JPH0285914A - 面圧力分布検出装置 - 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） 本発明は微細な面圧力分布を検出する面圧力分布検出装
置に関する。

（従来技術） 従来、物体の面上に作用する荷重の２次元的分布を多数
のロードセルをマトリクス状に並べたり、多数の電極対
をマトリクス状に形成し、それらの素子をスキャニング
することにより測定する方法か知られており（たとえば
特開昭６２−７１８２８号および特開昭６２−２２６０
３０号公報）、自動車のシートやロボットの手先などに
加わる荷重や圧力の分布を測定するのに用いられている
。

これらの方法は、ロードセルや電極対などの素子か比較
的大きなものであることから、上述したような物体上で
の２次元的圧力分布を測定するには好適であるか、たと
えば指紋のような凹凸か１ｍｍ当り４本という微細な密
度の圧力分布の測定には向いていない。

そこで本出願人は、特願昭６２−１４５０３０号におい
て、指紋のような微細な面圧力分布を測定するのに、圧
力の強さに応して抵抗値か変化する導電ゴムのような感
圧シートを用い、圧力分布による抵抗値の変化を電気的
に走査して取り出すようにした検出装置を提案している
。

この検出装置によれば、マトリクス走査用電極との組合
せにより確かに微細な面圧力分布を検出することはでき
るか、測定原理か感圧シートの抵抗値変化を利用するこ
とから感圧シートにはある程度の厚さが必要となり薄膜
化は不可詣であること、シート状であるため近接する荷
重どうしか影響しあって荷重点か個別化しにくく、その
ため圧力の面分布か正確に検出できないこと、感圧シー
トの経年変化により測定圧力に微細な影響か及ぶこと、
製造上感圧シートの均一性が確保しにくく且つ所望の特
性が得にくいため微細な圧力変化や圧力分布か検出しに
くいなどの問題かある。

（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、製造か
容易で薄形且つ安価、しかも荷重点が個別化し易い微細
な面圧力分布の検出装置を提案することを目的とし、こ
の目的を達成するために、互いに交差してマトリクスを
形成するように絶縁して配置された複数本の電極から成
る第１の走査用電極と第２の走査用電極との交差点間で
両電極間に接続するようにストレンゲージ素子を形成し
２そのストレンゲージ素子か外部からの力でたわみ得る
ように受圧板を構成し、この受圧板のストレンゲージ素
子のたわみによる抵抗値の変化を利用して受圧板の受け
る面圧力分布を電気信号として取り出すように構成した
ものである。

（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

以下に示す実施例では指紋パターンの検出に適した面圧
力分布検出装置を例示するか、本発明はこれに限定され
るものでないことは当然である。

第１図は指紋パターン検出用としての本発明による面圧
力分布検出装置の全体構成を示すブロック線図である。

図において、ｌは指先を押しつけて指紋データを入力す
る受圧板としての指紋入力板、２はＲＯＭ３に格納され
た所定の処理プログラムに従って指令し作動するコント
ローラ、４は指紋入力板ｌにより読み取られた指紋デー
タを記憶するＲＡＭ、５はコントローラ２から出力する
クロックのタイミングでスイッチＳＷの接点ａ１ａ　２
　＋　ａ　：ｌ　＋・・・ａｎを順次切り換えてＸ軸う
インＸＩ　、Ｘ２．Ｘ：ｌ　、・・・Ｘｎに走査信号を
出力する電子スイッチ、６は電子スイッチ５の最後のＸ
輌うインｘｎの走査信号に基づいてＹ軸うインｙｌ　＋
　Ｙ２＋　ｙ３　＊・”ｙｎを順次接点すに切り換える
アナログスイッチｓｗ、、ｓｗ、、ｓｗ、。

・・・ＳＷｏを有するセレクタ、７は所望の電圧を発生
する電源回路である。電源回路７により発生される電圧
は抵抗Ｒ３とＲ２により分圧されて点Ａに所望の電圧ｖ
１を発生し、この電圧はバッファ８の非反転端子に印加
される。バッファ８の反転端子は出力端子と接続されて
いる。

セレクタ６は、各Ｙ軸うインｙｌ　＋　ｙ２　＋ｙ、３
．・・・ｙｎごとに接点ａとｂとを有し、接点ａどうし
は共通にしてバッファ８の出力端子に接続され、接点す
どうしは共通にして差動増幅器９の反転端子に接続され
ている。差動増幅器９の非反転端子はバッファ８の出力
端子と接続されている。差動増幅器９の反転端子は抵抗
Ｒ３を介して出力端子に接続されている。

差動増幅器９の出力はＡ／Ｄ変換器１０によりＡ／Ｄ変
換されるとともに、コンパレータ１１により基準電圧Ｖ
　ｒｅｆと比較される。この基準電圧ｖ、、ｍｆは可変
抵抗Ｒ４により設定される。

指紋入力板ｌは０本のＸ軸うインＸ工、ｘ２゜ｘ３．”
＊＋ｘｎと０本のＹ軸うイン３’ｌ　ｌ　ｙ２１ｙ３１
・”　Ｙ　ｎとか互いに直交し絶縁されるように配置さ
れており、Ｙ軸うイン３’ｌ　＊　’ｊｚ　ｌ　３’３
１・・・ｙｎはセレクタ６のスイッチＳＷ、、ＳＷ２　
。

ＳＷ３　・・・ＳＷｎの共通接点に接続されている。

次に第２図、第３図および第４図を参照して受圧板とし
ての指紋入力板ｌの一実施例を説明する。

第２図は指紋入力板１の部分分解斜視図、第３図は一部
を切欠いて示す組立斜視図、第４図は第３図におけるＡ
−Ａ断面図である。

指紋入力板１は、エツチングなどにより円形の穴１０１
ａを所定間隔（たとえば中心間距離か５０ｐｍ）であけ
且つ裏面（下面）に穴１０１ａの直径１．よりやや大き
い幅文２　（文、　＞ｎｒ　）の溝１ｏｉｂを穴１０１
ａの位置に合わせて並べて形成した銅箔製の圧抜き板１
０１か接着され、その穴１０１ａにいずれ最終的には除
去されるアクリル系ポリマーまたはスチレン系（たとえ
ばポリα−メチルスチレン）などの熱分解性物質を詰め
た後、表面（上面）を研磨してから、その上に厚さ５〜
１０ｇｍのたとえばポリイミドのような樹脂から成る弾
性ベース１ｔ１１０２か接着される。

このベース膜１０２はローラーで塗布してもよいし蒸着
してもよい。

次にベース膜１０２上にＮ、またはＡＭなどの金属材料
を蒸着またはスパッタ法により付着した後エツチングに
よりＹ軸うイン’／ｌ＋　Ｙｚ　＋ｙ３．・・・となる
Ｙ方向走査用電極Ｙ、、Ｙｔ。

Ｙａ、・・・を形成する。このＹ方向走査用電極Ｙ１．
Ｙａ　、Ｙａの幅は約６ｐｍである。その後走査用電極
Ｙｒ　、　Ｙｔ　、　Ｙ’ｓ　、・・・上のＸ方向走査
用電極Ｘｒ　、　Ｘ２　、　Ｘ：ｌ　、・・・と交差す
る部分に五酸化タンタルなどの絶縁膜でスペーサ１０３
をエツチングにより形成する。次に、これらのスペーサ
１０３を通ってＹ方向走査用電極Ｙｌ。

Ｙｔ、Ｙａ・・・と直交する方向にＮ、またはＡｎなと
の金属材料てＸ方向走査用電極Ｘ　ｔ　、　Ｘ　ｚ　、
　””を形成する。形成方法はＹ軸方向走査用電極Ｙ１
．Ｙｔ　、ｙ、・・・と同じで、蒸着またはスパッタ法
とエツチングとの組合せであり、電極幅は約６μｍであ
る。

こうしてＸ方向走査用電極Ｘｓ　、　Ｘ２　、・・・と
Ｙ方向走査用電極Ｙ□’＋　ｙ、、ｙ、−・・とかスペ
ーサ１０３を介してマトリクス状に形成する。そして、
再走査用電極にまたかって圧抜き板１０１の穴１０１ａ
の上にくるようにＣｕ−Ｎ、合金材料を用いて線幅約ａ
ｇｍ、長さ約１１００ｐのストレンゲージ素子１０４を
蒸着またはスパッタ法と工・ンチングとの組合せにより
屈曲して形成する。

このストレンゲージ素子１０４の形状はその幅と長さの
比（いわゆるアスペクト比）かできるたけ大きくなるよ
うに決定される。

こうして作られた指紋久方板組立体の上部に、圧抜き板
１０１の穴１０１ａと河し間隔で多数の圧力集中用突起
１０５ａか設けられた保護膜１０５が接着される。この
保護膜１０５は厚さか６ｇｍでポリプロピレンなどの弾
力性のある材料で作られている。

最後に、こうして作られた指紋入力板ｌを加温容器に入
れ、圧抜き板１０１の穴１０１ａおよび溝１０１ｂに詰
められている熱分解性物質を軟化させ、真空吸引装置を
利用して除去し、その後ガラス基板１００上に接着して
完成する。

再び第１図にもどって指紋パターンの検出手順と装置の
動作を説明する。

装置の回路各部に電源電圧を供給すると、コントローラ
２はＲＯＭ３に格納されたプログラムより制御されたタ
イミングて電子スイッチ５とセレクタ６を切換える。す
なわち電子スイッチ５はたとえばｌｐｓのタイミンクで
スイッチｓｗの接点ａｌ　＋　ａ２１・−ａ　、を順次
切換え、その結果Ｘ方向走査用電極Ｘ＋　、Ｘ２　、　
ｘｌ　、・・・ｘｌに所定の電圧（たとえば５ｖ）か順
次印加される。一方、セレクタ６もコントローラ２から
の選択信号によりたとえば１Ｘｎ７ｚｓのタイミンクで
アナログスイッチＳ　Ｗ　＝　、　Ｓ　Ｗｚ　、・・・
ＳＷ、の接点をａからｂに切換えていく。

そこでいま指紋パターンを検出しようとする指Ｆを指紋
入力板ｌに乗せて軽く押しつけると、指紋パターンの山
部に当る部分でストレンゲージ素子１０４か押されてた
わむ。ストレンゲージ素子１０４の真下には圧抜き板ｌ
ｏｔにあけられた穴１０１ａが位置しているのでストレ
ンゲージ素子１０４はたわみ易く、しかもたわむ際その
穴１０１ａ内の空気が押され圧抜き板１０１の裏面に形
成された溝１０１ｂを通って指紋入力板ｌの側面に逃げ
るためストレンゲージ素子１０４のたわみは何ら妨げら
れることかない。

ストレンゲージ素子１０４がたわむとその固有の抵抗値
が増加するため電子スイッチ５によりＸ方向走査用電極
Ｘ　Ｌ　Ｉ　Ｘ　ｔ　、　Ｘユ、・・・ｘｎに前述した
ような電圧が順次印加され（第１図では電子スイッチ５
の接点ａ２が電源回路７に接続されている）セレクタ６
によりスイッチＳＷ。

ＳＷ２．・・・ＳＷ、、の接点か順次ａからｂに切換え
られると（第１図ではスイッチＳＷ２接点か切換えられ
てＹ方向走査用電極ｙ２が接点すに接続されている）、
指紋入力板ｌ上の各点におけるストレンゲージ素子１０
４の抵抗値か順次差動増幅器９の反転端子に入力される
。

バッファ８の非反転端子には抵抗Ｒ１とＲ２の接続点Ａ
の電位ｖ１が印加され、この電位ｖ１は差動増幅器９の
非反転端子とセレクタ６のすべてのスイッチの接点ａに
も印加されているので、第１図に破線の丸で囲んだ領域
Ｍの指紋データは、セレクタ６を構成するｎ個のスイッ
チのうち接点すに接続されたＹ方向走査用電極（第１図
ではＹ２）を流れる電流がストレンゲージ素子１０４の
たわみによる抵抗値の増加で減少し抵抗Ｒ３による帰還
作用によって差動増幅器９の出力電圧か電流の減少分だ
け増加する形で現われる。このように瞬時的にはセレク
タ６の１つのスイッチだけか接点すに接続され、他のす
べてのスイッチは接点ａに接続されることになるため、
測定したい１点の指紋パターンのデータのみが取り出さ
れることになり、他のＸ方向走査用電極およびストレン
ゲージ素子を介してＹ方向走査用電極に取り出される他
の点の指紋データはセレクタ６により排除されることに
なる。

差動増幅器９の出力端子に取り出される各点の指紋デー
タはストレンゲージ素子１０４の抵抗値に応じてきまる
アナログ信号である。このアナログ指紋データはＡ／Ｄ
変換器１０によりデジタル化されて出力端子ＯＩからた
とえば８ビツトのデジタル指紋データとして取り出され
るとともに、コンパレータ１１において可変抵抗Ｒ４に
より設定される閾値Ｖ　ｒ　ｅ　ｆと比較されて指紋の
山部と谷部の判別かなされ、出力端子０２から指紋パタ
ーン信号として取り出される。これらの出力端子０、お
よび０２からの指紋データおよび指紋パターン信号はそ
の後の用途に応じて処理され、指紋パターンの表示や登
録あるいはすでに登録されている指紋パターンとの比較
に用いられる。

第５図はやはり指紋パターンの検出に適した本発明によ
る面圧力分布検出装置の他の実施例の受圧板としての指
紋入力板のみを部分的に示す斜視図である。図において
第３図と同じ参照数字は同し構成部分を示す。

この実施例の指紋入力板ｌの製法上第３図に示した実施
例と異なる点は、ベース膜１０２上に形成したＹ方向走
査用電極Ｙ　ｌＩ　Ｙ　２１　Ｙ　３１・・・スペーサ
１０３、Ｘ方向走査用電極Ｘｓ　、　Ｘ２　。

・・・の上に前面にわたって熱分解性物質なローラなど
で均一に約２０４ｍ厚に塗布し、その塗布膜上の圧抜き
板１０１の穴１０１ａに対応する位置にほぼ正方形の金
属マスクを蒸着とエツチングで形成する。このマスクの
位置はちょうど２本のＸ方向走査用電極と２本のＹ方向
走査用電極とで囲まれた正方形の領域内になる。

次にエツチングにより金属マスク以外の部分の熱分解性
物質を除去し、その後金属マスクも除去する。その結果
、金属マスクの位置に第６図に示すような熱分解性物質
の台部１０６が形成される。次にこの台部１０６上にス
トレンゲーシ素子１０４を前の実施例と同様の手順で屈
曲して形成し、各ストレンゲージ素子１０４の一端はＸ
方向走査用電極にまた他端はＹ方向走査用電極に電着さ
せる。この台部１０６の表面はベース膜１０２より高い
位置にあるため、ストレンゲージ素子１０４はＸ方向走
査用電極およびＹ方向走査用電極より１０数ｇｍ〜２０
ｇｍ高い位置に形成される。

こうしてストレンゲージ素子１０４か形成された後前記
実施例と同様に厚さ数ｇｍの保護膜１０５′を前面に塗
°布する。この保護膜１０５′には前記実施例の保護膜
１０５と異なり圧力集中用突起１０５ａのような突起は
必要でない、何故なら、台部１０６かベース膜１０２よ
り高く形成されているために、この部分で保護［１０５
か第５図に符号りで示すように上方に高く浮き上ってあ
たかも前の実施例の圧力集中用突起１０５ａのような形
状となり、同じ機能を果すからである。

最後にこうして作られた指紋入力板組立体全体を加温容
器に入れ、圧抜き板１０１の穴１０１ａおよび溝１０１
ｂに詰められた熱分解性物質と台部１０６を構成する熱
分解性物質とを軟化させ真空吸引装置を利用して除去す
る。その結果、ストレンゲージ素子１０４は保護膜１０
５′の裏面に付着し保持される。

この実施例における指紋入力板以外の構成は第１図に示
した実施例と全く同じであるのて、その構成および回路
動作については説明を省略する。

上記２つの実施例のいずれにおいても指紋パターン検出
時に生ずる圧力増分を圧抜き板の裏面に設けた溝で逃す
ようにしているか、圧抜き板の圧抜き構造は第７図に示
すように、圧抜き板１０１上のＸ方向走査用電極とＹ方
向走査用電極との交差する部位に対応する位置に突起１
０１Ｃを形成してもよい。このようにすれば、４つの１
０１ｃで囲まれた領域か前述した実施例で用いられた圧
抜き板１０１の穴１０１ａに相当し、突起１０１ｃ間の
部分が圧抜き通路となるので、前記実施例より簡単な構
造でそれ以上の圧抜き効果か得られる。

上記実施例では好適な応用例として本発明による面圧力
分布測定装置を指紋パターンの検出に用いた例を示した
が、本発明はそれに限定されず、医療機器で考えられる
微細な面圧力分布の測定などその他の応用分野にも好適
であることはいうまでもない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、互いに交差し
てマトリクスを形成するように絶縁して配置された複数
本の電極から成る第１の走査用電極と第２の走査用電極
との交差点間で両電極間に接続するようにストレゲージ
素子を形成し、そのストレンゲージ素子か外部からの力
でたわみ得るように受圧板を構成したので、圧力分布の
ある荷重を外部から受圧板に当て第１の走査用電極と第
２の走査用電極とを所定の順序で走査することにより微
細な面圧力分布を検出することかできる。

感圧素子としてストレンゲージを用いることにより、素
子の厚さに制限かなく、経年変化による測定圧力への影
響をなくすことかでき、荷重点の個別化か可能となり、
薄形で安価な面圧力分布の検出が可能になる。

また、ストレンゲージ素子の位置に外部負荷による素子
のたわみを積極的に増幅する空間やたわみを妨げない空
気逃げのような構造を設ければ、圧力検出の感度を向上
させることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による面圧力分布検出装置の全体構成を
示すブロック線図、第２図は面圧力分布検出装置を指紋
パターンの検出に用いた場合の指紋入力板の一実施例の
部分分解斜視図、第３図は同指紋入力板の一部を切欠い
て示す組立斜視図、第４図は第３図のＡ−Ａ断面図、第
５図は指紋入力板の他の実施例の一部切欠き組立斜視図
、第６図は第５図に示した指紋入力板の製造途中の状態
を示す部分斜視図、第７図は圧抜き板の他の例の斜視図
である。 ｌ・・・指紋入力板（受圧板）、２・・・コントローラ
、５・・・電子スイッチ、６・・・セレクタ、８・・・
バッファ、９・・・差動増幅器、ｌＯ・−Ａ　／　Ｄ変
換器、１００・・・ガラス基板、１０１・・・圧抜き板
、１０２・・・ベース膜、１０３・・・スペーサ、１０
４・・・ストレンゲージ素子、１０５・・・保護膜、１
０６・・・台部 特許出願人　株式会社エニックス 代理人　　弁理士　　鈴　木　弘 男 第１

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の微細な間隔で交差してマトリクスを形成す
   るように絶縁して配置された複数本の第１および第２の
   走査用電極と該第１および第２の走査用電極の交差点間
   で両電極間に接続され且つ外部からの力でたわみ得るよ
   うに形成されたストレンゲージ素子とを有して成る受圧
   板と、前記第１および第２の走査用電極に所定の順序で
   走査信号を印加する走査回路と、前記受圧板に外部から
   加わる面圧力に応じてたわむストレンゲージ素子の抵抗
   値の変化を前記走査回路からの走査信号により前記交差
   点ごとに電気信号として順次取り出す出力手段とを有す
   ることを特徴とする面圧力分布検出装置。
2. （２）前記受圧板はストレンゲージ素子の下方に空間を
   有する請求項１に記載の面圧力分布検出装置。
3. （３）前記空間が大気に連通している請求項２に記載の
   面圧力分布検出装置。
4. （４）前記受圧板はストレンゲージ素子の上方に面圧力
   集中用突起を有する請求項１、２または３に記載の面圧
   力分布検出装置。
5. （５）前記受圧板のストレンゲージ素子が第１および第
   ２の走査用電極形成面より加圧側にダイヤフラム形状に
   形成されている請求項１に記載の面圧力分布検出装置。
6. （６）前記ストレンゲージ素子が大きなアスペクト比を
   有する請求項１に記載の面圧力分布検出装置。