JP5679113B2

JP5679113B2 - 圧力センサおよび傾き検出装置

Info

Publication number: JP5679113B2
Application number: JP2011026813A
Authority: JP
Inventors: 星野　優; 優星野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: JP2012167939A

Description

本発明は、例えば靴の中敷きとして使用されるシート状の圧力センサの技術分野に関するものである。

近年、駆動源を使用する歩行補助装置を例えば膝疾患患者に装着した状態でリハビリが行われている（例えば、特許文献１参照）。歩行補助装置は、患者としての装着者に対して連続的に予め決められた歩行パターンを与えることで装着者をアシストする。これにより、装着者は、その動きに追随するように自立歩行できるようになっている。しかし、装着者は、このリハビリ中に、追随できない場合や、ふらつきのため、自身の意向に反した不安定な歩行になる可能性がある。そのため、装着者の歩行状態に応じた歩行パターンを該装着者に与える歩行補助装置が望まれる。装着者の歩行状態、例えば使用者の足の荷重のかかり方、バランス、ふらつき等の状態を知るには、例えば、多数の感圧センサが格子状に配置された圧力検知領域を有する圧力分布センサを利用できる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３０１１２４号公報特開２０１０−６９２２７号公報

しかしながら、特許文献２の技術は、装着者の歩行が圧力分布センサ上の限定されたサイズの中で行われるため、連続的な歩行ではなく、歩行補助装置には適用し難い。一方で、特許文献２に開示された圧力分布センサを、歩行補助装置の装着者の例えばリハビリ用靴の中敷として使用することが考えられる。しかしながら、特許文献２に開示された圧力分布センサは、多数の感圧センサと感圧センサ毎に接続された圧力検出部とを備えるため、そのような圧力分布センサをリハビリ用靴の中敷きとして使用すると、リハビリ用靴を履く装着者にとって違和感があり、効果的なリハビリの妨げになる可能性がある。また、違和感を無くすために圧力分布センサ上にクッションを設けた場合、感圧センサは上（つまり、装着者の足）からの圧力を感知し難くなってしまう。

更に、歩行補助装置により装着者の歩行をアシストする制御では、装着者の重心の傾き状態を簡易に感知できる圧力センサが望まれていたが、そのような圧力センサは知られていなかった。

そこで、本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、装着対象（例えば、歩行補助装置の装着者）の傾きの状態を簡易に感知することが可能な圧力センサ、及び傾き検出装置を提供することを課題の一つとする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、圧力により面抵抗が変化する感圧シートと、３つ以上の電極が設けられた電極シートとを備え、前記感圧シートの一方の面と、前記電極シートの一方の面とが重なり合って構成される圧力センサにおいて、前記３つ以上の電極は、前記電極シートの前記面上の互いに異なる位置に設けられ、且つ、前記感圧シートの前記面であって各前記電極間に位置する前記面を含む各領域が絶縁され、前記各領域の抵抗が測定可能に設けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記電極の一つは、円形の電極であり、前記円形の電極以外の前記電極は、当該円形の電極を中心に環状に設けられた電極が所定数に分割された円弧状の電極であり、前記円形の電極と、各前記円弧状の電極それぞれと、の間の前記各領域の面積が相互に同じ（所定の誤差を考慮）であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記電極シートを補強するための裏打ちシートが、当該電極シートにはられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧力センサであって装着者の足裏に装着される前記圧力センサと、前記感圧シートの各領域の抵抗を測定し、測定した前記各領域の抵抗の違いにより前記装着者の傾き状態を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電極は小型のシート状であるので、任意の位置に配置することができ、該任意の位置にかかる圧力の方向を容易に検知することが可能となる。また、歩行アシストロボットに複数の電極を使用すれば、連続歩行状態を把握することが可能となる。

足裏センサの構成を示す図である。足裏センサの感圧シートの表面抵抗が測定される際の概念図である。（Ａ）足裏センサの電極の模式図である。（Ｂ）足裏センサの荷重検知方向の原理を示す図である。（Ａ）足裏センサの電極と配線の模式図である。（Ｂ）足裏センサの断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）足裏センサの電極の他の配置を示した模式図である。（Ａ）〜（Ｆ）足裏センサの電極の他の形状の模式図である。

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。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明に係る圧力センサを足裏センサに適用した場合の実施形態である。本実施形態に係る足裏センサは、リハビリ用靴の中敷きとして使用される。そして、歩行補助装置（図示せず）の装着者がリハビリ用靴を履いてリハビリを行う。

先ず、図１乃至図５を参照して、本実施形態に係る足裏センサの構成について説明する。図１は、足裏センサの構成を示す図である。図２は、足裏センサの感圧シートの表面抵抗が測定される際の概念図である。図３（Ａ）は足裏センサの電極の模式図である。図３（Ｂ）は足裏センサの荷重検知方向の原理を示す図である。図４（Ａ）は足裏センサの電極と配線の模式図である。図４（Ｂ）は足裏センサの断面図である。図５（Ａ）〜（Ｆ）は足裏センサの電極の他の形状の模式図である。

本実施形態に係る足裏センサ１は、図１に示すように、圧力により面（表面）抵抗が変化する感圧シート１１と、少なくとも３つの電極が設けられた電極シート１２とを備え、感圧シート１１の一方の面と、電極シート１２の一方の面とが重なり合って構成される。具体的には、リハビリ用靴内に、電極シート１２が挿入された後、当該電極シート１２の上に感圧シート１１が挿入されることで足裏センサ１が形成される。感圧シート１１には、図２に示すように上方から加圧されることで抵抗が変化するクッション性のある材料を適用することが望ましい。これにより、リハビリ用靴を履く装着者に違和感を与えることなく歩行することが可能となり、また、電極シート１２の耐久性を伸ばすことが可能となる。

一方、電極シート１２は、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）からなり、絶縁体であるポリイミド上に電極である銅が積層されて構成（電極シート１２単体ではポリイミドにより電極間が絶縁されている）されている。ポリイミドは、リハビリ用靴の中敷きとして、形状を保ち、位置ズレをなくし、耐久性を上げるものである。なお、露出した電極には金メッキ等の処理がなされ、水分や高湿度での錆による劣化が防止されている。

図２に示されるように、電極の間に感圧シートが存在すると、電極間の感圧シート抵抗が測定できる。感圧シートは上方から加圧されることで抵抗が変化するので、電極間に定電流を流すことで感圧シートの抵抗変化を電圧の変化として検知することが可能になる。

また、図１に示す例では、感圧シート１１が足裏の形になっており、電極シート１２には四対の電極が対向するように設けられている。一対の電極は、図１に示すように、電極シート１２の一方の面上の互いに異なる位置に設けられ、且つ、感圧シート１１の一方の面であって一対の電極間（例えば、中央電極ＣＥとＮ電極ＮＥの間）に位置する面を含む領域（つまり、この領域は一対の電極で挟まれる）の抵抗が測定可能に設けられている。

ここで、領域Ａ１は、リハビリ用靴を履く装着者の踵部が当たるようになっており、領域Ａ１に、四対の電極（中央電極ＣＥとＮ電極ＮＥ、Ｓ電極ＳＥ、Ｅ電極ＥＥ、Ｗ電極ＷＥとのそれぞれの間）が対向するようになっている。四対の電極間に位置する面を含む領域の抵抗（言い換えれば、電圧）を制御回路が含まれる歩行補助装置（図示せず）により測定することで、装着者の足裏の踵部の圧力の荷重方向を感知することができる。

図１では領域Ａ１にだけ電極を設けているが、領域Ａ２、領域Ａ３、領域Ａ４に中央電極と中央電極の周囲に配置される電極をそれぞれ配置することによって、各領域にかかる荷重を中央電極からの方向で検知することが可能になる。

電極シート１２はＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）とし、電極部は中央の円形電極と、円形電極の外側に配置した同心円とする環状電極とから構成される。この環状電極は複数の円弧で構成され、少なくとも２つ必要とされる。図１ではこの環状電極は４つから構成され、それぞれＮ電極ＮＥ、Ｓ電極ＳＥ、Ｅ電極ＥＥ、Ｗ電極ＷＥとする。なお、環状電極の数を多くすることでより細かい荷重方向を検知することが可能になる。

中心の中央電極ＣＥである円形電極と複数の環状電極との間は、感圧シート１１の測定領域となるので、測定領域内にはリード線等の配線を露出させないようにする。また中心の円形電極は、電極シート１２に設けられたスルーホールを介して中側または裏側の層に配線され、電極シート１２のコネクタ方向に引き出し、再びスルーホールを介して表側の層に引き出す（詳細は以降に詳述する）。複数の環状電極は、それぞれの環状電極の一部から外側に向けてリード線が引き出され、各環状電極のリード線がその面状で交差しないように引き回されて、中心の円形電極から引き出されたリード線と中継コネクタ１３１でまとめられる。中継コネクタ１３１でまとめられたリード線は、中心の円形電極から引き出されたリード線を共通の電極とすることで、中心の円形電極と各環状電極間に設けられる感圧シート１１の抵抗変化を測定することが可能になる。

また、図１に示すように、各電極に接続される配線（銅線）１３０は中継コネクタ１３１を介して歩行補助装置の制御部に電気的に接続されることになる。これにより、歩行補助装置は、装着者の歩行状態に応じた歩行パターンを該装着者に与える制御を行うことが可能となる。なお、図１に示す例では、足裏の踵部の圧力を感知できるように、電極が設けられたが、感圧シート１１を複数の領域に分割し、分割された領域毎に電極を設けることで複数の測定点を設定するようにすることも可能である。また、図１に示す例では、各電極は円形形状または円弧形状になっているが、これ以外の形状であってもよい。

次に電極の構成例の詳細を図３（Ａ）に示す。

図３（Ａ）では、中央に配置された中央電極から４方向にほぼ等距離にある４つの電極がある構成を示している。中央電極から４方向にある４つの電極までの距離はほぼ等距離であればよく、誤差が発生する場合は図示しない図３（Ａ）の電極に接続される制御回路によって補正することも可能である。

図３（Ａ）では図３（Ａ）の上方向にある電極をＮ方向にある電極としてＮ電極とし、図３（Ａ）の下方向にある電極をＳ方向にある電極としてＳ電極とし、図３（Ａ）の右方向にある電極をＥ方向にある電極としてＥ電極とし、図３（Ａ）の左方向にある電極をＷ方向にある電極としてＷ電極と称する。

中央電極とＮ電極との間の領域１にある感圧シートの抵抗変化を中央電極とＮ電極との間で検知でき、領域３にある感圧シートの抵抗変化を中央電極とＳ電極との間で検知でき、領域２にある感圧シートの抵抗変化を中央電極とＥ電極との間で検知でき、領域４にある感圧シートの抵抗変化を中央電極とＷ電極との間で検知できる。

中央電極からＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極間のそれぞれの感圧シートの抵抗変化による電圧変化は図示しない制御回路によって検知できる。中央電極からＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極間のそれぞれの電圧変化を検知することで、中央電極から各電極間にかかる荷重の変化を詳細に検知することが可能になる。また領域１、領域２、領域３、領域４の面積は所定の誤差を含む範囲内で同じである。所定の誤差は図示しない制御回路によって調整できる。

図３（Ｂ）では、中央電極から各電極間で検知できる電圧を特定のしきい値を設けた反転型コンパレータ（図示せず）で二値化し、検知できた電圧が特定のしきい値以下の場合にＨ（Ｈｉｇｈ）として出力して、荷重が感圧シートにかかっていないと判定する（無荷重状態）。また、検知できた電圧が特定のしきい値以上の場合にＬ（Ｌｏｗ）として出力して、荷重が感圧シートにかかっていると判定する（荷重状態）。

このような判定にしたがって、中央電極からＮ電極、Ｅ電極、Ｓ電極、Ｗ電極間のそれぞれの電圧変化を図３（Ｂ）では、領域１（中央電極からＮ電極間）、領域２（中央電極からＥ電極間）、領域３（中央電極からＳ電極間）、領域４（中央電極からＷ電極間）の出力としてＬまたはＨで示している。

たとえば、図３（Ｂ）の右端は無荷重の場合を示しており、領域１、領域２、領域３、領域４のいずれにも荷重が印加されないので、出力はすべての領域でＨとなる。

図３（Ｂ）の右端から２番目は、中央電極からＷ方向に荷重がかかるので領域４の出力だけがＬとなる。また、図３（Ｂ）の右端から４番目は、中央電極からＳＷ方向（Ｓ方向とＷ方向との間）に荷重がかかるので領域３と領域４の出力だけがＬとなる。

このように図３の中央電極と４方向の電極の出力を測定することで、図３の中央電極から周囲の環状電極のどの方向に荷重が加わっているかを簡易な構成で容易に検知することが可能になる。

図３ではＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極は、中央電極から等距離にある円周上の一部の円弧形状としたが、これに限定されるわけではなく、中央電極からＮ方向、Ｓ方向、Ｅ方向、Ｗ方向に等距離にある任意の同じ形状とすることが可能である。

次に、図３電極の構成例の断面図を図４（Ｂ）に示す。

図４（Ｂ）は、図３（Ａ）の電極をＷ方向からＥ方向に中央電極を通るように切断した断面図である。図４（Ｂ）の電極は上述したように電極シート１２の中に構成されており、下から絶縁体であるポリイミド層２１、銅箔層２２、ポリイミド層２３および銅箔層２４から構成されている。銅箔層２２は中央電極からの引き出し線であり、中央電極の周囲のＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極と間の電圧を測定するための配線となる。中央電極の周囲のＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極からの配線は銅箔層２４で形成される。電極シート１２は全体として可撓性のあるＦＰＣであるが、最下層のポリイミド層２１を厚くすることで、電極シート１２の耐久性を向上させることができる。ポリイミド層２１の厚さの一例としては数十マイクロメータから数百マイクロメータであり、好ましくは１２５マイクロメータである。

図４（Ａ）は、電極シート１２の配線を模式的に示した図である。中央電極を共通電極とすることで、中央電極とＮ電極、Ｓ電極、Ｅ電極、Ｗ電極と間のそれぞれの電圧を測定することができる。

また、その他の電極パターンを図５に示す。

図５では、円形状の中央電極を中心に、中央電極から等距離にある円周上の一部の円弧形状としたもので、円周を２分割して２方向の荷重変化を検知できるようにした構成(図５（Ａ）)、円周を３分割して３方向の荷重変化を検知できるようにした構成(図５（Ｂ）)、円周を４分割して４方向の荷重変化を検知できるようにした構成（図５（Ｃ）：図３、図４と同じ）、円周を８分割して８方向の荷重変化を検知できるようにした構成(図５（Ｄ）)を示した。

図１乃至図５の場合には中央電極から等距離にある円周上の一部の円弧形状としたが、これに限定されるわけではなく、中央電極からそれぞれの方向に等距離にある任意の同じ形状とすることが可能である。

たとえば、図６に示すように、中央電極からそれぞれの方向に等距離にある電極は任意の形状とすることができ、図６（Ａ）では中央電極から上下左右にある電極の形状は中央電極と同様の円形形状である。図６（Ｂ）では中央電極から上下左右にある電極の形状は直線形状である。また、中央電極の周囲にある電極は上下左右に対称である必要はなく、図６（Ｃ）および図６（Ｄ）のように中央電極とほぼ一直線上にあってもよく、これらの場合には中央電極を横切る方向の荷重変化を検知することができる。中央電極とほぼ一直線上にある電極も図６（Ａ）と同様に中央電極と同様の円形形状である場合、図６（Ａ）と同様に中央電極と異なる形状（直線形状）であってもよい。

また、図６（Ｅ）のように中央電極から三方向に対称な位置にあれば、それぞれの方向を中心として荷重の変化を検知することができる。さらに、図６（Ｆ）のように中央電極から上下左右にある電極を矢羽根形状とすることもできる。

中央電極から周囲の各電極までの測定領域の面積は所定の誤差を考慮した範囲内で同じ面積である。

以上のような感圧シート１１と電極シート１２を歩行アシストロボットの用の中敷き型でポイント測定の足裏センサとし、測定したい箇所に配置することで、荷重の方向を容易に検知でき、装着者の着床、離床状態の把握、進行方向、装着者の重心バランス、装着者の足裏のバランスの測定を容易に測定することが可能になる。

また、感圧シート１１と電極シート１２との組み合わせは、足型形状に限定されることはなく、測定が必要とされる形状にすることが可能なので、足のサイズに影響されることがない。主な測定位置としては、踵位置の他に、親指位置、小指位置などが挙げられる。

このように、感圧シート１１と電極シート１２との組み合わせは、小型のシート形状であるので、任意の位置に配置することが可能であって、該任意の位置での圧力がかかる方向を容易に検知することが可能になる。

また、歩行アシストロボットの足裏に複数の電極を使用すれば、装着者の連続歩行状態を把握することが可能になる。

なお、上記実施形態においては、本発明の圧力センサを足裏センサに適用した場合を例にとって説明したが、その他のセンサに適用しても構わない。

１足裏センサ
１１感圧シート
１２電極シート

Claims

圧力により面抵抗が変化する感圧シートと、３つ以上の電極が設けられた電極シートとを備え、前記感圧シートの一方の面と、前記電極シートの一方の面とが重なり合って構成される圧力センサにおいて、
前記３つ以上の電極は、前記電極シートの前記面上の互いに異なる位置に設けられ、且つ、前記感圧シートの前記面であって各前記電極間に位置する前記面を含む各領域が絶縁され、前記各領域の抵抗が測定可能に設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記電極の一つは、円形の電極であり、
前記円形の電極以外の前記電極は、当該円形の電極を中心に環状に設けられた電極が所定数に分割された円弧状の電極であり、
前記円形の電極と、各前記円弧状の電極それぞれと、の間の前記各領域の面積が相互に同じ（所定の誤差を考慮）であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記電極シートを補強するための裏打ちシートが、当該電極シートにはられていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の圧力センサ。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧力センサであって装着者の足裏に装着される前記圧力センサと、
前記感圧シートの各領域の抵抗を測定し、測定した前記各領域の抵抗の違いにより前記装着者の傾き状態を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする傾き検出装置。