(57)【要約】【課題】マトリックス状に配置された各可変要素の電気的特性を正確に算出する。【解決手段】本発明のセンサ装置１は、第１導通層２１と第２導通層２３と可変要素層２５とから構成された多層構造デバイス３を備え、第１導通層２１または第２導通層２３の少なくとも１つの導通部を第１計測端子に接続し、第１導通層２１と第２導通層２３の残りのすべての導通部を第２計測端子に接続して、第１導通層２１の導通部と第２導通層２３の導通部との交点にマトリックス状に配置された可変要素の電気的特性を計測し、この計測結果を連立方程式で解くことによって各可変要素の電気的特性を算出する。【選択図】図１
2015072203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に延在して導電性を有する導通部が間隔をあけて形成された第１導通層と、前記第１導通層の導通部と交差した方向に延在して導電性を有する導通部が間隔をあけて形成された第２導通層と、前記第１導通層と前記第２導通層との間に配置され、前記第１導通層の導通部と前記第２導通層の導通部との間を可変要素によって電気的に接続する可変要素層とを有する多層構造デバイスと、
前記第１導通層の各導通部と前記第２導通層の各導通部とにそれぞれ接続可能な第１計測端子及び第２計測端子を有し、前記第１導通層または前記第２導通層の少なくとも１つの導通部を前記第１計測端子に接続し、前記第１導通層と前記第２導通層の残りのすべての導通部を前記第２計測端子に接続して前記可変要素の電気的特性を計測する計測部と、
前記計測部による計測結果に基づいて連立方程式を立て、この連立方程式を解くことによって前記第１導通層の導通部と前記第２導通層の導通部との交点に位置する各可変要素の電気的特性を算出する演算部と
を備えたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記第１導通層、前記第２導通層及び前記可変要素層は繊維層として構成され、
前記第１導通層及び前記第２導通層は各導通部の間に絶縁性を有する非導通部が形成され、
前記可変要素は前記第１導通層の導通部と前記第２導通層の導通部との間を連結糸で接続して所定の電気抵抗率を有し、
前記多層構造デバイスは布状センサを構成することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記計測部は、前記第１計測端子と前記第２計測端子との間に電圧を印加し、前記可変要素の電気的特性として抵抗値を計測することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記可変要素の連結糸は、導電性高分子繊維であることを特徴とする請求項２または３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記第１導通層及び前記第２導通層の導通部は帯状の形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記多層構造デバイスを着席手段の一部として設置することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記可変要素は、抵抗素子、容量素子、コイル素子、圧電素子、電圧発生素子のうちのいずれかで構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層構造デバイスを備えたセンサ装置に係り、特にマトリックス状に配置された各可変要素の電気的特性を検出するセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、マトリックス状に配置された感圧センサとして特許文献１が開示されている。この特許文献１に開示された感圧シートでは、上部布地の導電性を有する糸と下部布地の導電性を有する糸との交点に、荷重によって電気的抵抗値が変化する感圧センサを電気的に接合し、これによって荷重分布の時間的な変化を計測可能としていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３２７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の感圧シートでは、マトリックス状に配置された各感圧センサの抵抗値を計測するために、感圧センサが位置するマトリックスの交点の縦方向と横方向のそれぞれ１つの電極に計測端子を接続していた。
【０００５】
この方法では、感圧センサに計測端子から電位差を与えることによって交点の感圧センサの抵抗値を計測しようとしているが、実際には交点の感圧センサに流れる電流の他に交点以外の感圧センサに流れる電流も複数存在してしまう。
【０００６】
したがって、計測端子で計測した値を用いて、マトリックスの各交点の抵抗値を求めるための連立方程式を立てても、その連立方程式を解くことができないので、各交点の正確な抵抗値を求めることができないという問題点があった。そのため、従来ではマトリックスの各交点の抵抗値は簡易的な方法で近似して算出するしかなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、マトリックス状に配置されたセンサの電気的特性を正確に算出することのできるセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、導通部が交差して形成された第１導通層及び第２導通層と、第１導通層の導通部と第２導通層の導通部との間を可変要素によって接続する可変要素層とを有する多層構造デバイスを備えている。そして、第１導通層または第２導通層の少なくとも１つの導通部を第１計測端子に接続し、第１導通層と第２導通層の残りのすべての導通部を第２計測端子に接続して可変要素の電気的特性を計測する。さらに、この計測結果に基づいて連立方程式を立て、この連立方程式を解くことによって各可変要素の電気的特性を算出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、第１導通層と第２導通層のすべての導通部を第１計測端子か第２計測端子のいずれかに必ず接続して可変要素の電気的特性を計測する。これにより、計測結果に基づいて立てられた連立方程式を解くことができるので、マトリックス状に配置された各可変要素の電気的特性を、簡易的な方法で近似することなく正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の設置位置を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の設置位置を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置が感圧センサとして機能する原理を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置が感圧センサとして機能する原理を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の計測部の構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置における可変要素の長さと抵抗値との間の関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が２行２列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が２行２列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が２行２列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１２】図１２は、従来のマトリックス状に配置されたセンサ装置において抵抗が２行２列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１３】図１３は、従来のマトリックス状に配置されたセンサ装置において抵抗が２行２列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が３行３列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が３行３列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が３行３列の場合の抵抗値の算出方法を説明するための図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素が３行３列の場合の連立方程式の行列化を説明するための図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置において可変要素がＭ行Ｎ列の場合の連立方程式の行列化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［センサ装置の構成］
図１は本実施形態に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るセンサ装置１は、多層構造デバイス３と、列走査部５と、行走査部７と、計測部１１と、演算部１３と、出力部１５とを備えている。また、多層構造デバイス３は、第１導通層２１と、第２導通層２３と、可変要素層２５とを備えている。
【００１３】
本実施形態に係るセンサ装置１は、例えば乗用自動車等の車両に好適に装備され、車両用シートに多層構造デバイス３を埋め込んで、乗員が車両用シートに座った際の感圧センサとして機能させることができる。
【００１４】
図２に示すように、多層構造デバイス３は、車両用シートの背もたれ部３１や座部３３に配置される。具体的には、図３の斜線で示すように、多層構造デバイス３は、車両用シートの内部部材を構成するマットレスやクッションのさらに表皮部分に表皮材として配置される。尚、多層構造デバイス３は、背もたれ部３１や座部３３の全てに設置されていてもよいが、背もたれ部３１と座部３３のいずれか、または部分的に設置されていてもよい。さらに、オットマンのような脚載せ部に多層構造デバイス３を設置してもよい。
【００１５】
また、センサ装置１の多層構造デバイス３以外の部分は、図２に示す筐体３５に収められて車両に搭載され、その演算結果等の出力は表示部３７から運転者に提供される。尚、表示部３７は、単独のディスプレイでもよいし、カーナビゲーションシステムや多機能情報機器のモニターであってもよい。
【００１６】
ただし、多層構造デバイス３は、車両用シートへの適用に限定されるものではなく、例えば人体が接触する一般器具としてイスやマッサージチェア等の人が着席するための着席手段に設置することも可能である。また、柔軟性の高い感圧センサ単体として、その他の圧力測定が必要な部位に設置してもよい。
【００１７】
次に、図４を参照して、多層構造デバイス３の構造を説明する。図４に示すように、多層構造デバイス３は、第１導通層２１、第２導通層２３及び可変要素層２５が繊維層として形成され、各層を積層することによって三層構造の布状センサを構成している。ただし、第１導通層２１、第２導通層２３及び可変要素層２５はすべてが繊維層で形成される必要はなく、例えば部分的に繊維状の電線材を編み込んだ構造であってもよい。
【００１８】
第１導通層２１は、所定の方向に延在して帯状の形状をした第１導通部４１が間隔をあけて形成されている。第１導通部４１は導電性を有しているが、第１導通部４１以外の部分を構成する第１非導通部４３は一般の繊維で形成されて絶縁性を有している。
【００１９】
第２導通層２３は、第１導通層２１との間に間隔をあけて配置され、第１導通部４１と交差する方向に延在して帯状の形状をした第２導通部４５が間隔をあけて形成されている。第２導通部４５は導電性を有しているが、第２導通部４５以外の部分を構成する第２非導通部４７は一般の繊維で形成されて絶縁性を有している。
【００２０】
可変要素層２５は、第１導通層２１と第２導通層２３との間に配置され、それらの間を連結糸で結んだ繊維層として形成されている。そして、第１導通部４１と第２導通部４５との交点では、導電性の素材で形成された可変要素４９によって第１導通部４１と第２導通部４５との間を電気的に接続する。本実施形態では、可変要素４９は抵抗素子であり、第１導通部４１と第２導通部４５との間を連結糸で接続して所定の電気抵抗率を有している。
【００２１】
尚、本実施形態では、第１導通部４１と第２導通部４５が直交してマトリックス状をしているが、直交している必要はなく、交差していればよい。また、第１導通部４１と第２導通部４５の形状は帯状に限らず、第１導通部４１と第２導通部４５が交差して交点を有するような形状であればよい。さらに、その交点の形状は、可変要素４９の電気的特性を測定する必要のある測定範囲に応じた幾何学的形状であればよい。
【００２２】
次に、列走査部５は、第１導通層２１を構成する各第１導通部４１に接続されたスイッチング素子５１を備え、計測部１１からの走査信号に応じて各スイッチング素子５１のスイッチングを行う。
【００２３】
同様に、行走査部７は、第２導通層２３を構成する各第２導通部４５に接続されたスイッチング素子５３を備え、計測部１１からの走査信号に応じて各スイッチング素子５３のスイッチングを行う。
【００２４】
ここで、スイッチング素子５１、５３は、図４に示すように計測部１１の第１計測端子５５か第２計測端子５７のいずれかに接続可能に構成されており、走査信号によって切り替えられる。尚、スイッチング素子５１、５３は、一般的に使用される素子やリレー等で構成すればよい。
【００２５】
計測部１１は、列走査部５及び行走査部７にそれぞれ接続された第１計測端子５５と第２計測端子５７とを備え、可変要素４９の電気的特性を計測する。この際、計測部１１は、走査信号を送信することによって列走査部５及び行走査部７を構成する各スイッチング素子５１、５３のスイッチングを制御する。具体的には、第１導通層２１または第２導通層２３の少なくとも１つの導通部を第１計測端子５５に接続し、第１導通層２１と第２導通層２３の残りのすべての導通部を第２計測端子５７に接続するようにスイッチング素子５１、５３を制御する。
【００２６】
また、計測部１１は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電気回路で構成された計測回路部と、その電力を供給する電源部とから構成され、電源部は通常の車両等ではバッテリー等の直流電源に接続されている。尚、車両以外の家庭用の交流電源を用いても良く、その場合には電源部に交流を直流に変換する交直変換部（整流器）を設けて電力を供給すればよい。また、多層構造デバイス３の種類に応じて、供給する電力を直流電源ではなく交流電源としてもよい。そして、計測部１１によって計測されたデータは、有線または無線通信あるいは一般的なデータ授受の方法によって演算部１３に出力される。尚、本実施形態では、計測部１１は第１計測端子５５と第２計測端子５７との間に電圧を印加している。
【００２７】
次に、演算部１３は、計測部１１によって計測された可変要素４９の電気的特性の計測結果に基づいて連立方程式を立て、この連立方程式を解くことによって、第１導通部４１と第２導通部４５との交点に位置する各可変要素４９の電気的特性を算出する。尚、演算部１３は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ＲＡＭ等に記録されたプログラムに基づいて演算処理をすることが可能な演算装置で構成すればよい。
【００２８】
出力部１５は、演算部１３による演算結果を表示部３７に出力して、例えば数値的、視覚的な情報として表示する。
【００２９】
［多層構造デバイスを構成する材料］
次に、多層構造デバイス３を布状の圧力センサとして構成する場合の材質を説明する。
【００３０】
多層構造デバイス３を構成する第１導通層２１の第１導通部４１、第２導通層２３の第２導通部４５及び可変要素４９は、導電性の素材から形成されている。導電性の素材とは、金、銀、銅やニクロム等の金属線、カーボン、グラファイト等の炭素系材料や金属、金属酸化物等の半導体からなる粒子、アセチレン系、複素５員環系、フェニレン系、アニリン系等の導電性高分子等である。
【００３１】
炭素系材料としては、カーボンからなる繊維体（例えば、トレカ（東レ社製、登録商標）、ドナカーボ（大阪ガスケミカル社製、登録商標））のように一般に市販されているものの他に、炭素繊維、炭素粉末等を混入して紡糸した繊維等を用いることも可能である。
【００３２】
一方、導電材として用いる粒子としては、カーボンブラック、ケッチェンブラックなどの炭素系粉末、炭素系繊維、鉄、アルミニウムなどの金属微粒子があり、さらに半導電性微粒子として酸化錫（ＳｎＯ２）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等がある。そして、こうした材料の単体で形成されているもの、表面を蒸着や塗布等で被覆したもの、芯材として使用して表面を別の材料で被服したもの等を用いることができる。
【００３３】
上述したこれらの素材のうちで市場での入手の容易性、比重等の観点から炭素繊維あるいは炭素粉末を使用することが望ましい。導電性の素材は単一の素材から形成されていても、複数の素材から形成されていてもよく、特に制限はない。
【００３４】
ただし、第１及び第２導通部４１、４５の素材としては、センシング精度を上げるために、通常は可変要素４９よりも抵抗率が低い素材を用いることが好ましい。
【００３５】
また、第１導通層２１、第２導通層２３は繊維で形成することが好ましいが、第１及び第２導通部４１、４５を形成する材料は繊維のみとは限らず、通気性を持たせるために、一面に均一に導電塗料等を塗布して形成することも可能である。導電塗料としては、ドータイト（藤倉化成社製、登録商標）等がある。
【００３６】
尚、布状の感圧センサとして用いる場合には、部分的な硬さの違いによる違和感をさけるため、第１及び第２導通部４１、４５は、圧力センサを形成する繊維とほぼ同じ断面積の金属線や導電性繊維、例えばニッケル等の金属を撚った撚線等を用いてもよい。
【００３７】
一方、第１及び第２導通部４１、４５以外の第１及び第２非導通部４３、４７は、一般の繊維を用いればよい。一般の繊維としては、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、共重合成分を含むポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリルなどの汎用樹脂からなる繊維がある。これらの繊維を単独あるいは混合して用いることが、コストや実用性の観点から好ましい。
【００３８】
また、第１導通層２１、第２導通層２３の形状は、通気性のある布状であればよいが、上述した一般の繊維からなる織布、不織布、編物等を用いれば、可変要素層２５を固定する意味や圧力による変形を均一にする目的から好ましい。
【００３９】
ここで、一般的な編物とは、一本あるいは数本の糸がループを作り、そのループに次の糸を引っ掛けて新しいループを作るという作業を連続して行うことによって作成された編地である。第１導通層２１と第２導通層２３との間の可変要素層２５の糸の掛かり方は、上下方向に正順に掛かっているものやクロスして掛かっているもの、ループで掛かっているもの、これらの組合せ等のバリエーションがある。
【００４０】
本実施形態では、図４に示すように、上述した編物を上下の第１導通層２１と第２導通層２３との間で立体的に作り、可変要素層２５としている。一般的に市販されている立体編物としては、旭化成せんい社製のフュージョン（登録商標）がある。そして、第１導通部４１と第２導通部４５との間を連結糸で形成することによって、圧力のセンシング機能を与えている。
【００４１】
このとき上下の基布である第１導通層２１と第２導通層２３との間に掛かる可変要素層２５は、必ずしも１本で繋がっていなくてもよい。１本で繋がっていない場合には、可変要素層２５は何らかの手段によって上下層に固定されていることになる。また、１本の連結糸自体が、複数本の糸からなる撚り糸を形成していてもよい。その撚り糸中の導電に係わる成分の密度により、抵抗値の変化量を設計することも可能である。
【００４２】
［可変要素の電気的特性の計測方法］
次に、多層構造デバイス３を構成する可変要素４９の電気的特性を計測する方法について具体的に説明する。
【００４３】
図４に示すように、多層構造デバイス３の可変要素層２５は、連結糸で形成された可変要素４９を備えている。本実施形態では、可変要素４９が外部からの圧力に応じて抵抗値が変化することにより、感圧センサとしての機能を提供することができる。尚、連結糸の部分に用いる１本の糸自体は、複数本の糸からなる撚り糸を形成していてもよいし、その撚り糸中の成分の密度により、感圧センサの感度を設定することも可能である。
【００４４】
以下、多層構造デバイス３の可変要素４９が感圧センサとして働く原理を、図５〜図８を参照して説明する。
【００４５】
図５に示すように、可変要素層２５は、第１導通部４１と第２導通部４５とを結ぶ可変要素４９を備え、この可変要素４９は布に印加される圧力に応じてアナログ的に電気抵抗が変化する。その変化を感圧センサの出力として計測部１１が検出する。図５では、可変要素４９の連結糸が、圧力によって第１導通層２１の第１導通部４１や第２導通層２３の第２導通部４５に接触する様子を模式的に示している。
【００４６】
まず、圧力のかかっていない可変要素４９の連結糸は、第１導通部４１と第２導通部４５との間で自立的に長さＬを保っている。ここに圧力がかかると、可変要素４９の連結糸は折れ曲がって第１導通部４１との間に接触部が発生する。同様に、第２導通部４５との間にも接触部が発生し、可変要素４９の連結糸の実質的な長さはＬ’へと変化する。
【００４７】
ここで、Ｌは圧力Ｐの関数として、式（１）で表すことができる。ただし、係数αは布の圧縮方向のバネ定数の逆数の値になる。
【００４８】
Ｌ＝αＰ      （１）
Ｌ：長さ[mm]、P：圧力[Pa]、α：係数[mm/Pa]
このとき、ＬとＲの関係は抵抗値Ｒの関数として、式（２）で表すことができる。
【００４９】
Ｒ＝ρＬ/Ｓ    （２）
Ｒ：抵抗値[kΩ]、ρ：抵抗率[Ω・mm]、Ｌ：長さ[mm]、Ｓ：断面積[mm2]
式（２）から分かるように、圧力の印加時にはＬ’がＬより短くなるので、Ｒの値は小さくなる。
【００５０】
また、式（２）から分かるように、抵抗値Ｒは断面積Ｓの関数にもなっている。図６に示すように、可変要素層２５では、導通部４１、４５に接触している可変要素４９と非導通部４３、４７に接触している可変要素４９’とがある。このとき圧力がかかることで、可変要素４９’が曲がり、周囲の可変要素４９’と接触する。また、導通部４１、４５に接触している部位は、非導通部４３、４７に接触している部位と接触することで、擬似的に断面積が大きくなる作用を受ける。これにより、式（２）の断面積Ｓが大きくなるので、圧力を印加すると抵抗値Ｒはさらに小さくなる。
【００５１】
ここで、計測部１１による抵抗値Ｒの計測方法を説明する。図７に示すように、計測部１１は、電気抵抗を測定するための計測回路部６１と、電圧を印加する電源部６３と、参照抵抗６５と、第１計測端子５５と、第２計測端子５７とを備えている。参照抵抗６５の抵抗値をＲ０として電源部６３によって電圧Ｖ０を印加し、計測回路部６１によって計測端子５５、５７の間の電圧がＶである場合、可変要素４９の抵抗値Ｒは、式（３）によって求めることができる。
【００５２】
Ｒ＝Ｒ０・Ｖ／（Ｖ０−Ｖ）        （３）
こうして計測部１１によって可変要素４９の抵抗値Ｒを計測することができ、可変要素４９の長さＬと抵抗値Ｒとの間の関係を図８に示す。実際には、上述したような抵抗値Ｒの変化はそれぞれが独立して起こるのではなく、同時に連続的に起きて変形していく。そのため最終的な出力としては、図８に示すような抵抗値Ｒの変化となり、感圧センサとして機能させることが可能となる。
【００５３】
［各可変要素の電気的特性の算出方法］
次に、上述した計測部１１による計測結果を用いて、演算部１３が各可変要素の電気的特性を算出する方法を詳細に説明する。
【００５４】
（１）多層構造デバイスが２行２列の場合
まず、最も基本的な具体例として、多層構造デバイス３が２行２列で４つの可変要素４９によって構成されている場合を、図９を参照して説明する。
【００５５】
図９（ａ）は、多層構造デバイス３の可変要素４９を構成する回路を立体的に示した図であり、上段には第１導通部４１、下段には第２導通部４５が配置され、それらの間に可変要素４９が接続されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）の可変要素４９の抵抗値を平面回路図として示したものであり、第２導通部４５の接続端子をＡ及びＢとおき、第１導通部４１の接続端子をＣ及びＤとしている。
【００５６】
このような２行２列の場合に、計測部１１によって測定された値から各可変要素４９の電気的特性を算出する方法を説明する。まず抵抗Ｒ１を算出する場合を例にして説明する。
【００５７】
計測部１１は、列走査部５と行走査部７を走査して、接続端子Ｃを計測部１１の第１計測端子５５に接続するとともに接続端子Ａ、Ｂ、Ｄのすべてを第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続端子Ｃを第２計測端子５７に接続するとともに接続端子Ａ、Ｂ、Ｄのすべてを第１計測端子５５に接続する。このとき、計測部１１の計測端子間における回路構成は、図９（ｃ）に示す回路構成となる。したがって、計測部１１によって計測される抵抗値は、図１０に示すように抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を並列に接続した合成抵抗Ｘであり、式（４）となる。
【００５８】
１／Ｘ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２
Ｘ＝Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）        （４）
この後、同様に列走査部５と行走査部７を走査して、接続端子Ａを第１計測端子５５に接続するとともに接続端子Ｂ、Ｃ、Ｄのすべてを第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続端子Ａを第２計測端子５７に接続するとともに接続端子Ｂ、Ｃ、Ｄのすべてを第１計測端子５５に接続する。このとき、計測部１１によって計測される抵抗値は、図１０に示すように抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３を並列に接続した合成抵抗Ｙであり、式（５）となる。
【００５９】
１／Ｙ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ３
Ｙ＝Ｒ１・Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）        （５）
さらに、列走査部５と行走査部７を走査して、図１０に示すように今度は接続端子Ａ、Ｃを第１計測端子５５に接続するとともに接続端子Ｂ、Ｄを第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続端子Ａ、Ｃを第２計測端子５７に接続するとともに接続端子Ｂ、Ｄを第１計測端子５５に接続する。このとき、計測部１１によって計測される抵抗値は、図１０に示すように抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３を並列に接続した合成抵抗Ｚであり、式（６）となる。
【００６０】
１／Ｚ＝１／Ｒ２＋１／Ｒ３
Ｚ＝Ｒ２・Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）        （６）
このようにして３つの合成抵抗Ｘ、Ｙ、Ｚが計測できると、これらの合成抵抗Ｘ、Ｙ、Ｚを加減算することによって、抵抗値Ｒ１のみを算出することが可能となる。すなわち、図１０に示すように、
１／Ｘ＋１／Ｙ−１／Ｚ＝２／Ｒ１      （７）
の関係が成り立つため、式（７）を変形して、
Ｒ１＝２ＸＹＺ／（ＸＺ＋ＹＺ−ＸＹ）  （８）
によって、抵抗値Ｒ１を求めることができる。
【００６１】
同様に、残りの抵抗値Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を算出するためには、図１１に示す合計６パターンの合成抵抗Ｕ〜Ｚを求めることによって算出することができる。
【００６２】
すなわち、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４は以下の式で表すことができる。
【００６３】
Ｒ１＝２ＸＹＺ／（ＸＺ＋ＹＺ−ＸＹ）  （９）
Ｒ２＝２ＸＶＷ／（ＸＷ＋ＶＷ−ＸＶ）  （１０）
Ｒ３＝２ＵＹＷ／（ＹＷ＋ＵＷ−ＵＹ）  （１１）
Ｒ４＝２ＵＶＺ／（ＵＺ＋ＶＺ−ＵＶ）  （１２）
したがって、これらの式（９）〜式（１２）によって多層構造デバイス３が２行２列の場合の４つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４を求めることが可能となる。
【００６４】
（２）従来の方法との比較
次に、本発明と比較するために、従来の方法で２行２列のマトリックス状に配置された抵抗素子の抵抗値を求める場合について説明する。
【００６５】
図１２に示すように、図９と同様な２行２列のマトリックス状に配置された抵抗素子の抵抗値を求める場合、従来では接続端子Ａ、Ｂのいずれか１端子を計測部に接続し、接続端子Ｃ、Ｄのいずれか１端子を計測部に接続していた。
【００６６】
すなわち、本発明では接続端子Ａ〜Ｄのすべてを計測部１１のいずれかの計測端子に接続しているが、従来の接続方法では列側の１つの端子と行側の１つの端子を接続するだけで、残りの接続端子は接続していなかった。
【００６７】
例えば、図１２において、行側の接続端子Ａと列側の接続端子Ｃを計測部に接続し、それ以外の接続端子Ｂ、Ｄを計測部に接続しないとする。この場合に回路構成は図１２（ｃ）となり、合成抵抗は直列と並列が混在した複雑な回路となる。この回路において感圧センサに圧力がかかって抵抗値がΔＲだけ変化すると、図１３（ａ）に示すように抵抗Ｒ１がΔＲだけ増加した場合と、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のいずれかがΔＲ×３だけ増加した場合とで等価になってしまう。
【００６８】
また、図１３（ｂ）に示すように、すべての抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値がΔＲだけ増加した場合には、抵抗Ｒ１の抵抗値が単独でΔＲだけ増加した場合に対して、合成抵抗の変化値はΔＲの３／４の値になってしまう。
【００６９】
このように従来の接続方法では、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の各抵抗値を正確に求めることができないので、簡易的な方法で近似して求めるしかなかった。
【００７０】
これに対して、本発明では、上述したようにマトリックス状に配置された抵抗Ｒ１〜Ｒ４の各抵抗値を、連立方程式を解くことによって正確に求めることができる。
【００７１】
（３）多層構造デバイスが３行３列の場合
次に、多層構造デバイス３の可変要素が３行３列の場合について説明する。図１４（ａ）は、多層構造デバイス３の可変要素４９を構成する回路を立体的に示した図であり、２行２列の場合と同様に上段には第１導通部４１、下段には第２導通部４５が配置され、それらの間に可変要素４９が接続されている。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の可変要素４９の抵抗値を平面回路図として示したものであり、第２導通部４５の接続端子をＡ〜Ｃとおき、第１導通部４１の接続端子をＤ〜Ｆとしている。
【００７２】
ここで、２行２列の場合と同様に、計測部１１によって測定された可変要素４９の電気的特性の値から各可変要素の電気的特性、具体的には抵抗Ｒ１を算出する場合について説明する。
【００７３】
まず、計測部１１は、列走査部５と行走査部７を走査して、接続端子Ｄを計測部１１の第１計測端子５５へ接続するとともに他の接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆのすべてを計測部１１の第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続端子Ｄを第２計測端子５７に接続するとともに接続端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆのすべてを第１計測端子５５に接続する。このとき、可変要素４９の電気的特性として計測した抵抗値は、図１４（ｃ）に示すように抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が並列に接続された合成抵抗Ｌであり、式（１３）となる。
【００７４】
１／Ｌ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３
Ｌ＝Ｒ１・Ｒ２・Ｒ３／（Ｒ２・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ２）    （１３）
同様に、接続端子Ａを第１計測端子５５に接続するとともに他の接続端子Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆのすべてを第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続する。このとき、可変要素４９の電気的特性として計測した抵抗値は、抵抗Ｒ１、Ｒ４、Ｒ７が並列に接続された合成抵抗Ｍであり、式（１４）となる。
【００７５】
１／Ｍ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ４＋１／Ｒ７
Ｍ＝Ｒ１・Ｒ４・Ｒ７／（Ｒ４・Ｒ７＋Ｒ１・Ｒ４＋Ｒ１・Ｒ７）    （１４）
さらに、接続端子Ａ、Ｄを第１計測端子５５に接続するとともに他の接続端子Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆのすべてを第２計測端子５７に接続する。または、その逆に接続する。このとき、可変要素４９の電気的特性として計測した抵抗値は、図１４（ｄ）に示すように抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７が並列に接続された合成抵抗Ｔであり、式（１５）となる。
【００７６】
１／Ｔ＝１／Ｒ２＋１／Ｒ３＋１／Ｒ４＋１／Ｒ７
Ｔ＝Ｒ２・Ｒ３・Ｒ４・Ｒ７／（Ｒ３・Ｒ４・Ｒ７＋Ｒ２・Ｒ４・Ｒ７＋Ｒ２・Ｒ３・Ｒ４＋Ｒ２・Ｒ３・Ｒ７）        （１５）
このようにして計測部１１によって式（１３）〜式（１５）に示す合成抵抗Ｌ、Ｍ、Ｔが計測されると、合成抵抗値Ｌ、Ｍ、Ｔを加減算することによって抵抗値Ｒ１のみを算出することが可能となる。
【００７７】
すなわち、図１５に示すように、
１／Ｌ＋１／Ｍ−１／Ｔ＝２／Ｒ１
が成り立つため、この式を変形して、
Ｒ１＝２ＬＭＴ／（ＬＴ＋ＭＴ−ＬＭ）
によって、抵抗値Ｒ１を求めることができる。
【００７８】
同様に、残りのＲ２〜Ｒ９を算出するためには、図１６に示す合計１５パターンの合成抵抗Ｌ〜Ｚを求めることによって算出することができる。すなわち、抵抗値Ｒ１〜Ｒ９は以下の式で表すことができる。
【００７９】
Ｒ１＝２ＬＭＴ／（ＬＴ＋ＭＴ−ＬＭ）              （１６）
Ｒ２＝２ＬＯＷ／（ＬＷ＋ＯＷ−ＬＯ）              （１７）
Ｒ３＝２ＬＱＺ／（ＬＺ＋ＱＺ−ＬＱ）              （１８）
Ｒ４＝２ＭＮＳ／（ＭＳ＋ＮＳ−ＭＮ）              （１９）
Ｒ５＝２ＭＯＶ／（ＭＶ＋ＯＶ−ＭＯ）              （２０）
Ｒ６＝２ＮＱＹ／（ＮＹ＋ＱＹ−ＮＱ）              （２１）
Ｒ７＝２ＭＰＲ／（ＭＲ＋ＰＲ−ＭＰ）              （２２）
Ｒ８＝２ＯＰＵ／（ＯＵ＋ＰＵ−ＯＰ）              （２３）
Ｒ９＝２ＰＱＸ／（ＰＸ＋ＱＸ−ＰＱ）              （２４）
したがって、これらの式（１６）〜式（２４）によって多層構造デバイス３が３行３列の場合の９つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ９を求めることが可能となる。
【００８０】
（４）多層構造デバイスがＭ行Ｎ列の場合
ここで、上述した２行２列の場合と３行３列の場合を比較すると、導出された式は同じ形式を示している。そこで、多層構造デバイス３における可変要素の数がＭ行Ｎ列となる場合についても、一般化して各可変要素の抵抗値を求めることが可能となる。
【００８１】
まず、３行３列のときの連立方程式から算出されるＬ〜Ｚの合計１５個の合成抵抗を行列式で書き表すと、図１７に示すようにＡｘ＝ｂとなる。
【００８２】
次に、行列Ａを区分行列Ｂ、Ｃ、Ｄに区分けしてＭ行Ｎ列に一般化すると、図１８に示すように変形することができる。このとき、区分行列ＤをＭ行Ｎ列に一般化すると、図１８（ｂ）に示すように小行列Ｄｐｑで表すことができる。
【００８３】
さらに、区分行列Ｂ、区分行列Ｃについても、Ｍ行Ｎ列に一般化すると、
【数１】
2015072203.tif 000003
【００８４】
と表すことができる。
【００８５】
したがって、上述した行列によって多層構造デバイス３がＭ行Ｎ列の場合でもＭ×Ｎ個の抵抗値を求めることが可能となる。
【００８６】
尚、上述した実施形態では、可変要素４９が抵抗素子である場合について説明したが、容量素子やコイル素子、圧電素子であってもよい。また、可変要素４９は、例えばモーター素子やバッテリーのような電位差を発生させる電圧発生素子であってもよい。モーター素子を可変要素４９とする場合には、外力によってモーター素子が回転し、モーター素子の端子間に発生した電位差を計測することによって、その電位差からモーターの回転数を算出することが可能となる。
【００８７】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るセンサ装置では、第１導通層または第２導通層の少なくとも１つの導通部を第１計測端子に接続し、残りのすべての導通部を第２計測端子に接続して可変要素の電気的特性を計測する。これにより、計測結果に基づいて立てられた連立方程式を必ず解くことができるので、マトリックス状に配置された各可変要素の電気的特性を、簡易的な方法で近似することなく正確に算出することができる。
【００８８】
また、本実施形態に係るセンサ装置では、第１導通層、第２導通層及び可変要素層を繊維層で構成し、多層構造デバイスを布状センサとして構成する。そして、第１導通層及び第２導通層は各導通部の間に絶縁性を有する非導通部を有し、可変要素は第１導通層の導通部と第２導通層の導通部との間を連結糸で接続して所定の電気抵抗率を有している。これにより、従来の導電ゴム製の感圧センサでは実現できなかった柔軟性や伸縮性、通気性等の布地の特性を活用したセンサ装置を実現することができる。また、広い面積で複数の部位の圧力を検知することも可能となる。
【００８９】
さらに、本実施形態に係るセンサ装置では、計測部が第１計測端子と第２計測端子との間に電圧を印加し、可変要素の電気的特性として抵抗値を計測する。これにより、可変要素が電圧を発生しない素子であっても可変要素の電気的特性として抵抗値を正確に、かつ容易に計測することが可能となる。
【００９０】
また、本実施形態に係るセンサ装置によれば、可変要素の連結糸を導電性高分子繊維としたので、導電性高分子の特徴である高い柔軟性と耐劣化性を備えた布状センサを実現することができる。
【００９１】
さらに、本実施形態に係るセンサ装置によれば、第１導通層及び第２導通層の導通部を帯状の形状としたので、可変要素を正確にマトリックス状に配置することができ、各可変要素の電気的特性を正確に、かつ容易に求めることができる。
【００９２】
さらに、本実施形態に係るセンサ装置によれば、多層構造デバイスを着席手段の一部として設置するので、着席した人体による電気的特性の変化を求めることができる。
【００９３】
さらに、本実施形態に係るセンサ装置では、可変要素を抵抗素子、容量素子、コイル素子、圧電素子、電圧発生素子のうちのいずれかで構成する。これにより、抵抗やキャパシタンス、インダクタンス、電圧の変化を検出することができ、さまざまな用途で活用することができる。
【００９４】
尚、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００９５】
１  センサ装置
３  多層構造デバイス
５  列走査部
７  行走査部
１１  計測部
１３  演算部
１５  出力部
２１  第１導通層
２３  第２導通層
２５  可変要素層
３１  背もたれ部
３３  座部
３５  筐体
３７  表示部
４１  第１導通部
４３  第１非導通部
４５  第２導通部
４７  第２非導通部
４９  可変要素
５１、５３  スイッチング素子
５５  第１計測端子
５７  第２計測端子
６１  計測回路部
６３  電源部
６５  参照抵抗
【図１】
2015072203.tif 000004
【図２】
2015072203.tif 000005
【図３】
2015072203.tif 000006
【図４】
2015072203.tif 000007
【図５】
2015072203.tif 000008
【図６】
2015072203.tif 000009
【図７】
2015072203.tif 000010
【図８】
2015072203.tif 000011
【図９】
2015072203.tif 000012
【図１０】
2015072203.tif 000013
【図１１】
2015072203.tif 000014
【図１２】
2015072203.tif 000015
【図１３】
2015072203.tif 000016
【図１４】
2015072203.tif 000017
【図１５】
2015072203.tif 000018
【図１６】
2015072203.tif 000019
【図１７】
2015072203.tif 000020
【図１８】
2015072203.tif 000021