JP2750583B2 - 面圧力分布検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は微細な面圧力分布を検出する面圧力分布検出
装置に関する。

（従来技術） 従来、物体の面上に作用する荷重の２次元的分布を多
数のロードセルをマトリクス状に並べたり、多数の電極
対をマトリクス状に形成し、それらの素子をスキャニン
グすることにより測定する方法が知られており（たとえ
ば特開昭62−71828号および特開昭62−226030号公
報）、自動車のシートやロボットの手先などに加わる荷
重や圧力の分布を測定するのに用いられている。

これらの方法は、ロードセルや電極対などの素子が比
較的大きなものであることから、上述したような物体上
での２次元的圧力分布を測定するには好適であるが、た
とえば指紋のような凹凸が1mm当り４本という微細な密
度の圧力分布の測定には向いていない。

そこで本出願人は、特願昭62−145030号において、指
紋のような微細な面圧力分布を測定するのに、圧力の強
さに応じて抵抗値が変化する導電ゴムのような感圧シー
トを用い、圧力分布による抵抗値の変化を電気的に走査
して取り出すようにした検出装置を提案している。

この検出装置によれば、マトリクス走査用電極との組
合せにより確かに微細な面圧力分布を検出することはで
きるが、測定原理が感圧シートの抵抗値変化を利用する
ことから感圧シートにはある程度の厚さが必要となり薄
膜化は不可能であること、シート状であるため近接する
荷重どうしが影響しあって荷重点が個別化しにくく、そ
のため圧力の面分布が正確に検出できないこと、感圧シ
ートの経年変化により測定圧力に微細な影響が及ぶこ
と、製造上感圧シートの均一性が確保しにくく且つ所望
の特性が得にくいため微細な圧力変化や圧力分布が検出
しにくいなどの問題がある。

（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、製造
が容易で薄形且つ安価、しかも荷重点が個別化し易い微
細な面圧力分布の検出装置を提案することを目的とし、
この目的を達成するために、互いに交差してマトリクス
を形成するように絶縁して配置された複数本の電極から
成る第１の走査用電極と第２の走査用電極との交差点間
で両電極間に接続するようにストレンゲージ素子を形成
し、そのストレンゲージ素子が外部からの力でたわみ得
るように受圧板を構成し、この受圧板のストレンゲージ
素子のたわみによる抵抗値の変化を利用して受圧板の受
ける面圧力分布を電気信号として取り出すように構成し
たものである。

（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

以下に示す実施例では指紋パターンの検出に適した面
圧力分布検出装置を例示するが、本発明はこれに限定さ
れるものでないことは当然である。

第１図は指紋パターン検出用としての本発明による面
圧力分布検出装置の全体構成を示すブロック線図であ
る。

図において、１は指先を押しつけて指紋データを入力
する受圧板としての指紋入力板、２はROM3に格納された
所定の処理プログラムに従って指令し作動するコントロ
ーラ、４は指紋入力板１により読み取られた指紋データ
を記憶するRAM、５はコントローラ２から出力するクロ
ックのタイミングでスイッチSWの接点a₁,a₂,a₃,…a_nを
順次切り換えてＸ軸ラインx₁,x₂,x₃,…x_nに走査信号を
出力する電子スイッチ、６は電子スイッチ５の切換えに
同期してコントローラからの信号に基づいてＹ軸ライン
y₁,y₂,y₃,…y_nを順次接点ｂに切り換えるアナログスイ
ッチSW₁,SW₂,SW₃,…SW_nを有するセレクタ、７は所望の
電圧を発生する電源回路である。電源回路７により発生
される電圧は抵抗R₁とR₂により分圧されて点Ａに所望の
電圧V₁を発生し、この電圧はバッファ８の非反転端子に
印加される。バッファ８の反転端子は出力端子と接続さ
れている。

セレクタ６は、各Ｙ軸ラインy₁,y₂,y₃,…y_nごとに接
点ａとｂとを有し、接点ａどうしは共通にしてバッファ
８の出力端子に接続され、接点ｂどうしは共通にして差
動増幅器９の反転端子に接続されている。差動増幅器９
の非反転端子はバッファ８の出力端子と接続されてい
る。差動増幅器９の反転端子は抵抗R₃を介して出力端子
に接続されている。

差動増幅器９の出力はA/D変換器10によりA/D変換され
るとともに、コンパレータ11により基準電圧V_refと比較
される。この基準電圧V_refは可変抵抗R₄により設定され
る。

指紋入力板１はｎ本のＸ軸ラインx₁,x₂,x₃,…x_nとｎ
本のＹ軸ラインy₁,y₂,y₃,…y_nとが互いに直交し絶縁さ
れるように配置されており、Ｙ軸ラインy₁,y₂,y₃,…y_n
はセレクタ６のスイッチSW₁,SW₂,SW₃,…SW_nの共通接点
に接続されている。

次に第２図、第３図および第４図を参照して受圧板と
しての指紋入力板１の一実施例を説明する。

第２図は指紋入力板１の部分分解斜視図、第３図は一
部を切欠いて示す組立斜視図、第４図は第３図における
Ａ−Ａ断面図である。

指紋入力板１は、エッチングなどにより円形の穴101a
を所定間隔（たとえば中心間距離が50μｍ）であけ且つ
裏面（下面）に穴101aの直径l₁よりやや大きい幅l₂（l₂
＞l₁）の溝101bを穴101aの位置に合わせて並べて形成し
た銅箔製の圧抜き板101が接着され、その穴101aにいず
れ最終的には除去されるアクリル系ポリマーまたはスチ
レン系（たとえばポリα−メチルスチレン）などの熱分
解性物質を詰めた後、表面（上面）を研磨してから、そ
の上に厚さ５〜10μｍのたとえばポリイミドのような樹
脂から成る弾性ベース膜102が接着される。このベース
膜102はローラーで塗布してもよいし蒸着してもよい。

次にベース膜102上にN_iまたはAlなどの金属材料を蒸
着またはスパッタ法により付着した後エッチングにより
Ｙ軸ラインy₁,y₂,y₃,…となるＹ方向走査用電極Y₁,Y₂,Y
₃,…を形成する。このＹ方向走査用電極Y₁,Y₂,Y₃の幅は
約６μｍである。その後走査用電極Y₁,Y₂,Y₃,…上のＸ
方向走査用電極X₁,X₂,X₃,…と交差する部分に五酸化タ
ンタルなどの絶縁膜でスペーサ103をエッチングにより
形成する。次に、これらのスペーサ103を通ってＹ方向
走査用電極Y₁,Y₂,Y₃…と直交する方向にN_iまたはAlなど
の金属材料でＸ方向走査用電極X₁,X₂,…を形成する。形
成方法はＹ軸方向走査用電極Y₁,Y₂,Y₃…と同じで、蒸着
またはスパッタ法とエッチングとの組合せであり、電極
幅は約６μｍである。

こうしてＸ方向走査用電極X₁,X₂,…とＹ方向走査用電
極Y₁,Y₂,Y₃…とがスペーサ103を介してマトリクス状に
形成する。そして、両走査用電極にまたがって圧抜き板
101の穴101aの上にくるようにC_u−N_i合金材料を用いて
線幅約６μｍ、長さ約100μｍのストレンゲージ素子104
を蒸着またはスパッタ法とエッチングとの組合せにより
屈曲して形成する。このストレンゲージ素子104の形状
はその幅と長さの比（いわゆるアスペクト比）ができる
だけ大きくなるように決定される。

こうして作られた指紋入力板組立体の上部に、圧抜き
板101の穴101aと同じ間隔で多数の圧力集中用突起105a
が設けられた保護膜105が接着される。この保護膜105は
厚さが数μｍでポリプロピレンなどの弾力性のある材料
で作られている。

最後に、こうして作られた指紋入力板１を加温容器に
入れ、圧抜き板101の穴101aおよび溝101bに詰められて
いる熱分解性物質を軟化させ、真空吸引装置を利用して
除去し、その後ガラス基板100上に接着して完成する。

再び第１図にもどって指紋パターンの検出手順と装置
の動作を説明する。

装置の回路各部に電源電圧を供給すると、コントロー
ラ２はROM3に格納されたプログラムより制御されたタイ
ミングで電子スイッチ５とセレクタ６を切換える。すな
わち電子スイッチ５はたとえば１μｓのタイミングでス
イッチSWの接点a₁,a₂,…a_nを順次切換え、その結果Ｘ方
向走査用電極x₁,x₂,x₃,…x_nに所定の電圧（たとえば5
V）が順次印加される。一方、セレクタ６もコントロー
ラ２からの選択信号によりたとえば１×ｎμｓのタイミ
ングでアナログスイッチSW₁,SW₂,…SW_nの接点をａから
ｂに切換えていく。

そこでいま指紋パターンを検出しようとする指Ｆを指
紋入力板１に乗せて軽く押しつけると、指紋パターンの
山部に当る部分でストレンゲージ素子104が押されてた
わむ。ストレンゲージ素子104の真下には圧抜き板101に
あけられた穴101aが位置しているのでストレンゲージ素
子104はたわみ易く、しかもたわむ際その穴101a内の空
気が押され圧抜き板101の裏面に形成された溝101bを通
って指紋入力板１の側面に逃げるためストレンゲージ素
子104のたわみは何ら妨げられることがない。

ストレンゲージ素子104がたわむとその固有の抵抗値
が増加するため電子スイッチ５によりＸ方向走査用電極
x₁,x₂,x₃,…x_nに前述したような電圧が順次印加され
（第１図では電子スイッチ５の接点a₂が電源回路７に接
続されている）セレクタ６によりスイッチSW₁,SW₂,…SW
_n,の接点が順次ａからｂに切換えられると（第１図では
スイッチSW₂接点が切換えられてＹ方向走査用電極y₂が
接点ｂに接続されている）、指紋入力板１上の各点にお
けるストレンゲージ素子104の抵抗値が順次差動増幅器
９の反転端子に入力される。

バッファ８の非反転端子には抵抗R₁とR₂の接続点Ａの
電位V₁が印加され、この電位V₁は差動増幅器９の非反転
端子とセレクタ６のすべてのスイッチの接点ａにも印加
されているので、第１図に破線の丸で囲んだ領域Ｍの指
紋データは、セレクタ６を構成するｎ個のスイッチのう
ち接点ｂに接続されたＹ方向走査用電極（第１図では
y₂）を流れる電流がストレンゲージ素子104のたわみに
よる抵抗値の増加で減少し抵抗R₃による帰還作用によっ
て差動増幅器９の出力電圧が電流の減少分だけ増加する
形で現われる。このように瞬時的にはセレクタ６の１つ
のスイッチだけが接点ｂに接続され、他のすべてのスイ
ッチは接点ａに接続されることになるため、測定したい
１点の指紋パターンのデータのみが取り出されることに
なり、他のＸ方向走査用電極およびストレンゲージ素子
を介してＹ方向走査用電極に取り出される他の点の指紋
データはセレクタ６により排除されることになる。

差動増幅器９の出力端子に取り出される各点の指紋デ
ータはストレンゲージ素子104の抵抗値に応じてきまる
アナログ信号である。このアナログ指紋データはA/D変
換器10によりデジタル化されて出力端子O₁からたとえば
８ビットのデジタル指紋データとして取り出されるとと
もに、コンパレータ11において可変抵抗R₄により設定さ
れる閾値V_refと比較されて指紋の山部と谷部の判別がな
され、出力端子O₂から指紋パターン信号として取り出さ
れる。これらの出力端子O₁およびO₂からの指紋データお
よび指紋パターン信号はその後の用途に応じて処理さ
れ、指紋パターンの表示や登録あるいはすでに登録され
ている指紋パターンとの比較に用いられる。

第５図はやはり指紋パターンの検出に適した本発明に
よる面圧力分布検出装置の他の実施例の受圧板としての
指紋入力板のみを部分的に示す斜視図である。図におい
て第３図と同じ参照数字は同じ構成部分を示す。

この実施例の指紋入力板１の製法上第３図に示した実
施例と異なる点は、ベース膜102上に形成したＹ方向走
査用電極Y₁,Y₂,Y₃,…、スペーサ103、Ｘ方向走査用電極
X₁,X₂,…の上に前面にわたって熱分解性物質をローラな
どで均一に約20μｍ厚に塗布し、その塗布膜上の圧塗き
板101の穴101aに対応する位置にほぼ正方形の金属マス
クを蒸着とエッチングで形成する。このマスクの位置は
ちょうど２本のＸ方向走査用電極と２本のＹ方向走査用
電極とで囲まれた正方形の領域内になる。

次にエッチングにより金属マスク以外の部分の熱分解
性物質を除去し、その後金属マスクも除去する。その結
果、金属マスクの位置に第６図に示すような熱分解性物
質の台部106が形成される。次にこの台部106上にストレ
ンゲージ素子104を前の実施例と同様の手順で屈曲して
形成し、各ストレンゲージ素子104の一端はＸ方向走査
用電極にまた他端はＹ方向走査用電極に電着させる。こ
の台部106の表面はベース膜102より高い位置にあるた
め、ストレンゲージ素子104はＸ方向走査用電極および
Ｙ方向走査用電極より10数μｍ〜20μｍ高い位置に形成
される。

こうしてストレンゲージ素子104が形成された後前記
実施例と同様に厚さ数μｍの保護膜105′を前面に塗布
する。この保護膜105′には前記実施例の保護膜105と異
なり圧力集中用突起105aのような突起は必要でない。何
故なら、台部106がベース膜102より高く形成されている
ために、この部分で保護膜105が第５図に符号Ｄで示す
ように上方に高く浮き上ってあたかも前の実施例の圧力
集中用突起105aのような形状となり、同じ機能を果すか
らである。

最後にこうして作られた指紋入力板組立体全体を加温
容器に入れ、圧抜き板101の穴101aおよび溝101bに詰め
られた熱分解性物質と台部106を構成する熱分解性物質
とを軟化させ真空吸引装置を利用して除去する。その結
果、ストレンゲージ素子104は保護膜105′の裏面に付着
し保持される。

この実施例における指紋入力板以外の構成は第１図に
示した実施例と全く同じであるので、その構成および回
路動作については説明を省略する。

上記２つの実施例のいずれにおいても指紋パターン検
出時に生じる圧力増分を圧抜き板の裏面に設けた溝で逃
すようにしているが、圧抜き板の圧抜き構造は第７図に
示すように、圧抜き板101上のＸ方向走査用電極とＹ方
向走査用電極との交差する部位に対応する位置に突起10
1cを形成してもよい。このようにすれば、４つの101cで
囲まれた領域が前述した実施例で用いられた圧抜き板10
1の穴101aに相当し、突起101c間の部分が圧抜き通路と
なるので、前記実施例より簡単な構造でそれ以上の圧抜
き効果が得られる。

上記実施例では好適な応用例として本発明による面圧
力分布測定装置を指紋パターンの検出に用いた例を示し
たが、本発明はそれに限定されず、医療機器で考えられ
る微細な面圧力分布の測定などその他の応用分野にも好
適であることはいうまでもない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、互いに交差
してマトリクスを形成するように絶縁して配置された複
数本の電極から成る第１の走査用電極と第２の走査用電
極との交差点間で両電極間に接続するようにストレゲー
ジ素子を形成し、そのストレンゲージ素子が外部からの
力でたわみ得るように受圧板を構成したので、圧力分布
のある荷重を外部から受圧板に当て第１の走査用電極と
第２の走査用電極とを所定の順序で走査することにより
微細な面圧力分布を検出することができる。感圧素子と
してストレンゲージを用いることにより、素子の厚さに
制限がなく、経年変化による測定圧力への影響をなくす
ことができ、荷重点の個別化が可能となり、薄形で安価
な面圧力分布の検出が可能になる。

また、ストレンゲージ素子の位置に外部負荷による素
子のたわみを積極的に増幅する空間やたわみを妨げない
空気逃げのような構造を設ければ、圧力検出の感度を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による面圧力分布検出装置の全体構成を
示すブロック線図、第２図は面圧力分布検出装置を指紋
パターンの検出に用いた場合の指紋入力板の一実施例の
部分分解斜視図、第３図は同指紋入力板の一部を切欠い
て示す組立斜視図、第４図は第３図のＡ−Ａ断面図、第
５図は指紋入力板の他の実施例の一部切欠き組立斜視
図、第６図は第５図に示した指紋入力板の製造途中の状
態を示す部分斜視図、第７図は圧抜き板の他の例の斜視
図である。 １……指紋入力板（受圧板）、２……コントローラ、５
……電子スイッチ、６……セレクタ、８……バッファ、
９……差動増幅器、10……A/D変換器、100……ガラス基
板、101……圧抜き板、102……ベース膜、103……スペ
ーサ、104……ストレンゲージ素子、105……保護膜、10
6……台部

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の微細な間隔で交差してマトリクスを
   形成するように絶縁して配置された複数本の第１および
   第２の走査用電極と該第１および第２の走査用電極の交
   差点間で両電極間に接続され且つ外部からの力でたわみ
   得るように形成されたストレンゲージ素子とを有して成
   る受圧板と、前記第１および第２の走査用電極に所定の
   順序で走査信号を印加する走査回路と、前記受圧板に外
   部から加わる面圧力に応じてたわむストレンゲージ素子
   の抵抗値の変化を前記走査回路からの走査信号により前
   記交差点ごとに電気信号として順次取り出す出力手段と
   を有することを特徴とする面圧力分布検出装置。
2. 【請求項２】前記受圧板はストレンゲージ素子の下方に
   空間を有する請求項１に記載の面圧力分布検出装置。
3. 【請求項３】前記空間が大気に連通している請求項２に
   記載の面圧力分布検出装置。
4. 【請求項４】前記受圧板はストレンゲージ素子の上方に
   面圧力集中用突起を有する請求項１、２または３に記載
   の面圧力分布検出装置。
5. 【請求項５】前記受圧板のストレンゲージ素子が第１お
   よび第２の走査用電極形成面より加圧側にダイヤフラム
   形状に形成されている請求項１に記載の面圧力分布検出
   装置。
6. 【請求項６】前記ストレンゲージ素子が大きなアスペク
   ト比を有する請求項１に記載の面圧力分布検出装置。