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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-26
(54)【発明の名称】力測定のためのセンサシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
G01L 1/24 20060101AFI20230619BHJP
【ＦＩ】
G01L1/24 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022573307
(86)(22)【出願日】2021-05-27
(85)【翻訳文提出日】2023-01-10
(86)【国際出願番号】 HU2021050033
(87)【国際公開番号】W WO2022058763
(87)【国際公開日】2022-03-24
(31)【優先権主張番号】P2000172
(32)【優先日】2020-05-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】HU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522462339
【氏名又は名称】フルカワ エレクトリック テクノロジアイ インテゼット ケーエフティー
(71)【出願人】
【識別番号】506405611
【氏名又は名称】トロセレン ゲーエムベーハー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｒｏｃｅｌｌｅｎ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｍｕｅｌｈｅｉｍｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ２６，Ｄ－５３８４０，Ｔｒｏｉｓｄｏｒｆ，Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ゴンボス アコス エレメール
(72)【発明者】
【氏名】タトライ ダヴィド
(72)【発明者】
【氏名】コバックス ゾルタン タマス
(72)【発明者】
【氏名】ナギー ジョセフ
(57)【要約】
本発明は、複数の力測定領域４における力を測定するためのセンサシステムに関し、センサシステムは、少なくとも１つの導波路３と、導波路３内に光２をカップリングするように配置された少なくとも１つの光源１と、導波路３を出る光の強度を測定するように配置された少なくとも２つの光センサ７と、不均一な表面を有し、少なくとも、導波路３に隣接した力測定領域４内に配置される、少なくとも１つの力伝達要素５とを備え、デカップリング部位６は、導波路３に沿って前記力測定領域４間に形成され、前記デカップリング部位６において、前記導波路３内に伝播する光２の所定の部分は、前記導波路６からデカップリングされ、光２の残りの部分は、導波路３内に更に伝播し、光センサ７は、デカップリング部位６において導波路３を出る光２を受けるように配置される。本発明は、上述したセンサシステムを備える平坦な製品、および力を測定するための方法にも関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の力測定領域（４）における力を測定するためのセンサシステムであって、前記センサシステムは、－ 少なくとも１つの導波路（３）と、
－ 前記導波路（３）内に光（２）をカップリングするように配置された少なくとも１つの光源（１）と、
－ 前記導波路（３）を出る光の強度を測定するように配置された少なくとも２つの光センサ（７）と、
－ 不均一な表面を有し、少なくとも、前記導波路（３）に隣接した前記力測定領域（４）内に配置される、少なくとも１つの力伝達要素（５）と
を備える、センサシステムにおいて、
前記導波路（３）に沿って前記力測定領域（４）間にデカップリング部位（６）が形成され、前記デカップリング部位（６）において、前記導波路（３）内に伝播する光（２）の所定の部分は、前記導波路（６）からデカップリングされ、前記光（２）の残りの部分が、前記導波路（３）内に更に伝播し、前記光センサ（７）は、前記デカップリング部位（６）において前記導波路（３）を出る光（２）を受けるように配置されることを特徴とする、センサシステム。
【請求項2】
請求項１に記載のセンサシステムであって、前記デカップリング部位（６）は、固定の曲率半径で曲げられた前記導波路（３）のセクションとして構築されることを特徴とするセンサシステム。
【請求項3】
請求項１または２に記載のセンサシステムであって、前記センサシステムは、複数の導波路（３）を備え、前記導波路（６）は、少なくとも部分的に重複した力測定領域（４）を有することを特徴とするセンサシステム。
【請求項4】
請求項３に記載のセンサシステムであって、各導波路（３）の個々の前記力測定領域（４）は、残りの前記導波路（３）のうちの少なくとも１つの、複数の力測定領域（４）と重複することを特徴とするセンサシステム。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサシステムであって、いくつかのデカップリング部位（６）は、前記いくつかのデカップリング部位（６）の各々を出る光が同じ光センサ（７）上に向かうように配置されることを特徴とするセンサシステム。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサシステムであって、光源（１）は、導波路（３）の両端に配置されることを特徴とするセンサシステム。
【請求項7】
請求項５または６に記載のセンサシステムであって、複数のデカップリング部位（６）または複数の光源（１）から到来する前記光センサ（７）によって検出される光を識別するために、前記センサシステムは、－ 時分割多重、および／または
－ 波長分割多重、および／または
－ 異なる周波数において変調された光の検出された時間信号のスペクトル解析
を行うように構成された手段を含むことを特徴とするセンサシステム。
【請求項8】
複数の力測定領域（４）における力を測定するための方法であって、前記方法は、－ 少なくとも１つの光源（１）によって、光（２）を少なくとも１つの導波路（３）にカップリングすることであって、不均一な表面を有する力伝達要素（５）は、少なくとも、前記導波路（３）に隣接した前記力測定領域（４）内に配置される、カップリングすることと、
－ 少なくとも２つの光センサ（７）によって、前記導波路（３）を出る光の強度を測定することと
を含む、方法において、
前記導波路（３）内に伝播する光（２）の所定の部分は、前記導波路（３）に沿って前記力測定領域（４）間に形成されたデカップリング部位（６）において前記導波路（３）からデカップリングされ、前記デカップリング位置（６）において前記導波路（３）を出る光（２）の強度は、前記光センサ（７）によって測定されることを特徴とする、方法。
【請求項9】
請求項８に記載の方法であって、前記デカップリング部位（６）は、固定の曲率半径で曲げられた前記導波路（３）のセクションとして構築されることを特徴とする方法。
【請求項10】
請求項８または９に記載の方法であって、複数の導波路（３）が用いられ、前記複数の導波路の前記力測定領域（４）は、少なくとも部分的に互いに重複することを特徴とする方法。
【請求項11】
請求項１０に記載の方法であって、各導波路（３）の個々の前記力測定領域（４）は、残りの前記導波路（３）のうちの少なくとも１つの、複数の力測定領域（４）と重複することを特徴とする方法。
【請求項12】
請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法であって、いくつかの導波路（３）の個々の前記デカップリング部位（６）を出る光（２）は、同じ光センサ（７）へ誘導されることを特徴とする方法。
【請求項13】
請求項８から１２のいずれか１項に記載の方法であって、光（２）は、前記導波路（３）の両端において前記導波路（３）にカップリングされることを特徴とする方法。
【請求項14】
請求項１２または１３に記載の方法であって、いくつかのデカップリング部位の各々から到来する、前記光センサ（７）によって検出される光を区別するために、－ 時分割多重、および／または
－ 波長分割多重、および／または
－ 異なる周波数において変調された光の検出された時間信号のスペクトル解析
が行われることを特徴とする方法。
【請求項15】
平坦な製品であって、－ 平坦な基板と、
－ 前記平坦な基板上に配置されるかまたは前記平坦な基板に一体化される力および／または圧力センサシステムと
を備える、平坦な製品において、
前記センサシステムは、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサシステムであることを特徴とする、平坦な製品。
【請求項16】
請求項１５に記載の平坦な製品であって、前記製品は、ヨガマット、フロアマット、ドアマット、シートクッション、スポーツフロア、壁紙、または平坦なカバー要素であることを特徴とする平坦な製品。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、力測定のためのセンサシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、複数の領域における力を測定するための光センサシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
力を測定するためのいくつかの解決策が存在し、そのうちのいくつかは電気的に動作し、いくつかは光学原理で動作する。いくつかの光学的力ゲージは、光ファイバ等の導波路内に伝播する電磁波の一部分が、導波路が変形する際に導波路を出るという効果を利用する。これは、導波路の出力側における電磁波損失、および前記導波路の外側の変形の近傍における電磁波の放出として現れる。変形位置において導波路を出る電磁波の量は、導波路の偏向度合いに比例し、前記偏向の曲率半径に反比例する。したがって、感度および／または測定精度を増大させるために、例えばエンボス加工されたシートまたは格子、ワイヤメッシュによって提供することができる、比較的硬く不均一な表面上に、または２つのそのような表面の間に導波路を配置することが、そのような力ゲージにおいて広く用いられる技法である。このとき、導波路および不均一な表面が圧縮されると、導波路は変形の増大を受け、このため、所与の長さのセクションに加わる力が、不均一な表面がない場合よりも大きな程度まで前記損失を変化させる。
【0003】
米国特許第５，１１８，９３１号は、光学原理で動作するマルチゾーンセンサを開示している。変形感受性部分が、光信号を搬送する光ファイバの或る特定の測定セクションにおいて形成され、狭帯域幅の光学フィルタが、各測定セクション間に配置される。光ファイバまたは直列に接続された一連の光ファイバの一端において光が導入される。狭帯域光フィルタから反射された光が、同じ端部において、波長分割多重によって、または光がカップリングされる部位と反対側の端部においてファイバを分離することによって、検出される。波長分割多重およびファイバ分離測定は同等に、測定領域の数と同じ数の光センサ、ビームスプリッタ／フィルタ、および光ファイバセクションを必要とする。
【0004】
独国特許出願公開第１０２０１３０１９７７４号は、光学マルチゾーンセンサを開示している。このセンサでは、変形に起因して導波路を出る光の強度が変形部位において測定され、次に、センサシステムを担持するシート材料の変形の位置および程度がここから推測される。センサシステムは、出る光の強度を変形部位において直接測定し、検出部位間に、圧力に起因して変形の増大を生じさせる部品を含まない。このため、一方で、光センサの電気配線は、センサシステムを担持するシート材料全体をインタレースするが、他方で、センサシステムの圧力感度は、高い圧力であっても僅かな変形しか発生させない硬い表面における圧力検出には十分でない。
【0005】
米国特許第１０，０８２，４１８号は、センサに対し作用する圧力の平面分布を決定するのにも適した光学マルチゾーン面内センサを開示している。センサは、前記層の光ファイバが互いに交差するように配置された平行光ファイバセクションを有する層を含む。光ファイバセクションの各々は光源および光センサを装備している。好ましくは互いに直交する２つの層を含む、このように得られたセンサシステムは、単に、圧力分布の適切な決定に適しているが、より正確な決定は、ファイバが他の２つの層のファイバに平行でない１つまたは複数の追加の層を必要とする。そのようなセンサシステムにおいて、測定領域は、個々の光ファイバによって決定され、その各々が光源および光センサを必要とする。層の数および層内のファイバの数は、所望の空間分解能に依拠する。しかしながら、比較的低い分解能であっても、センサシステムを構築するために大量の光学素子が必要とされる。
【0006】
従来技術による解決策の一般的な不利点は、大きなサイズの高分解能のセンサシステム、すなわち、多くの測定領域を有するセンサシステムの構築に、多くの光源、多くの光センサ、および任意選択で多くの電気配線および／または多くの他の光学素子が必要であり、これによって、そのようなセンサシステムおよびそのようなセンサシステムを含む製品の製造が、用いられる原材料のコストおよび複雑な製造プロセスに起因して極めて高価になることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、大きな面積にわたって高分解能の力検出を達成するためのセンサシステムおよび方法を提供し、単純でコスト効率が良いが、それでもなお電気的擾乱または水分に対してより敏感でないセンサシステムを構築することである。本発明の更なる目的は、大きな表面積にわたって高い分解能の力検知システムを含み、製造が単純でコスト効率も良い、シート材料または平坦な製品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、導波路内に伝播する光の所定の部分が、前記導波路に沿ったいくつかの測定領域間に形成される別個のデカップリング部位においてデカップリングされ、導波路内に伝播する光の実際の強度が、各デカップリング部位において、デカップリングされた光の部分の強度から決定される一方で、導波路からデカップリングされていない光の部分が導波路内に伝播し、次の測定領域における測定においても用いることができる場合、いくつかの測定領域を有するセンサシステムを、より少ない光学素子から形成することができるという発見に基づいている。より少ない光学素子の使用により、利用される原材料のコスト、および製造プロセスのコストの両方を低減する。
【0009】
本明細書において、「光」という用語は、一般的な意味において、特に、赤外線放射、可視光および紫外放射を含む、導波路内で伝送することができる全ての種類の電磁波を含むように用いられる。更に、「導波路」という用語は、円形断面の光ファイバ、または大きなアスペクト比を有する矩形断面のテープ等の内部全反射によってこれらの電磁波を伝送することが可能な全ての構造を指す。
【0010】
上記の目的は、一方で、請求項１に記載のセンサシステムを展開することによって達成され、その好ましい実施形態は請求項２～７に定義される。他方で、上記の目的は、請求項８に記載の方法を入念に仕上げることによって達成され、その好ましい変形は請求項９～１４に示される。上記の目的は、請求項１５に記載の平坦な製品を実現することによって更に達成され、その好ましい実施形態は請求項１６に記載される。
以下において、本発明によるセンサシステムおよびその動作の好ましい例示的な実施形態が、添付の図面を参照して詳細に説明される。
以下において、本発明によるセンサシステムおよびその動作の好ましい例示的な実施形態が、添付の図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】それぞれアンロード状態およびロード状態にある、本発明によるセンサシステムの力測定領域の例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図1B】それぞれアンロード状態およびロード状態にある、本発明によるセンサシステムの力測定領域の例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図2】本発明によるセンサシステムのデカップリング部位の例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図3】本発明によるセンサシステムの例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図4】本発明によるセンサシステムの好ましい実施形態を概略的に示す図である。
【図5】異なる周波数において変調された２つの光源から取得された光の強度対時間（上）および周波数スペクトル（下）を示す図である。
【図6】上部および中部において、時間分割に基づいて２つの異なる光源を動作させることによって生成された光信号の電力レベル図を示し、異なる形で変動する損失について光センサによって検出される時間依存信号が下部に示される図である。
【図7】２つの導波路、２つの光源および３つの検出器が９フィールド行列配列を形成する、本発明によるセンサシステムの好ましい例示的な実施形態を概略的に示す図である。
【図8】光が、両端から導波路内にカップリングされ、２つの光源からの光が、同じ光センサによって検出される、本発明によるセンサシステムの好ましい実施形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれアンロード状態およびロード状態にある、本発明によるセンサシステムの力測定領域４の例示的な実施形態を概略的に示す。力測定領域４において、センサシステムは、図に示す例において実質的に円筒形の光ファイバによって形成された導波路３を備え、少なくとも１つの、好ましくは２つの力伝達要素５が導波路３に隣接して位置決めされ、表面に突出部および／または凹部および／または開口部を有する。センサシステムの力測定領域４が支持部８上に配置され、圧縮力Ｆが上からそこに作用しているとき、力伝達要素５は、互いに押されることによって導波路３を変形させる。図に示す変形の度合いは縮尺通りではない。
【0013】
変形の結果として、導波路３内に伝播する光２の一部分が、図に示す向きにおいて上方および下方に導波路３を出る。これは導波路損失として現れる。損失量は、導波路３の変形に比例する。導波路の変形は、力測定領域４においてセンサシステムに作用する力Ｆに比例する。例えば、出力端を通じて導波路３を出るように導波路３からデカップリングされる光２の強度を測定することを通じて、力測定領域４内の光損失の程度を決定することによって、力測定領域４においてセンサシステムに作用する力Ｆを計算することができる。力測定領域４の面積を知ることによって、力Ｆから力測定領域４における圧力を決定することができる。いくつかの力測定領域４を用いることによって、センサシステムに作用する圧力の分布も、力測定領域４のサイズおよびその配置の密度に対応する面内分解能を用いて決定することができる。
【0014】
図１Ａおよび図１Ｂに示す好ましい実施形態において、２つの力伝達要素５の各々が連続材料層によって形成され、前記材料層は、導波路３に隣接した側に、複数の周期的突起および凹部を含み、好ましくは、２つの力伝達要素５のうちの１つの凹部が他方の力伝達要素５の突起と位置合わせされるように配置される。次に、或る特定の量の力が力測定領域４においてセンサシステムに作用することにより、２つの力伝達要素５の異なる配置の場合、または１つのみの力伝達要素の適用の場合よりも大きな導波路３の変形が生じる。力伝達要素５の材料および表面特性、すなわち、それらの突起および／または凹部および／または開口部のサイズおよび形状は、導波路の弾性特性に従って選択される。好ましくは、力伝達要素５の材料の弾性率は、導波路３の弾性率よりも大きく、突起および／または凹部および／または開口部のサイズは、導波路３の厚み程度である。各力伝達要素５は、例えば、ワイヤメッシュもしくはグリッドとして、または更には、導波路３の周りに直接巻きつけられたワイヤとして、または導波路３に直接施された可変厚の材料層として構築することができる。同等に、導波路３は、実質的に円形の断面の光ファイバ、または、厚みよりもはるかに大きな、例えば１００倍の幅を有するシート材料であってもよい。
【0015】
図２は、本発明によるセンサシステムのデカップリング部位６の例示的な実施形態を概略的に示す。この実施形態において、導波路３を形成する光ファイバは、所与の曲率半径に沿って曲げられ、それによって、導波路３内に伝播する光２の所定の部分が曲げの位置において光ファイバを出て、或る距離に沿って自由に伝播し、次に、光を受けるように配置された光センサに達する。任意選択で、デカップリングされた光２は、更なる導波路にカップリングすることができ、その強度も、前記更なる導波路の出力に配置された遠隔光センサ７によって測定することができる。
【0016】
導波路３から光２をデカップリングすることは、導波路３の表面内または表面上に適切な突起または凹部が形成されるように行うこともできる。導波路の曲げと同様に、ここで、導波路３から光２が出ることは、光２の入射角が導波路３の突起または凹部において変化し、内部全反射の条件が光２の一部分についてもはや満たされないことによって生じる。
【0017】
更なる実施形態において、前記デカップリングは、任意選択で更なる導波路を挿入することによって、導波路３の近傍に、適用される光２の波長程度に入る距離に存在するエバネッセント波を検出することによって、導波路３を曲げるかまたは他の形で表面形状を変えることなく行われる。
【0018】
デカップリング部位６において、デカップリング光２の所定の比率は、好ましくは、導波路３において伝播する光の一部分のみがデカップリング部位６において導波路３を出て、光２の大部分が導波路３内で進行するように選択される。デカップリング光２の所定の比率は、好ましくは５０％未満であり、より好ましくは１０％未満であり、高度に好ましくは１％未満である。この解決策の利点は、いくつかの測定段階を、単一の光源および単一の導波路３を用いることと合わせて形成することができることである。
【0019】
導波路３を曲げる場合、デカップリング光２の所定の比率の選択は、曲率半径、ならびに導波路３の近傍に位置する材料の屈折率および導波路３からのそれらの距離を適切に選択することによって実現することができる。導波路の表面上に形成された突起または凹部の場合、前記突起または凹部の形状およびサイズ、一方で、エバネッセント波の場合、導波路３の近傍に位置する材料の屈折率および距離／厚みによって、デカップリング光の所定の比率が決まる。導波路３におけるデカップリング光２の強度は、デカップリング部位６に達する光強度に比例するため、導波路３に沿っていくつかのデカップリング部位６を形成することによって、デカップリング部位６間の導波路３における損失を決定することができる。図２は、図１Ａおよび図１Ｂと同様に、動作原理を示すものにすぎず、個々の要素の寸法および配置を制限するものと解釈されるべきでない。したがって、光２の伝播を示す矢印も、光２の伝播の基本方向のみを示し、光線の特定のトレースを示すものではない。
【0020】
導波路３の適切な選択は、当業者の定型タスクである。従来技術のシングルまたはマルチモード光ファイバを等しく用いることができ、これらは、ガラスおよび／またはポリマーから作製することができる。用いられる材料の屈折率は、ファイバの断面に沿って急激に変動する（いわゆるステップ型ファイバ）または連続的に変動する（いわゆる屈折率分布型ファイバ）ことができ、ファイバの直径は、好ましくは８０マイクロメートル～１０００マイクロメートルである。光ファイバは、用いられる光源１の波長において低吸収、低減衰を有することが予期される。カップリングされていない光強度の少なくとも約８０％が直線のロードされていない導波路における出力としてファイバの反対端に現れることが更に必須である。ファイバの特性に依拠して、十分な度合いのデカップリングを達成することができ、例えば、ファイバが、約１～２０ｍｍ、好ましくは２～５ｍｍおよび最も好ましくは２～３ｍｍの曲率半径で曲げられる場合に達成することができる。
【0021】
図３は、本発明によるセンサシステムの例示的な実施形態を概略的に示す。光源１を出る光２は導波路３にカップリングされる。複数の力測定領域４が導波路３上に形成され、それらの間にデカップリング部位６が形成され、ここで、デカップリング光２の強度は、別個の光センサ７によって測定される。図に示す実施形態において、３つの力測定領域４が形成されるが、当然ながら、前記力測定領域４の数は異なっていてもよく、好ましくは４つ以上である。
【0022】
好ましくは、導波路３は、好ましくは円形断面の単一の連続光ファイバである。この場合、力測定領域４において、導波路３は、好ましくは、非直線、特に好ましくは波線に沿って配置される。この配置の利点は、導波路３によって、力測定領域４の面積がより良好にカバーされること、すなわち、力測定領域４の単位面積あたり、より長い導波路セクションが得られることである。これは、所与の量の変形により、より長いセクションにわたるより大きな損失が生じるため、センサシステムの感度を増大させることになる。図３は縮尺通りでなく、デカップリング部位６における導波路３の曲率は好ましくはより大きく、すなわち、その曲率半径は、力測定領域４よりも小さい。
【0023】
図３に示す実施形態において、個々の力測定領域４は、前記導波路３の波線セクションにのみ限定されるが、これは必須ではなく、波状セクションからデカップリング部位６に延びる導波路３の直線状セクションは、力測定に加わることもできる。センサシステムが用いられることになる製品に依拠して、力測定領域４とデカップリング部位６との間の距離は比較的大きくすることができ、例えば、力測定領域４の幅または長さの倍数とすることができる。次に、測定精度の観点から、例えば、力測定を支援する表面パターンをいずれの要素にも設けないこと、または弾性物質を有する要素の凹部を充填し、次にこれを固めることによって、または代替的に、導波路３に、これらのセクション上にハードコーティングを設けることによって、デカップリング部位６につながる導波路３の直線状セクションを力測定から除外することが有利である。
【0024】
意図される使用に依拠して、デカップリング部位６を位置合わせし、このため、光センサ７を線に沿って位置合わせすることも特に有利である。なぜなら、このとき、光センサ７自体およびそれらの動作に必要な配線等の電子構成要素を、センサシステムまたはこのセンサシステムを含む製品の単一の縁部に沿ってグループ化することができ、それによって、関連要素の適切な電気的絶縁をもたらすことをより容易にすることができるためである。そのような配置は、電気接触保護検討事項の重要度が高い製品、および電子構成要素の絶縁に対する損傷が容易に故障につながり得る、湿潤環境において用いられる製品にとって特に有利である。そのような配置は、関連する要素の電気耐性が測定に影響を及ぼすことを回避するために厚い電気配線が長距離にわたる測定に用いられるべきである大きなサイズのセンサシステムにとって、および電流または金属導体の存在がいかなる理由でも許容可能でない環境においても有利である。
【0025】
光センサ７によって得られた測定結果を処理するために、センサシステムは、好ましくは、１つまたは複数のプロセッサと有線または無線でデータ接続される。プロセッサは、センサシステムの一部として設計することもできる。好ましくは、プロセッサは、コンピュータ、ラップトップ、タブレットまたはスマートフォン等の外部デバイスの一部を形成し、データ接続は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）またはＷｉ－Ｆｉ（登録商標）等の無線接続である。
【0026】
図４は、各光センサ７が異なる導波路３から異なるパラメータの光を受ける、本発明によるセンサシステムの好ましい例示的な実施形態を概略的に示す。図に示す実施形態において、２つの異なる光源１の各々の光２は、２つの導波路３にカップリングされ、導波路３は、それらのデカップリング部位６が互いに近づき、２つの導波路３の各々からデカップリングされた光が同じ光センサ７によって検出されるように配置される。好ましくは、２つの光源１は、異なるパラメータを有する光２を発する。特に好ましくは、光源１は、異なる波長の光を発するか、異なる時点に光２を発するか、異なる振幅および／または周波数変調を有する光２を発するか、またはそれらの任意の組合せである。
【0027】
解決策の本質は、光センサ７の出力信号から、いずれの力測定領域４においてどれだけの損失が生じたかを区分けし特定することを可能にすることである。このために、各導波路３またはそれらの力測定領域４について適切な多重化方法を用いることができ、次に、検出が行われるとき、適切な逆多重化方法を用いることができる。これは、単一の光源１によって達成することができ、異なる導波路３にカップリングされた光２のパラメータが、フィルタまたは拡散素子等の適切な光学素子によって、カップリング前、カップリング中もしくはカップリング後に、または更にはデカップリング後に変更される。光２の特性がデカップリング後に変更される場合、光センサ７は、同じ導波路３のいくつかの異なるデカップリング部位６において発せられる光２を検出することさえ可能である。図において、２つの光源１および２つの導波路３のみが示されるが、これらは当然ながら、３つ以上の数とすることができる。光センサ７は、例えばフィルタによって、例えば異なるパラメータの光２を光学的に区別し、これらを、別個の検出器、例えば、別個のフォトダイオード、任意選択で、電荷カップリング素子（ＣＣＤ）の別個のピクセルに出力し、次に、前記別個の検出器から単一の別個の出力信号、好ましくは電気信号を出力するように設計することができる。光センサ７は、例えば、同じ方式で異なるパラメータの光２を検出し、単一の出力信号を生成するように設計することもできる。次に、例えば、時間選択を介して光センサ７の出力信号を解析すること、すなわち、逆多重化によって、または、例えば、光源１が異なるレートでフラッシングしている場合、例えば、当業者に既知のフーリエ変換、ウェーブレット変換および／またはガボール変換を実行することによるスペクトル解析によって、センサシステムの処理手段が、光２を区別し、適切な導波路３に割り当てる。以後、スペクトル解析という用語は、波長分解を用いた光学分光法ではなく、これらの技法のうちの１つを指す。複数の導波路３からデカップリングされた光２または同じ導波路３のいくつかのデカップリング部位６から到来する光２が単一の光センサ７によって検出される場合、特に有利である。なぜなら、これにより、所与の数の力測定領域４を有するセンサシステムを構築するのに必要とされる光センサ７の数が低減するためである。
【0028】
図５は、異なる周波数において変調された２つの光源からの光の、強度の時間変化（上）および周波数スペクトル（下）を示す。この例において、第１の光信号の強度ＩＬａ（ｔ）は、第１の周波数ｆＬａで時間ｔの関数として正弦曲線状に変動し、第２の光信号の強度ＩＬｂ（ｔ）は、第２の周波数ｆＬｂで時間ｔの関数として正弦曲線状に変動する。ここで、２つの光信号の時間依存強度曲線から導出された周波数スペクトルは、それぞれ、周波数ｆＬａおよびｆＬｂにおいて明確に定義されたピークを与える。２つの光信号は、単色または多色（例えば、白色光）とすることができ、それらの波長は同一であっても異なっていてもよい。ここで、量ｆＬａおよびｆＬｂは、光の周波数ではなく、強度変調の周波数を表す。変調周波数は、変更することもでき、変更後に同等に復調を行うことができる。変調中、正弦曲線状変調信号を用いることができるのみでなく、複素／複合周期信号、例えば基本周波数に加えて様々なより高い高調波も含む三角形または矩形の信号も用いることができる。より高い高調波を測定のために用いることもできる。強度の代わりに、同等に光の波長を変調することができる。
【0029】
図６は、上部および中間部において、２つの時間分割によって生成された光信号の電力ＰＬａおよびＰＬｂにおける変化、すなわち、ｔの関数としての多重化を示し、下部において、時間ｔの関数として出力において取得可能な時間依存信号Ｓを示し、ここで、或る例示的な損失は光信号のうちの一方に対し時間とともに線形に増大し、或る例示的な損失は他方の光信号に対し時間とともに線形に減少する。図に示す例において、２つの光信号のうちの一方は、期間Ｔａにおいて排他的に適用され、他方は、期間Ｔｂにおいてのみ存在する。ここで、ＴａおよびＴｂの値は等しく、期間ＴａおよびＴｂは中断なしで互いに続き、重複しない。しかしながら、これは単なる例示であり、これらの特性のいずれも必須ではない。当業者には明らかであるように、３つ以上の信号を時間において多重化することも可能であり、信号は出力において中断なしで存在する必要がなく、任意選択で、これらは部分的に重複することもでき、様々な信号のアクティブな持続時間は長さが異なっていてもよい。
【0030】
図７は、２つの導波路３、２つの光源１および６つのセンサ７が、９フィールド行列配列を形成する、本発明によるセンサシステムの好ましい例示的な実施形態を概略的に示す。２つの導波路３の力測定領域４は、直交方向に延び、部分的に重複し、それによって、同じエリアユニットに作用する圧力が、双方の導波路３の１つまたは複数の力測定領域４において導波路３内に伝播する光２の損失を変化させる。したがって、センサシステムは、図に示す向きにおける圧力の水平および垂直分布に関する情報も提供する。
【0031】
行列配置内の負荷の下でのセル数が、そのようなセルについての独立した測定値の数を超えない限り、各セルに対する負荷は簡単な方式で決定することができる。これは、２×２以下のレイアウトにおいて常に成り立つ。２×２よりも大きい行列について、セルに対する負荷を正確に決定するために、例えば、追加の層内に追加の力測定領域４を設けることによって、追加の測定データを検討することができる。所与の行列について十分な量の独立した測定データが利用可能でない場合、行列の各個々のセルに対する負荷は、例えば、以下のもの：予測圧力分布に対する仮定（均一な圧力分布または均一に変化する圧力分布、すなわち圧力勾配を仮定する）；所与の行列に隣接した１つまたは複数の追加の行列および／または力測定領域４についての測定結果の利用；所与の行列ならびに／または所与の行列に隣接した１つもしくは複数の追加の行列および／もしくは力測定領域４についての最近の測定結果の利用、のうちの少なくとも１つまたはそれらの組合せを用いることによって推定することができる。
【0032】
力測定領域４のサイズおよび形状、ならびに重複する領域のサイズおよび形状は、所望の使用と調和して選択することができる。特に好ましい実施形態において、１つまたは複数の導波路３の１つまたは複数の測定領域４は、アクティベータとして設計され、他の力測定領域４の光センサ７および活性化領域を有しない導波路３の光源１は、閾値を超える力がアクティベータの力測定領域４において検出されるまで非アクティブのままである。この活性化力測定領域４は、他の力測定領域４と同じサイズであるか、または好ましくは大幅に大きい。
【0033】
図８は、２つの異なる光源１からの光２が、その２つの対向端において導波路３内にカップリングされ、２つの異なる光源１からの光２が、各デカップリング部位に６において同じ光センサ７によって検出される、本発明によるセンサシステムの好ましい実施形態を概略的に示す。２つの光源１は、好ましくは、異なるパラメータを有する光２を発し、優先的には、デカップリング部位６のみでなく、導波路３の端部にも光センサ７が存在する。導波路３の両端において光２を同じ力測定領域４にカップリングすることによって、光センサ７の数を大幅に増大させることなく２つの測定を行うことができる。このため、測定精度を増大させることができる。いくつかの導波路３が適用される場合、前記導波路３はそれぞれ、好ましくは断面が円形の、好ましくは連続光ファイバから形成される。図において、同一の参照符号は同一の要素を表す。
【0034】
図面は、各導波路３の力測定領域４が１つのみの空間方向において次々に配置される例示的な実施形態のみを示すが、本発明は、そのような解決策に限定されない。当業者には明らかであるように、導波路３は、そのようなライン構成を用いて拡張することができ、同じ導波路３が、図に示す向きに、隣接する下層の力測定領域４も有することができる。
【0035】
本発明は、複数の力測定領域４において上記で説明したセンサシステムを用いて力を測定するための方法に更に関する。方法において、光２は、少なくとも１つの光源１によって少なくとも１つの導波路３内に導入される。不均一な表面の力伝達要素５は、少なくとも力測定領域４において導波路３に隣接して配置される。力測定領域４間のデカップリング部位６において、光２の所定の部分が導波路３からデカップリングされ、デカップリング光の強度が、少なくとも１つの、好ましくはいくつかの光センサ７によって測定される。デカップリング、すなわち導波路３内に伝播する光の、実質的にデカップリング部位６におけるタッピングは、当業者に既知の任意の手段によって、好ましくはエバネッセント波によって、導波路３の表面を変更することによって、または好ましくは導波路３を所与の曲率で曲げることによって行うことができる。
【0036】
本方法の好ましい変形において、複数の導波路３が用いられ、その測定領域４は少なくとも部分的に重複し、特に好ましくは、各導波路３の各測定領域４が他の導波路３のうちの少なくとも１つの複数の測定領域４と重複する。このようにして、センサシステムによって検出される力または圧力の分布を、個々の導波路３の力測定領域４よりも小さいユニットについて、すなわち重複領域について決定することができる。
【0037】
方法の更に好ましい変形において、いくつかのデカップリング部位６において出る光を検出するために単一の光センサ７が用いられ、ここで、前記デカップリング部位６は同じ導波路３またはいくつかの異なる導波路３に属することができる。光がいくつかの異なる導波路３のデカップリング部位６において前記単一の光センサ７によって検出される場合、光２を導波路３に導入するために、優先的には、時分割多重または波長分割多重が適用されるか、または異なる導波路３にカップリングされる光の振幅および／または周波数が、異なる変調周波数で変調され、次に、光センサによって、光の検出中または検出後の処理ステップにおいて適切な逆多重化またはスペクトル解析が実行される。
【0038】
方法の更に好ましい変形において、光２が導波路３内にその両端で、好ましくは光の識別を可能にする異なるパラメータを有して導入される。このようにして２つの異なる光センサ７によって各力測定領域４について２つの測定を行うことができ、このため測定精度が増大する。
【0039】
本発明は更に、本発明による平坦な支持部およびセンサシステムを備える平坦な製品に関する。センサシステムは、平坦な基板のいずれかの表面に位置するか、または平坦な基板の内部に配置される。好ましくは、センサシステムの力伝達要素５は、平坦な基板のものと同じ形状を有する材料の連続シートによって形成され、材料の前記シートは、１つまたは複数のポイントにおいて、好ましくは糊付けまたは溶着によって、互いに、および平坦な基板に固定される。任意選択で、平坦な支持部は、少なくとも１つの力伝達要素のうちの少なくとも１つを形成する。平坦な製品は、好ましくは、ヨガマット、シートクッション、フロアマット、ドアマット、スポーツフロア、壁紙または他の平坦なカバー要素である。好ましくは、平坦な支持部は曲げることができ、それによって製品を湾曲表面上で用いることができる。特に好ましくは、平坦な製品は、湾曲した表面状に広げられるとき、自身の重量に起因して前記表面の形状に一致する。平坦な基板として、床仕上げ材に用いられるセラミックタイル等の、高い硬度を有する比較的剛性の高い要素を用いることができる。
【0040】
ヨガマット等の、本発明によるセンサシステムを有する製品の全ての電子構成要素は、マットの単一の縁部、好ましくはその短い縁部に沿った配線および電源と共に位置決めすることができ、それによって、マットは、感電事故に対する保護に関する限り特に安全となり、汗等の水分に対し敏感でなくなる。好ましくは、センサシステムはマット内に、すなわち、より柔軟な発泡ポリマー材料の２つの層間に位置する。任意選択で、マットに一体化されたセンサシステムの異なる領域は、異なる機能を実行する、異なる形状およびサイズの測定領域４を含む。例えば、エネルギーを節減するために、センサシステムの更なるより高い分解能の部分をオンおよび／またはオフに切り換えるために、より低い分解能の活性化部品が適している。センサシステムは、好ましくは追加のデバイスとデータ通信する。追加のデバイスは、光センサ７によって測定された信号から、マットにおける圧力分布を好ましくはリアルタイムで計算および表示することが可能であり、前記圧力分布を予めプログラムされたパターンと比較し、ユーザに、これが例えば誤った姿勢または不適切なエクササイズ実行を示すか否かを通知する。
【0041】
本発明によるセンサシステムを含む床仕上げ材、カーペット、ドアマットは、圧力の変化を検出するために、より低い分解能の活性化部分を好適に得た。この部分は、より高い分解能の部分を活性化し、前記圧力の変化の原因を識別し、例えば、総面積および圧力を受けたエリアの数、ならびに知覚した圧力に基づいて２つ脚および４つ脚の生物を区別し、例えば、セキュリティシステムの一部として、ペットまたは権限のない侵入者を識別する。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】