JP2009198221A - 圧力センサ及び圧力検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】振動板の振動の抑制を防止し、押圧力の微細な変動を検出可能な圧力センサ及び圧力検出システムを提供することを目的とする。
【解決手段】弾性体で形成された圧力伝達部材１２０が、振動板１３０との間に隙間１６０を設けて配置されているため、振動板１３０の振動が直接押圧されて抑制されることがなく、押圧力の微細な変動が振動板１３０の振動に反映されるため、押圧力の微細な変動を検出することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、外部から与えられた圧力を検出する圧力センサ及び圧力検出システムに関する。

従来では、圧電素子等の振動により出力される電圧信号の変動に基づき、外部から与えられた押圧力の変動を検出する圧力センサがある。従来の圧力センサでは、例えば金属などで形成された振動板（共振板）に圧電素子が固定されており、圧電素子から出力される電圧信号が検出される。そして圧力センサは、圧電素子から出力される電圧信号の変動に基づき、振動板に与えられた押圧力を検出する。

例えば特許文献１には、金属等の薄くて硬い材質の筐体に圧電素子が固定されており、圧電素子の出力に応じて筐体に与えられる押圧力を検出する入力装置および電子機器が記載されている。
特開２００５−３５２９２７号公報

上記従来の圧力センサでは、振動板を直接押圧して振動を変化させ、押圧力の変化を検出する場合がある。例えば特許文献１記載の発明では、振動板の役割を果たす筐体が、人の手等により直接押圧されたときの押圧力を検出する。

しかしながら、上記したように振動板を直接押圧すると、振動板の振動が過剰に抑制されるため押圧力の変動が反映されにくくなり、押圧力の微細な変動の検出が困難となる。

本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、振動板の振動の過剰な抑制を防止し、押圧力の微細な変動を検出可能な圧力センサ及び圧力検出システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するために以下の如き構成を採用した。

本発明は、振動子（１４０）の振動が伝搬される振動板（１３０）と、
外部から押圧力が与えられる被押圧部（１２２）と、を有し、
前記振動板（１３０）の振動の変動に基づき前記被押圧部（１２２）に与えられた前記押圧力の変動を検出する圧力センサ（１００）であって、
前記被押圧部（１２２）は、弾性体で形成されており、前記振動板（１３０）と重なる位置に、前記振動板（１３０）と間隙（１６０）を設けて配置されている構成により、振動板の振動の過剰な抑制を防止し、押圧力の微細な変動を検出可能となる。

また本発明の圧力センサにおいて、前記振動子（１４０）は圧電素子（１４０）であって、
前記圧電素子（１４０）は、前記振動板（１３０）の一方の面に配置され、
前記被押圧部（１２２）は、前記振動板（１３０）において前記圧電素子（１４０）が配置された面と反対側の面と間隙（１６０）を設けて配置されている構成としても良い。

また本発明の圧力センサは、前記圧電素子（１４０）へ駆動信号を供給する駆動回路（２００）と、
前記圧電素子（１４０）から出力される電圧信号を検出する検出回路（３００）とが実装された基板（１５０）を有し、
前記圧電素子（１４０）が配置された前記振動板（１３０）は、前記圧電素子（１４０）が前記基板（１５０）と接するように配置されている構成としても良い。

また本発明の圧力センサは、前記圧電素子（１４０）へ駆動信号を供給する駆動回路（２００）と、
前記圧電素子（１４０）から出力される電圧信号を検出する検出回路（３００）とが実装され、当該基板（１５０Ａ）を貫通する貫通孔（１５１）が形成された基板（１５０Ａ）を有し、
前記貫通孔（１５１）は、
前記貫通孔（１５１）内に前記圧電素子（１４０）が配置可能であり、且つ前記圧電素子（１４０）が配置されて振動板（１３０）を前記基板（１５０Ａ）に直接固定できるように形成されており、
前記圧電素子（１４０）を配置した前記振動板（１３０）は、前記圧電素子（１４０）が配置された側を前記基板（１５０Ａ）に向けて前記基板（１５０Ａ）に固定されている構成としても良い。

本発明の圧力検出システムは、振動子（１４０）の振動が伝搬される振動板（１３０）と、
外部から押圧力が与えられる被押圧部（１２２Ａ）と、を有し、
前記振動板（１３０）の振動の変動に基づき前記被押圧部（１２２Ａ）に与えられた前記押圧力の変動を検出する圧力センサヘッド（１００Ｃ）であって、
前記被押圧部（１２２Ａ）は、弾性体で形成されており、前記振動板（１３０）と重なる位置に、前記振動板（１３０）と間隙（１６０Ａ）を設けて配置されている圧力センサヘッド（１００Ｃ）と、
前記圧力センサヘッド（１００Ｃ）と接続されており、前記圧力センサヘッド（１００Ｃ）を制御する制御装置（１５０Ｂ）とから構成される圧力検出システム（５００）であって、
前記制御装置（５００）は、
前記振動子（１４０）を駆動させる駆動信号を供給する駆動回路（２００）と、
前記振動子（１４０）から出力される電圧信号を検出する検出回路（３００）とを有する構成とした。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、振動板の振動の過剰な抑制を防止し、押圧力の微細な変動を検出することができる。

本発明は、弾性体で形成された圧力伝達部材が、振動板との間に隙間を設けて配置されているため、振動板が直接押圧されない。このため本発明では、振動板の振動が押圧力によって過剰に抑制されることがなく、押圧力の微細な変動も振動に反映されるため、押圧力の微細な変動を検出することが可能となる。
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態の圧力センサ１００を示す斜視図であり、図２は、第一の実施形態の圧力センサ１００の分解斜視図である。

以下に図１、図２を参照して本実施形態の圧力センサ１００の構成について説明する。本実施形態の圧力センサ１００は、筐体１１０から突出した後述する被押圧部１２２に対し押圧力が与えられたとき、この押圧力の変動を検出する。

本実施形態の圧力センサ１００は、筐体１１０、圧力伝達部材１２０、振動板１３０、圧電素子１４０、基板１５０を有する（図２参照）。

筐体１１０は、下部に略正方形状の開口部１１１を有し、中空部１１２を有する。また筐体１１０の天板１１３には、後述する圧力伝達部材１２０の被押圧部１２２が嵌め込まれる嵌め込み孔１１４が形成されている。本実施形態の筐体１１０は、例えばプラスチック等により形成されている。

圧力伝達部材１２０は、台座部１２１と被押圧部１２２とが一体形成されたものであり、例えばシリコンゴム等の弾性体で形成されている。台座部１２１は、下部に略正方形状の開口部１２３を有し、内部には後述する中空部１２４（図３参照）を有する。台座部１２１の天板には、被押圧部１２２が形成されている。被押圧部１２２は、筐体１１０の嵌め込み孔１１４に嵌め込まれる。

振動板１３０は、例えばアルミニウム等の金属により形成されており、後述する圧力素子１４０の振動を共振させる共振板である。振動板１３０は略正方形状であり、台座部１２１の中空部１２４内に配置される。振動板１３０には、圧電素子１４０が接着されている。

圧電素子１４０は、振動板１３０において、圧力伝達部材１２０と対向する側と逆側に接着されている。圧電素子１４０は、例えば接着剤等で振動板１３０に密着させて接着されていても良い。また圧電素子１４０は、振動板１３０の中央に接着されていることが好ましい。具体的には本実施形態の圧電素子１４０は、図２の一点鎖線Ｏを圧力センサ１００の中心線とした場合、振動板１３０の中心点と圧電素子１４０の中心点とが重なる位置に接着されるものとした。

圧電素子１４０は、基板１５０に固定されている。基板１５０は、略正方形であり、圧力伝達部材１２０の台座部１２１を形成する略正方形と同一の大きさとした。よって台座部１２１の一辺の長さＷ１と、基板１５０の一辺の長さＷ２とは、同一となる。本実施形態の基板１５０には、圧電素子１４０を駆動させるための駆動信号を出力する駆動回路と、圧電素子１４０の振動を電圧信号として検出する検出回路が実装されている。尚駆動回路及び検出回路についての詳細は後述する。基板１５０は、図示しないリード線等により、後述するコンピュータ等に接続されている。

以下に、図３を参照して本実施形態の圧力センサ１００の構成についてさらに説明する。図３は、図１に示す圧力センサ１００のＡ−Ａ断面図である。図３（Ａ）は、圧力センサ１００に押圧力が与えられていない場合を示し、図３（Ｂ）は、圧力センサ１００に押圧力が与えられた場合を示している。

図３（Ａ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１００において、圧力伝達部材１２０は、被押圧部１２２が筐体１１０の嵌め込み孔１１４に嵌め込まれて固定されている。基板１５０は、台座部１２１の開口部１２３を塞ぐように配置されている。圧電素子１４０は、基板１５０上に固定されており、振動板１３０は、圧電素子１４０と接着されている。よって本実施形態の振動板１３０は、圧電素子１４０を介して基板１５０に固定されている。そして圧電素子１４０と振動板１３０は、圧力伝達部材１２０の有する中空部１２４の内部に配置されるようになる。尚本実施形態の圧力センサ１００は、振動板１３０と圧力伝達部材１２０の台座部１２１の天板部１２１ａとの間に間隙１６０を設けるように設計されている。

本実施形態では、間隙１６０を設けることにより、被押圧部１２２に与えられた押圧力が直接振動板１３０に伝達されなくなり、外部から与えられる押圧力により直接振動板１３０の振動が抑制されることを防止することができる。よって本実施形態では、被押圧部１２０に与えられた押圧力の変動をより大きく振動板１３０の振動に反映させることができる。

尚本実施形態の振動板１３０は、圧力伝達部材１２０の中空部１２４において、被押圧部１２２と重なる位置に配置されるものとした。振動板１３０は、被押圧部１２２が押圧されたとき、押圧力により変形した台座部１２１の天板部１２１ａが振動板１３０に接触する位置に配置されれば良い。また本実施形態の圧電素子１４０は、振動板１３０の中央に接着されるものとしたが、これに限定されない。本実施形態の圧電素子１４０は、振動板１３０に振動を伝搬可能な位置に配置されていれば良い。

また本実施形態の間隙１６０の高さＨ１は、被押圧部１２２が押圧されたとき、変形した天板部１２１ａが振動板１３０に触れる高さとすればよい。高さＨ１は、圧力センサ１００で検出したい押圧力の変動の幅、圧力伝達部材１２０を形成する弾性体の弾性力等に合わせて任意に設定可能である。尚本実施形態では、例えば台座部１２１の一辺Ｗ１を２３ｍｍ程度、被押圧部１２２を円形とした場合の直径を１４ｍｍ程度、台座部１２１と被押圧部１２２との合計の高さＨ２を８ｍｍ程度、台座部１２１の高さＨ３を５ｍｍ程度、振動板１３０の高さと圧電素子１４０の高さの合計の高さＨ４を１．５ｍｍ程度とした。よって本実施形態の間隙１６０は、０．５ｍｍ程度となる。

次に図３（Ｂ）を参照して本実施形態の圧力センサ１００に押圧力が与えられた場合について説明する。図３（Ｂ）では、被押圧部１２２が押圧されて天板部１２１ａが変形した状態を示している。

圧力センサ１００において、被押圧部１２２が押圧されると、圧力伝達部材１２０が変形し、台座部１２１の天板１２１ａが振動板１３０と接触する。以下の本実施形態では被押圧部１２２の押圧により生じる天板部１２１ａと振動板１３０との接触面を接触面１７０として説明する。本実施形態の圧力センサ１００では、圧電素子１４０を駆動して振動板１３０を予め振動させておき、被押圧部１２２の押圧により生じる接触面１７０の接触による振動板１３０の振動の変動に基づき、押圧力の変動を検出する。

本実施形態では、被押圧部１２２に対する押圧力が大きいほど接触面１７０の面積が広くなり、被押圧部１２２に対する押圧力が小さいほど接触面１７０の面積が小さくなる。本実施形態の振動板１３０では、接触面１７０が広いほど振動板１３０の振動が圧力伝達部材１２０に抑圧されて振動幅が小さくなる。従って圧電素子１４０の振動も小さくなり、圧電素子１４０から出力される電圧信号の減衰の度合いは大きくなる。

また接触面１７０が狭いほど振動板１３０の振動は圧力伝達部材１２０に抑圧されにくく、振動幅は小さくなりにくい。従って圧電素子１４０の振動も小さくなりにくく、圧電素子１４０から出力される電圧信号の減衰の度合いが小さい。本実施形態では、この電圧信号の減衰の度合いに基づき、被押圧部１２２に与えられる押圧力を検出する。

以下に本実施形態における圧電素子１４０から出力される電圧信号を検出について説明する。

本実施形態では、基板１５０に圧電素子１４０を駆動する駆動回路と、圧電素子１４０から出力される電圧信号を検出する検出回路とが実装されている。図４は、基板１５０に実装された駆動回路と検出回路とを説明する図である。

本実施形態の圧力センサ１００の基板１５０には、圧電素子１４０と接続された駆動回路２００と検出回路３００とが実装されている。駆動回路２００と検出回路３００は、それぞれが圧電素子１４０と接続されている。

駆動回路２００は、所定間隔でパルス信号を出力して圧電素子１４０を振動させる。尚駆動回路２００は、例えば周波数が４００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、所定間隔を２ｍｓｅｃ、パルス幅２０〜２００μｓｅｃ、電圧５０〜３００ｍＶのバースト矩形波をパルス信号として出力しても良い。

検出回路３００は、アンプ３１０、フィルタ３２０、整流回路３３０、積分回路３４０、コンパレータ３５０を有する。アンプ３１０の入力は、圧電素子１４０と接続されており、圧電素子１４０の振動により発生した電圧信号を検出して増幅する。アンプ３１０で増幅された電圧信号は、フィルタ３２０によりノイズを除去されて、整流回路３３０に入力される。整流回路３３０は、ノイズが除去された電圧信号を整流する。尚アンプ３１０と整流回路３３０には、駆動回路２００から出力されるパルス信号が供給され、圧電素子１４０が駆動されるタイミングと同期してオン／オフされる。

整流された電圧信号は、積分回路３４０を介してコンパレータ３５０に入力される。コンパレータ３５０には、予め所定のしきい値電圧Ｖｔｈが設定されている。本実施形態での積分回路３４０の時定数は、積分回路３４０を構成するコンデンサＣの容量値と抵抗Ｒの抵抗値により決定される。本実施形態では、コンデンサＣの容量値を１μＦ、抵抗Ｒの抵抗値を１００ＫΩ程度とした。また本実施形態のコンパレータ３５０の出力信号は、積分回路３４０の出力信号がしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなったときローレベル（以下、Ｌレベル）からハイレベル（以下、Ｈレベル）に反転するものとした。

コンパレータ３５０の出力信号は、例えば圧力センサ１００が接続されたコンピュータ４００へ供給される。コンピュータ４００は、演算処理装置と記憶装置とを有する情報処理装置である。

また本実施形態では、コンパレータ３５０の出力信号がＬレベルからＨレベルに反転したとき、被押圧部１２２に押圧力が与えられて振動板１３０に接触面１７０が生じたことを検出するものとした。

具体的には本実施形態の検出回路３００は、駆動回路２００からパルス信号が供給されていない期間の圧電素子１４０の振動の減衰の度合いに基づき、被押圧部１２２が押圧されたか否かを検出する。

圧電素子１４０は、駆動回路２００からパルス信号が供給されている期間は、圧電素子１４０自身を振動させる。そして圧電素子１４０は、駆動回路２００からパルス信号が供給されなくなると、圧電素子１４０自身の振動を停止する。このとき圧電素子１４０の振動には、残響（音源が発音を停止した後も音が響いて聞こえる現象）と同様の現象が生じる。

すなわち圧電素子１４０において、圧電素子１４０自身により発生させた振動が、圧電素子１４０自身の振動を停止した後も残存する。残存する振動は、時間の経過と共に収束し、やがて停止する。よって圧電素子１４０自身の振動により発生した電圧信号は、圧電素子１４０自身の振動が停止した後に、減衰しながら収束に向かう。

ここで被押圧部１２２が押圧されて振動板１３０に接触面１７０が生じた場合、接触面１７０により振動板１３０の振動が抑制され、振動板１３０の振動は小さくなる。したがって圧電素子１４０の振動も抑制されて小さくなる。よって圧電素子１４０の振動は、圧電素子１４０にパルス信号が供給されていないときの電圧信号の減衰の度合いは大きくなる。

本実施形態では、この電圧信号の減衰の度合いに基づき、被押圧部１２２が押圧されたか否かを検出する。

以下に、図５、図６を参照して本実施形態における被押圧部１２２に対する押圧の検出についてさらに説明する。始めに、図５を参照して被押圧部１２２に対する押圧がない場合の動作を説明する。図５は、第一の実施形態において被押圧部１２２に対する押圧がないときの動作を説明する図である。

駆動回路２００は、所定間隔でパルス信号を出力し、圧電素子１４０を振動させる。また駆動回路２００から出力されるパルス信号は、アンプ３１０と整流回路３３０とをオン／オフさせる。図５（Ａ）は、図４に示す回路の点Ａ、点Ｂ、点Ｃの信号を示しており、図５（Ａ）に示す信号が駆動回路２００から出力されるパルス信号である。

圧電素子１４０は、パルス信号が供給されると圧電素子１４０自身を振動させて電圧信号を出力する。また圧電素子１４０は、パルス信号が供給されないとき、圧電素子１４０自身の振動により発生した電圧信号を減衰させた電圧信号を出力する。圧電素子１４０から出力される電圧信号は、アンプ３１０へ入力される。図５（Ｂ）は、図４に示す回路の点Ｄの信号を示しており、アンプ３１０へ入力される信号である。

圧電素子１４０から出力される電圧信号は、駆動電圧信号と減衰電圧信号とに分けられる。駆動電圧信号とは、圧電素子１４０にパルス信号が供給されている期間Ｔａに圧電素子１４０から出力される電圧信号である。尚本実施形態では、圧力センサ１００において検出したい押圧力の範囲に応じて、駆動回路２００から出力されるパルス信号の周波数と電圧、圧電素子１４０の特性等を決定した。

また本実施形態において、減衰電圧信号とは、圧電素子１４０にパルス信号が供給されていない期間Ｔｂに圧電素子１４０から出力される電圧信号である。減衰電圧信号は、収束に向けて駆動電圧信号が減衰した信号である。

アンプ３１０は、駆動回路２００からパルス信号が供給されるとオフになる。よってアンプ３１０の出力は、減衰電圧信号のみを増幅して出力する。図５（Ｃ）は、図４の示す回路の点Ｅの信号を示しており、アンプ３１０から出力される信号である。本実施形態では、圧電素子１４０から駆動電圧信号が出力される期間Ｔａはアンプ３１０をオフすることで、減衰電圧信号のみを取り出して増幅することができる。

アンプ３１０から出力された減衰電圧信号は、フィルタ３２０を介してノイズを除去されて、整流回路３３０で整流される。図５（Ｄ）は、図４の示す回路の点Ｆの信号を示しており、整流回路３３０から出力される信号である。整流された減衰電圧信号は、積分回路３４０で積分されて出力される。図５（Ｅ）は、図４の示す回路の点Ｇの信号を示しており、積分回路３４０から出力される信号である。

積分回路３４０により積分された減衰電圧信号は、コンパレータ３５０に入力される。ここで本実施形態では、減衰電圧信号は、コンパレータ３５０に設定されたしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくならないため、コンパレータ３５０の出力は減衰電圧信号の出力が開始されてからは反転しない。よってコンパレータ３５０の出力信号はＬレベルを維持し、被押圧部１２２に対する押圧を検出しない。図５（Ｆ）は、図４に示す回路の点Ｈの信号を示しており、コンパレータ３５０から出力される信号である。

次に、図６を参照して被押圧部１２２に対する押圧がある場合の動作を説明する。図６は、第一の実施形態において被押圧部１２２に対する押圧があるときの動作を説明する図である。

本実施形態において、被押圧部１２２に対する押圧がある場合、圧電素子１４０に伝搬される振動板１３０の振動は、押圧により生じる接触面１７０により抑えられて小さくなる。よって圧電素子１４０から出力される電圧信号のレベルも低くなる。

図６（Ａ）は、図４に示す回路の点Ａ、点Ｂ、点Ｃの信号を示しており、駆動回路２００から出力されるパルス信号である。尚図６（Ａ）の信号は、図５（Ａ）と同様の信号である。

圧電素子１４０は、パルス信号が供給されると圧電素子１４０自身を振動させて電圧信号を出力する。圧電素子１４０から出力される電圧信号は、アンプ３１０へ入力される。図６（Ｂ）は、図４に示す回路の点Ｄの信号を示しており、アンプ３１０へ入力される信号である。

ここでアンプ３１０に入力される駆動電圧信号のレベルＬｂは、図５（Ｂ）に示す駆動電圧信号のレベルＬａよりも低い。よって駆動電圧信号が減衰した信号である減衰電圧信号のレベルも、図５（Ｂ）に示す減衰電圧信号より低くなる。

アンプ３１０に入力された電圧信号は、図５で説明したように減衰電圧信号だけが増幅されて出力される。図６（Ｃ）は、図４に示す回路の点Ｅの信号を示しており、アンプ３１０から出力される信号である。アンプ３１０から出力された減衰電圧信号は、整流回路３３０で整流される。図６（Ｄ）は、図４に示す回路の点Ｆの信号を示しており、整流回路３３０から出力される信号である。

整流された減衰電圧信号は、積分回路３４０で積分される。図６（Ｅ）は、図４に示す回路の点Ｇの信号を示しており、積分回路３４０から出力される信号である。ここで積分された減衰電圧信号は、コンパレータ３５０に設定されたしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなる。よってコンパレータ３５０の出力信号は、減衰電圧信号の出力が開始された後にＬレベルからＨレベルへ反転する。図６（Ｆ）は、図４に示す回路の点Ｈの信号を示しており、コンパレータ３５０から出力される信号である。本実施形態では、コンパレータ３５０から出力されるＨレベルの信号を、被押圧部１２２に対する押圧を検出する検出信号とした。

すなわち本実施形態では、振動板１３０の振動が抑えられて圧電素子１４０から出力される減衰電圧信号の減衰の度合いが大きくなり、減衰電圧信号がしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなったとき、被押圧部１２２に対する押圧を検出する。

このように本実施形態では、圧電素子１４０を駆動させるパルス信号が供給されていない期間において、圧電素子１４０から出力される電圧信号を検出する。そして検出された電圧信号の減衰の度合いに基づき、圧電素子１４０に与えられる押圧力の変動を検出する。よって本実施形態によれば、押圧力による振動の変動のみを検出することが可能となり、押圧力の押圧力の微細な変動を検出することが可能となる。

また本実施形態では、圧力伝達部材１２０を弾性体により形成している。このため振動板１３０に接触面１７０が生じた場合、振動は圧力伝達部材１２０を非弾性体でないもので形成した場合よりもゆるやかに減衰する。よって本実施形態では、押圧力の微細な変動を振動の変動として検出することができる。図７に、振動の大きさと押圧の関係を示す。図７の破線７１は、圧力伝達部材１２０が非弾性体で形成されていた場合に被押圧部１２２が押圧された場合の振動の大きさと押圧力の関係を示している。非弾性体とは、例えば金属やガラス等である。

図７の実線７２は、圧力伝達部材１２０が弾性体で形成されていた場合に被押圧部１２２が押圧された場合の振動の大きさと押圧力の関係を示している。弾性体とは例えばシリコンゴム等である。本実施形態では、圧力伝達部材１２０を弾性体で形成することにより、振動板１３０の振動の減衰を圧力伝達部材１２０の弾性力により緩やかにする。

以上に説明したように、本実施形態の圧力センサ１００は、被押圧部１２２を有する圧力伝達部材１２０を弾性体で形成し、圧力伝達部材１２０に対して間隙１６０を設け振動板１３０を配置したことにより、振動板１３０の振動が抑圧されることを防止し、且つ振動の減衰を緩やかにした。また本実施形態の圧力センサ１００では、振動板１３０の振動の減衰の度合いに基づき外部が与えられる押圧力の変動を検出する構成とした。よって本実施形態によれば、振動板の振動の抑制を防止し、押圧力の微細な変動を検出することができる。

また本実施形態では、パルス信号が供給されているときに圧電素子１４０から出力される電圧信号（駆動電圧信号）と、パルス信号が供給されていないときに圧電素子１４０から出力される電圧信号（減衰電圧信号）とをそれぞれ別の用途に使用している。具体的には本実施形態の駆動電圧信号は、押圧力の変動を検出するための基準の信号として使用される。また本実施形態の減衰電圧信号は、押圧力の変動が反映された信号として使用される。このように本実施形態では、上記２つの信号を使い分けることにより、１つの圧電素子１４０により圧力センサ１００に与えられる押圧力の微細な変動を検出することができる。

さらに本実施形態では、被押圧部１２２を弾性体で形成したため、例えば被押圧部１２２が人の手や指により押圧される場合に、金属等の非弾性体で形成された場合の冷感をなくすことができる。

また本実施形態の検出回路３００では、積分回路３４０の後段に１つのコンパレータ３５０が設けられた構成としたが、コンパレータは積分回路３４０の後段に複数設けられていても良い。図８は、積分回路３４０の後段にコンパレータが複数設けられた検出回路３００Ａを示す図である。

図８に示す検出回路３００Ａでは、積分回路３４０の後段にコンパレータ３５０、コンパレータ３６０が接続されている。コンパレータ３６０には、コンパレータ３５０に設定されたしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いしきい値電圧Ｖｔｈ１が設定されており、積分回路３４０の出力信号が入力される。コンパレータ３６０の出力信号は、コンピュータ４００へ供給される。

このように積分回路３４０の後段に複数のコンパレータを接続し、各コンパレータ毎に異なるしきい値電圧を設定すれば、減衰電圧信号の減衰の度合いを段階を設けて検出することができる。

例えば振動板１３０に与えられる押圧力が小さい場合と大きい場合では、押圧力が大きい場合の方が、圧電素子１４０の振動が小さく抑えられる。よって減衰電圧信号の減衰の度合いは大きくなり、減衰電圧信号のレベルも減衰に応じて低くなる。ここでコンパレータ３６０のしきい値電圧Ｖｔｈ１をコンパレータ３５０のしきい値電圧Ｖｔｈよりも低く設定すれば、振動板１３０に与えられる押圧力が小さい場合と大きい場合とを区別して検出することができる。

図９は、第一の実施形態におけるコンパレータ３５０、３６０の出力信号を示す図である。コンパレータ３５０の出力信号は、積分回路３４０の出力信号がしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなったときにＬレベルからＨレベルへ反転する。コンパレータ３６０の出力信号は、積分回路３４０の出力信号がしきい値電圧Ｖｔｈ１よりも小さくなったときにＬレベルからＨレベルへ反転する。

このように複数のコンパレータを設ければ、コンピュータ４００において、コンパレータ３５０の出力信号が反転した場合、被押圧部１２２が押圧されたこと検出するように設定することができる。またコンピュータ４００において、コンパレータ３６０の出力信号が反転した場合、被押圧部１２２に対してより大きな押圧力が与えられたことを検出するように設定することができる。具体的には例えば、被押圧部１２２に対し、人の手や指等が接触しただけの場合と、被押圧部１２２が手や指により押圧された場合とのちがいを検出することができる。

尚本実施形態の検出回路３００、３００Ａでは、駆動回路２００から出力されるパルス信号がオフのとき、アンプ３１０と整流回路３３０とがオンとされる構成としたが、これに限定されない。検出回路３００、３００Ａでは、パルス信号がオフのとき、アンプ３１０のみがオンされる構成であっても同様の効果を得ることができる。

尚本実施形態では、積分回路３４０のコンデンサＣの容量と抵抗Ｒの抵抗値及び積分回路３４０の後段に設けられるコンパレータの数は任意に設計することができる。以下に積分回路３４０のコンデンサＣの容量値を０．０１μＦ、抵抗Ｒの抵抗値を１ＫΩ程度とした場合について説明する。

以下に図１０、図１１を参照して、本実施形態における被押圧部１２２に対する押圧の検出についてさらに説明する。図１０は、被押圧部１２２に対する押圧がない場合の動作を説明する図である。図１１は、被押圧部１２２に対する押圧があるときの動作を説明する図である。

図１０では、図１０（Ｅ）以外は図５と同様である。図１０では、積分回路３４０Ａから出力される信号を示す図１０（Ｅ）の波形のみが、図５（Ｅ）の波形と異なる。

本実施形態では、積分回路３４０Ａから出力される信号は、積分回路３４０から出力される信号と比べ、レベルの変動が大きい鋸波形となる。しかしながら本実施形態においても、被押圧部１２２に対して押圧がない場合には積分回路３４０Ａの出力信号は、しきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくならない。よってコンパレータ３５０の出力信号はＬレベルを維持する。

図１１も、図１０と同様に、図１１（Ｅ）以外は図６と同様である。図１１では、積分回路３４０Ａから出力される信号を示す図１１（Ｅ）の波形のみが、図６（Ｅ）の波形と異なる。

図１１（Ｅ）に示す積分回路３４０Ａから出力される信号も、積分回路３４０から出力される信号と比べ、レベルの変動が大きい鋸波形となる。コンパレータ３５０の出力信号は、積分回路３４０Ａの出力信号がしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなったとき、ＬレベルからＨレベルに反転する。

本実施形態では、積分回路３４０Ａの出力信号が鋸波であることを利用して、コンパレータ３５０の出力信号の反転のタイミング（パルス幅）に基づき被押圧部１２２に対する押圧時間等を検出しても良い。この場合、コンパレータ３５０の出力信号が入力されるコンピュータ４００において、コンパレータ３５０の出力信号の反転のタイミングを検出し、押圧時間を検出しても良い。

次に、本実施形態の積分回路３４０Ａの後段にコンパレータ３５０、３６０を設けた場合について説明する。図１２は、積分回路３４０Ａにコンパレータ３５０、３６０を設けた場合の出力信号を示す図である。

本実施形態では、積分回路３４０Ａの出力信号を鋸波としたため、コンパレータ３５０、３６０の出力信号の反転のタイミングにより被押圧部１２２に対して軽く接触された時間、被押圧部１２２をより強い力で押圧された時間等を検出することができる。よって本実施形態によれば、被押圧部１２２に対して軽く接触したことを示す信号、強く押圧したことを示す信号、接触した時間を示す信号、押圧した時間を示す信号等を検出することができる。
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態では、振動板１３０の固定方法が第一の実施形態と相違する。よって第二の実施形態では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、説明を省略する。

図１３は、第二の実施形態の圧力センサ１００Ａの分解斜視図である。本実施形態の圧力センサ１００Ａでは、基板１５０Ａに、基板１５０Ａを貫通する孔部１５１を形成し、振動板１３０に接着された圧電素子１４０が孔部１５１の内部に配置されるようにした。また本実施形態の振動板１３０は、振動板１３０の四隅が基板１５０Ａに固定される。本実施形態では、係る構成により振動板１３０の振動の抑制を防止することができる。

図１４は、第二の実施形態の圧力センサ１００ＡのＢ−Ｂ断面図である。図１４（Ａ）は、圧力センサ１００Ａに押圧力が与えられていない場合を示し、図１４（Ｂ）は、圧力センサ１００Ａに押圧力が与えられた場合を示している。

図１４（Ａ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１００Ａでは、基板１５０Ａに孔部１５１が形成されている。振動板１３０は、基板１５０Ａにおいて孔部１５１と重なる位置に配置される。振動板１３０は、例えば四隅を基板１５０Ａと接着させて固定されていても良い。本実施形態では、基板１５０Ａにおいて振動板１３０が重ねられる位置に合わせて接着面１５２を設け、振動板１３０の四隅が基板１５０Ａに接着されて固定されるものとした。尚振動板１３０の固定方法は、上記方法に限定されない。例えば振動板１３０は、対角線上にある２点のみが基板１５０Ａと固定されても良い。

本実施形態の圧電素子１４０は、振動板１３０が基板１５０Ａに固定されてとき、孔部１５１内に収まる位置に配置されており、振動板１３０以外のものとは固定されていない。よって本実施形態では、圧電素子１４０の振動は基板１５０Ａ等により抑制されず、押圧力による振動板１３０の振動の抑制のみを検出することができる。尚圧電素子１４０は、図示しないリード線等により基板１５０Ａと接続されている。

尚本実施形態の孔部１５１の大きさは、圧電素子１４０がその内部に配置可能であり、且つ振動板１３０を基板１５０に重ねて基板１５０に固定できる範囲であれば良い。

基板１５０Ａには、孔部１５１が形成されていない箇所に、圧電素子１４０を駆動させる駆動回路２００、圧電素子１４０から出力される電圧信号を検出する検出回路３００が実装されている。駆動回路２００及び検出回路３００の詳細は、第一の実施形態で説明した通りである。

このように本実施形態の圧力センサ１００Ａでは、圧電素子１４０が基板１５０Ａの孔部１５１内に収まるように配置され、振動板１３０が基板１５０Ａに直接固定される。よって本実施形態では、第一の実施形態の圧力センサ１００と比べて圧電素子１４０の高さ分、圧力伝達部材１２０の台座部１２１の高さを低くすることができる。

台座部１２１の高さＨ３は、間隙１６０の高さＨ１と、振動板１３０の高さと圧電素子１４０の高さの合計Ｈ４と、台座部１２１の厚さの合計であった。これに対し本実施形態では、台座部１２１の高さＨ３０は、間隙１６０の高さＨ１０と、振動板１３０の高さＨ４０と、台座部１２１の厚さの合計となる。よって本実施形態では、圧電素子１４０の高さ分、台座部１２１の高さを低くすることができる。よって本実施形態では、圧力伝達部材１２０の高さを低くすることができ、圧力センサ１００Ａの薄型化に貢献できる。

図１４（Ｂ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１００Ａの被押圧部１２２が押圧された場合、台座部１２１が変形して振動板１３０と接触する接触面１７０が生じる。本実施形態では、圧電素子１４０は、振動板１３０に生じた接触面１７０による振動の抑制のみを検出する。

よって本実施形態によれば、押圧力の微細な変動が振動板１３０の振動に反映されるため、押圧力の微細な変動を検出することができる。
（第三の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第三の実施形態について説明する。本発明の第三の実施形態では、第一の実施形態の圧力センサ１００の基板１５０を筐体１１０の外部に設け、圧力検出システムを構成した点が第一の実施形態と相違する。よって以下の第三の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明する。以下の第三の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で使用した符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１５は、第三の実施形態である圧力検出システム５００を示す図である。圧力検出システム５００は、圧力センサヘッド１００Ｃと、回路ボックス１５０Ｂとにより構成されている。圧力センサヘッド１００Ｃと回路ボックス１５０Ｂとは、例えばリード線１８０等で接続されている。

本実施形態の圧力検出システム５００において、圧力センサヘッド１００Ｃは、被押圧部１２２Ａに与えられた押圧力に対応した電圧信号を回路ボックス１５０Ｂへ出力する。本実施形態の回路ボックス１５０Ｂは、圧力センサヘッド１００Ｃを制御する制御装置である。回路ボックス１５０Ｂは、圧力センサヘッド１００Ｃを制御して、圧力センサヘッド１００Ｃから出力された電圧信号に基づき、被押圧部１２２Ａに対する押圧力の変動を検出する。

以下に本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃについて説明する。図１６は、第三の実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃの分解斜視図である。

本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃは、筐体１１０Ａ、圧力伝達部材１２０Ａ、振動板１３０、圧電素子１４０、振動板保持部材１９０を有する。

筐体１１０Ａは、開口部１１１Ａと中空部１１２Ａとを有する円筒状であり、アルミニウムやプラスチック等の非弾性体で形成されている。圧力伝達部材１２０Ａは、弾性体で形成されている。本実施形態では、圧力伝達部材１２０Ａの形状を有底円筒とした。また本実施形態の圧力伝達部材１２０Ａでは、有底円筒形状の底部を被押圧面１２２Ａとし、円筒部を台座部１２１Ａとした。

圧力伝達部材１２０Ａは、開口部１２３Ａが紙面上下側となるよう筐体１１０Ａの中空部１１２Ａに嵌め込まれ、開口部１１１Ａから被押圧面１２２Ａが押圧可能な位置に固定される。圧力伝達部材１２０Ａの中空部１２３Ａには、振動板保持部材１９０が嵌め込まれて固定される（図１７参照）。

振動板保持部材１９０は、開口部１９１、中空部１９２を有する円筒状の形状であり、一方の端面に振動板１３０が保持される保持部１９３を有する。振動板１３０には、圧電素子１４０が接着されている。振動板１３０は、圧電素子１４０が中空部１９２内に収まるように、保持部１９３に固定されて保持される。

以下に図１７を参照して、本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃについてさらに説明する。図１７は、第三の実施形態の圧力センサヘッド１００ＣのＣ−Ｃ断面図である。図１７（Ａ）は、圧力センサヘッド１００Ｃに押圧力が与えられていない場合を示し、図１７（Ｂ）は、圧力センサヘッド１００Ｃに押圧力が与えられた場合を示している。

本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃにおいて振動板１３０は、圧力伝達部材１２０Ａの被押圧部１２２Ａに対して間隙１６０Ａを設けて配置されている。本実施形態では、被押圧部１２２Ａが押圧されると、図１７（Ｂ）に示すように、被押圧部１２２Ａと振動板１３０とが接触して接触面１７０Ａが生じる。本実施形態では、この接触面１７０Ａによる振動板１３０の振動の変動を圧電素子１４０から出力される電圧信号として回路ボックス１５０Ｂへ出力する。

次に本実施形態の回路ボックス１５０Ｂについて説明する。本実施形態の回路ボックス１５０Ｂは、第一の実施形態で説明した駆動回路２００と検出回路３００とが実装された基板を有する。回路ボックス１５０Ｂの有する駆動回路２００からは、圧力センサヘッド１００Ｃの圧電素子１４０を振動させるための駆動信号（パルス信号）がリード線１８０を介して供給される。また圧電素子１４０から出力される電圧信号は、リード線１８０を介して検出回路３００に入力される。本実施形態の駆動回路２００と検出回路３００の構成及び動作は、第一の実施形態で説明した通りである。回路ボックス１５０Ｂからの出力信号は、例えばコンピュータ等に供給されて、各種処理に利用されても良い。

本実施形態では、圧力センサヘッド１００Ｃと回路ボックス１５０Ｂとにより圧力検出システム５００を構成したため、圧力センサヘッド１００Ｃを小型化することができる。よって、例えば第一の実施形態の圧力センサ１００のように基板１５０と被押圧部１２２とが一体となったセンサが配置できないような場所にも、本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃを配置することで第一の実施形態と同様の効果を奏することができる。

具体的には例えば、人型のロボットの指先等に圧力センサを埋め込む際に、第一の実施形態の圧力センサ１００を用いた場合、大型であるために指先等に埋め込むことが困難である。この場合、本実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃをロボットの指先等に埋め込み、圧力センサヘッド１００Ｃと接続された回路ボックス１５０Ｂをロボット本体の外部等に配置すれば、圧力センサ１００を配置した場合と同様の機能を実現できる。さらに本実施形態の回路ボックス１５０Ｂを、ロボット等を制御するホストコンピュータ等に接続すれば、回路ボックス１５０Ｂで検出した情報を各種情報処理に用いることができる。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

第一の実施形態の圧力センサ１００を示す斜視図である。 図２は、第一の実施形態の圧力センサ１００の分解斜視図である。 圧力センサ１００のＡ−Ａ断面図である。 基板１５０に実装された駆動回路と検出回路とを説明する図である。 第一の実施形態において被押圧部１２２に対する押圧がないときの動作を説明する図である。 第一の実施形態において被押圧部１２２に対する押圧があるときの動作を説明する図である。 振動の大きさと押圧の関係を示す図である。 積分回路３４０の後段にコンパレータが複数設けられた検出回路３００Ａを示す図である。 第一の実施形態におけるコンパレータ３５０、３６０の出力信号を示す図である。 被押圧部１２２に対する押圧がない場合の動作を説明する図である。 被押圧部１２２に対する押圧があるときの動作を説明する図である。 積分回路３４０Ａにコンパレータ３５０、３６０を設けた場合の出力信号を示す図である。 第二の実施形態の圧力センサ１００Ａの分解斜視図である。 第二の実施形態の圧力センサ１００ＡのＢ−Ｂ断面図である。 第三の実施形態である圧力検出システム５００を示す図である。 第三の実施形態の圧力センサヘッド１００Ｃの分解斜視図である。 第三の実施形態の圧力センサヘッド１００ＣのＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

１００、１００Ａ、１００Ｂ 圧力センサ
１００Ｃ 圧力センサヘッド
１１０、１００Ａ 筐体
１２０、１２０Ａ 圧力伝達部材
１２１、１２１Ａ 台座部
１２２、１２２Ａ 被押圧部
１３０ 振動板
１４０ 圧電素子
１５０、１５０Ａ 基板
１５０Ｂ 回路ボックス
１６０、１６０Ａ 間隙
１７０、１７０Ａ 接触面
１８０ リード線
１９０ 振動板保持部材
２００ 駆動回路
３００ 検出回路

Claims (5)

1. 振動子の振動が伝搬される振動板と、
   外部から押圧力が与えられる被押圧部と、を有し、
   前記振動板の振動の変動に基づき前記被押圧部に与えられた前記押圧力の変動を検出する圧力センサであって、
   前記被押圧部は、弾性体で形成されており、前記振動板と重なる位置に、前記振動板と間隙を設けて配置されている圧力センサ。
2. 前記振動子は圧電素子であって、
   前記圧電素子は、前記振動板の一方の面に配置され、
   前記被押圧部は、前記振動板において前記圧電素子が配置された面と反対側の面と間隙を設けて配置されている請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記圧電素子へ駆動信号を供給する駆動回路と、
   前記圧電素子から出力される電圧信号を検出する検出回路とが実装された基板を有し、
   前記圧電素子が配置された前記振動板は、前記圧電素子が前記基板と接するように配置されている請求項１又は２記載の圧力センサ。
4. 前記圧電素子へ駆動信号を供給する駆動回路と、
   前記圧電素子から出力される電圧信号を検出する検出回路とが実装され、当該基板を貫通する貫通孔が形成された基板を有し、
   前記貫通孔は、
   前記貫通孔内に前記圧電素子が配置可能であり、且つ前記圧電素子が配置された振動板を前記基板に直接固定できるように形成されており、
   前記圧電素子を配置した前記振動板は、前記圧電素子が配置された側を前記基板に向けて前記基板に固定されている請求項１又は２記載の圧力センサ。
5. 振動子の振動が伝搬される振動板と、
   外部から押圧力が与えられる被押圧部と、を有し、
   前記振動板の振動の変動に基づき前記被押圧部に与えられた前記押圧力の変動を検出する圧力センサヘッドであって、
   前記被押圧部は、弾性体で形成されており、前記振動板と重なる位置に、前記振動板と間隙を設けて配置されている圧力センサヘッドと、
   前記圧力センサヘッドと接続されており、前記圧力センサヘッドを制御する制御装置とから構成される圧力検出システムであって、
   前記制御装置は、
   前記振動子を駆動させる駆動信号を供給する駆動回路と、
   前記振動子から出力される電圧信号を検出する検出回路とを有する圧力検出システム。

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