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JP2023003244A - Capacitance sensor, and deformation detection system and method - Google Patents

Capacitance sensor, and deformation detection system and method Download PDF

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JP2023003244A
JP2023003244A JP2021104313A JP2021104313A JP2023003244A JP 2023003244 A JP2023003244 A JP 2023003244A JP 2021104313 A JP2021104313 A JP 2021104313A JP 2021104313 A JP2021104313 A JP 2021104313A JP 2023003244 A JP2023003244 A JP 2023003244A
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capacitor
capacitance
deformation
capacitive sensor
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Shigehiro Shiozawa
大輔 後藤
Daisuke Goto
志麻 岡田
Shima Okada
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Abstract

To provide a capacitance sensor that can measure deformation of a measurement object while preventing inhibition of the deformation of the measurement object.SOLUTION: A capacitance sensor 10 comprises: a sheet-like first conductive layer 11 that is arranged at a first end in a lamination direction and can be elastically deformed; a sheet-like second conductive layer 12 that is arranged at a second end in the lamination direction and can be elastically deformed; a sheet-like third conductive layer 13 that is arranged between the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12 and can be elastically deformed; a sheet-like first insulating layer 14 that is arranged between the first conductive layer 11 and the third conductive layer 13 and can be elastically deformed; and a sheet-like second insulating layer 15 that is arranged between the second conductive layer 12 and the third conductive layer 13 and can be elastically deformed. The first conductive layer 11, third conductive layer 13, and first insulating layer 14 constitute a first capacitor 21, and the second conductive layer 12, third conductive layer 13, and second insulating layer 15 constitute a second capacitor 22.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、静電容量型センサ、変形検出システム及び変形検出方法に関する。 The present invention relates to a capacitive sensor, a deformation detection system and a deformation detection method.

静電容量型センサとして、シート状に形成された一対のコンデンサを積層させて、それぞれの静電容量の変化に基づいて曲げを検出するように構成したものが知られている。 As a capacitive sensor, a sensor is known in which a pair of sheet-shaped capacitors are stacked to detect bending based on changes in capacitance of the capacitors.

例えば、特許文献1には、基準部材に対して積層方向の一方側と他方側とにシート状のコンデンサを一対に設け、一対のコンデンサの静電容量の変化に基づいて曲げ変形を検出する静電容量型センサが開示されている。 For example, in Patent Document 1, a pair of sheet-shaped capacitors are provided on one side and the other side in the stacking direction with respect to a reference member, and bending deformation is detected based on changes in capacitance of the pair of capacitors. A capacitive sensor is disclosed.

特許第5496446号公報Japanese Patent No. 5496446

この種の静電容量型センサのうち、特に、生体の形状変化等を計測対象とした場合、センサを計測対象例えば、皮膚や衣類等に貼り付けた際に、計測対象の変形が阻害されることを抑制するために、計測対象と同等もしくはそれ以上の柔軟性(弾性変形のしやすさ)を有することが望まれる。 Among these types of capacitive sensors, in particular, when measuring changes in the shape of a living body, deformation of the measurement target is inhibited when the sensor is attached to the measurement target, such as skin or clothing. In order to suppress this, it is desirable to have flexibility (ease of elastic deformation) equal to or greater than that of the object to be measured.

特許文献1に開示された静電容量型センサでは、一対のコンデンサが積層されているため、静電容量型センサが1つのコンデンサで構成される場合に比べて、剛性が高くなり柔軟性が低下して計測対象に拘束感を与える虞がある。 In the capacitive sensor disclosed in Patent Document 1, since the pair of capacitors are stacked, the rigidity is higher and the flexibility is lower than when the capacitive sensor is composed of one capacitor. As a result, the object to be measured may feel restricted.

本発明は、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a capacitive sensor capable of measuring deformation of a measurement target while suppressing inhibition of deformation of the measurement target.

本発明の第1の態様は、積層方向の第1の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第1導電層と、
積層方向の第2の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第2導電層と、
前記第1導電層と前記第2導電層との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第3導電層と、
前記第1導電層と前記第3導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第1絶縁層と、
前記第2導電層と前記第3導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第2絶縁層と
を備え、
前記第1導電層と前記第3導電層と前記第1絶縁層によって第1コンデンサが構成されており、
前記第2導電層と前記第3導電層と前記第2絶縁層によって第2コンデンサが構成されている静電容量型センサを提供する。
A first aspect of the present invention is a first conductive layer disposed at a first end in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-like conductor;
a second conductive layer disposed at the second end in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-like conductor;
a third conductive layer disposed between the first conductive layer and the second conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like conductor;
a first insulating layer disposed between the first conductive layer and the third conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like insulating material;
a second insulating layer disposed between the second conductive layer and the third conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like insulator,
A first capacitor is configured by the first conductive layer, the third conductive layer, and the first insulating layer,
A capacitive sensor is provided in which a second capacitor is formed by the second conductive layer, the third conductive layer, and the second insulating layer.

本発明によれば、静電容量型センサは、第1コンデンサと第2コンデンサとが、第3導電層を共有して構成されているので、第1コンデンサと第2コンデンサとを個別に設ける場合に比べて、基準部材と基準部材の一方側に配置される導電層との2つの部材が不要になるので、静電容量型センサの厚みが低減する。その結果、静電容量型センサの剛性が低減されて、計測対象の変形への追従性を向上できる(計測対象の変形が阻害されることが抑制される)。また、部材の削減によって、コストも低減できる。 According to the present invention, since the capacitive sensor is configured such that the first capacitor and the second capacitor share the third conductive layer, when the first capacitor and the second capacitor are separately provided, Compared to , two members, the reference member and the conductive layer arranged on one side of the reference member, are not required, so the thickness of the capacitive sensor is reduced. As a result, the rigidity of the capacitive sensor is reduced, and the ability to follow the deformation of the object to be measured can be improved (inhibition of the deformation of the object to be measured is suppressed). Also, the cost can be reduced by reducing the number of members.

さらに、第1コンデンサと第2コンデンサとは、第3導電層を共有しているため、例えば、第1コンデンサと第2コンデンサの静電容量の差分から曲げ変形を計測する場合に、第1コンデンサと第2コンデンサとの間に基準部材を設ける場合に比べて、第1及び第2コンデンサの特性を合わせやすく、コンデンサのばらつきが抑制されるので、コンデンサのばらつきを較正するためのコストを削減できる。 Furthermore, since the first capacitor and the second capacitor share the third conductive layer, for example, when measuring bending deformation from the difference in capacitance between the first capacitor and the second capacitor, the first capacitor Compared to the case where a reference member is provided between the capacitor and the second capacitor, it is easier to match the characteristics of the first and second capacitors and the variation of the capacitor is suppressed, so the cost for calibrating the variation of the capacitor can be reduced. .

変形前の状態において、前記第1コンデンサの静電容量と、前記第2コンデンサの静電容量とが同じであってもよい。 In a state before deformation, the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor may be the same.

変形後の第1コンデンサの静電容量と、第2コンデンサの静電容量との差から変形を検出できるので、変形前に第1コンデンサと第2コンデンサの静電容量の差がある場合に比して、変形量の算出が簡素化できる。変形前後の第1コンデンサの静電容量の変化及び第2コンデンサの静電容量の変化を求める必要がない。 Since the deformation can be detected from the difference between the capacitance of the first capacitor after deformation and the capacitance of the second capacitor, the difference in capacitance between the first capacitor and the second capacitor before deformation can be detected. Then, the calculation of the deformation amount can be simplified. It is not necessary to obtain the change in capacitance of the first capacitor and the change in capacitance of the second capacitor before and after deformation.

前記第1導電層と前記第2導電層は、同一の材料で構成されてもよい。 The first conductive layer and the second conductive layer may be made of the same material.

本構成によれば、第1コンデンサと、第2コンデンサの特性を一致させることができるので、第1コンデンサと第2コンデンサのばらつきによるコストの増大が回避できる。 According to this configuration, since the characteristics of the first capacitor and the second capacitor can be made to match, an increase in cost due to variations in the first capacitor and the second capacitor can be avoided.

前記導電層と前記絶縁層の伸長率が120%以上に設定されてもよい。 An elongation rate of the conductive layer and the insulating layer may be set to 120% or more.

本構成によれば、計測対象に対する追従性が得られる。 According to this configuration, it is possible to obtain followability to the measurement object.

前記導電層と前記絶縁層の積層方向の厚さが0.5mm以下に設定されてもよい。 A thickness in a stacking direction of the conductive layer and the insulating layer may be set to 0.5 mm or less.

本構成によれば、静電容量型センサの剛性が過度に増大することによる計測対象の変形を阻害しにくい。 According to this configuration, deformation of the object to be measured due to an excessive increase in rigidity of the capacitance sensor is less likely to be hindered.

前記導電層の表面抵抗率が100Ω/sq.以下に設定されもよい。 The conductive layer has a surface resistivity of 100Ω/sq. May be set to:

本構成によれば、導電層内に配合される導電性フィラーの配合量が多いほど導電性フィラー同士の接触が増加し、導電層内の電荷の分布の偏りを抑制できるので、計測精度を向上できる。また、導電層内での導電性フィラー間での静電容量型の結合が抑制されて、応答性と計測精度を確保できる。 According to this configuration, as the amount of the conductive filler compounded in the conductive layer increases, the contact between the conductive fillers increases, and the uneven distribution of electric charges in the conductive layer can be suppressed, thereby improving the measurement accuracy. can. Also, capacitive coupling between conductive fillers in the conductive layer is suppressed, and responsiveness and measurement accuracy can be ensured.

前記絶縁層の誘電率が3以上に設定されてもよい。 A dielectric constant of the insulating layer may be set to 3 or more.

本構成によれば、誘電率を高めることで、静電容量を増大させることができるので、変形時の静電容量が計測しやすく、計測対象の変形を計測しやすい。 According to this configuration, since the capacitance can be increased by increasing the dielectric constant, it is easy to measure the capacitance at the time of deformation, and to easily measure the deformation of the object to be measured.

本発明の第2の態様は、前記静電容量型センサと、
前記第1コンデンサの静電容量の変化と前記第2コンデンサの静電容量の変化に基づいて変形を計測する計測部と
を備えた変形検出システムを提供する。
A second aspect of the present invention is the capacitive sensor,
A deformation detection system comprising: a measurement unit that measures deformation based on changes in the capacitance of the first capacitor and changes in the capacitance of the second capacitor.

本発明によれば、前記静電容量型センサで得られる効果が変形検出システムでも得られる。 According to the present invention, the effects obtained with the capacitive sensor can also be obtained with the deformation detection system.

本発明の第3の態様は、前記静電容量型センサを使用した変形検出方法であって、
前記第1コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第2コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第1コンデンサと前記第2コンデンサの静電容量のそれぞれの変化量に基づいて変形を検出する変形検出方法を提供する。
A third aspect of the present invention is a deformation detection method using the capacitive sensor,
calculating the amount of change in the capacitance of the first capacitor;
calculating the amount of change in the capacitance of the second capacitor;
There is provided a deformation detection method for detecting deformation based on respective amounts of change in capacitance of the first capacitor and the second capacitor.

本発明によれば、前記静電容量型センサで得られる効果が変形検出方法でも得られる。 According to the present invention, the effect obtained with the capacitance type sensor can also be obtained with the deformation detection method.

本発明によれば、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ、計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a capacitive sensor capable of measuring deformation of a measurement target while suppressing inhibition of deformation of the measurement target.

本発明の一実施形態に係る変形検出システムのブロック図。1 is a block diagram of a deformation detection system according to one embodiment of the present invention; FIG. 静電容量型センサの使用例を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining a usage example of a capacitive sensor; 本発明の一実施形態に係る静電容量型センサの斜視図。1 is a perspective view of a capacitive sensor according to one embodiment of the present invention; FIG. 図3におけるIV-IV線に沿った静電容量型センサの断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of the capacitive sensor taken along line IV-IV in FIG. 3; 静電容量型センサが凸状変形した状態における変形検出システムのブロック図。FIG. 4 is a block diagram of a deformation detection system in a state where the capacitive sensor is convexly deformed; 静電容量型センサが凹状変形した状態における変形検出システムのブロック図。FIG. 4 is a block diagram of a deformation detection system in a state where the capacitive sensor is concavely deformed; 静電容量型センサについて、曲げ変形時の実測値と静電容量値の変化量に基づいた計測値とを比較して示すグラフ。4 is a graph showing a comparison between actual measurement values during bending deformation and measurement values based on the amount of change in capacitance value for a capacitance sensor.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1には、本発明の一実施形態として静電容量型センサ10を備えた変形検出システム1が示されている。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a deformation detection system 1 with a capacitive sensor 10 as one embodiment of the invention.

変形検出システム1は、全体として曲げ変形可能な静電容量型センサ10を備える。静電容量型センサ10は、図2に示されているように例えば、人体9の膝部分91(計測対象)の皮膚もしくは衣服に貼り付けられた状態で膝部分91の伸び変形(長さ)及び曲げ変形(角度)が検出されるようになっている。 The deformation detection system 1 as a whole includes a bending-deformable capacitive sensor 10 . As shown in FIG. 2, the capacitive sensor 10, for example, is attached to the skin or clothes of the knee portion 91 (measurement target) of the human body 9, and the extension deformation (length) of the knee portion 91 is measured. and bending deformation (angle) are detected.

変形検出システム1では、静電容量型センサ10で検出される静電容量Cまたは静電容量の変化量ΔCから伸び変形(長さ)及び曲げ変形(角度)を変形量として計測するようになっている。なお、図1~6では、静電容量型センサ10の構造をわかりやすくするために要部を誇張して示しており、各部材や各部位の寸法や形状を正確に表すものでない。 In the deformation detection system 1, extensional deformation (length) and bending deformation (angle) are measured as deformation amounts from the capacitance C detected by the capacitance type sensor 10 or the amount of change ΔC in the capacitance. ing. 1 to 6, the essential parts are exaggerated to make the structure of the capacitive sensor 10 easier to understand, and the dimensions and shapes of each member and each part are not shown accurately.

静電容量型センサ10は、図3に示すように、積層方向の第1の端部(図3において上端部)に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第1導電層11と、積層方向の第2の端部(図3において下端部)に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第2導電層12と、第1導電層11と第2導電層12との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第3導電層13と、第1導電層11と第3導電層13との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第1絶縁層14と、第2導電層12と第3導電層13との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第2絶縁層15とを備える。 As shown in FIG. 3, the capacitive sensor 10 includes a first conductive layer 11 arranged at a first end (upper end in FIG. 3) in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-like conductor. , a second conductive layer 12 arranged at the second end (lower end in FIG. 3) in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-like conductor; A third conductive layer 13 made of an elastically deformable sheet-like conductor disposed between them, and an elastically deformable sheet-like insulation disposed between the first conductive layer 11 and the third conductive layer 13. and a second insulating layer 15 disposed between the second conductive layer 12 and the third conductive layer 13 and made of an elastically deformable sheet-like insulating material. Prepare.

静電容量型センサ10の製造方法は、以下のようにして製造することができる。まず、第1~第3導電層11,12,13、第1及び第2絶縁層14,15、及び、各導電層及び各絶縁層11~15を接着するためのホットメルトシート(図示せず)を準備する。 The capacitive sensor 10 can be manufactured as follows. First, a hot melt sheet (not shown) for bonding the first to third conductive layers 11, 12, 13, the first and second insulating layers 14, 15, and the conductive layers and the insulating layers 11 to 15 ) are prepared.

次に、各導電層及び各絶縁層11~15とホットメルトシートを所定の大きさに切り出し、各導電層及び各絶縁層11~15をそれぞれ当接させて積層する(図3参照)。このとき、本実施形態においては、各導電層及び各絶縁層11~15間にホットメルトシートを挟んでおく。 Next, each conductive layer and each insulating layer 11 to 15 and the hot melt sheet are cut into a predetermined size, and each conductive layer and each insulating layer 11 to 15 are laminated in contact with each other (see FIG. 3). At this time, in this embodiment, a hot-melt sheet is sandwiched between each conductive layer and each insulating layer 11-15.

その後、積層された各導電層及び各絶縁層11~15とホットメルトシートの積層方向の一方側から、熱圧着機等によって、圧力をかけながら加熱することで、各導電層及び各絶縁層11~15とホットメルトシートが接着されて、静電容量型センサ10が完成する。 After that, from one side of the lamination direction of the laminated conductive layers and insulating layers 11 to 15 and the hot-melt sheet, the conductive layers and insulating layers 11 are heated while applying pressure with a thermocompression bonding machine or the like. 15 and the hot-melt sheet are adhered to complete the capacitive sensor 10 .

第1導電層11、第1絶縁層14、第3導電層13により第1コンデンサ21が形成され、第2導電層12、第2絶縁層15、第3導電層13により第2コンデンサ22が形成されている。第1コンデンサ21と第2コンデンサ22は、厚み方向に積層されている。 The first conductive layer 11, the first insulating layer 14, and the third conductive layer 13 form the first capacitor 21, and the second conductive layer 12, the second insulating layer 15, and the third conductive layer 13 form the second capacitor 22. It is The first capacitor 21 and the second capacitor 22 are laminated in the thickness direction.

第1~3導電層11,12,13及び第1~2絶縁層14,15は、伸縮性及び柔軟性(フレキシブル性)を有するエラストマによって形成されている。計測対象としての人体の関節部分、背中部分、胸部等に貼付けられた状態で、人体の動き(変形)を阻害せずに容易に弾性変形し得るような伸縮性を備える。 The first to third conductive layers 11, 12, 13 and the first to second insulating layers 14, 15 are made of elastomer having elasticity and flexibility. It has elasticity so that it can be easily elastically deformed without interfering with the movement (deformation) of the human body when attached to the joints, back, chest, etc. of the human body to be measured.

例えば、各導電層11,12,13及び各絶縁層14,15の伸び率(伸長率)は、120%以上に設定されている。具体的には、例えば、伸縮性及び柔軟性を有するエラストマとして、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、天然ゴムが用いられる。なお、伸び率は、引張試験において各導電層及び各絶縁層(試験片)が破断するまでに、試験片上の標線間に生じた伸びと標線間距離との比である。また、例えば、人体を計測する上では、各導電層11,12,13及び各絶縁層14,15の柔軟性は高い方が好ましく、柔軟性と置き換え可能な弾性率(ヤング率)は、120MPa以下に設定されている。 For example, the elongation rate (elongation rate) of each conductive layer 11, 12, 13 and each insulating layer 14, 15 is set to 120% or more. Specifically, for example, urethane rubber, acrylic rubber, silicon rubber, butadiene rubber, nitrile rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, and natural rubber are used as elastic and flexible elastomers. The elongation rate is the ratio of the elongation between the marked lines on the test piece and the distance between the marked lines until each conductive layer and each insulating layer (test piece) breaks in the tensile test. Further, for example, when measuring the human body, it is preferable that the conductive layers 11, 12, 13 and the insulating layers 14, 15 have high flexibility, and the elastic modulus (Young's modulus) that can be replaced with flexibility is 120 MPa. It is set below.

各導電層11,12,13及び各絶縁層14,15の材料はこれに限られるものではなく、各導電層11,12,13及び各絶縁層14,15の断面形状や断面積、長さなどの具体的形状を考慮して曲げ変形の特性を設定することができる。例えば、計測対象とされる人体の筋力や装用する部位などに応じて、耐久性や変形への追従性などを考慮して、材料は適宜に設定できる。 The material of each conductive layer 11, 12, 13 and each insulating layer 14, 15 is not limited to this, and the cross-sectional shape, cross-sectional area, and length of each conductive layer 11, 12, 13 and each insulating layer 14, 15 The characteristics of bending deformation can be set in consideration of specific shapes such as. For example, depending on the muscle strength of the human body to be measured and the part to be worn, the material can be appropriately set in consideration of durability and ability to follow deformation.

図2に示すように、計測対象の膝部分の曲げ変形を測定する場合においては、膝部分の変形の検出感度を向上させるために、所定の幅を有する薄肉の一定断面で長さ方向(図2の上下方向)に延びる略矩形の短冊状とされることが好ましい。静電容量型センサ10の剛性によって膝部分の曲げ変形が阻害されないように、各導電層11,12,13及び各絶縁層14,15の膜厚(積層方向厚さ)が0.5mm以下に設定されている。 As shown in Fig. 2, when measuring the bending deformation of the knee portion to be measured, in order to improve the detection sensitivity of the deformation of the knee portion, a thin constant cross-section having a predetermined width is used in the longitudinal direction (Fig. 2). 2) is preferably a substantially rectangular strip extending in the vertical direction. The film thickness (thickness in the stacking direction) of each of the conductive layers 11, 12, 13 and each of the insulating layers 14, 15 is set to 0.5 mm or less so that bending deformation of the knee portion is not hindered by the rigidity of the capacitance sensor 10. is set.

ここで、導電層の面積S、導電層間距離(=絶縁層の厚さ)d、絶縁層の誘電率εとすると、静電容量C=ε・(S/d)の関係があり、導電層間の距離dが短くなると静電容量は増大し、導電層間の距離dが長くなると静電容量は減少する。導電層の面積Sが大きくなると静電容量は増大し、導電層の面積Sが小さくなると静電容量は減少する。検出精度の向上のために、各絶縁層14,15の誘電率が3以上に設定されている。 Here, assuming that the area of the conductive layer is S, the distance between the conductive layers (=the thickness of the insulating layer) is d, and the dielectric constant of the insulating layer is ε, there is a relationship of capacitance C=ε·(S/d). As the distance d between the conductive layers decreases, the capacitance increases, and as the distance d between the conductive layers increases, the capacitance decreases. As the area S of the conductive layer increases, the capacitance increases, and as the area S of the conductive layer decreases, the capacitance decreases. The dielectric constant of each of the insulating layers 14 and 15 is set to 3 or more to improve detection accuracy.

上述のように、各導電層11,12,13は、エラストマ製とされるが、導電性を付与するために、炭素材料や金属等の微粒子からなる導電性フィラーとの混合物からなるエラストマ組成物で形成される。導電性フィラーとしては、例えば、銀粉末やカーボン粉末が採用され、各導電層11,12,13の伸縮性等を確保しつつ所望の導電性を備えさせるために、例えば各導電層11,12,13の質量を100%とした場合の10~70%以下の配合量で、導電性フィラーがエラストマ材料に混合される。 As described above, each of the conductive layers 11, 12, 13 is made of elastomer. In order to impart conductivity, an elastomer composition made of a mixture with a conductive filler composed of fine particles of carbon materials, metals, etc. is used. formed by As the conductive filler, for example, silver powder or carbon powder is adopted. , 13 is 100%, the conductive filler is mixed with the elastomer material in an amount of 10 to 70% or less.

検出精度を高めるために、変形前の状態における第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の静電容量を一致させることが好ましい。少なくとも第1導電層11及び第2導電層12は、同一の材料及び配合量で構成されている。例えば、第1導電層11と第2導電層12の導電性フィラーを炭素材料とし、第3導電層13の導電性フィラーを導電性の高い金属材料(例えば、銀)とした場合、高価かつ導電性の高い導電性フィラーを最小限にしつつ、第1コンデンサ21及び第2コンデンサ22の静電容量を一致させると共に各導電層に炭素材料の導電性フィラーを用いる場合に比べて精度を向上させやすい。 In order to improve the detection accuracy, it is preferable to match the capacitances of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 before deformation. At least the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12 are composed of the same material and blending amount. For example, when the conductive filler of the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12 is made of a carbon material, and the conductive filler of the third conductive layer 13 is made of a highly conductive metal material (for example, silver), it is expensive and conductive. While minimizing the highly conductive filler, the capacitance of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 are matched, and the accuracy is easily improved compared to the case where the conductive filler of the carbon material is used for each conductive layer. .

表面抵抗率が高くなることによる導電層内の電荷の分布の偏りを抑制することによって検出精度を確保するために、各導電層11,12,13の電気抵抗(表面抵抗率)は100Ω/sq.以下であることが望ましい。また、導電層内導電性フィラー間での静電容量型の結合を抑制することで、応答性と計測精度を向上できる。 The electric resistance (surface resistivity) of each of the conductive layers 11, 12, and 13 is set to 100 Ω/sq in order to ensure detection accuracy by suppressing uneven distribution of electric charges in the conductive layers due to an increase in surface resistivity. . It is desirable that: Also, by suppressing capacitive coupling between the conductive fillers in the conductive layer, responsiveness and measurement accuracy can be improved.

次に、静電容量型センサ10が曲げ変形した場合における静電容量型センサ10の動きについて図4を参照しながら説明する。 Next, movement of the capacitive sensor 10 when the capacitive sensor 10 is bent and deformed will be described with reference to FIG.

図4(b)に示すように、第1導電層11と第2導電層12のいずれか一方の面、例えば第1導電層11が凸となるように静電容量センサ10が湾曲変形すると、第1導電層11の表面が凸状に湾曲し、第2導電層12の表面が凹状に湾曲する。このとき、曲げの中立面が第3導電層13の厚み内にある場合、第3導電層13を基準にすると、凸状に湾曲する第1導電層11及び第1絶縁層14は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力(矢印A1)が作用して相対的に層厚が薄くなるように変形する。 As shown in FIG. 4B, when the capacitive sensor 10 is bent and deformed so that one surface of the first conductive layer 11 or the second conductive layer 12, for example, the first conductive layer 11 becomes convex, The surface of the first conductive layer 11 is curved convexly, and the surface of the second conductive layer 12 is curved concavely. At this time, when the neutral plane of bending is within the thickness of the third conductive layer 13, the convexly curved first conductive layer 11 and the first insulating layer 14 are curved with respect to the third conductive layer 13. A tensile force (arrow A1) is applied from the center toward the periphery, and the layer is deformed so that the layer thickness becomes relatively thin.

一方で、凹状に湾曲する第2導電層12及び第2絶縁層15は周辺から湾曲底部に向けて圧縮力(矢印A2)が作用して相対的に層厚が厚くなると共に表面積が減少するように変形する。その結果、第1コンデンサ21の静電容量C1が増大する一方で、第2コンデンサ22の静電容量C2が減少するので、この静電容量の変化に基づいて曲げを検出できる。 On the other hand, the second conductive layer 12 and the second insulating layer 15 curved in a concave shape are relatively thickened and the surface area is reduced by a compressive force (arrow A2) acting from the periphery toward the curved bottom. Transform into As a result, while the capacitance C1 of the first capacitor 21 increases, the capacitance C2 of the second capacitor 22 decreases, so bending can be detected based on this capacitance change.

一方、図4(c)に示すように第1導電層11が凹となるように静電センサが湾曲変形した場合についても、第1導電層11が凸となるように静電容量センサ10が湾曲変形した場合と同様に、静電容量の変化に基づいて曲げを検出することができる。第1導電層11が凹となるように静電容量センサ10が湾曲変形すると、第2導電層12が凸状に湾曲する。 On the other hand, when the electrostatic sensor is curved and deformed so that the first conductive layer 11 becomes concave as shown in FIG. As in the case of bending deformation, bending can be detected based on changes in capacitance. When the capacitive sensor 10 is curved and deformed such that the first conductive layer 11 is concave, the second conductive layer 12 is curved convex.

このとき、曲げの中立面が第3導電層13の厚み内にある場合、第3導電層13を基準にすると、凹状に湾曲する第1導電層11及び第1絶縁層14は周辺から湾曲底部に向けて圧縮力(矢印B1)が作用して相対的に層厚が厚くなると共に表面積が減少するように変形し、凸状に湾曲する第2導電層12及び第2絶縁層15は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力(矢印B2)が作用して相対的に層厚が薄くなると共に表面積が増大するように変形する。その結果、第1コンデンサ21の静電容量C1が減少する一方で、第2コンデンサ22の静電容量C2が増大するので、この静電容量の変化に基づいて曲げを検出できる。 At this time, when the neutral plane of bending is within the thickness of the third conductive layer 13, the concavely curved first conductive layer 11 and the first insulating layer 14 are curved from the periphery when the third conductive layer 13 is used as a reference. A compressive force (arrow B1) acts toward the bottom portion, and the second conductive layer 12 and the second insulating layer 15 are deformed so that the layer thickness becomes relatively thicker and the surface area decreases, and the curved second conductive layer 12 and the second insulating layer 15 curve. A tensile force (arrow B2) acts from the top toward the periphery and deforms such that the layer thickness becomes relatively thin and the surface area increases. As a result, while the capacitance C1 of the first capacitor 21 decreases, the capacitance C2 of the second capacitor 22 increases, so bending can be detected based on this capacitance change.

また、厚み方向に積層された第1及び第2コンデンサ21,22の湾曲変形時に変化する静電容量(C1,C2)の差(ΔC=C1-C2)に基づいて曲げ角度を算出するようにしてもよい。例えば、予め求めた静電容量の差ΔCを変数とする所定の関数に基づいて曲げ角度を算出し、或いは容量の差ΔCに対応して予め設定した角度テーブルに基づいて曲げ角度を求めることができる。所定の関数は、静電容量の差ΔCを、カメラを使ってマーカーの位置をトラッキングするモーションキャプチャで計測した計測対象の曲げ角度を用いて較正する場合、線形の関数を用いることができる。 Also, the bending angle is calculated based on the difference (ΔC=C1-C2) between the capacitances (C1, C2) that change when the first and second capacitors 21, 22 laminated in the thickness direction are bent and deformed. may For example, it is possible to calculate the bending angle based on a predetermined function with a previously obtained capacitance difference ΔC as a variable, or to obtain the bending angle based on an angle table set in advance corresponding to the capacitance difference ΔC. can. The predetermined function can be a linear function if the capacitance difference ΔC is calibrated using the bend angle of the object measured by motion capture using a camera to track the position of the marker.

第1及び第2コンデンサ21,22の湾曲変形時に変化する静電容量(C1,C2)は、凸状に湾曲する側の静電容量が凹状に湾曲変形する側の静電容量よりも大きくなるため、第1及び第2コンデンサ21,22の湾曲変形時に変化する静電容量(C1,C2)の差(ΔC=C1-C2)の正負によって、湾曲方向を特定できる。静電容量(C1,C2)の差ΔCが正であった場合は第1コンデンサ21側が凸状に湾曲変形し、静電容量(C1,C2)の差ΔCが負であった場合は第1コンデンサ21側が凹状に湾曲変形していると判断できる。 As for the capacitances (C1, C2) that change when the first and second capacitors 21, 22 are bent and deformed, the capacitance on the convexly curved side is larger than the capacitance on the concavely curved side. Therefore, the bending direction can be identified by the positive or negative of the difference (ΔC=C1−C2) between the capacitances (C1, C2) that change when the first and second capacitors 21, 22 are bent. When the difference ΔC between the capacitances (C1, C2) is positive, the first capacitor 21 side is curved and deformed in a convex shape, and when the difference ΔC between the capacitances (C1, C2) is negative, the first capacitor 21 is deformed. It can be determined that the capacitor 21 side is curved and deformed concavely.

第3導電層13の厚み内に曲げの中立面が位置する場合について説明したが、曲げの中立面が静電容量型センサ10の積層方向の外側に位置する場合においても同様に曲げ及び/又は曲げ角度を検出できる。例えば、中立面が第2導電層12よりも積層方向の外側に位置すると共に、第1導電層11が凸状に変形し第2導電層12が凹状に変形する場合、第1導電層11、第1絶縁層14、第2導電層12、第2絶縁層15は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力が作用して変形前の状態よりも膜厚が薄くなるように変形する。 Although the case where the neutral plane of bending is located within the thickness of the third conductive layer 13 has been described, the bending and / Or the bend angle can be detected. For example, when the neutral plane is located outside the second conductive layer 12 in the stacking direction and the first conductive layer 11 deforms convexly and the second conductive layer 12 deforms concavely, the first conductive layer 11 , the first insulating layer 14, the second conductive layer 12, and the second insulating layer 15 are deformed so that the film thickness becomes thinner than the state before deformation due to the tensile force acting from the top of the curve toward the periphery.

したがって、第1コンデンサ21の静電容量C1及び第2コンデンサ22の静電容量C2は、共に変形前の静電容量よりも大きくなるが、第1コンデンサ21は、第2コンデンサ22よりも凸側に位置するため、より薄く伸長されるため、第1コンデンサ21の静電容量C1が第2コンデンサ22の静電容量C2よりも大きくなる。その結果、上述のように静電容量(C1,C2)の差(ΔC=C1-C2)の正負および絶対値の大きさに基づいて曲げの方向及び角度を検出できる。 Therefore, the capacitance C1 of the first capacitor 21 and the capacitance C2 of the second capacitor 22 are both larger than the capacitance before deformation, but the first capacitor 21 is located on the convex side of the second capacitor 22. , the capacitance C1 of the first capacitor 21 becomes larger than the capacitance C2 of the second capacitor 22 because it is stretched thinner. As a result, the bending direction and angle can be detected based on the magnitude of the positive/negative value and the absolute value of the difference (ΔC=C1−C2) between the capacitances (C1, C2) as described above.

図1には、変形検出システム1の信号処理回路の一例を示すブロック図が示されている。変形検出システム1は、例えば1kHz程度の矩形波信号として基準電圧Vsをコンデンサ21,22に出力する交流電源41と、第1コンデンサ21及び第2コンデンサ22の静電容量C1,C2の差ΔCを算出する差分部42と、差分部42で算出された静電容量の差ΔCに基づいて曲げ角度及び方向を算出する演算部43と、演算部43で算出された曲げ角度を表示する表示部44とを備える。 FIG. 1 shows a block diagram showing an example of a signal processing circuit of a deformation detection system 1. As shown in FIG. The deformation detection system 1 detects, for example, an AC power supply 41 that outputs a reference voltage Vs as a rectangular wave signal of about 1 kHz to the capacitors 21 and 22, and the difference ΔC between the capacitances C1 and C2 of the first capacitor 21 and the second capacitor 22. A calculation unit 42 for calculating, a calculation unit 43 for calculating the bending angle and direction based on the capacitance difference ΔC calculated by the difference unit 42, and a display unit 44 for displaying the bending angle calculated by the calculation unit 43. and

差分部42と演算部43と表示部44とは、第1コンデンサ21の静電容量C1の変化と第2コンデンサ22の静電容量C2の変化に基づいて変形を計測する計測部40を構成する。 The difference unit 42, the calculation unit 43, and the display unit 44 constitute a measurement unit 40 that measures deformation based on changes in the capacitance C1 of the first capacitor 21 and changes in the capacitance C2 of the second capacitor 22. .

交流電源41から出力された基準電圧Vsは、第1導電層11及び第2導電層12に印加されると共に、第3導電層13がグラウンドに接続されている。差分部42には、参照信号として、第1コンデンサ21の電圧(第1導電層11と第3導電層13の電位差)V1及び第2コンデンサ22の電圧(第2導電層12と第3導電層13の電位差)V2が入力される。静電容量はコンデンサの電圧波形の時間積分値に比例するため、差分部42では、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の静電容量C1,C2の差ΔCを算出するために、参照電圧波形V1,V2の時間積分値の差ΔVが算出される。 A reference voltage Vs output from the AC power supply 41 is applied to the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12, and the third conductive layer 13 is grounded. In the difference part 42, the voltage V1 of the first capacitor 21 (the potential difference between the first conductive layer 11 and the third conductive layer 13) and the voltage V1 of the second capacitor 22 (the second conductive layer 12 and the third conductive layer 13 potential difference) V2 is input. Since the capacitance is proportional to the time-integrated value of the voltage waveform of the capacitor, the difference unit 42 calculates the difference ΔC between the capacitances C1 and C2 of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 by using the reference voltage waveform A difference ΔV between the time integral values of V1 and V2 is calculated.

具体的には、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22からは、それぞれのコンデンサの抵抗によって、基準電圧Vsに対して歪んだ出力電圧波形V1,V2が出力される。図1のように静電容量型センサ10が変形前の状態では、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の静電容量が一致するように設定されているため、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の出力電圧波形V1及びV2は一致する。したがって、差分部42で算出される第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の出力電圧波形の時間積分値の差ΔVはゼロとなって、変形されていないことが検出される。 Specifically, output voltage waveforms V1 and V2 distorted with respect to the reference voltage Vs are output from the first capacitor 21 and the second capacitor 22 due to the resistance of the respective capacitors. As shown in FIG. 1, when the capacitive sensor 10 is in a state before deformation, the capacitances of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 are set to match. 22 output voltage waveforms V1 and V2 match. Therefore, the difference ΔV between the time integral values of the output voltage waveforms of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 calculated by the difference unit 42 becomes zero, and no deformation is detected.

図5のように静電容量型センサ10の第1コンデンサ21側が凸状となるように湾曲変形した状態では、第1コンデンサ21の静電容量C1が第2コンデンサ22の静電容量C2よりも大きくなるため、第1コンデンサ21の出力電圧波形V1は第2コンデンサ22の出力電圧波形V2よりも相対的に大きくなる。したがって、差分部42で算出される第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の出力電圧波形の時間積分値の差ΔVが正となって、第1コンデンサ21側が凸状となるように変形されていることが検出される。 As shown in FIG. 5, when the first capacitor 21 side of the capacitive sensor 10 is curved and deformed to be convex, the capacitance C1 of the first capacitor 21 is larger than the capacitance C2 of the second capacitor 22. As a result, the output voltage waveform V1 of the first capacitor 21 becomes relatively larger than the output voltage waveform V2 of the second capacitor 22 . Therefore, the difference ΔV between the time-integrated values of the output voltage waveforms of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 calculated by the difference unit 42 is positive, and the first capacitor 21 side is deformed into a convex shape. is detected.

図6のように静電容量型センサ10の第1コンデンサ21側が凹状となるように湾曲変形した状態では、第1コンデンサ21の静電容量C1が第2コンデンサ22の静電容量C2よりも小さくなるため、第1コンデンサ21の出力電圧波形V1は第2コンデンサ22の出力電圧波形V2よりも相対的に小さくなる。したがって、差分部42で算出される第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の出力電圧波形の時間積分値の差ΔVが負となって、第1コンデンサ21側が凸状となるように変形されていることが検出される。 As shown in FIG. 6, when the first capacitor 21 side of the capacitive sensor 10 is curved and deformed into a concave shape, the capacitance C1 of the first capacitor 21 is smaller than the capacitance C2 of the second capacitor 22. Therefore, the output voltage waveform V1 of the first capacitor 21 becomes relatively smaller than the output voltage waveform V2 of the second capacitor 22. Therefore, the difference ΔV between the time-integrated values of the output voltage waveforms of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 calculated by the difference unit 42 becomes negative, and the first capacitor 21 side is deformed into a convex shape. is detected.

演算部43には、算出された出力電圧波形の時間積分値の差ΔVと、所定の関数またはテーブルとに基づいて曲げ変形の角度が算出され、算出された角度は表示部44としてのディスプレイ等に表示されるようになっている。 The calculation unit 43 calculates the bending deformation angle based on the calculated difference ΔV between the time integral values of the output voltage waveforms and a predetermined function or table, and the calculated angle is displayed on a display or the like as the display unit 44. to be displayed.

このような構造とされた静電容量型センサは、図2に示すように人体に装用された状態では、膝部分の屈曲に伴って湾曲変形されることとなり、図2の例示では人体の膝部分の動きによって発生する膝部分の変化に伴って、静電容量型センサ10が湾曲変形するようになっている。なお、静電容量型センサ10は、積層方向が人体の前後方向とされて、静電容量センサ10の長さ方向に直交する曲率半径で湾曲変形するように貼り付けられる。 As shown in FIG. 2, when the capacitive sensor having such a structure is worn on the human body, it is bent and deformed as the knee portion bends. The capacitive sensor 10 bends and deforms as the knee portion changes due to the movement of the portion. The capacitive sensor 10 is attached so that the stacking direction is the front-rear direction of the human body, and the capacitive sensor 10 is bent and deformed with a radius of curvature perpendicular to the length direction of the capacitive sensor 10 .

また、静電容量型センサ10は、人体の姿勢の変化(膝部分の屈曲)に伴う外力の作用により、その長さ方向の両端に曲げモーメントが生じることで円弧形状に弾性変形されるようになっている。具体的には、図2に示されているように、センサとして機能する全長Lに亘る曲げ変形領域の長さ方向の両端P1,P2が入力点とされることで、長さ方向の中央点P0が屈曲点となる膝部分91と略一致するように設定されている。 In addition, the capacitive sensor 10 is elastically deformed into an arc shape by the action of an external force accompanying a change in the posture of the human body (flexion of the knee), and a bending moment is generated at both ends in the length direction. It's becoming Specifically, as shown in FIG. 2, both ends P1 and P2 in the length direction of the bending deformation region over the entire length L functioning as a sensor are used as input points, so that the center point in the length direction P0 is set so as to substantially coincide with the knee portion 91, which is the bending point.

具体的には、人体の表面に密着状態で装着された衣服において、体側に沿って膝部分P0を跨いで延びるように配された静電容量型センサ10の一端P1が大腿骨側に固着されると共に、他端P2が脛骨側に固着されることにより、膝部分91が屈曲すると静電容量型センサ10の両端P1,P2を通じて曲げモーメントが静電容量型センサ10の全体に作用する。 Specifically, in clothing worn in close contact with the surface of the human body, one end P1 of the capacitive sensor 10 arranged to extend across the knee portion P0 along the body side is fixed to the thighbone side. In addition, since the other end P2 is fixed to the tibia side, a bending moment acts on the entire capacitive sensor 10 through both ends P1 and P2 of the capacitive sensor 10 when the knee portion 91 is bent.

これにより、図2(a)に示された膝部分の伸長状態から、図2(b)に示されているように前方に踏み出した屈曲状態をとることで、静電容量型センサ10には、両端P1, P2間で円弧状の湾曲が生じる。そして、この湾曲状態の曲率半径Rが、膝部分91の屈曲角度θに対応した値となる。 As a result, the knee portion is bent forward as shown in FIG. 2(b) from the extended state shown in FIG. 2(a). , arcuate curvature occurs between both ends P1 and P2. The curvature radius R of this curved state is a value corresponding to the bending angle θ of the knee portion 91 .

上述のように、変形検出システム1によって、計測対象に貼付けられた静電容量型センサ10の静電容量を検出し、計測対象の屈曲に伴って曲げ変形が生じる静電容量型センサ10の静電容量の初期形状からの変化量を求めることで、静電容量の変化量から静電容量型センサ10の曲げ角度θを算出することができる。 As described above, the deformation detection system 1 detects the capacitance of the capacitance sensor 10 attached to the object to be measured, and detects the static capacitance of the capacitance sensor 10 that undergoes bending deformation as the object to be measured bends. By obtaining the amount of change in capacitance from the initial shape, the bending angle θ of the capacitance type sensor 10 can be calculated from the amount of change in capacitance.

なお、本実施形態では、静電容量型センサ10の長さ方向の中央点P0が膝部分91と一致するように設定したが、これに限られるものではなく、静電容量型センサ10の曲率と計測部分の曲率とが一致していればよい。具体的には、静電容量型センサ10が膝部分91を十分に跨いだ状態で張り付けられていればよい。 In the present embodiment, the center point P0 in the longitudinal direction of the capacitive sensor 10 is set to coincide with the knee portion 91, but the present invention is not limited to this. and the curvature of the measured portion. Specifically, it is sufficient that the capacitive sensor 10 is attached while sufficiently straddling the knee portion 91 .

図7は、図1に示された本実施形態の静電容量型センサ10を人体の膝部分に貼付け、モーションキャプチャによって実測された膝部分の湾曲変形角度と、静電容量変化量の検出値とを示すグラフである。このグラフは横軸に時間(s)をとり、縦軸に湾曲変形角度及び静電容量変化量をとっている。モーションキャプチャによって実測された膝部分の湾曲変形角度を破線で示し、静電容量変化量の検出値を実線で示している。 FIG. 7 shows the bending deformation angle of the knee portion and the detection value of the amount of capacitance change actually measured by motion capture when the capacitive sensor 10 of the present embodiment shown in FIG. 1 is attached to the knee portion of the human body. and is a graph showing. In this graph, the horizontal axis represents time (s), and the vertical axis represents the bending deformation angle and capacitance variation. The broken line indicates the bending deformation angle of the knee portion actually measured by motion capture, and the solid line indicates the detected value of the amount of capacitance change.

なお、各絶縁層は、エラストマ製の厚さが約0.1mm、誘電率5、伸び率100%のシートを採用した。また、各導電層としては、エラストマ製の厚さが約0.1mm、表面抵抗率1Ω/sq.、伸び率100%、導電性フィラー配合量50~60質量%のシートを採用した。 For each insulating layer, an elastomer sheet having a thickness of about 0.1 mm, a dielectric constant of 5, and an elongation of 100% was used. Each conductive layer is made of elastomer with a thickness of about 0.1 mm and a surface resistivity of 1 Ω/sq. , an elongation rate of 100% and a conductive filler content of 50 to 60% by mass.

図7のグラフに示された実験結果から、本発明の静電容量型センサ10を備えた変位検出システム1が、人体の変形を精度よく検出できることがわかる。 From the experimental results shown in the graph of FIG. 7, it can be seen that the displacement detection system 1 provided with the capacitive sensor 10 of the present invention can accurately detect deformation of the human body.

以上の構成により、本発明によれば、静電容量型センサ10は、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22とが、第3導電層13を共有して構成されているので、第1コンデンサ11と第2コンデンサ12とを個別に設ける場合に比べて、基準部材と基準部材の一方側に配置される導電層との2つの部材が不要になるので、静電容量型センサ10の厚みが低減する。その結果、静電容量型センサ10の剛性が低減されて、計測対象の変形への追従性を向上できる。(計測対象の変形が阻害されることが抑制できる。)また、部材の削減によって、コストも低減できる。 With the above configuration, according to the present invention, the capacitive sensor 10 is configured such that the first capacitor 21 and the second capacitor 22 share the third conductive layer 13, so the first capacitor 11 and the second capacitor 12 are separately provided, the thickness of the capacitive sensor 10 is reduced because the two members, the reference member and the conductive layer arranged on one side of the reference member, are not required. do. As a result, the rigidity of the capacitive sensor 10 is reduced, and the ability to follow the deformation of the object to be measured can be improved. (It is possible to prevent the deformation of the object to be measured from being obstructed.) Also, the cost can be reduced by reducing the number of members.

さらに、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22とは、第3導電層13を共有しているため、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の静電容量の差分から曲げ変形を計測する場合に、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22との間に基準部材を設ける場合に比べて、第1及び第2コンデンサ21,22の特性が合わせやすく、コンデンサ21,22のばらつきが抑制されるので、コンデンサ21,22のばらつきを較正するためのコストを削減できる。 Furthermore, since the first capacitor 21 and the second capacitor 22 share the third conductive layer 13, when measuring bending deformation from the difference in capacitance between the first capacitor 21 and the second capacitor 22, Compared to the case where a reference member is provided between the first capacitor 21 and the second capacitor 22, it is easier to match the characteristics of the first and second capacitors 21 and 22, and variations in the capacitors 21 and 22 are suppressed. The cost of calibrating 21,22 variations can be reduced.

変形前の状態において、第1コンデンサ21の静電容量C1と、第2コンデンサ22の静電容量C2とが同じになるように設定されているので、変形後の第1コンデンサ21の静電容量C1と、第2コンデンサ22の静電容量C2との差ΔCから変形を検出できるので、変形前に第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の静電容量に差がある場合に比して、変形量の算出が簡素化できる。変形前後の第1コンデンサ21の静電容量の変化量及び第2コンデンサ22の静電容量の変化量を求める必要がない。 Since the capacitance C1 of the first capacitor 21 and the capacitance C2 of the second capacitor 22 are set to be the same in the state before deformation, the capacitance of the first capacitor 21 after deformation is Since the deformation can be detected from the difference ΔC between C1 and the capacitance C2 of the second capacitor 22, compared to the case where there is a difference in capacitance between the first capacitor 21 and the second capacitor 22 before deformation, deformation Quantity calculation can be simplified. It is not necessary to obtain the amount of change in the capacitance of the first capacitor 21 and the amount of change in the capacitance of the second capacitor 22 before and after deformation.

第1導電層11と第2導電層12は、同一の材料で構成されているので、第1コンデンサ21と、第2コンデンサ22の特性を一致させやすく、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22のばらつきによるコストの増大が回避できる。 Since the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12 are made of the same material, it is easy to match the characteristics of the first capacitor 21 and the second capacitor 22. An increase in cost due to variations can be avoided.

各導電層11,12,13と各絶縁層14,15の伸長率が120%以上に設定されているので、計測対象に対する良好な追従性が得られる。 Since the elongation rate of each of the conductive layers 11, 12, 13 and each of the insulating layers 14, 15 is set to 120% or more, good followability to the object to be measured can be obtained.

各導電層11,12,13と各絶縁層14,15の厚さが0.5mm以下に設定されているので、静電容量型センサ10の剛性が計測対象の変形を阻害することがない。 Since the thicknesses of the conductive layers 11, 12, 13 and the insulating layers 14, 15 are set to 0.5 mm or less, the rigidity of the capacitive sensor 10 does not hinder deformation of the object to be measured.

各導電層11,12,13の表面抵抗率が100Ω/sq.以下に設定されているので、導電層内に配合される導電性フィラーの配合量が多いほど導電性フィラー同士の接触が増加し、導電層内の電荷の分布の偏りが抑制されて計測精度を向上できる。また、導電層内導電性フィラー間での静電容量型の結合が抑制されて、応答性と計測精度を確保できる。 The surface resistivity of each conductive layer 11, 12, 13 is 100Ω/sq. Since it is set as follows, the more the amount of the conductive filler blended in the conductive layer, the more the contact between the conductive fillers increases, and the uneven distribution of the electric charge in the conductive layer is suppressed, improving the measurement accuracy. can improve. Also, capacitive coupling between the conductive fillers in the conductive layer is suppressed, and responsiveness and measurement accuracy can be ensured.

各絶縁層14,15の誘電率が3以上に設定されているので、誘電率を高めることで、静電容量を増大させることができるので、変形時の静電容量が計測しやすく、計測対象の変形を計測しやすい。 Since the dielectric constant of each of the insulating layers 14 and 15 is set to 3 or more, the capacitance can be increased by increasing the dielectric constant. It is easy to measure the deformation of

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。 Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments.

実施形態においては、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の変形前状態の静電容量が一致しており、第1及び第2コンデンサ21,22の湾曲変形時に変化する静電容量(C1,C2)の差(ΔC=C1-C2)に基づいて曲げ角度を算出することを例に説明したが、これに限られるものではない。 In the embodiment, the capacitances of the first capacitor 21 and the second capacitor 22 before deformation are the same, and the capacitances (C1, C2 ), the bending angle is calculated based on the difference (ΔC=C1−C2), but the present invention is not limited to this.

例えば、第1コンデンサ21と第2コンデンサ22の変形前の状態の静電容量に差があってもよい。この場合、変形時の第1及び第2コンデンサ21,22の静電容量(C1,C2)から予めコンデンサ21,22の仕様によって設定されている変形前の各静電容量C10,C20を除いた変化量(ΔC1=C1-C10,ΔC2=C2-C20)の差(ΔC1-ΔC2)から曲げを検出してもよい。 For example, there may be a difference in capacitance between the first capacitor 21 and the second capacitor 22 before deformation. In this case, the capacitances C10 and C20 before deformation, which are set in advance according to the specifications of the capacitors 21 and 22, are subtracted from the capacitances (C1 and C2) of the first and second capacitors 21 and 22 at the time of deformation. Bending may be detected from the difference (ΔC1-ΔC2) of the amount of change (ΔC1=C1-C10, ΔC2=C2-C20).

また、本実施形態では、静電容量型センサ10の製造方法として、各導電層及び各絶縁層を予め所定の大きさに切り出した後に熱圧着する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、既製品の各導電層及び各絶縁層を積層させて熱圧着させた後に所定の大きさに切り出して製造してもよい。 In addition, in the present embodiment, as a method for manufacturing the capacitive sensor 10, a configuration has been described in which each conductive layer and each insulating layer are cut into a predetermined size in advance and then thermocompression bonded, but the present invention is not limited to this. Absent. For example, ready-made conductive layers and insulating layers may be stacked and thermocompressed, and then cut into a predetermined size.

また、本実施形態では、静電容量型センサ10の製造方法として、各導電層及び各絶縁層のそれぞれを接着するためのホットメルトシートを用いる構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、各導電層及び各絶縁層を未加硫の状態で積層し、所定の条件下でプレスして加硫接着してもよい。この場合、各導電層及び各絶縁層とは、ホットメルトシートを用いずに、互いの粘着力により接着されてもよい。 In addition, in the present embodiment, as the manufacturing method of the capacitive sensor 10, a configuration using a hot-melt sheet for adhering each conductive layer and each insulating layer has been described, but it is not limited to this. . For example, each conductive layer and each insulating layer may be laminated in an unvulcanized state and pressed under predetermined conditions to be vulcanized and bonded. In this case, each conductive layer and each insulating layer may be adhered by mutual adhesive strength without using a hot-melt sheet.

また、例えば、静電容量型センサ10を構成する絶縁層13と一対の導電層11,12を複数積層することも可能であり、静電容量の変化量を大きくして測定精度の向上を図ることもできる。 Further, for example, it is possible to laminate the insulating layer 13 and the pair of conductive layers 11 and 12 constituting the capacitive sensor 10 in multiple layers, thereby increasing the amount of change in the capacitance and improving the measurement accuracy. can also

実施形態では、膝部分の変形を検出する静電容量型センサ10を備えた変形検出システム1に本発明を適用したものを例示したが、これに限られるものではなく、背中部分、肩、肘、胸部、股関節等の人体の変形を検出する静電容量型センサ10として、いずれも適用可能である。 In the embodiment, the present invention is applied to the deformation detection system 1 having the capacitive sensor 10 for detecting deformation of the knee portion, but the present invention is not limited to this, and can be applied to the back portion, shoulders, elbows. , chest, hip joint, etc., as the capacitive sensor 10 for detecting deformation of the human body.

以上のように、本発明によれば、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ、計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することができるから、静電容量型センサ関連産業の分野において好適に利用される可能性がある。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a capacitive sensor capable of measuring the deformation of the object to be measured while suppressing the deformation of the object to be measured. There is a possibility that it will be suitably used in the field of related industries.

1 変形検出システム
10静電容量型センサ。
11 第1導電層
12 第2導電層
13 第3導電層
14 第1絶縁層
15 第2絶縁層と
21 第1コンデンサ
22 第2コンデンサ
1 deformation detection system 10 capacitive sensor.
11 first conductive layer 12 second conductive layer 13 third conductive layer 14 first insulating layer 15 second insulating layer and 21 first capacitor 22 second capacitor

Claims (9)

積層方向の第1の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第1導電層と、
積層方向の第2の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第2導電層と、
前記第1導電層と前記第2導電層との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第3導電層と、
前記第1導電層と前記第3導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第1絶縁層と、
前記第2導電層と前記第3導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第2絶縁層と
を備え、
前記第1導電層と前記第3導電層と前記第1絶縁層によって第1コンデンサが構成されており、
前記第2導電層と前記第3導電層と前記第2絶縁層によって第2コンデンサが構成されている静電容量型センサ。
a first conductive layer disposed at a first end in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-shaped conductor;
a second conductive layer disposed at the second end in the stacking direction and made of an elastically deformable sheet-like conductor;
a third conductive layer disposed between the first conductive layer and the second conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like conductor;
a first insulating layer disposed between the first conductive layer and the third conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like insulating material;
a second insulating layer disposed between the second conductive layer and the third conductive layer and made of an elastically deformable sheet-like insulator,
A first capacitor is configured by the first conductive layer, the third conductive layer, and the first insulating layer,
A capacitive sensor, wherein a second capacitor is composed of the second conductive layer, the third conductive layer, and the second insulating layer.
変形前の状態において、
前記第1コンデンサの静電容量と、前記第2コンデンサの静電容量とが同じである請求項1に記載の静電容量型センサ。
In the state before deformation,
2. The capacitive sensor according to claim 1, wherein the capacitance of said first capacitor and the capacitance of said second capacitor are the same.
前記第1導電層と前記第2導電層は、同一の材料で構成される請求項1又は請求項2に記載の静電容量型センサ。 3. The capacitive sensor according to claim 1, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are made of the same material. 前記導電層と前記絶縁層の伸長率が120%以上に設定される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の静電容量型センサ。 4. The capacitive sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the elongation rate of said conductive layer and said insulating layer is set to 120% or more. 前記導電層と前記絶縁層の積層方向の厚さが0.5mm以下に設定される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の静電容量型センサ。 5. The capacitive sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductive layer and the insulating layer have a thickness of 0.5 mm or less in the stacking direction. 前記導電層の表面抵抗率が100Ω/sq.以下に設定される請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の静電容量型センサ。 The conductive layer has a surface resistivity of 100Ω/sq. The capacitive sensor according to any one of claims 1 to 5, set forth below. 前記絶縁層の誘電率が3以上に設定される請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の静電容量型センサ。 7. The capacitive sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the insulating layer has a dielectric constant of 3 or more. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の静電容量型センサと、
前記第1コンデンサの静電容量の変化と、前記第2コンデンサの静電容量の変化に基づいて変形を計測する計測部と
を備えた変形検出システム。
a capacitive sensor according to any one of claims 1 to 7;
A deformation detection system comprising: a measurement unit that measures deformation based on changes in the capacitance of the first capacitor and changes in the capacitance of the second capacitor.
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の静電容量型センサを使用した変形検出方法であって、
前記第1コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第2コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第1コンデンサと前記第2コンデンサの静電容量のそれぞれの変化量に基づいて変形を検出する変形検出方法。
A deformation detection method using the capacitive sensor according to any one of claims 1 to 8,
calculating the amount of change in the capacitance of the first capacitor;
calculating the amount of change in the capacitance of the second capacitor;
A deformation detection method for detecting deformation based on respective amounts of change in capacitance of the first capacitor and the second capacitor.
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