(57)【要約】【課題】従来の可撓性感圧体を用いた圧力検出装置では、時間的に変化する動的圧力は検出できるが、時間的に変化しない静的圧力は検出できないという課題を有していた。【解決手段】動的圧力に対して電圧を発生する二つのケーブル状の圧力応答手段９と、その電圧の測定と、測定値を用いた圧力算出とを行う圧力算出手段１０とから、圧力検出装置を構成する。さらに動的圧力の印加に対して、二つの圧力応答手段９に発生する電圧は、静的圧力に依存して変化するが、この依存性が前記二つの圧力応答手段９の間で異なる構成とすることにより、二つの圧力応答手段に発生する電圧を比較、算出して静的圧力の検出が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
残留分極を有する可撓性感圧体と前記可撓性感圧体を挟んで構成される複数の電極とを有する圧力応答手段と、前記圧力応答手段の電極間に発生する応答電圧を測定して前記測定した応答電圧をもとに前記圧力応答手段に印加される静的圧力と動的圧力とを算出する圧力算出手段とを備え、前記圧力算出手段によって前記電極を介して測定される複数の応答電圧が、前記圧力応答手段に印加される静的圧力に対して異なった依存性を有する圧力検出装置。
【請求項２】
圧力応答手段がケーブル状である請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
ケーブル状の圧力応答手段が、前記ケーブル状の圧力応答手段の概中心部に位置する内部電極と、前記内部電極に密着した可撓性感圧体と、可撓性感圧体に密着した外部電極とを有し、前記内部電極と前記外部電極とが応答電圧の測定に用いられる請求項２記載の圧力検出装置。
【請求項４】
複数の圧力応答手段を含んで構成される請求項1から３のいずれか１項記載の圧力検出装置。
【請求項５】
圧力応答手段が複数の内部電極を有する請求項1から４のいずれか１項記載の圧力検出装置。
【請求項６】
圧力応答手段に生じる応答電圧の少なくとも一つが立ち上がり始める静的圧力が、他の応答電圧が立ち上がり始める静的圧力とは異なる請求項１から５のいずれか１項記載の圧力検出装置。
【請求項７】
圧力応答手段に生じる応答電圧の少なくとも一つが飽和し始める静的圧力が、他の応答電圧が飽和し始める静的圧力とは異なる請求項１から６のいずれか１項記載の圧力検出装置。
【請求項８】
圧力算出手段が、複数の応答電圧間の強度比を用いて、圧力応答手段に印加される静的圧力および動的圧力の算出を行う請求項１から７のいずれか一項記載の圧力検出方法。
【請求項９】
圧力算出手段により測定される複数の応答電圧のうち、一つの応答電圧が立ち上がり、少なくとも他の一つの応答電圧が立ち上がっていない静的圧力の範囲において、前記圧力算出手段が、前記応答電圧間の強度比を用いて、圧力検出手段に印加される静的圧力および動的圧力を算出する請求項１から８のいずれか一項記載の圧力検出方法。
【請求項１０】
圧力算出手段により測定される複数の応答電圧のうち、一つの応答電圧が飽和し、少なくとも他の一つの応答電圧が飽和していない静的圧力の範囲において、前記圧力算出手段が、前記応答電圧間の強度比を用いて、圧力検出手段に印加される静的圧力と動的圧力とを算出する請求項１から８のいずれか一項記載の圧力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
可撓性を有する感圧体を用い外部からの圧力を検出する圧力検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧力検出装置には図１２に示すようなものがある。図１２に断面図を示すように、可撓性感圧体１の上下に電極２が形成され、表面を保護層３が覆うシート状の積層構造を有している。図１２では、可撓性感圧体１内の残留分極の方向は示していないが、通常、電極２の間に高電圧を印加して分極を形成するために、電極２の面の垂直方向に残留分極が形成されている。
【０００３】
上記の可撓性感圧体１として、合成ゴムや合成樹脂の中にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックス粉末を添加した複合体が用いられる。電極２は、可撓性感圧体１に、銅、アルミニウム、金等の金属箔が接着剤等により接着されるか、上記の金属が蒸着されて構成される。
【０００４】
上記の圧力検出装置に外部から動的圧力が加えられると、可撓性感圧体１に加速度を伴う歪みが発生し、同時に圧電効果により電圧が発生する、この電圧を二つの電極２を介して測定することで動的圧力が検出される。
【０００５】
また、従来知られている圧力検出装置として図１３（例えば、特許文献１参照）に示すようなケーブル状のものもある。図１３のうち（ａ）はケーブルの長手方向の断面を、（ｂ）は（ａ）のＡ-Ａ線位置での断面を示している。具体的には、中心には内部電極４、その周りに可撓性感圧体１、さらにその外部に、順に外部電極５、保護層３が形成されている。図１３では、可撓性感圧体１内の残留分極の方向は示していないが、通常、内部電極４と外部電極５の間に高電圧を印加して分極を形成するために、内部電極２から外部電極５へ放射状に残留分極が形成される。
【０００６】
図１３の可撓性感圧体１には、シート状の可撓性感圧体と同様の複合体が用いられる。内部電極４は、金属等の導電体を線状とした線状導電材が用いられる。また、外部電極５は可撓性感圧体１の表面に銀系ゴム塗料などの導電塗料を塗着したものが用いられている。圧力の検知は、シート状の可撓性感圧体を用いた圧力検出装置と同様に、動的圧力の印加による加速度を伴う歪に起因して発生する電圧を測定することにより行われる。
【０００７】
ここで、上記で使用した動的圧力と、さらに静的圧力に関して、その定義を説明する。本明細書では、圧力を動的圧力と静的圧力とに分けて記載する。このうち動的圧力は、この動的圧力に対応する応力とは釣り合っていない圧力であり、結果的に動的圧力が印加された物体に加速度を生じさせる圧力である。
【０００８】
これに対し、静的圧力は、この静的圧力に対応する応力と完全に釣り合っている圧力であり、結果的に静的圧力の印加された物体に加速度を生じさせない圧力である。このため、静的圧力は、上記の可撓性感圧体圧を利用して電圧変化を測定する従来の技術では検出されない圧力であった。
【特許文献１】特開昭６２−２３００７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の圧力検出装置は、圧力センサや振動センサとして用いる場合、動的な圧力の検出は可能であるが、静的な圧力を検出できないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、動的な圧力に加え、静的な圧力の検出も可能な圧力検出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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の圧力検出装置は、残留分極を有する可撓性感圧体と前記可撓性感圧体を挟んで構成される複数の電極とを有する圧力応答手段と、前記圧力応答手段の電極間に発生する応答電圧を測定して前記測定した応答電圧をもとに前記圧力応答手段に印加される静的圧力と動的圧力とを算出する圧力算出手段とを備え、前記圧力算出手段によって前記電極を介して測定される複数の応答電圧が、前記圧力応答手段に印加される静的圧力に対して異なった依存性を有する構成とした。
【００１２】
この構成により、異なる依存性を有する複数の応答電圧を測定することで、依存性に応じた測定によって印加される動的圧力に加えて静的圧力も検出可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧力検出装置により、動的圧力の検出に加えて静的圧力の検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明の圧力検出装置は、残留分極を有する可撓性感圧体と前記可撓性感圧体を挟んで構成される複数の電極とを有する圧力応答手段と、前記圧力応答手段の電極間に発生する応答電圧を測定して前記測定した応答電圧をもとに前記圧力応答手段に印加される静的圧力と動的圧力とを算出する圧力算出手段とを備え、前記圧力算出手段によって前記電極を介して測定される複数の応答電圧が、前記圧力応答手段に印加される静的圧力に対して異なった依存性を有する構成とした。
【００１５】
複数の圧力検出手段から互いに独立な応答電圧を測定できるために、これを基に動的圧力と静的圧力の両方の検出が可能となる効果が得られる。
【００１６】
第２の発明の圧力検出装置は、特に第一の発明のおいて、圧力応答手段がケーブル状である構成を有する。ケーブル状であるため、残留分極は通常中心から放射状に形成され、圧力の印加方向と分極方向とが異なる。このため、静的圧力印加による初期的な歪が拡大され、応答電圧の静的圧力依存性も大きくなり、静的圧力の検出の精度も上昇する。また、ケーブル状であることにより、製造が容易で、配設の自由度も高くなる。
【００１７】
第３の発明の圧力検出装置は、特に第２の発明において、ケーブル状の圧力応答手段が、前記ケーブル状の圧力応答手段の概中心部に位置する内部電極と、前記内部電極に密着した可撓性感圧体と、可撓性感圧体に密着した外部電極とを含んでなり、前記内部電極と前記外部電極とが応答電圧の測定に用いられる構成を有する。分極は、ケーブルの断面において中心から等方的に形成されるため、圧力の検出感度も等方的となり、配設時に回転や捻れが生じても、応答電圧が安定化し、圧力検出の精度が向上する効果が得られる。
【００１８】
第４の発明の圧力検出装置は、特に第1から３のいずれかの発明において、複数の圧力応答手段を含む構成を有する。このことにより、各圧力応答手段毎に、分極状態を変化させることにより、容易に応答電圧の静的圧力依存性を調整することが可能となり、動的圧力、静的圧力の検出がより容易になる効果が得られる。
【００１９】
第５の発明の圧力検出装置は、特に第1から４のいずれかの発明において、圧力応答手段が複数の内部電極をそれぞれが導通しない状態で有する構成を持つ。このことにより、圧力応答手段として１体であって、複数の電極の組み合わせをすることにより、圧力応答手段の数を減少させても、同様の測定が可能となり、製造および配設が容易となる効果が得られる。
【００２０】
第６の発明の圧力検出装置は、特に第1から５のいずれかの発明において、圧力応答手段に生じる応答電圧の少なくとも一つが立ち上がり始める静的圧力が、他の応答電圧が立ち上がり始める静的圧力とは異なる構成を有する。このことにより、応答電圧間の大きさの差異が大きくなり、静的圧力算出時の精度が上昇する効果が得られる。
【００２１】
第７の発明の圧力検出装置は、特に第1から６のいずれかの発明において、圧力応答手段に生じる応答電圧の少なくとも一つが飽和し始める静的圧力が、他の応答電圧が飽和し始める静的圧力とは異なる構成を有する。このことにより、応答電圧間の大きさの差異が大きくなり、静的圧力算出時の精度が上昇する効果が得られる。
【００２２】
第８の発明の圧力検出方法は、特に第1から５のいずれかの発明において、圧力算出手段が、複数の応答電圧間の強度比を用いて、圧力応答手段に印加される静的圧力および動的圧力との算出を行う構成を有する。このことにより、簡単な比較で、動的圧力、静的圧力の検出が可能となる。
【００２３】
第９の発明の圧力検出方法は、特に第1から８のいずれかの発明において、圧力算出手段により測定される複数の応答電圧のうち、一つの応答電圧が立ち上がり、少なくとも他の一つの応答電圧が立ち上がっていない静的圧力の範囲において、前記圧力算出手段が、前記応答電圧間の強度比を用いて、圧力検出手段に印加される静的圧力および動的圧力とを算出する構成を有する。このことにより、測定される応答電圧間の強度比が大きくなり、静的圧力、動的圧力算出時の精度が上昇する効果が得られる。
【００２４】
第１０の発明の圧力検出方法は、特に第1から９のいずれかの発明において、圧力算出手段により測定される複数の応答電圧のうち、一つの応答電圧が飽和し、少なくとも他の一つの応答電圧が飽和していない静的圧力の範囲において、前記圧力算出手段が、前記応答電圧間の強度比を用いて、圧力検出手段に印加される静的圧力と動的圧力とを算出する構成を有する。このことにより、測定される応答電圧間の強度比が大きくなり、静的圧力、動的圧力算出時の精度が上昇する効果が得られる。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における圧力検出装置の模式図であり、（ａ）は本発明の実施の形態１における圧力検出装置の概観図（ｂ）は同圧力検出装置の（ａ）におけるＢ−Ｂ線位置の断面図である。まずこれを用いて、構成と作用の概略とを説明する。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、圧力検出装置８は、二つの圧力応答手段９と一つの圧力算出部１０とからなっている。二つの圧力応答手段９は隣接して設置されており、図１（ａ）、図１（ｂ）に示したように  二つの圧力応答手段９にまたがる静的圧力および動的圧力印加部Ｆに、圧力伝達部６を通して静的圧力が印加されている。この状態で、動的圧力が印加されると、各々の圧力応答手段９に電圧変化が生じ、この電圧変化を応答電圧として、独立に圧力算出手段１０が測定し、動的圧力と静的圧力とを算出する。
以下で、圧力応答部９がケーブル状に構成されている場合を例に説明するが、例えばシート状の形態もとることができ、特にその形態に限定されるものではない。
但し、ケーブル状の形態は以下の理由のために好ましい。
【００２７】
ケーブル状の場合、残留分極は通常、断面形状において中心から放射状に形成され、圧力の印加方向と分極方向とが異なる。このため、静的圧力印加による初期的な歪が拡大され、応答電圧の静的圧力依存性も大きくなり、静的圧力の検出の精度も上昇する。
【００２８】
また、上述のようにケーブルの断面形状において分極方向が中心から放射状に形成されているため、どの方向からの圧力印加に対しても同様に、等方的な検出が可能である。従って、圧力応答手段が配設時に回転したり捻れたりした場合でも、応答電圧に変化が生じ難い。この結果、配設の自由度が高くなり、安定した静的圧力、動的圧力の検出が可能となる。
【００２９】
さらに、ケーブル状であれば押し出し機により連続生産が可能であり、製造が容易で製造コストが低下する効果も得られる。また、長尺状のものが得易いため、長い距離、広い面積に配設して圧力検知を実施し易い効果も得られる。
【００３０】
図２は、本発明の第１の実施の形態における圧力検出装置８の断面図である。図２のうち（ａ）は、ケーブル状に構成された圧力応答手段９の長手方向の断面図と圧力算出手段との接続の関係を示した図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ-Ｂ線位置での断面図である。尚、図２では、簡単のために、二つある圧力応答手段９のうち一方の断面のみを記載してあるが、他の断面も同様の構造を有する。
【００３１】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力応答手段９は、内部電極１４の周りに、可撓性感圧体１１が設けられ、その外側に外部電極１２、さらにその外側に保護層１３が設けられて構成される。さらに、下部に上記全体を支えて固定するために支持固定部１５が設けてある。もちろん、十分な強度が確保される場合には、保護層１３は必ずしも必要ではない、また、図中のＰoは、外部からの動的圧力、Ｐsは静的圧力を示す。また、Ｐpは、可撓性感圧体１１中に形成された残留分極の向きを表している。
【００３２】
可撓性感圧体１１は、合成ゴムや合成樹脂の中に圧電セラミックス粉末が分散されて構成される。合成ゴムや合成樹脂としては、塩化ビニル等の熱可塑性樹脂、塩素化ポリエチレン等の熱可塑性エラストマー、ＥＰＤＭ等の加硫ゴム等が用いられる。また、セラミック圧電体としては、チタン酸鉛、ジルコン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニオブ酸アルカリ等のペロブスカイト構造を有する化合物、ビスマス層状構造を有する化合物、タングステンブロンズ構造を有する化合物等圧電性を発現するセラミック材料が用いられる。
【００３３】
保護層１３は、可撓性感圧体１１に用いられる合成ゴムや合成樹脂が用いられ、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも一種が用いられるが、磨耗や電荷の漏れが低減されていれば特に必要ではない。
【００３４】
外部電極１２としては、Ｃ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレス等の線材あるいは線材を圧延して平たいテープ状にしたもの等が用いられる。あるいは前記テープ状の高分子フィルムに前記金属線材あるいは線材をテープ状にしたものをラミネートしたものを用いれば、より可撓性の高い外部電極が得られる。
【００３５】
内部電極１４としては、外部電極１２で用いられる単数、複数の金属細線、複数のポリエステル等の繊維に前記金属線を巻いたもの等が用いられる。
【００３６】
また、可撓性感圧体１１、保護層１３、外部電極１２に関しては、以下の実施の形態でも同様のものが適用可能である。
【００３７】
次に、上記のケーブル状の圧力応答手段の製造方法に関して、一般的な例を説明する。
【００３８】
まず、圧電セラミック粉末と、合成ゴムや合成樹脂としての熱可塑性エラストマーとを、混練して複合体とする。次に、押し出し機を用いて、この複合体を内部電極と共に押し出すことにより、内部電極１４を中心にして、周囲に上記の複合体よりなる可撓性感圧体１が形成されたケーブルを得る。さらにケーブルの周囲を覆う分極用電極を用意し、この外部電極とケーブル中の内部電極１４との間に電圧を印加することにより、内部電極から放射状に電極が形成され、対応する向きにセラミック圧電体中の残留分極が形成される。さらに、分極用電極を取り外した後、上記ケーブルの周りにテープ状の金属線材、テープ状金属、あるいはテープ状金属とテープ状高分子とがラミネートされたテープを巻き付けることにより、外部電極１２を形成する。次に、この外部電極１２が形成されたケーブルを中心にして、押し出し機により、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、未加硫ゴム等を押し出し、ケーブルの保護層１３を形成することで圧力応答手段が得られる。一方、分極は、外部電極１２が形成された後に、外部電極１２と内部電極１４との間に電圧を印加することでも可能である。また、未加硫ゴムは押し出し後に加硫させることも可能である。
【００３９】
以上のように構成された圧力検出装置８について、以下その動作、作用を説明する。
まず図２を用いて説明する。静荷重Ｐsが、圧力伝達部６、保護層１３、外部電極１２を介して可撓性感圧体１１に加えられる。その結果、可撓性感圧体１１が静的圧力Ｐsの方向に初期的な歪を生じ、さらに外部からの動的圧力Ｐoが加えられると、圧電効果により可撓性感圧体１１に電圧が発生する。このとき発生する応答電圧は、後述するように静的圧力Ｐsが大きいと増加する。この応答電圧増加の機構は必ずしも明らかではないが、静荷重Ｐsによる初期的な歪と、それに伴う、残留分極Ｐpと誘電率の向きと大きさの変化によると考えられる。
【００４０】
次に圧力応答手段９に発生する応答電圧の動的圧力に対する依存性、及び静的圧力に対する依存性について説明する。
【００４１】
応答電圧の上記依存性の測定は、加振機を用いて行った。まず、一定面積の圧子を圧力応答手段９の表面に押し付けて、一定の大きさの静的圧力Ｐsを印加する。さらに、押し付けた位置を基準に一定の周波数で圧子を上下に振動させることで、動的圧力Ｐoを印加する。このとき、静的圧力Ｐsは、ロードセルにより振動前に圧子にかかる荷重を圧子面積で除することで求められる。また、動的圧力Ｐoは、振動時の最大荷重をロードセルで測定し、前記荷重を圧子面積で除することにより求められる。この結果を定性的に示したものが、図３、図４である。
【００４２】
まず、一定の静的圧力Ｐsの下での、応答電圧の動的圧力依存性を示した図３に関して説明を行う。具体的には、図１に示した本発明の第１の実施の形態における二つの圧力応答手段９に一定の静的圧力Ｐsを印加し、さらに動的圧力Ｐoを変化させることによって、可撓性感圧体１１に発生する電圧を、内部電極１４と外部電極１２を介して圧力算出手段１０により測定される応答電圧として定性的に示した図である。尚、図３には、一方の圧力応答手段９の応答電圧を代表例として示している。      
【００４３】
応答電圧は、動的圧力がＰホまでは、動的圧力に比例して大きくなるが、動的圧力がＰホ、応答電圧Ｖホとなる図３中の点ホよりも、動的圧力が高くなると飽和し始める。これは、動的圧力による歪が大きくなると、弾性領域から外れ、動的圧力に対する歪の変化が小さくなるためであると考えられる。
【００４４】
このように、一定の静的圧力の条件では、応答電圧は、動的圧力に比例して増加し、ある圧力以上では応答電圧が飽和する。従って、静的圧力がわかれば、その静的圧力の下での、応答電圧の動的圧力依存性（例えば図３）から、測定した応答電圧より動的圧力を算出することができる。
【００４５】
一方、図４は、一定の動的圧力の下での、応答電圧の静的圧力依存性を示したものである。具体的には、図１に示した本発明の第１の実施の形態における二つの圧力応答手段９に一定の動的圧力を印加し、さらに静的圧力Ｐsを変化させることにより、可撓性感圧体１１に発生する電圧を、内部電極１４と外部電極１２を介して圧力算出手段１０により測定される応答電圧として定性的に示した図である。尚、図４も図３同様に、一方の圧力応答手段９の応答電圧を代表例として示している。      
【００４６】
図４の静的圧力ＰsがＰイより小さい領域では、応答電圧は０ではない一定値Ｖイに近い値をとる。これは、可撓性感圧体１１の外側にある外部電極１２、保護層１３が静荷重Ｐsを分散させるために、静荷重Ｐsが小さい間は、静荷重Ｐsのうち可撓性感圧体１１に作用する割合が小さくなるためではないかと考えられる。
【００４７】
静的圧力Ｐsが、ＰイからＰロの領域では、印加される静荷重Ｐsにほぼ比例して、対応する応答電圧が増加し、応答電圧はＶイからＶロに増加する。さらに静的圧力Ｐsが、Ｐロよりも増加すると応答電圧の増加傾向は飽和傾向を示すようになる。これは、静荷重Ｐsと可撓性感圧体１１に生じる初期的な歪との線型性が失われてくるためだと考えられる。
このように、一定の動的圧力Ｐoの下では、静的圧力に対し単調に応答電圧が増加する。従って、動的圧力Ｐoがわかれば、応答電圧から静的圧力Ｐsを算出することが可能である。
【００４８】
上記のように、静的圧力と動的圧力は、互いに一方が分かれば他方を決めることができる関係にあるものの、一つの応答電圧だけでは、これらを決定することができない。本実施の形態では、これを、二つの圧力応答手段を用いて、静的圧力依存性の異なる二つの応答電圧を測定することにより解決するものである。以下、これに関して説明を行う。
【００４９】
図５は、図１で圧力算出手段１０に接続された二つの圧力応答手段９に、動的圧力Ｐoを印加することで発生する応答電圧Ｖの静的圧力Ｐｓ依存性を示したものである。ここで二つの圧力応答手段９を各々、圧力応答手段１、圧力応答手段２とし、圧力応答手段１、２に対応する応答電圧を順にＶ１、Ｖ２とすると、図５に示したように、圧力応答手段１と圧力応答手段２では、応答電圧の静的圧力Ｐｓ依存性が異なり、圧力応答手段１の方が、小さな静的圧力Ｐイで応答電圧が立ち上がり、応答電圧が立ち上がってからも圧力応答手段２に比較して、大きな傾きを持って増加することがわかる。
【００５０】
また、静的圧力がＰイからＰロに増加することで、前記の応答電圧の比（Ｖ1/Ｖ２）は単調に増加する。従って、一つの静的圧力に対して一つの（Ｖ１／Ｖ２）が対応する。このため、（Ｖ１／Ｖ２）を決めることにより、静的圧力を決めることができる。尚、図３より明らかなように、応答電圧が動的圧力に対して飽和していない限り、各応答電圧と動的圧力とは比例するため、（Ｖ１／Ｖ２）は、動的圧力の大きさに依らず一定の値を持つ。このため、動的圧力の絶対値がわからなくても静的圧力を一義的に決定することができる。
【００５１】
上記の手順で、（Ｖ１／Ｖ２）より静的圧力を求めることができれば、さらに、一定の静的圧力の下での応答電圧の動的圧力依存性（図３）より、応答電圧から動的圧力を決めることができる。
【００５２】
最後に、上記のように図５で説明した本圧力検出装置による、外部からの静的圧力Ｐｓ、動的圧力Ｐ0の算出の手順を、図６を用いて説明する。
【００５３】
まず、二つの圧力応答手段１および２に対応する応答電圧Ｖ１（例えばＶ１ａ）、Ｖ２（例えばＶ２ａ）を、圧力算出手段により測定する（ＳＴ１）。次に、前記の応答電圧の比Ｖ１/Ｖ２（例えばＶ１ａ/Ｖ２ａ）を、圧力算出手段により算出する（ＳＴ２）。引き続き、前記の応答電圧の比Ｖ１/Ｖ２（例えばＶ１ａ/Ｖ２ａ）に対応する静的圧力Ｐｓ（例えばＰｓａ）を、圧力算出手段を用いてメモリから読み出す（ＳＴ３）。そして、前記静的圧力Ｐｓ（例えばＰｓａ）を出力する（ＳＴ４）。さらに、静的圧力Ｐｓ（例えばＰｓａ）の際のＶ１（例えばＶ１ａ）あるいはＶ２（例えばＶ２ａ）に対応する動的圧力Ｐ0（例えばＰ0ａ）を、圧力算出手段を用いてメモリから読み出す（ＳＴ５）。最後に、前記動的圧力Ｐ0（例えばＰ０ａ）を出力する。
【００５４】
但し、Ｖ１/Ｖ２とＰｓとの関係、静的圧力Ｐｓ＝Ｐｓａの時のＶ１、Ｖ２とＰ０との関係は、あらかじめ実験的に求めて、上記のメモリに記録しておくことができる。
【００５５】
また、上記のＳＴ５において、応答電圧Ｖ１あるいはＶ２から対応する動的圧力Ｐ０を導く場合、両者から導かれる動的圧力の平均値を用いることも可能である。平均値を用いることで導出される動的圧力の精度を向上させることが可能となる。
【００５６】
また、上記の静的圧力Ｐｓ、動的圧力Ｐ０の出力に際しては、必要に応じてスピーカ、モニタ等適した出力装置を選ぶことが可能である。
【００５７】
このように、本実施の形態では、二つの圧力応答手段を用いて、静的圧力依存性の異なる二つの応答電圧を測定することにより、動的圧力に加えて静的圧力を検出することが可能となる。
【００５８】
このような動的圧力と静的圧力との同時検出により、介護ベッドや、椅子、乗り物の座席等の在床や着席の有無に加え、そこに居る人の体重あるいは置かれているものの重量を検出が可能となる。さらに、在床あるいは着席している人の動きや、心拍の状態に基づいた人数検出、心理、健康状態、睡眠の有無の判断等の幅広い用途に好適に用いることができるものである。
【００５９】
尚、図１では、可撓性感圧体１１、内部電極１４、外部電極１２、保護層１３としてケーブル状の構成を示したが、このケーブル状の構成は、図１（ｂ）に示すように、長手方向に垂直な断面は略楕円となり、静的圧力Ｐsが加えられる際の面積が小さくなるため、単位面積当たりに換算した静的圧力Ｐsの大きさを大きくすることが容易となる。このため、可撓性感圧体１１に生じる初期的な歪がさらに拡大され、外部から動的圧力Ｐoが加わった際の応答電圧が高くなり、結果として精度良く圧力を検出できる効果が得られる。
【００６０】
また、ケーブル状の構成以外でも、静的圧力Ｐsが加えられる面積が小さくとれる形状であれば同様の効果が得られる。
【００６１】
また、ケーブル状の構成は、押し出し機等により容易に大量生産が可能なため好ましい。
【００６２】
さらに、可撓性感圧体１１、内部電極１４、外部電極１２、保護層１３としてケーブル状の構成をとる場合、初期的な分極は通常、内部電極１４と外部電極１２との間に高電圧を印加して行われるため、その方向は内部電極１４から放射状となる。放射状の残留分極
に対して、静的圧力Ｐsは通常、鉛直方向に加えられ、これらの方向は一致していないため、残留分極の向きの変化も大きくなる。この結果、外部から動的圧力Ｐoが加わった際に可撓性感圧体に発生する電圧が高くなり、高い精度で圧力を検出することができるため好ましい。
【００６３】
また、ケーブル状の構成を用いなくとも、初期的に形成される残留分極の方向が、静荷重Ｐsの方向と異なる場合は、同様の効果が得られる。
【００６４】
また、本実施の形態では、二つの圧力応答手段９に対応する応答電圧は、異なる静荷重依存性を示す必要があるが、これは、分極の強さ、外皮の弾性率、形状等によって調整可能である。例えば、分極を大きくすることで、図４に対応する傾きを大きくし、保護層１３の弾性率を大きくすることで、傾きを小さくし、応答電圧が立ち上がる静的圧力を大きくすることが可能となる。
【００６５】
また、本実施の形態では、圧力応答手段９の数は二つであったが、この数を増やすことにより、圧力検出精度の向上や、検出圧力範囲が拡大される効果が得られる。
【００６６】
また、本実施の形態で使用される材料は以下の実施の形態でも好適に用いられる。
【００６７】
（実施の形態２）
図７は、本実施の形態における圧力検出装置１０の二つの圧力応答手段９に関して、一定の動的圧力Ｐoの下での、応答電圧の静的圧力Ｐｓ依存性を示したものである。二つの圧力応答手段９は、図１のように、隣接して配置され、圧力算出手段１０に接続されている。また、図７の応答電圧は、このような配置において、実施の形態１と同様に、加振機を用いて、静的圧力Ｐｓ、動的圧力Ｐ０を印加した際に、圧力算出手段１０により測定された値を定性的に示したものである。
【００６８】
図７に示すように、圧力応答手段１と圧力応答手段２では、実施の形態１同様、応答電圧Ｖの静的圧力Ｐｓ依存性が異なるが、実施の形態１の図５と異なるのは、圧力応答手段１の応答電圧が、低い静的圧力Ｐロで飽和し、圧力応答手段２に対応する応答電圧が立ち上がってから飽和するまでの広い領域で、圧力応答手段１に対応する応答電圧が、飽和状態にある点である。このため、図７に示した圧力応答手段１と圧力応答手段２との応答電圧比（Ｖ１／Ｖ２）は、静的圧力Ｐｓが、ＰヘからＰトに増加する間で、図５に比較して大きく変化する。このことは、応答電圧比（Ｖ1/Ｖ２）から静的圧力Ｐsを算出する精度が高くなることを意味する。
【００６９】
以上のように、圧力検出装置８が二つの静的圧力Ｐｓ依存性の異なる圧力応答手段９を有する場合に、一方の応答電圧Ｖが飽和しており、かつ他方の応答電圧Ｖが立ち上がった後に飽和し始めるまでの、静的圧力Ｐsの範囲内で、圧力算出手段１０による圧力算出を行うことにより、高い精度で静的圧力Ｐｓ、動的圧力Ｐ０を検出することが可能となる。
【００７０】
（実施の形態３）
図８は、本実施の形態における圧力検出装置８の二つの圧力応答手段９に関して、一定の動的圧力Ｐoに対する応答電圧Ｖの静的圧力Ｐｓ依存性を示したものである。二つの圧力応答手段９は、図１のように、隣接して配置され、圧力算出手段１０に接続されている。図８の応答電圧は、このような配置において、実施の形態１と同様に、加振機を用いて、静的圧力、動的圧力を印加した際に、圧力算出手段により測定された値を定性的に表したものである。
【００７１】
図８に示すように、圧力応答手段１と圧力応答手段２では、応答電圧Ｖの静的圧力Ｐｓ
依存性が異なるが、実施の形態１の図５と大きく異なるのは、圧力応答手段２に対応する応答電圧Ｖ２の立ち上がりが遅く、圧力応答手段１に対応する応答電圧Ｖ１の飽和が始まる静的圧力Ｐロよりもやや小さい静的圧力Ｐヘでようやく立ち上がり始めるところである。
【００７２】
この場合、（Ｖ１／Ｖ２）は、静的圧力Ｐsが大きくなるに従い大きくなるが、特に静的圧力Ｐｓが、Ｐイ以上、Ｐヘ以下では単調に増加し、実施の形態１に比較して、その変化が大きい。
【００７３】
このように、図６に示した圧力応答手段１と圧力応答手段２との応答電圧比（Ｖ１／Ｖ２）は、静的圧力Ｐｓが、ＰヘからＰトに増加する間で、図５に比較して大きく変化する。このことは、応答電圧比（Ｖ1/Ｖ２）から静的圧力を算出する精度が上がることを意味する。
【００７４】
（実施の形態４）
図９は、本実施の形態における圧力検出装置８の外観図である。まず、これを用いて、構成と作用の概略とを説明する。
【００７５】
図９に示すように、圧力検出装置８は、実施の形態１から３とは異なり、一つの圧力応答手段９と一つの圧力算出部１０とから構成される。圧力応答手段９と圧力算出手段１０の作用は基本的に、実施の形態１〜３と同じであるが、本実施の形態では、一つの圧力応答手段９中に、二種類の応答電圧Ｖが発生する点が異なる。以下で、図９により、さらに詳しくその構造と作用を説明する。
【００７６】
図１０は、本実施の形態における圧力検出装置８の断面図である。図１０のうち（ａ）は、ケーブル状に構成された圧力応答手段９の長手方向の断面図と圧力算出手段１０との接続の関係を示した図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ-Ｃ線位置での断面図である。
【００７７】
図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、実施の形態１の図２と同じく、圧力応答手段９は、内部電極１４の周りに、可撓性感圧体１１が設けられ、その外側に、外部電極１２が設けられて構成される1つケーブル状圧力応答手段９とからなっている。図１と異なるのは、内部電極１４が二つあることである。その各々と外部電極１２との間に発生する応答電圧Ｖを独立に、圧力算出手段１０により測定し、その測定値をもとに静的圧力Ｐｓ、動的圧力Ｐ０が算出される。
【００７８】
ここで、本実施の形態の応答電圧の静的圧力Ｐｓ依存性は、実施の形態１と同様に、図８で表される。また、図８の応答電圧Ｖ１は、図１０（ｂ）の左側の内部電極１４と外部電極１２との間に発生する電圧であり、応答電圧Ｖ２は、図１０（ｂ）の右側の内部電極１４と外部電極１２との間に発生する電圧である。
【００７９】
ところで、本実施の形態では、前記二つの応答電圧Ｖ１、Ｖ２の静的圧力Ｐｓ依存性に差異を生じさせるために、二つの構成上の特徴を有している。その一つは、可撓性感圧体１１中に形成されている残留分極Ｐｐの大きさが、左側の内部電極１４付近で大きいのに対し、右側の内部電極１４付近では小さくなっている点である。もう一つの特徴は、保護層１３の上に形成され、静的圧力Ｐs、動的圧力Ｐoを可撓性感圧体１１に伝える圧力伝達部１６に関して、その厚みが、左側で厚く、右側で薄くなっている点である。また、保護層１３は、一体構造ではなく、図１０（ｂ）に示したように、右側と左側で二つに分かれた構造となっている。
【００８０】
一つ目の特徴のために、左側の内部電極１４に対応する応答電圧Ｖ１が大きくなり、図
８における傾きも大きくなる。同時に、右側の内部電極１４に対応する応答電圧Ｖ２が小さくなり、図８における傾きも小さくなる。また、二つ目の特徴により、右側の内部電極１４への加わる静的圧力Ｐｓが小さくなる。この結果、右側の内部電極１４では、対応する応答電圧Ｖ２が、より大きな静的圧力Ｐｓで立ち上がる。このようにして、図８に示したような、応答電圧Ｖ１、Ｖ２の静的圧力Ｐｓ依存性が実現される。
【００８１】
このように、本実施の形態では、一つの圧力応答手段９を用いて、複数の圧力応答手段９を用いた実施の形態１〜３と同様に、動的圧力Ｐ０の検出に加え、静的圧力Ｐｓの検出が可能となる。圧力応答手段９の数が複数から一つになることで、製造および配設が容易になる効果が得られる。
【００８２】
また、圧力伝達部１６は、保護層１３に接着して形成することも可能であり、あるいは保護層と一体化して同じ材料で形成することもできる。
【００８３】
（実施の形態５）
本実施の形態における圧力検出装置８の外観図は実施の形態４と同様図９で示される。
【００８４】
図９に示すように、圧力検出装置８は、実施の形態４と同様に、一つの圧力応答手段９と一つの圧力算出部１０とから構成される。
【００８５】
図１２は、本実施の形態における圧力検出装置の断面図である。図１２のうち（ａ）は、ケーブル状に構成された圧力応答手段９の長手方向の断面図と圧力算出手段１０との接続の関係を示した図であり、同図１２（ｂ）は同図（ａ）のＤ-Ｄ線位置での断面図である。
【００８６】
本実施の形態は、圧力応答手段９が一つしかない点で実施の形態４と同じであるが、実施の形態４と異なるのは、一つの圧力応答手段９の中に可撓性感圧体１１が二つに分かれて存在することである。そして、その各々に対して、内部電極１４と外部電極１２が各々独立に存在し、前記電極間に発生する二つの応答電圧を独立に、圧力算出手段により測定し、その測定値をもとに静的圧力、動的圧力とが検出される。
【００８７】
ここで、本実施の形態の応答電圧Ｖの静的圧力Ｐｓ依存性は、実施の形態４と同様に、定性的に図８で表される。また、図８の応答電圧Ｖ１は、図１１（ｂ）の左側の内部電極１４と外部電極１２との間に発生する電圧であり、応答電圧Ｖ２は、図９（ｂ）の右側の内部電極１４と外部電極１２との間に発生する電圧である。
【００８８】
ところで、本実施の形態では、前記二つの応答電圧の静的圧力Ｐｓ依存性に差異を生じさせるために、実施の形態４と同じ、二つの構成上の特徴を有している。その一つは、左右の可撓性感圧体１１中に形成されている残留分極の大きさの違いであり、もう一つの特徴は、圧力伝達部６の左右での厚みの違いである。実施の形態４と同様に、一つ目の特徴により応答電圧Ｖ１＞Ｖ２となる。また、二つ目の特徴により、応答電圧が立ち上がる静的圧力について、Ｐイ＜Ｐへの関係が成り立つ。このようにして、定性的に図８に示したように、応答電圧Ｖ１、Ｖ２が異なった静的圧力Ｐｓ依存性を持つようになる。このため、実施の形態１と同じ手順により、静的圧力Ｐｓと動的圧力Ｐ０との検出が可能となる。
【００８９】
このように、本実施の形態では、一つの圧力応答手段９を用いて、複数の圧力応答手段９を用いた実施の形態１〜３と同様に、動的圧力Ｐ０と静的圧力Ｐｓとの検出も可能となる。また、実施の形態４と同様に圧力応答手段９が一つで良いため、製造および配設が容易になる効果も得られる。
【００９０】
ところで、特に、二つの内部電極１４と可撓性感圧体１１に対して、外部電極１２を別々に形成し、別々に分極操作を施した後に、最後に共通の保護層１３を形成することが出来る。これに対し、実施の形態４では、二つの内部電極１４に対して外部電極１２は一つであるため、二つの内部電極１４の周りの分極操作を完全に独立に行うことはできない。従って、本実施の形態では実施の形態４に比較して、より高い独立性を持って残留分極Ｐｐを導入することが可能となる。このことは、Ｖ１とＶ２をお互いに影響を与えることなく独立決めることが可能であり、Ｖ1とＶ２の差異を大きくし、Ｖ1／Ｖ２を大きくすることが出来ることを意味する。この結果、より精度の高い静的圧力Ｐｓと動的圧力Ｐ０の検出が可能となる効果が得られる。
【００９１】
また、圧力伝達部１６は、保護層１３に接着して形成することも可能であり、あるいは保護層と一体化して同じ材料で形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる圧力検出装置は、動的圧力に加え、静的圧力の検出を簡単な構成にて可能にするものである。このため、人やものが置かれることで印加される静的圧力と、人やものが動くことによる動的圧力との両方を検出し判断する用途、例えば、介護ベッドや、椅子、乗り物の座席等の在床や着席の有無と、在床あるいは着席している人の動きと、それらをもとにした人数と場所及び状態を判定する用途等幅広い用途に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における圧力検出装置の概観図（ｂ）同圧力検出装置の（ａ）におけるＢ−Ｂ線位置の断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における圧力検出装置の圧力応答手段の長手方向の断面図と圧力算出手段との接続の関係を示した図（ｂ）同圧力検出装置Ｂ−Ｂ線位置の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における応答電圧の動的圧力依存性を定性的に表したグラフ
【図４】本発明の実施の形態１における応答電圧の静的圧力依存性を定性的に表したグラフ
【図５】本発明の実施の形態１における二つの応答電圧の静的圧力依存性の関係を定性的に表したグラフ
【図６】本発明の実施の形態１における静的圧力、動的圧力の算出の手順を示したフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２における二つの応答電圧の静的圧力依存性を定性的に表したグラフ
【図８】本発明の実施の形態３と４における二つの応答電圧の静的圧力依存性を定性的に表したグラフ
【図９】本発明の実施の形態４の圧力検出装置の構成を表した模式図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態４における圧力検出装置の長手方向の断面図（ｂ）同圧力検出装置Ｃ−Ｃ線位置の断面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態５における圧力検出装置の長手方向の断面図（ｂ）同圧力検出装置Ｄ−Ｄ線位置の断面図
【図１２】従来のシート状の圧力検出素子の断面図
【図１３】（ａ）従来のケーブル状の圧力検出素子の断面図（ｂ）同圧力検出素子のＡ−Ａ断面図
【符号の説明】
【００９４】
６  支持固定部
７  圧力伝達部
８  圧力検出装置
９  圧力応答手段
１０  圧力算出手段
１１  可撓性感圧体
１２  外部電極
１３  保護層
１４  内部電極
【図１】
2007171073.tif 000003
【図２】
2007171073.tif 000004
【図３】
2007171073.tif 000005
【図４】
2007171073.tif 000006
【図５】
2007171073.tif 000007
【図６】
2007171073.tif 000008
【図７】
2007171073.tif 000009
【図８】
2007171073.tif 000010
【図９】
2007171073.tif 000011
【図１０】
2007171073.tif 000012
【図１１】
2007171073.tif 000013
【図１２】
2007171073.tif 000014
【図１３】
2007171073.tif 000015