JP2007333412A - 圧力分布計測装置及び圧力分布計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の位置に加わる圧力分布を正確に計測することができる圧力分布計測装置を提供すること。
【解決手段】圧力を受けることができる柔軟性を有したシート状の基材２と、この基材２上に配索されると共に圧力が加わることにより特定の電気特性が変化する複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎと、これら複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎに接続されて各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの電気特性の変化から基材２に加わった圧力を計測する圧力計測装置（圧力計測手段）３とを備え、基材２は、複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの数に応じた数の領域Ｌ_１・・・Ｌ_Ｎに区分けされ、複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、それぞれに対して基材２上の所定の領域Ｌ_ｉが一つ設定されると共に、この設定された所定の領域Ｌ_ｉに配索された部分の長さと、この所定の領域Ｌ_ｉ以外の領域に配索された部分の長さとが異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シート状基材上の圧力分布を電気特性の変化によって計測する圧力分布計測装置及び圧力分布計測方法に関するものである。

従来から、マトリクス状に並ぶ多数の突起を有する受圧シートと、各突起に対応した位置に感圧導電物質が埋め込まれた穴を有する感圧シートと、比較的硬質であって各突起に対応した位置で交差する多数の電極が設けられた電極ベースとが積層された圧力分布測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この圧力分布測定装置では、加圧された突起が押し上げられてその下にある感圧導電物質が導電性を有し、さらに真下にある電極の交差点が導通して検出信号が出力されるようになっている。

また、この圧力分布計測装置では、電極ベースが比較的硬質であったため、柔軟性に乏しくなっていた。
特開平１−２５４８２７号公報

そこで、上述の圧力分布計測装置において電極ベースを軟質部材によって形成すると、加圧された突起の周囲にも圧力が伝達されて、加圧された突起の真下以外にある電極の交差点も導通し、圧力分布を正確に測定できないという問題が生じていた。

そこでこの発明は、所定の位置に加わる圧力分布を正確に計測することができる圧力分布計測装置及び物理量分布計測方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明の圧力分布計測装置は、圧力を受けることができる柔軟性を有したシート状の基材と、この基材上に配索されると共に圧力が加わることにより特定の電気特性が変化する複数の導電性線条材と、これら複数の導電性線条材に接続されて各導電性線条材の電気特性の変化から前記基材に加わった圧力を計測する圧力計測手段とを備え、前記基材は、前記複数の導電性線条材の数に応じた数の領域に区分けされ、前記複数の導電性線条材は、それぞれに対して前記基材上の所定の領域が一つ設定されると共に、この設定された所定の領域に配索された部分の長さと、この所定の領域以外の領域に配索された部分の長さとが異なることを特徴としている。

このように構成された本発明によると、導電性線条材のうち、所定の領域に配索された部分の長さと、この所定の領域以外の領域に配索された部分の長さとが異なるので、この導電性線条材の電気特性の変化から所定の領域に加えられた圧力を計測することができる。これにより、所定の位置に加わる圧力分布を正確に計測することが可能となる。

次に、本発明に関わる圧力分布計測装置及び圧力分布計測方法を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す圧力分布計測装置１は、シート状の基材２と、この基材２上に配索された複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎと、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎに加わった圧力を計測する圧力計測装置（圧力計測手段）３とを備えている。

基材２は、圧力を受けることができる所定の面積を有すると共に、比較的自由に変形することができる柔軟性を有している。また、この基材２は、例えば非導電性繊維によって形成された布状織物等の非導電性部材によって構成されている。

また、この基材２は、複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの本数に応じた数（ここではＮ箇所）の領域Ｌ_１・・・Ｌ_Ｎに区分けされている。

複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、圧力値Ｐが印加されると特定の電気特性である電気抵抗値Ｒが変化する素材により形成されており、ここでは刺激応答性ポリマー繊維Ｈによって構成されている。

そして、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、それぞれ所定の間隔をおいて基材２に編みこまれている。

ここで、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎにおける圧力値Ｐと電気抵抗値Ｒとの間には、図２に示すような線形特性が存在する。なお、この線形特性は図２の特性に限定されるものではない。

また、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎを構成する刺激応答性ポリマー繊維Ｈは、多数の細い繊維ｈを束ねることにより形成されており（図３（ａ）参照）、比較的自由に変形することが可能となっている。そのため、柔軟性を有する基材２の変形に追従することができ、基材２の形状変化を妨害することがない。

そして、図３（ｂ）に示すように、この刺激応答性ポリマー繊維Ｈに圧力値Ｐが印加されると、多数の細い繊維ｈがそれぞれ伸びたり縮んだり、各繊維ｈ間の接触点の増減等が生じることにより電気抵抗値Ｒが変化するようになっている。

さらに、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎに対して、それぞれ基材２上の領域Ｌ_１・・・Ｌ_Ｎのうち所定の領域Ｌ_ｉ（以下、担当領域という）が一つ設定される。

そして、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、それぞれの担当領域Ｌ_ｉに配索される領域担当部ＨＡ_１・・・ＨＡ_Ｎと、この担当領域Ｌ_ｉ以外に配索される非領域担当部ＨＢ_１・・・ＨＢ_Ｎとを有している。

すなわち、図４において、導電性線条材Ｈ_１に対して担当領域Ｌ_１が設定され、この担当領域Ｌ_１内に配索された部分が領域担当部ＨＡ_１となり、担当領域Ｌ_１以外（ここでは領域Ｌ_２及び領域Ｌ_３）に配索された部分が非領域担当部ＨＢ_１となる。

これと同様に、導電性線条材Ｈ_２に対して担当領域Ｌ_２が設定され、この担当領域Ｌ_２内に配索された部分が領域担当部ＨＡ_２となり、担当領域Ｌ_２以外（ここでは領域Ｌ_１及び領域Ｌ_３）に配索された部分が非領域担当部ＨＢ_２となる。

また、導電性線条材Ｈ_３に対して担当領域Ｌ_３が設定され、この担当領域Ｌ_３内に配索された部分が領域担当部ＨＡ_３となり、担当領域Ｌ_３以外（ここでは領域Ｌ_１及び領域Ｌ_２）に配索された部分が非領域担当部ＨＢ_３となる。

そして、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎにおいて、担当領域に配索された部分である領域担当部ＨＡ_１・・・ＨＡ_Ｎの長さと、担当領域以外の領域に配索された部分である非領域担当部ＨＢ_１・・・ＨＢ_Ｎの長さとは異なっている。

つまり、導電性線条材Ｈ_１では、領域担当部ＨＡ_１の長さと非領域担当部ＨＢ_１の長さとが異なることとなる。

さらに、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、それぞれの領域担当部ＨＡ_１・・・ＨＡ_Ｎが蛇行形状を呈するように配索されると共に、両端部が互いに反対方向に延在されている。

圧力計測装置３は、電圧測定部４と、この電圧測定部４に接続された圧力算出部５とを有している。

電圧測定部４は、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎが接続されており、それぞれの導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎに電流を流して各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎごとの電気抵抗値Ｒを測定するものである。

また、圧力算出部５は、電圧測定部４によって測定された電気抵抗値Ｒの変化に基づいて圧力値Ｐを算出して出力するものである。

次に、この発明の圧力分布測定装置１の作用について説明する。

この圧力分布測定装置１を使用するには、まず複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎが配索された基材２を図示しない車両内の座席に装着する。ここで、基材２が比較的自由に変形することができる柔軟性を有している上、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎが基材２の変形に追従できるようになっている。これにより、座席の形状に合わせて基材２を変形することができ、座面に沿って装着することができる。

そして、基材２へ圧力が加えられた後に、圧力計測装置３の電圧測定部４から各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎへ電流が流されて各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの電気抵抗値Ｒがそれぞれ測定される。

そして、圧力算出部５により、この加圧により生じた各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの電気抵抗値Ｒの変化に基づいて基材２に加えられた圧力値Ｐが算出され、座席にかかる圧力分布が測定されるようになっている。

次に、この圧力分布測定装置１における圧力分布測定方法を説明する。ここでは、図４に基づいて３本の導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３によって、３箇所の所定領域Ｌ_１〜Ｌ_３に加わる圧力を測定する場合を説明する。

まず、導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３を基材２上に配索すると共に、基材２を配索される導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３の本数（３本）に対応する数（３箇所）の領域Ｌ_１〜Ｌ_３に区分けする。なお、各領域Ｌ_１〜Ｌ_３の面積は一定でなくともよい。

次に、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３に対して、それぞれ所定の領域（担当領域）Ｌ_ｉを一つ設定する。ここでは、導電性線条材Ｈ_１に対して担当領域Ｌ_１が設定され、導電性線条材Ｈ_２に対して担当領域Ｌ_２が設定され、導電性線条材Ｈ_３に対して担当領域Ｌ_３が設定される。

そして、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３の領域担当部ＨＡ_１〜ＨＡ_３は、それぞれの担当領域Ｌ_１〜Ｌ_３内で蛇行形状に配索され、非領域担当部ＨＢ_１〜ＨＢ_３は、それぞれの担当領域Ｌ_１〜Ｌ_３以外で直線状に配索される。なお、ここでは各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３が重複しないように所定の距離をおいて配索される。

ここで、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３は、それぞれ領域担当部ＨＡ_１〜ＨＡ_３の長さがａｃｍであり、非領域担当部ＨＢ_１〜ＨＢ_３のうち一つの領域Ｌ_ｉに配索される長さがｂｃｍとなっている。

これにより、導電性線条材Ｈ_１は、担当領域Ｌ_１に配索される長さがａｃｍとなり、領域Ｌ_２に配索される長さがｂｃｍとなり、領域Ｌ_３に配索される長さがｂｃｍとなる。

同様に、導電性線条材Ｈ_２は、担当領域Ｌ_２に配索される長さがａｃｍとなり、領域Ｌ_１に配索される長さがｂｃｍとなり、領域Ｌ_３に配索される長さがｂｃｍとなる。

また、導電性線条材Ｈ_３は、担当領域Ｌ_３に配索される長さがａｃｍとなり、領域Ｌ_１に配索される長さがｂｃｍとなり、領域Ｌ_２に配索される長さがｂｃｍとなる。

このため、一つの領域Ｌ_ｉでは、この領域Ｌ_ｉを担当している導電性線条材が１本、それ以外の導電性線条材（担当していない導電性線条材）が２本配索されているので、この領域Ｌ_ｉ内に配索される導電性線条材の合計の長さはａ＋２ｂｃｍとなる。

さらにこのとき、担当領域に配索される部分である領域担当部ＨＡ_１〜ＨＡ_３の長さと、担当領域以外の領域に配索される部分である非領域担当部ＨＢ_１〜ＨＢ_３の長さとが異なるようになっている。

一方、各領域Ｌ_１〜Ｌ_３の単位面積あたりに対して加えられる圧力値Ｐ_１〜Ｐ_３に対し、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３に加わる力Ｆ_１〜Ｆ_３は、次式（１）によって求められる。

Ｆ_ｉ＝Σ^{（全領域）}（α×Ｐ_ｉ×各領域Ｌ_ｉの面積×各領域Ｌ_ｉ内の導電性線条材の使用割合）・・・（１）
ここで、「α」は加えられる圧力値と各導電性線条材に加わる力の関係を表す係数であり、導電性線条材と基材との使用割合で決定されるが、実験的に求めてもよい。

そして、この式（１）に従い、基材２の全領域Ｌ_１〜Ｌ_３において各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３に加わる力Ｆ_１〜Ｆ_３は、以下の式（２）〜（４）によって求められる。

Ｆ_１＝｛α×Ｐ_１×領域Ｌ_１の面積×ａ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_２×領域Ｌ_２の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_３×領域Ｌ_３の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝ ・・・（２）
Ｆ_２＝｛α×Ｐ_１×領域Ｌ_１の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_２×領域Ｌ_２の面積×ａ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_３×領域Ｌ_３の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝ ・・・（３）
Ｆ_３＝｛α×Ｐ_１×領域Ｌ_１の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_２×領域Ｌ_２の面積×ｂ／（ａ＋２ｂ）｝＋｛α×Ｐ_３×領域Ｌ_３の面積×ａ／（ａ＋２ｂ）｝ ・・・（４）
ここで、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３に加わる力Ｆ_１〜Ｆ_３は、加圧により生じた各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３の電気抵抗値Ｒの変化から算出することが可能となっている。

また、各導電性線条材Ｈ_１〜Ｈ_３は、担当領域に配索される部分である領域担当部ＨＡ_１〜ＨＡ_３の長さと、担当領域以外の領域に配索される部分である非領域担当部ＨＢ_１〜ＨＢ_３の長さとが異なるようになっている。

これにより、上記の式（２）〜（４）を連立させて解くことが可能となり、この連立方程式を解くことで各領域Ｌ_１〜Ｌ_３の単位面積あたりに対して加えられる圧力値Ｐ_１〜Ｐ_３をそれぞれ正確に求めることができる。そのため、基材２の所定の位置に加わる圧力分布を正確に測定することが可能となる。

また、上述の実施の形態では、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎのそれぞれに対して設定された領域Ｌ_ｉに配索された部分、すなわち領域担当部ＨＡ_１・・・ＨＡ_Ｎが蛇行形状を呈するように配索されている。

このため、基材２上の全領域に対して偏りなく導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎを配索することができ、圧力分布を測定する測定面が細かい凹凸形状を有していても安定して測定することが可能となる。

さらに、上述の実施の形態では、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎが刺激応答性ポリマー繊維によって構成されると共に、圧力が加わることで変化する特定の電気特性が電気抵抗となっている。

これにより、導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの電気抵抗値Ｒの変化に基づき、線条の感圧素材である各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎに加わった圧力を計測することができるので、容易に圧力分布を計測することができる。また、構造を簡易なものとすることが可能となる。

なお、各導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎは、圧力が加わることにより細い繊維の伸び縮みや、繊維間の接触点の増減等によって電気抵抗値Ｒが変化すれば、他の金属繊維や炭素繊維等によって構成されていてもよい。

また、導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの電気抵抗値Ｒの変化は、ピエゾ効果や形状変化に伴う断面積変化による電気抵抗値Ｒの変化によって生じるものであってもよい。

以上、この発明にかかる実施の形態の一つを図面により詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施の形態に限らない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等はこの発明に含まれる。

上述の実施の形態では、導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎの領域担当部ＨＡ_１・・・ＨＡ_Ｎが蛇行形状を呈しているが、これに限らない。

例えば、図５（ａ）に示すように、各導電性線条材Ｈ_ｉの領域担当部ＨＡ_ｉが、中心位置を次第にずらした螺旋形状を呈するように配索されていてもよい。

また、図５（ｂ）に示すように、この領域担当部ＨＡ_ｉが一点を中心にする螺旋形状を呈するように配索されていてもよい。

これにより、導電性線条材Ｈ_ｉの曲率が一定値以下（一定の径以上の円弧）に保つことができ、この導電性線条材Ｈ_ｉが有する弾性が弱くて変形しにくい場合であっても、導電性線条材Ｈ_ｉを容易に配索することができる。

さらに、図５（ｃ）に示すように、導電性線条材Ｈ_ｉの両端部Ｈａ、Ｈｂを同方向に延在してもよい。そして、これらの様々な領域担当部ＨＡ_ｉの形状を組み合わせてもよい。

そして、複数の導電性線条材Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎを配索する際に、互いに重複させてもよい。この場合、各導電性線条材の重複点において通電しないように基材２を間に介在させたり、重複する部分を絶縁部材によってコーティングしたり等の必要がある。

また、上述の実施の形態では、導電性線条材Ｈにおける圧力値Ｐと電気抵抗値Ｒとの間の特性は線形形状となっているが、非線形形状であってもよい。

この場合、圧力値Ｐと電気抵抗値Ｒとの実測値に基づいて非線形特性を表す関数を曲線近似により算出することにより、上記と同様に圧力値Ｐを計測することが可能となる。

この発明にかかる圧力分布計測装置の構成を示す模式図である。 刺激応答性ポリマー繊維における圧力値と電気抵抗値との相関関係を模式的に示すグラフである。 （ａ）は刺激応答性ポリマー繊維の構成を示す説明図であり、（ｂ）刺激応答性ポリマー繊維に圧力が加わった場合を示す説明図である。 この発明に係る圧力分布測定方法を説明するための説明図である。 （ａ）は導電性線条材の領域担当部の形状の第二の例を示す模式図であり、（ｂ）は導電性線条材の領域担当部の形状の第三の例を示す模式図であり、（ｃ）は導電性線条材の領域担当部の形状の第四の例を示す模式図である。

符号の説明

１ 圧力分布計測装置
２ 基材
３ 圧力計測装置（圧力計測手段）
Ｈ_１・・・Ｈ_Ｎ 導電性線条材
Ｌ_１・・・Ｌ_Ｎ 領域

Claims (8)

1. 圧力を受けることができる柔軟性を有したシート状の基材と、この基材上に配索されると共に圧力が加わることにより特定の電気特性が変化する複数の導電性線条材と、これら複数の導電性線条材に接続されて各導電性線条材の電気特性の変化から前記基材に加わった圧力を計測する圧力計測手段とを備え、
   前記基材は、前記複数の導電性線条材の数に応じた数の領域に区分けされ、
   前記複数の導電性線条材は、それぞれに対して前記基材上の所定の領域が一つ設定されると共に、この設定された所定の領域に配索された部分の長さと、この所定の領域以外の領域に配索された部分の長さとが異なることを特徴とする圧力分布計測装置。
2. 前記導電性線条材は、設定された所定の領域に配索された部分が螺旋形状を呈するように配索されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力分布測定装置。
3. 前記導電性線条材は、設定された所定の領域に配索された部分が蛇行形状を呈するように配索されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力分布測定装置。
4. 前記導電性線条材は、刺激応答性ポリマーにより構成され、前記特定の電気特性は、電気抵抗であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧力分布計測装置。
5. 圧力を受けることができる柔軟性を有したシート状の基材上に圧力が加わることにより特定の電気特性が変化する複数の導電性線条材を配索し、
   これら複数の導電性線条材の電気特性の変化から前記基材に加わった圧力を計測する圧力計測手段を各導電性線条材に接続し、
   前記基材を前記複数の導電性線条材の数に応じた数の領域に区分すると共に、各導電性線条材ごとに所定の領域を一つ設定し、
   前記複数の導電性線条材を、この設定された所定の領域に配索される部分の長さと、この所定の領域以外の領域に配索される部分の長さとが異なるように配索したことを特徴とする圧力分布計測方法。
6. 前記導電性線条材の設定された所定の領域に配索された部分を、螺旋形状を呈するように配索することを特徴とする請求項５に記載の圧力分布計測方法。
7. 前記導電性線条材の設定された所定の領域に配索された部分を、蛇行形状を呈するように配索することを特徴とする請求項５に記載の圧力分布計測方法。
8. 前記導電性線条材を刺激応答性ポリマーによって構成すると共に、前記特定の電気特性を電気抵抗とすることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか一つに記載の圧力分布計測方法。

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