧式導電性センサは、前記被押圧部に接することで、前記押圧の力を受ける感圧面を有し、前記免荷部は、前記被押圧部のうち、前記感圧面が接していない部分に接していることで、前記被押圧部が押圧された場合に、前記感圧式導電性センサと共に圧縮される弾性部材を有してもよい。
【００１５】
免荷部を弾性部材とし、感圧式導電性センサと弾性部材とが共に圧縮される構造とすることで、圧縮されることによって導電率を変化させる感圧式導電性センサの機能が免荷部によって妨害されることなく、力の分散を行い、計測範囲の上限を広げることが可能となる。
【００１６】
また、本発明において、前記被押圧部における前記感圧面および前記弾性部材に接する面は平面であり、前記弾性部材は、前記感圧式導電性センサの周囲に、前記被押圧部に接する面が前記感圧面と同一平面上となるように設けられてもよい。
【００１７】
力を感圧式導電性センサに伝達する面、および弾性部材に伝達する面が共に同一の平面を形成することで、被押圧部にかかった力の分散が均等となり、正確な計測結果を得やすくすることが可能である。
【００１８】
また、本発明は、互いに重ならない複数の軸方向への力に応じた導電率の変化を夫々検出するように設けられた複数のセンサモジュールを備える、力センサである。
【００１９】
本発明に拠れば、力センサの用途（必要な計測範囲）に応じて、適切なセンサモジュールを作成し、力センサに組み込むことにより、用途に合わせた力センサを製作することが可能となる。
【００２０】
また、例えば、検出した力から３軸の並進力および３軸周りのモーメントを算出するための６軸センサに、本発明に係るセンサモジュールを備えることで、既存の感圧式導電性センサを用いて、用途に合わせた計測範囲の上限を有する６軸力センサを製作することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によって、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係るセンサモジュールおよび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。
【００２３】
＜センサモジュールの構成＞
図１は、鋼板１７が取り付けられていない状態のセンサモジュール１０を示す平面概略図であり、図２は、本実施形態における、鋼板１７が取り付けられた状態のセンサモジュール１０を示す平面概略図である。また、図３は、本実施形態におけるセンサモジュール１０の断面概略図である。感圧式導電性センサ１１の周囲には、感圧式導電性センサ１１と同じ厚みを有する弾性部材１２が配置されている（図３を参照）。また、感圧面１３以上の広さを有し、本発明の被押圧部に相当する鋼板１７（ＪＩＳ Ｂ０６０１による算術平均粗さが０．００８〜２５μｍの鋼板。本実施形態では算術平均粗さ１．６μｍの鋼板を使用）が、感圧面１３および弾性部材１２にかかるように感圧面１３と弾性部材１２に接着される。また、弾性部材１２および感圧式導電性センサ１１はセンサ取り付け板１４に接着される。また、感圧式導電性センサは、電極１５、１６で計測器と接続される。なお、センサモジュール１０に使用する弾性部材１２は、鋼板１７に沿った形状であってもよい（図４の符号１２ｂを参照）。なお、本実施形態において、弾性部材１２はＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）であるが、免荷手段として求められる特性（例えば、後述するヤング率）を有する弾性部材１２であれば、その他の素材（例えば、高分子材料、ゴム、金属等）が採用されてもよい。
【００２４】
図５は、本実施形態における感圧式導電性センサ１１の構成を示す図である。感圧式導電性センサ１１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を有する。感圧式導電性センサ１１の外部からの力Ｗfが加わると、その力が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、導電率変化部として機能する。
【００２５】
ここで、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１１に加えられた力が算出される。なお、力の算出に当たり、感圧インク層の導電率の変化と力との間に線形の相対関係があるのが好ましい。また、本実施形態において用いられる感圧式導電性センサ１１は、０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の厚さを有することが、高い感度および強度を得る上で好ましく、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さを有することが更に好ましい。
【００２６】
このようなセンサモジュール１０の鋼板１７に力Ｗfを作用させると、力は、感圧式導
電性センサ１１の感圧面１３だけでなく弾性部材１２にも分散する。このため、感圧面１３へ作用する力は弾性部材１２に分散された分だけ減少する（図３を参照）。結果として、本センサモジュール１０の鋼板１７へは感圧式導電性センサ１１の本来の計測範囲の上限を超える力をかけることが可能となる。
【００２７】
即ち、本実施形態に係るセンサモジュール１０によれば、センサモジュール１０に感圧式導電性センサ１１の計測範囲の上限を超える力が加わった場合でも、感圧式導電性センサ１１の導電率は計測可能な範囲内にあるために、この導電率から、実際にセンサモジュール１０に加わった力を算出することが可能となる。
【００２８】
＜計測理論＞
本センサモジュール１０の鋼板１７に力Ｗfが加えられたとする。このとき、弾性部材
１２に加わる力をＦe、センサ感圧面１３に掛かる力をＦsとすると、次式が成り立つ。
【数１】
【００２９】
図６は、本実施形態におけるセンサモジュール１０の断面概略図である。以下の計算において、鋼板１７は弾性部材１２やセンサ感圧面１３と比較して十分硬いため、剛体とみなすこととする。図６に示すように、鋼板１７に力Ｗfが加えられたときに、鋼板１７は
変形せず、弾性部材１２およびセンサ感圧面１３の厚さｔがΔｘだけ力Ｗf方向に弾性変
形したとすると、以下の式が成り立つ。
【数２】
【数３】
なお、ここで、ｋeは弾性部材１２の剛性係数、ｋsはセンサ感圧面１３の剛性係数である。
【００３０】
図７は、本実施形態における感圧面１３および弾性部材１２の面積を示す平面概略図である。弾性部材１２のヤング率をＥe、鋼板１７と弾性部材１２が接触している面積（以
下、「弾性部材１２の面積」と称する。）をＡ、感圧式導電性センサ１１本体のヤング率をＥs、感圧式導電性センサ１１本体の面積をＢ、弾性部材１２および感圧式導電性セン
サ１１本体の厚みをｔ（図６を参照）とすると、弾性部材１２の剛性係数ｋeとセンサ感
圧面１３の剛性係数ｋsは、以下の式で表すことが出来る。
【数４】
【数５】
【００３１】
ここで、式（４）、（５）を式（２）、（３）に代入すると、以下の式が得られる。
【数６】
【数７】
【００３２】
そして、式（１）に式（６）、（７）を代入することで、以下の式が得られる。
【数８】
【００３３】
即ち、力Ｗfと弾性変形の量Δｘとは対応関係を有するため、Δｘに伴って変化する導
電率からＷfを算出することが可能である。
【００３４】
＜感圧式導電性センサ本体のヤング率の推定方法＞
次に、感圧式導電性センサ１１本体のヤング率Ｅsの推定方法を説明する。図８は、本
実施形態において、荷重試験器を用いて感圧式導電性センサ１１またはセンサモジュール１０に作用する力と電圧との関係を計測する方法を示す図である。荷重試験器の可動部にはボール付きビスが取り付けられている。ボール付きビスの下方には検定を行う感圧式導電性センサ１１が取り付けプレートに取り付けられており、その感圧式導電性センサ１１の要部は、図９にセンサとして示されている。取り付けプレートは荷重試験器に取り付けられた力覚センサ（ニッタ株式会社製ＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａ）に取り付けられている。荷重試験器の可動部は上下に移動し、検定する感圧式導電性センサ１１に可動部先端のボールから鋼板を介して力が加えられる。加えられた力Ｗfは、力覚センサＩＦＳ−１００
Ｍ４０Ａにより計測される。
【００３５】
図９は、本実施形態において、感圧式導電性センサ１１のセンサ信号に基づいて、感圧式導電性センサ１１に掛けられた力を計測するためのシステム構成を示す図である。検定する感圧式導電性センサ１１は、ＡＤ変換器を介してコンピュータに接続され、コンピュータは、感圧式導電性センサ１１より出力されたセンサ信号（本実施形態では、電圧）に基づいて、感圧式導電性センサ１１に掛けられた力を計測する。
【００３６】
はじめに、感圧式導電性センサ１１の感圧面１３内に鋼板（感圧面１３と同じサイズの鋼板）を両面テープで接着し、従来型のセンサモジュールを作成する（図１９および図２０を参照）。そして、鋼板に力Ｆs（感圧面１３に作用する力）を掛けていき、出力され
るセンサ信号（出力電圧）を計測し、以下に示す力と電圧との関係式（出力電圧を力に換算する式）を最小２乗法を用いて求める。
【数９】
【００３７】
次に、鋼板を取り外した前記と同じ感圧式導電性センサ１１を使用し、そして本センサモジュール１０の弾性部材１２として、既知のヤング率Ｅeを有する弾性部材１２を使用
して本発明に係るセンサモジュール１０を作成する。次いでセンサモジュール１０の鋼板
１７に力Ｗfを掛けていくと、センサ感圧面１３に作用している力Ｆsは、センサの出力電圧より式（９）を用いて求めることが出来る。そして、次式を用いることで、弾性部材１２に作用する力Ｆeを求めることが出来る。
【数１０】
【００３８】
ここで、式（６）、（７）より、Δｘを消去して、Ｅsについて求めると、次式が得ら
れる。
【数１１】
【００３９】
式（１１）において、Ｅe（弾性部材１２のヤング率）、Ａ（弾性部材１２の面積）、
Ｂ（感圧面１３の面積）は既知である。また、センサ感圧面１３に作用している力Ｆsと
弾性部材１２に作用する力Ｆeは上記方法で求められる。このため、式（１１）を用いて
感圧面１３のヤング率を求めることが出来る。
【００４０】
＜所望の最大計測荷重まで計測するための弾性部材の選定方法＞
次に、所望の最大計測荷重まで計測するための弾性部材の選定方法について説明する。所望の最大計測荷重をＷmax、感圧式導電性センサ１１で計測可能な荷重の上限値をＷlimとすると、式（７）より、以下の式が導かれる。
【数１２Ａ】
【数１２Ｂ】
【００４１】
所望の最大計測荷重はＷmaxであるので、Ｗmaxが作用したときのΔｘを式（８）より求めると、以下の式が求められる。
【数１３】
【００４２】
そして、式（１２Ｂ）、（１３）より、所望の最大計測荷重Ｗmaxまで計測するための
弾性部材１２のヤング率Ｅeが導かれる。
【数１４Ａ】
より、
【数１４Ｂ】
【００４３】
即ち、式（１４Ｂ）を満たすヤング率の弾性部材１２を用いた場合、所望の最大計測荷重Ｗmaxがセンサモジュール１０の鋼板１７に作用しても、センサ感圧面１３にはセンサ
の計測可能な荷重の上限値Ｗlim以下の荷重が作用する。このため、所望の最大計測荷重
Ｗmaxを計測することが出来る。
【００４４】
＜本モジュールを用いて力を計測する方法＞
次に、本実施形態に係るセンサモジュール１０を用いて力を計測する方法について説明する。予め、図８に示したような荷重試験器を用いて、本センサモジュール１０の鋼板１７に荷重Ｗfを掛けていき、センサ・センサ回路より得られたセンサ信号（出力電圧）と
、力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａより得られた荷重を計測する。そして、得られたセンサ信号と荷重との関係を示す関係式を、最小２乗法等を用いて求める。
【数１５】
【００４５】
そして、センサ信号（出力電圧）を実際に力センサ等に組み入れて使用する際には、出力されたセンサ信号（出力電圧）を式（１５）に代入して、センサモジュール１０に掛けられた力を算出する。なお、本実施形態では、実測結果に基づいた関係式を予め用意し、この関係式を用いて力を算出しているが、センサ信号と荷重との関係を示すマップ等を用いて算出してもよいし、感圧式導電性センサ１１自体から得られた荷重情報（即ち、免荷手段を用いない状態におけるセンサ信号と荷重の関係から算出された荷重情報）と、感圧式導電性センサ１１、弾性部材１２のヤング率および面積とから計算によって算出してもよい。
【００４６】
＜感圧面に掛かる荷重と弾性部材に掛かる荷重の分配＞
上記の感圧式導電性センサ１１本体のヤング率Ｅsの推定方法を用いて、市販の感圧式
導電性センサ（ニッタ株式会社製Ｆｌｅｘｉ Ｆｏｒｃｅ ボタンセンサＡ２０１−１００）の感圧面１３におけるヤング率Ｅsを求めた結果、６１７．６[ｋｇｆ／ｍｍ2]であった。この感圧式導電性センサ１１の最大計測荷重はＷlim＝４４０Ｎ（≒４４．９ｋｇｆ
）である。また、感圧面１３は直径９．５ｍｍの円形であるので、感圧面１３の面積Ｂは７０．９ｍｍ2となる。
【００４７】
一例として、このセンサを用いて最大荷重Ｗmax＝７００Ｎまで計測出来るセンサモジ
ュール１０を製作する場合を考える。ここで、調節可能な要素は、式（１４Ｂ）より、弾性部材１２のヤング率Ｅeと弾性部材１２の面積Ａである。
【００４８】
センサモジュール１０に使用する鋼板１７を直径１６ｍｍの円板とし、その中心を円形感圧面１３の中心に合わせて設置すると、弾性部材１２の面積Ａは、次式のように求められる。
Ａ＝π（８）2（鋼板１７の面積）―７０．９（感圧面１３の面積）＝１３０．１ｍｍ2
したがって、仮に、直径１６ｍｍの円形鋼板１７を用いた場合において、最大計測荷重７００Ｎのセンサモジュール１０を作成するために必要な弾性部材１２のヤング率は、式（１４Ｂ）より、
【数１６】
となる。
【００４９】
式（１６）より、例えば、ヤング率２８２．３[ｋｇｆ／ｍｍ2]のＰＥＴを弾性部材１
２として選定することが出来る。
【００５０】
厚み１ｍｍで直径１６ｍｍの円形鋼板１７、市販の感圧式導電性センサ（ニッタ株式会社製Ｆｌｅｘｉ Ｆｏｒｃｅ ボタンセンサＡ２０１−１００）およびヤング率２８２．３[ｋｇｆ／ｍｍ2]のＰＥＴを用いてセンサモジュール１０を製作し、センサモジュール
１０の鋼板１７に荷重を掛けた場合に、感圧面１３と弾性部材１２に荷重が分散されているかを調べた結果を図１０に示す。図１０において縦軸と横軸はセンサモジュール１０に掛けた力を示しており、各棒グラフの斜線部はセンサ感圧面１３に作用した力Ｆs（セン
サからの出力電圧を式（９）に代入して求めた値）を、灰色部は弾性部材１２に作用した力Ｆe（＝Ｗf−Ｆs）を各々示している。図１０より、７００Ｎを本センサモジュール１
０に作用させたときでも、弾性部材１２に力が分散され、センサ感圧面１３には最大計測荷重４４０Ｎ以下の荷重が加わっていることがわかる。
【００５１】
なお、本実験結果は、導電性センサのヒステリシス（荷重を増加させていった場合と荷重を減少させていった場合ではセンサから異なる信号が出力されてしまう現象）も含めて計測するために、荷重を１００Ｎから７００Ｎまで１００Ｎずつ増加させていった後、７００Ｎから１００Ｎまで１００Ｎずつ除荷していき、各荷重毎に感圧面１３に作用した力を計測している。これを１０回繰り返し行い、１０回分のデータの平均値を図１０に示している。
【００５２】
＜センサモジュールを用いて力を計測する方法＞
上記実験で製作したセンサモジュール１０を用いて、センサモジュール１０の鋼板１７に荷重を掛けていき、センサより出力される電圧と加えた力のデータから、最小２乗法を用いて、出力電圧と力との関係式（式（１５））を求めた。この実験においても、導電性センサのヒステリシスも含めて計測するために、荷重を１００Ｎから７００Ｎまで１００Ｎずつ増加させていった後、７００Ｎから１００Ｎまで１００Ｎずつ除荷していき、各荷重毎に計測し、１０回分のデータを収集した。図１１は、上記実験の結果を示す図である。図１１の横軸はセンサモジュール１０に加えた力、縦軸はセンサモジュール１０より得られた電圧値から式（１５）を用いて換算した力を示している。センサモジュール１０に加えた各力に対して、センサモジュール１０より求められた１０回分の力のデータの平均値を点でプロットしており、エラーバーは各力に対する１０回分のデータの最大値と最小値を示している。
【００５３】
図１１より、センサモジュール１０に加えた力とセンサモジュール１０から出力された力はほぼ一致していることがわかる（最大誤差は±５％ＦＳ（フルスケールに対する誤差の％）以下であった）。なお、本発明の発明者は、同様のセンサモジュール１０を８個作成し、同じ実験を行ったが、８個とも本結果と同じ結果が得られた。
【００５４】
＜センサモジュールを用いた６軸力センサ＞
図１２は、本実施形態に係るセンサモジュール１０を備える６軸力センサを示す分解図であり、図１３は、本実施形態に係るセンサモジュール１０を備える６軸力センサを示す側面図である。６軸力センサ１は、任意に設定される互いに直交する３軸方向における並進力と、該３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。なお、本実施形
態において、６軸力センサ１に対応する３軸は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸であり、これらの３軸は互いに直交する。
【００５５】
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、下板３と、６軸力センサ１に対応する３軸の一部の軸方向における並進力（±Ｘ方向、±Ｙ方向、および＋Ｚ方向の並進力）を電気的に検出する第一検出部４と、３軸のうち残りの軸方向における並進力（−Ｚ方向の並進力）を電気的に検出する第二検出部５とを備える。上板２および下板３は、ほぼ同型の板材であり、本実施形態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る。
【００５６】
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変換器を介してコンピュータに送られ、コンピュータの演算部によって、３軸方向の並進力および該３軸周りのモーメントが算出される（図示は省略する）。
【００５７】
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センサモジュール４ａ、４ｂ、４ｃと、球体のボール４ｄと、上板２に固定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。ここで、Ｚ軸方向に対応するセンサモジュール４ｃは下板３に直接設けられるが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に対応するセンサモジュール４ａ、４ｂは、下板３に設けられた金具４ｇを介して設けられる。
【００５８】
ここで、ボール４ｄは、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、各軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように配置される。第一検出部４の各構成要素の寸法や形状は、第一検出部４におけるボール４ｄが対応するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように設定されている。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、センサモジュール４ａ、４ｂ、４ｃおよび上板２によって拘束された状態となっている。
【００５９】
第二検出部５は、上板２に固定される下側ユニット５ａと、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。また、上側ユニット５ｂは、凹部形状を有する金具５ｂ１と、金具５ｂ１の凹部に固定されるセンサモジュール５ｂ２とで構成される。
【００６０】
ここで、上側ユニット５ｂは、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下板３に固定される。そして、ボール付きネジ５ａ２の球形部がセンサモジュール５ｂ２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のセンサモジュール５ｂ２に接触する。第二検出部５の各構成要素の寸法や形状は、第二検出部５におけるボール付きネジの球形部がＺ軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように設定されている。但し、第二検出部５の下側ユニット５ａは、コの字型をした金具５ａ１と、金具５ａ１の中央に設けられた半球状の窪み５ａ４と、半球状の窪み５ａ４に挿入されるボール５ａ３とから構成されてもよい（図１４を参照）。この場合、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下板３に固定されると、ボール５ａ３はセンサモジュール５ｂ２に点接触する。
【００６１】
本実施形態に係る６軸力センサに拠れば、所望の最大計測荷重に合わせて、弾性部材１２あるいは鋼板１７を上述した方法で適切に選定したセンサモジュールを用いることによ
り、用途にあった計測範囲を有する６軸力センサとすることが出来る。特に、この６軸力センサを人の足底に取り付け、足裏に作用する床反力およびその作用点を計測する場合（図１５を参照）、鉛直下方向の力が他の方向と比較して大きいため、鉛直下方向の力を計測する感圧式導電性センサの計測範囲の上限が重要である。
【００６２】
そこで、本発明の発明者は、鉛直下方向の力の計測部に本センサモジュールを適用し、６軸力センサを試作した。更に、荷重試験器を用い、６軸力センサを取り付けプレートに固定し、試作した６軸力センサの上板に荷重を加えて実験を行った（図１６を参照）。なお、図１６に示す荷重試験器の構成は図５に示す荷重試験器と概略同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
図１７は、上記実験の結果の代表例を示す図である。図１７の横軸は時間、縦軸は鉛直下向きの力を示している。図１７において、実線は鉛直下方向の力の計測部に本センサモジュール組み込み試作した６軸力センサを用いて計測された力を示している。また、破線は力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測された力を示している。図１７より、試作した６軸力センサを用いて計測された力と力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測された力は、ほぼ一致していることがわかる。このことから、本センサモジュールを６軸力センサに適用することは十分可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施形態における、鋼板が取り付けられていない状態のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図２】実施形態における、鋼板が取り付けられた状態のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図３】実施形態におけるセンサモジュールの断面概略図である。
【図４】鋼板が取り付けられていない状態のセンサモジュールのその他の実施形態を示す平面概略図である。
【図５】実施形態における感圧式導電性センサの構成を示す図である。
【図６】実施形態におけるセンサモジュールの断面概略図である。
【図７】実施形態における感圧面および弾性部材の面積を示す平面概略図である。
【図８】実施形態において、荷重試験器を用いて感圧式導電性センサまたはセンサモジュールに作用する力と電圧との関係を計測する方法を示す図である。
【図９】実施形態において、感圧式導電性センサのセンサ信号に基づいて、感圧式導電性センサに掛けられた力を計測するためのシステム構成を示す図である。
【図１０】実施形態に係るセンサモジュールの鋼板に荷重を掛けた場合に、感圧面と弾性部材に荷重が分散されているかを調べた結果を示す図である。
【図１１】実施形態において、センサモジュールによって計測された力と、力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測した力との関係を調べた実験結果を示す図である。
【図１２】実施形態に係るセンサモジュールを備える６軸力センサを示す分解図である。
【図１３】実施形態に係るセンサモジュールを備える６軸力センサを示す側面図である。
【図１４】実施形態に係る第二検出部のバリエーションを示す図である。
【図１５】実施形態に係る６軸力センサの適用例を示す図である。
【図１６】実施形態において、試作した６軸力センサを荷重試験器を用いて試験する方法を示す図である。
【図１７】実施形態において、試作した６軸力センサを荷重試験器を用いて試験した実験の結果の代表例を示す図である。
【図１８】鋼板が取り付けられていない状態の感圧式導電性センサを示す平面概略図である。
【図１９】鋼板が取り付けられた状態の従来のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図２０】従来のセンサモジュールの断面概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ６軸力センサ
１０ センサモジュール
１１ 感圧式導電性センサ
１２ 弾性部材（免荷部）
１３ 感圧面
１４ センサ取り付け板
１７ 鋼板（被押圧部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力またはモーメントを計測する力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、力またはモーメントを計測する力センサとして、力の検出にひずみゲージを用いた力センサがある。
【０００３】
また、外部からの圧力に応じて導電率が変化する性質を有する導電率変化部を有する感圧式導電性センサに関する技術があり（特許文献１〜４を参照）、このような感圧式導電性センサを用いて並進力およびモーメントを計測する６軸力センサに関する技術がある（特許文献５を参照）。
【特許文献１】特開２００１−０９３７０７号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４０９８号公報
【特許文献３】特開平１０−０７８３５７号公報
【特許文献４】特開昭５４−０５７６８０号公報
【特許文献５】特開２００７−１０８０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、力またはモーメントを計測する力センサとして、力の検出にひずみゲージを用いた力センサが広く用いられている。しかし、このひずみゲージを用いた力センサでは、ひずみ部を配置する必要があるため、ひずみ部を配置する空間が必要になり、センサの小型化が困難である。また、そのひずみ部において作用する力と生じるひずみの関係が線形となるように、ひずみ部の加工に高い加工精度が要求される。
【０００５】
そこで、ひずみゲージを用いずに、外部からの圧力に応じて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た感圧式導電性センサを用いて外力を計測する６軸力センサに関する技術が公開されている（特許文献５を参照）。
【０００６】
感圧式導電性センサは、外部からの圧力に応じて導電率が変化する導電率変化部をセンサ内部に有することで、力に応じた導電率の変化を検出するセンサである（図１８を参照）。また、感圧式導電性センサは、電極で計測器と接続され、計測器は、導電率によって変化する電圧に基づいて、感圧式導電性センサに加えられた圧力を算出する。感圧式導電性センサは感圧面を有し、感圧面（センシングエリア）には、感圧面内に収まるように鋼板が両面テープあるいは接着剤で接着される（図１９を参照）。
【０００７】
このような構成を有する感圧式導電性センサを用いて力を計測すると、鋼板に作用する力は、すべてセンサの感圧面のみに負荷する（図２０を参照）。このため、鋼板に作用する力を計測する際に、センサで計測可能な最大荷重までは計測出来るが、センサ性能を超える力が加わった時には精度が低下し、実質的には計測が困難になる。特に、市販されている感圧式導電性センサは、バリエーションが少なく、計測出来る荷重の上限に制限がある。このため、市販の感圧式導電性センサをそのまま用いて作成した力センサでは、計測出来る力に制限が加えられる。
【０００８】
本発明は、上記した問題に鑑み、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記した課題を解決するために、免荷手段を備え、この免荷手段と感圧式導電性センサとに力が分散される構造のセンサモジュールとすることで、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することを可能とした。
【００１０】
詳細には、本発明は、外部より押圧される被押圧部と、作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有し、前記被押圧部を介して作用した力に応じた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、前記被押圧部を介して前記感圧式導電性センサに作用し得る力の一部を受けることで、前記外部からの押圧の力のうち、前記感圧式導電性センサに作用する力を減らす免荷部と、を備える、センサモジュールである。
【００１１】
ここで、センサモジュールとは、作用する力を計測するためのセンサを構成する要素であり、被押圧部にかかった力を計測するための装置である。センサモジュールの使用時には、感圧式導電性センサより出力されるセンサ信号に基づいて、このセンサ信号を受信したコンピュータ等によって被押圧部にかかった力が算出される。
【００１２】
本発明に係るセンサモジュールでは、該センサモジュールが免荷部を備えることによって、実際の計測対象の力である被押圧部にかかった力よりも小さい力が感圧式導電性センサにかかることとなる。この実際の計測対象の力よりも小さい力に応じた導電率の変化に基づいて、実際の計測対象の力を算出することとしているため、本発明に係るセンサモジュールは、使用している感圧式導電性センサの計測範囲の上限を超える力を計測することが可能となる。
【００１３】
換言すると、感圧式導電性センサへ掛かる荷重は、免荷部へ分散された分だけ減少するために、結果としてセンサモジュールへは感圧式導電性センサの計測範囲の上限を超える荷重をかけることが可能となる。本発明に拠れば、目的とする計測荷重に合わせて免荷部を選定することにより種々の計測範囲のセンサモジュールを製作することが出来る。
【００１４】
また、本発明において、前記感圧式導電性センサは、前記被押圧部に接することで、前記押圧の力を受ける感圧面を有し、前記免荷部は、前記被押圧部のうち、前記感圧面が接していない部分に接していることで、前記被押圧部が押圧された場合に、前記感圧式導電性センサと共に圧縮される弾性部材を有してもよい。
【００１５】
免荷部を弾性部材とし、感圧式導電性センサと弾性部材とが共に圧縮される構造とすることで、圧縮されることによって導電率を変化させる感圧式導電性センサの機能が免荷部によって妨害されることなく、力の分散を行い、計測範囲の上限を広げることが可能となる。
【００１６】
また、本発明において、前記被押圧部における前記感圧面および前記弾性部材に接する面は平面であり、前記弾性部材は、前記感圧式導電性センサの周囲に、前記被押圧部に接する面が前記感圧面と同一平面上となるように設けられてもよい。
【００１７】
力を感圧式導電性センサに伝達する面、および弾性部材に伝達する面が共に同一の平面を形成することで、被押圧部にかかった力の分散が均等となり、正確な計測結果を得やすくすることが可能である。
【００１８】
また、本発明は、互いに重ならない複数の軸方向への力に応じた導電率の変化を夫々検出するように設けられた複数のセンサモジュールを備える、力センサである。
【００１９】
本発明に拠れば、力センサの用途（必要な計測範囲）に応じて、適切なセンサモジュールを作成し、力センサに組み込むことにより、用途に合わせた力センサを製作することが可能となる。
【００２０】
また、例えば、検出した力から３軸の並進力および３軸周りのモーメントを算出するための６軸センサに、本発明に係るセンサモジュールを備えることで、既存の感圧式導電性センサを用いて、用途に合わせた計測範囲の上限を有する６軸力センサを製作することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によって、計測範囲の上限が、使用されている感圧式導電性センサの計測範囲の上限に制限されないセンサモジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係るセンサモジュールおよび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。
【００２３】
＜センサモジュールの構成＞
図１は、鋼板１７が取り付けられていない状態のセンサモジュール１０を示す平面概略図であり、図２は、本実施形態における、鋼板１７が取り付けられた状態のセンサモジュール１０を示す平面概略図である。また、図３は、本実施形態におけるセンサモジュール１０の断面概略図である。感圧式導電性センサ１１の周囲には、感圧式導電性センサ１１と同じ厚みを有する弾性部材１２が配置されている（図３を参照）。また、感圧面１３以上の広さを有し、本発明の被押圧部に相当する鋼板１７（ＪＩＳ Ｂ０６０１による算術平均粗さが０．００８〜２５μｍの鋼板。本実施形態では算術平均粗さ１．６μｍの鋼板を使用）が、感圧面１３および弾性部材１２にかかるように感圧面１３と弾性部材１２に接着される。また、弾性部材１２および感圧式導電性センサ１１はセンサ取り付け板１４に接着される。また、感圧式導電性センサは、電極１５、１６で計測器と接続される。なお、センサモジュール１０に使用する弾性部材１２は、鋼板１７に沿った形状であってもよい（図４の符号１２ｂを参照）。なお、本実施形態において、弾性部材１２はＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）であるが、免荷手段として求められる特性（例えば、後述するヤング率）を有する弾性部材１２であれば、その他の素材（例えば、高分子材料、ゴム、金属等）が採用されてもよい。
【００２４】
図５は、本実施形態における感圧式導電性センサ１１の構成を示す図である。感圧式導電性センサ１１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を有する。感圧式導電性センサ１１の外部からの力Ｗfが加わると、その力が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、導電率変化部として機能する。
【００２５】
ここで、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１１に加えられた力が算出される。なお、力の算出に当たり、感圧インク層の導電率の変化と力との間に線形の相対関係があるのが好ましい。また、本実施形態において用いられる感圧式導電性センサ１１は、０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の厚さを有することが、高い感度および強度を得る上で好ましく、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さを有することが更に好ましい。
【００２６】
このようなセンサモジュール１０の鋼板１７に力Ｗfを作用させると、力は、感圧式導
電性センサ１１の感圧面１３だけでなく弾性部材１２にも分散する。このため、感圧面１３へ作用する力は弾性部材１２に分散された分だけ減少する（図３を参照）。結果として、本センサモジュール１０の鋼板１７へは感圧式導電性センサ１１の本来の計測範囲の上限を超える力をかけることが可能となる。
【００２７】
即ち、本実施形態に係るセンサモジュール１０によれば、センサモジュール１０に感圧式導電性センサ１１の計測範囲の上限を超える力が加わった場合でも、感圧式導電性センサ１１の導電率は計測可能な範囲内にあるために、この導電率から、実際にセンサモジュール１０に加わった力を算出することが可能となる。
【００２８】
＜計測理論＞
本センサモジュール１０の鋼板１７に力Ｗfが加えられたとする。このとき、弾性部材
１２に加わる力をＦe、センサ感圧面１３に掛かる力をＦsとすると、次式が成り立つ。
【数１】
【００２９】
図６は、本実施形態におけるセンサモジュール１０の断面概略図である。以下の計算において、鋼板１７は弾性部材１２やセンサ感圧面１３と比較して十分硬いため、剛体とみなすこととする。図６に示すように、鋼板１７に力Ｗfが加えられたときに、鋼板１７は
変形せず、弾性部材１２およびセンサ感圧面１３の厚さｔがΔｘだけ力Ｗf方向に弾性変
形したとすると、以下の式が成り立つ。
【数２】
【数３】
なお、ここで、ｋeは弾性部材１２の剛性係数、ｋsはセンサ感圧面１３の剛性係数である。
【００３０】
図７は、本実施形態における感圧面１３および弾性部材１２の面積を示す平面概略図である。弾性部材１２のヤング率をＥe、鋼板１７と弾性部材１２が接触している面積（以
下、「弾性部材１２の面積」と称する。）をＡ、感圧式導電性センサ１１本体のヤング率をＥs、感圧式導電性センサ１１本体の面積をＢ、弾性部材１２および感圧式導電性セン
サ１１本体の厚みをｔ（図６を参照）とすると、弾性部材１２の剛性係数ｋeとセンサ感
圧面１３の剛性係数ｋsは、以下の式で表すことが出来る。
【数４】
【数５】
【００３１】
ここで、式（４）、（５）を式（２）、（３）に代入すると、以下の式が得られる。
【数６】
【数７】
【００３２】
そして、式（１）に式（６）、（７）を代入することで、以下の式が得られる。
【数８】
【００３３】
即ち、力Ｗfと弾性変形の量Δｘとは対応関係を有するため、Δｘに伴って変化する導
電率からＷfを算出することが可能である。
【００３４】
＜感圧式導電性センサ本体のヤング率の推定方法＞
次に、感圧式導電性センサ１１本体のヤング率Ｅsの推定方法を説明する。図８は、本
実施形態において、荷重試験器を用いて感圧式導電性センサ１１またはセンサモジュール１０に作用する力と電圧との関係を計測する方法を示す図である。荷重試験器の可動部にはボール付きビスが取り付けられている。ボール付きビスの下方には検定を行う感圧式導電性センサ１１が取り付けプレートに取り付けられており、その感圧式導電性センサ１１の要部は、図９にセンサとして示されている。取り付けプレートは荷重試験器に取り付けられた力覚センサ（ニッタ株式会社製ＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａ）に取り付けられている。荷重試験器の可動部は上下に移動し、検定する感圧式導電性センサ１１に可動部先端のボールから鋼板を介して力が加えられる。加えられた力Ｗfは、力覚センサＩＦＳ−１００
Ｍ４０Ａにより計測される。
【００３５】
図９は、本実施形態において、感圧式導電性センサ１１のセンサ信号に基づいて、感圧式導電性センサ１１に掛けられた力を計測するためのシステム構成を示す図である。検定する感圧式導電性センサ１１は、ＡＤ変換器を介してコンピュータに接続され、コンピュータは、感圧式導電性センサ１１より出力されたセンサ信号（本実施形態では、電圧）に基づいて、感圧式導電性センサ１１に掛けられた力を計測する。
【００３６】
はじめに、感圧式導電性センサ１１の感圧面１３内に鋼板（感圧面１３と同じサイズの鋼板）を両面テープで接着し、従来型のセンサモジュールを作成する（図１９および図２０を参照）。そして、鋼板に力Ｆs（感圧面１３に作用する力）を掛けていき、出力され
るセンサ信号（出力電圧）を計測し、以下に示す力と電圧との関係式（出力電圧を力に換算する式）を最小２乗法を用いて求める。
【数９】
【００３７】
次に、鋼板を取り外した前記と同じ感圧式導電性センサ１１を使用し、そして本センサモジュール１０の弾性部材１２として、既知のヤング率Ｅeを有する弾性部材１２を使用
して本発明に係るセンサモジュール１０を作成する。次いでセンサモジュール１０の鋼板
１７に力Ｗfを掛けていくと、センサ感圧面１３に作用している力Ｆsは、センサの出力電圧より式（９）を用いて求めることが出来る。そして、次式を用いることで、弾性部材１２に作用する力Ｆeを求めることが出来る。
【数１０】
【００３８】
ここで、式（６）、（７）より、Δｘを消去して、Ｅsについて求めると、次式が得ら
れる。
【数１１】
【００３９】
式（１１）において、Ｅe（弾性部材１２のヤング率）、Ａ（弾性部材１２の面積）、
Ｂ（感圧面１３の面積）は既知である。また、センサ感圧面１３に作用している力Ｆsと
弾性部材１２に作用する力Ｆeは上記方法で求められる。このため、式（１１）を用いて
感圧面１３のヤング率を求めることが出来る。
【００４０】
＜所望の最大計測荷重まで計測するための弾性部材の選定方法＞
次に、所望の最大計測荷重まで計測するための弾性部材の選定方法について説明する。所望の最大計測荷重をＷmax、感圧式導電性センサ１１で計測可能な荷重の上限値をＷlimとすると、式（７）より、以下の式が導かれる。
【数１２Ａ】
【数１２Ｂ】
【００４１】
所望の最大計測荷重はＷmaxであるので、Ｗmaxが作用したときのΔｘを式（８）より求めると、以下の式が求められる。
【数１３】
【００４２】
そして、式（１２Ｂ）、（１３）より、所望の最大計測荷重Ｗmaxまで計測するための
弾性部材１２のヤング率Ｅeが導かれる。
【数１４Ａ】
より、
【数１４Ｂ】
【００４３】
即ち、式（１４Ｂ）を満たすヤング率の弾性部材１２を用いた場合、所望の最大計測荷重Ｗmaxがセンサモジュール１０の鋼板１７に作用しても、センサ感圧面１３にはセンサ
の計測可能な荷重の上限値Ｗlim以下の荷重が作用する。このため、所望の最大計測荷重
Ｗmaxを計測することが出来る。
【００４４】
＜本モジュールを用いて力を計測する方法＞
次に、本実施形態に係るセンサモジュール１０を用いて力を計測する方法について説明する。予め、図８に示したような荷重試験器を用いて、本センサモジュール１０の鋼板１７に荷重Ｗfを掛けていき、センサ・センサ回路より得られたセンサ信号（出力電圧）と
、力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａより得られた荷重を計測する。そして、得られたセンサ信号と荷重との関係を示す関係式を、最小２乗法等を用いて求める。
【数１５】
【００４５】
そして、センサ信号（出力電圧）を実際に力センサ等に組み入れて使用する際には、出力されたセンサ信号（出力電圧）を式（１５）に代入して、センサモジュール１０に掛けられた力を算出する。なお、本実施形態では、実測結果に基づいた関係式を予め用意し、この関係式を用いて力を算出しているが、センサ信号と荷重との関係を示すマップ等を用いて算出してもよいし、感圧式導電性センサ１１自体から得られた荷重情報（即ち、免荷手段を用いない状態におけるセンサ信号と荷重の関係から算出された荷重情報）と、感圧式導電性センサ１１、弾性部材１２のヤング率および面積とから計算によって算出してもよい。
【００４６】
＜感圧面に掛かる荷重と弾性部材に掛かる荷重の分配＞
上記の感圧式導電性センサ１１本体のヤング率Ｅsの推定方法を用いて、市販の感圧式
導電性センサ（ニッタ株式会社製Ｆｌｅｘｉ Ｆｏｒｃｅ ボタンセンサＡ２０１−１００）の感圧面１３におけるヤング率Ｅsを求めた結果、６１７．６[ｋｇｆ／ｍｍ2]であった。この感圧式導電性センサ１１の最大計測荷重はＷlim＝４４０Ｎ（≒４４．９ｋｇｆ
）である。また、感圧面１３は直径９．５ｍｍの円形であるので、感圧面１３の面積Ｂは７０．９ｍｍ2となる。
【００４７】
一例として、このセンサを用いて最大荷重Ｗmax＝７００Ｎまで計測出来るセンサモジ
ュール１０を製作する場合を考える。ここで、調節可能な要素は、式（１４Ｂ）より、弾性部材１２のヤング率Ｅeと弾性部材１２の面積Ａである。
【００４８】
センサモジュール１０に使用する鋼板１７を直径１６ｍｍの円板とし、その中心を円形感圧面１３の中心に合わせて設置すると、弾性部材１２の面積Ａは、次式のように求められる。
Ａ＝π（８）2（鋼板１７の面積）―７０．９（感圧面１３の面積）＝１３０．１ｍｍ2
したがって、仮に、直径１６ｍｍの円形鋼板１７を用いた場合において、最大計測荷重７００Ｎのセンサモジュール１０を作成するために必要な弾性部材１２のヤング率は、式（１４Ｂ）より、
【数１６】
となる。
【００４９】
式（１６）より、例えば、ヤング率２８２．３[ｋｇｆ／ｍｍ2]のＰＥＴを弾性部材１
２として選定することが出来る。
【００５０】
厚み１ｍｍで直径１６ｍｍの円形鋼板１７、市販の感圧式導電性センサ（ニッタ株式会社製Ｆｌｅｘｉ Ｆｏｒｃｅ ボタンセンサＡ２０１−１００）およびヤング率２８２．３[ｋｇｆ／ｍｍ2]のＰＥＴを用いてセンサモジュール１０を製作し、センサモジュール
１０の鋼板１７に荷重を掛けた場合に、感圧面１３と弾性部材１２に荷重が分散されているかを調べた結果を図１０に示す。図１０において縦軸と横軸はセンサモジュール１０に掛けた力を示しており、各棒グラフの斜線部はセンサ感圧面１３に作用した力Ｆs（セン
サからの出力電圧を式（９）に代入して求めた値）を、灰色部は弾性部材１２に作用した力Ｆe（＝Ｗf−Ｆs）を各々示している。図１０より、７００Ｎを本センサモジュール１
０に作用させたときでも、弾性部材１２に力が分散され、センサ感圧面１３には最大計測荷重４４０Ｎ以下の荷重が加わっていることがわかる。
【００５１】
なお、本実験結果は、導電性センサのヒステリシス（荷重を増加させていった場合と荷重を減少させていった場合ではセンサから異なる信号が出力されてしまう現象）も含めて計測するために、荷重を１００Ｎから７００Ｎまで１００Ｎずつ増加させていった後、７００Ｎから１００Ｎまで１００Ｎずつ除荷していき、各荷重毎に感圧面１３に作用した力を計測している。これを１０回繰り返し行い、１０回分のデータの平均値を図１０に示している。
【００５２】
＜センサモジュールを用いて力を計測する方法＞
上記実験で製作したセンサモジュール１０を用いて、センサモジュール１０の鋼板１７に荷重を掛けていき、センサより出力される電圧と加えた力のデータから、最小２乗法を用いて、出力電圧と力との関係式（式（１５））を求めた。この実験においても、導電性センサのヒステリシスも含めて計測するために、荷重を１００Ｎから７００Ｎまで１００Ｎずつ増加させていった後、７００Ｎから１００Ｎまで１００Ｎずつ除荷していき、各荷重毎に計測し、１０回分のデータを収集した。図１１は、上記実験の結果を示す図である。図１１の横軸はセンサモジュール１０に加えた力、縦軸はセンサモジュール１０より得られた電圧値から式（１５）を用いて換算した力を示している。センサモジュール１０に加えた各力に対して、センサモジュール１０より求められた１０回分の力のデータの平均値を点でプロットしており、エラーバーは各力に対する１０回分のデータの最大値と最小値を示している。
【００５３】
図１１より、センサモジュール１０に加えた力とセンサモジュール１０から出力された力はほぼ一致していることがわかる（最大誤差は±５％ＦＳ（フルスケールに対する誤差の％）以下であった）。なお、本発明の発明者は、同様のセンサモジュール１０を８個作成し、同じ実験を行ったが、８個とも本結果と同じ結果が得られた。
【００５４】
＜センサモジュールを用いた６軸力センサ＞
図１２は、本実施形態に係るセンサモジュール１０を備える６軸力センサを示す分解図であり、図１３は、本実施形態に係るセンサモジュール１０を備える６軸力センサを示す側面図である。６軸力センサ１は、任意に設定される互いに直交する３軸方向における並進力と、該３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。なお、本実施形
態において、６軸力センサ１に対応する３軸は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸であり、これらの３軸は互いに直交する。
【００５５】
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、下板３と、６軸力センサ１に対応する３軸の一部の軸方向における並進力（±Ｘ方向、±Ｙ方向、および＋Ｚ方向の並進力）を電気的に検出する第一検出部４と、３軸のうち残りの軸方向における並進力（−Ｚ方向の並進力）を電気的に検出する第二検出部５とを備える。上板２および下板３は、ほぼ同型の板材であり、本実施形態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る。
【００５６】
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変換器を介してコンピュータに送られ、コンピュータの演算部によって、３軸方向の並進力および該３軸周りのモーメントが算出される（図示は省略する）。
【００５７】
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センサモジュール４ａ、４ｂ、４ｃと、球体のボール４ｄと、上板２に固定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。ここで、Ｚ軸方向に対応するセンサモジュール４ｃは下板３に直接設けられるが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に対応するセンサモジュール４ａ、４ｂは、下板３に設けられた金具４ｇを介して設けられる。
【００５８】
ここで、ボール４ｄは、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、各軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように配置される。第一検出部４の各構成要素の寸法や形状は、第一検出部４におけるボール４ｄが対応するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように設定されている。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、センサモジュール４ａ、４ｂ、４ｃおよび上板２によって拘束された状態となっている。
【００５９】
第二検出部５は、上板２に固定される下側ユニット５ａと、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。また、上側ユニット５ｂは、凹部形状を有する金具５ｂ１と、金具５ｂ１の凹部に固定されるセンサモジュール５ｂ２とで構成される。
【００６０】
ここで、上側ユニット５ｂは、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下板３に固定される。そして、ボール付きネジ５ａ２の球形部がセンサモジュール５ｂ２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のセンサモジュール５ｂ２に接触する。第二検出部５の各構成要素の寸法や形状は、第二検出部５におけるボール付きネジの球形部がＺ軸方向のセンサモジュールの被押圧部に接触するように設定されている。但し、第二検出部５の下側ユニット５ａは、コの字型をした金具５ａ１と、金具５ａ１の中央に設けられた半球状の窪み５ａ４と、半球状の窪み５ａ４に挿入されるボール５ａ３とから構成されてもよい（図１４を参照）。この場合、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下板３に固定されると、ボール５ａ３はセンサモジュール５ｂ２に点接触する。
【００６１】
本実施形態に係る６軸力センサに拠れば、所望の最大計測荷重に合わせて、弾性部材１２あるいは鋼板１７を上述した方法で適切に選定したセンサモジュールを用いることによ
り、用途にあった計測範囲を有する６軸力センサとすることが出来る。特に、この６軸力センサを人の足底に取り付け、足裏に作用する床反力およびその作用点を計測する場合（図１５を参照）、鉛直下方向の力が他の方向と比較して大きいため、鉛直下方向の力を計測する感圧式導電性センサの計測範囲の上限が重要である。
【００６２】
そこで、本発明の発明者は、鉛直下方向の力の計測部に本センサモジュールを適用し、６軸力センサを試作した。更に、荷重試験器を用い、６軸力センサを取り付けプレートに固定し、試作した６軸力センサの上板に荷重を加えて実験を行った（図１６を参照）。なお、図１６に示す荷重試験器の構成は図５に示す荷重試験器と概略同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
図１７は、上記実験の結果の代表例を示す図である。図１７の横軸は時間、縦軸は鉛直下向きの力を示している。図１７において、実線は鉛直下方向の力の計測部に本センサモジュール組み込み試作した６軸力センサを用いて計測された力を示している。また、破線は力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測された力を示している。図１７より、試作した６軸力センサを用いて計測された力と力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測された力は、ほぼ一致していることがわかる。このことから、本センサモジュールを６軸力センサに適用することは十分可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施形態における、鋼板が取り付けられていない状態のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図２】実施形態における、鋼板が取り付けられた状態のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図３】実施形態におけるセンサモジュールの断面概略図である。
【図４】鋼板が取り付けられていない状態のセンサモジュールのその他の実施形態を示す平面概略図である。
【図５】実施形態における感圧式導電性センサの構成を示す図である。
【図６】実施形態におけるセンサモジュールの断面概略図である。
【図７】実施形態における感圧面および弾性部材の面積を示す平面概略図である。
【図８】実施形態において、荷重試験器を用いて感圧式導電性センサまたはセンサモジュールに作用する力と電圧との関係を計測する方法を示す図である。
【図９】実施形態において、感圧式導電性センサのセンサ信号に基づいて、感圧式導電性センサに掛けられた力を計測するためのシステム構成を示す図である。
【図１０】実施形態に係るセンサモジュールの鋼板に荷重を掛けた場合に、感圧面と弾性部材に荷重が分散されているかを調べた結果を示す図である。
【図１１】実施形態において、センサモジュールによって計測された力と、力覚センサＩＦＳ−１００Ｍ４０Ａを用いて計測した力との関係を調べた実験結果を示す図である。
【図１２】実施形態に係るセンサモジュールを備える６軸力センサを示す分解図である。
【図１３】実施形態に係るセンサモジュールを備える６軸力センサを示す側面図である。
【図１４】実施形態に係る第二検出部のバリエーションを示す図である。
【図１５】実施形態に係る６軸力センサの適用例を示す図である。
【図１６】実施形態において、試作した６軸力センサを荷重試験器を用いて試験する方法を示す図である。
【図１７】実施形態において、試作した６軸力センサを荷重試験器を用いて試験した実験の結果の代表例を示す図である。
【図１８】鋼板が取り付けられていない状態の感圧式導電性センサを示す平面概略図である。
【図１９】鋼板が取り付けられた状態の従来のセンサモジュールを示す平面概略図である。
【図２０】従来のセンサモジュールの断面概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ６軸力センサ
１０ センサモジュール
１１ 感圧式導電性センサ
１２ 弾性部材（免荷部）
１３ 感圧面
１４ センサ取り付け板
１７ 鋼板（被押圧部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部より押圧される被押圧部と、
作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有し、前記被押圧部を介して作用した力に応じた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、
前記被押圧部を介して前記感圧式導電性センサに作用し得る力の一部を受けることで、前記外部からの押圧の力のうち、前記感圧式導電性センサに作用する力を減らす免荷部と、
を備える、センサモジュール。
【請求項２】
前記感圧式導電性センサは、前記被押圧部に接することで、前記押圧の力を受ける感圧面を有し、
前記免荷部は、前記被押圧部のうち、前記感圧面が接していない部分に接していることで、前記被押圧部が押圧された場合に、前記感圧式導電性センサと共に圧縮される弾性部材を有する、
請求項１に記載のセンサモジュール。
【請求項３】
前記被押圧部における前記感圧面および前記弾性部材に接する面は平面であり、
前記弾性部材は、前記感圧式導電性センサの周囲に、前記被押圧部に接する面が前記感圧面と同一平面上となるように設けられる、
請求項２に記載のセンサモジュール。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のセンサモジュールであって、互いに重ならない複数の軸方向への力に応じた導電率の変化を夫々検出するように設けられた複数のセンサモジュールを備える、力センサ。
【請求項１】
外部より押圧される被押圧部と、
作用した力に応じて導電率が変化する導電率変化部を有し、前記被押圧部を介して作用した力に応じた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、
前記被押圧部を介して前記感圧式導電性センサに作用し得る力の一部を受けることで、前記外部からの押圧の力のうち、前記感圧式導電性センサに作用する力を減らす免荷部と、
を備える、センサモジュール。
【請求項２】
前記感圧式導電性センサは、前記被押圧部に接することで、前記押圧の力を受ける感圧面を有し、
前記免荷部は、前記被押圧部のうち、前記感圧面が接していない部分に接していることで、前記被押圧部が押圧された場合に、前記感圧式導電性センサと共に圧縮される弾性部材を有する、
請求項１に記載のセンサモジュール。
【請求項３】
前記被押圧部における前記感圧面および前記弾性部材に接する面は平面であり、
前記弾性部材は、前記感圧式導電性センサの周囲に、前記被押圧部に接する面が前記感圧面と同一平面上となるように設けられる、
請求項２に記載のセンサモジュール。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のセンサモジュールであって、互いに重ならない複数の軸方向への力に応じた導電率の変化を夫々検出するように設けられた複数のセンサモジュールを備える、力センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−４２０４２（Ｐ２００９−４２０４２Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０６７１７（Ｐ２００７−２０６７１７）
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
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