(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板と、前記ベース板と所定間隔を隔てて対向配置されるスイッチパネルと、前記ベース板と前記スイッチパネルを繋ぐ３つ以上の連結体と、前記連結体の少なくとも３つにそれぞれ設けられた力センサであって、前記パネル面と直交するＺ方向に作用する力に基づく応力を検出すると共にＺ方向廻りにパネルがねじれる際に生じる応力を検出するようになった力センサを有する３軸力センサパネルであって、
前記連結体は四角柱からなり、前記連結体の一方の端部がパネル接続部を介して前記スイッチパネルに固定されると共に他方の端部がベース板接続部を介して前記ベース板に固定されることで、前記連結体は前記スイッチパネル及び前記ベース板に対してそれぞれと離間した状態で取り付けられ、
前記力センサは、前記連結体の前記スイッチパネルと対向する面に設けられたパネル押圧位置検出用の力センサと、前記連結体の、前記パネル押圧位置検出用の力センサの設けられた面と所定の角度をなす面に設けられた前記スイッチパネルの前記ベース板に対するねじれ方向検出用の力センサからなり、
前記押圧力検出用の力センサは、前記スイッチパネルの面上の押した位置に応じて、各押圧力検出用の力センサのそれぞれの出力が変化するようになっており、この出力の組合せから前記パネル面上の押した位置の検出ができると共に、前記各ねじれ方向検出用の力センサの出力の組み合わせから前記パネルの前記ベース板に対するねじれ方向を検出できることを特徴とする３軸力センサパネル。
【請求項２】
前記押圧力検出用の力センサは、当該力センサの出力から前記パネル面上の押した位置の検出ができることに加えて、Ｚ方向のパネル面に対する押圧力又はパネルを引っ張る引張力を検出できることを特徴とする、請求項１に記載の３軸力センサパネル。
【請求項３】
前記力センサは、半導体ゲージ、厚膜抵抗型ゲージ、薄膜ひずみゲージの何れかからなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の３軸力センサパネル。
【請求項４】
前記力センサは、薄膜ひずみゲージからなり、かつ前記連結体は変形し易い部材でできていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の３軸力センサパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パネル上の押した位置を正確に検出すると共に、パネル自体をねじる方向を検出可能な３軸力センサパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パネル上の押した位置を検出するセンサパネルは広く知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。このようなセンサパネルの構造の一例として、静電容量方式のものと、抵抗膜方式のものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５４６１１３号公報
【特許文献２】特許第４１３７７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
静電容量方式によるセンサパネルの場合、使用者の体の静電気の帯電度合いによって動作状態が左右される。具体的には、例えば冬場の乾燥している時期と、梅雨の湿度の高い時期とでは使用者の帯電度合いが異なり、センサパネルの動作状態にずれが生じる場合がある。また、使用者の衣服の材質等によっても静電気のたまり具合が変わり、影響を受ける。
【０００５】
また、静電容量方式のセンサパネルでは、使用者が手袋をした状態でパネルを触っても反応せず、パネルの操作をすることができない。一方、手袋をしたままセンサパネルを触って反応するようにすると、センサ自体の感度が高くなり過ぎるため、手袋なしの状態で直接指でセンサパネルに触ると、余計な入力がされることにより誤作動の原因になる虞がある。
【０００６】
また、静電容量方式の構造上、静電容量の変化をセンサパネルの特定の位置で正確に検知しなければならないため、パネル面をフラットにしなければならない。そのため、パネル面上に特別な突起物などの造形物を形成することはできない。
【０００７】
一方、抵抗膜方式のセンサパネルの場合であっても、パネル面上の指先で押した位置を特定するために、パネル面上に複雑な突起物を形成すると押す力が分散してしまい、押した位置が特定できなくなる。そのため、上述した静電容量方式の場合と同様に、パネル面をフラットにする必要がある。また、センサパネルの下側に、抵抗膜をマトリックス状に張り巡らせるために、その部分の光透過率が例えば１０〜１５程度％低下してしまう。そのため、抵抗膜の下側に高解像度で輝度が高いＬＣＤ（液晶パネル）を備えた場合、この抵抗膜が間に介在していることで、透明なセンサパネルを設けても、ＬＣＤパネルの輝度の高く鮮明な画像がそのままセンサパネルに表示されなくなってしまう。このような問題は、上述した静電容量方式によるセンサパネルにおいてもその構造上生じ得る。
【０００８】
なお、特許文献１に記載の構造は、入力パッド上面（センサパネル上面）の４隅にビームセグメントを有すると共に、この両端にひずみ測定用のセンサを有する構造となっている。また、特許文献２に記載の構造は、パネル上面の４隅にピエゾ抵抗素子を有する構造となっている。
【０００９】
しかしながら、これら特許文献１及び２に開示された構造では、使用者がパネル上面を局所的に押す位置を検出できても、パネル自体がパネルを取り付けた対象物に対してねじれる方向については検出することができない。
【００１０】
本発明の目的は、パネル面上の形状に左右されずパネル上の押した位置を正確に検出すると共に、パネル自体がこれを取付けたベース板に対してねじれる方向を検出可能な３軸力センサパネルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る３軸力センサパネルは、
ベース板と、前記ベース板と所定間隔を隔てて対向配置されるスイッチパネルと、前記ベース板と前記スイッチパネルを繋ぐ３つ以上の連結体と、前記連結体の少なくとも３つにそれぞれ設けられた力センサであって、前記パネル面と直交するＺ方向に作用する力に基づく応力を検出すると共にＺ方向廻りにパネルがねじれる際に生じる応力を検出するようになった力センサを有する３軸力センサパネルであって、
前記連結体は四角柱からなり、前記連結体の一方の端部がパネル接続部を介して前記スイッチパネルに固定されると共に他方の端部がベース板接続部を介して前記ベース板に固定されることで、前記連結体は前記スイッチパネル及び前記ベース板に対してそれぞれと離間した状態で取り付けられ、
前記力センサは、前記連結体の前記スイッチパネルと対向する面に設けられたパネル押圧位置検出用の力センサと、前記連結体の、前記パネル押圧位置検出用の力センサの設けられた面と所定の角度をなす面に設けられた前記スイッチパネルの前記ベース板に対するねじれ方向検出用の力センサからなり、
前記押圧力検出用の力センサは、前記スイッチパネルの面上の押した位置に応じて、各押圧力検出用の力センサのそれぞれの出力が変化するようになっており、この出力の組合せから前記パネル面上の押した位置の検出ができると共に、前記各ねじれ方向検出用の力センサの出力の組み合わせから前記パネルの前記ベース板に対するねじれ方向を検出できることを特徴としている。
【００１２】
請求項１に係る３軸力センサパネルがこのような構成を有することで、従来のセンサパネルでは生じ得ない作用、即ちスイッチパネル面上の押された位置を検出すると共に、ベース板に対するスイッチパネルのねじれ方向を検出するという作用を発揮する。
【００１３】
また、静電容量方式のセンサパネルや抵抗膜方式のセンサパネルの欠点を解消することができる。具体的には、センサパネルのパネル上面に凹凸を付けることで、センサパネル自体の表面を任意の造形物の形状とすることが可能となる。
【００１４】
またベース板にＬＣＤ（液晶表示装置）を備えた場合、静電容量方式や抵抗膜方式のセンサパネルに必須とされる余分な介在物がベース板とパネルとの間に存在しないので、ＬＣＤの輝度や解像度をそのまま落とすことなくＬＣＤの表示内容をパネルに投影させることができる。その結果、光透過率に優れたパネルを用いれば、センサパネル使用者がＬＣＤの画像を高い輝度や解像度のまま認識してスイッチパネルの操作を行うことができる。また、静電容量方式のように手袋を使ったときにスイッチが作動しなかったり、手袋用にスイッチの設定の感度を高めた場合に通常の使用で誤作動が生じたりするようなことがない。
【００１５】
また、静電容量方式や抵抗膜方式は、単にパネル自体の押した位置を検出することしかできないが、本発明に係る３軸力センサパネルによると、このパネル面の押した位置に加えてベース板に少なくとも３箇所で連結された連結体を介してパネルのパネル面法線廻りに作用するベース板に対するパネルのねじれ方向を検出することができ、様々な用途への適用が可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る３軸力センサパネルは、請求項１に記載の３軸力センサパネルにおいて、
前記押圧力検出用の力センサは、当該力センサの出力から前記パネル面上の押した位置の検出ができることに加えて、Ｚ方向のパネル面に対する押圧力又はパネルを引っ張る引張力を検出できることを特徴としている。
【００１７】
請求項２に係る３軸力センサパネルがこのような構成を有することで、スイッチパネル面上の押された位置を検出することに加えて、スイッチパネルを押したり引いたりする力を検出できる。
【００２０】
また、少ない数の応力センサでセンサパネルに加わる様々な操作力を検出できるので、コストパフォーマンスに優れたセンサパネルとすることができる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係る３軸力センサパネルは、請求項１又は請求項２に記載の３軸力センサパネルにおいて、
前記応力センサは、半導体ゲージ、厚膜抵抗型ゲージ、薄膜ひずみゲージの何れかからなることを特徴としている。
【００２２】
請求項３に係る３軸力センサパネルがこのような構成を有することで、様々な応力センサを使用して本発明の作用を発揮することが可能となる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に係る３軸力センサパネルは、請求項１又は請求項２に記載の３軸力センサパネルにおいて、
前記応力センサは、薄膜ひずみゲージからなり、かつ前記連結体は変形し易い部材でできていることを特徴としている。
【００２４】
請求項５に係る３軸力センサパネルによると、応力センサが薄膜ひずみゲージからなり、例えば連結体を樹脂でつくることで、安いコストで大量生産した連結体を使用することができ、かつ連結体に応力センサをそのまま貼り付けるだけでこの部分の製造プロセスを完了できる。その結果、センサパネルの製造コストを大幅に低減できる。
【００２５】
また、連結体が樹脂からなることで、この連結体が太い梁であっても金属の連結体と異なり変形し易いので、センサパネルへの操作内容を感度良く検出することができる。なお、連結体の部材は樹脂に限らず、変形し易く感度良く検出できるものであれば良い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、パネル面上の形状に左右されずパネル上の押した位置を正確に検出すると共に、パネル自体がこれを取付けたベース板に対してねじれる方向を検出可能な３軸力センサパネルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る３軸力センサパネルを示す斜視図である。
【図２】図１に示した３軸力センサパネルの力センサ素子の取り付け位置及び力の検出方法を説明する平面図である。
【図３】本実施形態における力センサ素子によるパネル押圧力及び押圧位置の検出の仕方を説明する側面図（図３（ａ））及びベース板に対するパネルねじれ方向の検出の仕方を説明する側面図（図３（ｂ））である。
【図４】図２及び図３に示した力センサ素子の具体的構成を示す回路ブロック図である。
【図５】図１に示した３軸力センサパネルの信号処理の仕方を示すブロック図である。
【図６】図１に示した３軸力センサパネルによるパネルのねじれ方向を検出する方法を示すアルゴリズムである。
【図７】スイッチパネルのベース板に対するねじれを生じさせる力の作用方向を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態に係る３軸力センサパネルについて図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る３軸力センサパネルを示す斜視図である。また、図２は、図１に示した３軸力センサパネルの力センサ（力センサ素子）の取り付け位置及び力の検出方法を説明する平面図である。また、図３は、本実施形態における力センサ（力センサ素子）によるパネル押圧力及び押圧位置の検出の仕方を説明する側面図（図３（ａ））及びベース板に対するパネルねじれ方向の検出の仕方を説明する側面図（図３（ｂ））である。
【００２９】
本発明の一実施形態に係る３軸力センサパネル１は、ベース板３０と、ベース板３０と所定間隔を隔てて対向配置されるスイッチパネル４０と、ベース板３０とスイッチパネル４０を上記所定の間隔を介して連結する４つの連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）と、各連結体１００に設けられた４つの力センサ２００（２１０，２２０，２３０，２４０）を有している。
【００３０】
そして、４つの力センサ２００は、スイッチパネル４０の上面の押した位置に応じて、４つの力センサ２００のそれぞれの出力が変化するようになっており、この出力の組合せからパネル面上の押した位置の検出ができると共に、パネル面に直交するＺ方向の押圧力又はスイッチパネル４０を引っ張るＺ軸方向の引張力を検出できるようになっている。また、４つの力センサ２００の各出力からスイッチパネル４０のベース面に対するねじれ方向を検出することもできるようになっている。以下、この力センサ２００を適宜応力センサ２００と称する。
【００３１】
力センサ２００は応力センサの１つである薄膜ひずみゲージからなる。力センサ２００は、スイッチパネル４０の上面の押した位置及びスイッチパネル自体を押したり引いたりする力を検出する第１の力センサ素子２１１，２１２，２１３，２１４と、スイッチパネル４０をベース板３０のベース面に対しねじる方向を検出する第２の力センサ素子２２１，２２２，２２３，２２４からなる。
【００３２】
なお、応力センサ２００は、薄膜ひずみゲージの他に、半導体ゲージ、厚膜抵抗型ゲージの何れかからなっていても良い。
【００３３】
以下、上述した３軸力センサパネル１の具体的構成について、詳細に説明する。なお、以下の説明において、平面視とは、３軸力センサパネル１のパネル上面側から見た状態をいい、長手方向とは、平面視長方形をなすスイッチパネル４０及びベース板３０の長辺方向、短手方向とは、スイッチパネル４０及びベース板３０の短辺方向をいう。
【００３４】
ベース板３０は、本実施形態の場合、平面視で長方形形状を有し、ある程度厚みのある強度と成形性に優れた樹脂材できている。なお、ベース板の部材は樹脂材に限らず、ある程度厚みのある強度と加工性に優れたものであれば良い。ベース板３０の４隅には、ベース板３０を３軸力センサパネル１の被取付対象物に取り付ける取付孔３１がそれぞれ形成されている。
【００３５】
スイッチパネル４０は、本実施形態の場合、樹脂材でできた長方形形状を有する板材からなり、ベース板３０の大きさに対応した大きさを有している。なお、場合によっては透光性を有する樹脂材のスイッチパネル４０としても良いが、樹脂材でなくとも良い。スイッチパネル４０の中央部には平面視で十字状をなす突起部４５が備わっている。
【００３６】
ベース板３０の４隅から所定距離離れた部分とスイッチパネル４０の４隅とは、スイッチパネル４０をベース板３０に対して所定間隔隔てた状態で対向配置させる４つの連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）で連結されている。連結体１００は、本実施形態の場合、細長の四角柱からなり、図３に示すように各四角柱１１１，１２１，１３１，１４１の一方の面（図１及び図３では図中の上面１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａ）がスイッチパネル４０のうち裏面４０ａにそれぞれ対向し、他方の面（図１及び図３では図中の下面１１１ｂ，１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂ）がベース板３０の上面３０ａにそれぞれ対向するようになっている。
【００３７】
連結体１００には、長手方向一端側であってスイッチパネル４０との対向面にスペーサ状のパネル接続部１１４，１２４，１３４，１４４が備わり、長手方向他端側であってベース板３０との対向面にスペーサ状のベース板接続部１１３，１２３，１３３，１４３が備わっている。
【００３８】
連結体１００のベース板３０とスイッチパネル４０との間の配置構造は、図１に示すようになっている。即ち、パネル長手方向に沿う連結体１１０及び１３０は、各連結体１１０，１３０のパネル接続部１１４，１３４（図３参照）がスイッチパネル４０の裏面４０ａ（図３参照）が対角線上で対向する一方の組の隅部にそれぞれ締結部等で固定され、連結体自体がスイッチパネル４０の長辺方向縁部４０ｂ（図２参照）に沿って延在し、ベース板接続部１１３，１３３（図３参照）がその連結体１１０，１３０の端部においてベース板３０に固定されている。
【００３９】
一方、パネル短手方向に沿う連結体１２０及び１４０は、各連結体１２０，１４０のパネル接続部１２４，１４４（図３参照）が対角線上で対向する他方の組の隅部にそれぞれネジ等の締結具で固定され、連結体自体がスイッチパネル４０の短辺方向縁部４０ｃ（図２参照）に沿って延在し、ベース板接続部１２３，１４３（図３参照）がその連結体１２０，１４０の端部においてベース板３０に固定されている。
【００４０】
そして、連結体１００のスイッチパネル４０とのパネル接続部１１４，１２４，１３４，１４４及びベース板３０とのベース板接続部１１３，１２３，１３３，１４３はそれぞれスイッチパネル４０とベース板３０にしっかりと接合され、これらの部分で各部品の相対的なずれが生じないようになっている。
【００４１】
応力センサ２００の一方をなすパネル押圧位置検出用の力センサ素子２１１，２２１，２３１，２４１は、上述したように薄膜ひずみゲージからなり、細長の角柱をなす連結体１００のスイッチパネル４０と対向する上面１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａ（図２及び図３参照）にそれぞれ貼り付けられている。また、応力センサ２００の他方をなすスイッチパネル４０のベース板３０に対するねじれ方向を検出する力センサ素子２１２，２２２，２３２，２４２は、上述したように薄膜ひずみゲージからなり、細長の角柱をなす連結体１００のパネル縁部に沿って延在する外側側面１１１ｃ，１２１ｃ，１３１ｃ，１４１ｃ（図２及び図３参照）にそれぞれ貼り付けられている。なお、貼り付け位置は外側側面に限らず、内側側面またはそれらの組み合わせでも良い。
【００４２】
このような連結体１００を有することで、図３（ａ）に示すように、パネル上面を押す力Ｆ１がスイッチパネル４０に作用した場合、この押す力Ｆ１がスイッチパネル４０とのパネル接続部１１４，１２４，１３４，１４４を介してベース板３０に固定された片持ち梁状の連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）に作用する。この場合、パネル上面を押す力Ｆ１は連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）のスイッチパネル４０と対向する上面１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａを引き伸ばす方向にのみ作用し、連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）の外側側面１１１ｃ，１２１ｃ，１３１ｃ，１４１ｃを引き伸ばしたり縮めたりする方向には作用しないので、パネル操作位置検出用の力センサ素子２１１，２１２，２１３，２１４のみ連結体１００に作用する曲げ応力を検出してひずみ出力を発生させる。そして、パネルねじれ方向検出用の力センサ素子２２１，２２２，２２３，２２４には応力が発生しないため、これら素子のひずみ発生に関する出力は０となる。
【００４３】
一方、図３（ｂ）に示すように、スイッチパネル４０をベース板３０に対してねじる力Ｆ２が作用した場合、このねじる力Ｆ２がスイッチパネル４０とのパネル接続部１１４，１２４，１３４，１４４を介してベース板３０に固定された連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）に作用する。なお、ねじる力Ｆ２は、図３（ｂ）では斜めに示しているが、実際はスイッチパネル４０とほぼ同一面上で図７に示す方向に作用する。
【００４４】
この場合、パネル４０をねじる力Ｆ２は、連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）のパネルと対向する外側側面１１１ｃ，１２１ｃ，１３１ｃ，１４１ｃを引き伸ばしたり縮めたりする方向にのみ作用し、連結体１００（１１０，１２０，１３０，１４０）の上面を引き伸ばしたり縮めたりする方向には作用しないので、パネルねじれ方向検出用の力センサ素子２２１，２２２，２２３，２２４のみ連結体１００に作用する曲げ応力を検出してひずみ出力を発生させる。なお、パネル操作位置検出用の力センサ素子２１１，２１２，２１３，２１４には応力が発生しないため、これら素子のひずみ発生に関する出力は０となる。
【００４５】
続いて、力センサ素子２１１，２１２，２１３，２１４を構成するひずみゲージによるパネル押圧位置及びパネル押圧力、並びに力センサ素子２２１，２２２，２２３，２２４を構成するひずみゲージによるベース板に対するパネルのねじれ方向の検出方法を信号処理方法の点から説明する。なお、以下の説明では、パネル押圧位置及び押圧力検出用の力センサ素子２１１，２１２，２１３，２１４をＺＨひずみゲージ２１１，２１２，２１３，２１４と呼び、ベース板３０に対するスイッチパネル４０のねじれ検出用の力センサ素子２２１，２２２，２２３，２２４をＺＧひずみゲージ２２１，２２２，２２３，２２４と呼ぶ。また、以下においては、説明上、適宜ＺＨひずみゲージ２１１，２１２，２１３，２１４をそれぞれＺＨ１〜ＺＨ４、ＺＧひずみゲージ２２１，２２２，２２３，２２４をそれぞれＺＧ１〜ＺＧ４と省略する。
【００４６】
図４は、図２及び図３に示した力センサ素子の具体的構成を示す回路ブロック図である。また、図５は、図１に示した３軸力センサパネルの信号処理の仕方を示すブロック図である。
【００４７】
図４に示すひずみゲージ増幅回路において、オペアンプの出力：Ｖ、オペアンプのゲイン：Ｈ、ひずみゲージＺＨ１の抵抗値：ｒ、ひずみゲージＺＨ１の抵抗値変化：Δｒとすると、
Ｖ＝［Ｖｃｃ×［（（ｒ＋Δｒ）／（Ｒ＋ｒ））］−（Ｖｃｃ／２）］×Ｈとなる。
【００４８】
また、オペアンプの出力：Ｖ、オペアンプのゲイン：Ｇ、ひずみゲージＺＧ１の抵抗値：ｒ、ひずみゲージＺＧ１の抵抗値変化：Δｒとすると、
Ｖ＝［Ｖｃｃ×［（（ｒ＋Δｒ）／（Ｒ＋ｒ））］−（Ｖｃｃ／２）］×Ｇとなる。
【００４９】
このようにして、各ひずみゲージＺＨ１〜ＺＨ４，ＧＨ１〜ＧＨ４の出力を個別に取り出し、各出力を図５に示すマイコンにそれぞれ入力して信号処理する。
【００５０】
続いて、マイコン内部での信号処理の仕方について説明する。マイコン内部では、各ひずみゲージで測定され差動アンプで増幅されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル値にする処理を行なう。そして、マイコン内部でひずみ検出の有無を各ひずみゲージごとに判断する。ここで、ひずみ検出の原理について具体的に説明する。
【００５１】
なお、以下に説明する直交座標系をなすＸＹＺ座標に関して、Ｘ座標は、図１及び図７におけるスイッチパネル面上の長手方向とし、右側に向かって＋、左側に向かって−とする。また、Ｙ座標は、同図におけるスイッチパネル面上の短手方向とし、上側に向かって＋、下側に向かって−とする。また、Ｚ座標は、同図におけるＸＹ座標の交点を通りスイッチパネル面に垂直な方向とし、パネル表側から裏側に向かって＋とする。
【００５２】
以下の係数ａ〜ｄは、ＺＨ１〜ＺＨ４の出力誤差を同一とするための補正係数である。出力誤差をこの係数ａ〜ｄで補正することで、Ｘ，Ｙ座標の位置精度の向上を図ることが可能となる。ＺＨ１〜ＺＨ４に関する出力誤差の調整は、測定に際して事前に実施しておくものとする。具体的には、ＺＨ１〜ＺＨ４に関する出力誤差調整について、以下の手順に従い実行する。
【００５３】
最初に出力誤差の調整に適した任意重さの分銅をスイッチパネル４０の上面の領域Ａ（図２参照）に載せて、分銅の重さを４つのＺＨひずみゲージに印加する。この場合、４つのＺＨひずみゲージの総荷重をＷとすると、Ｗは以下のようになる。
（１）Ｗ＝ａ×ＤＨ１’＋ｂ×ＤＨ２’＋ｃ×ＤＨ３’＋ｄ×ＤＨ４’
同様にスイッチパネル４０上面の領域Ｂ，Ｃ，Ｄ（図２参照）に順に分銅を載せて、分銅の重さを４つのＺＨひずみゲージに印加する。この際、各場合の４つのＺＨひずみゲージの総荷重はそれぞれ以下の式となる。
（２）Ｗ＝ａ×ＤＨ１’’＋ｂ×ＤＨ２’’＋ｃ×ＤＨ３’’＋ｄ×ＤＨ４’’
（３）Ｗ＝ａ×ＤＨ１’’’＋ｂ×ＤＨ２’’’＋ｃ×ＤＨ３’’’＋ｄ×ＤＨ４’’’
（４）Ｗ＝ａ×ＤＨ１’’’’＋ｂ×ＤＨ２’’’’＋ｃ×ＤＨ３’’’’＋ｄ×ＤＨ４’’’’ 
分銅Ｗの総荷重は、パネル上面の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの何れに載せても一定であるので、以上の（１）〜（４）の４つの連立方程式から、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを算出する。そして、この係数ａ，ｂ，ｃ，ｄがＤＨ１〜ＤＨ４の出力誤差を補正する係数となる。
【００５４】
なお、ＺＧ１〜ＺＧ４の出力については、これらの出力に基づいて後述するアルゴリズムによりスイッチパネル４０のベース板３０に対するねじれ方向のみを判断するだけなので、ＺＧ１〜ＺＧ４の出力誤差の調整までは必要としない。
【００５５】
続いて、ＺＨ１〜ＺＨ４の出力に基づくスイッチパネル４０を押した位置及び押圧力の検出方法、並びにＺＧ１〜ＺＧ４の出力に基づくスイッチパネル４０のベース板３０に対するねじれ方向の判断方法について具体的に説明する。
【００５６】
最初にスイッチパネル４０を押した位置及び押圧力の検出方法について説明する。ＺＨひずみゲージの応力検出（ステップ１）については以下の手順で行なう。スイッチパネル４０の上面の特定の位置を押すと、連結体の、ＺＨ１〜ＺＨ４のひずみゲージを貼った部分に応力が発生する。このとき、連結体の、ＺＧ１〜ＺＧ４のひずみゲージを貼った部分には応力が発生しない（干渉がない）。これは、上述したように、パネル押圧時にはＺＨひずみゲージの出力のみが変化し、ＺＧひずみゲージの変化は０であることに起因する。即ち、ＺＨ側のひずみゲージは起歪体の曲げ応力を検出してひずみ出力が発生する。また、連結体の、ＺＧ側のひずみゲージを貼った部分には応力が発生しないため、ＺＧひずみゲージのひずみ出力は０となる。
【００５７】
続いて、上述したＺＨ１〜ＺＨ４の出力に基づき、スイッチパネルを押した位置（Ｘ座標とＹ座標）を特定する。この位置特定に伴うＸ座標とＹ座標の演算処理（ステップ２）については以下の手順で行なう。
【００５８】
Ｘ，Ｙの座標は以下の式で表すことができる。
Ｘ座標位置＝［（ｂ・ＤＨ２＋ｃ・ＤＨ３）−（ａ・ＤＨ１＋ｄ・ＤＨ４）］／（ａ・ＤＨ１＋ｂ・ＤＨ２＋ｃ・ＤＨ３＋ｄ・ＤＨ４）
Ｙ座標位置＝［（ｃ・ＤＨ３＋ｄ・ＤＨ４）−（ａ・ＤＨ１＋ｂ・ＤＨ２）］／（ａ・ＤＨ１＋ｂ・ＤＨ２＋ｃ・ＤＨ３＋ｄ・ＤＨ４）
【００５９】
続いて、Ｚ軸並進力の演算処理を行なう。このＺ軸並進力は、スイッチパネルを押す力に相当する。ここで、上述した２つの式の分母、即ち（ａ・ＤＨ１＋ｂ・ＤＨ２＋ｃ・ＤＨ３＋ｄ・ＤＨ４）に示す計算部分がＺ軸の並進力Ｗとなる。
Ｗ＝ａ・ＤＨ１＋ｂ・ＤＨ２＋ｃ・ＤＨ３＋ｄ・ＤＨ４
なお、Ｚ軸並進力は、Ｘ座標とＹ座標の交点の位置での荷重情報のデータとして使用する。
【００６０】
続いて、スイッチパネルのベース板に対するねじれ方向の判断方法について説明する。ＺＧひずみゲージの応力検出（ステップ３）について以下の手順で行なう。パネルの側面を押すと、ＺＧ１〜ＺＧ４のひずみゲージに応力が発生する。このとき、ＺＨ１〜ＺＨ４のひずみゲージには応力が発生しない（干渉がない）。これは、パネルをベース板に対してねじったときは、ＺＧひずみゲージの出力のみが変化し、ＺＨひずみゲージの変化量は０であることに起因する。即ち、ＺＨ側のひずみゲージには、応力が発生しないため、ひずみ出力は０となる。また、ＺＧ側のひずみゲージは、起歪体の曲げ応力を検出してひずみ出力が発生する。
【００６１】
続いて、Ｆｘ、Ｆｙの方向検出とＺ軸回りの回転方向の検出を行なう。この際、ＺＧ１〜ＺＧ４の出力を監視することで以下の点を検出する。
・Ｆｘ、Ｆｙの方向
・Ｚ軸周りの回転方向
なお、ひずみゲージの＋出力は、Ｃｏｍｐ側（圧縮方向側）の出力信号、ひずみゲージの−出力は、Ｔｅｎ側（引張方向側）の出力信号、Ｚ軸の偶力は、スイッチパネルのＺ軸上の回転方向を検出するために使用する。
【００６２】
ここで、ベース板に対向したまま、パネル面の中心を通る法線廻りに力をかけた場合のパネルのねじれ方向の検出アルゴリズムについて説明する。図６は、図１に示した３軸力センサパネルによるスイッチパネルのねじれ方向を検出する方法を示すアルゴリズムである。また、図７は、スイッチパネルのベース板に対するねじれを生じさせる力の作用方向を説明する説明図である。そして、以下のアルゴリズムに従って、スイッチパネルのベース面に対するねじれ方向を判断する。
【００６３】
スイッチパネルにベース板に対するねじれ力のみが作用した場合、上述したように、４つのＺＧひずみゲージの出力のみが変化する。そこで各ＺＧひずみゲージの出力のみからスイッチパネルのねじれ方向を判断する。
【００６４】
最初に、各ＺＧひずみゲージの出力を測定する。なお、以下の説明で、ＺＧ出力が０となる場合は、力の作用方向と、ひずみゲージ（接続体）の延在方向が一致しているため、力を作用させてもひずみゲージの出力が変化しない状態をいう。
【００６５】
ここで、Ｘ−Ｙの力の方向が＋Ｆｘの場合、ひずみゲージの出力はＺＧ１が０、ＺＧ２が＋出力、ＺＧ３が０、ＺＧ４が−出力となる。従って、これらの出力の組合せから、ＺＧ２＞ＺＧ４となり、Ｚ軸回転方向は＋Ｍｚ方向と判断する。
【００６６】
一方、Ｘ−Ｙの力の方向が−Ｆｘの場合、ひずみゲージの出力はＺＧ１が０、ＺＧ２が−出力、ＺＧ３が０、ＺＧ４が＋出力となる。その結果、これらの出力の組合せから、ＺＧ４＞ＺＧ２となり、Ｚ軸回転方向は−Ｍｚ方向と判断する。
【００６７】
一方、Ｘ−Ｙの力の方向が＋Ｆｙの場合、ひずみゲージの出力はＺＧ１が−出力、ＺＧ２が０、ＺＧ３が＋出力、ＺＧ４が０となる。その結果、これらの出力の組合せから、ＺＧ３＞ＺＧ１となり、Ｚ軸回転方向は＋Ｍｚ方向と判断する。
【００６８】
一方、Ｘ−Ｙの力の方向が−Ｆｙの場合、ひずみゲージの出力はＺＧ１が＋出力、ＺＧ２が０、ＺＧ３が−出力、ＺＧ４が０となる。その結果、これらの出力の組合せから、ＺＧ１＞ＺＧ３となり、Ｚ軸回転方向は−Ｍｚ方向と判断する。
【００６９】
以上説明した実施形態に係る３軸力センサパネルの作用についてまとめて説明する。上述の実施形態に係る３軸力センサパネルがこのような構成を有することで、従来のスイッチパネルでは生じ得ない作用、即ちスイッチパネル面上の押された位置を検出すると共に、ベース板に対するスイッチパネルのねじれ方向を検出するという作用を発揮する。
【００７０】
また、静電容量方式のセンサパネルや抵抗膜方式のセンサパネルの欠点を解消することができる。具体的には、３軸力センサパネルのスイッチパネル上面に凹凸を付けることで、センサパネル自体の表面を任意の造形物の形状とすることが可能となる。またベース板にＬＣＤ（液晶表示装置）を備えた場合、静電容量方式や抵抗膜方式のセンサパネルに必須とされるベース板とパネルとの間に余分な介在物が存在しないので、ＬＣＤの輝度や解像度をそのまま落とすことなくＬＣＤの表示内容をパネルに投影させることができる。その結果、光透過率に優れたパネルを用いれば、高い輝度や解像度のままＬＣＤの画像をセンサパネル使用者が認識して、スイッチパネルの正確な操作を行うことができる。
【００７１】
また、静電容量方式のように手袋を使ったときにスイッチが作動しなかったり、手袋用にスイッチの設定の感度を高めた場合に通常の使用で誤作動が生じたりするようなことがない。
【００７２】
また、静電容量方式や抵抗膜方式は、単にパネル自体の押した位置を検出することしかできないが、本発明に係る３軸力センサパネルによると、このパネル面の押した位置に加えてベース板に少なくとも３箇所で連結されたパネルのパネル面法線廻りに作用するベース板に対するパネルのねじれ方向を検出することが可能となり、様々な用途への適用が可能となる。
【００７３】
また、本実施形態に係る３軸力センサパネルは、力センサがその出力の組合せからパネル面上の押した位置の検出ができることに加えて、Ｚ方向のスイッチパネルのパネル面を押す押圧力又はスイッチパネルを引っ張る引張力を検出できる。
【００７４】
また、本実施形態に係る３軸力センサパネルは、第１の応力センサがスイッチパネル面上における押された位置やスイッチパネルを押したり引いたりする力を独立して検出すると共に、第２の応力センサがパネルをベース面に対しねじる方向を独立して検出するようになっている。そのため、第１の応力センサ及び第２の応力センサの出力を別々に取り出して上述の押圧力や押した位置、ベース板に対するスイッチパネルのねじれ方向を個別に正確に検出することができる。
【００７５】
また、少ない数の応力センサでセンサパネルに加わる様々な操作力を検出できるので、コストパフォーマンスに優れたセンサパネルとすることができる。
【００７６】
また、本実施形態に係る３軸力センサパネルの応力センサには、薄膜ひずみゲージに限らず、半導体ゲージ、厚膜抵抗型ゲージも本発明においては利用可能である。これにより、様々な応力センサを使用して本発明の作用を発揮することが可能となる。
【００７７】
なお、好ましくは応力センサは、薄膜ひずみゲージからなり、かつ連結体は樹脂でできているのが良い。これによって、安いコストで大量生産した連結体を使用することができ、かつ連結体に応力センサをそのまま貼り付けることができ、この部分の製造プロセスを完了できる。その結果、センサパネルの製造コストを大幅に低減できる。また、連結体が樹脂からなることでこの連結体が太い梁であっても金属の連結体と異なり変形し易いので、センサパネルへの操作内容を感度良く検出することができる。
【００７８】
以上説明した本発明に係る３軸力センサパネルは、様々な用途に適用可能である。具体的には、例えばパネルの上面に部屋の照明器具の場所を一目で分かるように表示し、その照明器具に対応する位置を押すと、その押した位置をパネル押圧力検出素子の出力に基づいて検出するようにする。
【００７９】
そして、パネル面上には突起物が備わり、例えば突起物を介してパネル面をパネルの上面から見て法線廻りで時計方向に押すと、スイッチパネルがベース板に対して時計方向にねじれるようになるので、選択した照明器具の明るさを明るくなるようにする。
【００８０】
一方、突起物を介してパネル面をパネルの上面から見て法線廻りで反時計方向に押すと、スイッチパネルがベース板に対して反時計方向にねじれるので照明の明るさが暗くなるようにする。このようにして部屋の様々な照明器具のオン／オフや明るさの調節を１つの３軸力センサパネルで行うことが可能となる。
【００８１】
また、本発明に係る３軸力センサパネルをゲーム機のコントローラとしても使用可能である。その場合、従来の静電容量方式や抵抗薄膜方式のセンサパネルとは異なり、例えばベース板上に設けたＬＣＤの表示内容を透明なパネル板を介して輝度を落とすことなく目視ことができるので、ゲームの醍醐味を十分に味わうことができる。また、本発明の場合パネル板上に任意の造形物を形成できるので、例えば特殊な操作レバー等をパネル面上に備えることができると共に、このようなレバーを用いてパネルをベース板に対してねじる方向を検出することでゲーム進行にあたっての指令信号の多彩化を図ることができるようになる。
【００８２】
また、本発明に係る３軸力センサパネルを用いて、例えばマッサージチェアの座部や背もたれ部、ひじ掛け部、足置き部などの位置制御を行うことで、マッサージチェアを利用する人の姿勢制御を行ったり、これら各部のアクチュエータの振動度合い（強弱度合い）の調整をこれと同時に行うようにして、高齢者などにとって使い方が分かり易く、使い勝手に優れたマッサージチェアを実現しても良い。
【００８３】
また、本発明に係る３軸力センサパネルを用いて、ある程度広い室内に複数設けられた空調機のうち、調節したい空調機を個別に選択して空調機の空調度合い（強弱）を調節できるようにしても良い。
【００８４】
なお、本実施形態のように、スイッチパネル上の押した位置を検出すると共に、スイッチパネルを押した力を検出する代わりに、前者のスイッチパネルを押した位置だけ検出するようにしても良い。このような場合であっても、本発明に係る３軸力センサパネルは、これと同時にスイッチパネルのベース板に対するねじれ方向を検出できるので、従来例のセンサパネルよりも格段に高機能性を備えたものとなる。
【００８５】
また、パネルとベース板は平面視三角形をなし、パネルの各頂点を連結体を介してベース板に接続しても良い。一方、パネルとベース板は五角形以上の多角形でも良い。この場合もパネルの各頂点を連結体を介してベース板に連結すれば良い。
【００８６】
また、連結体は、本発明の作用を発揮できれば上述した実施形態のように細長の四角柱の形状以外の形状を有していても良い。
【００８７】
また、本実施形態においては、ベース板３０及びその他の部品の材質に樹脂が使われている旨の記載がされているが、本発明に係る構成部品の材質に関しては、上述した通り必ずしもこのような樹脂には限定されず、本発明の作用を発揮し得る範囲内で他の適当な材質を選択可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８８】
１    ３軸力センサパネル
３０    ベース板
４０    スイッチパネル
４５    突起部
１００（１１０，１２０，１３０，１４０）    連結体
１１１，１２１，１３１，１４１    四角柱
１１１ａ，１２１ａ，１３１ａ，１４１ａ    上面
１１１ｃ，１２１ｃ，１３１ｃ，１４１ｃ    外側側面
２００（２１０，２２０，２３０，２４０）    力センサ（応力センサ）
２１１，２１２，２１３，２１４    力センサ素子（ＺＨひずみゲージ）
２２１，２２２，２２３，２２４    力センサ素子（ＺＧひずみゲージ）
【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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