JPH0283425A - 圧電型圧力分布センサ - 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］ この発明は、圧電型圧力分布センサに関し、特に、７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分布センサに関する。

［従来の技術］ 従来の圧電型圧力分布センサとしては、たとえば特開昭
６２−２９７７３５号公報に、圧電素子をマトリクス状
に配置して接触圧力分６１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。

上記従来の構成を具体的に実施する場合には、たとえば
第８図に示すような構造とすることが考えられる。第８
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。圧電索子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。圧電索子３の上方には、ポリウレタンゴムシートか
らなる可撓性の加圧板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芒されてい
る。

第８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、圧電索子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。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の圧７ｕ型正圧力布センサの加圧板に用いられたポ
リウレタンゴムシートは、導電性が良いため、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１よ温度変
化の関数である。したがって、第８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８図の構成では、圧力の測定の際に温瓜
変化の影響を容易に受けることになり、正確な圧力分布
を測定することはできない。

それゆえに、この発明の目的は、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］ この発明に係る圧電型圧力分布センサは、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
し得るように前記圧電素子の上方に配置された可撓性の
加圧板とを備えている。そして、この発明に係る圧電型
圧力付４１センサでは、上記加圧板は、被測定物と圧電
素子との間の熱伝達を抑えるための断熱部材を含んでい
る。

［作用］ この発明に係る圧電型圧力分布センサでは、加圧板上に
被ｉ＋ｐ＋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括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、上記加圧板は、被ｉ１＄１定物と圧電素子との間
の熱伝達を抑えるための断熱部材を備えている。

したがって、彼１１Ｐｌ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しても、断熱部キイによって熱
伝達が妨げられるため、被ΔＰ１定物の温度の影響を圧
電素子は受けにくい。したがって、この発明に係る圧電
型圧力分布センサでは、被ηＩＩＩ定物の温度の影響を
受けにくいので、正確な圧力をａｌ定することが可能と
なる。

［発明の実施例］ 第３図および第４図はこの発明の一実施例の全体構成を
示す概略図である。第３図および第４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を存してい
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、上方に突出する希脱可能な
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、センサ索子群１２の上端面を押圧し得るように
６■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の長手方向−
万端には、人出力用のコネクタ１５が形成されている。

センサ素子７！＄　１２を構成する各センサ索子２１は
、第５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の
配置に沿って、各行方向にそれぞれ制御線Ｃ，，Ｃ２・
・・Ｃ□が配設されている。

また、各列方向には、読取線Ｒ，，Ｒ２・・・Ｒ，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６図に、１つのセンサ索７．２１の等価回路を示す。

第６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ン電極
の他方は、圧電索子２２の上端面に形成された電極２８
に接続されている。圧電索子２２の上端面に形成された
７１１Ｍ２９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ｌｉｔ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
。

第１図に示すように、圧力分布センサ１０の台１１上に
は、所定間隔をおいて圧電素子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３１が配置されている。読出電極３１と圧電素
子２２の下端の電極とは、介在する導電性接着剤によっ
て固若されている。圧電索子２２の上端には、平板状か
つ金属製のアース電極３２が配置されている。アース電
極３２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若されている。続出電極３１および
アース電極３２は、台１１上に設けられた図示しない基
板の配線パターンに電気的に接続される。

アース電極３２の上には、加圧板１４が載置されている
。加圧板１４は、断熱性の高いフェルトシート３３と、
フェルトシート３３の上面および下面に一体的に接着さ
れた補強用の板状部材３４゜３５から構成されている。

板状部材３４．３５はたとえばガラスおよびエポキシ樹
脂からなる。フェルトシート３３は、たとえば羊毛を原
料としたものが用いられる。このようなフェルトシート
の熱伝導特性を従来用いられていたポリウレタンゴムシ
ートの熱伝導特性とともに第２図に示す。第２図は、６
０℃に保持しであるプレート上に厚みがそれぞれ２ｍｍ
のフェルトシートおよびポリウレタンゴムシートを置き
、各シートの表面温度を所定時間ごとにΔν１定して得
られた。第２図に示すように、フェルトシートは熱伝導
性が低いため、加圧板１４上に載置される披ＡＰＩ定物
の温度が圧電素子２２の温度よりも高い場合および低い
場合にも、圧電索子２２への熱伝達は妨げられる。この
ようにして、加圧板１４はフェルトシート３３を備えて
いるので、可撓性を有するとともに断熱性を何する。

上述の圧電型圧力分布センサ１０は、たとえば第７図に
示すような圧力検出装置５０に組込まれる。第７図にお
いて、圧電型圧力分布センサ１０の制御線Ｃ，，Ｃ２，
・・・Ｃｆｆ１は、制御線切換回路５１に接続されてい
る。また、読取線Ｒ，，Ｒ２゜・・・Ｒ，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を介し
てデータ処理装置５６に接続されている。さらに、第７
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５５に送るようになっている。

次に、第７図の圧力分布検出装置５０に組込まれた圧電
型圧力分布センサの作動を説明する。

人の足などの被測定物を圧電型圧力分布センサ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２１には電荷が蓄積される。加
圧板１４は断熱性の高いフェルトシート３３を備えてい
るので、高温あるいは低温の物体を載せたとしても、圧
電素子２２の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索子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、まず制御線Ｃ５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Ｃ２
，Ｃ，、・・・Ｃｍは非導通状態にある。これにより、
制御線Ｃ０に対応する行のセンサ素子２１の情報は、読
取線Ｒ，，Ｒ２゜・・・Ｒｎ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、まず読
取線Ｒ７のみを積分回路５３に接続する。

このとき、残りの読取線Ｒ２，Ｒ，、・・・Ｒｎ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２
１内の情報は保持されている。

読取線Ｒ１を積分回路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積分回路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することができるこ
とになる。積分回路５３の出力は、後段のピークホール
ド回路５４、Ａ／Ｄコンバータ５５を通し、データ処理
装置５６に入力される。

以後、読取線Ｒ２，Ｒ，、・・・Ｒｎと読取線の切替え
を行ない、すべて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
，，Ｒ２，・・・Ｒ，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、圧電型圧力分布セン
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。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、加圧板が被測定物と
圧電素子との間の熱伝達を抑えるための断熱部材を備え
ていることから、高温あるいは低温の披Ｊｌ定物をΔ−
１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図はこの発明の一実施例の圧電型圧内分（Ｈｉセン
サの縦断面図である。第２図はフェルトシートとポリウ
レタンゴムシートの熱伝達特性を示す図である。第３図
はこの発明の一実施例の全体構成を一部切欠いた状態で
示す正面図である。第４図はこの発明の一実施例の全体
構成を一部切欠いた状態で示す側面図である。第５図は
センサ素子群の配置を示す概略斜視図である。第６図は
センサ素子の等価回路図である。第７図はこの発明の一
実施例の圧力分布センサが適用された圧力分布検出装置
のブロック図である。第８図は従来の圧電型圧力分布セ
ンサの縦断面図である。 図において、１２はセンサ素子群、１４は加圧板、２２
は圧電素子、３３はフェルトシートを示す。 第１図 第２図 第３図 第４図

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備え、 前記加圧板は、被測定物と前記圧電素子との間の熱伝達
   を抑えるための断熱部材を含む、圧電型圧力分布センサ
   。