CN101281066A - 压力分布传感器系统 - Google Patents

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CN101281066A CNA2008100823272A CN200810082327A CN101281066A CN 101281066 A CN101281066 A CN 101281066A CN A2008100823272 A CNA2008100823272 A CN A2008100823272A CN 200810082327 A CN200810082327 A CN 200810082327A CN 101281066 A CN101281066 A CN 101281066A
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Abstract

提供一种电路部小型轻量、压力分布传感器廉价、系统整体价格低的压力分布传感器系统。本发明的压力分布传感器系统具有：在薄膜基材(1)内具有相互独立的2～8个压敏导电性元件(4)以及分别从其延伸的布线(2)以及端子(3)的(在1条行电极与2～8条列电极的交叉点具有压敏导电性元件的)压力分布传感器S；处理电路，具有应分别测量各所述压敏导电性元件(4)的电阻变化的与各端子(3)连接的放大器；用于进行来自所述处理电路的信号的运算与测量结果的显示、记录、分析的软件，其中，使所述薄膜基材(1)的俯视形状以及薄膜基材(1)内的压敏导电性元件(4)的位置适合于用途。

Description

压力分布传感器系统
技术领域
本发明涉及压力分布传感器系统，利用该压力分布传感器系统，可进行例如橡皮滚或滚筒的压力分布测量评价、咬合时的压力平衡的评价、抓住物体时的压力分布测量评价、行走功能测量评价以及重心摇摆测量评价。
背景技术
在可进行如上所述的测量评价的压力分布传感器系统中使用所谓矩阵传感器片9。
如图16所示，在薄膜基材90a上以银膏90b、压敏导电油墨90c的顺序进行涂敷，形成多个行电极(以及列电极)，使具有所述行电极的薄膜基材90a与具有列电极的薄膜基材90a以交叉的状态进行粘贴，从而形成所述矩阵传感器9。并且，如图15或图17所示，在该压力分布传感器系统中，具有：电路部K，内置有依次对所述多个行、列电极通电用的多路复用器以及用于测量各压敏电极的交叉点(压敏导电性元件)的电阻的多个放大器；计算机C，具有对所提取的信号进行运算处理并且进行显示记录分析用的软件。
但是，所述压力分布传感器系统存在以下问题：(1)因为电路部的部件数较多，所以，大型并且重量重，(2)压力分布传感器成为所需以上的大型，(3)系统整体金额高。
专利文献1 特开平8-327474
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路部小型轻量、压力分布传感器廉价、并且系统整体金额低的压力分布传感器系统。
对于本发明的压力分布传感器系统来说，具有：压力分布传感器，在薄膜基材内，在1条行电极与2～8条列电极的交叉点具有压敏导电性元件；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，其中，使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的位置适合于用途。
此外，对于本发明的压力分布传感器系统来说，具有：压力分布传感器，在薄膜基材内具有相互独立的2～8个压敏导电性元件以及分别从其延伸的布线以及端子；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，其中，使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的位置适合于用途。
并且，关于所述任意一个压力分布传感器系统，压力分布传感器的压敏导电性元件在俯视图上排列成横向一列，可进行橡皮滚或滚筒的压力分布测量评价。
并且，关于所述任意一个压力分布传感器系统，压力分布传感器在俯视图上是U字或V字的形状，压敏导电性元件配置在适于测量人的牙齿咬合时的压力平衡的位置上，可进行咬合时的压力平衡的评价。
并且，关于所述任意一个压力分布传感器系统，在适于测量由人或智能机器人的手抓住物体时的手掌的压力分布的位置上配置多个压敏导电性元件，可进行抓住物体时的压力分布测量评价。
并且，关于所述的任意一个压力分布传感器系统，在适于测量人或智能机器人进行双足行走时的脚掌的压力分布或体重的重心移动的位置上配置多个压敏元件，可进行行走功能测量评价。
并且，关于所述的任意一个压力分布传感器系统，在适于测量人静止站立时的摇摆程度的位置上配置多个压敏元件，可进行重心摇摆测量评价。
附图说明
图1是本发明的实施例1的压力分布传感器的平面图。
图2是与本发明的实施例1相对应的现有的压力分布传感器的平面图。
图3是本发明的实施例2的压力分布传感器的平面图。
图4是与本发明的实施例2相对应的现有的压力分布传感器的平面图。
图5是本发明的实施例3的压力分布传感器的平面图。
图6是与本发明的实施例3相对应的现有的压力分布传感器的平面图。
图7是本发明的实施例4的压力分布传感器的平面图。
图8是表示行走时的脚掌的接触面的平面图。
图9是表示与实施例4相对应的压力分布传感器的路线位置与行走时脚掌着地的状态的表。
图10是与本发明的实施例4相对应的现有的压力分布传感器的平面图。
图11是本发明的实施例5的压力分布传感器的平面图。
图12是表示与实施例5相对应的压力分布传感器的路线位置与静止站立时脚掌与地板表面之间产生的压力的状态的表。
图13是与本发明的实施例5相对应的现有的压力分布传感器的平面图。
图14是用于利用分析处理装置读取来自本发明的系统所使用的压力分布传感器的输出的系统的图。
图15是现有的压力分布传感器系统的立体图。
图16是现有的压力分布传感器系统的立体图。
图17是用于利用分析处理装置读取来自现有的系统所使用的压力分布传感器的输出的系统的电路图。
具体实施方式
以下，详细地对作为用于实施本发明的压力分布传感器系统的优选方式的实施例进行说明。
关于本发明的压力分布传感器系统的基本方式
对于该压力分布传感器系统来说，具有：压力分布传感器，在薄膜基材内，在1条行电极与2～8条列电极的交叉点具有压敏导电性元件；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，其中，使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的大小以及位置适合于用途。
对于该压力分布传感器系统来说，具有：压力分布传感器，在薄膜基材内具有相互独立的2～8个压敏导电性元件以及分别从其延伸的布线以及端子；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，其中，使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的大小以及位置适合于用途。
此处，所述压力分布传感器的基本方式如下。
薄膜基材
可以使用具有弯曲性的各种树脂等，例如，可以采用聚酯树脂、聚酰亚胺树脂等。而且，厚度是10～100μm。
压敏导电性元件
对于压敏导电性元件来说，使施加电极与接收电极对置，并且，分别在所述施加电极与接收电极的对置侧面设置压敏油墨层。
施加电极以及接收电极由导电性油墨构成。作为导电性油墨，有在各种树脂(例如聚酯树脂)中混合有银的粉末而成的银油墨。而且，所印刷形成的导电性油墨的厚度是10～20μm。
此外，压敏油墨层印刷形成在施加电极以及接收电极上，由在树脂中含有半导体粒子与导体粒子的油墨构成。并且，厚度是10～50μm。
布线、端子
施加侧以及接收侧布线和端子分别由导电性油墨构成。作为导电性油墨，有在各种树脂(例如聚酯树脂)中混合银的粉末而成的银油墨。并且，所印刷形成的导电性油墨的厚度是10～20μm。
其次，如图14所示，应分别对所述的压敏导电性元件的电阻变化进行测量的与各端子连接的处理电路基本上由8个(可以在2个～8个的范围内)运算放大器以及A/D转换器构成，进行执行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件运算、显示、记录等操作。
本实施例1的压力分布传感器系统涉及橡皮滚压力、滚筒压力的平衡测量系统。
如图1所示，对于该压力分布传感器S的结构来说，整体形成为L字或T字形状，在横带部分，以21mm间隔配置8个线状的压敏导电性元件4，并且，将有效的压敏部宽度设定为适于一般的小型的丝网印刷机的168mm。即，该压力分布传感器S在一条行电极与八条列电极的交叉点具有压敏导电性元件4。
其次，对于该压力分布传感器S来说，在两枚薄膜基材1、1的对置面侧设置布线2(一方为施加侧布线2a，另一方为接收侧布线2b)以及端子3(一方为施加侧端子3a，另一方为接收侧端子3b)，并且，在所述布线2a、2b侧端部设置压敏油墨层4a、4b，在这些薄膜基材1、1彼此间对置的布线2a、2b以及端子3a、3b以彼此电绝缘状态的方式粘贴形成。由此，对置的压敏油墨层4a、4b相互的重叠部为压敏导电性元件4，电阻值按照针对该压敏导电性元件4的加压力而改变。
并且，因为压力分布传感器的横向宽度即要测量的橡皮滚或滚筒的横向长度中除了170mm以外有600mm至1000mm的长度，所以，仍旧维持压敏导电性元件数量为8个，扩大列电极的配置间隔，从而使其与长相对应。
此外，关于压力分布传感器～处理电路～计算机的关联，与“关于本发明的压力分布传感器系统的基本方式”的情况相同。
因此，在使用该发明的压力分布传感器系统的情况下，电路部5小型轻量，压力分布传感器也相当便宜，系统整体为低成本。
现有的橡皮滚压力、滚筒压力平衡测量系统
以往，显示操作装置中有LED电平计方式与PDA液晶显示这两种，但电路部5都使用矩阵阵列状的压力分布系统用(电极数最大数52×44)。
压力分布传感器中具有2行×33列＝66个压敏导电性元件，但是，因为合计了横向邻接的三个压敏导电性元件的输出，因而输出显示实际上显示了11列的输出。即，对于平时测量所使用的1行×11列＝11个的压敏导电性元件的载荷测量，使用最大2288个用的硬件(参照图2)。
此外，由于所述现有的传感器应用于矩阵阵列状的压力分布系统，因而电路部5中必须有多个多路复用器。
因此，在现有的压力分布传感器系统中，压力分布传感器本身较大，电路部5的部件数较多，在成本方面浪费较多。
实施例2
本实施例2的压力分布传感器系统涉及咬合力平衡系统。
如图3所示，该压力分布传感器的结构在平面图上是U字或V字的形状，在适于测量人的牙齿咬合时的压力平衡的位置(左右分别为4个)上配置压敏导电性元件4，评价咬合时的压力平衡。此处，布线2(一方为施加侧布线2a，另一方为接收侧布线2b)以及端子3(一方为施加侧端子3a，另一方为接收侧端子3b)与实施例1相同。
而且，压力分布传感器～处理电路～计算机的关联与“关于本发明的压力分布传感器系统的基本方式”中的情况相同。
因此，在使用该发明的压力分布传感器系统的情况下，电路部5小型轻量，压力分布传感器也相当廉价，系统整体为低成本。
现有的咬合力平衡测量系统
以往，在1.27mm的空间分辨率下具有压敏导电性元件数约1000个，使用矩阵阵列状压力分布传感器系统用硬件(电极数最大52×44)。这样，具有利用较高的空间分辨率可以实时测量在牙齿的哪个部分施加较高的载荷或咬合不良的优点，但是，作为左右的载荷平衡或最大咬合力的测量等的基本的咬合能力的评价装置超过规格，由于高额因而不便利用。这是因为电路部的部件数较多，在成本方面浪费非常多。
实施例3
本实施例3的压力分布传感器系统涉及球状压力测量系统。
如图5所示，对于该实施例3的压力分布传感器的结构来说，涉及在适于测量人或智能机器人的手抓住物体时的手掌的压力分布的位置上配置多个压敏导电性元件4并进行抓住物体时的压力分布的测量评价。在本实施例中，如图5所示，在压力分布传感器中，具有8个压敏导电性元件4，其位置为五指尖的5点、手指(中指、无名指、小指)根的3点。并且，所述压敏导电性元件4的位置可以适当变更。
在本系统中，直接或间接地(粘贴于布制的手套等上)将所述压力分布传感器S安装在被实验者或机器人的手掌上。然后，使压力分布传感器S的端子与具有运算放大器和A/D转换功能的衬底连接，与计算机连接。于是，可测量抓住物体时的载荷分配。
并且，压力分布传感器～处理电路～计算机的关联与“关于本发明的压力分布传感器系统的基本方式”的情况相同。
此处，在该传感器中，对于压敏导电性元件4的尺寸来说，直径定为3～6mm，将其外形尺寸控制为11mm，由此，可防止在现有的压力分布传感器中产生的由于粘贴在手指周围时的曲率所导致的褶皱或弯曲而引起的输出。
此外，在使用该发明的压力分布传感器系统的情况下，电路部5小型轻量，压力分布传感器也相当廉价，系统整体为低成本。
现有的球状压力测量系统
现有的压力分布传感器S的结构是20个4行×4列的矩阵传感器为一体的结构，具有总数为320个的压敏导电性元件。由该压力分布传感器与矩阵阵列状压力分布传感器系统用硬件(电极数最大52×44)的组合来测量人或机器人的手抓住物体时的压力分布。
但是，在现有的压力分布传感器S的结构中，在手掌面上配置多个压敏导电点，由此，可进行高度的分析，另一方面，使传感器沿着具有曲率的手指或手掌，所以，在传感器上产生折弯、弯曲、褶皱，抓住压力以外的输出作为干扰而出现，成为测量分析的障碍。
此外，在现有的压力分布传感器系统中，压力分布传感器本身较大，电路部5的部件数较多，成本方面浪费非常多。
实施例4
本实施例4的压力分布传感器系统涉及行走功能测量力平衡测量系统。
该实施例4的压力分布传感器S的结构如图7所示，可知对于健康者行走时的脚掌的接触面压力分布来说，根据足压分布所运算得到的载荷重心轨迹慢慢从脚跟向脚尖侧移动，最后通过拇趾位置(参照图9)。而且，图8所示的是人行走时的脚掌的接触面图的图。
若随着帕金森病、脑神经疾病、膝关节症、年龄增大带来行走功能的障碍，根据该脚掌的压力分布所运算出的重心轨迹脱离很大。此外，可以看到在重心轨迹的移动速度上也较分散。
因此，在该压力分布传感器S中，设计了在健康者的脚掌的重心轨迹下配置有多个压敏导电性元件4的薄膜状压力传感器。将该压力分布传感器与具有和压敏导电性元件4的件数相同数量的运算放大器的底座连接，在进行A/D转换处理后与计算机连接，可通过预先安装在计算机中的软件来测量、运算、记录、显示重心的轨迹。
对于该压力分布传感器S的压敏导电性元件4尺寸来说，直径为2mm～20mm左右，其件数优选8件。压敏导电性元件4的配置间隔从算出的重心的移动速度来看优选是等间隔，但是，由于明确了预先配置的配置距离，所以，若不明显也可以不相同。此外，压敏导电性元件4的配置也可以是在理想的重心轨迹上排列成1条的形状，或者为了识别在异常位置施加的体重，也可以在脱离理想的重心轨迹的位置分支地配置。在使用时，也可以将压力分布传感器S直接贴在脚掌上，或者也可以固定在鞋底上。
对于载荷在各压敏导电性元件4上的体重来说，随着重心的移动，其输出依次移动。根据配置了此时的多个压敏导电性元件4的输出的最大值的显现时间与消失时间的压敏导电性元件4的距离，算出重心的移动速度。与健康者比较运算各压敏导电性元件4、4间的重心移动速度的分散趋势，由此，可以进行各种疾病的发展程度、老龄度与行走功能的评价。
此外，在左右脚各安装一台该系统，可通过测量二者的脚掌载荷、重心移动进行更高度的分析。例如，在左右脚获取左右脚的同一位置(脚跟)的最大输出值以及输出显现、消失时间的平均值，取得差异，由此，可以算出被检者行走一步的时间。
可根据利用先前补充的足压分布算出的重心移动速度、其一步的时间算出大致的行走速度，可通过将这些行走速度、重心移动速度、一步时间的平均值与健康者进行比较运算，进行疾病的进展度、老龄化等行走功能的评价。
而且，在使用了该发明的压力分布传感器系统的情况下，电路部5小型轻量，压力分布传感器S也相当廉价，系统整体为低成本。
现有的脚掌压力平衡测量系统
现有的脚掌压力分布传感器S的结构是具有最大约1000件的压敏导电性元件4的矩阵结构，安装在鞋底上，测量行走时的动态的体重载荷分布。
将多个压敏件配置在脚掌上，由此，可进行高度的分析，另一方面，由于部件数较多、成为大型，所以，安装在脚掌上时也成为动作的障碍。此外，还存在由于价格高而很难普及的缺点。
实施例5
本实施例5的压力分布传感器系统涉及重心摇摆测量评价系统。
如图11所示，对于该实施例5的压力分布传感器的结构来说，使压敏导电性元件4的尺寸与脚掌的大小匹配，在前后方向上将各元件分为4组、左右方向将各元件分为2组，将一只脚分为8份，由分别进行通电来测量压敏导电性元件4的电阻的运算放大器以及A/D转换装置构成，与个人计算机连接，由此，利用预先安装在微型计算机内的专用软件来评价被检测者的重心摇动。
对于各压敏导电性元件4的输出值来说，因为针对足底的载荷分配不同，所以不固定。例如，脚心部分的输出相对于脚跟或指根极低。此外，也存在因被检者不同而体重偏向于脚跟的情况。
但是，若各压敏导电性元件检测到的载荷输出值为静止站立状态，则是固定的。即，可通过读取各压敏导电性元件4的输出的比例的变化，来测量被检者的重心的摇摆度。
在该系统中，对于重心的摇摆来说，由下式将各压敏导电性元件4的输出的变化进行数值化，与预先在同一条件下测量的健康者的结果进行比较运算，由此，可以评价被检者的异常程度。
此处，对于摇摆的数值化事例来说，是(1)波动幅度实测值＝(固定时间内的最大值-其最小值)、(2)波动幅度比例＝(固定时间内的输出的最大值-其最小值)/其平均值×100％、(3)波动系数＝(固定时间内的输出的标准偏差)/平均输出、(4)波动速度＝固定时间(帧间)的输出差最大值/时间(帧)、(5)所述(1)～(4)的按各压敏导电性元件对计算结果进行平均后的值。
与具有接近1000件的多个压敏导电性元件4的现有的矩阵阵列状传感器片或在具有刚性的板下设置3个到4个测力传感器的重心摇摆计相比，可减少部件件数，可进行轻量紧密、低成本下的重心摇摆测量。图12是关于利用压敏导电性元件4(ch1～ch8)检测到的各ch1～ch8的“摇摆”的数据。
此外，因为可以在鞋垫等鞋内安装并进行测量，因此不需要以测力传感器式重心摇摆计的方式详细地向被检者指定站立位置。因为测量时不需要赤脚，所以，可进行穿鞋状态下的中心摇摆测量。
在使用本发明的压力分布传感器系统的情况下，电路部5小型轻量，压力分布传感器S也相当廉价，系统整体为低成本。
现有的重心摇摆测量系统
在现有的重心摇摆测量系统中，压力分布传感器S为44行×52列的矩阵阵列结构。在其中组合矩阵阵列状压力分布传感器系统用硬件(电极数最大52×44)，可进行人静止站立时的重心摇摆测量。
对于该系统来说，在脚掌面配置多个压敏点，由此，可得到对高度的分析例如重心轨迹的长度或描画重心轨迹的面积等重心摇摆的评价有效的结果。
但是，其另一方面，在仅简单地观察左右下肢载荷分布或前后的重心摇摆等的情况下，压力分布传感器本身比较大，5个部件件数较多，在成本方面浪费非常多。
对于本发明的压力分布传感器系统来说，(1)电路部小型轻量，(2)压力分布传感器廉价，(3)系统整体低成本。

Claims (7)

1.一种压力分布传感器系统，其特征在于，
具有：压力分布传感器，在薄膜基材内，在1条行电极与2～8条列电极的交叉点具有压敏导电性元件；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，
使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的位置适合于用途。
2.一种压力分布传感器系统，其特征在于，
具有：压力分布传感器，在薄膜基材内具有相互独立的2～8个压敏导电性元件以及分别从其延伸的布线以及端子；处理电路，具有应分别测量所述压敏导电性元件的电阻变化的与各端子连接的放大器；进行从所述处理电路得到的信号的运算和测量结果的显示、记录、分析用的软件，
使所述薄膜基材的俯视图形状以及薄膜基材内的压敏导电性元件的位置适合于用途。
3.如权利要求1或2的压力分布传感器系统，其特征在于，
压力分布传感器的压敏导电性元件在俯视图上排列成横向一列，可进行橡皮滚或滚筒的压力分布测量评价。
4.如权利要求1或2的压力分布传感器系统，其特征在于，
压力分布传感器在俯视图上是U字或V字的形状，压敏导电性元件配置在适于测量人的牙齿咬合时的压力平衡的位置上，可进行咬合时的压力平衡的评价。
5.如权利要求1或2的压力分布传感器系统，其特征在于，
在适于测量由人或智能机器人的手抓住物体时的手掌压力分布的位置上配置多个压敏导电性元件，可进行抓住物体时的压力分布测量评价。
6.如权利要求1或2的压力分布传感器系统，其特征在于，
在适于测量人或智能机器人进行双足行走时的脚掌压力分布或体重的重心移动的位置上配置多个压敏元件，可进行行走功能测量评价。
7.如权利要求1或2的压力分布传感器系统，其特征在于，
在适于测量人静止站立时的摇摆程度的位置上配置多个压敏元件，可进行重心摇摆测量评价。
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