JP2009534673A - 容量マトリックス圧力変換器における容量ノード測定 - Google Patents

Abstract

【課題】接触面と支持面の間の圧力の分布の能動測定の方法及び装置を提供する。
【解決手段】選択された区域にわたる圧力の分布を測定する方法及びシステムは、交差する行及び列によって形成された感圧キャパシタンスノードのアレイを有するセンサを含み、ノードの測定キャパシタンスは、あたかも別のノードであるかのように測定することができる各行上に配置された基準キャパシタンスの固定値に比較される。
【選択図】図２

Description

本発明は、接触面と支持面の間の圧力の分布の能動測定の方法及び装置に関する。

現在、２つの接触面の圧力を測定する多くの技術が存在する。しかし、圧力分布を判断するために廉価な圧力測定素子のアレイを作ることに興味がある時には、少ない選択肢しか利用できない。これらの場合には、最も一般的な選択肢は、容量型、抵抗型、又は圧電型構成要素のアレイを作ることに基づいている。従来の容量型測定パッドは、感圧容量ノードのマトリックスを形成するために、圧縮性絶縁体によって隔てられた横方向導電ストリップから構成される。ノードは、それらのそれぞれのキャパシタンスを測定するために、マイクロコンピュータによって繰り返して順に走査され、次に、それらの測定から圧力マップが導き出される。得られた圧力マップは、異なる圧力を異なる色で表すカラーグラフィックモニタ上に表示することができる。

これらの技術の各々は、電気信号がアレイに注入され、アレイからのその後の出力信号に関して測定が行われるという観点から考えると、同様に作動する。その上、各方法において、考慮中の特定のノードは、マトリックス中の他のノードから隔離又は絶縁されていなければならない。これは、多くの場合に多重化と呼ばれ、アレイの入力又は出力のいずれか又はその両方に関して行うことができる。ノードを他のノードから絶縁させる実際の処理は、この問題に対する別の解決法があるので変わる場合がある。

ノードキャパシタンスは、既知の電圧の駆動信号に対するノードの応答を測定することにより見つけられる。この測定は、ノードの横方向導電性ストリップ（列）の１つを駆動源に接続し、ノードの他の導電性ストリップ（行）をセンス増幅器に接続することによって達成される。関連のノードを周りのノードの影響から隔離するために、選択されたノードに交差する２つを除く列及び行の全ては、接地に接続される。次に、起動信号が、望ましい非接地列上に注入され、望ましい非接地行からの受信信号が測定される。測定段階は、その行の上の各ノードに対して繰り返される。行に沿った各ノードが測定された状態で、望ましい行を変えて、測定処理は、全てのノードを測定してしまうまで繰り返される。これが、ｍａｘ[列]をｍａｘ[行]に乗算したものに等しい測定要素の数を有するフレームと呼ばれる測定データのマトリックスをもたらす。

較正と呼ばれる処理を通してセンサに対する圧力と受信信号振幅の間の関係を予め判断することにより、各容量ノード又はセンサセルでの圧力が各フレームに関して見積もられ、それによってあらゆる物体のその間のセンサに接触する圧力映像をもたらすことができる。
しかし、米国特許第５、０１０、７７２号（その内容は、本明細書において引用により組み込まれている）の場合のように電流センス増幅器のようなゼロインピーダンス装置を使用してマトリックスの出力を測定しない限り、測定されない列及び行の接地は、関連のノードを他のノードの影響から完全に隔離することはない。センス増幅器の接地に対する入力インピーダンスは、他のシステムインピーダンスに対して無視することができるほど小さく取られる。このようにして、駆動源に接続した列だけがその上に電圧を印加され、システム内の他の全てのノードの他の列は、接地電位で維持され、従って、１つのキャパシタンスの正確な測定が可能になる。しかし、センス増幅器の接地によってさえも、他のノードが変化する圧力及び従って変化するキャパシタンスを有する時には、信号感知回路の入力インピーダンスが完全にゼロでなければ、選択されたノード測定の誤差が依然として存在する。非ゼロ入力インピーダンス誤差を悪化させるのは、誤差のマグニチュードが、どの圧力が他の使用されていないノードに加えられているかに基づく動的変数であるという事実である。
従って、圧力マッピングシステムにおいて個々のノードキャパシタンスを測定する代替的方法の必要性が当業技術に存在する。

米国特許第５、０１０、７７２号

本発明は、あたかも別のノードであるかのように測定することができる基準キャパシタンスの固定値を各行に配置し、これを通して可変システムにおける固定キャパシタンスに対する基本測定値を判断することによって個々のノードキャパシタンスを測定する新しい方法を提供する。このことから、行に沿ったノードキャパシタンスの全てのその後の測定値は、この基本測定値と比較することができる。この比較処理は、電流センサセル測定値（他の線が接地された状態の特定の行及び列でのノード）と固定ノードに関する測定値のそれとの比率を判断する段階を含む。この比率を各ノードに関して判断した状態で、これらの値は、キャパシタンス及び従って各個々のノードでの圧力を見積もるために使用することができる。

従って、１つの態様において、本発明は、選択された区域にわたる圧力の分布を測定する方法を含むことができ、本方法は、
（ａ）列が行に平行でなく、一連のセンサセルの各々が、列及び行の交点に形成され、列及び行が、それぞれ圧縮性誘電体のシートの対向する側に配置され、各センサセルが、交点での絶縁材料の圧縮によって変化するキャパシタンスを有する、複数の線形導体列及び複数の線形導体行を有するセンサを選択された区域にわたって配置する段階、
（ｂ）単一の列を選択し、選択列に電圧を加える段階、
（ｃ）単一の行を選択する段階、
（ｄ）選択行の電流を測定し、それによって選択列及び行の交点でのセンサセルのキャパシタンスを測定し、同時に非選択列の各々及び非選択行の各々を接地して感知センサセルを非感知センサセルのキャパシタンスの変化の影響から隔離する段階、
（ｅ）選択行に対して固定基準キャパシタンスを供給する段階、及び
（ｆ）感知センサセルの測定キャパシタンスと固定基準キャパシタンスとを比較することにより、感知センサセルに対する圧力測定値を判断する段階、
を含む。

別の態様では、本発明は、表面上の力の分布をモニタするためのシステムを含むことができ、システムは、
（ａ）列及び行が平行でなく、一連のセンサセルの各々が、列及び行の交点に形成され、列及び行が、それぞれ圧縮性誘電体のシートの対向する側に配置され、各センサセルが、交点での絶縁材料の圧縮によって変化するキャパシタンスを有する、複数の線形導体列及び複数の線形導体行を有するセンサ、
（ｂ）単一の列を選択し、選択列に電圧を加えるための手段、
（ｃ）単一の行を選択するための手段、
（ｄ）選択行の電流を測定し、それによって選択列及び行の交点でのセンサセルのキャパシタンスを測定するための手段、
（ｅ）非選択列の各々及び非選択行の各々を接地して、感知センサセルを非感知センサセルのキャパシタンスの変化の影響から隔離するための手段、
（ｆ）各行に対して固定基準キャパシタンスを供給するための手段、及び
（ｇ）感知センサセルの測定キャパシタンスと固定基準キャパシタンスとを比較することにより、感知センサセルに対する圧力測定値を判断するための手段、
を含む。
ここで、本発明を添付の簡単で概略の縮尺通りでない図面を参照して例示的な実施形態により以下に説明する。

本発明は、２つの表面の間の圧力の分布の能動測定のための新しい方法及び感圧装置を提供する。本発明を説明する時、本明細書内で定めていない全ての用語は、それらの一般的に技術的に認識されている意味を有する。以下の説明が本発明の特定的な実施形態又は特定の使用の説明である範囲において、それは、単に例示を目的としており、特許請求する本発明を限定するものではない。以下の説明は、特許請求の範囲において定めている本発明の精神及び範囲に含まれる全ての代替物、変更物、及び均等物を網羅するものとする。

図１に示すように、本発明の圧力測定システムの一実施形態は、３つの主な構成要素、すなわち、一方の物体の他方に対する圧力の分布を測定するために２つの物体の表面（１２）の間に置くことができる感圧パッド（１０）、電気駆動信号をパッド（１０）に供給し、パッドからの感圧出力信号を受信するインタフェースユニット（１４）、及びインタフェースユニットを制御し、パッドからの出力信号を処理するための、関連のグラフィック表示モニタ（１８）を備えたデスクトップ、ラップトップ、又は携帯用コンピュータとすることができる信号処理装置、例えば、マイクロプロセッサ（１６）から構成される。
作動において、パッド（１０）は、その表面区域にわたる複数の点の各々において検出される圧力を示す出力信号を生成する。コンピュータ（１６）は、インタフェースユニット（１４）によってこれらの信号を受信し、パッドの区域にわたる患者の重量の分布を示す表示を発生させる。

パッド（１０）の基本的構造を図２に示している。このパッドは、それぞれその対向する側に配置された導体の２つの線形アレイを有する圧縮性誘電体の層を備えたセンサを含む。誘電体の層は、圧縮性エラストマー材料とすることができる。「列」は、信号プロセッサからセンサセルへ起動信号を運ぶ導体を意味している。「行」は、センサセルから測定電子機器へ起動信号を運ぶ導体を意味している。列は、一方向に向いた一連の実質的に平行な線形の導体である。行は、必ずしもそうではないが、好ましくは、列の方向と垂直な方向に向いた実質的に平行な線形の導体である。行及び列の各交点は、測定ノード又はセンサセルを形成する。従って、センサは、圧力の下で変形し、従って、外部装置によって測定することができるセル内部の容量結合の変化をもたらす複数の個々のセンサセルを含む装置である。各センサセルの容量結合は、圧力の下で変化する。

本明細書で使用する場合、「キャパシタンス」は、導体の間に電位差が存在する時に電気の蓄電を可能にする導体と誘電体のシステムのその特性を意味する。その値は、電気量と電位差の比として表現される。キャパシタンス値は、いつも正である。その電位を１単位上げるのに本体に移さなければならない電荷は、Ｃ＝Ｑ／Ｖによって表され、ここで、Ｃはキャパシタンス、Ｑは電荷の量、Ｖは電位である。

図２に示すように、測定ノードは、マトリックス配列に配置され、各ノードは、コンデンサを表している。マトリックスの行のコンデンサの全ては、第１のアレイの列の１つに共通して接続され、マトリックスの列のコンデンサの全ては、他方のアレイの行の１つに共通して接続される。特定のノードのキャパシタンスを測定することが望ましい時は、既知の電圧Ｖ_Iを有する駆動信号が、ノードが位置する列に加えられる。
図２に示すように、入力電圧は、デマルチプレクサによって列の各々に加えられ、出力電圧は、従来のマルチプレクサ及びアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を通じて各行において測定される。

式（１）は、図３に示すセンサモデルに関する標準電圧伝達関数である。

（１）
ここで、
Ｖ_Ij：ｊ番目の列における入力電圧
Ｖ_Oi：ｉ番目の行における出力電圧
Ｖ_Oij：ｊ番目の列に入力電圧が与えられた状態のｉ番目の行の出力電圧
Ｖ_Oi0：０番目の列に入力電圧が与えられた状態のｉ番目の行の出力電圧
Ｃ_E：測定システムの入力キャパシタンス
Ｃ_ij：ｉ番目の行及びｊ番目の列におけるノードキャパシタンス
Ｒ_L：測定システムの入力抵抗
どの行及び列が選択されるかにより、添字ｉｊによって示された異なる伝達関数が発生する。（１）の単純な操作により、他のパラメータの関数としてＣ_ijに関して解くことが可能になる。

（２）

（３）
ここで、Ｃ_Sは、センサセルキャパシタンス（Ｃ_ij）及び測定システムの入力キャパシタンス（Ｃ_E）によっては説明されない浮遊キャパシタンス又は残留キャパシタンスである。しかし、Ｃ_ijの計算は、他の変化するノードキャパシタンスと同じく時間的に変化する場合がある外部キャパシタンスの合計であるＣ_RXiに基づいている。従来の方法においては、Ｒ_L及びｗ（ラジアン又は各周波数）の減少は、センサのこの相互に関連する態様の影響の最小化をもたらすが、これは、煩雑な解である。

本発明において、個々のノードキャパシタンスは、あたかも別のノード（固定ノード）であるかのように測定することができ、かつこれを通して可変システムの固定キャパシタンスの基本測定値を判断することができる各行上の基準キャパシタンスの固定値を設けることにより測定することができる。従って、図２に示すように、Ｔ_X0は、標準センサ要素の固定キャパシタンス対可変キャパシタンスから作られている列である。この固定キャパシタンス列は、他の要素に平行に配置される限り、システム中のどこでも配置することができる。この固定キャパシタンス列は、行において他の要素が測定される前、その途中、又はその後のいずれかで測定することができる。Ｔ_X0測定値は保存され、関連のノードのキャパシタンスのみを隔離する適切な瞬間に他の行と比較される。このことから、行に沿ったノードキャパシタンスの全てのその後の測定値は、この基本測定値と比較することができる。この比較処理は、現在のセンサセル測定値（他の行及び列が接地された状態の特定の行及び列（Ｃ_ij）におけるノード）と固定ノードに関する測定値のそれとの比率を単に判断するものである。各ノードにおいて、この比率が求められた状態で、これらの値は、各個々のノードでのキャパシタンス又は圧力を見積もるために使用することができる。

図２の構造によって形成される等価回路を図３に概略的に示している。次に、行に沿った固定キャパシタンスの導入により、固定ノードキャパシタンス測定値を利用し、かつ他のノードによって導かれた誤差を除去するために式を操作することができる。すなわち、

（４）
式（４）から、関連の伝達関数のノードと基準（固定コンデンサ）ノード伝達関数との比率を判断することによって式（５）の結果が得られる。

（５）
ここで、Ｃ_i0は、ｉ番目の行における固定基準コンデンサのキャパシタンスである。

入力電圧Ｖ_Ijは、一定であるか又は既知であるが変化するかのいずれかであり、従って、式（５）に説明されているように相殺されるか又は既知の場合には一定の倍率になる。当業者は、式（５）の演算が式（２）において強調された悪影響を除去することを認めるであろう。
ここから先は、正規化されたＣ’_ijを使用するか、又はＣ_i0の正確な値が既知であれば、Ｃ_ijを計算して使用することができる。いずれの使用も、較正処理が両方の値を関連のセルでの望ましい読取値に変換するように有効に機能するので、較正されたシステムにおいて許容される。

本発明の一実施形態の図である。 本発明のセンサ及びセンサセルの概略図である。 単一のセンサセルのキャパシタンスを測定するための電気的モデルの概略図である。

符号の説明

ＡＤＣ アナログ−デジタル変換器
Ｖ_I 既知の電圧

Claims (9)

1. 選択された区域にわたる圧力の分布を測定する方法であって、
   （ａ）列が行に平行でなく、一連のセンサセルの各々が、列及び行の交点に形成され、該列及び行が、それぞれ圧縮性誘電体のシートの対向する側に配置され、各センサセルが、該交点での該絶縁材料の圧縮によって変化するキャパシタンスを有する、複数の線形導体列及び複数の線形導体行を有するセンサを選択された区域にわたって配置する段階、
   （ｂ）単一の列を選択し、該選択した列に電圧を加える段階、
   （ｃ）単一の行を選択する段階、
   （ｄ）前記選択した行の電流を測定し、それによって前記選択列及び行の交点での前記センサセルの前記キャパシタンスを測定し、同時に非選択列の各々及び非選択行の各々を接地して感知したセンサセルを非感知センサセルのキャパシタンスの変化の影響から隔離する段階、
   （ｅ）前記選択行に対して固定基準キャパシタンスを供給する段階、及び
   （ｆ）前記感知したセンサセルの前記測定キャパシタンスと前記固定基準キャパシタンスとを比較することにより、該感知センサセルに対する圧力測定値を判断する段階、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 段階（ｂ）から（ｆ）は、センサセルのアレイ全体に対して繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記選択行に対する前記固定基準キャパシタンスは、該行の各々に交差する固定されたキャパシタンス列によって供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記感知センサセルの前記測定キャパシタンスと前記固定基準キャパシタンスとの前記比較は、該測定キャパシタンスと該固定基準キャパシタンスの比率を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. 表面上の力の分布をモニタするためのシステムであって、
   （ａ）列及び行が平行でなく、一連のセンサセルの各々が、列及び行の交点に形成され、該列及び行が、それぞれ圧縮性誘電体のシートの対向する側に配置され、各センサセルが、該交点での該絶縁材料の圧縮によって変化するキャパシタンスを有する、複数の線形導体列及び複数の線形導体行を有するセンサ、
   （ｂ）単一の列を選択し、該選択した列に電圧を加えるための手段、
   （ｃ）単一の行を選択するための手段、
   （ｄ）前記選択した行の電流を測定し、それによって前記選択列及び行の交点での前記センサセルの前記キャパシタンスを測定するための手段、
   （ｅ）非選択列の各々及び非選択行の各々を接地して、感知したセンサセルを非感知センサセルのキャパシタンスの変化の影響から隔離するための手段、
   （ｆ）各行に対して固定基準キャパシタンスを供給するための手段、及び
   （ｇ）前記感知センサセルの前記測定キャパシタンスと前記固定基準キャパシタンスとを比較することにより、該感知センサセルに対する圧力測定値を判断するための手段、
   を含むことを特徴とするシステム。
6. 単一の列を選択して該選択列に電圧を加えるための前記手段は、デマルチプレクサを含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 単一の行を選択して該選択行の電流を測定するための前記手段は、マルチプレクサを含むことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のシステム。
8. 圧力測定値を判断するための前記手段は、前記感知センサセルの前記測定キャパシタンスと前記固定基準キャパシタンスとの比率を計算するための手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
9. センサセルのアレイ全体に対して前記測定キャパシタンスを処理し、表面上の前記力の分布をグラフィックで表示するためのコンピュータプロセッサを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。

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