| 【発明の名称】 |
圧力検出装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】長井 彪
【氏名】荻野 弘之
【氏名】山本 克彦
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| 【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を集積した一つの面状振動体１１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１１の所定の周波数での振動特性を前記振動検出手段１３の出力信号に基づき圧力算出手段１５で圧力を算出する。さらに、前記所定の周波数は、出力信号が減少する領域の周波数としている。これによって用途に適した適切な感度で圧力レベルを検出できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数である圧力検出装置。
【請求項２】面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体の共振周波数である圧力検出装置。
【請求項３】面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が増加する領域の周波数である圧力検出装置。
【請求項４】面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体の反共振周波数である圧力検出装置。
【請求項５】振動発生手段を駆動する信号発生部は発生する信号の振幅を可変できる請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧力検出装置。
【請求項６】面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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複数の異なる周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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複数の異なる周波数ごとに前記振動検出手段により検出し、前記振動検出手段の複数の異なる周波数ごとの出力信号に基づきそれぞれ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７】複数の異なる周波数の一つが面状振動体の共振周波数で、他の周波数が無感応周波数である請求項６記載の圧力検出装置。
【請求項８】複数の異なる周波数の一つが面状振動体の反共振周波数で、他の周波数が無感応周波数である請求項６記載の圧力検出装置。
【請求項９】複数の異なる周波数の一つが面状振動体の共振周波数で、他の周波数が反共振周波数である請求項６記載の圧力検出装置。
【請求項１０】振動発生手段は、周波数の異なる複数の信号を発生する信号発生部により駆動される請求項６記載の圧力検出装置。
【請求項１１】圧力算出手段は、複数の振動それぞれの周波数成分を濾波する第１の濾波部を備えた請求項６項に記載の圧力検出装置。
【請求項１２】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複数の振動それぞれの周波数成分を濾波する第１の濾波部と、前記振動検出手段の出力信号から前記周波数以外の成分を濾波する第２の濾波部とを備え、前記第１の濾波部の出力信号に基づき印加圧力を算出するとともに、前記第２の濾波部の出力信号に基づき前記周波数以外の成分の振動を検出する請求項６項に記載の圧力検出装置。
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【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 Devices, vol.ED-26, No.5,p815〜p817, 1979（以下、参考文献１とする）では図１１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２ｂ、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１２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、参考文献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１３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１４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、参考文献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。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。
【０００６】また、参考文献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、参考文献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。
【０００７】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、両引例ともこの種要望に応えることができないという課題を有していた。
【０００８】
【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、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の前記一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数である。
【０００９】上記発明によれば、所定の周波数で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。
【００１０】
【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、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の前記一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数を用いている。
【００１１】そして、所定の周波数で前記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により算出するため、簡単な構成で圧力レベルを検出できる。
【００１２】そして、圧力に対する出力信号の感度は周波数に応じて大きくも、小さくもなるので、用途に適した適切な感度で圧力レベルを検出できる。
【００１３】本発明の請求項２にかかる圧力検出装置は、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の前記一端を振動させ、前記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とともに、、所定の周波数は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数を用いている。所定の周波数が面状振動体の共振周波数である。
【００１４】そして、圧力に対する出力信号の感度は、共振周波数で極大になるので、精度よく圧力レベルを検出できる。
【００１５】本発明の請求項３にかかる圧力検出装置は、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の前記一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が増加する領域の周波数である。
【００１６】そして、圧力に対する出力信号の感度は周波数に応じて大きくも、小さくもなるので、用途に適した適切な感度で圧力レベルを検出できる。
【００１７】本発明の請求項４にかかる圧力検出装置は、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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所定の周波数で前記面状振動体の前記一端を振動させ、前記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とともに、所定の周波数が面状振動体の反共振周波数である。
【００１８】そして、圧力に対する出力信号の感度は、反共振周波数で極大になるので、精度よく圧力レベルを検出できる。
【００１９】本発明の請求項５にかかる圧力検出装置は、面状振動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他端に設けられた振動検出手段と、前記面状振動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複数の異なる周波数で前記面状振動体の一端を振動させ、前記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複数の異なる周波数ごとに前記振動検出手段により検出し、前記振動検出手段の複数の異なる周波数ごとの出力信号に基づきそれぞれ前記圧力を前記圧力算出手段により算出する。
【００２０】そして、複数の異なる周波数ごとの出力信号に基づきそれぞれ圧力を算出しているので、ノイズに対して安定である。
【００２１】本発明の請求項６にかかる圧力検出装置は、振動発生手段は、周波数の異なる複数の信号を発生する信号発生部により駆動される。
【００２２】そして、周波数の異なる複数の信号を発生する信号発生部を備えているので、面状振動体を複数の異なる周波数で駆動できる。
【００２３】本発明の請求項７にかかる圧力検出装置は、信号発生部は発生する信号の振幅を可変できる。
【００２４】そして、信号発生部の信号の振幅に比例して出力信号の振幅も増減するので、必要に応じて出力信号を選択できる。
【００２５】本発明の請求項８にかかる圧力検出装置は、圧力算出手段は、複数の振動それぞれの周波数成分を濾波する第１の濾波部を備えている。
【００２６】そして、複数の振動それぞれの周波数成分を濾波する第１の濾波部を備えているので、面状振動体を複数の異なる周波数で駆動したとき、それぞれの周波数成分に分離して圧力を算出できる。
【００２７】本発明の請求項９にかかる圧力検出装置は、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複数の振動それぞれの周波数成分を濾波する第１の濾波部と、前記振動検出手段の出力信号から前記周波数以外の成分を濾波する第２の濾波部とを備え、前記第１の濾波部の出力信号に基づき印加圧力を算出するとともに、前記第２の濾波部の出力信号に基づき前記周波数以外の成分の振動を検出する。
【００２８】そして、第１の濾波部の出力信号に基づき複数の異なる周波数成分に分離して圧力を算出できるとともに、第２の濾波部の出力信号に基づき前記周波数以外の成分の振動を検出できるので、圧力と振動の両者を同時に検知できる。
【００２９】本発明の請求項１０にかかる圧力検出装置は、複数の異なる周波数が、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数と面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が増加する領域の周波数である。
【００３０】そして、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数と出力信号が増加する領域の周波数の複数の周波数を用いて圧力を算出するので、ノイズに対して安定になり、さらに精度よく圧力を検出できる。
【００３１】本発明の請求項１１にかかる圧力検出装置は、複数の異なる周波数が、面状振動体の共振周波数と面状振動体の反共振周波数である。
【００３２】そして、複数の異なる周波数が、面状振動体の共振周波数と反共振周波数であるので、高感度で圧力を算出できる。
【００３３】
【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。
【００３４】（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図である。面状振動体１１の一端に電極１２ａと１２ｂが形成されている。また、面状振動体１１の他端には、電極１３ａと１３ｂが形成されている。電極１２ａと１２ｂに信号発生部１４が接続され、また、電極１３ａと１３ｂに圧力算出手段１５が接続される。振動発生手段１２は、電極１２ａと１２ｂおよびこれら電極に挟さまれた面上振動体１１ａとから構成される。また、振動検出手段１３は、電極１３ａと１３ｂおよびこれら電極に挟さまれた面状振動体１１ｃとから構成される。面上振動体１１として、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフィルム状の高分子圧電材料が用いられる。また、振動発生手段の電極１２ａと１２ｂおよび振動検出手段の電極１３ａと１３ｂを含む面上振動体１１をＰＥＴ等の高分子フィルム保護層１６で被覆することが望ましい。これにより、外部からの機械的な衝撃や結露などから面状振動体１１を保護できるからである。電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、例えば銀ペーストを印刷して形成するが、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に挟まれた面状振動体１１ａが振動する。ここで、前記発振信号は、所定の周波数をｆで発振する。この振動は、電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの形成されていない面状振動体１１ｂを経て、振動検出手段１３に伝播し、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１３では圧電起電力が発生する。このとき、図１に示すように、振動発生手段１２に圧力Wが印加されたとき、後述で詳述するように、その圧力に応じた圧電起電力が振動検出手段１３に発生する。なお、面状振動体１１ｂに、また、振動検出手段１３に圧力が印加されても、その圧力に応じた圧電起電力が振動検出手段１３に発生する図２は、面状振動体１１に圧力が印加されたとき、上記圧電起電力Ｖ１の信号が減少する周波数領域において、上記発振信号Ｖ０（周波数ｆ1）と上記圧電起電力Ｖ１の信号波形を示した特性図である。同図において縦軸はＶ０とＶ１、横軸は時間ｔである。電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを含め面状振動体１１に圧力が印加されていない場合（ｔ＜ｔ１）、Ｖ０に同期してＶ１が出力される。また、振動発生手段１２から振動検出手段１３への振動伝播による位相差Ｌ０1が生じる。次に、時刻ｔ１で振動発生手段１２に、ある物体が、搭載されたり、周囲の気体や液体の圧力により圧力Ｗが印加されると、圧力印加により振動検出手段１３の振動が阻害されてＶ１の振幅はＤ０1からＤ１へと減少する。なお、位相もＬ０1からＬ１へと変化する。これらの変化の度合いは、振動発生手段１２、面状振動体１１ｂや振動検出手段１３を構成する部材の振動特性に依存する。これらの部材の振動特性は用途によって最適化すればよい。上記のような圧力印加時の振動特性の変化に基づいて圧力算出手段１５では印加された圧力を算出する。
【００３６】面状振動体１１に圧力が印加されたとき、上記圧電起電力Ｖ１の信号が増加する周波数領域においては、図２に示した特性と異なり、振幅は圧力印加により逆に増加する。図３は、上記発振信号Ｖ０（周波数ｆ2）と上記圧電起電力Ｖ１の信号波形を示した特性図である。同図において縦軸はＶ０とＶ１、横軸は時間ｔである。電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを含め面状振動体１１に圧力が印加されていない場合（ｔ＜ｔ１）、Ｖ０に同期してＶ１が出力される。また、振動発生手段１２から振動検出手段１３への振動伝播による位相差Ｌ02が生じる。次に、時刻ｔ１で振動発生手段１２に、圧力Ｗが印加されると、圧力印加により振動検出手段１３の振動が増幅されてＶ１の振幅はＤ０2からＤ2へと増加する。上記のような圧力印加時の振動特性の変化に基づいて圧力算出手段１５では印加された圧力を算出する。
【００３７】図４は、ＰＶＤＦフィルム（厚さ 約２８μｍ）に電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとしてＡｇ電極膜を形成した面状振動体１１を用い、信号発生部１４から広い周波数領域にわたり一定の振幅（約３４Ｖ）で振動発生手段１２を駆動したときに、振動検出部１３で得られる圧電起電力（Ｄ）の周波数特性を示す特性図である。同図において、D01またはD02は、圧力を印加しないときの周波数特性を示し、 D1またはD2は、振動発生手段１２に圧力W=３００ｇを印加したときの周波数特性である。
【００３８】図４から明らかなように、例えば、約１７ｋHｚ〜約４２ｋHｚの周波数領域では、圧力を印加しないときの圧電起電力（D01）に比べ、圧力を印加したとき圧電起電力（D1）の振幅は減少する（図２に示した特性）。これに対して、例えば、約４２ｋHｚ〜約４６ｋHｚの周波数領域では、圧力を印加しないときの圧電起電力（D02）に比べ、圧力を印加したとき圧電起電力（D2）の振幅は増加する（図３に示した特性）。このように周波数領域に依存して、圧力を印加しないときの圧電起電力（ D01またはD02）に比べ、圧力を印加したとき圧電起電力（ D1またはD2）の振幅が減少または増加することは明らかである。この理由は、圧力を印加しないときに、明らかな共振周波数や反共振周波数が観測されるのに対して、圧力を印加したときには、明らかな共振周波数が観測されなかったことから圧力印加による共振特性の変化に深く関わると考えられる。
【００３９】図５（ａ）（ｂ）は、一定の周波数で一定の振幅（約５０Ｖ）で振動発生手段１２を駆動したときに圧電起電力Ｄの圧力Ｗ依存性を示す一例である。図５（ａ）は、周波数ｆ１を約７４ｋＨｚ一定とし、圧力Ｗが印加されたときに圧電起電力Ｄ１が減少する場合、同図（ｂ）は、周波数ｆ2を約８２ｋＨｚ一定とし、圧力Ｗが印加されたときに圧電起電力Ｄ２が増加する場合の特性である。図５（ａ）、（ｂ）に示した周波数ｆ１およびｆ２は、圧力Ｗが印加されていないときの共振周波数および反共振周波数にそれぞれ近い周波数である（図４参照）。周波数ｆとして、共振周波数または反共振周波数を選択したとき、圧力Ｗに対する圧電起電力Ｄの感度は最大になる。共振周波数および反共振周波数以外の周波数ｆを選択した場合には、感度は小さくなるが、応用に応じて適切に周波数ｆを選択すればよい。
【００４０】図２〜図５（ａ）、（ｂ）の記載から明らかなように、圧力Ｗと圧電起電力Ｄは一定の関係を示すので、この関係を用いて、圧力Ｗを精度よく算出できる。また、上記作用から明らかなように、本発明の圧力装置は、簡単な構成で圧力レベルを検出することができる。また、電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを含めた面状振動体１１の振動特性として振動を検出してこの面状振動体１１に印加される圧力を算出するので、簡便でかつ実用的に圧力を算出できる。また、振動発生手段１２、分離手段１１ｂおよび振動検出手段１３が一つの面状振動体１１上に集積されており、面状振動体１１ａは可撓性があるので、例えば接触する物体の圧力を検出する場合に物体に沿って装着することができるという装着の自由度がある上、薄型化が可能となる。
【００４１】次に、信号発生部１２で発生する発振信号の振幅Ｖ０（周波数ｆ１〜７４ｋＨｚ）と振動検出手段１３で検出される圧電起電力の振幅Ｄの関係を図６に示す。同図において、振幅Ｄ０１は圧力を印加しないときに得られた振幅、振幅Ｄ１は振動発生手段１２に３００ｇの圧力を印加したときに得られた振幅である。同図から明らかなように、振幅Ｄ０１もＤ１も発振信号の振幅Ｖ０にほぼ比例して増加する。従って、両者の差（Ｄ０１−Ｄ１）もまた発振信号の振幅Ｖ０にほぼ比例して増加する。両者の差（Ｄ０１−Ｄ１）は、同図の測定条件下で考えると圧力を印加しないときと３００ｇ印加したときの圧電起電力の差であるので、見掛けの感度に対応する。このことは、見掛けの感度が発振信号の振幅Ｖ０に比例することを示す。発振信号の振幅Ｖ０を可変できる信号発生部１４を用いることにより、応用に応じて適切な見掛けの感度を選択することができる。
【００４２】（実施例２）図７は本発明の実施例２の圧力検出装置の構成図である。
【００４３】本発明の実施例２の圧力検出装置は、複数の異なる周波数で振動発生手段１２を振動させ、例えば、振動発生手段１２に圧力Ｗが印加されたとき、その圧力Ｗに応じて変化する振動特性を複数の異なる周波数毎にそれぞれ振動検出手段１３により圧電起電力として検出し、この出力信号に基づき圧力算出手段１５により圧力Ｗを算出する。
【００４４】図５（ａ）、（ｂ）でも一例として示したように、種々の周波数ｆで振動発生手段１２を振動させたとき、周波数ｆに応じて圧力Ｗ−圧電起電力Ｄ特性もまた種々の特有の特性を示す。例えば、ある周波数として、図５（ａ）に示すように、共振周波数近傍の周波数ｆ１〜７４ｋＨｚを選択し、他の周波数として、圧力Ｗに対して感応しない無感応周波数近傍の周波数ｆ２〜５１ｋＨｚを選択する。無感応周波数近傍の周波数ｆ２〜５１ｋＨｚを選択したとき、圧力Ｗにより圧電起電力Ｄは殆ど変化しないので、図５（ｂ）と同じプロットをした場合、横軸Ｗにほぼ平行な直線状の特性線が得られる。このように二つの周波数ｆ１およびｆ２で圧力Ｗ−圧電起電力Ｄ特性をモニタしたとき次のような利点が得られる。例えば、外部からの雑音信号が圧電起電力Ｄに重畳すると真の圧電起電力Ｄが増減する。単一の周波数ｆ１〜７４ｋＨｚのみで圧力Ｗ−圧電起電力Ｄ特性を測定した場合、この雑音信号による異常な圧電起電力Ｄの変化を検知できない。しかし、無感応周波数近傍の周波数ｆ２〜５１ｋＨｚでも圧力Ｗ−圧電起電力Ｄ特性をモニタした場合、雑音信号はこの場合にも圧電起電力Ｄに重畳する。無感応周波数近傍の周波数ｆ２〜５１ｋＨｚの場合、この雑音信号が重畳しないとき、ほぼ一定の圧電起電力Ｄを示すので、この異常な圧電起電力Ｄの増減を検知できるという利点が得られる。
【００４５】この種異常検知は、上述した二つの周波数の選択の場合に限らず、それぞれの周波数での圧力Ｗ−圧電起電力Ｄ特性が明らかに異なる場合にも有効であることは容易に理解できる。例えば、ある周波数として、反共振周波数近傍の周波数ｆ１選択し、他の周波数として、無感応周波数近傍の周波数ｆ２を選択してもよい。また、ある周波数として、共振周波数近傍の周波数ｆ１選択し、他の周波数として、反共振周波数近傍の周波数ｆ２を選択してもよい。また、二つ以上の周波数を用いてもよい。
【００４６】複数の異なる周波数で振動発生手段１２を振動させる場合、 図７に示した構成が望ましい。振動発生手段１２では複数の異なる周波数の信号発生部１４'で発生する複数の異なる周波数の発振信号に応じて、電極１２ａと１２ｂに挟まれた面状振動体１１ａが振動する。この振動は、面状振動体１１ｂを経て、振動検出手段１３に伝播し、面状振動体１１全体がある特性をもって振動する。そして複数の異なる周波数の振動に応じて振動検出手段１３では圧電起電力が発生する。このように圧力を印加したとき、複数の異なる周波数の振動特性の変化に基づいて圧力算出手段１５により印加された圧力を算出する。複数の異なる周波数で振動発生手段１２を振動させる場合、複数の信号発生部１４を準備してもよいが、図７に示すように、周波数の異なる複数の信号を発生する信号発生部１４を備えることが望ましい。これにより、構成が簡素化されるという利点が生じる。
【００４７】複数の異なる周波数で振動発生手段１２を振動させる場合、 図８に示すように、複数の異なる周波数の振動に応じて振動検出手段１３では圧電起電力が発生するので、圧力算出手段１５は、複数のそれぞれの周波数成分を濾波する第１の櫓波部１５ａと算出部１５ｂを備えることが好ましい。
【００４８】（実施例３）図９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。
【００４９】実施例２と異なる点は圧力算出手段１５が、振動検出手段１３の出力信号から振動発生手段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１５ｃと、分離したこれらの成分に基づき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１５ｄとを有する点にある。
【００５０】ここでは図１や図７に示した圧力Ｗの替わりに、重量物体（Ｗ）１７が振動発生手段１２上に置かれる場合について述べる。重量物体１７は外部から周波数ｆｗの振動が印加されるか、又は内部に周波数ｆｗの振動体を有し、の重量物体１７全体が周波数ｆｗで振動しているものとする。実施例１や実施例２と同様に、振動発生手段１２では信号発生部１４で発生する複数の異なる周波数の発振信号に応じて面状振動体１１ａが振動する。上記より、振動発生手段１２による複数の異なる周波数の振動と重量物体１７の周波数ｆｗの振動とが合成され、電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，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１３では圧電起電力が発生する。発生した出力信号は振動発生手段１２による複数の異なる周波数成分をそれぞれ濾波する第１の濾波部１５ａと振動発生手段１２が発生する複数の異なる振動周波数以外の成分を濾波する第２の濾波部１５ｃでそれぞれの濾波部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の出力信号のうち成分が振動発生手段１２による複数の異なる周波数成分が濾波され、第２の濾波部１５ｃでは振動検出手段１３の出力信号のうちｆｗ成分が濾波される。
【００５１】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１５ｃの出力Ｖｗの信号波形は、それぞれ図１０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Ｖｗの振幅はそれぞれＤ０と０である。そして時刻ｔ１で重量物体１７が例えば振動発生手段１２上に置かれるとすると、Ｖ１とＶｗの振幅はＤ１とＤｗに変化する。算出部１５ｄでは物体の重量については実施例１と同様に図２に基づいてＷと算出される。重量物体１７の周波数ｆｗの振動については例えば、算出部１５ｄでその振幅Ｄｗの大きさを検出して振動の強度を算出する。なお、図１０では、説明を簡素化するために、信号発生部１４の発振信号Ｖ０は、一つの周波数だけを用いたが、振動発生手段１２は複数の異なる周波数で振動していることは明らかである。これにより、下記に示す利点が生じる。
【００５２】上記作用により、圧力算出手段１５が、振動検出手段１３の出力信号から振動発生手段１２が発生複数の異なる周波数の振動特性からそれぞれ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の出力信号から振動発生手段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に印加される圧力を算出し、第２の濾波部１５ｃの出力信号に基づき重量物体１７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。このときの静的な圧力は、複数の異なる周波数の振動特性から算出されるので、外部信号の重畳を検出できる地点を併せ持つことは明らかである。なお、上記実施例では、重量物体１７が振動発生手段１２に置かれたが、面状振動体１１ｂや振動検出手段１３に置かれてもよいし、また、これらの中の1箇所以上に置かれてもよい。
【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所定の周波数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】さらに面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が減少する領域の周波数を用いて、振動検出手段により圧力を算出するため、圧力に対する振動検出手段の出力の感度を種々選択でき、用途に応じて簡単な構成で圧力を検出することができる。
【００５５】また、本発明の請求項２にかかる圧力検出装置は、面状振動体の共振周波数を用いているので、圧力に対する振動検出手段の出力の感度を出力の減少する方向で最大にできる。
【００５６】また、本発明の請求項３にかかる圧力検出装置は、面状振動体に圧力が印加されたとき出力信号が増加する領域の周波数を用いて、振動検出手段により圧力を算出するため、圧力に対する振動検出手段の出力の感度を種々選択でき、用途に応じて簡単な構成で圧力を検出することができる。
【００５７】また、本発明の請求項４にかかる圧力検出装置は、面状振動体の反共振周波数を用いているので、圧力に対する振動検出手段の出力の感度を出力の増加する方向で最大にできる。
【００５８】また、本発明の請求項５にかかる圧力検出装置は、信号の振幅を可変できる信号発生部を有しているので、圧力に対する振動検出手段の出力の感度を用途に応じて選択できる。
【００５９】また、本発明の請求項６にかかる圧力検出装置は、振動発生手段により複数の異なる周波数で面状振動体を振動させ、それぞれの周波数の特有の振動特性を振動検出手段により算出しているため、外部からの雑音信号の重畳による異常信号を検出できる。
【００６０】また、本発明の請求項７にかかる圧力検出装置では、複数の異なる周波数の一つが面状振動体の共振周波数であり、他の周波数が無感応周波数であるので、外部からの雑音信号の重畳による異常信号を感度よく検出できる。
【００６１】また、本発明の請求項８にかかる圧力検出装置では、複数の異なる周波数の一つが面状振動体の反共振周波数であり、他の周波数が無感応周波数であるので、外部からの雑音信号の重畳による異常信号を感度よく検出できる。
【００６２】また、本発明の請求項９にかかる圧力検出装置では、複数の異なる周波数の一つが面状振動体の共振周波数であり、他の周波数が反共振周波数であるので、外部からの雑音信号の重畳による異常信号を感度よく検出できる。
【００６３】また、本発明の請求項１０にかかる圧力検出装置は、周波数の異なる複数の信号を発生する信号発生部を備えているので、簡素な構成で、振動発生手段により複数の異なる周波数で面状振動体を振動させることができる。
【００６４】また、本発明の請求項１２にかかる圧力検出装置は、周波数の異なる複数の信号をそれぞれ濾波する第１の濾波部を備えているので、それぞれの周波数での圧力算出を精度よく検出できる。
【００６５】また、本発明の請求項１３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複数の異なる周波数の振動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圧力を算出するとともに前記積層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ため、一つの面状振動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。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１１月２８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１６０１６７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）６月１８日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３２７４１０ |
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