JP2006340944A - Large deformation sensor, and seated person behavior detection sensor/monitor and game/exercising apparatus using the large deformation sensor - Google Patents

Large deformation sensor, and seated person behavior detection sensor/monitor and game/exercising apparatus using the large deformation sensor Download PDF

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由紀夫 藤本
Arif Setianto Taufiq
アリフセテイアント タウフィック
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a large deformation sensor which is inexpensive and compact to be easy to use and which can detect extending deformation and contracting deformation of several tens percent or larger, and to provide a seated person behavior detection sensor/monitor and a game/exercising apparatus which use the large deformation sensor and which are suitable for detecting the action and behavior of the person. <P>SOLUTION: The large deformation sensor consists of: an elastic band; and a piezoelectric film outputting a signal according to the strain in the longitudinal direction of the elastic band. The large deformation sensor consists of: an elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10MPa; and a pair of piezoelectric films arranged separately in the longitudinal direction of the elastic band and outputting a signal according to the strain in the longitudinal direction of the elastic band. The seated person behavior detection sensor/monitor and the game/exercising apparatus are constituted using them. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電フィルムを用いた大変形センサ及びこれを利用した人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a large deformation sensor using a piezoelectric film, and a seat occupant behavior detection sensor / monitor device and a game / training device suitable for detecting a motion and behavior of a person using the same.

数パーセント以下の伸び変形や縮み変形の検出には、通常歪ゲージが使用される。また、十パーセントを超える伸び変形や縮み変形の検出には歪ゲージの耐久性が無いことから、歪ゲージ等の歪み計測の物差しとなる弾性体を介さない、例えば、レーザ変位計が使用されることが多い。   A strain gauge is usually used to detect elongation deformation and shrinkage deformation of several percent or less. In addition, since the strain gauge has no durability for detecting elongation deformation and contraction deformation exceeding 10 percent, a laser displacement meter, for example, that does not use an elastic body that is a measure of strain measurement such as a strain gauge is used. There are many cases.

しかし、このような非接触で伸び等を高精度で測定する装置は一般に高価で大がかりになるという問題がある。このため、安価、コンパクトで使用しやすい歪ゲージタイプのもので従来の歪ゲージ以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な歪ゲージを開発する試みも数少ないがなされている。例えば、特許文献1に、Cu−Al−Mn合金であって、ひずみに比例して電気抵抗が直線的に変化する超弾性合金箔を用いたひずみセンサが提案されており、これにより最大35%の大変形を繰返し検出可能で、木材やコンクリート、樹脂などの大変形を測定することができることが開示されている。   However, there is a problem that such an apparatus for measuring the elongation and the like with high accuracy without contact is generally expensive and large. For this reason, there are few attempts to develop a strain gauge that is inexpensive, compact, and easy to use, and that can detect strain deformation and contraction deformation more than conventional strain gauges. For example, Patent Document 1 proposes a strain sensor using a superelastic alloy foil which is a Cu—Al—Mn alloy and whose electric resistance changes linearly in proportion to the strain, and this allows a maximum of 35%. It is disclosed that large deformations of wood, concrete, resin and the like can be measured repeatedly.

特開2004-10999号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-10999

しかしながら、歪ゲージ又は歪ゲージ類似の接触型の伸び又は縮み変形が検出可能なセンサで、特許文献1に提案された以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な大変形センサの提案例はない。   However, there is no proposed example of a large deformation sensor capable of detecting strain deformation or deformation deformation more than that proposed in Patent Document 1 with a sensor capable of detecting strain-type or strain gauge-like contact-type stretch or shrink deformation. .

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、安価、コンパクトで使用しやすく数十パーセント以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な接触型の大変形センサを提供することを目的とする。また、その大変形センサを用いた人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a contact-type large deformation sensor that is inexpensive, compact, easy to use, and capable of detecting expansion deformation or contraction deformation of several tens percent or more. . It is another object of the present invention to provide a seat occupant behavior detection sensor / monitoring device and a game / training device suitable for detecting a human motion and behavior using the large deformation sensor.

本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムとからなる。   The large deformation sensor according to the present invention includes an elastic band and a piezoelectric film that outputs a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band.

上記大変形センサの弾性バンド及び圧電フィルムにおいては、弾性バンド及び圧電フィルムの伸び剛性E×Aが下記の(1)式を満たすものとするのがよい。ここで、E1、E2はそれぞれ圧電フィルムと弾性バンドのヤング率であり、A1、A2はそれぞれ前記弾性バンドの前記圧電フィルムを含む横断面の圧電フィルムの横断面積と弾性バンドの横断面積である。(E1×A1)/(E2×A2)=3〜300 (1) In the elastic band and the piezoelectric film of the large deformation sensor, the elastic band and the piezoelectric film preferably have an elongation rigidity E × A that satisfies the following expression (1). Here, E 1 and E 2 are Young's moduli of the piezoelectric film and the elastic band, respectively, and A 1 and A 2 are the cross-sectional area of the piezoelectric film in the cross section including the piezoelectric film and the crossing of the elastic band, respectively. It is an area. (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) = 3 to 300 (1)

また、本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムと、該圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記の(2)式を満たす大変形センサとすることができる。ここで、E1は圧電フィルムのヤング率、E2は弾性バンドのヤング率、E3は弾性部材のヤング率である。E2≦E3<El (2) The large deformation sensor according to the present invention includes an elastic band, a piezoelectric film that outputs a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band, and an elastic member that covers the piezoelectric film and deforms integrally with the elastic band. The large deformation sensor satisfying the following expression (2) can be obtained. Here, E 1 is the Young's modulus of the piezoelectric film, E 2 is the Young's modulus of the elastic band, and E 3 is the Young's modulus of the elastic member. E 2 ≦ E 3 <E l (2)

上記大変形センサの弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材においては、弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材の伸び剛性E×Aが下記の(3)式を満たすものとするのがよい。ここで、E1、E2、E3はそれぞれ圧電フィルム、弾性バンド、弾性部材のヤング率であり、A1、A2、A3は前記弾性バンドの前記圧電フィルム及び前記弾性部材を含む横断面のそれぞれ圧電フィルムの横断面積、弾性バンドの横断面積、弾性部材の横断面積である。(E1×A1+E3×A3)/(E2×A2)=3〜300 (3) In the elastic band, the piezoelectric film, and the elastic member of the large deformation sensor, it is preferable that the elongation rigidity E × A of the elastic band, the piezoelectric film, and the elastic member satisfy the following expression (3). Here, E 1 , E 2 , and E 3 are Young's moduli of the piezoelectric film, elastic band, and elastic member, respectively, and A 1 , A 2 , and A 3 are transverse sections including the piezoelectric film and elastic member of the elastic band. The cross-sectional area of each surface of the piezoelectric film, the cross-sectional area of the elastic band, and the cross-sectional area of the elastic member. (E 1 × A 1 + E 3 × A 3) / (E 2 × A 2) = 3~300 (3)

本発明に係る大変形センサは、さらに、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムとからなる。   The large deformation sensor according to the present invention further includes an elastic band and a pair of piezoelectric films that are arranged in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band. .

また、本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、該一対の圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記(4)式を満たすものとすることができる。ここで、E2は弾性バンドのヤング率、E1は圧電フィルムのヤング率、E3は弾性部材のヤング率である。E2≦E3<El (4) In addition, a large deformation sensor according to the present invention includes an elastic band, a pair of piezoelectric films that are spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band, It consists of an elastic member that covers a pair of piezoelectric films and deforms integrally with the elastic band, and satisfies the following formula (4). Here, E 2 is the Young's modulus of the elastic band, E 1 is the Young's modulus of the piezoelectric film, and E 3 is the Young's modulus of the elastic member. E 2 ≦ E 3 <E l (4)

上記大変形センサにおいて、弾性バンドは0.5〜10MPaのヤング率を有するものを用いるのがよく、弾性部材は0.5〜10MPaのヤング率を有するものを用いるのがよい。   In the large deformation sensor, an elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa is preferably used, and an elastic member having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa is preferably used.

本発明に係る大変形センサは、また、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドを張設する支持部材と、からなるものとすることができ、本大変形センサを座席体の上又は内部に配設することにより、座席者の挙動を検知することができる挙動検知センサを構成することができる。   The large deformation sensor according to the present invention is also provided with an elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa and a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band which is arranged in the longitudinal direction of the elastic band. A pair of piezoelectric films and a support member for stretching the elastic band, and by disposing the large deformation sensor on or in the seat body, It is possible to configure a behavior detection sensor that can detect.

また、上記挙動センサを用いて座席者の状態監視装置を構成することができる。すなわち、上記挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号Vl、V2の測定手段と、該測定手段で測定したVl、V2の位相演算手段と、Vl、V2の加算及び減算演算手段と、前記演算手段による演算結果から座席者の重量と座席者の重心位置を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置を構成することができる。 Moreover, a seat occupant's state monitoring apparatus can be comprised using the said behavior sensor. That is, the behavior detection sensor, the measurement means for the output signals V l and V 2 of the pair of piezoelectric films of the behavior detection sensor, the phase calculation means for V l and V 2 measured by the measurement means, and V l Thus, a seat occupant state monitoring device comprising V 2 addition and subtraction calculation means and determination means for determining the weight of the seat occupant and the center of gravity position of the seat occupant from the calculation result of the calculation means can be configured.

また、上記挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号Vl、V2の測定手段と、該測定手段で測定したVl、V2の位相演算手段と、Vl、V2の減算値の微分演算手段と、前記演算手段による演算結果から座席者の位置の移動速度を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置を構成することができる。 Further, the behavior detection sensor, the measurement means for the output signals V l and V 2 of the pair of piezoelectric films of the behavior detection sensor, the phase calculation means for V l and V 2 measured by the measurement means, and V l Thus, a seat occupant state monitoring device comprising a subtraction value differential calculation means for V 2 and a determination means for determining the movement speed of the position of the occupant from the calculation result of the calculation means can be configured.

さらに本発明は以下のような使用者にとって興味又は意欲をもって遊技又は訓練をすることができる、遊技・訓練装置を構成することができる。すなわち、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドの両端を固定する支持部材と、前記一対の圧電フィルムからの信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段により処理された信号を表示する表示手段と、からなり、前記一対の圧電フィルムの間の前記弾性バンド部分に遊技者又は訓練者からの負荷作用部が設けられてなる遊戯・訓練装置を構成することができる。   Furthermore, the present invention can constitute a game / training apparatus that can play or train with interest or motivation for the following users. That is, an elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa, a pair of piezoelectric films that are spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band, and the elastic The pair of piezoelectric films comprises: a support member that fixes both ends of the band; signal processing means that processes signals from the pair of piezoelectric films; and display means that displays signals processed by the signal processing means. A game / training apparatus in which a load acting part from a player or a trainee is provided in the elastic band portion between the two can be configured.

上記遊技・訓練装置において、信号処理手段は、圧電フィルムからの信号を測定する測定手段と、前記測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、該データベースに蓄積されたデータと前記演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなるものとすることができる。   In the game / training apparatus, the signal processing means calculates the magnitude and timing of the force applied to the deformation sensor by the player from the measurement means for measuring the signal from the piezoelectric film and the measurement value measured by the measurement means. The calculation means, a database storing training programs, and comparison means for comparing the data stored in the database with the results of the calculation means can be used.

また、表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに訓練者に訓練度合いを表示することができるものとすることができ、上記遊技・訓練装置には、遊技者又は訓練者からの信号を入力する入力手段と、該入力手段からの信号を処理して前記遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段とを設けるのがよい。   The display means can display the result of the calculation means and the result of the comparison means, and can display the training degree to the trainee. The game / training apparatus includes a player or trainer. It is preferable to provide an input means for inputting a signal from the computer and an interrupt means for processing the signal from the input means and inputting the signal to the signal processing means of the game / training apparatus.

本発明に係る大変形センサは、安価、コンパクトで使用しやすく数十パーセント以上の伸び変形や縮み変形を検出することができる。また、その大変形センサを用いて人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を構成することができる。   The large deformation sensor according to the present invention is inexpensive, compact and easy to use, and can detect elongation deformation and contraction deformation of several tens of percent or more. Further, it is possible to configure a seat occupant behavior detection sensor / monitor device and a game / training device suitable for detecting a human motion and behavior using the large deformation sensor.

以下本発明に係る大変形センサの実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る大変形センサ100の構成を示す模式図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA-A線の拡大断面図である。図2はこの大変形センサ100を用いて大変形量等を測定する電気回路図を示す。   Embodiments of a large deformation sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A and 1B are schematic views showing the configuration of a large deformation sensor 100 according to the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 2 is an electric circuit diagram for measuring a large deformation amount and the like using the large deformation sensor 100. FIG.

大変形センサ100は、図1に示すように長尺の弾性バンド15と、弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルム、すなわち、弾性バンド15のほぼ中央部内に埋め込まれた圧電フィルム10と、弾性バンド15の長手方向の歪に応じて圧電フィルム10の内部に生じた電荷を出力電圧として取り出すための圧電フィルム10の表裏面に設けられた一対の電極13(13A、13B)とからなる。   The large deformation sensor 100, as shown in FIG. 1, is a piezoelectric film that outputs a signal corresponding to the long elastic band 15 and the strain in the longitudinal direction of the elastic band, that is, embedded in the substantially central portion of the elastic band 15. The piezoelectric film 10 and a pair of electrodes 13 (13A, 13B) provided on the front and back surfaces of the piezoelectric film 10 for taking out an electric charge generated in the piezoelectric film 10 according to the longitudinal strain of the elastic band 15 as an output voltage ).

圧電フィルム10は公知のものを使用することができる。例えば、フィルムの厚みが20〜100μm、ヤング率が2000〜4000MPa、ポアソン比が0.3〜0.35のPVDF(ポリフッ化ビニリデン、Polyvinylidene fluoride)を使用することができる。PVDFを積層したものを使用することもできる。   As the piezoelectric film 10, a known film can be used. For example, PVDF (polyvinylidene fluoride) having a film thickness of 20 to 100 μm, Young's modulus of 2000 to 4000 MPa, and Poisson's ratio of 0.3 to 0.35 can be used. A laminate of PVDF can also be used.

圧電フィルム10の両面に設ける一対の電極13(13A、13B)は、圧電フィルム10の両面にアルミニウムを蒸着し、導電性塗料を塗布し又は銅やニッケルのスパッタリングにより構成することができる。この電極13A、13Bは、圧電フィルム10の変形を阻害することなくその変形に追従でき、導電性に優れたものであればよい。また、電極13A、13Bはその周縁部で短絡せず、かつ圧電フィルム10面のほぼ全面にわたっているのがよい。これにより、圧電フィルム10の面積に応じた出力電圧を得ることができる。   The pair of electrodes 13 (13A, 13B) provided on both surfaces of the piezoelectric film 10 can be configured by vapor-depositing aluminum on both surfaces of the piezoelectric film 10, applying a conductive paint, or sputtering of copper or nickel. The electrodes 13A and 13B may be any electrode as long as they can follow the deformation of the piezoelectric film 10 without hindering the deformation and have excellent conductivity. Further, the electrodes 13A and 13B should not be short-circuited at the peripheral edge portion and may extend over almost the entire surface of the piezoelectric film 10. Thereby, an output voltage corresponding to the area of the piezoelectric film 10 can be obtained.

弾性バンド15は、数十パーセント以上の弾性伸びを有する弾性体を用いる。例えば、天然ゴム、合成ゴムなどの各種ゴム系素材、あるいは各種ゴム系素材を組み合わせてなる柔軟な弾性体を使用することができる。   As the elastic band 15, an elastic body having an elastic elongation of several tens of percent or more is used. For example, various rubber materials such as natural rubber and synthetic rubber, or a flexible elastic body formed by combining various rubber materials can be used.

本大変形センサ100において、圧電フィルム10(電極13を含む)及び弾性バンド15の横断面の形状とレイアウトは変形量等の測定精度に関係するから重要である。すなわち、圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面の形状は、図1(b)に示すように、互いに直交するYY軸及びZZ軸に対称になっており、かつ、圧電フィルム10は圧電フィルム10の横断面の対称軸と弾性バンド15の横断面の対称軸が一致するように弾性バンド15の内部に埋め込まれているのがよい。これにより、大変形センサ100が面外方向の曲げ力を受けたとき、圧電フィルム10に曲げ力による出力電圧の変動が生じないから精度の高い測定が可能になる。また、大変形センサ100が長手方向の外力を受けたとき、圧電フィルム10に面外曲げ変形が生じないので精度の高い測定が可能になる。   In the large deformation sensor 100, the shape and layout of the cross section of the piezoelectric film 10 (including the electrode 13) and the elastic band 15 are important because they are related to the measurement accuracy such as the deformation amount. That is, the cross-sectional shapes of the piezoelectric film 10 and the elastic band 15 are symmetric with respect to the YY axis and the ZZ axis orthogonal to each other, as shown in FIG. It is preferable that the elastic band 15 is embedded inside the elastic band 15 so that the symmetry axis of the cross section of the elastic band 15 coincides with the symmetry axis of the elastic band 15. As a result, when the large deformation sensor 100 receives a bending force in the out-of-plane direction, the output voltage does not fluctuate due to the bending force in the piezoelectric film 10, so that highly accurate measurement is possible. In addition, when the large deformation sensor 100 receives an external force in the longitudinal direction, the piezoelectric film 10 is not subjected to out-of-plane bending deformation, so that highly accurate measurement is possible.

また、圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面は、弾性バンド15の長手方向について一様であるのがよい。すなわち、弾性バンド15の圧電フィルム10を含む部分の横断面について、また、圧電フィルム10を含まない部分の横断面について、それぞれ弾性バンド15の長手方向について一様であるのがよい。これにより、高い測定精度を確保することが容易になる。また、大変形センサの製作が容易になる。   In addition, the cross sections of the piezoelectric film 10 and the elastic band 15 are preferably uniform in the longitudinal direction of the elastic band 15. That is, the cross section of the elastic band 15 including the piezoelectric film 10 and the cross section of the portion not including the piezoelectric film 10 may be uniform in the longitudinal direction of the elastic band 15, respectively. This makes it easy to ensure high measurement accuracy. Also, it becomes easy to manufacture a large deformation sensor.

なお、弾性バンド15の長手方向上の圧電フィルム10のレイアウト位置は必ずしも弾性バンド15のほぼ中央部である必要はない。弾性バンド15に負荷された外力が圧電フィルム10に伝達される位置にあればよい。   Note that the layout position of the piezoelectric film 10 in the longitudinal direction of the elastic band 15 does not necessarily have to be approximately the center of the elastic band 15. The external force loaded on the elastic band 15 may be at a position where it is transmitted to the piezoelectric film 10.

大変形センサ100を用いて大変形量等を測定する電気回路図は、図2に示すように、圧電フィルム10と、圧電フィルム10の内部に生じた電荷を外部に導く配線18(18A、18B)とからなる大変形センサ100側の回路と、圧電フィルム10に生じた電荷を出力電圧として検知する電圧検知装置60の回路とからなる。図2において、R0は電圧検知装置60の内部抵抗を示す。静電容量Cと抵抗Rは、外力の負荷速度により必要に応じて変形センサ100の側又は電圧検知装置60の側の回路内に設けられるコンデンサーと抵抗である。 As shown in FIG. 2, an electric circuit diagram for measuring a large deformation amount or the like using the large deformation sensor 100 includes a piezoelectric film 10 and wirings 18 (18A, 18B) for guiding charges generated inside the piezoelectric film 10 to the outside. ) And the circuit of the voltage detection device 60 that detects the electric charge generated in the piezoelectric film 10 as an output voltage. In FIG. 2, R 0 indicates the internal resistance of the voltage detection device 60. Capacitance C and resistance R are a capacitor and a resistance provided in a circuit on the deformation sensor 100 side or the voltage detection device 60 side as needed depending on the load speed of the external force.

配線18(18A、18B)は、例えば導電性粘着剤付き金属箔テープに配線を半田付けし、金属箔テープの粘着剤面を電極13A、13Bに粘着し、あるいはカシメにより結線して構成される。それらの端部は配線用コネクタ(図示しない)に接続され、電圧検知装置60の配線コネクターと容易に連結できるようになっている。なお、以下に説明する圧電フィルムについて、その出力電圧が関係する場合は圧電フィルムの表裏面には、一対の電極を有し、また、これに接続された配線を有するものとする。   The wiring 18 (18A, 18B) is configured by soldering the wiring to a metal foil tape with a conductive adhesive, for example, and bonding the adhesive surface of the metal foil tape to the electrodes 13A, 13B or by caulking. . These end portions are connected to a wiring connector (not shown) so that they can be easily connected to the wiring connector of the voltage detection device 60. In addition, about the piezoelectric film demonstrated below, when the output voltage is concerned, it shall have a pair of electrodes and the wiring connected to this on the front and back of a piezoelectric film.

電圧検知装置60の側に設けるコンデンサーCは、圧電フィルム10にPVDFを用いる場合は0.2〜2μFのものを用いるのがよい。抵抗Rは、一般に外力の負荷速度が緩やかで圧電フィルム10から検知される出力電圧の周期が長い場合に設けられる。例えば、合成抵抗(R0+R)が1〜10MΩになるような抵抗Rを電圧検知装置60の側の回路に設けるのがよい。 The capacitor C provided on the voltage detection device 60 side is preferably 0.2 to 2 μF when PVDF is used for the piezoelectric film 10. The resistor R is generally provided when the load speed of the external force is moderate and the period of the output voltage detected from the piezoelectric film 10 is long. For example, it is preferable to provide a resistor R in the circuit on the voltage detection device 60 side so that the combined resistance (R 0 + R) is 1 to 10 MΩ.

次に、本大変形センサ100を用いて大変形量(伸び)を測定する原理を以下に説明する。図1に示すように、本大変形センサ10に外力Wが作用している場合を考える。弾性バンド15及び圧電フィルム10は、弾性バンド15の長手方向で均一な形状をしており、圧電フィルム10を含む弾性バンド15の横断面部の圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面形状は対称でともに対称軸が一致している。弾性バンド15の全長をL(mm)、圧電フィルム10の長さをLl(mm)とする。圧電フィルム10を含む弾性バンド15の横断面部の歪みをεとし、圧電フィルム10の横断面積をA1、弾性バンドの横断面積をA2する。圧電フィルム10のヤング率をE1、弾性バンドのヤング率をE2する。また、大変形センサ100の伸びをδとする。 Next, the principle of measuring the large deformation amount (elongation) using the large deformation sensor 100 will be described below. Consider a case where an external force W is acting on the large deformation sensor 10 as shown in FIG. The elastic band 15 and the piezoelectric film 10 have a uniform shape in the longitudinal direction of the elastic band 15, and the cross-sectional shapes of the piezoelectric film 10 and the elastic band 15 in the cross section of the elastic band 15 including the piezoelectric film 10 are symmetrical. Both have the same axis of symmetry. The total length of the elastic band 15 is L (mm), and the length of the piezoelectric film 10 is L l (mm). The strain of the cross section of the elastic band 15 including the piezoelectric film 10 is ε, the transverse area of the piezoelectric film 10 is A 1 , and the transverse area of the elastic band is A 2 . The Young's modulus of the piezoelectric film 10 is E 1 , and the Young's modulus of the elastic band is E 2 . Further, the elongation of the large deformation sensor 100 is represented by δ.

上記の大変形センサ100において、外力Wは弾性バンド15と圧電フィルム10とが分担して負担している。また、大変形センサ100の伸びδは、圧電フィルムを含む弾性バンド部分の伸びL1×ε(圧電フィルム10と弾性バンド15は一体に変形するので両者の歪みはともに等しくεである)と、弾性バンド15の圧電フィルム10を含まない部分の伸びとの和であるから、弾性材料力学によると以下の式が成立する。 In the large deformation sensor 100 described above, the external force W is borne by the elastic band 15 and the piezoelectric film 10 in a shared manner. Further, the elongation δ of the large deformation sensor 100 is the elongation L 1 × ε of the elastic band portion including the piezoelectric film (the piezoelectric film 10 and the elastic band 15 are deformed integrally, so that both strains are equal ε), Since it is the sum of the stretch of the elastic band 15 not including the piezoelectric film 10, the following equation is established according to the elastic material dynamics.

(数1)
W=(E1×A1+E2×A2)×ε (10)
(Equation 1)
W = (E 1 × A 1 + E 2 × A 2 ) × ε (10)

(数2)
δ=(L1×ε)+(L-L1)×W/(E2×A2)
=(L+(L-L1)×(E1×A1)/(E2×A2))×ε (11)
(Equation 2)
δ = (L 1 × ε) + (LL 1 ) × W / (E 2 × A 2 )
= (L + (LL 1 ) × (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 )) × ε (11)

一方、圧電フィルム10からは、圧電フィルム10の歪εと圧電フィルム10の表裏面に設けた電極13の面積Sに比例した出力電圧Vを得ることができる。すなわち、出力電圧V(ボルト)は(12)式のように表される。(12)式においてkは、厚さ40μmのPVDF製の圧電フィルムの場合にk=0.097V/mm2であった。 On the other hand, an output voltage V proportional to the strain ε of the piezoelectric film 10 and the area S of the electrode 13 provided on the front and back surfaces of the piezoelectric film 10 can be obtained from the piezoelectric film 10. That is, the output voltage V (volt) is expressed as shown in Equation (12). In the equation (12), k was 0.0 = 97 V / mm 2 in the case of a piezoelectric film made of PVDF having a thickness of 40 μm.

(数3)
V=k×S×ε(kは比例定数) (12)
(Equation 3)
V = k × S × ε (k is a proportional constant) (12)

上記の(10)〜(12)式によると、圧電フィルム10からの出力電圧Vを測定することによって、外力Wの大きさ又は伸びδ又は変形量を測定することができる。また、(11)式に示すように弾性バンド15の長さLが長く、(E1×A1)/(E2×A2)の値(圧電フィルム10の弾性バンド15に対する伸び剛性比)が大きいほど大きな伸びδを測定することができることが分かる。(E1×A1)/(E2×A2)の値は、3〜300であるのがよい。(E1×A1)/(E2×A2)の値が3未満であると、本大変形センサ100は歪ゲージを用いた伸び測定センサよりも大きな伸びが測定できるとする利点がなくなるからである。一方、(E1×A1)/(E2×A2)の値が300を超えると、弾性バンド15の剛性が低くすぎて実用に適しないからである。 According to the above equations (10) to (12), by measuring the output voltage V from the piezoelectric film 10, the magnitude or elongation δ or deformation amount of the external force W can be measured. Further, as shown in the equation (11), the length L of the elastic band 15 is long, and the value of (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) (the elongation rigidity ratio of the piezoelectric film 10 to the elastic band 15) It can be seen that the larger the δ, the larger the elongation δ can be measured. The value of (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) is preferably 3 to 300. When the value of (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) is less than 3, the large deformation sensor 100 has no advantage that it can measure a larger elongation than an elongation measurement sensor using a strain gauge. Because. On the other hand, if the value of (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) exceeds 300, the rigidity of the elastic band 15 is too low to be suitable for practical use.

伸び剛性比(E1×A1)/(E2×A2)は、例えば、厚さ40μm、幅20mm、ヤング率3000MPaのPVDF製の圧電フィルム10を用いる場合は、その伸び剛性は2400Nであるから、厚さ1mm、幅20mm、初期ヤング率が約3.3Mpaの黒色天然ゴム又は初期ヤング率が約1.0Mpaの飴ゴムを用いると、それぞれ36.4、120になる。一般に実用上の剛性を確保するため、また、大きな伸びを測定可能とするために、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15を使用するのがよい。なお、本大変形センサ100においては、圧電フィルム10の伸び剛性が弾性バンド15の伸び剛性よりも相当に大きいので、外力は主として圧電フィルム10によって負担されていることが分かる。この大変形センサ100のような形態の歪み、伸び又は外力を測定するセンサは、従来の歪みゲージ等を用いるセンサと異なるものである。 The elongation stiffness ratio (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) is, for example, when using a PVDF piezoelectric film 10 having a thickness of 40 μm, a width of 20 mm, and a Young's modulus of 3000 MPa, the elongation stiffness is 2400 N. Therefore, if black natural rubber having a thickness of 1 mm, a width of 20 mm, and an initial Young's modulus of about 3.3 Mpa, or amber rubber having an initial Young's modulus of about 1.0 Mpa is used, the values become 36.4 and 120, respectively. In general, it is preferable to use an elastic band 15 having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa in order to ensure practical rigidity and to enable measurement of large elongation. In the large deformation sensor 100, it can be understood that the external force is mainly borne by the piezoelectric film 10 because the elongation rigidity of the piezoelectric film 10 is considerably larger than the elongation rigidity of the elastic band 15. A sensor that measures strain, elongation, or external force in the form of the large deformation sensor 100 is different from a sensor that uses a conventional strain gauge or the like.

図3は、本大変形センサ100の両端に外力を負荷し、その伸びを測定した試験結果を示す。試験は弾性バンド15の材質が異なる3種類の大変形センサA、B及びCについて行った。図3のグラフの横軸は大変形センサ100の伸びδを示し、縦軸は圧電フィルム10からの出力電圧Vを示す。パラメータの括弧内は、弾性バンド15の材質を示す。各大変形センサA、B及びCについて40%の伸びを5000回の繰り返し試験を行ったが、本試験の再現性は非常に高かった。   FIG. 3 shows test results obtained by applying an external force to both ends of the large deformation sensor 100 and measuring the elongation thereof. The test was performed on three types of large deformation sensors A, B, and C having different elastic band 15 materials. The horizontal axis of the graph in FIG. 3 indicates the elongation δ of the large deformation sensor 100, and the vertical axis indicates the output voltage V from the piezoelectric film 10. The parentheses in the parameters indicate the material of the elastic band 15. For each large deformation sensor A, B and C, 40% elongation was repeated 5000 times, and the reproducibility of this test was very high.

図3によると、本大変形センサA、B及びCのいずれについても50%程度までの伸びを高精度で測定でき、歪ゲージを用いた伸び測定センサよりも大きな伸びが測定できることが分かる。   According to FIG. 3, it can be seen that the elongation of up to about 50% can be measured with high accuracy for any of the large deformation sensors A, B, and C, and a greater elongation can be measured than the elongation measurement sensor using a strain gauge.

なお、図3に示す試験は以下に示す手順で行った。試験に用いた大変形センサは以下のように作成したものを用いた。まず、厚さ1mm、幅30mm、長さ300mmの黒色天然ゴム(初期ヤング率約3.3Mpa)、シリコンゴム(初期ヤング率約1.5Mpa)、及び飴ゴム(初期ヤング率約1.0Mpa)の3種類の弾性バンド各2枚を用意し、その各2枚をそれぞれ重ねるとともに、弾性バンドの長手方向の中央部に厚さ0.04mm、幅30mm、長さ30mmを有する表裏面全体にアルミを蒸着した電極付きのPVDF製の圧電フィルム(ヤング率3000Mpa)を挟み込み、2枚の弾性バンドの向かい合う面及び圧電フィルムの表裏面と弾性バンドの向かい合う面を全てゴム系接着剤で接着して仕上げたものを、それぞれ大変形センサA、B及びCとした。これらの大変形センサの伸び剛性比(E1×A1)/(E2×A2)は、それぞれ18.2、40、60であった。 The test shown in FIG. 3 was performed according to the following procedure. The large deformation sensor used for the test was prepared as follows. First, three types of black natural rubber (initial Young's modulus about 3.3Mpa), silicone rubber (initial Young's modulus about 1.5Mpa), and rubber rubber (initial Young's modulus about 1.0Mpa) with a thickness of 1mm, width of 30mm, and length of 300mm Two elastic bands each were prepared, and each of the two was stacked, and at the center of the elastic band in the longitudinal direction, 0.04mm in thickness, 30mm in width, 30mm in length, and aluminum deposited on the entire front and back surfaces PVDF piezoelectric film (with a Young's modulus of 3000 Mpa) is attached, and the two elastic bands facing each other and the piezoelectric film's front and back surfaces and the elastic band facing each other are all bonded with a rubber adhesive. Large deformation sensors A, B, and C were used respectively. The elongation rigidity ratios (E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) of these large deformation sensors were 18.2, 40, and 60, respectively.

上記のように作成した3種類の大変形センサA、B及びCについて、それぞれサーボ式疲労試験機にチャック間有効長さL=120mmに取付けて、片振り引張り変位(周波数0.5Hz)を繰り返し負荷し、変位の変動幅を徐々に大きくして圧電フィルムの出力電圧をNEC三栄社製オムニエース型電圧記録計(内部抵抗R0=1MΩ)で測定した。なお、以下に示す試験を含め本試験においては、図2に示すコンデンサーC(0.47μF)は設けたが、電圧検知装置60の内部抵抗がR0=1MΩであったので、抵抗Rは設けなかった。 The three types of large deformation sensors A, B, and C created as described above are each mounted on a servo fatigue tester with an effective length L between chucks of L = 120 mm, and repeatedly subjected to one-way swing displacement (frequency 0.5 Hz). Then, the displacement fluctuation range was gradually increased, and the output voltage of the piezoelectric film was measured with an Omniace type voltage recorder (internal resistance R 0 = 1 MΩ) manufactured by NEC Sanei Co., Ltd. In this test, including the following test, the capacitor C (0.47 μF) shown in FIG. 2 was provided, but the internal resistance of the voltage detection device 60 was R 0 = 1 MΩ, so the resistance R was not provided. It was.

以上説明したように、本大変形センサ100は大きな伸びを高精度で測定することができる。しかしながら本発明に係る大変形センサは、上記の実施形態のものに限らない。すなわち、大変形センサを図4に示す構造のものとすることができる。図4(a)は大変形センサ110の構造を模式的に示す平面図、図4(b)は図4(a)のA-A線の拡大断面図である。   As described above, the large deformation sensor 100 can measure large elongation with high accuracy. However, the large deformation sensor according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, the large deformation sensor can have the structure shown in FIG. 4A is a plan view schematically showing the structure of the large deformation sensor 110, and FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4A.

図4に示すように、大変形センサ110は、弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルム10と、圧電フィルム10を覆うとともに弾性バンド15と一体に変形する弾性部材20とからなる。そして、弾性バンド15、弾性部材20及び圧電フィルム10のヤング率をそれぞれE2、E3、Elとするときに、E2≦E3<El なる関係を有するものである。 As shown in FIG. 4, the large deformation sensor 110 includes an elastic band 15, a piezoelectric film 10 that outputs a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band 15, and the piezoelectric film 10 that covers the piezoelectric film 10 and is integrated with the elastic band 15. The elastic member 20 is deformed. When the Young's moduli of the elastic band 15, the elastic member 20, and the piezoelectric film 10 are E 2 , E 3 , and E 1 , respectively, the relationship is E 2 ≦ E 3 <E l .

本大変形センサ110は、弾性部材20が圧電フィルム10及び圧電フィルム10が挿入された弾性バンド15部分を覆うように設けられていることが、上記に説明した大変形センサ100と異なる。また、大変形センサ110も圧電フィルム10のヤング率E1と弾性バンド15のヤング率E2は上記に説明したようにE2<Elなる関係を有するものであるが、大変形センサ110はさらに弾性部材20との関係では、弾性部材20のヤング率をE3とすると、E2≦E3<El なる関係を有するものである。なお、圧電フィルム10、弾性バンド15及び圧電フィルム10の表裏面に設けられた一対の電極13(13A、13B)は大変形センサ100のものと同等のものを使用することができる。 The large deformation sensor 110 is different from the large deformation sensor 100 described above in that the elastic member 20 is provided so as to cover the piezoelectric film 10 and the elastic band 15 portion into which the piezoelectric film 10 is inserted. Although the Young's modulus E 2 of the Young's modulus E 1 and the elastic band 15 of the large deformation sensor 110 also piezoelectric film 10 are those having E 2 <E l the relationship as described above, large deformation sensor 110 in yet relationship between the elastic member 20, when the Young's modulus of the elastic member 20 and E 3, are those having E 2 ≦ E 3 <E l the relationship. The piezoelectric film 10, the elastic band 15, and the pair of electrodes 13 (13A, 13B) provided on the front and back surfaces of the piezoelectric film 10 can be the same as those of the large deformation sensor 100.

上記大変形センサ110が、図4に示すように、弾性バンド15の長手方向の外力Wを受けているとき、大変形センサ110に生ずる伸びをδ、圧電フィルム10及び弾性部材20を含む弾性バンド15部分の歪みをεとすると、図1の場合と同様に以下に示す式が成立する。ここで、圧電フィルム10、弾性バンド15、弾性部材20のヤング率を、それぞれE1、E2、E3とし、圧電フィルム10及び弾性部材20を含む弾性バンド15部分の横断面の、圧電フィルム10の横断面積をA1、弾性バンド15の横断面積をA2、弾性部材20の横断面積をA3とする。 When the large deformation sensor 110 receives an external force W in the longitudinal direction of the elastic band 15 as shown in FIG. 4, the elongation generated in the large deformation sensor 110 is δ, and the elastic band including the piezoelectric film 10 and the elastic member 20 Assuming that the distortion of the 15 portion is ε, the following equation is established as in the case of FIG. Here, the Young's modulus of the piezoelectric film 10, the elastic band 15, and the elastic member 20 is E 1 , E 2 , and E 3 , respectively, and the piezoelectric film in the cross section of the elastic band 15 portion including the piezoelectric film 10 and the elastic member 20 The cross-sectional area of 10 is A 1 , the cross-sectional area of the elastic band 15 is A 2 , and the cross-sectional area of the elastic member 20 is A 3 .

(数4)
W=(E1×A1+E2×A2+E3×A3)×ε (13)
(Equation 4)
W = (E 1 × A 1 + E 2 × A 2 + E 3 × A 3 ) × ε (13)

(数5)
δ=(L1×ε)+(L-L1)×W/(E2×A2)
=(L+(L-L1)×(E1×A1+E3×A3)/(E2×A2))×ε (14)
(Equation 5)
δ = (L 1 × ε) + (LL 1 ) × W / (E 2 × A 2 )
= (L + (LL 1 ) × (E 1 × A 1 + E 3 × A 3 ) / (E 2 × A 2 )) × ε (14)

(数6)
V=k×S×ε(kは比例定数) (15)
(Equation 6)
V = k × S × ε (k is a proportional constant) (15)

本大変形センサ110においては、(14)式から分かるように、大変形センサ100と同様に伸び剛性比(E1×A1+E3×A3)/(E2×A2)の値が大きいほど大きな伸びδを測定することができることが分かる。伸び剛性比(E1×A1+E3×A3)/(E2×A2)は、大変形センサ100と同様に、3〜300であるのがよく、また、弾性部材20は0.5〜10MPaのヤング率を有するものであるのがよい。 In this large deformation sensor 110, as can be seen from the equation (14), the value of the elongation stiffness ratio (E 1 × A 1 + E 3 × A 3 ) / (E 2 × A 2 ) is the same as the large deformation sensor 100. It can be seen that the larger the δ, the larger the elongation δ can be measured. The elongation stiffness ratio (E 1 × A 1 + E 3 × A 3 ) / (E 2 × A 2 ) is preferably 3 to 300, as in the large deformation sensor 100, and the elastic member 20 is 0.5. It is preferable to have a Young's modulus of ˜10 MPa.

また、弾性部材20の伸び剛性(E3×A3)が高いほど圧電フィルム10が挿入された部分の大変形センサ110の歪みは小さくなり、弾性部材20は圧電フィルム10の伸びを抑制する効果があることが分かる。この伸び抑制効果と、以下に説明する弾性部材20の圧電フィルム10に無理な変形が生ずるのを防止する効果により、大変形センサ110は一層大きな伸びを測定することができる。 Further, the higher the elongation rigidity (E 3 × A 3 ) of the elastic member 20, the smaller the distortion of the large deformation sensor 110 in the portion where the piezoelectric film 10 is inserted, and the elastic member 20 has an effect of suppressing the elongation of the piezoelectric film 10. I understand that there is. The large deformation sensor 110 can measure a larger elongation due to the effect of suppressing the elongation and the effect of preventing the deformation of the piezoelectric film 10 of the elastic member 20 described below.

以下に弾性部材20が有する圧電フィルム10の無理な変形を防止する効果について説明する。図5は、弾性部材20を有しない大変形センサ100の圧電フィルム10部分の弾性バンド15の変形状態を模式的に表したものである。上述のように、圧電フィルム10の伸び剛性は弾性バンド15の伸び剛性より非常に大きいから、大変形センサ100が外力Wを受けると、弾性バンド15の圧電フィルム10部分は図5に示すように圧電フィルム10の縁部で細くくびれたように変形する。このために、圧電フィルム10の縁部に大きな歪みが集中し、圧電フィルム10に無理な変形が生じる。これに対し、図5の一点鎖線で示すような圧電フィルム10を覆う圧電フィルム10のヤング率よりは小さいが弾性バンド15のヤング率と同等以上のヤング率を有する弾性部材20を設けることによって圧電フィルム10に無理な変形が生ずるのを防ぐことができる。   Hereinafter, the effect of preventing excessive deformation of the piezoelectric film 10 included in the elastic member 20 will be described. FIG. 5 schematically shows the deformation state of the elastic band 15 in the piezoelectric film 10 portion of the large deformation sensor 100 without the elastic member 20. As described above, the elongation stiffness of the piezoelectric film 10 is much larger than the elongation stiffness of the elastic band 15, so that when the large deformation sensor 100 receives an external force W, the piezoelectric film 10 portion of the elastic band 15 is as shown in FIG. The edge of the piezoelectric film 10 is deformed as if narrowly constricted. For this reason, a large strain concentrates on the edge of the piezoelectric film 10, and an unreasonable deformation occurs in the piezoelectric film 10. On the other hand, by providing an elastic member 20 having a Young's modulus smaller than the Young's modulus of the piezoelectric film 10 covering the piezoelectric film 10 as shown by a one-dot chain line in FIG. It is possible to prevent the film 10 from being excessively deformed.

この弾性部材20の効果を図6に示す。図6のグラフは、大変形センサ110に外力(引張荷重)Wを負荷したときの引張荷重Wと大変形センサの伸びδの関係を表したものである。図6のグラフの横軸は大変形センサ110の伸びδ、縦軸は引張荷重W及び圧電フィルム10の出力電圧Vである。図6によると、140%程度までの伸びを高精度で測定することができることが分かる。図3と図6を比較すると、大変形センサ110は大変形センサ100よりも2倍以上の伸びを測定することができることが分かり、弾性部材20を設けた効果が大きいことが分かる。また、引張荷重Wと出力電圧Vの間にはよい比例関係があることも分かる。   The effect of this elastic member 20 is shown in FIG. The graph of FIG. 6 represents the relationship between the tensile load W and the elongation δ of the large deformation sensor when an external force (tensile load) W is applied to the large deformation sensor 110. The horizontal axis of the graph of FIG. 6 is the elongation δ of the large deformation sensor 110, and the vertical axis is the tensile load W and the output voltage V of the piezoelectric film 10. According to FIG. 6, it can be seen that elongation up to about 140% can be measured with high accuracy. Comparing FIG. 3 and FIG. 6, it can be seen that the large deformation sensor 110 can measure the elongation more than twice that of the large deformation sensor 100, and that the effect of providing the elastic member 20 is great. It can also be seen that there is a good proportional relationship between the tensile load W and the output voltage V.

なお、図6は、以下の構成の大変形センサを用いて試験を行った。弾性バンド15は、幅30mm、長さ260mm、厚さ2mmの飴ゴムからなり、表裏面全体にアルミを蒸着した電極付きのPVDF製の圧電フィルム10が弾性バンド15のほぼ中央部に埋め込まれている。圧電フィルム10は、厚さ0.04mm、幅30mm、長さ30mmであった。そして、厚さ1mm、長さ約45mmの黒色天然ゴムからなる弾性部材20が、圧電フィルム10を覆うように弾性バンド15の表裏面に接着されている。   In addition, FIG. 6 tested using the large deformation sensor of the following structures. The elastic band 15 is made of rubber with a width of 30 mm, a length of 260 mm, and a thickness of 2 mm. A piezoelectric film 10 made of PVDF with electrodes with aluminum deposited on the entire front and back surfaces is embedded in almost the center of the elastic band 15. Yes. The piezoelectric film 10 had a thickness of 0.04 mm, a width of 30 mm, and a length of 30 mm. An elastic member 20 made of black natural rubber having a thickness of 1 mm and a length of about 45 mm is bonded to the front and back surfaces of the elastic band 15 so as to cover the piezoelectric film 10.

また、引張荷重Wは、引張試験機の上部チャックで掴んで大変形センサ110を垂直につるし、手で大変形センサ110の下端部を下方に所定長さまで引っ張って与えた。引張荷重Wは引張試験機のロードセルから読み取った。大変形センサ110の出力電圧の測定は、0.47μFのコンデンサーを並列接続して1MΩの内部抵抗R0を有するNEC三栄社製オムニエース電圧記録計でもって行った。 The tensile load W was given by holding the large deformation sensor 110 vertically by grasping it with the upper chuck of the tensile tester and pulling the lower end portion of the large deformation sensor 110 downward to a predetermined length by hand. The tensile load W was read from the load cell of the tensile tester. The measurement of the output voltage of the large deformation sensor 110 was performed using an Omniace voltage recorder manufactured by NEC Sanei Co., Ltd. having a 0.47 μF capacitor connected in parallel and having an internal resistance R 0 of 1 MΩ.

本発明の実施形態は、さらに、以下のような構成の大変形センサも含まれる。この大変形センサによれば、複雑な人の動作、挙動状態を簡単に検出することができる。すなわち、大変形センサ120は、図7に示すように、弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11(11A、11B)とからなる。   The embodiment of the present invention further includes a large deformation sensor having the following configuration. According to this large deformation sensor, it is possible to easily detect complicated human movements and behavioral states. That is, as shown in FIG. 7, the large deformation sensor 120 is provided with a pair of elastic bands 15 that are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the elastic band 15 and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band 15. The piezoelectric film 11 (11A, 11B).

本大変形センサ120は、ちょうど上記大変形センサ100、110において圧電フィルム10を弾性バンド15の端部に配設するとともに、その圧電フィルム10と同等の圧電フィルムを反対側の端部に配設した形態をしている。すなわち、大変形センサ120の一対の圧電フィルム11A、11Bは、同一形状をしており対向して配設されている。なお、本大変形センサ120においても、大変形センサ100、110と同様に弾性バンド15はヤング率が0.5〜10Mpaであるのがよく、弾性部材20を有する場合は、弾性部材20のヤング率は0.5〜10Mpaであるのがよい。   In this large deformation sensor 120, the piezoelectric film 10 is disposed at the end of the elastic band 15 in the large deformation sensors 100 and 110, and a piezoelectric film equivalent to the piezoelectric film 10 is disposed at the opposite end. It has the form. That is, the pair of piezoelectric films 11A and 11B of the large deformation sensor 120 have the same shape and are arranged to face each other. In the large deformation sensor 120, the elastic band 15 should have a Young's modulus of 0.5 to 10 Mpa as in the large deformation sensors 100 and 110. When the elastic member 20 has the elastic member 20, the Young's modulus of the elastic member 20 is It should be 0.5-10 Mpa.

大変形センサ120は以下のように使用される。すなわち、大変形センサ120に所用の初期伸びを与えるように両端部を張設・固定し、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の部分、例えばP点に大変形センサ120(弾性バンド15)の長手方向に外力Fがかかるように使用する。   The large deformation sensor 120 is used as follows. That is, both ends are stretched and fixed so as to give the required initial elongation to the large deformation sensor 120, and the large deformation sensor 120 (elastic band 15) is located at a portion between the pair of piezoelectric films 11A and 11B, for example, point P. It is used so that an external force F is applied in the longitudinal direction.

外力Fが作用すると、図7において外力Fが作用した位置より左側の弾性バンド15はδだけ伸び、右側の弾性バンド15はδだけ縮む。このとき、大変形センサ120に配設した一対の圧電フィルム11A、11Bからその変形に対応した出力電圧が得られる。この出力電圧より、外力Fの大きさ、大変形センサ120(弾性バンド15)の変形量δ、外力Fが作用した位置等を求めることができる。   When the external force F is applied, the elastic band 15 on the left side of the position where the external force F is applied in FIG. 7 is extended by δ, and the elastic band 15 on the right side is reduced by δ. At this time, an output voltage corresponding to the deformation is obtained from the pair of piezoelectric films 11A and 11B arranged in the large deformation sensor 120. From this output voltage, the magnitude of the external force F, the deformation amount δ of the large deformation sensor 120 (elastic band 15), the position where the external force F is applied, and the like can be obtained.

図8は、大変形センサ120の長手方向各位置に長手方向の外力Fを負荷したときに一対の圧電フィルム11から得られた出力電圧の時間変化を示す。図8のグラフにおいて、横軸は時間sを示し、縦軸は圧電フィルム11の出力電圧Vを示す。図8において実線(11A)は左側の圧電フィルム11Aの出力電圧、破線(11B)は右側の圧電フィルム11Bの出力電圧を示す。また、図8に示す「(1/3)LにFを負荷」とは、図7に示すように、大変形センサ120の左端から大変形センサ120の全長Lの1/3のP点に外力Fを負荷したことを意味する。なお、外力Fは、手で弾性バンド15のP点をつかんで左右方向の力を与えて負荷した。   FIG. 8 shows temporal changes in output voltage obtained from the pair of piezoelectric films 11 when a longitudinal external force F is applied to each position in the longitudinal direction of the large deformation sensor 120. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis represents time s, and the vertical axis represents the output voltage V of the piezoelectric film 11. In FIG. 8, the solid line (11A) indicates the output voltage of the left piezoelectric film 11A, and the broken line (11B) indicates the output voltage of the right piezoelectric film 11B. Further, “loading F to (1/3) L” shown in FIG. 8 means that the point P is 1/3 of the total length L of the large deformation sensor 120 from the left end of the large deformation sensor 120 as shown in FIG. It means that external force F is loaded. The external force F was applied by applying a lateral force by grasping the point P of the elastic band 15 by hand.

図8によると、大変形センサ120の(1/2)L(中央部)の位置に外力Fを繰り返し負荷した場合には、外力の負荷点Pを挟んで弾性バンド15の左右の部分は交互に等しく伸縮し、圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は振幅が同じで位相が逆転した波形を示す。(1/6)Lの位置に外力Fを繰り返し負荷した場合には、外力Fの作用位置よりも左側の弾性バンド15の歪の絶対値が右側の弾性バンド15の歪の絶対値よりも大きいので、左側の圧電フィルム11Aの出力電圧の振幅のほうが大きくなる。(1/3)Lの位置に外力Fを負荷した場合には、(1/6)Lと(1/2)Lの場合の中間の出力電圧が測定される。すなわち、一対の圧電フィルム11A、11Bの出力電圧波形を比較することにより、外力の作用点Pを判定することができることが分かる。   According to FIG. 8, when the external force F is repeatedly loaded at the position of (1/2) L (center portion) of the large deformation sensor 120, the left and right portions of the elastic band 15 are alternately sandwiched across the load point P of the external force. The output voltages of the piezoelectric films 11A and 11B show waveforms with the same amplitude and reversed phase. (1/6) When the external force F is repeatedly applied to the position of L, the absolute value of the strain of the left elastic band 15 is larger than the absolute value of the strain of the right elastic band 15 from the position where the external force F is applied. Therefore, the amplitude of the output voltage of the left piezoelectric film 11A is larger. When an external force F is loaded at the position (1/3) L, an intermediate output voltage between (1/6) L and (1/2) L is measured. That is, it can be seen that the action point P of the external force can be determined by comparing the output voltage waveforms of the pair of piezoelectric films 11A and 11B.

以上本発明に係る大変形センサの種々の実施の形態について説明した。しかしながら、さらに、本発明に係る大変形センサは以下のような構造とすることができる。例えば、弾性バンド15は、その横断面の形状が矩形のものに限らず、楕円形又は中空円管状であってもよい。なお、この場合、弾性バンド15に挟み込む圧電フィルム10は、上述のように、その横断面の形状が弾性バンド15の横断面の対称軸に関して対称になるようなものであればよい。   The various embodiments of the large deformation sensor according to the present invention have been described above. However, the large deformation sensor according to the present invention can have the following structure. For example, the elastic band 15 is not limited to a rectangular cross section, but may be an oval or a hollow circular tube. In this case, the piezoelectric film 10 sandwiched between the elastic bands 15 may be any film as long as the shape of the cross section thereof is symmetric with respect to the symmetry axis of the cross section of the elastic band 15 as described above.

また、大変形センサ110の弾性部材20を設けた部分は、図9に示すように、電極13の付いた圧電フィルム10を弾性部材20で包み込んだ状態で、弾性バンド15の内部に弾性部材20が埋め込まれた構造とすることもできる。この場合は、大変形センサ110の作製が比較的容易になるという利点がある。なお、圧電フィルム10、弾性部材20又は弾性バンド15をそれぞれ接着して大変形センサを作製する場合は、硬化後の接着剤の弾性特性が弾性バンドの弾性特性とほぼ等しいゴム系の接着剤を使用するのがよい。これに対し、液体状の弾性バンド素材を弾性バンド20又は弾性部材20と圧電フィルム10の間に流し込んで硬化させて大変形センサ110を作製することもできる。   Further, as shown in FIG. 9, the portion provided with the elastic member 20 of the large deformation sensor 110 has the elastic member 20 in the elastic band 15 in a state where the piezoelectric film 10 with the electrode 13 is wrapped with the elastic member 20. It is also possible to have a structure in which is embedded. In this case, there is an advantage that the large deformation sensor 110 can be relatively easily manufactured. In the case of manufacturing a large deformation sensor by bonding the piezoelectric film 10, the elastic member 20, or the elastic band 15, respectively, a rubber-based adhesive having an elastic property of the cured adhesive substantially equal to that of the elastic band is used. It is good to use. On the other hand, the large deformation sensor 110 can be manufactured by pouring a liquid elastic band material between the elastic band 20 or the elastic member 20 and the piezoelectric film 10 and curing it.

弾性部材20は、上述のように、弾性バンド15の伸びを抑制するとともに、圧電フィルム10の無理な変形を防止する効果がある。したがって、このような効果を発揮させることができれば必ずしも弾性部材20を設けなくてもよい。弾性バンド15の形状的な対応、例えば、圧電フィルム10を含む弾性バンド15部分を大きく又は厚くすることによって対応するものであってもよい。   As described above, the elastic member 20 has an effect of preventing the elastic band 15 from being stretched and preventing the piezoelectric film 10 from being excessively deformed. Therefore, the elastic member 20 is not necessarily provided as long as such an effect can be exhibited. The shape of the elastic band 15 may be dealt with, for example, by making the elastic band 15 including the piezoelectric film 10 larger or thicker.

上記大変形センサ100、110又は120を使用して、被測定物の伸びあるいは被測定物に負荷された外力の大きさを測定するには、大変形センサ100、110又は120はその両端部が被測定物に取り付けられて使用される。これらのセンサの被測定物への取付方法は、測定目的に応じて種々の方法がとられる。例えば、弾性バンド15の両端部を金具で締め付ける方法、あるいは両端部にボルト穴を設けてボルト固定する方法が使用される。また、大変形センサを張設した状態で使用する場合、例えば、大変形センサ100により伸び、縮みの両方を測定する場合は、予め弾性バンド15の両端部を支持部材に張設して取り付けた大変形センサ100を被測定物に例えば金具等で締め付け固定して使用される。さらに、これらの固定方法において、大変形センサと被測定物や支持部材との結合は、剛結あるいはピン結合等種々の方法が使用される。   In order to measure the elongation of the object to be measured or the magnitude of the external force applied to the object to be measured using the large deformation sensor 100, 110 or 120, the large deformation sensor 100, 110 or 120 has both ends thereof. Used attached to the object to be measured. There are various methods for attaching these sensors to the object to be measured, depending on the purpose of measurement. For example, a method of fastening both ends of the elastic band 15 with metal fittings or a method of fixing bolts by providing bolt holes at both ends is used. Further, when the large deformation sensor is used in a stretched state, for example, when measuring both expansion and contraction by the large deformation sensor 100, both ends of the elastic band 15 are previously stretched and attached to the support member. The large deformation sensor 100 is used by being fastened and fixed to an object to be measured, for example, with a metal fitting. Further, in these fixing methods, various methods such as rigid connection or pin connection are used for the connection between the large deformation sensor and the object to be measured or the support member.

上述のように大変形センサと被測定物との結合方法は種々の方法があり、大変形センサの弾性バンド部分をそのまま被測定物又は支持部材に取り付けることもできるが、弾性バンドの両端部に取付部となる支持部材を付設するのがよい。そのような支持部材の例を図10に示す。図10は変形センサ100又は110の左端部分を示し、支持部材40は、弾性バンド15を挟み込む3枚の短冊状の布にゴムを含浸させて一体に形成したものからなる。この場合、ゴムの材質は特に問わない。例えば、飴ゴムを使用することができる。また、布の材質も特に問わない。例えば、帆布を使用することができる。このような支持部材を大変形センサに付設することにより、大変形センサの耐久性及び精度を向上させることができる。また、大変形センサの被測定物への取り付けが容易になる。   As described above, there are various methods for coupling the large deformation sensor and the object to be measured, and the elastic band portion of the large deformation sensor can be directly attached to the object to be measured or the support member, but at both ends of the elastic band. It is good to attach the supporting member used as an attaching part. An example of such a support member is shown in FIG. FIG. 10 shows the left end portion of the deformation sensor 100 or 110, and the support member 40 is formed by integrally impregnating three strip-like cloths sandwiching the elastic band 15 with rubber. In this case, the material of the rubber is not particularly limited. For example, rubber can be used. The material of the cloth is not particularly limited. For example, canvas can be used. By attaching such a support member to the large deformation sensor, the durability and accuracy of the large deformation sensor can be improved. Moreover, the large deformation sensor can be easily attached to the object to be measured.

また、本発明は、上記の大変形センサを応用した以下のような挙動検知装置を含む。例えば、座席者51の挙動検知センサ210は、図11に示すように、座席体45の上又は内部に配設される座席者51の挙動検知センサであって、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11A、11Bと、弾性バンド15を張設する支持部材46と、からなる。弾性バンド15及び一対の圧電フィルム11A、11Bは上記大変形センサ120に用いられるものと同等ものを使用することができる。支持部材46は、座席体45を構成する一部分を利用することもできる。支持部材46は、弾性バンド15が張設・固定されるようになっておればよい。   In addition, the present invention includes the following behavior detection apparatus to which the large deformation sensor is applied. For example, the behavior detection sensor 210 of the seat occupant 51 is a behavior detection sensor of the seat occupant 51 disposed on or in the seat body 45 as shown in FIG. 11, and has a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa. The elastic band 15, a pair of piezoelectric films 11A and 11B that are arranged in the longitudinal direction of the elastic band 15 and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band 15, and the elastic band 15 are stretched. And a support member 46. As the elastic band 15 and the pair of piezoelectric films 11A and 11B, those equivalent to those used in the large deformation sensor 120 can be used. As the support member 46, a part of the seat body 45 can be used. The support member 46 may be configured such that the elastic band 15 is stretched and fixed.

この挙動検知センサ210は、図11に示すように、座席体45、例えば乗用自動車のシートの上又は内部に弾性バンド15が張設された状態で配設されて使用される。例えば、座席体45の中央部に座った座席者51が、図11(a)〜(d)のような、上下動、右方向へ移動して(右側寄り)上下動、ローリング、シェアリング動作を行った場合、一対の圧電フィルム11A、11Bから図12に示す出力電圧が得られる。   As shown in FIG. 11, the behavior detection sensor 210 is used by being disposed in a state where an elastic band 15 is stretched on or inside a seat body 45, for example, a seat of a passenger car. For example, a seat occupant 51 sitting at the center of the seat body 45 moves up and down, moves right (to the right), moves up and down, rolls, and shares as shown in FIGS. 12 is obtained from the pair of piezoelectric films 11A and 11B.

座席者51が座席体45の中央部で上下動をした場合(図12(a))には、座席者51が座った左右の弾性バンド15の各部分はほぼ同じ長さで伸縮するので、左右の圧電フィルム11A、11Bの波形はほぼ同じである。座席者51の重さが重いほど、また、動揺の大きさが大きいほど圧電フィルム11A、11Bの出力電圧の変動幅が大きくなる。次に、座席体45の右側寄りで上下方向に動揺した場合(図12(b))には、弾性バンド15の右側部分が左側部分よりも大きく伸縮するので、左右の圧電フィルム11A、11Bの波形には差異が生じ、右側の圧電フィルム11Bの出力電圧の変動幅が、左側の圧電フィルム11Aの出力電圧の幅よりも大きくなる。   When the seat occupant 51 moves up and down in the center of the seat body 45 (FIG. 12 (a)), the left and right elastic bands 15 on which the seat occupant 51 sits extend and contract with approximately the same length. The waveforms of the left and right piezoelectric films 11A and 11B are almost the same. The greater the weight of the occupant 51 and the greater the fluctuation, the greater the fluctuation range of the output voltages of the piezoelectric films 11A and 11B. Next, when the seat body 45 is swung up and down near the right side (FIG. 12B), the right side portion of the elastic band 15 expands and contracts more than the left side portion, so that the left and right piezoelectric films 11A and 11B A difference occurs in the waveform, and the fluctuation range of the output voltage of the right piezoelectric film 11B is larger than the width of the output voltage of the left piezoelectric film 11A.

次に、ローリングの場合(図12(c))には、尻部の荷重位置が弾性バンド15の右側と左側に交互に移動することになるので、弾性バンド15は左側部分と右側部分が交互に伸縮して、圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は、位相が逆転した波形を示す。また、シェアリングの場合(図12(d))は、体が右方向に移動すると摩擦力によって弾性バンド15の左側部分が引っ張られ、右側部分が緩む。逆に、体が右から左に移動した場合には、弾性バンド15の右側部分が引っ張られ、左側部分が緩む。その結果、左右の圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は位相が逆転したものになる。   Next, in the case of rolling (FIG. 12 (c)), the load position of the butt portion moves alternately to the right side and the left side of the elastic band 15, so the left side portion and the right side portion of the elastic band 15 are alternated. The output voltages of the piezoelectric films 11A and 11B show waveforms whose phases are reversed. In the case of sharing (FIG. 12D), when the body moves in the right direction, the left side portion of the elastic band 15 is pulled by the frictional force, and the right side portion is loosened. Conversely, when the body moves from right to left, the right side portion of the elastic band 15 is pulled and the left side portion is loosened. As a result, the output voltages of the left and right piezoelectric films 11A and 11B are reversed in phase.

このように、一対の圧電フィルムからの出力電圧は座席者の各動作によって異なる。すなわち、挙動検知センサ210によれば、座席者の各動作に応じた出力電圧が得られるので、その時間変動を解析することにより座席者の挙動を検知することができる。図13又は14は、挙動検知センサ210を用いた座席者の状態監視装置の例を示す。   Thus, the output voltage from the pair of piezoelectric films varies depending on each movement of the seat occupant. That is, according to the behavior detection sensor 210, an output voltage corresponding to each motion of the seat occupant can be obtained, and therefore the behavior of the seat occupant can be detected by analyzing the time variation. FIG. 13 or 14 shows an example of a seat occupant state monitoring apparatus using the behavior detection sensor 210.

図13の座席者51の状態監視装置250は、挙動検知センサ210と、挙動検知センサ210の1対の圧電フィルム11A、11Bの出力信号Vl、V2の測定手段61と、測定手段61で測定したVl、V2の位相演算手段62と、Vl、V2の加算演算手段63及び減算演算手段64と、それらの演算手段による演算結果から座席者51の重量と座席者51の重心位置を判定する判定手段65からなる。 The state monitoring apparatus 250 of the seated person 51 in FIG. 13 includes a behavior detection sensor 210, a measurement unit 61 for the output signals V 1 and V 2 of the pair of piezoelectric films 11A and 11B of the behavior detection sensor 210, and a measurement unit 61. The measured V l and V 2 phase calculating means 62, the V l and V 2 adding and subtracting calculating means 63 and the subtracting calculating means 64, and the weight of the seat 51 and the center of gravity of the seat 51 from the calculation results of these calculating means It comprises determination means 65 for determining the position.

位相演算手段62では、Vl、V2のピーク値の抽出、又はVl、V2増減勾配の比較によって、VlとV2が同位相であるか逆位相であるかを演算する。そして、VlとV2が同一位相である場合には座席者51が上下動しているとみなして、VlとV2の加算演算手段63によって座席者51の重量を演算し、VlとV2の減算演算手段64によって座席者51の着座位置が変形センサの長手方向の中央部分であるか、右よりであるかあるいは左よりであるかを演算する。そして、これらの演算結果から、判定手段65では座席者51の重量や着座位置を段階的に分類して判定することにより、着座者51の状態監視、着座したことの判定、座席を離れたことの判定を行うことができる。 In the phase calculating means 62, V l, the extraction of the peak value of V 2, or V l, by comparison of V 2 increases or decreases the gradient, V l and V 2 are computed whether a reverse phase or the same phase. If V l and V 2 are in the same phase, it is considered that the seat 51 is moving up and down, and the weight of the seat 51 is calculated by the addition calculation means 63 of V l and V 2 , and V l seating position of the seat's 51 or a longitudinal central portion of the deformation sensor, calculates whether it is more or left is from right by the subtraction arithmetic means 64 of the V 2 and. And from these calculation results, the judgment means 65 classifies and judges the weight and seating position of the occupant 51 step by step, thereby monitoring the occupant 51 state, determining that the person has been seated, and leaving the seat. Can be determined.

図14の座席者51の状態監視装置251は、挙動検知センサ210と、挙動検知センサ210の1対の圧電フィルム11A、11Bの出力信号Vl、V2の測定手段61と、測定手段61で測定したVl、V2の位相演算手段62と、Vl、V2の減算値の微分演算手段66と、それらの演算手段による演算結果から座席者51の位置の移動速度を判定する判定手段65からなる。 The state monitoring device 251 of the seated person 51 in FIG. 14 includes a behavior detection sensor 210, a measurement unit 61 for the output signals V 1 and V 2 of the pair of piezoelectric films 11A and 11B of the behavior detection sensor 210, and a measurement unit 61. The phase calculation means 62 of the measured V l and V 2 , the differential calculation means 66 of the subtraction values of V l and V 2 , and the determination means for determining the moving speed of the position of the seat 51 from the calculation results of these calculation means It consists of 65.

位相演算手段62では、Vl、V2のピーク値の抽出、又はVl、V2増減勾配の比較によって、VlとV2が同位相であるか逆位相であるかを演算する。そして、VlとV2が逆位相である場合には座席者51の位置が水平方向に移動したとみなして、(Vl−V2)の前記微分演算手段66による演算結果から、座席者51の移動速度を判定手段65でする。座席者51が自主的に体の位置を移動させた場合には身体の慣性のために移動速度は比較的遅くなるが、外部から荷重が作用して座席者51が横方向に滑り移動した場合には移動速度が大きくなるので、移動速度を段階的に分類することによって、移動原因を判定することもできる。 In the phase calculating means 62, V l, the extraction of the peak value of V 2, or V l, by comparison of V 2 increases or decreases the gradient, V l and V 2 are computed whether a reverse phase or the same phase. When V l and V 2 are in opposite phases, it is considered that the position of the occupant 51 has moved in the horizontal direction, and the occupant is determined from the calculation result by the differential calculation means 66 of (V 1 −V 2 ). The determination means 65 determines the moving speed of 51. When the seat 51 moves the body position voluntarily, the movement speed is relatively slow due to the inertia of the body, but when the seat 51 slides sideways due to the external load Since the movement speed increases, the cause of movement can also be determined by classifying the movement speed in stages.

また、上記挙動検知センサ210は、介護分野における被介護者が使用する座椅子やソファーに設置すると、被介護者の挙動監視に利用することができる。また、上記挙動検知センサ210を自動車座席の上又は内部に前後方向に張設して用いると、着座者が座席シートの前寄りに着座しているか後ろ寄りに着座しているかの判定や、自動者が衝突した場合の前方向への飛び出し速度の判定も行うことができる。   Further, the behavior detection sensor 210 can be used for monitoring the behavior of a cared person when installed on a sitting chair or a sofa used by the cared person in the care field. In addition, when the behavior detection sensor 210 is stretched in the front-rear direction on or inside the automobile seat, it can be used to determine whether the seated person is seated in front of or behind the seat, It is also possible to determine the forward jump speed when a person collides.

また、本発明は、上記の大変形センサを応用した以下のような遊技・訓練装置を含む。例えば、図15に遊技・訓練装置の例を示す。遊技・訓練装置260は、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11A、11Bと、弾性バンド15の両端を固定する支持部材48と、一対の圧電フィルム11A、11Bからの信号を処理する信号処理手段67と、信号処理手段67により処理された信号を表示する表示手段68と、からなり、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の弾性バンド15部分に遊技者又は訓練者52からの負荷作用部37が設けられてなる。遊技者又は訓練者52は、負荷作用部37を持って任意の負荷を加えることにより、表示手段68によって自身の加えた負荷の方向又は大きさを知り、あるいは基準値との比較結果を知り興味深く遊技又は訓練を行うことができる。   The present invention also includes the following game / training apparatus to which the large deformation sensor is applied. For example, FIG. 15 shows an example of a game / training apparatus. The game / training device 260 is provided with a pair of elastic bands 15 having Young's modulus of 0.5 to 10 MPa and a signal that is arranged in the longitudinal direction of the elastic band 15 and that corresponds to the strain in the longitudinal direction of the elastic band 15. Piezoelectric films 11A and 11B, a support member 48 for fixing both ends of the elastic band 15, signal processing means 67 for processing signals from the pair of piezoelectric films 11A and 11B, and signals processed by the signal processing means 67 Display means 68 for displaying, and a load acting portion 37 from a player or trainer 52 is provided in the elastic band 15 portion between the pair of piezoelectric films 11A and 11B. The player or trainer 52 is interested in knowing the direction or magnitude of the load applied by the display means 68 by adding an arbitrary load with the load acting unit 37, or knowing the comparison result with the reference value. A game or training can be performed.

上記発明の信号処理手段67は、圧電フィルム11A、11Bからの信号V1、V2を測定する測定手段と、測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、データベースに蓄積されたデータと演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなるものとすることができる。また、表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに遊技や又は訓練者に訓練度合いを表示することができるものとすることができる。 The signal processing means 67 of the present invention includes a measuring means for measuring the signals V 1 and V 2 from the piezoelectric films 11A and 11B, and the magnitude of the force applied to the deformation sensor by the player from the measurement value measured by the measuring means and The calculation means for calculating the timing, the database storing the training program, and the comparison means for comparing the data stored in the database with the result of the calculation means can be used. Further, the display means can display the result of the calculation means and the result of the comparison means and can display the degree of training to the game or the trainee.

前記測定手段では圧電フィルムの出力信号をA/D変換してコンピュータに取り込み、遊戯者又は訓練者が加えた力の大きさと向き及びそのタイミングをコンピュータ内部で演算する。また、コンピュータには、力の大きさと向き及びタイミングの一連の動作を教示する教示データが複数の種類の訓練用データベースとして準備されており、訓練者又は遊戯者は自分の望むデータベースを選んで訓練又は遊戯を行うことができる。   In the measuring means, the output signal of the piezoelectric film is A / D converted and taken into a computer, and the magnitude and direction of the force applied by the player or trainee and its timing are calculated inside the computer. In addition, teaching data that teaches a series of actions of magnitude, direction, and timing of force is prepared in the computer as a plurality of types of training databases, and a trainer or a player chooses a desired database for training. Or you can play.

訓練に選んだデータベースはコンピュータを介して音声、画像又はその両方の表示手段で訓練者又は遊戯者に表示される。そして、訓練者が加えた力の大きさと向き及びそのタイミングを演算した演算結果は、データベースと比較されて各動作ごとに音声や画像などの表示手段68で表示される。また、一連の訓練の最後に得点として表示するようにしても良い。   The database selected for the training is displayed to the trainee or the player by the display means of sound, image or both through the computer. Then, the calculation result obtained by calculating the magnitude and direction of the force applied by the trainee and the timing thereof is compared with the database and displayed on the display means 68 such as voice or image for each operation. Moreover, you may make it display as a score at the end of a series of training.

訓練用のデータベースは、例えば身体動作を組み込んだゲーム又は遊技要素を取り入れた興趣性の有るソフトウエアとして構成するとよい。また、遊戯者又は訓練者からの大変形センサに加えた力の信号に加えて、押しボタンの操作によって入力する入力手段と、入力手段からの信号を処理して遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段69とを設けるのがよい。入力手段・割込手段を、例えば、ON-OFF切り替えスイッチとすることができる。この入力手段・割込手段によって遊技又は訓練内容を複雑にすることができ、また、遊技者又は訓練者に興味深く遊技又は訓練を行わせることができる。   The training database may be configured as, for example, an interesting software incorporating a game or game element incorporating a body motion. Moreover, in addition to the force signal applied to the large deformation sensor from the player or trainee, the input means for inputting by the operation of the push button, and the signal processing means of the game / training apparatus by processing the signal from the input means It is preferable to provide interrupt means 69 for inputting to the input. The input means / interrupt means can be, for example, an ON-OFF switch. The contents of the game or training can be complicated by the input means / interrupt means, and the player or the trainee can be interested in playing the game or training.

図16は、遊技・訓練装置において、弾性バンドの中央部を手で掴んで、手前側に強く引っ張ったとき、手前及び右方向(45度方向)に引っ張ったとき、及び右方向に引っ張ったときの圧電フィルムからの出力信号の一例を示す。図16において、手前側に強く引っ張ったときは左右の圧電フィルムの出力はほぼ同じになるが、手前及び右方向(45度方向)に引っ張ったときは左側の圧電フィルムの出力電圧が大きくなり、さらに、右方向に引っ張った時は右側の圧電フィルムの出力電圧はほぼ零になっている。この出力信号のピーク値から弾性バンドに加えた力の大きさと方向及びタイミングを演算し、これをデータベースのデータと比較することにより、遊技者又は訓練者はその遊技又は訓練の程度を知ることができる。   FIG. 16 shows a game / training apparatus in which the center portion of the elastic band is grasped with a hand and pulled strongly toward the front side, when pulled toward the front and right direction (45 degrees direction), and when pulled toward the right direction. An example of an output signal from the piezoelectric film is shown. In FIG. 16, the output of the left and right piezoelectric films is almost the same when pulled strongly toward the front side, but when pulled toward the front and the right direction (45 degree direction), the output voltage of the left piezoelectric film increases. Further, when pulled rightward, the output voltage of the right piezoelectric film is almost zero. By calculating the magnitude, direction and timing of the force applied to the elastic band from the peak value of the output signal and comparing it with the data in the database, the player or trainer can know the degree of the game or training. it can.

上記遊技・訓練装置の例では、遊技者又は訓練者52が遊技又は訓練のため負荷を与える部分となる負荷作用部37は、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の弾性バンド15部分に設けられていたが、これを弾性バンド15の両端部に設けるとことによって、さらに異なる遊技・訓練を楽しむことができる。   In the example of the above game / training device, the load acting portion 37, which is a portion to which the player or the trainee 52 gives a load for playing or training, is provided in the elastic band 15 portion between the pair of piezoelectric films 11A and 11B. However, by providing these at both ends of the elastic band 15, it is possible to enjoy further different games and training.

本発明に係る大変形センサの平面図(a)及び拡大断面図(b)である。It is the top view (a) and enlarged sectional view (b) of the large deformation sensor which concern on this invention. 図1の大変形センサの電気回路図である。FIG. 2 is an electric circuit diagram of the large deformation sensor of FIG. 1. 図1の大変形センサの伸びと出力電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the expansion | extension of the large deformation | transformation sensor of FIG. 1, and an output voltage. 他の一の実施形態の大変形センサの平面図(a)及び拡大断面図(b)である。It is the top view (a) and enlarged sectional view (b) of the large deformation sensor of other one embodiment. 図1の大変形センサの変形特性を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the deformation | transformation characteristic of the large deformation sensor of FIG. 図4の大変形センサの伸びと引張荷重との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the elongation of the large deformation | transformation sensor of FIG. 4, and a tensile load. 他の二の実施形態の大変形センサの平面図である。It is a top view of the large deformation sensor of other two embodiments. 図7の大変形センサの出力電圧の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the output voltage of the large deformation | transformation sensor of FIG. 図4の実施形態の変形例の大変形センサの平面図(a)及び拡大断面図(b)である。It is the top view (a) and enlarged sectional view (b) of the large deformation sensor of the modification of embodiment of FIG. 大変形センサの支持部材部分の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the supporting member part of a large deformation sensor. 挙動検知センサ及びその使用例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a behavior detection sensor and its usage example. 図11の挙動検知センサの出力電圧の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the output voltage of the behavior detection sensor of FIG. 図11の挙動センサを用いた座席者の状態監視装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a seated person's state monitoring apparatus using the behavior sensor of FIG. 図13の座席者の状態監視装置の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the seated person's state monitoring apparatus of FIG. 遊技・訓練装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a game / training apparatus. 図15の遊技・訓練装置の出力電圧の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the output voltage of the game and training apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 圧電フィルム
11、11A、11B 圧電フィルム
13、13A、13B 電極
15 弾性バンド
18、18A、18B 配線
20 弾性部材
37 負荷作用部
40 支持部材
45 座席体
46、48 支持部材
51 座席者
52 遊技者又は訓練者
60 電圧検知装置
61 測定手段
62 位相演算手段
63 加算演算手段
64 減算演算手段
65 判定手段
66 微分演算手段
67 信号処理手段
68 表示手段
69 割込手段
100 大変形センサ
110 大変形センサ
120 大変形センサ
210 挙動検知センサ
250 座席者の状態監視装置
251 座席者の状態監視装置
260 遊技・訓練装置
10 Piezoelectric film
11, 11A, 11B Piezoelectric film
13, 13A, 13B electrode
15 Elastic band
18, 18A, 18B wiring
20 Elastic member
37 Load action part
40 Support member
45 seat body
46, 48 Support member
51 Seats
52 Players or trainers
60 Voltage detector
61 Measuring means
62 Phase calculation means
63 Addition calculation means
64 Subtraction operation means
65 Judgment means
66 Differential operation means
67 Signal processing means
68 Display means
69 Interruption means
100 Large deformation sensor
110 Large deformation sensor
120 Large deformation sensor
210 Behavior detection sensor
250 seat occupant condition monitoring device
251 Seat condition monitoring device
260 Games and training equipment

Claims (15)

弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムとからなる大変形センサ。   A large deformation sensor comprising an elastic band and a piezoelectric film that outputs a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band. 弾性バンド及び圧電フィルムの伸び剛性E×Aが下記の(1)式を満たす請求項1に記載の大変形センサ。
(E1×A1)/(E2×A2)=3〜300 (1)
ここで、E1、E2はそれぞれ圧電フィルムと弾性バンドのヤング率であり、A1、A2はそれぞれ前記弾性バンドの前記圧電フィルムを含む横断面の圧電フィルムの横断面積と弾性バンドの横断面積である。
The large deformation sensor according to claim 1, wherein the elastic band and the elongation stiffness E × A of the piezoelectric film satisfy the following expression (1).
(E 1 × A 1 ) / (E 2 × A 2 ) = 3 to 300 (1)
Here, E 1 and E 2 are Young's moduli of the piezoelectric film and the elastic band, respectively, and A 1 and A 2 are the cross-sectional area of the piezoelectric film in the cross section including the piezoelectric film and the crossing of the elastic band, respectively. It is an area.
弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムと、該圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記の(2)式を満たす大変形センサ。
E2≦E3<El (2)
ここで、E1は圧電フィルムのヤング率、E2は弾性バンドのヤング率、E3は弾性部材のヤング率である。
An elastic band, a piezoelectric film that outputs a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band, and an elastic member that covers the piezoelectric film and deforms integrally with the elastic band, Large deformation sensor to satisfy.
E 2 ≦ E 3 <E l (2)
Here, E 1 is the Young's modulus of the piezoelectric film, E 2 is the Young's modulus of the elastic band, and E 3 is the Young's modulus of the elastic member.
弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材の伸び剛性E×Aが下記の(3)式を満たす請求項3に記載の大変形センサ。
(E1×A1+E3×A3)/(E2×A2)=3〜300 (3)
ここで、E1、E2、E3はそれぞれ圧電フィルム、弾性バンド、弾性部材のヤング率であり、A1、A2、A3は前記弾性バンドの前記圧電フィルム及び前記弾性部材を含む横断面のそれぞれ圧電フィルムの横断面積、弾性バンドの横断面積、弾性部材の横断面積である。
The large deformation sensor according to claim 3, wherein the elastic band, the piezoelectric film, and the elastic member have an elongation rigidity E × A that satisfies the following expression (3).
(E 1 × A 1 + E 3 × A 3) / (E 2 × A 2) = 3~300 (3)
Here, E 1 , E 2 , and E 3 are Young's moduli of the piezoelectric film, elastic band, and elastic member, respectively, and A 1 , A 2 , and A 3 are transverse sections including the piezoelectric film and elastic member of the elastic band. The cross-sectional area of each surface of the piezoelectric film, the cross-sectional area of the elastic band, and the cross-sectional area of the elastic member.
弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムとからなる大変形センサ。   A large deformation sensor comprising: an elastic band; and a pair of piezoelectric films that are spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band. 弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、該一対の圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記(4)式を満たす大変形センサ。
E2≦E3<El (4)
ここで、E2は弾性バンドのヤング率、E1は圧電フィルムのヤング率、E3は弾性部材のヤング率である。
An elastic band, a pair of piezoelectric films that are spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band; and the elastic band that covers the pair of piezoelectric films and the elastic band A large deformation sensor that consists of an elastic member that deforms integrally and satisfies the following formula (4).
E 2 ≦ E 3 <E l (4)
Here, E 2 is the Young's modulus of the elastic band, E 1 is the Young's modulus of the piezoelectric film, and E 3 is the Young's modulus of the elastic member.
弾性バンドは、0.5〜10MPaのヤング率を有するものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の大変形センサ。   The large deformation sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the elastic band has a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa. 弾性部材は、0.5〜10MPaのヤング率を有するものであることを特徴とする請求項3,4,6,7のいずれかに記載の大変形センサ。   The large deformation sensor according to any one of claims 3, 4, 6 and 7, wherein the elastic member has a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa. 座席体の上又は内部に配設される座席者の挙動検知センサであって、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドを張設する支持部材と、からなる座席者の挙動検知センサ。   A behavior detection sensor for a seat occupant disposed on or in a seat body, the elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa, and the elastic band spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band. A sensor for detecting a occupant's behavior, comprising: a pair of piezoelectric films that output a signal corresponding to a strain in a longitudinal direction; and a support member that stretches the elastic band. 請求項9に記載の挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号Vl、V2の測定手段と、該測定手段で測定したVl、V2の位相演算手段と、Vl、V2の加算及び減算演算手段と、それらの演算手段による演算結果から座席者の重量と座席者の重心位置を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置。 A behavior detection sensor according to claim 9, a measuring means for output signals V l and V 2 of a pair of piezoelectric films of the behavior detection sensor, a phase calculation means for V l and V 2 measured by the measuring means, , V l , V 2 addition and subtraction calculation means, and a seat occupant state monitoring device comprising determination means for determining the weight of the seat occupant and the center of gravity position of the seat occupant from the calculation results of the calculation means. 請求項9に記載の挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号Vl、V2の測定手段と、該測定手段で測定したVl、V2の位相演算手段と、Vl、V2の減算値の微分演算手段と、それらの演算手段による演算結果から座席者の位置の移動速度を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置。 A behavior detection sensor according to claim 9, a measuring means for output signals V l and V 2 of a pair of piezoelectric films of the behavior detection sensor, a phase calculation means for V l and V 2 measured by the measuring means, , V l , V 2 subtraction value differential calculation means, and a seat occupant state monitoring device comprising a determination means for determining the movement speed of the position of the seat occupant from the calculation results of the calculation means. 0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドの両端を固定する支持部材と、前記一対の圧電フィルムからの信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段により処理された信号を表示する表示手段と、からなり、前記一対の圧電フィルムの間の前記弾性バンド部分又はその弾性バンドの両端部に遊技者又は訓練者からの負荷作用部が設けられてなる遊戯・訓練装置。   An elastic band having a Young's modulus of 0.5 to 10 MPa, a pair of piezoelectric films that are spaced apart in the longitudinal direction of the elastic band and output a signal corresponding to the strain in the longitudinal direction of the elastic band; A support member that fixes both ends; a signal processing unit that processes a signal from the pair of piezoelectric films; and a display unit that displays a signal processed by the signal processing unit. A game / training apparatus in which a load acting portion from a player or a trainee is provided at the elastic band portion or both ends of the elastic band. 信号処理手段は、圧電フィルムからの信号を測定する測定手段と、前記測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、該データベースに蓄積されたデータと前記演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなることを特徴とする請求項12に記載の遊戯・訓練装置。   The signal processing means includes a measurement means for measuring a signal from the piezoelectric film, a calculation means for calculating the magnitude and timing of the force applied to the deformation sensor by the player from the measurement value measured by the measurement means, and a training program The game / training apparatus according to claim 12, further comprising: a database that stores data, and a comparison unit that compares the data stored in the database with a result of the calculation unit. 表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに訓練者に訓練度合いを表示することができるものであることを特徴とする請求項12又は13に記載の遊戯・訓練装置。   14. The game / training apparatus according to claim 12 or 13, wherein the display means is capable of displaying a result of the computing means and a result of the comparing means and displaying a training level to a trainee. 請求項12〜14のいずれかに記載の遊戯・訓練装置に、遊技者又は訓練者からの信号を入力する入力手段と、該入力手段からの信号を処理して前記遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段とを設けたことを特徴とする遊戯・訓練装置。   15. An input means for inputting a signal from a player or a trainee to the game / training apparatus according to claim 12, and a signal processing of the game / training apparatus by processing a signal from the input means. A game / training apparatus comprising an interruption means for inputting to the means.
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