WO2016117434A1 - Sensor module, pressing detection device - Google Patents
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Abstract
A sensor module (1) that is provided with piezoelectric elements (101-104) and with a detection circuit (10). The detection circuit (10) is provided with charge amplifiers (21-24), amplifier circuits (31-34), logarithmic amplifier circuits (41-44), and a computation unit (50). The piezoelectric elements (101-104) generate electric charge in response to pressing force. The charge amplifiers (21-24) convert electric charge to voltage. The amplifier circuits (31-34) amplify output voltage from the charge amplifiers. The logarithmic amplifier circuits (41-44) use output voltage from the amplifier circuits (31-34) as input voltage and output logarithmically amplified voltage. The computation unit (50) uses output voltage from the logarithmic amplifier circuits (41-44) to detect pressing force.
Description
本発明は、押圧力等の物理量を電荷、電圧に変換して検出するセンサモジュール、および、当該センサモジュールを備える押圧検出装置に関する。
The present invention relates to a sensor module that detects a physical quantity such as a pressing force by converting it into an electric charge and a voltage, and a press detection device including the sensor module.
現在、圧電素子等を用いて所定の物理量を検出するセンサモジュールが多く実用化されている。
Currently, many sensor modules that detect a predetermined physical quantity using a piezoelectric element or the like are put into practical use.
特許文献１のセンサ検出回路は、圧電素子、チャージアンプ、増幅回路を備える。圧電素子の出力端は、チャージアンプに接続される。チャージアンプは、圧電素子で検出した電荷量を電圧信号に変換して、増幅回路に出力する。増幅回路は、電圧信号を増幅して出力する。
The sensor detection circuit of Patent Document 1 includes a piezoelectric element, a charge amplifier, and an amplifier circuit. The output end of the piezoelectric element is connected to a charge amplifier. The charge amplifier converts the amount of charge detected by the piezoelectric element into a voltage signal and outputs the voltage signal to the amplifier circuit. The amplifier circuit amplifies and outputs the voltage signal.
しかしながら、特許文献１に記載のセンサ検出回路では、増幅回路の増幅特性によっては、検出対象である物理量に対するダイナミックレンジが不足する可能性がある。特に、圧電素子が生じる電荷によって、操作者が対象物を押圧したことを検出する場合、圧電素子の出力電荷量は、押圧力（対象物への押込量）と押圧速度とによって決定される。したがって、押圧力の大小だけでなく押圧力の加わる速度が検出レンジに影響し、押圧力の大小のみを検出する場合よりも広いダイナミックレンジを必要とする。
However, in the sensor detection circuit described in Patent Document 1, there is a possibility that the dynamic range for the physical quantity to be detected is insufficient depending on the amplification characteristics of the amplification circuit. In particular, when detecting that the operator has pressed the object by the electric charge generated by the piezoelectric element, the output charge amount of the piezoelectric element is determined by the pressing force (the amount of pressing into the object) and the pressing speed. Therefore, not only the magnitude of the pressing force but also the speed at which the pressing force is applied affects the detection range, and a wider dynamic range is required than when only the magnitude of the pressing force is detected.
したがって、本発明の目的は、広いダイナミックレンジを実現可能なセンサモジュール、および当該センサモジュールを備えた押圧検出装置を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a sensor module capable of realizing a wide dynamic range and a press detection device including the sensor module.
この発明のセンサモジュールは、圧電素子、チャージアンプ、増幅回路、対数増幅回路、および、演算部を備える。圧電素子は、押圧力に応じた電荷量を発生する。チャージアンプは、電荷量を電圧に変換する。増幅回路は、チャージアンプの出力電圧を増幅する。対数増幅回路は、増幅回路の出力電圧を入力電圧とする。演算部は、対数増幅回路の出力電圧を用いて、押圧力を検出する。
The sensor module of the present invention includes a piezoelectric element, a charge amplifier, an amplifier circuit, a logarithmic amplifier circuit, and an arithmetic unit. The piezoelectric element generates a charge amount corresponding to the pressing force. The charge amplifier converts the amount of charge into a voltage. The amplifier circuit amplifies the output voltage of the charge amplifier. The logarithmic amplifier circuit uses the output voltage of the amplifier circuit as an input voltage. The calculation unit detects the pressing force using the output voltage of the logarithmic amplifier circuit.
この構成では、押圧力に対するダイナミックレンジが広くなる。
In this configuration, the dynamic range for the pressing force is widened.
また、この発明のセンサモジュールでは、次のいずれかの構成であることが好ましい。チャージアンプは検出方向への押圧に対して負の電圧を出力し、増幅回路は反転増幅回路である。チャージアンプは検出方向の押圧に対して正の電圧を出力し、増幅回路は非反転増幅回路である。
In addition, the sensor module of the present invention preferably has one of the following configurations. The charge amplifier outputs a negative voltage with respect to the pressing in the detection direction, and the amplifier circuit is an inverting amplifier circuit. The charge amplifier outputs a positive voltage with respect to pressing in the detection direction, and the amplifier circuit is a non-inverting amplifier circuit.
これらの構成では、対数増幅回路の出力電圧の立ち上がり（立ち下がり）が、対象物が押圧される初期タイミングと同じになる。したがって、対象物が押圧されたタイミングを、確実且つ容易に検出できる。
In these configurations, the rise (fall) of the output voltage of the logarithmic amplifier circuit is the same as the initial timing when the object is pressed. Therefore, it is possible to reliably and easily detect the timing when the object is pressed.
また、この発明のセンサモジュールは次の構成であってもよい。センサモジュールは、圧電素子、チャージアンプ、対数増幅回路、および、演算部を備える。圧電素子は、押圧力に応じた電荷量を発生する。チャージアンプは、電荷量を電圧に変換する。対数増幅回路は、チャージアンプの出力電圧を入力電圧として対数増幅をする。演算部は、対数増幅回路の出力電圧を用いて、押圧力を検出する。チャージアンプは、検出方向の押圧に対して正の電圧を出力する。
Further, the sensor module of the present invention may have the following configuration. The sensor module includes a piezoelectric element, a charge amplifier, a logarithmic amplifier circuit, and a calculation unit. The piezoelectric element generates a charge amount corresponding to the pressing force. The charge amplifier converts the amount of charge into a voltage. The logarithmic amplifier circuit performs logarithmic amplification using the output voltage of the charge amplifier as an input voltage. The calculation unit detects the pressing force using the output voltage of the logarithmic amplifier circuit. The charge amplifier outputs a positive voltage with respect to pressing in the detection direction.
この構成では、反転増幅回路を必要としないので、センサモジュールをより簡素な構成で実現できる。
In this configuration, since an inverting amplifier circuit is not required, the sensor module can be realized with a simpler configuration.
また、この発明のセンサモジュールでは、対数増幅回路は温度補償用素子を備えることが好ましい。
In the sensor module of the present invention, the logarithmic amplifier circuit preferably includes a temperature compensation element.
この構成では、温度に影響されなることなく、押圧力を精確に検出することができる。
In this configuration, the pressing force can be accurately detected without being affected by the temperature.
また、この発明のセンサモジュールは、対数増幅回路に与える基準電位を用いて、前記対数増幅回路の出力電圧の較正を行う較正手段を、備えることが好ましい。
In addition, the sensor module of the present invention preferably includes calibration means for calibrating the output voltage of the logarithmic amplifier circuit using a reference potential applied to the logarithmic amplifier circuit.
この構成では、対数増幅回路で行う増幅処理に利用する基準電位を用いるので、対数増幅回路の較正を容易に行うことができる。
In this configuration, since the reference potential used for the amplification process performed in the logarithmic amplifier circuit is used, the logarithmic amplifier circuit can be easily calibrated.
また、この発明の押圧検出装置は、上述のセンサモジュールを備える。押圧検出装置は、圧電素子、チャージアンプ、対数増幅回路、および、対数増幅回路の組を複数組と、複数の圧電素子が離間して配置された検出用部材と、を備える。演算部は、対数増幅回路の出力電圧をアナログデジタル変換し、少なくとも一対の組の対数増幅回路の出力電圧の比を用いて押圧位置を検出する。
Further, the press detection device of the present invention includes the above-described sensor module. The pressure detection device includes a plurality of sets of piezoelectric elements, charge amplifiers, logarithmic amplification circuits, and logarithmic amplification circuits, and a detection member in which the plurality of piezoelectric elements are arranged apart from each other. The arithmetic unit converts the output voltage of the logarithmic amplifier circuit from analog to digital, and detects the pressed position using the ratio of the output voltages of at least one pair of logarithmic amplifier circuits.
この構成では、押圧位置と出力電圧の比の対数とが線形であることをそのまま利用できる。したがって、演算部で複雑な処理を行うことなく、簡素な演算で押圧位置を検出することができる。
In this configuration, the fact that the pressure position and the logarithm of the ratio of the output voltage are linear can be used as they are. Therefore, it is possible to detect the pressed position by simple calculation without performing complicated processing in the calculation unit.
この発明によれば、電荷によって検出される所望の物理量を広いダイナミックレンジで検出することができる。
According to the present invention, a desired physical quantity detected by electric charge can be detected with a wide dynamic range.
本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールおよび押圧検出装置について、図を参照して説明する。なお、本実施形態では、押圧力を電圧に変換して検出するセンサモジュールを例に説明するが、他の物理量を電圧に変換して検出するセンサモジュールに適用できる。特に物理量の変化によって電荷量が変化し、当該電荷量の変化を電圧に変換して検出するセンサモジュールへの適用が特に有効である。
The sensor module and the press detection device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a sensor module that detects a pressure by converting a pressure into a voltage will be described as an example. However, the present invention can be applied to a sensor module that converts another physical quantity into a voltage and detects the voltage. In particular, it is particularly effective to apply to a sensor module in which the amount of charge changes due to a change in physical quantity, and the change in charge amount is detected by converting it into a voltage.
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る押圧検出装置における圧電素子の配置を示す平面図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sensor module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing the arrangement of the piezoelectric elements in the press detection device according to the first embodiment of the present invention.
センサモジュール１は、圧電素子１０１，１０２，１０３，１０４、および、検出回路１０を備える。検出回路１０は、チャージアンプ２１，２２，２３，２４、増幅回路３１，３２，３３，３４、対数増幅回路４１，４２，４３，４４、および、演算部５０を備える。
The sensor module 1 includes piezoelectric elements 101, 102, 103, 104 and a detection circuit 10. The detection circuit 10 includes charge amplifiers 21, 22, 23, 24, amplifier circuits 31, 32, 33, 34, logarithmic amplifier circuits 41, 42, 43, 44, and a calculation unit 50.
圧電素子１０１－１０４は、押圧力に応じた電荷量を発生する。検出回路１０は、圧電素子１０１－１０４で発生した電荷量を電圧に変換して、当該電圧から押圧力および押圧位置を検出する。
Piezoelectric elements 101-104 generate a charge amount corresponding to the pressing force. The detection circuit 10 converts the amount of charge generated in the piezoelectric elements 101-104 into a voltage, and detects the pressing force and the pressing position from the voltage.
圧電素子１０１－１０４は、例えば、圧電性フィルムと、圧電性フィルムに形成された検出用導体とを備える。圧電性フィルムは、互いに対向する第１主面と第２主面を備える矩形状の平膜からなる。検出用導体は、圧電性フィルムの第１主面と第２主面に配置されている。
The piezoelectric elements 101 to 104 include, for example, a piezoelectric film and a detection conductor formed on the piezoelectric film. A piezoelectric film consists of a rectangular flat film provided with the 1st main surface and 2nd main surface which mutually oppose. The detection conductor is disposed on the first main surface and the second main surface of the piezoelectric film.
圧電性フィルムは、一軸延伸されたＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）によって形成されている。ＰＬＬＡは、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸等により分子が配向されると、圧電性を生じる。一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。なお延伸倍率は３～８倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることができる。
The piezoelectric film is made of uniaxially stretched L-type polylactic acid (PLLA). PLLA is a chiral polymer, and the main chain has a helical structure. PLLA produces piezoelectricity when molecules are oriented by uniaxial stretching or the like. The piezoelectric constant of uniaxially stretched PLLA belongs to a very high class among polymers. The draw ratio is preferably about 3 to 8 times. By performing a heat treatment after stretching, crystallization of the extended chain crystal of polylactic acid is promoted and the piezoelectric constant is improved. In addition, when biaxial stretching is performed, the same effect as uniaxial stretching can be obtained by varying the stretching ratio of each axis.
また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦやＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。
In addition, PLLA generates piezoelectricity by molecular orientation processing such as stretching, and there is no need to perform poling processing like other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics. That is, the piezoelectricity of PLLA that does not belong to ferroelectrics is not expressed by the polarization of ions like ferroelectrics such as PVDF and PZT, but is derived from a helical structure that is a characteristic structure of molecules. is there. For this reason, the pyroelectricity generated in other ferroelectric piezoelectric materials does not occur in PLLA. Further, PVDF or the like shows a change in piezoelectric constant over time, and in some cases, the piezoelectric constant may be significantly reduced, but the piezoelectric constant of PLLA is extremely stable over time.
また、ＰＬＬＡは比誘電率が約２．５と非常に低いため、ｄを圧電定数とし、εＴを誘電率とすると、圧電出力定数（＝圧電ｇ定数、ｇ＝ｄ／εＴ）が大きな値となる。
Since PLLA has a very low relative dielectric constant of about 2.5, the piezoelectric output constant (= piezoelectric g constant, g = d / ε T ) is large when d is a piezoelectric constant and ε T is a dielectric constant. Value.
ここで、誘電率ε３３
Ｔ＝１３×ε０，圧電定数ｄ３１＝２５ｐＣ／ＮのＰＶＤＦの圧電ｇ定数は、上述の式から、ｇ３１＝０．２１７２Ｖｍ／Ｎとなる。一方、圧電定数ｄ１４＝１０ｐＣ／ＮであるＰＬＬＡの圧電ｇ定数をｇ３１に換算して求めると、ｄ１４＝２×ｄ３１であるので、ｄ３１＝５ｐＣ／Ｎとなり、圧電ｇ定数は、ｇ３１＝０．２２５８Ｖｍ／Ｎとなる。したがって、圧電定数ｄ１４＝１０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡで、ＰＶＤＦと同様の押し込み量の検出感度を十分に得ることができる。そして、本願発明の発明者らは、ｄ１４＝１５～２０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡを実験的に得ており、当該ＰＬＬＡを用いることで、さらに非常に高感度に押圧力を検出することが可能になる。
Here, the piezoelectric g constant of PVDF having a dielectric constant ε 33 T = 13 × ε 0 and a piezoelectric constant d 31 = 25 pC / N is g 31 = 0.2172 Vm / N from the above formula. On the other hand, when the piezoelectric g constant of PLLA having a piezoelectric constant d 14 = 10 pC / N is converted into g 31 , d 14 = 2 × d 31 , so that d 31 = 5 pC / N, and the piezoelectric g constant is , G 31 = 0.2258 Vm / N. Therefore, with the PLLA having the piezoelectric constant d 14 = 10 pC / N, it is possible to sufficiently obtain the indentation detection sensitivity similar to that of PVDF. The inventors of the present invention experimentally obtained PLLA with d 14 = 15 to 20 pC / N, and by using the PLLA, it is possible to detect the pressing force with extremely high sensitivity. Become.
検出用導体は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ポリチオフェンを主成分とする有機電極、ポリアニリンを主成分とする有機電極、銀ナノワイヤ電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い電極を形成できる。尚、透明性が必要とされない場合には銀ペーストにより形成された電極や、蒸着やスパッタ、あるいはメッキなどにより形成された金属系の電極を用いることもできる。
The detection conductor is preferably an organic electrode composed mainly of ITO, ZnO or polythiophene, an organic electrode composed mainly of polyaniline, or a silver nanowire electrode. By using these materials, an electrode with high translucency can be formed. When transparency is not required, an electrode formed of silver paste, or a metal electrode formed by vapor deposition, sputtering, plating, or the like can be used.
図２に示すように、圧電素子１０１－１０４は、圧電素子１０１－１０４は、検出用部材１１０に貼り付けられている。より具体的には、検出用部材１１０は、所定の剛性を有する平板である。検出用部材１１０の表面が押圧検出面である。圧電素子１０１－１０４は、長尺形状である。圧電素子１０１－１０４の圧電フィルムをＰＬＬＡで形成する場合、一軸延伸方向は、長尺方向に対して略４５°であることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the piezoelectric elements 101-104 are affixed to the detection member 110. More specifically, the detection member 110 is a flat plate having a predetermined rigidity. The surface of the detection member 110 is a pressure detection surface. The piezoelectric elements 101-104 have a long shape. When the piezoelectric film of the piezoelectric elements 101-104 is formed of PLLA, the uniaxial stretching direction is preferably about 45 ° with respect to the longitudinal direction.
圧電素子１０１－１０４は、検出用部材１１０を平面視した外周に沿って配置されている。圧電素子１０１は、検出用部材１１０を平面視した一辺に沿って、この一辺の近傍に配置されている。圧電素子１０２は、検出用部材１１０における圧電素子１０１が配置された辺と平行で対向する辺に沿って、この辺の近傍に配置されている。圧電素子１０１，１０２の長尺方向は、これらの圧電素子１０１，１０２の配列方向（図２におけるＹ軸方向）に対して直交している。
Piezoelectric elements 101-104 are arranged along the outer periphery of the detection member 110 in plan view. The piezoelectric element 101 is disposed in the vicinity of one side along one side of the detection member 110 in plan view. The piezoelectric element 102 is arranged in the vicinity of this side along a side parallel to and opposite to the side where the piezoelectric element 101 of the detection member 110 is arranged. The longitudinal direction of the piezoelectric elements 101 and 102 is orthogonal to the arrangement direction of these piezoelectric elements 101 and 102 (Y-axis direction in FIG. 2).
圧電素子１０３は、検出用部材１１０を平面視して、圧電素子１０１，１０２が配置される辺に直交する一辺に沿って、この一辺の近傍に配置されている。圧電素子１０４は、検出用部材１１０における圧電素子１０３が配置された辺と平行で対向する辺に沿って、この辺の近傍に配置されている。圧電素子１０３，１０４の長尺方向は、これらの圧電素子１０３，１０４の配列方向（Ｘ軸方向）に対して直交している。
The piezoelectric element 103 is arranged in the vicinity of this side along one side orthogonal to the side where the piezoelectric elements 101 and 102 are arranged in plan view of the detection member 110. The piezoelectric element 104 is disposed in the vicinity of this side along a side parallel to and opposite to the side where the piezoelectric element 103 of the detection member 110 is disposed. The longitudinal direction of the piezoelectric elements 103 and 104 is orthogonal to the arrangement direction (X-axis direction) of these piezoelectric elements 103 and 104.
検出用部材１１０の表面（押圧検出面）が押圧されると、圧電素子１０１－１０４の圧電性フィルムに電荷が発生する。この電荷量は、押圧力、押圧速度、および押圧位置に依存する。この電荷は、それぞれの圧電素子１０１－１０４の検出用導体を介して検出回路１０のチャージアンプ２１－２４でそれぞれ電圧に変換される。
When the surface (press detection surface) of the detection member 110 is pressed, an electric charge is generated in the piezoelectric film of the piezoelectric elements 101-104. This amount of charge depends on the pressing force, the pressing speed, and the pressing position. This electric charge is converted into a voltage by the charge amplifier 21-24 of the detection circuit 10 via the detection conductor of each piezoelectric element 101-104.
図３は、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールのチャージアンプの回路図である。チャージアンプ２１－２４は同じ回路構成である。したがって、チャージアンプ２１を例に説明する。
FIG. 3 is a circuit diagram of the charge amplifier of the sensor module according to the first embodiment of the present invention. The charge amplifiers 21-24 have the same circuit configuration. Therefore, the charge amplifier 21 will be described as an example.
チャージアンプ２１は、オペアンプＵ２１、抵抗Ｒ２１、コンデンサＣ２１を備える。オペアンプＵ２１の反転入力端子は圧電素子１０１の一方の検出用導体に接続されている。なお、圧電素子１０１の他方の検出用導体は、グランド電位等、一定の電位に接続されている。
The charge amplifier 21 includes an operational amplifier U21, a resistor R21, and a capacitor C21. The inverting input terminal of the operational amplifier U21 is connected to one detection conductor of the piezoelectric element 101. The other detection conductor of the piezoelectric element 101 is connected to a constant potential such as a ground potential.
オペアンプＵ２１の非反転入力端子は、基準電位ＶＳＴＤに接続されている。なお、以下の（式１）から（式６）の中の電圧値は、すべて基準電位ＶＳＴＤに対する相対電圧を表している。オペアンプＵ２１の出力端子は、抵抗Ｒ２１およびコンデンサＣ２１の並列回路を介して、オペアンプＵ２１の反転入力端子に接続されている（フィードバック接続されている）。この際、圧電素子１０１からオペアンプＵ２１を視たインピーダンスは、抵抗Ｒ２１およびコンデンサＣ２１によって構成されるフィードバック回路のインピーダンスと比較して十分に小さい。
The non-inverting input terminal of the operational amplifier U21 is connected to the reference potential V STD . Note that the voltage values in the following (Expression 1) to (Expression 6) all represent relative voltages with respect to the reference potential V STD . The output terminal of the operational amplifier U21 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U21 via a parallel circuit of a resistor R21 and a capacitor C21 (feedback connected). At this time, the impedance when the operational amplifier U21 is viewed from the piezoelectric element 101 is sufficiently smaller than the impedance of the feedback circuit including the resistor R21 and the capacitor C21.
このような構成によって、チャージアンプ２１は、圧電素子１０１で発生する電荷量ＱＣ２１を電圧Ｖｏｕｔ２１に変換する。チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は、次の式で得られる。次式におけるＣは、コンデンサＣ２１のキャパシタンスであり、次式におけるＲは抵抗Ｒ２１の純抵抗である。また、Ｑは、圧電素子１０１で発生した電荷量ＱＣ２１を示す。また、電荷量Ｑの変化の周波数をｆとする。
With such a configuration, the charge amplifier 21 converts the amount of charge QC21 generated in the piezoelectric element 101 into the voltage Vout21. The output voltage Vout21 of the charge amplifier 21 is obtained by the following equation. C in the following equation is the capacitance of the capacitor C21, and R in the following equation is the pure resistance of the resistor R21. Q represents the amount of charge QC21 generated in the piezoelectric element 101. Further, the frequency of change of the charge amount Q is assumed to be f.
Ｖｏｕｔ２１＝－Ｑ／Ｃ ［ｆ≫１／（２πＣＲ）］ －（式１）
Ｖｏｕｔ２１＝－Ｒ（ｄＱ／ｄｔ） ［ｆ≪１／（２πＣＲ）］ －（式２）
一般に、操作者が検出用部材１１０を押して、圧電素子１０１から発生する電荷の周波数は、一桁から二桁程度の低周波数である。したがって、本実施形態に係るセンサモジュール１の利用状況では、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は（式２）に基づいて決定される。すなわち、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は、電荷量の時間微分に比例する。また、押圧力と電荷量とは線形の関係である。 Vout21 = −Q / C [f >> 1 / (2πCR)] − (Formula 1)
Vout21 = −R (dQ / dt) [f << 1 / (2πCR)] − (Formula 2)
In general, the frequency of the electric charge generated from thepiezoelectric element 101 when the operator pushes the detection member 110 is a low frequency of about one to two digits. Therefore, in the usage situation of the sensor module 1 according to the present embodiment, the output voltage Vout21 of the charge amplifier 21 is determined based on (Expression 2). That is, the output voltage Vout21 of the charge amplifier 21 is proportional to the time differentiation of the charge amount. Further, the pressing force and the charge amount have a linear relationship.
Ｖｏｕｔ２１＝－Ｒ（ｄＱ／ｄｔ） ［ｆ≪１／（２πＣＲ）］ －（式２）
一般に、操作者が検出用部材１１０を押して、圧電素子１０１から発生する電荷の周波数は、一桁から二桁程度の低周波数である。したがって、本実施形態に係るセンサモジュール１の利用状況では、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は（式２）に基づいて決定される。すなわち、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は、電荷量の時間微分に比例する。また、押圧力と電荷量とは線形の関係である。 Vout21 = −Q / C [f >> 1 / (2πCR)] − (Formula 1)
Vout21 = −R (dQ / dt) [f << 1 / (2πCR)] − (Formula 2)
In general, the frequency of the electric charge generated from the
したがって、押圧力を検出する場合、出力電圧の時間変化を継続的に取得する必要がある。また、（式２）に示すように、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は、電荷量の変化速度に比例するため、出力電圧Ｖｏｕｔ２１は、操作者の押圧動作に依存し、その検出には広いダイナミックレンジが必要である。
Therefore, when detecting the pressing force, it is necessary to continuously obtain the time change of the output voltage. Further, as shown in (Equation 2), since the output voltage Vout21 of the charge amplifier 21 is proportional to the change rate of the charge amount, the output voltage Vout21 depends on the pressing operation of the operator, and a wide dynamic is used for the detection. A range is needed.
なお、コンデンサＣ２１のキャパシタンス、抵抗Ｒ２１の純抵抗を大きくすれば、（式１）に基づいて押圧力を検出できるが、回路動作が緩慢になり、起動後の安定化まで時間が掛かってしまう。したがって、（式２）によって出力電圧Ｖｏｕｔ２１が得られる領域でチャージアンプ２１を利用する方が、センサモジュール１としての検出感度や出力の安定性の観点から好ましい。
It should be noted that if the capacitance of the capacitor C21 and the pure resistance of the resistor R21 are increased, the pressing force can be detected based on (Equation 1), but the circuit operation becomes slow, and it takes time to stabilize after startup. Therefore, it is preferable to use the charge amplifier 21 in a region where the output voltage Vout21 is obtained by (Equation 2) from the viewpoint of detection sensitivity and output stability as the sensor module 1.
チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１は増幅回路３１に入力される。チャージアンプ２２の出力電圧Ｖｏｕｔ２２は増幅回路３２に入力される。チャージアンプ２３の出力電圧Ｖｏｕｔ２３は増幅回路３３に入力される。チャージアンプ２４の出力電圧Ｖｏｕｔ２４は増幅回路３４に入力される。
The output voltage Vout21 of the charge amplifier 21 is input to the amplifier circuit 31. The output voltage Vout22 of the charge amplifier 22 is input to the amplifier circuit 32. The output voltage Vout23 of the charge amplifier 23 is input to the amplifier circuit 33. The output voltage Vout24 of the charge amplifier 24 is input to the amplifier circuit 34.
増幅回路３１，３２，３３，３４は、反転増幅回路である。図４は、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの増幅回路の回路図である。増幅回路３１－３４は同じ回路構成である。したがって、増幅回路３１を例に説明する。
The amplifier circuits 31, 32, 33, and 34 are inverting amplifier circuits. FIG. 4 is a circuit diagram of the amplifier circuit of the sensor module according to the first embodiment of the present invention. The amplifier circuits 31-34 have the same circuit configuration. Therefore, the amplifier circuit 31 will be described as an example.
増幅回路３１は、オペアンプＵ３１、抵抗Ｒ３１１，Ｒ３１２を備える。オペアンプＵ３１の反転入力端子には、抵抗Ｒ３１１が接続されている。抵抗Ｒ３１１は、チャージアンプ２１の出力端子に接続されている。オペアンプＵ３１の非反転入力端子は、基準電位ＶＳＴＤに接続されている。オペアンプＵ３１の出力端子は、抵抗Ｒ３１２を介してオペアンプＵ３１の反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒ３１１の純抵抗と抵抗Ｒ３１２の純抵抗の比（Ｒ３１２／Ｒ３１１）によって、増幅率が設定される。
The amplifier circuit 31 includes an operational amplifier U31 and resistors R311 and R312. A resistor R311 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U31. The resistor R311 is connected to the output terminal of the charge amplifier 21. The non-inverting input terminal of the operational amplifier U31 is connected to the reference potential V STD . The output terminal of the operational amplifier U31 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U31 via a resistor R312. The amplification factor is set by the ratio (R312 / R311) of the pure resistance of the resistor R311 and the pure resistance of the resistor R312.
増幅回路３１は、入力電圧Ｖｉｎ３１（チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２１）を増幅して、出力電圧Ｖｏｕｔ３１を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ３１の極性は、入力電圧Ｖｉｎ３１の極性に対して反転している。
The amplifier circuit 31 amplifies the input voltage Vin31 (the output voltage Vout21 of the charge amplifier 21) and outputs the output voltage Vout31. The polarity of the output voltage Vout31 is inverted with respect to the polarity of the input voltage Vin31.
すなわち、増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３１は、入力電圧Ｖｉｎ３１として、
Ｖｏｕｔ３１＝－（Ｒ３１２／Ｒ３１１）Ｖｉｎ３１ －（式３）
となる。 That is, the output voltage Vout31 of theamplifier circuit 31 is the input voltage Vin31.
Vout31 = − (R312 / R311) Vin31− (Formula 3)
It becomes.
Ｖｏｕｔ３１＝－（Ｒ３１２／Ｒ３１１）Ｖｉｎ３１ －（式３）
となる。 That is, the output voltage Vout31 of the
Vout31 = − (R312 / R311) Vin31− (Formula 3)
It becomes.
増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３１は対数増幅回路４１に入力される。増幅回路３２の出力電圧Ｖｏｕｔ３２は対数増幅回路４２に入力される。増幅回路３３の出力電圧Ｖｏｕｔ３３は対数増幅回路４３に入力される。増幅回路３４の出力電圧Ｖｏｕｔ３４は対数増幅回路４４に入力される。
The output voltage Vout31 of the amplifier circuit 31 is input to the logarithmic amplifier circuit 41. The output voltage Vout32 of the amplifier circuit 32 is input to the logarithmic amplifier circuit. The output voltage Vout33 of the amplifier circuit 33 is input to the logarithmic amplifier circuit 43. The output voltage Vout34 of the amplifier circuit 34 is input to the logarithmic amplifier circuit 44.
図５は、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの対数増幅回路の回路図である。対数増幅回路４１－４４は同じ回路構成である。したがって、対数増幅回路４１を例に説明する。
FIG. 5 is a circuit diagram of a logarithmic amplifier circuit of the sensor module according to the first embodiment of the present invention. The logarithmic amplifier circuits 41-44 have the same circuit configuration. Therefore, the logarithmic amplifier circuit 41 will be described as an example.
対数増幅回路４１は、オペアンプＵ４１，Ｕ４２、トランジスタＱ４１，Ｑ４２、抵抗Ｒ４１１，Ｒ４１２，Ｒ４１２，Ｒ４１４，Ｒ４１５、および、コンデンサＣ４１，Ｃ４２を備える。
The logarithmic amplifier circuit 41 includes operational amplifiers U41 and U42, transistors Q41 and Q42, resistors R411, R412, R412, R414, and R415, and capacitors C41 and C42.
オペアンプＵ４１の反転入力端子は、抵抗Ｒ４１１に接続されている。抵抗Ｒ４１１は、増幅回路３１の出力端子に接続されている。したがって、増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３１は、対数増幅回路４１の入力電圧Ｖｉｎ４１である。
The inverting input terminal of the operational amplifier U41 is connected to the resistor R411. The resistor R411 is connected to the output terminal of the amplifier circuit 31. Therefore, the output voltage Vout31 of the amplifier circuit 31 is the input voltage Vin41 of the logarithmic amplifier circuit 41.
オペアンプＵ４１の非反転入力端子は、基準電位ＶＳＴＤに接続されている。オペアンプＵ４１の出力端子は、抵抗Ｒ４１５を介してトランジスタＱ４２のベースに接続されている。オペアンプＵ４１の出力端子は、コンデンサＣ４１を介して、オペアンプＵ４１の反転入力端子に接続されている。
The non-inverting input terminal of the operational amplifier U41 is connected to the reference potential V STD . The output terminal of the operational amplifier U41 is connected to the base of the transistor Q42 via a resistor R415. The output terminal of the operational amplifier U41 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U41 via the capacitor C41.
オペアンプＵ４２の反転入力端子は、抵抗Ｒ４１２に接続されている。抵抗Ｒ４１２は、リファレンス電位ＶＲＥＦに接続されている。オペアンプＵ４２の非反転入力端子は、基準電位ＶＳＴＤに接続されている。なお、リファレンス電位ＶＲＥＦを駆動電圧ＶＤＤとすることによって、リファレンス電位ＶＲＥＦ用に新たな電圧発生用回路を追加しなくても、簡便にリファレンス電位ＶＲＥＦを得ることができる。
The inverting input terminal of the operational amplifier U42 is connected to the resistor R412. Resistor R412 is connected to the reference potential V REF. The non-inverting input terminal of the operational amplifier U42 is connected to the reference potential V STD . Incidentally, by the reference potential V REF and the driving voltage V DD, even without adding new voltage generating circuit for the reference potential V REF, it can be easily obtained reference potential V REF.
オペアンプＵ４２の出力端子は、コンデンサＣ４２を介して、オペアンプＵ４２の入力端子に接続されている。オペアンプＵ４２は、抵抗Ｒ４１３を介して、トランジスタＱ４１のエミッタとトランジスタＱ４２のエミッタとの接続点に接続されている。
The output terminal of the operational amplifier U42 is connected to the input terminal of the operational amplifier U42 via the capacitor C42. The operational amplifier U42 is connected to a connection point between the emitter of the transistor Q41 and the emitter of the transistor Q42 via a resistor R413.
トランジスタＱ４１のコレクタは、オペアンプＵ４１の反転入力端子に接続されている。トランジスタＱ４２のコレクタは、オペアンプＵ４２の反転入力端子に接続されている。
The collector of the transistor Q41 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U41. The collector of the transistor Q42 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U42.
トランジスタＱ４１のベースは、基準電位に接続されている。トランジスタＱ４２のベースは、抵抗Ｒ４１４を介して基準電位に接続されている。
The base of the transistor Q41 is connected to the reference potential. The base of the transistor Q42 is connected to the reference potential via the resistor R414.
オペアンプＵ４１の出力端子の電圧は、対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４１である。
The voltage at the output terminal of the operational amplifier U41 is the output voltage Vout41 of the logarithmic amplifier circuit 41.
対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４１は、入力電圧Ｖｉｎ４１として、
Ｖｏｕｔ４１＝－（ｎｋＴ（Ｒ４１５＋Ｒ４１４）／（ｑ・Ｒ４１４））・ｌｏｇ１０（Ｒ４１２・Ｖｉｎ４１／Ｒ４１１・ＶＲＥＦ） －（式４）
となる。なお、ｎはエミッション係数、ｋはボルツマン定数、ｑは電子の電荷量である。 The output voltage Vout41 of thelogarithmic amplifier circuit 41 is set as the input voltage Vin41.
Vout41 = − (nkT (R415 + R414) / (q · R414)) · log 10 (R412 · Vin41 / R411 · V REF ) − (Formula 4)
It becomes. Note that n is an emission coefficient, k is a Boltzmann constant, and q is an electron charge amount.
Ｖｏｕｔ４１＝－（ｎｋＴ（Ｒ４１５＋Ｒ４１４）／（ｑ・Ｒ４１４））・ｌｏｇ１０（Ｒ４１２・Ｖｉｎ４１／Ｒ４１１・ＶＲＥＦ） －（式４）
となる。なお、ｎはエミッション係数、ｋはボルツマン定数、ｑは電子の電荷量である。 The output voltage Vout41 of the
Vout41 = − (nkT (R415 + R414) / (q · R414)) · log 10 (R412 · Vin41 / R411 · V REF ) − (Formula 4)
It becomes. Note that n is an emission coefficient, k is a Boltzmann constant, and q is an electron charge amount.
このような構成からなるセンサモジュール１０では、検出用部材１１０が押圧されると、センサモジュール１０の各部で図６に示す電荷量の波形、電圧波形が得られる。図６は、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの各部の波形を示す図である。
In the sensor module 10 having such a configuration, when the detection member 110 is pressed, the charge amount waveform and voltage waveform shown in FIG. 6 are obtained at each part of the sensor module 10. FIG. 6 is a diagram illustrating waveforms of each part of the sensor module according to the first embodiment of the present invention.
押圧力が生じると、チャージアンプ２１に入力される電荷量が正の値となる。電荷量の変化は、押圧力の変化と同じである。例えば、押圧力が生じて増加すると、電荷量も増加する。押圧力が一定であれば、電荷量も変化せず一定である。押圧力が低下すると、電荷量が低下する。
When a pressing force is generated, the amount of charge input to the charge amplifier 21 becomes a positive value. The change in the charge amount is the same as the change in the pressing force. For example, when a pressing force is generated and increased, the amount of charge also increases. If the pressing force is constant, the charge amount does not change and is constant. When the pressing force decreases, the charge amount decreases.
電荷量が増加すると、増加量および増加速度に応じて、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２が基準電位ＶＳＴＤから低下する。チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２の低下量は、電荷量に依存し、ひいては、押圧力に依存する。チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２は、押圧力が一定になるのにしたがって、基準電位ＶＳＴＤに戻る。
When the charge amount increases, the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 decreases from the reference potential V STD according to the increase amount and the increase speed. The amount of decrease in the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 depends on the amount of charge, and in turn depends on the pressing force. The output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 returns to the reference potential V STD as the pressing force becomes constant.
一方。電荷量が低下すると、低下量および低下速度に応じて、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２が基準電位ＶＳＴＤから上昇する。チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２は、検出用部材１１０への押圧力が開放されるのにしたがって、基準電位ＶＳＴＤに戻る。
on the other hand. When the charge amount decreases, the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 increases from the reference potential V STD according to the decrease amount and the decrease rate. The output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 returns to the reference potential V STD as the pressing force to the detection member 110 is released.
増幅回路３１は、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２を増幅して、極性を反転させる。したがって、電荷量が増加する期間では、増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３は、基準電位ＶＳＴＤから上昇する。増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３の増加量の絶対値は、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２の低下量の絶対値よりも大きい。電荷量が低下する期間では、増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３は、基準電位ＶＳＴＤから低下する。増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３の低下量の絶対値は、チャージアンプ２１の出力電圧Ｖｏｕｔ２の増加量の絶対値よりも大きい。
The amplifier circuit 31 amplifies the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21 and inverts the polarity. Therefore, a period in which the charge amount is increased, the output voltage Vout3 of the amplifier circuit 31 rises from the reference potential V STD. The absolute value of the increase amount of the output voltage Vout3 of the amplifier circuit 31 is larger than the absolute value of the decrease amount of the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21. A period in which the amount of electric charge decreases, the output voltage Vout3 of the amplifier circuit 31 is reduced from the reference potential V STD. The absolute value of the decrease amount of the output voltage Vout3 of the amplifier circuit 31 is larger than the absolute value of the increase amount of the output voltage Vout2 of the charge amplifier 21.
対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４は、検出用部材１１０に押圧力が加わっていない状態では、駆動電圧ＶＤＤと略同じである。駆動電圧ＶＤＤは、対数増幅回路４１を構成するオペアンプＵ４１，Ｕ４２に印加する駆動用の電圧である。
The output voltage Vout4 of the logarithmic amplifier circuit 41 is substantially the same as the drive voltage V DD when no pressing force is applied to the detection member 110. The drive voltage V DD is a drive voltage applied to the operational amplifiers U41 and U42 constituting the logarithmic amplifier circuit 41.
対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４は、増幅回路３１の出力電圧Ｖｏｕｔ３の増加にしたがって、駆動電圧ＶＤＤから基準電圧ＶＳＴＤ近くまで低下する。対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４は、押圧力の変化がなくなると駆動電圧ＶＤＤに向かって上昇し、押圧力が低下すると駆動電圧ＶＤＤとなる。
The output voltage Vout4 of the logarithmic amplifier circuit 41 decreases from the drive voltage V DD to near the reference voltage V STD as the output voltage Vout3 of the amplifier circuit 31 increases. Output voltage Vout4 the logarithmic amplification circuit 41, the change in the pressing force disappears and rises toward the driving voltage V DD, the pressing force decreases as the driving voltage V DD.
演算部５０は、対数増幅回路４１、４２，４３，４４の出力電圧をデジタルサンプリングして、各圧電素子１０１－１０４に対する検出値として取得する。演算部５０は、検出値の大きさに基づいて押圧力を算出する。
The calculation unit 50 digitally samples the output voltages of the logarithmic amplifier circuits 41, 42, 43, and 44, and obtains them as detection values for the piezoelectric elements 101-104. The computing unit 50 calculates the pressing force based on the detected value.
このような構成とすることによって、検出用部材１１０への操作者の押圧の有無と押圧力とを検出することができる。そして、各圧電素子１０１－１０４の出力電圧に対して対数増幅が行われているので、押圧力の検出に対するダイナミックレンジを広くすることができる。
With such a configuration, it is possible to detect whether or not the operator has pressed the detection member 110 and the pressing force. Since the logarithmic amplification is performed on the output voltage of each piezoelectric element 101-104, the dynamic range for detecting the pressing force can be widened.
また、本実施形態の構成を用いることによって、押圧力が加わっていない状態から押圧力が加わるタイミングを検出することができる。これにより、押圧操作に応じて殆どタイムラグ無しで押圧があったことを検出することができる。
Further, by using the configuration of the present embodiment, it is possible to detect the timing at which the pressing force is applied from the state where the pressing force is not applied. Thereby, it can be detected that there is a press with almost no time lag in accordance with the press operation.
なお、本実施形態では、増幅回路（反転増幅回路）を１段備える態様を示したが、複数段備える態様としてもよい。この場合、複数段の各段には、反転増幅回路も非反転増幅回路のいずれも含まれていてよいが、必ず反転転増幅回路は奇数段含まれているようにする。一方、非反転増幅回路の段数は制限がなく、非反転増幅回路は含まれていなくてもよい。以上により、複数段からなる増幅回路全体としては、反転増幅するようにする。
In the present embodiment, an aspect in which an amplifier circuit (an inverting amplifier circuit) is provided in one stage is shown, but an aspect in which a plurality of stages are provided may be employed. In this case, each of the plurality of stages may include both an inverting amplifier circuit and a non-inverting amplifier circuit, but an inverting / inverting amplifier circuit is necessarily included in an odd number. On the other hand, the number of stages of the non-inverting amplifier circuit is not limited, and the non-inverting amplifier circuit may not be included. As described above, the amplification circuit composed of a plurality of stages is inverted and amplified.
また、本実施形態の対数増幅回路４１における抵抗Ｒ４１５をサーミスタとすることによって、温度補償を行うことができる。これにより、対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４１の温度依存性を抑圧することができる。したがって、配置環境に影響されることなく、押圧の有無および押圧力を検出することができる。
Further, temperature compensation can be performed by using the resistor R415 in the logarithmic amplifier circuit 41 of the present embodiment as a thermistor. Thereby, the temperature dependence of the output voltage Vout41 of the logarithmic amplifier circuit 41 can be suppressed. Therefore, the presence / absence of the pressing force and the pressing force can be detected without being affected by the arrangement environment.
さらに、本実施形態の構成を用いることによって、押圧位置を検出することができる。
Furthermore, the pressed position can be detected by using the configuration of the present embodiment.
図７は、本発明の第１の実施形態に係る押圧検出装置における押圧位置と出力電圧比との関係を示すグラフである。図７において、縦軸は、圧電素子１０１の出力電荷量に応じた電圧Ｖ１０１と、圧電素子１０２の出力電荷量に応じた電圧Ｖ１０２との比の常用対数（底を１０とする対数）を示す。横軸は、検出用部材１１０のＹ軸方向の中心からの距離を示す。Ｙ軸の値が正になるのは、図２におけるＹ軸方向の中心から圧電素子１０１側である。Ｙ軸の値が負となるのは、図２におけるＹ軸方向の中心から圧電素子１０２側である。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the pressing position and the output voltage ratio in the pressing detection device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 7, the vertical axis represents a common logarithm (logarithm with a base of 10) of the ratio of the voltage V101 according to the output charge amount of the piezoelectric element 101 and the voltage V102 according to the output charge amount of the piezoelectric element 102. . The horizontal axis indicates the distance from the center of the detection member 110 in the Y-axis direction. The value of the Y axis becomes positive on the piezoelectric element 101 side from the center in the Y axis direction in FIG. The value of the Y axis is negative on the piezoelectric element 102 side from the center in the Y axis direction in FIG.
図７に示すように、Ｙ軸方向に沿った所定の領域では、Ｙ軸方向に沿った位置と、電圧Ｖ１０１と電圧Ｖ１０２との比の常用対数とは線形である。
As shown in FIG. 7, in a predetermined region along the Y-axis direction, the position along the Y-axis direction and the common logarithm of the ratio between the voltage V101 and the voltage V102 are linear.
ここで、演算部５０では、対数増幅回路４１の出力電圧Ｖｏｕｔ４１と、対数増幅回路４２の出力電圧Ｖｏｕｔ４２が入力される。出力電圧Ｖｏｕｔ４１は、電圧Ｖ１０１の常用対数に比例し、出力電圧Ｖｏｕｔ４２は、電圧Ｖ１０２の常用対数に比例する。したがって、演算部５０は、出力電圧Ｖｏｕｔ４１と出力電圧Ｖｏｕｔ４２との差（Ｖｏｕｔ４１－Ｖｏｕｔ４２）を算出することで、電圧Ｖ１０１と電圧Ｖ１０２との比の常用対数と線形の関係にある値を得ることができる。電圧Ｖ１０１と電圧Ｖ１０２との比の常用対数とＹ軸の位置は線形であるので、演算部５０は、出力電圧Ｖｏｕｔ４１と出力電圧Ｖｏｕｔ４２との差（Ｖｏｕｔ４１－Ｖｏｕｔ４２）を算出することで、検出用部材１１０におけるＹ軸の位置を検出することができる。
Here, in the calculation unit 50, the output voltage Vout41 of the logarithmic amplifier circuit 41 and the output voltage Vout42 of the logarithmic amplifier circuit 42 are input. The output voltage Vout41 is proportional to the common logarithm of the voltage V101, and the output voltage Vout42 is proportional to the common logarithm of the voltage V102. Therefore, the calculation unit 50 calculates a difference (Vout41−Vout42) between the output voltage Vout41 and the output voltage Vout42, thereby obtaining a value having a linear relationship with the common logarithm of the ratio between the voltage V101 and the voltage V102. it can. Since the common logarithm of the ratio between the voltage V101 and the voltage V102 and the Y-axis position are linear, the calculation unit 50 calculates the difference (Vout41−Vout42) between the output voltage Vout41 and the output voltage Vout42. The position of the Y axis in the member 110 can be detected.
なお、演算部５０は、対数増幅回路４３の出力電圧Ｖｏｕｔ４３と対数増幅回路４４の出力電圧Ｖｏｕｔ４４との差（Ｖｏｕｔ４３－Ｖｏｕｔ４４）を算出することによって、Ｙ軸方向の位置と同様に、Ｘ軸方向の位置を算出することができる。
Note that the arithmetic unit 50 calculates the difference (Vout43−Vout44) between the output voltage Vout43 of the logarithmic amplifier circuit 43 and the output voltage Vout44 of the logarithmic amplifier circuit 44, so that the X-axis direction is the same as the Y-axis direction position. Can be calculated.
このように、本実施形態の構成を用いることによって、押圧位置を検出することができる。この際、演算部５０は、対数増幅回路４１－４４の出力電圧の差分演算を行えばよい。したがって、簡素な演算によって押圧位置を検出することができる。
Thus, the pressed position can be detected by using the configuration of this embodiment. At this time, the calculation unit 50 may perform a difference calculation of the output voltages of the logarithmic amplifier circuits 41-44. Therefore, the pressed position can be detected by a simple calculation.
次に、本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールおよび押圧検出装置について、図を参照して説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールのチャージアンプの回路図である。
Next, a sensor module and a pressure detection device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a circuit diagram of the charge amplifier of the sensor module according to the second embodiment of the present invention.
チャージアンプ２１Ａは、非反転入力端子が圧電素子１０１に接続されている。非反転入力端子は、コンデンサＣ２１Ａと抵抗Ｒ２１Ａの並列回路を介して、基準電位ＶＳＴＤに接続されている。出力端子は、反転入力端子に接続されている。
The charge amplifier 21A has a non-inverting input terminal connected to the piezoelectric element 101. The non-inverting input terminal is connected to the reference potential V STD through a parallel circuit of a capacitor C21A and a resistor R21A. The output terminal is connected to the inverting input terminal.
このチャージアンプでは、
Ｖｏｕｔ２１＝Ｑ／Ｃ ［ｆ］ －（式５）
Ｖｏｕｔ２１＝Ｒ（ｄＱ／ｄｔ） ［ｆ≪１／（２πＣＲ）］ －（式６）
となり、（式５）と（式６）は、それぞれ（式１）と（式２）に対して右辺の符号が逆となる。したがって、この構成によって、チャージアンプ２１Ａは、圧電素子１０１に対する押圧によって正の出力電圧Ｖｏｕｔ２１Ａを出力する。 In this charge amplifier
Vout21 = Q / C [f] − (Formula 5)
Vout21 = R (dQ / dt) [f << 1 / (2πCR)] − (Formula 6)
(Equation 5) and (Equation 6) have opposite signs on the right side of (Equation 1) and (Equation 2), respectively. Therefore, with this configuration, thecharge amplifier 21A outputs a positive output voltage Vout21A when pressed against the piezoelectric element 101.
Ｖｏｕｔ２１＝Ｑ／Ｃ ［ｆ］ －（式５）
Ｖｏｕｔ２１＝Ｒ（ｄＱ／ｄｔ） ［ｆ≪１／（２πＣＲ）］ －（式６）
となり、（式５）と（式６）は、それぞれ（式１）と（式２）に対して右辺の符号が逆となる。したがって、この構成によって、チャージアンプ２１Ａは、圧電素子１０１に対する押圧によって正の出力電圧Ｖｏｕｔ２１Ａを出力する。 In this charge amplifier
Vout21 = Q / C [f] − (Formula 5)
Vout21 = R (dQ / dt) [f << 1 / (2πCR)] − (Formula 6)
(Equation 5) and (Equation 6) have opposite signs on the right side of (Equation 1) and (Equation 2), respectively. Therefore, with this configuration, the
この場合、チャージアンプと対数増幅回路との間の増幅回路は、非反転増幅回路を用いる。この際、増幅回路は複数段備える態様としてもよい。この複数段の各段において、反転増幅回路と非反転増幅回路のいずれを用いてもよいが、この複数段に含まれている反転増幅回路は偶数段であるか、含まないかのいずれかとする。一方、非反転増幅回路の段数は制限がなく、非反転増幅回路は含まれていなくてもよい。以上により、複数段からなる増幅回路全体としては、非反転増幅するようにする。
In this case, a non-inverting amplifier circuit is used as the amplifier circuit between the charge amplifier and the logarithmic amplifier circuit. At this time, the amplifier circuit may have a plurality of stages. In each of the plurality of stages, either an inverting amplifier circuit or a non-inverting amplifier circuit may be used, but the inverting amplifier circuit included in the plurality of stages is either an even stage or not included. . On the other hand, the number of stages of the non-inverting amplifier circuit is not limited, and the non-inverting amplifier circuit may not be included. As described above, the amplification circuit composed of a plurality of stages is non-inverted and amplified.
このような構成であっても、第１の実施形態と同様に、ダイナミックレンジが広いセンサモジュールを実現できる。また、押圧の有無、押圧力、および押圧位置を精確に検出できる押圧検出装置を実現できる。
Even with such a configuration, a sensor module with a wide dynamic range can be realized as in the first embodiment. Further, it is possible to realize a press detection device that can accurately detect the presence / absence of the press, the pressing force, and the pressing position.
次に、本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールおよび押圧検出装置について、図を参照して説明する。図９は、本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールの一部を示すブロック図である。
Next, a sensor module and a press detection device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a block diagram showing a part of a sensor module according to the third embodiment of the present invention.
本実施形形態に係るセンサモジュールは、１つの圧電素子に対する増幅回路と対数増幅回路との間にスイッチ回路を備えた点で、第１の実施形態に係るセンサモジュールと異なる。他の圧電素子に対する回路は同じである。
The sensor module according to this embodiment is different from the sensor module according to the first embodiment in that a switch circuit is provided between an amplifier circuit and a logarithmic amplifier circuit for one piezoelectric element. The circuit for the other piezoelectric elements is the same.
増幅回路３１の出力端子と対数増幅回路４１の入力端子との間には、スイッチ回路６０が接続されている。スイッチ回路６０は、対数増幅回路４１の入力端子を、増幅回路３１の出力端子または対数増幅回路４１に与えるリファレンス電位ＶＲＥＦに選択的に接続している。演算部５０は、押圧力を検出する場合、対数増幅回路４１の入力端子を増幅回路３１の出力端子に接続する。さらに、対数増幅回路４１の抵抗Ｒ４１１と抵抗Ｒ４１２には同じ抵抗値の抵抗器を使用する。演算部５０は、較正を行う場合、スイッチ回路６０を制御して、対数増幅回路４１の入力端子をリファレンス電位ＶＲＥＦに接続する。このように接続された場合（式４）のＶｉｎ４１＝ＶＲＥＦとなる。Ｖｉｎ４１=ＶＲＥＦとＲ４１１＝Ｒ４１２を（式４）に代入するとＶｏｕｔ４１＝０となる。前述の通り、（式４）中の電圧値はすべて基準電位ＶＳＴＤに対する相対値であるので、Ｖｏｕｔ４１＝０はＶｏｕｔ４１の電圧と基準電位ＶＳＴＤが等しいことを意味する。Ｖｏｕｔ４１が基準電位ＶＳＴＤに等しくなることにより演算部で基準電位ＶＳＴＤの較正が可能となる。
A switch circuit 60 is connected between the output terminal of the amplifier circuit 31 and the input terminal of the logarithmic amplifier circuit 41. The switch circuit 60 selectively connects the input terminal of the logarithmic amplifier circuit 41 to the output terminal of the amplifier circuit 31 or the reference potential VREF applied to the logarithmic amplifier circuit 41. When detecting the pressing force, the arithmetic unit 50 connects the input terminal of the logarithmic amplifier circuit 41 to the output terminal of the amplifier circuit 31. Further, resistors having the same resistance value are used as the resistors R411 and R412 of the logarithmic amplifier circuit 41. When performing calibration, the arithmetic unit 50 controls the switch circuit 60 to connect the input terminal of the logarithmic amplifier circuit 41 to the reference potential V REF . If such connected to the Vin41 = V REF (Equation 4). Substituting Vin41 = V REF and R41 1 = R412 in (Equation 4) becomes Vout41 = 0. As described above, since the voltage values in (Equation 4) are all relative to the reference potential V STD , Vout41 = 0 means that the voltage of Vout41 is equal to the reference potential V STD . Vout41 becomes possible calibration of the reference potential V STD in the calculating portion by is equal to the reference potential V STD.
このような較正を行うことによって、グランド電位でない基準電位ＶＳＴＤのばらつきを較正することができる。したがって、押圧力および押圧位置を高精度に検出することができる。なお、グランド電位を基準電位とすることでばらつきは解消されるが、負電圧を発生しなければならず、回路が煩雑化してしまう。したがって、本実施形態の構成を用いることによって、回路を簡素化しながら、押圧力および押圧位置を高精度に検出することができる。
By performing such calibration, it is possible to calibrate variations in the reference potential V STD that is not the ground potential. Therefore, the pressing force and the pressing position can be detected with high accuracy. Although the variation is eliminated by setting the ground potential as the reference potential, a negative voltage must be generated, and the circuit becomes complicated. Therefore, by using the configuration of the present embodiment, it is possible to detect the pressing force and the pressing position with high accuracy while simplifying the circuit.
なお、この較正を行うために、増幅回路の１つをレール・ツー・レール（Ｒａｉｌ ｔｏ Ｒａｉｌ）オペアンプにしてもよい。レール・ツー・レール（Ｒａｉｌ ｔｏ Ｒａｉｌ）オペアンプを用いて、当該オペアンプの最大出力電圧を発生させることによって、対数増幅回路に駆動電圧ＶＤＤを入力させることができる。この場合、対数増幅回路４１のリファレンス電位ＶＲＥＦを駆動電位ＶＤＤとしておけば、前記と同様に、基準電位ＶＳＴＤのばらつきを較正することができる。なお、最大出力電圧の発生方法としては、例えば、圧電素子に対して大きな押圧力を加えて、この時の出力電圧を記憶しておけばよい。
In order to perform this calibration, one of the amplifier circuits may be a rail-to-rail operational amplifier. By using a rail-to-rail operational amplifier and generating the maximum output voltage of the operational amplifier, the drive voltage V DD can be input to the logarithmic amplifier circuit. In this case, if the reference potential V REF of the logarithmic amplifier circuit 41 is set as the drive potential V DD , the variation in the reference potential V STD can be calibrated as described above. As a method for generating the maximum output voltage, for example, a large pressing force may be applied to the piezoelectric element, and the output voltage at this time may be stored.
なお、上述の各実施形態では、増幅回路３１をオペアンプによって構成する態様を示したが、トランジスタと抵抗との組み合わせによって増幅回路を構成してもよい。図１０は、本発明の実施形態に係るセンサモジュールの他の態様からなる増幅回路の回路図である。
In the above-described embodiments, the amplifier circuit 31 is configured by an operational amplifier. However, the amplifier circuit may be configured by a combination of a transistor and a resistor. FIG. 10 is a circuit diagram of an amplifier circuit according to another aspect of the sensor module according to the embodiment of the present invention.
図１０に示すように、増幅回路３１Ａは、ｎｐｎ型のトランジスタＱ３１Ａ、抵抗Ｒ３１１Ａ，Ｒ３１２Ａ，Ｒ３１３Ａ，Ｒ３１４Ａ、および、コンデンサＣ３１１Ａ，Ｃ３１２Ａを備える。トランジスタＱ３１Ａのベースには、コンデンサＣ１１Ａを介して、入力電圧Ｖｉｎ３１Ａが印加される。トランジスタＱ３１Ａのベースは、抵抗Ｒ３１１Ａを介して駆動電位ＶＤＤに接続されており、抵抗Ｒ３１２Ａを介して基準電位ＶＳＴＤに接続されている。トランジスタＱ３１Ａのエミッタは、抵抗Ｒ３１４Ａを介して基準電位ＶＳＴＤに接続されている。トランジスタＱ３１Ａのコレクタは、抵抗Ｒ３１３Ａを介して駆動電圧電位ＶＤＤに接続されている。トランジスタＱ３１Ａのコレクタは、キャパシタ３１２Ａを介して後段に接続される。すなわち、トランジスタＱ３１Ａのコレクタ電位が出力電圧Ｖｏｕｔ３１Ａとなる。
As shown in FIG. 10, the amplifier circuit 31A includes an npn transistor Q31A, resistors R311A, R312A, R313A, R314A, and capacitors C311A, C312A. The input voltage Vin31A is applied to the base of the transistor Q31A via the capacitor C11A. The base of the transistor Q31A is connected to the drive potential V DD via the resistor R311A, and is connected to the reference potential V STD via the resistor R312A. The emitter of the transistor Q31A is connected to the reference potential V STD via the resistor R314A. The collector of the transistor Q31A is connected to the drive voltage potential V DD via the resistor R313A. The collector of transistor Q31A is connected to the subsequent stage via capacitor 312A. That is, the collector potential of the transistor Q31A becomes the output voltage Vout31A.
このような構成とすることによって、出力電圧Ｖｏｕｔ３１Ａは、次式で表すことができる。なお、次式において、Ｇは正の実数である。
With this configuration, the output voltage Vout31A can be expressed by the following equation. In the following equation, G is a positive real number.
Ｖｏｕｔ３１Ａ＝－Ｇ・Ｖｉｎ３１Ａ －（式７）
このように、図１０の回路構成を用いても反転増幅回路を形成することができる。 Vout31A = −G · Vin31A − (Formula 7)
Thus, an inverting amplifier circuit can be formed even using the circuit configuration of FIG.
このように、図１０の回路構成を用いても反転増幅回路を形成することができる。 Vout31A = −G · Vin31A − (Formula 7)
Thus, an inverting amplifier circuit can be formed even using the circuit configuration of FIG.
また、上述の各構成において、チャージアンプからの出力電圧が押圧検出に対して十分な高さを有している場合、増幅回路の増幅率は１以下（等倍や減衰）でもよく、チャージアンプからの出力電圧が検出方向の押圧に対して正の電圧を出力する場合には、増幅回路を省略してもよい。
In each of the above-described configurations, when the output voltage from the charge amplifier has a sufficiently high level for pressing detection, the amplification factor of the amplifier circuit may be 1 or less (equal magnification or attenuation). The amplifier circuit may be omitted when the output voltage from is a positive voltage with respect to the pressing in the detection direction.
１：センサモジュール
１０：検出回路
２１，２２，２３，２４：チャージアンプ
３１，３２，３３，３４，３１Ａ：増幅回路
４１，４２，４３，４４：対数増幅回路
５０：演算部
６０：スイッチ回路
１０１，１０２，１０３，１０４：圧電素子
１１０：検出用部材
Ｃ２１，Ｃ２１Ａ，Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ３１２Ａ，Ｃ３１２Ｂ：コンデンサ
Ｒ２１，Ｒ２１Ａ，Ｒ３１１，Ｒ３１２，Ｒ３１１Ａ，Ｒ３１２Ａ，Ｒ３１３Ａ，Ｒ３１４Ａ，Ｒ４１１，Ｒ４１２，Ｒ４１３，Ｒ４１４：抵抗
Ｒ４１５：抵抗（サーミスタ）
Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ３１Ａ：トランジスタ
Ｕ２１，Ｕ３１，Ｕ４１，Ｕ４２：オペアンプ 1: sensor module 10: detection circuits 21, 22, 23, 24: charge amplifiers 31, 32, 33, 34, 31A: amplifier circuits 41, 42, 43, 44: logarithmic amplifier circuit 50: arithmetic unit 60: switch circuit 101 , 102, 103, 104: Piezoelectric element 110: Detection members C21, C21A, C41, C42, C312A, C312B: Capacitors R21, R21A, R311, R312, R311A, R312A, R313A, R314A, R411, R412, R413, R414 : Resistance R415: Resistance (thermistor)
Q21, Q22, Q31A: transistors U21, U31, U41, U42: operational amplifiers
１０：検出回路
２１，２２，２３，２４：チャージアンプ
３１，３２，３３，３４，３１Ａ：増幅回路
４１，４２，４３，４４：対数増幅回路
５０：演算部
６０：スイッチ回路
１０１，１０２，１０３，１０４：圧電素子
１１０：検出用部材
Ｃ２１，Ｃ２１Ａ，Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ３１２Ａ，Ｃ３１２Ｂ：コンデンサ
Ｒ２１，Ｒ２１Ａ，Ｒ３１１，Ｒ３１２，Ｒ３１１Ａ，Ｒ３１２Ａ，Ｒ３１３Ａ，Ｒ３１４Ａ，Ｒ４１１，Ｒ４１２，Ｒ４１３，Ｒ４１４：抵抗
Ｒ４１５：抵抗（サーミスタ）
Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ３１Ａ：トランジスタ
Ｕ２１，Ｕ３１，Ｕ４１，Ｕ４２：オペアンプ 1: sensor module 10:
Q21, Q22, Q31A: transistors U21, U31, U41, U42: operational amplifiers
Claims (7)
- 押圧力に応じた電荷量を発生する圧電素子と、
前記電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力電圧を入力電圧とする対数増幅回路と、
前記対数増幅回路の出力電圧を用いて、前記押圧力を検出する演算部と、
を備える、センサモジュール。 A piezoelectric element that generates a charge amount corresponding to the pressing force;
A charge amplifier that converts the amount of charge into a voltage;
An amplifier circuit for amplifying the output voltage of the charge amplifier;
A logarithmic amplifier circuit using the output voltage of the amplifier circuit as an input voltage;
An arithmetic unit that detects the pressing force using an output voltage of the logarithmic amplifier circuit;
A sensor module. - 前記チャージアンプは、検出方向への押圧に対して負の電圧を出力し、
前記増幅回路は、反転増幅をする、
請求項１に記載のセンサモジュール。 The charge amplifier outputs a negative voltage with respect to pressing in the detection direction,
The amplifier circuit performs inverting amplification.
The sensor module according to claim 1. - 前記チャージアンプは、検出方向の押圧に対して正の電圧を出力し、
前記増幅回路は、非反転増幅をする、
請求項１に記載のセンサモジュール。 The charge amplifier outputs a positive voltage with respect to pressing in the detection direction,
The amplifier circuit performs non-inverting amplification.
The sensor module according to claim 1. - 押圧力に応じた電荷量を発生する圧電素子と、
前記電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、
前記チャージアンプの出力電圧を入力電圧とする対数増幅回路と、
前記対数増幅回路の出力電圧を用いて、前記押圧力を検出する演算部と、
を備え、
前記チャージアンプは、検出方向の押圧に対して正の電圧を出力する、センサモジュール。 A piezoelectric element that generates a charge amount corresponding to the pressing force;
A charge amplifier that converts the amount of charge into a voltage;
A logarithmic amplifier circuit using the output voltage of the charge amplifier as an input voltage;
An arithmetic unit that detects the pressing force using an output voltage of the logarithmic amplifier circuit;
With
The charge amplifier is a sensor module that outputs a positive voltage with respect to pressing in a detection direction. - 前記対数増幅回路は、温度補償用素子を備える、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセンサモジュール。 The logarithmic amplifier circuit includes a temperature compensation element.
The sensor module according to claim 1. - 前記対数増幅回路に与えるリファレンス電位を用いて、前記対数増幅回路の出力電圧の較正を行う較正手段を、備える、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサモジュール。 Calibration means for calibrating the output voltage of the logarithmic amplifier circuit using a reference potential applied to the logarithmic amplifier circuit;
The sensor module according to claim 1. - 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセンサモジュールを備え、
前記圧電素子、前記チャージアンプ、前記対数増幅回路、および、前記対数増幅回路の組を複数組と、
複数の圧電素子が離間して配置された検出用部材を備え、
前記演算部は、
前記対数増幅回路の出力電圧をアナログデジタル変換し、少なくとも一対の組の前記対数増幅回路の出力電圧の比を用いて押圧位置を検出する、
押圧検出装置。 A sensor module according to any one of claims 1 to 6,
A plurality of sets of the piezoelectric element, the charge amplifier, the logarithmic amplifier circuit, and the logarithmic amplifier circuit;
A detection member in which a plurality of piezoelectric elements are arranged apart from each other;
The computing unit is
The output voltage of the logarithmic amplifier circuit is converted from analog to digital, and the pressed position is detected using the ratio of the output voltages of at least a pair of the logarithmic amplifier circuits.
Press detection device.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16740041 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2016570591 Country of ref document: JP Kind code of ref document: A |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16740041 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |