JP4860430B2 - 荷重計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重の分布に依存しないシート状の荷重計測装置およびそれを用いたリハビリテーション用歩行具に関するものである。

下肢の骨折等の治療後に回復を早める目的で、免荷歩行訓練がリハビリテーションの一環として行われる。これは松葉杖や平行棒を使用して最初は全体重の1/3程度からスタートして、1/2、2/3と下肢に掛ける荷重を徐々に増していくものである。その具体的な方法は、患者が免荷する方の足で体重計を踏んで、その指示値が目標とする荷重になった時の感覚を記憶して、その記憶のみを頼りにして免荷歩行を行う方法が専らである。

しかし感覚の記憶のみを頼りにするこのような方法では、患者は体重の掛け過ぎを恐れる心理が強く、その不安感は切実なものにならざるを得ない。その結果として、目標値よりも相当軽加重での歩行になっているのが通例である。またこれは回復を早めるリハビリテーションの効果を抑制するため、入院期間や通院期間の長期化の原因となっている。

患者が心理的にも安心して効果的な免荷歩行訓練を行うためには、目標値を越える荷重が下肢に加わった時に、即座に報知する手段が必要であるが、実用化されていない現状である。このような実情に鑑み、歪ゲージで構成する複数個の荷重センサを靴に組み込んで、それらのセンサからの荷重信号を用いて、予め設定した目標値に達すると通報ブザーを鳴らす荷重計測装置が特開平７−２０４２３６号公報に開示されている。

しかしながらこの方法では、以下のような問題点がある。第１に、個別の歪ゲージを使用するため足裏全体に分布する荷重を歪ゲージ部分に集中させる必要があり、そのために構造が複雑になり履物（靴）に組み込まなければならない。第２に、荷重の一部は荷重センサのケースに分担され歪に寄与しないため、荷重量に対するセンサ出力の直線性を得るのが難しい。第３に、足サイズによりセンサの間隔を調整する必要がある。第４に、複数の荷重センサの複数の出力から全荷重を計測する方法については明示されていないが、通常は各個のセンサの出力を個別に電気信号に変換した後加算するものと思料され、センサの数に等しい数の電気信号変換手段を要する。
特開平７−２０４２３６号公報

解決しようとする課題は、荷重の分布に依存しないシート状の荷重計測装置を提供し、それを免荷歩行訓練用歩行具に適用するものである。

本発明は、シート状弾性体に任意に分散して印加される垂直荷重の総量を、概シート状弾性体の静電容量の変化を電気的に検出することにより行うことを最も主要な特徴とする。

本発明の荷重計測装置は、多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体を誘電体とし、シート状導電性弾性体を電極とすることにより、誘電体の厚さが荷重に比例して変化する結果、任意に分散して印加される垂直荷重の総量を、概シート状弾性体の静電容量の変化を電気的に検出することにより行うことができるので、これを市販の靴等に介在させることにより実用的な免荷歩行訓練用歩行具を提供できるという利点がある。荷重による厚み変化を、計測すべき最大荷重圧力に対して３０％以下にすることによって、荷重の総量を３０％以下の誤差精度で測定できる。

シート状弾性体に分散して印加される垂直荷重の総量と、概シート状弾性体の静電容量の変化とをよい精度で比例的に変化させて、静電容量の変化を電気的に測定することにより垂直荷重の総量を計測するという目的を、最小の部品点数で、センサ部全体の厚みを損なわずに実現した。

図１は、本発明装置のセンサ部６の１実施例を示す。（ａ）は部材の構成を示し、（ｂ）および（ｃ）は２種類の拡大断面図、（ｄ）は中心となる部材の拡大平面図である。本実施例では、多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体２と、このシート状弾性体をはさむ２枚のシート状導電性弾性体１、３を弾性接着材または粘着材を用いて積層してなる。シート状弾性体２は、同図（ｄ）に示すように多数の空隙１１または窪み１２を周期的に設けている。空隙１１を設けた場合のセンサ部６の拡大断面を同図（ｂ）に、窪み１２を設けた場合のセンサ部６の拡大断面を同図（ｃ）に示す。空隙１１または窪み１２は面に垂直な断面を有する。部材を詳述すると、シート状弾性体２は硬度５０°、厚さ２ｍｍのゴムシートに、同図（ｄ）に示す寸法の空隙１１を設けてある。シート状導電性弾性体１、３は、体積抵抗率５Ωｃｍ、硬度６０°、厚さ０．５ｍｍの導電性ゴムシートである。弾性接着材は市販の一液湿気硬化型弾性接着材を使用する。センサ部６の厚さは3ｍｍ、外形は靴等のインソール形状である。

このような構成のセンサ部６は、足で踏まれるとその部分の圧力に応じて厚さの変化を生じる。外圧によるゴム材の変形は、体積を一定に保っておこなわれるが、シート状弾性体２は、多数の空隙または窪みが周期的に設けられているため、厚さの減少に見合う体積がこの部分に広がることにより、弾性体のヤング率に対応した圧縮変形が可能である。すなわち厚さの変化が比較的少ない範囲において、圧力に１次比例して厚さが減少する。

またこのような構成のセンサ部６は、２枚のシート状導電性弾性体１、３を電極、シート状弾性体２を誘電体とするコンデンサとみなすことができる。そうして前述の変形条件、すなわち厚さの変化が比較的少ない範囲において、圧力に１次比例して厚さが減少する、が成立すると、このコンデンサの静電容量の変化は、センサ部６に印加される全荷重によい近似で比例し、荷重の分布に依存しないことが以下の考察から示される。

以上の考察から明らかなように、静電容量の変化を測定することにより全荷重を計測することができ、その誤差率は圧縮率に等しい。荷重が分布している場合は、最も荷重圧力が高い部分の圧縮率が誤差の上限になる。免荷歩行訓練の場合は、３０％程度までの誤差は許容されるため、最大荷重圧力に対する圧縮量は３０％以下にする必要がある。荷重に対する圧縮量は、シート状弾性体２の硬度と図１（ｄ）の空隙または窪みの寸法で調整できる。なお電極として用いるシートは、本例のゴムシートのように十分な弾性が不可欠であり、弾性のない蒸着フィルム等を使用すると、荷重を加えた時に面方向の応力によって永久歪を生じ繰り返し使用に耐えない。また電極として用いるシート状導電性弾性体の有する体積固有抵抗は、センサ部６の静電容量に直列接続された抵抗となるが、荷重による抵抗値変化や荷重の分布に依存する抵抗値変化は計測値の誤差要因となるため、小さくする必要がある。本例の場合１００Ωｃｍを越えると誤差が無視できなくなる。

センサ部の静電容量を測定し所定の荷重を越えると警報を出力する電気回路部７は、種々の方法が周知であるが図３に一例を示す。図において、正弦波電圧発生回路で発生させた１０ｋＨｚ、5Ｖの正弦波電圧を、センサ部６の２枚のシート状導電性弾性体１、３でなる電極の一方に印加し、他方の電極を電流電圧変換回路に接続する。前記正弦波電圧がセンサ部６の誘電体に加わると、正弦波電流が流れる。この電流の大きさは、正弦波電圧を一定にするとセンサ部６の静電容量に比例する。この正弦波電流が電流電圧変換回路に入力されると、回路は電流値に比例した正弦波電圧を出力する。この正弦波電圧を、印加した正弦波電圧の周波数と同じ１０ｋＨｚに同調させた狭帯域フィルタを通過させると、回路の直流オフセット電圧や商用周波等のノイズが除去され、精度の高い計測信号電圧が得られる。この電圧と、警報を出すべき荷重に合わせて設定した電圧とを比較回路で比較し、設定電圧を超えると警報を出力する。別にセンサ部６の静電容量を発振回路の一部となし、静電容量の変化を発振周波数の変化で検出する方法も用いることが可能であるが、周知であり詳述しない。

本実施例の荷重計測装置は、センサ部６の構成は３枚のシートを積層したシンプルなものであり、形状は薄いシート状であり、任意に分散した荷重の総量をよい精度で計測できるため、これを市販の靴やサンダル等の履物に設置することにより、足のサイズや荷重の掛け方に依存しない免荷歩行訓練のための実用的なリハビリテーション用歩行具が実現できる。

図２は、本発明装置のセンサ部８の他の実施例を示す。（ａ）は部材の構成、（ｂ）は拡大断面図である。本実施例では、多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体２と、平坦なシート状弾性体４と、これらのシート状弾性体をサンドイッチ状にはさむ３枚のシート状導電性弾性体１、３、５を弾性接着材または粘着材を用いて積層してなる。シート状弾性体２は、図１（ｄ）と同様に多数の空隙１１または窪みを周期的に設けている。一方平坦なシート状弾性体４は空隙や窪みを有さない。空隙１１を設けた場合のセンサ部８の拡大断面を同図（ｂ）に示す。部材を詳述すると、シート状弾性体２は実施例1と同様のゴムシートである。シート状導電性弾性体１、３、５は、実施例1と同様の導電性ゴムシートである。弾性接着材は実施例1と同様の弾性接着材を使用する。センサの厚さは４ｍｍ、外形は靴等のインソール形状である。

このような構成のセンサ部８は、足で踏まれると実施例1と同様の圧縮変形が可能である。すなわち厚さの変化が比較的少ない範囲において、圧力に１次比例して厚さが減少する。これに対してシート状弾性体４は、面方向への体積移動ができないため厚さの変化は無視できるほど小さい。

またこのような構成のセンサ部８は電気回路的には、２枚のシート状導電性弾性体１、３を電極、シート状弾性体２を誘電体とするコンデンサ、および２枚のシート状導電性弾性体３、５を電極、シート状弾性体４を誘電体とするコンデンサとみなすことができる。シート状弾性体２を誘電体とするコンデンサにおいては、第１の実施例と同様にこのコンデンサの静電容量の変化は、センサ部８に印加される全荷重によい近似で比例し、荷重の分布に依存しない。なお、シート状導電性弾性体３の外寸を、シート状導電性弾性体１および５と比較して数ｍｍ縮小すると、シート状導電性弾性体３がシート状導電性弾性体１および５によって電気的にガードでき、その結果浮遊容量の影響が解消できる利点がある。

本例のセンサ部８に接続する電気回路部９を図４に示す。図において、正弦波電圧発生回路で発生させた正弦波電圧を、センサ部９のシート状導電性弾性体１でなる電極に印加する。またこの正弦波電圧の電圧と位相を以下の値にゲイン＆位相調整回路で調整し、シート状導電性弾性体５でなる電極に印加する。シート状導電性弾性体３でなる電極を電流電圧変換回路に接続し、センサ部８に荷重が加わっていない時の電流電圧変換回路出力が０になるように、前記ゲイン＆位相調整する。このようにすることで、センサ部８のふたつのコンデンサを流れる電流の和は、荷重がない時にはキャンセルしあって０となっている。ゲインは、二つの誘電体に同材質のゴムを用いた場合、厚さの逆比にほぼ等しく約１／４となり、位相差は約１８０°であるが、電極の直列抵抗分と誘電体の誘電損失に等価な抵抗分だけ１８０°からずらせる必要がある。

センサ部８に荷重が加わると、シート状弾性体２を誘電体とするコンデンサの静電容量が前述の通り全荷重に比例して増加するのに対し、シート状弾性体４を誘電体とするコンデンサは、前述の通り厚さの変化がなく静電容量は不変である。その結果全荷重に比例した電流が電流電圧変換回路に流れる。この出力電圧を、印加した正弦波電圧の周波数に同調させた狭帯域フィルタを介することで、回路の直流オフセット電圧や商用周波のノイズが除去され、精度の高い計測信号電圧が得られる。この電圧と、警報を出すべき荷重に合わせて設定した電圧とを比較回路で比較し、設定電圧を超えると警報を出力する。

本実施例の荷重計測装置は、実施例１と同様の特長に加えて、二つのコンデンサの差分電流を測定するため、二種の誘電体を同材質にすることにより温度等の環境条件の変化に対して安定であり、また荷重による静電容量の変化に比例した電流を測定するため、より微小な荷重に対しても高精度な計測が可能である。

構成が簡素なること、形状が薄いこと、分散荷重の総量が計測できることから、狭いところでの荷重計測に適用でき、特に市販の履物に適用して実用的なリハビリテーション用歩行具が実現できる。

荷重計測装置のセンサ部の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 荷重計測装置のセンサ部の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 荷重計測装置の電気回路部の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 荷重計測装置の電気回路部の実施方法を示した説明図である。（実施例２４

符号の説明

１ シート状導電性弾性体
２ 多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体
３ シート状導電性弾性体
４ 平坦なシート状弾性体
５ シート状導電性弾性体
６ センサ部（実施例１）
７ 電気回路部（実施例１）
８ センサ部（実施例２）
９ 電気回路部（実施例２）
１１ 空隙
１２ 窪み

Claims (4)

1. 多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体と、このシート状弾性体と同材質であって、該空隙または窪みを有さず面方向への体積移動ができない平坦なシート状弾性体と、を誘電体とし、これらの誘電体をサンドイッチ状にはさんだ３枚のシート状導電性弾性体を電極として二つのコンデンサを形成してなるセンサ部と、
   これらのコンデンサの静電容量の差分の変化を計測して作動する電気回路部と、からなり、
   前記センサ部は、足で踏まれると圧縮変形し、
   前記空隙または窪みを設けたシート状弾性体の厚みは、荷重によって、計測すべき最大荷重圧力に対して３０％以下の範囲で変化することを特徴とする荷重計測装置。
2. 請求項１記載の荷重計測装置において、
   前記３枚のシート状導電性弾性体のうち中央のものの外寸は、両側の２枚のものと比較して縮小されていることを特徴とする荷重計測装置。
3. 請求項１または請求項２記載の荷重計測装置を靴等に適用して、これにより歩行時の荷重があらかじめ設定した荷重を超過すると警報を発するようにしたことを特徴とするリハビリテーション用歩行具。
4. 前記シート状導電性弾性体の体積抵抗率が１００Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の荷重計測装置およびリハビリテーション用歩行具。

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