JP2021117217A - センサ素子、及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低減すること。【解決手段】本発明の一態様に係るセンサ素子は、検出部又は演算部の少なくとも一方と、電源と、を有するセンサシステムに用いられるセンサ素子であって、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生素子と、前記電荷を所定の出力信号に変換する信号変換部と、を備え、前記信号変換部は、受動素子のみで構成され、前記信号変換部の駆動力は前記電源から供給される。【選択図】図２

Description

本発明は、センサ素子、及びセンサシステムに関する。

従来から、物理的な変形量に応じて電荷が発生する圧電素子を使用した圧力センサや加速度センサ等のセンサ素子が知られている。

また、圧電素子の出力を積分する積分回路と、積分回路の出力を増幅する増幅回路と、増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源とを備えるセンサ素子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のセンサ素子は、圧電素子等の電荷発生素子で得られた信号を所定の出力信号に変換する信号変換回路を、電力を消費する能動素子を用いて構成しているため、消費電力が大きいという点で改良の余地があった。

本発明は、消費電力を低減することを課題とする。

本発明の一態様に係るセンサ素子は、検出部又は演算部の少なくとも一方と、電源と、を有するセンサシステムに用いられるセンサ素子であって、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生素子と、前記電荷を所定の出力信号に変換する信号変換部と、を備え、前記信号変換部は、受動素子のみで構成され、前記信号変換部の駆動力は前記電源から供給される。

本発明によれば、消費電力を低減できる。

第１実施形態に係るセンサシステムの構成例を示すブロック図である。 実施形態に係る信号変換回路の第１例を示す図であり、（ａ）は構成例を示す図、（ｂ）は出力信号例を示す図である。 実施形態に係る信号変換回路の第２例を示す図であり、（ａ）は構成例を示す図、（ｂ）は出力信号例を示す図である。 実施形態に係る信号変換回路の第３例を示す図であり、（ａ）は構成例を示す図、（ｂ）は出力信号例を示す図である。 実施形態に係る信号変換回路の第４例を示す図であり、（ａ）は構成例を示す図、（ｂ）は出力信号例を示す図である。 実施形態に係る検出部による検出方法例を示す図であり、（ａ）は電圧値サンプリングによる方法を示す図、（ｂ）はスレッシュ電圧による方法を示す図、（ｃ）はピークホールドによる方法を示す図、（ｄ）はスレッシュ微分電圧による方法を示す図である。 比較例に係る信号変換部の構成を示す図である。 比較例に係る出力信号を示す図である。 第２実施形態に係るセンサシステムの構成の一例を示すブロック図である。 第２実施形態に係るセンサシステムの構成の他の例を示すブロック図である。 第３実施形態に係るセンサシステムの構成例を示すブロック図である。 ２次電池の電圧出力特性例を示す図である。 第４実施形態に係るインソールの全体構成例を示す図である。 第４実施形態に係る処理部の構成例を示すブロック図である。 処理部の出力データ例を示す図であり、（ａ）はその場で足踏みした場合を示す図、（ｂ）は一歩前進した場合を示す図である。 第５実施形態に係る履物の全体構成例を示す図である。 第６実施形態に係る圧力式通過センサによる検知例の図である。 第７実施形態に係る接触状態センサによる検知例の図である。 第８実施形態に係る曲げ伸ばしセンサによる検知例の図である。 第９実施形態に係る変形式通過センサによる検知例の図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。下記、各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

実施形態に係るセンサ素子は、検出部又は演算部の少なくとも一方と、電源と、を有するセンサシステムに用いられるセンサ素子であって、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生素子と、電荷発生素子による電荷を所定の出力信号に変換する信号変換部とを備えている。

実施形態では、信号変換部を受動素子のみで構成し、センサシステムにおける電源から信号変換部の駆動力を供給する。信号変換部を受動素子のみで構成することで、信号変換部の消費電力を低減し、センサ素子の消費電力を低減する。

以下では、第１〜第３実施形態で、実施形態に係るセンサ素子を備えるセンサシステムの例を説明し、第４実施形態でセンサ素子を備えるインソールの一例を、第５実施形態でセンサ素子を備える履物の一例をそれぞれ説明する。

［第１実施形態］
＜センサシステム１の構成例＞
まず、第１実施形態に係るセンサシステム１について、図１を参照して説明する。図１は、センサシステム１の構成の一例を説明するブロック図である。

図１に示すように、センサシステム１は、センサ素子１０と、電源２０と、検出部３０と、演算部４０とを備えている。

これらのうち、センサ素子１０は、電荷発生ゴム１１と、信号変換回路１２とを備え、圧力等の外部刺激に応じて発生した電荷を所定の出力信号Ｓ_Ａに変換して出力する素子（デバイス）である。この出力信号Ｓ_Ａは、センサ素子１０による圧力等の検出信号に該当する。

電荷発生ゴム１１は、圧力等の外部刺激に応じて変形することで電荷を発生する発電ゴムである。この電荷発生ゴム１１は電荷発生素子の一例であり、外部からの力に由来し、電荷を発生する。但し、電荷発生素子は電荷発生ゴム１１に限定されるものではなく、外部からの力に由来し、電荷を発生することができれば、圧電素子等の他の素子であってもよく、例えば圧電素子やエレクトレットなどが挙げられる。ただし、これらの電荷発生素子は出力インピーダンスが高いため、出力電力の電圧波形の最高電圧値がダイナミックレンジ（有効電圧範囲）の最大値以上になってしまう可能性がある。外部からの力としては例えば剥離力、摩擦の力、振動の力、変形の力等といった物理的なエネルギーの他、光エネルギーや熱エネルギーなどが挙げられる。

電荷発生ゴム１１が発生した電荷による信号Ｓ_ＥＨは、信号変換回路１２に入力される。

信号変換回路１２は、電荷発生ゴム１１による信号Ｓ_ＥＨを入力し、所定のオフセット電圧とダイナミックレンジ（有効電圧範囲）を有する出力信号Ｓ_Ａに変換して、検出部３０に出力する電気回路である。また、信号変換回路１２は、検出部３０が入力できるように出力信号Ｓ_Ａのインピーダンスを変換するインピーダンスマッチング回路としても機能させることができる。

信号変換回路１２は、受動素子（パッシブ素子）のみから構成され、電源２０から供給される電圧ＶＤＤ１により駆動する。換言すると、信号変換回路１２は電源２０から駆動力を供給される。

電源２０は信号変換回路１２に電力を供給する電源であり、１次電池や２次電池、コンデンサ等により電源２０を構成することができる。一例として、電源２０は信号変換回路１２に３．６Ｖの電圧を印加して電力を供給する。この場合に信号変換回路１２は、電荷発生ゴム１１から入力した信号Ｓ_ＥＨに基づいて、オフセット電圧が１．８Ｖでダイナミックレンジが０Ｖから３．６Ｖの信号を生成する。

そして信号変換回路１２は、生成信号のオフセット電圧は０Ｖから３．６Ｖの基準電圧としても良く、ダイナミックレンジが０Ｖから３．６Ｖになるように出力信号Ｓ_Ａに生成信号を変換して検出部３０に出力する。この信号変換回路１２の具体的な構成は、図２〜図５を参照して次述する。ここで、信号変換回路１２は、信号変換部の一例である。

検出部３０は、信号変換回路１２から入力するアナログ信号である出力信号Ｓ_ＡをＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換することで検出し、検出したデジタル信号Ｓ_Ｄを演算部４０に出力する電気回路である。検出部３０は、任意の電源から供給される電圧ＶＤＤ２により駆動する。この電圧ＶＤＤ２は、電圧ＶＤＤ１以上であると好適である。

演算部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成され、検出部３０から入力されるデジタル信号Ｓ_Ｄに対して解析処理を実行し、解析データＳ_Ｃを出力するプロセッサである。演算部４０は、任意の電源から供給される電圧ＶＤＤ３により駆動する。この電圧ＶＤＤ３は、デジタル信号Ｓ_Ｄを演算部４０に入力可能な電圧に調整できるため、任意の電圧値に設定されてもよい。

なお、検出部３０と演算部４０のそれぞれは、ＰＣ（Personal Computer）等の外部装置を用いて実現することもできる。また演算部４０が検出部３０の機能を備えたり、検出部３０が演算部４０の機能を備えたりするように、センサシステム１を構成することもできる。

＜信号変換回路１２の構成例＞
次に、信号変換回路１２の構成について説明する。この信号変換回路１２には、電力を消費しない種々の受動素子を用いた種々の構成及び配置を適用できるため、以下では図２〜図５のそれぞれを参照して４つの構成例を説明する。

（第１構成例）
図２は、信号変換回路の第１例を示す図であり、（ａ）は構成の一例を示す図、（ｂ）は出力信号の一例を示す図である。

なお、図２（ｂ）は、電荷発生ゴム１１に外部刺激が付与された場合の出力信号を示している。より具体的には、センサシステムを利用するユーザ（以下ではユーザという）が電荷発生ゴム１１を足で踏むことで電荷発生ゴム１１に外部刺激を付与する場合に、電荷発生ゴム１１が１回踏まれて加圧され、その後、電荷発生ゴム１１から足を離して減圧された時の出力信号を示している。ユーザが電荷発生ゴム１１を踏む動作を繰り返した場合には、動作の繰り返し回数に応じて、図２（ｂ）に示す出力信号が繰り返し得られる。これらの点は、以下で出力信号を示す他の図においても同様である。

図２（ａ）に示すように、信号変換回路１２は、抵抗Ｒ１と、出力端子１２２と、ＧＮＤ端子１２３とを備えている。

抵抗Ｒ１は、電荷発生ゴム１１に対して並列に接続されている。また抵抗Ｒ１の一端は出力端子１２２に接続され、他端はＧＮＤ端子１２３に接続されている。電荷発生ゴム１１が出力する電流（電荷）が抵抗Ｒ１に流れることで、電流（電荷）の流れる方向に沿って、抵抗Ｒ１の一端に接続されたＧＮＤ電圧を基準とした電圧が発生する。

図２（ａ）における信号変換回路１２の出力電圧はＧＮＤ電位に対して、正電圧と負電圧となるため、検出部３０の電源は±電源で駆動する構成にする必要がある。

出力端子１２２は、信号変換回路１２で変換された出力信号Ｓ_Ａを出力する。ＧＮＤ端子１２３は電位の基準となる接地端子である。

電荷発生ゴム１１は、第１電極１１１と、第２電極１１２と、中間層１１３とを備えている。中間層１１３は、ゴム又はゴム組成物から形成され、可撓性を備える層である。中間層１１３を挟むように第１電極１１１と第２電極１１２を積層して、電荷発生ゴム１１を構成している。

電荷発生ゴム１１が外部刺激に応じて変形することで発生する信号Ｓ_ＥＨにおける電荷と電流との関係は、次の（１）式のように表される。
Ｉ_ＥＨ＝Ｑ_ＥＨ／ｔ ・・・ （１）
ここで、（１）式におけるＩ_ＥＨは電流を表し、Ｑ_ＥＨは電荷を表し、ｔは時間を表している。

電流Ｉ_ＥＨは図２（ａ）の矢印１１４で示す方向に流れ、出力端子１２２はＧＮＤ電圧を基準とした電圧信号である出力信号Ｓ_Ａを出力する。なお、矢印１１４とは反対方向は電荷Ｑ_ＥＨが変化する方向に該当する。

また図２（ｂ）に示すように、出力信号Ｓ_Ａは、ＧＮＤ電圧（０Ｖ）を基準電圧Ｓ_ＡＢとし、負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶと、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰとを含む信号である。実施形態では、正方向と負方向の２方向にピークを持つ信号を信号変換回路１２により取得することで、電荷発生ゴム１１に対して外部刺激が付与される方向を検知できるようになっている。

より具体的には、電荷発生ゴム１１をユーザが足で踏むことで電荷発生ゴム１１に外部刺激を付与する場合に、電荷発生ゴム１１が足で踏まれた時に負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶが得られ、電荷発生ゴム１１から足が離れた時に正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰが得られる。このような出力信号Ｓ_Ａにより、電荷発生ゴム１１に付与される外部刺激の方向と大きさの情報を取得できる。

ここで、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰは正方向への極値の一例であり、負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶは負方向への極値の一例である。

なお、図２（ｂ）における矢印１１５は、負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶの時に電流が流れる方向を示し、矢印１１６は、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰの時に電流が流れる方向を示している。

（第２構成例）
次に、図３は、信号変換回路の第２例を示す図であり、（ａ）は構成の一例を示す図、（ｂ）は出力信号の一例を示す図である。

図３（ａ）に示すように、信号変換回路１２ａは、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ１とを備えている。

ダイオードＤ１〜Ｄ４は、ブリッジ状に配置されて全波整流回路を構成し、信号変換回路１２ａへの入力電圧における負電圧分を整流して正電圧を生成する。

抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１は、それぞれ電荷発生ゴム１１に対して並列に接続され、その一端は出力端子１２２に、他端はＧＮＤ端子１２３にそれぞれ接続されている。抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１は、ダイオードＤ１〜Ｄ４による全波整流後の直流電圧に対してノイズ処理と波形整形を施し、出力信号Ｓ_Ａａを生成する。

また図３（ｂ）に示すように、出力信号Ｓ_Ａａは、ＧＮＤ電圧を基準電圧Ｓ_ＡＢとし、正方向への第１ピーク電圧Ｓ_ＡＰ１と、正方向への第２ピーク電圧Ｓ_ＡＰ２とを含む信号である。全波整流回路により負電圧分が正電圧に変換整流されることで、正方向への２つのピーク電圧が得られる。

なお、図３（ｂ）における矢印１１５ａは、第１ピーク電圧Ｓ_ＡＰ１の時に電流が流れる方向を示し、矢印１１６ａは、第２ピーク電圧Ｓ_ＡＰ２の時に電流が流れる方向を示している。

このように全波整流回路を含んで信号変換回路１２ａを構成することで、ノイズの低減と出力電圧レベル（ダイナミックレンジ）の調整等を図ることができる。

（第３構成例）
次に、図４は、信号変換回路の第３例を示す図であり、（ａ）は構成の一例を示す図、（ｂ）は出力信号の一例を示す図である。

図４（ａ）に示すように、信号変換回路１２ｂは、ダイオードＤ５と、抵抗Ｒ３と、コンデンサＣ２とを備えている。

ダイオードＤ５は、電荷発生ゴム１１に直列に接続されて半波整流回路を構成し、電荷発生ゴム１１から入力される交流電流のうち、正方向及び負方向の両方向に流れている電流の何れか一方のみを流すことで整流を行う。

抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ２は、それぞれ電荷発生ゴム１１に接続され、その一端は出力端子１２２に、他端はＧＮＤ端子１２３にそれぞれ接続されている。抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ２は、ダイオードＤ５による半波整流後の直流電圧に対してノイズ処理と波形整形を施し、出力信号Ｓ_Ａｂを生成する。

また図４（ｂ）に示すように、出力信号Ｓ_Ａｂは、ＧＮＤ電圧を基準電圧Ｓ_ＡＢとし、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰｂを含む信号である。半波整流回路の作用によって、正方向及び負方向の両方向に流れている電流のうちの正方向分のみが流れることで、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰｂのみが得られる。

なお、図４（ｂ）における矢印１１５ｂは、ピーク電圧Ｓ_ＡＰｂの時に電流が流れる方向を示し、矢印１１６ａは、半波整流前の出力信号Ｓ_Ａでピーク電圧が得られる時に電流が流れる方向を示している。

このように半波整流回路を含んで信号変換回路１２ｂを構成することで、少ない部品点数で信号変換回路を構成することができる。

半波整流回路を使うことで電荷発生ゴム１１、電荷発生ゴム１１を足で踏んだ時のみ正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰが得られるようにすることも、足が離れたのみ正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰが得られるようにすることもでき、電荷発生ゴム１１に付与される外部刺激の方向と大きさの情報を取得できる。

（第４構成例）
次に、図５は、信号変換回路の第４例を示す図であり、（ａ）は構成の一例を示す図、（ｂ）は出力信号の一例を示す図である。

図５（ａ）に示すように、信号変換回路１２ｃは、抵抗Ｒ４〜Ｒ７と、コンデンサＣ３と、ＶＤＤ端子１２４とを備え、ＲＣ回路を構成している。

これらのうち、抵抗Ｒ４は電荷発生ゴム１１に対して直列に接続され、電荷発生ゴム１１側の一端が抵抗Ｒ５に接続され、他端がコンデンサＣ３にそれぞれ接続されている。また抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ３のそれぞれは、電荷発生ゴム１１に対して並列に接続されている。

抵抗Ｒ６は、一端がＶＤＤ端子１２４に接続され、他端が出力端子１２２にそれぞれ接続されている。また抵抗Ｒ７は一端が出力端子１２２に接続され、他端がＧＮＤ端子１２３にそれぞれ接続されている。

ＶＤＤ端子１２４から入力される電圧ＶＤＤ１と信号変換回路１２ｃにより、基準電圧Ｓ_ＡＢを基準にした出力信号Ｓ_Ａｃが生成される。

また信号変換回路１２ｃは、信号変換回路１２ｃの出力信号Ｓ_Ａｃを検出部３０が入力できるように、信号変換回路１２ｃの出力インピーダンスと、検出部３０の入力インピーダンスとを整合させるインピーダンスマッチング回路としても機能する。信号変換回路１２ｃの出力インピーダンスは、抵抗Ｒ４〜Ｒ７の抵抗値とコンデンサＣ３の容量値により調整できる。

また図５（ｂ）に示すように、出力信号Ｓ_Ａｃは、基準電圧Ｓ_ＡＢを基準とし、負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶｃと、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰｃとを含む信号である。この正方向と負方向の２方向にピークを持つ信号により、図２（ｂ）を用いて説明した出力信号Ｓ_Ａと同様の作用を得ることができる。

図５（ｂ）における電圧Ｓ_ＡＤは電圧ＶＤＤ１に対応し、電圧Ｓ_ＡＧはＧＮＤ電圧に対応する。また電圧Ｓ_ＡＧ〜Ｓ_ＡＤの範囲がダイナミックレンジに対応し、基準電圧Ｓ_ＡＢは電圧Ｓ_ＡＧと電圧Ｓ_ＡＤの中間値となる電圧値に対応する。

ダイナミックレンジは、抵抗Ｒ４〜Ｒ７の抵抗値とコンデンサＣ３の容量値によって、検出部３０がＡ／Ｄ変換を行うために入力可能な範囲内に調整される。また基準電圧Ｓ_ＡＢは、抵抗Ｒ４〜Ｒ７の抵抗値の組合せによって、検出部３０がＡ／Ｄ変換を行うために入力可能な範囲内に調整される。

なお、図５（ｂ）における矢印１１５ｃは、負方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＶｃの時に電流が流れる方向を示し、矢印１１６ｃは、正方向へのピーク電圧Ｓ_ＡＰｃの時に電流が流れる方向を示している。

＜検出部３０による検出方法例＞
次に、検出部３０による検出方法について、図６を参照して説明する。なお、検出部３０は、以下の図６（ａ）〜（ｄ）に説明する４つの検出方法を何れも実行可能である。また検出部３０に出力信号を供給する信号変換回路として、信号変換回路１２及び１２ａ〜１２ｃを何れも適用可能であるが、以下では信号変換回路１２を適用する場合を一例として説明する。

ここで、図６は、検出部３０による検出方法の一例を説明する図であり、（ａ）は電圧値サンプリングによる方法を説明する図、（ｂ）はスレッシュ電圧による方法を説明する図、（ｃ）はピークホールドによる方法を説明する図、（ｄ）はスレッシュ微分電圧による方法を説明する図である。

なお、図６（ａ）〜（ｄ）に示す各グラフの横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表している。また各グラフにおける黒丸のプロットは、検出部３０により検出されるデジタル信号Ｓ_Ｄを表し、実線で示すグラフは検出部３０に入力される出力信号Ｓ_Ａを表している。

図６（ａ）の電圧値サンプリングによる方法では、検出部３０は、所定のサンプリング間隔Δｔで出力信号Ｓ_Ａの電圧値ｖａをサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、電圧値とその時の時間データを対応付けて検出（取得）する。

具体的には、検出部３０は、（ｔａ０、ｖａ１）、（ｔａ０＋Δｔ、ｖａ２）、（ｔａ０＋２・Δｔ、ｖａ３）、・・・、（ｔａ０＋ｎ・Δｔ、ｖａｎ）を検出する。ここで、ｔａ０はサンプリングの開始時刻を示し、ｖａは電圧値を示し、ｎはサンプリングの総回数を示し、ｖａの添字の数値はカウンタを示している。この例では、１〜ｎ回のサンプリングが行われている。

時間データでは、開始時刻ｔａ０を初期データとし、この初期データにサンプリング間隔Δｔがサンプリングを行う度に加算されて検出される。電圧値では、時間データに対応付いて電圧値ｖａｎが検出される。

次に、図６（ｂ）のスレッシュ電圧による方法では、検出部３０は、出力信号Ｓ_Ａの電圧が予め定められたスレッシュ電圧値を横切った（クロスした）場合に、電圧値とその時の時間データを対応付けて検出する。

図６（ｂ）に示す例では、下位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ１と、上位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ２が予め定められている。出力信号Ｓ_Ａが下位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ１を横切った時の電圧値ｖａ１とその時の時間データｔａ１が対応付いて検出される。また出力信号Ｓ_Ａが上位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ２を横切った時の電圧値ｖａ２とその時の時間データｔａ２が対応付いて検出される。

なお、図６（ｂ）では２点のデータのみを示しているが、下位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ１及び上位側スレッシュ電圧値Ｖ_ｔｈ２の何れかを横切った回数に応じた点数のデータが検出される。

次に、図６（ｃ）のピークホールドによる方法では、検出部３０は、出力信号Ｓ_Ａにおける電圧値が最も小さくなった時及び最も大きくなった時に、電圧値をホールドして電圧値とその時の時間データを対応付けて検出する。

図６（ｃ）に示す例では、最小値Ｖ_ｍｉｎになった時の電圧値ｖａ１とその時の時間データｔａ１が対応付いて検出され、また最大値Ｖ_ｍａｘになった時の電圧値ｖａ２とその時の時間データｔａ２が対応付いて検出されている。

次に、図６（ｄ）の微分電圧による方法では、電圧値の時間微分値を検出する。

図６（ｄ）に示す例では、時間データｔａ１（あらかじめ決められた時間）に対応する微小時間ｄｔでの電圧変化量であるΔｖａ１（＝ｖａ１−ｖａ１'）が検出されている。また時間データｔａ２に対応する時間における微小時間ｄｔでの電圧変化量であるΔｖａ２（＝ｖａ２−ｖａ２'）が検出されている。

Δｖａ１／ｔａ１及びΔｖａ２／ｔａ２により、足で踏んだ強さや足が離れた速さが判別でき歩行の状態を知ることができる。

以上説明したようにして、検出部３０は信号変換回路の出力信号を検出し、検出したデジタル信号Ｓ_Ｄを演算部４０に出力することができる。

＜第１実施形態に係る作用効果＞
（信号変換回路１２の作用効果）
次に、センサ素子１０の備える信号変換回路１２の作用効果について説明する。まず、信号変換回路１２の作用効果の説明に先立ち、比較例に係る信号変換回路１２Ｘを説明する。ここで、図７は信号変換回路１２Ｘの構成を説明する図である。

図７に示すように、信号変換回路１２Ｘは、圧電素子１０１と、積分回路７１と、増幅回路７２とを備えている。電荷発生素子としての圧電素子１０１による電荷に応じて発生する信号は、積分回路７１に入力する。

積分回路７１は積分用演算アンプ１０８を備え、積分用演算アンプ１０８の入出力間に設けられた充電容量１０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。

積分用演算アンプ１０８の後段には増幅回路７２が設けられ、積分用演算アンプ１０８の出力する電圧信号Ｖｏ１を増幅する正転増幅回路１０７が接続されている。また正転増幅回路１０７は基準電圧源１０６に接続されている。

基準電圧源１０６は、積分用演算アンプ１０８および正転増幅回路１０７に所定のバイアス電圧を与えるためのものである。これらの積分用演算アンプ１０８、正転増幅回路１０７、基準電圧源１０６は集積化され、集積回路を構成している。

信号変換回路１２Ｘは、圧電素子１０１による電荷に応じて発生する信号を所定の信号に変換して出力する機能を備える。しかし信号変換回路１２Ｘは、能動素子（アクティブ素子）としての積分回路７１と増幅回路７２を用いて信号変換を行うため、信号変換のための消費電力が大きくなる場合がある。

このような比較例に対し、本実施形態では、信号変換回路１２を受動素子のみで構成する。受動素子は能動素子よりも電力の消費量が少ない素子であるため、信号変換回路１２は消費電力を低減して、電荷発生ゴム１１による電荷に応じて発生する信号Ｓ_ＥＨを所定の出力信号Ｓ_Ａに変換することができる。受動素子の中でもローインピーダンスの受動素子よりもハイインピーダンスの受動素子であることが好ましい。ハイインピーダンスの受動素子としては例えば、抵抗やコンデンサ、コイルが挙げられる。ハイインピーダンスの受動素子を用いることにより、ローインピーダンスの受動素子を用いた場合に比べて消費電力をより抑制することができる。

（センサシステム１の作用効果）
本実施形態に係るセンサシステム１は、センサ素子１０の出力信号を検出する検出部３０を備える。より具体的には、検出部３０は、アナログ信号であるセンサ素子１０の出力信号Ｓ_ＡをＡ／Ｄ変換することで、デジタル信号Ｓ_Ｄを検出して出力する。これにより、センサ素子１０の出力信号Ｓ_Ａのデジタル処理による解析を可能にし、またデジタルデータとしてＰＣ等の外部装置に送信したり、記憶装置に格納したりすることができる。

また、センサシステム１は、センサ素子１０の出力信号を解析する演算部４０を備える。演算部４０は、例えばセンサ素子１０の出力信号Ｓ_Ａをデジタル処理により解析し、解析データを出力する。これにより、センサ素子１０の出力信号Ｓ_Ａに基づき、種々の情報を取得可能になる。

なお、本実施形態では、検出部３０と演算部４０の両方を備えるセンサシステム１の例を示したが、センサシステム１が検出部３０又は演算部４０の何れか一方を備える構成にしてもよい。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るセンサシステム１ａについて説明する。

ここで、図９はセンサシステム１ａの構成の一例を説明するブロック図である。図９に示すように、センサシステム１ａは、電源２０ａを備える。

電源２０ａは、センサ素子１０における信号変換回路１２と検出部３０の両方に電力を供給する電源である。換言すると、信号変換回路１２の電力供給源と検出部３０の電力供給源は、同じ電源２０ａである。

電源２０ａは、信号変換回路１２と検出部３０の両方に電圧ＶＤＤ４を印加して電力を供給する。電源２０ａは、１次電池や２次電池、コンデンサ等により構成することができる。

このように信号変換回路１２の電力供給源と、検出部３０の電力供給源を同じ電源２０ａにすることで、信号変換回路１２は、信号変換回路１２の出力信号Ｓ_Ａを検出部３０が入力するために要求されるダイナミックレンジで、出力信号Ｓ_Ａを出力できる。

ここで、図９では、センサシステム１ａにおける信号変換回路１２の電力供給源と、検出部３０の電力供給源が同じ電源２０ａである例を示したが、これに限定されるものではない。信号変換回路１２の電力供給源と、演算部４０の電力供給源が同じ電源であるようにセンサシステム１ａを構成してもよい。この場合、信号変換回路１２は、信号変換回路１２の出力信号Ｓ_Ａを演算部４０が入力するために要求されるダイナミックレンジで、出力信号Ｓ_Ａを出力できる。

また、信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０の全部の電力供給源が同じ電源であるようにセンサシステムを構成してもよい。ここで図１０は、センサシステム１ｂの構成の他の例を説明するブロック図である。このセンサシステム１ｂにおける信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０の全ての電力供給源は同じ電源である。

図１０に示すように、センサシステム１ｂは、信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０の全部に電力を供給する電源２０ｂを備えている。換言すると、信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０の全部の電力供給源は、同じ電源２０ｂである。

電源２０ｂは、信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０の全部に電圧ＶＤＤ５を印加して電力を供給する。また１次電池や２次電池、コンデンサ等により電源２０ｂを構成することができる。

このような構成により、センサシステム１ｂにおける信号変換回路１２、検出部３０及び演算部４０のダイナミックレンジを容易に整合させることができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係るセンサシステム１ｃについて説明する。ここで、図１１は、センサシステム１ｃの構成の一例を説明するブロック図である。

図１１に示すように、センサシステム１ｃは、センサ素子１０における信号変換回路１２に電力を供給する電源として２次電池２１を備えている。２次電池２１は、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等により構成される。

ここで、２次電池２１は、キャパシタやコンデンサ等の他の蓄電素子と比較して、蓄電素子の残容量であるＳＯＣ（State Of Charge）等の変化に伴う出力信号の電圧変化が小さい電圧出力特性（放電特性）を備えている。換言すると、２次電池２１は、２次電池２１の充電や放電によりＳＯＣが変化する場合にも、出力電圧の変化を抑制できる。

図１２は、２次電池２１の電圧出力特性の一例を説明する図である。図１２の横軸は２次電池２１のＳＯＣを示し、縦軸は２次電池２１の出力電圧を示している。また図１２におけるＷ_{ｒａｎｇｅ}は、２次電池２１による供給電力のうち、信号変換回路１２が使用する電力使用範囲を示している。またＶ_rangeは、電力使用範囲Ｗ_{ｒａｎｇｅ}に対応する出力電圧の変化範囲を示している。

図１２に示すように、２次電池２１の電圧出力特性では、ＳＯＣに伴う電圧変化の傾きが小さくフラットな領域がある。例えば図１２の例では、ＳＯＣが１０％以上で９０％以下の範囲等がＳＯＣに伴う電圧変化の傾きが小さくフラットな領域に該当する。

この領域を利用し、信号変換回路１２が使用する電力使用範囲Ｗ_{ｒａｎｇｅ}として、ＳＯＣが１０％以上で９０％以下の範囲を予め定めておくと、電圧変化範囲Ｖ_rangeを３．５Ｖ以上で３．７Ｖ以下という狭い範囲に収めることができる。これによりＳＯＣに伴う出力電圧の変化を抑制できるようになっている。ここで、「ＳＯＣが１０％以上で９０％以下の範囲」は「所定範囲」の一例である。

信号変換回路１２に電力を供給する電源の出力電圧の変化が大きいと、信号変換回路１２に供給する駆動電圧が変化するため、信号変換回路１２が正常に動作しなくなる場合がある。これに対し、本実施形態では、電源として２次電池２１を利用し、ＳＯＣに伴う電圧変化の傾きが小さい電力使用範囲Ｗ_{ｒａｎｇｅ}を電力使用範囲として予め定めている。この電力使用範囲Ｗ_{ｒａｎｇｅ}で電力を使用することにより、ＳＯＣ等に伴う出力電圧の変化を抑制し、信号変換回路１２を安定して正常に動作させることができる。

なお、本実施形態では、２次電池２１が信号変換回路１２に電力を供給する構成を例に説明したが、これに限定されるものではない。信号変換回路１２の他に、検出部３０又は演算部４０の少なくとも一方に２次電池２１が電力を供給するようにセンサシステム１ｃを構成してもよい。つまり、図９における電源２０ａ又は図１０における電源２０ｂを２次電池２１で構成することができる。この場合は、ＳＯＣに伴う出力電圧の変化を抑制することで、信号変換回路１２の他、検出部３０又は演算部４０の少なくとも一方を安定して正常に動作させることができる。

また、本実施形態では、信号変換回路１２を例に説明したが、信号変換回路１２ａ〜１２ｃに本実施形態を適用した場合にも同様の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係るインソール２００について説明する。

ここで、インソールとは、靴等の履物で使用され、弾力を有するクッションをいい、中敷きともいう。インソールは、ポリウレタンや、ポリエステル、ウール、革、活性炭等の素材を用いて構成できる。

＜インソール２００の全体構成例＞
図１３は、本実施形態に係るインソール２００の全体構成の一例を説明する図である。なお、図１３に示すＸ方向はインソール２００の短手方向（幅方向）に対応し、Ｙ方向はインソール２００の長手方向に対応する。またＺ方向はＸ方向及びＹ方向の両方に直交する方向である。

図１３に示すように、インソール２００は、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂと、処理部５０と、発電部６０とを備えている。なお、本構成例においてはセンサ素子として１０Ａおよび１０Ｂの２つの素子を用いているが、センサ素子の数は複数であれば特に限定されない。インソール２００の正のＹ方向側に対応するつま先側の部分（以下ではつま先部という）は上記のインソール素材で形成された素材部７０で構成されている。インソール２００の負のＹ方向側に対応するかかと側の部分（以下ではかかと部という）は発電部６０（斜線のハッチング部分）で構成されている。また素材部７０と発電部６０とを接続するようにして、Ｙ方向における素材部７０と発電部６０との間に処理部５０が設けられている。

センサ素子１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれは、第１〜第３実施形態で説明したセンサ素子１０と同様の機能を備え、外部刺激、本実施形態においては圧力などの外部応力、に応じて発生した電荷を所定の出力信号に変換して出力する素子である。センサ素子１０Ａは出力信号Ｓ_Ａ１を出力し、センサ素子１０Ｂは出力信号Ｓ_Ａ２を出力する。この出力信号Ｓ_Ａ及びＳ_Ｂは、圧力等の検出信号に該当する。

センサ素子１０Ａは、インソール２００のかかと部における発電部６０の正のＺ方向側の面に設置されている。またセンサ素子１０Ｂは、インソール２００のつま先部における素材部７０の正のＺ方向側の面に設置されている。ここで、インソール２００における正のＺ方向側の面は、インソール２００が装着された履物をユーザ（以下ではインソールユーザという）が履いた際に、インソールユーザの足裏が接触する側の面である。またインソール２００における負のＺ方向側の面は、インソール２００が装着された履物に接触する側の面である。

センサ素子１０Ａを発電部６０の表面に固定することで、センサ素子１０Ａをインソール２００に設置できる。またセンサ素子１０Ｂを素材部７０の表面に固定することで、センサ素子１０Ｂをインソール２００に設置できる。この固定は接着剤や両面テープ等により行える。

処理部５０は、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂの出力信号を入力し、出力信号に対して所定の処理を実行する電気回路である。処理部５０の構成及び機能の詳細は、次の図１４を用いて詳述する。

発電部６０は、発電ゴム等を含んで構成され、外部刺激に応じて電力を発生する。より具体的には、発電部６０は、ゴム又はゴム組成物から形成され、可撓性を備える層である中間層を１対の電極で挟んで構成された発電素子を複数積層して構成されている。この発電素子の層数は例えば１０層である。

発電部６０は、インソールユーザの歩行等に伴って、圧力が加えられることで発電し、発電した電力を処理部５０に備えられた２次電池に供給する。

なお、インソール２００におけるセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂや、処理部５０、発電部６０等の各構成の配置は、上述したものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂが設置される部分は、インソール２００の正のＺ方向側の面に限定されるものではなく、インソール２００の負のＺ方向側の面でもよいし、インソール２００の基材（素材）の内部でもよい。またセンサ素子１０Ａがインソール２００の正のＺ方向側に設置され、センサ素子１０Ｂがインソール２００の内部に設置される等、センサ素子１０Ａとセンサ素子１０Ｂがインソール２００の異なる部分に設置されてもよい。但し、センサ素子１０Ａとセンサ素子１０Ｂで検出条件を合致させるために、固定する部分を合わせることが好ましい。

また、インソール２００の全体を素材部７０で構成し、処理部５０又は発電部６０の少なくとも一方を素材部７０の表面又は内部に設置してもよい。センサ素子１０Ａ及び１０Ｂや、処理部５０、発電部６０は、それぞれを収容する部材で覆われていてもよい。収容する部材の材質、形状、大きさ、及び構造としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができる。

＜処理部５０の構成例＞
次に、処理部５０について説明する。図１４は、インソール２００の備える処理部５０の構成の一例を説明するブロック図である。図１４に示すように、処理部５０は、蓄電部５１と、検出部３０ａと、演算部４０ａと、格納部５２と、通信部５３とを備え、電気回路を構成している。

またセンサ素子１０Ａは、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生ゴム１１Ａと、電荷発生ゴム１１Ａによる電荷を所定の出力信号に変換する信号変換回路１２Ａとを備えている。センサ素子１０Ｂは、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生ゴム１１Ｂと、電荷発生ゴム１１Ｂによる電荷を所定の出力信号に変換する信号変換回路１２Ｂとを備えている。

蓄電部５１は、２次電池２１を備え、発電部６０が発電した電力を２次電池２１に蓄電し、蓄電した電力をセンサ素子１０Ａ、センサ素子１０Ｂ、検出部３０ａ、演算部４０ａ、格納部５２及び通信部５３に供給する。

蓄電部５１がセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂ、検出部３０ａ及び演算部４０ａに電力を供給する機能は、第２実施形態で説明した電源２０ｂがセンサ素子１０、検出部３０及び演算部４０に電力を供給する機能と同様である（図１０参照）。また２次電池２１の機能は、第３実施形態で説明したものと同様である（図１１、１２参照）。

蓄電部５１は、電圧ＶＤＤ６を印加することでセンサ素子１０Ａに電力を供給でき、また電圧ＶＤＤ７を印加することでセンサ素子１０Ｂに電力を供給できる。蓄電部５１が検出部３０ａ、演算部４０ａ、格納部５２及び通信部５３に電力を供給するためのＶＤＤ端子と設置用のＧＮＤ端子は、図１４では図示を省略する。

また蓄電部５１は、２次電池２１の他に、コンデンサ等の複数の蓄電デバイスと、複数の蓄電デバイスの接続状態を直列又は並列に相互に切り替える直並切替部とを備えて構成することもできる。複数の蓄電デバイスと、直並切替部とを備えることで蓄電部５１による蓄電効率を上げることができる。このような構成には、特開２０１９−１６１９７５号公報等に開示された公知技術を適用できるため、ここではさらに詳細な説明を省略する。

検出部３０ａは、信号変換回路１２Ａの出力信号Ｓ_Ａ１をＡ／Ｄ変換することで検出してデジタル信号Ｓ_Ｄ１を演算部４０に出力し、また信号変換回路１２Ｂの出力信号Ｓ_Ａ２をＡ／Ｄ変換することで検出してデジタル信号Ｓ_Ｄ２を演算部４０に出力する電気回路である。

演算部４０ａは、ＣＰＵ等で構成され、検出部３０ａから入力されるデジタル信号Ｓ_Ｄ１及びＳ_Ｄ２に対して解析処理を実行し、対応する解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を格納部５２及び通信部５３に出力するプロセッサである。

この解析処理は、インソール２００に加えられる圧力のセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂによる検出信号に基づき、かかと着地率を求める処理等である。ここで、かかと着地率とはインソールユーザが歩行している間にかかとが地面に着地する割合をいう。

検出部３０ａ及び演算部４０ａの機能を低電圧低消費電流で動作するプロセッサを用いることで演算のための消費電力を低減できるため、インソール２００や、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂ、処理部５０等を含んで構成されるセンサシステムを、ＩｏＴ（Internet of Things）用途等に適用する場合に好適である。

格納部５２は、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を格納するためのメモリである。格納部５２を半導体メモリで構成してもよいし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の可搬性メモリで構成してもよい。可搬性メモリで構成すると、格納した解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２をＰＣ等の外部装置に移動させる場合に好適である。

通信部５３は、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２をスマートフォン８０に無線送信するＮＦＣ（Near Field Communication）又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の通信回路である。通信部５３は、スマートフォン８０から信号やデータを無線で受信することもできる。無線通信プロトコルとしてＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）規格を用いると、通信のための消費電力の低減を図ることができ、ＩｏＴ用途等に好適である。ここで、通信部５３は送信部の一例である。

スマートフォン８０には、インソール２００から受信した解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２に基づき、インソールユーザの歩行時や走行時、自立時等における足裏への体重のかかり方等の解析及び分析を行うためのアプリケーションがインストールされている。

インソールユーザは、スマートフォン８０と上記のアプリケーションを用いて、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２に基づき、体重のかかり方や歩き方、走り方等の特徴の解析及び分析を行うことができる。

なお、通信部５３が通信する対象機器は、上記のスマートフォン８０に限定されるものではなく、ＰＣやサーバ、ディスプレイ等の外部装置であってもよい。

＜解析データの一例＞
次に、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂで検出され、処理部５０から出力される解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２について説明する。

ここで、図１５は、処理部５０による解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２の一例を説明する図である。（ａ）はインソールユーザがその場で足踏みした場合を示す図、（ｂ）はインソールユーザが一歩前進した場合を示す図である。

グラフの横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また実線のグラフ１５１はセンサ素子１０ａ（かかと部）の出力信号Ｓ_Ａ１に基づく解析データＳ_Ｃ１を示し、破線のグラフ１５２はセンサ素子１０ｂ（つま先部）の出力信号Ｓ_Ａ２に基づく解析データＳ_Ｃ２を示している。

インソールユーザがその場で足踏みした場合には、インソールユーザの足裏は全体的にほぼ同じタイミングで地面に対して離接し、足裏全体にかかる力も同程度となる。従って、インソール２００のかかと部とつま先部には、同程度の圧力が加えられるため、センサ素子１０ａの出力信号Ｓ_Ａ１とセンサ素子１０ｂの出力信号Ｓ_Ａ２はほぼ同じとなる。その結果、図１５（ａ）に示すように、グラフ１５１とグラフ１５２はほぼ重なっている。また図１５（ａ）の例では、繰り返し５回行った足踏みに応じて、圧力を示す電圧信号は５つの波形が繰り返して表示されている。

一方、インソールユーザが一歩前進した場合には、始めにインソールユーザが足を持ち上げる際に、足裏におけるつま先部が地面に圧力をかけ、かかと部は地面から離間する。その後、持ち上げた足を地面に着地させる際に、かかと部が先に地面に接触し、その後つま先部が地面に接触する。

このような地面に対する足裏の挙動に応じて、インソールユーザが足を持ち上げる際にはつま先部に圧力が加わり、かかと部は圧力が低下する。その後、持ち上げら足を地面に着地させる際に、かかと部への圧力が大きくなり、その後つま先部への圧力が大きくなる。かかと部とつま先部にかかる圧力の違いに応じて、図１５（ｂ）に示すように、グラフ１５１とグラフ１５２は分離して表示されている。

このような解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２に基づき、スマートフォン８０は、インソールユーザの歩行時や走行時、自立時等における足裏への体重のかかり方や、歩き方、走り方の特徴の解析及び分析を行うことができる。

なお、図１３〜図１５に示した例では、片足にインソール２００を適用する例を示したが、両足に同じインソール２００を適用することもできる。インソールユーザの歩行時や走行時、自立時等における両足の解析データを取得することで、歩き方等をより詳細に解析及び分析可能になる。

＜第４実施形態に係る作用効果＞
以上説明したように、本実施形態では、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生ゴム１１Ａと、電荷発生ゴム１１Ａによる電荷を所定の出力信号に変換する信号変換回路１２Ａとを備えるセンサ素子１０Ａを含んでインソール２００を構成する。これにより、信号変換回路１２Ａの出力信号Ｓ_Ａ１に基づき、インソール２００に加わる圧力を検出でき、圧力を検出可能なインソールを提供できる。

また本実施形態では、電荷発生ゴム１１Ａを含んでセンサ素子１０Ａを構成する。電荷発生ゴム１１Ａは弾力があって柔らかいため、インソールユーザは、インソール２００を装着した履物を履き心地よく履くことができる。また電荷発生ゴム１１Ａの弾力性や柔らかさはセンサ素子１０Ａを壊れにくくするため、センサ素子１０Ａの故障や破損等を抑制し、センサ素子１０Ａの交換や修理等を低減してメンテナンス性を向上させることができる。

また、信号変換回路１２Ａはパッシブ素子のみで構成されているため、信号変換のため電力消費が非常に小さい。これにより、インソール２００の消費電力を抑制できる。なお、本発明において「パッシブ素子」とは、抵抗及びコンデンサ、コイルといった増幅や電気エネルギーの変換のような能動的機能をもたない素子を意味し、アクティブ素子とはオペアンプやボルテージフォロアなどの、増幅や電気エネルギーの変換のような能動的機能をもつ素子を意味する。パッシブ素子の中でもローインピーダンスのパッシブ素子よりもハイインピーダンスのパッシブ素子であることが好ましい。ハイインピーダンスのパッシブ素子としては例えば、抵抗やコンデンサ、コイルが挙げられる。ハイインピーダンスのパッシブ素子を用いることにより、ローインピーダンスのパッシブ素子を用いた場合に比べて消費電力をより抑制することができる。また、ハイインピーダンスのパッシブ素子を用いることにより、信号変換回路１２Ａのインピーダンスを高くすることができ、電荷発生ゴムなどの出力インピーダンスが高い電荷発生弾性体を用いた場合でも、電荷発生弾性体により出力された電力の電圧波形の全てをダイナミックレンジ（有効電圧範囲）に含めやすくすることができる。

さらに、インソール２００におけるセンサ素子１０Ａ、センサ素子１０Ｂ、検出部３０ａ、演算部４０ａ、格納部５２及び通信部５３は、発電部６０で発電した電力を蓄電する蓄電部５１から駆動電力を供給される。これにより、該各構成の駆動電力を供給するための外部電源を不要とすることができる。

低消費電力であることと、外部電源が不要であることは、ＩｏＴ用途等にインソール２００を適用する場合に特に好適となる。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及びセンサ素子１０Ｂの複数（ここでは２個）のセンサをインソール２００の異なる位置に設けている。これによりインソール２００の異なる位置に加えられる圧力を検出でき、足裏への体重のかかり方や、歩き方、走り方の特徴の解析及び分析をより詳細に行うことができる。

但し、設置するセンサ素子の個数は２個に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。個数が増えるほど、より詳細な解析及び分析が可能になる。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及びセンサ素子１０Ｂの２個のセンサをインソール２００の異なる位置に設けているが、さらに多くのセンサ素子を複数箇所に配置することによって、より詳細に歩き方、走り方の特徴解析および分析等を行うことができる。これによりインソール２００の異なる位置に加えられる圧力変化を検出でき、足裏への体重のかかり方や、歩き方、走り方の特徴の解析及び分析をより詳細に行うことができる。

もちろん上述のとおり、センサ素子のインソール２００への設置箇所は、つま先側とかかと側に限定されるものではなく、取得したい解析データに応じて任意の箇所に設置してもよい。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂの出力信号Ｓ_Ａ１及びＳ_Ａ２に基づき取得される解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を出力するプロセッサを備える。これにより、出力信号Ｓ_Ａ１及びＳ_Ａ２のデジタルデータに対し所望の処理を実行することができる。またセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂや検出部３０ａ等の各部の制御も可能になる。

また本実施形態では、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を格納するための格納部５２を備えている。これにより解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２の保存や、保存したデータの取り出しが可能になる。

また本実施形態では、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を無線送信する通信部５３を備えている。これによりスマートフォン８０等の外部装置に解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を提供でき、外部装置への解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２の蓄積や、外部装置による歩き方や走り方等の詳細な解析及び分析が可能になる。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態に係る履物について説明する。

ここで、履物としては、例えばスニーカー、革靴、パンプス、ハイヒール、スリッポン、サンダル、スリッパ、ブーツ、登山靴、スポーツシューズ、上履き、下駄、草履、足袋等が挙げられる。

＜履物３００の全体構成例＞
図１６は、本実施形態に係る履物３００の全体構成の一例を説明する図である。なお、図１６に示すＸ方向は履物３００の短手方向（幅方向）に対応し、Ｙ方向は履物３００の長手方向に対応する。またＺ方向はＸ方向及びＹ方向の両方に直交する方向である。

図１６に示すように、履物３００は、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂと、処理部５０と、発電部６０とを備えている。履物３００の正のＹ方向側に対応するつま先側の部分には、センサ素子１０Ｂが設けられている。また履物３００の負のＹ方向側に対応するかかと側の部分には、発電部６０（斜線のハッチング部分）とセンサ素子１０Ａが設けられている。またＹ方向におけるセンサ素子１０Ａとセンサ素子１０Ｂの間に処理部５０が設けられている。

センサ素子１０Ａは、履物３００のかかと部における内底部に設けられた発電部６０の正のＺ方向側の面に設置されている。なお内底部とは、履物３００の底部の内側をいう。またセンサ素子１０Ｂは、履物３００のつま先部における内底部に設置されている。履物３００における内底部は、履物３００をユーザ（以下では履物ユーザという）が履いた際に、履物ユーザの足裏が接触する側の部分である。また履物３００における外底部は、履物３００が地面に接触する側の部分である。なお外底部とは、履物３００の底部の外側をいう。

センサ素子１０Ａを発電部６０の正のＺ方向側の面に固定することで、センサ素子１０Ａを履物３００に設置でき、またセンサ素子１０Ｂを内底部に固定することで、センサ素子１０Ｂを履物３００に設置できる。この固定は接着剤や両面テープ等により行える。

なお、履物３００におけるセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂや、処理部５０、発電部６０等の各構成の配置は、上述したものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂが設置される部分は、履物３００の内底部に限定されるものではなく、履物３００の外底部でもよいし、履物３００の底部を構成する基材（素材）の内部でもよい。

またセンサ素子１０Ａが履物３００の内底部に設置され、センサ素子１０Ｂが履物３００の内底部に設置される等、センサ素子１０Ａとセンサ素子１０Ｂが履物３００の異なる部分に設置されてもよい。但し、センサ素子１０Ａとセンサ素子１０Ｂで検出条件を合致させるために、固定する部分を合わせることが好ましい。

また、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂや、処理部５０、発電部６０は、それぞれを収容する部材で覆われていてもよい。収容する部材の材質、形状、大きさ、及び構造としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができる。

また、第４実施形態で説明したインソール２００を履物３００に装着することで、履物３００にセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂ、処理部５０及び発電部６０を設置することもできる。

センサ素子１０Ａ及び１０Ｂ、処理部５０、発電部６０のそれぞれの構成及び機能、出力信号及び解析データ等は、第４実施形態で説明したものと同様であるため、ここでは重複した説明を省略する。

＜第５実施形態に係る作用効果＞
以上説明したように、本実施形態では、外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生ゴム１１Ａと、電荷発生ゴム１１Ａによる電荷を所定の出力信号に変換する信号変換回路１２Ａとを備えるセンサ素子１０Ａを含んで履物３００を構成する。これにより、信号変換回路１２Ａの出力信号Ｓ_Ａ１に基づき、履物３００に加わる圧力を検出することができる。

また本実施形態では、電荷発生ゴム１１Ａを含んでセンサ素子１０Ａを構成する。電荷発生ゴム１１Ａは弾力があって柔らかいため、履物ユーザは、履物３００を履き心地よく履くことができる。また電荷発生ゴム１１Ａの弾力性や柔らかさは、センサ素子１０Ａを壊れにくくするため、センサ素子１０Ａの故障や破損等を抑制し、センサ素子１０Ａの交換や修理等を低減してメンテナンス性を向上させることができる。

また、信号変換回路１２Ａは受動素子のみで構成されているため、信号変換のため電力消費が非常に小さい。これにより、履物３００の消費電力を抑制できる。パッシブ素子の定義及び意義は第４実施形態で述べたものと同様である。

また、履物３００におけるセンサ素子１０Ａ、センサ素子１０Ｂ、検出部３０ａ、演算部４０ａ、格納部５２及び通信部５３は、発電部６０による発電電力を蓄電する蓄電部５１から駆動電力を供給される。これにより、該各構成の駆動電力を供給する外部電源を不要とすることができる。

低消費電力であることと、外部電源が不要であることは、ＩｏＴ用途等にインソール２００を適用する場合に特に好適となる。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及びセンサ素子１０Ｂの複数（ここでは２個）のセンサを履物３００の異なる位置に設けている。これにより履物３００の異なる位置に加えられる圧力を検出でき、足裏への体重のかかり方や、歩き方、走り方の特徴の解析及び分析をより詳細に行うことができる。

但し、設置するセンサ素子の個数は２個に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。個数が増えるほど、より詳細な解析及び分析が可能になる。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及びセンサ素子１０Ｂの複数（ここでは２個）のセンサを履物３００の異なる位置に設けているが、さらに多くのセンサ素子を複数箇所に配置することによって、より詳細に歩き方、走り方の特徴解析および分析等を行うことができる。これにより履物３００の異なる位置に加えられる圧力変化を検出でき、足裏への体重のかかり方や、歩き方、走り方の特徴の解析及び分析をより詳細に行うことができる。

もちろん上述のとおり、センサ素子の履物３００への設置箇所は、つま先側とかかと側に限定されるものではなく、取得したい解析データに応じて任意の箇所に設置してもよい。

また本実施形態では、センサ素子１０Ａ及び１０Ｂの出力信号Ｓ_Ａ１及びＳ_Ａ２に基づき取得される解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を出力するプロセッサを備えている。これにより、出力信号Ｓ_Ａ１及びＳ_Ａ２のデジタルデータに対し所望の処理を実行することができる。またセンサ素子１０Ａ及び１０Ｂや検出部３０ａ等の各部の制御も可能になる。

また本実施形態では、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を格納するための格納部５２を備えている。これにより解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２の保存や、保存したデータの取り出しが可能になる。

また本実施形態では、解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を無線送信する通信部５３を備えている。これによりスマートフォン８０等の外部装置に解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２を提供でき、外部装置への解析データＳ_Ｃ１及びＳ_Ｃ２の蓄積や、外部装置による歩き方や走り方等の詳細な解析及び分析が可能になる。

［第６実施形態］
次に、第６実施形態に係る圧力式通過センサについて説明する。ここで、圧力式通過センサとは、人間又は車両等の物体による圧力に基づき、人間又は物体の通過を検知するセンサをいう。

例えば、圧力式通過センサは、建物の内部、又は建物付近の建物の外部のフロア（床）に設けられ、建物又は部屋に入退場する人間が圧力式通過センサを足で踏んだ圧力を検出することで、建物又は部屋への人間の入退場を検知する。但し、圧力式通過センサは、入退場の検知に限定されるものではなく、人間が通過の際に足で踏んだ圧力を検出できれば、人間の様々な通過を検知可能である。このような圧力式通過センサをフロアセンサと称することもできる。

また、圧力式通過センサが検知する対象は、人間だけでなく車両等の移動体であってもよい。例えば、圧力式通過センサは、駐車場の地面に設けられ、駐車場に入退場する自動車が圧力式通過センサをタイヤで踏んだ圧力を検出することで、駐車場への自動車の入退場を検知できる。また入退場に限定されるものでもなく、例えば駐車場内で自動車が駐車する駐車スペース近傍に設けられ、駐車スペースへの車両の入出庫を圧力式通過センサで検知することもできる。

また移動体は、自動車に限定されるものではなく、例えば自動搬送車両等であってもよい。圧力式通過センサは、自動搬送車の通過経路の床又は地面に設けられ、自動搬送車のタイヤ等が圧力式通過センサを踏んだ圧力を検出することで、自動搬送車の通過を検知できる。

＜圧力式通過センサによる通過検知の代表例＞
ここで、図１７は、本実施形態に係る圧力式通過センサによる検知の代表的な一例を説明する図である。図１７は、通路を歩行する人間を視た図であり、図１７（ａ）は側方から視た図、図１７（ｂ）は前方（進行方向側）から視た図、図１７（ｃ）は上方から視た図である。

図１７に示すように、圧力式通過センサ４００は１つ１つが短冊状の形状をしており、複数の圧力式通過センサ４００が、通路の床４０１全体を覆うように配列して設けられている。

圧力式通過センサ４００は、通路を歩く人間４０２が圧力式通過センサ４００を踏んだ圧力に基づく出力信号を信号変換回路１２ａ乃至１２ｃ（図３〜図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。この処理結果から人間４０２の通過を検知できる。

また圧力式通過センサ４００は、通過の状態の判断も可能である。例えば、通過した人間の人数、特定の動物、特定の移動体が通過したのかを判断できる。圧力式通過センサ４００とは別に設けたカメラの撮影結果等と組み合わせて、上記の通過の状態を判断してもよい。また、複数の圧力式通過センサ４００の検出結果を用いて、人間等の物体の通過方向を検知することもできる。

実施形態に係るセンサ素子を、このような圧力式通過センサに適用することで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第７実施形態］
次に、第７実施形態に係る接触状態センサについて説明する。ここで、接触状態センサとは、人間又は車両等の物体による圧力に基づき、人間又は物体による接触状態を検知するセンサをいう。

例えば、接触状態センサは椅子に設けられ、椅子に対する人間の圧力を検出することで、人間が椅子に着座したか、椅子から離れたか、背もたれによりかかっているか、或いは背もたれから離れたか等の接触状態を検知できる。

また他に、接触状態センサはベッドに設けられ、ベッドに対する人間の圧力を検出することで、人間がベッドに横たわったか、又はベッドから起き上がったか等の接触状態を検知できる。

また、接触状態センサはテーブルマットに設けられ、テーブルマットにコーヒーカップ等のカップを置いたか、カップを持ち上げたか等の接触状態を検知できる。さらに接触状態センサはドアノブに設けられ、人間がドアノブを握ったか、又はドアノブから手を離したか等の接触状態を検知できる。

また、人間が指でオン又はオフを操作するスイッチに接触状態センサを設け、操作における接触状態を検知したり、ドアとドア枠の接触部に接触状態センサを設け、ドアの開閉における接触状態を検知したりすることもできる。

さらに、接触状態センサを用いて、ロボットアームの把持部における接触状態を検知したり、ロボットアームの各部位の接触状態を検知することで安全装置の一部として機能させたり、車両又はドローン等の移動体との接触状態を検知したり、人型ロボット又は手袋型センサ等との接触状態を検知したりすることもできる。

＜接触状態センサによる接触状態検知の代表例＞
ここで、図１８は、本実施形態に係る接触状態センサによる接触状態検知の代表的な一例を説明する図である。図１８に示すように、椅子５０１は座面５０１ａと、背もたれ５０１ｂとからなり、接触状態センサ５００は座面５０１ａに設けられている。接触状態センサ５００は座面５０１ａの表面に設けられてもよいし、座面５０１ａの内部に埋め込まれるように設けられてもよい。

人間５０２が椅子５０１に着座すると、接触状態センサ５００は、人間５０２が座った圧力に基づく出力信号を信号変換回路１２ｃ（図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。この処理結果から椅子５０１への人間５０２の着座を検知できる。

また人間５０２が椅子５０１から立ち上がると、接触状態センサ５００は人間５０２による圧力の減少に基づく出力信号を信号変換回路１２ｃ（図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。この処理結果から椅子５０１から人間５０２が離れたことを検知できる。

背もたれ５０１ｂに接触状態センサ５００を設けると、人間５０２が背もたれ５０１ｂに寄りかかったか否かを検知できる。

人間が指で操作するオン又はオフのスイッチに接触状態センサ５００を設けた場合には、接触状態センサ５００は、スイッチに加わる圧力に基づく出力信号を信号変換回路１２ｃ（図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。これにより、スイッチのオン操作、スイッチオンの継続操作、スイッチのオフ操作等を判別でき、また長押しを判別できる。

実施形態に係るセンサ素子を、このような接触状態センサに適用することで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図３及び図４の信号変換回路１２ａ及び１２ｂでは、動作の検知は制約されるが接触検知としての機能が得らえる。

［第８実施形態］
次に、第８実施形態に係る曲げ伸ばしセンサについて説明する。ここで、曲げ伸ばしセンサとは、人間の肘又は肩等の間接の曲げ伸ばし、或いは箱の開閉又はドアの開閉等に伴う曲げ伸ばしによる変形に基づき、人間又は物体の曲げ伸ばしを検知するセンサをいう。

＜曲げ伸ばしセンサによる曲げ伸ばし検知の代表例＞
ここで、図１９は、本実施形態に係る曲げ伸ばしセンサによる曲げ伸ばし検知の代表的な一例を説明する図である。図１９に示すように、曲げ伸ばしセンサ６００は、人間６０１の肘６０１ａに設けられ、肘６０１ａの曲げ伸ばしに伴って変形可能になっている。

曲げ伸ばしセンサ６００は、肘６０１ａの曲げ伸ばしに伴って変形する。曲げ伸ばしセンサ６００は、変形に基づく出力信号を信号変換回路１２ｃ（図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。この処理結果から人間６０１が肘６０１ａを曲げたのか、曲げ状態を保持しているのか、又は伸ばしたのか等を検知できる。

曲げ伸ばしセンサ６００による曲げ伸ばしの検知結果に基づき、人間が歩いているのか、走っているのか、又は屈伸運動をしているのか等を検知し、これらをリハビリテーション又は運動機能の検査等に適用することができる。またゲーム機における操作の検知等への応用も考えられる。

実施形態に係るセンサ素子を、このような曲げ伸ばしセンサに適用することで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第９実施形態］
次に、第９実施形態に係る変形式通過センサについて説明する。ここで、変形式通過センサとは、人間又は車両等の物体による変形に基づき、人間又は物体の通過を検知するセンサをいう。

例えば、変形式通過センサは、暖簾等の薄いシート状の物体に設けられ、暖簾をくぐる動作による暖簾の変形等に基づき、人間又は動物等の通過を検知する。変形式通過センサは、暖簾をくぐる動作の他、物体をねじったり、ひねったり、引っ張ったりする動作等に伴う物体の変形に基づき、人間又は物体の通過を検知できる。

＜変形式通過センサによる通過検知の代表例＞
ここで、図２０は、本実施形態に係る変形式通過センサによる通過検知の代表的な一例を説明する図である。図２０に示すように、変形式通過センサ７００はシート状に構成され、３つの変形式通過センサ７００が暖簾７０１の異なる箇所に設けられている。変形式通過センサ７００は、暖簾７０１の変形に伴って変形可能になっている。

変形式通過センサ７００は、人間７０２が暖簾７０１をくぐる動作により暖簾７０１が変形することで変形する。変形式通過センサ７００は、変形に基づく出力信号を信号変換回路１２ｃ（図５参照）で検出し、演算部４０（図１参照）で信号処理する。この処理結果から暖簾７０１が設けられた場所（地点）を人間７０２が通過したことを検知できる。

なお、暖簾７０１は風のような空気の流れでも変形するため、演算部４０は、信号変換回路１２ｃの出力信号が空気の流れによるものか、又は人や動物の通過によるものかを判別することが好ましい。暖簾７０１は人間等がくぐる場合と、空気の流れで揺れる場合とで変形の仕方が異なるため、変形式通過センサ７００からの出力信号の波形の特性も変形の仕方に応じて異なる。そのため、演算部４０は、変形式通過センサ７００からの出力信号の波形の特性に基づき、信号変換回路１２ｃの出力信号が空気の流れによるものか、又は人や動物の通過によるものかを判別できる。

また、ねじる、ひねる、引っ張る等の動作も、出力信号が特徴的な波形になるため、演算部４０で処理することにより、それぞれの動作を識別できる。これを応用して、ロボット制御におけるロボットの動作の検知や、ゲーム機等の操作の検知等を行うこともできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

なお、信号変換部を能動素子（アクティブ素子）で増幅することで、発電ゴムで生体信号を信号処理することも可能である。

また、上記で説明した検出部及び演算部等の機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。この「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、検出部及び演算部の機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

１ センサシステム
１０、１０Ａ、１０Ｂ センサ素子
１１ 電荷発生ゴム（電荷発生素子の一例）
１１１ 第１電極
１１２ 第２電極
１１３ 中間層
１２ 信号変換回路（信号変換部の一例）
１２２ 出力端子
１２３ ＧＮＤ端子
１２４ ＶＤＤ端子
２０ 電源
２１ ２次電池（蓄電素子の一例）
３０ 検出部
４０ 演算部
５０ 処理部
５１ 蓄電部
５２ 格納部
５３ 通信部
６０ 発電部
７０ 素材部
８０ スマートフォン
２００ インソール
３００ 履物
４００ 圧力式通過センサ
５００ 接触状態センサ
６００ 曲げ伸ばしセンサ
７００ 変形式通過センサ
Ｓ_Ａ 出力信号
Ｓ_ＡＰ 正方向へのピーク電圧（正方向への極値の一例）
Ｓ_ＡＶ 負方向へのピーク電圧（負方向への極値の一例）
Ｓ_ＡＢ 基準電圧
Ｓ_ＥＨ 電荷による信号
Ｓ_Ｄ デジタル信号
Ｓ_Ｃ 解析データ
ＶＤＤ１〜ＶＤＤ７ 電圧
Ｒ１〜Ｒ７ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
Ｗ_{ｒａｎｇｅ} 電力使用範囲
Ｖ_{ｒａｎｇｅ} 電圧変化範囲

特許６５３８５３２号公報

Claims (12)

1. 検出部又は演算部の少なくとも一方と、電源と、を有するセンサシステムに用いられるセンサ素子であって、
   外部刺激に対して電荷を発生する電荷発生素子と、
   前記電荷を所定の出力信号に変換する信号変換部と、を備え、
   前記信号変換部は、受動素子のみで構成され、前記信号変換部の駆動力は前記電源から供給される
   センサ素子。
2. 前記電源は前記検出部又は前記演算部の少なくとも一方に電力を供給可能である
   請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記電荷発生素子は、加えられる圧力に応じて前記電荷を発生する圧電素子である
   請求項１、又は２に記載のセンサ素子。
4. 前記出力信号は、正方向及び負方向の２方向への極値を含む
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサ素子。
5. 前記信号変換部の電力供給源と、前記検出部又は前記演算部の少なくとも一方の電力供給源と、が同じ前記電源である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ素子。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記出力信号を検出する前記検出部と、を備える
   センサシステム。
7. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記出力信号を解析する前記演算部と、を備える
   センサシステム。
8. 前記電源は、電力を蓄積する蓄電素子である
   請求項６、又は７に記載のセンサシステム。
9. 前記蓄電素子は、２次電池である
   請求項８に記載のセンサシステム。
10. 前記信号変換部が前記２次電池の電力を使用する範囲は、前記信号変換部に前記２次電池が出力する電圧値に基づき、所定範囲に定められている
    請求項９に記載のセンサシステム。
11. 前記検出部又は前記演算部の少なくとも１つが前記２次電池の電力を使用する範囲は、前記検出部又は前記演算部の少なくとも１つに前記２次電池が出力する電圧値に基づき、所定範囲に定められている
    請求項９、又は１０に記載のセンサシステム。
12. 前記所定範囲は、１０％以上で９０％以下の範囲である
    請求項１０、又は１１に記載のセンサシステム。

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