JPH0283424A - 圧電型圧力分布センサ - Google Patents

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、圧電型圧力分布センサに関し、特に、マト
リクス状に配置された複数個の圧電素子により接触圧力
分布を検出する圧電型圧力分布センサに関する。

［従来の技術］ 従来の圧電型圧力分布センサとしては、たとえば特開昭
６２−２９７７３５号公報に、圧電素子をマトリクス状
に配置して接触圧内分（（ｉを検出する構成が示されて
いる。

その構成では、圧電素子の上下両端に設けられた電極間
での電位差をそれぞれδＰ１定することによって、各圧
電素子に加えられた圧力を計算し、それに基づいて圧力
分布を知ることができるようになっている。

従来の構成を具体的に実施する場合には、たとえば第８
図に示すような構造とすることが考えられる。第８図で
は、基板１はその上面に配線パターン２を有している。

配線パターン２の所定位置上には、それぞれ圧電索子３
が載置されている。

圧電素子３は、上下両端にそれぞれ１対の電極を有して
おり、下側の電極が配線パターン２の所定位置に導電性
の接着剤によって固着されている。

圧電素子３の上方には、ポリウレタンゴムシ一トからな
る可撓性の加圧板４が配置されている。加圧板４の下面
には、配線パターン５が形成されている。配線パターン
５の所定位置には、圧電索子３の上端に形成された電極
が導電性の接着剤によって固着されている。

第８図に示す構成では、加圧板４上に成る物体が載せら
れた場合に、その物体にバづく圧力分布に従って圧電素
子３に圧力がそれぞれ加えられる。

その結果、圧電索子３は、圧電効果に基づいて電荷を生
じる。その電荷量を図示しない圧力分布検出装置を用い
て検出すれば、当該物体に基づく圧力分布を知ることが
できる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の圧電型圧力分布センサの加圧仮に用いられたポリ
ウレタンゴムシートは、熱伝導性が良いため、加圧仮４
の温度よりも高い温度の物体あるいは低い温度の物体を
加圧板４上に載せた場合には、その物体と加圧板との間
の温度差によって、圧電索子３の温度が変化してしまう
。ところが、圧電素子３に生じる電荷量は、焦電による
自発分極にも依存しており、この自発分極は温度変化の
関数である。したがって、第８図の構成において、圧電
素子３の温度が変化すれば、それに基づいて圧電素子３
に無用の電荷が蓄積されることになる。

したがって、第８図の構成では、圧力の測定の際に温度
変化の影響を容易に受けることになり、正確な圧力分布
を測定することはできない。

それゆえに、この発明の目的は、圧電素子が受ける被測
定物の温度の影響を抑制し、正確な圧力測定が行なえる
ようにすることにある。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る圧電型圧力分布センサは、マトリクス状
に配置された圧力分布を検出するための複数個の圧電素
子を有する圧電センサ素子１洋と、圧電素子の上端に圧
接し得るように前記圧電素子の上方に配置された可撓性
の加圧板とを含んでいる。そして、この発明に係る圧電
型圧力分布センサでは、上記加圧板は、被測定物と圧電
素子との間の熱伝達を抑えるための複数の断熱部材と、
上記複数の断熱部材間に挾み込まれ、熱を拡散するため
の高熱伝導性部材とを含んでいる。

［作用］ この発明に係る圧電型圧力分布センサでは、加圧板上に
被測定物が載置される。この被測定物に基づく加圧力に
対応して、マトリクス状に配置された複数個の圧電素子
には、それぞれ圧電効果に基づく電荷が発生する。この
電荷量を検出することにより、圧力分布を知ることがで
きる。

一方、上記加圧板は、被−１定物と圧電素子との間の熱
伝達を抑えるための複数の断熱部材と、断熱部材間に挾
み込まれた高熱伝導性部材とを備えている。したがって
、被１１−１定物が加圧板よりも湿度が高かったりある
いは低かったしても、断熱部材によって熱伝達が妨げら
れるとともに、断熱部材をわずかながら伝達されてきた
熱が高熱伝導性部材によって拡散されるため、被測定物
の温度の影響を圧電素子が受けにくい。したがって、こ
の発明に係る圧電型圧力分布センサでは、被測定物の温
度の影響を受けにくいので、正確な圧力を測定すること
が可能となる。

［発明の実施例コ 第３図および第４図はこの発明の一実施例の全体構成を
示す概略図である。第３図および第４図において、圧電
型圧力分布センサ１０は矩形平板状の台１１をＨしてい
る。台１１は主としてベークライトからなり、台１１上
にはマトリクス状に配置されたセンサ索子群１２が固定
されている。

また、台１１の周縁部には、上方に突出する若脱＝＝１
能なフレーム１３が取付けられている。フレーム１３の
開口部には、Ｆ＋Ｊ撓性の加圧板１４が配置されている
。加圧板１４は、センサ素子群１２の上端面を押圧し得
るように可撓性を有するとともに、その周辺部がフレー
ム１３側に固定されている。圧力分布センサ１０の長手
方向−万端部には、入出力用のコネクタ１５が形成され
ている。

センサ索子群１２を構成する各センサ素子２１は、第５
図に示すようにそれぞれ、圧電素子２２と、電界効果ト
ランジスタ２３と、コンデンサ２４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２１の配置
に沿って、各行方向に、それぞれ制御線Ｃ，，Ｃ２・・
・ＣＩ、ｌが配設されている。また、各列方向には、読
取線Ｒ，，Ｒ２・・・Ｒ，が配設されている。さらに、
各列方向には、アース２５に接続されるアース線２６が
配設されている。

第６図に、１つのセンサ索子２１の等価回路を示す。第
６図において、電界効果トランジスタ２３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２３のソースあるいはドレイン電極
の他方は、圧電素子２２の上端面に形成された電極２８
に接続されている。圧電素子２２の下端面に形成された
電極２９は、アース線２６に接続されている。また、圧
電素子２２の上端面の電極２８とアース線２６との間に
は、コンデンサ２４が接続されている。すなわち、この
コンデンサ２４は圧電素子２２に対し並列に接続されて
いることになる。なお、圧電素子２２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。

次に、各センサ索子２１部分の具体的な構造を説明する
。

第１図に示すように、圧力分布センサ１０の台１１上に
は、所定間隔をおいて圧電索子２２が配置される。圧電
索子２２と台１１との間には、平板状かつ金属製の読出
電極３１が配置される。読出電極３１と圧電索子２２の
下端の電極とは、介在する導電性接着剤によって固むさ
れる。圧電索子２２の上端には、平成状かつ金属製のア
ース電極３２が配置される。アース電極３２と圧電素子
２２の上端の７ヒ極とは、介在する導電性接着剤によっ
て固着される。読出電極３１およびアース電極３２は、
台１１上に設けられた図示しない基板の配線パターンに
電気的に接続される。

アース電極３２の上には、加圧板１４が載置される。加
圧板１４は、断熱性の高いフェルトシート３３と、両フ
ェルトシートに挾み込まれた高熱伝導性の金属箔シート
３５と、フェルトシート３３の上面およびフェルトシー
ト３４の下面に一体的に接着された補強用の板状部材３
６．３７から構成されている。フェルトシート３４．３
５はたとえば羊毛を原料としたものが用いられ、金属箔
シート３５はたとえばアルミ箔が用いられ、板状部材３
６．３７はたとえばガラスおよびエポキシ樹脂からなる
。

上記フェルトシートと従来用いられていたポリウレタン
ゴムシートとの熱伝導特性を第２図に示す。第２図は、
６０℃に保持したプレート上に厚みが２ｍｍのフェルト
シートおよびポリウレタンゴムシートを置き、各シート
の表面温度を所定時間ごとに測定して得られた。

加圧板１４上に圧電素子２２よりも高温の被測定物が載
置された場合、第２図に示すように、フェルトシートは
熱伝導性が低いため、加圧板１４の上部のフェルトシー
ト３３を通じて被測定物から金属箔シート３５に伝達さ
れる熱はわずかなものとなる。この金属箔シート３５に
伝達されたわずかな熱は金属箔シート３５によって拡散
される。

これにより局部的な温度上昇は防止される。そのうえ、
加圧板１４の下部に設けられたフェルトシート３４によ
り熱伝達はより効果的に防止される。

被測定物の温度が圧電素子２２よりも低い場合も、上記
と同様の効果が得られることは言うまでもない。すなわ
ち、この実施例では、二重のフェルトシートによる断熱
効果と、フェルトシートに挾み込まれた金属箔による熱
拡散効果とによって熱伝達は大幅に低減される。したが
って、加圧板１４上に載置される被７１ｐ１定物の温度
が圧電素子２２の温度よりも高い場合および低い場合に
も、圧電素子２２の温度変化は妨げられる。なお。加圧
板１４は上述のように構成されているので、可撓性を白
゛している。

上述の圧電型圧力分布センサ１０は、たとえば第７図に
示すような圧力検出装置５０に組込まれる。第７図にお
いて、圧電型圧力分布センサ１０の制御線ＣＩ　＊　　
ｃ２１　・・・ＣＩ、ｌは、制御線切換回路５１に接続
されている。また、読取線Ｒ，，Ｒ２゜・・・Ｒｏは、
読取線切換回路５２に接続されている。

読取線切換回路５２は積分回路５３に接続され、積分回
路５３はピークホールド回路５４に接続されている。ピ
ークホールド回路５４は、Ａ／Ｄコンバータ５５を介し
てデータ処理装置５６に接続されている。さらに、第７
図の検出装置５０は、マトリクス制御回路５７を備えて
いる。マトリクス制御回路５７は、制御線切換回路５１
および読取線切換回路５２を制御するとともに、ピーク
ホールド回路５４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５６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Ｗ５６は、
Ａ／Ｄコンバータ５５を制御するための制御信号をＡ／
Ｄコンバータ５５に送るようになっている。

次に、第７図の圧力分布検出装置５０に組込まれた圧電
型圧力分布センサの作動を説明する。

人の足などの披１１１定物を圧電型圧力分布センサ１０
の加圧板１４上に載せると、その物体に基づく加圧力の
分布に応じて、各センサ素子２１には電荷が蓄積される
。加圧板１４は断熱性の高いフェルトシート３３．３４
と両フェルトシートに挾み込まれた高熱伝導性の金属箔
シート３５とをを備えているので、高温あるいは低温の
物体を載せたとしても、圧電索子２２に焦電効果は生じ
ない。

したがって、披７ｉｐ＋定物に基づく圧力の影響のみを
圧電素子２２は受け、その圧力に応じた電荷を蓄積する
。

次に、マトリクス制御回路５７により、制御線切換回路
５１を通して、まず制御線Ｃ７に接続されているトラン
ジスタ２３を導通状態にする。このとき、他の制御線Ｃ
２，Ｃ，、・・・Ｃｍは非導通状態にある。これにより
、制御線Ｃ１に対応する行のセンサ素子２１の情報は、
読取線Ｒ，，Ｒ２゜・・・Ｒｏ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５２を通して、まず
読取線Ｒ３のみを積分回路５３に接続する。このとき、
残りの読取線Ｒ２，Ｒ，、・・・Ｒｎ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２１内の情報
は保持されている。

読取線Ｒ７を積分回路５３に接続すると、対応する圧電
素子２２に蓄積された電荷が積分回路５３側に放電され
る。この電荷を積分回路５３において時間的に積分すれ
ば、対応するセンサ素子２１が加圧されることにより蓄
積していた電荷量を測定することができることになる。

積分回路５３の出力は、後段のピークホールド回路５４
．Ａ／Ｄコンバータ５５を通してデータ処理装置５６１
；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
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２１の情報を読取線Ｒ，，Ｒ２，・・・Ｒｎから
読取り、その情報をデータ処理装置５６に蓄積する。こ
の蓄積されたデータに基づけば、と度の影響を受けるこ
となく、圧電型圧力分布センサ１０の上に接触している
未知物体の圧力力／ｉを知ることができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、加圧板が、被測定物
と圧電素子との間の熱伝達を抑えるための複数の断熱部
材と複数の断熱部材間に挾み込まれ、熱を拡散するため
の高熱伝導性部材とを備えていることから、高温あるい
は低温の被Ｍ１定物をＪＰ１定する場合であっても、圧
電素子が受けるｌＨ度差に基づく影響を抑制することが
でき、焦電効果による誤差を抑制することができるよう
になるので、正確な圧力分布をｉ’１ｌｌｌ定すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の圧電型圧力分布センサの
縦断面図である。Ｔ５２図はフェルトシートとポリウレ
タンゴムシートの熱伝導特性を示す図である。第３図は
この発明の一実施例の全体構成を一部切欠いた状態で示
す正面図である。第４図はこの発明の一実施例の全体構
成を一部切欠いた状態で示す側面図である。第５図はセ
ンサ索子群の配置を示す概略斜視図である。第６図はセ
ンサ素子の等価回路図である。第７図はこの発明の一実
施例の圧力分布センサが適用された圧力力（Ｉｉ検出装
置のブロック図である。第８図は従来の圧電型圧力分布
センサの縦断面図である。 図において、１２はセンサ素子群、１４は加圧板、２２
は圧電素子、３３および３４はフェルトシート、 ３５は金属箔シートを示す。 第３図 ８４図 第２図 初 Ｏ 秒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マトリクス状に配置された圧力分布を検出するための複
   数個の圧電素子を有する圧電センサ素子群と、 前記圧電素子の上端に圧接し得るように、前記圧電素子
   の上方に配置された可撓性の加圧板とを備え、 前記加圧板は、被測定物と前記圧電素子との間の熱伝達
   を抑えるための複数の断熱部材と、前記複数の断熱部材
   間に挾み込まれ、熱を拡散するための高熱伝導性部材と
   を含む、圧電型圧力分布センサ。