JP2006234586A - 圧電式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサを動作させるための電源を必要とせず、軽量化が可能で、センサのユーザに対する負担を軽減できる圧電式センサを提供することである。
【解決手段】圧電式センサは、圧電素子を含む構造体１により少なくとも一部を画成される空間を持つ中空の空間構造体内に動体５を備え、空間構造体が動くのに際して動体５が動いて圧電素子を含む構造体１に力を作用させることで発生する電力をもとに空間構造体の動きを検知する。圧電素子を含む構造体１で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子２を更に含み、発光素子２からの光を受光器で受光する様にもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体などの動作検出対象の動きを検出する為のモーションセンサに関するものであり、特に圧電素子を用いた圧電式センサ、これを用いたセンサシステムなどに関する。

従来、物体の動きを検出するための方法として、物体にジャイロスコープを取り付け、角速度などを測定し、モーションを検知することが一般に行われてきている。

また、このジャイロスコープを用いたモーションの検知方法とは異なるアプローチとして、人体の動きをコンデンサの静電容量の変化として捉える方法がある（特許文献１参照）。これは、人体の一部の動きを検出して入力操作を提供するための手段を実現することを目的とする。そして、人体表面に沿って複数の送信電極及び受信電極を交互に配置し、発信器により送信電極に所定周波数の波形信号を供給し、人体を介して伝わる波形信号を各受信電極で受信するものであり、各送信電極と受信電極と人体表面の間においてコンデンサと等価な回路が形成されている為に、各送信電極と受信電極の間で計測される信号の多次元ベクトル値から人体の動きを知るものである。
特開２００２−３５８１４９号公報

しかしながら、従来のジャイロスコープを用いたセンサや特許文献１のユーザ入力装置などのセンサでは、センサを動作させるための電源が必要であり、装置の重量が重くなりがちでユーザの負担が大きく取り扱いが不便になりやすい。

上記課題に鑑み、発明の圧電式センサは、圧電素子を含む構造体により少なくとも一部を画成される空間を持つ中空の空間構造体内に動体を備え、空間構造体が動くのに際して動体が動いて圧電素子を含む構造体に力を作用させることで発生する電力をもとに空間構造体の動きを検知することを特徴とする。前記圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子を更に含み、発光素子からの光を受光器で受光する様にもできる。

また、上記課題に鑑み、発明のモーションキャプチャーシステムなどのセンサシステムは、上記の圧電式センサと、圧電式センサの動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信するための受信手段と、受信した信号を処理して、圧電式センサに作用を及ぼす動作検出対象の動作情報を検出するための信号処理手段を含むことを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、発明の動作検出方法は、上記の圧電式センサを動作検出対象に取り付け、動作検出対象の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信し、受信した信号を処理して、動作検出対象の動作情報を検出することを特徴とする。

本発明によれば、変形で自ら電力を発生する圧電素子を含むので、センサを動作させるための電源を必要としないため、軽量化が可能となり、センサのユーザに対する負担を軽減することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図１〜図７を参照して具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の圧電式センサの正面図及び断面図を示したものである。図１（a）は立方体形状のセンサの各面を内側から見た正面図であり、図１（b）はこのセンサの空間構造体の中心部（ここに動体５があると仮定する）を通る面での断面図である。

このセンサは、中空の空間構造体を形成する立方体の形をした筐体３（立方体の陵の部分にのみ材料部がある骨組みである）の各面の開口部にスポンジ４を嵌め込み、このスポンジ４上に、圧電素子を含む平面状の圧電バイモルフ素子１を固定したものであり、筐体３の内部に、自由に運動する動体５を入れた構造をしている。このセンサを着けた動作検出対象の動きに伴って中空の構造体が移動すると、筐体３の内部にある動体５が動いて圧電バイモルフ素子１に衝突して力を作用させるため、圧電バイモルフ素子１が変形しそこに起電力が生じる仕組みである。動作検出対象の動きにしたがって、どの圧電バイモルフ素子１にどの程度の勢いで動体５が衝突するかがほぼ決まるので、その圧電バイモルフ素子１の変形の程度が変化して起電力の大きさも変化し、それに基づいて動作検出対象の動き、方向などが検出できることになる。

図２は圧電バイモルフ素子１と発光ダイオード２の配線を示す回路図である。圧電バイモルフ素子１は、図２に示す様に２枚の圧電素子１０を貼り合わせた構造を持つもので、圧電素子１０に変位が与えられると起電力が生じるものである。２枚の圧電素子１０（これらの分極方向は同じにしておく）を貼り合わせたものを両端部を支持して中央部を上から押すと、上側の圧電素子１０が縮み下側の圧電素子１０が伸びる。そのため、上側の圧電素子１０の上下に生じる起電力の向きと、下側の圧電素子１０の上下に生じる起電力の向きは逆になり、全体として生じる起電力は、それぞれの圧電素子１０で生じる起電力の和となり、一定の方向を持つ（したがって、２つの発光ダイオード２の一方が発光する）。逆に、２枚の圧電素子１０を貼り合わせたものを両端部を支持して中央部を下から押すと、上側の圧電素子１０が伸び下側の圧電素子１０が縮むため、全体として生じる起電力の向きは上記方向と逆向きになる（したがって、２つの発光ダイオード２の他方が発光する）。なお、圧電素子１０としては、圧電セラミックスが用いられる。圧電バイモルフ素子３は、圧電モノモルフ素子などと比べると比較的大きな電力を取り出すことができる。

筐体３はプラスチック、金属等により構成することができ、筐体３とスポンジ４、及びスポンジ４と圧電バイモルフ素子１は接着剤などにより固定される。動体５は、筐体３の動きにより圧電バイモルフ素子１に衝撃を与えればよく、或る程度の質量を持った金属やプラスチックからできた完全な球またはそれに準ずる形状のものとすることができる。動体５のサイズについては、例えば、筐体３が一辺１ｃｍ程度の立方体で、その骨組みの材料部や圧電バイモルフ素子１が１ｍｍ程度の厚みを持つとした場合、これらで囲まれる空間内に納まって自由に動ける程度の大きさ（例えば、径２ｍｍ程度）であればよい。

スポンジ４は、動体５が圧電バイモルフ素子１に衝突した際に、圧電バイモルフ素子１が変形する様に、圧電バイモルフ素子１と固定されていればよく、必ずしも、スポンジ４の圧電バイモルフ素子１との境界面がすべて圧電バイモルフ素子１と接触し、接着されていなくてもよい。

上述した様に、動体５は、筐体３の内部を自由に移動できる様な大きさに選定されており、外部から力が働いて筐体３が動くと、その筐体３の移動速度変化や方向などに応じて動体５が筐体３内を自由に移動し、筐体３の内壁に固定された圧電バイモルフ素子１のいずれかに衝突し、その圧電バイモルフ素子１が変形する。そして、圧電バイモルフ素子１が変形すると、その変形に応じた電力が上記した様に得られ、その得られた電力は発光素子２によって光に変換される。

発光素子２としては発光ダイオード、特に高輝度の発光ダイオードを用いる。発光される光は、可視光線を用いてもよいし、照明条件によって可視光線を認識するのが難しい場合（日常生活ではよくあることである）や、発光している光が目障りであるなど不都合がある場合には、赤外線を使用するとよい。発光ダイオードは、図２に示す様に、２つの圧電素子１０からなる平面状の圧電バイモルフ素子１それぞれに対して２つの発光ダイオードが設置される。２つの発光ダイオードは、図２に示す様に、反対向きに設置されているため、上述した様に、圧電バイモルフ素子１が動体５により一方の方向に変形すると２つの発光ダイオードのうちの１つが発光し、反対方向に変形すると２つの発光ダイオードのうち発光しなかったもう一つの発光ダイオードが発光する。発光素子２を用いることで、電気信号を増幅することなく光に変換し、信号を無線で伝達できる

動体５の衝突により、圧電バイモルフ素子１が変形する場合は、衝撃により圧電バイモルフ素子１が一方の方向に変形されるが、弾性変形により元の形状に戻ろうとする力が働くため、一度の衝撃で２つの発光ダイオード２が連続して発光する。２つの発光ダイオードの発光色を異なる色にすることにより、どちらの色が最初に発光したかを知ることで、圧電バイモルフ素子１がどちらの方向に変形したかが分かる。また、衝突速度により、２つの発光ダイオードの発光する時間間隔が異なることを利用して、衝突速度も知ることができる。図３に、１つの圧電バイモルフ素子１と２つの発光ダイオードをケーブル６で結んだ図を示す。

筐体３は立方体であるため、筐体３の内壁には全部で６つの圧電バイモルフ素子１が配置されることになる。その結果、図１に示す様に、１２個の発光ダイオードがケーブル６により筐体３を介してそれぞれの圧電バイモルフ素子１と結ばれる。筐体３が動くと動体５と圧電バイモルフ素子１とが衝突し、筐体３の動きに応じた発光ダイオードが発光する。

図７は、図１のセンサを含むセンサシステムのブロック図である。図７に示す様に、図１のセンサ１１からの光は受光器１２で受光された後、信号処理部１３に送られ、センサ１１に力を作用させる物体（動作検出対象）の動きが算出される。データ処理装置には、例えば、パソコンを用いることができ、信号処理部１３には、例えば、DSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる信号処理を用いることができる。この解析においては、例えば、センサ１１の動きと発光素子の発光態様との対応関係を予め調べておいて、それをデータとしてメモリに記憶しておき、そして受信信号が入ってきたらそのデータに基づいて信号処理部１３で信号処理して物体（動作検出対象）の動作を検出すればよい。センサを含むセンサシステムは、発光素子を使わず、圧電素子の起電力をそのまま電気配線で受信部に送って、信号処理をしてもよい。この場合は、配線が存在するので、使用者は多少不自由になるが、それでも電源は必要ないので従来のものよりは優れる。

上述した様に、発光素子２から発せられる光の波長は可視光に限定されることはなく、それぞれの発光素子２からの信号を区別できるのであれば可視光以外の波長のもの、例えば赤外線であってもよい。よって、受光器１２は、発光素子２が発する光が可視光線であればＣＣＤカメラなどで受光され、赤外線であれば赤外線カメラなどで受光される。

また、上記した様に、信号処理部１３は、パソコン本体やカメラ本体などに設置されており、ＣＣＤカメラや赤外線カメラの画像を画像処理することによって、どの発光素子が発光しているのかを判別し、すべての発光素子から得られる発光パターンから、センサに力を作用させる物体（動作検出対象）の動きを算出するものである。

本実施例によれば、センサを動作させるための電源を必要としない小型なセンサとすることができるため、軽量化が可能となり、ユーザに負担がかからない。また、無線（光）で信号を伝達するため、配線などに悩まされることなく、センサを自由に設置できるなどセンサの取り扱いが容易になる。当然、電源の供給の仕方や配線、電池寿命などについて注意をしながら使用しなければならないということもなくなる。なお、前記中空の空間構造体は、立方体に限らず、四角錐、球、半球などの３次元構造を持つ中空の構造体であってもよい。

（実施例２）
図４は、ガイドを用いた本発明の実施例２の立方体形状のセンサの正面図及び断面図である。図４（a）はこの立方体形状のセンサの各面を内側から見た正面図であり、図４（b）はこのセンサの空間構造体の中心部を通る面での断面図である。構成は、実施例１の構成に加え、動体５の動きをガイド・制御するためのガイド７を筐体３の内部に設けてある。ガイド７は、金属製の筒やプラスチック製の筒を用いる。また、ガイド７の空洞の大きさは、ガイド７の内部を筒の長さ方向に動体５が自由に移動できる様な大きさに適切に選定されている。

１つのガイド７とその内部にある１つの動体５から一方向の動き、例えば、Ｘ軸方向の動きが分かるので、３次元方向の動きを知るには、図４の様に、３つの動体５と３つのガイド７（互いに直交する３つの方向に伸びる）が筐体３の内部に設置される。

筐体３の内部での各ガイド７は、各ガイド７の内部にある動体５が圧電バイモルフ素子１を効率良く変形させる様な位置に設置される。図４では、圧電バイモルフ素子１の中心付近に動体５が衝突する様に各ガイド７が設置されている。本実施例では、ガイド７により動体５が効率良く圧電素子に力を作用させ、大きな起電力を発生させることができる。その他の点は、実施例１と同じである。

（実施例３）
図５は、繊維を用いた本発明の実施例３の立方体形状のセンサの正面図及び断面図である。図５（a）はこの立方体形状のセンサの各面を内側から見た正面図であり、図５（b）はこのセンサの空間構造体の中心部を通る面での断面図である。構成は、実施例１の構成に加え、動体５と各圧電バイモルフ素子１をそれぞれ結びつける所定の長さを持つ繊維９が筐体３の内部に設けてある。

各繊維９は、動体５が移動することによる牽引に耐えられるだけの強度と伸び難さを備えている必要があり、例えば、超高弾性率で超高強度の物理的特性に優れた繊維であるスーパー繊維などを用いる。また、各繊維９の長さは、動体５が筐体３の内部を自由に移動しても、動体５が圧電バイモルフ素子１と接触しない様に選定されている。

動体５は、自身の移動により繊維９を介して圧電バイモルフ素子１を引っ張り、圧電バイモルフ素子１を内側に変形させる程度の質量を持っていればよく、或る程度の質量を持った金属やプラスチックからできたものとすることができる。動体５の形状は、動体５が筐体３の内部を移動したときに圧電バイモルフ素子１や各繊維９と接触することなく自由に移動できるものであればよい。

図５の例では、圧電バイモルフ素子１を筐体３に固定するのにスポンジ４を用いているが、圧電バイモルフ素子１が、動体５の移動により、各繊維９を介して効率良く変形するのであれば、圧電バイモルフ素子１の筐体３への固定方法はスポンジ４に限定されない。例えば、圧電バイモルフ素子１の端を固定する固定台など（これは、例えば、筐体３の骨組み材料部から伸びて形成される）を使用することができる。その他の点は、実施例１と同じである。

（実施例４）
図６は、中空の空間構造体の内部に複数（８つ）の中空部分を設けた本発明の実施例４の立方体形状のセンサの正面図及び断面図である。図６（a）は、この立方体形状のセンサの内部仕切り壁の４つの圧電素子構造体を含む面での断面図であり、図６（b）は、このセンサの外壁と内部仕切り壁の中間あたりの面での断面図である。

本実施例では、中空の構造体を形成する立方体の形をした筐体３の内部に、複数の中空部分を設けるための仕切り面（立方体の中心で全てが交差する互いに垂直な３つの仕切り面）をそれぞれ４つの圧電バイモルフ素子１によって構成する。図６では、中空の空間構造体を形成する立方体の形をした筐体３の内部を、圧電バイモルフ素子１によって、同じ大きさの８つの中空部分を形成している。各中空部分の内部には、それぞれ１つの動体５を配している。

動体５は、各中空部分を自由に移動できる様な大きさに選定されており、外部から力が働いて筐体３が動くと、その筐体３の移動速度変化や方向などに応じて動体５が中空部分を自由に移動する。こうして、中空部分の仕切りを構成している圧電バイモルフ素子１に衝突し、圧電バイモルフ素子１を変形させる。圧電バイモルフ素子１が変形すると、その変形に応じた電力が得られ、その得られた電力は発光素子２によって光に変換される。

発光素子２としては実施例１と同じもの、すなわち発光ダイオード、特に高輝度の発光ダイオードを用いる。図６に示す様に、１つの平面、例えば、Ｘ−Ｙ平面において４つの圧電バイモルフ素子１が設置されているので、３次元では全部で１２の圧電バイモルフ素子１が設置される。また、各圧電バイモルフ素子１に対して２つの発光素子２が発光するので、全部で２４の発光素子２がケーブル６で筐体３を介してそれぞれの圧電バイモルフ素子１と結ばれる。筐体３が動くと動体５と圧電バイモルフ素子１とが衝突し、筐体３の動きに応じた発光素子が発光するので、筐体３の動きの態様を知ることができる。

本実施例では、圧電バイモルフ素子１が、その平面に垂直な方向について両方向に変形する特徴を活かす為に、圧電バイモルフ素子１の両面にそれぞれ動体５が配置される構成にしてある。そのため、圧電バイモルフ素子１が動体５の衝突によって変形する方向が、図１の構成のものとは異なり、一方向だけでなく、両方向になる。

以上の様な構成にすることで、本実施例で使用する圧電バイモルフ素子１の使用量（面積）は、図１で使用する圧電バイモルフ素子１に比べて、ほぼ半分で済む。また、より多くの数の圧電バイモルフ素子１と動体５を備えるので、本実施例のセンサを取り付けた動作検出対象の動きをより細やかに検出できる。その他の点は、実施例１と同じである。

本発明の実施例１のセンサの正面図及び断面図である。 圧電バイモルフ素子と発光ダイオードの回路図である。 １つの圧電バイモルフ素子と２つの発光ダイオードをケーブルで結んだ構成を示す図である。 ガイドを用いた本発明の実施例２のセンサの正面図及び断面図である。 繊維を用いた本発明の実施例３のセンサの正面図及び断面図である。 中空の空間構造体の内部に複数の中空部分を設けた本発明の実施例４のセンサの正面図及び断面図である。 本発明のセンサを含むセンサシステムのブロック図である。

符号の説明

１・・・圧電バイモルフ素子（圧電素子を含む構造体）
２・・・発光ダイオード（発光素子）
３・・・筐体
５・・・動体
７・・・ガイド
９・・・所定の長さを持つ繊維
１０・・・圧電素子
１２・・・受光器（受信手段）
１３・・・信号処理部（信号処理手段）

Claims (9)

1. 圧電素子を含む構造体により少なくとも一部を画成される空間を持つ中空の空間構造体内に動体を備え、空間構造体が動くのに際して動体が動いて圧電素子を含む構造体に力を作用させることで発生する電力をもとに空間構造体の動きを検知することを特徴とする圧電式センサ。
2. 前記圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子を更に含む請求項１に記載の圧電式センサ。
3. 前記圧電素子を含む構造体は、２枚の圧電素子を張り合わせた構造を持つ圧電バイモルフ素子である請求項１または２に記載の圧電式センサ。
4. 前記動体の動きをガイド・制御するためのガイドを、前記空間構造体の内部に備える請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式センサ。
5. 前記動体と前記圧電素子を含む構造体とを結びつける繊維を、前記空間構造体の内部に備える請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式センサ。
6. 前記中空の空間構造体は、その内部に少なくとも１つ以上の中空部分が存在し、中空部分内に動体を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式センサ。
7. 前記中空の空間構造体は、立方体、四角錐、球、半球などの３次元構造を持つ中空の構造体である請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電式センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電式センサと、圧電式センサの動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信するための受信手段と、受信した信号を処理して、圧電式センサに作用を及ぼす動作検出対象の動作情報を検出するための信号処理手段を含むことを特徴とするセンサシステム。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電式センサを動作検出対象に取り付け、動作検出対象の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信し、受信した信号を処理して、動作検出対象の動作情報を検出することを特徴とする動作検出方法。

Images