JP6547293B2 - 歩行測定用センサおよび履物 - Google Patents

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Description

本発明は、靴等の履物に装着され、歩行の状態を測定する歩行測定用センサ、および当該歩行測定用センサを備えた履物に関する。
従来、圧電性シートを靴に装着し、運動時に発生する靴の底部の変形を検出するものが提案されている。
例えば、特許文献1の変位センサは、かかと部分、親指の付け根部分、小指の付け根部分、および土踏まずの部分に設けられ、着用者が運動した時の靴底の変形を検出する。
特開2013−233269号公報
特許文献1の変位センサは、靴の底部の面方向の変位量(伸び)を検出するものである。すなわち、特許文献1の変位センサは、図4に示されているように、例えば足が地面に接触したこと、および足が地面をけり出したこと、等のように靴の底部が面方向に伸縮するタイミングを検出するものである。
このような面方向の変位量を検出するだけでは、特許文献1に示された以上の緻密な動作(例えばつま先のけり出し、つま先の着地、かかとの着地、またはかかとの浮上等)を検出することが困難である。
そこで、この発明は、従来よりも緻密な動作を検出することができる歩行測定用センサを提供することを目的とする。
本発明は、歩行測定用センサであって、足裏により押圧されることで変形する箇所に装着される変位検出フィルムを備え、前記変位検出フィルムは、前記押圧による荷重の時間変化に応じた出力を有することを特徴とする。
靴等の履物に係る荷重は、着地時には時間経過とともに増大し、浮上時には時間経過とともに減少する。したがって、荷重の時間変化は、着地時と浮上時とで極性が異なる。そのため、本発明の歩行測定用センサは、荷重の時間変化を取得することで、従来よりも緻密な動作を検出することができる。例えばつま先のけり出し、つま先の着地、かかとの着地、またはかかとの浮上等の緻密な動作を検出することができる。
なお、荷重の時間変化を検出するために、変位検出フィルムは、一対の圧電フィルムを備え、該一対の圧電フィルムは、伸縮時に発生する電荷の方向が逆になっていることが好ましい。伸縮時に発生する電荷の方向が逆になることで、靴底の伸縮には反応せず、靴底の曲げ(靴底の法線方向の変位)だけを検出することができる。靴底の曲げは、着地時には時間経過とともに大きくなり、浮上時には時間経過とともに小さくなる。したがって、歩行測定用センサは、荷重の時間変化を適切に検出することができる。
また、圧電フィルムは、ポリ乳酸を含むことが好ましい。ポリ乳酸は、焦電性がなく、人体に接触する靴等に設置するには好適である。また、ポリ乳酸は、歪みの変化に応じた電荷が発生する。したがって、着地時と浮上時とで、電荷方向が逆となり、荷重の時間変化を検出するのに好適である。
なお、変位検出フィルムの出力信号を処理する信号処理部は、歩行測定用センサに内蔵されていてもよいし、別の部品として信号線を介して接続するようにしてもよい。
信号処理部は、変位検出フィルムの出力信号に時刻情報を付加することが好ましい。例えば右足用変位検出フィルムと、左足用変位検出フィルムと、を備える場合、時刻情報を用いることで、右足の検出結果と左足の検出結果との同期を取ることができる。
以上の様な歩行測定用センサは、靴と一体化されていてもよいし、例えば中敷きと靴底の下に挟むようにしてもよい。あるいは、歩行測定用センサを内蔵した中敷きとしてもよい。
この発明によれば、従来よりも緻密な動作を検出することができる。
図1(A)は、本発明の歩行測定用センサを備えた靴100の側面図であり、図1(B)は靴100を裏面から見た図である。 センサ部11Aの側面図である。 フィルム1の上面図である。 中敷きが幅方向に伸張した時のセンサ部11Aの側面図である 中敷きに荷重が係った時のセンサ素子の側面図である。 フィルム1およびフィルム4を省略した例を示す側面図である。 図7(A)は、各センサ部の出力信号を処理するための構成を示すブロック図であり、図7(B)は、回路図である。 オペアンプを用いた回路例を示す図である。 各センサ部の出力信号の時間変化を示す図である。 図10(A)は、両足の靴に歩行測定用センサを設ける場合において、靴100を裏面から見た図であり、図10(B)はブロック図である。 両足の靴に歩行測定用センサを設ける場合の各センサ部の出力信号の時間変化を示す図である。
図1(A)は、本発明の歩行測定用センサを備えた靴100の側面図であり、図1(B)は靴100を裏面から見た図である。
歩行測定用センサは、センサ部11A、センサ部11B、センサ部11C、およびセンサ部11Dを備えている。センサ部11A、センサ部11B、センサ部11C、およびセンサ部11Dは、それぞれ靴底31と中敷き51との間に配置されている。なお、各センサ部は、足裏により押圧されることで変形する箇所に装着されていればよく、例えば靴底31に内蔵されていてもよい。ただし、センサ部は、靴底31と中敷き51との間に配置されることで、交換が容易になる。
センサ部11A、センサ部11B、センサ部11C、およびセンサ部11Dは、靴底31に内蔵されている信号処理部25に接続されている。ただし、信号処理部25は、靴底31に内蔵されている必要はなく、例えば靴底31と中敷き51との間に設置されていてもよい。
センサ部11Aは、つま先部分に配置され、センサ部11Bは、親指の付け根部分に配置され、センサ部11Cは、小指の付け根部分に配置され、センサ部11Dは、かかと部分に配置されている。
図2は、センサ部11Aの断面図である。センサ部11A、センサ部11B、センサ部11C、およびセンサ部11Dは、全て同じ構成からなる。そのため、図2においては、代表してセンサ部11Aについて示す。
センサ部11Aは、フィルム1、フィルム2、フィルム3、フィルム4、基準電位電極5、シグナル電極6、基準電位電極7、および連結部8を備えている。シグナル電極6の上面(Z方向の面)には、フィルム2が配置され、下面(−Z方向の面)にはフィルム3が配置されている。フィルム2の上面にはフィルム1が配置され、フィルム3の下面にはフィルム4が配置されている。フィルム1の上面には基準電位電極5が配置され、フィルム4の下面には基準電位電極7が配置されている。
センサ部11Aは、基準電位電極5側が中敷き51に接触し、基準電位電極7側が靴底31に接触する。ただし、逆に基準電位電極7側が中敷き51に接触し、基準電位電極5側が靴底31に接触する態様としてもよい。なお、センサ部11Aは、実際には樹脂等の保護材料に覆われているが、本実施形態では省略する。
基準電位電極5および基準電位電極7は、連結部8を介して連結され、電気的に接続されている。基準電位電極5、基準電位電極7、および連結部8は、例えば銀ペーストが塗布されたウレタンフィルムを折り曲げられることに一体として形成される。基準電位電極7の−Y方向端部には、信号線21が接続され、信号処理部25に接続される。
シグナル電極6は、例えば銅(Cu)からなる。シグナル電極6の−Y方向端部には、信号線22が接続され、信号処理部25に接続される。
基準電位電極5および基準電位電極7に用いられる銀ペーストは、シグナル電極6に用いられる銅箔よりもヤング率が小さいため、同じ応力で銅箔よりも大きな歪が生じる。このような歪みやすい基準電位電極5および基準電位電極7を最外層に配置し、歪みにくい銅箔からなるシグナル電極6を中央に配置することで、センサ部11Aは、厚み方向(Z方向および−Z方向)に対する荷重には変形しやくなり、面方向には伸縮しにくくなる。また、銅は、銀に比べてイオン化しにくく、マイグレーションが発生しにくい。
フィルム1、フィルム2、フィルム3、およびフィルム4は、それぞれ圧電性樹脂であるポリ乳酸を含んでいる。フィルム1、フィルム2、フィルム3およびフィルム4は、それぞれ同じ厚さからなる。
フィルム1、フィルム2、フィルム3、およびフィルム4は、それぞれ主面における所定方向への歪が生じたときに電荷を発生する。各フィルムの電荷方向は、歪の向き(伸張または収縮)、ポリ乳酸の分子の配向方向、およびポリ乳酸の組成に依存する。例えば、歪の向きが同じであり、ポリ乳酸の分子の配向方向が同じであり、かつポリ乳酸の組成がD型ポリ乳酸(PDLA(;Poly−D−Latic Acid))とL型ポリ乳酸(PLLA(;Poly−L−Latic Acid))とで異なる2枚のフィルムの場合、各フィルムの電荷方向は互いに逆となる。なお、本実施形態において、電荷方向とは、負の電荷が発生した一方の主面から正の電荷が発生した他方の主面への方向を示す。
フィルム1、フィルム2、フィルム3、およびフィルム4は、それぞれ図3の矢印911に示すように、センサ部11Aを平面視して、−Y方向から反時計回りに45°の方向に延伸されている(図3では代表してフィルム1を示す)。したがって、フィルム1、フィルム2、フィルム3、およびフィルム4は、センサ部11Aを平面視して、−Y方向から反時計回りに45°の方向にポリ乳酸の分子が配向している。
そして、フィルム1、フィルム2、フィルム3、およびフィルム4は、それぞれポリ乳酸の分子の配向方向が同じであるが、ポリ乳酸の組成が異なる。フィルム1およびフィルム4は、それぞれPDLAからなり、フィルム2およびフィルム3は、それぞれPLLAからなる。PLLAおよびPDLAは、鏡像異性体の関係にある。したがって、分子の配向方向が同じである場合、PLLAからなるフィルムとPDLAからなるフィルムとは、同じ向きの歪(伸張または収縮)が生じると、発生する電荷の方向が互いに逆となる。
図4に示すように、例えばフィルム1側の中敷き51が幅方向(Y方向および−Y方向)に伸張したとき、フィルム1、フィルム2、フィルム3、及びフィルム4は、それぞれ幅方向に伸張する歪が生じる。
フィルム1およびフィルム2は、一体となっているため、それぞれほぼ同じ伸張量となる。また、フィルム3およびフィルム4は、一体となっているため、それぞれほぼ同じ伸張量となる。ただし、フィルム3およびフィルム4は、シグナル電極6を介してフィルム2に接続されているため、フィルム1およびフィルム2に比べて、伸張量が少なくなる。
フィルム1は、PDLAからなるため、幅方向に伸張する歪が生じると、電荷方向が上方向となる。フィルム2は、PLLAからなるため、幅方向に伸張する歪が生じると、電荷方向が下方向となる。フィルム1およびフィルム2は、厚みが等しく、かつ伸張量が略同じであるため、略同じ電荷量が発生する。したがって、フィルム1で発生した電荷量と、フィルム2で発生した電荷量は相殺される。
同様に、フィルム3は、PLLAからなるため、幅方向に伸張する歪が生じると、電荷方向が下方向となる。フィルム4は、PDLAからなるため、幅方向に伸張する歪が生じると、電荷方向が上方向となる。したがって、フィルム3で発生した電荷量と、フィルム4で発生した電荷量も相殺される。
一方、中敷き51に荷重が係り、センサ部11Aの主面に対して法線方向の荷重が係ると、図5に示すように、フィルム1およびフィルム2は、−Z方向に突状に湾曲する。したがって、フィルム1は、フィルム1およびフィルム2の接合面を基準とすると、フィルム2に対して収縮する歪が生じる。逆に、フィルム2は、フィルム1およびフィルム2の接合面を基準とすると、フィルム1に対して伸張する歪が生じる。したがって、フィルム1は、電荷方向が下方向となり、フィルム2も、電荷方向が下方向となる。このため、フィルム1で発生した電荷とフィルム2で発生した電荷は、相加されることになる。
同様に、フィルム3は、フィルム3およびフィルム4の接合面を基準とすると、フィルム4に対して収縮する歪が生じる。また、フィルム4は、フィルム3およびフィルム4の接合面を基準とすると、フィルム3に対して伸張する歪が生じる。したがって、フィルム3は、電荷方向が上方向となり、フィルム4も、電荷方向が上方向となる。このため、フィルム3で発生した電荷とフィルム4で発生した電荷は、相加される。
フィルム1およびフィルム2で相加された電荷は、基準電位電極5に対するシグナル電極6の電位を上昇させる。フィルム3およびフィルム4で相加された電荷は、基準電位電極7に対するシグナル電極6の電位を上昇させる。よって、シグナル電極6において大きな電位が得られる。
このようにして、センサ部11としては、中敷き51の面方向の伸縮時には出力がなされず、靴底の曲げ(Z方向または−Z方向の荷重による変形)だけを検出することができ、中敷き51に対する荷重の変化を適切に検出することができる。
また、上述の例では、フィルム1およびフィルム4にPDLAを用いて、フィルム2およびフィルム3にPLLAを用いる例を示したが、例えば、全てのフィルムにPLLA(またはPDLA)を用いて、フィルム1とフィルム2の延伸方向を直交させて配置し、フィルム3とフィルム4の延伸方向を直交させることでも同じ機能を実現することができる。
なお、より簡易的には、フィルム1およびフィルム4を省略しても同じ機能を実現することができる。この場合、図6(A)に示すように、中敷き51が面方向に伸縮する時には、フィルム2で発生した電荷量と、フィルム3で発生した電荷量を相殺することができ、面方向の伸縮はキャンセルすることができる。また、図6(B)に示すように、中敷き51に−Z方向の荷重が係った場合には、フィルム2で発生した電荷量と、フィルム3で発生した電荷量を相加することができる。
すなわち、センサ部としては、一対の圧電フィルムを備え、該一対の圧電フィルムがそれぞれ、伸縮時に発生する電荷の方向が逆になっていれば、どの様な構成であってもよい。
また、フィルムの材料は、ポリ乳酸に限るものではなく、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の他の圧電フィルムを用いることも可能である。PVDFの場合は、ポーリング(分極処理)において印加される電界の方向によって、電荷方向を設定することができる。
ただし、ポリ乳酸は、焦電性がなく、靴等の体温が伝わる箇所に設置するには好適である。また、ポリ乳酸は、歪みの変化に応じた電荷が発生する。したがって、足が着地して中敷き51が押し込まれる時と、足を上げて中敷き51が押し込みから開放される時とでは、電荷方向が逆となる。歩行測定用センサとしては、この荷重の変化(時間軸上の変化)を取得することで、着地のタイミングと浮上のタイミングを個別に検出することができる。これにより、例えばつま先のけり出し、つま先の着地、かかとの着地、またはかかとの浮上等の緻密な動作を検出することができる。
図7(A)は、各センサ部の出力信号を処理するための構成を示すブロック図であり、図7(B)は、回路図である。この例では、センサ部11AにJ−FET103を内蔵させている。この例では、各フィルムにより構成される圧電素子101で電圧が発生すると、抵抗102によりこの電圧を打ち消す電荷が流入する。この時に発生する電流値に応じた電圧がJ−FET103のゲートに印加され、信号処理部25におけるA/D部(図中のA/D)で検出される。これにより、信号処理部25は、センサ部11Aに係る荷重の変化を検出する。
このように、圧電素子101に近接してJ−FET103を配置することで、ノイズによる影響を少なくし、信号を安定化させることができる。なお、センサ部11Aと信号処理部25との間に増幅回路を設けてもよい。また、信号処理部25は、各センサ部に内蔵されている態様としてもよい。
また、図8に示すように、オペアンプを用いて、センサ部11の曲げに応じてオペアンプの出力を変化させるようにしてもよい。オペアンプのばらつきはFETのばらつきよりも小さいため、感度のばらつきを抑えることができる。
次に、図9は、各センサ部の出力信号の時間変化を示す図である。図9に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸はセンサの検出値(A/D変換後の値)である。
かかとが着地した時、中敷き51のうち、かかと部分が押し込まれて荷重が係る。すなわち、かかと部分の中敷き51は、無荷重の状態から、最大荷重の状態(体重が乗る状態)に移行する。このとき、かかと部分に配置されたセンサ部11Dは、平坦な状態から−Z方向に突状に湾曲する。したがって、図9に示すグラフのように、センサ部11Dの出力は、負のピークの値を示す。
そして、つま先が着地した時には、中敷き51のうちつま先部分が押し込まれて荷重が係る。すなわち、つま先部分の中敷き51は、無荷重の状態から、最大荷重の状態(体重が乗る状態)に移行する。このとき、つま先部分に配置されたセンサ部11Aは、平坦な状態から−Z方向に突状に湾曲する。したがって、図9に示すグラフのように、センサ部11Aの出力は、負のピークの値を示す。
一方で、かかとが浮上した時、中敷き51のうちかかと部分が押し込まれた状態から開放され、荷重が減少する。すなわち、かかと部分の中敷き51は、最大荷重の状態(体重が乗る状態)から無荷重に移行する。このとき、かかと部分に配置されたセンサ部11Dは、−Z方向に突状に湾曲した状態から平坦な状態に変化する。したがって、図9に示すグラフのように、センサ部11Dの出力は、正のピークの値を示す。
そして、つま先を蹴り出した時(つま先が浮上する時)、中敷き51のうちつま先部分が押し込まれた状態から開放され、荷重が減少する。すなわち、つま先部分の中敷き51は、最大荷重の状態(体重が乗る状態)から無荷重に移行する。このとき、つま先部分に配置されたセンサ部11Aは、−Z方向に突状に湾曲した状態から平坦な状態に変化する。したがって、図9に示すグラフのように、センサ部11Aの出力は、正のピークの値を示す。
信号処理部25は、図7(A)に示したように、各センサ部の以上のような出力値をユーザ端末30に出力してもよい。ユーザ端末30は、ユーザが所有する情報処理端末(例えばスマートフォン、パーソナルコンピュータ等)である。ユーザ端末30は、例えば図9に示したようなグラフを表示器(不図示)に表示する処理を行う。これにより、ユーザは、自身のつま先のけり出し、つま先の着地、かかとの着地、またはかかとの浮上等のタイミングを知ることができる。
なお、図9に示すように、かかとが着地する時は、足が完全に浮いた状態から最初に足を地面等に接触させるタイミングであるため、荷重の変化が大きく、センサ部11Dの出力値は大きい。一方で、つま先が着地するときは、既にかかとが着地した状態であるため、荷重の変化は少ない(出力値が相対的に小さい)。
同様に、つま先を蹴り出す時は、足が完全に浮いた状態に移行するタイミングであるため、荷重の変化が大きく、センサ部11Aの出力値は大きい。一方で、かかとが非常する時は、まだつま先が着地している状態であるため、荷重の変化は少ない(出力値が相対的に小さい)。ただし、例えばつま先から先に着地する場合には、センサ部11Aの負のピーク値が大きくなり、逆にセンサ部11Dの負のピーク値が小さくなる。
また、例えばつま先が着地したタイミングに近いタイミングで、親指側に配置されたセンサ部11Bに負のピークが発生している場合、つま先の着地時に親指側に荷重が係っていると判断することができる。一方で、つま先が着地したタイミングに近いタイミングで、小指側に配置されたセンサ部11Cに負のピークが発生している場合、つま先の着地時に小指側に荷重が係っていると判断することができる。
このようにして、歩行測定用センサは、従来よりも緻密な動作を検出することができる。
また、図10に示すように、歩行測定用センサは、両足にそれぞれ設けることも可能である。図10(A)は、両足の靴に歩行測定用センサを設ける場合において、靴100を裏面から見た図である。図10(B)はセンサ部および信号処理部のブロック図である。
右足用の靴100Aには、つま先部分にセンサ部101Aが設置され、かかと部分にセンサ部101Bが設置されている。左足用の靴100Bには、つま先部分にセンサ部101Cが設置され、かかと部分にセンサ部101Dが設置されている。
センサ部101A、センサ部101B、センサ部101C、およびセンサ部101Dは、全て同じ構成であり、図2に示したセンサ部11Aと同じ構成を有する。
センサ部101Aおよびセンサ部101Bは、左足用の靴に内蔵された第1信号処理部25Aに接続されている。センサ部101Cおよびセンサ部101Dは、右足用の靴に内蔵された第2信号処理部25Bに接続されている。第1信号処理部25Aおよび第2信号処理部25Bは、信号処理部25と同じ構成である。
ただし、この場合、第1信号処理部25Aおよび第2信号処理部25Bは、内部時計を備えている。第1信号処理部25Aおよび第2信号処理部25Bは、各センサ部の出力信号に時刻情報を付加して、ユーザ端末30に出力する。第1信号処理部25Aおよび第2信号処理部25Bの内部時計は、所定のタイミング(例えば測定開始時に、それぞれの信号処理部に設けられた端子で接続されることにより)で同期される。これにより、各センサ部の出力信号の同期を取ることができる。
図11は、両足の靴に歩行測定用センサを設ける場合の各センサ部の出力信号の時間変化を示す図である。図11に示すように、両足の靴に歩行測定用センサを設けることで、より緻密な動作を検出することができる。例えば図11の例では、左足の着地よりも右足の着地が強くなっていることがわかる。したがって、例えばユーザ端末30において左右のバランスを表示させることもできる。また、着地や蹴り出しのタイミングを測定することで、歩行速度や各足の歩幅等を測定し、ユーザ端末30に表示させることもできる。
なお、本実施形態では、歩行測定用センサが靴に設置される例を示したが、本発明の歩行測定用センサは、他にもサンダル、スリッパ、または下駄等の履物に設置することが可能である。また、歩行測定用センサと一体化した履物も本発明の技術的範囲に属するものである。
1,2,3,4…フィルム
5,7…基準電位電極
6…シグナル電極
8…連結部
11A,11B,11C,11D…センサ部
21,22…信号線
25,25A,25B…信号処理部
30…ユーザ端末
31…靴底
51…中敷き
100,100A,100B…靴

Claims (5)

  1. 足裏により押圧されることで変形する箇所に装着される変位検出フィルムと、
    前記変位検出フィルムの出力信号を処理する信号処理部と、
    シグナル電極と、を備え、
    前記変位検出フィルムは、前記押圧による荷重の時間変化に応じた出力をし、互いに隣接して配置される一対の第1圧電フィルムおよび第2圧電フィルム、並びに互いに隣接して配置される一対の第3圧電フィルムおよび第4圧電フィルムを備え、
    前記第1圧電フィルムと前記第2圧電フィルムとは、伸縮時に発生する電荷の方向が逆であり、
    前記第3圧電フィルムと前記第4圧電フィルムとは、伸縮時に発生する電荷の方向が逆であり、
    前記シグナル電極は、前記第1圧電フィルムおよび前記第2圧電フィルムと、前記第3圧電フィルムおよび前記第4圧電フィルムとの間に設けられ、かつ前記出力信号を検出し、
    前記第1圧電フィルムおよび前記第2圧電フィルム、並びに前記第3圧電フィルムおよび前記第4圧電フィルムは、押圧印加時と押圧開放時とで発生する電荷の方向がそれぞれ異なり、
    前記信号処理部は、前記シグナル電極で検出した前記出力信号に基づいて、前記第1圧電フィルム、前記第2圧電フィルム、前記第3圧電フィルム、および前記第4圧電フィルムそれぞれが発生する電荷の方向および電荷の時間変化を基に前記足裏の歩行状態を判別することを特徴とする歩行測定用センサ。
  2. 前記第1圧電フィルム、前記第2圧電フィルム、前記第3圧電フィルム、および前記第4圧電フィルムは、ポリ乳酸を含む請求項1に記載の歩行測定用センサ。
  3. 前記信号処理部は、前記変位検出フィルムの出力信号に時刻情報を付加する請求項1または2に記載の歩行測定用センサ。
  4. 前記信号処理部は、左足用の第1信号処理部と、右足用の第2信号処理部からなり、
    該第1信号処理部および第2信号処理部は、それぞれ、内部時計と、前記内部時計を同期させるための端子と、を備えた請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の歩行測定用センサ。
  5. 請求項1乃至請求項のいずれかに記載の歩行測定用センサを有する履物。
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