(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に９０°間隔で４個の電極をＸ，Ｙ軸上に配置すると共に前記電極の外側に導電ランドを配置し、前記電極及び導電ランドと対向する位置に操作ボタンを設けると共に前記操作ボタンにおける電極及び導電ランドと対向する側に弾性を有する変位電極を設け、操作ボタンに押し込み力を加えていないには、前記電極及び導電ランドと変位電極とは接触しておらず、操作ボタンを押し込み力を加えたときには、変位電極が導電ランドと接触して変位電極と各電極との間に力の大きさと方向に応じた静電容量が発生するようになっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
変位電極と４個の電極との間に発生する各静電容量を適宜方法を用いて演算し、Ｘ軸，Ｙ軸方向の力の大きさと向きを示す信号を出力できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の力検出装置。
【請求項３】
４個の電極で囲まれる基板上部分に薄型スイッチを配置し、操作ボタンに基板と垂直になる力を加えると、薄型スイッチが閉となるようにしてあることを特徴とする請求項１記載の力検出装置。
【請求項４】
基板上におけるＸ軸又はＹ軸上に２個の電極を配置すると共に前記電極の外側に導電ランドを配置し、前記電極及び導電ランドと対向する位置に操作ボタンを設けると共に前記操作ボタンにおける電極及び導電ランドと対向する側に弾性を有する変位電極を設け、操作ボタンを押し込み力を加えたときには、変位電極が導電ランドと接触して変位電極と各電極との間に力の大きさと方向に応じた静電容量が発生するようになっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
変位電極と２個の電極との間に発生する各静電容量を適宜方法を用いて演算し、Ｘ軸又はＹ軸方向の力の大きさと向きを示す信号を出力できるようにしたことを特徴とする請求項４記載の力検出装置。
【請求項６】
２個の電極で挟まれる基板上に薄型スイッチを配置し、操作ボタンに基板と垂直になる力を加えると、薄型スイッチが閉となるようにしてあることを特徴とする請求項４記載の力検出装置。
【請求項７】
変位電極は、導電性ゴム又は導電性エラストマで構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項８】
変位電極は、非導電性ゴム又は非導電性エラストマに導電性インク又は導電塗料を塗布することによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
力検出装置としては、例えば、図10に示すようなものがある。
【０００３】
この力検出装置では、図10に示すようにボタン部90を基板94に対して垂直に押し込むと当該ボタン部90と一体の軸部91の下端が薄型スイッチ93をＯＮさせるようになっており（スイッチィング機能）、ボタン部90を傾けて押し込むと導電ゴム製の変位電極92が変位して前記変位電極92と基板94上の電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−との間の距離が変化し、Ｘ軸、Ｙ軸の出力電圧が変化するようになっている（ジョイスティック機能）。
【０００４】
しかしながら、中央に薄型スイッチを配置すると、Ｘ，Ｙ軸の力検出用電極を薄型スイッチ93よりも外側に配置しなければならず、しかも導電ゴム製の変位電極92をさらに外側に配置することから、基板94上の電極パターンの面積が大きくなって実装上不利になる。
【０００５】
なお、上記は中央に薄型スイッチを配置したものであるが、中央に薄型スイッチを配置していないものにおいても基板94上の電極パターンの面積をできるだけ小さくしたいという要求もある。
【０００６】
したがって、力検出装置を製造、販売、使用する業界では、▲１▼基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置が開発されることを待ち望んでおり、▲２▼スイッチング機能を有したままで、基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置が開発されることを待ち望んでいる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明では、基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置を提供することを課題し、また、スイッチング機能を有したままで、基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（請求項１記載の発明）
この力検出装置は、基板上に９０°間隔で４個の電極をＸ，Ｙ軸上に配置すると共に前記電極の外側に導電ランドを配置し、前記電極及び導電ランドと対向する位置に操作ボタンを設けると共に前記操作ボタンにおける電極及び導電ランドと対向する側に弾性を有する変位電極を設け、操作ボタンに押し込み力を加えていないには、前記電極及び導電ランドと変位電極とは接触しておらず、操作ボタンを押し込み力を加えたときには、変位電極が導電ランドと接触して変位電極と各電極との間に力の大きさと方向に応じた静電容量が発生するようになっている。
（請求項２記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項１記載の発明に関して、変位電極と４個の電極との間に発生する各静電容量を適宜方法を用いて演算し、Ｘ軸，Ｙ軸方向の力の大きさと向きを示す信号を出力できるようにしてある。
（請求項３記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項１記載の発明に関して、４個の電極で囲まれる基板上部分に薄型スイッチを配置し、操作ボタンに基板と垂直になる力を加えると、薄型スイッチが閉となるようにしてある。
（請求項４記載の発明）
この力検出装置は、基板上におけるＸ軸又はＹ軸上に２個の電極を配置すると共に前記電極の外側に導電ランドを配置し、前記電極及び導電ランドと対向する位置に操作ボタンを設けると共に前記操作ボタンにおける電極及び導電ランドと対向する側に弾性を有する変位電極を設け、操作ボタンを押し込み力を加えたときには、変位電極が導電ランドと接触して変位電極と各電極との間に力の大きさと方向に応じた静電容量が発生するようになっている。
（請求項５記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項４記載の発明に関して、変位電極と２個の電極との間に発生する各静電容量を適宜方法を用いて演算し、Ｘ軸又はＹ軸方向の力の大きさと向きを示す信号を出力できるようにしてある。
（請求項６記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項４記載の発明に関して、２個の電極で挟まれる基板上に薄型スイッチを配置し、操作ボタンに基板と垂直になる力を加えると、薄型スイッチが閉となるようにしてある。
（請求項７記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項１乃至６のいずれかに記載の発明に関し、変位電極は、導電性ゴム又は導電性エラストマで構成されている。
（請求項８記載の発明）
この力検出装置は、上記請求項１乃至６のいずれかに記載の発明に関し、変位電極は、非導電性ゴム又は非導電性エラストマに導電性インク又は導電塗料を塗布することによって形成されている。
【０００９】
なお、上記発明の力検出装置の機能については、以下の発明の実施の形態の欄で明らかにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施例として示した図面に従って説明する。
〔実施形態１〕
図１はこの発明の実施形態１の力検出装置Ｓの断面図を示しており、図２は前記力検出装置Ｓを構成する基板１上の導電ランドＤＧ、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−、薄型スイッチ５の平面図を示している。
（この力検出装置Ｓの構成について）
この力検出装置Ｓは、図１に示すように、基板１と、前記基板１と対向配置された操作ボタン２と、前記操作ボタン２の下面に配置されている変位電極３と、前記操作ボタン２を基板１上で固定する取付具４とから構成されている。
【００１１】
基板１は、図１に示すように、薄いプリント基板により構成されており、図２に示すように上面に四分割された円形状の電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−がＸ−Ｙ軸上に原点Ｏから等距離で配設されていると共に、前記原点Ｏを中心として電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−を囲む円環状の導電ランドＤＧが配設されている。ここで、この実施形態では、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−で囲まれる基板１部分に図１や図２に示すように薄型スイッチ５を配置させてある。なお、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−及び導電ランドＤＧは、基板１上に形成された銅層に半田層を着けたもの、金メッキや銀メッキをしたもの、カーボンを印刷して形成したもの、半田を溶着したもので形成してあり、絶縁膜Ｒで覆ってある。
【００１２】
操作ボタン２は、図１や図３に示すように、ポリカーボネートにより構成された硬質部20と非導電性ゴム又は非導電性エラストマーにより構成された軟質部21より成り、両者は接着されている。
【００１３】
硬質部20は、図１に示すように、断面逆皿状に構成されている押し込み部20ａと、前記押し込み部20ａの中央下面に突設した垂下棒20ｂとから構成されており、前記垂下棒20ｂの下端は半球状に形成されている。
【００１４】
軟質部21は、主として操作ボタン２を基板１上で支持するものであり、図１に示すように、押し込み部20ａ内に入り込んでいる部分21ａと、取付具４によって基板１上に取り付けられる固定部22と、前記部分21ａと固定部22とを繋ぐ薄肉部23とから構成されている。
【００１５】
変位電極３は、図１に示すように軟質部21における電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−及び導電ランドＤＧと対向する面に設けられており、図３に示すように円環状の薄板の導電性ゴム又は導電性エラストマにより構成されている。なお、この変位電極３と導電ランドＤＧとの間の距離は、操作ボタン２が基板１に垂直に微小距離だけ押し込まれて垂下棒20ｂが薄型スイッチ５をＯＮにした状態においても、なお非接触であるような寸法に設定してある。
【００１６】
取付具４は、図１に示すように、断面Ｌ字状の平面視円環状のもので、固定部22を基板１に対して押さえ付ける態様で操作ボタン２を取り付けてある。
【００１７】
薄型スイッチ５は、厚さ数ｍｍのものであり、具体的には、押し込み量が微小である金属ドーム部50を有したタクタイルスイッチとしてある。
【００１８】
ここで、図５に示すように上記変位電極３と導電ランドＤＧとが接触した状態では、変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−との間に静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−が形成されるようにしてあり、また、操作ボタン２を押し込んでいない状態では、垂下棒20ｂの下端部が薄型スイッチ５と接触（又は少し間隙を設けて非接触）した状態となるようにしてある。また、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−には一定周期の電圧又は一定の電圧を加えてあり、導電ランドＤＧは電源の０Ｖに接続してある。
【００１９】
なお、この実施形態では、適当な方法を用いて図６に示すように〔（Ｃｘ＋）−（Ｃｘ−）〕及び〔（Ｃｙ＋）−（Ｃｙ−）〕の演算を行うことにより、操作ボタン２を押し込む力の大きさと力の方向に応じたＸ軸方向、Ｙ軸方向の信号が得られるようにしてある。
（この力検出装置Ｓの機能について）
▲１▼  操作ボタン２をＺ軸方向（基板１に対して垂直方向）に押すと、薄肉部23が変形し、図４に示すように、垂下棒20ｂが薄型スイッチ５の金属ドーム部50を押んで、スイッチがＯＮになる。このとき、変位電極３と導電ランドＤＧとの間の距離は上記のように設定されているので、図４に示すように変位電極３と導電ランドＤＧとは接続状態とならず、よって変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−との間に静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−は発生しない。
▲２▼  次に、図５に示すように操作ボタン２を傾けて押し込むと、変位電極３と電極Ｄｘ＋の距離が小さくなると共に変位電極３と導電ランドＤＧとが接触し、前記変位電極３はＧＮＤ電位となる。一方、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−には電圧を加えてあるので、変位電極３がＧＮＤ電位となった時点で、変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−との間に静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−が発生する。このとき、静電容量は変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−との距離に反比例するので、静電容量Ｃｘ＋が最も大きな値となり、（Ｃｘ−）＜〔（Ｃｙ＋）＝（Ｃｙ−）〕＜（Ｃｘ＋）・・・式(1) の関係が成立する。ここで、変位電極３及び軟質部21は弾性体で構成されているから、操作ボタン２を強く押すと、力の大きさに応じて変形する。このため、前記の式(1) の関係を維持したまま静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−は電極間距離に応じて大きくなる。なお、前記のことは他の方向の力に対しても同様のことが言える。
【００２０】
したがって、操作ボタン２を押し込む力の大きさと力の方向に応じたＸ軸方向、Ｙ軸方向の信号が得られる。
▲３▼  ▲２▼で説明した操作ボタン２を傾ける力を加える場合、薄型スイッチ５をＯＮしないように意識しながら人の指で力を加えることがきる。
【００２１】
以上のことから、操作ボタン２を押す力の方向や強さを加減することにより、意志をもって薄型スイッチ５をＯＮさせたり、Ｘ軸、Ｙ軸の出力信号を変化させたりすることが可能であることが判る。
【００２２】
また、この発明の力検出装置Ｓでは、導電ランドＤＧの面積を小さくすることができるので、機器への実装面で大変有利であることも明らかである。
▲４▼  また、逆に操作ボタン２への力を取り除いた場合、変位電極３が基板１上の導電ランドＤＧから離れ、その時点で変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−相互間に静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−が発生しなくなる。この現象は、たとえ操作ボタン２に加えた力により変位電極３や軟質部21を構成するゴム等に歪みが僅かに残り元の位置に復帰しなかったとしても、変位電極３が導電ランドＤＧから離れていれば確実に起こるから、静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−は変位電極３や軟質部21の微小な歪みに関係なく「０」（浮遊容量は小さいので無視できる）となる。つまり、図６で示したＸ軸、Ｙ軸の出力が確実に元に戻り、ヒステリシスがほとんど発生しないことになる。
【００２３】
したがって、本件発明をジョイスティックとして応用すれば、出力にヒステリシスがほとんど発生しない再現性の良い、ジョイスティックを提供できる。
〔実施形態２〕
図７はこの発明の実施形態２の力検出装置Ｓの断面図を示しており、図８は前記力検出装置Ｓを構成する基板１上の導電ランドＤＧ、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−及び薄型スイッチ５、並びに操作ボタン２側に設けた変位電極３の平面図を示している。
【００２４】
この力検出装置Ｓは実施形態１と同様に、図７に示す如く、基板１、操作ボタン２、変位電極３、取付具４、薄型スイッチ５とから構成されているが、一軸方向（Ｘ軸又はＹ軸）の力の大きさ及び力の方向を検出するものとするため、実施形態１とは以下の点で相違している。
【００２５】
基板１は、図７や図８に示す如く、その上面に導電ランドＤＧ、電極Ｄｘ＋、薄型スイッチ５、電極Ｄｘ−、導電ランドＤＧが直線Ｌ上に順に配置されている。
【００２６】
操作ボタン２は、図７に示すように、一軸方向に傾斜させて押し込むことが可能なシーソーボタン形式のものとしてある。
【００２７】
なお、変位電極３、取付具４、薄型スイッチ５、静電容量−電圧変換用の回路は実施形態１と同等のものが採用されている。
【００２８】
この力検出装置Ｓは上記のような構成であるから、図９に示すように、シーソーボタン形式の操作ボタン２の一端部を押し込むと、変位電極３と電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−との間に静電容量Ｃｘ＋，Ｃｘ−が発生してそれに応じた一軸方向の信号が出力され、また、前記操作ボタン２の中央部を押し込むと、垂下棒20ｂが薄型スイッチ５の金属ドーム部50を押し込んでスイッチがＯＮとなる。これらの機能については、実施形態１で説明したのでここでは省略する。
（他の実施形態）
上記実施形態では、変位電極３を共通電極としているが、これに限定されるものではない。つまり、実施形態２で説明すると、相互に分離したＤｘ＋側の変位電極と、Ｄｘ−側の変位電極とを設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、薄型スイッチとしてタクタイルスイッチを採用しているが、同等の機能を有するものであれば全て採用できる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は上記のような構成であるから次の効果を有する。
【００３１】
発明の実施形態の欄の説明から明らかなように、基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置を提供でき、さらに、スイッチング機能を有したままで、基板上の電極パターンの面積を小さくすることができる力検出装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１の力検出装置の断面図。
【図２】前記力検出装置を構成する基板に配置される導電ランド、電極、薄型スイッチの平面図。
【図３】前記力検出装置を構成する操作ボタン及び変位電極を下側から見たときの図。
【図４】前記操作ボタンを基板に対して垂直に押し込んだときの断面図。
【図５】前記操作ボタンを基板に対して斜めに押し込んだときの断面図。
【図６】この実施形態で採用できる応用回路の図。
【図７】この発明の実施形態２の力検出装置の断面図。
【図８】前記力検出装置を構成する基板に配置される導電ランド、電極、薄型スイッチの平面図。
【図９】前記操作ボタンを基板に対して斜めに押し込んだときの断面図。
【図１０】先行技術の力検出装置の断面図。
【図１１】先行技術の力検出装置を構成する基板に配置される導電ランド、電極、薄型スイッチの平面図。
【符号の説明】
Ｓ          力検出装置
Ｄｘ＋      電極
Ｄｘ−      電極
Ｄｙ＋      電極
Ｄｙ−      電極
ＤＧ        導電ランド
１        基板
２        操作ボタン
３        変位電極
４        取付具
５        薄型スイッチ
【図１】
0004392641.tif 000002
【図２】
0004392641.tif 000003
【図３】
0004392641.tif 000004
【図４】
0004392641.tif 000005
【図５】
0004392641.tif 000006
【図６】
0004392641.tif 000007
【図７】
0004392641.tif 000008
【図８】
0004392641.tif 000009
【図９】
0004392641.tif 000010
【図１０】
0004392641.tif 000011
【図１１】
0004392641.tif 000012