CN101189498B - 压力分布检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使拓宽检测区域也使噪声的影响少并且长期使用也不致引起电极的断线等的压力分布检测装置。检测所施加的压力分布的压力分布检测装置包括：第1环电极线组(1)、其上的第2环电极线组(2)、其上的弹性体(3)和其上的导电物质(4)。多条第1环电极线(1)被平行地配置于第1面内。多条第2环电极线(2)被平行地配置于与第1面平行且与第1面的距离固定的第2面内。另外，第2环电极线(2)在与第1环电极线(1)正交的方向上配置。而且，导电物质(4)以能够经由弹性体(3)移动的方式设置在各第1环电极线(1)与各第2环电极线(2)的交点上。用驱动电路驱动第1环电极线(1)，用检测电路从第2环电极线(2)检测因电磁耦合产生的信号。

Description

压力分布检测装置

技术领域

本发明涉及压力分布检测装置，特别是涉及利用环电极线间的距离固定的检测装置中因电磁耦合产生的信号来检测所施加的压力分布的压力分布检测装置。

背景技术

用于利用薄片状物体来检测压力分布的装置已开发出有多种，这样的装置存在各种方式，例如使用感压橡胶的方式或应用静电耦合的方式、应用电磁耦合的方式等。例如作为使用了感压橡胶的压力分布检测装置，可举出特开昭57-100331号公报。这是在例如进行汽车的座椅的性能评价试验的情况下将由感压橡胶片构成的压力检测装置敷设成座椅状以测定压力分布的装置。另外，作为用于同样用途的使用了静电耦合的装置，例如可举出特开昭62-226030号公报。这也是使用片状的传感器以测定压力分布的装置。

进而，作为应用电磁耦合的感压传感器，有在实公昭62-31865号公报中公开的装置。另外，本发明申请人所申请的特愿2003-398299也是公开了应用电磁耦合的压力检测装置的发明。这些应用电磁耦合的传感器检测因线圈间距的变化所造成的信号的变化。

专利文献1：特开昭57-100331号公报

专利文献2：特开昭62-226030号公报

专利文献3：实公昭62-31865号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，应用了感压橡胶或静电耦合的压力检测装置由于阻抗较高，故抗噪声弱，难以使传感器大型化。如果是汽车的座椅性能评价用程度的大小，则影响较少，但例如在店铺的整个地面上铺满压力检测装置用来调查顾客的活动、或者用来防止犯罪的情况下，由于受噪声的影响较大，故难以测定压力分布。

另外，在应用了电磁耦合的压力检测装置中，电极自身的坚硬度成为检测微小压力时的障碍，难以进行准确的压力检测。进而，由于所测定的压力原封不动地施加于电极自身，随着使用，往往也引起电极或布线的断线。

本发明鉴于这种实际情况，提供一种即使拓宽检测区域也使噪声的影响少且长期使用也不致引起电极的断线等的压力分布检测装置。

用于解决问题的方案

为了达到上述的本发明的目的，本发明的压力分布检测装置具备：第1环(loop)电极线组，多条平行地配置于第1面内；第2环电极线组，在与第1环电极线组正交的方向上，多条平行地配置于第2面内，该第2面在第1面上与第1面平行且与第1面的距离固定；弹性体，设置在第2面上；导电物质，以能经由弹性体移动的方式设置在各第1环电极线与各第2环电极线的至少交点上；以及控制部，驱动第1环电极线组和第2环电极线组的一方，并从另一方检测因电磁耦合产生的信号。

在此处，导电物质只要分别设置在各第1环电极线与各第2环电极线的各个交点上即可。

另外，导电物质只要是四边形、圆形或环形中的任何一种即可。

进而，导电物质也可沿着第1环电极线组和第2环电极线组之中的检测侧的环电极线组的各环电极线分别被设置成长方形。

另外，只要控制部在驱动侧采用振荡器和输出阻抗大致为∞的恒定电流驱动放大器即可。

进而，恒定电流驱动放大器可被提供1个或2个以上，并连接于第1环电极线组和第2环电极线组之中的驱动侧的环电极线组的1条或2条以上的环电极线上。

另外，只要控制部在检测侧采用输入阻抗大致为0的电流放大器即可。

进而，电流放大器可被提供1个或2个以上，连接于第1环电极线组和第2环电极线组之中的检测侧的环电极线组的1条或2条以上的环电极线上。

在此处，弹性体只要用硅海绵片(silicon sponge sheet)即可。

进而，在第1面下和/或导电物质上也可设置磁屏蔽材料。

另外，只要连接控制部的环电极线以外的各电极线断开即可。

进而，只要具有用于将控制部依次连接于1条或2条以上的环电极线上的切换器(switch)单元即可。

另外，控制部也可用不同的波形来驱动2个以上的环电极线。

在此处，控制部只要具有用于将检测出的各波形分离的多个滤波电路即可。

进而，也可将第1面和第2面构成为弯曲面。

另外，弹性体和导电物质也可具有透过性，进而也可在第2环电极线组与弹性体之间形成具有显示装置的结构。

发明的效果

本发明的压力分布检测装置由于难以受到噪声的影响，故具有可拓宽检测区域的优点。另外，由于电极自身被固定而不可动，故耐久性也高。另外，由于可动的导电物质无需布线，故结构简单，制造也容易。进而，可实现不仅是平面的各种形状的压力分布检测装置。

附图说明

图1是用于说明本发明的第1实施例的压力分布检测装置的示意性的俯视图。

图2是图1的压力分布检测装置的示意性的侧剖图。

图3是用于说明本发明的第2实施例的压力分布检测装置的示意性的俯视图。

图4是用于说明本发明的第3实施例的压力分布检测装置的示意性的俯视图。

图5是使图4的压力分布检测装置弯曲的情形的示意性的侧剖图。

图6是用于说明本发明的第4实施例的压力分布检测装置的示意性的剖面图。

附图标记说明

1第1环电极线

2第2环电极线

3弹性体

4导电物质

5恒定电流驱动放大器

6切换器部

7电流放大器

8同步检波部

9AD变换部

10切换器部

12振荡器

15滤波器

20显示装置

具体实施方式

以下，与图示例一起说明用于实施本发明的优选方式。图1是用于说明本发明的第1实施例的压力分布检测装置的示意性的俯视图以及驱动电路和检测电路的方框图。另外，图2是图1的压力分布检测装置的单点划线A-A间的示意性的侧剖图。从图2可知，传感器部中，隔开规定的间隔分别在上下配置多条第1环电极线1和第2环电极线2，还在其上设置弹性体3。更具体说，多条第1环电极线1被平行地配置在1个面内，多条第2环电极线2被平行地配置在作为与第1环电极线1不同的面的、与配置第1环电极线的面平行的面内。在该第1环电极线1与第2环电极线2之间被隔开规定的间隔而固定。再有，从图1可知，第1环电极线1与第2环电极线2被配置在正交的方向上，并被构成为呈矩阵状重叠。另外，各环电极线的一端接地。再有，弹性体3例如可利用硅海绵片等，但不限定于此，只要是具有绝缘性的弹性部件，就可利用各种部件。而且，在弹性体3上设置有导电物质4。从图1可知，导电物质4分别被设置在第1环电极线1与第2环电极线2的各个交点上。再有，导电物质4只要是铝箔或铜箔等具有导电性的就可利用各种。另外，该导电物质4只要通过用热冲压法或以导电性油墨印刷等将金属箔形成在弹性体3上即可。

再有，由于压力分布检测的分辨率依赖于环电极线的设置密度，故在欲增高分辨率的情况下，只要提高环电极线的设置密度、至少在电极线的交点上设置导电物质即可。这可以通过用刻蚀等技术所进行的微细加工来容易实现。

而且，该传感器部连接于控制部上。控制部由驱动电路和检测电路、MPU等构成。驱动电路连接于第1环电极线1上，检测电路连接于第2环电极线2上。驱动电路例如由振荡器12和恒定电流驱动放大器5构成，用切换器部6将第1环电极线1与驱动电路依次连接，使环电极线1驱动。检测电路例如由电流放大器7、同步检波部8和AD变换部9构成，用切换器部10与第2环电极线2依次连接。再有，在本说明书中，将第1环电极线1作为驱动侧，将第2环电极线2作为检测侧进行了说明，但本发明不限定于此，反过来将第1环电极线1作为检测侧，将第2环电极线2作为驱动侧当然也没有关系。

另外，切换器部6、10连接有用于控制它的MPU11。MPU11还接收由检测电路检测到的信号，以进行压力测定等的处理。

各环电极线的一端经切换器部6或10与驱动电路或检测电路连接，另一端接地。未与驱动电路或检测电路连接的环电极线呈断开的状态，使得对其它的环电极线不产生影响。再有，切换器部6或10只要由多路转接器等构成即可。这样，与各环电极线依次连接。

另外，优选驱动电路的恒定电流驱动放大器5使其输出阻抗为大致∞的高阻抗。进而，检测电路的电流放大器7的输入阻抗大致为0，电流放大器的一个输入端接地、来自第2环电极线2的输出直接输入到另一输入端，并且在此处成为连接反馈电阻的结构。由电流放大器7放大后的电流被输入到同步检波部8。来自振荡器12的输出也与同步检波部8连接。而且，在同步检波部8中，使来自振荡器12的输出与电磁耦合产生的信号取得同步，由AD变换部9转换为数字信号，输入到MPU11，进行压力分布检测所需的处理。

通常，在正交的环电极线间，由于耦合的程度非常弱，故即使驱动第1环电极线1，在第2环电极线2中也几乎没有电流流过。然而，在本申请发明的压力分布检测装置中，由于在正交的部分设置导电物质4，故有涡电流流过导电物质4，又由于在与励磁的方向垂直的方向也产生磁场，故在交叉的环电极线间产生耦合，有电流流过第2环电极线2。由于该耦合的程度随导电物质4与第2环电极线2之间的距离而变化，故当经将载荷加到压力分布检测部时，可用电流值检测与导电物质4的移动距离对应的变化量。这样，虽然相对的各环电极线间的距离不变，但由于环电极线间的耦合的大小随在该交点附近设置的导电物质的移动而变化，故进行由该变化量检测施加到压力分布检测部上的压力的处理。

以下说明在如此构成的压力分布检测装置中测定压力的顺序。首先，由切换器部6将恒定电流驱动放大器5与第1环电极线1的1条连接。另一方面，第2环电极线2由切换器部10分别依次与电流放大器7连接。在将全部的第2环电极线2依次与电流放大器7连接完毕后，将由切换器部6连接的恒定电流驱动放大器5切换到所连接的第1环电极线1的相邻的环电极线上。然后，再次依次连接第2环电极线2。通过重复这些步骤，将全部的环电极线依次与驱动电路或检测电路连接。

当对第1环电极线1施加交流电流时，涡电流流过导电物质4，在与励磁的方向垂直的方向上也产生磁场，在第2环电极线2中在消磁的方向上流过电流。该感应电流随第2环电极线2与导电物质4之间的距离而变化。当对压力分布检测面施加压力时，由于弹性体3处于导电物质4与第2环电极线2之间，故导电物质4被压低向第2环电极线2一侧。由此，由于电磁耦合的大小发生变化，故来自第2环电极线2的电流发生变化。通过从被配置成矩阵状的环电极线检测该变化，可以测定哪一部分的环电极线的因电磁耦合产生的信号发生了变化。

再有，图2所示的导电物质4的形状为正方形，但本发明不限定于此，只要发生涡电流，即可应用圆形或环形等各种形状。

另外，出于环境的影响和噪声的消除、提高检测电压等目的，在第1环电极线1的与第2环电极线2一侧相反的一面侧，可设置磁屏蔽材料。另外，磁屏蔽材料也可设置在导电物质4的与弹性体3一侧相反的一面侧。再有，磁屏蔽材料可利用硅钢板或坡莫合金板等。

按照上述那样的结构，由于本发明的压力分布检测装置在其可动部利用了由薄膜等构成的导电物质，故不受其重量的影响等，从而能够以高精度检测微小的压力。进而，由于环电极线自身被固定，故可减轻对电极线的应力，从而可降低因断线或短路等引起的故障率。另外，利用导电物质中所产生的涡电流，在与励磁的方向垂直的方向上产生磁场，由于可用检测侧环电极线将导电物质的距离的变化捕捉为大的感应电流的变化，故抗噪声强，能够以高精度检测压力。进而，由于在可动部无需布线，并且环电极线也不是螺旋状等，用直线式的布线即可，故制造容易，可非常廉价地制成。进而，由于检测侧的环电极线的阻抗低，故抗噪声强，也可制成非常大的检测面。

进而，本发明的压力分布检测装置的灵敏度非常高。即，如将驱动侧的第1环电极线1与导电物质4之间的电磁耦合定为M1，将导电物质4与检测侧的第2环电极线2之间的电磁耦合定为M2，则第1环电极线1与第2环电极线2之间的电磁耦合为M1×M2。M1和M2由于随各环电极线与导电物质之间的距离的变化而变化，故在检测侧的第2环电极线2能检测到的感应电流的变化以距离变化的2次方出现。这样，本发明的压力分布检测装置能够以非常高的灵敏度检测导电物质的移动的变化。

在第1实施例的压力分布检测装置中，压力检测点数多，用一条一条切换环电极线的方法来测定检测面内全部的分布很费时。而且，由于测定电路的测定时间越长，精度就越高，故需要更多的时间。

因此，以下说明减少该测定时所花的时间并以高速化为目标的装置。用图3说明本发明的第2实施例的压力分布检测装置。图中，标以与图2相同的符号的部分表示是相同的物体，基本的结构与图2所示的第1实施例相同。再有，在图2的例子中，导电物质4的形状为正方形，但在本实施例中示出了环形的导电物质。然而，如上所述，本发明不限定于此，正方形也好，圆形也好，均无关系。但是，由于电阻值低，涡电流就增高，故在该意义上，还是以正方形为宜。

在本实施例中，使用输出阻抗大致为∞的恒定电流驱动放大器5，驱动由切换器部6选择的1条第1环电极线1。于是，由于不受流过检测侧的第2环电极线2的电流的干扰，故即使将阻抗大致为0的电流放大器7与多条第2环电极线2连接，也互不干扰。因此，由于可将多个电流放大器7同时与检测侧的第2环电极线2连接，故可多条同时检测。在电流放大器7分别与各第2环电极线2连接的情况下，可达到最高速化，但本发明不限定于此，也可用比第2环电极线2少的数目，例如如图示例那样用第2环电极线2一半数目的电流放大器7，进行多条同时检测。

另外，也能够以不同的波形来驱动驱动侧的第1环电极线1。通过对驱动第1环电极线1的恒定电流驱动放大器5使用输出阻抗大致为∞的恒定电流驱动放大器，即使将输入阻抗大致为0的电流放大器7与检测侧的第2环电极线2连接，也可忽略对该第2环电极线2所交叉的各第1环电极线1的干扰。因此，由于可将恒定电流驱动放大器5多个同时与驱动侧的第1环电极线1连接，故可多条同时驱动。在恒定电流驱动放大器5分别与各第1环电极线1连接的情况下，可达到最高速化，但本发明不限定于此，也可用比第1环电极线1少的数目，例如如图示例那样用第1环电极线一半数目的恒定电流驱动放大器5，进行多条同时驱动。

在图3所示的实施例中，示出了在驱动侧也同时驱动多条、在检测侧也同时检测多条的例子，但本发明不限定于此，既可以是仅在驱动侧同时驱动多条的例子，又可以是仅在检测侧同时检测多条的例子。无论在任一情况下，均可实现高速化。

在驱动多条环电极线的情况下，用不同波形的振荡器12分别驱动多条同时驱动的环电极线，以便能够检测出压力施加于哪个环电极线上。在检测侧，用仅可分离各个对应的波形的滤波器15进行分离并检测。在此处，所谓不同的波形，既可改变各自的驱动频率使之不同，也可只要是调制或频谱扩散等可识别各驱动环电极线的波形就不管何者均可。

上述的振荡器或滤波器既可分别用模拟电路实现，当然也可使用具有A/D转换器和D/A转换器的DSP等，用数字电路实现。

这样，在本发明的压力分布检测装置中，由于可同时驱动多条或同时检测多条，故可非常高速地检测压力分布。因此，例如也可高速地检测在飞跃着地时脚的载重分布的变化等。

接着，用图4说明本发明的压力分布检测装置的第3实施例。图中，标以与图2相同的符号的部分表示相同的物体。在至此的实施例中，说明了将导电物质4分别设置在第1环电极线1与第2环电极线2的各交点上的例子，但本实施例却将导电物质4沿检测侧的第2环电极线2上设置成长方形。通过沿检测侧的第2环电极线2上设置导电物质4，在长方形的宽度处，发生来自交叉的驱动侧的第1环电极线1的感应电流。感应电流是在消除磁场的方向、即与驱动侧的第1环电极线1的电流相反方向的电流，但由于为长方形，故其成为涡电流，而在检测侧的第2环电极线2上，在消除该涡电流的方向上产生电流。因此，与上述的实施例同样地，在本实施例中也可用电流检测因导电物质4的加压引起的移动变化。

如这样构成导电物质，则由于无需在交点上准确地定位而进行设置，故制造变得容易。另外，由于无需关注导电物质的横向的错位，故即使令压力分布检测面自身弯曲亦可。图5是例如在由聚酰亚胺等构成的挠性基板上形成在第3实施例中说明过的形成长方形导电物质的压力分布检测装置并进行弯曲而构成的情形的、图4的单点划线A-A间的剖面图。即使如此弯曲，也可忽略导电物质4在交点上的错位的影响。因此，例如如将本发明的压力分布检测装置应用于电缆等的被膜上，则由于可检测出踩上电缆并施加了过度的压力的情形等，故可事先防止电缆的切断事故等，此外即使在电缆被切断了的情况下也可容易地检测出在何处切断了。

进而，用图6说明本发明的第4实施例。图中，标以与图2相同的符号的部分表示是相同的物体。在第4实施例中，将本发明的压力分布检测装置应用于带显示功能的触摸屏。在本实施例中，用具有透过性的材料制作弹性体3和导电物质4。然后，在环电极线的层与弹性体之间设置显示装置20。再有，对显示装置20可利用平板PC用LCD等考虑到薄型且不妨碍电磁感应的LCD等。由于在本发明的压力分布检测装置的可动部分即导电物质4上无需布线，故可在显示装置20的显示面上容易形成弹性体3和导电物质4。由此，能够实现可检测压力分布的带显示功能的触摸屏。另外，如果应用使用了有机EL等的挠性显示器作为显示装置，则当然也可使之像图5那样弯曲。

再有，本发明的压力分布检测装置并不仅仅限定于上述的图示例，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然可以加入各种变更。

Claims (17)

1.一种压力分布检测装置，检测所施加的压力分布，其特征在于，该装置具备：

第1环电极线组，多条平行地配置于第1面内；

第2环电极线组，在与第1环电极线组正交的方向上，多条平行地配置于第2面内，该第2面在上述第1面上与第1面平行且与第1面的距离固定；

弹性体，具有绝缘性并且设置在上述第2面上；

导电物质，以能经由上述弹性体移动的方式设置在各第1环电极线与各第2环电极线的至少交点上；以及

控制部，驱动上述第1环电极线组和第2环电极线组的一方，并从另一方检测因电磁耦合产生的信号。

2.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述导电物质分别设置在上述各第1环电极线与各第2环电极线的各个交点上。

3.如权利要求1或2所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述导电物质是四边形、圆形或环形中的任何一种。

4.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述导电物质沿着上述第1环电极线组和第2环电极线组之中的检测侧的环电极线组的各环电极线分别被设置成长方形。

5.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述控制部在驱动侧具有振荡器和输出阻抗大致为∞的恒定电流驱动放大器。

6.如权利要求5所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述恒定电流驱动放大器被提供1个或2个以上，并连接于上述第1环电极线组和第2环电极线组之中的驱动侧的环电极线组的1条或2条以上的环电极线上。

7.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述控制部在检测侧具有输入阻抗大致为0的电流放大器。

8.如权利要求7所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述电流放大器被提供1个或2个以上，并连接于上述第1环电极线组和第2环电极线组之中的检测侧的环电极线组的1条或2条以上的环电极线上。

9.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述弹性体由硅海绵片构成。

10.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，还具备在上述第1面下所设置的磁屏蔽材料。

11.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，还具备在上述导电物质上所设置的软性磁屏蔽材料。

12.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，连接上述控制部的环电极线以外的各电极线断开。

13.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，还具有用于将上述控制部依次连接于1条或2条以上的环电极线的切换器单元。

14.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述控制部用不同的波形驱动2条以上的环电极线。

15.如权利要求14所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述控制部具有用于将检测出的各波形分离的多个滤波电路。

16.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述第1面和第2面是弯曲面。

17.如权利要求1所述的压力分布检测装置，其特征在于，上述弹性体和导电物质具有透过性，还在上述第2环电极线组与弹性体之间具有显示装置。

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