JP7416337B2 - センサ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明の一実施形態は、静的ひずみおよび微小振動を検出するセンサに関する。
特許文献１のセンサは、高分子圧電体表面に電気抵抗体を形成している。特許文献１のセンサは、高分子圧電体で弾性波（微小振動）を計測する。また、特許文献１のセンサは、電気抵抗体の抵抗変化で静的ひずみを計測する。
特許文献１のセンサは、電気抵抗体の抵抗と圧電体の容量による時定数の変化によって静的ひずみを計測する。したがって、特許文献１のセンサは、充電用のパルス波形とタイマーが必要となり、複雑な回路が必要になる。
そこで、本発明の一実施形態は、より簡単な構成で静的ひずみおよび微小振動の両方を検出するセンサを提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係るセンサは、圧電体と、前記圧電体の第１主面に配置された電気抵抗体と、前記圧電体の第２主面に配置された振動検知電極と、第１入力端子および分圧点を有する抵抗分圧回路と、第２入力端子を有する帰還処理回路と、を備える。そして、前記電気抵抗体は、前記分圧点および前記第１入力端子に接続され、前記振動検知電極は、前記第２入力端子に接続される。
圧電体にひずみが生じると電気抵抗体の抵抗が変化する。電気抵抗体の抵抗が変化すると抵抗分圧回路の出力電圧が変化する。したがって、センサは、静的ひずみを検出することができる。また、センサは、圧電体に振動が生じると発生した電荷を入力インピーダンスの大きい帰還処理回路により電圧に変換することで、微少な振動であっても高レベルで検出することができる。
この発明の一実施形態によれば、簡単な構成で静的ひずみおよび微小振動の両方を検出することができる。
以下、図面を参照して、本発明のセンサについて説明する。図１は、センサ１の側面断面図である。センサは、例えば人の皮膚に貼り付けて、微少振動である脈動および静的ひずみを検出する。センサ１は、人の皮膚などの検出対象物２に粘着剤５で貼り付けられる。
センサ１は、圧電体４０と、該圧電体４０の第１主面４０１に配置された電気抵抗体３０と、該圧電体４０の第２主面４０２に配置された振動検知電極５０と、を備える。さらに、センサ１は、圧電体４０の第２主面４０２に対向して配置された絶縁体６０と、シールド電極７０と、を有する。絶縁体６０は、第３主面６０１および第４主面６０２を有し、第３主面６０１が圧電体４０の第２主面４０２に対向して配置される。また、シールド電極７０は、絶縁体６０の第４主面６０２に配置される。ただし、絶縁体６０およびシールド電極７０は本発明において必須の構成ではない。
圧電体４０は、例えばセラミックスあるいはポリマー系の圧電材料からなる。ポリマー圧電材料は、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）あるいは一軸延伸されたポリ乳酸等を含む。一軸延伸されたポリ乳酸の圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。すなわち、微少振動および静的ひずみを高感度に検出することができる。また、ポリ乳酸は、焦電性がないため、人の皮膚などに熱が伝わる場合であっても、発生する電荷量が変化することがない。したがって、ポリ乳酸は、人の皮膚などに貼り付けるセンサとして好適である。さらに、ポリ乳酸の圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。
絶縁体６０は、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）あるいはポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等からなる。
電気抵抗体３０、振動検知電極５０、およびシールド電極７０は、銅ニッケル合金あるいはニッケルクロム合金等の金属薄膜からなる。
振動検知電極５０は、圧電体４０の第２主面４０２の略全面を覆うベタ電極である。シールド電極７０は、平面視すると振動検知電極５０の面積と略同一のベタ電極であり、絶縁体６０を介して、振動検知電極５０の略全面を覆う。電気抵抗体３０は、例えば平面視してミアンダ状にパターニングされている。
電気抵抗体３０は、配線を介して抵抗分圧回路９０に接続される。配線の一方は、接続点Ｐ１を介して抵抗分圧回路９０に接続され、他方は接続点Ｐ２を介して抵抗分圧回路９０に接続される。また、シールド電極７０は、接続点Ｐ２に接続される。また、振動検知電極５０は、配線および接続点Ｐ３を介して帰還処理回路９１に接続される。帰還処理回路９１は、接続点Ｐ２を介してシールド電極７０および電気抵抗体３０に接続される。
図２は、抵抗分圧回路９０の構成を示す回路図である。図３は、帰還処理回路９１の構成を示す回路図である。
図２に示す抵抗分圧回路９０は、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、および抵抗Ｒ３を有する。接続点Ｐ１は、抵抗分圧回路９０の入力点（第１入力端子）に対応する。接続点Ｐ２は、抵抗分圧回路９０の分圧点（抵抗Ｒ３および電気抵抗体３０による分圧点）に対応する。抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、および電気抵抗体３０は、ブリッジ回路を構成する。
第１入力端子である接続点Ｐ１には、電源電圧（ブリッジ電圧）Ｅが印加される。すると、抵抗分圧回路９０は、分圧点である接続点Ｐ２と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の分圧点（接続点）Ｐ４と、の電位差である出力電圧ｅを出力する。
ここで、検出対象物２が変形して圧電体４０がひずむと、ミアンダ状にパターニングされた電気抵抗体３０の形状が変化するため、電気抵抗体３０の抵抗値が変化する。電気抵抗体３０の抵抗値が変化すると出力電圧ｅも変化する。例えば、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３および電気抵抗体３０の抵抗値が全てＲであり、電気抵抗体３０の抵抗値の変化がΔＲである場合、出力電圧ｅは、ｅ＝（１／４）・（ΔＲ／Ｒ）・Ｅで表される。
これにより、センサ１は、出力電圧ｅを測定（計測）することで、電気抵抗体３０の抵抗値の変化を測定することができる。そして、センサ１は、抵抗値の変化をゲージ率（電気抵抗体３０の材料で決まる値）で除算すれば、ひずみを求めることができる。
なお、センサ１は、接続点Ｐ２および接続点Ｐ４を差動増幅回路（不図示）に接続して、電位差を増幅することにより、微少な出力電圧ｅをより高精度に測定することもできる。
次に、図３に示す帰還処理回路９１は、オペアンプＯＰを備える。オペアンプＯＰには、並列接続される圧電体４０、抵抗Ｒ４およびコンデンサＣからなる回路が接続される。オペアンプＯＰは、出力が反転入力端子に接続されたボルテージフォロワを構成する。抵抗Ｒ４の抵抗値およびコンデンサＣの容量は、例えば数１００ｍｓｅｃ程度の微少振動により生じる圧電体４０の出力電圧を検出するための時定数に調整される。
接続点Ｐ２は、上述の様にシールド電極７０および電気抵抗体３０に接続され、基準電位になる。電気抵抗体３０を基準電位とすれば、シールド電極７０と電気的に接続されていることで、電気抵抗体３０もシールド電極として機能する。すなわち、振動検知電極５０は、基準電位のシールド電極７０および電気抵抗体３０により両主面が覆われるため、ノイズを低減することができる。特に、検出対象物２に近い電気抵抗体３０を基準電位とすれば、検出対象物２からのノイズを防止することができ、微少な信号をより高精度に検出することができる。
本発明の第２入力端子に対応する接続点Ｐ３は、振動検知電極５０に接続される。圧電体４０に振動が生じるとオペアンプの非反転入力に微少な信号が入力される。オペアンプＯＰにより構成されるボルテージフォロワは非常に高い入力インピーダンスを有するため、この様な微少な入力信号を減衰することなく出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。したがって、センサ１は、圧電体４０に生じる微少振動を検出することができる。
なお、仮に出力電圧Ｖｏｕｔにハムノイズ等が重畳される場合には、例えばアナログフィルタ回路を接続して該ノイズを低減してもよいし、デジタル信号処理によりノイズ低減処理を行ってもよい。
図４（Ａ）は、帰還処理回路９１の出力電圧Ｖｏｕｔを示す図であり、図４（Ｂ）は、抵抗分圧回路９０の出力電圧ｅを示す図である。図４（Ａ）に示す様に、帰還処理回路９１の出力電圧Ｖｏｕｔは、微小振動が生じていない状態では１Ｖ程度の安定した電圧値を示すのに対して、微小振動が生じた場合には、１±０．１Ｖ以上の電圧変動を示す。また、図４（Ｂ）に示す様に、抵抗分圧回路９０の出力電圧ｅは、ひずみが生じていない場合には０．５Ｖ程度の電圧値を示すのに対して、ひずみが生じた場合には０．７Ｖ程度の電圧値を示す。
したがって、センサ１は、充電用のパルス波形やタイマー等の複雑な回路を用いずに、圧電体、電気抵抗体、振動検知電極、抵抗分圧回路（抵抗回路）、および帰還処理回路（オペアンプ）からなる簡易な回路構成だけで、微小振動および静的ひずみの両方を検出することができる。
次に、図５は、変形例に係る帰還処理回路９１Ｂの構成を示す回路図である。図３と共通する構成は同一の符号を付し、説明を省略する。帰還処理回路９１Ｂは、非反転増幅回路である。
接続点Ｐ２は、抵抗Ｒ５を介してオペアンプＯＰの反転入力端子（リファレンス入力端子）に接続される。つまり、シールド電極７０および電気抵抗体３０は、非反転増幅回路のリファレンス入力端子に接続される。また、オペアンプＯＰの出力は抵抗Ｒ６を介してリファレンス入力端子に接続される。
出力電圧Ｖｏｕｔは、接続点Ｐ３の電圧に対して、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ６の抵抗値の比で決まる増幅率に応じて増幅される。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔは、接続点Ｐ３の電圧の（１＋Ｒ６／Ｒ５）倍になる。
この様な非反転増幅回路である帰還処理回路９１Ｂにおいても、微少な入力信号を減衰することなく出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。かつ、帰還処理回路９１Ｂは、入力電圧を増幅するため、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ６の抵抗値を適切に設定すれば、さらに微少な振動に対する入力信号であっても適切に検出することができる。
図６は、変形例に係る抵抗分圧回路９０Ａの構成を示す回路図である。図２と共通する構成は同一の符号を付し、説明を省略する。抵抗分圧回路９０Ａは、抵抗Ｒ７を有する。接続点Ｐ１は、抵抗分圧回路９０Ａの入力点（第１入力端子）に対応する。接続点Ｐ２は、抵抗分圧回路９０Ａの分圧点（抵抗Ｒ７および電気抵抗体３０による分圧点）に対応する。
第１入力端子である接続点Ｐ１には、電源電圧Ｅが印加される。すると、抵抗分圧回路９０Ａは、分圧点である接続点Ｐ２の電圧を出力電圧ｅとして出力する。ここで、検出対象物２が変形して圧電体４０がひずみ、電気抵抗体３０にひずみが生じると、電気抵抗体３０の抵抗値が変化する。電気抵抗体３０の抵抗値が変化すると出力電圧ｅも変化する。例えば、抵抗Ｒ７の抵抗値がＲであり、電気抵抗体３０の抵抗値の変化がΔＲである場合、出力電圧ｅは、ｅ＝Ｅ／｛２＋（ΔＲ／Ｒ）｝で表される。
これにより、図６に示す抵抗分圧回路９０Ａにおいても、センサ１は、出力電圧ｅを測定すれば、電気抵抗体３０の抵抗値の変化を測定することができる。そして、センサ１は、抵抗値の変化をゲージ率（電気抵抗体３０の材料で決まる値）で除算すれば、ひずみを求めることができる。
この様に、センサ１は、より簡易な構成であっても静的ひずみを検出することができる。ただし、ひずみが小さく、電気抵抗体３０の抵抗値の変化が微少な場合には、抵抗分圧回路は、より感度の高い図２に示したブリッジ回路を用いることが好ましい。
次に、図７は、センサ１およびマイコン９５からなるセンサ処理装置の構成を示すブロック図である。マイコン９５には、センサ１の抵抗分圧回路９０の出力９００と、帰還処理回路９１の出力９１１とが接続される。
マイコン９５は、演算処理を行う処理部に対応し、抵抗分圧回路９０の出力に基づいて帰還処理回路９１の出力の演算処理を行う。また、マイコン９５は、帰還処理回路９１の出力に基づいて抵抗分圧回路９０の出力の演算処理を行う。例えば、上述の様にセンサ１を人の皮膚に貼り付けて脈拍を検知する場合、皮膚の大きなひずみを抵抗分圧回路９０で検出し、脈動を帰還処理回路９１で検知する。そして、マイコン９５は、抵抗分圧回路９０で検出されるひずみ量が一定の値を超える場合、正確な脈動が取得できないと判断して、帰還処理回路９１で検出した脈動を無効にする。これにより、センサ処理回路は、脈拍を正確に検出することができる。また、例えばセンサ１を柔らかいロボットハンドに貼り、把持力の調整に使用する場合、該ロボットハンドの変形および変形量を抵抗分圧回路９０で検出することができる。マイコン９５は、例えば変形量に基づいて把持力を調整することができる。また、帰還処理回路９１は、把持物の重力による滑りを検出することができる。マイコン９５は、帰還処理回路９１で検出した滑りが一定の値を超える場合、把持物の落下の危険性があると判定し、抵抗分圧回路９０の出力をオフセットさせる。オフセット分の変形量を補完することによって、ロボットハンドの把持力を増加させる。これにより、落下の危険性を抑えたロボットハンドを実現することができる。
本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記実施形態では検出対象物２として皮膚を示し、人の脈動およびひずみを検出する例を示した。しかし、例えば検出対象物２は、ロボットアームであってもよい。この場合、センサ１は、機械的な微少振動と大きなひずみ検出することができる。
１…センサ
２…検出対象物
５…粘着剤
３０…電気抵抗体
４０…圧電体
５０…振動検知電極
６０…絶縁体
７０…シールド電極
９０…抵抗分圧回路
９０Ａ…抵抗分圧回路
９１…帰還処理回路
９１Ｂ…帰還処理回路
９５…マイコン
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Claims (8)
- 圧電体と、
前記圧電体の第１主面に配置された電気抵抗体と、
前記圧電体の第２主面に配置された振動検知電極と、
第１入力端子および分圧点を有する抵抗分圧回路と、
第２入力端子を有する帰還処理回路と、
を備えるセンサと、
前記抵抗分圧回路の出力に基づいて前記帰還処理回路の出力を調整する処理部と、
を備え、
前記電気抵抗体は、前記分圧点および前記第１入力端子に接続され、
前記振動検知電極は、前記第２入力端子に接続され、
前記圧電体は、単一の部材で構成され、
前記処理部は、
前記抵抗分圧回路の出力に基づいてひずみ量を検出し、
前記帰還処理回路の出力に基づいて脈動を検出し、
前記抵抗分圧回路で検出される前記ひずみ量が一定の値を超える場合、前記帰還処理回路で検出される脈動を無効にする、
センサ処理装置。 - 前記帰還処理回路はボルテージフォロワを含む、
請求項１に記載のセンサ処理装置。 - 前記帰還処理回路は非反転増幅回路を含む、
請求項１に記載のセンサ処理装置。 - 前記電気抵抗体は、前記非反転増幅回路のリファレンス入力端子に接続される、
請求項３に記載のセンサ処理装置。 - 前記抵抗分圧回路はブリッジ回路である、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のセンサ処理装置。 - 前記ブリッジ回路に接続される差動増幅回路をさらに備える、
請求項５に記載のセンサ処理装置。 - 第３主面および第４主面を有し、前記第３主面が前記第２主面に対向して配置される絶縁体と、
前記絶縁体の前記第４主面に配置されるシールド電極と、を備えた、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のセンサ処理装置。 - 前記圧電体は、ポリ乳酸からなる、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のセンサ処理装置。
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