TW200900670A - Pressure distribution sensor system - Google Patents

Description

200900670 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於壓力分布感測系統，根據該壓力分布感 測系統’可進行例如刮擦（squeegee)或滾動（roller) 的壓力分布計測評估、咬合時之壓力平衡的評估、物體之 把持時的壓力分布計測評估 '步行功能計測評估、及重心 動搖計測評估。 【先前技術】 可進行如上所述之計測評估的壓力分布感測系統，係 使用所謂的矩陣感測器薄片（matrix sensor sheet) 9。 如第1 6圖所示，上述矩陣感測器9係在薄膜基材 9〇a形成銀糊90b，按照感壓導電油墨90c的順序塗佈而 形成多數的行電極（及列電極），且以將具有上述行電極 的薄膜基材90a與具有列電極的薄膜基材90a交差的態樣 使之黏貼而形成。而且，該壓力分布感測系統係如第15 圖或第17圖所示，具備：電路部K，內設有用以依序通 電到上述多數之行.列電極的多工器（multiplexer )及用 以計測各感壓電極之交差點（感壓導電性元件）的電性電 阻之複數放大器；和電腦C，具有將被採取的信號進行演 算處理，用以進行顯示記錄解析的軟體。 然而，上述壓力分布感測系統具有：（1 )電路部的 零件數量多，故形成大型•重量化，（2 )壓力分布感測 器超過所需以上而變成大型（3 )系統整體成爲高價的問 -4 - 200900670 題。 [專利文獻1]日本特開平8-327474 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 在此’本發明的課題在於提供一種（1 )電路部爲輕 量小型，（2 )壓力分布感測器廉價，（3 )系統整體爲低 價的壓力分布感測系統。 [用以解決課題之手段] 本發明之壓力分布感測系統，具備：壓力分布感測器 ，在薄膜基材內，於一條行電極與2〜8條列電極的交差 點，具有感壓導電性元件；處理電路，具有爲了能夠個別 計測上述感壓導電性元件之電性電阻變化而連接到各端子 的放大器；和軟體，用以進行從上述處理電路獲得之信號 的演算與計測結果的顯示、記錄、解析，並且把上述薄膜 基材的平視面形狀及薄膜基材內之感壓導電性元件的位置 以使適合於用途的方式來進行配置。 又，本發明之壓力分布感測系統，具備：壓力分布感 測器，具有在薄膜基材內相互獨立的2〜8個感壓導電性 元件及由此個別延伸的配線及端子；處理電路，具有爲了 能夠個別計測上述感壓導電性元件之電性電阻變化而連接 到各端子的放大器；和軟體’用以進行從上述處理電路獲 得之信號的演算與計測結果的顯示、記錄、解析，並且把 -5- 200900670 上述薄膜基材的平視面形狀及薄膜基材內之感壓導電性元 件的位置以使適合於用途的方式來進行配置。 再者’關於上述任一個壓力分布感測系統，亦可爲壓 力分布感測器的感壓導電性元件從平面看起來係配列成橫 —列’可進行刮擦（squeegee)或滾動（roller)的壓力 分布計測評估。 又’關於上述任一個壓力分布感測系統，亦可設成壓 力分布感測器從平面看起來係爲U字形或V字形的形狀 ，在適合於計測人的牙齒咬合時之壓力平衡的位置，配置 感壓導電性元件’可進行咬合時之壓力平衡的評估。 關於上述任一個壓力分布感測系統，亦可爲在透過人 或機器人的手把持物體時適合於計測手掌的壓力分布的位 置’配置複數感壓導電性元件，可進行物體之把持時的壓 力分布計測評估。 關於上述任一個壓力分布感測系統，亦可爲在人或機 器人進行兩腳步行時適合於計測腳底之壓力分布或體重之 重心移動的位置，配置複數感壓元件，可進行步行功能計 測評估。 又’關於上述任一個壓力分布感測系統，亦可爲在適 合於測定人在靜止站立時之搖晃程度的位置，配置複數感 胃元Μ牛，可進行重心動搖計測評估。 【實施方式】 以下，詳細說明用以實施本發明之壓力分布感測系統 -6 - 200900670 之最佳型態的實施例。 <關於本發明之壓力分布感測系統的基本型態> 該壓力分布感測系統具備：壓力分布感測器，在薄膜 基材內，於一條行電極與2〜8條列電極的交差點具有感 壓導電性元件；處理電路，具有爲了能夠個別計測上述感 壓導電性元件之電性電阻變化而連接到各端子的放大器； 軟體，用以進行從上述處理電路獲得之信號的演算與計測 結果的顯示、記錄、解析，並且把上述薄膜基材之平視面 形狀及薄膜基材內之感壓導電性元件的大小及位置以使適 合於用途的方式進行配置。 該壓力分布感測系統具備：壓力分布感測器，具有在 薄膜基材內相互獨立的2〜8個感壓導電性元件及由此處 個別延伸的配線與端子；處理電路，具有爲了能夠個別計 測上述感壓導電性元件之電性電阻變化而連接到各端子的 放大器；軟體，用以進行從上述處理電路獲得之信號的演 算與計測結果的顯示、記錄、解析，並且把上述薄膜基材 之平視面形狀及薄膜基材內之感壓導電性元件的大小及位 置以使適合於用途的方式進行配置。 在此，上述壓力分布感測器的基本形態係如下所述。 [薄膜基材] 只要是具有可撓性的各種樹脂等’均可使用’可採用 例如聚酯樹脂、聚醯亞胺樹脂等。此外’厚度爲10〜1 〇〇 200900670 [感壓導電性元件] 感壓導電性元件係使施加電極與接收電極對向，並且 在上述施加電極與接收電極的對向側面，分別設有感壓油 墨層。 施加電極及接收電極係由導電性油墨所構成。就導電 性油墨而言，具有在各種樹脂（例如聚酯樹脂）混合有銀 的粉末所構成的銀油墨。印刷形成之導電性油墨的厚度爲 1 0 〜2 0 /z m。 感壓油墨層係被印刷形成於施加電極及接收電極，藉 由在樹脂含有半導體粒子和導體粒子的油墨所構成。厚度 爲 10 〜50# m。 [配線、端子] 施加側與接收側配線及端子係分別由導電性油墨所構 成。就導電性油墨而言，具有在各種樹脂（例如聚酯樹脂 )混合有銀的粉末所構成的銀油墨。此外，被印刷形成之 導電性油墨的厚度爲10〜20#m。 繼之，爲了個別計測上述感壓導電性元件之電性電阻 變化而連接到各端子的處理電路係如第14圖所示那樣， 基本上由8個（只要在2個〜8個的範圍即可）運算放大 器及A/D轉換器所構成，供進行從上述處理電路獲得之 信號的演算與計測結果的顯示 '記錄、解析用之軟體演算 -8 - 200900670 、顯示、記錄等的作業進行。 本實施例 1的壓力分布感測系統係有關刮擦（ squeegee)壓力、滾動（roller)壓力的平衡計測系統。 該壓力分布感測器S的構造係如第1圖所示那樣，整 體形成L字形或T字形，在橫線部分8個線狀感壓導電 性元件4係以2 1 mm間隔配置，並且將有效的感壓部寬度 設爲適用於一般小型網版印刷機的168mm。也就是說， 該壓力分布感測器S係在一條行電極與8條列電極的交差 點具有感壓導電性元件4。 繼之，該壓力分布感測器S係在兩片薄膜基材1、1 的對向面側，設置配線2 ( —邊爲施加側配線2a，另一邊 爲接收側配線2b )及端子3 ( —邊爲施加側端子3a，另 —邊爲接收側端子3b )，並且在上述配線2a、2b側端部 設置感壓油墨層4a' 4b，在此等薄膜基材1、1彼此間， 對向的配線2a、2b及端子3a、3b彼此係以成爲電性絕緣 狀態的態樣黏貼而形成。依此構成，對向之感壓油墨層 4a、4b彼此的重疊部係成爲感壓導電性元件4，電阻値係 因應對於該當感壓導電性元件4的施加力而變化。 此外，由於壓力分布感測器的橫幅，也就是說，欲計 測之刮擦或滾動的橫長，除了具有1 70mm的長度外，也 具有600mm至1 000mm的長度，故可在維持有8個感壓 導電性元件數的情況直接將列電極的配置間隔放大，使之 對應於長度。 又，壓力分布感測器〜處理電路〜電腦的關連，係與 -9- 200900670 (本發明之壓力分布感測系統的基本型態）的情形相 因此，使用本發明之壓力分布感測系統時，電路 爲輕量小型，壓力分布系統也變得相當廉價，系統整 成本變低。 [習知之刮擦壓力、滾動壓力平衡計測系統] 習知構成中，顯示操作裝置具有LED位準計（ level meter)方式與PDA液晶顯示之兩種類，然而 者的電路部5皆使用矩陣陣列狀的壓力分布系統用（ 數最大數52><44 )。 壓力分布感測器雖然具有2行χ33列=66個感壓 性元件，然而，輸出顯示係合計橫向鄰接之3個感壓 性元件的輸出，故實質上顯示11列份的輸出。也就 ，對於經常計測所使用之1行X 1 1列=1 1個感壓導電 件的負載計測，係使用最大228 8點用的硬體（參照 圖）。 又，上述習知的感測器係使用於矩陣陣列狀的壓 布系統，所以電路部 5必須使用數量多的多工 multiplexer ) 〇 因此，習知的壓力分布感測系統中，壓力分布感 本身很大，電路部5的零件數量很多，就成本而言相 浪費。 [實施例2] 同。 部5 體的 LED 任一 電極 導電 導電 是說 性元 第2 力分 器（ 測器 當地 -10- 200900670 本實施例2的壓力分布感測系統係關於咬合力平衡系 統。 本壓力分布感測器的構成係如第3圖所示那樣，平面 看起來爲U字形或V字形的形狀，在適用於計測人的牙 齒咬合時之壓力平衡的位置（左右各4個），配置感壓導 電性元件4，進行咬合時之壓力平衡的評估。此處，配線 2 ( —邊爲施加側配線2a，另一邊爲接收側配線2b )及端 子3 ( —邊爲施加側端子3a，另一邊爲接收側端子3b) 係與實施例1同樣。 此外，壓力分布感測器〜處理電路〜電腦的關連，係 與（本發明之壓力分布感測系統的基本形態）的情形同樣 〇 因此，使用本發明之壓力分布感測系統時，很明顯電 路部5爲輕量小型，壓力分布感測器也變得相當廉價，系 統整體的成本變低。 [習知之咬合力平衡計測系統] 習知的構成係在空間分解能1.27mm具有約1 000點 的感壓導電性元件數，且使用矩陣陣列狀壓力分布感測系 統用硬體（電極數最大52 x44 )。依此構成，藉由高空間 分解能雖然具有可即時計測在牙齒的任一部分施加有高負 載或咬合不良的優點，然而就左右負載的平衡或最大咬合 力的計測等基本的咬合能力之評估裝置而言，超過規格（ over spec )，高價而難以利用。因爲電路部的零件數量很 -11 - 200900670 多，在成本方面非常地浪費。 [實施例3] 本實施例3的壓力分布感測系統係有關球狀壓力計'測 系統。 本實施例3之壓力分布感測器的構造係如第5圖所示 那樣，在透過人或機器人的手把持物體時適合於計測手掌 之壓力分布的位置，配置複數感壓導電性元件4，進形物 體把持時之壓力分布的計測評估。本實施例中，壓力分布 感測器係如第5圖所示那樣具有8個感壓導電性元件4 ’ 其位置係以在五個手指尖設有5點，在手指（中指、無名 指、小指）的根部設有3點的方式進行配置。此外，上述 感壓導電性元件4的位置可適當地變更。 在該系統中，將上述壓力分布感測器S直接或間接地 (黏貼於布製球狀體等）裝設於實驗對象或機器人的手掌 。接著，將壓力分布感測器S的端子連接於具備運算放大 器（operational amplifier)與 A/D轉換功能的基板，且 連接於電腦。於是，可進行把持物體時之負載分配的計測 〇 此外，壓力分布感測器〜處理電路〜電腦的關連，係 與（本發明之壓力分布感測系統的基本形態）的情形相同 0 在此，該感測器中，感壓導電性元件4的尺寸爲直徑 3〜6mm，藉由將其外形抑制爲1 1 mm，可防止習知壓力分 -12- 200900670 布感測器所發生之黏貼於手指周圍時因曲率所導致之皺褶 或彎折的輸出。又，使用本發明之壓力分布系統時，明顯 地電路部5爲輕量小型，壓力分布感測器也變得相當廉價 ，系統整體的成本變低。 [習知的球形壓力計測系統] 習知之壓力分布感測器S的構造係20個4行χ4列的 矩陣感測器形成一體的構造，具有總數320點的感壓導電 性元件。藉由該壓力分布感測器與矩陣陣列狀壓力分布感 測系統用硬體（電極數最大52x44 )的組合，來計測人或 機器人的手把持物體時的壓力分布。 然而，習知之壓力分布感測器S的構造中，藉由將數 量多的感壓導電點配置於掌面，雖可進行高度的解析，但 是另一方面，因爲使感測器沿設於具有曲率的手指或手掌 ，所以會在感測器產生彎曲、彎折、雛褶，而出現除了把 持壓力以外之輸出的雜訊（noise )，成爲計測解析的妨 礙。 再者，習知的壓力分布感測系統中，壓力分布感測器 本身較大，電路部5的零件數量多，在成本方面非常地浪 費。 [實施例4] 本實施例4的壓力分布感測系統係關於步行功能計測 平衡計測系統。 -13- 200900670 本實施例4之壓力分布感測器 示，得知四肢健全者（able-bodied 的接觸面壓力分布，從足壓分布演 腳後跟逐漸地移到腳尖側，最後通 9圖）。此外，第8圖所示的構成 觸面圖。 隨著帕金森氏症、腦神經疾病 行功能發生障礙時，藉由該腳底的 軌跡會大幅逸離。再者，重心軌跡 偏差不齊。 於是，該壓力分布感測器S中 (able-bodied person)之腳底的重 感壓導電性元件4的薄膜狀壓力感 布感測器與具有與感壓導電性元件 算放大器的基座（base)連接，在 於電腦，藉由事先安裝於電腦的軟 軌跡進行計測、演算、記錄、顯示 該壓力分布感測器S之感壓導 徑2mm〜2 0mm左右，其點數係以 元件4的配置間隔在算出重心的移 爲佳，但是，由於事先配置的配置 顯著的話，亦可不設成相同。此外 配置在理想的重心軌跡上也可以是 者爲了辨識體重施加在異常的部位 S的構造係如第7圖所 person)在步行時腳底 算的負載重心軌跡係從 過大拇指位置（參照第 係人在步行時腳底的接 、膝關節症、老化，步 壓力分布所演算的重心 的移動速度也可觀察到 ，設計出在四肢健全者 心軌跡下，配置有複數 測器。藉由將該壓力分 4的點數相同數量之運 A/D轉換處理後，連接 體，即可進行將重心的 〇 電性元件4的尺寸係直 8點爲佳。感壓導電性 動速度方面係以等間隔 距離已分曉，所以若不 ，感壓導電性元件4的 排列成一條的形狀，或 ，也可分歧配置於逸離 ，14 - 200900670 理想的重心軌跡之位置。使用時，亦可將壓力分布感測器 S直接黏貼於腳底，亦可固定於鞋底。 負載於各感壓導電性元件4的體重，隨著重心的移動 ，其輸出會依序移動。依據配置有此時複數感壓導電性元 件4之輸出的最大値的發現時間與消失時間之感壓導電性 元件4的距離，來算出重心的移動速度《藉由將各感壓導 電性元件4、4間之重心移動速度的偏差不齊傾向與四肢 健全者進行比較演算，可實施各疾病之進行度、老化度與 步行功能的評估。 將該系統在左右腳各裝設一台，計測兩者的腳底負載 、重心移動，可進行更高度的解析。例如，藉由將左右腳 之同一部位（腳後跟）的輸出最大値及輸出發生、消失時 間的平均，在左右腳取得差異，可算出實驗對象走一步所 耗費的時間。 從利用先前補充的足壓分布算出的重心移動速度、該 一步的時間，可大槪地算出其步行速度，將此等步行速度 、重心移動速度、一步時間的平均値與四肢健全者進行比 較演算時，可實施疾病的進度、老化度等步行功能的評估 〇 使用本發明之壓力分布感測系統時’明顯地電路部5 爲輕量小型，壓力分布感測器S也變得相當廉價，系統整 體的成本變低。 [習知的腳底壓力平衡計測系統] -15- 200900670 習知之腳底壓力分布感測器S的構造係具有最大約 1 000點的感壓導電性元件4之矩陣構造，裝設於鞋底來 計測步行時動態的體重負載分布。 就此構成來說，藉由將數量多的感壓點配置於腳底， 雖可進行高度解析，但是另一方面，由於零件數多爲大型 ，所以裝設於腳底時也會妨礙動作。又，會有因高價而難 以使用的缺點。 [實施例5] 本實施例5的壓力分布感測系統係關於重心動搖計測 評估系統。 本實施例5之壓力分布感測系統的構造係如第1 1圖 所示那樣，使感壓導電性元件4的尺寸配合腳底的大小， 在前後方向將各元件分割成四片，在左右方向將各元件分 割成2片，共分割成8片而構成者，且由分別通電到這些 元件以供計測感壓導電性元件4之電性電阻用的運算放大 器及A/D轉換裝置所構成，藉由連接於個人電腦，透過 事先安裝於個人電腦內的專用軟體，來評估實驗對象的重 心動搖。 因爲各感壓導電性元件4的輸出値對於腳底的負載分 配不同，所以不固定。例如，腳掌心部分的輸出對於腳後 跟或腳指跟極低。又，也有根據實驗對象的不同，使得體 重偏到腳後跟的情形。 然而，只要該各感壓導電性元件所檢測的負載輸出値 -16- 200900670 是靜止站立狀態時，就會變成固定。也就是說， 各感壓導電性元件4之輸出比例的變化，可測定 之重心的搖晃度。 該系統中，重心的搖晃度係將各感壓導電性 輸出的變化透過下列式子進行數値化，與事先用 計測之四肢健全者的結果進行比較演算，可評估 的異常程度。 在此，搖晃的數値化事例係將（1 )變動寬 =(一定時間內的最大値一該最小値）、（2 ) 比例=(一定時間內之輸出的最大値-該最小値 均値χΙΟΟ%、 （3)變動係數=定時間內之 準偏差）/平均輸出、（4)變動速度=一定時 間）的輸出差最大値/時間（訊框）、（5 )上S (4)的各感壓導電性元件別算出結果加以平均穿 相較於將具有近1 〇〇〇點之多數感壓導電性: 習知矩陣陣列狀感測器薄片、或將3個至4個 1 〇 a d c e 11 )設置於具有剛性的板下之重心動搖計 零件數量的削減，可以輕量簡巧、低成本來進行 計測。第1 2圖係藉由感壓導電性元件4 ( ch 1， 檢測之各chi〜ch8中之「搖晃」的資料。 又，由於可裝設於鞋墊等鞋子中來進行計測 需要像荷重元式重心動搖計那樣精細地指定實驗 的位置。由於計測時不需要光腳，所以可在穿著 態下進行重心動搖計測。 藉由讀取 實驗對象 元件4之 同一條件 實驗對象 度實測値 變動寬度 )/該平 輸出的標 間（訊框 t ( 1 )〜 J値。 ΐ；件4的 荷重元（ ，可達成 重心動搖 -c h 8 )所 ，所以不 對象站立 鞋子的狀 -17- 200900670 使用本發明之壓力分布感測系統時，明顯地電路部5 爲輕量小型，壓力分布感測器S也相當廉價，系統整體的 成本變低 [習知之重心動搖計測系統] 習知的重心動搖計測系統中，壓力分布感測器S係成 爲44行X 5 2列的矩陣陣列構造。將矩陣陣列狀壓力分布 感測系統用硬體（電極數最大5 2 X 44 )組合於此，可進行 人在靜止站立時的重心動搖計測。 該系統藉由將數量多的感壓點配置於腳底面，在高度 的解析例如在重心軌跡的長度或重心軌跡所描繪的面積等 重心搖動的評估上可獲得有效的結果。 然而，另一方面，只簡單地觀察左右的下肢負載分布 或前後重心的搖晃等時，壓力分布感測器本身很大，5個 零件數量很多，在成本方面非常地浪費。 [發明之功效] 本發明之壓力分布感測系統成爲，（1)電路部輕量 爲小型、（2)壓力分布感測器廉價、（3)系統整體低價 的構成。 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明之實施例1的壓力分布感測器之平面 圖。 -18- 200900670 第2圖係與本發明之實施例1對應之習知壓力分布感 測器的平面圖。 第3圖係本發明之實施例2的壓力分布感測器之平面 圖。 第4圖係與本發明之實施例2對應之習知壓力分布感 測器的平面圖。 第5圖係本發明之實施例3的壓力分布感測器之平面 圖。 第6圖係與本發明之實施例3對應之習知壓力分布感 測器的平面圖。 第7圖係本發明之實施例4的壓力分布感測器之平面 圖。 第8圖係表示步行時腳底的接觸面之平面圖。 第9圖係與實施例4對應，表示壓力分布感測器的通 道位置與步行時腳底著地的態樣之圖表。 第10圖係與本發明之實施例4對應之習知壓力分布 感測器的平面圖。 第11圖係本發明之實施例5的壓力分布感測器之平 面圖。 第1 2圖係與實施例5對應，表示壓力分布感測器的 通道位置與靜止站立時產生於腳底與地面之間的壓力之態 樣的圖表。 第1 3圖係與本發明之實施例5對應之習知壓力分布 感測器的平面圖。 -19- 200900670 第14圖係將使用於本申請發明之系統之壓力分布感 測器的輸出’藉由解析處理裝置進行讀取的系統之圖。 第1 5圖係習知之壓力分布感測系統的斜視圖。 第1 6圖係習知之壓力分布感測系統的斜視圖。 第17圖係將使用於習知系統之壓力分布感測器的輸 出，藉由解析處理裝置進行讀取的系統之電路圖。 【主要元件符號說明】 S :壓力分布感測器 1 :薄膜基材 2 :配線 3 :端子 4 :感壓導電性元件 -20-

Claims (1)

1. 200900670 十、申請專利範圍 1. 一種壓力分布感測系統，其特徵爲： 具備：壓力分布感測器，在薄膜基材內，於一條行電 極與2〜8條列電極的交差點，具有感壓導電性元件；處 理電路，具有爲了能夠個別計測上述感壓導電性元件之電 性電阻變化而連接到各端子的放大器；以及軟體，用以進 行從上述處理電路獲得之信號的演算與計測結果的顯示、 記錄、解析； 把上述薄膜基材的平視面形狀及薄膜基材內之感壓導 電性元件的位置以使適合於用途的方式來進行配置。 —種壓力分布感測系統，其特徵爲： 具備：壓力分布感測器，具有在薄膜基材內相互獨立 的2〜8個感壓導電性元件及由此個別延伸的配線及端子 :處理電路，具有爲了能夠個別計測上述感壓導電性元件 之電性電阻變化而連接到各端子的放大器；以及軟體，用 以進行從上述處理電路獲得之信號的演算與計測結果的顯 示、記錄、解析； 把上述薄膜基材的平視面形狀及薄膜基材內之感壓導 電性元件的位置以使適合於用途的方式來進行配置。 3. 如申請專利範圍第1或2項之壓力分布感測系統 ，其中，壓力分布感測器的感壓導電性元件從平面看起來 係配列成橫一列，可進行刮擦（squeegee )或滾動（roller )的壓力分布計測評估。 4. 如申請專利範圍第1或2項之壓力分布感測系統 -21 - 200900670 ，其中，壓力分布感測器從平面看起來係爲u字形或V 字形的形狀，在適合於計測人的牙齒咬合時之壓力平衡的 位置，配置感壓導電性元件，可進行咬合時之壓力平衡的 評估。 5 ·如申請專利範圍第1或2項之壓力分布感測系統 ’其中’在透過人或機器人的手把持物體時適合於計測手 掌之壓力分布的位置’配置複數感壓導電性元件，可進行 物體之把持時的壓力分布計測評估。 6.如申請專利範圍第1或2項之壓力分布感測系統 ’其中’在人或機器人進行兩腳步行時適合於計測腳底之 壓力分布或體重之重心移動的位置，配置複數感壓元件， 可進行步行功能計測評估。 7·如申請專利範圍第1或2項之壓力分布感測系統 ’其中’在適合於測定人在靜止站立時之搖晃程度的位置 ，配置複數感壓元件’可進行重心動搖計測評估。 -22-