JP7595253B2 - 荷重センサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量の変化に基づいて外部から付与される荷重を検出する荷重センサに関する。

荷重センサは、産業機器、ロボットおよび車両などの分野において、幅広く利用されている。近年、コンピュータによる制御技術の発展および意匠性の向上とともに、人型のロボットおよび自動車の内装品等のような自由曲面を多彩に使用した電子機器の開発が進んでいる。それに合わせて、各自由曲面に高性能な荷重センサを装着することが求められている。

以下の特許文献１には、誘電性ゴム組成物と、誘電性ゴム組成物の上下に配置された一対の導電性ゴム組成物と、を備えるエラストマートランスデューサーが記載されている。このエラストマートランスデューサーでは、各導電性ゴム組成物に、導電性接着剤により銅電極が接着される。

以下の特許文献２には、誘電層と、誘電層の表裏方向両側に配置される複数の電極ユニットと、を備える静電容量型センサが記載されている。この静電容量型センサでは、電極ユニットは、貫通孔を有する絶縁層と、絶縁層の表裏方向の一面に配置される電極層と、絶縁層の表裏方向の他面に配置され貫通孔を介して電極層と導通するジャンパー配線層と、を有し、ジャンパー配線層は、ゴムおよび導電性材料を含んでいる。

特許第５２７８０３８号公報 国際公開第２０１７／０２２２５８号

上記特許文献１のような荷重センサでは、導電性ゴム組成物と銅電極との弾性が異なっているため、導電性ゴム組成物が伸縮すると、接着剤が剥離して、導電性ゴム組成物と銅電極とが接合しなくなる畏れがある。また、上記特許文献２のような荷重センサでは、ジャンパー配線層がゴムおよび導電性材料により構成されるため、電極層の伸縮には追従可能であるものの、ジャンパー配線層の抵抗値が高くなってしまう。

かかる課題に鑑み、本発明は、荷重を検出するために素子部から引き出される配線自身の抵抗値を低くするとともに、素子部に対する配線の接続箇所における抵抗値が当該接続箇所に加わり得る外力によって変化することを抑制して、素子部と配線との接続の信頼性を高めることが可能な荷重センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、荷重センサに関する。本態様に係る荷重センサは、荷重に応じて静電容量が変化する素子部と、前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出される銅線と、前記銅線を前記素子部に固定するための固定具と、を備える。前記素子部は、前記静電容量の一方の極を構成する導電性の導電弾性体を含み、前記固定具は、前記導電弾性体の弾性変形に応じて前記導電弾性体の表面に対し移動可能に、前記銅線を、前記導電弾性体の前記表面に押し付けて固定する。

本態様に係る荷重センサによれば、銅線は、導電弾性体の弾性変形に応じて導電弾性体に対し接触しつつ移動可能であるため、伸縮等により導電弾性体が弾性変形しても、導電弾性体との接続が維持される。また、導電弾性体に対する引き出しが銅線によって行われるため、引き出し用の配線の電気抵抗が高くなることがない。さらに、銅線が導電弾性体の表面に押し付けて固定されるため、銅線と導電弾性体との接続箇所に外力が加わったとしても、この外力により、当該接続箇所の抵抗値が変化することを抑制できる。よって、素子部から引き出される配線の抵抗値を低く抑えつつ、素子部に対する配線の接続箇所における抵抗値が外力により変化することを抑制でき、素子部と配線との接続の信頼性を高めることができる。

本発明の第２の態様は、荷重センサに関する。本態様に係る荷重センサは、荷重に応じて静電容量が変化する素子部と、前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出される第１銅線と、前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出され、誘電体で被覆された第２銅線と、前記素子部を外部の電子回路に接続するための回路接続端子と、を備える。前記素子部は、前記静電容量の一方の極を構成する導電性の導電弾性体を含み、前記第１銅線は、前記導電弾性体に接続され、前記第２銅線は、前記導電弾性体に接触した状態で前記素子部内に配置されて前記静電容量の他方の極を構成し、前記素子部から引き出された部分が、そのまま、前記回路接続端子に接続される。

本態様に係る荷重センサによれば、第２銅線が引き出し用の配線を兼ねているため、別途引き出し用の配線を付設する必要がない。また、第２銅線は導電弾性体に接触した状態であるため、導電弾性体が弾性変形した場合は、導電弾性体の表面に接触しながら、導電弾性体の表面に対して相対的に移動する。このため、伸縮等により導電弾性体が弾性変形しても、第２銅線と導電弾性体との接続が維持される。また、第２銅線が引き出し用の配線に兼用されているため、引き出し用の配線の電気抵抗が高くなることがない。よって、素子部から引き出される配線の抵抗値を低く抑えつつ、導電弾性体と配線との接続の信頼性を高めることができる。

以上のとおり、本発明によれば、荷重を検出するための素子部から引き出される配線の抵抗値を低くするとともに、素子部に対する配線の接続箇所における抵抗値が当該接続箇所に加わり得る外力によって変化することを抑制して、素子部と配線との接続の信頼性を高めることが可能な荷重センサを提供できる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）は、実施形態１に係る、基材および導電弾性体を模式的に示す斜視図である。図１（ｂ）は、実施形態１に係る、被覆付き銅線、糸、配線固定基板および回路接続端子を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、導電弾性体のＹ軸正側の端部、被覆付き銅線の接続部、および糸を模式的に示す斜視図である。図２（ｃ）は、実施形態１に係る、接続部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面による切断面を模式的に示す側面図である。 図３（ａ）は、実施形態１に係る、下側の構造体の構成を模式的に示す斜視図である。図３（ｂ）は、実施形態１に係る、組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の導電弾性体の上面に配置される被覆付き銅線を模式的に示す断面図である。 図５は、実施形態１に係る、Ｚ軸負方向に見た場合の荷重センサを模式的に示す平面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態１および比較例に係る、実験の構成を模式的に示す断面図である。図６（ｃ）は、実施形態１および比較例に係る、外力と抵抗値との関係の実験結果を示すグラフである。 図７（ａ）、（ｂ）は、実施形態１の変更例に係る、導電弾性体のＹ軸正側の端部、被覆付き銅線の接続部、およびハトメ模式的に示す斜視図である。図７（ｃ）は、実施形態１の変更例に係る、接続部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面による切断面を模式的に示す側面図である。 図８（ａ）は、実施形態１の変更例に係る、導電弾性体のＹ軸正側の端部、被覆付き銅線の接続部、および糸を模式的に示す斜視図である。図８（ｂ）、（ｃ）は、実施形態１の変更例に係る、接続部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面による切断面を模式的に示す側面図である。 図９（ａ）は、実施形態２に係る、上側の構造体の構成を模式的に示す斜視図である。図９（ｂ）は、実施形態２に係る、組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、実施形態２に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の導電弾性体の上面に配置される被覆付き銅線を模式的に示す断面図である。 図１１（ａ）は、実施形態２の変更例に係る、接続部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面による切断面を模式的に示す側面図である。図１１（ｂ）は、実施形態２の変更例に係る、組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。 図１２（ａ）は、実施形態２の変更例に係る、接続部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面による切断面を模式的に示す側面図である。図１２（ｂ）は、実施形態２の変更例に係る、組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。 図１３（ａ）は、実施形態３に係る、シールド層、被覆付き銅線、および糸を模式的に示す斜視図である。図１３（ｂ）は、実施形態３に係る、下側の構造体の構成を模式的に示す斜視図である。 図１４（ａ）は、実施形態３に係る、上側の構造体の構成を模式的に示す斜視図である。図１４（ｂ）は、実施形態３に係る、組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。 図１５（ａ）は、その他の変更例に係る、被覆付き銅線の構成を模式的に示す拡大図である。図１５（ｂ）は、その他の変更例に係る、被覆付き銅線の構成を模式的に示す断面図である。 図１６（ａ）は、その他の変更例に係る、接続基板の構成を模式的に示す平面図である。図１６（ｂ）は、その他の変更例に係る、メイン基板の構成を模式的に示す平面図である。 図１７（ａ）は、その他の変更例に係る、糸がミシン縫いにより縫い付けられた場合に、被覆付き銅線が糸により基材に固定される状態を模式的に示す斜視図である。図１７（ｂ）は、その他の変更例に係る、Ｙ軸方向に延びる糸の位置で構造体をＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す側面図である。 図１８（ａ）、（ｂ）は、その他の変更例に係る、糸がミシン縫いにより縫い付けられた場合に、被覆付き銅線の接続部が糸により導電弾性体および基材に固定される状態を模式的に示す平面図である。図１８（ｃ）は、その他の変更例に係る、縫い目が全周にわたって設けられる場合の荷重センサの構成を模式的に示す斜視図である。

ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

本発明は、付与された荷重に応じて処理を行う管理システムや電子機器の荷重センサに適用可能である。

管理システムとしては、たとえば、在庫管理システム、ドライバーモニタリングシステム、コーチング管理システム、セキュリティー管理システム、介護・育児管理システムなどが挙げられる。

在庫管理システムでは、たとえば、在庫棚に設けられた荷重センサにより、積載された在庫の荷重が検出され、在庫棚に存在する商品の種類と商品の数とが検出される。これにより、店舗、工場、倉庫などにおいて、効率よく在庫を管理できるとともに省人化を実現できる。また、冷蔵庫内に設けられた荷重センサにより、冷蔵庫内の食品の荷重が検出され、冷蔵庫内の食品の種類と食品の数や量とが検出される。これにより、冷蔵庫内の食品を用いた献立を自動的に提案できる。

ドライバーモニタリングシステムでは、たとえば、操舵装置に設けられた荷重センサにより、ドライバーの操舵装置に対する荷重分布（たとえば、把持力、把持位置、踏力）がモニタリングされる。また、車載シートに設けられた荷重センサにより、着座状態におけるドライバーの車載シートに対する荷重分布（たとえば、重心位置）がモニタリングされる。これにより、ドライバーの運転状態（眠気や心理状態など）をフィードバックすることができる。

コーチング管理システムでは、たとえば、シューズの底に設けられた荷重センサにより、足裏の荷重分布がモニタリングされる。これにより、適正な歩行状態や走行状態へ矯正または誘導することができる。

セキュリティー管理システムでは、たとえば、床に設けられた荷重センサにより、人が通過する際に、荷重分布が検出され、体重、歩幅、通過速度および靴底パターンなどが検出される。これにより、これらの検出情報をデータと照合することにより、通過した人物を特定することが可能となる。

介護・育児管理システムでは、たとえば、寝具や便座に設けられた荷重センサにより、人体の寝具および便座に対する荷重分布がモニタリングされる。これにより、寝具や便座の位置において、人がどのような行動を取ろうとしているかを推定し、転倒や転落を防止することができる。

電子機器としては、たとえば、車載機器（カーナビゲーション・システム、音響機器など）、家電機器（電気ポット、ＩＨクッキングヒーターなど）、スマートフォン、電子ペーパー、電子ブックリーダー、ＰＣキーボード、ゲームコントローラー、スマートウォッチ、ワイヤレスイヤホン、タッチパネル、電子ペン、ペンライト、光る衣服、楽器などが挙げられる。電子機器では、ユーザーからの入力を受け付ける入力部に荷重センサが設けられる。

以下の実施形態は、上記のような管理システムや電子機器の荷重センサにおいて典型的に設けられる荷重センサである。このような荷重センサは、「静電容量型感圧センサ素子」、「容量性圧力検出センサ素子」、「感圧スイッチ素子」などと称される場合もある。以下の実施形態は、本発明の一実施形態あって、本発明は、以下の実施形態に何ら制限されるものではない。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向は、荷重センサ１の高さ方向である。

＜実施形態１＞
図１（ａ）～図３（ｂ）を参照して、実施形態１の荷重センサ１の組み立て手順について説明する。

図１（ａ）は、基材１１と、基材１１の上面に設置された３つの導電弾性体１２とを模式的に示す斜視図である。

基材１１は、弾性を有する絶縁性の部材である。基材１１はＸ－Ｙ平面に平行な平板形状を有する。基材１１は、非導電性を有する樹脂材料または非導電性を有するゴム材料から構成される。基材１１に用いられる樹脂材料は、たとえば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（たとえば、ポリジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）など）、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂、およびウレタン系樹脂等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。基材１１に用いられるゴム材料は、たとえば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等からなる群から選択される少なくとも１種のゴム材料である。

導電弾性体１２は、基材１１の上面（Ｚ軸正側の面）に接着剤等により設置される。図１（ａ）では、基材１１の上面に、３つの導電弾性体１２が設置される。導電弾性体１２は、弾性を有する導電性の部材である。各導電弾性体１２は、基材１１の上面においてＹ軸方向に長い帯状の形状を有しており、互いに離間して設置されている。導電弾性体１２は、樹脂材料とその中に分散した導電性フィラー、またはゴム材料とその中に分散した導電性フィラーから構成される。

導電弾性体１２に用いられる樹脂材料は、上述した基材１１に用いられる樹脂材料と同様、たとえば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（ポリジメチルポリシロキサン（たとえば、ＰＤＭＳ）など）、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂、およびウレタン系樹脂等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。導電弾性体１２に用いられるゴム材料は、上述した基材１１に用いられるゴム材料と同様、たとえば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等からなる群から選択される少なくとも１種のゴム材料である。

導電弾性体１２に用いられる導電性フィラーは、たとえば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｃ（カーボン）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ_２Ｏ_３（酸化インジウム（III））、およびＳｎＯ_２（酸化スズ（IV））等の金属材料や、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（すなわち、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）からなる複合物）等の導電性高分子材料や、金属コート有機物繊維、金属線（繊維状態）等の導電性繊維からなる群から選択される少なくとも１種の材料である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造体に設置された、３つの被覆付き銅線１３と、各被覆付き銅線１３に設けられた糸１４と、配線固定基材１５と、回路接続端子１６とを模式的に示す斜視図である。

被覆付き銅線１３は、一対の被覆付き銅線がＹ軸負側の接続部１３ａで繋がった形状を有している。被覆付き銅線１３は、銅線と、銅線を被覆する絶縁性の被覆部材とにより構成される。被覆付き銅線１３の被覆部材は、たとえばポリウレタンである。被覆付き銅線１３の一方の端部である接続部１３ａからは、被覆部材が除去されている。たとえば、接続部１３ａの被覆部材は、接続部１３ａにはんだ付けがなされることにより除去される。すなわち、溶融した高温のはんだ槽に接続部１３ａが漬けられることにより、熱により被覆部材が溶融除去されて、接続部１３ａが露出し、露出した接続部１３ａにはんだが付着する。３つの被覆付き銅線１３は、それぞれ、３つの導電弾性体１２のＹ軸正側の端部付近において、糸１４により設置される。

図２（ａ）、（ｂ）は、導電弾性体１２のＹ軸正側の端部、被覆付き銅線１３の接続部１３ａ、および糸を模式的に示す斜視図である。

被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、上述したように、被覆部材が除去されており内部の銅線が露出した状態となっている。被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、円形状に所定回数（たとえば１回）周回している。糸１４は、導電性を有する材料により構成され、たとえば、繊維とその中に分散した導電性の金属材料から構成される。糸１４に用いられる導電性の金属材料は、たとえば銀である。接続部１３ａの直径は約３ｍｍであり、導電弾性体１２のＸ軸方向の幅は約１０ｍｍである。

組み立ての際には、図２（ａ）に示すように、接続部１３ａが、導電弾性体１２のＹ軸正側の端部付近に上から（Ｚ軸負方向に）押し当てられる。そして、図２（ｂ）に示すように、接続部１３ａが、４つの糸１４によって導電弾性体１２に固定される。円形状に周回する接続部１３ａのＸ軸正側、Ｘ軸負側、Ｙ軸正側およびＹ軸負側の４箇所に対して、４つの糸１４が設置される。ここでは、円周方向に９０°の間隔で、接続部１３ａが糸１４で固定される。

図２（ｃ）は、接続部１３ａの中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で図１（ｂ）の構成を切断したときの断面を模式的に示す側面図である。図２（ｃ）では、便宜上、Ｘ軸正側を通る被覆付き銅線１３とＸ軸負側を通る被覆付き銅線１３とがＺ軸方向にずらして図示されている。

糸１４は、接続部１３ａにおいて露出した銅線を内側と外側の間で跨ぐように、かつ、導電弾性体１２と基材１１を貫通するようにして、刺繍縫いにより導電弾性体１２と基材１１に留められる。これにより、糸１４は、接続部１３ａが導電弾性体１２の表面に対して移動可能となるよう、白抜き矢印で示すように、接続部１３ａを導電弾性体１２の表面に押し付けて固定する。

図１（ｂ）に戻り、基材１１のＹ軸正側には、配線固定基材１５と回路接続端子１６が設置される。被覆付き銅線１３の被覆部１３ｂは、配線固定基材１５の上面に、糸１５ａにより束ねられた状態で接続される。被覆部１３ｂは、被覆付き銅線１３において被覆部材が設けられている部分である。すなわち、上記はんだ付けにより被覆付き銅線１３の被覆部材が除去されずに残っている部分が、被覆部１３ｂである。

ここで、「束ねられた状態」とは、隙間が抑制された状態で配線が密集するように位置を規制された状態のことである。以下の説明においても、「束ねられた状態」とは、同様の意味である。

図１（ｂ）では、３つの糸１５ａが、それぞれ、３つの位置において、被覆部１３ｂを配線固定基材１５に接続している。すなわち、各導電弾性体１２から引き出された被覆付き銅線１３は、３箇所において束ねられて、配線固定基材１５の上面に固定されている。複数の被覆付き銅線１３を他の糸で縛って束ねた後、糸１５ａでこれら被覆付き銅線１３を配線固定基材１５に固定してもよい。

被覆付き銅線１３の接続部１３ａと反対側の端部は、回路接続端子１６に接続される。その後、３つの導電弾性体１２に垂直に交差するように、これら導電弾性体１２の上面に、他の３つの被覆付き銅線１７が配置される。

図３（ａ）は、図１（ｂ）に示す構造体に設置された、３つの被覆付き銅線１７を模式的に示す斜視図である。

１つの被覆付き銅線１７は、Ｘ軸正側の端部において折れ曲がっている。すなわち、被覆付き銅線１７は、一対の被覆付き銅線がＸ軸正側の端部で繋がった形状を有している。３つの導電弾性体１２の上面に、被覆付き銅線１３が重ねて配置される。図３（ａ）では、３つの被覆付き銅線１７が３つの導電弾性体１２の上面に重ねて配置される。

被覆付き銅線１７は、導電性の線材と、当該線材の表面を被覆する誘電体とからなる。３つの被覆付き銅線１７は、導電弾性体１２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って並んで配置されている。被覆付き銅線１７は、３つの導電弾性体１２に跨がるよう、Ｘ軸方向に延びて配置される。被覆付き銅線１７のＸ軸負側の端部は、基材１１の上面に沿ってＹ軸正方向に折れ曲がっており、回路接続端子１６に接続されている。すなわち、導電弾性体１２に重なる領域から引き出された被覆付き銅線１７の部分は、他の配線に接続されることなく、そのまま回路接続端子１６に接続されている。被覆付き銅線１７の構成については、追って図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

３つの被覆付き銅線１７が配置された後、各被覆付き銅線１７は、導電弾性体１２の表面に対して相対移動可能に、糸１１ａで基材１１に接続される。図３（ａ）では、１２個の糸１１ａが、導電弾性体１２と被覆付き銅線１７とが重なる位置以外の位置において、被覆付き銅線１７を基材１１に接続している。

続いて、基材１１のＸ軸負側の端部付近においてＹ軸方向の延びる被覆付き銅線１７が、基材１１に、糸１１ｂにより束ねられた状態で接続される。図３（ａ）では、３つの糸１１ｂが、それぞれ、３つの位置において、被覆付き銅線１７を基材１１に接続している。３つの糸１１ｂは、こうして、図３（ａ）に示す構造体１ａが組み立てられる。

続いて、図３（ａ）に示した構造体１ａの上方から、図３（ｂ）に示すように、基材２０が設置される。基材２０は、絶縁性の部材である。基材２０は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、およびポリイミド等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。基材２０は、Ｘ－Ｙ平面に平行な平板形状を有する。基材２０の四隅が、基材１１に対してシリコーンゴム系接着剤や糸などで接続されることにより、基材２０が構造体１ａに固定される。こうして、図３（ｂ）に示すように、荷重センサ１が完成する。

図４（ａ）、（ｂ）は、Ｘ軸負方向に見た場合の被覆付き銅線１７周辺を模式的に示す断面図である。図４（ａ）は、荷重が加えられていない状態を示し、図４（ｂ）は、荷重が加えられている状態を示している。

図４（ａ）に示すように、被覆付き銅線１７は、銅線１７ａと、銅線１７ａを被覆する誘電体１７ｂと、により構成される。銅線１７ａの直径は、たとえば、約６０μｍである。誘電体１７ｂは、電気絶縁性を有し、たとえば、樹脂材料、セラミック材料、金属酸化物材料などにより構成される。誘電体１７ｂは、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂（たとえば、ポリエチレンテレフテレート樹脂）、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂などからなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料でもよく、Ａｌ_２Ｏ_３およびＴａ_２Ｏ_５などからなる群から選択される少なくとも１種の金属酸化物材料でもよい。

図４（ａ）に示す領域に荷重が加えられていない場合、導電弾性体１２と被覆付き銅線１７との間にかかる力、および、基材２０と被覆付き銅線１７との間にかかる力は、ほぼゼロである。この状態から、図４（ｂ）に示すように、基材１１の下面に対して上方向に荷重が加えられ、基材２０の上面に対して下方向に荷重が加えられると、被覆付き銅線１７によって導電弾性体１２が変形する。なお、基材１１の下面または基材２０の上面が静止物体に載置されて、他方の基材に対してのみ荷重が加えられた場合も、反作用により静止物体側から同様に荷重を受けることになる。

図４（ｂ）に示すように、荷重が加えられると、被覆付き銅線１７は、導電弾性体１２に包まれるように導電弾性体１２に近付けられ、被覆付き銅線１７と導電弾性体１２との間の接触面積が増加する。これにより、被覆付き銅線１７内の銅線１７ａと導電弾性体１２との間の静電容量が変化し、この領域に対応する２つのライン間の静電容量が検出され、この領域にかかる荷重が算出される。

図５は、Ｚ軸負方向に見た場合の荷重センサ１を模式的に示す平面図である。図５では、便宜上、３つの導電弾性体１２の近傍のみが図示され、糸１４、１１ａ、１１ｂ、配線固定基材１５、回路接続端子１６、および基材２０の図示が省略されている。

図５に示すように、３つの導電弾性体１２と３つの被覆付き銅線１７とが交わる位置に、荷重に応じて静電容量が変化する素子部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３が形成される。各素子部は、導電弾性体１２と被覆付き銅線１７を含み、導電弾性体１２は、静電容量の一方の極（たとえば陽極）を構成し、被覆付き銅線１７は、静電容量の他方の極（たとえば陰極）を構成する。各素子部に対してＺ軸方向に荷重が加わると、荷重により被覆付き銅線１７が導電弾性体１２に包み込まれる。これにより、導電弾性体１２と被覆付き銅線１７との間の接触面積が変化し、当該導電弾性体１２と当該被覆付き銅線１７との間の静電容量が変化する。

回路接続端子１６には、上述したように、３つの被覆付き銅線１３および３つの被覆付き銅線１７が接続されている。回路接続端子１６は、上記の各素子部を外部の電子回路に接続するための端子である。荷重センサ１が用いられる場合、回路接続端子１６が外部の電子回路に接続される。

図５に示すように、３つの導電弾性体１２から引き出された被覆付き銅線１３をラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３と称し、３つの被覆付き銅線１７をラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と称する。ラインＬ２１がラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、素子部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３であり、ラインＬ２２がラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、素子部Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３であり、ラインＬ２３がラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、素子部Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３である。

素子部Ａ１１に対して荷重が加えられると、素子部Ａ１１において導電弾性体１２と被覆付き銅線１７との接触面積が増加する。したがって、ラインＬ１１とラインＬ２１との間の静電容量を検出することにより、素子部Ａ１１において加えられた荷重を算出することができる。同様に、他の素子部においても、当該他の素子部において交わる２つのライン間の静電容量を検出することにより、当該他の素子部において加えられた荷重を算出することができる。

上述したように、３つのラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３および３つのラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は、回路接続端子１６に接続されている。回路接続端子１６に接続された外部の装置により、３つの導電弾性体１２と３つの被覆付き銅線１７との組み合わせに応じた静電容量を検出することが可能になる。

たとえば、３つのラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の何れか１つを選択的にグランドに接続し、グランドに接続したラインと、３つのラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３の何れか１つとの間の電圧を検出することにより、当該２つのラインが接続された導電弾性体１２および被覆付き銅線１７とが交差する素子部の静電容量を検出できる。具体的には、素子部に所定の電荷が貯まるまでの時間に基づいて、当該素子部の静電容量が検出される。この静電容量に基づいて、当該素子部に付与された荷重が算出される。

次に、発明者らは、図２（ｃ）のように、被覆付き銅線１３の接続部１３ａを糸１４により導電弾性体１２に押し付けて固定することによる効果を検証する実験を行った。

本実験において、発明者らは、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、図２（ｂ）に示す接続部１３ａの近傍のみに対応する構成を用いた。図６（ａ）、（ｂ）には、便宜上、周回する接続部１３ａのうちＹ軸正側部分が示されている。図６（ａ）、（ｂ）において、上記荷重センサ１と同様の構成には、同じ符号が付されている。

図６（ａ）は、糸１４によって、あらかじめ被覆付き銅線１３の接続部１３ａが導電弾性体１２に押し付けられた構成（実施形態１）を模式的に示す断面図である。図６（ａ）の実施形態１の構成では、接続部１３ａの表面積の３０％以上が導電弾性体１２に接触するように、接続部１３ａが、導電弾性体１２の表面に押し付けて固定されている。これにより、図６（ａ）に示すように、接続部１３ａが導電弾性体１２に沈み込む。他方、図６（ｂ）は、被覆付き銅線１３の接続部１３ａが導電弾性体１２に固定されず、導電弾性体１２の表面に載置された構成（比較例）を模式的に示す断面図である。

発明者らは、図６（ａ）、（ｂ）の構成において、接続部１３ａの位置に、上側の基材２０から外力を加えて、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値を計測した。

図６（ｃ）は、図６（ａ）、（ｂ）に示す構成（実施形態１／比較例）に対する外力と抵抗値との関係の実験結果を示すグラフである。横軸は、接続部１３ａに対して加えた外力の大きさを示しており、縦軸は、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値を示している。

比較例の場合、接続部１３ａに付与される外力が４Ｎ以下の範囲では、抵抗値の変動が非常に大きく、荷重が４Ｎを超えてくると、抵抗値の変動は小さくなる。比較例の場合、接続部１３ａに付与される外力が小さいと、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の接触が不安定であるため、抵抗値の変動が非常に大きくなってしまう。他方、比較例の構成において、接続部１３ａに付与される外力が大きくなると、接続部１３ａが導電弾性体１２に沈み込み、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の接触が安定するため、抵抗値の変動が小さくなる。このように、比較例の場合、接続部１３ａに付与される外力の大きさに応じて抵抗値が大きく変化してしまう。

これに対し、実施形態１の場合、接続部１３ａに付与される外力の大小にかかわらず抵抗値の変動は小さい。実施形態１の場合、接続部１３ａに付与される外力がゼロである状態においても、糸１４によって接続部１３ａが導電弾性体１２に押し付けられ、図６（ａ）に示したように、接続部１３ａの表面積の３０％以上が導電弾性体１２と接触する。このため、外力の大小によらず、常に接続部１３ａが導電弾性体１２に沈み込んでおり、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の接触が安定した状態にあるため、抵抗値の変動が小さく抑えられる。

上述したように、荷重センサ１では、素子部に所定の電荷が貯まるまでの時間に基づいて、当該素子部の静電容量が検出される。しかしながら、荷重センサ１が設置される際には、接続部１３ａに対応する基材２０の位置に、荷重センサ１以外の他の機構や他の部材等が当接して、接続部１３ａに外力が加わることが起こり得る。このような場合に、上記比較例のように、外力に対する接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値の変動が大きいと、外力の大きさに応じて、素子部に所定の電荷が貯まるまでの時間が意図せず変動してしまう。この場合、素子部の静電容量を適正に検出することができないため、当該素子部にかかる荷重を適正に算出できない。

これに対し、実施形態１の構成によれば、接続部１３ａに外力が加わったとしても、外力の大きさに対する接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値の変動が小さく抑制されるため、素子部に所定の電荷が貯まるまでの意図しない時間変動が抑制される。よって、実施形態１の構成によれば、素子部の静電容量を適正に検出できるため、当該素子部にかかる荷重を適正に算出できる。

＜実施形態１の効果＞
以上、実施形態１によれば、以下の効果が奏される。

被覆付き銅線１３は、導電弾性体１２の弾性変形に応じて導電弾性体１２に対し接触しつつ移動可能であるため、伸縮等により導電弾性体１２が弾性変形しても、導電弾性体１２との接続が維持される。また、導電弾性体１２に対する引き出しが被覆付き銅線１３によって行われるため、引き出し用の配線の電気抵抗が高くなることがない。さらに、被覆付き銅線１３の接続部１３ａが導電弾性体１２の表面に押し付けて固定されるため、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との接続箇所、すなわち、接続部１３ａの位置に外力が加わったとしても、この外力により、当該接続箇所の抵抗値、すなわち、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値が変化することを抑制できる。よって、図５に示した各素子部Ａ１１～Ａ１３、Ａ２１～Ａ２３、Ａ３１～Ａ３３から引き出される配線の抵抗値を低く抑えつつ、素子部に対する配線（被覆付き銅線１３）の接続箇所における抵抗値が外力により変化することを抑制でき、素子部と配線との接続の信頼性を高めることができる。

被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、表面積の３０％以上が導電弾性体１２に接触するように、導電弾性体１２の表面に押し付けて固定される。これにより、図６（ｃ）に示したように、外力が変化したとしても、接続部１３ａと導電弾性体１２との間の抵抗値の変動が小さいため、素子部に所定の電荷が貯まるまでの意図しない時間変動が抑制される。よって、素子部の静電容量を適正に検出できるため、当該素子部にかかる荷重を適正に算出できる。なお、以下の実施形態および変更例においても、導電弾性体に接続される接続部は、表面積の３０％以上が導電弾性体に接触するように、当該導電弾性体の表面に押し付けて固定されるのが好ましい。

図２（ａ）～（ｃ）に示したように、被覆付き銅線１３は、導電弾性体１２の表面に載置された状態で、糸１４により導電弾性体１２に縫い付けられている。これにより、導電弾性体１２に対して糸１４が付設される領域が極めて微少であるため、導電弾性体１２の本来の特性を維持しつつ、被覆付き銅線１３を導電弾性体１２に接続できる。

図２（ｂ）に示したように、被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、導電弾性体１２の表面にループ状に沿わされた状態で、糸１４により導電弾性体１２の表面に固定されている。これにより、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２の表面との間の接触面積を高めることができる。よって、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との間の接触抵抗を低下させることができ、静電容量の変化をより精度よく検出できる。

糸１４は、繊維の表面に導電性の金属材料が付着されることにより構成される。これにより、糸１４は導電性を有することになるため、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との間の接触抵抗を低くすることができる。よって、静電容量の変化をより精度よく検出できる。

被覆付き銅線１３は、絶縁性の被覆部材で被覆された被覆付き銅線であり、被覆付き銅線１３の接続部１３ａにおいて、被覆部材が除去されている。これにより、各素子部から引き出された被覆付き銅線１３が、導電性の他の材料に接触しても、絶縁性の被覆部材により被覆付き銅線１３と他の材料とが電気的に絶縁される。このため、荷重センサ１の設置時等において、被覆付き銅線１３の取り回しを簡易に行うことができる。

被覆付き銅線１３の接続部１３ａにはんだ付けがなされることにより、接続部１３ａから被覆部材が除去される。このように、はんだ付けを用いると、被覆部材を円滑に除去できる。

図５に示したように、荷重センサ１には、荷重に応じて静電容量が変化する複数の素子部Ａ１１～Ａ１１～Ａ１３、Ａ２１～Ａ２３、Ａ３１～Ａ３３が設けられており、複数の素子部からそれぞれ引き出された複数の被覆付き銅線１３が、束ねられた状態で配線固定基材１５に固定されている。これにより、被覆付き銅線１３をコンパクトに纏めることができ、また、被覆付き銅線１３が占める容積を小さくすることができる。よって、被覆付き銅線１３の取り回しを簡易に行うことができる。

被覆付き銅線１７が素子部からの引き出し用の配線を兼ねているため、別途引き出し用の配線を付設する必要がない。また、被覆付き銅線１７は導電弾性体１２に接触した状態であるため、導電弾性体１２が弾性変形した場合は、導電弾性体１２の表面に接触しながら、導電弾性体１２の表面に対して相対的に移動する。このため、伸縮等により導電弾性体１２が弾性変形しても、被覆付き銅線１７と導電弾性体１２との接続が維持される。また、被覆付き銅線１７が引き出し用の配線に兼用されているため、引き出し用の配線の電気抵抗が高くなることがない。よって、素子部から引き出される配線の抵抗値を低く抑えつつ、導電弾性体１２と配線との接続の信頼性を高めることができる。

図５に示したように、荷重センサ１には、荷重に応じて静電容量が変化する複数の素子部Ａ１１～Ａ１１～Ａ１３、Ａ２１～Ａ２３、Ａ３１～Ａ３３が設けられており、複数の素子部からそれぞれ引き出された複数の被覆付き銅線１７が、束ねられた状態で基材１１に固定されている。これにより、被覆付き銅線１７をコンパクトに纏めることができ、また、被覆付き銅線１７が占める容積を小さくすることができる。よって、被覆付き銅線１７の取り回しを簡易に行うことができる。

Ｙ軸方向に長い導電弾性体１２が、Ｘ軸方向に並んで複数配置され、複数の導電弾性体１２に跨がる被覆付き銅線１７が、Ｙ軸方向に並んで複数配置されている。これにより、図５に示したように、マトリクス状に複数の素子部Ａ１１～Ａ１１～Ａ１３、Ａ２１～Ａ２３、Ａ３１～Ａ３３を配置できる。

被覆付き銅線１７は、導電弾性体１２の表面に対し相対移動可能に、荷重センサ１内の基材１１に糸１１ａで留められている。これにより、伸縮等により導電弾性体１２が弾性変形した場合、被覆付き銅線１７を、導電弾性体１２との間で相対移動させながら、荷重センサ１内における被覆付き銅線１７の配置を所定位置に維持できる。

＜実施形態１の変更例＞
上記実施形態１では、被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、糸１４により導電弾性体１２に接続されたが、接続部１３ａと導電弾性体１２との接続手段は、これに限らない。

図７（ａ）～（ｃ）は、糸１４に代えてハトメ２１が用いられる変更例を示す図である。

図７（ａ）に示すように、ハトメ２１は、上下に貫通した孔を備える筒状部材である。ハトメ２１は、導電性を有するアルミや銅により構成される。上側の端部２１ａおよび下側の端部２１ｂには、いずれも内部の空洞と繋がる開口が形成されている。ハトメ２１の高さ（Ｚ軸方向の長さ）は、導電弾性体１２の厚みと基材１１の厚みとを合わせた厚みよりも僅かに長い。ハトメ２１を用いる場合、ハトメ２１を設置する位置に、導電弾性体１２を上下方向に貫通する孔１２ａと、基材１１を上下方向に貫通する孔１１ｃ（図７（ｃ）参照）とが形成される。孔１２ａ、１１ｃの直径は、ハトメ２１の外径と略同じである。

図７（ａ）に示すように、組み立ての際には、ハトメ２１の外周に接続部１３ａが沿わされ、ループ状の接続部１３ａの内側にハトメ２１が挿入される。そして、ハトメ２１が、導電弾性体１２の孔１２ａおよび基材１１の孔１１ｃに通される。このとき、上側の端部２１ａが導電弾性体１２の上面から僅かに上方向に突出し、下側の端部２１ｂが基材１１の下面から僅かに下方向に突出するよう、ハトメ２１が、導電弾性体１２および基材１１に対して位置付けられる。

この状態で、上側の端部２１ａが導電弾性体１２の上面に対してかしめられ、下側の端部２１ｂが基材１１の下面に対してかしめられる。このとき、上側の端部２１ａは、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、外側に広がりつつ下方向に曲げられ、下側の端部２１ｂは、図７（ｃ）示すように、外側に広がりつつ上方向に曲げられる。これにより、ハトメ２１は、接続部１３ａが導電弾性体１２の表面に対して移動可能となるよう、白抜き矢印で示すように、接続部１３ａを導電弾性体１２の表面に押し付けて固定する。こうして、実施形態１と同様、接続部１３ａが導電弾性体１２に接続される。

このようにハトメ２１が用いられる場合も、上記実施形態１と同様、被覆付き銅線１３は、導電弾性体１２の弾性変形に応じて導電弾性体１２に対し接触しつつ移動可能であるため、伸縮等により導電弾性体１２が弾性変形しても、導電弾性体１２との接続が維持される。よって、素子部と配線との接続の信頼性を高めることができる。また、ハトメ２１が用いられる場合、糸１４を縫い付ける場合に比べて、簡易に被覆付き銅線１３を導電弾性体１２に固定できる。

また、上記実施形態１では、被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、円形状に周回するループ形状を有していたが、接続部１３ａの形状は、これに限らず、Ｕ字形状、矩形形状、渦巻き形状などでもよい。

図８（ａ）は、接続部１３ａの形状がＵ字形状である変更例を示す図である。この変更例では、被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、Ｕ字形状になっている。この場合、３つの糸１４により、接続部１３ａのＸ軸正側、Ｘ軸負側およびＹ軸負側の３箇所が導電弾性体１２に留められる。この場合も、素子部と配線との接続の信頼性を高めることができる。ただし、図８（ａ）の場合、接続部１３ａと導電弾性体１２との接触面積は、上記実施形態１に比べて小さくなる。したがって、接触面積の増加および接触抵抗の減少の観点では、上記実施形態１のように、接続部１３ａは円形状に周回するループ形状を有するのが好ましい。

また、上記実施形態１では、被覆付き銅線１３の接続部１３ａは、下側に位置する導電弾性体１２および基材１１にのみ固定されたが、上側に位置する基材２０にも固定されてもよい。

図８（ｂ）は、糸１４が用いられる場合に、糸１４が上側の基材２０にも固定される変更例を示す図である。

図８（ｂ）に示すように、本変更例の糸１４は、接続部１３ａの内側と外側を通り、基材１１、導電弾性体１２および基材２０を上下に貫通するように固定される。この場合、基材２０が導電弾性体１２に密着するように配置され、糸１４が２つの基材１１、２０を互いに密接させる。これにより、糸１４は、接続部１３ａが導電弾性体１２の表面に対して移動可能となるよう、白抜き矢印で示すように、基材１１、２０を介して間接的に、接続部１３ａを導電弾性体１２の表面に押し付けて固定する。こうして、接続部１３ａが、導電弾性体１２に対して接続される。

図８（ｃ）は、ハトメ２１が用いられる場合に、ハトメ２１が上側の基材２０にも固定される変更例を示す図である。

図８（ｃ）に示すように、本変更例のハトメ２１の高さ（Ｚ軸方向の長さ）は、基材１１の下面から基材２０の上面までの厚みよりも僅かに長い。そして、ハトメ２１を設置する位置に、基材２０を上下方向に貫通する孔２０ａと、導電弾性体１２を上下方向に貫通する孔１２ａと、基材１１を上下方向に貫通する孔１１ｃとが形成される。孔２０ａ、１２ａ、１１ｃの直径は、ハトメ２１の外径と略同じである。

この場合も、ハトメ２１は、上側の端部２１ａが基材２０の上面から僅かに上方向に突出し、下側の端部２１ｂが基材１１の下面から僅かに下方向に突出するよう位置付けられる。この状態で、上側の端部２１ａが基材２０の上面に対してかしめられ、下側の端部２１ｂが基材１１の下面に対してかしめられる。

そして、図８（ｂ）と同様、ハトメ２１は、接続部１３ａが導電弾性体１２の表面に対して移動可能となるよう、白抜き矢印で示すように、基材１１、２０を介して間接的に、接続部１３ａを導電弾性体１２の表面に押し付けて固定する。すなわち、接続部１３ａは、ハトメ２１がかしめられることにより、上下から所定の押圧力を受けながら、基材１１、２０に挟まれて固定される。こうして、接続部１３ａが、導電弾性体１２に対して接続される。

＜実施形態２＞
実施形態１では、図３（ａ）に示す構造体１ａの上面に対して基材２０が設置されたが、実施形態２では、図３（ａ）に示す構造体１ａの上面に対して、３つの導電弾性体３２を有する他の構造体３０が設置される。

図９（ａ）は、構造体３０の構成を模式的に示す斜視図である。

構造体３０は、基材３１と、３つの導電弾性体３２と、３つの被覆付き銅線３３と、各被覆付き銅線３３を導電弾性体３２に固定するための複数の糸３４と、を備える。基材３１は、基材１１と同じ材料により構成され、基材３１の厚みは、基材１１の厚みと同様である。基材１１のＺ軸負側の面には、基材１１に設置された導電弾性体１２と同様の導電弾性体３２が設置される。３つの導電弾性体３２は、構造体３０を構造体１ａに重ね合わせたときに、３つの導電弾性体１２に重なるように配置される。導電弾性体３２のＹ軸正側の端部付近には、被覆付き銅線３３が接続される。被覆付き銅線３３は、被覆付き銅線１３と同様の構成であり、糸３４は、糸１４と同様の構成である。被覆付き銅線３３の接続部３３ａは、糸１４の場合と同様にして、４つの糸３４によって導電弾性体３２に接続される。こうして、図９（ａ）に示す構造体３０が組み立てられる。

続いて、図９（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す構造体１ａの上方から、図９（ａ）の構造体３０が、上下反転した状態で設置される。基材３１の四隅が、基材１１に対してシリコーンゴム系接着剤や糸などで接続されることにより、構造体３０が基材１１に固定される。このとき、被覆付き銅線３３の被覆部３３ｂは、被覆付き銅線１３の被覆部１３ｂと同様、配線固定基材１５の上面に、糸１５ａにより束ねられた状態で固定される。この場合、被覆付き銅線３３の被覆部３３ｂと被覆付き銅線１３の被覆部１３ｂとが束ねられてもよい。被覆付き銅線３３の接続部３３ａと反対側の端部は、回路接続端子１６に接続される。こうして、図９（ｂ）に示すように、実施形態２の荷重センサ１が完成する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、Ｘ軸負方向に見た場合の被覆付き銅線１７周辺を模式的に示す断面図である。図１０（ａ）は、荷重が加えられていない状態を示し、図１０（ｂ）は、荷重が加えられている状態を示している。

図１０（ａ）に示す領域に荷重が加えられていない場合、導電弾性体１２と被覆付き銅線１７との間にかかる力、および、被覆付き銅線１７と導電弾性体３２との間にかかる力は、ほぼゼロである。この状態から、図１０（ｂ）に示すように、基材１１の下面に対して上方向に荷重が加えられ、基材３１の上面に対して下方向に荷重が加えられると、被覆付き銅線１７によって、弾性を有する２つの導電弾性体１２、３２が変形する。

図１０（ｂ）に示すように、荷重が加えられると、被覆付き銅線１７は、２つの導電弾性体１２、３２に包まれるように２つの導電弾性体１２、３２に近付けられ、被覆付き銅線１７と導電弾性体１２との間の接触面積および被覆付き銅線１７と導電弾性体３２との間の接触面積が増加する。これにより、被覆付き銅線１７内の銅線１７ａと導電弾性体１２との間の静電容量および被覆付き銅線１７内の銅線１７ａと導電弾性体３２との間の静電容量が変化する。そして、２つの静電容量の和に基づいて、この領域にかかる荷重が算出される。

＜実施形態２の効果＞
以上、実施形態２によれば、実施形態１と同様の効果に加えて、以下の効果が奏される。

図９（ａ）、（ｂ）に示したように、構造体３０は、導電弾性体３２が被覆付き銅線１７に重なるように、構造体１ａの上側に配置される。そして、被覆付き銅線１７内の銅線１７ａと導電弾性体１２との間の静電容量と、被覆付き銅線１７内の銅線１７ａと導電弾性体３２との間の静電容量との和に基づいて、荷重が算出される。これにより、実施形態１と比較して静電容量が高められるため、荷重センサ１の感度を高めることができる。したがって、荷重センサ１による荷重の検出精度を高めることができる。また、被覆付き銅線１７の上下が、それぞれ導電弾性体１２、３２によりシールドされるため、被覆付き銅線１７の銅線１７ａに生じるノイズを抑制することができる。

＜実施形態２の変更例＞
上記実施形態２では、構造体１ａ側の導電弾性体１２および構造体３０側の導電弾性体３２から、それぞれ別々の被覆付き銅線１３、３３が引き出されたが、上下に重なる２つの導電弾性体１２、３２から共通の被覆付き銅線が引き出されてもよい。

図１１（ａ）は、上記実施形態２において、上下に重なる２つの導電弾性体１２、３２から共通の被覆付き銅線１３が引き出され、糸１４により被覆付き銅線１３が固定される変更例を示す図である。

図１１（ａ）に示すように、この変更例では、導電弾性体１２、３２のＹ軸正側の端部付近において、図８（ｂ）を参照して説明した変更例と同様、糸１４が上下の部材を貫通するようにして縫い付けられている。これにより、被覆付き銅線１３の接続部１３ａが、２つの導電弾性体１２、３２によって挟まれ、２つの導電弾性体１２、３２の表面に対して移動可能に、２つの導電弾性体１２、３２の表面に押し付けられて固定される。

こうして、図１１（ｂ）に示すように、この変更例の荷重センサ１が完成する。この変更例では、基材３１の上面側から見て、上下に重なる導電弾性体１２、３２に対応する３つの位置に、それぞれ４つの糸１４が設けられ、４つの糸１４により１つの被覆付き銅線１３が固定される。

図１２（ａ）は、上記実施形態２において、上下に重なる２つの導電弾性体１２、３２から共通の被覆付き銅線１３が引き出され、ハトメ２１により被覆付き銅線１３が固定される変更例を示す図である。

図１２（ａ）に示すように、この変更例では、導電弾性体１２、３２のＹ軸正側の端部付近において、図８（ｃ）を参照して説明した変更例と同様、ハトメ２１が、基材３１の孔３１ａ、導電弾性体３２の孔３２ａ、導電弾性体１２の孔１２ａ、および基材１１の孔１１ｃに通され、上下方向に各部材を貫通するように設置されている。これにより、被覆付き銅線１３の接続部１３ａが、２つの導電弾性体１２、３２によって挟まれ、２つの導電弾性体１２、３２の表面に対して移動可能に、２つの導電弾性体１２、３２の表面に押し付けられて固定される。

こうして、図１２（ｂ）に示すように、この変更例の荷重センサ１が完成する。この変更例では、基材３１の上面側から見て、上下に重なる導電弾性体１２、３２に対応する３つの位置に、それぞれハトメ２１が設けられ、１つのハトメ２１により１つの被覆付き銅線１３が固定される。

また、上記実施形態２では、導電弾性体１２および導電弾性体３２にそれぞれ接続された２つの被覆付き銅線１３、３３は、いずれも糸により固定されたが、これに限らず、いずれもハトメにより固定されてもよく、いずれか一方が糸により固定され、他方がハトメにより固定されてもよい。

＜実施形態３＞
実施形態１、２では、図３（ａ）に示したように、導電弾性体１２上に設置された被覆付き銅線１７のＸ軸負側の端部は、糸１１ｂによって、基材１１上に直接固定されたが、実施形態３では、被覆付き銅線１７と基材１１との間にシールド層４１が設置される。

図１３（ａ）は、図１（ｂ）の構造体に設置された、シールド層４１と、被覆付き銅線４２と、糸４３とを模式的に示す斜視図である。図１３（ａ）の基材１１は、図１（ｂ）に比べてＸ軸方向に長くなるよう構成されている。

シールド層４１は、導電弾性体１２と同様の材料により構成され、シールド層４１の厚みは、導電弾性体１２の厚みと同様である。シールド層４１は、Ｘ－Ｙ平面において、左端の導電弾性体１２の左側に位置する被覆付き銅線１７をほぼ含み得る大きさに構成される。シールド層４１は、基材１１の上面に接着剤等により設置される。被覆付き銅線４２は、シールド層４１のＹ軸正側の端部付近に、糸４３により設置される。被覆付き銅線４２は、被覆付き銅線１３と同様の構成であり、糸４３は、糸１４と同様の構成である。被覆付き銅線４２の接続部４２ａは、被覆付き銅線１３の接続部１３ａと同様に、糸４３によりシールド層４１に接続される。被覆付き銅線４２の接続部４２ａと反対側の端部は、回路接続端子１６に接続される。

その後、図１３（ａ）の構造体に対して、実施形態１と同様、３つの被覆付き銅線１７と、糸１１ａ、１１ｂとが設置される。基材１１のＸ軸負側の端部付近においてＹ軸方向の延びる被覆付き銅線１７は、シールド層４１の上面に、糸１１ｂにより束ねられた状態で接続される。こうして、図１３（ｂ）に示すように、実施形態２の構造体１ａが組み立てられる。

図１４（ａ）は、図９（ａ）の構造体に設置された、シールド層５１と、被覆付き銅線５２と、糸５３とを模式的に示す斜視図である。図１４（ａ）の基材３１は、図９（ａ）に比べてＸ軸方向に長くなるよう構成されている。

シールド層５１は、導電弾性体３２と同様の材料により構成され、シールド層５１の厚みは、導電弾性体３２の厚みと同様である。シールド層５１は、Ｘ－Ｙ平面において、図１３（ａ）のシールド層４１と同様の大きさに構成される。シールド層５１は、基材３１のＺ軸負側の面に接着剤等により設置される。被覆付き銅線５２は、シールド層５１のＹ軸正側の端部付近に、糸５３により設置される。被覆付き銅線５２は、被覆付き銅線３３と同様の構成であり、糸５３は、糸３４と同様の構成である。被覆付き銅線５２の接続部５２ａは、被覆付き銅線３３の接続部３３ａと同様に、糸５３によりシールド層５１に接続される。こうして、図１４（ａ）に示すように、実施形態２の構造体３０が組み立てられる。

続いて、図１４（ｂ）に示すように、図１３（ｂ）の構造体１ａの上方から、図１４（ａ）の構造体３０が、上下反転した状態で設置される。基材３１の四隅が、基材１１に対してシリコーンゴム系接着剤や糸などで接続されることにより、構造体３０が基材１１に固定される。このとき、被覆付き銅線５２の接続部５２ａと反対側の端部は、回路接続端子１６に接続される。こうして、図１４（ｂ）に示すように、実施形態３の荷重センサ１が完成する。

荷重センサ１が使用される際、シールド層４１は、導電弾性体１２と同じ極性の電位が印加され、シールド層５１は、導電弾性体３２と同じ極性の電位が印加される。これにより、シールド層４１、５１の範囲における被覆付き銅線１７にノイズが生じることが抑制される。

＜実施形態３の効果＞
以上、実施形態３によれば、実施形態１、２と同様の効果に加えて、以下の効果が奏される。

シールド層４１、５１は、素子部から引き出された被覆付き銅線１７を外部ノイズからシールドする。これにより、被覆付き銅線１７に重畳されるノイズを低減できる。

シールド層４１は、導電弾性体１２が配置された基材１１と同じ面に配置され、シールド層５１は、導電弾性体３２が配置された基材３１と同じ面に配置される。これにより、シールド層４１、５１の設置が容易になる。

＜その他の変更例＞
荷重センサ１の構成は、上記実施形態１～３に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施形態１～３では、基材１１の表面に３つの導電弾性体１２が設置されたが、荷重センサ１に配置される導電弾性体１２の数は、これに限られるものではない。たとえば、基材１１の全面に１つの導電弾性体１２が設置されてもよく、４つ以上の導電弾性体１２が配置されてもよい。また、３つの導電弾性体１２に対して３つの被覆付き銅線１７が配置されたが、配置される導電弾性体１２および被覆付き銅線１７の数は、これに限らない。たとえば、Ｙ軸方向に延びた１つの導電弾性体１２に対して、Ｘ軸方向に延びた被覆付き銅線１７がＹ軸方向に並ぶように複数配置されてもよい。あるいは、荷重センサ１が、１つの導電弾性体１２と１つの被覆付き銅線１７のみを備えていてもよい。

このように、導電弾性体１２の数と被覆付き銅線１７の数とが変更されることに伴い、荷重に応じて静電容量が変化する素子部の数も変更される。すなわち、荷重センサ１に配置される素子部の数は、上記実施形態１～３に示した数に限られるものではなく、他の数の素子部が荷重センサ１に配置されてもよい。

また、上記実施形態１～３において、複数の被覆付き銅線１３は、密集空間の断面が平面形状となるよう糸１５ａにより束ねられたが、これに限らず、密集空間の断面が他の形状（たとえば、四角形状や三角形状）となるよう糸１５ａにより束ねられてもよい。同様に、複数の被覆付き銅線１７も、密集空間の断面が他の形状となるよう糸１１ｂにより束ねられてもよい。また、複数の被覆付き銅線３３も、密集空間の断面は平面形状に限らず他の形状となるよう糸１５ａにより束ねられてもよい。

また、上記実施形態１において、図２（ｃ）に示したように、糸１４は、被覆付き銅線１３を導電弾性体１２および基材１１に縫い付けたが、これに限らず、被覆付き銅線１３を導電弾性体１２にのみ縫い付けてもよい。また、上記実施形態２において、糸３４は、被覆付き銅線３３を導電弾性体３２および基材３１に縫い付けたが、これに限らず、被覆付き銅線３３を導電弾性体３２にのみ縫い付けてもよい。同様に、糸４３も、被覆付き銅線４２をシールド層４１にのみ縫い付けてもよく、糸５３も、被覆付き銅線５２をシールド層５１にのみ縫い付けてもよい。

また、上記実施形態１～３および変更例において、糸１４、３４、４３、５３およびハトメ２１は、導電性を有する材料により構成されたが、必ずしも、導電性を有していなくてもよい。ただし、接触抵抗の減少の観点では、上記のように、糸１４、３４、４３、５３およびハトメ２１は、導電性を有するように構成されるのが好ましい。

また、上記実施形態３において、シールド層は、被覆付き銅線１７の上下に配置されたが、被覆付き銅線１７の上側または下側にのみ配置されてもよい。また、シールド層は、荷重センサ１の外側全体を覆うように設けられてもよい。

また、上記実施形態１において、基材２０は、弾性を有する絶縁性の部材であってもよい。この場合、基材２０は、たとえば、基材１１と同様の材料により構成される。

また、上記実施形態１～３において、被覆付き銅線１３、１７、３３、４２、５２は、回路接続端子１６に直接的に接続されたが、これに限らず、回路接続端子１６に接続された他の端子に接続され、他の端子を介して間接的に回路接続端子１６に接続されてもよい。

また、上記実施形態１～３において、被覆付き銅線１３の接続部１３ａの被覆部材は、はんだ付けにより除去されたが、これに限らず、他の手段によって除去されてもよい。たとえば、接続部１３ａの被覆部材は、接続部１３ａをアンモニア系の試薬や水酸化カリウム等に浸漬させる等の化学的処理手法により除去されてもよい。同様に、被覆付き銅線３３、４２、５２の接続部の被覆部材も、はんだ付けに限らず、他の手段によって除去されてもよい。

また、上記実施形態１～３において、被覆付き銅線１７に代えて、複数の被覆付き銅線１７が束ねられた撚り線からなる被覆付き銅線６０が用いられてもよい。

図１５（ａ）は、被覆付き銅線６０の構成を模式的に示す拡大図である。図１５（ｂ）は、被覆付き銅線６０の構成を模式的に示す断面図である。

図１５（ａ）に示すように、被覆付き銅線６０は、上記実施形態１～３で用いられる被覆付き銅線１７を撚ってなる撚り線である。図１５（ｂ）に示すように、被覆付き銅線６０を構成する複数の被覆付き銅線１７は、ほぼ円形に集まり、束となっている。被覆付き銅線６０の直径は、たとえば、０．３ｍｍである。

図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、被覆付き銅線６０が撚り線として構成されることにより、１つの被覆付き銅線６０の径は、１つの被覆付き銅線１７の径よりも大きくなる。これにより、被覆付き銅線６０と導電弾性体１２との間の接触面積、および、被覆付き銅線６０と導電弾性体３２との間の接触面積が、実施形態１～３に比べて増加する。したがって、被覆付き銅線６０と導電弾性体１２との間の静電容量、および、被覆付き銅線６０と導電弾性体３２との間の静電容量が高められるため、荷重センサ１の感度を高めることができる。また、被覆付き銅線６０が撚り線として構成されることにより、実施形態１～３に比べて、柔軟性を高めるとともに、曲げに対する強度を高めることができる。

なお、被覆付き銅線１３、３３、４２、５２に代えて、複数の被覆付き銅線が束ねられた撚り線からなる被覆付き銅線が用いられてもよい。この場合も、撚り線からなる被覆付き銅線において、柔軟性を高めるとともに、曲げに対する強度を高めることができる。

また、上記実施形態１～３において、３つの被覆付き銅線１３および３つの被覆付き銅線１７は、たとえば、以下の構成により、荷重センサ１の外部にある電子回路１８に接続されてもよい。

図１６（ａ）は、この場合の変更例に係る、接続基板７０の構成を模式的に示す平面図である。

接続基板７０は、６つの金属アイランド部７１と、６つのパターン７２と、６つの電極７３と、コネクタ７４と、を備える。

金属アイランド部７１は、接続基板７０上に設けられている。３つの被覆付き銅線１３および３つの被覆付き銅線１７は、それぞれ、金属アイランド部７１に、はんだ付けにより接続される。被覆付き銅線１３の接続部１３ｃの被覆部材および被覆付き銅線１７の接続部１７ｃの被覆部材は、金属アイランド部７１への接続前に、予め除去される。被覆部材の除去は、上記接続部１３ａと同様、溶融した高温のはんだ槽に接続部１３ｃ、１７ｃが漬けられることにより行われる。

金属アイランド部７１は、パターン７２を介して、電極７３に接続されている。パターン７２と電極７３は、接続基板７０上に設けられている。コネクタ７４は、接続基板７０上に電極７３を覆うように設けられている。コネクタ７４の６つの端子は、それぞれ、６つの電極７３に電気的に接続されている。コネクタ７４は、荷重センサ１の各素子部を外部の電子回路１８に接続するための回路接続端子である。

電子回路１８は、図示しないメイン基板に設置されている。このメイン基板に、コネクタ１８ａと、ケーブル１８ｂとが接続されている。コネクタ１８ａは、コネクタ７４側の６つの端子にそれぞれ接続される６つの端子を備える。コネクタ１８ａの各端子は、ケーブル１８ｂを介して電子回路１８と接続されている。コネクタ１８ａは、ケーブル１８ｂの端部に設置されている。コネクタ１８ａが接続基板７０のコネクタ７４に接続されることにより、３つの導電弾性体１２および３つの被覆付き銅線１７が、電子回路１８に対して電気的に接続される。

このように接続基板７０が構成されると、接続基板７０と電子回路１８とを円滑に接続することができる。また、被覆付き銅線１３および被覆付き銅線１７を外部の装置に接続させるための端子部分（電極７３およびコネクタ７４）をコンパクトに構成できる。

なお、図１６（ａ）に示した接続基板７０に代えて、ボックスコネクタやカシメコネクタ等の他のコネクタを用いて、被覆付き銅線１３、１７を、電子回路１８に接続してもよい。

また、図１６（ｂ）に示すように、電子回路１８が搭載されるメイン基板１９に、６つの金属アイランド部７１が設けられ、これら金属アイランド部７１に、直接、被覆付き銅線１３および被覆付き銅線１７が、はんだで接続されてもよい。

また、上記実施形態１～３において、糸１１ａ、１１ｂ、１４、１５ａ、３４、４３、５３は、刺繍縫いにより対象物に縫い付けられたが、これに限らず、ミシン縫いにより対象物に縫い付けられてもよい。糸がミシン縫いにより対象物に縫い付けられることにより、糸の縫い目が強固になる。

図１７（ａ）は、糸１１ａがミシン縫いにより縫い付けられた場合に、被覆付き銅線１７が糸１１ａにより基材１１に固定される状態を模式的に示す斜視図である。この場合、たとえば、Ｙ軸方向に並ぶ３つの被覆付き銅線１７を全て跨ぐようにして、糸１１ａがミシン縫いによりＹ軸方向に縫い付けられる。

図１７（ｂ）は、１７（ａ）においてＹ軸方向に延びる糸１１ａの位置で、構造体１ａをＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す側面図である。糸１１ａがミシン縫いにより基材１１に縫い付けられると、糸１１ａの上糸８１と下糸８２とが、基材１１の上下方向の中央付近で互いに結ばれる。このように上糸８１と下糸８２とが上下からミシン縫いにより基材１１に縫い付けられると、基材１１の上面側に配置された被覆付き銅線１７は、糸１１ａの上糸８１により基材１１に押し付けられて固定される。

図１８（ａ）、（ｂ）は、糸１４がミシン縫いにより縫い付けられた場合に、被覆付き銅線１３の接続部１３ａが糸１４により導電弾性体１２および基材１１に固定される状態を模式的に示す平面図である。図１８（ａ）は、図２（ｂ）の場合と同様、接続部１３ａの４箇所が糸１４により固定される場合を示しており、図１８（ｂ）は、縫い目の形状が１６個の頂点を有する場合を示している。図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）のように縫い目が全周にわたって設けられる場合の荷重センサ１の構成を模式的に示す斜視図である。

図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、ミシン縫いの場合、縫い始めの位置から縫い終わりの位置に至るまで、１回の縫い動作により糸１４が縫い付けられるため、上面側から見て縫い目が繋がって見えるようになる。また、図１８（ａ）の場合、縫い目が接続部１３ａを跨いだ回数は６回であり、図１８（ｂ）の場合、縫い目が接続部１３ａを跨いだ回数は３２回である。図１８（ｂ）のように、接続部１３ａが全周にわたって糸１４により縫い付けられ、糸１４が接続部１３ａを跨ぐ回数が多くなると、接続部１３ａがより確実に導電弾性体１２に接続されるようになる。

なお、図１８（ｂ）、（ｃ）に示したように、糸１４が全周にわたって縫い付けられる場合に、糸１４は、ミシン縫いにより縫い付けられることに限らず、刺繍縫いにより縫い付けられてもよい。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ 荷重センサ
１１ａ 糸（留め具）
１２ 導電弾性体
１２ａ 孔
１３、３３ 被覆付き銅線（第１銅線）
１３ａ、３３ａ 接続部（接続部分）
１４、３４ 糸
１６ 回路接続端子
１７、６０ 被覆付き銅線（第２銅線）
２１ ハトメ
４１、５１ シールド層
７４ コネクタ（回路接続端子）
Ａ１１～Ａ１３、Ａ２１～Ａ２３、Ａ３１～Ａ３３ 素子部

Claims (15)

1. 荷重に応じて静電容量が変化する素子部と、
   前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出される銅線と、
   前記銅線を前記素子部に固定するための固定具と、を備え、
   前記素子部は、前記静電容量の一方の極を構成する導電性の導電弾性体を含み、
   前記固定具は、前記導電弾性体の弾性変形に応じて前記導電弾性体の表面に対し移動可能に、前記銅線を、前記導電弾性体の前記表面に押し付けて固定する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
2. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定具は、表面積の３０％以上が前記導電弾性体に接触するように、前記銅線を、前記導電弾性体の前記表面に押し付けて固定する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
3. 請求項１または２に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定具は、糸であり、
   前記銅線は、前記導電弾性体の表面に載置された状態で前記糸により前記導電弾性体に縫い付けられている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
4. 請求項１または２に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定具は、ハトメであり、
   前記導電弾性体は、前記ハトメを通すための孔を有し、
   前記ハトメの外周に前記銅線を沿わせつつ、前記孔に前記ハトメを通して、前記ハトメをかしめることにより、前記銅線が前記導電弾性体に接続されている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
   前記銅線は、前記導電弾性体の表面にループ状に沿わされた状態で、前記固定具により、前記導電弾性体の表面に固定されている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定具は、導電性を有する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
   前記銅線は、絶縁性の被覆部材で被覆された被覆付き銅線であって、前記導電弾性体に接続される接続部分において前記被覆部材が除去されている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
8. 請求項７に記載の荷重センサにおいて、
   前記接続部分にはんだ付けがなされることにより前記被覆部材が除去されている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
9. 請求項７または８に記載の荷重センサにおいて、
   前記素子部が、複数設けられており、
   前記複数の素子部からそれぞれ引き出された複数の前記銅線が束ねられている、
   ことを特徴とする荷重センサ。
   
10. 荷重に応じて静電容量が変化する素子部と、
    前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出される第１銅線と、
    前記静電容量の変化を検出するために前記素子部から引き出され、誘電体で被覆された第２銅線と、
    前記素子部を外部の電子回路に接続するための回路接続端子と、を備え、
    前記素子部は、前記静電容量の一方の極を構成する導電性の導電弾性体を含み、
    前記第１銅線は、前記導電弾性体に接続され、
    前記第２銅線は、前記導電弾性体に接触した状態で前記素子部内に配置されて前記静電容量の他方の極を構成し、前記素子部から引き出された部分が、そのまま、前記回路接続端子に接続される、
    ことを特徴とする荷重センサ。
    
11. 請求項１０に記載の荷重センサにおいて、
    前記素子部が、複数設けられており、
    前記複数の素子部からそれぞれ引き出された複数の前記第２銅線が束ねられている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
    
12. 請求項１０または１１に記載の荷重センサにおいて、
    第１方向に長い前記導電弾性体が、前記第１方向に垂直な第２方向に並んで複数配置され、
    前記複数の導電弾性体に跨がる第２銅線が、前記第１方向に並んで複数配置され、
    前記複数の第２銅線が、束ねられて、前記回路接続端子に接続されている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
    
13. 請求項１０ないし１２の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
    前記第２銅線は、前記導電弾性体の表面に対し相対移動可能に、前記荷重センサ内に留め具で留められている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
    
14. 請求項１０ないし１３の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
    前記素子部から引き出された前記第２銅線を外部ノイズからシールドするためのシールド層を備える、
    ことを特徴とする荷重センサ。
    
15. 請求項１４に記載の荷重センサにおいて、
    前記導電弾性体が配置された基材を備え、
    前記シールド層は、前記導電弾性体が配置された前記基材と同じ面に配置される、
    ことを特徴とする荷重センサ。

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