CN114502936B - 载荷传感器 - Google Patents

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Abstract

载荷传感器(1)具备：具有弹性的绝缘性的基材(11)；形成于基材(11)的上表面且具有弹性的电极(12)；以及与电极(12)的上表面重叠配置且表面被电介质(13b)覆盖的导电性的线材(13a)。电极(12)的厚度相对于基材(11)的厚度的比率为0.02以上且0.3以下。

Description

载荷传感器
技术领域
本发明涉及基于静电电容的变化来检测从外部施加的载荷的载荷传感器。
背景技术
载荷传感器在产业设备、机器人以及车辆等领域中被广泛利用。近年来，随着基于计算机的控制技术的发展以及设计性的提高，正在进行丰富多彩地使用人型的机器人以及机动车的内饰件等那样的自由曲面的电子设备的开发。与之相应地，要求在各自由曲面装配高性能的载荷传感器。
在以下的专利文献1中记载了一种压敏元件，其具备被施加按压力的感压部和检测按压力的检测器。在该压敏元件中，感压部具有第一导电构件、第二导电构件以及电介质。第一导电构件具有弹性。电介质被配置在第一导电构件与第二导电构件之间，至少局部地覆盖第一导电构件或者第二导电构件的表面。检测器基于第一导电构件与第二导电构件之间的静电电容的变化，检测按压力。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2018/096901号
发明内容
发明所要解决的课题
在上述那样的载荷传感器中，在载荷施加时以及卸载时，静电电容的变化产生特性偏差(滞后)。具有弹性的导电构件是通过在橡胶等弹性体中添加填料而被施加导电性的构件。这样，如果在橡胶中添加填料，则填料相对于导电构件的弹性恢复成为阻碍因素，弹性恢复的响应降低。由此，载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化相互偏移。因此，即使是相同的载荷的值，在载荷施加时和卸载时，静电电容的值也不同，载荷传感器的检测值产生偏差。
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种能够抑制载荷施加时和卸载时的检测值的偏差的载荷传感器。
用于解决课题的手段
本发明的主要方式涉及载荷传感器。本方式所涉及的载荷传感器具备具有弹性的绝缘性的基材；形成在所述基材的上表面并具有弹性的电极；以及导电性的线材，与所述电极的上表面重叠配置且表面被电介质覆盖。在此，所述电极的厚度相对于所述基材的厚度的比率为0.02以上且0.3以下。
根据本方式所涉及的载荷传感器，通过将电极的厚度相对于基材的厚度的比率设定为0.02以上且0.3以下，从而与基材的厚度相比能够充分地减小电极的厚度。由此，在载荷施加时以及卸载时的电极以及基材的变形中，由电极的变形产生的影响得到抑制，基材的变形的影响成为支配性的。因此，能够抑制电极的弹性恢复中的响应降低的影响，其结果，能够使载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化大致一致。因此，能够抑制载荷施加时和卸载时的载荷传感器的检测值的偏差。
发明效果
如上所述，根据本发明，能够提供一种能够抑制载荷施加时和卸载时的检测值的偏差的载荷传感器。
本发明的效果和意义通过以下所示的实施方式的说明进一步明确。但是，以下所示的实施方式只不过是实施本发明时的一个例示，本发明完全不限于以下的实施方式所记载的内容。
附图说明
图1的(a)～(c)是示意性地表示实施方式1所涉及的载荷传感器的各部的结构的立体图。
图2的(a)是示意性地表示实施方式1所涉及的载荷传感器的各部的结构的立体图。图2的(b)是示意性地表示实施方式1所涉及的组装结束后的载荷传感器的结构的立体图。
图3的(a)～(c)是用于说明实施方式1所涉及的丝网印刷的示意图。
图4是用于说明实施方式1所涉及的凹版印刷的示意图。
图5是用于说明实施方式1所涉及的柔性印刷的示意图。
图6是用于说明实施方式1所涉及的胶版印刷的示意图。
图7是用于说明实施方式1所涉及的凹版胶印的示意图。
图8是示意性地表示实施方式1所涉及的沿Z轴负方向观察的情况下的载荷传感器的俯视图。
图9的(a)、(b)是示意性地表示实施方式1所涉及的从X轴负方向观察的情况下的导线周边的剖视图。
图10的(a)是实施方式1所涉及的在Y轴正方向上观察在导线的位置以与X-Z平面平行的平面切断了的状态的载荷传感器的情况下的示意图。图10的(b)是实施方式1的比较例所涉及的在Y轴正方向上观察在导线的位置以与X-Z平面平行的平面切断了的状态的载荷传感器的情况下的示意图。
图11是用于说明实施方式1所涉及的载荷传感器的各部的优选尺寸的示意图。
图12是示意性地表示实施方式2所涉及的载荷传感器的各部的结构的立体图。
图13是示意性地表示实施方式2所涉及的组装结束后的载荷传感器的结构的立体图。
图14的(a)、(b)是示意性地表示实施方式2所涉及的从X轴负方向观察的情况下的导线周边的剖视图。
图15的(a)是示意性地表示实施方式2的比较例所涉及的从X轴负方向观察的情况下的导线周边的剖视图。图15的(b)是示意性地表示实施方式2所涉及的从X轴负方向观察的情况下的导线周边的剖视图。
图16的(a)是表示实施方式2的比较例所涉及的载荷与静电电容的关系的图表。图16的(b)是表示实施方式2所涉及的载荷与静电电容的关系的图表。
图17的(a)是用于说明实施方式2所涉及的滞后的计算的图。图17的(b)是表示实施方式2所涉及的电极的厚度与滞后的关系的图表。图17的(c)是表示实施方式2所涉及的电极的厚度与电极的体积电阻率的关系的图表。
图18是表示实施方式2所涉及的电极的弹性系数不同的情况下的电极的厚度与滞后的关系的图表。
图19是示意性地表示实施方式3所涉及的载荷传感器的各部的结构的立体图。
图20的(a)、(b)是说明实施方式3所涉及的配合基材以及电极的伸缩而导线的形状发生变化的示意图。
其中，附图仅用于说明，并不限定本发明的范围。
具体实施方式
本发明能够应用于根据施加的载荷进行处理的管理系统、电子设备的载荷传感器。
作为管理系统，例如可列举库存管理系统、驾驶员监视系统、指导管理系统、安全管理系统、看护/育儿管理系统等。
在库存管理系统中，例如，通过设置在库存架上的载荷传感器，检测所装载的库存的载荷，检测在库存架上存在的商品的种类和商品的数量。由此，在店铺、工厂、仓库等中，能够高效地管理库存，并且能够实现省人化。此外，通过设置于冷藏库内的载荷传感器，检测冷藏库内的食品的载荷，检测冷藏库内的食品的种类和食品的数、量。由此，能够自动地提出使用了冷藏库内的食品的菜单。
在驾驶员监视系统中，例如，通过设置于转向装置的载荷传感器来监视驾驶员对转向装置的载荷分布(例如，把持力、把持位置、踏力)。此外，通过设置于车载座椅的载荷传感器，监视就座状态下的驾驶员对车载座椅的载荷分布(例如重心位置)。由此，能够反馈驾驶员的驾驶状态(睡意、心理状态等)。
在指导管理系统中，例如，通过设置于鞋的底部的载荷传感器来监视脚掌的载荷分布。由此，能够向适当的步行状态、行驶状态进行矫正或者引导。
在安全管理系统中，例如，通过设置于地板的载荷传感器，在人通过时，检测载荷分布，检测体重、步幅、通过速度以及鞋底图案等。由此，通过将这些检测信息与数据进行比对，能够确定通过的人物。
在看护/育儿管理系统中，例如，通过设置于寝具、便座的载荷传感器，对人体相对于寝具以及便座的载荷分布进行监视。由此，在寝具、便座的位置，推定人想要采取怎样的行动，能够防止跌倒、滚落。
作为电子设备，例如可列举出车载设备(车导航系统、音响设备等)、家电设备(电热水壶、IH烹调加热器等)、智能手机、电子纸、电子书阅读器、PC键盘、游戏控制器、智能手表、无线耳机、触摸面板、电子笔、笔形电筒、发光的衣服、乐器等。在电子设备中，在接受来自用户的输入的输入部设置有载荷传感器。
以下的实施方式是在上述那样的管理系统、电子设备的载荷传感器中典型地设置的载荷传感器。这样的载荷传感器有时也被称为“静电电容型压敏传感器元件”、“电容性压力检测传感器元件”、“压敏开关元件”等。以下的实施方式是本发明的一实施方式，本发明不受以下的实施方式的任何限制。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了方便起见，在各图中标注有相互正交的X、Y、Z轴。Z轴方向是载荷传感器1的高度方向。
<实施方式1>
参照图1的(a)～图2的(b)，对实施方式1的载荷传感器1的制造方法进行说明。图1的(a)～图2的(b)是示意性地表示载荷传感器1的各部的结构的立体图。
如图1的(a)所示，基材11是具有弹性的绝缘性的构件。基材11具有与X-Y平面平行的平板形状。
基材11包括具有非导电性的树脂材料或者具有非导电性的橡胶材料。用于基材11的树脂材料例如为选自苯乙烯系树脂、硅酮系树脂(例如，聚二甲基聚硅氧烷(PDMS)等)、丙烯酸系树脂、丙烯酸系树脂、以及氨基甲酸酯系树脂等构成的群中的至少1种树脂材料。用于基材11的橡胶材料例如为选自硅橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯、乙烯-丁二烯橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶、以及天然橡胶等构成的群中的至少1种橡胶材料。
接下来，如图1的(b)所示，在图1的(a)所示的基材11的上表面(Z轴正方向侧的面)形成有电极12。在此，在基材11的上表面形成有3个电极12。各电极12是具有弹性的导电性的构件。各电极12在基材11的上表面具有在Y轴方向上较长的带状的形状，相互分离地形成。电极12包括树脂材料和分散在其中的导电性填料、或者橡胶材料和分散在其中的导电性填料。
用于电极12的树脂材料与上述基材11中使用的树脂材料同样，例如为选自苯乙烯系树脂、硅酮系树脂(聚二甲基聚硅氧烷(例如PDMS)等)、丙烯酸系树脂、丙烯酸系树脂、以及氨基甲酸酯系树脂等构成的群中的至少1种树脂材料。用于电极12的橡胶材料与上述基材11所使用的橡胶材料同样，例如为选自硅橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯、乙烯-丁二烯橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶、以及天然橡胶等构成的群中的至少1种橡胶材料。
用于电极12的导电性填料例如为选自Au(金)、Ag(银)、Cu(铜)、C(碳)、ZnO(氧化锌)、In2O3(氧化铟(III))以及SnO2(氧化锡(IV))等金属材料、PEDOT：PSS(即由聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸(PSS)构成的复合物)等导电性高分子材料、金属涂层有机物纤维、金属线(纤维状态)等导电性纤维构成的群中的至少1种材料。
各电极12通过给定的印刷工艺形成于基材11的上表面。关于形成电极12的印刷工艺，稍后参照图3的(a)～图7进行说明。
接下来，如图1的(c)所示，在图1的(b)所示的3个电极12的上表面重叠配置有导线13。在此，3个导线13重叠配置在3个电极12的上表面。各导线13由导电性的线材和覆盖该线材的表面的电介质构成。3个导线13沿着电极12的长边方向(Y轴方向)排列配置。各导线13跨越3个电极12地沿X轴方向延伸配置。关于导线13的结构，稍后参照图9的(a)、(b)进行说明。
在配置有3个导线13之后，各导线13以能够在导线13的长度方向(X轴方向)上移动的方式通过连接构件14与基材11连接。在图1的(c)所示的例子中，12个连接构件14在电极12与导线13重叠的位置以外的位置，将导线13与基材11连接。
连接构件14例如由丝线构成。连接构件14所使用的丝线既可以是将纤维捻合而成的加捻丝，也可以是未捻合的单纤维(即单丝)。构成连接构件14所使用的丝线的纤维可以是化学纤维、天然纤维，也可以是化学纤维和天然纤维的混合纤维。
用于连接构件14的化学纤维是合成纤维、半合成纤维、再生纤维、无机纤维等。作为合成纤维，可列举出聚苯乙烯系纤维、脂肪族聚酰胺系纤维(例如，尼龙6纤维、尼龙66纤维)、芳香族聚酰胺系纤维、聚乙烯醇系纤维(例如维尼纶纤维)、聚偏二氯乙烯系纤维、聚氯乙烯系纤维、聚酯系纤维(例如聚酯纤维、PET纤维、PBT纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维、聚芳酯纤维)、聚丙烯腈系纤维、聚乙烯系纤维、聚丙烯系纤维、聚氨酯系纤维、酚系纤维以及聚氟乙烯系纤维等。作为半合成纤维，可以列举出纤维素系纤维和蛋白质系纤维等。作为再生纤维，可以列举出人造丝纤维、铜氨纤维以及莱赛尔纤维等。作为无机纤维，可以列举出玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维以及金属纤维等。
用于连接构件14的天然纤维是植物纤维、动物纤维等。作为植物纤维，可以列举出棉以及麻(例如，麻、苎麻)等。作为动物纤维，可以列举出毛发(例如羊毛、安哥拉毛、羊绒、马海毛)、丝绸、以及羽毛(例如，羽绒、翎毛)等。
用于连接构件14的丝线优选为针织用的丝线等具有伸缩性的丝线。具有伸缩性的丝线例如可作为EIFFEL(Kanagawa株式会社)、SOLOTEX(帝人福瑞特株式会社)等市售品得到。
接下来，如图2的(a)所示，在图1的(c)所示的3个电极12的Y轴负方向侧的端部，分别引出电缆21a，3个电缆21a与连接器21连接。此外，如图2的(a)所示，图1的(c)所示的导线13的X轴负方向侧的端部与连接器22连接。这样，3个电缆21a与连接器21连接，3个导线13与连接器22连接，由此能够检测与3个电极12和3个导线13内的线材的组合相应的静电电容。
接下来，如图2的(b)所示，从图2的(a)所示的3个导线13的上方，设置有基材15。基材15是绝缘性的构件。基材15例如是选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯以及聚酰亚胺等构成的群中的至少1种树脂材料。基材15具有与X-Y平面平行的平板形状，X-Y平面中的基材15的大小与基材11相同。基材15的四角的顶点通过硅橡胶系粘接剂、丝线等与基材11的四角的顶点连接，由此基材15相对于基材11被固定。这样，如图2的(b)所示，载荷传感器1完成。
接下来，对在基材11的上表面形成电极12时能够使用的5个印刷工艺依次进行说明。另外，在基材11的上表面形成电极12的印刷工艺并不局限于以下5个印刷工艺，也可以是能够以与以下5个印刷工艺相同的厚度在基材11的上表面形成电极12的印刷工艺。
图3的(a)～(c)是用于说明丝网印刷的示意图。丝网印刷是从孔通过油墨进行印刷的孔板印刷的一种。
如图3的(a)所示，在丝网印刷中，使用丝网印版111和刮板112。在丝网印版111上，与形成于基材11的上表面的电极12的形状相匹配地形成有沿Y轴方向延伸的孔111a。通过丝网印刷而被涂敷的油墨100是由与电极12相同的材料构成的油墨。
在进行丝网印刷时，如图3的(a)所示，在丝网印版111的上表面涂敷油墨100的状态下，丝网印版111接近基材11的上表面。如图3的(b)所示，若在基材11的上表面上载置丝网印版111，则将刮板112在X轴方向上移动。由此，油墨100进入孔111a，油墨100被转印到与孔111a的部分对应的基材11的上表面。形成于基材11的上表面的油墨100(电极12)的厚度由孔111a的深度(Z轴方向的宽度)决定。之后，如图3的(c)所示，丝网印版111与基材11分离。这样，电极12向基材11的形成结束。
图4是用于说明凹版印刷的示意图。凹版印刷是使进入凹部的油墨转移的凹版印刷的一种。
如图4所示，在凹版印刷中，使用容器121、印版滚筒122、压印滚筒123。容器121容纳油墨100。在印版滚筒122上，与形成于基材11的Z轴正方向侧的面的电极12的形状相匹配地形成有沿Y轴方向延伸的凹部122a。
在进行凹版印刷时，印版滚筒122和压印滚筒123旋转，基材11通过印版滚筒122和压印滚筒123之间。由此，容器121内的油墨100进入印版滚筒122的凹部122a，凹部122a内的油墨100通过压印滚筒123向Z轴正方向按压基材11，而转移到基材11的Z轴正方向侧的面。形成于基材11的Z轴正方向侧的面的油墨100(电极12)的厚度由印版滚筒122的凹部122a的深度决定。这样，电极12向基材11的形成结束。
图5是用于说明柔性印刷的示意图。柔性印刷是使附着于凸部的油墨转移的凸版印刷的一种。
如图5所示，在柔性印刷中，使用刮刀腔131、网纹辊132、版133和中心鼓134。刮刀腔131容纳油墨100。在版133上形成有与形成于基材11的Z轴正方向侧的面的电极12的形状相匹配地在Y轴方向上延伸的凸部133a。
在进行柔性印刷时，网纹辊132和版133旋转，刮刀腔131内的油墨100被涂敷在版133的凸部133a上。在中心鼓134配置有基材11，通过中心鼓134的旋转，在版133与中心鼓134之间移送基材11。由此，凸部133a上的油墨100转移至基材11的Z轴正方向侧的面。形成于基材11的Z轴正方向侧的面的油墨100(电极12)的厚度由版133的凸部133a与基材11最接近时的距离决定。这样，电极12向基材11的形成结束。
图6是用于说明胶版印刷的示意图。
如图6所示，在胶版印刷中，使用墨辊141、水辊142、容器143、印版滚筒144、橡皮布145、压印滚筒146。容器143容纳润版水101。
在进行胶版印刷时，通过使墨辊141旋转，从而将油墨100涂敷在印版滚筒144上。此外，通过使水辊142旋转，容器143内的润版水101被涂敷在印版滚筒144上。此时，印版滚筒144上的油墨100以与形成于基材11的电极12的宽度(X轴向的长度)对应地将油墨100涂敷于印版滚筒144。通过使印版滚筒144和橡皮布145旋转，从而印版滚筒144上的油墨100以及润版水101中的油墨100向橡皮布145移动。然后，橡皮布145和压印滚筒146旋转，基材11通过橡皮布145和压印滚筒146之间。由此，橡皮布145上的油墨100转移至基材11的上表面。形成于基材11的上表面的油墨100(电极12)的厚度由橡皮布145与压印滚筒146的距离决定。这样，电极12向基材11的形成结束。
图7是用于说明凹版胶印的示意图。
如图7所示，在凹版胶印中，使用油墨辊151、墨盘152、刮刀153、凹版印版滚筒154、橡皮布滚筒155以及压印滚筒156。墨盘152容纳油墨100。在凹版印版滚筒154上形成有与形成于基材11的上表面的电极12的形状相匹配地在Y轴方向上延伸的凹部154a。
在进行凹版胶印时，通过使油墨辊151旋转，从而将墨盘152内的油墨100涂敷于凹版印版滚筒154。涂敷在凹版印版滚筒154的油墨100通过刮刀153被容纳在凹版印版滚筒154的凹部154a内。通过使凹版印版滚筒154与橡皮布滚筒155旋转，凹部154a内的油墨100向橡皮布滚筒155移动。而且，橡皮布滚筒155与压印滚筒156旋转，基材11通过橡皮布滚筒155与压印滚筒156之间。由此，橡皮布滚筒155上的油墨100被转移至基材11的上表面。形成于基材11的上表面的油墨100(电极12)的厚度由凹部154a的深度、以及橡皮布滚筒155与压印滚筒156的距离决定。这样，电极12向基材11的形成结束。
如上所述，根据各印刷工艺，能够在基材11的上表面以0.001mm～0.5mm左右的厚度形成电极12。
图8是示意性地表示沿Z轴负方向观察的情况下的载荷传感器1的俯视图。在图8中，为了方便，省略了基材15的图示。
如图8所示，在3个电极12与3个导线13相交的位置，设定有用于检测载荷的区域A11、A12、A13、A21、A22、A23、A31、A32、A33。当对各区域沿Z轴方向施加载荷时，电极12因载荷而挠曲以使得将导线13包入。由此，电极12与导线13之间的接触面积发生变化，该电极12与该导线13之间的静电电容发生变化。
如图8所示，将从3个电极12引出的电缆21a称为线L11、L12、L13，将3个导线13内的线材13a称为线L21、L22、L23。线L21与线L11、L12、L13相交的位置分别设为区域A11、A12、A13，线L22与线L11、L12、L13相交的位置分别设为区域A21、A22、A23，线L23与线L11、L12、L13相交的位置分别设为区域A31、A32、A33。
当对区域A11施加载荷时，在区域A11中电极12与导线13的接触面积增加。因此，通过检测线L11与线L21之间的静电电容，能够计算在区域A11中施加的载荷。同样地，在其他区域中，通过检测在该其他区域相交的2条线之间的静电电容，也能够计算在该其他区域中施加的载荷。
例如，通过将3个电缆21a中的任意1个选择性地与接地连接，检测该电缆21a与3个导线13中的任意1个之间的电压，能够检测该电缆21a与该导线13交叉的区域的静电电容。基于该静电电容，能够计算施加于该区域的载荷。
图9的(a)、(b)是示意性地表示从X轴负方向观察的情况下的导线13周边的剖视图。图9的(a)表示未施加载荷的状态，图9的(b)表示施加载荷的状态。
如图9的(a)所示，导线13由导电性的线材13a和覆盖线材13a的电介质13b构成。线材13a例如由金属体、玻璃体以及形成于其表面的导电层、树脂体以及形成于其表面的导电层等构成。在使用玻璃体的情况下，可以在玻璃体中分散导电性填料，在使用树脂体的情况下，也可以在树脂体中分散导电性填料。
用于线材13a的金属体例如是选自Au(金)、Ag(银)、Cu(铜)、Ni-Cr合金(镍铬合金)、C(碳)、ZnO(氧化锌)、In2O3(氧化铟(III))以及SnO2(氧化锡(IV))等构成的群中的至少1种金属。用于线材13a的玻璃体只要具有氧化硅的网眼状构造就没有特别限定，例如为选自石英玻璃、碱石灰玻璃、硼硅酸玻璃、铅玻璃等构成的群中的至少1种玻璃材料。用于线材13a的树脂体是选自苯乙烯系树脂、硅酮系树脂(例如PDMS等)、丙烯酸系树脂、丙烯酸系树脂、以及聚氨酯系树脂等构成的群中的至少1种树脂材料。
玻璃体以及树脂体的导电层例如可以通过从与可构成金属体的金属同样的金属的群中选择的至少1种金属的蒸镀而形成，也可以通过导电性油墨的涂敷等形成。玻璃体以及树脂体的导电性填料是选自与可构成金属体的金属同样的金属的群中的至少1种金属。
电介质13b具有电绝缘性，例如由树脂材料、陶瓷材料、金属氧化物材料等构成。电介质13b可以是选自聚丙烯树脂、聚酯树脂(例如，聚对苯二甲酸乙二酯树脂)、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚乙烯醇缩甲醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰胺树脂等构成的群中的至少1种树脂材料，也可以是选自Al2O3以及Ta2O5等构成的群中的至少1种金属氧化物材料。
在未对图9的(a)所示的区域施加载荷的情况下，施加于电极12与导线13之间的力、以及施加于导线13与基材15之间的力大致为零。从该状态起，如图9的(b)所示，当对基材11的下表面施加向上方向的载荷，对基材15的上表面向下方向施加载荷时，如图9的(b)所示，通过导线13，具有弹力的电极12以及基材11变形。另外，在基材11的下表面或者基材15的上表面载置于静止物体，仅对另一方的基材施加了载荷的情况下，也会因反作用而从静止物体侧同样地承受载荷。
如图9的(b)所示，当施加负荷时，导线13以被电极12以及基材11包裹的方式接近电极12和基材11，导线13与电极12之间的接触面积增加。由此，导线13内的线材13a与电极12之间的静电电容发生变化，如参照图8所说明的那样，检测与该区域对应的2条线之间的静电电容，计算出该区域所施加的载荷。
在此，已知在具有弹性的材料中分散有导电性填料的电极的情况下，导电性填料相对于电极的弹性恢复成为阻碍因素，弹性恢复的响应降低。若使用这样的电极进行载荷的施加和去除，则在静电电容的变化中产生特性偏差(滞后)，载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化相互偏移。
因此，本发明人等反复进行了研究，结果发现，通过使用参照图3的(a)～图7所说明的印刷工艺使形成于基材11的上表面的电极12的厚度变薄，从而能够抑制电极12的特性偏移。如上所述，若在基材11的上表面以给定的印刷工艺将电极12形成得较薄，则如图9的(b)所示，在根据载荷使电极12与线材13a之间的静电电容变化的同时，由电极12与基材11形成的构造体具有充分的弹性力，由此在卸载时，从图9的(b)的状态迅速恢复为图9的(a)的状态。即，关于电极12以及基材11的弹性变形，基材11的弹性变形的影响成为支配性的，显著地抑制电极12中所含的填料的影响。由此，能够使卸载时的静电电容的变化接近施加载荷时的静电电容的变化。
图10的(a)是在Y轴正方向上观察在导线13的位置以与X-Z平面平行的平面切断的状态的载荷传感器1的情况下的示意图。
如参照图1的(c)所说明的那样，连接构件14在电极12的X轴正方向侧以及X轴负方向侧，将导线13与基材11连接。在此，如上所述，基材11的上表面的电极12通过印刷工艺形成为厚度为10μm～150μm，非常薄。由此，如图10的(a)所示，导线13与基材11的间隔D1也同样非常短。因此，即使通过连接构件14的紧固，导线13与基材11接近，导线13与基材11的Z轴方向的挠曲也被抑制为距离D1以下。
另一方面，若将预先制作的电极12用粘接剂等设置在基材11的上表面，则如图10的(b)所示，基材11的上表面的电极12的厚度增大至0.5mm～1mm左右。这样，在电极12的厚度大的情况下，导线13与基材11的间隔D2比图10的(a)的间隔D1大。在这种情况下，若通过连接构件14的紧固，导线13与基材11接近，则导线13与基材11的Z轴方向的挠曲变大至距离D2左右。由此，存在载荷的检测精度降低的危险。与此相对，在实施方式1中，如上所述，由于导线13与基材11的间隔较小，因此抑制了非意图的基材11以及导线13的变形。因此，能够较高地确保载荷的检测精度。
接下来，参照图11，对载荷传感器1的各部分的优选尺寸进行说明。
如图11所示，将电极12的厚度(Z轴方向的高度)设为d1，将基材11的厚度(Z轴方向的高度)设为d2，将电极12的宽度(X轴方向的长度)设为d21，将电极12的间隔(2个电极12之间的X轴方向的距离)设为d22，将电极12的弹性模量设为E1，将电极12的导电率设为σ，将基材11的弹性模量设为E2。
根据发明人的研究，通过将电极12的弹性模量E1设定为0.1MPa～10MPa，将电极12的导电率σ设定为100Ω·cm以下，将基材11的弹性模量E2设定为0.01MPa～10MPa，将电极12的厚度d1设定为0.001mm～0.5mm，将基材11的厚度d2设定为0.01mm～2mm，将电极12的宽度d21设定为2mm～50mm，将电极12的间隔d22设定为1mm～5mm，从而如参照图9的(a)、(b)所说明的那样，能够使卸载时的静电电容的变化接近施加载荷时的静电电容的变化，此外，如参照图10的(a)、(b)所说明的那样，能够设想能够抑制连接构件14的紧固时的导线13以及基材11的挠曲。
<实施方式1的效果>
以上，根据实施方式1，起到以下的效果。
通过如上述那样设定基材11的厚度和电极的厚度，与基材11的厚度相比，能够充分减小电极12的厚度。由此，在载荷施加时以及卸载时的电极12以及基材11的变形中，由电极12的变形产生的影响得到抑制，基材11的变形的影响成为支配性的。因此，能够抑制电极12的弹性恢复中的响应降低的影响，其结果，能够使载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化大致一致。因此，能够抑制载荷施加时和卸载时的载荷传感器1的检测值的偏差。
如参照图10的(a)所说明的那样，导线13与基材11的间隔D1根据电极12的厚度而成为非常小的值。因此，能够抑制因连接构件14的紧固而导致的导线13与基材11的变形。因此，能够提高载荷的检测精度。
电极12在基材11的上表面，通过如图3的(a)～图7所示的给定的印刷工艺、即丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、胶版印刷、或者凹版胶印而形成。这样，通过使用印刷工艺，能够将与基材11的厚度相比足够小的厚度的电极12顺利且高精度地形成于基材11的上表面。
电极12在基材11的上表面相互分离地形成有多个。由此，能够将载荷传感器1的载荷的检测范围分割为多个。
此外，各电极12具有在一个方向(Y轴方向)上较长的带状的形状，导线13(线材13a)被配置为跨越多个电极12。由此，在线材13a跨越多个电极12的交叉位置(在图8中，区域A11、A12、A13、A21、A22、A23、A31、A32、A33)中，能够检测载荷。
此外，导线13(线材13a)沿着电极12的长度方向(Y轴方向)配置有多个。由此，如图8所示，能够将多个电极12与多个线材13a相交的交叉位置配置成矩阵状，因此能够精细地设定检测位置。
导线13(线材13a)以能够沿长度方向(X轴方向)移动的方式通过连接构件14与基材11连接。在导线13通过粘接剂等固定于基材11的情况下，若基材11以及电极12伸缩，则可能产生覆盖线材13a的电介质13b由于粘接剂而剥离这样的情况。与此相对，在实施方式1中，通过由丝线等构成的连接构件14，导线13(线材13a)以能够沿长度方向(X轴方向)移动的方式与基材11连接，因此即使基材11以及电极12伸缩，导线13(线材13a)与连接构件14的位置关系也发生变化，由此能够抑制电介质13b的破损。因此，能够抑制基于电介质13b的破损的载荷的检测精度的降低。
<实施方式2>
在实施方式1中，相对于图2的(a)所示的构造体，通过从上侧重叠基材15来构成载荷传感器1，但在实施方式2中，通过对图2的(a)所示的构造体重叠图1的(b)所示的构造体而构成载荷传感器1。
参照图12、图13，对实施方式2的载荷传感器1的制造方法进行说明。图12、13是示意性地表示载荷传感器1的各部分的结构的立体图。
如图12所示，在实施方式2中，通过与实施方式1同样的过程，生成与图2的(a)同样的构造体1a。而且，除了构造体1a之外，通过与实施方式1同样的过程，生成与图1的(b)同样的构造体，在该构造体沿上下方向反转的状态下，3个电缆21a以及连接器21与3个电极12连接，生成构造体1b。
接下来，从构造体1a的上侧设置有构造体1b，下侧的基材11的上表面的四角与上侧的基材11的下表面的四角通过粘接剂、丝线等固定。这样，如图13所示，实施方式2的载荷传感器1完成。在实施方式2中，也与图8同样地设定有用于检测载荷的9个区域。
图14的(a)、(b)是示意性地表示从X轴负方向观察的情况下的导线13周边的剖视图。图14的(a)表示未施加载荷的状态，图14的(b)表示施加载荷的状态。
在未对图14的(a)所示的区域施加载荷的情况下，施加于上侧的电极12与导线13之间的力、以及施加于下侧的电极12与导线13之间的力大致为零。从该状态起，如图14的(b)所示，当对上侧的基材11的上表面向下方向施加载荷，对下侧的基材11的下表面向上方向施加载荷时，如图14的(b)所示，通过导线13，具有弹力的电极12以及基材11发生变形。
如图14的(b)所示，当施加载荷时，导线13以被上侧的电极12以及上侧的基材11包裹的方式靠近上侧的电极12和上侧的基材11。同样地，导线13以被下侧的电极12以及下侧的基材11包裹的方式靠近下侧的电极12和下侧的基材11。由此，线材13a与上侧的电极12之间的静电电容和线材13a与下侧的电极12之间的静电电容发生变化。然后，基于2个静电电容之和，计算施加于图8所示的9个区域中的对应的区域的载荷。
<验证实验1>
发明人对于实施方式2的载荷传感器1以及比较例的载荷传感器200，通过验证实验实际上确认了静电电容与载荷的关系。
参照图15的(a)、(b)，对验证实验中使用的载荷传感器1的各部的尺寸进行说明。图15的(a)、(b)是示意性地表示从X轴负方向观察的情况下的导线13周边的剖视图。图15的(a)表示比较例的载荷传感器200，图15的(b)表示与实施方式2大致相同的载荷传感器1。在图15的(a)、(b)中的任一结构中，均隔着沿X轴方向延伸的2根导线13，上下分别定位有基材11和电极12。
如图15的(a)所示，在比较例的载荷传感器200的情况下，将下侧的电极12的厚度d11设为1mm，将上侧的电极12的厚度d12设为0.5mm。在此，预先制作这两个电极12，利用粘接剂等对基材11进行设置。此外，将上下的基材11的厚度d2均设为0.5mm。如图15的(b)所示，在实施方式2的载荷传感器1的情况下，通过上述那样的印刷工艺，将下侧的电极12的厚度d11和上侧的电极12的厚度d12均设定为10μm～150μm。此外，将上下的基材11的厚度d2与比较例的情况同样地均设为0.5mm。即，将电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率设为0.02以上且0.3以下。
在图15的(a)、(b)的任一情况下，均将上下的电极12与接地(GND)连接，将2个导线13的线材13a相互连接。将如图15的(a)、(b)那样设定的2种载荷传感器设置于固定台，在上侧的基材11的上表面向1cm2内施加载荷，测定电极12与线材13a之间的静电电容。
图16的(a)是表示比较例的情况下的载荷与静电电容的关系的图表。如图16的(a)所示，在比较例中，在载荷施加时和卸载时，生成了彼此不同的曲线。因此，在比较例中，即使在施加相同的载荷的情况下，在载荷施加时和卸载时也成为不同的静电电容，因此基于静电电容而计算出的载荷的值彼此不同。
另一方面，图16的(b)是表示实施方式2的情况下的载荷与静电电容的关系的曲线图。如图16的(b)所示，在实施方式2中，在载荷施加时和卸载时生成大致相同的曲线。因此，在实施方式2中，在施加有相同的载荷的情况下，在载荷施加时和卸载时成为大致相同的静电电容，因此基于静电电容而计算出的载荷的值也大致相同。
以上，基于上述的印刷工艺，电极12的厚度被设定为10μm以上且150μm以下，基材11的厚度被设定为0.5mm，换言之，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率被设定为0.02以上且0.3以下，由此，静电电容的变化所产生的特性偏差(滞后)被抑制，载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化相互一致。
另外，若基材11的厚度为0.5mm以上，则在施加载荷时以及卸载时的电极12以及基材11的变形中，电极12的变形所产生的影响进一步得到抑制，基材11的变形的影响成为支配性的。因此，通过将基材11的厚度设定为0.5mm以上，换言之，通过将电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率设定为小于0.02～0.3的范围，能够进一步抑制在静电电容的变化中产生的特性偏差。
<验证实验2>
进而，发明人通过实验验证了在图15的(b)所示的实施方式2的结构中使电极12的厚度变化的情况下的载荷传感器1的滞后特性。在该实验中，除了使电极12的厚度变化之外，设定与应用于上述验证实验1的实施方式2的条件同样的条件。在图15的(b)的结构中，在将下侧的电极12的厚度d11和上侧的电极12的厚度d12维持为彼此相等的状态下，使厚度d11、d12变化。基材11的厚度d2固定为0.5mm。在该条件下，发明人确认了能够适当地检测载荷的电极12的厚度以及电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率。
在实验中，通过图17的(a)所示的计算方法求出滞后。
在图17的(a)中，C1是在施加载荷时与给定的载荷F对应的静电电容，C2是在卸载时与给定的载荷F对应的静电电容。ΔC是C1与C2的差分。滞后(％)被计算为ΔC/C2的值根据载荷F的变动变得最大时的ΔC/C2的值。
另外，在上述验证实验1中，图16的(a)的比较例中的滞后为12％，图16的(b)的实施方式2中的滞后小于0.2％。这样，根据实施方式2的结构，与比较例相比，能够使滞后减少几级。
图17的(b)是表示滞后特性的实验结果的图表。横轴表示电极12的厚度。在横轴上，电极12的厚度相对于基材11的厚度(0.5mm)的比率通过箭头与电极12的厚度相对应地表示。纵轴表示滞后(％)。
根据发明人的研究，在载荷施加时和卸载时这两种情况下，能够适当地检测载荷的滞后的允许范围优选为5％以下，更优选为2％以下。因此，根据图17的(b)的实验结果，电极12的厚度优选为250μm以下，进一步优选为150μm以下。同样地，根据该实验结果，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率优选为0.5以下，更优选为0.3以下。
进而，发明人在同样的条件下，验证了电极12的厚度与电极12的体积电阻率的关系。
电极12由树脂材料或者橡胶材料和分散在其中的几μm左右的大小的导电性填料构成。因此，当电极12的厚度减小到填料的大小程度时，导电性填料难以被3维状地分配到电极12内，结果，电极12中的导电性填料在俯视时的密度急剧变低。因此，当电极12的厚度减小到填料的大小程度时，电极12的导电率显著降低，电极12的体积电阻率急剧上升，电极12的电阻值大幅上升。此外，随着电极12的厚度的降低，导电填料难以分布成3维状，与导电填料以3维状适当地分布的情况相比，每个电极12的体积电阻率的偏差变大。因此，当电极12的厚度减小到填料的大小程度时，每个电极12的体积电阻率的偏差变大。
如上所述，在电极12的厚度小于填料的大小程度的情况下，电极12的电阻值显著变大，且每个电极12的电阻值的偏差变大，因此后级的测定电路对电极12与导线13之间的静电电容的测定精度降低，无法适当地计算与静电电容相应的载荷。关于这一点，发明人通过以下所示的验证实验而明确。
图17的(c)是表示电极12的厚度与电极12的体积电阻率的关系的验证结果的图表。横轴与图17的(b)同样地表示电极12的厚度。与图17的(b)同样，在横轴上，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率通过箭头与电极12的厚度相对应地表示。纵轴表示电极12的体积电阻率。
如图17的(c)所示，可知若电极12的厚度变小，则导电性填料彼此难以相互通电，由此体积电阻率上升。特别是，电极12的厚度从接近填料的大小的10μm稍小的附近开始，体积电阻率急剧上升，进而，随着电极12的厚度小于10μm，体积电阻率的上升程度变大。因此，在电极12的厚度小于10μm的范围内，由于上述的主要原因，无法适当地检测载荷。因此，根据图17的(c)的验证结果，电极12的厚度优选为10μm以上，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率优选为0.02以上。
进而，发明人对电极12的弹性模量不同的情况也进行与图17的(b)、(c)同样的实验，验证了用于适当地检测载荷的电极12的厚度以及比率的条件。
图18是表示该实验中的电极12的厚度与滞后的关系的图表。图18的图表是与图17的(b)相同的图表。黑色的绘图表示使用弹性模量为105Pa以上且109Pa以下(设定1)的电极12的情况，白色的绘图表示使用弹性模量小于105(设定2)的电极12的情况。另外，基于设定1的电极12与图17的(b)、(c)的实验中使用的电极12相同。因此，黑色的绘图与图17的(b)、(c)的绘图相同。
在设定1的情况下，滞后收敛于允许范围(5％以下或者2％以下)，用于使电极12的体积电阻率收敛于允许范围(75Ω·cm以下)的条件与参照图17的(b)、(c)说明的条件相同。因此，设定1的情况下的电极12的厚度相对于基材11的厚度的更优选的比率为0.02以上且0.3以下。
另一方面，在设定2的情况下，能够适当地检测载荷的滞后的允许范围优选为5％以下，更优选为2％以下。因此，基于图18的图表，电极12的厚度优选为100μm以下，进一步优选为50μm以下。因此，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率优选为0.2以下，更优选为0.1以下。此外，在设定2的情况下，电极12的厚度与体积电阻率的关系与图17的(c)大致相同。因此，在设定2的情况下，与图17的(c)的情况相同，电极12的厚度优选为10μm以上，电极12的厚度的比率优选为0.02以上。因此，设定2的情况下的电极12的厚度相对于基材11的厚度的更优选的比率为0.02以上且0.1以下。
用于载荷传感器1的电极12的弹性模量通常包含在105Pa以上且109Pa以下(设定1)的范围内。因此，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率如上所述优选设定为0.02以上且0.3以下。另一方面，在载荷传感器1所使用的电极12的弹性模量包含于小于105(设定2)的范围的情况下，如上所述，电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率设定为0.02以上且0.1以下即可。
<实施方式2的效果>
以上，根据实施方式2，除了与实施方式1同样的效果之外，还起到以下的效果。
如图16的(b)以及图17的(b)、(c)的验证实验所示，通过将电极12的厚度相对于基材11的厚度的比率设定为0.02以上且0.3以下，与基材11的厚度相比，能够充分减小电极12的厚度。由此，在载荷施加时以及卸载时的电极12以及基材11的变形中，由电极12的变形产生的影响得到抑制，基材11的变形的影响成为支配性的。因此，能够抑制电极12的弹性恢复中的响应降低的影响，其结果是，如上述验证实验1、2所示，能够使载荷施加时以及卸载时的静电电容的变化大致一致，能够抑制滞后。因此，能够抑制载荷施加时和卸载时的载荷传感器1的检测值的偏差。
如图12所示，构造体1b具有与构造体1a相同的结构，以构造体1b的电极12与导线13(线材13a)重叠的方式将构造体1b配置于构造体1a的上侧。然后，基于线材13a与下侧的电极12之间的静电电容与线材13a与上侧的电极12之间的静电电容之和来计算载荷。由此，与实施方式1相比，静电电容得到提高，因此能够提高载荷传感器1的灵敏度。因此，能够提高载荷传感器1的载荷的检测精度。此外，线材13a的上下分别被电极12屏蔽，因此能够抑制线材13a中产生的噪声。
另外，在2个构造体1a、1b中，电极12只要通过上述那样的印刷工艺分别形成即可，电极12的厚度、宽度、长度、弹性模量、基材11的厚度、弹性模量等也可以在2个构造体之间不同。
<实施方式3>
在实施方式2中，导线13在X轴方向上直线地延伸配置，但在实施方式3中，具有在X-Y平面内周期性地弯折的形状。
图19是示意性地表示实施方式3所涉及的载荷传感器1的各部的结构的立体图。
实施方式3的导线13与实施方式2相比，被预先周期性弯折。这样周期性地弯折的导线13配置在电极12的上侧，与实施方式1、2同样地，通过连接构件14与基材11连接，构造体1a完成。然后，从构造体1a的上侧设置与实施方式2相同的构造体1b，载荷传感器1完成。
另外，实施方式3的导线13除了与上述实施方式1、2同样地构成以外，也可以由将多个绝缘涂层导体线加捻而成的绞线构成。此外，上述实施方式1、2的导线13也可以由将多个绝缘涂层导体线加捻而成的绞线构成。
图20的(a)、(b)是说明导线13的形状配合基材11以及电极12的伸缩而变化的示意图。图20的(a)、(b)是示意性地表示在Z轴负方向观察的情况下的载荷传感器1的结构的俯视图，为了方便，省略了载荷传感器1中的构造体1b的图示。
如图20的(a)所示，在通常状态下，导线13与图19同样地周期性地弯折。当基材11以及电极12从该状态伸缩时，例如，如图20的(b)所示，导线13变为呈直线状延伸的状态。此时，由于连接构件14由丝线构成，所以连接构件14对导线13进行固定的位置配置基材11以及电极12的伸缩而变动。
<实施方式3的效果>
以上，根据实施方式3，除了与实施方式1、2相同的效果之外，还起到以下的效果。
如图19以及图20的(a)所示，导线13(线材13a)周期性地弯折。因此，即使在基材11以及电极12伸缩的情况下，线材13a的弯折状态也发生变化，因此能够避免线材13a的破损。此外，与线材13a直线地配置的情况相比，每单位面积的线材13a的密度变高，因此能够提高载荷传感器1的检测灵敏度，扩大载荷传感器1的检测范围。
此外，导线13(线材13a)以能够沿长度方向(X轴方向)移动的方式通过连接构件14与基材11连接。由此，如图20的(a)、(b)所示，即使基材11以及电极12伸缩，导线13(线材13a)与连接构件14的位置关系也发生变化，由此能够抑制电介质13b的破损。
<变更例>
载荷传感器1的结构除了上述实施方式1～3所示的结构以外，能够进行各种变更。
例如，在上述实施方式1～3中，在基材11的表面形成有3个电极12，但也可以在基材11的整个面上形成有1个电极12。此外，相对于3个电极12配置有3个导线13(线材13a)，但所配置的电极12以及导线13的数量并不限定于此。例如，也可以相对于在Y轴方向上延伸的1个电极12，以在Y轴方向上排列的方式配置多个沿X轴方向延伸的导线13(线材13a)。或者，载荷传感器1也可以仅具备1个电极12和1个导线13。
此外，在上述实施方式1中，从图2的(a)所示的构造体的上方设置有基材15，但基材15不一定是必要的，也可以在图2的(a)所示的构造体的状态下作为载荷传感器1使用。
此外，在上述实施方式1～3中，使用给定的印刷工艺形成有电极12，但电极12的形成方法并不限定于此。只要能够以相对于基材11足够小的厚度形成电极12，就可以在电极12的形成中使用其他的工艺。例如，也可以通过注塑成型，对基材11形成与使用上述印刷工艺的情况相同程度的厚度的电极12。此外，在基材11的厚度大的情况下，也可以将另外形成的片状的电极12贴合于基材11。
此外，本发明的实施方式能够在权利要求书所示的技术思想的范围内适当地进行各种变更。
符号说明
1载荷传感器
1a构造体
1b构造体(其他构造体)
11基材
12电极
13a线材
13b电介质
14连接构件。

Claims (11)

1.一种载荷传感器，具备：
具有弹性的绝缘性的基材；
形成在所述基材的上表面并具有弹性的电极；以及
导电性的线材，与所述电极的上表面重叠配置且表面被电介质覆盖，
所述电极的厚度相对于所述基材的厚度的比率为0.02以上且0.3以下，
所述电极的厚度为10μm以上且150μm以下。
2.根据权利要求1所述的载荷传感器，其中，
所述电极通过给定的印刷工艺形成。
3.根据权利要求2所述的载荷传感器，其中，
所述电极通过丝网印刷、凹版印刷、柔性印刷、胶版印刷、或者凹版胶印而形成。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的载荷传感器，其中，
所述电极在所述基材的上表面相互分离地形成有多个。
5.根据权利要求4所述的载荷传感器，其中，
各所述电极具有在一个方向上较长的带状的形状，
所述线材被配置为跨越多个所述电极。
6.根据权利要求5所述的载荷传感器，其中，
所述线材沿着所述电极的长度方向配置有多个。
7.根据权利要求1～3中的任一项所述的载荷传感器，其中，
所述线材周期性地弯折。
8.根据权利要求1～3中的任一项所述的载荷传感器，其中，
所述线材以能够沿长度方向移动的方式通过连接构件与所述基材连接。
9.根据权利要求1～3中的任一项所述的载荷传感器，其中，
所述基材的厚度为0.5mm以上。
10.根据权利要求9所述的载荷传感器，其中，
所述基材的厚度为0.5mm。
11.根据权利要求1～3中的任一项所述的载荷传感器，其中，
具备具有与由所述基材以及所述电极构成的构造体同样的结构的其他构造体，
所述其他构造体配置为所述其他构造体的所述电极与所述线材重叠。
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