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(In Japanese)分布測定センサ、分布測定センサシステム、分布測定プログラムおよび記録媒体 NEW_EN

Patent code P190016435
File No. (S2017-0082-N0)
Posted date Oct 28, 2019
Application number P2018-549097
Date of filing Nov 6, 2017
International application number JP2017039936
International publication number WO2018084284
Date of international filing Nov 6, 2017
Date of international publication May 11, 2018
Priority data
  • P2016-216304 (Nov 4, 2016) JP
Inventor
  • (In Japanese)笹川 和彦
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人弘前大学
Title (In Japanese)分布測定センサ、分布測定センサシステム、分布測定プログラムおよび記録媒体 NEW_EN
Abstract (In Japanese)生体と物体との界面に働く接触圧力及びせん断応力を測定するため多数のセンサ装置を集積化しても取回し配線の領域を格段に減らせる高空間分解能の分布測定センサシステム等を提供する。
分布測定センサ10は平面方向のせん断応力と平面に垂直な方向の接触圧力とを測定するセンサユニットUijをマトリックスMの各要素に配置した構造を有している。センサユニットUijはせん断応力及び接触圧力の測定に共通の上部電極UijHと、感圧材料20等を介して上部電極UijHの下側に配置された下部電極UijLとから構成されている。マトリックスMの同じ列jに配置されたx軸方向の各センサユニットUijは各上部電極UijHが列j方向に共通に接続線Cjにより接続されている。マトリックスMの同じ行iに配置されたy軸方向の各センサユニットUijは各下部電極UijLが行i方向に共通に接続線Riにより接続されている。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

固体接触面、特に生体と物体との界面に生じる接触圧力およびせん断応力の測定は、スポーツ工学または医学等の様々な分野において需要が高い。しかし、それらの測定に用いられるセンサは厚さがある上に硬いため、生体と物体との界面に生じる接触圧力およびせん断応力の直接的な測定ができないという問題点があった。
上記問題点を解決するため、近年、導電性高分子材料であるポリピロール薄膜を感圧素子に用いた薄くてしなやかな接触圧力およびせん断応力を測定するセンサ装置が開発された(特許文献1参照)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、平面の各軸(x軸、y軸)方向のせん断応力と当該平面に垂直な軸(z軸)方向の接触圧力とを同時に測定可能な分布測定センサ、当該分布測定センサを用いた分布測定センサシステム、分布測定プログラム等に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
平面の各軸(x軸、y軸)方向のせん断応力と該平面に垂直な軸(z軸)方向の接触圧力とを測定するセンサユニットをマトリックス状に配置した構造を有する分布測定センサであって、
前記センサユニットは、
せん断応力及び接触圧力の測定に共通に用いられる上部電極と、該上部電極と感圧材料を介して配置された下部電極であってせん断応力、接触圧力の各測定に個別に用いられる電極から構成されるものと、
前記上部電極と前記下部電極との間に働くx軸方向のせん断応力を測定するx軸せん断応力測定部と、
前記上部電極と前記下部電極との間に働くy軸方向のせん断応力を測定するy軸せん断応力測定部と、
前記上部電極のz軸方向に働く接触圧力を測定する接触圧力測定部とを有しており、
前記マトリックスの同じ列に配置された各センサユニットは各上部電極が該列方向に共通に接続され、前記マトリックスの同じ行に配置された各センサユニットは前記x軸せん断応力測定部、前記y軸せん断応力測定部、前記接触圧力測定部の各下部電極側が各々該行方向に共通に接続されたことを特徴とする分布測定センサ。

【請求項2】
 
請求項1記載の分布測定センサにおいて、
前記x軸せん断応力測定部及び前記y軸せん断応力測定部は各々前記上部電極の一部と各測定部の前記下部電極側の一部とが上下に(z軸方向に)重なる領域を有し、
前記x軸せん断応力測定部は、x軸方向のせん断応力が働いた場合に前記重なる領域における感圧材料のx軸方向のせん断変形による電気抵抗値の変化に基づきx軸方向のせん断応力を測定し、
前記y軸せん断応力測定部は、y軸方向のせん断応力が働いた場合に前記重なる領域における感圧材料のy軸方向のせん断変形による電気抵抗値の変化に基づきy軸方向のせん断応力を測定し、
前記接触圧力測定部は、前記上部電極の一部と該接触圧力測定部の前記下部電極側の全部とが上下に(z軸方向に)重なる領域を有し、z軸方向の接触圧力が働いた場合に該重なる領域における感圧材料のz軸方向の変形による電気抵抗値の変化に基づきz軸方向の接触圧力を測定することを特徴とする分布測定センサ。

【請求項3】
 
請求項2記載の分布測定センサにおいて、
前記上部電極はx軸方向に平行な辺を有するx軸平行部分とy軸方向に平行な辺を有するy軸平行部分とを有する所定の形状であり、
前記x軸せん断応力測定部の下部電極側は前記上部電極より小さい矩形であって、該矩形の一部の面積が前記y軸平行部分と上下に(z軸方向に)重なり、
前記y軸せん断応力測定部の下部電極側は前記上部電極より小さい矩形であって、該矩形の一部の面積が前記x軸平行部分と上下に(z軸方向に)重なり、
前記接触圧力測定部の下部電極側は前記上部電極より小さい所定の形状であって、該所定の形状の全部の面積が前記上部電極に重なることを特徴とする分布測定センサ。

【請求項4】
 
請求項1乃至3のいずれかに記載の分布測定センサにおいて、前記上部電極及び前記下部電極は銅張ポリイミドフィルムを用い、前記感圧素材は導電性高分子材料を用いることを特徴とする分布測定センサ。

【請求項5】
 
請求項1乃至4のいずれかに記載の分布測定センサにおいて、前記平面は生体と固体との界面であることを特徴とする分布測定センサ。

【請求項6】
 
請求項1乃至5のいずれかに記載の分布測定センサを用いた分布測定センサシステムであって、
前記マトリックスの同じ列に配置された各センサユニットの各上部電極を該列方向に共通に接続した各列ラインを、入力した選択信号に基づき選択可能に構成されたリレー部と、
前記マトリックスの同じ行に配置された各センサユニットの接触圧力測定部の下部電極、x軸せん断応力測定部の下部電極、y軸せん断応力測定部の下部電極を各々該行方向に共通に接続した各行ラインに、入力側が接続した各反転増幅回路により構成された反転増幅回路部と、
前記反転増幅回路部を構成する各反転増幅回路に入力側が接続したA/D変換部と、
前記A/D変換部の出力側と前記リレー部の入力側とに接続されたコンピュータとを備え、
前記コンピュータから前記リレー部へ選択信号が出力され、該リレー部で該選択信号に基づき列ラインが選択され、該列ラインに接続された各センサユニットの各上部電極へ該リレー部に供給された電源電圧が印加され、該列ラインに接続された各センサユニットの接触圧力測定部、x軸せん断応力測定部、y軸せん断応力測定部に対して働いた各接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく電圧が、各接触圧力測定部、x軸せん断応力測定部、y軸せん断応力測定部の各下部電極から各行ラインへ出力され、該各行ラインに接続された前記反転増幅回路部の各反転増幅回路からの各出力電圧が前記A/D変換部へ出力され、該A/D変換部からの出力が該コンピュータへ出力されることにより、該コンピュータは、該選択信号により選択された一列分の各センサユニットからの接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく電圧を処理し、次の列ラインを選択する選択信号を出力することを繰返すことを特徴とする分布測定センサシステム。

【請求項7】
 
請求項6記載の分布測定センサシステムにおいて、
前記A/D変換部は、前記反転増幅回路部を構成する反転増幅回路に各々スイッチを介して入力側が接続され、前記コンピュータは、
前記マトリックスの指定された列を選択する選択信号を前記リレー部へ出力させる選択信号制御手段と、
前記選択信号制御手段により出力された選択信号により選択された列について、一列分の各センサユニットからの接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく前記反転増幅回路部の各反転増幅回路からの出力電圧を、前記A/D変換部の各スイッチを選択することにより該A/D変換部へ順次入力させるA/D変換部制御手段と、
前記A/D変換部制御手段により前記A/D変換部へ入力され該A/D変換部によりA/D変換された各センサユニットからの接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく電圧データを、各センサユニット毎の接触圧力記録域、x軸せん断応力記録域、y軸せん断応力記録域に記録する電圧データ記録手段と、
前記センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力と各下部電極に接続された各反転増幅回路からの各出力電圧との間の所定の測定原理による関係に基づき、前記電圧データ記録手段により各センサユニット毎に接触圧力記録域、x軸せん断応力記録域、y軸せん断応力記録域に記録された各電圧データを、各センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力へ換算する換算手段と、
前記換算手段により換算された各センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力を所定の表示形式で前記コンピュータの出力表示部に表示する表示手段と、
前記選択信号制御手段により出力された選択信号により選択された列の次の列を指定して、前記選択信号制御手段からの処理を繰返させる繰返し手段とを備えたことを特徴とする分布測定センサシステム。

【請求項8】
 
請求項7記載の分布測定センサシステムにおいて、前記換算手段における前記センサユニットに働く接触圧力と下部電極に接続された反転増幅回路からの出力電圧との間の所定の測定原理は、
電源電圧(E)、接触圧力に基づく前記反転増幅回路部の反転増幅回路からの出力電圧(Vp)、反転増幅回路の帰還抵抗(R)、圧力が無負荷時の上部電極と下部電極との間の抵抗(R0)、接触圧力が負荷時の上部電極と下部電極との間の抵抗変化量(ΔRp)とすると、以下の式1のように、
【数1】
 
(省略)
接触圧力による出力電圧(Vp)は接触圧力による抵抗変化量(ΔRp)のみで表せるという測定原理であることを特徴とする分布測定センサシステム。

【請求項9】
 
請求項7又は8記載の分布測定センサシステムにおいて、前記換算手段における前記センサユニットに働くx軸せん断応力、y軸せん断応力と下部電極に接続された各反転増幅回路からの各出力電圧との間の所定の測定原理は、
電源電圧(E)、接触圧力に基づく前記反転増幅回路部の反転増幅回路からの出力電圧(Vp)、せん断応力に基づく前記反転増幅回路部の反転増幅回路からの出力電圧(Vτ:x軸分Vτxとy軸分Vτyとの総称)、反転増幅回路の帰還抵抗(R)、せん断応力が負荷時の上部電極と下部電極との間の抵抗変化量(ΔRτ:x軸分ΔRτxとy軸分ΔRτyとの総称)とすると、以下の式2のように、
【数2】
 
(省略)
接触圧力による出力電圧(Vp)とせん断応力による出力電圧(Vτ)とはせん断応力による抵抗変化量(ΔRτ)のみで表せるという測定原理であることを特徴とする分布測定センサシステム。

【請求項10】
 
請求項7乃至9のいずれかに記載の分布測定センサシステムにおいて、前記表示手段における所定の表示形式は、前記マトリックスに対応させて前記センサユニットの表示を配置し、該センサユニット毎に、接触圧力の大小を所定の色別で示し、x軸せん断応力及びy軸せん断応力を合成したせん断応力をベクトルで示すことを特徴とする分布測定センサシステム。

【請求項11】
 
請求項6乃至10のいずれかに記載の分布測定センサシステムにおける前記コンピュータを動作させる分布測定プログラムであって、該コンピュータに、
前記マトリックスの指定された列を選択する選択信号を前記リレー部へ出力させる選択信号制御ステップ、
前記選択信号制御ステップで出力された選択信号により選択された列について、一列分の各センサユニットからの接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく前記反転増幅回路部の各反転増幅回路からの出力電圧を、前記A/D変換部の各スイッチを選択することにより該A/D変換部へ順次入力させるA/D変換部制御ステップ、
前記A/D変換部制御ステップで前記A/D変換部へ入力され該A/D変換部によりA/D変換された各センサユニットからの接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力に基づく電圧データを、各センサユニット毎の接触圧力記録域、x軸せん断応力記録域、y軸せん断応力記録域に記録する電圧データ記録ステップ、
前記センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力と下部電極に接続された各反転増幅回路からの各出力電圧との間の所定の測定原理による関係に基づき、前記電圧データ記録ステップで各センサユニット毎に接触圧力記録域、x軸せん断応力記録域、y軸せん断応力記録域に記録された各電圧データを、各センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力へ換算する換算ステップ、
前記換算ステップで換算された各センサユニットに働く接触圧力、x軸せん断応力、y軸せん断応力を所定の表示形式で前記コンピュータの出力表示部に表示する表示ステップ、
前記選択信号制御ステップで出力された選択信号により選択された列の次の列を指定して、前記選択信号制御ステップからの処理を繰返させる繰返しステップを実行させるための分布測定プログラム。

【請求項12】
 
請求項11記載の分布測定プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2018549097thum.jpg
State of application right Published
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