JP2006340944A - 大変形センサ及びこれを用いた座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価、コンパクトで使用しやすく数十パーセント以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な大変形センサを提供することを目的とする。また、その大変形センサを用いた人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を提供する。
【解決手段】 大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムとからなる。また、大変形センサは、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムとからなる。さらに、これらを利用して、座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、圧電フィルムを用いた大変形センサ及びこれを利用した人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置に関する。

数パーセント以下の伸び変形や縮み変形の検出には、通常歪ゲージが使用される。また、十パーセントを超える伸び変形や縮み変形の検出には歪ゲージの耐久性が無いことから、歪ゲージ等の歪み計測の物差しとなる弾性体を介さない、例えば、レーザ変位計が使用されることが多い。

しかし、このような非接触で伸び等を高精度で測定する装置は一般に高価で大がかりになるという問題がある。このため、安価、コンパクトで使用しやすい歪ゲージタイプのもので従来の歪ゲージ以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な歪ゲージを開発する試みも数少ないがなされている。例えば、特許文献1に、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ合金であって、ひずみに比例して電気抵抗が直線的に変化する超弾性合金箔を用いたひずみセンサが提案されており、これにより最大３５％の大変形を繰返し検出可能で、木材やコンクリート、樹脂などの大変形を測定することができることが開示されている。

特開2004-10999号公報

しかしながら、歪ゲージ又は歪ゲージ類似の接触型の伸び又は縮み変形が検出可能なセンサで、特許文献１に提案された以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な大変形センサの提案例はない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、安価、コンパクトで使用しやすく数十パーセント以上の伸び変形や縮み変形の検出が可能な接触型の大変形センサを提供することを目的とする。また、その大変形センサを用いた人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を提供することを目的とする。

本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムとからなる。

上記大変形センサの弾性バンド及び圧電フィルムにおいては、弾性バンド及び圧電フィルムの伸び剛性E×Aが下記の(1)式を満たすものとするのがよい。ここで、E₁、E₂はそれぞれ圧電フィルムと弾性バンドのヤング率であり、A₁、A₂はそれぞれ前記弾性バンドの前記圧電フィルムを含む横断面の圧電フィルムの横断面積と弾性バンドの横断面積である。（E₁×A₁）/（E₂×A₂）＝3〜300 (1)

また、本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムと、該圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記の(2)式を満たす大変形センサとすることができる。ここで、E₁は圧電フィルムのヤング率、E₂は弾性バンドのヤング率、E₃は弾性部材のヤング率である。E₂≦E₃＜E_l (2)

上記大変形センサの弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材においては、弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材の伸び剛性E×Aが下記の(3)式を満たすものとするのがよい。ここで、E₁、E₂、E₃はそれぞれ圧電フィルム、弾性バンド、弾性部材のヤング率であり、A₁、A₂、A₃は前記弾性バンドの前記圧電フィルム及び前記弾性部材を含む横断面のそれぞれ圧電フィルムの横断面積、弾性バンドの横断面積、弾性部材の横断面積である。（E₁×A₁+E₃×A₃）/（E₂×A₂）＝3〜300 (3)

本発明に係る大変形センサは、さらに、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムとからなる。

また、本発明に係る大変形センサは、弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、該一対の圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記(4)式を満たすものとすることができる。ここで、E₂は弾性バンドのヤング率、E₁は圧電フィルムのヤング率、E₃は弾性部材のヤング率である。E₂≦E₃＜E_l (4)

上記大変形センサにおいて、弾性バンドは0.5〜10MPaのヤング率を有するものを用いるのがよく、弾性部材は0.5〜10MPaのヤング率を有するものを用いるのがよい。

本発明に係る大変形センサは、また、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドを張設する支持部材と、からなるものとすることができ、本大変形センサを座席体の上又は内部に配設することにより、座席者の挙動を検知することができる挙動検知センサを構成することができる。

また、上記挙動センサを用いて座席者の状態監視装置を構成することができる。すなわち、上記挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号V_l、V₂の測定手段と、該測定手段で測定したV_l、V₂の位相演算手段と、V_l、V₂の加算及び減算演算手段と、前記演算手段による演算結果から座席者の重量と座席者の重心位置を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置を構成することができる。

また、上記挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号V_l、V₂の測定手段と、該測定手段で測定したV_l、V₂の位相演算手段と、V_l、V₂の減算値の微分演算手段と、前記演算手段による演算結果から座席者の位置の移動速度を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置を構成することができる。

さらに本発明は以下のような使用者にとって興味又は意欲をもって遊技又は訓練をすることができる、遊技・訓練装置を構成することができる。すなわち、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドの両端を固定する支持部材と、前記一対の圧電フィルムからの信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段により処理された信号を表示する表示手段と、からなり、前記一対の圧電フィルムの間の前記弾性バンド部分に遊技者又は訓練者からの負荷作用部が設けられてなる遊戯・訓練装置を構成することができる。

上記遊技・訓練装置において、信号処理手段は、圧電フィルムからの信号を測定する測定手段と、前記測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、該データベースに蓄積されたデータと前記演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなるものとすることができる。

また、表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに訓練者に訓練度合いを表示することができるものとすることができ、上記遊技・訓練装置には、遊技者又は訓練者からの信号を入力する入力手段と、該入力手段からの信号を処理して前記遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段とを設けるのがよい。

本発明に係る大変形センサは、安価、コンパクトで使用しやすく数十パーセント以上の伸び変形や縮み変形を検出することができる。また、その大変形センサを用いて人の動作や挙動を検知するのに適した座席者挙動検知センサ・監視装置、遊技・訓練装置を構成することができる。

以下本発明に係る大変形センサの実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る大変形センサ100の構成を示す模式図であり、図１（a）は平面図、図１（b）は図１（a）のA-A線の拡大断面図である。図２はこの大変形センサ100を用いて大変形量等を測定する電気回路図を示す。

大変形センサ100は、図1に示すように長尺の弾性バンド15と、弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルム、すなわち、弾性バンド15のほぼ中央部内に埋め込まれた圧電フィルム10と、弾性バンド15の長手方向の歪に応じて圧電フィルム10の内部に生じた電荷を出力電圧として取り出すための圧電フィルム10の表裏面に設けられた一対の電極13（13A、13B）とからなる。

圧電フィルム10は公知のものを使用することができる。例えば、フィルムの厚みが20〜100μm、ヤング率が2000〜4000MPa、ポアソン比が0.3〜0.35のPVDF（ポリフッ化ビニリデン、Polyvinylidene fluoride）を使用することができる。PVDFを積層したものを使用することもできる。

圧電フィルム10の両面に設ける一対の電極13（13A、13B）は、圧電フィルム10の両面にアルミニウムを蒸着し、導電性塗料を塗布し又は銅やニッケルのスパッタリングにより構成することができる。この電極13A、13Bは、圧電フィルム10の変形を阻害することなくその変形に追従でき、導電性に優れたものであればよい。また、電極13A、13Bはその周縁部で短絡せず、かつ圧電フィルム10面のほぼ全面にわたっているのがよい。これにより、圧電フィルム10の面積に応じた出力電圧を得ることができる。

弾性バンド15は、数十パーセント以上の弾性伸びを有する弾性体を用いる。例えば、天然ゴム、合成ゴムなどの各種ゴム系素材、あるいは各種ゴム系素材を組み合わせてなる柔軟な弾性体を使用することができる。

本大変形センサ100において、圧電フィルム10（電極13を含む）及び弾性バンド15の横断面の形状とレイアウトは変形量等の測定精度に関係するから重要である。すなわち、圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面の形状は、図１（b）に示すように、互いに直交するYY軸及びZZ軸に対称になっており、かつ、圧電フィルム10は圧電フィルム10の横断面の対称軸と弾性バンド15の横断面の対称軸が一致するように弾性バンド15の内部に埋め込まれているのがよい。これにより、大変形センサ100が面外方向の曲げ力を受けたとき、圧電フィルム10に曲げ力による出力電圧の変動が生じないから精度の高い測定が可能になる。また、大変形センサ100が長手方向の外力を受けたとき、圧電フィルム10に面外曲げ変形が生じないので精度の高い測定が可能になる。

また、圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面は、弾性バンド15の長手方向について一様であるのがよい。すなわち、弾性バンド15の圧電フィルム10を含む部分の横断面について、また、圧電フィルム10を含まない部分の横断面について、それぞれ弾性バンド15の長手方向について一様であるのがよい。これにより、高い測定精度を確保することが容易になる。また、大変形センサの製作が容易になる。

なお、弾性バンド15の長手方向上の圧電フィルム10のレイアウト位置は必ずしも弾性バンド15のほぼ中央部である必要はない。弾性バンド15に負荷された外力が圧電フィルム10に伝達される位置にあればよい。

大変形センサ100を用いて大変形量等を測定する電気回路図は、図２に示すように、圧電フィルム10と、圧電フィルム10の内部に生じた電荷を外部に導く配線18（18A、18B）とからなる大変形センサ100側の回路と、圧電フィルム10に生じた電荷を出力電圧として検知する電圧検知装置60の回路とからなる。図２において、R₀は電圧検知装置60の内部抵抗を示す。静電容量Cと抵抗Rは、外力の負荷速度により必要に応じて変形センサ100の側又は電圧検知装置60の側の回路内に設けられるコンデンサーと抵抗である。

配線18（18A、18B）は、例えば導電性粘着剤付き金属箔テープに配線を半田付けし、金属箔テープの粘着剤面を電極13A、13Bに粘着し、あるいはカシメにより結線して構成される。それらの端部は配線用コネクタ（図示しない）に接続され、電圧検知装置60の配線コネクターと容易に連結できるようになっている。なお、以下に説明する圧電フィルムについて、その出力電圧が関係する場合は圧電フィルムの表裏面には、一対の電極を有し、また、これに接続された配線を有するものとする。

電圧検知装置60の側に設けるコンデンサーCは、圧電フィルム10にPVDFを用いる場合は0.2〜2μFのものを用いるのがよい。抵抗Rは、一般に外力の負荷速度が緩やかで圧電フィルム10から検知される出力電圧の周期が長い場合に設けられる。例えば、合成抵抗（R₀+R）が1〜10MΩになるような抵抗Rを電圧検知装置60の側の回路に設けるのがよい。

次に、本大変形センサ100を用いて大変形量（伸び）を測定する原理を以下に説明する。図１に示すように、本大変形センサ10に外力Wが作用している場合を考える。弾性バンド15及び圧電フィルム10は、弾性バンド15の長手方向で均一な形状をしており、圧電フィルム10を含む弾性バンド15の横断面部の圧電フィルム10及び弾性バンド15の横断面形状は対称でともに対称軸が一致している。弾性バンド15の全長をL（mm）、圧電フィルム10の長さをL_l（mm）とする。圧電フィルム10を含む弾性バンド15の横断面部の歪みをεとし、圧電フィルム10の横断面積をA₁、弾性バンドの横断面積をA₂する。圧電フィルム10のヤング率をE₁、弾性バンドのヤング率をE₂する。また、大変形センサ100の伸びをδとする。

上記の大変形センサ100において、外力Wは弾性バンド15と圧電フィルム10とが分担して負担している。また、大変形センサ100の伸びδは、圧電フィルムを含む弾性バンド部分の伸びL₁×ε（圧電フィルム10と弾性バンド15は一体に変形するので両者の歪みはともに等しくεである）と、弾性バンド15の圧電フィルム10を含まない部分の伸びとの和であるから、弾性材料力学によると以下の式が成立する。

（数１）
W=(E₁×A₁+E₂×A₂)×ε (10)

（数２）
δ=(L₁×ε)+(L-L₁)×W/(E₂×A₂)
=(L+(L-L₁)×(E₁×A₁)/(E₂×A₂))×ε (11)

一方、圧電フィルム10からは、圧電フィルム10の歪εと圧電フィルム10の表裏面に設けた電極13の面積Sに比例した出力電圧Vを得ることができる。すなわち、出力電圧V（ボルト）は(12)式のように表される。(12)式においてｋは、厚さ40μmのPVDF製の圧電フィルムの場合にk=0.097V/mm²であった。

（数３）
V=k×S×ε（kは比例定数） (12)

上記の(10)〜(12)式によると、圧電フィルム10からの出力電圧Vを測定することによって、外力Wの大きさ又は伸びδ又は変形量を測定することができる。また、(11)式に示すように弾性バンド15の長さLが長く、(E₁×A₁)/(E₂×A₂)の値（圧電フィルム10の弾性バンド15に対する伸び剛性比）が大きいほど大きな伸びδを測定することができることが分かる。(E₁×A₁)/(E₂×A₂)の値は、3〜300であるのがよい。(E₁×A₁)/(E₂×A₂)の値が3未満であると、本大変形センサ100は歪ゲージを用いた伸び測定センサよりも大きな伸びが測定できるとする利点がなくなるからである。一方、(E₁×A₁)/(E₂×A₂)の値が300を超えると、弾性バンド15の剛性が低くすぎて実用に適しないからである。

伸び剛性比(E₁×A₁)/(E₂×A₂)は、例えば、厚さ40μm、幅20mm、ヤング率3000MPaのPVDF製の圧電フィルム10を用いる場合は、その伸び剛性は2400Nであるから、厚さ1mm、幅20mm、初期ヤング率が約3.3Mpaの黒色天然ゴム又は初期ヤング率が約1.0Mpaの飴ゴムを用いると、それぞれ36.4、120になる。一般に実用上の剛性を確保するため、また、大きな伸びを測定可能とするために、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15を使用するのがよい。なお、本大変形センサ100においては、圧電フィルム10の伸び剛性が弾性バンド15の伸び剛性よりも相当に大きいので、外力は主として圧電フィルム10によって負担されていることが分かる。この大変形センサ100のような形態の歪み、伸び又は外力を測定するセンサは、従来の歪みゲージ等を用いるセンサと異なるものである。

図３は、本大変形センサ100の両端に外力を負荷し、その伸びを測定した試験結果を示す。試験は弾性バンド15の材質が異なる３種類の大変形センサA、B及びCについて行った。図３のグラフの横軸は大変形センサ100の伸びδを示し、縦軸は圧電フィルム10からの出力電圧Vを示す。パラメータの括弧内は、弾性バンド15の材質を示す。各大変形センサA、B及びCについて40%の伸びを5000回の繰り返し試験を行ったが、本試験の再現性は非常に高かった。

図３によると、本大変形センサA、B及びCのいずれについても50%程度までの伸びを高精度で測定でき、歪ゲージを用いた伸び測定センサよりも大きな伸びが測定できることが分かる。

なお、図３に示す試験は以下に示す手順で行った。試験に用いた大変形センサは以下のように作成したものを用いた。まず、厚さ1mm、幅30mm、長さ300mmの黒色天然ゴム（初期ヤング率約3.3Mpa）、シリコンゴム（初期ヤング率約1.5Mpa）、及び飴ゴム（初期ヤング率約1.0Mpa）の3種類の弾性バンド各2枚を用意し、その各2枚をそれぞれ重ねるとともに、弾性バンドの長手方向の中央部に厚さ0.04mm、幅30mm、長さ30mmを有する表裏面全体にアルミを蒸着した電極付きのPVDF製の圧電フィルム（ヤング率3000Mpa）を挟み込み、2枚の弾性バンドの向かい合う面及び圧電フィルムの表裏面と弾性バンドの向かい合う面を全てゴム系接着剤で接着して仕上げたものを、それぞれ大変形センサA、B及びCとした。これらの大変形センサの伸び剛性比(E₁×A₁)/(E₂×A₂)は、それぞれ18.2、40、60であった。

上記のように作成した３種類の大変形センサA、B及びCについて、それぞれサーボ式疲労試験機にチャック間有効長さL＝120mmに取付けて、片振り引張り変位（周波数0.5Hz）を繰り返し負荷し、変位の変動幅を徐々に大きくして圧電フィルムの出力電圧をNEC三栄社製オムニエース型電圧記録計（内部抵抗R₀=1MΩ）で測定した。なお、以下に示す試験を含め本試験においては、図２に示すコンデンサーC（0.47μF）は設けたが、電圧検知装置60の内部抵抗がR₀=1MΩであったので、抵抗Rは設けなかった。

以上説明したように、本大変形センサ100は大きな伸びを高精度で測定することができる。しかしながら本発明に係る大変形センサは、上記の実施形態のものに限らない。すなわち、大変形センサを図４に示す構造のものとすることができる。図４（a）は大変形センサ110の構造を模式的に示す平面図、図４（b）は図４（a）のA-A線の拡大断面図である。

図４に示すように、大変形センサ110は、弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルム10と、圧電フィルム10を覆うとともに弾性バンド15と一体に変形する弾性部材20とからなる。そして、弾性バンド15、弾性部材20及び圧電フィルム10のヤング率をそれぞれE₂、E₃、E_lとするときに、E₂≦E₃＜E_l なる関係を有するものである。

本大変形センサ110は、弾性部材20が圧電フィルム10及び圧電フィルム10が挿入された弾性バンド15部分を覆うように設けられていることが、上記に説明した大変形センサ100と異なる。また、大変形センサ110も圧電フィルム10のヤング率E₁と弾性バンド15のヤング率E₂は上記に説明したようにE₂＜E_lなる関係を有するものであるが、大変形センサ110はさらに弾性部材20との関係では、弾性部材20のヤング率をE₃とすると、E₂≦E₃＜E_l なる関係を有するものである。なお、圧電フィルム10、弾性バンド15及び圧電フィルム10の表裏面に設けられた一対の電極13（13A、13B）は大変形センサ100のものと同等のものを使用することができる。

上記大変形センサ110が、図４に示すように、弾性バンド15の長手方向の外力Wを受けているとき、大変形センサ110に生ずる伸びをδ、圧電フィルム10及び弾性部材20を含む弾性バンド15部分の歪みをεとすると、図１の場合と同様に以下に示す式が成立する。ここで、圧電フィルム10、弾性バンド15、弾性部材20のヤング率を、それぞれE₁、E₂、E₃とし、圧電フィルム10及び弾性部材20を含む弾性バンド15部分の横断面の、圧電フィルム10の横断面積をA₁、弾性バンド15の横断面積をA₂、弾性部材20の横断面積をA₃とする。

（数４）
W=(E₁×A₁+E₂×A₂+E₃×A₃)×ε (13)

（数５）
δ=(L₁×ε)+(L-L₁)×W/(E₂×A₂)
=(L+(L-L₁)×(E₁×A₁+E₃×A₃)/(E₂×A₂))×ε (14)

（数６）
V=k×S×ε（kは比例定数） (15)

本大変形センサ110においては、(14)式から分かるように、大変形センサ100と同様に伸び剛性比(E₁×A₁+E₃×A₃)/(E₂×A₂)の値が大きいほど大きな伸びδを測定することができることが分かる。伸び剛性比(E₁×A₁+E₃×A₃)/(E₂×A₂)は、大変形センサ100と同様に、3〜300であるのがよく、また、弾性部材20は0.5〜10MPaのヤング率を有するものであるのがよい。

また、弾性部材20の伸び剛性(E₃×A₃)が高いほど圧電フィルム10が挿入された部分の大変形センサ110の歪みは小さくなり、弾性部材20は圧電フィルム10の伸びを抑制する効果があることが分かる。この伸び抑制効果と、以下に説明する弾性部材20の圧電フィルム10に無理な変形が生ずるのを防止する効果により、大変形センサ110は一層大きな伸びを測定することができる。

以下に弾性部材20が有する圧電フィルム10の無理な変形を防止する効果について説明する。図５は、弾性部材20を有しない大変形センサ100の圧電フィルム10部分の弾性バンド15の変形状態を模式的に表したものである。上述のように、圧電フィルム10の伸び剛性は弾性バンド15の伸び剛性より非常に大きいから、大変形センサ100が外力Wを受けると、弾性バンド15の圧電フィルム10部分は図５に示すように圧電フィルム10の縁部で細くくびれたように変形する。このために、圧電フィルム10の縁部に大きな歪みが集中し、圧電フィルム10に無理な変形が生じる。これに対し、図５の一点鎖線で示すような圧電フィルム10を覆う圧電フィルム10のヤング率よりは小さいが弾性バンド15のヤング率と同等以上のヤング率を有する弾性部材20を設けることによって圧電フィルム10に無理な変形が生ずるのを防ぐことができる。

この弾性部材20の効果を図６に示す。図６のグラフは、大変形センサ110に外力（引張荷重）Wを負荷したときの引張荷重Wと大変形センサの伸びδの関係を表したものである。図６のグラフの横軸は大変形センサ110の伸びδ、縦軸は引張荷重W及び圧電フィルム10の出力電圧Vである。図６によると、140%程度までの伸びを高精度で測定することができることが分かる。図３と図６を比較すると、大変形センサ110は大変形センサ100よりも２倍以上の伸びを測定することができることが分かり、弾性部材20を設けた効果が大きいことが分かる。また、引張荷重Wと出力電圧Vの間にはよい比例関係があることも分かる。

なお、図６は、以下の構成の大変形センサを用いて試験を行った。弾性バンド15は、幅30mm、長さ260mm、厚さ2mmの飴ゴムからなり、表裏面全体にアルミを蒸着した電極付きのPVDF製の圧電フィルム10が弾性バンド15のほぼ中央部に埋め込まれている。圧電フィルム10は、厚さ0.04mm、幅30mm、長さ30mmであった。そして、厚さ1mm、長さ約45mmの黒色天然ゴムからなる弾性部材20が、圧電フィルム10を覆うように弾性バンド15の表裏面に接着されている。

また、引張荷重Wは、引張試験機の上部チャックで掴んで大変形センサ110を垂直につるし、手で大変形センサ110の下端部を下方に所定長さまで引っ張って与えた。引張荷重Wは引張試験機のロードセルから読み取った。大変形センサ110の出力電圧の測定は、0.47μFのコンデンサーを並列接続して1MΩの内部抵抗R₀を有するNEC三栄社製オムニエース電圧記録計でもって行った。

本発明の実施形態は、さらに、以下のような構成の大変形センサも含まれる。この大変形センサによれば、複雑な人の動作、挙動状態を簡単に検出することができる。すなわち、大変形センサ120は、図７に示すように、弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11（11A、11B）とからなる。

本大変形センサ120は、ちょうど上記大変形センサ100、110において圧電フィルム10を弾性バンド15の端部に配設するとともに、その圧電フィルム10と同等の圧電フィルムを反対側の端部に配設した形態をしている。すなわち、大変形センサ120の一対の圧電フィルム11A、11Bは、同一形状をしており対向して配設されている。なお、本大変形センサ120においても、大変形センサ100、110と同様に弾性バンド15はヤング率が0.5〜10Mpaであるのがよく、弾性部材20を有する場合は、弾性部材20のヤング率は0.5〜10Mpaであるのがよい。

大変形センサ120は以下のように使用される。すなわち、大変形センサ120に所用の初期伸びを与えるように両端部を張設・固定し、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の部分、例えばP点に大変形センサ120（弾性バンド15）の長手方向に外力Fがかかるように使用する。

外力Fが作用すると、図７において外力Fが作用した位置より左側の弾性バンド15はδだけ伸び、右側の弾性バンド15はδだけ縮む。このとき、大変形センサ120に配設した一対の圧電フィルム11A、11Bからその変形に対応した出力電圧が得られる。この出力電圧より、外力Fの大きさ、大変形センサ120（弾性バンド15）の変形量δ、外力Fが作用した位置等を求めることができる。

図８は、大変形センサ120の長手方向各位置に長手方向の外力Fを負荷したときに一対の圧電フィルム11から得られた出力電圧の時間変化を示す。図８のグラフにおいて、横軸は時間sを示し、縦軸は圧電フィルム11の出力電圧Vを示す。図８において実線（11A）は左側の圧電フィルム11Aの出力電圧、破線（11B）は右側の圧電フィルム11Bの出力電圧を示す。また、図８に示す「（1/3）LにFを負荷」とは、図７に示すように、大変形センサ120の左端から大変形センサ120の全長Lの1/3のP点に外力Fを負荷したことを意味する。なお、外力Fは、手で弾性バンド15のP点をつかんで左右方向の力を与えて負荷した。

図８によると、大変形センサ120の(1/2)L（中央部）の位置に外力Fを繰り返し負荷した場合には、外力の負荷点Pを挟んで弾性バンド15の左右の部分は交互に等しく伸縮し、圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は振幅が同じで位相が逆転した波形を示す。(1/6)Lの位置に外力Fを繰り返し負荷した場合には、外力Fの作用位置よりも左側の弾性バンド15の歪の絶対値が右側の弾性バンド15の歪の絶対値よりも大きいので、左側の圧電フィルム11Aの出力電圧の振幅のほうが大きくなる。(1/3)Lの位置に外力Fを負荷した場合には、(1/6)Lと(1/2)Lの場合の中間の出力電圧が測定される。すなわち、一対の圧電フィルム11A、11Bの出力電圧波形を比較することにより、外力の作用点Pを判定することができることが分かる。

以上本発明に係る大変形センサの種々の実施の形態について説明した。しかしながら、さらに、本発明に係る大変形センサは以下のような構造とすることができる。例えば、弾性バンド15は、その横断面の形状が矩形のものに限らず、楕円形又は中空円管状であってもよい。なお、この場合、弾性バンド15に挟み込む圧電フィルム10は、上述のように、その横断面の形状が弾性バンド15の横断面の対称軸に関して対称になるようなものであればよい。

また、大変形センサ110の弾性部材20を設けた部分は、図９に示すように、電極13の付いた圧電フィルム10を弾性部材20で包み込んだ状態で、弾性バンド15の内部に弾性部材20が埋め込まれた構造とすることもできる。この場合は、大変形センサ110の作製が比較的容易になるという利点がある。なお、圧電フィルム10、弾性部材20又は弾性バンド15をそれぞれ接着して大変形センサを作製する場合は、硬化後の接着剤の弾性特性が弾性バンドの弾性特性とほぼ等しいゴム系の接着剤を使用するのがよい。これに対し、液体状の弾性バンド素材を弾性バンド20又は弾性部材20と圧電フィルム10の間に流し込んで硬化させて大変形センサ110を作製することもできる。

弾性部材20は、上述のように、弾性バンド15の伸びを抑制するとともに、圧電フィルム10の無理な変形を防止する効果がある。したがって、このような効果を発揮させることができれば必ずしも弾性部材20を設けなくてもよい。弾性バンド15の形状的な対応、例えば、圧電フィルム10を含む弾性バンド15部分を大きく又は厚くすることによって対応するものであってもよい。

上記大変形センサ100、110又は120を使用して、被測定物の伸びあるいは被測定物に負荷された外力の大きさを測定するには、大変形センサ100、110又は120はその両端部が被測定物に取り付けられて使用される。これらのセンサの被測定物への取付方法は、測定目的に応じて種々の方法がとられる。例えば、弾性バンド15の両端部を金具で締め付ける方法、あるいは両端部にボルト穴を設けてボルト固定する方法が使用される。また、大変形センサを張設した状態で使用する場合、例えば、大変形センサ100により伸び、縮みの両方を測定する場合は、予め弾性バンド15の両端部を支持部材に張設して取り付けた大変形センサ100を被測定物に例えば金具等で締め付け固定して使用される。さらに、これらの固定方法において、大変形センサと被測定物や支持部材との結合は、剛結あるいはピン結合等種々の方法が使用される。

上述のように大変形センサと被測定物との結合方法は種々の方法があり、大変形センサの弾性バンド部分をそのまま被測定物又は支持部材に取り付けることもできるが、弾性バンドの両端部に取付部となる支持部材を付設するのがよい。そのような支持部材の例を図１０に示す。図１０は変形センサ100又は110の左端部分を示し、支持部材40は、弾性バンド15を挟み込む３枚の短冊状の布にゴムを含浸させて一体に形成したものからなる。この場合、ゴムの材質は特に問わない。例えば、飴ゴムを使用することができる。また、布の材質も特に問わない。例えば、帆布を使用することができる。このような支持部材を大変形センサに付設することにより、大変形センサの耐久性及び精度を向上させることができる。また、大変形センサの被測定物への取り付けが容易になる。

また、本発明は、上記の大変形センサを応用した以下のような挙動検知装置を含む。例えば、座席者51の挙動検知センサ210は、図１１に示すように、座席体45の上又は内部に配設される座席者51の挙動検知センサであって、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11A、11Bと、弾性バンド15を張設する支持部材46と、からなる。弾性バンド15及び一対の圧電フィルム11A、11Bは上記大変形センサ120に用いられるものと同等ものを使用することができる。支持部材46は、座席体45を構成する一部分を利用することもできる。支持部材46は、弾性バンド15が張設・固定されるようになっておればよい。

この挙動検知センサ210は、図１１に示すように、座席体45、例えば乗用自動車のシートの上又は内部に弾性バンド15が張設された状態で配設されて使用される。例えば、座席体45の中央部に座った座席者51が、図１１(a)〜(d)のような、上下動、右方向へ移動して（右側寄り）上下動、ローリング、シェアリング動作を行った場合、一対の圧電フィルム11A、11Bから図１２に示す出力電圧が得られる。

座席者51が座席体45の中央部で上下動をした場合（図１２(a)）には、座席者51が座った左右の弾性バンド15の各部分はほぼ同じ長さで伸縮するので、左右の圧電フィルム11A、11Bの波形はほぼ同じである。座席者51の重さが重いほど、また、動揺の大きさが大きいほど圧電フィルム11A、11Bの出力電圧の変動幅が大きくなる。次に、座席体45の右側寄りで上下方向に動揺した場合（図１２(b)）には、弾性バンド15の右側部分が左側部分よりも大きく伸縮するので、左右の圧電フィルム11A、11Bの波形には差異が生じ、右側の圧電フィルム11Bの出力電圧の変動幅が、左側の圧電フィルム11Aの出力電圧の幅よりも大きくなる。

次に、ローリングの場合（図１２(c)）には、尻部の荷重位置が弾性バンド15の右側と左側に交互に移動することになるので、弾性バンド15は左側部分と右側部分が交互に伸縮して、圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は、位相が逆転した波形を示す。また、シェアリングの場合（図１２(d)）は、体が右方向に移動すると摩擦力によって弾性バンド15の左側部分が引っ張られ、右側部分が緩む。逆に、体が右から左に移動した場合には、弾性バンド15の右側部分が引っ張られ、左側部分が緩む。その結果、左右の圧電フィルム11A、11Bの出力電圧は位相が逆転したものになる。

このように、一対の圧電フィルムからの出力電圧は座席者の各動作によって異なる。すなわち、挙動検知センサ210によれば、座席者の各動作に応じた出力電圧が得られるので、その時間変動を解析することにより座席者の挙動を検知することができる。図１３又は１４は、挙動検知センサ210を用いた座席者の状態監視装置の例を示す。

図１３の座席者51の状態監視装置250は、挙動検知センサ210と、挙動検知センサ210の1対の圧電フィルム11A、11Bの出力信号V_l、V₂の測定手段61と、測定手段61で測定したV_l、V₂の位相演算手段62と、V_l、V₂の加算演算手段63及び減算演算手段64と、それらの演算手段による演算結果から座席者51の重量と座席者51の重心位置を判定する判定手段65からなる。

位相演算手段62では、V_l、V₂のピーク値の抽出、又はV_l、V₂増減勾配の比較によって、V_lとV₂が同位相であるか逆位相であるかを演算する。そして、V_lとV₂が同一位相である場合には座席者51が上下動しているとみなして、V_lとV₂の加算演算手段63によって座席者51の重量を演算し、V_lとV₂の減算演算手段64によって座席者51の着座位置が変形センサの長手方向の中央部分であるか、右よりであるかあるいは左よりであるかを演算する。そして、これらの演算結果から、判定手段65では座席者51の重量や着座位置を段階的に分類して判定することにより、着座者51の状態監視、着座したことの判定、座席を離れたことの判定を行うことができる。

図１４の座席者51の状態監視装置251は、挙動検知センサ210と、挙動検知センサ210の1対の圧電フィルム11A、11Bの出力信号V_l、V₂の測定手段61と、測定手段61で測定したV_l、V₂の位相演算手段62と、V_l、V₂の減算値の微分演算手段66と、それらの演算手段による演算結果から座席者51の位置の移動速度を判定する判定手段65からなる。

位相演算手段62では、V_l、V₂のピーク値の抽出、又はV_l、V₂増減勾配の比較によって、V_lとV₂が同位相であるか逆位相であるかを演算する。そして、V_lとV₂が逆位相である場合には座席者51の位置が水平方向に移動したとみなして、（V_l−V₂）の前記微分演算手段66による演算結果から、座席者51の移動速度を判定手段65でする。座席者51が自主的に体の位置を移動させた場合には身体の慣性のために移動速度は比較的遅くなるが、外部から荷重が作用して座席者51が横方向に滑り移動した場合には移動速度が大きくなるので、移動速度を段階的に分類することによって、移動原因を判定することもできる。

また、上記挙動検知センサ210は、介護分野における被介護者が使用する座椅子やソファーに設置すると、被介護者の挙動監視に利用することができる。また、上記挙動検知センサ210を自動車座席の上又は内部に前後方向に張設して用いると、着座者が座席シートの前寄りに着座しているか後ろ寄りに着座しているかの判定や、自動者が衝突した場合の前方向への飛び出し速度の判定も行うことができる。

また、本発明は、上記の大変形センサを応用した以下のような遊技・訓練装置を含む。例えば、図１５に遊技・訓練装置の例を示す。遊技・訓練装置260は、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンド15と、弾性バンド15の長手方向に離隔して配設されその弾性バンド15の長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルム11A、11Bと、弾性バンド15の両端を固定する支持部材48と、一対の圧電フィルム11A、11Bからの信号を処理する信号処理手段67と、信号処理手段67により処理された信号を表示する表示手段68と、からなり、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の弾性バンド15部分に遊技者又は訓練者52からの負荷作用部37が設けられてなる。遊技者又は訓練者52は、負荷作用部37を持って任意の負荷を加えることにより、表示手段68によって自身の加えた負荷の方向又は大きさを知り、あるいは基準値との比較結果を知り興味深く遊技又は訓練を行うことができる。

上記発明の信号処理手段67は、圧電フィルム11A、11Bからの信号V₁、V₂を測定する測定手段と、測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、データベースに蓄積されたデータと演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなるものとすることができる。また、表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに遊技や又は訓練者に訓練度合いを表示することができるものとすることができる。

前記測定手段では圧電フィルムの出力信号をA／D変換してコンピュータに取り込み、遊戯者又は訓練者が加えた力の大きさと向き及びそのタイミングをコンピュータ内部で演算する。また、コンピュータには、力の大きさと向き及びタイミングの一連の動作を教示する教示データが複数の種類の訓練用データベースとして準備されており、訓練者又は遊戯者は自分の望むデータベースを選んで訓練又は遊戯を行うことができる。

訓練に選んだデータベースはコンピュータを介して音声、画像又はその両方の表示手段で訓練者又は遊戯者に表示される。そして、訓練者が加えた力の大きさと向き及びそのタイミングを演算した演算結果は、データベースと比較されて各動作ごとに音声や画像などの表示手段68で表示される。また、一連の訓練の最後に得点として表示するようにしても良い。

訓練用のデータベースは、例えば身体動作を組み込んだゲーム又は遊技要素を取り入れた興趣性の有るソフトウエアとして構成するとよい。また、遊戯者又は訓練者からの大変形センサに加えた力の信号に加えて、押しボタンの操作によって入力する入力手段と、入力手段からの信号を処理して遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段69とを設けるのがよい。入力手段・割込手段を、例えば、ON-OFF切り替えスイッチとすることができる。この入力手段・割込手段によって遊技又は訓練内容を複雑にすることができ、また、遊技者又は訓練者に興味深く遊技又は訓練を行わせることができる。

図１６は、遊技・訓練装置において、弾性バンドの中央部を手で掴んで、手前側に強く引っ張ったとき、手前及び右方向（45度方向）に引っ張ったとき、及び右方向に引っ張ったときの圧電フィルムからの出力信号の一例を示す。図１６において、手前側に強く引っ張ったときは左右の圧電フィルムの出力はほぼ同じになるが、手前及び右方向（45度方向）に引っ張ったときは左側の圧電フィルムの出力電圧が大きくなり、さらに、右方向に引っ張った時は右側の圧電フィルムの出力電圧はほぼ零になっている。この出力信号のピーク値から弾性バンドに加えた力の大きさと方向及びタイミングを演算し、これをデータベースのデータと比較することにより、遊技者又は訓練者はその遊技又は訓練の程度を知ることができる。

上記遊技・訓練装置の例では、遊技者又は訓練者52が遊技又は訓練のため負荷を与える部分となる負荷作用部37は、一対の圧電フィルム11A、11Bの間の弾性バンド15部分に設けられていたが、これを弾性バンド15の両端部に設けるとことによって、さらに異なる遊技・訓練を楽しむことができる。

本発明に係る大変形センサの平面図（a）及び拡大断面図（b）である。 図１の大変形センサの電気回路図である。 図１の大変形センサの伸びと出力電圧との関係を示すグラフである。 他の一の実施形態の大変形センサの平面図（a）及び拡大断面図（b）である。 図１の大変形センサの変形特性を説明する模式図である。 図４の大変形センサの伸びと引張荷重との関係を示すグラフである。 他の二の実施形態の大変形センサの平面図である。 図７の大変形センサの出力電圧の時間変化を示すグラフである。 図４の実施形態の変形例の大変形センサの平面図（a）及び拡大断面図（b）である。 大変形センサの支持部材部分の構造を示す断面図である。 挙動検知センサ及びその使用例を示す模式図である。 図１１の挙動検知センサの出力電圧の時間変化を示すグラフである。 図１１の挙動センサを用いた座席者の状態監視装置の構成を示す模式図である。 図１３の座席者の状態監視装置の変形例を示す模式図である。 遊技・訓練装置の構成を示す模式図である。 図１５の遊技・訓練装置の出力電圧の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

10 圧電フィルム
11、11A、11B 圧電フィルム
13、13A、13B 電極
15 弾性バンド
18、18A、18B 配線
20 弾性部材
37 負荷作用部
40 支持部材
45 座席体
46、48 支持部材
51 座席者
52 遊技者又は訓練者
60 電圧検知装置
61 測定手段
62 位相演算手段
63 加算演算手段
64 減算演算手段
65 判定手段
66 微分演算手段
67 信号処理手段
68 表示手段
69 割込手段
100 大変形センサ
110 大変形センサ
120 大変形センサ
210 挙動検知センサ
250 座席者の状態監視装置
251 座席者の状態監視装置
260 遊技・訓練装置

Claims (15)

1. 弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムとからなる大変形センサ。
2. 弾性バンド及び圧電フィルムの伸び剛性E×Aが下記の(1)式を満たす請求項１に記載の大変形センサ。
   （E₁×A₁）/（E₂×A₂）＝3〜300 (1)
   ここで、E₁、E₂はそれぞれ圧電フィルムと弾性バンドのヤング率であり、A₁、A₂はそれぞれ前記弾性バンドの前記圧電フィルムを含む横断面の圧電フィルムの横断面積と弾性バンドの横断面積である。
3. 弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する圧電フィルムと、該圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記の(2)式を満たす大変形センサ。
   E₂≦E₃＜E_l (2)
   ここで、E₁は圧電フィルムのヤング率、E₂は弾性バンドのヤング率、E₃は弾性部材のヤング率である。
4. 弾性バンド、圧電フィルム及び弾性部材の伸び剛性E×Aが下記の(3)式を満たす請求項３に記載の大変形センサ。
   （E₁×A₁+E₃×A₃）/（E₂×A₂）＝3〜300 (3)
   ここで、E₁、E₂、E₃はそれぞれ圧電フィルム、弾性バンド、弾性部材のヤング率であり、A₁、A₂、A₃は前記弾性バンドの前記圧電フィルム及び前記弾性部材を含む横断面のそれぞれ圧電フィルムの横断面積、弾性バンドの横断面積、弾性部材の横断面積である。
5. 弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムとからなる大変形センサ。
6. 弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、該一対の圧電フィルムを覆うとともに前記弾性バンドと一体に変形する弾性部材とからなり、下記(4)式を満たす大変形センサ。
   E₂≦E₃＜E_l (4)
   ここで、E₂は弾性バンドのヤング率、E₁は圧電フィルムのヤング率、E₃は弾性部材のヤング率である。
7. 弾性バンドは、0.5〜10MPaのヤング率を有するものであることを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載の大変形センサ。
8. 弾性部材は、0.5〜10MPaのヤング率を有するものであることを特徴とする請求項３，４，６，７のいずれかに記載の大変形センサ。
9. 座席体の上又は内部に配設される座席者の挙動検知センサであって、0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドを張設する支持部材と、からなる座席者の挙動検知センサ。
10. 請求項９に記載の挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号V_l、V₂の測定手段と、該測定手段で測定したV_l、V₂の位相演算手段と、V_l、V₂の加算及び減算演算手段と、それらの演算手段による演算結果から座席者の重量と座席者の重心位置を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置。
11. 請求項９に記載の挙動検知センサと、該挙動検知センサの1対の圧電フィルムの出力信号V_l、V₂の測定手段と、該測定手段で測定したV_l、V₂の位相演算手段と、V_l、V₂の減算値の微分演算手段と、それらの演算手段による演算結果から座席者の位置の移動速度を判定する判定手段からなる座席者の状態監視装置。
12. 0.5〜10MPaのヤング率を有する弾性バンドと、該弾性バンドの長手方向に離隔して配設されその弾性バンドの長手方向の歪に応じた信号を出力する一対の圧電フィルムと、前記弾性バンドの両端を固定する支持部材と、前記一対の圧電フィルムからの信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段により処理された信号を表示する表示手段と、からなり、前記一対の圧電フィルムの間の前記弾性バンド部分又はその弾性バンドの両端部に遊技者又は訓練者からの負荷作用部が設けられてなる遊戯・訓練装置。
13. 信号処理手段は、圧電フィルムからの信号を測定する測定手段と、前記測定手段で測定した測定値から遊技者が変形センサに負荷した力の大きさ及びタイミングを演算する演算手段と、訓練用プログラムを蓄積したデータベースと、該データベースに蓄積されたデータと前記演算手段の結果とを比較する比較手段と、からなることを特徴とする請求項１２に記載の遊戯・訓練装置。
14. 表示手段は、演算手段による結果と比較手段による結果を表示するとともに訓練者に訓練度合いを表示することができるものであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の遊戯・訓練装置。
15. 請求項１２〜１４のいずれかに記載の遊戯・訓練装置に、遊技者又は訓練者からの信号を入力する入力手段と、該入力手段からの信号を処理して前記遊戯・訓練装置の信号処理手段に入力する割込手段とを設けたことを特徴とする遊戯・訓練装置。

Images