ホーム > 特許ランキング > セイコーエプソン株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-08
(45)【発行日】2024-07-17
(54)【発明の名称】圧電素子デバイス、圧電素子装置および荷重検出方法
(51)【国際特許分類】
G01L 1/10 20060101AFI20240709BHJP
【ＦＩ】
G01L1/10 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020112700
(22)【出願日】2020-06-30
(65)【公開番号】P2022011511
(43)【公開日】2022-01-17
【審査請求日】2023-06-30
(73)【特許権者】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】小島 力
【審査官】松山 紗希
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１３０９９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１７１０５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２２４０２０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６
Ｈ０４Ｒ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、
前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、
前記振動部と前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、
前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、
前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならない
ことを特徴とする圧電素子デバイス。
【請求項2】
請求項１に記載の圧電素子デバイスと、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出部と、を備える
ことを特徴とする圧電素子装置。
【請求項3】
請求項２に記載の圧電素子装置であって、前記共振周波数検出部は、
各前記荷重検出素子に対応して設けられ、前記検出信号から、対応する前記荷重検出素子の前記共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を抽出信号として選択的に抽出する複数のバンドパスフィルターと、
各前記バンドパスフィルターにより抽出された前記抽出信号の周期に基づいて、前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化を算出する変化算出部と、を備える
ことを特徴とする圧電素子装置。
【請求項4】
請求項２に記載の圧電素子装置であって、前記共振周波数検出部は、フーリエ変換を用いて前記検出信号に含まれる各前記荷重検出素子に対応した前記共振周波数変化範囲の信号成分を解析することにより、前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化を算出する
ことを特徴とする圧電素子装置。
【請求項5】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の圧電素子装置であって、前記圧電素子群に対して、複数の前記荷重検出素子を振動させる駆動信号を入力する駆動回路をさらに備える
ことを特徴とする圧電素子装置。
【請求項6】
請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の圧電素子装置であって、前記共振周波数検出部により検出される前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化に基づいて、各前記荷重検出素子に加えられた前記荷重を算出する荷重算出部をさらに備える
ことを特徴とする圧電素子装置。
【請求項7】
複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならない圧電素子デバイスを用いて、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出ステップと、
前記共振周波数検出ステップにより検出される前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化に基づいて、各前記荷重検出素子に加えられた前記荷重を算出する荷重算出ステップと、を実施する
ことを特徴とする荷重検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電素子デバイス、圧電素子装置および荷重検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、荷重を検出する触覚センサーには、複数の圧電素子を有する圧電素子デバイスが用いられている。
例えば、特許文献１に開示の触覚センサーは、圧電素子デバイスとしてのセンサー本体を備え、このセンサー本体は、基板と、基板上に配置された複数の超音波素子と、複数の超音波素子を被覆する弾性膜とを有する。このセンサー本体において、圧電素子を含んで構成された超音波素子は、弾性膜内に設けられた反射体に対して超音波を発信するとともに、反射体により反射された超音波を受信する。この触覚センサーでは、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、各超音波素子から反射体までの距離の変化を検出でき、この距離の変化に基づいて弾性膜に作用する応力を算出できる。
例えば、特許文献１に開示の触覚センサーは、圧電素子デバイスとしてのセンサー本体を備え、このセンサー本体は、基板と、基板上に配置された複数の超音波素子と、複数の超音波素子を被覆する弾性膜とを有する。このセンサー本体において、圧電素子を含んで構成された超音波素子は、弾性膜内に設けられた反射体に対して超音波を発信するとともに、反射体により反射された超音波を受信する。この触覚センサーでは、超音波発信タイミングから超音波受信タイミングまでの時間を計測することで、各超音波素子から反射体までの距離の変化を検出でき、この距離の変化に基づいて弾性膜に作用する応力を算出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－１４１２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、上述の特許文献１に開示される圧電素子デバイスでは、基板に配置された各超音波素子から反射体までの距離の変化を検出するために、各超音波素子を構成する圧電素子に対して個別の配線を接続する必要がある。このような圧電素子デバイスでは、基板上の圧電素子同士の間に配線を設けるスペースが必要であるため、圧電素子を高密度に配置することが困難である。これにより、触覚センサーなど、圧電素子デバイスを用いた圧電素子装置の分解能を向上させることが困難である。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一適用例に係る圧電素子デバイスは、複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と当該振動部に設けられた前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならないことを特徴とする。
【0006】
本発明の一適用例に係る圧電素子装置は、上述の圧電素子デバイスと、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出部とを、備えることを特徴とする。
【0007】
本発明の一適用例に係る荷重検出方法は、複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と当該振動部に設けられた前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならない圧電素子デバイスを用いて、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出ステップと、前記共振周波数検出ステップより検出される前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化に基づいて、各前記荷重検出素子に加えられた前記荷重を算出する荷重算出ステップと、を実施することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態にかかる触覚センサーの概略構成を示すブロック図。
【図2】第１実施形態にかかる圧電素子デバイスの概略構成を示す平面図。
【図4】第１実施形態の検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図5】荷重検出素子に加わる荷重と当該超荷重検出素子の撓み位置との関係を表すグラフ。
【図6】荷重検出素子の撓み位置と当該荷重検出素子の共振周波数の変化率との関係を表すグラフ。
【図7】第１実施形態における複数の荷重検出素子に関して、共振周波数および共振周波数変化範囲を説明するためのグラフ。
【図8】第１実施形態における荷重検出方法を説明するためのフローチャート。
【図9】第１実施形態において圧電素子群から出力される検出信号を例示するグラフ。
【図10】第１実施形態における複数の抽出信号の１つを例示するグラフ。
【図11】第２実施形態にかかる触覚センサーの概略構成を示すブロック図。
【図12】第２実施形態において圧電素子群から出力される検出信号をフーリエ変換した波形を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0009】
［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る触覚センサー１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の触覚センサー１は、圧電素子デバイス１０と、圧電素子デバイス１０を制御する制御装置６０とを備えており、圧電素子デバイス１０に設けられた接触面に対して加わる荷重の分布を検出する圧電素子装置である。
以下、本開示の第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る触覚センサー１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の触覚センサー１は、圧電素子デバイス１０と、圧電素子デバイス１０を制御する制御装置６０とを備えており、圧電素子デバイス１０に設けられた接触面に対して加わる荷重の分布を検出する圧電素子装置である。
【0010】
［圧電素子デバイス１０の構成］
図２は、圧電素子デバイス１０の概略構成を示す平面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ線で圧電素子デバイス１０を切断した場合の断面図である。
図２に示すように、本実施形態の圧電素子デバイス１０は、複数の荷重検出素子群５１を備えており、各荷重検出素子群５１は、複数（ｎ個）の荷重検出素子５０－１～５０－ｎを備えている。この荷重検出素子５０－１～５０－ｎは、それぞれ、圧電素子３０を含んで構成されており、荷重検出素子群５１に含まれる荷重検出素子５０－１～５０－ｎの各圧電素子３０は、互いに並列接続されている。すなわち、荷重検出素子群５１は、複数（ｎ個）の圧電素子３０が互いに並列接続された圧電素子群３５を含んで構成されている。
図２は、圧電素子デバイス１０の概略構成を示す平面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ線で圧電素子デバイス１０を切断した場合の断面図である。
図２に示すように、本実施形態の圧電素子デバイス１０は、複数の荷重検出素子群５１を備えており、各荷重検出素子群５１は、複数（ｎ個）の荷重検出素子５０－１～５０－ｎを備えている。この荷重検出素子５０－１～５０－ｎは、それぞれ、圧電素子３０を含んで構成されており、荷重検出素子群５１に含まれる荷重検出素子５０－１～５０－ｎの各圧電素子３０は、互いに並列接続されている。すなわち、荷重検出素子群５１は、複数（ｎ個）の圧電素子３０が互いに並列接続された圧電素子群３５を含んで構成されている。
【0011】
なお、荷重検出素子群５１の数、すなわち圧電素子群３５の数は、図２，図３に示す例に限られない。圧電素子デバイス１０は、少なくとも１つの圧電素子群３５と、当該圧電素子群３５を含む荷重検出素子群５１とを有していればよい。また、各荷重検出素子群５１が含む荷重検出素子５０－１～５０－ｎの数、すなわち圧電素子群３５が含む圧電素子３０の数は、任意の複数に設定可能である。
また、荷重検出素子５０－１～５０－ｎの配置は、図２に示すように一列に配置されることに限られず、アレイ状に配置されてもよい。
また、荷重検出素子５０－１～５０－ｎの配置は、図２に示すように一列に配置されることに限られず、アレイ状に配置されてもよい。
【0012】
以下、圧電素子デバイス１０の具体的構成について説明する。なお、以下では、荷重検出素子５０－１～５０－ｎをまとめて荷重検出素子５０と称する場合がある。
【0013】
図２，図３に示すように、圧電素子デバイス１０は、基板２０と、基板２０上に配置される複数（ｎ個）の圧電素子３０と、当該複数の圧電素子３０を覆う樹脂層４０と、を含んで構成されている。なお、図２では、樹脂層４０の図示を省略している。
以下の説明では、基板２０の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
以下の説明では、基板２０の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【0014】
図３に示すように、基板２０は、基板本体部２１と、基板本体部２１の一面側に設けられる振動板２２と、を備える。
基板本体部２１は、振動板２２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。
この基板本体部２１には、基板本体部２１をＺ方向に沿って貫通する複数の開口部２１０が設けられている。複数の開口部２１０は、基板本体部２１に対して、Ｘ方向およびＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置されている。これにより、基板本体部２１において、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合う開口部２１０の間には、壁部２１１が設けられている。
基板本体部２１は、振動板２２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。
この基板本体部２１には、基板本体部２１をＺ方向に沿って貫通する複数の開口部２１０が設けられている。複数の開口部２１０は、基板本体部２１に対して、Ｘ方向およびＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置されている。これにより、基板本体部２１において、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合う開口部２１０の間には、壁部２１１が設けられている。
【0015】
振動板２２は、例えばＳｉＯ２およびＺｒＯ２の積層体等より構成されている。振動板２２は、基板本体部２１により支持され、開口部２１０のＺ方向の一方側（Ｚ方向－側）を閉塞する。振動板２２のうち、Ｚ方向から見た際に開口部２１０に重なる領域、すなわち基板２０の壁部２１１の縁に囲われる領域は、振動部２３を構成している。
【0016】
圧電素子３０は、複数の振動部２３のそれぞれに設けられている。これにより、基板２０には、複数の圧電素子３０がＸ方向およびＹ方向に沿った２次元アレイ状に配置されている。
圧電素子３０は、振動部２３を振動させる撓み型の振動素子であり、振動部２３のＺ方向－側の面に対して、下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３を順に積層することで構成されている。
圧電素子３０を構成する下部電極３１および上部電極３３は、それぞれ、信号線等を介して回路部６１に電気的に接続されている（図１参照）。
本実施形態では、基板２０に形成された振動部２３と当該振動部２３上に配置された圧電素子３０とによって、荷重検出素子５０が構成されている。
圧電素子３０は、振動部２３を振動させる撓み型の振動素子であり、振動部２３のＺ方向－側の面に対して、下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３を順に積層することで構成されている。
圧電素子３０を構成する下部電極３１および上部電極３３は、それぞれ、信号線等を介して回路部６１に電気的に接続されている（図１参照）。
本実施形態では、基板２０に形成された振動部２３と当該振動部２３上に配置された圧電素子３０とによって、荷重検出素子５０が構成されている。
【0017】
樹脂層４０は、基板２０のＺ方向－側に形成され、基板２０上における複数の圧電素子３０を被覆している。この樹脂層４０は、Ｚ方向に略垂直な接触面４１を形成している。本実施形態では、検出対象物が樹脂層４０の接触面４１に接触して荷重を加えることにより、当該荷重が樹脂層４０を介して各荷重検出素子５０に伝達される。
【0018】
以上の圧電素子デバイス１０では、上述したように、複数（ｎ個）の圧電素子３０が、互いに並列接続されることで一群の圧電素子群３５を構成している（図２参照）。この圧電素子群３５では、各圧電素子３０の上部電極３３が駆動信号線３６を介して並列に接続されており、駆動信号線３６は、圧電素子群３５に対応する駆動端子３７に接続されている。駆動端子３７は、例えば基板２０の外周部に設けられている。
また、図示を省略するが、複数の圧電素子３０の下部電極３１は、バイアス信号線を介して共通端子に接続されている。
また、図示を省略するが、複数の圧電素子３０の下部電極３１は、バイアス信号線を介して共通端子に接続されている。
【0019】
駆動端子３７に駆動信号が入力され、共通端子にバイアス信号が入力されることにより、当該駆動端子３７に接続された圧電素子群３５の各圧電素子３０が駆動される。具体的には、各圧電素子３０では、下部電極３１と上部電極３３との間に電圧が印加されることにより圧電膜３２が伸縮する。圧電膜３２が伸縮すると、振動部２３は、開口部２１０の開口幅等に応じた共振周波数で振動する。これにより、荷重検出素子５０は、当該荷重検出素子５０に対応した共振周波数で共振する。
【0020】
各荷重検出素子５０に電圧が印加された場合、圧電素子３０の下部電極３１と上部電極３３との間で電位差により、各圧電素子３０から当該電位差に応じた電流信号が出力される。また、各荷重検出素子５０が共振した場合、当該電位差と当該電流との比に極値が発生する。これにより、圧電素子群３５は、各圧電素子３０の電流信号を含む検出信号を出力する。
【0021】
本実施形態では、荷重検出素子群５１に含まれる荷重検出素子５０－１～５０－ｎは、各開口部２１０の開口幅に応じて、互いに異なる共振周波数で共振する。
例えば、図３に例示される３つの荷重検出素子５０－１～５０－３では、各開口部２１０の開口幅Ｗ１～Ｗ３が、Ｗ３＜Ｗ２＜Ｗ１の関係を有するため、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３の関係を有する。
なお、荷重検出素子５０の共振周波数は、後述するように検出対象物から荷重検出素子５０に加えられる荷重によって変化するが、本明細書では、単に共振周波数と記載されている場合、荷重検出素子５０に検出対象物からの荷重が加えられていない無荷重状態の共振周波数を意味するものとする。
例えば、図３に例示される３つの荷重検出素子５０－１～５０－３では、各開口部２１０の開口幅Ｗ１～Ｗ３が、Ｗ３＜Ｗ２＜Ｗ１の関係を有するため、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３の関係を有する。
なお、荷重検出素子５０の共振周波数は、後述するように検出対象物から荷重検出素子５０に加えられる荷重によって変化するが、本明細書では、単に共振周波数と記載されている場合、荷重検出素子５０に検出対象物からの荷重が加えられていない無荷重状態の共振周波数を意味するものとする。
【0022】
［制御装置６０の構成］
図１に示すように、制御装置６０は、回路部６１、演算部６２、記憶部６３および表示部６４などを備える。
図１に示すように、制御装置６０は、回路部６１、演算部６２、記憶部６３および表示部６４などを備える。
【0023】
回路部６１は、選択回路６１１、駆動回路６１２および検出回路６１３を備える。
選択回路６１１は、演算部６２の制御に基づいて、駆動回路６１２に接続する駆動接続と、検出回路６１３に接続する検出接続とを切り替える。また、選択回路６１１は、演算部６２の制御に基づいて、圧電素子デバイス１０における複数の駆動端子３７に順に接続される。
選択回路６１１は、演算部６２の制御に基づいて、駆動回路６１２に接続する駆動接続と、検出回路６１３に接続する検出接続とを切り替える。また、選択回路６１１は、演算部６２の制御に基づいて、圧電素子デバイス１０における複数の駆動端子３７に順に接続される。
【0024】
駆動回路６１２は、選択回路６１１が駆動接続に切り替えられた際、選択回路６１１を介して駆動端子３７に接続され、この駆動端子３７に駆動信号Ｓａを出力する。これにより、駆動信号Ｓａは、駆動端子３７に接続された圧電素子群３５に入力される。
【0025】
検出回路６１３は、選択回路６１１が検出接続に切り替えられた際、選択回路６１１を介して駆動端子３７に接続される。この接続時、検出回路６１３は、この駆動端子３７を介して圧電素子群３５から検出信号Ｓｂの入力を受け付け、この検出信号Ｓｂを処理して演算部６２に出力する。
【0026】
なお、回路部６１は、図示を省略するが、圧電素子デバイス１０の共通端子に接続され、当該共通端子を介して各荷重検出素子５０の上部電極３３に基準電位（例えば０Ｖ等）を印加する基準電位回路をさらに備える。
【0027】
図４は、検出回路６１３の概略構成を示すブロック図である。
図４に示すように、検出回路６１３は、荷重検出素子群５１のｎ個の荷重検出素子５０に対応して設けられたｎ個のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎと、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎに接続されたｎ個のアナログ／デジタルコンバーターＡＤＣ１～ＡＤＣｎとを有する。
ｎ個のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、互いに並列に接続されており、検出回路６１３に入力される検出信号Ｓｂは、複数のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎのそれぞれに分配される。
各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、検出信号Ｓｂから、対応する荷重検出素子５０の共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎとして選択的に抽出する。すなわち、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、対応する荷重検出素子５０－１～５０－ｎの共振周波数変化範囲を通過させ（抽出し）、他の信号成分を遮断する。
具体的には、図４に示す例において、バンドパスフィルターＢＰＦ１は、対応する荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ１の信号成分を通過させる。
また、バンドパスフィルターＢＰＦ２は、対応する荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ２の信号成分を通過させる。
同様に、バンドパスフィルターＢＰＦ３は、対応する荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ３の信号成分を通過させる。
なお、共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３は、互いに重なり合わない範囲である。共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３の詳細については後述する。
各アナログ／デジタルコンバーターＡＤＣ１～ＡＤＣｎは、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎを通過した抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎをアナログ／デジタル変換し、演算部６２に出力する。
図４に示すように、検出回路６１３は、荷重検出素子群５１のｎ個の荷重検出素子５０に対応して設けられたｎ個のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎと、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎに接続されたｎ個のアナログ／デジタルコンバーターＡＤＣ１～ＡＤＣｎとを有する。
ｎ個のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、互いに並列に接続されており、検出回路６１３に入力される検出信号Ｓｂは、複数のバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎのそれぞれに分配される。
各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、検出信号Ｓｂから、対応する荷重検出素子５０の共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎとして選択的に抽出する。すなわち、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎは、対応する荷重検出素子５０－１～５０－ｎの共振周波数変化範囲を通過させ（抽出し）、他の信号成分を遮断する。
具体的には、図４に示す例において、バンドパスフィルターＢＰＦ１は、対応する荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ１の信号成分を通過させる。
また、バンドパスフィルターＢＰＦ２は、対応する荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ２の信号成分を通過させる。
同様に、バンドパスフィルターＢＰＦ３は、対応する荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３に対応した所定の共振周波数変化範囲ＦＷ３の信号成分を通過させる。
なお、共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３は、互いに重なり合わない範囲である。共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３の詳細については後述する。
各アナログ／デジタルコンバーターＡＤＣ１～ＡＤＣｎは、各バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎを通過した抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎをアナログ／デジタル変換し、演算部６２に出力する。
【0028】
また、図４での図示を省略するが、検出回路６１３は、入力された検出信号Ｓｂに対して、ノイズ成分の除去や所望信号レベルへの増幅等の信号処理を施す各種の回路をさらに含んでいる。
【0029】
図１に示す演算部６２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、演算部６２は、記憶部６３に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、駆動制御部６２１、変化算出部６２２および荷重算出部６２３として機能する。
【0030】
駆動制御部６２１は、選択回路６１１を制御することで、選択回路６１１の接続先を駆動回路６１２と検出回路６１３との間で切り替える。また、駆動制御部６２１は、駆動回路６１２を制御することで、圧電素子デバイス１０の各圧電素子群３５に対して所定のタイミングで駆動信号Ｓａを入力させる。
変化算出部６２２は、検出回路６１３から入力される各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎの周期に基づいて、圧電素子デバイス１０における各荷重検出素子５０の共振周波数の変化（例えば変化率）を算出する。この変化算出部６２２は、検出回路６１３におけるバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎと共に、共振周波数検出部６２４を構成する。
荷重算出部６２３は、変化算出部６２２により算出された各荷重検出素子５０の共振周波数の変化に基づいて、各荷重検出素子５０に加わった荷重を算出する。
変化算出部６２２は、検出回路６１３から入力される各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎの周期に基づいて、圧電素子デバイス１０における各荷重検出素子５０の共振周波数の変化（例えば変化率）を算出する。この変化算出部６２２は、検出回路６１３におけるバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎと共に、共振周波数検出部６２４を構成する。
荷重算出部６２３は、変化算出部６２２により算出された各荷重検出素子５０の共振周波数の変化に基づいて、各荷重検出素子５０に加わった荷重を算出する。
【0031】
記憶部６３は、触覚センサー１を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部６３には、各荷重検出素子５０の共振周波数に関する情報が記憶されている。
表示部６４は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
表示部６４は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
【0032】
［荷重検出素子５０の共振周波数の変化］
本実施形態の圧電素子デバイス１０では、検出対象物が樹脂層４０の接触面４１に接触して荷重を加えると、当該荷重が樹脂層４０を介して各荷重検出素子５０に伝達され、各荷重検出素子５０の共振周波数が変化する。
本実施形態の圧電素子デバイス１０では、検出対象物が樹脂層４０の接触面４１に接触して荷重を加えると、当該荷重が樹脂層４０を介して各荷重検出素子５０に伝達され、各荷重検出素子５０の共振周波数が変化する。
【0033】
以下、任意の荷重検出素子５０を用いて、荷重と共振周波数との関係について説明する。
図５は、荷重検出素子５０に加わる荷重と、当該荷重検出素子５０の撓み位置との関係を示すグラフである。なお、荷重検出素子５０の撓み位置は、荷重検出素子５０の撓みの程度を表す指数であって、例えば荷重検出素子５０のうち最も大きな撓みを生じる中央部分のＺ方向の位置である。図６では、荷重検出素子５０に対して外部からの荷重が加わっていない状態（無荷重状態）の撓み位置を「０ｎｍ」としている。
図５に示すように、荷重検出素子５０に加わる荷重が大きくなるほど、当該荷重検出素子５０の撓み位置は、対数関数的に大きくなる。なお、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、荷重検出素子５０が破損しない程度の荷重に制限される。
図５は、荷重検出素子５０に加わる荷重と、当該荷重検出素子５０の撓み位置との関係を示すグラフである。なお、荷重検出素子５０の撓み位置は、荷重検出素子５０の撓みの程度を表す指数であって、例えば荷重検出素子５０のうち最も大きな撓みを生じる中央部分のＺ方向の位置である。図６では、荷重検出素子５０に対して外部からの荷重が加わっていない状態（無荷重状態）の撓み位置を「０ｎｍ」としている。
図５に示すように、荷重検出素子５０に加わる荷重が大きくなるほど、当該荷重検出素子５０の撓み位置は、対数関数的に大きくなる。なお、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、荷重検出素子５０が破損しない程度の荷重に制限される。
【0034】
図６は、荷重検出素子５０の撓み位置と荷重検出素子５０の共振周波数の変化率との関係を示すグラフである。
図６に示すように、荷重検出素子５０の撓み位置が大きくなるほど、当該荷重検出素子５０の共振周波数の変化率は、指数関数的に大きくなる。これは、荷重検出素子５０の撓み位置が大きくなるほど、荷重検出素子５０に加わる張力が大きくなり、周波数に対する荷重検出素子５０の振幅のピーク点が周波数の高い方向にずれることによる。
図６に示すように、荷重検出素子５０の撓み位置が大きくなるほど、当該荷重検出素子５０の共振周波数の変化率は、指数関数的に大きくなる。これは、荷重検出素子５０の撓み位置が大きくなるほど、荷重検出素子５０に加わる張力が大きくなり、周波数に対する荷重検出素子５０の振幅のピーク点が周波数の高い方向にずれることによる。
【0035】
以上によれば、荷重検出素子５０に加わる荷重が大きくなるほど、荷重検出素子５０の共振周波数の変化率は大きくなることが分かる。
本実施形態では、圧電素子群３５に含まれる荷重検出素子５０ごとに、荷重と共振周波数との関係が求められ、記憶部６３に記憶されるものとする。
本実施形態では、圧電素子群３５に含まれる荷重検出素子５０ごとに、荷重と共振周波数との関係が求められ、記憶部６３に記憶されるものとする。
【0036】
次に、荷重検出素子５０の共振周波数の変化範囲について説明する。
荷重検出素子５０の共振周波数変化範囲は、荷重検出素子５０の共振周波数が変化可能な周波数範囲、すなわち、無荷重状態の荷重検出素子５０の共振周波数から最大荷重を加えられた状態の荷重検出素子５０の共振周波数までの周波数範囲に相当する。
なお、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、上述したように、荷重検出素子５０が破損しない程度に制限される。特に、本実施形態では、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、触覚センサー１が保証する検出精度を確保できる程度に制限されることが望ましい。
荷重検出素子５０の共振周波数変化範囲は、荷重検出素子５０の共振周波数が変化可能な周波数範囲、すなわち、無荷重状態の荷重検出素子５０の共振周波数から最大荷重を加えられた状態の荷重検出素子５０の共振周波数までの周波数範囲に相当する。
なお、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、上述したように、荷重検出素子５０が破損しない程度に制限される。特に、本実施形態では、荷重検出素子５０に加えられる最大荷重は、触覚センサー１が保証する検出精度を確保できる程度に制限されることが望ましい。
【0037】
同一の荷重検出素子群５１内において、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの共振周波数変化範囲は互いに重ならない。
例えば、図７の紙面上段には、図３に例示された共振周波数ｆ１～ｆ３の３種の荷重検出素子５０－１～５０－３が例示されている。図７の紙面中段に示すように、荷重検出素子５０－１～５０－３に対応する座標Ｐ１～Ｐ３に対して荷重が加えられた場合、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３は、図７の紙面下段に矢印で示すように、より高い周波数である共振周波数ｆ１’～ｆ３’に変化する。
ここで、荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ１とし、荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ２とし、荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ３とする。
図７に示す例において、荷重検出素子５０－１，５０－２の開口幅Ｗ１，Ｗ２は、荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１と荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２との差が、荷重検出素子５０－１の共振周波数変化範囲ＦＷ１の幅よりも大きくなるように形成されている。
同様に、荷重検出素子５０－２，５０－３の開口幅Ｗ２，Ｗ３は、荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２と荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３との差が、荷重検出素子５０－２の共振周波数変化範囲ＦＷ２の幅よりも大きくなるように形成されている。
このような構成によれば、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３は、互いに重ならない。
例えば、図７の紙面上段には、図３に例示された共振周波数ｆ１～ｆ３の３種の荷重検出素子５０－１～５０－３が例示されている。図７の紙面中段に示すように、荷重検出素子５０－１～５０－３に対応する座標Ｐ１～Ｐ３に対して荷重が加えられた場合、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３は、図７の紙面下段に矢印で示すように、より高い周波数である共振周波数ｆ１’～ｆ３’に変化する。
ここで、荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ１とし、荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ２とし、荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３が変化可能な範囲を共振周波数変化範囲ＦＷ３とする。
図７に示す例において、荷重検出素子５０－１，５０－２の開口幅Ｗ１，Ｗ２は、荷重検出素子５０－１の共振周波数ｆ１と荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２との差が、荷重検出素子５０－１の共振周波数変化範囲ＦＷ１の幅よりも大きくなるように形成されている。
同様に、荷重検出素子５０－２，５０－３の開口幅Ｗ２，Ｗ３は、荷重検出素子５０－２の共振周波数ｆ２と荷重検出素子５０－３の共振周波数ｆ３との差が、荷重検出素子５０－２の共振周波数変化範囲ＦＷ２の幅よりも大きくなるように形成されている。
このような構成によれば、各荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数変化範囲ＦＷ１～ＦＷ３は、互いに重ならない。
【0038】
［荷重検出方法］
図８は、制御装置６０における荷重検出方法の流れを説明するフローチャートである。本実施形態における荷重検出方法について、図８等を参照して説明する。
なお、以下では、説明の簡略化のために、任意の１つの荷重検出素子群５１を用いて説明するが、他の荷重検出素子群５１についても同様の説明を適用できる。また、以下では、圧電素子デバイス１０に荷重が加わっている場合の処理について説明する。
図８は、制御装置６０における荷重検出方法の流れを説明するフローチャートである。本実施形態における荷重検出方法について、図８等を参照して説明する。
なお、以下では、説明の簡略化のために、任意の１つの荷重検出素子群５１を用いて説明するが、他の荷重検出素子群５１についても同様の説明を適用できる。また、以下では、圧電素子デバイス１０に荷重が加わっている場合の処理について説明する。
【0039】
まず、演算部６２の制御により、選択回路６１１が接続先を駆動回路６１２に切り替えたタイミングで、駆動回路６１２が駆動信号Ｓａを出力する（ステップＳ１）。この駆動信号Ｓａは、周波数が一定速度で減少もしくは増加する周波数掃引信号か、または、全周波数を含むインパルス信号かのいずれかであり、選択回路６１１を介して圧電素子群３５に入力される。
なお、選択回路６１１の切り替えタイミングは、従来の超音波装置における超音波の送受信切り替えタイミングと同様であればよい。
なお、選択回路６１１の切り替えタイミングは、従来の超音波装置における超音波の送受信切り替えタイミングと同様であればよい。
【0040】
駆動信号Ｓａが各圧電素子３０に入力されることにより、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎは、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの開口幅および荷重状態に応じた共振周波数で振動する。これにより、各圧電素子３０は、振動状態に応じた電圧信号を出力し、圧電素子群３５は、各圧電素子３０から出力される電圧信号が混在した検出信号Ｓｂを出力する。
図９は、圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂを例示するグラフである。この図９では、無荷重状態の圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂが実線で示され、任意の荷重状態の圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂが点線で示される。
図９は、圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂを例示するグラフである。この図９では、無荷重状態の圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂが実線で示され、任意の荷重状態の圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂが点線で示される。
【0041】
選択回路６１１は、駆動信号Ｓａの出力直後、接続先を駆動回路６１２から検出回路６１３に切り替える。これにより、検出回路６１３には、圧電素子群３５から選択回路６１１を介して検出信号Ｓｂが入力される（ステップＳ２）。
【0042】
検出回路６１３は、圧電素子群３５から入力される検出信号Ｓｂから、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を選択的に抽出し、各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎとして出力する。すなわち、検出回路６１３は、複数の抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎを生成する（ステップＳ３）。
【0043】
図１０は、複数の抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎのうちの任意の１つを例示する図である。
この図１０において、無荷重状態の検出信号Ｓｂから分離された抽出信号Ｓｃは、実線で示されており、無荷重状態の荷重検出素子５０の共振周波数に対応する周期Ｔａを有する。また、荷重状態の検出信号Ｓｂから分離された抽出信号Ｓｃは、点線で示されており、荷重を加えられて変化した荷重検出素子５０の共振周波数に対応する周期Ｔｂを有する。
この図１０において、無荷重状態の検出信号Ｓｂから分離された抽出信号Ｓｃは、実線で示されており、無荷重状態の荷重検出素子５０の共振周波数に対応する周期Ｔａを有する。また、荷重状態の検出信号Ｓｂから分離された抽出信号Ｓｃは、点線で示されており、荷重を加えられて変化した荷重検出素子５０の共振周波数に対応する周期Ｔｂを有する。
【0044】
演算部６２において、変化算出部６２２は、各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎの周期に基づいて、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの共振周波数の変化を算出する（ステップＳ４）。
具体的には、変化算出部６２２は、各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎについて、無荷重状態の周期Ｔａと、荷重状態の周期Ｔｂとの差を算出し、無荷重状態の周期Ｔａに対する当該差の割合を、共振周波数の変化率として算出する。
なお、無荷重状態の周期Ｔａは、触覚センサー１の稼働開始時に取得されてもよいし、記憶部６３に予め記憶されていてもよい。
具体的には、変化算出部６２２は、各抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎについて、無荷重状態の周期Ｔａと、荷重状態の周期Ｔｂとの差を算出し、無荷重状態の周期Ｔａに対する当該差の割合を、共振周波数の変化率として算出する。
なお、無荷重状態の周期Ｔａは、触覚センサー１の稼働開始時に取得されてもよいし、記憶部６３に予め記憶されていてもよい。
【0045】
次いで、荷重算出部６２３は、変化算出部６２２により算出された各共振周波数の変化率に基づいて、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎに加えられた荷重を算出する（ステップＳ５）。
本実施形態では、荷重検出素子５０－１～５０－ｎごとの共振周波数の変化率と荷重との関係を表すテーブルが記憶部６３に記憶されており、荷重算出部６２３は、このテーブルを参照することによって荷重を算出できる。
本実施形態では、荷重検出素子５０－１～５０－ｎごとの共振周波数の変化率と荷重との関係を表すテーブルが記憶部６３に記憶されており、荷重算出部６２３は、このテーブルを参照することによって荷重を算出できる。
【0046】
以上により、本実施形態の触覚センサー１は、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎに加えられた荷重を検出できる。
その後、演算部６２は、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎに加えられた荷重と、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの座標情報とに基づいて、圧電素子デバイス１０における荷重分布を表示部６４に表示させてもよい。
その後、演算部６２は、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎに加えられた荷重と、各荷重検出素子５０－１～５０－ｎの座標情報とに基づいて、圧電素子デバイス１０における荷重分布を表示部６４に表示させてもよい。
【0047】
なお、他の荷重検出素子群５１に加えられる荷重についても、上述の方法と同様の方法によって検出できる。
例えば、選択回路６１１が接続先となる圧電素子群３５を切り替えるごとに、上述の方法を繰り返してもよい。また、検出回路６１３が、複数の荷重検出素子群５１のそれぞれに対応する構成を有する場合、複数の荷重検出素子群５１に加えられる荷重を同時に検出してもよい。
例えば、選択回路６１１が接続先となる圧電素子群３５を切り替えるごとに、上述の方法を繰り返してもよい。また、検出回路６１３が、複数の荷重検出素子群５１のそれぞれに対応する構成を有する場合、複数の荷重検出素子群５１に加えられる荷重を同時に検出してもよい。
【0048】
［第１実施形態の効果］
本実施形態の圧電素子デバイス１０では、基板２０に配置された複数の圧電素子３０が互いに並列接続されているため、複数の圧電素子３０を共通の配線で電気的に接続することができる。よって、本実施形態の圧電素子デバイス１０では、複数の圧電素子３０のそれぞれに個別の配線を接続する場合と比べて、基板２０の面積に占める配線の割合を小さくすることができ、基板２０に対して複数の圧電素子３０を高密度に配置することができる。
また、本実施形態の圧電素子デバイス１０において、荷重検出素子群５１は、並列接続された複数の圧電素子３０を含んでおり、各荷重検出素子５０は、互いに異なる共振周波数で共振する。この共振周波数は、樹脂層４０を介して加えられる荷重に応じて変化し、共振周波数の変化可能な範囲である共振周波数変化範囲は、同一の荷重検出素子群５１における荷重検出素子５０間で互いに重ならない。
このような構成によれば、ある荷重検出素子５０の共振周波数が当該荷重検出素子５０に加わる荷重によって変化した場合であっても、変化後の共振周波数と、他の荷重検出素子５０の共振周波数とが重なることがない。よって、圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂを解析することで、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を検出することができる。その結果、各荷重検出素子５０に加わる荷重を検出することができる。
したがって、本実施形態の圧電素子デバイス１０を用いた触覚センサー１は、高密度に配置された圧電素子３０によって、圧電素子デバイス１０に加わる荷重を高分解能で検出可能である。
本実施形態の圧電素子デバイス１０では、基板２０に配置された複数の圧電素子３０が互いに並列接続されているため、複数の圧電素子３０を共通の配線で電気的に接続することができる。よって、本実施形態の圧電素子デバイス１０では、複数の圧電素子３０のそれぞれに個別の配線を接続する場合と比べて、基板２０の面積に占める配線の割合を小さくすることができ、基板２０に対して複数の圧電素子３０を高密度に配置することができる。
また、本実施形態の圧電素子デバイス１０において、荷重検出素子群５１は、並列接続された複数の圧電素子３０を含んでおり、各荷重検出素子５０は、互いに異なる共振周波数で共振する。この共振周波数は、樹脂層４０を介して加えられる荷重に応じて変化し、共振周波数の変化可能な範囲である共振周波数変化範囲は、同一の荷重検出素子群５１における荷重検出素子５０間で互いに重ならない。
このような構成によれば、ある荷重検出素子５０の共振周波数が当該荷重検出素子５０に加わる荷重によって変化した場合であっても、変化後の共振周波数と、他の荷重検出素子５０の共振周波数とが重なることがない。よって、圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂを解析することで、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を検出することができる。その結果、各荷重検出素子５０に加わる荷重を検出することができる。
したがって、本実施形態の圧電素子デバイス１０を用いた触覚センサー１は、高密度に配置された圧電素子３０によって、圧電素子デバイス１０に加わる荷重を高分解能で検出可能である。
【0049】
本実施形態の触覚センサー１は、上述の圧電素子デバイス１０と、各荷重検出素子５０の振動により圧電素子群３５から出力される検出信号Ｓｂに基づいて、荷重検出素子５０ごとに、共振周波数の変化を検出する共振周波数検出部６２４と、を備える。
このような触覚センサー１は、上述の圧電素子デバイス１０を備えることにより、上述と同様の効果を奏する。
このような触覚センサー１は、上述の圧電素子デバイス１０を備えることにより、上述と同様の効果を奏する。
【0050】
本実施形態の触覚センサー１において、共振周波数検出部６２４は、各荷重検出素子５０に対応して複数設けられ、検出信号Ｓｂから対応する荷重検出素子５０の共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎとして選択的に抽出するバンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎと、バンドパスフィルターＢＰＦ１～ＢＰＦｎにより抽出された抽出信号Ｓｃ１～Ｓｃｎの周期に基づいて、荷重検出素子５０ごとの共振周波数の変化を算出する変化算出部６２２とを備える。
このような構成では、高負荷なフーリエ変換を行わずに各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を算出できるため、荷重の検出にかかる時間を短縮できる。
このような構成では、高負荷なフーリエ変換を行わずに各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を算出できるため、荷重の検出にかかる時間を短縮できる。
【0051】
本実施形態の触覚センサー１は、圧電素子群３５に対して、複数の荷重検出素子５０を振動させる駆動信号Ｓａを入力する駆動回路６１２をさらに備える。
このような構成では、検出対象物が樹脂層４０に接触したままの状態であっても、各荷重検出素子５０を振動させることができ、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を検出することができる。
このような構成では、検出対象物が樹脂層４０に接触したままの状態であっても、各荷重検出素子５０を振動させることができ、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を検出することができる。
【0052】
本実施形態の触覚センサー１は、共振周波数検出部６２４により検出される荷重検出素子５０ごとの共振周波数の変化に基づいて、各荷重検出素子５０に加えられた荷重を算出する荷重算出部６２３をさらに備える。
本実施形態では、圧電素子デバイス１０に加わる荷重の分布を高分解能で検出することができる。
このような本実施形態の触覚センサー１は、例えば職人の微妙な力感覚を定量化し、非経験者等に伝達するためのツールとして好適に利用できる。
本実施形態では、圧電素子デバイス１０に加わる荷重の分布を高分解能で検出することができる。
このような本実施形態の触覚センサー１は、例えば職人の微妙な力感覚を定量化し、非経験者等に伝達するためのツールとして好適に利用できる。
【0053】
［第２実施形態］
以下、本開示の第２実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、上記第１実施形態と同様の符号を用いて説明を省略する場合がある。
以下、本開示の第２実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、上記第１実施形態と同様の符号を用いて説明を省略する場合がある。
【0054】
第２実施形態の触覚センサー１Ａは、図１１に示すように、第１実施形態の触覚センサー１と基本的に同様の構成を備えている。ただし、第２実施形態の検出回路６１４は、第１実施形態で説明したようなバンドパスフィルターを備えておらず、検出信号Ｓｂをアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄコンバーターや、ノイズ成分の除去や所望信号レベルへの増幅等の信号処理を施す各種の回路を含んでいればよい。
【0055】
また、第２実施形態において、共振周波数検出部６２５は、フーリエ変換を用いて検出信号Ｓｂに含まれる各荷重検出素子５０に対応した周波数変化範囲の信号成分を解析することにより、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化を算出する。
【0056】
具体的には、共振周波数検出部６２５は、図９に例示するような時間に対する振幅変化を表す検出信号Ｓｂをフーリエ変換することで、図１２に例示するような周波数に対する振幅変化を表す周波数スペクトルを生成する。
図１２では、無荷重状態に対応する検出信号Ｓｂをフーリエ変換した周波数スペクトルが実線で示され、荷重状態の検出信号Ｓｂをフーリエ変換した周波数スペクトルが点線で示される。なお、図１２では、図３に例示する任意の３つの荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３の変化が例示されている。
図１２では、無荷重状態に対応する検出信号Ｓｂをフーリエ変換した周波数スペクトルが実線で示され、荷重状態の検出信号Ｓｂをフーリエ変換した周波数スペクトルが点線で示される。なお、図１２では、図３に例示する任意の３つの荷重検出素子５０－１～５０－３の共振周波数ｆ１～ｆ３の変化が例示されている。
【0057】
次いで、共振周波数検出部６２５は、生成された周波数スペクトルに基づいて、荷重を加えられた各荷重検出素子５０の共振周波数と、無荷重状態の各荷重検出素子５０の共振周波数との差、すなわち各荷重検出素子５０の共振周波数の変化量（図１２で例示する共振周波数ｆ１～ｆ３の変化量Δｆ１～Δｆ３）を検出する。そして、共振周波数検出部６２５は、検出された各荷重検出素子５０の共振周波数の変化量に基づいて、各荷重検出素子５０の共振周波数の変化率を算出する。
なお、無荷重状態の各荷重検出素子５０の共振周波数は、触覚センサー１の稼働開始時に取得されてもよいし、記憶部６３に予め記憶されていてもよい。
その後、荷重算出部６２３は、上記実施形態と同様、共振周波数検出部６２５により算出された各荷重検出素子５０の共振周波数の変化率に基づいて、各荷重検出素子５０に加えられた荷重を算出する。
このような第２実施形態では、検出回路６１４の構造を第１実施形態よりも簡略化することができる。
なお、無荷重状態の各荷重検出素子５０の共振周波数は、触覚センサー１の稼働開始時に取得されてもよいし、記憶部６３に予め記憶されていてもよい。
その後、荷重算出部６２３は、上記実施形態と同様、共振周波数検出部６２５により算出された各荷重検出素子５０の共振周波数の変化率に基づいて、各荷重検出素子５０に加えられた荷重を算出する。
このような第２実施形態では、検出回路６１４の構造を第１実施形態よりも簡略化することができる。
【0058】
［変形例］
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【0059】
［変形例１］
上記各実施形態では、基板２０は、基板本体部２１および振動板２２を備えており、振動板２２のうち基板本体部２１の開口部２１０を塞ぐ部分が振動部２３となるが、他の構成であってもよい。例えば、基板２０に対してエッチングが行われ、基板２０のうちの厚みが薄くなった部分を振動部２３としてもよい。
上記各実施形態では、基板２０は、基板本体部２１および振動板２２を備えており、振動板２２のうち基板本体部２１の開口部２１０を塞ぐ部分が振動部２３となるが、他の構成であってもよい。例えば、基板２０に対してエッチングが行われ、基板２０のうちの厚みが薄くなった部分を振動部２３としてもよい。
【0060】
［変形例２］
上記各実施形態において、荷重検出素子５０の共振周波数や共振周波数変化範囲は、荷重検出素子群５１内の荷重検出素子５０ごとに、開口部２１０の開口幅、すなわち振動部２３の寸法によって設定されているが、他の構成によって設定されてもよい。
例えば、荷重検出素子５０の共振周波数は、圧電素子３０の厚みによって調整されてもよいし、振動部２３の曲げ剛性によって調整されてもよい。振動部２３の曲げ剛性は、振動板２２に対してエッチング等を行うことにより調整できる。
上記各実施形態において、荷重検出素子５０の共振周波数や共振周波数変化範囲は、荷重検出素子群５１内の荷重検出素子５０ごとに、開口部２１０の開口幅、すなわち振動部２３の寸法によって設定されているが、他の構成によって設定されてもよい。
例えば、荷重検出素子５０の共振周波数は、圧電素子３０の厚みによって調整されてもよいし、振動部２３の曲げ剛性によって調整されてもよい。振動部２３の曲げ剛性は、振動板２２に対してエッチング等を行うことにより調整できる。
【0061】
［変形例３］
上記各実施形態では、圧電素子装置の一形態である触覚センサー１について説明しているが、本開示の圧電素子装置は、荷重検出素子に加えられた荷重を算出する荷重算出部を有さず、共振周波数の変化を検出することで荷重以外の物理量を算出する他のセンサーとして構成されてもよい。例えば、荷重検出素子を振動させることにより、樹脂内に超音波を発生し、その伝搬時間と荷重から樹脂の硬さを算出することができる。
上記各実施形態では、圧電素子装置の一形態である触覚センサー１について説明しているが、本開示の圧電素子装置は、荷重検出素子に加えられた荷重を算出する荷重算出部を有さず、共振周波数の変化を検出することで荷重以外の物理量を算出する他のセンサーとして構成されてもよい。例えば、荷重検出素子を振動させることにより、樹脂内に超音波を発生し、その伝搬時間と荷重から樹脂の硬さを算出することができる。
【0062】
［本開示のまとめ］
以下、本開示のまとめを付記する。
本発明の一態様の圧電素子デバイスは、複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と当該振動部に設けられた前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならないことを特徴とする。
本態様では、基板に配置された複数の圧電素子が互いに並列接続されているため、複数の圧電素子を共通の配線で電気的に接続することができる。よって、本態様の圧電素子デバイスでは、複数の圧電素子のそれぞれに個別の配線を接続する場合と比べて、基板の面積に占める配線の割合を小さくすることができ、基板に対して複数の圧電素子を高密度に配置することができる。
また、本態様では、ある荷重検出素子の共振周波数が当該荷重検出素子に加わる荷重によって変化した場合であっても、変化後の共振周波数と、他の荷重検出素子の共振周波数とが重なることがない。よって、圧電素子群から出力される信号を解析することで、各荷重検出素子の共振周波数の変化を検出することができる。その結果、各荷重検出素子に加わる荷重を検出することができる。
したがって、本態様の圧電素子デバイスを用いた圧電素子装置は、高密度に配置された圧電素子によって、圧電素子デバイスに加わる荷重、または当該荷重に対応する物理量を高分解能で検出可能である。
以下、本開示のまとめを付記する。
本発明の一態様の圧電素子デバイスは、複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と当該振動部に設けられた前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならないことを特徴とする。
本態様では、基板に配置された複数の圧電素子が互いに並列接続されているため、複数の圧電素子を共通の配線で電気的に接続することができる。よって、本態様の圧電素子デバイスでは、複数の圧電素子のそれぞれに個別の配線を接続する場合と比べて、基板の面積に占める配線の割合を小さくすることができ、基板に対して複数の圧電素子を高密度に配置することができる。
また、本態様では、ある荷重検出素子の共振周波数が当該荷重検出素子に加わる荷重によって変化した場合であっても、変化後の共振周波数と、他の荷重検出素子の共振周波数とが重なることがない。よって、圧電素子群から出力される信号を解析することで、各荷重検出素子の共振周波数の変化を検出することができる。その結果、各荷重検出素子に加わる荷重を検出することができる。
したがって、本態様の圧電素子デバイスを用いた圧電素子装置は、高密度に配置された圧電素子によって、圧電素子デバイスに加わる荷重、または当該荷重に対応する物理量を高分解能で検出可能である。
【0063】
本態様の圧電素子装置は、上述の圧電素子デバイスと、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出部とを、備える。
本態様の圧電素子装置では、上述の圧電素子デバイスを備えることにより、上述と同様の効果を奏する。
本態様の圧電素子装置では、上述の圧電素子デバイスを備えることにより、上述と同様の効果を奏する。
【0064】
本態様の圧電素子装置において、前記共振周波数検出部は、各前記荷重検出素子に対応して設けられ、前記検出信号から、対応する前記荷重検出素子の前記共振周波数変化範囲に含まれる信号成分を抽出信号として選択的に抽出する複数のバンドパスフィルターと、各前記バンドパスフィルターにより抽出された前記抽出信号の周期に基づいて、前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化を算出する変化算出部と、を備えることが好ましい。
本態様では、高負荷なフーリエ変換を行わずに各荷重検出素子の共振周波数の変化を算出できるため、荷重に対応する物理量を検出することにかかる時間を短縮できる。
本態様では、高負荷なフーリエ変換を行わずに各荷重検出素子の共振周波数の変化を算出できるため、荷重に対応する物理量を検出することにかかる時間を短縮できる。
【0065】
本態様の圧電素子装置において、前記共振周波数検出部は、フーリエ変換を用いて前記検出信号に含まれる各前記荷重検出素子に対応した前記共振周波数変化範囲の信号成分を解析することにより、前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化を算出してもよい。
本態様では、共振周波数検出部を構成する回路構造を簡略化することができる。
本態様では、共振周波数検出部を構成する回路構造を簡略化することができる。
【0066】
本態様の圧電素子装置は、前記圧電素子群に対して、複数の前記荷重検出素子を振動させる駆動信号を入力する駆動回路をさらに備えることが好ましい。
本態様では、検出対象物が樹脂層に接触したままの状態であっても、各荷重検出素子を振動させることができ、各荷重検出素子の共振周波数の変化を検出することができる。
本態様では、検出対象物が樹脂層に接触したままの状態であっても、各荷重検出素子を振動させることができ、各荷重検出素子の共振周波数の変化を検出することができる。
【0067】
本態様の圧電素子装置は、前記共振周波数検出部により検出される前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化に基づいて、各前記荷重検出素子に加えられた前記荷重を算出する荷重算出部をさらに備えることが好ましい。
本態様では、圧電素子デバイスに加わる荷重の分布を高分解能で検出することができる。
本態様では、圧電素子デバイスに加わる荷重の分布を高分解能で検出することができる。
【0068】
本態様の荷重検出方法は、複数の振動部を有する基板と、前記複数の振動部のそれぞれに設けられた圧電素子が互いに並列接続された圧電素子群と、前記圧電素子群を被覆する樹脂層と、を備え、前記振動部と当該振動部に設けられた前記圧電素子とによって構成される各荷重検出素子は、互いに異なる共振周波数で共振し、前記荷重検出素子の前記共振周波数は、前記樹脂層を介して前記荷重検出素子に加えられる荷重に応じて変化し、前記共振周波数の変化可能な範囲である各共振周波数変化範囲は、互いに重ならない圧電素子デバイスを用いて、複数の前記荷重検出素子の振動により前記圧電素子群から出力される検出信号に基づいて、前記荷重検出素子ごとに前記共振周波数の変化を検出する共振周波数検出ステップと、前記共振周波数検出ステップにより検出される前記荷重検出素子ごとの前記共振周波数の変化に基づいて、各前記荷重検出素子に加えられた前記荷重を算出する荷重算出ステップと、を実施することを特徴とする。
本態様の荷重検出方法は、上述の圧電素子デバイスを用いることにより、上述と同様の効果を奏する。
本態様の荷重検出方法は、上述の圧電素子デバイスを用いることにより、上述と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【0069】
１，１Ａ…触覚センサー、１０…圧電素子デバイス、２０…基板、２１…基板本体部、２１０…開口部、２１１…壁部、２２…振動板、２３…振動部、３０…圧電素子、３１…下部電極、３２…圧電膜、３３…上部電極、３５…圧電素子群、３６…駆動信号線、３７…駆動端子、４０…樹脂層、４１…接触面、５０，５０－１～５０－ｎ…荷重検出素子、５１…荷重検出素子群、６０…制御装置、６１…回路部、６１１…選択回路、６１２…駆動回路、６１３，６１４…検出回路、６２…演算部、６２１…駆動制御部、６２２…変化算出部、６２３…荷重算出部、６２４，６２５…共振周波数検出部、６３…記憶部、６４…表示部、ＡＤＣ１～ＡＤＣｎ…Ａ／Ｄコンバーター、ＢＰＦ１～ＢＰＦｎ…バンドパスフィルター、ｆ１～ｆ３…共振周波数、ＦＷ１～ＦＷ３…共振周波数変化範囲、Ｓａ…駆動信号、Ｓｂ…検出信号、Ｓｃ，Ｓｃ１～Ｓｃｎ…抽出信号。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】