JPH0754276B2 - 圧電型圧力分布センサにおけるデータ読取方法 - Google Patents

圧電型圧力分布センサにおけるデータ読取方法

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JPH0754276B2
JPH0754276B2 JP63262060A JP26206088A JPH0754276B2 JP H0754276 B2 JPH0754276 B2 JP H0754276B2 JP 63262060 A JP63262060 A JP 63262060A JP 26206088 A JP26206088 A JP 26206088A JP H0754276 B2 JPH0754276 B2 JP H0754276B2
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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おけるデータ読取
方法に関し、特に、制御線の1能動期間内すべての読取
線から順次データを読取るようにした、圧電型圧力分布
センサにおけるデータ読取方法に関する。
[従来の技術] 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
する圧電型圧力分布センサの構成として、たとえば特開
昭62−297735号には、第8図に示すような構成が示され
ている。
第8図では、圧電素子2が5行5列のマトリクス状に配
置されている。各圧電素子2の一方の電極には、行ごと
に接続A1,A2,…A5が接続されている。また、各圧電素子
2の他方の電極には、列ごとに接続線B1,B2,…B5が電気
的に接続されている。
[発明が解決しようとする課題] 従来の圧電型圧力分布センサでは、たとえば圧電素子2a
における圧力を測定する場合には、圧電2aに生じた歪に
基づく電位差を、接続線A1と接続線B1との間で測定す
る。ところが、この構成では、たとえば接続線A1−圧電
素子2b−接続線B2−圧電素子2c−接続線A2−圧電素子2d
−接続線B1のような閉回路も同時に形成されている。し
たがって、圧電素子2aにおける電位差を測定する場合
に、他の閉回路を形成する素子2b,2c,2dなどが測定結果
に影響を及ぼすことになる。
このため、従来の構成では、測定しようとする圧電素子
以外の圧電素子が干渉することになり、正確な圧力を検
出することはできない。
それゆえに、この発明の目的は、測定しようとする圧電
素子以外の圧電素子の干渉を防止し、正確に圧力を検出
することのできる圧電型圧力分布センサにおけるデータ
読取方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] この発明は行列状に配置され、力が加えられたときに能
動的に電荷を発生する複数個の圧電素子と、各圧電素子
ごとに設けられ、こつ各圧電素子に接続されたスイッチ
ング手段と、行および列のうちの一方の方向に延び、ス
イッチング手段を切換えるための複数本の制御線と、行
および列のうちの他方の方向に延び、圧電素子への接続
がスイッチング手段により切換えられる複数本の読取線
とを含む圧電型圧力分布センサにおけるデータ読取方法
である。この発明では、複数本の制御線を1本ずつ能動
化するとともに、各制御線の能動期間内にスイッチング
手段によって複数本の読取線に接続された圧電素子から
順次データを読取るようにしている。
[作用] 行列状に配置された複数個の圧電素子中の或る圧電素子
における接続圧力を検出する場合には、その圧電素子の
スイッチング手段を切換えるための制御線を用いて、そ
の圧電素子に対し対応する読取線を接続状態とする。こ
れによって、その読取線から圧電素子に生じた電荷を検
出する。
その検出動作において、他のセンサ素子におけるスイッ
チング手段を切断状態としておけば、他の圧電素子が圧
力測定に干渉することはない。したがって、行列状に配
置された各圧電素子において、それぞれ正確に圧力が検
出できるようになる。
或る1本の制御線を能動化して読取線を順次切換え、す
べての読取線の切換えが終了したとき次の制御線を能動
化して読取線を順次切換える。この動作を繰返すことに
より、任意の圧電素子における圧力を、他の圧電素子の
干渉を受けることなく次々と測定することができる。こ
れによって、各圧電素子における圧力を順次検出し、正
確な圧力分布を求めることができる。
[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
の槻略を示す図である。第3図および第4図において、
圧電型圧力分布センサ10は短形平板状の台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。圧電型圧力分布センサ10の長手方向一方端部
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C1,C2…Cmが配設されてい
る。また、各列方向には、読取線R1,R2…Rn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つのセンサ素子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。
上述の圧電型圧力分布センサ10は、たとえば第7図に示
すような圧力分布検出装置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C1,C2…Cmは、
制御線切換回路51に接続されている。また、読取線R1,R
2…Rn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。
説明を簡単にするため、第1図に示す4つのセンサ素子
21a〜21dからなる圧力分布センサについて説明する。第
1図において、まず、制御線C1のみを能動化して制御線
C1に接続されているトランジスタ23aおよび23cを導通状
態にする。このとき、他の制御線C2は非能動状態にあ
る。これにより、制御線C1に対応するセンサ素子21aお
よび21cの情報は、読取線R1およびR2を通して読取可能
な状態となる。
この状態において、まず、読取線R1を積分回路53に接続
する。このとき、残りの読取線R2は回路的に開放状態に
なっているため、センサ素子21c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、圧電素子22
aに加圧により蓄積された電荷が積分回路側に放電され
る。次に、読取線を切換えて読取線R2を積分回路53に接
続すると、圧電素子22cに加圧により蓄積された電荷が
積分回路側に放電される。各読取線からの検出を終える
と、次に、制御線C2のみを能動状態とする。これによっ
て、上述の動作同様に、制御線C2に対応するセンサ素子
21bおよび21dの情報は読取線R1およびR2を通して読取可
能な状態となる。
この状態において、まず、読取線R1を積分回路53に接続
して、素子21bの情報を読取り、次に、読取線を切換え
て、読取線R2を積分回路53に接続して素子21dの情報を
読取る。このようにして、すべてのセンサ素子からその
情報を読取ることができる。読取られた電荷を積分回路
53において時間的に積分すれば、センサ素子に蓄積され
ていた電荷量を測定することができる。積分回路53の出
力は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に入力され蓄積される。この蓄積され
たデータに基づけば、圧電型圧力分布センサ10上に接触
している未知物体の圧力分布を検出することができる。
この発明で、或る1本の制御線を能動化して複数のセン
サ素子から情報の読取りが可能となるようにした後、読
取線を順次切換えて情報を読取るようにしている理由
は、読取手順を逆にして、或る1本の読取線を積分回路
に接続した状態で制御線を順に能動化した場合には、正
確な情報の読取りができないからである。次に、この理
由について説明する。
たとえば、読取線R1を積分回路53に接続し、の状態で制
御線C1,C2を順に能動化すると、センサ素子21a,21bから
順に電荷量を読取ることができる。次に、読取線R2を積
分回路53に接続し、この状態で制御線C1,C12を順に能動
化すると、センサ素子21c,21dから順に電荷量を読取る
ことができる。
しかしながら、センサ素子21a,21bを読むときに、読取
線R2はフロート状態であるが、制御線C1,C2が能動化さ
れるため、センサ素子21c,21dのトラジスタ23c,23dも順
にオンされる。
このため、センサ素子21aを読んでいるとき、センサ素
子21cの電荷がフロート状態の読取線R2に流れ、次に、
センサ素子21bを読むときに、読取線R2に存在する電荷
は、センサ素子21dに逆流し、チャージされることにな
る。
たとえば、センサ素子21cにのみ圧力を加えて圧電素子2
2cにより電荷を発生させておき、読取線R1を積分回路に
接続して制御線C1,C2を順に能動化し、次に、読取線R2
を積分回路に接続して制御線C1,C2を順に能動化した場
合には、第2図に示す読取波形が得られる。第2図にお
いて、電荷が蓄積されていないはずのセンサ素子21dか
ら電荷が検出されている。これは、センサ21aを読取る
ときに、センサ21cから読取線R2に電荷が流れ込み、セ
ンサ素子21bを読取るときに、センサ素子21dに電荷が逆
流するからである。このような電荷による電圧値をゴー
スト電圧と称する。
次に、このゴースト電圧を理論的に算出してみる。
センサ素子21cの印加電圧(加圧したことに対応)をVC,
センサ素子21dのゴースト電圧をVD,読取線R2の電圧を
V0,圧電素子の静電容量とコンデンサの静電容量とを含
む1つのセンサ素子の静電容量をCC,センサ素子の基板
およびケーブル等の浮遊容量をCWとすると、 CCVC=(CC+CW)V0 (1) CWV0=(CC+CW)VD (2) が成り立つ。(1)式および(2)式から、 VD={CCCW/(CC+CW}VC (3) が得られる。ここで、CC〉〉CWであるので、 VD≒(CW/CC)VC (4) となる。
次に、第2A図に示すセンサ素子マトリクスについて、そ
の一部の構成を示す第2B図を参照して考察する。第2A図
は、10×20のマトリクス状に配置されたセンサ素子マト
リクスを示している。このセンサ素子マトリクスには、
10本の読取線と20本の制御線とが設けられている。素子
aの初期印加電圧をv0,素子bおよび読取線の初期電圧
をV0とする。読取線が非導通状態にある場合において、
素子aのトランジスタをオンすれば、素子aの電荷は読
取線に流れ込み、素子aと読取線とは等電位となる。素
子aのトランジスタをオンし、次にオフした後の素子a
および読取線の電圧をv1とすれば、 CCv0+CWV0=(CC+CW)v1 (5) が成り立つ。
次に、読取線が非導通状態にある場合において、素子b
のトランジスタをオンすれば、読取線の電荷が素子bに
流れ込み、素子bと読取線とは等電位となる。素子bの
トランジスタをオンにし、次にオフした後の素子bおよ
び読取線の電圧をV1とすれば、 CCV0+CWv1=(CC+CW)V1 (6) が成り立つ。
(5)式および(6)式から一般的に、 CCvi-1+CWVi-1=(CC+CW)vi (7) CCVi-1+CWvi=(CC+CW)Vi (8) が成り立つ。
ここで、簡単のため、素子aをオンする前の読取線の電
位が常に0であるとする。そこでVi-1=0とすると、
(7)式から、 vi={CC/(CC+CW)}iv0 (9) が得られる。また、(8)式から、 Vi={CC/(CC+CW)}iV0 +[i{CC/(CC+CW)}iCW/(CC+CW)]v0 (10) が得られる。
ここで、CC=3300P,CW=150P,vi=2.5V,V0=0とする
と、下記表のようなゴースト電圧が得られる。
以上説明したように、或る読取線を導通状態として制御
線を順に能動化する読取方式では、ゴースト電圧の影響
を無視することができない。本発明のように、制御線を
能動化した状態でその能動期間内に読取線を順次切換え
る読取方式を採用すれば、ゴースト電圧は生じない。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、或る1本の制御線を
能動化してその能動期間内に読取線を順次切換え、すべ
ての読取線の切換えが終了したとき、次の制御線を能動
化して、その能動期間内に読取線を順次切換える。この
動作を繰返すことにより、任意の圧電素子における圧力
を、他の圧電素子の干渉を受けることなく次々と測定す
ることができる。これによって、各圧電素子における圧
力を順次検出し、正確な圧力分布を知ることができる。
【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力分布センサに
おけるデータ読取方法を説明するための回路図である。
第2図はゴースト電圧が生じている場合の読取波形図で
ある。 第2A図は10×20の圧電素子が配設されたセンサ素子マト
リクスを示す図である。第2B図は第2A図における一部の
構成を示す回路図である。 第3図はこの発明の一実施例の圧電型圧力分布センサの
全体構成を示す一部切欠平面図である。第4図はこの発
明の一実施例の圧電型圧力分布センサの全体構成を示す
一部切欠側面図である。第5図はセンサ素子群の配置を
示す斜視図である。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電型圧力分布セ
ンサが組込まれた圧力分布検出装置を示す槻略ブロック
図である。第8図は従来の圧電型圧力分布センサの構成
を示す斜視図である。 図において、21a,21b,21cおよび21dはセンサ素子、22a,
22b,22cおよび22dは圧電素子、23a,23b,23cおよび23dは
電界効果トランジスタ、C1,C2は制御線、R1,R2は読取線
を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】行列状に配置されかつ力が加えられたとき
    に能動的に電荷を発生する複数個の圧電素子と、前記各
    圧電素子ごとに設けられ、かつ各圧電素子に接続された
    スイッチング手段と、前記行および列のうちの一方の方
    向に延び、前記スイッチング手段を切換えるための複数
    本の制御線と、前記行および列のうちの他方の方向に延
    び、前記圧電素子への接続が前記スイッチング手段によ
    り切換えられる複数本の読取線とを含む圧電型圧力分布
    センサにおけるデータ読取方法であって、 前記複数本の制御線を1本ずつ能動化するとともに、各
    制御線の能動期間内に前記スイッチング手段によって前
    記複数本の読取線に接続された圧電素子から順次データ
    を読取るようにした、圧電型圧力分布センサにおけるデ
    ータ読取方法。
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