JP2008002927A - 圧力計測装置及び圧力計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力計測精度を向上することができる圧力計測装置を提供すること。
【解決手段】加圧により電気的特性が変化する柔軟性を有した線形状の感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎと、この感圧部材を支持する柔軟性を有したシート状の支持部材５と、感圧部材の電気的特性の変化を計測する電気特性計測装置３と、感圧部材の電気的特性を電気特性計測装置３に伝達する導線（電気特性伝達手段）Ｄと、電気特性計測装置３により計測された感圧部材の電気的特性の変化に基づいてこの感圧部材に加わった圧力を算出する圧力算出装置４とを備え、感圧部材は、支持部材５の所定領域Ｌにおいて重複するように複数配設され、電気特性計測装置３は、これら複数の感圧部材のそれぞれの電気的特性の変化を同時に計測し、圧力算出装置４は、電気的計測装置３による複数の計測結果を統計的に処理して支持部材５の所定領域Ｌに加わる圧力を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の領域に加わる圧力を電気特性の変化によって計測する圧力計測装置及び圧力計測方法に関するものである。

従来から、マトリクス状に配置された多数の突起を有する受圧シートと、各突起に対応すると共に感圧導電物質が埋め込まれた多数の穴を有する感圧シートと、突起及び穴に対応した位置で交差する一対の電極を有する電極ベースとが順に積層された圧力分布検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この圧力分布検出装置では、受圧シートに圧力が加わることで突起が押圧されると共に、この押圧された突起に対応する穴の内部の感圧導電物質の物理的形状が変化し、それにより電極ベースの電極を介して検出される電流または電圧の変化によって圧力を検出するようになっている。
特開平１−２５４８２７号公報

ところで、上述の圧力分布検出装置では、一つの突起に対して一つの穴及び一つの電極交点が対応しており、単一の圧力検出構造によって圧力を検出していた。そのため、圧力計測精度を高めることが困難であるという問題が生じていた。

そこでこの発明は、圧力計測精度を向上することができる圧力計測装置及び圧力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、本発明の圧力計測装置は、加圧により電気的特性が変化する柔軟性を有した線形状の感圧手段と、この感圧手段を支持する柔軟性を有したシート状の支持手段と、前記感圧手段の電気的特性の変化を計測する電気特性計測手段と、前記感圧手段の電気的特性を前記電気特性計測手段に伝達する電気特性伝達手段と、前記電気特性計測手段により計測された前記感圧手段の電気的特性の変化に基づいてこの感圧手段に加わった圧力を算出する圧力算出手段とを備え、前記感圧手段は、前記支持手段の所定領域において重複するように複数配設され、前記電気特性計測手段は、これら複数の感圧手段のそれぞれの電気的特性の変化を同時に計測し、前記圧力算出手段は、前記電気的計測手段による複数の計測結果を統計的に処理して前記支持手段の所定領域に加わる圧力を算出す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、柔軟性を有した感圧手段を支持手段の所定領域において重複するように複数配設したことにより、同一箇所に加わる圧力を、互いの影響を受けることなくこれら複数の感圧手段によって同時に計測することができる。これにより、圧力計測精度を向上することが可能となる。

次に、本発明に関わる圧力計測装置及び圧力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に示す圧力計測装置１は、計測体２と、この計測体２に接続された電気特性計測装置（電気特性計測手段）３と、この電気特性計測装置３に接続された圧力算出装置（圧力算出手段）４とを備えている。

計測体２は、第一の方向（図中Ｘで示す）に沿って延びるＮ本の第一感圧部材（感圧手段）Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎと、第二の方向（図中Ｙで示す）に沿って延びるＮ本の第二感圧部材（感圧手段）Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎと、これら第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎを支持する支持部材（支持手段）５とを有している。

第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎは、それぞれ所定長さの線形状を呈しており、自在に変形可能な柔軟性を有している。

さらに、この第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎは、圧力値Ｐが印加されると電気的特性である電気抵抗値Ｒが変化する素材（以下、刺激応答性繊維Ｈという）によって形成されている。

ここで、この刺激応答性繊維Ｈにおける圧力値Ｐと電気抵抗値Ｒとの間には、例えば図２（ａ）に示すような線形の変化特性が存在する。ただし、この変化特性は図２（ａ）のような線形に限定されるものではなく、非線形であってもよい。

また、この刺激応答性繊維Ｈは柔軟性を有しているので、図２（ｂ）に示すように重複した状態であっても、互いの形状変化に影響を及ぼすことはない。そのため、重複した部分Ｘに圧力値Ｐが加わった際に生じるそれぞれの刺激応答性繊維Ｈにおける電気抵抗値Ｒの変化特性は、重複していない場合と同様の特性となる。

そして、この刺激応答性繊維Ｈは、ここでは導電性を有する刺激応答性ポリマー繊維Ｈ´によって構成されている。この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）、このため比較的自由に変形することが可能となっている。

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。

また、この刺激応答性ポリマー繊維Ｈ´は、ここでは導電率の変化範囲が０．５〜５００Ｓ／ｃｍであり、ポリピロール、ポリアニリン、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、ＰＰＶ（ポリパラフェニレンビニレン）の少なくともいずれかを一つを含むものを使用する。

そして、第一感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎは、マトリクス状に配置されており、それぞれ支持部材５に対して縫いこまれて固定されている。さらに、両端部には後述する導線（電気特性伝達手段）Ｄが接続され、電気特性計測装置３に電気的に接続されている。

また、第二感圧部材Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎは、それぞれ一つの第一感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎと重複するようにマトリクス状に配置されると共に、それぞれ支持部材５に対して縫いこまれて固定されている。さらに、両端部には導線Ｄが接続され、電気特性計測装置３に電気的に接続されている。

このように、一つの第一感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎに対して一つの第二感圧部材Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが重複するので、この重複部分Ａがマトリクス状に配列されることとなる。

また、この重複部分Ａにおいて、第一感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎと第二感圧部材Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎとの間に支持部材５が挟まれ、互いに絶縁されている。すなわち、重複部分Ａでは、第一感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎが支持部材５の表面側に露出し、第二感圧部材Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが支持部材５の裏面側に露出している。

支持部材５は、柔軟性を有するシート形状を呈しており、自在に変形可能となっている。また、この支持部材５は非導電性を有している。

ここでは、この支持部材５は、柔軟性のある自然繊維（例えば綿、絹等）や化学繊維（例えばナイロンやポリエステル等）による生地、皮革、シート状のゴム樹脂等により形成されている。

電気特性計測装置３は、導線Ｄを介して接続された第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎのそれぞれに電流を流し、各第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎごとの電気抵抗値Ｒを計測するものである。

また、圧力算出装置４は、電気特性計測装置３によって計測された電気抵抗値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。

なお、この圧力算出装置４は、あらかじめ第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎそれぞれの圧力値Ｐと電気抵抗値Ｒとの間にある特性変化を記憶しており、電気特性計測装置３から入力される電気抵抗値Ｒと照合して圧力値Ｐを求めるようになっている。このため、特性変化が非線形であっても容易に求めることができる。

導線Ｄは、支持部材５の柔軟性に追従可能な柔軟性を有する細長い導電体であり、圧力値Ｐが印加されても電気抵抗値Ｒが変化しない素材によって形成されている。また、この導線Ｄは、支持部材５上ではこの支持部材５に縫いこまれて固定されている。

次に、この発明の圧力計測装置１の作用について説明する。

この圧力計測装置１を使用するには、ます、あらかじめ第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが固定されたシート状の支持部材５を図示しない車両内の座席に装着する。

ここで、支持部材５が自在に変形可能な柔軟性を有している上、第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎもそれぞれ自在に変形可能な柔軟性を有している。これにより、座席の形状に合わせて支持部材５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。また、そのとき、第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが支持部材５の変形に追従し、この変形を阻害することはない。

そして、座席に圧力が加わることにより、第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎに圧力が加わることとなる。このとき、第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが支持部材５に支持されているので、これらの第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎが撓んでも十分に圧力を受けることができる。

その後、電気特性計測装置３から第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎへ電流が流されて、これら第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎそれぞれの電気抵抗値Ｒが計測される。

そして、圧力算出装置４により、この加圧により生じた第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎの電気抵抗値Ｒの変化に基づいて支持部材５に加えられた圧力値Ｐが算出され、座席にかかる圧力が計測されるようになっている。

次に、この圧力計測装置１における圧力計測方法を説明する。ここでは、図４に基づいて３本の感圧部材Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３によって、支持部材５上の所定領域Ｌに加わる圧力値Ｐを計測する場合を説明する。

まず、３本の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３を支持部材５上に配設する。このとき、所定領域Ｌにおいて各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３が重複するように配設する。

なお、このとき、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３間には図示しない絶縁材が介在され、互いに絶縁されている。また、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３は、同一部材で同一長さに形成されており、圧力値Ｐに対する電気抵抗値Ｒの変化特性及びダイナミックレンジが同一になっている。

そして、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３を、それぞれ導線Ｄにより電気特性計測装置３（図４において不図示）に電気的に接続する。

その後、支持部材５に圧力が加わったら、電気特性計測装置３から各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３に電流を流し、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３のそれぞれの電気抵抗値Ｒを計測する。

ここで、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３が柔軟性を有しているので、重複部分Ａ´に加わる圧力値Ｐは互いの影響を受けることなく各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３に対して均等に加わることになる。

一方、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の圧力値Ｐに対する電気抵抗値Ｒの特性変化が同一であるので、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の電気抵抗値Ｒは、圧力値Ｐが均一であれば同一となる。

しかし、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３において実際に計測される電気抵抗値Ｒ_１〜Ｒ_３には、様々な原因から発生する誤差が含まれる。したがって、３本の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３においてそれぞれ計測される電気抵抗値Ｒ_１〜Ｒ_３に基づいて算出される圧力値Ｆ_１〜Ｆ_３は、次式（１）〜（３）のようになる。

Ｆ_１＝ｐ＋δ１ ・・・（１）
Ｆ_２＝ｐ＋δ２ ・・・（２）
Ｆ_３＝ｐ＋δ３ ・・・（３）
ここでδ１、δ２、δ３は誤差であり、ｐは真の圧力値である。

そして、圧力算出装置４は、上式（１）〜（３）によって算出された圧力値Ｆ_１〜Ｆ_３を統計的に処理し、支持部材５上の所定領域Ｌに加わる圧力値Ｐを算出する。

なお、統計的に処理を行なうとは、例えば平均値や中央値を求めて、これを出力値とすることである。

このように、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３が柔軟性を有しており、重複しても加圧による形状変化に互いの影響を受けることがないので、同一箇所に加わる圧力値Ｆ_１〜Ｆ_３をこれら複数の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３のそれぞれに基づいて同時に計測することができる。

そして、これらの感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３においてそれぞれ計測された電気抵抗値Ｒ_１〜Ｒ_３に基づいて算出される圧力値Ｆ_１〜Ｆ_３を統計的に処理して、所定領域Ｌに加わる圧力値Ｐを求めるので、一つの感圧部材において計測される電気抵抗値Ｒから圧力値Ｐを求める場合よりも誤差を小さくすることができ、圧力計測精度を向上することが可能となる。

また、上述の圧力計測方法では、３本の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３によって所定領域Ｌに加わる圧力値Ｐを算出しているが、感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の配設数を増加することによりさらに圧力計測精度を向上させることができる。また、必要な圧力計測制度によっては、感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の配設数を減少することもできる。

このように、必要な計測精度に応じて感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の配設数を増減させることにより、この必要な計測精度に応じて無駄なく感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３を配設することができる。そして、必要な計測精度を満たす最小限度の感圧部材によって圧力計測装置１を構成することができる。

さらに、上述の圧力計測方法では、複数の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３のダイナミックレンジが同一になっているが、それぞれのダイナミックレンジを異ならせてもよい。

これにより、ダイナミックレンジが同一の感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３を使用した場合では得られない高ダイナミックレンジの計測を行うことが可能となる。

そして、上述の実施の形態では、感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３が刺激応答性ポリマー繊維によって形成されると共に、加圧により変化する電気的特性が電気抵抗となっている。

これにより、感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３の電気抵抗値Ｒの変化に基づき、支持部材５の所定領域Ｌに加わった圧力値Ｐを計測することができるので、容易に圧力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、各感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３は、圧力が加わることにより細い繊維ｈの伸び縮みや、繊維ｈ間の接触点の増減等が生じて電気抵抗値Ｒが変化するものであれば、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、感圧部材Ｈ_１〜Ｈ_３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。

複数の感圧部材Ｈは、例えば図５に示すように、第一の方向（図中Ｘで示す）１本の感圧部材Ｈに対して、第二の方向（図中Ｙで示す）に３本の感圧部材Ｈが重複するように配設されていてもよい。

また、複数の感圧部材Ｈは、接着剤を用いて支持部材５に固定したり、端部を支持部材５に結びつけることで固定したりしてもよい。

さらに、上述の実施の形態では、第一、第二感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎの重複部分Ａに、絶縁性を有する支持部材５を介在させることにより互いに絶縁しているが、各感圧部材Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ、Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎの周面を絶縁被膜でコーティングすることで重複しても通電しないようにしてもよい。

これにより、多数の感圧部材Ｈを重複させても、確実且つ容易に互いに絶縁することができる。

この発明にかかる圧力計測装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は刺激応答性繊維における圧力値に対する電気抵抗値の変化特性を模式的に示すグラフであり、（ｂ）は刺激応答性繊維を重複させて圧力を加えた状態を示す説明図である。 （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）は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。 この発明にかかる圧力計測方法を説明するための説明図である。 感圧部材の配設の他の例を示す模式図である。

符号の説明

１ 圧力計測装置
Ｈ_１−１・・・Ｈ_１−Ｎ 第一感圧部材（感圧手段）
Ｈ_２−１・・・Ｈ_２−Ｎ 第二感圧部材（感圧手段）
３ 電気特性計測装置（電気特性計測手段）
４ 圧力算出装置（圧力算出手段）
５ 支持部材（支持手段）
Ｄ 導線（電気特性伝達手段）

Claims (8)

1. 加圧により電気的特性が変化する柔軟性を有した線形状の感圧手段と、
   この感圧手段を支持する柔軟性を有したシート状の支持手段と、
   前記感圧手段の電気的特性の変化を計測する電気特性計測手段と、
   前記感圧手段の電気的特性を前記電気特性計測手段に伝達する電気特性伝達手段と、
   前記電気特性計測手段により計測された前記感圧手段の電気的特性の変化に基づいてこの感圧手段に加わった圧力を算出する圧力算出手段とを備え、
   前記感圧手段は、前記支持手段の所定領域において重複するように複数配設され、
   前記電気特性計測手段は、これら複数の感圧手段のそれぞれの電気的特性の変化を同時に計測し、
   前記圧力算出手段は、前記電気的計測手段による複数の計測結果を統計的に処理して前記支持手段の所定領域に加わる圧力を算出することを特徴とする圧力計測装置。
2. 前記感圧手段は、必要な計測精度に応じて配設数が変化されることを特徴とする請求項１に記載の圧力計測装置。
3. 前記複数の感圧手段は、圧力感度のダイナミックレンジが異なるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力計測装置。
4. 前記感圧手段は、刺激応答性ポリマー繊維により形成されると共に、前記電気的特性が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計測装置。
5. 加圧により電気的特性が変化する柔軟性を有した線形状の感圧手段を、柔軟性を有したシート状の支持手段により支持し、且つ、この感圧手段を、前記支持手段の所定領域において重複するように複数配設し、
   各感圧手段と、各感圧手段の電気的特性の変化を計測する電気特性計測手段とを電気特性伝達手段により接続して、これら複数の感圧手段のそれぞれの電気的特性の変化を同時に計測し、
   この電気特性計測手段による複数の計測結果を圧力算出手段により統計的に処理して、前記支持手段の所定領域に加わる圧力を算出することを特徴とする圧力計測方法。
6. 前記感圧手段の配設数を、必要な計測精度に応じて変化させることを特徴とする請求項５に記載の圧力計測方法。
7. 圧力感度のダイナミックレンジが異なる複数の感圧手段を配設することを特徴とする請求項５又は６に記載の圧力計測方法。
8. 前記感圧手段を刺激応答性ポリマー繊維により形成すると共に、前記電気的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計測方法。

Images