JP2018159708A - Load detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、荷重検出装置に関する。 The present invention relates to a load detection device.
近年、人の呼吸信号や体動の変化を検出することができるセンサが提供されている。このようなセンサとしては、特許文献１に、両面が誘電体シートで被覆されたパネル電極Ｓを挟み、前記両面のそれぞれに対向して、前記パネル電極Ｓに接する複数の弾性体のスペーサが取り付けられた一対のパネル電極Ｅが配されてなることを特徴とする静電容量式重量センサが提案されている。
In recent years, sensors capable of detecting changes in human respiratory signals and body movement have been provided. As such a sensor, a plurality of elastic spacers that are in contact with the panel electrode S are attached to
しかしながら、特許文献１の静電容量式重量センサは、その構造が複雑であるという問題点を有している。
However, the capacitance type weight sensor of
更に、上記静電容量式重量センサは、人が動くことによって変動するコンデンサの静電容量の変化を利用しているため、センサに加えられる圧力が変化する場合、即ち、動圧を検出することはできる一方、人が重量センサ上に静止状態で載っている場合の人の存在、即ち、静圧を検知することができないという問題点を有する。 Furthermore, since the capacitance type weight sensor uses a change in the capacitance of the capacitor that fluctuates as a person moves, it detects the dynamic pressure when the pressure applied to the sensor changes. On the other hand, there is a problem that the presence of a person when the person is resting on the weight sensor, that is, the static pressure cannot be detected.
本発明は、構造が簡単であると共に、センサ部に加えられる静圧及び動圧の何れも検出することができる荷重検出装置を提供する。 The present invention provides a load detection device having a simple structure and capable of detecting both static pressure and dynamic pressure applied to a sensor unit.
本発明の荷重検出装置は、荷重を検知可能なセンサ部と、上記センサ部の出力端子と接続されたバッファ回路部と、上記バッファ回路部に電源を供給するための電源供給部とを有し、上記センサ部と上記バッファ回路部とを接続している接続部は、アースをとっていないことを特徴とする。 The load detection device of the present invention includes a sensor unit capable of detecting a load, a buffer circuit unit connected to an output terminal of the sensor unit, and a power supply unit for supplying power to the buffer circuit unit. The connecting portion connecting the sensor portion and the buffer circuit portion is not grounded.
本発明の圧電センサは、上述の如き構成を有しているので、構造を簡単にすることができると共に、動圧及び静圧の何れも精度良く検出することができる。 Since the piezoelectric sensor of the present invention has the above-described configuration, the structure can be simplified, and both dynamic pressure and static pressure can be detected with high accuracy.
本発明の荷重検出装置の一例を図面を参照しながら説明する。荷重検出装置Ａは、荷重を検知可能なセンサ部１と、上記センサ部１の出力端子と接続されたバッファ回路部２と、上記バッファ回路部２に電源を供給するための電源供給部３とを有している。
An example of the load detection device of the present invention will be described with reference to the drawings. The load detection device A includes a
荷重を検知可能なセンサ部１は、荷重を検出することができれば特に限定されないが、荷重を精度良く検出することができると共に構造が簡単でセンサ部の厚みを薄くすることができるので、圧電体を含む圧電素子であることが好ましい。
The
圧電体としては外力が加えられることによって電荷を発生させることができればよい。圧電体の形態としては圧電シートが好ましい。圧電体は、微弱な圧力を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、高分子材料を含有していることが好ましく、又、多孔質体であることが好ましい。具体的には、圧電体としては、高分子材料を含有するシート（高分子材料を含有する多孔質シート又は高分子材料を含有する非発泡シート）に分極を付与した圧電シートが好ましく、高分子材料を含有する多孔質シートがより好ましい。 The piezoelectric body only needs to be able to generate charges by applying an external force. A piezoelectric sheet is preferable as the form of the piezoelectric body. The piezoelectric body preferably contains a polymer material because it can detect a weak pressure with high accuracy, has high sensitivity, and is likely to generate an electric charge by deformation in the thickness direction, and is also a porous body. Is preferred. Specifically, the piezoelectric body is preferably a piezoelectric sheet obtained by applying polarization to a sheet containing a polymer material (a porous sheet containing a polymer material or a non-foamed sheet containing a polymer material). A porous sheet containing the material is more preferable.
上記高分子材料としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられ、ポリオレフィン系樹脂を含むことが好ましい。 The polymer material is not particularly limited, and examples thereof include polyolefin resins such as polyethylene resins and polypropylene resins, polyvinylidene fluoride, polylactic acid, and liquid crystal resins, and preferably include polyolefin resins.
高分子材料を含有するシートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）高分子材料を含有するシートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、高分子材料を含有するシートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂に電荷を注入して高分子材料を含有するシートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線などの電離性放射線や紫外線を高分子材料を含有するシートの表面に照射して、高分子材料を含有するシートの近傍部の空気分子をイオン化することによって高分子材料を含有するシートに分極を付与する方法、（３）高分子材料を含有するシートの一面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、高分子材料を含有するシートの他面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂に分極を付与する方法などが挙げられる。 A method for imparting polarization to a sheet containing a polymer material is not particularly limited. For example, (1) a sheet containing a polymer material is sandwiched between a pair of flat plate electrodes and brought into contact with a surface to be charged. The plate electrode is connected to a high-voltage DC power supply and the other plate electrode is grounded, and a high voltage in the form of a DC or pulse is applied to the sheet containing the polymer material to inject charges into the synthetic resin. A method of imparting polarization to the sheet containing the composition; (2) the vicinity of the sheet containing the polymer material by irradiating the surface of the sheet containing the polymer material with ionizing radiation such as an electron beam or X-ray or ultraviolet rays; A method of imparting polarization to a sheet containing a polymer material by ionizing air molecules of (3), and grounding a flat plate electrode in close contact with one surface of the sheet containing the polymer material. A needle-like electrode or wire electrode that is electrically connected to a DC high-voltage power supply is disposed on the other surface side of the sheet containing the material at a predetermined interval, and the tip of the needle-like electrode or the vicinity of the surface of the wire electrode is disposed. For example, there is a method in which corona discharge is generated by concentration of the electric field, air molecules are ionized, and air ions generated by the polarity of the needle electrode or wire electrode are repelled to impart polarization to the synthetic resin.
圧電素子は、例えば、圧電シートと、この圧電シートの一面に積層されたシグナル電（出力端子）と、上記圧電シートの他面に積層されたグランド電極（基準端子）とを有している。グランド電極を基準電極としてシグナル電極の電位を測定することによって、圧電シートにて発生した電位を測定することができる。シグナル電極及びグランド電極は、例えば、金属箔及び金属薄膜などの導電性シートから形成されている。 The piezoelectric element has, for example, a piezoelectric sheet, signal electricity (output terminal) laminated on one surface of the piezoelectric sheet, and a ground electrode (reference terminal) laminated on the other surface of the piezoelectric sheet. By measuring the potential of the signal electrode using the ground electrode as a reference electrode, the potential generated in the piezoelectric sheet can be measured. The signal electrode and the ground electrode are made of a conductive sheet such as a metal foil and a metal thin film, for example.
センサ部１の出力端子とバッファ回路部２とが接続部４を介して電気的に接続されている。以下においては、圧電素子が、圧電シートと、この圧電シートの一面に積層されたシグナル電極と、上記圧電シートの他面に積層されたグランド電極とを有している場合を例に挙げて具体的に説明する。
The output terminal of the
バッファ回路部２は、高インピーダンスを低インピーダンスに変換するインピーダンス変換のために用いられ、オペアンプ（operational amplifier）を含んでいることが好ましい。圧電シートにて発生する電荷は極めて微弱であるため、バッファ回路部２によって、高出力インピーダンスを低インピーダンスに変換し、汎用の電圧計にて圧電シートにて発生した電位を計測可能に構成している。オペアンプの入力インピーダンスは、圧電シートで発生した電位をより精度良く検出することができるので、１ＧΩ以上が好ましく、５００ＧΩ以上がより好ましい。
The
図１に示したように、圧電素子のシグナル電極とオペアンプ21の非反転入力端子とが接続部４を介して電気的に接続されている。接続部４としては、例えば、銅線などの導電線、回路基板上に導電性インキを印刷することによって形成された薄膜状の配線などが挙げられる。なお、接続部４中には抵抗が介装されていてもよい。
As shown in FIG. 1, the signal electrode of the piezoelectric element and the non-inverting input terminal of the
そして、接続部４はアースをとっていない。接続部４がアースをとっていないことによって、圧電シート上に加えられる圧力が動圧又は静圧の何れであっても検出可能に構成されている。即ち、荷重検出装置によれば、圧電シート上に人などの物体が載置され、物体が変位することによって生じる圧電シートに対する圧力の変動を検出することができると共に、物体が静止しており圧電シートに対する圧力変動がない状態であっても、圧電シート上の物体の存在を検出することができる。
The connecting
圧電素子のグランド電極はアースがとられており、グランド電極を基準電極としてシグナル電極の電位が測定されるように構成されている。この際、圧電素子のグランド電極に対してバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加部を有している。詳細には、グランド電極にアースをとるための接続部５は途中で分岐されており、一方の分岐部51にアースがとられていると共に、他方の分岐部52は電源供給部の正電極に電気的に接続されている。なお、分岐部51、52にはそれぞれ抵抗Ｒ2、Ｒ3が介装されている。
The ground electrode of the piezoelectric element is grounded, and the potential of the signal electrode is measured using the ground electrode as a reference electrode. At this time, a bias voltage applying unit for applying a bias voltage to the ground electrode of the piezoelectric element is provided. More specifically, the connecting
このように、抵抗Ｒ2、Ｒ3を介装することによって電源供給部から供給される電圧を分圧し、圧電シートで発生される電圧の基準となるグランド電極の電位を０Ｖから所定高さの電位とすることができる。グランド電極の基準電位を所定高さの電位とすることによって、圧電シートにて発生した電位がマイナスとなった場合、例えば、圧電シートが多孔質シートであって圧縮された状態から元の状態に膨張して復元するときに電位がマイナスとなった場合にあっても、後述する電圧計にて圧電シートにて発生した電位を測定することができる。 In this way, by interposing the resistors R 2 and R 3 , the voltage supplied from the power supply unit is divided, and the potential of the ground electrode serving as a reference for the voltage generated in the piezoelectric sheet is changed from 0 V to a predetermined height. It can be a potential. When the potential generated in the piezoelectric sheet becomes negative by setting the reference potential of the ground electrode to a predetermined height, for example, the piezoelectric sheet is a porous sheet and is compressed from the original state. Even when the potential becomes negative when expanding and restoring, the potential generated in the piezoelectric sheet can be measured with a voltmeter described later.
更に、オペアンプ21には、オペアンプ21に直流電源を供給するための電源供給部３が接続されている。又、オペアンプの出力端子と反転入力端子とが接続されてバッファ回路部２が形成されている。なお、出力端子と反転入力端子とを接続する接続線には帰還抵抗Ｒ1が介装されていてもよい。
Further, the
又、オペアンプ21の出力端子には、汎用の電圧計６の正端子が電気的に接続されている一方、電圧計の負端子にアースがとられており、負端子を基準電位として、オペアンプ21の出力端子から出力された電位が電圧計にて測定可能に構成されている。
The output terminal of the
ここで、図１に示した構成を有する荷重検出装置Ａのセンサ部１を構成している圧電シート上に重錘を載置したときに、電圧計で測定される電位の経時変化を示したグラフを図２に示す。
Here, when the weight was placed on the piezoelectric sheet constituting the
図２の開始点と示された時点で圧電シート上に重錘を静かに載置している。重錘の荷重によって圧電シートがその厚み方向に圧縮されることによって電位が発生していることが分かる。その後、重錘は圧電シート上に静置された状態を維持しているが、この状態においても、電圧計にて圧電シートにて発生している電位を測定することできる。次に、終了点と示された時点で重錘を圧電シート上から静かに除去すると、圧電シートは元の状態に復帰し、圧電シートにて発生していた電位が消失して基準電位に復帰していることが分かる。そして、圧電シート上の重錘を除去してから電位が基準電位に戻るまでの時間が０．５秒以下となっていることが分かる。 The weight is gently placed on the piezoelectric sheet at the time indicated as the starting point in FIG. It can be seen that the electric potential is generated by compressing the piezoelectric sheet in the thickness direction by the load of the weight. Thereafter, the weight is kept stationary on the piezoelectric sheet. Even in this state, the potential generated in the piezoelectric sheet can be measured with a voltmeter. Next, when the weight is gently removed from the piezoelectric sheet when the end point is indicated, the piezoelectric sheet returns to its original state, and the potential generated in the piezoelectric sheet disappears and returns to the reference potential. You can see that It can be seen that the time from removal of the weight on the piezoelectric sheet until the potential returns to the reference potential is 0.5 seconds or less.
又、図１に示した構成を有する荷重検出装置Ａにおいて、オペアンプ21の出力端子に電圧計６の正端子を接続する代わりに、オペアンプの出力端子にＡ／Ｄ変換部を介してパソコンを接続し、圧電シート上に人が載置したときに測定される電位の経時変化を示したグラフを図３及び図４に示す。図３は、人の脈波を示したグラフであり、圧電シートにて測定された電位信号に、低域の遮断周波数が１Ｈｚ、高域の遮断周波数が３０Ｈｚのバンドパスフィルタを掛けて生成したものである。図４は、人の呼吸波を示したグラフであり、圧電シートにて測定された電位信号に、低域の遮断周波数が１Ｈｚのローパスフィルタを掛けて生成したものである。図３及び図４に示したように、荷重検出装置Ａによれば、生体信号を精度良く測定することができる。
In the load detection device A having the configuration shown in FIG. 1, instead of connecting the positive terminal of the
このように、上記荷重検出装置Ａによれば、センサ部を構成している圧電シート上に荷重を加えた場合、この荷重の付加に伴って圧電シートに変化を生じている状態、即ち、動圧を検出することができると共に、荷重は付加されているものの圧電シートに変化が生じていない状態、即ち、静圧も検出することができる。更に、圧電シート上の重錘を除去してから電位が基準電位に戻るまでの時間が０．５秒以下であることから、圧電シート上の重錘が除去されたことを直ちに検出することができる。 As described above, according to the load detection device A, when a load is applied on the piezoelectric sheet constituting the sensor unit, the piezoelectric sheet is changed with the addition of the load, that is, the movement is detected. While being able to detect pressure, it is also possible to detect a state where a load is applied but no change occurs in the piezoelectric sheet, that is, static pressure. Furthermore, since the time from when the weight on the piezoelectric sheet is removed until the potential returns to the reference potential is 0.5 seconds or less, it is possible to immediately detect that the weight on the piezoelectric sheet has been removed. it can.
従って、荷重検出装置Ａによれば、例えば、圧電シート上に被験者が載っている状態において、被験者の生体的な挙動、即ち、被験者の生体信号（脈波、呼吸、体動など）を検出することができると共に、被験者が就寝中などの状態であって患者に動きがなく圧電シートに変化が生じていない場合にあっても被験者の存在を検出することができ、被験者の生体信号の測定及び在床・離床の検出が可能である。 Therefore, according to the load detection device A, for example, in a state where the subject is on the piezoelectric sheet, the biological behavior of the subject, that is, the biological signal (pulse wave, respiration, body movement, etc.) of the subject is detected. And the presence of the subject can be detected even when the subject is in a sleeping state and the patient is not moving and the piezoelectric sheet is not changed, It is possible to detect bed and bed leaving.
一方、上記荷重検出装置Ａにおいて、圧電素子のシグナル電極とオペアンプ21の非反転入力端子とを接続している接続部４に抵抗Ｒ4を介してアースがとられている比較例となる荷重検出装置Ｂを図５に示す。接続部４に抵抗Ｒ4を介してアースがとられている以外は図１に示した荷重検出装置Ａと同一の構成を有している。
On the other hand, in the load detection apparatus A, a load detection is provided as a comparative example in which the
ここで、図５に示した構成を有する荷重検出装置Ａのセンサ部１を構成している圧電シート上に重錘を載置したときに、電圧計で測定される電位の経時変化を示したグラフを図６に示す。
Here, when the weight was placed on the piezoelectric sheet constituting the
図６の開始点と示された時点で圧電シート上に重錘を静かに載置している。重錘の荷重によって圧電シートがその厚み方向に圧縮されることによって電位が発生していることが分かる。その後、重錘は圧電シート上に静置された状態を維持しているが、圧電シートに変化が生じていないため、電圧計にて測定される、圧電シートにて発生している電位は、重錘を圧電シート上に載置する前の電位に戻っており、圧電シート上に載置されている重錘の存在を検知することができていない。そして、終了点と示された時点で重錘を圧電シート上から静かに除去すると、重錘を圧電シート上から除去する瞬間に、重錘の除去に伴う圧電シートの変化によって電圧が観測された後、圧電シート上に重錘を載置する前の電位に戻っていることが分かる。 The weight is gently placed on the piezoelectric sheet at the time indicated as the starting point in FIG. It can be seen that the electric potential is generated by compressing the piezoelectric sheet in the thickness direction by the load of the weight. After that, the weight remains stationary on the piezoelectric sheet, but since no change has occurred in the piezoelectric sheet, the potential generated in the piezoelectric sheet, measured by a voltmeter, is The potential has returned to the potential before the weight is placed on the piezoelectric sheet, and the presence of the weight placed on the piezoelectric sheet cannot be detected. When the weight was gently removed from the piezoelectric sheet at the time indicated as the end point, a voltage was observed due to the change in the piezoelectric sheet accompanying the removal of the weight at the moment the weight was removed from the piezoelectric sheet. After that, it can be seen that the potential has returned to the level before placing the weight on the piezoelectric sheet.
このように、比較例となる荷重検出装置Ｂでは、センサ部を構成している圧電シート上に荷重を加えた場合、この荷重の付加に伴って圧電シートに変化を生じている状態、即ち、動圧は検出することができるが、荷重は付加されているものの圧電シートに変化が生じていない状態、即ち、静圧は検出することができない。 Thus, in the load detection device B as a comparative example, when a load is applied on the piezoelectric sheet constituting the sensor unit, the piezoelectric sheet changes with the addition of this load, that is, The dynamic pressure can be detected, but the load is applied but the piezoelectric sheet is not changed, that is, the static pressure cannot be detected.
上記荷重検出装置Ａでは、グランド電極にアースをとるための接続部５を途中で分岐させ、一方の分岐部51にアースをとり、他方の分岐部52を電源供給部の正電極に電気的に接続させた場合を説明したが、図７に示したように、接続部５を分岐させることなく、圧電素子のグランド電極を接続部５によってアースをとる構造としてもよい。
In the load detection device A, the connecting
上記荷重検出装置Ａでは、オペアンプの出力端子に電圧計の正端子を接続した場合を説明したが、オペアンプの出力端子から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部をオペアンプの出力端子に電気的に接続してもよい。このようにオペアンプの出力端子から出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換部によって量子化することによってデジタル信号を生成し、このデジタル信号をパソコンやデジタル表示装置などのデジタル機器に入力することによって圧電シートで発生した電位のデジタル処理が可能となる。 In the load detection device A, the case where the positive terminal of the voltmeter is connected to the output terminal of the operational amplifier has been described. However, the A / D converter that converts the analog signal output from the output terminal of the operational amplifier into a digital signal is provided. You may electrically connect to the output terminal. In this way, a digital signal is generated by quantizing the analog signal output from the output terminal of the operational amplifier by the A / D conversion unit, and the digital signal is input to a digital device such as a personal computer or a digital display device to generate a piezoelectric signal. Digital processing of the potential generated in the sheet becomes possible.
又、荷重検出装置Ａのセンサ部１において、出力端子であるシグナル電極と、基準端子であるグランド電極との間が開放状態である場合を説明したが、センサ部１の出力端子であるシグナル電極（接続部４）と基準端子であるグランド電極（接続部５）との間を必要に応じて短絡可能とするためにスイッチ素子７を配置してもよい。
Further, in the
スイッチ素子７によってセンサ部１のシグナル電極（出力端子）とグランド電極（基準端子）との間を必要に応じて短絡可能とした荷重検出装置Ａを図８及び図９に示す。図８及び図９に示した荷重検出装置Ａは、センサ部１のシグナル電極とグランド電極との間にスイッチ素子７が介装されていること以外、図１及び図７に示した荷重検出装置Ａとそれぞれ同一の構成を有している。
FIG. 8 and FIG. 9 show a load detection device A that enables a short circuit between the signal electrode (output terminal) and the ground electrode (reference terminal) of the
スイッチ素子７としては、開放と短絡の切り替えが可能な素子であればよい。スイッチ素子７としては、特に限定されず、例えば、押しボタンスイッチ、スライドスイッチ、トグルスイッチ、ディップスイッチ、リレーなどが挙げられる。
The
なお、シグナル電極とグランド電極との間にはスイッチ素子７と共に抵抗（図示せず）を挿入してもよい。このように圧電センサ１のシグナル電極とグラウンド電極との間を必要に応じて短絡可能な構造とすることで、荷重検出装置Ａの出力値が異常となった場合に、リセットすることが可能となり、センサ部１に加えられる静圧及び動圧の安定的な検出が可能となる。
A resistor (not shown) may be inserted together with the
従って、図８及び図９に示した荷重検出装置Ａによれば、例えば、センサ部１上から荷重がなくなった時にスイッチ素子７を閉じてシグナル電極（出力端子）とグランド電極（基準端子）とを短絡させることにより、センサ部１のシグナル電極（出力端子）の電位をグランド電極（基準端子）の電位に戻すことが可能となるため、静圧及び動圧の安定的な検出が可能となる。又、圧電シート１上に荷重がある場合において、オペアンプの出力端子から出力された電圧が飽和しそうになった場合やノイズが混入した時、スイッチ素子７を閉じて、シグナル電極（出力端子）とグランド電極（基準端子）とを１秒間以下にて短絡させることにより、センサ部１に加えられる静圧及び動圧の安定的な検出が可能となる。
Therefore, according to the load detection device A shown in FIGS. 8 and 9, for example, when the load is removed from the
１ センサ部
２ バッファ回路部
21 オペアンプ
３ 電源供給部
４ 接続部
５ 接続部
51 分岐部
52 分岐部
７ スイッチ素子
Ａ 荷重検出装置
1
21
51 Branch
52
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