JP2765573B2 - 曲げセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、体の動き、又は指
の動き等に応じて信号を発生する曲げセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自然楽器においては、例えば、ピアノ、
ギター等で代表されるように、弦や鍵盤を弾いたりする
ことによって楽音の発生を制御するのが一般的である。
ところで、弾く等以外の他の動作に基づいて発生楽音を
制御することが可能になれば、楽器を演奏するという従
来の感覚から離れることができ、新たな演奏方法による
楽しみや新たな演奏効果を得ることが可能になる。

【０００３】このような観点から本出願人は、身体の動
きを検出するセンサを人間の身体の一部に装着し、この
センサからの検出に基づいて楽音の発生を制御する楽音
制御装置として例えば、図１２にその断面を示すような
ものを考案している。同図において、１は歪センサの支
持材（この例では支持材の中心面がセンサの中立軸に相
当）で、その中心面はＣ−Ｃで表され、さらに厚さＬ１
は１００μｍである。２は接着層で、厚さＬ２は５μｍ
である。３はベース材で、厚さＬ３は１２μｍである。
４は接着層で、厚さＬ４は５μｍである。５は金属抵抗
体（いわゆる歪センサ）で、厚さＬ５は２μｍである。
これらの各部材は積層して配置されて曲げセンサ６が構
成されている。そして、この曲げセンサ６によって身体
の動きが検出され、信号が外部に取り出される。

【０００４】図１２に示すような構造となっているの
は、次のような理由による。すなわち、このような曲げ
センサにおいては、人体の関節の角度を測定する等の目
的に使用するため、細長い形状とならざるをえず、この
形状では、 ａ）組込む都合上、曲げセンサそのものに適度な剛性が
必要、 ｂ）引張りカを受けたとき、歪が発生すると、センサの
寿命に悪影響がある、 等の理由で、図１２に示すように１００μｍ前後の厚さ
の金属板による支持材１上に曲げセンサ６を設置し、こ
の曲げセンサ６はベース材３の上に金属抵抗体５を接着
したものとなっている。詳しくは、現在一般に行なわれ
ている曲げセンサ６の製作行程ではベース材３であるポ
リイミドフィルム（１２μｍ前後）等の上に、金属抵抗
体５である金属箔を全面に接着後、必要な形状にエッチ
ングを行なっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１０に示
すように、中立面Ｇ−Ｇが中央に位置する厚さｔなる物
体９１に曲げを加えたとき、その表面の歪をε、曲率半
径をＲとすると、ε＝ｔ／Ｒとなり、厚さｔと歪εは比
例関係にある。また、図１１は歪センサの耐久性を示す
もので、縦軸は歪振幅、横軸は曲げ回数を示している。
これらから明かであるように、歪振幅が大きくなると、
対数的に耐久性が悪くなる。すなわち、図１０、１１か
ら厚さｔが大きくなるにつれて、歪εも大きくなるた
め、物体９１が壊れやすくなる。

【０００６】上記の従来例によると、曲げが行なわれた
ときの中立面に相当する支持材１の中央から抵抗体５ま
での寸法は７０μｍ前後となる。これに、例えばＲ＝５
程度の曲げを加えると、歪が１．４％にも達し、抵抗体
５の疲労が著しく増大する。その結果、抵抗体５が壊れ
やすくなる。また、抵抗体５に金属を用いた場合、数百
回程度の曲げで早くも壊れてしまうので、例えば指の曲
げのような小さな曲率で使用することが困難であるとい
う問題点があった。また、上記の従来例では、ベース材
３単独で剛性や引っ張り強度の調整を行うため、該調整
が難しく、設計の自由度が低いという問題点があった。

【０００７】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、小さな曲率で使用することが可能で、破壊に強く
充分な耐久性を確保できる曲げセンサを提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
身体に装着されて関節の曲げを検出する曲げセンサにお
いて、絶縁体で形成されたベース部材と、端部をそれぞ
れ端子に接続され、変形による抵抗の変化を歪として該
端子から出力する金属抵抗体と、剛性，引っ張り強度を
調整する補強材とを積層し、前記金属抵抗体を、前記ベ
ース部材の中立面の近傍に配したことを特徴とする。請
求項２記載の発明は、請求項１記載の曲げセンサにおい
て、前記金属抵抗体を、前記ベース部材の中立面の近傍
に配する接着層を具備することを特徴とする。請求項３
記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記
載の曲げセンサにおいて、前記中立面は、変形時でも歪
量が０となる面であることを特徴とする。請求項４記載
の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の
曲げセンサにおいて、前記近傍とは、２０ミクロン以内
の位置であることを特徴とする。請求項５記載の発明
は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の曲げセ
ンサにおいて、前記補強材は、前記積層の最上層および
最下層に設けられていることを特徴とする。請求項６記
載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載
の曲げセンサにおいて、複数個の前記金属抵抗体を有
し、前記ベース部材の中立面を挟んで両側に少なくとも
１個の該金属抵抗体を配したことを特徴とする。請求項
７記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに
記載の曲げセンサにおいて、前記金属抵抗体および前記
補強材は、前記ベース部材の片側かつ同じ側に設けられ
ており、この曲げセンサ２枚を、前記金属抵抗体を互い
に外向きにして、貼り合わせたことを特徴とする。請求
項８記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか
に記載の曲げセンサにおいて、前記金属抵抗体および前
記補強材は、前記ベース部材の片側かつ違う側に設けら
れており、この曲げセンサ２枚を、前記金属抵抗体を互
いに内向きにして、かつ、間に絶縁層を挟んで、貼り合
わせたことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１〜図５は本発明の第１実
施形態の構成を示す図である。図１は、特に曲げ検出器
の全体図を示している。同図において、曲げセンサ１１
は大きく分けて本体部１２、基端部１３およびコード１
４によって構成される。本体部１２は細長い板状をして
おり、その内部には詳細を後述する歪センサ１５が設け
られている。なお、１３ａは端子、１４ａ、ｂはリード
線である。曲げセンサ１１は演奏者の身体の必要部位に
取付けられ、身体が曲げられたとき曲げセンサ１１によ
りその曲げを検出して所定の検出信号を発生し、コード
１４を通して外部に出力する。

【００１０】本体部１２の断面（図１（ａ）のＤ−Ｄ矢
視断面）は図１（ｂ）に示され、図中Ｘ部を拡大したも
のが、図２に示される。図２において、２１はセンサの
ベース部材で、その中立面はＥ−Ｅで表され、さらに厚
さＬ１１は１２μｍである。双方向（図中上下方向）の
曲げに対してベース部材２１中に中立面がくるようにベ
ース部材２１は比較的剛性のある素材で形成される。

【００１１】２２、２３は接着層で、これらの厚さＬ１
２、Ｌ１３は各々５μｍ、１２μｍである。接着層２３
の内部には他の接着層２４、金属抵抗体２５が設けら
れ、これらの厚さＬ１４、Ｌ１５は各々５μｍ、２μｍ
である。金属抵抗体２５は歪センサとなるものである。
また、金属抵抗体２５は接着層２４によってベース部材
２１に接着される。２６は下部材、２７は上部材で、こ
れらの厚さＬ１７、Ｌ１８は各々５０μｍ、４０μｍで
ある。なお、接着層２３と上部材２７の接する面である
金属抵抗体２５との間の厚さＬ１６は５μｍである。ま
た、中立面Ｅ−Ｅから上部材２７の表面までの厚さＬ１
９は５８．５μｍ、曲げセンサ全体の厚さＬ２０は１１
９μｍである。

【００１２】ベース部材２１、接着層２２、接着層２
３、接着層２４、金属抵抗体２５、下部材２６および上
部材２７は積層して配置され、全体として曲げセンサ２
８を構成している。そして、この曲げセンサ２８によっ
て身体の動きが検出され、信号が外部に取り出される。

【００１３】以上の構成において、中立面の位置はそれ
ぞれのヤング率と厚さによって決められる。本実施形態
では中立面Ｅ−Ｅと曲げンサ２８の重要部分である金属
抵抗体２５との間の距離が１２．５μｍとなる。従来の
７０μｍという値に比較して格段に小さくなっている。
すなわち、同率の曲率で曲げられたとき、曲げセンサ２
８に生じる歪量が減少する。しだがって、例えば本発明
者の実験によると、Ｒ＝５程度の曲げを加えても、歪が
０．１５％程度と従来の１．４％に比べて少なくなり、
金属抵抗体２５の疲労を著しく低減することができる。
その結果、破壊に強く、小さな曲率で使用することが可
能となって、寿命を長く確保できるレベルに歪が抑えら
れ、充分な耐久性を確保することができる。実際上、中
立面Ｅ−Ｅと金属抵抗体２５との間の距離は２０μｍ以
下程度に抑えればよい。

【００１４】なお、図１１は歪センサの耐久性を示すも
ので、縦軸は歪振幅、横軸は曲げ回数を示している。こ
れから明らかであるように、歪振幅を減らすと、対数的
に耐久性が向上する。

【００１５】次に、上述した曲げセンサを電子楽器に適
用した場合の構成について図４を参照して詳しく説明す
る。この図において、２０−１〜２０−５は右手の親指
〜小指の各指の曲げ角度を各々検出する曲げ角度検出
器、２０−６〜２０−１０は左手の親指〜小指の各指の
曲げ角度を各々検出する曲げ角度検出器であり、これら
は、図３に示す手袋型の装着具１１０の各１１１ａ〜１
１１ｅ内に各々収納されている。

【００１６】上記曲げ角度検出器２０−１〜２０−１０
から各々出力された検出電圧ＶＳは、Ａ／Ｄコンバータ
１２１−１〜１２１−１０に供給される。Ａ／Ｄコンバ
ータ１２１−１〜１２１−１０は、曲げ角度検出器２０
−１〜２０−１０から各々供給される検出電圧ＶＳを所
定ビットのデジタルデータに変換するものであり、これ
により得られたデータは、マルチプレクサ１２２へ供給
される。マルチプレクサ１２２は、そのセレクト端子に
供給されるチャンネル・セレクト信号ＣＳに基づいて１
０チャンネル分のＡ／Ｄコンバータ１２１−１〜１２１
−１０から各々出力されるデータのいずれかを択一選択
して出力する。また、１２４はＣＰＵ（中央処理装
置）、１２５はＣＰＵ１２４で用いられるプログラムが
記憶されたＲＯＭ、１２６はワークエリアとして用いら
れるＲＡＭである。ＣＰＵ１２４はマルチプレクサ１２
２に供給するチャンネル・セレクト信号ＣＳを順次変化
させ、Ａ／Ｄコンバータ１２１−１〜１２１−１０の出
力データを高速でスキャンし、これにより得られた各チ
ャンネル毎のデータを、音量データＡＭＰ１〜ＡＭＰ１
０として逐次ＲＡＭ１２６に格納する。また、１２７は
１０チャンネル分の楽音信号を時分割で生成するＴＧ
（トーンジェネレータ）であり、予め各チャンネル毎に
割当てられた音高（Ｃ１〜Ｅ２）であって、ＣＰＵ１２
４から供給された各チャンネル毎の音量データＡＭＰ１
〜ＡＭＰ１０に応じたレベルの楽音信号を順次サウンド
システム１２８へ供給する。サウンドシステム１２８は
ＴＧ１２７から供給された楽音信号を増幅するアンプ
と、このアンプで増幅された楽音信号によって駆動され
るスピーカとによって構成されている。

【００１７】次に、上述した構成による電子楽器の動作
について、図５に示すフローチャートを参照して説明す
る。まず、図示せぬ電源スイッチが投入されると、ＣＰ
Ｕ１２４はステップＳＰ１において初期設定を行った
後、ステップＳＰ２に進み、処理すべきチャンネルを示
す値ｉを１に設定する。次いで、ステップＳＰ３へ進
み、右手親指の曲げ角度を検出する曲げ角度検出器１２
０−１を指定するためのチャンネル・セレクト信号ＣＳ
をマルチプレクサ１２２へ供給し、これにより曲げ角度
検出器１２０−１から供給されたデータを音量データＡ
ＭＰ１としてＲＡＭ１２６に格納する。そして、次のス
テップＳＰ４に進み、ＴＣ１２７の第１チャンネルに対
して音量データＡＭＰ１を供給する。これにより、第１
チャンネルに割当てられたＣ１の音高であって、右手親
指の曲げ量に応じた音量の楽音がサウンドシステム１２
８のスピーカから発音される。この場合、指を深く折り
曲げる程、音量データＡＭＰ１の値が大きくなるので、
それに応じてサウンドシステム１２８から発っせられる
音量も大きくなる。次に、ステップＳＰ５へ進み、処理
すべきチャンネルを示す値ｉを１だけインクリメントし
てステップＳＰ６へ進む。このステップＳＰ６において
は、値ｉがｉ＞１０となったか否かを判別し、ｉ＞１０
であると判断された場合は、次のステップＳＰ７へ進
み、ｉが１０以下であると判断された場合は、ステップ
ＳＰ３へ戻る。これにより、ステップＳＰ６においてｉ
＞１０と判断されるまで、上述したステップＳＰ３〜ス
テップＳＰ５を繰り返し実行し、そして、１０チャンネ
ル分の処理を実行した後、ステップＳＰ７において、そ
の他の処理を実行し、再びステップＳＰ２に戻る。

【００１８】以上により、右手の親指〜小指と、左手の
親指〜小指を１本ずつ折り曲げることにより、音高がＣ
１〜Ｅ２まで変化し、さらに各指を深く折り曲げる程、
各指に対応した音高の音が大きく発音される。この適用
例においては、どの指を折り曲げるかによって音高が指
定され、各指の曲げ角度に応じて音量が変化するように
構成したが、リバーブなどの効果や、他の楽音パラメー
タを制御するようにしてもよい。さらに、抵抗体２５の
抵抗値の単位時間当りの変化率を求めて、各指を曲げる
速度に応じて、種々の楽音パラメータを制御するように
しても構わない。

【００１９】なお、必要な剛性、引張り強さは主に上部
材２６および下部材２７でコントロールできる。つま
り、下部材２６と上部材２７０厚さ、あるいはこれらの
材質を変える、さらには厚さ材質の双方を変えるという
方法により、中立面Ｅ−Ｅと金属抵抗体２５との間の距
離を適切に設定することができる。このようを方法で、
上記実施形態の場合以上に必要な剛性、引張り強さを確
保しつつ歪量を小さくすることもできる。

【００２０】次に、図６は本発明の第２実施形態を示す
図である。本実施形態は適度な剛性を有する一様な物質
からなるベース部材３１の内部に、その長手方向に沿っ
て金属抵抗体３２を埋設したものである。しだがって、
この例ではベース部材３１が板状部材も兼ねている。こ
の場合も金属抵抗体３２は中立面Ｅ−Ｅ（ベース部材３
１の高さ方向の中間を通り上面と平行な面にほぼ相当）
に近く、第１実施形態同様の効果を得ることができる。

【００２１】次に、図７は本発明の第３実施形態を示す
図である。この曲げセンサはベース部材５１と、ベース
部材５１を挟んで２組の歪センサ５３、５９を設けた構
造の曲げセンサで、その中立面はＧ−Ｇで表され、さら
に厚さＬ３１は１２μｍである。ベース部材５１の図中
上下には該ベース部材５１と歪センサ５３、５９を接着
するための接着層５４、５８が配置されている。そし
て、曲げセンサとしての剛性を得るために補強材５５、
５９と補強材を接着するための接着層５２、５６が配置
されている。接着層５４、歪センサ５３および補強材５
５の各厚さＬ３２、Ｌ３３、Ｌ３５はそれぞれ５μｍ、
２μｍ、５０μｍである。なお、補強材５５の下面と歪
センサ５３の上面との間の厚さＬ３４は、５μｍであ
る。中立面の下部の各部位の厚さは、中立面の上部の各
部位の厚さに等しいので、曲げセンサの全体の厚さは、
１３６５μｍとなる。

【００２２】以上の構成において、本実施形態では中立
面Ｇ−Ｇと曲げセンサの重要部分である金属抵抗体との
間の距離が１２μｍであり、Ｒ＝５程度の曲げを加えた
ときの歪が０．２４％程度となる。しだがって、寿命を
長く確保できるレベルに歪が抑えられる。

【００２３】次に、図８は本発明の第４実施形態を示す
図である。本実施形態は第１実施形態と同様の２組の曲
げセンサ１１を外向きに貼り合わせたものである。図８
の説明に当り、第１実施形態と同様の部材は同一番号が
付されている。すなわち、図８において、７１、７２は
それぞれ上下の２枚の曲げセンサ４５、４６の一部とし
て用いられるベース部材であり、その厚さＬ４１は１２
μｍである。７３は接着層で、その厚さＬ４２は５μｍ
である。この接着層７３によって上下の２枚の曲げセン
サ４５、４６が外向きに貼り合わされている。故に、中
立面Ｇ−Ｇは接着層７３の中心面となる。なお、補強材
５５、５９の各表面間の全体の厚さＬ４３は１５３μｍ
である。

【００２４】以上の構成において、本実施形態では中立
面Ｇ−Ｇと曲げセンサ４５、４６の重要部分である金属
抵抗体５３、５７の中心面との間の距離が２０．５μｍ
であり、Ｒ＝５程度の曲げを加えたときの歪が０．４１
％程度となる。したがって、寿命を長く確保できるレベ
ルに歪が抑えられる。

【００２５】次に、図９は本発明の第５実施形態を示す
図である。本実施形態は２組の曲げセンサ７５、７６を
内向きに貼り合わせたものである。すなわち、図９にお
いて、８１、８２はそれぞれ上下の２枚の歪センサ７
５、７６の一部として用いられるベース部材であり、そ
の厚さＬ５１は１２μｍである。８３、８４は接着層
で、その厚さＬ５２は５μｍである。接着層８３、８４
はそれぞれ上下の補強材８５、８６とベース部材８１、
８２との間を接着する機能を有している。８７は絶縁層
で、その厚さＬ５３は５μｍである。この絶縁層８７を
挟んで上下の２組の曲げセンサ７５、７６が内向きに対
抗している。故に、中立面Ｇ−Ｇは絶縁層８７の中心面
となる。さらに、上下の曲げセンサ７５、７６の絶縁が
保たれる。なお、各厚さＬ５４〜Ｌ５７はそれぞれ５μ
ｍ、２μｍ、５μｍ、５０μｍである。また、８８、８
９は金属抵抗体、９０、９１は接着層である。ベース部
材８１、金属抵抗体８８および接着層９０によって曲げ
センサ７５が構成され、ベース部材８２、金属抵抗体８
９および接着層９１によって他方の曲げセンサ７６が構
成される。

【００２６】以上の構成において、本実施形態では絶縁
層８７における中立面Ｇ−Ｇと曲げセンサ７５、７６の
重要部分である金属抵抗体８８、８９との間の距離が
８．５μｍであり、Ｒ＝５程度の曲げを加えたときの歪
が０．１７％程度となって一層低減する。しだがって、
寿命を長く確保できるレベルに歪が抑えられる。なお、
上下の金属抵抗体８８、８９間の寸法が保たれて、絶縁
が確保されると、中央の絶縁層８７は不要となる。ま
た、上記第３〜５実施形態においては、補強材の厚さ、
あるいはこれらの材質を変える、さらには厚さ材質の双
方を変えるという方法により、中立軸と金属抵抗体との
間の寸法を変えることなく、必要な剛性を得ることがで
きる。さらに、場合によっては補強材を入れなくてもよ
いことがある。

【００２７】また、上記第１、第３〜５実施形態におい
て、ベース部材と金属抵抗体と接着層を介在せずに直接
に接合してもよい。なお、寿命を長く確保できるレベル
に歪が抑えられれば、金属抵抗体の一部が外部に露出し
てもよく、その場合には、センサの交換が容易となる。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、補強材の厚さ、材質を変えることによって、容易に
中立面と金属抵抗体との間の距離を適切に設定すること
ができ、設計の自由度を高くすることができる。また、
金属抵抗体の疲労を著しく低減することができ、破壊に
強く、小さな曲率で使用することが可能となる。その結
果、寿命を長く確保できるレベルに歪が抑えられ、充分
な耐久性を確保することができる。さらに、ベース部材
の厚さ、材質を変えることによって、容易に中立面と金
属抵抗体との間の距離を適切に設定できる。また、抵抗
体として金属抵抗体を用いたので、出力のリニアリティ
がよい、という格別な効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態の全体構成を示す図で
ある。

【図２】 同実施形態の歪センサの断面図である。

【図３】 同実施形態による歪センサの構成を示す斜視
図である。

【図４】 同実施形態による歪センサを用いた電子楽器
の構成を示すブロック図である。

【図５】 同電子楽器の動作を説明するためのフローチ
ャートである。

【図６】 本発明の第２実施形態の歪センサの断面図で
ある。

【図７】 本発明の第３実施形態の歪センサの断面図で
ある。

【図８】 本発明の第４実施形態の歪センサの断面図で
ある。

【図９】 本発明の第５実施形態の歪センサの断面図で
ある。

【図１０】 一般的な歪センサの曲げ状態を説明する図
である。

【図１１】 一般的な歪センサの耐久性の効果を説明す
る図である。

【図１２】 従来の歪センサの断面図である。

【符号の説明】

１１：曲げセンサ、 １５、２８、４５、４６、７５、７６：歪センサ、 ２１、３１、５１、７１、７２、８１、８２：ベース部
材、 ２３、５２、５６：接着層（板状部材）、 ２５、３２、５３、５７、８８、８９：金属抵抗体、 ５５、５９、８５、８６：補強材、 ８７：絶縁層

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 身体に装着されて関節の曲げを検出する
   曲げセンサにおいて、 絶縁体で形成されたベース部材と、 端部をそれぞれ端子に接続され、変形による抵抗の変化
   を歪として該端子から出力する金属抵抗体と、 剛性，引っ張り強度を調整する補強材とを積層し、 前記金属抵抗体を、前記ベース部材の中立面の近傍に配
   したことを特徴とする曲げセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の曲げセンサにおいて、 前記金属抵抗体を、前記ベース部材の中立面の近傍に配
   する接着層を具備することを特徴とする曲げセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 前記中立面は、変形時でも歪量が０となる面であること
   を特徴とする曲げセンサ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 前記近傍とは、２０ミクロン以内の位置であることを特
   徴とする曲げセンサ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 前記補強材は、前記積層の最上層および最下層に設けら
   れていることを特徴とする曲げセンサ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 複数個の前記金属抵抗体を有し、 前記ベース部材の中立面を挟んで両側に少なくとも１個
   の該金属抵抗体を配したことを特徴とする曲げセンサ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 前記金属抵抗体および前記補強材は、前記ベース部材の
   片側かつ同じ側に設けられており、 この曲げセンサ２枚を、前記金属抵抗体を互いに外向き
   にして、貼り合わせたことを特徴とする曲げセンサ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の曲げセンサにおいて、 前記金属抵抗体および前記補強材は、前記ベース部材の
   片側かつ違う側に設けられており、 この曲げセンサ２枚を、前記金属抵抗体を互いに内向き
   にして、かつ、間に絶縁層を挟んで、貼り合わせたこと
   を特徴とする曲げセンサ。