JP2005214850A - 荷重測定方法、および荷重センサ付き靴 - Google Patents

Abstract

【課題】靴の底面等に配設して、足裏のＸ、Ｙ、Ｚ方向の荷重を計測可能とする低コストで提供できる荷重測定方法および荷重測定センサ付きの靴を提供すること。
【解決手段】 第1の円板状起歪部からほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設されて円板状の起歪部の脚となって第1の起歪部を支持する構造であって、4方向脚を第2起歪部となる3分力荷重センサの形状をなし、第1の円板状起歪部の裏面にダイアフラム状の第1のひずみゲージと、4方向脚第2の表裏、或いは、裏のみに第2のひずみゲージを着設した3分力荷重センサを多数個、靴の底面に配設した。
【選択図】 図６

Description

本発明は、足裏における荷重の分布や荷重の変化を測定する技術に関するものである。特には、次のような技術分野に関するものである。
1. 義足、義肢を装着した身障者の路面に対する体重の大きさ、体重分布を測定し、時系列で体重変化を図示すること。
2. ゴルフシューズ底面の対接地荷重を知るため小型荷重センサを踏面に取付け、クラブスイング時の踏面の分布荷重、水平方向の蹴力を時系列変化、最大分布荷重及び体重移動を測定しその時間変化ごとの軌跡を知ること。
3. 歩行障害者に靴底に荷重センサを分布して取付けた靴を履かせ歩行時の脚踏面の体重分布を測定し、最大荷重の位置変化を表示すること。
4. 走行距離競技者のスタート時、走行時の蹴力とその方向と大きさを解析をすること。
5. 両腕で荷物を持ち靴底に薄い荷重センサを複数個配置、装着した第二の靴底を履き、荷重センサから地面に作用する荷重を測定すること。
6. 手に持って品物の重量を測定する時、両手を開いて上面にして5本の指先と掌に複数の薄い、小型荷重センサを手袋中に装着し、両手にこの手袋をしてその上に品物を載せて持ち上げ、荷重センサから両手にかかる重量を測定すること。

義足、身障者の歩行時の体重測定では特開2002-90216（特許文献１）で示される空気袋内の空気圧を圧力センサで電気信号として検知しその圧力を電気指示計で読取る方法が示されている。

しかし、特許文献１に記載された方法では、常に、脚底全体に負荷される体重しか示されない。従って、身障者の義足脚の内側か外側なのか体重の区別が付かなくまた、歩行時の脚面の体重分布が測定できないという問題がある。
また、義足脚踏面についてはこの方式は更に不便をきたす。義足の取付け角度、大腿部との接合面の適性などが不明であるからである。
実際の走行時や、ゴルフスイング時、歩行障害者の歩行時に直接踏面に検出器を取付け、体重分布圧測定や、踏面における荷重解析をする方法は見当たらない。高価で、類似的に床側に一部を取り除き、そこへ面積の大きい台状3分力荷重センサをはめ込んで蹴力の反力から測定するものがあるが、走行時は歩幅が必しも台状3分力荷重センサと一致しないので不便をきたす。
脚踏面分布を測定するため荷重センサを複数個使用する場合には、最多では片脚靴底で10個以上必要になる。そのため現在市販されている垂直方向のみの荷重を測定する目的の荷重センサを調査すれば、例えば定格荷重5ｋｇで外形12ｍｍ、厚さ4ｍｍの商品を用いると、合計で￥33000となる。これを靴底では10個使用するので両脚底分では660000円になる。
このように、従来の技術では、構造的な問題に加えてコスト的な問題もある。

そこで、本発明では、多数のセンサを使用することを考慮し金型成型によって多量生産が可能で低コストで提供できる荷重測定方法およびその方法に用いる違和感の無い荷重測定センサ付きの靴を提供することを目的としている。

本願発明者は、既に、特願2003-036504において触圧センサ（3分力荷重センサ）を出願し、高さ1ｍｍの最終寸法の触圧センサを製作する以前に諸特性がどの程度満足すべきものが得られるか5倍モデル（図1）を製作し調査した。図1にその外観を示す。そのセンサの高さは9ｍｍ、直径10ｍｍの円板が、一辺25ｍｍの正方形の中央に４個の脚で支えられて位置する大きさである。これらの3分力として合計36個を製作した。その荷重較正試験結果によれば、例えば、12個について観察すれば1個の1.27％を除いて定格荷重5ｋｇに対して非直線性は0.07％〜0.45％、ヒステリシス0.01％〜0..29％、出力ひずみ1588×10-6〜2007×10-6であった。この結果から厚さを3ｍｍ程度にしたロードセルが製作可能になる知見を得て、本発明を成したものである。

即ち、本発明の請求項１の荷重測定方法は、
足底部に複数の３分力荷重センサを配設し、各３分力荷重センサからの信号を解析することによって、足裏における荷重の垂直方向成分および水平面内の互いに直交する２つの方向成分を測定することを特徴としている。
なお、足底部とは、靴やスリッパや靴下等の履物の、足の底に対応する部分をいう。また、３分力荷重センサとは、少なくとも直交する３本の軸Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の荷重成分を測定することのできるセンサをいう。
請求項２の方法は、
前記３分力荷重センサとしては、
第1の円板状起歪部からほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設されて円板状の起歪部の脚となって第1の起歪部を支持する構造であって、4方向脚を第2起歪部となる3分力荷重センサの形状をなし、第1の円板状起歪部の裏面にダイアフラム状の第1のひずみゲージと、4方向脚第2の表裏、或いは、裏のみに第2のひずみゲージを着設した3分力荷重センサを使用することを特徴としている。
そして、請求項３の荷重センサ付き靴は、
足底部に複数の３分力荷重センサが配設されていることを特徴としている。
請求項４は、
前記３分力荷重センサとしては、
第1の円板状起歪部からほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設されて円板状の起歪部の脚となって第1の起歪部を支持する構造であって、4方向脚を第2起歪部となる3分力荷重センサの形状をなし、第1の円板状起歪部の裏面にダイアフラム状の第1のひずみゲージと、4方向脚第2の表裏、或いは、裏のみに第2のひずみゲージを着設した3分力荷重センサが使用されていることを特徴としている。
請求項５では、
各靴踏面と第2の靴底踏面の間に第2の靴底踏面の接地部分を荷重センサの大きさで区分して形成し、
それらの各区分上に3分力荷重センサをそれぞれ配設するとともに、前記３分力荷重センサの円板中央の穴と第2の靴底踏面裏面に小孔を設け、
前記穴と前記小孔の間を力伝達棒で連結し、
区分された接地部のX,Y,Z方向分力を測定するX,Y,Z方向のひずみゲージを配設し、
各接地部分上にある各3分力荷重センサの測定値に基づいて、脚に分担された体重（Z方向）、あるいは、蹴力（X方向）、横滑り力（Y方向）を検出するように構成したことを特徴としている。
請求項６では、
前記各ひずみゲージの引き出し線を、平坦で柔軟にするフレキシブル基板で構成したことを特徴としている。
請求項７では、
靴底の裏面に靴敷き皮と同じ形状で硬質ゴム敷き、皮あるいは薄いプラスチック板に穴明きバリ付き円板を食い込ませて取付け、そのほぼ中央部に3分力荷重センサと力伝達棒で連結し、それらをサンドウイッチ状態で挟み、
各接地部分上にある各3分力荷重センサの測定値に基づいて、脚に分担された体重（Z方向）、あるいは、蹴力（X方向）、横滑り力（Y方向）を検出するように構成したことを特徴としている。

本発明の荷重測定方法および荷重センサ付き靴によれば、従来では不可能であった脚踏面での体重やその分布荷重、蹴力測定が可能になるので、義足者に対するより正確な診断によって適切な義足が得られるという効果や、ゴルフスイング時の体重移動、前後の体重の掛かり方などが可視的に判別できるようになり、効果的な練習が可能となるという効果や、走行競技者の場合にはスタート時の蹴力（バネ力）の推移が判別できるので、効果的な練習が可能になるという効果が得られる。

（構造1、靴底に荷重センサ装着）
図2.には、本発明に使用する荷重センサの構造をしめす。この荷重センサ１は板厚1ｍｍ程度の薄い真鍮板、燐青銅板、洋白板あるいは、アルミ合金板を使用する。円形板10の裏面にダイアフラムひずみゲージRt1,Rc1,Rt2,Rc2を接着してＺ方向の荷重を測定し、それから伸びる4本の脚11,1３,1２,14の表裏または、裏にそれぞれ2素子の単軸ひずみゲージRt3,Rc3,Rt4,Rc4,Rt5,Rc5,Rt6,Rc6を接着し、X方向の荷重はひずみゲージRt3,Rc3,Rt4,Rc4で測定し、Y方向の荷重はひずみゲージRt5,Rc5,Rt6,Rc6で測定する。
図2（ｂ）、（ｃ）に示したように、
Rt1, Rc1, Rt2, Ｒc2, は円形板10の裏面に、Rc3、Rc4、Rc5, Rc6は4脚11,1３,1２,14の上段に、Rt3, Rt4, Rt5, Rt6は下段に接着されている。５は荷重センサ１の中央部の穴15に挿入された力伝達棒である。

円形板10面に垂直（Ｚ方向）な力Pが負荷されると、図3（ｄ）に示すようにRc1,Rc2は半径方向の応力σrに相当する圧縮ひずみ、Rt1,Rt2は円周方向の応力σcに相当する引張ひずみを受ける。
前記垂直な力Ｐ、即ち、図２（ｂ）に示す下方向（Ｚ方向）の力Ｐにより、円形板10の裏面に接着されたひずみゲージRt1,Rt2は引張りひずみを受け、ひずみゲージRc1,Rc2は圧縮ひずみを受けるように配設されている。

図２（ｂ）に示す右方向（X方向）に円形板10と平行な力が負荷されるとのひずみゲージRt3,Rt4は引張りひずみを受け、ひずみゲージRc4,Rc3は圧縮ひずみを受けるように、脚11、13の表面または裏面にそれぞれ配設されている。

図2（ｂ）に示す手前方向（Y方向）即ち、図2（ｃ）に示す右方向（Y方向）に、円形板と平行な力が負荷されるとのひずみゲージRt5, Rt6は引張りひずみを受け、ひずみゲージRc5, Rc6は圧縮ひずみを受けるように、脚1２、1４の表面または裏面にそれぞれ配設されている。

これらのひずみゲージはX,Y,Z方向ごとに、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようにホイートストンブリッジを構成している。
即ち、ひずみゲージRt1, Rc1, Rt2, Rc2 で1個のホイートストンブリッジを構成して、Ｚ方向の荷重を検出し、Ｘ、Ｙ方向の荷重の影響を受けにくくしている。ひずみゲージRt3, Rc3, Rt4, Rc4,で1個の ホイートストンブリッジを構成して、Ｘ方向の荷重を検出し、Ｚ、Ｙ方向の荷重の影響を受けにくくしている。ひずみゲージRt5, Rc5, Rt6, Rc6で1個の ホイートストンブリッジを構成して、Ｙ方向の荷重を検出し、Ｘ、Ｚ方向の荷重の影響を受けにくくしている。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、符号Ｅは所定の定電圧の印加電圧を示し、符号ｅは荷重に応じた各ひずみゲージの抵抗変化の結果によって出力される出力電圧を示している。
そして、荷重センサのこれらの4本の脚11,12,13,14は底板２とリベット３で端部で固定される。

図4に各荷重センサの取付け法を示す。
第２靴底裏面４に設けた小孔41に力伝達棒５を挿入し、ウレタンゴムシート６を挟み接着剤を両面に塗布して、荷重センサ中央部の穴15に挿入する。この方法で第２靴底４と荷重センサ１を固定する。

各荷重センサの配置と数量は力を測定する目的により決定される。例えば図5、図6、図7はゴルフ靴、踏面に生ずる体重、及び荷物を持ち上げてその重量を測定する時に適当な方式である。図7に示した荷重センサ付き靴９Ａについて説明する。
この方式では、接地靴底７に荷重センサ１の大きさとほぼ同じ大きさで厚い凸部71を一面に区分して形成する。荷重センサ１の配置位置間隔“l","h"を明確に設定し、後の体重分布図を観察する時の位置指定を可能にする。荷重センサ１はその真上位置に設置させる。図5は第２の靴底をはずして荷重センサの真上から見た図であり、接地靴底７の凸部71を点線で示した説明図である。
図8は通常の靴に第２の靴底を装着して構成した荷重センサ付き靴９Ａの説明図である。

（配線）
配線網フレキシブル基板Ｆを図9に示す。
図9（ａ）は、図7における荷重センサ1のX方向の印加電圧Eの引き出し線と、出力電圧eの引き出し線4本で構成した、フレキシブル配線基板の第一層目Ｆ１を示している。
図9（ｂ）は、荷重センサ1のY方向の印加電圧Ｅの引き出し線と、出力電圧ｅの引き出し線4本で構成したフレキシブル配線基板の第二層目Ｆ２を示している。
図9（ｃ）は、荷重センサ1のZ方向の印加電圧Ｅの引き出し線と、出力電圧ｅの引き出し線4本で構成したフレキシブル配線基板の第三層目Ｆ３を示している。

これらは図11（ｄ）に示したように、長さD1,D2だけそれぞれ短くして積層しセンサ1のX,Y,Zの3方向の印加電圧Ｅの引き出し線と、出力電圧ｅの引き出し線を一体化している。同じ方法が別の荷重センサについても使用される。
図10（ａ）,（ｂ）,（ｃ）に示した別の荷重センサでは荷重センサ1の配線を避けて各層Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を一体化している。図11（ａ）,（ｂ）,（ｃ）に示した荷重センサ3の配線基板では、同様に、荷重センサ1と別の荷重センサとの配線を避けて各層Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を一体化する。
各フレキシブル基板の端末は図7に示す小型コネクタ82に接続し、更に多芯ケーブル81で図8に示す小型コネクタボ―ドに接続される。

（靴底板と連結）
図８に示したように、接地靴底７の外周止め部72を本来の靴底41の周囲に嵌めこみ、必要に応じてベルトを用いて（図示せず）接地靴底７と本来の靴底41を一体化する。第２靴底４と接地靴底７の間はセンサ部分を除き図６に示すフェルト布21で充填され接続されている。更に、防水性を保持するために第２靴底４の周縁は本来の靴底41の外周に嵌め込まれ緊定される弾性ゴム材（図示せず）が取付けられる。

（小型コネクタからデータ処理器）
図7と8に示したように、靴側方にフレキシブル基板Ｆを出し、多芯線81で小型コネクタ82に中継し、布きはん83に内蔵したセンサ接続コネクタボード84をベルト86によって足首に装着する。このセンサ接続コネクタボード84には必要に応じてプリアンプやＡ／Ｄ変換手段等が内蔵されている。前記センサ接続コネクタボード84は、さらに、多芯ケーブル85で腰ベルト部の増幅器、切換器、及び必要に応じてA/D変換回路等に接続される。そして、測定データは必要目的に応じて、指示計に表示され、またメモリー回路もしくはICカード等の記憶媒体に記憶され、さらに、オフタイムに外部コンピュータに収録される。またリアルタイムで計測する時は送信部を内蔵してデジタル信号を送信して外部に受信部を置き、その信号を受信して外部コンピュータに収録できる。この状態は実際の靴底よりも5〜10ｍｍ高くなるだけで被測定者に通常の歩行状態とは何ら変化しないで測定できる。
体重測定の場合では、両脚に第２靴底に取付けたセンサ群を履き、足首部の小型コネクタボードを持ち、腰部のデータ−処理器に接続して、ベルトで取付けた指示計で、全体重、右脚の荷重、及び左脚の荷重を表示する。

（体重分布測定）
リアルタイムで測定する時は、腰に装着されている指示計、送信部（送信機、小型電池を内蔵）に多芯ケーブルで接続する。例えばRS232Cに変換されて受信側の外部コンピュータに接続され、立方体形態或いは体重重量ごとの色別で分布図を時系列で表示する。
また、オフタイムでの測定はICカードを装着する機能を付属すれば送信機を省いて歩行完了後、外部コンピュータに取り込んで図形解析する。

図１２、１３、１４に示した荷重センサ付き靴９Ｂの構造を述べる。
（構造2 靴中敷きに荷重センサを内蔵）
まず、靴の中敷き形状にして、その中に、荷重センサ十数個を装着して測定する方法について述べる。この方式は靴接地面が平坦な運動靴に使用される。
図１２、13に示したように、薄いプラスチック板91の上敷表皮にバリ付き金属板92を押し当ててバリを薄いプラスチック板91に食い込ませる。力伝達棒93によってバリ付き金属板92と底板94の付いた荷重センサ90の円板95の中心とを連結する。この状態では、既に、フレキシブル基板が脚の長さ方向と直角方向に引き出されている。従って、敷表皮に複数個の荷重センサが順序良く並べられている。
図14にバリ付き金属板を配置した状況を示す。この時、荷重センサの位置を“l" 、"h"で規制しておき荷重分布図が脚踏面の位置で図形観察できるようにする。荷重センサ間の隙間はフエルト布21で充填し、更に、木綿布96の袋でカバーをする。この状況は厚さ5ｍｍ程度の敷皮になる。小型コネクタは足首側面に置き、フレキシブル基板で第２靴底方式より直角に曲げて引き回しをして接続される。そして、この場合も、（構造1）と同じように、データが指示され、またデータの集録が腰部に装着した装置で処理されるように構成する。

本発明に使用する3分力荷重センサの立体図である。 本発明に使用する3分力荷重センサの説明図である。図２の（ａ）は前記3分力荷重センサの平面図、図2の（ｂ）は前記3分力荷重センサの側面図であり、図２の（ａ）のＡ−Ａ線断面を示している。図2の（ｃ）は前記3分力荷重センサの側面図であり、図２の（ａ）のＢ−Ｂ線断面を示している。 前記3分力荷重センサのひずみゲージ接続の説明図であり、図３の（ａ）はＺ方向のひずみゲージのホイートストンブリッジの接続図、図3の（ｂ）はＸ方向のひずみゲージのホイートストンブリッジの接続図、図3の（ｃ）はY方向のひずみゲージのホイートストンブリッジの接続図である。図３の（ｄ）はひずみゲージの動作説明図である。 第２靴底と荷重センサの連結図である。 第２靴底をはずして荷重センサ真上から見た図、接地靴底の凸を点線で表した図である。 荷重センサ装着位置と接地靴底の凸の位置を示した図である。 第２靴底面に荷重センサを配置し、小型コネクタ取付けを示した図である。 第２靴底面を本来の靴底に連結した図である。 最初に配置した荷重センサ1のフレキシブル基板である。図9（ａ） は第１層目フレキシブル基板。図9（ｂ）は第２層目フレキシブル基板、図9 （ｃ）は第３層目フレキシブル基板である。 2番目に配置した荷重センサ2のフレキシブル基板である。図10（ａ） は第１層目フレキシブル基板、図10（ｂ）は第２層目フレキシブル基板、図10 （ｃ）は第３層目フレキシブル基板である。 3番目に配置した荷重センサ3のフレキシブル基板である。図11（ａ） は第１層目フレキシブル基板、図11（ｂ）は第２層目フレキシブル基板、図11 （ｃ）は第３層目フレキシブル基板である。図11（ｄ）各フレキシブル基板の積層した状態を示す図である。 敷皮方式にした荷重センサの取付けの断面側面を示した図である。 薄いプラスチク板（上敷表皮）と荷重センサの連結を示した図である。 薄いプラスチク板（上敷表皮）にバリ付き金属板を配置して取付けた図である。

符号の説明

１ ３分力荷重センサ
10 第1起歪部
11,12,13,14 第2起歪部
Ｒc1,Rt1,Rc2,Rt2 第1のひずみゲージ
Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rt3,Rt4,Rt5,Rt6 第2のひずみゲージ
９Ａ、９Ｂ 荷重センサ付き靴
４ 第2の靴底踏面
15 ３分力荷重センサの円板中央の穴
41 第2の靴底踏面裏面の小孔
５ 力伝達棒
Ｒc1,Rt1,Rc2,Rt2，Rc3,Rc4,Rc5,Rc6,Rt3,Rt4,Rt5,Rt6 ひずみゲージ
Ｆ フレキシブル基板
91 薄いプラスチック板
92 穴明きバリ付き円板

Claims (7)

1. 足底部に複数の３分力荷重センサを配設し、各３分力荷重センサからの信号を解析することによって、足裏における荷重の垂直方向成分および水平面内の互いに直交する２つの方向成分を測定することを特徴とする荷重測定方法。
2. 前記３分力荷重センサとしては、
   第1の円板状起歪部からほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設されて円板状の起歪部の脚となって第1の起歪部を支持する構造であって、4方向脚を第2起歪部となる3分力荷重センサの形状をなし、第1の円板状起歪部の裏面にダイアフラム状の第1のひずみゲージと、4方向脚第2の表裏、或いは、裏のみに第2のひずみゲージを着設した3分力荷重センサを使用することを特徴とする請求項１に記載の荷重測定方法。
3. 足底部に複数の３分力荷重センサが配設されていることを特徴とする荷重センサ付き靴。
4. 前記３分力荷重センサとしては、
   第1の円板状起歪部からほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設されて円板状の起歪部の脚となって第1の起歪部を支持する構造であって、4方向脚を第2起歪部となる3分力荷重センサの形状をなし、第1の円板状起歪部の裏面にダイアフラム状の第1のひずみゲージと、4方向脚第2の表裏、或いは、裏のみに第2のひずみゲージを着設した3分力荷重センサが使用されていることを特徴とする請求項３に記載の荷重センサ付き靴。
5. 各靴踏面と第2の靴底踏面の間に第2の靴底踏面の接地部分を荷重センサの大きさで区分して形成し、
   それらの各区分上に3分力荷重センサをそれぞれ配設するとともに、前記３分力荷重センサの円板中央の穴と第2の靴底踏面裏面に小孔を設け、
   前記穴と前記小孔の間を力伝達棒で連結し、
   区分された接地部のX,Y,Z方向分力を測定するX,Y,Z方向のひずみゲージを配設し、
   各接地部分上にある各3分力荷重センサの測定値に基づいて、脚に分担された体重（Z方向）、あるいは、蹴力（X方向）、横滑り力（Y方向）を検出するように構成したことを特徴とする請求項３または４の何れかに記載の荷重センサ付き靴。
6. 前記各ひずみゲージの引き出し線を平坦で柔軟にするフレキシブル基板で構成したことを特徴とする請求項５に記載の荷重センサ付き靴。
7. 靴底の裏面に靴敷き皮と同じ形状で硬質ゴム敷き、皮あるいは薄いプラスチック板に穴明きバリ付き円板を食い込ませて取付け、そのほぼ中央部に3分力荷重センサと力伝達棒で連結し、それらをサンドウイッチ状態で挟み、
   各接地部分上にある各3分力荷重センサの測定値に基づいて、脚に分担された体重（Z方向）、あるいは、蹴力（X方向）、横滑り力（Y方向）を検出するように構成したことを特徴とする請求項５または６の何れかに記載の荷重センサ付き靴。

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