CN111247734B - 介电弹性体驱动传感器系统以及座椅 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介电弹性体驱动传感器系统，其具有介电弹性体转换器部，所述介电弹性体转换器部包含介电弹性体层以及夹着该介电弹性体层的一对电极层，所述一对电极层具有相互划分的驱动区域和传感器区域，所述介电弹性体驱动传感器系统包括：电源部，其向所述驱动区域施加电压；检测部，其检测所述传感器区域的静电电容的变化；以及，控制部，其控制所述电源部以及所述检测部。根据这样的结构，能够兼顾驱动功能和传感器功能。

Description

介电弹性体驱动传感器系统以及座椅

技术领域

本发明涉及介电弹性体驱动传感器系统以及座椅。

背景技术

具有介电弹性体层及夹着该介电弹性体层的一对电极层的单元有能够发挥各种功能的优点。在专利文献1中，公开了使用了这样的单元的寝具。在同文献所公开的寝具中，使用了介电弹性体层的多个单元实现了驱动功能和传感器功能。在驱动功能中，目的是通过使各个单元独立地产生排斥力来实现排斥力分布。在传感器功能中，通过检测施加于各单元的负荷，检测横卧在寝具上的人的体重如何分布。基于由传感器功能得到的负荷分布，设定驱动功能中的排斥力，由此提供更适合使用者体形的寝具。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-42078号公报。

发明内容

发明要解决的课题

然而，专利文献1所公开的单元采用了例如设置在相互正交的方向上以夹持介电弹性体层的方式配置的两对电极层的结构。无论是对驱动功能还是对传感器功能来说，一对电极层的面积大、彼此的距离近，都有利于提高功能。但是，在上述的单元的情况下，越扩大任意一组的一对电极层的面积且使彼此的距离变近，另一组的一对电极层的面积就越缩小且彼此的距离变远。因此，难以同时提高驱动功能和传感器功能。另外，作为其它单元的结构，公开了通过将夹着介电弹性体层的一对电极层作为驱动功能和传感器功能分时地使用，从而对其进行并用。但是，在这种情况下，例如，在执行传感器功能的期间，限制了为了执行驱动功能而发挥排斥力的情况。因此，存在不适合同时要求驱动功能和传感器功能的用途、需要频繁检测的用途的问题。

本发明是鉴于上述情况而想出的发明，其课题在于提供一种能够兼顾驱动功能和传感器功能的介电弹性体驱动传感器系统及座椅。

用于解决课题的方案

由本发明的第一个方面提供的介电弹性体驱动传感器系统具有介电弹性体转换器部，所述介电弹性体转换器部包含介电弹性体层以及夹着该介电弹性体层的一对电极层，所述一对电极层具有相互划分的驱动区域和传感器区域，所述介电弹性体驱动传感器系统包括：电源部，其向所述驱动区域施加电压；检测部，其检测所述传感器区域的静电电容的变化；以及，控制部，其控制所述电源部以及所述检测部。

在本发明的优选实施方式中，所述驱动区域的面积比所述传感器区域的面积大。

在本发明的优选实施方式中，所述介电弹性体层为筒形状，所述驱动区域和所述传感器区域排列在所述介电弹性体层的圆周方向。

在本发明的优选实施方式中，所述一对电极层具有多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域。

在本发明的优选实施方式中，多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域的配置为在所述介电弹性体层的轴向观察时在所述圆周方向具有周期性。

在本发明的优选实施方式中，所述介电弹性体转换器部还具有支承体，所述支承体具有分别安装在所述介电弹性体层的固定部以及可动部，外力被传递到所述可动部，所述可动部相对于所述固定部进行相对运动，由此所述介电弹性体层被伸长。

由本发明的第二个方面所提供的座椅具有由本发明的第一个方面提供的介电弹性体驱动传感器系统和安装有所述介电弹性体转换器部的座椅主体。

发明效果

根据本发明，能够兼顾驱动功能和传感器功能。

本发明的其他特征和优点通过参照附图在以下进行的详细说明中将会更加明确。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的介电弹性体驱动传感器系统的立体图。

图2是表示本发明的第一实施方式的介电弹性体驱动传感器系统的俯视图。

图3是沿着图1中的III-III线的剖视图。

图4是表示本发明的第一实施方式的介电弹性体驱动传感器系统的系统结构图。

图5是表示本发明的第一实施方式的座椅的立体图。

图6是表示介电弹性体转换器部的变形例的俯视图。

图7是表示本发明的第二实施方式的介电弹性体驱动传感器系统的立体图。

图8是沿着图7中的VIII-VIII线的剖视图。

图9是表示外力作用在图7的介电弹性体转换器部的状态的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图具体说明本发明的优选实施方式。

图1～图3表示本发明的第一实施方式的介电弹性体驱动传感器系统的介电弹性体转换器部，图4表示本发明的第一实施方式的介电弹性体驱动传感器系统。本实施方式的介电弹性体驱动传感器系统A1具有介电弹性体转换器部B1、电源部51、检测部61以及控制部7。

本实施方式的介电弹性体转换器部B1包括介电弹性体层1、一对电极层2、一对支承体3以及弹簧4。另外，一对支承体3和弹簧4是用于使介电弹性体转换器部B1的介电弹性体层1和一对电极层2发挥驱动功能和传感器功能的结构体的一例。介电弹性体转换器部B1只要具有能够发挥驱动功能和传感器功能的结构则其具体结构没有任何限制。

介电弹性体层1要求能够弹性变形并且绝缘强度高。对这样的介电弹性体层1的材质没有特别限定，但作为优选的例子，可以列举例如硅弹性体、丙烯酸弹性体。

一对电极层2夹着介电弹性体层1。电极层2以具有导电性并且能够跟随介电弹性体层1的弹性变形进行弹性变形的材质形成。作为这样的材质可以举出在可弹性变形的主材中混入赋予导电性的填料的材质。作为上述填料的优选例，例如可以举出碳纳米管。

一对支承体3是对介电弹性体层1的上限端进行固定的构件。在本实施方式中，一对支承体3各自由圆形状的板构件构成。另外，下方的支承体3比上方的支承体3大。因此，在本实施方式中，介电弹性体层1被形成为作为筒形状的一种形式的圆锥台形状。另外，在一对支承体3为相同大小的情况下，介电弹性体层1被形成为作为筒形状的一种形式的圆筒形状。另外，本发明中的筒形状是指从轴向观察时呈环状的形状，是包括在圆周方向及轴向的至少任意一个方向上径向尺寸不恒定的形状的概念。例如，在圆周方向上径向尺寸不恒定的椭圆筒状包含于筒形状。另外，圆锥台形状是在轴向上径向尺寸不恒定的方式的例子。

弹簧4是用于通过使介电弹性体层1伸长而产生张力的张力发生构件，两端安装于一对支承体3。图示的状态是未对一对电极层2施加电压的状态。在该状态下，弹簧4被压缩，介电弹性体层1沿轴向伸长着。由此，在介电弹性体层1产生着张力。

如图1～图3所示，一对电极层2形成于介电弹性体层1的外表面和内表面。在本实施方式中，一对电极层2具有两个驱动区域21和两个传感器区域22。此外，在图2中，为了便于理解，在驱动区域21标注相对浓的色调的阴影线，在传感器区域22标注相对淡的色调的阴影线。驱动区域21和传感器区域22例如通过狭缝等相互划分、相互绝缘。驱动区域21用于通过从电源部51施加电压而使介电弹性体转换器部B1作为致动器发挥作用。传感器区域22用于通过从检测部61检测静电电容变化而使介电弹性体转换器部B1作为传感器发挥作用。另外，驱动区域21和传感器区域22的个数和形状没有任何限定。驱动区域21的个数可以是一个或三个以上，并且传感器区域22的个数可以是一个或三个以上。

如图2和图3所示，两个驱动区域21和两个传感器区域22在介电弹性体层1的圆周方向上交替排列。在本实施方式中，驱动区域21的面积比传感器区域22的面积大。另外，两个驱动区域21和两个传感器区域22被配置为在轴向观察时在圆周方向上具有周期性。进而在本实施方式中，两个驱动区域21和两个驱动区域21是点对称。在图示的例子中，两个传感器区域22为位于径向相反侧的轴向观察为带状的区域。此外，两个驱动区域21的大小为在轴向观察时接近于介电弹性体层1的一半的大小。另外，在图4中，为了便于表示介电弹性体驱动传感器系统A1的系统结构，示意性地示出了两个驱动区域21以及两个传感器区域22的配置。

电源部51向一对电极层2的两个驱动区域21施加用于驱动介电弹性体转换器部B1的电压。电源部51的具体结构没有特别限定，只要是能够根据控制部7的指令在规定的时间对一对电极层2施加规定的电压的结构即可。在本实施方式中，电源部51构成为可对两个驱动区域21的每一个独立地施加电压。

检测部61将介电弹性体层1和两个传感器区域22视为可变电容器，并检测该可变电容器的静电电容的变化。静电电容的检测方法没有特别限定，采用以往公知的各种检测方法即可。检测部61例如具有：使用了以往公知的CR振荡电路、LC振荡电路、使用了计时器IC的振荡电路等和例如用于产生交流电信号的电路。

此外，检测器61具有检测电路，该检测电路基于对于来自振荡电路和电源的输入的介电弹性体转换器部B1的输出信号来检测介电弹性体转换器部B1的静电电容C的变化。检测电路的结构不特别限制，只要是能够基于以往公知的各种方法来检测来自介电弹性体转换器部B1的输出信号与静电电容C之间的关系的结构即可。作为检测电路，例如是微电脑、L/C振荡电路、计数器等。另外，检测部61还可以包括判断电路，该判断电路基于介电弹性体转换器部B1的输出信号的检测结果，判断是否发生了满足规定的基准的静电电容变化。另外，检测部61也可以具有用于将输出信号处理为适于判断电路的信号的中间电路(省略图示)。该中间电路例如适当具有放大电路、滤波器电路、检波电路、A/D转换IC、比较器等。

在本实施方式中，检测部61的检测处理构成为可对两个传感器区域22的每一个独立地进行检测。

控制器7通过控制电源部51和检测部61，从而综合控制介电弹性体转换器部B1的驱动功能和传感器功能。控制部7例如具备CPU、FPGA、DSP、存储器、接口等。

图5表示介电弹性体驱动传感器系统A1的应用例。图示的座椅C1具备：座椅主体8及介电弹性体驱动传感器系统A1。座椅C1用于让使用者就座，可作汽车用、船舶用、家庭用、游戏用、护理用等各种用途。在以下的说明中，以座椅C1为汽车用座椅的情况为例进行说明。

座椅主体8用作汽车的内装部件，具有适于汽车的乘坐人员乘坐的座面和靠背。在座椅C1中，介电弹性体驱动传感器系统A1的多个介电弹性体转换器部B1被配置在座椅主体8的座面内部。多个介电弹性体转换器部B1的配置例如为矩阵状。也可以对应多个介电弹性体转换器部B1的个数，具备多个上述电源部51和检测部61中的任何一个或全部。

接下来，对介电弹性体驱动传感器系统A1及介电弹性体转换器部B1的作用进行说明。

根据本实施方式，形成在一个介电弹性体层1的一对电极层2具有互相划分的驱动区域21和传感器区域22。当通过控制部7的指令从电源部51向驱动区域21施加电压时，介电弹性体转换器部B1以在轴向上伸长的方式进行驱动。此时，同样形成在介电弹性体层1的传感器区域22也同样地伸长。另外，由于介电弹性体层1的厚度变薄，一对电极层2的距离接近。另一方面，传感器区域22即使驱动区域21被施加电压也不受任何电影响。因此，可以在通过向驱动区域21施加电压来使其发挥驱动功能的同时，对传感器区域22执行电处理。接着，通过使检测部61检测传感器区域22的静电电容C的变化，控制器7能够检测介电弹性体转换器部B1的变形状态。因此，根据介电弹性体驱动传感器系统A1，就能够兼顾驱动功能和传感器功能。

在本发明的实施方式中，驱动区域21的面积比传感器区域22的面积大。驱动区域21的面积与介电弹性体层1的变形量相关。在施加相同的电压的情况下，能够随着驱动区域21的面积增大，介电弹性体层1的变形量增大，并且使介电弹性体转换器部B1的驱动量增大。另一方面，传感器区域22的面积只要是能够将介电弹性体层1的变形量作为静电电容C的变化进行检测即可。因此，传感器区域22的面积与传感器功能的精度之间的相关性不是那么大。因此，通过使驱动区域21的面积大于传感器区域22的面积，可以在保持传感器功能的同时提高驱动功能。

另外在本实施方式中，一对电极层2具有两个驱动区域21。因此，当将电压施加至两个驱动区域21时，介电弹性体转换器部B1在轴向整体伸长，而当仅将电压施加至任一个的驱动区域21时，介电弹性体转换器部B1以向一侧倾斜的方式变形。如上所述，在本实施方式中，能够设定介电弹性体转换器部B1的多个动作模式。此外，由于一对电极层2具有两个传感器区域22，所以能够分别独立地检测各自的设置有各传感器区域22的部分的介电弹性体层1的变形量。因此，当介电弹性体转换器部B1在轴向上均匀变形时，或者当介电弹性体转换器部B1以向一侧倾斜的方式变形时，能够将各自的情况作为不同的变形模式进行检测。

两个驱动区域21配置为从轴向观察时在圆周方向上具有周期性，在图示的例子中为点对称。因此，当向两个驱动区域21双方施加电压时，能够使介电弹性体转换器部B1以良好的平衡进行变形。

在座椅C1中，能够利用各介电弹性体转换器部B1的传感器区域22来检测施加在各介电弹性体转换器部B1的负荷(体重)。然后，控制部7根据例如施加至各个介电弹性体转换器部B1的负荷来设定由各个介电弹性体转换器部B1的驱动功能所产生的变形量(排斥力)。然后，控制部7执行如下控制：根据针对各个介电弹性体转换器部B1中的每一个所设定的变形量(排斥力)，从电源部51向各个驱动区域21施加电压，从而在负荷相对大的区域抑制为相对小的排斥力，并且在负荷相对小的区域中以相对大的排斥力来进行支承。由此能够使施加在多个介电弹性体转换器部B1的负荷分布更均匀。因此，即使在由于各个乘坐人员的体型等而导致座椅主体8的座面的负荷分布可能不同的情况下，根据介电弹性体驱动传感器系统A1，也能够更舒适地支承乘坐人员。

另外，在介电弹性体驱动传感器系统A1中，能够同时发挥驱动功能和传感器功能。例如，在搭载有座椅C1的汽车的行驶过程中，伴随着行驶的加速度或发动机的振动等各种加速度作用于乘坐人员，负荷分布可能发生各种变化。根据介电弹性体驱动传感器系统A1，能够实时地检测该负荷分布的变化。然后，能够与负荷分布的变化间没有延迟地改变各个介电弹性体转换器部B1的排斥力。因此，通过座椅C1，能够根据针对汽车行驶时的座椅主体8的负荷分布的改变，更适当地支承乘坐人员，或减轻传递至乘坐人员的不舒适的振动。此外，通过根据行驶状况等来调节控制介电弹性体转换器部B1的排斥力，能够将介电弹性体驱动传感器系统A1用于通过施加反相振动来减轻振动、根据通过弯道时的离心力来产生支承力、抑制加减速时的姿势变化、通过主动地产生振动来获得按摩效果等各种用途。

图6～图9表示本发明的变形例及其他实施方式。另外，在这些图中，对与上述实施方式相同或类似的要素标注与上述实施方式相同的附图标记。

图6是表示介电弹性体转换器部B1的变形例。在本实施方式中，电极层2具有三个驱动区域21和三个传感器区域22。然后，在圆周方向上，一个驱动区域21和一个传感器区域22形成一组，且三组驱动区域21和传感器区域22作为一种具有周期性的配置。

即便是在这样的变形例中，向三个驱动区域21的双方施加电压时，也能够使介电弹性体转换器部B1以更良好的平衡进行变形。即，即使在驱动区域21和传感器区域22的配置不是点对称的情况下，只要是在圆周方向上具有周期性的配置，就有助于平衡良好的变形。

图7～图9是表示本发明的第二实施方式的介电弹性体驱动传感器系统。本实施方式的介电弹性体驱动传感器系统A2具有：介电弹性体转换器部B2。介电弹性体转换器部B2包括：介电弹性体层1、电极层2以及支承体3。另一方面，介电弹性体转换器部B2不包括作为张力产生构件的弹簧4等，该弹簧4在上述的实施方式中通过使介电弹性体层1伸长而产生张力。

本实施方式的支承体3具有固定部31、可动部32以及外力传递部33。固定部31是在因乘坐人员的就座等而作用有外力的情况下维持固定状态的部位，例如安装于座椅主体8。可动部32是在作用有外力的情况下相对于固定部31相对运动的部位。在本实施方式中，从轴向观察时呈圆环形状的介电弹性体层1的外周部分安装在固定部31，并且内周部分安装于可动部32。外力传递部33安装于可动部32，是将落座等所产生的外力传递至可动部32的部位。在图示的例子中，外力传递部33具有棒状部分和设置于该棒状部分的上端的圆板状部分。

图7和图8表示乘坐人员尚未就座等的初始状态。在该状态下，诱电弹性体层1没有被赋予明确的伸长，没有产生显著的张力。图9示出了由于乘坐人员的就座等而乘坐人员的体重作用于外力传递部33，且从图中上方朝向下方的外力作用于外力传递部33的状态。该外力经由外力传递部33传递至可动部32。因此，可动部32相对于固定部31向图中下方移动。通过该可动部32的相对运动，介电弹性体层1被伸长，介电弹性体层1呈圆锥台形状。

在图9所示的状态中，在电压没有施加在一对电极层2的驱动区域21时，介电弹性体转换器部B2的介电弹性体层1产生的弹性力(排斥力)为最大。越对一对电极层2的驱动区域21施加电压，介电弹性体层1的弹性力(排斥力)越被减弱。控制部7根据检测部61所检测的一对电极层2的传感器区域22的静电电容变化的结果，并且考虑上述一对电极层2的向驱动区域21的电压施加和排斥力的相关性，进行电源部51的控制。

根据本实施方式，能够兼顾驱动功能和传感器功能。另外，由于是利用就座等引起的外力使介电弹性体层1伸长的结构，因此不需要具备介电弹性体驱动传感器系统A1的弹簧4等。这对于介电弹性体转换器部B2的轻量化是有利的。

本发明的介电弹性体驱动传感器系统以及座椅不限定于上述的实施方式。本发明的介电弹性体驱动传感器系统以及座椅的各部的具体结构能够进行各种的设计改变。

[附记1]

一种介电弹性体驱动传感器系统，其具有介电弹性体转换器部，所述介电弹性体转换器部包含介电弹性体层及夹着该介电弹性体层的一对电极层，

所述一对电极层具有相互划分的驱动区域和传感器区域，

所述介电弹性体驱动传感器系统包括：

电源部，其向所述驱动区域施加电压；

检测部，其检测所述传感器区域的静电电容的变化；以及，

控制部，其控制所述电源部以及所述检测部。

[附记2]

根据附记1所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，所述驱动区域的面积大于所述传感器区域的面积。

[附记3]

所述介电弹性体层为筒形状，

根据附记1或附记2所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，所述驱动区域和所述传感器区域排列在所述介电弹性体层的圆周方向。

[附记4]

根据附记3所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，所述一对电极层具有多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域。

[附记5]

根据附记4所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域的配置为在所述介电弹性体层的轴向观察时在所述圆周方向具有周期性。

[附记6]

根据附记1至附记5中任一项所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，所述介电弹性体转换器部还具有支承体，所述支承体具有分别安装在所述介电弹性体层的固定部以及可动部，

外力被传递到所述可动部，所述可动部相对于所述固定部进行相对运动，由此所述介电弹性体层被伸长。

[附记7]

一种座椅，其具有：

附记1至附记6中任一项所述的介电弹性体驱动传感器系统；以及，

座椅主体，其安装有所述介电弹性体转换器部。

Claims (6)

1.一种介电弹性体驱动传感器系统，其具有介电弹性体转换器部，所述介电弹性体转换器部包含介电弹性体层及夹着该介电弹性体层的一对电极层，

所述一对电极层具有相互划分的驱动区域和传感器区域，

所述介电弹性体驱动传感器系统具有：

电源部，其向所述驱动区域施加电压；

检测部，其检测所述传感器区域的静电电容的变化；以及，

控制部，其控制所述电源部以及所述检测部，

所述控制部根据所述静电电容的变化，检测所述介电弹性体转换器部的变形，

所述控制部根据针对施加至所述介电弹性体转换器部的负荷所设定的排斥力而施加电压、或者根据所述一对电极层的向所述驱动区域的电压施加和排斥力的相关性而进行所述电源部的控制，

所述一对电极层以具有导电性并且能够跟随所述介电弹性体层的弹性变形进行弹性变形的材质形成，

所述驱动区域的面积大于所述传感器区域的面积，

所述传感器区域的面积是能够将所述介电弹性体层的变形量作为静电电容的变化进行检测的大小，

所述驱动区域的面积与所述介电弹性体层的变形量相关，在施加相同的电压的情况下，随着所述驱动区域的面积增大，所述介电弹性体层的变形量增大，并且所述介电弹性体转换器部的驱动量增大。

2.根据权利要求1所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，

所述介电弹性体层为筒形状，

所述驱动区域和所述传感器区域排列在所述介电弹性体层的圆周方向。

3.根据权利要求2所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，

所述一对电极层具有多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域。

4.根据权利要求3所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，

多个所述驱动区域以及多个所述传感器区域的配置为在所述介电弹性体层的轴向观察时在所述圆周方向具有周期性。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的介电弹性体驱动传感器系统，其中，

所述介电弹性体转换器部还具有支承体，所述支承体具有分别安装在所述介电弹性体层的固定部以及可动部，

外力被传递到所述可动部，所述可动部相对于所述固定部进行相对运动，由此所述介电弹性体层被伸长。

6.一种座椅，其具有：

权利要求1至4中任一项所述的介电弹性体驱动传感器系统；以及，

座椅主体，其安装有所述介电弹性体转换器部。