WO2023105950A1 - 荷重センサ - Google Patents

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WO2023105950A1
WO2023105950A1 PCT/JP2022/039371 JP2022039371W WO2023105950A1 WO 2023105950 A1 WO2023105950 A1 WO 2023105950A1 JP 2022039371 W JP2022039371 W JP 2022039371W WO 2023105950 A1 WO2023105950 A1 WO 2023105950A1
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WO
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wires
base member
conductor
wire
load sensor
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Application number
PCT/JP2022/039371
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English (en)
French (fr)
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進 浦上
敬史 濱野
祐太 森浦
玄 松本
博伸 浮津
洋大 松村
Original Assignee
パナソニックIpマネジメント株式会社
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes

Definitions

  • the present invention relates to a load sensor that detects an externally applied load based on changes in capacitance.
  • Load sensors are widely used in fields such as industrial equipment, robots and vehicles. 2. Description of the Related Art In recent years, along with the development of computer control technology and the improvement of design, the development of electronic devices such as humanoid robots and interior parts of automobiles that use free-form surfaces in various ways is progressing. Accordingly, it is required to mount high-performance load sensors on each free-form surface.
  • Patent Literature 1 discloses a sheet-like base material having an elastic conductive portion, a plurality of conductor wires arranged so as to intersect the elastic conductive portion, and between the plurality of conductor wires and the elastic conductive portion.
  • a pressure-sensitive element is described that includes a plurality of dielectrics respectively arranged on the substrate and a thread-like member for sewing a plurality of conductor wires to a substrate.
  • an object of the present invention is to provide a load sensor capable of properly sewing a plurality of conductor wires to a base member.
  • a main aspect of the present invention relates to a load sensor.
  • the load sensor according to this aspect includes a first base member, a second base member arranged to face the first base member, and a surface facing at least one of the first base member and the second base member.
  • a plurality of conductive elastic bodies arranged side by side; a plurality of conductor wires arranged so as to cross the plurality of conductive elastic bodies; and a dielectric arranged between the conductive elastic bodies and the conductor wires. and a thread for sewing the plurality of conductor wires to the first base member or the second base member by a stitch line extending in a direction intersecting the direction in which the plurality of conductive elastic bodies are arranged.
  • the plurality of conductor lines are arranged such that one of the conductor lines crosses or approaches another of the conductor lines at the position of the sewing row, and the threads cross each other. Alternatively, it is sewn to the first base member or the second base member so as to straddle the approaching one conductor wire and the other conductor wire.
  • a plurality of conductor lines that intersect or approach each other at the position of the stitching row can be collectively sewn to the first base member or the second base member.
  • the distance between positions (stitching positions) where the plurality of conductor wires cross or approach each other is wider than the distance when the plurality of conductor wires are simply arranged.
  • sewing machines for sewing threads have a minimum needle hole pitch based on machine accuracy. Therefore, even if it is not possible to simply sew a plurality of conductor wires one by one due to the relationship with the minimum needle hole pitch, according to the load sensor according to this aspect, the sewing position can be adjusted as described above. , the conductor wires can be properly sewn together.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a structure in a manufacturing process according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the structure in the manufacturing process according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a plan view schematically showing the configuration of the structure in the manufacturing process according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the wire structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a structure in a manufacturing process according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the structure in the manufacturing process according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a plan view
  • FIG. 7(a) and 7(b) schematically show a cross section near the crossing position when cut along a plane parallel to the XZ plane at the crossing position of the conductive elastic body and the wire according to the first embodiment.
  • It is a diagram. 8 is a plan view schematically showing the internal configuration of the load sensor according to the first embodiment;
  • FIG. 9(a) is a plan view schematically showing the interval between thread stitches according to a comparative example.
  • FIG. 9(b) is a plan view schematically showing intervals between thread stitches according to the first embodiment.
  • 10 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 2 of Embodiment 1.
  • FIG. 12 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 3 of Embodiment 1.
  • FIG. 13 is a plan view showing the configuration of a wire structure according to Embodiment 2.
  • FIG. 14 is a plan view schematically showing intervals between thread stitches according to the second embodiment.
  • 15 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 1 of Embodiment 2.
  • FIG. 16 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 2 of Embodiment 2.
  • FIG. 17 is a plan view showing a configuration of a wire structure according to Modification 3 of Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 18 is a diagram schematically showing a cross section in the vicinity of the crossing position of the conductive elastic body and the wire when cut along a plane parallel to the XZ plane at the crossing position of the conductive elastic body and the wire, according to another modification.
  • the load sensor according to the present invention can be applied to a management system that performs processing according to the applied load and a load sensor for electronic equipment.
  • management systems include inventory management systems, driver monitoring systems, coaching management systems, security management systems, nursing care and childcare management systems.
  • a load sensor installed on the inventory shelf detects the load of the loaded inventory, and detects the type and number of products on the inventory shelf.
  • a load sensor provided in the refrigerator detects the load of the food in the refrigerator, and detects the type of food in the refrigerator and the number and amount of the food. As a result, it is possible to automatically propose a menu using the food in the refrigerator.
  • a load sensor provided in the steering device monitors the driver's load distribution on the steering device (eg gripping force, gripping position, pedaling force).
  • a load sensor provided on the vehicle seat monitors the load distribution (for example, the position of the center of gravity) of the driver on the vehicle seat while the driver is seated. As a result, the driver's driving state (drowsiness, psychological state, etc.) can be fed back.
  • the load distribution on the soles of the feet is monitored by load sensors provided on the soles of the shoes. As a result, it is possible to correct or guide the user to an appropriate walking state or running state.
  • a load sensor installed on the floor detects the load distribution when a person passes through, and detects the weight, stride length, passing speed, shoe sole pattern, and so on. This makes it possible to identify a passing person by collating this detection information with the data.
  • load sensors installed on bedding and toilet seats monitor the load distribution of the human body on bedding and toilet seats. As a result, it is possible to estimate what kind of action the person is trying to take at the position of the bedding and toilet seat, and prevent overturning and falling.
  • Examples of electronic devices include in-vehicle devices (car navigation systems, audio equipment, etc.), home appliances (electric pots, IH cooking heaters, etc.), smartphones, electronic paper, e-book readers, PC keyboards, game controllers, smart watches, wireless Examples include earphones, touch panels, electronic pens, penlights, glowing clothes, and musical instruments.
  • An electronic device is provided with a load sensor in an input section that receives an input from a user.
  • the load sensors in the following embodiments are capacitive load sensors that are typically provided in the management systems and load sensors of electronic devices as described above. Such a load sensor may also be called a “capacitive pressure sensor element”, a “capacitive pressure detection sensor element”, a “pressure sensitive switch element”, or the like. Also, the load sensor in the following embodiments is connected to a detection circuit, and the load sensor and the detection circuit constitute a load detection device.
  • the following embodiment is one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.
  • the Z-axis direction is the height direction of the load sensor 1 .
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of the structure 1a in the manufacturing process.
  • the structure 1 a includes a first base member 11 , multiple conductors 12 , multiple conductive elastic bodies 13 , multiple wirings 14 , and multiple electrodes 15 .
  • the first base member 11 is a plate-like member having elasticity.
  • the first base member 11 has a rectangular shape in plan view.
  • the thickness of the first base member 11 is constant. When the thickness of the first base member 11 is small, the first base member 11 may be called a sheet member or a film member.
  • the first base member 11 has insulating properties and is made of, for example, a non-conductive resin material or a non-conductive rubber material.
  • the resin material used for the first base member 11 is, for example, a group consisting of a styrene-based resin, a silicone-based resin (for example, polydimethylpolysiloxane (PDMS), etc.), an acrylic-based resin, a rotaxane-based resin, a urethane-based resin, and the like.
  • Rubber materials used for the first base member 11 include, for example, silicone rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, chloroprene rubber, nitrile rubber, polyisobutylene, ethylene-propylene rubber, chlorosulfonated polyethylene, acrylic rubber, and fluorine. At least one rubber material selected from the group consisting of rubber, epichlorohydrin rubber, urethane rubber, natural rubber, and the like.
  • the conductor 12 is formed on the facing surface 11a (surface on the Z-axis negative side) of the first base member 11 .
  • five conductors 12 are arranged on the facing surface 11a of the first base member 11 so as to extend in the X-axis direction.
  • the conductor 12 is made of a material having a lower resistance than the conductive elastic body 13 .
  • the conductor 12 is a conductive member having elasticity, and the thickness of the conductor 12 is smaller than the thickness of the conductive elastic body 13 .
  • a wiring 14 is drawn from the end of each conductor 12 on the negative side of the X axis.
  • the conductive elastic body 13 is formed on the facing surface 11 a of the first base member 11 so as to cover the conductor 12 .
  • the conductive elastic body 13 is formed on the facing surface 11a so that the conductor 12 is positioned substantially in the middle of the conductive elastic body 13 in the Y-axis direction.
  • five conductive elastic bodies 13 are arranged on the facing surface 11 a of the first base member 11 .
  • the five conductive elastic bodies 13 have the same width, length and thickness.
  • Each conductive elastic body 13 has a belt-like shape that is long in the X-axis direction, and is arranged in the Y-axis direction with a predetermined gap. That is, the long sides of the conductive elastic bodies 13 are parallel to the X-axis, and the alignment direction of the conductive elastic bodies 13 is parallel to the Y-axis.
  • the conductive elastic body 13 is a conductive member having elasticity.
  • the conductor 12 and the conductive elastic body 13 formed to cover the conductor 12 are electrically connected.
  • the conductor 12 and the conductive elastic body 13 are formed on the facing surface 11a of the first base member 11 by a printing method such as screen printing, gravure printing, flexographic printing, offset printing, and gravure offset printing.
  • the conductive elastic body 13 is formed so as to overlap the conductor 12 after the conductor 12 is formed.
  • the conductor 12 and the conductive elastic body 13 can be formed on the facing surface 11a of the first base member 11 with a thickness of about 0.001 mm to 0.5 mm.
  • the method of forming the conductor 12 and the conductive elastic body 13 is not limited to the printing method.
  • the conductor 12 and the conductive elastic body 13 are composed of a resin material and conductive filler dispersed therein, or a rubber material and conductive filler dispersed therein.
  • the resin material used for the conductor 12 and the conductive elastic body 13 is similar to the resin material used for the first base member 11 described above. ), acrylic resin, rotaxane resin, urethane resin, and the like.
  • the rubber material used for the conductor 12 and the conductive elastic body 13 is the same as the rubber material used for the first base member 11, such as silicone rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, chloroprene rubber, and nitrile.
  • At least one rubber material selected from the group consisting of rubber, polyisobutylene, ethylene propylene rubber, chlorosulfonated polyethylene, acrylic rubber, fluororubber, epichlorohydrin rubber, urethane rubber, natural rubber, and the like.
  • Conductive fillers used for the conductor 12 and the conductive elastic body 13 include, for example, Au (gold), Ag (silver), Cu (copper), C (carbon), ZnO (zinc oxide), In 2 O 3 (oxidized indium (III)), and SnO 2 (tin (IV) oxide), and PEDOT:PSS (that is, poly 3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS) It is at least one material selected from the group consisting of conductive polymer materials such as composites) and conductive fibers such as metal-coated organic fibers and metal wires (in fiber state).
  • the conductive filler used for the conductor 12 is Ag (silver), and the conductive filler that constitutes the conductive elastic body 13 is C (carbon).
  • the wiring 14 is formed on the facing surface 11a (surface on the Z-axis negative side) of the first base member 11 .
  • the electrode 15 is formed near the end on the Y-axis positive side of the facing surface 11 a of the first base member 11 .
  • five electrodes 15 are arranged in the X-axis direction with a predetermined gap.
  • the wiring 14 and the electrodes 15 are made of a conductive material.
  • the wiring 14 electrically connects one conductor 12 and one electrode 15 that form a pair.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the structure 1b in the manufacturing process.
  • the structure 1b includes a substrate 21, a plurality of electrodes 22, a plurality of electrodes 23, and a plurality of wires 30.
  • the substrate 21 has a rectangular shape extending in the X-axis direction.
  • the electrode 22 is formed on the surface of the substrate 21 on the Z-axis positive side near the end on the Y-axis negative side.
  • five electrodes 22 are arranged in the X-axis direction with a predetermined gap.
  • the electrode 23 is formed near the end on the positive Y-axis side of the surface of the substrate 21 on the positive Z-axis side.
  • five electrodes 23 are arranged in the X-axis direction with a predetermined gap.
  • the size and pitch in the X-axis direction of the five electrodes 23 are the same as those of the five electrodes 15 shown in FIG.
  • the substrate 21 has a terminal (not shown) at the end on the Y-axis positive side. This terminal is connected to electrodes 22, 23 and is used to connect each electrode 22, 23 to an external detection circuit.
  • a plurality of wires 30 are arranged to extend in the Y-axis direction.
  • 40 wires 30 are arranged.
  • Each wire 30 is arranged to be inclined in the X-axis direction by a predetermined angle with respect to the Y-axis.
  • the wire 30 is composed of a conductor wire 31 and a dielectric 32 covering its surface (see FIGS. 5A and 5B).
  • Eight wires 30 constitute one wire structure ST.
  • five wire structures ST are arranged in the X-axis direction with a predetermined gap.
  • Eight wires 30 included in one wire structure ST are connected at their ends to form a series.
  • Eight wires 30 included in one wire structure ST intersect in a mesh pattern on the XY plane.
  • the end of the wire structure ST on the Y-axis positive side is connected to the electrode 22 using solder.
  • the dielectric 32 is removed from the ends of the wires 30 and the exposed conductor wires 31 are soldered to the electrodes 22 .
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the configuration of the structure 1c in the manufacturing process.
  • the structure 1b of FIG. 2 is turned upside down and covered.
  • the Z-axis positive side surface of the substrate 21 abuts against the facing surface 11 a (Z-axis negative side surface) of the first base member 11 , and the wire structure ST made of the wires 30 is brought into contact with the conductive elastic body 13 . abut.
  • Each wire 30 of the wire structure ST intersects the five conductive elastic bodies 13 while obliquely crossing them.
  • the wire 30 group of each wire structure ST is sewn to the facing surface 11 a of the first base member 11 with the thread 40 .
  • Sewing with thread 40 is performed, for example, by a sewing machine.
  • the sewing machine forms needle holes 11c (see FIGS. 5A and 5B) at a predetermined pitch in the X-axis direction, and stitches 43 (see FIGS. 5A and 5B) in the needle holes 11c. )) is formed, and the wire 30 is sewn to the first base member 11 .
  • a stitch row 40a of the thread 40 extends in the X-axis direction. On the stitch row 40 a , the thread 40 straddles all the wires 30 and sews each wire 30 to the first base member 11 . In FIG. 3 , a stitch row 40 a of six threads 40 is arranged on the first base member 11 .
  • the stitching rows 40a of the four inner threads 40 are located in the gap between the two conductive elastic bodies 13 adjacent to each other in the Y-axis direction, and the stitching rows 40a of the two outer threads 40 are located on the outer side in the Y-axis direction. located outside the two conductive elastic bodies 13 of .
  • the wire 30 can move in the Y-axis direction while being sewn by the thread 40 , and its movement in the X-axis direction is restricted by the thread 40 .
  • the thread 40 is composed of chemical fibers, natural fibers, mixed fibers thereof, or the like.
  • the electrode 15 on the first base member 11 side and the electrode 23 on the substrate 21 side come into contact with each other.
  • the first base member 11 and the substrate 21 are sewn together with the thread 50 at the positions of the electrodes 15 and 23 . This joins the electrodes 15 and 23 together.
  • FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST.
  • a plurality of meshes are formed by arranging a plurality of wires 30 along a plurality of straight lines inclined with respect to the Y-axis direction. That is, the mesh of the wire structure ST is formed by arranging the plurality of wires 30 non-parallel to the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged (the Y-axis direction).
  • the Y-axis direction There are two types of tilt directions of the wire 30, the X-axis positive direction and the X-axis negative direction, and the tilt angles of the two types of tilt directions are the same.
  • the ends of the wires 30 adjacent to each other are connected to each other at the ends in the Y-axis direction, thereby forming a series of eight wires 30 .
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in series is indicated by solid arrows. By arranging eight wires 30 in series along this route, a mesh of wire structures ST is formed.
  • two wires 30 intersect at a position P1 on the stitch row 40a.
  • the positions P1 are arranged with a predetermined gap in the X-axis direction.
  • the thread 40 is sewn to the first base member 11 so as to straddle the two wires 30 crossing at each position P1.
  • two wires 30 are close to each other at a position P2 on the stitch row 40a.
  • the positions P2 are arranged with a predetermined gap in the X-axis direction.
  • a thread 40 is sewn to the first base member 11 so as to straddle two wires 30 approaching each position P2.
  • a seam 43 is formed between two adjacent positions P1, and a seam 43 is formed between two adjacent positions P2.
  • a plurality of stitching rows 40a of threads 40 extending in the X-axis direction are formed with a predetermined gap in the Y-axis direction.
  • FIG. 5(a) and 5(b) are schematic cross-sections of the structure 1c in FIG. 3 when cut along a plane parallel to the XZ plane at the positions of the threads 40 passing through the positions P1 and P2, respectively.
  • FIG. 4 is a diagram showing;
  • the wire 30 is composed of a conductor wire 31 and a dielectric 32 formed on the conductor wire 31 .
  • the dielectric 32 is formed around the conductor wire 31 and covers the entire surface of the conductor wire 31 .
  • the conductor wire 31 is a member having conductivity and having a linear shape.
  • Conductor line 31 is made of, for example, a conductive metal material.
  • the conductor wire 31 may be composed of a core wire made of glass and a conductive layer formed on its surface, or may be composed of a core wire made of resin and a conductive layer formed on its surface.
  • aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb), zirconium (Zr), hafnium (Hf) and other valve metals, tungsten (W), molybdenum (Mo), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), gold (Au), and the like are used.
  • the conductor wire 31 is made of copper.
  • the conductor wire 31 may be a twisted wire in which wires made of a conductive metal material are twisted.
  • the dielectric 32 has electrical insulation and is made of, for example, a resin material, a ceramic material, a metal oxide material, or the like.
  • Dielectric 32 is at least one selected from the group consisting of polypropylene resin, polyester resin (eg, polyethylene terephthalate resin), polyimide resin, polyphenylene sulfide resin, polyvinyl formal resin, polyurethane resin, polyamideimide resin, polyamide resin, and the like. It may be at least one kind of resin material, or at least one kind of metal oxide material selected from the group consisting of Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 .
  • the diameter of the conductor wire 31 is, for example, 0.01 mm or more and 1.5 mm or less, or may be 0.05 mm or more and 0.8 mm or less. Such a configuration of the conductor wire 31 is preferable from the viewpoint of strength and resistance of the conductor wire 31 .
  • the thickness of the dielectric 32 is preferably 5 nm or more and 100 ⁇ m or less, and can be appropriately selected depending on the design such as sensor sensitivity.
  • the thread 40 is composed of a needle thread 41 arranged along the upper surface (opposing surface 11a) of the first base member 11 and a thread below the first base member 11. and a bobbin thread 42 arranged along the side surface (upper surface 11b).
  • the needle thread 41 and the bobbin thread 42 intersect each other at the position of the needle hole 11c that penetrates the first base member 11 in the Z-axis direction, and a seam 43 is formed at this intersecting position.
  • a thread 40 is sewn to the first base member 11 along the X-axis direction so as to straddle the positions P1 and P2 shown in FIG. Thereby, a plurality of seams 43 are arranged in the X-axis direction.
  • a plurality of stitches 43 arranged in the X-axis direction and the thread 40 between adjacent stitches 43 form a stitch row 40a of the thread 40.
  • a plurality of stitching rows 40a of the thread 40 are formed on the facing surface 11a of the first base member 11 at a predetermined pitch in the Y-axis direction.
  • the wire 30 is sewn to the first base member 11 with a thread 40 between adjacent stitches 43 on each stitch row 40a.
  • FIG. 5(a) at position P1, two intersecting wires 30 are sewn to the first base member 11 with thread 40 between adjacent seams 43.
  • FIG. 5(b) at position P2, two adjacent wires 30 are sewn to the first base member 11 by thread 40 between adjacent seams 43.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing the configuration of the load sensor 1.
  • the load sensor 1 includes the structure 1c and the second base member 61 shown in FIG.
  • the second base member 61 is a flat member.
  • the second base member 61 is arranged to face the lower surface (facing surface 11a) of the first base member 11 .
  • the second base member 61 has the same shape as the first base member 11 in plan view.
  • the thickness of the second base member 61 is constant. When the thickness of the second base member 61 is small, the second base member 61 may be called a sheet member or a film member.
  • the second base member 61 has insulating properties and is made of, for example, a non-conductive resin material or a non-conductive rubber material.
  • the second base member 61 is made of, for example, a material that can be used for the first base member 11 described above.
  • the second base member 61 may be made of a hard material that is difficult to elastically deform.
  • the second base member 61 covers the structure 1c of FIG. 3 from below (Z-axis negative side). As a result, the wire 30 comes into contact with the facing surface 61a (the surface on the Z-axis positive side) of the second base member 61 . Then, the outer periphery of the first base member 11 is connected to the second base member 61 with a thread (not shown). Thereby, the first base member 11 is fixed to the second base member 61 . Thus, the load sensor 1 is completed as shown in FIG.
  • the load sensor 1 is used with the first base member 11 directed upward (positive side of the Z axis) and the second base member 61 directed downward (negative side of the Z axis).
  • the upper surface 11b of the first base member 11 is the surface to which the load is applied
  • the lower surface 61b of the second base member 61 is installed on the installation surface.
  • a plurality of element portions A1 arranged in a matrix are formed in plan view.
  • a total of 25 element portions A1 arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction are formed in the load sensor 1 of FIG.
  • One element portion A1 corresponds to a region including an intersection point between one conductive elastic body 13 and one wire structure ST arranged below the conductive elastic body 13 . That is, one element portion A1 includes the first base member 11, the conductor 12, the conductive elastic body 13, the wire structure ST and the second base member 61 near the intersection.
  • the lower surface of the load sensor 1 (the lower surface 61b of the second base member 61) is installed on a predetermined installation surface, and a load is applied to the upper surface of the load sensor 1 (the upper surface 11b of the first base member 11) that constitutes the element portion A1. Then, the capacitance between the conductive elastic body 13 and the conductor wire 31 changes, and the load is detected based on the capacitance.
  • FIGS. 7(a) and 7(b) are diagrams schematically showing cross sections near the crossing position when the conductive elastic body 13 and the wire 30 are cut along a plane parallel to the XZ plane at the crossing position.
  • Fig. 7(a) shows a state where no load is applied
  • Fig. 7(b) shows a state where a load is applied.
  • the lower surface 61b of the second base member 61 on the Z-axis negative side is installed on the installation surface.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing the internal configuration of the load sensor 1 when viewed in the Z-axis negative direction. In FIG. 8, only outlines of the first base member 11, the conductive elastic body 13 and the substrate 21 are shown for convenience.
  • the element portions A1 are formed in the regions of intersections between the conductive elastic bodies 13 and the wire structures ST, and the plurality of element portions A1 are arranged in a matrix. Electrodes 15 , 22 , 23 are connected through substrate 21 to a detection circuit (not shown) including a load detection circuit.
  • the detection circuit detects the value of the capacitance for each element part A1 while switching the conductive elastic body 13 and the wire structure ST corresponding to the element part A1 to be detected. Specifically, the detection circuit applies a DC voltage via a resistor to the conductive elastic body 13 and the wire structure ST that intersect in the element portion A1 to be detected, and measures the voltage value at the intersection position. .
  • the voltage value at the intersection point is determined by the time constant defined by this resistance and the capacitance at the intersection point (the capacitance between the conductive elastic body 13 and the eight conductor lines 31 arranged in the X-axis direction). Rise.
  • the capacitance at the crossing point has a magnitude corresponding to the load applied to the crossing point. That is, the contact area of the dielectric 32 with respect to the conductive elastic body 13 changes according to the load applied to the intersection position.
  • the capacitance at the intersection point has a value corresponding to this contact area.
  • the detection circuit measures the voltage value at the intersection position at a predetermined timing after a certain period of time has passed since the start of applying the DC voltage, and acquires the load of the element portion A1 corresponding to the intersection position based on the measured voltage value. do. Thus, the load on each element portion A1 is detected.
  • each element portion A1 By the way, by increasing the number of wires 30 arranged in each element portion A1, the change in the contact area when a load is applied increases. Thereby, the sensitivity of each element portion A1 can be enhanced, and the dynamic range can be widened. On the other hand, however, when the number of wires 30 arranged in each element portion A1 increases, the distance between the wires 30 in the X-axis direction becomes narrower, making it difficult to sew the wires 30 to the base member.
  • FIG. 9(a) is a plan view schematically showing the interval between the seams 43 of the thread 40 according to the comparative example.
  • the eight wires 30 are arranged in one element portion A1.
  • the eight wires 30 each extend linearly parallel to the Y-axis and are arranged in the X-axis direction with a predetermined gap.
  • one wire 30 needs to be sewn by the thread 40 between adjacent seams 43. Therefore, if the width of the element portion A1 in the X-axis direction is w1, the pitch of the needle hole 11c of the comparative example is (Needle hole pitch) w2 becomes w1/8. Therefore, if the width w1 of the element portion A1 is 10 mm, the needle hole pitch w2 of the comparative example is 1.25 mm.
  • the minimum pitch of the needle holes 11c is generally about 2 mm due to the machine accuracy of the sewing machine. Therefore, when the wire 30 is arranged as shown in FIG. 9(a), it becomes difficult to provide two needle holes 11c with one wire 30 interposed therebetween. 1 It becomes difficult to properly sew the wire 30 to the base member 11 .
  • Embodiment 1 As shown in FIG. 4, a plurality of wires 30 are arranged in the X-axis direction so that one wire 30 crosses another wire 30 at position P1.
  • FIG. 9(b) is a plan view schematically showing the spacing of the seams 43 of the thread 40 according to the first embodiment.
  • Embodiment 1 eight wires 30 are included in one element portion A1, as in the comparative example.
  • the two wires 30 intersect in the gap between the two conductive elastic bodies 13 unlike the comparative example.
  • the pitch w3 of the needle holes 11c is w1/4
  • the width w1 of the element portion A1 is 10 mm.
  • the hole pitch w3 is 2.5 mm.
  • the needle hole pitch w3 of the needle hole 11c in the X-axis direction passing through the position P1 is larger than 2 mm, which is the minimum pitch of the needle hole 11c based on the machine accuracy of the sewing machine.
  • the stitch row 40a passing through P1 it is possible to provide two stitches 43 with two intersecting wires 30 sandwiched therebetween. Therefore, the wire 30 can be properly sewn to the first base member 11 at the stitch line 40a passing through the position P1.
  • a plurality of wires 30 are arranged in the X-axis direction so that one wire 30 and another wire 30 are close to each other.
  • Embodiment 1 According to Embodiment 1, the following effects are achieved.
  • a plurality of wires 30 (conductor wires 31) that intersect at position P1 of the stitch row 40a can be sewn together to the first base member 11.
  • the intervals at the positions (stitching positions) where the plurality of wires 30 (conductor wires 31) intersect are the same as when the plurality of wires 30 (conductor wires 31) are simply arranged as in the comparative example shown in FIG. wide compared to the interval.
  • sewing machines for sewing threads have a minimum needle hole pitch based on machine accuracy.
  • the load sensor 1 of Embodiment 1 can be used as described above.
  • each wire 30 (conductor wire 31) can be properly sewn.
  • the stitch row 40a is arranged in the gap between the adjacent conductive elastic bodies 13 (for example, the gaps 13a and 13b in FIG. 9(b)) in plan view.
  • the stitching line 40a does not overlap the element portion A1, so that the effect of the stitching line 40a on load detection can be suppressed. Therefore, the load can be detected with high accuracy.
  • a plurality of wires 30 are arranged along a plurality of straight lines inclined with respect to the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged (the Y-axis direction) in plan view. form a mesh of This makes it easier to line up the vertices of the mesh, that is, the positions P1 where the two wires 30 (conductor lines 31) intersect in a straight line at a predetermined pitch. Therefore, the wire 30 (conductor wire 31) can be easily sewn onto the first base member 11. As shown in FIG.
  • a plurality of wires 30 are connected to each other at their ends to form a series.
  • a plurality of wires 30 can be arranged more easily than when the wires 30 (conductor lines 31) are arranged individually.
  • the pitch of the seams 43 on the seam row 40a is 2 mm or more.
  • the needle hole pitch of a sewing machine is at least about 2 mm in terms of machine accuracy.
  • a plurality of wires 30 can be sewn together between adjacent seams with a pitch of 2 mm or more. Therefore, each wire 30 (conductor wire 31) can be properly sewn.
  • a set of a plurality of conductive elastic bodies 13 and a wire structure ST made up of a plurality of wires 30 (conductor wires 31) intersects the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged (Y-axis direction). A plurality of them are arranged in the direction (X-axis direction). Thereby, the number of element parts A1 can be increased, and the load can be detected in a wider range.
  • the dielectric 32 is installed so as to cover the surface of the conductor wire 31. As shown in FIG. According to this configuration, the dielectric 32 can be arranged between the conductive elastic body 13 and the conductor wire 31 only by covering the surface of the conductor wire 31 with the dielectric 32 .
  • the wire structure ST is composed of the wires 30 that are not parallel to the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged (the Y-axis direction).
  • the axial direction may not be non-parallel, and some wires 30 or a portion of wires 30 may be parallel to the Y-axis direction.
  • FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 1 of Embodiment 1.
  • a plurality of meshes are formed by a plurality of linearly extending wires 30 in the wire structure ST.
  • each wire 30 extending from the Y-axis positive side to the Y-axis negative side has a portion parallel to the Y-axis direction and a portion not parallel to the Y-axis direction.
  • There are two types of inclination directions of the wire 30 in the portion not parallel to the Y-axis direction, the X-axis positive direction and the X-axis negative direction, and the inclination angles of the two types of inclination directions are the same.
  • the ends of the wires 30 adjacent to each other are connected to each other at the ends in the Y-axis direction, so that the eight wires 30 are connected.
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in a row is indicated by a solid arrow.
  • the wire structure ST is composed of the wires 30 extending linearly, but not all the wires 30 necessarily extend linearly.
  • the wire 30 or part of the wire 30 may extend in a curved shape.
  • FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 2 of Embodiment 1.
  • FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 2 of Embodiment 1.
  • a plurality of meshes are formed by arranging a plurality of meandering wires 30 in the wire structure ST.
  • the ends of the wires 30 adjacent to each other are connected to each other at the ends in the Y-axis direction, thereby forming a series of eight wires 30 .
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in a row is indicated by a solid arrow.
  • Embodiment 1 As shown in FIG. 4, the ends of the wires 30 adjacent to each other at the ends in the Y-axis direction are connected to form a series of eight wires 30. However, the wires 30 may be separated from each other.
  • FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 3 of Embodiment 1.
  • FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 3 of Embodiment 1.
  • the wire structure ST of this modified example is not composed of a continuous wire 30, unlike the first embodiment shown in FIG. That is, in this modification, eight wires 30 that are not parallel to the Y-axis direction are arranged independently.
  • the mesh shape in plan view of this modification is the same as that of the first embodiment.
  • the plurality of wires 30 are arranged independently as in this modified example, the plurality of wires 30 need to be arranged individually when the load sensor 1 is assembled. Therefore, the plurality of wires 30 can be arranged more easily when the plurality of wires 30 are continuously configured as in the first embodiment.
  • Embodiment 2 In Embodiment 1, the two wires 30 intersect in the gaps between the adjacent conductive elastic bodies 13, but the plurality of wires 30 are arranged so that the two wires 30 approach each other in the gaps between the adjacent conductive elastic bodies 13. good too.
  • the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the wire structure ST.
  • FIG. 13 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Embodiment 2.
  • FIG. 13 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Embodiment 2.
  • the wire structure ST of Embodiment 2 has a wavy shape in which a plurality of wires 30 meander in the direction of the stitch row 40a (X-axis direction).
  • the amplitude directions of adjacent wires 30 are opposite to each other, and the amplitudes of adjacent wires 30 are the same.
  • the ends of adjacent wires 30 are connected to each other to form a series of wires 30 .
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in a row is indicated by a solid arrow.
  • the two wires 30 are close to each other at the position P2 on the stitch row 40a.
  • the positions P2 are arranged with a predetermined gap in the X-axis direction.
  • a thread 40 is sewn to the first base member 11 so as to straddle two wires 30 approaching each position P2. At this time, a seam 43 is formed between two adjacent positions P2.
  • a plurality of stitching rows 40a of threads 40 extending in the X-axis direction are formed with a predetermined gap in the Y-axis direction.
  • FIG. 14 is a plan view schematically showing intervals between seams 43 of thread 40 according to the second embodiment.
  • the pitch of the pinholes 11c is w1/4 as in the first embodiment, and if the width w1 of the element portion A1 is 10mm, the pinhole pitch w3 of the embodiment is 2.5mm. .
  • the needle hole pitch w3 of the needle hole 11c in the X-axis direction passing through the position P2 is larger than 2 mm, which is the minimum pitch of the needle hole 11c based on the machine accuracy of the sewing machine. It is possible to provide two stitches 43 on both sides of two wires 30 that are close to each other in the passing stitch row 40a. Therefore, the wire 30 can be properly sewn to the first base member 11 at the stitch line 40a passing through the position P2.
  • a plurality of wires 30 (conductor wires 31) approaching at the position P2 of the stitch row 40a can be sewn together to the first base member 11, as in the first embodiment. Therefore, since the intervals between the stitching positions can be widened, each wire 30 (conductor wire 31) can be properly stitched.
  • the plurality of wires 30 (conductor lines 31) have a meandering wave shape in the direction of the stitch row 40a.
  • the plurality of wires 30 can be arranged so that the wires 30 (conductor wires 31) do not overlap at the position of the stitch row 40a, so that the wires 30 can be prevented from rubbing against each other when a load is applied. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the conductive elastic body 13 and the conductor wire 31 due to damage to the dielectric 32 covering the conductor wire 31 .
  • the wire structure ST is configured such that the curved meandering wire 30 approaches at position P2, but the straight meandering wire 30 approaches at position P2. may be configured to be in close proximity.
  • FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 1 of Embodiment 2.
  • FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 1 of Embodiment 2.
  • a plurality of wires 30 meander in the direction of the stitch row 40a (X-axis direction).
  • each wire 30 has a linear shape having a linear portion that is not parallel to the Y-axis direction.
  • the ends of the wires 30 adjacent to each other are connected to each other at the ends in the Y-axis direction, so that the eight wires 30 are connected.
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in series is indicated by solid arrows.
  • the plurality of wires 30 (conductor lines 31) have a meandering shape in the direction of the stitch row 40a.
  • the plurality of wires 30 can be arranged so that the wires 30 (conductor wires 31) do not overlap at the position of the stitch row 40a, so that the wires 30 can be prevented from rubbing against each other when a load is applied. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the conductive elastic body 13 and the conductor wire 31 due to damage to the dielectric 32 covering the conductor wire 31 .
  • FIG. 16 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 2 of Embodiment 2.
  • FIG. 16 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 2 of Embodiment 2.
  • the wire structure ST of this modified example is not composed of a continuous wire 30, unlike the second embodiment shown in FIG. That is, in this modified example, eight wires 30 meandering in the X-axis direction are arranged independently.
  • the shape of this modified example in plan view is the same as that of the second embodiment.
  • Embodiment 1 a plurality of wires 30 are arranged so that two wires 30 intersect in the gaps between adjacent conductive elastic bodies 13.
  • two wires 30 are arranged in gaps between adjacent conductive elastic bodies 13.
  • a plurality of wires 30 were placed in close proximity.
  • the present invention is not limited to this, and two wires 30 may intersect or approach each gap between adjacent conductive elastic bodies 13 .
  • FIG. 17 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 3 of Embodiment 2.
  • FIG. 17 is a plan view showing the configuration of the wire structure ST according to Modification 3 of Embodiment 2.
  • the eight wires 30 meander in the X-axis direction while extending in the Y-axis direction.
  • Each stitch line 40a is provided at a position that does not overlap with the conductive elastic body 13, as in the first and second embodiments. Referring to FIG. 17, a position P1 where two wires 30 intersect is provided in the second and fourth stitch rows 40a from the Y-axis positive side, and in the third and fifth stitch rows 40a from the Y-axis positive side, A position P2 is provided where the two wires 30 approach each other.
  • the ends of the wires 30 adjacent to each other are connected to each other at the ends in the Y-axis direction, so that the eight wires 30 are connected.
  • the route from the end portion 30a to the end portion 30b when the eight wires 30 are arranged in series is indicated by solid arrows.
  • each wire 30 has either a straight or curved shape, but may have both straight and curved portions. Also, in one wire structure ST, some wires 30 may be straight and other wires 30 may be curved.
  • Embodiment 1 Modifications 1 and 3 of Embodiment 1, and Modification 1 of Embodiment 2
  • the tilt angles of the two types of tilt directions are the same, but this is not restrictive, and the tilt angles of the two types of tilt directions may not be the same.
  • the amplitudes of adjacent wires 30 are the same. The amplitudes do not have to be the same.
  • the position where the wire 30 crosses or approaches is a position that does not overlap the conductive elastic body 13 in plan view. good.
  • the wire 30 crosses or approaches at the position overlapping the conductive elastic body 13, and the wire 30 is sewn with the thread 40 at this position. Therefore, in order to suppress the influence of the stitching line 40a on the load detection, it is preferable that the position where the wire 30 intersects or approaches does not overlap with the conductive elastic body 13 as described above.
  • the conductive elastic body 13 is arranged on the facing surface 11 a of the first base member 11 in the above embodiment and modification, it may be arranged on the facing surface 61 a of the second base member 61 . Alternatively, they may be arranged on both the facing surface 11 a of the first base member 11 and the facing surface 61 a of the second base member 61 .
  • the thread 40 is sewn to the first base member 11 in the above embodiment and modification, it is not limited to this and may be sewn to the second base member 61 .
  • the dielectric 32 is installed so as to cover the entire circumference of the conductor wire 31, but at least only the range of the surface of the conductor wire 31 where the contact area changes according to the load is covered.
  • a dielectric 32 may be placed overlying.
  • the dielectric 32 is made of one kind of material in the thickness direction, it may have a structure in which two or more kinds of materials are laminated in the thickness direction.
  • the dielectric 32 is arranged on the surface of the conductor wire 31. It may be arranged between the conductive elastic body 13 and the conductive elastic body 13 .
  • dielectric 32 may be placed on the surface of conductive elastic body 13 .
  • the dielectric 32 is made of an elastically deformable material so that the contact area with the conductor wire 31 changes according to the load.
  • the dielectric 32 is made of a material having an elastic modulus similar to that of the conductive elastic body 13 .
  • five wire structures ST are arranged and eight wires 30 are arranged in one element portion A1. is not limited to this.
  • the number of wire structures ST may be 1 to 4 or 6 or more, and the number of wires 30 included in one element portion A1 may be 1 to 7 or 9 or more.
  • the number of conductive elastic bodies 13 arranged in the load sensor 1 is not limited to this.
  • the number of conductive elastic bodies 13 may be 1 to 4 or 6 or more.
  • the method of arranging the conductive elastic body 13 on the facing surface 11a of the first base member 11 is not necessarily limited to printing, but may be other methods such as a method of adhering foil. may
  • the wire structure ST extends in a direction parallel to the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged (the Y-axis direction), but extends in a direction non-parallel to the direction in which the conductive elastic bodies 13 are arranged. good too.
  • the wire structure ST and the conductive elastic body 13 may cross each other obliquely.
  • the width of the conductive elastic body 13 is not necessarily constant.
  • the width of 13 may be narrow.
  • the conductor 12 may be omitted, and the wiring 14 may be connected to the conductive elastic body 13 .
  • Reference Signs List 1 load sensor 11 first base member 11a facing surface 12 conductor (conductive elastic body) REFERENCE SIGNS LIST 13 conductive elastic body 13a, 13b gap 31 conductor wire 32 dielectric 40 thread 40a stitch row 43 seam 61 second base member 61a facing surface

Landscapes

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Abstract

荷重センサ(1)は、第1ベース部材(11)と、第1ベース部材(11)に対向して配置された第2ベース部材(61)と、第1ベース部材(11)の対向面に並んで配置された複数の導電弾性体(13)と、複数の導電弾性体(13)に交差するように配置された複数のワイヤ(30)と、複数の導電弾性体(13)の並び方向に交差する方向に延びる縫い列(40a)によって、複数のワイヤ(30)を第1ベース部材(11)に縫い留める糸(40)と、を備える。縫い列(40a)の位置において、一のワイヤ(30)が他のワイヤ(30)と交差するよう、複数のワイヤ(30)が配置される。糸(40)は、互いに交差する一のワイヤ(30)および他のワイヤ(30)を跨ぐように、第1ベース部材(11)に縫い付けられる。

Description

荷重センサ
 本発明は、外部から付与される荷重を静電容量の変化に基づいて検出する荷重センサに関する。
 荷重センサは、産業機器、ロボットおよび車両などの分野において、幅広く利用されている。近年、コンピュータによる制御技術の発展および意匠性の向上とともに、人型のロボットおよび自動車の内装品等のような自由曲面を多彩に使用した電子機器の開発が進んでいる。それに合わせて、各自由曲面に高性能な荷重センサを装着することが求められている。
 以下の特許文献1には、弾性導電部を備えるシート状の基材と、弾性導電部に対して交差するように配置された複数の導体線と、複数の導体線と弾性導電部との間にそれぞれ配置された複数の誘電体と、複数の導体線を基材に縫い付ける糸状部材と、を備える感圧素子(荷重センサ)が記載されている。
国際公開第2020/153029号
 上記のような荷重センサでは、複数の導体線を基材に縫い留めるために、ミシンが用いられる。しかしながら、荷重センサに多数の導体線が配置されると、隣り合う導体線の間隔が狭くなり、各導体線を適正に基材に縫い留めることが困難になる。
 かかる課題に鑑み、本発明は、複数の導体線をベース部材に適正に縫い留めることが可能な荷重センサを提供することを目的とする。
 本発明の主たる態様は、荷重センサに関する。本態様に係る荷重センサは、第1ベース部材と、前記第1ベース部材に対向して配置された第2ベース部材と、前記第1ベース部材および前記第2ベース部材の少なくとも一方の対向面に並んで配置された複数の導電弾性体と、前記複数の導電弾性体に交差するように配置された複数の導体線と、前記導電弾性体と前記導体線との間に配置された誘電体と、前記複数の導電弾性体の並び方向に交差する方向に延びる縫い列によって、前記複数の導体線を前記第1ベース部材または前記第2ベース部材に縫い留める糸と、を備える。前記縫い列の位置において、一の前記導体線が、他の前記導体線と交差し、あるいは、他の前記導体線に接近するよう、前記複数の導体線が配置され、前記糸は、互いに交差または接近する前記一の導体線および前記他の導体線を跨ぐように、前記第1ベース部材または前記第2ベース部材に縫い付けられる。
 本態様に係る荷重センサによれば、縫い列の位置において交差または接近する複数の導体線をまとめて第1ベース部材または第2ベース部材に縫い留めることができる。この場合、複数の導体線が交差または接近する位置(縫い留め位置)の間隔は、複数の導体線を単に並べるときの間隔と比較して広くなる。一般に、糸を縫い留めるためのミシンには、機械精度に基づいて最小となる針孔ピッチが存在する。したがって、最小の針孔ピッチとの関係から、単に並べられた複数の導体線を1本ずつ縫い留めることができない場合でも、本態様に係る荷重センサによれば、上記のように、縫い留め位置の間隔が広いため、各導体線を適正に縫い留めることができる。
 以上のとおり、本発明によれば、複数の導体線をベース部材に適正に縫い留めることが可能な荷重センサを提供できる。
 本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
図1は、実施形態1に係る、製造工程における構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図2は、実施形態1に係る、製造工程における構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図3は、実施形態1に係る、製造工程における構造体の構成を模式的に示す平面図である。 図4は、実施形態1に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図5は、実施形態1に係る、糸の位置でX-Z平面に平行な面で切断したときの、構造体の断面を模式的に示す図である。 図6は、実施形態1に係る、荷重センサの構成を模式的に示す斜視図である。 図7(a)、(b)は、実施形態1に係る、導電弾性体とワイヤの交差位置でX-Z平面に平行な面で切断したときの、交差位置近傍の断面を模式的に示す図である。 図8は、実施形態1に係る、荷重センサの内部の構成を模式的に示す平面図である。 図9(a)は、比較例に係る、糸の縫い目の間隔を模式的に示す平面図である。図9(b)は、実施形態1に係る、糸の縫い目の間隔を模式的に示す平面図である。 図10は、実施形態1の変更例1に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図11は、実施形態1の変更例2に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図12は、実施形態1の変更例3に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図13は、実施形態2に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図14は、実施形態2に係る、糸の縫い目の間隔を模式的に示す平面図である。 図15は、実施形態2の変更例1に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図16は、実施形態2の変更例2に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図17は、実施形態2の変更例3に係る、ワイヤ構造体の構成を示す平面図である。 図18は、その他の変更例に係る、導電弾性体とワイヤの交差位置でX-Z平面に平行な面で切断したときの、交差位置近傍の断面を模式的に示す図である。
 ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
 本発明に係る荷重センサは、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荷重センサは、検出回路に接続され、荷重センサおよび検出回路により、荷重検出装置が構成される。以下の実施形態は、本発明の一実施形態あって、本発明は、以下の実施形態に何ら制限されるものではない。
 以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するX、Y、Z軸が付記されている。Z軸方向は、荷重センサ1の高さ方向である。
 <実施形態1>
 図1は、製造工程における構造体1aの構成を模式的に示す平面図である。
 構造体1aは、第1ベース部材11と、複数の導電体12と、複数の導電弾性体13と、複数の配線14と、複数の電極15と、を備える。
 第1ベース部材11は、弾性を有する平板状の部材である。第1ベース部材11は、平面視において矩形の形状を有する。第1ベース部材11の厚みは一定である。第1ベース部材11の厚みが小さい場合、第1ベース部材11は、シート部材またはフィルム部材と呼ばれることもある。
 第1ベース部材11は、絶縁性を有し、たとえば、非導電性の樹脂材料や非導電性のゴム材料により構成される。第1ベース部材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。第1ベース部材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。
 導電体12は、第1ベース部材11の対向面11a(Z軸負側の面)に形成される。ここでは、5つの導電体12がX軸方向に延びるように、第1ベース部材11の対向面11aに配置されている。導電体12は、導電弾性体13よりも低抵抗の材料からなっている。実施形態1では、導電体12は、弾性を有する導電性の部材であり、導電体12の厚みは、導電弾性体13の厚みよりも小さい。各導電体12のX軸負側の端部から、配線14が引き出されている。
 導電弾性体13は、導電体12を覆うように、第1ベース部材11の対向面11aに形成される。導電弾性体13は、Y軸方向における導電弾性体13の略中間位置に導電体12が位置づけられるように、対向面11aに形成される。ここでは、5つの導電弾性体13が、第1ベース部材11の対向面11aに配置されている。5つの導電弾性体13の幅、長さおよび厚みは、互いに同じである。
 各導電弾性体13は、X軸方向に長い帯状の形状を有し、所定の隙間をもってY軸方向に並んでいる。すなわち、導電弾性体13の長辺はX軸に平行であり、導電弾性体13の並び方向はY軸に平行である。導電弾性体13は、弾性を有する導電性の部材である。導電体12と、当該導電体12を覆うように形成された導電弾性体13とは、電気的に繋がった状態である。
 導電体12および導電弾性体13は、第1ベース部材11の対向面11aに対して、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、およびグラビアオフセット印刷などの印刷工法により形成される。導電弾性体13は、導電体12が形成された後で、導電体12に重なるようにして形成される。これらの印刷工法によれば、第1ベース部材11の対向面11aに0.001mm~0.5mm程度の厚みで、導電体12および導電弾性体13を形成することが可能となる。ただし、導電体12および導電弾性体13の形成方法は、印刷工法に限られるものではない。
 導電体12および導電弾性体13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。
 導電体12および導電弾性体13に用いられる樹脂材料は、上述した第1ベース部材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。導電体12および導電弾性体13に用いられるゴム材料は、上述した第1ベース部材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。
 導電体12および導電弾性体13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(酸化インジウム(III))、およびSnO(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。
 実施形態1では、導電体12に用いられる導電性フィラーはAg(銀)であり、導電弾性体13を構成する導電性フィラーはC(カーボン)である。
 配線14は、第1ベース部材11の対向面11a(Z軸負側の面)に形成される。電極15は、第1ベース部材11の対向面11aにおいてY軸正側の端部付近に形成される。ここでは、5つの電極15が、所定の隙間をもってX軸方向に並んでいる。配線14および電極15は、導電性の材料により構成される。配線14は、対となる1つの導電体12と1つの電極15とを電気的に接続する。
 図2は、製造工程における構造体1bの構成を模式的に示す平面図である。
 構造体1bは、基板21と、複数の電極22と、複数の電極23と、複数のワイヤ30と、を備える。
 基板21は、X軸方向に延びた矩形の形状を有している。電極22は、基板21のZ軸正側の面においてY軸負側の端部付近に形成される。ここでは、5つの電極22が、所定の隙間をもってX軸方向に並んでいる。電極23は、基板21のZ軸正側の面においてY軸正側の端部付近に形成される。ここでは、5つの電極23が、所定の隙間をもってX軸方向に並んでいる。5つの電極23の大きさおよびX軸方向のピッチは、図1に示した5つの電極15と同様である。基板21は、Y軸正側の端部に、図示しない端子を備える。この端子は、電極22、23と繋がっており、各電極22、23を外部の検出回路に接続するために用いられる。
 複数のワイヤ30は、Y軸方向に延びるように配置される。ここでは、40本のワイヤ30が配置されている。各ワイヤ30は、Y軸に対して所定の角度だけX軸方向に傾いて配置されている。後述のように、ワイヤ30は、導体線31と、その表面を被覆する誘電体32とからなっている(図5(a)、(b)参照)。
 8つのワイヤ30によって、1つのワイヤ構造体STが構成される。ここでは、5つのワイヤ構造体STが、所定の隙間をもってX軸方向に並んでいる。1つのワイヤ構造体STに含まれる8つのワイヤ30は、端部が接続されて一続きになっている。1つのワイヤ構造体STに含まれる8つのワイヤ30は、X-Y平面において、網目状に交差している。ワイヤ構造体STのY軸正側の端部は、半田を用いて電極22に接続される。この際、ワイヤ30の端部から誘電体32が除去され、露出した導体線31が電極22に半田付けされる。
 ワイヤ構造体STの構成については、追って図4を参照してさらに詳しく説明する。また、ワイヤ30の構成については、追って図5(a)、(b)を参照して説明する。
 図3は、製造工程における構造体1cの構成を模式的に示す平面図である。
 図1の構造体1aのZ軸負側から、図2の構造体1bが、表裏反転されて被せられる。これにより、基板21のZ軸正側の面が、第1ベース部材11の対向面11a(Z軸負側の面)に当接し、ワイヤ30からなるワイヤ構造体STが、導電弾性体13に当接する。ワイヤ構造体STの各ワイヤ30は、5つの導電弾性体13を斜めに横切った状態で、これら導電弾性体13に交差する。
 この状態で、各ワイヤ構造体STのワイヤ30群が、糸40で第1ベース部材11の対向面11aに縫い留められる。糸40の縫い付けは、たとえばミシンにより行われる。後述するように、ミシンは、X軸方向に所定のピッチで針孔11c(図5(a)、(b)参照)を形成し、針孔11cにおいて縫い目43(図5(a)、(b)参照)を形成して、ワイヤ30を第1ベース部材11に縫い留める。
 糸40の縫い列40aは、X軸方向に延びている。縫い列40a上において、糸40は、全てのワイヤ30を跨いで、各ワイヤ30を第1ベース部材11に縫い留めている。図3では、6つの糸40の縫い列40aが第1ベース部材11に配置されている。
 平面視において、内側の4つの糸40の縫い列40aは、Y軸方向に隣り合う2つの導電弾性体13の隙間に位置し、外側の2つの糸40の縫い列40aは、Y軸方向外側の2つの導電弾性体13の外側に位置する。ワイヤ30は、糸40により縫い留められた状態でY軸方向に移動可能であり、X軸方向の移動が糸40により規制されている。糸40は、化学繊維、天然繊維、またはそれらの混合繊維などにより構成される。
 また、構造体1aに構造体1bが被せられることにより、第1ベース部材11側の電極15と、基板21側の電極23とが当接する。この状態で、電極15、23の位置において、糸50により第1ベース部材11と基板21とが縫い留められる。これにより、電極15、23が互いに接合される。
 図4は、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 ワイヤ構造体STにおいて、複数のワイヤ30がY軸方向に対して傾いた複数の直線に沿って配置されることにより複数の網目が形成されている。すなわち、複数のワイヤ30が導電弾性体13の並び方向(Y軸方向)に非平行に配置されることにより、ワイヤ構造体STの網目が形成されている。ワイヤ30の傾き方向はX軸正方向およびX軸負方向の2種類あり、2種類の傾き方向の傾き角は同じである。
 実施形態1では、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっている。図4には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。このルートに従って8つのワイヤ30を一続きで配置することにより、ワイヤ構造体STの網目が形成される。
 ここで、縫い列40a上の位置P1において、2本のワイヤ30が交差している。位置P1は、X軸方向に所定の隙間をもって並んでいる。糸40は、各位置P1において交差する2本のワイヤ30を跨ぐように、第1ベース部材11に縫い付けられる。また、縫い列40a上の位置P2において、2本のワイヤ30が接近している。位置P2は、X軸方向に所定の隙間をもって並んでいる。糸40は、各位置P2において接近する2本のワイヤ30を跨ぐように、第1ベース部材11に縫い付けられる。このとき、隣り合う2つの位置P1の間に縫い目43が形成され、隣り合う2つの位置P2の間に縫い目43が形成される。X軸方向に延びる糸40の縫い列40aは、Y軸方向に所定の隙間をもって複数形成される。
 図5(a)、(b)は、それぞれ、位置P1、P2を通る糸40の位置でX-Z平面に平行な面で切断したときの、図3の構造体1cの断面を模式的に示す図である。
 図5(a)、(b)に示すように、ワイヤ30は、導体線31と、導体線31に形成された誘電体32と、により構成される。誘電体32は、導体線31の外周に形成されており、導体線31の表面を全周に亘って被覆している。
 導体線31は、導電性を有し、線状の形状を有する部材である。導体線31は、たとえば、導電性の金属材料により構成される。この他、導体線31は、ガラスからなる芯線およびその表面に形成された導電層により構成されてもよく、樹脂からなる芯線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てもよい。たとえば、導体線31としては、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)などの弁作用金属や、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、金(Au)などが用いられる。実施形態1では、導体線31は、銅により構成される。導体線31は、導電性の金属材料からなる線材が撚られた撚線であってもよい。
 誘電体32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32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およびTa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。
 導体線31の直径は、たとえば、0.01mm以上1.5mm以下であり、あるいは、0.05mm以上0.8mm以下でもよい。このような導体線31の構成は、導体線31の強度と抵抗の観点から好ましい。誘電体32の厚みは、5nm以上100μm以下が好ましく、センサ感度等の設計により適宜選択することができる。
 図5(a)、(b)に示すように、糸40は、第1ベース部材11の上側の面(対向面11a)に沿って配置される上糸41と、第1ベース部材11の下側の面(上面11b)に沿って配置される下糸42とからなっている。上糸41および下糸42は、第1ベース部材11をZ軸方向に貫通する針孔11cの位置で互いに交差しており、この交差位置に縫い目43が形成される。図4で示した位置P1、P2を跨ぐようにX軸方向に沿って、糸40が第1ベース部材11に縫い付けられる。これにより、複数の縫い目43がX軸方向に並ぶ。
 X軸方向に並ぶ複数の縫い目43と、隣り合う縫い目43との間の糸40とによって、糸40の縫い列40aが形成される。糸40の縫い列40aは、図4に示したように、Y軸方向に所定ピッチで第1ベース部材11の対向面11aに複数形成される。各々の縫い列40a上の隣り合う縫い目43の間において、ワイヤ30が糸40により第1ベース部材11に縫い留められる。図5(a)に示すように、位置P1では、交差する2本のワイヤ30が、隣り合う縫い目43の間で、糸40により第1ベース部材11に縫い留められる。図5(b)に示すように、位置P2では、接近する2本のワイヤ30が、隣り合う縫い目43の間で、糸40により第1ベース部材11に縫い留められる。
 図6は、荷重センサ1の構成を模式的に示す斜視図である。
 荷重センサ1は、図3の構造体1cと、第2ベース部材61とを備える。
 第2ベース部材61は、平板状の部材である。第2ベース部材61は、第1ベース部材11の下側の面(対向面11a)に対向して配置される。第2ベース部材61は、平面視において第1ベース部材11と同様の形状を有する。第2ベース部材61の厚みは一定である。第2ベース部材61の厚みが小さい場合、第2ベース部材61は、シート部材またはフィルム部材と呼ばれることもある。
 第2ベース部材61は、絶縁性を有し、たとえば、非導電性の樹脂材料や非導電性のゴム材料により構成される。第2ベース部材61は、たとえば、上述した第1ベース部材11に用いることができる材料により構成される。第2ベース部材61は、弾性変形しにくい硬質の材料からなってもよい。
 第2ベース部材61は、図3の構造体1cに下方(Z軸負側)から被せられる。これにより、ワイヤ30が、第2ベース部材61の対向面61a(Z軸正側の面)に接触する。そして、第1ベース部材11の外周が、第2ベース部材61に対して糸(図示せず)で接続される。これにより、第1ベース部材11が第2ベース部材61に固定される。こうして、図6に示すように、荷重センサ1が完成する。
 荷重センサ1は、第1ベース部材11が上側(Z軸正側)に向けられ、第2ベース部材61が下側(Z軸負側)に向けられた状態で使用される。この場合、第1ベース部材11の上面11bは、荷重が付与される面となり、第2ベース部材61の下面61bは、設置面に設置される。
 ここで、荷重センサ1には、平面視において、マトリクス状に並んだ複数の素子部A1が形成される。図6の荷重センサ1には、X軸方向およびY軸方向に並んだ計25個の素子部A1が形成される。1つの素子部A1は、1つの導電弾性体13と、当該導電弾性体13の下方に配置された1つのワイヤ構造体STとの交点を含む領域に相当する。すなわち、1つの素子部A1は、当該交点付近における、第1ベース部材11、導電体12、導電弾性体13、ワイヤ構造体STおよび第2ベース部材61を含む。荷重センサ1の下面(第2ベース部材61の下面61b)が所定の設置面に設置され、素子部A1を構成する荷重センサ1の上面(第1ベース部材11の上面11b)に荷重が付与されると、導電弾性体13と導体線31との間の静電容量が変化し、当該静電容量に基づいて荷重が検出される。
 図7(a)、(b)は、導電弾性体13とワイヤ30の交差位置でX-Z平面に平行な面で切断したときの、交差位置近傍の断面を模式的に示す図である。
 図7(a)は、荷重が加えられていない状態を示し、図7(b)は、荷重が加えられている状態を示している。図7(a)、(b)では、第2ベース部材61のZ軸負側の下面61bが設置面に設置されている。
 図7(a)に示すように、荷重が加えられていない場合、導電弾性体13とワイヤ30との間にかかる力は、ほぼゼロである。この状態から、図7(b)に示すように、第1ベース部材11の上面11bに対して下方向に荷重が加えられると、ワイヤ30によって、導電弾性体13が変形する。このとき、ワイヤ30は、導電弾性体13に包まれるように導電弾性体13に近付けられ、ワイヤ30と導電弾性体13との間の接触面積が増加する。これにより、導体線31と導電弾性体13との間の静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を反映した電位が検出回路において測定されることにより、荷重が算出される。
 図8は、Z軸負方向に見た場合の荷重センサ1の内部の構成を模式的に示す平面図である。図8では、便宜上、第1ベース部材11、導電弾性体13および基板21については、輪郭のみが図示されている。
 上述したように、荷重センサ1には、導電弾性体13とワイヤ構造体STとの交点の領域に素子部A1が形成されており、複数の素子部A1がマトリクス状に並んでいる。電極15、22、23は、基板21を介して、荷重検出回路を含む検出回路(図示せず)に接続される。
 検出回路は、検出対象の素子部A1に対応する導電弾性体13およびワイヤ構造体STを切り替えながら、素子部A1ごとに静電容量の値を検出する。具体的には、検出回路は、検出対象の素子部A1において交差する導電弾性体13およびワイヤ構造体STに対し、抵抗を介して、直流電圧を印加し、この交差位置の電圧値を計測する。交差位置の電圧値は、この抵抗と、交差位置の静電容量(導電弾性体13とX軸方向に並ぶ8本の導体線31との間の静電容量)とで規定される時定数により上昇する。
 交差位置の静電容量は、交差位置に付与されている荷重に応じた大きさとなる。すなわち、交差位置に付与される荷重に応じて、導電弾性体13に対する誘電体32の接触面積が変化する。交差位置の静電容量は、この接触面積に応じた値となる。検出回路は、直流電圧の印加開始から一定期間が経過した所定のタイミングにおいて、交差位置の電圧値を計測し、計測した電圧値に基づいて、当該交差位置に対応する素子部A1の荷重を取得する。こうして、各素子部A1における荷重が検出される。
 ところで、各素子部A1に配置されるワイヤ30の数を増やすことにより、荷重付与時の接触面積の変化が大きくなる。これにより、各素子部A1の感度を高めることができ、且つ、ダイナミックレンジを広げることができる。しかしながら、その一方で、各素子部A1に配置されるワイヤ30の数が増加すると、ワイヤ30のX軸方向の間隔が狭くなるため、ワイヤ30をベース部材に縫い留めることが困難になる。
 実施形態1では、ワイヤ30を上記のように配置することで、この問題が解消される。以下、この点について、比較例と対照しながら説明する。
 図9(a)は、比較例に係る、糸40の縫い目43の間隔を模式的に示す平面図である。
 比較例では、素子部A1の感度およびダイナミックレンジを向上させる観点から、実施形態1と同様、1つの素子部A1に、8本のワイヤ30が配置される。ただし、比較例では、8本のワイヤ30は、それぞれ、Y軸に平行に直線状に延びており、X軸方向に所定の隙間をもって並んでいる。この場合、1本のワイヤ30は、隣り合う縫い目43の間において糸40により縫い留められる必要があるため、素子部A1のX軸方向の幅をw1とすると、比較例の針孔11cのピッチ(針孔ピッチ)w2はw1/8となる。したがって、素子部A1の幅w1を10mmとすると、比較例の針孔ピッチw2は1.25mmとなる。
 しかしながら、上述したように、第1ベース部材11に対する糸40の縫い付けがミシンにより行われる場合、ミシンの機械精度から、一般的に、針孔11cの最小ピッチは2mm程度となる。したがって、図9(a)のようにワイヤ30が配置される場合、1本のワイヤ30を挟んで2つの針孔11cを設けることが困難になり、図9(a)に示すように、第1ベース部材11に適正にワイヤ30を縫い付けることが困難になる。
 これに対し、実施形態1では、図4に示したように、位置P1において一のワイヤ30が他のワイヤ30に交差するよう、X軸方向に複数のワイヤ30が配置される。
 図9(b)は、実施形態1に係る、糸40の縫い目43の間隔を模式的に示す平面図である。
 実施形態1では、比較例と同様、1つの素子部A1に8本のワイヤ30が含まれている。ただし、実施形態1では、比較例と異なり、2つの導電弾性体13間の隙間において2本のワイヤ30が交差している。図9(b)の例では、上側の隙間13aにおいてワイヤ30が交差する位置P1は4つであり、下側の隙間13bにおいてワイヤ30の交差する位置P1は5つである。したがって、これらの位置で2つのワイヤ30を纏めて縫い留める場合、針孔11cのピッチ(針孔ピッチ)w3はw1/4となり、素子部A1の幅w1を10mmとすると、実施形態1の針孔ピッチw3は2.5mmとなる。
 このように、実施形態1によれば、位置P1を通るX軸方向の針孔11cの針孔ピッチw3が、ミシンの機械精度に基づく針孔11cの最小ピッチは2mmよりも大きくなるため、位置P1を通る縫い列40aにおいて、交差する2本のワイヤ30を挟んで2つの縫い目43を設けることが可能となる。よって、位置P1を通る縫い列40aにおいて、第1ベース部材11に適正にワイヤ30を縫い付けることができる。
 なお、位置P2(図4参照)では、一のワイヤ30と他のワイヤ30が接近するよう、X軸方向に複数のワイヤ30が配置される。これにより、Y軸方向の外側の2つの導電弾性体13の外側において、ワイヤ30が接近する位置P2は4つまたは5つになる。したがって、この場合も、上記と同様、針孔ピッチw3はw1/4となるため、位置P2を通る縫い列40aにおいて、第1ベース部材11に適正にワイヤ30を縫い付けることができる。
 <実施形態1の効果>
 実施形態1によれば、以下の効果が奏される。
 縫い列40aの位置P1において交差する複数のワイヤ30(導体線31)をまとめて第1ベース部材11に縫い留めることができる。この場合、複数のワイヤ30(導体線31)が交差する位置(縫い留め位置)の間隔は、図9(a)の比較例のように複数のワイヤ30(導体線31)を単に並べるときの間隔と比較して広くなる。一般に、糸を縫い留めるためのミシンには、機械精度に基づいて最小となる針孔ピッチが存在する。したがって、最小の針孔ピッチとの関係から、単に並べられた複数のワイヤ(導体線31)を1本ずつ縫い留めることができない場合でも、実施形態1の荷重センサ1によれば、上記のように、縫い留め位置の間隔が広いため、各ワイヤ30(導体線31)を適正に縫い留めることができる。
 図3に示したように、縫い列40aは、平面視において、隣り合う導電弾性体13の隙間(たとえば、図9(b)の隙間13a、13b)に配置される。これにより、縫い列40aが素子部A1に重ならなくなるため、荷重検出に対する縫い列40aの影響を抑制できる。よって、荷重を精度よく検出できる。
 図4に示したように、複数のワイヤ30(導体線31)は、平面視において、導電弾性体13の並び方向(Y軸方向)に対して傾いた複数の直線に沿って配置されて複数の網目を形成する。これにより、網目の頂点、すなわち、2つのワイヤ30(導体線31)が交差する位置P1を所定のピッチで直線状に並べやすくなる。よって、第1ベース部材11に対してワイヤ30(導体線31)を容易に縫い付けることができる。
 図4に示したように、複数のワイヤ30(導体線31)は、端部が互いに接続されて一続きに構成されている。これにより、個別にワイヤ30(導体線31)を配置する場合に比べて容易に複数のワイヤ30(導体線31)を配置できる。
 縫い列40a上における縫い目43のピッチは、2mm以上である。一般的にミシンの針孔ピッチは、機械精度から最小でも2mm程度である。このようにミシンの針孔ピッチが2mm程度までしか小さく設定できない場合でも、ピッチが2mm以上の隣り合う縫い目の間に、複数のワイヤ30(導体線31)をまとめて縫い留めることができる。よって、各ワイヤ30(導体線31)を適正に縫い留めることができる。
 図8に示したように、複数の導電弾性体13と複数のワイヤ30(導体線31)からなるワイヤ構造体STとの組が、導電弾性体13の並び方向(Y軸方向)に交差する方向(X軸方向)に複数配置されている。これにより、素子部A1の数を増やすことができ、より広範囲で荷重を検出できる。
 図5(a)、(b)に示したように、誘電体32は、導体線31の表面を被覆するように設置されている。この構成によれば、導体線31の表面を誘電体32で被覆するだけで、導電弾性体13と導体線31との間に誘電体32を配置できる。
 <実施形態1の変更例1>
 実施形態1では、図4に示したように、ワイヤ構造体STは、導電弾性体13の並び方向(Y軸方向)に非平行なワイヤ30により構成されたが、必ずしも全てのワイヤ30がY軸方向に非平行でなくてもよく、一部のワイヤ30またはワイヤ30の一部がY軸方向に平行であってもよい。
 図10は、実施形態1の変更例1に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例においても、実施形態1と同様、ワイヤ構造体STにおいて、直線状に延びた複数のワイヤ30により複数の網目が形成されている。ただし、本変更例では、Y軸正側からY軸負側まで延びる各ワイヤ30において、Y軸方向に平行な部分と、Y軸方向に非平行な部分とが設けられている。Y軸方向に非平行な部分のワイヤ30の傾き方向には、X軸正方向およびX軸負方向の2種類があり、2種類の傾き方向の傾き角は同じである。
 本変更例においても、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっている。図10には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。
 また、本変更例の位置P1においても、図5(a)に示した構成と同様、隣り合う2つの縫い目43の間に、交差する2本のワイヤ30が挟まれ、これら2本のワイヤ30が、糸40によって第1ベース部材11に縫い留められる。また、変更例2の縫い列40aの位置P2においても、図5(b)に示した構成と同様、隣り合う2つの縫い目43の間に、接近する2本のワイヤ30が挟まれ、これら2本のワイヤ30が、糸40によって第1ベース部材11に縫い留められる。
 以上、実施形態1の変更例1においても、実施形態1と同様、縫い列40aの位置P1において交差する複数の導体線31をまとめて第1ベース部材11に縫い留めることができる。よって、縫い留め位置の間隔を広くできるため、各導体線31を適正に縫い留めることができる。
 <実施形態1の変更例2>
 実施形態1では、図4に示したように、ワイヤ構造体STは、直線状に延びたワイヤ30により構成されたが、必ずしも全てのワイヤ30が直線状に延びていなくてもよく、一部のワイヤ30またはワイヤ30の一部が曲線状に延びていてもよい。
 図11は、実施形態1の変更例2に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例においても、ワイヤ構造体STにおいて、蛇行する複数のワイヤ30が配置されることにより複数の網目が形成されている。本変更例においても、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっている。図11には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。
 以上、実施形態1の変更例2においても、実施形態1と同様、縫い列40aの位置P1において交差する複数の導体線31をまとめて第1ベース部材11に縫い留めることができる。よって、縫い留め位置の間隔を広くできるため、各導体線31を適正に縫い留めることができる。
 <実施形態1の変更例3>
 実施形態1では、図4に示したように、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっていたが、これに限らず、各ワイヤ30は互いに分断されていてもよい。
 図12は、実施形態1の変更例3に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例のワイヤ構造体STは、図4に示した実施形態1と比較して、一続きのワイヤ30により構成されていない。すなわち、本変更例では、Y軸方向に非平行な8本のワイヤ30が、それぞれ独立して配置される。本変更例の平面視における網目の形状は、実施形態1と同様である。
 なお、本変更例のように、複数のワイヤ30が独立して配置される場合、荷重センサ1の組み立て時に、個別に複数のワイヤ30を配置する必要が生じる。したがって、実施形態1のように複数のワイヤ30が一続きに構成されるほうが、容易に複数のワイヤ30を配置できる。
 <実施形態2>
 実施形態1では、隣り合う導電弾性体13の隙間において2つのワイヤ30が交差したが、隣り合う導電弾性体13の隙間において2つのワイヤ30が接近するように、複数のワイヤ30が配置されてもよい。実施形態2の構成は、ワイヤ構造体STを除いて、実施形態1と同様である。
 図13は、実施形態2に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 実施形態2のワイヤ構造体STは、複数のワイヤ30が縫い列40aの方向(X軸方向)に蛇行する波形状を有する。隣り合うワイヤ30の振幅方向は互いに逆であり、隣り合うワイヤ30の振幅は同じである。実施形態2では、隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、複数のワイヤ30が一続きとなっている。図13には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。
 ここで、縫い列40a上の位置P2においては、2本のワイヤ30が接近している。位置P2は、X軸方向に所定の隙間をもって並んでいる。糸40は、各位置P2において接近する2本のワイヤ30を跨ぐように、第1ベース部材11に縫い付けられる。このとき、隣り合う2つの位置P2の間に縫い目43が形成される。X軸方向に延びる糸40の縫い列40aが、Y軸方向に所定の隙間をもって複数形成される。
 また、実施形態2の位置P2においても、図5(b)に示した構成と同様、隣り合う2つの縫い目43の間に、接近する2本のワイヤ30が挟まれ、これら2本のワイヤ30が、糸40によって第1ベース部材11に縫い留められる。
 図14は、実施形態2に係る、糸40の縫い目43の間隔を模式的に示す平面図である。
 実施形態2においても、実施形態1と同様、素子部A1に8本のワイヤ30が含まれている。変更例1では、位置P2において2本のワイヤ30が接近している。これにより、2つの導電弾性体13間の上側の隙間13aでは、位置P2が4つになり、下側の隙間13bでは、位置P2が5つになる。したがって、針孔11cのピッチ(針孔ピッチ)w3は、実施形態1と同様、w1/4となり、素子部A1の幅w1を10mmとすると、実施形態の針孔ピッチw3は2.5mmとなる。
 このように、実施形態2においても、位置P2を通るX軸方向の針孔11cの針孔ピッチw3が、ミシンの機械精度に基づく針孔11cの最小ピッチは2mmよりも大きいため、位置P2を通る縫い列40aにおいて、接近する2本のワイヤ30を挟んで2つの縫い目43を設けることが可能となる。よって、位置P2を通る縫い列40aにおいて、第1ベース部材11に適正にワイヤ30を縫い付けることができる。
 以上、実施形態2によれば、実施形態1と同様、縫い列40aの位置P2において接近する複数のワイヤ30(導体線31)をまとめて第1ベース部材11に縫い留めることができる。よって、縫い留め位置の間隔を広くできるため、各ワイヤ30(導体線31)を適正に縫い留めることができる。
 また、図13に示したように、複数のワイヤ30(導体線31)は、縫い列40aの方向に蛇行する波形状を有する。これにより、縫い列40aの位置においてワイヤ30(導体線31)が重ならないよう、複数のワイヤ30(導体線31)を配置できるため、荷重付与時にワイヤ30が擦れ合うことを抑制できる。よって、導体線31を被覆する誘電体32が損傷して、導電弾性体13と導体線31との間に短絡が生じることを抑制できる。
 <実施形態2の変更例1>
 実施形態2では、図13に示したように、ワイヤ構造体STは、曲線状に蛇行したワイヤ30が位置P2において接近するように構成されたが、直線状に蛇行したワイヤ30が位置P2において接近するように構成されてもよい。
 図15は、実施形態2の変更例1に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例においても、実施形態2と同様、複数のワイヤ30が縫い列40aの方向(X軸方向)に蛇行する形状を有する。ただし、本変更例では、各ワイヤ30は、Y軸方向に非平行な直線部分を有する直線形状である。Y軸方向に非平行な部分のワイヤ30の傾き方向には、X軸正方向およびX軸負方向の2種類があり、2種類の傾き方向の傾き角は同じである。
 本変更例においても、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっている。図15には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。
 また、本変更例の位置P2においても、図5(b)に示した構成と同様、隣り合う2つの縫い目43の間に、接近する2本のワイヤ30が挟まれ、これら2本のワイヤ30が、糸40によって第1ベース部材11に縫い留められる。
 以上、実施形態2の変更例1においても、実施形態2と同様、縫い列40aの位置P2において接近する複数の導体線31をまとめて第1ベース部材11に縫い留めることができる。よって、縫い留め位置の間隔を広くできるため、各導体線31を適正に縫い留めることができる。
 また、図15に示したように、複数のワイヤ30(導体線31)は、縫い列40aの方向に蛇行する形状を有する。これにより、縫い列40aの位置においてワイヤ30(導体線31)が重ならないよう、複数のワイヤ30(導体線31)を配置できるため、荷重付与時にワイヤ30が擦れ合うことを抑制できる。よって、導体線31を被覆する誘電体32が損傷して、導電弾性体13と導体線31との間に短絡が生じることを抑制できる。
 <実施形態2の変更例2>
 実施形態2では、図13に示したように、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっていたが、各ワイヤ30は互いに分断されていてもよい。
 図16は、実施形態2の変更例2に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例のワイヤ構造体STは、図13に示した実施形態2と比較して、一続きのワイヤ30により構成されていない。すなわち、本変更例では、X軸方向に蛇行する8本のワイヤ30が、それぞれ独立して配置される。本変更例の平面視における形状は、実施形態2と同様である。
 <実施形態2の変更例3>
 実施形態1では、隣り合う導電弾性体13の隙間において2つのワイヤ30が交差するように複数のワイヤ30が配置され、実施形態2では、隣り合う導電弾性体13の隙間において2つのワイヤ30が接近するように複数のワイヤ30が配置された。しかしながら、これに限らず、隣り合う導電弾性体13の隙間ごとに、2つのワイヤ30が交差または接近してもよい。
 図17は、実施形態2の変更例3に係る、ワイヤ構造体STの構成を示す平面図である。
 本変更例では、8本のワイヤ30は、Y軸方向に向かって延びながらX軸方向に蛇行している。各縫い列40aは、実施形態1、2と同様、導電弾性体13と重ならない位置に設けられる。図17を参照して、Y軸正側から2、4番目の縫い列40aにおいて、2つのワイヤ30が交差する位置P1が設けられ、Y軸正側から3、5番目の縫い列40aにおいて、2つのワイヤ30が接近する位置P2が設けられている。
 本変更例においても、Y軸方向の端部において隣り合うワイヤ30の端部が互いに接続されることにより、8つのワイヤ30が一続きとなっている。図17には、8つのワイヤ30を一続きで配置する際の端部30aから端部30bまでのルートが、実線の矢印で示されている。
 <その他の変更例>
 上記実施形態および変更例では、各ワイヤ30は、直線状および曲線状のいずれかの形状により構成されたが、直線状の部分と曲線状の部分の両方を備えてもよい。また、1つのワイヤ構造体STにおいて、一部のワイヤ30が直線状に構成され、他のワイヤ30が曲線状に構成されてもよい。
 上記実施形態1、実施形態1の変更例1、3、および実施形態2の変更例1では、Y軸方向に非平行なワイヤ30の傾き方向は2種類あり、2種類の傾き方向の傾き角は同じであったが、これに限らず、2種類の傾き方向の傾き角は同じでなくてもよい。また、上記実施形態1の変更例2、実施形態2、および実施形態2の変更例1~3では、隣り合うワイヤ30の振幅は同じであったが、これに限らず、隣り合うワイヤ30の振幅は同じでなくてもよい。
 上記実施形態および変更例では、ワイヤ30が交差または接近する位置が、平面視において導電弾性体13と重ならない位置とされたが、これに限らず、平面視において導電弾性体13と重なる位置でもよい。この場合、導電弾性体13に重なる位置でワイヤ30が交差または接近することになり、この位置で糸40によりワイヤ30が縫い留められる。したがって、荷重検出に対する縫い列40aの影響を抑制するためには、上記のように、ワイヤ30が交差または接近する位置が導電弾性体13と重ならない位置とされるのが好ましい。
 上記実施形態および変更例では、導電弾性体13は、第1ベース部材11の対向面11aに配置されたが、これに限らず、第2ベース部材61の対向面61aに配置されてもよい。また、第1ベース部材11の対向面11aおよび第2ベース部材61の対向面61aの両方に配置されてもよい。
 上記実施形態および変更例では、糸40は、第1ベース部材11に縫い付けられたが、これに限らず、第2ベース部材61に縫い付けられてもよい。
 上記実施形態および変更例では、導体線31の全周を被覆するように誘電体32が設置されたが、導体線31の表面のうち、少なくとも、荷重に応じて接触面積が変化する範囲のみを被覆するように、誘電体32が配置されてもよい。また、誘電体32は、厚み方向において1種類の材料により構成されたが、厚み方向において2種類以上の材料が積層された構造を有してもよい。
 上記実施形態および変更例では、導体線31の表面に誘電体32が配置されたが、導体線31と導電弾性体13との間で静電容量を規定する誘電体32は、導体線31と導電弾性体13との間に配置されればよい。たとえば、図18に示すように、誘電体32は、導電弾性体13の表面に配置されてもよい。この場合、誘電体32は、荷重に応じて導体線31との接触面積が変化するよう、弾性変形可能な材料により構成される。たとえば、誘電体32は、導電弾性体13と同様の弾性率を有する材料により構成される。
 上記実施形態および変更例では、5つのワイヤ構造体STが配置され、1つの素子部A1に8本のワイヤ30が配置されたが、ワイヤ構造体STの数および素子部A1に含まれるワイヤ30の数は、これに限らない。たとえば、ワイヤ構造体STの数は、1~4または6つ以上でもよく、1つの素子部A1に含まれるワイヤ30の数は、1~7または9本以上でもよい。
 上記実施形態および変更例では、5つの導電弾性体13が配置されたが、荷重センサ1に配置される導電弾性体13の数は、これに限らない。たとえば、導電弾性体13の数は、1~4または6以上でもよい。
 上記実施形態および変更例において、第1ベース部材11の対向面11aに導電弾性体13を配置する方法は、必ずしも、印刷に限られるものではなく、箔を接着する方法等、他の方法であってもよい。
 上記実施形態および変更例では、ワイヤ構造体STは、導電弾性体13の並び方向(Y軸方向)に平行な方向に延びたが、導電弾性体13の並び方向に非平行な方向に延びてもよい。たとえば、ワイヤ構造体STおよび導電弾性体13は、互いに斜め方向に交差してもよい。
 上記実施形態および変更例において、導電弾性体13の幅は必ずしも一定でなくてもよく、たとえば、導電弾性体13が延びる方向(X軸方向)における素子部A1の間の範囲において、導電弾性体13の幅が狭くなっていてもよい。
 上記実施形態および変更例において、導電体12が省略され、導電弾性体13に配線14が接続されてもよい。
 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
 11 第1ベース部材
 11a 対向面
 12 導電体(導電弾性体)
 13 導電弾性体
 13a、13b 隙間
 31 導体線
 32 誘電体
 40 糸
 40a 縫い列
 43 縫い目
 61 第2ベース部材
 61a 対向面

Claims (8)

  1.  第1ベース部材と、
     前記第1ベース部材に対向して配置された第2ベース部材と、
     前記第1ベース部材および前記第2ベース部材の少なくとも一方の対向面に並んで配置された複数の導電弾性体と、
     前記複数の導電弾性体に交差するように配置された複数の導体線と、
     前記導電弾性体と前記導体線との間に配置された誘電体と、
     前記複数の導電弾性体の並び方向に交差する方向に延びる縫い列によって、前記複数の導体線を前記第1ベース部材または前記第2ベース部材に縫い留める糸と、を備え、
     前記縫い列の位置において、一の前記導体線が、他の前記導体線と交差し、あるいは、他の前記導体線に接近するよう、前記複数の導体線が配置され、
     前記糸は、互いに交差または接近する前記一の導体線および前記他の導体線を跨ぐように、前記第1ベース部材または前記第2ベース部材に縫い付けられる、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  2.  請求項1に記載の荷重センサにおいて、
     前記縫い列は、平面視において、隣り合う前記導電弾性体の隙間に配置される、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  3.  請求項1または2に記載の荷重センサにおいて、
     前記複数の導体線は、平面視において、前記並び方向に対して傾いた複数の直線に沿って配置されて複数の網目を形成する、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  4.  請求項1または2に記載の荷重センサにおいて、
     前記複数の導体線は、前記縫い列の方向に蛇行する波形状を有する、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  5.  請求項1ないし4の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
     前記複数の導体線は、端部が互いに接続されて一続きに構成されている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  6.  請求項1ないし5の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
     前記縫い列上における縫い目のピッチは、2mm以上である、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  7.  請求項1ないし6の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
     前記複数の導電弾性体と前記複数の導体線との組が、前記並び方向に交差する方向に複数配置されている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
     
  8.  請求項1ないし7の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
     前記誘電体は、前記導体線の表面を被覆するように設置されている、
    ことを特徴とする荷重センサ。
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