JP3983638B2 - センサシート - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられる力の分布の測定を行うために用いて好適なセンサシートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
センサシートは、外部から加えられた力の分布を測定可能なものであって、例えば歩行解析などに利用されている。センサシートとしては、感圧抵抗インクが縦方向に沿う帯状に印刷されたＰＥＴフィルムと、感圧抵抗インクが横方向（縦方向と直交する方向）に沿う帯状に印刷されたＰＥＴフィルムとが、それぞれに印刷された感圧抵抗インクが交差するように貼り合わされたものが知られている（特許文献１、２参照）。かかるセンサシートでは、外部から力が加えられた場合には、力が加えられた部分に対応する２枚のＰＥＴフィルム間の接触抵抗が変化する。従って、多数の感圧抵抗インクのラインに沿った接触抵抗の大きさの時間的な変化を検出することによって、外部から加えられた力（圧力）の分布を測定することができる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４，７３４，０３４号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，８５６，９９３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるセンサシートでは、外部から加えられる力の当該シートに垂直な方向の１次元の力の分布しか測定することができない。従って、センサシートに対して斜め方向（垂直方向でない方向）の力が加えられた場合でも、その斜め方向の力の当該シートに垂直な方向成分の大きさの力が加えられた場合と同様の力の分布しか得られないため、外部から加えられる力の分布の詳細な解析を行うことができない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、多次元の力の分布を測定可能なセンサシートを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１のセンサシートは、マトリックス状に配置された複数のセンサと、前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、前記センサが、前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、前記第１の電極と対向するように配置されており前記第１の電極との間でそれぞれ容量素子を構成すると共に、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化がそれぞれ検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異な る複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするものである。
【０００７】
【０００８】
請求項６のセンサシートは、マトリックス状に配置された複数のセンサと、前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、前記センサが、前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、前記第１の電極と対向するように配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された感圧抵抗体と、前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部から前記カバー層に加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間の抵抗値の変化が検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１、６によると、センサが外部から加えられた力の複数方向成分をそれぞれ認識することができるため、センサシート全体において、外部から加えられた力の検知面に垂直方向成分だけでなく、その他の方向成分を含む多次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
また、カバー層と第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部からカバー層に加えられる力によって第２の電極を変位させるためのカバー層より硬質の材料で形成されたコア部材を備えているので、外部から加えられた力を第２の電極に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの第２の電極の傾き（第２の電極の一端部の変位と他端部の変位との差）を利用して当該力が検出される場合に、第２の電極の傾きが検出し易くなって、センサにおける検出精度を向上させることができる。
また、センサがマトリックス状に配置されており、センサがセンサシート全体に均一に配置されるため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
また、外部から力を受ける面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【００１０】
請求項２のセンサシートは、前記センサが、前記第１の電極に隣接するように配置された第３の電極をさらに備えており、前記第２の電極が絶縁状態に維持されていると共に、前記第３の電極は接地されており、外部から力が加えられる場合に、前記第２の電極と前記第３の電極とが接触可能に設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２によると、外部から力が加えられていない場合には、第２の電極が絶縁状態に維持されているため、第１の電極と第２の電極との間に構成される容量素子には電圧がかからない。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサからの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、外部から力が加えられると、第２の電極が接地された第３の電極と接触するため、当該容量素子に電圧がかかるようになる。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサからの出力信号が当該容量素子の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における当該容量素子に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサの各容量素子に対応する（各容量素子用電極からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサの各容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００１２】
また、第２の電極と第３の電極とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチとして機能するため、外部から力が加えられていないセンサの第２の電極が、当該センサに近接するその他のセンサに対して外部から加えられた力によって若干（当該センサの第２の電極と第３の電極とが接触しない程度に）変位した場合でも、当該センサの出力が変化することがない。従って、当該センサに近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサに測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。つまり、複数のセンサが互いに近接するように配置されている場合でも、所定の大きさ（第２の電極と第３の電極とを接触させる程度の大きさ）以上の力が加えられたセンサだけが力覚センサとして機能することになる。
【００１３】
請求項３のセンサシートは、前記第２の電極が、前記第３の電極に向かって突出する突起部を有していることを特徴とするものである。
【００１４】
【００１５】
請求項４のセンサシートは、前記センサが前記第１の電極を覆う絶縁膜を有していることを特徴とするものである。
【００１６】
【００１７】
請求項５のセンサシートは、前記センサが、前記第２の電極が前記第３の電極に接触した場合に、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記容量素子の静電容量値の変化を検出することを特徴とするものである。
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態に係るセンサシート１の構成について、図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るセンサシートの斜視図である。
【００２１】
図１のセンサシート１は、例えば人の歩行時において足裏で地面を蹴り上げる様子や地面に着地する様子を測定および解析するために利用されるものである。従って、本実施の形態のセンサシート１は、人が歩行することが可能な幅および長さを有するシート状の部材である。センサシート１は、マトリックス状に配置された多数のセンサセル１０を有している。ここで、本実施の形態のセンサシート１では、多数のセンサセル１０は１０ｍｍ間隔程度で配列されているが、多数のセンサセル１０間の間隔は任意に変更することができる。なお、本実施の形態では、各センサセル１０は、後述するように、静電容量式センサを含んでいる。
【００２２】
ここで、１つのセンサセル１０の構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は、図１のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図３は、図２のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。なお、センサシート１に含まれる多数のセンサセル１０の構成は全て同じである。
【００２３】
センサセル１０（図２において一点鎖線で囲まれる範囲）は、基板２０と、基板２０上に形成された容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５（図２ではＤ１、Ｄ２およびＤ５のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｄ０と、変位電極３０と、外部から加えられる力を受けるカバー層４０と、カバー層４０と変位電極３０との間に配置されたコア５０と、支持部材６０と、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に密着して基板２０上を覆うように配置された絶縁膜（レジスト膜）７０と、センサ回路部品８０とを有している。なお、本実施の形態では、基板２０およびカバー層４０は、センサシート１に含まれる全てのセンサセル１０に対して共通の部材である。
【００２４】
ここでは、１つのセンサセル１０の構成を説明するために、便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図２では、センサセル１０の基板２０上の基準電極Ｄ０の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸が、上垂直方向にＺ軸がそれぞれ定義されている。従って、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、１つのセンサセル１０に対応する変位電極３０およびコア５０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【００２５】
基板２０は、可撓性を有するフレキシブル・プリント・サーキット基板（ＦＰＣ）であり、この例ではポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板が用いられている。また、基板２０として、例えばガラスエポキシ基板などの一般的な電子回路用のプリント回路基板であってもよい。なお、基板２０の下面には、マイコンおよびセンサ回路（電子回路）などを含むセンサ回路部品８０が設けられている。
【００２６】
基板２０上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の基準電極Ｄ０と、基準電極Ｄ０の外側に配置された環状の容量素子用電極Ｄ５と、容量素子用電極Ｄ５の外側に配置された略扇形である容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ４とが設けられている。なお、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５および基準電極Ｄ０は、銅箔で形成されてもよいし、例えばカーボンや銀などを材料とする導電性インクなどによるスクリーン印刷法により形成されてもよい。
【００２７】
ここで、容量素子用電極Ｄ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｄ２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｄ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｄ４はＹ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。なお、一対の容量素子用電極Ｄ１および容量素子用電極Ｄ２とは、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されており、一対の容量素子用電極Ｄ３および容量素子用電極Ｄ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。また、容量素子用電極Ｄ５は原点Ｏに対して対称に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【００２８】
変位電極３０は、例えばシリコンゴムなどの導電性および弾性を有する材料で形成されており、基板２０の上方において、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に対向するように配置されている。ここで、変位電極３０は、基板２０との間に所定間隔の空隙が形成されるように支持部材６０により支持されている。従って、後述するように、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間には、容量素子Ｃ１〜Ｃ５が構成されることになる。なお、後で詳述するように、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間の間隔は、カバー層４０に外部から力が加えられた場合には狭くなって、その加えられた力が解除されると元の間隔に戻ることが可能であるため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５はいずれも可変容量素子であると考えられる。
【００２９】
また、基板２０上には、例えばレジストインクなどの絶縁膜７０が、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に密着して基板２０上を覆うように配置されている。従って、変位電極３０が容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に近づく方向に変位した場合でも、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５とが直接接触することがないので、センサ回路の誤作動が生じることがない。なお、基板２０上の基準電極Ｄ０は絶縁膜７０により覆われてないで露出しているので、基準電極Ｄ０の表面に対しては、例えばハンダ、金、銀などのメッキを形成することによって、酸化防止対策を施しておくことが好ましい。
【００３０】
ここで、変位電極３０の下面（基板２０に対向する面）の中心位置には、基準電極Ｄ０とほぼ同じ或いは若干小さい径を有する円柱形状の突起部３０ａが形成されている。なお、カバー層４０に外部から力が加えられていない場合には、突起部３０ａの先端部と基板２０上の基準電極Ｄ０とは接触しないで、両者は離隔している。つまり、変位電極３０の突起部３０ａの高さは、変位電極３０と基板２０との間に形成される空隙の間隔よりも小さくなっている。
【００３１】
また、変位電極３０の上面（基板２０に対向しない面）の中心位置には、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも若干小さい外径を有する円形の凹部３０ｂが形成されている。なお、凹部３０ｂの深さは、コア５０の厚さのほぼ半分と一致している。
【００３２】
なお、変位電極３０としては、例えばシリコンゴム以外の導電性ゴム、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチック、金属などで形成されたものであってもよい。
【００３３】
支持部材６０は、センサシート１に含まれる多数のセンサセル１０を互いに仕切るように設けられており、各センサセル１０のそれぞれの変位電極３０を基板２０に対して支持するためのものである。また、支持部材６０は、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料で形成されている。
【００３４】
コア５０は、金属製の円柱形状の部材であって、カバー層４０に外部から加えられた力を変位電極３０に対して効率よく伝達するためのものである。ここで、コア５０は、変位電極３０に形成された凹部３０ｂとほぼ同じ径を有しており（ほぼ同じ円形断面を持っており）、凹部３０ｂの深さのほぼ２倍の厚さを有している。従って、コア５０が、変位電極３０の凹部３０ｂ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分が変位電極３０の上面から突出するようになる。
【００３５】
なお、コア５０は、必ずしも金属製の円柱形状の部材である必要はなく、変位電極３０およびカバー層４０が形成される材料よりも硬質の材料であれば、例えば樹脂などのその他の材料で形成されていてもよいし、例えば四角柱形状などのその他の形状のものであってもよい。
【００３６】
カバー層４０は、外部から加えられる力を直接受けるための膜状の部材であって、変位電極３０およびコア５０の上面を覆うように配置されている。ここで、カバー層４０は、弾性を有するシリコンゴムで形成されている。そして、カバー層４０の下面には、コア５０とほぼ同じ径を有し、コア５０の厚さのほぼ半分の深さの凹部４０ａが形成されている。従って、カバー層４０は、変位電極３０およびコア５０の上面のほとんど全てを密着して覆うことができる。また、カバー層４０の上面（露出面）は、凹凸がなく平坦になるように形成されている。なお、カバー層４０は、例えばシリコンゴム以外のゴム、塩化ビニルなどの合成樹脂などの弾性を有する材料で形成されていてもよい。
【００３７】
なお、本実施の形態では、変位電極３０およびカバー層４０は、いずれも弾性を有する（柔軟性に富んだ）シリコンゴムで形成されているため、センサセル１０（カバー層４０）に加わる力の衝撃を緩和することができて、センサセル１０を保護し耐久性を向上させる効果があると共に、さらに防塵および防水の効果がある。また、変位電極３０およびカバー層４０は、コア５０が変位した場合には、それに十分対応して弾性変形することができる。
【００３８】
また、カバー層４０と変位電極３０とは、必ずしもコア５０の厚さ方向のほぼ中心位置で接続される必要はなく、コア５０と接触しない位置で接続されてもよい。従って、例えば、カバー層４０を用いないで変位電極４０によりコア５０が囲まれるように構成してもよいし、変位電極４０の上方においてカバー層４０によりコア５０が囲まれるように構成してもよい。
【００３９】
次に、センサセル１０の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、図２に示すセンサセルの構成に対する等価回路図である。
【００４０】
センサセル１０では、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５と変位電極３０とは対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極３０と、固定された個別の容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間で容量素子Ｃ０〜Ｃ５が構成されている。ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、上述したように、それぞれ変位電極３０の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された可変容量素子である。
【００４１】
そして、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５、基準電極Ｄ０は、それぞれ端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ０のいずれかを通じて、基板２０の下面に設けられたセンサ回路部品８０のセンサ回路などに接続されている。なお、本実施の形態では、基準電極Ｄ０は、端子Ｔ０を介して接地されている。
【００４２】
また、変位電極３０（詳しくは、その突起部３０ａ）と基準電極Ｄ０との間には、スイッチＳ１が形成されている。つまり、変位電極３０が、基準電極Ｄ０と接触する状態（オン状態）および基準電極Ｄ０と接触しない状態（オフ状態）のいずれかの状態を取り得るようになっている。
【００４３】
ここで、本実施の形態のセンサセル１０においては、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合には、変位電極３０と基準電極Ｄ０とは離隔しており（スイッチＳ１がオフ状態であり）、変位電極３０は特定の電圧に維持されておらず絶縁された状態（浮いた状態）となっている。従って、このとき、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間には電圧がかからないため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は無視できる程度に小さい。なお、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５の周囲には、浮遊容量が存在する場合があるが、容量素子Ｃ１〜Ｃ５と比較して十分に小さいので無視することにする。
【００４４】
一方、カバー層４０に対して外部から所定以上の力が加えられる場合には、変位電極３０と基準電極Ｄ０とは接触し（スイッチＳ１がオン状態になり）、変位電極３０が基準電極Ｄ０を介して接地されるため、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に電圧を印可すると、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電荷が蓄積されるようになり、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられる電荷量は、スイッチＳ１がオフ状態の場合と比較すると、急激に大きくなる。なお、変位電極３０が基準電極Ｄ０に接触する状態においては、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５のそれぞれに接続された端子Ｔ１または端子Ｔ２から入力され、そして容量素子Ｃ１〜Ｃ５を含む遅延回路を通過した周期信号を利用して、外部から加えられた力を検出することができる。
【００４５】
このように、スイッチＳ１がオフ状態では、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は無視できる程度に小さく、センサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応した出力信号は一定の大きさに安定している。一方、スイッチＳ１がオン状態では、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は急激に大きくなり、センサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応した出力信号は、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化量に応じて大きく変化する。
【００４６】
従って、カバー層４０に対して外部から力が加えられる前およびその後における容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は、カバー層４０に対して外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、カバー層４０の位置が元の位置からずれることによって、変位電極３０の位置再現性が悪い場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号は、それぞれほとんど同じになり、再現性よく元の値に戻ることになる。従って、センサセル１０においては、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００４７】
次に、上述のように構成されたセンサセル１０の動作について、図５を参照して説明する。図５は、図２に示すセンサセルに対して外部から力が加えられた場合の側面の模式的な断面図である。なお、図５では、Ｘ軸方向成分ＦｘおよびＺ軸方向成分Ｆｚから構成された力Ｆが加えられた場合について図示されている。
【００４８】
カバー層４０に対して外部から力Ｆが加えられると、カバー層４０がたわむことにより、カバー層４０の力Ｆが加えられた部分近傍が下方に押し下げられる。このとき、カバー層４０の当該部分近傍に対応するコア５０および変位電極３０のそれぞれの部分が下方に変位する。そして、変位電極３０の中央部が所定の高さだけ押し下げられると、変位電極３０の突起部３０ａが基準電極Ｄ０と接触するようになる。これにより、スイッチＳ１がオフ状態からオン状態に切り換わる。
【００４９】
その後、引き続き、カバー層４０の当該部分近傍が押し下げられると、スイッチＳ１がオン状態を保持しつつ、カバー層４０、変位電極３０および支持部材６０が弾性変形を生じてたわみ、変位電極３０の力Ｆに対応する部分、つまり、図５では変位電極３０のＸ軸正方向部分はさらに下方へと変位する。なお、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とは、突起部３０ａを支点として互いに上下反対方向に変位するようになっている。従って、変位電極３０のＸ軸正方向部分が下方へと変位したときには、変位電極３０のＸ軸負方向部分は突起部３０ａを支点として上方へと変位する。
【００５０】
また、変位電極３０のＹ軸正方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。同様に、変位電極３０のＹ軸負方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。また、このとき、突起部３０ａが押しつぶされて弾性変形することによって、変位電極３０（容量素子用電極Ｄ５に対向する部分）は全体的に下方へ変位する。
【００５１】
従って、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１と間の間隔が小さくなり、一方、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ２と間の間隔が大きくなる。また、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ５との間隔が小さくなる。また、このとき、変位電極３０のＹ軸正方向部分と容量素子用電極Ｄ３との間隔、および、変位電極３０のＹ軸負方向部分と容量素子用電極Ｄ４との間隔は平均すると変化しないと考えられる。なお、実際には、上述のように、変位電極３０のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分のそれぞれＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位するが、変位電極３０のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分の全体としての容量素子用電極Ｄ３、Ｄ４との間隔は変化しないと考えられる。
【００５２】
このように、カバー層４０に対して外部から力Ｆが加えられた場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のなかで、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５の静電容量値のみが変化する。このとき、Ｘ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、端子Ｔ１およびＴ２に入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂには、容量素子Ｃ１、Ｃ２を含む遅延回路を通過することによって、それらの位相にずれが生じる。そして、それらの位相のずれが読み取られることによって、力ＦのＸ軸方向成分Ｆｘに対応する出力信号Ｖｘが導出される。これと同様に、Ｚ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａには、容量素子Ｃ５を含む遅延回路を通過することによって、その位相にずれが生じる。そして、その位相のずれ（実際には、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相とともに）が読み取られるによって、力ＦのＺ軸方向成分Ｆｚに対応する出力信号Ｖｚが導出される。
【００５３】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値の変化から、外部から加えられた力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法について、図６を参照して説明する。図６は、図２に示すセンサセルに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部から加えられる力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分に対応するものである。
【００５４】
なお、図６に示す容量素子Ｃ６は、常に一定の静電容量値を保つように基板２０の下面に形成されており、容量素子Ｃ６を構成する一方の電極は出力信号Ｖｚを導出するＣ／Ｖ変換回路に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ６は、容量素子Ｃ５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。
【００５５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１、Ｔ２に対して、クロック信号などの周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１、Ｔ２に周期信号が入力されている状態で、カバー層４０が外部からの所定の大きさ以上の力を受けて押し下げられると、これに伴って変位電極３０の中心位置近傍がＺ軸負方向に変位し、突起部３０ａと基準電極Ｄ０との間に構成されたスイッチＳ１がオン状態となる。その後、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値が変化する。このとき、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号に生じる位相のずれを利用して、変位電極３０の変位、つまり、カバー層４０が外部から受けた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分に対応する出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。
【００５６】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１に対して周期信号Ａが入力されるとき、端子Ｔ２に対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、カバー層４０が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの少なくともいずれかの位相にずれが生じる。つまり、各方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５の静電容量値が変化すると、端子Ｔ１にそれぞれ入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、一方、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じる。
【００５７】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれる場合は、Ｘ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化して端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。この出力信号Ｖｘの変化量の符号が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｘの変化量の絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。なお、本実施の形態では、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれになることが多い。
【００５８】
また、外部からの力にＹ軸方向成分が含まれる場合は、Ｙ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化して端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化は、外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｙが導出される。この出力信号Ｖｙの変化量の符号が、外部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｙの変化量の絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。なお、本実施の形態では、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれになることが多い。
【００５９】
さらに、外部からの力にＺ軸方向成分が含まれる場合は、Ｚ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ５の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。また、容量素子Ｃ６の静電容量値は一定に保たれているため、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にはずれが生じない。従って、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａにのみ位相のずれが生じ、この周期信号Ａの位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚの変化量の符号が、外部からの力のＺ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｚの変化量の絶対値がＺ軸方向成分の大きさを示す。
【００６０】
なお、外部からの力にＸ軸方向成分またはＹ軸方向成分が含まれる場合において、カバー層４０に対する力の加わり方によっては、次のような場合が考えられる。例えば、Ｘ軸方向について考えると、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とが、突起部４０ａを支点として互いに上下反対方向に変位することなく、Ｘ軸正方向部分およびＸ軸負方向部分がともに下方へと変位し、かつ、そのときのそれぞれの変位量が異なる場合がある。この場合には、端子Ｔ１およびＴ２に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相には、同じ方向のずれが生じることとなるが、上述した場合と同様に、その位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。また、このことは、Ｙ軸方向についての出力信号Ｖｙの導出に対しても同様のことがいえる。
【００６１】
次に、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するための信号処理回路について、図７を参照しながら説明する。図７は、図２に示すセンサセルの信号処理回路を示す回路図である。
【００６２】
図７に示すように、端子Ｔ１、Ｔ２には、図示されていない交流信号発振器から所定周波数の周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５がそれぞれ接続されており、端子Ｔ２には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６がそれぞれ接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端および抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子９１〜９３が接続されており、その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１３に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の出力端は、変位電極３０との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成している容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５にそれぞれ接続されている。なお、図７では、変位電極３０と基準電極Ｄ０とが接触している状態が図示されており、容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成する一方の電極である変位電極３０は接地されている。
【００６３】
ここから、例として、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図８および図９を参照して説明する。図８は、図２に示すセンサセルのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図７の一部分）である。図９は、図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【００６４】
図８の信号処理回路において、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１、並びに、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２は、それぞれＣＲ遅延回路を形成している。従って、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号（矩形波信号）は、ＣＲ遅延回路を通過することにより、それぞれ所定の遅延を生じて、それぞれＥＸ−ＯＲ素子９１に入力される。
【００６５】
詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図９に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００６６】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００６７】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子９１には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（図９参照）。
【００６８】
ここで、上述したように、カバー層４０に対して外部から力が加えられた場合（図５参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｄ１、Ｄ２と変位電極３０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１１と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１１’とする（図８参照）。
【００６９】
このとき、図８の信号処理回路において、上述と同様に、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１’と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１’に到達する。このとき、節点Ｘ１’における周期信号には、図９に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。また同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２’と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２’に到達する。このとき、節点Ｘ２’における周期信号には、時間ｂ−Δｂの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ２’の静電容量値が容量素子Ｃ２よりも小さくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が小さくなったためである。
【００７０】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子９１には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１’に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、図９に示すように、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合において、端子Ｔ１１に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００７１】
ここで、センサセル１０では、上述したように、変位電極３０には突起部３０ａが形成されており、変位電極３０が突起部３０ａを支点として変位するため、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は、一方が大きくなると他方が小さくなるというように、大小反対に変化することが多い。これにより、それぞれの容量素子Ｃ１’、Ｃ２’が構成するＣＲ遅延回路の時定数も同様に変化し、出力される矩形波信号のデューティ比の変化が著しくなるため、カバー層４０に加えられた力の検出を容易に行うことができる。なお、力がセンサセル１０全体に作用する場合は、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は両方とも大きくなるが、作用する力のバランスに応じて容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値の変化量が異なるので同様にカバー層４０に加えられた力の検出を行うことができる。
【００７２】
なお、Ｚ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するための信号処理回路（図７参照）は、端子Ｔ５に入力された信号にのみＣＲ遅延回路を通過することにより所定の遅延を生じるが、端子Ｔ６に入力された信号はＣＲ遅延回路を通過しないためＣＲ遅延回路による遅延は生じない。このように、一方の信号にのみ遅延が生じる回路においても、上述と同様にして、カバー層４０に加えられた力の検出を行うことができる。
【００７３】
このように、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化が、端子Ｔ１１における波形のデューティ比の変化として検出され、この信号を平滑回路を通過させて平滑することにより、このデューティ比をアナログ電圧値に変換して利用することができる。このアナログ電圧値は、出力信号のデューティ比に比例して変化する。従って、出力信号のデューティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧値も大きくなり、一方、出力信号のデューティ比が小さくなるとそれに伴ってアナログ電圧値も小さくなる。また、出力信号のデューティ比がほとんど変化しないときはアナログ電圧値もほとんど変化しない。また、Ｔ１１における信号のハイレベル（Ｈｉ）またはローレベル（Ｌｏ）の時間を、より周波数の高いクロック信号でカウントすれば、デューティ比をデジタルカウント値に変換して利用することもできる。
【００７４】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力される異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）は、１つの周期信号発振器から出力された周期信号を２つの経路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの交流信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００７５】
以上説明したように、センサシート１に含まれる各センサセル１０においては、各センサセル１０のそれぞれに対応するカバー層４０に対して外部から加えられた力について、そのＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分を検出することが可能である。従って、各センサセル１０において検出された力の各方向成分に基づいて、センサシート１全体では、その表面における外部から加えられた力の分布を測定することができる。
【００７６】
例えば、歩行解析においては、センサシート１上を被験者が歩行した場合の時間経過と各センサセル１０の出力の関係を測定すれば、被験者固有の歩行パターンを測定することができる。このとき、センサシート１に平行な剪断力も合わせて三次元的に測定および解析が可能であるため、人間工学分野の研究に貢献することができる。なお、センサシート１の表面は平坦になっているので、歩行の際に障害となるものが無く、平常とほぼ同じ条件で歩行パターンを測定することができる。
【００７７】
なお、センサセル１０では、上述したように、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とが接触している場合においてのみ、外部から加えられた力を検出することが可能である。従って、カバー層４０に対して基板２０に平行な力（Ｘ軸方向成分および／またはＹ軸方向成分の力）だけが作用する場合には、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とが接触しないため、その力を測定することができない。しかしながら、例えば、上述のようにセンサシート１上を人が歩行する場合には、Ｚ軸方向に力を加えないで歩行することが不可能であって、歩行時には常にＺ軸方向の力を加えながら歩行することになる。従って、このような測定上の制限があるとしても、実用上全く問題がないと考えられる。
【００７８】
一方、カバー層４０に対して基板２０に平行な力だけが作用する場合に力の検出が不能になることによって、以下のような効果を得ることができる。例えば、上述の歩行解析において、センサセル１０の大きさ（面積）が非常に小さい場合には、被験者の足裏が接触していないセンサセル１０においても、それに近接するその他のセンサセル１０のカバー層４０が被験者の歩行により変位または変形することによって、そのセンサセル１０の変位電極３０が若干変位することがある。本実施の形態のセンサシート１では、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０との間にスイッチＳ１が形成されているため、Ｚ軸方向について変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とを接触させる程度の大きさ以上の力が加えられて変位電極３０が接地電位に接続されたセンサセル１０だけが、力覚センサとして機能するので力の分布を測定する際の精度を向上させることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態のセンサセル１０の構成とは異なり、変位電極が常に接地電位に維持されている場合には、上述のような効果は得られず、被験者の足裏が接触していないセンサセルにおいても、それに近接するその他のセンサセルに加えられた力によって、その変位電極が変位することによりセンサセルの出力が変化して測定誤差の原因となって、力の分布を測定する際の精度が著しく低下する。
【００８０】
なお、本実施の形態のセンサシート１は、上述の歩行解析の他、例えば、自動車用シートに人が着座した際に運転状況により人が慣性力で揺すられる状態を自動車用シートに作用する体圧分布として三次元的にダイナミックに解析を行う場合に有効である。また、これら以外にも、センサシート１に平行な剪断力が働く場合の圧力分布を測定する手段として利用するときにも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
また、センサシート１の耐荷重は、例えば、センサセル１０の大きさ、変位電極３０およびカバー層４０を形成する材料の硬度または厚さなどを変更することによって、適宜調整することができる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態に係るセンサシート１においては、各センサセル１０が外部から加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分をそれぞれ検出することができる。従って、センサシート１全体において、外部から加えられた力のカバー層４０に垂直方向成分およびそれに平行な２方向成分を含む３次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシート１に作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
【００８３】
また、センサセル１０に対して外部から力が加えられていない場合には、変位電極３０が絶縁状態に維持されているため、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５と変位電極３０との間に構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電圧がかからない。そのため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサセル１０からの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、センサセル１０に対して外部から力が加えられると、変位電極３０が接地された基準電極Ｄ０と接触するため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電圧がかかるようになる。そのため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサセル１０からの出力信号が容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、変位電極３０の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサセル１０の各容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する（各容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサセル１０の各容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００８４】
また、変位電極３０と基準電極Ｄ０とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチＳ１として機能するため、外部から力が加えられていないセンサセル１０の変位電極３０が、当該センサセル１０に近接するその他のセンサセルに対して外部から加えられた力によって当該センサセル１０の変位電極３０と基準電極Ｄ０とが接触しない程度に変位した場合でも、当該センサセル１０の出力が変化することがない。従って、当該センサセル１０に近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサセル１０に測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。
【００８５】
また、カバー層４０と変位電極３０との間には、金属製のコア５０が配置されているため、外部から加えられた力を変位電極３０に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの変位電極３０の傾きを利用して当該力が検出される場合、つまり、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分との変位に基づく容量素子Ｃ１、Ｃ２の各静電容量値の変化量の差を利用して当該力のＸ軸方向成分が検出される場合、および、変位電極３０のＹ軸正方向部分とＹ軸負方向部分との変位に基づく容量素子Ｃ３、Ｃ４の各静電容量値の変化量の差を利用して当該力のＹ軸方向成分が検出される場合に、変位電極３０の傾きが検出し易くなって、センサセル１０における検出精度を向上させることができる。
【００８６】
また、センサシート１は、マトリックス状に配置された多数のセンサセル１０を有しており、センサセル１０がセンサシート１全体に均一に配置されているため、センサシート１上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
【００８７】
また、外部から力を受けるカバー層４０の表面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【００８８】
次に、本発明の実施の形態の第１の参考例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施の形態の第１の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【００８９】
本参考例に係るセンサシートに含まれるセンサセル１１０の構成が、図２のセンサセル１０の構成と大きく異なる点は、センサセル１０では、コア５０がカバー層４０と変位電極３０との間に配置されているのに対して、センサセル１１０では、コア１５０がカバー層１４０の表面から突出している点である。なお、その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９０】
センサセル１１０においては、変位電極１３０は、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５および基準電極Ｄ０に対向するように配置されており、その下面に突起部１３０ａが形成されており、その上面は平らになっている。そして、変位電極１３０の上面には、カバー層１４０が覆うように配置されている。カバー層１４０の表面には、コア１５０の高さのほぼ半分の深さの凹部１４０ａが形成されている。従って、コア１５０が、カバー層１４０の凹部１４０ａ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分がカバー層１４０の表面から突出するようになる。ここで、コア１５０は、外部から加えられる力を直接受ける検知部として機能することになる。また、この場合には、センサシートの表面は凹凸を有するようになる。
【００９１】
なお、センサセル１１０の回路構成および動作については、第１の実施の形態と同様である。
【００９２】
【００９３】
次に、本発明の実施の形態の第２の参考例について、図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本実施の形態の第２の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図１２は、図１１のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【００９４】
本参考例に係るセンサシートに含まれるセンサセル２１０の構成が、図２のセンサセル１０の構成と大きく異なる点は、センサセル１０では、コア５０がカバー層４０と変位電極３０との間に配置されており、外部から力が加えられていない場合には変位電極３０が絶縁状態に維持されているのに対して、センサセル２１０では、コア２５０がカバー層２４０の表面から突出しており、変位電極２３０が常に接地されている点である。なお、その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９５】
センサセル２１０においては、基板２０上には、図１２に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｄ２０５と、容量素子用電極Ｄ２０５の外側に配置された略扇形である容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０４と、容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０４の外側に配置された環状の基準電極Ｄ２００とが設けられている。
【００９６】
ここで、変位電極２３０の下面には、基準電極Ｄ２００と同じ形状の突起部２３０ａが形成されている。そして、変位電極２３０は、突起部２３０ａの下端部と基準電極Ｄ２００とが接触すると共に、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０５に対向するように配置されている。従って、変位電極２３０は、基準電極Ｄ２００を介して接地されており、常に接地電位に維持されることになる。なお、本参考例では、基板２０およびカバー層２４０と同様に変位電極２３０は、センサシートに含まれる全てのセンサセル２１０に対して共通の部材である。
【００９７】
そして、変位電極２３０の上面には、カバー層２４０が覆うように配置されている。カバー層２４０の表面には、コア２５０の高さのほぼ半分の深さの凹部２４０ａが形成されている。従って、コア２５０が、カバー層２４０の凹部２４０ａ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分がカバー層２４０の表面から突出するようになる。ここで、コア２５０は、外部から加えられる力を直接受ける検知部として機能することになる。また、この場合には、センサシートの表面は凹凸を有するようになる。
【００９８】
なお、センサセル２１０の回路構成および動作については、第１の実施の形態において、スイッチＳ１が常にオン状態である場合と同様であると考えられる。
【００９９】
【０１００】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートの構成について、図面を参照しつつ説明する。図１３は、本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図１４は、図１３のセンサセルに含まれる複数の電極の配置を示す図である。図１５は、図１３に示すセンサセルの回路の概略構成図である。図１６は、図１３に示すセンサセルの回路図の一例である。
【０１０１】
第２の実施の形態のセンサシートの構成が、第１の実施の形態のセンサシート１の構成と大きく異なる点は、センサシート１では、各センサセル１０がそれぞれ静電容量式センサを含んでいるのに対して、本実施の形態のセンサシートでは、各センサセル３１０がそれぞれ抵抗型センサを含んでいる点である。その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。なお、本実施の形態のセンサシートにおいても、多数のセンサセル３１０は、マトリックス状に配置されている。
【０１０２】
本実施の形態のセンサセル３１０では、基板２０と、支持部材６０によって基板２０との間に所定の空隙が形成されるように支持された支持体３３０との間に、センサユニット３００が配置されている。また、カバー層４０と支持体３３０との間には、コア５０が配置されている。ここで、支持体３３０は、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料で形成されている。なお、コア５０は、第１の実施の形態と同様に、支持体３３０の上面に形成された凹部３３０ａおよびカバー層４０に形成された凹部４０ａによって囲まれている。
【０１０３】
センサユニット３００は、重ね合わされた２枚の膜状部材３７０、３７１を有している。ここで、膜状部材３７０、３７１は、いずれも例えばＰＥＴフィルムなどで構成されている。また、膜状部材３７０と膜状部材３７１との間には、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５および感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５が設けられている。そして、センサユニット３００の下面（膜状部材３７０の下面）が基板２０の表面に接触し、その上面（膜状部材３７１の上面）が支持体３３０の下面に接触するように配置されている。
【０１０４】
膜状部材３７０の上面（その膜状部材３７１との接合面）には、図１４（ａ）に示すように、原点Ｏ’（膜状部材３７０の上面とＺ軸との交点）を中心とする円形の導電ランドＤ１５と、導電ランドＤ１５の外側に配置された略扇形である導電ランドＤ１１〜Ｄ１４とが、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。また、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５上には、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５が、それらの上にそれぞれ重なるようにスクリーン印刷されている。
【０１０５】
同様に、膜状部材３７１の下面（その膜状部材３７０との接合面）には、図１４（ｂ）に示すように、原点Ｏ’’（膜状部材３７１の下面とＺ軸との交点）を中心とする円形の導電ランドＤ２５と、導電ランドＤ２５の外側に配置された略扇形である導電ランドＤ２１〜Ｄ２４とが、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。また、導電ランドＤ２１〜Ｄ２５上には、感圧抵抗インクＲ２１〜Ｒ２５が、それらの上にそれぞれ重なるようにスクリーン印刷されている。
【０１０６】
ここで、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５は、圧力または接触面積によって抵抗値が変化する部材である。感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２５としては、例えば、二酸化チタン充填剤、ビニル樹脂結合剤およびブチルセロソルブアセテート溶剤を含有する絶縁インクに、グラファイト、ビニル樹脂およびブチルセロソルブアセテートを含有する導電インクを混入したものなどが用いられる。また、感圧抵抗インクの抵抗値は、主な構成成分である絶縁成分と導電成分との相対的な割合を変えることによって容易に変化させることが可能である。
【０１０７】
ここで、感圧抵抗インクＲ１１（導電ランドＤ１１）と感圧抵抗インクＲ２１（導電ランドＤ２１）とが対向しており、Ｘ軸正方向に対応するように配置されている。また、感圧抵抗インクＲ１２（導電ランドＤ１２）と感圧抵抗インクＲ２２（導電ランドＤ２２）とが対向しており、Ｘ軸負方向に対応するように配置されている。同様に、感圧抵抗インクＲ１３（導電ランドＤ１３）と感圧抵抗インクＲ２３（導電ランドＤ２３）とが対向しており、Ｙ軸正方向に対応するように配置されており、感圧抵抗インクＲ１４（導電ランドＤ１４）と感圧抵抗インクＲ２４（導電ランドＤ２４）とが対向しており、Ｙ軸負方向に対応するように配置されている。また、感圧抵抗インクＲ１５（導電ランドＤ１５）と感圧抵抗インクＲ２５（導電ランドＤ２５）とが対向しており、Ｚ軸方向に対応するように配置されている。なお、上述のように対向する感圧抵抗インク（導電ランド）同士はほぼ同じ大きさを有している。
【０１０８】
また、センサユニット３００では、膜状部材３７０、３７１の間に、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５の他、回路パターン（配線）およびコネクタ端子の導電層なども形成されているが、図１３では図示が省略されている。なお、後述するように、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５は、これらの回路パターンおよび端子を通じて、センサ回路などに接続される。
【０１０９】
ここで、センサセル３１０では、上述したように、導電ランドＤ１１、Ｄ２１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、一方、導電ランドＤ１２、Ｄ２２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、導電ランドＤ１３、Ｄ２３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、一方、導電ランドＤ１４、Ｄ２４はＹ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。また、一対の導電ランドＤ１１、Ｄ２１および一対の導電ランドＤ１２、Ｄ２２は、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の導電ランドＤ１３、Ｄ２３および一対の導電ランドＤ１４、Ｄ２４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。
【０１１０】
次に、センサセル３１０の回路構成について、図１５および図１６を参照して説明する。
【０１１１】
センサセル３１０では、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５と、それらにそれぞれ対向する感圧抵抗インクＲ２１〜Ｒ２５とは、可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５をそれぞれ構成している。従って、図１５に示すように、可変接触抵抗Ｒ１、Ｒ２に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｘが導出される。同様に、可変接触抵抗Ｒ３、Ｒ４に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｙが導出され、可変接触抵抗Ｒ５および固定抵抗Ｒ６に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｚが導出される。このようにして、外部から加えられた力の方向および大きさに応じて変化する可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値に基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に対応する出力（アナログ電圧）を得ることができる。
【０１１２】
図１６に示すセンサセル３１０の回路図では、可変接触抵抗Ｒ１の一端と可変接触抵抗Ｒ２の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ１の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、可変接触抵抗Ｒ２の他端は接地されている。これと同様に、可変接触抵抗Ｒ３の一端と可変接触抵抗Ｒ４の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ３の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、可変接触抵抗Ｒ４の他端は接地されている。また、可変接触抵抗Ｒ５の一端と固定抵抗Ｒ６の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ５の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、固定抵抗Ｒ６の他端は接地されている。
【０１１３】
また、可変接触抵抗Ｒ１の一端および他端には、固定抵抗Ｒ１０が接続されている。同様に、可変接触抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の一端および他端には、固定抵抗Ｒ２０、Ｒ３０、Ｒ４０、Ｒ５０がそれぞれ接続されている。固定抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０、Ｒ４０、Ｒ５０は、可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５を構成する一対の感圧抵抗インクが離隔状態と同様の状態になって無限大の抵抗値になった場合でも、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応したアナログ電圧を出力できるように設けられた一定の抵抗値を有する固定抵抗である。
【０１１４】
ここで、図１６の回路図において、可変接触抵抗Ｒ１と可変接触抵抗Ｒ２との間の節点Ｘ０からの出力Ｖｘと、可変接触抵抗Ｒ３と可変接触抵抗Ｒ４との間の節点Ｙ０からの出力Ｖｙと、可変接触抵抗Ｒ５と固定抵抗Ｒ６との間の節点Ｚ０からの出力Ｖｚとは、次のような式によって導出される。なお、節点Ｘ０は、固定抵抗Ｒ１０と固定抵抗Ｒ２０との間の節点でもあって、節点Ｙ０は、固定抵抗Ｒ３０と固定抵抗Ｒ４０との間の節点でもあって、節点Ｚ０は、固定抵抗Ｒ５０と固定抵抗Ｒ６との間の節点でもある。
【０１１５】
【式１】
【０１１６】
以上のように、本実施の形態に係るセンサシートにおいては、各センサセル３１０が外部から加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分をそれぞれ検出することができる。従って、センサシート全体において、外部から加えられた力のカバー層４０に垂直方向成分およびそれに平行な２方向成分を含む３次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
【０１１７】
また、カバー層４０と支持体３３０との間には、金属製のコア５０が配置されているため、外部から加えられた力を支持体３３０に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの支持体３３０の傾きを利用して当該力が検出される場合、つまり、支持体３３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分との変位に基づく可変接触抵抗Ｒ１、Ｒ２の各抵抗値の変化量の差を利用して当該力のＸ軸方向成分が検出される場合、および、支持体３３０のＹ軸正方向部分とＹ軸負方向部分との変位に基づく可変接触抵抗Ｒ３、Ｒ４の各抵抗値の変化量の差を利用して当該力のＹ軸方向成分が検出される場合に、支持体３３０の傾きが検出し易くなって、センサセル３１０における検出精度を向上させることができる。
【０１１８】
また、本実施の形態のセンサシートにおいても、第１の実施の形態と同様に、マトリックス状に配置された多数のセンサセル３１０を有しており、センサセル３１０がセンサシート全体に均一に配置されているため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
【０１１９】
また、外部から力を受けるカバー層４０の表面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【０１２０】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、上述の第１の実施の形態では、多数のセンサセルが平面上（平板状）に配列されたセンサシートについて説明しているが、これに限らず、多数のセンサセルが、例えば円筒状または球面状などの曲面状に配列されたセンサシートであってもよい。
【０１２１】
また、上述の第１の実施の形態では、外部から力が加えられていない場合には、変位電極の突起部と基準電極とが離隔している場合について説明しているが、これに限らず、変位電極の突起部と基準電極とが常に接触しており、変位電極が常に接地電位に維持されていてもよい。
【０１２２】
【０１２３】
【０１２４】
また、上述の第１および第２の実施の形態では、外部から加えられる力について互いに異なる３つの方向の対応する成分を認識可能なセンサを含むセンサシートについて説明しているが、これに限らず、センサシートに含まれるセンサとしては、当該力について互いに異なる２つの方向に対応する成分を認識可能なものであってもよい。
【０１２５】
【０１２６】
また、上述の第１の実施の形態では、ＥＸ−ＯＲ素子が含まれる信号処理回路が用いられる場合について説明しているが、これに限らず、信号処理回路の構成は任意に変更することができる。従って、排他的論理和演算を行うＥＸ−ＯＲ素子の代わりに、論理和演算を行うＯＲ素子、論理積演算を行うＡＮＤ素子、論理積演算および否定演算を行うＮＡＮＤ素子のいずれかが含まれる信号処理回路が用いられてもよい。この場合には、センサセルの各部材が感度が非常によくなる材料で製作された場合に、信号処理回路の構成によって、センサシートの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ことができる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、６によると、センサが外部から加えられた力の複数方向成分をそれぞれ認識することができるため、センサシート全体において、外部から加えられた力の検知面に垂直方向成分だけでなく、その他の方向成分を含む多次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
また、カバー層と第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部からカバー層に加えられる力によって第２の電極を変位させるためのカバー層より硬質の材料で形成されたコア部材を備えているので、外部から加えられた力を第２の電極に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの第２の電極の傾き（第２の電極の一端部の変位と他端部の変位との差）を利用して当該力が検出される場合に、第２の電極の傾きが検出し易くなって、センサにおける検出精度を向上させることができる。
また、センサがマトリックス状に配置されており、センサがセンサシート全体に均一に配置されるため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出す ることができる。
また、外部から力を受ける面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【０１２８】
請求項２によると、外部から力が加えられていない場合には、第２の電極が絶縁状態に維持されているため、第１の電極と第２の電極との間に構成される容量素子には電圧がかからない。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサからの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、外部から力が加えられると、第２の電極が接地された第３の電極と接触するため、当該容量素子に電圧がかかるようになる。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサからの出力信号が当該容量素子の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における当該容量素子に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサの各容量素子に対応する（各容量素子用電極からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサの各容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【０１２９】
また、第２の電極と第３の電極とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチとして機能するため、外部から力が加えられていないセンサの第２の電極が、当該センサに近接するその他のセンサに対して外部から加えられた力によって若干（当該センサの第２の電極と第３の電極とが接触しない程度に）変位した場合でも、当該センサの出力が変化することがない。従って、当該センサに近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサに測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。つまり、複数のセンサが互いに近接するように配置されている場合でも、所定の大きさ（第２の電極と第３の電極とを接触させる程度の大きさ）以上の力が加えられたセンサだけが力覚センサとして機能することになる。
【０１３０】
【０１３１】
【０１３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセンサシートの斜視図である。
【図２】図１のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図３】図２のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図４】図２に示すセンサセルの構成に対する等価回路図である。
【図５】図２に示すセンサセルに対して外部から力が加えられた場合の側面の模式的な断面図である。
【図６】図２に示すセンサセルに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図７】図２に示すセンサセルの信号処理回路を示す回路図である。
【図８】図２に示すセンサセルのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図である。
【図９】図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【図１０】本実施の形態の第１の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１１】本実施の形態の第２の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１２】図１１のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１４】図１３のセンサセルに含まれる複数の電極の配置を示す図である。
【図１５】図１３に示すセンサセルの回路の概略構成図である。
【図１６】図１３に示すセンサセルの回路図の一例である。
【符号の説明】
１ センサシート
１０、１１０、２１０、３１０ センサセル（センサ）
３０ 変位電極（第２の電極）
５０ コア（コア部材）
Ｄ０ 基準電極（第３の電極）
Ｄ１〜Ｄ５ 容量素子用電極（第１の電極）
Ｄ１１〜Ｄ１５ 導電ランド（第１の電極）
Ｄ２１〜Ｄ２５ 導電ランド（第２の電極）
Ｒ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５ 感圧抵抗インク（感圧抵抗体）
Ｃ１〜Ｃ４ 容量素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられる力の分布の測定を行うために用いて好適なセンサシートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
センサシートは、外部から加えられた力の分布を測定可能なものであって、例えば歩行解析などに利用されている。センサシートとしては、感圧抵抗インクが縦方向に沿う帯状に印刷されたＰＥＴフィルムと、感圧抵抗インクが横方向（縦方向と直交する方向）に沿う帯状に印刷されたＰＥＴフィルムとが、それぞれに印刷された感圧抵抗インクが交差するように貼り合わされたものが知られている（特許文献１、２参照）。かかるセンサシートでは、外部から力が加えられた場合には、力が加えられた部分に対応する２枚のＰＥＴフィルム間の接触抵抗が変化する。従って、多数の感圧抵抗インクのラインに沿った接触抵抗の大きさの時間的な変化を検出することによって、外部から加えられた力（圧力）の分布を測定することができる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４，７３４，０３４号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，８５６，９９３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるセンサシートでは、外部から加えられる力の当該シートに垂直な方向の１次元の力の分布しか測定することができない。従って、センサシートに対して斜め方向（垂直方向でない方向）の力が加えられた場合でも、その斜め方向の力の当該シートに垂直な方向成分の大きさの力が加えられた場合と同様の力の分布しか得られないため、外部から加えられる力の分布の詳細な解析を行うことができない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、多次元の力の分布を測定可能なセンサシートを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１のセンサシートは、マトリックス状に配置された複数のセンサと、前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、前記センサが、前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、前記第１の電極と対向するように配置されており前記第１の電極との間でそれぞれ容量素子を構成すると共に、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化がそれぞれ検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異な る複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするものである。
【０００７】
【０００８】
請求項６のセンサシートは、マトリックス状に配置された複数のセンサと、前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、前記センサが、前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、前記第１の電極と対向するように配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された感圧抵抗体と、前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部から前記カバー層に加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間の抵抗値の変化が検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１、６によると、センサが外部から加えられた力の複数方向成分をそれぞれ認識することができるため、センサシート全体において、外部から加えられた力の検知面に垂直方向成分だけでなく、その他の方向成分を含む多次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
また、カバー層と第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部からカバー層に加えられる力によって第２の電極を変位させるためのカバー層より硬質の材料で形成されたコア部材を備えているので、外部から加えられた力を第２の電極に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの第２の電極の傾き（第２の電極の一端部の変位と他端部の変位との差）を利用して当該力が検出される場合に、第２の電極の傾きが検出し易くなって、センサにおける検出精度を向上させることができる。
また、センサがマトリックス状に配置されており、センサがセンサシート全体に均一に配置されるため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
また、外部から力を受ける面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【００１０】
請求項２のセンサシートは、前記センサが、前記第１の電極に隣接するように配置された第３の電極をさらに備えており、前記第２の電極が絶縁状態に維持されていると共に、前記第３の電極は接地されており、外部から力が加えられる場合に、前記第２の電極と前記第３の電極とが接触可能に設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２によると、外部から力が加えられていない場合には、第２の電極が絶縁状態に維持されているため、第１の電極と第２の電極との間に構成される容量素子には電圧がかからない。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサからの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、外部から力が加えられると、第２の電極が接地された第３の電極と接触するため、当該容量素子に電圧がかかるようになる。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサからの出力信号が当該容量素子の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における当該容量素子に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサの各容量素子に対応する（各容量素子用電極からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサの各容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００１２】
また、第２の電極と第３の電極とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチとして機能するため、外部から力が加えられていないセンサの第２の電極が、当該センサに近接するその他のセンサに対して外部から加えられた力によって若干（当該センサの第２の電極と第３の電極とが接触しない程度に）変位した場合でも、当該センサの出力が変化することがない。従って、当該センサに近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサに測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。つまり、複数のセンサが互いに近接するように配置されている場合でも、所定の大きさ（第２の電極と第３の電極とを接触させる程度の大きさ）以上の力が加えられたセンサだけが力覚センサとして機能することになる。
【００１３】
請求項３のセンサシートは、前記第２の電極が、前記第３の電極に向かって突出する突起部を有していることを特徴とするものである。
【００１４】
【００１５】
請求項４のセンサシートは、前記センサが前記第１の電極を覆う絶縁膜を有していることを特徴とするものである。
【００１６】
【００１７】
請求項５のセンサシートは、前記センサが、前記第２の電極が前記第３の電極に接触した場合に、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記容量素子の静電容量値の変化を検出することを特徴とするものである。
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態に係るセンサシート１の構成について、図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るセンサシートの斜視図である。
【００２１】
図１のセンサシート１は、例えば人の歩行時において足裏で地面を蹴り上げる様子や地面に着地する様子を測定および解析するために利用されるものである。従って、本実施の形態のセンサシート１は、人が歩行することが可能な幅および長さを有するシート状の部材である。センサシート１は、マトリックス状に配置された多数のセンサセル１０を有している。ここで、本実施の形態のセンサシート１では、多数のセンサセル１０は１０ｍｍ間隔程度で配列されているが、多数のセンサセル１０間の間隔は任意に変更することができる。なお、本実施の形態では、各センサセル１０は、後述するように、静電容量式センサを含んでいる。
【００２２】
ここで、１つのセンサセル１０の構成について、図２および図３を参照して説明する。図２は、図１のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図３は、図２のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。なお、センサシート１に含まれる多数のセンサセル１０の構成は全て同じである。
【００２３】
センサセル１０（図２において一点鎖線で囲まれる範囲）は、基板２０と、基板２０上に形成された容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５（図２ではＤ１、Ｄ２およびＤ５のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｄ０と、変位電極３０と、外部から加えられる力を受けるカバー層４０と、カバー層４０と変位電極３０との間に配置されたコア５０と、支持部材６０と、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に密着して基板２０上を覆うように配置された絶縁膜（レジスト膜）７０と、センサ回路部品８０とを有している。なお、本実施の形態では、基板２０およびカバー層４０は、センサシート１に含まれる全てのセンサセル１０に対して共通の部材である。
【００２４】
ここでは、１つのセンサセル１０の構成を説明するために、便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図２では、センサセル１０の基板２０上の基準電極Ｄ０の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸が、上垂直方向にＺ軸がそれぞれ定義されている。従って、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、１つのセンサセル１０に対応する変位電極３０およびコア５０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【００２５】
基板２０は、可撓性を有するフレキシブル・プリント・サーキット基板（ＦＰＣ）であり、この例ではポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板が用いられている。また、基板２０として、例えばガラスエポキシ基板などの一般的な電子回路用のプリント回路基板であってもよい。なお、基板２０の下面には、マイコンおよびセンサ回路（電子回路）などを含むセンサ回路部品８０が設けられている。
【００２６】
基板２０上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の基準電極Ｄ０と、基準電極Ｄ０の外側に配置された環状の容量素子用電極Ｄ５と、容量素子用電極Ｄ５の外側に配置された略扇形である容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ４とが設けられている。なお、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５および基準電極Ｄ０は、銅箔で形成されてもよいし、例えばカーボンや銀などを材料とする導電性インクなどによるスクリーン印刷法により形成されてもよい。
【００２７】
ここで、容量素子用電極Ｄ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｄ２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｄ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｄ４はＹ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。なお、一対の容量素子用電極Ｄ１および容量素子用電極Ｄ２とは、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されており、一対の容量素子用電極Ｄ３および容量素子用電極Ｄ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。また、容量素子用電極Ｄ５は原点Ｏに対して対称に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【００２８】
変位電極３０は、例えばシリコンゴムなどの導電性および弾性を有する材料で形成されており、基板２０の上方において、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に対向するように配置されている。ここで、変位電極３０は、基板２０との間に所定間隔の空隙が形成されるように支持部材６０により支持されている。従って、後述するように、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間には、容量素子Ｃ１〜Ｃ５が構成されることになる。なお、後で詳述するように、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間の間隔は、カバー層４０に外部から力が加えられた場合には狭くなって、その加えられた力が解除されると元の間隔に戻ることが可能であるため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５はいずれも可変容量素子であると考えられる。
【００２９】
また、基板２０上には、例えばレジストインクなどの絶縁膜７０が、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に密着して基板２０上を覆うように配置されている。従って、変位電極３０が容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に近づく方向に変位した場合でも、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５とが直接接触することがないので、センサ回路の誤作動が生じることがない。なお、基板２０上の基準電極Ｄ０は絶縁膜７０により覆われてないで露出しているので、基準電極Ｄ０の表面に対しては、例えばハンダ、金、銀などのメッキを形成することによって、酸化防止対策を施しておくことが好ましい。
【００３０】
ここで、変位電極３０の下面（基板２０に対向する面）の中心位置には、基準電極Ｄ０とほぼ同じ或いは若干小さい径を有する円柱形状の突起部３０ａが形成されている。なお、カバー層４０に外部から力が加えられていない場合には、突起部３０ａの先端部と基板２０上の基準電極Ｄ０とは接触しないで、両者は離隔している。つまり、変位電極３０の突起部３０ａの高さは、変位電極３０と基板２０との間に形成される空隙の間隔よりも小さくなっている。
【００３１】
また、変位電極３０の上面（基板２０に対向しない面）の中心位置には、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも若干小さい外径を有する円形の凹部３０ｂが形成されている。なお、凹部３０ｂの深さは、コア５０の厚さのほぼ半分と一致している。
【００３２】
なお、変位電極３０としては、例えばシリコンゴム以外の導電性ゴム、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチック、金属などで形成されたものであってもよい。
【００３３】
支持部材６０は、センサシート１に含まれる多数のセンサセル１０を互いに仕切るように設けられており、各センサセル１０のそれぞれの変位電極３０を基板２０に対して支持するためのものである。また、支持部材６０は、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料で形成されている。
【００３４】
コア５０は、金属製の円柱形状の部材であって、カバー層４０に外部から加えられた力を変位電極３０に対して効率よく伝達するためのものである。ここで、コア５０は、変位電極３０に形成された凹部３０ｂとほぼ同じ径を有しており（ほぼ同じ円形断面を持っており）、凹部３０ｂの深さのほぼ２倍の厚さを有している。従って、コア５０が、変位電極３０の凹部３０ｂ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分が変位電極３０の上面から突出するようになる。
【００３５】
なお、コア５０は、必ずしも金属製の円柱形状の部材である必要はなく、変位電極３０およびカバー層４０が形成される材料よりも硬質の材料であれば、例えば樹脂などのその他の材料で形成されていてもよいし、例えば四角柱形状などのその他の形状のものであってもよい。
【００３６】
カバー層４０は、外部から加えられる力を直接受けるための膜状の部材であって、変位電極３０およびコア５０の上面を覆うように配置されている。ここで、カバー層４０は、弾性を有するシリコンゴムで形成されている。そして、カバー層４０の下面には、コア５０とほぼ同じ径を有し、コア５０の厚さのほぼ半分の深さの凹部４０ａが形成されている。従って、カバー層４０は、変位電極３０およびコア５０の上面のほとんど全てを密着して覆うことができる。また、カバー層４０の上面（露出面）は、凹凸がなく平坦になるように形成されている。なお、カバー層４０は、例えばシリコンゴム以外のゴム、塩化ビニルなどの合成樹脂などの弾性を有する材料で形成されていてもよい。
【００３７】
なお、本実施の形態では、変位電極３０およびカバー層４０は、いずれも弾性を有する（柔軟性に富んだ）シリコンゴムで形成されているため、センサセル１０（カバー層４０）に加わる力の衝撃を緩和することができて、センサセル１０を保護し耐久性を向上させる効果があると共に、さらに防塵および防水の効果がある。また、変位電極３０およびカバー層４０は、コア５０が変位した場合には、それに十分対応して弾性変形することができる。
【００３８】
また、カバー層４０と変位電極３０とは、必ずしもコア５０の厚さ方向のほぼ中心位置で接続される必要はなく、コア５０と接触しない位置で接続されてもよい。従って、例えば、カバー層４０を用いないで変位電極４０によりコア５０が囲まれるように構成してもよいし、変位電極４０の上方においてカバー層４０によりコア５０が囲まれるように構成してもよい。
【００３９】
次に、センサセル１０の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、図２に示すセンサセルの構成に対する等価回路図である。
【００４０】
センサセル１０では、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５と変位電極３０とは対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極３０と、固定された個別の容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間で容量素子Ｃ０〜Ｃ５が構成されている。ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、上述したように、それぞれ変位電極３０の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された可変容量素子である。
【００４１】
そして、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５、基準電極Ｄ０は、それぞれ端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ０のいずれかを通じて、基板２０の下面に設けられたセンサ回路部品８０のセンサ回路などに接続されている。なお、本実施の形態では、基準電極Ｄ０は、端子Ｔ０を介して接地されている。
【００４２】
また、変位電極３０（詳しくは、その突起部３０ａ）と基準電極Ｄ０との間には、スイッチＳ１が形成されている。つまり、変位電極３０が、基準電極Ｄ０と接触する状態（オン状態）および基準電極Ｄ０と接触しない状態（オフ状態）のいずれかの状態を取り得るようになっている。
【００４３】
ここで、本実施の形態のセンサセル１０においては、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合には、変位電極３０と基準電極Ｄ０とは離隔しており（スイッチＳ１がオフ状態であり）、変位電極３０は特定の電圧に維持されておらず絶縁された状態（浮いた状態）となっている。従って、このとき、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間には電圧がかからないため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は無視できる程度に小さい。なお、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５の周囲には、浮遊容量が存在する場合があるが、容量素子Ｃ１〜Ｃ５と比較して十分に小さいので無視することにする。
【００４４】
一方、カバー層４０に対して外部から所定以上の力が加えられる場合には、変位電極３０と基準電極Ｄ０とは接触し（スイッチＳ１がオン状態になり）、変位電極３０が基準電極Ｄ０を介して接地されるため、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５に電圧を印可すると、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電荷が蓄積されるようになり、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられる電荷量は、スイッチＳ１がオフ状態の場合と比較すると、急激に大きくなる。なお、変位電極３０が基準電極Ｄ０に接触する状態においては、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５のそれぞれに接続された端子Ｔ１または端子Ｔ２から入力され、そして容量素子Ｃ１〜Ｃ５を含む遅延回路を通過した周期信号を利用して、外部から加えられた力を検出することができる。
【００４５】
このように、スイッチＳ１がオフ状態では、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は無視できる程度に小さく、センサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応した出力信号は一定の大きさに安定している。一方、スイッチＳ１がオン状態では、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は急激に大きくなり、センサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応した出力信号は、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化量に応じて大きく変化する。
【００４６】
従って、カバー層４０に対して外部から力が加えられる前およびその後における容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は、カバー層４０に対して外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、カバー層４０の位置が元の位置からずれることによって、変位電極３０の位置再現性が悪い場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサセル１０の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号は、それぞれほとんど同じになり、再現性よく元の値に戻ることになる。従って、センサセル１０においては、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００４７】
次に、上述のように構成されたセンサセル１０の動作について、図５を参照して説明する。図５は、図２に示すセンサセルに対して外部から力が加えられた場合の側面の模式的な断面図である。なお、図５では、Ｘ軸方向成分ＦｘおよびＺ軸方向成分Ｆｚから構成された力Ｆが加えられた場合について図示されている。
【００４８】
カバー層４０に対して外部から力Ｆが加えられると、カバー層４０がたわむことにより、カバー層４０の力Ｆが加えられた部分近傍が下方に押し下げられる。このとき、カバー層４０の当該部分近傍に対応するコア５０および変位電極３０のそれぞれの部分が下方に変位する。そして、変位電極３０の中央部が所定の高さだけ押し下げられると、変位電極３０の突起部３０ａが基準電極Ｄ０と接触するようになる。これにより、スイッチＳ１がオフ状態からオン状態に切り換わる。
【００４９】
その後、引き続き、カバー層４０の当該部分近傍が押し下げられると、スイッチＳ１がオン状態を保持しつつ、カバー層４０、変位電極３０および支持部材６０が弾性変形を生じてたわみ、変位電極３０の力Ｆに対応する部分、つまり、図５では変位電極３０のＸ軸正方向部分はさらに下方へと変位する。なお、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とは、突起部３０ａを支点として互いに上下反対方向に変位するようになっている。従って、変位電極３０のＸ軸正方向部分が下方へと変位したときには、変位電極３０のＸ軸負方向部分は突起部３０ａを支点として上方へと変位する。
【００５０】
また、変位電極３０のＹ軸正方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。同様に、変位電極３０のＹ軸負方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。また、このとき、突起部３０ａが押しつぶされて弾性変形することによって、変位電極３０（容量素子用電極Ｄ５に対向する部分）は全体的に下方へ変位する。
【００５１】
従って、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１と間の間隔が小さくなり、一方、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ２と間の間隔が大きくなる。また、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ５との間隔が小さくなる。また、このとき、変位電極３０のＹ軸正方向部分と容量素子用電極Ｄ３との間隔、および、変位電極３０のＹ軸負方向部分と容量素子用電極Ｄ４との間隔は平均すると変化しないと考えられる。なお、実際には、上述のように、変位電極３０のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分のそれぞれＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位するが、変位電極３０のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分の全体としての容量素子用電極Ｄ３、Ｄ４との間隔は変化しないと考えられる。
【００５２】
このように、カバー層４０に対して外部から力Ｆが加えられた場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のなかで、変位電極３０と容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５の静電容量値のみが変化する。このとき、Ｘ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、端子Ｔ１およびＴ２に入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂには、容量素子Ｃ１、Ｃ２を含む遅延回路を通過することによって、それらの位相にずれが生じる。そして、それらの位相のずれが読み取られることによって、力ＦのＸ軸方向成分Ｆｘに対応する出力信号Ｖｘが導出される。これと同様に、Ｚ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａには、容量素子Ｃ５を含む遅延回路を通過することによって、その位相にずれが生じる。そして、その位相のずれ（実際には、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相とともに）が読み取られるによって、力ＦのＺ軸方向成分Ｆｚに対応する出力信号Ｖｚが導出される。
【００５３】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値の変化から、外部から加えられた力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法について、図６を参照して説明する。図６は、図２に示すセンサセルに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部から加えられる力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分に対応するものである。
【００５４】
なお、図６に示す容量素子Ｃ６は、常に一定の静電容量値を保つように基板２０の下面に形成されており、容量素子Ｃ６を構成する一方の電極は出力信号Ｖｚを導出するＣ／Ｖ変換回路に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ６は、容量素子Ｃ５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。
【００５５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１、Ｔ２に対して、クロック信号などの周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１、Ｔ２に周期信号が入力されている状態で、カバー層４０が外部からの所定の大きさ以上の力を受けて押し下げられると、これに伴って変位電極３０の中心位置近傍がＺ軸負方向に変位し、突起部３０ａと基準電極Ｄ０との間に構成されたスイッチＳ１がオン状態となる。その後、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値が変化する。このとき、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号に生じる位相のずれを利用して、変位電極３０の変位、つまり、カバー層４０が外部から受けた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分に対応する出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。
【００５６】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１に対して周期信号Ａが入力されるとき、端子Ｔ２に対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、カバー層４０が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの少なくともいずれかの位相にずれが生じる。つまり、各方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５の静電容量値が変化すると、端子Ｔ１にそれぞれ入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、一方、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じる。
【００５７】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれる場合は、Ｘ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化して端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。この出力信号Ｖｘの変化量の符号が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｘの変化量の絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。なお、本実施の形態では、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれになることが多い。
【００５８】
また、外部からの力にＹ軸方向成分が含まれる場合は、Ｙ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化して端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化は、外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｙが導出される。この出力信号Ｖｙの変化量の符号が、外部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｙの変化量の絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。なお、本実施の形態では、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれになることが多い。
【００５９】
さらに、外部からの力にＺ軸方向成分が含まれる場合は、Ｚ軸方向成分を検出するための信号処理回路においては、容量素子Ｃ５の静電容量値が変化して端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。また、容量素子Ｃ６の静電容量値は一定に保たれているため、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にはずれが生じない。従って、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａにのみ位相のずれが生じ、この周期信号Ａの位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚの変化量の符号が、外部からの力のＺ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｚの変化量の絶対値がＺ軸方向成分の大きさを示す。
【００６０】
なお、外部からの力にＸ軸方向成分またはＹ軸方向成分が含まれる場合において、カバー層４０に対する力の加わり方によっては、次のような場合が考えられる。例えば、Ｘ軸方向について考えると、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とが、突起部４０ａを支点として互いに上下反対方向に変位することなく、Ｘ軸正方向部分およびＸ軸負方向部分がともに下方へと変位し、かつ、そのときのそれぞれの変位量が異なる場合がある。この場合には、端子Ｔ１およびＴ２に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相には、同じ方向のずれが生じることとなるが、上述した場合と同様に、その位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。また、このことは、Ｙ軸方向についての出力信号Ｖｙの導出に対しても同様のことがいえる。
【００６１】
次に、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するための信号処理回路について、図７を参照しながら説明する。図７は、図２に示すセンサセルの信号処理回路を示す回路図である。
【００６２】
図７に示すように、端子Ｔ１、Ｔ２には、図示されていない交流信号発振器から所定周波数の周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５がそれぞれ接続されており、端子Ｔ２には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６がそれぞれ接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端および抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子９１〜９３が接続されており、その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１３に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の出力端は、変位電極３０との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成している容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５にそれぞれ接続されている。なお、図７では、変位電極３０と基準電極Ｄ０とが接触している状態が図示されており、容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成する一方の電極である変位電極３０は接地されている。
【００６３】
ここから、例として、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図８および図９を参照して説明する。図８は、図２に示すセンサセルのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図７の一部分）である。図９は、図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【００６４】
図８の信号処理回路において、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１、並びに、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２は、それぞれＣＲ遅延回路を形成している。従って、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号（矩形波信号）は、ＣＲ遅延回路を通過することにより、それぞれ所定の遅延を生じて、それぞれＥＸ−ＯＲ素子９１に入力される。
【００６５】
詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図９に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００６６】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００６７】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子９１には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（図９参照）。
【００６８】
ここで、上述したように、カバー層４０に対して外部から力が加えられた場合（図５参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｄ１、Ｄ２と変位電極３０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１１と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１１’とする（図８参照）。
【００６９】
このとき、図８の信号処理回路において、上述と同様に、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１’と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１’に到達する。このとき、節点Ｘ１’における周期信号には、図９に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。また同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２’と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２’に到達する。このとき、節点Ｘ２’における周期信号には、時間ｂ−Δｂの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ２’の静電容量値が容量素子Ｃ２よりも小さくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が小さくなったためである。
【００７０】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子９１には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１’に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、図９に示すように、カバー層４０に対して外部から力が加えられていない場合において、端子Ｔ１１に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００７１】
ここで、センサセル１０では、上述したように、変位電極３０には突起部３０ａが形成されており、変位電極３０が突起部３０ａを支点として変位するため、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は、一方が大きくなると他方が小さくなるというように、大小反対に変化することが多い。これにより、それぞれの容量素子Ｃ１’、Ｃ２’が構成するＣＲ遅延回路の時定数も同様に変化し、出力される矩形波信号のデューティ比の変化が著しくなるため、カバー層４０に加えられた力の検出を容易に行うことができる。なお、力がセンサセル１０全体に作用する場合は、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は両方とも大きくなるが、作用する力のバランスに応じて容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値の変化量が異なるので同様にカバー層４０に加えられた力の検出を行うことができる。
【００７２】
なお、Ｚ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するための信号処理回路（図７参照）は、端子Ｔ５に入力された信号にのみＣＲ遅延回路を通過することにより所定の遅延を生じるが、端子Ｔ６に入力された信号はＣＲ遅延回路を通過しないためＣＲ遅延回路による遅延は生じない。このように、一方の信号にのみ遅延が生じる回路においても、上述と同様にして、カバー層４０に加えられた力の検出を行うことができる。
【００７３】
このように、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化が、端子Ｔ１１における波形のデューティ比の変化として検出され、この信号を平滑回路を通過させて平滑することにより、このデューティ比をアナログ電圧値に変換して利用することができる。このアナログ電圧値は、出力信号のデューティ比に比例して変化する。従って、出力信号のデューティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧値も大きくなり、一方、出力信号のデューティ比が小さくなるとそれに伴ってアナログ電圧値も小さくなる。また、出力信号のデューティ比がほとんど変化しないときはアナログ電圧値もほとんど変化しない。また、Ｔ１１における信号のハイレベル（Ｈｉ）またはローレベル（Ｌｏ）の時間を、より周波数の高いクロック信号でカウントすれば、デューティ比をデジタルカウント値に変換して利用することもできる。
【００７４】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力される異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）は、１つの周期信号発振器から出力された周期信号を２つの経路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの交流信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００７５】
以上説明したように、センサシート１に含まれる各センサセル１０においては、各センサセル１０のそれぞれに対応するカバー層４０に対して外部から加えられた力について、そのＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分を検出することが可能である。従って、各センサセル１０において検出された力の各方向成分に基づいて、センサシート１全体では、その表面における外部から加えられた力の分布を測定することができる。
【００７６】
例えば、歩行解析においては、センサシート１上を被験者が歩行した場合の時間経過と各センサセル１０の出力の関係を測定すれば、被験者固有の歩行パターンを測定することができる。このとき、センサシート１に平行な剪断力も合わせて三次元的に測定および解析が可能であるため、人間工学分野の研究に貢献することができる。なお、センサシート１の表面は平坦になっているので、歩行の際に障害となるものが無く、平常とほぼ同じ条件で歩行パターンを測定することができる。
【００７７】
なお、センサセル１０では、上述したように、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とが接触している場合においてのみ、外部から加えられた力を検出することが可能である。従って、カバー層４０に対して基板２０に平行な力（Ｘ軸方向成分および／またはＹ軸方向成分の力）だけが作用する場合には、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とが接触しないため、その力を測定することができない。しかしながら、例えば、上述のようにセンサシート１上を人が歩行する場合には、Ｚ軸方向に力を加えないで歩行することが不可能であって、歩行時には常にＺ軸方向の力を加えながら歩行することになる。従って、このような測定上の制限があるとしても、実用上全く問題がないと考えられる。
【００７８】
一方、カバー層４０に対して基板２０に平行な力だけが作用する場合に力の検出が不能になることによって、以下のような効果を得ることができる。例えば、上述の歩行解析において、センサセル１０の大きさ（面積）が非常に小さい場合には、被験者の足裏が接触していないセンサセル１０においても、それに近接するその他のセンサセル１０のカバー層４０が被験者の歩行により変位または変形することによって、そのセンサセル１０の変位電極３０が若干変位することがある。本実施の形態のセンサシート１では、変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０との間にスイッチＳ１が形成されているため、Ｚ軸方向について変位電極３０の突起部３０ａと基準電極Ｄ０とを接触させる程度の大きさ以上の力が加えられて変位電極３０が接地電位に接続されたセンサセル１０だけが、力覚センサとして機能するので力の分布を測定する際の精度を向上させることができる。
【００７９】
なお、本実施の形態のセンサセル１０の構成とは異なり、変位電極が常に接地電位に維持されている場合には、上述のような効果は得られず、被験者の足裏が接触していないセンサセルにおいても、それに近接するその他のセンサセルに加えられた力によって、その変位電極が変位することによりセンサセルの出力が変化して測定誤差の原因となって、力の分布を測定する際の精度が著しく低下する。
【００８０】
なお、本実施の形態のセンサシート１は、上述の歩行解析の他、例えば、自動車用シートに人が着座した際に運転状況により人が慣性力で揺すられる状態を自動車用シートに作用する体圧分布として三次元的にダイナミックに解析を行う場合に有効である。また、これら以外にも、センサシート１に平行な剪断力が働く場合の圧力分布を測定する手段として利用するときにも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
また、センサシート１の耐荷重は、例えば、センサセル１０の大きさ、変位電極３０およびカバー層４０を形成する材料の硬度または厚さなどを変更することによって、適宜調整することができる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態に係るセンサシート１においては、各センサセル１０が外部から加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分をそれぞれ検出することができる。従って、センサシート１全体において、外部から加えられた力のカバー層４０に垂直方向成分およびそれに平行な２方向成分を含む３次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシート１に作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
【００８３】
また、センサセル１０に対して外部から力が加えられていない場合には、変位電極３０が絶縁状態に維持されているため、容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５と変位電極３０との間に構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電圧がかからない。そのため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサセル１０からの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、センサセル１０に対して外部から力が加えられると、変位電極３０が接地された基準電極Ｄ０と接触するため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電圧がかかるようになる。そのため、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサセル１０からの出力信号が容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、変位電極３０の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサセル１０の各容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する（各容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサセル１０の各容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００８４】
また、変位電極３０と基準電極Ｄ０とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチＳ１として機能するため、外部から力が加えられていないセンサセル１０の変位電極３０が、当該センサセル１０に近接するその他のセンサセルに対して外部から加えられた力によって当該センサセル１０の変位電極３０と基準電極Ｄ０とが接触しない程度に変位した場合でも、当該センサセル１０の出力が変化することがない。従って、当該センサセル１０に近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサセル１０に測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。
【００８５】
また、カバー層４０と変位電極３０との間には、金属製のコア５０が配置されているため、外部から加えられた力を変位電極３０に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの変位電極３０の傾きを利用して当該力が検出される場合、つまり、変位電極３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分との変位に基づく容量素子Ｃ１、Ｃ２の各静電容量値の変化量の差を利用して当該力のＸ軸方向成分が検出される場合、および、変位電極３０のＹ軸正方向部分とＹ軸負方向部分との変位に基づく容量素子Ｃ３、Ｃ４の各静電容量値の変化量の差を利用して当該力のＹ軸方向成分が検出される場合に、変位電極３０の傾きが検出し易くなって、センサセル１０における検出精度を向上させることができる。
【００８６】
また、センサシート１は、マトリックス状に配置された多数のセンサセル１０を有しており、センサセル１０がセンサシート１全体に均一に配置されているため、センサシート１上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
【００８７】
また、外部から力を受けるカバー層４０の表面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【００８８】
次に、本発明の実施の形態の第１の参考例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施の形態の第１の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【００８９】
本参考例に係るセンサシートに含まれるセンサセル１１０の構成が、図２のセンサセル１０の構成と大きく異なる点は、センサセル１０では、コア５０がカバー層４０と変位電極３０との間に配置されているのに対して、センサセル１１０では、コア１５０がカバー層１４０の表面から突出している点である。なお、その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９０】
センサセル１１０においては、変位電極１３０は、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ１〜Ｄ５および基準電極Ｄ０に対向するように配置されており、その下面に突起部１３０ａが形成されており、その上面は平らになっている。そして、変位電極１３０の上面には、カバー層１４０が覆うように配置されている。カバー層１４０の表面には、コア１５０の高さのほぼ半分の深さの凹部１４０ａが形成されている。従って、コア１５０が、カバー層１４０の凹部１４０ａ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分がカバー層１４０の表面から突出するようになる。ここで、コア１５０は、外部から加えられる力を直接受ける検知部として機能することになる。また、この場合には、センサシートの表面は凹凸を有するようになる。
【００９１】
なお、センサセル１１０の回路構成および動作については、第１の実施の形態と同様である。
【００９２】
【００９３】
次に、本発明の実施の形態の第２の参考例について、図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本実施の形態の第２の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図１２は、図１１のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【００９４】
本参考例に係るセンサシートに含まれるセンサセル２１０の構成が、図２のセンサセル１０の構成と大きく異なる点は、センサセル１０では、コア５０がカバー層４０と変位電極３０との間に配置されており、外部から力が加えられていない場合には変位電極３０が絶縁状態に維持されているのに対して、センサセル２１０では、コア２５０がカバー層２４０の表面から突出しており、変位電極２３０が常に接地されている点である。なお、その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９５】
センサセル２１０においては、基板２０上には、図１２に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｄ２０５と、容量素子用電極Ｄ２０５の外側に配置された略扇形である容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０４と、容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０４の外側に配置された環状の基準電極Ｄ２００とが設けられている。
【００９６】
ここで、変位電極２３０の下面には、基準電極Ｄ２００と同じ形状の突起部２３０ａが形成されている。そして、変位電極２３０は、突起部２３０ａの下端部と基準電極Ｄ２００とが接触すると共に、基板２０上に設けられた容量素子用電極Ｄ２０１〜Ｄ２０５に対向するように配置されている。従って、変位電極２３０は、基準電極Ｄ２００を介して接地されており、常に接地電位に維持されることになる。なお、本参考例では、基板２０およびカバー層２４０と同様に変位電極２３０は、センサシートに含まれる全てのセンサセル２１０に対して共通の部材である。
【００９７】
そして、変位電極２３０の上面には、カバー層２４０が覆うように配置されている。カバー層２４０の表面には、コア２５０の高さのほぼ半分の深さの凹部２４０ａが形成されている。従って、コア２５０が、カバー層２４０の凹部２４０ａ内に挿入されると、その上端側のほぼ半分の部分がカバー層２４０の表面から突出するようになる。ここで、コア２５０は、外部から加えられる力を直接受ける検知部として機能することになる。また、この場合には、センサシートの表面は凹凸を有するようになる。
【００９８】
なお、センサセル２１０の回路構成および動作については、第１の実施の形態において、スイッチＳ１が常にオン状態である場合と同様であると考えられる。
【００９９】
【０１００】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートの構成について、図面を参照しつつ説明する。図１３は、本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。図１４は、図１３のセンサセルに含まれる複数の電極の配置を示す図である。図１５は、図１３に示すセンサセルの回路の概略構成図である。図１６は、図１３に示すセンサセルの回路図の一例である。
【０１０１】
第２の実施の形態のセンサシートの構成が、第１の実施の形態のセンサシート１の構成と大きく異なる点は、センサシート１では、各センサセル１０がそれぞれ静電容量式センサを含んでいるのに対して、本実施の形態のセンサシートでは、各センサセル３１０がそれぞれ抵抗型センサを含んでいる点である。その他の構成のうち、センサセル１０と同様である部分については、同一で符号を付して詳細な説明は省略する。なお、本実施の形態のセンサシートにおいても、多数のセンサセル３１０は、マトリックス状に配置されている。
【０１０２】
本実施の形態のセンサセル３１０では、基板２０と、支持部材６０によって基板２０との間に所定の空隙が形成されるように支持された支持体３３０との間に、センサユニット３００が配置されている。また、カバー層４０と支持体３３０との間には、コア５０が配置されている。ここで、支持体３３０は、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料で形成されている。なお、コア５０は、第１の実施の形態と同様に、支持体３３０の上面に形成された凹部３３０ａおよびカバー層４０に形成された凹部４０ａによって囲まれている。
【０１０３】
センサユニット３００は、重ね合わされた２枚の膜状部材３７０、３７１を有している。ここで、膜状部材３７０、３７１は、いずれも例えばＰＥＴフィルムなどで構成されている。また、膜状部材３７０と膜状部材３７１との間には、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５および感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５が設けられている。そして、センサユニット３００の下面（膜状部材３７０の下面）が基板２０の表面に接触し、その上面（膜状部材３７１の上面）が支持体３３０の下面に接触するように配置されている。
【０１０４】
膜状部材３７０の上面（その膜状部材３７１との接合面）には、図１４（ａ）に示すように、原点Ｏ’（膜状部材３７０の上面とＺ軸との交点）を中心とする円形の導電ランドＤ１５と、導電ランドＤ１５の外側に配置された略扇形である導電ランドＤ１１〜Ｄ１４とが、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。また、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５上には、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５が、それらの上にそれぞれ重なるようにスクリーン印刷されている。
【０１０５】
同様に、膜状部材３７１の下面（その膜状部材３７０との接合面）には、図１４（ｂ）に示すように、原点Ｏ’’（膜状部材３７１の下面とＺ軸との交点）を中心とする円形の導電ランドＤ２５と、導電ランドＤ２５の外側に配置された略扇形である導電ランドＤ２１〜Ｄ２４とが、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。また、導電ランドＤ２１〜Ｄ２５上には、感圧抵抗インクＲ２１〜Ｒ２５が、それらの上にそれぞれ重なるようにスクリーン印刷されている。
【０１０６】
ここで、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５は、圧力または接触面積によって抵抗値が変化する部材である。感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２５としては、例えば、二酸化チタン充填剤、ビニル樹脂結合剤およびブチルセロソルブアセテート溶剤を含有する絶縁インクに、グラファイト、ビニル樹脂およびブチルセロソルブアセテートを含有する導電インクを混入したものなどが用いられる。また、感圧抵抗インクの抵抗値は、主な構成成分である絶縁成分と導電成分との相対的な割合を変えることによって容易に変化させることが可能である。
【０１０７】
ここで、感圧抵抗インクＲ１１（導電ランドＤ１１）と感圧抵抗インクＲ２１（導電ランドＤ２１）とが対向しており、Ｘ軸正方向に対応するように配置されている。また、感圧抵抗インクＲ１２（導電ランドＤ１２）と感圧抵抗インクＲ２２（導電ランドＤ２２）とが対向しており、Ｘ軸負方向に対応するように配置されている。同様に、感圧抵抗インクＲ１３（導電ランドＤ１３）と感圧抵抗インクＲ２３（導電ランドＤ２３）とが対向しており、Ｙ軸正方向に対応するように配置されており、感圧抵抗インクＲ１４（導電ランドＤ１４）と感圧抵抗インクＲ２４（導電ランドＤ２４）とが対向しており、Ｙ軸負方向に対応するように配置されている。また、感圧抵抗インクＲ１５（導電ランドＤ１５）と感圧抵抗インクＲ２５（導電ランドＤ２５）とが対向しており、Ｚ軸方向に対応するように配置されている。なお、上述のように対向する感圧抵抗インク（導電ランド）同士はほぼ同じ大きさを有している。
【０１０８】
また、センサユニット３００では、膜状部材３７０、３７１の間に、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５の他、回路パターン（配線）およびコネクタ端子の導電層なども形成されているが、図１３では図示が省略されている。なお、後述するように、導電ランドＤ１１〜Ｄ１５、Ｄ２１〜Ｄ２５は、これらの回路パターンおよび端子を通じて、センサ回路などに接続される。
【０１０９】
ここで、センサセル３１０では、上述したように、導電ランドＤ１１、Ｄ２１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、一方、導電ランドＤ１２、Ｄ２２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、導電ランドＤ１３、Ｄ２３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、一方、導電ランドＤ１４、Ｄ２４はＹ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。また、一対の導電ランドＤ１１、Ｄ２１および一対の導電ランドＤ１２、Ｄ２２は、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の導電ランドＤ１３、Ｄ２３および一対の導電ランドＤ１４、Ｄ２４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。
【０１１０】
次に、センサセル３１０の回路構成について、図１５および図１６を参照して説明する。
【０１１１】
センサセル３１０では、感圧抵抗インクＲ１１〜Ｒ１５と、それらにそれぞれ対向する感圧抵抗インクＲ２１〜Ｒ２５とは、可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５をそれぞれ構成している。従って、図１５に示すように、可変接触抵抗Ｒ１、Ｒ２に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｘが導出される。同様に、可変接触抵抗Ｒ３、Ｒ４に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｙが導出され、可変接触抵抗Ｒ５および固定抵抗Ｒ６に接続されたＲ／Ｖ変換回路からそれぞれ出力された信号を例えば排他和回路や差動増幅回路などで読み取ることによって、出力Ｖｚが導出される。このようにして、外部から加えられた力の方向および大きさに応じて変化する可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値に基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に対応する出力（アナログ電圧）を得ることができる。
【０１１２】
図１６に示すセンサセル３１０の回路図では、可変接触抵抗Ｒ１の一端と可変接触抵抗Ｒ２の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ１の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、可変接触抵抗Ｒ２の他端は接地されている。これと同様に、可変接触抵抗Ｒ３の一端と可変接触抵抗Ｒ４の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ３の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、可変接触抵抗Ｒ４の他端は接地されている。また、可変接触抵抗Ｒ５の一端と固定抵抗Ｒ６の一端とが接続されていると共に、可変接触抵抗Ｒ５の他端は電源電圧Ｖｃｃに保持されており、固定抵抗Ｒ６の他端は接地されている。
【０１１３】
また、可変接触抵抗Ｒ１の一端および他端には、固定抵抗Ｒ１０が接続されている。同様に、可変接触抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の一端および他端には、固定抵抗Ｒ２０、Ｒ３０、Ｒ４０、Ｒ５０がそれぞれ接続されている。固定抵抗Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０、Ｒ４０、Ｒ５０は、可変接触抵抗Ｒ１〜Ｒ５を構成する一対の感圧抵抗インクが離隔状態と同様の状態になって無限大の抵抗値になった場合でも、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応したアナログ電圧を出力できるように設けられた一定の抵抗値を有する固定抵抗である。
【０１１４】
ここで、図１６の回路図において、可変接触抵抗Ｒ１と可変接触抵抗Ｒ２との間の節点Ｘ０からの出力Ｖｘと、可変接触抵抗Ｒ３と可変接触抵抗Ｒ４との間の節点Ｙ０からの出力Ｖｙと、可変接触抵抗Ｒ５と固定抵抗Ｒ６との間の節点Ｚ０からの出力Ｖｚとは、次のような式によって導出される。なお、節点Ｘ０は、固定抵抗Ｒ１０と固定抵抗Ｒ２０との間の節点でもあって、節点Ｙ０は、固定抵抗Ｒ３０と固定抵抗Ｒ４０との間の節点でもあって、節点Ｚ０は、固定抵抗Ｒ５０と固定抵抗Ｒ６との間の節点でもある。
【０１１５】
【式１】
以上のように、本実施の形態に係るセンサシートにおいては、各センサセル３１０が外部から加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分をそれぞれ検出することができる。従って、センサシート全体において、外部から加えられた力のカバー層４０に垂直方向成分およびそれに平行な２方向成分を含む３次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
【０１１７】
また、カバー層４０と支持体３３０との間には、金属製のコア５０が配置されているため、外部から加えられた力を支持体３３０に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの支持体３３０の傾きを利用して当該力が検出される場合、つまり、支持体３３０のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分との変位に基づく可変接触抵抗Ｒ１、Ｒ２の各抵抗値の変化量の差を利用して当該力のＸ軸方向成分が検出される場合、および、支持体３３０のＹ軸正方向部分とＹ軸負方向部分との変位に基づく可変接触抵抗Ｒ３、Ｒ４の各抵抗値の変化量の差を利用して当該力のＹ軸方向成分が検出される場合に、支持体３３０の傾きが検出し易くなって、センサセル３１０における検出精度を向上させることができる。
【０１１８】
また、本実施の形態のセンサシートにおいても、第１の実施の形態と同様に、マトリックス状に配置された多数のセンサセル３１０を有しており、センサセル３１０がセンサシート全体に均一に配置されているため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出することができる。
【０１１９】
また、外部から力を受けるカバー層４０の表面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【０１２０】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、上述の第１の実施の形態では、多数のセンサセルが平面上（平板状）に配列されたセンサシートについて説明しているが、これに限らず、多数のセンサセルが、例えば円筒状または球面状などの曲面状に配列されたセンサシートであってもよい。
【０１２１】
また、上述の第１の実施の形態では、外部から力が加えられていない場合には、変位電極の突起部と基準電極とが離隔している場合について説明しているが、これに限らず、変位電極の突起部と基準電極とが常に接触しており、変位電極が常に接地電位に維持されていてもよい。
【０１２２】
【０１２３】
【０１２４】
また、上述の第１および第２の実施の形態では、外部から加えられる力について互いに異なる３つの方向の対応する成分を認識可能なセンサを含むセンサシートについて説明しているが、これに限らず、センサシートに含まれるセンサとしては、当該力について互いに異なる２つの方向に対応する成分を認識可能なものであってもよい。
【０１２５】
【０１２６】
また、上述の第１の実施の形態では、ＥＸ−ＯＲ素子が含まれる信号処理回路が用いられる場合について説明しているが、これに限らず、信号処理回路の構成は任意に変更することができる。従って、排他的論理和演算を行うＥＸ−ＯＲ素子の代わりに、論理和演算を行うＯＲ素子、論理積演算を行うＡＮＤ素子、論理積演算および否定演算を行うＮＡＮＤ素子のいずれかが含まれる信号処理回路が用いられてもよい。この場合には、センサセルの各部材が感度が非常によくなる材料で製作された場合に、信号処理回路の構成によって、センサシートの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ことができる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、６によると、センサが外部から加えられた力の複数方向成分をそれぞれ認識することができるため、センサシート全体において、外部から加えられた力の検知面に垂直方向成分だけでなく、その他の方向成分を含む多次元の力の分布を測定することができる。従って、センサシートに作用する力の詳細な解析を行うことが可能となる。
また、カバー層と第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部からカバー層に加えられる力によって第２の電極を変位させるためのカバー層より硬質の材料で形成されたコア部材を備えているので、外部から加えられた力を第２の電極に効率よく伝達することができる。特に、外部から力が加えられたときの第２の電極の傾き（第２の電極の一端部の変位と他端部の変位との差）を利用して当該力が検出される場合に、第２の電極の傾きが検出し易くなって、センサにおける検出精度を向上させることができる。
また、センサがマトリックス状に配置されており、センサがセンサシート全体に均一に配置されるため、センサシート上に対して外部から加えられた力の分布を精度よく検出す ることができる。
また、外部から力を受ける面には凹凸がなく平坦であるため、測定するための特別な条件下ではなく、通常の条件下において力の分布を測定することができる。
【０１２８】
請求項２によると、外部から力が加えられていない場合には、第２の電極が絶縁状態に維持されているため、第１の電極と第２の電極との間に構成される容量素子には電圧がかからない。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が無視できる程度に小さくなり、センサからの出力信号は一定の大きさで安定している。一方、外部から力が加えられると、第２の電極が接地された第３の電極と接触するため、当該容量素子に電圧がかかるようになる。そのため、当該容量素子に蓄えられている電荷量が急激に大きくなり、センサからの出力信号が当該容量素子の静電容量値の変化に応じて大きく変化する。このように、外部から力が加えられる前およびその後における当該容量素子に蓄えられている電荷量は、外部から力が加えられている間の電荷量と比較すると、いずれも無視できる程度に小さい。そのため、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれた場合でも、外部から力が加えられる前およびその後におけるセンサの各容量素子に対応する（各容量素子用電極からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、センサの各容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【０１２９】
また、第２の電極と第３の電極とが互いに接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りうるスイッチとして機能するため、外部から力が加えられていないセンサの第２の電極が、当該センサに近接するその他のセンサに対して外部から加えられた力によって若干（当該センサの第２の電極と第３の電極とが接触しない程度に）変位した場合でも、当該センサの出力が変化することがない。従って、当該センサに近接するその他のセンサに加えられる力によって、当該センサに測定誤差が生じて、力の分布の測定精度が著しく低下するのを抑制することができる。つまり、複数のセンサが互いに近接するように配置されている場合でも、所定の大きさ（第２の電極と第３の電極とを接触させる程度の大きさ）以上の力が加えられたセンサだけが力覚センサとして機能することになる。
【０１３０】
【０１３１】
【０１３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセンサシートの斜視図である。
【図２】図１のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図３】図２のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図４】図２に示すセンサセルの構成に対する等価回路図である。
【図５】図２に示すセンサセルに対して外部から力が加えられた場合の側面の模式的な断面図である。
【図６】図２に示すセンサセルに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図７】図２に示すセンサセルの信号処理回路を示す回路図である。
【図８】図２に示すセンサセルのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図である。
【図９】図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【図１０】本実施の形態の第１の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１１】本実施の形態の第２の参考例のセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１２】図１１のセンサセルの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係るセンサシートに含まれるセンサセルの模式的な断面図である。
【図１４】図１３のセンサセルに含まれる複数の電極の配置を示す図である。
【図１５】図１３に示すセンサセルの回路の概略構成図である。
【図１６】図１３に示すセンサセルの回路図の一例である。
【符号の説明】
１ センサシート
１０、１１０、２１０、３１０ センサセル（センサ）
３０ 変位電極（第２の電極）
５０ コア（コア部材）
Ｄ０ 基準電極（第３の電極）
Ｄ１〜Ｄ５ 容量素子用電極（第１の電極）
Ｄ１１〜Ｄ１５ 導電ランド（第１の電極）
Ｄ２１〜Ｄ２５ 導電ランド（第２の電極）
Ｒ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ２５ 感圧抵抗インク（感圧抵抗体）
Ｃ１〜Ｃ４ 容量素子
Claims (6)
- マトリックス状に配置された複数のセンサと、
前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、
前記センサが、
前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、
前記第１の電極と対向するように配置されており前記第１の電極との間でそれぞれ容量素子を構成すると共に、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、
前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、
前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化がそれぞれ検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、
前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするセンサシート。 - 前記センサが、
前記第１の電極に隣接するように配置された第３の電極をさらに備えており、
前記第２の電極が絶縁状態に維持されていると共に、前記第３の電極は接地されており、
外部から力が加えられた場合に、前記第２の電極と前記第３の電極とが接触可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサシート。 - 前記第２の電極は、前記第３の電極に向かって突出する突起部を有していることを特徴とする請求項２に記載のセンサシート。
- 前記センサは前記第１の電極を覆う絶縁膜を有していることを特徴とする請求項２または３に記載のセンサシート。
- 前記センサは、前記第２の電極が前記第３の電極に接触した場合に、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記容量素子の静電容量値の変化を検出することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のセンサシート。
- マトリックス状に配置された複数のセンサと、
前記複数のセンサを覆うように配置され、外部から加えられる力を受ける面が実質的に凹凸がないように構成されたカバー層とを備え、
前記センサが、
前記複数方向にそれぞれ対応する複数種類の第１の電極と、
前記第１の電極と対向するように配置されており、前記カバー層に対して外部から加えられる力に伴って前記第１の電極と近接する方向に変位可能な第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された感圧抵抗体と、
前記カバー層と前記第２の電極の間においてセンサ毎に配置されており、外部から前記カバー層に加えられる力によって前記第２の電極を変位させるための前記カバー層より硬質の材料で形成されたコア部材とを備えており、
前記センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間の抵抗値の変化が検出されることに基づいて前記カバー層に対して外部から加えられた力の互いに異なる複数方向に対応する成分をそれぞれ認識可能であり、
前記複数のセンサのうちの少なくとも２つのセンサでの認識結果に基づいて前記カバー層に対して外部から加えられる力の分布を検知可能であることを特徴とするセンサシート。
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