JPH02114140A - 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１発明の青貝およびその課題］従来の圧電
型圧力分布センサとしては、たとえば特開昭６２−２９
７７３５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。圧電索Ｔ
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。圧電索７−２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ｌｅｔ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ｆｌｕ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、圧電索ｆ２に作用する力が減す
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ｊ！１られない。このため、接地
しである抵抗Ｒ５を通して負電位にある圧電素子２およ
びコンデンサ３に十電荷が流れ込み、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４ｐ１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内分０ｉ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える。各センサ
索Ｔは、加圧力をΔｐ１定するための第１の圧電素子と
、減圧力をΔＰＩ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７ｂ型圧力分布センサでは、彼４−１
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７１−１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Δｐ１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ＩＩ■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！「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素子ＩＴ　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、センサ索子群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、人出内用のコネクタ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
電索子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。圧電索子−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７ｕ極３２が配置され、圧電索子２２の下端と圧電素
子２３の上端との接む部には、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図にセンサ索子群１２におけるセンサ索子の配置例
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〜２１
ｄ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とを白゛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Ｃ，，Ｃ２が配設され
、各列方向には、読取線対Ｒ，＋、Ｒ，−，Ｒ２＋、Ｒ
２−が配設されている。読取線Ｒ７＋。

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Ｒ，＋、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２
８に接続されるアース１２９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ｈｃ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３
２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。圧電索子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と中間型１ｆｔ３３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２４．２５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４１セ
ンサでは、ｎｘｍ個のセンサ素子が設けられ、それに対
応して制御線Ｃ，，Ｃ２゜・・・Ｃｌ１ｌおよび読取線
Ｒ，士、Ｒ，−、Ｒ２＋、Ｒ２−１・・・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、たとえは第
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ｔ！ｉ１ｃ、、ｃ、、・・・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，＋、Ｒ，
−，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ｎ
ｉ制御するとともに、ピークホールド回路５５および５
６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５
７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。

人の足などの彼ａｌ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
６１に応じて各センサ索子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３
２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５つにおいて、制御線切換回
路５１を通して、まず、制御線Ｃ３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１８Ｈｃ２．Ｃ，，・・・Ｃ９は非導通状態にある
。これにより、制御線Ｃ６に対応する行のセンサ素子２
１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
Ｒ７十を積分回路５３に接続し、読取線Ｒ−を積分回路
５４に接続する。このとき、残りの読取線Ｒ２＋、Ｒ，
＋、　・、、Ｒｏ＋およびＲ２−Ｒ，−、・・・Ｒ，−
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Ｒ，＋、Ｒ，，−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５
３は正電圧を出力し、これをピークホ−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ａｌ定できることになる
。これとは逆に、センサ索７−２１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ａＦＪ定できることになる。圧電素子２
２．２３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Ｏ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７］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２
１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。センサ索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表化を測定すること
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ΔＦ１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＜４−１定でき、動的圧力のａ？＋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索子群におけるセ
ンサ索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４１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４１センサ
が組込まれた圧力分布検出装置のｔ、＋４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／＋ｉセンサ
のセンサ部の構成園である。 図において、２１はセンサ素子、２２は第１の圧マヒ素
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、Ｃ，、Ｃ２は制御線、Ｒ，＋、Ｒ，−、Ｒ２＋
、Ｒ，−は読取線を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。