JP4390971B2 - 力検出子およびこれを用いた力センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は力検出子およびこれを用いた力センサに関し、特に、コンピュータゲームの入力機器や小型電子機器などに用いるのに適した力検出子およびこれを用いた力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な力センサとしては、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などを利用した種々のタイプのものが普及しているが、コンピュータゲーム用の入力装置としては、構造が単純で安価なセンサが求められている。このため、いわゆるジョイスティックなどのゲーム用入力装置としては、一対の端子間の機械的な接触を電気的に検出するスイッチ式のセンサが広く普及している。このようなスイッチ式のセンサは、一対の端子が接触したか否かを検出する単純な構造を有し、製造コストも安価である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスイッチ式のセンサは、構造が単純で、安価であるというメリットを有しているものの、外部からの力が加わったか否かというＯＮ／ＯＦＦの二値状態しか検出することができない。もちろん、単純なコンピュータゲーム用の入力装置としては、このようなＯＮ／ＯＦＦスイッチとしての機能があれば十分な場合も多いが、最近は、コンピュータゲームの内容も複雑化してきており、単なるＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてではなく、操作者によって加えられた力の大きさを検出できるセンサが望まれている。また、近年、携帯電話や携帯電子端末などの小型電子機器の普及もめざましく、このような小型電子機器用の入力装置としても、操作量としての力の大きさを検出することができる安価な入力装置が望まれている。
【０００４】
そこで本発明は、操作者からの操作入力として加えられた力の大きさを検出することができ、しかも確実に操作入力が行われたことを操作者が触覚で認識することができ、構造が単純で安価な力検出子および力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に作用した外力もしくは同等の押圧力を検出する力検出子において、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
この基板の上方に配置された作用部と、この基板に固定された固定部と、作用部と固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位生成体と、
基板の上面のほぼ中心位置に座標系の原点を定義したときに、基板の上面のＸ軸正領域およびＸ軸負領域にそれぞれ配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体と、
作用部の下面の第１の抵抗体および第２の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第１の接触用導電体および第２の接触用導電体と、
を設け、
作用部に外力が作用したときに、可撓部が撓みを生じることにより、作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じ、この変位に基づいて、第１の接触用導電体および第２の接触用導電体の第１の抵抗体および第２の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成し、
可撓部は上方へと伸びる肉厚の薄い構造をなすようにし、
作用部に外力が作用していない状態では、第１の接触用導電体と第１の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、第２の接触用導電体と第２の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、第１の接触用導電体と第１の抵抗体とが接触した状態となり、第２の接触用導電体と第２の抵抗体とが接触した状態となり、
第１の接触用導電体および第２の接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、第１の抵抗体および第２の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有し、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、作用部に対してＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【０００６】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能を有する。
【０００７】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値を、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【０００８】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子において、
基板の上面のＹ軸正領域およびＹ軸負領域にそれぞれ配置された第３の抵抗体および第４の抵抗体と、
作用部の下面の第３の抵抗体および第４の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第３の接触用導電体および第４の接触用導電体と、
を更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、第３の接触用導電体と第３の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、第４の接触用導電体と第４の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、第３の接触用導電体と第３の抵抗体とが接触した状態となり、第４の接触用導電体と第４の抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、第３の接触用導電体および第４の接触用導電体の第３の抵抗体および第４の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、第３の接触用導電体および第４の接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、第３の抵抗体および第４の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【０００９】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能とを有している。
【００１０】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００１１】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面のＺ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、Ｚ軸用接触用導電体のＺ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【００１２】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【００１３】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７または第８の態様に係る力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けるようにしたものである。
【００１４】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能とを有している。
【００１５】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００１６】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第４の態様に係る力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面のＺ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、Ｚ軸用接触用導電体のＺ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出できるようにしたものである。
【００１７】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【００１８】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１２または第１３の態様に係る力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けるようにしたものである。
【００１９】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を機能とを有している。
【００２０】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００２１】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に操作桿を設け、この操作桿を介して与えられた外力によって作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、操作桿に加えられた外力の検出ができるようにしたものである。
【００２２】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられた押圧力によて作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出できるようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２５】
§１．基本的な実施形態に係る力検出子の構造
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構造を示す側断面図である。この力検出子は、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力のＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向の各成分をそれぞれ独立して検出する機能を有しており、主たる構成要素は、図示のとおり、基板１１０、変位生成体１２０、固定部材１３０である。ここでは、説明の便宜上、基板１１０の上面のほぼ中心位置に、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義し、基板１１０の上面がＸＹ平面に沿って配置されているものとする。図１に示す座標系では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、紙面に垂直下方にＹ軸が定義されている。
【００２６】
基板１１０は、上述のとおり、ＸＹ平面に沿った上面を有する平板状の剛体からなる基板であり、この実施形態では、ガラスエポキシ基板が用いられている。本発明を実施する上で、基板１１０の材質は特に限定されるものではなく、後述する力の作用を受けても変形しないだけの十分な剛性を有する基板であれば、どのようなものを用いてもかまわない。ただし、上面には互いに電気的に独立した複数の抵抗体を形成する必要があるため、少なくとも抵抗体の形成面には絶縁性をもたせておく必要がある。したがって、実用上は、絶縁性材料からなるガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、ガラス基板などを用いるのが好ましい。もちろん、金属板を基板１１０として用いることも可能であるが、この場合、少なくとも上面の抵抗体形成部分には、絶縁膜を形成する必要がある。
【００２７】
図２は、この基板１１０の上面図であり、一点鎖線の矩形は、この上に配置される変位生成体１２０の位置を示している。図１に示されている基板１１０の断面は、図２に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面である。基板１１０の上面は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面に含まれ、その中心に原点Ｏが定義されている。図示の通り、この基板１１０の上面には、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が形成されている。これらの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６は、この実施形態の場合、いずれも平板状のカーボンからなる抵抗体である。本発明に用いる抵抗体は、後述する測定に適した抵抗値を有する材質であれば、どのような材質のものを用いてもよく、また、どのような形状のものを用いてもよいが、実用上は、カーボンなどの材料を用いて、基板１１０の上面に印刷により形成することができる平板状の抵抗体を用いるのが好ましい。
【００２８】
ここで、重要な点は、これら抵抗体Ｒ１〜Ｒ６の配置である。図示のとおり、第１の抵抗体Ｒ１は基板１１０の上面のＸ軸正領域に配置されており、第２の抵抗体Ｒ２は基板１１０の上面のＸ軸負領域に配置されており、第３の抵抗体Ｒ３は基板１１０の上面のＹ軸正領域に配置されており、第４の抵抗体Ｒ４は基板１１０の上面のＹ軸負領域に配置されている。これら４枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも同一の大きさをもった長方形状をしており、Ｘ軸もしくはＹ軸に関して線対称となるように配置されている。また、原点Ｏと各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４との距離も同一となるように配置されている。後述するように、第１の抵抗体Ｒ１および第２の抵抗体Ｒ２は、作用した外力のＸ軸方向成分の検出に用いられ、第３の抵抗体Ｒ３および第４の抵抗体Ｒ４は、作用した外力のＹ軸方向成分の検出に用いられる。
【００２９】
一方、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、互いに同一の大きさをもった正方形状をした平板状抵抗体である。ここで、第５の抵抗体Ｒ５は、その中心点が原点Ｏの位置にくるように配置されているのに対して、第６の抵抗体Ｒ６は、これら抵抗体群の右下あたりに配置されている。後述するように、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、作用した外力のＺ軸方向成分の検出に用いられる。ただし、Ｚ軸方向成分の本来の検出値は第５の抵抗体Ｒ５から得られ、第６の抵抗体Ｒ６は、標準となる抵抗値の参照用として用いられるにすぎない。したがって、ここでは、第５の抵抗体Ｒ５を「Ｚ軸用抵抗体」と呼び、第６の抵抗体Ｒ６を「参照用抵抗体」と呼ぶことにする。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、原理的には、基板１１０の上面のどの位置に配置してもかまわないが、検出感度を高める上では、原点Ｏの位置（Ｚ軸に交差する位置）に配置するのが好ましい。これは、本実施形態に係る変位生成体１２０の構造上、その中心部分（Ｚ軸に交差する部分）における変位が最も大きくなるためである。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６は、単に抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるので、基板１１０上の任意の位置に配置してかまわない。
【００３０】
一方、変位生成体１２０は、この基板１１０の上面に配置される部材である。この変位生成体１２０の上面図を図３に、下面図を図４にそれぞれ示す。図３および図４に示す変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が、図１に示されていることになる。図１に示されているように、変位生成体１２０は、内側に位置する円盤状の作用部１２１と、その周囲の可撓部１２２と、外側の固定部１２３と、を有し、更に、作用部１２１の上面中央部には、Ｚ軸を中心軸とした円柱状の操作桿１２５が形成されている。図１の側断面図に示されているように、変位生成体１２０の上面には、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３による段差構造が形成されており、下面には、空洞部Ｖが形成されている。変位生成体１２０の上面は必ずしもこのような段差構造にする必要はないが、図示の例の場合、作用部１２１と可撓部１２２との間の段差構造は、可撓部１２２の肉厚を薄くするために貢献している。すなわち、作用部１２１の肉厚に対して、可撓部１２２の肉厚を薄く設定することにより、可撓部１２２に可撓性をもたせている。また、可撓部１２２と固定部１２３との間の段差構造は、固定部１２３を固定部材１３０によって固定するための便宜である。
【００３１】
本発明における変位生成体１２０には、このように、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３の３つの部分を設ける必要がある。ここで、作用部１２１は、基板１１０の上方に配置され、外力の作用により変位を生じるような構造をもっていれば、基本的にはどのような形態のものでもかまわないが、後述するように、その下面には複数の接触用導電体を所定位置（各抵抗体に対向する位置）に取り付ける必要があるので、この接触用導電体の取り付けに適した下面を有する盤状形態とするのが好ましい。作用部１２１は完全な剛体である必要はないが、可撓部１２２に比べれば、ある程度の剛性を有するのが好ましく、この実施形態では、可撓部１２２の肉厚に比べて、作用部１２１の肉厚を厚くすることによりある程度の剛性をもたせるようにしている。
【００３２】
固定部１２３は、変位生成体１２０を基板１１０に固定するための部分であり、図示の例では、固定部１２３の下面が基板１１０の上面に直接接触した状態となっている。固定部材１３０は、固定部１２３を基板１１０に固定する機能を果たす部材であり、基板１１０および変位生成体１２０をその外周部分から取り巻く構造を有し、固定部１２３の上面と基板１１０の下面とを挟持した状態を保つ。なお、固定部１２３は、必ずしも基板１１０に直接固定する必要はなく、固定部１２３と基板１１０との間に、何らかの中間部材を介して間接的に固定するようにしてもかまわない。
【００３３】
可撓部１２２は、作用部１２１と固定部１２３との間に形成され、可撓性をもった部分である。この可撓部１２２が可撓性を有しているため、作用部１２１に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１が基板１１０に対して変位を生じることになる。外力は、実際には操作桿１２５に対して与えられる。たとえば、この力検出子をコンピュータゲーム用のジョイスティックの部品として利用するのであれば、操作者が操作桿１２５を操作することにより与えられる外力は、操作桿１２５から作用部１２１を介して可撓部１２２へと伝達され、可撓部１２２がこの外力に応じた撓みを生じ、作用部１２１が変位することになる。可撓部１２２の可撓性の程度は、操作者の加える力の大きさと作用部１２１に生じる変位の大きさとの関係を定めるパラメータとなる。なお、図示の例では、空洞部Ｖの外形を矩形にしているが、空洞部Ｖの外形を円形にしてもよい。この場合、可撓部１２２は円環状（ドーナツ状）になる。
【００３４】
この実施形態では、絶縁性シリコンゴムを一体成型することにより、変位生成体１２０の全体を構成しており、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３、操作桿１２５はいずれも絶縁性シリコンゴムから構成されている。本発明に用いる変位生成体１２０では、少なくとも可撓部１２２が可撓性をもっていればよいので、変位生成体１２０の各部をそれぞれ異なる材質で構成することも可能である。ただし、製造コストを低減する上では、変位生成体１２０の全体を絶縁性シリコンゴムなどの同一材料による一体成型品で構成するのが好ましい。
【００３５】
図３の上面図に破線で示す部分は、変位生成体１２０の下面に形成された空洞部Ｖである。図４の下面図に示すように、この空洞部Ｖの内側には、５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が収容されている。接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも椀状（より正確に言えば、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ４は半球状、接触用導電体Ｃ５は半楕円体状）をしており、弾性変形する導電性材料によって構成されている。ここでは、弾性変形する導電性材料として、導電性シリコンゴムを用いており、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも導電性シリコンゴムを椀状に成型し、変位生成体１２０の下面に接着したものである。ここで、これら接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５の配置は重要である。すなわち、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれ抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対向する位置に配置されている。図１の側断面図には、接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５が、それぞれ抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５に対向する位置に配置されている様子が明瞭に示されている。この実施形態では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。なお、参照用抵抗体Ｒ６に対向する位置には、何ら接触用導電体は設けられていない。これは、前述したように、参照用抵抗体Ｒ６が抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるためである。
【００３６】
上述したように、操作桿１２５に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１の下面が基板１１０の上面に対して変位を生じることになる。このような変位が生じると、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触状態が変化する。より具体的には、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触面の面積が変化することになる。本発明に係る力検出子の基本原理は、このような接触面の面積を抵抗体の抵抗値の変化として検出し、作用した外力の大きさを求めようとする点にある。以下、作用した外力の各座標軸方向成分を検出する基本原理を述べる。
【００３７】
§２．基本的な実施形態に係る力検出子の動作原理
いま、図５(a) の側断面図に示されているように、基板１１０の上面に１枚の抵抗体Ｒが形成され、作用部１２１の下面に半球状の接触用導電体Ｃが形成されているものとしよう。このとき、接触用導電体Ｃは、その下端点において、抵抗体Ｒの中心にほぼ点接触している状態であるとする。図５(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、中心位置に示す黒丸Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。このように、接触用導電体Ｃの下端点が抵抗体Ｒの表面にほぼ点接触している状態では、接触面Ｓは点に近い微小円となる。
【００３８】
さて、ここで、図５(b) に示すように、抵抗体Ｒの左右両端から配線を引き出し、これらの配線の端部に端子Ｔ１，Ｔ２を接続し、この両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値を測定してみたとする。別言すれば、抵抗体Ｒ上の「接触用導電体Ｃの接触位置（接触面Ｓ）」を挟む２点間の抵抗値が測定されることになる。この場合、接触面Ｓは点に近い微小円であるため、測定される抵抗値に、接触用導電体Ｃはほとんど影響を及ぼすことはなく、測定により得られる抵抗値は、抵抗体Ｒがもっている本来の抵抗値に近い値ということになる。図５(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた矢印は抵抗体Ｒの中央の点に接触しているだけであり、両端子Ｔ１，Ｔ２間には、抵抗体Ｒの本来の抵抗値が現れるだけである。
【００３９】
これに対して、図６(a) の側断面図に示されているように、作用部１２１に対して、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向への力）が加わった場合を考えてみる。この場合、作用部１２１の下面が下方へ変位することになり、接触用導電体Ｃに対して、−Ｚ軸方向の押圧力が加わる。接触用導電体Ｃは、弾性変形する導電性材質（この例の場合、導電性シリコンゴム）から構成されているため、この押圧力により図のように押し潰された状態となり、抵抗体Ｒに対する接触状態が変化する。接触用導電体Ｃの形状は、このような接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状（この例では、半球状）となっているため、図示のように、接触用導電体Ｃが上下方向に潰れた状態になると、接触面の面積が増加する。図６(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、円Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。なお、この円Ｓの内部に描かれている同心円は、抵抗体Ｒの表面に加わる圧力分布を示す等圧線である。すなわち、接触圧は円Ｓの中心ほど大きくなる。
【００４０】
このように接触用導電体Ｃの接触面が大きくなると、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値に変化が生じることになる。すなわち、接触用導電体Ｃは導電体であり、抵抗体Ｒよりもはるかに電流を流しやすい性質をもっているため、両端子Ｔ１，Ｔ２間を流れる電流は、円Ｓで示される接触面の部分においては、抵抗体Ｒ内を通らずに、接触用導電体Ｃ内を迂回してしまうことになる。図６(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた２本の矢印は抵抗体Ｒの２か所に接触しており、この２か所において電流は接触用導電体Ｃ側へと迂回することになる。２本の矢印の間隔は、接触用導電体Ｃの接触面の大きさに応じて広くなる。結局、接触用導電体Ｃの抵抗体Ｒに対する接触面の面積が大きくなればなるほど、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は減少することになる。
【００４１】
このようにして、作用部１２１に作用した外力−Ｆｚが大きくなればなるほど、接触用導電体Ｃの接触面の面積は大きくなり、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は小さくなる。作用した外力と両端子間の抵抗値との間には、必ずしも線形関係は成り立たないが、両者間には一価の関数関係が成り立ち、両端子間の抵抗値を測定することができれば、作用した外力の大きさを求めることができる。これが、本発明に係る力検出子における力検出の基本原理である。
【００４２】
続いて、§１で述べた実施形態の力検出子により、作用した外力のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出できる理由を説明する。まず、図１に示す力検出子における操作桿１２５に対して、斜め右下方向への外力Ｆが作用した場合を考える。この力検出子がジョイスティックとして用いられている場合、操作者が操作桿１２５を斜め右方向に傾ける操作を行うと、このような外力Ｆが作用することになる。図７の側断面図は、このような外力Ｆが作用したときの作用部１２１の変位状態を示している。外力Ｆが加わると、可撓性をもった可撓部１２２が撓みを生じることになるが、外力Ｆが斜め右下方向への力であるため、図示のように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。外力Ｆを各座標軸方向の力成分に分解すると、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の右方への力＋Ｆｘ（＋Ｘ軸方向の力）とに分けることができる。ここでは、これらの各成分のうち、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを検出する原理を述べることにする。
【００４３】
なお、外力Ｆを座標系の原点Ｏに作用する力としてとらえると、実際には、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、Ｙ軸まわりのモーメントということになるが、操作者が操作桿１２５に与える力としてとらえれば、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、あくまでも＋Ｘ軸方向を向いた力である。このように、力とモーメントとは、実質的には同じ物理量を示すものであり、本明細書では、以下、力というとらえ方に統一した説明を行うことにする。
【００４４】
さて、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを含む外力Ｆが加わると、図７に示されているように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。したがって、Ｘ軸上に配置された接触用導電体Ｃ１とＣ２とについての潰れ具合を比較すると、Ｃ２に比べてＣ１の方の潰れ具合の方が大きくなる。このため、Ｃ１のＲ１に対する接触面積は、Ｃ２のＲ２に対する接触面積よりも大きくなる。そこで、たとえば、図７における抵抗体Ｒ１，Ｒ２のそれぞれ両端位置の抵抗値を測定したとすれば、抵抗体Ｒ１についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ２についての抵抗値よりも小さくなる。両抵抗値の差が大きければ大きいほど、作用した外力のＸ軸方向成分は大きいことになる。
【００４５】
上述の例とは逆に、操作者が操作桿１２５を斜め左下方向に傾ける操作を行うと、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の左方への力−Ｆｘ（−Ｘ軸方向の力）とを合成した外力Ｆが作用することになり、円盤状の作用部１２１は左下方向に傾斜するように変位する。このため、Ｃ２のＲ２に対する接触面積が、Ｃ１のＲ１に対する接触面積よりも大きくなる。その結果、抵抗体Ｒ２についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ１についての抵抗値よりも小さくなる。結局、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１についての「第１の接触用導電体Ｃ１の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、Ｘ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２についての「第２の接触用導電体Ｃ２の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、作用した外力のＸ軸方向成分を検出することが可能になる。すなわち、両抵抗値の大小関係により、力の向き（＋Ｘ軸方向か、−Ｘ軸方向か）を認識することができ、両抵抗値の差により、力の大きさを認識することができる。
【００４６】
作用した外力のＹ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分の検出原理と全く同じである。基板１１０上には、図２に示すように、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置されている。Ｘ軸方向成分の検出には、上述したように、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１とＸ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２と、これらに対向する位置に配置された第１の接触用導電体Ｃ１および第２の接触用導電体Ｃ２とを用いた。これに対して、Ｙ軸方向成分の検出には、Ｙ軸正領域に配置された第３の抵抗体Ｒ３とＹ軸負領域に配置された第４の抵抗体Ｒ４と、これらに対向する位置に配置された第３の接触用導電体Ｃ３および第４の接触用導電体Ｃ４とを用いればよい。
【００４７】
一方、作用した外力のＺ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の検出原理とは若干異なる。Ｘ軸方向やＹ軸方向についての検出を行うには、原点Ｏの両側に配置された一対の抵抗体についての抵抗値を比較する必要があったのに対し、Ｚ軸方向についての検出は、単一の抵抗体についての抵抗値を測定するだけでも行うことが可能である。また、Ｚ軸方向の検出に用いる抵抗体の配置も、特定の位置に限定されるものではなく、基板１１０の上面の任意の位置に配置された抵抗体によって、作用した力のＺ軸方向成分を検出することができる。たとえば、図７では、外力ＦのＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出する原理を説明したが、この外力Ｆには、Ｚ軸方向成分−Ｆｚも含まれており、接触用導電体Ｃ１を上下方向に潰す力は、このＺ軸方向成分−Ｆｚの作用に他ならない。別言すれば、抵抗体Ｃ１についての抵抗値が減少した直接的な理由は、Ｚ軸方向成分−Ｆｚが作用したためであり、この抵抗体Ｃ１についての抵抗値の減少量は、第一義的には、抵抗体Ｃ１に作用したＺ軸方向成分の力の大きさを示していることになる。前述の原理でＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出することができたのは、図の左右に配置された接触用導電体Ｃ１，Ｃ２に加わるＺ軸方向の力が、左右でアンバランスになることを利用したためである。
【００４８】
してみると、抵抗体Ｒ１についての抵抗値に基づいてＺ軸方向の力成分を検出することも可能である。同様に、抵抗体Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のいずれを用いても、Ｚ軸方向の力成分を検出することが可能である。ただ、実用上は、最も効率良い検出を行うことができる位置に、Ｚ軸方向の力成分を検出するための専用の抵抗体を配置するのが好ましい。そこで、本実施形態では、図２の上面図に示されているように、原点Ｏ上に配置された第５の抵抗体Ｒ５を、Ｚ軸用抵抗体として用いるようにし、その上方にＺ軸用接触用導電体Ｃ５を配置するようにしている。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５およびＺ軸用接触用導電体Ｃ５は、いずれもＺ軸上に配置されることになる。図１において、操作桿１２５に−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加えられると、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５に点接触するように配置されていたＺ軸用接触用導電体Ｃ５は押し潰され、接触状態に変化が生じる。すなわち、図６(a) に示すように、接触面積が増加することになる。ここで、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５上の「Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置」を挟む２点間の抵抗値を測定すれば、測定される抵抗値は、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加すると減少する関係になるので、測定された抵抗値に基づいて、作用した−Ｚ軸方向の力−Ｆｚを求めることができる。
【００４９】
なお、この力検出子をジョイスティックなどに利用する場合、操作者が操作桿１２５に加える操作により発生するＺ軸方向の力は、通常、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚ（図１における下方向への力）となるため、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚ（図１における上方向への力）を測定する必要はない。ただ、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わるような環境でこの力検出子を利用する場合は、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定できる構成にしておく必要がある。実は、図１に示す構成では、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定することはできない。既に§１で述べたように、図１に示す実施形態では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。このような構成において、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わると、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面から浮き上がり、非接触の状態となってしまう。したがって、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用しても、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５についての抵抗値には何ら変化は生じないことになる。
【００５０】
＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用した場合にも、これを検出することができるような構成にするためには、何ら外力が作用しない状態においても、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がある程度の押圧力をもって各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面に面接触するような状態となるようにしておけばよい。このような構成にしておけば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用すると、抵抗体に対する接触面積の減少が生じることになり、抵抗体についての抵抗値の増加という形で作用した力を検出することができるようになる。
【００５１】
このように、Ｚ軸方向成分の検出は、単一のＺ軸用抵抗体Ｒ５のみを用いても行うことができるが、実用上は、参照用抵抗体Ｒ６を利用した検出を行うのが好ましい。その理由は、一般的な抵抗体は、種々の環境要素によって、それ自身の抵抗値が変化する性質をもっているためである。たとえば、経年変化により化学的な組成に変化が生じれば、抵抗値が変化することになる。実用上、最も大きな影響を与える環境要素は温度である。一般的な抵抗体の抵抗値は、温度に依存して変化する。したがって、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値のみに基づいて、作用した力のＺ軸方向成分の検出を行うと、検出値は温度の影響を多分に受けることになり、正確な検出結果を得ることができなくなる。前述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の場合、一対の抵抗体についての抵抗値の差分に基づく検出が行われるため、このような温度による影響は相殺される。そこで、Ｚ軸方向成分の検出を行う際にも、参照用抵抗体Ｒ６の抵抗値を参照した検出を行うようにすれば、温度による影響を相殺することができる。
【００５２】
図２に示す例の場合、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とは、幾何学的に合同な形状をもった抵抗体であり、温度などの環境による抵抗値の変化は同等になる。両者の相違点は、外力の作用により抵抗値が変化するか否かという点だけである。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、所定の２点（Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟む２点）間の抵抗値が、外力の作用によって変化する抵抗体であるのに対し、参照用抵抗体Ｒ６は、所定の２点間の抵抗値は、外力の影響を受けずに一定（これは、外力の影響に関しては抵抗値が変化ないという意味であり、温度等の影響に関しては、当然、抵抗値は変化する。）となる抵抗体である。したがって、両者の抵抗値の差を検出するようにすれば、この差には、外力の作用に基づく因子のみが含まれることになり、温度などの環境因子を除外することができる。
【００５３】
以上、図１に示す実施形態に係る力検出子を用いて、操作桿１２５に作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出する原理を説明した。このように、図１に示す力検出子は、三次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる三次元力検出子である。この三次元力検出子では、図２に示す各抵抗体Ｒ１〜Ｒ６および図４に示す各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が、それぞれ特定の座標軸方向成分の力検出を分担して受け持っている。すなわち、抵抗体Ｒ１，Ｒ２および接触用導電体Ｃ１，Ｃ２はＸ軸方向成分の検出を受け持ち、抵抗体Ｒ３，Ｒ４および接触用導電体Ｃ３，Ｃ４はＹ軸方向成分の検出を受け持ち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５，参照用抵抗体Ｒ６，Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５は、Ｚ軸方向成分の検出を受け持っている。
【００５４】
したがって、二次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる二次元力検出子や、一次元の座標軸方向成分の力を検出することができる一次元力検出子を構成するのであれば、上述した抵抗体や接触用導電体のうち、検出に必要なもののみを用いればよいことになる。たとえば、Ｘ軸方向成分の力を検出する一次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２とを用いれば十分である。また、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを検出する二次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４とを用意すれば十分であり、Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とを検出する二次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５とを用意すれば十分である。
【００５５】
§３．力センサとしての検出回路
これまで、本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構成および動作原理を述べた。このような力検出子を利用して実際の力センサを構成するためには、この力検出子に所定の検出回路を付加する必要がある。ここでは、このような検出回路の実用に適した例を述べることにする。図８(a) ，(b) ，(c) は、このような検出回路の一例を示す回路図である。
【００５６】
まず、図８(a) に示す回路は、抵抗体Ｒ１，Ｒ２を用いて力のＸ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｘに出力する検出回路である。この検出回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２とを、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおいて直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、図５(b) に示すように、長方形状をした抵抗体の左右の両短辺上の中央点をとっており、電流が図の左右方向に流れるようにしている。もちろん、各抵抗体Ｒの両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわないので、たとえば、図５(b) において、長方形状をした抵抗体の上下の両長辺上の中央点をとり、電流が図の上下方向に流れるようにしてもよい。
【００５７】
図８(a) の回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２との直列接続によって構成されるＸ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｘに出力される電圧は、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値と第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが加わると、第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値に比べて、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値が減少する。したがって、出力端子Ｔｘに出力される電圧は上昇することになる。逆に、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが加わると、出力端子Ｔｘに出力される電圧は下降することになる。結局、何ら外力が作用していない状態で出力端子Ｔｘに出力される電圧値（理論的には、Ｖｃｃ／２になる）を基準として、この電圧値が上昇した場合には、この上昇幅に相当する大きさをもった＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが作用したことになり、この電圧値が下降した場合には、この下降幅に相当する大きさをもった−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作用したことになる。このように、図８(a) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｘの出力電圧に基づいて、作用した外力のＸ軸方向成分の検出が可能になる。
【００５８】
次に、図８(b) に示す回路は、抵抗体Ｒ３，Ｒ４を用いて力のＹ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｙに出力する検出回路である。この検出回路では、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４とを、Ｙ軸検出用接続点Ｊｙにおいて直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。この図８(b) の回路においても、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４との直列接続によって構成されるＹ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。この検出回路における出力端子Ｔｙの出力電圧に基づいて、作用した外力のＹ軸方向成分の検出が可能になる原理は、図８(a) の検出回路によるＸ軸方向成分の検出原理と同様である。
【００５９】
一方、図８(c) に示す回路は、抵抗体Ｒ５，Ｒ６を用いて力のＺ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｚに出力する検出回路である。この検出回路では、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とを、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおいて直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体が形成されている。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点としては、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。また、参照用抵抗体Ｒ６の両端点としては、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点と同等の位置をとればよい。
【００６０】
この図８(c) の回路においても、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６との直列接続によって構成されるＺ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｚに出力される電圧は、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値と参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は、Ｚ軸方向の力の作用により増減する。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値は、力の作用とは無関係に一定である（もちろん、温度などの影響で変化するが、この変化はＺ軸用抵抗体Ｒ５についても同様であり相殺される）。たとえば、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は減少することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は上昇する。また、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚについても検出可能な構成をもった力検出子を利用すれば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が減少し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は増加することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は下降する。このように、図８(c) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｚの出力電圧に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分の検出が可能になる。
【００６１】
このように、§１で述べた三次元力検出子に、図８(a) ，(b) ，(c) に示す検出回路を付加すれば、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を独立して検出する機能をもった三次元力センサを構成することができる。もちろん、一次元力センサあるいは二次元力センサを構成する場合には、図８に示す３つの検出回路の中から、検出成分に応じて必要な検出回路だけを用いればよい。
【００６２】
§４．種々の変形例
続いて、本発明に係る力検出子あるいは力センサの変形例をいくつか述べておく。
【００６３】
（１） 操作時にクリック感をもたせる変形例
図９に側断面図を示す変形例は、基本的には、図１に示す実施形態と同様である。すなわち、基板２１０の上に変位生成体２２０が配置され、両者がその周囲において固定部材２３０によって固定されている。変位生成体２２０が、作用部２２１、可撓部２２２、固定部２２３の３つの部分を有する点も同様であり、基板２１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部２２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている点も同様である。ただし、図９の力検出子における可撓部２２２は、図１の力検出子における可撓部１２２に比べて肉厚がかなり薄く、上方へと伸びるような構造となっている。このため、外力が作用していない状態では、基板２１０の上面と、作用部２２１の下面との距離はかなり大きくなっており、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５から完全に離れた状態となっている。
【００６４】
また、作用部２２１の上面には、操作桿のようなものは設けられておらず、操作者は、指で作用部２２１の上面を直接押し込むような操作を行うことになる。図１０は、図９に示す力検出子において、操作者が、作用部２２１の上面を直接押し込む操作を行ったときの状態を示す側断面図である。肉厚の薄い可撓部２２２は、断面が逆Ｖ字型に折れ曲がった状態となっている。図９に示す状態において、作用部２２１に対する下方向への押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部２２２が急激に逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、図１０に示す状態となる。このため、操作者の指には、クリック感が伝わることになり、確実に操作入力が行われたことを触覚で認識することができる。
【００６５】
（２） 個々の指標位置を押圧操作する変形例
図１１に側断面図を示す変形例も、基本的には、図１に示す実施形態と同様である。すなわち、基板３１０の上に変位生成体３２０が配置されており、変位生成体３２０は、作用部３２１、可撓部３２２、固定部３２３の３つの部分を有している。また、基板３１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部３２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている。ただし、図１の実施形態のような固定部材は設けられておらず、固定部３２３の底面が、基板３１０の上面周囲部分に直接接合されている。図１２は、変位生成体３２０の上面図である。作用部３２１は円盤状をしており、その周囲に掘られた円周状の溝Ｇによって、肉厚の薄い可撓部３２２が形成されている。固定部３２３は、この溝Ｇの外側の部分である。また、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５から完全に離れた状態となっている。
【００６６】
この図１１に示す変形例の場合も、作用部３２１の上面に、操作桿のようなものは設けられていない。操作者は、指で作用部３２１の上面を直接押し込むような操作を行うことになる。ただ、ここで述べる変形例の場合、図１２の上面図に示されているように、円盤状の作用部３２１の上面に複数の指標Ｍ１〜Ｍ５が配置されている。すなわち、指標Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ図の右左上下の方向を示す三角形状の指標であり、指標Ｍ５は中央位置を示す正方形状の指標である。これらの指標は、作用部３２１の上面にエンボス加工により形成してもよいし、印刷により形成してもよい。
【００６７】
このような指標を設けておくと、図１に示す力検出子のように操作桿を有する力検出子とは若干異なる操作入力を行うのに便利である。すなわち、図１に示す力検出子では、操作者は操作桿１２５を種々の方向に動かす操作入力を与えることになるが、ここで述べる変形例の場合、操作者は、図１２に示す５つの指標位置のいずれかに対して押圧力を加えることにより操作入力を与えることができる。たとえば、図１２の指標Ｍ１の位置を指で押し込むような操作入力を行うと、図１１の側断面図において、円盤状の作用部３２１が右下方向に傾斜することになり、第１の接触用導電体Ｃ１が第１の抵抗体Ｒ１に接触することになる。この状態は、前述した実施形態に係る力検出子において、＋Ｘ軸方向成分の力が作用した場合と等価である。同様に、図１２の指標Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５の位置を指で押し込むような操作入力は、前述した実施形態に係る力検出子において、それぞれ、−Ｘ軸方向成分の力が作用した場合，＋Ｙ軸方向成分の力が作用した場合，−Ｙ軸方向成分の力が作用した場合，−Ｚ軸方向成分の力が作用した場合と等価である。
【００６８】
結局、この図１１および図１２に示す変形例に係る力検出子に、図８に示すような検出回路を付加して力センサを構成すれば、検出回路の出力に基づいて、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出することができるようになる。もちろん、図９および図１０に示す変形例についても、円盤状の作用部２２１の上面に複数の指標を設けることができ、各指標に加えられた押圧力を検出する力センサとして機能させることができる。このように、本発明に係る力検出子もしくは力センサは、ある特定の座標軸方向に作用した外力を検出するだけでなく、このような外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力の検出を行うことも可能である。コンピュータゲーム用の入力機器としては、図１の実施形態に示すように、操作桿１２５を有するジョイスティックタイプのものだけではなく、図１１および図１２に示す変形例のように、円盤状のパッド（作用部３２１）の上下左右あるいは中央を押圧操作するタイプのものも利用されており、本発明に係る力検出子は、いずれのタイプにも適用可能である。
【００６９】
（３） 接触用導電体の形状に関する変形例
これまで述べた実施形態では、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも椀状形態をしていたが、接触用導電体は、弾性変形する導電材料から構成され、かつ、抵抗体に対する接触状態の変化（接触圧力の変化）に基づいて接触面の面積が変化する形状をしているものであれば、どのようなものでもかまわない。椀状形態をした接触用導電体の場合、接触面はほぼ円形となり、接触圧力が大きくなるほど、接触面はより径の大きな円になるが、接触面は必ずしも円形にする必要はない。
【００７０】
図１３(a) は、くさび型の接触用導電体Ｃを抵抗体Ｒの上面に接触させた状態を示す斜視図であり、図１３(b) は、基板１１０の上面に形成された抵抗体Ｒと、作用部１２１の下面に形成されたくさび型の接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。接触用導電体Ｃに対して、下方向に向けた押圧力が加わると、この押圧力の大きさに応じて接触面積は大きくなる。図１３(c) は、抵抗体Ｒの上面図であり、所定の押圧力が加わったときの接触面Ｓが示されている。端子Ｔ１，Ｔ２は、この抵抗体Ｒについての抵抗値を測定するための端子である。接触面Ｓは、図示のとおり矩形状になる。ここで、矩形状の接触面Ｓ内の縦線は、この接触面内の等圧線を示している。
【００７１】
くさび型の接触用導電体Ｃを用いるメリットは、抵抗体Ｒに対する接触位置が変化しても、実効接触面積に変化が生じないという点である。たとえば、図９に示すような変形例の場合、可撓部２２２がかなり長いため、図１０に示すように、作用部２２１が図の下方に変位したときに、作用部２２１が図の左右方向にも変位を生じ、接触用導電体Ｃの抵抗体Ｒに対する接触位置が大きくずれる可能性がある。このとき、椀状の接触用導電体Ｃの場合、接触面が円になるため、実効接触面積が変化してしまうおそれがある。たとえば、図６(b) に示す例では、接触位置が抵抗体Ｒの中心位置となっているため、接触面Ｓが抵抗体Ｒの輪郭内に収まっているが、接触位置がずれた場合、接触面Ｓの一部が抵抗体Ｒの輪郭外へはみ出してしまい、実効接触面積が本来のものより減少してしまうことになる。このように、接触位置の変化により、実効接触面積が変化すると、正しい検出値を得ることができなくなる。
【００７２】
図１３(a) に示すように、抵抗体Ｒの幅ｄｒに対して、十分に余裕のある幅ｄｃをもったくさび型の接触用導電体Ｃを用いれば、図１３(c) に示すように、同一の押圧力で接触したときの接触面Ｓは、常に同一の大きさの矩形になる。したがって、接触位置がずれた場合であっても、図１３(c) における縦方向のずれが幅ｄｃの余裕の範囲内であり、横方向のずれが抵抗体Ｒの横方向の幅の範囲内である限り、実効接触面積に変化は生じない。
【００７３】
（４） 基板上での配線に関する変形例
本発明に係る力検出子を用いて力センサを構成するためには、各抵抗体に対して、たとえば図８に示すような検出回路を形成するための配線を行う必要がある。このような配線は、基板上に導電層を印刷することにより形成することができる。また、必要な場合には、基板の所定箇所にスルーホールを形成し、このスルーホールを介して、基板下面側に配線を施すことも可能である。
【００７４】
図１４は、基板４１０上に形成された抵抗体に対する配線の一例を示す上面図である。ここに示す基板４１０は、力のＸ軸およびＹ軸方向成分の検出を行う二次元力検出子に用いる基板であるため、４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４のみが形成されている。この４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも同一の矩形をした平板状抵抗体であり、その両端には電極部（図に黒い太線で示す部分）Ｅ１１〜Ｅ４２が形成されている。各電極部Ｅ１１〜Ｅ４２には、配線Ｗ１１〜Ｗ４２が接続されており、これらの配線Ｗ１１〜Ｗ４２は、基板４１０の外周付近に設けられた端子Ｔ１１〜Ｔ４２に接続されている。これら端子Ｔ１１〜Ｔ４２に対して、更に外部配線を施すことにより、図８に示すような検出回路を構成することができる。
【００７５】
基板の上面に複数の抵抗体を配置する場合、実用上は、このような配線の便宜を考慮して配置をするのが好ましい。たとえば、図１５の平面図に示されているように、短辺の長さがＬ、長辺の長さが２Ｌとなるような長方形状をした抵抗体Ｒを基板上に４組配置して、二次元力検出子に用いる基板を構成する場合を考える。この場合、たとえば、図１６(a) ，(b) ，(c) に示すような種々の配置が考えられる。いずれも、基板中央に定義された原点Ｏの周囲を取り巻くように、４枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を配置した例である。ここで、各抵抗体の中心位置（図に黒点で示す）と原点Ｏとの距離をＫとすれば、図１６(a) に示す配置では、ほぼ、Ｋ＝Ｌとなり、図１６(b) ，(c) に示す配置では、ほぼ、Ｋ＝Ｌ＋（Ｌ／２）となる。したがって、空間的な配置効率の面では、図１６(a) に示す配置が最適であり、力検出子の小型化を図ることができるが、配線を行う上では、基板にスルーホールを形成し、基板下面側で配線を施すなどの方法をとる必要がある。
【００７６】
（５） 加速度検出への応用
これまで述べた例は、いずれも操作桿や作用部に加えられた外力を検出する力検出子または力センサであったが、これらの力検出子や力センサを利用すれば、加速度検出子または加速度センサを実現することも可能である。すなわち、必要な加速度検出感度に応じた質量をもった重錘体を作用部に接合し、この重錘体に作用した加速度に基づいて作用部に外力が作用するようにすれば、作用した外力を検出することにより、作用した加速度を検出することができる。
【００７７】
図１７に側断面図を示す検出子は、図１に示す力検出子に重錘体を付加することにより構成された加速度検出子であり、基本的には、図１に示す力検出子とほぼ同等の構成要素を有している。すなわち、基板５１０の上に変位生成体５２０が配置され、両者がその周囲において固定部材５３０によって固定されている。変位生成体５２０が、作用部５２１、可撓部５２２、固定部５２３の３つの部分を有する点も同様であり、基板５１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部５２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている点も同様である。ただ、作用部５２１の上面には、中間部材５２５を介して、重錘体５４０が接合されている。
【００７８】
このような加速度検出子に、図８に示すような検出回路を付加すれば、加速度センサを構成することができる。すなわち、この図１７に示す加速度検出子の基板５１０もしくは固定部材５３０を車両などに固定し、重錘体５４０が自由に変位できる状態にすれば（実用上は、重錘体５４０の周囲をケースなどで囲うようにし、重錘体５４０が他の物体に接触しないようにする）、この車両に加わった加速度が重錘体５４０にも加わり、この加速度に応じた力が中間部材５２５を介して作用部５２１へと伝達されることになる。このような力の各座標軸方向成分を検出する原理は、既に述べたとおりである。こうして検出された力は、作用した加速度に比例した量となるため、間接的に加速度の検出が可能になる。
【００７９】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、構造が単純で製造コストが安価でありながら、操作者からの操作入力として加えられた力の大きさを検出することができる力検出子および力センサを実現することができるようになる。しかも、可撓部が急激に逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた際に、操作者の指にはクリック感が伝わることになるので、操作者は、確実に操作入力が行われたことを触覚で認識することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示す力検出子における基板１１０の上面図であり、この基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図３】図１に示す力検出子における変位生成体１２０の上面図であり、この変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図４】図１に示す力検出子における変位生成体１２０の下面図であり、この変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図５】外力が作用していない状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図６】外力が作用している状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図７】図１に示す力検出子に、右斜め下方向の外力Ｆが作用したときの状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す力検出子に用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の第１の変形例に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図１０】図９に示す力検出子に外力が作用した状態を示す側断面図である。
【図１１】本発明の第２の変形例に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図１２】図１１に示す検出子の上面図である。
【図１３】本発明の変形例に用いるくさび型の接触用導電体Ｃと抵抗体Ｒとの接触状態を示す斜視図(a) 、側断面図(b) 、平面図(c) である。
【図１４】基板４１０上に形成された抵抗体に対する配線の一例を示す上面図である。
【図１５】長方形状をした抵抗体Ｒの一例を示す平面図である。
【図１６】図１５に示す長方形状をした抵抗体Ｒの配置のバリエーションを示す平面図である。
【図１７】本発明に係る力検出子を利用した加速度検出子の側断面図である。
【符号の説明】
１１０…基板
１２０…変位生成体
１２１…作用部
１２２…可撓部
１２３…固定部
１２５…操作桿
１３０…固定部材
２１０…基板
２２０…変位生成体
２２１…作用部
２２２…可撓部
２２３…固定部
２３０…固定部材
３１０…基板
３２０…変位生成体
３２１…作用部
３２２…可撓部
３２３…固定部
４１０…基板
５１０…基板
５２０…変位生成体
５２１…作用部
５２２…可撓部
５２３…固定部
５２５…中間部材
５３０…固定部材
５４０…重錘体
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ５…接触用導電体
ｄｃ…くさび型接触用導電体Ｃの幅
ｄｒ…抵抗体Ｒの幅
Ｅ１１〜Ｅ４１…電極部
Ｆ…外力
＋Ｆｘ…外力の＋Ｘ軸方向成分
−Ｆｚ…外力の−Ｚ軸方向成分
Ｇ…円周状の溝
Ｊｘ，Ｊｙ，Ｊｚ…接続点
Ｍ１〜Ｍ５…指標
Ｏ…座標系の原点
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ６…抵抗体
Ｓ…接触面
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１１〜Ｔ４２…端子
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…検出値の出力端子
Ｖ…空洞部
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｗ１１〜Ｗ４２…配線
Ｘ，Ｙ，Ｚ…三次元座標系の各座標軸
【発明の属する技術分野】
本発明は力検出子およびこれを用いた力センサに関し、特に、コンピュータゲームの入力機器や小型電子機器などに用いるのに適した力検出子およびこれを用いた力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な力センサとしては、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などを利用した種々のタイプのものが普及しているが、コンピュータゲーム用の入力装置としては、構造が単純で安価なセンサが求められている。このため、いわゆるジョイスティックなどのゲーム用入力装置としては、一対の端子間の機械的な接触を電気的に検出するスイッチ式のセンサが広く普及している。このようなスイッチ式のセンサは、一対の端子が接触したか否かを検出する単純な構造を有し、製造コストも安価である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスイッチ式のセンサは、構造が単純で、安価であるというメリットを有しているものの、外部からの力が加わったか否かというＯＮ／ＯＦＦの二値状態しか検出することができない。もちろん、単純なコンピュータゲーム用の入力装置としては、このようなＯＮ／ＯＦＦスイッチとしての機能があれば十分な場合も多いが、最近は、コンピュータゲームの内容も複雑化してきており、単なるＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてではなく、操作者によって加えられた力の大きさを検出できるセンサが望まれている。また、近年、携帯電話や携帯電子端末などの小型電子機器の普及もめざましく、このような小型電子機器用の入力装置としても、操作量としての力の大きさを検出することができる安価な入力装置が望まれている。
【０００４】
そこで本発明は、操作者からの操作入力として加えられた力の大きさを検出することができ、しかも確実に操作入力が行われたことを操作者が触覚で認識することができ、構造が単純で安価な力検出子および力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に作用した外力もしくは同等の押圧力を検出する力検出子において、
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
この基板の上方に配置された作用部と、この基板に固定された固定部と、作用部と固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位生成体と、
基板の上面のほぼ中心位置に座標系の原点を定義したときに、基板の上面のＸ軸正領域およびＸ軸負領域にそれぞれ配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体と、
作用部の下面の第１の抵抗体および第２の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第１の接触用導電体および第２の接触用導電体と、
を設け、
作用部に外力が作用したときに、可撓部が撓みを生じることにより、作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じ、この変位に基づいて、第１の接触用導電体および第２の接触用導電体の第１の抵抗体および第２の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成し、
可撓部は上方へと伸びる肉厚の薄い構造をなすようにし、
作用部に外力が作用していない状態では、第１の接触用導電体と第１の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、第２の接触用導電体と第２の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、第１の接触用導電体と第１の抵抗体とが接触した状態となり、第２の接触用導電体と第２の抵抗体とが接触した状態となり、
第１の接触用導電体および第２の接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、第１の抵抗体および第２の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有し、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、作用部に対してＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【０００６】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能を有する。
【０００７】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値を、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【０００８】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子において、
基板の上面のＹ軸正領域およびＹ軸負領域にそれぞれ配置された第３の抵抗体および第４の抵抗体と、
作用部の下面の第３の抵抗体および第４の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第３の接触用導電体および第４の接触用導電体と、
を更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、第３の接触用導電体と第３の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、第４の接触用導電体と第４の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、第３の接触用導電体と第３の抵抗体とが接触した状態となり、第４の接触用導電体と第４の抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、第３の接触用導電体および第４の接触用導電体の第３の抵抗体および第４の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、第３の接触用導電体および第４の接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、第３の抵抗体および第４の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【０００９】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能とを有している。
【００１０】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００１１】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１の態様に係る力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面のＺ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、Ｚ軸用接触用導電体のＺ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたものである。
【００１２】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【００１３】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７または第８の態様に係る力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けるようにしたものである。
【００１４】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能とを有している。
【００１５】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００１６】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第４の態様に係る力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面のＺ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に設け、
作用部に外力が作用していない状態では、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、Ｚ軸用接触用導電体とＺ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
作用部の下面が基板の上面に対して生じる変位に基づいて、Ｚ軸用接触用導電体のＺ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における上記接触面の面積の変化に基づいて、更に、作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出できるようにしたものである。
【００１７】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置するようにしたものである。
【００１８】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１２または第１３の態様に係る力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けるようにしたものである。
【００１９】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出子に、所定の検出回路を付加することによって力センサを構成するようにしたものである。ここで、所定の検出回路は、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する機能と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を機能とを有している。
【００２０】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いるようにしたものである。
【００２１】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に操作桿を設け、この操作桿を介して与えられた外力によって作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、操作桿に加えられた外力の検出ができるようにしたものである。
【００２２】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられた押圧力によて作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出できるようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２５】
§１．基本的な実施形態に係る力検出子の構造
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構造を示す側断面図である。この力検出子は、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力のＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向の各成分をそれぞれ独立して検出する機能を有しており、主たる構成要素は、図示のとおり、基板１１０、変位生成体１２０、固定部材１３０である。ここでは、説明の便宜上、基板１１０の上面のほぼ中心位置に、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義し、基板１１０の上面がＸＹ平面に沿って配置されているものとする。図１に示す座標系では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、紙面に垂直下方にＹ軸が定義されている。
【００２６】
基板１１０は、上述のとおり、ＸＹ平面に沿った上面を有する平板状の剛体からなる基板であり、この実施形態では、ガラスエポキシ基板が用いられている。本発明を実施する上で、基板１１０の材質は特に限定されるものではなく、後述する力の作用を受けても変形しないだけの十分な剛性を有する基板であれば、どのようなものを用いてもかまわない。ただし、上面には互いに電気的に独立した複数の抵抗体を形成する必要があるため、少なくとも抵抗体の形成面には絶縁性をもたせておく必要がある。したがって、実用上は、絶縁性材料からなるガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、ガラス基板などを用いるのが好ましい。もちろん、金属板を基板１１０として用いることも可能であるが、この場合、少なくとも上面の抵抗体形成部分には、絶縁膜を形成する必要がある。
【００２７】
図２は、この基板１１０の上面図であり、一点鎖線の矩形は、この上に配置される変位生成体１２０の位置を示している。図１に示されている基板１１０の断面は、図２に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面である。基板１１０の上面は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面に含まれ、その中心に原点Ｏが定義されている。図示の通り、この基板１１０の上面には、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が形成されている。これらの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６は、この実施形態の場合、いずれも平板状のカーボンからなる抵抗体である。本発明に用いる抵抗体は、後述する測定に適した抵抗値を有する材質であれば、どのような材質のものを用いてもよく、また、どのような形状のものを用いてもよいが、実用上は、カーボンなどの材料を用いて、基板１１０の上面に印刷により形成することができる平板状の抵抗体を用いるのが好ましい。
【００２８】
ここで、重要な点は、これら抵抗体Ｒ１〜Ｒ６の配置である。図示のとおり、第１の抵抗体Ｒ１は基板１１０の上面のＸ軸正領域に配置されており、第２の抵抗体Ｒ２は基板１１０の上面のＸ軸負領域に配置されており、第３の抵抗体Ｒ３は基板１１０の上面のＹ軸正領域に配置されており、第４の抵抗体Ｒ４は基板１１０の上面のＹ軸負領域に配置されている。これら４枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも同一の大きさをもった長方形状をしており、Ｘ軸もしくはＹ軸に関して線対称となるように配置されている。また、原点Ｏと各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４との距離も同一となるように配置されている。後述するように、第１の抵抗体Ｒ１および第２の抵抗体Ｒ２は、作用した外力のＸ軸方向成分の検出に用いられ、第３の抵抗体Ｒ３および第４の抵抗体Ｒ４は、作用した外力のＹ軸方向成分の検出に用いられる。
【００２９】
一方、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、互いに同一の大きさをもった正方形状をした平板状抵抗体である。ここで、第５の抵抗体Ｒ５は、その中心点が原点Ｏの位置にくるように配置されているのに対して、第６の抵抗体Ｒ６は、これら抵抗体群の右下あたりに配置されている。後述するように、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、作用した外力のＺ軸方向成分の検出に用いられる。ただし、Ｚ軸方向成分の本来の検出値は第５の抵抗体Ｒ５から得られ、第６の抵抗体Ｒ６は、標準となる抵抗値の参照用として用いられるにすぎない。したがって、ここでは、第５の抵抗体Ｒ５を「Ｚ軸用抵抗体」と呼び、第６の抵抗体Ｒ６を「参照用抵抗体」と呼ぶことにする。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、原理的には、基板１１０の上面のどの位置に配置してもかまわないが、検出感度を高める上では、原点Ｏの位置（Ｚ軸に交差する位置）に配置するのが好ましい。これは、本実施形態に係る変位生成体１２０の構造上、その中心部分（Ｚ軸に交差する部分）における変位が最も大きくなるためである。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６は、単に抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるので、基板１１０上の任意の位置に配置してかまわない。
【００３０】
一方、変位生成体１２０は、この基板１１０の上面に配置される部材である。この変位生成体１２０の上面図を図３に、下面図を図４にそれぞれ示す。図３および図４に示す変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が、図１に示されていることになる。図１に示されているように、変位生成体１２０は、内側に位置する円盤状の作用部１２１と、その周囲の可撓部１２２と、外側の固定部１２３と、を有し、更に、作用部１２１の上面中央部には、Ｚ軸を中心軸とした円柱状の操作桿１２５が形成されている。図１の側断面図に示されているように、変位生成体１２０の上面には、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３による段差構造が形成されており、下面には、空洞部Ｖが形成されている。変位生成体１２０の上面は必ずしもこのような段差構造にする必要はないが、図示の例の場合、作用部１２１と可撓部１２２との間の段差構造は、可撓部１２２の肉厚を薄くするために貢献している。すなわち、作用部１２１の肉厚に対して、可撓部１２２の肉厚を薄く設定することにより、可撓部１２２に可撓性をもたせている。また、可撓部１２２と固定部１２３との間の段差構造は、固定部１２３を固定部材１３０によって固定するための便宜である。
【００３１】
本発明における変位生成体１２０には、このように、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３の３つの部分を設ける必要がある。ここで、作用部１２１は、基板１１０の上方に配置され、外力の作用により変位を生じるような構造をもっていれば、基本的にはどのような形態のものでもかまわないが、後述するように、その下面には複数の接触用導電体を所定位置（各抵抗体に対向する位置）に取り付ける必要があるので、この接触用導電体の取り付けに適した下面を有する盤状形態とするのが好ましい。作用部１２１は完全な剛体である必要はないが、可撓部１２２に比べれば、ある程度の剛性を有するのが好ましく、この実施形態では、可撓部１２２の肉厚に比べて、作用部１２１の肉厚を厚くすることによりある程度の剛性をもたせるようにしている。
【００３２】
固定部１２３は、変位生成体１２０を基板１１０に固定するための部分であり、図示の例では、固定部１２３の下面が基板１１０の上面に直接接触した状態となっている。固定部材１３０は、固定部１２３を基板１１０に固定する機能を果たす部材であり、基板１１０および変位生成体１２０をその外周部分から取り巻く構造を有し、固定部１２３の上面と基板１１０の下面とを挟持した状態を保つ。なお、固定部１２３は、必ずしも基板１１０に直接固定する必要はなく、固定部１２３と基板１１０との間に、何らかの中間部材を介して間接的に固定するようにしてもかまわない。
【００３３】
可撓部１２２は、作用部１２１と固定部１２３との間に形成され、可撓性をもった部分である。この可撓部１２２が可撓性を有しているため、作用部１２１に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１が基板１１０に対して変位を生じることになる。外力は、実際には操作桿１２５に対して与えられる。たとえば、この力検出子をコンピュータゲーム用のジョイスティックの部品として利用するのであれば、操作者が操作桿１２５を操作することにより与えられる外力は、操作桿１２５から作用部１２１を介して可撓部１２２へと伝達され、可撓部１２２がこの外力に応じた撓みを生じ、作用部１２１が変位することになる。可撓部１２２の可撓性の程度は、操作者の加える力の大きさと作用部１２１に生じる変位の大きさとの関係を定めるパラメータとなる。なお、図示の例では、空洞部Ｖの外形を矩形にしているが、空洞部Ｖの外形を円形にしてもよい。この場合、可撓部１２２は円環状（ドーナツ状）になる。
【００３４】
この実施形態では、絶縁性シリコンゴムを一体成型することにより、変位生成体１２０の全体を構成しており、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３、操作桿１２５はいずれも絶縁性シリコンゴムから構成されている。本発明に用いる変位生成体１２０では、少なくとも可撓部１２２が可撓性をもっていればよいので、変位生成体１２０の各部をそれぞれ異なる材質で構成することも可能である。ただし、製造コストを低減する上では、変位生成体１２０の全体を絶縁性シリコンゴムなどの同一材料による一体成型品で構成するのが好ましい。
【００３５】
図３の上面図に破線で示す部分は、変位生成体１２０の下面に形成された空洞部Ｖである。図４の下面図に示すように、この空洞部Ｖの内側には、５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が収容されている。接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも椀状（より正確に言えば、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ４は半球状、接触用導電体Ｃ５は半楕円体状）をしており、弾性変形する導電性材料によって構成されている。ここでは、弾性変形する導電性材料として、導電性シリコンゴムを用いており、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも導電性シリコンゴムを椀状に成型し、変位生成体１２０の下面に接着したものである。ここで、これら接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５の配置は重要である。すなわち、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれ抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対向する位置に配置されている。図１の側断面図には、接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５が、それぞれ抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５に対向する位置に配置されている様子が明瞭に示されている。この実施形態では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。なお、参照用抵抗体Ｒ６に対向する位置には、何ら接触用導電体は設けられていない。これは、前述したように、参照用抵抗体Ｒ６が抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるためである。
【００３６】
上述したように、操作桿１２５に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１の下面が基板１１０の上面に対して変位を生じることになる。このような変位が生じると、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触状態が変化する。より具体的には、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触面の面積が変化することになる。本発明に係る力検出子の基本原理は、このような接触面の面積を抵抗体の抵抗値の変化として検出し、作用した外力の大きさを求めようとする点にある。以下、作用した外力の各座標軸方向成分を検出する基本原理を述べる。
【００３７】
§２．基本的な実施形態に係る力検出子の動作原理
いま、図５(a) の側断面図に示されているように、基板１１０の上面に１枚の抵抗体Ｒが形成され、作用部１２１の下面に半球状の接触用導電体Ｃが形成されているものとしよう。このとき、接触用導電体Ｃは、その下端点において、抵抗体Ｒの中心にほぼ点接触している状態であるとする。図５(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、中心位置に示す黒丸Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。このように、接触用導電体Ｃの下端点が抵抗体Ｒの表面にほぼ点接触している状態では、接触面Ｓは点に近い微小円となる。
【００３８】
さて、ここで、図５(b) に示すように、抵抗体Ｒの左右両端から配線を引き出し、これらの配線の端部に端子Ｔ１，Ｔ２を接続し、この両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値を測定してみたとする。別言すれば、抵抗体Ｒ上の「接触用導電体Ｃの接触位置（接触面Ｓ）」を挟む２点間の抵抗値が測定されることになる。この場合、接触面Ｓは点に近い微小円であるため、測定される抵抗値に、接触用導電体Ｃはほとんど影響を及ぼすことはなく、測定により得られる抵抗値は、抵抗体Ｒがもっている本来の抵抗値に近い値ということになる。図５(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた矢印は抵抗体Ｒの中央の点に接触しているだけであり、両端子Ｔ１，Ｔ２間には、抵抗体Ｒの本来の抵抗値が現れるだけである。
【００３９】
これに対して、図６(a) の側断面図に示されているように、作用部１２１に対して、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向への力）が加わった場合を考えてみる。この場合、作用部１２１の下面が下方へ変位することになり、接触用導電体Ｃに対して、−Ｚ軸方向の押圧力が加わる。接触用導電体Ｃは、弾性変形する導電性材質（この例の場合、導電性シリコンゴム）から構成されているため、この押圧力により図のように押し潰された状態となり、抵抗体Ｒに対する接触状態が変化する。接触用導電体Ｃの形状は、このような接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状（この例では、半球状）となっているため、図示のように、接触用導電体Ｃが上下方向に潰れた状態になると、接触面の面積が増加する。図６(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、円Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。なお、この円Ｓの内部に描かれている同心円は、抵抗体Ｒの表面に加わる圧力分布を示す等圧線である。すなわち、接触圧は円Ｓの中心ほど大きくなる。
【００４０】
このように接触用導電体Ｃの接触面が大きくなると、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値に変化が生じることになる。すなわち、接触用導電体Ｃは導電体であり、抵抗体Ｒよりもはるかに電流を流しやすい性質をもっているため、両端子Ｔ１，Ｔ２間を流れる電流は、円Ｓで示される接触面の部分においては、抵抗体Ｒ内を通らずに、接触用導電体Ｃ内を迂回してしまうことになる。図６(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた２本の矢印は抵抗体Ｒの２か所に接触しており、この２か所において電流は接触用導電体Ｃ側へと迂回することになる。２本の矢印の間隔は、接触用導電体Ｃの接触面の大きさに応じて広くなる。結局、接触用導電体Ｃの抵抗体Ｒに対する接触面の面積が大きくなればなるほど、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は減少することになる。
【００４１】
このようにして、作用部１２１に作用した外力−Ｆｚが大きくなればなるほど、接触用導電体Ｃの接触面の面積は大きくなり、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は小さくなる。作用した外力と両端子間の抵抗値との間には、必ずしも線形関係は成り立たないが、両者間には一価の関数関係が成り立ち、両端子間の抵抗値を測定することができれば、作用した外力の大きさを求めることができる。これが、本発明に係る力検出子における力検出の基本原理である。
【００４２】
続いて、§１で述べた実施形態の力検出子により、作用した外力のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出できる理由を説明する。まず、図１に示す力検出子における操作桿１２５に対して、斜め右下方向への外力Ｆが作用した場合を考える。この力検出子がジョイスティックとして用いられている場合、操作者が操作桿１２５を斜め右方向に傾ける操作を行うと、このような外力Ｆが作用することになる。図７の側断面図は、このような外力Ｆが作用したときの作用部１２１の変位状態を示している。外力Ｆが加わると、可撓性をもった可撓部１２２が撓みを生じることになるが、外力Ｆが斜め右下方向への力であるため、図示のように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。外力Ｆを各座標軸方向の力成分に分解すると、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の右方への力＋Ｆｘ（＋Ｘ軸方向の力）とに分けることができる。ここでは、これらの各成分のうち、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを検出する原理を述べることにする。
【００４３】
なお、外力Ｆを座標系の原点Ｏに作用する力としてとらえると、実際には、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、Ｙ軸まわりのモーメントということになるが、操作者が操作桿１２５に与える力としてとらえれば、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、あくまでも＋Ｘ軸方向を向いた力である。このように、力とモーメントとは、実質的には同じ物理量を示すものであり、本明細書では、以下、力というとらえ方に統一した説明を行うことにする。
【００４４】
さて、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを含む外力Ｆが加わると、図７に示されているように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。したがって、Ｘ軸上に配置された接触用導電体Ｃ１とＣ２とについての潰れ具合を比較すると、Ｃ２に比べてＣ１の方の潰れ具合の方が大きくなる。このため、Ｃ１のＲ１に対する接触面積は、Ｃ２のＲ２に対する接触面積よりも大きくなる。そこで、たとえば、図７における抵抗体Ｒ１，Ｒ２のそれぞれ両端位置の抵抗値を測定したとすれば、抵抗体Ｒ１についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ２についての抵抗値よりも小さくなる。両抵抗値の差が大きければ大きいほど、作用した外力のＸ軸方向成分は大きいことになる。
【００４５】
上述の例とは逆に、操作者が操作桿１２５を斜め左下方向に傾ける操作を行うと、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の左方への力−Ｆｘ（−Ｘ軸方向の力）とを合成した外力Ｆが作用することになり、円盤状の作用部１２１は左下方向に傾斜するように変位する。このため、Ｃ２のＲ２に対する接触面積が、Ｃ１のＲ１に対する接触面積よりも大きくなる。その結果、抵抗体Ｒ２についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ１についての抵抗値よりも小さくなる。結局、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１についての「第１の接触用導電体Ｃ１の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、Ｘ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２についての「第２の接触用導電体Ｃ２の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、作用した外力のＸ軸方向成分を検出することが可能になる。すなわち、両抵抗値の大小関係により、力の向き（＋Ｘ軸方向か、−Ｘ軸方向か）を認識することができ、両抵抗値の差により、力の大きさを認識することができる。
【００４６】
作用した外力のＹ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分の検出原理と全く同じである。基板１１０上には、図２に示すように、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置されている。Ｘ軸方向成分の検出には、上述したように、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１とＸ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２と、これらに対向する位置に配置された第１の接触用導電体Ｃ１および第２の接触用導電体Ｃ２とを用いた。これに対して、Ｙ軸方向成分の検出には、Ｙ軸正領域に配置された第３の抵抗体Ｒ３とＹ軸負領域に配置された第４の抵抗体Ｒ４と、これらに対向する位置に配置された第３の接触用導電体Ｃ３および第４の接触用導電体Ｃ４とを用いればよい。
【００４７】
一方、作用した外力のＺ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の検出原理とは若干異なる。Ｘ軸方向やＹ軸方向についての検出を行うには、原点Ｏの両側に配置された一対の抵抗体についての抵抗値を比較する必要があったのに対し、Ｚ軸方向についての検出は、単一の抵抗体についての抵抗値を測定するだけでも行うことが可能である。また、Ｚ軸方向の検出に用いる抵抗体の配置も、特定の位置に限定されるものではなく、基板１１０の上面の任意の位置に配置された抵抗体によって、作用した力のＺ軸方向成分を検出することができる。たとえば、図７では、外力ＦのＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出する原理を説明したが、この外力Ｆには、Ｚ軸方向成分−Ｆｚも含まれており、接触用導電体Ｃ１を上下方向に潰す力は、このＺ軸方向成分−Ｆｚの作用に他ならない。別言すれば、抵抗体Ｃ１についての抵抗値が減少した直接的な理由は、Ｚ軸方向成分−Ｆｚが作用したためであり、この抵抗体Ｃ１についての抵抗値の減少量は、第一義的には、抵抗体Ｃ１に作用したＺ軸方向成分の力の大きさを示していることになる。前述の原理でＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出することができたのは、図の左右に配置された接触用導電体Ｃ１，Ｃ２に加わるＺ軸方向の力が、左右でアンバランスになることを利用したためである。
【００４８】
してみると、抵抗体Ｒ１についての抵抗値に基づいてＺ軸方向の力成分を検出することも可能である。同様に、抵抗体Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のいずれを用いても、Ｚ軸方向の力成分を検出することが可能である。ただ、実用上は、最も効率良い検出を行うことができる位置に、Ｚ軸方向の力成分を検出するための専用の抵抗体を配置するのが好ましい。そこで、本実施形態では、図２の上面図に示されているように、原点Ｏ上に配置された第５の抵抗体Ｒ５を、Ｚ軸用抵抗体として用いるようにし、その上方にＺ軸用接触用導電体Ｃ５を配置するようにしている。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５およびＺ軸用接触用導電体Ｃ５は、いずれもＺ軸上に配置されることになる。図１において、操作桿１２５に−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加えられると、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５に点接触するように配置されていたＺ軸用接触用導電体Ｃ５は押し潰され、接触状態に変化が生じる。すなわち、図６(a) に示すように、接触面積が増加することになる。ここで、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５上の「Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置」を挟む２点間の抵抗値を測定すれば、測定される抵抗値は、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加すると減少する関係になるので、測定された抵抗値に基づいて、作用した−Ｚ軸方向の力−Ｆｚを求めることができる。
【００４９】
なお、この力検出子をジョイスティックなどに利用する場合、操作者が操作桿１２５に加える操作により発生するＺ軸方向の力は、通常、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚ（図１における下方向への力）となるため、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚ（図１における上方向への力）を測定する必要はない。ただ、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わるような環境でこの力検出子を利用する場合は、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定できる構成にしておく必要がある。実は、図１に示す構成では、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定することはできない。既に§１で述べたように、図１に示す実施形態では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。このような構成において、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わると、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面から浮き上がり、非接触の状態となってしまう。したがって、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用しても、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５についての抵抗値には何ら変化は生じないことになる。
【００５０】
＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用した場合にも、これを検出することができるような構成にするためには、何ら外力が作用しない状態においても、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がある程度の押圧力をもって各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面に面接触するような状態となるようにしておけばよい。このような構成にしておけば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用すると、抵抗体に対する接触面積の減少が生じることになり、抵抗体についての抵抗値の増加という形で作用した力を検出することができるようになる。
【００５１】
このように、Ｚ軸方向成分の検出は、単一のＺ軸用抵抗体Ｒ５のみを用いても行うことができるが、実用上は、参照用抵抗体Ｒ６を利用した検出を行うのが好ましい。その理由は、一般的な抵抗体は、種々の環境要素によって、それ自身の抵抗値が変化する性質をもっているためである。たとえば、経年変化により化学的な組成に変化が生じれば、抵抗値が変化することになる。実用上、最も大きな影響を与える環境要素は温度である。一般的な抵抗体の抵抗値は、温度に依存して変化する。したがって、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値のみに基づいて、作用した力のＺ軸方向成分の検出を行うと、検出値は温度の影響を多分に受けることになり、正確な検出結果を得ることができなくなる。前述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の場合、一対の抵抗体についての抵抗値の差分に基づく検出が行われるため、このような温度による影響は相殺される。そこで、Ｚ軸方向成分の検出を行う際にも、参照用抵抗体Ｒ６の抵抗値を参照した検出を行うようにすれば、温度による影響を相殺することができる。
【００５２】
図２に示す例の場合、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とは、幾何学的に合同な形状をもった抵抗体であり、温度などの環境による抵抗値の変化は同等になる。両者の相違点は、外力の作用により抵抗値が変化するか否かという点だけである。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、所定の２点（Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟む２点）間の抵抗値が、外力の作用によって変化する抵抗体であるのに対し、参照用抵抗体Ｒ６は、所定の２点間の抵抗値は、外力の影響を受けずに一定（これは、外力の影響に関しては抵抗値が変化ないという意味であり、温度等の影響に関しては、当然、抵抗値は変化する。）となる抵抗体である。したがって、両者の抵抗値の差を検出するようにすれば、この差には、外力の作用に基づく因子のみが含まれることになり、温度などの環境因子を除外することができる。
【００５３】
以上、図１に示す実施形態に係る力検出子を用いて、操作桿１２５に作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出する原理を説明した。このように、図１に示す力検出子は、三次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる三次元力検出子である。この三次元力検出子では、図２に示す各抵抗体Ｒ１〜Ｒ６および図４に示す各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が、それぞれ特定の座標軸方向成分の力検出を分担して受け持っている。すなわち、抵抗体Ｒ１，Ｒ２および接触用導電体Ｃ１，Ｃ２はＸ軸方向成分の検出を受け持ち、抵抗体Ｒ３，Ｒ４および接触用導電体Ｃ３，Ｃ４はＹ軸方向成分の検出を受け持ち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５，参照用抵抗体Ｒ６，Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５は、Ｚ軸方向成分の検出を受け持っている。
【００５４】
したがって、二次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる二次元力検出子や、一次元の座標軸方向成分の力を検出することができる一次元力検出子を構成するのであれば、上述した抵抗体や接触用導電体のうち、検出に必要なもののみを用いればよいことになる。たとえば、Ｘ軸方向成分の力を検出する一次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２とを用いれば十分である。また、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを検出する二次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４とを用意すれば十分であり、Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とを検出する二次元力検出子を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５とを用意すれば十分である。
【００５５】
§３．力センサとしての検出回路
これまで、本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構成および動作原理を述べた。このような力検出子を利用して実際の力センサを構成するためには、この力検出子に所定の検出回路を付加する必要がある。ここでは、このような検出回路の実用に適した例を述べることにする。図８(a) ，(b) ，(c) は、このような検出回路の一例を示す回路図である。
【００５６】
まず、図８(a) に示す回路は、抵抗体Ｒ１，Ｒ２を用いて力のＸ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｘに出力する検出回路である。この検出回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２とを、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおいて直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、図５(b) に示すように、長方形状をした抵抗体の左右の両短辺上の中央点をとっており、電流が図の左右方向に流れるようにしている。もちろん、各抵抗体Ｒの両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわないので、たとえば、図５(b) において、長方形状をした抵抗体の上下の両長辺上の中央点をとり、電流が図の上下方向に流れるようにしてもよい。
【００５７】
図８(a) の回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２との直列接続によって構成されるＸ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｘに出力される電圧は、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値と第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが加わると、第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値に比べて、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値が減少する。したがって、出力端子Ｔｘに出力される電圧は上昇することになる。逆に、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが加わると、出力端子Ｔｘに出力される電圧は下降することになる。結局、何ら外力が作用していない状態で出力端子Ｔｘに出力される電圧値（理論的には、Ｖｃｃ／２になる）を基準として、この電圧値が上昇した場合には、この上昇幅に相当する大きさをもった＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが作用したことになり、この電圧値が下降した場合には、この下降幅に相当する大きさをもった−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作用したことになる。このように、図８(a) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｘの出力電圧に基づいて、作用した外力のＸ軸方向成分の検出が可能になる。
【００５８】
次に、図８(b) に示す回路は、抵抗体Ｒ３，Ｒ４を用いて力のＹ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｙに出力する検出回路である。この検出回路では、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４とを、Ｙ軸検出用接続点Ｊｙにおいて直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。この図８(b) の回路においても、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４との直列接続によって構成されるＹ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。この検出回路における出力端子Ｔｙの出力電圧に基づいて、作用した外力のＹ軸方向成分の検出が可能になる原理は、図８(a) の検出回路によるＸ軸方向成分の検出原理と同様である。
【００５９】
一方、図８(c) に示す回路は、抵抗体Ｒ５，Ｒ６を用いて力のＺ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｚに出力する検出回路である。この検出回路では、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とを、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおいて直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体が形成されている。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点としては、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。また、参照用抵抗体Ｒ６の両端点としては、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点と同等の位置をとればよい。
【００６０】
この図８(c) の回路においても、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６との直列接続によって構成されるＺ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｚに出力される電圧は、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値と参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は、Ｚ軸方向の力の作用により増減する。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値は、力の作用とは無関係に一定である（もちろん、温度などの影響で変化するが、この変化はＺ軸用抵抗体Ｒ５についても同様であり相殺される）。たとえば、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は減少することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は上昇する。また、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚについても検出可能な構成をもった力検出子を利用すれば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が減少し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は増加することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は下降する。このように、図８(c) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｚの出力電圧に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分の検出が可能になる。
【００６１】
このように、§１で述べた三次元力検出子に、図８(a) ，(b) ，(c) に示す検出回路を付加すれば、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を独立して検出する機能をもった三次元力センサを構成することができる。もちろん、一次元力センサあるいは二次元力センサを構成する場合には、図８に示す３つの検出回路の中から、検出成分に応じて必要な検出回路だけを用いればよい。
【００６２】
§４．種々の変形例
続いて、本発明に係る力検出子あるいは力センサの変形例をいくつか述べておく。
【００６３】
（１） 操作時にクリック感をもたせる変形例
図９に側断面図を示す変形例は、基本的には、図１に示す実施形態と同様である。すなわち、基板２１０の上に変位生成体２２０が配置され、両者がその周囲において固定部材２３０によって固定されている。変位生成体２２０が、作用部２２１、可撓部２２２、固定部２２３の３つの部分を有する点も同様であり、基板２１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部２２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている点も同様である。ただし、図９の力検出子における可撓部２２２は、図１の力検出子における可撓部１２２に比べて肉厚がかなり薄く、上方へと伸びるような構造となっている。このため、外力が作用していない状態では、基板２１０の上面と、作用部２２１の下面との距離はかなり大きくなっており、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５から完全に離れた状態となっている。
【００６４】
また、作用部２２１の上面には、操作桿のようなものは設けられておらず、操作者は、指で作用部２２１の上面を直接押し込むような操作を行うことになる。図１０は、図９に示す力検出子において、操作者が、作用部２２１の上面を直接押し込む操作を行ったときの状態を示す側断面図である。肉厚の薄い可撓部２２２は、断面が逆Ｖ字型に折れ曲がった状態となっている。図９に示す状態において、作用部２２１に対する下方向への押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部２２２が急激に逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、図１０に示す状態となる。このため、操作者の指には、クリック感が伝わることになり、確実に操作入力が行われたことを触覚で認識することができる。
【００６５】
（２） 個々の指標位置を押圧操作する変形例
図１１に側断面図を示す変形例も、基本的には、図１に示す実施形態と同様である。すなわち、基板３１０の上に変位生成体３２０が配置されており、変位生成体３２０は、作用部３２１、可撓部３２２、固定部３２３の３つの部分を有している。また、基板３１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部３２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている。ただし、図１の実施形態のような固定部材は設けられておらず、固定部３２３の底面が、基板３１０の上面周囲部分に直接接合されている。図１２は、変位生成体３２０の上面図である。作用部３２１は円盤状をしており、その周囲に掘られた円周状の溝Ｇによって、肉厚の薄い可撓部３２２が形成されている。固定部３２３は、この溝Ｇの外側の部分である。また、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５から完全に離れた状態となっている。
【００６６】
この図１１に示す変形例の場合も、作用部３２１の上面に、操作桿のようなものは設けられていない。操作者は、指で作用部３２１の上面を直接押し込むような操作を行うことになる。ただ、ここで述べる変形例の場合、図１２の上面図に示されているように、円盤状の作用部３２１の上面に複数の指標Ｍ１〜Ｍ５が配置されている。すなわち、指標Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ図の右左上下の方向を示す三角形状の指標であり、指標Ｍ５は中央位置を示す正方形状の指標である。これらの指標は、作用部３２１の上面にエンボス加工により形成してもよいし、印刷により形成してもよい。
【００６７】
このような指標を設けておくと、図１に示す力検出子のように操作桿を有する力検出子とは若干異なる操作入力を行うのに便利である。すなわち、図１に示す力検出子では、操作者は操作桿１２５を種々の方向に動かす操作入力を与えることになるが、ここで述べる変形例の場合、操作者は、図１２に示す５つの指標位置のいずれかに対して押圧力を加えることにより操作入力を与えることができる。たとえば、図１２の指標Ｍ１の位置を指で押し込むような操作入力を行うと、図１１の側断面図において、円盤状の作用部３２１が右下方向に傾斜することになり、第１の接触用導電体Ｃ１が第１の抵抗体Ｒ１に接触することになる。この状態は、前述した実施形態に係る力検出子において、＋Ｘ軸方向成分の力が作用した場合と等価である。同様に、図１２の指標Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５の位置を指で押し込むような操作入力は、前述した実施形態に係る力検出子において、それぞれ、−Ｘ軸方向成分の力が作用した場合，＋Ｙ軸方向成分の力が作用した場合，−Ｙ軸方向成分の力が作用した場合，−Ｚ軸方向成分の力が作用した場合と等価である。
【００６８】
結局、この図１１および図１２に示す変形例に係る力検出子に、図８に示すような検出回路を付加して力センサを構成すれば、検出回路の出力に基づいて、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出することができるようになる。もちろん、図９および図１０に示す変形例についても、円盤状の作用部２２１の上面に複数の指標を設けることができ、各指標に加えられた押圧力を検出する力センサとして機能させることができる。このように、本発明に係る力検出子もしくは力センサは、ある特定の座標軸方向に作用した外力を検出するだけでなく、このような外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力の検出を行うことも可能である。コンピュータゲーム用の入力機器としては、図１の実施形態に示すように、操作桿１２５を有するジョイスティックタイプのものだけではなく、図１１および図１２に示す変形例のように、円盤状のパッド（作用部３２１）の上下左右あるいは中央を押圧操作するタイプのものも利用されており、本発明に係る力検出子は、いずれのタイプにも適用可能である。
【００６９】
（３） 接触用導電体の形状に関する変形例
これまで述べた実施形態では、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも椀状形態をしていたが、接触用導電体は、弾性変形する導電材料から構成され、かつ、抵抗体に対する接触状態の変化（接触圧力の変化）に基づいて接触面の面積が変化する形状をしているものであれば、どのようなものでもかまわない。椀状形態をした接触用導電体の場合、接触面はほぼ円形となり、接触圧力が大きくなるほど、接触面はより径の大きな円になるが、接触面は必ずしも円形にする必要はない。
【００７０】
図１３(a) は、くさび型の接触用導電体Ｃを抵抗体Ｒの上面に接触させた状態を示す斜視図であり、図１３(b) は、基板１１０の上面に形成された抵抗体Ｒと、作用部１２１の下面に形成されたくさび型の接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。接触用導電体Ｃに対して、下方向に向けた押圧力が加わると、この押圧力の大きさに応じて接触面積は大きくなる。図１３(c) は、抵抗体Ｒの上面図であり、所定の押圧力が加わったときの接触面Ｓが示されている。端子Ｔ１，Ｔ２は、この抵抗体Ｒについての抵抗値を測定するための端子である。接触面Ｓは、図示のとおり矩形状になる。ここで、矩形状の接触面Ｓ内の縦線は、この接触面内の等圧線を示している。
【００７１】
くさび型の接触用導電体Ｃを用いるメリットは、抵抗体Ｒに対する接触位置が変化しても、実効接触面積に変化が生じないという点である。たとえば、図９に示すような変形例の場合、可撓部２２２がかなり長いため、図１０に示すように、作用部２２１が図の下方に変位したときに、作用部２２１が図の左右方向にも変位を生じ、接触用導電体Ｃの抵抗体Ｒに対する接触位置が大きくずれる可能性がある。このとき、椀状の接触用導電体Ｃの場合、接触面が円になるため、実効接触面積が変化してしまうおそれがある。たとえば、図６(b) に示す例では、接触位置が抵抗体Ｒの中心位置となっているため、接触面Ｓが抵抗体Ｒの輪郭内に収まっているが、接触位置がずれた場合、接触面Ｓの一部が抵抗体Ｒの輪郭外へはみ出してしまい、実効接触面積が本来のものより減少してしまうことになる。このように、接触位置の変化により、実効接触面積が変化すると、正しい検出値を得ることができなくなる。
【００７２】
図１３(a) に示すように、抵抗体Ｒの幅ｄｒに対して、十分に余裕のある幅ｄｃをもったくさび型の接触用導電体Ｃを用いれば、図１３(c) に示すように、同一の押圧力で接触したときの接触面Ｓは、常に同一の大きさの矩形になる。したがって、接触位置がずれた場合であっても、図１３(c) における縦方向のずれが幅ｄｃの余裕の範囲内であり、横方向のずれが抵抗体Ｒの横方向の幅の範囲内である限り、実効接触面積に変化は生じない。
【００７３】
（４） 基板上での配線に関する変形例
本発明に係る力検出子を用いて力センサを構成するためには、各抵抗体に対して、たとえば図８に示すような検出回路を形成するための配線を行う必要がある。このような配線は、基板上に導電層を印刷することにより形成することができる。また、必要な場合には、基板の所定箇所にスルーホールを形成し、このスルーホールを介して、基板下面側に配線を施すことも可能である。
【００７４】
図１４は、基板４１０上に形成された抵抗体に対する配線の一例を示す上面図である。ここに示す基板４１０は、力のＸ軸およびＹ軸方向成分の検出を行う二次元力検出子に用いる基板であるため、４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４のみが形成されている。この４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも同一の矩形をした平板状抵抗体であり、その両端には電極部（図に黒い太線で示す部分）Ｅ１１〜Ｅ４２が形成されている。各電極部Ｅ１１〜Ｅ４２には、配線Ｗ１１〜Ｗ４２が接続されており、これらの配線Ｗ１１〜Ｗ４２は、基板４１０の外周付近に設けられた端子Ｔ１１〜Ｔ４２に接続されている。これら端子Ｔ１１〜Ｔ４２に対して、更に外部配線を施すことにより、図８に示すような検出回路を構成することができる。
【００７５】
基板の上面に複数の抵抗体を配置する場合、実用上は、このような配線の便宜を考慮して配置をするのが好ましい。たとえば、図１５の平面図に示されているように、短辺の長さがＬ、長辺の長さが２Ｌとなるような長方形状をした抵抗体Ｒを基板上に４組配置して、二次元力検出子に用いる基板を構成する場合を考える。この場合、たとえば、図１６(a) ，(b) ，(c) に示すような種々の配置が考えられる。いずれも、基板中央に定義された原点Ｏの周囲を取り巻くように、４枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を配置した例である。ここで、各抵抗体の中心位置（図に黒点で示す）と原点Ｏとの距離をＫとすれば、図１６(a) に示す配置では、ほぼ、Ｋ＝Ｌとなり、図１６(b) ，(c) に示す配置では、ほぼ、Ｋ＝Ｌ＋（Ｌ／２）となる。したがって、空間的な配置効率の面では、図１６(a) に示す配置が最適であり、力検出子の小型化を図ることができるが、配線を行う上では、基板にスルーホールを形成し、基板下面側で配線を施すなどの方法をとる必要がある。
【００７６】
（５） 加速度検出への応用
これまで述べた例は、いずれも操作桿や作用部に加えられた外力を検出する力検出子または力センサであったが、これらの力検出子や力センサを利用すれば、加速度検出子または加速度センサを実現することも可能である。すなわち、必要な加速度検出感度に応じた質量をもった重錘体を作用部に接合し、この重錘体に作用した加速度に基づいて作用部に外力が作用するようにすれば、作用した外力を検出することにより、作用した加速度を検出することができる。
【００７７】
図１７に側断面図を示す検出子は、図１に示す力検出子に重錘体を付加することにより構成された加速度検出子であり、基本的には、図１に示す力検出子とほぼ同等の構成要素を有している。すなわち、基板５１０の上に変位生成体５２０が配置され、両者がその周囲において固定部材５３０によって固定されている。変位生成体５２０が、作用部５２１、可撓部５２２、固定部５２３の３つの部分を有する点も同様であり、基板５１０の上面に６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置され、作用部５２１の下面に５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が配置されている点も同様である。ただ、作用部５２１の上面には、中間部材５２５を介して、重錘体５４０が接合されている。
【００７８】
このような加速度検出子に、図８に示すような検出回路を付加すれば、加速度センサを構成することができる。すなわち、この図１７に示す加速度検出子の基板５１０もしくは固定部材５３０を車両などに固定し、重錘体５４０が自由に変位できる状態にすれば（実用上は、重錘体５４０の周囲をケースなどで囲うようにし、重錘体５４０が他の物体に接触しないようにする）、この車両に加わった加速度が重錘体５４０にも加わり、この加速度に応じた力が中間部材５２５を介して作用部５２１へと伝達されることになる。このような力の各座標軸方向成分を検出する原理は、既に述べたとおりである。こうして検出された力は、作用した加速度に比例した量となるため、間接的に加速度の検出が可能になる。
【００７９】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、構造が単純で製造コストが安価でありながら、操作者からの操作入力として加えられた力の大きさを検出することができる力検出子および力センサを実現することができるようになる。しかも、可撓部が急激に逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた際に、操作者の指にはクリック感が伝わることになるので、操作者は、確実に操作入力が行われたことを触覚で認識することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示す力検出子における基板１１０の上面図であり、この基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図３】図１に示す力検出子における変位生成体１２０の上面図であり、この変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図４】図１に示す力検出子における変位生成体１２０の下面図であり、この変位生成体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図５】外力が作用していない状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図６】外力が作用している状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図７】図１に示す力検出子に、右斜め下方向の外力Ｆが作用したときの状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す力検出子に用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の第１の変形例に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図１０】図９に示す力検出子に外力が作用した状態を示す側断面図である。
【図１１】本発明の第２の変形例に係る力検出子の構造を示す側断面図である。
【図１２】図１１に示す検出子の上面図である。
【図１３】本発明の変形例に用いるくさび型の接触用導電体Ｃと抵抗体Ｒとの接触状態を示す斜視図(a) 、側断面図(b) 、平面図(c) である。
【図１４】基板４１０上に形成された抵抗体に対する配線の一例を示す上面図である。
【図１５】長方形状をした抵抗体Ｒの一例を示す平面図である。
【図１６】図１５に示す長方形状をした抵抗体Ｒの配置のバリエーションを示す平面図である。
【図１７】本発明に係る力検出子を利用した加速度検出子の側断面図である。
【符号の説明】
１１０…基板
１２０…変位生成体
１２１…作用部
１２２…可撓部
１２３…固定部
１２５…操作桿
１３０…固定部材
２１０…基板
２２０…変位生成体
２２１…作用部
２２２…可撓部
２２３…固定部
２３０…固定部材
３１０…基板
３２０…変位生成体
３２１…作用部
３２２…可撓部
３２３…固定部
４１０…基板
５１０…基板
５２０…変位生成体
５２１…作用部
５２２…可撓部
５２３…固定部
５２５…中間部材
５３０…固定部材
５４０…重錘体
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ５…接触用導電体
ｄｃ…くさび型接触用導電体Ｃの幅
ｄｒ…抵抗体Ｒの幅
Ｅ１１〜Ｅ４１…電極部
Ｆ…外力
＋Ｆｘ…外力の＋Ｘ軸方向成分
−Ｆｚ…外力の−Ｚ軸方向成分
Ｇ…円周状の溝
Ｊｘ，Ｊｙ，Ｊｚ…接続点
Ｍ１〜Ｍ５…指標
Ｏ…座標系の原点
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ６…抵抗体
Ｓ…接触面
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１１〜Ｔ４２…端子
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…検出値の出力端子
Ｖ…空洞部
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｗ１１〜Ｗ４２…配線
Ｘ，Ｙ，Ｚ…三次元座標系の各座標軸
Claims (18)
- ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する力検出子であって、
前記座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する基板と、
前記基板の上方に配置された作用部と、前記基板に固定された固定部と、前記作用部と前記固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位生成体と、
前記基板の上面のほぼ中心位置に前記座標系の原点を定義したときに、前記基板の上面のＸ軸正領域およびＸ軸負領域にそれぞれ配置された第１の抵抗体および第２の抵抗体と、
前記作用部の下面の前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第１の接触用導電体および第２の接触用導電体と、
を備え、
前記作用部に外力が作用したときに、前記可撓部が撓みを生じることにより、前記作用部の下面が前記基板の上面に対して変位を生じ、この変位に基づいて、前記第１の接触用導電体および前記第２の接触用導電体の前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、
前記可撓部は上方へと伸びる肉厚の薄い構造をなし、
前記作用部に外力が作用していない状態では、前記第１の接触用導電体と前記第１の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、前記第２の接触用導電体と前記第２の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
前記作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、前記可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、前記第１の接触用導電体と前記第１の抵抗体とが接触した状態となり、前記第２の接触用導電体と前記第２の抵抗体とが接触した状態となり、
前記第１の接触用導電体および前記第２の接触用導電体は、弾性変形する導電性材料から構成されており、かつ、前記第１の抵抗体および前記第２の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、前記可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における前記接触面の面積の変化に基づいて、前記作用部に対してＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたことを特徴とする力検出子。 - 請求項１に記載の力検出子に、所定の検出回路を付加することによって構成される力センサであって、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路を、前記所定の検出回路として付加したことを特徴とする力センサ。 - 請求項２に記載の力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値を、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いることを特徴とする力センサ。 - 請求項１に記載の力検出子において、
基板の上面のＹ軸正領域およびＹ軸負領域にそれぞれ配置された第３の抵抗体および第４の抵抗体と、
作用部の下面の前記第３の抵抗体および前記第４の抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された第３の接触用導電体および第４の接触用導電体と、
を更に備え、
作用部に外力が作用していない状態では、前記第３の接触用導電体と前記第３の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、前記第４の接触用導電体と前記第４の抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
前記作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、前記第３の接触用導電体と前記第３の抵抗体とが接触した状態となり、前記第４の接触用導電体と前記第４の抵抗体とが接触した状態となり、
前記作用部の下面が前記基板の上面に対して生じる変位に基づいて、前記第３の接触用導電体および前記第４の接触用導電体の前記第３の抵抗体および前記第４の抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、前記第３の接触用導電体および前記第４の接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、前記第３の抵抗体および前記第４の抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、前記可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における前記接触面の面積の変化に基づいて、更に、前記作用部に対してＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたことを特徴とする力検出子。 - 請求項４に記載の力検出子に、所定の検出回路を付加することによって構成される力センサであって、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
を有する回路を、前記所定の検出回路として付加したことを特徴とする力センサ。 - 請求項５に記載の力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いることを特徴とする力センサ。 - 請求項１に記載の力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面の前記Ｚ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に備え、
作用部に外力が作用していない状態では、前記Ｚ軸用接触用導電体と前記Ｚ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
前記作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、前記Ｚ軸用接触用導電体と前記Ｚ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
前記作用部の下面が前記基板の上面に対して生じる変位に基づいて、前記Ｚ軸用接触用導電体の前記Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、前記Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、前記Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、前記可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における前記接触面の面積の変化に基づいて、更に、前記作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出できるようにしたことを特徴とする力検出子。 - 請求項７に記載の力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置したことを特徴とする力検出子。 - 請求項７または８に記載の力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けたことを特徴とする力検出子。 - 請求項９に記載の力検出子に、所定の検出回路を付加することによって構成される力センサであって、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
を有する回路を、前記所定の検出回路として付加したことを特徴とする力センサ。 - 請求項１０に記載の力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いることを特徴とする力センサ。 - 請求項４に記載の力検出子において、
基板の上面に配置されたＺ軸用抵抗体と、作用部の下面の前記Ｚ軸用抵抗体に対向する位置に配置されたＺ軸用接触用導電体とを更に備え、
作用部に外力が作用していない状態では、前記Ｚ軸用接触用導電体と前記Ｚ軸用抵抗体とは完全に離れた状態となっており、
前記作用部に対して下方向への押圧力を加え、当該押圧力を徐々に増加させてゆくと、可撓部が急激に、断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じ、前記Ｚ軸用接触用導電体と前記Ｚ軸用抵抗体とが接触した状態となり、
前記作用部の下面が前記基板の上面に対して生じる変位に基づいて、前記Ｚ軸用接触用導電体の前記Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態が変化するように構成され、前記Ｚ軸用接触用導電体が、弾性変形する導電性材料から構成され、かつ、前記Ｚ軸用抵抗体に対する接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状を有しており、前記可撓部が前記断面逆Ｖ字型に折れ曲がる弾性変形を生じた状態における前記接触面の面積の変化に基づいて、更に、前記作用部に対してＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出できるようにしたことを特徴とする力検出子。 - 請求項１２に記載の力検出子において、
Ｚ軸用抵抗体およびＺ軸用接触用導電体を、Ｚ軸と交差する位置に配置したことを特徴とする力検出子。 - 請求項１２または１３に記載の力検出子において、
基板の上面に、所定の２点間の抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定となる参照用抵抗体を更に設けたことを特徴とする力検出子。 - 請求項１４に記載の力検出子に、所定の検出回路を付加することによって構成される力センサであって、
第１の抵抗体上の「第１の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第２の抵抗体上の「第２の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｘ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
第３の抵抗体上の「第３の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、第４の抵抗体上の「第４の接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｙ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
Ｚ軸用抵抗体上の「Ｚ軸用接触用導電体の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、参照用抵抗体上の「抵抗値が外力もしくは押圧力の影響を受けずに一定」となる２点間の抵抗値と、を比較することにより、Ｚ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力を検出する回路と、
を有する回路を、前記所定の検出回路として付加したことを特徴とする力センサ。 - 請求項１５に記載の力センサにおいて、
第１の抵抗体と第２の抵抗体とをＸ軸検出用接続点において直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体を形成し、このＸ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｘ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＸ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
第３の抵抗体と第４の抵抗体とをＹ軸検出用接続点において直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体を形成し、このＹ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｙ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＹ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力し、
Ｚ軸用抵抗体と参照用抵抗体とをＺ軸検出用接続点において直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体を形成し、このＺ軸検出用抵抗体の両端に所定の電圧を印加し、前記Ｚ軸検出用接続点の電圧に相当する値をＺ軸方向に作用した外力もしくは当該外力と同等の押圧力の値として出力する検出回路を用いることを特徴とする力センサ。 - 請求項１〜１６のいずれかに記載の力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に操作桿を設け、この操作桿を介して与えられた外力によって作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、前記操作桿に加えられた外力の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出子または力センサ。 - 請求項１〜１６のいずれかに記載の力検出子または力センサにおいて、
作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられた押圧力によて作用部の下面が基板の上面に対して変位を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出できるようにしたことを特徴とする力検出子または力センサ。
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