JPH06105194B2 - 圧電型圧力分布センサ - Google Patents

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，発明の背景およびその課題］ 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号に、圧電素子をマトリクス状に配置して接
触圧力分布を検出する構成が示されている。その構成で
は、各圧電素子の一方の電極には圧電素子の行ごとに設
けられた接続線が接続され、他方の電極には、圧電素子
の列ごとに設けられた接続線が接続されている。圧電素
子における圧力を測定する場合には、その圧電素子で交
差する接続線を選択し、その接続線間の電位差を測定す
る。ところが、この構成では、測定しようとする圧電素
子以外の圧電素子により閉回路が形成される結果、測定
しようする圧電素子以外の圧電素子が干渉するという問
題点があった。

そこで、本出願人は、各圧電素子ごとにスイッチング手
段を設け、スイッチング手段を切換えるための制御線を
用いて、その圧電素子に対応する読取線を接続状態とす
ることにより、その読取線から圧電素子に生じた電荷量
を検出するようにした圧電型圧力センサを提案した（特
願昭63−81869号）。第８図は、提案された圧電型圧力
センサのセンサ部の構成図である。第８図において、セ
ンサ素子１は、圧電素子2,コンデンサ３および電界効果
トランジスタ４からなる。圧電素子２の一方電極はアー
ス線に接続され、圧電素子２の他方電極は電界効果トラ
ンジスタ４のソース・ドレイン電極の一方に接続され
る。圧電素子２に並列してコンデンサ３が接続される。
電界効果トランジスタ４のソース・ドレイン電極の他方
は読取線５に接続され、電界効果トランジスタ４の制御
電極は制御線６に接続される。圧電素子２には圧力に対
応した電荷が蓄積される。センサ素子１から電荷を読出
すときには、制御線６が能動化される。センサ素子１の
電荷は読取線５を介して増幅器７に与えられる。

ところで、制御線６が非能動期間であるとき、ノードＡ
が正の場合つまり、圧電素子２に作用する力が増加する
場合には、電荷が増幅器７側に流れ出すことはないので
何ら問題はないが、圧電素子２に作用する力が減ずる場
合には、ノードＡは負電位となり、電界効果トランジス
タ４のソース・ドレイン間の電位が逆電圧になるため、
十分な阻止特性が得られない。このため、接地してある
抵抗Rsを通して負電位にある圧電素子２およびコンデン
サ３に＋電荷が流れ込み、ノードＡの負電位が徐々に小
さくなる。したがって、圧力が時間経過とともに変動す
るような動的な圧力測定を精度良く行なうことができな
かった。

それゆえに、この発明の主な目的は、動的圧力を精度良
く測定することのできる圧電型圧力分布センサを提供す
ることである。

［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
に配置された複数個のセンサ素子を備える。各センサ素
子は、加圧力を測定するための第１の圧電素子と、減圧
力を測定するための第２の圧電素子とを含む。

［作用］ この発明に係る圧電型圧力分布センサでは、被測定物に
基づく圧力変化のうち加圧力を第１の圧電素子により測
定し、減圧力を第２の圧電素子により測定する。この発
明では加圧力と減圧力とを別々に測定するので、電荷量
を正確に検知することができ、動的圧力の測定が可能と
なる。

［発明の実施例］ 第２図および第３図はこの発明の一実施例の全体構成の
概略を示している。第２図および第３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を有している。
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素子群12が固定されてい
る。また、台11の周縁部には、上方に突出する着脱可能
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、可撓性の加圧板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、その周縁部がフレーム13側に固定さ
れている。圧力分布センサ10の長手方向一方端部には、
入出力用のコネクタ15が形成されている。

第４図に各センサ素子部分の概略構造を示す。第４図に
おいて、圧力分布センサ10の台11上には、第１の圧電素
子22と第２の圧電素子23とを接着した２層タイプの圧電
素子が所定間隔ごとに配置される。圧電素子22は、加圧
力を測定するためのものであり、圧電素子23は減圧力を
測定するためものである。各圧電素子に矢印Ｂ方向の力
をかけたときの分極状態を＋−で示している。圧電素子
22の上端には、第１の読出電極31が配置され、圧電素子
23の下端には、第２の読出電極32が配置され、圧電素子
22の下端と圧電素子23の上端との接着部には、中間電極
33が配置されている。なお、圧電素子22,23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。

第１図にセンサ素子群12におけるセンサ素子の配置例を
示す。説明を簡単にするため、第１図には４つのセンサ
素子21a〜21dによりセンサ素子群を構成した場合を示
す。第１図において、各センサ素子21a〜21dは圧電素子
22,23とコンデンサ24,25と電界効果トランジスタ26,27
とを有している。また、マトリクス状に配置された各セ
ンサ素子の配置に沿って、各行方向には、それぞれ制御
線C₁,C₂が配設され、各列方向には、読取線対R₁＋,R
₁−,R₂＋,R₂−が配設されている。読取線R₁＋,R₂＋は加
圧力に対応する電荷を読取るためのものであり、読取線
R₁−,R₂−は減圧力に対応する電荷を読取るためもので
ある。さらに、各列方向には、アース28に接続されるア
ース線29が配設されている。また、第１図に示すよう
に、電界効果トランジスタ26および27のゲート電極は制
御線Ｃに接続されている。トランジスタ26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、他
方は圧電素子22の上端に形成された電極31に接続されて
いる。トランジスタ27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、他方は圧電素子23の下
端に形成された電極32に接続されている。圧電素子22の
下端面と圧電素子23の上端面との接続部に形成された中
間電極33はアース線29に接続されている。圧電素子22の
読出電極31と中間電極33との間および圧電素子23の読出
電極32と中間電極33との間には、それぞれコンデンサ24
および25が接続されている。すなわち、コンデンサ24,2
5は圧電素子22,23に対して並列に接続されていることに
なる。なお、実際の圧力分布センサでは、ｎ×ｍ個のセ
ンサ素子が設けられ、それに対応して制御線C₁,C₂,…Cm
および読取線R₁＋,R₁−,R₂＋,R₂−，…Rn＋,Rn−が設け
られる。

上述の２層タイプの圧力分布センサ10は、たとえば第５
図に示すような圧力分布検出装置50に組込まれる。第５
図に示すように、２層タイプ圧力分布センサ10の制御線
C₁,C₂,…Cmは制御線切換回路51に接続されている。ま
た、読取線R₁＋,R₁−,R₂＋,R₂−，…Rn＋,Rn−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および54に接続されている。積分回路53はピーク
ホールド回路55に接続され、積分回路54はピークホール
ド回路56に接続されている。ピークホールド回路55およ
び56は、A/Dコンバータ57に接続され、A/Dコンバータ57
はデータ処理部58に接続されている。さらに、第５図の
検出装置50は、マトリクス制御回路59を備えている。マ
トリクス制御回路59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55
および56に所定タイミングでリセット信号を送り、さら
に、データ処理部58に素子切換情報信号を送るようにな
っている。また、データ処理部58は、A/Dコンバータ57
を制御するための制御信号をA/Dコンバータ57に送るよ
うになっている。

次に、第５図の圧力分布検出装置50に組込まれた圧電型
圧力分布センサの動作を説明する。

人の足などの被測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の圧電素子22の読出電極31には正電
荷が発生し、圧電素子23の読出電極32には負電荷が発生
する。これとは逆に、加圧状態から力を取り除いた場合
には、読出電極31には負電荷が発生し、読出電極32には
正電荷が発生する。

次に、マトリクス制御回路59において、制御線切換回路
51を通して、まず、制御線C₁に接続されているトランジ
スタ26,27を導通状態にする。このとき、他の制御線C₂,
C₃,…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、読取線R₁
＋を積分回路53に接続し、読取線R₁−を積分回路54に接
続する。このとき、残りの読取線R₂＋,R₃＋，…Rn＋お
よびR₂−,R₃−，…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R₁＋,R₁−をそれぞれ積分回路53,54に接続する
と、対応する圧電素子22,23に加圧あるいは減圧により
蓄積された電荷が積分回路53,54にそれぞれ放電され
る。

センサ素子21が加圧されている場合には、積分回路53は
正電圧を出力し、これをピークホールド回路55がホール
ドする。一方、積分回路54は負電圧を出力するが、これ
はピークホールド回路56によってはホールドされない。
したがって、センサ素子22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。これとは逆
に、センサ素子21に負荷されている圧力が減圧されてい
る場合には、積分回路54は正電圧を出力し、これをピー
クホールド回路56がホールドする。一方、積分回路53は
負電圧を出力するが、これはピークホールド回路55によ
ってはホールドされない。したがって、圧電素子23が減
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。圧電素子22,23を加圧または減圧したときのA
/Dコンバータ57に与えられる出力値を第６図に示す。第
１の圧電素子22は加圧に伴って出力が増大するが、減圧
側では出力は０である。一方、第２の圧電素子23は減圧
に伴って出力が増大するが、加圧側では出力は０であ
る。ピークホールド回路56の出力はその符号が反転され
てA/Dコンバータ57に与えられる。したがって、加圧あ
るいは減圧に伴うA/Dコンバータ57からの出力は第７図
に示すグラフとなる。第７図に示すように、A/Dコンバ
ータ57からは加圧あるいは減圧に応じた出力データがデ
ータ処理部58に入力される。

以後、１対の読取線ごとに読取線の切換えを行ない、す
べての読取線から検出を終えると、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21の情
報を１対の読取線から順に読取り、その情報をデータ処
理部に蓄積する。センサ素子は読取りごとにリセットさ
れ、リセット時点から次の読取時点での電荷量が各セン
サ素子に蓄積される。したがって、データ処理部におい
て、サンプリングした各センサ素子の出力データを累積
するごとに、圧電型圧力分布センサ10上に接触している
未知物体の圧力分布の動的変化を測定することができ
る。

なお、上記実施例では、２つの圧電素子を直列に配置し
ているが、これに限らず、並列に配置してもよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、加圧力測定用の圧電
素子と減圧力測定用の圧電素子によりセンサ素子を構成
するようにしたので、それぞれの圧力を別々に精度良く
測定でき、動的圧力の測定ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のセンサ素子群におけるセ
ンサ素子の配置例を示す図である。第２図はこの発明の
一実施例の圧電型圧力分布センサの全体構成を示す一部
切欠正面図である。第３図はこの発明の一実施例の圧電
型圧力分布センサの全体構成を示す一部切欠側面図であ
る。第４図はこの発明の一実施例の圧電型圧力分布セン
サにおける各センサ素子群の概略構造を示す図である。
第５図はこの発明の一実施例の圧電型圧力分布センサが
組込まれた圧力分布検出装置の構成を示す概略ブロック
図である。第６図は２層タイプの圧電素子を加圧または
減圧したときのA/Dコンバータに与えられる出力値を示
すグラフである。第７図は加圧あるいは減圧に伴うA/D
コンバータの出力を示すグラフである。第８図はこの発
明の背景となる圧電型圧力分布センサのセンサ部の構成
図である。 図において、21はセンサ素子、22は第１の圧電素子、23
は第２の圧電素子、24および25はコンデンサ、26および
27は電界効果トランジスタ、29はアース線、C₁,C₂は制
御線、R₁＋,R₁−,R₂＋,R₂−は読取線を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マトリクス状に配置された複数個のセンサ
   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
   サにおいて、 前記各センサ素子は、加圧力を測定するための第１の圧
   電素子と、減圧力を測定するための第２の圧電素子とを
   含むことを特徴とする、圧電型圧力分布センサ。