JP3267394B2 - 圧力分布センサおよび実装機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，大形の物体または動物
体の出現検出，およびその属性認識に適した大面積・高
精度・高速で信頼性の高い圧力分布センサとこの実装機
構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人物や車などの動く物体や大形の物体の
属性がセンサで検出できれば様々な利用が考えられる。
ここで，人物の属性検出とは，性別，身長，体重，年令
層などの検出を指す。車の属性検出とは，車種，積載
物，タイヤの形状などの検出を指す。

【０００３】大形の物体や動物体の属性検出に有効と思
われるセンサとして，圧力センサがある。従来，各種の
圧力センサが実用化されているが，大形の物体や動物体
の検出に限ると，図８に示すように，電極をマトリック
ス構造にし，交叉点に感圧抵抗体を設けた圧力分布セン
サが有望である。

【０００４】以下，従来の圧力分布センサについて概説
する。図９（ａ）では，行と列との各々の電極１の下に
プラスチック抵抗体２を設け，２つの抵抗体２が交叉す
る構造にしてある。ここで，プラスチック抵抗体には感
圧導電性インクなども含む。交叉点に圧力が加わると抵
抗体２同士の接触抵抗が変化する。また，図９（ｂ）で
は，交叉する電極１の間に圧力が加わると厚さ方向の抵
抗値が変化する感圧可変抵抗（ゴムシート）３がサンド
イッチ構造で挿入してある。図９（ａ）（ｂ）いずれ
も，交叉点に圧力が加わると抵抗値が変化する。従っ
て，交叉点を順次選択して電流を流し，この回路に直列
に接続した出力抵抗の電圧降下を測定すれば，圧力の変
化が電圧変化として得られる。

【０００５】図８には，駆動方法を合わせて示してあ
る。行電極選択スイッチ４側に正の電源を用意し，スイ
ッチによって選択した行電極に電圧を引加する。このと
き，選択しない電極は接地する。一方，列電極選択スイ
ッチ５側には負の電源を用意し，オペアンプＯＰ１を介
して列電極選択スイッチ５と接続する。

【０００６】ある種のオペアンプには，入力電圧を０ｖ
とするようにＲｆに電流を流す性質があるため，図にお
いては，選択されている例えば２−２交叉点にのみ電流
が流れる。つまり，２−２交叉点は，周囲の交叉点から
の電流回り込みを受けない。このときの出力電圧は， Ｖout ＝−（Ｒｆ／Ｒｓ）Ｖtest であり，Ｒｆの変化によって出力電圧は変化する。Ｖte
stの電圧は，オペアンプＯＰ２，ＯＰ３によって適当に
増幅させることができる。これにより，基準電圧Ｖref
を作り，上記Ｖout との比較値をＡ／Ｄ変換する。図で
は，６ビット出力としている。つまり，交叉点に加わる
圧力は６ビットのディジタル信号として得られる。ここ
で，列と行のスイッチを順次切り換えると２次元の圧力
分布が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上が圧力分布センサ
の概略であるが，従来のものは，センサの面積が小さ
く，マトリックスサイズが小さい問題がある。因みに，
寸法は５０cm×５０cm，分解能は１cm×１cm（マトリッ
クスサイズでは，５０×５０）が最大クラスである。

【０００８】ところで，本発明のように，動物体の属性
を検出しようとする場合，所定の動きを検出するのに必
要な面積，分解能，および，高速性が必要とされる。例
えば，人の動きであれば，少なくとも一辺が歩幅以上の
センサが必要である。また，足跡から属性を検出しよう
とする場合，１cm以下の分解能が必要である。さらに，
足が着地してから離れるまでに，圧力分布の変化が分か
る程度の速度が必要である。

【０００９】具体的には，寸法は１００cm×１００cm以
上，分解能は 0.5cm× 0.5cm程度（マトリックスサイズ
２００×２００以上），検出速度は３０〜６０Ｈｚ／ｓ
が必要であろう。また，後述のように，応用によっては
室内全体にセンサを設置することがある。この場合，マ
トリックス規模は膨大になる。

【００１０】従って，本発明のように，動物体の属性を
認識する目的で従来の圧力分布センサを捉えた場合，以
下の点が課題となる。 （１）請求項１に対応 (a) 図８に示したような回路では，交叉点選択スイッ
チ，オペアンプが構成要素になるが，一般にスイッチや
オペアンプには応答特性に制限があるため，マトリック
ス規模が大きくなり，交叉点の数が多くなると，検出面
１枚あたりの駆動時間は大幅に増加する。従って，動物
体の動きが速くなると追随できなくなる欠点がある。

【００１１】(b) 仮に，高速な交叉点駆動回路が実現し
た場合でも，１交叉点当たりの走査時間が短くなるた
め，交叉点周辺の浮遊容量などによって，動作は不安定
であり，雑音に弱い。

【００１２】(c) 面積が大きくなると，電極も長くなる
が，図８に示す方式では，一箇所が切断すると影響が全
体に波及し，認識特性が低下するなどの問題がある。 (d) 圧力分布センサは，その目的によって検出面形状や
マトリックス規模を変更する場合がある。即ち，マトリ
ックスの構成，規模に関して自由度や拡張性が要求され
る。しかし，従来これに対応する構成法は提案されてい
ない。 （２）請求項２に対応 (e) 本発明では，後述のように，圧力分布センサを絨毯
のように使用することを想定している。絨毯であれば，
人物等の動物体が通過する場合もあるが，家具などの重
量物が固定的に置かれる場合もある。センサの上に重量
物が固定的に置かれると，その置かれた交叉点部分は抵
抗値が常に低下している。この状態で全交叉点を一様に
走査すると，重量物が置かれた部分では走査の度に多く
の電流が流れるため発熱が生ずる。発熱は，危険である
ばかりでなく，抵抗特性に大きく影響する。これによ
り，抵抗値の変化が圧力によるものか，熱によるものか
の判定が困難になる場合が生じ，検出精度が低下する。
熱は重量物が置かれていない周辺の交叉点にも広がるた
め，本来検出したい部分の精度も低下する。 （３）請求項３に対応 (f) 図８において，従来，センサ部と駆動回路部とは別
々な構成になっている。この場合，センサ部とスイッチ
回路部との間は，リード線が行および列の数だけ必要で
あり，マトリックス規模が大きくなると，ｉ）センサ部
からリード線を取り出す方法，ii）取り出したリード線
と駆動回路の接続方法，などが問題になる。

【００１３】(g) アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換
の後，この信号は，画像処理装置によって処理される
が，従来，駆動回路から画像処理までの信号伝送には，
同軸ケーブルが使用されている。圧力センサの数が少な
く，画像処理装置との距離が近い場合には，問題は少な
いが，本発明のように，動物体の動きを追跡するため，
数多くのセンサを広い範囲に設置するような場合には，
同軸ケーブルでは配線上の問題が大きい。 （４）請求項４に対応 (h) 圧力分布の特徴抽出処理に関して，マトリックス規
模が小さい場合には，全交叉点の圧力情報を処理しても
計算コストは小さいが，規模が大きくなると，計算コス
トは膨大になる。しかも，動物体の認識では，広い検出
面積が必要な反面，実際に圧力が加わっている面積は小
さい（例えば，本発明の一応用例である絨毯の中に圧力
分布センサを埋め込んだ，絨毯・センサ一体型の場合，
絨毯の面積に対して，足圧が掛かる部分は僅かであ
る）。従って，全交叉点の圧力情報を一様に処理するの
は無駄が大きい。 （５）請求項５に対応 (i) 圧力検出面積が大きくなり，かつ駆動回路を集積し
て小形化しようとすると，感圧物質（回路）と駆動回路
を結ぶためのリード線は感圧回路上を横切ることが多く
なる。リード線には厚みがあるためリード線が感圧回路
上を横切るとその部分は局部的に厚くなる。シート状の
検出面に圧力が加わると，リード線部分に対応する検出
部に不均一な力が加わり，圧力が変化することが起きや
すい。即ち，各交叉点に同じ圧力が加わった場合でも，
その交叉点の下にリード線が通っている交叉点では圧力
が大きく計測される誤りが発生しやすい。 （６）請求項６に対応 (j) マトリックスサイズが大きくなると駆動回路も大規
模になり，その実装方法が大きな課題になる。

【００１４】本発明は，主として大形の物体または動物
体の認識に適した圧力分布センサを実現することを目的
としており，具体的には，検出面積が広く，検出面積の
形状変更に対して自由度が大きく，高精度で，高速，か
つ，信頼性の高い圧力分布センサを得ることを目的とし
ている。さらに，圧力検出装置としての利便性および特
性の安定性を考慮した実装機構を得ることを目的として
いる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】構成（１）は，物体が所
定の面に接するとき，該面に加わる圧力分布（２次元圧
力情報）を検出するセンサにおいて， ア）センサはマトリックス構造を有し，該交叉点に加わ
る圧力が電気信号として取り出せる回路で構成され， イ）該マトリックスは，電気的に複数に分割され，分割
された各々のマトリックスは異なる回路で駆動され， ウ）該駆動回路の出力は，被検出２次元空間に対応する
圧力分布メモリの所定の領域に並列的に記憶されること
を特徴とする。

【００１６】また，構成（２）は， エ）前記ア）のマトリックスの中で駆動される交叉点
は，駆動交叉点指定メモリによって選択され， オ）該メモリ情報は，圧力分布センサ情報から認識され
る接触物体の位置情報をもとに更新されることを特徴と
する。

【００１７】また，構成（３）は， カ）前記ア）のマトリックスの駆動回路は該マトリック
ス内またはその近傍に実装され， キ）該駆動回路の出力は，Ａ／Ｄ変換された後，電気／
光変換され， ク）該光信号は光ファイバにて，被検出２次元空間に対
応する圧力分布メモリに伝送されることを特徴とする。

【００１８】また，構成（４）は， ケ）前記ウ）の圧力分布メモリの情報は，単位検出面積
が小から大になるように，即ち，検出点密度が密から粗
になるように階層構造でデータ化され， コ）該階層構造のデータは，通常，粗の階層でサーチさ
れ，何れかの座標が動物体の圧力を検出した時点で，該
検出座標点に対応する密の階層がサーチされ，該物体に
よる圧力分布が出力されることを特徴とする。

【００１９】また，構成（５）は，圧力分布（２次元圧
力情報）を検出するセンサを実装する機構において， サ）該センサは，面状に配置された感圧物質と，該感圧
物質からの圧力信号を取り出すリード線と，該感圧物質
と該リード線とを両側から挟み込むように設けられた絶
縁性フィルムとで構成され，シート状を成し， シ）該センサは弾力性のある薄板上にその片面が接着さ
れることを特徴とする。

【００２０】ここで，該薄板の弾性は，前記他面に所定
の圧力が加わった際，リード線と該薄板との間に加わる
圧力が他の検出点に対して特異的にならないように決め
られる。

【００２１】また，構成（６）は， セ）前記のシート状センサは薄板の上に接着され，セン
サの駆動回路は集積回路（ＩＣ）化され，センサの周辺
の薄板にはＩＣが収まる穴が設けられ，該ＩＣはこの穴
に実装されることを特徴とする。

【００２２】

【作用】構成（１）においては，従来の圧力分布センサ
が大きなマトリックスを一つの駆動回路で動作させるの
に対して，本発明では，実時間で駆動可能な程度のマト
リックス（センサユニット）を数多く並べて大きなマト
リックスを構成し，各センサユニットを同期させて駆動
する。また，各センサユニットの出力データを，マトリ
ックスが配置された被検出２次元空間に対応した実時間
サーチ式の大型フレームバッファに並列記憶させる。以
上により，大きなマトリックスを配置したのと同じ効果
が得られる。つまり，大面積，高精度，高速化に有効で
ある。

【００２３】また，小さなマトリックスを用いるため，
その組合わせにより検出面の形状は自在に設定できる。
また，一箇所が故障してもその影響が他に広がらないた
め，信頼性が高い。

【００２４】構成（２）については，各センサユニット
において，全ての交叉点を一様に走査するのではなく，
センサが静止重物体を認識した時点で，その認識範囲の
交叉点を走査から外す。これにより，不必要な駆動電流
は流れず，発熱の原因にはならない。従って，危険防
止，信頼性の向上（検出精度の低下防止）に有効であ
る。

【００２５】ところで，構成（１）の場合には，マトリ
ックスを駆動するためのリード線が増えるため，実装性
は悪く，そのままでは大面積化には限界がある。構成
（３）はこれを解決するためのものである。

【００２６】構成（３）では，各マトリックスの近傍に
駆動回路をＩＣ化して実装し，その出力を電気／光変換
し，この信号を光ファイバによりフレームバッファに送
信する。これにより，センサと駆動回路間の構成は大幅
に簡略化される。従って，多くのセンサユニットを連結
することが可能になり，大面積化が容易になる。また，
信号を光ファイバで外に引き出すため，ノイズの影響を
受けず信頼性が高い。また，光ファイバは細いので，シ
ート状の圧力センサの下に溝を作り埋め込むことや，セ
ンサの周辺に細い保護パイプを設け，この中を通すこと
も可能である。以上により，駆動回路や信号伝送路が外
から目立たない圧力分布センサが実現できる。従って，
大面積化しても取り扱いは容易である。

【００２７】また，光を用いると高速な信号伝送が可能
なため，ループ方式の伝送路を用いると，光ファイバの
数を減らすことができ，上記の作用は助長される。以上
により，圧力分布メモリ上に仮想的な大型・高精度・高
速な感圧マトリックスができるが，このマトリックスの
中で実際に圧力が加わっている交叉点は少ない。つま
り，圧力分布メモリ上の圧力分布情報は冗長である。構
成（４）はこれを解決するためのものである。

【００２８】構成（４）では，圧力分布メモリ（例えば
フレームバッファ）上の画像情報は，モザイク処理など
により，解像度に関して階層化されている。これによ
り，通常サーチしなければならない座標点数は大幅に圧
縮できる。圧縮したマトリックスをサーチし，動物体が
検出された時点で，その座標近傍の階層を元に戻せば，
圧力が加わった部分だけを切り出すことができる。これ
により，少ない計算コストで圧力特徴画像を抽出でき
る。従って，大面積・高精度になっても高速性は保持さ
れる。

【００２９】以上はセンサシートの構成および駆動回路
の構成に関する作用であるが，大面積化に伴うリード線
の処理に関して，構成（５）には以下の作用がある。シ
ート上でセンサ部を横断するリード線の部分は凸状態と
なるが，下じきとして弾力性のある薄板を用い，これに
接着することにより凸状態の部分には特別な力が加わら
ないようにすることができる。従って，リード線がセン
サ部を横切る構造にしても問題はない。また，薄板にセ
ンサシートを接着する構造にすると，多くのセンサシー
トをずれることなくつなぎ合せることができ，大面積セ
ンサの実現に有効である。

【００３０】さらに，構成（６）では薄板を用いること
によって，センサ部の周辺に穴を堀り，この穴に駆動回
路ＩＣを実装するため，センサとしての取扱いに優れ，
センサ面の上全体を検出部として使用できる（回路が周
辺にとび出ているとセンサ面として実質的に使用できる
範囲が制限される）。

【００３１】

【実施例】図１は本発明の実施例である。図１におい
て，７はマトリックス構造のセンサユニットであり，こ
こでは８個のセンサユニット（〜）を示している。
８はセンサユニット群を一体化し且つ力学的に補強する
基底部材（以下ＢＳという），９はＢＳの中に埋め込ま
れＢＳの強度を補強し且つセンサ回路をシールドする金
網（以下ＭＳＨ１という），１０はセンサの駆動および
信号伝送のためのハイブリッドＩＣ（ＤＶ：駆動回路Ｉ
Ｃ），１１はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ
／Ｄ変換部（ＡＤ），１２はデジタル信号をコード化す
る処理部（ＣＤ），１３は電気信号を光信号に変換する
装置（ＥＬ），１４は光ファイバ（ＦＩ），１５は光信
号を電気信号に変換する装置（ＬＥ），１６はハイブリ
ッドＩＣおよび光ファイバを保護する回路保護筒（Ｃ
Ａ），１７はセンサユニットの圧力情報を統合する圧力
分布メモリ（ＦＢ）であって，例えば画像用メモリとし
て知られているフレームバッファメモリ等に対応するも
の，１８はＦＢの情報を温度補正する温度補正処理部
（ＴＰ），１９はＦＢの圧力分布情報をモザイク化し
て，検出点密度が密から粗になるように階層化する階層
化処理部（ＬＰ），２０は圧力が加わった部分を抽出す
る特徴抽出処理部（ＦＰ），２１は物体を認識する認識
処理部（ＲＰ）である。ＬＰ１９，ＦＰ２０，ＲＰ２１
を集約して画像信号処理部２２と呼ぶ。また，２３はセ
ンサユニット群の上に被せる保護兼緩衝部材（ＰＡ
Ｄ），２４はＰＡＤの中に埋め込まれＰＡＤの強度を補
強し且つセンサ回路をシールドする金網（ＭＳＨ２）で
ある。ここで，ＭＳＨ１とＭＳＨ２とは接続し，設置す
ることが可能である。

【００３２】本装置の各部機能について述べる。〜
の各々は図２に示すマトリックスセンサであり，図８の
ものと類似しているが，次の点が異なる。 ｉ）行電極選択スイッチ４，列電極選択スイッチ５，オ
ペアンプＯＰ１〜ＯＰ３およびＡ／Ｄ変換部１１からな
る交叉点駆動回路の一部または全てがＩＣ化されてい
る。

【００３３】ii) 駆動する交叉点を指定するための駆動
交叉点指定メモリ（ＤＭＥ）２５を備えている。 iii)ＡＤ１１によりＡ／Ｄ変換された電気信号は，ＣＤ
１２によりコード化され，ＥＬ１３により電気／光変換
される。

【００３４】iv) 駆動回路ＩＣ（ＤＶ）１０，駆動交叉
点指定メモリ（ＤＭＥ）２５はハイブリッドモジュール
化（ＩＣ化）され，センサ近傍に実装されている。 ｖ）信号は光ファイバで伝送される。

【００３５】ここで，駆動交叉点指定メモリ（ＤＭＥ）
２５は，マトリックス上に重量物等が置かれている際，
この領域を避け，検出が有効な部分に限って交叉点を走
査するためのものである。本発明では，後述するよう
に，圧力センサと空間的な位置関係とを対応付ける圧力
分布メモリ（フレームバッファＦＢ）１７，および検出
した圧力が定常的なのか，あるいは動的に変化するのか
を認識する部分を備えている。従って，重量物が置かれ
たような場合には，その領域を検出することができる。
検出した結果は，ＤＭＥ２５に送信し，メモリ情報を更
新する。これにより，交叉点は必要な部分だけが走査さ
れるため，従来例の問題点で指摘した，交叉点の発熱，
信頼性の低下は防止できる。

【００３６】なお，被検出空間において，重量物は検出
途中で除去されることもある。従って，ＤＭＥ２５で指
定し駆動しないとした交叉点についても，所定の時間ご
とに再度駆動し，重量物の状態変化を監視することも可
能である。重量物が除去されたと認識された場合には，
その領域も走査対象とする。

【００３７】ＤＭＥ２５の更新は，図１において，認識
処理部ＲＰ２１の結果に基づいて行われるが，図１には
このための通信手段は示していない。ＤＭＥ２５を更新
するための方法として，具体的には，光ファイバネット
ワーク等を用い，ｉ）各ハイブリッドＩＣに，走査する
交叉点座標の全てをフレーム毎に指示する方法，ii)Ｄ
ＭＥ２５の中に，予め駆動したい交叉点パターンを複数
個を記憶しておき，コードによってパターンを指示する
方法，等が考えられる。特に，後者のii) の方法を用い
ると，通信する情報量が少ないため，交叉点走査パター
ンを高速に変更できる利点がある。

【００３８】図１において，８個のマトリックスのセン
サユニット７は，ＢＳ８の上に接着などにより取り付け
られ，大面積のセンサ部を構成している。ＢＳ８は厚さ
２〜５mm程度の合成ゴム，合成樹脂などで製造するのが
望ましい。この程度の厚さがあれば，ＤＶ１０および光
ファイバをＢＳ８の中に溝を作り埋め込むことができ
る。また，図１のように，ＤＶ１０および光ファイバ
は，ＢＳ８の周囲に２〜５mmΦ程度の保護筒を設けて，
この中に実装してもよい。光ファイバはＢＳ８の中で束
ねられ，外部に取り出される。

【００３９】光ファイバの信号は，ＬＥ１５によって光
／電気変換され，圧力分布メモリ（ＦＢ）１７に並列に
記憶される。つまり，各センサユニット７のスキャンレ
イト（毎秒検出する回数）とＦＢ１７の蓄積レイトとは
同じである。このレイトは，動物体の検出を想定してい
るため，動物体の移動速度より十分速いレイト，すなわ
ち１０〜１００回／秒の範囲が望ましい。

【００４０】図１では，〜のセンサユニット７の実
空間上の配列とＦＢ１７上のメモリ領域の配列とは一致
しているものとする。１個のセンサユニット７のマトリ
ックスは１２８×１２８交叉点であり，圧力分布メモリ
ＦＢ１７は，５１２×５１２画素メモリ２個が１組（ダ
ブルバッファ構造のメモリ）となっている。１画素中の
諧調は６ビットで圧力の大きさに対応する。

【００４１】ダブルバッファメモリの機能は以下の通り
である。２つのバッファ＃１，＃２（ダブルバッファ構
造）の前後には切替えスイッチがあり，それぞれのバッ
ファにフレーム時間単位で交互に接続している。即ち，
光／電気変換された信号は入力切替え装置により，バッ
ファ＃１に接続され書き込みが行われ，このときバッフ
ァ＃２には，１フレーム前の画像が蓄積されており，出
力切替えスイッチは，バッファ＃２に接続されて情報が
読み出されている。１フレーム時間が経過すると接続状
態は逆転する。このようにすることで，圧力分布画像の
入力と出力が同時に進行可能である。

【００４２】図１において，温度補正処理部ＴＰ１８
は，ＦＢ１７の圧力情報を温度補正する処理部である。
圧力分布センサは，面積が大きくなるに従って，床の温
度分布が一様でない場所に設置されることが多くなる。
例えば，センサ面の一部が日向で他が日陰のような場合
である。日向と日陰とでは温度差が大きい。抵抗値は温
度に敏感なので，同じ圧力が加わっても，センサの出力
電圧はその交叉点の温度により変化する。そこで，補正
方法としては，センサのどの部分にも圧力を加えない状
態で，各交叉点の出力電圧を求める。その電圧に違いが
あれば，温度等の外乱要因と考え，それをオフセット値
とする。圧力が加わったときの電圧との差分を求めるこ
とで補正を行う。

【００４３】次に，階層化処理部ＬＰ１９で行う処理の
実施例について述べる。図３は請求項４に対応する画像
統合処理部および階層化処理部１９の構成を示す図であ
る。センサユニット７の検出結果は，５１２×５１２×
２のフレームバッファメモリＡ２６に並列入力される。
ここで，メモリＡ２６は実空間の配置とは異なる構成を
想定している。バリアブルスキャン画像入力モジュール
ＶＡＬ２７は，メモリＡ２６の画像を高速で（メモリＡ
２６と同じレイトで）並べ変える機能を有する。従っ
て，ＶＡＬ２７に実空間におけるセンサユニット７の配
置情報を記憶させておくことで，〜の圧力情報は実
空間の圧力情報に変換される。この情報は温度補正され
た後，バッファメモリＢ２８の所定領域（５１２×５１
２）に記憶される。

【００４４】ここで，各センサユニット７の画像は直接
バッファメモリＢ２８の中に入れることも当然可能であ
るが，それを行わないのは，センサの拡張性等を考慮し
ているためである。つまり，直接バッファメモリＢ２８
に入れる構成とすると，センサの配置を変更する，また
は，センサユニット７を追加するなどの場合には，光フ
ァイバの接続を全て変更するなどの作業が必要になる。
バッファメモリＡ２６およびＶＡＬ２７を設けること
で，既存の光ファイバの配線はそのままにし，拡張や変
更に容易に対処することができる。

【００４５】バッファメモリＢ２８の画像は，２×２の
コンボリューション処理部２９を経て，２５６×２５６
のメモリに記憶される。ここでの処理は画素間の平均な
どである。２５６×２５６の画像は，再び２×２のコン
ボリューション処理部２９を経て１２８×１２８に圧縮
される。このようにして，ホスト３０が介在して，モザ
イク処理が進行する。これらはパイプライン処理で行わ
れるため，数msec〜数１０msecの遅延を伴うのみで，ほ
ぼ実時間で行われる。

【００４６】図４は，圧力分布センサ絨毯の上を靴で歩
いたときに，図３に示した処理を行った例である。図４
の（１）はバッファメモリＢ２８上で５１２×５１２の
画像，（２）は２５６×２５６の画像，（３）は６４×
６４の画像である。この図の（１）から（３）と処理が
進むに従って，靴の圧力パターンは，微細な部分がなく
なり，一つの固まりとなる。（３）の画像を２値化処理
することにより，靴を含む周辺の領域が抽出できる。こ
こで，この領域に対応する階層の低い画像（５１２×５
１２）を参照することにより，（４）のように靴が接触
した領域の圧力分布が抽出できる。

【００４７】図４に示す（４）の画像は，前述のように
毎秒１０〜１００枚づつ得られる。この画像は，図１の
認識処理部ＲＰ２１によって認識処理される。対象が人
物である場合，得られる情報は以下の通りである。

【００４８】 靴であること 靴の大きさ，形状から，性別，年令層 歩幅から，歩行速度，身長や年令層 圧力の絶対値から歩行者の体重 接触箇所の時間的変化から歩く特徴，更には，人物
の同定 また，図４の例とは異なるが，対象が車の場合，得られ
る情報は以下の通りである。

【００４９】 車輪の形状，幅などから車種の同定 圧力分布の時間的変化から車の速度 図１において，マトリックスセンサ部を覆うように設け
られたＰＡＤ２３は，表面に突起を持つ合成ゴム，合成
樹脂などで製造される。突起のある合成ゴム，合成樹脂
は，弾力性があるため，交叉点部分に確実に力を伝達す
る。従って，動物体の接触面の形状を精度良く検出でき
る。

【００５０】この理由について，ＰＡＤ２３がなく交叉
点がむき出しの状態のマトリックス上を靴で歩く場合と
比較して述べる。靴の底には，砂等が付着していること
が多い。このような靴で直接センサ面上を歩くと，異物
付着箇所では局部的な集中荷重が発生し，逆にその周辺
の圧力は小さなものになる。従って，靴の圧力分布は，
本来検出したい靴の形状を反映しにくくなる。これが，
認識精度を悪くする原因になる。一方，ＰＡＤ２３があ
る場合には，この弾力性によって，異物等による局部的
な圧力の発生を緩和することになる。つまり，ＰＡＤ２
３を挿入した圧力分布画像は，これがない場合の圧力分
布画像に，あたかもローパスフィルタを掛けた状態に類
似する。従って，靴や足の形状の特徴が発生しやすくな
る。

【００５１】突起の間隔は，交叉点間隔以下が望まし
い。また，突起形状は図１に示すように直方体の他，一
般化円錐体にしてもよい。また，ＰＡＤ２３の内部に入
れるシールドメッシュＭＳＨ２は，金属の他，柔軟性に
優れた導電性カーボンファイバでもよい。

【００５２】図５は，請求項３に該当する他の実施例
で，信号伝送に高速な光通信を用いた例を説明するため
の図である。各センサユニット７には，駆動回路３１，
マトリックスをスキャンした際の圧力情報を１ないし数
フレーム記憶する小バッファメモリ３２，高速電気／光
変換装置３３などが接続されている。また，各高速電気
／光変換装置３３は光ファイバ１４により接続されてい
る。光ファイバ１４の端部には高速光／電気変換装置３
４が接続され，更に，この出力は画像統合処理部３５に
接続されている。光リンクによる通信形態はパケット通
信が望ましい。

【００５３】各センサユニット７は，駆動回路３１内の
駆動交叉点指定メモリの情報に従って自律的にマトリッ
クスを走査し，その結果を小バッファメモリ３２に書き
込む。ここで，各マトリックスはほぼ同期して駆動され
る。この圧力分布情報はパケット化され，電気／光変換
され，光リンクに流される。つまり，各センサユニット
７の圧力分布情報は，小さなパケットとしてリンク内を
流れる。ここで，信号の伝送速度を１画面走査速度より
も十分速くすることにより，見かけ上，センサユニット
７の圧力情報は並列的に画像統合処理部３５の大型のフ
レームバッファに記憶される。

【００５４】図６は請求項６および請求項７に対応する
発明の実施例を示す図で，上記シート状のセンサを実装
するための機構例を示している。図６（ｂ）は，図６
（ａ）に示す一点破線Ｓ部の断面図である。

【００５５】弾性薄板ＢＳＲ（以下ＢＳＲと略す）４０
は，弾力性のある薄い板でシリコンゴム，合成ゴムなど
により構成されるものである。ＢＳＲ４０の上には，２
つのマトリックスすなわちシート状のセンサユニット５
０α，５０βが接着されている。センサユニット５０
α，５０β中，５１，５２は各々プラスチック抵抗など
の感圧物質であり，図９（ａ）（ｂ）で述べた感圧回路
が形成されている。５３はリード線で図９（ａ）（ｂ）
の電極の先，つまり引き出し線に相当する線である。こ
の線は感圧回路から駆動回路まで延びている。

【００５６】感圧回路およびリード線５３は，図６
（ｂ）に示すように，絶縁性フィルム５４により覆われ
シート状センサユニット５０を成している。ＢＳＲ４０
とは接着剤６０または粘着性糊によって固定されてい
る。糊を用いた場合，シート状センサユニット５０が故
障したときに，はがして取り替えることができる利点が
ある。いずれの場合にも，シート状センサユニット５０
とＢＳＲ４０がずれないように接していることが重要で
ある。

【００５７】シートの上から圧力が加わる場合を考え
る。ＢＳＲ４０に弾力性があると，リード線部分が凸状
態となっていてもその部分がへこむため，リード線５３
の上の感圧部分Ｋ１とそうでない感圧部分Ｋ２またはＫ
３とでは，感圧物質５１と感圧物質５２の間に圧力の差
は少ない。ここで，仮にＢＳＲ４０が剛体の場合には，
感圧部分Ｋ１と感圧部分Ｋ２またはＫ３とでは，同じ圧
力が加わっても接触抵抗は異なってしまう。感圧部分Ｋ
１には局部的に圧力が加わり，感圧部分Ｋ２またはＫ３
より抵抗値が下がる。

【００５８】以上のように，図６に示すようなＢＳＲ４
０を用いると安定した特性が得られる。ここで，ＢＳＲ
４０の弾性としては，リード線５３による凸部に対して
へこみが発生し感圧部分Ｋ１に加わる力が他の感圧部分
Ｋ２等と大きく異ならない程度が望ましい。

【００５９】また，センサユニット５０をＢＳＲ４０に
接着することにより，このＢＳＲ４０の周囲に穴を設
け，ここに駆動回路ＩＣ１０を実装することができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように，大面積，高精度，
高速で，拡張性が大きく，また，信頼性の高い圧力分布
センサが実現できる。本発明は様々な応用が考えられる
が，その一例を以下に示す。

【００６１】i) イベント会場での人流計測システム 図７（ａ）は，本センサユニット〜（センサマット
と呼ぶ）を分散して並べ，人の流れを計測できるように
したシステムである。足がセンサマットに触れてから離
れるまでの時空間画像を処理することで，特定の人物を
同定し，その人が各々のマットを通過する順序から経路
を検出する。結果として図７（ｂ）のような経路が得ら
れる。また，本システムでは，マットの部分を監視する
カメラを配置し，圧力分布センサとカメラ画像処理の情
報とを統合することで，より効率的な追跡が可能であ
る。

【００６２】ii) 個人同定反応式ドア ドアの手前に本センサマットを設けることで，ドアに近
づく人を同定できる。予め登録した人が来たときにのみ
ドアを開けるなどの制御が可能である。

【００６３】iii) 各種スポーツ支援装置 本発明を用いると，フロア全体にセンサを敷き詰めるこ
とも可能である。体操，ダンスなど，バランス感覚を必
要とするスポーツにおける足の動き，体重の移動などを
広い範囲で検出することができる。この足圧画像を分析
し，指導者のものと比較することにより，効率的な訓練
が実施できる。

【００６４】iv) 通過物体認識計数システム 本センサは道路を横断するように敷くことも可能であ
る。これにより，通過する物体を識別できる。例えば，
乗用者，トラック，自転車，人（性別，年令層），動物
等を区別して計数することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例（Ｉ）を示す図である。

【図２】本発明の圧力分布センサの構成を示す図であ
る。

【図３】画像統合処理部および階層化処理部の構成を示
す図である。

【図４】モザイク処理による階層化処理例を示す図であ
る。

【図５】本発明の実施例（II）を示す図である。

【図６】本発明の実施例（III)を示す図である。

【図７】センサ統合による人物追跡の例を示す図であ
る。

【図８】従来の圧力分布センサを示す図である。

【図９】センサ構造例を示す図である。

【符号の説明】

７ センサユニット ８ 基底部材 ９ センサ回路シールド金網 １０ ハイブリッドＩＣ（駆動回路ＩＣ） １１ Ａ／Ｄ変換部 １２ コード化処理部 １３ 電気／光変換装置 １４ 光ファイバ １５ 光／電気変換装置 １６ 回路保護筒 １７ 圧力分布メモリ １８ 温度補正処理部 １９ モザイクによる階層化処理部 ２０ 特徴抽出処理部 ２１ 認識処理部 ２２ 画像信号処理部 ２３ センサユニット保護兼緩衝部材 ２４ センサ回路シールド金網 ２５ 駆動交叉点指定メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大和 淳司 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−85914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−120229（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−174375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−163245（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−154927（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−214631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−205831（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−10734（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 G01L 1/18 B25J 19/02 H01L 29/84

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体が所定の面に接したとき，該面に加
   わる２次元の圧力分布を検出するセンサにおいて， センサはそれぞれｎ×ｍ個（ｎ≧２，ｍ≧２）の交叉点
   を持つマトリックス構造を有する複数のセンサユニット
   からなり，該交叉点に加わる圧力が電気信号として取り
   出せる回路で構成され， 該センサユニットの各々は，異なる駆動回路で駆動さ
   れ， 該駆動回路の出力は，被検出２次元空間に対応する圧力
   分布メモリの所定の領域に並列的に記憶されることを特
   徴とする圧力分布センサ。
2. 【請求項２】 物体が所定の面に接したとき，該面に加
   わる２次元の圧力分布を検出するセンサにおいて， センサはマトリックス構造を有し，該交叉点に加わる圧
   力が電気信号として取り出せる回路で構成され， 該マトリックスの中で駆動される交叉点は，書き換え可
   能な駆動交叉点指定メモリによって選択され， 該メモリ情報は，圧力分布センサ情報から認識される接
   触物体の位置情報をもとに更新されることを特徴とする
   圧力分布センサ。
3. 【請求項３】 物体が所定の面に接したとき，該面に加
   わる２次元の圧力分布を検出するセンサにおいて， センサはマトリックス構造を有し，該交叉点に加わる圧
   力が電気信号として取り出せる回路で構成され， 該マトリックスの駆動回路は集積回路化されて該マトリ
   ックス内またはその近傍に実装され， 該駆動回路の出力は，Ａ／Ｄ変換された後，電気／光変
   換され， 該光信号は光ファイバにて，被検出２次元空間に対応す
   る圧力分布メモリに伝送されることを特徴とする圧力分
   布センサ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれかに
   記載された圧力分布センサにおいて， 前記圧力分布メモリの情報は，単位検出面積が小から大
   になるように，即ち，検出点密度が密から粗になるよう
   に階層構造でデータ化され， 該階層構造のデータは，粗の階層でサーチされ，何れか
   の座標が動物体の圧力を検出した時点で，該検出座標点
   に対応する密の階層がサーチされ，該物体による圧力分
   布が出力されることを特徴とする圧力分布センサ。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれかに
   記載された圧力分布センサを実装する機構であって， 該センサは，面状に配置された感圧物質と，該感圧物質
   からの圧力信号を取り出すリード線と，該感圧物質と該
   リード線とを両側から挟み込むように設けられた絶縁性
   フィルムとでシート状に構成され， かつ，該センサは，薄い基板上にその片面が接着される
   とともに，該基板は，隣り合う基板が接続可能に構成さ
   れたことを特徴とする圧力分布センサ実装機構。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項４までのいずれかに
   記載された圧力分布センサを実装する機構であって， 前記センサは薄い基板の上に接着され，該センサの駆動
   回路は集積化され，該集積化された駆動回路は，該セン
   サの周辺の基板に設けられた穴に収まるように実装され
   ることを特徴とする圧力分布センサ実装機構。