(57)【要約】【課題】  荷重の分布などを計測する場合にも構成の複雑化を防止し、コストを低減させること。【解決手段】  支持体に配設されるとともに、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有し、かつ、前記支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換するセンサ素子１０と、前記センサ素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部２０と、前記センサ素子からの検出信号を抽出するとともに、抽出した検出信号に基づいて前記センサ素子の振動特性値を検知する振動検知部３０と、前記センサ素子、前記駆動部および前記振動検知部を電気的に接続するとともに、前記駆動部からの駆動信号と、前記センサ素子からの検出信号とが重畳化された重畳信号を伝達する配線１５と、前記振動検知部からの振動特性値に基づいて前記センサ素子に印加された荷重および加速度の一方又は両方を演算する演算部４０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】
支持体に配設されるとともに、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有し、かつ、前記支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換するセンサ素子と、
前記センサ素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部と、
前記センサ素子からの検出信号を抽出するとともに、抽出した検出信号に基づいて前記センサ素子の振動特性値を検知する振動検知部と、
前記センサ素子、前記駆動部および前記振動検知部を電気的に接続するとともに、前記駆動部からの駆動信号と、前記センサ素子からの検出信号とが重畳化された重畳信号を伝達する配線と、
前記振動検知部からの振動特性値に基づいて前記センサ素子に印加された荷重および加速度の一方又は両方を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする荷重検知装置。
【請求項２】
支持体に配設されるとともに、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有し、かつ、前記支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換する複数のセンサ素子と、
前記センサ素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部と、
前記センサ素子からの検出信号を抽出するとともに、抽出した検出信号に基づいて前記センサ素子の振動特性値を検知する振動検知部と、
前記振動検知部からの振動特性値に基づいて前記センサ素子に印加された荷重および加速度の一方又は両方を演算するとともに、検知しようとする特定の前記センサ素子との電気的接続状態を切り替えるための切替信号を出力する演算部と、
前記センサ素子ごとに第１配線を介して電気的に接続するとともに、前記演算部からの切替信号に基づいて、第１配線との電気的接続状態を切り替える接続切替部と、
前記駆動部および前記振動検知部を電気的に接続するとともに、前記駆動部からの駆動信号と、前記センサ素子からの検出信号とが重畳化された重畳信号を伝達する第２配線と、
前記演算部と前記接続切替部とを電気的に接続する第３配線と、
を備えることを特徴とする荷重検知装置。
【請求項３】
前記センサ素子は、基板上に圧電体の上下両面に第１電極および第２電極が配置されたセルを取り付けた構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の荷重検知装置。
【請求項４】
前記重畳信号は、駆動信号に係る駆動期間と検出信号に係る検出期間とに分割されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の荷重検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持体に印加される荷重や加速度を検知する荷重検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の荷重検知装置においては、圧電素子を用いて、人体の在・不在を判定するだけでなく、心拍や呼吸等による人体の特有の振動成分を抽出することによって人体の異常を判定するものがある。例えば、振動発生部と前記振動発生部に隣接して配設された振動検出部とを備え人体を支持する支持体に配設された振動検出手段と、前記振動検出部の出力信号から前記振動発生部の振動により伝播する振動の振動特性を演算する振動特性演算手段と、前記振動特性演算手段の出力信号に基づき前記振動検出手段に印加される荷重を演算する荷重演算手段とを備え、振動発生部と振動検出部とは共に圧電素子からなるものが開示されている（特許文献１参照）。これにより、少ない設置スペースで設置に手間をかけないようにすることができるとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２３０８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、振動を発生させ、その振動の伝わりかたの変化から印加された荷重量を推定する構成であるため、振動を発生させる圧電部材と、その振動を検知する圧電部材と、を別々に有する必要があった。そのため、面に加わる荷重の分布などを計測するためには、多数の振動・検出の圧電部材の対が必要となり、構成の複雑化、及びコスト高につながるおそれがある。
【０００５】
本発明の課題は、荷重の分布などを計測する場合にも構成の複雑化を防止し、コストを低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の視点においては、支持体に印加される荷重や加速度を検知する荷重検知装置において、支持体に配設されるとともに、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有し、かつ、前記支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換するセンサ素子と、前記センサ素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部と、前記センサ素子からの検出信号を抽出するとともに、抽出した検出信号に基づいて前記センサ素子の振動特性値を検知する振動検知部と、前記センサ素子、前記駆動部および前記振動検知部を電気的に接続するとともに、前記駆動部からの駆動信号と、前記センサ素子からの検出信号とが重畳化された重畳信号を伝達する配線と、前記振動検知部からの振動特性値に基づいて前記センサ素子に印加された荷重および加速度の一方又は両方を演算する演算部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の視点においては、支持体に印加される荷重や加速度を検知する荷重検知装置において、支持体に配設されるとともに、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有し、かつ、前記支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換する複数のセンサ素子と、前記センサ素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部と、前記センサ素子からの検出信号を抽出するとともに、抽出した検出信号に基づいて前記センサ素子の振動特性値を検知する振動検知部と、前記振動検知部からの振動特性値に基づいて前記センサ素子に印加された荷重および加速度の一方又は両方を演算するとともに、検知しようとする特定の前記センサ素子との電気的接続状態を切り替えるための切替信号を出力する演算部と、前記センサ素子ごとに第１配線を介して電気的に接続するとともに、前記演算部からの切替信号に基づいて、第１配線との電気的接続状態を切り替える接続切替部と、前記駆動部および前記振動検知部を電気的に接続するとともに、前記駆動部からの駆動信号と、前記センサ素子からの検出信号とが重畳化された重畳信号を伝達する第２配線と、前記演算部と前記接続切替部とを電気的に接続する第３配線と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の前記荷重検知装置において、前記センサ素子は、基板上に圧電体の上下両面に第１電極および第２電極が配置されたセルを取り付けた構造であることが好ましい。
【０００９】
本発明の前記荷重検知装置において、前記重畳信号は、駆動信号に係る駆動期間と検出信号に係る検出期間とに分割されてなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明（請求項１−４）によれば、センサ素子の駆動信号と検出信号が重畳され伝達されることで、従来、振動発生部と振動検出部を独立して構成する必要があったものが単一のセンサ素子にて構成でき、センサ素子の簡素化、配線の簡素化が可能となり、ひいてはコストの低減を図ることができる。
【００１１】
本発明（請求項２）によれば、所望のエリアに多数のセンサ素子が配置できるので、分解能の高い荷重分布計測を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る荷重検知装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の構成を模式的に示したブロック図である。図２は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置におけるセンサ素子の構成を模式的に示した斜視図である。図３は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における駆動信号の波形を模式的に示したグラフである。図４は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における配線上の電気信号の波形を模式的に示したグラフである。図５は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における検出信号の波形を模式的に示したグラフである。図６は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の荷重−電圧振幅値の特性を模式的に示したグラフである。
【００１３】
荷重検知装置１は、人体を支持する支持体（例えば、自動車用シート座面、シートバック、椅子等）に印加される荷重や加速度を検知する装置である。荷重検知装置１は、センサ素子１０と、駆動部２０と、振動検知部３０と、演算部４０と、を有する（図１参照）。
【００１４】
センサ素子１０は、人体を支持する支持体に配設されるとともに、当該支持体に印加される荷重や加速度を検出信号に変換する素子である（図１参照）。センサ素子１０は、単一の素子内で振動発生及び振動検出の機能を有する。センサ素子１０は、基板１１上に圧電体１３の上下両面に第１電極１２および第２電極１４が配置された１又は複数のセルを取り付けた構造であり、第１電極１２に配線１５ａが電気的に接続されており、第２電極１４に配線１５ｂが接続されている（図２参照）。第１電極１２および第２電極１４の両電極間に（駆動部２０からの）駆動電圧を周期的に印加すると、圧電体１３が延び縮みし、基板１１に撓み変形を与える。また、逆に外部からの荷重や加速度により基板１１に撓み変形が発生すると、圧電体１３も変形して、第１電極１２および第２電極１４の両電極間に電位差（電荷）が生じ、荷重や加速度に係る検出信号を出力する。
【００１５】
駆動部２０は、センサ素子１０に周期的に駆動電圧を印加（駆動信号を出力）することにより、センサ素子１０を振動（撓み変形を生じ）させる部分である（図１、３参照）。駆動部２０は、センサ素子１０に所定電圧の駆動電圧を周期的に印加（駆動信号を出力）する。駆動部２０は、駆動電圧を出力する期間において配線１５と電気的に接続し、駆動電圧を出力しない期間において配線１５との接続を切り離す。ここで、駆動電圧の周期は、センサ素子１０を効率的に振動させるためセンサ素子１０の共振周波数として用いることができる。
【００１６】
振動検知部３０は、センサ素子１０からの検出信号に基づいて電圧振幅値に変換する部分である（図１参照）。振動検知部３０は、センサ素子１０と配線１５を介して電気的に接続されており、入力された信号（駆動部２０からの駆動信号を含む；図４参照）のうちセンサ素子１０からの検出信号（図５参照）を抽出して、振動特性値（例えば、電圧振幅値）に変換する。ここで、検出信号は、荷重が小さいほど電圧（検出電圧）のピークが下方に大きく（図５（ａ）参照）、荷重が大きいほど電圧（検出電圧）のピークが下方に小さい（図５（ｂ）参照）。
【００１７】
演算部４０は、振動検知部３０からの電圧振幅値に基づいて、荷重を演算する部分である（図１参照）。演算部４０は、振動検知部３０と配線を介して電気的に接続されており、マップに基づいて、振動検知部３０からの電圧振幅値に対応する荷重を演算する（図６参照）。ここで、電圧振幅値は、荷重が０のときに最大となり、荷重が増加するにしたがい小さくなる。
【００１８】
次に、実施形態１に係る荷重検知装置の動作について図面を用いて説明する。図７は、本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の原理を説明するための模式図である。なお、各構成部については、図１を参照されたい。
【００１９】
原理について説明する。所定の駆動電圧によりセンサ素子１０が撓み変形を生じるが、その変形量はセンサ素子１０に印加される荷重に依存する。また、駆動電圧をＯＦＦにするとセンサ素子１０は印加される荷重により初期状態に戻るが、この時、先に発生したセンサ素子１０の変形量に応じた電荷（検出信号に相当）がセンサ素子１０より出力される。従って、駆動電圧をＯＦＦにした後のセンサ素子１０からの電荷量を計測することで、センサ素子１０の変形量を知ることができ、最終的にセンサ素子１０に印加された荷重量を求めることができる。
【００２０】
前記原理にて荷重を計測するためのセンサ素子１０の駆動、検出方法について説明する。駆動部２０からセンサ素子１０の共振周波数にて規定される「１周期」のうち一定期間を「駆動期間」として「駆動電圧」が配線１５を介してセンサ素子１０に印加される（図７（ａ）参照）。このとき、センサ素子１０は、駆動電圧により発生する撓み力と、センサ素子１０に印加された荷重とがつり合う点まで撓み変形が発生する。荷重が大きれば撓み変形は小さく（図７（ｂ）参照）、荷重が小さければ撓み変形は大きい（図７（ａ）参照）。
【００２１】
「駆動期間」が終了すると、駆動部２０は配線１５から切り離され、センサ素子１０における撓み力は消失する。すると、センサ素子１０は初期状態（初期位置）に戻る。このとき、「駆動期間」中に発生した変形量に応じた「電荷Ｑ」がセンサ素子１０から出力される。「１周期」のうち「駆動期間」以外を「検出期間」とし、センサ素子１０から発生される「電荷Ｑ」は検出信号として出力され、配線１５を介して振動検知部３０に伝達される。その後、振動検知部３０にて検出信号が電圧振幅値に変換され、演算部４０にて電圧振幅値から荷重が演算される。
【００２２】
また、センサ素子１０に印加される加速度のみを検出する場合は、駆動部２０の機能を停止し、振動検知部３０にてセンサ素子１０からの発生電荷量を測定し、演算部４０にて加速度に変換する。
【００２３】
さらに、センサ素子１０に荷重と加速度が同時に印加される場合、荷重および加速度に依存する電圧波形を合成した合成波形が振動検知部３０から出力される。この合成波形を演算部４０により周波数分離することで、荷重と加速度を同時に検知することが可能である。
【００２４】
実施形態１によれば、センサ素子１０の駆動信号と検出信号が重畳され伝達されることで、従来、振動発生部と振動検出部を独立して構成する必要があったものが単一のセンサ素子１０にて構成でき、センサ素子１０の簡素化、配線の簡素化が可能となり、ひいてはコストの低減を図ることができる。
【００２５】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る荷重検知装置について図面を用いて説明する。図８は、本発明の実施形態２に係る荷重検知装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【００２６】
実施形態２に係る荷重検知装置では、多数のセンサ素子１０が支持体２（例えば、自動車用シート座面等）に配置されている。また、各センサ素子１０は、センサ素子１０ごとに第１配線１５を介して接続切替部５０と電気的に接続されている。さらに、接続切替部５０は第２配線５１にて駆動部２０及び振動検知部３０と電気的に接続されるとともに第３配線５２にて演算部４０と電気的に接続されている。なお、実施形態２に係る荷重検知装置のセンサ素子１０、駆動部２０および振動検知部３０については、実施形態１のセンサ素子（図１の１０）、駆動部（図１の２０）および振動検知部（図１の３０）と同様である。
【００２７】
演算部４０は、振動検知部３０からの電圧振幅値に基づいて、荷重を演算する部分であり、振動検知部３０と配線を介して電気的に接続され、マップに基づいて振動検知部３０からの電圧振幅値に対応する荷重を演算する点は、実施形態１の演算部（図１の４０）と同様である（図６参照）。さらに、演算部４０は、検知しようとする特定のセンサ素子１０との電気的接続状態を切り替えるための切替信号を出力する。
【００２８】
接続切替部５０は、演算部４０からの切替信号に基づいて、配線１５との電気的接続状態を切り替える。接続切替部５０は、第２配線５１を介して駆動部２０及び振動検知部３０と電気的に接続されており、第３配線５２を介して演算部４０と電気的に接続されている。
【００２９】
実施形態２の荷重検知装置の動作について説明する。演算部４０からの切替信号により、接続切替部５０を作動させ、特定のセンサ素子１０と駆動部２０、振動検知部３０を接続し、振動検知部３０からの電圧振幅値が演算部４０に入力されることで、当該特定のセンサ素子１０上の荷重を演算する。この動作を順次各センサ素子１０に対し走査することで面内荷重分布を計測することができる。
【００３０】
実施形態２によれば、所望のエリアに多数のセンサ素子１０を配置することで、分解能の高い荷重分布計測を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置におけるセンサ素子の構成を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における駆動信号の波形を模式的に示したグラフである。
【図４】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における配線上の電気信号の波形を模式的に示したグラフである。
【図５】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置における検出信号の波形を模式的に示したグラフである。
【図６】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の荷重−電圧振幅値の特性を模式的に示したグラフである。
【図７】本発明の実施形態１に係る荷重検知装置の原理を説明するための模式図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る荷重検知装置の構成を模式的に示したブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  荷重検知装置
２  支持体
１０  センサ素子
１１  基板
１２  第１電極
１３  圧電体
１４  第２電極
１５、１５ａ、１５ｂ  配線（第１配線）
２０  駆動部
３０  振動検知部
４０  演算部
５０  接続切替部
５１  第２配線
５２  第３配線
【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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