110愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

センサタイルカーペットの開発
堀場隆広＊１、池口達治＊２

Development of Sensor Tile Carpets
Takahiro HORIBA *1 and Tatsuharu IKEGUCHI *2
Owari Textile Research Center, AITEC ＊ 1 ＊ 2

タイルカーペットにセンサ機能を備えたセンサタイルカーペットを試作した。試作したセンサタイルカーペットは静電容量型の力を検出するセンサである。このカーペットに人が乗ったことをセンシングするために、センシング回路を試作した。９枚のセンサタイルカーペットを作製するために、タイルカーペッ
ト の セ ン シ ン グ 回 路 を プ リ ン ト 基 板 化 し た 。 セ ン サ タ イ ル カ ー ペ ッ ト を ３ ×３ の ブ ロ ッ ク に 配 置 し て 、 人が 乗 っ た 位 置 に 対 応 す る LED(発 光 ダ イ オ ー ド )を 点 灯 す る こ と が で き た 。

１．はじめに

２．実験方法当センターでは、今まで、静電容量型のセンサ織物の2.1 センサの静電容量の計測原理

試作とセンサ織物の織構造と、センサ織物の特性およびセンサカーペットは静電容量型のセンサである。図１

評価をしてきた。しかし、具体的な応用製品については、

で示すように、センサタイルカーペットに電圧 E の電池開発してこなかった 1)。

で、電荷を充電し、抵抗 R を通して電荷を放電すると、応用製品の一つとしてセンサカーペットが挙げられる。

センサの電圧がしだいに小さくなる。センサの両端の電センサカーペットをセキュリティ目的で利用すると、オ圧が、定められた電圧 V1 になった時刻を t1 と、次の定フィスや民家の侵入者を検出することや侵入者の行動をめられた電圧 V2 になったときの時刻を t2 とする。二つ把握することができる。の電圧間を通過する計測時間 tm(tm = t2 - t1)からセンサ

大規模商業施設で利用すると店内の人の流れやお客がの静電容量（キャパシタンス）C が求められる。抵抗 Rどの商品に興味をもっているかを把握することや、火災を通して電荷を放電すると、t 時刻後のセンサの両端のや地震の緊急時に、店内や建物に残された人数の把握や電圧 V(t)は次式で表される。
V(t) = Ee-t/RC

避難誘導などに用いることができる。
福祉利用では、一人暮らしの老人の安否を確認するこ(1)

これに電圧 V1 と V2 になったとき、そのときの放電時
刻 t1 と t2 を(1)式に代入すると(2)式の連立方程式が得らとなどに利用できる。
このようにセンサカーペットはさまざまな用途に利用れる。

できると考えられる。しかし、静電容量型のセンサは面V1 = Ee-t1/RC

積が大きくなると、周辺のノイズ、例えば、掃除機のモV2 = Ee-t2/RCータのノイズや雷などの影響を受けやすく、これが、セ(2)式からセンサの静電容量 C を求めると(3)式になる。
C = (t2-t1)/{R(ln(V1)-ln(V2))}

ンサの誤動作の原因になると予想される。
本研究では、ノイズの影響を少なくするという目的で、センサタイルカーペットを提案した。センサタイルカー

(2)

(3)

抵抗 R は固定値で、電圧 V1 と V2 は定められた電圧であることから定数 k を次のようにおいた。
ｋ= 1/{R(ln(V1)-ln(V2))}

ペットはセンサ１枚の面積が小さいので、ノイズの影響(4)が小さくなる。実験では、９枚のセンサタイルカーペッ(3)式を k と tm = t2 - t1 で表すと、式が簡略化でき、(5)トを試作して、人の位置を検出する実験をしたので報告式になる。
C = k tmする。

(5)

つまり、静電容量 C は計測時間 tm に比例することが分かる。
*

1 尾張繊維技術センター

開発技術室

*

2 尾張繊維技術センター

開発技術室(現産業労働部 地域産業課)

●111───────────────────────────────────────────────C ∝ tm(6)
サイズ：30cm×30cm
色：ピンク、グレー
素材：
表面：ポリプロピレン
裏面：EVA樹脂
センサ：静電容量型

この結果から、静電容量を放電の計測時間として表現すれば、計測プログラムを簡単化することができ、実数を用いないで、センサの静電容量を整数のみで表現することができる。これによって実数演算機能のない小型の試作したカーペットの構造

安価な組み込み用マイコンを用いて、容易に静電容量の図3

センサタイルカーペットの断面計測と処理が可能となる。
も同一構造である。
このセンサタイルカーペットを用いて、人が乗ったこVEとを検出した。このカーペット表面全体に力を均等に加V(t)=Ee -t/RC

えて、力－静電容量特性を測定した。測定はセンサタイ

電圧tm

ルカーペット上に、これと同じ大きさの板を置き、その上におもりを置き、徐々におもりを増やしたときの静電容量の変化を計測した。その結果を図 4 に示した。このV1

特性のグラフは横軸にかけた力（おもりの重さ）を表し、V20t1t2t時間

縦軸にセンサタイルカーペット 1 枚の静電容量を表している。この特性から、0(kgW)から 3(kgW)では、静電容量の変化が大きく、3(kgW)以上は変化が小さいことが分

図１

センサの放電特性かった。
0.67

2.2 センサタイルカーペット

0.66

試作したセンサタイルカーペットを図 2 に示す。この0.65

タイルカーペットは 1 辺が 30cm×30cm の大きさである。
タイルカーペットは 3 層構造になっており、最上層の起毛の素材はポリプロピレンからできている。2 層目の基布の素材は EVA 樹脂からできている。最下層は静電容量型のセンサからできている。今回は、市販のタイルカーペットを改造して試作したので、最もセンサを取り付けやすい最下層に取り付けた。

0.64
静電容量(nF)

このセンサタイルカーペットの断面を図 3 に示す。この0.630.620.610.60.590.580.57
0246810力(kgW)

図4力－静電容量特性

2.3 センシングチップの作製
アナログ回路とデジタル回路の再構成が可能で、マイコンが内蔵されているチップを用いて、センサタイルカーペットのセンシング用のチップを試作した。このチップは表面実装の部品なので、取り扱いや実装が難しいので、ピンを引き出すための基板を用いた。引き出した端子にソケットを取り付け、基板に取り付けられるように
図2

試作したセンサタイルカーペットした。これによって、すぐにチップのプログラムを交換したいときやチップに問題が起こったときに、直ちに部

タイルカーペットの色はセンサのブロックが視覚です品を交換できるようにした。

ぐに判るように、ピンクとグレーの 2 種類の色を用意し試作したチップの写真を図 5 に示す。作製したチップた。ピンクとグレーのセンサタイルカーペットはどちらは表面実装用の 44 ピンの TQFP パッケージを用いた。

112
愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────
した時点で、回路の動作検証をするために、1 台の回路をユニバーサル基板に部品の配置と部品を結線して作製した。そして、基板の動作を確認した。

図5

試作したチップ

2.4 静電容量センシング回路
センサタイルカーペットの上に人が乗った判定はセンサタイルカーペットの静電容量の検出と、あらかじめ設定した閾値を比較することによって行った。
試作した静電容量計測回路のブロックを図 6 に示す。
この回路は主に 3 つのブロックに分かれている。センサ

図7

PCB CAD による回路の作成

タイルカーペットのセンサの静電容量を計測するためのパルスを発生する静電容量計測パルス生成回路と、セン動作が確認できた時点で、図 8 の写真に示すように、サタイルカーペットに溜まった電荷を放電したときの時回路から基板の大きさと部品の大きさと、部品の配置を間を計測する静電容量計測回路からなる。
また、静電容量計測回路で計測された時間をコンピュータコアのプロセッサで読み取り、その値を静電容量の大きさとして、あらかじめ内部に設定してあった静電容量の閾値を用いて、判定結果を出力した。また、その表示を LED(発光ダイオード)で行った。
LCD(液晶表示器）はチップの回路作製とプログラムをデバッグするために取り付けた。この回路をマイコンとデジタル回路とアナログ回路の再構成可能なチップに組み込んだ。
図8
LCD(液晶表示器)
LED
計測プログラムシステム
クロック

コンピュータコア

割り込み

静電容量

静電容量計測パルス生成回路

静電容量計測回路

td

Ts(0.1s)

プリント基板 CAD(PCB CAD)で決定した。また、左中央に基板の状態を表示する LED を配置した。上中央にLCD の接続端子を配置した。この部品の配置をもとに、2 層のプリント基板のパターンを作製した。プリント基

抵抗(R)f (12MHz)PCB CAD による部品配置

td板のパターンを作製した結果を図 9 の写真に示す。

VHIVLO

センサタイルカーペット

図6

静電容量計測回路

2.5 センサタイルカーペット基板
センサタイルカーペットに組み込む基板を試作した。
当センターには、タイルカーペットの製造装置がないた
め、回路をセンサタイルカーペットの内部に組み込むことができないので、この実験では、基板をタイルカーペットの外部に置いた。センサタイルカーペットの基板はプリント基板 CAD(PCB CAD)のフリーソフトを用いて試作した。基板は 2 層基板を用いた。図７の回路が完成

図9

プリントパターンの作製●113───────────────────────────────────────────────
完成したパターンからガーバーデータを抽出して、そのデータを基板製造業者に渡し、プリント基板を作製した。
この基板は 2 層で、部品面(表面)にシルク印刷で、部品名を印刷した。また、ハンダ面(裏面)はパターンのみの基板である。図 10 に、部品を実装して完成した基板を示した。中央の黒い正方形の部品が、今回、開発したチップである。

図 11 完成したセンサタイルカーペット

４.結び
本研究では、タイルカーペットに静電容量型の力センサを付けたセンサタイルカーペットを提案し、センサタイルカーペットを試作した。また、センサタイルカーペ
ットのセンサの静電容量を計測するために、センサカーペットのセンシング原理について言及した。この結果を踏まえ、センサタイルカーペットの試作とセンシング回路を試作した。センシング回路は枚数を必要とするため、
図 10 完成した基板

プリント基板 CAD を用いて、プリント基板を作製した。
９枚のセンサタイルカーペットと９枚のセンシング回路

基板のチップのすぐ下のすぐ左側のソケットはセンサに基板を用いて、人の乗った位置を検出することができた。

接続するためのソケットである。右のソケットはパソコ

今後の課題として、基板を表面実装によるフレキシブンの開発システムからチップにデータを転送するためのル基板にすることにより、より薄くし、センサタイルカソケットである。左中央の LED は情報を表示するためーペット内部に埋め込むことを考える。のものである。その上は 5V の定電圧電源回路である。

チップは衝撃に弱いので、人が、センサタイルカーペ

また、チップの上の黒いソケットはデバッグのために文ットの上に乗ったときのチップの耐久性について調査す

字などを表示する LCD(液晶表示器)に接続するためのソることと、チップは非常に静電気に対して壊れやすいのケットである。LCD ソケットの左下の半固定抵抗はで、カーペット内部で発生する静電気によるチップへのLCD の輝度を調整するためのものである。LCD ソケッ影響についても調査する。

トの右の赤い端子は LCD の電源の極性を切り替えるためのものである。

また、センサタイルカーペットとセンサタイルカーペ
ットの境界に、人が立ったときのセンサの反応や、子供がカーペットに乗ったときの判定をどのようにするかな

３．実験結果および考察

どの問題についても考える。

試作した 9 枚のセンサタイルカーペットに基板を接続した。そして、３×3 に配置したセンサタイルカーペッ

付記

トの写真を図 11 に示す。この基板を７V の電源に接続し本研究は、独立行政法人科学技術振興機構地域イノベた。電源を長いケーブルでセンサタイルカーペットに接ーション創出総合支援事業重点地域研究開発推進プログ

続するために、ケーブルでの電圧降下を考慮し、各々のラム平成 20 年度「シーズ発掘試験」により行った研究基板内に、5V の定電圧電源回路を組み込んである。

である。

各々のタイルカーペットのセンサ端子を各々の対応す文献るセンサ端子に接続した。
そして、このセンサタイルカーペットに乗るとタイルカーペットに対応した LED が点灯することを確認した。

1) 池 口 、 堀 場 : 愛 知 県 産 業 技 術 研 究 所 研 究 報

告,6,132(2007)
2) 堀 場 、 池 口 : 愛 知 県 産 業 技 術 研 究 所 研 究 報

告,7,114(2008)