JP4392641B2 - Force detection device - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a force detection device.
[0002]
[Prior art]
An example of the force detection device is shown in FIG.
[0003]
In this force detection device, as shown in FIG. 10, when the
[0004]
However, if a thin switch is arranged in the center, the force detection electrodes for the X and Y axes must be arranged outside the
[0005]
In the above, a thin switch is arranged in the center, but there is also a demand for minimizing the area of the electrode pattern on the
[0006]
Therefore, in the industry that manufactures, sells and uses force detectors, (1) we are looking forward to developing a force detector that can reduce the area of the electrode pattern on the substrate. We are looking forward to developing a force detection device that can reduce the area of the electrode pattern on the substrate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention has an object to provide a force detection device capable of reducing the area of the electrode pattern on the substrate, and to reduce the area of the electrode pattern on the substrate while having a switching function. It is an object of the present invention to provide a force detection device capable of performing the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
(Invention of Claim 1)
In this force detection device, four electrodes are arranged on the substrate at 90 ° intervals on the X and Y axes, conductive lands are arranged outside the electrodes, and operation buttons are positioned at positions facing the electrodes and the conductive lands. In addition, a displacement electrode having elasticity is provided on the side of the operation button facing the electrode and the conductive land, and the electrode, the conductive land and the displacement electrode are not in contact with each other so that no pressing force is applied to the operation button. First, when the operation button is pressed and a force is applied, the displacement electrode comes into contact with the conductive land, and a capacitance corresponding to the magnitude and direction of the force is generated between the displacement electrode and each electrode.
(Invention of Claim 2)
In the force detection device according to the first aspect of the present invention, each capacitance generated between the displacement electrode and the four electrodes is calculated using an appropriate method, and the force in the X-axis and Y-axis directions is calculated. A signal indicating the size and direction can be output.
(Invention of Claim 3)
In this force detection device, the thin switch is closed when a thin switch is arranged on the upper part of the substrate surrounded by four electrodes and a force perpendicular to the substrate is applied to the operation button. It is supposed to be.
(Invention of Claim 4)
In this force detection device, two electrodes are arranged on the X-axis or Y-axis on the substrate, conductive lands are arranged outside the electrodes, and operation buttons are provided at positions facing the electrodes and the conductive lands. When a displacement electrode having elasticity is provided on the side of the operation button facing the electrode and the conductive land, and the operation button is pushed and a force is applied, the displacement electrode comes into contact with the conductive land and a force is generated between the displacement electrode and each electrode. Capacitance corresponding to the size and direction is generated.
(Invention of Claim 5)
In the force detection device according to the fourth aspect of the present invention, each capacitance generated between the displacement electrode and the two electrodes is calculated using an appropriate method, and the force in the X-axis or Y-axis direction is calculated. A signal indicating the size and direction can be output.
(Invention of Claim 6)
In this force detection device, the thin switch is closed when a thin switch is disposed on a substrate sandwiched between two electrodes and a force perpendicular to the substrate is applied to the operation button. It is like that.
(Invention of Claim 7)
This force detection device relates to the invention according to any one of
(Invention of Claim 8)
This force detection device relates to the invention according to any one of
[0009]
The function of the force detection device of the above invention will be clarified in the following embodiments of the invention.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings shown as examples.
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a force detection device S according to
(Regarding the configuration of the force detection device S)
As shown in FIG. 1, the force detection device S includes a
[0011]
As shown in FIG. 1, the
[0012]
As shown in FIGS. 1 and 3, the
[0013]
As shown in FIG. 1, the
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
As shown in FIG. 1, the
[0017]
The
[0018]
Here, in the state where the
[0019]
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the
(About the function of this force detection device S)
(1) When the
(2) Next, as shown in FIG. 5, when the
[0020]
Therefore, signals in the X-axis direction and the Y-axis direction corresponding to the magnitude and the direction of the force for pressing the
{Circle around (3)} When applying the force for tilting the
[0021]
From the above, it is possible to intentionally turn on the
[0022]
Also, in the force detection device S of the present invention, the area of the conductive land DG can be reduced, so that it is clear that it is very advantageous in terms of mounting on equipment.
(4) Conversely, when the force applied to the
[0023]
Therefore, when the present invention is applied as a joystick, it is possible to provide a joystick with good reproducibility that hardly generates hysteresis in the output.
[Embodiment 2]
FIG. 7 shows a cross-sectional view of a force detection device S according to
[0024]
As shown in FIG. 7, the force detection device S includes a
[0025]
As shown in FIGS. 7 and 8, the
[0026]
As shown in FIG. 7, the
[0027]
The
[0028]
Since the force detection device S is configured as described above, as shown in FIG. 9, when one end of the seesaw button
(Other embodiments)
In the said embodiment, although the
[0029]
Moreover, in the said embodiment, although the tactile switch is employ | adopted as a thin switch, all can be employ | adopted if it has an equivalent function.
[0030]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
[0031]
As is apparent from the description in the column of the embodiment of the invention, it is possible to provide a force detection device capable of reducing the area of the electrode pattern on the substrate, and further, while maintaining the switching function, A force detection device capable of reducing the area could be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a force detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of conductive lands, electrodes, and thin switches arranged on a substrate constituting the force detection device.
FIG. 3 is a view of an operation button and a displacement electrode constituting the force detection device as viewed from below.
FIG. 4 is a cross-sectional view when the operation button is pushed vertically to the substrate.
FIG. 5 is a cross-sectional view when the operation button is pushed obliquely with respect to the substrate.
FIG. 6 is a diagram of an application circuit that can be employed in this embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a force detection device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of conductive lands, electrodes, and thin switches arranged on a substrate constituting the force detection device.
FIG. 9 is a cross-sectional view when the operation button is pushed obliquely with respect to the substrate.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a prior art force detection device.
FIG. 11 is a plan view of conductive lands, electrodes, and thin switches arranged on a substrate constituting a force detection device of the prior art.
[Explanation of symbols]
S force detection device Dx + electrode Dx− electrode Dy + electrode Dy− electrode DG
Claims (8)
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