JPH01260335A - 圧電型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電型圧力センサ、特に、マトリクス状に配
置された複数個の圧電素子により接触圧力分布を検出す
る圧電型圧力センサに関する。

［従来の技術およびその課ｊＨ 従来の圧電型圧力センサとしては、たとえば特開昭６２
−２９７７３５号に、圧電素子をマトリクス状に配置し
て接触圧力分布を検出する構成が示されている。

その構成では、圧電素子の上下両端に設けられた電極間
での電位差をそれぞれ測定することによって、各圧電素
子に加えられた圧力を計算し、それに基づいて圧力分布
を知ることができるようになっている。

前記従来の構成を具体的に実施する場合には、たとえば
第９図に示すような構造とすることが考えられる。第９
図では、基板１はその上面に配線パターン２を有してい
る。配線パターン２の所定位置上には、それぞれ圧電素
子３が載置されている。圧電素子３は、上下両端にそれ
ぞれ１対の電極を有しており、下側の電極が配線パター
ン２の所定位置に導電性の接着剤によって固着されてい
る。圧電素子３の上方には、可撓性の加圧板４が配置さ
れている。加圧板４の下面には、配線パターン５が形成
されている。配線パターン５の所定位置には、圧電素子
３の上端に形成された電極が導電性の接着剤によって固
着されている。

第９図に示す構成では、加圧板４上に成る物体が載せら
れた場合に、その物体に基づく圧力分布に従って圧電素
子３に圧力がそれぞれ加えられる。

その結果、圧電素子３は、圧電効果に基づいて電荷を生
じる。その電荷量を図示しない圧力分布検出装置を用い
て検出すれば、当該物体に基づく圧力分布を知ることが
できる。

ところが、第９図の構成では、加圧板４の温度よりも高
い温度の物体あるいは低い温度の物体を加圧板４上に載
せた場合には、その物体と加圧板４との間の温度差によ
って、圧電素子３の温度が変化してしまう。ところで、
圧電素子３に生じる電荷量は、焦電による自発分極にも
依存しており、この自発分極は温度変化の関数である。

したがって、第９図の構成において、圧電素子３の温度
が変化すれば、それに基づいて圧電素子３に無用の電荷
が蓄積されることになる。

したがって、第９図の構成では、圧力の測定の際に温度
変化の影響を容易に受けることになり、正確な圧力分布
を測定することができない。

本発明の目的は、圧電素子が受ける被測定物の温度の影
響を抑制し、正確な圧力測定が行なえるようにすること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る圧電型圧力センサは、マトリクス状に配置
された圧力分布を検出するための複数個の圧電素子を有
する圧電センサ素子群と、圧電素子の上端に圧接し得る
ように圧電素子の上方に配置された可撓性の加圧板とを
含んでいる。そして、本発明に係る圧電型圧力センサで
は、前記加圧板は、圧電素子の温度変化を抑えるための
保温手段を備えている。

［作用〕 本発明に係る圧電型圧力センサでは、加圧板上に被測定
物が載置される。この被測定物に基づく加圧力に対応し
て、マトリクス状に配置された複数個の圧電素子には、
それぞれ圧電効果に基づく電荷が発生する。この電荷量
を検出することにより、圧力分布を知ることができる。

一方、前記加圧板は、圧電素子の温度変化を抑えるため
の保温手段を備えている。したがって、被測定物が加圧
板よりも温度が高かったりあるいは低かったりしても、
その保温手段によって圧電素子は保温されるため、被測
定物の温度の影響を圧電素子は受けにくい。したがって
、本発明に係る圧電型圧力センサでは、被測定物の温度
の影響を受けにくいので、正確な圧力をＤＩ定すること
が可能となる。

［実施例］ 第４図および第５図は、本発明の一実施例の全体概略を
示している。第４図および第５図において、圧電型圧力
分布センサ１０は矩形平板状の台１１を有している。台
１１は主としてベークライトからなり、台１１上にはマ
トリクス状に配置されたセンサ素子群１２が固定されて
いる。また、台１１の周縁部には、上方に突出する着脱
可能なフレーム１３が取付けられている。フレーム１３
の開口部には、可撓性の加圧板１４が配置されている。

加圧板１４は、センサ素子群１２の上端面を押圧し得る
ように可撓性を有するとともに、その周縁部がフレーム
１３側に固定されている。圧力分布センサ１０の固有側
端部には、入出力用のコネクタ１５が形成されている。

センサ素子群１２を構成する各センサ素子２１ａ、２１
ｂ、・・・は、第６図に示すようにそれぞれ、圧電素子
２２と、電界効果トランジスタ２３と、コンデンサ２４
とを有している。また、マトリクス状に配置された各セ
ンサ素子２１　ａ、　　２　ｌ　ｂ＋・・・の配置に沿
って、各行方向に、それぞ制御線Ｃ１、Ｃ２・・・が配
設されている。また、各列方向には、読取線Ｒ，，Ｒ２
・・・が配設されている。さらに、各列方向には、アー
ス２５に接続されるアース線２６が配設されている。

第７図に、１つのセンサ素子２１の等価回路を示す。第
７図において、電界効果トランジスタ２３のゲート電極
は、制御線Ｃに接続されている。

また、トランジスタ２３のソースあるいはドレイ電極の
他方は、圧電素子２２の上端面に形成された電極２８に
接続されている。圧電素子２２の下端面に形成された電
極２９は、アース線２６に接続されている。また、圧電
素子２２の上端面の電極２８とアース線２６との間には
、コンデンサ２４が接続されている。すなわち、このコ
ンデンサ２４は圧電素子２２に対し並列に接続されてい
ることになる。なお、圧電素子２２としては、圧電セラ
ミックスや圧電性単結晶などの剛性の高い圧電材料より
なる素子が使用される。

次に、各センサ素子２１部分の具体的な構造を説明する
。

圧力分布センサ１０の台１１は、第１図に示すように、
その上面にガラスとエポキシ樹脂からなる基板３０を有
している。基板３０の上面には、所定のパターンで配線
パターン３１が形成されている。また、基板３０におい
て圧電素子２２に対応する位置には、孔３２が形成され
ている。

孔３２内には、圧電素子２２が配置されている。

圧電素子２２と台１１との間には、平板状かつ金属製の
読出電極板３３が配置されている。読出電極板３３は、
それと圧電素子２２の下端に形成された電極との間に介
在する導電性接着剤によって、圧電素子２２に固着され
ている。読出電極板３３は、圧電素子２２の４辺中央部
に対応する位置に上方に屈曲する舌片部３４．３５を有
している。

舌片部３４の先端部は、第２図に示すように、配線パタ
ーン３１の所定位置に半田付けされている。

これによって、圧電素子２２の下端の電極は、読出電極
板３３を介して配線パターン３１の所定位置に電気的に
接続されていることになる。

圧電素子２２の上端には、平板状かつ金属製のアース電
極板３６が配置されている。アース電極板３６と圧電素
子２２の上端の電極とは、介在する導電性接着剤によっ
て固着されている。アース電極板３６は、圧電素子２２
の４辺中央に対応する位置に舌片部３７．３８を有して
いる。そのうちの１つの舌片部３７は、圧電素子２２の
上端部から斜め下方に延び、さらに下方に延びるととも
に、先端部が圧電素子２２から離れる側に直角に屈曲し
ている。この舌片部３７の先端は、配線パターン３１の
所定位置に半田付けされることによって、電気的に接続
されている。

アース電極板３６の上には、加圧板１４が載せられてい
る。加圧板１４は、たとえばガラスおよびエポキシ樹脂
からなる板状の部材であり、可撓性を有している。加圧
板１４はその下部に一体的に接着された保温シート３９
を有している。したがって、保温シート３９の下面がア
ース電極板３６の上面に直接的に接触していることにな
る。保温シート３９は、その中間層部分に発熱体４０を
有している。発熱体４０は、金属箔エツチング回路や、
ガラス繊維芯にＮｉＣｒ、ＣｕＣｒなどを巻付けたヒー
タ線からなる。発熱体４０は、上下両面からシリコーン
ゴムあるいはシリコーン含浸ガラスクロスによってサン
ドイッチされている。

これによって面状発熱体としての保温シート３９が構成
されており、十分な可撓性を有している。

また、発熱体４０は、後述する温度コントロール装置に
接続されるようになっており、これによって発熱体４０
の温度が制御できるようになっている。

第３図に示すように、基板３０の上面には、孔３２を挾
んで各列方向に延びる読取線Ｒが形成されている。また
、基板３０の裏面には、各行方向に延びる制御線Ｃが形
成されている。さらに、基板３０の上面および下面にお
いて、読取線Ｒと制御線Ｃとに対して干渉しない位置に
、アース線２６が形成されている。なお、制御線Ｃは、
スルーホール４５を通じて、基板３０の上面に形成され
た配線部分４６に接続されている。また、基板３０の上
面に形成されたアース線２６と下面に形成されたアース
線２６との間は、それぞれスルーホール４７を通じて互
いに接続されている。

前記読出電極板３３の舌片部３４は、読取線Ｒに半田付
けによって接続されている。また、アース電極板３６の
舌片部３７は、基板３０の上面に形成された配線部分４
８に半田付けによって接続されている。配線部分４８と
読取線Ｒとの間には前記コンデンサ２４が接続されてい
る。配線部分４８には、また、電界効果トランジスタ２
３の一方の電極が接続されている。トランジスタ２３の
他方の電極はアース線２６に接続されている。さらに、
トランジスタ２３のゲート電極は制御線Ｃに連続する配
線部分４６に接続されている。

上述の圧電型圧力センサ１０は、たとえば第８図に示す
ような圧力分布検出装置５０に組込まれる。第８図にお
いて、圧電型圧力センサ１０の制御線ｃ、ｌ　　ｃ２＋
　・・・は、制御線切換回路５１に接続されている。ま
た、読取線Ｒ，，Ｒ２，・・・は、読取線切換回路５２
に接続されている。読取線切換回路５２は積分回路５３
に接続され、積分回路５３はピークホールド回路５４に
接続されている。

ピークホールド回路５４は、Ａ／Ｄコンバータ５５を介
てデータ処理装置５６に接続されている。

さらに、第８図の検出装置５０は、マトリクス制御回路
５７を備えている。マトリクス制御回路５７は、制御線
切換回路５１および読取線切換回路５２を制御するとと
もに、ピークホールド回路５４に所定タイミングでリセ
ット信号を送り、さらにデータ処理装置５６に素子切換
情報信号を送るようになっている。また、データ処理装
置５６は、Ａ／Ｄコンバータ５５を制御するための制御
信号をＡ／Ｄコンバータ５６に送るようになっている。

さらに、検出装置５０は温度コントロール装置５８を有
している。温度コントロール装置５８は、圧電型圧力セ
ンサ１０の保温シート３９の発熱体４０に接続されて、
発熱体４０の発熱温度を制御し得るようになっている。

次に、第８図の圧力分布検出装置５０に組込まれた圧電
型圧力センサの作動を説明する。

予め、温度コントロール装置５８によって、被ｉＤＪ定
物の温度にほぼ一致する温度まで発熱体４゜を加熱して
おく。たとえば、人の足の裏の圧力分布を測定する場合
には、人の足の温度の影響を少なくし焦電による誤差を
軽減するため、人の足の裏の温度に一致するように、発
熱体４０によって一定温度に保持する。

次に、人の足などの被測定物を圧電分布センサ１０の加
圧板１４上に載せると、その物体に基づく加圧力の分布
に応じて、各センサ素子１１には電荷が蓄積される。一
方、保温シート３９は、予め被測定物体の温度に一致す
るように温度コントロール装置５８によって制御されて
いることから、高温あるいは低温の物体を載せたとして
も、圧電素子２２に焦電効果は生じない。したがって、
被測定物に基づく圧力の影響のみを圧電素子２２は受け
、その圧力に応じた電荷を蓄積する。

次に、マトリクス制御回路５７により、制御線切換回路
５１を通して、まず制御線Ｃ１に接続されているトラン
ジスタ２３を導通状態にする。このとき、他の制御線ｃ
２ｔ　　ｃ、ｌ　・・・は非導通状態にある。これによ
り、制御線Ｃ４に対応する行のセンサ素子１１の情報は
、読取線Ｒ１＋　Ｒ２＊　・・・を通して読取可能な状
態となる。

この状態において、読取線切換回路５２を通して、まず
読取線Ｒ１のみをコンパレータ５３に接続する。このと
き、残りの読取線Ｒ２，Ｒ□、・・・は回路的に開放状
態になっているため、対応するセンサ素子１１内の情報
は保持されている。

読取線Ｒ５をコンパレータ５３に接続すると、対応する
圧電素子２２に加圧により蓄積された電荷が、コンパレ
ータ５３側に放電される。この電荷を積分回路５３にお
いて時間的に積分すれば、対応するセンサ素子２１が加
圧されることにより蓄積していた電荷量を測定できるこ
とになる。これは、後段のピークホールド回路５４、Ａ
／Ｄコンバータ５５を通してデータ処理装置５６に入力
される。

以後、読取線Ｒ２、Ｒ３、・・・と読取線の切換を行な
い、すべての読取線からの検出を終えると、次に制御線
Ｃ２のみを導通状態とする。これによって上述の動作と
同様に、制御線Ｃ２に対応する行に配置された各センサ
素子２１の情報を読取線Ｒ＋　＊　Ｒ２ｒ・・・から読
取り、その情報をデータ処理装置５６に蓄積する。この
蓄積されたデータに基づけば、温度の影響を受けること
なく、圧電型圧力センサ１０の上に接触している未知物
体の圧力分布を知ることができる。

なお、保温シート３９により圧電素子２２を長時間にわ
たって一定温度に保持する必要はない。

なぜならば、電荷の蓄積から検出までは長時間を要さな
いので、その間の温度変化が抑制できれば足りるからで
ある。

なお、前記測定動作において、被測定物を載せる前に１
度数電動作を行なっておけば、さらに正確な圧力分布を
検出することが可能となる。発熱体４０による温度設定
は、被測定物の温度に合わせて適宜設定すれば良い。保
温シートだけで加圧板を構成しても良い。また、第９図
の従来例のような構成においても、保温シートを設ける
ことによって、本発明を実施例することが可能である。

さらに、本発明に係る保温手段として、冷却媒体を利用
した冷却手段を採用することもできる。

［発明の効果コ 本発明に係る圧電型圧力センサによれば、加圧手段が圧
電素子の温度変化を抑えるための保温手段を備えている
ことから、高温あるいは低温の被測定物を測定する場合
であっても、圧電素子が受ける温度差に基づく影響を抑
制することができ、焦電効果による誤差を抑制すること
ができるようになるので、正確な圧力分布を測定するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る一実施例の縦断面部分図である
。第２図は、第１図のｆｆ−ＩＦ断面部分図である。第
３図は、第１図の■−■断面部分図である。第４図は、
その実施例の全体概略を示す一部切欠平面図である。第
５図は、その実施例の全体概略を示す一部切欠側面図で
ある。第６図は、センサ素子群の配置を示す斜視略図で
ある。第７図は、センサ素子の等価回路図である。第８
図は、第１図ないしＭＳ７図に示された実施例を圧力分
布検出装置の一例に組込んだ場合のブロック図である。 第９図は、従来例の第１図に相当する図である。 １２はセンサ素子群、１４は加圧板、２２は圧電素子、
３９は保温シート、４０は発熱体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マトリクス状に配置された圧力分布を検出するための複
   数個の圧電素子を有する圧電センサ素子群と、 前記圧電素子の上端に圧接し得るように、前記圧電素子
   の上方に配置された可撓性の加圧板とを含み、 前記加圧板は、前記圧電素子の温度変化を抑えるための
   保温手段を備えている 圧電型圧力センサ。