特許 7613990 三軸荷重検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-06

(45)【発行日】2025-01-15

(54)【発明の名称】三軸荷重検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/1627 20200101AFI20250107BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20250107BHJP

【ＦＩ】

G01L5/1627

G01L5/00 103D

G01L5/00 103E

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021065353

(22)【出願日】2021-04-07

(65)【公開番号】P2022160870

(43)【公開日】2022-10-20

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴 恵太

(72)【発明者】

【氏名】安木 佑介

(72)【発明者】

【氏名】両角 由貴夫

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】特開平９－２３６４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－７８０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－３２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２００６２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－８７７８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６、

５／００－５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一部材と、固定部材によって前記第一部材に固定される第二部材と、の間に介在され、前記第一部材側に配置される環状の第一平板と、前記第二部材側に配置されて前記第一平板と対向する環状の第二平板と、前記第一平板と前記第二平板とを連結する三個以上の連結部と、を備え、前記第一部材と前記第二部材との間に荷重が作用した場合に前記三個以上の連結部が直交三軸方向において前記荷重の各分力の大きさに応じた歪変形量で弾性変形するように構成された環状体と、
前記三個以上の連結部のうちの三個以上にそれぞれ取り付けられ、前記第一部材と前記第二部材との間に荷重が作用した場合に、それぞれ前記環状体の軸方向と平行な方向の力を検出する三個以上の検出器と、
前記三個以上の検出器が接続され、前記三個以上の検出器のそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ及びそれぞれの検出結果を示すデータを組み合わせて三次元データに変換し、すべての前記三次元データによって求まる１つの平面の平面パラメータを算出し、前記平面パラメータで規定される法線ベクトルを用いて直交三軸方向の三分力を算出するデータ処理装置と、
を有する三軸荷重検出装置。

【請求項2】

前記検出器は、前記連結部に対して前記環状体の外周側に配置されて前記連結部の側面に取り付けられている、請求項１記載の三軸荷重検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三軸荷重検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、分力測定装置に関する技術が開示されている。簡単に説明すると、この分力測定装置は、被測定物の変形を検出する複数の変形検出器と、変形と分力との非線形関係に関するデータを保存する記憶装置と、変形検出器の検出出力及び記憶装置に保存された非線形関係データに基づき被測定物に作用する分力の大きさを求める演算装置と、を備える。そして、このような分力測定装置によれば、被測定物に作用する未知な荷重の分力を正確に求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－１３２９０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記先行技術では、各変形検出器の検出結果を統合するステップを経ずに別々に三分力を求めており、変形検出器の検出値と記憶装置に保存されたデータとを比較して適用する線形領域を選択しなければならない。このため、簡易な仕組みで検出精度を高める点において改善の余地がある。

【0005】

本発明は、上記事実を考慮して、簡易な仕組みで検出精度を高めることが可能な三軸荷重検出装置を得ることが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に記載する本発明の三軸荷重検出装置は、第一部材と、固定部材によって前記第一部材に固定される第二部材と、の間に介在され、前記第一部材側に配置される環状の第一平板と、前記第二部材側に配置されて前記第一平板と対向する環状の第二平板と、前記第一平板と前記第二平板とを連結する三個以上の連結部と、を備え、前記第一部材と前記第二部材との間に荷重が作用した場合に前記三個以上の連結部が直交三軸方向において前記荷重の各分力の大きさに応じた歪変形量で弾性変形するように構成された環状体と、前記三個以上の連結部のうちの三個以上にそれぞれ取り付けられ、前記第一部材と前記第二部材との間に荷重が作用した場合に、それぞれ前記環状体の軸方向と平行な方向の力を検出する三個以上の検出器と、前記三個以上の検出器が接続され、前記三個以上の検出器のそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ及びそれぞれの検出結果を示すデータを組み合わせて三次元データに変換し、すべての前記三次元データによって求まる１つの平面の平面パラメータを算出し、前記平面パラメータで規定される法線ベクトルを用いて直交三軸方向の三分力を算出するデータ処理装置と、を有する。

【0007】

なお、「すべての前記三次元データによって求まる１つの平面」とは、すべての前記三次元データの点を通る平面が存在する場合にはそのような平面をいい、すべての前記三次元データの点を通る平面が存在しない場合にはすべての前記三次元データの点を通るような面に近似する１つの平面をいう。

【0008】

上記構成によれば、環状体は、第一部材と、固定部材によって第一部材に固定される第二部材と、の間に介在され、環状の第一平板と環状の第二平板と三個以上の連結部とを備えている。環状の第一平板は第一部材側に配置され、環状の第二平板は第二部材側に配置されて第一平板と対向し、三個以上の連結部は第一平板と第二平板とを連結する。そして、環状体は、第一部材と第二部材との間に荷重が作用した場合に三個以上の連結部が直交三軸方向において前記荷重の各分力の大きさに応じた歪変形量で弾性変形する。また、三個以上の連結部のうちの三個以上にはそれぞれ検出器が取り付けられており、検出器は計三個以上設けられている。これら三個以上の検出器は、第一部材と第二部材との間に荷重が作用した場合に、それぞれ環状体の軸方向と平行な方向の力を検出する。

【0009】

ここで、前記三個以上の検出器はデータ処理装置に接続されている。データ処理装置は、三個以上の検出器のそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ及びそれぞれの検出結果を示すデータを組み合わせて三次元データに変換し、すべての三次元データによって求まる１つの平面の平面パラメータを算出し、算出した平面パラメータで規定される法線ベクトルを用いて直交三軸方向の三分力を算出する。このように、すべての検出器の検出に関する情報を統合して平面パラメータで規定される法線ベクトルに落とし込むことによって、簡易な仕組みで検出精度を高めることが可能になる。

【0010】

請求項２に記載する本発明の三軸荷重検出装置は、請求項１記載の構成において、前記検出器は、前記連結部に対して前記環状体の外周側に配置されて前記連結部の側面に取り付けられている。

【0011】

上記構成によれば、環状体において相対的に変形量が大きくなる部位に検出器が設けられているので、検出器による検出を効率良く行うことができる。

【発明の効果】

【0012】

以上説明したように、本発明の三軸荷重検出装置によれば、簡易な仕組みで検出精度を高めることが可能になるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る三軸荷重検出装置の全体構成を簡略化して示す全体構成図である。

【図2】図１の三軸荷重検出装置の一部である環状体が第一部材と第二部材との間に介在されている状態を示す側面図である。

【図3】検出器が取り付けられた環状体を示す斜視図である。

【図4】図２の４－４線に沿って切断した状態の環状体及び検出器を示す断面図である。

【図5】図５（Ａ）は図１のデータ処理装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のデータ処理装置の機能構成の一例を示すブロック図である。

【図6】三軸荷重検出装置によって三軸方向の三分力を検出する場合の処理のおおまかな流れを示すフロー図である。

【図7】データ処理装置による三軸荷重演算処理の流れの一例を示すフロー図である。

【図8】図８（Ａ）は三次元座標上において四個の検出器の出力を平面に写像した状態等を示す図である。図８（Ｂ）は三次元座標上における法線ベクトルとその俯角、仰角及び方位角との関係を示す図である。

【図9】図９（Ａ）は軸力に加えて右側からの横力が入った場合のイメージ図である。図９（Ｂ）は図９（Ａ）の場合の推定平面等を示すイメージ図である。

【図10】図１０（Ａ）は軸力に加えて右斜め後方側からの横力が入った場合のイメージ図である。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の場合の推定平面等を示すイメージ図である。

【図11】三軸荷重検出装置の計測対象の一例を模式的に示す断面図である。

【図12】三軸荷重検出装置が適用される例を示す模式的な側面図である。検出器の図示は省略する。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の一実施形態に係る三軸荷重検出装置について図１～図１２を用いて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る三軸荷重検出装置１０の全体構成が簡略化された状態で示されている。図１において図中左側は縦断面図で示されている。図１に示されるように、三軸荷重検出装置１０は、環状体２０、検出器３０、アンプ３８、及びデータ処理装置４０を備える。

【0015】

三軸荷重検出装置１０の環状体２０は、第一部材１００と、固定部材としてのボルト９０によって第一部材１００に固定される第二部材１０２と、の間に介在され、ボルト９０による締結によって共締めされる。なお、ボルト９０は、軸部９０Ａと頭部９０Ｂとを備えると共に軸部９０Ａに雄ネジ部９０Ａ１が形成されている。また、第一部材１００には、ボルト９０の軸部９０Ａが挿入されるボルト穴１００Ａが形成されると共に、このボルト穴１００Ａには、雄ネジ部９０Ａ１が螺合する雌ネジ部（図示省略）が形成されている。さらに、第二部材１０２には、ボルト９０の軸部９０Ａが挿通されるボルト挿通孔１０２Ａが貫通形成されている。

【0016】

ここで、三軸荷重検出装置１０の計測対象について図１１を参照しながら簡単に説明する。図１１に示されるように、第一部材１００と第二部材１０２とがボルト９０によって締結された場合、ボルト締結力９０Ｆにより、第一部材１００と第二部材１０２との間に力１０１Ｆが作用する。第一部材１００と第二部材１０２との間の力１０１Ｆの向き及び大きさは種々変わり得る。本実施形態の三軸荷重検出装置１０（図１参照）の測定対象は、第一部材１００と第二部材１０２との間に作用する力１０１Ｆである。なお、図１２に模式的に示されるように、第一部材１００と第二部材１０２とが複数のボルト９０で固定されている場合、ボルト９０毎に環状体２０（簡略化して図示）を配置してそれぞれについて三軸荷重を検出することも可能である。

【0017】

図２には、環状体２０が第一部材１００と第二部材１０２との間に介在されている状態が側面図で示されている。図２では、環状体２０を見易くするために、ボルト９０（図１参照）の図示を省略している。環状体２０は、ワッシャ状の部材として把握することもできる。図３には、検出器３０が取り付けられた環状体２０が斜視図で示され、図４には、図２の４－４線に沿って切断した状態の環状体２０及び検出器３０が水平断面図で示されている。

【0018】

図２～図４に示されるように、環状体２０は、薄型の構造体とされ、第一部材１００側に配置される環状の第一平板２２と、第二部材１０２側に配置されて第一平板２２と対向する環状の第二平板２４と、第一平板２２と第二平板２４とを連結する八個の連結部２６と、を備える。環状体２０の内周側の中空部分には、ボルト９０の軸部９０Ａ（いずれも図１参照）が挿通される。

【0019】

図４に示されるように、八個の連結部２６は、環状体２０の周方向に沿って等間隔に並ぶように配置されている。すなわち、八個の連結部２６は、環状体２０の左右方向の中心線ＣＬ１を対称軸として左右対称でかつ環状体２０の前後方向の中心線ＣＬ２を対称軸として前後対称となるように配置されている。なお、環状体２０における左右方向及び前後方向は、説明の便宜上定めた方向である。環状体２０は、八個の連結部２６の水平断面積に比例した強度となっており、八個の連結部２６によって強度をコントロールしている。環状体２０は、図２に示される第一部材１００と第二部材１０２との間に荷重が作用した場合に八個の連結部２６が直交三軸方向において前記荷重の各分力の大きさに応じた歪変形量で弾性変形するように構成されている。

【0020】

図４に示されるように、検出器３０は、八個の連結部２６のうちの一例として四個にそれぞれ取り付けられる。四個の検出器３０は、八個の連結部２６に対して一つ置きとなるように前後左右に設けられており、軸力推定の精度を上げるために環状体２０の中心軸を取り囲むように配置されている。なお、前後左右の検出器３０について区別して説明するときは、前側のものについて符号の末尾に「Ｆ」を付し、後側のものについて符号の末尾に「Ｚ」を付し、左側のものについて符号の末尾に「Ｌ」を付し、右側のものについて符号の末尾に「Ｒ」を付すこととする。検出器３０は、連結部２６に対して環状体２０の外周側に配置されて連結部２６の側面２６Ａに取り付けられている。

【0021】

検出器３０は、例えば変形に応じて電気抵抗が変化するひずみゲージ（金属抵抗体）とされ、測定対象のひずみを電気信号に変換して出力する素子とされる。検出器３０は、図１に示される第一部材１００と第二部材１０２との間に荷重が作用した場合に、それぞれ環状体２０の軸方向と平行な方向の力を検出するように配置されている。なお、本実施形態では、環状体２０と検出器３０とで構成される構成体を便宜上センサ体１２という。このセンサ体１２は、三軸荷重センサ本体として把握することができる。センサ体１２は、所定以上の感度を得るために、ひずみ易くする必要がある。なお、連結部２６によって強度を調整する構成を採ると、製作し易く、検出器３０及びその接続部品（端子台）も実装し易い。

【0022】

計四個の検出器３０は、すべて配線３６によってアンプ３８に接続され、このアンプ３８を介してデータ処理装置４０に接続されている。アンプ３８は、検出器３０からの電気信号を増幅してデータ処理装置４０側に出力する。また、アンプ３８は、バイアスリセットを行う。データ処理装置４０は、四個の検出器３０の出力を統合する機能等を有する。データ処理装置４０には、ＰＣ（パソコン）、マイコン等の各種コンピュータを適用できる。

【0023】

図５（Ａ）には、データ処理装置４０のハードウェア構成の一例がブロック図で示されている。図５（Ａ）に示されるように、データ処理装置４０は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、ストレージ４４、ユーザインタフェース（図５（Ａ）では「ユーザＩ／Ｆ」と略す）４５及び通信インタフェース（図５（Ａ）では「通信Ｉ／Ｆ」と略す）４６を有する。各構成は、バス４９を介して相互に通信可能に接続されている。

【0024】

ＣＰＵ４１は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２又はストレージ４４からプログラムを読み出し、ＲＡＭ４３を作業領域としてプログラムを実行する。そして、ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２又はストレージ４４に記録されているプログラムにしたがって、各種の演算処理を行う。本実施形態では、ＲＯＭ４２又はストレージ４４には、三軸荷重検出用プログラムが記憶されている。

【0025】

ＲＯＭ４２は、各種プログラム及び各種データを格納する。ＲＡＭ４３は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ４４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）又はＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データを記憶する。本実施形態では、ＲＯＭ４２又はストレージ４４には、一例として、四個の検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚのそれぞれの力検出方向に見た位置（Ｘ座標位置及びＹ座標位置）を示す二次元データ、横力校正値（１／Ф_０）、軸力校正値（１／Ｃ_０）等が記憶されている。

【0026】

ユーザインタフェース４５は、ユーザがデータ処理装置４０を使用する際のインタフェースである。ユーザインタフェース４５には、一例として、ユーザによるタッチ操作を可能とするタッチパネルを備えた液晶ディスプレイが適用される。通信インタフェース４６は、データ処理装置４０が他の機器と通信するためのインタフェースである。

【0027】

上記の三軸荷重検出用プログラムを実行する際に、データ処理装置４０は、上記のハードウェア資源を用いて、各種の機能を実現する。データ処理装置４０が実現する機能構成について説明する。

【0028】

図５（Ｂ）には、データ処理装置４０の機能構成の一例がブロック図で示されている。図５（Ｂ）に示されるように、データ処理装置４０は、機能構成として、受信部４０１、演算部４０２及び表示部４０３を有する。各機能構成は、ＣＰＵ４１がＲＯＭ４２又はストレージ４４に記憶された三軸荷重検出用プログラムを読み出し、実行することにより実現される。

【0029】

受信部４０１は、検出器３０で検出されてアンプ３８で電気信号が増幅された検出器３０での検出結果を示すデータを受信する。演算部４０２は、四個の検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚのそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ及びそれぞれの検出結果を示すデータを組み合わせて三次元データに変換し、すべての三次元データによって求まる１つの平面の平面パラメータを算出し、前記平面パラメータから直交三軸方向の三分力に換算する（詳細後述）。表示部４０３は、演算部４０２が算出した各種算出結果等を表示する。

【0030】

次に、図１に示される三軸荷重検出装置１０の作用について説明する。

【0031】

図６には、三軸荷重検出装置１０によって三軸方向の三分力を検出する場合の処理のおおまかな流れがフロー図で示されている。最初にこのフロー図に沿って概説する。

【0032】

まず、第一部材１００と第二部材１０２との間に環状体２０が介在された状態でボルト９０が第一部材１００に締め付けられて第一部材１００と第二部材１０２との間に荷重が作用すると（合力が印加されると）、各検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚは、それぞれ環状体２０の軸方向と平行な方向の力を検出して検出値を出力する（ステップＳ１０１）。出力された検出値の電気信号は、アンプ３８によって増幅され、データ処理装置４０に受信される。これにより、データ処理装置４０は、検出位置毎の検出値の情報、すなわち検出情報を取得する（ステップＳ１０２）。

【0033】

次に、データ処理装置４０は、検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚのそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ及びそれぞれの検出結果を示すデータを組み合わせて各検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚの出力をベクトル化する（ステップＳ１０３）。そして、データ処理装置４０は、それらのベクトル化したデータから最小二乗法によって求まる１つの平面の平面パラメータを算出する（ステップＳ１０４）。このステップＳ１０４は、検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚの各検出結果を統合するステップといえる。

【0034】

次に、データ処理装置４０は、平面パラメータで規定される法線ベクトルの方位角により横力の角度を算出し（ステップＳ１０５Ａ）、平面パラメータで規定される法線ベクトルの斜度により（より具体的には仰俯角の正接により）横力のノルムを算出し（ステップＳ１０５Ｂ）、平面パラメータで規定される法線ベクトルのＺ方向のオフセット量より軸力を算出する（ステップＳ１０５Ｃ）。次に、データ処理装置４０は、ステップＳ１０５Ａで算出した横力の角度及びステップＳ１０５Ｂで算出した横力のノルムを変換して横力Ｘ，Ｙを算出する（ステップＳ１０６）。これらの算出については詳細後述する。これらの算出後、データ処理装置４０は、ステップＳ１０５Ｃ及びステップＳ１０６の算出結果に基づいて、三分力（軸力及び横力Ｘ，Ｙ）を表示する。

【0035】

次に、図５（Ａ）に示されるデータ処理装置４０による三軸荷重演算処理の流れについて、図７～図１０を参照しながら説明する。

【0036】

図７には、データ処理装置４０による三軸荷重演算処理の流れの一例が示されている。この図７について説明する前に、図８～図１０について簡単に説明する。図８（Ａ）には、三次元座標上において四個の検出器３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚの出力（検出位置情報及び検出値情報）を平面（推定平面ＥＰ）に写像した状態等が示されている。なお、図８（Ａ）において、符号ｒは、推定平面ＥＰに垂直な法線ベクトルである。法線ベクトルｒは、平面パラメータで規定され、法線ベクトルｒの方向は、入力荷重（三軸荷重の合力）の方向に略等しい。図８（Ｂ）には、三次元座標上における法線ベクトルｒとその俯角、仰角及び方位角との関係が図示されている。図９（Ａ）は軸力に加えて右側からの横力が入った場合のイメージ図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の場合の推定平面ＥＰ等を示すイメージ図である。図１０（Ａ）は軸力に加えて右斜め後方側からの横力が入った場合のイメージ図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の場合の推定平面ＥＰ等を示すイメージ図である。なお、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）はあくまでも参考用のイメージ図であり、図９（Ｂ）と図１０（Ｂ）とを比べると検出器３０の位置が一部違う位置に見えるが、実際には検出器３０の力検出方向に見た位置は変わらないものと考える。

【0037】

図７に示されるデータ処理装置４０による三軸荷重演算処理は、三軸荷重検出用処理の一部である。図５（Ａ）に示されるＣＰＵ４１がＲＯＭ４２又はストレージ４４から三軸荷重検出用プログラムを読み出して、ＲＡＭ４３に展開して実行することにより、三軸荷重演算処理を含む三軸荷重検出用処理が行なわれる。なお、図７では、検出器３０がＮ個あるものとして図示している。本実施形態の場合は、Ｎ＝４である。

【0038】

まず、ＣＰＵ４１は、各検出器（３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚ）のそれぞれの検出結果を示すデータ（検出値情報）を取得し（ステップＳ２０１）、各検出器（３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚ）のそれぞれの力検出方向に見た位置を示す二次元データ（検出位置情報）を取得する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０１及びステップＳ２０２は、図６のステップＳ１０２に相当する。

【0039】

次に、ＣＰＵ４１は、ステップＳ２０１及びステップＳ２０２で取得したデータを組み合わせて三次元データに変換し（図６のステップＳ１０３の処理をし）、すべての前記三次元データから最小二乗法によって求まる１つの平面（推定平面ＥＰ）の平面パラメータを算出する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３は、図６のステップＳ１０４に相当する。

【0040】

ここで、図７のステップＳ２０３及びその前提となる処理について説明する。検出器の力検出方向に見た位置を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）とし、その位置での検出器の検出結果を（ｚ_ｉ）とした場合、ここでは、変換される三次元データを（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）としている。一方、本実施形態の構成では、作用する各分力と、検出器を構成するひずみゲージ（抵抗体）の出力値との関係が線形性を十分に備えるようなハード特性となっており、入力荷重に対する環状体２０の変形の挙動も線形性がある。このため、上記のように取得した検出に関する情報を三次元座標上の点として捉えた場合、ボルト９０の締結による荷重がどのように作用した場合でも、変換された複数の三次元データは基本的に単一の平面（ないしは略平面）を構成するようになっている。

【0041】

そして、本実施形態では、最小二乗法によって平面を求めることで、実測の際のノイズの影響を低減することができ、ボルト９０で締結した場合の推定印加合力が先の平面の形で得られる（最尤平面の推定）。

【0042】

計算式について補足説明する。位置座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を含む平面の方程式は、ａｘ＋ｂｙ＋ｃ＝ｚで表すことができる。ここで、ａ、ｂ、ｃは平面パラメータである。この平面パラメータａ，ｂ，ｃを求める際に一例として最小二乗法を用いる。その場合の最小化関数は以下の数式１で表すことができる。

【0043】

【数1】

【0044】

また、上記の数式１から以下の数式２を導出することができる。

【0045】

【数2】

【0046】

さらに、上記の数式２より、逆行列を用いた演算によってＣＰＵ４１は平面パラメータａ，ｂ，ｃを求める（ステップＳ２０３）。また、ステップＳ２０３で求められた平面パラメータａ，ｂ，ｃを用いて、横力Ｘ、横力Ｙ、及び軸力を算出する方法は、以下の通りである。

【0047】

ＣＰＵ４１は、平面パラメータａ，ｂ，ｃのうちのａ，ｂに基づいて、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示される法線ベクトルｒの仰俯角の正接により、横力のノルムの校正係数Фを算出する（ステップＳ２０４）。そして、ＣＰＵ４１は、図７に示されるように、ステップＳ２０４で算出した横力のノルムの校正係数Фに横力校正値１／Ф_０を乗算することで、横力のノルムＦを算出する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０４及びステップＳ２０５は、図６のステップＳ１０５Ｂに相当する。

【0048】

図７のステップＳ２０６において、ＣＰＵ４１は、平面パラメータａ，ｂ，ｃのうちのａ，ｂに基づいて、図８（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示される法線ベクトルｒの方位角によって、横力の入力角度θを算出する。図７のステップＳ２０６は、図６のステップＳ１０５Ａに相当する。

【0049】

図７のステップＳ２０７において、ＣＰＵ４１は、平面パラメータａ，ｂ，ｃのうちのｃ（図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示される法線ベクトルｒのＺ方向（図８（Ｂ）参照）のオフセット量）を軸力の校正係数とし、この軸力の校正係数に軸力校正値１／Ｃ_０を乗算することで、軸力を算出する。ステップＳ２０７は、図６のステップＳ１０５Ｃに相当する。

【0050】

図７のステップＳ２０８において、ＣＰＵ４１は、ステップＳ２０５で算出した横力のノルムＦ及びステップＳ２０６で算出した横力の入力角度θに基づいて横力Ｘを算出する。また、ステップＳ２０９において、ＣＰＵ４１は、ステップＳ２０５で算出した横力のノルムＦ及びステップＳ２０６で算出した横力の入力角度θに基づいて横力Ｙを算出する。

【0051】

以上のように、本実施形態では、各検出器（３０Ｌ、３０Ｒ、３０Ｆ、３０Ｚ）の検出位置毎の検出値の情報を平面パラメータ（別の言い方をすれば平面パラメータで規定される１つの法線ベクトル）に統合したうえで、横力Ｘ、横力Ｙ、及び軸力が算出される。これによって、簡易な仕組みで検出精度を高めることが可能になる。

【0052】

また、本実施形態では、図１～図４に示されるように、検出器３０は、連結部２６に対して環状体２０の外周側に配置されて連結部２６の側面２６Ａに取り付けられている。このように、環状体２０において相対的に変形量が大きくなる部位に検出器３０が設けられているので、検出器３０による検出を効率良く行うことができる。

【0053】

以上説明したように、図１等に示される本実施形態の三軸荷重検出装置１０によれば、簡易な仕組みで検出精度を高めることができる。

【0054】

また、本実施形態では、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示されるように、推定平面ＥＰ（尤もらしい一つの面）で入力された力を表現することができる。よって、このような推定平面ＥＰをユーザＩ／Ｆ（図５（Ａ）参照）を用いて表示すれば（可視化すれば）、ユーザは、入力された力をイメージとして捉えることができる。また、推定平面ＥＰを連続的に表示すれば、経時的に変化する荷重の変動をもイメージとして捉えることができる。

【0055】

なお、上記実施形態では、図４等に示されるように、環状体２０の連結部２６が八個設けられているが、環状体（２０）に設けられる連結部（２６）の数は三個以上であれば八個以外の数であってもよい。

【0056】

また、上記実施形態では、検出器３０は、八個の連結部２６のうちの四個にそれぞれ取り付けられているが、検出器（３０）は、三個以上の連結部（２６）のうちの三個以上にそれぞれ取り付けられていればよい。

【0057】

また、上記実施形態では、検出器３０は、連結部２６に対して環状体２０の外周側に配置されて連結部２６の側面２６Ａに取り付けられており、このような構成が好ましいが、検出器（３０）が連結部（２６）に対して環状体（２０）の外周側以外の側面等に取り付けられる構成も採り得る。

【0058】

また、上記実施形態で図５（Ａ）に示されるＣＰＵ４１がソフトウェア（プログラム）を読み込んで実行した各処理を、ＣＰＵ以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の製造後に回路構成を変更可能なＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、及びＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、各処理を、これらの各種のプロセッサのうちの１つで実行してもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡ、及びＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ等）で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。

【0059】

また、上記実施形態で説明したプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

【0060】

なお、上記実施形態及び上述の変形例は、適宜組み合わされて実施可能である。

【0061】

以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0062】

１０ 三軸荷重検出装置
２０ 環状体
２２ 第一平板
２４ 第二平板
２６ 連結部
２６Ａ 連結部の側面
３０ 検出器
４０ データ処理装置
９０ ボルト（固定部材）
１００ 第一部材
１０２ 第二部材
ＥＰ 推定平面（平面）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】