(57)【要約】【課題】ノイズの影響をできるだけ減らして検出対象物の有無を高精度に検出するシート型センサを提供する。【解決手段】両端部が第１の電極１５に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第１の糸１７と、第１の糸１７で囲われる領域以外の領域において、第１の糸１７と一対でキャパシタを形成し、両端部が第２の電極１６に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第２の糸１８と、第１の糸１７と第２の糸１８とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、所定の面上における検出対象物の有無を検出する演算処理部１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部が第１の電極に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第１の糸と、
前記第１の糸で囲われる領域以外の領域において、前記第１の糸と一対でキャパシタを形成し、両端部が第２の電極に接続され、前記所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第２の糸と、
前記第１の糸と前記第２の糸とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、前記所定の面上における検出対象物の有無を検出する検出手段とを備えることを特徴とするシート型センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のシート型センサにおいて、
前記第１の糸及び前記第２の糸が複数回屈曲又は湾曲した状態で配設され、且つ、伸縮性を有する被覆体内に収納されているシート型センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシート型センサにおいて、
前記第１の糸及び前記第２の糸が、それぞれ個々の糸同士で交叉して敷設されているシート型センサ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のシート型センサにおいて、
前記所定の面上に、当該面に対して掛かる圧力を測定する圧力検出手段と、
当該圧力検出手段により、前記キャパシタの充放電の周波数波形と相関性を有する圧力波形が検出された場合に、前記所定の面上に前記検出対象物が有ると判定する判定手段とを備えるシート型センサ。
【請求項５】
請求項４に記載のシート型センサにおいて、
前記圧力検出手段が測定した信号と前記検出手段で得られた前記周波数信号とを乗算する乗算手段と、
当該乗算手段の乗算結果のピーク値を検出するピーク検出手段と、
当該ピーク検出手段が検出したピーク値における前記周波数信号の出力値をサンプルホールドするＳＨ手段と、
当該ＳＨ手段でサンプルホールドされた前記出力値を閾値として、前記キャパシタの周波数信号の出力値と比較する比較手段とを備えるシート型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性の糸を用いて形成されるシート型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マット式のセンサとして空気圧のセンサが知られているが、非常に高額であり、また移動が困難で洗濯をすることができず不潔になりやいものとなっている。すなわち、このようなマット式のセンサの利用は、特定の高度なシステムを導入している施設に限られている。一方で、例えば、介護福祉施設などにおける人手不足は深刻であり、できるだけ効率よく施設利用者を管理する技術が望まれている。
【０００３】
このような課題に関連して、静電容量の変化を利用して人の有無などを検出する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に示す技術は、導電繊維を含む糸をカーペットのパイル糸として植え込むことにより、カーペットを三次元的な導電体となし、人や物体がカーペットに接近又は接触することにより生じる誘電電位が、カーペット上の静電容量の変化として検出されやすいものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示す技術は、カーペットのパイル糸に導電性繊維を埋め込む必要があるため、製造が非常に困難になると共に、繊維構造が複雑で断線や短絡等の不良が生じやすくなるという課題を有する。また、繊維間の静電容量の変化だけでは極めて微小な変化しか検出できず、ノイズが生じた場合には検出が困難になるという課題を有する。特に静電容量を測定する場合には、誘電率が高い水分（例えば、湿気や汗）などの影響によるノイズを除去することが重要であるという課題がある。
【０００６】
本発明は、ノイズの影響をできるだけ減らして検出対象物の有無を高精度に検出するシート型センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るシート型センサは、両端部が第１の電極に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第１の糸と、前記第１の糸で囲われる領域以外の領域において、前記第１の糸と一対でキャパシタを形成し、両端部が第２の電極に接続され、前記所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第２の糸と、前記第１の糸と前記第２の糸とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、前記所定の面上における検出対象物の有無を検出する検出手段とを備えるものである。
【０００８】
このように、本発明に係るシート型センサにおいては、両端部が第１の電極に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第１の糸と、前記第１の糸で囲われる領域以外の領域において、前記第１の糸と一対でキャパシタを形成し、両端部が第２の電極に接続され、前記所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第２の糸と、前記第１の糸と前記第２の糸とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、前記所定の面上における検出対象物の有無を検出する検出手段とを備えるため、第１の糸が囲む領域を一方の電極、第２の糸が囲む領域を他方の電極とするキャパシタが形成され、それぞれの領域を面状の電極とすることで容量成分を大きくし、検出感度を向上させることができるという効果を奏する。
【０００９】
また、第１の糸が囲む領域と第２の糸が囲む領域とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、所定の面上における検出対象物の有無を検出するため、静電容量の変化を検出する場合に比べてノイズの影響を抑えつつ、周波数を有する信号として取り扱うことで様々な処理に対応することができるという効果を奏する。
【００１０】
本発明に係るシート型センサは、前記第１の糸及び前記第２の糸が複数回屈曲又は湾曲した状態で配設され、且つ、伸縮性を有する被覆体内に収納されているものである。
【００１１】
このように、本発明に係るシート型センサにおいては、前記第１の糸及び前記第２の糸が複数回屈曲又は湾曲した状態で配設され、且つ、伸縮性を有する被覆体内に収納されているため、被覆体の伸縮に対応して第１の糸及び第２の糸も伸縮することが可能となり、被覆体が伸展した場合であっても糸の断線等を防止することができるという効果を奏する。
【００１２】
本発明に係るシート型センサは、前記第１の糸及び前記第２の糸が、それぞれ個々の糸同士で交叉して敷設されているものである。
【００１３】
このように、本発明に係るシート型センサにおいては、前記第１の糸及び前記第２の糸が、それぞれ個々の糸同士で交叉して敷設されているため、交叉しない場合に比べてインダクタンス成分を抑え、キャパシタンスを大きくして検出感度上げることができるという効果を奏する。
【００１４】
本発明に係るシート型センサは、前記所定の面上に、当該面に対して掛かる圧力を測定する圧力検出手段と、当該圧力検出手段により、前記キャパシタの充放電の周波数波形と相関性を有する圧力波形が検出された場合に、前記所定の面上に前記検出対象物が有ると判定する判定手段とを備えるものである。
【００１５】
このように、本発明に係るシート型センサにおいては、前記所定の面上に、当該面に対して掛かる圧力を測定する圧力検出手段と、当該圧力検出手段により、前記キャパシタの充放電の周波数波形と相関性を有する圧力波形が検出された場合に、前記所定の面上に前記検出対象物が有ると判定する判定手段とを備えるため、例えば検出対象物はいないにも関わらず、湿度だけが上がって静電容量が変化したような場合でも圧力波形との相関がないため誤検出を防止することが可能になるという効果を奏する。また、検出対象物ではない金属などがシート型センサに圧力を掛けて圧力波形が検出された場合であっても、静電容量が変化しないため誤検出を防止することが可能になるという効果を奏する。
【００１６】
本発明に係るシート型センサは、前記圧力検出手段が測定した信号と前記検出手段で得られた前記周波数信号とを乗算する乗算手段と、当該乗算手段の乗算結果のピーク値を検出するピーク検出手段と、当該ピーク検出手段が検出したピーク値における前記周波数信号の出力値をサンプルホールドするＳＨ手段と、当該ＳＨ手段でサンプルホールドされた前記出力値を閾値として、前記キャパシタの周波数信号の出力値と比較する比較手段とを備えるものである。
【００１７】
このように、本発明に係るシート型センサにおいては、前記圧力検出手段が測定した信号と前記検出手段で得られた前記周波数信号とを乗算する乗算手段と、当該乗算手段の乗算結果のピーク値を検出するピーク検出手段と、当該ピーク検出手段が検出したピーク値における前記周波数信号の出力値をサンプルホールドするＳＨ手段と、当該ＳＨ手段でサンプルホールドされた前記出力値を閾値として、前記キャパシタの周波数信号の出力値と比較する比較手段とを備えるため、静電容量の変化を検出するための閾値がその場の環境や状態に適応して設定されるため、誤検出を減らして高精度なセンサを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係るシート型センサの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るシート型センサにおける静電容量測定部の構造を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係るシート状センサの検出処理を行う回路構成の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係るシート状センサにおいてキャパシタの充放電を繰り返した場合の周波数波形を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係るシート状センサにおいてキャパシタの充放電を繰り返した場合の周期を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るシート状センサにおいて導電性の糸の配設パターンの一例を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係るシート型センサの構成を示す機能ブロック図である。
【図８】第２の実施形態に係るシート型センサにおいて静電容量測定部及び圧力測定部の測定結果に基づいて演算を行う場合の演算処理部の構成を示すブロック図である。
【図９】第２の実施形態に係るシート型センサのシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係るシート型センサについて、図１ないし図６を用いて説明する。本実施形態に係るシート型センサは、例えば、ベッドや布団での就寝状態（離床状態）や椅子などへの着座状態を導電性の糸で形成されるキャパシタの静電容量の変化を用いて検出する。ベッドや布団の上、椅子の座部などに本実施形態に係るシート型センサ敷いておくことで、人が居る場合と居ない場合とで誘電率が変化することによる静電容量の変化を検出する。このとき、静電容量の値を直接検出するのではなく、シート上に上記糸で形成されるキャパシタの充放電の周波数波形に基づいて検出処理を行うものである。
【００２０】
図１は、本実施形態に係るシート型センサの構成を示す機能ブロック図である。図１において、シート型センサ１は、導電性の糸で形成されるキャパシタの静電容量を測定する静電容量測定部１０と、測定された静電容量の変化波形を入力する入力部１１と、入力された波形に基づく周波数の変化から検出対象物の有無を判断する演算処理部１２と、演算結果をディスプレイなどの出力デバイスに出力する出力制御部１３とを備える。
【００２１】
なお、静電容量測定部１０とその他の処理部とは別体で構成されてもよい。その場合、有線又は無線通信により静電容量測定部１０の測定結果が通信インターフェースを介して入力部１１に入力される構成であってもよい。
【００２２】
図２は、本実施形態に係るシート型センサにおける静電容量測定部の構造を示す斜視図である。静電容量測定部１０は、導電性の糸をシート状の布地に縫い付け、それを被覆体で被覆したシート体として形成されており、電力を供給する電源部１４と、当該電源部１４に接続する第１の電極１５及び第２の電極１６と、それぞれの第１の電極１５及び第２の電極１６に接続され、一対でキャパシタを形成する第１の糸１７（第１の電極１５に接続）及び第２の糸１８（第２の電極１６に接続）と、第１の電極１５、第２の電極１６、第１の糸１７及び第２の糸１８を同一面状に支持する支持体１９と、当該支持体１９を被覆する被覆体２０とを備える。なお、図２においては内部構造を示すために、被覆体２０が支持体１９の一部を被覆するように記載しているが、実際には支持体１９の全体を被覆するものである。
【００２３】
第１の糸１７及び第２の糸１８は、例えば銀などの導電体で被覆され、又は練り込まれることで導電性を有しており、第１の糸１７はその両端部が第１の電極１５に電気的に接続された状態で、第２の糸１８はその両端部が第２の電極１６に電気的に接続された状態で支持体１９に縫い付けられている。支持体１９は所定の面（例えば、平面や曲面であり使用状態に応じて面の状態が変化するものも含む）を有するものであり、好ましくは体の曲線に応じて変形しやすく伸縮性を有する繊維からなる布地が用いられている。また、被覆体２０も支持体１９の全体を被覆すると共に、好ましくは体の曲線に応じて変形しやすく伸縮性を有する繊維からなる布地が用いられる。このとき、それぞれの布地は絶縁性の繊維からなるものを用いる。
【００２４】
第１の糸１７及び第２の糸１８は、支持体１９や被覆体２０の変形や伸縮による断線等を防止するために、支持体１９や被覆体２０の変形や伸縮に合わせて柔軟に伸縮できるように、複数回屈曲された状態で支持体１９に縫い付けられている。具体的には、例えば図２に示すようにジグザクに縫い付けられている。また本実施形態においては、それぞれの糸が囲む最大領域をキャパシタの一方の電極と見做すため、それぞれの糸が囲む領域は相互に干渉ないように縫い付けられる。第１の糸１７が囲む領域を一方の電極とし、第２の糸１８が囲む領域を他方の電極とするキャパシタが形成されるため、シート体上の誘電率が変化することで（例えば、何もないときは空気の誘電率、手を近づけると人体の誘電率に変化することで）、シート体上における検出対象物の有無を測定することが可能となる。
【００２５】
なお、支持体１９や被覆体２０は上記に示した布地以外にも、例えば可撓性を有する樹脂やビニールなどで形成されてもよい。また、第１の糸１７及び第２の糸１８は上述したように、複数回屈曲させて縫い付けてもよいし、複数回湾曲させて縫い付けてもよいし、それらを組み合わせてもよい。
【００２６】
図３は、本実施形態に係るシート状センサの検出処理を行う回路構成の一例を示す図である。静電容量測定部１０からの信号は入力部１１を介して演算処理部１２に渡される。演算処理部１２では、図３に示すような回路構成を用いて検出対象物の有無を判断する。図３において、第１の糸１７及び第２の糸１８で構成されるキャパシタ３１に定電流源３２が直列に接続されており、キャパシタ３１と並列に所定の閾値と比較するためのコンパレータ３３が接続され、その出力がインバータ（ＦＥＴ回路３４）のゲート電極に入力される。ＦＥＴ回路３４のソース・ドレイン電極は、抵抗３５を介してキャパシタ３１に接続されている。
【００２７】
図３の回路動作は、まず定電流源３２からの電力供給によりキャパシタ３１が充電される。ある程度充電が進んで閾値を超えるとコンパレータ３３の出力がＨｉになり、ＦＥＴ回路３４のゲートがＯＮになる。ゲートがＯＮになるとキャパシタ３１に充電されていた電荷がソース・ドレイン電極を介して放出される。キャパシタ３１の電荷が放出されると、コンパレータ３３の出力がＬｏになり、再びキャパシタ３１への充電が開始される。このようなサイクルを繰り返した場合の波形を図４（Ａ）に示す。図４において縦軸は図３におけるＶ１の電圧値とする。キャパシタ３１の充放電によりＶ１の値は図４（Ａ）に示すような鋸波形となる。つまり、キャパシタ３１に充電しながら少しずつ電圧が上昇し、ある閾値を超えた瞬間にキャパシタ３１の電荷が放電されて一気に電圧が下がる。このときの周期は、キャパシタ３１の容量に依存するため、キャパシタ３１の誘電率が変化すると図４（Ａ）の波形の周期が変化する。
【００２８】
図４（Ａ）の鋸波形を図４（Ｂ）に示すような矩形波に変換し、周波数カウンターで図４（Ｂ）の矩形波の周波数を測定する。静電容量が増加した場合は、充電に要する時間が長くなり、すなわちコンパレータ３３がＬｏを出力する時間が長くなるため、図４（Ｂ）の１周期が長くなり周波数が下がる。一方、静電容量が減少した場合は、充電に要する時間が短くなり、すなわちコンパレータ３３がＬｏを出力する時間が短くなるため、図４（Ｂ）の１周期が短くなり周波数が上がる。
【００２９】
一例を図５に示す。静電容量測定部１０のシート体上に何もない（空気のみの）場合は、図５（Ａ）に示すような波形が検出されたとする。静電容量測定部１０のシート体上に水分を多く含むような、例えば人体が有る場合は、誘電率の変化から静電容量が増加し、図５（Ａ）の波形の１周期が長くなることで周波数が下がる（図５（Ｂ）の状態）。すなわち、図５に示すような波形の周波数を測定することで、静電容量測定部１０のシート体上に検出対象物が有るかどうかを判定することが可能となる。また、周波数変化に基づいて検出対象物の有無を判定することで、静電容量の変化を検出する場合に比べてノイズの影響を抑えつつ、周波数を有する信号として取り扱うことで様々な処理に対応することが可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態において第１の糸１７及び第２の糸１８は、長くなるほど抵抗成分（インダクタンス）が大きくなってしまうため、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、それぞれの糸で囲われる領域をできるだけ広くして静電容量を大きくしつつ、各糸同士が交叉する点を増やしてインダクタンスを分散するように配設されることが望ましい。また、図６においては、巨視的に糸を単なる線で表現しているが、微視的には各線が上述したように屈曲したり湾曲していることが望ましい。
【００３１】
このように、本実施形態に係るシート型センサ１においては、第１の電極１５に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第１の糸１７と、第１の糸１７で囲われる領域以外の領域において、第１の糸１７と一対でキャパシタを形成し、第２の電極１６に接続され、所定の面に沿って周囲と絶縁状態で敷設される導電性を有する第２の糸１８と、第１の糸１７と第２の糸１８とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、所定の面上における検出対象物の有無を演算する演算処理部１２とを備えるため、第１の糸１７が囲む領域を一方の電極、第２の糸１８が囲む領域を他方の電極とするキャパシタが形成され、それぞれの領域を面状の電極とすることで容量成分を大きくし、検出感度を向上させることができる。また、第１の糸１７が囲む領域と第２の糸１８が囲む領域とで形成されるキャパシタの充放電の周波数変化に基づいて、所定の面上における検出対象物の有無を検出するため、静電容量の変化を検出する場合に比べてノイズの影響を抑えつつ、周波数を有する信号として取り扱うことで様々な処理に対応することができる。
【００３２】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係るシート型センサについて、図７ないし図９を用いて説明する。本実施形態に係るシート型センサは、前記第１の実施形態に係るシート型センサの機能を拡張したものであり、静電容量に基づく測定だけではなくシート体への圧力に基づいた検出も行うことで、より高精度に検出対象物を検出するものである。
【００３３】
図７は、本実施形態に係るシート型センサの構成を示す機能ブロック図である。前記第１の実施形態における図１の構成と異なるのは、静電容量測定部１０に加えて圧力測定部７１を備えることである。入力部１１は、静電容量測定部１０及び圧力測定部７１の測定結果を入力し、その測定結果に基づいて演算処理部１２での演算処理が行われる。圧力測定部７１は、例えば薄い平板状の圧電センサである。圧電センサの技術については一般的なものであるため詳細な説明を省略するが、付加された圧力を電気信号に変換して出力するものである。この圧力測定部７１としての圧電センサは、支持体１９に積層した状態で当該支持体１９と共に被覆体２０に収納されて使用される。すなわち、静電容量測定部１０のシート体に一体的に組み込まれて構成されている。
【００３４】
なお、他の圧電センサとして、例えば繊維状のセンサを同軸線とし、中心線と被覆線の間に圧電素子を使った圧電センサを用いるようにしてもよい。
【００３５】
例えば、前記第１の実施形態に係るシート型センサで人を検出したい場合に、人体には多くの水分が含まれることから、シート体上に人が居るとシート体上の誘電率の変化に伴って前記第１の実施形態において説明したように周波数が変化し、人の有無を判断することが可能になる。しかしながら、静電容量の変化はノイズの影響を受けやすいため、ノイズの影響を受けにくい環境であれば問題ないが、ノイズの影響を受けやすい環境下では、例えば温度、湿度、電磁波などの影響により誤検出してしまう可能性がある。本実施形態においては、圧電センサで検出された圧力波形と静電容量の波形との相関性を考慮して検出対象物の有無を判断することで、より高精度に検出することが可能となる。
【００３６】
図８は、静電容量測定部及び圧力測定部の測定結果に基づいて演算を行う場合の演算処理部の構成を示すブロック図である。まず、静電容量測定部１０のキャパシタが検出するキャパシタンスの検出波形（静電容量波形）と圧力測定部７１の圧電センサが検出する圧力の検出波形（圧力波形）とを乗算し、乗算結果から得られる波形のピークを検出する。ピークが検出された瞬間におけるキャパシタが検出したキャパシタンスの値をサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）し、その値を閾値としてコンパレータに入力する。入力された閾値とキャパシタが測定したキャパシタンスとを比較し、閾値を超えるキャパシタンスが検出された場合に検出対象物がシート体上に有ると判断する。
【００３７】
図８の構成でシミュレーションした結果を図９に示す。ここでは、人の有無を判定する場合のシミュレーション結果を示している。図９（Ａ）は静電容量測定部１０が検出したキャパシタンスの波形、図９（Ｂ）は圧力測定部７１が検出した圧力の波形、図９（Ｃ）はキャパシタンスと圧力の波形を乗算した波形、図９（Ｄ）は検出結果を示す波形である。図９において、Ｒ１に対応する部分の波形はシート体に手を置きその後離した場合の波形を示しており、Ｒ２に対応する部分の波形は湿気でシート体上の水分が増えた場合の波形を示し、Ｒ３に対応する部分の波形は手以外の例えば金属などの物をシート体に載置した場合の波形を示している。
【００３８】
図９のシミュレーション結果において、図９（Ｃ）で乗算した際に得られるピークでのキャパシタンスが閾値として設定され、その閾値と図９（Ａ）の波形が比較されて図９（Ｄ）の波形となっている。例えば、図９の場合は、乗算した際に得られるピークが図９（Ａ）におけるキャパシタンスの立ち上がりの真ん中ぐらいのタイミングとなっており、そのタイミングでのキャパシタンスの値が閾値として設定されている。
【００３９】
このように、キャパシタンスと圧力検出とに相関があり、尚且つその時の環境に合わせた閾値に基づいて検出処理が行われるため、非常に高精度に検出対象物を検出することが可能となる。
【００４０】
なお、図９においては閾値の設定をキャパシタンスで説明したが、第１の実施形態において説明したように、キャパシタンスを周波数に変換し周波数の値で比較処理を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  シート型センサ
１０  静電容量測定部
１１  入力部
１２  演算処理部
１３  出力制御部
１４  電源部
１５  第１の電極
１６  第２の電極
１７  第１の糸
１８  第２の糸
１９  支持体
２０  被覆体
３１  キャパシタ
３２  定電流源
３３  コンパレータ
３４  ＦＥＴ回路
３５  抵抗
７１  圧力測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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