JP2014142193A - 荷重分布検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながらも、用途を問わず高精度な検出が可能な荷重分布検出装置を提供する。
【解決手段】荷重分布検出装置１は、検出面に沿って配列される複数の固定電極３０と、固定電極３０に対向して設けられる可動電極４０と、固定電極３０および可動電極４０の対からなる複数の静電容量検出部１００と、可動電極４０に対して固定電極３０の反対側に設けられるシールド電極５０と、を備え、固定電極３０は、所定の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重の大きさを位置ごとに検出することによって荷重の分布を検出することが可能な荷重分布検出装置に関し、特に静電容量式のものに関する。

従来、荷重（力）の分布を検出する荷重分布検出装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の荷重分布検出装置（面圧分布センサ）では、ウレタンゴムからなる誘電層の表側および裏側に互いに直交する複数の電極を配置し、表側電極および裏側電極の交差部分を検出要素（検出部）としている。

そして、荷重による誘電層の圧縮変形に伴う表側電極と裏側電極の間の距離の変化に起因する静電容量の変化に基づいて各検出部における荷重を検出し、これにより荷重分布を検出するように構成されている。このような荷重分布検出装置は、例えばロボットのアーム部やハンド部に取り付けられる力覚センサとして利用されている。

また、荷重分布検出装置の一種として、液晶等の各種表示画面上における入力位置を検出するタッチパネルが、様々な分野において利用されている。従来、このタッチパネルにおいては、入力位置における２つの電極の短絡を検出する抵抗膜方式のものが広く利用されていたが、近年では、各種スマートフォンやタブレット等の普及に伴い、例えば特許文献２に記載されているような静電容量式のタッチパネルの利用が増えてきている。

特許文献２に記載のタッチパネルでは、透明基板上に互いに直交する複数の電極（センサライン）を配置し、これらの電極と入力を行う手指等の導電体の間における静電容量を利用して、入力位置を検出するように構成されている。このような静電容量式のタッチパネルは、同時に複数位置に入力を行うマルチタッチが可能となるため、スマートフォン等の携帯端末における入力装置として広く採用されている。

特開２０１０−４３８８１号公報 特開２０１０−２６７０９３号公報

しかしながら、従来の静電容量式の荷重分布検出装置は、周囲の静電気等に起因するノイズの影響を受けやすいという問題があった。このため、ノイズの影響によって高精度な検出が困難であると共に、用途や設置場所が限定されるものとなっていた。

例えば、特許文献１に記載されているような荷重分布検出装置では、電極間の静電容量が近接する導電体によって容易に影響されることから、導電体の接触によって加えられる荷重を検出することが難しいという問題があった。また、特許文献２に記載されているようなタッチパネルでは、外部の導電体との間の静電容量を利用することから周囲の静電気等の影響を特に受けやすく、その一方で、手指等の導電体以外による入力を検出することができないという問題があった。

また、従来の静電容量式の荷重分布検出装置は、例えばタッチパネルにおけるいわゆるマルチタッチ等、複数位置に作用する荷重を検出しようとする場合、相互容量（Ｍｕｔｕａｌ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）方式等の複雑な制御が必要になると共に、専用のワンチップマイコン等を必要とする場合があるため、コストが増大するという問題があった。

また、従来の静電容量式の荷重分布検出装置は、荷重を受ける受力面（入力面）の法線方向の荷重を検出することは可能であるが、受力面の面方向（受力面に沿う方向）の荷重を高精度に検出することは困難であるため、用途が限定されるものとなっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、簡素な構成でありながらも、用途を問わず高精度な検出が可能な荷重分布検出装置を提供しようとするものである。

（１）本発明は、検出面内における荷重の分布を検出する荷重分布検出装置であって、前記検出面に沿って配列される複数の固定電極と、前記固定電極に対向して設けられる可動電極と、前記固定電極および前記可動電極の対からなる複数の静電容量検出部と、前記可動電極に対して前記固定電極の反対側に設けられるシールド電極と、を備え、前記固定電極は、所定の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されることを特徴とする、荷重分布検出装置である。

（２）本発明はまた、弾性材料から構成され、前記検出面に沿って配置される略シート状の弾性部材を備え、前記可動電極および前記シールド電極は、前記弾性部材に設けられることを特徴とする、上記（１）に記載の荷重分布検出装置である。

（３）本発明はまた、前記固定電極は、第１の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第１の固定電極と、前記第１の方向と交差する第２の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第２の固定電極と、を含むことを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の荷重分布検出装置である。

（４）本発明はまた、前記可動電極は、１組の前記第１の固定電極および前記第２の固定電極ごとに複数設けられると共に、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されることを特徴とする、上記（３）に記載の荷重分布検出装置である。

（５）本発明はまた、前記第２の固定電極および前記可動電極の対からなる前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づき、前記検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段を備えることを特徴とする、上記（４）に記載の荷重分布検出装置である。

（６）本発明はまた、前記可動電極は、全ての前記固定電極に対向する１つの電極として設けられることを特徴とする、上記（３）に記載の荷重分布検出装置である。

（７）本発明はまた、前記固定電極は、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第３の固定電極をさらに含むことを特徴とする、上記（６）に記載の荷重分布検出装置である。

（８）本発明はまた、前記第３の固定電極および前記可動電極の対からなる前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づき、前記検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段を備えることを特徴とする、上記（７）に記載の荷重分布検出装置である。

（９）本発明はまた、前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、前記検出面の法線方向に作用する法線方向荷重を導出し、互いに近接する複数の前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、前記検出面の面方向に作用する面方向荷重を導出する力学量換算処理手段を備えることを特徴とする、上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の荷重分布検出装置である。

（１０）本発明はまた、前記力学量換算処理手段は、互いに近接する少なくとも３箇所の静電容量検出部における静電容量の変化量の重心位置を算出することにより、前記面方向荷重を導出することを特徴とする、上記（９）に記載の荷重分布検出装置である。

（１１）本発明はまた、絶縁性の材料から構成され、前記検出面に沿って配置される略シート状の絶縁部材を備え、前記固定電極は、前記絶縁部材に設けられることを特徴とする、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の荷重分布検出装置である。

（１２）本発明はまた、前記絶縁部材は、絶縁性の弾性材料から構成されることを特徴とする、上記（１１）に記載の荷重分布検出装置である。

（１３）本発明はまた、弾性材料から構成され、前記絶縁部材に対して前記弾性部材の反対側に配置される略シート状の補助弾性部材を備えることを特徴とする、上記（１１）または（１２）に記載の荷重分布検出装置である。

（１４）本発明はまた、前記補助弾性部材は、絶縁性の材料から構成され、前記固定電極は、前記絶縁部材と前記補助弾性部材の間に設けられることを特徴とする、上記（１３）に記載の荷重分布検出装置である。

（１５）本発明はまた、前記固定電極に対して前記可動電極の反対側に配置される補助シールド電極を備えることを特徴とする、上記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の荷重分布検出装置である。

本発明に係る荷重分布検出装置によれば、簡素な構成でありながらも、用途を問わず高精度な検出が可能という優れた効果を奏し得る。

（ａ）本発明の第１の実施形態に係る荷重分布検出装置の平面図である。（ｂ）同荷重分布検出装置の正面図である。 （ａ）第１の実施形態に係る荷重分布検出装置の底面図である。（ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）第１の実施形態に係る弾性部材の平面図である。（ｂ）同弾性部材の底面図である。（ｃ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｄ）同図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）第１の実施形態に係る荷重分布検出装置の受力面にｚ方向の荷重が作用した状態を示した図である。 第１の実施形態に係る荷重分布検出装置のその他の形態を示した図である。 第１の実施形態に係る荷重分布検出装置のその他の形態を示した図である。 第１の実施形態に係る荷重分布検出装置のその他の形態を示した図である。 第１の実施形態に係る荷重分布検出装置のその他の形態を示した図である。 （ａ）本発明の第２の実施形態に係る荷重分布検出装置の平面図である。（ｂ）同荷重分布検出装置の正面図である。 （ａ）第２の実施形態に係る荷重分布検出装置の底面図である。（ｂ）図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）第２の実施形態に係る荷重分布検出装置の受力面２１にｘ−ｙ平面内の荷重、およびｚ方向の荷重が作用した状態を示した図である。（ｂ）ｚ方向の荷重検出専用の電極を設けるようにした場合の一例を示した概略図である。 （ａ）本発明の第３の実施形態に係る荷重分布検出装置の平面図である。（ｂ）同荷重分布検出装置の正面図である。 （ａ）第３の実施形態に係る荷重分布検出装置の底面図である。（ｂ）図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）図１３（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。（ｂ）および（ｃ）複数位置に作用する荷重検出の概要を示した平面図である。 （ａ）本発明の第４の実施形態に係る荷重分布検出装置の平面図である。（ｂ）同荷重分布検出装置の正面図である。 （ａ）第４の実施形態に係る荷重分布検出装置の底面図である。（ｂ）図１５（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）第４の実施形態に係る弾性部材の平面図である。（ｂ）同弾性部材の底面図である。（ｃ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｄ）同図（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る荷重分布検出装置１について説明する。図１（ａ）は、荷重分布検出装置１の平面図であり、同図（ｂ）は、荷重分布検出装置１の正面図である。また、図２（ａ）は、荷重分布検出装置１の底面図であり、同図（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図に示されるように、荷重分布検出装置１は、基板１０と、基板１０の一方の面に固定された弾性部材２０と、基板１０の弾性部材２０の反対側の面に設けられた複数の固定電極３０と、弾性部材２０の基板１０側の面に設けられた複数の可動電極４０と、弾性部材２０の基板１０の反対側の面に設けられたシールド電極５０と、基板１０に接続された制御装置６０と、を備えている。

なお、以下の説明では、基板１０の面方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板１０の面に直交する方向をｚ方向とする。また、ｚ方向を垂直方向とし、基板１０の上面１０ａに弾性部材２０が固定されているものとして説明するが、荷重分布検出装置１の姿勢がこの状態に限定されないことは言うまでもない。また、図では、理解を容易にするために各部の厚みを誇張して記載している部分があることに留意されたい。

基板１０は、略シート状（平板状）の部材であり、例えばポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムから構成されている。図１（ａ）および（ｂ）に示されるように、基板１０の上面１０ａには、例えば接着剤等によって弾性部材２０が固定されている。また、図２（ａ）に示されるように、基板１０の底面１０ｂには、ｘ方向を長手方向とする略長方形状の４つのｘ方向帯状電極１２が形成されており、詳細は後述するが、このｘ方向帯状電極１２の一部が固定電極３０となっている。

本実施形態では、固定電極３０（ｘ方向帯状電極１２）を基板１０の底面に形成することで、基板１０を固定電極３０と可動電極４０の間に配置される絶縁部材として兼用するようにしている。このようにすることで、荷重分布検出装置１を簡素且つ安価に構成することが可能になると共に、荷重分布検出装置１の厚み（ｚ方向寸法）をより薄くすることが可能となっている。

基板１０の底面１０ｂにはまた、固定電極３０および可動電極４０と制御装置６０を電気的に接続する複数の配線１４が設けられている。なお、可動電極４０は、基板１０の上面１０ａに設けられた接続電極１６および基板１０を貫通するスルーホール１８を介して配線１４に接続されている。ｘ方向帯状電極１２（固定電極３０）、配線１４および接続電極１６等は、例えばスクリーン印刷法やスパッタリング等、既知の手法により形成することができる。

弾性部材２０は、平面視が略矩形状の略シート状の部材であり、例えば各種絶縁ゴム等、絶縁性を有し且つ弾性変形可能な弾性材料から構成されている。弾性部材２０は、基板１０の上面１０ａに沿って配置され、主にｚ方向の荷重を受けて変形するように構成されている。そして、弾性部材２０の上面２０ａは、検出する荷重を受ける受力面２１となっている。すなわち、本実施形態ではｘ−ｙ平面が検出面であり、荷重分布検出装置１はｘ−ｙ平面内におけるｚ方向の荷重の分布を検出するように構成されている。

図３（ａ）は、弾性部材２０の平面図であり、同図（ｂ）は、弾性部材２０の底面図である。また、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。これらの図に示されるように、弾性部材２０は、受力面２１である上面２０ａが略平滑面状に構成されている。そして、弾性部材２０の底面２０ｂには、基板１０側に向けて突出した略格子状の凸部２２、および凸部２２の間で略矩形状に窪んだ凹部２４が形成されている。

弾性部材２０の上面１０ａには、略全面にわたってシールド電極５０が形成されている。また、弾性部材２０の底面２０ｂには、ｙ方向を長手方向とする略長方形状の４つのｙ方向帯状電極２６が形成されている。このｙ方向帯状電極２６は、凸部２２および凹部２４に跨って連続するように形成されており、一端部（図２（ｂ）における上端部）において基板１０の上面１０ａの接続電極１６と接続するようになっている。そして、詳細は後述するが、ｙ方向帯状電極２６において凹部２４に位置する部分が可動電極４０となっている。

本実施形態ではシールド電極５０およびｙ方向帯状電極２６（可動電極４０）を、例えばスクリーン印刷法やステンシル印刷法等の既知の手法により弾性部材２０に塗布した導電性インクから構成している。このようにすることで、簡素且つ安価な構成でありながらも、弾性部材２０の変形の自由度が損なわれないようにすることができるため、検出精度を向上させることができる。なお、シールド電極５０およびｙ方向帯状電極２６（可動電極４０）は、導電性のフィラーを混入した導電性ゴムや導電性樹脂等を弾性部材２０にインサート成形することにより構成されるものであってもよい。また、適宜の材料から構成されたシールド電極５０およびｙ方向帯状電極２６（可動電極４０）を適宜の接着剤等で弾性部材に貼り付けるようにしてもよい。

図１および図２に戻って、固定電極３０は、上述のようにｘ方向帯状電極１２の一部であり、４つのｘ方向帯状電極１２のそれぞれに４つずつ設けられている。すなわち、固定電極３０は、基板１０の底面１０ｂに沿って、すなわち検出面であるｘ−ｙ平面に沿ってマトリクス状に配列され、ｘ方向に隣接するもの同士が電気的に接続されている。また、固定電極３０は、配線１４を介してｘ方向帯状電極１２ごとに制御装置６０に接続されている。すなわち、ｘ方向に隣接する４つの固定電極３０は、互いに電気的に接続された状態でまとめて制御装置６０に接続されるようになっている。

同様に、可動電極４０は、上述のようにｙ方向帯状電極２６の一部であり、４つのｙ方向帯状電極２６のそれぞれに４つずつ設けられている。すなわち、可動電極４０は、検出面であるｘ−ｙ平面に沿ってマトリクス状に配列され、ｙ方向に隣接するもの同士が電気的に接続されている。また、可動電極４０は、配線１４を介してｙ方向帯状電極２６ごとに制御装置６０に接続され、ｙ方向に隣接する４つの可動電極４０が互いに電気的に接続された状態でまとめて制御装置６０に接続されるようになっている。

より具体的には、固定電極３０は、図１（ａ）に示されるように、ｘ方向帯状電極１２においてｙ方向帯状電極２６と交差する部分となっている。また、可動電極４０は、ｙ方向帯状電極２６においてｘ方向帯状電極１２と交差する部分となっている。従って、固定電極３０および可動電極４０は、互いに対向するようになっている。そして、本実施形態では、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６が互いに略直交するように構成しているため、固定電極３０および可動電極４０の形状は、いずれも矩形状となっている。

また、本実施形態では、弾性部材２０の凹部２４を、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６の交差部分に配置することで、上述のように可動電極４０が凹部２４に配置されるようにし、固定電極３０および可動電極４０が所定の間隔を空けた状態で互いに対向するようにしている。これにより、受力面２１に法線方向（すなわち、ｚ方向）の荷重を受けて弾性部材２０が変形した場合に、可動電極４０が移動（変位）して固定電極３０と可動電極４０の間の距離が変化し、両者の間の静電容量が変化することとなる。従って、この静電容量の変化を検出することで、受力面２１に受けた荷重を検出することができる。

すなわち、互いに対向する一対の固定電極３０および可動電極４０は、静電容量の変化に基づいて荷重を検出するための１つの検出要素１００（すなわち、静電容量検出部）を構成している。そして、複数の検出要素１００における静電容量変化を検出することにより、受力面２１に作用する荷重の位置および大きさ、すなわち検出面内（ｘ−ｙ平面内）における荷重の分布を検出することができる。具体的には、静電容量が変化した検出要素１００を構成する固定電極３０および可動電極４０が、それぞれいずれのｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６に属しているかに基づいて荷重の位置を検出することが可能であり、静電容量の変化量に基づいて荷重の大きさを検出することが可能である。

なお、本実施形態では、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６を４つずつ設けることによって１６個の検出要素１００を備えているが、検出要素１００の数がこれに限定されないことは言うまでもない。すなわち、検出要素１００の数を調整することで、適宜の分解能に設定することができる。

シールド電極５０は、上述のように受力面２１である弾性部材２０の上面２０ａの全面にわたって形成されており、図示を省略した配線を介して接地された接地電極となっている。本実施形態では、このように上面２０ａにシールド電極５０を設けることにより、検出要素１００（固定電極３０および可動電極４０）を荷重が加えられる受力面２１側から電気的に遮蔽するようにしている。

これにより、本実施形態では、荷重を加える外部の物体等に帯電した静電気等によるノイズをカットすると共に、荷重を加える外部の物体の材質によらず荷重を検出する、すなわち、人体の肌や金属等が直接受力面に接触する場合であっても高精度に荷重を検出することが可能となっている。特に、本実施形態では、上述のように導電性インクからシールド電極５０を構成しているため、複雑な構造を採用することなく、検出要素１００を電気的に遮蔽することが可能となっている。

なお、シールド電極５０は、例えばメッシュ状や簾状等に形成されるものであってもよい。また、シールド電極５０の上（外側）に適宜のコーティング層や弾性変形可能なシート状の絶縁部材等を配置し、その上面を受力面２１とするようにしてもよい。すなわち、シールド電極５０は、荷重を加える外部の物体と直接接触しないように配置されるものであってもよい。

制御装置６０は、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６に接続されて、各検出要素１００における静電容量の変化を検出し、これに基づいて荷重分布を導出するものである。本実施形態の制御装置６０は、各検出要素１００における静電容量の変化を検出する静電容量検出処理手段６２と、検出した静電容量変化に基づく演算処理を実行して各検出要素１００における受力面２１の法線方向（ｚ方向）の荷重を導出する力学量換算処理手段６４と、を備えている。

静電容量検出処理手段６２による静電容量変化の検出は、自己容量（Ｓｅｌｆ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）方式および相互容量（Ｍｕｔｕａｌ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）方式のいずれを採用してもよいし、その他の既知の方式を採用するようにしてもよい。すなわち、荷重分布検出装置１の用途等に応じて適宜の方式を採用するようにすればよい。また、各検出要素１００における静電容量変化からの荷重の導出方法は、既知のいずれかの手法を採用すればよい。

制御装置６０はまた、必要に応じて、各検出要素１００における静電容量変化もしくは導出した荷重分布を記憶する、または外部のＰＣ等の機器に出力する。なお、制御装置６０は、荷重分布検出装置１とは別体に設けられるものであってもよい。すなわち、荷重分布検出装置１は、外部のＰＣ等の演算処理装置によって制御されるものであってもよい。

次に、本実施形態の荷重分布検出装置１の作用について説明する。図４（ａ）および（ｂ）は、荷重分布検出装置１の受力面２１にｚ方向の荷重Ｆｚが作用した状態を示した図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。上述のように、本実施形態の荷重分布検出装置１は、弾性部材２０の受力面２１に加わるｚ方向（法線方向）の荷重Ｆｚの大きさを位置ごとに検出することによって荷重Ｆｚの分布を検出する。

図４（ａ）に示されるように、受力面２１の各部にそれぞれ異なる荷重Ｆｚが加わった場合、弾性部材２０は荷重Ｆｚの大きさに応じて弾性変形し、これにより、各検出要素１００では、荷重Ｆｚの大きさに応じて可動電極４０が固定電極３０に近接することとなる。また、荷重Ｆｚが解除される際には、弾性変形の復元力によって弾性部材２０は元の状態に戻ろうとするため、可動電極４０は固定電極３０から離隔していくこととなる。

すなわち、各検出要素１００では、作用する荷重Ｆｚの大きさに応じて静電容量が変化することとなるため、これに基づいて、荷重Ｆｚの分布を求めることができる。このとき、例えば複数の検出要素１００における静電容量の変化量を補間するようにすれば、荷重分布検出の分解能を検出要素１００の数以上に高めることができる。

また、図４（ｂ）に示されるように、荷重Ｆｚが局所的に加わった場合、いずれの検出要素１００の静電容量が変化したかによって、荷重Ｆｚが加わった位置を特定することができる。すなわち、荷重分布検出装置１を、入力位置を検出する入力装置として使用することができる。なお、この場合においても、複数の検出要素１００における静電容量の変化量を補間することによって荷重Ｆｚの中心位置を求めるようにすれば、入力位置検出の分解能を高めることができる。

次に、本実施形態の荷重分布検出装置１のその他の形態について説明する。図５〜８は、荷重分布検出装置１のその他の形態を示した図である。

図５（ａ）および（ｂ）は、弾性部材２０の凸部２２を円柱状に構成した場合の一例を示しており、同図（ａ）は弾性部材２０の底面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。凸部２２の形状は特に限定されるものではなく、このように、例えば円柱状に構成した凸部２２を複数設けるようにしてもよい。

凸部２２の形状および配置を適宜に設定することにより、弾性部材２０の強度、および受力面２１が荷重を受けた際の弾性部材２０の弾性変形の程度を調整することができる。また、凸部２２の形状および配置によって基板１０と弾性部材２０の間における気体の流動を調整することで、弾性部材２０が弾性変形する際の当該気体の圧縮・膨張によって弾性部材の弾性変形が阻害されないようにすることができる。

なお、凸部２２は、壁状に構成されるものであってもよいし、柱状に構成されるものであってもよい。また、凸部２２は、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状、または半球状等に構成されるものであってもよいし、壁状に構成した凸部２２に適宜の通気孔を設けるようにしてもよい。また、弾性部材２０は、荷重を受けた場合に、凸部２２および凸部２２以外の部分が共に弾性変形するように構成してもよいし、凸部２２のみ、または凸部２２以外の部分のみが弾性変形するように構成してもよい。

また、図３（ａ）〜（ｄ）ならびに図５（ａ）および（ｂ）に示す例では、凸部２２を各検出要素１００の間（各検出要素１００の周囲）に設けるようにした例を示したが、検出要素１００内に凸部２２を設けるようにしてもよい。検出要素１００内に凸部２０を設けることにより、弾性部材２０および装置全体の強度および耐久性をより高めることが可能となる。この場合、図示は省略するが、例えば可動電極４０の中央部に孔部を設け、この孔部に凸部２２を設けるようにしてもよい。また、検出要素１００内の凸部２２に可動電極４０を設けるようにしてもよい。

図５（ｃ）は、検出要素１００内の凸部２２に可動電極４０を設けるようにした例を示した概略断面図である。この例では、略円錐状に構成した山型凸部２２ａを検出要素１００内に設け、この山型凸部２２ａにおける基板１０側の面に可動電極４０を設けている。この場合、同図（ｃ）に示されるように、荷重Ｆｚによって山型凸部２２ａが潰れるように変形するため、荷重Ｆｚの大きさに応じて可動電極４０と基板１０の上面１０ａとの接触部分の面積が変化することとなる。そして、主にこの接触部分の面積の変化に応じて、検出要素１００における静電容量が変化することとなる。

このように、検出要素１００内の山型凸部２２ａに可動電極４０を設けることで、弾性部材２０および装置全体の強度および耐久性を高めるだけではなく、検出要素１００における静電容量の変化をより安定させることが可能となる。さらに、山型凸部２２ａの傾斜面２２ａ１の形状（例えば、傾斜角度や曲面形状等）を調整することで、静電容量の変化量および変化の態様（例えば、直線的な変化や二次曲線的な変化等）を適宜に設定することが可能となるため、検出精度を向上させることができる。

なお、山型凸部２２ａの形状は、略円錐状に限定される物ではなく、例えば角錐状や半球状等であってもよいし、傾斜面２２ａ１の代わりに例えば階段状に高さが変化する部分を有する形状であってもよい。すなわち、山型凸部２２ａの形状は、荷重に押圧されて潰れることによって基板１０の上面１０ａとの接触面積が増加していくように、検出要素１００の略中央から外側に向けて漸次基板１０の上面１０ａから遠ざかる部分を有する形状であればよい。また、弾性部材２０に設けた山型凸部２２ａに可動電極４０を設けるのではなく、可動電極４０を弾性変形可能な導電性ゴム等から構成して凹凸形状を設けることにより、可動電極４０自体が山型凸部２２ａを備えるように構成してもよい。

図６（ａ）および（ｂ）は、弾性部材２０の受力面２１に凹凸形状を設けた場合の一例を示しており、同図（ａ）は弾性部材２０の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。弾性部材２０の受力面２１は、平滑面状に構成されるものに限定されるものではなく、このように、例えば円柱状の突起部２１ａを受力面２１に複数設けるようにしてもよい。このように、受力面２１に適宜の凹凸形状を設けることで、荷重を受けた際の弾性部材２０の弾性変形状態をより適切な状態に設定することができる。

なお、突起部２１ａの形状は特に限定されるものではなく、例えば半球状等、その他の形状であってもよい。また、図６（ａ）および（ｂ）では、各検出要素１００に対応する位置に突起部２１ａを設けるようにした例を示したが、突起部２１ａの配置はこれに限定されるものではなく、例えば各検出要素１００の間にも突起部２１ａを配置する等、その他の配置であってもよい。また、突起部２１ａの形状や大きさを異ならせるようにしてもよいし、突起部２１ａに代えて、または突起部２１ａと共に窪み部を設けるようにしてもよい。

図７（ａ）および（ｂ）は、基板１０の底面１０ｂ側に補助弾性部材７０を設けた場合の例を示しており、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この例では、基板１０の底面１０ｂ側、すなわち弾性部材２０の反対側に、略シート状の補助弾性部材７０を配置している。そして、補助弾性部材７０は、例えば各種絶縁ゴム等、絶縁性を有し且つ弾性変形可能な弾性材料から構成され、接着材等によって基板１０の底面１０ｂに固定されている。

このように、補助弾性部材７０を設けることにより、例えば基板１０をシリコンラバーフィルム等の比較的柔らかい材質から構成したような場合においても、荷重分布検出装置１の強度および剛性を適宜に高めることが可能となる。すなわち、基板１０の材質選定に併せて適宜に補助弾性部材７０を設けることにより、荷重分布検出装置１の強度および剛性を用途や使用環境等に応じて適切に設定することができるため、荷重分布検出装置１の汎用性を高めることができる。また、補助弾性部材７０で固定電極３０を覆うことにより、固定電極３０を適切に保護することが可能となる。

なお、補助弾性部材７０を設ける場合、固定電極３０を基板１０ではなく、補助弾性部材７０に形成するようにしてもよく、さらに、固定電極３０を補助弾性部材７０の上面７０ａに塗布した導電性インクから構成するようにしてもよい。また、補助弾性部材７０および基板１０を、共に絶縁性ゴムから構成するようにしてもよく、この場合、荷重分布検出装置１をｘ−ｙ平面内において伸縮可能に構成することができるため、荷重分布検出装置１の汎用性をさらに高めることが可能となる。

図７（ｂ）は、補助弾性部材７０に補助シールド電極５２を設けた場合の一例を示している。この例では、補助弾性部材７０の底面７０ｂの略全面にわたって補助シールド電極５２を形成している。そして、補助シールド電極５２は、補助弾性部材７０の底面７０ｂに塗布した導電性インクから構成され、図示を省略した配線を介して接地されている。このように補助シールド電極５２を設けることにより、周囲の静電気等によるノイズをより効果的にカットすることが可能となるため、検出精度を高めると共に荷重分布検出装置１の汎用性を高めることができる。

なお、補助弾性部材７０を複数層重ねて設けるようにしてもよく、さらにこの場合、固定電極３０や補助シールド電極５２、各種配線等を補助弾性部材７０同士の間に配置するようにしてもよい。また、補助弾性部材７０は、ｘ−ｙ平面内の寸法が弾性部材７０のｘ−ｙ平面内の寸法と異なるものであってもよく、例えば基板１０に形成された配線１４を覆うものであってもよい。また、補助シールド電極５２は、例えばメッシュ状や簾状等に形成されるものであってもよい。また、スルーホール等を介して、シールド電極５０と補助シールド電極５２を電気的に短絡するようにしてもよい。

図８（ａ）は、ｘ方向帯状電極１２のその他の形態の一例を示しており、同図（ｂ）は、ｙ方向帯状電極２６のその他の形態の一例を示している。なお、同図（ａ）は基板１０の底面図であり、同図（ｂ）は弾性部材２０の底面図である。固定電極３０を含むｘ方向帯状電極１２、および可動電極４０を含むｙ方向帯状電極２６の形状は、特に限定されるものではなく、例えばこのように、固定電極３０および可動電極４０を略円形状に構成すると共に、固定電極３０および可動電極４０とそれ以外の部分の幅を異ならせるようにしてもよい。

このように、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６の形状、ならびに固定電極３０および可動電極４０の形状を調整することで、弾性部材２０が弾性変形した際の静電容量の変化量および変化の態様（例えば、直線的な変化や二次曲線的な変化等）を適宜に設定することが可能となるため、検出精度を高めることができる。

なお、固定電極３０および可動電極４０の形状は、例えば多角形状や楕円形状等、その他の形状であってもよいことは言うまでもない。また、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６は、固定電極３０同士および可動電極４０同士を直線的に接続するのではなく、例えば凸部２２等を迂回して接続するように構成されるものであってもよい。

また、固定電極３０および可動電極４０は、それぞれｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６の一部として構成されるものに限定されるものではなく、例えばリード線等によって固定電極３０同士および可動電極４０同士を電気的に接続するようにしてもよい。すなわち、固定電極３０は、ｘ方向に隣接するもの同士が既知のいずれかの手法によって電気的に接続されるものであればよく、可動電極４０は、ｙ方向に隣接するもの同士が既知のいずれかの手法によって電気的に接続されるものであればよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る荷重分布検出装置２について説明する。本実施形態に係る荷重分布検出装置２は、受力面２１の法線方向、すなわちｚ方向に作用する荷重の分布に加えて、受力面２１の面方向、すなわちｘ−ｙ平面内（検出面内）におけるいずれかの方向（ｘ−ｙ平面に平行な方向）に作用する荷重の分布を検出するように構成されている。なお、以下の説明においては、第１の実施形態の荷重分布検出装置１と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分について説明する。

図９（ａ）は、荷重分布検出装置２の平面図であり、同図（ｂ）は、荷重分布検出装置２の正面図である。また、図１０（ａ）は、荷重分布検出装置２の底面図であり、同図（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図に示されるように、本実施形態の荷重分布検出装置２は、互いに交差するように配置されるｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６をそれぞれ８つ備えている。従って、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６は、互いに交差する部分をそれぞれ８箇所に有しており、ｘ方向帯状電極１２には８つの固定電極３０が設けられると共に、ｙ方向帯状電極２６には８つの可動電極４０が設けられている。そして、可動電極４０は、ｘ方向およびｙ方向に隣接する４つを一組として１つの凹部２４内に配置されるようになっており、固定電極３０は、所定の間隔を空けた状態で可動電極４０にそれぞれ対向している。

すなわち、本実施形態では、ｘ方向およびｙ方向に隣接する４つの検出要素１００から１つの２軸検出要素１１０を構成し、この２軸検出要素１１０によってｚ方向の荷重およびｘ−ｙ平面内の荷重を検出することを可能としている。従って、本実施形態では、制御装置６０の力学量換算処理手段６４は、２軸検出要素１１０に含まれる４つの検出要素１００における静電容量の変化量に基づく演算処理を実行することにより、受力面２１の法線方向（ｚ方向）の荷重の大きさに加えて、受力面２１の面方向（ｘ−ｙ平面内のいずれかの方向）に作用する荷重の大きさおよび方向を導出する。

また、本実施形態では、弾性部材２０の上面２０ａ（受力面２１）の２軸検出要素１１０に対応する位置に、突起部２１ａを設けることにより、ｘ−ｙ平面内の荷重を受けた場合に、モーメントによって突起部２１ａおよびその近傍が傾くように弾性部材２０が変形するようにしている。

図１１（ａ）は、荷重分布検出装置２の受力面２１にｘ−ｙ平面内の荷重Ｆｘｙ、およびｚ方向の荷重Ｆｚが作用した状態を示した図であり、図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図９に示されるように、受力面２１に荷重Ｆｘｙが加わった場合、弾性部材２０の突起部２１ａおよびその近傍は傾くように弾性変形し、２軸検出要素１１０に含まれる４つの検出要素１００では固定電極３０と可動電極４０の間の距離がそれぞれ変化することとなる。すなわち、２軸検出要素１１０に含まれる４つの検出要素１００の静電容量がそれぞれ変化することとなる。

制御装置６０の力学量換算処理手段６４は、例えば２軸検出要素１１０においてｘ方向に隣接する２つの検出要素１００における静電容量の変化量の差に基づいてｘ方向の荷重を導出し、ｙ方向に隣接する２つの検出要素１００における静電容量の変化量の差に基づいてｙ方向の荷重を導出する。そして、ｘ方向荷重とｙ方向荷重をベクトル合成することにより、荷重Ｆｘｙの大きさおよび方向を導出する。これにより、２軸検出要素１１０ごとに荷重Ｆｘｙが検出されることとなるため、これに基づいて荷重Ｆｘｙの分布を求めることができる。

一方、受力面２１に荷重Ｆｚが加わった場合、弾性部材２０の突起部２１ａおよびその近傍は基板１０に近接するように変形し、受力面２１に荷重Ｆｘｙおよび荷重Ｆｚが複合的に作用する場合は、弾性部材２０の突起部２１ａおよびその近傍は傾きつつ基板１０に近接するように変形することとなる。

従って、本実施形態では、制御装置６０の力学量換算処理手段６４は、２軸検出要素１１０に含まれる４つの検出要素１００の静電容量の変化量の合計に基づいて荷重Ｆｚの大きさを導出する。これにより、荷重Ｆｘｙの影響を排除し、２軸検出要素１１０ごとに荷重Ｆｚのみを検出することが可能となるため、荷重Ｆｚの分布を求めることができる。すなわち、本実施形態の荷重分布検出装置２によれば、受力面２１に荷重Ｆｘｙおよび荷重Ｆｚが複合的に作用する場合であっても、荷重Ｆｘｙの分布および荷重Ｆｚの分布をそれぞれ独立して検出することができる。

また、本実施形態では、固定電極３０のｘ方向に隣接するもの同士を電気的に接続すると共に、可動電極４０のｙ方向に隣接するもの同士を電気的に接続することにより、複数方向の荷重（荷重Ｆｘｙおよび荷重Ｆｚ）の分布を検出可能な構成でありながらも、各検出要素１００における静電容量の変化を効率的に検出することを可能としている。すなわち、複数方向の荷重を検出可能な荷重検出装置を個別に複数配置した場合（例えば、上記特許文献１の背景技術に記載の技術）と比較して、装置全体をより簡素に構成することが可能になると共に、より高速に複数方向の荷重分布を検出することが可能となっている。

なお、静電容量検出処理手段６２による静電容量変化の検出は、第１の実施形態と同様に、自己容量方式および相互容量方式のいずれを採用することもできるし、その他の既知の方式を採用することも可能である。また、各検出要素１００における静電容量変化からの荷重の導出方法は、上記方法以外にも既知のその他の手法を採用することができる。また、ｚ方向の荷重の導出を省略し、ｘ−ｙ平面内の荷重の分布のみを検出するようにしてもよい。

また、突起部２１ａの形状は、円柱状に限定されるものではなく、例えば半球状や円錐状等、その他の適宜の形状を採用することができる。また、２軸検出要素１１０に対応する位置に複数の突起部２１ａを設けるようにしてもよいし、２軸検出要素１１０に対応する位置以外の部分に突起部２１ａを設けるようにしてもよい。また、第１の実施形態において示した各種構成を本実施形態の荷重分布検出装置２に適用してもよいことは言うまでもない。

また、２軸検出要素１１０に含まれる検出要素１００の数は、４つに限定されるものではなく、５つ以上であってもよい。すなわち、固定電極３０および可動電極４０の形状、配置および接続方向等に応じて、適宜の個数の検出要素１００から２軸検出要素１１０を構成することができる。さらに、２軸検出要素１１０を３つの検出要素１００から構成するようにしてもよい。この場合、本出願人に係る特許第４７５６０９７号に開示されるように、３つの検出要素１００における静電容量変化量の重心位置を算出することにより、ｘ−ｙ平面内の荷重を導出することができる。なお、検出要素１００が４つ以上の場合においても、各検出要素１００における静電容量変化量の重心位置を算出することによってｘ−ｙ平面内の荷重を導出可能であることは言うまでもない。

また、２軸検出要素１１０に含まれる複数の検出要素１００の静電容量の変化量の合計に基づいてｚ方向の荷重の大きさを導出するのではなく、ｚ方向の荷重検出専用の電極を設けるようにしてもよい。図１１（ｂ）は、ｚ方向の荷重検出専用の電極を設けるようにした場合の一例を示した概略図である。この例では、ｘ方向帯状電極１２の間に１つおきに追加ｘ方向帯状電極１２ａを設けると共に、ｙ方向帯状電極２６の間に１つおきに追加ｙ方向帯状電極２６ａを設けることで、２軸検出要素１１０の略中央部において追加ｘ方向帯状電極１２ａと追加ｙ方向帯状電極２６ａが交差するようにしている。

これにより、この例では、追加ｘ方向帯状電極１２ａにおける追加ｙ方向帯状電極２６ａとの交差部分を、ｚ方向の荷重検出専用のｚ方向専用固定電極３０ａとし、追加ｙ方向帯状電極２６ａにおける追加ｘ方向帯状電極１２ａとの交差部分を、ｚ方向の荷重検出専用のｚ方向専用可動電極４０ａとしている。そして、これらｚ方向専用固定電極３０ａおよびｚ方向専用可動電極４０ａの対からなるｚ方向専用検出要素１０２を２軸検出要素１１０に含めるようにしている。

従って、この例では、制御装置６０の力学量換算処理手段６４は、２軸検出要素１１０の略中央部に配置されたｚ方向専用検出要素１０２の静電容量の変化量のみに基づいてｚ方向の荷重を導出し、ｚ方向専用検出要素１０２の周囲の４つの検出要素１００における静電容量の変化量に基づいてｘ−ｙ平面内の荷重を導出するようになっている。このようにすることで、ｚ方向の荷重をより直接的に検出することができるため、ｚ方向の荷重の検出精度を高めることが可能となる場合がある。また、ｚ方向の荷重の導出処理を簡略化し、制御装置６０の処理を高速化することが可能となる場合がある。

なお、追加ｘ方向帯状電極１２ａおよび追加ｙ方向帯状電極２６ａは、ｘ方向帯状電極１２およびｙ方向帯状電極２６と同一の形状および大きさであってもよいし、異なる形状または大きさであってもよい。また、この例では、追加ｘ方向帯状電極１２ａとｙ方向帯状電極２６の交差部分１０４ａ、および追加ｙ方向帯状電極２６ａとｘ方向帯状電極１２の交差部分１０４ｂは、静電容量の変化を検出する検出要素としては使用しないようにしているが、これらの交差部分１０４ａ、１０４ｂにおける静電容量の変化をｘ−ｙ平面内の荷重またはｚ方向の荷重の検出に利用するようにしてもよい。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る荷重分布検出装置３について説明する。本実施形態に係る荷重分布検出装置３は、受力面２１の法線方向、すなわちｚ方向に作用する荷重の分布を検出するものであり、可動電極４０と間隔を空けて対向する固定電極３０として第１の固定電極３２および第２の固定電極３４の２種類の電極を設けることにより、複数位置に作用する荷重をシンプルな制御方式によっても容易に検出可能としたものである。なお、以下の説明においては、第１の実施形態の荷重分布検出装置１と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分について説明する。

図１２（ａ）は、荷重分布検出装置３の平面図であり、同図（ｂ）は、荷重分布検出装置３の正面図である。また、図１３（ａ）は、荷重分布検出装置３の底面図であり、同図（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図１４（ａ）は、図１３（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図であり、同図（ｂ）および（ｃ）は、複数位置に作用する荷重検出の概要を示した平面図である。

これらの図に示されるように、本実施形態の荷重分布検出装置３は、ｘ方向に連続するｘ方向帯状電極１２、およびｙ方向に連続するｙ方向帯状電極２６に加え、平面視で右上がりの対角線Ｌ１方向に連続する対角線方向帯状電極１３を備えている。そして、第１の固定電極３２はｘ方向帯状電極１２の一部として設けられ、第２の固定電極３４は、対角線方向帯状電極１３によって対角線Ｌ１方向に隣接する物同士が電気的に接続されると共に、配線１４を介してまとめて制御装置６０に接続されるように設けられている。

本実施形態では、ｙ方向帯状電極２６は、図８（ｂ）に示した形状と同一の形状に構成され、可動電極４０はｙ方向帯状電極２６の一部として略円形状に構成されている。一方、ｘ方向帯状電極１２は、図１３（ａ）および図１４（ａ）に示されるように、図８（ａ）に示した形状において第１の固定電極３２を略円環状にした形状、すなわち第２の固定電極３２の中央部に孔部３２ａを設けた形状に構成されている。そして、図１４（ａ）に示されるように、この孔部４２ａ内に、略円形状の第２の固定電極３４が設けられている。

本実施形態では、基板１０は、弾性部材２０側の第１層１０ｃおよび弾性部材２０の反対側の第２層１０ｄからなる２層構造となっており、ｘ方向帯状電極１２（固定電極３０）および第２の固定電極３４は、図１４（ａ）に示されるように、この第１層１０ｃと第２層１０ｄの間に形成されている。そして、対角線方向帯状電極１３は、図１３（ａ）および（ｂ）に示されるように、基板１０の底面１０ｂ（すなわち、第２層１０ｄの底面）に形成され、スルーホール１８を介して、第２の固定電極３４と電気的に接続されている。これにより、第２の固定電極３４は、ｘ方向およびｙ方向のいずれとも異なる対角線Ｌ１方向に隣接する物同士が電気的に接続されるようになっている。また、第２の固定電極３４は、配線１４を介して対角線方向帯状電極１３ごとに制御装置６０に接続されている。

このように、本実施形態では、固定電極３０として第１の固定電極３２および第２の固定電極３４を設けることで、第１の固定電極３２および可動電極４０の対からなる荷重検出用の検出要素１００と略同位置に、第２の固定電極３４および可動電極４０の対からなり、荷重の位置を特定するための位置特定用検出要素１０６を設けるようにしている。そして、これにより、複雑な制御を必要とすることなく複数位置に作用する荷重を検出することを可能としている。

従って、本実施形態の制御装置６０は、各検出要素１００および各位置特定用検出要素１０６における静電容量の変化を検出する静電容量検出処理手段６２と、各検出要素１００における静電容量の変化量に基づいてｚ方向の荷重の大きさを導出する力学量換算処理手段６４と、に加えて、複数のｚ方向の荷重の位置を特定する位置特定処理手段６６を備えている。この位置特定処理手段６６は、各位置特定用検出要素１０６における静電容量の変化量に基づく演算処理を実行することで、複数位置にｚ方向の荷重が作用した場合においても、荷重の位置を特定する。

図１４（ｂ）に示されるように、ｘ方向に接続された固定電極３０およびｙ方向に接続された可動電極４０のみを備える荷重分布検出装置１においては、例えば弾性部材２０の受力面２１における位置Ｐ１、Ｐ２の２箇所に荷重Ｆｚが作用した場合、例えば自己容量方式によっては、位置Ｐ１、Ｐ２の２箇所に荷重Ｆｚが作用したのか、位置Ｐ３、Ｐ４の２箇所に荷重Ｆｚが作用したのかを判別することが不可能となる、いわゆるゴースト現象が発生する。

一方、同図（ｂ）に示されるように、荷重分布検出装置３では、ゴースト現象が発生するような位置に複数の荷重Ｆｚが作用した場合においても、いずれの位置特定用検出要素１０６の静電容量が変化したかに基づいて、複数の荷重Ｆｚの位置を特定することができる。具体的に、位置特定処理手段６６は、同図（ｂ）に示されるように、例えば位置Ｐ１、Ｐ２の２箇所および位置Ｐ３、Ｐ４の２箇所のいずれに荷重Ｆｚが作用しているかを検出要素１００では判別できない場合に、いずれの対角線方向帯状電極１３に繋がる（すなわち、いずれの対角線方向帯状電極１３に接続された第２の固定電極３４を含む）位置特定用検出要素１０６の静電容量が変化したかに基づいて、複数の荷重Ｆｚの位置を特定する。

すなわち、同図（ｂ）に示す例では、位置特定処理手段６６は、位置Ｐ１、Ｐ４を通過するｙ方向帯状電極２６−１に繋がる（すなわち、ｙ方向帯状電極２６−１に属する可動電極４０を含む）４つの位置特定検出要素１０６のうち、位置Ｐ１を通過する対角線方向帯状電極１３−１に繋がる位置特定用検出要素１０６における静電容量が変化し、位置Ｐ４を通過する対角線方向帯状電極１３−４に繋がる位置特定用検出要素１０６における静電容量が変化しないことに基づいて、荷重Ｆｚが位置Ｐ１に作用したことを検出する。位置特定処理手段６６はまた、位置Ｐ２、Ｐ３を通過するｙ方向帯状電極２６−２に繋がる４つの位置特定検出要素１０６のうち、位置Ｐ２を通過する対角線方向帯状電極１３−２に繋がる位置特定用検出要素１０６における静電容量が変化し、位置Ｐ３を通過する対角線方向帯状電極１３−３に繋がる位置特定用検出要素１０６における静電容量が変化しないことに基づいて、荷重Ｆｚが位置Ｐ２に作用したことを検出する。

このように、本実施形態では、複雑な制御を採用しなくとも、ゴースト現象を回避することができるため、処理速度を向上させることが可能となっている。また、相互容量方式等の専用のワンチップマイコンを使用することなく、汎用のワンチップマイコン等から制御装置６０を構成することができるため、コストを削減することが可能となっている。また、専用のワンチップマイコンによる制限がなくなるため、設計の自由度が向上している。

なお、第２の固定電極３４の接続方向は、対角線Ｌ１方向に限定されるものではなく、第１の固定電極３２の接続方向（ｘ方向）および可動電極４０の接続方向（ｙ方向）のいずれとも異なる方向であればよい。また、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４の形状および配置は、その他の適宜の形状および配置を採用することが可能である。同様に、可動電極４０ならびに弾性部材２０の凸部２２および凹部２４の形状および配置についても、その他の適宜の形状および配置を採用することが可能である。また、位置特定用検出要素１０６における静電容量変化を、ｚ方向の荷重の導出に利用するようにしてもよい。また、ｚ方向の荷重の導出を省略し、荷重が作用した位置のみを検出するようにしてもよい。また、第１の実施形態および第２の実施形態において示した各種構成を本実施形態の荷重分布検出装置３に適用してもよいことは言うまでもない。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係る荷重分布検出装置４について説明する。本実施形態に係る荷重分布検出装置４は、受力面２１の法線方向、すなわちｚ方向に作用する荷重の分布を検出するものであり、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４に加えて、第３の固定電極３６を設けることにより、荷重を受けて変形する弾性部材２０に設けられる可動電極４０の構成を簡素化することを可能としたものである。なお、以下の説明においては、第１および第３の実施形態の荷重分布検出装置１、３と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１および第３の実施形態と異なる部分について説明する。

図１５（ａ）は、荷重分布検出装置４の平面図であり、同図（ｂ）は、荷重分布検出装置４の正面図である。また、図１６（ａ）は、荷重分布検出装置４の底面図であり、同図（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図１７（ａ）は、本実施形態における弾性部材２０の平面図であり、同図（ｂ）は、弾性部材２０の底面図である。また、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

図１５（ａ）および図１６（ａ）に示されるように、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４は、それぞれ略コの字状に構成され、互いに斜め方向に向き合うように配置されている。また、第３の固定電極３６は、略矩形状（略菱形状）に構成され、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４の間に配置されている。換言すれば、第３の固定電極３６の周囲を囲むような形状に、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４は構成されている。

第１の固定電極３２は、接続配線１５を介してｘ方向に隣接するもの同士が電気的に接続されると共に、互いに電気的に接続された状態でまとめて配線１４を介して制御装置６０に接続されている。また、第２の固定電極３４は、接続配線１５を介してｙ方向に隣接するもの同士が電気的に接続されると共に、互いに電気的に接続された状態でまとめて配線１４を介して制御装置６０に接続されている。そして、第３の固定電極３６は、平面視で左上がりの対角線Ｌ２方向に連続する対角線方向帯状電極１３の一部として構成され、配線１４を介して対角線方向帯状電極１３ごと制御装置６０に接続されている。

本実施形態では、図１６（ａ）に示されるように、第１の固定電極３２、第２の固定電極３４、第３の固定電極３６（対角線方向帯状電極１３）および接続電極１５を基板１０の底面１０ｂに設けている。従って、本実施形態では、接続配線１５の途中にジャンパ配線１５ａおよび絶縁層１５ｂを設けることで、互いに交差することとなる第１の固定電極３２を接続する接続配線１５、第２の固定電極３４を接続する接続配線１５、および対角線方向帯状電極１３が電気的に短絡しないようにしている。

弾性部材２０は、図１７（ａ）〜（ｄ）に示されるように、第１〜第３の固定電極３２、３４、３６の形状および配置に合わせて凸部２２および凹部２４が底面２０ｂに形成されている。そして、可動電極４０は、弾性部材２０の底面２０ｂにおいて、第１〜第３の固定電極３２、３４、３６の全てと対向する１つの電極として設けられている。換言すれば、可動電極４０は、複数の第１〜第３の固定電極３２、３４、３６にそれぞれ対向する複数の電極が、全て互いに接続された状態となっている。

このような電極構成により、本実施形態では、荷重検出用の検出要素１００として、第１の固定電極３２および可動電極４０の対からなる第１の検出要素１００ａ、および第２の固定電極３４および可動電極４０の対からなる第２の検出要素１００ｂを略同位置に設けると共に、これらと略同位置にさらに、第３の固定電極３６および可動電極４０の対からなる位置特定用検出要素１０６を設けるようにしている。

従って、本実施形態の制御装置６０は、各第１の検出要素１００ａ、各第２の検出要素１００ｂおよび各位置特定用検出要素１０６における静電容量の変化を検出する静電容量検出処理手段６２と、各第１の検出要素１００ａおよび各第２の検出要素１００ｂにおける静電容量の変化量に基づいてｚ方向の荷重の大きさを導出する力学量換算処理手段６４と、各位置特定用検出要素１０６における静電容量の変化量に基づいて複数のｚ方向の荷重の位置を特定する位置特定処理手段６６を備えている。

これにより、本実施形態では、第３の実施形態と同様に、複雑な制御を採用しなくともゴースト現象を回避することができるため、処理速度を向上させることが可能となっている。すなわち、第１の検出要素１００ａおよび第２の検出要素１００ｂにおける静電容量変化によって複数のｚ方向の荷重の位置を検出する際にゴースト現象が発生するような場合であっても、位置特定用検出要素１０６における静電容量の変化によって複数のｚ方向の荷重の位置を特定することができる。また、汎用のワンチップマイコン等から制御装置６０を構成することができるため、コストを削減すると共に、設計の自由度を向上させることが可能となっている。

さらに、本実施形態では、所定の方向に隣接されるもの同士が電気的に接続される電極を全て基板１０に設けられる固定電極３０としているため、荷重を受けて繰り返し変形する弾性部材２０に設けられる可動電極４０の構成を簡素化することが可能となっている。これにより、製造コストを低減すると共に、弾性部材２０および可動電極４０の強度および耐久性を高めることができる。また、弾性部材２０の形状の自由度が高まるため、装置の強度および耐久性を高めつつ、装置全体のさらなる薄型化、コンパクト化を図ることも可能となっている。

なお、第１〜第３の固定電極３２、３４、３６の接続方向は、それぞれｘ方向、ｙ方向および対角線Ｌ２方向に限定されるものではなく、互いに異なる方向であればその他の方向であってもよい。また、第１〜第３の固定電極３２、３４、３６の形状および配置は、その他の適宜の形状および配置を採用することが可能である。同様に、可動電極４０ならびに弾性部材２０の凸部２２および凹部２４の形状および配置についても、その他の適宜の形状および配置を採用することが可能である。また、位置特定用検出要素１０６における静電容量変化を、ｚ方向の荷重の導出に利用するようにしてもよい。また、ｚ方向の荷重の導出を省略し、荷重が作用した位置のみを検出するようにしてもよい。また、対角線方向帯状電極１３および第３の固定電極３６を省略し、位置特定用検出要素１０６および位置特定処理手段６６を設けないシンプルな構成としてもよい。また、第１の実施形態および第２の実施形態において示した各種構成を本実施形態の荷重分布検出装置３に適用してもよいことは言うまでもない。

また、弾性部材２０を例えば導電性ゴム等の導電性の材料から構成し、弾性部材２０自体を可動電極４０とするようにしてもよい。なお、この場合、弾性部材２０とシールド電極５０の間に絶縁層を設ける等して、弾性部材２０（すなわち、可動電極４０）とシールド電極５０が電気的に短絡しないように構成することが好ましい。このように、弾性部材２０自体を可動電極４０とすることで、弾性部材２０および可動電極４０をさらに簡素化することが可能となるため、装置の強度および耐久性をより高めつつ、装置全体をさらに薄型化、コンパクト化することが可能となる。

また、本実施形態では、第１の固定電極３２および可動電極４０の対からなる第１の検出要素１００ａ、第２の固定電極３４および可動電極４０の対からなる第２の検出要素１００ｂ、および第３の固定電極３６および可動電極４０の対からなる位置特定用検出要素１０６を設けるようにした例を示したが、第１の検出要素１００ａおよび第２の検出要素１００ｂの代わりに、第１の固定電極３２および第２の固定電極３４と可動電極４０の対からなる検出要素１００を設けるようにしてもよい。すなわち、２つの固定電極３０（第１の固定電極３２および第２の固定電極３４）の間における静電容量が、可動電極４０の移動（変位）に伴って変化するのを検出するようにしてもよい。さらに、位置特定用検出要素１０６についても、第１の固定電極３２および第３の固定電極３６と可動電極４０の対、または第２の固定電極３４および第３の固定電極３６と可動電極４０の対から構成し、可動電極４０の移動（変位）に伴う２つの固定電極３０の間における静電容量の変化を検出するようにしてもよい。

以上説明したように、上記各実施形態に係る荷重分布検出装置１〜４は、検出面（ｘ−ｙ平面）内における荷重の分布を検出する荷重分布検出装置であって、検出面に沿って配列される複数の固定電極３０と、固定電極３０に対向して設けられる可動電極４０と、固定電極３０および可動電極４０の対からなる複数の静電容量検出部（検出要素１００、第１の検出要素１００ａ、第２の検出要素１００ｂ、ｚ方向専用検出要素１０２および位置特定用検出要素１０６）と、可動電極４０に対して固定電極３０の反対側に設けられるシールド電極５０と、を備え、固定電極３０は、所定の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されている。

このような構成とすることで、簡素且つ安価な構成でありながらも、用途を問わず、荷重分布を高精度に検出することができる。すなわち、所定の方向に隣接する固定電極５０同士を電気的に接続することにより、処理負荷を増大させることなく広範囲における荷重分布を高速に検出するだけではなく、シールド電極５０を設けることによって、荷重を加える外部の物体の材質や静電気等に影響されることなく荷重分布を検出することが可能となる。さらに、固定電極３０の構成および接続態様を工夫することにより、従来の装置では困難であった面方向荷重の検出や複数荷重の位置の特定等を、簡素且つ安価な構成で実現することができる。

また、荷重分布検出装置１〜４は、弾性材料から構成され、検出面に沿って配置される略シート状の弾性部材２０を備え、可動電極４０およびシールド電極５０は、弾性部材２０に設けられている。このようにすることで、装置全体を簡素且つ安価に構成すると共に、従来の装置と比較して薄型化、コンパクト化することができる。さらに、可動電極４０の移動およびこれに伴う静電容量の変化を適宜に設定することが可能となるため、検出精度を向上させることが可能となる。

また、荷重分布検出装置３および４では、固定電極３０は、第１の方向（ｘ方向）に隣接するもの同士が電気的に接続される第１の固定電極３２と、第１の方向と交差する第２の方向（荷重分布検出装置３では対角線Ｌ１方向、荷重分布検出装置４ではｙ方向）に隣接するもの同士が電気的に接続される第２の固定電極３４と、を含んでいる。このようにすることで、例えば複数荷重の位置の特定を容易にしたり、荷重を受ける弾性部材２０をより簡素に構成したりすることが可能となるため、装置の適用範囲を拡大し、様々な用途に使用することができる。

また、荷重分布検出装置３では、可動電極４０は、１組の第１の固定電極３２および第２の固定電極３４ごとに複数設けられると共に、第１の方向（ｘ方向）および第２の方向（対角線Ｌ１方向）のいずれとも異なる第３の方向（ｙ方向）に隣接するもの同士が電気的に接続されている。このようにすることで、複雑な制御を採用することなく、複数の荷重位置の特定を容易に行うことができる。

また、荷重分布検出装置３は、第２の固定電極３４および可動電極４０の対からなる静電容量検出部（位置特定用検出要素１０６）における静電容量の変化に基づき、検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段６６を備えている。このようにすることで、複数の荷重位置の特定を容易にし、荷重分布の検出を高速化することができる。

また、荷重分布検出装置４では、可動電極４０は、全ての固定電極３０に対向する１つの電極として設けられている。このようにすることで、弾性部材２０の構成をより簡素化すると共に形状の自由度を高めることが可能となるため、強度および耐久性を向上させたり、検出精度を向上させたり等することで、装置の汎用性をさらに高めることができる。

また、荷重分布検出装置４では、固定電極３０は、第１の方向（ｘ方向）および第２の方向（ｙ方向）のいずれとも異なる第３の方向（対角線Ｌ２方向）に隣接するもの同士が電気的に接続される第３の固定電極３６をさらに含んでいる。このようにすることで、複雑な制御を採用することなく、複数の荷重位置の特定を容易に行うことが可能となるため、装置の汎用性をさらに高めることができる。

また、荷重分布検出装置４では、第３の固定電極３６および可動電極４０の対からなる静電容量検出部（位置特定用検出要素１０６）における静電容量の変化に基づき、検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段６６を備えている。このようにすることで、複数の荷重位置の特定を容易にし、荷重分布の検出を高速化することが可能となるため、装置の汎用性をさらに高めることができる。

また、荷重分布検出装置２は、静電容量検出部（検出要素１００）における静電容量の変化に基づいて、検出面の法線方向に作用する法線方向荷重（ｚ方向の荷重Ｆｚ）を導出し、互いに近接する複数の静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、検出面の面方向に作用する面方向荷重（ｘ−ｙ平面内の荷重Ｆｘｙ）を導出する力学量換算処理手段６６を備えている。このようにすることで、簡素な構成および制御方式を採用しながらも、従来の装置では検出が困難であった面方向荷重の分布を、法線方向荷重の分布と共に検出することが可能となるため、装置の汎用性をさらに高めることができる。なお、荷重分布検出装置３および４において、面方向荷重の導出機能を設けるようにしてもよいことは言うまでもない。

また、力学量換算処理手段６６は、互いに近接する少なくとも３箇所の静電容量検出部における静電容量の変化量の重心位置を算出することにより、面方向荷重を導出するものであってもよい。この場合、電極の構成をより簡素化することが可能になると共に、面方向荷重の導出を高速化、高精度化することができる。

また、荷重分布検出装置１〜４は、絶縁性の材料から構成され、検出面に沿って配置される略シート状の絶縁部材（基板１０）を備え、固定電極３０は、絶縁部材に設けられている。このようにすることで、基板１０とは別に絶縁層を設ける必要がなくなるため、装置全体をより簡素化、薄型化することができる。

また、荷重分布検出装置１〜４では、絶縁部材（基板１０）は、絶縁性の弾性材料（樹脂フィルム）から構成されている。このようにすることで、例えば曲面に沿って装置を配置したり、荷重を受ける際に荷重を加える物体に沿って装置全体をたわみ変形させたり等することが可能となるため、装置の汎用性をさらに高めることができる。

また、荷重分布検出装置１〜４は、弾性材料から構成され、絶縁部材（基板１０）に対して弾性部材２０の反対側に配置される略シート状の補助弾性部材７０を備えるものであってもよい。このようにすることで、装置の強度および合成を用途や使用環境等に応じて適宜に設定することができる。

また、補助弾性部材７０は、絶縁性の材料から構成され、固定電極３０は、絶縁部材（基板１０）と補助弾性部材７０の間に設けられるようにしてもよい。このようにすることで、補助弾性部材７０を簡素且つコンパクトな構成でありながらも、固定電極３０を適宜に保護すると共に、外部の機器との電気的短絡を適宜に防止することができる。

また、荷重分布検出装置１〜４は、固定電極３０に対して可動電極４０の反対側に配置される補助シールド電極５２を備えるものであってもよい。このようにすることで、周囲の静電気等の影響をより効果的に排除することが可能となるため、検出精度を高めると共に装置の汎用性を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の荷重分布検出装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、基板１０の材質は、樹脂に限定されるものではなく、例えば各種絶縁ゴムやガラス、セラミックス等、その他の適宜の材質を採用することが可能であり、弾性部材２０の材質についても、弾性変形可能な材質であればその他の材質であってもよい。また、検出面は、ｘ−ｙ平面に限定されるものではなく、例えばｘ−ｚ平面や所定の斜面等であってもよいし、受力面２１または装置全体を曲面状に構成することにより、検出面を曲面とするようにしてもよい。また、固定電極３０および可動電極４０等と制御装置６０の接続は、リード線等を介したものであってもよい。

また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。

本発明の荷重分布検出装置は、例えばタッチパネルやロボット等、荷重分布の検出を必要とする各種機器において利用することができる。

１、２、３、４ 荷重分布検出装置
１０ 基板
２０ 弾性部材
３０ 固定電極
３０ａ ｚ方向専用固定電極
３２ 第１の固定電極
３４ 第２の固定電極
３６ 第３の固定電極
４０ 可動電極
４０ａ ｚ方向専用可動電極
５０ シールド電極
５２ 補助シールド電極
６０ 制御装置
６４ 力学量換算処理手段
６６ 位置特定処理手段
７０ 補助弾性部材
１００ 検出要素
１００ａ 第１の検出要素
１００ｂ 第２の検出要素
１０２ ｚ方向専用検出要素
１０６ 位置特定用検出要素

Claims (15)

1. 検出面内における荷重の分布を検出する荷重分布検出装置であって、
   前記検出面に沿って配列される複数の固定電極と、
   前記固定電極に対向して設けられる可動電極と、
   前記固定電極および前記可動電極の対からなる複数の静電容量検出部と、
   前記可動電極に対して前記固定電極の反対側に設けられるシールド電極と、を備え、
   前記固定電極は、所定の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されることを特徴とする、
   荷重分布検出装置。
2. 弾性材料から構成され、前記検出面に沿って配置される略シート状の弾性部材を備え、
   前記可動電極および前記シールド電極は、前記弾性部材に設けられることを特徴とする、
   請求項１に記載の荷重分布検出装置。
3. 前記固定電極は、
   第１の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第１の固定電極と、
   前記第１の方向と交差する第２の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第２の固定電極と、を含むことを特徴とする、
   請求項１または２に記載の荷重分布検出装置。
4. 前記可動電極は、１組の前記第１の固定電極および前記第２の固定電極ごとに複数設けられると共に、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に隣接するもの同士が電気的に接続されることを特徴とする、
   請求項３に記載の荷重分布検出装置。
5. 前記第２の固定電極および前記可動電極の対からなる前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づき、前記検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段を備えることを特徴とする、
   請求項４に記載の荷重分布検出装置。
6. 前記可動電極は、全ての前記固定電極に対向する１つの電極として設けられることを特徴とする、
   請求項３に記載の荷重分布検出装置。
7. 前記固定電極は、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に隣接するもの同士が電気的に接続される第３の固定電極をさらに含むことを特徴とする、
   請求項６に記載の荷重分布検出装置。
8. 前記第３の固定電極および前記可動電極の対からなる前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づき、前記検出面内における荷重の位置を特定する位置特定処理手段を備えることを特徴とする、
   請求項７に記載の荷重分布検出装置。
9. 前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、前記検出面の法線方向に作用する法線方向荷重を導出し、互いに近接する複数の前記静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、前記検出面の面方向に作用する面方向荷重を導出する力学量換算処理手段を備えることを特徴とする、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の荷重分布検出装置。
10. 前記力学量換算処理手段は、互いに近接する少なくとも３箇所の静電容量検出部における静電容量の変化量の重心位置を算出することにより、前記面方向荷重を導出することを特徴とする、
    請求項９に記載の荷重分布検出装置。
11. 絶縁性の材料から構成され、前記検出面に沿って配置される略シート状の絶縁部材を備え、
    前記固定電極は、前記絶縁部材に設けられることを特徴とする、
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の荷重分布検出装置。
12. 前記絶縁部材は、絶縁性の弾性材料から構成されることを特徴とする、
    請求項１１に記載の荷重分布検出装置。
13. 弾性材料から構成され、前記絶縁部材に対して前記弾性部材の反対側に配置される略シート状の補助弾性部材を備えることを特徴とする、
    請求項１１または１２に記載の荷重分布検出装置。
14. 前記補助弾性部材は、絶縁性の材料から構成され、
    前記固定電極は、前記絶縁部材と前記補助弾性部材の間に設けられることを特徴とする、
    請求項１３に記載の荷重分布検出装置。
15. 前記固定電極に対して前記可動電極の反対側に配置される補助シールド電極を備えることを特徴とする、
    請求項１乃至１４のいずれかに記載の荷重分布検出装置。

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