WO2003036247A1 - Capteur sensible a la pression et moniteur utilisant un tel capteur - Google Patents

Description

感圧センサ及ぴ該感圧センサを使用したモニタ 技術分野

本発明は、 受圧部に加えられた圧力を当該受圧部の変形量としてとらえ、 当該 変形量を電気信号に変換し検出する感圧センサ （圧力センサ） と、 当該感圧セン サを介して人の動作および感情の状態と変化のモニタ、 例えば持ち主の愛玩行為 を感知し、 所定の反応 ·動作を行う愛玩用ロボットに関する。 背景技術 '

感圧センサとしては、 弾性体の内部に複数の電極を空隙を介して対向配置し、 加圧により弾性体が変形することで単数または複数の対向電極が相接触して導通 することで加圧量を検出するものや、 感圧導電性ゴム等の感圧抵抗体を用いて受 圧部に加えられた圧力を電気信号に変換し検出するものが種々紹介されている。

しかしながら、 前者では、 対向電極相互の接触の有無を検知する形態であるか ら、 前記弾性体を変形させるに至らない微少な圧力は検知できず、 後者にあって も、 感圧導電性ゴムは、 前記微少な圧力が加わることによる出力変化が微少であ る為に、 一定以上の圧力が加わる場面での用途に限られていた。 また、 構造上、 検出領域が狭い範囲で非連続に分散する傾向となり、 圧力の検出が必要な領域で あっても不感点が散在するという問題もあった。

また、 イスやベッドの内部に感圧センサやスィッチを埋め込むことにより、 人 が座った、 あるいは寝た状態を検知する技術、 重量の設定を行い、 人が子供か大 人かを検知する技術、 さらに快適さに応じてイスやべッドの形状を変える技術な どの発明が出願されている。 しかしながら、 従来の提案では、 人間の存在を知る ことが目的であり、 人の動作および情動の状態と変化を類推していない。 発明の開示

本発明は、 上記実情に鑑みて成されたものであって、 微少な圧力を確実に検出 でき、 圧力の検出が必要とされる領域について不感帯を形成することなく確実に 検出できる感圧センサと、 当該感圧センサを利用した人間の行動および情動の状 態を監視可能なモニタ、 例えば前記モニタを搭載したイスやベッド、 愛玩用ロボ ッ ト、 ウェアラプルインターフェースの提供を目的とする。

上記課題を解決するために成された本発明による感圧センサは、 受圧面となる 電極シートを含む相離隔した電極シート間に伸縮性を持つ有形誘電体を介在して 成る感圧部を具備したことを特徴とする。 受圧面とは、 直接的であるか間接的で あるかを問わず実際に圧力を受ける面である。 ここで伸縮性とは変形性と復元性 を併せ持つ性状を言い、 所謂弾性という概念を含む。 また、 有形誘電体の有形と は、 ある安定した形を維持できる性状を言い、 液状或いはゲル状などの形状が不 安定な性状を除く。 ■

当該感圧部は、 電極シートとそれに挟まれた有形誘電体から成るサンドィツチ 構造によって、 主要電子回路部品の一つのコンデンサと等価な作用を発生するも のであり、 それは単層であっても良いし、 受圧面となる電極シートを含む相離隔 した三枚の電極シート間それぞれに伸縮性を持つ有形誘電体を介在して成る感圧 部を具備した二層感圧センサ、 或いはそれ以上の多層感圧センサとして構成して も良い。

前記有形誘電体は、 極微少な圧力でも容易に変形させ得る様に、 スポンジ状に 成形しても良い。 また、 前記有形誘電体の誘電率を高めるべく当該有形誘電体に 液状誘電体を含浸させても良い。 更に、 前記感圧部が置かれる配設環境に対する 順応性を高めるべく、 前記電極シートとして可撓性シートを採用しても良い。 こ こで、 可撓性シートとは、 撓つたり歪んだり出来る性状のシートであって復元性 を持たせるか否かは用途に応じて適宜定めればよい。 可撓性シートの具体例とし ては、 前面に銅箔等の電極材を張り付けられたフレキシブル基板や、 電磁シール ド材の様に導電性繊維を編み上げた導電性シート、 或いは導電性金属の薄板など が挙げられる。

上記感圧センサの用途としては、 上記いずれか一の感圧センサを外皮材下に埋 め込んで成り、 内部に、 当該感圧センサの感圧部への加圧により発生した電気的 変位の有無を判定すると共に、 当該感圧部への加圧により発生した電気的変位有 りとの判定を得た際に感圧信号を出力する加圧検知手段と、 前記感圧信号を受け て所定の動作を実行する反応手段を具備した愛玩用口ポットが挙げられる。

ここで外皮材下とは、感圧センサとして機能できる程度の浅い部分にを意味し、 必ずしも外皮材の直下に埋め込まれることを意味するものではない。外皮材とは、 物体の最外殻に表皮、 保護材或いは化粧材として被着された布、 シート或いは板 材であって、例えば、 ぬいぐるみの場合であれば、皮膚として被着されたニット、 フェルト或いは毛織物等である。 また、 電気的変位と'は、 定められた一定の物理 量に対する変位 （絶対変位） であっても良いし、 所定時間前の物理量と現在の物 理量との比較による経時的な変位 （相対変位） であってもよい。 本発明の感圧センサの他の用途としては、 イスやベッド、 ウェアラプルインタ 一フェースが挙げられる。 イスに関して：

座り方により、 人の認識を行う。 圧力がかかる面積により、 人の大きさを測定 し、 面積あたりの圧力により、 体重の予測を行なう。 これを日々計測し、 人の認 識ゃ、 人の体重変化等のモニタリングを行う。

( 1 ) 車用座席シートに関連して：

運転などの作業を行なっている人の背面での圧力の変化に注目し、 定期的な低 周波の変化がある場合に、 居眠りをしている可能性が高いと判断する。

( a ) 入力：シートの座面と背面に面感圧センサを埋め込み、 圧力の検出を行な う。 また、 シート以外のセンサからの情報を組み合わせる。

( b ) 情報処理：座面や背面にかかる圧力の総和や単位面当りの圧力の時間的変 化を求め、 周期性などに注目し、 人間の行動モデルとの比較を行い、 人間の状態 について推測する。

( c ) 推定された状態に依存して、 他の機器の制御を行い、 人間への働きかけや 手助けを機械が自動的に行なえるようにする。

例えば車の車速情報と組み合わせ、 低速で走行しているときには、 人の動きの 揺らぎを検出し、 人がいらいらしているかどうかを検出する。 シートのマッサ一 ジ機能や形態変形機能、 さらには他の情報メディア等と連携して、 人を落ち着か せるように車から働きかける。

( 2 ) 飛行機のシートに関連して：

適度な動きの変化があるかをモニタする。 一定時間動きが無い場合には、 動く ように人にシグナルを送る。 エコノミー症候群など、 長時間、 同一の姿勢をとり つづけることにより発生する問題を防止する。 オフィス 'チェアに関して：

( 1 ) オフィス ·チェアの座面および背面に面感圧センサを内蔵することにより、 人が座っているかどうか、 座った状態での姿勢やその変化をモニタリングするこ とが可能になる。 これにより、 勤務状態の管理、 コンピュータの前での仕事にお ける作業時間をチェックし、 作業者の体の動きをモニタリングすることにより疲 労 -健康管理を行なう。 さらに、 オフィスで長時間仕事を継続している場合に椅 子を動的に動かし、 マッサージなど行なうなど、 チェアからのアクティブなサー ビスの提供が可能になる。

( 2 ) オフィス 'チェアから席を離れて一定時間がたっと、 デスク上の固定電話 にかかった電話を携帯電話などの他の電話へ自動的に転送する。 さらに、 オフィ ス ·チ-ァに着座した後は、 転送を速やかに止めて、 固定電話の利用へ切り替え る。 べッドに関して：

寝方により、人の認識を行う。圧力がかかる面積により、人の大きさを測定し、 面積あたりの圧力により、体重の予測を行なう。 これを日々計測し、人の認識や、 人の体重変化等のモニタリングを行う。

( 1 ) ベッドのマットに面感圧センサを埋め込み、 人が寝ている状態をモニタす る。 人が動いているかどうかを定期的にモニタすることにより、 老人ホームや赤 ちゃんのうつ伏せ死の防止する。

( 2 ) 掛け布団に面感圧センサを埋め込み、 人に布団がかかっているかどうかの 確認を行なう。 布団にかかる圧力の変化を見ることにより、 人と触れ合つている かをモニタする。 例えば、 ベッドから布団が落ちていれば、 布団にかかる圧力に 変化がなくなるため、 この状態を検出できる。 キーポードに関して：

複数の感圧センサにおいて、アルファべット、かななどを入力する装置とする。 圧力の変化により、 文字の変化のスピードを変え、 文字の選択を高速に行なう。 携帯電話のスィツチに利用：文字入力を可変にする。 電動車椅子に関して：

体重移動により移動方向 · スピードをコントロールする。 車椅子の座面に面感 圧センサを埋め込み、 重心を前後左右に動かすことにより、 車椅子の進行方向の 指示を出す。 既存のジョイスティックの代替品として用いる。 靴に関して： >

1 . 歩き方のチヱック C外反母趾の予防） ：靴の中敷に、 面感圧センサを埋め込 み、 人の体重が足の裏のどこにかかるのかを計測する。 立ち方や、 歩き方のチェ ックを行なうことが可能。 長時間の立ち仕事において、 左右の足にかかる体重の パランスをモニタし、 休憩の必要性などを本人に知らせる。 また、 歩いている時 間の計測を行ない、時間とともに外側に体重がかかり始めると、休憩を促したり、 歩き方に異常がきたしたりしていることを知らせる。 これらの機能により、 外反 母趾の予防を行なったり、 お年寄りの歩き方をチェックし、 腰痛などを予防した りする。 図面の簡単な説明

第 1図 （a ) ( b ) は、 本発明による感圧センサにおける加圧部の応力による 変化状況の一例を示す概略説明図である。

第 2図は、 本発明による感圧センサと加圧検知手段との接続状況の一例を示す 概略説明図である。

第 3図は、 本発明による感圧センサを含む感圧センサュ-ットの一例を示す概 略説明図である。

第 4図は、 本発明による感圧センサの配設例を示す概略説明図である。

第 5図は、 本発明による感圧センサを用いた愛玩用ロボットに採用した加圧検 知手段の一例を示す回路図である。

第 6図 （a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( f ) は、 本発明による感圧センサの裁断 例を示す平面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明による感圧センサの実施の形態を、 当該感圧センサを採用した愛 玩用ロボットの実施の形態と共に、 図面に基づき説明する。

ここで示す例は、 図 4に示すァザラシ型ぬいぐるみロボット （以下、 口ポット と記す。） 1 3の胴上、 尻尾、 ヒレ、 頭部、 横腹、 胸、 尻及び顎にあたる外皮材 4下に埋設した感圧センサ （図 6参照） 7から、 加圧により発生する電気的変位 を取り出すものである。 前記口ポットの内部には、 当該感圧センサ 7への愛撫や 打撃等により変化した電気的変位という物理量を計測すると共に、 当該物理量の 大きさに応じた感圧信号を出力する加圧検知手段 5と、 前記感圧信号を受けて所 定の動作を実行する反応手段 6が設けられる （図 5参照）。

前記感圧センサ 7は、 図 1乃至図 3の如く受圧面となる電極シート 1を含む相 離隔した電極シート 1， 1間に、 伸縮性を持つ有形誘電体 2としてウレタンスポ ンジを介在して成る感圧部 3を具備し、 各電極シート 1に対して加圧検知手段 5 の回路を接続するものである。 前記電極シート 1は、 銅等を素材とする薄板で形 成され、 それ自体がコンデンサの対向電極と等価の役割を果たす。 当該電極シー ト 1は、 必要に応じて、 感圧センサ 7を湾曲した状態でロボットの外皮材 4下に 埋設できる様に編組導線や導電性繊維から成る織布或いは不織布から形成した可 撓性シ一トを採用することもできる。

この例では、 相離隔した三枚の前記電極シート 1， 1 , 1間それぞれに伸縮性 を持つ前記有形誘電体 2を介在する。 この様な構造により二つの幅広なコンデン サが中央の電極シート 1を介して直列に接続したものと等価の電気的な作用を得 る事が可能となる。 （尚、 後記の如く三枚の電極シート 1， 1， 1のうちの内側 に位置する二枚目の電極シート 1から出力を取り出し （図 2及び図 5参照）、 外 側の二枚の電極シート 1， 1を前記感圧検知手段 5の G N Dに接続する場合には 電気的に並列接続となる。）。 当該例における前記ウレタンスポンジは、 加圧した ときの感触や、 変形後の復元性を考慮して、 密度： 2 0 k g / m 硬さ ： 1 9 . 6 N程度に設定されている。 これらの数値は、 必要に応じて前記有形誘電体 2に 液状誘電体を含浸させることも可能であるが、 その様な場合には当該感圧センサ 7を低誘電率の絶縁素材から成る外装材 1 4で十分に密封する必要がある。

当該例における加圧検知手段 5は、 図 5の如く前記感圧センサ 7の容量に発振 周期を依存する発振回路 8と、 当該発振回路の発振周期毎に充電と放電とを繰り 返す充 ·放電回路 9と、 当該充 ·放電回路 9のコンデンサ C 1に蓄えられた電位 と所定の閾値とを比較する形で感圧センサ 7に対する加圧の大きさを検出する加 圧検出回路 1 0から構成される。

前記充 ·放電回路 9は、 前記感圧センサ 7の感圧部 3に応力が加わっていない 時 （以下、 定常時と記す。） の発振回路 8の周期での放電において、 当該充 *放 電回路 9のコンデンサの最低電位が、 前記加圧検出回路 1 0の閾値を下回らない 様に C Rの定数が固定されているのに対し、 前記発振回路 8では、 上記感圧セン サ 7に加圧による応力が生じた時、 それに伴って前記感圧センサ 7のコンデンサ としての静電容量に変化 （減少） が生じ、 当該発振回路 8の発信周波数に影響を 与える。 即ち、 図 5に示すサンプル回路では、 前記定常時における周期に比較し て、 当該感圧センサ 7に応力が加わった時の加圧の大きさに応じて周期が長くな る。

当該発振回路 8の発振周期の延びに伴う、 前記充 ·放電回路 9の放電時間の延 びによって放電時間が長くなりコンデンサの最低電位が定常時より低下し、 前記 加圧検出回路 1 0の閾値を下回る結果、 当該加圧検出回路 1 0の反転出力段は発 振周期における周期の長くなった期間のうち前期閾値を下回る期間のみ H I レべ ルを出力するが、 前期発振周期におけるデューティー比の変化が積分回路 1 5を 経て所定の電位に変換され加圧の大きさに応じた無断階のアナログ感圧信号とし て出力される。 尚、 定常状態においては、 前記の如く前記充 ·放電回路 9のコン デンサの最低電位が、 前記加圧検出回路 1 0の閾値を下回らないので、 前記加圧 検出回路の反転出力段から L OWレベルが感圧信号として出力される。

上記サンプ ^:ル回路は、 感圧センサ 7に発生する応力を、 その感圧部 3のコンデ ンサとしての構造に因る容量変化という電気的な物理量に変換し、 最終的には、 充 ·放電回路 9におけるコンデンサの最低電位という絶対量を、 加圧検出回路 1 0で定められた絶対量である閾値と比較するもの （以下、 絶対量比較型と記す。） であるが、 度重なる応力により定常時において当該感圧センサの感圧部 3の形状 が復元されず、 その容量が定常状態のそれに復帰しなくなる場合や、 埋設時にお いて既に変形を余儀なくされる場合に鑑み、 経時的に感圧センサに発生する応力 に相当する周期、 電位、 パルス幅、 位相等の電気的変位な変化分を、 予め設定し たそれらの変化分の閾値と比較する加圧検出回路 （以下、 相対量比較型と記す。） を加圧検知手段 5に採用することもある。

上記図 5のサンプル回路は、 加圧検出回路 1 0のから出力されたアナログ感圧 信号に対し、 その電位に応じた段階的な判定を行う事によって、 例えば、 愛撫、 マッサージ、 叩き等の多様な状況を判断することや応力の有無のみを判断するこ とができるが、 前記加圧検出回路に採用する具体的な手法としては、 先に示した 様な電位検出を多段階で行う手法、 応力が加えられることによる周波数変化を二 値或いは多段階で検出する手法、 応力が加えられることによる定常状態との位相 変化を二値或いは多段階で検出する手法など既存の技術を適宜採用すれば良い。 上記サンプル回路の例では、 ノイズ対策として、 三枚の電極シート 1， 1 , 1 のうちの内側に位置する二枚目の電極シート 1から出力を取り出し （図 2及び図 5参照）、 外側の二枚の電極シート 1， 1を前記加圧検知手段 5の G N Dに接続 する。 尚、 前記感圧センサ 7の構造や用途に応じて微少な容量変化もノイズに妨 げられることなく確実に検出出来るように、 各種加圧検知手段 5を各感圧センサ 7にそれぞれ一体的に設け （図 3及び図 6参照）、 当該加圧検^！手段 5と感圧セ ンサ 7を出来る限り短い線路を以て接続して成る感圧センサュニット 1 1として 埋設する場合もある。

当該感圧センサュュット 1 1には、 少なくとも、 前記サンプル回路に示した加 圧検出回路 1 0の様に、 加圧状況を前記種々の手法で検出する加圧検出回路を設 けてあればよく、 多段階のレベル判定が必要なものについては、 前記加圧検出回 路で検出した圧力を段階的に振り分ける A/Dコンパータ等のレベル判定回路' (図示せず） を設け、 当該レベル判定回路の出力を感圧信号としても良いし、 反 応手段 6が特に L E D等の比較的小規模 ·簡易である場合など適当と思われる場 合には、 電流ドライバやパルス発生回路など、 反応手段 6の駆動回路 1 2を設け ても良い。 前記段階的に振り分けるレベル判定回路の出力としては、 電圧等のァ ナ口グ量であつても良いし、 シリアルデータ或いはパラレルデ一タから成るデジ タル値であっても良い。

例えば、 上記例における加圧検出回路 1 0からの感圧信号は、 前記反応手段 6 たる対応表示装置もしくは対応ァクチユエータの駆動回路 1 2に対する起動信号 となり、 ロボット 1 3の鼻、 目、 前脚、 後ろ足などを定められた反応に即して動 作させることとなる。 尚、 感圧センサ 7は、 図 6の如く埋設する箇所に応じて感 圧部を適当な形状に裁断して用いることができ、 前記相対量比較型の加圧検出回 路を採用した場合にあっては言うに及ばず、 前記絶対量比較型の加圧検出回路を 採用した場合にあっても、 裁断面積に応じた比較的簡単な設定変更で設計ニーズ に合わせて使用することができる。 産業の利用可能性

以上の如く本発明による感圧センサを使用すれば、 感圧部全体に亘って不感帯 が存在せず、 加圧状況を高価なひずみゲージや圧力センサを用いることなく安価 に且つ確実に検出することができ、 色々なサイズの感圧部を仕様に合わせて製造 することができる。 また、 受圧面となる電極シートを含む相離隔した三枚の電極 シート間それぞれに伸縮性を持つ有形誘電体を介在して成る感圧部を具備した構 成によって、 外側に位置する二枚のシートを G N Dとするノィズ対策が可能とな り、 前記有形誘電体をスポンジ状に成形することによって、 検出すべき圧力帯域 及び加圧の種類 （瞬間的な加圧であるか継続的な加圧であるか等） の設計変更を 前記有形誘電体の発泡密度を調節することで比較的容易に行うことができ、 前記 電極シートを可撓性シートとすることによって、 感圧部を湾曲した状態で装着す ることができる。

また、 上記本発明による感圧センサを使用した愛玩用ロボットは、 上記感圧セ ンサによる表面部への加圧状況の確実な検出によって、 明確で速やかな反応 ·動 作を表現することが可能となり、 実際の生き物に匹敵するまでの愛着を当該ロボ ットに注がせるものとなる。 また、 前記加圧状況を前記電気的変位として経時的 な相対変位を採用することによって、 感圧センサの装着上並びに制御上の便宜と なり、 愛玩用口ポットの表皮部の隅々に亘る行き届いた加圧検出によって、 人と のコミュニケーションにおける反応 ·動作にあっても、 まるで本当の生き物を思 わせるような極めて繊細なものとなる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも 2枚の互いに離間した平行な電極シートと、 隣接する 2枚の 電極シートの間に設けた伸縮性の誘電体とからなり、 最も外側に位置する電極シ ートに圧力が加わったとき該誘電体が変形してその容量が変化するようにした圧 力センサ。

2 . 前記誘電体はスポンジ状に成形されている請求の範囲 1に記載の圧力セ ンサ。

3 . 前記スポンジ状誘電体に液体誘電体を含浸させた請求の範囲 2に記載の 圧力センサ。

4 . 前記電極シートの各々は可撓性である請求の範囲 1〜 3のいずれかに記 載の圧力センサ。

5 . 前記電裨シートの各々に接続され、 前記誘電体の容量変化を検知して出 力信号を発する検知手段を更に有する、 請求の範囲 1 ~ 4のいずれかに記載の圧 力センサ。

6 . 指示信号を受けて所定の動作を行う少なくとも 1つの動作部分を持つ本 体と、 該本体の少なくとも 1部を覆うカバーと、 該本体に埋め込まれ該カパーに 覆われた少なくとも 1つの請求の範囲 5記載の圧力センサと、 からなるペット口 ボットであって、 該動作部分は前記検知手段に電気的に結合されて、 該検知手段 からの出力信号を前記指示信号として受領するように構成したぺットロボット。

7 . 前記容量変化は、 現時点と、 現時点よりも所定時間だけ前の時点との間 の変化である請求の範囲 6に記載のぺットロボット。

8 . 本体と、 該本体の少なくとも 1部を覆うカバーと、 該本体に埋め込まれ 該カパーに覆われた少なくとも 1つの請求の範囲 5に記載の圧力センサとからな る圧力受容構造体。

9 . 前記本体が、 静置椅子、 歩行椅子、 自動椅子、 ベッド、 布団、 靴及びキ 一ボードの中から選ばれたものである請求の範囲 8に記載の圧力受容構造体。