JP2005156474A - 電磁結合を用いる圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズに強く大型化も可能な圧力検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の圧力検出装置は、電磁結合を用いる。センサ部は、第１コイル１と、第１コイルと重なるように設けられる第２コイル２と、第１コイルと第２コイルとの間に設けられる第１クッション材３とからなる。第１コイル及び第２コイルの一方を駆動する駆動回路と、第１コイル及び第２コイルの他方からの電磁結合による信号からセンサ部にかかる圧力を検出する検出回路とが、センサ部に接続される。センサ部をマトリックス状に配置することで、圧力分布を測定可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力検出装置に関し、特に、コイルによる電磁結合を用いる圧力検出装置に関する。

センサ部にかかる物体の圧力や変位量を測定するための装置は種々開発されている。例えば差動トランスを用いたセンサとしては、特開平０９−１１３２０３号公報が挙げられる。これは、コアと差動コイルとの相対変化量を検出することで、物体の変位量を測定する装置である。コアや差動コイルの厚みがあるため、これを薄いシート状に構成することは困難であるため、これを圧力分布検出装置に応用することは難しかった。

薄いシート状のもので圧力分布を検出するための装置には感圧ゴムを用いるものや静電結合を用いるもの等、様々な方式がある。例えば感圧ゴムを用いた圧力検出装置としては、特開昭５７−１００３３１号公報が挙げられる。これは例えば自動車のシートの性能評価試験をする場合に、シートの上に感圧ゴムシートからなる圧力検出装置を敷いて、圧力分布を測定するものである。また、同様の用途に使用されるもので静電結合を用いるものとしては、例えば特開昭６２−２２６０３０号公報が挙げられる。これもシート状のセンサを用いて圧力分布を測定するものである。

特開平０９−１１３２０３号公報 特開昭５７−１００３３１号公報 特開昭６２−２２６０３０号公報

しかしながら、上述のように、差動トランスを用いたものでは、一部分の圧力は検出できても広いエリアに渡って圧力分布を測定するものには応用できなかった。また、感圧ゴムや静電結合を用いた圧力検出装置は、比較的インピーダンスが高いのでノイズに弱く、センサを大型化することが難しかった。自動車のシート性能評価用程度の大きさであれば影響は少ないが、例えば店舗のフロア全面に圧力検出装置を敷き詰めて来店者の動きを調査したり、防犯用に用いたりする場合、ノイズの影響を大きく受けてしまうため圧力分布を測定することは困難であった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、電磁結合を用いることで、インピーダンスが低くてノイズにも強く、大型化も可能な圧力検出装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による電磁結合を用いる圧力検出装置は、第１コイルと、第１コイルと重なるように設けられる第２コイルと、第１コイルと第２コイルとの間に設けられる第１クッション材と、を有するセンサ部と、第１コイル及び第２コイルの一方を駆動する駆動回路と、第１コイル及び第２コイルの他方からの電磁結合による信号から、センサ部にかかる圧力を検出する検出回路とを具備するものである。

また、センサ部は、さらに、第２コイルの第１コイルと対向する位置に、第２コイルと重なるように設けられる第３コイルと、第２コイルと第３コイルとの間に設けられる、第１クッション材とは弾性率の異なる第２クッション材とを具備しても良い。

さらに、第１コイルと第３コイルは、磁界を打ち消すように配線され、駆動回路は、第１コイル及び第３コイルを駆動し、検出回路は、第２コイルから電磁結合による信号を検出しても良い。

また、駆動回路は、第２コイルを駆動し、検出回路は、第１コイル及び第３コイルからの電磁結合による信号の差分を検出しても良い。

ここで、検出回路は差動アンプを有し、信号の差分は差動アンプの入力端に第１コイル及び第３コイルからの電磁結合による信号をそれぞれ入力することで検出されるようにすれば良い。

さらに、複数のセンサ部をマトリックス状に配置し、各第１コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第２コイルはそれぞれＹ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第３コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成することで、圧力分布を測定可能に構成されるようにしても良い。

また、複数のセンサ部をマトリックス状に配置し、各第１コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第２コイルはそれぞれＹ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成することで、圧力分布を測定可能に構成されるようにしても良い。

ここで、駆動回路又は検出回路が接続されるコイル列以外のコイル列は、開放されるようになっている。

さらに、コイル列を駆動回路又は検出回路に順次接続するためのスイッチ手段を有しても良い。

また、複数のコイル列のすべては、その一端は接地され、他端は駆動回路又は検出回路が接続され、駆動回路は、駆動される複数のコイル列のそれぞれを異なる波形で駆動する複数の電流ドライバを有し、検出回路は、複数のコイル列からの信号をそれぞれ受ける複数の電流アンプと、各波形を分離するための複数の同期検波部とを有しても良い。

また、コイル列のコイルは、略正方形、八角形等の多角形又は略円形の平面コイルであり、略中央で左右に分かれており、それぞれが直列に隣のコイルと接続されていても良い。

またさらに、検出回路は、入力インピーダンスを０に近づけた電流アンプを有することが好ましい。

また、駆動回路は、出力インピーダンスを高インピーダンスにした電流ドライバを有することが好ましい。

さらに、コイルの中心部分及び／又は周辺部分が空洞になっていても良い。

本発明の電磁結合を用いる圧力検出装置は、ノイズに強いため大型化が可能であるという利点がある。また、検出回路も複雑なものではなく、さらにセンサ部もコイルで構成されるので、大型な物でも安価に製造可能である。さらに、フレキシブル基板等でコイルパターンを形成することで、薄いシート状のセンサ部を簡単に製造可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。なお、以下の実施例ではコイルをＸ軸方向・Ｙ軸方向にマトリックス状に配置して圧力分布を測定可能な圧力検出装置について説明するが、本発明はこれに限定されず、圧力分布を測定する必要はなく単に圧力を測定するだけであれば、最小単位である１組のセンサ部を用いて圧力を検出可能であることは勿論である。

図１は、本発明の第１実施例の圧力検出装置を説明するための模式的な側断面図である。また、図２は圧力検出装置の模式的な上面図と駆動回路及び検出回路のブロック図である。図１から分かるように、センサ部は、上下に第１コイル１と第２コイル２をそれぞれ複数配置し、その間に第１クッション材３を設けている。図２から分かるように、第１コイルと第２コイルがマトリックス状に重なるように配置され、第１コイル１がＸ軸方向に複数直列に接続され、第２コイル２がＹ軸方向に複数直列に接続されることで、複数のコイル列が形成されている。

このように構成されたコイル列は、制御部に接続される。制御部は、駆動回路や検出回路、ＭＰＵ等からなる。第１コイル１のコイル列には検出回路が接続され、第２コイル２のコイル列には駆動回路が接続されている。検出回路は、例えば電流アンプ７と同期検波部８とＡＤ変換部９とからなり、スイッチ部１０により第１コイル１のコイル列に順次接続される。駆動回路は、例えば発振器４と電流ドライバ５とからなり、スイッチ部６により第２コイル２のコイル列を駆動回路に順次接続してコイル列を駆動させる。

また、スイッチ部６，１０には、これを制御するためのＭＰＵ１１が接続される。ＭＰＵ１１はまた、検出回路により検出された信号を受けて圧力測定等の処理を行う。

各コイルは、単層で作成できるようなパターンとすることで安価に製造可能となる。具体的には、図２に示すように、一巻の八角形の平面コイルを略中央で左右に分け、これを隣のコイルと直列に接続していくことでコイル列を形成する。コイル列の一端はスイッチ部６又は１０を介して駆動回路又は検出回路に接続され、他端は接地される。駆動回路又は検出回路に接続されていない場合には、コイル列は開放された状態となり、他のコイル列へ影響を及ぼさないようにしている。なお、スイッチ部６又は１０は、マルチプレクサ等により構成されれば良い。

コイルの形状は、八角形には限られず、多角形、例えば六角形のものや、円形、さらには図３に示すような略正方形のものであっても良い。また、巻数を増やす場合には、各コイルが２層構造になってしまうが、図４のように複数巻のコイルを直列に接続するようにしても良い。更に、図５に示すように、コイル列が二重になるように配線を工夫することで各コイルの部分は単層で形成することも可能である。

また、駆動回路の電流ドライバ５は、その出力インピーダンスを高インピーダンスにすることが望ましい。さらに、検出回路の電流アンプ７は、入力インピーダンスを０に近づけたものであり、電流アンプの入力の一方は接地し、他方に第１コイル１のコイル列からの出力を直接入力すると共に、ここに帰還抵抗を接続する構成とする。電流アンプ７で増幅された電流は、同期検波部８に入力される。同期検波部８には、発振器４からの出力も接続される。そして、同期検波部８において、発振器からの出力と電磁結合による信号の同期を取って、ＡＤ変換部９でデジタル信号に変換されて、ＭＰＵ１１に入力されて圧力分布検出に必要な処理が行われる。このように、対向する各コイルの電磁結合の大きさがその距離によって変化するので、その変化量によってコイルにかかる圧力を検出する処理を行うものである。

このように構成された圧力検出装置において、圧力を測定する手順を以下に説明する。第１コイルを検出面、第２コイルを駆動面とすると、第２コイル２のコイル列の１つにスイッチ部６により電流ドライバ５を接続する。一方、第１コイル１のコイル列は、それぞれ順番にスイッチ部１０により電流アンプ７と接続される。すべての第１コイル１のコイル列を順番に電流アンプ７に接続し終わったら、スイッチ部６により接続する電流ドライバ５を、接続されていた第２コイル２のコイル列の隣のコイル列に切り替える。そして、再度第１コイル１のコイル列が順番に接続される。これらを繰り返すことで、すべてのコイル列を順番に駆動回路又は検出回路に接続する。

第２コイル２のコイル列に交流電流が加えられると、コイルの電磁結合の現象により第１コイル１のコイル列にも交流起電力が誘起される。対向する各コイル間の距離によって、電磁結合により発生する起電力の大きさが変化する。複数の第１コイル上の一部に圧力がかかると、第１クッション材３が第２コイルとの間にあるため第１コイルは撓む。上部のコイルが撓むと、対向するコイルとの間の電磁結合の大きさが変化するため第２コイルからの電流が変化する。この変化をマトリックス状に配置されたコイル群から検出することで、どの部分のコイルの電磁結合による信号が変化したのかを測定することが可能である。

また、スイッチ部を用いずに、すべてのコイル列に駆動回路又は検出回路を接続する形態であっても良い。図６に、コイル列のすべてにそれぞれ駆動回路又は検出回路が接続される例を示す。それぞれの第１コイル１のコイル列には、電流アンプ７と同期検波部８が接続される。一方、それぞれの第２コイル２のコイル列には、電流ドライバ５が接続される。複数の電流ドライバ５は、複数のコイル列のそれぞれを異なる波形で同時に駆動する。そして、検出回路側では、複数のコイル列からの信号をそれぞれ電流アンプ７で受けて、同期検波部８において各波形を分離して検出することで、マトリックス状に配置されたコイル群から圧力分布を測定する。

なお、第１コイル及び第２コイルは、ポリイミド等からなるフレキシブル基板上にコイルパターンを形成することにより製造可能である。上部のコイルの撓みにより圧力を検出しようとするものであるため、コイルパターンがより撓みやすくなるように、コイルの中心部分及び／又は周辺部分を空洞にしても良い。例えばフレキシブル基板でコイルパターンが形成された部分以外の部分は穴をあけて空洞にする。

次に、本発明の圧力検出装置の第２実施例について説明する。第１実施例では、上下に２層のコイル層を形成したが、本実施例では、図７に示すように、さらに１層、コイル層を追加して合計３層のコイル層を用いる。図示のように、第２コイル２の下に、第２クッション材２０を介して第３コイル２１を設ける。第２クッション材２０は、第１クッション材３とは弾性率の異なるものを用いる。これは、第１クッション材のようにクッション性があるものではなく、硬いスペーサ等でも良い。弾性率を異ならせることにより、圧力が加わった際に第１コイル−第２コイル間と第２コイル−第３コイル間とで、それぞれ間隔が異なるようになるので、差分をより検出しやすくなる。

図８は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の接続形態を説明するための模式的な図である。図８では、各層のコイル列の接続形態が分かるように、各層を展開して示している。３層のコイルを用いる場合、例えば図８に示すように、第１コイル１と第３コイル２１は、磁界を打ち消すように配線される。図８の例では、第１コイル１と第３コイル２１とは、逆向きに巻かれたコイルとなっている。そして、第１コイル１のコイル列と第３コイル２１のコイル列に駆動回路が接続される。具体的には、駆動回路が第１コイル１のコイル列に接続され、第１コイル１のコイル列と第３コイル２１のコイル列が直列に接続される。また、第２コイル２のコイル列から電磁結合による信号を検出するために、第２コイル２のコイル列には検出回路が接続される。このように構成すると、第２コイルに対して第１コイルと第３コイルの変化を差動的に検出できるようになるため、より検出精度が高くなる効果やノイズに強くなるという効果が得られる。

図９は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の他の接続形態を説明するための模式的な図である。図９では、各層のコイル列の接続形態が分かるように、各層を展開して示している。例えば図９に示すように、第２コイル２のコイル列を駆動回路に接続することで駆動し、第１コイル１と第３コイル２１のコイル列からの電磁結合による信号の差分を検出することにより圧力を検出するようにしている。この場合には、第１コイル１と第３コイル２１のコイルの巻かれる向きは同じ向きである。そして、第１コイル１と第３コイル２１との信号の差分を検出するために差動アンプ２２を用いて、差動アンプ２２の入力端にそれぞれ第１コイル１のコイル列と第３コイル２１のコイル列を接続する。なお、第１コイル１と第３コイル２１は、上下で対応する列のコイル列を、連動スイッチ部２３を用いて差動アンプ２２へ連動して接続するようにする。差動アンプ２２からは、第１コイル１のコイル列と第２コイル２のコイル間の電磁結合による信号と、第２コイル２と第３コイル２１のコイル間の電磁結合による信号との差分に対応する信号が出力される。これを、同期検波部８で駆動回路側の発振器の出力に同期させて検出することで、マトリックス状に配置されたコイルのどの位置に圧力がかかったのかという圧力分布が検出可能となる。

なお、本発明の電磁結合を用いる圧力検出装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述の図示例では第１コイル１がＸ軸方向に複数直列に接続されて検出回路に接続され、第２コイル２がＹ軸方向に複数直列に接続されて駆動回路に接続される例や、さらに第３コイル２１がＸ軸方向に複数直列に接続されて駆動回路や検出回路に接続される例を示したが、本発明はこれに限定されず、Ｘ軸・Ｙ軸がそれぞれ逆であっても、駆動回路・検出回路がそれぞれ逆であっても勿論構わない。また、差動的に検出する方式を含めて、本発明の圧力検出装置のセンサ部は、圧力分布を測定するためにはマトリックス状に配置すれば良いが、単に一部分の圧力を測るだけであれば、一組のコイルを用いるだけでも良い。

本発明の活用例としては、上記の自動車のシートの性能評価試験や店舗における来店者の動き調査以外にも、ゲーム機の入力パッド等にも利用可能である。

図１は、本発明の第１実施例の圧力検出装置を説明するための模式的な側断面図である。 図２は、本発明の第１実施例の圧力検出装置を説明するための模式的な上面図である。 図３は、本発明の圧力測定装置に用いられるコイルの他の形状を説明するための図である。 図４は、本発明の圧力測定装置に用いられるコイルのさらに他の形状を説明するための図である。 図５は、本発明の圧力測定装置に用いられるコイルのさらに他の形状を説明するための図である。 図６は、本発明の第１実施例の圧力検出装置の他の接続形態を説明するための模式的な上面図である。 図７は、本発明の第２実施例の圧力検出装置を説明するための模式的な側断面図である。 図８は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の接続形態を説明するための模式的な図である。 図９は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の他の接続形態を説明するための模式的な図である。

符号の説明

１ 第１コイル
２ 第２コイル
３ 第１クッション材
４ 発振器
５ 電流ドライバ
６，１０ スイッチ部
７ 電流アンプ
８ 同期検波部
９ ＡＤ変換部
２０ 第２クッション材
２１ 第３コイル
２２ 差動アンプ
２３ 連動スイッチ部

Claims (14)

1. 電磁結合を用いる圧力検出装置であって、該圧力検出装置は、
   第１コイルと、
   前記第１コイルと重なるように設けられる第２コイルと、
   前記第１コイルと第２コイルとの間に設けられる第１クッション材と、
   を有するセンサ部と、
   前記第１コイル及び第２コイルの一方を駆動する駆動回路と、
   前記第１コイル及び第２コイルの他方からの電磁結合による信号から、前記センサ部にかかる圧力を検出する検出回路と、
   を具備することを特徴とする圧力検出装置。
2. 請求項１に記載の圧力検出装置において、前記センサ部は、さらに、
   前記第２コイルの前記第１コイルと対向する位置に、前記第２コイルと重なるように設けられる第３コイルと、
   前記第２コイルと第３コイルとの間に設けられる、前記第１クッション材とは弾性率の異なる第２クッション材と、
   を具備することを特徴とする圧力検出装置。
3. 請求項２に記載の圧力検出装置において、前記第１コイルと前記第３コイルは、磁界を打ち消すように配線され、前記駆動回路は、前記第１コイル及び第３コイルを駆動し、前記検出回路は、前記第２コイルから電磁結合による信号を検出することを特徴とする圧力検出装置。
4. 請求項２に記載の圧力検出装置において、前記駆動回路は、前記第２コイルを駆動し、前記検出回路は、前記第１コイル及び第３コイルからの電磁結合による信号の差分を検出することを特徴とする圧力検出装置。
5. 請求項４に記載の圧力検出装置において、前記検出回路は差動アンプを有し、前記信号の差分は前記差動アンプの入力端に前記第１コイル及び前記第３コイルからの電磁結合による信号をそれぞれ入力することで検出されることを特徴とする圧力検出装置。
6. 請求項２乃至請求項５の何れかに記載の圧力検出装置において、複数の前記センサ部をマトリックス状に配置し、各第１コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第２コイルはそれぞれＹ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第３コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成することで、圧力分布を測定可能に構成されることを特徴とする圧力検出装置。
7. 請求項１に記載の圧力検出装置において、複数の前記センサ部をマトリックス状に配置し、各第１コイルはそれぞれＸ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成し、各第２コイルはそれぞれＹ軸方向に直列に接続される複数のコイル列を構成することで、圧力分布を測定可能に構成されることを特徴とする圧力検出装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の圧力検出装置において、前記駆動回路又は検出回路が接続されるコイル列以外のコイル列は、開放されることを特徴とする圧力検出装置。
9. 請求項６乃至請求項８に記載の圧力検出装置であって、さらに、前記コイル列を駆動回路又は検出回路に順次接続するためのスイッチ手段を有することを特徴とする圧力検出装置。
10. 請求項６又は請求項７に記載の圧力検出装置において、前記複数のコイル列のすべては、その一端は接地され、他端は前記駆動回路又は検出回路が接続され、前記駆動回路は、駆動される複数のコイル列のそれぞれを異なる波形で駆動する複数の電流ドライバを有し、前記検出回路は、複数のコイル列からの信号をそれぞれ受ける複数の電流アンプと、各波形を分離するための複数の同期検波部とを有することを特徴とする圧力検出装置。
11. 請求項６乃至請求項１０の何れかに記載の圧力検出装置であって、前記コイル列のコイルは、略正方形、八角形等の多角形又は略円形の平面コイルであり、略中央で左右に分かれており、それぞれが直列に隣のコイルと接続されていることを特徴とする圧力検出装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の圧力検出装置において、前記検出回路は、入力インピーダンスを０に近づけた電流アンプを有することを特徴とする圧力検出装置。
13. 請求項１乃至請求項１２の何れかに記載の圧力検出装置において、前記駆動回路は、出力インピーダンスを高インピーダンスにした電流ドライバを有することを特徴とする圧力検出装置。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の圧力検出装置であって、前記コイルの中心部分及び／又は周辺部分が空洞であることを特徴とする圧力検出装置。