JPH071209B2 - 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］ 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
て接触圧力分布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測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、それぞれ圧電素子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ートからな
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、圧電素子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上に或る物体が載せら
れた場合に、その物体に基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、圧電素子
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板に用いられたポリ
ウレタンゴムシートは、熱伝導性が良いため、加圧板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、圧電素子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群と、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、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、
被測定物が加圧板よりも温度が高かったりあるいは低か
ったりしても、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］ 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の長手方向一方端部には、
入出力用のコネクタ15が形成されている。

センサ素子群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C₁，C₂…C_mが配設されてい
る。また、各列方向には、読取線R₁，R₂…R_n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つのセンサ素子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、各センサ素子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素子22が配置される。圧電素子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と圧電素子22の下端の電極とは、
介在する導電性接着剤によって固着される。圧電素子22
の上端には、平板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の上端の電極とは、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36,37から構成さ
れている。フェルトシート34,35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36,37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
被測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
撓性を有している。

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C₁，C₂，…C_mは、
制御線切換回路51に接続されている。また、読取線R₁，
R₂，…R_n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56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、圧電素子22に焦電効果は生じない。したがって、被
測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C₁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C₂，C₃，…
C_m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R₁，R₂，…R_n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R₁のみを積分回路53に接続する。このとき、残りの
読取線R₂，R₃，…R_n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56に入力される。

以後、読取線R₂，R₃，…R_n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R₁，R₂，…R_n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、温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分布を知ること
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
は低温の被測定物を測定する場合であっても、圧電素子
が受ける温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、正確な圧力分布を測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。第２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測定図である。第５図はセン
サ素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分布検出装置のブ
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。

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。