JPH0629703Y2 - 圧電型圧力分布センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は、圧電素子を利用した圧力センサ、特に圧分
布を検出するためのセンサ構造に関する。

［従来の技術］ 従来より、圧力センサとしては、（ａ）シリコン半導体
の抵抗値変化または容量変化を利用したもの、（ｂ）加
圧力により抵抗値の変化する感圧導電ゴムを利用したも
の、ならびに（ｃ）発光素子と受光素子とを配置し、受
圧によるシリコンゴム層の厚み変化を光量の変化として
検知するものなどが知られている。

［考案が解決しようとする問題点］ しかしながら、（ａ）シリコン半導体を利用したもので
は、圧力センサとしての感度および精度の点では優れて
いるが、圧力分布の測定を正確に行なうことはできな
い。これは、１個のセンサチップが、数ミリ径と比較的
大きいため、多数のセンサチップを配しても正確に圧力
分布を測定することが困難だからである。したがって、
シリコン半導体を用いた圧力分布センサは実現されてい
ないのが実情である。

他方、（ｂ）感圧導電ゴムを用いるものにあっては、圧
力分布を検出し得るとも考えられるが、導電ゴムの弾性
に依存するので信頼性、安定性ならびに精度の点で問題
があった。

さらに、（ｃ）シリコンゴムと光学的測定手段とを組合
わせたものにあっては、シリコンゴム層の変形を利用す
るものであるため、除圧後の回復に比較的長い時間を要
するという問題があった。のみならず、シリコンゴム層
が経時的に劣化したり、あるいは光学的手段を組合わせ
るものであるため機構が複雑になるという問題もあっ
た。

よって、この考案の目的は、圧力分布を正確に検出する
ことができ、かつ信頼性および安定性に優れたセンサを
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この考案のセンサは、圧電効果を利用するものであり、
未知物体との接触部に配列されかつ前記接触部に向く面
にそれぞれ電極が形成されるとともに各電極に接続され
る引出電極が形成された複数個の高剛性圧電素子と、一
端が出力端に接続されるとともに複数個の高剛性圧電素
子の各引出電極に選択的に接続可能とされたスイッチ
と、高剛性圧電素子のそれぞれに並列に接続されてお
り、かつ高剛性圧電素子より高い容量と高い絶縁抵抗を
有するコンデンサとを備え、該高剛性圧電素子が未知物
体に加圧されることにより、接触部の圧力分布を検出す
ることを可能とするものである。

高剛性圧電素子としては、たとえば圧電セラミックスあ
るいは圧電性単結晶などを用いることができる。

［作用および考案の効果］ この考案では、圧電セラミックスあるいは圧電性単結晶
などのような比較的剛性の高い圧電材料よりなる圧電素
子が、未知物体に接触し、各圧電素子における圧電効果
により各圧電素子の接触している部分における圧力が検
出される。圧電素子は複数個配列されており、そのため
未知物体が接触する複数個の圧電素子における圧力変化
に基づき圧力分布を検出することが可能とされている。

また、各圧電素子には、それぞれに並列にコンデンサが
接続されており、該コンデンサは接続されている高剛性
圧電素子よりも高い容量と高い絶縁抵抗を有する。よっ
て、加圧により各圧電素子に発生した電荷を一定時間保
持しておくことが可能であるため、スイッチを順次切換
えることによって、各圧電素子において発生した電荷を
順次読出して各圧電素子に付与された加圧力を順次検出
することができるので、圧力分布データを的確に把握す
ることができる。

上記したように、この考案では、検出素子として高い剛
性の圧電素子を用いるため劣化も少なく、したがって信
頼性および安定性に優れた圧力分布センサを構成するこ
とができる。さらに、圧電素子が剛体であるため、弾性
接触論を応用することにより、未知物体の材質および曲
率等を精度良く推定することも可能である。さらに、シ
リコン半導体あるいは感圧導電ゴムを用いた場合のよう
にセンサ側で比較的大きな変位が生じるものでもないた
め、各圧電素子の位置決めについても極めて高精度に行
なうことができる。

［実施例の説明］ 第１図は、この考案の一実施例の構成を説明するための
模式図である。第１図実施例では、導電性材料よりなる
支持部材１（想像線で示す）上に、複数個の圧電素子２
が固定されている。各圧電素子２は、支持部１と接する
面と反対側の面に、電極３を有し、各電極３に連なって
引出電極４が側面に形成されている。

各圧電素子２の他方電極は、第１図では図示しないが、
支持部材１と当接する面に形成されている。

各圧電素子２は、圧電セラミックスもしくは圧電性単結
晶等の剛性の高い圧電材料により構成されている。

複数個の圧電素子２の各引出電極４は、それぞれ、スイ
ッチ７に接続されており、他方、各圧電素子２の他方電
極は支持部材１を介して出力取出用接続ライン８に電気
的に接続されている。スイッチ７と出力端とは接続ライ
ン９により電気的に接続されている。

また、各圧電素子２に並列に、それぞれ、コンデンサ１
０が接続されている。すなわち、引出電極４とスイッチ
７とを接続している接続ライン６と、導電性支持部材１
との間にコンデンサ１０が挿入されている。第１図実施
例の等価回路を、第２図に示す。

この圧力分布センサでは、各圧電素子２の電極３側から
未知物体が当接される。このとき、各圧電素子２に未知
物体が接触・加圧することにより、接触している圧電素
子２において圧電効果が生じる。よって、スイッチ７を
順次切換えることにより、各圧電素子２における加圧力
を検出することができ、よって複数個の圧電素子２にお
ける圧力を順次検出するこにより圧力分布を知ることが
できる。

なお、スイッチ７として、各圧電素子２の引出電極４
と、出力端との間にマルチプレクサを接続し、該マルチ
プレクサの入力ラインを選択する制御信号をマルチプレ
クサに与えることにより、各圧電素子２における圧力変
化を順次検出することにより、圧力分布を瞬時に知るこ
とができる。

また、この実施例では、各圧電素子２に並列にコンデン
サ１０が接続されており、コンデンサ１０は、接続され
ている圧電素子２よりも高い容量と高い絶縁抵抗を有す
るように構成されている。したがって、圧電効果により
発生した電圧は、ｔ時間後には、 なお、上式においてＶは第２図の等価回路における接続
点Ａと接続点Ｂとの間の電圧を示し、Ｖ_０＝Ｑ／Ｃ（Ｃ
はコンデンサ１０と圧電素子２に基づく容量を、Ｑは圧
電効果により発生した電荷を示す。）、 （Ｐは電荷Ｑを発生させる圧力を示す。）。

したがって、絶縁抵抗Ｒの大きなコンデンサ１０を挿入
し、上記Ｃを大きくすることにより、減圧速度を遅くす
ることができる。よって、第２図の右側に接続されてい
る電圧検出回路および信号処理回路を用いて、各圧電素
子２における圧力変化を順次読出し、一括処理すること
により圧力分布を知ることができる。

上述のように、第１図実施例によれば、その形状を小さ
くし得る圧電素子２を利用するので、圧力分布を正確に
検出することができるが、さらに圧電素子２として高剛
性の圧電材料が用いられているので、経時的な劣化等の
問題も生じないことがわかる。

なお、第１図実施例では、圧電素子２の未知物体と接触
する面に電極３が露出していたが、これに代えて電極３
の表面にシリコン薄膜等の弾性部材を取付けてもよい。

次に、この考案の圧力分布センサにより、接触される未
知物体の材質および形状を推定することが可能であるこ
とを説明する。これは、圧電素子として、高剛性の圧電
材料からなるものを用いるため、弾性接触論を応用する
ことにより推定が可能となるものである。以下の説明で
は、第３図に斜視図で示すように、球状の未知物体２１
と接触する場合を例にとり説明する。

Hertzの弾性接触論によれば、圧力センサ側の剛性が球
体２１の剛性よりも大きい場合には、第４図により、接
触部（第３図における円形領域Ｄ）の半径ａおよび領域
Ｄの中心Ｏから距離ｒにおける圧力分布ｐは式（１）お
よび（２）で与えられる。

上述の式において、Ｒ_０は球体の半径を、Ｅ_１，ν_１は
球体２１のヤング率（縦弾性係数）およびポワソン比を
示し、Ｅ_２，ν_２はセンサ側のヤング率およびポワソン
比を示す。

ところで、この考案の圧力分布センサによれば、（ａ，
ｐ，ｐ_０）を測定することができ、また（Ｅ_２，ν_２）
は予め与えられる。したがって、接触荷重Ｐは式（４）
により与えられる。

Ｐ＝∫_Ｄ Pdxdy ……（４） 他方、一般の材料ではポワソン比は０〜０．３程度であ
り、したがって １＞＞ν_２ ^２，１＜＜ν_１ ^２ ……（５） それゆえに、次式（６）および（７）が成立する。

よって、Ｅ_２が既知であるため、ａ，Ｐおよび各ｒでの
ｐをセンサで測定することができれば、Ｅ_１およびＲ_０
が求められ得ることがわかる。

上述のように、この考案の圧力分布センサによれば、
ａ，Ｐおよび各ｒにおけるｐが求められるので、Ｅ_１，
Ｒ_０すなわち未知物体のヤング率と接触部の曲率半径を
算出することができる。よって、未知物体の材質や曲率
等を推定することも可能となる。

次に、第１図実施例に相当の構成を用いた具体的実験結
果につき説明する。

第５図は、第１図実施例を用いた実験条件を説明するた
めの斜視図である。ここでは、第１図の支持部材１とし
て、ステンレスからなる板状部材３１が用いられてお
り、また未知物体としては径１００mmの円筒を縦に切断
した形状の合成樹脂製未知物体３２を用いた。以下の実
験例においても、基本となる円筒の径は変わるが、同様
の形状の未知物体を用いた。なお、未知物体３２と圧電
素子２との間にはシリコンゴムからなる弾性部材３３を
配置した。第５図に示す例では、未知物体３２の上方か
ら２０kgの荷重を加えた。その結果、第６図に示す出力
電圧分布が得られた。

なお、第５図に示されている支持部材３１上の圧電素子
は、３行３列に配置されているため、第６図では９個の
圧電素子を左上から順にNo.１〜９として、各行および
各列に従って圧電素子の位置を水平面状にプロットし、
プロットされた圧電素子の位置の上方に出力電圧をプロ
ットした。

第６図の結果から、未知物体３２が最も強く当接してい
る部分に位置する圧電素子（No.２，５，８の圧電素
子）において、出力電圧の高くなっていることがわか
る。

第７図は、未知物体を５０mm径の円筒体を切断して形成
し、第５図に示した未知物体３２よりも細い径のものと
し、同様に上方から２０kgの荷重を加えた状態を示す。
結果を、第８図に示す。第８図から、この例では、未知
物体の接触部分の曲率が小さくなっているので、未知物
体からの荷重が、より強くNo.２，５，８の圧電素子に
加わっていることがわかる。

第９図は、未知物体を径３０mmの円筒体から形成し、す
なわち第５図および第６図に示した実験例よりもさらに
細くした場合の状態を示す斜視図である。第９図に示し
た実験における結果を、第１０図に示す。第１０図か
ら、この実験例では、第８図に示した場合よりも、さら
にNo.２，５および８の圧電素子に、より強く荷重の加
わることがわかる。

第１１図は、第５図に示した実験に用いた未知物体３２
を斜めに当接し、上方から２０kgの荷重を加えた実験状
態を示す斜視図である。結果を、第１２図に示す。第１
２図から、この実験では、未知物体３２が当接している
No.１，５，９の圧電素子に強く荷重の加わることがわ
かる。

第１３図は、第１１図において用いた未知物体に代え
て、径３０mmの円筒体から形成した未知物体を同様の方
向に接触させ、２０kgの荷重を加えた状態を示す。この
場合の結果を、第１４図に示す。第１４図から、第１２
図の場合に加えて、さらにNo.１，５，９の圧電素子に
より大きな荷重の加わることがわかる。

上述してきたように、第５図ないし第１４図に示した実
験により、この発明の圧力分布センサによれば、未知物
体の圧力分布を正確に知り得ることがわかる。

この考案は、圧力分布の測定が要請される用途一般に利
用し得るものであり、たとえばロボットの物品把握部に
設置すれば、未知物体を把握するに際し、該未知物体の
選別あるいは把握力の制御等の高度な作業を行なわせる
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案の一実施例を示す概略構成図であ
り、第２図は第１図実施例の等価回路および検出回路を
示す図である。第３図および第４図は、弾性接触論を説
明するための各斜視図である。第５図〜第１４図は、第
１図実施例に相当の構成を用いて行なった具体的実験の
条件及び結果を示す各図である。 図において、２は圧電素子、１０はコンデンサを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭61−123948（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭42−6625（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】未知物体との接触部に配列されかつ前記接
   触部に向く面にそれぞれ電極が形成されるとともに各前
   記電極に接続される引出電極が形成された複数個の高剛
   性圧電素子と、 一端が出力端に接続されるとともに複数個の前記高剛性
   圧電素子の各前記引出電極に選択的に接続可能とされた
   スイッチと、 前記高剛性圧電素子のそれぞれに並列に接続されてお
   り、かつ高剛性圧電素子より高い容量と高い絶縁抵抗を
   有するコンデンサとを備え、 高剛性圧電素子が未知物体に加圧されることにより接触
   部の圧力分布を検出することを特徴とする、圧電型圧力
   分布センサ。
2. 【請求項２】前記複数個の高剛性圧電素子はマトリクス
   状に配置されている、実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の圧電型圧力分布センサ。
3. 【請求項３】前記圧電素子の未知物質と接触する部分に
   弾性部材が取付けられている、実用新案登録請求の範囲
   第１項または第２項記載の圧電型圧力分布センサ。