JP4480645B2 - 圧力測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧力測定装置に関し、特に、取付対象物や圧力検出対象物の形状あるいは大きさに柔軟に対応することができるとともに、圧力検出対象物の面圧を精度良く検出することができる圧力測定装置に関する。

従来、印加された圧力を電気信号に変換することによって、圧力を検出する圧力センサが知られている。かかる圧力センサの中には、構成部品としてゴムなどの弾性体を用い、圧力によって弾性体が変形することを利用して圧力を検出するものが存在する。

たとえば、特許文献１には、金属粉体を混入した弾性体と励磁コイルとを隣接して配置し、励磁コイルに電圧を印加した状態において、弾性体に付加が加わった際に生じる渦電流損から圧力を検出する圧力センサが開示されている。

また、特許文献２には、永久磁石とホール素子との間に弾性体を設け、弾性体に付加が加わった際に生じる渦電流の変化に基づき、印加された圧力を検出する圧力センサが開示されている。

特開平１０−３１８８６５号公報 特開２０００−３４６６０６号公報

しかしながら、上記した特許文献１の技術では、圧力の検出精度が、金属粉体を混入した弾性体の品質に大きく左右されるという問題があった。すなわち、圧力センサの製造時に、弾性体に混入させる金属粉体の分布密度を正確にコントロールする必要があったために、十分な精度を有する圧力センサの歩留まりが悪いという問題があった。

また、上記した特許文献２の技術では、永久磁石のサイズを十分に小さくすることには限界があり、小さな圧力検出対象に対応することができないという問題があった。このため、圧力センサ単体をアレイ状に配置して面圧を測定するという用途には不向きであった。また、ホール素子のサイズを十分に大きくすることにも限界があり、大きな圧力検出対象に対応することができないという問題もあった。

これらのことから、さまざまな圧力検出対象に対応することができ精度良く圧力を測定することができるとともに、アレイ状に配置することが容易であり効率良く面圧を測定することができる圧力センサをいかにして実現するかが大きな課題となっている。

この発明は、上述した従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、さまざまな圧力検出対象に対応することができ精度良く圧力を測定することができるとともに、アレイ状に配置することが容易であり効率良く面圧を測定することができる圧力測定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に係る発明は、アレイ状に配置された複数の励磁コイルを含んだコイル層と、前記コイル層に隣接して設けられた非金属物質からなる弾性体層と、前記弾性体層に隣接して設けられた金属膜からなる金属層と、を積層した圧力センサと、前記アレイ状に配置された複数の励磁コイルの中から、電圧を印加した場合に互いに干渉を及ぼさない範囲に配置されている励磁コイルの組合せごとに所定の時間差を設けて電圧を印加する電圧印加手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、上記の発明において、前記圧力センサの前記コイル層は、取付対象における圧力分布の検出対象部位の圧力分布を検出する場合に求められる検出感度に応じて、コイルの巻数および／またはコイルの直径が異なる複数の前記励磁コイルを含んだことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、上記の発明において、前記圧力センサの前記弾性体層は、取付対象における圧力分布の検出対象部位の圧力分布を検出する場合に求められる検出感度に応じて、弾性係数の異なる非金属物質からなることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、上記の発明において、前記電圧印加手段は、アレイ状に配置された複数の励磁コイルを含んでなるセンサシートの所定の部位に設けられた前記励磁コイルごとに異なる周波数の電圧を印加することを特徴とする。

本発明によれば、アレイ状に配置された複数の励磁コイルを含んだコイル層と、コイル層に隣接して設けられた非金属物質からなる弾性体層と、弾性体層に隣接して設けられた金属膜からなる金属層とを積層した圧力センサと、前記圧力センサの各励磁コイルに対して電圧を印加した場合に、各励磁コイルが互いに干渉を及ぼさないように所定の時間差を設けて電圧を印加する電圧印加手段と、を備えるよう構成したので、さまざまな圧力検出対象に対応することができ精度良く圧力を測定することができる。また、アレイ状に配置した励磁コイルの励磁制御を行うことによって、励磁コイル同士の干渉を抑えて精度良く面圧を測定可能な圧力測定装置を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、圧力センサのコイル層は、コイルの巻数および／またはコイルの直径が異なる複数の前記励磁コイルを含むよう構成したので、仕様の異なる励磁コイルを配置することによって、一枚のセンサシートの各部位ごとにセンサの検出感度を適宜変更することができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、圧力センサの弾性体層は、所定の部位ごとに弾性係数の異なる非金属物質からなるように構成したので、弾性係数の異なる弾性体を隣接して配置したり、各部位ごとに弾性係数が異なる弾性体を用いたりすることによって、一枚のセンサシートの各部位ごとにセンサの検出感度を適宜変更することができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、電圧印加手段は、所定の部位に設けられたセンサシートの所定の部位に設けられた励磁コイルごとに異なる周波数の電圧を印加するように構成したので、センサシートの各部位における性質を均質とした場合であっても、一枚のセンサシートの各部位ごとにセンサの検出感度を適宜変更することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧力センサおよびこの圧力センサを用いた圧力測定装置の実施例を詳細に説明する。なお、以下では、実施例１において本発明に係る圧力センサについて、実施例２において本発明に係る圧力センサを用いた圧力測定装置についてそれぞれ説明することとする。

まず、実施例１に係る圧力センサの構成について図１を用いて説明する。図１は、実施例１に係る圧力センサの構成を示す図である。なお、図１の上側に示した図は圧力センサ１を側面からみた図であり、図１の下側に示した図は圧力センサ１を上方からみた図である。また、図１の下側に示した図においては、金属層１ａおよび弾性体層１ｂの記載を省略している。

図１の上側の図に示すように、圧力センサ１は、金属膜からなる金属層と、ポリウレタンなどの非金属物質を材料とする弾性体からなる弾性体層と、励磁コイルを含んだコイル層とを積層することによって形成されたものである。

また、図１の下側の図に示すように、圧力センサ１のコイル層１ｃには、励磁コイル２と、この励磁コイル２の各端に接続される配線とが設けられている。かかる配線としては、たとえば、プリント基板が用いられる。そして、励磁コイル２の一端に接続されるプリント基板の層と、励磁コイル２の他端に接続されるプリント基板の層とで、励磁コイル２を挟み込むことによってコイル層１ｃが形成される。

この圧力センサ１は、上記した配線を介することによってコイル層１ｃの励磁コイル２に電圧を印加し、金属層１ａに渦電流を発生させる。そして、金属層１ａ側から圧力が印加されて弾性体層１ｂが変形すると金属層１ａとコイル層１ｃとの距離が変化し、これに伴って励磁コイル２の抵抗値が変化することになる。したがって、上記した配線を介してこの抵抗値の変化量、あるいは、電流の変化量を取得することによって圧力を測定することができる。

ところで、従来の圧力センサの中には、金属粉体を混入した弾性体と励磁コイルとを隣接して配置するものが存在した。この圧力センサは、励磁コイルに電圧を印加した状態において、弾性体に付加が加わった際に生じる渦電流損から圧力を検出するものである。しかし、金属粉体を含んだ弾性体を用いることとすると、金属粉体の分布密度を正確に管理した弾性体を製造する必要がある。このため、かかる分布密度にばらつきがあると圧力センサの精度が悪化してしまうという問題があった。

また、従来の圧力センサの中には、永久磁石とホール素子との間に弾性体を設けたものも存在した。この圧力センサは、弾性体に付加が加わった際に生じる渦電流の変化に基づいて印加された圧力を検出するものである。しかし、永久磁石を十分に小さくすることには限界があり、各圧力センサをアレイ状に配置して面圧を測定する用途には不向きであった。また、ホール素子を十分に大きくすることにも限界があり、大きな測定対象物への適用が困難であるという問題もあった。

そこで、本実施例１に係る圧力センサ１では、非金属物質からなる弾性体層１ｂの上面に金属膜（金属層１ａ）を設けるとともに、この弾性体層１ｂの下面には励磁コイル２を含んだコイル層１ｃを設けることとした。このように、各層を積層することによってセンサを形成することができるので、製造コストを下げることができるとともに、均質な性能を有する圧力センサ１を容易に製造することができる。

また、この圧力センサ１は、コイル層１ｃに含まれる励磁コイル２の直径を１ｍｍ程度にまで小さくすることができるので、小さな測定対象物にも適用することができる。このように、励磁コイル２のサイズを十分に小さくすることができるので、各励磁コイル２をアレイ状に配置することも容易である。したがって、測定対象物の面圧を検出する用途にも適している。

次に、励磁コイル２をアレイ状に配置した圧力センサ１について図２を用いて説明する。図２は、励磁コイル２をアレイ状に配置した圧力センサ（以下、「センサシート」と記載する）１を示す図である。なお、図２の上側に示した図はセンサシート１を側面からみた図であり、図２の下側に示した図はセンサシート１を上方からみた図である。また、図２の下側に示した図においては、金属層１ａおよび弾性体層１ｂの記載を省略している。

図２の上側の図に示すように、励磁コイル２をアレイ状に配置した場合であっても、センサシート１の層構成は図１の上側の図に示した圧力センサ１と同様となる。このように、本実施例１に係る圧力センサ１は、点圧の測定から面圧の測定まで同一の層構成のまま柔軟に対応することができる。

また、図２の下側の図に示すように、センサシート１のコイル層１ｃには、励磁コイル２がアレイ状に配置される。そして、各励磁コイル２に接続される配線は、図１の場合と同様にプリント基板などで形成される。なお、上記した説明においては、励磁コイル２の直径を１ｍｍ程度にまで小さくすることができる旨を記載したが、励磁コイル２の直径を数ｃｍ程度にまで大きくすることもできるので、大きな測定対象物にも適用することが可能である。また、センサシート１の厚みについても、１ｍｍ程度にまで薄くすることができるので、センサシート１自体に柔軟性を持たせることが可能である。

次に、センサシート１の柔軟性について図３を用いて説明する。図３は、センサシート１の柔軟性を示す図である。なお、図３の上段には、表面が平面である取付対象物にセンサシート１を適用した場合について、図３の中段および下段には、表面が曲面である取付対象物にセンサシート１を適用した場合についてそれぞれ示している。

図３に示すように、センサシート１は、金属層１ａと、弾性体層１ｂと、コイル層１ｃとを積層することによって形成されるので、センサシート１が柔軟性を有しているという特徴を有する。したがって、取付面が平面である場合に限らず、曲面である場合であっても取付対象物の表面に密着する形でセンサシート１を設置することが可能となる。

さらに、所定の部位ごとに弾性体層１ｂあるいはコイル層１ｃの性質を変更したセンサシート１を構成することもできる。これにより、圧力分布を詳細に検出したい部位についてはセンサの感度を上げる構成としたり、詳細な圧力分布を取得する必要のない部位についてはセンサの感度を下げる構成としたりすることが可能となる。

次に、圧力センサ１の検出感度に関する可変要素について図４を用いて説明する。図４は、圧力センサ１の可変要素を示す図である。たとえば、同図に示すように、弾性体層１ｂについては、弾性体層１ｂを形成するポリウレタンの配合や発泡度を変更することによって所定の部位ごとの弾性係数を変更することが可能である。

また、コイル層１ｃについては、コイル層１ｃに含まれる励磁コイル２の巻数、直径、あるいは、形状を所定の部位ごとに変更することができる。たとえば、センサ感度を向上させたい部位にはコイルの巻数を多くした励磁コイル２を設けたり、粗い面圧を取得したい部位には直径が大きい励磁コイル２を設けたりすることになる。また、励磁コイル２は、必ずしも円形コイルとする必要はなく、測定対象物や取付対象物に適応させる形状、たとえば、楕円や矩形の形状とすることもできる。

このように、圧力センサ（センサシート）１の所定の部位ごとに、上記した可変要素を変更することで、検出すべき圧力の精度や、検出すべき圧力分布の密度に柔軟に対応することができる圧力センサ（センサシート）１を形成することができる。ここで、上記した可変要素を用いてシート内の圧力検出精度を変更したセンサシート１について図５を用いて説明する。図５は、所定の部位ごとに圧力検出精度を変更したセンサシート１を示す図である。

たとえば、同図の５ａや５ｂに示したパターンで、各部位（同図の「Ａ」、「Ｂ」あるいは「Ｃ」参照）ごとに圧力検出精度を変更することができる。なお、同図においては、センサシート１の各部位が矩形の形状を有する場合について示したが、これに限らず、各部位を円形の形状としたり、任意の形状としたりすることとしても構わない。

上述したように、本実施例１では、金属膜からなる金属層と、非金属物質からなる弾性体層と、励磁コイルを含んだコイル層とを積層することによって圧力センサを構成した。したがって、点圧を測定する圧力センサと、面圧を測定する圧力センサとを同様の層構成で実現することができるとともに、励磁コイルのサイズ選択の許容度が広いので、さまざまな大きさの圧力検出対象に適用することができる。

また、点圧を測定するセンサをアレイ状に配置したセンサシートにおいては、弾性体層やコイル層の可変要素を適宜変更することによって、所定の部位ごとに圧力検出精度や圧力検出範囲が異なるセンサを１枚のシートで形成することができる。さらに、層構造を有するセンサシートは柔軟性を有しているので、さまざまな形状の取付対象物や測定対象物に広く適用することができる。

以下に示す実施例２では、実施例１で説明した圧力センサ（センサシート）１を用いた圧力測定装置１０について説明する。

まず、実施例１で示したセンサシート１を用いた圧力測定装置１０の構成について図６を用いて説明する。図６は、実施例２に係る圧力測定装置１０の構成を示すブロック図である。同図に示すように、圧力測定装置１０は、センサシート１と、電源部１１と、電圧印加部１２と、検出部１３と、表示部１４と、記憶部１５と、制御部１６とを備えている。また、記憶部１５は、センサ制御情報１５ａを記憶しており、制御部１６は、センサ制御部１６ａと、解析部１６ｂとをさらに備えている。

センサシート１は、上記した実施例１に示したものである。このセンサシート１は、上記した配線(図２参照)を介して電圧印加部１２および検出部１３に接続されている。電源部１１は、圧力測定装置１０を作動させるための電力を供給するデバイスである。なお、本実施例２では、電源部１１を備えた圧力測定装置１０を示したが、外部の電源装置から電力の供給を受けるよう圧力測定装置１０を構成することとしてもよい。

電圧印加部１２は、制御部１６のセンサ制御部１６ａの指示によりセンサシート１の各励磁コイル２に対して電圧を印加する処理を行うデバイスである。また、検出部１３は、電圧が印加された各励磁コイル２の電流や抵抗を測定するデバイスであり、測定結果を制御部１６の解析部１６ｂに対して渡す処理を行う。

表示部１４は、ディスプレイ装置などの表示デバイスであり、制御部１６の解析部１６ｂが出力する面圧分布などのデータを文字やグラフなどを用いて表示する処理を行う。なお、表示部１４に出力するデータを記憶部１５に記憶させることとし、圧力分布の時間経過をグラフィカルに表示するよう構成してもよい。

記憶部１５は、ハードディスク装置やＲＡＭ（Random Access Memory）といった記憶デバイスであり、センサシート１の各励磁コイル２を制御するためのセンサ制御情報１５ａを記憶する。なお、このセンサ制御情報１５ａの詳細については図８および図９を用いて後述することとする。

制御部１６は、記憶部１５のセンサ制御情報１５ａに基づき、電圧印加部１２に対してセンサシート１の各励磁コイル２への電圧印加を制御する処理を行う処理部である。また、この制御部１６は、各励磁コイル２の電流変位や抵抗変位に基づき、各計測点において検出した圧力を集計する処理を行う処理部でもある。

センサ制御部１６は、記憶部１５のセンサ制御情報１５ａに基づき、センサシート１の各励磁コイル２に印加する電圧の印加タイミングを制御したり、電圧の周波数を制御したりといった処理を行う処理部である。また、解析部１６ｂは、各励磁コイル２が検出した圧力を集計して表示部１４に出力する処理を行う処理部である。なお、この解析部１６ｂにおいて励磁コイル２の出力結果に含まれるノイズをフィルタリングしたり、温度補正などの補正処理を行ったりすることとしてもよい。

次に、上記したセンサ制御部１６が行う電圧印加タイミング制御について図７を用いて説明する。図７は、励磁コイル２の励磁タイミングの一例を示す図である。なお、同図に示した各円は、励磁コイル２をあらわしている。また、円内に示した「Ａ１」などの記号は、各励磁コイル２を識別するための識別符号である。

同図に示すように、センサシート１のコイル層１ｃには、複数の励磁コイル２がアレイ状に配置されている。ところで、同図に示した「Ｃ３」の励磁コイル２に電圧を印加した場合、励磁された励磁コイル２によって金属層１ａに渦電流が発生するが、この渦電流の影響は、「Ｃ３」の励磁コイル２の周辺の励磁コイル２まで及ぶ。このため、すべての励磁コイル２に同時に電圧を印加すると、各励磁コイル２が相互に干渉することによって検出される圧力データに誤差が生じてしまう。

そこで、本実施例２に係る圧力測定装置１０では、センサ制御部１６が各励磁コイル２の励磁タイミングをずらすことで、上記した誤差を抑制することとしている。なお、一個の励磁コイル２に電圧を印加した場合の影響は、励磁コイル２の直径の２倍程度にまで及ぶので、同図の波線の円に示したように、直径の２．５倍の範囲内にある励磁コイル２には同時に電圧を印加しないことが望ましい。

図７に示した場合について説明すると、「Ａ１」、「Ｃ３」および「Ａ５」の励磁コイル２には、同時に電圧を印加しても構わないが、「Ｃ３」と「Ａ３」のように近接した励磁コイル２に対して同時に電圧を印加すべきではない。センサ制御部１６は、記憶部１５のセンサ制御情報１５ａに基づき、このような励磁タイミングを制御する。

次に、記憶部１５のセンサ制御情報１５ａの例について図８および図９を用いて説明する。図８は、励磁コイル２の励磁順序の一例を示す図であり、図９は、励磁コイル２に印加する電圧周波数の一例を示す図である。図８および図９に示すように、センサ制御情報１５ａは、各励磁コイル２の励磁タイミングや印加電圧の周波数を含んだ情報である。なお、本実施例２においては、センサ制御部１６ａがセンサ制御情報１５ａに基づいて励磁コイル２の励磁を制御する場合について示すが、所定の電子回路を用いて励磁制御を行うこととしてもよい。

図８に示した各行は、同時に電圧を印加する励磁コイル２をあらわしている。そして、この情報を取得したセンサ制御部１６ａは、同図の下向きの矢印に示したように、１行目の励磁コイル２に電圧を印加して所定時間が経過すると、２行目の励磁コイル２に対して電圧を印加し、同様の処理を繰り返すことによって、センサシート１に含まれるすべての励磁コイル２の励磁を行うことになる。なお、同図の右向きの矢印の順序で、各行に含まれる各励磁コイル２の励磁を連続的に（所定時間おきに）行うこととしてもよい。

また、図９に示すように、センサ制御情報１５ａに電圧印加の対象となる励磁コイル２のグループと、印加電圧の周波数とを対応付けた情報を含めることで、センサシート１の所定部位ごとにセンサの検出感度を変更することが可能となる。

たとえば、末尾の番号が「１〜２」の励磁コイル２に印加する電圧の周波数を「ＸＸ」Ｈｚ、「３〜４」の周波数を「ＹＹ」Ｈｚというように登録しておくことで、センサシート１の矩形領域ごとにセンサの検出感度を変更することができる。なお、図９に示した情報を変更するのみで、図５の５ａや５ｂに示したパターンを実現することが可能である。

上述したように、本実施例２では、実施例１に示したセンサシートを用いた圧力測定装置を構成し、センサ制御部が記憶部のセンサ制御情報に基づき、センサシートの各励磁コイルの励磁タイミングや印加電圧の周波数制御を行うこととした。また、解析部が、各励磁コイルが検出した圧力データを集計して表示部に表示するよう構成した。したがって、センサ制御情報を変更するのみで、センサシートの所定部位の圧力検出感度を変更することができるとともに、励磁コイル同士の影響を排除して精度の良い圧力データを取得することができる。

最後に、上記した圧力センサ（センサシート）１および圧力測定装置１０の測定対象について図１０を用いて説明する。図１０は、圧力センサ１および圧力測定装置１０の測定対象例を示す図である。同図に示すように、センサシート１を医療用ベッドのマットなどに取り付けることとすれば、就寝中の人の面圧を測定することができる。

上記したようにセンサシート１は柔軟性を有しているので、マットに取り付けた場合であってもマットのクッション性を低下させることがない。このように、センサシート１を医療用ベッドに用いることすれば、入院患者等の床ずれ防止などに有用である。また、頭や足といった各部位においてセンサ感度を変更することも容易である。

また、センサシート１を靴の中敷きに取り付けることとすれば、足裏の圧力を測定することができる。たとえば、スキー用ブーツなどのフィッティング時などにセンサシート１を用いることで、各利用者に適応したセッティングが容易となる。

また、自動車などのワイパーのゴム面にセンサシート１を取り付けることで、ワイパーとフロントガラスの密着度を測定する試験を容易に行うことができる。一方、フロントガラス側にセンサシート１を取り付けることで、フロントガラスに最適にフィットするワイパーの開発が容易となる。

さらに、センサシート１を建築部材などに取り付けることとすれば、他の建築部材との接合圧力を測定することができる。このように、本発明に係るセンサシート１は、さまざまな対象物に取り付けることができるとともに、一枚のセンサシート１の各部位によってセンサ感度を自由に変更することができるので、測定目的に柔軟に対応することができる。

なお、上記した各実施例においては、金属層、弾性体層およびコイル層からなる圧力センサについて説明したが、この圧力センサを、変位センサあるいは重量センサとして用いることとしてもよい。

以上のように、本発明に係る圧力測定装置は、様々な測定対象物の圧力測定に有用であり、特に、精度良く面圧を測定したい場合に適している。

実施例１に係る圧力センサの構成を示す図である。 励磁コイルをアレイ状に配置した圧力センサを示す図である。 センサシートの柔軟性を示す図である。 圧力センサの可変要素を示す図である。 所定の部位ごとに圧力検出精度を変更したセンサシートを示す図である。 実施例２に係る圧力測定装置の構成を示すブロック図である。 励磁コイルの励磁タイミングの一例を示す図である。 励磁コイルの励磁順序の一例を示す図である。 励磁コイルに印加する電圧周波数の一例を示す図である。 圧力センサおよび圧力測定装置の測定対象例を示す図である。

符号の説明

１ 圧力センサ（センサシート）
１ａ 金属層
１ｂ 弾性体層
１ｃ コイル層
２ 励磁コイル
１０ 圧力測定装置
１１ 電源部
１２ 電圧印加部
１３ 検出部
１４ 表示部
１５ 記憶部
１５ａ センサ制御情報
１６ 制御部
１６ａ センサ制御部
１６ｂ 解析部

Claims (4)

1. アレイ状に配置された複数の励磁コイルを含んだコイル層と、
   前記コイル層に隣接して設けられた非金属物質からなる弾性体層と、
   前記弾性体層に隣接して設けられた金属膜からなる金属層と、
   を積層した圧力センサと、
   前記アレイ状に配置された複数の励磁コイルの中から、電圧を印加した場合に互いに干渉を及ぼさない範囲に配置されている励磁コイルの組合せごとに所定の時間差を設けて電圧を印加する電圧印加手段と
   を備えたことを特徴とする圧力測定装置。
2. 前記圧力センサの前記コイル層は、
   取付対象における圧力分布の検出対象部位の圧力分布を検出する場合に求められる検出感度に応じて、コイルの巻数および／またはコイルの直径が異なる複数の前記励磁コイルを含んだことを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
3. 前記圧力センサの前記弾性体層は、
   取付対象における圧力分布の検出対象部位の圧力分布を検出する場合に求められる検出感度に応じて、弾性係数の異なる非金属物質からなることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力測定装置。
4. 前記電圧印加手段は、
   アレイ状に配置された複数の励磁コイルを含んでなるセンサシートの所定の部位に設けられた前記励磁コイルごとに異なる周波数の電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の圧力測定装置。

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