特許 7386445 荷重センサ

(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】2023-11-16

(45)【発行日】2023-11-27

(54)【発明の名称】荷重センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20231117BHJP

【ＦＩ】

G01L1/14 J

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2021542576

(86)(22)【出願日】2020-06-29

(86)【国際出願番号】 JP2020025549

(87)【国際公開番号】W WO2021039094

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2022-11-02

(31)【優先権主張番号】P 2019155076

(32)【優先日】2019-08-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】相原 唯

(72)【発明者】

【氏名】浦上 進

(72)【発明者】

【氏名】森浦 祐太

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１０８０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１７４１６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０２４７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４９８６１３６（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０１－０９２６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０１９０１０８９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／１４

Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極と、
前記電極の下面に形成された誘電体と、
前記誘電体の下面に対向して配置され、導電性を有する弾性体と、を備え、
前記弾性体の上面には、複数の突起部が形成され、
前記弾性体は、少なくとも一部に、上下方向に撓んだ撓み形状を有し、
前記電極の上面にかかる荷重の増加に応じて、前記弾性体の撓みが小さくなって、前記誘電体に接触する前記突起部の数が増加する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の荷重センサにおいて、
前記撓み形状は、中央部が端部に比べて前記誘電体に近くなるように撓んでいる、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項3】

請求項１に記載の荷重センサにおいて、
前記撓み形状は、端部が中央部に比べて前記誘電体に近くなるように撓んでいる、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項4】

請求項２または３に記載の荷重センサにおいて、
前記撓み形状は、球面状に撓んでいる、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項5】

請求項１に記載の荷重センサにおいて、
前記撓み形状は、円柱面状に撓んでいる、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項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、
前記弾性体は、前記撓み形状を複数有する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項7】

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、
前記弾性体は、全体が上下方向に撓んでいる、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項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、
前記誘電体の下面は、上下方向に湾曲している、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項9】

請求項１ないし８の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記複数の突起部は、前記弾性体の上面に格子状に並んで形成されている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項10】

請求項１ないし８の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記複数の突起部は、前記弾性体の上面に蜂の巣構造状に並んで形成されている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項11】

請求項１ないし８の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記複数の突起部は、前記弾性体の上面に放射状に並んで形成されている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項12】

請求項１ないし１１の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記突起部は、前記誘電体に近づくにつれて断面積が小さくなっている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項13】

請求項１２に記載の荷重センサにおいて、
前記突起部は、球面形状を有する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項14】

請求項１２に記載の荷重センサにおいて、
前記突起部は、錐体形状を有する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項15】

請求項１２に記載の荷重センサにおいて、
前記突起部は、錐台形状を有する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項16】

請求項１２に記載の荷重センサにおいて、
前記突起部は、突条形状を有する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項17】

請求項１ないし１６の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
互いに所定の間隔をあけて並んで配置される複数の前記弾性体を備える、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項18】

請求項１ないし１７の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記弾性体の下面に、前記弾性体の撓みを規定する金属製の薄板が設けられている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項19】

請求項１ないし１８の何れか一項に記載の荷重センサにおいて、
前記撓み形状の中央部に、開口が設けられている、
ことを特徴とする荷重センサ。

【請求項20】

電極と、
前記電極の下面に形成された誘電体と、
前記誘電体の下面に対向して配置され、導電性を有する弾性体と、を備え、
前記弾性体の上面には、複数の突起部が形成され、
前記弾性体および前記電極の少なくとも何れか一方は、少なくとも一部に、上下方向に撓んだ撓み形状を有し、
前記電極の上面にかかる荷重の増加に応じて、前記弾性体および前記電極の少なくとも何れか一方の撓みが小さくなって、前記誘電体に接触する前記突起部の数が増加する、
ことを特徴とする荷重センサ。

【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荷重センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＨＭＩ（Human Machine Interface）として、キーボードやゲームコントローラーなど様々な機器に静電容量式の荷重センサが用いられている。たとえば、以下の特許文献１には、主基板と、電極と、絶縁層と、変位生成体と、弾性導電層とを備えた力検出装置が記載されている。この装置において、電極は、主基板の上面に形成されており、絶縁層に覆われている。変位生成体は、固定部と、可撓部と、作用部とを備え、作用部は、主基板に固定された固定部に対して可撓部を介して接続されている。弾性導電層は、作用部の底面に形成され、下面に多数の凹凸構造からなる粗面が形成されている。作用部が主基板に対して押し込まれることにより、絶縁層の上面と弾性導電層の粗面との接触状態が変化し、電極と弾性導電層とに基づく静電容量が変化する。静電容量の大きさを電気的に検出することにより、作用した力（荷重）が検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第４４２９４７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

静電容量式の荷重センサでは、荷重に応じて静電容量がリニアに変化することが好ましい。すなわち、荷重に応じて静電容量がリニアに変化すると、静電容量の大きさから荷重を算出するための処理が極めて簡素になる。このため、静電容量式の荷重センサでは、荷重に応じて静電容量がリニアに変化する範囲をなるべく広く確保できることが好ましい。しかしながら、上記特許文献１の構成では、電極と弾性導電層とに基づく静電容量が荷重に応じてリニアに変化する範囲が狭い。このため、この構成では、広いダイナミックレンジに対して簡素な処理により荷重を検出することが困難であった。

【0005】

かかる課題に鑑み、本発明は、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出す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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様に係る荷重センサは、電極と、前記電極の下面に形成された誘電体と、前記誘電体の下面に対向して配置され、導電性を有する弾性体と、を備える。前記弾性体の上面には、複数の突起部が形成され、前記弾性体は、少なくとも一部に、上下方向に撓んだ撓み形状を有する。前記電極の上面にかかる荷重の増加に応じて、前記弾性体の撓みが小さくなって、前記誘電体に接触する前記突起部の数が増加する。

【0007】

本態様に係る荷重センサによれば、弾性体の少なくとも一部が、上下方向に撓んでいるため、電極の上面が押されると、誘電体の下面が弾性体を押し、電極にかかる荷重に応じて弾性体に形成された撓みが小さくなっていく。このとき、弾性体に形成された複数の突起部は、撓みの頂部付近の突起部から撓みの裾野付近の突起部へと順に誘電体に接触していく。これにより、誘電体に接触する突起部の数が、荷重の増加に伴い増加する。また、荷重の増加に応じて突起部が縮み、突起部と誘電体との間の接触面積が増加する。さらに、弾性体の撓みが無くなった後は、荷重により突起部が縮むことに応じて、誘電体と弾性体との間の距離が減少する。このように、誘電体に接触する突起部の数と、突起部と誘電体との間の接触面積と、誘電体と弾性体との間の距離とを変化させることによって、電極、誘電体および弾性体により形成されるコンデンサの静電容量を、広い荷重の範囲においてリニアに変化させることができる。これにより、広いダイナミックレンジにおいて簡素な処理により、荷重を検出できる。このように、本態様に係る荷重センサによれば、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出することができる。

【0008】

本発明の第２の態様に係る荷重センサは、電極と、前記電極の下面に形成された誘電体と、前記誘電体の下面に対向して配置され、導電性を有する弾性体と、を備える。前記弾性体の上面には、複数の突起部が形成され、前記弾性体および前記電極の少なくとも何れか一方は、少なくとも一部に、上下方向に撓んだ撓み形状を有する。前記電極の上面にかかる荷重の増加に応じて、前記弾性体および前記電極の少なくとも何れか一方の撓みが小さくなって、前記誘電体に接触する前記突起部の数が増加する。

【0009】

本態様に係る荷重センサによれば、第１の態様と同様の効果が奏される。

【発明の効果】

【0010】

以上のとおり、本発明によれば、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出することが可能な荷重センサを提供できる。

【0011】

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】

【0012】

【図1】図１は、実施形態に係る、荷重センサの構成を模式的に示す分解斜視図である。

【図2】図２（ａ）は、実施形態に係る、金属板と一体的に成型された導電弾性体が撓んでいる状態を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、実施形態に係る、組み立てが完了した荷重センサの構成を模式的に示す斜視図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の荷重センサの内部を模式的に示す側面図である。

【図4】図４（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、Ｘ軸負方向に見た場合の荷重センサの内部を模式的に示す側面図である。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、Ｚ軸負方向に見た場合の導電弾性体と誘電体との接触面積を模式的に示す上面図である。

【図6】図６（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、Ｚ軸負方向に見た場合の導電弾性体と誘電体との接触面積を模式的に示す上面図である。

【図7】図７（ａ）は、実施形態および比較例に係る、Ｙ軸方向に並ぶ全ての突起部が誘電体によって押さえられている状態を模式的に示す側面図である。図７（ｂ）は、比較例に係る、２種類のコンデンサ部の静電容量の変化を模式的に示すグラフ、および、２種類のコンデンサ部の静電容量を加算したトータルの静電容量の変化を模式的に示すグラフである。図７（ｃ）は、実施形態に係る、２種類のコンデンサ部の静電容量を加算したトータルの静電容量の変化を模式的に示すグラフである。

【図8】図８（ａ）、（ｂ）は、実施形態の検証実験に係る、荷重センサの各部のサイズを説明するための模式図である。

【図9】図９（ａ）は、実施形態の検証実験に係る、荷重と静電容量との関係を示すグラフである。図９（ｂ）は、実施形態の検証実験に係る、反り率とダイナミックレンジとの関係を示すグラフである。

【図10】図１０（ａ）は、変更例に係る、円柱面状の撓み形状を有する導電弾性体を模式的に示す斜視図である。図１０（ｂ）は、変更例に係る、複数の撓み形状を有する導電弾性体を模式的に示す斜視図である。図１０（ｃ）は、変更例に係る、部分的に撓み形状を有する導電弾性体を模式的に示す斜視図である。

【図11】図１１（ａ）は、変更例に係る、電極の下面および誘電体の下面がＺ軸負方向に湾曲している状態を模式的に示す側面図である。図１１（ｂ）は、変更例に係る、導電弾性体および金属板がＺ軸負方向に撓んでいる状態を模式的に示す側面図である。

【図12】図１２（ａ）は、変更例に係る、複数の突起部が蜂の巣構造状に並んで配置された導電弾性体の構成を模式的に示す上面図である。図１２（ｂ）は、変更例に係る、複数の突起部が放射状に並んで配置された導電弾性体の構成を模式的に示す上面図である。

【図13】図１３（ａ）は、変更例に係る、円錐形状を有する突起部の構成を模式的に示す側面図である。図１３（ｂ）は、変更例に係る、四角錐台形状を有する突起部の構成を模式的に示す側面図である。

【図14】図１４（ａ）～（ｃ）は、変更例に係る、突条形状を有する突起部の構成を模式的に示す斜視図である。

【図15】図１５は、変更例に係る、２つの導電弾性体が配置された荷重センサの構成を模式的に示す分解斜視図である。

【図16】図１６（ａ）は、変更例に係る、金属板および導電弾性体がＸ－Ｙ平面に平行であり、誘電体および電極が撓み形状を有する状態を模式的に示す側面図である。図１６（ｂ）は、変更例に係る、金属板および導電弾性体と、誘電体および電極とが撓み形状を有する状態を模式的に示す側面図である。

【図17】図１７（ａ）は、変更例に係る、Ｚ軸負方向に見た場合の導電弾性体および開口を模式的に示す上面図である。図１７（ｂ）は、変更例に係る、金属板および導電弾性体に形成された開口を模式的に示す側面図である。

【図18】図１８（ａ）は、変更例に係る、金属板および導電弾性体と、誘電体および電極とが、互いに接近方向に撓んだ撓み形状を有する場合に、金属板および導電弾性体に形成された開口を模式的に示す側面図である。図１８（ｂ）は、変更例に係る、金属板および導電弾性体と、誘電体および電極とが、互いに接近方向に撓んだ撓み形状を有する場合に、金属板および導電弾性体と、誘電体および電極とに形成された開口を模式的に示す側面図である。

【0013】

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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、付与された荷重に応じた入力を行うための入力部に適用可能である。具体的に、本発明は、ＰＣキーボード等の電子機器の入力部、ゲームコントローラーの入力部、ロボットハンドが物体を検知するための表層部、音量、風量、光量および温度などを入力するための入力部、スマートウォッチ等のウェアラブル機器の入力部、ワイヤレスイヤホン等のヒアラブル機器の入力部、タッチパネルの入力部、電子ペンにおいてインク量等を調節するための入力部、ペンライトにおいて光量や色などを調節するための入力部、光る衣服において光量などを調節するための入力部、ならびに、楽器において音量などを調節するための入力部、などに適用可能である。

【0015】

以下の実施形態は、上記のような装置において典型的に設けられる荷重センサである。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。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。

【0016】

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。

【0017】

図１は、荷重センサ１の構成を模式的に示す分解斜視図である。

【0018】

荷重センサ１は、基板１０と、金属板２０と、導電弾性体３０と、誘電体４０と、電極５０と、カバー６０と、を備える。

【0019】

基板１０は、所定の厚みを有する直方体形状の板であり、金属板２０、導電弾性体３０、誘電体４０、電極５０、およびカバー６０を重ねて設置するための支持部材である。基板１０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、ポリイミドなどから選択される少なくとも１種の樹脂材料である。基板１０の上面は、Ｘ－Ｙ平面に平行である。

【0020】

金属板２０は、表面が平らな金属製の薄板であり、たとえばＳＵＳ（ステンレス鋼）により構成される。

【0021】

導電弾性体３０は、導電性を有する弾性部材であり、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。導電弾性体３０に樹脂材料が用いられる場合、樹脂材料は、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（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である。

【0022】

導電弾性体３０にゴム材料が用いられる場合、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、ウレタンゴムから選択される少なくとも１種のゴム材料である。導電弾性体３０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））から選択される少なくとも１種の材料である。

【0023】

導電弾性体３０の上面３２（Ｚ軸正側の面）には、Ｚ軸正方向に突出した複数の突起部３１が格子状に並んで形成されている。突起部３１は、Ｚ軸正方向に進むにつれて断面積が小さくなっており、球面形状を有する。図１に示す例では、上面３２において、Ｘ軸方向に１０列、Ｙ軸方向に２０列の突起部３１が並んでおり、合計２００個の突起部３１が形成されている。また、導電弾性体３０には、荷重センサ１の外部の装置と導電弾性体３０とを電気的に接続するための導線３４が設置されている。

【0024】

ここで、金属板２０と導電弾性体３０は、たとえば、インジェクション成形（インサート成形）により一体的に成型される。具体的には、金型内に金属板２０をあらかじめ挿入しておき、そこへ導電弾性体３０の材料を注入して金属と樹脂を一体化する成形方法により、一体構造が製造される。この場合、成型後の冷却過程において、金属板２０と導電弾性体３０の膨張率の差により、中央部が端部に比べて撓んでいる形状となる。このように金属板２０と導電弾性体３０とが一体的に成型されることにより、金属板２０と導電弾性体３０は、Ｘ－Ｙ平面内の中心がＺ軸正方向（誘電体４０の下面４１に垂直な方向）に突出するように撓む。すなわち、金属板２０と導電弾性体３０とが一体的に成型された構造体は、Ｘ－Ｙ平面に対して垂直な方向に球面状に撓んでおり、球面状に撓んだ頂点部分（Ｘ－Ｙ平面内の中心付近）が、Ｚ軸正方向に突出している。

【0025】

図２（ａ）は、金属板２０と一体的に成型された導電弾性体３０が撓んでいる状態を模式的に示す斜視図である。図２（ａ）では、便宜上、突起部３１の図示は省略されており、導電弾性体３０撓み度合いが大きく図示されている。図２（ａ）に示すように、導電弾性体３０は、Ｘ－Ｙ平面内における中央部Ｐ１が端部に比べてＺ軸正方向に突出した状態となるよう撓んでいる。図２（ａ）に示す導電弾性体３０は、全体が上下方向に撓んでおり、導電弾性体３０が有する撓み形状は１つである。

【0026】

図１に戻り、誘電体４０は、電気絶縁性を有し、たとえば、ポリプロピレン樹脂、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、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＴａ_２Ｏ_５などにより構成される。電極５０は、導電性を有する金属であり、たとえば、Ｉｎ_２Ｏ_３やＺｎＯおよび／またはＳｎＯ_２等から成る電極材料により構成される。誘電体４０は、たとえば蒸着により、電極５０の下面５１に形成される。電極５０の下面５１はＸ－Ｙ平面に平行であり、誘電体４０は、下面４１がＸ－Ｙ平面に平行となるよう、電極５０の下面５１に形成される。

【0027】

カバー６０は、可撓性を有する材料により構成され、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、ポリイミドなどから選択される少なくとも１種の樹脂材料である。

【0028】

荷重センサ１の組み立て時には、金属板２０と導電弾性体３０からなる構造体が、撓みが維持された状態で、基板１０の上面に設置される。そして、導電弾性体３０が誘電体４０の下面４１に対向するよう、誘電体４０および電極５０からなる構造体が、金属板２０および導電弾性体３０からなる構造体の上面に載置される。そして、カバー６０が電極５０の上に被せられ、カバー６０の周囲が基板１０の上面に設置される。こうして、図２（ｂ）に示すように荷重センサ１が完成する。

【0029】

図２（ｂ）は、組み立てが完了した荷重センサ１の構成を模式的に示す斜視図である。

【0030】

荷重センサ１の内部の導電弾性体３０、誘電体４０、および電極５０は、コンデンサとしての機能を有する。カバー６０の上面に対して荷重が加えられると、誘電体４０の下面４１（図１参照）が導電弾性体３０を下方向（Ｚ軸負方向）に押し、導電弾性体３０が変形する。これにより、導電弾性体３０、誘電体４０、および電極５０からなるコンデンサの静電容量が変化する。かかる静電容量の変化は、導線３４に接続された外部装置により検出される。外部装置は、静電容量の変化に基づいて、荷重センサ１に対して付与された荷重を検出する。

【0031】

図３（ａ）～図４（ｂ）は、Ｘ軸負方向に見た場合の荷重センサ１の内部を模式的に示す側面図である。図３（ａ）～図４（ｂ）は、便宜上、Ｙ軸方向に３つの突起部３１が並んでいるものとして図示されており、Ｚ軸方向のスケールが大きく図示されている。

【0032】

図３（ａ）に示すように、本実施形態では、カバー６０に対して荷重が加えられていない場合（以下、「初期状態」と称する）、中央の突起部３１の上端と誘電体４０の下面４１との距離は０であり、誘電体４０から導電弾性体３０へは力が加えられていない。

【0033】

図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の初期状態からカバー６０の上面に荷重が加えられると、図３（ａ）の状態から誘電体４０の下面４１が下方向に移動する。これにより、中央の突起部３１は、誘電体４０の下面４１によって下方向に押される。このとき、荷重が小さいと、図３（ｂ）に示すように、中央の突起部３１が誘電体４０によって弾性変形するものの、端部の突起部３１は、誘電体４０の下面４１に接しない。

【0034】

図４（ａ）に示すように、図３（ｂ）の状態からカバー６０の上面にさらに荷重が加えられると、図３（ｂ）の状態からさらに誘電体４０の下面４１が下方向に移動する。これにより、導電弾性体３０の撓みが解消され、導電弾性体３０がＸ－Ｙ平面に平行な状態となる。このとき、全ての突起部３１は、誘電体４０の下面４１に接触しており、全ての突起部３１には、誘電体４０からほぼ等しく力が加えられている。このとき、各突起部３１の上端は、僅かに弾性変形することになる。

【0035】

図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の状態からカバー６０の上面にさらに荷重が加えられると、図４（ａ）の状態からさらに誘電体４０の下面４１が下方向に移動する。これにより、全ての突起部３１の上端は、さらに弾性変形して下方向に縮められる。

【0036】

図５（ａ）～図６（ｂ）は、荷重の増加とともに、導電弾性体３０の突起部３１が弾性変形し、導電弾性体３０と誘電体４０との接触面積が広くなる状態を模式的に示す上面図である。図５（ａ）～図６（ｂ）では、便宜上、Ｚ軸負方向に見た場合の導電弾性体３０のみが示されており、導電弾性体３０と誘電体４０との接触領域には、ハッチングが施されている。

【0037】

図５（ａ）に示すように、初期状態においては、導電弾性体３０と誘電体４０とは接触していない。図５（ａ）の状態から荷重が加えられると、図５（ｂ）に示すように、誘電体４０が突起部３１に押し付けられ、導電弾性体３０の中央部Ｐ１（初期状態における導電弾性体３０の球面形状の上端位置）を中心に、突起部３１と誘電体４０との接触領域が広がる。図５（ｂ）の状態からさらに荷重が加えられると、図６（ａ）に示すように、誘電体４０が全ての突起部３１に押し付けられ、全ての突起部３１が誘電体４０と接触する。図６（ａ）の状態からさらに荷重が加えられると、図６（ｂ）に示すように、誘電体４０が突起部３１にさらに押し付けられ、突起部３１と誘電体４０との接触面積がさらに広がる。

【0038】

このように、本実施形態によれば、加えられた荷重に応じて、誘電体４０に接触する突起部３１の数が増加し、さらに、導電弾性体３０と誘電体４０との接触面積が広がる。また、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、全ての突起部３１が誘電体４０に接触した後は、荷重に応じて、突起部３１が縮んで、誘電体４０と導電弾性体３０の上面３２との距離が短くなる。これらの要素により、本実施形態では、加えられた荷重に応じて、導電弾性体３０、誘電体４０、および電極５０が形成するコンデンサの静電容量が徐々に変化することになる。

【0039】

次に、本実施形態の静電容量が荷重に応じてリニアに変化することについて説明する。

【0040】

図７（ａ）は、カバー６０の上面に対して荷重が加えられ、Ｙ軸方向に並ぶ全ての突起部３１が誘電体４０によって押さえられている状態を模式的に示す側面図である。

【0041】

突起部３１が誘電体４０の下面４１に接触することにより、突起部３１と下面４１とが接触しない領域に基づくコンデンサ部Ａと、突起部３１と下面４１とが接触する領域に基づくコンデンサ部Ｂとが形成される。コンデンサ部Ａは、誘電体４０の下面４１に接触していない導電弾性体３０の部分と、下面４１に接触していない導電弾性体３０の部分と対向する位置に存在する電極５０の部分と、これらの間に位置付けられた誘電体４０および空気層の部分と、から構成されている。一方、コンデンサ部Ｂは、誘電体４０の下面４１に接触している導電弾性体３０の部分と、下面４１に接触している導電弾性体３０の部分と対向する位置に存在する電極５０の部分と、これらの間に位置付けられた誘電体４０の部分と、から構成されている。

【0042】

本実施形態のように導電弾性体３０に突起部３１が設けられていると、荷重が加えられたときに、突起部３１と誘電体４０との接触面積が変化し、さらに、空気層のギャップが変化する。これにより、コンデンサ部Ａの静電容量とコンデンサ部Ｂの静電容量とが変化する。

【0043】

ここで、比較例における静電容量の変化について説明する。

【0044】

比較例では、本実施形態とは異なり、初期状態において金属板２０と導電弾性体３０とがＸ－Ｙ平面に平行な状態となっている。このため、比較例では、初期状態からカバー６０に対して荷重が加えられると、全ての突起部３１が誘電体４０の下面４１によって同時に押されることになる。

【0045】

図７（ｂ）の左上のグラフは、比較例における全てのコンデンサ部Ａに基づく静電容量の変化を模式的に示すグラフである。コンデンサ部Ａの場合、ある程度荷重が増えるまでの間、静電容量はほぼ増加せず、ある程度荷重が増えると、コンデンサ部Ａの範囲および空気層のギャップの減少により、急激に静電容量が増加する。

【0046】

一方、図７（ｂ）の右上のグラフは、比較例における全てのコンデンサ部Ｂに基づく静電容量の変化を模式的に示すグラフである。コンデンサ部Ｂの場合、初期状態からある程度荷重が増えるまでの間、コンデンサ部Ｂの範囲の増加により、急激に静電容量が増加し、ある程度荷重が増えると、静電容量の増加は小さくなる。

【0047】

なお、誘電体４０の下面４１と導電弾性体３０の上面３２との間には空気層が形成されているため、コンデンサ部Ａに基づく静電容量は、コンデンサ部Ｂに基づく静電容量に比べて数段小さいものとなる。したがって、比較例の構成では、荷重の変化に応じた静電容量の変化は、コンデンサ部Ｂにおける静電容量の変化が支配的になる。

【0048】

図７（ｂ）の下側のグラフは、コンデンサ部Ａの静電容量とコンデンサ部Ｂの静電容量とを加算したトータルの静電容量の変化を模式的に示すグラフである。このように、比較例では、導電弾性体３０、誘電体４０、および電極５０により形成されるコンデンサの静電容量（トータルの静電容量）は、コンデンサ部Ｂにおける静電容量の影響を受けて、荷重に応じてリニアに変化しにくい。比較例では、荷重が小さい僅かな範囲、すなわち、コンデンサ部Ｂにおいて静電容量が荷重に応じて急激に増加する荷重範囲において、静電容量が略リニアに変化するものの、これに続く荷重範囲では静電容量の変化が急激に鈍化し、静電容量がリニアに変化しなくなってしまう。このように、比較例では、静電容量をリニアに変化させ得る荷重の範囲がかなり狭くなってしまう。

【0049】

これに対し、本実施形態の場合は、図３（ａ）～図４（ｂ）および図５（ａ）～図６（ｂ）を参照して説明したように、初期状態から荷重が加えられると、中央の突起部３１から順に誘電体４０に接触していく。このため、コンデンサ部Ｂに基づく静電容量の変化が、荷重が小さい範囲において、比較例に比べて緩やかになる。これにより、図７（ｃ）に示すように、導電弾性体３０、誘電体４０、および電極５０により形成されるコンデンサの静電容量（トータルの静電容量）は、荷重に応じてリニアに変化するようになる。その結果、本実施形態では、静電容量をリニアに変化させ得る荷重の範囲を広くすることができる。

【0050】

＜検証実験＞
発明者らは、上記構成の荷重センサ１について、実際に、静電容量の変化を検証実験により確認した。

【0051】

本検証実験では、荷重センサ１の導電弾性体３０を、ゴム材料とその中に分散した導電性フィラーとにより構成した。ゴム材料をシリコーンゴムとし、導電性フィラーをＣ（カーボン）とした。導電弾性体３０の弾性率を１．０×１０^６（Ｐａ）程度とした。誘電体４０をポリイミドにより構成し、誘電体４０の誘電率を３とした。

【0052】

図８（ａ）、（ｂ）を参照して、検証実験で用いた荷重センサ１の各部のサイズについて説明する。図８（ａ）は、便宜上、金属板２０と導電弾性体３０の撓みがないものとして図示されている。

【0053】

図８（ａ）に示すように、金属板２０の厚みをｔ１、導電弾性体３０の厚み（上面３２から下面３３までの幅）をｔ２、誘電体４０の厚みをｔ３、電極５０の厚みをｔ４、突起部３１の高さ（上面３２から突起部３１の上端までの幅）をｈ、突起部３１の下端の直径をφ、突起部３１のピッチ（Ｘ軸方向およびＹ軸方向に隣り合う突起部３１の中心間の距離）をｐとする。検証実験では、厚みｔ１を１００μｍ、厚みｔ２を１００μｍ、厚みｔ３を２２．５μｍ、厚みｔ４を５０μｍ、高さｈを６０μｍ、直径φを９１．９μｍ、ピッチｐを３００μｍとした。

【0054】

図８（ｂ）に示すように、検証実験では、荷重センサ１を上下逆向きに配置することにより、初期状態における導電弾性体３０の中央部Ｐ１を、下方向（Ｚ軸負方向）に撓んだ状態とした。このとき、導電弾性体３０の撓み幅（導電弾性体３０の端部と中央のＺ軸方向における高さの差）をｗ１、撓んだ状態の導電弾性体３０のＹ軸方向の幅をｗ２とし、導電弾性体３０の反り率（％）を、ｗ１／ｗ２とした。検証実験では、反り率が０％の荷重センサ１（比較例）と、反り率が０．５％および１．３％の荷重センサ１（実施形態）を用意し、それぞれ、Ｚ軸正方向に電極５０に対して荷重を加えて、静電容量およびダイナミックレンジを算出した。

【0055】

図９（ａ）は、本検証実験における荷重（Ｎ）と静電容量（ｐＦ）との関係を示すグラフである。静電容量は、導電弾性体３０の導線３４に接続した装置によって検出した。図９（ａ）のグラフには、荷重に応じて静電容量がリニアに変化する範囲のみが示されている。

【0056】

図９（ａ）に示すように、反り率が０％の荷重センサ１（比較例）においては、荷重と静電容量との関係がリニアである範囲は、荷重が付与され始めてから僅かな範囲に留まった。これに対し、反り率が１．３％の荷重センサ１（実施形態）では、荷重が付与され始めてからかなり広い範囲において、荷重と静電容量との関係がリニアに維持できた。そして、反り率が０．５％の荷重センサ１（実施形態）では、反り率が１．３％の荷重センサ１に比べて、荷重と静電容量との関係がリニアである範囲をさらに広げることができた。この検証実験から、実施形態のように導電弾性体３０を初期状態で撓ませることにより、比較例のように導電弾性体３０が初期状態で全く撓んでいない場合に比べて、広いダイナミックレンジで高いリニアリティを実現できることが分かった。

【0057】

なお、上記の検証実験に基づけば、厚みｔ１を０．０１ｍｍ～０．２ｍｍ、厚みｔ２を０．０５ｍｍ～１ｍｍ、厚みｔ３を０．００１ｍｍ～０．１ｍｍ、厚みｔ４を０．０１ｍｍ～０．１ｍｍ、高さｈを０．０１ｍｍ～０．１ｍｍ、直径φを０．０５ｍｍ～０．５ｍｍ、ピッチｐを０．０５ｍｍ～１ｍｍ、誘電体４０の誘電率を０．１～１００に設定することにより、上記検証実験と同様のダイナミックレンジおよびリニアリティが想定される。

【0058】

図９（ｂ）は、本検証実験における反り率（％）と、荷重と静電容量との関係をリニアに維持できる荷重の範囲（リニアリティを維持できるダイナミックレンジ）との関係を示すグラフである。

【0059】

図９（ｂ）に示すように、反り率が０．５％および１．３％の荷重センサ１（実施形態）のダイナミックレンジは、反り率が０％の荷重センサ１（比較例）のダイナミックレンジに対して４～５倍程度大きくなった。このことから、実施形態のように導電弾性体３０を初期状態で撓ませることにより、比較例のように導電弾性体３０が初期状態で全く撓んでいない場合に比べて、ダイナミックレンジ（静電容量をリニアに変化させることのできる荷重の範囲）を広く設定できることが分かった。

【0060】

また、図９（ｂ）の結果から、反り率（％）が高いほどダイナミックレンジを広げ得るというのではなく、導電弾性体３０の材質や突起部３１の形状（幅や高さ等）に応じて、最適な反り率が想定され得ることが確認できた。したがって、静電容量をリニアに変化させ得るダイナミックレンジをより広げるためには、導電弾性体３０の材質や突起部３１の形状（幅や高さ等）に応じて、最適な反り率を検討して設定することが好ましいと言える。

【0061】

＜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。

【0062】

上下方向（誘電体４０の下面４１に垂直な方向）に導電弾性体３０が撓んでいるため、電極５０の上面が押されると、誘電体４０の下面４１が導電弾性体３０を押し、電極５０にかかる荷重に応じて導電弾性体３０の撓みが小さくなっていく。このとき、導電弾性体３０に形成された複数の突起部３１は、撓みの頂部付近の突起部３１から撓みの裾野付近の突起部３１へと順に誘電体４０に接触していく。これにより、誘電体４０に接触する突起部３１の数が、荷重の増加に伴い増加する。また、荷重の増加に応じて突起部３１が縮み、突起部３１と誘電体４０との間の接触面積が増加する。さらに、導電弾性体３０の撓みが無くなった後は、荷重により突起部３１が縮むことに応じて、誘電体４０と導電弾性体３０との間の距離が減少する。

【0063】

このように、誘電体４０に接触する突起部３１の数と、突起部３１と誘電体４０との間の接触面積と、誘電体４０と導電弾性体３０との間の距離とを変化させることによって、電極５０、誘電体４０および導電弾性体３０により形成されるコンデンサの静電容量を、広い荷重の範囲においてリニアに変化させることができる。これにより、広いダイナミックレンジにおいて簡素な処理により、荷重を検出できる。よって、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出することができる。

【0064】

図２（ａ）に示したように、導電弾性体３０の撓み形状は、中央部Ｐ１が端部に比べて誘電体４０に近くなるように（Ｚ軸正方向に）撓んでいる。これにより、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、電極５０の上面が押されたときに、中央から周囲へと誘電体４０に接触する突起部３１の範囲が一様に広がって行く。よって、誘電体４０に接触する突起部３１の範囲を安定的に増減させることができ、荷重に応じて静電容量をリニアに変化させやすくなる。

【0065】

図５（ａ）に示したように、導電弾性体３０の上面３２には、複数の突起部３１が格子状に並んで形成されている。これにより、図５（ｂ）に示したように、電極５０の上面が押されたときに、誘電体４０に接触する突起部３１の範囲が一様に広がって行く。よって、誘電体４０に接触する突起部３１の範囲を安定的に増減させることができ、荷重に応じて静電容量をリニアに変化させやすくなる。

【0066】

導電弾性体３０の下面３３には、導電弾性体３０の撓みを規定する金属製の薄板として、金属板２０が設けられている。これにより、撓んだ導電弾性体３０の初期の姿勢を一定に維持させやすくなる。すなわち、図３（ａ）に示したように、初期状態において、導電弾性体３０を撓んだ状態に維持させやすくなる。よって、より安定的に、荷重に応じて静電容量をリニアに変化させることができる。

【0067】

＜変更例＞
荷重センサ１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。

【0068】

たとえば、上記実施形態では、図２（ａ）に示したように、導電弾性体３０は、Ｘ－Ｙ平面内の中央部Ｐ１がＺ軸正方向に最も突出した状態となるよう球面状に撓んでいたが、導電弾性体３０の撓み形状は、これに限らない。

【0069】

図１０（ａ）は、導電弾性体３０がＸ－Ｙ平面においてＹ軸方向にのみ撓んでいる場合、すなわち導電弾性体３０の撓み形状が円柱面状（アーチ状）である場合の変更例を模式的に示す斜視図である。この場合、導電弾性体３０は、中央部Ｐ１を通りＸ軸方向に延びた直線Ｌ１から順に、誘電体４０の下面４１に接触することになる。なお、導電弾性体３０は、Ｘ－Ｙ平面においてＸ軸方向にのみ撓んでいてもよい。

【0070】

また、上記実施形態では、導電弾性体３０は、球面状に撓んだ撓み形状を１つだけ有していたが、導電弾性体３０が有する撓み形状の数は、これに限らない。

【0071】

図１０（ｂ）は、導電弾性体３０が上下方向に撓んだ複数の撓み形状を有する場合の変更例を模式的に示す斜視図である。図１０（ｂ）では、図１０（ａ）に示したような円柱面状の撓み形状がＹ軸方向に３つ設けられている。この場合、導電弾性体３０は、各アーチの頂点に位置する直線Ｌ２から順に、誘電体４０の下面４１に接触することになる。なお、導電弾性体３０は、２または４以上の撓み形状を有してもよく、球面状に撓んだ撓み形状を複数有してもよい。

【0072】

また、上記実施形態では、導電弾性体３０には、全体に撓み形状が設けられたが、これに限らず、一部にのみ撓み形状が設けられてもよい。

【0073】

図１０（ｃ）は、導電弾性体３０が部分的に上下方向に撓んでいる場合の変更例を模式的に示す斜視図である。図１０（ｃ）では、導電弾性体３０の上面３２においてＺ軸正方向に突出した撓み形状が３つ設けられている。この場合、導電弾性体３０は、各撓み形状の頂点Ｐ２から順に、誘電体４０の下面４１に接触することになる。なお、導電弾性体３０は、部分的に２または４以上の撓み形状を有してもよい。

【0074】

図１０（ａ）～（ｃ）のいずれの場合も、導電弾性体３０と誘電体４０との接触範囲は、初期状態から徐々に広がることになるため、静電容量の変化が急峻になることが抑制される。よって、荷重に応じて静電容量をリニアに変化させやすくなる。

【0075】

また、上記実施形態では、誘電体４０は、下面４１がＸ－Ｙ平面に平行となるよう電極５０の下面５１に形成されたが、これに限らず、誘電体４０は、図１１（ａ）に示すように、下面４１の中央部がＺ軸負方向に突出するように電極５０の下面５１に形成されてもよい。誘電体４０が電極５０の下面５１に対して蒸着などにより形成される場合、図１１（ａ）に示すように、電極５０の下面５１を球面状に隆起させることにより、誘電体４０の下面４１を球面状に変形させてもよい。あるいは、Ｘ－Ｙ平面に平行な電極５０の下面５１に対して、下面４１が球面状に隆起するように誘電体４０が設けられてもよい。また、下面４１は、図１１（ａ）のようにＺ軸正方向に突出することに限らず、Ｚ軸負方向に凹んでいてもよい。ただし、この場合の下面４１の曲率は、導電弾性体３０の曲率よりも小さくなるよう、誘電体４０が電極５０の下面５１に形成される。

【0076】

このように、誘電体４０の下面４１を上下方向に湾曲させることにより、荷重に応じて突起部３１が誘電体４０に接触する過程をさらに調整できる。これにより、静電容量をリニアに変化させ得る荷重の範囲（ダイナミックレンジ）をさらに広げ得る可能性がある。

【0077】

また、上記実施形態では、図２（ａ）および図３（ａ）に示したように、導電弾性体３０は、中央部Ｐ１が端部に比べて誘電体４０に近くなるよう、Ｚ軸正方向に球面状に撓んだ状態で配置されたが、導電弾性体３０の撓み方向はこれに限らない。たとえば、図１１（ｂ）に示すように、導電弾性体３０は、上面３２の端部が中央部Ｐ１に比べて誘電体４０に近くなるよう、Ｚ軸負方向に球面状に撓んだ状態で配置されてもよい。この場合の導電弾性体３０の撓みは、図２（ａ）の撓みを上下に反転させた形状となる。

【0078】

ただし、このように導電弾性体３０の撓み方向が設定されると、初期状態から荷重が加えられた場合に、導電弾性体３０の外側に位置する広い範囲の突起部３１が同時に誘電体４０に接触するため、初期接触時における静電容量の変化が急峻になりやすい。このため、荷重に応じて静電容量をリニアに変化しやすくするためには、上記実施形態のように、導電弾性体３０の撓み方向をＺ軸正方向として、中央部Ｐ１が端部に比べて誘電体４０に近付けられることが好ましいと考えられる。

【0079】

また、上記実施形態では、図５（ａ）に示したように、Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿って複数の突起部３１が格子状に並んで上面３２に形成されたが、複数の突起部３１の配置はこれに限らない。たとえば、図１２（ａ）に示すように、蜂の巣構造状に、すなわち１つの突起部３１の周囲に６０°間隔で隣り合う突起部３１が位置付けられるよう、複数の突起部３１が並んで配置されてもよい。また、図１２（ｂ）に示すように、Ｘ－Ｙ平面における導電弾性体３０の中央部から、破線で示すように放射状に延びる直線に沿って突起部３１が並んで配置されてもよい。また、上面３２に形成される突起部３１の密度は、上記実施形態のように等密度でなくてもよく、荷重に対する静電容量の変化がリニアに変化しやすくなるよう、上面３２における突起部３１の密度を調整してもよい。

【0080】

また、上記実施形態では、突起部３１は球面形状とされたが、これに限らず、誘電体４０に近づくにつれて（Ｚ軸正方向に進むにつれて）断面積が小さくなれば、他の形状であってもよい。たとえば、突起部３１は、錐体形状を有してもよい。図１３（ａ）に示すように、突起部３１は、円錐形状であってもよい。この場合、側方から見て（Ｘ軸方向およびＹ軸方向に見て）、突起部３１は、先端が１点に尖った三角形状である。また、突起部３１は、角錐形状であってもよい。また、突起部３１は、錐体の頂部が切り欠かれた形状であってもよく、たとえば、錐台形状を有してもよい。図１３（ｂ）に示すように、突起部３１は、四角錐台であってもよい。この場合、側方から見て（Ｘ軸方向およびＹ軸方向に見て）、突起部３１は、台形形状である。また、突起部３１は、円錐台形状であってもよい。

【0081】

また、突起部３１は、図１４（ａ）～（ｃ）に示すように、Ｘ－Ｙ平面において一方向に延びた突条形状を有してもよい。図１４（ａ）～（ｃ）では、便宜上、突条形状の突起部３１がＹ軸方向に３つ並んでいるものとして図示されており、Ｚ軸方向のスケールが大きく図示されている。

【0082】

図１４（ａ）に示すように、突起部３１は、Ｘ軸方向に見た場合に三角形状であり、Ｙ軸方向に見た場合にＺ軸正側の先端がＹ軸方向に所定の長さを有する台形形状であるような突条形状であってもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、突起部３１は、Ｘ軸方向に見た場合に台形形状であり、Ｙ軸方向に見た場合にＺ軸正側の先端がＹ軸方向に所定の長さを有する台形形状であるような突条形状であってもよい。また、図１４（ｃ）に示すように、突起部３１は、Ｘ軸方向に見た場合に半円形状であり、Ｙ軸方向に見た場合にＺ軸正側の先端がＹ軸方向に所定の長さを有する台形形状であるような突条形状であってもよい。

【0083】

なお、図１４（ａ）～（ｃ）では、導電弾性体３０はＸ－Ｙ平面においてＹ軸方向にのみ撓んでいるが、これに限らず、Ｘ－Ｙ平面においてＸ軸方向にのみ撓んでいてもよく、上記実施形態のように球面形状に撓んでいてもよい。

【0084】

また、上記実施形態では、誘電体４０の下面４１が全ての突起部３１に接触したときに、導電弾性体３０の撓みが解消されたが、これに限らず、誘電体４０の下面４１が全ての突起部３１に接触したときに、導電弾性体３０が依然として撓んでいてもよい。

【0085】

また、上記実施形態では、導電弾性体３０および金属板２０は一体的に成型されたが、荷重センサ１内における導電弾性体３０の初期状態の姿勢を撓んだ状態に一定に維持できれば、金属板２０を省略してもよい。また、金属板２０を省略した場合、導電弾性体３０と基板１０との間の隙間に、弾性力を有する弾性部材を配置してもよい。

【0086】

また、上記実施形態では、導電弾性体３０の外形および複数の突起部３１の配置範囲の形状は、Ｘ－Ｙ平面において長方形形状であったが、これに限らず、Ｘ－Ｙ平面において正方形形状であってもよく、円形状や楕円形状であってもよい。

【0087】

また、上記実施形態では、１つの電極５０に対して１つの導電弾性体３０が配置されたが、これに限らず、１つの電極５０に対して２つ以上の導電弾性体３０が、互いに所定の間隔をあけてＸ－Ｙ平面内に並んで配置されてもよい。

【0088】

図１５は、１つの電極５０に対して、２つの導電弾性体３０が、互いに所定の間隔をあけてＹ軸方向に並んで配置される変更例を模式的に示す分解斜視図である。この場合、それぞれの導電弾性体３０に対して導線３４が設けられており、それぞれの導線３４は、荷重センサ１の外部の装置に対して接続される。外部の装置は、２つの導電弾性体３０に基づく静電容量の変化をそれぞれ検出し、得られた２つの静電容量を加算して全体の静電容量の変化を検出する。そして、外部の装置は、全体の静電容量の変化に基づいて、荷重センサ１に対して付与された荷重を検出する。

【0089】

また、上記実施形態では、図２（ａ）および図３（ａ）に示したように、金属板２０および導電弾性体３０は、中央部が端部に比べてＺ軸正方向に球面状に撓んだ状態で配置され、誘電体４０および電極５０は、Ｘ－Ｙ平面に平行となるよう配置された。しかしながら、これに限らず、図１６（ａ）に示すように、金属板２０および導電弾性体３０は、Ｘ－Ｙ平面に平行となるよう配置され、誘電体４０および電極５０は、中央部が端部に比べてＺ軸負方向に球面状に撓んだ状態で配置されてもよい。

【0090】

また、図１６（ｂ）に示すように、金属板２０および導電弾性体３０は、中央部が端部に比べてＺ軸正方向に球面状に撓んだ状態で配置され、誘電体４０および電極５０も、中央部が端部に比べてＺ軸負方向に球面状に撓んだ状態で配置されてもよい。すなわち、金属板２０および導電弾性体３０と、誘電体４０および電極５０とが、互いに接近方向に撓んだ撓み形状を有していてもよい。

【0091】

なお、図１６（ａ）、（ｂ）の構成では、カバー６０が省略され、電極５０のＺ軸正側に、基板１０と同様の材料からなる、所定の厚みを有する基板６１が配置される。

【0092】

図１６（ａ）、（ｂ）のいずれの場合も、上記実施形態と同様、誘電体４０に接触する突起部３１の数と、突起部３１と誘電体４０との間の接触面積と、誘電体４０と導電弾性体３０との間の距離とを変化させることによって、電極５０、誘電体４０および導電弾性体３０により形成されるコンデンサの静電容量を、広い荷重の範囲においてリニアに変化させることができる。これにより、広いダイナミックレンジにおいて簡素な処理により、荷重を検出できる。よって、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出することができる。

【0093】

また、図１６（ｂ）の構成では、荷重に応じて、下側の金属板２０および導電弾性体３０と、上側の誘電体４０および電極５０の両方が撓むため、荷重に応じて突起部３１が誘電体４０に接触する過程をさらに調整できる。これにより、静電容量をリニアに変化させ得る荷重の範囲（ダイナミックレンジ）をさらに広げ得る可能性がある。

【0094】

また、上記実施形態において、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、導電弾性体３０の中央部Ｐ１に開口７１が形成されてもよい。開口７１は、図１７（ａ）に示すように、Ｚ軸方向に見て円形状であり、図１７（ｂ）に示すように、金属板２０および導電弾性体３０をＺ軸方向に貫通している。

【0095】

開口７１を形成する際には、中央部に孔２１（図１７（ｂ）参照）が形成された金属板２０が金型内にあらかじめ挿入され、そこへ導電弾性体３０の材料が注入される。そして、上記実施形態と同様、金属と樹脂を一体化する成型方法により、金属板２０と導電弾性体３０の一体構造が製造され、成型後の冷却過程において、金属板２０と導電弾性体３０の膨張率の差により、開口７１の円周部分が端部に比べて撓んだ形状となる。

【0096】

このとき、金属板２０の中央部には孔２１が形成されているため、導電弾性体３０の中央部には孔３５（図１７（ｂ）参照）が形成される。このように、導電弾性体３０の中央部に孔３５が形成されると、冷却過程において、金属板２０の中心付近において導電弾性体３０が盛り上がって形成されることが抑制される。

【0097】

すなわち、上記実施形態のように、金属板２０の中心付近に孔２１が形成されず、図１７（ａ）に示した開口７１の部分にも導電弾性体３０が形成される場合、この部分における導電弾性体３０の膨張のバラつきにより、中央における金属板２０および導電弾性体３０の反り量（基板１０の上面から開口７１の下端までの長さ）にバラつきが生じる場合がある。これに対し、図１７（ａ）、（ｂ）の構成では、金属板２０の中心付近に導電弾性体３０が形成されないため、冷却過程において、中央における金属板２０および導電弾性体３０の反り量にバラつきが出ることを抑制できる。これにより、荷重の変化に応じた静電容量の変化にバラつきが生じることを抑制できる。

【0098】

図１７（ａ）、（ｂ）に示す変更例においても、上記実施形態と同様、誘電体４０に接触する突起部３１の数と、突起部３１と誘電体４０との間の接触面積と、誘電体４０と導電弾性体３０との間の距離とを変化させることによって、電極５０、誘電体４０および導電弾性体３０により形成されるコンデンサの静電容量を、広い荷重の範囲においてリニアに変化させることができる。これにより、広いダイナミックレンジにおいて簡素な処理により、荷重を検出できる。よって、ダイナミックレンジを広く確保しつつ簡素な処理により荷重を検出することができる。また、中央における金属板２０および導電弾性体３０の反り量のバラつきが抑制されるため、所望のダイナミックレンジを実現できる。

【0099】

なお、図１８（ａ）のように、金属板２０および導電弾性体３０と、誘電体４０および電極５０とが、互いに接近方向に撓んだ撓み形状を有する場合も、導電弾性体３０の中央部Ｐ１に開口７１が形成されてもよい。この場合、図１８（ｂ）に示すように、誘電体４０および電極５０の中央部にも開口７２が形成されてもよい。

【0100】

なお、図１７（ａ）～図１８（ｂ）に示す変更例において、開口７１、７２は、Ｚ軸方向に見て円形状であったが、これに限らず、楕円形状や矩形形状など、他の形状でもよい。また、開口７１は、金属板２０および導電弾性体３０の中央を含む範囲（中央部）に設けられたが、これに限らず、導電弾性体３０がＺ軸正方向に最も突出した部分に設けられればよい。同様に、開口７２は、誘電体４０および電極５０の中央を含む範囲（中央部）に設けられたが、これに限らず、誘電体４０がＺ軸負方向に最も突出した部分に設けられればよい。また、図１１（ｂ）に示す変更例においても、導電弾性体３０の中央部Ｐ１に開口７１が形成されてもよい。

【0101】

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】

【0102】

１ 荷重センサ
２０ 金属板（薄板）
３０ 導電弾性体（弾性体）
３１ 突起部
３２ 上面
３３ 下面
４０ 誘電体
４１ 下面
５０ 電極
５１ 下面
７１ 開口
Ｐ１ 中央部

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】