JP2002543409A - 屈曲測定用電子式トランスジューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの間置される電気伝導体（Ａ）および（Ｂ）から形成される螺旋型コイルを有する電子式屈曲トランスジューサ（１０）である。前記電気伝導体は、電気伝導体上の絶縁コーティングによって、あるいは、実質的な弾性を有する誘電体（１１）に埋め込まれることによって、互いに電気的に隔離されている。前記コイルは、柔軟性を有する非伸縮性支持体表面に関し、その全長渡り一方の面に沿って、結合されている。したがって、支持体表面の屈曲は、その当初の長さを維持する前記面と、その長さが増加あるいは減少する前記面の反対側の面との間の前記コイルの長さ変化を引き起こす。向かい合う前記面の間の長さにおける相対的な変化は、コイルの隣接するターンの間における角度方向分離を引き起こす。また、隣接するターンは、各電気伝導体（Ａ）および（Ｂ）を代表しているため、各電気伝導体の間のキャパシタンスにおける変化が、存在する。この変化を使用して、電気信号をコンピュータに提供し、変化を記録および表示させることができる。また、各指に前記トランスジューサが組み込まれたパペッティアのグローブが、記載されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、物体あるいは構造体、特に、柔らかいあるいは弾性を有し、かつ、
屈曲の際に長さ変化が引き起こされる物体あるいは構造体の屈曲を測定するため
の電子式トランスジューサに関する。本発明は、何ら制約を導入することなく、
人体の関節の屈曲を測定することにおいて、特に有益である。しかし、本発明は
、広い用途を有しており、この特定の目的のみに、制限されないことは明らかだ
ろう。

【０００２】 本発明の具体的な実施の形態においては、本発明に係るトランスジューサは、
グローブの指の内部あるいは表面に取付けられ、人間の指の動作が、コンピュー
タに対する入力のためのデータストリームに変換される。このようなグローブは
、パペッティア（puppeteer）による専門的なアニメーション生産に使用される
。

【０００３】 パペッティアのグローブの形態における従来技術のトランスジューサ装置は、
光ファイバケーブルを使用する。前記ケーブルは、事前に縫製されたチャンネル
を経由して、グローブの各指の周囲を囲んでおり、また、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）からの光を、ケーブルの一端から、ケーブルの他端にある光受容体に、伝達
する。光ファイバケーブルの屈曲の変動は、受容体によって受信される光の変動
を引き起こすため、指の屈曲は、それに関連するデータストリームを生成するこ
とが可能である。これらの従来技術の装置は、本来的に多くの問題を有する。例
えば、本目的のために必要とされる光ファイバケーブルは、高価な通信グレード
のケーブルであり、また、柔軟性を有しているが、連続的な屈曲のためには設計
されていないため、それらの寿命は短い。その他の問題、例えば、実施のために
必要とされるグローブと電子回路コンポーネントとに対する電力の接続は、グロ
ーブの修理を厄介かつ高価とする。

【０００４】 さらなる従来技術の装置が、「電子式トランスジューサ（Electronic Transdu
cer）」と題する米国特許番号５，０９０，２４８号に記述されている。当該装
置は、２つ以上の間置された螺旋型コイルの形状を有する伸び計を有している。
螺旋型コイルは、その弾性変形を許容するように構成され、好ましくは、変形の
後において電気伝導体を本来の形状に戻すための復原力を提供する弾性誘電体に
、取付けられる。変形は、電気伝導体の間におけるキャパシタンスの変化を（各
コイルの間の電極間ギャップを変更することによって）引き起こす。そして、こ
の変化は、監視され、広いダイナミックレンジに渡って、寸法変化が測定される
。寸法変化は、本質的には、伸び、あるいは、伸び計が可動性関節に取り付けら
れている場合、伸びと変形との組合せである。キャパシタンスにおける変化は、
伸びと変形の両方に基づく電極間ギャップにおける変化の測定値であるため、伸
びと変形は、分離できない。したがって、従来技術のトランスジューサは、例え
ば、上記パペッティアのグローブにおいてや、正確かつ再生可能なデータが必要
とされる他の状況において、角度的な偏差（angular deflection）を、必要とさ
れる信頼性あるいは精度を有して測定するためには、適していない。

【０００５】 したがって、本発明の目的は、屈曲の測定あるいは監視するために使用される
既知のトランスジューサと関連する、一つ以上の前記の問題あるいは他の問題を
解消する電子式屈曲トランスジューサを提供することである。

【０００６】 本発明は、細長いコイルを形成する、間置された電気伝導体を２つ以上有して
いる。前記コイルは、柔軟性を有する非伸縮性支持体表面に関し、その長さに沿
った一方の面に、結合されている。したがって、前記表面の屈曲は、その当初の
長さを維持する前記面と、前記面の反対側の面との間における前記コイルの長さ
変化を引き起こす。これにより、前記電気伝導体の間の角度方向分離（angular
separation）を引き起こし、その結果、前記コイルのキャパシタンスにおける変
化を生じさせる。

【０００７】 本発明をより容易に理解できるように、特定の実施の形態が、添付図面を参照
し、ここで説明される。

【０００８】 図１（ａ）は、本発明に係る屈曲トランスジューサの側面断面図である。

【０００９】 図１（ｂ）は、図１（ａ）に記載されている本発明に係る屈曲トランスジュー
サの上方からの斜視図である。

【００１０】 図１（ｃ）は、図１（ｂ）のトランスジューサの端部の拡大図である。

【００１１】 図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）および図１（ｇ）は、図１（ａ）に示さ
れるトランスジューサのコア巻線に関する変形例の断面図を示している。

【００１２】 図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）に類似しているが、それぞれ、弛
緩および屈曲状態におけるトランスジューサを示している。

【００１３】 図２（ｃ）および図２（ｄ）は、異なるギャップを有する平行板コンデンサと
して抽象化された等価キャパシタンスとして示される、弛緩および屈曲状態にお
けるトランスジューサのコイルにおける一対の隣接するターンを表している。

【００１４】 図３は、グローブの各指に取付けられた、本発明に係るトランスジューサを示
しているグローブの裏の概略図である。

【００１５】 図４は、変化するキャパシタンスからデジタルおよびアナログデータ出力を生
成するための一般的な発振回路の略ブロック図である。

【００１６】 図５は、本実施の形態のトランスジューサに適用される、図６に類似する回路
図である。

【００１７】 屈曲トランスジューサ１０は、図に示されるように、弾性誘電体１１に埋め込
まれた、一対の同軸の間置された螺旋型電気伝導体Ａ，Ｂを有しており、この点
に関しては、米国特許第５，０９０，２４８号に開示されるトランスジューサと
同一である。トランスジューサは、マンドレル（図示せず）を覆って、２つの電
気伝導体Ａ，Ｂを巻くことによって、二本巻きコイル（bifilar coil）として形
成され、細長い螺旋型コイルを形成する。その後、マンドレルは回収され、コイ
ルは、相当な弾性を有する誘電体１１に埋め込まれる、あるいは、前記誘電体が
被覆される。いずれの場合にせよ、各電気伝導体は、互いに電気的に隔離される
。

【００１８】 埋め込まれたあるいは被覆された電気伝導体Ａ，Ｂの形成が、完了すると、ト
ランスジューサは、トランスジューサの全長に渡って延長している柔軟性を有す
る非伸縮性支持体表面１３の、その長さに沿った一方のサイドに、結合される。
結合は、シリコンエラストマのような柔軟性を有する接着材１２によって達成さ
れる。各電気伝導体Ａ，Ｂの端部１７は、誘電体から外へ延長し、後述される、
トランスジューサの読出し回路部品に対する相互接続のための図１（ｃ）の終端
ブロック１８まで、達している。図１（ａ）に示されるように、電気伝導体Ａ，
Ｂのコイルの間に、等価キャパシタンスＣＬが存在する。

【００１９】 図２（ｂ）を参照し、トランスジューサが、屈曲状態で示されており、このケ
ースにおいては、支持体表面１３に取り付けられる埋込みコイルの面は、（この
図においてはＬｏによって示される）非変形トランスジューサと同じ長さのまま
であるが、コイルの反対側の面は、曲率半径が大きいため、延伸している。最終
結果は、電気伝導体Ａ，Ｂの各ターンあるいはループが、屈曲されたトランスジ
ューサの外側の面で、分離することである。

【００２０】 隣接するターンの間における角度方向分離の合計は、２つの端部におけるトラ
ンスジューサの円弧に関する接線によって形成される角度として定義されるトラ
ンスジューサの屈曲に等しい。

【００２１】 図２（ｃ）および図２（ｄ）は、異なるギャップを有する平行板コンデンサと
して抽象化される等価キャパシタンス２５を有する、弛緩つまり非屈曲状態およ
び屈曲状態にある各電気伝導体Ａ，Ｂにおける隣接するループ２６および２７を
、それぞれ示している。

【００２２】 各電気伝導体Ａ，Ｂの間におけるキャパシタンスが変化するのは、トランスジ
ューサが屈曲させられるが、少なくとも、支持体表面１３に取付けられたエッジ
に沿ったトランスジューサの長さが変化しない場合である。

【００２３】 各電気伝導体Ａ，Ｂの間におけるキャパシタンスの変化は、屈曲の便利な測定
であり、トランスジューサの２つの端部に取り付けられているゴニオメータの助
けを借りて、容易にキャリブレーションすることができる。

【００２４】 図１（ｅ）と図１（ｆ）と図１（ｇ）は、図１（ｄ）に示される円形の断面を
変形させる、あるいは、適当な断面を有するマンドレル上に直接形成することに
よって、得ることができる。

【００２５】 同じ周長の円形の断面に比べて、図１（ｅ）および図１（ｇ）に示される断面
を使用する利点は、各電気伝導体Ａ，Ｂの曲率半径がより一層大きくなり、した
がって、同一屈曲におけるキャパシタンスの変化がより大きくなり、トランスジ
ューサの固有感度（inherent sensitivity）が増加することである。

【００２６】 図１および図２のトランスジューサは、接着材によって、あるいは、トランス
ジューサの各端部またはその全長に沿って適用される縫合（stitching）によっ
て、伸縮性織物（図示せず）に取り付けることができる。織物は、図３に示すよ
うに、グローブ１６の一部を形成する伸縮性織物に使用することが可能である。
このような場合、グローブが着用される際に、ユーザの手の裏に位置するように
、トランスジューサは、グローブの指１９あるいは親指２２に沿って取り付けら
れる。別の実施の形態においては、トランスジューサは、グローブの手のひらに
取り付けられる。各トランスジューサ１０は、親指を含む各指に沿って取り付け
られる。しかし、複数のトランスジューサを各指に取り付けることも可能である
。パペッティアのグローブ（図示せず）に係るさらに別の実施の形態においては
、各トランスジューサは、各指の各関節（knuckle joint）を越えて、あるいは
、指関節の一つ以上のみを越えて延長させることができる。電線２０は、各トラ
ンスジューサの読出し回路部品から終端ブロック１８まで延長しているため、外
部回路部品を、各トランスジューサの各電気伝導体に、接続できる。

【００２７】 明白となるように、トランスジューサの２つの面の間の長さにおける相対的な
変化は、電気伝導体Ａ，Ｂのコイルあるいはターンの間の角度方向分離を引き起
こす。この角度方向分離は、支持体表面１３の屈曲に直接的に関係するトランス
ジューサのキャパシタンスを、変化させる。適切なキャリブレーションによって
、屈曲の角度あるいは関節の回転は、キャパシタンスにおける測定された変化か
ら、正確に導き出すことができる。トランスジューサの読出し回路の実施の形態
を、図４および図５を参照して、説明する。トランスジューサのキャパシタンス
Ｃ（θ）は、図４で示される非安定構成（astable configuration）におけるＣ
‐Ｍｏｓ５５５等の発振器２３のタイミングキャパシタンスとなるようにアレン
ジされる。トランスジューサの屈曲は、発振器の出力周波数を変調する。

【００２８】 平行板コンデンサにおいては、キャパシタンスは、次の関係式で表現される。

【００２９】 Ｃ＝Ｓ／（ｄ＋ｄｏ） ここで、符号Ｓは、電極の有効面積、符号ｄは、電極間の可変距離、符号ｄｏ
は、例えば、電極ワイヤの絶縁部の厚さに基づく、固定された最小離間距離であ
る。

【００３０】 同じ式が、屈曲状態にあるトランスジューサのキャパシタンスに適用され、符
号Ｓは、電極Ａ，Ｂの有効面積を表し、符号ｄは、等価離間距離（equivalent s
eparation）であり、これは、図２（ｂ）〜図２（ｄ）から容易に推測できるよ
うに、良好な近似を示す、屈曲角度θ（ｄ＝ｋθ）の線形関数である。

【００３１】 したがって、トランスジューサのキャパシタンスは、良好な近似である。

【００３２】 Ｃ（θ）＝θＳ／（ｋθ＋ｄｏ） 発振器２３の出力周波数は、次の式によって与えられる。

【００３３】 Ｆｏｕｔ＝ａ／ＲＣ ここで、符号ａは回路定数であり、符号Ｒはフィードバック抵抗である。

【００３４】 上記の関係において、屈曲の関数として、トランスジューサのキャパシタンス
の式を代替して使用することは、屈曲の関数として、出力周波数の本質的な線形
依存性を、結果として生じる。

【００３５】 Ｆｏｕｔ＝Ｋθ＋Ｆｏ 可変ギャップを有する平行板コンデンサは、小さなギャップにおける離間距離
の変化に対する感度が、最も大きい。

【００３６】 非常に大きい屈曲の場合であっても、トランスジューサの有効ギャップは、常
に非常に小さいため、変換特性の最も感度が良好な領域における操作を保証する
。この点は、米国特許第５，０９０，２４８号に開示される前記トランスジュー
サと異なっている。

【００３７】 出力周波数Ｆｏｕｔは、単純な回路部品（図５）を使用することによって、ア
ナログ電流あるいは電圧に、変換することができる。マイクロコントローラ２４
は、キャパシタンスにおける変化を、外部の機器あるいはコンピュータによって
容易に表示可能でありかつ読出し可能な形態に、変換するために必要とされる全
ての機能を実行する。発振器あるいはマイクロコントローラ２４は、終端ブロッ
ク１８におけるトランスジューサのコイルの一端に、直接組み込まれており、漂
遊容量（stray capacitance）を最小化し、また、外部装置（図１（ｃ）を参照
のこと）に対する接続を、容易にする。発振器あるいはマイクロコントローラ回
路の一例が、図５に示されている。

【００３８】 前記の米国特許第５，０９０，２４８号に開示されているようなトランスジュ
ーサは、屈曲の角度あるいは関節の回転を測定する状況においては、機能しない
。なぜなら、それは、結果を分析する際に分離することができない伸長と偏差の
両方を条件とするためである。この従来技術のトランスジューサを使用する場合
、キャパシタンスにおける変化は、伸長と角度的な偏差の両方に基づく、電極間
ギャップの変化の測定値である。本発明のトランスジューサを使用する場合、柔
軟性を有する非伸縮性支持体を経由し、角度的な偏差のみが、電子式トランスジ
ューサに転送される。支持体表面１３は、人体自体における可能な長さの変化が
容易となるように、人体あるいは関節に取り付けられる。換言すれば、グローブ
１６の弾性材料は、指部の全面渡って、長さが変化するが、支持体表面１３は、
トランスジューサ１０の長さにおける同様な変化を防止する。屈曲は、柔軟性を
有する非伸縮性支持を経由し、トランスジューサに転送されるため、正確な位置
決めは不要であり、キャパシタンス変化は、グローブ内部の手のサイズと、屈曲
動作中のグローブの移動とから独立している。この結果、一般的な装置および機
器のコンピュータプログラムを遠隔制御するための信頼できる再生可能なデータ
入力装置となる。パペッティアのグローブの場合、手の関節および指の屈曲の正
確な測定が可能となるため、アニメーションを制御する遠隔コンピュータに対し
て伝送される、信頼できるデータを、提供する。

【００３９】 屈曲トランスジューサは、グローブに関する具体的な実施の形態において、説
明されてきたが、多くの別の応用を有することは明白であり、したがって、この
特定の目的に制限されない。本トランスジューサは、屈曲が正確に測定される位
置における使用に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１（ａ）】 本発明に係る屈曲トランスジューサの側面断面図である。

【図１（ｂ）】 図１（ａ）に記載されている本発明に係る屈曲トランスジ
ューサの上方からの斜視図である。

【図１（ｃ）】 図１（ｂ）のトランスジューサの端部の拡大図である。

【図１（ｄ）】 図１（ａ）に示されるトランスジューサのコア巻線に関す
る変形例の断面図である。

【図１（ｅ）】 図１（ａ）に示されるトランスジューサのコア巻線に関す
る変形例の断面図である。

【図１（ｆ）】 図１（ａ）に示されるトランスジューサのコア巻線に関す
る変形例の断面図である。

【図１（ｇ）】 図１（ａ）に示されるトランスジューサのコア巻線に関す
る変形例の断面図である。

【図２（ａ）】 図１（ａ）に類似している弛緩状態におけるトランスジュ
ーサを示している図である。

【図２（ｂ）】 図１（ａ）に類似している屈曲状態におけるトランスジュ
ーサを示している図である。

【図２（ｃ）】 異なるギャップを有する平行板コンデンサとして抽象化さ
れた等価キャパシタンスとして示される、弛緩状態におけるトランスジューサの
コイルにおける一対の隣接するターンを表している図である。

【図２（ｄ）】 異なるギャップを有する平行板コンデンサとして抽象化さ
れた等価キャパシタンスとして示される、屈曲状態におけるトランスジューサの
コイルにおける一対の隣接するターンを表している図である。

【図３】 グローブの各指に取付けられた、本発明に係るトランスジューサ
を示しているグローブの裏の概略図である。

【図４】 変化するキャパシタンスからデジタルおよびアナログデータ出力
を生成するための一般的な発振回路の略ブロック図である。

【図５】 本実施の形態のトランスジューサに適用される、図６に類似する
回路図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 シムミノ，アルベルト オーストラリア国，ビクトリア州 3187， イースト ブライトン，ウォーレン スト リート ７ Ｆターム(参考） 2F063 AA42 BA29 BC00 DA02 HA01 HA13 LA05 2F077 AA25 AA42 AA49 CC02 HH18 TT01 【要約の続き】 載されている。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 細長いコイルを形成する電気的に隔離して間置される電気伝
   導体を２つ以上有しており、 前記コイルは、柔軟性を有する非伸縮性支持体表面に関し、その長さに沿った
   一方の面に、結合されており、 前記表面の屈曲は、その当初の長さを維持する前記面と、前記面の反対側の面
   との間における前記コイルの長さ変化を引き起こし、 これにより、前記電気伝導体の間の角度方向分離を引き起こし、その結果、前
   記コイルのキャパシタンスにおける変化を生じさせる ことを特徴とする電子式屈曲トランスジューサ。
2. 【請求項２】 前記コイルは、前記コイルのためのケーシングを形成する弾
   性誘電体に囲まれており、前記ケーシングは、前記支持体に弾性接着材によって
   結合されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスジューサ。
3. 【請求項３】 前記コイルは、前記電気伝導体を２つ有し、各電気伝導体に
   対して、適切な絶縁電線を接続することによって、前記屈曲によるキャパシタン
   スの変化の監視を容易にしており、適切なキャリブレーションによって、屈曲あ
   るいは関節の回転の角度が、正確に導き出されることを特徴とする請求項２に記
   載のトランスジューサ。
4. 【請求項４】 前記コイルの断面形状は、円形であることを特徴とする請求
   項３に記載のトランスジューサ。
5. 【請求項５】 前記コイルの断面形状は、不等辺を有する長方形であること
   を特徴とする請求項３に記載のトランスジューサ。
6. 【請求項６】 前記一方の辺は、前記長方形のコイルの短辺と一致すること
   を特徴とする請求項５に記載のトランスジューサ。
7. 【請求項７】 前記一方の辺は、前記長方形のコイルの長辺と一致すること
   を特徴とする請求項５に記載のトランスジューサ。
8. 【請求項８】 前記コイルの断面形状は、略三角形であり、前記一方の辺は
   、前記三角形の頂点と一致することを特徴とする請求項３に記載のトランスジュ
   ーサ。
9. 【請求項９】 パペッティアのグローブであって、前記グローブの親指を含
   む各指は、一つ以上の指関節を越えて延長する請求項１に記載のトランスジュー
   サを、有することを特徴とするパペッティアのグローブ。
10. 【請求項１０】 前記トランスジューサは、それぞれ、前記指関節を越えて
    延長することを特徴とする請求項９に記載のパペッティアのグローブ。
11. 【請求項１１】 前記トランスジューサは、親指を除いた各指の３つの関節
    を越えて延長するトランスジューサと、親指の関節を越えて延長するトランスジ
    ューサからなることを特徴とする請求項９に記載のパペッティアのグローブ。
12. 【請求項１２】 前記トランスジューサは、前記グローブの親指を含む各指
    の裏に、位置することを特徴とする請求項９、１０又は１１に記載のパペッティ
    アのグローブ。
13. 【請求項１３】 前記グローブには、マイクロコントローラを含んでいる読
    出し回路が設けられており、前記コイルからの電気出力を受信し、各電気伝導体
    の間におけるキャパシタンスの変化を、外部コンピュータによって読出し可能な
    信号に変換することを特徴とする請求項１２に記載のパペッティアのグローブ。