JP7476860B2 - 検出装置及び履物 - Google Patents

Description

本発明は、足裏に加わる荷重を検出する検出装置及び履物に関する。

近年、履物の底部又はインソールに配置した検出装置を用いて、足裏に加わる荷重を検出する技術が提案されている。検出装置により検出された荷重は、例えば、ユーザの歩行状態、健康状態、運動時のパフォーマンスなどの解析に利用される。例えば、特許文献１には、インソールボディと、インソールボディの内部に配置された検出素子としての圧力センサとを備えるインソールが開示されている。特許文献１のインソールには、つま先側に２個及び踵側に２個の合計４個の圧力センサが設けられている。

特開２０２０－０３２１７６号公報

検出装置により検出された荷重を用いて多様な解析を行うためには、検出装置により検出される荷重に関する情報の情報量を増やす必要がある。上記情報量を増やすための手段としては、設置される圧力センサの数を増やして足裏における面積当たりの圧力センサの密度を高めることが考えられる。しかしながら、この場合には、得られる情報の分解能が高められるものの、得られる情報の性質は変化しない。そのため、この場合に増加した情報は、既存の解析の精度を高める情報にはなっても、既存の解析と異なる解析を行うための情報にはならない。

上記課題を解決する検出装置は、履物の一部として適用される又は前記履物に取り付けて使用され、足裏に加わる荷重を検出する検出装置であって、足裏に配置されるシート状の基部と、前記基部に取り付けられる単数又は複数の第１センサ及び複数の第２センサとを備え、前記第１センサは、足裏における広範囲に加わる荷重を検出するシート状のセンサであり、前記第２センサは、前記第１センサの検出範囲よりも狭い範囲に加わる荷重を検出するとともに、前記第１センサよりも外形の小さいシート状のセンサであり、前記基部の厚さ方向において、一つの前記第１センサに対して２以上の前記第２センサが積層されている。

上記構成によれば、第１センサの検出結果としての足裏に加わる総荷重に関する情報と、第２センサの検出結果としての足裏の荷重分布に関する情報とを取得できる。足裏の荷重分布に関する情報に、足裏に加わる総荷重に関する情報を組み合わせることにより、足裏の荷重分布に関する情報のみでは困難な解析を行うことができる。

前記第１センサは、足裏の全体を検出範囲とする単数のセンサであることが好ましい。前記第１センサの平面形状は、例えば、靴底形状である。
上記構成によれば、センサ間の隙間が無くなるため、足裏に加わる総荷重をより正確に検出できる。

前記第１センサ及び前記第２センサの少なくとも一方は、エラストマー製の静電容量式圧力センサであることが好ましい。
エラストマー製の静電容量式圧力センサは、可撓性及び伸縮性を有しているため、足の動き基づく基部の変形に追従して第１センサ及び第２センサの少なくとも一方が変形できる。これにより、検出装置の耐久性が向上する。

前記基部は、前記第１センサに電気的に接続される電子モジュールを保持するシート状の筐体を備え、前記第１センサと前記電子モジュールとを接続する第１配線は、前記筐体の側縁の外から回り込むように配策されていることが好ましい。

上記構成によれば、第１センサに重なる位置に配置される第１配線の範囲、即ち、第１センサの検出範囲を横切る部分を短くできる。これにより、第１配線が第１センサの検出精度に与える影響を小さくできる。また、第１配線に加えられる荷重が小さくなるため、第１配線の折れや曲がりを抑制できる。

上記課題を解決する履物は、上記検出装置が底部に配置された履物であって、前記第１配線における前記筐体の側縁の外側に位置する部分は、当該履物の内周面に沿って配策されている。

上記構成によれば、第１配線における基部の外側に位置する部分を、履物内にて安定して保持できる。

本発明によれば、多様な解析を行うことに適した足裏に加わる荷重に関する情報を得ることができる。

検出装置の分解斜視図である。 検出装置の下側部分の斜視図。 検出装置の下側部分の上面図である。

以下、荷重を検出するインソールに具体化した本発明の検出装置１０の一実施形態を説明する。
図１に示すように、検出装置１０は、履物のインソールとして用いられる基部２０と、基部２０に取り付けられる検出ユニット３０とを備えている。なお、柔軟性を有するとは、歩行、跳躍、着地などの際の足裏の動きに伴って前後方向に湾曲させることができる程度に柔らかいことを意味する。

＜基部＞
基部２０は、基部２０の上部を構成する第１筐体２１と、基部２０の下部を構成する第２筐体２２とを備えている。

第１筐体２１は、その下面側が平面状に形成されるとともに、その上面が足裏の形状に沿った立体形状に形成されている。また、第１筐体２１の平面形状、即ち、上面視形状は靴底形状である。靴底形状は、例えば、前後方向における中央の内側が窪んだ略楕円形状である。第１筐体２１の構成材料としては、例えば、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート，エチレン酢酸ビニル）やＰＵ（ポリウレタン）が挙げられる。第１筐体２１の構成材料及び第１筐体２１の厚さの一方又は両方を調整することにより、インソールのクッション性及び反発性を調整できる。また、第１筐体２１の上面には、第１筐体２１を被覆する表皮２３が貼り付けられている。

第２筐体２２は、平面形状が靴底形状に形成されているシート状の部材である。本実施形態においては、第２筐体２２が、特許請求の範囲に記載する筐体に該当する。第２筐体２２には、検出ユニット３０の構成要素を収容するセンサ収容部２４、モジュール収容部２５、及び配線収容部２６が設けられている。センサ収容部２４、モジュール収容部２５、及び配線収容部２６は、第２筐体２２を厚さ方向に貫通する貫通孔である。第２筐体２２の構成材料としては、例えば、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート，エチレン酢酸ビニル）やＰＵ（ポリウレタン）が挙げられる。

また、基部２０は、第２筐体２２の下面と検出ユニット３０の構成要素とを接着する接着層２７を備えている。接着層２７は特に限定されるものではなく、両面テープなどのシート材を用いた接着層であってもよいし、接着剤を用いた接着層であってもよい。

＜検出ユニット＞
図１に示すように、検出ユニット３０は、第２筐体２２の下側に配置される１個の大型の第１センサ３１と、第２筐体２２のセンサ収容部２４に収容される７個の小型の第２センサ３２とを備えている。

第１センサ３１は、足裏に加わる総荷重を検出するための圧力センサであり、基部２０における広範囲を検出範囲とする。本実施形態では、第１センサ３１は、上面視における基部２０の全体を検出範囲とする。第１センサ３１は、平面形状が第２筐体２２と同形状の靴底形状であるシート状に形成されている。第１センサ３１は、第２筐体２２の下面側に積層されるとともに、接着層２７により第２筐体２２に接着されている。

第２センサ３２は、足裏における特定部位に加わる部分的な荷重を検出するための圧力センサであり、第１センサ３１の検出範囲よりも狭い範囲を検出範囲とする。上記特定部位は、用途に応じて適宜設定できる。

図２及び図３に示すように、本実施形態では、足裏におけるつま先側の５か所及び踵側の４か所の合計７か所を上記特定部位としている。なお、図２及び図３においては、第１筐体２１及び表皮２３の図示を省略している。第２センサ３２は、第１センサ３１よりも外形の小さい略円形のシート状に形成されている。換言すると、第２センサ３２は第１センサ３１よりも表面積が小さい略円形のシート状に形成されている。第２センサ３２は、第２筐体２２のセンサ収容部２４に収容されている。

また、第２センサ３２は、接着層２７の上面に接着されることにより、センサ収容部２４内に固定されている。したがって、各第２センサ３２は、接着層２７を介して第１センサ３１の上に積層されている。また、第１センサ３１及び第２センサ３２は、荷重が加えられる方向である基部２０の厚さ方向、即ち、上下方向に重なる位置に配置されている。

第１センサ３１及び第２センサ３２を構成する圧力センサとしては、圧電素子等を用いた公知の感圧センサを用いることができる。特に、足裏に配置されるという使用状況に鑑みると、伸縮性及び耐久性の観点から、誘電エラストマーを利用したエラストマー製の静電容量式圧力センサを用いることが好ましい。

上記誘電エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。エラストマー製の静電容量式圧力センサは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電層と、誘電層の厚さ方向の両側に配置された電極層としての正極電極及び負極電極とが複数積層されたシート状の多層構造体である。

検出ユニット３０は更に、処理部としての電子モジュール３３、第１配線３４、及び第２配線３５を備えている。
電子モジュール３３を構成する機能的要素としては、例えば、バッテリ等の電源、第１センサ３１及び第２センサ３２からの信号を処理する信号処理回路、第１センサ３１及び第２センサ３２からの信号やその信号を処理して得られる情報等の各種情報を記憶する記憶部、外部と通信を行う通信部が挙げられる。電子モジュール３３は、モジュール収容部２５内に収容されている。電子モジュール３３及びモジュール収容部２５は、足底弓蓋、所謂、土踏まずの位置に配置されている。

第１配線３４は、第１センサ３１と電子モジュール３３とを電気的に接続する。第１配線３４は、基部２０に追従して変形可能な柔軟性を有している。柔軟性を有する第１配線３４としては、例えば、フレキシブルプリント配線板、リード線が挙げられる。

図２に示すように、第１配線３４は、第２筐体２２の側縁の外から回り込むように配策されている。第１配線３４は、第１部分３４ａと、第２部分３４ｂとを備えている。第１部分３４ａは、電子モジュール３３側から第１センサ３１側に向かって、第２筐体２２の上面に沿って第２筐体２２の側縁まで延びる部分である。第２部分３４ｂは、第１部分３４ａから第２筐体２２の側縁に沿って下方に延びるとともに第１センサ３１の縁部に接続される部分である。なお、第１配線３４における第２筐体２２の上面に沿っている部分は、第１筐体２１と第２筐体２２との間に挟まれている。

第２配線３５は、第２センサ３２と電子モジュール３３とを電気的に接続する。第２配線３５は、基部２０に追従して変形可能な柔軟性を有している。柔軟性を有する第２配線３５としては、例えば、フレキシブルプリント配線板、リード線が挙げられる。第２配線３５は、配線収容部２６に内に収容されている。また、第２配線３５は、接着層２７の上面に接着されることにより、配線収容部２６内に固定されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の検出装置１０は、足裏に加わる荷重を検出するセンサとして、足裏に加わる総荷重を検出するセンサとして、足裏における広範囲に加わる荷重を検出する第１センサ３１を備えている。更に、検出装置１０は、足裏における特定部位に加わる部分的な荷重を検出する複数の第２センサ３２を備えている。複数の第２センサ３２は、一つの第１センサ３１の上におけるそれぞれ異なる位置に積層されている。

検出装置１０によれば、第１センサ３１の検出結果に基づく足裏に加わる総荷重に関する情報と、第２センサ３２の検出結果に基づく足裏の荷重分布に関する情報とを取得できる。足裏の荷重分布に関する情報に、足裏に加わる総荷重に関する情報を組み合わせることにより、足裏の荷重分布に関する情報のみでは困難な多様な解析を行うことができる。

例えば、ゴルフのスイングにおいてボールに力を伝えるためには、足裏にて適切なタイミングで体重移動を行うことに加えて、自身の体重に応じた適切な荷重にて地面を踏み込むことが重要である。適切なタイミングの体重移動ができていたとしても、自身の体重に応じた適切な荷重で地面を踏み込むことができないと、十分にボールに力を伝えることはできない。バレーボールにおいて、高くジャンプする場合も同様である。

また、ランニングにおいては、着地して蹴り出す際に足裏に加わる荷重の移動が適切にできている人であっても、足にかかる負荷の大きい走り方をしている場合がある。具体的には、ストライドが大きく、体軸よりも前方に着地するような走り方であると、膝に大きな負荷がかかる。ランニング時に足に加わる負荷は、体重の数倍になるため、足にかかる負荷の大きい走り方をしているか否かを解析することの必要性は高い。

このように、人の運動状態を評価する場合において、足裏の荷重分布に関する情報に基づく解析のみでは不十分であり、足裏に加わる総荷重に関する情報に基づく解析によって補完する必要のある場面は多く存在する。そのため、足裏の荷重分布に関する情報と、足裏に加わる総荷重に関する情報とを取得することのできる検出装置１０は、多様な解析を行う場合に有用である。

なお、足裏に加わる総荷重に関する情報に基づく解析を行う場合には、体重による個人差を考慮する必要がある。検出装置１０によれば、運動していない状態などにおける、足裏に加わる総荷重に関する情報に基づいて装着者の体重を容易に求めることができる。また、両足の足裏に検出装置１０を配置した場合には、片足ごとの足裏に加わる総荷重に関する情報を組み合わせることにより、重心の位置を解析することも可能である。

次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）検出装置１０は、足裏に配置されるシート状の基部２０と、基部２０に取り付けられる単数の第１センサ３１及び複数の第２センサ３２とを備えている。第１センサ３１は、足裏における広範囲に加わる荷重を検出するシート状のセンサである。第２センサ３２は、第１センサ３１の検出範囲よりも狭い範囲に加わる荷重を検出するとともに、第１センサ３１よりも外形の小さいシート状のセンサである。基部２０の厚さ方向において、一つの第１センサ３１に対して２以上の第２センサ３２が積層されている。

上記構成によれば、多様な解析を行うことに適した足裏に加わる荷重に関する情報を得ることができる。
（２）第１センサ３１は、足裏の全体を検出範囲とする単数のセンサである。第１センサ３１の平面形状は、例えば、靴底形状である。

上記構成によれば、基部２０の面方向において、センサ間の隙間が無くなるため、基部２０の全面にて荷重を検出できる。そのため、足裏に加わる総荷重をより正確に検出できる。

（３）第１センサ３１及び第２センサ３２は、エラストマー製の静電容量式圧力センサである。
エラストマー製の静電容量式圧力センサは、可撓性及び伸縮性を有しているため、足の動き基づく基部２０の変形に追従して第１センサ３１及び第２センサ３２が変形できる。これにより、検出装置１０の耐久性が向上する。

（４）第１センサ３１の上に第２センサ３２が位置する積層構成である。
相対的に外形の大きい第１センサ３１の下に相対的に外形の小さい第２センサ３２が位置する積層構成とした場合を考える。この場合、第１センサ３１における第２センサ３２と重なる部分に加えられた荷重の一部が第２センサ３２と重なっていない部分へと逃げることにより、第２センサ３２へと伝わる荷重が減衰する。上記構成によれば、第１センサ３１にて力が減衰することによる第２センサ３２の検出感度の低下を抑制できる。

（５）基部２０は、第１センサ３１に電気的に接続される電子モジュール３３を保持するシート状の第２筐体２２を備えている。第１センサ３１と電子モジュール３３とを接続する第１配線３４は、第２筐体２２の側縁の外から回り込むように配策されている。

上記構成によれば、荷重が加えられる方向である上下方向において、第１センサ３１に重なる位置に配置される第１配線３４の第１部分３４ａ、即ち、第１センサ３１の検出範囲を横切る部分を短くできる。これにより、第１配線３４が第１センサ３１の検出精度に与える影響を小さくできる。また、第１配線３４に加えられる荷重が小さくなるため、第１配線３４の折れや曲がりを抑制できる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第１筐体２１の下面の周縁に第２筐体２２の側縁を被覆する周壁を設けてもよい。

・第１センサ３１及び第２センサ３２は、隣り合うように積層されていてもよいし、他の層を介して積層されていてもよい。例えば、第１センサ３１と第２センサ３２との間に第２筐体２２が介在していてもよい。

・第２筐体２２の下に、シート状の第３筐体を設け、第２筐体２２と第３筐体との間に第１センサ３１を挟み込む構成としてもよい。この場合には、検出装置１０の強度が向上する。

・第１センサ３１の上に第２センサ３２が位置する積層構成に代えて、第１センサ３１の下に第２センサ３２が位置する積層構成としてもよい。
・一つの第１センサ３１に対して２以上の第２センサ３２が積層される構成であれば、第１センサ３１及び第２センサ３２の数及び配置は、上記実施形態の構成に限定されない。例えば、上面視における基部２０の一部に第１センサ３１の検出範囲とならない部分が存在していてもよい。

また、単数の第１センサ３１を設ける構成に代えて、複数の第１センサ３１を設ける構成としてもよい。例えば、面方向における基部２０の全体を複数のエリアに分割し、分割した各エリアをそれぞれ検出範囲とする複数の第１センサ３１を設ける。

・第１配線３４及び第２配線３５の配置を変更してもよい。
・検出装置１０に設けられる電子モジュール３３の数及び配置は、上記実施形態の構成に限定されない。例えば、電子モジュール３３を複数の部材に分割して設けてもよいし、電子モジュール３３を基部２０の外側に設けてもよい。

・検出装置１０を履物に適用してもよい。この場合、履物の底部を基部２０として用いる。また、検出装置１０を履物に適用した場合、第１配線３４における第２筐体２２の側縁の外側に位置する部分は、履物の内周面に沿って配策されていることが好ましい。つまり、第１配線３４における第２筐体２２の側縁の外側に位置する部分を第２筐体２２の側縁と履物の壁部内面との間に挟むように配置する。この場合には、第１配線３４における基部２０の外側に位置する部分を、履物内にて安定して保持できる。

１０…検出装置
２０…基部
２１…第１筐体
２２…第２筐体
３０…検出ユニット
３１…第１センサ
３２…第２センサ
３３…電子モジュール
３４…第１配線
３５…第２配線

Claims (6)

1. 履物の一部として適用される又は前記履物に取り付けて使用され、足裏に加わる荷重を検出する検出装置であって、
   足裏に配置されるシート状の基部と、
   前記基部に取り付けられる単数又は複数の第１センサ及び複数の第２センサとを備え、
   前記第１センサは、足裏における広範囲に加わる荷重を検出するシート状のセンサであり、
   前記第２センサは、前記第１センサの検出範囲よりも狭い範囲に加わる荷重を検出するとともに、前記第１センサよりも外形の小さいシート状のセンサであり、
   前記基部の厚さ方向において、一つの前記第１センサに対して２以上の前記第２センサが積層されていることを特徴とする検出装置。
2. 前記第１センサは、足裏の全体を検出範囲とする単数のセンサである請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第１センサの平面形状は、靴底形状である請求項２に記載の検出装置。
4. 前記第１センサ及び前記第２センサの少なくとも一方は、エラストマー製の静電容量式圧力センサである請求項１～３のいずれか一項に記載の検出装置。
5. 前記基部は、前記第１センサに電気的に接続される電子モジュールを保持するシート状の筐体を備え、
   前記第１センサと前記電子モジュールとを接続する第１配線は、前記筐体の側縁の外から回り込むように配策されている請求項１～４のいずれか一項に記載の検出装置。
6. 請求項５に記載の検出装置が底部に配置された履物であって、
   前記第１配線における前記筐体の側縁の外側に位置する部分は、当該履物の内周面に沿って配策されていることを特徴とする履物。

Images