JP5811588B2 - 複合センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いて、測定対象物の接近、接触及び押圧を検知する複合センサに関する。

高齢化社会の到来を迎え、独居老人等が増えつつある中で、在宅医療を支援するために、ヒトの心拍、呼吸、体動等の動作を非拘束でセンシング又はモニタリングする技術の確立が重要であり、様々な研究・開発がなされている。現在、光ファイバーやマイクロフォンセンサ、圧電素子、感圧ゴムなどを用いた様々な圧力(分布)センサが開発され、ベッド内でのヒトのモニタリング（例えば、非特許文献１−３を参照）や椅子の座位姿勢検出システム（例えば、非特許文献４を参照）の研究が進められている。また、タッチパネルやゲーム等のタッチセンサを広く普及しており、より高精度なセンシング技術の開発が望まれている。

このようなこのような状況の中で、圧力(分布)測定に加え、測定対象物の判別、接近、温度等の複数の情報を複合的にセンシングすることで、より高精度に測定を行う技術が望まれている。

また、超音波や電圧を利用して押圧力や厚みを測定する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に示す技術は、第１、第２超音波センサが第１、第２板材を所定押付け力で押付けた状態で、第１、第２板材に対する超音波の伝播時間の計測、並びに第１、第２延長部間に介在された歪ゲージにかかる押圧力に対応するホイートストンブリッジ回路の電圧計の出力電圧を計測し、超音波の伝播時間及び伝播速度に基づいて板厚を算出し、出力電圧に基づいて両部材全幅を求め板隙を算出するものである。

渡辺春美、渡辺嘉二郎，「睡眠中の心拍、呼吸、イビキ、体動および咳の無侵襲計測」，計測自動制御学会論文集，Vol.35，No.8 pp.1012-1019(1999) 渡邊崇士、渡辺嘉二郎，「就寝時無拘束計測生体データによる睡眠段階の推定」，計測自動制御学会論文集，Vol.38，No.7 pp.581-589(2002) 松原篤、宇吹貴智、田中正吾，「エアー枕封入音響センサによる心拍、呼吸の無拘束無侵襲計測」，計測自動制御学会論文集，Vol.40，No.6 pp.403-407(2004) 瀬戸学雄、信太克規，「対象物検知用平面型静電容量センサの特性解析」，電学論C,Vol.123,No.5, pp.913-918(2003) 特開２００８−１０７２０４号公報

上述したように、従来の技術と比較してより高精度なセンシング技術が望まれている。特許文献１に示す技術は、電圧と超音波を利用して押圧力や厚みを測定することができるが、測定対象物の接近、材質、熱等を検知することはできないという課題を有する。また、電圧により押圧力を計測するものであるが、板材間の静電容量と超音波とから複合的に押圧力等を求めるものではないため、必ずしも高精度にセンシングを行うことができないという課題を有する。

本発明は、複数の情報から複合的にセンシングを行うことで高精度の測定を実現することができる複合センサを提供する。

（１）本発明に係る複合センサは、平板電極と圧電体とからなる第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子に対向して配設され、平板電極と圧電体とからなる第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間に挟持され、外力に対して可塑性を有し、密度が略均一である誘電体と、前記第１の圧電素子に所定周波数の信号を印加する信号印加手段と、前記第１の圧電素子から接近する前記測定対象物の方向に発振された信号の反射信号を、前記第１の圧電素子にて電気信号に変換して検知する第１の信号検知手段と、前記第１の圧電素子から前記第２の圧電素子の方向に発振された信号を、前記第２の圧電素子にて電気信号に変換して検知する第２の信号検知手段と、前記第１の圧電素子の平板電極と前記第２の圧電素子の平板電極との間の静電容量を検知する静電容量検知手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物が第１の圧電素子に接近している場合には、平板電極間の静電容量の変化を検知することで測定対象物の接近を測定することができると共に、第１の圧電素子から発振された信号の反射信号を第１の圧電素子にて電気信号に変換して検知することで、接近距離を測定することができるという効果を奏する。また、測定対象物が第１の圧電素子に接触している場合には、平板電極間の静電容量を検知することで測定対象物の押圧力を測定することができると共に、第１の圧電素子から発振された信号を第２の圧電素子にて電気信号に変換して検知することで、平板電極間の距離を測定することができ、測定対象物の接近、接触、押圧力の状態をより高精度に測定することができるという効果を奏する。

（２）本発明に係る複合センサは、前記第１の圧電素子が、対向して配設される１対の前記平板電極で前記圧電体を挟んで形成され、一方の前記平板電極が前記誘電体に接触して配設され、他方の前記平板電極が測定対象物が接近及び接触されるように配設されており、前記測定対象物が前記第１の圧電素子に接近している場合に、前記第１の圧電素子における１対の平板電極のうち、前記誘電体側に配設されている平板電極がグランドに接続され、前記静電容量検知手段が、前記第１の圧電素子の測定対象物側に配設されている平板電極と前記第２の圧電素子の平板電極との間の静電容量を検知し、前記第１の信号検知手段が、前記第１の圧電素子から前記測定対象物側に発振された信号の反射信号を受信して検知し、前記測定対象物が前記第１の圧電素子に接触している場合に、前記第１の圧電素子における１対の平板電極のうち、前記測定対象物側に配設されている平板電極がグランドに接続され、前記静電容量検知手段が、前記第１の圧電素子の誘電体側に配設されている平板電極と前記第２の圧電素子の平板電極との間の静電容量を検知し、前記第２の信号検知手段が、前記第１の圧電素子から前記第２の圧電素子側に発振された信号を検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、第１の圧電素子が、一方の平板電極が誘電体に接触して配設され、他方の平板電極が測定対象物に接近及び接触されるように配設されて形成され、測定対象物が第１の圧電素子に接近している場合に、誘電体側に配設されている平板電極がグランドに接続され、測定対象物が第１の圧電素子に接触している場合に、測定対象物側に配設されている平板電極がグランドに接続されるため、測定対象物の接近と押圧とをそれぞれ正確に測定することができ、高精度なセンサを実現することができるという効果を奏する。

（３）本発明に係る複合センサは、前記測定対象物が前記第１の圧電素子に接触したかどうかを検知する接触検知手段を備え、前記第１の圧電素子の検知に応じて、当該第１の
圧電素子における平板電極とグランドとの接続を切り替える接続切替手段を備えるものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物が第１の圧電素子に接触したかどうかを検知し、その検知結果に応じて、平板電極とグランドとの接続を切り替えるため、測定対象物の接触／非接触状態を確実に検知し、グランドとの接続を切り替えて高精度なセンサを実現することができるという効果を奏する。

（４）本発明に係る複合センサは、前記接触検知手段が、前記第１の信号検知手段が検知した前記測定対象物の振動、前記第１の圧電素子から前記第２の圧電素子までの信号の伝播時間及び／又は前記測定対象物の温度による電圧変化に基づいて、前記測定対象物の接触を検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物の振動、第１の圧電素子から第２の圧電素子までの信号の伝播時間及び／又は測定対象物の温度による電圧変化に基づいて、測定対象物の接触を検知するため、測定対象物の接触を高精度で且つ複合的に検知することができるという効果を奏する。

（５）本発明に係る複合センサは、前記測定対象物が前記第１の圧電素子に接触している場合に、前記測定対象物から前記第１の圧電素子への圧力が所定の基準値以下であれば、前記第２の信号検知手段が検知した信号に基づいて前記圧力を算出し、前記測定対象物から前記第１の圧電素子への圧力が所定の基準値を超えていれば、前記静電容量検知手段が検知した静電容量に基づいて前記圧力を算出するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物から第１の圧電素子への圧力が所定の基準値以下であれば、第２の信号検知手段が検知した信号に基づいて押圧力を算出し、測定対象物から第１の圧電素子への圧力が所定の基準値を超えていれば、静電容量検知手段が検知した静電容量に基づいて押圧力を算出するため、押圧力が小さい（第１の圧電素子と第２の圧電素子との間の距離が長い）場合は、変化が大きい発振信号に基づいて押圧力を算出し、押圧力が大きい（第１の圧電素子と第２の圧電素子との間の距離が短い）場合は、変化が大きい静電容量に基づいて押圧力を算出し、発振信号と静電容量を用いて、複合的により高精度な測定を行うことができるという効果を奏する。

（６）本発明に係る複合センサは、平板電極と圧電体とからなり、測定対象物が接近及び接触する第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子に対向して配設され、少なくとも平板電極を有する対向部と、前記第１の圧電素子と前記対向部との間に挟持され、外力に対して可塑性を有し、密度が略均一である誘電体と、前記第１の圧電素子に所定周波数の信号を印加する信号印加手段と、前記第１の圧電素子から前記対向部及び／又は接近する前記測定対象物の方向に発振された信号の反射信号を、前記第１の圧電素子にて電気信号に変換して検知する第１の信号検知手段と、前記第１の圧電素子の平板電極と前記対向部の平板電極との間の静電容量を検知する静電容量検知手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物が第１の圧電素子に接近している場合には、平板電極間の静電容量の変化を検知することで測定対象物の接近を測定することができると共に、第１の圧電素子から発振された信号の反射信号を第１の圧電素子にて電気信号に変換して検知することで、測定対象物の接近距離を測定することができるという効果を奏する。また、測定対象物が第１の圧電素子に接触している場合には、平板電極間の静電容量を検知することで測定対象物の押圧力を測定することができると共に、第１の圧電素子から発振された信号の反射信号を第１の圧電素子にて電気信号に変化して検知することで平板電極間の距離を測定することができ、測定対象物の接近、接触、
押圧力の状態を複合的に高精度に測定することができるという効果を奏する。

（７）本発明に係る複合センサは、前記第１の信号検知手段が、前記第１の圧電素子が受けた前記測定対象物からの熱を信号として検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、第１の信号検知手段が、第１の圧電素子が受けた測定対象物からの熱を信号として検知するため、測定対象物の温度から、その種別を特定することができ、高性能なセンサを実現することができるという効果を奏する。

（８）本発明に係る複合センサは、前記測定対象物の方向に対して光を照射する発光素子を備え、前記第１の信号検知手段が、前記発光素子が照射した光を前記測定対象物が吸収したことによる熱及び／又は振動を検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物に対して照射された光を測定対象物が吸収したことによる熱及び／又は振動を検知するため、光の情報を利用して、より複合的な測定を高精度に行うことができるという効果を奏する。すなわち、第１の圧電素子及び第２の圧電素子間の静電容量、信号の伝播速度、第１の圧電素子に付加された振動及び熱（光エネルギーによる熱も含む）の同時測定を行うことが可能となり、複合的な測定を高精度に行うことができる。

（９）本発明に係る複合センサは、前記測定対象物の方向から照射される光を受光する受光素子を備え、前記受光素子が受光した光に関する情報に基づいて、前記測定対象物の有無を検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物の方向から照射される光に関する情報に基づいて、測定対象物の有無を検知するため、光の情報を利用して、より複合的な測定を高精度に行うことができるという効果を奏する。

（１０）本発明に係る複合センサは、前記測定対象物の方向に対して光を照射する発光素子と、前記測定対象物の方向から照射される光を受光する受光素子とを備え、前記受光素子が、前記発光素子から照射された光の前記測定対象物からの反射光を受光して得られた情報に基づいて、前記測定対象物の有無を検知するものである。

このように、本発明に係る複合センサにおいては、測定対象物の方向に対して光を照射する発光素子と、測定対象物の方向から照射される光を受光する受光素子とを備え、測定対象物からの反射光を受光して得られた情報に基づいて、測定対象物の有無を検知するため、光の情報を利用して、より複合的な測定を高精度に行うことができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る複合センサのセンサ部を示す図である。 第１の実施形態に係る複合センサの機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る複合センサの原理を示す図である。 第１の実施形態に係る複合センサにおいて対象物が接近する場合の回路図である。 第１の実施形態に係る複合センサにおいて対象物が押圧する場合の回路図である。 第１の実施形態に係る複合センサにおいて一方の圧電素子を平板電極とした場合の図である。 第１の実施形態に係る複合センサにおいて光を検知する場合を示す図である。 第１の実施形態に係る複合センサの圧電素子をマトリックス状に組合わせた場合の図である。 電気特性及び超音波特性の測定システムの概略図である。 ＰＶＤＦフィルムの間隔を５ｍｍとしたときの送信波及び受信波の一例を示す図である。 振動及び温度特性の測定システムの概略図である。 ウレタンシートの厚さに対する電気特性としての電位と超音波特性としての伝播時間を示す図である。 各押圧力における電気特性としての電位と超音波特性としての伝播時間を示す図である。 押圧力に対する電気特性としての電位と超音波特性としての伝播時間を示す図である。 スピーカにより生体情報を模擬したパルス、正弦波で発振させた場合の測定の結果を示す図である。 対象物の温度がセンサよりも高い場合、低い場合及びセンサと同じ温度の場合の測定結果を示す図である。 図１６の電圧波形から得られるピーク電圧と温度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る複合センサについて、図１ないし図８を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る複合センサのセンサ部を示す図、図２は、本実施形態に係る複合センサの機能ブロック図、図３は、本実施形態に係る複合センサの原理を示す図、図４は、本実施形態に係る複合センサにおいて対象物が接近する場合の回路図、図５は、本実施形態に係る複合センサにおいて対象物が押圧する場合の回路図、図６は、本実施形態に係る複合センサにおいて一方の圧電素子を平板電極とした場合の図、図７は、本実施形態に係る複合センサにおいて光を検知する場合を示す図、図８は、本実施形態に係る複合センサの圧電素子をマトリックス状に組合わせた場合の図である。

本実施形態においては、圧力(分布)測定に加え、測定の対象となる対象物の温度などの複数情報を測定する複合センサを説明する。本実施形態に係る複合センサは、例えば、ポリエステル系の材料でラミネートされた電極を有するＰＶＤＦ（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ：ポリフッ化ビニリデン）フィルムの圧電素子からなり、柔らかい誘電体を一対のＰＶＤＦフィルムで挟んで構成されている。物体あるいはヒトにより、複合センサに負荷がかけられたときにＰＶＤＦフィルムにより物体の振動及び温度特性を測定する。さらに、その負荷により生じる圧力をＰＶＤＦフィルム間の電気及び超音波特性を測定することにより測定する。よって、本実施形態に係る複合センサにより、物体を認識するとともに圧力(分布)を測定することが可能となる。本実施形態では、複合センサの基礎特性として、圧力変化による電気特性及び超音波特性の測定並びに振動及び温度変化検出を行うものとする。温度特性の測定については、ＰＶＤＦフィルムで得られた温度変化を積分することで、温度に変換して測定することができる。また、電圧変化に対する温度の情報を予めデータベースとして取っておくことで温度情報を得ることもできる。

図１において、複合センサ１におけるセンサ部１０は、対向して配設される２つの圧電素子（第１圧電素子１１、第２圧電素子１２）と、第１圧電素子１１及び第２圧電素子１２に狭持され、外力に対して可塑性又は弾性を有し、密度が略均一である誘電体２とを備える。誘電体２として、例えば、弾性を有するゴム、ウレタン、また液体等を用いることができる。第１圧電素子１１及び第２圧電素子１２は、対向して配設される１対の平板電極（第１圧電素子１１の平板電極を第１平板電極１１ａ、第２平板電極１１ｂとし、第２圧電素子１２の平板電極を第３平板電極１２ａ、第４平板電極１２ｂとする）と、第１平板電極及び第２平板電極並びに第３平板電極及び第４平板電極で狭持される圧電体（第１圧電体１１ｃ、第２圧電体１２ｃ）とを備える。

センシングの対象となる対象物２０は、第１圧電素子１１の第１平板電極１１ａ又は第２圧電素子１２の第３平板電極１２ａに対して、接近、接触及び押圧する。センサ部１０では、対象物２０の接近、接触及び押圧を検知して電気信号に変換する。なお、図１のように、両側から対象物２０を測定してもよいし、片側のみ（一方の圧電素子の外側の平板電極が固定物に固定されている状態）で測定を行うようにしてもよい。

図２において、複合センサ１は、図１に示したセンサ部１０と、センサ部１０の第１圧電素子に所定周波数の信号を印加する信号印加部２１と、センサ部１０の第１圧電素子１１で受信して電気信号に変換された信号を検知する第１信号検知部２２と、センサ部１０の第２圧電素子１２で受信して電気信号に変換された信号を検知する第２信号検知部２３と、第１平板電極１１ａと第３平板電極１２ａとの間の静電容量、及び、第２平板電極１１ｂと第４平板電極１２ｂとの間の静電容量を検知する静電容量検知部２４と、第１信号検知部２２、第２信号検知部２３及び静電容量検知部２４で検知した情報に基づいて、例えば対象物２０の接近の有無、接近距離、接触の有無、押圧力及び対象物の種別等を特定するための演算を行う演算制御部２５と、演算制御部２５が演算した結果を出力する出力部２６とを備える。

上記の各構成を用いた複合センサ１の原理について、図３を用いて説明する。図３（Ａ）は、静電容量による対象物２０の測定（電気的特性）、図３（Ｂ）は、超音波による対象物２０の測定（超音波特性）、図３（Ｃ）は、振動による対象物の測定（振動特性）、図３（Ｄ）は、熱による対象物２０の測定（温度特性）を示す。なお、図３における回路の接続構成は、原理を説明するための一例として記載している。以下に説明する原理を用いることで、対象物２０の押圧力を静電容量及び超音波並びに振動及び熱を同時に測定することが可能となる。なお、振動の測定に関して、特定の周波数を限定することで、対象物２０を識別することができると共に、振動の特徴（例えば、一時的な振動、連続的な振動、周波数の変化等）を用いることで、対象物２０を識別することが可能である。

図３（Ａ）では、第１圧電素子１１及び第２圧電素子１２間の静電容量を検知することで、対象物２０の接近、接触及び押圧を検知する。対象物２０が接近している場合は、第１平板電極１１ａと第３平板電極１２ａとの間の静電容量の変化を検知することで、対象物２０の接近を測定する。対象物２０が押圧している場合は、第２平板電極１１ｂと第４平板電極１２ｂとの間の静電容量を検知することで、押圧力の大きさを測定する。

図３（Ｂ）では、第１圧電素子１１から対象物２０に対して発振された超音波の反射信号を第１圧電素子１１で受信することで、対象物２０の接近距離を測定する。また、対象物２０が押圧している場合は、第１圧電素子１１から第２圧電素子１２に対して発振された超音波を第２圧電素子が受信して電気信号に変換することで、その伝播時間から対象物２０の押圧力を測定する。静電容量及び超音波伝播時間は、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２との間隔の変化に依存しているため、付加された圧力の測定が可能である。なお、第１圧電素子１１、第２圧電素子１２の双方におけるグランドと信号線の接続を入れ替
えても測定を行うことは可能である。

図３（Ｃ）では、第１圧電素子１１の圧電効果により、第１圧電素子に加えられた振動特性を得て、対象物２０の接触や対象物２０の種別を測定する。図３（Ｄ）では、第１圧電素子１１の焦電効果により、第１圧電素子の温度変化による電圧の変化から、対象物２０の接触や種別を測定する。これらの測定により、接触した対象物２０の振動や温度変化などの情報を測定することが可能となる。

図４及び図５に本実施形態に係る複合センサ１の回路の一例を示す。ファンクションジェネレータにより、第１圧電素子１１に所定周波数の信号が印加され、フィルタリング／増幅された信号を検出装置（例えば、オシロスコープ等）に出力する。複合センサ１は、対象物２０が接触しているかどうかにより、第１平板電極１１ａと第２平板電極１１ｂのいずれかがグランドに接続されるように切替部（スイッチＡ、スイッチＢ）を有する。

図４に示すように、対象物２０の接近時（非接触時）には、スイッチＡ及びスイッチＢが、それぞれＩに接続した状態で測定される。すなわち、平板電極１１ｂをグランドに接続することで、平板電極１１ａと平板電極１２ｂとの間の静電容量を高感度に測定する。静電容量の変化を測定することで、対象物２０の接近を測定することができる。また、同時に、第１圧電素子１１からファンクションジェネレータを用いて超音波を発振し、当該発振された超音波の対象物２０からの反射信号を、電気信号に変換して検知することで、第１圧電素子１１から対象物２０までの距離を正確に測定することができる。さらに、対象物２０が熱物体であれば、対象物２０が接近する際に電圧が発生するため、対象物２０の接近を測定することができる。

特に、上記のように第１圧電素子１１から対象物２０の方向に発振された超音波で、対象物２０の距離を測定すると共に、同時に発振される第２圧電素子１２の方向への超音波を第２圧電素子１２が検知することで、対象物２０が第１圧電素子１１に接触した（押圧した）ことを超音波の伝播時間から検知することができ、対象物２０の接触をより正確に測定することができる。

したがって、超音波による伝播時間、静電容量及び熱による電圧変化を併用して測定することで、対象物２０が接近しているかどうか、その接近距離を正確且つ確実に検知することが可能となる。各測定値は、演算制御部２５に入力されて演算されることで、最終的に対象物２０の接近の有無、接近距離等が得られる。

一方、図５に示すように、対象物２０の接触時又は押圧時には、スイッチＡ及びスイッチＢが、それぞれＩＩに接続した状態で測定される。図５では、押圧した場合を示している。平板電極１１ａをグランドに接続することで、平板電極１１ｂと平板電極１２ｂとの間の静電容量を高感度に測定する。静電容量を検知することで、対象物２０の押圧力に応じた誘電体２の変形による平板電極１１ｂと平板電極１２ｂとの間の距離の変化を測定する。そうすることで、対象物２０の押圧力を測定することができる。また、同時に、第１圧電素子１１からファンクションジェネレータを用いて超音波を発振し、当該発振された超音波を第２圧電素子１２で電気信号に変換して検知することで、第１圧電素子１１と第２圧電素子との距離を正確に測定することができる。

したがって、超音波による伝播時間と静電容量を併用して測定することで、対象物２０の押圧力を正確に検知することが可能となる。各測定値は、演算制御部２５に入力されて演算されることで、最終的に対象物２０の押圧力の大きさが得られる。

図５は、対象物２０が押圧した場合を示しているが、対象物２０の振動や熱を感知して
、接触の有無や対象物２０の種別を検知することもできる。すなわち、対象物２０が振動する場合（例えば、ヒトの脈動や血流等）、その振動を第１圧電素子１１が受信し電気信号に変換して検知することで、対象物２０がヒトで、接触したことを測定することができる。また、対象物２０が熱を発する場合（例えば、ヒトの体温等）も同様に、第１圧電素子１１が熱を電気信号に変換して検知することで、対象物２０がヒトで、接触したことを検知することができる。当然、ヒトが押圧した場合には、図５に示すように、その押圧力も正確に測定することが可能である。これらの値についても、各測定値が演算制御部２５に入力されて演算されることで、最終的に対象物２０の接触の有無、種別及び押圧力等が得られる。

図４及び図５に示したように、対象物２０が接触状態であるか非接触状態であるかによって測定の方法が異なる。すなわち、切替部のスイッチＡ、Ｂを切り替える必要がある。そこで、図２の構成において、第１信号検知部２２及び静電容量検知部２４からの情報に基づいて、対象物２０が接触した瞬間を検知する接触検知部（図示しない）を設け、接触検知部が対象物２０の接触を検知した場合に、切替部のスイッチを切り替える切替制御部（図示しない）を備える構成とすることもできる。

なお、図５において、押圧力を測定する場合に、上述したように静電容量による測定と超音波による測定とを併用するが、それぞれの測定値が同値である場合はその値を採用し、異値である場合はそれらの平均値を採用するようにしてもよい。また、異値である場合はどちらか一方の測定値を採用するようにしてもよい。

どちらか一方の測定値を採用する場合、対象物２０の押圧力に応じて、採用する測定値を適宜選択できる構成とすることが望ましい。すなわち、実施例において詳細を後述するが、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２との距離が大きい場合（押圧力が小さい場合）は、押圧力の変化に対して超音波の伝播時間の変化が明らかに大きくなるため、超音波による測定値を採用し、第１圧電素子１１と第２圧電素子１２との距離が小さい場合（押圧力が大きい場合）は、押圧力の変化に対して静電容量の変化が大きくなるため、静電容量による測定値を採用する。

静電容量による測定値を採用するか超音波による測定値を採用するかの判断は、予め設定されている所定の押圧力の値を基準値として行ってもよいし、後述する図１４のグラフにおける交点の押圧力を事前に測定し、その値を基準値として行ってもよい。基準値よりも小さい場合は、超音波による測定値を採用し、基準値以上の場合は、静電容量による測定値を採用する。

上記複合センサ１は、１対の圧電素子（第１圧電素子１１と第２圧電素子１２）で誘電体２を狭持する構成であるが、図６に示すように、第２圧電素子１２に代えて平板電極１３とする構成であってもよい。この場合、上述した複合センサと異なるのは、第１圧電素子１１が発振した超音波を、第２圧電素子１２が受信して対象物２０の押圧力を検知するのではなく、第１圧電素子が平板電極１３で反射した反射信号を受信して対象物２０の押圧力を検知する。また、平板電極１３はオシロスコープ等の検出装置を通してグランドに接続された状態となっている。なお、平板電極１３は２つの電極で構成されてもよく、その場合は、内側の電極が検出装置、外側の電極がグランドに接続される。

また、本実施形態に係る複合センサは、光の情報を取得することも可能となる。光の情報を取得する場合の原理を図７に示す。図７に示すように、第１圧電素子１１、第２圧電素子１２及び誘電体２を透明又は光が通過する物体にすることで、対象物２０の光に関する情報を得ることができる。図７（Ａ）は、センサ部１０の下部に受光素子（ＰＤ）を積層化することでセンサ部１０の上部からの光を受光することでき、対象物２０がセンサ部
２０の上部にあれば、光が遮断され受光量から対象物２０の有無を検出することができる。また、図７（Ｂ）に示すように、可視以外の光を用い、センサ部１０の下部に発光素子（ＬＥＤ）を用いることで、対象物２０からの反射光を受光素子で受光し、対象物２０の有無を検出可能することができる。さらに、図７（Ｃ）に示すように、対象物２０が光を吸収することで生じる熱や振動をセンサ部１０で検知することで、対象物２０の情報を得ることが可能である。

さらに、本実施形態に係る複合センサは、図８に示すように、縦方向に延出した複数の第１圧電素子１１を平行に併設し、横方向に延出した複数の第２圧電素子１２を平行に併設し、それぞれの圧電素子をマトリックス状に交差させた平面センサとすることもできる。図８（Ｂ）は図８（Ａ）における矢印ａの矢視図である。このような構成にすることで、対象物２０の測定を面で行うことができ、押圧位置を正確に検出することができる。また、対象物２０が接近している場合に、第１平板電極１１ａと第４平板電極１２ｂとの間の静電容量の変化を正確に把握することができ、対象物２０の種別、接近距離を高精度に測定することができる。

さらにまた、図１に示す複合センサの場合、第１圧電素子１１側で対象物２０の接近、接触、押圧を測定してもよいし、第２の圧電素子１２側で対象物２０の接近、接触、押圧を測定してもよい。すなわち、信号印加部２１を第２圧電素子１２にも接続させることで、第１圧電素子１１及び第２圧電素子１２の双方で測定が可能となる。このとき、対象物２０が、第１圧電素子１１に接近しているか第２圧電素子１２に接近しているかを判定し、その判定結果に応じて、信号の印加や検知の処理を制御するようにしてもよい。

さらにまた、図５に示す複合センサの処理について、対象物２０の押圧力を測定する際に、対象物２０が接触している第１圧電素子１１から超音波を発振するのではなく、対象物２０が接触していない第２圧電素子１２から超音波を発振し、第１圧電素子１１で受信した超音波を電気信号に変換するようにしてもよい。

以下に、上記複合センサに関する実験結果を示す。

（１）実験方法
（１．１ 複合センサ）複合センサは、図１に示す複合センサと同じ構造を有し、１３ｍｍ×２５ｍｍの一対のＰＶＤＦフィルムで４０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍのウレタンシート（硬度０）を挟んだ構造である。複合センサに対して物体により負荷がかけられたときの上部ＰＶＤＦフィルム（第１圧電素子１１に相当）で振動により生じる電圧と温度変化により生じる電圧とをそれぞれ測定した。また、上部のＰＶＤＦフィルム及び下部のＰＶＤＦフィルム（第２圧電素子１２に相当）間の電気特性としての静電容量と、超音波特性としての伝播時間とを測定した。それらの測定値から、物体の振動、温度情報及び押圧力を測定した。

（１．２ 電気特性及び超音波特性の測定）図９に、電気特性及び超音波特性の測定システムの概略図を示す。電気特性に関して、ファンクションジェネレータで電圧１０Ｖ、周波数８００ｋＨｚの１波の正弦波を上部ＰＶＤＦフィルムの内側電極（平板電極１１ｂに相当）に送信し、下部ＰＶＤＦフィルムの内側電極（平板電極１２ｂに相当）に接続したディジタルストレージスコープに生じる電圧波形を測定した。超音波特性に関して、電気特性と同様に、ファンクションジェネレータにより上部ＰＶＤＦフィルムの内側電極に電圧１０Ｖ、周波数８００ｋＨｚの１波の正弦波からなるバースト波を送信し、下部ＰＶＤＦフィルムの外側電極（平板電極１２ａに相当）で受信された透過波をディジタルストレージスコープに取り込み、それらの波形から伝播時間を得た。図１０にＰＶＤＦフィル
ムの間隔を５ｍｍとしたときの送信波及び受信波の一例を示す。本実験では、受信波形の２つ目のピークまでの時間を伝播時間とした。よって、電気特性と超音波特性の同時測定が可能である。実験として、ＰＶＤＦフィルム間のウレタンシートの厚さを１ｍｍから５ｍｍまで１ｍｍ間隔で変化させたときの厚さに対する電気特性としての電圧と超音波特性としての伝播時間の測定を行った。また、押圧力を０ｋｇから５０ｋｇまで変化させた場合の電気特定としての電圧と超音波特性としての伝播時間の測定を行った。

（１．３ 振動特性及び温度特性の測定）図１１に、振動及び温度特性の測定システムの概略図を示す。振動特性に関して、上部ＰＶＤＦフィルム上に配置したスピーカにファンクションジェネレータより正弦波を与えることで振動させ、それにより生じる電圧波形を上部ＰＶＤＦフィルムで受信した。受信した電圧をローパスフィルタ(カットオフ周波数３０Ｈｚ)、増幅器（４０ｄＢ）を通し、ディジタルストレージスコープに取り込んだ。実験として、２種類の振動波形を与えた場合の電圧波形の測定を行った。温度特性に関して、スピーカを複数の温度からなる溶液で満たされたビーカに置き換え、上部ＰＶＤＦフィルムに生じる電圧波形をディジタルストレージスコープに取り込んだ。実験として溶液の温度を１６度、１９度、２７度、３４度、４２度と設定したときにＰＶＤＦフィルムに生じる電圧波形を測定した。なお、このときの室温は２７度で一定にして実験を行った。

（２）実験結果
（２．１ 電気特性及び超音波特性の測定結果）図１２に、ウレタンシートの厚さに対する電気特性としての電位と超音波特性としての伝播時間を示す。図１２より、ＰＶＤＦフィルム間の間隔が狭くなるにつれ、電気特性としての電圧は大きくなり、超音波特性としての伝播時間は小さくなることがわかる。また、間隔に対する電気特性と超音波特性の変化はそれぞれ異なっていることがわかる。これらの結果より、電気特性及び超音波特性の測定によりセンサにかかる圧力の測定が可能であり、両方の測定値を用いることで測定能力の向上を図ることが可能である。

図１３に、各押圧力における電気特性としての電位（図１３（Ａ））と超音波特性としての伝播時間（図１３（Ｂ））を示す。図１３より、押圧力が大きくなるにつれ、電気特性としての電圧は大きくなり、超音波特性としての伝播時間は小さくなることがわかる。また、図１４に、押圧力に対する電気特性としての電位と超音波特性としての伝播時間を示す。図１４より、押圧力に対する電気特性と超音波特性の変化はそれぞれ異なっていることがわかる。特に、押圧力が小さい場合（０ｋｇ〜１５ｋｇ程度）は超音波特性の変化が大きく、押圧力が大きい場合（１５ｋｇ〜）は電気特性の変化が大きくなっている。これらの結果より、本実験の場合は、例えば１５ｋｇ程度を基準値として、押圧力が基準値より小さい場合に超音波による測定値を採用し、押圧力が基準値より大きい場合に静電容量による測定値を採用することで、測定能力の向上を図ることが可能である。

（２．２ 振動特性及び温度特性の測定結果）図１５に、スピーカにより生体情報を模擬した周波数１０Ｈｚ、１波のパルスを０．５６秒間隔で発振させた場合（図１５（Ｂ））と周波数１Ｈｚ、振幅０．７Ｖの正弦波で発振させた場合（図１５（Ａ））の測定の結果をそれぞれ示す。図１５の結果から、正弦波及びパルス波のどちらの場合においても本発明に係る複合センサにより振動の検出が可能であった。

また、図１６に、対象物の温度がセンサよりも約１５度高い場合（図１６（Ａ））、約１１度低い場合（図１６（Ｂ））及びセンサと同じ温度の場合（図１６（Ｃ））の測定結果を示す。図１６の結果から、センサの温度、すなわち環境温度と対象物の温度に温度差があれば、ＰＶＤＦフィルムに電圧が生じていることがわかる。図１７に、図１６の電圧波形から得られるピーク電圧と温度との関係を示す。図１７の結果から、測定電圧により
対象の温度測定が可能であることがわかる。

（３）考察
以上の結果から、本発明に係る複合センサにより、電気及び超音波特性の同時測定から圧力測定が可能であり、上部ＰＶＤＦフィルムの電圧測定から対象の温度及び振動特性の測定が可能であることが明らかである。本発明に係る複合センサにより対象物の圧力とその温度や振動などの情報を得るために、以下のように測定を行ことができる。まず、対象物が接触したときに生じる電圧を検出し、その電圧をトリガとして、上部ＰＶＤＦフィルムで振動情報と温度情報の測定を行う。両方の電圧が混在している場合は、フィルタ処理を行うことで振動と温度情報を分離する。また、上部ＰＶＤＦフィルムに電気特性と超音波特性の測定を行うために、ＰＶＤＦフィルムに任意の交流信号を送信することで電気及び超音波特性の同時測定が可能であり、圧力測定が可能となる。よって、対象の振動及び温度情報と圧力の同時測定が可能になる。当然、上記実施の形態で説明したように、対象物が接近している場合も電気及び超音波特性の同時測定が可能である。

本実施例では、基礎特性として、一対のＰＶＤＦフィルムの実験を行ったが、図８に示すように、ＰＶＤＦフィルムの組み合わせで測定することで、物体の振動及び温度分布を含めた圧力分布の測定が可能となる。また、上部の複数のＰＶＤＦフィルムにより物体の超音波及び電気特性の測定が可能であるゆえ、測定能力の向上を測ることが可能である。

１ 複合センサ
２ 誘電体
１０ センサ部
１１ 第１圧電素子
１１ａ 第１平板電極
１１ｂ 第２平板電極
１１ｃ 第１圧電体
１２ 第２圧電素子
１２ａ 第３平板電極
１２ｂ 第４平板電極
１２ｃ 第２圧電体
２０ 対象物
２１ 信号印加部
２２ 第１信号検知部
２３ 第２信号検知部
２４ 静電容量検知部
２５ 演算制御部
２６ 出力部

Claims (11)

1. 対向して配設される一対の平板電極で圧電体を挟んで形成され、一方の前記平板電極を測定対象物が接近及び接触するように配設された第１の構造体と、
   前記第１の構造体に対向して配設され、少なくとも平板電極を有する第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体との間に挟持され、外力に対して弾性を有し、密度が略均一である誘電体と、
   前記第１の構造体の平板電極と前記第２の構造体の平板電極との間の静電容量を検知する静電容量検知手段とを備え、
   前記第１の構造体における一方の前記平板電極が前記誘電体に接触して配設され、他方の前記平板電極が測定対象物が接近及び接触されるように配設されており、
   前記測定対象物の前記第１の構造体への接近を、前記第１の構造体における１対の平板電極のうち、前記誘電体側に配設されている平板電極がグランドに接続され、前記静電容量検知手段が、前記第１の構造体の測定対象物側に配設されている平板電極と前記第２の構造体の平板電極との間の静電容量を測定することで検知し、
   前記測定対象物の前記第１の構造体への接触を、前記第１の構造体における１対の平板電極のうち、前記測定対象物側に配設されている平板電極がグランドに接続され、前記静電容量検知手段が、前記第１の構造体の誘電体側に配設されている平板電極と前記第２の構造体の平板電極との間の静電容量を測定することで検知することを特徴とする複合センサ。
2. 対向して配設される一対の平板電極で圧電体を挟んで形成され、一方の前記平板電極を測定対象物が接近及び接触するように配設された第１の構造体と、
   前記第１の構造体に対向して配設され、少なくとも平板電極を有する第２の構造体と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体との間に挟持され、外力に対して弾性を有し、密度が略均一である誘電体と、
   前記第１の構造体の平板電極と前記第２の構造体の平板電極との間の静電容量を検知する静電容量検知手段と、
   前記測定対象物が前記第１の構造体に接触したかどうかを、前記測定対象物の振動及び／又は前記測定対象物の温度による前記一対の平板電極間の電圧変化に基づいて検知する接触検知手段とを備え、
   前記第１の構造体における一方の前記平板電極が前記誘電体に接触して配設され、他方の前記平板電極が測定対象物が接近及び接触されるように配設されており、
   前記測定対象物の前記第１の構造体への接近を、前記第１の構造体における１対の平板電極のうち、前記誘電体側に配設されている平板電極がグランドに接続され、前記静電容量検知手段が、前記第１の構造体の測定対象物側に配設されている平板電極と前記第２の構造体の平板電極との間の静電容量を測定することで検知することを特徴とする複合センサ。
3. 請求項１又は２に記載の複合センサにおいて、
   前記第１の構造体に所定周波数の信号を印加する信号印加手段を備え、
   前記第１の構造体から、当該第１の構造体に接近する測定対象物の方向に発振された信号の反射信号を、前記第１の構造体にて電気信号に変換して検知する第１の信号検知手段を備えることを特徴とする複合センサ。
4. 請求項３に記載の複合センサにおいて、
   前記測定対象物が前記第１の構造体に接触したかどうかを検知する接触検知手段を備え、
   前記第１の構造体の検知に応じて、当該第１の構造体における平板電極とグランドとの接続を切り替える接続切替手段を備えることを特徴とする複合センサ。
5. 請求項４に記載の複合センサにおいて、
   前記第１の構造体から前記第２の構造体の方向に発振された信号を、前記第２の構造体にて電気信号に変換して検知する第２の信号検知手段を備え、
   前記接触検知手段が、前記測定対象物の振動及び／もしくは前記測定対象物の温度による前記第１の構造体における前記一対の平板電極間の電圧変化、並びに／又は、前記第２の信号検知手段が検知した電気信号に基づく前記第１の構造体から前記第２の構造体までの信号の伝播時間に基づいて、前記測定対象物の接触を検知することを特徴とする複合センサ。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の複合センサにおいて、
   前記第１の構造体から前記第２の構造体の方向に発振された信号を、前記第２の構造体にて電気信号に変換して検知する第２の信号検知手段を備え、
   前記測定対象物が前記第１の構造体に接触している場合に、前記測定対象物から前記第１の構造体への押圧力が所定の基準値以下であれば、前記第２の信号検知手段が検知した信号に基づいて前記押圧力を算出し、前記測定対象物から前記第１の構造体への押圧力が所定の基準値を超えていれば、前記静電容量検知手段が検知した静電容量に基づいて前記押圧力を算出する複合センサ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の複合センサにおいて、
   前記第２の構造体が、対向して配設される一対の平板電極で圧電素子を挟んで形成され、前記第１の構造体に対向して配設されることを特徴とする複合センサ。
8. 請求項３ないし７のいずれかに記載の複合センサにおいて、
   前記第１の信号検知手段が、前記第１の構造体が受けた前記測定対象物からの熱を信号として検知することを特徴とする複合センサ。
9. 請求項３ないし８のいずれかに記載の複合センサにおいて、
   前記測定対象物の方向に対して光を照射する発光素子を備え、
   前記第１の信号検知手段が、前記発光素子が照射した光を前記測定対象物が吸収したことによる熱及び／又は振動を検知することを特徴とする複合センサ。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の複合センサにおいて、
    前記測定対象物の方向から照射される光を受光する受光素子を備え、
    前記受光素子が受光した光に関する情報に基づいて、前記測定対象物の有無を検知することを特徴とする複合センサ。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の複合センサにおいて、
    前記測定対象物の方向に対して光を照射する発光素子と、
    前記測定対象物の方向から照射される光を受光する受光素子とを備え、
    前記受光素子が、前記発光素子から照射された光の前記測定対象物からの反射光を受光して得られた情報に基づいて、前記測定対象物の有無を検知することを特徴とする複合センサ。