壓力檢測裝置以及壓力檢測方法

2023-06-05 03:33:41 2

專利名稱：壓力檢測裝置以及壓力檢測方法
技術領域：
本發明涉及檢測壓力的技術。
背景技術：
在現有的壓力檢測裝置中，根據來自外部的壓力來改變壓敏元件的 電阻值，由此來檢測壓力(例如專利文獻l)。
專利文獻1日本特開平7-253374號公報 但是，在該技術中對壓敏元件的形狀有限制，從而存在無法使用所 希望的形狀的問題。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種能夠利用與以往不同的結構來進行壓 力檢測的技術。
本發明是為了解決上述課題的至少一部分而完成的，本發明可以作 為以下方式或應用例來實現。 [應用例l]
一種壓力檢測裝置，該壓力檢測裝置具有緩衝部，其包含磁鐵， 並根據加減壓而變形；以及傳感器部，其通過磁傳感器來檢測上述緩衝 部的變形所伴隨的磁場變化。
根據該壓力檢測裝置，當對緩衝部施加加減壓時緩衝部變形從而磁 場發生變化，所以可以通過利用磁傳感器檢測該磁場變化來檢測加減壓。
上述緩衝部可以包含均勻分散的多個磁鐵。
根據該壓力檢測裝置，將磁鐵分散地配置在緩衝部中，因此能夠檢 測施加到緩衝部的各個部位上的加減壓。[應用例3]
上述傳感器部可以包含多個上述磁傳感器。
根據該壓力檢測裝置，通過多個磁傳感器來檢測磁場變化，所以可 以獲得空間上的壓力分布。
一種壓力檢測裝置，該壓力檢測裝置具有緩衝部，其包含磁鐵，
並根據加減壓而變形；以及傳感器部，其通過磁傳感器來檢測上述緩衝
部的變形所伴隨的磁場變化，上述緩衝部包含均勻分散的多個磁鐵，上 述磁傳感器設置在撓性電路基板上。
根據該壓力檢測裝置，可以使該電路基板發生較大的變形，所以可 以檢測針對具有各種形狀的物體的加減壓。
上述磁傳感器可以包含多個磁傳感器元件，多個上述磁傳感器元件 可以均勻配置。
根據該壓力檢測裝置，均勻地配置磁傳感器元件，所以可以獲得高 精度的壓力分布。 [應用例6]
上述磁傳感器包含多個磁傳感器元件，上述磁傳感器元件設置在將 相同的三角形平鋪配置時、三角形的頂點位置上。
根據該壓力檢測裝置，以均勻的狀態密集地配置磁傳感器元件，所 以可以取得更高精度的壓力分布。D與ID碼記錄部470 中的ID—致時，通信部480將所提供的校正數據存儲到存儲部440中。這 樣，如果利用ID碼，則在多個磁傳感器電路331與控制電路500連接時， 能夠向其中特定的磁傳感器電路331發送校正數據。然而，可以省略ID碼記錄部470及外部開關472。另外，也可以使用控制電路500以外的裝置向 磁傳感器龜路331發送校正數據。
在圖3的例子中，校正數據是表示變換表CT的內容的數據，變換表 CT存儲在存儲部440中。特性變換部430利用該變換表CT，來校正磁傳感 器元件410的傳感器輸出SSA0的電平。具體地說，執行使壓力檢測裝置300
的輸入輸出關係具有所希望的形狀(輸入輸出特性)的校正。另外在本實施 例中，壓力檢測裝置300的輸入是根據外壓PP而變化的磁場的大小和方 向，輸出是磁傳感器電路331的傳感器輸出SSA。由特性變換部430校正後 的傳感器輸出被DA變換部450變換為模擬信號，然後由放大器460進行放 大，並作為傳感器輸出SSA輸出。
例如可以使用如下這樣的表來作為變換表CT。
(1) 將校正前的輸出SSAO的電平作為輸入、將校正後的輸出SSA的電
平作為輸出的第l查找表。
(2) 將校正前的輸出SSA0的電平作為輸入、將校正前的輸出SSAO與 校正後的輸出SSA之差分作為輸出的第2查找表。
(3) 將校正前的輸出SSA0的電平作為變量、將校正前的輸出SSAO與 校正後的輸出SSA之比作為輸出的第3查找表。
在使用了上述第1査找表的情況下，特性變換部430可以通過參照第1 査找表來直接獲得校正後的傳感器輸出。另一方面，在使用了上述第2查 找表的情況下，特性變換部430可以通過將參照第2查找表而獲得的差分 與磁傳感器元件410的輸出相加，來獲得校正後的傳感器輸出。在使用了 上述第3査找表的情況下，特性變換部430可通過將參照第3査找表而獲得 的比與磁傳感器元件410的輸出相乘，來獲得校正後的傳感器輸出。
圖4是表示壓力檢測裝置300的優選輸入輸出關係的一例的說明圖。 圖4(A)表示變換前(校正前)的輸入輸出關係，圖4(B)表示變換後(校正後) 的輸入輸出關係。在這些圖中，橫軸表示外壓PP的加壓量，縱軸表示磁 傳感器電路331的傳感器輸出SSA。在該例中，將變換前的非線性輸入輸
出關係變換為直線(線性)輸入輸出關係。這樣，輸入(在該例中是加壓量) 與輸出(在該例中是傳感器輸出SSA)之間的關係成為與壓力檢測裝置300的設置狀態無關的直線關係，因此，控制電路500可以使用該傳感器輸出 SSA來容易地執行恰當的控制。
圖5是表示壓力檢測裝置300的優選輸入輸出關係的另一例的說明 圖。在該例中，將變換前的線性輸入輸出關係變換為非線性輸入輸出關 系。這樣，可以利用包含直線(線性)和非直線(非線性)的任意形狀來作為 作為變換後的輸入輸出關係(輸入輸出特性)。
圖6是表示利用了壓力檢測裝置300的控制系統的另一例的框圖。該 控制系統在圖2所示的控制系統的結構中追加了加熱器350和溫度傳感器 360，其他結構與圖2所示的結構相同。溫度傳感器360以非接觸方式來測 量永久磁鐵320的溫度。不過，也可以採用接觸式的溫度傳感器。加熱器 350可以使永久磁鐵320保持恆溫，並且使緩衝材料的基於溫度變化的硬 度穩定。另外，在沒有用來設置加熱器的空間時，可以根據來自溫度傳 感器的信息，使用查找表等來進行緩衝材料硬度變化的影響及磁場環境 溫度的影響的壓力檢測校正。控制電路500控制加熱器350的輸出，使永 久磁鐵320的溫度保持為所希望的溫度。根據該結構，永久磁鐵320的溫 度與環境溫度無關而基本保持恆定，所以能夠穩定由永久磁鐵320產生的 磁場。其結果是，可以更準確地檢測外壓PP，執行高精度的控制。
這樣，在第l實施例中，可以根據由緩衝部變形產生的磁場變化來檢 測加減壓。另外，即使增大緩衝材料的厚度，也能夠檢測加減壓。
B.第2實施例
圖7是表示第2實施例中的壓力檢測裝置300a的概略結構的說明圖。 與圖l所示的第l實施例的不同點僅僅在於使多個永久磁鐵320a以分散的 狀態包含在緩衝部340a內部，其他結構與第l實施例相同。另外，為了使 緩衝部340a以均勻狀態包含永久磁鐵320a，而優選使永久磁鐵320a形成為
例如粉末狀等微小的形狀。
圖8是表示第2實施例中的壓力檢測裝置300a的製造方法的說明圖。 首先，如圖8(A)所示，準備根據加減壓而變形的緩衝部340a。緩衝部340a 包含未磁化狀態的微小磁鐵部件MM。接著，如圖8(B)所示，沿紙面上下 方向對未磁化狀態的磁鐵部件MM進行磁化，由此來生成永久磁鐵320a。然後，如圖8(C)所示，將傳感器部330設置在緩衝部340a的下部。其結果 是，能夠獲得具有多個微小永久磁鐵320a分散在其中的緩衝部340a的壓 力檢測裝置300a。
這樣，即使由分散的多個永久磁鐵來構成磁鐵部，也可以與第l實施 例同樣地檢測出由緩衝部變形產生的磁場變化。而且，在第2實施例的情 況下，由於使永久磁鐵分散在緩衝部內，所以能夠檢測出施加到緩衝部 的各個部位上的加減壓。
C. 第3實施例
圖9是表示第3實施例中的壓力檢測裝置300b的概略結構的說明圖。 與圖7所示的第2實施例的不同點僅僅在於傳感器部330相對於紙面沿水 平方向具有多個磁傳感器電路，其他結構與第2實施例相同。在圖9(A)的 例子中，描繪出兩個磁傳感器電路331a、 331b，不過也可以設置更多的 磁傳感器電路。圖9(B)是第3實施例中的壓力檢測裝置300b受到外壓PP 時、對於磁傳感器電路331a和磁傳感器電路331b的壓力分布的例子的說 明圖。該例子中的外壓PP位於相對於緩衝部340a的中心更靠近磁傳感器 電路331a的一側。因此，磁傳感器電路331a所檢測出的外壓PPl大於磁傳 感器電路331b所檢測出的外壓PP2。若利用多個磁傳感器電路331a、 331b 的輸出，則可檢測出外壓PP的大小和位置。
這樣，即使由多個磁傳感器電路來構成傳感器部，也可以與第l和第 2實施例同樣地檢測出由緩衝部的變化產生的磁場變化。另外，在第3實 施例的情況下，因為在水平方向上設置有多個磁傳感器電路，所以能夠 獲得水平方向的空間壓力分布。特別地，若對多個磁傳感器電路進行二 維配置，則可檢測出二維壓力分布。此外，若沿著例如曲面來配置磁傳 感器電路，則可檢測出曲面上的壓力分布。
D. 第4實施例


圖10是表示第4實施例中的壓力檢測裝置300c的概略結構的說明圖。 與圖9(A)所示的第3實施例的不同點僅僅在於相對於紙面沿垂直方向向 上和向下分別具有多個磁傳感器電路(磁傳感器電路331a、 331b)，其他結 構與第3實施例相同。通過這樣配置磁傳感器電路，可以檢測出從上下方向對緩衝部340a施加的壓力(外壓PP以及外壓PL)。另外，在圖10中省略 了磁軛。
這樣，即使由多個磁傳感器電路來構成傳感器部，也可以與第l和第 2實施例同樣地檢測出由緩衝部的變化產生的磁場變化。而且，在第4實 施例的情況下，由於在垂直方向上設置有多個磁傳感器電路，所以與第l 和第2實施例相比，可以獲得垂直方向的空間壓力分布。
E.第5實施例
圖11是表示第5實施例中的具有壓力檢測裝置的車輛的概略結構的 說明圖。該車輛600具有車窗玻璃610、壓力檢測部620、車輪630和車室 650。例如可以使用圖9所示的第3實施例的壓力檢測裝置300b來作為壓力 檢測部620。在該情況下，在圖9所示的緩衝部340a覆蓋車輛600的車身一 部分的狀態下設置壓力檢測裝置300b。優選在緩衝部340a下方大致均勻 地配置多個磁傳感器電路。但是，當然也可以採用第3實施例以外的其他 實施例中說明的壓力檢測裝置。
圖12是表示第5實施例中的具有壓力檢測裝置的車輛的控制系統的 一例的框圖。該控制系統具有壓力檢測裝置300b、控制電路500、驅動部 640和車輪630。這裡，壓力檢測裝置300b以及控制電路500的內部結構基 本與圖2所說明的結構相同，所以省略其詳細說明。控制電路500根據來 自壓力檢測裝置300b的信息來控制驅動部640。這裡優選是，驅動部640 包括對驅動車輪630的致動器(例如電動機)進行控制的驅動控制電路(省 略圖示)。
圖13是表示控制電路500對驅動部640進行控制的處理步驟的流程 圖。在步驟S10中，控制電路500的通信部530與磁傳感器電路331的通信 部480進行通信，接收傳感器輸出SSA。在步驟S20中，判定傳感器輸出 SSA是否為一定基準以上。在步驟S30中，當判定為是一定基準以上時， 根據傳感器輸出SSA的位移量來決定操縱控制及制動量。例如可以進行如 下等的決定向與檢測出壓力的方向相反的方向操縱車輛600，或者當檢 測出壓力時使車輛600停止。在步驟S40中，根據步驟S30中的決定來進行 驅動部640的控制。這樣，根據具有第1 第4實施例的壓力檢測裝置的車輛，可以檢測 到對車輛的撞擊，並由此來控制車輛的操縱及制動。
F. 第6實施例
圖14是表示第6實施例中的具有壓力檢測裝置的車輛的概略結構的 說明圖。與圖11所示的第5實施例的不同點僅僅在於壓力檢測部620是車 輛600的車身部分下部的一部分，其他結構與第5實施例相同。另外，優 選將壓力檢測部620設置在車輛上的設想會受到撞擊的部分上。
這樣，在第6實施例的情況下，僅將壓力檢測部特別設置在需要檢測 撞擊的部位上，所以能夠抑制車輛製造的成本。
G. 第7實施例
圖15是表示第7實施例中的具有壓力檢測裝置的機器人的概略結構 的說明圖。該機器人700具有機身710、視覺部720、聲音部730、觸覺部 740和移動部750。其中，可以利用上述壓力檢測裝置300b來作為觸覺部 740。觸覺部740的表面由緩衝部340a覆蓋。在該結構中，可以檢知對觸 覺部740的壓力，從而控制電路500通過驅動部640來控制機器人的動作。 另外，控制電路500也可以通過檢測出對觸覺部740的壓力而判斷為機器 人持有物體，並進行控制。另外，也可以省略視覺部720、聲音部730以 及移動部750。
H. 第8實施例
圖16是表示第8實施例中的具有壓力檢測裝置的方向盤的概略結構 的說明圖。該方向盤800具有操縱指令部810、手柄820以及操作面板830。 其中，可以利用上述壓力檢測裝置300b來作為手柄820。手柄820的表面 由緩衝部340a覆蓋。在該結構中，當由於打瞌睡等而沒有檢測出手握著 手柄820的壓力時，控制電路500可以對車輛主體的驅動部640進行強制制 動車輛的控制。另外，操作面板830可以省略。
I. 第9實施例
圖17是表示第9實施例中的壓力檢測裝置300d的概略結構的說明圖。 與圖7所示的第2實施例的不同點僅僅在於傳感器部330d不同，其他結構 與第2實施例相同。具體地說，在第9實施例的傳感器部330d中，磁傳感器電路331d和電路底座332d以疊層狀態設置在緩衝部340a的整個下部 上。另外，電路底座332d是具有撓性且可以使其形狀進行較大變形的基 板(撓性基板)。另外，省略了磁軛。
圖18是表示磁傳感器電路331d的內部結構的框圖。與圖3所示的第2 實施例的不同點在於具有磁傳感器元件組410d、元件組控制部490和要素 值表ET，其他結構及動作與第2實施例相同。磁傳感器元件組410d由多個 磁傳感器元件(例如多個霍爾元件)組成。元件組控制部490具有控制磁傳 感器元件組410d的功能。後面進行詳細敘述。要素值表ET是設置在存儲 部440d內的用於存儲來自磁傳感器元件組410d的傳感器輸出的表。該磁 傳感器電路331d在一個裝置內設置有多個，當與ID碼記錄部470中的ID— 致時，可以由外部裝置(例如CPU520)來更新ID—致的磁傳感器電路331d 內的變換表CT。另外，外部裝置(例如CPU 520)也可以通過通信部480來 讀出要素值表ET內的數據組。
圖19是傳感器部330d的概略說明圖。在第9實施例中，在撓性電路底 座332d上均勻地配置有多個磁傳感器元件SD。具體地說，磁傳感器元件 SD設置在將相同的三角形平鋪配置時、相當於該各三角形的頂點的位置 上。這些磁傳感器元件SD還統稱為"磁傳感器元件組410d"。可以採用等 邊三角形或正三角形等來作為規定各傳感器元件位置的三角形。磁傳感 器元件SD通過可以分別獨立進行通信的總線與元件組控制部490連接。另 夕卜，省略了磁傳感器電路331d中的磁傳感器元件410d、元件組控制部490 以外的部分的圖示。
圖20是元件組控制部對磁傳感器元件組進行控制的說明圖。在將磁 傳感器元件SD理解為矩陣時，可以通過SD(i， j)的方式來確定某個磁傳感 器元件SD。例如，為了獲得被確定為SD(l， l)的磁傳感器元件SD的傳感 器輸出SSAO，只要在開關NS1接通(開關NS2 NS4斷開)的狀態下使開關 MSl接通(開關MS2 MS5斷開)g卩可。這樣，元件組控制部490取得SD(1， 1) SD(4， 5)的各傳感器輸出SSA0。在各傳感器輸出SSAO與可確定各個 磁傳感器元件SD的信息一起發送給AD變換部420後，按照圖3所說明的步 驟來校正各傳感器輸出SSAO。然後，將校正後的傳感器輸出值存儲到要素值表ET中。
圖21是表示某時刻下的傳感器輸出SSA的例子的說明圖。圖22是將 圖21圖形化的圖。這樣，在本實施例中，可以檢測配置有磁傳感器元件 SD的各點的加減壓大小。另外，也可以根據傳感器輸出值來計算設有磁 傳感器元件SD的各點中的最大壓力點。
通過這種方式，也可以與第1和第2實施例同樣地檢測由緩衝部的變 化產生的磁場變化。另外，在第9實施例的情況下，由於在撓性電路基板 上設置有磁傳感器電路，所以能夠檢測針對具有各種形狀的物體的加減 壓。而且，磁傳感器元件以均勻狀態密集地配置，所以如圖22所示，能 夠獲得更高精度的壓力分布。
J.變形例
另外，本發明不限於上述實施例及實施方式，在不脫離其主旨的範 圍內可以以各種形式進行實施，例如還可以進行如下變形。 Jl.變形例l
在上述實施例中，緩衝部所包含的磁鐵為永久磁鐵，不過該磁鐵也 可以是電磁鐵。 J2.變形例2
在上述實施例中，相對於紙面沿上下方向對永久磁鐵進行磁化，不 過也可以相對於紙面沿左右方向進行該磁化。另外，還可以相對於紙面 沿上下(垂直)、左右(水平)以外的方向進行磁化。
J3.變形例3
在上述實施例中，利用數位訊號在控制電路500與壓力檢測裝置300 之間進行通信，不過也可以利用模擬信號或光通信來進行該通信。另外， 還可以使用電線來進行通信。
J4.變形例4
在上述實施例中，利用特性變換部430來對磁傳感器元件的傳感器輸 出SSAO進行校正，不過也可以通過使用特定函數的函數運算部430a來進 行該校正。另外，也可以省略該校正。
J5.變形例5本發明的壓力檢測裝置可以作為用於檢測壓力的裝置而利用於各種
裝置中。例如在上述第5、第6實施例中，將壓力檢測部作為車輛600的車 身部分的一部分，不過壓力檢測部不限於車身部分，也可以為車擋部分、 車門部分或車室內部。另外，在上述第7實施例中，將觸覺部740作為機 器人700的手臂部分，不過觸覺部740不限於手臂部分，也可以為機身部 分或腳部分。此外，在上述第8實施例中，將壓力檢測部作為方向盤800 的手柄820，不過壓力檢測部不限於手柄820，也可以為操縱指令部810或 操作面板830。 J6.變形例6
在上述第9實施例中採用了如下結構具有一個磁傳感器電路，並在 其中設有多個磁傳感器元件。但是也可以採用以下結構具有多個磁傳 感器電路，並在各磁傳感器電路內設有多個磁傳感器元件。
J7.變形例7
在上述第9實施例中，磁傳感器元件SD設置在將相同的三角形平鋪 配置時、相當於該各三角形的頂點的位置上。但是，只要不脫離本發明 主旨，磁傳感器元件SD可以進行任意配置。例如，也可以將四角形或六 角形平鋪配置，並在相當於其各頂點的位置上配置磁傳感器元件SD，由 此來均勻地配置磁傳感器元件SD。通過這種方式也可以均勻地配置磁傳 感器元件，從而可以獲得高精度的壓力分布。
權利要求
1. 一種壓力檢測裝置，該壓力檢測裝置具有緩衝部，其包含磁鐵，並根據加減壓而變形；以及傳感器部，其通過磁傳感器來檢測上述緩衝部的變形所伴隨的磁場變化。
2. 根據權利要求l所述的壓力檢測裝置，其中， 上述緩衝部包含均勻分散的多個磁鐵。
3. 根據權利要求1或2所述的壓力檢測裝置，其中，上述傳感器部包含多個上述磁傳感器。
4. 一種壓力檢測裝置，該壓力檢測裝置具有 緩衝部，其包含磁鐵，並根據加減壓而變形；以及傳感器部，其通過磁傳感器來檢測上述緩衝部的變形所伴隨的磁場 變化，上述緩衝部包含均勻分散的多個磁鐵， 上述磁傳感器設置在撓性電路基板上。
5. 根據權利要求4所述的壓力檢測裝置，其特徵在於， 上述磁傳感器包含多個磁傳感器元件， 均勻地配置了多個上述磁傳感器元件。
6. 根據權利要求4所述的壓力檢測裝置，其特徵在於，上述磁傳感器包含多個磁傳感器元件，上述磁傳感器元件設置在將相同的三角形平鋪配置時、三角形的頂 點位置上。
7. 根據權利要求4至6中任意一項所述的壓力檢測裝置，其中， 上述傳感器部包含多個上述磁傳感器，上述磁傳感器具有能與外部裝置進行通信的通信部；以及存儲能 識別上述多個磁傳感器的識別標記的ID碼部，上述外部裝置構成為，能夠通過使用上述ID碼部中存儲的上述識別 標記，訪問多個上述磁傳感器中的任意磁傳感器。
8. —種壓力檢測方法，該壓力檢測方法包括以下步驟-(a) 準備緩衝部，該緩衝部包含磁鐵、並根據加減壓而變形；以及(b) 檢測上述緩衝部的變形所伴隨的磁場變化。
9. 一種移動體，該移動體具有 權利要求1至7中任意一項所述的壓力檢測裝置；以及 根據上述壓力檢測裝置的檢測結果來控制上述移動體的控制部。
10. —種機器人，該機器人具有權利要求1至7中任意一項所述的壓力檢測裝置；以及根據上述壓力檢測裝置的檢測結果來控制上述機器人的控制部。
11. 一種操縱裝置，該操縱裝置具有 權利要求1至7中任意一項所述的壓力檢測裝置；以及 根據上述壓力檢測裝置的檢測結果來控制安裝有上述操縱裝置的移動體主體的控制部。
全文摘要
壓力檢測裝置以及壓力檢測方法。本發明提供能夠利用與以往不同的結構來進行壓力檢測的技術。本發明的壓力檢測裝置具有緩衝部(340)，其包含磁鐵，並根據加減壓而變形；以及傳感器部(330)，其通過磁傳感器電路(331)來檢測緩衝部(340)的變形所伴隨的磁場變化。
文檔編號G01L1/12GK101520349SQ20091011854
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月26日 優先權日2008年2月28日
發明者岡倉要次郎, 竹內啟佐敏 申請人:精工愛普生株式會社