JP2013217679A - 荷重検出装置及び前記荷重検出装置を用いた入力装置及び、入力装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、荷重センサを入力装置内に組み込む前、及び組み込む最中、荷重センサを適切に保護でき、また容易に入力装置内に組み込むことが可能な荷重検出装置及び前記荷重検出装置を用いた入力装置、ならびに荷重検出装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 荷重センサ５と、荷重センサ５の裏面側に設けられた板ばね８と、荷重センサ５の表面側に配置されたフレキシブルプリント基板１０と、板ばね８とフレキシブルプリント基板１０間に介在する弾性体１１と、を有し、弾性体１１は、板ばね８よりもばね定数が小さく、荷重センサ５の裏面側に設けられた受圧部１９と板ばね８との間に空間２７が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、パネル下に配置された荷重センサにより荷重検出を可能とする荷重検出装置に関する。

特許文献１には、荷重センサがパネル下に配置された入力装置が開示されている。荷重センサと、板ばね部材等の荷重センサの周辺部材とは個々別々に用意され、入力装置内に夫々、組み込まれる。

しかしながら、荷重センサの組み込みの際に荷重センサが板ばね部材等と接触するなどして損傷、故障するといった不具合が生じた。

また従来では、荷重センサと、荷重センサの周辺部材とを別々に入力装置内に組み込んでいたため、製造工程が複雑化したり、入力装置を組み立てる際に荷重センサ及び周辺部材との組み立て精度を保持することが難しいといった問題があった。

ＷＯ２０１０／１１３６９８

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、荷重センサを入力装置内に組み込む前、及び組み込む最中、荷重センサを適切に保護でき、また容易に、かつ、精度良く入力装置内に組み込むことが可能な荷重検出装置及び前記荷重検出装置を用いた入力装置、ならびに荷重検出装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明における荷重検出装置は、荷重センサと、前記荷重センサの高さ方向にて対向する第１の面側に設けられた第１の弾性体と、前記第１の面の反対側の第２の面側に配置された支持基材と、前記第１の弾性体と前記支持基材間に介在する第２の弾性体と、を有し、
前記第２の弾性体は、前記第１の弾性体よりもばね定数が小さく、
前記荷重センサの前記第１の面側に設けられた受圧部と前記第１の弾性体との間に空間が形成されていることを特徴とするものである。荷重センサの受圧部と第１の弾性体間に空間を形成した状態で第１の弾性体と支持基材間に第２の弾性体を介在させることで、荷重センサを入力装置内に組み込む前、及び組み込む最中、適切に保護できる。また第２の弾性体は、第１の弾性体よりもばね定数の小さい保護部材であり、荷重を受けた際に荷重センサの受圧部を適切に第１の弾性体表面に接触させることができ、荷重センサにより高精度に荷重検出を行うことができる。

本発明では、前記第２の弾性体を発泡材で形成できる。また、前記第２の弾性体のばね定数は、前記第１の弾性体のばね定数の１／５〜１／１５の範囲内であることが好適である。また、前記第１の弾性体を、板ばねで形成できる。また、前記支持基材を、前記荷重センサと電気的に接続されたフレキシブルプリント基板とすることができる。

また本発明における入力装置は、上記に記載された荷重検出装置と、前記荷重センサの第２の面側に前記支持基材を介して配置された表面が操作面であるパネルと、前記荷重センサの前記第１の面側に配置され前記第１の弾性体を支持する筐体と、を有し、
前記荷重センサと前記筐体との間に、前記第１の弾性体が撓み変形するのを許容する空間が設けられており、
前記荷重センサの受圧部は前記第１の弾性体に接触した状態とされていることを特徴とするものである。これにより、荷重センサにより安定して荷重検出を行うことができる。

本発明では、前記パネルと前記筐体との間に変位部を備え、前記パネルに初期荷重が加えられて前記変位部が高さ方向に変位させられて前記荷重センサの受圧部が前記第１の弾性体に接触した状態とされていることが好ましい。このようにパネルと筐体との間を荷重検出装置とは別に設けられた変位部で支え、初期荷重を加えて変位部を変位させることで前記荷重センサの受圧部を前記第１の弾性体に安定して接触させることができる。

また本発明における入力装置の製造方法は、荷重センサと、前記荷重センサの高さ方向にて対向する第１の面側に設けられた第１の弾性体と、前記第１の面の反対側の第２の面側に配置された支持基材と、前記第１の弾性体と前記支持基材間に介在し、前記第１の弾性体よりもばね定数が小さい第２の弾性体と、を有し、前記荷重センサの前記第１の面側に設けられた受圧部と前記第１の弾性体との間に空間を備える荷重検出装置を製造する工程と、
前記荷重検出装置を、前記第１の面側にて前記第１の弾性体を支持し前記第１の弾性体の撓み変形するのを許容する空間を備える筐体の表面に配置し、前記荷重検出装置の前記第２の面側にパネルを配置し、さらに前記パネルと前記筐体との間に変位部を配置した状態で、
前記パネルに初期荷重を加えて、前記変位部を高さ方向に変位させて荷重センサの受圧部を前記第１の弾性体に接触した状態にする工程と、を有することを特徴とするものである。本発明では、荷重センサ、第１の弾性体、第２の弾性体及び支持基材を備える荷重検出装置を製造し、ユニットとしての荷重検出装置を入力装置内に組み込むことで、製造工程を容易化できる。また、荷重検出装置をユニットとして入力装置内に組み込めるため、ユニットと入力装置との組み立て精度のみで荷重センサを含む各周辺部材の組み立て精度を保持できる。

本発明の荷重検出装置によれば、荷重センサの受圧部と第１の弾性体間に空間を形成した状態で第１の弾性体と支持基材間に第２の弾性体を介在させることで、荷重センサを適切に保護できる。また第２の弾性体は、第１の弾性体よりもばね定数の小さい保護部材であり、荷重を受けた際に荷重センサの受圧部を適切に第１の弾性体表面に接触させることができ、荷重センサにより高精度に荷重検出を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態における荷重検出装置、及び荷重検出装置を用いた入力装置の部分斜視図である。 図２は、図１に示す入力装置を裏面側から見た部分分解斜視図である。 図３は、入力装置の平面図である。 図４は、荷重センサの構造の一例であり、図４（ａ）は、部分縦断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面図である。 図５（ａ）は、本発明の実施形態における入力装置の製造過程を示す部分縦断面図であり、図５（ｂ）は、本発明の実施形態における荷重検出装置を入力装置内に組み込んだ状態を示す入力装置の部分縦断面図である。 図６は、別の実施形態における荷重検出装置を組み込んだ入力装置の部分縦断面図である。

図１は、本発明の実施形態における荷重検出装置、及び荷重検出装置を用いた入力装置の部分斜視図であり、図２は、図１に示す入力装置を裏面側から見た部分分解斜視図であり、図３は、入力装置の平面図であり、図４は、荷重センサの構造の一例であり、図４（ａ）は、部分縦断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面図であり、図５（ａ）は、本発明の実施形態における入力装置の製造過程を示す部分縦断面図であり、図５（ｂ）は、本発明の実施形態における荷重検出装置を入力装置内に組み込んだ状態を示す入力装置の部分縦断面図である。

なお図１、図２の斜視図では、図３に示すパネル３や筐体７の一部分だけを示している。

図１、図２に示す荷重検出装置１を備えた入力装置２は、携帯電話やゲーム機等の携帯用機器やカーナビゲーション、パーソナルコンピュータ等であり、例えば、入力装置２が入力操作可能なタッチパネルを構成する。

図１、図２、図５に示す本実施形態における荷重検出装置１は、荷重センサ５と、荷重センサ５の裏面（第１の面）５ａ側に配置された板ばね８（第１の弾性体）と、荷重センサ５の表面（第２の面）５ｂに配置されたフレキシブルプリント基板１０（支持基材）と、板ばね８とフレキシブルプリント基板１０間に介在する弾性体１１（第２の弾性体）とを有して構成される。

図１，図２に示すようにフレキシブルプリント基板１０は、Ｘ方向に延出する第１の延出部１０ａと、第１の延出部１０ａの略中央からＹ方向への一方向に延出する第２の延出部１０ｂとを備えている。

図１，図２，図５に示すように荷重センサ５は、フレキシブルプリント基板１０の第１の延出部１０ａにおける中央裏面に接着固定されている。フレキシブルプリント基板１０の第１の延出部１０ａのＸ方向両側には固定穴１０ｃ，１０ｃが形成されている。固定穴１０ｃ，１０ｃは後述する筐体７との位置決め部も兼ねている。

図４（ａ）に示すように荷重センサ５は、センサ基板１２と、ベース基板１３とを有して構成される。なお図４に示す荷重センサ５の向きは、図１、図２や図５とは逆となっている。すなわち図４に示す荷重センサ５を裏返しにして配置したものが図１，図２、図５に示す荷重センサ５となっている。

図４（ａ）に示すようにセンサ基板１２には、変形部１４と、変形部１４の上面４ａに上方に向けて突出する突起状の受圧部１９が設けられる。変形部１４は、荷重により高さ方向に変形可能な部分である。

変形部１４や受圧部１９は例えばシリコン基材で形成される。図４（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板１２の裏面（下面）には、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子（荷重検出部）１６、複数の電気接続部１７、各ピエゾ抵抗素子１６と各電気接続部１７間を繋ぐ複数の回路配線部１８が設けられる。

複数のピエゾ抵抗素子１６は、変形部１４の周囲に沿って、隣り合う素子同士が９０°異なる位相で配置される。受圧部１９で受けた荷重により変形部１４が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１６の電気抵抗が変化し、各ピエゾ抵抗素子１６によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化することで、出力を得ることが出来る。

図４（ａ）に示すように、各ピエゾ抵抗素子１６、各電気接続部１７、及び各回路配線部１８は、絶縁層２０により覆われている。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板１２の裏面には、変形部１４の周縁部を囲むようにセンサ側接合層２１が形成されている。図４（ｂ）に示すように、センサ側接合層２１は閉じた形態であることが好適である。

図４（ｂ）に示すように、各電気接続部１７は、センサ基板２の裏面側に形成された各回路配線部１８を介して各ピエゾ抵抗素子１６に電気的に接続されている。

ベース基板１３は例えばシリコン基材で形成される。ベース基板１３の表面には、センサ基板１２に形成されたセンサ側接合層２１と対応するベース側接合層２３が形成されている。また図４（ａ）に示すように、ベース基板１３の表面には、複数の電気配線部２４が形成されており、電気配線部２４の表面にはセンサ基板１２から離れた位置に電極パッド部２６が形成されている。

図４（ａ）に示すように、センサ基板１２とベース基板１３とはセンサ側接合層２１とベース側接合層２３とを対向させた状態で接合されて、変形部１４に対する変位空間３５が設けられている。

最下層は支持板３０であり、支持板３０の表面に形成された電極部３１と電極パッド部２６間がボンディングワイヤ３２により電気的に接続される（ワイヤーボンディング）。

そして、支持板３０の表面からベース基板１３及びセンサ基板１２の周囲にかけて封止樹脂２５により覆われてパッケージ化されている。図４（ａ）に示すように、受圧部１９は、封止樹脂２５の表面から露出した状態となっている。

図４に示した荷重センサ５の構成は一例であり、これ以外の構成であってもよい。例えば操作面Ａ（図３参照）を押圧したときに２つの電極間の距離の変化に基づいて静電容量が変化し、この静電容量変化により荷重を検出することが出来る構成にすることも可能である。

板ばね８はリン青銅等、特に材質を限定するものでない。また第１の弾性体として板ばね８以外であってもよいが、ばね定数、弾性係数、降伏点、製造効率、コスト等を考慮すると板ばね８を使用することが好適である。

図１、図２、図５に示すように板ばね８は、Ｘ方向に長い帯状で形成される。これにより、板ばね８を高さ方向（Ｚ方向）に撓み変形させやすい。

図１、図２、図５に示すように、板ばね８のＸ方向の両端部は、筐体７との固定支持部８ａ，８ａを構成する。そして固定支持部８ａ，８ａに夫々、固定穴９，９が形成されている。各固定穴９，９は、板ばね８の中心からＸ方向の両側へ等間隔の位置に形成される。板ばね８に形成された固定穴９，９とフレキシブルプリント基板１０に設けられた固定穴１０ｃ、１０ｃとは高さ方向にて一致している。板ばね８に形成された固定穴９，９は筐体７に対する位置決め部を兼ねる。

図１，図２，図５に示すように、荷重センサ５のＸ方向の両側には弾性体１１，１１が配置されている。弾性体１１，１１は所定高さを備え、特に荷重センサ５に荷重が印加されていない状態（入力装置に組み込む前の状態）では、弾性体１１の高さ寸法Ｈ１は荷重センサ５の高さ寸法よりも高くなっている。

弾性体１１は、板ばね８よりもばね定数が小さい。例えば、板ばね８のばね定数は２０〜６０［Ｎ／ｍｍ］であり、弾性体１１のばね定数は、数Ｎ／ｍｍであり、より具体的には約４［Ｎ／ｍｍ］である。また弾性体１１のばね定数は板ばね８のばね定数の１／５〜１／１５程度であることが好適である。上記したばね定数はあくまで一例であり、上記数値範囲に限定されるものでないが、弾性体１１と板ばね８との間に、ある程度のばね定数差があったほうがよい。

本実施形態では弾性体１１の材質を限定するものでないが発泡材とすることで、ばね定数の調整を行いやすい。弾性体１１には株式会社ロジャースイノアック製の「ＰＯＲＯＮ」（登録商標）を用いることができる。

弾性体１１の上下面は、図５（ａ）に示すようにフレキシブルプリント基板１０及び板ばね８の双方に接着固定されている。なお上下面にもともと粘着層を備えた弾性体１１を用いることもできるし、あるいは弾性体１１とは別に設けられた粘着層を介して弾性体１１とフレキシブルプリント基板１０及び弾性体１１と板ばね８間を接合することもできる。

図５（ａ）に示すように、荷重検出装置１に荷重を加えていない状態では、荷重センサ５の受圧部１９と板ばね８との間に空間２７が形成されている。

本実施形態における入力装置２は、荷重検出装置１と、パネル３と筐体７とを有して構成される。以下、入力装置２の構造及び、入力装置２の製造工程を図５（ａ）（ｂ）を用いて説明する。

図１、図５（ａ）に示すように、荷重センサ５、フレキシブルプリント基板１０、板ばね８及び弾性体１１を有して構成される荷重検出装置１が筐体７上に固定される。固定方法は特に限定するものでないが、図１，図５（ａ）では、螺子２８を用いて、フレキシブルプリント基板１０及び板ばね８に形成された固定穴９，１０ｃを螺子止めしている。

続いてパネル３を用意する。パネル３は、透明なガラスやプラスチック等で構成される。パネル３の上面３ｂが操作面Ａである。図１、図５（ａ）に示す実施形態では、パネル３の上面３ｂが外部に露出して指等で直接操作可能な操作面Ａを構成しているが、パネル３上に別の透明部材を重ねて、前記別の透明部材の上面を指等で直接操作可能な操作面とすることもできる。
パネル３は、単層構造であっても複数層が重なった構造であってもよい。

図１、図２、図５（ａ）に示すように、筐体７の表面には変位部４が設けられる。なお変位部４は図１，図２では、荷重検出装置１に対してＹ方向に位置しＸ方向に長く延出する形状となっているが、図５（ａ）では、変位部４と荷重検出装置１との高さ関係等を図面上見やすくするため、変位部４を荷重検出装置１のＸ方向の両側に配置した。

図１，図２，図５（ａ）に示すように、荷重検出装置１を筐体７上に取り付けたとき、予め、荷重検出装置１の高さが変位部４よりも高くなるように設定されている。すなわち荷重検出装置１の上面が、変位部４よりも突出している。図５（ａ）に示すように、荷重検出装置１の上面は、フレキシブルプリント基板１０の上面に該当している。

変位部４は、押圧された際に変位可能な材質であることが必要であり、例えば両面粘着テープである。あるいは変位部４にはばね定数が異なる弾性体１１と同様の材質を用いることもできる。

本実施形態では図５（ａ）の状態から図５（ｂ）に示すように初期荷重を加えてパネル３を下方に押し込む。パネル３を下方に押し込むことで、弾性体１１が変位し、荷重センサ５の受圧部１９が板ばね８の表面に接触するとともに、やがてパネル３の下面３ｂに変位部４を接触させることができる。これにより、変位部４を介してパネル３と筐体７との間を接合（接着固定）することができる。このとき、板ばね８もやや下方に撓む可能性があるが、板ばね８のばね定数は、弾性体１１のばね定数よりも大きいため、、荷重センサ５の受圧部１９が板ばね８の表面に接触するように、弾性体１１を高さ方向に適切に縮めることができる。

また図５（ｂ）に示すように、荷重センサ５下側の筐体７には凹部７ｂが設けられているため、この凹部７ｂの空間に板ばね８を無理なく撓み変形させることができる。

本実施形態における荷重検出装置１を用いた入力装置２では、荷重センサ５を弾性体１１により適切に保護した状態で組み込むことができる。また、図５（ｂ）に示すように荷重センサ５の受圧部１９が板ばね８の表面に接触した状態にてセットできる。よって図５（ｂ）の初期状態から荷重が加わってパネル３が下方に押圧されたとき、荷重センサ５の受圧部１９に適切に荷重を与えることができ、荷重センサ５により高精度に荷重検出を行うことができる。

また、本実施形態における入力装置２の製造方法によれば、まず、荷重センサ５、弾性体１１、板ばね８及びフレキシブルプリント基板１０を有する荷重検出装置１を製造し、ユニットとして荷重検出装置１を入力装置１内に組み込むことで、製造工程を容易化できる。また、荷重検出装置１をユニットとして入力装置２内に組み込めるため、ユニットと入力装置２との組み立て精度のみで荷重センサ５を含む各周辺部材の組み立て精度を保持できる。

図３（パネル３下に配置された変位部４や荷重検出装置１を透視して示した平面図）に示すように、変位部４は操作面Ａの周囲を囲むように形成されているが、このような構成に限定するものではない。例えば変位部４は間欠的に複数、設けられていてもよい。また複数の荷重センサ５は、操作面Ａの各辺の横方向及び縦方向の中央に位置しているが、四隅に配置することもできる。図３に示すように複数の荷重検出装置１を用いることで、各荷重検出装置１の出力に基づき、押圧点の座標位置及び荷重を知ることが可能である。

パネル３下の周囲に加飾層を設けることが可能である。例えば、図３に示す点線の外側が加飾領域であり、内側がパネル３を通して液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の表示がされ操作面Ａでの操作を可能とする操作領域である。加飾領域内に荷重検出装置１や変位部４を配置することが可能である。

また本実施形態では、パネル３の裏面側や表面側に荷重検出装置１とは別に静電容量式や抵抗膜式のセンサ層（図示しない）等が備えられた構成とすることも可能である。

図６は、第２の実施形態における荷重検出装置を備えた入力装置の部分縦断面図である。図６に示す構成では、図１と異なってフレキシブルプリント基板１０にＸ方向の両側に延びる延出部、及び固定穴１０ｃ，１０ｃが形成されておらず、板ばね８に形成された固定穴９を介して筐体７に螺子止めされている。

また本実施形態では、フレキシブルプリント基板１０以外であっても、荷重センサ５を支持可能な基材を用いることが可能である。

１ 荷重検出装置
２ 入力装置
３ パネル
４ 変位部
５ 荷重センサ
７ 筐体
８ 板ばね（第１の弾性体）
８ａ 固定支持部
９、１０ｃ 固定穴（位置決め部）
１０ フレキシブルプリント基板（支持基材）
１１ 弾性体（第２の弾性体）
１２ センサ基板
１３ ベース基板
１６ ピエゾ抵抗素子
１９ 受圧部

Claims (8)

1. 荷重センサと、前記荷重センサの高さ方向にて対向する第１の面側に設けられた第１の弾性体と、前記第１の面の反対側の第２の面側に配置された支持基材と、前記第１の弾性体と前記支持基材間に介在する第２の弾性体と、を有し、
   前記第２の弾性体は、前記第１の弾性体よりもばね定数が小さく、
   前記荷重センサの前記第１の面側に設けられた受圧部と前記第１の弾性体との間に空間が形成されていることを特徴とする荷重検出装置。
2. 前記第２の弾性体は発泡材からなる請求項１記載の荷重検出装置。
3. 前記第２の弾性体のばね定数は、前記第１の弾性体のばね定数の１／５〜１／１５の範囲内である請求項１又は２に記載の荷重検出装置。
4. 前記第１の弾性体は、板ばねからなる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
5. 前記支持基材は、前記荷重センサと電気的に接続されたフレキシブルプリント基板である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載された荷重検出装置と、前記荷重センサの第２の面側に前記支持基材を介して配置された表面が操作面であるパネルと、前記荷重センサの前記第１の面側に配置され前記第１の弾性体を支持する筐体と、を有し、
   前記荷重センサと前記筐体との間に、前記第１の弾性体が撓み変形するのを許容する空間が設けられており、
   前記荷重センサの受圧部は前記第１の弾性体に接触した状態とされていることを特徴とする入力装置。
7. 前記パネルと前記筐体との間に変位部を備え、前記パネルに初期荷重が加えられて前記変位部が高さ方向に変位させられて前記荷重センサの受圧部が前記第１の弾性体に接触した状態とされている請求項６記載の入力装置。
8. 荷重センサと、前記荷重センサの高さ方向にて対向する第１の面側に設けられた第１の弾性体と、前記第１の面の反対側の第２の面側に配置された支持基材と、前記第１の弾性体と前記支持基材間に介在し、前記第１の弾性体よりもばね定数が小さい第２の弾性体と、を有し、前記荷重センサの前記第１の面側に設けられた受圧部と前記第１の弾性体との間に空間を備える荷重検出装置を製造する工程と、
   前記荷重検出装置を、前記第１の面側にて前記第１の弾性体を支持し前記第１の弾性体の撓み変形するのを許容する空間を備える筐体の表面に配置し、前記荷重検出装置の前記第２の面側にパネルを配置し、さらに前記パネルと前記筐体との間に変位部を配置した状態で、
   前記パネルに初期荷重を加えて、前記変位部を高さ方向に変位させて荷重センサの受圧部を前記第１の弾性体に接触した状態にする工程と、を有することを特徴とする入力装置の製造方法。

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