JP4703232B2 - センサ取り付け用の凹部形成部材 - Google Patents

Description

本発明は、物体表面に沿って複数のセンサを取り付けられるようにしたセンサの取り付け用の凹部形成部材に関するもので、特に、複数の触圧センサなどをあらかじめ規定された幾何学的位置関係をもって三次元曲面に取り付けられるようにしたセンサの取り付け用の凹部形成部材に関するものである。

従来より、物体に作用する外力を検出するセンサとして、三分力センサなどが知られている。この三分力センサは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に加わる外力を検知できるようにしたもので、例えば、特許文献１に記載されるような構造を有するものである。すなわち、図７に示すように、中心部分に設けられる円板状の第一の起歪部１０１と、該第一の起歪部１０１の周縁をほぼ等角度で四分割する位置から板状に延設され、第一の起歪部１０１の脚となって第一の起歪部１０１を支持する第二〜第五の起歪部１０２〜１０５と、これら第二〜第五の起歪部１０２〜１０５の下端に延設された第一〜第四の足部１０２ａ〜１０５ａと、第一の起歪部１０１の円板面上に着設されたダイヤフラム状の第一の歪ゲージと（図示せず）、第二〜第五の起歪部の板面上にそれぞれ着設された図示しない第二〜第五の歪ゲージとを具備するようにしたものである。この発明によれば、それぞれの起歪部が板状で曲がりやすくなっているため、第一の歪ゲージによってＺ方向の小さな力を検知し、また、第二〜第五の歪ゲージによってＸ方向、Ｙ方向の小さな力を検知することができる。

ところで、このような触圧センサを物体の平面部分に取り付けることは比較的容易である一方、湾曲した三次元曲面に取り付ける場合は、その曲面との接触面積を大きく確保できないために、その取り付けが困難となる。しかも、それぞれの触圧センサを正確な位置関係をもって取り付けることができない。

三次元曲面にセンサを取り付ける方法に関しては、特許文献２に開示されるような方法がある。この三次元曲面に対するセンサの取り付け方法は、配管などのような断面が曲面形状を有する部材に対してセンサを取り付けられるようにしたもので、センサを内蔵するケースの表面に、その取り付け面に対応した嵌合凹部を設け、この嵌合凹部を三次元曲面に嵌合させるようにしたものである。
特開２００４−２４５７１７号公報 特開２０００−００９７４３号公報

しかしながら、上述の特許文献２に記載されるような方法では、あらかじめ取り付け位置となる三次元曲面の形状に対応させて嵌合凹部を形成しておかなければならず、その取り付け位置とは異なる曲面位置に取り付けることができない。しかも、このようなセンサを三次元曲面に幾何学的位置関係をもって複数取り付ける必要がある場合は、二次元平面に取り付ける場合とは異なり、センサの取り付け位置だけでなく角度なども設定して取り付けなければならないため、取り付けに非常に時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、三次元曲面を有する物体表面の任意の位置にセンサを容易に取り付けることができ、しかも、複数のセンサの幾何学的位置関係が必要な場合であっても、容易に複数のセンサをその位置関係をもって取り付けることのできるようなセンサの取り付け用の凹部形成部材を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、物体表面にセンサを取り付けるための凹部を形成するセンサ取り付け用の凹部形成部材であって、物体表面に塗布された樹脂に押圧することによって凹部を形成するための複数のブロック体と、該複数のブロック体をあらかじめ規定された幾何学的位置関係をもって着脱可能に保持するブロック保持体とを備えるようにしたものである。

このようにすれば、任意の三次元曲面にセンサを取り付けるための凹部を形成して、容易に三次元曲面にセンサを取り付けることができるようになる。また、取り付けるべきセンサの大きさが変わった場合であっても、その大きさに対応したブロック体に取り替えるだけでセンサ取り付け用の凹部を形成することができるため、ブロック保持体を汎用的に使用することができるようになる。

また、ブロック保持体によってブロック体を保持する場合、あらかじめそのブロック体の取り付け角度を規定しておく。

このようにすれば、三次元曲面上におけるセンサの向きを揃える場合、その角度の統一されたブロック体を用いることによって凹部の向きを統一することができるため、簡単にセンサの向きを統一することができるようになる。

また、このようなブロック保持体を可撓性の部材で構成する。

このような部材で構成すれば、ブロック保持体を三次元曲面に沿って押圧することができるため、種々の物体や曲面位置に対してもセンサ取り付け用の凹部を形成することができる。

本発明によれば、物体表面にセンサを取り付けるための凹部を形成するセンサ取り付け用の凹部形成部材であって、物体表面に塗布された樹脂に押圧することによって凹部を形成するための複数のブロック体と、該複数のブロック体をあらかじめ規定された幾何学的位置関係をもって着脱可能に保持するブロック保持体とを備えるようにしたので、任意の三次元曲面にセンサを取り付けるための凹部を形成して、容易に三次元曲面にセンサを取り付けることができるようになる。また、取り付けるべきセンサの大きさが変わった場合であっても、その大きさに対応したブロック体に取り替えるだけでセンサ取り付け用の凹部を形成することができるため、ブロック保持体を汎用的に使用することができるようになる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に使用される触圧センサ１０を底部固定板７に取り付けた状態図を示したものであり、図２は、その触圧センサ１０の平面図および断面図を示したものである。また、図３は、第一の起歪部１の裏面に設けられる歪みゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを示したものである。また、図４は、触圧センサ１０を三次元曲面に取り付けるための凹部形成部材８、図５および図６は、その凹部形成部材８を用いて触圧センサ１０を取り付ける工程を説明したものである。

この実施の形態におけるセンサの取り付け方法は、ダミー人形の表面などに取り付けられるもので、ダミー人形の表面に樹脂９０を塗布し、凹部形成部材８を用いてセンサ取り付け用の凹部９１（図５参照）を形成した後に、その形成された凹部９１に触圧センサ１０を取り付けられるようにしたものである。

このダミー人形に取り付けられる触圧センサ１０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向（装着面に垂直な方向）を法線とする板状の部材を歪ませることによって各方向へ作用する力を検知できるようにしたもので、図１などに示すように、Ｚ方向を法線とする薄い円板状の第一の起歪部１と、この第一の起歪部１の周縁をほぼ等角度で四分割する位置に延設される薄い板状の第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄを設けている。この第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄは、第一の起歪部１に対して約９０度〜１３０度の角度をなすように立脚させており、これによって触圧センサ１０の高さを低く抑えている。この第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄの下端側には足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設けられ、後述する底部固定板７に固定できるようにしている。

この第一の起歪部１の裏面側（装着面側を裏面とする）には、図３に示すように、ダイヤフラム状の歪みゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが着設されており、また、第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄの裏面側にも、それぞれ第二の歪みゲージ５ａｕ、５ａｄ、第三の歪みゲージ５ｂｕ、５ｂｄ、第四の歪みゲージ５ｃｕ、５ｃｄ、第五の歪みゲージ５ｄｕ、５ｄｄが着設されている。この第二の歪みゲージ５ａｕ、５ａｄ〜第五の歪みゲージ５ｄｕ、５ｄｄは、第一の起歪部１から足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに向かう長手方向の上段と下段に着設され、これにより、各第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄの変形に基づく歪みを検知できるようにしている。

この触圧センサ１０の具体的な大きさとしては、例えば、高さとして１ｍｍ〜３ｍｍ程度、足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを含めた場合のＸ方向、Ｙ方向の全長として５ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。このＸ方向とＹ方向の全長は、第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄの立設角度に依存する。また、第一の起歪部１〜第五の起歪部２ｄの材質としては、例えば、板圧０．５ｍｍ程度の薄い真鍮板、燐青銅板、洋白板アルミ合金板、或いは、樹脂などのような適度な剛性を有するものが用いられる。特に、金属を用いた場合には、プレスや打ち抜きによって容易に加工、製作をすることができ、一方、樹脂を用いた場合は、成型加工によって大量に同一物を製作できる。

図１に示すように、第一の起歪部１と各第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄとのコーナー部分には、湾曲状に切り欠いた切欠部６が形成されており、また、脚部をなす第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄと各足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとのコーナー部分にも湾曲状に切り欠いた切欠部６が形成されている。これらの切欠部６は、脚部をなす第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄに発生する歪みを第二の歪みゲージ５ａｕ、５ａｄ〜第五の歪みゲージ５ｄｕ、５ｄｄにできるだけ大きく検出させるものである。すなわち、例えば、Ｘ方向に力が作用した場合、第二の起歪部２ａおよび第四の起歪部２ｃを歪みやすくした方が感度よくその力を検知することができる。しかし、Ｘ方向の外力に対しては、第三の起歪部２ｂおよび第五の起歪部２ｄの法線まわりの応力がその第三の起歪部２ｂと第五の起歪部２ｄに発生し、かなりの高剛性となる。そこで、このような切欠部６を形成すると、第三の起歪部２ｂと第五の起歪部２ｄの法線まわりの応力が集中してＸ方向に変形しやすくなる。Ｙ方向の外力についても同様である。これにより、小さな力であっても精度よく検知することができるようになる。

第一の起歪部１の下面に着設されるダイヤフラム状の歪みゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、図３に示すように、全体として円板状のシート上に設けられる。この歪みゲージ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを構成する配線は、接続パッド２１からシートの半径方向に長手方向が配設された歪みゲージ８ａを経て、接続パッド２２に至り、さらには、接続パッド２２から、シートの円周方向に長手方向が配設された歪みゲージ８ｄを経て接続パッド２３に至る。また、その接続パッド２３から、シートの半径方向に長手方向が配設された歪みゲージ８ｂを経て接続パッド２４に至り、さらには、接続パッド２４からシートの円周方向に長手方向が配設された歪みゲージ８ｃを経て接続パッド２５に至る。

シートの半径方向を長手方向とする歪みゲージ８ａ、８ｂは、シート上で対向するようにシートの周縁に近い側に設けられる。一方、シートの円周方向が長手方向となる歪みゲージ８ｃ、８ｄは、互いに対向するようにシートの中心に近い側に設けられる。周縁側の歪みゲージ８ａ、８ｂと中心側の歪みゲージ８ｃ、８ｄとは、第一の起歪部１の変形により互いに反対の歪み、すなわち、圧縮歪みと引っ張り歪みを検知する。ここで、Ｚ軸方向に外力が作用すると、周縁に近い側の歪みゲージ８ａ、８ｂは圧縮応力を受け、また、中心に近い側の歪みゲージ８ｃ、８ｄは引っ張り応力を受けることになる。そしてこれらの歪みゲージを市販されているロードセルと同じホイートストンブリッジ（図示せず）に接続し、Ｚ方向の応力を測定する。

一方、第一の起歪部１から伸びる四本の第二の起歪部２ａ〜第五の起歪部２ｄの裏面側には、上段側と下段側にそれぞれ歪みゲージ５ａｕ、５ａｄ、５ｂｕ、５ｂｄ、５ｃｕ、５ｃｄ、５ｄｕ、５ｄｄが設けられる。Ｘ方向もしくはＹ方向と平行な外力が作用すると、上段側の歪みゲージ５ａｕ、５ｃｕは圧縮歪みを生じ、また、下段側の歪みゲージ５ａｄ、５ｃｄは引っ張り歪みを生ずる。そして、これらの素子をホイートストンブリッジに接続し、それぞれの方向に作用する外力を測定する。

このように構成された触圧センサ１０は、底部固定板７を介して三次元曲面を有するダミー人形の物体表面に取り付けられる。

底部固定板７は、触圧センサ１０の四本の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを固定するもので、正方形状の金属板もしくは樹脂によって構成される。この底部固定板７の対角四隅部分には、触圧センサ１０の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに対応した有底の凹部７０が設けられており、この凹部７０に触圧センサ１０の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを埋設させてスポット溶接などによってその足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを固定する。仮に、三次元曲面にこのような底部固定板７を介することなく触圧センサ１０の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを取り付けるとすると、数ミリ単位に構成された足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを曲面に取り付けるのに時間がかかり、また、複数の触圧センサ１０を隣接して取り付ける場合、誤って隣の触圧センサ１０の脚部などを折り曲げてしまう可能性もある。これに対して、上述のように底部固定板７に触圧センサ１０を固定しておき、これらを一体として物体表面に取り付けるようにすれば、現場での取り付け作業が簡素化され、しかも、取り付け作業中に他の触圧センサ１０の脚部などを折り曲げてしまうようなこともなくなる。

このような底部固定板７に取り付けられた触圧センサ１０は、物体表面に凹部９１を形成した後にその凹部９１に取り付けられる。この凹部９１は、ガラス繊維を混入させた樹脂９０を物体表面に塗布し、この樹脂９０に凹部形成部材８を押圧することによって形成される。この凹部形成部材８は、図４に示すように、複数のブロック体８０と、このブロック体８０を保持するブロック保持体８２とを具備して構成される。

このブロック体８０は、底部固定板７とほぼ同じ大きさの外形寸法を有するもので、正方形状のテフロン（登録商標）製の角板などで構成される。なお、このブロック体８０は、テフロン製の角板でなくても、他の金属部材などを用いることができるが、テフロン製の角板を用いると、後に樹脂９０から簡単にそのブロック体８０を取り外すことができるようになる。

一方、ブロック保持体８２は、可撓性を有する薄いプラスチックフィルムや厚さ０．０５ｍｍ程度の薄い金属板などで構成される。このブロック保持体８２は、三次元曲面に対する触圧センサ１０の取り付け位置を決定するもので、あらかじめ定められた幾何学的位置関係をもってブロック体８０を保持する。このブロック体８０の上面部分には正方形状の突起部８１が設けられており、また、これに対応して、ブロック保持体８２には、その突起部８１に対応した貫通した角穴８３が設けられている。そして、このブロック体８０の突起部８１をブロック保持体８２の角穴８３に嵌合させることによってブロック体８０をブロック保持体８２に保持させる。これにより、触圧センサ１０を取り付けるための幾何学的位置関係が決定される。なお、図４では、球面体に五個の触圧センサ１０を取り付ける場合の凹部形成部材８を示しており、十文字状をなすブロック保持体８２の中心位置とそれぞれの端部にブロック体８０を取り付ける例を示している。このブロック体８０は、角穴８３の角度と位置によって、それぞれ同じ距離をおいてＸ方向、Ｙ方向が統一されるように取り付けられる。このように触圧センサ１０の幾何学的位置関係が明確であれば、外力が負荷する重心位置が五個の触圧センサ１０のどの位置にあるかを計算することができ、かつ、その方向が三次元の座標軸で計算表示することができる。さらに、Ｘ方向、Ｙ方向面内の外力を知ることができ、裂傷力も測定することができる。

次に、このような凹部形成部材８を用いて三次元曲面に触圧センサ１０を取り付ける場合の工程について説明する。

まず、触圧センサ１０を三次元曲面に取り付けるに場合、事前に、その触圧センサ１０の数に対応した底部固定板７を複数枚用意しておき、この底部固定板７の凹部７０に触圧センサ１０の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを埋設させる。そして、この状態で、触圧センサ１０の足部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを底部固定板７にスポット溶接し、触圧センサ１０を底部固定板７に固着する。

また、これとは別に、三次元曲面に触圧センサ１０を取り付けるための凹部形成部材８を用意する。この凹部形成部材８の用意に際しては、あらかじめ触圧センサ１０の取り付け位置を規定しているプラスチックフィルムなどのブロック保持体８２を用意しておおき、このブロック保持体８２の中心位置および端部の角穴８３にブロック体８０の正方形状の突起部８１を嵌合させる。そして、このブロック体８０の幾何学的な位置関係を決定する。

そして、このように触圧センサ１０や凹部形成部材８を用意した後、図５に示すように、三次元曲面の設置したい位置に、硬化剤を混入したエポキシ樹脂９０を塗布する。エポキシ樹脂９０に硬化剤を混入するとき、ガラス繊維を容積比２０％程度一緒に混入し、十分に混ぜ合わせた後、半硬化したエポキシ樹脂９０を球面体の所定の位置に膜状に塗布する。

このように硬化剤を混入したエポキシ樹脂９０を塗布した後、その樹脂９０が完全に硬化する前に、ブロック体８０を嵌め込んだブロック保持体８２（凹部形成部材８）をそのエポキシ樹脂９０の塗布面に拡げて設置する。そして、十文字状に構成されたブロック保持体８２の四方をガムテープ９２などの粘着部材で固定し、その後、スポーツ用ゴムバンド９３などの緊帯部材を用いてその凹部形成部材８を曲面側に押圧する。エポキシ樹脂９０が硬化したらゴムバンド９３を除去し、さらに、その表面に取り付けられていたガムテープ９２やブロック保持体８２を取り去る。また、テフロン角板などで形成されたブロック体８０もエポキシ樹脂９０から取り除く。そして、このブロック体８０を取り除いた位置に、底部固定板７に取り付けられた触圧センサ１０を粘着剤などで取り付ける。この際、底部固定板７を接着剤などで取り付けてもよいが、好ましくは、触圧センサ１０を底部固定板７とともに取り外して再利用できるように粘着剤を用いて固定する。

これにより、三次元曲面上における触圧センサ１０の取り付け位置が幾何学的位置関係をもって取り付けられ、外力の負荷する重心位置が五個の触圧センサ１０のどの位置にあるかを正確に計算し、かつ、その方向が三次元の座標軸で計算表示することができる。

このように上記実施の形態によれば、物体表面に触圧センサ１０を取り付けるための凹部７０を形成するセンサ取り付け用の凹部形成部材８を、物体表面に塗布された樹脂９０に押圧することによって凹部９１を形成するための複数のブロック体８０と、この複数のブロック体８０をあらかじめ規定された幾何学的位置関係をもって着脱可能に保持するブロック保持体８２とを備えるようにしたので、任意の三次元曲面に触圧センサ１０を取り付けるための凹部９１を形成することができ、容易に三次元曲面に触圧センサ１０を取り付けることができるようになる。また、取り付けるべき触圧センサ１０の大きさが変わった場合であっても、その大きさに対応したブロック体８０に取り替えるだけでセンサ取り付け用の凹部７０を形成することができるため、ブロック保持体８２を汎用的に使用することができるようになる。

また、上記実施の形態では、ブロック保持体８２によってブロック体８０を保持する場合、あらかじめそのブロック体８０の取り付け角度を規定しておくようにしたので、三次元曲面上における触圧センサ１０の向きを揃える場合、その角度の統一されたブロック体８０を用いることによって凹部７０の向きを統一することができ、簡単に触圧センサ１０の向きを統一することができる。

さらに、このようなブロック保持体８２を可撓性の部材で構成するようにしたので、ブロック保持体８２を三次元曲面に沿って押圧することができるため、種々の物体や曲面位置に対してもセンサ取り付け用の凹部７０を形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、触圧センサ１０を取り付ける場合について説明したが、上述のような触圧センサ１０に限らず、構造の異なる触圧センサ１０や、もしくは、他の種類のセンサを取り付ける場合にも適用することができる。

また、上記実施の形態では、十文字状をなすブロック保持体８２に五個のブロック体８０を取り付ける場合を例に挙げて説明したが、このような形状および個数に限定されるものではなく、例えば、等間隔に格子状の角穴８３を有する一枚の矩形状シートを用いてブロック保持体８２を形成するようにしてもよい。さらには、ブロック保持体８２をブロック体８０とを別体で構成して嵌合させるようにしているが、成形などによって一体的に凹部形成部材８を構築するようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、樹脂としてガラス繊維を混入させたエポキシ樹脂９０を用いているが、このような樹脂に限定されるものではなく、また、混入される材料としてもガラス繊維などに限定されるものではない。

本発明の一実施の形態における底部固定板に固定された触圧センサの斜視図 図１における平面図および断面図 同形態における第一の起歪部の裏面に取り付けられる歪みゲージ 同形態におけるセンサ取り付け用の凹部形成部材を示す図 同形態における凹部形成部材を用いて三次元曲面に凹部を形成する工程を示す図 同形態におけるセンサの取り付け工程を示す図 従来の触圧センサを示す図

１・・・第一の起歪部
２ａ・・・第二の起歪部
２ｂ・・・第三の起歪部
２ｃ・・・第四の起歪部
２ｄ・・・第五の起歪部
５ａｕ、５ａｄ、５ｂｕ、５ｂｄ、５ｃｕ、５ｃｄ、５ｄｕ、５ｄｄ、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ・・・歪みゲージ
６・・・切欠部
７・・・底部固定板
８・・・凹部形成部材
１０・・・触圧センサ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ・・・足部
２１、２２、２３、２４・・・接続パッド
７０・・・凹部
８０・・・ブロック体
８１・・・突起部
８２・・・ブロック保持体
８３・・・角穴
９０・・・樹脂
９１・・・凹部
９２・・・ガムテープ
９３・・・ゴムバンド

Claims (3)

1. 物体表面にセンサを取り付けるための凹部を形成するセンサ取り付け用の凹部形成部材であって、
   物体表面に塗布された樹脂に押圧することによって凹部を形成するための複数のブロック体と、
   該複数のブロック体をあらかじめ規定された幾何学的位置関係をもって着脱可能に保持するブロック保持体と、
   を具備してなるセンサ取り付け用の凹部形成部材。
2. 前記ブロック体が、前記ブロック保持体に対して角度を規定した状態で保持されるものである請求項１に記載のセンサ取り付け用の凹部形成部材。
3. 前記ブロック保持体が、可撓性の部材で形成されたものである請求項１に記載のセンサ取り付け用の凹部形成部材。

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