(57)【要約】力又は圧力トランスデューサアレイ３０は、平行な行及び列に配置された弾性的に伸縮可能なポリマー導電糸３１，３２を有し、これら導電糸は、その交点では、その上に作用する圧力又は力に反比例的に変動する電気抵抗率を有するピエゾ抵抗材３７に接触して、力又は圧力センサ素子のマトリクスアレイを形成する。導電糸は、可撓性のある弾性的に伸縮可能な基材シート３３，３５のうちの１つ又はこれらの対に固定され、基材シート３３，３５は、ＰＶＣ等の絶縁ポリマー製の薄いシート、又は、さらに大きい弾性を有し且つ人の身体部分等の不規則な形状の物に形状適合するようにライクラ若しくはスパンデックス等の弾性的に伸縮可能な織物の薄いシートから作製される。センサアレイの弾性的伸縮能力は、行方向導電糸２０１−１及び列方向導電糸２０１−２のいずれか又は双方を直線ではなく波状に湾曲した蛇行経路に配置することによって、任意に向上される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作用する力を測定するための力センサトランスデューサであって、
ａ．細長く弾性的に伸縮可能な行方向導電糸と、
ｂ．細長く弾性的に伸縮可能な列方向導電糸と、
ｃ．前記行方向糸と前記列方向糸との間で前記行方向糸及び前記列方向糸と導電可能に接触して位置するピエゾ抵抗材と
を備える力センサトランスデューサ。
【請求項２】
前記ピエゾ抵抗材は、前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくとも一方の上の弾性的に変形可能な被覆に含まれるとしてさらに定義される請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項３】
前記ピエゾ抵抗材は、前記行方向導電糸が接触し且つ前記列方向導電糸が接触する、ピエゾ抵抗物質を含んだ弾性的に変形可能なピエゾ抵抗基材シートに含まれるとしてさらに定義される請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項４】
前記ピエゾ抵抗基材シートは前記ピエゾ抵抗物質を含浸させている請求項３に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項５】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかにおける弾性的な伸縮能力は、少なくとも約１パーセント程度である請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項６】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかはポリマーコアを有する請求項５に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項７】
前記ポリマーコアは糸の形態である請求項６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項８】
前記ポリマーコアはヤーンの形態である請求項６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項９】
前記ポリマーコアは、前記ポリマーコアの上に導電性被覆を形成している請求項６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１０】
前記導電性被覆は、前記導電性被覆の上にピエゾ抵抗被覆を形成している請求項９に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１１】
前記ポリマーコアは、前記ポリマーコアの上にピエゾ抵抗被覆を形成している請求項６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１２】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかの弾性的な伸縮能力は、少なくとも約１０パーセント程度である請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１３】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかの弾性的な伸縮能力は、少なくとも約３０パーセント程度である請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１４】
１つの前記行方向導電糸は、複数ｍ本の平行な行方向導電糸のうちの１つによって構成される請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１５】
前記列方向導電糸は、前記複数の行方向導電糸に対し角度を付けられる請求項１４に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１６】
１つの前記列方向導電糸は、複数ｎ本の列方向導電糸のうちの１つによって構成される請求項１５に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１７】
前記複数の行方向導電糸は第１の表面に位置する請求項１６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１８】
前記複数の列方向導電糸は第２の表面に位置する請求項１７に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項１９】
前記第１の表面及び前記第２の表面は互いに平行である請求項１８に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２０】
前記行方向糸及び前記列方向糸は、弾性的に変形可能な基材シートの対における内側で対面する側に取り付けられる請求項２に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２１】
前記基材シートの少なくとも１つは織布から作製される請求項２０に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２２】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくとも一方は、絶縁性縫製糸によって基材シートに取り付けられる請求項２１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２３】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸は、弾性的に変形可能な絶縁基材シートの片側に取り付けられる請求項２に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２４】
前記基材シートの少なくとも１つは織布から作製される請求項２３に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２５】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくとも一方は、絶縁性縫製糸によって基材シートに取り付けられる請求項２４に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２６】
前記行方向糸及び前記列方向糸は、前記ピエゾ抵抗基材シートの対向する両側の平坦な表面に取り付けられる請求項３に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２７】
前記行方向糸及び前記列方向糸の少なくとも一方は、弾性的に変形可能な基材シートに取り付けられる請求項２６に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２８】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかは、前記導電糸の第１の端部及び第２の端部を結ぶ線に対して波状に配列された経路に配置される請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項２９】
前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸の少なくともいずれかは、モノフィラメント糸、編糸、及び編ヤーンからなる群から選択されたポリマーから作製される請求項１に記載の力センサトランスデューサ。
【請求項３０】
空間的に分離された部分に作用する力を測定するための力センサトランスデューサアレイであって、
ａ．互いに空間的に分離され、細長く弾性的に伸縮可能である複数ｍ本の行方向導電糸と、
ｂ．互いに空間的に分離され、細長く弾性的に伸縮可能である複数ｎ本の列方向導電糸と、
ｃ．前記行方向導電糸と前記列方向導電糸との間で前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸と導電可能に接触して位置し、それにより前記導電糸のｐ＝ｍ×ｎ個の交差部で複数ｐ個のセンサ素子を形成するピエゾ抵抗材と
を備える力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３１】
前記ピエゾ抵抗材は、回路素子を含むとしてさらに定義され、前記回路素子は、前記ｐ個のセンサのうちの少なくとも１つと直列で非両方向性電気的インピーダンス特性を有し、それにより、前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸における選択される対のマトリクスアドレス指定によって、前記センサ素子の電気的インピーダンスの測定同士の間でのクロストークを低減する請求項３０に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３２】
前記非両方向性電気的インピーダンス特性はダイオードのような特性であるとしてさらに定義される請求項３１に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３３】
前記ピエゾ抵抗材は、エラストマー固溶体内に懸濁する導電性粒子を含むとしてさらに定義される請求項３２に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３４】
前記ダイオードのような特性は、前記ピエゾ抵抗材の表面を少なくとも１つの金属酸化物で被覆することによって形成される請求項３３に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３５】
前記金属酸化物は、少なくとも１つの酸化銅を含むとしてさらに定義される請求項３４に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３６】
前記ピエゾ抵抗材は、前記行方向導電糸及び前記列方向導電糸のうちの少なくとも一方の上の弾性的に変形可能な被覆に含まれるとしてさらに定義される請求項３３に記載の力センサトランスデューサアレイ。
【請求項３７】
前記ピエゾ抵抗材は、前記行方向導電糸が接触し且つ前記列方向導電糸が接触する、ピエゾ抵抗基材を含む弾性的に変形可能なピエゾ抵抗基材シートに含まれるとしてさらに定義される請求項３３に記載の力センサトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に作用する力又は圧力を測定するのに用いられるトランスデューサ又はセンサに関する。より詳細には、本発明は、弾性的に伸縮可能なピエゾ抵抗糸センサ素子を用い且つ人が着用可能な衣類に組み込めるほど不規則な形状の物に十分形状適合可能である織物状力センサアレイ、及びそのようなアレイの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人の体が椅子又はベッドのような物によって支持されるときはいつでも、個人の重量に応じて生成される垂直力及びせん断力が、支持面から、皮膚、脂肪組織、筋肉等を通じて骨格に伝達される。支持面によって身体の各部に作用する力は、体重の力と等しく且つ逆向きであるが、場合によっては組織に損傷を引き起こす可能性がある。身体の各部への力は、内部の血管を圧迫し、組織からの栄養素を閉塞させる可能性があり、これらの力の大きさ及び継続期間の積によって組織の損傷又は病的状態が発生するか否かが決まる。通常、高圧のみでは組織に有害な影響を与えるのには十分でない。例えば深海に潜るダイバーは、大きいが均等に分布した垂直力を受け、組織の損傷を被らない。しかしながら、例えば高圧エリアに隣接して低圧エリアがあることに起因して、身体部分に十分大きな外圧の勾配が存在する場合には、内部の体液はより低圧のエリアに移動する可能性がある。身体部分に対して外部から作用する接線力又はせん断力は、内部の毛細血管及び血管をその長手方向軸に沿ってねじ曲げることによって、それらを潰してしまう可能性もある。それ故、組織に対して作用する、表面力の勾配（圧力勾配）及び外部から加わるせん断力の双方を知ることは、非常に重要である。なぜなら、組織の緊張及びそれに続く組織死をもたらすものが、上記の要因を組み合わせたものであるからである。このため、互いに独立しているかもしれない比較的小さな外部からのせん断力及び垂直力であっても、組み合わさると、内部組織に対し損傷を起こす程大きなせん断応力を生む可能性がある。褥瘡のような組織の損傷を発症する危険性が最も高い人体のエリアは、かかと、坐骨結節、大転子、後頭部及び仙骨である。
【０００３】
人体の組織に対して作用する垂直力及びせん断力を測定するのに使用することができる様々な圧力／力センサ、せん断センサ及びセンサアレイは、利用可能である。例えば、１９９６年１１月５日付の本発明者の特許文献１「Multi-Directional Piezoresistive Shear And Normal Force Sensors For Hospital Mattresses And Seat Cushions」は、横になった又は座った患者の身体に対してマットレス又は椅子のパッドによって加えられる反力を測定するための、薄型で平面状のセンサを開示している。特許文献１の明細書に開示される発明の１つの実施形態は、絶縁されたセンサ素子パッドの二次元アレイで構成されるセンサを備え、センサ素子パッドはそれぞれ、導電性の粒子で満たされた非導電性のエラストマーポリマーのマトリクスから形成された薄型の平坦な層からなる。各センサパッドの上側及び下側と電気的に接触した上下の導電素子からなるマトリクスによって、各パッドの電気抵抗を別々に測定することが可能になる。例えば人の身体によってセンサマトリクスに作用する垂直力に対応した各パッドに作用する圧力は、センサパッドの厚みを減少させ、それ故ピエゾ抵抗のバルク効果又は体積効果によってそのセンサパッドの電気抵抗を低くする。
【０００４】
また、本発明者は、２００１年４月１７日付の特許文献２「Piezoresistive Foot Pressure Measurement」において、人間の足又は馬の蹄に作用する圧力を測定するための新規の方法及び装置も開示した。特許文献２において開示された新規の装置は、薄く可撓性のあるポリマーのパッケージ内に封入されたピエゾ抵抗力センサ素子からなる矩形状のアレイを備えている。各センサ素子は、シリコーンゴムのようなエラストマーのマトリクス内で懸濁する導電性粒子が含浸されたポリマーの織物状メッシュを備えている。ピエゾ抵抗のメッシュ層は、好ましくはプリント金属経路を含浸させたナイロンメッシュから作製される行と列の導体ストリップを積層させたものからなるアレイの間に、挟まれている。行方向導体と列方向導体との間に挟まれるピエゾ抵抗物質の各領域は、センサの矩形状アレイ内に、個々にアドレス指定可能な垂直力又は圧力のセンサを備えている。このセンサの抵抗は、このセンサに作用する圧力の関数として予め設定された形で反比例的に変動し、それ故、アレイに接触している物体によって加えられる力又は圧力の分布のマッピングを可能にする。
【０００５】
２００３年４月８日付の特許文献３「Pressure Measurement Sensor With Piezoresistive Thread Lattice」では、本発明者は、表面に対して加えられる力又は圧力を測定するためのトランスデューサセンサアレイを開示した。このアレイは、個々の力又は圧力センサトランスデューサ素子からなる織物状の二次元格子を有し、この素子は、細長く可撓性のある糸の対が交差する領域を含み、糸はそれぞれ、ピエゾ抵抗物質に対して加えられる圧力と反比例的に変動する電気抵抗性を有するピエゾ抵抗物質層によって覆われる中心の導電性ワイヤーコアからなる。
【０００６】
２００７年４月１０日付の特許文献４「Normal Force Gradient/Shear Force Sensors And Method Of Measuring Internal Biological Tissue Stress」では、本発明者は、椅子又はベッドによって支持される人の組織における内部応力を測定するための垂直力勾配／せん断力センサ装置及び測定方法を開示した。この装置は、中央のせん断力センサから半径方向に離れて配置されて周囲にある垂直力センサからなる平面状マトリクスアレイを備えている。せん断力センサはそれぞれ、周方向に間隔をあけて配置された電極によって縁どられた円形の開口内に位置する導電性のディスクを備えている。ディスク及び電極は、ポリウレタンのような伸縮性物質から作製される上下の被覆シートの間に位置する。一方の被覆シートはディスクに接着され、他方の被覆シートは電極の支持シートに接着される。アレイに対して加えられるせん断力に応じた被覆シート同士の間での動きによって、電極に対するディスクの圧迫が増減し、それによってディスクと電極との間の導電性が、せん断力の大きさ及び方向に比例して変動する。各垂直力センサは、行方向導体と列方向導体との間で圧迫される導電膜を有している。センサの対におけるコンダクタンスの測定値は、センサに対して加えられる垂直力に比例して変動するが、身体部分によってセンサアレイに対して加えられる垂直力の勾配ベクトルを計算するのに使用される。この勾配ベクトルは、アルゴリズムにおいてせん断力ベクトルと合成されて、例えば骨ばった隆起に近い肉での内部せん断反力を算出する。
【０００７】
２００８年３月１５日付で出願された同時係属中の米国特許出願第１２／０７５，９３７号明細書において、本発明者は「an Adaptive Cushion Method And Apparatus For Minimizing Force Concentrations On A Human Body」を開示した。この装置は、マットレス又は椅子の上に置くための適応緩衝体を有しており、この緩衝体は、空気圧縮機及びバルブを用いて変化する圧力に個々に合わせることができる複数の空気袋のセルからなるマトリクスを有している。また、上記出願において開示された装置は、新規な構成をもつ力センサトランスデューサからなり且つ可撓性があって伸縮可能である平面状アレイも有している。このアレイは、好ましくは緩衝体の上側表面の上に位置決めされる。このアレイは、緩衝体の各空気袋のセルと垂直な向きに並ぶ少なくとも１つのセンサを有している。
【０００８】
上述で引用した特許出願において開示されたセンサアレイは、伸縮可能な織物状の行方向導体及び列方向導体を有し、これらの導体は、その内側で対面する導電性表面同士の間に、ピエゾ抵抗材料で被覆された伸縮可能な織物シートを挟んでいる。このように構成された平面状センサアレイは、空気袋のセルの上に重なっているセンサアレイの上側表面の上で支持される人体の重量によってセンサアレイに作用する力に応じて、弾性的に変形することが可能である。好ましい状態では、センサアレイは、空気袋のセルの上側表面の上に置かれ、そして、形状が合致し耐水性を有する外形シートによってその位置に維持される。行方向導体及び列方向導体の双方のための織物状マトリクスだけでなく中央のピエゾ抵抗層は全てが、その素材の面内で任意の方向に弾性的に変形可能な素材から作製される。好ましい実施形態では、織物状マトリクス、又は行方向導体シート及び列方向導体シートは、銅の基礎被覆及びニッケルのカバーコートを用いてめっきが施される。中央のピエゾ抵抗シートは、ピエゾ抵抗被覆を用いて被覆された合成繊維マトリクスからなる。また、センサアレイは、二方向の伸縮特性をもつ即ち直交方向に弾性的に伸縮可能であるライクラ（Lycra）のような繊維で作製される上側カバーシートも有する。
【０００９】
センサアレイ内の個々のセンサの抵抗の測定同士の間（この測定によってセンサに作用する力が求められる）でのクロストーク（cross-talk）を回避するために、センサは、非両方向性で非対称である電流対電圧のインピーダンス特性をセンサに与える新規の方法で構成された。センサは、上記特許出願の開示で詳細に説明された新規の方法によって、中央のピエゾ抵抗シートの上側表面又は下側表面のいずれかの上に半導体型Ｐ−Ｎ接合を形成するようにこの上側表面又は下側表面を変えることにより、ダイオードのような特性を有するように改造された。
【００１０】
上述した可撓性のある力センサアレイは、その目的とする機能を実行するのには非常に効果的であることを証明している。しかしながら、従来のセンサアレイによって提供されていない幾分異なる特性を有する力センサアレイを利用可能にすることが望ましいような状況が存在する。
【００１１】
例えば、典型的な既存の可撓性のあるセンサアレイを用いて、非常に形状がフィットし共形の車椅子の座席クッション又は非常に形状がフィットし極低圧のベッドのマットレス若しくはクッションによって人体に作用する圧力を測定する場合、そのようなセンサアレイは、多くの場合にクッション又はベッドの支持表面の機能と干渉し、ベッド又は椅子が人をどのように支持しているかをマッピングするのに用いられる力の測定値として誤った測定値を与える。そのような誤りによって「ハンモック」効果が結果として生じる。なお、この効果は、固定された支持位置同士の間に展開された可撓性があるがドレープ性（drapable）がないセンサアレイが、患者の形状に正確に適合することができないことである。この効果は、例えば、センサアレイを本質的に伸縮不能にするワイヤーコアの検出素子を用いたセンサアレイを使用すると、生じる可能性がある。センサアレイの形状適合性が欠如することによって、クッション又はベッドによる患者の支持の仕方が変化し、また結果として、センサアレイ内の個々のセンサに作用する力又は圧力が、センサアレイがない場合に患者が実際に受ける力又は圧力よりも大きくなることも、頻繁に生じる。
【００１２】
人の身体部分に対して作用する力を測定及びマッピングするためのこの力センサアレイが満足のいくものでなくなる別の状況は、足のような複雑な形状を有する身体部分に対し、目立たず邪魔にならない方法でそのような測定を行うことを試みる際に発生する。
【００１３】
例えば、糖尿病患者は多くの場合に足の感覚を失う。糖尿病患者は、足に合わない靴が足の各部に過度の圧力をかけているときを感じ取ることができないので、圧力が作用する点が潰瘍につながる可能性があり、この潰瘍によって、次には足の切断が必要になるかもしれない。よって、そのような望ましくない結果を阻止するために、そのような問題を識別するのに用いることができるセンサアレイを有することが望ましく、それによって、靴のサイズ又は形状を変更する等の矯正措置を適時に取ることができる。
【００１４】
人の足等の複合曲線を有する複雑な形状に対して作用する力を測定及びマッピングする問題に対処するために、人の足のような複雑で複合的に湾曲した物に容易に適合することが可能であるという点で、衣類の繊維と類似したセンサアレイを利用可能にすることが望ましいであろう。そのようなセンサアレイは、靴下等の衣類品の中に組み込むことができる。本発明は、上記のセンサアレイが上述の要件を満たすのに利用できないということに少なくとも部分的に対応して、着想された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，７５１，９７３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２１６，５４５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５４３，２９９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，２０１，０６３号明細書
【発明の概要】
【００１６】
本発明の目的は、人の身体部分等の複雑で曲線が複合した形状を有する物に形状適合する、力又は圧力検出トランスデューサの弾性的に伸縮可能なアレイを提供して、そのような物に作用する力又は圧力の測定及びマッピングを容易にすることである。
【００１７】
本発明の別の目的は、人が装着可能な衣類品の中に組み込むのに十分軽量で形状適合するようにドレープ性があり弾性的に伸縮可能な織物のような圧力又は力センサアレイを、提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、弾性的に伸縮可能な織物マトリクスの中に組み込まれ且つ薄く可撓性のある個々の力センサからなるマトリクスを含む、圧力又は力センサアレイを提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、靴下又は他の衣類品の中に組み込まれ且つピエゾ抵抗力センサ又はピエゾ抵抗圧力センサからなり薄く弾性的に伸縮可能でドレープ性がある、平面状アレイを提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、ピエゾ抵抗力センサ又はピエゾ抵抗圧力センサからなり薄く弾性的に伸縮可能でドレープ性があるアレイ、及びこのアレイに電気的に結合した電子制御モジュールを提供することであり、このモジュールは、個々のセンサの電気抵抗を測定するのに有効であり、それ故、アレイの様々な部分に作用する力又は圧力のマッピングを容易にする。
【００２１】
本発明の別の目的は、弾性的に伸縮可能な織物のようなアレイを備える力又は圧力測定システムを提供することであり、このアレイは、行及び列からなるマトリクスに配列され且つ行電極及び列電極によって抵抗測定電子モジュールに接続された、個々のピエゾ抵抗圧力センサ素子又はピエゾ抵抗力センサ素子からなる。各センサ素子への導電経路は、ダイオードのような回路素子を有し、これによって個々のセンサのマトリクスアドレス指定におけるクロストークを最小限にする。
【００２２】
本発明の別の目的は、行及び列に配列された導電糸の群を用いて、弾性的に伸縮可能で可撓性のある織物のような力又は圧力センサアレイを作製するための方法を提供することである。
【００２３】
本発明の別の目的は、Ｘ−Ｙマトリクスに配列された可撓性があり弾性的に伸縮可能であり織物のような力又は圧力センサを製造するための方法を提供することであり、このセンサは、導電糸を交差させることによって接触するピエゾ抵抗物質を含む。
【００２４】
本発明の別の目的は、ピエゾ抵抗材料で被覆された弾性的に伸縮可能であり可撓性のある導電糸を含む織物のような力又は圧力センサアレイを製造するための方法を提供することである。
【００２５】
本発明の別の目的は、弾性的に伸縮可能な導電糸が非導電糸を用いて織物マトリクスに縫い付けられた、織物のような力又は圧力センサアレイを製造するための方法を提供することである。
【００２６】
本発明の別の目的は、ピエゾ抵抗特性を有する弾性的に伸縮可能な導電糸を製造するための方法を提供することである。
【００２７】
本発明の別の目的は、ダイオードのような非両方向性の電気的インピーダンス特性を有する弾性的に伸縮可能なピエゾ抵抗導電糸を製造するための方法を提供することである。
【００２８】
本発明の別の目的は、導電糸を用いた弾性的に伸縮可能で可撓性のある力又は圧力センサアレイを提供することであるが、この導電糸は、弾性的に伸縮可能であることによってセンサアレイの伸縮性を向上させる。
【００２９】
本発明の別の目的は、導電糸を用いた弾性的に伸縮可能で可撓性のある力又は圧力センサアレイを提供することであるが、この導電糸は、波状に配置され且つ弾性的に伸縮可能な基材に取り付けられることによってセンサアレイの弾性的な伸縮能力を向上させる。
【００３０】
当業者であれば、添付の明細書、図面及び特許請求の範囲を読むことによって、本発明の様々な他の目的及び利点、並びに本発明のほとんどの新規な特徴が明らかとなるであろう。
【００３１】
本明細書において開示される本発明は、その目的を達成し、記載される利点を提供することが十分に可能であるが、本明細書に記載される本発明の特徴は、好ましい実施形態を単に例示するものであることを理解されたい。よって、本発明者は、本発明における本発明者の排他的権利及び特権の範囲が記載される実施形態の詳細に限定されるのを意図していない。本発明者は、本明細書に含まれる記載から当然に推測できる本発明の均等物、適応形態及び変形形態が、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内に含まれることを意図している。
【００３２】
簡潔に述べると、本発明は、個別の力検出素子を有する新規の圧力又は力検出トランスデューサを含み、力検出素子は、薄く可撓性のあるポリマーシート又は織布若しくは不織布の薄いシートからなる基材の上又はこの基材の中の平面状アレイに、配列されている。本発明による圧力又は力センサアレイは、弾性的に伸縮可能な導電糸を利用し、この導電糸は、新規の製造技法を用いる絶縁ポリマーシート又は織物シートからなる薄く弾性的に可撓性のある基材シートに取り付けられる。センサアレイは、靴下等の衣類品の中に組み込めるように、十分に可撓性があり、ドレープ性があり且つ弾性的に伸縮可能である。この新規な構成によって、本発明による弾性的に伸縮可能で形状適合するようにドレープ性のある圧力又は力センサアレイは、人の足のような曲線が複合し且つ複雑な形状の物の上での力又は圧力の分布を測定及びマッピングするために使用することが可能になる。
【００３３】
本発明による圧力センサアレイは、例えば、糖尿病又は他の病気に起因して足の感覚を失った患者の足に対して、合わない靴によって作用する圧力又は力の集中を測定及びマッピングするのに、有利に用いることができる。本発明による形状適合性のあるセンサアレイを用いて生成可能な圧力マップにより提供される情報を用いることによって、合わない靴をサイズ変更する、改造する又は交換して、患者の足に対する圧力の集中を、足における健康を脅かす潰瘍の形成をなくすように十分低い値のものに低減することが可能になる。
【００３４】
本発明による弾性的に伸縮可能な力又は圧力センサアレイの基本的な実施形態は、例えば約２ｍｍ〜４ｍｍの範囲の比較的小さな直径を有する可撓性のある導電糸を利用する。本発明のポリマーフィルム基材を用いる基本的な形態では、アレイ内の各センサ素子は、薄い上側絶縁ポリマー基材シートの下側表面に取り付けられた第１の導電糸、例えば上側行方向導電糸と、薄い下側絶縁ポリマー基材シートの上側表面に取り付けられた別の下側列方向導電糸との交差部によって形成される。上側ポリマー基材シート及び下側ポリマー基材シートの双方が、０．０５ｍｍ〜０．０７６ｍｍ厚のエラストマーポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の可撓性があり弾性的に伸縮可能な材料から作製されるのが好ましい。
【００３５】
本発明によれば、行方向糸と列方向糸との交差部等のセンサアレイ内における導電糸の各対の交差部は、糸同士の間に挟まれて、ピエゾ抵抗材料から作製された層、被覆、又は小さな点状体（dot）を含み、その電気抵抗は、その上に作用する力又は圧力に反比例的に変動する。ピエゾ抵抗材料は、センサ上の周期的圧力変動がセンサにおける電気抵抗対圧力の伝達関数で過度のヒステリシス効果を生じないように、弾性特性又はエラストマー特性を有するのが好ましい。上記の要件を満たす適切なピエゾ抵抗材料は、カーボンブラック（carbon black）又はカーボンファイバー等の導電性粒子で満たされたシリコーンゴムの固溶体からなる。
【００３６】
交差する導電糸の対の間におけるピエゾ抵抗材料が、垂直力が導電糸を互いにより接近するように付勢する結果として圧縮されるとき、導電糸の対の間で測定される電気抵抗は、力又は圧力の大きさに比例して減少する。抵抗の減少は、ピエゾ抵抗の表面効果及び体積効果を組み合わせたものに起因すると考えられている。
【００３７】
ピエゾ抵抗の表面効果において、導電糸の対とピエゾ抵抗地点（piezoresistive spot）との間の交差接触領域のサイズは、導電糸が共に押し付けられてこれによって導電糸同士の間の導電性が増大したとき、増大する。エラストマーのピエゾ抵抗材料が圧縮されることによって、ピエゾ抵抗の体積効果により導電性が明らかなほど増大するが、このことは、ピエゾ抵抗地点のエラストマーマトリクス内の導電性粒子が互いにより近接するように付勢され、ピエゾ抵抗地点の厚みが減少することの結果である。
【００３８】
本発明の１つの態様によれば、ポリマーシート基材を用いる本発明の基本的な実施形態は、行方向導電糸及び列方向導電糸がそれぞれ取り付けられた上側ポリマーシート及び下側ポリマーシートの間に挟まれたピエゾ抵抗材料の薄いシートを用いる。本発明のこの実施形態は、３つの別個の層を有する。
【００３９】
本発明によるポリマーフィルムのセンサアレイからなる好ましい二層の実施形態では、ピエゾ抵抗材料は、行方向導電糸、列方向導電糸、又は好ましくは行方向導電糸及び列方向導電糸の両方の外側表面に直接被覆され、これによってピエゾ抵抗材料を含む第３の中間基材シートが必要でなくなる。
【００４０】
上述した本発明の２つの基本的な実施形態のいずれかのセンサ素子のようなＱ個の個別のセンサ素子のアレイでは、各センサに作用する圧力又は力の大きさを明確に求めるのに必要とされる個別のセンサそれぞれの抵抗を明確に測定することは、Ｑ個のセンサ素子に対して、Ｒ＝Ｑ＋１個の導出導体を必要とする。このため、Ｑ個のセンサ素子のそれぞれは、センサ素子の一方の端子が共通の導電可能な導出導体に接続され、各センサ素子の反対側の端子に別の導出導体を接続させることができる。
【００４１】
ｍ×ｎ＝Ｑ個のセンサからなる四角形マトリクスについて、ｍ行及びｎ列のセンサ導電糸におけるＱ個の交点に位置するＱ個のセンサのそれぞれをアドレス指定するのに必要とされる導出導体の数は、Ｒ＝２√Ｑ個のみである。このため、例えば、６４個のセンサ素子のアレイでは、センサ素子のそれぞれの抵抗を個々に測定するには、６５個の電気的に絶縁された導出導体が必要となる。一方で、マトリクスアドレス指定の配置を用いると、総計１６個の導出導体、すなわち８個の行方向導体及び８個の列方向導体しか必要とならない。従って、各センサ素子の抵抗を測定するのにマトリクスアドレス指定を利用することが望ましい。
【００４２】
しかしながら、センサ素子のマトリクスアドレス指定を用いてアレイ内のセンサ素子の抵抗を測定することに関連する問題が存在する。この問題は次の要因によって生じ、この要因は、アレイ内のアドレス指定されていない全てのセンサ素子の電気抵抗が、アドレス指定されたセンサ素子それぞれの抵抗に分路を形成し（shunt）、その結果、個々のセンサ素子の抵抗の測定値、そしてそれ故これらの測定値から推測される圧力の測定値にクロストーク誤差が生じるということである。
【００４３】
クロストークの問題を回避するために、本発明によるセンサは、非対称でダイオードのような電流対電圧の伝達関数を有するように製造されるのが好ましい。ダイオードのような伝達関数は、導電糸の表面の上のピエゾ抵抗被覆を処理してこの被覆の上にＰ−Ｎ接合を形成することによって、達成される。代替として、行方向導電糸と列方向導電糸との間のピエゾ抵抗フィルムの上側表面及び下側表面のいずれか又は双方が、Ｐ−Ｎ接合特性を与えられるように処理される。下記で詳細に説明するように、Ｐ−Ｎ接合特性は、銅又は他の金属の酸化物を含む無電解の被覆を、カーボンを含有するピエゾ抵抗層の表面に堆積させることによって、与えられる。
【００４４】
本発明による圧力センサアレイの好ましい実施形態は、ポリマーフィルムのシートではなく弾性のある織布のシートを用いて製造されるのが好ましい。織布は、結果として、より伸縮可能でドレープ性があり且つそれ故不規則に湾曲した表面により容易に形状適合するセンサアレイをもたらす。
【００４５】
本発明による織布基材を用いた力センサアレイの基本的な実施形態では、横方向に間隔をあけて縦方向に配置された導電糸が、第１の上側織物シートの下側表面に固定される。導体糸は、導電糸よりも直径が小さい非導電糸を用いて縫い付けるジグザグ縫いによって上側織物基材シートに固定されるのが好ましい。
【００４６】
第２の下側織物基材シートは、上側シートと同様にして作製され、このとき、導電糸は下側シートの上側に位置する。
【００４７】
上側シート及び下側シートは、導電糸が１つの表面の上に縫い付けられた単一の基材織物シートから任意選択的に製作することができ、このシートは２つに切断され、半割れのうちの一方が裏返されて９０度回転され、それによって２つの半割れのシートの対面する表面が、導電糸の行及び導電糸の列で構成される交差部からなるマトリクスを形成する。次いで、ピエゾ抵抗フィルム層が、上側織物基材シートと下側織物基材シートとの間に位置決めされ、そして、３つのシートは、それらの周囲の縁に沿って一緒に固定され、これによって個々のセンサ素子からなるマトリクスを含む二次元平面状アレイを形成する。
【００４８】
本発明による織物基材を用いた力センサアレイの好ましい実施形態では、センサの行方向導電糸と列方向導電糸との間に位置決めされたピエゾ抵抗フィルム層は、導電糸の外面に施されたピエゾ抵抗物質の被覆からなる。ピエゾ抵抗被覆は、本発明による新規の処理によって行方向導体又は列方向導体の外面に施すことができるが、行方向糸及び列方向糸の双方に施されるのが好ましい。
【００４９】
本発明による新規の構成を有するセンサアレイは、軽量でドレープ性がある織物から作製されて対面する１対の基材パネルにおいて内側で対面する表面に縫い付けられた、高い可撓性があり弾性的に伸縮可能な行方向導体糸及び列方向導体糸を用いており、そして、上記センサアレイは、不規則な表面に容易に形状適合し、これによって不規則な形状の物の表面に作用する力の測定を容易にする。
【００５０】
本発明による織物基材のピエゾ抵抗力センサアレイの好ましい実施形態は、基材材料としてスパンデックス（Spandex）又はライクラを含む伸縮可能な織物を利用することによって、向上した伸縮性、ドレープ性及び形状適合性が与えられる。伸縮可能な織物基材は、等方性の伸縮特性、又は少なくとも二方向の伸縮特性を有することが好ましく、それによって、センサアレイは、弾性的に伸縮して、全ての方向又は少なくとも２つの直交する方向でそれぞれ、同等のコンプライアンス（compliance）を有して不規則な形状の物に形状適合することができる。この構成を有すると、導電糸自体がセンサアレイの伸縮性を制限することができる。本発明によるセンサアレイの伸縮性及び形状適合性は、以下の２つの方法のいずれかによって増大されるのが好ましい。
【００５１】
本発明によるセンサアレイの伸縮性を向上させる第１の方法によれば、アレイの伸縮性は、行方向導電糸及び列方向導電糸に対して、モノフィラメント（monofilament）の糸ではなく伸縮性のある導電性のヤーンを用いることによって、増大する。導電性のあるヤーンは、行方向ピエゾ抵抗糸又は列方向ピエゾ抵抗糸のいずれかのためのコアとして用いることができるが、二方向での伸縮性の向上をもたらすために、行方向導体糸及び列方向導体糸の双方に対して用いられるのが好ましい。
【００５２】
本発明によるセンサアレイの伸縮性を向上させる第２の方法では、行方向ピエゾ抵抗糸及び列方向ピエゾ抵抗糸のいずれか又は双方は、行方向糸又は列方向糸の両端の間の直線状の基線の上をたどるのではなく、この基線に対し蛇行した線又は波状に配置された線に配列される。この波状の配列をもつことで、導電糸における側方に配置された部分によって形成される弛みは、波状に湾曲した導電糸における山と谷との間の長手方向の間隔に、織物が導電糸の基線の方向に伸長された場合に増大させ、織物が伸長されていない状態に緊張を緩めた場合に減少させることを、可能にする。換言すれば、波状に湾曲した導電糸の空間波長は、センサアレイが弾性的に伸長されている場合に増大し、センサアレイに対する伸長力が緩んだ場合に減少し、これによってセンサアレイが未伸長形状に弾性的に戻ることが可能になる。
【００５３】
本発明によるセンサアレイは、センサアレイの弾性的な伸縮能力を最大にするように、伸縮性があり弾性的な導電糸と導電糸の波状に湾曲した配列との双方を、任意選択的に利用することができる。
【００５４】
本発明の別の実施形態によれば、軽量で形状適合性が高い単層の織物基材センサアレイが提供される。本発明によるセンサアレイのこの実施形態は、ピエゾ抵抗物質を含浸した単一の織物基材パネルを用いる。行方向導電糸及び列方向導電糸は、織物基材の対向する両側の外表面に縫い付けられる。この実施形態に対する伸縮性及び形状適合性の向上は、上述したように、伸縮性のあるヤーンと導電糸を波状に湾曲させることとうちのいずれか又は双方を用いることによって、任意選択的にもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による三層のピエゾ抵抗糸圧力センサアレイの基本的な実施形態を部分的に切り欠いた斜視図であり、この実施形態は、１対のポリマーフィルムの外側基材と中央のピエゾ抵抗層とを用いている。
【図２】図１の方向２−２から見たセンサアレイの垂直な方向の横断面図すなわち端面図である。
【図３】本発明によるピエゾ抵抗糸圧力センサアレイの第２となる二層の実施形態を部分的に切り欠いた上側からの斜視図であり、この実施形態では、図１及び図２の基本的な実施形態で示される中央のピエゾ抵抗層が、センサアレイの導電糸の上のピエゾ抵抗被覆によって置き換えられている。
【図４】図３の方向４−４から見たセンサアレイの垂直な方向の横断面図すなわち端面図である。
【図５】図１及び図３のセンサアレイの変形形態の部分斜視図であり、この変形形態では、より緊密に詰め込まれた行方向導体糸及び列方向導体糸の隣接する対が、非導電糸によって互いから空間的且つ電気的に遮断されている。
【図６Ａ】縮尺をさらに拡大した図１及び図２のセンサアレイの部分横断面図であり、交差した行方向導電糸及び列方向導電糸が中央のピエゾ抵抗層に接触して力検出素子を形成する配置を示しており、これらの力検出素子に外力が加わっていない状態である。
【図６Ｂ】図６Ａの部分横断面図と同様であるが、センサ素子に中程度の垂直力が加わっている状態の図である。
【図６Ｃ】より大きな外力が加わった状態のセンサ素子を示す図である。
【図７】図１及び図３に示すセンサアレイのセンサ素子に作用する力又は圧力の関数として描かれた電気抵抗を示すグラフである。
【図８Ａ】さらに縮尺を拡大した図３及び図４のセンサアレイの部分横断面図であり、力検出素子を形成する行方向ピエゾ抵抗糸及び列方向ピエゾ抵抗糸の配置を示しており、センサアレイに外力が加わっていない状態である。
【図８Ｂ】図８Ａの部分横断面図と同様であるが、センサ素子に中程度の垂直力が加わっている状態の図である。
【図８Ｃ】より大きな外力が加わった状態のセンサ素子を示す図である。
【図９】本発明によるピエゾ抵抗糸圧力センサアレイの第３となる三層の実施形態を部分的に切り欠いた斜視図であり、この実施形態は、１対の外側織物基材と中央のピエゾ抵抗層とを用いる。
【図１０】図９のセンサアレイの縮尺を拡大した断片図であり、センサアレイにおける上側となる横方向の行方向導体部分の下側からの平面図を示している。
【図１１】図９のセンサアレイの縮尺を拡大した断片図であり、センサアレイにおける下側となる縦方向の列方向導体部分の上側からの平面図を示している。
【図１２】方向１２−１２から見た図９のセンサアレイの垂直な方向の横断面図である。
【図１３Ａ】本発明による織物基材を用いた第４となる二層のピエゾ抵抗糸圧力センサアレイを部分的に切り欠いた上側からの分解斜視図であり、このセンサアレイでは、図９に示す実施形態の中央のピエゾ抵抗層が、センサアレイの導電糸の上のピエゾ抵抗被覆によって置き換えられている。
【図１３Ｂ】方向１３Ｂ−１３Ｂから見た図１３Ａのセンサアレイの垂直な方向の横断面図である。
【図１４】単一の織物基材を有する、本発明によるピエゾ抵抗糸圧力センサアレイの第５となる単層の実施形態を部分的に切り欠いた上側からの斜視図であり、この実施形態では、行方向ピエゾ抵抗糸及び列方向ピエゾ抵抗糸の双方が単一の絶縁基材シートの同じ側に固定されている。
【図１５】図１４のセンサアレイの上側からの平面図である。
【図１６】方向１６−１６から見た図１４のセンサアレイの垂直な方向の横断面図である。
【図１７】図９、図１３又は図１４の織物基材センサアレイの変形形態を部分的に切り欠いた上側からの分解斜視図であり、この変形形態では、センサアレイの下側の列方向導電糸が、下側織物基材パネルの上に波状の配列で配置されている。
【図１８】図１４の単層の織物基材センサアレイの別の変形形態の上側からの斜視図であり、この変形形態では、行方向導電糸及び列方向導電糸の双方が、波状に配列されて、ピエゾ抵抗基材シートの対向する両側に位置している。
【図１９】図１８のセンサアレイの上側からの平面図である。
【図２０】図１８のセンサアレイの下側からの平面図である。
【図２１】図１９のセンサアレイの垂直な方向の横断面図である。
【図２１Ａ】単層の織物基材センサアレイの上側からの断片的な斜視図であり、このセンサアレイでは、上側行方向ピエゾ抵抗糸及び下側列方向ピエゾ抵抗糸の双方が、波状に配列されて、単一の絶縁基材シート同じ側に固定されている。
【図２２Ａ】線形配列にある個々のセンサ素子の抵抗を測定するのに必要とされる導電性の導出部の数を示す概略図である。
【図２２Ｂ】必ずしも線形配列とならないセンサ素子を示す図である
【図２３】マトリクスアレイで配列されたセンサ素子のアレイをマトリクスアドレス指定するのに必要な導出体の数が減少しているのを示す回路図である。
【図２４】ダイオードの接合部を含むように変更が加えられた図２３のアレイのセンサ素子を示す回路図である。
【図２５】図５に示すタイプの二層センサアレイを用いる力測定センサ装置の上側からの斜視図である。
【図２６】信号処理及びディスプレイの電気回路と相互接続されて力測定システムを構成する図１及び図３のセンサアレイを示すブロック図である。
【図２７Ａ】図１４〜図１６又は図１７〜図２０のセンサアレイを組み込んだ靴下の斜視図である。
【図２７Ｂ】図２７Ａの靴下の水平な方向の横断面図である。
【図２８】本発明によるセンサでの典型的な電気抵抗対垂直力の図である。
【図２９】図１のセンサアレイのセンサ素子の好ましい変形形態の部分的な回路図であり、この変形形態では、センサアレイのセンサ素子は、ダイオード型Ｐ−Ｎ接合を備えるように変更が加えられている。
【図３０】図２７のセンサ素子での電流対電圧の図である。
【図３１】本発明による力センサアレイの別の実施形態の分解斜視図である。
【図３２】図３１のセンサアレイの斜視図である。
【図３３】本発明による力センサアレイの別の実施形態における構成要素の分解斜視図である。
【図３４】図３３のセンサアレイの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
米国特許第６，５４３，２９９号明細書（特許文献３）の開示全体が、参照によって本開示に援用される。
【００５７】
図１〜図３４は、本発明による、弾性的に伸縮可能で形状適合性のある織物状力センサアレイの様々な態様及びこれらのアレイを作製する方法を示している。
【００５８】
まず図１及び図２を参照すると、本発明による力センサアレイにおける第１となる基本的な三層の実施形態が示されている。
【００５９】
図１及び図２に示すように、本発明による三層力センサアレイ３０は、複数ｍ本の伸長されて直線状の細い行方向導電糸３１−１〜３１−ｍと、複数ｎ本の伸長されて直線状の細い列方向導電糸３２−１〜３２−ｎとを含んでいる。
【００６０】
本発明によれば、行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２は、弾性的に伸縮可能なモノフィラメントの又は編み込まれたポリマーコア３１Ｃ，３２Ｃから構成され、これらのコア３１Ｃ，３２Ｃは糸を導電性にするように処理されており、それは、コアに銀めっきをして、コア３１Ｃ，３２Ｃそれぞれの上に被覆３１Ｐ，３２Ｐを形成するようなことによって処理されている。
【００６１】
本発明によるセンサアレイ３０における１つのタイプの例示的な実施形態では、ＬＥＳＳ  ＥＭＦ社（住所：809 Madison Avenue, Albany, New York 12208, USA）から得られカタログ＃Ａ２６４にある太さ１１７／１７  ２ｐｌｙの銀めっきナイロン糸から作製された行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２が、用いられた。その導電糸は、１フィートあたり約７５オームの線抵抗を有し、約１パーセントの弾性伸縮能力、すなわち同様の直径のステンレス鋼線よりも少なくとも１０倍大きい弾性伸縮能力を有していた。
【００６２】
本発明によるセンサアレイにおけるもう１つのタイプの例示的な実施形態では、伸縮性のある銀めっきナイロンヤーンから作製された行方向導電糸及び列方向導電糸が、用いられたが、そのめっきされたヤーンは、Ｗ．  Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ，  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．  ＫＧ社（住所：Riederstrasse7, D-88171, Weiter-Simmerberg, Germany）から得られる、ライクラ２０デシテックス（ｄｔｅｘ）である呼称Ｓｈｉｅｌｄｅｘ（登録商標）を有している。その導電糸は、１フィートあたり約５００オームの線抵抗を有していた。その導電性ヤーンの弾性伸縮能力は、３０パーセントより大きく、すなわち同様の直径のステンレス鋼線よりも少なくとも３００倍大きい。
【００６３】
図１及び図２に示すように、行方向糸３１及び列方向糸３２は、平行になった平面内に位置するが、互いに対して、９０度等の角度で傾いている。例示的な実施形態３０では、行方向導電糸３１は上側基材シート３３の下側表面３４に固定され、列方向導電糸３２は下側基材シート３５の上側表面３６に固定される。
【００６４】
図２を参照することによって最もよく見て取ることができるように、センサアレイ３０は、ピエゾ抵抗材料から作製された薄い中央の積層体又はシート３７を含んでいる。図２に示すように、行方向導電糸及び列方向導電糸における内側に面した対向する外面３８，３９は、中央のピエゾ抵抗シート３７の上側表面４０及び下側表面４１それぞれに接線接触する。このため、図１及び図２に示すように、行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２の交わる点又は交差部のそれぞれによって、ピエゾ抵抗センサ素子４８が形成され、このピエゾ抵抗センサ素子４８は、行方向導電糸及び列方向導電糸が導電可能に接触する、中央ピエゾ抵抗シート３７の小さな部分から構成される。
【００６５】
センサアレイ３２の例示的な実施形態では、ピエゾ抵抗シート３７は、伸縮性のある、”すなわち弾性的に伸縮可能な薄いライクラ状織物シートをピエゾ抵抗材料を用いて被覆することによって、作り上げられた。ピエゾ抵抗材料を支持するためのマトリクスを形成する適切な織物シートは、製造者Ｍｉｌｌｉｋｅｎ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ（住所：Spartenburg, South Carolina, USA）から得られる商標Ｐｌａｔｉｎｕｍ，Ｍｉｌｌｉｋｅｎ、型番＃２４７５７９によって知られる織物であった。その織物は、６９％のナイロン及び３１％のスパンデックスからなる繊維含有率、１インチ（約２５．４ｍｍ）あたり約８８糸の糸使用量、及び０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）の厚みを有していた。
【００６６】
織物マトリクスを被覆するのに使用されるピエゾ抵抗材料は、以下のように作製される。
【００６７】
黒鉛、炭素粉末、ニッケル粉末及びアクリル接着剤からなる溶液が、所望の抵抗特性及びピエゾ抵抗特性を得るために、必要に応じた比率で混合される。銀被覆ニッケルのフレークは、０ｐｓｉ（０重量ポンド毎平方インチで０パスカル）〜１ｐｓｉ（１重量ポンド毎平方インチで約６．８９５キロパスカル）の低い力の範囲での力への応答を達成するために用いられ、黒鉛は、１ｐｓｉ〜５ｐｓｉ（５重量ポンド毎平方インチで約３４．４７４キロパスカル）の中間の範囲に対して用いられ、そして、Ｃｈａｒｃｏａｌ  Ｌａｍｐ  Ｂｌａｃｋは、５ｐｓｉ〜１０００ｐｓｉ（１０００重量ポンド毎平方インチで約６８９４．７５７キロパスカル）の高い力の範囲に対して用いられる。以下は、ピエゾ抵抗材料の構成成分である物質の説明である：
銀被覆ニッケルフレーク：
厚さ約１ミクロンで直径約５ミクロンの小板
ふるい分析（−３２５メッシュ）９５％
見掛け密度２．８
マイクロトラック（Microtrac）  ｄ５０（メジアン径）／１２〜１７ミクロン
入手可能先：Ｎｏｖａｍｅｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社（住所：681 Lawlins Road, Wyckoff, NJ 07481）
黒鉛粉末：
合成黒鉛、ＡＣ−４７２２Ｔ
入手可能先：Ａｎａｃｈｅｍｉａ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（住所：4-214 DeBaets Street Winnipeg, MB R2J 3W6）
Ｃｈａｒｃｏａｌ  Ｌａｍｐ  Ｂｌａｃｋ粉末：
Ａｎａｃｈｅｍｉａ製品番号ＡＣ−２１５５
入手可能先：Ａｎａｃｈｅｍｉａ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（住所：4-214 DeBaets Street Winnipeg, MB R2J 3W6）
アクリル接着剤：
Ｓｔａｔｉｃｉｄｅ  Ａｃｒｙｌｉｃ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｆｌｏｏｒ  Ｆｉｎｉｓｈ
Ｐ／Ｎ（製品番号）４０００−１  Ｐｈ８．４〜９．０
入手可能先：Ｓｔａｔｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ（住所：1371-4 Church Street Bohemia, New York 11716）
【００６８】
以下は、様々な感度を有するピエゾ抵抗材料を作製するのに用いられる混合物の例である：
０ｐｓｉ〜３０ｐｓｉ（３０重量ポンド毎平方インチで約２０６．８４３キロパスカル）の範囲内の力に対する例Ｉ
・２００ｍｌのアクリル接着剤
・１０ｍｌのニッケルフレーク粉末
・１０ｍｌの黒鉛粉末
・２０ｍｌのカーボンブラック
０ｐｓｉ〜１００ｐｓｉ（１００重量ポンド毎平方インチで約６８９．４７６キロパスカル）の範囲内の力に対する例ＩＩ
・２００ｍｌのアクリル接着剤
・５ｍｌのニッケルフレーク粉末
・５ｍｌの黒鉛粉末
・３０ｍｌのカーボンブラック
０ｐｓｉ〜１０００ｐｓｉの範囲内の力に対する例ＩＩＩ
・２００ｍｌのアクリル接着剤
・１ｍｌのニッケルフレーク粉末
・１ｍｌの黒鉛粉末
・４０ｍｌのカーボンブラック
【００６９】
ピエゾ抵抗シート３７のための織物マトリクスは、ピエゾ抵抗被覆混合物の中に浸される。余分な材料は巻き取られ（rolled off）され、シートは吊るされ空気乾燥させることができる。
【００７０】
本発明によれば、上側基材シート３３及び下側基材シート３４は、０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）厚のポリウレタン又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の薄く可撓性のある絶縁材料から作製される。基材シート３３，３４は、比較的高い弾性伸縮能力を有するエラストマー材料から作製されるのが好ましく、それによってセンサアレイ３０は、容易に伸縮することができ、不規則な形状の物の表面に対し形状を適合することができる。しかしながら、センサアレイ３０の伸縮性を促進するために、導電糸３１，３２も弾性的に伸縮可能であるべきであることは、理解することができる。これは、導電糸３１，３２が、図２に示すように、例えば接着剤の塊（blob）４２によって、基材シート３３，３４にそれぞれ貼り付けられているためである。また、ピエゾ抵抗シート３７も、にかわの塊（blobs of glue）４２によって上側基材シート３３及び下側基材シート３４に固定されている。
【００７１】
図６Ａ〜図６Ｃは、図１及び図２に示すセンサアレイ３０における中央のピエゾ抵抗層３７と組み合わせた行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２の配置が、どのように個々の力検出素子４８を形成するかを示している。各力センサ素子４８は、センサ素子の行方向導電糸（例えばＭ×Ｎのマトリクスの３１−１，３１−２，・・・・，３１−ｍ）と、列方向導電糸（例えばＭ×Ｎのマトリクスの３２−１，３２−２，・・・・，３２−ｎ）との重なる部分すなわち交点４９に位置する。このため、個々のセンサ素子は、４８−ＸＸＸ−ＹＹＹと名前をつけることによって識別することができる。ここで、ＸＸＸは行番号を表し、ＹＹＹは列番号を表す。
【００７２】
図２及び図６Ａに示すように、外力がセンサアレイ３０に加えられないとき、センサアレイ３０の行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２の重なる点４９それぞれでは、中央のピエゾ抵抗層３７と上側行方向導電糸との間に導電可能な上側接線接触領域４３が存在し、ピエゾ抵抗層と下側列方向導電糸との間に導電可能な下側接線接触領域４４が存在する。
【００７３】
センサアレイ３０に外力が加えられないとき、行方向導電糸３１と列方向導電糸３２との間の電気抵抗は、比較的高い。この電気抵抗は、上側接触領域４３と、下側接触領域４４と、これら上側接触領域及び下側接触領域の間におけるピエゾ抵抗層３７のピエゾ抵抗材料４５の実効抵抗との直列抵抗から構成される。この比較的高い抵抗は、この場合、接線接触領域４３及び４４が比較的小さく、圧縮されていないピエゾ抵抗の体積４５の厚さがその最大値にあることに起因する。しかしながら、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、センサアレイ３０が支持表面Ｓの上に配置され、センサアレイ３０の上側表面４７に加えられる垂直力Ｎの大きさが増加しているとき、行方向導電糸３１と列方向導電糸３２との間の電気抵抗が次に説明するように減少する。
【００７４】
図２及び図６Ａをなおも参照すると、センサアレイ３０に外力が加えられないとき、行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２と中央のピエゾ抵抗層３７との間の接線接触領域４３，４４は、比較的小さいことが見て取ることができる。なぜなら、導電糸は、ピエゾ抵抗層の平坦な平面に接線接触する外側が円形の断面形状を有するためである。これらの状況の下では、接触領域４３，４４のサイズが小さいことによって、結果として中央のピエゾ抵抗層３７と行方向導電糸３１及び列方向導電糸３２との間の電気抵抗が比較的高くなる。さらに、中央のピエゾ抵抗層３７が圧縮をうけていないとき、このピエゾ抵抗層の厚みは最大値となり、それ故抵抗が最大値となる。
【００７５】
図６Ｂ及び図６Ｃは、センサアレイ３０に作用する外部垂直力又は圧力が増える作用を示している。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、センサアレイ３０は、このアレイの下側表面４６が表面Ｓの上で支持されるように配置され、力Ｎがこのアレイの上側表面４７の上に垂直に下方向に作用し、その結果、このアレイの下側表面４６の上で表面Ｓを支持することによって反力Ｕが上向きに作用する。中央のピエゾ抵抗層３７が弾性的に変形することができるので、このピエゾ抵抗層上への圧縮力によって、行方向導電糸３１と列方向導電糸３２との間となるこのピエゾ抵層の一部の厚みＴが減少する。行方向導電糸３１と列方向導電糸３２との間のピエゾ抵抗層３７を貫通する経路長においてこの減少が生じることによって、導電糸同士の間の電気抵抗Ｒの値が減少する。
【００７６】
図６Ｂに示すように、垂直力Ｎの値が抑えられた中程度である場合、中央のピエゾ抵抗層３７の弾性的な変形は比較的小さく、その結果、導電糸同士の間の電気抵抗Ｒにおける減少は比較的小さい。図６Ｃに示すように、センサアレイ３０に作用する力Ｎが大きくなるほど、中央のピエゾ抵抗層の変形は大きくなり、その結果、抵抗Ｒにおける減少率が大きくなる。図７は、行方向導電糸３１と列方向導電糸３２との間で測定可能な電気抵抗の減少を、これらの観点でのアレイ３０に作用する垂直力又は圧力の関数として一般的に示している。
【００７７】
図３及び図４は、本発明によるピエゾ抵抗糸圧力センサアレイの別の実施形態５０を示している。この実施形態では、図１及び図２に示し且つ上述した中央のピエゾ抵抗層が、行方向導電糸５１及び列方向導電糸５２のいずれかの上のピエゾ抵抗被覆、又は好ましくは行方向導電糸５１及び列方向導電糸５２の双方の上のピエゾ抵抗被覆に、置き換えられている。
【００７８】
センサアレイ５０は、米国特許第６，５４３，２９９号明細書（特許文献３）の図１及び図２に開示され且つ図示されたセンサアレイ２０に、表面上は類似しているが、このセンサアレイと重要な点で異なっている。このため、センサアレイ５０における行方向ピエゾ抵抗糸５１及び列方向ピエゾ抵抗糸５２は、弾性的に伸縮可能なポリマーコア５１Ｃ，５２Ｃから作製され、これらのポリマーコア５１Ｃ，５２Ｃは、これらのコアを銀めっきして糸の上に導電性の被覆５１Ｐ，５２Ｐをそれぞれ形成することによって、処理されている。コア５１Ｃ，５２Ｃのいずれか又は双方の上の被覆は、ピエゾ抵抗特性を有する材料からなる層５１Ｒ，５２Ｒがそれぞれクラッディングされている。本発明によれば、ピエゾ抵抗導電糸５１，５２のコア５１Ｃ，５２Ｃにおけるめっきされた表面５１Ｐ，５２Ｐの上にクラッディング層（cladding layer）５１Ｒ，５２Ｒを形成するのに用いられるピエゾ抵抗材料は、ピエゾ抵抗のシート層３７を作製するための上述した組成と類似した組成を有することができる。
【００７９】
本発明による、導電糸をピエゾ抵抗材料の層でクラッディングすることによってピエゾ抵抗センサ糸を作製するための方法は、上記の例１、２及び３において説明した組成を有するピエゾ抵抗材料のスラリーを調合することを含む。次に、ＬＥＳＳ  ＥＭＦ社（住所：804 Madison Avenue, Albany, New York 12208）から入手可能であるカタログ＃１２４にある太さ１１７／１７  ２ｐｌｙの銀めっきナイロン糸等の高い導電性のポリマー糸が、スラリーが入った容器内に約１０秒間浸される。浸されている糸の端部は、容器から引き出され、そして、まだ濡れている間にスクレーパプレートを貫通する円形の開口を通して伸線される。
【００８０】
例示的な実施形態では、０．２５ｍｍのコアの直径を有し且つ約０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の直径で湿式コーティングされた導電糸は、０．４５ｍｍの直径を有する＃３６０のスクレーパーを通じて伸線され、その結果、約０．４５ｍｍの直径で湿式スクレーピングされることになる。次に、スクレーピングされた導電糸は、７０℃の温度に加熱された空気流の中に、１００ｍｍ／分の直線的な進行速度で５分間通され、これによって、約０．４ｍｍの直径を有する固まった被覆を形成した。
【００８１】
図３及び図４に示すように、行方向ピエゾ抵抗糸５１及び列方向ピエゾ抵抗糸５２は、接着性のある塊７４のような適切な手段によって、上側基材シート６３及び下側基材シート６５に固定される。基材シート６３，６４は、比較的弾性度の高い０．００３インチ（約０．０７６２ｍｍ）厚のエラストマーポリウレタン又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の薄く可撓性のある材料から作製される。
【００８２】
図３及び図８Ａ〜図８Ｃは、センサアレイ５０の行方向ピエゾ抵抗糸５１及び列方向ピエゾ抵抗糸５２の配列が、どのようにして個々の力検出素子６９を形成するかを示している。垂直圧縮力が次第に大きくなるのに応じて、行方向導電コア糸５１Ｃ及び列方向導電コア糸５２Ｃの上のピエゾ抵抗クラッディング層５１Ｒ，５２Ｒは、径が小さくなる楕円断面形状に次第に圧縮される。このため、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、各センサ素子７０の電気抵抗が、図７に示すように加えられた圧力に反比例して減少する。
【００８３】
図５は、図１及び図３に示し且つ上述したセンサアレイの変形形態７０を示している。変更が加えられたセンサアレイ７０は、代替として、図１に示す三層構造のセンサアレイ３０又は図３に示す二層構造のセンサアレイ５０を採用してもよい。変形形態は、導電糸の隣接する行同士及び／又は列同士の間に電気的に絶縁する材料を有するセンサアレイ７０を作り上げることによって構成される。このため、例えば、図３に示す二層センサ５０の変形形態７０は、細長い絶縁糸７１を含み、この絶縁糸７１は、隣接する行方向導電糸５１の各対の間及び隣接する列方向導電糸５２の各対の間に配置された、例えば０．０１２インチ（約０．３０５ｍｍ）の直径のポリエステルから作製される。
【００８４】
絶縁糸７１は、基材シート６３，６５（図２及び図４を参照されたい）に絶縁糸７１を接着結合する等の任意の適切な手段によって、適所に固定される。このように構成することによって、センサアレイ７０は、隣接する行方向導電糸５１の対又は列方向導電糸５２の対において、互いに接触してそれによる結果として誤ったセンサ素子抵抗の測定値及び力算出値をもたらすことになる短絡を生じる可能性がない状態で、不規則な形状の表面に形状が適合するように実質的にしわを入れられるか又は他のかたちで変形することが可能になる。任意選択的に、行方向導電糸及び列方向導電糸の隣接する対の間における絶縁は、導電糸を適所に保持するようにエアロゾルのアクリル絶縁塗料を軽く吹き付けることによって施されることができる。
【００８５】
図９〜図１２は、本発明によるピエゾ抵抗糸力センサアレイの三層の実施形態８０を示している。センサアレイ８０は、図１及び図２に示し且つ上述したセンサアレイの基本的な実施形態３０に類似している。しかしながら、センサアレイ８０は、ポリマーフィルムではなく織布から作製された上側基材シート８３及び下側基材シート８５を、用いている。この構成は、めっきされたナイロンコア又はめっきされたライクラコアから作製された伸縮性のある行方向導電糸８１及び列方向導電糸８２の使用を伴って、結果としてセンサアレイ３０よりもさらに、可撓性があり、弾性的に伸縮可能であり、且つドレープ性があるセンサアレイをもたらす。
【００８６】
図１０を参照することによって最もよく見て取ることができるように、センサアレイ８０は、上側織物基材シート８３の下側表面８４に固定され且つ平行で側方に間隔をあけて配置された行方向導電糸８１を複数含んでいる。行方向導電糸８１は、任意の適切な手段によって上側基材シート８３の下側表面８４に固定されている。好ましい実施形態では、図１０に示すように、各行方向導電糸８１は、より小さな直径の非導電糸９０で織物基材シート８３にこの行方向導電糸８１を縫いつけることによって、基材シートに固定され、非導電糸９０は、細長いジグザグ縫いのパターンで配列されて縫い付けている。例示的な実施形態では、糸９０は、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）〜０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）の直径のポリエステル１００％の編糸（woven thread）から構成される。より大きな力を測定するのに用いられるセンサアレイに対して必要なより大きな強度を有するために、糸９０は、任意選択的にモノフィラメントとすることができる。
【００８７】
本発明によるセンサアレイ８０の例示的な実施形態では、上側基材シート８３及び下側基材シート８５は、軽量で弾性的に伸縮可能な織物から作製され、以下の２つの織物のいずれもが、試験され、基材シート８３，８５に適切であることがわかった。これら２つの織物は、（１）ナイロン６９％及びスパンデックス３１％で組成され１．８ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（１．８オンス／平方ヤードで約０．０６１ｋｇ／ｍ2）の重量を有する、Ｍｉｌｌｉｋｅｎのブランド「Ｍｉｌｌｇｌａｓｓ」の型番＃２４７５７９と、（２）ナイロン８２％及びライクラ１８％で組成され３．２ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（３．２オンス／平方ヤードで約０．１０８ｋｇ／ｍ2）〜３．４ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（３．４オンス／平方ヤードで約０．１１５ｋｇ／ｍ2）の重量を有する、Ｍｉｌｌｉｋｅｎのブランド「Ｉｎｔｅｒｌｕｄｅ」の製品番号＃２４７２１１とである。上述した織物の双方が、Ｍｉｌｉｋｅｎ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ社（住所：23 Fiddler’s Way, Lafayette, NJ 07848）から入手可能である。
【００８８】
図１１に示すように、下側列方向導電糸８２は、非導電糸９０と同じタイプの非導電糸９１によって、同じジグザグの縫い方で下側織物基材シート８５の上側表面８６に固定されている。
【００８９】
図９及び図１２に示すように、三層の織物基材センサアレイ８０は、上述したセンサアレイ３０の中央のピエゾ抵抗シート３７と同様の組成及び構成を有することができる中央のピエゾ抵抗シート８７を含んでいる。
【００９０】
図１３Ｂを参照することによって最もよく見て取ることができるように、上側の行方向ピエゾ抵抗糸１０１は、ジグザグ縫いで配列された絶縁性縫製糸９０によって、上側織物基材シート１１３の下側表面１１４に取り付けられている。同様に、下側の列方向ピエゾ抵抗糸１０２は、ジグザグ縫いで配列された縫製糸９１によって、下側基材シート１１５の上側表面１１６に取り付けられている。
【００９１】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明によるピエゾ抵抗糸力センサアレイにおける二層の別の実施形態１００を示している。センサアレイ１００はセンサアレイ８０に類似している。しかしながら、センサアレイ１００では、行方向導電糸８１及び列方向導電糸８２はピエゾ抵抗糸１０１，１０２に置き換えられており、これらのピエゾ抵抗糸は、図３及び図４に示し且つ上述した二層のポリマーフィルム基材センサアレイ５０のピエゾ抵抗糸５１，５２と同じ特性を有している。この構成によって、上述した三層織物センサアレイ８０の中央のピエゾ抵抗シート８７が必要でなくなる。
【００９２】
図１４〜図１６は、力センサアレイにおける第５となる単層の実施形態１２０を示し、この実施形態では、行方向ピエゾ抵抗糸及び列方向ピエゾ抵抗糸は、絶縁性の単一の織物基材シート１２７の片側に取り付けられている。
【００９３】
図１４〜図１６に示すように、単層の織物状力センサアレイ１２０は、軽量で弾性的に伸縮可能な織物から作製された単一の基材シート１２７を有している。以下の２つの織物のいずれもが、リストに挙げられ、基材シート１２７の作製に適切であることがわかった。これらの織物は、（１）ナイロン６９％及びスパンデックス３１％で組成され１．８ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（１．８オンス／平方ヤードで約０．０６１ｋｇ／ｍ2）の重量を有する、Ｍｉｌｌｉｋｅｎのブランド「Ｍｉｌｌｇｌａｓｓ」の型番＃２４７５７９と、（２）ナイロン８２％及びライクラ１８％で組成され３．２ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（３．２オンス／平方ヤードで約０．１０８ｋｇ／ｍ2）〜３．４ｏｚ．／ｓｑ．ｙｄ．（３．４オンス／平方ヤードで約０．１１５ｋｇ／ｍ2）の重量を有する、Ｍｉｌｌｉｋｅｎのブランド「Ｉｎｔｅｒｌｕｄｅ」の製品番号＃２４７２１１とである。上述した織物の双方がＭｉｌｉｋｅｎ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ社から入手可能である。
【００９４】
平行で側方に間隔をあけて配置された複数の列方向ピエゾ抵抗糸１２２が、基材シートの上側表面１３０に固定されている。列方向ピエゾ抵抗糸は、ＬＥＳＳ  ＥＭＦから得られるカタログ＃Ａ−２６４の銀めっきナイロン糸、又は好ましくは伸縮性のある銀めっきナイロンヤーンから作製され、これらの双方がセンサアレイ３０の説明に伴って上述で詳細に説明されている。
【００９５】
単一の織物基材シートのセンサアレイ１２０における好ましい実施形態では、各列方向ピエゾ抵抗糸１２２は、細長いジグザグの縫いのパターンで配列されたより小さな直径の非導電糸９１によって、基材シート１２７に固定される。例示的な実施形態では、糸９１は、０．００５〜０．０１０の直径で１００％ポリエステルからなる。
【００９６】
図１４、図１５及び図１６に示すように、センサアレイ１２０は、平行で側方に間隔をあけて配置された複数の行方向ピエゾ抵抗糸１２１を含み、これら行方向ピエゾ抵抗糸１２１も、基材シート１２７の上側表面１３０に固定されている。図１６に示すように、ｍ本の行方向ピエゾ抵抗糸１２１は、糸９１と同じタイプの非導電糸９０によって同じジグザグの縫い方で、基材シート１２７に固定されている。
【００９７】
図１６に示すように、行方向ピエゾ抵抗糸１２１と列方向ピエゾ抵抗糸１２２とにおける対向する内側に面した外面１２８，１２９は、互いに接線接触している。このため、図１４〜図１６に示すように、行方向ピエゾ抵抗糸１２１と列方向ピエゾ抵抗糸１２２との各交差部が、ピエゾ抵抗センサ素子１３８を形成しており、このピエゾ抵抗センサ素子１３８は、互いに接線接触する行方向ピエゾ抵抗糸及び列方向ピエゾ抵抗糸におけるピエゾ抵抗被覆の小さな部分から構成される。
【００９８】
図１７は、図９、図１３又は図１４に示し且つ上述した織物基材シートを用いた力センサアレイの変形形態を示している。図１７に示すように、変更が加えられた力センサアレイ１４０の下側織物基材シート１４５は、このシートに下側の列方向ピエゾ抵抗導電糸１４２が取り付けられており、この導電糸１４２は、各糸の両端の間で、図１１に示すセンサアレイ８０の列方向導電糸８２のように平行な直線状の基線の真上に位置するのではなく、この基線に対し波状に湾曲している。この配列を有することによって、下側織物基材シート１４５は、列方向糸の基線に平行な方向において、より一層容易に弾性的に伸縮することができ、なぜなら、織物基材シート上の長手方向に離れた各点は、弾性的な伸縮能力がより低い導電糸によって、最大長が制限されることがないからである。このため、列基材シート１４５の伸縮性は、これが本来備えている伸縮性によってのみ制限され、なぜなら、列方向導電糸１４２の配列は、列方向導電糸１４２が、波状に湾曲した導電糸の山と谷との間の間隔を変更することによって、すなわち導電糸によって形成される波状曲線の空間波長（spatial wavelength）を変えることによって、基材シートのサイズに容易に適合することを可能にするからである。
【００９９】
任意選択的に、上側行方向ピエゾ抵抗糸１４１は、図１７に示す下側列方向ピエゾ抵抗糸と同様の方法で波状に配列されてもよく、それによって行方向導電糸と平行な方向でも、そして列方向ピエゾ抵抗糸に平行な方向でも、センサアレイ１４０の弾性コンプライアンス又は伸縮能力を向上させることができる。また、図１に示したタイプのような三層センサアレイの行方向導電糸及び列方向導電糸のいずれか又は双方を、向上した一軸の伸縮能力又は二軸の伸縮能力をもたらすように波状に配列することもできる。
【０１００】
図１８〜図２１は、図１４の単一の織物基材シートのセンサアレイ１２０における別の変形形態１８０を示している。センサアレイ１８０は、上側の行方向導電糸１８１及び下側の列方向導電糸１８２を有し、これらの導電糸１８１，１８２は双方とも、中央のピエゾ抵抗織物基材シート１８７の両側に波状に配列されている。この構成は、アレイ１８０に、列方向導電糸１８２に平行な方向でも、そして行方向導電糸１８１に平行な方向でも、より大きな弾性を与える。
【０１０１】
図２１Ａは、別の変形形態２００を示しており、この変形形態２００では、行方向ピエゾ抵抗糸２０１及び列方向ピエゾ抵抗糸２０２が双方とも、図１６に示すかたちで、波状に配列され且つ絶縁基材シート２１０の上側表面２１１に取り付けられている。
【０１０２】
図２２Ａは、線形配列のセンサ素子の個々の素子の抵抗を測定することで、各センサ素子に作用する力又は圧力の数値を求めるのに必要とされる導電性リード線の数を、示している。図２２Ａに示すように、単一で共通の導出導体（lead-out conductor）Ｃが、線形配列である交差させる導出導体Ｌｉ〜Ｌｎに、各交点でピエゾ抵抗材料によって接続され、それにより複数のセンサ素子Ｓｌ〜Ｓｎを形成する。このため、総計ｎ個のセンサＳに対して、各センサ素子Ｓｌ〜Ｓｎの個々の抵抗を測定してそれにより個々のセンサ素子それぞれに作用する力Ｆ１〜Ｆｎを求めるためには、ｎ＋１個に等しい総計Ｒの導出導体が必要である。
【０１０３】
図２２Ｂは、必ずしも線形配列されずに例えば個々の指先状部分に位置付けられる複数のセンサ素子Ｓｎ＋１，Ｓｎ＋２，Ｓｎ＋３を、示している。図２２Ｂに示すように、この構成にもｎ＋１個の導出導体が必要とされる。
【０１０４】
図７は、図１及び図２に示す例示的なセンサアレイ３０に対して列挙された配合を有し且つ上述したように作り上げられたピエゾ抵抗シート３７を用いた１平方インチ（約６．４５ｃｍ2）のピエゾ抵抗力センサ素子４８の電気抵抗を、センサアレイ３０の上側基材シート３３の上側表面４７上に作用する垂直力又は圧力の関数として、示している。図７に示すように、この抵抗は、垂直力の関数のとき反比例的に変化する。
【０１０５】
図１に示すように、列方向導電糸３２−ｌ〜３２−ｎと垂直な配置にある行方向導電糸３１−ｌ〜３１−ｍは、列方向導電糸と行方向導電糸との間のピエゾ抵抗層シート３７と共に、ｍ×ｎの力素子４８からなるｍ×ｎのマトリクスの矩形アレイを形成する。
【０１０６】
各センサ素子４８への上側の電気的接続部及び下側の電気的接続部が、他の各センサ素子への接続部から電気的に遮断されている場合、センサのそれぞれに対して導出導体の対が別々に必要となる。すなわち、Ｑ個のセンサ素子に対して総計２Ｑ個の導出導体が必要となり、或いは、図２２に示すように単一で共通の電極導出体が用いられる場合、総計Ｑ＋１個の導出体が必要となる。
【０１０７】
好ましい状態として、図１に示すように、センサアレイ３０は、ｍ行ｎ列のマトリクスに配置され、これによってＲ＝ｍ×ｎ個のみの導出導体を必要とする。しかしながら、図２３に示すように、センサアレイ３０におけるマトリクスアドレス指定が、個々のセンサ４８の抵抗を測定しそれによってセンサに対して作用する垂直力を求めるために、用いられる場合、アドレス指定されていないセンサへの並列電流路があることに起因して、アドレス指定されたセンサ４８の抵抗と選択されていないセンサの抵抗との間で実質的なクロストークが存在する。このクロストークの問題を回避するために、本発明者は、ダイオードのような特性をセンサ４８に与えるようにセンサ４８を改造するための方法を開発した。図２４を参照することによって確認できるように、非両方向性であり且つ極性の検出可能な伝達機能を有するセンサ素子４０同士の間のクロストークは、図２３に示す対称的な導電性があるセンサ４８のマトリクスにおいて存在するクロストークの問題を、軽減する。
【０１０８】
センサ素子４８は、以下のようにピエゾ抵抗層シート３７の作製（preparation）に変更を加えることによってダイオードのような特性を有するように改造される。つまり、最初に、ピエゾ抵抗層シート３７は、上述したプロセスによって作製される。次に、ピエゾ抵抗シート３７のピエゾ抵抗被覆３７Ａにおける上側表面４０又は下側表面４１が、その上にＰ−Ｎ半導体型接合を形成するように変更が加えられる。
【０１０９】
ピエゾ抵抗被覆３７ＡにＰ−Ｎ接合を形成するように変更を加えることは、最初に次のスラリーを調合することによって実施される。なお、このスラリーは、上述した３つの混合物例のうちの１つの組成を有するが、５０ミクロン径の粒子の微粉の形態で酸化銅（ＣｕＯ）をそれぞれ５ｍｌ加え、且つ５０ミクロン径の粒子の微粉の形態で亜酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）を５ｍｌ加え、そして上記の原料を十分にかき混ぜることによって、変更が加えられている。次に、その結果得られた溶液は、テトラヒドロホウ酸ナトリウム（ＮａＢＨ4）又はリン酸アンモニウムとしても知られる水素化ホウ素ナトリウムの溶液約３０ｍｇを用いて希釈され、約５．５のｐＨを有する溶液を形成する。次に、この溶液は、ピエゾ抵抗シート３７の上のピエゾ抵抗被覆３７Ｂにおける上側表面４０又は下側表面４１の上に塗られる。この塗布処理は、ローラー塗りの処理を用いて実施される。この処理の結果、１平方センチメートルあたり約０．５ｍｌの溶液が加えられる。表面の塗膜は次に、室温で且つ２０％未満の相対湿度で４時間で空気乾燥することができる。塗布された面が乾くと、この面は、Ｐ−Ｎ接合ダイオードのＰ型半導体として機能し、一方、塗膜３７Ｂが塗布されていない側は、Ｐ−Ｎ接合ダイオードのＮ型半導体として機能する。
【０１１０】
図２９は、上述したように作製されてダイオードのような特性が与えられたセンサ素子４８と、センサのＩ−Ｖ（電流対電圧）の伝達関数を得るための回路とを示している。図３０は、図２９のセンサ素子４８の場合の典型的なＩ−Ｖ曲線を示している。
【０１１１】
上述したように、ダイオードのように作用する半導体特性の層を付加することによってセンサアレイ３０のセンサ素子４８に変更を加えることの利点は、これによってセンサ同士の間のクロストークが低減することである。図２３に示すように、このクロストークは、いわゆる「平方完成（completing the square）」の現象に起因して発生する。この現象では、四角形の３つの角を形成するアドレス指定されていない３つの抵抗からなる正方マトリクスの配列において、３つの接続部が形成される。このため、縦の列にあるいずれの２つの接続部及び同じ行にある第３の接続部が、導体のＸ−Ｙアレイ内のいずれの接続部としても機能する。四角形の第４の角にある抵抗は、アドレス指定された抵抗と並列の疑似（phantom）として現れる。これは、電流がこの抵抗を通って逆方向に流れると共に他の抵抗器を通って順方向に流れることができるためである。この疑似の影響（contribution）を排除するためには、電子機器では、管理及びさらなる費用の追加を行わなくてはならない。例えば、図２３に示すように、電位Ｖが行方向導体Ｘ1と列方向導体Ｙ1との間に印加され、それによってピエゾ抵抗センサ抵抗Ｒ11の抵抗値を求める場合、「疑似」抵抗Ｒ22を通って流れる逆方向電流によって、抵抗値Ｒ12＋Ｒ22＋Ｒ22の集合がＲ11に分路を形成し、その結果、図２３において矢印によって示される並列電流路が生じる。この並列電流路によって、結果として以下の誤った抵抗値をうむ：
Ｒx1ｙ1＝Ｒ11／／（Ｒ12＋［Ｒ22］＋Ｒ21）、Ｒx1ｙ1＝Ｒ11（Ｒ12＋［Ｒ22］＋Ｒ21）／（Ｒ11＋Ｒ12＋［Ｒ22］＋Ｒ21）
ここでは、抵抗値を囲む角括弧は、時計回りの方向すなわち左斜め下方の方向ではなく、反時計回りの方向に電流がその抵抗器を通ることを示している。このため、例えば、上記で列挙した４つの抵抗のうちのそれぞれが１０オームの値を有している場合、Ｒ11の測定値は、
Ｒ11＝１０（１０＋１０＋１０）／（１０＋１０＋１０＋１０）＝３００／４０＝７．５オーム
となり、すなわちＲ11の実際の値１０オームを２５％下回る。３つのアドレス指定されていないピエゾ抵抗センサ４８の抵抗値Ｒ12、Ｒ22及びＲ21がそれぞれ、より低く、例えば１オームである場合、これらのセンサ素子４８に集まる力がより大きくなるため、Ｒ11の測定値は、
Ｒ11＝１０（１＋１＋１）／（１０＋１＋１＋１）＝３０／１３＝２．３１オーム
となり、すなわちＲ11の実際の値を約７７％下回る値となる。
【０１１２】
一方で、図２４に示すように、ダイオードを各ピエゾ抵抗センサ素子４８と直列に配置することによって、センサ素子、例えばＲ22を通る試験電流が逆方向である反時計回り方向に流れる際に測定される素子の電気抵抗は、実際上任意の大きさであるか、又は図２３及び図２４に示す他の抵抗を通る電流の時計周りの順方向の経路を流れる場合と比較して無限大である。このケースでは、それぞれが１０オームの値を有する２×２のマトリクスの４つの抵抗に対して測定される抵抗値は、
Ｒx1y1＝１０（１＋∞＋１）／（１０＋１＋∞＋１）＝１０オーム
となり、すなわち正しい値となる。このため、各センサ素子４８に、ｐ−ｎ接合を含みそれによってこのセンサ素子にダイオードのような特性を与えるように変更を加えることは、各センサ素子４８を通って流れる逆電流を電気的に分離する、すなわち阻止する。このことによって、各センサ素子４８の電気抵抗の正しい値及びそれによる各センサ素子４８に対して加えられる力は、センサ素子毎に別々になった導体の対を必要とするのではなく、行及び列のマトリクスのアドレス指定をＲx1ｙ1が用いて、正確に測定することが可能になる。
【０１１３】
図２５は、本発明による力測定装置１５０を示している。本装置は、上述したセンサアレイのうちの任意のタイプを用いることができるが、図２５に示す特定の例では、図５に示すタイプのセンサアレイ７０を用いている。
【０１１４】
図２５に示すように、力測定装置１５０は、１６本ずつの行方向導電糸及び列方向導電糸のマトリクスをそれぞれが有する４つのセンサアレイ７０−１、７０−２、７０−３及び７０−４を用いた。４つのアレイは、正方マトリクスに配列され、これによって、導電糸の交差部で３２×３２＝１０２４個のセンサ素子８８を形成する３２行×３２列の導電糸からなる複合センサアレイ７０−Ｃを形成する。図２５に示すように、３２本の行方向導電糸の導出線のそれぞれ及び３２本の列方向導電糸の導出線のそれぞれが、１対の電気的インタフェースコネクタ１５３−１，１５３−２の複数のコネクタピン１５４−１〜１５４−６４における別々になった導電性コネクタピンに接続される。
【０１１５】
図２６は、上述した力センサ装置１５０を利用する力測定システム１６０を示している。
【０１１６】
図２６に示すように、力測定システム１６０は、力センサインタフェースモジュール１６２を通じて力センサ装置１６０の力センサアレイ７０に双方向に結合されたコンピュータ１６１を備えている。このセンサインタフェースモジュール１６２は、デジタル−アナログ（Digital-to-Analog）変換器（ＤＡＣ）１６３を備え、ＤＡＣ１６３は、コンピュータ１６１からの制御信号に応答して、マトリクスアドレス指定された個々の力センサ８８に向けられる試験電圧又は試験電流を生成するためのものである。
【０１１７】
図２６に示すように、個々の力センサ素子８８は、ＤＡＣ１６３により制御される電流源又は電圧源の一方の端子を、Ｘマルチプレクサ１６４によってＸ行方向導体５１−ｌ〜５１−ｍのうちの選択された１つに接続し、且つ、上記電流源又は電圧源の他方の端子をＹマルチプレクサ１６５によってＹ列方向導体５２−ｌ〜５２−ｍのうちの選択された１つに接続することによって、アドレス指定される。また、センサインタフェースモジュール１６２は、アナログ−デジタル（Analog-to-Digital）変換器（ＡＤＣ）１６６も備え、ＡＤＣ１６６は、試験電流又は試験電圧の印加の結果として生じるセンサ素子８８を通じた電圧降下又は電流を測定し、測定値をコンピュータ１６１に入力する。所定の基準化因子（scale factor）を使用して、コンピュータ１６１は、選択されたアドレス指定センサ素子８８の電気抵抗の瞬時値を計算し、その抵抗値から、そのアドレス指定センサに対して瞬間的に加えられた対応する垂直力を計算する。
【０１１８】
コンピュータ１６１によって周期的に発信される制御信号に応答して、Ｘマルチプレクサ１６４及びＹマルチプレクサ１６５は、各力センサ素子８８の抵抗を、例えば毎秒３０００サンプルの比較的高速なレートで周期的に測定するように、用いられ、コンピュータ１６１が上記サンプリングレートで各力センサ８８に作用する力を計算することを可能にする。
【０１１９】
測定システム１６０は、オペレータインタフェースブロック１６７を有し、このオペレータインタフェースブロック１６７は、センサ素子８８によって測定された力又は圧力の値が、数値、グラフ或いは圧力／力マップ、若しくは、数値及びグラフ或いは圧力／力マップとしてコンピュータモニタ１６８のディスプレイ画面上に表示されること、又は、プリンタ等の周辺デバイス若しくはインターネット等のネットワークにＩ／Ｏブロック１６９を通じて出力されることを可能にする。
【０１２０】
図２７Ａ及び図２７Ｂは、上述した導電糸を用いた新規なセンサアレイのうちの１つを備える靴下１７０を示しており、この新規なセンサアレイは、図１４〜図１６又は図１７〜図２０に示す単層である織物基材ピエゾ抵抗糸センサアレイ等である。
【０１２１】
図１７に示すように、靴下１７０は、図１４〜図１６に示し且つ上述した平面状力センサアレイ１２０の変形形態である単層の織物状力センサアレイ１８０を備えている。力センサアレイ１８０を形成するための力センサアレイ１２０の変形は、力センサアレイ１２０の左側の縁及び右側の縁を紙面上から上方に持ち上げて合わせ、そして中空の円筒管を形成するのを考えることで、最も良好に想像することができる。
【０１２２】
そして、センサアレイの位置がそろった縁からの行方向導体糸の突出部１２１は、第１の行方向導体リボンケーブル１８１に導電可能に固定される。巻かれたセンサアレイの１つの縁から突出する列方向導電糸は、第２の列方向導体リボンケーブル１８２に導電可能に固定される。センサアレイ１２０の縁から突出する外側端部１８３，１８４は、図２６に示し且つ上述したような抵抗測定回路に電気的に接続される。
【０１２３】
図３１〜図３４は、本発明による導電糸を用いた織物基材力センサアレイの変形形態を示している。この変形形態では、導電糸は、縫い付けによる固定を用いることなく、導電糸に直接塗布された接着剤によって織物基材シートに固定されている。このため、まず、三層の織物状センサアレイ１９０は、平行で間隔をあけて配置された複数の行方向弾性導電糸１９１を有し、この導電糸１９１は、３ミリ厚のポリエステル又は上述のＭｉｌｌｉｋｅｎの２つの織物のいずれかのうちから作製された伸縮可能な上側織物基材シート１９３の下側表面１９４に、接着結合されている。また、センサアレイ１９０は、伸縮可能な下側織物基材シート１９５の上側表面１９６に接着結合された、平行で間隔をあけて配置された複数の列方向弾性導電糸１９２も有している。上述した方法でピエゾ抵抗特性が与えられるように作製された伸縮可能な織物の薄いシートは、行方向導電糸１９１と列方向導電糸１９２との間に位置決めされた中央のピエゾ抵抗層１９７を構成している。次に、上述した３つの層は互いの上に積み重ねられ、そして、これら３つの層を一緒に接着してこれにより完成したセンサアレイ１９０を形成するために、３つ全ての層の織物基材の網目の開口を通ってドット状のにかわが注入される。
【０１２４】
図３３に示すセンサアレイ２００は、単一の基材シート２０７を利用している。絶縁糸２１０，２１１によって分離される行方向導電糸１９１及び列方向導電糸１９２は、両面テープの帯２１３，２１４によって、シート２０７の上側表面２１２及び下側表面２１３に接着されている。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２１Ａ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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