JP2021096126A - Detection circuit and load detector - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention includes a detection circuit used for a capacitance type load sensor that detects a load applied from the outside based on a change in capacitance, and a load detection device including the detection circuit and the capacitance type load sensor. Regarding.
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。 Load sensors are widely used in fields such as industrial equipment, robots and vehicles. In recent years, along with the development of computer-based control technology and the improvement of design, the development of electronic devices using various free-form surfaces such as humanoid robots and interior parts of automobiles has been progressing. In line with this, it is required to mount a high-performance load sensor on each free curved surface.
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。
In the following
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。 In the above configuration, if an attempt is made to increase the position (sensor unit) for measuring the load, for example, an analog switch (multiplexer or the like) is required according to the number of sensor units, and the circuit configuration becomes complicated. It ends up.
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。 In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a detection circuit and a capacitance type load detection device capable of suppressing complicated circuit configuration.
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。 A first aspect of the present invention includes a first electrode, a plurality of second electrodes arranged so as to intersect the first electrode, and a dielectric interposed between the first electrode and the second electrode. The present invention relates to a detection circuit for detecting a change in capacitance at an intersection position between the first electrode and the second electrode with respect to a capacitance type load sensor. The detection circuit according to this embodiment includes a supply line for supplying a rectangular voltage to the first electrode, a resistor arranged on the supply line, a voltage measuring unit for measuring a potential on the downstream side of the resistor, and the above. A digital control unit for individually applying a rectangular digital signal to a plurality of second electrodes is provided.
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。 According to the detection circuit according to this aspect, among the intersection positions of the first electrode and the second electrode, these intersection positions are obtained by applying a digital signal from the digital control unit to the second electrode at the intersection position other than the measurement target. It is possible to suppress the accumulation of electric charge in the battery. Therefore, the voltage corresponding to the capacitance at the intersection position of the measurement target can be appropriately measured. Here, since a signal of a predetermined voltage level is supplied to the second electrode at the intersection position other than the measurement target by digital control, an analog switch (multiplexer or the like) that switches between application and non-application of voltage for each second electrode. ) Does not need to be provided. Therefore, it is possible to suppress the complexity of the circuit configuration, simplify the circuit configuration, and reduce the cost.
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。 A second aspect of the present invention relates to a load detecting device. The load detection device according to this aspect includes the detection circuit according to the first aspect and the capacitance type load sensor.
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。 According to the load detection device according to this aspect, the same effect as that of the first aspect is obtained.
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。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a detection circuit and a capacitance type load detection device capable of suppressing complicated circuit configurations.
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。 The effects or significance of the present invention will be further clarified by the description of the embodiments shown below. However, the embodiments shown below are merely examples when the present invention is put into practice, and the present invention is not limited to those described in the following embodiments.
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。 The capacitance type load sensor according to the present invention can be applied to a load sensor of a management system or an electronic device that performs processing according to an applied load.
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。 Examples of the management system include an inventory management system, a driver monitoring system, a coaching management system, a security management system, a nursing care / childcare management system, and the like.
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。 In the inventory management system, for example, a load sensor provided on the inventory shelf detects the load of the loaded inventory, and detects the type of product and the number of products existing on the inventory shelf. As a result, inventories can be efficiently managed in stores, factories, warehouses, etc., and labor saving can be realized. In addition, the load sensor provided in the refrigerator detects the load of the food in the refrigerator, and detects the type of food in the refrigerator and the number and amount of foods. As a result, menus using food in the refrigerator can be automatically proposed.
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。 In a driver monitoring system, for example, a load sensor provided in a steering device monitors a load distribution (for example, gripping force, gripping position, pedaling force) of a driver with respect to the steering device. In addition, the load sensor provided on the vehicle-mounted seat monitors the load distribution (for example, the position of the center of gravity) of the driver with respect to the vehicle-mounted seat in the seated state. This makes it possible to feed back the driving state (sleepiness, psychological state, etc.) of the driver.
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。 In the coaching management system, for example, the load distribution on the sole of the foot is monitored by a load sensor provided on the bottom of the shoe. As a result, it is possible to correct or guide the person to a proper walking state or running state.
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。 In a security management system, for example, a load sensor provided on the floor detects a load distribution when a person passes by, and detects weight, stride length, passing speed, sole pattern, and the like. This makes it possible to identify the person who passed by by collating these detection information with the data.
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。 In the long-term care / childcare management system, for example, a load sensor provided on the bedding or the toilet seat monitors the load distribution on the bedding and the toilet seat of the human body. As a result, it is possible to estimate what kind of behavior a person is trying to take at the position of the bedding or the toilet seat and prevent a fall or a fall.
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。 Electronic devices include, for example, in-vehicle devices (car navigation systems, audio equipment, etc.), home appliances (electric pots, IH cooking heaters, etc.), smartphones, electronic paper, e-book readers, PC keyboards, game controllers, smart watches, wireless. Examples include earphones, touch panels, electronic pens, penlights, glowing clothing, and musical instruments. In electronic devices, a load sensor is provided at an input unit that receives input from a user.
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。 The load sensor in the following embodiment is a capacitance type load sensor typically provided in a load sensor of a management system or an electronic device as described above. Such a load sensor may be referred to as a "capacitive pressure-sensitive sensor element", a "capacitive pressure detection sensor element", a "pressure-sensitive switch element", or the like. Further, the detection circuit in the following embodiment is a detection circuit connected to the load sensor as described above, and the load detection device in the following embodiment is a load detection device including the load sensor and the detection circuit as described above. Is. The following embodiments are one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. For convenience, the X, Y, and Z axes that are orthogonal to each other are added to each figure. The Z-axis direction is the height direction of the
<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。
<
The
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。
FIG. 1A is a perspective view schematically showing the
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。
The
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。
The conductive
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。
The resin material used for the conductive
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)、In2O3(酸化インジウム(III))、およびSnO2(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。
The conductive filler used for the conductive
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。
FIG. 1B is a perspective view schematically showing three coated
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。
The coated
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。
FIG. 2A is a perspective view schematically showing the
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。
After the three coated
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。
FIG. 2B is a perspective view schematically showing the
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。
As shown in FIG. 2B, the
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。
3A and 3B are cross-sectional views schematically showing the periphery of the coated
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、Al2O3およびTa2O5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。
As shown in FIG. 3A, the coated
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。
When no load is applied to the region shown in FIG. 3A, the force applied between the conductive
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。
As shown in FIG. 3B, when a load is applied, the coated
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。
FIG. 4 is a plan view schematically showing the
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。
As shown in FIG. 4, the sensor units A11, A12, A13, A21, A22, and A23 whose capacitance changes according to the load at the position where the three conductive
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。
That is, the
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。
When a load is applied to each sensor unit in the Z-axis direction, the coated
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。
As shown in FIG. 4, the three coated
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。
When a load is applied to the sensor unit A11, the contact area between the conductive
次に、荷重検出装置3の構成について説明する。
Next, the configuration of the
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。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The switching
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Next, the control of the
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。
When the
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。
For example, a case where the load is measured for the sensor portion A11 at the position where the uppermost coated
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。
When the
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。
Subsequently, the
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。
FIG. 6 is a circuit diagram schematically showing a state after the application of the rectangular voltage and the digital signal is started when the sensor unit A11 is the measurement target. In FIG. 6, the thick line shows the potential and equipotential portion of the supply line L1, and the double line shows the potential and equipotential portion between the
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。
As shown in FIG. 6, when the application of the rectangular voltage and the digital signal is started, the rectangular voltage is applied to the sensor unit A11 to be measured via the
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。
The
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。
At this time, a high-level digital signal from the
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。
The other 12 sensor units that are not in the same row as the sensor unit A11 to be measured (the same coated copper wire 13) are stored in these other sensor units because the anode is separated from the supply line L1. The electric charge does not affect the measurement of the potential of the sensor unit A11 in the
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。
When the
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。 FIG. 7 is a circuit diagram schematically showing a state in which discharge is performed.
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。
From the state of FIG. 6, the application of the rectangular voltage is stopped, and the low-level digital signal is applied to the conductive
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。
After that, the
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。
As described above, according to the
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。 FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of the load detection device 5 of Comparative Example 1.
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。
The load detection device 5 includes a
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。
The
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。
For example, a case where the load is measured for the sensor portion A11 at the position where the uppermost coated
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。
When the
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。
After that, the
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。
According to Comparative Example 1, in another sensor unit in the same row as the sensor unit to be measured, the potential on the anode side (potential of the supply line L1) and the potential on the cathode side (potential of the other supply line L2) Can be set to the same potential, so that it is possible to suppress the accumulation of electric charges in other sensor units. However, in Comparative Example 1, it is necessary to provide the
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。 Next, the inventors simulated the voltage change in the first embodiment and the second comparative example that produces an ideal voltage change.
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。
In the following simulation, in the first embodiment, the matrix of the
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。
Further, in the following simulation, the capacity of the sensor unit when no load is applied (no load state) and when a low load is applied is set to 10 pF, and the capacity of the sensor unit when a high load is applied. Was 100 pF. The resistance value of the
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。
9 (a) and 9 (b) simulate the potential (measured voltage) of the supply line L1 acquired by the
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。
In FIGS. 9A and 9B, the rectangular voltage is shown by a dotted line, and the high-level digital signal output from the
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。
In this simulation, the application of the rectangular voltage and the high-level digital signal was started when 10 μs passed. At this time, in Comparative Example 2, since there is no other sensor unit in the same row as the sensor unit to be measured (
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。 On the other hand, in the first embodiment, since there are two other sensor units in the same row as the sensor unit to be measured, the voltage increases one step after 10 μs due to the influence of the other sensor units, but after that, Comparative Example 2 The measured voltage rose smoothly with a smaller inclination. As described above, the measured voltage of the first embodiment has a shape in line with the measured voltage of Comparative Example 2 which causes an ideal voltage change in both the low load and the high load. Therefore, for example, it was found that an appropriate measured voltage can be obtained even in the first embodiment by reading the measured voltage at a reading time Tr of about 50 μsec.
<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。
<Effect of embodiment>
As described above, according to the embodiment, the following effects are achieved.
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。
A digital signal (high-level voltage signal) is applied from the
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。
The
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。
The
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。
A plurality of coated copper wires 13 (
<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。
<
In the first embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, the high-level digital signal applied by the
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。
10 (a) and 10 (b) show the potential of the supply line L1 acquired by the
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。 As shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), the high-level digital signal is lower than the rectangular voltage and is set to about 1 V, so that the implementation shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) is performed. Compared with the case of the first embodiment, the curve of the measured voltage of the second embodiment moves downward and is closer to the second comparative example. In particular, the rise of the measured voltage at 10 μs is remarkably suppressed to a low level. As a result, the intersection of the measured voltage of the second embodiment and the measured voltage of the comparative example 2 is accelerated as compared with the case of the first embodiment.
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。
As described above, according to the second embodiment, the
<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。
<
In the first embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, the timing at which the
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。
11 (a) and 11 (b) show the potential of the supply line L1 acquired by the
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。 As shown in FIG. 11A, in the case of a low load, the application of the high-level digital signal was started about 15 μsec later than the output start timing of the rectangular voltage, so that the measured voltage of the third embodiment was measured. Compared with the case of the first embodiment shown in FIG. 9A, the reading time Tr is closer to that of Comparative Example 2. On the other hand, as shown in FIG. 11B, in the case of a high load, the measured voltage of the third embodiment is slightly higher in the vicinity of the reading time Tr than in the case of the first embodiment shown in FIG. 9B. It is far from the curve of Comparative Example 2. However, in the case of a high load, the measured voltage of the third embodiment is different from that of the first embodiment shown in FIG. 9 (b) by making the delay time for delaying the application of the high-level digital signal smaller than 15 μsec. By comparison, it is possible to further approach Comparative Example 2 in the vicinity of the reading time Tr.
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。
As described above, according to the third embodiment, the
<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。
<Embodiment 4>
In the second embodiment, the high-level digital signal is set lower than the rectangular voltage, and in the third embodiment, the timing at which the application of the high-level digital signal is started is set later than the output start timing of the rectangular voltage. Was done.
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。 Here, as in the second embodiment, the operation mode for starting the application of the digital signal (high level digital signal) having a voltage level lower than the rectangular voltage at the same timing as the output start timing of the rectangular voltage is set to "first. Called "mode". Further, as in the third embodiment, the operation mode in which the application of the digital signal (high level digital signal) having the same voltage level as the rectangular voltage is started at the timing delayed by a predetermined time from the output start timing of the rectangular voltage is set to ". It is called "second mode". In the fourth embodiment, the above two operation modes are switched depending on the situation.
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。 FIG. 12 is a flowchart showing the switching of the operation mode of the fourth embodiment.
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。
When the
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。
Subsequently, the
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。
On the other hand, when the fluctuation frequency of the load is equal to or less than the threshold value Th1 (S13: NO), the
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)。
Subsequently, the
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。
Subsequently, the
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。 As described above, according to the fourth embodiment, the measurement accuracy of the load can be improved by selectively switching between the first mode and the second mode according to the fluctuation cycle of the load and the magnitude of the load. ..
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。 That is, since the first mode is set when the load fluctuates frequently, the measured voltage can be accurately acquired even if the reading time Tr is shortened as shown in FIGS. 10A and 10B. .. As a result, the reading time Tr can be accelerated to perform quick load measurement according to the fluctuation of the load, and the load measurement accuracy can be improved.
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。 Further, as described in the third embodiment, when the start timing of the high-level digital signal is relatively large behind the start timing of the rectangular voltage (as in the case of FIG. 11A), the low load is accurate. Can be measured well. On the other hand, when the start timing of the high-level digital signal is slightly delayed from the start timing of the rectangular voltage, the high load can be measured accurately. Then, according to the fourth embodiment, when the total load is equal to or less than the threshold value Th2, the application timing of the high level digital signal is set to the first timing, and when the total load is larger than the threshold value Th2, the high level digital signal is applied. The application timing is set to the second timing. Therefore, according to the fourth embodiment, since the application timing of the high-level digital signal is set according to the load, the load can be measured more accurately according to the magnitude of the load.
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。
The timing of applying the high-level digital signal can be set to the same timing, the first timing, and the second timing with respect to the output start timing of the rectangular voltage, and the high-level digital signal can be applied. The signal level can be set to the same level and a lower level for the rectangular voltage. Therefore, by appropriately combining these, the
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。 Further, in the fourth embodiment, the operation mode is automatically switched according to the fluctuation cycle of the load and the magnitude of the load, but the user considers the fluctuation frequency of the load and the magnitude of the load, and the operation unit such as a button. The operation mode may be selected via.
<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。
<Change example>
The configurations of the
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。
For example, in the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the switching
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。
FIG. 13 is a diagram showing a circuit configuration of the
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。
The switching
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。
Even when the switching
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。
Further, in the above embodiment, instead of the coated
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。
Further, in the above embodiment, the configuration of the
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。
Further, in the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the
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。 In addition, various modifications of the embodiment of the present invention can be made as appropriate within the scope of the technical idea shown in the claims.
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
1 Load sensor (capacitive load sensor)
2
13a Copper wire (first electrode)
Claims (11)
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。 A capacitance type load sensor including a first electrode, a plurality of second electrodes arranged so as to intersect the first electrode, and a dielectric material interposed between the first electrode and the second electrode. On the other hand, it is a detection circuit for detecting a change in capacitance at an intersection position between the first electrode and the second electrode.
A supply line for supplying a rectangular voltage to the first electrode and
With the resistors placed on the supply line,
A voltage measuring unit that measures the potential on the downstream side of the resistor,
A digital control unit that individually applies a rectangular digital signal to the plurality of second electrodes is provided.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to claim 1,
The digital control unit sets the digital signal at a voltage level equal to the rectangular voltage.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to claim 1,
The digital control unit sets the voltage level of the digital signal lower than the rectangular voltage.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to any one of claims 1 to 3,
The digital control unit starts applying the digital signal at the same timing as the output start timing of the rectangular voltage.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to any one of claims 1 to 3,
The digital control unit starts applying the digital signal at a timing delayed by a predetermined time from the output start timing of the rectangular voltage.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to any one of claims 1 to 5,
The digital control unit
A first mode in which the application of the digital signal having a voltage level lower than the rectangular voltage is started at the same timing as the output start timing of the rectangular voltage.
A second mode is provided in which the application of the digital signal having a voltage level equal to the rectangular voltage is started at a timing delayed by a predetermined time from the output start timing of the rectangular voltage.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to claim 6,
In the second mode, the digital control unit sets the start timing of application of the digital signal based on the load measurement result.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to any one of claims 1 to 7.
A plurality of the first electrodes are arranged side by side along the second electrode.
The second electrode intersects the plurality of first electrodes with the dielectric material.
A switching unit for selectively switching the supply line to either connected or unconnected to each of the first electrodes is provided.
A detection circuit characterized by that.
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。 In the detection circuit according to claim 8,
The switching unit is a demultiplexer that selectively connects the supply line to the plurality of first electrodes.
A detection circuit characterized by that.
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。 The detection circuit according to any one of claims 1 to 9.
The capacitance type load sensor is provided.
A load detection device characterized by the fact that.
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。 In the load detecting device according to claim 10,
One of the first electrode and the second electrode is a linear conductive member.
The dielectric is coated around the conductive member.
The first electrode and the other of the second electrode are formed of a conductive elastic body.
A load detection device characterized by the fact that.
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WO2024075347A1 (en) * | 2022-10-07 | 2024-04-11 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Measurement device and load detection system |
WO2024111149A1 (en) * | 2022-11-24 | 2024-05-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Load sensor and load detecting device |
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