JP6586234B2 - 圧力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサが設けられた圧力検出装置に関するものである。

荷重が加わったときの圧力を検出するために圧電センサが用いられる（特許文献１）。

特開２０１４−３３０４８号公報

しかし、該圧電センサにおいては、厚さ方向に加わる垂直荷重だけではなく、厚さ方向直交する水平方向に加わるせん断力を検出することは可能である。しかし、圧電センサは平坦であり、大きな検出感度を得ることができず、検出感度を上げることができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、せん断力の検出感度を増大できる圧力検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧力検出装置は以下の手段を採用する。
すなわち、圧力検出装置は、荷重が加わる荷重面に対向して略平行に設けられた対向面を有し可撓性を有する本体部と、前記対向面側に位置する基部と、該基部から前記荷重面側に延びて形成されて前記本体部内の厚さの範囲内に位置する先端部分を有する圧電センサとを備え、前記圧電センサの前記基部は、前記本体部の外側に設けられ、前記圧電センサは、前記対向面との交線で折り曲げられた折曲部を有している。

被圧力測定部材が本体部の荷重面に接触しつつ、荷重面方向に変位すると本体部に対してせん断力が加わる。せん断力が加わると、荷重面と、荷重面に対して略平行に設けられた対向面とが互いにずれる方向に変形し、この変形に応じて、本体部内に位置する圧電センサの先端部分も変形する。一方、圧電センサの基部は本体部の対向面側に位置するように配置されているので、本体部の変形の影響を受けにくくなる。これにより、圧電センサの先端部分と基部との間に大きな変形を生じさせて圧電センサからの出力を大きくすることができるので、本体部に加わったせん断力の検出感度を増大させることができる。

さらに、前記圧電センサは、前記本体部の前記対向面に直交する共通の直交線に対して対称に配置され、前記先端部分が前記対向面に対して傾斜する角度が同等となるように３つ以上設けられている。

本体部の対向面に直交する共通の直交線に対して対称に配置され、先端部分が対向面に対して傾斜する角度が同等となるように、圧電センサが３つ以上設けられている。これにより、対向面に垂直に向かう垂直荷重に対しては同等の出力がそれぞれの圧電センサから検出され、せん断力荷重に対してはせん断力の方向に応じて異なる出力がそれぞれの圧電センサから検出されるので、垂直荷重だけでなく、せん断力の大きさ及び方向を得ることができる。
例えば、直交線周りに４つの圧電センサを９０°間隔で設ける。

さらに、共通の前記直交線に対して設けられた３つ以上の前記圧電センサの組が、複数設けられている。

共通の直交線に対して設けられた３つ以上の圧電センサの組を複数設けることにより、圧力検出装置の各位置におけるせん断力の大きさと方向を検出することができる。

圧電センサは、本体部の対向面との交線で折り曲げられた折曲部を有しているので、この折曲部近傍が、せん断力が加わった際の回動の支点となり、大きな歪み速度を得ることができる。これにより、せん断力が加わったときの圧電センサの検出感度を大きくすることができる。

さらに、前記圧電センサは、円板形状とされており、該円板形状の直径位置に前記折曲部が設けられている。

円板形状とされた圧電センサの中心を通る直径位置に折曲部を設けることとしたので、折曲部を最も長くすることができる。これにより、歪み速度が大きくなる部分が増大し、圧電センサの検出感度を大きくすることができる。

圧力検出装置の本体部内に位置した圧電センサの先端部分と、本体部の外に位置した基部との間に大きな変形を生じさせることができ、圧力検出装置に加わったせん断力の検出感度を増大することができる。

本発明の一実施形態に係る圧力検出装置を示した平面図である。 図１の圧電センサが４つ一組で配置された状態を示した平面図である。 図２のIII−IIIにおける断面図である。 スペーサ部材と圧電センサの縦断面図である。 ４つ一組で配置された圧電センサの模式図である。 圧電センサの出力を示し、（ａ）が垂直荷重付加時、（ｂ）がせん断力付加時を示すグラフである。 図４に示した圧電センサの変形例１を示した縦断面図である。 図４に示した圧電センサの変形例２を示した縦断面図である。 図４に示した圧電センサの変形例３を示した縦断面図である。 図２に示した圧電センサの変形例４を示した平面図である。 図２に示した圧電センサの変形例５を示した平面図である。 図２に示した圧電センサの変形例６を示した平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
図１には、複数の圧電センサ３が取り付けられた圧力検出装置１が示されている。圧力検出装置１は、例えば、椅子の座面に配置され、座った後の荷重分布の変化を得る際に使用される。圧力検出装置１は、エラストマー等の弾性材料で構成されたスペーサ部材（本体部）５が椅子の座面に対応した全体形状をなし、スペーサ部材５内に複数の圧電センサ３の一部が埋め込まれている。
圧電センサ３は、図１のように圧力検出装置１を平面視した場合に、円板形状とされ、４つで一組となって配置されており、圧力検出装置１の全体にわたって複数組が各所に設けられている。

図２には、４つ一組で配置された圧電センサ３が示されている。各圧電センサ３からは上面電極及び下面電極のそれぞれに接続されたリード線４が取り出されている。各リード線４は、図示しない制御部に接続されている。また、各リード線４を図示しない無線通信部に接続し、圧力検出装置１とは別の位置に設けた制御部に対して無線通信によってデータの送受信を行っても良い。
４つの圧電センサ３は、それぞれ同じ形状とされており、共通の中心Ｏ１周りに９０°間隔で対称に配置されている。

図３に示すように、スペーサ部材５の裏面（対向面）５ａ側から圧電センサ３が取り付けられている。スペーサ部材５の裏面５ａは、スペーサ部材５の表面（荷重面）５ｂに対向して設けられており、これら裏面５ａと表面５ｂとは略平行となっている。表面５ｂは、座っている人の荷重を受ける荷重面となる。裏面５ａは、座面の下方側に位置する面となる。

圧電センサ３の先端部分３ａがスペーサ部材５内の厚さの範囲内に位置し、基部３ｂはスペーサ部材５の外に位置して、基部３ｂが裏面５ａから外側に位置している。
先端部分３ａは、スペーサ部材５に形成した切り込みや溝に挿入することによって配置される。なお、先端部分３ａがスペーサ部材５内に位置するようにインサート成形してもよい。基部３ｂは、裏面５ａに沿って配置されている。
圧電センサ３は、中央部分で折り曲げられている。図２には、各圧電センサ３に設けた折曲部３ｃが示されている。折曲部３ｃは、中心Ｏ１と各圧電センサ３の中心とを通る直線に対して直交するように設けられている。折曲部３ｃは、円形とされた圧電センサ３の直径位置に設けられている。図３に示すように、折曲部３ｃは、圧電センサ３と裏面５ａとが交差する位置に設けられている。

図３に示すように、圧電センサ３は、中心Ｏ１（図２参照）を通りスペーサ部材５の裏面５ａに直交する共通の直交線ＣＬに対して対称に配置されている。そして、各圧電センサ３の先端部分３ａが裏面５ａに対して折曲部３ｃにて折り曲げられており、裏面５ａに対して傾斜する角度θが同等とされている。角度θの値としては、せん断力が加わった際に屈曲部３ｃ回りに曲げモーメントが生じる程度の角度であれば良く、０°よりも大きく９０°未満、好ましくは５°以上４５°以下とされる。

図４には、スペーサ部材５に対して取り付けられた圧電センサ３の縦断面が示されている。なお、実際には、厚さの関係は誇張表示してあり、スペーサ部材５には溝が設けられている。
圧電センサ３は、基材１０と、基材１０上に配置された下面電極１１と、下面電極１１上に配置された圧電素子１２と、圧電素子１２上に配置された上面電極１３とを備えている。なお、図示を省略しているが、下面電極１１、圧電素子１２及び上面電極１３を覆うようにオーバコート層が設けられている。

基材１０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Polyethylene terephthalate）等の熱可塑性樹脂からなるシート状のフィルム基材であり、可撓性を有している。
なお、可撓性の基材１０に、他の熱可塑性の合成樹脂、例えば、ポリエチレン（ＰＥ、Polyethylene）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ：Polyethylene naphthalate）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Poly Phenylene Sulfide）等のフィルム基材を用いても良い。また、熱変形が可能な基材１０であれば良く、例えば、熱硬化性樹脂である、ポリイミド（ＰＩ：polyimide）、アラミド樹脂（芳香族ポリアミド：Aromatic polyamid）等のフィルム基材であっても良いし、前述した材質に無機フィラーを充填したフィラー入りのフィルム基材であっても良い。さらには、天然ゴムなど合成樹脂に限るものでもない。

下面電極１１は、例えばポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる第１バインダ樹脂と、第１バインダ樹脂中のマトリックスに分散した、例えば導電性のカーボン粉等の第１導電性粒子とを有して構成されている。その際には、第１バインダ樹脂中の第１導電性粒子の含有率は、５〜７０（ｖｏｌ％）になるように調整され、その厚みは、５〜２０μｍ程度である。

圧電素子１２は、例えばポリエステル樹脂やポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂からなる有機バインダと、有機バインダのマトリックス中に分散した圧電体粒子とを有して構成されている。そして、圧電素子１２は、有機バインダに圧電体粒子が含有された層を形成しており、層厚方向に分極処理がされている。有機バインダとしては、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上で、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上で、かつ損失弾性率が０．１ＭＰａ以上である特性を有した合成樹脂を用いている。

圧電体粒子として、ペロブスカイト構造の結晶構造であるニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）を好適に用いている。これにより、より感度特性が良い圧電素子１２が得られ、出力性能がより優れたものとなる。なお、圧電体粒子として、圧電体粒子のキュリー温度が２５０℃以上、好ましくは３７５℃以上の温度の特性を有した圧電体（強誘電体）を用いるのが良い。例えば、３７５℃以上のキュリー温度を有した、４３５℃のニオブ酸カリウム、４９０℃のチタン酸鉛、５７０℃のメタニオブ酸鉛、５７３℃の水晶及び１２１０℃のニオブ酸リチウム等や、例えば、２５０℃以上のキュリー温度を有した、３２０℃のチタン酸ジルコン酸鉛（所謂ＰＺＴ）及び３６５℃のニオブ酸ナトリウム、４２０℃のニオブ酸ナトリウムカリウム等が挙げられる。

圧電素子１２は、上記のように合成樹脂との複合材なので、可撓性を有している。特に、非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂は、常温で、適度な柔軟性を有しているので、圧電素子１２が変形しても、圧電素子１２に発生するクラック等を抑えることができる。更に、非晶性ポリエステル樹脂及びポリウレタン樹脂は、一般に広く使用され、容易にしかも安価に入手することができるので、好適に使用することができる。

圧電素子１２は、さらに厚さ方向に３層積層された３層構造としてもよい。３層構造のうちの中間層の圧電粒子の体積パーセント濃度を他の層よりも低くして、曲げ耐性を向上させることができる。

上面電極１３は、下面電極１１と同様に、例えばポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる第２バインダ樹脂と、第２バインダ樹脂中のマトリックスに分散した、例えば導電性のカーボン粉等の第２導電性粒子とを有して構成されている。その際には、第２バインダ樹脂中の第２導電性粒子の含有率は、５〜７０（ｖｏｌ％）になるように調整され、その厚みは、５〜２０μｍ程度である。なお、第１バインダ樹脂及び第２バインダ樹脂として、熱可塑性樹脂を好適に用いたが、これに限るものではなく、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化樹脂を用いても良い。

図５及び図６には、４つ一組で配置された圧電センサ３の測定原理が示されている。
図５には、図２に示したように配置された４つの圧電センサ３が模式的に配置されている。４つの圧電センサ３をそれぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。図６は圧力を示しているが、圧電センサ３は変位の変化分に応じた出力信号を出力する為、実際には圧電センサの出力を積分した値をプロットしている。

座面に加わった荷重が垂直方向のみの場合には、図６（ａ）に示すように、４つのセンサＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの出力は略同じ大きさの出力を示す。

次に、図５において左から右方向にせん断力が加わった場合は、図６（ｂ）のような出力となる。右方向にせん断力が加わっておりスペーサ部材５に押される。センサＤは下向きに変位し伸びるように変形するが、４つの圧電センサ３の中では変位量が最大となる為、センサＤの出力が最も大きくなる。センサＢは、変位がセンサＤとは逆向きとなり圧縮される方向に変位して、マイナスの出力となる。センサＡ及びＣの出力は、センサＤと同様に、下向きに変位するがセンサＤより出力は小さくなり、本実施形態においては、垂直荷重を受けた時の荷重（図６（ａ））と殆ど変わらない結果となった。このように、せん断力を加える方向に位置するセンサの出力が最も大きくなり、その１８０°反対側のセンサの出力が逆の出力となることから、剪断荷重の向きが分かる。また、せん断力が加わる方向の２つのセンサの出力差に基づいて、せん断力方向のせん断荷重を得ることができる。さらに、センサＤ，Ｂに対してセンサＡ，Ｃを直交配置しているので、それぞれの方向のせん断力の成分を計算することが可能であり、これを用いてせん断力が加わる方向と大きさを検知する事ができる。

したがって、図１に示したように、４つ一組の圧電センサ３を複数組用いれば、圧力検出装置１の各所において垂直荷重の変化分を測定でき積分によって垂直荷重を測定可能であり、また、せん断力の変化の大きさと方向を得ることができる。各所において得られた垂直荷重とせん断荷重のデータは、図示しない制御部に送られ、積分する事で圧力検出装置１を配置した座面に座った人の荷重分布を得る際に用いられる。
なお、図６（ａ）には本実施形態において荷重が垂直方向のみの場合を示しているが、従来例の平らな圧電センサに比べて、その出力は２倍程度となった。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
スペーサ部材５にせん断力が加わると、スペーサ部材５の表面５ｂと裏面５ａが互いにずれる方向に変形する。この変形に応じて、スペーサ部材５内に位置する圧電センサ３の先端部分３ａも変形する。一方、圧電センサ３の基部３ｂはスペーサ部材５の裏面５ａから外側に位置するように配置されているので、スペーサ部材５の変形の影響を大きく受けることがない。これにより、圧電センサ３の先端部分３ａと基部３ｂとの間に大きな変形を生じさせて圧電センサ３からの出力を大きくすることができるので、スペーサ部材５に加わったせん断力の検出感度を増大することができる。

さらに、圧電センサ３は、スペーサ部材５の裏面５ａとの交線で折り曲げられた折曲部３ｃを有しているので、この折曲部３ｃ近傍が、せん断力が加わった際の回動の支点となり、大きな歪み速度を得ることができる。これにより、せん断力が加わったときの圧電センサの出力を大きくすることができる。
また、圧電センサ３は、平面視した場合に円形とされ、直径位置に折曲部３ｃを設けることとした（図２参照）ので、折曲部３ｃを最も長くすることができる。これにより、歪み速度が大きくなる部分が増大し、圧電センサ３の検出感度を大きくすることができる。
また、先端部分３ａは、スペーサ部材５内に位置していて表面５ｂから突出させていないので、座っている人等のせん断力の測定に際して、直接人が圧電センサに接してスペーサ部材５の移動を妨げるといったことはない。よって、スペーサ部材５の変形に伴うせん断力の測定が可能であり、よって精度良くせん断力の測定が可能となる。また、先端部分３ａは自由端であり、スペーサ部材の変形を妨げないので、この意味でもスペーサ部材５の変形に伴うせん断力の測定が可能であり、よって精度良くせん断力の測定が可能となる。

スペーサ部材５の裏面５ａに直交する共通の直交線ＣＬに対して対称に配置され、先端部分３ａが裏面５ａに対して傾斜する角度θが同等となるように、圧電センサ３を４つ設けることとした。これにより、裏面５ａに垂直に向かう垂直荷重に対しては同等の出力がそれぞれの圧電センサ３から検出され、せん断力の方向に応じて異なる出力がそれぞれの圧電センサ３から検出されるので、垂直荷重だけでなく、せん断力の大きさ及び方向を得ることができる。

なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
［変形例１］
図７に示すように、圧電センサ３を屈曲させずに平板状のままでスペーサ部材５に先端部分３ａを位置させても良い。本変形例においても、基部３ｂがスペーサ部材５の裏面５ａの外側に位置するようになるので、せん断力が加わった時に裏面５ａとの交線を境にして圧電センサ３を屈曲させることができる。これにより、屈曲された部分における歪み速度を大きくして圧電センサ３からの出力を大きくすることができるので、スペーサ部材５に加わったせん断力の検出感度を増大することができる。

［変形例２］
図８に示すように、図７に示した変形例１の基材１０をスペーサ部材５の裏面５ａに沿って延長させても良い。これにより、下面電極１１、圧電素子１２及び上面電極１３を安定的に保持することができる。

［変形例３］
図９に示すように、圧電センサ３を所定の曲率を有するように曲げた曲面形状としても良い。このとき、曲面の曲率中心は、スペーサ部材５側に位置するようにする。曲面形状とすることで、せん断力が加わった際に曲率が変化することを利用することができ、圧電センサ３の出力を大きくすることができる。また、本変形例においても、基部３ｂがスペーサ部材５の裏面５ａの外側に位置するようになるので、せん断力が加わった時に裏面５ａとの交線を境にして圧電センサ３を屈曲させることができる。

［変形例４］
圧電センサ３の形状は、平面視した場合に、図１や図２に示したような円形に限定されるものではなく、図１０に示すように、矩形状であっても良い。この場合、各圧電センサ３は、中心Ｏ１とする半径方向に長辺を有する矩形状となっている。

［変形例５］
図１や図２で示したように圧電センサ３を４つ一組で設けることに限定されるものではなく、３つ以上の圧電センサを一組として設ければよい。例えば、図１１に示したように、８つの圧電センサ３を中心Ｏ１周りに等間隔で設けても良い。この場合、各圧電センサ３は、平面視した場合に、中心Ｏ１とする半径方向に長辺を有する矩形状となっている。

なお、上述した実施形態及び各変形例では、圧力検出装置１を椅子の座面に設けることを一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、布団などの寝具に配置する事も可能である。また、せん断力の測定に限らず垂直荷重も一緒に測定する用途に広く用いることができる。

［変形例６］
なお、上述した実施形態においては、先端部分３ａは、スペーサ部材５に形成した切り込みや溝に挿入、或いは、先端部分３ａがスペーサ部材５内に位置するようにインサート成形して形成したが、それには限定されない。スペーサ部材５が水平方向に変位した際に、圧電センサ３を変形させるように当接して変形する構造となっていれば良い。
例えば、図１２に示すような変形例６が挙げられる。スペーサ部材５には、下面に向かって拡径するテーパー面６０ａを有する貫通穴６０が形成されている。テーパー面６０ａに沿って圧電センサ３が配置されている。椅子には、貫通孔６０の中央に挿入されるように上方に凸とされたが突起６１が一体的に形成されている。これにより、スペーサ部材５の水平方向にせん断力が加わると、圧電センサ３が水平方向で突起６１とスペーサ部材５に接しせん断力を検出することができる。

１ 圧力検出装置
３ 圧電センサ
３ａ 先端部分
３ｂ 基部
３ｃ 折曲部
４ リード線
５ スペーサ部材（本体部）
５ａ 裏面（対向面）
５ｂ 表面（荷重面）
１０ 基材
１１ 下面電極
１２ 圧電素子
１３ 上面電極
６０ 貫通孔
６０ａ テーパー面
６１ 突起
Ｏ１ 中心
ＣＬ 直交線

Claims (4)

1. 荷重が加わる荷重面に対向して略平行に設けられた対向面を有し可撓性を有する本体部と、
   前記対向面側に位置する基部と、該基部から前記荷重面側に延びて形成されて前記本体部内の厚さの範囲内に位置する先端部分を有する圧電センサと、
   を備え、
   前記圧電センサの前記基部は、前記本体部の外側に設けられ、
   前記圧電センサは、前記対向面との交線で折り曲げられた折曲部を有している圧力検出装置。
2. 前記圧電センサは、前記本体部の前記対向面に直交する共通の直交線に対して対称に配置され、前記先端部分が前記対向面に対して傾斜する角度が同等となるように３つ以上設けられている請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 共通の前記直交線に対して設けられた３つ以上の前記圧電センサの組が、複数設けられている請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記圧電センサは、円板形状とされており、該円板形状の直径位置に前記折曲部が設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力検出装置。

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