WO2022190840A1 - シート状センサ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2022190840A1
WO2022190840A1 PCT/JP2022/006994 JP2022006994W WO2022190840A1 WO 2022190840 A1 WO2022190840 A1 WO 2022190840A1 JP 2022006994 W JP2022006994 W JP 2022006994W WO 2022190840 A1 WO2022190840 A1 WO 2022190840A1
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resistors
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1623—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of pressure sensitive conductors
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Definitions

  • the present disclosure relates to sheet sensors.
  • the sense of touch is an organ that detects vibration, stress, pressure, and temperature singly or in combination. Techniques for sensing vibration, stress, pressure, and temperature by simulating the sense of touch are known. A technique for measuring these is known.
  • a tactile sensor using such a method there is known a resistor sensor that detects a load from a change in the value of a resistor caused by an external stimulus.
  • the variable resistance sensor has a simple structure and can be manufactured by printing, so it is low cost and has many applications as a tactile sensor.
  • a resistance value change type sensor element detects a load in one axial direction (for example, the vertical Z-axis) of the sensor medium as a change in resistance value.
  • sensor elements for Z-axis detection are arranged in a matrix, and the shear load detected from each of the adjacent sensor elements changes over time. Detects directional shear motion.
  • a three-dimensional structure for detecting a shear load parallel to the XY plane is configured to realize a shear load sensor (for example, Patent Document 1).
  • the wiring from the sensor elements and the control system become complicated as the number of elements increases. made it difficult. Further, in the method of Patent Document 1, since the detection element has a complicated structure, it is difficult to construct a large-area sheet-like sensor that detects changes in shear load on the XY plane. In view of these problems, the present disclosure provides a sheet-like sensor that can be manufactured by printing at a low cost and that can have a large area.
  • a sheet-shaped sensor includes two or more sensor elements arranged between a pair of opposing sheet-shaped substrates, and the sensor element is one of the pair of substrates.
  • a sheet-like first resistor formed on one of the substrates and a sheet-like second resistor formed on the other substrate are arranged to face each other, and the first resistor and the second The resistor is in contact with the first resistor in a state in which the second resistor can be relatively displaced, and further connects between the pair of base materials to provide the sensor element with respect to the first resistor
  • the gist of the invention is that it has a joint for positioning the second resistor.
  • a sheet sensor which is another aspect of the present disclosure, includes a pair of base materials whose surfaces other than the main surface are covered with an exterior part, a sensor element disposed between the main surfaces of the pair of base materials, a hole provided to communicate with the base material from the surface of the exterior part of each of the pair of base materials, and the hole provided in one base material of the pair of base materials is provided in the pair of base materials.
  • the gist is that it is provided at a position that does not overlap the outer shape of the hole provided in the other base material in a plan view.
  • a plurality of sheet-shaped first resistors are formed by pattern-printing resistors on a sheet-shaped first base material, and a plurality of sheet-shaped second resistors are formed.
  • a plurality of joints are formed so as to surround the outer periphery of the region where one or more first resistors or one or more second resistors are formed, and each first A second base material is superimposed on the first base material so that the resistor and the second resistor face each other, and the joint portion is connected to the other of the first base material and the second base material.
  • the gist of the invention is to adhere to a material to connect a first substrate and a second substrate.
  • aspects of the present disclosure provide a large-area sheet-like sensor in which a plurality of sensor elements are arranged, which can be manufactured by printing at low cost, and a method for manufacturing the sheet-like sensor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a sheet-like sensor according to a first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a sheet-like sensor according to a first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a plan view of the sensor element according to the first embodiment based on the present disclosure when it is a shear force detection sensor
  • FIG. 4 is a cross-sectional view when the sensor element according to the first embodiment based on the present disclosure is a shear force detection sensor
  • FIG. 2 is a plan view showing an arrangement example of sensor elements and joints according to the first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 4 is a plan view showing another arrangement example of the sensor element and the joint portion according to the first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the sheet-like sensor according to the first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the sheet-like sensor according to the first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the sheet-like sensor according to the first embodiment based on the present disclosure
  • 1 is a plan view showing the configuration of a temperature sensor according to a first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a temperature sensor according to a first embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram of an example of arrangement when one of the sensor elements is a temperature sensor element according to the first embodiment based on the present disclosure;
  • FIG. 4 is a diagram of an example of wiring from the sensor element according to the first embodiment according to the present disclosure;
  • FIG. 4 is a diagram of a wiring example of a common electrode from the sensor element according to the first embodiment based on the present disclosure;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a first example of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second example of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure;
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view showing an example of positions of holes provided in a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a plan view
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of arrangement of jigs inserted into a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a jig is inserted into a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of arrangement of jigs inserted into the substrate of the sheet-like sensor according to the second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of arrangement of jigs inserted into a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a jig is inserted into a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a cross-
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a jig is inserted into a substrate of a sheet-like sensor according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example when a substrate and a jig of a sheet-like sensor are integrated according to a second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which a shear load is applied to the sheet-shaped sensor according to the second embodiment based on the present disclosure
  • FIG. 2 is a diagram of an example inlay configuration of sheet-like sensors according to embodiments in accordance with the present disclosure
  • FIG. 2 is a diagram of an example inlay configuration of sheet-like sensors in a matrix arrangement, according to embodiments in accordance with the present disclosure;
  • each embodiment a sheet-like sensor in which a plurality of pressure-sensitive sensors that output a shear load applied to the sensor as a change in resistance value are arranged in a planar direction will be described as an example.
  • Each embodiment is a sheet sensor that operates as a shear pressure sensor that detects a shear load in the horizontal plane of the XY plane that cannot be detected by a general vertical pressure sensor.
  • the sheet-like sensor according to this embodiment is configured by arranging a plurality of sensor elements 4 and 5 and a plurality of joints 6 between a pair of base materials 2 and 3. .
  • the sheet-shaped sensor of this embodiment is a case in which two sensor elements 4 and 5 constitute one sensor set.
  • a plurality (three in FIG. 1) of joint portions 6 are arranged so as to surround the outer circumferences of the two sensor elements 4 and 5 that constitute the sensor elements.
  • a set of sensors is also called a load sensor.
  • FIGS. 1 and 2 Although only one set of load sensors is illustrated in FIGS. 1 and 2 , multiple sets of load sensors may be arranged between the pair of sheet-like base materials 2 and 3 . A plurality of sets of load sensors are arranged in a matrix between a pair of base materials 2 and 3 in plan view.
  • the sheet-like substrates 2 and 3 are made of thermoplastic, for example. In this case, the substrates 2 and 3 can be bonded to each other through a plurality of bonding portions 6 by applying heat and pressure from the outside.
  • the substrates 2 and 3 are made of, for example, plastic forms such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, and acrylic.
  • the surface side of the substrates 2 and 3 (the surface opposite to the surface on which the sensor element is provided) may have a hard coat layer.
  • This hard coat layer is composed of, for example, a cured acrylic layer.
  • the thickness of this hard coat layer is, for example, in the range of 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. Within this range, it is easy to prevent cracking of the hard coat layer itself while preventing the substrates 2 and 3 from being scratched.
  • a bonding layer may be provided on the inner side (opposing surface side) of the base materials 2 and 3 .
  • the bonding layer is composed of, for example, a urethane layer.
  • the thickness of the bonding layer is, for example, in the range of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the thickness of each of the base materials 2 and 3 is, for example, in the range of 25 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less. Within this range, the substrates 2 and 3 are less likely to bend and can be rolled.
  • the substrates 2 and 3 can carry the resistors 4A, 4B, 5A and 5B constituting the sensor elements 4 and 5, thereby protecting the sensor elements 4 and 5 from the outside.
  • the two sensor elements 4 and 5 forming one load sensor are an X-axis resistance element and a Y-axis resistance element.
  • the sensor elements 4 and 5 constituting the X-axis resistance element and the Y-axis resistance element are sheet-like first resistors 4A and 5A formed on one base material 2 of the pair of base materials 2 and 3. and sheet-like second resistors 4B and 5B formed on the other base material 3 .
  • the first resistors 4A, 5A and the second resistors 4B, 5B are arranged such that the second resistors 4B, 5B are relatively displaceable in the plane direction (lateral direction) with respect to the first resistors 4A, 5A.
  • the resistor surfaces 4Aa and 5Aa of the first resistors 4A and 5A and the resistor surfaces 4Ba and 5Ba of the second resistors 4B and 5B are in contact with each other so that the contact surface 10 is formed. forming.
  • the contact area between the first resistor 4A and the second resistor 4B changes, and the resistance changes according to the shear displacement. value changes.
  • the resistance value of the Y-axis resistance element changes with respect to the shear load in the Y-axis direction.
  • the coordinate system indicated by the X-axis and the Y-axis may not be an orthogonal coordinate system, and may be an oblique coordinate system.
  • the sensor elements 4 and 5 output information (resistance value) for calculating the load as the contact area of the two opposing resistors 4A, 4B, 5A and 5B changes with respect to the shear load.
  • a calibration curve is set in advance by measuring resistance values when predetermined loads are applied in the X and Y directions. When the actual shear load is measured, the resistance value of the contact surface 10 under the shear load is converted into the shear load based on the calibration curve and calculated.
  • the sensor elements 4 and 5 should be designed so that the resistance value of the contact surface 10 between the first resistors 4A and 5A and the second resistors 4B and 5B is several ⁇ to several hundred ⁇ .
  • the resistance value of each material of the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B forming the sensor elements 4 and 5 becomes a conductive path for measuring the resistance value of the contact surface 10
  • the resistance value of the contact surface 10 A combination of materials and dimensions that gives a lower resistance value than .
  • the resistance value of the contact surface 10 may be adjusted by adjusting the surface roughness to increase or decrease the contact area.
  • the first resistors 4A, 5A and the second resistors 4B, 5B are made of conductive resin, for example.
  • the conductive resin can be formed by pattern-printing or coating the surfaces of the substrates 2 and 3 with a conductive ink in which a carbon filler or a metal filler is dispersed in a binder resin.
  • the resistance of the contact surface 10 may be adjusted by forming an oxide film on the surface of the metal pattern (the pattern of the lead wires (wirings 50 to 55), see FIGS. 8 and 9).
  • the sensor elements 4, 5 can be arranged individually. Methods such as screen printing, gravure printing, and inkjet can be used as the printing method. Coating techniques include gravure coating, electrostatic spraying, die coating, and the like. In the coating method, a resistive element pattern mask is used.
  • the shear load when applying a shear load that accompanies actual shear displacement, the shear load is always applied with the Z-axis load in the vertical direction (opposing direction).
  • shear displacement is determined by the viscoelastic properties of the material of the joint 6 when the difference between the frictional force on the contact surface 10 and the Z-axis load acting as a drag against the shear load acts on the joint 6. . Therefore, when calculating the shear load, it is preferable to correct the calculated value using the Z-axis load and the viscoelastic properties of the material of the joint 6 .
  • the sensor elements 4 and 5 configured as described above for detecting pressure may be added separately.
  • the shear load when a shear load that accompanies actual shear displacement is applied, the shear load is always applied with a Z-axis load in the vertical direction (opposing direction).
  • shear displacement is determined by the viscoelastic properties of the material of the joint 6 when the difference between the frictional force on the contact surface 10 and the Z-axis load acting as a drag against the shear load acts on the joint 6. . Therefore, when calculating the shear load, it is preferable to correct the calculated value using the Z-axis load and the viscoelastic properties of the material of the joint 6 .
  • the sensor elements 4 and 5 configured as described above for detecting pressure may be added separately.
  • a sensor for vertical load of variable resistance value type is added to each load sensor, and the load sensor detects the Z axis in addition to the detection of the X axis and the Y axis. It is also possible to use a three-axis sensor for the detection of. At this time, the frictional force acting on the contact surface 10 may be corrected from the Z-axis load, and the calibration curve of the shear load may be adjusted from the vertical load. Further, lead wires (lead wires) for resistance value measurement are arranged from the sensor elements 4 and 5 to the substrates 2 and 3 . A printed wiring board may be used for the lead wire, or it may be printed using conductive ink such as silver paste.
  • a joint 6 is provided for each load sensor.
  • the joint portion 6 is disposed on the outer periphery of the plurality of sensor elements 4 and 5 that constitute the corresponding load sensor, and connects the pair of base materials 2 and 3 to the sensor element 4 that constitutes the corresponding load sensor. 5, the second resistors 4B and 5B are positioned with respect to the first resistors 4A and 5A.
  • the joints 6 define the initial positions (positions under no load) of the sensor elements 4 and 5 in the three axial directions of the XY and Z directions. As shown in FIG.
  • the opposing substrates 2 and 3 are connected only at a joint 6, and the X-axis resistance element 4 and the Y-axis resistance element 5 are connected to the opposed resistors 4A, 4B, 5A, and 5B. (resistor surfaces 4Aa, 5Aa, 4Ba, 5Ba).
  • the joint 6 may be formed by, for example, a pillar-shaped patch, or may be formed by printing on one or both surfaces of the pair of base materials 2 and 3 . It is possible to bond the base materials 2 and 3 at the joint portion 6 by pressing the base materials 2 and 3 after forming the joint portion 6 with a pressure-sensitive adhesive or an adhesive.
  • the joint 6 can also be made of a thermoplastic material. In this case, the material forming the joint 6 is heated and fused by thermocompression bonding using a laminator or the like that applies heat to the entire surface. , the base materials 2 and 3 are joined via the joining portion 6 .
  • the substrates 2 and 3 are made of a thermoplastic material, or a thermoplastic joint layer is separately provided under the load sensor element pattern, and the joint 6 is positioned afterward. It is also possible to bond the substrates 2 and 3 by pressing a thermal stamp patterned in , and heating and bonding only the bonding portion 6.
  • the material of the joint portion 6 is selected from, for example, elastic resin.
  • examples of the material of the joint 6 include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, and polyurethane.
  • the bonding part 6 is not limited to a material or a bonding process as long as the material can bond the base materials 2 and 3 by adhesion and solidification by thermoplasticity, thermosetting, UV curing, or the like in the bonding process.
  • the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B are preferably made of a harder material than the material of the joint 6, because deformation of the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B is suppressed.
  • the joint portion 6 may be thicker or thinner than the thickness of the sensor elements 4 and 5 .
  • the joint portion 6 When the joint portion 6 is thicker, the portion surrounded by the joint portion 6 becomes concave. If the joint portion 6 is thinner, the portion surrounded by the joint portion 6 has a convex shape.
  • the joints 6 are preferably arranged with respect to the sensor elements 4 and 5 as described below, so that the friction of the contact surface 10 under shear load is stabilized.
  • three or more joints 6 are arranged for each load sensor so as to surround the outer periphery of a plurality of sensor elements 4 and 5 that constitute the load sensor.
  • the three or more joints 6 are arranged, for example, in a circular shape of a first circle 30 centered on the center of mass of the two or more sensor elements 4 and 5 that constitute the pair of corresponding sensors in plan view. In addition, they are provided at positions where the distance between adjacent joints 6 is equal (equally spaced positions). That is, the respective joints 6 are arranged at corner positions of a regular polygonal shape (having the same number of corners as the number of joints 6) centered on the center of the first circle 30 . At this time, the two or more sensor elements 4 and 5 constituting each load sensor are arranged so as to be inscribed in a second circle 20 centered on the center of mass. It is preferably less than twice the radius of circle 20 .
  • the sensor elements 4 and 5 are arranged inside a circle centered on the center of mass in order to uniformly apply a Z load to the surfaces of the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B.
  • three or more joints 6 are arranged within a circle having a radius of one to two times the radius of a circle circumscribing the sensor elements 4 and 5 from the center of the sensor elements 4 and 5 .
  • the joints 6 can be arranged at the vertices of a regular polygon centered on the center of mass of the sensor elements 4 and 5 .
  • This center of mass can be a pseudo center of gravity determined only from the outline of the element.
  • the inside of the outline of the element is the center of gravity when it is assumed that the material has a two-dimensionally uniform mass.
  • This pseudo center of gravity coincides with the center of pressure applied to the element and is preferable.
  • the position of the center of mass of the sensor elements 4, 5 is the center of mass of the sensor elements 4, 5 forming the pair.
  • the joints 6 are formed between the facing substrates 2 and 3 in a dot pattern so as to surround the outer peripheries of the sensor elements 4 and 5 with a gap in the circumferential direction.
  • the shape of the joint 6 can be a dot.
  • a dot can be a circle. Also, it may be elliptical.
  • the frictional force of the contact surface 10 of the resistors 4A, 4B, 5A, 5B generated under load acts as a constant drag against the shear load, and the change in the area of the resistors 4A, 4B, 5A, 5B under shear load
  • the volume also becomes constant with respect to the shear load.
  • the load sensor is less likely to vibrate, and can be stably displaced in any direction in a two-dimensional plane.
  • FIG. 3A is a plan view showing one configuration example of the sensor element 4
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing one configuration example of the sensor element 4.
  • FIG. In the sensor element 4 shown in FIGS. 3A and 3B the first resistor 4A and the second resistor 4B are both rectangular, but have different long sides.
  • the short sides of the two resistors 4A and 4B are arranged in the shear detection direction, and the short sides of the two resistors 4A and 4B partially overlap each other. placed.
  • the resistors 4A and 4B with short long sides are set so as to be positioned at the center of the resistors 4A and 4B with long long sides.
  • the sensor element 5 also has a similar configuration.
  • the shape and arrangement of the first resistors 4A, 5A and the second resistors 4B, 5B are not limited to this.
  • Two resistors 4A, 4B, 5A, and 5B arranged to face each other are, in plan view, in accordance with the shear displacement in the direction of the shear force to be detected, the overlapping region of the two resistors 4A, 4B, 5A, and 5B
  • the two resistors 4A, 4B, 5A, and 5B overlap each other so that the area of the overlapping region of the two resistors 4A, 4B, 5A, and 5B is kept constant against shear displacement in the direction perpendicular to the direction of the shear force to be detected as the area changes.
  • the shape and arrangement of the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B are configured.
  • the first resistors 4A, 5A and the second resistors 4B, 5B are connected via the contact surface 10 to convert the resistance value of the contact surface 10 into a shear load.
  • FIGS. 3A and 3B show an example arrangement of the sensor elements 4, 5 forming a set of load sensors employing the configuration example shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the load sensor shown in FIG. 4A has one set of the X-axis resistance element 4 and the Y-axis resistance element 5, and three joints 6 arranged at the vertices of an equilateral triangle.
  • the plurality of joints 6 to be arranged may have joints 6 with a large cross section and joints 6 with a small cross section.
  • the ratio of the numbers of large joints 6 and small joints 6 can be, for example, 1:1 or more and 1:6 or less.
  • a small joint portion 6 may be arranged on the outer periphery of the large joint portion 6 .
  • the stress applied to the large joints 6 can be distributed to the small joints 6 .
  • the small joints 6 may be arranged outside the large joints 6 with the center of mass of the sensor elements forming the set as the center. With such an arrangement, when a part of the small joint 6 is broken, the load sensor indicates an abnormal value relative to the surrounding element values, so that the failure can be detected before the device is completely damaged and stops working. Cheap.
  • the load sensor shown in FIG. 4B has two sets of the X-axis resistance element 4 and the Y-axis resistance element 5, and four joints 6 are arranged at the vertices of a regular square. With such an arrangement relationship, the vertical load applied to the sensor elements 4 and 5 is averaged, and the contact surface load on each contact surface 10 in the load sensor is stabilized. As a result, the friction and electrical resistance of the contact surface 10 are stabilized. In addition, by setting the arrangement of the joints 6 as described above, even if the shear load is applied from any direction on the XY plane (two-dimensional direction), a uniform shear load is applied to the sensor elements 4 and 5. This allows for more accurate shear load measurements. 4A and 4B show an example of this embodiment, and the number of sets of sensor elements 4 and 5 constituting one set of load sensors and the number of vertices of the regular polygon in which the joints 6 are arranged are shown in FIGS. is not limited to
  • the shape becomes closer to a circle, and the shear load is evenly transmitted to the sensor elements 4 and 5 as shear displacement in all directions of XY. Further, by increasing the number of sets of the sensor elements 4 and 5 constituting one set of load sensors, the acceleration is improved and accurate measurement becomes possible. It is also possible to measure the area distribution of the shear load spread over the XY plane by arranging a large number of load sensors consisting of sets of sensor elements 4 and 5 and joints 6 in a matrix and measuring the resistance value of each. is.
  • a plurality of sets of load sensors may be arranged in a matrix between the substrates 2 and 3, or as described above, a plurality of sensor components consisting of one set of load sensors are prepared between the substrates 2 and 3. may be laid out in a matrix on top of other two-dimensional sensors. In this case, it is preferable to detachably attach each sensor component to the other two-dimensional sensor. Further, it is possible to provide robustness by arranging a large number of sensor elements 4 and 5 having the same characteristics and detecting data with a plurality of element sets. In this case, even if some of the elements fail, the values of the surrounding elements can complement the values of the failed elements. In addition, it is easy to detect the defect of the element from the abnormality among many elements.
  • in-field calibration can be easily performed by matching the values of the element groups of adjacent load sensors.
  • Machine learning may be used for detection of these abnormalities and for calibration.
  • This machine learning may be hierarchical machine learning.
  • the point-by-point value itself can be used as teacher data, or the pattern of the distribution of values can be used as teacher data.
  • Data of a plurality of sheets can also be used as teacher data.
  • a plurality of load sensors may be arranged in a square arrangement or a hexagonal arrangement. Also, for accuracy improvement and redundancy, a plurality of load sensors may be arranged as one cell. Vibration can be detected by decomposing changes in the resistance values of the sensor elements 4 and 5 with time to make them vibration detection type elements, or by making the sensor elements 4 and 5 temperature detection type by selecting a temperature variable resistance material. It is also possible to use a sheet-like sensor for temperature detection.
  • an example of the structure of the temperature sensor element 40 is such that the contact between the first resistor 7 and the second resistor 8 is maintained even when the substrates 2 and 3 are displaced by shearing. It is configured so that the area of the surface 41 does not change.
  • the resistor 8 is entirely inside the resistor 7 in plan view within the range of the set maximum shear deviation. As a result, the contact area of the temperature sensor element 40 does not change even with shear. Therefore, the temperature can be detected stably and accurately by detecting the temperature change in the resistance values of the resistors 7 and 8 without being affected by shear.
  • FIG. 7 shows an example in which the sensor elements 4 and 5 for shearing and the temperature sensor element 40 are arranged at the same time as load sensors. Unlike the shearing sensor element, the temperature sensor element 40 may be placed near the shearing element without any restrictions on its placement. Also, by arranging elements for detecting pressure, vibration, and temperature in a matrix, it is possible to form a sheet-like sensor for planar complex tactile sensation.
  • FIG. 8 shows an example of wiring to the sensor elements 4 and 5 constituting the load sensor.
  • the wiring pattern is formed so that the wiring to the resistors 4A and 5A of the base material 2 and the wiring from the resistors 4B and 5B of the base material 3 do not intersect.
  • an overcoat made of an insulator may be provided on the wiring.
  • FIG. 9 it is possible to integrate the electrodes on the substrates 2 and 3 into a common electrode 60 to simplify the wiring.
  • the wirings 50 to 55 to each element may be arranged in a matrix and each wiring may be multiplexed. Wiring multiplexing can be doubled, tripled, or quadrupled. By multiplexing, measurement can be continued even if one wiring is disconnected. At this time, disconnection may be detected from a change in resistance or a change in impedance.
  • the wiring can be a copper wire, or can be a wiring formed by printing. Alternatively, it may be formed by etching a metal foil. This metal foil can be an aluminum foil, a copper foil, or a laminated foil thereof. Metal foil or printed wiring can reduce the cost of the sheet sensor. In addition, when the front and back surfaces are joined at a plurality of points, wiring can be passed between the joining points.
  • joint portions 6 may also be provided at portions where wirings intersect. As a result, it is possible to selectively reinforce the crossing portions of the wiring, which tend to break.
  • the sheet end peripheries of the pair of base materials 2 and 3 may be joined at a continuous joining portion.
  • the space between the pair of base materials 2 and 3 constituting the sheet-like sensor can be sealed.
  • the space between the pair of base materials 2 and 3 may be filled with an inert gas such as nitrogen.
  • ⁇ Manufacturing method> 5A to 5C illustrate an example of a method for manufacturing the sheet-like sensor of this embodiment. That is, a plurality of sheet-like first resistors 4A and 5A are formed by pattern-printing resistors 4A and 5A on a sheet-like first base material 2, and a sheet-like second base material 3 is provided with resistors. By pattern-printing the bodies 4B and 5B, sheet-like second resistors 4B and 5B are formed at positions capable of facing the first resistors 4A and 5A, respectively. Next, one or more of the first resistors 4A, 5A, or one or more of the first resistors 4A, 5A, or one or more of the first base material 2 or the second base material 3 in plan view.
  • a plurality of joints 6 are formed so as to surround the outer periphery of the region where the second resistors 4B and 5B are to be formed.
  • the second base material 3 is placed on the first base material 2 so that the first resistors 4A, 5A and the second resistors 4B, 5B are opposed to each other, and the joint portion 6 is placed on the first base material. It is fixed to the other base material 3 of the material 2 or the second base material 3 to connect the first base material 2 and the second base material 3 .
  • FIGS. 5A to 5C illustrate the case of one set of load sensors, two or more sets of load sensors may be provided.
  • resistors 4A, 4B, 5A, and 5B are pattern-printed on the respective substrates 2 and 3 to form first sheet-like resistors 4A and 5A and sheet-like resistors 4A and 5A. are formed on the substrates 2 and 3, respectively.
  • a joint 6 is formed on one of the substrates 2 . Either of the base materials 2 and 3 forming the joint portion 6 may be used.
  • the bonding portion 6 may be formed by pattern printing using the bonding material resin ink as described above, or the bonding material resin paint may be applied to the substrates 2 and 3 and the resistors 4A, 4B, 5A, and 5B in patterns.
  • a two-layer sealant structure of the substrates 2 and 3 and a thermoplastic resin as a bonding material may be formed by coating between the substrates 2 and 3, and the bonding portion 6 may be fixed by lamination bonding by pattern heating.
  • FIG. A sheet sensor 101 according to the second embodiment is a pressure sensor that outputs a shear load applied to a medium as a change in physical quantity such as a resistance value.
  • a shear load applied to a medium as a change in physical quantity such as a resistance value.
  • Convention sheet-type tactile sensors that can measure shear load, when a shear load is applied from the surface, the sensor surface slips and the shear is not transmitted to the pressure-sensitive layer in the sheet, making accurate shear load measurement difficult. Met. Therefore, a method of sandwiching a high-friction sheet between the load applicator and the sensor surface to reduce slippage, and a method of fixing the load applicator and the sensor surface with an adhesive have been adopted.
  • the sheet-shaped sensor 101 can reliably transmit the shear load applied to the sensor surface to the pressure-sensitive layer even in a sheet-type tactile sensor, enabling accurate shear load measurement.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing one configuration example of the sheet-shaped sensor 101 of the present disclosure.
  • a sensor element 104 is formed in the sheet-like sensor 101 so as to be sandwiched between a first base material 102 and a second base material 103 .
  • the sheet-like sensor 101 is formed with an exterior portion 108 covering a surface other than the main surface of the base material 102 and an exterior portion 109 covering a surface other than the main surface of the base material 103 .
  • a shear load is applied to the sensor surface, a shear displacement occurs between the substrates 102 and 103 according to the shear load, and the sensor element 104 existing between the substrates 102 and 103 is displaced. Strain due to displacement is transmitted and the shear load is measured.
  • a resistor 104A (not shown) formed on the first base material 102 and a resistor 104B (not shown) formed on the second base material 103 are arranged on the surface of the resistor. 104Aa and the resistor surface 104Ba are in contact with each other to constitute the sensor element 104.
  • FIG. The arrangement of the resistor 104A and the resistor 104B of the sensor element 104 is the same as the arrangement of the first resistor 4A and the second resistor 4B shown in FIGS. 3A and 3B. are omitted.
  • the shear load is calculated by converting the change in resistance with the applied load.
  • a sensor element may be formed in which the resistance value changes according to the shear displacement in each of the X and Y directions. That is, when a shear load is generated in the X-axis direction, the contact area between the first resistor 104A and the second resistor 104B changes, and the resistance of the X-axis sensor resistance element changes according to the shear displacement. A physical quantity such as changes. Similarly, the Y-axis resistive element changes in physical quantity such as a resistance value with respect to a shear load in the Y-axis direction. If the sensor element 104 is composed of such a combination of two resistance elements, it is also possible to measure the direction and magnitude of the shear load applied to the XY plane.
  • the sensor element 104 may have any configuration as long as it can detect a change in physical quantity with respect to the shear load.
  • the above-described variable resistance sensor is widely used, but a variable capacitance sensor having a capacitor structure may also be used.
  • the sensor element 104 is formed on the base material 102 and the base material 103 using a method such as printing or coating. Especially in printing, it is preferable because it is easy to arrange each of the plurality of sensor elements 104 individually.
  • printing methods include screen printing, gravure printing, and inkjet
  • coating methods include gravure coating, electrostatic spraying, die coating, and the like.
  • a resistive element pattern mask is used.
  • Base material Any material may be used for the base material 102 and the base material 103 as long as it can be formed into a sheet.
  • a material for forming the base material 102 and the base material 103 it is preferable to use a resin material, and polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, acryl, or the like can be used.
  • the thickness of the base materials 102 and 103 is preferably 25 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less. If the thickness of the base materials 102 and 103 is within this range, the base materials 102 and 103 do not bend and can be rolled up, and even if the surface of the load applying body is curved, the sheet-like sensor 101 can be loaded. It can be attached to the application body.
  • the exterior part 108 and the exterior part 109 have a function of protecting the sheet-like sensor 101 and giving the sheet-like sensor 101 a design property.
  • the exterior parts 108 and 109 may be formed by laminating a pouch film or the like on the base materials 102 and 103, or may be formed by coating the surfaces of the base materials 102 and 103 excluding the main surfaces with a protective layer material or the like. You can Furthermore, the surfaces of the exterior parts 108 and 109 may be printed.
  • the materials and configurations of the exterior parts 108 and 109 are not limited to the materials and configurations described above, and can be appropriately selected depending on the intended use.
  • the sheet-like sensor 101 has two or more holes provided in each of the base material 102 and the base material 103 .
  • the hole is provided to communicate with the base material 102 from the surface of the exterior part 108, and may penetrate from the surface of the exterior part 108 to the main surface of the base material 102 (the surface facing the base material 103). Holes are similarly provided in the exterior part 109 and the base material 103 . That is, the holes may be formed from the exterior parts 108 and 109 to the middle of the substrates 102 and 103 or may penetrate through the substrates 102 and 103 .
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a sheet-like sensor 101 (101A) of the first example having holes 105 formed from the exterior parts 108 and 109 to the middle of the base materials 102 and 103.
  • FIG. 11 shows the sheet sensor 101 (101B) of the second example having a hole 106 penetrating from the exterior part 108 to the base material 102 and a hole 107 penetrating from the exterior part 109 to the base material 103. It is a sectional view showing.
  • the holes 105 provided in one base material do not overlap the holes 105 provided in the other base material (for example, the base material 103) in plan view. It is provided at a position (a position that does not coincide with the vertical direction in the cross-sectional views of FIGS. 10 and 11).
  • some of the holes 106 provided in one base material correspond to the holes 107 provided in the other base material (for example, the base material 103). are provided at positions that do not overlap with each other in plan view. This makes it easier for the shear load to be transmitted to the pressure-sensitive layer of the sensor element 104 when the shear load is applied, so that the accuracy of the shear load measurement of the sheet-like sensor 101 can be improved.
  • a vertical load is also applied at the same time.
  • a local pressure due to a vertical load is applied to the edge portion of the sensor element 104 , and the shear load is less likely to be transmitted to the pressure sensitive layer of the sensor element 104 .
  • the thickness direction is also applied at the same time. The application of the vertical load brings the base material 102 and the base material 103 into close contact with each other, generating friction at the interface.
  • the shear load transmitted to the sensor element 104 is determined by the force relationship between this interface friction and the friction between the surface of the sheet-like sensor 101 and the load applying body. is large, making it difficult for the shear load to be transmitted to the sensor element 104 .
  • the sheet-like sensor 101 has a hole structure extending in the thickness direction of the base material 102 and the base material 103, so that the applied shear load is efficiently transferred from the base materials 102 and 103 to the base material 102 using the holes. and 103 can be effectively transmitted to the sensor element 104 that is in contact with them.
  • the formation of the bottomed holes 105 inside the substrates 102 and 103 can be achieved by laser processing, forming a special layer on the surfaces of the substrates 102 and 103, or by providing a special layer on the surfaces of the substrates 102 and 103, and then using a mold.
  • a method such as embossing which is formed by pressing, a method of physically forming with a drill, and a method of raising the portion other than the hole forming portion with a resin material or the like by printing or coating can be used.
  • Holes 106 and 107 passing through substrates 102 and 103 as shown in FIG. 11 can be formed by punching using a punch or a punching blade.
  • FIGS. 12A to 12D are schematic plan views showing an example of the arrangement of holes 105 in the base material 102 or base material 103 of the sheet-like sensor 101A shown in FIG.
  • a plurality of holes are provided in one substrate.
  • the base material 102 or 103 rotates around the holes with respect to the direction of the XY plane and suppresses a change in the direction of the shear applied to the pressure-sensitive layer. be able to.
  • FIGS. In order to evenly transmit shear from all directions to the pressure-sensitive layer, when an even number of holes 105 are formed as shown in FIGS. placed at a distance. As shown in FIG. 2D, when an odd number of holes 105 are formed, the holes 105 are arranged at the vertices of a regular polygon with the center O of the sensor element 104 as the center of gravity.
  • a regular polygon is a regular polygon having the number of vertices corresponding to the number of holes. Holes are arranged at similar positions in the sheet-like sensor 101B shown in FIG.
  • the sheet-like sensor 101 may include a jig 120 penetrating from the exterior portion 108 in the hole 105 to the base material 102 . That is, the jig 120 is inserted into the hole 105 and connects the exterior part 108 and the base material 102 within the hole 105 .
  • 13A and 13B, and 14A and 14B are cross-sectional views showing configuration examples of the sheet-like sensor 101 when the hole 105 and the jig 120 are combined. Two or more holes 105 or holes 106 and 107 are provided in each of the base material 102 and the base material 103 .
  • FIG. 13A and 13B are cross-sectional schematic diagrams showing the configuration of a jig 120 in a sheet-like sensor 101A in which holes 105 having bottoms are formed inside substrates 102 and 103.
  • the jig 120 includes, for example, projections 120A that are inserted into a plurality of (for example, two) holes 105, and connection portions 120B that connect the projections 120A to each other on the surfaces of the exterior parts 108 and 109. It may be in the form of a pin with As shown in FIG. 13B, such protrusions 120A of jigs 120 are inserted into respective holes 105.
  • FIG. 13A is inserted into respective holes 105.
  • the jig 120 can be a structure having a cylindrical pin with a diameter smaller than the diameter of the hole 105 as the projecting portion 120A.
  • a material for the jig 120 a material such as metal or ceramic that does not deform when shear is applied can be selected.
  • 14A and 14B are cross-sectional schematic diagrams showing the configuration of a jig 120 in a sheet-like sensor 101B in which holes 106 and 107 passing through base materials 102 and 103 are formed.
  • the outer shape of one of the substrates 102 and 103 is made smaller than the other, and only the hole 106 formed in the other is made smaller. is so that the protrusion 120A of the jig 120 penetrates.
  • the outer shape of the base material 103 is made smaller than that of the base material 102, and a through hole 106 is formed in a portion of the base material 102 that does not overlap with the base material 103.
  • the hole 106 of the base material 102 is formed below the hole 107 formed in the base material 103 .
  • the outer diameter of the hole 106 on the substrate 102 side is formed larger than the outer diameter of the hole 107 .
  • the amount by which the outer diameter of one of the holes (holes 106) is increased is preferably set to an amount that causes shear displacement when shear is applied.
  • the jig 120 inserted from the substrate 103 side does not hit the hole 106 formed in the substrate 102 during the shear measurement. Since the amount of shear displacement due to the application of a shearing load is about several hundred ⁇ m, it is preferable that the difference between the outer diameter of the hole 106 and the outer diameter of the hole 107 facing each other is about 1 mm. Specifically, when the hole 107 has a diameter of 2 mm, the diameter of the hole 106 facing the hole 107 should be 3 mm.
  • FIG. 15 is a sectional view showing a configuration example of the sheet-like sensor 101 when the jig 120 and the sheet-like sensor 101A shown in FIG. 10 are integrated.
  • the applied load layer 110 has protrusions 110A that fill the holes 105, and connecting portions 110B that are formed on the surfaces of the substrates 102 and 103, respectively.
  • a material for forming the applied load layer 110 a rigid body such as metal or ceramic is selected.
  • a material having a viscous component, such as resin as the material for forming the applied load layer 110, in this case, shear is less likely to be transmitted to the protrusion 110A.
  • a sheet-shaped sensor 101B shown in FIG. 11 can also have a similar integrated structure.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a state in which a shear load is applied to the sheet-like sensor 101 by the load applying body 130.
  • the load applying body 130 is an object to be subjected to shear measurement, and there are no particular restrictions on its shape and material.
  • the shear load component is transmitted to the sensor element 104 as shear through the protrusions 110 A of the applied load layer 110 in the holes 105 of the substrate 103 .
  • the material and surface shape of the surface of the applied load layer 110 can be selected so that the friction with the load applying member 130 is increased. There are no restrictions on the material and shape as long as the friction is high, but for example, metal or ceramic with minute projections is selected. In this manner, the sheet-shaped sensor 101 is obtained, which enables stable measurement of the shear load in all directions on the XY plane using a sheet-shaped medium.
  • the sensor element 104 includes an elastic joint (not shown in FIG. 10) that elastically operates against a shear load and joins the base material 102 and the base material 103 together with a pressure-sensitive layer that senses shear as a change in physical quantity. may have.
  • the provision of elastic joints allows the substrate 102 or substrate 103 to return to its initial position when the shear load is released, thus reducing the shear load when a continuously varying shear load is applied. Load measurement becomes easier.
  • the sheet-like sensor 101 can also be a three-axis sensor having detection directions in the Z-axis direction in addition to the X-axis direction and the Y-axis direction by further including a resistance variable vertical load sensor.
  • the sensor element 104 may have a lead wiring for physical quantity change output.
  • a printed wiring board may be used, or a conductive ink such as silver paste may be used for printing.
  • the sheet-like sensor of this embodiment can also be an inlay that is inserted into the case.
  • a two-dimensional sensor can be made by inserting this inlay into a case.
  • the case containing the inlay may have a pocket for each inlay.
  • An inlay may then be inserted into the pocket. This allows the inlay to be placed in place.
  • each sheet-like sensor may be fixed in the case by meshing or the like. This fixation may be fixed when pressure is applied to the two-dimensional sensor.
  • the fixing of the inlay may be detachable. By making it detachable, it becomes easy to replace the inlay when it is damaged.
  • a two-dimensional sensor may be used housed within the cover.
  • the case may be a bag body, and the sheet-like sensor may be spread inside the case.
  • FIG. 17 shows an inlay 70 consisting of a sheet-like sensor with a set of load sensors provided between strip-like substrates 2,3.
  • FIG. 18 illustrates a two-dimensional sensor 71 in which the inlays 70 shown in FIG. 17 are arranged in a matrix in a case.
  • the placement of the inlays 70 may be evenly spaced or may vary from region to region.
  • the density of sensing can be varied within the plane by setting different intervals for each region. Uniform sensing can be achieved by arranging them at regular intervals.
  • Each sheet-shaped sensor that constitutes the inlay 70 may have two or more sets of load sensors.
  • the edge of the case or the edge of the pocket may be sealed.
  • the seal may be waterproof. This seal may be a zipper.
  • a waterproof seal can prevent failure due to water ingress into the inlay.
  • a waterproof seal also prevents contamination of the inlay, especially when the case is laid on a bed.
  • a two-dimensional sensor 71 with an inlay inserted into a case with waterproof seals at the ends is excellent in terms of hygiene.
  • one of the plurality of sensor elements constituting one set of load sensors is a pressure sensor element, it may be of the capacitance type. Also, the pressure sensor element may be composed of a piezoelectric element. A temperature sensor element as described above may also be provided. The temperature sensor element can also be used for calibrating the pressure sensor element. Especially when the inlays 70 are used, the area can be easily increased by increasing the number of the inlays 70 .
  • the sensor elements 4 and 5 that detect a shear load or the like by changes in the resistance values of the surface contact areas of the first resistors 4A and 5A and the second resistors 4B and 5B are formed into sheets.
  • a sheet-like sensor can be manufactured by a printing method by forming it into a shape.
  • it is an inexpensive sensor that can be manufactured by printing. It is possible to provide a sheet-like sensor that can be increased in area. In this way, the present disclosure makes it possible to provide a load sensor capable of stably measuring shear loads in all directions on the XY plane using a sheet-shaped medium.
  • the present disclosure can also take the following configurations.
  • Two or more sensor elements are arranged between a pair of sheet-shaped substrates facing each other, and the sensor element is a sheet-shaped first substrate formed on one of the pair of substrates.
  • One resistor and a sheet-like second resistor formed on the other base material are arranged to face each other, and the first resistor and the second resistor are arranged in the same manner as the first resistor.
  • the second resistor is in contact with the body so as to be relatively displaceable, and further, the pair of base materials are connected to each other so that the second resistor is connected to the first resistor in the sensor element.
  • a sheet sensor with positioning joints are provided.
  • the two or more sensor elements constitute a set of sensors for each of the plurality of sensor elements.
  • Three or more of the joints are provided for each sensor set, and the three or more joints are arranged so that the centers of mass of the two or more sensor elements constituting the corresponding sensor set are aligned in a plan view. They are arranged in a circular shape of a first circle centered, and the distances between adjacent joints are equal.
  • the two or more sensor elements constituting the set of sensors are arranged so as to be inscribed in a second circle centered on the center of mass, and the radius of the first circle is the radius of the second circle. is less than twice as large as (5)
  • the plurality of sensor elements constituting the set of sensors includes two or more shear force detection sensors that detect shear force, and the direction of the shear force detected by the two or more shear force detection sensors in a plan view is The two resistors, which are different from each other and arranged opposite each other in each shear force detection sensor, change the area of the overlapping region of the two resistors according to the shear displacement in the direction of the shear force to be detected in a plan view.
  • the shape and arrangement of the two resistors are configured such that the area of the overlapping region of the two resistors is maintained constant with respect to the shear displacement in the direction orthogonal to the direction of the shear force to be detected. ing. (6) A plurality of sets of the sensors are provided, and the sets of the plurality of sensors are arranged in a matrix in plan view.
  • a sheet-shaped sensor provided at a position that does not overlap the holes provided in the material in a plan view.
  • a plurality of the holes are provided in each of the pair of base materials, and when an even number of the holes are provided, they are arranged at positions equidistant from the center of the sensor element in a plan view; When the holes are provided in an odd number, they are provided at the vertices of a regular polygon with the center of the sensor element as the center of gravity in a plan view.
  • a jig penetrating from the exterior part in the hole to the base material is provided.
  • the jig is pin-shaped.
  • the jig is made of metal or ceramic. (12) The hole penetrates from the surface of the exterior part to the main surface of the base material, and the hole provided in the main surface of one of the pair of base materials It is provided at a position overlapping with a hole provided in the other base material in plan view, and the jigs are connected to each other on the main surface of the base material.
  • a resistor is pattern-printed on a sheet-like first base material to form a plurality of first resistors, and a resistor is pattern-printed on a sheet-like second base material to form the first resistor.
  • a second resistor is formed at a position capable of facing the resistor, and one or more of the first substrate or the second substrate is provided with one or more of the second resistors in a plan view.
  • a plurality of joints are formed so as to surround the outer periphery of the region where one resistor or one or more of the second resistors are formed, and the first resistors and the second resistors are opposed to each other.
  • the second base material is superimposed on the first base material in such a manner that the joint portion is fixed to the other base material of the first base material or the second base material, thereby forming the second base material.
  • the first base material and the second base material are connected.
  • Example 1 A sheet-like sensor having the structure shown in FIG. 1 was formed by the following method.
  • a 100 ⁇ m PET film was used as the base material.
  • a resistor was printed on each of the pair of substrates using a carbon ink (manufactured by Jujo Chemical, trade name: JELCON CH-N).
  • a sheet-like first resistor and a sheet-like second resistor are formed on one surface of one base material, and a sheet-like second resistor is formed on one surface of the other base material.
  • a first resistor and a sheet-like second resistor were formed, and the resistors were brought into contact with each other to form a sensor element.
  • Each resistor is formed so as to be inscribed in a radius of 7 mm centered on the center of mass of the two sensor elements.
  • polyethylene manufactured by Japan Polyethylene, trade name: Novatec LC525.
  • the three joints were formed within a 10 mm position range centered on the center of mass of the two sensor elements, and at the positions of the vertices of an equilateral triangle with respect to the center.
  • Each joint was a cylindrical body with a diameter of ⁇ 3 mm.
  • a 100 ⁇ m PET film was used as the base material.
  • a resistor was printed on each of the pair of substrates using a carbon ink (manufactured by Jujo Chemical, trade name: JELCON CH-N).
  • the sensor element was formed by bringing the resistors into contact with each other so that the pair of resistors partially overlapped in the shear force detection direction.
  • the contact area between the resistors changes, and the shear load change can be measured as a resistance change.
  • a through-hole having a diameter of 2.0 mm was formed in each of the pair of base materials using a punching blade.
  • a sheet-like sensor of Example 2-1 was produced by fixing a pair of base materials using a double-sided tape (Teraoka Seisakusho, 7070W) as a joint material.
  • a pin-shaped jig with a diameter of 1.9 mm was produced according to the position of the through hole provided in each of the pair of base materials.
  • a shear load was applied by inserting jigs into through-holes provided in each of the pair of base materials, fixing one jig, and applying shear displacement to the other jig.
  • Comparative Example 2-1 Comparative Example 2-2 was produced in the same manner as in Example 2-1, except that the sensor of Example 2-1 was not provided with holes.
  • Example 2-1 shearing was applied by pressing a high friction sheet (Poron MX-48HF; manufactured by INOAC).
  • a high friction sheet Poron MX-48HF; manufactured by INOAC.
  • shear was applied to the sheet-shaped sensor while maintaining the vertical load at 10 N or 20 N.
  • Table 1 below shows the shear load [N] when the vertical load described above is maintained.
  • Example 2-1 As shown in Table 1, in Example 2-1, a shear load of up to 10 N or 20 N, which is the same as the vertical load, could be applied. On the other hand, in Comparative Example 2-1, only up to 3 N could be applied, and it was confirmed that at this point, the contact surface between the high-friction sheet and the sensor deviated.

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Abstract

せん断荷重等を検出可能なセンサにおいて、印刷での製造が可能かつ安価な、複数のセンサ素子を配置した大面積のシート状センサを提供する。シート状センサは、対向する一対のシート状の基材の間に、２以上のセンサ素子が配置され、センサ素子は、一方の基材に形成されたシート状の第１の抵抗体と、他方の基材に形成されたシート状の第２の抵抗体とが対向配置すると共に、第１の抵抗体と第２の抵抗体とは、第１の抵抗体に対し第２の抵抗体が相対変位可能な状態で接触し、更に、一対の基材間を連結して、センサ素子における、第１の抵抗体に対する第２の抵抗体の位置決めを行う接合部を有する。

Description

シート状センサ及びその製造方法
　本開示は、シート状センサに関する。
　医療や介護の現場にて、対象者のベッドでの状態を感知するための大面積でシート状のセンサが求められている。特に、安価なシート状の触覚センサは広く用いられておらず、印刷技術を用いて簡単に製造可能なシート状の触覚センサが求められている。
　触覚は、振動、応力、圧力、温度を単独または複合して検出する器官であり、触覚に模して、振動、応力、圧力、温度をセンシングする手法が知られており、特にシート状のセンサでこれらを測定する手法が知られている。このような手法を用いた触覚センサとして、抵抗体に対して外部刺激による値の変化から荷重を検出する抵抗体センサが知られている。抵抗値変化型のセンサは、構造が簡単であり、印刷での製造も可能であることから低コストであり、触覚センサとして多くの活用例がある。
　抵抗値変化型のセンサ素子では、センサ媒体の１軸方向（例えば垂直方向のＺ軸）に対する荷重を抵抗値変化として検出する。また、ＸＹ平面に平行なせん断荷重を検出する場合には、Ｚ軸検出用のセンサ素子をマトリックス状に並べて、隣り合うセンサ素子のそれぞれから検出されるせん断荷重の時間変化からＸＹ平面に平行な方向のせん断動作を検出する。また、ＸＹ平面に平行なせん断荷重を検出するための立体構造を構成して、せん断荷重センサを実現している（例えば、特許文献１）。
特開２０１３－６８５０３号公報
　従来の抵抗値変化型の触覚センサでＸＹ平面のずり荷重を検出しようとする場合、素子数が増えるとセンサ素子からの配線や制御システムが複雑化するため大面積でシート状の触覚センサの提供を困難にしていた。
　また、特許文献１の方法では、検出素子が複雑な構造を持つため、大面積でシート状のＸＹ平面でのせん断荷重変化を検出するセンサを構成することが困難であった。
　本開示では、これらの課題を鑑みて、印刷での製造が可能な安価で大面積化が可能なシート状センサを提供する。
　課題解決のために、本開示の一態様であるシート状センサは、対向する一対のシート状の基材の間に、２以上のセンサ素子が配置され、センサ素子は、一対の基材のうちの一方の基材に形成されたシート状の第１の抵抗体と、他方の基材に形成されたシート状の第２の抵抗体とが対向配置すると共に、第１の抵抗体と第２の抵抗体とは、第１の抵抗体に対し第２の抵抗体が相対変位可能な状態で接触し、更に、一対の基材間を連結して、センサ素子における、第１の抵抗体に対する第２の抵抗体の位置決めを行う接合部を有する、ことを要旨とする。
　本開示の他の態様であるシート状センサは、主面以外の面が外装部で覆われている一対の基材と、一対の基材の主面同士の間に配置されたセンサ素子と、一対の基材それぞれの外装部の表面から基材に通じるように設けられた孔と、を備え、一対の基材のうちの一方の基材に設けられた孔は、一対の基材のうちの他方の基材に設けられた孔の外形と平面視で重ならない位置に設けられている、ことを要旨とする。
　また、本開示の態様であるシート状センサの製造方法は、シート状の第１の基材に抵抗体をパターン印刷してシート状の第１の抵抗体を複数形成し、シート状の第２の基材に抵抗体をパターン印刷して、第１の抵抗体と対向可能な位置にそれぞれ第２の抵抗体を形成し、第１の基材又は第２の基材のうちの一方の基材に対し、平面視において、１又は２以上の第１の抵抗体又は１又は２以上の第２の抵抗体を形成する領域の外周を囲むようにして複数の接合部を形成し、各第１の抵抗体と第２の抵抗体とが対向するようにして第１の基材に第２の基材を重ねると共に、接合部を第１の基材又は第２の基材のうちの他方の基材に固着して、第１の基材と第２の基材を連結する、ことを要旨とする。
　本開示の態様によれば、印刷での製造が可能かつ安価な複数のセンサ素子を配置した大面積のシート状センサ及びシート状センサの製造方法を提供する。
本開示に基づく第１実施形態に係るシート状センサの構成図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るシート状センサの断面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子がせん断力検出センサの場合の平面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子がせん断力検出センサの場合の断面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子と接合部との一配置例を示す平面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子と接合部との他の配置例を示す平面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るシート状センサの製造工程の例を示す図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るシート状センサの製造工程の例を示す図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るシート状センサの製造工程の例を示す図である。 本開示に基づく第１実施形態に係る温度センサの構成を示す平面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係る温度センサの構成を示す断面図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子の１つが温度センサ素子の場合の配置例の図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子からの配線例の図である。 本開示に基づく第１実施形態に係るセンサ素子からのコモン電極の配線例の図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの第１の例を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの第２の例を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に設ける孔の位置の一例を示す平面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に設ける孔の位置の一例を示す平面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に設ける孔の位置の一例を示す平面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に設ける孔の位置の一例を示す平面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に挿入される治具の配置の一例を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に治具が挿入された状態を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に挿入される治具の配置の他の例を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板に治具が挿入された状態を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサの基板と治具とを一体化した場合の構成例を示す断面図である。 本開示に基づく第２実施形態に係るシート状センサにせん断荷重が印加された状態を示す模式図である。 本開示に基づく実施形態に係るシート状センサからなるインレイ構成例の図である。 本開示に基づく実施形態に係る、マトリックス配置のシート状センサからなるインレイ構成例の図である。
　次に、本開示に基づく第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　各実施形態では、主として、センサに加わるせん断荷重を抵抗値変化として出力する感圧センサを複数平面方向に配置したシート状センサを例にして説明する。各実施形態は、一般的な垂直方向の感圧センサでは検出できない、ＸＹ平面の水平面のせん断荷重を検出するずり感圧センサとして動作するシート状センサである。
１．第１実施形態
　以下、図１から図９を参照して、本開示の第１実施形態にかかるシート状センサについて説明する。
　本実施形態にかかるシート状センサは、図１及び図２に示すように、一対の基材２、３の間に複数のセンサ素子４、５と複数の接合部６を配置して構成される。
　本実施形態のシート状センサは、図１及び図２に示すように、２つのセンサ素子４、５で１つのセンサの組を構成する場合であって、平面視において、１つのセンサの組を構成する、２つのセンサ素子４、５の外周を囲むようにして、複数（図１では３つ）の接合部６が配置されている例である。センサの組を荷重センサとも呼ぶ。
　図１及び図２では、１組の荷重センサだけを図示しているが、一対のシート状の基材２、３間に、複数組の荷重センサが配置されていてもよい。複数組の荷重センサは、平面視において、一対の基材２、３の間にマトリックス状に配置される。
＜基材＞
　シート状の基材２、３は、例えば、熱可塑性プラスチックで形成する。この場合、外部から熱圧を掛けることで、基材２、３同士を複数の接合部６を介して接合できる。基材２、３は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、アクリルなどのプラスチックフォルムで構成する。
　また、基材２、３の表面側（センサ素子を設ける面とは反対側の面）には、ハードコート層を有してものよい。このハードコート層は、例えば、硬化したアクリル層で構成する。このハードコート層の厚さは、例えば１μｍ以上、５μｍ以下の範囲とする。この範囲であれば、基材２、３の傷付きを防止しつつ、ハードコート層自体の割れも防止しやすい。
　更に、基材２、３の内側（対向面側）に接合層を有してもよい。接合層は、例えばウレタン層から構成する。接合層の厚さは、例えば、１μｍ以上、１０μｍ以下の範囲とする。
　また、基材２、３の各厚さは、例えば、２５μｍ以上、２００μｍ以下の範囲とする。この範囲であれば、基材２、３が折れ曲がり難くなり、且つ丸めたりすることができるようになる。また、基材２、３が、センサ素子４、５を構成する抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂを担持でき、センサ素子４、５を外部から保護できる。
＜センサ素子＞
　本実施形態では、１つの荷重センサを構成する２つのセンサ素子４、５は、Ｘ軸抵抗素子及びＹ軸抵抗素子である。
　Ｘ軸抵抗素子及びＹ軸抵抗素子を構成するセンサ素子４、５は、一対の基材２、３のうちの、一方の基材２に形成されたシート状の第１の抵抗体４Ａ、５Ａと、他方の基材３に形成されたシート状の第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂとを有する。第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂとは、第１の抵抗体４Ａ、５Ａに対し第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂが面方向（横方向）に相対変位可能な状態で、対向配置されて、第１の抵抗体４Ａ、５Ａの抵抗体表面４Ａａ、５Ａａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂの抵抗体表面４Ｂａ、５Ｂａが周可能に接触して接触面１０を形成している。
　Ｘ軸抵抗素子（センサ素子４）は、Ｘ軸方向にせん断荷重が発生したときに、第１の抵抗体４Ａと第２の抵抗体４Ｂとの接触面積が変化して、ずり変位に応じ抵抗値が変化する。Ｙ軸抵抗素子（センサ素子５）も同様に、Ｙ軸方向のせん断荷重に対して抵抗値が変化する。なお、Ｘ軸とＹ軸で示す座標系は、直交座標系でなくてもよく、斜交座標系であってもよい。
　センサ素子４、５は、対向した２つの抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの接触面積がせん断荷重に対して変化することで、荷重を算出する情報（抵抗値）を出力する。せん断荷重の算出法としては、予め決められたＸ方向とＹ方向それぞれ荷重を加えたときの抵抗値を測定して、予め検量線を設定しておく。そして、実際のせん断荷重を計測する場合は、せん断荷重時の接触面１０の抵抗値を、検量線に基づきせん断荷重に変換して算出する。
　ここで、センサ素子４、５は、第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂの接触面１０の抵抗値が数Ωから数百Ωになるようにすれば良い。また、センサ素子４、５を形成する抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの各材料の抵抗値は、接触面１０の抵抗値を計測するために導電経路となるため、接触面１０の抵抗値よりも低い抵抗値を示す材料と寸法の組合せを選択すればよい。
　また、接触面１０の抵抗値は、表面粗さを調整して、接触面積を増減し抵抗値を調整しても良い。
　第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂは、例えば、導電性を有する樹脂から構成する。導電性を有する樹脂は、バインダー樹脂にカーボンフィラーや金属フィラーが分散した導電インクを基材２、３の表面にパターン印刷又はコーティングして形成できる。また、金属パターン（リード線（配線５０～５５）のパターン、図８、９参照）の表面に酸化被膜を形成して接触面１０の抵抗値を調整しても良い。第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂを、パターン印刷で形成した場合、センサ素子４、５を個別に配列しやすい。印刷方法としては、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェットなどの手法が挙げられる。また、コーティング手法としては、グラビアコート、静電スプレー、ダイコートなどが挙げられる。コーティング手法では抵抗素子のパターンのマスクを用いて形成する。
　ここで、実際のずり変位を伴うせん断荷重を印加する場合、必ず垂直方向（対向方向）のＺ軸荷重が加わった状態でせん断荷重が印加される。また、ずり変位は、せん断荷重に対して抗力として働くＺ軸荷重印加の接触面１０での摩擦力との差分が、接合部６に作用する際の接合部６の材料の粘弾特性で決まる。このため、せん断荷重の算出の際に、Ｚ軸荷重及び接合部６の材料の粘弾特性で算出値に補正を行うことが好ましい。Ｚ軸荷重は、別途、圧力検知用の上記構成のセンサ素子４、５を追加すればよい。
　すなわち、実際のずり変位を伴うせん断荷重を印加する場合、必ず垂直方向（対向方向）のＺ軸荷重が加わった状態でせん断荷重が印加される。また、ずり変位は、せん断荷重に対して抗力として働くＺ軸荷重印加の接触面１０での摩擦力との差分が、接合部６に作用する際の接合部６の材料の粘弾特性で決まる。このため、せん断荷重の算出の際に、Ｚ軸荷重及び接合部６の材料の粘弾特性で算出値に補正を行うことが好ましい。Ｚ軸荷重は、別途、圧力検知用の上記構成のセンサ素子４、５を追加すればよい。すなわち、図には記載していないが、各荷重センサに対し、抵抗値変化型の垂直荷重用のセンサを追加、配置して、荷重センサを、Ｘ軸とＹ軸の検知に加えてＺ軸の検知の３軸のセンサとすることもできる。このとき、Ｚ軸荷重から接触面１０に作用する摩擦力を補正し、垂直荷重からせん断荷重の検量線を調整してもよい。
　また、基材２、３には、センサ素子４、５から抵抗値測定用の引き出し配線（リード線）を配しておく。リード線は、プリント配線板を用いても良いし、銀ペーストなどの導電インクを用いて印刷してもよい。
＜接合部＞
　接合部６は、各荷重センサに設けられる。接合部６は、対応する荷重センサを構成する複数のセンサ素子４、５の外周に配設され、一対の基材２、３間を連結して、対応する荷重センサを構成するセンサ素子４、５における、上記第１の抵抗体４Ａ、５Ａに対する上記第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂの位置決めを行う。接合部６は、センサ素子４、５のＸ－Ｙ方向とＺ方向の三軸方向の初期位置（無負荷時の位置）を規定する。
　図２に示すように、対向する基材２、３は、接合部６でのみ連結されており、Ｘ軸抵抗素子４とＹ軸抵抗素子５は、対向した抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの表面（抵抗体表面４Ａａ、５Ａａ、４Ｂａ、５Ｂａ）で接触した界面からなる接触面１０を有する。
　接合部６は、例えば、ピラー状のパッチで形成するか、一対の基材２、３の片方又は両方の表面に印刷などで形成すればよい。
　接合部６の材料を粘着剤や接着剤で形成した後、基材２、３を圧着して接合部６で接合することが可能である。
　また、接合部６は、熱可塑材料で形成することも可能であり、この場合は、全面加熱印加するラミネーターなどで熱圧着することで、接合部６を形成する材料が加熱され融着することで、接合部６を介して基材２、３が接合される。
　接合部６の他方の形成方法として、前記した基材２、３を熱可塑材料にするか、別途、荷重センサ素子パターンの下層に熱可塑からなる接合層を設け、後から接合部６の位置でパターン化した熱スタンプを押しあてて、接合部６部分のみを加熱接合することで、基材２、３とを接合することも可能である。
　接合部６の材料としては、例えば、弾性材料の樹脂から選択する。具体的には、接合部６の材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタンなどが例示できる。接合部６は、接合工程時に、熱可塑、熱硬化、ＵＶ硬化などにより接着、固化で基材２、３を接合できる材料であれば、材料や接合工程に限定されるものではない。
　なお、抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの材料は、接合部６の材料よりも硬い材料の方が、抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの変形が抑えられて好ましい。
　接合部６は、センサ素子４、５の厚みに対し厚くても薄くても良い。接合部６の方が厚い場合は、接合部６で囲まれた部分が凹形状になる。接合部６の方が薄い場合は、接合部６で囲まれた部分が凸形状になる。
　本実施形態では、以下のように、接合部６が、センサ素子４、５に対して好適に配置されるため、せん断荷重時の接触面１０の摩擦が安定することになる。
　本実施形態では、荷重センサ毎に、図１に示すように、荷重センサを構成する複数のセンサ素子４、５の外周を囲むようにして、３個以上の接合部６を配置する。
　３個以上の接合部６は、例えば、平面視において、対応するセンサの組を構成する２以上のセンサ素子４、５の質量中心を中心とした第１の円３０の円状にそれぞれ配置されると共に、隣り合う接合部６間の距離が等しい位置（等間隔位置）に設けられる。すなわち、第１の円３０の中心を中心とした正多角形形状（接合部６の個数と同じ角数とする）の角部位置にそれぞれの接合部６が配置される。このとき、各荷重センサを構成する２以上のセンサ素子４、５は、上記質量中心を中心した第２の円２０に内接するように配置され、第１の円３０の半径は、第２の円２０の半径の２倍以下である、ことが好ましい。
　すなわち、本実施形態では、荷重センサとして、Ｚ荷重に対し抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの表面へ平均的に荷重印加させるため、質量中心を中心とした円の内側にセンサ素子４、５を配置し、３点以上の接合部６をセンサ素子４、５中心からセンサ素子４、５に外接する円の半径の１倍以上２倍の円内に配置している。２倍の円内とすることで、確実に対向する抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ同士が接触可能とできる。接合部６の配置の位置は、センサ素子４、５の質量中心を中心とした正多角形の頂点に位置するように配置することができる。この質量中心は、素子の輪郭の外形のみから求めた疑似的な重心とできる。つまり、素子の輪郭内部は、２次元的に均一の質量の物質と仮定した場合の重心である。この疑似的な重心は、素子に掛かる圧力の中心と一致し、好ましい。センサ素子４、５の質量中心の位置は、組を構成するセンサ素子４、５の質量中心である。接合部６は、センサ素子４、５の外周を周方向に間隔を空けて囲むように、ドットパターンで対向する基材２、３間に形成する。つまり接合部６の形状は、ドットとできる。ドットは、円とできる。また、楕円でもよい。これによって、圧を掛けた際に、抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの接触面１０が閉じた空間に封止されることなくエアが抜けるので、接触面１０でのエア噛みがなくなり、センサ素子４、５の接触面１０での接触が安定する。このように接合部６を配置することで、シート状センサへの垂直方向のＺ軸荷重時に対し、抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの各接触面１０が均等化した垂直荷重が加わることになる。荷重時に生じる抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの接触面１０の摩擦力がせん断荷重に対して一定の抗力として働くことになり、せん断荷重時の抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ面積の変化量もせん断荷重に対して一定になる。また、このような構造であれば、荷重センサが振動しがたくなり、２次元平面方向にいずれの方向にも安定して変位可能となる。
＜センサ素子の構成例＞
　図３Ａ及び図３Ｂを用いて、せん断荷重を検出するセンサ素子４、５の構成例について説明する。図３Ａは、センサ素子４の一構成例を示す平面図であり、図３Ｂは、センサ素子４の一構成例を示す断面図である。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すセンサ素子４では、第１の抵抗体４Ａ及び第２の抵抗体４Ｂを共に長方形状とするが長辺の長さが異なる形状とした。そして、平面視において、そして、２つの抵抗体４Ａ、４Ｂの各短辺方向が、せん断検出方向となるように配置して、２つの抵抗体４Ａ、４Ｂの短辺の一部が重なるように配置した。また長辺方向においては、長辺の短い抵抗体４Ａ、４Ｂが、長辺が長い抵抗体４Ａ、４Ｂの中央位置となるように設定した。センサ素子５についても同様な構成となっている。
　なお、第１の抵抗体４Ａ、５Ａ及び第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂの形状や配置は、これに限定されない。対向配置された２つの抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂが、平面視において、検知するせん断力の方向へのせん断変位に応じて、２つの抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの重なる領域の面積が変化すると共に、検知するせん断力の方向と直交する方向のせん断変位に対し、２つの抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの重なる領域の面積が一定に維持されるように、上記２つの抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂの形状及び配置が構成されていればよい。
　この場合、第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂが、接触面１０を介して接続され、接触面１０の抵抗値をせん断荷重に変換する。
　図３Ａにおいて、Ｘ－Ｘ′方向をＸ軸方向（せん断検出方向）とすると、Ｘ軸プラス方向（紙面右方向）にせん断荷重に応じてずり変位が発生すると抵抗体４Ａと抵抗体４Ｂの重なり面積が増加し、接触抵抗が低下する。逆にＸ軸がマイナス方向（紙面左方向）にせん断荷重が印加される場合には重なり面積が低下し、接触抵抗が増加する。Ｘ軸のせん断荷重方向で接触抵抗が増加又は低下することで、せん断応力を検出することが可能となっている。一方、縦方向のＹ軸方向にせん断が発生する場合には、抵抗体４Ａが抵抗体４Ｂの長辺方向端部位置まですり変位しても抵抗体４Ａと抵抗体４Ｂの重なり面積は変化しない。結果として、Ｙ方向のせん断荷重は検出せず、Ｘ軸のせん断荷重成分だけを分離して検出可能となっている。Ｙ方向のせん断荷重を検出する場合には、Ｘ軸測定用のセンサ素子４に対して９０°回転させて配置すれば、同様にＹ軸のみのせん断荷重を検出することを可能とする。９０°配置の異なる２つのセンサ素子４、５を１組として配置することで、ＸＹ平面に加わるせん断荷重を全方位で計測が可能とする荷重センサを構成できる。
　図３Ａ及び図３Ｂに示す構成例を採用した、１組の荷重センサを構成する、センサ素子４、５の配置例を図４Ａ及び図４Ｂに示す。
　図４Ａに示す荷重センサは、Ｘ軸抵抗素子４とＹ軸抵抗素子５の１セットと、３つの接合部６を正三角形の頂点に配した場合である。また、配置する複数の接合部６は、断面が大きな接合部６と断面が小さな接合部６を有してもよい。大きな接合部６と小さな接合部６の数の比率は、例えば、１：１以上１：６以下とすることできる。また、大きな接合部６の外周に小さな接合部６を配置してもよい。このような配置とすることで、大きな接合部６に掛かる応力を小さな接合部６に分散することができる。また、組を構成するセンサ素子の質量中心を中心として、大きな接合部６の外側に小さな接合部６を配置してもよい。このような配置では、小さな接合部６の一部が破断した際には、荷重センサに周囲の素子値に対して異常値を示すため、完全に破損し動作しなくなる前に、不具合を検知しやすい。
　図４Ｂに示す荷重センサは、Ｘ軸抵抗素子４とＹ軸抵抗素子５を２セット有すると共に、４つの接合部６が正四角形の頂点に配された場合である。このような配置関係にすることで、センサ素子４、５に印加される垂直荷重が平均化し、荷重センサ中の各接触面１０への接触面荷重が安定する。この結果、接触面１０の摩擦と電気抵抗が安定する。また、上記のように接合部６の配置を設定することで、せん断荷重がＸＹ平面（二次元方向）でいずれの方向から印加された場合でも、センサ素子４、５に偏りなせん断荷重が印加され、より正確なせん断荷重の計測を可能とする。
　なお、図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態の一例を示すものであって、１組の荷重センサを構成するセンサ素子４、５のセット数と接合部６の配置の正多角形の頂点数を限定するものではない。
　接合部６を配置する多角形の数量を増やせば、円形に近づくことになり、ＸＹの全方位に対して平均的にせん断荷重をセンサ素子４、５のずり変位として伝える。また、１組の荷重センサを構成するセンサ素子４、５のセット数を増やすことで助長性を向上し正確な計測を可能とする。
　また、センサ素子４、５のセットと接合部６からなる荷重センサを、マトリックス状に多数配置し、それぞれの抵抗値を測定することでＸＹ平面に広がるせん断荷重の面積分布を計測することも可能である。
　なお、基材２、３間に複数組の荷重センサをマトリックス状に配置しても良いし、上記記載のように、基材２、３間に１組の荷重センサからなるセンサ部品を複数用意して、他の２次元センサの上にマトリックス状に敷並べてもよい。この場合、他の２次元センサに対し各センサ部品を着脱可能に取り付けることが好ましい。
　また、同特性のセンサ素子４、５を多数配置し、複数の素子セットでデータ検出することで、ロバスト性を持たせることも可能である。この場合、一部の素子が故障しても、周囲の素子の値で、故障した素子の値を補完できる。また、多数の素子間での異常から、素子の不具合を検知しやすい。
　また、複数の荷重センサを一平面に敷き並べた場合には、隣接する荷重センサの素子群の値どうしを整合させることで、容易にインフィールドでのキャリブレーションが行える。これらの異常の検知や、キャリブレーションには、機械学習を用いてもよい。特に複数の荷重センサが配列していることから、機械学習に用いるデータを多く取得できるため、効率的な機械学習が行える。この機械学習は、階層的な機械学習としてもよい。この場合、一点一点の値そのものを教師データとすることもできるし、値の分布のパターンを教師データとすることもできる。また、複数のシートのデータを教師データとすることもできる。複数のシートを用いた場合には、非連続的な値の変化等から、シートが交換されたことやシート自体の異常を検知できる。このように同じ特性の素子を多数配置することで、機械学習による素子の異常や、補完が効果的に行える。
　複数の荷重センサは正方配列や、六方配列としてもよい。また、精度向上や冗長性のため、複数の荷重センサを一つのセルとし配置してもよい。
　センサ素子４、５の抵抗値変化を時間で分解し振動検出型の素子としたり、センサ素子４、５を温度可変型の抵抗材料を選択することで温度検出型にしたりすることで、振動検知や温度検知のシート状センサとすることも可能である。
＜温度センサ素子＞
　荷重センサを構成するセンサ素子４、５の１つが温度センサ素子４０の場合の例を、図６Ａ及び図６Ｂ、並びに図７に示す。
　温度センサ素子４０の構造例は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、せん断で基材２、３間にずれが生じた場合にでも第１の抵抗体７と第２の抵抗体８の接触面４１の面積が変化しないように構成する。図６Ａ及び図６Ｂの例では、せん断のずれの設定した最大値の範囲で、平面視で、抵抗体７の内側に抵抗体８が全て入る構成にしている。これによって、せん断があっても、温度センサ素子４０の接触面積が変化しない。このため、せん断の影響なく、抵抗体７、８の抵抗値温度変化を検知することで、安定して精度良く温度を検知できる。
　図７は、荷重センサとして、せん断用のセンサ素子４、５と温度センサ素子４０を同時に配した場合の例である。温度センサ素子４０の配置は、せん断用のセンサ素子とは異なり、配置に規定されることなく、せん断素子の近くに配置すればよい。また、圧力、振動、温度検知の素子をマトリックス状に配置することで面状の複合触覚感知用のシート状センサとすることも可能である。
＜配線例＞
　荷重センサを構成するセンサ素子４、５への配線例を図８に示す。
　センサ素子４、５個々の抵抗値変化を読み取れれば、各抵抗体に接続する配線５０～５５に制約はない。ただし、基材２、３の貼合の際に、基材２の抵抗体４Ａ、５Ａへの配線と、基材３の抵抗体４Ｂ、５Ｂからの配線が交錯しないように配線パターンを形成する。交錯する場合には、絶縁体からなるオーバーコートを配線上に設けてもよい。また、図９のように、基材２、３側の電極を一体化してコモン電極６０にして配線を単純化することも可能である。
　また、各素子への配線５０～５５を、マトリックス状とし、それぞれの配線を多重化してもよい。配線の多重化は、配線を２重、３重又は、４重とすることができる。多重化することで、一つの配線が断線しても計測を続けることができる。この際、抵抗の変化やインピーダンスの変化から、断線を検知できるようにしてもよい。配線は、銅線とすることもできるし、印刷により形成された配線とすることもできる。また、金属箔をエッチングして形成してもよい。この金属箔は、アルミ箔、銅箔、又はそれらの積層箔とできる。金属箔や印刷の配線によれば、シート状センサを低コスト化できる。なお、表裏の接合を複数の点で行った場合には、その接合点と接合点の間に配線を通すことができる。また、断線しやすい素子と配線との接点も接合点内に納めることができるため、断線を防止しやすい。また、配線が交差する部分にも接合部６を設けてもよい。これにより断線が生じやすい、配線の交差部分を選択的に強化することが可能である。
　また、一対の基材２、３のシート端部外周を連続した接合部で接合してもよい。これによりシート状センサを構成する一対の基材２、３間の空間をシーリングすることができる。この結果、一対の基材２、３間に液体や水蒸気等の侵入を阻止し、センサ素子の故障や劣化を防止できる。また、シーリングする際に、一対の基材２、３間の空間に窒素等の不活性ガスを封入してもよい。この封入ガスの量は、大気圧以下、すなわち負圧にすることでより、センサ素子４、５同士の接触を確実にし、その接触の圧力を適性化することができる。
＜製造方法＞
　図５Ａから図５Ｃは、本実施形態のシート状センサの製造方法の例を説明する。
　すなわち、シート状の第１の基材２に抵抗体４Ａ、５Ａをパターン印刷してシート状の第１の抵抗体４Ａ、５Ａを複数形成すると共に、シート状の第２の基材３に抵抗体４Ｂ、５Ｂをパターン印刷して、第１の抵抗体４Ａ、５Ａと対向可能な位置にそれぞれシート状の第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂを形成する。次に、第１の基材２又は第２の基材３のうちの一方の基材に対し、平面視において、１又は２以上の上記第１の抵抗体４Ａ、５Ａ、又は１又は２以上の第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂを形成する領域の外周を囲むようにして複数の接合部６を形成する。各第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂとが対向するようにして第１の基材２に第２の基材３を重ねると共に、接合部６を第１の基材２又は第２の基材３のうちの他方の基材３に固着して、第１の基材２と第２の基材３を連結する。
　シート状センサの製造方法の例を、図５Ａから図５Ｃを参照して具体的に説明する。
　図５Ａから図５Ｃでは、１組の荷重センサの場合を例示しているが、２組以上の荷重センサを有していてもよい。
　図５Ａに示すように、第１工程において、各基材２、３上に抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂをパターン印刷して、シート状の第１の抵抗体４Ａ、５Ａと、シート状の第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂをそれぞれ基材２、３上に形成する。
　次に、図５Ｂに示すように、第２工程において、接合部６を一方の基材２上に形成する。接合部６を形成する基材２、３は、どちらでも構わない。
　次に、図５Ｃのように、第三工程において、対向する一対の抵抗体４Ａ、５Ａの対応する抵抗体４Ｂ、５Ｂの抵抗面を対向して当接させ、接合部６を挟んで一対の基材２、３を仮止めした後、接合部６を他方の基材３に接合処理することで、一対の基材２、３を接合部６で連結して固定する。
　これによって、シート状センサを作製することができる。
　ここで、接合部６に関して、上記のように接合材料樹脂インクを用いてパターン印刷により形成しても良いし、接合材料樹脂塗料を基材２、３と抵抗体４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂパターンの間にコーティングして基材２、３と接合材料として熱可塑樹脂の２層のシーラント構造として、パターン加熱により接合部６の部分をラミネート接合で固定しても良い。
２．第２実施形態
　以下、図１０から図１６を参照して、本開示の第２実施形態にかかるシート状センサ１０１について説明する。
　第２実施形態にかかるシート状センサ１０１は、媒体に加わるせん断荷重を抵抗値などの物理量変化として出力する感圧センサである。
　従来のせん断荷重を計測可能なシート状の触覚センサでは、せん断荷重を表面から印加すると、センサ表面ですべりが発生してシート内の感圧層にせん断が伝わらず、正確なせん断荷重計測が困難であった。そこで、荷重印加体とセンサ表面との間に高摩擦シートを挟みすべりを軽減する方法や、荷重印加体とセンサ表面とを接着剤で固定する方法がとられてきた。高摩擦シートを挿入する方法では、高摩擦シート自体の変形や接触面のすべりが低減するものの、すべりの低減は十分ではなく、印加せん断荷重の一部しか感圧層へ伝わらなかった。また、接着剤で固定する方法では、感圧層にせん断荷重の印加は伝わるが、荷重印加体が接着剤でセンサに固定されているため破壊測定になり触覚センサとしての利用が著しく制約される問題があった。
　本実施形態にかかるシート状センサ１０１は、シート型の触覚センサにおいても、センサ表面に印加されるせん断荷重を確実に感圧層へ伝えることができ、正確なせん断荷重測定を可能とする。
　図１０は、本開示のシート状センサ１０１の一構成例を示す断面図である。シート状センサ１０１には、第１の基材１０２と第２の基材１０３とに挟まれた形でセンサ素子１０４が形成されている。また、シート状センサ１０１には、基材１０２の主面以外の面を覆う外装部１０８と、基材１０３の主面以外の面を覆う外装部１０９とが形成されている。センサ表面にせん断荷重が印加されると、基材１０２と基材１０３との間にせん断荷重に応じたずり変位が発生し、基材１０２と基材１０３との間に存在するセンサ素子１０４に変位による歪が伝わり、せん断荷重を計測する。
＜センサ素子＞
　センサ素子１０４の構成例としては、第１の基材１０２に形成された抵抗体１０４Ａ（不図示）と第２の基材１０３上に形成された抵抗体１０４Ｂ（不図示）とが抵抗体表面１０４Ａａと抵抗体表面１０４Ｂａとで接触し、センサ素子１０４を構成する。なお、センサ素子１０４の抵抗体１０４Ａと抵抗体１０４Ｂとの配置は、図３Ａ及び図３Ｂに示す第１の抵抗体４Ａ及び第２の抵抗体４Ｂの配置と同様であるため詳細な配置の説明は省略する。
　せん断荷重の印加により基材１０２と基材１０３との間にずり変位が生じると、基材１０２と基材１０３との接触面積が変化して抵抗値が上下する。この抵抗値の変化を印加した荷重で変換することで、せん断荷重を算出する。
　また、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれのずり変位に応じて抵抗値が変化するセンサ素子を形成してもよい。すなわち、Ｘ軸センサ抗素子は、Ｘ軸方向にせん断荷重が発生したときに、第１の抵抗体１０４Ａと第２の抵抗体１０４Ｂとの接触面積が変化して、ずり変位に応じて抵抗値などの物理量が変化する。Ｙ軸抵抗素子は、同様にＹ軸方向のせん断荷重に対して抵抗値などの物理量が変化する。このような二つの抵抗素子の組み合わせでセンサ素子１０４を構成すれば、ＸＹ平面に印加されたせん断荷重の方向と大きさとを計測することも可能である。
　センサ素子１０４は、せん断荷重に対して物理量が変化して検出できる構成であれば何れでもよい。センサ素子１０４としては、上述した抵抗値変化型のセンサが広く用いられるが、コンデンサ構造の静電容量変化型のセンサなどでも構わない。
　センサ素子１０４は、基材１０２及び基材１０３に、印刷またはコーティングの手法などを用いて形成する。特に印刷では、複数のセンサ素子１０４のそれぞれを個別に配列しやすいため好ましい。具体的には、印刷ではスクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェットなどの手法が挙げられ、また、コーティング手法としては、グラビアコート、静電スプレー、ダイコートなどが挙げられる。コーティング手法では抵抗素子のパターンのマスクを用いて形成する。
＜基材＞
　基材１０２及び基材１０３は、シート状に形成可能であればどのような材料を用いてもよい。基材１０２及び基材１０３を形成する材料としては、樹脂材料を用いることが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、アクリルなどを用いることができる。
　基材１０２及び１０３の厚さは、２５μｍ以上３００μｍ以下とすることが好ましい。基材１０２及び１０３の厚さがこの範囲であれば、基材１０２及び１０３が折れ曲がらず、且つ丸めたりすることができ、荷重印加体の表面が曲面であってもシート状センサ１０１を荷重印加体に貼着することができる。
＜外装部＞
　外装部１０８及び外装部１０９は、シート状センサ１０１の保護とシート状センサ１０１への意匠性を持たせる機能を有している。
　外装部１０８及び１０９は、パウチフィルムなどを基材１０２及び１０３にラミネートして形成しても良いし、保護層材料などで基材１０２及び１０３の主面を除く面の表面をコーティングして形成しても良い。さらに、外装部１０８及び１０９の表面に印刷などを施してもよい。
　本実施形態では、外装部１０８及び１０９の材料及び構成は上述した材料及び構成に限定されず、使用用途により適宜選択することができる。
＜孔＞
　本実施形態にかかるシート状センサ１０１は、基材１０２及び基材１０３にそれぞれ二つ以上設けられた孔を備えている。孔は、外装部１０８の表面から基材１０２に通じるように設けられており、外装部１０８の表面から基材１０２の主面（基材１０３と対向する面）まで貫通していてもよい。孔は、外装部１０９及び基材１０３においても同様に設けられる。すなわち、孔は、外装部１０８及び１０９から基材１０２及び１０３の途中まで形成されていてもよく、基材１０２及び１０３を貫通していてもよい。
　図１０は、外装部１０８及び１０９から基材１０２及び１０３の途中まで形成された孔１０５を有する第１の例のシート状センサ１０１（１０１Ａ）を示す断面図である。また、図１１は、外装部１０８から基材１０２まで貫通している孔１０６及び外装部１０９から基材１０３まで貫通している孔１０７を有する第２の例のシート状センサ１０１（１０１Ｂ）を示す断面図である。
　図１０に示すシート状センサ１０１Ａでは、一方の基材（例えば基材１０２）に設けられた孔１０５は、他方の基材（例えば基材１０３）に設けられた孔１０５と平面視で重ならない位置（図１０及び図１１の断面図においては上下方向に一致しない位置）に設けられている。同様に、図１１に示すシート状センサ１０１Ｂでは、一方の基材（例えば基材１０２）に設けられた孔１０６の一部は、他方の基材（例えば基材１０３）に設けられた孔１０７と平面視で重ならない位置に設けられている。
　これにより、せん断荷重が印加される際にセンサ素子１０４の感圧層にせん断荷重が伝わりやすくして、シート状センサ１０１のせん断荷重測定の正確性を向上させることができる。
　より詳細には、せん断荷重が印加される際に垂直荷重も同時に印加されるが、基材１０２の孔１０５と基材１０３の孔１０５とが平面視において重なる位置に配置されていると、孔のエッジ部分に垂直荷重による局圧がかかってしまい、センサ素子１０４の感圧層にせん断荷重が伝わりにくくなる。
　シート状のせん断荷重センサでは、基材１０２及び基材１０３の主面（ＸＹ面）に平行なせん断荷重を印加しようとすると、多少なりとも基材１０２及び基材１０３の厚さ方向（Ｚ軸方向）の荷重も同時に印加される。垂直荷重の印加により基材１０２及び基材１０３が密着し、界面に摩擦が発生する。この界面摩擦と、シート状センサ１０１表面及び荷重印加体の間の摩擦との力関係で、センサ素子１０４へ伝わるせん断荷重が決まるが、多くの場合、基材１０２と基材１０３との界面摩擦が大きく、センサ素子１０４へのせん断荷重が伝わり難くなっている。
　シート状センサ１０１では、基材１０２及び基材１０３の厚さ方向に延びる孔の構造体を有することで、孔を利用して印加されたせん断荷重を効率よく基材１０２及び１０３から基材１０２及び１０３と接触しているセンサ素子１０４に効果的に伝達することが可能となる。
　図１０のように基材１０２，１０３の内部で底のある孔１０５の形成は、レーザー加工、基材１０２，１０３表面に、または基材１０２，１０３表面上に専用層を設けたうえで型押しで形成するエンボス加工等の方法、ドリルによる物理的に形成する方法、印刷やコーティングなどで孔形成部以外を樹脂材料などでかさ上げする方法を用いることができる。
　図１１のように基材１０２，１０３を貫通する孔１０６，１０７の形成は、パンチや抜き刃を用いた打ち抜き形成を用いることができ、外装部１０８，１０９とともに打ち抜き加工をしても良い。
　図１２Ａから図１２Ｄは、図１０に示すシート状センサ１０１Ａの基材１０２または基材１０３における孔１０５の配置の一例を示す平面模式図である。シート状センサ１０１では、孔は１つの基材に複数設けられていることが好ましい。孔が１つの基材に複数設けられている場合、基材１０２または１０３がＸＹ平面の方向に対して孔を中心に回転し、感圧層に印加したせん断の方向が変化することを抑制することができる。
　あらゆる方向からのせん断を均等に感圧層に伝えるため、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、孔１０５が偶数個形成されている場合、孔１０５はセンサ素子１０４の中心Ｏから等距離の位置に配置される。また、図２（ｄ）に示すように、孔１０５が奇数個形成されている場合、孔１０５はセンサ素子１０４の中心Ｏを重心とする正多角形の頂点の位置に配置される。ここで、「正多角形」は、孔の数に応じた頂点の数を有する正多角形である。
　図１１に示すシート状センサ１０１Ｂにおいても同様の位置に孔が配置される。
　また、シート状センサ１０１は、孔１０５内の外装部１０８から基材１０２まで貫通する治具１２０を備えていてもよい。すなわち、治具１２０は、孔１０５内に挿入され、孔１０５内で外装部１０８と基材１０２とを接続している。
　図１３Ａ及び図１３Ｂ、並びに図１４Ａ及び図１４Ｂは、孔１０５と治具１２０とを組み合わせた際のシート状センサ１０１の構成例を示す断面図である。基材１０２と基材１０３とにはそれぞれ二箇所以上の孔１０５又は孔１０６，１０７が設けられている。
　図１３Ａ及び図１３Ｂは、基材１０２，１０３の内部に底を有する孔１０５が形成されたシート状センサ１０１Ａにおける治具１２０の構成を示す断面模式図である。図１３Ａに示すように、治具１２０は、例えば複数（例えば２つ）の孔１０５に挿入される突起部１２０Ａと、突起部１２０Ａ同士を外装部１０８、１０９の表面において接続する接続部１２０Ｂとを備えるピン形状であってもよい。図１３Ｂに示すように、このような治具１２０の突起部１２０Ａは、それぞれの孔１０５に差し込まれている。
　治具１２０が差し込まれた状態で外装部１０８を水平方向に移動させることで、治具１２０から孔１０５にせん断が伝わりセンサ素子１０４にせん断が伝わってせん断荷重が測定される。このようにすることで、荷重印加体とシート状センサ１０１との間の摩擦力に頼ることなく正確なせん断荷重の測定が可能となる。また、シート状センサ１０１の使用後に治具１２０を取り出すことにより、シート状センサ１０１は再利用可能となる。
　治具１２０は、孔１０５の径より小さい径の円筒ピンを突起部１２０Ａとして有する構造体とすることができる。治具１２０を構成する材料としては、金属やセラミックなどせん断が与えられたとき変形しない材料を選択することができる。
　図１４Ａ及び図１４Ｂは、基材１０２，１０３を貫通する孔１０６及び１０７が形成されたシート状センサ１０１Ｂにおける治具１２０の構成を示す断面模式図である。シート状センサ１０１Ｂでは、貫通した先に同じ外形を持つ孔が配置されないようにするため、基材１０２，１０３のうちの一方の外形を他方よりも小さくして、他方に形成された孔１０６だけを治具１２０の突起部１２０Ａが貫通するようにする。
　図１４Ａ及び図１４Ｂでは、基材１０３の外形を基材１０２より小さくして、基材１０２の基材１０３と重ならない部分に貫通する孔１０６を形成している。基材１０２と基材１０３とが重なった部分に孔１０６及び孔１０７を形成する場合は、基材１０３に形成された孔１０７の下側に基材１０２の孔１０６を形成する。このとき、基材１０２側の孔１０６の外径を孔１０７の外径よりも大きく形成している。一方の孔（孔１０６）の外径を大きくする量は、せん断印加でずり変位が起きる量に設定することが好ましい。せん断測定時に基材１０３側から挿入した治具１２０が基材１０２に形成された孔１０６に当たることがなくなるためである。せん断荷重印加によるずり変位量は数百μｍ程度であるため、対向する孔１０６の外径と孔１０７の外径との差は１ｍｍ程度とすることが好ましい。具体的には、孔１０７が２ｍｍ径の場合は、孔１０７に対向する孔１０６の孔径を３ｍｍにすればよい。
　図１５は、治具１２０と図１０に示すシート状センサ１０１Ａを一体化した場合のシート状センサ１０１の構成例を示す断面図である。載荷重層１１０は、孔１０５を埋める突起部１１０Ａと、基材１０２及び基材１０３の表面にそれぞれ形成される接続部１１０Ｂとを有している。
　載荷重層１１０を形成する材料としては、金属やセラミックなど剛体が選定される。載荷重層１１０を形成する材料として樹脂などの粘性成分を持つ材料を用いることも可能であるが、この場合にはせん断が突起部１１０Ａに伝わり難くなるため、硬質樹脂を選択するか、硬化処理をした材料を選択する。基材１０２，１０３の表面において載荷重層１１０を形成する部分は、実際に荷重印加する場所に限定するとよい。このような一体化構成をとることで、治具１２０を別に準備することなくせん断荷重をセンサ素子１０４に伝えることが可能となる。
　図１１に示すシート状センサ１０１Ｂにおいても同様の一体化構造をとることができる。
　図１６は、シート状センサ１０１に荷重印加体１３０によるせん断荷重が印加された状態を示す模式図である。荷重印加体１３０は、せん断測定をしたい対象物であり、特に形状、材質に制約はない。荷重印加体１３０によりせん断が斜めに印加されると、せん断荷重成分は、基材１０３の孔１０５で載荷重層１１０の突起部１１０Ａによりせん断としてセンサ素子１０４に伝わる。載荷重層１１０の表面は荷重印加体１３０との摩擦が大きくなるように材料と表面形状を選択することができる。高摩擦になれば素材や形状には制約がないが、例えば、微小突起が形成された金属やセラミックなどが選択される。
　このようにして、ＸＹ平面全方位のせん断荷重をシート形状の媒体にて安定な計測を可能とするシート状センサ１０１が得られる。
＜変形例＞
　センサ素子１０４は、せん断を物理量変化として感知する感圧層とともに、せん断荷重に対して弾性的に動作し、基材１０２と基材１０３とを接合する弾性接合部（図１０中不図示）を有していてもよい。弾性接合部が設けられることにより、せん断荷重が開放されたときに、基材１０２又は基材１０３が初期の位置に復元することが可能になり、連続変化するせん断荷重が印加された場合におけるせん断荷重の計測が容易になる。
　また、シート状センサ１０１は、抵抗値変化型の垂直荷重用センサをさらに備えることで、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに加えてＺ軸方向を検出方向とする３軸センサとすることもできる。また、センサ素子１０４は、物理量変化出力の引き出し配線を有していてもよい。引き出し配線としては、プリント配線板を用いても良いし、銀ペーストなどの導電インクを用いて印刷してもよい。
３．使用例
　以下、シート状センサの使用例について説明する。以下では、第１実施形態のシート状センサ１の使用例を一例として説明する。
　本実施形態のシート状センサは、ケースの中に挿入するインレイとすることもできる。このインレイをケースの中に挿入することで２次元センサとできる。インレイを入れるケースは、インレイ毎のポケットがあってもよい。そして、ポケットの中にインレイを挿入してもよい。これにより、インレイを所定の位置に配置できる。また、各シート状センサは、かみ合わせなどで、ケースの中で固定されていてもよい。この固定は、２次元センサに圧力が掛かったときに固定されてもよい。また、インレイの固定は、着脱可能でもよい。着脱可能とすることで、インレイが破損した場合の交換が容易となる。２次元センサは、カバーの中に収容されて使用してもよい。ケースが袋体であり、ケースの内部にシート状センサを敷き詰めても良い。
　図１７は、帯状の基材２、３間に１組の荷重センサが設けられたシート状センサからなるインレイ７０を示す。
　図１８では、図１７に示すインレイ７０をケースにマトリックス状に配列した２次元センサ７１が説明されている。このインレイ７０の配置は、等間隔、又は領域毎に異なった間隔とすることができる。領域毎に異なった間隔とすることで、センシングの密度を面内で変えることができる。等間隔に配置すれば均一にセンシングができる。インレイ７０を構成する各シート状センサは、２組以上の荷重センサを有していてもよい。
　ケースの端部、又はポケットの端部は、シールされていてもよい。シールは防水性のでもよい。このシールはジッパーでもよい。防水性のシールは、インレイへの浸水による故障を防止できる。また防水性のシールは、特にケースをベッドに敷いた場合に、インレイの汚染を防止できる。防水性のシールを端部に有するケースにインレイを挿入した２次元センサ７１は、衛生面で優れている。
　なお、１組の荷重センサを構成する複数のセンサ素子の１つが圧力センサ素子の場合は、静電容量方式のものとしてもよい。また圧力センサ素子が圧電素子から構成されていてもよい。上記のような温度センサ素子を併設してもよい。温度センサ素子は、圧力センサ素子の校正用として用いることもできる。特にインレイ７０を用いた場合には、そのインレイ７０の個数を増やすことで容易に大面積化することができる。
＜作用効果＞
　本開示の態様によれば、せん断荷重等を第１の抵抗体４Ａ、５Ａと第２の抵抗体４Ｂ、５Ｂの表面接触面積の抵抗値変化で検出するセンサ素子４、５の構成部品をシート状に構成することで、印刷法にてシート状センサが製造可能となる。この結果、本開示の態様によれば、複数のセンサ素子４、５を配置して大面積のシート状センサを構成しても、印刷での製造が可能な安価なセンサであって、寸法的に大面積化が可能なシート状センサを提供可能となる。
　このようにして、本開示により、ＸＹ平面全方位のせん断荷重をシート形状の媒体にて安定に計測を可能とする荷重センサを提供可能とした。
＜その他＞
　本開示は、以下のような構成も取ることができる。
（１）対向する一対のシート状の基材の間に、２以上のセンサ素子が配置され、前記センサ素子は、前記一対の基材のうちの一方の基材に形成されたシート状の第１の抵抗体と、他方の基材に形成されたシート状の第２の抵抗体とが対向配置すると共に、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体とは、前記第１の抵抗体に対し前記第２の抵抗体が相対変位可能な状態で接触し、更に、前記一対の基材間を連結して、センサ素子における、前記第１の抵抗体に対する前記第２の抵抗体の位置決めを行う接合部を有する、シート状センサ。
（２）前記２以上のセンサ素子は、複数のセンサ素子毎にセンサの組を構成する。
（３）前記接合部は、前記センサの組毎に３個以上設けられ、前記３個以上の接合部は、平面視において、対応するセンサの組を構成する２以上のセンサ素子の質量中心を中心とした第１の円の円状にそれぞれ配置されると共に、隣り合う接合部間の距離が等間隔になっている。
（４）センサの組を構成する２以上のセンサ素子は、前記質量中心を中心した第２の円に内接するように配置され、前記第１の円の半径は、前記第２の円の半径の２倍以下である。
（５）前記センサの組を構成する複数のセンサ素子に、せん断力を検知するせん断力検知センサを２以上含み、平面視において、前記２以上のせん断力検知センサが検知するせん断力の方向が互いに異なり、各せん断力検知センサの対向配置された２つの抵抗体は、平面視において、検知するせん断力の方向へのせん断変位に応じて、前記２つの抵抗体の重なる領域の面積が変化すると共に、前記検知するせん断力の方向と直交する方向のせん断変位に対し、前記２つの抵抗体の重なる領域の面積が一定に維持されるように、前記２つの抵抗体の形状及び配置が構成されている。
（６）前記センサの組を複数、有し、平面視において、前記複数のセンサの組が、マトリックス状に配置されている。
（７）主面を除く面が外装部で覆われている一対の基材と、前記一対の基材の主面同士の間に配置されたセンサ素子と、前記一対の基材それぞれの前記外装部の表面から前記基材に通じるように設けられた孔と、を備え、前記一対の基材のうちの一方の基材に設けられた孔は、前記一対の基材のうちの他方の基材に設けられた孔と平面視で重ならない位置に設けられている、シート状センサ。
（８）前記孔は、前記一対の基材のそれぞれに複数設けられており、前記孔が偶数個設けられている場合は、平面視で前記センサ素子の中心から等距離の位置に配置され、前記孔が奇数個設けられている場合は、平面視で前記センサ素子の中心を重心とする正多角形の頂点の位置に設けられている。
（９）前記孔内の前記外装部から前記基材まで貫通する治具を備えている。
（１０）前記治具は、ピン形状である。
（１１）前記治具が、金属又はセラミックで形成されている。
（１２）前記孔は、前記外装部の表面から前記基材の前記主面まで貫通し、前記一対の基材のうちの一方の基材の主面に設けられた孔は、前記一対の基材のうちの他方の基材に設けられた孔と平面視で重なる位置に設けられており、前記治具同士が、前記基材の主面で接続されている。
（１３）シート状の第１の基材に抵抗体をパターン印刷して第１の抵抗体を複数形成し、シート状の第２の基材に抵抗体をパターン印刷して、前記第１の抵抗体と対向可能な位置に第２の抵抗体を形成し、前記第１の基材又は第２の基材のうちの一方の基材に対し、平面視において、１又は２以上の前記第１の抵抗体又は１又は２以上の前記第２の抵抗体を形成する領域の外周を囲むようにして、複数の接合部を形成し、前記各第１の抵抗体と第２の抵抗体とが対向するようにして前記第１の基材に第２の基材を重ねると共に、前記接合部を前記第１の基材又は第２の基材のうちの他方の基材に固着して、前記第１の基材と前記第２の基材を連結する。
　次に、第１実施形態に基づく実施例について説明する。
（１）実施例１
＜実施例１－１＞
　以下の方法により、図１に示す構造のシート状センサを形成した。
　基材として１００μｍのＰＥＴフィルムを用いた。一対の基材の上に、それぞれカーボンインク（十条ケミカル製、商品名：ＪＥＬＣＯＮ　ＣＨ－Ｎ）を用いて抵抗体をそれぞれ印刷した。このとき、一方の基材の一方の面上にシート状の第１の抵抗体とシート状の第２の抵抗体とを形成するとともに、他方の基材の一方の面上にシート状の第１の抵抗体とシート状の第２の抵抗体とを形成し、抵抗体同士を接触させてセンサ素子を形成した。各抵抗体は、２つのセンサ素子の質量中心を中心とする半径７ｍｍに内接するようにして形成する。
　センサ素子の外周に設ける接合部の材料として、ポリエチレン（日本ポリエチレン製、商品名：ノバテックＬＣ５２５）を使用した。そして、３つの接合部は、２つのセンサ素子の質量中心を中心とした１０ｍｍ位置範囲であって、上記中心に対する正三角形の頂点の位置にそれぞれ形成した。各接合部は、直径φ３ｍｍの円柱体とした。
　そして、接合部が形成された一方の基材と他方の基材とを、それぞれの対向する抵抗体の対向面を合わせると共に、接合部を挟んで仮止めし、１２０度でホットラミネートして接合部の先端部を基材に固着させた。
　以上によって、１組の荷重センサを有するシート状センサを作製した。
　そのシート状センサに対し、Ｚ軸の垂直荷重２０Ｎを加え、水平方向に８Ｎのせん断荷重を印加したところ、ＸＹ方向にそれぞれに対応するセンサ素子４、５の抵抗値が２００Ω±３０Ωの範囲で変化することが観察された。
（２）実施例２
　以下、第２実施形態に基づく実施例について説明する。
＜実施例２－１＞
　以下の方法により、図１０に示す構造のシート状センサを形成した。
　基材として１００μｍのＰＥＴフィルムを用いた。一対の基材の上に、それぞれカーボンインク（十条ケミカル製、商品名：ＪＥＬＣＯＮ　ＣＨ－Ｎ）を用いて抵抗体をそれぞれ印刷した。このとき、せん断力検出方向において一対の抵抗体の一部同士が重複するように抵抗体同士を接触させてセンサ素子を形成した。一方向にせん断によるずり変位が起きると、抵抗体同士の接触面積が変わりせん断荷重変化を抵抗変化として測定できる。打ち抜き刃を用いて一対の基材のそれぞれに２．０ｍｍ径の貫通孔を形成した。接合部材料として、両面テープ（寺岡製作所、７０７０Ｗ）を用いて一対の基材を固定して実施例２－１のシート状センサを作製した。
　一対の基材のそれぞれに設けた貫通孔の位置に合わせて１．９ｍｍ径のピン形状の治具を作製した。治具を一対の基材のそれぞれに設けた貫通孔に差し込み、一方の治具を固定し、もう一方の治具にずり変位を印加する手法でせん断荷重を印加した。
＜比較例２－１＞
　実施例２―１のセンサに孔を設けないこと以外は、実施例２－１と同様にして比較例２－２を作製した。
　せん断時には、高摩擦シート（イノアック社；ポロンＭＸ－４８ＨＦ）を押し当てせん断印加をした。
　実施例２－１と比較例２－１に対して、垂直荷重を１０Ｎ又は２０Ｎに保持してシート状センサにせん断を加えた。
　以下の表１に、上述の垂直荷重を保持した際のせん断荷重［Ｎ］を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す通り、実施例２－１では、せん断荷重を垂直荷重と同じ１０Ｎ又は２０Ｎまで印加できた。一方、比較例２－１では、それぞれ３Ｎまでしか印加できず、この時点で、高摩擦シートとセンサの接触面でずれが生じることが確認できた。
　以上、本開示を実施の形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１，１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ　シート状センサ
２，３，１０２，１０３　基材
４，５，１０４　センサ素子
４Ａ，５Ａ，１０４Ａ　第１の抵抗体
４Ａａ，５Ａａ，１０４Ａａ　抵抗体表面
４Ｂ，５Ｂ，１０４Ｂ　第２の抵抗体
４Ｂａ，５Ｂａ，１０４Ｂａ　抵抗体表面
６　接合部
７　第１の抵抗体
８　第２の抵抗体
１０　接触面
２０　第２の円
３０　第１の円
４０　温度センサ素子
４１　接触面
７０　インレイ
７１　２次元センサ
１０５，１０６，１０７　孔
１０８，１０９　外装部
１１０　載荷重層
１１０Ａ　突起部
１１０Ｂ　接続部
１２０　治具
１２０Ａ　突起部
１２０Ｂ　接続部
１３０　荷重印加体

Claims (13)

  1. 　対向する一対のシート状の基材の間に、２以上のセンサ素子が配置され、
    　前記センサ素子は、前記一対の基材のうちの一方の基材に形成されたシート状の第１の抵抗体と、他方の基材に形成されたシート状の第２の抵抗体とが対向配置すると共に、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体とは、前記第１の抵抗体に対し前記第２の抵抗体が相対変位可能な状態で接触し、
    　更に、前記一対の基材間を連結して、前記センサ素子における、前記第１の抵抗体に対する前記第２の抵抗体の位置決めを行う接合部を有する、
    シート状センサ。
  2. 　２以上の前記センサ素子は、複数のセンサ素子毎にセンサの組を構成する、
    請求項１に記載したシート状センサ。
  3. 　前記接合部は、前記センサの組毎に３個以上設けられ、
    　３個以上の前記接合部は、平面視において、対応するセンサの組を構成する２以上の前記センサ素子の質量中心を中心とした第１の円の円状にそれぞれ配置されると共に、隣り合う接合部間の距離が等間隔になっている、
    請求項２に記載したシート状センサ。
  4. 　センサの組を構成する２以上の前記センサ素子は、前記質量中心を中心した第２の円に内接するように配置され、
    　前記第１の円の半径は、前記第２の円の半径の１倍以上２倍以下である、
    請求項３に記載したシート状センサ。
  5. 　前記センサの組を構成する複数の前記センサ素子に、せん断力を検知するせん断力検知センサを２以上含み、
    　平面視において、前記２以上のせん断力検知センサが検知するせん断力の方向が互いに異なり、
    　各せん断力検知センサの対向配置された２つの抵抗体は、平面視において、検知するせん断力の方向へのせん断変位に応じて、前記２つの抵抗体の重なる領域の面積が変化すると共に、前記検知するせん断力の方向と直交する方向のせん断変位に対し、前記２つの抵抗体の重なる領域の面積が一定に維持されるように、前記２つの抵抗体の形状及び配置が構成されている
    請求項２～請求項４のいずれか１項に記載したシート状センサ。
  6. 　前記センサの組を複数、有し、
    　平面視において、複数の前記センサの組が、マトリックス状に配置されている、
    請求項２～請求項５のいずれか１項に記載したシート状センサ。
  7. 　主面を除く面が外装部で覆われている一対の基材と、
    　前記一対の基材の主面同士の間に配置されたセンサ素子と、
    　前記一対の基材それぞれを覆う前記外装部の表面から前記基材に通じるように設けられた孔と、
    を備え、
    　前記一対の基材のうちの一方の基材に設けられた孔は、前記一対の基材のうちの他方の基材に設けられた孔と平面視で重ならない位置に設けられている
    シート状センサ。
  8. 　前記孔は、前記一対の基材のそれぞれに複数設けられており、前記孔が偶数個設けられている場合は、平面視で前記センサ素子の中心から等距離の位置に配置され、前記孔が奇数個設けられている場合は、平面視で前記センサ素子の中心を重心とする正多角形の頂点の位置に設けられている
    請求項７に記載したシート状センサ。
  9. 　前記孔内の前記外装部から前記基材まで貫通する治具を備えている
    請求項７又は請求項８に記載したシート状センサ。
  10. 　前記治具は、ピン形状である
    請求項９に記載したシート状センサ。
  11. 　前記治具が、金属又はセラミックで形成されている
    請求項９又は請求項１０に記載したシート状センサ。
  12. 　前記孔は、前記外装部の表面から前記基材の前記主面まで貫通し、前記一対の基材のうちの一方の基材の主面に設けられた孔は、前記一対の基材のうちの他方の基材に設けられた孔と平面視で重なる位置に設けられており、
    　前記治具同士が、前記基材の主面で接続されている
    請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載したシート状センサ。
  13. 　シート状の第１の基材に抵抗体をパターン印刷して第１の抵抗体を複数形成し、
    　シート状の第２の基材に抵抗体をパターン印刷して、前記第１の抵抗体と対向可能な位置に第２の抵抗体を形成し、
    　前記第１の基材又は第２の基材のうちの一方の基材に対し、平面視において、１又は２以上の前記第１の抵抗体又は１又は２以上の前記第２の抵抗体を形成する領域の外周を囲むようにして、複数の接合部を形成し、
    　前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体とが対向するようにして前記第１の基材に第２の基材を重ねると共に、前記接合部を前記第１の基材又は第２の基材のうちの他方の基材に固着して、前記第１の基材と前記第２の基材を連結する、
    シート状センサの製造方法。
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