JP2000028444A

JP2000028444A - 圧力検出装置

Info

Publication number: JP2000028444A
Application number: JP10198502A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nagai; 彪長井; Hiroyuki Ogino; 弘之荻野; Katsuhiko Yamamoto; 克彦山本; Takahiro Umeda; 孝裕梅田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2000-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のこの種のバイモルフ型の圧力検出装置
は物体の接触の有無を検出することはできたが、物体の
接触による圧力レベルを検出することができないという
課題があった。【解決手段】振動発生手段１２と振動検出手段１３と
振動特性制御手段１６を集積した一つの面状振動体に圧
力が印加されると前記圧力に応じて変化する前記面状振
動体の振動特性を前記振動検出手段１３により算出して
いる。従って、簡単な構成で圧力レベルを検出すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力検出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の圧力検出装置は以下のよ
うなものであった。

【０００３】先ず、IEEE Transaction on Electron Dev
ices, vol.ED-26, No.5,p815〜p817,1979（以下、従来
例１とする）では図１２のようなバイモルフ型の圧力検
出装置が提案された。これは、同図に示すように、圧電
フィルム１ａ及び２ａの両面に電極１ｂ、１ｃ及び２
ｂ、２ｃを設けた帯状の圧電フィルム１、２を２枚貼り
あわせ、その一端を支持部３により片持ち梁型に支持
し、圧電フィルム１に発信部４から電圧を印加して振動
させ、圧電フィルム２から前記振動による出力を取り出
す構成であった。そしてこの構成により、物体５が圧電
フィルム２に接触すると圧電フィルム２の出力信号が変
化することに基づき物体の接触を検出していた。図１３
はこの際の物体５の接触位置Ｌ、発信部４の印加電圧の
周波数ｆをパラメ−タにして、圧電フィルム２の出力信
号Ｖと接触位置Ｌの関係を示したものである。同図か
ら、適切な周波数fを選択して、出力信号Ｖを監視する
ことにより、接触位置Ｌが検出されることは明らかであ
る。

【０００４】また、特開平８−６２０６８号公報（以
下、従来例２とする）では指紋のような微細な山と谷の
分布を検出する圧力検出装置が開示された。これは図１
４のように圧電フィルム６の表面と裏面に複数の走査電
極６ａ、６ｂをマトリクス状に形成し、それに絶縁保護
フィルム７、絶縁フィルム８、高周波振動体９を積層し
たものであった。そして上記構成により絶縁保護フィル
ム７上に物体が接触するとその物体の山と谷による起伏
を圧電センサの多数の圧力検出ポイントで受け、マトリ
クス状の走査電極６ａ、６ｂで走査することによって前
記の山と谷の分布を検出していた。一例として図１５に
指１０で絶縁保護フィルム７を触れた際に指紋の山と谷
の分布を検出する様子を示した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１の圧力検出装置では、図１１のような特性に基づき物
体５の圧電フィルム２への接触の有無や接触位置を検出
することはできるが、物体５の接触による圧力レベルを
検出することはできなという課題を有していた。

【０００６】また、片持ち梁型の構造のため物体が繰り
返し接触すると圧電フィルムにへたりが生じて検出感度
が低下してしまうといった課題を有していた。

【０００７】また、従来例２の圧力検出装置では、上記
のような片持ち梁型の構造による耐久性の課題は無い
が、圧電センサの多数の圧力検出ポイントで検出できる
のは、例えば図１４のように各交点に指紋パターンの山
の部分が当たっているのか谷の部分が当たっているのか
ということでしかない。すなわち、引例２は上記各ポイ
ントにおける物体の接触の有無を検出するものであり、
各ポイントで物体の圧力レベルを検出することはできな
いという課題を有していた。

【０００８】また、種々の用途で、圧力と振動を同時に
検出することが、望まれているが、両従来例ともこの種
の要望に応えることができないという課題を有してい
た。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、面状圧電体の一端に設けられた振動発生
手段と、前記振動発生手段と分離して前記面状圧電体の
中間部に設けられた振動検出手段と、前記面状圧電体の
他端に設けられた振動特性制御手段と、前記面状圧電体
に印加される圧力を算出する圧力算出手段を備え、前記
振動発生手段により前記面状圧電体の前記一端を振動さ
せ、前記面状圧電体に圧力が印加されると前記圧力に応
じて変化する前記面状圧電体の振動特性を前記振動検出
手段により検出し、前記振動検出手段の出力信号に基づ
き前記圧力を前記圧力算出手段により算出する圧力検出
装置である。

【００１０】上記発明によれば、面状圧電体に圧力が印
加されると前記圧力に応じて変化する前記面状圧電体の
振動特性を前記振動検出手段により算出するため、簡単
な構成で圧力レベルを検出することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかる圧力検
出装置は、面状圧電体の一端に設けられた振動発生手段
と、前記振動発生手段と分離して前記面状圧電体の中間
部に設けられた振動検出手段と、前記面状圧電体の他端
に設けられた振動特性制御手段と、前記面状圧電体に印
加される圧力を算出する圧力算出手段を備え、前記振動
発生手段により前記面状圧電体の前記一端を振動させ、
前記面状圧電体に圧力が印加されると前記圧力に応じて
変化する前記面状圧電体の振動特性を前記振動検出手段
により検出し、前記振動検出手段の出力信号に基づき前
記圧力を前記圧力算出手段により算出する。

【００１２】そして、前記面状圧電体に圧力が印加され
ると前記圧力に応じて変化する前記面状圧電体の振動特
性を前記振動検出手段により算出するため、簡単な構成
で圧力レベルを検出することができる。

【００１３】本発明の請求項２にかかる圧力検出装置
は、振動発生手段は面状圧電体の一端とその両面に形成
され、且つ互いに対向する振動発生用電極膜で構成さ
れ、振動検出手段は面状圧電体の中間部とその両面に形
成され、且つ互いに対向する振動検出電極膜で構成てい
る。

【００１４】そして、振動発生手段も振動検出手段も面
状圧電体を介して、互いに対向する電極膜で構成されて
いるので、面状振動体に効率的に振動を発生させると共
に面状振動体に生じた歪を効率的に検出電圧としても発
生させることができる。

【００１５】本発明の請求項３にかかる圧力検出装置
は、面状圧電体の一部で振動特性制御手段は構成されて
いる。

【００１６】そして、振動特性制御手段に面状圧電体と
異なる材料を用いていないので、簡単な構成で圧力検出
装置を構成できる。本発明の請求項４にかかる圧力検出
装置は、振動検出手段を面状圧電体の長さの（０．４〜
０．６）の位置に配置した構成である。

【００１７】そして、面状圧電体を振動させたとき、そ
の長さ方向の中央部に最も大きな歪が生じ、それぞれ両
端に向かうと共に歪は減衰する。従って、振動検出手段
は面状圧電体の長さの中央部近傍に配置されているの
で、大きな検出電圧を得ることができる。

【００１８】本発明の請求項５にかかる圧力検出装置
は、振動特性制御手段に圧力を印加する。

【００１９】そして、振動特性制御手段に圧力を印加し
ているときでも、振動発生手段や振動検出手段に圧力を
印加しないので、安定な振動の発生や検出ができる。

【００２０】本発明の請求項６にかかる圧力検出装置で
は、振動特性として振動の振幅、共振周波数の少なくと
も１つを用いている。

【００２１】そして、振動特性として振動の振幅を用い
た場合、印加圧力や重量に対する感度が大きく、また、
振動の共振周波数を用いた場合、検出電圧の変動の影響
を受け難い利点がある。

【００２２】本発明の請求項７にかかる圧力検出装置
は、面状圧電体の一つの表面に振動発生用電極としても
振動検出用電極としても作用する共通電極膜を設けて構
成される。

【００２３】そして、共通電極膜は、振動発生用電極膜
の一つとしても、また、振動検出用電極膜の一つとして
も使用される。すなわち、振動発生用と振動検出用の両
者に共通な電極膜であるので、電極膜構成が簡単になる
のみならず、引き出しリ−ド線の数も低減できる。

【００２４】本発明の請求項８にかかる圧力検出装置
は、複数の振動検出手段が設けられている。

【００２５】そして、複数の検出信号を利用できるの
で、信頼性の高い圧力検出ができる。本発明の請求項９
にかかる圧力検出装置は、複数の振動検出手段の少なく
とも一つの振動検出手段と振動特性制御手段の両者に圧
力を印加している。

【００２６】そして、振動発生手段は圧力を印加されな
い、また、他の振動検出手段も圧力を印加されないの
で、安定な振動の発生や検出ができる。更に、圧力の印
加された振動検出手段により、圧力印加状態が検出でき
るので、他の振動検出手段で得られた検出信号を圧力印
加状態に応じて補正できる。

【００２７】本発明の請求項１０にかかる圧力検出装置
は、面状圧電体の電気機械結合係数が、振動発生手段か
ら振動検出手段に向かう方向で最大である。

【００２８】そして、振動発生手段で発生した振動は、
振動検出手段に向かう方向で最大になるので、大きな検
出信号が振動検出手段により得られる。

【００２９】本発明の請求項１１にかかる圧力検出装置
は、振動検出手段の出力信号から振動発生手段が発生す
る振動周波数成分のみを分離する第１の濾波部と、前記
振動検出手段の出力信号から前記振動周波数以外の成分
を分離する第２の濾波部とを備え、分離したこれらの成
分に基づき面状圧電体に印加される圧力を算出するとと
もに前記面状圧電体に印加される前記振動周波数以外の
振動成分を検出する。

【００３０】そして、前記第１の濾波部の出力信号に基
づき前記面状圧電体に印加される圧力を算出し、前記第
２の濾波部の出力信号に基づき前記面状圧電体に印加さ
れる前記振動周波数以外の振動成分を検出するので、一
つの面状圧電体を用いて圧力と振動、すなわち静的な圧
力と動的な圧力の双方を同時に検出することができる。

【００３１】

【実施例】以下、本本発明の実施例について図面を用い
て説明する。

【００３２】（実施例１）図１は本発明の実施例１の圧
力検出装置の構成を示す断面図である。面状圧電体１１
の一端の両面に電極１２ａと１２ｂが形成されている。
また、電極１３ａと１３ｂが面状圧電体１１の両面の中
間部に形成される。さらに、面状圧電体１１の中間部か
ら他端まで面状圧電体１１が延伸されている。電極１２
ａと１２ｂに信号発生部１４が接続され、また、電極１
３ａと１３ｂに圧力算出手段１５が夫々接続される。振
動発生手段１２は、互いに対向する電極１２ａと１２ｂ
およびこれら電極に挟さまれた部分の面状圧電体１１ａ
とから構成される。また、振動検出手段１３は、互いに
対向する電極１３ａと１３ｂおよびこれら電極に挟さま
れた部分の面状圧電体１１ｃとから構成される。電極１
２ａと１２ｂおよび電極１３ａと１３ｂは、必ずしも互
いに対向する必要はない。しかし、後述するように、信
号発生部１４で発生する発振信号が電極間の面状圧電体
１１ａに印加されたとき、互いに対向する電極１２ａと
１２ｂは面状圧電体１１ａに最大の電界強度を与えるの
で、より効率的に面状圧電体１１に振動を発生させるこ
とができる。また、互いに対向する電極１３ａと１３ｂ
は面状圧電体１１ｃに生じた歪を効率よく検出電圧とし
て発生させることができる。

【００３３】なお、面状圧電体１１ｂ部分は、振動発生
手段１２と振動検出手段１３を分離させている。さら
に、振動特性制御手段１６は、面状圧電体１１の中間部
から他端までの面状圧電体１１ｄ部分から構成される。
しかし振動特性制御手段１６は、面状圧電体１１と異な
る材料で構成してもよい。しかし、この場合、振動特性
制御手段１６は振動検出手段１３と連続して接続されな
ければならないので、複雑な構成になり、また、接続作
業も必要とする。この点で、振動特性制御手段１６は、
面状圧電体１１ｄで構成されるほうが簡素な構成とな
り、接続作業も不用になるから好ましい。

【００３４】面状圧電体１１として、例えば、ポリフッ
化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフィルム状高分子圧電
材料、樹脂と圧電体セラミック粉末の混合物、さらには
圧電セラミック等が用いられる。電極１２ａ、１２ｂ、
１３ａ、１３ｂは、例えば銀ペーストを印刷・焼成して
形成するが、銅箔を使用したり、アルミ等の金属材料を
蒸着して形成してもよい。

【００３５】次に動作、作用について説明する。振動発
生手段１２では信号発生部１４で発生する発振信号に応
じて、電極１２ａと１２ｂに挟まれた面状圧電体１１ａ
部分が振動する。ここで、前記発振信号の周波数をｆ₁
とする。この振動は、電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１
３ｂの形成されていない高分子圧電体１１ｂ（以下、単
に分離手段１１ｂと記す）部分を経て、振動検出手段１
３や振動特性制御手段１６に伝播し、面状圧電体１１全
体がある特性をもって振動する。そしてその振動に応じ
て振動検出手段１３では圧電起電力（検出電圧）が発生
する。面状圧電体１１全体の振動は、発振信号の周波数
ｆ₁にも大きく依存する。発振信号の周波数ｆ₁を低周波
数から高周波数へと変化させたとき、振動検出手段１３
で検出される検出電圧（電極１３ａと１３ｂ間で得られ
る信号）が最初に極大を示す周波数を第１共振周波数と
定義する。この第１共振周波数よりもさらに高い周波数
でも、高次の共振周波数が観測される。面状圧電体１１
に圧力や重量を印加しないとき、後述するように、第１
共振周波数は、ほぼ面状圧電体１１の長さＬ（図１）と
音速に依存して決まり、そのときの面状圧電体１１の歪
や応力は、面状圧電体１１の中央部で最大になる。振動
特性制御手段１６は、面状圧電体１１ｄ部分のみで構成
され、電極を有していないが、前述したように、共振特
性を支配している点で振動特性を制御できる。

【００３６】面状圧電体１１に圧力を印加しないとき、
第１共振周波数と面状圧電体１１の長さＬの関係の一例
を図２に示す。面状圧電体１１として、ＰＶＤＦフィル
ム（厚さ約２８μｍ、幅約２０mm）を用い、振動発生手
段１２の電極膜１２ａ、１２ｂの長さ２０mm（一定）、
分離部１１ｂの長さ１mm（一定）、振動検出手段１３の
電極膜１３ａ、１３ｂの長さ３mm（一定）として、振動
特性制御手段１６の長さを（０〜１６）mmの間で変化さ
せて、従って、面状圧電体１１の長さＬを（２４から４
０）mmの間で変化させて、第１共振周波数を測定した。
同図から、第１共振周波数は、１／Ｌに対して良好な直
線関係を示すと共に、その傾きは６９１ｍ／ｓを示し、
音速（約１．４ｋｍ／ｓ）の約１／２であった。このよ
うに、第１共振周波数は、ほぼ面状圧電体１１の長さＬ
と音速に依存して決まることは明らかである。

【００３７】また、面状圧電体１１に圧力を印加しない
とき、振動検出手段１３の位置と検出電圧の実効値［Ｅ
ｓ（ｒｍｓ）］の関係の一例を図３に示す。面状圧電体
１１として、ＰＶＤＦフィルム（厚さ約２８μｍ、幅約
２０mm、長さ４０mm）を用い、振動発生手段１２の電極
膜１２ａ、１２ｂの長さ２０mm（一定）、分離部１１ｂ
の長さ１mm（一定）、振動検出手段１３の電極膜１３
ａ、１３ｂの長さ３mm（一定）、更に前記振動検出手段
１３から長さ１mm（一定）の第２の分離部と長さ３mm
（一定）の第２振動検出手段を設けることを繰り返し
て、合計５個の振動検出手段を形成し、第１共振周波数
（約１７．３ｋＨｚ）で信号発生部１４より実効電圧２
０Ｖを供給して面状圧電体１１を振動させて。５個の振
動検出手段の各検出電圧を測定した。振動発生手段１２
の縁端部から振動検出手段の電極の中心部の距離をＬ
ｅ、面状圧電体１１の長さをＬ（４０mm）として、５個
の振動検出手段の位置をＬｅ／Ｌで示した。図３から明
らかなように、振動検出手段１３を面状圧電体１１の中
央部近傍、面状圧電体１１の長さＬの（０．４〜０．
６）の位置に配置し、面状圧電体１１の一方の端部に振
動発生手段１２を、他方の端部に振動特性制御手段１６
を配置することが好ましい。第１共振周波数近傍では他
の周波数よりも、大きな歪や応力を示し、また、その周
波数でも面状圧電体１１の位置により歪や応力は異な
り、中央部で大きくなり、両端に近づくほど小さくな
る。従って、面状圧電体１１の歪や応力は、面状圧電体
１１の中央部近傍で大きくなるので、大きな検出電圧が
得られるからである。振動発生手段１２、振動検出手段
１３、分離部１１ｂ、また、振動特性制御手段１６の中
の一つ以上に圧力または重量が印加されたとき、それぞ
れに応じて、検出電圧が得られるが、振動特性制御手段
１６に圧力または重量を印加することが好ましい。振動
発生手段１２や振動検出手段１３などに圧力または重量
を印加したとき、電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ
を介して圧力または重量が印加されるが、このとき面状
圧電体１１には歪や応力は生じているので、電極１２
ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと面状圧電体１１の界面に
も圧力または重量が印加された状態で歪や応力が発生す
る。このように面状圧電体１１は重い電極１２ａ、１２
ｂ、１３ａ、１３ｂを引きずって歪や応力を生じるの
で、両者の接着力が低下し易い。分離部１１ｂや振動特
性制御手段１６は、面状圧電体１１ｃのみで構成され、
電極を有していないので、圧力または重量を印加しても
上述した接着力の低下は生じない。中でも振動特性制御
手段１６は、分離部１１ｂに比べ、大きな面積を得やす
い点、また、後述する３端子型電極構成でも電極を有し
ない点で、優れている。

【００３８】振動特性制御手段１６に重量を印加したと
きの第１共振周波数近傍における検出電圧の周波数特性
の一例を図４に示す。。面状圧電体１１として、ＰＶＤ
Ｆフィルム（厚さ約５２μｍ、幅約４０mm）を用い、振
動発生手段１２の電極膜１２ａ、１２ｂの長さ２０mm
（一定）、分離部１１ｂの長さ２mm（一定）、振動検出
手段１３の電極膜１３ａ、１３ｂの長さ８mm（一定）、
振動特性制御手段１４の長さを２５mm（一定）として、
振動発生手段１２に信号発生部１４より実効電圧２０Ｖ
を供給し、振動特性制御手段１４に重量を（０〜１１）
ｋｇ印加して同周波数特性を測定した。同図から明らか
なように、共振特性は印加重量に依存して変化する。す
なわち、第１共振周波数は、重量１ｋｇ印加時に約１
１．４ｋＨｚから、重量増加と共に高くなり、重量１１
ｋｇ印加時に約１３．２ｋＨｚまで増加した。このこと
から明らかなように、例えば、重量１ｋｇ以上であれ
ば、共振周波数により重量を検知することもできる。共
振周波数を用いた重量検知は、重量に対する感度は低い
が、信号発生部１４から供給される信号電圧の変動によ
る検出電圧の変動の影響を受けない点で優れている。こ
のとき振動検出手段１３として、共振周波数検出手段を
用いればよいことは明らかである。

【００３９】また、図５は周波数ｆ＝１３．７ｋＨｚ
（一定）として、重量１ｋｇ以上の範囲で重量−検出電
圧の関係をプロットした特性図である。同図から明らか
なように、検出電圧により高い感度で重量検知ができ
る。この場合、図４から明らかなように、例えば、重量
検知範囲が１ｋｇから５ｋｇでよい場合、周波数を１
２．６ｋＨｚ近傍で測定することにより、さらに高感度
で重量を検知できる。このように、検出電圧を用いた重
量検知は、必要とされる重量範囲に応じて感度を選択で
きる点で優れている。このとき振動検出手段１３とし
て、検出電圧の振幅検出手段を用いればよいことは明ら
かである。

【００４０】（実施例２）図６は本発明の実施例２の圧
力検出装置の構成を示す断面図である。本実施例では、
実施例１と以下の点で異なる。すなわち、実施例１に示
した振動発生手段１２を構成する一つの電極１２ａと振
動検出手段１３を構成する一つの電極１３ａとが面状圧
電体１１の同じ表面上で接続されている点である。両者
の接続された共通電極１７は、振動発生手段１２を構成
する電極としても、振動検出手段１２を構成する電極と
しても共通的に作用する。この場合、例えば、信号発生
部１４や圧力算出手段１５に接続するために必要な各電
極からの引き出しリ−ド線が、実施例１では４本必要と
するのに対して本実施例では３本で充分である点で優れ
ている。

【００４１】なお、上記説明では断面図（図６）で説明
したが、図６に示した矢印１８から見たときの平面図を
図７に示す。実施例１に示した振動発生手段１２を構成
する一つの電極１２ａと振動検出手段１３を構成する一
つの電極１３ａとが面状圧電体１１の一つの表面上での
接続は、図７（ａ）に示すように面状圧電体１１の全面
に亘ってもよいし、図７（ｂ）に示すように部分的に接
続してもよい。また、部分的接続の位置も面状圧電体１
１の中央部でも端部でもよい。

【００４２】（実施例３）図８は本発明の実施例３の圧
力検出装置のブロック図である。

【００４３】実施例１や２と異なる点は、複数の検出手
段１３１、１３２を設けた点にある。第１検出手段１３
１は、共通電極１７と面状圧電体１１ｃと電極１３１ｂ
とから構成され、第１検出手段１３１で発生する検出電
圧は第１圧力算出手段１５１に入力される。また、第２
検出手段１３２は、共通電極１７と面状圧電体１１ｅと
電極１３２ｂとから構成され、第２検出手段１３２で発
生する検出電圧は第２圧力算出手段１５２に入力され
る。なお、どちらか一つの圧力算出手段のみを用いて、
第１検出手段１３１で発生する検出電圧と第２検出手段
１３２で発生する検出電圧を適切な時間間隔で交互に入
力させてもよいことは明らかである。

【００４４】信号発生部１４で発生する発振信号に応じ
て、振動発生手段１２により面状圧電体１１全体がある
特性をもって振動するとき、その振動に応じて振動検出
手段１３１と１３２ではそれぞれ異なる検出電圧が発生
する。本実施例では、複数の検出信号を利用できるの
で、例えば、第１検出手段１３１で発生する検出電圧の
検出の際に局部的な断線が発生しても、第２検出手段１
３２で発生する検出電圧を利用できる利点がある。すな
わち、断線に対して信頼性が高いという利点がある。

【００４５】さらに、例えば、第２検出手段１３２の電
極１３２ｂと振動特性制御手段１６の両者に圧力または
重量を印加することにより、次に示す利点が得られる。
図９は、上記両者に１ｋｇの重量を印加した時点を起点
として、第１検出手段１３１で発生する検出電圧の実効
値［Ｅ_s1(rms)］と第２検出手段１３２で発生する検出
電圧の実効値［Ｅ_s2(rms)］の経過時間に対する変化、
および両者の比［Ｅ_s1( _rms)／Ｅ_s2(rms)］の経過時間に
対する変化を示した図である。検出電圧の実効値Ｅ
_s1(rms)およびＥ_s2(rms)は、約３００分経過後、それぞ
れ約１３％および約１４％変化した。しかし、両者の比
［Ｅ_s1(rms)／Ｅ_s2(rms)］は、極めて安定でであり、同
時間内で±１．５％以下の変化しか示さなかった。従っ
て、両者の比を信号として用いることにより、検出電圧
の時間不安定性を解消できる利点が得られる。

【００４６】信号発生部１４で発生する発振信号を振動
発生手段１２に印加して面状圧電体１１を振動させる
とき、振動発生手段１２に印加される電気エネルギの
中で振動エネルギに変換される割合は。電気機械結合係
数として一般的に定義されている。この電気機械結合係
数は、面状圧電体１１の結晶方向によっても異なる。こ
のため電気機械結合係数が振動発生手段１２から振動検
出手段１３に向かう方向で最大になるように面状振動体
１１の方向を選ぶことが望ましい。振動検出手段１３で
発生する検出電圧を大きくできるからである。

【００４７】（実施例４）図１０は本発明の実施例４の
圧力検出装置のブロック図である。実施例１と異なる点
は圧力算出手段１５が、振動検出手段１３の検出電圧か
ら振動発生手段１２が発生する振動周波数の成分のみを
分離する第１の濾波部１５ａと、振動検出手段１３の検
出電圧から振動発生手段１２が発生する振動周波数以外
の成分を分離する第２の濾波部１５ｂと、分離したこれ
らの成分に基づき電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ
を含めた面状圧電体１１に印加される圧力を算出すると
ともに面状振動体１１に印加される前記振動周波数以外
の振動成分を検出する算出部１５ｃとを有する点にあ
る。

【００４８】第１の濾波部１５ａと第２の濾波部１５ｂ
は共にバンドパスフィルターであり、透過特性の中心周
波数はそれぞれｆ₁、ｆ₂である。また信号発生部１４で
発生する信号の周波数はｆ₁である。尚、実施例１と同
一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

【００４９】次に動作、作用について説明する。ここで
は重量Ｗの物体が振動特性制御手段１６上に置かれる場
合について述べる。物体は外部から周波数ｆ₂の振動が
印加されるか、又は内部に周波数ｆ₂の振動体を有し、
物体の全体が周波数ｆ₂で振動しているものとする。実
施例１と同様に、振動発生手段１２では信号発生部１４
で発生する発振信号に応じて面状圧電体１１が振動す
る。この発振信号の周波数はｆ₁である。上記より、振
動発生手段１２による周波数ｆ₁の振動と物体の周波数
ｆ₂の振動とが合成され、電極１２ａ、１２ｂ、１３
ａ、１３ｂを含めた面状振動体１１全体がある特性をも
って振動する。そしてその振動に応じて振動検出手段１
３では検出電圧が発生する。発生した検出電圧は第１の
濾波部１５ａと第２の濾波部１５ｂで濾波特性に基づき
濾波される。すなわち、第１の濾波部１５ａでは振動検
出手段１３の検出電圧のうちｆ₁成分が濾波され、第２
の濾波部１５ｂでは振動検出手段１３の検出電圧のうち
ｆ₂成分が濾波される。

【００５０】この時の信号発生部１４の発振信号Ｖ₀、
第１の濾波部１５ａの出力Ｖ₁、第２の濾波部１５ｂの
出力Ｖ₂の信号波形は、それぞれ図１１（ａ）（ｂ）の
ようになる。同図より振動発生手段１２に物体が置かれ
ていない状態（ｔ＜ｔ₁）では、Ｖ₁とＶ₂の振幅はそれ
ぞれＤ₀と０である。そして時刻ｔ₁で物体１９が積層体
１３上に置かれるとすると、Ｖ₁とＶ₂の振幅はＤ₁とＤ₂
に変化する。算出部１５ｃでは物体の重量については実
施例１と同様にして算出される。物体の周波数ｆ ₂の振
動については例えば、算出部１５ｃでその振幅Ｄ₂の大
きさを検出して振動の強度を算出する。

【００５１】上記作用により、圧力算出手段１５が、振
動検出手段１３の検出電圧から振動発生手段１２が発生
する振動周波数の成分のみを分離する第１の濾波部１５
ａと、振動検出手段１３の検出電圧から振動発生手段１
２が発生する振動周波数以外の成分を分離する第２の濾
波部１５ｂとを有し、第１の濾波部１５ａの出力信号に
基づき振動発生手段１２に印加される重量や圧力を算出
し、第２の濾波部１５ｂの出力信号に基づき物体に印加
される前記振動周波数以外の振動成分を検出するので、
電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを含めた面状振動
体１１を用いて圧力と振動、すなわち静的な圧力と動的
な圧力の双方を同時に検出することができる。

【００５２】また、重量と歪みとを同時に検出したが、
振動発生手段１２が振動を発生している時は振動発生手
段１２に印加される圧力を算出し、振動発生手段１１が
振動を発生していない時は振動発生手段１２や振動検出
手段１３に生じる振動を算出するようにしてもよく、上
記と同様に、電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを含
めた面状振動体１１を用いて圧力と振動、すなわち静的
な圧力と動的な圧力の双方を同時に検出することができ
る。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
かかる圧力検出装置は、振動発生手段と振動検出手段と
振動特性制御手段を集積した一つの面状振動体に圧力や
重量が印加されると前記圧力や重量に応じて変化する前
記面状振動体の振動特性を前記振動検出手段により算出
しているため、簡単な構成で圧力レベルを検出すること
ができるという効果がある。

【００５４】また、本発明の請求項２にかかる圧力検出
装置では、振動発生手段は面状圧電体の一端とその両面
に形成され、且つ互いに対向する振動発生用電極膜で構
成され、振動検出手段は面状圧電体の中間部とその両面
に形成され、且つ互いに対向する振動検出電極膜で構成
されているため、効率的な振動発生や振動検出ができ
る。

【００５５】また、本発明の請求項３にかかる圧力検出
装置では、振動特性制御手段は、面状圧電体の一部で構
成され、面状圧電体と異なる材料を用いていないので、
簡単な構成で圧力検出装置を構成できる。

【００５６】また、本発明の請求項４にかかる圧力検出
装置では、振動検出手段を面状圧電体の長さの（０．４
〜０．６）の位置に配置した構成であるので、大きな検
出電圧を得ることができる。面状圧電体を振動させたと
き、その長さ方向の中央部に最も大きな歪が生じ、それ
ぞれ両端に向かうと共に歪は減衰するからである。

【００５７】また、本発明の請求項５にかかる圧力検出
装置では、振動特性制御手段に圧力を印加するので、振
動特性制御手段に圧力を印加しているときでも、振動発
生手段や振動検出手段に圧力を印加しないので、安定な
振動の発生や検出ができるまた、本発明の請求項６にか
かる圧力検出装置では、振動特性として振動の振幅、共
振周波数の少なくとも１つを用いているので、振動特性
として振動の振幅を用いた場合、印加圧力や重量に対す
る感度が大きく、また、振動の共振周波数を用いた場
合、検出電圧の変動の影響を受け難い利点がある。

【００５８】また、本発明の請求項７にかかる圧力検出
装置では、面状圧電体の一つの表面に振動発生用電極と
しても振動検出用電極としても作用する共通電極膜を設
けているので、電極膜構成が簡単になるのみならず、引
き出しリ−ド線の数も低減できる。

【００５９】また、本発明の請求項８にかかる圧力検出
装置では、複数の振動検出手段が設けられているので、
信頼性の高い圧力検出ができる。

【００６０】また、本発明の請求項９にかかる圧力検出
装置では、複数の振動検出手段の少なくとも一つの振動
検出手段と振動特性制御手段の両者に圧力を印加してい
るので、安定な振動の発生や検出ができると共に、圧力
の印加された振動検出手段により、圧力印加状態が検出
できるので、他の振動検出手段で得られた検出信号を圧
力印加状態に応じて補正できる。

【００６１】また、本発明の請求項１０にかかる圧力検
出装置では、面状圧電体の電気機械結合係数が、振動発
生手段から振動検出手段に向かう方向で最大であるの
で、大きな検出信号が振動検出手段により得られる。

【００６２】また、本発明の請求項１１にかかる圧力検
出装置では、振動検出手段の出力信号から振動発生手段
が発生する振動周波数成分のみを分離する第１の濾波部
と、前記振動検出手段の出力信号から前記振動周波数以
外の成分を分離する第２の濾波部とを備え、分離したこ
れらの成分に基づき面状圧電体に印加される圧力を算出
するとともに前記面状圧電体に印加される前記振動周波
数以外の振動成分を検出するので、一つの面状圧電体を
用いて圧力と振動、すなわち静的な圧力と動的な圧力の
双方を同時に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における圧力検出装置の構成
図

【図２】同装置の面状圧電体の長さと第１共振周波数の
関係を示す特性図

【図３】同装置の振動検出手段の位置と検出電圧の関係
を示す特性図

【図４】同装置の周波数と検出電圧の関係を示す特性図

【図５】同装置の重量と検出電圧の関係を示す特性図

【図６】本発明の実施例２における圧力検出装置の他の
構成図

【図７】（ａ）同面状圧電体が全面にある圧力検出装置
の構成図（ｂ）同面状圧電体が部分的にある圧力検出装置の構成
図

【図８】本発明の実施例３における圧力検出装置の構成
図

【図９】同装置の第１検出手段で発生する検出電圧、第
２検出手段で発生する検出電圧および両者の比の時間依
存性を示す特性図

【図１０】本発明の実施例４における圧力検出装置の他
の構成図

【図１１】（ａ）同装置の周波数ｆ₁の振動波形図（ｂ）同装置の第１の濾波部と第２の濾波部との濾波特
性を示す特性図

【図１２】従来の圧力検出装置（従来例１）のブロック
図

【図１３】同装置における物体の接触位置Ｌ、発信部の
印加電圧の周波数ｆ、及び圧電フィルムの出力信号Ｖと
の関係を示した特性図

【図１４】従来の圧力検出装置（従来例２）の外観図

【図１５】同装置において指で絶縁保護フィルムを触れ
た際の様子を示した模式図

【符号の説明】

１１面状圧電体１２振動発生手段１２ａ、１２ｂ電極１３振動検出手段１３ａ、１３ｂ電極１４信号発生部１５圧力算出手段１５ａ第１の濾波部１５ｂ第２の濾波部１６振動特性制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本克彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者梅田孝裕大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB11 CC53 CC55 DD09 DD11 EE23 FF43 GG11 GG47

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】面状圧電体の一端に設けられた振動発生手
段と、前記振動発生手段と分離して前記面状圧電体の中
間部に設けられた振動検出手段と、前記面状圧電体の他
端に設けられた振動特性制御手段と、前記面状圧電体に
印加される圧力を算出する圧力算出手段を備え、前記振
動発生手段により前記面状圧電体の前記一端を振動さ
せ、前記面状圧電体に圧力が印加されると前記圧力に応
じて変化する前記面状圧電体の振動特性を前記振動検出
手段により検出し、前記振動検出手段の出力信号に基づ
き前記圧力を前記圧力算出手段により算出する圧力検出
装置。
【請求項２】振動発生手段は面状圧電体の一端とその両
面に形成され、且つ互いに対向する振動発生用電極膜で
構成され、振動検出手段は面状圧電体の中間部とその両
面に形成され、且つ互いに対向する振動検出電極膜で構
成された請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項３】振動特性制御手段は、面状圧電体の一部で
構成された請求項１または２記載の圧力検出装置。
【請求項４】振動検出手段を面状圧電体の長さの（０．
４〜０．６）の位置に配置した請求項２記載の圧力検出
装置。
【請求項５】振動特性制御手段に圧力を印加する請求項
３記載の圧力検出装置。
【請求項６】振動特性は振動の振幅、共振周波数の少な
くとも１つである請求項１から５のいずれか１項記載の
圧力検出装置。
【請求項７】面状圧電体の一つの表面に振動発生用電極
としても振動検出用電極としても作用する共通電極膜を
設けた請求項１または２記載の圧力検出装置。
【請求項８】複数の振動検出手段を設けた請求項１また
は２記載の圧力検出装置。
【請求項９】複数の振動検出手段の少なくとも一つの振
動検出手段と振動特性制御手段に圧力を印加する請求項
８記載の圧力検出装置。
【請求項１０】面状圧電体の電気機械結合係数が、振動
発生手段から振動検出手段に向かう方向で最大である請
求項１または２記載の圧力検出装置。
【請求項１１】圧力算出手段は、振動検出手段の出力信
号から振動発生手段が発生する振動周波数成分のみを分
離する第１の濾波部と、前記振動検出手段の出力信号か
ら前記振動周波数以外の成分を分離する第２の濾波部と
を備え、分離したこれらの成分に基づき面状圧電体に印
加される圧力を算出するとともに前記面状振動体に印加
される前記振動周波数以外の振動成分を検出する請求項
１から１０のいずれか１項記載の圧力検出装置。