JPS62297735A - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業、にの利用分野］ この発明は、圧電素子を利用した圧力センサ、特に圧力
分布を検出Ｊるためのセンサの横３告に関１６゜ ［従来の技術］ 従来より、圧力センサとしては、■シリコン半導体の抵
抗値変化または容準変化を利用したもの、■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０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間の変化として検知するもの
などが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、■シリコン１′導体を用いたものでは、
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個のレンサチツブが、数１１１１径と比較的大
きいため、多数のセン１ノーチツプを配しても正確に圧
力分布を測定することができないからである。したがっ
て、シリコン半導体を用いた圧力分布センサーは実現さ
れていない。

他方、■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、■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１殻の回復に比較的長い時間を要す
るという問題があった。さらに、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。

イれゆえに、この発明の目的は、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侵れた圧力
分布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］ この発明の圧力分布センサは、高剛性の圧電素子を利用
するものである。すなわち、未知物体との接触部に配列
された複数個の高剛性圧電素子を備え、該高剛性圧電素
子が未知物体に接触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が可能とされているものである。

高剛性圧電素子としては、たとえば圧電ヒラミックス、
あるいは圧電性単結晶などが用いられ（ｑる。

［作用］ この発明では、圧電セラミックスあるいは圧電性単結晶
のような比較的剛性の高い圧電材料によりなる圧電素子
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、イのた
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、圧力分布が検出される。

［実施例の説明］ 第１図は、この発明の一実施例の構成を示す斜視図であ
る。第１図に示す実施例では、１ａ電竹材別よりなる支
持部１（想像線で示す）−ヒに、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、
引出用電極４が側面に形成されでいる。

各圧電素子２の、他方電極は、第１図では図示されてい
ないが、支持部材１と当接する而に形成されている。

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で電気的に接続されており、この接続ライン９と
接続ライン８との間にコンデンサ１０が挿入されている
。すなわち、コンデンサ１０は、各圧電索子２に並列に
接続されている。

第１図に示した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。このどき、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
る圧電索子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【
フる圧力を検出することができ、したがって各圧電素子
２における圧力を順次検出すること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
を検出することができ、その場合各圧電素子２を順次操
作することにより、圧力分布を瞬時に知ることができる
。

なお、第１図に示した実施例では、コンデンサ１０は、
全圧電素子２と並列に挿入されていたが、各圧電素子２
のそれぞれに、コンデンサが並列に挿入されてもよい。

コンデンサ１０は、圧電素子２のみでは数〜数１０ｋＶ
の電圧で短時間に放電を完了すため、これを防止するた
めに挿入されるものだからである。したがって、第１図
の実施例では、コンデンサ１０としては、複数個の圧電
素子２全体の容量の数百〜数千倍程度の容量のものが用
いられる。

第２図は、この発明の他の実施例を説明するだめの斜視
図である。ここでは、圧電素子１２が５行５列のマトリ
クスに配置されている。特に図示はしないが、各圧電素
子１２の他端は、適宜の支持部材に固定されている。圧
電素子１２の−ｈ電極１３は、行ごとに接続ライン△に
より電気的に接続されており、また他方電極１４は、列
ごとに接続ラインＢにより電気的に接続されている。

よって、第２図に示した実施例では、５行の接続ライン
Ａ１および５列の接続ラインＢを、たとえば２Ｌ！１１
のマルチプレクサを用い、順次操作り′ることにより、
圧力分布を検出することができる。

上述のように、この発明の実施例によれば、その形状を
小さくしくｑる圧電素子２．１２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
２．１２として、高剛性の圧電月利からなるものが用い
られるので、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図および第２図に示した実施例では、圧電素
子２．１２の未知物体と接触する面には、電極３．１３
が露出していたが、これに変えて電極３．１３の表面に
シリコン薄膜等の弾性部材を取付けてもにい。

次に、この発明では、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、弾性接触篩を応用するこ
とにより、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。以下の説明では
、第３図に斜視図で示でように、球体の未知物体２１ど
接触する場合をモデルどする。

１−１ｅｒｔｚの弾性接触篩によれば、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（よ、第４図
より、接触部（第３図にお１プる円形領域Ｄ）の半ｆＭ
ａおよびＤの中心Ｏから距［ｒにおける圧ｎ＝ｎ６（７
て爾ゞ／１１　　　　　　・・・（２）なお、（２）式
において、 なお、Ｒｏは球体の半径を、Ｅ７．ν、は球体２１のヤ
ング率（縦弾性係数）およびポアソン比を示し、Ｅ２．
ν２はセンサ側のヤング率およびポアソン比を示す。

ところで、この発明の圧力分布センサによれば、（ａ、
１１．ｐＩ、）を測定することができ、また（Ｆ□。

ν２）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　＝　ｆＩ、Ｐｄ−Ａ、　　　　　　　　　　　　　
　−（４’）他方、一般の材料ではポアソン比は０−０
．３程度であり、したがって、 １〉〉シイ２，１〉〉シ、２　　　　　・・・（５）そ
れゆえに、次の式（６）および（７）が成立する。

各ｒでのｐをセンサで測定することができれば、Ｅ、お
よびＲｏが求められることがわかる。上述のように、こ
の発明の圧力分布センサによれば、ａ、Ｐおよび各「に
おけるｐが求めれるので、Ｅ、。

Ｒｏず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。

上述のようにして、この発明の圧力分布センサを用いれ
ば、未知物体の材質や曲率性を推定することも可能とな
る。

次に、第１図に示した実施例に相当の構成を用いた具体
的実験結宋にゴぎ説明づる。

第５図は、第１図に示す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
Ｃおり、また未知物体としては径１００１ＩＩｌ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３
２の上方から２０ｋｌ＋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Ｎ００１・・・９として、各行
及列に従って圧電素子の位置を水面上にプロットし、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図の結末から、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、出力電圧が高くなっていることがわかる
。

第７図は、未知物体を５０１１１１１１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２０ｋｏ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Φが、より強＜Ｎｏ、２．５．
８の圧電素子に加わつ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７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られた未知物体
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１２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３０＋ｅｎ＋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、２０ｋ（ｌ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図の場合に化べて、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リ−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。

［発明の効果］ この発明によれば、未知物体との接触部に配列された複
数個の高剛性の圧電素子を備え、この高剛性圧電素子が
未知物体に接触加圧されることにより、接触部の圧力分
布を検出することができる。

この発明では、検出素子として、高い剛性の圧電素子を
用いるため、経時的な劣化も少なく、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実現することが
できる。さらに、圧電素子が剛体であるため、弾性接触
部を応用することにより、未知物体の材質および曲率と
を精度良く推定することもできる。さらに、シリコン半
導体あるいは感圧導電ゴム等のようにセンサ側で比較的
大きな変位が生じることもなく、したがって各圧電素子
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。

この発明は、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１］ポツトの把握部に設
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ＩＲ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、この発明の一実施例を示す概略構成図である
。第２図は、この発明の他の実施例を説明するための斜
視図である。第３図および第４図は、弾性接触部を説明
するための各斜視図である。 第５図ないし第１４図は、第１図に示した実施例に相当
する構成を用いて行なった具体的実験の条件および結果
を示す各図である。 図において、２．１２は圧電素子、１０はコンデンサ、
３２は未知物体、３３は弾性部材を示す。 −＝１ 惨 植やラテ 央ρ　　Ｎ 杭やｍ−≦ 因 怖 誓 ■や一東し 区 砧く 蝉呉≦

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）未知物体との接触部に配列された複数個の高剛性
   圧電素子を備え、該高剛性圧電素子が未知物体に接触加
   圧されることにより接触部の圧力分布を検出することが
   可能とされている、圧電型圧力分布センサ。
2. （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、特許請求の範囲第１項記載の圧電型圧
   力分布センサ。
3. （３）前記圧電素子に並列にコンデンサが接続されてい
   る、特許請求の範囲１項または第２の 項記載の圧電型圧力分布センサ。
4. （４）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、特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれかに記載の圧電型圧力分布センサ。