JP6522740B2 - 荷重計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、履物の内底に設けられる荷重センサ部を備えてなる荷重計測装置に関する。
従来より、履物の内底に設けられる荷重センサ部を備えてなる荷重計測装置が知られている。この荷重計測装置は、下肢に掛かる荷重を自由な歩行中に計測できる。そのため、下肢にかける荷重を徐々に増していくような下肢のリハビリテーションなどに有用である。この荷重計測装置の中には、その荷重センサ部における荷重による静電容量の変化を電気的に検出するものが有る。
例えば、特許文献1には、靴の敷皮状に形成され、足底の各部分(後足部分、左側前足部、右側前足部)にかかる部分荷重に対応してそれぞれ静電容量が変化する複数の可変容量式圧力センサ(荷重センサ部)を有する歩行因子解析装置(荷重計測装置)が開示されている。可変容量式圧力センサの可変容量コンデンサの容量変化は、パルス発振周波数の変化として取り出される。この歩行因子解析装置は、各部分の部分荷重を計測して、より厳密な歩行状態の解析を行うことができる。
また、特許文献2には、装着者の足の裏面の輪郭形状に合わせて形成され、体重移動によって変化する足の裏面の複数箇所の静電容量を検出する荷重測定部(荷重センサ部)を有する重心位置検出装置(荷重計測装置)が開示されている。静電容量を形成する上側電極と下側電極のうち一方をGNDに接続し他方を定電圧電源に接続し、上側電極と前記下側電極との間の電圧値が所定値に達するまでの時間から静電容量を演算する。この重心位置検出装置は、重心位置の移動を検出することができる。
また、特許文献3には、多数の空隙または窪みを周期的に設けたシート状弾性体と、それと同材質の平坦なシート状弾性体とを誘電体とし、これらの誘電体をサンドイッチ状にはさんだ3枚のシート状導電性弾性体を電極として二つのコンデンサを形成してなる荷重センサ部を有する荷重計測装置が開示されている。この荷重計測装置は、荷重センサ部に分布してかかる荷重の総量を検出し、また、二つのコンデンサの荷重による静電容量の変化を差動検出するため、ノイズや温度等の環境変化に対して安定であり、特許文献1及び2に記載されたものなどに比べて、精度の高い計測が可能である。
特開平02−55045号公報 国際公開WO2009/084387号公報 特開2008−107231号公報
しかしながら、特許文献3に記載の荷重計測装置においても、特許文献1及び2に記載されたもののように足底の各部分にかかる部分荷重を計測して、重心動揺検査など、より厳密な歩行状態の解析が望まれる場合も有る。
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、足底の各部分にかかる部分荷重を計測でき、かつ、ノイズや温度等の環境変化に対して安定し精度の高い計測が可能な荷重計測装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る荷重計測装置は、多数の空隙または窪みを周期的に設けた第1のシート状弾性体と、それと同材質の平坦な第2のシート状弾性体とを誘電体とし、第1のシート状導電性弾性体と、該第1のシート状導電性弾性体との間で前記第1のシート状弾性体をサンドイッチ状に挟む複数の第2のシート状導電性弾性体と、該複数の第2のシート状導電性弾性体との間で前記第2のシート状弾性体をサンドイッチ状に挟む第2のシート状導電性弾性体とを電極として複数のコンデンサを形成してなり、履物の内底に設けられた荷重センサ部と、前記第1のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加する第1の交流出力回路、前記第3のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加する第2の交流出力回路、前記複数の第2のシート状導電性弾性体の端子に流れる各々の交流電流を測定し各々の荷重計測電圧に変換する電流測定回路、を有する電気回路部と、を備えてなる。
好ましくは、前記複数の第2のシート状導電性弾性体は、1層のシート状導電性弾性体が細い溝部によって複数個に分断されたものの形状である。
好ましくは、前記複数の第2のシート状導電性弾性体は、親指側前部、小指側前部、親指側後部、小指側後部の4個である。
本発明の荷重計測装置によれば、足底の各部分にかかる部分荷重を計測でき、かつ、ノイズや温度等の環境変化に対して安定し精度の高い計測が可能になる。
本発明の実施形態に係る荷重計測装置を示すブロック回路図である。 同上の荷重計測装置の使用例を示す模式図であり、(a)が履物、(b)が荷重表示装置である。 同上の荷重計測装置の荷重センサ部の模式図である。 同上の荷重計測装置の荷重センサ部の構成要素を分離して示す平面図である。 同上の荷重計測装置の荷重センサ部の詳細な構造を模式的に示すもので、(a)が拡大断面図、(b)が第1のシート状弾性体の拡大平面図である。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る荷重計測装置1は、図1に示すように、荷重センサ部2と電気回路部3と、を備えている。
荷重センサ部2は、図2(a)に示すような履物4の内底4aに設けられている。荷重センサ部2は、図3に示すように、第1のシート状弾性体21と第2のシート状弾性体22とを誘電体とし、第1のシート状導電性弾性体23と複数の(例えば4個の)第2のシート状導電性弾性体24a、24b、24c、24dと第3のシート状導電性弾性体25とを電極として、図1に示すように、複数のコンデンサ(複数の第1のコンデンサCa、Cb、Cc、Cdと複数の第2のコンデンサCa、Cb、Cc、Cd)を形成してなる。
つまり、例えば4個の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの場合、第1のシート状導電性弾性体23と第2のシート状導電性弾性体24aとで第1のシート状弾性体21をサンドイッチ状に挟んだ部分が第1のコンデンサCaを形成し、第2のシート状導電性弾性体24aと第3のシート状導電性弾性体25とで第2のシート状弾性体22をサンドイッチ状に挟んだ部分が第2のコンデンサCaを形成し、第1のコンデンサCaと第2のコンデンサCaとが部分荷重センサ2aとなる。第1のシート状導電性弾性体23と第2のシート状導電性弾性体24bとで第1のシート状弾性体21をサンドイッチ状に挟んだ部分が第1のコンデンサCbを形成し、第2のシート状導電性弾性体24bと第3のシート状導電性弾性体25とで第2のシート状弾性体22をサンドイッチ状に挟んだ部分が第2のコンデンサCbを形成し、第1のコンデンサCbと第2のコンデンサCbとが部分荷重センサ2bとなる。第1のシート状導電性弾性体23と第2のシート状導電性弾性体24cとで第1のシート状弾性体21をサンドイッチ状に挟んだ部分が第1のコンデンサCcを形成し、第2のシート状導電性弾性体24cと第3のシート状導電性弾性体25とで第2のシート状弾性体22をサンドイッチ状に挟んだ部分が第2のコンデンサCcを形成し、第1のコンデンサCcと第2のコンデンサCcとが部分荷重センサ2cとなる。第1のシート状導電性弾性体23と第2のシート状導電性弾性体24dとで第1のシート状弾性体21をサンドイッチ状に挟んだ部分が第1のコンデンサCdを形成し、第2のシート状導電性弾性体24dと第3のシート状導電性弾性体25とで第2のシート状弾性体22をサンドイッチ状に挟んだ部分が第2のコンデンサCdを形成し、第1のコンデンサCdと第2のコンデンサCdとが部分荷重センサ2dとなる。これらの部分荷重センサ2a〜2dは各々、第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの各々が画定する部分の全域にわたって荷重(部分荷重)を不足なく検出するものとなる。
第1のシート状導電性弾性体23には端子23t、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dには端子24at、24bt、24ct、24dt、第3のシート状導電性弾性体25には端子25t、がそれぞれ設けられ(図1参照)、配線を通して、後に詳述する電気回路部3に接続され、電気回路部3から荷重センサ部2へ又は荷重センサ部2から電気回路部3へ電気信号(電圧又は電流)が送られる。
このように、第1のシート状導電性弾性体23と第3のシート状導電性弾性体25とを部分荷重センサ2a〜2dで共通に用いているので、荷重センサ部2と電気回路部3の間の配線の数は、(部分荷重センサ2a〜2dの数)+2となっている。また、後述するように電気回路部3においては、荷重センサ部2に交流電圧を印加する交流出力回路は、第1の交流出力回路31と第2の交流出力回路32の2個となる。このことは、第1のシート状導電性弾性体23と第3のシート状導電性弾性体25とを部分荷重センサ2a〜2dで共通に用いずに複数の第1のシート状導電性弾性体と複数の第3のシート状導電性弾性体を用いた場合には、配線の数は、(部分荷重センサ2a〜2dの数)×3となり、電気回路部3の交流出力回路の数は、(部分荷重センサ2a〜2dの数)×2となるので、第1のシート状導電性弾性体23と第3のシート状導電性弾性体25とを部分荷重センサ2a〜2dで共通に用いると、配線と交流出力回路の数を非常に少なくすることができることを示している。
第1シート状弾性体21、第2のシート状弾性体22、第1のシート状導電性弾性体23、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの集合体、第3のシート状導電性弾性体25は、図4(a)〜(e)に示すように、履物4の内底4aの形状と略同一になっている。
また、図5に示すように、第1のシート状弾性体21は、多数の空隙または窪み21sを周期的に設けたものとし、第2のシート状弾性体22は、第1のシート状弾性体21と同材質の平坦な(つまり、多数の空隙または窪みを周期的に設けていない)ものとしている。第1のシート状弾性体21は、多数の空隙または窪み21sが周期的に設けられているため、荷重を受けたとき、厚さの減少に見合う体積がこの部分に広がることにより、荷重にほぼ比例して厚さが変化する。一方、第2のシート状弾性体22は、荷重に対する厚さの変化は無視できるほど小さい。
よって、複数の第1のコンデンサCa〜Cdと複数の第2のコンデンサCa〜Cdの容量値はそれぞれ、以下の式で表すことができる。
Ca=ε・(Sa/da) Ca=ε・(Sa/d
Cb=ε・(Sb/db) Cb=ε・(Sb/d
Cc=ε・(Sc/dc) Cc=ε・(Sc/d
Cd=ε・(Sd/dd) Cd=ε・(Sd/d
ここで、第1のシート状弾性体21と第2のシート状弾性体22の誘電率をそれぞれ、ε、ε、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの面積をそれぞれSa、Sb、Sc、Sd、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dにおける第1のシート状弾性体21の厚さ(平均の厚さ)をそれぞれda、db、dc、ddとしている。第2のシート状弾性体22の厚さは、荷重によって変化しないとして、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dにおける第1のシート状弾性体22の厚さを全てdとしている。
複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dは、図4(c)に示すように、1層のシート状導電性弾性体が、細い溝部24gによって複数個(図では4個)に分断されたものの形状であるのが好ましい。すなわち、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dにおける互いの隙間は、狭いものであるのが好ましい。例えば、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dが親指側前部、小指側前部、親指側後部、小指側後部の4個である場合、溝部24gが細いので、足底全体にかかる荷重は、親指側前部、小指側前部、親指側後部、小指側後部の4個で計測した各々の荷重を全て足し合わせて算出することができる。また、足底前部にかかる荷重は、親指側前部と小指側前部で計測した各々の荷重を足し合わせて算出することができ、足底後部にかかる荷重は、親指側後部と小指側後部で計測した各々の荷重を足し合わせて算出することができる。
なお、第1シート状弾性体21及び第2のシート状弾性体22は、絶縁性のシリコンゴムなど、第1のシート状導電性弾性体23、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24d、第3のシート状導電性弾性体25は、導電性のシリコンゴムなどを用いることができる。また、第1のシート状導電性弾性体23と第1シート状弾性体21の間、第1シート状弾性体21と複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの間、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dと第2のシート状弾性体22の間、第2のシート状弾性体22と第3のシート状導電性弾性体25の間はそれぞれ、例えば薄い接着剤などを用いて接着することが可能である。
電気回路部3は、図1に示すように、第1のシート状導電性弾性体23の端子23tに交流電圧Vを印加して複数の第1のコンデンサCa〜Cdに交流電流Ia、Ib、Ic、Idを流す第1の交流出力回路31と、第3のシート状導電性弾性体25の端子25tに交流電圧Vを印加して複数の第2のコンデンサCa〜Cdに交流電流Ia、Ib、Ic、Idを流す第2の交流出力回路32と、第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの端子24at〜24dtに流れる交流電流Ia、Ib、Ic、Idを測定し電圧(荷重計測電圧Va、Vb、Vc、Vd)に変換する複数の電流測定回路33a、33b、33c、33dと、を有している。荷重計測電圧Va〜Vdは、荷重の分布(部分荷重)に応じた電圧である。本実施形態では、第1のシート状導電性弾性体23の端子23tに印加される交流電圧Vと第3のシート状導電性弾性体25の端子25tに印加される交流電圧Vは、接地電位を基準電位として設定され、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの端子24at〜24dtは接地電位と同電位に保持されるように設定されている。
第1の交流出力回路31と第2の交流出力回路32は、荷重センサ部2に荷重がかかっていないとき交流電流Ia〜Idと交流電流Ia〜Idが180度の位相差で振幅が等しくなるように、交流電圧Vと交流電圧Vを調整(オフセットゼロ調整)すれば、複数の第1のコンデンサCa〜Cdに流れる交流電流Ia〜Idは、複数の第2のCa2〜Cd2に交流電流Ia〜Idとして流れるので、第2のシート状導電性弾性体24の端子24at〜24dt、つまり複数の電流測定回路33a〜33dに交流電流Ia〜Idは流れない。
オフセットゼロ調整は、以下のようにすることができる。荷重センサ部2に荷重がかかっていないときは、Ca=ε・(Sa/d)、Cb=ε・(Sb/d)、Cc=ε・(Sc/d)、Cd=ε・(Sd/d)、となる。ここで、第1のシート状弾性体21の厚さをdとしている。従って、Ca/Ca=Cb/Cb=Cc/Cc=Cd/Cd=(ε・d)/(ε・d)となり、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dにおける第1のシート状弾性体21のコンデンサと第2のシート状弾性体22のコンデンサの容量比は、全て一定になる。
ここで交流電圧Vと交流電圧Vの電圧比を、V/V=(ε・d)/(ε・d)に設定すれば、交流電流の比Ia/Ia、Ib/Ib、Ic/Ic、Id/Idはそれぞれ、V・Ca/V・Ca、V・Cb/V・Cb、V・Cc/V・Cc、V・Cd/V・Cdであるから、それぞれ、全て1となる。よって、複数の第1のコンデンサCa〜Cdに流れる交流電流Ia〜Idは、複数の第2のコンデンサCa〜Cdに交流電流Ia〜Idとして流れ、第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの端子24at〜24dt、つまり電流測定回路33a〜33dに交流電流Ia〜Idは流れない。このように、交流電圧Vと交流電圧Vの電圧比を上記のようにすることで、各々の部分荷重センサ2a〜2dの全てについて、同時に、オフセットゼロ調整をすることができる。これは、複数の部分荷重センサ2a〜2dが、第1のシート状弾性体21と第2のシート状弾性体22を誘電体として共通に用い、第1のシート状導電性弾性体23と第3のシート状導電性弾性体25を電極として共通に用いているからである。なお、交流電圧V(又は交流電圧V)は、例えば、周波数が約10KHz、振幅が約5Vとすることができる。
荷重センサ部2に荷重がかかると、荷重の分布に応じて複数の第1のコンデンサCa〜Cdの容量値が大きくなり、それに流れる交流電流Ia〜Idが大きくなる。一方、複数の第2のコンデンサCa〜Cdの容量値はほとんど変化しないので、それに流れる交流電流Ia〜Idはほとんど変化しない。よって、第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの端子24at〜24dtに交流電流Ia〜Idと交流電流Ia〜Idの差が交流電流Ia〜Idとして流れる。そして、電気回路部3において、交流電流Ia〜Idが荷重計測電圧Va〜Vdに変換される。
このように、複数の第1のコンデンサCa〜Cdに流れる交流電流Ia〜Idと複数の第2のコンデンサCa〜Cdに流れる交流電流Ia〜Idの差によって荷重計測電圧Va〜Vdを得るので、ノイズや温度等の環境変化に対して安定であり、精度の高い計測が可能である。
電気回路部3は、履物4の内底4aにおいて荷重センサ部2の下部に配置することが可能である。この場合、荷重センサ部2における第1のシート状導電性弾性体23の端子23tと、複数の第2のシート状導電性弾性体24a〜24dの端子24at〜24dtは、垂直方向の短い配線を通して、電気回路部3に接続される。短い配線は、ノイズや温度等の環境変化に対して安定し精度の高い計測に寄与する。また、電気回路部3は、荷重センサ部2の第1のシート状弾性体21等と同様に、履物4の内底4aの形状と略同一にすることができる。なお、電気回路部3は、荷重センサ部2との接続の配線に少し長いケーブルを用いて、履物4の他の箇所に配置することも可能である。
電気回路部3は、そこで得られた荷重計測電圧Va〜Vdを、デジタルデータの荷重計測値に変換して、図2(b)に示すような荷重表示装置5に無線で送出することも可能である。荷重表示装置5は、例えば、荷重計測値をそのまま表示したり、荷重計測値の相互間の比率を表示したりする。
以上、本発明の実施形態に係る荷重計測装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
1 荷重計測装置
2 荷重センサ部
21 第1のシート状弾性体
22 第2のシート状弾性体
21s 第1のシート状弾性体の空隙または窪み
23 第1のシート状導電性弾性体
23t 第1のシート状導電性弾性体の端子
24a〜24d 複数の第2のシート状導電性弾性体
24at〜24dt 複数の第2のシート状導電性弾性体の端子
25 第3のシート状導電性弾性体
25t 第3のシート状導電性弾性体の端子
3 電気回路部
31 第1の交流出力回路
32 第2の交流出力回路
33a〜33d 電流測定回路
4 履物
4a 内底
5 荷重表示装置
Ca〜Cd 複数の第1のコンデンサ
Ca〜Cd 複数の第2のコンデンサ
Ia〜Id 複数の第1のコンデンサに流れる交流電流
Ia〜Id 複数の第2のコンデンサに流れる交流電流
Ia〜Id 複数の第2のシート状導電性弾性体の端子に流れる交流電流
第1の交流出力回路が出力する交流電圧
第2の交流出力回路が出力する交流電圧
Va〜Vd 荷重計測電圧

Claims (3)

  1. 多数の空隙または窪みを周期的に設けた第1のシート状弾性体と、それと同材質の平坦な第2のシート状弾性体とを誘電体とし、第1のシート状導電性弾性体と、該第1のシート状導電性弾性体との間で前記第1のシート状弾性体をサンドイッチ状に挟む複数の第2のシート状導電性弾性体と、該複数の第2のシート状導電性弾性体との間で前記第2のシート状弾性体をサンドイッチ状に挟む第2のシート状導電性弾性体とを電極として複数のコンデンサを形成してなり、履物の内底に設けられた荷重センサ部と、
    前記第1のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加する第1の交流出力回路、前記第3のシート状導電性弾性体の端子に交流電圧を印加する第2の交流出力回路、前記複数の第2のシート状導電性弾性体の端子に流れる各々の交流電流を測定し各々の荷重計測電圧に変換する電流測定回路、を有する電気回路部と、を備えてなることを特徴とする荷重計測装置。
  2. 請求項1に記載の荷重計測装置において、
    前記複数の第2のシート状導電性弾性体は、1層のシート状導電性弾性体が細い溝部によって複数個に分断されたものの形状であることを特徴とする荷重計測装置。
  3. 請求項1又は2に記載の荷重計測装置において、
    前記複数の第2のシート状導電性弾性体は、親指側前部、小指側前部、親指側後部、小指側後部の4個であることを特徴とする荷重計測装置。
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