JP6257444B2 - 関節角度センサおよび関節角度検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、人体の関節の曲げ角度を検出する技術に係り、特に人体の関節部分の自由な動きを許容しつつ、関節の曲げ角度を容易に且つ精度良く検出することを可能とする、新規な関節角度センサおよび関節角度検出方法に関するものである。

従来から、角度センサとしては、複数の圧電素子をブリッジ回路で接続した特許第４８５５３７３号公報（特許文献１）に記載の曲げセンサや、湾曲部分の内外周に配した圧電フィルム等の圧電素子の起電力差に基づいて角度検出する特許第４４２７６５５号公報（特許文献２）に記載の曲げ変形センサなどのように、圧電素子の湾曲に伴う起電力の変化に基づいて湾曲角度を検出するものが知られている。

ところが、これらの圧電素子を利用した従来構造の角度センサは、圧電素子の変形抵抗により曲げ抵抗が大きくなりやすいという問題があった。それ故、人体の関節の曲げ角度の検出に適用すると、人体の関節の動きを制限してしまうおそれがあり、装用者に不快感を与えてしまうという問題があった。

そこで、特開平７−７５６３０号公報（特許文献３）には、関節を挟んだ各一方の側に永久磁石と磁電変換素子を配し、それら永久磁石と磁電変換素子の離間距離が関節の曲げに伴って変化することに基づいて、磁電変換素子の起電力で関節の曲げ角度を検出する関節角度センサが提案されている。

しかし、特許文献３に記載の関節角度センサでは、関節の動きへの拘束力は軽減されるものの、十分な検出精度を得ることが難しく、外部磁界の影響も受けることから信頼性と安定性の確保も問題であった。

特許第４８５５３７３号公報 特許第４４２７６５５号公報 特開平７−７５６３０号公報

ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、人体の関節の動きを制限しないで装用者の不快感を回避しつつ、人体の関節の曲げ角度を精度良く且つ優れた応答性をもって検出することのできる、新規な関節角度センサおよび関節角度検出方法を提供することにある。

本出願人は、先に特開２００９−２０００６号公報において、エラストマ製の誘電膜の両面に導電性エラストマからなる電極膜が設けられた弾性変形可能な静電容量型センサを提案した。かかる静電容量型センサでは、誘電膜と電極膜からなるセンサ全体が弾性的に伸縮変形可能とされていることから、人体が触れる面に装着してソフトな触感を保ちつつベッド等の面圧センサや椅子等の着座センサなどに用いることができる。

そして、かかる先の出願では、そこに開示した静電容量型センサは、曲げ変形に際してのキャパシタンスの変化に基づいて、曲げ変形の有無を検出したり、凸曲げ変形か凹曲げ変形かを識別して曲げ方向を検出することも可能であることまで、開示した。

その後、本発明者が、かかる先の出願の静電容量型センサについて更なる検討を重ねた結果、かかる静電容量型センサを利用することで、曲げ変形の有無や曲げ方向だけでなく曲げ角度の検出までも、実用レベルでの精度と速度をもって行うことが可能であることが新たにわかったのであり、その結果、本発明を完成するに至ったのである。

以下、前述の如き課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。

本発明の第１の態様は、人体の関節部分に装用されて関節の曲げ角度を検出する関節角度センサであって、（ａ）エラストマ製の誘電膜の両面に導電性エラストマからなる電極膜が設けられた弾性変形可能な静電容量型センサと、（ｂ）該静電容量型センサにおける一方の該電極膜側に重ね合わされて該静電容量型センサの曲げ変形の形状を規定する変形規定部材と、（ｃ）該変形規定部材の存在下での該静電容量型センサにおける曲げ変形角度と静電容量との関係を表す演算モデルに基づいて該静電容量型センサにおける静電容量の検出値から曲げ変形角度を求める角度演算装置とを、有する関節角度センサを特徴とする。

本態様に従う構造とされた関節角度センサでは、静電容量型センサそのものとしては前述の先の出願（特開２００９−２０００６号公報）に開示のものと同じものが採用され得るが、そこにおいて、先ず、変形規定部材を採用して弾性変形可能な静電容量型センサの自由な変形を制限することで変形態様を特定できる構造にした。そのうえで、静電容量型センサの曲げ角度と静電容量との関係を表す演算モデルを予め取得した。即ち、変形規定部材で静電容量型センサの変形態様を特定したことで、簡易で且つ精度の良い演算モデルを構築することができるのであり、この演算モデルを用いることで、関節に装着した静電容量型センサが曲げ変形された際に、その静電容量の検出値から関節角度を逆算的に求めることが可能となるのである。

特に本態様では、エラストマからなる弾性変形可能な静電容量型センサを採用したことにより、人体の関節部分に装着することで、特許文献１，２に記載の如き圧電素子を用いた角度センサのように関節に負担をかけるもことなく、また特許文献３に記載の如き磁電変換素子を用いた角度センサに比して良好な精度をもって、関節角度を検出することができる。その結果、例えば人体の動作を補助するアシストスーツにおけるアクチュエータの作動制御等に際しても、かかるアシストスーツに対して本態様の関節角度センサを装備することで、関節角度の検出を実用レベルの精度と応答速度をもって行うことが可能になるのである。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る関節角度センサであって、前記角度演算装置における前記演算モデルとして、以下の条件（１）〜（５）の少なくとも一つを一定と見做すことで簡略化された演算モデルが採用されているものである。
（１）前記静電容量型センサの曲げ変形領域は全長に亘って曲率が一定。
（２）前記静電容量型センサの曲げ変形領域は全長に亘って断面形状が一定。
（３）前記静電容量型センサの前記変形規定部材への重ね合わせ側の面は曲げ変形の有無に拘わらず寸法が一定。
（４）前記静電容量型センサは曲げ変形の有無に拘わらず体積が一定。
（５）前記静電容量型センサの断面では曲げ変形に際しての幅方向の寸法変化率と高さ方向の寸法変化率との相対比が一定。

本態様に従う構造とされた関節角度センサでは、静電容量型センサにおける曲げ変形とそれに伴う静電容量の検出値の変化との関係を表す演算モデルを一層簡潔化することが可能となり、実用性の向上が図られ得る。なお、上記の条件（５）における幅方向の寸法変化率は、変形規定部材へ重ね合わされて拘束された面と反対側の自由表面における幅方向の寸法を対象とする。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に係る関節角度センサにおいて、前記角度演算装置が、前記静電容量型センサにおける静電容量の検出値と曲げ変形角度との関係を前記演算モデルに基づいて求めたデータテーブルを記憶する記憶手段を備えているものである。

本態様に従う構造とされた関節角度センサでは、演算モデルに基づいて予め求めたデータテーブルを用いることで、静電容量の検出値から曲げ変形角度を都度演算する場合に比して、演算装置の処理能力が低くて済むと共に、目的とする曲げ変形角度を速やかに求めることが可能となり、実用性の更なる向上が図られ得る。

本発明の第４の態様は、人体の関節の曲げ角度を検出する関節角度検出方法であって、エラストマ製の誘電膜の両面に導電性エラストマからなる電極膜が設けられた弾性変形可能な静電容量型センサに対して、一方の該電極膜側に重ね合わされて該静電容量型センサの曲げ変形の形状を規定する変形規定部材が設けられたセンサ装置本体を用い、該センサ装置本体を人体の関節部分に装用せしめて、該変形規定部材の存在下での該静電容量型センサにおける曲げ変形角度と静電容量との関係を表す演算モデルに基づいて該静電容量型センサにおける静電容量の検出値から曲げ変形角度を求める関節角度検出方法を、特徴とする。

本態様の関節角度検出方法に従えば、変形規定部材で変形態様を特定した静電容量型センサを採用して演算モデルを用いることで、静電容量の検出値から関節角度を効率的に且つ十分な精度をもって求めることが可能になる。

なお、本態様の関節角度検出方法においては、前述の本発明の第２の態様に挙げた条件（１）〜（５）を選択的に採用して演算モデルを構築することが可能であり、それによって、演算モデルを用いて関節角度を求める処理を一層効率化して応答速度の向上等を図ることできる。

また、本態様の関節角度検出方法では、前述の本発明の第３の態様に記載の如きデータテーブルを予め演算モデルから求めて作成しておくことも可能であり、それによって、演算モデルに基づく静電容量の検出値から曲げ変形角度を求める演算処理速度を実質的に向上させることができる。

本発明に従えば、変形規定部材で変形態様を特定した静電容量型センサを採用すると共に、その演算モデルを利用することにより、静電容量の検出値から関節角度を効率的に且つ十分な精度をもって求めることができる。その結果、弾性変形可能な静電容量型センサを用いて関節に負担をかけることなく、関節曲げ角度を精度良く且つ良好な応答性をもって検出することができて、例えばアシストスーツなどへ装着されて関節角度を常時検出する実用的な関節角度センサも実現可能となるのである。

本発明の第１の実施形態としての関節角度センサとその曲げ変形態様を示す説明図。 図１に示された関節角度センサの人体への装用状態を説明するモデル図。 図１に示された関節角度センサの演算モデルにおける変形態様を説明するモデル図。 図１に示された関節角度センサの演算モデルにおける簡略化の条件を正面視において説明するモデル図。 図１に示された関節角度センサの演算モデルにおける簡略化の条件を斜視において説明するモデル図。 図１に示された構造の関節角度センサについて、曲げ変形時の実測値と演算モデルを用いた演算値とを比較して示すグラフ。

以下、本発明を、更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。先ず、図１には、本発明の一実施形態としての関節角度センサ１０が示されている。かかる関節角度センサ１０は、全体として曲げ変形可能な静電容量型センサ１２を備えており、図２に示されているように人体の関節部分に装用せしめた状態で、角度演算装置１４において、静電容量型センサ１２で検出される静電容量または静電容量の変化から曲げ変形角度を関節角度として計測するようになっている。なお、図１は、関節角度センサ１０の構造を明示するために要部を誇張表示等しており、各部材や各部位の寸法や形状を正確に表すものでない。

より詳細には、関節角度センサ１０を構成する静電容量型センサ１２は、誘電膜２０の表裏に一対の電極膜２２，２４が被着された積層構造のセンサ本体２６を有している。このセンサ本体２６は、安定した湾曲形状を呈するように矩形などの一定断面形状で長さ方向に直線的に延びる板状や棒状を有しており、その具体的構造は、前述の特開２００９−２０００６号公報にも記載されているが、好適な構成について簡単に説明する。

誘電膜２０は、弾性変形可能なエラストマ製とされており、ゴム又はエラストマ樹脂で形成されている。人体の関節部位への装用状態で、人体の関節の動きに過度の拘束力を及ぼさないで容易に弾性変形し得るように、例えばヤング率を１０ＭＰａ以下とすることが望ましいが、断面形状や断面積、長さなどの具体的形状を考慮して曲げ変形特定を設定することができるから、装用者の筋力や装用する関節部位などに応じて、耐久性や変形安定性などを考慮して、誘電膜２０の弾性特性は適宜に設定し得る。

尤も、特定方向の曲げ変形が安定して生ぜしめられるようにすると共に、キャパシタンスを大きくして検出感度の向上を図る目的から、所定幅を有する薄肉の一定断面で長さ方向（図１中の上下方向）に延びる略矩形の短冊状とされることが望ましい。具体的には、１〜３０００μｍの膜厚が好適に採用される。

因みに、誘電膜２０の具体的材質は限定されるものでないが、検出精度を確保するのに比誘電率が高いものが望ましく、シリコーンゴムやアクリルゴム、塩素化ポリエチレンなどが好適に採用され得る。

このような誘電膜２０の表裏には、それぞれの殆ど全面を覆うようにして、一対の電極膜２２，２４が直接に重ね合わされて被着されている。これらの電極膜２２，２４も、弾性変形可能なエラストマ製とされており、誘電膜２０と一対の電極膜２２，２４が一体的に弾性変形して湾曲変形が許容されるようになっている。

なお、電極膜２２，２４は、誘電膜２０と同様なエラストマ製とされるが、導電性を付与するために、炭素材料や金属等の微粒子からなる導電性フィラーとの混合物からなるエラストマ組成物にて形成される。例えば、誘電膜２０と同じエラストマ材料からなる電極膜２２，２４を採用して、それらを一体的に加硫成形することで、誘電膜２０と電極膜２２，２４とを強固に一体化させることも可能である。

特に、導電性フィラーとしては、分散性を考慮して０．０１〜０．５μｍの一次平均粒子径を有するものが好ましい。また、アスペクト比（短辺に対する長辺の比）が１以上と大きい針状の導電性フィラーは、混合率を抑えつつ高い導電性を付与できることから好適である。更にまた、導電性フィラーは、電極膜２２，２４の成形加工性や伸縮性等を確保しつつ所望の導電性を発現させるために、好適には電極の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の３０ｖｏｌ％以下の配合量で、エラストマ材料に混合される。

また、電極膜２２，２４の膜厚は、特に限定されるものではないが、誘電膜２０に対する追従性や耐久性等を考慮して、１〜１００μｍの範囲内に設定されることが望ましい。更に、誘電膜２０への追従性を高めるために、電極膜２２，２４のヤング率を誘電率と同等かそれ以下とし、引張り試験（ＪＩＳ Ｋ ６２５１）の切断時伸びが２００％以上とすることが望ましい。

更にまた、誘電膜２０の両面に安定した起電力を及ぼして検出精度を確保するために、電極膜２２，２４の電気抵抗は１００ｋΩ以下であることが望ましく、１００％引き伸ばした時の抵抗値の変化が１０倍以下のものが好適である。

このような誘電膜２０と一対の電極膜２２，２４からなる積層構造を有するセンサ本体２６には、積層方向の一方の面に対して変形規定部材３０が重ね合わされて固着されている。そして、これらセンサ本体２６および変形規定部材３０によりセンサ装置本体３１が構成されている。

特に本実施形態では、誘電膜２０と一対の電極膜２２，２４が何れも薄肉の短冊シート形状とされており、それらと略同じ薄板形状の変形規定部材３０が用いられ、一方の電極２４の全面に対して変形規定部材３０が重ね合わされて密着状態で固着されている。これにより、変形規定部材３０が、センサ本体２６と一体化されており、センサ本体２６と変形規定部材３０とが一体的に変形せしめられるようになっている。

かかる変形規定部材３０は、外力が及ぼされた際に安定した所定形状へ変形可能とされた弾性材であり、センサ本体２６に比して初期形状の保持力と変形形状の安定性が優れている。好適には、１０Ｎ等の荷重の入力が予定される領域において引張や圧縮の変形が実質的に無視される程に小さく、直交３軸方向のうちの一方向だけの断面二次モーメントが他方向に比して格段に小さくされることで、外力が及ぼされた際に当該一方向の曲げ変形が安定して生ぜしめられるようにされる。

具体的には、薄肉の矩形平板形状とされることにより、板面に直交する曲率半径をもって湾曲形状に変形する曲げ変形が安定して生ぜしめられるようにすることができる。また、断面二次モーメントが全長に亘って一定となる形状を採用することで、所定の曲げモーメントが外力として及ぼされた際に、長手方向の全長に亘って略一定の曲率で湾曲変形するようにすることができる。

さらに、安定した変形態様を確保するためには、少なくともセンサ本体２６よりも大きな曲げ剛性を有するが、装用する関節の動きに対して違和感を与えない程度に小さく設定することが好ましい。具体的な材質は特に限定されるものでないが、ポリイミドやポリエチレン等の薄肉の樹脂プレートや薄肉のバネ鋼などの金属プレートも採用可能である。

また、電気安定性を考慮して絶縁材とすることが好適であるが、例えば導電性の材質からなる変形規定部材３０を採用することも可能である。その場合には、電極膜２４と変形規定部材３０との間に絶縁膜を介在させて電気的に絶縁する他、変形規定部材３０を介して、電極膜２４に給電等したり、変形規定部材３０を直接に誘電膜２０に重ね合わせて固着することにより変形規定部材３０で電極膜２４を構成することも可能である。

このような構造とされた静電容量型センサ１２は、例えば特開２０１３−２０８３９７号公報や特開２０１４−０１８５３６号公報等に記載の如き人体に装用されるアシストスーツに装着されることにより、図２に示されているように、人体の関節部位に装用される。かかる装用状態下では、関節の屈曲に伴って湾曲変形されることとなり、図２の例示では人体３２の股関節の部分に装用され、骨盤に対する大腿骨の動きによって発生する股関節の角度変化に伴って、静電容量型センサ１２が湾曲変形するようになっている。

なお、静電容量型センサ１２は、図２中に拡大説明図が示されているように、それを構成するセンサ本体２６および変形規定部材３０の板厚方向が人体３２の前後方向とされて、板面に直交する曲率半径をもって湾曲変形するように装用される。

また、静電容量型センサ１２は、股関節の屈曲に伴う外力の作用により、その長さ方向の両端に同等の曲げモーメントが及ぼされることで全体として略一定の曲率をもった円弧形状に弾性変形されるようになっている。具体的には、図３に示されているように、センサとして機能する全長Ｌに亘る曲げ変形領域の長さ方向の両端３４，３６が入力点とされることで、長さ方向の中央点が屈曲点となる股関節３８と略一致するように設定されている。

具体的には、人体の表面に密着状態で且つ固定的に装着されたアシストスーツにおいて、体側に沿って股関節３８を跨いで延びるように配された静電容量型センサ１２の一端３４が腰部側に固着されると共に、他端３６が大腿骨側に固着されることにより、股関節３８の屈曲に際して静電容量型センサ１２の両端３４，３６を通じて曲げモーメントが静電容量型センサ１２の全体に及ぼされることとなる。

なお、静電容量型センサ１２は、その両端３４，３６を除く長さ方向中間部分の全長に亘って、変形を拘束せずに自由な変形変位を許容した状態で装用することが望ましい。また、静電容量型センサ１２の両端３４，３６は、所定長さで延長される等してアシストスーツに対する固定代を設けることが可能であり、静電容量型センサ１２の両端３４，３６にも曲げモーメントが作用する構造を採用することで、静電容量型センサ１２の変形時の曲率を両端部まで全長に亘ってより均一にすることができる。尤も、変形規定部材３０を含む静電容量型センサ１２の変形態様が特定されて実用的な演算モデルが構築される限り、静電容量型センサ１２の両端３４，３６をアシストスーツに対してピンなどで回転可能に固定することも可能である。

これにより、図３（ａ）に一点鎖線で示された大腿の伸長状態から、図３（ｂ）に一点鎖線で示されているように前方に蹴り上げた屈曲状態をとることで、静電容量型センサ１２には、両端３４，３６間で円弧状の湾曲が生ぜしめられることとなる。そして、この湾曲状態の曲率半径Ｒが、股関節３８の屈曲角度θ又はφに対応した値をとることになる。

ここにおいて、股関節３８の屈曲に伴って静電容量型センサ１２に生ぜしめられる変形態様は、静電容量型センサ１２の変形態様が変形規定部材３０で規定されていることにより数学的に演算式を用いたモデルによって近似的に表すことが可能である。特に変形規定部材３０によって変形態様を規定することで、実用的に良好な精度と演算処理可能な効率化を実現しうる演算モデルを構築することが可能とされる。

具体的には、図４，５に示された寸法関係において、以下の条件（１）〜（５）の各条件を一定にする簡略化条件を適宜に採用することで、効率的な演算モデルを得ることができる。
（１）静電容量型センサ１２の曲げ変形領域は全長に亘って曲率が一定。
（２）静電容量型センサ１２の曲げ変形領域は全長に亘って断面形状が一定。
（３）静電容量型センサ１２の変形規定部材３０への重ね合わせ側の面は曲げ変形の有無に拘わらず寸法が一定。
（４）静電容量型センサ１２は曲げ変形の有無に拘わらず体積が一定。
（５）静電容量型センサ１２の断面では曲げ変形に際しての幅方向の寸法変化率と高さ方向の寸法変化率との相対比が一定。

これらの条件（１）〜（５）は少なくとも一つを採用し、また要求される精度や演算能力等を考慮して適宜に複数を組み合わせて採用することができる。以下では、条件（１）〜（５）の全てを採用することで簡略化した演算モデルを例示する。

すなわち、変形規定部材３０の板厚をｄとし、曲げ変形の中立軸が変形規定部材３０の板厚方向の中央を通るものとすると、図４，５に示す直線状の初期形状から円弧状の湾曲形状へ変化するに際して、余弦定理を用いて下式が成立する。なお、ｌ₀ は初期形状におけるセンサ本体２６の曲げ変形領域における中立軸の長さ、ｌ₁ はセンサ本体２６の電極膜２４側の長さ、ｌ₂ はセンサ本体２６の電極膜２２側の長さである。また、ｈ₀ は初期形状におけるセンサ本体２６の断面の高さ寸法、ｈは湾曲形状におけるセンサ本体２６の断面の高さ寸法であり、ｗ₀ は初期形状におけるセンサ本体２６の断面の幅寸法、ｗは湾曲形状におけるセンサ本体２６の断面の電極膜２２側の幅寸法である。センサ本体２６の断面の電極膜２４側の幅寸法は、変形規定部材３０により初期寸法ｗ₀ に保たれる。

ｌ₀ ＝Ｒφ

初期形状では、ｌ₀ ＝ｌ₁ ＝ｌ₂ となるが、湾曲形状では、下式で表される。

ｌ₁ ＝（（Ｒ−（ｄ／２））φ
ｌ₂ ＝（（Ｒ−（ｄ／２）−ｈ）φ

センサ本体２６の全体形状について、初期形状では直方体形状とされている一方、変形形状では四錐体状に近似することになる。即ち、変形規定部材３０の表面に垂直で幅方向に延びる切断面における断面形状は、曲率半径Ｒで中心角φの円弧上で一定であり、図５に示されるように、上辺がｗ，下辺がｗ₀ ，高さがｈの台形状とみなされる。加えて、上記の条件（４）により、変形前後で体積不変とすることで、下式が成立する。

（ｈ／６）（（ｗｌ₁ ＋ｗ₀ ｌ₂ ＋２（ｗ₀ ｌ₁ ＋ｗｌ₂ ））＝ｌ₀ ｗ₀ ｈ₀

また、上記の条件（５）から、下式が成立する。
｜ｗ／ｗ₀ ｜＝｜ｈ／ｈ₀ ｜

従って、上述の式を相互に代入してまとめると下式が導かれる。
ｈ₀ ／３Ｒ＝（（（ｈ／ｈ₀ ）−１）（（ｈ／ｈ₀ ）＋２））／（（ｈ／ｈ₀ ）（２（ｈ／ｈ₀ ）² ＋１）＋３／２（ｄ／ｈ₀ ）（（ｈ／ｈ₀ ）² ＋１））

このようにして得られた方程式について、全ての寸法が正値であり且つ変化率（ｈ／ｈ₀ ）が１に近い値をとる条件に基づいて解くことにより、得られた高さの変化率（ｈ／ｈ₀ ）から、初期形状の高さｈ₀ や長さｌ₀ が求まることとなる。

一方、センサ本体２６における静電容量Ｃは、下式で表されることから、誘電膜２０の比誘電率ε_r や電極面積Ｓが略一定とすると、電極膜２２，２４間の距離Ｔに相当するセンサ本体２６の高さの変化率（ｈ／ｈ₀ ）に基づいて、上記の方程式で表される演算モデルにより、初期形状から所定の湾曲変形形状に変化した際の静電容量の変化率を求めることができる。

Ｃ＝ε₀ ε_r Ｓ／Ｔ
ただし、ε₀ は真空中の誘電率

上述のとおり、適切な変形条件を設定することにより、関節部位に装用せしめたセンサ本体２６における静電容量を検出し、関節の屈曲に伴って曲げ変形せしめられるセンサ本体２６の静電容量の初期形状からの変化率を求めれば、変形態様を数式で表した演算モデルを用いて、上述の演算とは逆算的に、静電容量の変化率からセンサ本体２６の曲げ角度θまたはφを算出することができるのである。

また、静電容量型センサ１２では、曲げ変形に際しての中立軸が変形規定部材３０にあり、図１に示されているように、曲げ方向によって、中立軸に対するセンサ本体２６の相対位置が反対になる。それ故、図１中の左側に示されているように、変形規定部材３０のセンサ本体２６側の面が凹形状となる凹曲げ変形時には、誘電膜２０の長さ寸法が小さくなって高さ（厚さ）寸法が大きくなることで、電極膜２２，２４間の対向距離が大きくなる一方、図１中の右側に示されているように、変形規定部材３０のセンサ本体２６側の面が凸形状となる凸曲げ変形時には、誘電膜２０の長さ寸法が大きくなって高さ（厚さ）寸法が小さくなることで、電極膜２２，２４間の対向距離が小さくなる。それ故、静電容量の変化率は、凹曲げ変形時と凸曲げ変形時とで大小反対となり、湾曲変形の大きさだけでなく方向も合わせて求めることができる。

因みに、図１に示された本実施形態の静電容量型センサ１２を試作し、その静電容量変化と湾曲変形角度との関係を実測した結果を、上述の条件（１）〜（５）を採用した演算モデルに基づいて静電容量変化率の検出値から湾曲変形角度を求めた結果と併せて、図６のグラフに示す。

なお、誘電膜２０は、ポリウレタン製の厚さが略０．２ｍｍのシートを採用した。また、電極膜２２，２４としては、藤倉化成株式会社製「ドータイト（登録商標）ＦＡ−３１２」を採用して、誘電膜２０の両面にスクリーン印刷することでセンサ本体２６とした。更に、変形規定部材３０としては、６- ナイロン製の厚さ略１ｍｍの薄板を採用して、センサ本体２６に対して接着した。

そして、角度演算装置１４が備える作動電源としての高周波電源４０により電極膜２２，２４間に略１０００Ｈｚの高周波電圧を印加し、静電容量（キャパシタンス）を検出した。静電容量の検出値は、演算器４２において予め求められた上述の演算モデルを用いて演算処理されて、静電容量変化からセンサ本体２６の曲げ変形角度を求めることができ、求められた曲げ変形角度（θ）は、股関節の屈曲角度とみなすことができる。なお、得られた変形角度は、プリンタやモニタなどの出力装置４４によって、数値やグラフなどの各種態様で外部出力することができる。

また、演算器４２は、センサ本体２６による静電容量の検出値から演算モデルに基づいて曲げ角度を逐次に求める他、例えば、予め演算モデルに基づいて多数の静電容量の変化率と曲げ角度との関係を求めてデータテーブルとしてメモリ等の記憶手段４６に記憶しておくこともできる。このようなデータテーブルを採用することで、演算器４２は、静電容量の検出値から対応する曲げ角度を選択したり、適切な補間法で記憶データ間を補完することで、必要とされる曲げ角度を出力することができる。これにより、逐次に演算処理する場合に比して、演算器４２の負担も軽減されて、一層速やかな関節角度センシングが実現可能になる。

而して、図６のグラフに示された実験結果から、本発明に従う演算モデルを採用した角度センサが、人体の関節角度を高精度に検出し得ることが理解される。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明は上述の具体的な記載によって何等限定的に解釈されるものでない。

例えば、前記実施形態では、前述の条件（１）〜（５）の少なくとも一つを採用することで演算モデルを効率的に且つ優れた精度を確保しつつシンプルにすることが可能であるが、その他、条件（１）〜（５）のなかで採用しない条件については、実際の変形態様や要求精度等を考慮して、より適合性の高い条件や、反対に更に簡略化した条件を採用することもできる。そして、本発明では、条件（１）〜（５）をより適合性の高い条件としたり簡略化した条件として少なくとも一つを採用することや、条件（１）〜（５）の幾つかを採用するのと併せて、採用しない条件（１）〜（５）については、より適合性の高い条件としたり簡略化した条件として少なくとも一つを採用することも可能である。

具体的には、上記条件（１）を採用しない場合でも、例えば曲げ変形領域を静電容量型センサの長さ方向で複数箇所に分けて各箇所ごとに一定の曲率を採用したり、静電容量型センサの長さ方向で特定の曲率変化を採用することで、より適合性の高い条件を採用して演算モデルに基づく角度測定精度の向上を図ることが可能である。同様に、条件（２）を採用しない場合でも、例えば端面が拘束されない自由端とされることを考慮して、中央部分と両端部分で断面形状を異ならせたり、両端部分の所定長さ領域では断面形状の変化率を長さ方向で異ならせることで、より適合性の高い条件を採用することができる。また、条件（３）では、例えば変形規定部材が厚肉で湾曲時の内面と外面の相対的な寸法変化を考慮すべき場合や、変形規定部材が剛性材でなく変形を考慮すべき場合などでは、静電容量型センサの変形規定部材への重ね合わせ側の面についても曲げ変形量に応じた寸法変化を考慮することができる。更にまた、条件（４）では、例えば曲率変化に応じた体積変化を考慮することも可能であり、それによって、静電容量型センサを構成する誘電膜や導電膜の材質が圧縮性のものを採用した場合でも高度な測定精度を得ることができる。更に、条件（５）では、曲げ変形時の応力分布を考慮して、長さ方向の中間部分と両端部分など部位ごとに幅方向の寸法変化率と高さ方向の寸法変化率との相対比を異ならせることも可能である。

また、かかる条件（５）において、幅方向では寸法変化せずに高さ方向にだけ寸法変化が生ずることとして演算モデルの更なる簡略化による演算処理効率の向上を図ることができる。このような演算モデルでは、誘電層の体積が一定で且つｗ＝ｗ₀ とされることから、前記実施形態の条件式に変わって下式が採用される。
（（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）／２）ｗ₀ ｈ＝ｌ₀ ｗ₀ ｈ₀

従って、前記実施形態よりも簡略化された下式が導かれることとなり、この式を定数が正値となる条件を考慮して、ｈ／ｈ₀ で解くことができるから、前記実施形態と同様に静電容量を求める演算式と併せて演算モデルを構築することができる。
２Ｒ／ｈ₀ ＝（ｈ／ｈ₀ ）（（（２Ｒ−ｄ）／ｈ₀ ）−（ｈ／ｈ₀ ））

また、静電容量型センサ１２で採用する誘電膜２０の特性等を考慮して、曲げ変形の測定角度領域を特定したり、温度変化補償を加えたりすることで、測定精度の信頼性を向上させることも可能である。

更にまた、静電容量型センサ１２を構成する誘電膜２０と一対の電極膜２２，２４を複数積層することも可能であり、静電容量の変化量を大きくして測定精度の向上を図ることもできる。

加えて、前記実施形態では、股関節の屈曲角度の測定センサに本発明を適用したものを例示したが、膝や肩、肘などの人体の各関節部位の角度センサとして、何れも適用可能である。

１０：関節角度センサ、１２：静電容量型センサ、１４：角度演算装置、２０：誘電膜、２２，２４：電極膜、２６：センサ本体、３０：変形規定部材、３１：センサ装置本体、４０：高周波電源、４２：演算器、４６：記憶手段

Claims (4)

1. 人体の関節部分に装用されて関節の曲げ角度を検出する関節角度センサであって、
   エラストマ製の誘電膜の両面に導電性エラストマからなる電極膜が設けられた弾性変形可能な静電容量型センサと、
   該静電容量型センサにおける一方の該電極膜側に重ね合わされて該静電容量型センサの曲げ変形の形状を規定する変形規定部材と、
   該変形規定部材の存在下での該静電容量型センサにおける曲げ変形角度と静電容量との関係を表す演算モデルに基づいて該静電容量型センサにおける静電容量の検出値から曲げ変形角度を求める角度演算装置と
   を、有することを特徴とする関節角度センサ。
2. 前記角度演算装置における前記演算モデルとして、以下の（１）〜（５）の少なくとも一つを一定と見做すことで簡略化された演算モデルが採用されている請求項１に記載の関節角度センサ。
   （１）前記静電容量型センサの曲げ変形領域は全長に亘って曲率が一定。
   （２）前記静電容量型センサの曲げ変形領域は全長に亘って断面形状が一定。
   （３）前記静電容量型センサの前記変形規定部材への重ね合わせ側の面は曲げ変形の有無に拘わらず寸法が一定。
   （４）前記静電容量型センサは曲げ変形の有無に拘わらず体積が一定。
   （５）前記静電容量型センサの断面では曲げ変形に際しての幅方向の寸法変化率と高さ方向の寸法変化率との相対比が一定。
3. 前記角度演算装置が、前記静電容量型センサにおける静電容量の検出値と曲げ変形角度との関係を前記演算モデルに基づいて求めたデータテーブルを記憶する記憶手段を備えている請求項１又は２に記載の関節角度センサ。
4. 人体の関節の曲げ角度を検出する関節角度検出方法であって、
   エラストマ製の誘電膜の両面に導電性エラストマからなる電極膜が設けられた弾性変形可能な静電容量型センサに対して、一方の該電極膜側に重ね合わされて該静電容量型センサの曲げ変形の形状を規定する変形規定部材が設けられたセンサ装置本体を用い、
   該センサ装置本体を人体の関節部分に装用せしめて、
   該変形規定部材の存在下での該静電容量型センサにおける曲げ変形角度と静電容量との関係を表す演算モデルに基づいて該静電容量型センサにおける静電容量の検出値から曲げ変形角度を求めることを特徴とする関節角度検出方法。