(57)【要約】      （修正有）【課題】入力インターフェース装置として、ｘｙ平面内の方向と大きさを示す十字キーの基本機能を有しつつ、更に握ったときの力も計測できる力学量測定装置を提供する。【解決手段】十字型形状の平板部材２と、平板部材２上の４か所に貼り付けられたひずみセンサと、平板部材２の外周部近傍に取り付けられた半球形状のカバーと、カバー内側の周方向に設けられた突起状の方向制御部材６と、平板部材２の中心点において接続した荷重負担部材５と、を有し、荷重負担部材５の周方向に少なくとも１個以上の溝が設けられており、方向制御部材６は溝にはめこまれている。【選択図】図２
2015090331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
十字型形状の平板部材と、
前記平板部材上の４か所に貼り付けられたひずみセンサと、
前記平板部材の外周部近傍に取り付けられた半球形状のカバーと、
前記カバー内側の周方向に設けられた突起状の方向制御部材と、
前記平板部材の中心部に接続される荷重負担部材と、を有し、
前記荷重負担部材の周方向に少なくとも１個以上の溝が設けられており、
前記方向制御部材は前記溝にはめこまれていることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記溝にはめ込まれた前記方向制御部材の上下面は、前記溝と接しており、
前記方向制御部材の側面と前記荷重負担部材の側面との間には隙間があることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記荷重負担部材は、前記平板部材に対してどの回転方向に対しても拘束されておらず、回転フリーであることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
各部材の弾性率の大小関係は、荷重負担部材≧方向制御部材＞球形部材＞平板部材であることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記ひずみセンサは半導体ひずみセンサであることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記ひずみセンサの貼付位置は、前記平板部材の中心点と前記平板部材の外周点との中間点からずれた位置であることを特徴とする力学量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学量測定装置に関し、特に、半球形状の部材に加わる力を計測する入力インターフェース装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゲーム機などの遊戯機器や電子機器には、各種入力インターフェース装置が用いられている。具体的には、ＯＮまたはＯＦＦの２値を入力できるボタン式入力装置や、ｘｙ平面内の方向を入力できる十字キー式入力装置などである。近年は、更に、操作者である人間が直感的に違和感なく入力できるような装置の開発が進められている。例えば、特開平１１−２８８３２４号公報（特許文献１）には、球形状の部材に対して、ｘｙ平面内の方向と大きさ、ｚ方向の押し込み力とを入力できる装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８８３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、各種入力インターフェース装置の開発が進められているが、特に、公知例に示したように、ｘｙ平面内の方向と大きさの「十字キー機能」を基本機能として有しており、更に、追加の機能を有した入力装置の開発が進んでいる。一方で、世の中では、人間の直感的な入力値の例として、物体を握ったときの力を計測したいというニーズが存在する。そこで、我々は、入力インターフェース装置として、ｘｙ平面内の方向と大きさを示す十字キーの基本機能を有しつつ、更に握ったときの力も計測できる力学量測定装置の実現を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の力学量測定装置は、十字型形状の平板部材と、前記平板部材上の４か所に貼り付けられたひずみセンサと、前記平板部材の外周部近傍に取り付けられた半球形状のカバーと、前記カバー内側の周方向に設けられた突起状の方向制御部材と、前記平板部材の中心点において接続した荷重負担部材と、を有し、前記荷重負担部材の周方向に少なくとも１個以上の溝が設けられており、前記方向制御部材は前記溝にはめこまれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半球形状の入力インターフェースを介して、４箇所のひずみを計測するのみで、ｘｙ平面内の方向とその大きさ、更に、半球形状部材を握る力を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の半球部材の(a)平面図および(b)正面図
【図２】本発明の実施例のＡ-Ａ断面図
【図３】本発明の実施例の(a)正面図および(b)下面図
【図４】(a)十字キー機能および(b)握る力に関する模式的な説明図
【図５】本発明の十字キー機能に関する詳細説明図
【図６】平板部材上のひずみ分布を示す説明図
【図７】本発明の平板部材の上面図
【図８】握る力に関する詳細説明図
【図９】半球部材に垂直方向の力を印加した際の、力の流れ方を説明した図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【０００９】
まず、入力インターフェースとして用いる半球部材１について説明する。図１は、半球部材１を説明する正面図および上面図である。半球部材１は、一定の厚みを有した球殻形状の一部である。また、半球部材１の底面は、平板部材２と接続しており、平板部材２の中心点は、固定部材３に接続している。本発明では、半球部材１に力を加えることを想定している。また、以後、平板部材の面内をｘｙ方向、平板部材に垂直な方向をｚ方向とする。
【００１０】
次に、本実施の形態の力学量測定装置の基本構成について説明する。図２は、本実施の形態の力学量測定装置の特徴を表す断面図である。本装置は、十字型の形状をした平板部材２の外周部に半球部材１が接続している。平板部材２と半球部材１との接続方法は、ネジ留めや接着が考えられる。平板部材２の下面側の中心部に、固定部材３の一端側が接続される。固定部材３の他端側は、最終製品である電子機器など（図示せず）に取り付けられる。平板部材２の上面側の中心部に、荷重負担部材５が接続される。荷重負担部材５は、平板部材２に対して、どの回転方向に対しても拘束されずに自由に回転できるように、ヒンジなどの回転フリー部材７を介して接続されている。荷重負担部材５には、周方向に少なくとも１つ以上の溝部９が設けられている。図２中では、５つの溝を図示している。なお、荷重負荷部材５に設けられる溝部９の数が多くなるほど握る力の計測精度を向上させることができるため、溝部９の数をなるべく増やす方が望ましい。溝部９を設けることによって、握る力の計測精度を向上できる理由は、後述する。溝部９は、平板部材２に対して平行に設けられている。次に、半球部材１には、周方向に方向制御部材６が設けられている。方向制御部材６は、平板部材２と平行な方向に突出した形状となっており、荷重負担部材５に設けられた溝部９にはめこまれている。また、方向制御部材６の上下面は、荷重負担部材５の溝部９の上下面と接しており、方向制御部材の側面１２と荷重負担部材の側面１３との間には隙間がある。方向制御部材５の変形方向を溝部９に沿った方向のみに制約するためである。
【００１１】
図３は、本実施の形態の力学量測定装置の正面図および下面図である。平板部材２は、十字型の形状であり、十字部の対称となる４箇所に、ひずみを計測するひずみセンサ８が取り付けられている。ひずみセンサ８の貼付位置は、平板部材２の中心点と平板部材の外周点との中間点からずれた位置である。ひずみセンサを用いて計測されたひずみ値は、配線を介して、計測器などで収集される。なお、本説明では、ひずみセンサ貼付面を平板部材２の上面側としたが、ひずみセンサ貼付面を平板部材２の下面側としてもよい。
【００１２】
次に、半球部材１、平板部材２、荷重負担部材５、方向制御部材６に用いる材料について説明する。本実施の形態では、上記４つの部材に用いる材料の弾性率の大小関係は、以下の通りである。
【００１３】
荷重負担部材≧方向制御部材＞球形部材カバー＞平板部材
この条件を満たす材料ならば、どのような材料を用いてもよい。例えば、荷重負担部材５に鉄系材料、方向制御部材６にアルミ系材料、球形部材１にエポキシ系材料、平板部材２にアクリル系材料などである。
【００１４】
次に、ひずみセンサ８としては、一般によく用いられるひずみゲージを用いることも可能である。ただし、十字キー機能および握る力の計測精度を向上させるためには、以下に示す半導体ひずみセンサを用いることが有効である。半導体ひずみセンサは、ひずみ検知部を金属薄膜ではなく、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数十倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することもでき、また半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、小型化と高精度化の両立が可能である。このような特長を有するため、十字キー機能の大きさや握る力を高精度に計測するためには、有効である。
【００１５】
図４は、計測対象である「十字キー機能」と「握る力」に関する説明図である。「十字キー機能」とは、半球部材１に力を加え、その力によって半球部材１に傾きが生じた際の、傾いた方向とその大きさのことである。「握る力」とは、平板部材２の面に平行な方向に印加される力のことである。本実施の形態の構造を用いる場合、この２つの「十字キー機能」と「握る力」を計測できる理由を、以下に説明する。
【００１６】
まず、十字キー機能について、図５を用いて説明する。なお、本説明図では、荷重負担部材５に設けた溝部９の数は１つとしている。
【００１７】
はじめに、半球部材１に、指などによって力Ｆが作用する。この力Ｆによって、半球部材１に右側への傾きが生じる。なお、荷重負担部材５は、中心点が回転フリーであるため、半球部材１の傾きに追従して傾く。次に、平板部材２に曲げ変形が発生する。ここで、平板部材２の弾性率は、半球部材１の弾性率よりも小さく、変形しやすいため、半球部材１の傾きに伴って曲げ変形が発生する。平板部材上面の外周端部から平板部材中心点を経てもう一方の外周端部（図４中の矢印線上）までの線上に発生するひずみ分布を、図６に示す。平板部材中心点近傍の右側領域では、曲げ変形によって引張ひずみが発生する。また、平板部材中心点近傍の左側領域では、圧縮ひずみが発生する。一方、平板部材２の外周部近傍では、半球部材１によって端面が拘束されているため、平板部材中心近傍とは逆方向の曲げ変形が発生する。したがって、右側領域の外周部近傍では圧縮ひずみが発生し、左側領域の外周部近傍では引張ひずみが発生する。以上より、平板部材中心点と外周点の中間領域では、ほとんどひずみが発生しない領域（すなわち感度が小さい領域）が発生することが分かる。ひずみセンサ８の貼付位置は、この中間領域以外とする必要がある。
【００１８】
図５に示す通り、右側に傾けた場合、ひずみセンサ（ｘ１）１０では、圧縮ひずみが発生し、ひずみセンサ（ｘ２）１１では、引張ひずみが発生する。ひずみセンサ（ｘ１）１０とひずみセンサ（ｘ２）１１とでは発生するひずみの符合は逆となる。したがって、傾けた方向は、両ひずみセンサの符号を確認することによって、特定できる。また、傾きの大きさは、２箇所のひずみ値（εｘ１、εｘ２）の差分である式（１）を用いることによって特定できる。
【００１９】
傾き（ｘ方向）の大きさ＝Ｋax・εaｘ＝Ｋax・（εｘ２−εｘ１）・・・(１）
ここで、Ｋaｘは定数である。同様に、ｙ方向についても傾けた方向および大きさを導出することができる。傾きの大きさは、式（２）を用いることによって特定できる。
【００２０】
傾き（ｙ方向）の大きさ＝Ｋay・εaｙ＝Ｋay・（εｙ２−εｙ１）・・・（２）
ここで、Ｋaｙは定数である。
【００２１】
図７に示す通り、十字キーの方向をθとすると、その方向θは、式（３）および発生ひずみの符号から求めることができる。
【００２２】
θ=arctan(εaｙ/εaｘ)・・・（３）
また、半球部材の傾きの大きさＰは、式（４）から求めることができる。
【００２３】
Ｐ＝Ｋa×（(εaｘ)2＋(εaｙ)2）1/2・・・（４）
ここで、Ｋaは定数である。
【００２４】
次に、「握る力」について、図８を用いて説明する。はじめに、半球部材１に、指などによって力Ｆｘが作用する。この力Ｆｘによって、半球部材１が変形し、半球部材１の底面近傍１４は、内側に変形する。すると、平板部材２は、図８に示す通り、下に凸の変形となる。これは、平板部材２の弾性率が小さく、変形しやすいためである。ここで、ひずみセンサ（ｘ１）１０およびひずみセンサ（ｘ２）１１に発生するひずみ値は、どちらも圧縮ひずみである。つまり、十字キー機能の場合は、両ひずみセンサに発生するひずみ値は異符号であったが、握る力の場合は、同符号であることが分かる。以上より、ｘ方向の握る力の大きさは、２箇所のひずみ値（εｘ１、εｘ２）の加算値である式（５）を用いることによって特定できる。
【００２５】
握る力（ｘ方向）の大きさ＝Ｋbx・εbｘ＝Ｋbx×（εｘ２＋εｘ１）・・・（５）
ここで、Ｋbxは定数である。
【００２６】
同様に、ｙ方向についても握る力の大きさは、式（６）を用いることによって特定できる。
【００２７】
握る力（ｙ方向）の大きさ＝Ｋby・εbｙ＝Ｋby×（εｙ２＋εｙ１）・・・（６）
握る力Ｑの合力は、式（７）で求めることができる。
【００２８】
Ｑ＝Ｋb×（(εbｘ)2＋(εbｙ)2）1/2・・・（７）
ここで、握る力を印加する場合、図９に示すように、垂直方向の力も印加されることが考えられる。しかし、本発明構造の場合、各部材の弾性率の大小関係が上述の通りとなっており、部材の剛性の大小関係もほぼこの順番となっている。したがって、半球部材１に垂直方向の力が印加されても、印加された力は、剛性の大きい方向制御部材６と荷重負担部材５を伝わることになる。よって、平板部材２には垂直方向の力がほとんど伝わらない。つまり、本発明構造の場合、垂直方向の力が印加されても、平板部材２のひずみ状態は変化しないため、握る力の検出精度には影響を与えない。
【００２９】
一方で、荷重負担部材５が存在しない場合に、半球部材１にｚ方向（垂直方向）の力Ｆｚが印加されると、垂直方向の力Ｆｚによって平板部材２には上に凸の曲げ変形が発生する。よって、ひずみセンサ１０、１１には、引張ひずみが発生する。握る力Ｆｘによって発生するひずみは圧縮ひずみであるため、垂直方向の力Ｆｚによって発生するひずみによって握る力Ｆｘによって発生するひずみが打ち消される場合がある。この場合、実際には握っていたとしてもひずみセンサに発生するひずみが０となるため、「握る力」を０と測定してしまうことになる。つまり，荷重負担部材がない場合，握る力の計測精度が大幅に低下してしまう。垂直方向の力が、力を印加する場所によらず、荷重負担部材５に伝わるためには、溝部９の数をなるべく増やすことが望ましい。
【００３０】
上述したように、本発明によれば４個のひずみセンサを用いるのみで、十字キーの基本機能を有しながら更に握る力も計測できる入力装置を実現できる。一般に、ひずみを計測するひずみセンサはコストが高いため、その使用数量を低減することは、入力装置のコストを低減することになるため、非常に有効である。
【符号の説明】
【００３１】
１…半球部材
２…平板部材
３…固定部材
５…荷重負担部材
６…方向制御部材
７…回転フリー部材
８…ひずみセンサ
９…荷重負担部材に設けられた溝部
１０…ひずみセンサ（ｘ１）
１１…ひずみセンサ（ｘ２）
１２…方向制御部材の側面
１３…荷重負担部材の側面
１４…半球部材１の底面近傍領域
１５…力の流れを示す線
【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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