JP2018132456A - ３軸力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷重を従来に比べて精度良く検出することができる３軸力検出装置を提供する。【解決手段】３軸力検出装置１は、３軸力センサ２と、曲げセンサ３と、信号処理部とを備えている。３軸力センサ２は、対象物Ｗに作用する荷重Ｆを受けるための起歪体部２１と、起歪体部２１に取り付けられた、Ｘ軸方向力成分を検出するＸ軸用歪ゲージ２４と、Ｙ軸方向力成分を検出するＹ軸用歪ゲージ２５と、Ｚ軸方向力成分を検出するＺ軸用歪ゲージ２６とを備えている。３軸力センサ２は、荷重Ｆの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに応じた検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚを出力するセンサであり、曲げセンサ３は、荷重Ｆが対象物Ｗに作用する位置を検出するためのセンサである。信号処理部４は曲げセンサ３及び３軸力センサ２に電気的に接続されており、曲げセンサ３及び３軸力センサ２の検出信号に基づいて、荷重のＸ軸方向力成分、Ｙ軸方向力成分、及びＺ軸方向力成分を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、３軸力検出装置に関し、特に、荷重及びその作用点が変動する荷重の検出に好適な３軸力検出装置に関する。

従来から、荷重の検出のために３軸力センサが使用されている。例えば、３軸力センサは、ロボットにおいて、アームに取り付けられて、ワークを加工する際に加工ツールに作用する反力荷重を検出するために用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１２−１３７４２１号公報

しかしながら、従来の３軸力センサでは、１つの検出軸方向の分力の検出値に他の検出軸方向の分力が影響してしまうため、荷重を精度良く検出することが困難であった。

このように、従来から、多様な方向から加えられる荷重を精度良く検出することができる３軸力検出装置が求められていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷重を従来に比べて精度良く検出することができる３軸力検出装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明に係る３軸力検出装置は、対象物に作用する荷重を受けるための一対の面を有する起歪体部と、該起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＸ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＸ軸用歪ゲージと、前記起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＹ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＹ軸用歪ゲージと、前記起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＺ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＺ軸用歪ゲージとを備える３軸力センサと、前記荷重が前記対象物に作用する位置を検出するための曲げセンサと、前記曲げセンサ及び前記３軸力センサに電気的に接続された信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記曲げセンサ及び前記３軸力センサの検出信号に基づいて、前記荷重のＸ軸方向力成分、前記荷重のＹ軸方向力成分、及び前記荷重のＺ軸方向力成分を算出する、ことを特徴とする。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記信号処理部は、前記曲げセンサの検出信号に基づいて、前記対象物を支持する部材が支持される部位と前記対象物との間のＺ軸方向における距離を算出する。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージは、前記起歪体部の前記一対の面の一方に取り付けられている。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージは、夫々のグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の一方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されている。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージのいずれか２つが前記起歪体部の前記一対の面の一方に取り付けられ、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの残りの１つが前記起歪体部の前記一対の面の他方に取り付けられている。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの前記いずれか２つは、夫々のグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の一方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されており、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの前記残りの１つは、そのグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の他方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されている。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記曲げセンサは前記Ｘ軸周りのモーメントを検出するためのセンサである。

本発明の一態様に係る３軸力検出装置において、前記起歪体部は、前記対象物に対して前記Ｙ軸方向に離間して前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸を含む平面に前記一対の面が沿うように配置され、前記曲げセンサは、前記荷重が前記対象物に作用する位置から前記Ｚ軸方向に離間して配置される。

本発明に係る３軸力検出装置よれば、荷重を従来に比べて精度良く検出することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置における３軸力センサの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置における曲げセンサの構成を概略的に示すための概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置の構成を概略的に示すための図である。 本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置の備える３軸力センサの構成を示すための図であり、図５（Ａ）は平面図であり、図５（Ｂ）は背面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置が適用されるマッサージ機の全体構成を示す外観斜視図である。 図６に示すマッサージ機における施療ユニットの構成を示す略線的斜視図である。 図６に示すマッサージ機における支持アームの構成を示す斜視図である。 図６に示すマッサージ機における軸支持カバーの構成を示すための図であり、図９（Ａ）は斜視図であり、図９（Ｂ）は背面図である。 図６に示すマッサージ機に取り付けられた３軸力センサを示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１の構成を概略的に示すための図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１は、３軸力センサ２と、曲げセンサ３と、信号処理部４とを備えている。３軸力センサ２は、対象物Ｗに作用する荷重Ｆを受けるための起歪体部２１と、起歪体部２１にＸ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＸ軸用歪ゲージ２４と、起歪体部２１にＹ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＹ軸用歪ゲージ２５と、起歪体部２１にＺ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＺ軸用歪ゲージ２６とを備えている。３軸力センサ２は、荷重ＦのＸ軸方向力成分（力成分Ｆｘ）に応じた検出値ＤＦｘ、荷重ＦのＹ軸方向力成分（力成分Ｆｙ）に応じた検出値ＤＦｙ、及び荷重ＦのＺ軸方向力成分（力成分Ｆｚ）に応じた検出値ＤＦｚを出力するセンサであり、曲げセンサ３は、荷重Ｆが対象物Ｗに作用する位置を検出するためのセンサである。

起歪体部２１は、後述するように一対の面を有しており、Ｘ軸用歪ゲージ２４は起歪体部２１の一対の面のいずれかに対して取り付けられており、Ｙ軸用歪ゲージ２５は起歪体部２１の一対の面のいずれかに対して取り付けられており、Ｚ軸用歪ゲージ２６は起歪体部２１の一対の面のいずれかに対して取り付けられている。

図２は、３軸力検出装置１における３軸力センサ２の構成を示す平面図である。３軸力センサ２において、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６は、起歪体部２１の一対の面の一方（表面２２）に取り付けられている。Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６は、夫々のグリッド長が起歪体部２１の一対の面の一方（表面２２）に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されている。

起歪体部２１は、具体的には、図２に示すように、全体Ｈ字状を有する板状のダイアフラムからなる部材であり、一対の面である表面２２及び裏面２３を有している。起歪体部２１において、表面２２及び裏面２３は互いに背向する平面又は略平面状の面である。Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６は、起歪体部２１の一対の面の一方である表面２２のほぼ中央に集中して配置されている。

起歪体部２１は、その四隅に他部材に取り付けるための貫通孔である取付用孔２１ａ〜２１ｄが設けられている。これら取付用孔２１ａ〜２１ｄは、他部材に形成された取付用の孔と対応した位置に配置されている。起歪体部２１の材料には、アルミ合金、合金工具鋼、ステンレス鋼、セラミック、樹脂、プラスチック等が用いられ、対象物Ｗが受けた荷重の方向及び強さに応じて撓む。

Ｘ軸用歪ゲージ２４は、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＸ軸方向の力成分Ｆｘを検出するためのセンサであり、例えば４つの歪ゲージ２４ａ〜２４ｄを有している。また、Ｙ軸用歪ゲージ２５は、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＹ軸方向の力成分Ｆｙを検出するためのセンサであり、例えば４つの歪ゲージ２５ａ〜２５ｄを有している。また、Ｚ軸用歪ゲージ２６は、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するためのセンサであり、例えば４つの歪ゲージ２６ａ〜２６ｄを有している。歪ゲージ２４ａ〜２４ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄは、起歪体部２１の表面２２に貼り付けられて取り付けられている。

Ｘ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ａ〜２４ｄは、対象物ＷにＸ軸方向の荷重が付与された場合に、使用状態において起歪体部２１が取り付けられる他の部材を介して伝えられる力によって、起歪体部２１の表面２２が最も大きく歪む部分に配置されている。また、Ｘ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ａ〜２４ｄは、起歪体部２１の表面２２に現れる歪を最も効率良く電圧の変化として得られるように、歪ゲージ２４ａ〜２４ｄにおける配線パターンのグリッド長（ゲージ長）の向きを各々所定の向きに合わせた状態で配置されている。例えば、図２に示すように、歪ゲージ２４ａ，２４ｄは各グリッド長が同じ向きに向くように配置され、歪ゲージ２４ｂ，２４ｃは各グリッド長が同じ向きに向くように配置され、また、歪ゲージ２４ａ，２４ｄは各グリッド長の向きが歪ゲージ２４ｂ，２４ｃの各グリッド長の向きと互いに直交するように配置されている。

Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは、対象物ＷにＹ軸方向の荷重が付与された場合に、他の部材を介して起歪体部２１に伝えられる力によって、起歪体部２１の表面２２が最も大きく歪む部分に配置されている。具体的には、Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは、Ｘ軸用歪ゲージ２４を中心として左右（図２上）に分けられ、歪ゲージ２５ａ，２５ｂが図２中左側、また、歪ゲージ２５ｃ，２５ｄが図２中右側に配置されている。また、Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは、起歪体部２１の表面２２に現れる歪を最も効率良く電圧の変化として得られるように、歪ゲージ２５ａ〜２５ｄにおける配線パターンのグリッド長の向きを各々所定の向きに合わせた状態で配置されている。例えば、図２に示すように、歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは各グリッド長が全て同じ向きに向くように配置され、また、歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは、Ｘ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ａ〜２４ｄのグリッド長の向きに対して４５度又は約４５度の角度差を持った向きに各グリッド長が向くように配置されている。

Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、対象物ＷにＺ軸方向の荷重が付与された場合に、他の部材を介して起歪体部２１に伝えられる力によって、起歪体部２１の表面２２が最も大きく歪む部分に配置されている。具体的には、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、Ｘ軸用歪ゲージ２４と、Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ，２５ｂとの間に配置されている。つまり、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、図２において、Ｘ軸用歪ゲージ２４の左側に隣接して配置されている。また、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、起歪体部２１の表面２２に現れる歪を最も効率良く電圧の変化として得られるように、歪ゲージ２６ａ〜２６ｄにおける配線パターンのグリッド長の向きを各々所定の向きに合わせた状態で配置されている。例えば、図２に示すように、歪ゲージ２６ａ，２６ｃは各グリッド長が互いに同じ向きに向くように配置され、歪ゲージ２６ｂ，２６ｄは各グリッド長が互いに同じ向きに向くように配置される。また、歪ゲージ２６ｂ，２６ｄは、各グリッド長が、歪ゲージ２６ａ，２６ｃのグリッド長の向きとは直交する向きに向くように配置されている。

これらのＸ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ａ〜２４ｄ、Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄ、及びＺ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、夫々センサ出力取り出し用のボンディングパッド２７に電気的に接続されている。３軸力検出装置１において、ボンディングパッド２７は、信号処理部４に電気的に接続されており、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６の検出値が信号処理部４に送信可能になっている。

３軸力検出装置１が対象物Ｗに作用する荷重Ｆを検出するために用いられている状態である使用状態において、３軸力センサ２は、起歪体部２１が対象物Ｗに対してＹ軸方向に離間してＸ軸及びＺ軸を含む平面に一対の面である表面２２及び裏面２３が沿うように配設される。また、使用状態において、起歪体部２１の表面２２が対象物Ｗ側に面するように、また、図２において左側から右側にＺ軸が向かうように、３軸力センサ２は配設される。

従って、３軸力検出装置１の使用状態において、Ｘ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ａ，２４ｄの各グリッド長は、Ｚ軸から１３５度又は略１３５度傾いて延びており、Ｘ軸用歪ゲージ２４の歪ゲージ２４ｂ，２４ｃの各グリッド長は、Ｚ軸から４５度又は略４５度傾いて延びている。また、Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄの各グリッド長はＺ軸と平行に又は略平行に延びている。また、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ，２６ｃの各グリッド長は、Ｚ軸と平行に又は略平行に延びており、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ｂ，２６ｄの各グリッド長は、Ｘ軸と平行に又は略平行に延びている。

図３は、曲げセンサ３の構成を概略的に示すための概略図である。曲げセンサ３は、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＹ軸方向力成分である分力Ｆｙによって発生するＸ軸周りの曲げモーメントＭ（Ｆｙ）を検出するためのセンサであり、より具体的には、３軸力検出装置１が使用される部材や装置において、対象物Ｗを支持する部材（図３において部材３５）が支持される部位（図３において部位３６）におけるモーメントＭ（Ｆｙ）を検出するためのセンサである。曲げセンサ３の検出するモーメントＭ（Ｆｙ）により、部位３６と対象物Ｗとの間のＺ軸方向における距離である距離Ｌを算出することができる。

曲げセンサ３は、モーメントＭ（Ｆｙ）を検出することができる構成であればよく、モーメントＭ（Ｆｙ）を検出することができるあらゆる公知の曲げセンサを含む。曲げセンサ３は、例えば図３に示すように、４つの歪ゲージ３１〜３４を有しており、歪ゲージ３１〜３４は、Ｙ軸及びＸ軸を含む平面に平行な平面（略平面）であって、部位３６を含む平面上において、Ｙ軸方向に並んで配置される。また、歪ゲージ３１，３２は、Ｙ軸方向において対象物Ｗに対して一方の側（図３において上側）に、歪ゲージ３３，３４は、Ｙ軸方向において対象物Ｗに対して他方の側（図３において下側）に配置される。

信号処理部４は、曲げセンサ３の検出値であるモーメントＭ（Ｆｙ）値に基づいて、３軸力センサ２の出力する荷重Ｆの力成分Ｆｘに応じた検出値ＤＦｘ、荷重Ｆの力成分Ｆｙに応じた検出値ＤＦｙ、及び荷重Ｆの力成分Ｆｚに応じた検出値ＤＦｚを補正する。信号処理部４の実行する補正処理は、具体的には、１つの軸方向の力成分に対応する検出値に対する他の軸方向の力成分の干渉の低減又は除去を図る処理であり、予め用意された補正データＰを用いて、曲げセンサ３及び３軸力センサの検出値であるモーメントＭ（Ｆｙ）及び検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚに対して計算処理を行うことにより検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚを補正する。上述の予め用意された補正データＰは、例えば、行列データやマップデータである。例えば、信号処理部４は、補正データＰとして行列データを有している。この補正データＰは、４×４の行列データであり、行列データの各値は予め求められた値である。補正処理は、この行列データと検出値Ｍ（Ｆｙ），ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚとを積算する処理であり、行列データと検出値Ｍ（Ｆｙ），ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚとの積により補正された荷重Ｆの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出値が算出される。このような、信号処理部４における補正処理により、他の力成分の干渉が低減された荷重Ｆの各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの値を精度良く検出することができる。

このように、本発明の実施の形態に係る３軸力検出装置によれば、荷重Ｗを従来に比べて精度良く検出することができる。

次いで、本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５の構成を概略的に示すための図である。図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５は、上述の本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１に対して、３軸力センサの構造が異なる。以下、上述の本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１と同一の又は類似する機能を有する構成について同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

図５は、３軸力検出装置５の備える３軸力センサ６の構成を示すための図であり、図５（Ａ）は平面図であり、図５（Ｂ）は背面図である。図５（Ａ）に示すように、３軸力センサ６においては、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＸ軸方向の力成分Ｆｘを検出するＸ軸用歪ゲージ２４（歪ゲージ２４ａ〜２４ｄ）と、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＹ軸方向の力成分Ｆｙを検出するＹ軸用歪ゲージ２５（歪ゲージ２５ａ〜２５ｄ）とは、上述の３軸力センサ２と同様に、起歪体部２１の表面２２に取り付けられている。そして、対象物Ｗに作用する荷重ＦのＺ軸方向の力成分Ｆｚを検出するＺ軸用歪ゲージ２６（２６ａ〜２６ｄ）は、図５（Ｂ）に示すように、起歪体部２１の裏面２３に取り付けられている。

起歪体部２１の表面２２において、Ｘ軸用歪ゲージ２４（歪ゲージ２４ａ〜２４ｄ）は、対象物ＷにＸ軸方向の荷重が付与された場合に、使用状態において起歪体部２１が取り付けられる他の部材を介して伝えられる力によって、起歪体部２１の表面２２が最も大きく歪む部分に配置されている。Ｙ軸用歪ゲージ２５の歪ゲージ２５ａ〜２５ｄは、対象物ＷにＹ軸方向の荷重が付与された場合に、他の部材を介して起歪体部２１に伝えられる力によって、起歪体部２１の表面２２が最も大きく歪む部分に配置されている。一方、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、起歪体部２１の裏面２３において、対象物ＷにＺ軸方向の荷重が付与された場合に、他の部材を介して起歪体部２１に伝えられる力によって、起歪体部２１の裏面２３が最も大きく歪む部分に配置されている。

このように３軸力センサ６においては、起歪体部２１の表面２２及び裏面２３に、Ｘ軸用歪ゲージ２４とＹ軸用歪ゲージ２５とを、及びＺ軸用歪ゲージ２６を夫々振り分けて配置した。これにより、歪ゲージ２４〜２６の配置の自由度が高まり、歪ゲージ２４，２５と歪ゲージ２６との配置上の重なりを気にすることなく、最も大きなセンサ出力が得られる最適な位置に歪ゲージ２４〜２６を夫々取り付けることができる。

なお、Ｘ軸用歪ゲージ２４の各歪ゲージ２４ａ〜２４ｄのグリッド長（ゲージ長）の向きは上述の３軸力センサ２のものと同じであり、また、Ｙ軸用歪ゲージ２５の各歪ゲージ２５ａ〜２５ｄのグリッド長の向きは上述の３軸力センサ２のものと同じである。また、Ｘ軸用歪ゲージ２４（歪ゲージ２４ａ〜２４ｄ）とＹ軸用歪ゲージ２５（歪ゲージ２５ａ〜２５ｄ）との間の相対位置も、上述の３軸力センサ２のものと同じである。

また、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄのグリッド長は、本実施の形態において起歪体部２１の裏面２３に現れる歪を最も効率良く電圧の変化として得られるように、その向きが向けられている。具体的には、図５（Ｂ）に示すように、Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄの内歪ゲージ２６ａ，２６ｃは、起歪体部２１の裏面２３の中央よりも一方の側（図５（Ｂ）において左側）に配置されており、歪ゲージ２６ｂ，２６ｄは、起歪体部２１の裏面２３の中央よりも他方の側（図５（Ｂ）において右側）に配置されている。また、歪ゲージ２６ａ〜２６ｄのグリッド長は全て同じ向きに向いており、歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、グリッド長が使用状態においてＸ軸方向（図５（Ｂ）において上下方向）に向かうように配置されている。Ｚ軸用歪ゲージ２６の歪ゲージ２６ａ〜２６ｄは、裏面２３において、夫々センサ出力取り出し用のボンディングパッド２８に電気的に接続されている。

本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５も、上述の３軸力検出装置１と同様に作動し、信号処理部４における補正処理により、他の力成分の干渉が低減された荷重Ｆの各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの値を精度良く検出することができる。また、３軸力検出装置５においては、３軸力センサ６において、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６が上述の３軸力センサ２に比べて、より大きなセンサ出力が得られるように起歪体部２１の表面２２及び裏面２３取り付けられているので、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６の検出値の精度をより高めることができる。このため、本第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５は、上述の３軸力検出装置１に対して、荷重Ｆの各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚをより精度良く検出することができる。

このように、本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５によれば、荷重Ｗを従来に比べて精度良く検出することができる。

なお、上述の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５においては、Ｘ軸用歪ゲージ２４及びＹ軸用歪ゲージ２５が起歪体部２１の表面２２に、Ｚ軸用歪ゲージ２６が起歪体部２１の裏面２３に取り付けられているとしたが、各軸用歪センサ２４〜２６の配置位置はこれに限られない。３軸力検出装置５においては、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６のいずれか２つが、起歪体部２１の一対の面の一方である表面２２に取り付けられており、Ｘ軸用歪ゲージ２４、Ｙ軸用歪ゲージ２５、及びＺ軸用歪ゲージ２６の残りの１つが、起歪体部２１の一対の面の他方である裏面２３に取り付けられていてもよい。

次いで、本発明に係る３軸力検出装置の適用例について説明する。以下、本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１の適用例について説明するが、本発明の第２の実施の形態に係る３軸力検出装置５も同様に適用することができる。また、本発明に係る３軸力検出装置の適用対象は、以下の具体例に限定されず、本発明に係る３軸力検出装置を適用可能のもの全てを含む。以下、本発明の第１の実施の形態に係る３軸力検出装置１がマッサージ機５０に適用された適用例について説明する。

図６に示すように、マッサージ機５０は、腰掛け椅子式の電動マッサージ機であって、幅方向の両側に肘掛け部５１ａ、５１ａを有する座部５１と、座部５１の後端部から上方に立設された背当部５２とを備えている。背当部５２は、その内部に、２個の揉み玉５３を有する施療ユニット６０が設けられている。

図７に示すように施療ユニット６０は、支軸６２に取り付けられたフレーム板６１に対し、２つの施療ユニット支持体６３，６３が一体に設けられ、その施療ユニット支持体６３，６３に対して対象物Ｗとしての揉み玉５３が取り付けられたセンサ構造体７０が固定されている。

図８に示すように、センサ構造体７０は、支持アーム７１と、支持アーム７１の先端の垂直部７２に取り付けられた軸支持カバー７５とを備えている。

支持アーム７１は、施療ユニット支持体６３から離間するように段差状に延びて形成された例えば金属性の板状部材である。支持アーム７１は、施療ユニット支持体６３から延びた腕部６６と、腕部６６に対して略直交するように図中水平方向へ延びる水平部６７と、腕部６６及び水平部６７とを約９０度の角度で一体に繋ぐ湾曲部６８と、水平部６７に対して略直交するように水平部６７の先端から垂直方向へ延びる垂直部６９とを備えている。

腕部６６は、施療ユニット６０の施療ユニット支持体６３に固定されている。水平部６７は、垂直部６９と一体に取り付けられた軸支持カバー７５とは離れて折り曲げられた、腕部６６と垂直部６９とを繋ぐ部分であり、軸支持カバー７５を介して取り付けられる揉み玉５３の外周面と対向する平坦面６７ａを有するが、揉み玉５３と接触することはない。また、水平部６７には貫通孔６７ｈが形成されている。

支持アーム７１の垂直部６９は、揉み玉５３を保持する保持体としての軸支持カバー７５が一体となって取り付けられる部分であって、図８においては、軸支持カバー７５が取り付けられることによって垂直部６９が隠された状態にある。

図９に示すように、軸支持カバー７５は、カバー本体７６と、カバー本体７６の平坦な支持板７７に一体に取り付けられた軸部５４とを備えている。軸部５４に対して揉み玉５３が軸支された状態で保持されている。従って、軸支持カバー７５は、揉み玉５３に対する外部からの荷重に応じて、図８に示したような３次元のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向へ、揉み玉５３を可動自在に保持する。

カバー本体７６は、支持板７７の周縁から支持板７７とは垂直に立設された隔壁７８を備えている。隔壁７８は、支持板７７の全周縁に亘って立設されているのではなく、支持アーム７１の垂直部６９の幅に相当する大きさの開口７８ｈを有している。

カバー本体７６の支持板７７には、支持アーム７１の垂直部６９に対してネジ止めによりカバー本体７６を取り付けるためのネジ貫通孔７６ａ，７６ｂ，７６ｃが支持板７７の周辺に設けられている。また支持板７７には、ネジ貫通孔７６ａ，７６ｃから略同じ距離だけ離間した位置に貫通した取付孔７６ｈが設けられている。

軸部５４は、揉み玉５３を直接軸支すると共に揉み玉５３に対する荷重を受け、軸部５４は、その付け根部分が支持板７７の接続部７７ａに接続して、支持板７７から延びている。軸部５４は、揉み玉５３の軸孔（図示せず）の内径と同一の外径を有し、揉み玉５３を軸支可能な所定の長さを有している。この軸部５４に対して揉み玉５３が回転可能に固定されている。

支持板７７の接続部７７ａは、所定の厚さを有する円盤状の部分であり、軸部５４よりも外周側に広がっている。揉み玉５３を介して軸部５４が受けた荷重の方向及び強さに応じて撓み、ダイアフラムとして機能する。マッサージ機５０は軸支持カバー７５を有しておらず、軸部５４が支持アーム７１の垂直部６９に対して直接形成されていてもよい。この場合接続部７７ａは垂直部６９に形成される。

上述のマッサージ機５０において、曲げセンサ２は、軸支持カバー７５の支持板７７において接続部７７ａの軸部５４側ではない裏面側に取り付けられており、歪ゲージ３１〜３４が図９（Ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に並んで取り付けられている。つまり、軸部５４が図３における部材３５に相当し、接続部７７ａに図３の部位３６が存在している。また、図１０に示すように、３軸力センサ２は、支持アーム７１の水平部６７に形成された矩形状の貫通孔６７ｈを覆うように水平部６７に固定されている。支持アーム７１の水平部６７に形成された貫通孔６７ｈは、揉み玉５３に対する荷重の影響が水平部６７に歪として容易に現れるようにするために必要な孔であり、意図的に水平部６７の強度を低下するために設けられている。貫通孔６７ｈは、所定の大きさの矩形状であるが、これに限るものではなく、その大きさや形状は水平部６７の強度や３軸力センサ２のセンサ出力の感度に応じて設定される。

マッサージ機５０において、対象物Ｗとしての揉み玉５３に作用する荷重Ｆは、軸部５４、軸支持カバー７５、支持アーム７１の垂直部６９を伝って、水平部６７に伝達される。このように伝えられた荷重Ｆの伝達力が水平部６７に加わり、荷重Ｆが水平部６７に固定された３軸力センサ２の起歪体部２１に歪（撓み）として現れる。また、揉み玉５３に作用する荷重Ｆ（力成分Ｆｙ）によってＸ軸周りの曲げモーメントが軸支持カバー７５の接続部７７ａに発生する。揉み玉５３に荷重Ｆが作用する位置と接続部７７ａとの間のＺ軸方向における間隔が図３に示す距離Ｌに相当する。

そして、３軸力検出装置１は、上述のように作用して、曲げセンサ３がモーメントＭ（Ｆｙ）を検出し、３軸力センサ３が荷重Ｆの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに夫々対応する検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚを出力し、これらのモーメントＭ（Ｆｙ）及び検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚに対して信号処理部４が計算処理を行うことにより検出値ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚが補正される。これにより、他の力成分の干渉が低減された荷重Ｆの各力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを精度良く検出することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に係る３軸力検出装置１，５に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

１，５……３軸力検出装置、２，６……３軸力センサ、３……曲げセンサ、４……信号処理部、２１……起歪体部、２２，２３……面、２４……Ｘ軸用歪ゲージ、２５……Ｙ軸用歪ゲージ、２６……Ｚ軸用歪ゲージ、２４ａ〜２４ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄ，３１〜３４……歪ゲージ、２７，２８……ボンディングパッド、３５……部材、３６……部位、５０……マッサージ機 ５１……座部、５２……背当部、５３……揉み玉、５４……軸部、６０……施療ユニット、６１……フレーム板、６２……支軸、６３……施療ユニット支持体、６６……腕部、６７……水平部、６７ｈ……貫通孔、６８……湾曲部、６９……垂直部、７０……センサ構造体、７１……支持アーム、７２……垂直部、７５……センサ一体型軸支持カバー、７６……カバー本体、７７……支持板、７７ａ……接続部、７８……隔壁、ＤＦｘ，ＤＦｙ，ＤＦｚ……検出値、Ｆ……荷重、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ……力成分、Ｐ……行列データ、Ｗ……対象物

Claims (8)

1. 対象物に作用する荷重を受けるための一対の面を有する起歪体部と、該起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＸ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＸ軸用歪ゲージと、前記起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＹ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＹ軸用歪ゲージと、前記起歪体部の前記一対の面のいずれかに対してＺ軸方向力成分を検出するために取り付けられたＺ軸用歪ゲージとを備える３軸力センサと、
   前記荷重が前記対象物に作用する位置を検出するための曲げセンサと、
   前記曲げセンサ及び前記３軸力センサに電気的に接続された信号処理部と、を備え、
   前記信号処理部は、前記曲げセンサ及び前記３軸力センサの検出信号に基づいて、前記荷重のＸ軸方向力成分、前記荷重のＹ軸方向力成分、及び前記荷重のＺ軸方向力成分を算出する、ことを特徴とする３軸力検出装置。
2. 前記信号処理部は、前記曲げセンサの検出信号に基づいて、前記対象物を支持する部材が支持される部位と前記対象物との間のＺ軸方向における距離を算出することを特徴とする請求項１記載の３軸力検出装置。
3. 前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージは、前記起歪体部の前記一対の面の一方に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の３軸力検出装置。
4. 前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージは、夫々のグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の一方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されていることを特徴とする請求項３記載の３軸力検出装置。
5. 前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージのいずれか２つが前記起歪体部の前記一対の面の一方に取り付けられ、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの残りの１つが前記起歪体部の前記一対の面の他方に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の３軸力検出装置。
6. 前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの前記いずかれ２つは、夫々のグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の一方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されており、前記Ｘ軸用歪ゲージ、前記Ｙ軸用歪ゲージ、及び前記Ｚ軸用歪ゲージの前記残りの１つは、そのグリッド長が前記起歪体部の前記一対の面の他方に現れる歪を電圧の変化として得られる向きに配置されていることを特徴とする請求項５記載の３軸力検出装置。
7. 前記曲げセンサは前記Ｘ軸周りのモーメントを検出するためのセンサ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３軸力検出装置。
8. 前記起歪体部は、前記対象物に対して前記Ｙ軸方向に離間して前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸を含む平面に前記一対の面が沿うように配置され、前記曲げセンサは、前記荷重が前記対象物に作用する位置から前記Ｚ軸方向に離間して配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の３軸力検出装置。

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