JP2012168064A - 外力計測装置とそれを備えるクッション体 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象面に及ぼされる押圧力を広範囲で正確に計測することができると共に、計測対象面に及ぼされる剪断力も計測可能とされた、新規な構造の外力計測装置とそれを備えたクッション体を、部品点数の少ない簡単な構造で実現して、提供する。
【解決手段】一対の電極膜Ｘ，Ｙが導電性の弾性材によって変形可能に形成されており、外力計測用センサ１２に対して一対の電極膜Ｘ，Ｙの対向方向で作用する押圧力を、外力計測用センサ１２の静電容量の変化量に基づいて計測する押圧力計測手段５０を有すると共に、外力計測用センサ１２に対して一対の電極膜Ｘ，Ｙの面方向で作用する剪断力を、一対の電極膜Ｘ，Ｙの少なくとも一方の電気抵抗の変化量に基づいて計測する剪断力計測手段５２，５４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面に作用する外力を計測するための外力計測装置とそれを備えるクッション体に係り、特に、面直交方向に作用する外力（押圧力）と、面平行方向に作用する外力（剪断力）とを、何れも計測可能とされた外力計測装置及びそれを備えるクッション体に関する。

従来から、計測対象面に作用する押圧力の分布を計測し得るセンサが提案されており、例えば椅子の座面に作用する押圧力を計測して人が座っているか否かを判定したり、計測対象面に座した或いは伏した人に対して高い圧力が集中的に作用していないかを確認する等の用途に適用されている。このようなセンサとしては、例えば、特開２０１０−４３８８１号公報（特許文献１）に示された静電容量型面圧分布センサ等がある。

ところで、特許文献１では、計測対象面であるセンサの上面に対して上下方向（一対の電極の対向方向）に作用する押圧力を、静電容量の変化として高精度に計測して圧力分布を得ることができる。一方、面に平行な方向（水平方向）に作用する剪断力の計測を目的とするものではなかった。そこで、例えば、特許第４１０１７６８号公報（特許文献２）では、褥瘡の発生要因となる圧力の継続作用とずれおよび摩擦の作用との両方を確認可能とするために、面に作用する押圧力に加えて、面に作用する剪断力を計測可能とされた測定装置が提案されている。この測定装置は、押圧力を測定するための圧力センサと、剪断力（ずれ力）を測定するための歪ゲージを備えている。

しかしながら、特許文献２に記載の測定装置では、圧力センサと歪ゲージをそれぞれ設けていることから、センサ素子の数が増えて構造が複雑になると共に、１つの測定装置では狭い領域の押圧力および剪断力しか計測できず、計測対象がベッド用マットレス表面等の広い面である場合には、独立した構造の測定装置を多数配設する必要があって配設作業が煩雑であるし、多数の測定装置を配設したとしても計測対象面の全体に亘って正確な計測値を得ることは難しかった。

特開２０１０−４３８８１号公報 特許第４１０１７６８号公報

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、計測対象面に及ぼされる押圧力を広範囲で正確に計測することができると共に、計測対象面に及ぼされる剪断力も計測可能とされた、新規な構造の外力計測装置を、部品点数の少ない簡単な構造で実現して、提供することにある。

また、本発明は、上記外力計測装置を設けることで、体重によって及ぼされる押圧力と剪断力を計測して褥瘡の発生予防を危険度等を予測可能とした、新規な構造のクッション体を提供することも、目的とする。

すなわち、本発明の第１の態様は、誘電性の弾性材で形成された誘電体層の両面に一対の電極膜が設けられた複数のセンサ素子を有しており、それらセンサ素子に作用する力を該センサ素子の検出値の変化に基づいて計測する外力計測装置であって、前記一対の電極膜が導電性の弾性材によって変形可能に形成されており、前記センサ素子に対して該一対の電極膜の対向方向で作用する押圧力を、該センサ素子の静電容量の変化量に基づいて計測する押圧力計測手段を有すると共に、該センサ素子に対して該一対の電極膜の面方向で作用する剪断力を、該一対の電極膜の少なくとも一方の電気抵抗の変化量に基づいて計測する剪断力計測手段を有することを特徴とする。

このような第１の態様に記載された外力計測装置によれば、外力計測用センサを構成する電極膜が弾性材で形成されて伸縮変形を許容されている。それ故、電極膜の面方向に作用する剪断力が入力すると電極膜が伸縮変形して、長さと断面積の変化に応じて電極膜の電気抵抗が変化する。従って、電極膜の電気抵抗の変化を計測することにより、外力計測用センサに及ぼされた剪断力を計測することができて、外力計測用センサ上での物体の摩擦を伴う移動（ずれ）を検出することができる。

しかも、誘電体層の両面に電極膜を設けた外力計測用センサによって、押圧力計測手段と剪断力計測手段が構成される。従って、剪断力計測手段を構成するために構造の異なるセンサを準備する必要がなく、外力計測装置を容易に製造することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載された外力計測装置において、前記押圧力計測手段と前記剪断力計測手段が前記一対の電極膜の少なくとも一方を共有して構成されていると共に、それら押圧力計測手段と剪断力計測手段を切り替えるスイッチ手段が設けられているものである。

第２の態様によれば、押圧力計測手段と剪断力計測手段が同じ電極膜を共有して形成されており、共通の部材で押圧力と剪断力の両方を計測可能とされている。それ故、外力計測用センサの表面に及ぼされる押圧力及び剪断力を、少ない部品点数で効率的に計測することができる。

また、スイッチ手段によって回路の切り替えを行うことにより、押圧力計測手段と剪断力計測手段が回路の一部を共有することができる。それ故、簡単な回路でそれらの計測手段を設けることが可能とされる。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載された外力計測装置において、前記押圧力計測手段と前記剪断力計測手段が互いに独立したそれぞれの回路で設けられているものである。

第３の態様によれば、押圧力計測手段と剪断力計測手段を電気的に独立した回路を用いて設けることにより、例えば、押圧力計測手段の回路に交流電圧を印加しながら、同時に剪断力計測手段の回路に直流電圧を印加することが可能となる。従って、押圧力の計測と剪断力の計測が独立して実行可能とされて、それら押圧力の計測と剪断力の計測を同時に行うことができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか１つの態様に記載された外力計測装置において、前記一対の電極膜が、前記誘電体層の一方の面に設けられる表側電極膜と、該誘電体層の他方の面に設けられる裏側電極膜とを、含んで構成されていると共に、該表側電極膜への通電方向と該裏側電極膜への通電方向が互いに異なる方向とされており、該表側電極膜の電気抵抗の変化量と該裏側電極膜の電気抵抗の変化量とに基づいて剪断力の作用方向を特定する入力方向特定手段が設けられたものである。

第４の態様によれば、表側電極膜と裏側電極膜との通電方向が異なることで、入力される剪断力に対して、通電方向での長さの変化量と、通電方向に直交して広がる断面の面積の変化量が、表側電極膜と裏側電極膜で互いに異なる。その結果、剪断力の入力に対する表側電極膜の電気抵抗の変化と裏側電極膜の電気抵抗の変化が互いに異なることから、それら表側電極膜の電気抵抗と裏側電極膜の電気抵抗をそれぞれ計測することにより、剪断力の入力方向を特定することができる。

特に、短手方向での変形による電気抵抗の変化が、長手方向の変形による電気抵抗の変化に対して、無視できる程度に小さくなるようにすれば、剪断力の入力方向を電気抵抗の計測値から高精度に求めて特定することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載された外力計測装置において、前記表側電極膜が面方向一方向で長手とされると共に、前記裏側電極膜が該表側電極膜と直交する方向で長手とされて、それら表側電極膜と裏側電極膜への通電方向がそれぞれの長手方向とされるものである。

第５の態様によれば、表側電極膜と裏側電極膜がそれぞれ通電方向で長手とされていることにより、通電方向への入力時にそれら電極膜の伸縮変形量が大きくなって、電気抵抗の変化が大きく検出される。それ故、表側電極膜を用いて計測される剪断力の分力と、裏側電極膜を用いて計測される剪断力の分力とに基づいて、入力された剪断力の大きさと方向を求めることができる。しかも、表側電極膜と裏側電極膜を長手方向（通電方向）が互いに直交するように配置することによって、剪断力をより容易に特定することができる。

本発明の第６の態様は、クッション体において、第１〜第５の何れか１つの態様に記載された外力計測装置を備えることを特徴とする。

このような第６の態様に記載されたクッション体によれば、クッション体の表面に作用する押圧力および剪断力を外力計測装置で計測することにより、褥瘡の要因となる圧力の集中的な作用およびずれによる摩擦の有無およびその大きさを確認することができる。従って、外力計測装置の計測結果から褥瘡の発生を予め予測して、予防策（体動介護等）を講じることが可能となる。

また、剪断力の方向を特定可能な外力計測装置を用いれば、クッション体上で身体のずれた方向を確認してずれが生じる要因を特定することにより、ずれによる摩擦を予防して、褥瘡の発生を防ぐことができる。

本発明によれば、導電性の弾性材で形成された電極膜を用いることにより、誘電体層と一対の電極膜を備えた外力計測用センサによって、面直交方向に作用する押圧力と、面平行方向に作用する剪断力（摩擦力）を、何れも計測することができる。また、クッション体において、押圧力と剪断力を計測することにより、褥瘡の発生危険度を予測することもできる。

本発明の１実施形態としての外力計測装置を説明するブロック図。 図１に示された外力計測装置を構成する外力計測用センサの断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ断面図 図１に示された外力計測装置の外力計測手順を説明するフローチャート。 図１に示された外力計測装置を有するマットレスを側方から示す概略図。 本発明の別の実施形態としての外力計測装置を説明する概略図。 本発明のまた別の実施形態としての外力計測装置を説明する概略図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の１実施形態として、外力計測装置１０が示されている。外力計測装置１０は、外力計測用センサ１２と、処理装置１４を含んで構成されている。そして、外力計測用センサ１２の検出値に基づいて、処理装置１４が外力を計測して、計測結果を表示手段としてのディスプレイ１６に表示するようになっている。なお、以下の説明では、原則として、図１中の左右方向をＸ方向、上下方向をＹ方向と称する。

より詳細には、外力計測用センサ１２は、図１，図２に示されているように、誘電体層１８の両面に表裏一対の電極膜（表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙ）を設けた構造を有している。誘電体層１８は、略正方形のシート状を呈しており、ゴムや熱可塑性エラストマといった誘電性の弾性材で形成されている。なお、誘電体層１８の形成材料は、誘電性の弾性材であれば特に限定されるものではないが、後述する押圧力検出用センサ素子Ｃのキャパシタンスを大きくするために、比誘電率が高いものが望ましく、例えば、常温での比誘電率が３以上、より好適には５以上のものが採用される。

誘電体層１８の形成材料としては、例えば、エステル基，カルボキシル基，水酸基，ハロゲン基，アミド基，スルホン基，ウレタン基，ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマや、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマが好適に採用される。更に、エラストマのヤング率を小さく設定することで、微小な外力を計測し得る押圧力検出用センサ素子Ｃを実現する等、求められる計測感度や計測可能レンジに応じて、エラストマのヤング率は適当に設定される。

より具体的には、誘電体層１８の形成材料として、例えば、シリコーンゴム，アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム，アクリルゴム，エピクロロヒドリンゴム，クロロスルホン化ポリエチレン，塩素化ポリエチレン，ウレタンゴム等が好適に採用される。本実施形態の誘電体層１８は、発泡性のウレタンによって形成されている。

また、誘電体層１８の上面に表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘが設けられていると共に、誘電体層１８の下面に裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙが設けられている。なお、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙによって、誘電体層１８の両面に設けられる一対の電極膜が構成されている。

表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘは、ゴム材料に導電性フィラーを混合した導電性ゴム等の導電性の弾性材で形成されており、容易に変形を許容される薄肉長手の帯状体とされている。また、１６個の表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘが、短手方向で所定距離を隔てて隣り合うように並列に配設されており、それぞれ図１中の左右方向を長手として延びている。更に、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘの両端からは、表側配線０１ｘ〜１６ｘの各一つが延び出しており、表側配線０１ｘ〜１６ｘを通じて表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘに長手方向で通電されるようになっている。表側配線０１ｘ〜１６ｘは、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘの両端から左右に延び出しており、中間で屈曲して上下に延びている。更にまた、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘの一端から延び出す表側配線０１ｘ〜１６ｘの端部に、表側配線用コネクタ２０ａが設けられていると共に、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘの他端から延び出す表側配線０１ｘ〜１６ｘの端部に、表側配線用コネクタ２０ｂが設けられており、後述する処理装置１４に対して配線を介して電気的に接続されている。

なお、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび表側配線０１ｘ〜１６ｘは、表側絶縁フィルム２２上に設けられている。表側絶縁フィルム２２は、絶縁性の合成ゴム（例えば、シリコーンゴム）等で形成された薄膜であって、略正方形の電極印刷部２４と、電極印刷部２４の左側に突出して上方に延び出す配線印刷部２６ａと、電極印刷部２４の右側に突出して下方に延び出す配線印刷部２６ｂとを、備えている。本実施形態において、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび表側配線０１ｘ〜１６ｘは、調製されたゴムコンパウンドに有機溶剤を添加したものに導電性フィラーとしてのカーボンブラックを混合し、更に印刷用溶剤を添加したゴム系導電性塗料が、スクリーン印刷やインクジェット印刷，フレキソ印刷，グラビア印刷，パッド印刷，リソグラフィー等の方法で、表側絶縁フィルム２２の下面に所定の形状で印刷されることによって形成されている。

裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙは、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと同一の材料で形成されていると共に、同一の形状を有している。また、１６個の裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙが、短手方向で所定距離を隔てて隣り合うように並列に配設されており、それぞれ図１中の上下方向を長手として、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと略直交する方向に延びている。更に、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの両端からは、裏側配線０１ｙ〜１６ｙの各一つが延び出しており、裏側配線０１ｙ〜１６ｙを通じて裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙに長手方向で通電されるようになっている。裏側配線０１ｙ〜１６ｙは、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの上下両端から延び出しており、中間で屈曲して左右に延びている。更にまた、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの一端から延び出す裏側配線０１ｙ〜１６ｙの端部に、裏側配線用コネクタ２８ａが設けられていると共に、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの他端から延び出す裏側配線０１ｙ〜１６ｙの端部に、裏側配線用コネクタ２８ｂが設けられており、表側配線用コネクタ２０ａ，２０ｂと同様に、後述する処理装置１４に対して配線を介して電気的に接続されている。

なお、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙおよび裏側配線０１ｙ〜１６ｙは、裏側絶縁フィルム３０上に設けられている。裏側絶縁フィルム３０は、表側絶縁フィルム２２と同様の絶縁性材料で形成された薄膜であって、略正方形の電極印刷部３２と、電極印刷部３２の上側に突出して右方に延び出す配線印刷部３４ａと、電極印刷部３２の下側に突出して左方に延び出す配線印刷部３４ｂとを、備えている。本実施形態では、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙおよび裏側配線０１ｙ〜１６ｙは、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび表側配線０１ｘ〜１６ｘと同様のゴム系導電性塗料が、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび表側配線０１ｘ〜１６ｘと同様の印刷方法で、裏側絶縁フィルム３０の上面に所定の形状で印刷されることによって形成されている。なお、図１では、誘電体層１８と表側絶縁フィルム２２が、何れも透明化されて外形線だけで示されており、表裏の電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙ及び配線０１ｘ〜１６ｘ，０１ｙ〜１６ｙが図示されている。

表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの形成材料は特に限定されるものではないが、後述する第１の剪断力検出用センサ素子ＲＸおよび第２の剪断力検出用センサ素子ＲＹの検出感度を高めるためには、それら電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙを形成するゴム材料のヤング率が、誘電体層１８を形成するエラストマのヤング率よりも小さいことが望ましい。蓋し、誘電体層１８のヤング率の方が小さいと、剪断力の入力時に誘電体層１８の剪断変形が支配的になって、電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙの引張変形が生じ難くなるからである。尤も、誘電体層１８のヤング率と電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙのヤング率は、押圧力と剪断力に対して要求される検出感度等に応じて調節されるものであって、誘電体層１８のヤング率が電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙのヤング率よりも小さく設定されていても良い。

そして、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘおよび表側配線０１ｘ〜１６ｘを設けられた表側絶縁フィルム２２が誘電体層１８の上面に重ね合わされると共に、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙおよび裏側配線０１ｙ〜１６ｙを設けられた裏側絶縁フィルム３０が誘電体層１８の下面に重ね合わされて、外力計測用センサ１２が形成されている。この外力計測用センサ１２において、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙは、図１中で斜線を付して示されているように、誘電体層１８を挟んで部分的に重なり合っており、重なり合う部分にそれぞれ押圧力検出用センサ素子Ｃが形成されて、２５６個の押圧力検出用センサ素子Ｃが１６×１６の正方行列状に配置されている。なお、表側電極膜ｉＸ（ｉは０１〜１６の何れか）と裏側電極膜ｊＹ（ｊは０１〜１６の何れか）の対向部分に形成される押圧力検出用センサ素子Ｃに対して、図中ではＣｉｊの符号が付されている。

また、外力計測用センサ１２を構成する表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙは、それぞれが剪断力検出用センサ素子Ｒとされている。より詳細には、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘのそれぞれが、図１中の左右方向（Ｘ方向）に作用する剪断力を検出する第１の剪断力検出用センサ素子ＲＸとされていると共に、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙのそれぞれが、図１中の上下方向（Ｙ方向）に作用する剪断力を検出する第２の剪断力検出用センサ素子ＲＹとされている。なお、図中では、表側電極膜ｉＸ（ｉは０１〜１６の何れか）で構成される剪断力検出用センサ素子ＲＸに対して、ＲＸｉの符号が付されていると共に、裏側電極膜ｊＹ（ｊは０１〜１６の何れか）で構成される剪断力検出用センサ素子ＲＹに対して、ＲＹｊの符号が付されている。

このような構造とされた外力計測用センサ１２は、表側配線用コネクタ２０ａ，２０ｂと裏側配線用コネクタ２８ａ，２８ｂに接続された配線を介して、処理装置１４と電気的に接続されている。処理装置１４は、電源回路３６と、ＲＡＭ３８と、ＲＯＭ４０と、ＣＰＵ（中央演算装置）４２と、駆動回路４４とを、備えている。

電源回路３６は、押圧力検出用センサ素子Ｃに正弦波状の交流電圧を印加する交流電源回路４６と、剪断力検出用センサ素子Ｒに直流電圧を印加する直流電源回路４８とを含んでおり、それら交流電源回路４６と直流電源回路４８が、後述する駆動回路４４の制御に応じて選択的に電圧を印加するようになっている。

ＲＯＭ４０は、読み込みのみが可能な半導体記憶装置であって、押圧力検出用センサ素子Ｃを用いて計測された静電容量と押圧力との対応を示すマップデータと、剪断力検出用センサ素子Ｒを用いて計測される電気抵抗と剪断力との対応を示すマップデータが、予め格納されている。

ＲＡＭ３８は、読み込み及び書き込みが可能な半導体記憶装置であって、押圧力検出用センサ素子Ｃを用いて計測されたインピーダンスおよび位相と、剪断力検出用センサ素子Ｒを用いて計測された電流値が、一時的に格納される。

ＣＰＵ４２は、主にデータ処理を行う演算装置であって、ＲＡＭ３８に格納されたインピーダンスと位相に基づいて各押圧力検出用センサ素子Ｃが検出した静電容量を求めると共に、ＲＯＭ４０に格納されたマップデータを参照して、求めた静電容量に対応する押圧力を特定する。このように、押圧力検出用センサ素子Ｃの静電容量の変化に基づいて押圧力を計測する押圧力計測手段５０が、処理装置１４と各押圧力検出用センサ素子Ｃとを含んで構成されている。なお、各押圧力検出用センサ素子Ｃの位置と、計測された押圧力の大きさに基づいて、外力計測用センサ１２上での押圧力の分布を求めても良い。

また、ＣＰＵ４２は、ＲＡＭ３８に格納された電流値に基づいて各剪断力検出用センサ素子ＲＸ，ＲＹが検出した電気抵抗を求めると共に、ＲＯＭ４０に格納されたマップデータを参照して、求めた電気抵抗に対応する剪断力を特定する。このように、剪断力検出用センサ素子ＲＸの電気抵抗の変化に基づいて剪断力のＸ方向分力を計測する第１の剪断力計測手段５２が、処理装置１４と各剪断力検出用センサ素子ＲＸとを含んで構成されていると共に、剪断力検出用センサ素子ＲＹの電気抵抗の変化に基づいて剪断力のＹ方向分力を計測する第２の剪断力計測手段５４が、処理装置１４と各剪断力検出用センサ素子ＲＹとを含んで構成されている。なお、第１の剪断力計測手段５２が押圧力計測手段５０と表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘを共有して構成されていると共に、第２の剪断力計測手段５４が押圧力計測手段５０と表側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙを共有して構成されている。

さらに、ＣＰＵ４２は、第１の剪断力計測手段５２によって計測された剪断力のＸ方向分力の大きさと、第２の剪断力計測手段５４によって計測された剪断力のＹ方向分力の大きさとに基づいて、剪断力の作用方向を求める。この際、ＣＰＵ４２を含む処理装置１４は、剪断力の入力方向を特定する入力方向特定手段として機能する。

また、外力計測装置１０では、駆動回路４４が、押圧力計測用の回路（押圧力計測手段５０）と剪断力計測用の回路（第１，第２の剪断力計測手段５２，５４）を所定の時間間隔で切り替えて、押圧力と剪断力を交互に計測するようになっている。即ち、外力計測用センサ１２の表側配線用コネクタ２０ｂと処理装置１４を電気的に接続する経路上に第１のスイッチ５６が設けられており、第１のスイッチ５６の接続と遮断が駆動回路４４によって制御されるようになっている。更に、裏側配線用コネクタ２８ｂと処理装置１４を電気的に接続する経路上に第２のスイッチ５８が設けられており、第２のスイッチ５８の接続と遮断が駆動回路４４によって制御されるようになっている。これらによって、表側配線用コネクタ２０ｂおよび裏側配線用コネクタ２８ｂと処理装置１４との電気的な接続状態と遮断状態が、駆動回路４４によって制御されて切り替えられるようになっている。

そして、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５８が何れも遮断された状態において、表側配線用コネクタ２０ａおよび裏側配線用コネクタ２８ａと処理装置１４が電気的に接続されて、押圧力検出用センサ素子Ｃと処理装置１４を有する押圧力計測手段５０が構成される。

一方、第１のスイッチ５６および第２のスイッチ５８が何れも接続された状態において、表側配線用コネクタ２０ａおよび表側配線用コネクタ２０ｂと処理装置１４が電気的に接続されて、剪断力検出用センサ素子ＲＸの電気抵抗に基づいて剪断力のＸ方向成分を計測する第１の剪断力計測手段５２が構成されると共に、裏側配線用コネクタ２８ａおよび裏側配線用コネクタ２８ｂと処理装置１４が電気的に接続されて、剪断力検出用センサ素子ＲＹの電気抵抗に基づいて剪断力のＹ方向成分を計測する第２の剪断力計測手段５４が構成される。要するに、駆動回路４４が第１，第２のスイッチ５６，５８を切り替えることにより、押圧力計測手段５０と剪断力計測手段５２，５４が択一的に構成される。上述の説明からも明らかなように、押圧力計測手段５０と剪断力計測手段５２，５４を切り替えるスイッチ手段が、駆動回路４４と第１のスイッチ５６と第２のスイッチ５８とを含んで構成されている。

なお、処理装置１４は、ディスプレイ１６に対して電気的に接続されており、処理装置１４が出力する表示制御信号に基づいてディスプレイ１６の表示が制御されるようになっている。なお、表示制御信号は、押圧力および剪断力の計測値に基づいて生成される信号であって、ディスプレイ１６に数値を直接表示するようになっていても良いし、計測値に基づいた押圧力の分布図や剪断力のベクトルに対応する矢印等が図示されるようになっていても良い。

かくの如き構造とされた外力計測装置１０は、押圧力検出用センサ素子Ｃの検出値に基づいて押圧力を計測すると共に、剪断力検出用センサ素子Ｒの検出値に基づいて剪断力を計測する。以下、図３に示されたフローチャートを参照しながら押圧力および剪断力を計測するための処理手順について説明する。

すなわち、外力計測装置１０による計測を開始すると、先ず、ステップ（以下、Ｓ）１において、駆動回路４４が第１のスイッチ５６と第２のスイッチ５８を何れも切断して、押圧力計測手段５０を構成する。次に、Ｓ２において、交流電源回路４６が各押圧力検出用センサ素子Ｃに所定の交流電圧を印加する。

そして、Ｓ３において、各押圧力検出用センサ素子Ｃから出力されて処理装置１４のＲＡＭ３８に格納される検出値に基づいて、ＣＰＵ４２が各押圧力検出用センサ素子Ｃの静電容量を求める。その後、Ｓ４において、ＣＰＵ４２は、ＲＯＭ４０に予め格納されたマップデータに基づいて、Ｓ３で求めた静電容量に対応する押圧力の大きさを特定する。これにより、押圧力の計測を完了する。なお、Ｓ４とＳ５の間に、求めた押圧力に基づいて外力計測用センサ１２上での圧力分布を得る手順を設けても良い。

次に、Ｓ５において、交流電源回路４６が各押圧力検出用センサ素子Ｃへの交流電圧の印加を停止する。また、Ｓ６において、駆動回路４４が第１のスイッチ５６と第２のスイッチ５８を何れも接続して、第１の剪断力計測手段５２と第２の剪断力計測手段５４を構成する。その後、Ｓ７において、直流電源回路４８が各剪断力検出用センサ素子ＲＸ，ＲＹに直流電圧を印加する。

そして、Ｓ８において、各剪断力検出用センサ素子ＲＸから出力されて処理装置１４のＲＡＭ３８に格納される検出値に基づいて、ＣＰＵ４２が各剪断力検出用センサ素子ＲＸの電気抵抗を求める。その後、Ｓ９において、ＣＰＵ４２は、ＲＯＭ４０に予め格納されたマップデータに基づいて、Ｓ８で求めた電気抵抗に対応する剪断力のＸ方向分力の大きさを特定する。一方、Ｓ１０において、各剪断力検出用センサ素子ＲＹから出力されて処理装置１４のＲＡＭ３８に格納される検出値に基づいて、ＣＰＵ４２が各剪断力検出用センサ素子ＲＹの電気抵抗を求める。その後、Ｓ１１において、ＣＰＵ４２は、ＲＯＭ４０に予め格納されたマップデータに基づいて、Ｓ１０で求めた電気抵抗に対応する剪断力のＹ方向分力の大きさを特定する。なお、直流電圧の印加時には、誘電体層１８が絶縁層として機能しており、剪断力検出用センサ素子ＲＸ（表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ）と剪断力検出用センサ素子ＲＹ（裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙ）の短絡が防止されている。

さらに、Ｓ１２において、ＣＰＵ４２は、求めた剪断力のＸ方向分力およびＹ方向分力に基づいて、剪断力の大きさと作用方向を特定する。剪断力の作用方向は、例えば、ＲＯＭ４０に予め三角関数表を格納しておいて、それに基づいてＸ方向に対する傾斜角度を求めることで特定される。なお、Ｓ１２において、処理装置１４は、剪断力の入力方向を特定する入力方向特定手段として機能する。

次に、Ｓ１３において、処理装置１４は、Ｓ４で特定した押圧力と、Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１２で特定した剪断力に基づいて、表示制御信号を出力して、計測結果をディスプレイ１６に表示する。また、Ｓ１４において、直流電源回路４８が各剪断力検出用センサ素子ＲＸ，ＲＹへの直流電圧の印加を停止する。更に、Ｓ１５において、ＣＰＵ４２が計測を続行するか否かの判定をする。Ｓ１５でＣＰＵ４２が計測を続行する判定をした場合には、上述の各手順（Ｓ１〜Ｓ１５）を順に繰り返して、計測を所定の時間間隔で続行する。なお、Ｓ１〜Ｓ１５の一連の手順は、外力の変化を精度よく計測するために、１分以内に完了されることが望ましい。また、Ｓ１５からＳ１の間で所定の時間だけ待機する待機時間を設けて、計測間隔を調節しても良い。

このような外力計測装置１０は、図４に示されているように、クッション体としてのマットレス６０に取り付けられている。マットレス６０は、弾力性を有するベッド用の一般的な寝具であって、図示しないベッドのフレーム上に配設される。また、ベッドのフレームは、上半身を支持する部分の水平面に対する傾斜角度を調節することが可能とされた介護用ベッドのフレームであって、それに伴ってマットレス６０が変形して上半身を支持する部分が水平面に対して任意の傾斜角度：θだけ傾斜するようになっている。なお、θは、０度≦θ≦９０度の範囲に設定される。

そして、外力計測装置１０の外力計測用センサ１２がマットレス６０に内蔵されていると共に、処理装置１４およびディスプレイ１６が外力計測用センサ１２に電気的に接続されてマットレス６０の外部に設けられている。なお、本実施形態では、マットレス６０において使用者（患者等）の上半身を支持する部分に外力計測用センサ１２が内蔵された例が示されているが、外力計測用センサ１２は、全体に設けられていても良いし、下半身を支持する部分だけに設けられていても良い。具体的には、例えば、体重を主に支持する臀部の圧力および摩擦力を計測できるように、臀部の支持部分に外力計測用センサ１２を配することもできる。

そして、マットレス６０の上半身を支持する部分に及ぼされる外力が、マットレス６０の表面に対して略直交する方向に作用する外力の分力（押圧力）と、マットレス６０の表面に対して略平行な方向に作用する外力の分力（剪断力）として、外力計測装置１０によってそれぞれ計測される。この計測結果に基づいて、使用者とマットレス６０の間に作用する圧力と摩擦力を推定できることから、それらの圧力および摩擦力を要因とする褥瘡の発生危険度を予測して、予防に役立てることができる。

また、外力計測装置１０では、誘電体層１８の両面に表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの各一方を設けた外力計測用センサ１２によって、押圧力と剪断力の両方を測定できるようになっている。従って、押圧力計測用のセンサと剪断力計測用のセンサを別々に設ける場合に比して、構造を簡単なものとすることができる。

しかも、押圧力計測手段５０と剪断力計測手段５２，５４が電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙを共有して構成されて、スイッチ手段で切り替えられるようになっている。それ故、センサ素子を構成する部品点数を少なくすることができて、構造の簡略化が図られる。

また、外力計測装置１０では、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘへの通電方向と裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙへの通電方向が異なっていることにより、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘを用いて計測する剪断力のＸ方向分力と、裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙを用いて計測する剪断力のＹ方向分力に基づいて、剪断力の作用方向を特定することができる。これにより、マットレス６０上で身体のずれが生じる原因を摩擦力の作用方向から推定して、摩擦力に起因する褥瘡の発生予防に役立てることができる。

しかも、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙは、何れも通電方向に長手の帯状とされており、同じ大きさの入力に対して、通電方向での変形が通電方向と直交する方向での変形よりも充分に大きくなる。このように、表側電極膜０１Ｘ〜１６Ｘと裏側電極膜０１Ｙ〜１６Ｙの変形量に異方性を持たせたことにより、剪断力の作用方向をより精度良く特定することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、前記実施形態では、押圧力を計測するための押圧力検出用センサ素子と剪断力検出用センサ素子が、電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙを共有して構成されており、スイッチ手段によって回路を切り替えることにより、押圧力と剪断力の何れか一方を選択的に計測するようになっている。しかし、押圧力検出用センサ素子と剪断力検出用センサ素子を互いに独立して設けて、それら各センサ素子に互いに独立した計測用回路を設けることによって、押圧力と剪断力を同時に計測可能とすることもできる。

具体的には、例えば、図５に概略で示された外力計測装置７０のように、押圧力検出用センサ素子Ｃを構成する電極膜と剪断力検出用センサ素子Ｒを構成する電極膜が互いに異なる電極膜とされていれば良い。即ち、押圧力検出用センサ素子Ｃを構成する電極膜が表側電極膜０１Ｘおよび裏側電極膜０１Ｙとされている一方、剪断力検出用センサ素子Ｒを構成する電極膜が表側電極膜０２Ｘとされている。そして、表側電極膜０１Ｘおよび裏側電極膜０１Ｙが、押圧力処理装置７２に対して、配線７４を介して、電気的に接続されていると共に、表側電極膜０２Ｘが、剪断力処理装置７６に対して、配線７４とは電気的に独立した配線７８を介して電気的に接続されている。これにより、押圧力検出用センサ素子Ｃおよび押圧力処理装置７２を含んで構成される押圧力計測手段８０と、剪断力検出用センサ素子Ｒおよび剪断力処理装置７６を含んで構成される剪断力計測手段８２とが、電気的に互いに独立して設けられている。そして、押圧力処理装置７２から押圧力検出用センサ素子Ｃに交流電圧が印加すると同時に、剪断力処理装置７６から剪断力検出用センサ素子Ｒに直流電圧が印加することにより、押圧力と剪断力を同時に計測可能とされている。なお、押圧力処理装置７２と剪断力処理装置７６は、前記実施形態の処理装置１４において、押圧力を計測する部分と、剪断力を計測する部分を、別々に設けたものであることから、ここでは詳細な説明を省略する。

また、外力計測装置１０は、マットレス６０だけでなく、例えば、椅子（車椅子や自動車のシートを含む）の座面や背もたれのクッション部分等に設けることもできる。更に、外力計測装置１０は、必ずしも褥瘡防止用に用いられるものではなく、他の目的で使用される場合もある。

さらに、外力計測装置１０は、必ずしもクッション体に配設されて用いられるものではなく、単体で用いても良いし、センサ素子を保護するためのカバーを外力計測用センサ１２に取り付けた略単体状態で用いても良い。

また、剪断力は、必ずしも表裏両方の電極膜０１Ｘ〜１６Ｘ，０１Ｙ〜１６Ｙを用いて計測しなくても良く、図６に示された外力計測装置９０のように、剪断力計測手段８２だけで計測することも可能である。特に、傾斜面（上半身の支持部分）における上下方向のずれが問題となる一方、横方向（図４の紙面直交方向）のずれは問題となり難いというように、剪断力の作用方向を推測可能な場合には、図６のように１つの剪断力計測手段８２で剪断力の大きさだけを計測することにより、計測用回路の簡略化が図られる。なお、外力計測装置９０において、前記実施形態と実質的に同一の部材および部位については、図６中に同一の符号を伏すことで説明を省略する。

また、電極膜の数は特に限定されるものではなく、それに伴ってセンサ素子の数も特に限定されない。更に、複数の表側電極膜或いは複数の裏側電極膜が設けられる場合、それら表側電極膜の相対的な配置と、裏側電極膜の相対的な配置は、何れも計測すべき外力の作用方向等に応じて適宜に設定されるものであって、前記実施形態の配置に限定して解釈されるものではない。更にまた、表側電極膜と裏側電極膜は、帯状とされている場合であっても、長手方向が直交するように配置されている必要はない。なお、電極膜の形状は、長手の帯状に限定されるものではなく、膜状であれば、正方形のもの等も採用可能である。

また、電極膜が絶縁フィルム上に印刷等で形成されて、絶縁フィルムと電極膜が固着している場合には、電極膜の伸びが絶縁フィルムによって規制されないように、絶縁フィルムが合成ゴムや熱可塑性エラストマ等のエラストマ材料を用いて弾性変形可能に形成されることが望ましい。一方、絶縁フィルムと電極膜が互いに非固着で電極膜が絶縁フィルムに対して独立して変形可能とされている場合には、絶縁フィルムの形成材料は、弾性変形可能な上記の如きエラストマ材料であっても良いが、例えば、合成樹脂材料等も好適に採用され得る。

１０，７０：外力計測装置、１２：外力計測用センサ、１４：処理装置、１８：誘電体層、３６：電源回路、３８：ＲＡＭ、４０：ＲＯＭ、４２：ＣＰＵ、４４：駆動回路（スイッチ手段）、５０，８０：押圧力計測手段、５２：第１の剪断力計測手段、５４：第２の剪断力計測手段、５６：第１のスイッチ（スイッチ手段）、５８：第２のスイッチ（スイッチ手段）、６０：マットレス、７２：押圧力処理装置、７６：剪断力処理装置、８２：剪断力計測手段、０１Ｘ〜１６Ｘ：表側電極膜、０１Ｙ〜１６Ｙ：裏側電極膜

Claims (6)

1. 誘電性の弾性材で形成された誘電体層の両面に一対の電極膜が設けられた外力計測用センサを有しており、該外力計測用センサに作用する力を該外力計測用センサの検出値の変化に基づいて計測する外力計測装置であって、
   前記一対の電極膜が導電性の弾性材によって変形可能に形成されており、
   前記外力計測用センサに対して該一対の電極膜の対向方向で作用する押圧力を、該外力計測用センサの静電容量の変化量に基づいて計測する押圧力計測手段を有すると共に、
   該外力計測用センサに対して該一対の電極膜の面方向で作用する剪断力を、該一対の電極膜の少なくとも一方の電気抵抗の変化量に基づいて計測する剪断力計測手段を有することを特徴とする外力計測装置。
2. 前記押圧力計測手段と前記剪断力計測手段が前記一対の電極膜の少なくとも一方を共有して構成されていると共に、それら押圧力計測手段と剪断力計測手段を切り替えるスイッチ手段が設けられている請求項１に記載の外力計測装置。
3. 前記押圧力計測手段と前記剪断力計測手段が互いに独立したそれぞれの回路で設けられている請求項１に記載の外力計測装置。
4. 前記一対の電極膜が、前記誘電体層の一方の面に設けられる表側電極膜と、該誘電体層の他方の面に設けられる裏側電極膜とを、含んで構成されていると共に、該表側電極膜への通電方向と該裏側電極膜への通電方向が互いに異なる方向とされており、
   該表側電極膜の電気抵抗の変化量と該裏側電極膜の電気抵抗の変化量とに基づいて剪断力の作用方向を特定する入力方向特定手段が設けられた請求項１〜３の何れか１項に記載の外力計測装置。
5. 前記表側電極膜が面方向一方向で長手とされると共に、前記裏側電極膜が該表側電極膜と直交する方向で長手とされて、それら表側電極膜と裏側電極膜への通電方向がそれぞれの長手方向とされる請求項４に記載の外力計測装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載された外力計測装置を備えることを特徴とするクッション体。

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