JP2005077228A - マトリックスセンサ検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型且つ簡素で低価格の回路構成によって高精度の検出を可能としながら、検出素子がショート故障した場合でも電圧を供給する回路側と接地間が短絡状態になる不都合が発生しにくいマトリックスセンサ検出回路を提供する。
【解決手段】 抵抗変化原因によって抵抗値が変化する複数の検出素子Ｒｎｎが行列状に配置され、複数の行信号線ｇ１、ｇ２、ｇ３を択一的に選択し、選択した行信号線ｇ２に電流検出回路付き定電圧回路１から定電圧を印加し且つ選択しなかった行信号線ｇ１、ｇ３をフロート状態にする行側切替回路２と、複数の列信号線ｒ１、ｒ２、ｒ３を択一的に選択し、選択した列信号線ｒ２を接地側に接続し且つ選択しなかった列信号線ｒ１、ｒ３に定電圧回路３から定電圧を印加する列側切替回路４と、行側切替回路２から選択した行信号線ｇ２に流れる電流を検出する電流検出回路付き定電圧回路１とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の原因によって抵抗値が変化する複数の検出素子を行列状に配置して、各検出素子の抵抗値を検出するマトリックスセンサ検出回路に関する。

上記検出素子は例えば圧力に応じて抵抗値が変化する感圧素子で構成され、各感圧素子に電圧を印加したときに流れる電流を計測することで抵抗値を検出し、その抵抗値から各感圧素子に加わる圧力を求めることができる。具体的には、行列（マトリックス）状に配置した複数の検出素子について、複数の行方向の夫々に配置された各検出素子の一方端を複数の行信号線のうちの当該行の行信号線に接続するとともに、複数の列方向の夫々に配置された各検出素子の他方端を複数の列信号線のうちの当該列の列信号線に接続した状態で、対象となる検出素子が接続されている行信号線に電圧を印加し、対象となる検出素子が接続されている列信号線を接地側に接続して、電圧を印加した行信号線と接地側に接続した列信号線間に流れる電流を計測する。

ただし、各検出素子同士が行信号線及び列信号線を介して結合されているため、上記のように単純に電圧を印加した行信号線と接地側に接続した列信号線間の電流を計測する構成では、対象となる検出素子以外の検出素子を通ってきた電流が電流検出回路に回り込み、対象となる検出素子を流れる電流値を精度よく計測することができない。

本出願人は、上記電流の回り込みの影響を避けるために、図５に示すようなマトリックスセンサ検出回路を提案している（特許文献１参照）。すなわち、複数の行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等の夫々に電流検出回路を備えた定電圧回路（以下、電流検出回路付き定電圧回路という）２０を接続し、一方、列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等については、切替回路２３によって、対象となる検出素子Ｒｎｎ（図はＲ２２の場合を示す）が接続されている列信号線ｒ２を接地側に接続するとともに、それ以外の列信号線ｒ１，ｒ３等を定電圧源Ｖｋに接続するように切り替える。この状態では、対象となる検出素子Ｒ２２と同じ行信号線ｇ２に接続された他の検出素子Ｒ２１，Ｒ２３等の両端には同一の電圧が印加され、これらの他の検出素子Ｒ２１，Ｒ２３には電流は流れないため、当該行の電流検出回路付き定電圧回路２０に流れる電流は検出素子Ｒ２２に流れる電流のみとなり、その電流検出回路によって検出素子Ｒ２２に流れる電流のみを検出できる。そして、複数の電流検出回路付き定電圧回路２０の検出出力を切替回路２１によって切り替えて、対象となる検出素子Ｒ２２に流れる電流信号をＡＤ変換回路２２に入力して計測する。

特開２００２−９８６０２号公報

上記従来技術では、複数の行信号線の夫々に電流検出回路付き定電圧回路２０を接続しているために、マトリックスの行と同数の複数の電流検出回路付き定電圧回路２０が必要になり、その結果、回路構成が大型になり複雑化すると共に、コストが高くなる不利があった。同時に、上記従来技術では、図６に示すように、対象となる検出素子Ｒ２２が接続された列信号線ｒ２を接地側に接続して、対象となる検出素子Ｒ２２に電流検出回路付き定電圧回路２０から電圧を印加するときに、対象となる検出素子Ｒ２２と同じ列に配置された他の検出素子Ｒ１２，Ｒ３２（破線Ｓ２で示す）にも他の電流検出回路付き定電圧回路２０から電圧が印加されるので、検出素子Ｒ２２がショート故障した場合以外に、上記他の検出素子Ｒ１２，Ｒ３２の１つがショート故障した場合にも、電圧を供給する電流検出回路付き定電圧回路２０と接地間が短絡状態になる。その結果、検出素子のショート故障によって、電圧を供給する回路側と接地間が短絡状態になる不都合の発生確率が高くなるおそれがあった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、小型且つ簡素で低価格の回路構成によって高精度の検出を可能としながら、検出素子がショート故障した場合でも電圧を供給する回路側と接地間が短絡状態になる不都合が発生しにくいマトリックスセンサ検出回路を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るマトリックスセンサ検出回路の第一の特徴構成は、抵抗変化原因によって抵抗値が変化する複数の検出素子が行列状に配置され、複数の行の夫々に複数配置された各検出素子の一方端が複数の行信号線のうちの当該行の行信号線に接続されるとともに、複数の列の夫々に複数配置された各検出素子の他方端が複数の列信号線のうちの当該列の列信号線に接続され、前記複数の行信号線を択一的に選択し、選択した行信号線に所定電圧を印加し且つ選択しなかった残りの行信号線をフロート状態にする行側切替回路と、前記複数の列信号線を択一的に選択し、選択した列信号線を接地側に接続し且つ選択しなかった残りの列信号線に所定電圧を印加する列側切替回路と、前記行側切替回路から前記選択した行信号線に流れる電流を検出する電流検出回路とが設けられている点にある。

すなわち、図１を参照して説明すると、行側切替回路２によって、複数の行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等のうち対象となる検出素子（例えばＲ２２）の一方端が接続された行信号線ｇ２を選択し、この選択した行信号線ｇ２だけに所定電圧（図１では電流検出回路付き定電圧回路１からの）を印加し、選択しなかった残りの行信号線ｇ１，ｇ３等はフロート状態にし、また、列側切替回路４によって、複数の列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等のうち対象となる検出素子Ｒ２２の他方端が接続された列信号線ｒ２を選択し、この選択した列信号線ｒ２だけを接地側に接続し、選択しなかった残りの列信号線ｒ１，ｒ３等に所定電圧（図１では電流検出回路付き定電圧回路３からの）を印加すると、対象となる検出素子Ｒ２２のみに電圧が印加されて電流が流れ、行側切替回路２から選択した行信号線ｇ２に流れる電流即ち対象となる検出素子Ｒ２２を流れた電流が電流検出回路（図１では電流検出回路付き定電圧回路１内の）によって検出される。そして、この電流検出値と印加された電圧値に基づいて対象となる検出素子Ｒ２２の抵抗値が求められる。尚、図１では、電流検出信号がＡＤ変換回路５に入力されて電流が計測されている。

一方、対象となる検出素子Ｒ２２と同じ行信号線ｇ２に接続された他の検出素子Ｒ２１，Ｒ２３等の両端には同一の電圧（所定電圧）が印加され、これらの他の検出素子Ｒ２１，Ｒ２３には電流は流れないため、行信号線ｇ２には検出素子Ｒ２２の電流のみしか流れないこととなり、前記電流検出回路にて検出素子Ｒ２２の電流のみを精度よく検出することができる。さらに、対象となる検出素子Ｒ２２と同じ列に配置された他の検出素子Ｒ１２，Ｒ３２等については、他方端が接地側に接続されるが、一方端と電圧を供給する回路側（電流検出回路付き定電圧回路１）との間がフロート（オープン）状態になり、図２に破線Ｓ１で示すように、各行信号線ｇ１，ｇ２等によって結合した同じ行の他の検出素子Ｒ１１，Ｒ１３及びＲ３１，Ｒ３３等を経由して列信号線ｒ１，ｒ３等を介して電圧が印加されることとなるが、電圧を供給する回路側から電圧が直接印加されることはない。

上記のように、行側の回路には、行側切替回路２の他、複数の行信号線に電圧を供給する回路（図１の例では、電流検出回路付き定電圧回路１）を１つだけ設ければよいので、当該電圧を供給する回路を複数設ける場合に比べ回路構成が小型且つ簡素で低価格になる。しかも、このとき、電流検出回路によって対象となる検出素子（Ｒ２２）だけを流れた電流を検出するので、高精度の検出が可能である。さらに、電圧を供給する回路から対象となる検出素子（Ｒ２２）を除いて他の検出素子に電圧が直接印加されることはないので、検出素子がショート故障して電圧を供給する回路側と接地間が短絡状態になる不都合の発生確率を低くすることができる。

従って、小型且つ簡素で低価格の回路構成によって高精度の検出を可能としながら、検出素子がショート故障した場合でも電圧を供給する回路側と接地間が短絡状態になる不都合が発生しにくいマトリックスセンサ検出回路が提供される。

同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記所定電圧として定電圧を前記行側切替回路に供給し、且つ、前記行側切替回路から前記選択した行信号線に流れる電流を検出する電流検出回路付き定電圧回路と、前記所定電圧として定電圧を前記列側切替回路に供給する定電圧回路とを備えた点にある。

すなわち、図１に例示するように、電流検出回路付き定電圧回路１の定電圧回路から供給される定電圧が、行側切替回路２によって選択された行信号線ｇ２だけに印加されるとともに、列側切替回路４によって選択された列信号線ｒ２だけが接地側に接続され、選択されなかった残りの列信号線ｒ１、ｒ３等に、定電圧回路３から供給される定電圧が印加され、この状態で、行側切替回路２から上記選択された行信号線ｇ２に流れる電流（対象となる検出素子Ｒ２２を流れた電流）が、電流検出回路付き定電圧回路１の電流検出回路によって検出される。なお、電流検出回路付き定電圧回路１の定電圧回路と定電圧回路３を兼用する回路構成も可能である。

従って、定電圧回路から供給される定電圧を検出素子に印加し、安定した電圧条件で精度良く抵抗値を検出することができるとともに、電流検出回路を行側の定電圧回路に内蔵させたので、電流検出回路を独立して設ける場合に比べて装置構成が簡素になり、また、行側の定電圧回路と列側の定電圧回路を１つの定電圧回路で兼用することも可能であり、実用的で簡素な構成のマトリックスセンサ検出回路の好適な実施形態が提供される。

同第三の特徴構成は、上記第二の特徴構成に加えて、前記列側切替回路が、前記複数の列信号線の夫々に対応させて、前記定電圧回路と各列信号線との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴ、及び、各列信号線と接地側との間の導通を断続するＮチャンネルＦＥＴをコンプリメンタリ接続したコンプリメンタリスイッチを複数備え、前記各コンプリメンタリスイッチにおけるＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの接続箇所を前記複数の列信号線の夫々に接続している点にある。

すなわち、列信号線を定電圧回路に接続するときは、当該列信号線に対応するコンプリメンタリスイッチのＰチャンネルＦＥＴをオンして、定電圧回路と当該列信号線との間を導通させるとともに、ＮチャンネルＦＥＴをオフして当該列信号線と接地側との間を非導通にする。一方、列信号線を接地側に接続するときは、当該列信号線に対応するコンプリメンタリスイッチのＰチャンネルＦＥＴをオフして、定電圧回路と当該列信号線との間を非導通にするとともに、ＮチャンネルＦＥＴをオンして当該列信号線と接地側との間を導通させる。上記各ＦＥＴのオンオフ駆動において、ＰチャンネルＦＥＴをオンさせる制御信号とＮチャンネルＦＥＴをオフさせる制御信号は同一極性の制御信号で構成することができ、また、ＰチャンネルＦＥＴをオフさせる制御信号とＮチャンネルＦＥＴをオンさせる制御信号も同一極性の制御信号で構成することができる。

従って、ＰチャンネルＦＥＴの制御端子とＮチャンネルＦＥＴの制御端子に対して共通の制御信号を供給してオンオフ駆動することが可能となり、列側切替回路に対して切替制御信号を供給する切替用コントローラの出力ポート数が少なくなるので、小型で低コストのマイコンやマルチプレクサなどを切替用コントローラに用いることができ、マトリックスセンサ検出回路の好適な実施形態が提供される。

同第四の特徴構成は、上記第二又は第三の特徴構成に加えて、前記行側切替回路が、前記複数の行信号線の夫々に対応させて、前記電流検出回路付き定電圧回路と各行信号線との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴスイッチを備えている点にある。

すなわち、行信号線を電流検出回路付き定電圧回路に接続するときは、当該列信号線に対応するＰチャンネルＦＥＴスイッチをオンして、電流検出回路付き定電圧回路と当該行信号線との間を導通させる。一方、行信号線をフロート状態にするときは、当該行信号線に対応するＰチャンネルＦＥＴスイッチをオフする。ここで、行側切替回路は、電流検出回路付き定電圧回路の定電圧回路から出力される電圧を低圧側の各行信号線に供給するように電圧の供給方向が一定であるので、ＰチャンネルＦＥＴスイッチが使用できる。

従って、リレーのような大型で高価なスイッチ素子を用いなくても、小型で安価なスイッチ素子であるＰチャンネルＦＥＴスイッチで行側切替回路を構成することが可能となり、マトリックスセンサ検出回路の好適な実施形態が提供される。

同第五の特徴構成は、上記第四の特徴構成に加えて、前記列側切替回路に備える前記コンプリメンタリスイッチの数が前記行側切替回路に備える前記ＰチャンネルＦＥＴスイッチの数よりも少なくなるように、前記複数の検出素子を行列配置する点にある。
すなわち、前記各コンプリメンタリスイッチはＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴスイッチの２つのＦＥＴスイッチで構成されているので、１つのＦＥＴスイッチで構成されているＰチャンネルＦＥＴスイッチに比べてコストが高いが、列側切替回路におけるコンプリメンタリスイッチの数を行側切替回路におけるＰチャンネルＦＥＴスイッチの数より少なくすることにより、全体の回路コストを低減させることが可能となる。
従って、行側切替回路及び列側切替回路の全体構成において、コスト低減効果が大きいマトリックスセンサ検出回路の好適な実施形態が提供される。

同第六の特徴構成は、上記第一から第五のいずれかの特徴構成に加えて、前記検出素子が、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧素子で構成されている点にある。
すなわち、圧力に応じて抵抗値が変化する各感圧素子の抵抗値を検出することにより、各感圧素子に加わる圧力（荷重）を判別することができる。
従って、例えば検出対象物に複数の感圧素子を分散配置させる構成により、各感圧素子に加わる圧力（荷重）値から検出対象物における圧力（荷重）分布状態を適切に検知することが可能となり、マトリックスセンサ検出回路を圧力分布検知に適用した好適な実施形態が提供される。

本発明に係るマトリックスセンサ検出回路の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明に係るマトリックスセンサ検出回路には、抵抗変化原因によって抵抗値が変化する複数の検出素子Ｒｎｎが行列状に配置され、複数の行の夫々に複数配置された各検出素子Ｒｎｎの一方端が複数の行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等のうちの当該行の行信号線に接続されるとともに、複数の列の夫々に複数配置された各検出素子Ｒｎｎの他方端が複数の列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等のうちの当該列の列信号線に接続され、複数の行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等を択一的に選択し、選択した行信号線に所定電圧を印加し且つ選択しなかった残りの行信号線をフロート状態にする行側切替回路２と、複数の列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等を択一的に選択し、選択した列信号線を接地側に接続し且つ選択しなかった残りの列信号線に所定電圧を印加する列側切替回路４と、前記行側切替回路２から前記選択した行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等に流れる電流を検出する電流検出回路（後述の電流検出回路付き定電圧回路１内の電流検出回路）とが設けられている。

具体的には、前記所定電圧として定電圧を前記行側切替回路２に供給し、且つ、前記行側切替回路２から前記選択した行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等に流れる電流を検出する電流検出回路付き定電圧回路１と、前記所定電圧として定電圧を前記列側切替回路４に供給する定電圧回路３とを備えている。

上記複数の検出素子Ｒｎｎは、圧力（荷重）に応じて抵抗値が変化する感圧素子で構成されている。上記電流検出回路付き定電圧回路１は、所定の電圧（定電圧）を発生する定電圧回路を備え、定電圧を行側切替回路２に供給するとともに、その定電圧回路から行側切替回路２に流れる電流を検出する電流検出回路を備え、検出した電流値をＡＤ変換回路５に与える。定電圧回路３は電流検出回路付き定電圧回路１の定電圧回路とほぼ同じ定電圧値を出力する。定電圧回路３は電流検出回路付き定電圧回路１の電流検出回路を省いた構成にするとよい。電流検出回路付き定電圧回路１の定電圧回路と定電圧回路３のそれぞれの出力する定電圧の値の差は、なるべく小さくする。尚、電流検出回路付き定電圧回路１内において、電流検出回路は定電圧回路の上流側、下流側のいずれに設けてもかまわない。電流検出回路付き定電圧回路１内において電流検出回路を定電圧回路の下流側（行側切替回路２側）に設けた場合には、電流検出回路付き定電圧回路１内の定電圧回路と、定電圧回路３を別々に設けず、単一の定電圧回路で兼用するようにしてもよい。

図３に示すように、前記列側切替回路４が、前記複数の列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等の夫々に対応させて、前記検出用電圧源３と各列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴ、及び、各列信号線と接地側との間の導通を断続するＮチャンネルＦＥＴをコンプリメンタリ接続したコンプリメンタリスイッチ４ａを複数備え、前記各コンプリメンタリスイッチ４ａにおけるＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの接続箇所を前記複数の列信号線ｒ１，ｒ２，ｒ３等の夫々に接続している。また、前記行側切替回路２が、前記複数の行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等の夫々に対応させて、前記検出用電圧源を備えた検出回路１と各行信号線ｇ１，ｇ２，ｇ３等との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴスイッチ２ａを備えている。

図３において、各コンプリメンタリスイッチ４ａ及び各ＰチャンネルＦＥＴスイッチ２ａに対して、切替信号供給用のコントロ−ラ６から制御信号が出力されている。なお、コンプリメンタリスイッチ４ａについては、ＰチャンネルＦＥＴのゲート端子とＮチャンネルＦＥＴのゲート端子を接続した共通の制御端子にコントロ−ラ６の出力ポート端子６ａを接続し、ＰチャンネルＦＥＴスイッチ２ａについては、そのゲート端子にコントロ−ラ６の出力ポート端子６ｂを接続している。

図１及び図３においては、複数の検出素子Ｒｎｎについて、３行３列に配置された９個の検出素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３を明示しているが、前記列側切替回路４に備える前記コンプリメンタリスイッチ４ａの数が、前記行側切替回路２に備える前記ＰチャンネルＦＥＴスイッチ２ａの数よりも少なくなるように、前記複数の検出素子Ｒｎｎを行列配置することが好ましい。例えば、図４には、８個の検出素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ４１，Ｒ４２を４行２列に配置した構成が示されている。

〔別実施形態〕
上記実施形態では、複数の検出素子Ｒｎｎを圧力に応じて抵抗値が変化する感圧素子で構成したが、感圧素子以外に、温度や湿度などの各種の抵抗変化原因によって抵抗値が変化する素子で構成することができる。

上記実施形態では、行側切替回路２及び列側切替回路４に備えるスイッチとして、ＰチャンネルＦＥＴやＮチャンネルＦＥＴを用いて構成したが、ＦＥＴ以外の各種半導体素子、リレー等の機械的なスイッチなどを用いることができる。

本発明に係るマトリックスセンサ検出回路は、例えば複数の検出素子Ｒｎｎを感圧素子で構成して自動車等の座席シートに分散配置させて、各感圧素子に加わる圧力（荷重）値から座席シートにおける着座状態を判別する着座検出装置に利用できる。

本発明のマトリックスセンサ検出回路の全体構成を示す回路図 本発明のマトリックスセンサ検出回路による作用を説明するための回路図 本発明のマトリックスセンサ検出回路の具体構成を示す回路図 本発明のマトリックスセンサ検出回路の検出素子の行列構成例を示す回路図 従来技術のマトリックスセンサ検出回路の全体構成を示す回路図 従来技術のマトリックスセンサ検出回路による作用を説明するための回路図

符号の説明

１ 電流検出回路付き定電圧回路
２ 行側切替回路
２ａ ＰチャンネルＦＥＴスイッチ
３ 定電圧回路
４ 列側切替回路
４ａ コンプリメンタリスイッチ
ｇ１，ｇ２，ｇ３ 行信号線
ｒ１，ｒ２，ｒ３ 列信号線
Ｒｎｎ 検出素子

Claims (6)

1. 抵抗変化原因によって抵抗値が変化する複数の検出素子が行列状に配置され、複数の行の夫々に複数配置された各検出素子の一方端が複数の行信号線のうちの当該行の行信号線に接続されるとともに、複数の列の夫々に複数配置された各検出素子の他方端が複数の列信号線のうちの当該列の列信号線に接続され、
   前記複数の行信号線を択一的に選択し、選択した行信号線に所定電圧を印加し且つ選択しなかった残りの行信号線をフロート状態にする行側切替回路と、
   前記複数の列信号線を択一的に選択し、選択した列信号線を接地側に接続し且つ選択しなかった残りの列信号線に所定電圧を印加する列側切替回路と、
   前記行側切替回路から前記選択した行信号線に流れる電流を検出する電流検出回路とが設けられているマトリックスセンサ検出回路。
2. 前記所定電圧として定電圧を前記行側切替回路に供給し、且つ、前記行側切替回路から前記選択した行信号線に流れる電流を検出する電流検出回路付き定電圧回路と、前記所定電圧として定電圧を前記列側切替回路に供給する定電圧回路とを備えた請求項１記載のマトリックスセンサ検出回路。
3. 前記列側切替回路が、前記複数の列信号線の夫々に対応させて、前記定電圧回路と各列信号線との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴ、及び、各列信号線と接地側との間の導通を断続するＮチャンネルＦＥＴをコンプリメンタリ接続したコンプリメンタリスイッチを複数備え、前記各コンプリメンタリスイッチにおけるＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの接続箇所を前記複数の列信号線の夫々に接続している請求項２記載のマトリックスセンサ検出回路。
4. 前記行側切替回路が、前記複数の行信号線の夫々に対応させて、前記電流検出回路付き定電圧回路と各行信号線との間の導通を断続するＰチャンネルＦＥＴスイッチを備えている請求項２又は３記載のマトリックスセンサ検出回路。
5. 前記列側切替回路に備える前記コンプリメンタリスイッチの数が、前記行側切替回路に備える前記ＰチャンネルＦＥＴスイッチの数よりも少なくなるように、前記複数の検出素子を行列配置する請求項４記載のマトリックスセンサ検出回路。
6. 前記検出素子が、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧素子で構成されている請求項１〜５のいずれかに記載のマトリックスセンサ検出回路。

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