JP7395371B2 - 履物用センシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を検出することのできる履物用センシング装置に関する。

従来より、履物の中敷きに感圧センサを設け、履物を履いた際に足によって加えられる圧力を検知する履物用センシング装置が知られている（例えば特許文献１）。
このような履物用センシング装置で用いられる感圧センサとしては、小型の面状センサを必要箇所に配設したもの、大型の電気抵抗変化式センサを履物底部の全面に配設したものなどがある。

これらの履物用センシング装置は、スポーツ選手が効率的な走り方を検討する際に用いたり、高齢者の足の運び方を検知することで躓きを防止したり、居場所を特定するなどを目的としたものが知られている。

国際公開第２０１２／１３７８９７号

ところで、小型の面状センサを必要箇所に配設した場合には、面状センサが配設されていない箇所は検出がなされないこととなる。人の足は、人それぞれに足裏と中敷きとの接する箇所が異なるため、場合によっては思うような検出ができない場合がある。

また、大型の電気抵抗変化式センサを履物底部の全面に配設した場合には、履物の全面で圧力を検出できるものの、センサを駆動させるための電力が必要となる。
特に高齢者は、履物に対する普段とは異なる僅かな違いを違和感として感じ取り、違和感があればその履物を履かなくなってしまう、または今までの履物とは異なる充電などの作業を生ずることについて煩わしさを感ずるなどの場合がある。このため、特に高齢者が違和感を感ずることなく普段履いている靴やスリッパなどの履物と同じように履くことのできる、履物用として好適な履物用センシング装置が求められている。

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであって、履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を広範囲にわたって確実に検知することができ、圧力の検出に要する電力が僅かで済む履物用センシング装置を提供することを目的とする。

さらには特に高齢者が足裏への違和感を生ずることなく使用することのできる履物用センシング装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述した従来技術における問題点を解決するために発明されたものであり、
本発明の履物用センシング装置は、
履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を検出する履物用センシング装置であって、
前記履物用センシング装置は、
前記履物底部の全面に配設される有機圧電センサと、
前記有機圧電センサの押圧時に生ずる信号を検出する信号検出器と、
を少なくとも備え、
前記有機圧電センサが、
シールド層と、
前記シールド層上に積層された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に積層された第１電極層と、
前記第１電極層上に積層された圧電層と、
前記圧電層上に積層された第２電極層と、
前記第２電極層上に積層された第２絶縁層と、
から成り、
前記シールド層と前記第２絶縁層とで、残りの前記第１絶縁層と前記第１電極層と前記圧電層と前記第２電極層とを挟み込んだ構成であり、
前記シールド層と前記第２絶縁層の外形の範囲と、前記第１絶縁層と前記第１電極層と前記圧電層と前記第２電極層の外形の範囲との間の距離が、１～５ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このように履物底部の全面に配設される有機圧電センサであれば、圧力を生じた際に電荷が生じるので、有機圧電センサへの電力供給の必要がなく、押圧時に生ずる信号を信号検出器で検知するだけで良いので、履物用センシング装置を簡素化することができる。このため、足裏への違和感を生ずるような構造がなく特に高齢者が無理なく用いることができる。

さらに有機圧電センサは、履物底部の全面に配設されており、電極による信号はどの位置でどのくらい圧力が生じているかを検知することができるため、履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を広範囲にわたって確実に検知することができ、高齢者であれば、例えば立ち上がっているのか、座っているのかなどを細かく検知することができる。

また、このような多層構造であれば、有機圧電センサを薄く構成することができ、足裏への違和感を生ずることのない有機圧電センサとすることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記シールド層が、金属製テープから成ることが好ましい。
特にこのように金属製テープであれば、市販品を用いることができ、入手が容易であるとともに厚さが薄いため、足裏への違和感を生ずることなく、本発明の履物用センシング装置に好適である。
なお金属製テープの材質の例としては、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、錫を挙げることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記第１絶縁層と第２絶縁層の材質が、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることが好ましい。
特にこのような材質であれば、確実に絶縁がなされるため、本発明の履物用センシング装置に好適である。

なお、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の例としては、ゴム、プラスチックを挙げることができ、具体例としては、シリコンゴム、クロロプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ふっ素ゴム、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド、ふっ素樹脂を挙げることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記第１電極層と第２電極層が、金属製テープから成ることが好ましい。
特にこのように金属製テープであれば、市販品を用いることができ、入手が容易であるとともに厚さが薄いため、足裏への違和感を生ずることなく、本発明の履物用センシング装置に好適である。
なお金属製テープの材質の例としては、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、錫を挙げることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記圧電層の材質が、高分子材料であることが好ましい。
特にこのような材質であれば、厚さ方向に対する圧電特性が高く、履物の中敷きとして使用した場合には耐湿性に優れるため、本発明の履物用センシング装置に好適である。
高分子材料の具体的な例としては、ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やその共重合体、ポリ乳酸、多孔質性樹脂からなるフィルムまたはシートを挙げることができる。

ここで上記した圧電層は、厚さ方向に対する圧電特性が高い多孔質性樹脂フィルムからなるシートであることが好ましい。
例えば、ポリプロプレン多孔体やふっ素樹脂多孔体があり、履物の中敷きとして使用した場合の耐湿性を考慮すると、ふっ素樹脂多孔体が好ましい。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記圧電層が、
厚さ方向に高い感度を有する圧電フィルムであることが好ましい。

このように厚さ方向に高い感度を有する圧電フィルムであれば、精度良く足の僅かな動きや圧力を検知することができ、特に高齢者であれば、高齢者が立ち上がっているのか、座っているのかなどを細かく検知することができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記有機圧電センサと信号検出器が、前記履物の履物底部と一体化されてなることが好ましい。

このように履物底部と一体化されていれば、履物に足を入れた際に違和感なく履物を履くことができる。したがって、高齢者に気持ち良く履物用センシング装置を用いてもらうことができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記有機圧電センサと信号検出器が、前記履物の履物底部とは別体として、履物底部上に配設されることが好ましい。

このように履物底部とは別体であれば、様々な履物に履物用センシング装置を用いることができる。すなわち中敷きとして色々な履物に本履物用センシング装置を配設することができるので、汎用性を高めることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記信号検出器が、
前記有機圧電センサ上に設けられたクッション層内に配設されていることが好ましい。

このように信号検出器がクッション層内に配設されていれば、履物に足を入れた際に違和感なく履物を履くことができる。したがって、高齢者に気持ち良く履物用センシング装置を用いてもらうことができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記クッション層が、多孔体または発泡体であることが好ましい。
このようにクッション層が、多孔体または発泡体であれば、履物に足を入れた際に足裏に違和感なく履物を履くことができる。したがって、高齢者に気持ち良く履物用センシング装置を用いてもらうことができる。

なおクッション層の材質としては、ポリウレタン、エチレン－酢酸ビニル共重合体、またはそれらを複合化させたものであることが好ましい。
上記したクッション層の形態および材質を鑑みると、ウレタンフォームが好適である。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記有機圧電センサと信号検出器とで得られた圧力に関する信号を受け、再び前記信号検出器へ信号を送る送受信機を備えることが好ましい。

このように送受信機を備えれば、例えば体重の異なる高齢者に合わせた感度設定に関する信号を信号検出器へ送ることができ、それぞれの高齢者に合わせて感度調整を行ったうえで本履物用センシング装置を用いることができる。

また本発明の履物用センシング装置は、
前記信号検出器が、無線により前記送受信機に信号を送るよう構成されていることが好ましい。

このように無線であれば、信号検出器と送受信機との間を物理的に切り離すことができ、履物へは、有機圧電センサと信号検出器のみを配設すれば良いように構成することができる。このため、履物内へ配設すべき機器を最小化することができ、履物に足を入れた際に足裏に違和感なく履物を履くことができる。

さらに無線であれば、例えば遠方の家族に高齢者の位置を知らせたり、介護士が別の作業中にも介護担当の高齢者が立ち上がっているのか、座っているのかなどの見守りをすることができ、さらには躓きが生じそうな際にも事前に補助することができ、怪我を防止することもできる。

本発明の履物用センシング装置によれば、履物底部の全面に有機圧電センサが配設されているので履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を広範囲にわたって検知することができるとともに、有機圧電センサや信号検出器を薄く構成することができ、圧力の検出に要する電力を僅かにできるので、履物に足を入れた際に足裏に違和感なく履物を履くことができ、特に高齢者に気持ち良く使用してもらうことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態における履物用センシング装置の概略図である。 図２（ａ）は、図１に示した履物用センシング装置のＡ－Ａ線による断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の丸で囲った部分の拡大図である。 図３は、本発明の第２の実施形態における履物用センシング装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づきより詳細に説明する。

＜＜履物用センシング装置１０＞＞
本発明の第１の実施形態における履物用センシング装置１０は、履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を確実に検出するためのものであり、図１および図２（ａ）に示したように、履物底部の全面に配設される有機圧電センサ２０と、この有機圧電センサ２０の押圧時に生ずる信号を検出する信号検出器５０と、を備えてなるものである。

＜有機圧電センサ２０＞
有機圧電センサ２０は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示したように、最下層に位置するシールド層２２と、シールド層２２上に積層された第１絶縁層２４と、第１絶縁層２４上に積層された第１電極層２６と、第１電極層２６上に積層された圧電層２８と、圧電層２８上に積層された第２電極層３０と、第２電極層３０上に積層された最上層に位置する第２絶縁層３２と、の合計６層から構成されたものである。

そして最下層に位置するシールド層２２と最上層に位置する第２絶縁層３２の２層で、残りの４層（第１絶縁層２４，第１電極層２６，圧電層２８，第２電極層３０）を挟み込んで成るようになっている。すなわち、図１において実線で示した外形線がシールド層２２と第２絶縁層３２のものであり、破線で示した外形線が第１絶縁層２４と第１電極層２６と圧電層２８と第２電極層３０のものである。なお、破線で示した外形線の中が、実際に圧力を検知できる範囲となるため、この破線で示した外形線の位置については、できるだけ実線で示した外形線に近づけることが好ましい。実際には、足のサイズよりも履物底部は広いため、実線で示した外形線と破線で示した外形線との間の距離は、１～５ｍｍの範囲内とすることが好ましい。

このように４層（第１絶縁層２４，第１電極層２６，圧電層２８，第２電極層３０）が２層（シールド層２２，第２絶縁層３２）にすっぽりと覆われたような構成とすることにより、４層（第１絶縁層２４，第１電極層２６，圧電層２８，第２電極層３０）の欠損などを生じ難くすることができ、また外見上からは単なる中敷きのように見せることができる。

また、シールド層２２と第２電極層３０とは電気的に接続されており、これにより有機圧電センサ２０が足によって圧力を受けた際、第１電極層２６によって生ずるノイズを低減させることができる。

なお、有機圧電センサ２０の全体の厚さとしては特に限定されるものではないが、好ましくは０．１～１０ｍｍの範囲内、より好ましくは０．５～５．０ｍｍの範囲内、さらに好ましくは０．５～１．０ｍｍの範囲内に設定すれば、履物に足を入れた際に足裏に違和感なく履物を履くことができ好ましい。

また本発明で用いられる有機圧電センサ２０は、加圧した際に電荷が生ずるため、特に有機圧電センサ２０自体に電力を要するものでは無いものである。
ここで有機圧電センサ２０を構成する各層の材質としては、次のものを用いることができる。

［シールド層２２］
シールド層２２としてはシールド機能を持つ公知の材質を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば市販されている金属製テープを用いれば、入手がし易く安価であり、厚さが薄いので好ましい。金属製テープの材質の例としては、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、錫を挙げることができる。

［第１絶縁層２４と第２絶縁層３２］
第１絶縁層２４と第２絶縁層３２としては電気的絶縁機能を有する公知の材質を用いることができ、特に限定されるものではなく、例えば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の例としては、ゴム、プラスチックを挙げることができ、具体的にはシリコンゴム、クロロプレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ふっ素ゴム、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド、ふっ素樹脂を挙げることができる。

［第１電極層２６と第２電極層３０］
第１電極層２６と第２電極層３０としては電気的接続機能を有する公知の材質を用いることができ、特に限定されるものではないが、シールド層２２の場合と同じように例えば市販されている金属製テープを用いれば、入手がし易く安価であり、厚さが薄いので好ましい。金属製テープの材質の例としては、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、錫を挙げることができる。

［圧電層２８］
圧電層２８としては圧力を加えた際に電荷を生ずる機能を有する公知の材質を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば国際公開第２０１７／１３８５４２号に記載の高分子材料を用いることが好ましい。

高分子材料の具体的な例としては、ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やその共重合体、ポリ乳酸、多孔質性樹脂からなるフィルムまたはシートを挙げることができる。
ここで上記した圧電層２８は、厚さ方向に対する圧電特性が高い多孔質性樹脂フィルムからなるシートであることが好ましい。

例えば、ポリプロプレン多孔体やふっ素樹脂多孔体があり、履物の中敷きとして使用した場合の耐湿性を考慮すると、ふっ素樹脂多孔体が好ましい。
さらに、圧電層２８の厚さ方向の圧力を検知することで圧力検知能により優れる有機圧電センサ２０が得られる点から、圧電定数ｄ３３が、好ましくは２０×１０^-12Ｃ／Ｎ以上であり、より好ましくは１００×１０^-12Ｃ／Ｎ以上であることが望ましい。
このようにしてなる有機圧電センサ２０の上には、クッション層６０が設けられ、クッション層６０の一部に信号検出器５０が配設されている。

＜クッション層６０＞
クッション層６０としては、例えば多孔体または発泡体を用いることができる。なお、クッション層６０は、履物に足を入れた際に信号検出器５０が足裏に違和感なく感じられるようにさせるためのものである。

クッション層６０の材質としては、市販の履物の中敷きに用いられる材質であれば特に限定されるものではないが、例えばポリウレタン、エチレン－酢酸ビニル共重合体、またはそれらを複合化させたものであることが好ましい。
上記したクッション層６０の形態および材質を鑑みると、ウレタンフォームが好適である。

＜信号検出器５０＞
一方、信号検出器５０は、有機圧電センサ２０の第１電極層２６と第２電極層３０とに電気的に接続されており、圧電層２８が受けた圧力および圧力の強度による信号を検出する役目を成している。この信号を信号検出器５０のメモリーに保存し、後に保存されたデータを別途取り出して解析することで、圧電層２８のどの位置でどのくらいの強さの圧力が加わったかを検出することができる。

信号検出器５０としては、特に限定されるものではなく、省電力化された電力源として薄型ボタン電池を使用したような市販品を用いることが好ましい。中でもフレキシブル基板から成る信号検出器５０のように、薄いシート状の信号検出器５０であれば、履物に足を入れた際に違和感なく履物を履くことができる。さらに薄いシート状の信号検出器５０であれば、場合によってはクッション層６０を用いなくとも、有機圧電センサ２０に直接信号検出器５０を配設することもでき好ましい。クッション層６０の有無については、用いる信号検出器５０がどのような形態、素材であるかなどによって適宜選択することが好ましい。

このように本発明の履物用センシング装置１０では、有機圧電センサ２０への電力供給の必要がなく、足で圧力が加わった際に生ずる信号を信号検出器５０で検知するときにだけ僅かに電力を要するのみであり、信号検出器５０のための僅かな電力さえあれば、履物用センシング装置１０を機能させることができるものである。

そして、有機圧電センサ２０と信号検出器５０は薄膜化されており、簡素化されているため、これを履物の中敷きとして用いた場合には、足裏への違和感を生ずるような構造がなく、特に高齢者が無理なく用いることができる。

さらに履物用センシング装置１０に用いられる有機圧電センサ２０は、履物底部の全面に配設されるため、信号検出器５０のメモリーに保存されたデータを解析すれば、高齢者が立ち上がった状態であるか、座った状態であるか、または躓きはどのような要因で生ずるかなどについても細かく検知することができる。

次いで、本発明の履物用センシング装置１０の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。
図３に示した履物用センシング装置１０は、図１および図２に示した第１の実施形態の履物用センシング装置１０と基本的に同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

図３に示した履物用センシング装置１０は、有機圧電センサ２０と信号検出器５０とで得られた圧力に関する信号を受け、再び信号検出器５０へ信号を送る送受信機７０を備える点で、第１の実施形態の履物用センシング装置１０と異なっている。

このように送受信機７０を備える場合には、信号検出器５０において、圧電層２８が受けた圧力による信号をメモリーに保存する必要がなく、直接送受信機７０に信号を送信するようにすることができ、第１の実施形態の場合によりも、さらに信号検出器５０を簡素化させることができる。

また、送受信機７０で受信した圧力に関する信号を解析して、例えば信号検出器５０側へ信号を送信することで、例えば圧力の位置や強度の検知の際の閾値などを調整することもできるようになる。送受信機７０と信号検出器５０とは、無線により送受信が可能なようにしておくことが好ましい。

このように無線であれば、信号検出器５０を簡素化させることができる。また信号検出器５０と送受信機７０との間を物理的に切り離すことができ、履物へは、有機圧電センサ２０と信号検出器５０のみを配設すれば良いようにすることができる。このため、履物内へ配設すべき機器を最小化することができ、履物に足を入れた際に足裏へ違和感なく履物を履くことができる。

さらに無線であれば、例えば遠方の家族に高齢者の位置を知らせたり、介護士が別の作業中にも介護担当の高齢者が立ち上がっているのか、座っているのかなどの見守りをすることもできる。

以上、本発明の履物用センシング装置１０について第１の実施形態と第２の実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、例えば本実施形態では、履物用センシング装置１０は片足分のみ図示されているが、当然、左右一対での使用を想定したものである。なお、左右で履物用センシング装置１０の感度を同じくして用いても、感度を左右で変えて用いても良く、使用される状況や使用者によって調整して用いても良いものである。

さらには上述したようにクッション層６０を設けず、有機圧電センサ２０上に直接信号検出器５０を設ける形態でも良いものである。
また、第１の実施形態と第２の実施形態では、本発明の履物用センシング装置１０は履物の中敷きのような形態、すなわち履物の履物底部と別体とした場合を想定して説明しているが、履物の履物底部と一体化されていても良いなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。

１０ 履物用センシング装置
２０ 有機圧電センサ
２２ シールド層
２４ 第１絶縁層
２６ 第１電極層
２８ 圧電層
３０ 第２電極層
３２ 第２絶縁層
５０ 信号検出器
６０ クッション層
７０ 送受信機

Claims (9)

1. 履物を履いた際に足によって履物底部に加えられる圧力を検出する履物用センシング装置であって、
   前記履物用センシング装置は、
   前記履物底部の全面に配設される有機圧電センサと、
   前記有機圧電センサの押圧時に生ずる信号を検出する信号検出器と、
   を少なくとも備え、
   前記有機圧電センサが、
   シールド層と、
   前記シールド層上に積層された第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層上に積層された第１電極層と、
   前記第１電極層上に積層された圧電層と、
   前記圧電層上に積層された第２電極層と、
   前記第２電極層上に積層された第２絶縁層と、
   から成り、
   前記シールド層と前記第２絶縁層とで、残りの前記第１絶縁層と前記第１電極層と前記圧電層と前記第２電極層とを挟み込んだ構成であり、
   前記シールド層と前記第２絶縁層の外形の範囲と、前記第１絶縁層と前記第１電極層と前記圧電層と前記第２電極層の外形の範囲との間の距離が、１～５ｍｍの範囲内であることを特徴とする履物用センシング装置。
2. 前記圧電層の材質が、高分子材料であることを特徴とする請求項１に記載の履物用センシング装置。
3. 前記圧電層が、
   厚さ方向に高い感度を有する圧電フィルムであることを特徴とする請求項１または２に記載の履物用センシング装置。
4. 前記有機圧電センサと信号検出器が、前記履物の履物底部と一体化されてなることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の履物用センシング装置。
5. 前記有機圧電センサと信号検出器が、前記履物の履物底部とは別体として、履物底部上に配設されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の履物用センシング装置。
6. 前記信号検出器が、
   前記有機圧電センサ上に設けられたクッション層内に配設されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の履物用センシング装置。
7. 前記クッション層が、多孔体または発泡体であることを特徴とする請求項６に記載の履物用センシング装置。
8. 前記有機圧電センサと信号検出器とで得られた圧力に関する信号を受け、再び前記信号検出器へ信号を送る送受信機を備えることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の履物用センシング装置。
9. 前記信号検出器が、無線により前記送受信機に信号を送るよう構成されていることを特徴とする請求項８に記載の履物用センシング装置。

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