JPH0654269B2

JPH0654269B2 - 凹凸面圧力分布検出用感圧板

Info

Publication number: JPH0654269B2
Application number: JP8222888A
Authority: JP
Inventors: 照彦田森
Original assignee: 株式会社エニックス
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1988-04-05
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH01254827A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は微細な凹凸面を接触させて凹凸面の分布を検出
する凹凸面圧力分布検出用感圧板に関する。

（従来技術）従来、２次元的な圧力分布を測定するのにロードセルや
可撓性面圧力センサ等の圧力変換器をマトリクス状に並
べ、圧力変換器の出力をスキャニングする方法が知られ
ている（たとえば特開昭６２−７１８２８号）。また多
数の電極対をマトリクス状に対向させて配置し、圧力が
加えられた部分の電極対の間隔が変化してその電極対に
より形成される静電容量が変化するのを検出することに
より圧力分布を測定する装置も知られている（たとえば
特開昭６２−２２６０３０号）。

しかしながらこれらの面圧力分布の測定ではいずれも分
解能すなわち最小の面圧力分布の間隔が数ｍｍ程度が精
々であってそれ以下の圧力分布は測定できない。従って
従来知られている技術ではたとえば指紋のように２００
〜３００μｍ程度の微細な凹凸面圧力分布の測定は感圧
部材の干渉により不可能であるため、従来から１００μ
ｍ程度以下の微細な凹凸面の圧力分布を測定する装置が
長い間望まれていた。

（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、接触圧
を利用して１００μｍ程度以下の微細な凹凸面圧力分布
を測定することを目的とし、この目的を達成するため
に、感圧部を独立して分離させる構造を提案するもの
で、微細な間隔で配列された複数の突起を有する受圧シ
ートと、該受圧シートの少なくとも突起に対応する位置
にセンシングを分離する為に穴を有する感圧シートと、
感圧シートの穴に対応する位置で離間して交差するよう
に形成された一組の電極を有する電極ベースとを積層
し、受圧シート上に凹凸面を接触させたとき受圧シート
に加わる力によって感圧シートの穴の内部の物理的性状
の変化を電極ベースの一組の電極から測定するように感
圧板を構成した。この構造により面圧力センサの分離が
可能になり、微細な凹凸面の圧力分布測定が可能になっ
た。

（実施例）以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図〜第４図は本発明による凹凸面圧力分布検出用感
圧板の一実施例を示す。

第１図は感圧板の外観を示しており、感圧板１の厚さは
１００μｍ程度、大きさは用途によるが、たとえば指紋
検出用ならば１本の指先がのるのに充分な１５０ｍｍ×
１５０ｍｍ程度である。

第２図は感圧板を分解して示す斜視図である。

感圧板１は同図（イ）に示すような受圧シート１ａと、
（ロ）に示すような感圧シート１ｂと、（ハ）に示すよ
な電極ベース１ｃとを張り合わせて構成される。

受圧シート１ａは厚さが約５０μｍのシリコンゴムまた
は生ゴムなどの弾性部材で金型等により作られたシート
で表面はピッチが約５０μｍ、径が約３０μｍ、高さが
約３０μｍの突起１１をマトリクス状に多数形成したも
のである。突起１１の数は用途により決めればよいが、
たとえば指紋検出用ならば前述した１５０ｍｍ×１５０
ｍｍの中に３００×３００個程度がよい。突起１１の表
面には樹脂などで保護膜１１Ｐを形成するのが好まし
い。（第４図参照）感圧シート１ｂは、厚さが約２０μｍ〜５０μｍのポリ
イミド、ポリエステルなど樹脂系フィルムまたはセラミ
ックや高分子系の絶縁シート２０に、エッチング、レー
ザ、物理的手法（たとえばピンによる穴あけ）などによ
り受圧シート１ａの突起１１と等しいピッチおよび数の
穴２１をマトリクス状にあけたものである。穴２１の径
は３０μｍ程度とする。各穴２１には感圧導電物質２２
を埋め込む。この感圧導電物質の一例として東芝シルタ
ッチ１００，２００，３００（商品名）が用いられる。
感圧導電物質２２は液体でも粒子でもよく、塗料の形で
塗布して埋め込んでもよい。

電極ベース１ｃは、ガラスやセラミックスなどの比較的
固い板部材３０の片面（第２図（ハ）では裏面）に埋圧
シート１ａの突起１１のピッチと等しい間隔でエッチン
グなどの方法により縦方向に並行に多数のＸ電極３１を
形成し、他面（第２図（ハ）では表面）に同じく受圧シ
ート１ａの突起１１のピッチと等しい間隔でエッチング
などの方法により横方向に並行に多数のＹ電極３２を形
成したものであり、この各Ｙ電極３２からは、板部材３
０を貫通して第３図に示すように電極片３２ａ，３２
ａ′，３２ｂ，３２ｂ′，３２ｃ，３２′，…が板部材
３０の表面に露呈している。これらの電極片の露呈位置
は表面に形成されているＸ線電極３１とともに感圧シー
ト１ｂの感圧導電物質２２に接する位置になっている。
表面のＸ電極３１は板部材相３０の一辺３０ａに集束さ
れ、表面のＹ電極３２は板部材３０の他の一辺３０ｂに
集束されている。板部材３０のこの２辺３０ａと３０ｂ
には外部回路との接続用のコネクタが結合され、外部回
路とＸ電極３１およびＹ電極３２とが電気的に接続され
る。

これらの受圧シート１ａと感圧シート１ｂと電極ベース
１Ｃは、第４図に示すように、突起１１と感圧導電物質
２２とＸ電極３１および電極片３２ａ，３２ａ′，…と
がそれぞれ対応するような位置関係で、接合されて感圧
板１が構成されている。

第５図は上記構成の感圧板を用いて凹凸面圧力分布を検
出する検出回路の基本回路構成を示す。

この種のマトリクス走査を利用した検出回路はすでに知
られておりしかも本発明の要旨ではないので簡単に説明
する。

１００は基準信号発生器であり、コントローラ１０１は
基準信号発生器１００から発生される基準信号を分周し
てＸ電極に加えるＸ方向走査信号Ｓ_ｘとＹ電極に加える
Ｙ方向走査信号Ｓ_ｙとを発生する。１０２はコントロー
ラ１０１からの走査信号Ｓ_ｘに基づいてＸ方向アナログ
スイッチ１０４を所定のタイミングでＯＮするＸ方向切
換信号を出力するＸ方向走査制御回路，１０３はコント
ローラ１０１からの走査信号Ｓ_ｙに基づいてＹ方向アナ
ログスイッチ１０５を所定のタイミングでＯＮするＹ方
向切換信号を出力するＹ方向走査制御回路、１０６はＸ
方向アナログスイッチ１０４を介して感圧板１から得ら
れる信号を増幅する増幅器、１０７はノイズ処理を含む
信号処理回路、１０８は信号処理した面分布信号を抵抗
Ｒから得られる基準電圧Ｖ_Ｒと比較して面分布信号を出
力するコンパレータである。

次に微細な凹凸面圧力分布の一例として指紋を検出する
場合について説明する。

感圧板１上に指先をのせ軽く押しつけると、指紋の山に
より受圧シート１ａの突起１１が押される。指紋の山Ｐ
が受圧板１ａに対して第４図に鎖線が示すように位置し
たと仮定すると、突起１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ
が強く押し下げられ、その結果、その真下にある感圧シ
ート１ｂの感圧導電物質２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２
ｄが加圧されて導電性を有する。その結果、その真下に
あるＸ電極３１ａとＹ電極片３２ａ、３１ｂと３２ｂ，
３１ｃと３２ｃがそれぞれ導通し、そのため第５図に示
した検出回路のコンパレータ１０８からは指紋の山Ｐに
相当する位置の座標に対して“１”、その他の位置の座
標に対して“０”から成る指紋パターン信号が出力す
る。こうして指紋パターンの情報が検出できる。

上記の実施例はいずれも受圧シート１ａの突起と、感圧
シート１ｂの感圧導電物質の部位と、電極ベース１ｃの
Ｘ電極とＹ電極との交点とがすべてマトリクス状に一致
して配列されたものであるが、受圧シート１ａと電極ベ
ース１ｃの交点とはマトリクス状に配列するが、感圧シ
ート１ｂの感圧導電物質の部位は相互の間隔を受圧シー
ト１ａの突起１１のピッチより小さく（たとえば１０〜
２０μｍ）しかも各部位の径を突起１１の径より小さく
（たとえば１５〜２０μｍ）すればマトリクス状でなく
ランダムに配列してもよい。

第６図は本発明による感圧板の他の実施例を断面で示
す。

この実施例は磁気作用を利用した感圧板であり、感圧板
１は、第２図（イ）に示したと同じ構造の受圧シート１
ａと、磁気的作用を利用して凹凸を感知する感圧シート
１ｂと、第２図（ハ）に示したものと同じ構造の電極ベ
ース１ｃとを張り合わせて構成される。

受圧シート１ａと電極ベース１ｃの説明は省略し、感圧
シート１ｂについて説明する。

感圧シート１ｂは、樹脂系フィルムやセラミックスなど
の非磁性体シート４０にエッチング、レーザ、物理的手
段などにより受圧シート１ａの突起１１と等しいピッチ
および数の穴４１をマトリックス状にあけたものであ
る。穴４１の径は３０μｍ程度とする。各穴４１には鉄
粉などの磁化し得る細かい粒子４２を入れる。この粒子
４２はその後磁化される。この粒子４２は１個の粒子で
もよいし、複数個の粒子でもよく、また、磁石のように
すでに磁化しているものでもよい。

非磁性体シート４０の下にはシリコンゴムなどの弾性膜
４３を配置し、この弾性膜４３の穴４１に対応する位置
には強磁性体磁気抵抗素子４４を配置してある。

電極ベース１ｃはそのＸ電極３１とＹ電極片３２ａとの
電極対がこの磁気抵抗素子４４に接続されている。

この実施例の感圧板１は強磁性体磁気抵抗効果、すなわ
ち磁気抵抗素子４４にＸ電極３１およびＹ電極３２を介
して電流を流すと、この抵抗素子４４に磁界が加わって
いると抵抗素子４４の抵抗値が磁界の方向と大きさによ
り変化する効果を利用するものである。

この感圧板１を用いた凹凸面圧力分布の検出回路は第５
図に示したものと同じである。

たとえば指紋パターンを検出するには、感圧板１に指先
をのせて軽く押しつけ、コントローラ１０１によりＸ電
極３１およびＹ電極３２に所定のタイミングで電圧を印
加して走査すると、指紋の山で押された受圧シート１ａ
の突起１１によりその下にある感圧シート１ｂの粒子４
２が下方に押され、磁気抵抗素子４４に加わる磁界が大
きくなる。その結果、Ｘ電極３１とＹ電極３２との間に
電流が流れ指紋の山すなわち凹凸の検出ができる。

この実施例の変形例としては、第７図に示すように、感
圧シート１ｂは絶縁シート４０に穴４１をあけ、この穴
４１に鉄粉粒子４２を入れただけとし、その上に配置さ
れる受圧シート１ａの下面には突起１１に相当する位置
に磁化片４５を張り付け、電極ベース１ｃの電極対上に
は磁気抵抗素子４４を配置して感圧板を構成してもよ
い。

この実施例による凹凸面圧力分布の検出原理は第６図の
実施例と同じであるが、突起１１が押されると、磁化片
４５の磁化状態が鉄粉粒子４２を介して磁気抵抗素子４
４に及ぶため増感効果が得られ凹凸の検出が確実にでき
る。

第６図に示す実施例の弾性膜４３の代りに非磁性体シー
ト４０の各穴４１の底に弾性片を入れてもよい。

第８図は本発明による感圧板のさらに他の実施例を断面
で示す。

この実施例は静電容量の変化を利用した感圧板であり、
感圧板１は、第２図（イ）に示したと同じ構造の受圧シ
ート１ａと、静電容量を形成し凹凸に応じて静電容量が
変化して凹凸を感知する感知シート１ｂとを張り合わせ
て構成される。

感圧シート１ｂは、金属薄膜５０にエッチングや物理的
方法により受圧シート１ａの突起１１と同じピッチおよ
び数で穴５１をあけ、この金属薄膜５０の上下に弾性膜
５２と５３を配置する。弾性膜５２および５３の穴５１
に対応する位置には金属材料の電極５４および５５が形
成され、弾性膜５２および５３のさらに外側には金属箔
から成るシールド膜５６および５７が配置される。

上側の弾性膜５２に形成される電極５４は平行なＹ電極
を構成し、下側の弾性膜５３に形成される電極５５は平
行なＸ電極を構成し、金属薄膜５０の穴５１の位置でＸ
電極５３とＹ電極５４とが交差するようになっている。

この実施例の感圧板を用いて凹凸面圧力分布を検出する
ための検出回路は特に示さないが、すでに説明した感圧
導電物質を用いた感圧板と同様に、Ｙ電極５４に順次切
換えて高周波信号を印加し、Ｘ電極５５を順次切換えて
走査しておき、指紋の山のような凸部により受圧板１ａ
の突起１１が押されると上側の弾性膜５２上の電極５４
と下側の弾性膜５３上の電極５５との間隔が小さくな
り、両電極間の静電容量が変化してＹ電極から入力され
る電界強度が大きくなるので凹凸が検出できる。この場
合、マトリクスの各交点は金属薄膜５０と上下のシール
ド膜５６，５７により遮蔽されているので、電波の放射
とまわり込防止することができ他に影響されることなく
正確なパターンが検出できる。

以上本発明による感圧板の種々の実施例を説明したが、
いずれも受圧シートの複数の突起が１個１個分離独立し
ているので凹凸の凸部が受圧シートの表面に接触したと
き、凸部が当った突起のみが押されそれに隣接する突起
への影響は全く遮断されるので凸部のパターンが正確に
検出できる。

上記実施例では凹凸をマトリクス状に検出するものであ
るが、受圧シートの突起の配列や電極の配列をマトリク
ス状にせず、たとえば同心円状と放射状との組合せなど
にしてもよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明においては、微細な間隔で
配列された複数の突起を有する受圧シートと、該受圧シ
ートの少なくとも前記突起に対応する位置に穴を有する
感圧シートと、該感圧シートの前記穴に対応する位置で
離間して交差するように形成された一組の電極を有する
電極ベースとを積層し受圧シート上に凹凸面を接触させ
たとき受圧シートに加わる力によって感圧シートの穴の
内部の物理的性状が変化しそれにより前記電極ベースの
一組の電極を介して流れる電流値が変化するように構成
したので、１００μｍ以下の微細な凹凸面圧力分布が適
確に検出でき、指紋のパターンなどの細かい凹凸面圧力
分布の検出に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による凹凸面圧力分布検出用感圧板の一
実施例の斜視図、第２図は第１図に示した感圧板の分解
斜視図であり、（イ）は受圧シート、（ロ）は感圧シー
ト、（ハ）は電極ベースである。第３図は第２図（ハ）
に示した電極ベースの部分拡大斜視図、第４図は第１図
に示した感圧板の部分断面図、第５図は第１図に示した
感圧板を用いて凹凸面圧力分布を検出する検出回路の基
本回路構成、第６図は本発明による凹凸面圧力分布検出
用感圧板の他の実施例の部分断面図、第７図は第６図に
示した感圧板の感圧シートの変形例を示す断面図、第８
図は本発明による凹凸面圧力分布検出用感圧板のさらに
他の実施例の部分断面図である。１……感圧板、１ａ……受圧シート、１ｂ……感圧シー
ト、１ｃ……電極ベース、１１……突起、２０……絶縁
シート、２１……穴、２２……感圧導電物質、３０……
板部材、３１……Ｘ電極、３２……Ｙ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細な間隔で配列された複数の突起を有す
る受圧シートと、該受圧シートの少なくとも前記突起に
対応する位置に穴を有する感圧シートと、該感圧シート
の前記穴に対応する位置で離間して交差するように形成
された一組の電極を有する電極ベースとを積層して成
り、前記受圧シート上に凹凸面を接触させたとき受圧シ
ートに加わる力によって感圧シートの穴の内部の物理的
性状が変化しそれにより前記電極ベースの一組の電極を
介して検出される電流または電圧が変化するように構成
したことを特徴とする凹凸面圧力分布検出用感圧板。
【請求項２】前記感圧シートが穴内に感圧導電物質を有
し、前記電極ベースの一組の電極が各穴ごとに前記感圧
導電物質を介して電気的に接続される請求項１に記載の
凹凸面圧力分布検出用感圧板。
【請求項３】前記感圧シートが穴内に磁性粒子を有し且
つ前記電極ベースの一組の電極が各穴ごとに前記磁気抵
抗素子を介して電気的に接続される請求項１に記載の凹
凸面圧力分布検出用感圧板。
【請求項４】前記感圧シートの穴を挟んで一対の電極片
が対向し且つ前記受圧シートに加わる力により両電極片
の間隔が変化するように配置された請求項１に記載の凹
凸面圧力分布検出用感圧板。