JP7352883B2 - 検出回路および荷重検出装置 - 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静電容量型荷重センサに用いられる検出回路、および当該検出回路と静電容量型荷重センサとを備える荷重検出装置に関する。

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、可撓性を有し且つ伸縮自在な誘電層の上下に、それぞれ、複数の第１電極と複数の第２電極とが互いに交差するように配置された静電容量型センサ装置が記載されている。第１電極の上面に外力が付与されると、誘電層が圧縮されて、第１電極と第２電極との距離が縮まる。これにより、第１電極と第２電極との交差部分の静電容量が変化する。

測定動作時には、複数の第１電極に対し、順番に、電圧印加素子から矩形波電圧が印加される。矩形波電圧が印加される第１電極が、入力側切替回路により切り替えられる。また、複数の第２電極が、順番に、電圧計測器に接続される。電圧計測器に対する接続の切り替えは、出力側切替回路によって行われる。電圧計測部は、入力側切替回路と出力側切替回路とによって切り替えがなされた状態で、第１電極と第２電極との間の静電容量に応じた電圧を計測する。この電圧値は、これら第１電極と第２電極との交差部分の静電容量に対応する。この電圧値に基づいて、当該交差部分に付与された外力の大きさが測定される。

国際公開第２０１１／１２５７２５号

上記のような構成では、たとえば、第２電極から引き出された信号線間で短絡が生じると、測定対象の交差部分とともに、隣の交差部分の静電容量が同時に測定されてしまう。この場合、各交差部分における静電容量の変化が小さいと、短絡による誤測定を見つけ出すことができず、結果、荷重の測定精度の低下を招いてしまう。

かかる課題に鑑み、本発明は、電極から引き出された信号線間の短絡を適切に見つけ出すことが可能な検出回路および静電容量型荷重検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、一方向に並んで配置された複数の第１電極と、前記複数の第１電極に交差して配置された複数の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する誘電体とを備える静電容量型荷重センサに対し、前記第１電極と前記第２電極との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路に関する。本態様に係る検出回路は、矩形電圧を出力するための電圧出力部と、前記電圧出力部と前記複数の第１電極との間に配置された抵抗と、前記抵抗の下流側の電位と等電位の抑止電圧を生成する等電位生成部と、前記抵抗の下流側の電位を供給するための第１供給ラインおよび前記抑止電圧を供給するための第２供給ラインの何れか一方を選択的に前記複数の第１電極に接続するための第１切替部と、グランドと前記第２供給ラインの何れか一方を選択的に前記複数の第２電極に接続するための第２切替部と、前記等電位生成部と前記第２供給ラインとを接続および非接続の何れか一方の状態に選択的に切り替えることが可能なジャンパ部と、前記第１供給ラインと前記グランドとの間の電位差を測定する電圧計と、前記等電位生成部と前記第２供給ラインとの間に介挿された抵抗成分を含む電気素子と、を備える。

複数の第２電極をそれぞれ第２切替部に接続する複数の信号線間で短絡が生じた場合、たとえば、測定対象の第２電極とともに、その隣の第２電極が、短絡箇所を介して、グランドに接続される。これにより、隣の第２電極と、測定対象の第１電極との交差位置にも電荷が蓄積される。また、この短絡により、等電位生成部から電気素子および短絡箇所を介してグランドに電流が流れる。このとき、電気素子において電圧降下が生じ、第２供給ラインの電位が第１供給ラインよりも低下する。これにより、測定対象の第１電極と他の全ての第２電極との交差位置にも、それぞれ電荷が蓄積される。このように、測定対象の第１電極における全ての交差位置に電荷が蓄積されるため、正常時に比べ、静電容量が大きく変化し、電圧計によって測定される電位差が大きく低下する。よって、電圧計の測定結果に基づいて、信号線間の短絡を適切に見つけ出すことができる。

本発明の第２の態様は、荷重検出装置に関する。本態様に係る荷重検出装置は、第１の態様に係る検出回路と、上記静電容量型荷重センサと、を備える。

本態様に係る荷重検出装置によれば、上記第１の態様と同様の効果が奏される。

以上のとおり、本発明によれば、電極から引き出された信号線間の短絡を適切に見つけ出すことが可能な検出回路および静電容量型荷重検出装置を提供できる。

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、実施形態に係る、被覆付き銅線を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）は、実施形態に係る、糸を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、実施形態に係る、基材が設置されたことにより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３（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の被覆付き銅線の周辺を模式的に示す断面図である。 図４は、実施形態に係る、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５は、実施形態に係る、荷重検出装置の回路構成を示す図である。 図６は、実施形態に係る、通常モードで測定が行われる際に電圧出力部のスイッチがオンに設定された後の状態を模式的に示す回路図である。 図７は、実施形態に係る、通常モードで測定が行われる際にスイッチの切り替えにより放電が行われる状態を模式的に示す回路図である。 図８は、実施形態に係る、ケーブル間で短絡が生じている場合に短絡検知モードで測定が行われ短絡が検出される過程を模式的に示す回路図である。 図９は、実施形態に係る、ケーブル間で短絡が生じている場合に通常モードで測定が行われる状態を模式的に示す回路図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、変更例に係る、ジャンパ部の構成を模式的に示す回路図である。

本発明に係る静電容量型荷重センサは、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。

以下の実施形態における荷重センサは、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静電容量型荷重センサである。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。また、以下の実施形態における検出回路は、上記のような荷重センサに接続される検出回路であり、以下の実施形態における荷重検出装置は、上記のような荷重センサおよび検出回路を備える荷重検出装置である。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。

図１（ａ）～図４を参照して、荷重センサ１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り、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が設置されている。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、Ｘ軸方向に互いに離間した状態で並んで設置されている。各導電弾性体１２のＹ軸負側の端部に、導電弾性体１２と電気的に接続されたケーブル１２ａが設置される。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）の構造体に載置された３つの被覆付き銅線１３を模式的に示す斜視図である。

被覆付き銅線１３は、図１（ａ）に示した３つの導電弾性体１２の上面に重ねて配置される。ここでは、３つの被覆付き銅線１３が３つの導電弾性体１２の上面に重ねて配置されている。各被覆付き銅線１３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１３は、導電弾性体１２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って、導電弾性体１２に交差するように並んで配置されている。各被覆付き銅線１３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１３の構成については、追って図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

図２（ａ）は、図１（ｂ）の構造体に設置された糸１４を模式的に示す斜視図である。

図１（ｂ）のように３つの被覆付き銅線１３が配置された後、各被覆付き銅線１３は、被覆付き銅線１３の長手方向（Ｘ軸方向）に移動可能に、糸１４で基材１１に接続される。図２（ａ）に示す例では、１２個の糸１４が、導電弾性体１２と被覆付き銅線１３とが重なる位置以外の位置において、被覆付き銅線１３を基材１１に接続している。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。

図２（ｂ）は、図１（ｂ）の構造体に設置された、基材１５を模式的に示す斜視図である。

図２（ａ）に示した構造体の上方から、図２（ｂ）に示すように、基材１５が設置される。基材１５は、絶縁性の部材である。基材１５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１５は、Ｘ－Ｙ平面に平行な平板形状を有し、Ｘ－Ｙ平面における基材１５の大きさは、基材１１と同様である。基材１５の四隅の頂点が基材１１の四隅の頂点に対して、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１５が基材１１に対して固定される。こうして、図２（ｂ）に示すように、荷重センサ１が完成する。

図３（ａ）、（ｂ）は、Ｘ軸負方向に見た場合の被覆付き銅線１３の周辺を模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、荷重が加えられていない状態を示し、図３（ｂ）は、荷重が加えられている状態を示している。

図３（ａ）に示すように、被覆付き銅線１３は、銅線１３ａと、銅線１３ａを被覆する誘電体１３ｂと、により構成される。銅線１３ａは、銅により構成されており、銅線１３ａの直径は、たとえば、約６０μｍである。誘電体１３ｂ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１３ｂ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３（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１３との間にかかる力、および、基材１５と被覆付き銅線１３との間にかかる力は、ほぼゼロである。この状態から、図３（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１５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１３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１５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３（ｂ）に示すように、荷重が加えられると、被覆付き銅線１３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１３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１３内の銅線１３ａと導電弾性体１２との間の静電容量が変化し、この領域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４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４では、便宜上、糸１４および基材１５の図示が省略されている。

図４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１３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１３を含み、被覆付き銅線１３は、静電容量の他方の極（たとえば陽極）を構成し、導電弾性体１２は、静電容量の一方の極（たとえば陰極）を構成する。

すなわち、被覆付き銅線１３の銅線１３ａは、荷重センサ１（静電容量型荷重センサ）の一方の電極を構成し、導電弾性体１２は、荷重センサ１（静電容量型荷重センサ）の他方の電極を構成し、被覆付き銅線１３の誘電体１３ｂは、荷重センサ１（静電容量型荷重センサ）において静電容量を規定する誘電体に対応する。この構成では、銅線１３ａが、特許請求の範囲に記載の「第１電極」に対応し、導電弾性体１２が、特許請求の範囲に記載の「第２電極」に対応し、誘電体１３ｂが、特許請求の範囲に記載の「誘電体」に対応する。

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１３が導電弾性体１２に包み込まれる。これにより、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との間の接触面積が変化し、当該被覆付き銅線１３と当該導電弾性体１２との間の静電容量が変化する。被覆付き銅線１３のＸ軸負側の端部およびケーブル１２ａのＹ軸負側の端部は、図５を参照して後述する検出回路２に接続されている。

図４に示すように、３つの被覆付き銅線１３をラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３と称し、３つの導電弾性体１２から引き出されたケーブル１２ａをラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と称する。ラインＬ１１がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３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Ｌ１２がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３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Ｌ１３がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３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１３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。

次に、荷重検出装置３の構成について説明する。

図５は、荷重検出装置３の回路構成を示す図である。荷重検出装置３は、上記のような荷重センサ１と、荷重センサ１に電気的に接続された検出回路２と、を備える。図５において、便宜上、荷重センサ１については、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２のみが図示されており、導電弾性体１２は、線状に図示されている。また、図５においては、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２の数は、図１（ａ）～図４に示した例とは異なり、いずれも６個である。

検出回路２は、電圧出力部２１と、抵抗２２と、等電位生成部２３と、スイッチ２４、２５、２６と、電圧計２７と、制御部２８と、第１切替部３０と、第２切替部４０と、を備える。検出回路２は、荷重センサ１に対し、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路である。

電圧出力部２１は、電源２１ａとスイッチ２１ｂを備え、矩形電圧を回路に出力する。スイッチ２１ｂは、電源２１ａの陽極側に接続されている。抵抗２２は、電圧出力部２１の陽極側に接続されており、電圧出力部２１と複数の被覆付き銅線１３の銅線１３ａとの間に配置されている。抵抗２２の下流側端子には、第１供給ラインＬ１が接続されている。

第１供給ラインＬ１には、第１切替部３０と、等電位生成部２３と、スイッチ２６と、電圧計２７とが接続されている。等電位生成部２３の出力側端子には、スイッチ２４、２５が接続されている。等電位生成部２３は、オペアンプであり、出力側端子と入力側のマイナス端子とが互いに接続されている。等電位生成部２３は、第１供給ラインＬ１の電位（抵抗２２の下流側の電位）と等電位の抑止電圧を生成する。

第２供給ラインＬ２は、第１切替部３０および第２切替部４０に接続されている。スイッチ２４は、等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間に介挿されている。スイッチ２４は、ほぼ無抵抗のスイッチであり、たとえば、メカニカルスイッチにより構成される。スイッチ２５は、等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間に介挿された抵抗成分を含む電気素子である。図５では、便宜上、スイッチ２５の切り替え機能がスイッチ部２５ａとして示され、スイッチ２５の抵抗成分が抵抗部２５ｂとして示されている。スイッチ部２５ａは、等電位生成部２３およびグランドラインＬ３の何れか一方を第２供給ラインＬ２に選択的に接続する。

スイッチ２６は、第１供給ラインＬ１とグランドラインＬ３との間に介挿されている。電圧計２７は、第１供給ラインＬ１とグランドラインＬ３との間に介挿されている。電圧計２７は、第１供給ラインＬ１とグランドラインＬ３との間の電位差を測定する。

第１切替部３０は、抵抗２２の下流側の電位を供給するための第１供給ラインＬ１および抑止電圧を供給するための第２供給ラインＬ２の何れか一方を選択的に複数の被覆付き銅線１３（銅線１３ａ）に接続する。

具体的には、第１切替部３０は、６個のマルチプレクサ３１を備えている。６個のマルチプレクサ３１は、それぞれ、６個の被覆付き銅線１３（銅線１３ａ）に対応して設けられている。各マルチプレクサ３１の出力側端子に、被覆付き銅線１３の銅線１３ａが接続されている。各マルチプレクサ３１の入力側端子は２つ設けられている。一方の入力側端子に第１供給ラインＬ１が接続されており、この入力側端子に、第１供給ラインＬ１および抵抗２２を介して、電圧出力部２１から矩形電圧が印加される。マルチプレクサ３１の他方の入力側端子は、第２供給ラインＬ２に接続されており、この入力側端子に、第２供給ラインＬ２を介して、等電位生成部２３から抑止電圧が印加される。

第２切替部４０は、抑止電圧を供給するための第２供給ラインＬ２およびグランドと等電位に設定されたグランドラインＬ３の何れか一方を選択的に導電弾性体１２（ケーブル１２ａ）に接続する。

具体的には、第２切替部４０は、６個のマルチプレクサ４１を備えている。６個のマルチプレクサ４１は、それぞれ、６個の導電弾性体１２（ケーブル１２ａ）に対応して設けられている。各マルチプレクサ４１の出力側端子に、導電弾性体１２に接続されたケーブル１２ａが接続されている。各マルチプレクサ４１の入力側端子は２つ設けられている。一方の入力側端子に第２供給ラインＬ２が接続されており、この入力側端子に、第２供給ラインＬ２を介して、等電位生成部２３から抑止電圧が印加される。マルチプレクサ４１の他方の入力側端子は、グランドラインＬ３に接続されている。

制御部２８は、演算処理回路とメモリを備え、たとえばＦＰＧＡやＭＰＵにより構成される。制御部２８は、スイッチ２１ｂ、２５ａ、２６およびマルチプレクサ３１、４１の切り替えを行う。

次に、荷重検出時の制御部２８の制御について説明する。

荷重検出装置３が起動すると、制御部２８は、たとえば以下に示すように、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２とが交わる位置（図５の場合は３６箇所）における素子部の静電容量を順に測定し、各素子部にかかる荷重を算出する。

たとえば、図５において最も上の被覆付き銅線１３と最も左の導電弾性体１２とが交わる位置の素子部Ａ１１について荷重の測定を行う場合について説明する。

制御部２８は、素子部Ａ１１について測定を開始すると、測定対象の素子部Ａ１１の電極を構成する被覆付き銅線１３（銅線１３ａ）に接続されたマルチプレクサ３１が第１供給ラインＬ１に接続されるよう、このマルチプレクサ３１の切り替えを行う。また、制御部２８は、他の５個のマルチプレクサ３１が第２供給ラインＬ２に接続されるよう、他の５個のマルチプレクサ３１の切り替えを行う。

さらに、制御部２８は、測定対象の素子部Ａ１１の電極を構成する導電弾性体１２に接続された１つのマルチプレクサ４１がグランドラインＬ３に接続されるよう、このマルチプレクサ４１の切り替えを行う。また、制御部２８は、他の５個のマルチプレクサ４１が第２供給ラインＬ２に接続されるよう、他の５個のマルチプレクサ４１の切り替えを行う。

また、制御部２８は、スイッチ２４をオン状態に設定する。なお、スイッチ２４は、後述するように、短絡を検知する際にオフ状態（短絡検知モード）に設定される場合を除いて、通常の使用の際にはオン状態（通常モード）が維持される。また、制御部２８は、等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２とが接続されるよう、スイッチ部２５ａの切り替えを行う。また、制御部２８は、スイッチ２６をオフ状態に切り替える。

その後、制御部２８は、スイッチ２１ｂを所定時間オンに設定して、電圧出力部２１に矩形電圧を出力させる。

図６は、素子部Ａ１１が測定対象となっている場合に、スイッチ２１ｂがオンに設定された後の状態を模式的に示す回路図である。図６において、太線は、第１供給ラインＬ１の電位と等電位の部分を示している。

図６に示すように、スイッチ２１ｂがオンに設定されると、測定対象の素子部Ａ１１に、抵抗２２を介して矩形電圧が印加され、測定対象の素子部Ａ１１に電荷がチャージされる。これに伴い、抵抗２２の抵抗値Ｒと、荷重に応じた素子部Ａ１１の容量とで規定される時定数により、素子部Ａ１１の電位が上昇する。この電位は、第１供給ラインＬ１の電位に反映される。この電位は、電圧計２７により測定されて、制御部２８に出力される。

制御部２８は、矩形電圧の印加期間の所定のタイミングにおいて、電圧計２７の測定電圧を参照し、この測定電圧と上記時定数および矩形電圧の電圧値とに基づいて、測定対象の素子部Ａ１１の静電容量Ｃを算出する。そして、制御部２８は、静電容量Ｃに基づいて、素子部Ａ１１にかかる荷重を算出する。

このとき、測定対象の素子部Ａ１１と同じ行（同じ被覆付き銅線１３）の他の素子部Ａ１２～Ａ１６には、陰極側に等電位生成部２３からの電位が印加されるため、陽極と陰極とが等電位となる。よって、他の素子部Ａ１２～Ａ１６に電荷が貯まることはないため、測定対象の素子部Ａ１１に適切に電荷が貯まり、素子部Ａ１１の電圧を精度良く計測できる。また、素子部Ａ１２～Ａ１６と同じ列（同じ導電弾性体１２）の他の素子部には、陽極および陰極に等電位生成部２３からの電位が印加されるため、これら他の素子部にも電荷が貯まることはない。よって、これらの素子部を、測定において無効化することができる。

なお、測定対象の素子部Ａ１１と同じ列（同じ導電弾性体１２）の他の素子部には、陽極に等電位生成部２３からの電位が印加され、陰極にグランドラインＬ３が接続されているため、これら他の素子部には電荷が貯まる。しかしながら、これらの素子部は、陽極が第１供給ラインＬ１から切り離されているため、これら他の素子部に貯まった電荷が、電圧計２７における素子部Ａ１１の電位の測定に影響を及ぼすことはない。

制御部２８は、測定対象の素子部Ａ１１に対して荷重を算出すると、スイッチ２１ｂをオフに切り替える。こうして１つの素子部における荷重の測定が終了する。その後、制御部２８は、第２供給ラインＬ２とグランドラインＬ３とが接続されるよう、スイッチ部２５ａの切り替えを行い、さらに、スイッチ２６をオンに切り替える。これにより、各素子部に貯まった電荷が放電される。

図７は、図６の状態からスイッチ２１ｂ、スイッチ部２５ａ、およびスイッチ２６の切り替えにより放電が行われる状態を模式的に示す回路図である。

図７に示すように切り替えが行われることにより、直前に測定対象とされた素子部Ａ１１が位置する被覆付き銅線１３は、スイッチ２６を介してグランドラインＬ３に接続される。また、素子部Ａ１１と異なる行の被覆付き銅線１３、および、素子部Ａ１２～Ａ１６と同じ列の導電弾性体１２は、スイッチ２５を介してグランドラインＬ３に接続される。これにより、全ての素子部に貯まった電荷が放電される。

その後、制御部２８は、次の素子部の荷重を測定するために、マルチプレクサ３１、４１の接続状態を設定し、図６と同様に、スイッチ２５、２６を切り替え、スイッチ２１ｂをオンに切り替える。こうして、制御部２８は、各素子部の静電容量を順に測定し、各素子部にかかる荷重を算出する。

次に、隣り合う２つの導電弾性体１２に接続された２本のケーブル１２ａの間で短絡が生じた場合に、当該短絡を検出する方法について説明する。このような短絡は、荷重検出装置３の出荷後に、たとえば、想定外の使用による振動等によって起こり得る。

図８は、素子部Ａ１１に対応するケーブル１２ａと、素子部Ａ１１に対して列方向に隣り合う素子部Ａ１２に対応するケーブル１２ａとの間で、短絡線４２により短絡が生じている場合に、この短絡が検出される過程を示す図である。

オペレータは、短絡の有無を確認する場合、検出回路２の動作モードを短絡検知モードに設定する。具体的には、オペレータは、動作モードを短絡検知モードに設定するために、図８に示すように、スイッチ２４をオフ状態に設定する。そして、オペレータは、全ての素子部を無荷重状態に維持したまま、上記図６、７を参照して説明した動作を各素子部に対して実行し、各素子部について電圧計２７の出力値を取得する。

図８に示すように、素子部Ａ１１、Ａ１２に対応する２本のケーブル１２ａの間で短絡が生じているときに、素子部Ａ１１に対して荷重の算出が行われると、電圧計２７の出力値は、短絡が生じていない場合に比べて大きく低下する。

すなわち、図８に示すように、素子部Ａ１１が測定対象の場合、素子部Ａ１１に対応する導電弾性体１２およびケーブル１２ａは、グランドラインＬ３に接続される。このとき、素子部Ａ１１、Ａ１２に対応する２本のケーブル１２ａの間で短絡が生じていると、隣の素子部Ａ１２に対応する導電弾性体１２およびケーブル１２ａも、短絡部分（以下、「短絡線４２」という）を介してグランドラインＬ３に接続される。これにより、隣の素子部Ａ１２において陽極と陰極とが異なる電位となるため、素子部Ａ１２においても電荷が蓄積される。

また、この場合、短絡線４２によって、第２供給ラインＬ２とグランドラインＬ３との間に、図８の矢印に示す電気経路が生じ、この電気経路を介して、等電位生成部２３からグランドラインＬ３へと電流が流れる。このとき、スイッチ２５の抵抗部２５ｂにおいて電圧降下が生じ、第２供給ラインＬ２の電位が等電位生成部２３で生成された電位、すなわち、第１供給ラインＬ１の電位よりも低下する。図８において、二重線は、電圧降下により電位が下がっている部分を示している。これにより、測定対象の素子部Ａ１１と同じ行に位置する素子部Ａ１３～Ａ１６においても、陽極と陰極とが異なる電位となるため、素子部Ａ１３～Ａ１６においても電荷が蓄積される。

このように、短絡検知モードにおいて素子部Ａ１１が測定対象とされると、測定対象の素子部Ａ１１のみならず、同じ行のその他の素子部Ａ１２～Ａ１６にも電荷が蓄積される。すなわち、第１供給ラインＬ１に繋がる静電容量が増加する。このため、電圧計２７の出力値は、短絡が生じていない場合に比べて大きく低下する。オペレータは、測定された電圧値を参照することにより、素子部Ａ１１に対応するケーブル１２ａと、隣接するケーブル１２ａとの間で短絡が生じていることが分かる。

したがって、短絡検知モードにおいて素子部Ａ１１～Ａ１６が順に測定対象とされることにより、素子部Ａ１１～Ａ１６に対応するケーブル１２ａが、隣接するケーブル１２ａに対して短絡しているか否かを調査することができる。何れの素子部の測定において電圧値が異常であったかによって、短絡が生じているケーブル１２ａを特定できる。オペレータは、上記のように短絡が生じていると判断した場合、荷重センサ１の修理や交換といった適切な措置をとることができる。

なお、上記の検出回路２によれば、２本の隣り合うケーブル１２ａにおいて短絡が生じたとしても、検出回路２の動作モードが通常モードに維持されることにより、測定精度はやや低下するものの、荷重の測定自体を継続することが可能となる。

図９は、測定対象の素子部Ａ１１に対応するケーブル１２ａと、素子部Ａ１１と同じ行において隣り合う素子部Ａ１２に対応するケーブル１２ａとの間で短絡が生じている場合に、通常モードが継続されることを示す回路図である。

通常モード（スイッチ２４がオン状態）で測定が行われると、等電位生成部２３の抑止電圧がスイッチ２４を介して第２供給ラインＬ２に供給される。このとき、素子部Ａ１１、Ａ１２に対応する２本のケーブル１２ａが短絡線４２により短絡されているため、素子部Ａ１２においても陽極と陰極とが異なる電位となり、素子部Ａ１２にも電荷が蓄積される。しかしながら、ケーブル１２ａにおいて短絡が生じたとしても、第２供給ラインＬ２の電圧が抑止電圧から降下することがなく、抑止電圧に維持される。したがって、素子部Ａ１３～Ａ１６に電荷が蓄積されることはない。このため、電圧計２７により測定される電位差は、素子部Ａ１２に対する電荷の蓄積により、正常時に比べてやや変動するものの、素子部Ａ１３～Ａ１６の影響が回避されるため、正常時に比べて大きくは低下しない。よって、測定精度はやや低下するものの、荷重の測定自体をそのまま継続することができる。

＜実施形態の効果＞
以上、実施形態によれば、以下の効果が奏される。

複数の導電弾性体１２をそれぞれ第２切替部４０（複数のマルチプレクサ４１）に接続する複数のケーブル１２ａ間で短絡が生じた場合、たとえば、測定対象の導電弾性体１２とともに、その隣の導電弾性体１２が、短絡箇所を介して、グランドラインＬ３に接続される。これにより、隣の導電弾性体１２と、測定対象の被覆付き銅線１３の銅線１３ａとの交差位置にも電荷が蓄積される。また、この短絡により、等電位生成部２３からスイッチ２５および短絡線４２を介してグランドラインＬ３に電流が流れる。このとき、スイッチ２５の抵抗部２５ｂにおいて電圧降下が生じ、第２供給ラインＬ２の電位が第１供給ラインＬ１よりも低下する。これにより、測定対象の被覆付き銅線１３の銅線１３ａと他の全ての導電弾性体１２との交差位置にも、それぞれ電荷が蓄積される。このように、測定対象の銅線１３ａにおける全ての交差位置に電荷が蓄積されるため、正常時に比べ、静電容量が大きく変化し、電圧計２７によって測定される電位差が大きく低下する。よって、電圧計２７の測定結果に基づいて、ケーブル１２ａ間の短絡を適切に見つけ出すことができる。

スイッチ２５は、等電位生成部２３およびグランドラインＬ３の何れか一方を、第２供給ラインＬ２に選択的に接続するスイッチである。このため、非測定期間において、図７に示したように、スイッチ２５をグランド側に切り替えることにより、測定対象の素子部を含む行以外の他の行の素子部に蓄積された電荷が、スイッチ２５を介してグランドに回収される。すなわち、スイッチ２５を、ケーブル１２ａ間の短絡の検出と、各素子部における電荷の回収とに共用できる。これにより、検出回路２の構成の簡素化を図ることができる。

スイッチ２５とは別の他のスイッチ２６が、第１供給ラインＬ１とグランドラインＬ３との間に介挿されている。このため、非測定期間において、図７に示したように、スイッチ２５により第１供給ラインＬ１をグランドラインＬ３に接続することにより、測定対象の素子部および当該素子部と同じ行の他の素子部に蓄積された電荷を、スイッチ２６を介してグランドに回収させることができる。

等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間に、電気的経路を形成可能なスイッチ２４（ジャンパ部）が設けられている。スイッチ２４を介して電気的経路が形成された場合、等電位生成部２３の抑止電圧が当該電気的経路を通じて第２供給ラインＬ２に供給される。このため、図９に示したように、ケーブル１２ａ間に短絡が生じたとしても、第２供給ラインＬ２の電圧が抑止電圧から降下することがなく、抑止電圧に維持される。よって、上記のとおり、精度はやや低下するものの、荷重の測定自体をそのまま継続することができる。また、スイッチ２４をオフに切り替えることにより、図８を参照して説明したとおり、短絡を検知できる。よって、スイッチ２４を介して電気的経路を形成するか否かによって、短絡が生じた場合も動作を継続させ続ける通常モードと、短絡を見つけ出すための短絡検知モードとの間で、検出回路２の動作モードを切り替えることができる。

等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間の電気的接続の有無がスイッチ２４によって切り替えられるため、等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間の電気的接続の有無を簡易に切り替えることができ、通常モードと短絡検知モードを簡易に切り替えることができる。

被覆付き銅線１３の銅線１３ａは、線状の導電部材であり、誘電体１３ｂは、銅線１３ａの周囲に被覆され、導電弾性体１２は、導電性の弾性体により形成されている。この構成によれば、誘電体１３ｂと導電弾性体１２との間の接触面積により静電容量が生じるため、荷重非付与時の静電容量が微小となる。これに対し、検出回路２では、図９に示すようにケーブル１２ａ間に短絡が生じた場合、測定対象の交差位置（素子部Ａ１１）および列方向に隣り合う交差位置（素子部Ａ１２）のみならず、同じ被覆付き銅線１３の他の交差位置（素子部Ａ１３～Ａ１６）にも電荷が蓄積されるため、トータルの静電容量は大きくなり、電圧計２７の測定結果は正常時に比べて大きく低下する。よって、上記構成のように個々の交差位置の静電容量が微小であっても、電圧計２７の測定結果に基づいて、ケーブル１２ａ間の短絡を適切に見つけ出すことができる。

＜変更例＞
荷重センサ１および検出回路２の構成は、上記実施形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施形態において、等電位生成部２３と第２供給ラインＬ２との間に電気的経路を形成するジャンパ部は、電気的接続の有無を切り替えるためのスイッチ２４により構成されたが、他の構成であってもよい。たとえば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、等電位生成部２３側の端子５１と、第２供給ラインＬ２側の端子５２と、はんだ５３とによりジャンパ部が構成されてもよい。

図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この場合の変更例に係る、通常モードおよび短絡検知モードにおける接続状態を模式的に示す図である。オペレータは、動作モードを通常モードに設定する場合、図１０（ａ）に示すように、端子５１と端子５２とが電気的に接続されるよう、端子５１と端子５２との間にはんだ５３を設置する。一方、オペレータは、動作モードを短絡検知モードに設定する場合、図１０（ｂ）に示すように、はんだ５３を取り外し、端子５１と端子５２との間を開放させ、電気的接続を解消させる。なお、端子５１と端子５２との間は、はんだ５３により接続されることに限らず、たとえば、他のジャンパ部材（たとえば、ケーブル等）の両端が端子５１、５２にはんだ付けされることにより、端子５１、５２間が接続されてもよい。

また、上記実施形態では、図５に示したように、導電弾性体１２の上面には６個の被覆付き銅線１３が配置されたが、被覆付き銅線１３の数は６個に限らず、１個以上であればよい。また、基材１１の表面に６個の導電弾性体１２が形成されたが、導電弾性体１２の数は６個に限らず、２個以上であればよい。

また、上記実施形態において、被覆付き銅線１３に代えて、銅以外の物質からなる線状の導電部材と、当該導電部材を被覆する誘電体と、により構成された電極が用いられてもよい。この場合の電極の導電部材は、たとえば、金属体、ガラス体およびその表面に形成された導電層、樹脂体およびその表面に形成された導電層などにより構成される。

また、上記実施形態において、荷重センサ１の構成は、必ずしも、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２とを組み合わせた構成でなくてもよく、たとえば、上下の電極の間に伸縮性の誘電体が挟まれた構成であってもよい。

また、上記実施形態において、被覆付き銅線１３の銅線１３ａは、第１切替部３０（６個のマルチプレクサ３１）によって、第１供給ラインＬ１および第２供給ラインＬ２の何れか一方に選択的に接続された。しかしながら、第１切替部３０はマルチプレクサによって構成されなくてもよく、マルチプレクサ以外の切替回路により構成されてもよい。同様に、導電弾性体１２は、第２切替部４０（６個のマルチプレクサ４１）によって、第２供給ラインＬ２およびグランドラインＬ３の何れか一方に選択的に接続された。しかしながら、第２切替部４０はマルチプレクサによって構成されなくてもよく、マルチプレクサ以外の切替回路により構成されてもよい。

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（静電容量型荷重センサ）
２ 検出回路
３ 荷重検出装置
１２ 導電弾性体（第２電極）
１３ａ 銅線（第１電極）
１３ｂ 誘電体
２１ 電圧出力部
２２ 抵抗
２３ 等電位生成部
２４ スイッチ（ジャンパ部）
２５ スイッチ（電気素子）
２６ スイッチ（他のスイッチ）
２７ 電圧計
３０ 第１切替部
３１ マルチプレクサ（第１切替部）
４０ 第２切替部
４１ マルチプレクサ（第２切替部）
５１、５２ 端子（ジャンパ部）
５３ はんだ（ジャンパ部）
Ｌ１ 第１供給ライン
Ｌ２ 第２供給ライン
Ｌ３ グランドライン（グランド）

Claims (6)

1. 一方向に並んで配置された複数の第１電極と、前記複数の第１電極に交差して配置された複数の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する誘電体とを備える静電容量型荷重センサに対し、前記第１電極と前記第２電極との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路であって、
   矩形電圧を出力するための電圧出力部と、
   前記電圧出力部と前記複数の第１電極との間に配置された抵抗と、
   前記抵抗の下流側の電位と等電位の抑止電圧を生成する等電位生成部と、
   前記抵抗の下流側の電位を供給するための第１供給ラインおよび前記抑止電圧を供給するための第２供給ラインの何れか一方を選択的に前記複数の第１電極に接続するための第１切替部と、
   グランドと前記第２供給ラインの何れか一方を選択的に前記複数の第２電極に接続するための第２切替部と、
   前記等電位生成部と前記第２供給ラインとを接続および非接続の何れか一方の状態に選択的に切り替えることが可能なジャンパ部と、
   前記第１供給ラインと前記グランドとの間の電位差を測定する電圧計と、
   前記等電位生成部と前記第２供給ラインとの間に介挿された抵抗成分を含む電気素子と、を備える、
   ことを特徴とする検出回路。
2. 請求項１に記載の検出回路において、
   前記電気素子は、前記等電位生成部および前記グランドの何れか一方を前記第２供給ラインに選択的に接続するスイッチである、
   ことを特徴とする検出回路。
3. 請求項１または２に記載の検出回路において、
   前記第１供給ラインと前記グランドとの間に介挿された他のスイッチを備える、
   ことを特徴とする検出回路。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の検出回路において、
   前記ジャンパ部は、前記等電位生成部と前記第２供給ラインとの間の電気的接続の有無を切り替えるためのスイッチを備える、
   ことを特徴とする検出回路。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の検出回路と、
   前記静電容量型荷重センサと、を備える、
   ことを特徴とする荷重検出装置。
6. 請求項５に記載の荷重検出装置において、
   前記第１電極および前記第２電極の一方は、線状の導電部材であり、
   前記誘電体は、前記導電部材の周囲に被覆され、
   前記第１電極および前記第２電極の他方は、導電性の弾性体により形成されている、
   ことを特徴とする荷重検出装置。

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