JP3931104B2 - Triaxial load measuring sensor - Google Patents
Triaxial load measuring sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP3931104B2 JP3931104B2 JP2002095699A JP2002095699A JP3931104B2 JP 3931104 B2 JP3931104 B2 JP 3931104B2 JP 2002095699 A JP2002095699 A JP 2002095699A JP 2002095699 A JP2002095699 A JP 2002095699A JP 3931104 B2 JP3931104 B2 JP 3931104B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- elastic body
- fixed
- pad base
- hall elements
- measuring sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばベッドに横たわった患者等の体に作用する荷重を作用面に垂直な圧力成分と作用面に平行なずれ力に分解して計測する三軸荷重計測センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
寝たきりの病人や介護老人等では、ベッドと長時間接触している部分を中心に褥創、いわゆる床ずれが発生することが知られている。この褥創を防ぐには、できるだけ体を動かして血行障害をなくし、同じ部分が長時間にわたって圧迫されることのないようにする必要がある。このため、一定時間毎に寝ている患者の体の向きを変えてやったり、ベッドの傾斜角度を変える等の介護策を講じていた。
【0003】
また、近時においては、褥創の発生を防止するために、ベッド並びにベッド上に敷かれるエアマットの形状や構造の研究が進み、作用する荷重をできるだけ分散し、人体にかかる圧力を可能な限り小さくする工夫がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に褥創の発生は、人体に作用する圧力と作用する時間の積に比例すると言われており、褥創を予防するには、ベッドに寝たときに実際にどれ位の圧力が作用するかを知ることが重要である。従来、このような圧力を測定するため、種々の接触圧センサが開発され、使用されてきたが、いずれも人体に作用する荷重を人体表面に垂直な向きの圧力とみなして検出するものであった。
【0005】
しかしながら、近時の研究によれば、褥創の発生には、人体表面に対して垂直の向きに作用するいわゆる接触圧の大小だけでなく、人体表面と平行な向きに作用するいわゆるずれ力も重要なファクターであるということが指摘されるようになってきた。そのため、従来の接触圧センサのように作用する荷重を人体表面に垂直な向きの圧力のみとみなして検出するだけでは十分でなく、作用する荷重を人体表面に垂直な向きの圧力と人体表面に平行な向きのずれ力とに分解して正確に計測する必要が生じてきた。
【0006】
本発明は、上記要望に基づいてなされたものであって、作用する荷重を作用面に垂直な圧力成分と作用面に平行なずれ力に分解して計測する三軸荷重計測センサ、特に、作用する荷重の受容体である弾性体の形状を工夫し、荷重に対する追従性に優れ、ずれ力と圧力を正確に計測できるようにした三軸荷重計測センサを提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような手段を採用した。
すなわち、請求項1に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個のホール素子(または永久磁石)を対向配置し、上部側に位置する永久磁石(または複数個のホール素子)の上面側を荷重の作用面とし、複数個のホール素子の出力電圧を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として円板状になる弾性体を用い、該円板状になる弾性体をゴム製カップで囲み、このゴム製カップに入った円板状の弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を載せてゴム製カップに固着すると共に、該ゴム製カップをパッドベースの天面に固着したものである。
【0008】
また、請求項2に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個のホール素子(または永久磁石)を対向配置し、上部側に位置する永久磁石(または複数個のホール素子)の上面側を荷重の作用面とし、複数個のホール素子の出力電圧を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として、円板状をした第1の弾性体の周囲をこれよりもヤング率の高い第2の弾性体でドーナツ状に囲んだ弾性体を用い、この内外二重構造になる弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着すると共に、該内外二重構造になる弾性体をパッドベースの天面に固着したものである。
【0009】
また、請求項3に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個のホール素子(または永久磁石)を対向配置し、上部側に位置する永久磁石(または複数個のホール素子)の上面側を荷重の作用面とし、複数個のホール素子の出力電圧を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として、パッドベースの天面部に形成された凹状皿部の深さと同一高さで、かつ、凹状皿部よりも幅の小さな円板状の弾性体を用い、該幅の小さな円板状の弾性体をパッドベース天面の凹状皿部内の中央部に固着するとともに、この凹状皿部の上面全体を所定のテンションをかけたゴム製シートで覆い、該テンションをかけたゴム製シートを前記円板状の弾性体の天面部と凹状皿部の周縁部に接着固定し、該接着固定したゴム製シートの上面中央部に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着したものである。
【0010】
また、請求項4に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個の小電極(またはグランド電極)を対向配置し、上部側に位置するグランド電極(または複数個の小電極)の上面を荷重の作用面とし、各小電極の静電容量を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として円板状になる弾性体を用い、該円板状になる弾性体をゴム製カップで囲み、このゴム製カップに入った円板状の弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を載せてゴム製カップに固着すると共に、該ゴム製 カップをパッドベースの天面に固着したものである。
【0011】
また、請求項5に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個の小電極(またはグランド電極)を対向配置し、上部側に位置するグランド電極(または複数個の小電極)の上面を荷重の作用面とし、各小電極の静電容量を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として、円板状をした第1の弾性体の周囲をこれよりもヤング率の高い第2の弾性体でドーナツ状に囲んだ弾性体を用い、この内外二重構造になる弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を固着すると共に、該内外二重構造になる弾性体をパッドベースの天面に固着したものである。
【0012】
また、請求項6に係る三軸荷重計測センサは、パッドベース上に固着された弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を固着すると共に、パッドベースの下側には複数個の小電極(またはグランド電極)を対向配置し、上部側に位置するグランド電極(または複数個の小電極)の上面を荷重の作用面とし、各小電極の静電容量を用いて、作用する荷重を作用面に平行な方向のずれ力と作用面に垂直な方向の圧力に分解して計測する三軸荷重計測センサであって、前記弾性体として、パッドベースの天面部に形成された凹状皿部の深さと同一高さで、かつ、凹状皿部よりも幅の小さな円板状の弾性体を用い、該幅の小さな円板状の弾性体をパッドベース天面の凹状皿部内の中央部に固着するとともに、この凹状皿部の上面全体を所定のテンションをかけたゴム製シートで覆い、該テンションをかけたゴム製シートを前記円板状の弾性体の天面部と凹状皿部の周縁部に接着固定し、該接着固定したゴム製シートの上面中央部にグランド電極(または複数個の小電極)を固着したものである。
【0013】
また、請求項7に係る三軸荷重計測センサは、前記請求項1〜6に係る三軸荷重計測センサにおいて、弾性体としてゲルを用いたことを特徴とするものである。
【0014】
上記のような構成の三軸荷重計測センサとした場合、荷重に対する弾性体の追従性が極めて優れたものとなり、作用する荷重をずれ力と圧力に正確に分解して算出することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1〜図4に本発明に係る三軸荷重計測センサの第1の実施の形態を示す。
この第1の実施の形態は、磁気検知方式によって構成した場合の例を示すもので、図1は三軸荷重計測センサの全体形状を示す図、図2はプリント配線基板の形状を示す図、図3はパッドベースの形状を示す図、図4はパッドとマグネットの形状を示す図である。
【0016】
図において、1は基台となるプリント配線基板であって、その平面形状をいわゆる前方後円墳状とされており、方形(四角形)部分の端縁には、プリント配線用の複数の電極2が形成されているとともに、円形部分には、磁気検知素子である4個のホール素子31〜34 が、X軸上、Y軸上に位置して、それぞれ原点Oから等距離の位置に2個ずつ固設されている。
【0017】
前記4個のホール素子31〜34の上側には、プリント配線基板1と略同形状になる硬質プラスチック製のパッドベース4が、ホール素子31〜34の全体を覆うように固定配置されている。そして、このパッドベース天面の凹状皿部5には、弾性変形自在なゲルから作られた円錐台形状のパッド6が嵌合固定されており、このゲル製パッド6の天面位置に、前記4個のホール素子31〜34の全体を覆う大きさからなる円板状の永久磁石7がホール素子31〜34と対向して固着配置されている。永久磁石7は板面に対して垂直の向きに磁化されており、円板状をした永久磁石7の上下面がN、Sの磁極面となるように構成されている。
【0018】
なお、前記パッドベース4の裏面側には、4個のホール素子格納室8が十文字状に形成されており、この4個のホール素子格納室8に4個のホール素子31〜34のそれぞれを収納することにより、ホール素子31〜34と永久磁石7の距離を近づけるとともに、ホール素子31〜34を外力から保護している。
【0019】
また、前記4個のホール素子格納室8の前後位置には、2つの小さな突起9が形成されており、この2つの突起9をプリント配線基板1の対応する位置に形成された位置合わせ用穴10に嵌め合わせることにより、パッドベース4とプリント配線基板1の位置合わせを行っている。
【0020】
一方、上記プリント配線基板1の電極2には、フラットケーブル11等の電線が接続されており、このフラットケーブル11を介して、プリント配線基板1へ電源を供給すると共に、各ホール素子31〜34の出力を取り出すように構成されている。
【0021】
上記ホール素子31〜34、パッドベース4、ゲル製パッド6、永久磁石7及びフラットケーブル11を一体に組み付けられたプリント配線基板1は、その全体を、例えば透明なビニルシート等からなるパッケージシート12で包まれ、プリント配線基板1の裏面部と永久磁石7の上面部を熱融着もしくは接着剤等でパッケージシート12に接着すると共に、パッケージシート12の側縁13を熱溶着等によってシールすることにより、人体皮膚等へのセンサの直接接触によるけが等を防止すると共に、防水・防湿を図っている。
【0022】
次に、図5を参照して、上記三軸荷重計測センサを用いた荷重の計測方法について説明する。なお、図5(a)はホール素子31〜34と永久磁石7の配置関係を示す図、図5(b)はずれ力のベクトル図であって、図中の各記号の意味は次の通りである。
【0023】
XP:X軸上の+側に配置したホール素子31の出力値
XN:X軸上の−側に配置したホール素子32の出力値
YP:Y軸上の+側に配置したホール素子33の出力値
YN:Y軸上の−側に配置したホール素子34の出力値
S :ずれ力
θ :ずれ力Sの方向
XS:ずれ力SのX方向成分
YS:ずれ力SのY方向成分
P :Z方向(垂直下向き)の圧力
【0024】
計測に際しては、三軸荷重計測センサを、測定対象とする部位、例えばベッドに寝た患者の腰、背中、仙骨部などに、両面接着テープ等を用いて張り付ける。三軸荷重計測センサを張り付けた患者がベッドに寝ると、ベッドの傾き、エアマットや布団の状態、そのときの姿勢などに応じて、荷重の作用面たる永久磁石7の上面に荷重が作用する。荷重が作用すると、ゲル製パッド6がその荷重の大きさと向きに応じて変形し、4個のホール素子31〜34からその時の変形状態に応じた出力XP〜YNがそれぞれ発生する。
【0025】
この出力XP〜YNは、電極2、フラットケーブル11を通じて外部へ取り出され、コンピュータ等で構成された演算処理装置に送られ、次のような演算処理を行うことによって、X,Y方向のずれ力XS,YS、ずれ力S、その方向θ、圧力Pが算出される。
【0026】
先ず、同軸上で対応する一対のホール素子31,32、33,34の出力値XP,XN、YP,YN同士の減算を行い、下記(数1)式によってその差分値ΔX,ΔYを求める。
【0027】
【数1】
【0028】
上記ΔX,ΔYを用いて、下記(数2)式からX,Y方向のずれ力SX,SYをそれぞれ算出する。
【0029】
【数2】
【0030】
そして、上記(数2)式の結果を用いて、下記(数3)式からずれ力Sとその方向θを算出する。
【0031】
【数3】
【0032】
さらに、下記(数4)式からZ方向の圧力P、すなわち永久磁石7に対して垂直な向きに作用する圧力を算出する。
【0033】
【数4】
【0034】
以上のようにして、ベッドに寝た患者に作用する荷重をX,Y方向のずれ力XS,YS、ずれ力S、その方向θ、圧力Pに分解して求めることができる。
【0035】
上記第1の実施の形態の場合、荷重の受容体であるゲル製パッド6として、円錐台形状のものを用いた。ゲル製パッド6をこのような円錐台形状に構成した場合、パッドベース4に対するゲル下面の接触面積が大きくなり、ずれ方向への負荷作用時にゲルの捲れが生じることがない。また、ゲルの下面が最初からパッドベース4に全面接触しているため、ゲル圧縮後の吸い付きが発生するようなこともなく、さらに、ずれ方向の変形量の設定が容易であると共に、荷重解放後の復帰性が極めて高い。
【0036】
なお、上記実施の形態では、パッド6としてゲルを用いたが、ゲルに限られるものではなく、例えばゴムなど、荷重に応じて変形自在な弾性体であれば使用可能である。
【0037】
また、上記実施の形態では、ゲル製のパッド6を中に挟んで、4個のホール素子31〜34を下側に、永久磁石7を上側にして対向配置した場合の例を示したが、これとは逆に、4個のホール素子31〜34を上側に、永久磁石7を下側にして対向配置してもよいものである。要は、ホール素子31〜34と永久磁石7の相対的な位置関係が荷重に応じて変化すればよい。
【0038】
さらに、ゲル製パッド6の形状も、上述した円錐台形状のものに限らず、下記図6〜図8に示すような形状のものも用いることができる。
【0039】
図6にパッド6の第2の形状例を示す。
このパッド6は、円板状になるゲル19をゴム製カップ18で囲み、このゴム製カップ18に入った円板状の弾性体19の上面に永久磁石7を載せ、永久磁石7の周面をゴム製カップ18に接着すると共に、該ゴム製カップ18をパッドベース4の天面に固着したものである。
【0040】
このような形状のパッド6を用いた場合、モノコック構造とすることができるので、パッド自体を小さくできると共に、その価格も抑えることができ、量産にも適したものとなる。また、Z軸方向の荷重に対しても、外側へ向かって膨張するゲル19がゴム製カップ18を押してその円筒部を外側へ変形させるので、Z方向の荷重に対しても変形可能である。また、ゴム製カップ18の円筒部のモノコック効果を利用して、ゲル19のずれ方向の変位量を効果的に抑えることができる。
【0041】
図7にパッド6の第3の形状例を示す。
このパッド6は、円板状をした第1のゲル191の周囲をこれよりもヤング率の高い第2のゲル192でドーナツ状に囲み、この内外二重構造になるゲル191,192の上面に永久磁石7を接着固定したものである。
【0042】
このような形状のパッド6を用いた場合、第1のゲル191の周囲をこれよりもヤング率の高い第2のゲル192でドーナツ状に囲んでいるため、内側に位置する第1のゲル191のずれ方向の変位量を外側の第2のゲル192よって効果的に抑制できる。また、Z軸方向の荷重に対しては、圧縮により横方向に膨張した第1のゲル191がその外周に配置した第2のゲル192を外側に向かって膨らませるので、第1のゲル191が持つヤング率を維持することができる。この形状のパッド6の場合も、モノコック構造とすることができるので、パッド自体を小さくできると共に、その価格も抑えることができ、量産にも適したものとなる。
【0043】
図8にパッド6の第4の形状例を示す。
このパッド6は、パッドベース4の凹状皿部5の深さを深くし、この凹状皿部5の中央位置に、該凹状皿部5よりも径が小さく、かつ、凹状皿部5の深さと同じ高さからなる円板状のゲル20を接着固定し、このゲル20の上面と凹状皿部5の全体を覆うように、ゴム製シート21を所定のテンションをかけた状態で覆い、該ゴム製シート21をゲル20の天面と凹状皿部5の周縁部に接着固定し、このゴム製シート21の上面中央部に永久磁石7を固着したものである。
【0044】
このような形状のパッド6を用いた場合、Z軸方向への圧縮時には、ゲル20の持つヤング率をそのまま生かした弾性を発現させることができると共に、ずれ方向はゴム製シート21の引っ張り応力により、同一荷重負荷時の変形量をずれ方向の全域において同じに維持することができる。このため、垂直方向、ずれ方向の荷重負担を明確に分けることができ、またずれ方向の変形量の設定が容易となる。この形状のパッド6の場合も、量産が比較的簡単である。
【0045】
さらに、上述した第1の実施の形態では、4個のホール素子を用いてセンサを構成したが、ホール素子は4個に限られるものではなく、例えば図9に示すように、3個のホール素子31〜33を用い、この3個のホール素子31〜33を三角形状に配置してもよいし、あるいは図10に示すように、5個のホール素子31〜35を用い、1個のホール素子35を座標軸の原点に配置すると共に、4個のホール素子31〜34を四角形のコーナー部に配置した構成としてもよい。
【0046】
図11に本発明に係る三軸荷重計測センサの第2の実施の形態を示す。
この第2の実施の形態は、静電容量方式によって構成した場合の例を示すものである。なお、前記第1の実施の形態と同一もしくは同等の部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0047】
この第2の実施の形態は、図示するように、前記第1の実施の形態におけるホール素子31〜34と永久磁石7に代えて、4個の小電極131〜134と1個のグランド電極17を用いたものである。
【0048】
このようにグランド電極17に対して小電極131〜134を対向配置した場合、各小電極とグランド電極間にそれぞれ静電容量が生じる。この静電容量Cは、次の式で表される。
C=ε0・εr・S/d
ただし、ε0:真空誘電率
εr:比誘電率
S :グランド電極と小電極との重なり面積
d :グランド電極と小電極間の距離
【0049】
上式から明らかなように、グランド電極17と小電極131〜134間の距離dが小さくなれば、それに反比例して静電容量Cが大きくなり、また、グランド電極17と小電極131〜134との重なり面積Sが大きくなれば、それに比例して静電容量Cが大きくなる。従って、この場合も、前記第1の実施の形態と同様にして、4個の小電極131〜134の静電容量の変化から、ずれ力S、ずれの方向θ、圧力Pを算出することができる。
【0050】
なお、この第2の実施の形態の場合においても、図示とは逆に、4個の小電極131〜134を上側に、グランド電極17を下側にして対向配置してもよいし、さらに、図示した円錐台形状のゲル製パッド6に代えて、前述した図6〜図8に示した形状のパッドを用いてもよいものである。
【0051】
また、上記実施の形態では、4個の小電極131〜134を用いてセンサを構成したが、小電極は4個に限られるものではなく、例えば図12に示すように、5個の小電極131〜135を用い、1個の小電極131を原点に配置すると共に、その周りに4個の小電極132〜135を四角形に配置した構成としてもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、荷重受容体としてのパッドを最も効果的な形状となるように工夫したので、作用する荷重に対するパッドの追従性が極めて優れたものとなり、作用する荷重を作用面に垂直な圧力成分と平行なずれ力成分に正確に分解して計測することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態に係る三軸荷重計測センサを示すもので、(a)は平面図、(b)は(a)中のI−I線断面図である。
【図2】 プリント配線基板の形状を示すもので、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【図3】 パッドベースの形状を示すもので、(a)は平面図、(b)は背面図、(c)は中央縦断面図ある。
【図4】 パッドとマグネットの形状を示すもので、(a)は平面図、(b)は(a)中のII−II線断面図である。
【図5】 荷重の計測方法の説明図であって、(a)はホール素子と永久磁石の配置関係図、(b)はずれ力のベクトル図である。
【図6】 パッドの第2の形状例を示す図である。
【図7】 パッドの第3の形状例を示す図である。
【図8】 パッドの第4の形状例を示す図である。
【図9】 ホール素子の他の配置例を示す図である。
【図10】 ホール素子のさらに他の配置例を示す図である。
【図11】 第2の実施の形態に係る三軸荷重計測センサを示すもので、(a)は平面図、(b)は(a)中のIII−III線断面図である。
【図12】 小電極の他の配置例を示す図である。
【符号の説明】
1 プリント配線基板
2 電極
31〜34 ホール素子
4 パッドベース
5 凹状皿部
6 ゲル製パッド
7 永久磁石
8 ホール素子格納室
9 突起
10 位置合わせ用穴
11 フラットケーブル
12 パッケージシート
131〜134 小電極
17 グランド電極
18 ゴム製カップ
19、191,192 ゲル
20 ゲル
21 ゴム製シート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a triaxial load measurement sensor that measures a load acting on a body of a patient lying on a bed, for example, by decomposing the load into a pressure component perpendicular to the acting surface and a displacement force parallel to the acting surface.
[0002]
[Prior art]
It is known that bedridden sick people, elderly caregivers, and the like generate sores, so-called bed slips, mainly in portions that are in contact with the bed for a long time. To prevent this sore, it is necessary to move the body as much as possible to eliminate blood circulation problems so that the same part is not pressed for a long time. For this reason, care measures such as changing the direction of the patient's body sleeping every fixed time or changing the tilt angle of the bed have been taken.
[0003]
In recent years, research on the shape and structure of the bed and the air mat laid on the bed has been advanced to prevent the occurrence of wounds, and the applied load is dispersed as much as possible to reduce the pressure on the human body as much as possible. The idea to make it small is made.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, it is generally said that the occurrence of sores is proportional to the product of the pressure acting on the human body and the time of action. To prevent sores, how much pressure actually acts when sleeping on a bed. It is important to know what to do. Conventionally, various contact pressure sensors have been developed and used in order to measure such pressure, but all detect the load acting on the human body as a pressure perpendicular to the human body surface. It was.
[0005]
However, according to recent research, not only the magnitude of the so-called contact pressure acting in the direction perpendicular to the human body surface, but also the so-called displacement force acting in the direction parallel to the human body surface is important for the occurrence of sores. It has been pointed out that this is a serious factor. For this reason, it is not sufficient to detect the load acting like a conventional contact pressure sensor as only the pressure in the direction perpendicular to the human body surface, and the applied load is applied to the pressure in the direction perpendicular to the human body surface and the human body surface. It has become necessary to accurately measure by decomposing into parallel displacement forces.
[0006]
The present invention has been made on the basis of the above-mentioned demand, and is a triaxial load measuring sensor for measuring an acting load by decomposing it into a pressure component perpendicular to the acting surface and a displacement force parallel to the acting surface, The present invention provides a triaxial load measurement sensor that is devised in the shape of an elastic body that is a load receiving body, has excellent followability to the load, and can accurately measure the displacement force and pressure.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
That is, the triaxial load measuring sensor according to claim 1 has a permanent magnet (or a plurality of hall elements) fixed on the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of sensors on the lower side of the pad base. The Hall elements (or permanent magnets) are opposed to each other, the upper surface side of the permanent magnet (or a plurality of Hall elements) located on the upper side is used as a load acting surface, and the output voltage of the plurality of Hall elements is used. A triaxial load measuring sensor for measuring an acting load by decomposing it into a displacement force in a direction parallel to the acting surface and a pressure in a direction perpendicular to the acting surface, and using a disk-like elastic body as the elastic body The disk-shaped elastic body is surrounded by a rubber cup, and a permanent magnet (or a plurality of hall elements) is placed on the upper surface of the disk-shaped elastic body contained in the rubber cup and fixed to the rubber cup. In addition, the rubber cup is One in which was fixed to the base of the top surface.
[0008]
The triaxial load measuring sensor according to
[0009]
The triaxial load measuring sensor according to claim 3 has a permanent magnet (or a plurality of hall elements) fixed on the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of sensors on the lower side of the pad base. The Hall elements (or permanent magnets) are opposed to each other, the upper surface side of the permanent magnet (or a plurality of Hall elements) located on the upper side is used as a load acting surface, and the output voltage of the plurality of Hall elements is used. A triaxial load measuring sensor for measuring an acting load by breaking it into a displacement force in a direction parallel to the acting surface and a pressure in a direction perpendicular to the acting surface, which is formed on the top surface of the pad base as the elastic body. A disc-shaped elastic body having the same height as the depth of the concave dish portion and having a width smaller than that of the concave dish portion is used, and the disk-shaped elastic body having a smaller width is placed in the concave dish portion of the top surface of the pad base. It adheres to the center of the concave dish and The entire surface is covered with a rubber sheet with a predetermined tension, and the rubber sheet with the tension is adhesively fixed to the top surface portion of the disk-shaped elastic body and the peripheral edge portion of the concave dish portion, and the adhesive fixing is performed. A permanent magnet (or a plurality of Hall elements) is fixed to the center of the upper surface of the rubber sheet.
[0010]
In the triaxial load measuring sensor according to
[0011]
In the triaxial load measuring sensor according to
[0012]
In the triaxial load measuring sensor according to
[0013]
Moreover, triaxial load measuring sensor according to
[0014]
In the case of the triaxial load measuring sensor configured as described above, the followability of the elastic body with respect to the load becomes extremely excellent, and the applied load can be calculated by accurately decomposing the applied load into displacement force and pressure.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 4 show a first embodiment of a triaxial load measuring sensor according to the present invention.
This first embodiment shows an example of a case where it is configured by a magnetic detection method, FIG. 1 is a diagram showing the overall shape of a triaxial load measurement sensor, FIG. 2 is a diagram showing the shape of a printed wiring board, FIG. 3 is a diagram showing the shape of the pad base, and FIG. 4 is a diagram showing the shapes of the pad and the magnet.
[0016]
In the figure, reference numeral 1 denotes a printed wiring board serving as a base, and the planar shape of the printed wiring board is a so-called front-rear circular ring shape. Are formed, and four Hall elements 3 1 to 3 4 which are magnetic sensing elements are formed in a circular portion. Are fixed on the X-axis and the Y-axis, two at a distance from the origin O.
[0017]
Wherein the four upper Hall elements 3 1 to 3 4, rigid
[0018]
Note that four Hall
[0019]
Two
[0020]
On the other hand, an electric wire such as a
[0021]
The printed wiring board 1 in which the Hall elements 3 1 to 3 4 , the
[0022]
Next, a load measuring method using the triaxial load measuring sensor will be described with reference to FIG. 5A is a diagram showing the positional relationship between the Hall elements 3 1 to 3 4 and the
[0023]
XP: Output value of the Hall element 3 1 arranged on the + side on the X axis XN: Output value of the Hall element 3 2 arranged on the − side on the X axis YP: Hall element 3 arranged on the + side on the Y axis 3 of the output value YN: Y on axis - the output value of the Hall element 3 4 arranged on the side S: displacement force theta: the direction of the shift force S XS: X-direction component of the displacement force S YS: Y direction deviation force S Component P: pressure in the Z direction (vertically downward)
At the time of measurement, a triaxial load measuring sensor is attached to a region to be measured, for example, a waist, back, sacrum, etc. of a patient sleeping on a bed using a double-sided adhesive tape or the like. When a patient attached with a triaxial load measurement sensor lies on the bed, a load acts on the upper surface of the
[0025]
The outputs XP to YN are taken out through the
[0026]
First, the output values XP, XN, YP, YN of a pair of Hall elements 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 corresponding on the same axis are subtracted, and the difference value ΔX, Find ΔY.
[0027]
[Expression 1]
[0028]
Using the above ΔX and ΔY, displacement forces SX and SY in the X and Y directions are calculated from the following (Equation 2), respectively.
[0029]
[Expression 2]
[0030]
Then, the displacement force S and its direction θ are calculated from the following equation (3) using the result of the above equation (2).
[0031]
[Equation 3]
[0032]
Further, the pressure P in the Z direction, that is, the pressure acting in the direction perpendicular to the
[0033]
[Expression 4]
[0034]
As described above, the load acting on the patient sleeping on the bed can be determined by decomposing the displacement forces XS, YS, the displacement force S, the direction θ, and the pressure P in the X and Y directions.
[0035]
In the case of the first embodiment, a frustoconical shape is used as the
[0036]
In the above embodiment, the gel is used as the
[0037]
In the above embodiment, sandwiched in the gel pad made of 6, the four Hall elements 3 1 to 3 4 to the lower, an example of a case where opposed to the
[0038]
Furthermore, the shape of the
[0039]
FIG. 6 shows a second shape example of the
The
[0040]
When the
[0041]
FIG. 7 shows a third shape example of the
The
[0042]
When using the
[0043]
FIG. 8 shows a fourth shape example of the
The
[0044]
When the
[0045]
Furthermore, in the first embodiment described above, the sensor is configured using four Hall elements. However, the number of Hall elements is not limited to four. For example, as shown in FIG. using an element 3 1 to 3 3, to the three Hall elements 3 1 to 3 3 may be arranged in a triangular shape, or as shown in FIG. 10, the five hall elements 3 1 to 3 5 used, in conjunction with placing the one Hall element 35 to the origin of the coordinate axes may be four Hall elements 3 1 to 3 4 as configuration disposed in a corner portion of the rectangle.
[0046]
FIG. 11 shows a second embodiment of the triaxial load measuring sensor according to the present invention.
This 2nd Embodiment shows the example at the time of comprising by an electrostatic capacitance system. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same as that of the said 1st Embodiment, or equivalent, and the description is abbreviate | omitted.
[0047]
The second embodiment, as shown, in place of the Hall element 3 1 to 3 4 and the
[0048]
Thus if a small electrode 131-134 and opposed with respect to the
C = ε 0 · ε r · S / d
Where ε 0 is the vacuum dielectric constant
ε r : relative permittivity
S: Overlap area of ground electrode and small electrode
d: Distance between ground electrode and small electrode
As apparent from the above equation, if the
[0050]
Incidentally, the second even when the embodiment, contrary to the illustration, four small electrodes 131-134 in the upper, to the
[0051]
In the above embodiment, the sensor is configured using the four
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the pad as the load receptor is devised so as to have the most effective shape, so that the followability of the pad with respect to the acting load becomes extremely excellent, and the acting load Can be accurately decomposed and measured into a displacement component parallel to the pressure component perpendicular to the working surface.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show a triaxial load measurement sensor according to a first embodiment, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II in FIG.
FIGS. 2A and 2B show the shape of a printed wiring board, where FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a side view.
3A and 3B show the shape of a pad base, wherein FIG. 3A is a plan view, FIG. 3B is a rear view, and FIG. 3C is a central longitudinal sectional view.
4A and 4B show the shapes of a pad and a magnet, where FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a load measuring method, in which FIG. 5A is an arrangement relation diagram of Hall elements and permanent magnets, and FIG. 5B is a vector diagram of a displacement force.
FIG. 6 is a diagram showing a second shape example of the pad.
FIG. 7 is a diagram illustrating a third shape example of a pad.
FIG. 8 is a diagram illustrating a fourth shape example of a pad.
FIG. 9 is a diagram illustrating another arrangement example of the Hall elements.
FIG. 10 is a diagram showing still another arrangement example of the Hall elements.
11A and 11B show a triaxial load measuring sensor according to a second embodiment, wherein FIG. 11A is a plan view and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing another arrangement example of small electrodes.
[Explanation of symbols]
1 printed
Claims (7)
前記弾性体として円板状になる弾性体を用い、該円板状になる弾性体をゴム製カップで囲み、このゴム製カップに入った円板状の弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を載せてゴム製カップに固着すると共に、該ゴム製カップをパッドベースの天面に固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。A permanent magnet (or a plurality of Hall elements) is fixed to the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of Hall elements (or permanent magnets) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface side of the permanent magnet (or a plurality of hall elements) positioned on the side is the load acting surface, and the output voltage of the plurality of hall elements is used as the displacement force in the direction parallel to the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to the working surface ,
A disk-shaped elastic body is used as the elastic body, the disk-shaped elastic body is surrounded by a rubber cup, and a permanent magnet (or a plurality of magnets) is formed on the upper surface of the disk-shaped elastic body contained in the rubber cup. A three-axis load measuring sensor characterized in that it is fixed to a rubber cup by mounting a plurality of Hall elements) and the rubber cup is fixed to the top surface of the pad base .
前記弾性体として、円板状をした第1の弾性体の周囲をこれよりもヤング率の高い第2の弾性体でドーナツ状に囲んだ弾性体を用い、この内外二重構造になる弾性体の上面に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着すると共に、該内外二重構造になる弾性体をパッドベースの天面に固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。 A permanent magnet (or a plurality of Hall elements) is fixed to the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of Hall elements (or permanent magnets) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface side of the permanent magnet (or a plurality of hall elements) positioned on the side is the load acting surface, and the output voltage of the plurality of hall elements is used as the displacement force in the direction parallel to the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to the working surface,
As the elastic body, an elastic body in which the periphery of the first elastic body having a disk shape is surrounded by a second elastic body having a higher Young's modulus in a donut shape is used, and this elastic body has an internal / external double structure. A triaxial load measuring sensor , wherein a permanent magnet (or a plurality of Hall elements) is fixed to the upper surface of the pad base, and an elastic body having an inner / outer double structure is fixed to the top surface of the pad base .
前記弾性体として、パッドベースの天面部に形成された凹状皿部の深さと同一高さで、かつ、凹状皿部よりも幅の小さな円板状の弾性体を用い、該幅の小さな円板状の弾性体をパッドベース天面の凹状皿部内の中央部に固着するとともに、この凹状皿部の上面全体を所定のテンションをかけたゴム製シートで覆い、該テンションをかけたゴム製シートを前記円板状の弾性体の天面部と凹状皿部の周縁部に接着固定し、該接着固定したゴム製シートの上面中央部に永久磁石(または複数個のホール素子)を固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。 A permanent magnet (or a plurality of Hall elements) is fixed to the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of Hall elements (or permanent magnets) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface side of the permanent magnet (or a plurality of hall elements) positioned on the side is the load acting surface, and the output voltage of the plurality of hall elements is used as the displacement force in the direction parallel to the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to the working surface,
As the elastic body, a disk-shaped elastic body having the same height as the depth of the concave dish portion formed on the top surface portion of the pad base and having a smaller width than the concave dish portion is used. The elastic body is fixed to the central portion of the concave plate portion on the top surface of the pad base, and the entire upper surface of the concave plate portion is covered with a rubber sheet with a predetermined tension, and the rubber sheet with the tension is applied. The disk-shaped elastic body is bonded and fixed to the top surface portion and the peripheral edge portion of the concave dish portion, and a permanent magnet (or a plurality of hall elements) is fixed to the center of the upper surface of the bonded and fixed rubber sheet. A triaxial load measuring sensor.
前記弾性体として円板状になる弾性体を用い、該円板状になる弾性体をゴム製カップで囲み、このゴム製カップに入った円板状の弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を載せてゴム製カップに固着すると共に、該ゴム製カップをパッドベースの天面に固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。 A ground electrode (or a plurality of small electrodes) is fixed on the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of small electrodes (or ground electrodes) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface of the ground electrode (or a plurality of small electrodes) located on the side is used as a load acting surface, and using the capacitance of each small electrode, the acting load is shifted in the direction parallel to the acting surface and the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to
A disc-shaped elastic body is used as the elastic body, the disc-shaped elastic body is surrounded by a rubber cup, and a ground electrode (or a plurality of electrodes) is formed on the upper surface of the disk-shaped elastic body contained in the rubber cup. A triaxial load measuring sensor characterized in that the small cup is mounted and fixed to a rubber cup, and the rubber cup is fixed to the top surface of the pad base .
前記弾性体として、円板状をした第1の弾性体の周囲をこれよりもヤング率の高い第2の弾性体でドーナツ状に囲んだ弾性体を用い、この内外二重構造になる弾性体の上面にグランド電極(または複数個の小電極)を固着すると共に、該内外二重構造になる弾性体をパッドベースの天面に固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。 A ground electrode (or a plurality of small electrodes) is fixed on the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of small electrodes (or ground electrodes) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface of the ground electrode (or a plurality of small electrodes) located on the side is used as a load acting surface, and using the capacitance of each small electrode, the acting load is shifted in the direction parallel to the acting surface and the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to
As the elastic body, an elastic body in which the periphery of the first elastic body having a disk shape is surrounded by a second elastic body having a higher Young's modulus in a donut shape is used, and this elastic body has an internal / external double structure. A triaxial load measuring sensor , wherein a ground electrode (or a plurality of small electrodes) is fixed to the upper surface of the pad base, and an elastic body having an inner / outer double structure is fixed to the top surface of the pad base .
前記弾性体として、パッドベースの天面部に形成された凹状皿部の深さと同一高さで、かつ、凹状皿部よりも幅の小さな円板状の弾性体を用い、該幅の小さな円板状の弾性体をパッドベース天面の凹状皿部内の中央部に固着するとともに、この凹状皿部の上面全体を所定のテンションをかけたゴム製シートで覆い、該テンションをかけたゴム製シートを前記円板状の弾性体の天面部と凹状皿部の周縁部に接着固定し、該接着固定したゴム製シートの上面中央部にグランド電極(または複数個の小電極)を固着したことを特徴とする三軸荷重計測センサ。 A ground electrode (or a plurality of small electrodes) is fixed on the upper surface of the elastic body fixed on the pad base, and a plurality of small electrodes (or ground electrodes) are arranged opposite to each other on the lower side of the pad base. The upper surface of the ground electrode (or a plurality of small electrodes) located on the side is used as a load acting surface, and using the capacitance of each small electrode, the acting load is shifted in the direction parallel to the acting surface and the acting surface. A triaxial load measuring sensor that decomposes and measures pressure in a direction perpendicular to
As the elastic body, a disk-shaped elastic body having the same height as the depth of the concave dish portion formed on the top surface portion of the pad base and having a smaller width than the concave dish portion is used. The elastic body is fixed to the central portion of the concave plate portion on the top surface of the pad base, and the entire upper surface of the concave plate portion is covered with a rubber sheet with a predetermined tension, and the rubber sheet with the tension is applied. The disk-like elastic body is bonded and fixed to the top surface portion and the peripheral edge portion of the concave dish portion, and a ground electrode (or a plurality of small electrodes) is fixed to the center of the upper surface of the bonded and fixed rubber sheet. A triaxial load measuring sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002095699A JP3931104B2 (en) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | Triaxial load measuring sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002095699A JP3931104B2 (en) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | Triaxial load measuring sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003294552A JP2003294552A (en) | 2003-10-15 |
JP3931104B2 true JP3931104B2 (en) | 2007-06-13 |
Family
ID=29239066
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002095699A Expired - Fee Related JP3931104B2 (en) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | Triaxial load measuring sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3931104B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110132472A (en) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 大同煤矿集团有限责任公司 | Bump monitoring sensor and bump monitoring device |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008082947A (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Hiroshima Univ | Clip shearing force sensor and clip shearing force measuring device |
DE502007007063D1 (en) * | 2007-08-03 | 2011-06-09 | Trumpf Medizin Systeme Gmbh & Co Kg | operating table |
JP5408687B2 (en) * | 2008-03-17 | 2014-02-05 | 国立大学法人広島大学 | Shear stress sensor and distributed shear stress sensor |
-
2002
- 2002-03-29 JP JP2002095699A patent/JP3931104B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110132472A (en) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 大同煤矿集团有限责任公司 | Bump monitoring sensor and bump monitoring device |
CN110132472B (en) * | 2019-05-16 | 2020-09-18 | 大同煤矿集团有限责任公司 | Rock burst monitoring sensor and rock burst monitoring device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003294552A (en) | 2003-10-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6980708B2 (en) | Tactile sensor | |
US20190041277A1 (en) | Force sensing device | |
JP5159917B2 (en) | Biological information measurement panel | |
EP2394623B1 (en) | Body position/body pressure control device | |
JP6106542B2 (en) | Bed sensor and bed detection method | |
US20130165813A1 (en) | Sensor for acquiring muscle parameters | |
EP1552785A1 (en) | Body surface bio-potential sensor having multiple electrodes and apparatus comprising the body surface bio-potential sensor | |
WO2014208246A1 (en) | Bed exit sensor and bed exit detection method | |
JP3931104B2 (en) | Triaxial load measuring sensor | |
CN206593752U (en) | Contact sound detection sensor and contact sound sensing device | |
JP2022111489A (en) | Triaxial force sensor | |
JP4230241B2 (en) | Touch sensor, gripping robot | |
JP2003294553A (en) | Triaxial load measuring sensor and load measuring method using sensor | |
TWI498100B (en) | Sensing pad of physiological electrical signal and sensing mattress of using the same | |
CN108007633A (en) | A kind of micro- gasbag-type flexible 3 D force snesor | |
US20230366762A1 (en) | Tactile sensor | |
CN218889925U (en) | Massage blanket capable of collecting mechanical signals | |
JP6883848B2 (en) | Back pain prevention device | |
JPH0663881B2 (en) | Pressure sensor | |
Kim | Flexible Si Nanomembrane Sensor for Human–Machine Interface | |
JP2002098601A (en) | Shift force measuring device | |
JP3053004U (en) | Ultra-thin platform scale | |
JPH0645616A (en) | Pressure-sensing sensor | |
JPH01312433A (en) | Contact force sensor | |
JPH01184431A (en) | Structure of distribution type tactile sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041027 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061110 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061121 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070110 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070213 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070312 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100316 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110316 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110316 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130316 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140316 Year of fee payment: 7 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |