(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
押圧力が加わる表面を有する受圧部材と、
前記受圧部材の裏面と対向するベース部材と、
相互間に所定の間隔をあけて、前記受圧部材と前記ベース部材との間に配置され、前記押圧力を検出する１個以上の力センサを備えた装置に用いる力センサユニットであって、
前記力センサを前記受圧部材と前記ベース部材との間に保持する保持機構を備え、
前記保持機構は、前記押圧力が前記受圧部材の前記表面に加わっていない状態で所定のバイアス力を前記力センサに付与し、前記表面に押圧力が加えられたときに、前記押圧力の大きさに比例して前記バイアス力を減少させるように構成されていることを特徴とする力センサユニット。
【請求項２】
前記保持機構は、前記受圧部材と前記ベース部材との間のスペース内に位置決めされて前記力センサが取り付けられるセンサ取付部を備えて前記受圧部材及び前記ベース部材の一方の部材に固定された第１のアタッチメント部材と、
前記力センサを間に介して前記センサ取付部と対向するバイアス力付与部を備えて、前記受圧部材及び前記ベース部材の他方の部材に固定された第２のアタッチメント部材と、
前記押圧力が前記受圧部材の前記表面に加わっていない状態で、バイアス力を前記バイアス力付与部を介して前記力センサに与えるバイアス力付与手段とを備えている請求項１に記載の力センサユニット。
【請求項３】
前記第１のアタッチメント部材は、前記センサ取付部と一体に形成されて前記ベース部材に固定される固定部を有しており、
前記第２のアタッチメント部材は、前記バイアス力付与部と一体に形成されて前記受圧部材に固定される固定部を有しており、
前記第１のアタッチメント部材の前記センサ取付部と前記第２のアタッチメント部材の前記バイアス力付与部との間に前記力センサが位置し、
前記第２のアッタチメント部材の前記バイアス力付与部と前記ベース部材との間に前記バイアス力付与手段が配置され、
前記バイアス力付与手段は、前記受圧部材に加わる前記押圧力によって復元可能に変形し、前記押圧力が除去されると元の形に復元して前記受圧部材を元の位置に戻す復帰力を前記受圧部材に与えるように構成されている請求項２に記載の力センサユニット。
【請求項４】
前記センサ取付部と前記受圧部材に固定された前記第２のアタッチメント部材の前記固定部との間には、前記押圧力によって復元可能に変形し、前記押圧力が除去されると元の形に復元して前記受圧部材を元の位置に戻す復帰力を前記受圧部材に与える追加バイアス力付与手段を備えている請求項３に記載の力センサユニット。
【請求項５】
前記第１及び第２のアタッチメント部材、前記バイアス力付与手段並びに前記追加バイアス力付与手段が組み合わされて１つの力センサユニットを構成している請求項４に記載の力センサユニット。
【請求項６】
前記第１のアタッチメント部材の前記固定部は、前記センサ取付部と平行に延びる平行部と、前記センサ取付部の一端と前記平行部の一端とを連結する連結部とを備えており、
前記第２のアタッチメント部材の前記固定部は、前記バイアス力付与部と平行に延びる平行部と、前記バイアス力付与部の一端と前記平行部の一端とを連結する連結部とを備えており、
前記第１及び第２のアタッチメント部材は、前記センサ取付部と前記バイアス力付与部とが対向し、前記第１のアタッチメント部材の前記連結部と前記第２のアタッチメント部材の前記連結部とが平行に並ぶように組み合わされ、
前記第１のアタッチメント部材の前記センサ取付部と前記第２のアタッチメント部材の前記平行部との間に前記バイアス力付与手段が配置され、
前記バイアス力付与手段は、前記受圧部材に加わる前記押圧力によって復元可能に変形し、前記押圧力が除去されると元の形に復元して前記受圧部材を元の位置に戻す復帰力を前記受圧部材に与えるように構成されている請求項３に記載の力センサユニット。
【請求項７】
前記バイアス力付与手段が、バネまたは弾性部材から構成されている請求項２乃至６のいずれか１項に記載の力センサユニット。
【請求項８】
前記追加バイアス力付与手段が、バネまたは弾性部材から構成されている請求項４に記載の力センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサを用いた装置用の力センサユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特表２００８−５１５０８９号公報には、力センサを用いた装置の一例として、パネルの四隅または周囲に力センサを配置した従来のタッチパネル入力装置が開示されている。この装置では、タッチパネルに加わる押圧力を４つの力センサで受け、各力センサから出力される押圧力に比例した信号のバランスを計算することにより、操作者がタッチしているパネルの位置を特定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５１５０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の構造で、タッチ位置の特定精度を高めるためには、パネルに加えられる押圧力を高めて、力センサの出力を大きくすることによる。しかしながら力センサから大きな出力を得るために強い力でパネルを押すと、力センサが破損するおそれがあった。
【０００５】
本発明の目的は、力センサが破損するおそれを無くした力センサユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の力センサユニットが用いられる装置は、押圧力が加わる表面を有する受圧部材と、受圧部材の裏面と対向するベース部材と、相互間に所定の間隔をあけて、受圧部材とベース部材との間に配置され、押圧力を加えた位置を特定するために必要な情報を出力する３個以上の力センサとを備えている。本発明では、３個以上の力センサを保持機構を介して受圧部材とベース部材との間に配置する。保持機構は、それぞれ押圧力が受圧部材の表面に加わっていない状態で所定のバイアス力を力センサに付与し、表面に押圧力を加えられたときに、押圧力の大きさに比例してバイアス力を減少させるように構成されている。このような保持機構を用いると、受圧部材に加わる押圧力が大きくなるほど、バイアス力が減少する。その結果、力センサに加わる力は、押圧力が大きくなるほど小さくなる。その結果、操作者が一般的な感覚で、受圧部材を強く押しても、力センサが破損することはない。そして押圧力を大きくしたときの力センサの出力の変化量は、押圧力に比例して大きくなるので、位置の特定精度は高まる。
【０００７】
保持機構の具体的な構成は、任意である。例えば、保持機構は、受圧部材とベース部材との間のスペース内に位置決めされて力センサが取り付けられるセンサ取付部を備え、受圧部材及びベース部材の一方の部材に固定された第１のアタッチメント部材と、力センサを間に介してセンサ取付部と対向するバイアス力付与部を備えて、受圧部材及びベース部材の他方の部材に固定された第２のアタッチメント部材と、押圧力が受圧部材の表面に加わっていない状態で、バイアス力をバイアス力付与部を介して力センサに与えるバイアス力付与手段とを備えた構造とすることができる。このように第１及び第２のアタッチメント部材を用いると、保持機構の構造が簡単になる。
【０００８】
また第１のアタッチメント部材は、センサ取付部と一体に形成されてベース部材に固定される固定部を有しているのが好ましい。またこの場合、力センサは第１のアタッチメント部材のセンサ取付部と第２のアタッチメント部材のバイアス力付与部との間に位置する。そしてバイアス力付与手段は、第２のアッタチメント部材のバイアス力付与部とベース部材との間に配置されている。バイアス力付与手段は、受圧部材に加わる押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元して受圧部材を元の位置に戻す復帰力を受圧部材に与えるように構成されている。このような構成にすると、センサ取付部及びバイアス力付与部がベース部材に対する受圧部材のストッパとして機能する。したがって受圧部材に対して極端に大きな押圧力が加わったとしても、受圧部材が破損することはない。また受圧部材加わる押圧力が解除されると、受圧部材は元の位置に戻る。
【０００９】
なお復帰力を大きくするために、センサ取付部と受圧部材に固定された第２のアタッチメント部材の固定部との間に、押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元して受圧部材を元の位置に戻す復帰力を受圧部材に与える追加バイアス力付与手段を設けるのが好ましい。
【００１０】
また第１及び第２のアタッチメント部材、バイアス力付与手段並びに追加バイアス力付与手段が組み合わされて１つの力センサユニットを構成しているのが好ましい。このような力センサユニットを用いると、タッチパネル入力装置の組立が容易になる。
【００１１】
保持機構の構造は上記に限定されるものではない。例えば第１のアタッチメント部材の固定部を、センサ取付部と平行に延びる平行部と、センサ取付部の一端と平行部の一端とを連結する連結部とを備えた構造とし、第２のアタッチメント部材の固定部を、バイアス力付与部と平行に延びる平行部と、バイアス力付与部の一端と平行部の一端とを連結する連結部とを備えた構造とする。その上で第１及び第２のアタッチメント部材を、センサ取付部とバイアス力付与部とが対向し、第１のアタッチメント部材の連結部と第２のアタッチメント部材の連結部とが平行に並ぶように組み合わせる。そして第１のアタッチメント部材のセンサ取付部と第２のアタッチメント部材の平行部との間にバイアス力付与手段を配置する。この場合も、バイアス力付与手段は、受圧部材に加わる押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元して受圧部材を元の位置に戻す復帰力を受圧部材に与えるように構成する。保持構造をこのように構成しても、前述の保持構造と同様に動作する。そしてセンサ取付部及びバイアス力付与部がベース部材に対する受圧部材のストッパとして機能する。
【００１２】
バイアス力付与手段及び追加バイアス力付与手段は、バネまたは弾性部材から構成されているのが好ましい。
【００１３】
本発明の好ましいタッチパネル入力装置用センサユニットは、保持機構が、受圧部材とベース部材との間のスペース内に位置決めされて力センサが取り付けられるセンサ取付部を備えて受圧部材及びベース部材の一方の部材に固定された第１のアタッチメント部材と、力センサを間に介してセンサ取付部と対向するバイアス力付与部を備えて、受圧部材及びベース部材の他方の部材に固定された第２のアタッチメント部材と、押圧力が受圧部材の表面に加わっていない状態で、バイアス力をバイアス力付与部を介して力センサに与えるバイアス力付与手段とを備えている。そして第１のアタッチメント部材は、センサ取付部と一体に形成されてベース部材に固定される固定部を有しており、第２のアタッチメント部材は、バイアス力付与部と一体に形成されて受圧部材に固定される固定部を有している。そして第１のアタッチメント部材のセンサ取付部と第２のアタッチメント部材のバイアス力付与部との間に力センサが位置する。また第２のアッタチメント部材のバイアス力付与部とベース部材との間にバイアス力付与手段が配置される。そしてセンサ取付部と受圧部材に固定された第２のアタッチメント部材の固定部との間に、押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元して受圧部材を元の位置に戻す復帰力を受圧部材に与える追加バイアス力付与手段を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）乃至（Ｃ）は、タッチパネル入力装置に本発明の力センサユニットの第１の実施の形態を適用した例の平面図及び正面図及び右側面図である。
【図２】図１のタッチパネル入力装置の分解斜視図である。
【図３】図１（Ｂ）のIII−III線拡大断面図である。
【図４】図１に示した第１の実施の形態の力センサユニットの配置を説明するために用いる図である。
【図５】第２の実施の形態の主要部の構成を示す図である。
【図６】第３の実施の形態の主要部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の力センサユニットの第１の実施の形態を適用したタッチパネル入力装置１の平面図及び正面図及び右側面図であり、図２は図１のタッチパネル入力装置１の分解斜視図である。図３は、図１（Ｂ）のIII−III線拡大断面図である。このタッチパネル入力装置１は、操作者が押圧力を加える表面を有する受圧部材としてのパネル部材３と、パネル部材３の裏面と対向するベース部材５と、相互間に所定の間隔をあけて、パネル部材３とベース部材５との間に配置され、押圧力を加えた位置を特定するために必要な情報を出力する４個の本発明の実施の形態の力センサユニット７とを備えている。図２に示すようにパネル部材３は、アクリル製の透明なタッチパネル３１とアクリル製の枠体３２とから構成されている。タッチパネル３１は、枠体３２の上面に超音波溶着等によって接合されている。枠体３２の長手方向の両端に位置する一対の側壁３３には、幅方向（長手方向及び厚み方向と直交する方向）の両端部にそれぞれ２つの取付孔３４が形成されている。
【００１６】
ベース部材５は、ベース本体部５１の長手方向の両端に、ベース本体部５１よりも厚みが薄い一対のフランジ部５２を備えている。そして一対のフランジ部５２の幅方向（ベース本体部５１の長手方向及び厚み方向と直交する方向）の両端部には、それぞれ２つずつ取付孔５３が形成されている。またベース本体部５１の側面には、幅方向の両端部に、それぞれ嵌合用凸部５４が形成されている。枠体３２の取付孔３４とベース部材５のフランジ部５２に設けた取付孔５３等を利用して４個の力センサユニット７が、パネル部材３とベース部材５の四隅に取り付けられる。
【００１７】
図３に示すように、本実施の形態の力センサユニット７は、力センサ７１と保持機構７２とから構成される。保持機構７２は、第１のアタッチメント部材７３と、第２のアタッチメント部材７４と、バイアス力付与手段７７と、追加バイアス力付与手段７８とから構成される。第１のアタッチメント部材７３は、パネル部材３の側壁３３とベース部材５のフランジ部５２との間のスペース内に位置決めされて力センサ７１が取り付けられるセンサ取付部７３ａと、センサ取付部７３ａと一体に形成されてベース部材５のフランジ部５２に固定される固定部７３ｂを有している。固定部７３ｂは、センサ取付部７３ａと平行に延びる平行部７３ｃと、センサ取付部７３ａの一端と平行部７３ｃの一端とを連結する連結部７３ｄとを備えている。本実施の形態では、平行部７３ｃがベース部材５のフランジ部５２と接触し、連結部７３ｄがベース本体部５１の側面と接触している。平行部７３ｃには、フランジ部５２に設けた２つの取付孔５３と整合する貫通孔７３ｅ（図２参照）が形成されている。整合した取付孔５３と貫通孔７３ｅにはネジ７５が螺合されている。また連結部７３ｄには、ベース本体部５１の側壁に設けた一対の嵌合用凸部５４が嵌合される一対の貫通孔７３ｆが形成されている。
【００１８】
第２のアタッチメント部材７４は、パネル部材３の枠体３２の側壁３３の内壁面に固定される。第２のアタッチメント部材７４は、力センサ７１を間に介してセンサ取付部７３ａと対向するバイアス力付与部７４ａと固定部７４ｂとを一体に備えている。固定部７４ｂは、バイアス力付与部７４ａと平行に延びる平行部７４ｃと、バイアス力付与部７４ａの一端と平行部７４ｃの一端とを連結する連結部７４ｄとを備えている。第１及び第２のアタッチメント部材７３及び７４は、センサ取付部７３ａとバイアス力付与部７４ａとが対向し、第１のアタッチメント部材７３の連結部７３ｄと第２のアタッチメント部材７４の連結部７４ｄとが平行に並ぶように組み合わされている。そして第１のアタッチメント部材７３のセンサ取付部７３ａと第２のアタッチメント部材７４の平行部７４ｃとの間にバイアス力付与手段を配置している。本実施の形態では、平行部７４ｃと連結部７４ｄの一部が枠体３２の側壁３３の内壁部と接触している。平行部７４ｃには、枠体３２の側壁３３の内壁部に設けた図示しない一対の嵌合用凸部と嵌合する貫通孔７４ｆ（図２）が形成されている。また連結部７４ｄには、側壁３３に設けた一対の取付孔３４と整合する一対の貫通孔７４ｅが形成されている。整合した取付孔３４と貫通孔７４ｅには、それぞれネジ７６が螺合されている。
【００１９】
力センサ７１は第１のアタッチメント部材７３のセンサ取付部７３ａに固定されて、センサ取付部７３ａと第２のアタッチメント部材７４のバイアス力付与部７４ａとの間に位置する。本実施の形態では、力センサ７１として、特許第３８３０９０６号等に開示されている半導体力センサを用いている。この半導体力センサは、ダイアフラム状の半導体基板の上に球体が配置された構造を有し、球体に加わる力に比例した信号を出力する。また第２のアタッチメント部材７４のバイアス力付与部７４ａとベース部材５のフランジ部５２上に位置する第１のアタッチメント部材７３の平行部７３ｃとの間に２本のコイルバネからなるバイアス力付与手段７７が配置されている。２本のコイルバネの一端の内部には、２本のネジ７５の先端部が挿入されている。バイアス力付与手段７７は、パネル部材３に加わる押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元してパネル部材３を元の位置に戻す復帰力をパネル部材３に与える。また本実施の形態では、センサ取付部７３ａとパネル部材３に固定された第２のアタッチメント部材７４の固定部７４ｂの平行部７４ｃとの間に、押圧力によって復元可能に変形し、押圧力が除去されると元の形に復元してパネル部材３を元の位置に戻す復帰力をパネル部材３に与える２本のコイルバネからなる追加バイアス力付与手段７８が設けられている。追加バイアス力付与手段７８を構成する２本のコイルバネの一端の内部には、第２のアタッチメント部材７４の平行部７４ｃに設けられた貫通孔に嵌合されて突出する嵌合用凸部の先端が嵌合されている。
【００２０】
このような構成にすると、センサ取付部７３ａ及びバイアス力付与部７４ａがベース部材５に対するパネル部材３のストッパとして機能する。したがってパネル部材３に対して極端に大きな押圧力が加わったとしても、パネル部材３が破損することはない。またパネル部材に加わる押圧力が解除されると、バイアス力付与手段７７と追加バイアス力付与手段７８の復元力によりパネル部材３は元の位置に迅速に戻る。また本実施の形態では、第１及び第２のアタッチメント部材７３及び７４、バイアス力付与手段７７並びに追加バイアス力付与手段７８が組み合わされて１つの力センサユニットを構成している。このような力センサユニットを用いると、タッチパネル入力装置１の組立が容易になる。
【００２１】
本実施の形態のタッチパネル入力装置１では、押圧力がパネル部材の表面に加わっていない状態で、バイアス力付与手段７７並びに追加バイアス力付与手段７８が協働して第２のアタッチメント部材７４をベース部材５から離す（バイアス力付与部７４ａを力センサ７１側に押し付ける）方向に付勢する。バイアス力付与手段７７だけでも、必要なバイアスを得ることができるが、追加バイアス力付与手段７８を用いると、より確実にバイアス力をバイアス力付与部７４ａに付与することができる。そしてパネル部材３の表面に押圧力が加わると、バイアス力付与手段７７及び追加バイアス力付与手段７８が変形（蓄勢）し、押圧力の大きさに比例してバイアス力を減少させる。その結果、パネル部材３に加わる押圧力が大きくなるほど、バイアス力が減少する。そして力センサ７１に加わる力は、押圧力が大きくなるほど小さくなる。その結果、操作者が一般的な感覚で、パネル部材３を強く押しても、力センサが破損することはない。そして押圧力を大きくしたときの力センサ７１の出力の変化量は、押圧力に比例して大きくなる。
【００２２】
図１の装置では、図４に示すように、パネル部材３の長手方向に対向する２つの力センサユニット７は、パネル部材３の長手方向と直交する方向に延びる中心線Ｃに対して線対称になるように配置されている。このようにすれば共通の力センサユニット７を用いることができる。
【００２３】
上記実施の形態では、バイアス力付与手段７７及び追加バイアス力付与手段７８を用いているが、図５に示す第２の実施の形態のように、保持機構１７２中に追加バイアス力付与手段７８を用いずに、バイアス力付与手段７７だけを用いるようにしてもよいのは勿論である。なおこの場合には、第２のアタッチメント部材１７４は、追加バイアス力付与手段を内部に配置する必要がないため、連結部１７４ｄの長さは図３及び図４の第２のアタッチメント部材７４の連結部７４ｄの長さよりも短くすることができる。そのため本実施の形態によれば、力センサユニット１０７の高さ寸法を小さくすることができる。
【００２４】
また図６に示す第３の実施の形態のように、図３及び図４に示したバイアス力付与手段７７を用いずに、保持機構２７２中に追加バイアス力付与手段２７８だけを用いるようにしてもよいのは勿論である。なおこの場合には、第２のアタッチメント部材２７４は、バイアス力付与手段７７に相当するものを内部に配置する必要がないため、連結部２７３ｄの長さは図３及び図４の第１のアタッチメント部材７３の連結部７３ｄの長さよりも短くすることができる。そのため本実施の形態によれば、力センサユニット２０７の高さ寸法を小さくすることができる。第３の実施の形態では、追加バイアス力付与手段２７８が、特許請求の範囲のバイアス力付与手段を構成している。
【００２５】
上記実施の形態では、バイアス力付与手段及び追加バイアス力付与手段を、コイルバネによって構成しているが、コイルバネに代えて弾性部材、スポンジ状部材、内部にエアが充填されたエアクッション部材等を用いることができるのは勿論である。
【００２６】
図１の装置では、４個の力センサが用いられているが、パネル部材に押圧力を加えた位置を特定するために必要な情報を得られるのであれば、力センサの数は３個以上で任意である。
【００２７】
上記の説明では、本発明の力センサユニットをタッチパネル入力装置に適用した場合について説明したが、本発明の力センサユニットは、スライドスイッチのように操作量に応じて出力が変化するスイッチ装置や、荷重を計測する荷重計測計等にも当然にして適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、受圧部材を強く押しても、力センサが破損することはなく、しかも押圧力を大きくしたときの力センサの出力の変化量を、押圧力に比例して大きくすることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  タッチパネル入力装置
３  パネル部材
５  ベース部材
７  力センサユニット
３１  タッチパネル
３２  枠体
３３  側壁
３４  取付孔
５１  ベース本体部
５２  フランジ部
７１  力センサ
７２  保持機構
７３  第１のアタッチメント部材
７３ａ  センサ取付部
７３ｂ  固定部
７４  第２のアタッチメント部材
７４ａ  バイアス力付与部
７４ｂ  固定部
７７  バイアス力付与手段
７８  追加バイアス力付与手段
【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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