(57)【要約】【課題】  薄型で外部の押圧力を電気的出力として高感度に検知できる押圧力検知装置を提供する。【解決手段】  弾性板２に左側受力部３と右側受力部４が固定されており、左側受力部３の第１の当接部６ａと右側受力部４の第１の当接部６ｂが第１の押圧部材２１に当接し、左側受力部３の第２の当接部７ａと右側受力部４の第２の当接部７ｂが第２の押圧部材２２に当接している。第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２とが互いに接近する方向へ加圧されると、弾性板２の第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂが互いに逆向きに湾曲する。弾性板２の一方の側に設けられた直列の抵抗体層９ａ，９ｂで湾曲変形の撓みを検知できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性的に撓むことができる弾性体と、前記弾性体上で距離を開けて配置された一対の受力部とを有し、それぞれの受力部に、前記弾性体の第１の側に突出する第１の当接部と、前記弾性体の前記第１の側と反対側の第２の側に突出する第２の当接部が設けられ、それぞれの前記受力部では、前記第１の当接部が前記第２の当接部に対して前記弾性体に沿う同じ方向に距離を開けて位置しており、
それぞれの前記第１の当接部とそれぞれの前記第２の当接部に対して、前記弾性部材に向く押圧力が作用したときに、それぞれの前記受力部が同じ向きに回動して、前記受力部と前記受力部との間の前記弾性体に、互いに逆向きに撓む撓み部が形成可能とされており、
互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部に歪検知素子が設けられていることを特徴とする押圧力検知装置。
【請求項２】
前記弾性体が撓んでいないときに、前記第１の側では、それぞれの前記第１の当接部が他の部分よりも前記弾性体から最も離れた位置に突出し、前記第２の側では、それぞれの前記第２の当接部が他の部分よりも前記弾性体から最も離れた位置に突出している請求項１記載の押圧力検知装置。
【請求項３】
前記弾性体が撓んでいないときに、前記第１の側と前記第２の側の双方おいて、それぞれの前記第１の当接部の前記弾性体からの突出寸法と、それぞれの前記第２の当接部の前記弾性体からの突出寸法とが同じである請求項１記載の押圧力検知装置。
【請求項４】
それぞれの受力部では、前記第１の当接部と前記第２の当接部とが一体に形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の押圧力検知装置。
【請求項５】
それぞれの受力部では、前記第１の当接部と前記第２の当接部とが別体のものとして形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の押圧力検知装置。
【請求項６】
前記受力部と前記受力部との間の前記弾性体では、互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部において、前記歪検知素子が、前記弾性体の同じ側に設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の押圧力検知装置。
【請求項７】
前記歪検知素子は、抵抗体層であり、互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部において前記抵抗体層が同じ膜厚で同じ幅寸法で形成されている請求項６記載の押圧力検知装置。
【請求項８】
互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部に設けられた前記抵抗体層が直列に接続されて、前記抵抗体層と前記抵抗体層との中点の電位を検出する検出回路が設けられており、前記中点電位は、前記第１の当接部と前記第２の当接部とに作用する力の変化に対して一次関数的に変化する請求項７記載の押圧力検知装置。
【請求項９】
前記弾性体の前記第１の側に第１の押圧部材が対向し、前記弾性体の前記第２の側に第２の押圧部材が対向しており、
前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材が互いに接近するときに、前記第１の押圧部材がそれぞれの前記第１の当接部を押圧し、前記第２の押圧部材がそれぞれの前記第２の当接部を押圧する請求項１ないし８のいずれかに記載の押圧力検知装置。
【請求項１０】
前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は板材であり、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材とに一定の面積の操作領域が形成されて、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は、前記操作領域を囲む周囲領域において、互いに接近できるように連結されている請求項９記載の押圧力検知装置。
【請求項１１】
前記周囲領域の内側で、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材との間に複数の前記弾性体が互いに独立して設けられており、それぞれの前記弾性体に設けられた前記歪検知素子に接続される配線が前記周囲領域に設けられている請求項１０記載の押圧力検知装置。
【請求項１２】
前記第１の押圧部材の表側に操作面が設けられ、少なくとも前記操作領域に、前記操作面に対する操作位置を検知する座標検知装置が設けられている請求項１０または１１記載の押圧力検知装置。
【請求項１３】
前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は、少なくとも前記操作領域が透明であり、前記第２の押圧部材の外側に表示画面が設けられ、前記操作領域では、前記第１の押圧部材の外側から前記表示画面を目視可能である請求項１０ないし１２のいずれかに記載の押圧力検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪検知素子を使用して外部からの加圧力に対応した電気的出力を高感度で得ることが可能な押圧力検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部から作用する加圧力に対応した電気的出力を得る検知装置は各種分野で使用されている。
【０００３】
以下の特許文献１に記載の多方向入力装置は、スティック・ポインタまたはポインティング・スティックなどと称されるものである。この多方向入力装置は、弾性基板にスティック状の操作体が固定され、弾性基板には、溝部で分離された撓み部が前記操作体を挟む両側に設けられている。それぞれの撓み部の表面には抵抗体層が設けられている。操作体を挟む位置に配置された対を成す抵抗体層は直列に接続されており、直列に接続された両抵抗体層に電圧が印加される。
【０００４】
前記操作体に対し、一方の撓み部が設けられている側に向けて倒す力を与えると、操作体を挟む位置にある一方の側の撓み部の表面に伸び歪みが生じて抵抗体層の抵抗値が増大し、他方の側の撓み部に圧縮歪みが生じて抵抗体層の抵抗値が低下する。その結果、直列に接続された抵抗体層の中間から、操作体に作用する力の大小に対応した電位の変化を検知することができる。
【０００５】
特許文献１に記載された多方向入力装置は、弾性基板に固定されたスティック状の操作体に対して倒す向きの力を与えたときに電位の変化を取り出すことができるが、前記操作体を弾性基板に対して垂直な方向へ押圧したときには、電位の変化を得ることはできない。その理由は、操作体を垂直に押したときは、操作体を挟んで両側に位置する撓み部の表面が共に伸び歪みを生じ、それぞれの撓み部に設けられた抵抗体層の抵抗値が共に増大する。そのため、直列に接続された抵抗体層の中点の電位を変化させることができないからである。
【０００６】
特許文献２には、四角形のタッチパネルの四隅が操作スイッチで支持されて、タッチパネルを機械的スイッチ感覚で使用できるようにした入力装置が開示されている。また、特許文献３には、四角形のタッチパネルの四隅が圧力センサで支持され、それぞれの圧力センサの出力値を演算処理することで加圧位置を検出するタッチセンサパネルが開示されている。
【０００７】
しかし、特許文献２のようにタッチパネルの四隅を操作スイッチで支持する構造は、薄型の操作装置として構成することが難しく、またタッチパネルを深い位置まで押し込まないと操作スイッチがＯＮにならないため、誤操作が生じやすい欠点がある。特許文献３にはどのような圧力センサを使用するのかが記載されていないが、特許文献１に記載の構造は作用できないため、結果として複雑な構造の圧力センサを使用しなくてはならない。
【０００８】
特許文献４に記載されたロードセルは、ベースに固定された固定柱部と測定皿に固定された可動柱部とが、互いに平行な２つの梁部で連結されており、それぞれの梁部とそれぞれの固定柱部との連結境界部およびそれぞれの梁部と可動柱部との連結境界部の４箇所に歪みゲージが貼着されている。このロードセルは、測定皿に載せられた測定物の質量で可動柱部が下がったときに、２つの歪みゲージで伸び歪みを検知でき、他の２つの歪みゲージで圧縮歪みを検知できるため、ホイートストンブリッジを構成することで比較的高感度の検知出力を期待できる。
【０００９】
しかしながら、２つの梁が平行に配置された構造であるため、薄型化が困難である。また、固定柱部が固定側で可動柱部が可動側の片持ち構造であるため、例えば２つのパネルの間に挟んで使用しようとしてもその支持構造が複雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−４９２９３号公報
【特許文献２】実用新案登録第３０６４３８５号公報
【特許文献３】実願昭６２−１５８４０３号（実開平１−６４７３７号）のマイクロフィルム
【特許文献４】特開２００４−１９８２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、１つの弾性部材の撓み変形によって弾性部材の同じ側に伸び歪みと圧縮歪みを形成でき、それぞれの撓み部に設けられた歪検知素子の中間電位を検知することで、外部からの押圧力を高感度で検知できる押圧力検知装置を提供することを目的としている。
【００１２】
また本発明は、静電容量式などの座標検知装置と併用でき、または表示画面に対向させて透過表示式としても使用できる押圧力検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、弾性的に撓むことができる弾性体と、前記弾性体上で距離を開けて配置された一対の受力部とを有し、それぞれの受力部に、前記弾性体の第１の側に突出する第１の当接部と、前記弾性体の前記第１の側と反対側の第２の側に突出する第２の当接部が設けられ、それぞれの前記受力部では、前記第１の当接部が前記第２の当接部に対して前記弾性体に沿う同じ方向に距離を開けて位置しており、
それぞれの前記第１の当接部とそれぞれの前記第２の当接部に対して、前記弾性部材に向く押圧力が作用したときに、それぞれの前記受力部が同じ向きに回動して、前記受力部と前記受力部との間の前記弾性体に、互いに逆向きに撓む撓み部が形成可能とされており、
互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部に歪検知素子が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の押圧力検知装置は、弾性体の第１の側と第２の側から第１の当接部と第２の当接部を加圧すると、弾性体の同じ面に伸び歪みと圧縮歪みの両方を発生させることができる。そのため、２つの歪検知素子の中点電位の変化を求めることで、加圧力の大小に対応した高感度の電気的出力を得ることができる。
【００１５】
本発明は、前記弾性体が撓んでいないときに、前記第１の側では、それぞれの前記第１の当接部が他の部分よりも前記弾性体から最も離れた位置に突出し、前記第２の側では、それぞれの前記第２の当接部が他の部分よりも前記弾性体から最も離れた位置に突出しているものとして構成できる。
【００１６】
または、本発明は、前記弾性体が撓んでいないときに、前記第１の側と前記第２の側の双方おいて、それぞれの前記第１の当接部の前記弾性体からの突出寸法と、それぞれの前記第２の当接部の前記弾性体からの突出寸法とが同じであるものとして構成することも可能である。
【００１７】
本発明は、それぞれの受力部で、前記第１の当接部と前記第２の当接部とが一体に形成されているものであってもよいし、それぞれの受力部で、前記第１の当接部と前記第２の当接部とが別体に形成されているものであってもよい。
【００１８】
本発明は、前記受力部と前記受力部との間の前記弾性体の互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部において、前記歪検知素子が、前記弾性体の同じ側に設けられているものである。
【００１９】
本発明の押圧力検知装置は、それぞれの撓み部において、歪検知素子を、弾性体の同じ側に取り付けた構成であっても、外部の押圧力によって歪検知素子から互いに逆極性の出力を得ることができる。
【００２０】
本発明は、前記歪検知素子が抵抗体層であり、互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部において前記抵抗体層が同じ膜厚で同じ幅寸法で形成されている構成とすることが可能である。弾性体の同じ側の面に抵抗体層を同じ厚さで同じ幅で形成することにより、異なる歪み部に設けられた歪検知素子の特性を一致させることが可能である。
【００２１】
本発明は、互いに逆向きに撓むそれぞれの前記撓み部に設けられた前記抵抗体層が直列に接続されて、前記抵抗体層と前記抵抗体層との中点の電位を検出する検出回路が設けられており、前記中点電位は、前記第１の当接部と前記第２の当接部とに作用する力の変化に対して一次関数的に変化するものである。
【００２２】
また、本発明は、前記弾性体の前記第１の側に第１の押圧部材が対向し、前記弾性体の前記第２の側に第２の押圧部材が対向しており、
前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材が互いに接近するときに、前記第１の押圧部材がそれぞれの前記第１の当接部を押圧し、前記第２の押圧部材がそれぞれの前記第２の当接部を押圧するものとして構成できる。
【００２３】
上記のように、パネルなどの２つの押圧部材の間に弾性体を介在させるだけで押圧力検知装置を構成できる。また、押圧力検知装置を薄型に構成することが可能になる。
【００２４】
例えば、本発明は、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は板材であり、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材とに一定の面積の操作領域が形成されて、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は、前記操作領域を囲む周囲領域において、互いに接近できるように連結されている構造が可能である。
【００２５】
この場合に、本発明は、前記周囲領域の内側で、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材との間に複数の前記弾性体が互いに独立して設けられており、それぞれの前記弾性体に設けられた前記歪検知素子に接続される配線が前記周囲領域に設けられていることが好ましい。
【００２６】
操作領域を囲む周囲領域を、２つの押圧部材を連結する連結部として使用するとともに、この周囲領域を配線領域として使用することで、操作領域内などに多くの配線が露出するのを防止でき、操作領域を種々の用途に使用することが可能となる。
【００２７】
例えば、前記第１の押圧部材の表側に操作面が設けられ、少なくとも前記操作領域に、前記操作面に対する操作位置を検知する座標検知装置が設けられているものとして構成できる。
【００２８】
または、前記第１の押圧部材と前記第２の押圧部材は、少なくとも前記操作領域が透明であり、前記第２の押圧部材の外側に表示画面が設けられ、前記操作領域では、前記第１の押圧部材の外側から前記表示画面を目視可能であるものとして構成できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の押圧力検知装置は、薄型に構成でき、しかも外部からの押圧力を高感度で電気的出力に変換することが可能である。
【００３０】
また、静電容量式の座標検知装置との併用が可能であり、また表示画面を透過させる透過パネルへの搭載も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の押圧力検知装置を示す斜視図、
【図２】図１に示す押圧力検知装置の平面図、
【図３】図１に示す押圧力検知装置の動作を説明する端面図であり、（Ａ）は加圧前の状態を示し、（Ｂ）は加圧後の状態を示す、
【図４】歪検知素子の回路図、
【図５】荷重に対する検知出力の変化を示す線図、
【図６】撓み部での弾性板の変形状態をモデル化して示す説明図、
【図７】操作領域または表示領域を備えた押圧力検知装置の分解斜視図、
【図８】図７に示す押圧力検知装置の部分断面図、
【図９】他の実施の形態の押圧力検知装置を示す端面図、
【図１０】さらに他の実施の形態の押圧力検知装置を示す端面図、
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１ないし図３に示す押圧力検知装置１に使用されている弾性体は弾性板２である。弾性板２はステンレススチールなどの弾性撓み可能な金属材料で形成されている。本明細書での「弾性撓み」とは、図３（Ｂ）に示すように、外力を与えたときに板厚方向に曲げ撓みを発生させることができ、且つ外力を除去したときに平坦な状態に復帰する機能を意味している。
【００３３】
図２に示すように、弾性板２は、幅寸法がＷ０で長さ寸法がＬ０である。図２では、長さ寸法Ｌ０を左右に二分する中心線をＯで示している。中心線Ｏは、弾性板２の長手方向に直交して幅方向に延びる仮想線である。
【００３４】
前記弾性板２には、左側受力部３と右側受力部４が固定されている。左側受力部３と右側受力部４は合成樹脂材料で形成されている。この合成樹脂材料としては、摩擦係数の低いポリアセタール樹脂などを使用することが好ましい。図１と図２に示すように、弾性板２は、左側受力部３と右側受力部４のそれぞれの内部に埋設されて固定されている。左側受力部３と右側受力部４は、例えば弾性板２が成型金型のキャビティの内部に保持された状態で、前記キャビティ内に溶融樹脂を射出して硬化させるいわゆるインサート成型工程で形成される。
【００３５】
図２に示すように、左側受力部３の対向縁部３ａと右側受力部４の対向縁部４ａは、前記中心線Ｏから左右に同じ距離だけ離れている。弾性板２は、前記対向縁部３ａと前記対向縁部４ａとで挟まれた長さＬ１の部分が変形領域であり、この変形領域では、長さＬ１の全長にわたって、弾性板２の幅寸法と厚さ寸法が一定であり、すなわち断面係数が一定である。
【００３６】
長さＬ１の変形領域では、中心線Ｏと対向縁部３ａとで挟まれた領域が第１の撓み部５ａであり、中心線Ｏと対向縁部４ａとで挟まれた領域が第２の撓み部５ｂである。図３（Ｂ）に示すように、左側受力部３と右側受力部４とが押圧されると、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂが、互いに上下逆向きの曲げ歪みを生じる。
【００３７】
図３においては、弾性板２よりも上側１５が第１の側であり、弾性板２よりも下側が第２の側である。また、撓んでおらず平坦な状態の弾性板２の長手方向に沿い且つ弾性板２の表面と平行な向きがＸ１−Ｘ２方向である。左側受力部３は中心線ＯよりもＸ１側に位置し、右側受力部４は中心線ＯよりもＸ２側に位置している。
【００３８】
左側受力部３には、弾性板２の上面２ａよりも上側１５に突出している第１の当接部６ａと、弾性板２の下面２ｂよりも下側１６に突出している第２の当接部７ａが形成されている。右側受力部４には、弾性板２の上面２ａよりも上側１５に突出している第１の当接部６ｂと、弾性板２の下面２ｂよりも下側１６に突出している第２の当接部７ｂが形成されている。
【００３９】
図３（Ａ）に示すように、押圧力検知装置１では、弾性板２が撓んでいないときに、左側受力部３の第１の当接部６ａと右側受力部４の第１の当接部６ｂが、それ以外の部分に比べて、弾性板２の上面２ａから上側１５に向けて最も突出している。同じく、弾性板２が撓んでいないときに、左右側受力部３の第２の当接部７ａと右側受力部４の第２の当接部７ｂが、それ以外の部分に比べて、弾性板２の下面２ｂから下側１６に向けて最も突出している。
【００４０】
弾性板２の板厚の中心を通る中立軸から左側受力部３の第１の当接部６ａまでの突出高さ寸法と、中立軸から右側受力部４の第１の当接部６ｂまでの突出高さ寸法は同じであり、共に突出高さ寸法がＨ１である。中立軸から左側受力部４の第２の当接部７ａまでの突出高さ寸法と、中立軸から右側受力部４の第２の当接部７ｂまでの突出高さ寸法は同じであり、共に突出高さ寸法がＨ２である。そして、中立軸から第１の当接部６ａ，６ｂまでの突出高さ寸法Ｈ１と、中立軸から第２の当接部７ａ，７ｂまでの突出高さ寸法Ｈ２とが同じ寸法である。
【００４１】
図３（Ａ）に示すように、左側受力部３では、第１の当接部６ａが第２の当接部７ａよりもＸ１側に離れて位置している。左側受力部３での第１の当接部６ａと第２の当接部７ａの、弾性板２の長手方向に沿う方向（Ｘ１−Ｘ２方向）での間隔寸法はＳ１である。右側受力部４においても、第１の当接部６ｂが第２の当接部７ｂよりもＸ１側に離れて位置している。右側受力部４での第１の当接部６ｂと第２の当接部７ｂの、Ｘ１−Ｘ２方向での間隔寸法はＳ２である。前記間隔寸法Ｓ１と前記間隔寸法Ｓ２は等しい。すなわち、左側受力部３と右側受力部４は、形状と寸法が同じである。
【００４２】
図１と図２および図３（Ａ）に示すように、長さＬ１の変形領域では、弾性板２の上面２ａにポリイミドシートなどの可撓性の合成樹脂シートで形成された絶縁層８が固定されており、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂの双方において、絶縁層８の上に歪検知素子が設けられている。なお、図３（Ｂ）は、主に変形領域での弾性板２の変形状態を説明するために、絶縁層８と歪み検知素子の図示を省略している。
【００４３】
図１と図２に示すように、絶縁層８の表面には第１の電極層１１と第２の電極層１２および、中間電極層１３が設けられている。これら電極層１１，１２，１３は、銀ペーストなどをスクリーン印刷して形成されている。中間電極層１３のＸ１−Ｘ２方向の幅寸法の中心は前記中心線Ｏに一致している。第１の電極層１１と第２の電極層１２は、Ｘ１−Ｘ２方向の幅寸法が互いに一致している。また、中心線Ｏから第１の電極層１１までのＸ１方向の距離と、中心線Ｏから第２の電極層１２までのＸ２方向の距離が一致している。
【００４４】
第１の撓み部５ａでは、前記中間電極層１３と第１の電極層１１との間に、第１の歪検知素子である第１の抵抗体層９ａが形成され、第２の撓み部５ｂでは、中間電極層１３と第２の電極層１２との間に、第２の歪検知素子である第２の抵抗体層９ｂが形成されている。図１と図２に示す実施の形態では、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂが連続して同じ幅寸法で同じ厚さ寸法で形成されている。ただし、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂとが、互いに分離して形成されているものであってもよい。
【００４５】
第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは連続したものであっても、また分離されているものであっても、絶縁層８の同じ表面に同じ工程で同時に形成できる。そのため、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂを同じ抵抗値に揃えて形成しやすい。第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは、バインダ樹脂にカーボンブラックやカーボンナノチューブなどが含まれたものであり、スクリーン印刷工程で、第１の電極層１１と第２の電極層１２と中間電極層１３および絶縁層８の表面に形成される。第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂの撓み変形に追従して延び変形し、または圧縮変形する。伸び変形したときに抵抗値が高くなり、圧縮変形すると抵抗値が低下する。
【００４６】
図１と図２に示すように、前記合成樹脂シートによって、前記絶縁層８に連続する延出部８ａと、さらに延出部８ａに連続する支持基板１０とが一体に形成されている。第１の電極層１１から一体に延びるリード層１１ａと、第２の電極層１２から一体に延びるリード層１２ａ、および中間電極層１３から一体に延びるリード層１３ａは、共に前記延出部８ａの表面を経て前記支持基板１０の表面に引き出されている。支持基板１０では、それぞれのリード層１１ａ，１２ａ，１３ａの表面がポリイミド樹脂などの有機絶縁層で覆われている。
【００４７】
次に、前記押圧力検知装置１の動作について説明する。
図３に示すように、押圧力検知装置１は、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２との間に挟まれて使用される。第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２は、例えば板材であり、通常は、第２の押圧部材２２が固定部材であり、第１の押圧部材２１が前記第２の押圧部材２２に接近し離反できるように支持された可動部材である。
【００４８】
押圧力検知装置１が携帯用機器などの操作装置に使用される場合には、第２の押圧部材２２が機器本体に固定された支持パネルであり、第１の押圧部材２１が、操作側に設けられた操作パネルである。また、押圧力検知装置１が荷重センサまたは差圧力センサとして使用される場合は、第２の押圧部材２２が固定部となり、第１の押圧部材２１が外力や外圧力を受ける測定可動部となる。
【００４９】
前記押圧検知装置１は、弾性板２と左側受力部３および右側受力部４が一体化されたものを、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２の間に設置するだけで押圧力や圧力の検知が可能となる。左側受力部３や右側受力部４を、第１の加圧部材２１や第２の加圧部材２２に固定するなどの必要がないため、組み立てがきわめて容易である。また、左側受力部３と右側受力部４はＸ１−Ｘ２方向に並んで配置されているため、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２の狭い隙間の内部に配置でき、押圧力検知装置１の全体を薄型に構成できる。
【００５０】
図４は、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂの接続状態を示す回路図である。図１と図２に示すように、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは、中間電極層１３を介して直列に接続されている。第１の電極層１１は接地電位に設定され、第２の電極層１２に例えば５ボルトのＤＣ電圧が与えられる。第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂの抵抗値の変化に伴って中間電極層１３の中点電位が変化し、この電位の変化が検出回路１８で検出される。
【００５１】
第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは、同じ工程で形成され、幅寸法と膜厚が同じであるため、図３（Ａ）に示すように、弾性板２が撓んでいないときに、第１の抵抗体層９ａの抵抗値と第２の抵抗体層９ｂの抵抗値がほぼ一致している。よって、図４に示す中間電極層１３の中点電位はほぼＶｃｃ／２であり、Ｖｃｃが５ボルトの場合に中点電位がほぼ２．５ボルトである。
【００５２】
第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２とが互いに接近するように押圧されると、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２との間の隙間が狭められ、第１の押圧部材２１で第１の当接部６ａ，６ｂが弾性板２に向けて押圧され、第２の押圧部材２２で第２の当接部７ａ，７ｂが弾性板２に向けて押圧される。
【００５３】
その結果、図３（Ｂ）に示すように、左側受力部３と右側受力部４が共に同じ方向（図３（Ａ）（Ｂ）では反時計方向）へ回動させられる。左側受力部３と右側受力部４は、ポリアセタール樹脂などの摩擦抵抗の小さい材料で形成され、第１の当接部６ａ，６ｂと第２の当接部７ａ，７ｂがＸ１−Ｘ２方向に向けて曲率を有する凸曲面であるため、第１の当接部６ａ，６ｂが第１の押圧部材２１の内面と最小の抵抗力で摺動し、第２の当接部７ａ，７ｂが第２の押圧部材２２の内面と最小の抵抗力で摺動する。
【００５４】
図３（Ｂ）に示すように、第１の撓み部５ａでは、凸側が上側１５に向く曲げ変形となって、弾性板２の上面２ａに伸び歪みが発生する。第２の撓み部５ｂでは、凸側が下側１６に向く曲げ変形となって、弾性板２の上面２ａに圧縮歪みが発生する。第１の撓み部５ａで弾性板２の上面２ａに伸び歪が発生すると、第１の抵抗体層９ａがこれに追従して伸び歪みを発生し抵抗値が増大する。このとき、第１の抵抗体層９ａのＸ１−Ｘ２方向の伸び率に対して、抵抗値の変化率が一次関数的に変化する。第２の撓み部５ｂで弾性板２の上面２ａに圧縮歪みが発生すると、第２の抵抗体層９ｂの抵抗値が低下する。第２の抵抗体層９ｂの抵抗値の変化率は、第２の抵抗体層９ｂのＸ１−Ｘ２方向の圧縮率に対して一次関数的に変化する。
【００５５】
図２に示すように、左側受力部３と右側受力部４が中心線Ｏから左右に同じ距離だけ離れており、図３（Ａ）に示すように、左側受力部３と右側受力部４の形状と寸法が同じであり、特にＨ１＝Ｈ２で且つＳ１＝Ｓ２である。そのため、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２とが平行を維持して接近したときに、左側受力部３と右側受力部４の回動角度は同じである。そのため、第１の撓み部５ａに作用する曲げモーメントと第２の撓み部５ｂに作用する曲げモーメントは、上下逆向きであるが、その絶対値は同じである。また、第１の撓み部５ａでの弾性板２の上面２ａの伸び歪み率と、第２の撓み部５ｂでの弾性板２の上面２ａの圧縮歪み率は、その絶対値が同じである。
【００５６】
さらに、第１の抵抗体層９ａと第２の抵抗体層９ｂは、中心線Ｏから左右に対称に形成されている。そのため、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２を平行を維持させて接近させたときに、第１の抵抗体層９ａの抵抗値の変化率と、第２の抵抗体層９ｂの抵抗値の変化率は、極性が逆ではあるが、その絶対値がほぼ同じである。
【００５７】
図５のグラフは、横軸に、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２を互いに接近させる荷重の変化を示し、縦軸に、中間電極層１３で得られる電位のＶｃｃ／２からの増加量を示している。第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２が接近すると、第１の抵抗体層９ａの抵抗値が増大し、第２の抵抗体層９ｂの抵抗値が低下するため、中間電極層１３で検出される中間電位は上昇し、図５に示すように、前記荷重が大きくなるにしたがって、中間電位のＶｃｃ／２からの増加量が増大していく。
【００５８】
第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２を加圧したときに、抵抗値が増大する第１の抵抗体層９ａと抵抗値が低下する第２の抵抗体層９ｂとの中点電位を検出しているために、検出回路で前記中点電位の変化を広いレンジで高感度に検出することができる。
【００５９】
また、押圧力検知装置１は、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂの曲げ歪みによって押圧力を検知しているために、図５に示すように、荷重の増加率に対して、中点電位の増加量が比例し、荷重の増加に対して中点電位が一次関数的に増大する。その理由は以下の通りである。
【００６０】
図３（Ｂ）に示すように、第１の撓み部５ａの変形は、左側受力部３で固定された片持ち梁に対して中心線Ｏの部分に集中荷重が作用したのと同じであり、第２の撓み部５ｂの変形は、右側受力部４で固定された片持ち梁に対して中心線Ｏの部分に集中荷重が作用したのと同じである。
【００６１】
図６は、左側受力部３で固定された第１の撓み部５ａを片持ち梁としてモデル化した説明図である。この片持ち梁の自由長はＬａであり、自由端に集中荷重Ｇが作用したときに、片持ち梁は鎖線で示すように撓み変形する。撓み変形したときの、左側受力部３からｘだけ離れた位置での曲げモーメントＭｘは、時計方向のモーメントをプラスとしたときに、Ｍｘ＝Ｇ（Ｌａ−ｘ）である。左側受力部３からｘだけ離れた位置での梁の表面応力ρｘは、梁の断面係数をＺとしたときに、ρｘ＝Ｍｘ／Ｚ＝Ｇ・（Ｌａ−ｘ）／Ｚである。
【００６２】
第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂは、それぞれＬａが定数で、断面係数Ｚも一定である。そのため、左側受力部３からｘだけ離れた位置での梁の表面応力ρｘは、荷重Ｇを変数としたときに、荷重Ｇの一次関数として変化する。弾性板２の表面の歪みは表面応力ρｘに比例する。したがって、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂのそれぞれの位置での表面歪みの変化は、荷重Ｇを変数としたときに、荷重Ｇの一次関数として変化する。
【００６３】
以上から、図５に示すように、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２とを接近させる荷重の変化に対して、中間電極層１３からの中点電位の出力を一次関数的に変化させることができる。この押圧力検知装置１は、与えられる荷重の変化に対して検知出力のリニアリティを確保できる。
【００６４】
図７は、携帯用機器の操作装置などに使用可能な押圧力検知装置１０１の構造を示す分解斜視図であり、図８は、押圧力検知装置１０１が組み立てられた状態を示す部分断面図である。
【００６５】
この押圧力検知装置１０１は、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２が透明パネルである。透明パネルは、例えば、透明なアクリル板のような合成樹脂板またはガラス板である。第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２との間には、枠形状の連結部材１１０が介在している。連結部材１１０は、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２の周縁部に沿って設けられている。
【００６６】
図８に示すように、連結部材１１０は、上側弾性体枠１１１と下側弾性体枠１１２とが重ねられて構成されている。第１の押圧部材１２１である透明パネルの周縁部が、上側弾性体枠１１１の表面に接着固定され、第２の押圧部材１２２である透明パネルの周縁部が、下側弾性体枠１１２の表面に接着固定されている。上側弾性体枠１１１と下側弾性体枠１１２は合成ゴムシート、発泡樹脂シート、発泡ゴムシートなどであり、上下の圧縮力に対して厚さ寸法の変化が比例する弾性体である。連結部材１１０で連結された第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２は、互いに接近させることが可能である。
【００６７】
第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２とが連結部材１１０を介して重ねられた状態で、前記連結部材１１０が設けられた領域が周囲領域であり、連結部材１１０で囲まれた内側の領域は、透明な第１の押圧部材１２１と透明な押圧部材１２２とを介して上下に透視可能な操作領域または表示領域である。
【００６８】
前記操作領域または表示領域では、前記周囲領域の内側の４箇所に、図１と図２に示すように、弾性板２と左側受力部３と右側受力部４とが一体化されて、弾性板２の変形領域に絶縁層８と歪検知装置とが設けられた検知ユニットが配置されている。４箇所に設けられた検知ユニットからそれぞれ延びる合成樹脂シートの４つの延出部８ａは、全て同じ支持基板１０と一体化されている。合成樹脂シートで形成された支持基板１０は、前記連結部材１１０とほぼ同じ枠形状である。図８に示すように、枠形状の支持基板１０は、連結部材１１０を構成する上側弾性体枠１１１と下側弾性体枠１１２との間に挟まれて、上側弾性体枠１１１と支持基板１０の双方に接着固定されている。
【００６９】
図８に示すように、それぞれの左側受力部３と右側受力部４は、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２との隙間内に位置しており、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２とを接近させる荷重が作用していないときに、第１の当接部６ａ，６ｂが第１の押圧部材１２１の下面に最小の隙間で対向し、第２の当接部７ａ，７ｂが第２の押圧部材１２２の上面に最小の隙間で対向し、それぞれの弾性板２に曲げモーメントが作用しておらず、第１の撓み部５ａと第２の撓み部５ｂの双方が撓んでいない。
【００７０】
４箇所に設けられたそれぞれの検知ユニットでは、弾性板２と枠状の連結部材１１０との間が、可撓性の合成樹脂シートで形成された延出部８ａのみを介して連結されている。よって、弾性板２が連結部材１１０に拘束されず、延出部８ａの変形によって比較的自由に動くことができる。そのため、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２とを接近させる押圧力が作用したときに、左側受力部３と右側受力部４が、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２とから均等な押圧力を受けるようになる。
【００７１】
また、それぞれの弾性板２の表面に設けられた歪検知素子の配線であるリード線１１ａ，１２ａ，１３ａは、全て枠形状の支持基板１０に導かれ、連結部材１１０の内部で配線が引き回されている。そのため、連結部材１１０で囲まれた操作領域または表示領域に、押圧力検知装置１０１の配線が延びることがなく、前記配線が操作領域または表示領域の機能の障害になるのを防止できる。
【００７２】
図８に示すように、第１の押圧部材１２１は操作パネルとして使用されており、少なくとも連結部材１１０で囲まれた領域内において、第１の押圧部材１２１の裏面に座標検知装置１１５が設けられている。座標検知装置１１５は静電容量の変化を検知するものであり、透明な絶縁層を挟んで一方の側に複数のＸ電極が他方の側に複数のＹ電極が設けられている。Ｘ電極とＹ電極は共に透明電極である。前記Ｘ電極とＹ電極はマトリクス状に多数の箇所で絶縁層を介して交差している。第１の押圧部材１２１の表面のいずれかの箇所に人体の指が触れると、指の接触位置に最も近い位置にあるＸ電極とＹ電極との交差部での静電容量が変化する。例えば複数のＸ電極と複数のＹ電極に順番にパルス状の電圧を印加し、静電容量の変化に応じた両電極間に流れる電流の変化を検知することで、どの位置に指が触れたかを検知することができる。
【００７３】
前記静電容量式の座標検知装置１１５は、第１の押圧部材１２１の上面に積層されて設けられていてもよい。
【００７４】
また、座標検知装置として、第１の押圧部材１２１の上面に透明な押圧式のタッチパッドが設けられていてもよい。このタッチパッドは、透明な樹脂シートが隙間を介して対向しており、それぞれの樹脂シートの対向面に透明な抵抗体層が形成されている。一方の樹脂シートの抵抗体層にはＸ方向に勾配を持つ電圧が印加され、他方の樹脂シートの抵抗体層にはＹ方向に勾配を持つ電圧が印加され、Ｘ方向の電圧とＹ方向の電圧が異なる時間帯に印加される。タッチパッドのいずれかの場所を押圧すると、対向する抵抗体層どうしが接触し、その接触位置でのＸ方向の電圧とＹ方向の電圧を検知することで、操作位置を座標上で特定することができる。
【００７５】
図８に示すように、第２の押圧部材１２２は固定パネルとして電子機器の本体部に固定される。そして、第２の押圧部材１２２の下側に液晶表示パネルなどの表示装置１１６が配置され、その表示画面が連結部材１１０で囲まれている操作ならびに表示領域に対向している。
【００７６】
図７と図８に示す押圧力検知装置１０１は、表示装置１１６の表示画面の表示内容を、第１の押圧部材１２１と第２の押圧部材１２２を透視して目視することができる。表示画面の表示内容を見ながら、第１の押圧部材１２１の上面のいずれかの箇所を操作すると、その位置が座標検知装置１１５で検知され、図示しない制御部において第１の押圧部材１２１の上面での操作箇所が特定される。そして、その操作箇所において指で第１の押圧部材１２１を押圧すると、図３（Ｂ）に示すように弾性板２が変形し、図５に示すように、中間電極層１３から押圧力に対応した電圧変化を得ることができる。
【００７７】
例えば、４箇所の検知ユニットのそれぞれの中間電極層１３から検出された電圧変化の平均値が所定のしきい値を超えたときに、制御部は指による操作箇所が押圧されたと認識する。これにより、制御部は、座標検知装置１１５で特定された操作箇所への操作入力が確定されたと判断する。または、４箇所の検知ユニットの中間電極層１３から出力される検知電圧のいずれかが一定のしきい値を超えたと判断したときに、操作箇所への操作入力が確定されたと判断してもよい。
【００７８】
図５に示すように、押圧力検知装置では、第１の押圧部材１２１に与えられる押圧力の変化に対して、検知出力が一次関数的に変化する。したがって、４箇所の検知出力の平均値の変化を段階的に設定されたしきい値と比較し、第１の押圧部材１２１に与えられる押圧力の大きさを段階的に判断し、それぞれの押圧力の大きさに応じて、異なる入力操作として判別してもよい。
【００７９】
なお、４箇所の検知素子のそれぞれの検知出力の大小を比較するなどの演算を行うことで、座標検知装置１１５を設けなくても、第１の押圧部材１２１が押圧された操作箇所を特定することもできる。
【００８０】
図９と図１０は本発明の他の実施の形態の押圧力検知装置を示している。
図９に示す押圧力検知装置２０１は、弾性板２０２に、ポリアセタール樹脂などで形成された左側受力部２１３ａ，２１３ｂが固定され、また右側受力部２１４ａ，２１４ｂが固定されている。左側受力部２１３ａと左側受力部２１３ｂは別体のものであり、一方の左側受力部２１３ａに第１の当接部２１６ａが設けられ、他方の左側受力部２１３ｂに第２の当接部２１７ａが設けられている。右側受力部２１４ａと右側受力部２１４ｂも別体に形成されており、一方の右側受力部２１４ａに第１の当接部２１６ｂが設けられ、他方の右側受力部２１４ｂに第２の当接部２１７ｂが設けられている。
【００８１】
第１の当接部２１６ａ，２１６ｂは、図３に示す第１の当接部６ａ，６ｂに対応し、第２の当接部２１７ａ，２１７ｂは図３に示した第２の当接部７ａ，７ｂに対応している。また、第１の当接部２１６ａ，２１６ｂと第２の当接部２１７ａ，２１７ｂに関する寸法Ｈ１，Ｈ２およびＳ１，Ｓ２は、図３に示す実施の形態と同じである。
【００８２】
図９に示す押圧力検知装置２０１は、第１の押圧部材２１と第２の押圧部材２２を接近させるときに、弾性板２０２の変形領域が図３（Ｂ）に示す弾性板２と同様に歪み変形する。よって変形領域の第１の撓み部と第２の撓み部に歪検知素子を設置しておくことで、図５に示したのと同じ検知出力を得ることができる。
【００８３】
図１０に示す押圧力検知装置３０１は、弾性板３０２に２つに分離された左側受力部３１３ａ，３１３ｂと右側受力部３１４ａ，３１４ｂが固定されている。左側受力部３１３ａに第１の当接部３１６ａが設けられ、左側受力部３１３ｂに第２の当接部３１７ａが設けられている。右側受力部３１４ａに第１の当接部３１６ａが設けられ、右側受力部３１４ｂに第２の当接部３１７ｂが設けられている。
【００８４】
第１の当接部３１６ａと第２の当接部３１７ａとの間隔寸法Ｓ１および第１の当接部３１６ｂと第２の当接部３１７ｂとの間隔寸法Ｓ１は、図３に示した実施の形態と同じである。
【００８５】
図１０に示す押圧力検知装置２０１では、第１の押圧部材３２１に、弾性板３０２が撓んでいない状態で、第１の当接部３１６ａ，３１６ｂに当たる第１の押圧部３２３ａ，３２３ｂが下向きに突出形成されている。第２の押圧部材３２２には、弾性板３０２が撓んでいない状態で、第２の当接部３１７ａ，３１７ｂに当接する第２の押圧部３２４ａ，３２４ｂが上向きに突出形成されている。また、弾性板３０２が撓んでいない状態で、第１の押圧部３２３ａ，３２３ｂは、左側受力部３１３ｂと右側受力部３１４ｂに当たっておらず、第２の押圧部３２４ａ，３２４ｂは左側受力部３１３ａと右側受力部３１４ａに当たっていない。
【００８６】
図１０に示す押圧力検知装置３０１は、第１の押圧部材３２１と第２の押圧部材３２２を接近させるときに、弾性板３０２の変形領域が図３（Ｂ）に示す弾性板２と同様に歪み変形する。弾性板３０２の変形領域の第１の撓み部と第２の撓み部に歪検知素子を設置しておくことで、図５に示したのと同じ検知出力を得ることができる。
【００８７】
なお、前記実施の形態では、弾性体として弾性板２，２０２，３０２が使用されている。この弾性板は幅寸法Ｗ０に対して板厚寸法が十分に小さく、板厚方向へ変形するものである。ただし、本発明の弾性体は、弾性板に限られず、断面が正方形の角柱などであってもよい。ただし、長さＬ１の変形領域において断面係数が均一であることが好ましい。
【符号の説明】
【００８８】
１  押圧力検知装置
２  弾性板
２ａ  弾性板の上面
２ｂ  弾性板の下面
３  左側受力部
４  右側受力部
６ａ，６ｂ  第１の当接部
７ａ，７ｂ  第２の当接部
８  絶縁層
８ａ  延長部
９ａ  第１の抵抗体層
９ｂ  第２の抵抗体層
１０  支持基板
１１  第１の電極層
１２  第２の電極層
１３  中間電極層
１５  第１の側である上側
１６  第２の側である下側
２１  第１の押圧部材
２２  第２の押圧部材
１０１  押圧力検知装置
１１０  連結部材
１２１  第１の押圧部材
１２２  第２の押圧部材
２０１  押圧力検知装置
２０２  弾性板
２１３ａ，２１３ｂ  左側受力部
２１４ａ，２１４ｂ  右側受力部
２１６ａ，２１６ｂ  第１の当接部
２１７ａ，２１７ｂ  第２の当接部
３０１  押圧力検知装置
３０２  弾性板
３１３ａ，３１３ｂ  左側受力部
３１４ａ，３１４ｂ  右側受力部
３１６ａ，３１６ｂ  第１の当接部
３１７ａ，３１７ｂ  第２の当接部
３２１  第１の押圧部材
３２２  第２の押圧部材
３２３ａ，３２３ｂ  第１の押圧部
３２４ａ，３２４ｂ  第２の押圧部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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