JP2015040776A - センサシートの校正装置及びこれに用いられるプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】センサシートを用いて二次元的な圧力分布を高精度に測定することができるようにする。【解決手段】センサシート２０内の複数の感圧センサがブラダ１７によって互いに同じ圧力で押圧されるように電空レギュレータ１２を制御し、そのときに得られた出力値に基づいて、各感圧センサについて、複数の感圧センサ同士の感度差を補正するための補正係数を導出する（イクイリブレーション処理）。さらに、センサシート２０内のすべての感圧センサがブラダ１７によって互いに異なる２つの圧力値で押圧されるように電空レギュレータ１２を制御し、そのときに得られた感圧センサからの出力値に基づいて、感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようにするための感圧センサからの出力値に対する変換係数を導出する（キャリブレーション処理）。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力により抵抗値などの電磁気的特性が変化する複数の感圧センサが二次元的に配列されたセンサシートの校正装置及びこれに用いられるプログラムに関する。

特許文献１には、圧力により抵抗値が変化する複数の感圧センサが二次元的に配列されたセンサシートを押圧するブラダと、ブラダの空気圧を調整する圧力レギュレータと、ブラダ内の空気圧を測定する圧力センサとを有する検査装置が開示されている。特許文献１に記載の技術によると、センサシート内における複数の感圧センサの位置に関係なくこれら複数の感圧センサを同じ圧力で押圧できるために、一つの検査装置で感圧センサの位置が異なる複数種類のセンサシートの検査を効率よく行うことが可能となる。

特開２０１３−４４５５０号公報

特許文献１に開示された検査装置によると、各感圧センサの良否を判断することができる。しかしながら、通常有機材料からなる感圧センサには感度差が存在するため、同じ圧力を与えても出力値は通常同じにならない。また、感圧センサは、与えられた圧力が大きくなるに連れて検知された圧力の変化率が低下することが多い。したがって、センサシートを用いて二次元的な圧力分布を高精度に測定するに当たっては、こういった感圧センサの特性を考慮する必要がある。

本発明の目的は、センサシートを用いて二次元的な圧力分布を高精度に測定することができるようにするセンサシートの校正装置及びこれに用いられるプログラムを提供することである。

本発明に係るセンサシートの校正装置は、センサシートに二次元的に配列された複数の感圧センサを押圧可能な加圧装置と、制御手段とを備えており、前記制御手段は、前記複数の感圧センサが互いに同じ圧力で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記複数の感圧センサからの出力値に基づいて、各感圧センサについて、前記複数の感圧センサ同士の感度差を補正するための補正係数を導出するイクイリブレーション処理と、一又は複数の前記感圧センサがそれぞれ一又は複数の圧力値で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記一又は複数の感圧センサからの出力値に基づいて、前記感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようにするための前記感圧センサからの出力値に対する変換係数を導出するキャリブレーション処理とを行う。

本発明において、前記加圧装置が、前記複数の感圧センサをまとめて同じ圧力で押圧可能なブラダと、前記ブラダの空気圧を調整する電空レギュレータと、前記ブラダ内の空気圧の測定信号を出力する圧力センサとを含んでおり、前記制御手段は、前記イクイリブレーション処理及び前記キャリブレーション処理において、前記圧力センサの測定信号に基づいて、前記電空レギュレータをフィードバック制御してもよい。

また、前記イクイリブレーション処理において、前記制御手段は、前記複数の感圧センサからの出力値の平均値を導出する平均値導出処理と、前記平均値導出処理で導出された平均値を各出力値で除算した商を前記補正係数としてそれぞれ求める補正係数導出処理とを行うようにしてよい。

前記キャリブレーション処理において、前記制御手段は、前記一又は複数の感圧センサからの出力値と前記一又は複数の感圧センサに加えられた圧力入力値との関係を表す近似式を導出してよい。

本発明に係るセンサシートの校正装置用プログラムは、センサシートに二次元的に配列された複数の感圧センサを押圧可能な加圧装置に接続して用いられるものであり、常住したイクイリブレーション処理とキャリブレーション処理とが行われるように校正装置を動作させる。

本発明に係るセンサシートの校正装置用プログラムは、コンピュータをセンサシートの校正装置の一部として機能させることが可能でコンピュータ読み取り可能なプログラムコードがそこに具現化されたコンピュータ使用可能なプログラムである。このプログラムは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む半導体メモリのほか、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）及びＣＤ（Compact Disc）を含む光学ディスク、並びに、ハードディスク（hard disk）及びＦＤ（flexible disk）を含む磁気ディスクといった記録媒体に格納されることができる。当該プログラムコードは、データ信号として通信リンクを介してリモートコンピュータ又は装置からダウンロードされ、コンピュータプログラム製品としてコンピュータの記憶装置に格納されてよい。代替的に、当該プログラムコードは、コンピュータプログラム製品として記録媒体に格納された状態で流通するものであってもよい。また、プログラムコードは、公知のいずれか一つ以上のプログラム言語で記載されたものであってよい。ここで、コンピュータは、パーソナルコンピュータのような汎用型に限らず、複数の感圧センサを含むセンサシートの校正のために特化した装置であってもよい。

本発明によると、イクイリブレーション処理とキャリブレーション処理とを行うことができるので、複数の感圧センサ同士の感度差を修正することができると共に、感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようになる。したがって、センサシートによって二次元的な圧力分布を高精度に測定することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るセンサシートの校正装置の概略図である。 図１に示した校正装置に用いられているブラダテスタの斜視図である。 イクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を含む校正方法を示すフローチャートである。 イクイリブレーション処理において補正係数を導出する手順を説明するための図である。 キャリブレーション処理について説明するための図である。

本発明の一実施形態に係るセンサシートの校正装置１は、図１に示すように、ＰＣ（Personal Computer）１０、電空レギュレータ１２、コネクタ（ハンドル）１４、ブラダテスタ１６、及び、圧力センサ１８を含んでいる。電空レギュレータ１２、コネクタ１４、及び、圧力センサ１８は、例えばＵＳＢケーブルを介してＰＣ１０に接続されている。本実施形態において、電空レギュレータ１２、ブラダテスタ１６及び圧力センサ１８によって、加圧装置が構成されている。

コネクタ１４は、フレキシブル基板を基体とした校正対象としてのセンサシート（タクタイルセンサ）２０を支持する。センサシート２０の端部領域には、図示しない複数の端子が設けられており、各端子がコネクタ１４に設けられた複数の接点のいずれかと電気的に接続される。センサシート２０には図示しない複数の感圧センサが二次元的に配列されており、これら感圧センサは対応する端子と配線を介して接続されている。感圧センサは、格子状に配列された複数の帯状電極の交差領域に設けられていてもよい。

感圧センサとしては、粘弾性を有する有機材料からなり、加えられた圧力が増加するにつれてその抵抗値が低下するタイプのものが用いられている。変形例として、感圧センサとして、加えられた圧力が増加するにつれてその抵抗値が増加するタイプのものが用いられてもよい。すなわち、感圧センサは押圧されることによってその抵抗値が変化する。コネクタ１４は、センサシート２０の各感圧センサから出力された圧力値を示すアナログ信号をデジタル信号に変換してＰＣ１０へと出力する。なお、感圧センサとしては、圧力により電荷量又は誘導電流などの抵抗値以外の電磁気的特性が変化するものを用いることが可能である。

ＰＣ１０は、演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行する制御プログラム及び制御プログラムに使用されるデータが記憶されているハードディスク及びＲＯＭ（Read Only Memory）と、プログラム実行時にデータを一次記憶するためのＲＡＭ（Random Access Memory）とを有している。ＰＣ１０には、本実施形態によるコンピュータプログラムに係るプログラムコードがインストールされている。これによって、ＰＣ１０は、後述するイクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を行う制御手段として機能する。

本実施形態において、ＰＣ１０において実行される制御プログラムの一部である校正プログラムには、ＰＣ１０を用いたユーザによる編集が可能なように、一連の処理手順に関する条件（圧力の大きさ、加圧時間、繰り返し回数など）がテキストで記述されたスクリプトファイルが含まれている。そして、以下に説明するステップＳ１からステップＳ５までの一連の処理は、スクリプトファイルに記述された条件に従って実行される。

ブラダテスタ１６には、センサシート２０を載置することが可能なシート保持プレート１６ｃ(図２参照)が設けられている。ブラダテスタ１６には、シート保持プレート１６ｃ上に載置されたセンサシート２０に設けられた複数の感圧センサをまとめて同じ圧力で押圧可能なブラダ（空気袋）１７が収容されている。ブラダ１７の空気圧は、電空レギュレータ１２によって調整される。また、ブラダ１７内の空気圧は、圧力センサ１８によって計測される。圧力センサ１８から出力されたブラダ１７内の空気圧の測定信号は、ＰＣ１０に出力される。なお、ブラダ１７は空圧の代わりに油圧で膨らむものであってもよい。

図２に示すように、ブラダテスタ１６は、背の低いほぼ直方体形状を有している。ブラダテスタ１６の前面には開口１６ａが設けられており、そこからセンサシート２０を挿抜することが可能となっている。ブラダ１７は、センサシート２０に設けられた複数の感圧センサをまとめて同じ圧力で押圧可能なように、平面視において、ブラダテスタ１６の平面形状よりも一回り小さい矩形形状となっている。

ブラダテスタ１６には、圧力センサ１８が取り付けられている。圧力センサ１８から出力されたブラダ１７内の空気圧の測定信号は、上述したようにＰＣ１０に供給され、電空レギュレータ１２のフィードバック制御のために用いられる。また、ブラダテスタ１６の上面からは、電空レギュレータ１２に接続されたエアチューブ１６ｂが延びている。電空レギュレータ１２は、ＰＣ１０からの制御に基づいて、ブラダ１７を任意の空圧に自動的に加減圧することが可能となっている。

電空レギュレータ１２は、手動レギュレータと比較して、（ａ）ＰＣ１０で自動制御できるので操作者が操作を行わなくても複雑な圧力制御を実現することができ、（ｂ）操作者が圧力センサの表示を目視しながら圧力を調整する必要がなく、（ｃ）高い精度に且つ短時間で所望圧力に到達することができる、といった利点を有している。特に、本実施形態に係る校正装置のように多数回の加減圧を繰り返すような場合には、大きな利益がある。

圧力センサ１８は、ブラダ１７内の空気圧が所望圧力まで上昇するまでの時間を測定することができる。言い換えると、圧力センサ１８を用いることによって、ブラダ１７内の空気圧が所望圧力に到達することを監視することができる。ここで所望圧力は、イクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を行う際にブラダ１７に付与すべき圧力である。しかも、圧力センサ１８と電空レギュレータ１２とを併せて用いて電空レギュレータ１２のフィードバック制御を行うことによって、電空レギュレータ１２を単独で用いた場合よりも高い精度での圧力調整を可能とすることができる。一例として、フルスパン１００ｋＰａでの精度±１％である電空レギュレータ１２だけを用いた１０ｋＰａ加圧時におけるブラダ１７内の空気圧の精度は±１０％となる。これにフルスパン７００ｋＰａでの精度±０．０２％である圧力センサ１８を用いて電空レギュレータ１２のフィードバック制御を行うことで、ブラダ１７内の空気圧を±１０％よりも非常に小さい誤差範囲（±１．４％）内で調整することが可能となる。

次に、図１に示す校正装置１を用いた校正方法について、図３をさらに参照して説明する。センサシート２０の校正方法を実施するに当たっては、まず、コネクタ１４にセンサシート２０を装着する。そして、センサシート２０を開口１６ａからブラダテスタ１６内に挿入し、ブラダ１７の下方に位置するようにシート保持プレート１６ｃ上にセンサシート２０を載置する。

その後、ＰＣ１０から電空レギュレータ１２を制御することによって、感圧センサの出力を安定化させるために、感圧センサのならし（エージング）処理を行う（ステップＳ１）。一例として、ならし処理においては、５００ｋＰａに加圧→６０秒待機→０ｋＰａに減圧→１５秒待機を１サイクルとして、これを６サイクル行う。

しかる後、センサシート２０内の複数の感圧センサ同士の感度差を補正するためにイクイリブレーション処理を行う（ステップＳ２）。具体的には、ＰＣ１０は、センサシート２０内のすべての感圧センサが所定圧力で均一に加圧されるように電空レギュレータ１２を制御する。このときには、上述したように圧力センサ１８の測定信号に基づいて、電空レギュレータ１２をフィードバック制御する。そして、このようにして得られた各感圧センサの出力値からその平均値を導出し、当該平均値を各出力値で除算した商を各感圧センサの補正係数としてそれぞれ求める。求められた各感圧センサの補正係数は、ＰＣ１０の記憶手段（ＲＡＭ、ハードディスクなど）に記憶される。

一例として、図４（ａ）には、３行３列で９個の感圧センサで構成された仮想的なセンサシートのイクイリブレーション処理において、９個の感圧センサを同じ圧力値で均一に加圧して得られた各感圧センサの出力値を示す。これら９個の出力値の平均値は７．７８であるので、平均値／出力値（７．７８／９、７．７８／８、７．７８／７、及び、７．７８／６）を計算する。これらの除算によって得られた商が、図４（ｂ）に示す各感圧センサの補正係数である。

このようにして得られた補正係数を、実際の用途においてセンサシート２０を使用して得られた感圧センサからの出力値に乗算することで、センサシート２０内の複数の感圧センサ間の感度差をなくすことができる。

なお、上述した例では感圧センサを１つの所定圧力で押圧して得られた出力値を用いてイクイリブレーション処理を行っているが、感圧センサを互いに異なる２つ以上の所定圧力で押圧して得られた出力値を用いてイクイリブレーション処理を行ってもよい。その場合、各感圧センサについて図４（ｂ）に示したような補正係数を互いに異なる２以上の所定圧力でそれぞれ求め、その平均値を当該感圧センサの固定した補正係数として導出してもよい。代替的には、互いに異なる２以上の所定圧力でそれぞれ求めた補正係数から、補正係数を圧力の関数として導出してもよい。

次に、感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようにするための変換係数を導出するキャリブレーション処理を行う（ステップＳ３）。具体的には、まず、ＰＣ１０は、センサシート２０内のすべての感圧センサが互いに異なる２つの総圧力入力値で押圧されるように電空レギュレータ１２を制御する。このときも、上述したように圧力センサ１８の測定信号に基づいて、電空レギュレータ１２をフィードバック制御する。そして、ＰＣ１０は、すべての感圧センサからの出力値の総和と感圧センサに加えられた総圧力入力値との関係を表す近似直線を表す式を導出する。このように総圧力入力値を用いてキャリブレーション処理を行うことで、センサシート２０内の複数の感圧センサの特性のばらつきを考慮して平均的な感圧センサについての変換係数を得ることができる。求められた変換係数は、補正係数と同じくＰＣ１０の記憶手段（ＲＡＭ、ハードディスクなど）に記憶される。

一例として、実際の感圧センサの入出力特性が曲線Ｘで表される場合、図５（ａ）に示すように圧力入力値Ｐ１（ｋＰａ）に対してセンサ出力値Ｒ１（信号強度を表す任意の単位Ｒａｗ）が、圧力入力値Ｐ２に対してセンサ出力値Ｒ２が得られる。ここでいう圧力入力値Ｐ１、Ｐ２はセンサシート２０内のすべての感圧センサに加えた圧力値の総和であり、センサ出力値Ｒ１、Ｒ２はセンサシート２０内のすべての感圧センサからの出力値の総和を意味している。このとき、ＰＣ１０は、これら２点から原点を通過する近似直線Ｙを導出する。係る近似直線Ｙを求める方法については周知であるので、ここでは説明を省略する。なお、圧力測定を１回又は３回以上行って、近似直線Ｙを導出してもよい。また、近似直線ではなく近似曲線を導出してもよい。近似曲線を導出した場合の変換係数は、センサ出力値の関数となる。

このようにして求められた近似直線Ｙの傾きの逆数は、感圧センサからの出力値に対する変換係数である。すなわち、実際の用途においてセンサシート２０を使用して得られた感圧センサからの出力値に変換係数を乗算することで、感圧センサへの圧力入力値とほぼ同じ値となる圧力出力値を求めることができる。例えば、図５（ｂ）に示すように、圧力入力値Ｐａ（ｋＰａ）が感圧センサに加えられたときの感圧センサからの出力値に変換係数を乗算することで、圧力入力値Ｐａと同じ値の圧力出力値が得られる。つまり、図５（ｂ）に示された、圧力入力値と圧力出力値とを対応付ける直線Ｚは、傾き４５°の直線である。

なお、上述した例ではセンサシート２０内のすべての感圧センサを押圧することに基づいてキャリブレーション処理を行っているが、全感圧センサ中の一部の感圧センサ（１つでもよい）を用いてキャリブレーション処理を行ってもよい。この場合、変換係数の精度を高めるためには、最初にイクイリブレーション処理を行い、出力値に補正係数を乗算した補正出力値に対して近似直線又は近似曲線を求めた方が好ましい。

次に、ＰＣ１０は、イクイリブレーション処理で求められた感圧センサごとの補正係数及びキャリブレーション処理で求められた変換係数を含む構成ファイルを生成する（ステップＳ４）。校正ファイルは、感圧センサごとの補正係数、及び、変換係数を含むものであってもよいし、補正係数に変換係数を乗算して得られた積を感圧センサごとの校正係数として含むものであってもよい。

最後に、ＰＣ１０は、所定の大きさの圧力入力値を感圧センサに加えたときに、圧力入力値が感圧センサからの出力値及び校正ファイルから算出される圧力出力値と一致するかどうかを、センサシート２０内のすべての感圧センサについて検証する処理を行う（ステップＳ５）。具体的には、互いに異なる２以上の所定の圧力入力値を感圧センサに加え、各出力値に補正係数と変換係数とを乗算して圧力出力値を導出する。そして、各圧力出力値と対応する圧力入力値とを比較して所定の誤差範囲内に収まっているかどうかを確認する。これをセンサシート２０内のすべての感圧センサについて行う。もし所定の誤差範囲内に収まらない感圧センサがあった場合には、不良品として扱う、又は、イクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を再度行う。

以上説明した本実施形態の校正装置１によると、イクイリブレーション処理とキャリブレーション処理とを行うことができるので、複数の感圧センサ同士の感度差を修正することができると共に、感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようになる。したがって、センサシート２０によって二次元的な圧力分布を高精度に測定することが可能となる。

また、上述したステップＳ１からステップＳ５までの一連の処理を行うには、ブラダ１７の加減圧を３０回程度繰り返す行う必要があるが、電空レギュレータ１２及び圧力センサ１８を用いた自動化処理を実現した本実施形態によると、５分間程度の時間で高精度の結果を得ることが可能である。

さらに、上述したように、イクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を含む一連の処理手順に関する条件（圧力の大きさ、加圧時間、繰り返し回数など）は、ユーザ編集可能なようにテキストで記述されたスクリプトファイルとしてプログラム中に記憶されている。したがって、処理手順に関する条件を変更する必要が生じた場合、ユーザはＰＣ１０を用いて容易にこれを変更することが可能である。

しかも、本実施形態では、ブラダ１７と電空レギュレータ１２と圧力センサ１８とを含む加圧装置を用いてイクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を行うので、操作者によって異なる結果が得られることがなく、高い精度で短時間にこれらの処理を自動的に行うことが可能となる。

加えて、イクイリブレーション処理では感圧センサからの出力値の平均値を導出し、キャリブレーション処理では感圧センサからの出力値と感圧センサに加えられた圧力入力値との関係を表す近似式を導出するので、イクイリブレーション処理及びキャリブレーション処理を比較的簡易な演算で行うことができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、校正装置は電空レギュレータの代わりに手動レギュレータを用いたものであってもよい。

また、上述した実施形態ではイクイリブレーション処理を行った後にキャリブレーション処理を行っているが、先にキャリブレーション処理を行い、その後イクイリブレーション処理を行ってもよい。

さらに、上述した実施形態では１つのスクリプトファイルだけがプログラムに含まれているが、一連の処理手順に関する条件が異なる複数のスクリプトファイルをプログラム中に含めておいてもよい。その場合、ユーザが希望する任意のスクリプトファイルを選択して実行することで、校正処理をより円滑に実行することが可能となる。

１ 校正装置
１０ ＰＣ
１２ 電空レギュレータ
１４ コネクタ
１６ ブラダテスタ
１７ ブラダ
１８ 圧力センサ
２０ センサシート

Claims (5)

1. 複数の感圧センサが二次元的に配列されたセンサシートの校正装置であって、
   前記複数の感圧センサを押圧可能な加圧装置と、
   制御手段とを備えており、
   前記制御手段は、
   前記複数の感圧センサが互いに同じ圧力で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記複数の感圧センサからの出力値に基づいて、各感圧センサについて、前記複数の感圧センサ同士の感度差を補正するための補正係数を導出するイクイリブレーション処理と、
   一又は複数の前記感圧センサがそれぞれ一又は複数の圧力値で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記一又は複数の感圧センサからの出力値に基づいて、前記感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようにするための前記感圧センサからの出力値に対する変換係数を導出するキャリブレーション処理とを行うことを特徴とするセンサシートの校正装置。
2. 前記加圧装置が、
   前記複数の感圧センサをまとめて同じ圧力で押圧可能なブラダと、
   前記ブラダの空気圧を調整する電空レギュレータと、
   前記ブラダ内の空気圧の測定信号を出力する圧力センサとを含んでおり、
   前記制御手段は、前記イクイリブレーション処理及び前記キャリブレーション処理において、前記圧力センサの測定信号に基づいて、前記電空レギュレータをフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載のセンサシートの校正装置。
3. 前記イクイリブレーション処理において、
   前記制御手段は、
   前記複数の感圧センサからの出力値の平均値を導出する平均値導出処理と、
   前記平均値導出処理で導出された平均値を各出力値で除算した商を前記補正係数としてそれぞれ求める補正係数導出処理とを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサシートの校正装置。
4. 前記キャリブレーション処理において、
   前記制御手段は、
   前記一又は複数の感圧センサからの出力値と前記一又は複数の感圧センサに加えられた圧力入力値との関係を表す近似式を導出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサシートの校正装置。
5. センサシートに二次元的に配列された複数の感圧センサを押圧可能な加圧装置に接続して用いられる、センサシートの校正装置用プログラムであって、
   前記複数の感圧センサが互いに同じ圧力で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記複数の感圧センサからの出力値に基づいて、各感圧センサについて、前記複数の感圧センサ同士の感度差を補正するための補正係数を導出するイクイリブレーション処理と、
   一又は複数の前記感圧センサがそれぞれ一又は複数の圧力値で押圧されるように前記加圧装置を制御し、そのときに得られた前記一又は複数の感圧センサからの出力値に基づいて、前記感圧センサに加えられた圧力入力値に対して直線性のある圧力出力値が得られるようにするための前記感圧センサからの出力値に対する変換係数を導出するキャリブレーション処理とが行われるように校正装置を動作させることを特徴とするセンサシートの校正装置用プログラム。

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