JP4001288B2 - 静電結合を用いる圧力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出装置に関し、特に、静電結合を差動的に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。このうち、静電結合を用いるものとしては、特開昭６２−２２６０３０号公報が挙げられる。これは、２つの電極間の静電容量の変化を検出するものである。

特開昭６２−２２６０３０号公報

しかしながら、このような２つの電極間の静電容量の変化を検出して圧力を測定するものは、電極間の微小な静電容量を高精度に検出することは難しかった。また、ノイズにも弱く、あらゆる場所で高精度に圧力を測定するのには限界があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高精度に圧力を測定でき、ノイズにも強くあらゆる場所で使用可能な静電結合を差動的に用いる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、本発明による静電結合を用いる圧力検出装置は、第１電極と、前記第１電極と重なるように設けられる第２電極と、前記第２電極と重なるように設けられる第３電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられる第１誘電体層と、前記第２電極と第３電極との間に設けられる、前記第１誘電体層とは弾性率の異なる第２誘電体層と、を有するセンサ部と、前記第１電極及び第３電極に、又は第２電極に電圧を印加する駆動部と、前記駆動部により駆動された電極以外の電極からの静電結合による信号から、前記第１電極と第３電極との間にかかる圧力を検出する検出部と、を具備するものである。

ここで、駆動部は、前記第１電極及び第３電極に電圧を印加し、前記第１電極に印加する電圧の波形と前記第３電極に印加する電圧の波形とは互いに反転した波形であり、前記検出部は前記第２電極からの静電結合による信号を検出するものでも良い。

また、検出部は、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も可能である。

さらに、駆動部は前記第２電極に電圧を印加し、前記検出部は前記第１電極及び第３電極からの静電結合による信号の差分を検出するものであっても良い。

このとき、検出部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電極及び第３電極からの信号をそれぞれ入力することで検出されれば良い。

また、第１電極は、可撓性を有し、例えばジグザグ状のパターンを有するようにしても良い。

さらに、複数の前記センサ部をマトリックス状に配置し、各第１電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続され、各第２電極はそれぞれＹ軸方向に直列に接続され、各第３電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続されることで、圧力分布を測定可能に構成しても良い。

本発明の静電結合を用いる圧力検出装置は、圧力や圧力分布を高精度に測定可能であるという利点がある。ノイズにも強いため、検出回路が簡単になるので安価に製造可能でもある。

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。図１は、本発明の圧力検出装置のセンサ部分の構造を説明するための側断面図である。なお、図示例では圧力分布を測定するために複数のセンサ部をマトリックス状に配置した例を示すが、本発明はこれに限定されず、１つのセンサ部で単に圧力を検出するだけの装置であっても構わない。図示のとおり、センサ部は、第１電極１と第１誘電体層４、第２電極２、第２誘電体層５、第３電極３が順番に積層構造になっている。第１電極１、第２電極２、第３電極３は、それぞれ重なるように設けられる。

第１誘電体層４と第２誘電体層５は、それぞれ弾性率の異なるものを用いる。第２誘電体層は、第１誘電体層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電極−第２電極間と第２電極−第３電極間とで、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。

例えば第１誘電体層は、誘電体からなり線形性や復元性に優れる可撓性のある弾性素材で構成される。これには、例えば天然ゴムやシリコンゴムを用いることが可能である。また、第２電極２、第２誘電体層５、第３電極３は、両面プリント基板で構成し、エポキシ基板を誘電体層とし、両面の導体箔層を第２電極、第３電極として用いることが可能である。したがって、センサ部は、両面プリント基板の上に、シリコンゴムシートを貼り付け、そしてさらにシリコンゴムシートの上に第１電極となる導体箔層を貼り付ければ良い。

このようなセンサ部を用いた第１実施例の圧力検出装置を図２を用いて説明する。図２は、本発明の圧力検出装置の圧力分布を測定可能なセンサ部と、駆動部、検出部の接続形態を説明するための模式的な図である。なお、図２では、各層の電極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。まず、センサ部をマトリックス状に配置する。即ち、第１電極１を、Ｘ軸方向に直列に接続して第１電極列を構成し、これをＸ軸に平行に複数並べる。第２電極２は、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に直列に接続して第２電極列を構成し、これをＹ軸に平行に複数並べる。さらに、第３電極３は、Ｘ軸方向に直列に接続して第３電極列を構成し、これをＸ軸に平行に複数並べる。具体的には基板上の導体箔層をエッチング等によりパターンニングしてこれらの電極列を形成する。なお、第１電極は、第２電極との間の距離が圧力に対して変化しやすいことが望まれるため、可撓性を有することが好ましい。例えば薄膜層で構成することで撓みやすくしても良いし、図３に示すように、電極列をジグザク状のパターンで形成するようにしても良い。

駆動部は、発振器１０と反転アンプ１１とからなる。発振器１０の出力を第１電極列に印加する。このとき、スイッチ手段１２を用いて１列ごとに電圧を印加する。また、発振器１０の出力は、反転アンプ１１を介して第３電極列にも印加される。反転アンプ１１により、発振器１０の出力波形は位相が反転する。そして、第３電極列への電圧の印加も、スイッチ手段１３を用いて１列ごとに印加する。スイッチ手段１２とスイッチ手段１３は連動しており、上下方向で同じ位置にある電極列に同時に発振器を接続する。なお、発振器が接続された電極列以外の電極列は、他の電極列に影響を及ぼさないように、接地されるように構成することが好ましい。

検出部は、電流アンプ１４と同期検波部１５からなる。各第２電極列からの静電結合による信号は、スイッチ手段１６を介して直接電流アンプ１４に入力され、増幅された後同期検波部１５に入力される。なお、複数の電流アンプを用いて第２電極列からの信号をそれぞれ増幅してからスイッチ手段１６を介して同期検波部に入力しても良い。電流アンプ１４の入力端子の一方には信号が直接入力され、他方は接地される。また、電流アンプ１４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１４の出力端から信号が入力される端子に帰還抵抗が設けられる。同期検波部１５には、発振器１０からの信号も入力される。

このように構成された圧力検出装置で圧力を測定する手順を以下に説明する。まず、発振器１０により第１電極及び第３電極を駆動させる。スイッチ手段１２、スイッチ手段１３により、電極列の１列を選択的に接続する。このとき、１列を選択した状態で、スイッチ手段１６を用いて第２電極列を端から１列ずつ順次接続していく。第２電極列のすべての列が順次接続し終わると、スイッチ手段１２、スイッチ手段１３を動作させ、第１電極列及び第３電極列の次の電極列を接続するようにし、再度スイッチ手段１６を用いて第２電極列を順次接続していく。これを繰り返していくことで、マトリックス状に配置したすべての電極からの信号を検出することが可能となる。なお、スイッチ手段１６を用いて第２電極列のうちの１列を選択した状態で、スイッチ手段１２，１３を用いて第１電極列及び第３電極列をそれぞれ同時に１列ずつ順次接続していくようにしても良い。即ち、すべての電極列に、駆動部又は検出部が順次接続されれば良い。

そして、第２電極列からの静電結合による信号が、接続された電流アンプ１４で増幅され、同期検波部１５で発振器１０との同期を取りながら、信号を検出する。ここで、物体が第１電極上に置かれ、第１電極が撓んで第２電極との間の距離が変化したとする。このときの距離の変化を第２電極列からの信号により検出することが可能であるため、この信号を演算処理することで圧力を測定することが可能である。また、マトリックス状に配置してあるため、どの位置で信号が変化しているかが分かるので、圧力分布を測定することも可能となる。

次に、本発明の圧力検出装置の第２実施例を説明する。図４は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の圧力分布を測定可能なセンサ部と、駆動部、検出部の接続形態を説明するための模式的な図である。なお、図４では、図２と同様に、各層の電極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。第１実施例と異なる点は、駆動部が第２電極に接続され、検出部が第１電極と第３電極に接続されている点である。

駆動部の発振器１０は、スイッチ手段１２を介して第２電極列に接続される。スイッチ手段１２は、第２電極列を、１列ごとに順次発振器に接続する。なお、発振器が接続された電極列以外の電極列は、他の電極列に影響を及ぼさないように、接地されるように構成することが好ましい。

検出部は、差動アンプ２０と同期検波部１５からなる。第１電極列と第３電極列において上下で対応する位置にある電極からの信号出力が、差動アンプ２０の２つの入力端子にそれぞれ入力される。差動アンプ２０からは、第１電極列と第２電極列間の静電結合による信号と、第２電極列と第３電極列間の静電結合による信号との差分に対応する信号が出力される。即ち、このときの両電極間の距離の変化はこの信号の差分を取ることで検出可能なため、この差分を演算処理することで圧力を測定することが可能となる。電極はマトリックス状に配置してあるため、どの位置で信号が変化しているかが分かるので、圧力分布を測定することも可能となる。

なお、本発明の静電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。

図１は、本発明の第１実施例の圧力検出装置のセンサ部分の構造を説明するための側断面図である。 図２は、本発明の圧力検出装置の圧力分布が測定可能なセンサ部と、駆動部、検出部の接続形態を説明するための模式的な図である。 図３は、本発明の圧力検出装置のセンサ部の電極列のパターンを説明するため図である。 図４は、本発明の第２実施例の圧力検出装置の圧力分布が測定可能なセンサ部と、駆動部、検出部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電極
２ 第２電極
３ 第３電極
４ 第１誘電体層
５ 第２誘電体層
１０ 発振器
１１ 反転アンプ
１２，１３ スイッチ手段
１４ 電流アンプ
１５ 同期検波部
１６ スイッチ手段
２０ 差動アンプ

Claims (10)

1. 静電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電極と、
   前記第１電極と重なるように設けられる第２電極と、
   前記第２電極と重なるように設けられる第３電極と、
   前記第１電極と第２電極との間に設けられる第１誘電体層と、
   前記第２電極と第３電極との間に設けられる、前記第１誘電体層とは弾性率の異なる第２誘電体層と、
   を有するセンサ部と、
   前記第１電極及び第３電極に、前記第１電極に印加する電圧の波形と前記第３電極に印加する電圧の波形とは互いに反転した波形の電圧を印加する駆動部と、
   前記駆動部により駆動された電極以外の前記第２電極からの静電結合による信号から、前記第１電極と第３電極との間にかかる圧力を検出する検出部と、
   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、前記検出部は、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。
3. 請求項１又は請求項２の何れかに記載の圧力検出装置において、前記第１電極は、可撓性を有することを特徴とする圧力検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力検出装置において、前記第１電極は、ジグザグ状のパターンを有することを特徴とする圧力検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４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電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続され、各第２電極はそれぞれＸ軸と直交するＹ軸方向に直列に接続され、各第３電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続されることで、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。
6. 静電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電極と、
   前記第１電極と重なるように設けられる第２電極と、
   前記第２電極と重なるように設けられる第３電極と、
   前記第１電極と第２電極との間に設けられる第１誘電体層と、
   前記第２電極と第３電極との間に設けられる、前記第１誘電体層とは弾性率の異なる第２誘電体層と、
   を有するセンサ部と、
   前記第２電極に電圧を印加する駆動部と、
   前記駆動部により駆動された電極以外の前記第１電極及び第３電極からの静電結合による信号の差分から、前記第１電極と第３電極との間にかかる圧力を検出する検出部と、
   を具備することを特徴とする圧力検出装置。
7. 請求項６に記載の圧力検出装置において、前記検出部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電極及び第３電極からの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。
8. 請求項６又は請求項７の何れかに記載の圧力検出装置において、前記第１電極は、可撓性を有す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の何れかに記載の圧力検出装置において、前記第１電極は、ジグザグ状のパターンを有することを特徴とする圧力検出装置。
10. 請求項６乃至請求項９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電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続され、各第２電極はそれぞれＸ軸と直交するＹ軸方向に直列に接続され、各第３電極はそれぞれＸ軸方向に直列に接続されることで、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。