特開 2023-3244 静電容量型センサ、変形検出システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023003244

(43)【公開日】2023-01-11

(54)【発明の名称】静電容量型センサ、変形検出システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20221228BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021104313

(22)【出願日】2021-06-23

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和二年度、国立研究開発法人科学技術振興機構 研究成果展開事業 センター・オブ・イノベーションプログラム『運動の生活カルチャー化により活力ある未来をつくるアクティブ・フォー・オール拠点』委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】塩澤 成弘

(72)【発明者】

【氏名】後藤 大輔

(72)【発明者】

【氏名】岡田 志麻

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA25

2F063BA29

2F063BB01

2F063BD11

2F063CA09

2F063CA10

2F063CC07

2F063DA02

2F063DA05

2F063DC08

2F063DD02

2F063EC03

2F063EC07

2F063EC14

2F063EC15

2F063EC24

(57)【要約】

【課題】計測対象の変形の阻害を抑制しつつ、計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供する。
【解決手段】静電容量型センサ１０は、積層方向の第１の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状の第１導電層１１と、積層方向の第２の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状の第２導電層１２と、第１導電層１１と第２導電層１２との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状の第３導電層１３と、第１導電層１１と第３導電層１３との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の第１絶縁層１４と、第２導電層１２と第３導電層１３との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の第２絶縁層１５とを備え、第１導電層１１と第３導電層１３と第１絶縁層１４によって第１コンデンサ２１が構成されており、第２導電層１２と第３導電層１３と第２絶縁層１５によって第２コンデンサ２２が構成されている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層方向の第１の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第１導電層と、
積層方向の第２の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第３導電層と、
前記第１導電層と前記第３導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第１絶縁層と、
前記第２導電層と前記第３導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第２絶縁層と
を備え、
前記第１導電層と前記第３導電層と前記第１絶縁層によって第１コンデンサが構成されており、
前記第２導電層と前記第３導電層と前記第２絶縁層によって第２コンデンサが構成されている静電容量型センサ。

【請求項2】

変形前の状態において、
前記第１コンデンサの静電容量と、前記第２コンデンサの静電容量とが同じである請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項3】

前記第１導電層と前記第２導電層は、同一の材料で構成される請求項１又は請求項２に記載の静電容量型センサ。

【請求項4】

前記導電層と前記絶縁層の伸長率が１２０％以上に設定される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。

【請求項5】

前記導電層と前記絶縁層の積層方向の厚さが０．５ｍｍ以下に設定される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。

【請求項6】

前記導電層の表面抵抗率が１００Ω／ｓｑ．以下に設定される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。

【請求項7】

前記絶縁層の誘電率が３以上に設定される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の静電容量型センサと、
前記第１コンデンサの静電容量の変化と、前記第２コンデンサの静電容量の変化に基づいて変形を計測する計測部と
を備えた変形検出システム。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の静電容量型センサを使用した変形検出方法であって、
前記第１コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第２コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの静電容量のそれぞれの変化量に基づいて変形を検出する変形検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量型センサ、変形検出システム及び変形検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

静電容量型センサとして、シート状に形成された一対のコンデンサを積層させて、それぞれの静電容量の変化に基づいて曲げを検出するように構成したものが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、基準部材に対して積層方向の一方側と他方側とにシート状のコンデンサを一対に設け、一対のコンデンサの静電容量の変化に基づいて曲げ変形を検出する静電容量型センサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５４９６４４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この種の静電容量型センサのうち、特に、生体の形状変化等を計測対象とした場合、センサを計測対象例えば、皮膚や衣類等に貼り付けた際に、計測対象の変形が阻害されることを抑制するために、計測対象と同等もしくはそれ以上の柔軟性（弾性変形のしやすさ）を有することが望まれる。

【0006】

特許文献１に開示された静電容量型センサでは、一対のコンデンサが積層されているため、静電容量型センサが１つのコンデンサで構成される場合に比べて、剛性が高くなり柔軟性が低下して計測対象に拘束感を与える虞がある。

【0007】

本発明は、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様は、積層方向の第１の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第１導電層と、
積層方向の第２の端部に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第３導電層と、
前記第１導電層と前記第３導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第１絶縁層と、
前記第２導電層と前記第３導電層との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第２絶縁層と
を備え、
前記第１導電層と前記第３導電層と前記第１絶縁層によって第１コンデンサが構成されており、
前記第２導電層と前記第３導電層と前記第２絶縁層によって第２コンデンサが構成されている静電容量型センサを提供する。

【0009】

本発明によれば、静電容量型センサは、第１コンデンサと第２コンデンサとが、第３導電層を共有して構成されているので、第１コンデンサと第２コンデンサとを個別に設ける場合に比べて、基準部材と基準部材の一方側に配置される導電層との２つの部材が不要になるので、静電容量型センサの厚みが低減する。その結果、静電容量型センサの剛性が低減されて、計測対象の変形への追従性を向上できる（計測対象の変形が阻害されることが抑制される）。また、部材の削減によって、コストも低減できる。

【0010】

さらに、第１コンデンサと第２コンデンサとは、第３導電層を共有しているため、例えば、第１コンデンサと第２コンデンサの静電容量の差分から曲げ変形を計測する場合に、第１コンデンサと第２コンデンサとの間に基準部材を設ける場合に比べて、第１及び第２コンデンサの特性を合わせやすく、コンデンサのばらつきが抑制されるので、コンデンサのばらつきを較正するためのコストを削減できる。

【0011】

変形前の状態において、前記第１コンデンサの静電容量と、前記第２コンデンサの静電容量とが同じであってもよい。

【0012】

変形後の第１コンデンサの静電容量と、第２コンデンサの静電容量との差から変形を検出できるので、変形前に第１コンデンサと第２コンデンサの静電容量の差がある場合に比して、変形量の算出が簡素化できる。変形前後の第１コンデンサの静電容量の変化及び第２コンデンサの静電容量の変化を求める必要がない。

【0013】

前記第１導電層と前記第２導電層は、同一の材料で構成されてもよい。

【0014】

本構成によれば、第１コンデンサと、第２コンデンサの特性を一致させることができるので、第１コンデンサと第２コンデンサのばらつきによるコストの増大が回避できる。

【0015】

前記導電層と前記絶縁層の伸長率が１２０％以上に設定されてもよい。

【0016】

本構成によれば、計測対象に対する追従性が得られる。

【0017】

前記導電層と前記絶縁層の積層方向の厚さが０．５ｍｍ以下に設定されてもよい。

【0018】

本構成によれば、静電容量型センサの剛性が過度に増大することによる計測対象の変形を阻害しにくい。

【0019】

前記導電層の表面抵抗率が１００Ω／ｓｑ．以下に設定されもよい。

【0020】

本構成によれば、導電層内に配合される導電性フィラーの配合量が多いほど導電性フィラー同士の接触が増加し、導電層内の電荷の分布の偏りを抑制できるので、計測精度を向上できる。また、導電層内での導電性フィラー間での静電容量型の結合が抑制されて、応答性と計測精度を確保できる。

【0021】

前記絶縁層の誘電率が３以上に設定されてもよい。

【0022】

本構成によれば、誘電率を高めることで、静電容量を増大させることができるので、変形時の静電容量が計測しやすく、計測対象の変形を計測しやすい。

【0023】

本発明の第２の態様は、前記静電容量型センサと、
前記第１コンデンサの静電容量の変化と前記第２コンデンサの静電容量の変化に基づいて変形を計測する計測部と
を備えた変形検出システムを提供する。

【0024】

本発明によれば、前記静電容量型センサで得られる効果が変形検出システムでも得られる。

【0025】

本発明の第３の態様は、前記静電容量型センサを使用した変形検出方法であって、
前記第１コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第２コンデンサの静電容量の変化量を算出し、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの静電容量のそれぞれの変化量に基づいて変形を検出する変形検出方法を提供する。

【0026】

本発明によれば、前記静電容量型センサで得られる効果が変形検出方法でも得られる。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ、計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の一実施形態に係る変形検出システムのブロック図。

【図2】静電容量型センサの使用例を説明するための図。

【図3】本発明の一実施形態に係る静電容量型センサの斜視図。

【図4】図３におけるＩＶ－ＩＶ線に沿った静電容量型センサの断面図。

【図5】静電容量型センサが凸状変形した状態における変形検出システムのブロック図。

【図6】静電容量型センサが凹状変形した状態における変形検出システムのブロック図。

【図7】静電容量型センサについて、曲げ変形時の実測値と静電容量値の変化量に基づいた計測値とを比較して示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の一実施形態として静電容量型センサ１０を備えた変形検出システム１が示されている。

【0030】

変形検出システム１は、全体として曲げ変形可能な静電容量型センサ１０を備える。静電容量型センサ１０は、図２に示されているように例えば、人体９の膝部分９１（計測対象）の皮膚もしくは衣服に貼り付けられた状態で膝部分９１の伸び変形（長さ）及び曲げ変形（角度）が検出されるようになっている。

【0031】

変形検出システム１では、静電容量型センサ１０で検出される静電容量Ｃまたは静電容量の変化量ΔＣから伸び変形（長さ）及び曲げ変形（角度）を変形量として計測するようになっている。なお、図１～６では、静電容量型センサ１０の構造をわかりやすくするために要部を誇張して示しており、各部材や各部位の寸法や形状を正確に表すものでない。

【0032】

静電容量型センサ１０は、図３に示すように、積層方向の第１の端部（図３において上端部）に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第１導電層１１と、積層方向の第２の端部（図３において下端部）に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第２導電層１２と、第１導電層１１と第２導電層１２との間に配置されると共に弾性変形可能なシート状導体からなる第３導電層１３と、第１導電層１１と第３導電層１３との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第１絶縁層１４と、第２導電層１２と第３導電層１３との間に配置されており、弾性変形可能なシート状の絶縁体からなる、第２絶縁層１５とを備える。

【0033】

静電容量型センサ１０の製造方法は、以下のようにして製造することができる。まず、第１～第３導電層１１，１２，１３、第１及び第２絶縁層１４，１５、及び、各導電層及び各絶縁層１１～１５を接着するためのホットメルトシート（図示せず）を準備する。

【0034】

次に、各導電層及び各絶縁層１１～１５とホットメルトシートを所定の大きさに切り出し、各導電層及び各絶縁層１１～１５をそれぞれ当接させて積層する（図３参照）。このとき、本実施形態においては、各導電層及び各絶縁層１１～１５間にホットメルトシートを挟んでおく。

【0035】

その後、積層された各導電層及び各絶縁層１１～１５とホットメルトシートの積層方向の一方側から、熱圧着機等によって、圧力をかけながら加熱することで、各導電層及び各絶縁層１１～１５とホットメルトシートが接着されて、静電容量型センサ１０が完成する。

【0036】

第１導電層１１、第１絶縁層１４、第３導電層１３により第１コンデンサ２１が形成され、第２導電層１２、第２絶縁層１５、第３導電層１３により第２コンデンサ２２が形成されている。第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２は、厚み方向に積層されている。

【0037】

第１～３導電層１１，１２，１３及び第１～２絶縁層１４，１５は、伸縮性及び柔軟性（フレキシブル性）を有するエラストマによって形成されている。計測対象としての人体の関節部分、背中部分、胸部等に貼付けられた状態で、人体の動き（変形）を阻害せずに容易に弾性変形し得るような伸縮性を備える。

【0038】

例えば、各導電層１１，１２，１３及び各絶縁層１４，１５の伸び率（伸長率）は、１２０％以上に設定されている。具体的には、例えば、伸縮性及び柔軟性を有するエラストマとして、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、天然ゴムが用いられる。なお、伸び率は、引張試験において各導電層及び各絶縁層（試験片）が破断するまでに、試験片上の標線間に生じた伸びと標線間距離との比である。また、例えば、人体を計測する上では、各導電層１１，１２，１３及び各絶縁層１４，１５の柔軟性は高い方が好ましく、柔軟性と置き換え可能な弾性率（ヤング率）は、１２０ＭＰａ以下に設定されている。

【0039】

各導電層１１，１２，１３及び各絶縁層１４，１５の材料はこれに限られるものではなく、各導電層１１，１２，１３及び各絶縁層１４，１５の断面形状や断面積、長さなどの具体的形状を考慮して曲げ変形の特性を設定することができる。例えば、計測対象とされる人体の筋力や装用する部位などに応じて、耐久性や変形への追従性などを考慮して、材料は適宜に設定できる。

【0040】

図２に示すように、計測対象の膝部分の曲げ変形を測定する場合においては、膝部分の変形の検出感度を向上させるために、所定の幅を有する薄肉の一定断面で長さ方向（図２の上下方向）に延びる略矩形の短冊状とされることが好ましい。静電容量型センサ１０の剛性によって膝部分の曲げ変形が阻害されないように、各導電層１１，１２，１３及び各絶縁層１４，１５の膜厚（積層方向厚さ）が０．５ｍｍ以下に設定されている。

【0041】

ここで、導電層の面積Ｓ、導電層間距離（＝絶縁層の厚さ）ｄ、絶縁層の誘電率εとすると、静電容量Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）の関係があり、導電層間の距離ｄが短くなると静電容量は増大し、導電層間の距離ｄが長くなると静電容量は減少する。導電層の面積Ｓが大きくなると静電容量は増大し、導電層の面積Ｓが小さくなると静電容量は減少する。検出精度の向上のために、各絶縁層１４，１５の誘電率が３以上に設定されている。

【0042】

上述のように、各導電層１１，１２，１３は、エラストマ製とされるが、導電性を付与するために、炭素材料や金属等の微粒子からなる導電性フィラーとの混合物からなるエラストマ組成物で形成される。導電性フィラーとしては、例えば、銀粉末やカーボン粉末が採用され、各導電層１１，１２，１３の伸縮性等を確保しつつ所望の導電性を備えさせるために、例えば各導電層１１，１２，１３の質量を１００％とした場合の１０～７０％以下の配合量で、導電性フィラーがエラストマ材料に混合される。

【0043】

検出精度を高めるために、変形前の状態における第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の静電容量を一致させることが好ましい。少なくとも第１導電層１１及び第２導電層１２は、同一の材料及び配合量で構成されている。例えば、第１導電層１１と第２導電層１２の導電性フィラーを炭素材料とし、第３導電層１３の導電性フィラーを導電性の高い金属材料（例えば、銀）とした場合、高価かつ導電性の高い導電性フィラーを最小限にしつつ、第１コンデンサ２１及び第２コンデンサ２２の静電容量を一致させると共に各導電層に炭素材料の導電性フィラーを用いる場合に比べて精度を向上させやすい。

【0044】

表面抵抗率が高くなることによる導電層内の電荷の分布の偏りを抑制することによって検出精度を確保するために、各導電層１１，１２，１３の電気抵抗（表面抵抗率）は１００Ω／ｓｑ．以下であることが望ましい。また、導電層内導電性フィラー間での静電容量型の結合を抑制することで、応答性と計測精度を向上できる。

【0045】

次に、静電容量型センサ１０が曲げ変形した場合における静電容量型センサ１０の動きについて図４を参照しながら説明する。

【0046】

図４（ｂ）に示すように、第１導電層１１と第２導電層１２のいずれか一方の面、例えば第１導電層１１が凸となるように静電容量センサ１０が湾曲変形すると、第１導電層１１の表面が凸状に湾曲し、第２導電層１２の表面が凹状に湾曲する。このとき、曲げの中立面が第３導電層１３の厚み内にある場合、第３導電層１３を基準にすると、凸状に湾曲する第１導電層１１及び第１絶縁層１４は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力（矢印Ａ１）が作用して相対的に層厚が薄くなるように変形する。

【0047】

一方で、凹状に湾曲する第２導電層１２及び第２絶縁層１５は周辺から湾曲底部に向けて圧縮力（矢印Ａ２）が作用して相対的に層厚が厚くなると共に表面積が減少するように変形する。その結果、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１が増大する一方で、第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２が減少するので、この静電容量の変化に基づいて曲げを検出できる。

【0048】

一方、図４（ｃ）に示すように第１導電層１１が凹となるように静電センサが湾曲変形した場合についても、第１導電層１１が凸となるように静電容量センサ１０が湾曲変形した場合と同様に、静電容量の変化に基づいて曲げを検出することができる。第１導電層１１が凹となるように静電容量センサ１０が湾曲変形すると、第２導電層１２が凸状に湾曲する。

【0049】

このとき、曲げの中立面が第３導電層１３の厚み内にある場合、第３導電層１３を基準にすると、凹状に湾曲する第１導電層１１及び第１絶縁層１４は周辺から湾曲底部に向けて圧縮力（矢印Ｂ１）が作用して相対的に層厚が厚くなると共に表面積が減少するように変形し、凸状に湾曲する第２導電層１２及び第２絶縁層１５は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力（矢印Ｂ２）が作用して相対的に層厚が薄くなると共に表面積が増大するように変形する。その結果、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１が減少する一方で、第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２が増大するので、この静電容量の変化に基づいて曲げを検出できる。

【0050】

また、厚み方向に積層された第１及び第２コンデンサ２１,２２の湾曲変形時に変化する静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差（ΔＣ＝Ｃ１－Ｃ２）に基づいて曲げ角度を算出するようにしてもよい。例えば、予め求めた静電容量の差ΔＣを変数とする所定の関数に基づいて曲げ角度を算出し、或いは容量の差ΔＣに対応して予め設定した角度テーブルに基づいて曲げ角度を求めることができる。所定の関数は、静電容量の差ΔＣを、カメラを使ってマーカーの位置をトラッキングするモーションキャプチャで計測した計測対象の曲げ角度を用いて較正する場合、線形の関数を用いることができる。

【0051】

第１及び第２コンデンサ２１,２２の湾曲変形時に変化する静電容量（Ｃ１，Ｃ２）は、凸状に湾曲する側の静電容量が凹状に湾曲変形する側の静電容量よりも大きくなるため、第１及び第２コンデンサ２１,２２の湾曲変形時に変化する静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差（ΔＣ＝Ｃ１－Ｃ２）の正負によって、湾曲方向を特定できる。静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差ΔＣが正であった場合は第１コンデンサ２１側が凸状に湾曲変形し、静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差ΔＣが負であった場合は第１コンデンサ２１側が凹状に湾曲変形していると判断できる。

【0052】

第３導電層１３の厚み内に曲げの中立面が位置する場合について説明したが、曲げの中立面が静電容量型センサ１０の積層方向の外側に位置する場合においても同様に曲げ及び／又は曲げ角度を検出できる。例えば、中立面が第２導電層１２よりも積層方向の外側に位置すると共に、第１導電層１１が凸状に変形し第２導電層１２が凹状に変形する場合、第１導電層１１、第１絶縁層１４、第２導電層１２、第２絶縁層１５は湾曲頂部から周辺に向けて引っ張り力が作用して変形前の状態よりも膜厚が薄くなるように変形する。

【0053】

したがって、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１及び第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２は、共に変形前の静電容量よりも大きくなるが、第１コンデンサ２１は、第２コンデンサ２２よりも凸側に位置するため、より薄く伸長されるため、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１が第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２よりも大きくなる。その結果、上述のように静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差（ΔＣ＝Ｃ１－Ｃ２）の正負および絶対値の大きさに基づいて曲げの方向及び角度を検出できる。

【0054】

図１には、変形検出システム１の信号処理回路の一例を示すブロック図が示されている。変形検出システム１は、例えば１ｋＨｚ程度の矩形波信号として基準電圧Ｖｓをコンデンサ２１,２２に出力する交流電源４１と、第１コンデンサ２１及び第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ１，Ｃ２の差ΔＣを算出する差分部４２と、差分部４２で算出された静電容量の差ΔＣに基づいて曲げ角度及び方向を算出する演算部４３と、演算部４３で算出された曲げ角度を表示する表示部４４とを備える。

【0055】

差分部４２と演算部４３と表示部４４とは、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１の変化と第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２の変化に基づいて変形を計測する計測部４０を構成する。

【0056】

交流電源４１から出力された基準電圧Ｖｓは、第１導電層１１及び第２導電層１２に印加されると共に、第３導電層１３がグラウンドに接続されている。差分部４２には、参照信号として、第１コンデンサ２１の電圧（第１導電層１１と第３導電層１３の電位差）Ｖ１及び第２コンデンサ２２の電圧（第２導電層１２と第３導電層１３の電位差）Ｖ２が入力される。静電容量はコンデンサの電圧波形の時間積分値に比例するため、差分部４２では、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ１,Ｃ２の差ΔＣを算出するために、参照電圧波形Ｖ１,Ｖ２の時間積分値の差ΔＶが算出される。

【0057】

具体的には、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２からは、それぞれのコンデンサの抵抗によって、基準電圧Ｖｓに対して歪んだ出力電圧波形Ｖ１,Ｖ２が出力される。図１のように静電容量型センサ１０が変形前の状態では、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の静電容量が一致するように設定されているため、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の出力電圧波形Ｖ１及びＶ２は一致する。したがって、差分部４２で算出される第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の出力電圧波形の時間積分値の差ΔＶはゼロとなって、変形されていないことが検出される。

【0058】

図５のように静電容量型センサ１０の第１コンデンサ２１側が凸状となるように湾曲変形した状態では、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１が第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２よりも大きくなるため、第１コンデンサ２１の出力電圧波形Ｖ１は第２コンデンサ２２の出力電圧波形Ｖ２よりも相対的に大きくなる。したがって、差分部４２で算出される第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の出力電圧波形の時間積分値の差ΔＶが正となって、第１コンデンサ２１側が凸状となるように変形されていることが検出される。

【0059】

図６のように静電容量型センサ１０の第１コンデンサ２１側が凹状となるように湾曲変形した状態では、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１が第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２よりも小さくなるため、第１コンデンサ２１の出力電圧波形Ｖ１は第２コンデンサ２２の出力電圧波形Ｖ２よりも相対的に小さくなる。したがって、差分部４２で算出される第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の出力電圧波形の時間積分値の差ΔＶが負となって、第１コンデンサ２１側が凸状となるように変形されていることが検出される。

【0060】

演算部４３には、算出された出力電圧波形の時間積分値の差ΔＶと、所定の関数またはテーブルとに基づいて曲げ変形の角度が算出され、算出された角度は表示部４４としてのディスプレイ等に表示されるようになっている。

【0061】

このような構造とされた静電容量型センサは、図２に示すように人体に装用された状態では、膝部分の屈曲に伴って湾曲変形されることとなり、図２の例示では人体の膝部分の動きによって発生する膝部分の変化に伴って、静電容量型センサ１０が湾曲変形するようになっている。なお、静電容量型センサ１０は、積層方向が人体の前後方向とされて、静電容量センサ１０の長さ方向に直交する曲率半径で湾曲変形するように貼り付けられる。

【0062】

また、静電容量型センサ１０は、人体の姿勢の変化（膝部分の屈曲）に伴う外力の作用により、その長さ方向の両端に曲げモーメントが生じることで円弧形状に弾性変形されるようになっている。具体的には、図２に示されているように、センサとして機能する全長Ｌに亘る曲げ変形領域の長さ方向の両端Ｐ１，Ｐ２が入力点とされることで、長さ方向の中央点Ｐ０が屈曲点となる膝部分９１と略一致するように設定されている。

【0063】

具体的には、人体の表面に密着状態で装着された衣服において、体側に沿って膝部分Ｐ０を跨いで延びるように配された静電容量型センサ１０の一端Ｐ１が大腿骨側に固着されると共に、他端Ｐ２が脛骨側に固着されることにより、膝部分９１が屈曲すると静電容量型センサ１０の両端Ｐ１，Ｐ２を通じて曲げモーメントが静電容量型センサ１０の全体に作用する。

【0064】

これにより、図２（ａ）に示された膝部分の伸長状態から、図２（ｂ）に示されているように前方に踏み出した屈曲状態をとることで、静電容量型センサ１０には、両端Ｐ１， Ｐ２間で円弧状の湾曲が生じる。そして、この湾曲状態の曲率半径Ｒが、膝部分９１の屈曲角度θに対応した値となる。

【0065】

上述のように、変形検出システム１によって、計測対象に貼付けられた静電容量型センサ１０の静電容量を検出し、計測対象の屈曲に伴って曲げ変形が生じる静電容量型センサ１０の静電容量の初期形状からの変化量を求めることで、静電容量の変化量から静電容量型センサ１０の曲げ角度θを算出することができる。

【0066】

なお、本実施形態では、静電容量型センサ１０の長さ方向の中央点Ｐ０が膝部分９１と一致するように設定したが、これに限られるものではなく、静電容量型センサ１０の曲率と計測部分の曲率とが一致していればよい。具体的には、静電容量型センサ１０が膝部分９１を十分に跨いだ状態で張り付けられていればよい。

【0067】

図７は、図１に示された本実施形態の静電容量型センサ１０を人体の膝部分に貼付け、モーションキャプチャによって実測された膝部分の湾曲変形角度と、静電容量変化量の検出値とを示すグラフである。このグラフは横軸に時間（ｓ）をとり、縦軸に湾曲変形角度及び静電容量変化量をとっている。モーションキャプチャによって実測された膝部分の湾曲変形角度を破線で示し、静電容量変化量の検出値を実線で示している。

【0068】

なお、各絶縁層は、エラストマ製の厚さが約０．１ｍｍ、誘電率５、伸び率１００％のシートを採用した。また、各導電層としては、エラストマ製の厚さが約０．１ｍｍ、表面抵抗率１Ω／ｓｑ．、伸び率１００％、導電性フィラー配合量５０～６０質量％のシートを採用した。

【0069】

図７のグラフに示された実験結果から、本発明の静電容量型センサ１０を備えた変位検出システム１が、人体の変形を精度よく検出できることがわかる。

【0070】

以上の構成により、本発明によれば、静電容量型センサ１０は、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２とが、第３導電層１３を共有して構成されているので、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とを個別に設ける場合に比べて、基準部材と基準部材の一方側に配置される導電層との２つの部材が不要になるので、静電容量型センサ１０の厚みが低減する。その結果、静電容量型センサ１０の剛性が低減されて、計測対象の変形への追従性を向上できる。（計測対象の変形が阻害されることが抑制できる。）また、部材の削減によって、コストも低減できる。

【0071】

さらに、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２とは、第３導電層１３を共有しているため、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の静電容量の差分から曲げ変形を計測する場合に、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２との間に基準部材を設ける場合に比べて、第１及び第２コンデンサ２１，２２の特性が合わせやすく、コンデンサ２１，２２のばらつきが抑制されるので、コンデンサ２１，２２のばらつきを較正するためのコストを削減できる。

【0072】

変形前の状態において、第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１と、第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２とが同じになるように設定されているので、変形後の第１コンデンサ２１の静電容量Ｃ１と、第２コンデンサ２２の静電容量Ｃ２との差ΔＣから変形を検出できるので、変形前に第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の静電容量に差がある場合に比して、変形量の算出が簡素化できる。変形前後の第１コンデンサ２１の静電容量の変化量及び第２コンデンサ２２の静電容量の変化量を求める必要がない。

【0073】

第１導電層１１と第２導電層１２は、同一の材料で構成されているので、第１コンデンサ２１と、第２コンデンサ２２の特性を一致させやすく、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２のばらつきによるコストの増大が回避できる。

【0074】

各導電層１１，１２，１３と各絶縁層１４,１５の伸長率が１２０％以上に設定されているので、計測対象に対する良好な追従性が得られる。

【0075】

各導電層１１，１２，１３と各絶縁層１４,１５の厚さが０．５ｍｍ以下に設定されているので、静電容量型センサ１０の剛性が計測対象の変形を阻害することがない。

【0076】

各導電層１１，１２，１３の表面抵抗率が１００Ω／ｓｑ．以下に設定されているので、導電層内に配合される導電性フィラーの配合量が多いほど導電性フィラー同士の接触が増加し、導電層内の電荷の分布の偏りが抑制されて計測精度を向上できる。また、導電層内導電性フィラー間での静電容量型の結合が抑制されて、応答性と計測精度を確保できる。

【0077】

各絶縁層１４,１５の誘電率が３以上に設定されているので、誘電率を高めることで、静電容量を増大させることができるので、変形時の静電容量が計測しやすく、計測対象の変形を計測しやすい。

【0078】

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

【0079】

実施形態においては、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の変形前状態の静電容量が一致しており、第１及び第２コンデンサ２１,２２の湾曲変形時に変化する静電容量（Ｃ１，Ｃ２）の差（ΔＣ＝Ｃ１－Ｃ２）に基づいて曲げ角度を算出することを例に説明したが、これに限られるものではない。

【0080】

例えば、第１コンデンサ２１と第２コンデンサ２２の変形前の状態の静電容量に差があってもよい。この場合、変形時の第１及び第２コンデンサ２１，２２の静電容量（Ｃ１，Ｃ２）から予めコンデンサ２１,２２の仕様によって設定されている変形前の各静電容量Ｃ１０，Ｃ２０を除いた変化量（ΔＣ１＝Ｃ１－Ｃ１０,ΔＣ２＝Ｃ２－Ｃ２０）の差（ΔＣ１－ΔＣ２）から曲げを検出してもよい。

【0081】

また、本実施形態では、静電容量型センサ１０の製造方法として、各導電層及び各絶縁層を予め所定の大きさに切り出した後に熱圧着する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、既製品の各導電層及び各絶縁層を積層させて熱圧着させた後に所定の大きさに切り出して製造してもよい。

【0082】

また、本実施形態では、静電容量型センサ１０の製造方法として、各導電層及び各絶縁層のそれぞれを接着するためのホットメルトシートを用いる構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、各導電層及び各絶縁層を未加硫の状態で積層し、所定の条件下でプレスして加硫接着してもよい。この場合、各導電層及び各絶縁層とは、ホットメルトシートを用いずに、互いの粘着力により接着されてもよい。

【0083】

また、例えば、静電容量型センサ１０を構成する絶縁層１３と一対の導電層１１，１２を複数積層することも可能であり、静電容量の変化量を大きくして測定精度の向上を図ることもできる。

【0084】

実施形態では、膝部分の変形を検出する静電容量型センサ１０を備えた変形検出システム１に本発明を適用したものを例示したが、これに限られるものではなく、背中部分、肩、肘、胸部、股関節等の人体の変形を検出する静電容量型センサ１０として、いずれも適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0085】

以上のように、本発明によれば、計測対象の変形の阻害を抑制しつつ、計測対象の変形を計測することができる静電容量型センサを提供することができるから、静電容量型センサ関連産業の分野において好適に利用される可能性がある。

【符号の説明】

【0086】

１ 変形検出システム
１０静電容量型センサ。
１１ 第１導電層
１２ 第２導電層
１３ 第３導電層
１４ 第１絶縁層
１５ 第２絶縁層と
２１ 第１コンデンサ
２２ 第２コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】