CN115003998A

CN115003998A - 传感器元件和传感器系统

Info

Publication number: CN115003998A
Application number: CN202180010167.4A
Authority: CN
Inventors: 高井正巳; 岸和人; 小田切瑞树; 大岛淳; 今井崇寻; 名取润一郎; 近藤玄章; 菅原智明
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-09-02
Also published as: US20230028286A1; EP4094059A1; WO2021149734A1; KR20220116290A

Abstract

(目标)以降低功耗。(实现目标的手段)根据本发明的一个方面的传感器元件用于传感器系统中，该传感器系统包括检测器和计算器以及电源中的至少一个，该传感器元件包括电荷生成元件，其被配置为响应于外部刺激生成电荷；以及信号转换器，其被配置为将该电荷转换成预定的输出信号，其中该信号转换器仅由一个或多个无源元件构成，并且该信号转换器的初始驱动功率从该电源供应。

Description

传感器元件和传感器系统

技术领域

本发明涉及一种传感器元件和传感器系统。

背景技术

通常，已知使用根据物理变形量生成电荷的压电元件的传感器元件，诸如压力传感器和加速度传感器。

还公开了传感器元件，包括用于对压电元件的输出进行积分的积分器电路、用于放大积分器电路的输出的放大电路、以及用于定义放大电路的偏移电压的参考电压源(参见例如专利文献1)。

引用列表

专利文献

PTL 1：日本专利第6538532号

发明内容

技术问题

然而，专利文献1的传感器元件包括信号转换电路，该信号转换电路通过使用消耗电力的有源元件将由诸如压电元件等的电荷生成元件获得的信号转换为预定的输出信号，并且因此，由于功耗大，因此存在改进的空间。

因此，所公开的技术旨在降低传感器元件的功耗。

问题的解决方案

根据本发明的一个方面，在传感器系统中使用传感器元件，该传感器系统包括检测器和计算器以及电源中的至少一个，该传感器元件包括电荷生成元件，该电荷生成元件被配置为响应于外部刺激而生成电荷；以及信号转换器，其被配置为将该电荷转换成预定的输出信号，其中，该信号转换器仅由一个或多个无源元件构成，并且该信号转换器的初始驱动功率从该电源供应。

发明效果

根据本发明，可以降低传感器元件的功耗。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的传感器系统的配置的示例的框图。

图2A是示出根据本发明第一实施例的信号转换电路的第一示例的配置的示例的图。

图2B是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第一示例的输出信号的示例的曲线图。

图3A是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第二示例的配置的示例的图。

图3B是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第二示例的输出信号的示例的曲线图。

图4A是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第三示例的配置的示例的图。

图4B是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第三示例的输出信号的示例的曲线图。

图5A是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第四示例的配置的示例的图。

图5B是示出根据本发明的第一实施例的信号转换电路的第四示例的输出信号的示例的曲线图。

图6A是示出根据本发明的第一实施例的使用由检测单元进行的电压值采样的检测方法的示例的曲线图。

图6B是示出根据本发明的第一实施例的由检测单元使用阈值电压的检测方法的示例的曲线图。

图6C是示出根据本发明的第一实施例的由检测单元使用峰值保持的检测方法的示例的曲线图。

图6D是示出根据本发明的第一实施例的由检测单元使用阈值差分电压的检测方法的示例的曲线图。

图7是示出根据比较示例的信号转换单元的配置的图。

图8是示出根据比较示例的输出信号的曲线图。

图9是示出根据本发明的第二实施例的传感器系统的配置的示例的框图。

图10是示出根据本发明的第二实施例的传感器系统的配置的另一示例的框图。

图11是示出根据本发明的第三实施例的传感器系统的配置的示例的框图。

图12是示出根据本发明的第三实施例的二次电池的电压输出特性的示例的曲线图。

图13是示出根据本发明的第四实施例的鞋垫的整体配置示例的图。

图14是示出根据本发明的第四实施例的处理单元的配置的示例的框图。

图15A是示出根据本发明的第四实施例的在鞋垫用户踩在现场的情况下的处理单元的输出数据的示例的曲线图。

图15B是示出根据本发明的第四实施例的鞋垫用户前进一步的情况下的处理单元的输出数据的示例的曲线图。

图16是示出根据本发明的第五实施例的鞋类的整体配置的示例的图。

图17A是示出根据本发明的第六实施例的压力型通过传感器的检测示例的图。

图17B是示出根据本发明的第六实施例的压力型通过传感器的检测示例的图。

图17C是示出根据本发明的第六实施例的压力型通过传感器的检测示例的图。

图18是示出根据本发明的第七实施例的接触状态传感器的检测示例的图。

图19是示出根据本发明的第八实施例的使用弯曲/拉伸传感器的检测示例的图。

图20是示出根据本发明的第九实施例的变形通过传感器的检测示例的图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述用于实施本发明的实施例。在下面的附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且相应地省略重复的描述。

根据实施例的传感器元件用于传感器系统中，该传感器系统包括检测单元和计算单元以及电源中的至少一个。传感器元件包括响应于外部刺激而生成电荷的电荷生成元件和将由电荷生成元件生成的电荷转换成预定的输出信号的信号转换器。

在一个实施例中，信号转换器仅由无源元件构成，并且用于信号转换器的初始驱动功率由传感器系统中的电源提供。通过仅用无源元件配置信号转换器，降低了信号转换器的功耗，并且降低了传感器元件的功耗。

在第一至第三实施例中，将描述包括根据实施例的传感器元件的传感器系统的示例。在第四实施例中，将描述包括传感器元件的鞋垫的示例。在第五实施例中，将描述包括传感器元件的鞋类的示例。

第一实施例

<传感器系统的配置的示例>

首先，将参照图1描述根据第一实施例的传感器系统1。图1是示出传感器系统1的配置的示例的框图。

如图1所示，传感器系统1包括传感器元件10、电源20、检测单元30(检测器的示例)和计算单元40(计算器的示例)。

其中，传感器元件10包括电荷生成橡胶11和信号转换电路12。传感器元件10是元件(设备)，该元件将根据诸如压力等外部刺激生成的电荷转换为预定的输出信号SA并输出输出信号SA。输出信号SA对应于由传感器元件10检测到的压力等的检测信号。

电荷生成橡胶11是通过响应于诸如压力的外部刺激而变形来生成电荷的发电橡胶。电荷生成橡胶11是生成来自外力的电荷的电荷生成元件的示例。然而，电荷生成元件不限于电荷生成橡胶11，并且可以是其他元件，诸如压电元件、驻极体等，只要能够生成来自外力的电荷即可。然而，这些电荷生成元件的输出阻抗高，因此，输出功率的电压波形的最大电压值有可能变得大于或等于动态范围(有效电压范围)的最大值。外力的示例包括物理能，诸如剥离力、摩擦力、振动力、变形力以及光能和热能。

根据由电荷生成橡胶11生成的电荷的信号SEH被输入到信号转换电路12。

信号转换电路12是从电荷生成橡胶11接收信号SEH，将信号SEH转换为具有预定的偏移电压和动态范围(有效电压范围)的输出信号SA，并将输出信号SA输出到检测单元30的电路。信号转换电路12还可以用作阻抗匹配电路，其转换输出信号SA的阻抗，使得输出信号SA可以被输入到检测单元30。

信号转换电路12仅由无源元件构成，并由从电源20供应的电压VDD1驱动。即，信号转换电路12接收从电源20供应的初始驱动功率。

电源20是用于向信号转换电路12供电的电源。电源20可以由一次电池、二次电池、电容器等配置。例如，电源20向信号转换电路12施加3.6V的电压以供电。在这种情况下，信号转换电路12基于从电荷生成橡胶11输入的信号SEH来生成具有1.8V的偏移电压和0V至3.6V的动态范围的信号。

信号转换电路12可以将生成的信号的偏移电压设置为0V到3.6V的参考电压，将生成的信号转换成输出信号SA，使得动态范围是0V到3.6V，并将输出信号SA输出到检测单元30。以下参照图2A至图5B描述信号转换电路12的具体配置。在此，信号转换电路12是信号转换器的示例。

检测单元30是通过模拟/数字(A/D)转换检测作为从信号转换电路12输入的模拟信号的输出信号SA并将检测到的数字信号SD输出到计算单元40的电路。检测单元30由从任何电源提供的电压VDD2驱动。电压VDD2优选大于或等于电压VDD1。

计算单元40由中央处理单元(CPU)等配置，并且是对从检测单元30输入的数字信号SD执行分析处理并输出分析数据S_C的处理器。计算单元40由从任何电源供应的电压VDD3驱动。电压VDD3可以将数字信号SD调整为可以输入到计算单元40的电压，因此，可以将电压VDD3设置为任何电压值。

检测单元30和计算单元40中的每一个可以通过使用诸如个人计算机(PC)的外部设备来实现。此外，传感器系统1可以被配置为使得计算单元40包括检测单元30的功能，并且检测单元30包括计算单元40的功能。

<信号转换电路12的配置的示例>

接下来，将描述信号转换电路12的配置。可以将使用不消耗电力的各种无源元件的各种配置和布置应用于信号转换电路12，因此，以下将参照图2A至图5B描述配置的四个示例。

(第一配置示例)

图2A和图2B是示出信号转换电路的第一示例的图，其中，图2A是示出配置的示例的图，图2B是示出输出信号的示例的图。

注意，图2B示出了当外部刺激施加到电荷生成橡胶11时的输出信号，更具体地说，图2B示出了使用传感器系统的用户(以下称为用户)用他或她的脚踩在电荷生成橡胶11上以向电荷生成橡胶11施加外部刺激的情况下的输出信号，其中，用户踩一次电荷生成橡胶11以向电荷生成橡胶11施加压力，随后，用户从电荷生成橡胶11松开他或她的脚以减小压力。当用户重复执行踩在电荷生成橡胶11上的动作时，根据执行动作的次数重复获得在图2B中示出的输出信号。这些点类似地适用于说明以下描述的输出信号的其他图。

如图2a所示，信号转换电路12包括电阻器R1、输出端122和GND端123。

电阻器R1并联连接到电荷生成橡胶11。电阻器R1的一端耦合到输出端122，另一端耦合到GND端123。当由电荷生成橡胶11输出的电流(电荷)流向电阻器R1时，沿着电流(电荷)流的方向生成使用耦合到电阻器R1一端的GND电压作为参考的电压。

在图2a中示出的信号转换电路12的输出电压变为相对于GND电位的正电压和负电压，因此，检测单元30的电源需要被配置为由±电源驱动。

输出端122输出由信号转换电路12转换的输出信号SA。GND端123是作为电位参考的接地端。

电荷生成橡胶11包括第一电极111、第二电极112和中间层113。中间层113是由橡胶或橡胶组合物构成的柔性层。第一电极111和第二电极112被叠置以夹持中间层113以构成电荷生成橡胶11。

在电荷生成橡胶11响应于外部刺激而变形而产生的信号SEH中的电荷和电流之间的关系由以下公式(1)表示。

I_EH＝Q_EH/t (1)

在此，在公式(1)中，I_EH表示电流，Q_EH表示电荷，t表示时间。

电流I_EH沿着图2A的箭头114所示的方向流动，并且输出端122输出输出信号S_A，该输出信号S_A是使用GND电压作为参考的电压信号。与箭头114相反的方向对应于电荷Q_EH改变的方向。

如图2B所示，输出信号S_A是将GND电压(0V)作为参考电压S_AB的信号，并且包括负方向的峰值电压S_AV和正方向的峰值电压S_AP。在一个实施例中，信号转换电路12获取在正方向和负方向上都具有峰值的信号，从而可以检测施加到电荷生成橡胶11的外部刺激的方向。

更具体地，当用户用他或她的脚踩在电荷生成橡胶11上以对电荷生成橡胶11施加外部刺激时，当脚踩在电荷生成橡胶11上时获得负方向的峰值电压S_AV，并且当脚与电荷生成橡胶11分开时获得正方向的峰值电压S_AP。通过这样的输出信号S_A，可以获取关于施加到电荷生成橡胶11的外部刺激的方向和大小的信息。

在此，正方向上的峰值电压S_AP是正方向上的极值的示例，而负方向上的峰值电压S_AV是负方向上的极值的示例。

在图2B中，箭头115表示峰值电压S_AV时的电流在负方向上流动的方向，和箭头116表示峰值电压S_AP时电流在正方向上流动的方向。

(第二配置示例)

接下来，图3A和图3B是示出信号转换电路的第二示例的图，其中，图3A是示出配置的示例的图，并且图3B是示出输出信号的示例的曲线图。

如图3A所示，信号转换电路12a包括二极管D1至D4、电阻器R2和电容器C1。

二极管D1至D4设置成桥接以构成全波整流电路，并将输入电压的负电压部分整流到信号转换电路12a以生成正电压。

电阻器R2和电容器C1彼此并联地耦合到电荷生成橡胶11；每个的一端耦合到输出端122，另一端耦合到GND端123。电阻器R2和电容器C1对由二极管D1至D4进行全波整流后的直流(DC)电压进行噪声处理和波形整形，以生成输出信号S_Aa。

如图3B所示，输出信号S_Aa是将GND电压作为参考电压S_AB的信号，并且包括在正方向上的第一峰值电压S_AP1和在正方向上的第二峰值电压S_AP2。全波整流电路将负电压部分转换/整流为正电压，从而获得在正方向上的两个峰值电压。

在图3B中，箭头115a表示第一峰值电压S_AP1时的电流流动方向，和箭头116a表示第二峰值电压S_AP2时的电流流动方向。

如上所述，通过将信号转换电路12a配置为包括全波整流电路，可以降低噪声并调整输出电压电平(动态范围)等。

(第三配置示例)

接下来，图4A和图4B是示出信号转换电路的第三示例的图，其中，图4A是示出配置的示例的图，并且图4B是示出输出信号的示例的曲线图。

如图4A所示，信号转换电路12b包括二极管D5、电阻器R3和电容器C2。

二极管D5与电荷生成橡胶11串联以构成半波整流电路。二极管D5通过在从电荷生成橡胶11输入的交流电流中仅传递在正方向和负方向上流动的电流中的一个来执行整流。

电阻器R3和电容器C2耦合到电荷生成橡胶11；每个的一端耦合到输出端122，和另一端耦合到GND端123。电阻器R3和电容器C2对由二极管D5进行半波整流后的直流(DC)电压进行噪声处理和波形整形，以生成输出信号S_Ab。

如图4B所示，输出信号S_Ab是将GND电压作为参考电压S_AB的信号，并且包括在正方向上的峰值电压S_APb。半波整流电路的功能仅允许在正方向和负方向上电流的正方向部分的流动，从而仅获得在正方向上的峰值电压S_APb。

在图4B中，箭头115b表示峰值电压S_APb时的电流流动方向，和箭头116a表示通过半波整流前的输出信号S_A获得峰值电压时的电流流动方向。

通过以这种方式将信号转换电路12b配置为包括半波整流电路，信号转换电路可以被配置为具有少量组件。

通过使用半波整流电路，只有当脚踩在电荷生成橡胶11上时才能获得在正方向上的峰值电压S_APb，或者只有当脚与电荷生成橡胶11分开时才能获得在正方向上的峰值电压S_APb，从而获得关于施加到电荷生成橡胶11上的外部刺激的方向和大小的信息。

(第四配置示例)

接下来，图5A和图5B是示出信号转换电路的第四示例的图，其中，图5A是示出配置的示例的图，图5B是示出输出信号的示例的曲线图。

如图5A所示，信号转换电路12c包括电阻器R4至R7、电容器C3和VDD端124以构成电阻-电容器电路(RC电路)。

其中，电阻器R4相对于电荷生成橡胶11串联连接；电荷生成橡胶11侧的一端连接到电阻器R5，并且另一端连接到电容器C3。电阻器R5和电容器C3彼此并联地耦合到电荷生成橡胶11。

电阻器R6在一端耦合到VDD端124，并在另一端耦合到输出端122。电阻器R7一端连接到输出端122，并且另一端连接到GND端123。

通过从VDD端124和信号转换电路12c输入的电压VDD1，生成使用参考电压S_AB作为参考的输出信号S_AC。

信号转换电路12c还用作将信号转换电路12c的输出阻抗与检测单元30的输入阻抗匹配的阻抗匹配电路，从而信号转换电路12c的输出信号S_AC可以被输入到检测单元30。信号转换电路12c的输出阻抗可以通过电阻器R4至R7的电阻值和电容器C3的电容值来调整。

如图5B所示，输出信号S_AC是使用参考电压S_AB作为参考的信号，并且包括在负方向上的峰值电压S_AVc和在正方向上的峰值电压S_APc。在正方向和负方向两个方向上具有峰值的信号可以获得与参照图2B描述的输出信号S_A相同的效果。

在图5B中的电压S_AD对应于电压VDD1，并且电压S_AG对应于GND电压。电压S_AG至S_AD的范围对应于动态范围，并且参考电压S_AB对应于作为电压S_AG和电压S_AD之间的中间值的电压值。

通过电阻器R4至R7的电阻值和电容器C3的电容值，将动态范围调整到检测单元30可以输入执行A/D转换的范围内。通过组合电阻器R4至R7的电阻值，将参考电压S_AB调整为在检测单元30可以输入以执行A/D转换的范围内。

在图5B中的箭头115c表示峰值电压S_APc时的电流流动方向为负方向，和箭头116c表示峰值电压S_APc时的电流为正方向。

<检测单元30的检测方法的示例>

接下来，将参考图6A至图6D描述检测单元30的检测方法。检测单元30可以执行以下参照图6A至图6D描述的四种检测方法中的任何一种。信号转换电路12和12a至12c中的任何一个都可以用作将输出信号提供给检测单元30的信号转换电路。以下，将信号转换电路12作为示例。

在此，图6A至图6D是示出检测单元30的检测方法的示例的曲线图，其中，图6A是示出使用电压值采样的方法的曲线图，图6B是示出使用阈值电压的方法的曲线图，图6C是示出使用峰值保持的方法的曲线图，以及图6D是示出使用阈值差分电压的方法的曲线图。

此外，在图6A至图6D所示的每个曲线图中，水平轴表示时间，而垂直轴表示电压。每个图形中的黑色圆圈的曲线表示由检测单元30检测到的数字信号S_D，而实线的图形表示输入到检测单元30的输出信号S_A。

在图6A中所示的使用电压值采样的方法中，检测单元30以预定的采样间隔Δt对输出信号S_A的电压值va进行采样以执行A/D转换，并且彼此关联地检测(获取)相应时间的电压值和时间数据。

具体地，检测单元30检测(ta0，va1)、(ta0+Δt，va2)、(ta0+2·Δt，va3)、...、(ta0+n·Δt，van)。在此，ta0表示采样的开始时间，va表示电压值，n表示执行采样的总次数，并且作为va的下标的值表示计数器。在本示例中，采样已经执行了1到n次。

对于时间数据，使用开始时间ta0作为初始数据，并且每次执行采样时，将采样间隔Δt添加到初始数据并检测时间数据。关于电压值，与时间数据相关联地检测电压值van。

接下来，在图6B中的阈值电压方法中，当输出信号S_A的电压超过预定的阈值电压值时，检测单元30彼此关联地检测对应时间的电压值和时间数据。

在图6B中所示的示例中，预定了下限阈值电压值V_th1和上限阈值电压值V_th2。彼此关联地检测当输出信号S_A越过下限阈值电压值V_th1时的电压值va₁和时间数据ta1。将输出信号S_A越过上阈值电压值V_th2时的电压值va2和时间数据ta2彼此关联地检测。

虽然在图6B中仅示出了两个数据点，检测到与跨越下限阈值电压值V_th1或上限阈值电压值V_th2的次数相对应的数据点的数量。

接下来，在使用图6C的使用峰值保持的方法中，检测单元30保持在输出信号S_A中的电压值变得最小时和当输出信号S_A中的电压值变得最大时的电压值，并且彼此关联地检测对应时间的电压值和时间数据。

在图6C中所示的示例中，彼此关联地检测在最小值V_min时的电压值va1和在相应时间的时间数据ta1，并且彼此关联地检测在最大值V_max时的电压值va2和在相应时间的时间数据ta2。

接下来，在图6D中所示的差分电压方法中，检测电压值的时间微分值。

在图6D中所示的示例中，检测到Δva1(＝va1-va1’)，其是对应于时间数据ta1(预定的时间)的分钟时间dt期间的电压变化量。此外，检测Δva2(＝va2-va2’)，其是对应于时间数据ta2的分钟时间dt期间的电压变化量。

根据Δva1/ta1和Δva2/ta2，可以确定脚踩在电荷生成橡胶11上的强度以及脚与电荷生成橡胶11分开的速度，从而可以识别行走状态。

如上所述，检测单元30可以检测信号转换电路的输出信号，并将检测到的数字信号S_D输出到计算单元40。

<根据第一实施例的功能的效果>。

(信号转换电路12的功能的效果)

接下来，将描述设置在传感器元件10中的信号转换电路12的效果。首先，在说明信号转换电路12的效果之前，将描述根据比较示例的信号转换电路12X。在此，图7是示出信号转换电路12X的配置的图。图8是示出根据比较示例的输出信号的曲线图。

如图7所示，信号转换电路12X包括压电元件101、积分电路71和放大电路72。将根据作为电荷生成元件的压电元件101的电荷生成的信号输入到积分电路71。

积分电路71包括积分运算放大器108，并且生成的信号被存储在设置在积分运算放大器108的输入和输出之间的充电电容104中，并且被转换为积分电压信号Vo1。

在积分运算放大器108的后级，提供了放大电路72，其耦合到用于放大从积分运算放大器108输出的电压信号Vo1的顺时针放大电路107。顺时针放大电路107还耦合到参考电压源106。

参考电压源106向积分运算放大器108和顺时针放大电路107提供预定的偏置电压。积分运算放大器108、顺时针放大电路107和参考电压源106被集成到集成电路中。

信号转换电路12X包括用于将根据压电元件101的电荷生成的信号转换成预定的信号并输出转换后的信号的功能。然而，信号转换电路12X通过使用作为有源元件的积分电路71和放大电路72来执行信号转换，并且因此，存在用于信号转换的功耗变大的情况。

与这样的比较示例相反，在本实施例中，信号转换电路12仅由无源元件配置。无源元件比有源元件消耗更少的电力，并且因此，在将根据电荷生成橡胶11的电荷生成的信号S_EH转换为预定的输出信号S_A时，信号转换电路12可以降低功耗。在无源元件中，使用高阻抗无源元件比使用低阻抗无源元件更可取。高阻抗无源元件的示例包括电阻、电容器和线圈。通过使用高阻抗无源元件，比使用低阻抗无源元件可以更大程度地降低功耗。

(传感器系统1的功能的效果)

根据本实施例的传感器系统1包括用于检测传感器元件10的输出信号的检测单元30，更具体地，检测单元30通过对作为模拟信号的传感器元件10的输出信号S_A执行A/D转换来检测并输出数字信号S_D。这使得能够通过数字处理来分析传感器元件10的输出信号S_A，并且使得能够将数字数据发送到诸如个人计算机(PC)的外部设备或存储在存储设备中。

传感器系统1包括用于分析传感器元件10的输出信号的计算单元40。例如，计算单元40通过数字处理来分析传感器元件10的输出信号S_A并输出分析数据。因此，可以基于传感器元件10的输出信号S_A获取各种信息。

在本实施例中，示出了包括检测单元30和计算单元40两者的传感器系统1的示例。然而，传感器系统1可以被配置为包括检测单元30或计算单元40中的任一个。

[第二实施例]

接下来，将描述根据第二实施例的传感器系统1a。

图9是示出传感器系统1a的配置的示例的框图。如图9所示，传感器系统1a包括电源20a。

电源20a向在传感器元件10中的信号转换电路12和检测单元30两者供电，即，信号转换电路12的电源和检测单元30的电源是相同的电源20a。

电源20a向信号转换电路12和检测单元30两者施加电压VDD4以供电。电源20a可以由一次电池、二次电池、电容器等构成。

因此，通过使信号转换电路12的电源和检测单元30的电源是相同的电源20a，信号转换电路12可以以信号转换电路12的输出信号S_A输入到检测单元30所需的动态范围输出输出信号S_A。

图9示出了其中信号转换电路12的电源和检测单元30的电源是同一电源20a的传感器系统1a的示例，然而，本实施例不限于此。传感器系统1a可以被配置为使得信号转换电路12的电源和计算单元40的电源是相同的电源。在这种情况下，信号转换电路12可以以信号转换电路12的输出信号S_A输入到计算单元40所需的动态范围输出输出信号S_A。

此外，传感器系统可以被配置为使得信号转换电路12、检测单元30和计算单元40的所有电源都是相同的电源。图10是示出传感器系统1b的配置的框图，该传感器系统1b是传感器系统的另一示例。在传感器系统1b中的所有信号转换电路12、检测单元30和计算单元40的电源是相同的电源。

如图10所示，传感器系统1b包括用于向所有信号转换电路12、检测单元30和计算单元40供电的电源20b。也就是说，信号转换电路12、检测单元30和计算单元40的所有电源是相同的电源20b。

电源20b向所有信号转换电路12、检测单元30和计算单元40施加电压VDD5以供电。电源20b可以由一次电池、二次电池、电容器等配置。

通过这样的配置，能够容易地匹配在传感器系统1b中的信号转换电路12、检测单元30和计算单元40的动态范围。

[第三实施例]

接下来，将描述根据第三实施例的传感器系统1c。图11是示出传感器系统1c的配置的示例的框图。

如图11所示，传感器系统1c包括作为向在传感器元件10中的信号转换电路12供电的电源的二次电池21。二次电池21由锂离子电池、铅蓄电池等构成。

在此，二次电池21具有电压输出特性(放电特性)，其中，与诸如电容器和电容等其他电力存储元件的电压变化相比，伴随作为电力存储元件的剩余容量的荷电状态(SOC)等的变化的输出信号的电压变化很小。也就是说，即使当SOC因二次电池21的充电或放电而改变时，二次电池21也可以减少输出电压的变化。

图12是示出二次电池21的电压输出特性的示例的曲线图。在图12中，水平轴表示二次电池21的SOC，而垂直轴表示二次电池21的输出电压。在图12中，W_range表示由二次电池21提供的功率中由信号转换电路12使用的功率使用范围。此外，V_range表示对应于功率使用范围W_range的输出电压的变化范围。

如图12所示，在二次电池21的电压输出特性中，与SOC相关联的电压变化具有斜率小的平坦区域。例如，在图12的示例中，SOC为10％以上且90％以下等的范围对应于其中与SOC相关联的电压变化的斜率小的平坦区域。

使用该区域，通过将信号转换电路12使用的功率使用范围W_range预先设置为其中SOC为10％以上且90％以下的范围，电压变化范围V_range可以是3.5V以上且3.7V以下的窄范围。因此，可以减少与SOC相关联的输出电压的变化。在此，“SOC为10％以上且90％以下的范围”是“预定的范围”的示例。

当向信号转换电路12供电的电源的输出电压的变化较大时，供应给信号转换电路12的驱动电压将改变，并且因此，信号转换电路12可能无法正常工作。相反，在本实施例中，将二次电池21用作电源，并且将与SOC相关联的电压变化具有小斜率的功率使用范围W_range预定为功率使用范围。通过使用该功率使用范围W_range内的功率，可以减少与SOC相关联的输出电压的变化，并且可以稳定和正常地操作信号转换电路12。

在本实施例中，作为示例，二次电池21向信号转换电路12供电，但本发明不限于此。传感器系统1c可以被配置为使得二次电池21除了向信号转换电路12供电之外，还向检测单元30和计算单元40中的至少一个供电。也就是说，在图9中的电源20a或在图10中的电源20b可以由二次电池21配置。在这种情况下，通过减少与SOC相关联的输出电压的变化，除了信号转换电路12之外，检测单元30和计算单元40中的至少一个可以稳定和正常地操作。

在本实施例中，信号转换电路12被示出为示例，但是当将本实施例施加于信号转换电路12a至12c时，可以获得相同的效果。

[第四实施例]

接下来，将描述根据第四实施例的鞋垫200。

在此，术语“鞋垫”指的是一种用于诸如鞋等鞋类的具有弹性的垫子，也被称为内底。鞋垫可以由诸如聚氨酯、聚酯、羊毛、皮革、活性碳等材料形成。

<鞋垫200的整体配置示例>

图13是示出根据本实施例的鞋垫200的整体配置的示例的图。在图13中所示的X方向对应于鞋垫200的短方向(宽度方向)，而Y方向对应于鞋垫200的纵向。Z方向与X方向和Y方向都是正交的。

如图13所示，鞋垫200包括传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60。在该配置示例中，使用两个传感器元件10A和10B作为传感器元件，但是只要使用多个传感器元件，传感器元件的数量就不是特别受限。与鞋垫200的正Y方向侧对应的脚趾侧上的部分(下文中称为脚趾部分)包括由鞋垫材料构成的材料部分70。与鞋垫200的负Y方向侧对应的脚跟侧上的部分(以下称为脚跟部分)包括发电单元60(斜线的阴影线部分)。处理单元50在Y方向上设置在材料部分70和发电单元60之间，以便将材料部分70与发电单元60连接。

传感器元件10A和10B中的每一个具有与在第一实施例至第三实施例中描述的传感器元件10相同的功能，并且是将响应于外部刺激(例如，诸如本实施例中的压力等外部应力)而生成的电荷转换为预定的输出信号并输出输出信号的元件。传感器元件10A输出输出信号S_A1，并且传感器元件10B输出输出信号S_A2。输出信号S_A和S_B对应于检测压力等的检测信号。

传感器元件10A设置在鞋垫200的脚跟部分处的发电单元60的正Z方向侧的表面上。传感器元件10B设置在鞋垫200的脚趾部分处的材料部分70的正Z方向侧的表面上。在此，鞋垫200的正Z方向侧的表面是当鞋垫用户穿着其中安装有鞋垫200的鞋时，用户(以下称为鞋垫用户)的鞋底接触侧的表面。鞋垫200的负Z方向侧上的表面是与安装有鞋垫200的鞋接触侧的表面。

通过将传感器元件10A固定到发电单元60的表面，传感器元件10A可以设置在鞋垫200上。通过将传感器元件10B固定到材料部分70的表面，传感器元件10B可以设置在鞋垫200上。这些元件可以通过粘合剂、双面胶带等固定。

处理单元50是接收传感器元件10A和10B的输出信号并对输出信号执行预定的处理的电路。以下参照图14详细描述处理单元50的配置和功能的细节。

发电单元60可以包括发电橡胶等，以响应于外部刺激来发电。更具体地，发电单元60由橡胶或橡胶组合物构成，并且包括多组发电元件，其中作为柔性层的中间层夹在一对电极之间。发电元件的层数可以是例如10层。

发电单元60在接收到鞋垫用户行走等时施加的压力时生成电力，并将所生成的电力供应给设置在处理单元50中的二次电池。

在鞋垫200中的传感器元件10A和10B、处理单元50、发电单元60等的布置不限于上述布置，并且可以进行各种修改。

例如，布置传感器元件10A和10B的部分不限于鞋垫200的正Z方向侧的表面，而可以是鞋垫200的负Z方向侧的表面或鞋垫200的底座(材料)内部。传感器元件10A和传感器元件10B可以设置在鞋垫200的不同部分上，例如，传感器元件10A可以设置在鞋垫200的正Z方向侧，而传感器元件10B可以设置在鞋垫200的内部。然而，优选地，传感器元件10A和传感器元件10B固定的部分对准，以便匹配传感器元件10A和传感器元件10B之间的检测条件。

此外，整个鞋垫200可以由材料部分70配置，并且处理单元50和发电单元60中的至少一个可以设置在材料部分70的表面或内部。传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60可以各自被容纳部件覆盖。容纳部件的材料、形状、尺寸和结构没有特别的限制，并且可以根据目的适当地选择。

<处理单元50的示例配置>

接下来，将描述处理单元50。图14是示出包括在鞋垫200中的处理单元50的配置的示例的框图。如图14所示，处理单元50包括电力存储单元51、检测单元30a、计算单元40a、存储单元52和通信单元53，并且构成电路。

传感器元件10A包括响应于外部刺激而生成电荷的电荷生成橡胶11A和将由电荷生成橡胶11A生成的电荷转换成预定的输出信号的信号转换电路12A。传感器元件10B包括响应于外部刺激而生成电荷的电荷生成橡胶11B和将由电荷生成橡胶11B生成的电荷转换成预定的输出信号的信号转换电路12B。

电力存储单元51包括二次电池21，并且将由发电单元60生成的电力存储在二次电池21中，并且将存储的电力供应给传感器元件10A、传感器元件10B、检测单元30a、计算单元40a、存储单元52和通信单元53。

电力存储单元51向传感器元件10A和10B、检测单元30a和计算单元40a供电的功能与在第二实施例(参见图10)中描述的电源20b向传感器元件10、检测单元30和计算单元40供电的功能相同。二次电池21的功能与在第三实施例中描述的功能相同(参见图11和12)。

电力存储单元51可以通过施加电压VDD6来向传感器元件10A供电，并且还可以通过施加电压VDD7来向传感器元件10B供电。在图14中，未示出用于电力存储单元51向检测单元30a、计算单元40a、存储单元52和通信单元53供电的VDD端以及用于安装的GND端。

除了二次电池21之外，电力存储单元51可以包括多个电力存储设备，诸如电容器，以及在串联和并联之间切换多个电力存储设备的连接状态的串并联切换单元。通过包括多个电力存储装置和串并联开关单元，可以提高电力存储单元51的储电效率。在日本未审查专利申请公开号2019-161975等中公开的已知技术可以应用于这样的配置，因此将省略其更详细的描述。

检测单元30a是通过A/D转换检测信号转换电路12A的输出信号S_A1并将数字信号S_D1输出到计算单元40的电路。检测单元30a还通过A/D转换检测信号转换电路12B的输出信号S_A2，并将数字信号S_D2输出到计算单元40。

计算单元40a是由中央处理单元(CPU)等配置的处理器，其对从检测单元30a输入的数字信号S_D1和S_D2执行分析处理，并将对应的分析数据S_C1和S_C2输出到存储单元52和通信单元53。

通过检测施加在鞋垫200上的压力，基于从传感器元件10A和10B输出的检测信号，执行该分析处理以获得脚跟落地率等。在此，脚跟落地率是指鞋垫用户行走时脚跟落在地面上的比率。

通过使用在低电压和低电流下操作检测单元30a和计算单元40a的功能的处理器，可以降低用于计算的功耗，并且因此，当将包括鞋垫200、传感器元件10A和10B以及处理单元50的传感器系统施加到物联网(IoT)应用等时，这样的处理器适合。

存储单元52是用于存储分析数据S_C1和S_C2的存储器。存储单元52可以配置有半导体存储器或诸如通用串行总线(USB)存储器的便携式存储器。当存储单元52配置有便携式存储器时，存储单元52适合于将存储的分析数据S_C1和S_C2发送到诸如PC的外部设备。

通信单元53是将分析数据S_C1和S_C2无线发送到智能手机80的通信电路，诸如近场通信(NFC)或蓝牙(注册商标)。通信单元53还可以从智能手机80无线接收信号和数据。使用蓝牙低能量(BLE)标准作为无线通信协议降低了通信的功耗，因此适合物联网应用。在此，通信单元53是发送器的示例。

在智能手机80中，安装了用于基于从鞋垫200接收的分析数据S_C1和S_C2来分析在鞋垫用户行走、奔跑、站立等时如何对脚底施加重量的应用程序。

鞋垫用户可以使用智能手机80和上述应用程序来基于分析数据S_C1和S_C2来分析诸如如何施加重量、鞋垫用户如何行走、跑步等特征。

通信单元53与之通信的目标设备不限于上述智能手机80，而可以是诸如PC、服务器、显示器等的外部设备。

<分析数据的示例>

接下来，将描述由传感器元件10A和10B检测并从处理单元50输出的分析数据S_C1和S_C2。

图15A和图15B是示出由处理单元50获得的分析数据S_C1和S_C2的示例的曲线图。图15A是示出鞋垫用户原地踏步的情况的曲线图，而图15B是示出鞋垫用户前进一步的情况的曲线图。

图形的横轴表示时间，和纵轴表示电压。实线151表示基于传感器元件10a(脚跟部分)的输出信号S_A1的分析数据S_C1，而虚线152表示基于传感器元件10b(脚趾部分)的输出信号S_A2的分析数据S_C2。

当鞋垫用户原地踏步时，鞋垫用户的整个鞋底几乎在相同的时间从地面分离，而施加在整个鞋底的力大致相同。因此，对鞋垫200的脚跟部分和脚趾部分施加基本上相同的压力，并且因此，传感器元件10a的输出信号S_A1和传感器元件10b的输出信号S_A2基本上相同。结果，如图15A所示，图线151和图线152基本上彼此重复。在图15A的示例中，根据重复执行五次的步进运动，以五种波形重复显示表示压力的电压信号。

另一方面，在鞋垫用户向前走一步的情况下，当鞋垫用户首先抬起他或她的脚时，脚底的脚趾部分对地面施加压力，并且脚跟部分与地面分离。然后，当抬起的脚接触地面时，脚跟部分首先接触地面，然后脚趾部分接触地面。

根据脚底相对于地面的运动，当鞋垫用户抬起他或她的脚时，压力施加到脚趾部分，而脚跟部分的压力减小。然后，当抬起的脚落在地面上时，脚跟部分的压力增加，随后脚趾部分的压力增加。如图15B所示，根据施加到脚跟部分和脚趾部分的压力差，分别示出了曲线图151和曲线图152。

基于这样的分析数据S_C1和S_C2，当鞋垫用户行走、奔跑、站立等时，智能手机80可以分析诸如如何对鞋底施加重量、鞋垫用户如何行走、奔跑等特征。

注意，尽管在图13至图15B中所示的示例示出了将鞋垫200施加到一只脚，但是相同的鞋垫200可以施加到两只脚。通过获取当鞋垫用户行走、奔跑、站立等时双脚的分析数据，可以更详细地分析鞋垫用户如何行走等。

<根据第四实施例的功能效果>

如上所述，在本实施例中，鞋垫200包括传感器元件10A和信号转换电路12A，传感器元件10A包括响应于外部刺激生成电荷的电荷生成橡胶11A，信号转换电路12A将由电荷生成橡胶11A生成的电荷转换成预定的输出信号。因此，可以基于信号转换电路12A的输出信号SA1来检测施加到鞋垫200上的压力，并且可以提供能够检测压力的鞋垫。

此外，在本实施例中，传感器元件10A被配置为包括电荷生成橡胶11A。电荷生成橡胶11A具有弹性且柔软，因此鞋垫用户可以舒适地穿着安装有鞋垫200的鞋。此外，电荷生成橡胶11A的弹性和柔软性防止传感器元件10A断裂，因此可以减少传感器元件10A的故障、破损等，并且可以减少更换或维修传感器元件10A的需要，从而改善维护性能。

此外，信号转换电路12A仅由无源元件配置，并且因此，用于信号转换的功耗非常低。因此，可以降低鞋垫200的功耗。在本发明中，“无源元件”是指不具有诸如电能放大或转换的有源功能的元件，包括诸如电阻器、电容器或线圈的元件。有源元件是指具有诸如电能放大或转换等有源功能的元件，包括诸如运算放大器或电压跟随器等元件。在各种无源元件中，在此使用的无源元件优选为高阻抗无源元件，而不是低阻抗无源元件。例如，高阻抗无源元件包括电阻器、电容器和线圈。通过使用高阻抗无源元件，可以比使用低阻抗无源元件更多地降低功耗。此外，通过使用具有高阻抗的无源元件，可以增加信号转换电路12A的阻抗，并且即使当使用诸如电荷生成橡胶等具有高输出阻抗的电荷生成弹性体时，也可以容易地将由电荷生成弹性体输出的电力的所有电压波形包括在动态范围(有效电压范围)中。

此外，从存储由发电单元60生成的电力的电力存储单元51向鞋垫200中的传感器元件10A、传感器元件10B、检测单元30a、计算单元40a、存储单元52和通信单元53供应驱动功率。这消除了为每个元件提供驱动功率的外部电源的需要。

低功耗和无需外部电源特别适合于将鞋垫200施加到物联网应用。

此外，在本实施例中，在鞋垫200的不同位置设置多个(在本示例中为两个)传感器，即传感器元件10A和传感器元件10B。因此，可以检测施加到鞋垫200的不同位置的压力，并且可以更详细地分析诸如如何对鞋底施加重量、鞋垫用户如何行走、奔跑等特征。

然而，要安装的传感器元件的数量不限于两个，并且可以有三个或更多个传感器元件。传感器元件的数量越多，分析就越详细。

在本实施例中，在鞋垫200的不同位置设置了多个(在本示例中为两个)传感器，即传感器元件10A和传感器元件10B，但可以在多个位置布置更多的传感器元件，以执行更详细的特征分析，例如行走和跑步。因此，可以检测施加到鞋垫200的不同位置的压力的变化，并且可以更详细地分析诸如如何对鞋底施加重量、鞋垫用户如何行走、奔跑等特征。

当然，在鞋垫200上布置传感器元件的位置不限于如上所述的脚趾侧和脚跟侧，而是可以根据要获取的分析数据布置在任何位置。

此外，本实施例包括用于输出基于传感器元件10A和10B的输出信号S_A1和S_A2获取的分析数据S_C1和S_C2的处理器。这允许对输出信号S_A1和S_A2的数字数据执行期望的处理。还可以控制诸如传感器元件10A和10B以及检测单元30a的各种单元。

在本实施例中，提供了用于存储分析数据S_C1和S_C2的存储单元52。这使得能够存储分析数据S_C1和S_C2并提取存储的数据。

根据本实施例，提供了无线发送分析数据S_C1和S_C2的通信单元53。因此，可以将分析数据S_C1和S_C2提供给诸如智能手机80的外部设备，并且可以将分析数据S_C1和S_C2存储在外部设备中，并且可以通过外部设备对鞋垫用户如何行走和奔跑等执行详细分析。

[第五实施例]

接下来，将描述根据第五实施例的鞋类。

鞋类的例子包括运动鞋、皮鞋、浅口鞋、高跟鞋、脚蹬鞋、凉鞋、拖鞋、靴子、登山鞋、运动鞋、鞋、室内鞋、木鞋、日本凉鞋、日本袜子等。

<鞋类300的整体配置示例>

图16是示出根据本实施例的鞋类300的整体配置的示例的图。注意，在图16中，X方向对应于鞋类300的较短方向(宽度方向)，而Y方向对应于鞋类300的纵向。Z方向与X方向和Y方向都是正交的。

如图16所示，鞋类300包括传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60。传感器元件10B设置在与鞋类300的正Y侧相对应的脚趾部分侧上。发电单元60(斜线的阴影部分)和传感器元件10A设置在与鞋类300的负Y方向侧相对应的脚跟部分侧。处理单元50在Y方向上设置在传感器元件10A和传感器元件10B之间。

传感器元件10A设置在设置在鞋类300的脚跟部分的内底的发电单元60的正Z方向侧的表面上。内底是指鞋类300的底部的内侧。传感器元件10B设置在鞋类300的脚趾部分的内底。鞋类300的内底部分是当鞋类用户穿鞋类300时用户(以下称为鞋类用户)的鞋底接触的一侧的部分。鞋类300的外底部分是鞋类300侧上与地面接触的部分。外底部是指鞋类300的底部的外侧。

通过将传感器元件10A固定到发电单元60的正Z方向侧的表面上，可以将传感器元件10A布置在鞋类300上，并且通过将传感器元件10B固定到内底，可以将传感器元件10B布置在鞋类300上。固定可以通过使用粘合剂、双面胶带等来完成。

在鞋类300中的传感器元件10A和10B、处理单元50、发电单元60等的布置不限于上述，并且可以进行各种修改。

例如，布置传感器元件10A和10B的部分不限于鞋类300的内底部分，而可以是鞋类300的外底部分或构成鞋类300的底部的底座(材料)的内部部分。

传感器元件10A和传感器元件10B可以设置在鞋类300的不同部分，例如，传感器元件10A可以设置在鞋类300的内底，并且传感器元件10B可以设置在鞋类300的外底。然而，为了匹配传感器元件10A和传感器元件10B之间的检测条件，传感器元件10A和传感器元件10B固定的部分优选地对准。

传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60也可以用容纳这些元件中的每一个的部件覆盖。用于容纳元件的部件的材料、形状、尺寸和结构没有特别的限制，并且可以根据目的适当地选择。

此外，通过将在第四实施例中描述的鞋垫200安装到鞋类300上，可以将传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60布置在鞋类300中。

传感器元件10A和10B、处理单元50和发电单元60、输出信号、分析数据等的结构和功能与在第四实施例中描述的相同，因此，在此省略重复描述。

<根据第五实施例的功能效果>

如上所述，在本实施例中，鞋类300包括传感器元件10A和信号转换电路12A，传感器元件10A包括响应于外部刺激生成电荷的电荷生成橡胶11A和将由电荷生成橡胶11A生成的电荷转换成预定的输出信号的信号转换电路12A。因此，可以基于信号转换电路12A的输出信号SA1来检测施加在鞋类300上的压力。

此外，在本实施例中，传感器元件10A被配置为包括电荷生成橡胶11A。充电橡胶11A具有弹性且柔软，因此，鞋类用户可以舒适地穿鞋类300。此外，电荷生成橡胶11A的弹性和柔软性防止传感器元件10A断裂，因此可以减少传感器元件10A的故障、破损等，并且可以减少更换或维修传感器元件10A的需要，从而改善维护性能。

此外，信号转换电路12A仅由无源元件构成，因此，用于信号转换的功耗非常低。因此，可以降低鞋类300的功耗。无源元件的定义和意义类似于在第四实施例中描述的那些。

在鞋类300中的传感器元件10A、传感器元件10B、检测单元30a、计算单元40a、存储单元52和通信单元53从存储由发电单元60生成的电力存储单元51提供驱动功率。这消除了为每个元件提供驱动功率的外部电源的需要。

低功耗和无需外部电源特别适合于将鞋类300应用于物联网应用。

此外，在本实施例中，在鞋类300的不同位置设置多个(在本示例中为两个)传感器，即，传感器元件10A和传感器元件10B。因此，可以检测施加到鞋类300的不同位置的压力，并且可以更详细地分析诸如如何对鞋底施加重量、鞋类用户如何行走、奔跑等特征。

在本实施例中，在鞋类300的不同位置设置了多个(在本示例中为两个)传感器，即，传感器元件10A和传感器元件10B，但是可以在多个位置布置更多的传感器元件，以执行诸如对行走和跑步等特征的更详细的分析。因此，可以检测施加到鞋类300的不同位置的压力的变化，并且可以更详细地分析诸如如何对鞋底施加重量、鞋类用户如何行走、奔跑等特征。

当然，在鞋类300中布置传感器元件的位置不限于如上所述的脚趾侧和脚跟侧，而是可以根据要获取的分析数据布置在任何位置。

根据本实施例，提供了无线发送分析数据S_C1和S_C2的通信单元53。因此，可以将分析数据S_C1和S_C2提供给诸如智能手机80的外部设备，并且可以将分析数据S_C1和S_C2存储在外部设备中，并且可以通过外部设备对鞋类用户如何行走和跑步等进行详细分析。

[第六实施例]

接下来，将描述根据第六实施例的压力型通过传感器。在此，压力型通过传感器是基于由人或诸如车辆的物体产生的压力来检测人或物体的通过的传感器。

例如，压力型通过传感器可以设置在建筑物内部或建筑物外靠近建筑物的地板上。压力型通过传感器检测进入或离开建筑物或房间的人用他/她的脚踩在压力型通过传感器上时施加的压力，从而检测人进入或离开建筑物或房间的情况。然而，压力型通过传感器不限于检测进出，并且可以通过检测通过人用他或她的脚踩在传感器上时施加的压力来检测通过人的各种情况。这样的压力型通过传感器也可以称为地板传感器。

压力式通过传感器要检测的目标不仅可以是人，还可以是移动体，诸如车辆。例如，可以在停车场的地面上设置压力型通过传感器。通过检测进入或离开停车场的车辆的轮胎施加的压力，压力式通过传感器可以检测车辆进入或离开停车场的情况。压力型通过传感器不限于检测进出，例如，压力型通过传感器可以设置在停车场内要停放车辆的停车位附近，并且可以通过压力型通过传感器检测车辆进出停车位的情况。

移动体不限于车辆，并且例如可以是自动运输车辆。压力式通过传感器设置在自动运输车通过路径的地面或地面上，通过检测自动运输车的轮胎施加在压力式通过传感器上的压力，可以检测到自动运输车辆的通过。

<由压力式通过传感器的通过检测的典型示例>

图17A至图17C是示出根据本实施例的压力型通过传感器的检测的典型示例的图。图17A至图17C是表示沿着小路行走的人的图，并且图17A是从侧面看的图，图17B是从正面(从移动的方向)看的图，并且图17C是俯视图。

如图17A至图17C所示，每个压力型通过传感器400形状呈条形，并且多个压力型通过传感器400布置成覆盖整个路径的地板401。

压力型通过传感器400通过信号转换电路12a至12c(见图3A至图5B)检测基于作为人402通过沿着压力型通过传感器400上的路径行走而施加的压力的输出信号，并由计算单元40进行信号处理(见图1)。根据该处理的结果，可以检测到人402正在通过(可以检测到通过)。

压力型通过传感器400还可以确定通过状态。例如，压力型通过传感器400可以确定已通过的人数、特定动物是否已通过以及特定移动体是否已通过。结合与压力型通过传感器400分开设置的相机的拍摄结果等，可以确定上述通过状态。此外，多个压力型通过传感器400的检测结果可用于检测诸如人的物体的通过方向。

通过将根据实施例的传感器元件应用于这样的压力型通过传感器，可以获得与上述实施例相同的效果。

[第七实施例]

接下来，将描述根据第七实施例的接触状态传感器。在此，接触状态传感器是指基于人或诸如车辆的物体施加的压力来检测人或物体的接触状态的传感器。

例如，可以在椅子上设置接触状态传感器，以通过检测施加到椅子上的人的压力来检测接触状态，诸如人是否坐在椅子上、人是否已离开椅子、人是否靠在靠背上、或人是否已离开靠背等。

此外，可以在床上设置接触状态传感器，以通过检测施加在床上的人的压力来检测接触状态，诸如人是否躺在床上或人是否已经从床上站起来等。

此外，可以在桌垫上设置接触状态传感器以检测接触状态，诸如是否将诸如咖啡杯之类的杯子放置在桌垫上或者杯子是否被提起等。此外，可以在门把手上设置接触状态传感器以检测接触状态，诸如人是否抓住门把手或者人是否已经从门把手松开他或她的手等。

此外，可以在开关上设置接触状态传感器以在操作期间检测接触状态，人可以通过使用他或她的手指来打开或关闭来操作该开关。可以在门和门框之间的接触部分上设置接触状态传感器，以检测开门和关门时的接触状态。

此外，接触状态传感器可以用于检测机械臂的握持部分的接触状态，或者用于检测机械臂的每个部分中的接触状态以用作安全装置的一部分，用于检测与诸如车辆或无人机的移动物体的接触状态，或者用于检测与人形机器人、手套类型传感器等的接触状态。

<由接触状态传感器检测接触状态的典型示例>

图18是示出根据本实施例的由接触状态传感器进行接触状态检测的典型示例的图。如图18所示，椅子501包括座面501a和靠背501b，并且接触状态传感器500设置在座面501a上。接触状态传感器500可以设置在座面501a的表面上，或者可以嵌入座面501a内。

当人502坐在椅子501上时，接触状态传感器500通过信号转换电路12c(见图5A和图5B)检测基于当人502坐在椅子501上时施加的压力的输出信号，并通过计算单元40(见图1)执行信号处理。通过该处理的结果，可以检测到人502已经坐在椅子501上。

当人502从椅子501上站起时，接触状态传感器500通过信号转换电路12c(见图5A和图5B)检测基于来自人502的压力减小的输出信号，并通过计算单元40(见图1)执行信号处理。通过该处理的结果，可以检测到人502与椅子501的分离。

通过在靠背501b上设置接触状态传感器500，可以检测人502是否已经靠在靠背501b上。

当接触状态传感器500设置在人可以通过使用他或她的手指来操作以接通或断开的开关上时，接触状态传感器500基于由信号转换电路12c施加到开关的压力来检测输出信号(见图5A和图5B)，并由计算单元40(见图1)执行信号处理。因此，可以在接通操作、连续接通操作、断开操作等之间进行区分，并且还可以区分长按操作。

通过将根据本实施例的传感器元件应用于这样的接触状态传感器，可以获得与上述实施例相同的效果。在图3A至图4B的信号转换电路12a和12b中，尽管运动的检测受到限制，但可以获得接触检测的功能。

[第八实施例]

接下来，将描述根据第八实施例的弯曲/拉伸传感器。在此，弯曲/拉伸传感器是指基于诸如肘部、肩部等的人的关节的弯曲/拉伸、或伴随盒子的打开或关闭或门的打开或关闭等而产生的弯曲/拉伸所引起的变形来检测人或物体的弯曲/拉伸的传感器。

<由弯曲/拉伸传感器检测弯曲/拉伸的典型示例>

图19是示出根据本实施例的通过弯曲/拉伸传感器进行弯曲/拉伸检测的典型示例的图。如图19所示，弯曲/拉伸传感器600设置在人601的肘部601a上，并且随着肘部601a的弯曲和拉伸而可变形。

弯曲/拉伸传感器600随着肘部601a弯曲和拉伸而变形。弯曲/拉伸传感器600通过信号转换电路12c(参见图5A和图5B)检测基于变形的输出信号，并通过计算单元40(参见图1)执行信号处理。通过该处理结果，可以检测人601是否弯曲了肘部601a、人601是否保持了肘部601a的弯曲状态、或者人601是否拉伸了肘部601a等。

基于弯曲/拉伸传感器600的弯曲/拉伸的检测结果，可以检测人是在行走、跑步还是正在进行弯曲和拉伸练习，并且将检测结果应用于康复或锻炼功能测试等。还可以将该方法应用于游戏机中的操作的检测。

通过将根据本实施例的传感器元件应用于这样的弯曲/拉伸传感器，可以获得与上述实施例中相同的效果。

[第九实施例]

接下来，将描述根据第九实施例的变形通过传感器。在此，变形通过传感器是指基于由人或诸如车辆的物体引起的变形来检测人或物体是否已经通过(检测通过)的传感器。

例如，变形通过传感器设置在诸如短开口窗帘(noren，日本传统窗帘)等薄片形式的物体上，并且基于穿过短开口窗帘的运动而产生的短开口窗帘的变形来检测人或动物的通过。变形通过传感器可以基于穿过短开口窗帘的运动，以及基于物体的变形，例如扭转或拉动物体的运动，来检测人或物体的通过。

<由变形通过传感器的通过检测的典型示例>

图20是示出根据本实施例的由变形通过传感器的通过检测的典型示例的图。如图20所示，变形通过传感器700被配置为片状，并且三个变形通过传感器700设置在短开口窗帘701中的不同位置。变形通过传感器700可根据短开口窗帘701的变形而变形。

变形通过传感器700根据人702通过短开口窗帘701的运动而通过短开口窗帘701的变形而变形。变形通过传感器700通过信号转换电路12c(参见图5A和图5B)检测基于变形的输出信号，并通过计算单元40(参见图1)执行信号处理。该处理的结果可用于检测人702通过安装有短开口窗帘701的位置(点)的情况。

短开口窗帘701也会受到诸如风等气流的影响而变形，因此，计算单元40优选地判定信号转换电路12c的输出信号是由气流引起，还是由人或动物的通过引起的。短开口窗帘701的变形的模式在人等穿过短开口窗帘701的情况和短开口窗帘701随气流摆动的情况下不同，因此，来自变形通过传感器700的输出信号的波形的特征也根据变形的模式而不同。因此，计算单元40可以基于来自变形通过传感器700的输出信号的波形的特征来确定信号转换电路12c的输出信号是由空气流动还是人或动物的通过引起的。

此外，通过诸如扭转和拉动等动作，输出信号将具有特征波形，并且因此，可以通过计算单元40的处理来识别每个动作。这可以应用于检测在机器人控制中机器人的运动以及检测游戏机等中的操作。

虽然以上已经详细描述了本发明的实施例，但是本发明不限于所描述的实施例，并且在所附权利要求中定义的本发明实施例的范围内，各种变化和修改是可能的。

此外，通过利用有源元件放大信号转换器，可以利用发电橡胶处理生物信号。

上述检测单元和计算单元的功能可以由一个或多个处理电路来实现。如在此所使用的，“处理电路”包括被编程为通过软件执行每个功能的处理器，诸如在电子电路中实现的处理器，

或诸如专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和常规电路模块之类的设备，其被设计成来执行检测单元和计算单元的功能。

[附图标记列表]

1 传感器系统

10、10A、10B 传感器元件

11 电荷生成橡胶(电荷生成元件的示例)

111 第一电极

112 第二电极

113 中间层

12 信号转换电路(信号转换器的示例)

122 输出端

123 GND端

124 VDD端

20 电源

21 二次电池(电力存储元件的示例)

30 检测单元

40 计算单元

50 处理单元

51 电力存储单元

52 存储单元

53 通信单元

60 发电单元

70 材料部分

80 智能手机

200 鞋垫

300 鞋

400 压力型通过传感器

500 接触状态传感器

600 弯曲/拉伸传感器

700 变形通过传感器

S_A 输出信号

S_AP 在正方向上的峰值电压(在正方向上的极值的示例)

S_AV 在负方向上的峰值电压(在负方向上的极值的示例)

S_AB 参考电压

S_EH 根据电荷的信号

S_D 数字信号

S_C 分析数据

VDD1至VDD7 电压

R1至R7 电阻器

C1至C3 电容器

D1至D5 二极管

W_range 功率使用范围

V_range 电压变化范围

本申请基于并要求于2020年1月24日提交的日本优先权申请第2020-010355号、于2020年1月28日提交的日本优先权申请第2020-011863号以及于2020年11月30日提交的日本优先权申请第2020-199114号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims

1.一种在传感器系统中使用的传感器元件，所述传感器系统包括检测器和计算器以及电源中的至少一个，所述传感器元件包括：

电荷生成元件，被配置为响应于外部刺激而生成电荷；以及

信号转换器，被配置为将所述电荷转换为预定的输出信号，其中

所述信号转换器仅由一个或多个无源元件构成，以及

用于所述信号转换器的初始驱动功率从所述电源供应。

2.如权利要求1所述的传感器元件，其中，所述电源被配置为向所述检测器和所述计算器中的至少一个供电。

3.如权利要求1或2所述的传感器元件，其中，所述电荷生成元件是压电元件，所述压电元件被配置为根据施加到所述压电元件的压力来生成所述电荷。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的传感器元件，其中，所述预定的输出信号包括在两个方向上的极值，在两个方向上的极值包括在正方向上的极值和在负方向上的极值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的传感器元件，其中，所述信号转换器的电源和所述检测器和计算器中的至少一个的电源是相同的电源。

6.一种传感器系统，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的传感器元件；以及

所述检测器被配置为检测所述传感器元件的所述预定的输出信号。

7.一种传感器系统，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的传感器元件；以及

所述计算器被配置为分析所述传感器元件的所述预定的输出信号。

8.如权利要求6或7所述的传感器系统，其中，所述电源包括被配置为存储电力的电力存储元件。

9.如权利要求8所述的传感器系统，其中，所述电力存储元件是二次电池。

10.如权利要求9所述的传感器系统，其中，基于从所述二次电池输出到所述信号转换器的电压值，将由所述信号转换器使用的所述二次电池的功率的范围定义为预定的范围。

11.如权利要求9或10所述的传感器系统，其中，基于从所述二次电池输出到所述检测器和所述计算器中的至少一个的电压值，将由所述检测器和所述计算器中的至少一个使用的所述二次电池的功率的范围定义为预定的范围。

12.如权利要求10或11所述的传感器系统，其中，所述预定的范围大于或等于10％且小于或等于90％。