JPH0259633A

JPH0259633A - 圧力分布検出装置

Info

Publication number: JPH0259633A
Application number: JP63211718A
Authority: JP
Inventors: Jiyun Tahoda; 純多保田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1990-02-28
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH076859B2; US4953410A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、圧力分布検出装置に関し、特に、マトリク
ス状に配置された複数の圧電センサ素子により接触圧力
分布を検出する圧力分布検出装置に関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする課題］圧電
素子をマトリクス状に配置した接触圧力分布を検出する
圧電型圧力分布センサの構成として、たとえば特開昭６
２−２９７７３５号には、第５図に示すような構成が示
されている。第５図には、圧電素子２が５行５列のマト
リクス状に配置されている。各圧電素子２の一方電極に
は、行ごとに接続線Ａ、ないしＡ、が接続され、また、
他方電極には、列ごとに接続線Ｂ、ないしＢＳが電気的
に接続されている。この圧電型圧力分布センサでは、た
とえば圧電素子２ａにおける圧力を測定する場合には、
圧電素子２ａに生じた歪に基づく電位差を接続線Ａ、と
Ｂ、との間で測定する。そして、接続線の組合わせを順
次切換えることにより、各圧電素子に生じた電位差を測
定し、圧力分布を求めている。

ところで、圧電素子は外力を作用させた瞬間に電圧を生
じる素子であるので、−度電荷を読出してしまうと、た
とえ圧電素子に圧力がかかっていても圧力変化がなけれ
ば、電極間に電位差は生じない。したがって、従来の圧
電型圧力分布センサでは、１回の７１−１定で１時点に
おける圧力分布しか得られず、圧力分布の連続的な変化
を１１ｐＪ定することはできなかった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、圧力分布の連続
的な変化を測定することのできる圧力分布検出装置を提
供することである。

［課題を解決するだめの手段］この発明に係る圧力分布検出装置は、マトリクス状に配
置され、圧力変化に応じた電圧を出力する複数の圧電セ
ンサ素子と、複数の圧電センサ索子の各々から連続して
電圧データを読取るための読取手段と、読取手段の読取
った電圧データを各圧電センサ素子別に累積演算する演
算手段とを含んでいる。

［作用］マトリクス状に配置された複数の圧電センサ素子は、圧
力変化に応じた電圧を出力する。読取手段では、複数の
圧電素子の各々から連続して電圧データを読取る。次に
、演算手段では、読取手段によって読取られた電圧デー
タを各圧電センサ素子別に累積演算する。

演算手段によって、各圧電センサ素子別の圧力変化に応
じた電圧データが累積演算されるので、各圧電センサ素
子に圧力変化がなければ、一定の圧力データが得られ、
圧力変化があれば、その４Ｐ１定時点における圧力デー
タが得られる。その結果、圧力分布の連続的な変化を測
定することができる。

［発明の実施例］第２図は、この発明の一実施例の構成を示す概略斜視図
である。第２図に示すように、圧電型圧カセンザ１０は
マトリクス状に配置されたセンサ素子１１を含む。各セ
ンサ素子１１は、それぞれ圧電素子１２と、電界効果ト
ランジスタ１３と、コンデンサ１４とを有している。ま
た、マトリクス状に配置された各センサ素子１１の配置
に沿って、行方向に、それぞれ制御線Ｃ，，Ｃ２，・・
・Ｃｍが配設され、また、各列方向には、読取線ＲＲ２
，・・・Ｒｎが配設されている。さらに、各列方向には
、アース１５に接続される２条ずつの配線１６．１７が
配設されている。

第３図に、１つのセンサ素子１１の等価回路を示す。第
３図において、電界効果トランジスタ１３のゲート電極
は制御線Ｃに接続されている。また、トランジスタ１３
のソースあるいはドレイン電極の一方は、読取線Ｒに接
続されている。ソースあるいはドレイン電極の他方は、
圧電素子１２の下端面に形成された電極１８に接続され
ている。

圧電素子１２の上端面に形成された電極１９は、アース
１５に連続する配線１７に接続されている。

また、圧電素子１２の下端面の電極１８とアース１５に
連続する配線１６との間には、コンデンサ１４が接続さ
れている。すなわち、このコンデンサ１４は、圧電素子
１２に対し並列に接続されていることになる。なお、圧
電素子１２としては、圧電セラミックスや圧電性単結晶
などの剛性の高い圧電材料よりなる素子が使用される。

上述の圧電型圧力センサ１０は、たとえば第４図に示す
ような圧力分布検出装置に組込まれる。

第４図において、圧電型圧力センサ１０の制御線Ｃ，，
Ｃ２，・・・ＣＩ、ｌは、制御線切換回路２１に接続さ
れている。また、読取線Ｒ１＋　Ｒ２＋　・・・Ｒ１は
、読取線切換回路２２に接続されている。読取線切換回
路は積分回路２３に接続され、積分回路２３はピークホ
ールド回路２４に接続されている。ピークホールド回路
２４は、Ａ／Ｄコンバータ２５を介してデータ処理装置
２６に接続されている。さらに、第４図の検出装置は、
マトリクス制御回路２７を備えている。マトリクス制御
回路２７は、制御線切換回路２１．読取線切換回路２２
を制御するとともに、ピークホールド回路２４に所定タ
イミングでリセット信号を送り、さらに、データ処理装
置に素子切換情報信号を送るようになっている。また、
データ処理装置２６は、Ａ／Ｄコンバータ２５を制御す
るための制御信号を−Ａ／Ｄコンバータ２５に送るよう
になっている。

次に、第４図の圧力分布検出装置に組込まれた圧電型圧
力センサの作動を説明する。

マトリクス制御回路２７により、制御線切換回路２１を
通して、まず制御線Ｃ１に接続されているトランジスタ
１３を導通状態にする。このとき、他の制御線Ｃ２，Ｃ
，、・・・Ｃ，ｎは、非導通状態にある。これにより、
制御線ＣＩに対応する行のセンサ素子の情報が、読取線
Ｒ，，Ｒ２，・・・Ｒ，を通して読取可能な状態となる
。

この状態において、読取線切換回路２２を通して、まず
、読取線Ｒ７のみを積分回路２３に接続する。このとき
、残りの読取線Ｒ２，Ｒ３，・・・Ｒ１は、回路的に開
放状態になっているため、対応するセンサ素子内の情報
は保持されている。

読取線Ｒ１を積分回路２３に接続すると、対応する圧電
素子に加圧により蓄積された電荷が、積分回路２３側に
放電される。この電荷を積分回路２３において時間的に
積分すれば、対応するセンサ素子が加圧されることによ
り蓄積していた電荷量が測定できることになる。これは
、後段のピークホールド回路２４．Ａ／Ｄコンバータ２
５を通してデータ処理装置２６に入力される。

以後、読取線Ｒ２，Ｒ，、・・・Ｒｏと読取線の切換え
を行ない、すべての読取線からの検出を終えると、次に
制御線Ｃ２・のみを導通状態とする。これによって、上
述の動作と同様に、制御線Ｃ２に対応する行に配置され
た各センサ素子の情報を読取線Ｒ，，Ｒ２，・・・Ｒ，
から読取り、その情報をデータ処理装置に蓄積する。

すなわち、上述の圧力分布検出装置では、各圧電素子１
２に上方から未知物体が当接されると、その物体の加圧
力により、対応する圧電素子１２において圧電効果を生
じ、制御線Ｃ，，Ｃ２，・・・Ｃｍと読取線Ｒ，，Ｒ２
，・・・Ｒｏとを順次切換えることにより、各センサ素
子における圧力を検出することができる。したがって、
圧電型圧力センサ１０の上に接触している未知物体に基
づく圧力性／Ｉｉを知ることができる。

各センサ素子の圧力検出は連続的に行なわれる。

すなわち、すべてのセンサ素子における圧力が検出され
ると、再度最初のセンサ素子が選択されて圧力が検出さ
れ、それ以降上述したように順次センサ素子が選択され
て、圧力が検出される。この動作は、測定が終了するま
で繰返して行なわれる。

次に、第４図に示すデータ処理装置の動作について説明
する。

センサ素子１１のコンデンサ１４には、圧力変化に相当
するチャージ電荷が蓄積される。センサ素子１１から読
取ったチャージ電荷に相当する電圧すなわちＡ／Ｄコン
バータ２５の出力端子の電圧をＶとすると、逆圧電効果
により、Ｐ細ｋＶ　　　　　　　　　　　　・・・（１）が成立
する。なお、Ｐは圧力、には比例定数である。

ここで、Δを時間ごとに、連続してセンサ素子からチャ
ージ電荷を読取ると、読取りごとにセンサ素子はリセッ
トされるので、それ以降の圧力変化に相当するチャージ
電荷が蓄積されることになる。しｔ二がって、１　−Δ　ｔ　・　ｎとすると、測定からｔ時間後の圧力Ｐ　（ｔ）について
は、Ｐ　（ｔ）−１ｃ）：Ｖ　（ｉ）　　　　　−（２）Ｉ
＠Ｉが成立する。なお、■（１）は１番目の測定電圧である
。

以上のように、測定電圧をｔＰｉ定ごとに累積すること
により、連続的に圧力をＡｌ１１定することがてきる。

第１図に示すように、ａｌｌ＋定開始にあたって、各セ
ンサ索子の荷重値ＦがＯにリセットされる。続いて、セ
ンサ素子からの出力つまりＡ／Ｄコンバータの出力電圧
が読込まれる。この読込みが第１回目であれば、リセッ
ト時点からの圧力変化分に応じた電圧値が読込まれ、第
２回目以降の読込みであれば、前回の読込み時点からの
圧力変化分に応じた電圧値が読込まれる。なお、第４図
に示すピークホールド回路２４は、正電圧、負電圧のい
ずれについてもそのピーク値をホールドする。続いて、
読込み電圧から荷重変化量ΔＦを求める。

たとえば、電荷量が増加していれば、圧力値は増加し、
逆に電荷量が減少していれば圧力値は減少する。すなわ
ち、ΔＦは正負の符号を有する。続いて、求められたΔ
Ｆを累積演算する。このようにして、上述のセンサ読込
みから累積演算までの各ステップを一定時間ΔＴごとに
繰返すことにより、現在の荷重値が得られる。

第１図に示すフロー図は、１つのセンサ素子についての
動作を示しているが、データ処理装置には、各センサ素
子に対応するレジスタまたは記憶エリアが設けられてい
て、各レジスタまは記憶エリアにおいて各センサ素子か
らの出力値が累積演算される。このようにして、この検
出装置は、圧力分布の連続的な変化を検出することがで
きる。

なお、制御線および読取線の切換え順序は、上述のよう
な順序に制限されることがなく、任意な順序で行なうこ
とができる。また、読取線の数がそれほど多くないは場
合には、積分回路やピークホールド回路を各読取線ごと
に設ける構成としてもよい。

［発明の効果］この発明に係る圧力分布検出装置によれば、マトリクス
状に配置された圧電センサ素子の各々から連続して電圧
データを読取る読取手段と、読取手段の読取った電圧デ
ータを各圧電センサ索子別に累積演算する演算手段とを
設けたので、圧力分布の連続的な変化をΔ−１定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の一実施例の圧力分布検出装置に設け
られたデータ処理装置の動作を説明するためのフロー図
である。第２図はこの発明の一実施例の構成を示す概略
斜視図である。第３図はセンサ素子の等価回路図である
。第４図は圧力分布検出装置の概略を示すブロック図で
ある。第５図は従来の圧電型圧力センサの概略を示す斜
視図である。図において、１０は圧電型圧力センサ、１１はセンサ素
子、１２は圧電素子、１３はトランジスタ、１４はコン
デンサ、２１は制御線切換回路、２２は読取線切換回路
、２３は積分回路、２４はピークホールド回路、２５は
Ａ／Ｄコンバータ、２６はデータ処理装置、２７はマト
リクス制御回路、Ｃ，、Ｃ２およびＣｍは制御線、Ｒ，
、Ｒ２およびＲｎは読取線を示す。第１図

Claims

【特許請求の範囲】マトリクス状に配置され、圧力変化に応じた電圧を出力
する複数の圧電センサ素子と、前記複数の圧電センサ素子の各々から連続して電圧デー
タを読取るための読取手段と、前記読取手段の読取った電圧データを各圧電センサ素子
別に累積演算する演算手段とを備えた、圧力分布検出装
置。