负荷传感器的制作方法

1.本发明涉及基于静电电容的变化来检测从外部赋予的负荷(load)的负荷传感器。


背景技术：

2.负荷传感器被广泛利用于产业设备、机器人以及车辆等的领域。近年来，随着基于计算机的控制技术的发展以及外观性的提高，人型的机器人以及汽车的内饰品等的丰富地使用自由曲面的电子设备的开发正在进行。与此相应地，需要在各自由曲面装配高性能的负荷传感器。
3.以下的专利文献1中记载了一种感压元件，具备：第1导电构件，包含片状的导电性橡胶；线状的第2导电构件，被第1导电构件和基材夹着；和电介质，形成为覆盖第2导电构件。在该结构中，伴随着负荷的增加，第1导电构件与电介质之间的接触面积增加，伴随于此，第1导电构件与第2导电构件之间的静电电容增加。因此，通过检测第1导电构件与第2导电构件之间的静电电容的值，能够检测对感压元件赋予的负荷。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：国际公开第2018/096901号


技术实现要素：

[0007]-发明要解决的课题-[0008]
但是，在上述结构中，随着负荷的增加，第1导电构件仅在第2导电构件的周方向变形，因此负荷与静电电容的关系为曲线状。为了通过简易的处理来合适地检测与负荷相应的静电电容的变化，优选负荷与静电电容的关系为直线状。
[0009]
鉴于这种课题，本发明的目的在于，提供一种能够使负荷与静电电容的关系更接近于直线的负荷传感器。
[0010]-解决课题的手段-[0011]
本发明的主要方式涉及一种负荷传感器。本方式所涉及的负荷传感器具备：第1基材以及第2基材，被配置为相互面对；导电弹性体，被配置于所述第1基材的对置面；线状的导电构件，被配置于所述第2基材与所述导电弹性体之间；和电介质，被配置于所述导电弹性体与所述导电构件之间。导电构件具有在朝向所述导电弹性体的方向挠曲的挠曲形状。
[0012]
通过本方式所涉及的负荷传感器，由于导电构件具有挠曲形状，因此在被赋予负荷的情况下，导电弹性体不仅在导电构件的周方向，还在导电构件的长度方向也沿着挠曲形状变形。由此，相比于导电构件未挠曲的情况，静电电容相对于负荷的变化更加难以饱和，能够使该变化更加接近于直线。
[0013]-发明效果-[0014]
如以上那样，通过本发明，能够提供能够使负荷与静电电容的关系更加接近于直线的负荷传感器。
[0015]
本发明的效果乃至意义通过以下所示的实施方式的说明而更加明确。但是，以下所示的实施方式仅仅是将本发明实施化时的一个示例，本发明并不限制于以下的实施方式所示的方式。
附图说明
[0016]
图1的(a)是示意性地表示实施方式1所涉及的在下侧的基材以及下侧的基材的对置面设置的导电弹性体的立体图。图1的(b)是示意性地表示实施方式1所涉及的导体线、绝缘构件以及丝线的立体图。
[0017]
图2的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式1所涉及的对由导体线以及绝缘构件构成的构造体进行作成的步骤的图。
[0018]
图3的(a)是示意性地表示实施方式1所涉及的在上侧的基材以及上侧的基材的对置面设置的导电弹性体的立体图。图3的(b)是示意性地表示实施方式1所涉及的组装结束的负荷传感器的立体图。
[0019]
图4的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式1所涉及的在y轴正方向观察的情况下的导电弹性体与导体线的交点附近的剖视图。
[0020]
图5的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式1所涉及的在x轴负方向观察的情况下的导电弹性体与导体线的交点附近的剖视图。
[0021]
图6是示意性地表示实施方式1所涉及的负荷传感器的内部的结构的俯视图。
[0022]
图7的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式1的验证所涉及的验证中使用的实施方式的负荷传感器的结构的图。
[0023]
图8的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式1的验证所涉及的验证中使用的比较例的负荷传感器的结构的图。
[0024]
图9是表示实施方式1的验证所涉及的验证中得到的负荷与静电电容的关系的图表。
[0025]
图10的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式2所涉及的导电弹性体与导体线的交点附近的剖视图。
[0026]
图11是示意性地表示实施方式2所涉及的负荷传感器的内部的结构的俯视图。
[0027]
图12是示意性地表示实施方式3所涉及的导电弹性体与导体线的交点附近的剖视图。
[0028]
图13的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式4所涉及的导电弹性体与导体线的交点附近的剖视图。
[0029]
图14是示意性地表示实施方式4所涉及的配置导体线的结构的立体图。
[0030]
图15的(a)、(b)分别是示意性地表示实施方式5所涉及的导电弹性体与导电构件的交点附近的剖视图。
[0031]
其中，附图仅仅用于说明，并不限定本发明的范围。
具体实施方式
[0032]
本发明所涉及的负荷传感器能够应用于根据被赋予的负荷来进行处理的管理系统、电子设备的负荷传感器。
[0033]
作为管理系统，例如举例：库存管理系统、驾驶员监控系统、指导管理系统、安全管理系统、护理/育儿管理系统等。
[0034]
在库存管理系统中，例如通过设置于库存棚的负荷传感器，检测装载的库存的负荷，检测存在于库存棚的商品的种类和商品的数量。由此，在店铺、工厂、仓库等中，能够高效率地管理库存并且能够实现省人化。此外，通过设置于冰箱内的负荷传感器，检测冰箱内的食品的负荷，检测冰箱内的食品的种类和食品的数量。由此，能够自动提出使用了冰箱内的食品的菜单。
[0035]
在驾驶员监控系统中，例如通过设置于转向装置的负荷传感器，监控驾驶员针对转向装置的负荷分布(例如，握持力、握持位置、踏力)。此外，通过设置于车载座椅的负荷传感器，监控就坐状态下的驾驶员针对车载座椅的负荷分布(例如，重心位置)。由此，能够反馈驾驶员的驾驶状态(困倦、心理状态等)。
[0036]
在指导管理系统中，例如，通过设置于鞋底的负荷传感器，监控脚底的负荷分布。由此，能够向合适的行走状态、跑步状态矫正或者引导。
[0037]
在安全管理系统中，例如通过设置于地面的负荷传感器，在人通过时，检测负荷分布，检测体重、步幅、通过速度以及鞋底图案等。由此，通过将这些检测信息与数据进行比较，能够确定通过的人物。
[0038]
在护理/育儿管理系统中，例如通过设置于寝具、马桶的负荷传感器，监控人体针对寝具以及马桶的负荷分布。由此，推断在寝具、马桶的位置，人采取什么样的行动，能够防止跌倒、滚落。
[0039]
作为电子设备，例如举例车载设备(导航系统、音响设备等)、家电设备(电水壶、ih烹饪加热器等)、智能手机、电子纸、电子阅读器、pc键盘、游戏控制器、智能手表、无线耳机、触摸面板、电子笔、笔型电筒、发光衣服、乐器等。在电子设备中，在对来自用户的输入进行接受的输入部设置负荷传感器。
[0040]
以下的实施方式中的负荷传感器是上述的管理系统、电子设备的负荷传感器中典型设置的静电电容型负荷传感器。这样的负荷传感器也可能被称为“静电电容型感压传感器元件”、“容性压力检测传感器元件”、“感压开关元件”等。此外，以下的实施方式中的负荷传感器与检测电路连接，通过负荷传感器以及检测电路，构成负荷检测装置。以下的实施方式是本发明的一实施方式，本发明并不限制于以下的实施方式。
[0041]
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。为了方便，各图中附上相互正交的x、y、z轴。z轴方向是负荷传感器1的高度方向。
[0042]
《实施方式1》
[0043]
参照图1的(a)～图6，对负荷传感器1的结构进行说明。
[0044]
图1的(a)是示意性地表示基材11、设置于基材11的对置面11a(z轴正侧的面)的导电弹性体12的立体图。
[0045]
基材11是具有弹性的绝缘性的构件，具有与x-y平面平行的平板形状。基材11的z轴方向的厚度例如是0.01mm～2mm。基材11的弹性率例如是0.01mpa～10mpa。
[0046]
基材11由具有非导电性的树脂材料或者具有非导电性的橡胶材料构成。用于基材11的树脂材料例如是从包含苯乙烯系树脂、硅酮系树脂(例如，聚二甲基聚硅氧烷(pdms)等)、丙烯酸系树脂、轮烷系树脂以及聚氨酯系树脂等的群中选择的至少1种树脂材料。用于
基材11的橡胶材料例如是从包含硅酮橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯、乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶以及天然橡胶等的群中选择的至少1种橡胶材料。
[0047]
导电弹性体12形成于基材11的对置面11a(z轴正侧的面)。在图1的(a)中，在基材11的对置面11a，形成3个导电弹性体12。导电弹性体12是具有弹性的导电性的构件。各导电弹性体12具有在y轴方向较长的带状的形状，在x轴方向隔开规定的间隔而并排形成。在各导电弹性体12的y轴负侧的端部，设置与导电弹性体12电连接的线缆12a。
[0048]
导电弹性体12的x轴方向的宽度例如是2mm～50mm，相邻的导电弹性体12的间隙例如是1mm～5mm。作为一个例子，导电弹性体12的x轴方向的宽度是10mm，相邻的导电弹性体12的间隙是2mm。导电弹性体12的弹性率例如是0.1mpa～10mpa。导电弹性体12的电阻率例如是100ω
·
cm以下。
[0049]
针对基材11的对置面11a，通过丝网印刷、凹版印刷、柔性印刷、胶版印刷以及凹版胶印印刷等的印刷方法而形成导电弹性体12。通过这些印刷方法，能够在基材11的对置面11a以0.001mm～0.5mm左右的厚度形成导电弹性体12。
[0050]
导电弹性体12由树脂材料和分散于其中的导电性填料、或者橡胶材料和分散于其中的导电性填料构成。
[0051]
用于导电弹性体12的树脂材料与用于上述的基材11的树脂材料同样，例如，是从包含苯乙烯系树脂、硅酮系树脂(聚二甲基聚硅氧烷(例如，pdms)等)、丙烯酸系树脂、轮烷系树脂以及聚氨酯系树脂等的群中选择的至少1种树脂材料。用于导电弹性体12的橡胶材料与上述的用于基材11的橡胶材料同样地，例如是从包含硅酮橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯、乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶以及天然橡胶等的群中选择的至少1种橡胶材料。
[0052]
用于导电弹性体12的导电性填料例如是从包含au(金)、ag(银)、cu(铜)、c(碳)、zno(氧化锌)、in2o3(氧化铟(iii))以及sno2(氧化锡(iv))等的金属材料、pedot：pss(即，包含聚(3，4-亚乙基二氧噻吩))(pedot)和聚苯乙烯磺酸(pss)的复合物)等的导电性高分子材料、金属涂层有机物纤维、金属线(纤维状态)等的导电性纤维的群中选择的至少1种材料。
[0053]
图1的(b)是示意性地表示在图1的(a)的构造体配置的导体线13、绝缘构件14以及丝线15的立体图。
[0054]
导体线13以及绝缘构件14具有线形状。导体线13在x轴方向延伸，绝缘构件14在y轴方向延伸。导体线13隔开规定的间隔而在y轴方向并排配置。绝缘构件14隔开规定的间隔而在x轴方向并排，配置于导电弹性体12的x轴方向的中央。在图1的(b)中，6个导体线13以及3个绝缘构件14组合为形成网眼(网格构造)，形成网状(网格状)的构造体32。
[0055]
图2的(a)、(b)是示意性地表示作成构造体32的步骤的图。
[0056]
如图2的(a)所示，多个导电构件13a和多个绝缘构件14被配置为相互垂直相交。此时，多个导电构件13a以及多个绝缘构件14被组装为矩阵状，以使得在导电构件13a与绝缘构件14相交的多个交点，导电构件13a位于绝缘构件14的下方(z轴负侧)的交点41和导电构件13a位于绝缘构件14的上方(z轴正侧)的交点42在x轴方向以及y轴方向交替配置。
[0057]
导电构件13a例如由导电性的金属材料构成。此外，导电构件13a可以由包含玻璃
的芯线以及形成于其表面的导电层构成，也可以由包含树脂的芯线以及形成于其表面的导电层等构成。在实施方式1中，导电构件13a由铝构成。相邻的导电构件13a间隙例如是5mm。
[0058]
绝缘构件14是绝缘性的构件，例如由丙烯酸树脂、尼龙树脂构成。相邻的绝缘构件14的间隙例如设定为将导电弹性体12的x轴方向的宽度与相邻的导电弹性体12的间隙相加的值，作为一个例子，是12mm。
[0059]
这样，通过多个导电构件13a与多个绝缘构件14在俯视下组装为网状，来组装图2的(a)所示的构造体31。
[0060]
接下来，对图2的(a)的构造体31，进行阳极氧化处理(防腐蚀处理)。具体地说，图2的(a)的构造体31被浸渍于硫酸、草酸、磷酸、硼酸等的无机酸溶液或者有机酸溶液，在0℃～80℃的条件下被施加适当的电压(1～500v)。由此，在包含铝的导电构件13a的表面，形成包含氧化铝(氧化铝)的电介质13b的皮膜。电介质13b具有电绝缘性。通过导电构件13a和形成于导电构件13a的表面的电介质13b，形成导体线13。导体线13的直径例如是0.1mm～2mm。电介质13b的厚度例如是20nm～10μm。
[0061]
绝缘构件14由树脂材料构成，因此对于阳极氧化处理不反应，在阳极氧化处理的前后几乎没有变化。
[0062]
另外，导电构件13a的x轴负侧的端部与电路连接，因此优选在导电构件13a的x轴负侧的端部不形成电介质13b。因此，进行阳极氧化处理，以使得导电构件13a的x轴负侧的端部不浸渍于阳极氧化处理的溶液。
[0063]
这样，通过对图2的(a)的构造体31进行阳极氧化处理(防腐蚀处理)，如图2的(b)所示，网状的构造体32完成。
[0064]
返回到图1的(b)，图2的(b)所示的构造体32被重叠配置于图1的(a)所示的3个导电弹性体12的上表面。接下来，在y轴方向相邻的2个导体线13通过丝线15而设置于基材11。在图1的(b)所示的例子中，12个丝线15在导电弹性体12与导体线13重叠的位置以外的位置，将导体线13与基材11连接。丝线15由化学纤维、天然纤维或者其混合纤维等构成。
[0065]
图3的(a)是示意性地表示与基材11的上侧重叠配置的基材21、在基材21的对置面21a(z轴负侧的面)设置的导电弹性体22的立体图。
[0066]
基材21具有与基材11相同的大小以及形状，由与基材11相同的材料构成。导电弹性体22在基材21的对置面21a(z轴负侧的面)，形成于与导电弹性体12对置的位置，在x轴方向隔开规定的间隔而并排形成。导电弹性体22具有与导电弹性体12相同的大小以及形状，由与导电弹性体12相同的材料构成。导电弹性体22与导电弹性体12同样地，通过规定的印刷方法而形成于基材21的z轴负侧的面。在各导电弹性体22的y轴负侧的端部，设置与导电弹性体22电连接的线缆22a。
[0067]
图3的(b)是示意性地表示在图1的(b)的构造体设置图3的(a)的构造体的状态的立体图。
[0068]
从图1的(b)所示的构造体的上方(z轴正侧)，配置图3的(a)所示的构造体。此时，基材11和基材21中，对置面11a与对置面21a被配置为相互面对，导电弹性体12和导电弹性体22被配置为重叠。并且，通过基材21的外周四边相对于基材11的外周四边，利用硅酮橡胶系粘结剂、丝线等而连接，从而固定基材11和基材21。由此，构造体32(6个导体线13以及3个绝缘构件14)被3个导电弹性体12和3个导电弹性体22夹着。这样，如图3的(b)所示，负荷传
感器1完成。
[0069]
图4的(a)、(b)是示意性地表示在y轴正方向观察的情况下的导电弹性体12、22与导体线13的交点附近的剖视图。图4的(a)表示未施加负荷的状态，图4的(b)表示施加负荷的状态。
[0070]
如图4的(a)、(b)所示，导体线13以及导电构件13a在导体线13延伸方向(x轴方向)，通过被绝缘构件14支承而成为上下蛇行的形状(振幅形状)。即，导体线13以及导电构件13a具有在朝向导电弹性体12的方向挠曲的挠曲形状和在朝向导电弹性体22的方向挠曲的挠曲形状在x轴方向交替并排的形状。绝缘构件14维持导体线13的挠曲形状。
[0071]
导电弹性体12、22与导体线13的交点附近对应于根据负荷而静电电容变化的一个传感器部a。传感器部a在负荷传感器1的测量区域内被设置多个。关于传感器部a的配置，后面参照图6来进行说明。
[0072]
如图4的(a)所示，在未施加负荷的情况下，向导电弹性体12与导体线13之间施加的力以及向导电弹性体22与导体线13之间施加的力几乎为零。从该状态，如图4的(b)所示，若对与传感器部a对应的基材11的下表面向上方向施加负荷，对与传感器部a对应的基材21的上表面向下方向施加负荷，则导电弹性体12、22由于导体线13而变形。
[0073]
如图4的(b)所示，若对在朝向导电弹性体12的方向导体线13挠曲的传感器部a施加负荷，则导体线13靠近导电弹性体12以使得被导电弹性体12包围，导体线13与导电弹性体12之间的接触面积增加。同样地，若对在朝向导电弹性体22的方向导体线13挠曲的传感器部a施加负荷，则导体线13靠近导电弹性体22以使得被导电弹性体22包围，导体线13与导电弹性体22之间的接触面积增加。
[0074]
图5的(a)、(b)是示意性地表示在x轴负方向观察的情况下的导电弹性体12、22与导体线13的交点附近的剖视图。图5的(a)表示未施加负荷的状态，图5的(b)表示施加负荷的状态。
[0075]
导电弹性体12、22与相邻的2个导体线13的交点附近对应于一个传感器部a。
[0076]
如图5的(a)所示，在未对传感器部a施加负荷的情况下，向导电弹性体12与导体线13之间施加的力以及向导电弹性体22与导体线13之间施加的力几乎为零。从该状态，如图5的(b)所示，若对与传感器部a对应的基材11的下表面向上方向施加负荷、对与传感器部a对应的基材21的上表面向下方向施加负荷，则导电弹性体12、22由于导体线13而变形。
[0077]
如图5的(b)所示，若对传感器部a施加负荷，则位于导电弹性体12与绝缘构件14之间的导体线13接近导电弹性体12以使得被导电弹性体12包围，导体线13与导电弹性体12之间的接触面积增加。另一方面，位于导电弹性体22与绝缘构件14之间的导体线13接近导电弹性体22以使得被导电弹性体22包围，导体线13与导电弹性体22之间的接触面积增加。
[0078]
如图4的(b)以及图5的(b)所示，若对传感器部a施加负荷，则导体线13与导电弹性体12之间的接触面积以及导体线13与导电弹性体22之间的接触面积在导体线13的周方向以及长度方向变化。由此，根据负荷，导电构件13a与导电弹性体12之间的静电电容以及导电构件13a与导电弹性体22之间的静电电容变化。并且，通过检测传感器部a的静电电容，可计算施加于传感器部a的负荷。
[0079]
图6是示意性地表示在z轴负方向观察的情况下的负荷传感器1的内部的结构的俯视图。在图6中，为了方便，省略丝线15的图示。
[0080]
在负荷传感器1的测量区域，设定在x轴方向以及y轴方向并排的9个传感器部。具体地说，将测量区域在x轴方向3分割并在y轴方向3分割的9个区域被分配给9个传感器部。各传感器部的边界与相邻于该传感器部的传感器部的边界相接。9个传感器部对应于导电弹性体12、22和相邻的2个导体线13(一对导体线13)相交的9个位置，具有与图4的(a)～图5的(b)所示的传感器部a同样的结构。在图6中，在9个位置，形成静电电容根据负荷而变化的9个传感器部a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32、a33。
[0081]
各传感器部包含导电弹性体12、22和一对导体线13，一对导体线13构成静电电容的一极(例如阳极)，导电弹性体12、22构成静电电容的另一极(例如阴极)。即，一对导体线13内的导电构件13a(参照图4的(a)～图5的(b))构成负荷传感器1(静电电容型负荷传感器)的一个电极，导电弹性体12、22构成负荷传感器1(静电电容型负荷传感器)的另一个电极，一对导体线13内的电介质13b(参照图4的(a)～图5的(b))在负荷传感器1(静电电容型负荷传感器)中对应于规定静电电容的电介质。
[0082]
若对各传感器部在z轴方向施加负荷，则一对导体线13之中，一个被导电弹性体12包入，另一个被导电弹性体22包入。由此，一对导体线13与导电弹性体12、22之间的接触面积变化，该一对导体线13与该导电弹性体12、22之间的静电电容变化。
[0083]
一对导体线13的x轴负侧的端部、线缆12a的y轴负侧的端部以及线缆22a的y轴负侧的端部连接于对负荷传感器1设置的检测电路。另外，一对导体线13内的导电构件13a在检测电路相互连接，线缆12a、22a在检测电路相互连接。
[0084]
如图6所示，将从3组导电弹性体12、22引出的线缆12a、22a称为线l11、l12、l13，将3组的一对导体线13内的导电构件13a称为线l21、l22、l23。与线l11连接的导电弹性体12、22与线l21、l22、l23相交的位置分别是传感器部a11、a12、a13，与线l12连接的导电弹性体12、22与线l21、l22、l23相交的位置分别是传感器部a21、a22、a23，与线l13连接的导电弹性体12、22与线l21、l22、l23相交的位置分别是传感器部a31、a32、a33。
[0085]
若对传感器部a11施加负荷，则在传感器部a11，一对导体线13与导电弹性体12、22的接触面积增加。因此，通过对线l11与线l21之间的静电电容进行检测，能够在传感器部a11计算被施加的负荷。同样地，在其他传感器部中，也能够通过检测在该其他传感器部相交的2个线间的静电电容，来计算在该其他传感器部中被施加的负荷。
[0086]
接下来，对发明人进行的负荷与静电电容的关系的验证进行说明。
[0087]
图7的(a)、(b)是示意性地表示验证中使用的实施方式的负荷传感器1的结构的图。图7的(a)、(b)分别是示意性地表示在y轴正方向以及x轴负方向观察的情况下的导电弹性体12与导体线13的交点附近的剖视图。
[0088]
如图7的(a)、(b)所示，在用于验证的实施方式的负荷传感器1中，在基材11配置一个导电弹性体12，省略了基材21侧的导电弹性体22。在导电弹性体12与基材21之间，配置一个导体线13。将导体线13的直径设为0.3mm。在该实验中，仅形成一个传感器部a。
[0089]
图8的(a)、(b)是示意性地表示用于验证的比较例的负荷传感器2的结构的图。图8的(a)、(b)分别是示意性地表示在y轴正方向以及x轴负方向观察的情况下的导电弹性体12与导体线13的交点附近的剖视图。
[0090]
如图8的(a)、(b)所示，在用于验证的比较例的负荷传感器2中，相比于图7的(a)、(b)的结构，省略绝缘构件14，导体线13在x轴方向直线状地延伸。
[0091]
对图7的(a)、(b)的负荷传感器1以及图8的(a)、(b)的负荷传感器2赋予负荷，通过模拟来计算在负荷的赋予时导电弹性体12与导电构件13a之间的静电电容。此外，实际作成图8的(a)、(b)的负荷传感器2，对作成的负荷传感器2实际赋予负荷，在负荷的赋予时测定了导电弹性体12与导电构件13a之间的静电电容。
[0092]
图9是表示验证中得到的负荷与静电电容的关系的图表。横轴表示负荷(n)，纵轴表示静电电容(pf)。
[0093]
如图9所示，根据基于图8的(a)、(b)的比较例的负荷传感器2的实测，负荷与静电电容的关系为曲线状。此外，根据基于比较例的负荷传感器2的模拟，负荷与静电电容的关系大体分布在基于比较例的实测的曲线上。这样，根据比较例的负荷传感器2可知，负荷与静电电容的关系为曲线状。若这样，负荷与静电电容的关系为曲线状，则难以通过简易的处理来合适地检测与负荷相应的静电电容的变化。
[0094]
此外，在比较例的情况下，表示负荷与静电电容的关系的曲线的拐点位于5n～8n附近。若赋予的负荷达到拐点，则即使进一步赋予负荷，静电电容也几乎不增加，静电电容的变化成为饱和状态。在比较例中，由于拐点是小为5n～8n的值，因此可检测的负荷的动态范围较窄。
[0095]
另一方面，根据基于图7的(a)、(b)的实施方式的负荷传感器1的模拟，负荷与静电电容的关系大体分布在图9的直线l1上。若这样负荷与静电电容的关系成为直线状，则能够通过简易的处理来合适地检测与负荷相应的静电电容的变化。
[0096]
此外，在实施方式的情况下，在将负荷与静电电容的关系近似为曲线的情况下，该曲线的拐点位于比50n大的值。因此，在实施方式中，由于拐点是相比于比较例较大的值，因此相比于比较例，可检测的负荷的动态范围较广。
[0097]
＜实施方式1的效果》
[0098]
通过实施方式1，可起到以下的效果。
[0099]
导电构件13a具有在朝向导电弹性体12的方向挠曲的挠曲形状。若导电构件13a具有挠曲形状，则在被赋予负荷的情况下，不仅导电弹性体12如图5的(b)所示那样在导电构件13a的周方向(y轴方向)变形，还如图4的(b)所示那样在导电构件13a的长度方向(x轴方向)也沿着挠曲形状变形。这样，通过根据导电构件13a的挠曲形状，导电弹性体12不仅在y轴方向也在x轴方向变形，从而导体线13与导电弹性体12的接触面积的变化变得更加缓慢，并且在更广的负荷的范围产生接触面积的变化。由此，相比于导电构件13a未挠曲的情况，静电电容相对于负荷的变化变得更加难以饱和，能够使该变化更加接近于直线。
[0100]
这样，通过负荷与静电电容的关系接近于直线，能够通过简易的处理来更加合适地检测与负荷相应的静电电容的变化。此外，导体线13与导电弹性体12的接触面积的变化在较广的负荷的范围产生，因此如参照图9来说明那样，到拐点为止的范围变广，能够扩大可检测的负荷的动态范围。
[0101]
与导电弹性体12共同地，导电弹性体22在基材21的对置面21a，与导电弹性体12对置配置，导电构件13a具有在朝向导电弹性体22的方向挠曲的挠曲形状。由此，不仅在朝向导电弹性体12的导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体12重叠的位置，在朝向导电弹性体22的导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体22重叠的位置，也能够检测负荷。在实施方式1中，如图6所示，在一个传感器部内，包含在朝向导电弹性体12的方向挠曲的挠曲形状和在
朝向导电弹性体22的方向挠曲的挠曲形状。该情况下，由于在2个挠曲形状的范围能够检测静电电容，因此相比于在传感器部内包含一个挠曲形状的情况，能够提高传感器部的检测灵敏度。此外，在2个挠曲形状分别包含于各个传感器部的情况下，能够实现检测位置的增加。
[0102]
导电弹性体12在基材11的对置面11a以规定的间隔被配置多个，导电构件13a被配置为相对于多个导电弹性体12交叉。在朝向导电弹性体12的方向挠曲的导电构件13a的挠曲形状相对于各导电弹性体12被配置至少一个。由此，在导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体12重叠的多个位置，能够分别检测负荷。同样地，导电弹性体22在基材21的对置面21a以规定的间隔而被配置多个，导电构件13a被配置为相对于多个导电弹性体22交叉。在朝向导电弹性体22的方向挠曲的导电构件13a的挠曲形状相对于各导电弹性体22而被配置至少一个。这样，在导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体22重叠的多个位置，能够分别检测负荷。
[0103]
导电弹性体12在与导电构件13a延伸的方向(x轴方向)相交的方向(y轴方向)具有较长的带状的形状，导电构件13a被配置多个以使得相对于导电弹性体12交叉。由此，在朝向导电弹性体12的方向挠曲的导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体12重叠的多个位置，能够分别检测负荷。同样地，导电弹性体22在与导电构件13a延伸的方向(x轴方向)相交的方向(y轴方向)具有较长的带状的形状，导电构件13a被配置多个以使得相对于导电弹性体22交叉。由此，在朝向导电弹性体22的方向挠曲的导电构件13a的挠曲形状与导电弹性体22重叠的多个位置，能够分别检测负荷。
[0104]
绝缘构件14是与导电构件13a交叉并维持导电构件13a的挠曲形状的线状的构件。由此，能够可靠地维持导电构件13a的挠曲形状。
[0105]
多个导电构件13a以及多个绝缘构件14形成网眼。在导电构件13a与绝缘构件14相交的多个交点中，导电构件13a位于绝缘构件14的下方(z轴负侧)的交点41(参照图2的(a))和导电构件13a位于绝缘构件14的上方(z轴正侧)的交点42(参照图2的(a))在导电构件13a延伸的方向(x轴方向)以及绝缘构件14延伸的方向(y轴方向)交替配置。由此，能够容易地在导电构件13a形成挠曲形状。
[0106]
电介质13b被设置为覆盖导电构件13a的表面。通过该结构，仅仅通过电介质13b覆盖导电构件13a的表面，就能够在导电弹性体12、22与导电构件13a之间设置电介质13b。
[0107]
导电构件13a由铝构成，电介质13b由氧化铝构成。这样，若电介质13b由包含与导电构件13a相同的组成的氧化物构成，则导电构件13a与电介质13b的界面强度变得强固，因此根据负荷赋予时的应力，电介质13b难以从导电构件13a剥离。因此，能够提高负荷传感器1的可靠性。此外，能够通过简易的工艺(防腐蚀处理)，低价并且迅速地使导电构件13a的表面覆盖电介质13b。
[0108]
此外，电介质13b由相对介电常数为8.5左右的氧化铝构成。这样，若通过相对介电常数大于3.5的材料构成电介质13b，则导电弹性体12、22与导电构件13a之间的静电电容变高，因此能够提高负荷传感器1的灵敏度特性。
[0109]
如图2的(a)所示，仅仅将导电构件13a与绝缘构件14组装来构成构造体31，对构造体31进行阳极氧化处理，就能够如图2的(b)所示那样，形成根据布局而配置有导体线13的构造体32。由此，不需要将多个导电构件13a分别浸渍于阳极氧化处理的溶液来形成导体线
13、将导体线13合适地配置于图1的(a)的构造体上这一复杂的作业。通过图2的(b)所示的构造体32，仅通过将构造体32配置于图1的(a)的构造体上，导体线13的配置就结束。因此，能够将负荷传感器1的组装简略化。
[0110]
《实施方式2》
[0111]
在上述实施方式1中，在导体线13与基材21之间配置有导电弹性体22，但在实施方式2中，省略导电弹性体22。
[0112]
图10的(a)、(b)是示意性地表示实施方式2所涉及的导电弹性体12、22与导体线13的交点附近的剖视图。
[0113]
如图10的(a)所示，在导体线13在朝向导电弹性体12的方向挠曲的位置，导电构件13a与导电弹性体12之间的静电电容根据负荷而变化。但是，在导体线13在朝向基材21的方向挠曲的位置，导电构件13a与导电弹性体12之间的静电电容不根据负荷而变化。
[0114]
但是，如图10的(b)所示，在实施方式2中，一个传感器部a与实施方式1同样地，包含2个导体线13，因此虽然不能从传感器部a内的一个导体线13检测负荷，但能够从传感器部a内的另一个导体线13检测负荷。
[0115]
图11是示意性地表示实施方式2所涉及的在z轴负方向观察的情况下的负荷传感器1的内部的结构的俯视图。
[0116]
在实施方式2中，由于在导体线13的上方不存在导电弹性体，因此如图11的单点划线的圆圈所示，在导体线13通过绝缘构件14的下侧(z轴负侧)的位置，静电电容根据负荷而变化。因此，在实施方式2中，在各传感器部，也能够根据单点划线的圆圈所示的位置的静电电容的变化来检测负荷。
[0117]
其中，如实施方式1那样，在导体线13与基材21之间配置导电弹性体22的情况下，在一个传感器部内的2位置的交点，静电电容变化，因此能够提高负荷传感器1的灵敏度。
[0118]
《实施方式3》
[0119]
在上述实施方式1中，绝缘构件14由丙烯酸树脂、尼龙树脂构成，但在实施方式3中，绝缘构件14由被绝缘涂层的金属构成。
[0120]
图12是示意性地表示实施方式3所涉及的导电弹性体12、22与导体线13的交点附近的剖视图。
[0121]
绝缘构件14由金属构件14a和覆盖金属构件14a的表面的覆盖构件14b构成。覆盖构件14b由绝缘性的材料构成。绝缘构件14例如由漆包线构成。该情况下，金属构件14a由铜(cu)构成，覆盖构件14b由聚氨酯构成。
[0122]
在实施方式3中，为了防止导电构件13a与金属构件14a接触并导通，在组装图2的(a)所示的构造体31之前，预先使金属构件14a由覆盖构件14b覆盖，作成绝缘构件14。然后，如图2的(a)所示那样组装构造体31，对组装的构造体31实施阳极氧化处理，作成图2的(b)所示的构造体32。
[0123]
在实施方式3中，通过绝缘构件14，也能够维持导体线13的挠曲形状。
[0124]
＜实施方式4》
[0125]
在上述实施方式1中，为了维持导体线13的挠曲形状，使用了线状的绝缘构件14，但在实施方式3中，省略绝缘构件14。
[0126]
图13的(a)、(b)是示意性地表示实施方式4所涉及的导电弹性体12、22与导体线13
的交点附近的剖视图。
[0127]
如图13的(a)、(b)所示，实施方式4的导体线13与实施方式1中通过绝缘构件14而保持的导体线13的挠曲形状具有同样的形状。
[0128]
在实施方式4中，在负荷传感器1的组装前，导电构件13a变形为具有与上述实施方式1的导电构件13a同样的挠曲形状。导电构件13a由刚性较高的材料构成以使得能够维持挠曲形状。并且，通过对多个导电构件13a分别进行阳极氧化处理，在各导电构件13a形成电介质13b来作成导体线13。多个导体线13被配置于图1的(a)的构造体上以使得成为与实施方式1的导体线13同样的配置。
[0129]
图14是示意性地表示配置有导体线13的结构的立体图。在图14中，为了方便，仅图示基材11的端部附近。
[0130]
在基材11的对置面1 1a的x轴正侧，形成沿着导体线13的配置位置而在x轴方向延伸的槽11b。同样地，在基材11的对置面11a的x轴负侧，也形成沿着导体线13的配置位置而在x轴方向延伸的槽11b。导体线13的设置时，导体线13的x轴正侧的端部容纳于基材11的x轴正侧的槽11b，导体线13的x轴负侧的端部容纳于基材11的x轴负侧的槽11b。由此，可抑制导体线13围绕x轴而旋转，导体线13的挠曲方向维持于z轴方向。然后，在图14的构造体上，设置图3的(a)的构造体，负荷传感器1完成。
[0131]
在实施方式4中，也与实施方式1同样地，具有导体线13在朝向导电弹性体12、22的方向挠曲的挠曲形状，因此导电弹性体12、22在x轴方向以及y轴方向这两者变形。因此，能够使负荷与静电电容的关系接近于直线，并且能够扩大可检测的动态范围。
[0132]
《实施方式5》
[0133]
在上述实施方式1中，电介质13b形成于导电构件13a的表面，但电介质13b若配置于导电弹性体12与导电构件13a之间以及导电弹性体22与导电构件13a之间，则也可以不必配置于导电构件13a的表面。在实施方式3中，电介质13b被配置于导电弹性体12、22的表面。
[0134]
图15的(a)、(b)是示意性地表示实施方式5所涉及的导电弹性体12、22与导电构件13a的交点附近的剖视图。
[0135]
如图15的(a)、(b)所示，在实施方式5中，相比于实施方式1，从导体线13省略电介质13b，在导电弹性体12的对置面(上表面)以及导电弹性体22的对置面(下面)分别形成电介质13b。实施方式5的电介质13b由树脂材料等构成，典型地由聚氨酯构成。
[0136]
在实施方式5中，若对负荷传感器1赋予负荷，则导电弹性体12、22不仅在导电构件13a的周方向(y轴方向)变形，还在导电构件13a的长度方向(x轴方向)也沿着挠曲形状变形。这样，通过导电构件13a的挠曲形状，导电弹性体12、22不仅在y轴方向还在x轴方向也变形，从而导电构件13a与电介质13b的接触面积的变化更加缓慢并且在宽范围的负荷产生。因此，能够使负荷与静电电容的关系接近于直线，能够扩大可检测的负荷的动态范围。
[0137]
《变更例》
[0138]
负荷传感器1的结构除了上述实施方式所示的结构以外，能够进行各种变更。
[0139]
例如，在上述实施方式1～5中，导电构件13a由铝构成，但也可以由钛(ti)、钽(ta)、铌(nb)、锆(zr)、铪(hf)等的阀作用金属、钨(w)、钼(mo)、铜(cu)、镍(ni)、银(ag)、金(au)等构成。
[0140]
此外，在上述实施方式1～5中，电介质13b是具有电绝缘性的材料即可，除上述以
外的材料，例如也可以由树脂材料、陶瓷材料、金属氧化物材料等构成。
[0141]
此外，在上述实施方式1～4中，电介质13b由氧化铝构成，但并不局限于此。例如，在导电构件13a由钛、钽、铌、锆、铪等阀作用金属构成的情况下，电介质13b也可以由导电构件13a的氧化物构成。这样，在电介质13b是包含与导电构件13a相同的组成的氧化物的情况下，电介质13b难以从导电构件13a剥离，能够提高负荷传感器1的可靠性。
[0142]
另外，在上述实施方式1～4中，电介质13b也可以不必是包含与导电构件13a相同的组成的氧化物。例如，也可以导电构件13a由铜构成，电介质13b由氧化铝构成。但是，该情况下，由于导电构件13a与电介质13b的界面强度难以强固，因此优选电介质13b是包含与导电构件13a相同的组成的氧化物。
[0143]
此外，在上述实施方式1～5中，在电介质13b是铝的氧化物的情况下，除主成分的铝以外，也可以含有0.1～10atm％的s、p、n。上述那样的情况下，电介质13b本身的耐老化性提高，能够抑制基于外部压力/冲击等的破裂等。此外，电介质13b若是非晶则能够得到同样的效果因此优选。
[0144]
此外，在上述实施方式1～4中，电介质13b通过阳极氧化处理(防腐蚀处理)，形成于导电构件13a的表面，但电介质13b的形成手法并不局限于此。
[0145]
此外，在上述实施方式3中，金属构件14a由铜(cu)构成，覆盖构件14b由聚氨酯构成，但并不局限于此。金属构件14a也可以由能够用于导电构件13a的上述金属等构成，覆盖构件14b也可以由能够用于电介质13b的上述材料等构成。作为一个例子，也可以金属构件14a由铝构成，覆盖构件14b由氧化铝构成。
[0146]
另外，如图2的(a)、(b)那样，在将构造体31整体浸渍于阳极氧化处理的溶液的情况下，覆盖构件14b由不会由于阳极氧化处理的溶液而化学变化的材料构成。此外，在覆盖构件14b由于阳极氧化处理的溶液而化学变化的情况下，在通过阳极氧化处理而分别作成导体线13之后，如图2的(b)那样，组装导体线13与绝缘构件14，作成构造体32。
[0147]
此外，在上述实施方式1～5中，负荷传感器1具备6个导体线13，但具备1个以上的导体线13即可。例如，负荷传感器1所具备的导体线13也可以是一个。此外，负荷传感器1的传感器部包含2个导体线13，但包含1个以上的导体线13即可。例如，传感器部包含的导体线13也可以是一个。
[0148]
此外，在上述实施方式1、3～5中，负荷传感器1具备在上下对置的3组导电弹性体12、22，但具备至少1组的导电弹性体12、22即可。例如，负荷传感器1所具备的导电弹性体12、22的组也可以是1组。此外，在上述实施方式4中，负荷传感器1具备3个导电弹性体12，但具备至少一个的导电弹性体12即可。例如，负荷传感器1所具备的导电弹性体12也可以是一个。
[0149]
此外，在上述实施方式1、3、5中，对应于上下对置的1组导电弹性体12、22，配置有一个绝缘构件14，但也可以对应于1组导电弹性体12、22，配置2个以上的绝缘构件14。即，也可以一个传感器部包含2个以上的绝缘构件14，在包含导电构件13a的下方向的挠曲形状和与其相邻的上方向的挠曲形状的范围，配置1组导电弹性体12、22。同样地，在上述实施方式2中，也可以对应于一个导电弹性体12，配置2个以上的绝缘构件14。此外，在上述实施方式4中，对应于上下对置的1组导电弹性体12、22，设置有一个挠曲形状，但也可以对应于1组导电弹性体12、22，设置2个以上的挠曲形状。
[0150]
此外，在上述实施方式1～4中，也可以传感器部内的一对导体线13在x轴正侧的端部连结。例如，也可以穿过一个传感器部的一对导体线13通过将在x轴方向延伸的一个导体线13折弯而形成。此外，在上述实施方式5中，也可以传感器部内的一对导电构件13a在x轴方向的端部连结。
[0151]
此外，在上述实施方式1～5中，向下方向挠曲的挠曲形状和向上方向挠曲的挠曲形状在导电构件13a延伸的方向(x轴方向)交替设置。但是，并不局限于此，也可以在导电构件13a延伸的方向，向下方向挠曲的挠曲形状连续并排，向上方向挠曲的挠曲形状连续并排。在导电构件13a，仅设置向下方向挠曲的挠曲形状的情况下，也可以仅在下方向的挠曲形状的位置设置导电弹性体12。在导电构件13a，仅设置向上方向挠曲的挠曲形状的情况下，也可以仅在上方向的挠曲形状的位置，设置导电弹性体22。此外，也可以在x轴方向相邻的挠曲形状之间，配置直线状地延伸的导电构件13a的直线部。
[0152]
此外，在上述实施方式1～5中，导电构件13a的挠曲形状并不局限于图4的(a)、(b)、图10的(a)、图12、图13的(a)以及图15的(a)所示的形状。
[0153]
此外，在上述实施方式1、3～5中，导电弹性体12、22与导电构件13a在俯视下以90
°
交叉，但也可以90
°
以外的角度交叉。此外，在上述实施方式2中，导电弹性体12与导电构件13a在俯视下以90
°
交叉，但也可以90
°
以外的角度交叉。
[0154]
此外，在上述实施方式1～3、5中，导电构件13a与绝缘构件14在俯视下以90
°
交叉，但也可以90
°
以外的角度交叉。
[0155]
此外，在上述实施方式1～3、5中，导电构件13a的直径与绝缘构件14的直径可以任一者大，也可以相等。
[0156]
在上述实施方式1～5中，导电构件13a的截面形状是圆形，但导电构件13a的截面形状并不局限于圆形，也可以是椭圆、疑似圆形等其他形状。此外，导电构件13a也可以由多个导电构件捻合的捻合线构成。
[0157]
此外，在上述实施方式1～3、5中，绝缘构件14的截面形状是圆形，但绝缘构件14的截面形状并不局限于圆形，也可以是椭圆、疑似圆形、菱形的角被圆弧化的形状等其他形状。此外，绝缘构件14的直径一定，但也可以根据x轴方向的位置而不同。例如，也可以在绝缘构件14与导体线13(或者导电构件13a)的接触位置，绝缘构件14变细。
[0158]
此外，在上述实施方式1～3中，如图4的(a)、(b)、图10的(a)以及图12所示，在导体线13与绝缘构件交叉的位置，导电构件13a与绝缘构件14接触，但并不局限于此，也可以在导电构件13a与绝缘构件14之间，在导电构件13a形成电介质13b。
[0159]
此外，在上述实施方式1～5中，也可以省略图3的(b)所示的丝线15。此外，也可以取代丝线15，使用其他固定具。
[0160]
此外，本发明的实施方式在权利要求书所示的技术的思想的范围内能够适当地进行各种变更。
[0161]-符号说明-[0162]
1 负荷传感器
[0163]
11、21 基材(第1基材，第2基材)
[0164]
11a、21a 对置面
[0165]
12、22 导电弹性体
[0166]
13a 导电构件
[0167]
13b 电介质
[0168]
14 绝缘构件
[0169]
14a 金属构件(金属)
[0170]
41、42 交点。

技术特征：
1.一种负荷传感器，具备：第1基材以及第2基材，被配置为相互面对；导电弹性体，被配置于所述第1基材的对置面；线状的导电构件，被配置于所述第2基材与所述导电弹性体之间；和电介质，被配置于所述导电弹性体与所述导电构件之间，所述导电构件具有在朝向所述导电弹性体的方向挠曲的挠曲形状。2.根据权利要求1所述的负荷传感器，其中，所述导电弹性体在所述第1基材的对置面以规定的间隔被配置多个，所述导电构件被配置为相对于所述多个导电弹性体交叉，所述导电构件的所述挠曲形状相对于各所述导电弹性体被配置至少一个。3.根据权利要求1或者2所述的负荷传感器，其中，所述导电弹性体具有在与所述导电构件延伸的方向相交的方向较长的带状的形状，所述导电构件被配置多个以使得相对于所述导电弹性体交叉。4.根据权利要求1至3的任一项所述的负荷传感器，其中，所述负荷传感器具备：其他导电弹性体，在所述第2基材的对置面与所述导电弹性体对置地配置，所述导电构件被配置于所述导电弹性体与所述其他导电弹性体之间，具有在朝向所述其他导电弹性体的方向挠曲的其他挠曲形状。5.根据权利要求1至4的任一项所述的负荷传感器，其中，所述负荷传感器具备：线状的绝缘构件，与所述导电构件交叉，维持所述导电构件的所述挠曲形状。6.根据权利要求5所述的负荷传感器，其中，多个所述导电构件以及多个所述绝缘构件形成网眼，在所述导电构件与所述绝缘构件相交的多个交点中，所述导电构件位于所述绝缘构件的下方的交点、和所述导电构件位于所述绝缘构件的上方的交点在所述导电构件延伸的方向以及所述绝缘构件延伸的方向被交替配置。7.根据权利要求5或者6所述的负荷传感器，其中，所述绝缘构件由树脂或者被绝缘涂层的金属构成。8.根据权利要求1至7的任一项所述的负荷传感器，其中，所述电介质被设置为覆盖所述导电构件的表面。9.根据权利要求8所述的负荷传感器，其中，所述导电构件由铝构成，所述电介质由氧化铝构成。

技术总结
负荷传感器(1)具备：基材(11、21)，被配置为相互面对；导电弹性体(12)，被配置于基材(11)的对置面；线状的导电构件(13a)，被配置于基材(21)与导电弹性体(12)之间；和电介质(13b)，被配置于导电弹性体(12)与导电构件(13a)之间。导电构件(13a)具有在朝向导电弹性体(12)的方向挠曲的挠曲形状。体(12)的方向挠曲的挠曲形状。体(12)的方向挠曲的挠曲形状。


技术研发人员：森浦祐太 浦上进 松本玄 松村洋大 古屋博之 相原唯
受保护的技术使用者：松下知识产权经营株式会社
技术研发日：2022.02.01
技术公布日：2023/10/15