特許 7296603 検出回路および荷重検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-15

(45)【発行日】2023-06-23

(54)【発明の名称】検出回路および荷重検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20230616BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20230616BHJP

【ＦＩ】

G01L1/14 L

G01L5/00 101Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019226793

(22)【出願日】2019-12-16

(65)【公開番号】P2021096126

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-09-01

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111383

【弁理士】

【氏名又は名称】芝野 正雅

(74)【代理人】

【識別番号】100170922

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 誠

(72)【発明者】

【氏名】山本 雄大

(72)【発明者】

【氏名】浮津 博伸

(72)【発明者】

【氏名】松本 玄

(72)【発明者】

【氏名】森浦 祐太

(72)【発明者】

【氏名】山口 光隆

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１８７５１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０８７７７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０９１５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０７５２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４８３９５１２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／１４

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、前記第１電極に交差して配置された複数の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する誘電体とを備える静電容量型荷重センサに対し、前記第１電極と前記第２電極との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路であって、
前記第１電極に矩形電圧を供給するための供給ラインと、
前記供給ラインに配置された抵抗と、
前記抵抗の下流側の電位を測定する電圧計測部と、
前記複数の第２電極に対して個別に矩形のデジタル信号を印加するデジタル制御部と、を備える、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項2】

請求項１に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、前記矩形電圧と等しい電圧レベルに前記デジタル信号を設定する、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項3】

請求項１に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、前記デジタル信号の電圧レベルを、前記矩形電圧よりも低く設定する、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項4】

請求項１ないし３の何れか一項に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、前記矩形電圧の出力開始タイミングと同じタイミングで、前記デジタル信号の印加を開始する、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項5】

請求項１ないし３の何れか一項に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、前記矩形電圧の出力開始タイミングから所定時間だけ遅れたタイミングで、前記デジタル信号の印加を開始する、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項6】

請求項１ないし５の何れか一項に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、
前記矩形電圧の出力開始タイミングと同じタイミングで、前記矩形電圧よりも低い電圧レベルの前記デジタル信号の印加を開始する第１モードと、
前記矩形電圧の出力開始タイミングから所定時間だけ遅れたタイミングで、前記矩形電圧と等しい電圧レベルの前記デジタル信号の印加を開始する第２モードと、を備える、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項7】

請求項６に記載の検出回路において、
前記デジタル制御部は、前記第２モードにおいて、荷重の測定結果に基づき、前記デジタル信号の印加の開始タイミングを設定する、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項8】

請求項１ないし７の何れか一項に記載の検出回路において、
複数の前記第１電極が、前記第２電極に沿って並んで配置され、
前記第２電極は、前記複数の第１電極に対し、前記誘電体を介して交差し、
前記供給ラインを前記各第１電極に対して接続および非接続の何れかに選択的に切り替える切替部を備える、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項9】

請求項８に記載の検出回路において、
前記切替部は、前記供給ラインを前記複数の第１電極に対して選択的に接続するデマルチプレクサである、
ことを特徴とする検出回路。

【請求項10】

請求項１ないし９の何れか一項に記載の検出回路と、
前記静電容量型荷重センサと、を備える、
ことを特徴とする荷重検出装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の荷重検出装置において、
前記第１電極および前記第２電極の一方は、線状の導電部材であり、
前記誘電体は、前記導電部材の周囲に被覆され、
前記第１電極および前記第２電極の他方は、導電性の弾性体により形成されている、
ことを特徴とする荷重検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量の変化に基づいて外部から付与される荷重を検出する静電容量型荷重センサに用いられる検出回路、および当該検出回路と静電容量型荷重センサとを備える荷重検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

以下の特許文献１には、８本の表側電極と、８本の表側電極と交差する８本の裏側電極と、表側電極と裏側電極の間に配置された誘電層と、８本の表側電極に電気的に接続された４つのマルチプレクサと、８本の裏側電極に電気的に接続された４つのマルチプレクサと、を備える静電容量型センサが記載されている。測定の際には、８本の表側電極に接続された４つのマルチプレクサが順次切り替えられ、８本の裏側電極に接続された４つのマルチプレクサが順次切り替えられる。このとき、使用者の体重が加わると、荷重が加えられた位置のセンサ部において表側電極と裏側電極との間の距離が短くなり、センサ部の静電容量が変化する。そして、静電容量の変化に基づいて、センサ部に加わる荷重が検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６３２９８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような構成では、荷重を測定するための位置（センサ部）を増やそうとすると、たとえば、センサ部の数に応じてアナログスイッチ（マルチプレクサ等）が必要になり、回路構成が複雑になってしまう。

【0006】

かかる課題に鑑み、本発明は、回路構成が複雑になることを抑制することが可能な検出回路および静電容量型荷重検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様は、第１電極と、前記第１電極に交差して配置された複数の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する誘電体とを備える静電容量型荷重センサに対し、前記第１電極と前記第２電極との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路に関する。本態様に係る検出回路は、前記第１電極に矩形電圧を供給するための供給ラインと、前記供給ラインに配置された抵抗と、前記抵抗の下流側の電位を測定する電圧計測部と、前記複数の第２電極に対して個別に矩形のデジタル信号を印加するデジタル制御部と、を備える。

【0008】

本態様に係る検出回路によれば、第１電極と第２電極の交差位置のうち、測定対象以外の交差位置の第２電極に、デジタル制御部からデジタル信号を印加することにより、これら交差位置に電荷が貯まることを抑制できる。よって、測定対象の交差位置の静電容量に応じた電圧を適切に測定できる。ここで、測定対象以外の交差位置の第２電極には、デジタル制御により所定の電圧レベルの信号が供給されるため、第２電極ごとに、電圧の印加および非印加を切り替えるアナログスイッチ（マルチプレクサ等）を設ける必要がない。よって、回路構成が複雑になることを抑制し、回路構成の簡素化とコストの低減を図ることができる。

【0009】

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

【0010】

本態様に係る荷重検出装置によれば、上記第１の態様と同様の効果が奏される。

【発明の効果】

【0011】

以上のとおり、本発明によれば、回路構成が複雑になることを抑制することが可能な検出回路および静電容量型荷重検出装置を提供できる。

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１（ａ）は、実施形態１に係る、基材および導電弾性体を模式的に示す斜視図である。図１（ｂ）は、実施形態１に係る、被覆付き銅線を模式的に示す斜視図である。

【図2】図２（ａ）は、実施形態１に係る、糸を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、実施形態１に係る、基材が設置されたことにより組み立てが完了した荷重センサを模式的に示す斜視図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の被覆付き銅線の周辺を模式的に示す断面図である。

【図4】図４は、実施形態１に係る、Ｚ軸負方向に見た場合の荷重センサを模式的に示す平面図である。

【図5】図５は、実施形態１に係る、荷重検出装置の回路構成を示す図である。

【図6】図６は、実施形態１に係る、矩形電圧およびデジタル信号の印加が開始された後の状態を模式的に示す回路図である。

【図7】図７は、実施形態１に係る、放電が行われる状態を模式的に示す回路図である。

【図8】図８は、比較例１に係る、荷重検出装置の回路構成を示す図である。

【図9】図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態１に係る、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部により取得される供給ラインの電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【図10】図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態２に係る、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部により取得される供給ラインの電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【図11】図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態３に係る、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部により取得される供給ラインの電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【図12】図１２は、実施形態４に係る、動作モードの切り替えを示すフローチャートである。

【図13】図１３は、変更例に係る、荷重検出装置の回路構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明に係る静電容量型荷重センサは、付与された荷重に応じて処理を行う管理システムや電子機器の荷重センサに適用可能である。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

以下の実施形態における荷重センサは、上記のような管理システムや電子機器の荷重センサにおいて典型的に設けられる静電容量型荷重センサである。このような荷重センサは、「静電容量型感圧センサ素子」、「容量性圧力検出センサ素子」、「感圧スイッチ素子」などと称される場合もある。また、以下の実施形態における検出回路は、上記のような荷重センサに接続される検出回路であり、以下の実施形態における荷重検出装置は、上記のような荷重センサおよび検出回路を備える荷重検出装置である。以下の実施形態は、本発明の一実施形態あって、本発明は、以下の実施形態に何ら制限されるものではない。

【0023】

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。

【0024】

＜実施形態１＞
図１（ａ）～図４を参照して、荷重センサ１について説明する。

【0025】

図１（ａ）は、基材１１と、基材１１の上面に設置された３つの導電弾性体１２とを模式的に示す斜視図である。

【0026】

基材１１は、弾性を有する絶縁性の部材であり、Ｘ－Ｙ平面に平行な平板形状を有する。基材１１は、非導電性を有する樹脂材料または非導電性を有するゴム材料から構成される。基材１１に用いられる樹脂材料は、たとえば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（たとえば、ポリジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）など）、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂、およびウレタン系樹脂等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。基材１１に用いられるゴム材料は、たとえば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等からなる群から選択される少なくとも１種のゴム材料である。

【0027】

導電弾性体１２は、基材１１の上面（Ｚ軸正側の面）に接着剤等により設置される。図１（ａ）では、基材１１の上面に、３つの導電弾性体１２が設置されている。導電弾性体１２は、弾性を有する導電性の部材である。各導電弾性体１２は、基材１１の上面においてＹ軸方向に長い帯状の形状を有しており、Ｘ軸方向に互いに離間した状態で並んで設置されている。各導電弾性体１２のＹ軸負側の端部に、導電弾性体１２と電気的に接続されたケーブル１２ａが設置される。導電弾性体１２は、樹脂材料とその中に分散した導電性フィラー、またはゴム材料とその中に分散した導電性フィラーから構成される。

【0028】

導電弾性体１２に用いられる樹脂材料は、上述した基材１１に用いられる樹脂材料と同様、たとえば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（ポリジメチルポリシロキサン（たとえば、ＰＤＭＳ）など）、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂、およびウレタン系樹脂等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。導電弾性体１２に用いられるゴム材料は、上述した基材１１に用いられるゴム材料と同様、たとえば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等からなる群から選択される少なくとも１種のゴム材料である。

【0029】

導電弾性体１２に用いられる導電性フィラーは、たとえば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｃ（カーボン）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ_２Ｏ_３（酸化インジウム（III））、およびＳｎＯ_２（酸化スズ（IV））等の金属材料や、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（すなわち、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）からなる複合物）等の導電性高分子材料や、金属コート有機物繊維、金属線（繊維状態）等の導電性繊維からなる群から選択される少なくとも１種の材料である。

【0030】

図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造体に載置された３つの被覆付き銅線１３を模式的に示す斜視図である。

【0031】

被覆付き銅線１３は、図１（ａ）に示した３つの導電弾性体１２の上面に重ねて配置される。ここでは、３つの被覆付き銅線１３が３つの導電弾性体１２の上面に重ねて配置されている。各被覆付き銅線１３は、導電性の線材と、当該線材の表面を被覆する誘電体とからなる。３つの被覆付き銅線１３は、導電弾性体１２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って、導電弾性体１２に交差するように並んで配置されている。各被覆付き銅線１３は、３つの導電弾性体１２に跨がるよう、Ｘ軸方向に延びて配置される。被覆付き銅線１３の構成については、追って図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

【0032】

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

【0033】

図１（ｂ）のように３つの被覆付き銅線１３が配置された後、各被覆付き銅線１３は、被覆付き銅線１３の長手方向（Ｘ軸方向）に移動可能に、糸１４で基材１１に接続される。図２（ａ）に示す例では、１２個の糸１４が、導電弾性体１２と被覆付き銅線１３とが重なる位置以外の位置において、被覆付き銅線１３を基材１１に接続している。糸１４は、導電性を有する材料により構成され、たとえば、繊維とその中に分散した導電性の金属材料から構成される。糸１４に用いられる導電性の金属材料は、たとえば銀である。

【0034】

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

【0035】

図２（ａ）に示した構造体の上方から、図２（ｂ）に示すように、基材１５が設置される。基材１５は、絶縁性の部材である。基材１５は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、およびポリイミド等からなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料である。基材１５は、Ｘ－Ｙ平面に平行な平板形状を有し、Ｘ－Ｙ平面における基材１５の大きさは、基材１１と同様である。基材１５の四隅の頂点が基材１１の四隅の頂点に対して、シリコーンゴム系接着剤や糸などで接続されることにより、基材１５が基材１１に対して固定される。こうして、図２（ｂ）に示すように、荷重センサ１が完成する。

【0036】

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

【0037】

図３（ａ）に示すように、被覆付き銅線１３は、銅線１３ａと、銅線１３ａを被覆する誘電体１３ｂと、により構成される。銅線１３ａは、銅により構成されており、銅線１３ａの直径は、たとえば、約６０μｍである。誘電体１３ｂは、電気絶縁性を有し、たとえば、樹脂材料、セラミック材料、金属酸化物材料などにより構成される。誘電体１３ｂは、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂（たとえば、ポリエチレンテレフテレート樹脂）、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂などからなる群から選択される少なくとも１種の樹脂材料でもよく、Ａｌ_２Ｏ_３およびＴａ_２Ｏ_５などからなる群から選択される少なくとも１種の金属酸化物材料でもよい。

【0038】

図３（ａ）に示す領域に荷重が加えられていない場合、導電弾性体１２と被覆付き銅線１３との間にかかる力、および、基材１５と被覆付き銅線１３との間にかかる力は、ほぼゼロである。この状態から、図３（ｂ）に示すように、基材１１の下面に対して上方向に荷重が加えられ、基材１５の上面に対して下方向に荷重が加えられると、被覆付き銅線１３によって導電弾性体１２が変形する。なお、基材１１の下面または基材１５の上面が静止物体に載置されて、他方の基材に対してのみ荷重が加えられた場合も、反作用により静止物体側から同様に荷重を受けることになる。

【0039】

図３（ｂ）に示すように、荷重が加えられると、被覆付き銅線１３は、導電弾性体１２に包まれるように導電弾性体１２に近付けられ、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との間の接触面積が増加する。これにより、被覆付き銅線１３内の銅線１３ａと導電弾性体１２との間の静電容量が変化し、この領域の静電容量が検出され、この領域にかかる荷重が算出される。

【0040】

図４は、Ｚ軸負方向に見た場合の荷重センサ１を模式的に示す平面図である。図４では、便宜上、糸１４および基材１５の図示が省略されている。

【0041】

図４に示すように、３つの導電弾性体１２と３つの被覆付き銅線１３とが交わる位置に、荷重に応じて静電容量が変化するセンサ部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３が形成される。各センサ部は、導電弾性体１２と被覆付き銅線１３を含み、被覆付き銅線１３は、静電容量の他方の極（たとえば陽極）を構成し、導電弾性体１２は、静電容量の一方の極（たとえば陰極）を構成する。

【0042】

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

【0043】

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

【0044】

図４に示すように、３つの被覆付き銅線１３をラインＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３と称し、３つの導電弾性体１２から引き出されたケーブル１２ａをラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と称する。ラインＬ１１がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、センサ部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３であり、ラインＬ１２がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、センサ部Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３であり、ラインＬ１３がラインＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３に接続された導電弾性体１２と交わる位置が、それぞれ、センサ部Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３である。

【0045】

センサ部Ａ１１に対して荷重が加えられると、センサ部Ａ１１において導電弾性体１２と被覆付き銅線１３との接触面積が増加する。したがって、ラインＬ１１とラインＬ２１との間の静電容量を検出することにより、センサ部Ａ１１において加えられた荷重を算出することができる。同様に、他のセンサ部においても、当該他のセンサ部において交わる２つのライン間の静電容量を検出することにより、当該他のセンサ部において加えられた荷重を算出することができる。

【0046】

次に、荷重検出装置３の構成について説明する。

【0047】

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

【0048】

検出回路２は、デジタル制御部２１と、抵抗２２と、切替部２３と、電圧計測部２４と、スイッチ３１と、抵抗３２と、を備える。検出回路２は、荷重センサ１に対し、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との交差位置における静電容量の変化を検出するための検出回路である。

【0049】

デジタル制御部２１は、演算処理回路とメモリを備え、たとえばＦＰＧＡやＭＰＵにより構成される。デジタル制御部２１は、信号線を介して、抵抗２２と、切替部２３と、電圧計測部２４とに接続されている。また、デジタル制御部２１は、４個の導電弾性体１２に対してケーブル１２ａ（図２（ｂ）参照）を介して接続されている。

【0050】

デジタル制御部２１は、抵抗２２を介して矩形の電圧信号（以下、「矩形電圧」と称する）を供給ラインＬ１に出力する。供給ラインＬ１は、抵抗２２の下流側端子に接続されており、被覆付き銅線１３の銅線１３ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）に矩形電圧を供給する。デジタル制御部２１により回路に出力された矩形電圧は、抵抗２２と荷重センサ１のセンサ部とにより形成されるＲＣ回路に印加される。供給ラインＬ１には、切替部２３と電圧計測部２４が接続されている。

【0051】

切替部２３は、デジタル制御部２１の制御により、供給ラインＬ１を、被覆付き銅線１３の銅線１３ａに対して、接続および非接続の何れかに選択的に切り替える。具体的には、切替部２３は、４個のマルチプレクサ２３ａを備えている。４個のマルチプレクサ２３ａは、それぞれ、４個の被覆付き銅線１３（銅線１３ａ）に対応して設けられている。各マルチプレクサ２３ａの出力側端子に、被覆付き銅線１３の銅線１３ａが接続されている。各マルチプレクサ２３ａの入力側端子は２つ設けられている。一方の入力側端子に供給ラインＬ１が接続されており、この入力側端子に、供給ラインＬ１および抵抗２２を介して、デジタル制御部２１から矩形電圧が印加される。マルチプレクサ２３ａの他方の入力側端子には何も接続されていない。

【0052】

デジタル制御部２１は、４個の導電弾性体１２に対して個別に矩形の電圧信号（以下、「デジタル信号」と称する）を印加する。すなわち、４個の導電弾性体１２には、デジタル制御部２１の基板から、抵抗等のアナログ回路を介さずに直接的にデジタル信号が印加される。

【0053】

電圧計測部２４は、供給ラインＬ１の電位、すなわち、供給ラインＬ１とグランドとの電位差を測定し、デジタル制御部２１に出力する。

【0054】

スイッチ３１および抵抗３２は、供給ラインＬ１とグランドとの間に設置されている。スイッチ３１は、デジタル制御部２１の制御により、供給ラインＬ１を、抵抗３２を介してグランドに対して接続および非接続の何れかに選択的に切り替える。

【0055】

デジタル制御部２１は、被覆付き銅線１３の銅線１３ａに印加する矩形電圧の電圧値および印加タイミングと、導電弾性体１２に印加するデジタル信号の電圧値および印加タイミングと、切替部２３の切り替えタイミングと、スイッチ３１の切り替えタイミングと、を制御する。デジタル制御部２１は、電圧計測部２４により測定された供給ラインＬ１の電位に基づいて、対象となるセンサ部にかかる荷重を算出する。

【0056】

次に、荷重検出時のデジタル制御部２１の制御について説明する。

【0057】

荷重検出装置３が起動すると、デジタル制御部２１は、たとえば以下に示すように、被覆付き銅線１３と導電弾性体１２との交差位置（図５の場合は１６箇所）におけるセンサ部の静電容量を順に測定し、各センサ部にかかる荷重を算出する。

【0058】

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

【0059】

デジタル制御部２１は、センサ部Ａ１１について測定を開始すると、測定対象のセンサ部Ａ１１の電極を構成する被覆付き銅線１３の銅線１３ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）に接続されたマルチプレクサ２３ａが供給ラインＬ１に接続されるよう、このマルチプレクサ２３ａの切り替えを行う。また、デジタル制御部２１は、他の３個のマルチプレクサ２３ａが供給ラインＬ１に対して非接続となるよう、他の３個のマルチプレクサ２３ａの切り替えを行う。また、デジタル制御部２１は、スイッチ３１を非接続状態に設定する。

【0060】

続いて、デジタル制御部２１は、測定対象のセンサ部Ａ１１を構成する導電弾性体１２にローレベルのデジタル信号を印加し、測定対象以外のセンサ部を構成する他の３個の導電弾性体１２にハイレベルのデジタル信号を印加する。実施形態１において、ローレベルのデジタル信号は、グランドレベルの電圧すなわち０Ｖであり、ハイレベルのデジタル信号は、矩形電圧に等しい。そして、デジタル制御部２１は、抵抗２２を介して、デジタル信号の印加と同時に矩形電圧を出力させる。

【0061】

図６は、センサ部Ａ１１が測定対象となっている場合に、矩形電圧およびデジタル信号の印加が開始された後の状態を模式的に示す回路図である。図６において、太線は、供給ラインＬ１の電位と等電位の部分を示しており、二重線は、デジタル制御部２１と抵抗２２との間の電位と等電位の部分を示している。

【0062】

図６に示すように、矩形電圧およびデジタル信号の印加が開始されると、測定対象のセンサ部Ａ１１に、抵抗２２を介して矩形電圧が印加され、測定対象のセンサ部Ａ１１に電荷がチャージされる。これに伴い、抵抗２２の抵抗値Ｒと、荷重に応じたセンサ部Ａ１１の容量とで規定される時定数により、センサ部Ａ１１の電位が上昇する。この電位は、供給ラインＬ１の電位に反映される。そして、この電位は、電圧計測部２４により測定されて、デジタル制御部２１に出力される。

【0063】

デジタル制御部２１は、矩形電圧の印加期間の所定のタイミングにおいて、電圧計測部２４の測定電圧を参照し、この測定電圧と上記時定数および矩形電圧の電圧値とに基づいて、測定対象のセンサ部Ａ１１の静電容量Ｃを算出する。そして、デジタル制御部２１は、静電容量Ｃに基づいて、センサ部Ａ１１にかかる荷重を算出する。

【0064】

このとき、測定対象のセンサ部Ａ１１と同じ行（同じ被覆付き銅線１３）の他のセンサ部Ａ１２～Ａ１４には、陰極側にデジタル制御部２１からのハイレベルのデジタル信号が印加されるため、陽極の電位と陰極の電位とが近付けられる。よって、他のセンサ部Ａ１２～Ａ１４に電荷が貯まることが抑制されるため、測定対象のセンサ部Ａ１１に適切に電荷が貯まり、センサ部Ａ１１の電圧を精度良く計測できる。

【0065】

なお、測定対象のセンサ部Ａ１１と同じ行（同じ被覆付き銅線１３）にはない他の１２個のセンサ部は、陽極が供給ラインＬ１から切り離されているため、これら他のセンサ部に貯まった電荷が、電圧計測部２４におけるセンサ部Ａ１１の電位の測定に影響を及ぼすことはない。

【0066】

デジタル制御部２１は、測定対象のセンサ部Ａ１１に対して荷重を算出すると、矩形電圧の印加を停止する。こうして１つのセンサ部における荷重の測定が終了する。その後、デジタル制御部２１は、全ての導電弾性体１２に対してローレベルのデジタル信号を印加し、スイッチ３１を接続状態に設定する。これにより、各センサ部に貯まった電荷が放電される。

【0067】

図７は、放電が行われる状態を模式的に示す回路図である。

【0068】

図６の状態から、矩形電圧の印加が停止され、導電弾性体１２にローレベルのデジタル信号が印加されることにより、全てのセンサ部がグランドに接続された状態と等しい状態になる。これにより、全てのセンサ部に貯まった電荷が放電される。また、スイッチ３１が接続状態に設定されることにより、測定対象とされたセンサ部Ａ１１が位置する被覆付き銅線１３の銅線１３ａが、供給ラインＬ１および抵抗３２を介してグランドに接続される。これにより、導電弾性体１２の放電に加えて、被覆付き銅線１３の放電も行われるため、さらに短時間で電荷を放電することができる。

【0069】

その後、デジタル制御部２１は、次のセンサ部の荷重を測定するために、スイッチ３１を非接続状態に設定し、次の測定対象のセンサ部の位置に応じて、マルチプレクサ２３ａの接続状態を設定し、各導電弾性体１２に対してハイレベルまたはローレベルのデジタル信号を印加する。また、デジタル制御部２１は、デジタル信号の印加と同時に、矩形電圧の印加を開始する。こうして、デジタル制御部２１は、各センサ部の静電容量を順に測定し、各センサ部にかかる荷重を算出する。

【0070】

上記のように、検出回路２によれば、測定対象のセンサ部と同じ行にある他のセンサ部を構成する導電弾性体１２に対して、デジタル制御部２１からハイレベルのデジタル信号が印加される。これにより、他のセンサ部において意図しない電荷が貯まることを抑制できる。このように他のセンサ部を構成する導電弾性体１２に対してハイレベルのデジタル信号が供給されると、導電弾性体１２ごとに、電圧の印加および非印加を切り替えるアナログスイッチ（マルチプレクサ等）を設ける必要がない。このことについて、図８の比較例１の回路構成を参照して説明する。

【0071】

図８は、比較例１の荷重検出装置５の回路構成を示す図である。

【0072】

荷重検出装置５は、実施形態１と同様の荷重センサ１と、荷重センサ１に電気的に接続された検出回路４と、を備える。比較例１の検出回路４には、図５に示した実施形態１の検出回路２と比較して、等電位生成部２５と、他の切替部２６と、が追加されている。

【0073】

等電位生成部２５は、オペアンプであり、供給ラインＬ１の電位と等電位の電圧を他の供給ラインＬ２に出力する。他の切替部２６は、４つのマルチプレクサ２６ａを備えている。各マルチプレクサ２６ａは、それぞれ、４個の導電弾性体１２に対応して設けられている。各マルチプレクサ２６ａの出力側端子に、ケーブル１２ａ（図２（ｂ）参照）を介して導電弾性体１２が接続されている。各マルチプレクサ２６ａの入力側端子は２つ設けられている。一方の入力側端子にグランドが接続されており、他方の入力側端子に他の供給ラインＬ２が接続されている。

【0074】

たとえば、図８において最も上の被覆付き銅線１３と最も左の導電弾性体１２とが交わる位置のセンサ部Ａ１１について荷重の測定を行う場合について説明する。

【0075】

デジタル制御部２１は、センサ部Ａ１１について測定を開始すると、実施形態１の場合と同様、測定対象のセンサ部Ａ１１の電極を構成する被覆付き銅線１３の銅線１３ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照））が供給ラインＬ１に接続され、他の被覆付き銅線１３の銅線１３ａが供給ラインＬ１に対して非接続となるよう、各マルチプレクサ２３ａの切り替えを行う。また、デジタル制御部２１は、測定対象のセンサ部Ａ１１の電極を構成する導電弾性体１２がグランドに接続され、他の３個の導電弾性体１２が他の供給ラインＬ２に接続されるよう、各マルチプレクサ２６ａの切り替えを行う。また、デジタル制御部２１は、スイッチ３１を非接続状態に設定する。

【0076】

その後、デジタル制御部２１は、抵抗２２を介して、矩形電圧を出力する。このとき、等電位生成部２５により生成された供給ラインＬ１と等電位の電圧が、他の供給ラインＬ２を介して、センサ部Ａ１２～Ａ１４を構成する他の３個の導電弾性体１２に印加される。この状態で電圧計測部２４により測定された電圧がデジタル制御部２１に出力され、荷重が算出される。しかる後、矩形電圧の印加が停止される。そして、全ての導電弾性体１２がグランドに繋がるように各マルチプレクサ２６ａが切り替えられ、スイッチ３１が接続状態に設定され、全てのセンサ部に貯まった電荷が放電される。

【0077】

比較例１によれば、測定対象のセンサ部と同じ行にある他のセンサ部において、陽極側の電位（供給ラインＬ１の電位）と、陰極側の電位（他の供給ラインＬ２の電位）とを同じ電位に設定できるため、他のセンサ部において電荷が貯まることを抑制できる。しかしながら、比較例１では、実施形態１に比べて等電位生成部２５と他の切替部２６を設ける必要があり、回路構成が複雑になってしまう。これに対し、実施形態１では、４つの導電弾性体１２に対してデジタル制御部２１からデジタル信号が印加されるため、電圧の印加および非印加を切り替える他の切替部２６（４つのマルチプレクサ２６ａ）や、陰極側の電位を設定する等電位生成部２５を設ける必要がない。

【0078】

次に、発明者らは、上記実施形態１と、理想的な電圧変化を生じる比較例２とにおいて、電圧変化のシミュレーションを行った。

【0079】

以下のシミュレーションにおいて、実施形態１では、荷重センサ１の行列を３×３とした。すなわち、実施形態１では、３個の被覆付き銅線１３および３個の導電弾性体１２を配置した。比較例２では、実施形態１と比較して、荷重センサ１の行列を１×１とした。すなわち、比較例２では、１個の被覆付き銅線１３および１個の導電弾性体１２のみを配置し、導電弾性体１２には常にローレベルのデジタル信号を印加した。

【0080】

また、以下のシミュレーションにおいて、荷重が加えられていないとき（無荷重状態）および低荷重が加えられているときのセンサ部の容量を１０ｐＦとし、高荷重が加えられているときのセンサ部の容量を１００ｐＦとした。抵抗２２の抵抗値を２２０ｋΩとし、回路全体に含まれる寄生容量を７０ｐＦとした。矩形電圧を３．３Ｖとした。実施形態１のデジタル制御部２１から導電弾性体１２に印加されるハイレベルのデジタル信号を３．３Ｖとした。

【0081】

図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部２４により取得される供給ラインＬ１の電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【0082】

図９（ａ）、（ｂ）には、矩形電圧が点線で示され、実施形態１においてデジタル制御部２１から出力されるハイレベルのデジタル信号が細い実線で示され、実施形態１において測定される抵抗２２の下流側の測定電圧が太い実線で示され、比較例２において測定される抵抗２２の下流側の測定電圧が破線で示されている。なお、図９（ａ）、（ｂ）では、矩形電圧とデジタル信号は完全に一致している。

【0083】

本シミュレーションでは、１０μ秒が経過したときに、矩形電圧とハイレベルのデジタル信号の印加を開始した。このとき、比較例２では、測定対象のセンサ部と同じ行（被覆付き銅線１３の銅線１３ａ）に他のセンサ部がないため、他のセンサ部の影響を受けることなく、１０μ秒後から滑らかに測定電圧が上昇した。

【0084】

一方、実施形態１では、測定対象のセンサ部と同じ行に２つの他のセンサ部があるため、他のセンサ部の影響を受けて１０μ秒後に電圧が一段高くなるものの、その後、比較例２よりも小さい傾きで滑らかに測定電圧が上昇した。このように、実施形態１の測定電圧は、低荷重と高荷重の何れの場合も、理想的な電圧変化を生じる比較例２の測定電圧に沿った形状となった。したがって、たとえば、５０μ秒付近の読取時間Ｔｒにおいて測定電圧を読み取ることにより、実施形態１においても適正な測定電圧を取得できることが分かった。

【0085】

＜実施形態の効果＞
以上、実施形態によれば、以下の効果が奏される。

【0086】

被覆付き銅線１３の銅線１３ａと導電弾性体１２の交差位置のうち、測定対象以外の交差位置の導電弾性体１２に、デジタル制御部２１からデジタル信号（ハイレベルの電圧信号）を印加することにより、これら交差位置に電荷が貯まることを抑制できる。よって、測定対象の交差位置の静電容量に応じた電圧を適切に測定できる。ここで、測定対象以外の交差位置の導電弾性体１２には、デジタル制御により所定の電圧レベルの信号（ハイレベルのデジタル信号）が供給されるため、図８に示した比較例１のように、導電弾性体１２ごとに、電圧の印加および非印加を切り替えるアナログスイッチ（マルチプレクサ２６ａ等）や、導電弾性体１２に供給ラインＬ１と同等の電圧を印加するための等電位生成部２５を設ける必要がない。よって、回路構成が複雑になることを抑制し、回路構成の簡素化とコストの低減を図ることができる。

【0087】

デジタル制御部２１は、矩形電圧と等しい電圧レベルにデジタル信号（ハイレベルの電圧信号）を設定する。これにより、図９（ａ）、（ｂ）に示したように、供給ラインＬ１に生じる電位（実施形態１の測定電圧）を理想的な電圧変化（比較例２の測定電圧の変化）に近付けることができるため、精度よく荷重を測定することができる。なお、矩形電圧とデジタル制御部２１が印加するハイレベルのデジタル信号とは完全に一致してなくてもよく、実質的に等しいレベルであればよい。

【0088】

デジタル制御部２１は、矩形電圧の出力開始タイミングと同じタイミングで、ハイレベルのデジタル信号の印加を開始する。これにより、これにより、図９（ａ）、（ｂ）に示したように、供給ラインＬ１に生じる電位（実施形態１の測定電圧）を理想的な電圧変化（比較例２の測定電圧の変化）に近付けることができるため、精度よく荷重を測定することができる。なお、矩形電圧の出力開始タイミングと、デジタル制御部２１がハイレベルのデジタル信号の印加を開始するタイミングとは完全に一致してなくてもよく、実質的に等しいタイミングであればよい。

【0089】

複数の被覆付き銅線１３（銅線１３ａ）が導電弾性体１２の延びる方向に沿って並んで配置されており、導電弾性体１２は、銅線１３ａに対し、誘電体１３ｂを介して交差している。また、切替部２３は、供給ラインＬ１を各銅線１３ａに対して接続および非接続の何れかに選択的に切り替える。これにより、マトリクス状に配置された交差位置の荷重（センサ部にかかる荷重）を測定することができる。

【0090】

＜実施形態２＞
上記実施形態１では、図９（ａ）、（ｂ）に示したように、デジタル制御部２１が導電弾性体１２に印加するハイレベルのデジタル信号は、矩形電圧と等しく設定された。これに対し、実施形態２では、デジタル制御部２１が導電弾性体１２に印加するハイレベルのデジタル信号は、矩形電圧よりも低く設定される。

【0091】

図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態２に係る、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部２４により取得される供給ラインＬ１の電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【0092】

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、ハイレベルのデジタル信号は、矩形電圧に比べて低く、１Ｖ程度に設定されたことで、図９（ａ）、（ｂ）に示した実施形態１の場合と比較して、実施形態２の測定電圧の曲線は下方向に移動し、比較例２に近付けられている。特に、１０μ秒における測定電圧の立ち上がりが顕著に低く抑えられている。これにより、実施形態２の測定電圧と比較例２の測定電圧との交点が、実施形態１の場合と比較して早められている。

【0093】

以上のように、実施形態２によれば、デジタル制御部２１は、導電弾性体１２に印加するハイレベルのデジタル信号の電圧レベルが、矩形電圧よりも低く設定される。これにより、実施形態２の測定電圧と比較例２の測定電圧との交点が早められるため、供給ラインＬ１に生じる電位を理想的な電圧変化に早いタイミングで近付けることができる。たとえば、図１０（ａ）、（ｂ）の場合、低荷重および高荷重の何れの場合も、読取時間Ｔｒを１８μ秒付近に設定することにより、理想的な測定電圧を取得することができる。よって、１つのセンサ部にかかる荷重の測定時間を短く設定できるため、荷重検出装置３による荷重の測定を迅速に行うことができる。

【0094】

＜実施形態３＞
上記実施形態１では、図９（ａ）、（ｂ）に示したように、デジタル制御部２１が導電弾性体１２にハイレベルのデジタル信号の印加を開始するタイミングは、矩形電圧の出力開始タイミングと同じに設定された。これに対し、実施形態３では、矩形電圧の出力開始タイミングから所定時間だけ遅れたタイミングで、デジタル制御部２１がハイレベルのデジタル信号の印加を開始する。

【0095】

図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態３に係る、測定対象となるセンサ部に低荷重および高荷重を加えた状態で、電圧計測部２４により取得される供給ラインＬ１の電位（測定電圧）をシミュレーションにより算出した結果である。

【0096】

図１１（ａ）に示すように、低荷重の場合、ハイレベルのデジタル信号の印加は、矩形電圧の出力開始タイミングよりも１５μ秒程度遅く開始されたことで、実施形態３の測定電圧は、図９（ａ）に示した実施形態１の場合と比較して、読取時間Ｔｒ付近において、さらに比較例２に近付けられている。一方、図１１（ｂ）に示すように、高荷重の場合、実施形態３の測定電圧は、図９（ｂ）に示した実施形態１の場合と比較して、読取時間Ｔｒ付近において、やや比較例２の曲線から離れている。ただし、高荷重の場合、ハイレベルのデジタル信号の印加を遅らせる遅延時間を１５μ秒よりも小さくすることで、実施形態３の測定電圧を、図９（ｂ）に示した実施形態１の場合と比較して、読取時間Ｔｒ付近において、さらに比較例２に近付けることができる。

【0097】

以上のように、実施形態３によれば、デジタル制御部２１は、矩形電圧の出力開始タイミングから所定時間だけ遅れたタイミングで、導電弾性体１２にハイレベルのデジタル信号の印加を開始する。これにより、供給ラインＬ１に生じる電圧を理想的な電圧値に顕著に漸近させることができる。

【0098】

＜実施形態４＞
上記実施形態２では、ハイレベルのデジタル信号が、矩形電圧よりも低く設定され、上記実施形態３では、ハイレベルのデジタル信号の印加を開始するタイミングが、矩形電圧の出力開始タイミングよりも遅く設定された。

【0099】

ここで、上記実施形態２のように、矩形電圧の出力開始タイミングと同じタイミングで、矩形電圧よりも低い電圧レベルのデジタル信号（ハイレベルのデジタル信号）の印加を開始する動作モードを「第１モード」と称する。また、上記実施形態３のように、矩形電圧の出力開始タイミングから所定時間だけ遅れたタイミングで、矩形電圧と等しい電圧レベルのデジタル信号（ハイレベルのデジタル信号）の印加を開始する動作モードを「第２モード」と称する。実施形態４では、上記のような２つの動作モードが状況に応じて切り替えられる。

【0100】

図１２は、実施形態４の動作モードの切り替えを示すフローチャートである。

【0101】

荷重検出装置３が起動すると、デジタル制御部２１は、動作モードを第１モードに設定する（Ｓ１１）。これにより、上記実施形態２のように、ハイレベルのデジタル信号が、矩形電圧よりも低く設定される。続いて、デジタル制御部２１は、各センサ部にかかる荷重に基づいて、荷重の変動頻度を取得する（Ｓ１２）。Ｓ１２において、デジタル制御部２１は、たとえば、センサ部ごとに、一定の時間内に所定の閾値以上の荷重変動が何回生じたかをカウントし、各センサ部のカウント数を平均した値を、荷重の変動頻度として取得する。

【0102】

続いて、デジタル制御部２１は、Ｓ１２で取得した荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１３）。荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１より大きい場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、デジタル制御部２１は、処理をＳ１１に戻して第１モードを維持する。

【0103】

他方、荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１以下である場合（Ｓ１３：ＮＯ）、デジタル制御部２１は、動作モードを第２モードに設定する（Ｓ１４）。続いて、デジタル制御部２１は、各センサ部にかかる荷重に基づいて、各センサ部が検出した荷重の合計である総荷重と、Ｓ１２と同様の荷重の変動頻度とを取得する（Ｓ１５）。なお、Ｓ１５において、総荷重に代えて、各センサ部が検出した荷重の平均が取得されてもよい。

【0104】

続いて、デジタル制御部２１は、Ｓ１５で取得した総荷重が閾値Ｔｈ２より大きいか否かを判定する（Ｓ１６）。総荷重が閾値Ｔｈ２以下である場合（Ｓ１６：ＮＯ）、デジタル制御部２１は、ハイレベルのデジタル信号を導電弾性体１２に印加するタイミングを、第１タイミングに設定する（Ｓ１７）。第１タイミングは、たとえば、図１１（ａ）の場合、３０μ秒に設定される。他方、総荷重が閾値Ｔｈ２より大きい場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、デジタル制御部２１は、ハイレベルのデジタル信号を導電弾性体１２に印加するタイミングを、第１タイミングよりも早く矩形電圧の出力開始タイミングよりも遅いタイミングに設定する（Ｓ１８）。

【0105】

続いて、デジタル制御部２１は、Ｓ１５で取得した荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１９）。荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１より大きい場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）、デジタル制御部２１は、処理をＳ１１に戻して動作モードを第１モードに変更する。他方、荷重の変動頻度が閾値Ｔｈ１以下である場合（Ｓ１９：ＮＯ）、デジタル制御部２１は、処理をＳ１４に戻して第２モードを維持する。

【0106】

以上のように、実施形態４によれば、荷重の変動周期や、荷重の大小に応じて、第１モードと第２モードとを選択的に切り替えることにより、荷重の測定精度を高めることができる。

【0107】

すなわち、荷重の変動頻度が大きい場合には第１モードに設定されるため、図１０（ａ）、（ｂ）に示したように、読取時間Ｔｒを早めたとしても測定電圧を精度よく取得できる。これにより、読取時間Ｔｒを早めて荷重の変動に合わせた迅速な荷重測定を行うことができるとともに、荷重の測定精度を高めることができる。

【0108】

また、上記実施形態３で説明したように、ハイレベルのデジタル信号の開始タイミングが矩形電圧の開始タイミングに対して比較的大きく遅れる場合（図１１（ａ）のような場合）、低荷重を精度よく測定できる。一方、ハイレベルのデジタル信号の開始タイミングが矩形電圧の開始タイミングに対して小さく遅れている場合、高荷重を精度よく測定できる。そして、実施形態４によれば、総荷重が閾値Ｔｈ２以下である場合にハイレベルのデジタル信号の印加タイミングを第１タイミングに設定し、総荷重が閾値Ｔｈ２より大きい場合にハイレベルのデジタル信号の印加タイミングを第２タイミングに設定する。したがって、実施形態４によれば、荷重に応じてハイレベルのデジタル信号の印加タイミングが設定されるため、荷重の大きさに応じて荷重をより精度良く測定できる。

【0109】

なお、ハイレベルのデジタル信号を印加するタイミングは、矩形電圧の出力開始タイミングに対して、同じタイミング、第１タイミング、および第２タイミングにする３種類の設定が考えられ、また、ハイレベルのデジタル信号のレベルは、矩形電圧に対して、同じレベルおよび低いレベルの２種類の設定が考えられる。したがって、これらを適宜組み合わせることにより、デジタル制御部２１は、６種類の動作モードを備えていてもよい。

【0110】

また、実施形態４では、荷重の変動周期や荷重の大小に応じて自動的に動作モードが切り替えられたが、ユーザが、荷重の変動頻度や荷重の大小を考慮して、ボタン等の操作部を介して動作モードを選択してもよい。

【0111】

＜変更例＞
荷重センサ１、検出回路２および荷重検出装置３の構成は、上記実施形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

【0112】

たとえば、上記実施形態において、荷重センサ１は、複数の被覆付き銅線１３を備えたが、少なくとも１つ以上の被覆付き銅線１３を備えればよい。たとえば、荷重センサ１に備えられる被覆付き銅線１３は、１つでもよい。

【0113】

また、上記実施形態において、切替部２３は、４つのマルチプレクサ２３ａを備えたが、切替部２３の構成はこれに限らない。たとえば、切替部２３は、１つのデマルチプレクサのみを備えてもよい。

【0114】

図１３は、この場合の変更例に係る、荷重検出装置３の回路構成を示す図である。

【0115】

切替部２３は、１つのデマルチプレクサ２３ｂを備えている。デマルチプレクサ２３ｂの入力側端子は１つ設けられており、この入力側端子に供給ラインＬ１が接続される。デマルチプレクサ２３ｂの出力側端子は４つ設けられており、４つの出力側端子にそれぞれ被覆付き銅線１３の銅線１３ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）が接続される。

【0116】

このように切替部２３がデマルチプレクサ２３ｂにより構成される場合も、上記実施形態と同様、供給ラインＬ１を、被覆付き銅線１３の銅線１３ａに対して、接続および非接続の何れかに選択的に切り替えることができる。また、切替部２３がデマルチプレクサ２３ｂにより構成されるため、切替部２３の構成を簡素化できる。

【0117】

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

【0118】

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

【0119】

また、上記実施形態において、被覆付き銅線１３の銅線１３ａは、切替部２３（４個のマルチプレクサ２３ａ）によって、供給ラインＬ１に対して接続および非接続の何れかに選択的に切り替えられた。しかしながら、切替部２３はマルチプレクサによって構成されなくてもよく、マルチプレクサ以外の切替回路により構成されてもよい。

【0120】

また、上記実施形態では、デジタル制御部２１が抵抗２２を介して矩形電圧を供給ラインＬ１に出力したが、直流電源からの電圧を抵抗２２に対して供給するためのスイッチをデジタル制御部２１が制御することにより、抵抗２２を介して供給ラインＬ１に矩形電圧が供給される構成であってもよい。

【0121】

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。

【符号の説明】

【0122】

１ 荷重センサ（静電容量型荷重センサ）
２ 検出回路
３ 荷重検出装置
１２ 導電弾性体（第２電極）
１３ａ 銅線（第１電極）
１３ｂ 誘電体
２１ デジタル制御部
２２ 抵抗
２３ 切替部
２３ｂ デマルチプレクサ
２４ 電圧計測部
Ｌ１ 供給ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】