JP4820817B2 - 圧力分布検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力分布検出装置に関し、特に、ループ電極線間の距離は固定した検出装置における電磁結合による信号を用いて、加わる圧力分布を検出する圧力分布検出装置に関する。

薄いシート状のもので圧力分布を検出するための装置は種々開発され、これらは例えば感圧ゴムを用いるものや静電結合を用いるもの、電磁結合を用いるもの等、様々な方式が存在する。例えば感圧ゴムを用いた圧力分布検出装置としては、特開昭５７−１００３３１号公報が挙げられる。これは、例えば自動車のシートの性能評価試験を行う場合に、シート状に感圧ゴムシートからなる圧力検出装置を敷いて圧力分布を測定するものである。また、同様の用途に使用されるもので静電結合を用いるものとしては、例えば特開昭６２−２２６０３０号公報が挙げられる。これもシート状のセンサを用いて圧力分布を測定するものである。

さらに、電磁結合を用いる感圧センサとしては、実公昭６２−３１８６５号公報に開示のものがある。また、本願出願人による特願２００３−３９８２９９も、電磁結合を用いる圧力検出装置を開示するものである。これらの電磁結合を用いるセンサは、コイル間の距離の変化による信号の変化を検出するものである。

特開昭５７−１００３３１号公報 特開昭６２−２２６０３０号公報 実公昭６２−３１８６５号公報

しかしながら、感圧ゴムや静電結合を用いた圧力検出装置は、比較的インピーダンスが高いのでノイズに弱く、センサを大型化することが難しかった。自動車のシート性能評価用程度の大きさであれば影響は少ないが、例えば店舗のフロア全面に圧力分布検出装置を敷き詰めて来店者の動きを調査したり、防犯用に用いたりする場合、ノイズの影響を大きく受けてしまうため圧力分布を測定することは困難であった。

また、電磁結合を用いた圧力検出装置では、電極自身の固さが微小な圧力を検出する際の障害となり、正確な圧力検出が難しかった。さらに、測定する圧力が電極自身にそのまま加わるため、使用するにしたがって電極や配線の断線が起こることもあった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、検出領域を広くしてもノイズの影響が少なく、長期間使用しても電極の断線等が起こらないような圧力分布検出装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による圧力分布検出装置は、第１面内に複数平行に配置される第１ループ電極線群と、第１面上で第１面に平行で第１面との距離が固定される第２面内に第１ループ電極線群と直交する方向に複数平行に配置される第２ループ電極線群と、第２面上に設けられる弾性体と、各第１ループ電極線と各第２ループ電極線の少なくとも交点上に、弾性体を介して移動可能に設けられる導電性物質と、第１ループ電極線群及び第２ループ電極線群の一方を駆動し、他方から電磁結合による信号を検出する制御部と、を具備するものである。

ここで、導電性物質は、各第１ループ電極線と各第２ループ電極線のそれぞれの交点上に、それぞれ設けられれば良い。

また、導電性物質が四角形状、丸形状又はリング形状の何れかであれば良い。

さらに、導電性物質は、第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のうちの検出側のループ電極線群の各ループ電極線に沿ってそれぞれ短冊状に設けられても良い。

また、制御部には、駆動側に発振器と出力インピーダンスが略∞である定電流駆動アンプを用いれば良い。

またさらに、定電流駆動アンプが１つ又は２つ以上提供され、第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のうちの駆動側のループ電極線群の１つ又は２つ以上のループ電極線に接続されるようにしても良い。

また、制御部には、検出側に入力インピーダンスが略０である電流アンプを用いれば良い。

さらにまた、電流アンプが１つ又は２つ以上提供され、第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のうちの検出側のループ電極線群の１つ又は２つ以上のループ電極線に接続されるようにしても良い。

ここで、弾性体は、シリコンスポンジシートを用いれば良い。

さらに、第１面下及び／又は導電性物質上に磁気シールド材を設けることも可能である。

また、制御部が接続されるループ電極線以外の各電極線は開放されれば良い。

さらに、制御部を１つ又は２つ以上のループ電極線に順次接続するためのスイッチ手段を有すれば良い。

また、制御部は、２つ以上のループ電極線を異なる波形で駆動するようにしても良い。

ここで、制御部は、検出された各波形を分離するための複数のフィルタ回路を有するようにすれば良い。

さらに、第１面及び第２面を、湾曲面に構成することも可能である。

また、弾性体及び導電性物質が透過性を有し、さらに、第２ループ電極線群と弾性体との間に、表示装置を有する構成にしても良い。

本発明の圧力分布検出装置には、ノイズの影響を受けにくいため検出領域を広くすることが可能であるという利点がある。また、電極自体は固定され可動しないため耐久性も高い。また、可動する導電性物質に配線は不要なため構造がシンプルで製造も容易である。さらに、平面だけでなく種々の形状の圧力分布検出装置を実現可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例の圧力分布検出装置を説明するための模式的な上面図と駆動回路及び検出回路のブロック図である。また、図２は、図１の圧力分布検出装置の一点鎖線Ａ−Ａ間の模式的な側断面図である。図２から分かるように、センサ部は、上下に第１ループ電極線１と第２ループ電極線２を所定の間隔を開けてそれぞれ複数配置し、その上に弾性体３が設けられる。より具体的には、第１ループ電極線１は、１つの面内に平行に複数配置され、第２ループ電極線２は、第１ループ電極線１とは異なる面であって第１ループ電極線が配置される面と平行な面内に平行に複数配置される。この第１ループ電極線１と第２ループ電極線２との間は所定の間隔を開けられ固定されている。なお、図１から分かるとおり、第１ループ電極線１と第２ループ電極線２とは直交する方向に配置され、マトリックス状に重なるように構成される。また、各ループ電極線の一端は接地されている。なお、弾性体３は、例えばシリコンスポンジシート等が利用可能であるが、これに限定されず、絶縁性を有する弾性部材であれば種々のものが利用可能である。そして、弾性体３の上に、導電性物質４が設けられている。図１から分かるとおり、導電性物質４は、第１ループ電極線１と第２ループ電極線２のそれぞれの交点上にそれぞれ設けられている。なお、導電性物質４は、アルミ箔や銅箔等、導電性を有するものであれば種々利用可能である。また、この導電性物質４は、金属箔をホットスタンピング法や導電性インクで印刷すること等により弾性体３上に形成すれば良い。

なお、圧力分布検出の分解能はループ電極線の設置密度に依存するため、分解能を高くしたい場合にはループ電極線の設置密度を高め、少なくとも電極線の交点上に導電性物質を設ければ良い。これは、エッチング等の技術による微細加工により容易に実現可能である。

そして、このセンサ部は、制御部に接続される。制御部は、駆動回路や検出回路、ＭＰＵ等からなる。第１ループ電極線１には駆動回路が接続され、第２ループ電極線２には検出回路が接続されている。駆動回路は、例えば発振器１２と定電流駆動アンプ５とからなり、スイッチ部６により第１ループ電極線１を駆動回路に順次接続してループ電極線１を駆動させる。検出回路は、例えば電流アンプ７と同期検波部８とＡＤ変換部９とからなり、スイッチ部１０により第２ループ電極線２に順次接続される。なお、本明細書中では、第１ループ電極線１を駆動側、第２ループ電極線２を検出側として説明するが、本発明はこれに限定されず、逆に第１ループ電極線１を検出側、第２ループ電極線２を駆動側としても勿論構わない。

また、スイッチ部６，１０には、これを制御するためのＭＰＵ１１が接続される。ＭＰＵ１１はまた、検出回路により検出された信号を受けて圧力測定等の処理を行う。

各ループ電極線の一端はスイッチ部６又は１０を介して駆動回路又は検出回路に接続され、他端は接地される。駆動回路又は検出回路に接続されていないループ電極線は開放された状態となり、他のループ電極線へ影響を及ぼさないようにしている。なお、スイッチ部６又は１０は、マルチプレクサ等により構成されれば良い。このようにして各ループ電極線に順次接続するようにしている。

また、駆動回路の定電流駆動アンプ５は、その出力インピーダンスを略∞の高インピーダンスにすることが望ましい。さらに、検出回路の電流アンプ７は、入力インピーダンスが略０であり、電流アンプの入力の一方は接地し、他方に第２ループ電極線２からの出力を直接入力すると共に、ここに帰還抵抗を接続する構成とする。電流アンプ７で増幅された電流は、同期検波部８に入力される。同期検波部８には、発振器１２からの出力も接続される。そして、同期検波部８において、発振器１２からの出力と電磁結合による信号の同期を取って、ＡＤ変換部９でデジタル信号に変換され、ＭＰＵ１１に入力されて圧力分布検出に必要な処理が行われる。

通常、直交するループ電極線間は、結合の度合いが非常に弱いため、第１ループ電極線１を駆動させても第２ループ電極線２にはほとんど電流は流れない。しかしながら、本願発明の圧力分布検出装置においては、導電性物質４を直交する部分に設けたため、導電性物質４に渦電流が流れ、励磁する方向に垂直の方向にも磁界が発生するので交差するループ電極線間に結合が生じ、第２ループ電極線２に電流が流れるようになる。この結合の度合いは、導電性物質４と第２ループ電極線２との間の距離により変化するため、圧力分布検出部に加重を与えると、導電性物質４の移動距離に応じた変化量を電流値で検出することが可能となる。このように、対向する各ループ電極線間の距離は変わらないがループ電極線間の結合の大きさが、その交点の近傍に設けられた導電性物質の移動により変化するので、その変化量によって圧力分布検出部にかかる圧力を検出する処理を行うものである。

このように構成された圧力分布検出装置において、圧力を測定する手順を以下に説明する。まず、第１ループ電極線１の１つにスイッチ部６により定電流駆動アンプ５を接続する。一方、第２ループ電極線２は、それぞれ順番にスイッチ部１０により電流アンプ７と接続される。すべての第２ループ電極線２を順番に電流アンプ７に接続し終わったら、スイッチ部６により接続する定電流駆動アンプ５を、接続されていた第１ループ電極線１の隣のループ電極線に切り替える。そして、再度第２ループ電極線２が順番に接続される。これらを繰り返すことで、すべてのループ電極線を順番に駆動回路又は検出回路に接続する。

第１ループ電極線１に交流電流が加えられると、導電性物質４に渦電流が流れ、励磁する方向に垂直の方向にも磁界が発生し、第２ループ電極線２にはそれを打ち消す方向に電流が流れる。この誘導電流は、第２ループ電極線２と導電性物質４との間の距離によって変化する。圧力分布検出面に圧力がかかると、弾性体３が導電性物質４と第２ループ電極線２との間にあるため、導電性物質４は第２ループ電極線２側に押し下げられる。これにより電磁結合の大きさが変化するため、第２ループ電極線２からの電流が変化する。この変化をマトリックス状に配置されたループ電極線から検出することで、どの部分のループ電極線の電磁結合による信号が変化したのかを測定することが可能となる。

なお、図２に示す導電性物質４の形状は正方形であるが、本発明はこれに限定されず、渦電流を発生させるものであれば、円形やリング形状等、種々の形状が適用可能である。

また、周囲の影響やノイズの除去、検出電圧を高めたりする目的等で、第１ループ電極線１の第２ループ電極線２側とは反対の面側に、磁気シールド材を設けても良い。また、磁気シールド材は、導電性物質４の弾性体３側とは反対の面側に設けるようにしても良い。なお、磁気シールド材は、珪素鋼板やパーマロイ板等を利用可能である。

上記のような構成により、本発明の圧力分布検出装置は、可動部に薄膜等からなる導電性物質を利用するため、その重量の影響等を受けないので微小な圧力を高い精度で検出できる。さらに、ループ電極線自体は固定されているため、電極線に対するストレスが軽減され、断線やショート等による故障率を低くすることが可能となる。また、導電性物質に生じる渦電流によって、励磁の方向に垂直な方向に磁界が発生し、導電性物質の距離の変化が検出側ループ電極線で大きな誘導電流の変化として捉えることが可能となるため、ノイズに強く、高精度に圧力を検出可能となる。さらに、可動部においては配線が不要となり、またループ電極線も渦巻状等ではなく直線的な配線で良いため、製造するのが容易であり非常に安価に作成可能となる。さらにまた、検出側のループ電極線のインピーダンスが低いためにノイズに強く、非常に大きな検出面を作成することも可能となる。

さらに、本発明の圧力分布検出装置は、感度が非常に高い。すなわち、駆動側の第１ループ電極線１と導電性物質４との間の電磁結合をＭ１とし、導電性物質４と検出側の第２ループ電極線２との間の電磁結合をＭ２とすると、第１ループ電極線１と第２ループ電極線２との間の電磁結合はＭ１×Ｍ２となる。Ｍ１とＭ２は、各ループ電極線と導電性物質との間の距離の変化にしたがって変化するので、検出側の第２ループ電極線２で検出できる誘導電流の変化は距離の変化の２乗となって現れる。このように、本発明の圧力分布検出装置は、導電性物質の移動の変化を非常に高い感度で検出することが可能となる。

第１実施例の圧力分布検出装置においては、圧力検出点数が多く、ループ電極線を一本一本切り替える方法では、検出面内のすべての分布を測定するには時間がかかってしまう。しかも、測定回路は測定時間が長いほど精度が上がるため、より多くの時間が必要になる。

そこで、この測定時にかかる時間を減らし高速化を狙った装置を以下に説明する。本発明の第２実施例の圧力分布検出装置を、図３を用いて説明する。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図２に示す第１実施例と同様である。なお、図２の例では導電性物質４の形状は正方形としたが、本実施例ではリング形状のものを示した。しかしながら、上述のとおり本発明はこれに限定されず、正方形でも円形でも構わない。但し、抵抗値が低いほうが渦電流が高くなるため、その意味では正方形のほうが好ましい。

本実施例では、出力インピーダンスが略∞の定電流駆動アンプ５を用いて、スイッチ部６で選択した１つの第１ループ電極線１を駆動する。そうすると、検出側の第２ループ電極線２に流れる電流の干渉を受けなくなるため、複数の第２ループ電極線２にインピーダンスが略０の電流アンプ７を接続していても互いに干渉しない。したがって、検出側の第２ループ電極線２には、電流アンプ７を複数同時に接続することができるため、複数同時に検出が可能となる。電流アンプ７は、各第２ループ電極線２にそれぞれ接続した場合が最も高速化が可能であるが、本発明はこれに限定されず、第２ループ電極線２よりも少ない数、例えば図示例のように電流アンプ７を第２ループ電極線２の半分の数用いて、複数同時に検出するようにしても良い。

また、駆動側の第１ループ電極線１を異なる波形で駆動することも可能である。第１ループ電極線１を駆動する定電流駆動アンプ５に出力インピーダンスが略∞のものを用いることで、検出側の第２ループ電極線２に入力インピーダンスが略０の電流アンプ７を接続しても、その第２ループ電極線２が交差する第１ループ電極線１のそれぞれへの干渉は無視することができる。したがって、駆動側の第１ループ電極線１には定電流駆動アンプ５を複数同時に接続することができるため、複数同時に駆動が可能となる。定電流駆動アンプ５は、各第１ループ電極線１にそれぞれ接続した場合が最も高速化が可能であるが、本発明はこれに限定されず、第１ループ電極線１よりも少ない数、例えば図示例のように定電流駆動アンプ５を第１ループ電極線の半分の数用いて、複数同時に駆動するようにしても良い。

図３に示した実施例では、駆動側も複数同時に駆動し、検出側も複数同時に検出するような例を示したが、本発明はこれに限定されず、駆動側のみ複数同時に駆動する例であっても良いし、検出側のみ複数同時に検出する例であっても良い。いずれの場合であっても、高速化が可能である。

複数のループ電極線を駆動する場合には、どのループ電極線上に圧力が加わったかを検出できるように、複数同時に駆動するループ電極線を、それぞれ異なる波形の発振器１２で駆動するようにする。検出側では、各々の対応する波形のみを分離可能なフィルタ１５で分離して検出するようにする。ここで、異なる波形とは、それぞれの駆動周波数を変えて異ならせても良いし、変調やスペクトラム拡散等、各駆動ループ電極線が識別できるようなものであれば如何なるものであっても良い。

上述の発振器やフィルタは、それぞれアナログ回路で実現しても良いし、Ａ／ＤコンバータとＤ／Ａコンバータを有するＤＳＰ等を用いて、デジタル回路で実現することも勿論可能である。

このように、本発明の圧力分布検出装置では、複数同時駆動や複数同時検出ができるため、非常に高速に圧力分布を検出可能となる。したがって、例えば飛び跳ねて着地する際の足の荷重分布の変化等も高速に検出可能となる。

次に、図４を用いて本発明の圧力分布検出装置の第３実施例を説明する。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。これまでの実施例では、導電性物質４を第１ループ電極線１と第２ループ電極線２の各交点上にそれぞれ設けた例を説明したが、本実施例は、検出側の第２ループ電極線２上に沿って導電性物質４を短冊状に設けたものである。導電性物質４を検出側の第２ループ電極線２上に沿って設けることで、短冊の幅のところで、交差する駆動側の第１ループ電極線１からの誘導電流が発生する。誘導電流は、磁界を打ち消す方向、すなわち駆動側の第１ループ電極線１の電流と逆方向の電流となるが、短冊状になっているのでそれが渦電流となり、一方検出側の第２ループ電極線２にはその渦電流を打ち消すような方向に電流が生じる。したがって、上述の実施例と同様に、本実施例においても導電性物質４の加圧による移動変化を電流で検出することが可能となる。

このように導電性物質を構成すると、交点上に正確に位置合わせをして設ける必要がなくなるため、製造が容易になる。また、導電性物質の横方向の位置ずれを気にする必要がなくなるため、圧力分布検出面自体を湾曲させても良くなる。図５は、第３実施例において説明した短冊上の導電性物質を形成した圧力分布検出装置を、例えばポリイミド等からなるフレキシブル基板上に形成して湾曲させて構成した場合の、図４の一点鎖線Ａ−Ａ間の断面図である。このように湾曲させても、導電性物質４の交点上での位置ずれの影響が無視できる。したがって、例えばケーブル等の皮膜に本発明の圧力分布検出装置を適用すれば、ケーブルが踏まれて無理な圧力が加わったこと等を検出可能であるため、ケーブルの切断事故等を事前に防止することができ、また切断してしまった場合でもどこが切断してしまったのかを容易に検出することが可能となる。

さらに、図６を用いて本発明の第４実施例を説明する。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。第４実施例は、本発明の圧力分布検出装置を、表示機能付きタッチパネルに応用したものである。本実施例では、弾性体３及び導電性物質４を、透過性を有する材料で作成する。そして、ループ電極線の層と弾性体との間に、表示装置２０を設けたものである。なお、表示装置２０には、タブレットＰＣ用ＬＣＤ等、薄型であり且つ電磁誘導を妨害しないように考慮されたＬＣＤ等が利用可能である。本発明の圧力分布検出装置は、可動部分である導電性物質４に配線が不要なため、表示装置２０の表示面上に容易に弾性体３と導電性物質４を形成可能である。これにより、圧力分布を検出できる表示機能付きタッチパネルが実現可能である。また、表示装置として有機ＥＬ等を用いたフレキシブルディスプレイを適用すれば、図５のように湾曲させることも勿論可能である。

なお、本発明の圧力分布検出装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

図１は、本発明の第１実施例の圧力分布検出装置を説明するための模式的な上面図である。 図２は、図１の圧力分布検出装置の模式的な側断面図である。 図３は、本発明の第２実施例の圧力分布検出装置を説明するための模式的な上面図である。 図４は、本発明の第３実施例の圧力分布検出装置を説明するための模式的な上面図である。 図５は、図４の圧力分布検出装置を湾曲させた場合の模式的な側断面図である。 図６は、本発明の第４実施例の圧力分布検出装置を説明するための模式的な断面図である。

符号の説明

１ 第１ループ電極線
２ 第２ループ電極線
３ 弾性体
４ 導電性物質
５ 定電流駆動アンプ
６ スイッチ部
７ 電流アンプ
８ 同期検波部
９ ＡＤ変換部
１０ スイッチ部
１２ 発振器
１５ フィルタ
２０ 表示装置

Claims (15)

1. 加わる圧力分布を検出する圧力分布検出装置であって、該装置は、
   第１面内に複数平行に配置される第１ループ電極線群と、
   前記第１面上で第１面に平行で第１面との距離が固定される第２面内に第１ループ電極線群と直交する方向に複数平行に配置される第２ループ電極線群であって、第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のそれぞれの交点が直線状に直交する、第２ループ電極線群と、
   前記第２面上に設けられる弾性体と、
   各第１ループ電極線と各第２ループ電極線のそれぞれの交点上に、前記弾性体を介して移動可能にそれぞれ設けられる導電性物質と、
   前記第１ループ電極線群及び第２ループ電極線群の一方を駆動し、他方から電磁結合による信号を検出する制御部と、
   を具備することを特徴とする圧力分布検出装置。
2. 請求項１に記載の圧力分布検出装置において、前記導電性物質が四角形状、丸形状又はリング形状の何れかであることを特徴とする圧力分布検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧力分布検出装置において、前記制御部は、駆動側に発振器と出力インピーダンスが略∞である定電流駆動アンプとを有することを特徴とする圧力分布検出装置。
4. 請求項３に記載の圧力分布検出装置において、前記定電流駆動アンプが１つ又は２つ以上提供され、前記第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のうちの駆動側のループ電極線群の１つ又は２つ以上のループ電極線に接続されることを特徴とする圧力分布検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記制御部は、検出側に入力インピーダンスが略０である電流アンプを有することを特徴とする圧力分布検出装置。
6. 請求項５に記載の圧力分布検出装置において、前記電流アンプが１つ又は２つ以上提供され、前記第１ループ電極線群と第２ループ電極線群のうちの検出側のループ電極線群の１つ又は２つ以上のループ電極線に接続されることを特徴とする圧力分布検出装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記弾性体は、シリコンスポンジシートからなることを特徴とする圧力分布検出装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の圧力分布検出装置であって、さらに、前記第１面下に設けられる磁気シールド材を具備することを特徴とする圧力分布検出装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載の圧力分布検出装置であって、さらに、前記導電性物質上に設けられる軟性磁気シールド材を具備することを特徴とする圧力分布検出装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記制御部が接続されるループ電極線以外の各電極線は開放されることを特徴とする圧力分布検出装置。
11. 請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の圧力分布検出装置であって、さらに、前記制御部を１つ又は２つ以上のループ電極線に順次接続するためのスイッチ手段を有することを特徴とする圧力分布検出装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記制御部は、２つ以上のループ電極線を異なる波形で駆動することを特徴とする圧力分布検出装置。
13. 請求項１２に記載の圧力分布検出装置において、前記制御部は、検出された各波形を分離するための複数のフィルタ回路を有することを特徴とする圧力分布検出装置。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記第１面及び第２面が、湾曲面であることを特徴とする圧力分布検出装置。
15. 請求項１乃至請求項１４の何れかに記載の圧力分布検出装置において、前記弾性体及び導電性物質が透過性を有し、さらに、前記第２ループ電極線群と弾性体との間に、表示装置を有することを特徴とする圧力分布検出装置。