JP4628612B2 - Force detection device using variable resistance element - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変抵抗要素を用いた力検出装置に関し、特に、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定の操作量を示す操作入力を行うための入力装置などへの利用に適した力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、利用者による所定の操作入力を受け付け、この操作入力に基づいてプログラムが進行する。通常、この種の操作入力は、ディスプレイ画面上に表示されるカーソルやその他の指標を見ながら行うことが多く、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向の方向を示す入力が求められるのが一般的である。このような方向性をもった入力を行うために、いわゆるジョイスティックと呼ばれているタイプの装置が利用されている。この種の装置は、通常、二次元力検出装置を内蔵しており、加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分をそれぞれ別個に検出することにより、加えられた操作入力の方向と操作量とを検出することになる。たとえば、Ｘ軸方向成分が＋５であるような操作入力は、右方向に５という操作量を示し、Ｙ軸方向成分が−８であるような操作入力は、下方向に８という操作量を示すことになる。もちろん、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを合成する演算を行うことにより、斜め方向に加えられた操作入力の検出も可能である。
【０００３】
また、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、上述したような方向性をもった操作入力とともに、クリック入力が要求される。このクリック入力は、基本的には、ＯＮ／ＯＦＦの二値状態を示す入力であるが、操作者に対してクリック操作を行ったという感触（いわゆるクリック感）を与えることが重要であり、ある程度のストロークを確保するとともに指先から加えられる押圧力に対する反力を作用させる必要がある。このようなクリック感をもったＯＮ／ＯＦＦ入力を行うのに適したスイッチとして、ゴムや金属などの弾性材料の弾力性を利用したスイッチが一般的に用いられており、クリック入力とともに所定方向への操作入力を行う機能をもった力検出装置が実用されている。
【０００４】
携帯電話やゲーム遊戯装置など、比較的安価な電子機器用の入力装置には、できるだけ単純な構造をもった安価な力検出装置を利用するのが望ましい。このような力検出装置として、特願２０００−１３２０１２号明細書には、可変抵抗要素を用いた力検出装置が開示されている。この装置では、加えられた圧力に応じて抵抗値が変化する可変抵抗要素が利用されており、この可変抵抗要素の抵抗値の変化を検出することにより、加えられた外力の検出を行うことができる。可変抵抗要素は、たとえば、平板状の抵抗体と、これに接触可能な接触用導電体と、によって構成することができる。加えられる外力の大きさにより、接触用導電体の抵抗体に対する接触面積が変化するような構成にしておけば、この接触面積の大小により、抵抗体の所定の２点間の電気抵抗が変化することになる。したがって、この電気抵抗の変化に基づいて、作用した外力の大きさを検出することが可能になる。抵抗体も接触用導電体も極めて単純な電気回路要素であるため、このような原理に基づく力検出装置では、構成が非常に単純になり、製造コストを低減できるというメリットが得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置では、作用した力の検出値を得るために、抵抗体の電気抵抗を測定することが不可欠である。しかしながら、抵抗体の電気抵抗を測定するためには、当該抵抗体に電流を流す必要があるため、測定時には、ある程度の電力消費は避けられない。このため、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置を種々の電子機器に組み込むと、全体的に電力消費が増大するという問題が生じていた。特に、内蔵電池で動作する携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、電池の消耗をできるかぎり抑えるような設計が望まれており、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置は、コストの点では大きなメリットがあるものの、消費電力の点では大きなデメリットを抱えていた。
【０００６】
もちろん、電力消費の大きな電気抵抗の測定回路を、間欠的に動作させることにより、全体的な消費電力を低減させるという手法を採ることは可能である。たとえば、２０ｍｓｅｃだけ回路を動作させたら、次の１８０ｍｓｅｃは回路を停止させる、という２００ｍｓｅｃ周期の間欠動作を行えば、１秒間に５回の測定が可能になり、かつ、消費電力を１／５程度に減少させることができる。しかしながら、このような手法を採っても、電力の無駄な消費を完全に抑制することはできない。実際の携帯電話などの利用形態を考慮すると、カーソル移動などのための入力操作が行われている時間はごく限られており、操作者が全く操作入力を行っていない間に、消費電力の大きな回路を動作させることは効率的ではない。
【０００７】
そこで本発明は、電力消費を効率的に抑制させることが可能な可変抵抗要素を用いた力検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、作用した外力の大きさを検出する機能をもった可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなり、外力の作用に基づく弾性変形により基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
一対の接触用電極を有し、通常は一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
可変抵抗要素の二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路を、二点間の抵抗値を電気信号として出力する検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成し、一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるように構成し、
可変抵抗要素が、基板上に配置された４つの抵抗体と、弾性変形体の４つの抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの接触用導電体と、を有し、基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、弾性変形体の変形により各接触用導電体の対向する各抵抗体に対する接触状態が変化するようにし、
接触用導電体が、弾性変形する材料によって構成され、少なくとも抵抗体に対する接触面は導電性を有しており、かつ、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて抵抗体に対する接触面の面積が変化する形状を有しており、接触面の面積の変化に応じて、抵抗体上の「接触用導電体の接触位置」を挟む二点間の抵抗値が変化するように構成されており、
切替要素が、基板上に形成された一対の接触用電極と、一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成され、
一対の接触用電極が、ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、原点Ｏを中心として各抵抗体の外側位置に配置されており、
仲介電極が、弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように配置されており、
検出回路が、検出モードにおいて、各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出するようにしたものである。
【０００９】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
接触用導電体を、導電性ゴムによって構成したものである。
【００１０】
(3) 本発明の第３の態様は、作用した外力の大きさを検出する機能をもった可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなり、外力の作用に基づく弾性変形により基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
一対の接触用電極を有し、通常は一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
可変抵抗要素の二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路を、二点間の抵抗値を電気信号として出力する検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成し、一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるように構成し、
可変抵抗要素が、基板上に配置された４つの下方抵抗体と、弾性変形体の４つの下方抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの上方抵抗体と、を有し、基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の下方抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の下方抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の下方抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の下方抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、弾性変形体の変形により各上方抵抗体の対向する各下方抵抗体に対する接触状態が変化するようにし、
下方抵抗体および上方抵抗体の少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、検出対象となる外力の作用によって加わる圧力に応じて下方抵抗体と上方抵抗体との接触面の面積が変化するように構成され、接触面の面積の変化に応じて、下方抵抗体側に接続された所定点と上方抵抗体側に接続された所定点との間の抵抗値が変化するように構成されており、
切替要素が、基板上に形成された一対の接触用電極と、一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成され、
一対の接触用電極が、ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、原点Ｏを中心として各抵抗体の外側位置に配置されており、
仲介電極が、弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように配置されており、
検出回路が、検出モードにおいて、各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出するようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
下方抵抗体および上方抵抗体を、感圧導電性インクによって構成したものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
一対の接触用電極を、環状の第１電極と、この第１電極の外側に隣接配置された環状の第２電極と、によって構成し、
仲介電極を、第１電極と第２電極との双方に、いずれかの箇所で同時に接触可能な位置に形成したものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
基板上に第１グループに所属する複数Ｎ個の電極と第２グループに所属する複数のＮ個の電極とを配置し、第１グループに所属する第ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の電極と第２グループに所属する第ｉ番目の電極とがそれぞれ隣接するようにし、互いに隣接して配置された第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とによって一対の接触用電極が構成されるようにし、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極を形成したものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
基板上に定義された円周に沿って、第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とを交互に配置し、
仲介電極を、弾性変形体側の「上記円周に対向する円周」に沿って形成するようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
検出回路内に、抵抗体の二点間に電圧を印加することにより当該二点間の抵抗値を検出する回路を用意し、検出モードにおいては電圧を印加し、待機モードにおいては電圧を印加しない制御が行われるようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
切替要素を構成する一対の接触用電極の導通／絶縁状態をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体の二点間への電圧印加が行われるようにしたものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第１〜第９の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
剛性材料からなる操作盤を弾性変形体に取り付け、この操作盤に加えられた操作入力に基づいて弾性変形体に変位が生じるようにしたものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、基板上面に対してほぼ平行になるように配置された膜状部と、この膜状部の周囲を基板上面に固定するための側壁部と、膜状部の下面の所定の複数箇所から下方に伸びた柱状突起と、によって構成し、少なくとも膜状部の一部および柱状突起を弾性材料によって構成するようにしたものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、一体成型されたゴムによって構成したものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
基板と弾性変形体との間に挿入され、基板上面の中心付近に伏せるように配置されたドーム状構造体を更に設けたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
ドーム状構造体が、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有し、かつ、少なくとも下面から底周面にかけた部分が導電性接触面を構成しており、
基板上面の、ドーム状構造体が形状反転を起こした際に頂点付近の下面に接触可能な位置に配置された第１のクリック用電極と、
基板上面の、ドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置された第２のクリック用電極と、
を更に設け、
検出回路が、第１のクリック用電極と第２のクリック用電極との導通状態を電気的に検出することによりクリック入力の検出が行えるように構成したものである。
【００２６】
(15) 本発明の第１５の態様は、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定方向への操作量を示す操作入力を行うための電子機器用入力装置において、上述の第１〜第１４の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置を組み込み、この力検出装置によって検出された外力を操作量として取り扱うことができるようにしたものである。
【００２７】
【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。
【００２８】
§１．可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本構造
本発明は、可変抵抗要素を用いた力検出装置において、電力消費を効率的に抑制させる新規な手法を提供するものである。そこで、ここでは、本発明の適用対象となる可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本構造を、一例を提示しながら説明しておくことにする。ここで述べる例は、前掲の特願２０００−１３２０１２号明細書に基本的な実施形態として開示された力検出装置である。
【００２９】
図１は、この可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
この力検出装置は、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、弾性変形体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。
【００３０】
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、この力検出装置では、ガラスエポキシ基板が用いられている。もちろん、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。
【００３１】
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弾性変形体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、この力検出装置の場合、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、この力検出装置に係る弾性変形体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。
【００３４】
一方、弾性変形体１２０は、この基板１１０の上面に配置される部材である。この弾性変形体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に示す弾性変形体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、弾性変形体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、弾性変形体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。弾性変形体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。
【００３５】
この力検出装置における弾性変形体１２０には、このように、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３の３つの部分が設けられている。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、この力検出装置では、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。
【００３６】
固定部１２３は、弾性変形体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および弾性変形体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。
【００３７】
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、この力検出装置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。
【００３８】
この力検出装置では、絶縁性シリコンゴムを一体成型することにより、弾性変形体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。もちろん、この力検出装置における弾性変形体１２０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、弾性変形体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、弾性変形体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。
【００３９】
図３の上面図に破線で示す部分は、弾性変形体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、弾性変形体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。また、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、弾性変形する材料から構成され、少なくとも抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対する接触面が導電性を有しており、かつ、弾性変形体１２０の変位によって加わる圧力に応じて、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対する接触面の面積が変化する形状を有している必要がある。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。この力検出装置では、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。
【００４０】
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装置の基本原理は、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。
【００４１】
§２．可変抵抗要素を用いた力検出装置の動作原理
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、可変抵抗要素を用いた力検出装置における力検出の基本原理である。
【００４６】
続いて、§１で述べた力検出装置により、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に示す力検出装置における操作桿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。この力検出装置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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、この力検出装置では、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。
【００５３】
なお、この力検出装置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に示す力検出装置では、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。
【００５４】
＋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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
以上、図１に示す力検出装置について、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に示す力検出装置は、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装置である。この三次元力検出装置では、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。
【００５８】
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装置や、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装置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装置を実現するには、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装置を実現するには、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装置を実現するには、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。
【００５９】
§３．力検出装置として用いるための検出回路
これまで、可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本形態の構成および動作原理を述べた。このような力検出装置によって、実際に加えられた外力を電気信号として取り出すためには、所定の検出回路が必要になる。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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
このように、§１で述べた三次元力検出装置に、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。
【００６６】
いずれにしても、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置では、作用した力の検出値を得るために、抵抗体の電気抵抗を測定することが不可欠である。しかしながら、抵抗体の電気抵抗を測定するためには、図８の検出回路に示されているとおり、当該抵抗体に電流を流す必要があり、測定時には、ある程度の電力消費は避けられない。実際、図８に示す回路を用いて、三次元の力を検出するためには、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６のすべてに電流を流す必要が生じる。このため、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置を種々の電子機器に組み込むと、全体的に電力消費が増大するという問題が生じることは既に述べたとおりである。これは、特に、内蔵電池で動作する携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器に用いる場合には、大きなデメリットとなる。
【００６７】
本発明の目的は、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置の電力消費を効率的に抑制させることにある。その基本原理は、抵抗体の電気抵抗を測定する必要が生じたときにだけ、当該抵抗体に電流を流して測定を行うようにする、というものである。たとえば、図１の側断面図は、この力検出装置に、何ら外力が作用していないときの状態を示している。このような状態では、検出対象となる外力が存在していないので、実際に検出のための動作を行う必要はない。したがって、力検出装置が図１に示すような状態にあるときには、図８に示す検出回路において電源電圧Ｖｃｃを供給しないようにして、電力消費を抑えるようにすればよい。一方、図７の側断面図は、この力検出装置に、検出対象となる外力が作用したときの状態を示している。このような状態になれば、実際に検出のための動作を行う必要が生じるので、図８に示す検出回路において電源電圧Ｖｃｃを供給して、抵抗値の測定を行うことができるようにすればよい。
【００６８】
実際には、検出回路に、抵抗体の所定の二点間の抵抗値を電気信号として出力する検出機能を果たすことができる検出モードと、このような検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成しておき、図１に示すように検出対象となる外力が加わっていない場合には待機モードが選択され、図７に示すように検出対象となる外力が加わった場合には検出モードが選択されるようにすればよい。本発明では、このようなモード切替を行うために、切替要素を付加している。この切替要素は、一対の接触用電極を有し、通常は、この一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体１２０に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体１２０の変形により、この一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす構成要素である（詳細な構成は、§４以降で説明する）。
そして、この切替要素を利用して、この切替要素を構成する一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるように構成すればよい。
【００６９】
§４．本発明に係る力検出装置の基本的実施形態
図９は、本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本的な実施形態を示す側断面図である。この図９に示す実施形態は、図１に示す力検出装置に若干の変更を加えることにより実現することができる。
【００７０】
まず、第１の変更点は、図１における弾性変形体１２０の代わりに、図９に示す装置では、弾性変形体１２０Ａを用いている点である。弾性変形体１２０Ａは、基板１１０の上面に配置される部材であり、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１２３Ａと、円柱状の操作桿１２５と、によって形成された部材であり、図１の弾性変形体１２０と同等の機能を果たす部材である。また、材質も、弾性変形体１２０と同様に絶縁性シリコンゴムの一体成型によって構成されている。ただ、台座として機能する固定部１２３Ａの部分が、図１に示す固定部１２３よりも若干だけ高くなっている。このため、固定部材１３０Ａの形状も、図１に示す固定部材１３０とは若干異なっている。
【００７１】
このように、台座として機能する固定部１２３Ａの高さを高くしたのは、空洞部ＶＶをより高くとることにより、通常の状態（外力が作用していない状態）において、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５と抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５とが非接触の状態となるようにするためである。すなわち、図１に示す力検出装置では、外力が作用していない状態においても、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５の下端部が抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に点接触した状態になっていたが、図９に示す力検出装置では、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５と抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５との間には、間隙が形成され、非接触の状態となっている。
【００７２】
そして、第２の変更点は、図１の装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ６（図２に示す基板１１０の上面図参照）の代わりに、図９の装置では、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６が用いられている点である。この抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６の構造は、図１０に明瞭に示されている。この図１０は、図９に示す装置の基板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弾性変形体１２０Ａの位置を示している。図９に示されている基板１１０の断面は、図１０に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面である。ここでも、基板１１０の上面にＸＹ平面をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義してある。図１０に示す抵抗体ＲＲ６は、図２に示す抵抗体Ｒ６と全く同一の構成要素であり、基板１１０上の配置位置も全く同一である（ここでは、説明の便宜上、異なる符号を用いている）。一方、図１０に示す抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５も、図２に示す抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に近似した構成要素である。具体的には、図１０に示す抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の外側輪郭線は、図２に示す抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の外側輪郭線と全く同じ矩形であり、全体的な形状も平板状をしており、基板１１０上の配置位置も全く同じである。ただ、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部には、それぞれ円形の空隙領域が形成され、この円形の空隙領域には、半円形をした一対の接触用電極が配置されている。
【００７３】
図１１(a) は、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の構造をより明確に示すための拡大上面図である（ハッチングは、平板状の構造物が存在する部分を示すためのものであり、断面を示すためのものではない）。この図１１(a) に示す抵抗体ＲＲは、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ４を代表する１つの抵抗体を示している。また、抵抗体ＲＲ５は、外形が正方形状となっているものの、基本構造は図１１(a) に示す抵抗体ＲＲと同様である。図示のとおり、抵抗体ＲＲは、中央部に円形の空隙領域を有する矩形状の平板抵抗体であり、この実施形態では、カーボンを材料として、基板１１０上に印刷の手法により形成されている。そして、この抵抗体ＲＲの中央に形成された円形の空隙領域内に、半円形をした一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２が配置されている。一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、抵抗体ＲＲと同じ高さをもった平板状の電極であり、この実施形態では、銅などの金属を材料として、基板１１０上に印刷の手法により形成されている。
【００７４】
図１１(a) では同一のハッチングを施して示してあるが、抵抗体ＲＲは電気抵抗をもった材料（この例ではカーボン）からなる構成要素であるのに対し、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２は導電材料（この例では銅）からなる構成要素であり、それぞれ物理的に離れた位置に配置されており、電気的にはそれぞれが隔絶された状態となっている。なお、図１０では、配線パターンの図示は省略されているが、実際には、抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対しては、それぞれ配線が施されている。図１１(a) に示す端子Ｔ１〜Ｔ４は、この配線によって各部に電気的に接続された端子である。抵抗体ＲＲの電気抵抗が、端子Ｔ１，Ｔ２間の電気抵抗として測定されることは、既に述べたとおりである。なお、図１１(a) に示す配線は、実際の配線路を示すものではない。実際の配線路は、基板１１０の上面、もしくは必要に応じて基板１１０に形成されたスルーホールを介して、基板１１０の下面を利用して形成される。たとえば、接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、その周囲を抵抗体ＲＲによって完全に包囲されてしまっているため、端子Ｔ３，Ｔ４との間の配線路は、基板１１０に形成されたスルーホールを利用して形成する必要がある。
【００７５】
図１１(b) は、基板１１０上に形成された抵抗体ＲＲの近傍の側断面図である（配線に関する図示は省略）。図１１(b) に示されている抵抗体ＲＲの側断面は、図１１(a) に示す抵抗体ＲＲを端子Ｔ１，Ｔ２を結ぶ線で切断した断面に相当する。上述したように、図９に示す力検出装置では、台座として機能する固定部１２３Ａの高さを高くしたため、外力が作用していない通常の状態では、作用部１２１の下面に形成された接触用導電体Ｃは、図１１(b) に示すように、抵抗体ＲＲや接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対して物理的に非接触の状態を維持している。ところが、Ｚ軸負方向の力成分−Ｆｚを含む外力（たとえば、図７に示す斜め方向の力Ｆ）が作用すると、図１２の側断面図に示すように、作用部１２１が下方へと変位し、接触用導電体Ｃの下端が接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触するようになる。外力の大きさが更に大きくなると、図１３に示すように、弾性変形する材料から構成された接触用導電体Ｃは、作用部１２１の下方への変位によって加わる圧力によって変形し、抵抗体ＲＲに対しても接触するようになる。
【００７６】
抵抗体ＲＲに対する接触用導電体Ｃの接触面の面積が、作用部１２１の変位によって加わる圧力、すなわち、加えられた外力の大きさに応じて変化することは、既に述べたとおりである。抵抗体ＲＲは、中央部に円形の空隙領域を有しているため、加える外力を徐々に大きくしていった場合、接触用導電体Ｃの接触面の面積変化は、図１に示す装置で用いられている矩形状の抵抗体についての面積変化とは、若干異なることになる。しかしながら、外力が大きくなればなるほど接触用導電体Ｃの接触面も増大する、という基本的な性質に変わりはなく、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値は、外力の大きさに依存して定まる量になる。したがって、図９に示す力検出装置は、図１に示す力検出装置と全く同様の原理により、ＸＹＺ三次元の力検出を行う機能を果たすことができる。しかも、図９に示す力検出装置には、切替要素として利用可能な一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２が設けられており、この接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出することにより、検出回路の２つのモード、すなわち、検出モードと待機モードとの切替処理を行うことが可能になる。
【００７７】
いま、接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって、ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷを構成した場合を考えてみる。この場合、図１１(a) に示す抵抗体ＲＲおよび一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の等価回路は、図１４に示すようになる。この図１４の各回路図における端子Ｔ１〜Ｔ４は、図１１(a) に示す端子Ｔ１〜Ｔ４に対応するものであり、スイッチＳＷは、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が非接触の場合にＯＦＦ、接触した場合にＯＮとなるスイッチである。また、図１４(a) は、図１１(b) の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２のいずれにも接触していない状態の等価回路であり、図１４(b) は、図１２の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触した状態の等価回路であり、図１４(c) は、図１３の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に接触した状態の等価回路である。
【００７８】
スイッチＳＷは、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触した時点からＯＮになるため、図１４(a) の等価回路ではＯＦＦ状態であるが、図１４(b) ，(c) の等価回路ではＯＮ状態になる。また、図１４(a) ，(b) の等価回路では、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲには接触していないため、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値に変化は生じていないが、図１４(c) の等価回路では、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲに接触しているため、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は、接触面積に応じて（すなわち、作用した外力の大きさに応じて）変化することになる。結局、図１１(b) に示す構成では、接触用導電体Ｃは、抵抗体ＲＲの抵抗値を変化させる導電体としての機能を果たすとともに、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触することにより、これらを導通させることができる仲介電極としての機能も果たすことになる。このような接触用導電体Ｃの仲介電極としての機能に着目すれば、基板１１０上に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２と、仲介電極として機能する接触用導電体Ｃとによって、切替要素が構成されていることになる。この切替要素は、通常（検出対象となる外力が作用していない状態）では、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体１２０に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体１２０の変形により、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間が電気的導通状態となるような切替機能を果たす要素ということができる。
【００７９】
このような切替要素を構成する一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体ＲＲの二点間への電圧印加を制御するようにすれば、電力消費を効率的に抑制させることが可能になる。すなわち、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通／絶縁状態によりＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳＷを構成し、スイッチＳＷがＯＦＦのときには、検出回路を待機モードとして抵抗体ＲＲの二点間には電圧を印加しないようにし、スイッチＳＷがＯＮのときには、検出回路を検出モードとして抵抗体ＲＲの二点間に電圧を印加するような制御を行うのである。このような制御を行えば、図１４(a) の等価回路では、スイッチＳＷがＯＦＦ状態となっているため、検出回路は待機モードになり、端子Ｔ１，Ｔ２間には電圧は印加されず、抵抗体ＲＲには電流が流れないため、電力消費を抑えることができる。ところが、図１４(b) ，(c) の等価回路では、スイッチＳＷがＯＮ状態となり、検出回路は検出モードになる。したがって、端子Ｔ１，Ｔ２間に電圧が印加され、抵抗体ＲＲに電流を流すことにより、端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が測定されることになる。別言すれば、図１１(b) のように、検出対象となる外力が作用していない状態では、抵抗体ＲＲには電流は流れずに無駄な消費電力が抑えられ、図１２，図１３のように、ある程度の大きさの外力が作用すると、抵抗体ＲＲに電流が流れ、作用した外力の検出が可能になる。このように、検出に必要なときにだけ、抵抗体ＲＲに電流を供給するようにすれば、全体的に大幅な電力節減を行うことができる。
【００８０】
なお、図９に示す実施形態では、外力が作用していない通常の状態において、すべての接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５（仲介電極）が、各接触用電極Ｓ１，Ｓ２と物理的に非接触の状態にあるが、外力が作用していない通常の状態において、仲介電極は、一対の接触用電極のいずれか一方にのみ接触している状態となっていてもかまわない。たとえば、図１１(b) において、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１のみ（あるいは接触用電極Ｓ２のみ）に接触した状態となっていても、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間は絶縁状態が維持されることになる。したがって、たとえば、図１１(b) における抵抗体ＲＲおよび一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の位置を若干右へずらし、接触用導電体Ｃの中心部の直下に接触用電極Ｓ１が位置するようにしておき、外力が作用していない通常の状態において、接触用導電体Ｃの中心部が接触用電極Ｓ１にのみ点接触した状態になるようにしてもかまわない。要するに、仲介電極（接触用導電体Ｃ）は、通常は（検出対象となる外力が作用していないときは）、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触した状態となる機能を果たすことができればよい。
【００８１】
§５．本発明に係る力検出装置の具体的な検出回路
ここでは、図９に示す力検出装置に用いる具体的な検出回路をいくつか例示する。図１５は、このような検出回路の第１の例を示す回路図であり、前述した図８に示す検出回路とほぼ同等の機能を果たす。すなわち、ＲＲ１〜ＲＲ６は、それぞれ図１０に示された抵抗体であり、所定の二点間を両端とする抵抗素子として機能する。抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５には、それぞれ接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が接触し、その接触面積によって抵抗値が変化することになるので、図１５の回路図では、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５は可変抵抗素子として描かれている。一方、抵抗体ＲＲ６は、参照用抵抗素子として機能するため、図１５の回路図では、定抵抗素子として描かれている。５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部に形成された空隙領域内の一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチであり、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が絶縁状態であればＯＦＦ、導通状態であればＯＮとなる。
【００８２】
結局、この図１５に示す検出回路は、図８に示す検出回路における電源電圧Ｖｃｃの供給路に、並列接続された５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を挿入したものに他ならない。したがって、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のすべてがＯＦＦ状態であれば、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６には一切電流は流れないが、いずれか１つのスイッチがＯＮ状態になれば、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６に、抵抗値検出用の電流が流されることになる。外力の各座標軸方向成分ごとの検出原理は、図８に示す検出回路における検出原理と全く同様である。
【００８３】
図１６は、図９に示す力検出装置に用いることができる検出回路の第２の例を示す回路図である。図１５に示す検出回路との相違点は、Ｘ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(a) ）、Ｙ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(b) ）、Ｚ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(c) ）に対する電流供給の制御をそれぞれ別個に行うようにした点である。この検出回路では、Ｘ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ１（抵抗体ＲＲ１の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）あるいはスイッチＳＷ２（抵抗体ＲＲ２の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）のいずれかがＯＮになった場合には、Ｘ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ１，ＲＲ２に電流が流される。また、Ｙ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ３（抵抗体ＲＲ３の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）あるいはスイッチＳＷ４（抵抗体ＲＲ４の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）のいずれかがＯＮになった場合には、Ｙ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ３，ＲＲ４に電流が流される。更に、Ｚ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ５（抵抗体ＲＲ５の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）がＯＮになった場合には、Ｚ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ５，ＲＲ６に電流が流される。このように、図１６に示す検出回路では、作用した外力の方向までも考慮したきめの細かな制御が可能になる。
【００８４】
図１７は、図９に示す力検出装置に用いることができる検出回路の第３の例を示す回路図である。この検出回路は、アナログ信号用の入力端子を備えた信号処理回路により構成されており、入力したアナログ信号はデジタル信号に変換され、内部でデジタル信号に対する所定の演算が行われ、デジタル信号としての出力が得られる。図１７に示す信号処理回路は、１チップの集積回路として構成されており、図の右側に示されたアナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に相当するアナログ電圧値が入力される。各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の一端（図の下端）は接地されており、もう一端（図の上端）は、各アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５に接続されるとともに、それぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５および参照用抵抗体ＲＲ６１〜ＲＲ６５を介して電源Ｖｃｃに接続されている。ここで、ＲＲ６１〜ＲＲ６５は、図１０に示すＲＲ６と同様に参照用抵抗体であり、この回路では、基板１１０上に、ＲＲ６に代えてＲＲ６１〜ＲＲ６５という５組の参照用抵抗体を形成して用いるようにしている。
【００８５】
各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５がＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃから、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５に電圧が印加され、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に応じた分圧が加わることになる。たとえば、アナログ入力端子Ｔ１１には、電源Ｖｃｃの電圧を、抵抗体ＲＲ１（作用した外力の大きさに応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子）の抵抗値と参照用抵抗体ＲＲ６１（定抵抗素子）の抵抗値とによって按分した分圧が加わることになる。このアナログ分圧値は、信号処理回路の内部でデジタル信号に変換され、抵抗体ＲＲ１の抵抗値に応じたデジタル値が得られる。同様に、抵抗体ＲＲ２〜ＲＲ５についての分圧がアナログ入力端子Ｔ１２〜Ｔ１５に加わり、信号処理回路の内部でデジタル化され、それぞれの抵抗値に応じたデジタル値が得られる。これらのデジタル値に基づいて、作用した外力の各座標軸方向成分が得られることは、既に述べたとおりである。すなわち、Ｘ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ１の抵抗値と抵抗体ＲＲ２の抵抗値との差として求めることができ、Ｙ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ３の抵抗値と抵抗体ＲＲ４の抵抗値との差として求めることができ、Ｚ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ５の抵抗値として求めることができる。この図１７に示す信号処理回路を用いれば、作用した外力の各座標軸方向成分をデジタル信号として出力することができるので、携帯電話用入力装置やゲーム用入力装置などの電子機器に利用する場合には好都合である。
【００８６】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５は、各抵抗体への電圧供給を制御するためのスイッチである。すなわち、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のいずれもがＯＦＦ状態を維持していると、電源Ｖｃｃの電圧が各抵抗体へ印加されず、各抵抗体には電流は流れない。したがって、抵抗体による電力消費は生じないことになるが、当然、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には測定すべき分圧が加わらず、各抵抗体の抵抗値を検出することはできない。これは、信号処理回路が待機モード状態にあることを示している。一方、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のいずれかがＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃの電圧がＯＮ状態になったスイッチに接続された抵抗体へ印加され、当該抵抗体に電流が流れる。したがって、当該抵抗体による電力消費が生じることになり、前述したように、当該抵抗体の抵抗値に対応するデジタル値が検出されることになる。これは、信号処理回路が検出モード状態にあることを示している。
【００８７】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２５から出力される制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５によって行われる。実際には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５は、論理素子などの半導体スイッチによって構成されており、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５は、デジタル論理信号となる。信号処理回路はＣＰＵおよびこれを動作させるためのプログラムを内蔵しており、このＣＰＵの論理演算により、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５の論理値が決定される。
【００８８】
図１７の左側に示された入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５がＯＦＦ状態の場合、各入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３には、抵抗素子Ｒ０１〜Ｒ０３を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ１およびＳＷ２の少なくとも一方がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０１は接地電位となり、スイッチＳＷ３およびＳＷ４の少なくとも一方がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０２は接地電位となり、スイッチＳＷ５がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０３は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３の電位に基づいて、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。
【００８９】
このスイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、図１５の回路図および図１６の回路図に示されているスイッチＳＷ１〜ＳＷ５と同一のスイッチであり、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部に形成された空隙領域内の一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチである。したがって、図９に示す力検出装置に対して、Ｘ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ１またはＳＷ２がＯＮ状態となり、Ｙ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ３またはＳＷ４がＯＮ状態となり、Ｚ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ５がＯＮ状態となる。
【００９０】
そこで、この図１７に示す信号処理回路では、入力端子Ｔ０１の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ１およびＳＷ２がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１，Ｔ２２からは、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２１，Ｓ２２を出力し、入力端子Ｔ０１の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ１およびＳＷ２の少なくとも一方がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１，Ｔ２２からは、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２１，Ｓ２２を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｘ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ１，ＲＲ２に電流が流れ、外力のＸ軸方向成分の検出が可能になる。同様に、入力端子Ｔ０２の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ３およびＳＷ４がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２３，Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１３，ＳＷ１４をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２３，Ｓ２４を出力し、入力端子Ｔ０２の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ３およびＳＷ４の少なくとも一方がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２３，Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１３，ＳＷ１４をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２３，Ｓ２４を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｙ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ３，ＲＲ４に電流が流れ、外力のＹ軸方向成分の検出が可能になる。また、入力端子Ｔ０３の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ５がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２５からは、スイッチＳＷ１５をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２５を出力し、入力端子Ｔ０３の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ５がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２５からは、スイッチＳＷ１５をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２５を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｚ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ５に電流が流れ、外力のＺ軸方向成分の検出が可能になる。
【００９１】
もちろん、信号処理回路により、更に細かな制御を行うことも可能である。たとえば、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態をそれぞれ別個独立して検出するようにし、スイッチＳＷ１がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１１のみをＯＮとし、スイッチＳＷ２がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１２のみをＯＮとし、スイッチＳＷ３がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１３のみをＯＮとし、…、というように、５系統をそれぞれ独立させた制御も可能である。逆に、より大まかな制御を行うことも可能である。たとえば、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５をすべて並列接続し、いずれか１つのスイッチがＯＮになった場合に、５つのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のすべてをＯＮにする、というような包括的な制御を行ってもよい。
【００９２】
以上、図９に示す力検出装置に利用可能な検出回路をいくつか示したが、いずれも、結局、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかがＯＮ状態になるまでは、検出回路は本来の検出機能を果たすことができない待機モードを維持することになり、電力消費が抑制されることになる。別言すれば、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかをＯＮ状態とする程度の大きさの外力が加わらない限り、検出回路からは外力の検出出力が得られないことになり、検出感度に不感帯領域が設けられたことになる。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかがＯＮ状態となる程度の大きさの外力が加わった場合に、検出回路は検出モードへと移行し、本来の検出機能を果たすことになる。
【００９３】
以上、図９に示す力検出装置に用いる具体的な検出回路を３つの例について述べた。これらの検出回路の各回路図では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５と、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５とは、全く別個の回路要素として描かれており、回路図を見る限り、両者間には何ら干渉が生じないように見える。しかしながら、図９に示す力検出装置の場合、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５に接触して抵抗値を変化させる機能と、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触する仲介電極としての機能と、の双方の機能を果たす構成要素となっているため、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の動作は、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に影響を与えることになる。
【００９４】
たとえば、図１８のような回路を考えてみる。この回路は、抵抗体ＲＲと、その中央部の空隙領域に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対して、所定の配線を施した状態を示すものである。接触用電極Ｓ１は端子Ｔ３を介して接地され、接触用電極Ｓ２は端子Ｔ４および抵抗素子Ｒ０１を介して電源Ｖｃｃに接続されている。このような構成にすれば、接触用導電体Ｃが非接触状態（スイッチＳＷがＯＦＦ状態）では、端子Ｔ４の電位は電源電圧Ｖｃｃとなるが、接触用導電体Ｃが一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触した状態（スイッチＳＷがＯＮ状態）になると、電極Ｓ１，Ｓ２間が導通し、端子Ｔ４の電位は接地電位となる。したがって、たとえば、端子Ｔ４を図１７に示す信号処理回路の入力端子Ｔ０１に接続すれば、信号処理回路内のＣＰＵは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の認識が可能になる。
【００９５】
ところが、図１３の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲにも接触した状態になった場合を考えると、抵抗体ＲＲおよび電極Ｓ１，Ｓ２に対する接触用導電体Ｃの全体的な接触面は、図１８に破線で示すような接触面Ｓになる。すなわち、接触用導電体Ｃは、電極Ｓ１，Ｓ２の双方に接触するとともに、抵抗体ＲＲの中央部の円形空隙領域の周囲部分にも接触した状態になる。このような状態では、電極Ｓ１，Ｓ２とともに、接触用導電体Ｃも接地電位となるため、抵抗体ＲＲの接触面Ｓ内の部分も接地電位となる。したがって、このときの抵抗体ＲＲに関する等価回路は図１９に示すようになる。すなわち、抵抗体ＲＲを抵抗素子と考えた場合、その中央部分が接地されてしまうことになる。このため、端子Ｔ１，Ｔ２間に所定電圧を印加して抵抗体ＲＲの抵抗値を測定する際に、原理的には測定可能であるが、測定感度の低下を招くことになる。
【００９６】
このように、切替要素を構成する一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出する回路が、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値を検出する回路に干渉することを防ぐためには、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値に比べて十分大きな抵抗値をもった抵抗素子を用意し、この抵抗素子を用いて、両回路を隔絶するのが好ましい。図２０は、図１８に示す回路における接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出する回路と、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値を検出する回路とを、大きな抵抗値をもった抵抗素子で隔絶した例を示す回路図である。この例は、接触用導電体Ｃが接触していない状態における抵抗体ＲＲの左右の二点間の抵抗値（すなわち、端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値）が１０ｋΩである場合の回路構成例である。図示のとおり、接触用電極Ｓ２に接続された端子Ｔ４は、１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１を介して電源電圧Ｖｃｃに接続されており、接触用電極Ｓ１に接続された端子Ｔ３は、１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４を介して接地されている。したがって、スイッチＳＷを構成する接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、電源系統に対して、１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１および１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４（いずれも抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値１０ｋΩに比べて十分に大きな抵抗値をもった抵抗素子）によって隔絶された状態となっている。このため、抵抗体ＲＲの抵抗値を測定するために同じ電源系統から電流を供給しても、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ動作による抵抗体ＲＲの抵抗値への干渉はかなり抑制されることになる。
【００９７】
図２１は、図２０に示す回路において、スイッチＳＷがＯＮ状態となったときの等価回路である。抵抗体ＲＲを抵抗素子と考えた場合、その中央部分は接触用導電体Ｃに接触した状態になるが、この接触用導電体Ｃの電位は、図２１の回路図におけるノードＴＴの電位に相当する。ノードＴＴは、電源ラインＶｃｃに対しては１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１により隔絶されており、接地ラインＧｎｄに対しては１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４によって隔絶されているため、ノードＴＴが抵抗体ＲＲの中心付近に接続された状態になったとしても、たかだか１０ｋΩ程度の抵抗値しかもたない抵抗体ＲＲの抵抗値測定には大きな影響を及ぼすことはない。なお、抵抗素子Ｒ０１を１０ＭΩ、抵抗素子Ｒ０４を１ＭΩとして、両抵抗素子の抵抗値を１０倍程度に設定しているのは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を明確に検出するための配慮である。すなわち、図２０において、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が絶縁状態（スイッチＳＷがＯＦＦ状態）にあれば、端子Ｔ４は電源電圧Ｖｃｃとなり、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が導通状態（スイッチＳＷがＯＮ状態）にあれば、端子Ｔ４はほぼ接地電圧（Ｖｃｃ×１／１１）となるので、端子Ｔ４の電位をデジタル値としてそのまま取り込むことにより、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の検出が可能になる。
【００９８】
§６．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の別な実施形態
本発明は、板状の基板と、この基板に対向して配置された弾性変形体と、この基板と弾性変形体との間に配置され、加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する可変抵抗要素と、この可変抵抗要素の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、を有する力検出装置に広く適用可能であり、その適用対象は、§１で述べた力検出装置に限定されるものではない。そこで、ここでは、§１で述べた力検出装置とは別な力検出装置について、本発明を適用した実施形態を述べることにする。
【００９９】
図２２は、この別な実施形態に係る力検出装置を分解して各構成要素を示した分解側断面図である。図示のとおり、この力検出装置は、操作盤２１０、弾性変形体２２０、ドーム状構造体２３０、基板２４０によって構成されている。実際には、この力検出装置は、基板２４０の上にドーム状構造体２３０を配置し、その上を弾性変形体２２０によって覆い、更にその上に操作盤２１０を取り付けることにより構成されることになる。この力検出装置は、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器用の入力装置として利用するのに適しており、所定方向への操作量を示す操作入力に加えて、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力を行うことができる。ここでは、この力検出装置を、このような電子機器用の入力装置として利用することを前提として説明を行うことにする。
【０１００】
操作盤２１０は、弾性変形体２２０の上面に配置され、操作者の動作に基づいて加えられた力を弾性変形体２２０へと伝達し、弾性変形体２２０に弾性変形を起こさせる機能を有している。ここで、操作者の操作盤２１０への操作入力は、この力検出装置の検出対象となる外力に相当する。したがって、操作盤２１０は、この外力の作用に基づき、弾性変形体２２０に弾性変形を起こさせ、弾性変形体２２０の一部を基板２４０に対して変位させる機能を果たすことになる。
【０１０１】
図２３は、この操作盤２１０の上面図、図２４は、この操作盤２１０の下面図である。図示のとおり、操作盤２１０は全体として円盤状をしており、この実施形態の場合、プラスチックなどの樹脂で構成されている。上述したように、操作盤２１０は、弾性変形体２２０に対して力を伝達させる機能を果たすことができれば、どのような形状のものでもかまわないが、種々の方向に関する操作量を入力するには、円盤状のものが適している。また、操作者の操作を確実に弾性変形体２２０に伝達するためには、樹脂や金属などの剛性材料によって構成するのが好ましい。図示の実施形態の場合、操作盤２１０は、図２３に示すように、操作部分２１１、土手部分２１２、外周部分２１３の３つの部分から構成されており、その下面には、図２４に示すように円柱状の押圧棒２１４が突き出している。操作部分２１１は、操作者の指にフィットするように、土手部分２１２の内側に形成された滑らかな窪み部分であり、外周部分２１３は、土手部分２１２の外側に形成されたテーパ部である。また、押圧棒２１４は、後述するように、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力を効果的に行うためのものであり、ドーム状構造体２３０の頂点付近に対して、操作者からの垂直下方に向けた力を効果的に伝達させる機能を果たす。
【０１０２】
弾性変形体２２０は、この実施形態の場合、一体成型されたシリコンゴムによって構成されている。図２５は、この弾性変形体２２０の上面図、図２６は、この弾性変形体２２０の下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２２０は平面的にはほぼ正方形状をしている。その基本構成要素は、図２２の側断面図に示されているように、内側膜状部２２１、円環状隆起部２２２、外側膜状部２２３、側壁部２２４、固定脚部２２５、柱状突起Ｐ１〜Ｐ３である。図２５に示すように、内側膜状部２２１と外側膜状部２２３とは、この弾性変形体２２０の正方形状の上面全体を形成する膜状の構造体であるが、ここでは、説明の便宜上、円環状隆起部２２２の内側部分を内側膜状部２２１と呼び、外側部分を外側膜状部２２３と呼ぶことにする。この膜状部２２１，２２３は、基板２４０の上面に対して、ドーム状構造体２３０を挟んでほぼ平行になるように配置されることになる。円環状隆起部２２２は、この膜状部の上面に形成された円環状の隆起部分であり、内側膜状部２２１の上面部分は、周囲をこの円環状隆起部２２２によって囲まれた状態になる。この実施形態では、円環状隆起部２２２は、断面が矩形のいわばワッシャ状の構造体となっているが、これは、その上面に配置される操作盤２１０からの力を効率よく受けることができるようにするための配慮である。
【０１０３】
一方、側壁部２２４は、外側膜状部２２３の周囲を、基板２４０の上面に固定する機能を果たしている。正方形状をした膜状部２２１，２２３は、その四辺を側壁部２２４によって支持され、基板２４０の上面に対してほぼ平行な状態を保つことになる。図２６の下面図に示されているとおり、弾性変形体２２０の下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２２５は、基板２４０の上面の４か所に形成された固定孔部２４１（図２２参照）に挿入される。かくして、弾性変形体２２０は、基板２４０上の所定位置に固定される。
【０１０４】
また、図２６に示されているように、膜状部２２１，２２３の下面には、下方へと伸びる多数の柱状突起Ｐ１〜Ｐ３が形成されている。図２７は、これら柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の位置を明確にするために、図２６の下面図に一点鎖線による同心円を描き加えたものである。図示のとおり、弾性変形体２２０の中心点の周囲に、３通りの同心円Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を定義すれば、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、いずれかの同心円の円周上に配置されていることがわかる。すなわち、柱状突起Ｐ１は内側同心円Ｋ１の円周上に円周角９０°おきに合計４個配置されており、柱状突起Ｐ２は基準同心円Ｋ２の円周上に円周角２２．５°おきに合計１６個配置されており、柱状突起Ｐ３は外側同心円Ｋ３の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されている。
【０１０５】
各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の側面形状は、図２２の側断面図に明瞭に示されている。なお、図２２の側断面図では、図が繁雑になるのを避けるため、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３については、切断面に位置するものだけを描いているが、実際には図２６，図２７の下面図に示されているとおり、より多数の柱状突起が膜状部の下面から下方に伸びていることになる。ここで、図２２に示されている柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の長さや形状を比べると、それぞれが固有の長さや形状を有しているが、これは、各柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ごとに、それぞれその主たる機能が異なるためである。
【０１０６】
すなわち、柱状突起Ｐ１の主たる機能は、§１で述べた力検出装置における接触用導電体Ｃとしての機能であり、基板２４０上に形成された抵抗体の表面に接触することにより、この抵抗体の抵抗値を変化させる働きをする。したがって、柱状突起Ｐ１は、このような接触用導電体としての機能を果たすのに適した長さおよび形状を有している。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ１を、必要に応じて「柱状突起」と呼んだり、「接触用導電体」と呼んだりすることにする。
【０１０７】
一方、柱状突起Ｐ３の主たる機能は、操作盤２１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、内側膜状部２２１および外側膜状部２２３を、基板２４０上面に対して支持する機能であり、この柱状突起Ｐ３の長さは、このような支持機能を果たすのに適した長さに設定されている。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ３を「支持用柱状突起」と呼ぶことにする。
【０１０８】
これに対して、柱状突起Ｐ２の主たる機能は、後述するように、基板２４０の上面側に形成された電極に接触することにより、電気的な導電状態に変化を生じさせる機能である。そこで、ここでは、柱状突起Ｐ２を「電極用柱状突起」と呼ぶことにする。電極用柱状突起Ｐ２の長さを、支持用柱状突起Ｐ１や接触用導電体Ｐ３の長さよりも短く設定したのは、操作盤２１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、電極用柱状突起Ｐ２の下端が宙吊り状態となるようにし、基板２４０の上面に形成されている電極と物理的に接触しない状態に維持するためである。
【０１０９】
また、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起Ｐ３と、電極用柱状突起Ｐ２とでは、長さだけでなく、その側面形状も異なっている。具体的には、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起Ｐ３は、下端部が若干丸くなっているのに対し、電極用柱状突起Ｐ２は、下端が平面をなす円盤状の突起となっている。このような形状の相違も、上述した機能の相違に基づくものである。すなわち、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起Ｐ３の下端部は基板２４０の上面に接触して、接触面を変化させたり、膜状部を支持したりするのに適した形状となっており、電極用柱状突起Ｐ２の下端部は基板２４０の上面に形成された電極に接触して、電気的な導通状態を確保するのに適した形状となっている。
【０１１０】
ここに示す実施形態のように、操作盤２１０を円盤状の剛性部材によって構成した場合、操作者から加えられる力は、操作盤２１０の中心軸を中心とした同心円に沿って伝達すると考えられるので、図２６，図２７に示すように、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３もそれぞれ所定の円周に沿って配置するのが好ましい。特に、図示の実施形態の場合、操作盤２１０に対して所定方向を示す操作入力が加えられた場合、加えられた力は、操作盤２１０の周囲部分から、円環状隆起部２２２へと伝達される。そこで、ここでは、図２７に示す基準同心円Ｋ２を、ちょうど円環状隆起部２２２の中心位置に相当する円とし、電極用柱状突起Ｐ２が、円環状隆起部２２２の真下の所定位置（１６か所）に配置されるようにし、更に、基準同心円Ｋ２の内側に内側同心円Ｋ１を定義してその円周上に接触用導電体Ｐ１を配置し、基準同心円Ｋ２の外側に外側同心円Ｋ３を定義してその円周上に支持用柱状突起Ｐ３を配置している。
【０１１１】
この弾性変形体２２０の構成要素として、もうひとつ重要な構成要素は、膜状部下面の所定領域に形成された変位導電層２２６である。図２８は、この変位導電層２２６の形成領域を示すための弾性変形体２２０の下面図である。図においてハッチングを施して示した円内の領域に、変位導電層２２６が形成されている（図２８におけるハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すためのものである）。上述したように、弾性変形体２２０の下面には、多数の柱状突起が形成されているが、この変位導電層２２６は、これら柱状突起の表面も含めた弾性変形体２２０の下面に形成されている。したがって、図２８にハッチングで施した領域に位置する柱状突起（接触用導電体）Ｐ１および電極用柱状突起Ｐ２の表面部分にも、変位導電層２２６が形成されていることになる。柱状突起Ｐ１は、抵抗体に対する接触用導電体として機能するため、少なくとも抵抗体に対する接触面の部分は導電性を有している必要がある。柱状突起Ｐ１の表面に形成された変位導電層２２６は、このような接触用導電体としての機能を果たすために必要なものになる。また、電極用柱状突起Ｐ２は、後述するように、基板２４０上に形成された一対の接触用電極に接触する仲介電極として機能するため、少なくともこの接触面となる部分は導電性を有している必要がある。電極用柱状突起Ｐ２の表面に形成された変位導電層２２６は、このような仲介電極としての機能を果たすために必要なものになる。一方、支持用柱状突起Ｐ３は、物理的な支持機能を果たすことができればよく、電気的な機能は要求されていないため、ここに示す実施形態では、その表面には変位導電層２２６は形成していない。
【０１１２】
なお、変位導電層２２６は、具体的には、弾性変形体２２０の下面に塗布した導電性材料からなる層によって構成することができる。上述したように、この実施形態では、弾性変形体２２０は一体成型されたシリコンゴムによって構成されているので、柱状突起を含めた図示のような構造体をシリコンゴムによって一体成型した後、その下面の一部の領域（図２８にハッチングを施した円内の領域）に、導電性塗料を塗布して乾燥させれば、変位導電層２２６を形成することができる。なお、この変位導電層２２６の厚みは、弾性変形体２２０の各部の厚みに比較して小さいため、側断面図においては、変位導電層２２６は示されていない。
【０１１３】
一方、ドーム状構造体２３０は、図２２の側断面図にも示されているとおり、伏せたカップの形状をした構造体であり、基板２４０の上面の中心付近に伏せるように配置される。図２９は、このドーム状構造体２３０の上面図である。ドーム状構造体２３０の形状は特に限定されるものではないが、図示のように平面形状が円形であるドーム状構造体２３０を用いるようにすれば、各方向への操作入力をスムースに行うことができるので好ましい。また、このドーム状構造体２３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、その頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有している。
図３０は、このような形状反転の状態を示す側断面図である。図３０(a) は、何ら外力が加わっていない状態を示し、図３０(b) は、頂点付近に対して下方への押圧力Ｆが加わり、頂点付近が弾性変形して下に凸となるような形状反転を起こした状態を示す。もちろん、この形状反転は弾性変形であるから、押圧力Ｆがなくなれば、ドーム状構造体２３０は元通り、図３０(a) に示す状態に戻ることになる。
【０１１４】
このドーム状構造体２３０の形状反転は、操作者によるスイッチ入力に利用される。このため、ドーム状構造体２３０の少なくとも頂点付近の下面部分は、導電性接触面２３１を構成している必要がある。すなわち、図３０(b) に示すように、頂点付近が形状反転を起こしたときに、導電性接触面２３１が基板２４０側に設けられた電極と接触することにより、スイッチ入力の検出が行われるようになる。本実施形態では、金属製のドームをドーム状構造体２３０として用いている。一般に、金属材料によりドーム状の構造体を構成すれば、上述したような形状反転が生じ、導電性接触面２３１を有するドームを実現することができるが、ドーム状構造体２３０は必ずしも金属製にする必要はない。たとえば、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その下面の中央付近に導電性材料膜を形成することにより、導電性接触面２３１を実現するようにしてもかまわない。
【０１１５】
続いて、基板２４０の構成を説明する。基板２４０の基本的な機能は、前述した各構成要素を載せてこれを支持する機能と、各抵抗体および各電極を形成するための基準面を提供する機能である。図３１に、基板２４０の上面図を示す。図に示されている４つの固定孔部２４１は、前述したように、弾性変形体２２０の固定脚部２２５を挿入するために、基板２４０の上面に掘られた穴である。
【０１１６】
基板２４０の上面には、図示のように、扇形をした４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、円もしくは円環状の４枚の電極Ｅ１５〜Ｅ１８が形成されている。ここでは、各電極が配置された位置に基づいて、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の外側に配置された２本の円環状の電極Ｅ１５，Ｅ１６を外側電極と呼び、内側に配置された円形電極Ｅ１７および円環状電極Ｅ１８を内側電極と呼ぶことにする。図３１では、各抵抗体および各電極の形状を明瞭に示すために、個々の抵抗体および電極にハッチングを施して示すことにした。したがって、図３１におけるハッチングは、断面を示すものではない。また、図では、２通りのハッチングパターンを用いているが、これは抵抗体と電極とを区別して示すためである。この実施形態の場合、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は平板状のカーボンから構成され、電極Ｅ１５〜Ｅ１８は銅などの金属から構成されている。いずれも、基板２４０上に所定パターンの印刷を行うことによって形成されている。
【０１１７】
最も外側に形成された円環状の外側電極Ｅ１５は、操作盤２１０の外周部分に対向する外周対向部（操作盤２１０の外側輪郭線を基板２４０上に投影した基板上面の部分）に形成されている。この実施形態の場合、操作盤２１０は円盤状をしているので、その外周円に対向する外周対向部も円形部分となり、図示のとおり、外側電極Ｅ１５は、操作盤２１０の外周円に対向する位置に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。また、外側電極Ｅ１６は、外側電極Ｅ１５の若干内側に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。より正確な位置について言及すれば、外側電極Ｅ１５と外側電極Ｅ１６との間の境界部分は、図２７に示す基準同心円Ｋ２に対向する円周上に位置することになり、外側電極Ｅ１５の外側輪郭と外側電極Ｅ１６の内側輪郭との間の距離は、電極用柱状突起Ｐ２の直径にほぼ等しくなるように設計されている。したがって、２本の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、各電極用柱状突起Ｐ２の真下に配置されていることになる。
【０１１８】
この外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の役割は、操作者から操作盤２１０に対して所定方向に関する操作入力が加えられ、弾性変形体２２０が変形を生じたときに、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２２６と接触することにより、加えられた操作入力が所定の大きさ以上であることを検知することにある。すなわち、操作者の操作入力により、弾性変形体２２０が変形を生じ、いずれか１つの電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２２６が、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に同時に接触した状態になると、接触した変位導電層２２６を仲介して、外側電極Ｅ１５とＥ１６とが導通状態になる。したがって、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６間の導通状態を電気的に検出すれば、所定の大きさ以上の操作入力が加えられたか否かを認識することができる。結局、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は一対の接触用電極として機能し、各電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２２６は仲介電極として機能することになり、両者によって切替要素が構成されていることになる。この切替要素を構成する一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６は、通常は（操作盤２１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わらないうちは）、電気的に絶縁状態を維持しているが、操作盤２１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わったときには、弾性変形体２２０の変形により仲介電極が同時に接触することになり、電気的に導通状態となる。
【０１１９】
扇形をした４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、§１で述べた力検出装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と同等の機能を果たし、操作者から加えられた方向性をもった操作入力を検出するのに適した位置に配置されている。§１で述べた力検出装置は、外力のＸＹＺ三軸方向成分を検出する機能を有していたため、基板上に５枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ５（他に参照用抵抗体Ｒ６）を形成していたが、ここに示す力検出装置は、操作量としてはＸＹ二軸方向成分のみを検出する機能を有しているだけであるので、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を形成するだけで十分である（Ｚ軸方向の外力は、後述するように、スイッチ入力として、ＯＮ／ＯＦＦの二値状態のみが検出される）。
【０１２０】
ここで、図３１に示す基板２４０の上面中心位置に原点Ｏ（図示省略）、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義すれば、Ｘ軸正の領域に抵抗体Ｒ１１、Ｘ軸負の領域に抵抗体Ｒ１２、Ｙ軸正の領域に抵抗体Ｒ１３、Ｙ軸負の領域に抵抗体Ｒ１４が形成されていることになる。そして、これら４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の上方には、それぞれ接触用導電体として機能する柱状突起Ｐ１（下面に変位導電層２２６が形成されている）が配置されている。各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された接触用導電体Ｐ１とによって、可変抵抗要素が構成され、操作盤２１０に所定の大きさの操作入力が加えられると、弾性変形体２２０の変形により、接触用導電体Ｐ１が抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に接触し、このときの接触面積に応じて、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の所定の二点間の抵抗値に変化が生じる点は、すでに述べたとおりである。したがって、§１で述べた力検出装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を用いた原理と同様の原理により、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を用いて、加えられた操作入力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することが可能になる。
【０１２１】
図３１に示すように、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の内側、すなわち、基板２４０の中心近傍には、２枚の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が形成されている。これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８の役割は、操作者が操作盤２１０に対して加えたスイッチ入力、すなわち、垂直下方への押圧力を検出することにある。内側電極Ｅ１７は基板の中央に配置された円盤状の電極であり、その直径はドーム状構造体２３０の底周面（底部の縁の部分）を構成する円に比べて小さく設定されている。一方、内側電極Ｅ１８は、ワッシャ状の電極であり、その外径は、ドーム状構造体２３０の底周面を構成する円の直径にほぼ等しく設定されており、ドーム状構造体２３０は、このワッシャ状の内側電極Ｅ１８の上に載置される。図３２は、図３１に示す基板２４０の上面の中央部に、図２９に示すドーム状構造体２３０を配置した状態を示す上面図である。実際には、ドーム状構造体２３０は、基板２４０の上面に接着剤や接着テープなどを利用して固定される。
【０１２２】
図３０(b) に示すように、ドーム状構造体２３０の頂点付近に対して垂直下方への押圧力Ｆが加わると、ドーム状構造体２３０は形状反転することになるが、内側電極Ｅ１７は、このとき、ドーム状構造体２３０の下面の導電性接触面２３１に接触するのに適した形状をしている。この実施形態では、ドーム状構造体２３０は、全体が金属から構成されているため、図３０(a) に示す状態では、ドーム状構造体２３０は、ワッシャー状の内側電極Ｅ１８に対してのみ接触した状態になっているが、図３０(b) に示す状態では、反転した頂点付近が内側電極Ｅ１７にも接触するようになり、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を互いに導通させる機能を果たす。すなわち、内側電極Ｅ１７，Ｅ１８は、物理的に分離された一対の電極から構成されているが、金属製のドーム状構造体２３０が反転すると、このドーム状構造体２３０の底周面は内側電極Ｅ１８に接触し、その頂点付近の下面は内側電極Ｅ１７に接触した状態になり、導電性材料から構成されたドーム状構造体２３０が両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８に同時に接触することにより、両者は互いに導通状態になる。結局、これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８間の導通状態を電気的に検出することにより、操作者のスイッチ入力に関するＯＮ／ＯＦＦ状態を検出できる。なお、ドーム状構造体２３０は、必ずしも全体を導電性材料で構成する必要はなく、少なくとも内側面（伏せて配置した状態における下面）から底周面にかけた部分が導電性接触面を形成していれば、両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を電気的に導通状態にさせることができる。
【０１２３】
以上のとおり、基板２４０の上面には、一対の外側電極Ｅ１５、Ｅ１６（接触用電極）、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８（接触用電極）なる平板状の構成要素が形成されているが、各構成要素は、それぞれの機能を考慮して、次のような位置に配置されていることになる。まず、内側電極Ｅ１８は、前述したように、ドーム状構造体２３０の底周面に接触する位置に配置されており、内側電極Ｅ１７は、ドーム状構造体２３０が形状反転を起こした際に、その頂点付近の下面に相当する導電性接触面２３１に接触可能な位置に配置されている。また、一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、操作盤２１０の外周部分に対向する基板２４０上の外周対向部（図２７の基準同心円Ｋ２に対向する部分）に配置されている。一方、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、基板２４０の上面の「ドーム状構造体２３０の配置領域より外側、かつ、上記外周対向部より内側に位置する中間領域部」の所定箇所に配置されている。本実施形態では、基板２４０を電子回路実装用のプリント基板によって構成し、各電極を、このプリント基板上に形成した銅などのプリントパターンによって構成し、各抵抗体を、このプリント基板上に形成したカーボンのプリントパターンによって構成している。このように、基板２４０を回路用プリント基板で構成すれば、プリントパターンによって基板２４０上に種々の配線を施すことができるので、実用上は便利である。
【０１２４】
以上、図２２に示す各構成要素の構造の詳細を述べたが、実際の力検出装置は、これら各構成要素を積み重ねることにより構成される。すなわち、基板２４０の中央部にドーム状構造体２３０を載置し、これを覆うように弾性変形体２２０を載せ（固定脚部２２５を固定孔部２４１に挿入して固定する）、その上に操作盤２１０を接着することにより、図３３の側断面図（ドーム状構造体２３０については断面ではなく側面が示されている）に示すような力検出装置が形成される。
【０１２５】
§７．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の別な実施形態の動作
続いて、図３３に示す力検出装置の動作を説明する。ここでは便宜上、図３１に示す基板２４０の上面中心位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。図３３では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に垂直方向にＹ軸が定義される。
【０１２６】
既に述べたように、この力検出装置は、任意の電子機器に対して、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（いわゆるクリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、を行う機能をもった装置である。ここで、操作者は、これらの入力を操作盤２１０に対して行うことになるが、基本的には、スイッチ入力を行う場合には、操作盤２１０の中央部分に指を当てて下方（Ｚ軸負方向）へと押し込む動作を行い、所定方向への操作入力を行う場合には、操作盤２１０を斜め下方へと押し込む動作を行うことになる。
【０１２７】
図３４は、操作者がスイッチ入力を行ったときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体２３０については側面図）である。操作盤２１０に対して図の下方への押圧力（Ｚ軸負方向への力という意味で−Ｆｚと呼ぶ）が加わると、この押圧力−Ｆｚによって、押圧棒２１４が下方へと変位し、内側膜状部２２１ごしにドーム状構造体２３０の頂点部分に下方への力が加わることになる。ドーム状構造体２３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力が加わると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有しているので、押圧力−Ｆｚの大きさが所定の臨界値を超えると、図示のとおり、ドーム状構造体２３０の頂点付近が形状反転を起こすことになる。すなわち、操作者が下方への押圧力−Ｆｚを徐々に強めてゆくと、ドーム状構造体２３０が急に潰れて図示の状態になり、操作者の指先にはクリック感が伝わる。このとき、弾性材料から構成されている柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に若干潰れることになる。ただし、電極用柱状突起Ｐ２は宙吊りの状態のままである。
【０１２８】
こうして、ドーム状構造体２３０が形状反転を起こすと、図３１に示されている内側電極Ｅ１７に、ドーム状構造体２３０の下面の導電性接触面２３１が接触した状態になるので、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とが導通状態になる。操作者が、押圧動作を中止すると、ドーム状構造体２３０がもとの状態に復帰し、装置は図３３の状態に戻ることになる。この状態では、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とは絶縁されている。結局、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８との間の電気的な接続状態を検出することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力の検出が可能になり、いわゆるクリック入力の検出が可能になる。
【０１２９】
続いて、操作者が所定方向への操作量を示す操作入力を行った場合を考えてみる。このような操作入力は、通常、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向への操作量を示す入力として与えられる。ここに示す実施形態では、図３１に示す４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された接触用導電体（表面が変位導電層２２６によって覆われた柱状突起Ｐ１）と、によって合計４組の可変抵抗要素が形成されており、この４組の可変抵抗要素の抵抗値に基づいて、各方向への操作量を検出することができる。
【０１３０】
たとえば、操作者が、操作盤２１０に対して、Ｘ軸負方向への力を含む斜め下方への力を加える操作を行ったとしよう。ここでは、このような操作により加えられる力を−Ｆｘと呼ぶことにする。図３５は、操作者がこのような操作力−Ｆｘ（必ずしも操作盤２１０の中心位置に加える必要はなく、実際には図示のようにやや左へ変位した部分に加えられることが多い）を加えたときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体２３０については側面図）である。操作力−Ｆｘは、斜め下方への力成分であるため、図の下方への力成分（Ｚ軸負方向成分）も含んでいることになるが、この下方への力成分は、前述したクリック操作による押圧力−Ｆｚに比べて小さいため、ドーム状構造体３０には形状反転させるだけの十分な力は加わらない。このため、操作盤２１０は、図３５において、左側が下がり右側が上がるように傾斜する。別言すれば、ドーム状構造体２３０としては、スイッチ入力として加えられた垂直下方への押圧力に対しては形状反転を起こし、所定方向への操作入力として加えられた斜め下方への押圧力に対しては形状反転を起こさないような変形特性を有する構造体を用いるようにすればよい。なお、図３５に示す斜め下方への操作力−Ｆｘの代わりに、操作盤２１０の図の左端近傍位置に垂直下方への操作力−ＦＦｘを加えた場合にも同じような現象が起こる。本実施形態において、「Ｘ軸負方向への操作量を示す操作入力」と言った場合、操作力−Ｆｘのように、斜め下方への操作入力だけでなく、操作力−ＦＦｘのように、Ｘ軸負方向に変位した位置を垂直下方に押し込むような操作入力も含んでおり、操作力−ＦＦｘは操作力−Ｆｘと等価な操作入力である。
【０１３１】
さて、図３５に示すように、操作盤２１０を左側へと傾斜させる操作力−Ｆｘ（または−ＦＦｘ、以下同様）が加わると、図の左半分にある柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に潰れることになる。一方、図の右半分にある柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、図示のとおり、基板２４０の上面から浮き上がった状態になる。結局、ある程度以上の大きさの操作力−Ｆｘが加わると、図３５に示すように、図の左端にある柱状突起Ｐ２の下端面（仲介電極として機能する変位導電層）が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触した状態になり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通するとともに、変位導電層２２６全体が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と同電位になる。この状態から、更に操作力−Ｆｘを強くしてゆけば、図３６に示すように、図の左半分にある柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、更に潰れるように弾性変形し、柱状突起Ｐ２も若干弾性変形して潰れた状態になる。そして、最後には、図３７に示すように、図の左側の柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のすべてが完全に潰れた状態になる。
【０１３２】
ここで、図３３に示す状態から、図３５、図３６、図３７に示す状態へと変遷する際に、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の所定の二点間の抵抗値がどのように変化するかを検討すると、図の左側に示された抵抗体Ｒ１２では、その上方に配置された柱状突起Ｐ１（接触用導電体）の接触面が徐々に増加してゆくので、抵抗体Ｒ１２の所定の二点間の抵抗値が徐々に減少してゆくのに対して、図の右側に示された抵抗体Ｒ１１には、柱状突起Ｐ２（接触用導電体）は接触していないため、抵抗値の変化は生じない。逆に、Ｘ軸正方向への操作力＋Ｆｘが加わった場合は、操作盤２１０は右側へと傾斜することになるので、上述した場合に比べて、左右の関係が逆転することになり、抵抗体Ｒ１１の所定の二点間の抵抗値が徐々に減少してゆくことになる。結局、抵抗体Ｒ１１およびＲ１２の抵抗値を測定することにより、Ｘ軸方向の操作力−Ｆｘ，＋Ｆｘとして加えられた操作量を検出することができる（たとえば、両抵抗値の差を求めればよい）。全く同様の原理により、Ｙ軸上に配置された抵抗体Ｒ１３およびＲ１４の抵抗値を測定することにより、Ｙ軸方向の操作力−Ｆｙ，＋Ｆｙとして加えられた操作量を検出することができる。
【０１３３】
このようなＸ軸方向あるいはＹ軸方向に関する操作量は、操作者が操作盤２１０を上下左右の４方向に傾斜させることにより入力可能な操作量であるが、所定の演算処理を行うことにより、より多数の方向に関する操作量検出も可能である。たとえば、斜め４５°方向も含めた合計８方向に関する操作量は、Ｘ軸方向の操作量とＹ軸方向の操作量との合成成分として求めることができる。具体的には、たとえば、Ｘ軸方向の操作量ｘと、Ｙ軸方向の操作量ｙとが求まった場合、ルート（ｘ２＋ｙ２）なる大きさをもった操作量が、斜め４５°方向（いずれの方向かは、操作量ｘ，ｙの符号の組み合わせによって判断できる）に作用したものとして取り扱うことができる。もちろん、任意の方向の力も検出することができ、この場合、操作量の大きさは、ルート（ｘ２＋ｙ２）で求められ、方向は、ｔａｎ−１（ｙ／ｘ）で求められる。
【０１３４】
ところで、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値を測定するためには、各抵抗体の所定の二点間に電圧を印加して、抵抗体に電流を流す必要がある。本発明の目的は、このような可変抵抗要素を用いた力検出装置において、電力消費を効率的に抑制させることにあり、図３３に示す力検出装置にも、電力消費を効率的に抑制させる機能が備わっている。すなわち、操作盤２１０に加えられる操作入力が所定の大きさ以上になるまでは、検出回路を待機モードとして抵抗体に電流を流さない状態を維持し、所定の大きさ以上の操作入力が加わったときに、検出回路を検出モードとして抵抗体に電流を流して抵抗値を測定する処理が行われるようにすることができる。具体的には、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）と、その上方に配置された柱状突起Ｐ２およびその表面に形成された変位導電層２２６（仲介電極）と、によって切替要素が構成されており、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が電気的に絶縁状態にあるときには待機モードとし、導通状態にあるときには検出モードとする切替を行うことができる。
【０１３５】
図３８は、図３３に示す力検出装置に用いることができる検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路は、図１７に示す検出回路と同様に、アナログ信号用の入力端子を備えた信号処理回路により構成されており、入力したアナログ信号はデジタル信号に変換され、内部でデジタル信号に対する所定の演算が行われ、デジタル信号としての出力が得られる。この図３８に示す信号処理回路も、１チップの集積回路として構成されており、図の右側に示されたアナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４には、それぞれ抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に相当するアナログ電圧値が入力される。各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の一端（図の下端）は接地されており、もう一端（図の上端）は、各アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４に接続されるとともに、それぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４および抵抗素子Ｒ０５〜Ｒ０８を介して電源Ｖｃｃに接続されている。
【０１３６】
各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃから、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に電圧が印加され、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４には、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に応じた分圧が加わり、各抵抗値に応じたデジタル値が得られる点は、図１７に示す回路と同様である。加えられたＸ軸方向の操作量は、抵抗体Ｒ１１またはＲ１２の抵抗値（あるいは両者の差）に基づいて求めることができ、加えられたＹ軸方向の操作量は、抵抗体Ｒ１３またはＲ１４の抵抗値（あるいは両者の差）に基づいて求めることができる。
【０１３７】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、各抵抗体への電圧供給を制御するためのスイッチであり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のいずれもがＯＦＦ状態を維持していると、電源Ｖｃｃの電圧が各抵抗体へ印加されず、各抵抗体には電流は流れない。これは、この信号処理回路が待機モード状態にあることを示している。一方、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のいずれかがＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃの電圧がＯＮ状態になったスイッチに接続された抵抗体へ印加され、当該抵抗体に電流が流れる。したがって、前述したように、当該抵抗体の抵抗値に対応するデジタル値が検出されることになる。これは、この信号処理回路が検出モード状態にあることを示している。
【０１３８】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４から出力される制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４によって行われる。実際には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、論理素子などの半導体スイッチによって構成されており、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４は、デジタル論理信号となる。信号処理回路はＣＰＵおよびこれを動作させるためのプログラムを内蔵しており、このＣＰＵの論理演算により、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４の論理値が決定される。
【０１３９】
図３８の左側に示された入力端子Ｔ０１には、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態の場合、入力端子Ｔ０１には、抵抗素子Ｒ０１を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０１は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ０１の電位に基づいて、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。
【０１４０】
このスイッチＳＷ１は、実は、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）によって構成されるスイッチであり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が絶縁状態にあるときにはＯＦＦ、導通状態にあるときにはＯＮになる。したがって、たとえば、図３３や図３４に示す状態（所定の大きさ以上のＸ軸方向操作量あるいはＹ軸方向操作量が加わっていない状態）では、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態となるが、図３５、図３６、図３７に示す状態（所定の大きさ以上のＸ軸方向操作量あるいはＹ軸方向操作量が加わった状態）では、スイッチＳＷ１はＯＮ状態となる。
【０１４１】
そこで、この図３８に示す信号処理回路では、入力端子Ｔ０１の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４を出力し、入力端子Ｔ０１の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ１がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｘ軸もしくはＹ軸方向成分を含む所定の大きさの操作量が加えられたときにのみ、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に電流が流れて検出が可能になる。結局、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になるまでは、検出回路は本来の検出機能を果たすことができない待機モードを維持することになり、電力消費が抑制されることになる。
【０１４２】
一方、図３８の左側に示された入力端子Ｔ００には、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、スイッチＳＷ０がＯＦＦ状態の場合、入力端子Ｔ００には、抵抗素子Ｒ００を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ０がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ００は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ００の電位に基づいて、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。このスイッチＳＷ０は、実は、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された内側電極Ｅ１７，Ｅ１８によって構成されるスイッチであり、内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が絶縁状態にあるときにはＯＦＦ、導通状態にあるときにはＯＮになる。したがって、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態は、操作者のスイッチ入力（ドーム状構造体２３０の形状反転によるクリック入力）を示すものとなる。
【０１４３】
なお、ここに示す実施形態では、図２８の下面図に示されているように、弾性変形体２２０の下面には、単一の変位導電層２２６（図のハッチング部分）が形成されており、各柱状突起Ｐ１（接触用導電体）の下面に形成された導電層（変位導電層２２６の一部）と、各柱状突起Ｐ２の下面に形成された導電層（変位導電層２２６の別な一部）とは、互いに導通しているので、図３８に示す検出回路を用いた場合、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になると、変位導電層２２６全体が接地状態となり、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値測定に影響を及ぼすことになる。もちろん、このような影響があっても、抵抗値測定は可能であるが、より効率的な測定を行うためには、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に比べて十分に大きな抵抗値をもった抵抗素子を用意し、接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６の導通状態を検出する回路と、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値を検出する回路と、を用意した抵抗素子を用いて隔絶するようにすればよい。具体的には、図３８に示す検出回路において、抵抗素子Ｒ０１を１０ＭΩ程度の大きな抵抗値をもった抵抗素子により構成し、電極Ｅ１６と接地レベルＧｎｄとの間に、１ＭΩ程度の大きな抵抗値をもった抵抗素子を挿入すればよい。あるいは、変位導電層２２６を単一の導電層とする代わりに、個々の柱状突起Ｐ１の下面および個々の柱状突起Ｐ２の下面に、それぞれ電気的に孤立した島状の導電層を形成するようにしてもよい。
【０１４４】
§８．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の変形例
以上、本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置を、いくつかの実施形態について述べたが、ここでは、更にいくつかの変形例を述べる。
【０１４５】
(1) 接触用電極の形態の変形例
図３１に示す実施形態では、一対の円環状の接触用電極（すなわち、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６）と、電極用柱状突起Ｐ２の底面に形成された変位導電層２２６と、によって切替要素が構成されていたが、切替要素として用いる一対の接触用電極は、必ずしも円環状にする必要はない。たとえば、図３９に一部を示す一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａは、図３１に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に形成された環状電極であるが、それぞれ歯状の突起部分が形成されており、これらが噛み合うような形態をなす（図３９のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。仲介電極として機能する変位導電層２２６は、一対の接触用電極の双方に同時に接触する必要があるが、図３９に示すような一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａを用いれば、このような同時接触がより容易になる。
【０１４６】
また、図４０に一部を示す接触用電極群Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ｂは（図４０のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）、第１グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１５Ｂと、第２グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１６Ｂとを、基板２４０上に定義された円周に沿って交互に配置したものである（図３１に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に配置されている）。これにより、第１グループに所属する電極Ｅ１５Ｂと第２グループに所属する電極Ｅ１６Ｂとがそれぞれ隣接して配置されることになり、互いに隣接して配置された電極Ｅ１５Ｂと電極Ｅ１６Ｂとによって一対の接触用電極が構成されており、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極が形成されている。図３１に示す実施形態では、一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６が１組だけしか設けられていなかったが、図４０に示す例は、一対の接触用電極を複数組設けた変形例である。この変形例では、Ｎ枚の電極Ｅ１５ＢおよびＮ枚の電極Ｅ１６Ｂのそれぞれに対して配線を行う必要があり、実用上は、配線が複雑になる。
【０１４７】
(2) 一対の接触用電極の変形例
これまで述べた実施形態では、切替要素に含まれる一対の接触用電極を、いずれも基板上に形成し、この一対の接触用電極の双方に仲介電極を同時に接触させることにより、一対の接触用電極を導通させるという手法を採ってきたが、本発明を実施する上で、一対の接触用電極を必ずしも基板側に設ける必要はなく、また、必ずしも仲介電極を用いる必要もない。たとえば、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって一対の接触用電極を構成するようにし、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、この弾性変形体の変形により、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触するような構成を採ってもかまわない。
【０１４８】
しかしながら、このように、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触したか否かを電気的に検出するためには、各電極にそれぞれ配線を施す必要がある。そして、実用上、弾性変形体側に配線を施すことは好ましいことではない。したがって、実用上は、これまでに述べてきた実施形態のように、基板上に一対の接触用電極を設け、仲介電極を利用して両電極を導通させる手法を採るのが好ましい。このような手法を採れば、仲介電極側には配線は不要であるため、基板側にだけ配線を行えば、弾性変形体側に配線を施す必要ななくなる。
【０１４９】
(3) 可変抵抗要素の変形例
これまで述べた実施形態では、基板上に配置された抵抗体と、この抵抗体に対向するように弾性変形体側に設けられた接触用導電体と、によって可変抵抗要素を構成していたが、本発明に用いる可変抵抗要素は、基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもった構成要素であれば、必ずしも抵抗体と接触用導電体との組み合わせによって構成する必要はない。
【０１５０】
図４１は、これまでの実施形態で用いられてきた可変抵抗要素とは異なる形態の可変抵抗要素３００の構成を示す側断面図である。ここに示す可変抵抗要素３００は、第１のシート３１０と第２のシート３２０とを上下対称となるように積層した構造を有する。第１のシート３１０は、図示のとおり、第１のフィルム３１１と、その上に形成された第１の導電層３１２と、その上に形成された第１の抵抗体３１３と、によって構成されており、第２のシート３２０は、図示のとおり、第２のフィルム３２１と、その下に形成された第２の導電層３２２と、その下に形成された第２の抵抗体３２３と、によって構成されている。もっとも、ここで、個々の構成要素に第１あるいは第２という修飾句を付して呼んでいるのは、便宜上、両者を区別するためであり、実際の構造物としては、第１のシート３１０と第２のシート３２０とは全く同一のシートであり、２枚の同一シートの一方を上下逆にして他方の上に重ねることにより、可変抵抗要素３００が得られることになる。実用上は、両シートがずれないように、両シートを何らかの方法で接着するのが好ましい。
【０１５１】
第１の抵抗体３１３および第２の抵抗体３２３は、いずれも弾性変形を生じる材質から構成されており、互いに対向する位置に配置されている。しかも第１の抵抗体３１３の上面および第２の抵抗体３２３の下面は、それぞれ断面波状の凹凸構造をなし、図の上下方向に加わる圧力に応じて、第１の抵抗体３１３と第２の抵抗体３２３との接触面の面積が変化するように構成されている。すなわち、この可変抵抗要素３００に上下方向の圧力が作用していない状態では、図４１に示すように、各抵抗体３１３，３２３の波形凹凸構造の頂点部分が点接触した状態であり、両者の接触面の面積は極めて小さい状態であるが、この可変抵抗要素３００に対して、たとえば図４２に示すような下方への外力−Ｆｚが作用すると、図示のとおり、各抵抗体３１３，３２３の波形凹凸構造部分が圧力によって変形し、両者の接触面積は増加する。
【０１５２】
第１の抵抗体３１３の下面には第１の導電層３１２が接続されており、第２の抵抗体３２３の上面には第２の導電層３２２が接続されているため、第１の導電層３１２に接続された端子Ｔ３１と、第２の導電層３２２に接続された端子Ｔ３２との間の抵抗値を測定すると、当該抵抗値は、両者の接触面積に応じて変化することになるので、この抵抗値に基づいて、可変抵抗要素３００に加えられた上下方向の外力を検出することが可能になる。すなわち、２枚のシート３１０，３２０は、加わる圧力に応じて所定の２点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素３００として機能することになる。実用上、第１のシート３１０を作成するには、たとえば、次のような方法を採ればよい。まず、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）フィルムなどからなる第１のフィルム３１１を用意し、その上面に銅などの層を形成することにより第１の導電層３１２を形成する。続いて、この第１の導電層３１２の上面に感圧導電性インクを塗布し、この感圧導電性インクの表面を断面波状の凹凸構造に加工して第１の抵抗体３１３を作成すればよい。もちろん、第２のシート３２０も全く同様の方法で作成できる。なお、図示の例では、第１の抵抗体３１３の上面および第２の抵抗体３２３の下面のそれぞれに、断面波状の凹凸構造を形成しているが、このような凹凸構造は必ずしも両者にそれぞれ形成する必要はなく、少なくとも一方の表面部分に形成されていれば、可変抵抗要素を構成することができる。要するに、第１の抵抗体３１３と第２の抵抗体３２３との少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、両者間に加わる圧力に応じて、両者間の接触面の面積が変化するように構成されていればよい。
【０１５３】
この図４１に示す可変抵抗要素３００は、たとえば、図３３に示す力検出装置における「抵抗体と接触用導電体」によって構成されている可変抵抗要素に置き換えて用いることができる。この場合、基板２４０上に形成されている４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の代わりに、それぞれ上述した可変抵抗要素３００を用いるようにすればよい。具体的には、平面形状が図３２の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４のような扇形をし、図４１に示すような側断面構造を有する４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４を用意し、それぞれを基板２４０上の所定位置、すなわち、図３２の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４が配置されている位置に接着するようにすれば（第１のフィルム３１１の下面を基板２４０の上面に接着すればよい）、４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４は、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と同等の機能を果たすことになる。ただし、作用した外力は、各可変抵抗要素３００のそれぞれについて、図４１に示す端子Ｔ３１，Ｔ３２間の抵抗値に基づいて検出されることになる。
【０１５４】
各可変抵抗要素３００は、実際には、非常に薄いシート状の部材として作成することができるので、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４に置き換えた力検出装置の側断面構造は、図３３に示す力検出装置とほぼ同じになる。ただ、図３３に示す力検出装置の場合、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された柱状突起Ｐ１およびその下面に形成された導電層（変位導電層２２６）と、の組み合わせによって可変抵抗要素が構成されていたのに対し、図４１に示す可変抵抗要素３００は、それ自身単独で可変抵抗要素として機能するため、ここで述べる変形例の装置では、柱状突起Ｐ１は圧力を加えるための突起としての働きを行うだけでよく、柱状突起Ｐ１の下面に変位導電層２２６を形成する必要はない。
【０１５５】
なお、図３３に示す柱状突起Ｐ１を圧力を加える突起として機能させた場合、図４１に示す可変抵抗要素３００の上面の中央部付近に圧力が集中することになるため、抵抗体３１３，３２３の変形が中央部付近に偏在し、効率的な検出感度を得ることはできなくなる。そこで、図４２に示すように、抵抗体３１３，３２３の変形を全面に均等に生じさせて、検出感度を向上させるには、図２６に示す弾性変形体２２０の代わりに、図４３に下面図を示すような弾性変形体２２０Ａを用いるようにすればよい。この図４３に示す弾性変形体２２０Ａは、図２６に示す弾性変形体２２０における４本の柱状突起Ｐ１を、４枚の板状突起Ｐ４に置き換えたものである。各板状突起Ｐ４の平面形状は、いずれも扇形をしており、基板２４０上に形成された４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４と同じ形状をしており、これらの真上の位置に配置されることになる。なお、各板状突起Ｐ４の下面には、導電層を形成する必要はない。図４４は、図３３に示す力検出装置における４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を、４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４に置き換えるとともに、弾性変形体２２０を図４３に示す弾性変形体２２０Ａに置き換えた変形例を示す側断面図である。各可変抵抗要素３００−１〜３００−４は、いずれも図４１に示す可変抵抗要素３００と同じ断面構造を有しており、その上方に配置された板状突起Ｐ４によって全面にわたって圧力が加わえられる。このため、より効率的な検出感度を得ることができる。
【０１５６】
なお、図４３では、４枚の扇形の板状突起Ｐ４を形成した例を示したが、これらを連結した構造とし、全体的にワッシャー状をした１枚の板状突起を形成するようにしてもかまわない。また、各可変抵抗要素３００−１〜３００−４も、たとえば、フィルム３１１あるいはフィルム３２１の部分を連結し、全体的にワッシャー状をした１枚のフィルム上に、それぞれ４組の扇形の導電層および抵抗体を形成した構造にしてもよい。更に、上述の説明では、可変抵抗要素３００全体を基板２４０側に固定しているが、可変抵抗要素３００のうち、第１のシート３１０を基板２４０側に固定（第１のフィルム３１１を基板２４０の上面に接着）し、第２のシート３２０を板状突起Ｐ４側（弾性変形体２２０Ａ側）に固定（第２のフィルム３２１を板状突起Ｐ４の下面に接着）するようにしてもよい。
【０１５７】
(4) 一次元力検出装置への利用
前述した図９に示す実施形態に係る力検出装置は、ＸＹＺ三次元の力方向成分を検出する機能をもった三次元力検出装置であるが、抵抗体Ｒ５，Ｒ６および接触用導電体Ｃ５を省けば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力成分を検出する機能をもった二次元力検出装置を構成することができる。また、抵抗体Ｒ１，Ｒ２および接触用導電体Ｃ１，Ｃ２だけを配置するようにすれば、Ｘ軸方向の力成分のみを検出する機能をもった一次元力検出装置を構成することができる。同様に、図３３に示す実施形態に係る力検出装置は、ＸＹ二次元の力方向成分（操作量）を検出する機能をもった二次元力検出装置であるが、抵抗体および接触用導電体を追加することにより三次元力検出装置として利用することもできるし、不要な抵抗体および接触用導電体を削除することにより一次元力検出装置として利用することもできる。このように、本発明は、一次元、二次元、三次元のいずれの力検出装置にも利用することが可能である。
【０１５８】
(5) その他の変形例
上述した実施形態では、いくつかの検出回路の例を回路図を示して述べたが、本発明を実施する上で用いる検出回路は、これらの回路を用いたものに限定されるものではなく、可変抵抗要素の抵抗値を電気信号として出力する機能を有する検出回路であれば、どのような回路を用いてもかまわない。また、本発明に用いる検出回路は、待機モードと検出モードとの２通りのモードで動作することになるが、待機モードは、必ずしも回路が何らかの動作を行っている必要はなく、切替要素の状態遷移に基づいて、検出モードへの移行が可能な状態であれば、回路が完全に停止した状態であってもかまわない。たとえば、検出回路への電源供給を全く停止した状態を待機モードとし、切替要素の状態遷移が生じたときに電源供給を開始して検出モードに移行するような方法を採ってもよい。また、本発明における切替要素は、上述した待機モードから検出モードへの切替あるいは検出モードから待機モードへの切替を行うために、一対の接触用電極間の導通状態を変化させることができる構成要素であれば、どのような構成のものであってもかまわない。
【０１５９】
なお、本発明に係る力検出装置の用途は、必ずしも電子機器用入力装置に限定されるものではなく、ロボットや産業機械などの制御に用いる検出装置などにも勿論利用可能である。また、弾性変形体に重錘体を取り付け、加速度に基づいて重錘体に作用した力を検出することにより、加速度検出装置として利用することも可能である。この場合、所定の大きさ以上の加速度が加わらない限り、検出回路は待機モードとなるので、消費電力の節約が可能になる。
【０１６０】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、電力消費を効率的に抑制させることが可能な可変抵抗要素を用いた力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象となる可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置における基板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に示す力検出装置における弾性変形体１２０の上面図であり、この弾性変形体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に示す力検出装置における弾性変形体１２０の下面図であり、この弾性変形体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に示す力検出装置に、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に示す力検出装置に用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の基本的な実施形態に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
【図１０】図９に示す力検出装置における基板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９に示されている。
【図１１】図(a) は、図１０に示されている抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ４の拡大図およびその配線図である。ハッチングは板状構造体の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すためのものではない。図(b) は、外力が作用していない状態における図(a) に示す抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの位置関係を示す側断面図である。
【図１２】外力−Ｆｚが作用した状態における抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。
【図１３】より大きな外力−Ｆｚが作用した状態における抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。
【図１４】図１１〜図１３に示す抵抗体ＲＲと、その上方に配置された接触用導電体Ｃと、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチＳＷと、についての種々の状態における等価回路である。
【図１５】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第１の例を示す回路図である。
【図１６】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第２の例を示す回路図である。
【図１７】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第３の例を示す回路図である。
【図１８】抵抗体ＲＲの中央部空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２から構成されるスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検出するための回路を示す配線図である。
【図１９】図１８に示す配線についての等価回路図である。
【図２０】図１８に示す配線に、更に、抵抗素子を加えることにより、効率的な抵抗値測定を可能にするための配線図である。
【図２１】図２０に示す配線についての等価回路図である。
【図２２】本発明の別な実施形態に係る力検出装置の分解側断面図である。
【図２３】図２２に示す操作盤２１０の上面図である。この操作盤２１０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２４】図２２に示す操作盤２１０の下面図である。この操作盤２１０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２５】図２２に示す弾性変形体２２０の上面図である。この弾性変形体２２０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２６】図２２に示す弾性変形体２２０の下面図である。この弾性変形体２２０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２７】図２６に示す弾性変形体２２０の下面に形成されている各柱状突起の配置を説明するための下面図である。
【図２８】図２６に示す弾性変形体２２０の下面に形成されている変位導電層２２６を示す下面図である（ハッチングは、断面を示すものではない）。
【図２９】図２２に示すドーム状構造体２３０の上面図である。このドーム状構造体２３０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図３０】図２２に示すドーム状構造体２３０の形状反転動作を説明する側断面図である。
【図３１】図２２に示す基板２４０の上面図である。この基板２４０を中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図２２に示されている（ハッチングは、断面を示すものではない）。
【図３２】図３１に示す基板２４０の上に、ドーム状構造体２３０を配置した状態を示す上面図である。
【図３３】図２２に示す各構成要素を組み立てることにより構成された力検出装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図３４】図３３に示す力検出装置においてスイッチ入力（クリック入力）が行われたときの状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図３５】図３３に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第１の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図３６】図３３に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第２の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図３７】図３３に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第３の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図３８】図３３に示す力検出装置に利用される検出回路の一例を示す回路図である。
【図３９】図３１に示す一対の接触用電極の変形例を示す上面図である。
【図４０】図３１に示す一対の接触用電極の別な変形例を示す上面図である。
【図４１】表面に波状凹凸構造を有する一対の抵抗体３１３，３２３を利用して可変抵抗要素３００を構成した例を示す側断面図である。
【図４２】図４１に示す可変抵抗要素３００に圧力−Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図４３】図４１に示す可変抵抗要素３００を用いる場合に適した弾性変形体２２０Ａの下面図である。
【図４４】図４１に示す可変抵抗要素３００および図４３に示す弾性変形体２２０Ａを用いて構成された力検出装置の側断面図である。
【符号の説明】
１１０…基板
１２０，１２０Ａ…弾性変形体
１２１…作用部
１２２…可撓部
１２３，１２３Ａ…固定部
１２５…操作桿
１３０，１３０Ａ…固定部材
２１０…操作盤
２１１…操作部分
２１２…土手部分
２１３…外周部分
２１４…押圧棒
２２０，２２０Ａ…弾性変形体
２２１…内側膜状部
２２２…円環状隆起部
２２３…外側膜状部
２２４…側壁部
２２５…固定脚部
２２６…変位導電層
２３０…ドーム状構造体
２３１…導電性接触面
２４０…基板
２４１…固定孔部
３００…可変抵抗要素
３１０…第１のシート
３１１…第１のフィルム
３１２…第１の導電層
３１３…第１の抵抗体
３２０…第２のシート
３２１…第２のフィルム
３２２…第２の導電層
３２３…第２の抵抗体
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ５…接触用導電体
Ｅ１５〜Ｅ１８…電極
Ｅ１５Ａ，Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ａ，Ｅ１６Ｂ…電極
Ｆ…外力
＋Ｆｘ…外力の＋Ｘ軸方向成分
−Ｆｘ，−ＦＦｘ…外力の−Ｘ軸方向成分
−Ｆｚ…外力の−Ｚ軸方向成分
Ｇｎｄ…接地点
Ｊｘ，Ｊｙ，Ｊｚ…接続点
Ｋ１…内側同心円
Ｋ２…基準同心円
Ｋ３…外側同心円
Ｏ…座標系の原点
Ｐ１〜Ｐ３…柱状突起
Ｐ４…板状突起
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ６，ＲＲ，ＲＲ１〜ＲＲ６，Ｒ１１〜Ｒ１４…抵抗体
Ｒ１００，Ｒ２００…抵抗体
Ｒ００〜Ｒ０８…抵抗素子
Ｓ…接触面
Ｓ１，Ｓ２…接触用電極
Ｓ２１〜Ｓ２５…制御信号
ＳＷ，ＳＷ０〜ＳＷ５…一対の接触用電極からなるスイッチ
ＳＷ１１〜ＳＷ１５…半導体スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４，Ｔ００〜Ｔ０３，Ｔ１１〜Ｔ１５，Ｔ２１〜Ｔ２５，Ｔ３１，Ｔ３２…端子
ＴＴ…ノード
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…検出値の出力端子
Ｖ，ＶＶ…空洞部
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｘ，Ｙ，Ｚ…三次元座標系の各座標軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a force detection device using a variable resistance element, and in particular, an operation indicating a predetermined operation amount for an electronic device that executes a predetermined process based on a predetermined program, such as a mobile phone or a game device. The present invention relates to a force detection device suitable for use in an input device for performing input.
[0002]
[Prior art]
In an electronic device such as a mobile phone or a game device, a predetermined operation input by a user is received, and a program proceeds based on the operation input. Usually, this type of operation input is often performed while looking at the cursor and other indicators displayed on the display screen, and input indicating four directions (up, down, left and right) or eight directions including diagonal is required. Is common. In order to input with such directionality, a type of device called a joystick is used. This type of device usually has a built-in two-dimensional force detection device, and separately detects the X-axis direction component and the Y-axis direction component of the applied force to thereby determine the direction of the applied operation input. The operation amount is detected. For example, an operation input whose X-axis direction component is +5 indicates an operation amount of 5 in the right direction, and an operation input whose Y-axis direction component is −8 indicates an operation amount of 8 in the downward direction. It will be. Of course, it is also possible to detect an operation input applied in an oblique direction by performing an operation of combining the X-axis direction component and the Y-axis direction component.
[0003]
In addition, in an electronic device such as a mobile phone or a game device, a click input is required in addition to the operation input having the direction described above. This click input is basically an input indicating a binary state of ON / OFF, but it is important to give the operator a feeling that the click operation has been performed (so-called click feeling). It is necessary to ensure a sufficient stroke and to apply a reaction force against the pressing force applied from the fingertip. As a switch suitable for ON / OFF input having such a click feeling, a switch using the elasticity of an elastic material such as rubber or metal is generally used. A force detection device having a function of performing an operation input is in practical use.
[0004]
It is desirable to use an inexpensive force detection device having a structure as simple as possible for an input device for a relatively inexpensive electronic device such as a mobile phone or a game device. As such a force detection device, Japanese Patent Application No. 2000-133201 discloses a force detection device using a variable resistance element. In this device, a variable resistance element whose resistance value changes according to the applied pressure is used, and the applied external force can be detected by detecting a change in the resistance value of the variable resistance element. it can. The variable resistance element can be constituted by, for example, a flat plate-like resistor and a contact conductor that can contact the resistor. If the contact area of the contact conductor with respect to the resistor changes depending on the magnitude of the applied external force, the electrical resistance between the two predetermined points of the resistor changes depending on the size of the contact area. It will be. Therefore, the magnitude of the applied external force can be detected based on this change in electrical resistance. Since both the resistor and the contact conductor are very simple electric circuit elements, the force detection device based on such a principle has the advantage that the configuration becomes very simple and the manufacturing cost can be reduced.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the force detection device using the variable resistance element described above, it is indispensable to measure the electric resistance of the resistor in order to obtain a detection value of the applied force. However, in order to measure the electrical resistance of the resistor, it is necessary to pass a current through the resistor. Therefore, a certain amount of power consumption is unavoidable during measurement. For this reason, when the above-described force detection device using the variable resistance element is incorporated into various electronic devices, there has been a problem that the power consumption increases as a whole. In particular, in electronic devices such as mobile phones and game machines that operate with a built-in battery, a design that suppresses battery consumption as much as possible is desired. The above-described force detection device using a variable resistance element is costly. Although there is a big merit in terms, in terms of power consumption, it has a big demerit.
[0006]
Of course, it is possible to take a method of reducing the overall power consumption by intermittently operating a measurement circuit of electric resistance with large power consumption. For example, if the circuit is operated only for 20 msec and the circuit is stopped for the next 180 msec, an intermittent operation with a cycle of 200 msec can be performed five times per second, and the power consumption is reduced to about 1/5. Can be reduced. However, even if such a method is adopted, wasteful consumption of power cannot be completely suppressed. Considering the actual usage of mobile phones, the time for input operations for moving the cursor is very limited, and the power consumption is large while the operator is not performing any operation input. It is not efficient to operate the circuit.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a force detection device using a variable resistance element capable of efficiently suppressing power consumption.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  (1) A first aspect of the present invention is a force detection device using a variable resistance element having a function of detecting the magnitude of an applied external force.
  A plate-like substrate;
  An elastic deformation body that is disposed at a position facing the substrate, and at least a part thereof is made of a material that causes elastic deformation, and has a structure that is displaced with respect to the substrate by elastic deformation based on the action of an external force;
  A variable resistance element that is disposed between the substrate and the elastic deformable body and has a property that the resistance value between two predetermined points changes according to the pressure applied by the displacement of the elastic deformable body;
  A pair of contact electrodes, and the pair of contact electrodes is normally electrically insulated, and when an external force of a predetermined magnitude or more acts on the elastic deformable body, A switching element that performs a switching function such that the contact electrodes are electrically conductive,
  A detection circuit for detecting a resistance value between two points of the variable resistance element as an electric signal;
  Provided,
  In order to shift the detection circuit to the detection mode that can perform the detection function that outputs the resistance value between two points as an electrical signal, and the detection function that cannot perform the detection function but consumes less power than the detection mode. The standby mode that can maintain the standby state is configured to be selectable, and the standby mode is selected when the electrical state between the pair of contact electrodes is an insulating state. , So that the detection mode is selected when in the conductive stateConfigure
  The variable resistance element includes four resistors disposed on the substrate and four contact conductors disposed at positions facing the four resistors of the elastic deformation body, respectively. When an XY coordinate system having the origin O at the center position is defined, the first resistor is disposed in the X-axis positive region, the second resistor is disposed in the X-axis negative region, and the third resistor The resistor is disposed in the Y-axis positive region and the fourth resistor is disposed in the Y-axis negative region, and the contact state of each contact conductor with respect to each opposing resistor is changed by the deformation of the elastic deformable body. To change,
  The contact conductor is made of a material that is elastically deformed, at least the contact surface with respect to the resistor has conductivity, and the area of the contact surface with respect to the resistor depends on the pressure applied by the displacement of the elastic deformable body. It has a shape that changes, and is configured so that the resistance value between two points across the `` contact position of the contact conductor '' on the resistor changes according to the change in the area of the contact surface,
  The switching element is constituted by a pair of contact electrodes formed on the substrate, and a mediating electrode capable of conducting between the pair of contact electrodes by simultaneously contacting both of the pair of contact electrodes,
  A pair of contact electrodes are arranged in all of the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, and the Y-axis negative region in the XY coordinate system, and each resistor is centered on the origin O. Is located outside the
  The intermediary electrode is formed at a position where the elastic deformation body is displaced, and is usually not in contact with either of the pair of contact electrodes or in contact with only one of the electrodes, and is elastic. When an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the deformable body, a pair of the elastic deformable body deforms in the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, or the Y-axis negative region. It is arranged to be in a state where it is in contact with both of the contact electrodes at the same time,
  In the detection mode, the detection circuit detects an X-axis direction component and a Y-axis direction component of an external force applied to the elastic deformable body based on a resistance value between two points of each resistor.
[0009]
  (2) According to a second aspect of the present invention, in the force detection device using the variable resistance element according to the first aspect described above,
  The contact conductor is made of conductive rubber.
[0010]
  (3) The third aspect of the present invention is:In the force detection device using a variable resistance element having a function of detecting the magnitude of the applied external force,
A plate-like substrate;
An elastic deformation body that is disposed at a position facing the substrate, and at least a part thereof is made of a material that causes elastic deformation, and has a structure that is displaced with respect to the substrate by elastic deformation based on the action of an external force;
A variable resistance element that is disposed between the substrate and the elastic deformable body and has a property that the resistance value between two predetermined points changes according to the pressure applied by the displacement of the elastic deformable body;
A pair of contact electrodes, and the pair of contact electrodes is normally electrically insulated, and when an external force of a predetermined magnitude or more acts on the elastic deformable body, A switching element that performs a switching function such that the contact electrodes are electrically conductive,
A detection circuit for detecting a resistance value between two points of the variable resistance element as an electric signal;
Provided,
In order to shift the detection circuit to the detection mode that can perform the detection function that outputs the resistance value between two points as an electrical signal, and the detection function that cannot perform the detection function but consumes less power than the detection mode. The standby mode that can maintain the standby state is configured to be selectable, and the standby mode is selected when the electrical state between the pair of contact electrodes is an insulating state. , Configured to select the detection mode when in the conductive state,
  The variable resistance element includes four lower resistors disposed on the substrate and four upper resistors disposed at positions respectively opposed to the four lower resistors of the elastic deformation body, and the upper surface of the substrate When the XY coordinate system having the origin O at the center position is defined, the first lower resistor is arranged in the X-axis positive region, and the second lower resistor is arranged in the X-axis negative region, The third lower resistor is disposed in the Y-axis positive region, and the fourth lower resistor is disposed in the Y-axis negative region, and the respective lower resistors opposed to each upper resistor by deformation of the elastic deformable body. So that the state of contact with the body changes,
The surface portion facing the other of at least one of the lower resistor and the upper resistor has an uneven structure that causes elastic deformation, and the lower resistor and the upper resistor are in accordance with the pressure applied by the action of an external force to be detected. The area of the contact surface is configured to change, and the resistance value between a predetermined point connected to the lower resistor side and a predetermined point connected to the upper resistor side changes according to the change of the area of the contact surface. Is configured as
The switching element is constituted by a pair of contact electrodes formed on the substrate, and a mediating electrode capable of conducting between the pair of contact electrodes by simultaneously contacting both of the pair of contact electrodes,
A pair of contact electrodes are arranged in all of the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, and the Y-axis negative region in the XY coordinate system, and each resistor is centered on the origin O. Is located outside the
The intermediary electrode is formed at a position where the elastic deformation body is displaced, and is usually not in contact with either of the pair of contact electrodes or in contact with only one of the electrodes, and is elastic. When an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the deformable body, a pair of the elastic deformable body deforms in the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, or the Y-axis negative region. It is arranged to be in a state where it is in contact with both of the contact electrodes at the same time,
In the detection mode, the detection circuit detects an X-axis direction component and a Y-axis direction component of an external force applied to the elastic deformable body based on a resistance value between two points of each resistor.
[0011]
  (4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force detection device using the variable resistance element according to the third aspect described above,
  The lower resistor and the upper resistor are made of pressure-sensitive conductive ink.
[0012]
  (5) The fifth aspect of the present invention is the above-mentioned1st-4th aspectIn the force detection device using the variable resistance element according to
  A pair of contact electrodes is constituted by an annular first electrode and an annular second electrode disposed adjacent to the outside of the first electrode,
  The mediating electrode is formed at a position where both the first electrode and the second electrode can be simultaneously contacted at any location.
[0013]
  (6) The sixth aspect of the present invention is the above-mentioned1st-4th aspectIn the force detection device using the variable resistance element according to
  A plurality of N electrodes belonging to the first group and a plurality of N electrodes belonging to the second group are arranged on the substrate, and the i-th (1 ≦ i ≦ N) electrode belonging to the first group And the i-th electrode belonging to the second group are adjacent to each other, and a pair of contact electrodes is formed by an electrode belonging to the first group and an electrode belonging to the second group arranged adjacent to each other. A pair of contact electrodes composed of a total of N pairs are formed.
[0014]
  (7) According to a seventh aspect of the present invention, in the force detection device using the variable resistance element according to the sixth aspect described above,
  Along the circumference defined on the substrate, the electrodes belonging to the first group and the electrodes belonging to the second group are alternately arranged,
  The mediating electrode is moved along the “circumference facing the above circumference” on the elastic deformable body side.To formIs.
[0015]
  (8) According to an eighth aspect of the present invention, in the force detection device using the variable resistance element according to the first to seventh aspects described above,
In the detection circuit, prepare a circuit that detects the resistance value between two points by applying a voltage between the two points of the resistor. Apply a voltage in the detection mode, and do not apply a voltage in the standby mode. Control is performed.
[0016]
  (9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force detection device using the variable resistance element according to the eighth aspect described above,
The conduction / insulation state of the pair of contact electrodes constituting the switching element is used as an ON / OFF switch, and voltage is applied between two points of the resistor.
[0017]
  (10) The tenth aspect of the present invention isIn the force detection device using the variable resistance element according to the first to ninth aspects described above,
An operation panel made of a rigid material is attached to the elastic deformation body, and the elastic deformation body is displaced based on an operation input applied to the operation panel.
[0018]
  (11) The eleventh aspect of the present invention isIn the force detection device using the variable resistance element according to the first to tenth aspects described above,
A film-like portion disposed so that the elastic deformation body is substantially parallel to the upper surface of the substrate, a side wall portion for fixing the periphery of the film-like portion to the upper surface of the substrate, and a predetermined lower surface of the film-like portion Columnar protrusions extending downward from a plurality of locations, and at least a part of the film-shaped portion and the columnar protrusions are formed of an elastic material.
[0019]
  (12) The twelfth aspect of the present invention isIn the force detection device using the variable resistance element according to the eleventh aspect described above,
The elastic deformable body is constituted by an integrally molded rubber.
[0020]
  (13) The thirteenth aspect of the present invention isIn the force detection device using the variable resistance element according to the first to twelfth aspects described above,
  A dome-like structure is further provided that is inserted between the substrate and the elastic deformable body and arranged so as to lie down near the center of the upper surface of the substrate.
[0021]
  (14) The fourteenth aspect of the present invention isIn the force detection device using the variable resistance element according to the thirteenth aspect,
  The dome-shaped structure has a property of causing shape reversal so that when the downward pressing force of a predetermined size or more is applied to the vicinity of the apex, the apex is elastically deformed and convex downward. , At least the part from the lower surface to the bottom peripheral surface constitutes the conductive contact surface,
  A first click electrode disposed at a position on the upper surface of the substrate that can contact the lower surface near the apex when the dome-shaped structure undergoes shape reversal;
  A second click electrode disposed at a position on the top surface of the substrate in contact with the bottom peripheral surface of the dome-shaped structure;
  Further provided,
  The detection circuit is configured to detect a click input by electrically detecting a conduction state between the first click electrode and the second click electrode.
[0026]
  (15) The fifteenth aspect of the present invention isAn electronic device input device for performing an operation input indicating an operation amount in a predetermined direction with respect to an electronic device that executes a predetermined process based on a predetermined program.1st to 14th aspectsA force detection device using the variable resistance element is incorporated so that an external force detected by the force detection device can be handled as an operation amount.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0028]
§1. Basic structure of force detection device using variable resistance element
The present invention provides a novel technique for efficiently suppressing power consumption in a force detection device using a variable resistance element. Therefore, here, the basic structure of the force detection device using the variable resistance element to which the present invention is applied will be described with an example. The example described here is a force detection device disclosed as a basic embodiment in Japanese Patent Application No. 2000-133201 mentioned above.
[0029]
FIG. 1 is a side sectional view showing the structure of a force detection device using this variable resistance element.
This force detection device has a function of independently detecting each component in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction of the external force acting in the XYZ three-dimensional coordinate system. As shown, the substrate 110, the elastic deformation body 120, and the fixing member 130. Here, for convenience of explanation, it is assumed that the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at substantially the center position of the upper surface of the substrate 110, and the upper surface of the substrate 110 is arranged along the XY plane. In the coordinate system shown in FIG. 1, an X axis is defined in the right direction of the figure, a Z axis is defined in the upward direction of the figure, and a Y axis is defined vertically downward in the drawing.
[0030]
As described above, the substrate 110 is a plate-shaped rigid body having an upper surface along the XY plane, and a glass epoxy substrate is used in this force detection device. Of course, the material of the substrate 110 is not particularly limited, and any substrate may be used as long as it has sufficient rigidity so as not to be deformed even when subjected to the action of a force described later. However, since it is necessary to form a plurality of resistors that are electrically independent from each other on the upper surface, it is necessary to provide insulation at least on the surface on which the resistor is formed. Therefore, in practice, it is preferable to use a glass epoxy substrate, a polyimide substrate, a glass substrate, or the like made of an insulating material. Of course, a metal plate can be used as the substrate 110, but in this case, it is necessary to form an insulating film at least on the resistor forming portion on the upper surface.
[0031]
FIG. 2 is a top view of the substrate 110, and a dashed-dotted rectangle indicates the position of the elastic deformable body 120 disposed thereon. The cross section of the substrate 110 shown in FIG. 1 is a cross section obtained by cutting the substrate 110 shown in FIG. 2 along the X axis. The upper surface of the substrate 110 is included in the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system, and the origin O is defined at the center thereof. As illustrated, six resistors R1 to R6 are formed on the upper surface of the substrate 110. In the case of this force detection device, these resistors R1 to R6 are all resistors made of flat carbon. The resistor used in the present invention may be any material as long as it has a resistance value suitable for the measurement described later, and any shape may be used. Practically, it is preferable to use a flat resistor that can be formed by printing on the upper surface of the substrate 110 using a material such as carbon.
[0032]
Here, the important point is the arrangement of these resistors R1 to R6. As illustrated, the first resistor R1 is disposed in the X-axis positive region on the upper surface of the substrate 110, the second resistor R2 is disposed in the X-axis negative region on the upper surface of the substrate 110, and the third resistor The resistor R3 is disposed in the Y-axis positive region on the upper surface of the substrate 110, and the fourth resistor R4 is disposed in the Y-axis negative region on the upper surface of the substrate 110. These four resistors R1 to R4 have a rectangular shape with the same size, and are arranged so as to be line-symmetric with respect to the X axis or the Y axis. Further, the origin O and the resistors R1 to R4 are arranged at the same distance. As will be described later, the first resistor R1 and the second resistor R2 are used to detect the X-axis direction component of the applied external force, and the third resistor R3 and the fourth resistor R4 This is used to detect the Y-axis direction component of the external force.
[0033]
On the other hand, the fifth resistor R5 and the sixth resistor R6 are square resistors having a square shape and the same size. Here, the fifth resistor R5 is arranged so that its center point is at the position of the origin O, whereas the sixth resistor R6 is arranged around the lower right of these resistor groups. Has been. As will be described later, the fifth resistor R5 and the sixth resistor R6 are used to detect the Z-axis direction component of the applied external force. However, the original detection value of the component in the Z-axis direction is obtained from the fifth resistor R5, and the sixth resistor R6 is only used as a reference for a standard resistance value. Therefore, here, the fifth resistor R5 is referred to as a “Z-axis resistor”, and the sixth resistor R6 is referred to as a “reference resistor”. In principle, the Z-axis resistor R5 may be arranged at any position on the upper surface of the substrate 110. However, in order to increase detection sensitivity, the Z-axis resistor R5 is arranged at the position of the origin O (position intersecting the Z axis). It is preferable to do this. This is because the displacement at the center portion (portion intersecting the Z-axis) becomes the largest due to the structure of the elastic deformation body 120 according to the force detection device. On the other hand, the reference resistor R6 is a resistor that is simply used to refer to the resistance value, and may therefore be arranged at an arbitrary position on the substrate 110.
[0034]
On the other hand, the elastic deformation body 120 is a member disposed on the upper surface of the substrate 110. A top view and a bottom view of the elastic deformation body 120 are shown in FIG. 3 and FIG. 4, respectively. A cross section of the elastic deformable body 120 shown in FIGS. 3 and 4 cut along the X axis is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the elastic deformation body 120 includes a disk-shaped action part 121 located on the inner side, a flexible part 122 around the action part 121, and an outer fixing part 123. A cylindrical operation rod 125 having the Z axis as the central axis is formed at the center of the upper surface of the action portion 121. As shown in the side sectional view of FIG. 1, a stepped structure is formed on the upper surface of the elastic deformable body 120 by the action portion 121, the flexible portion 122, and the fixing portion 123, and a cavity portion is formed on the lower surface. V is formed. The upper surface of the elastic deformation body 120 does not necessarily have such a step structure, but in the illustrated example, the step structure between the action part 121 and the flexible part 122 increases the thickness of the flexible part 122. Contributes to thinning. That is, the flexible portion 122 is made flexible by setting the thickness of the flexible portion 122 to be thinner than the thickness of the action portion 121. Further, the step structure between the flexible portion 122 and the fixing portion 123 is convenient for fixing the fixing portion 123 with the fixing member 130.
[0035]
Thus, the elastic deformation body 120 in this force detection device is provided with the three parts of the action part 121, the flexible part 122, and the fixing part 123. Here, the action part 121 may be basically arranged in any form as long as the action part 121 is disposed above the substrate 110 and has a structure that causes displacement by the action of an external force. Since it is necessary to attach a plurality of contact conductors to a predetermined position (a position facing each resistor) on the lower surface, it is preferable to have a disk shape having a lower surface suitable for the attachment of the contact conductors. . The action part 121 does not need to be a complete rigid body, but preferably has a certain degree of rigidity as compared with the flexible part 122. In this force detection device, the action part 121 is compared with the thickness of the flexible part 122. By increasing the thickness of 121, a certain degree of rigidity is provided.
[0036]
The fixing portion 123 is a portion for fixing the elastic deformation body 120 to the substrate 110. In the illustrated example, the lower surface of the fixing portion 123 is in direct contact with the upper surface of the substrate 110. The fixing member 130 is a member that functions to fix the fixing portion 123 to the substrate 110, and has a structure that surrounds the substrate 110 and the elastic deformable body 120 from the outer peripheral portion thereof, and includes an upper surface of the fixing portion 123 and a lower surface of the substrate 110. Keep the state of holding. Note that the fixing portion 123 is not necessarily fixed directly to the substrate 110, and may be indirectly fixed between the fixing portion 123 and the substrate 110 via some intermediate member.
[0037]
The flexible part 122 is a part formed between the action part 121 and the fixed part 123 and having flexibility. Since the flexible portion 122 is flexible, when an external force is applied to the action portion 121, the flexible portion 122 is bent and the action portion 121 is displaced with respect to the substrate 110. The external force is actually applied to the operating rod 125. For example, if this force detection device is used as a part of a joystick for a computer game, an external force applied by the operator operating the operation rod 125 is a flexible part from the operation rod 125 via the action unit 121. 122, the flexible portion 122 bends according to the external force, and the action portion 121 is displaced. The degree of flexibility of the flexible portion 122 is a parameter that determines the relationship between the magnitude of the force applied by the operator and the magnitude of displacement generated in the action portion 121. In the illustrated example, the outer shape of the cavity V is rectangular, but the outer shape of the cavity V may be circular. In this case, the flexible portion 122 has an annular shape (doughnut shape).
[0038]
In this force detection device, the entire elastic deformation body 120 is formed by integrally molding insulating silicon rubber, and the action portion 121, the flexible portion 122, the fixing portion 123, and the operating rod 125 are all insulative. It is composed of silicone rubber. Of course, since the elastic deformation body 120 in this force detection apparatus should just have the flexible part 122 at least, each part of the elastic deformation body 120 can also be comprised with a respectively different material. However, in order to reduce the manufacturing cost, it is preferable that the entire elastic deformable body 120 is constituted by an integrally molded product made of the same material such as insulating silicon rubber.
[0039]
A portion indicated by a broken line in the top view of FIG. 3 is a cavity V formed on the bottom surface of the elastic deformation body 120. As shown in the bottom view of FIG. 4, five contact conductors C1 to C5 are accommodated inside the cavity V. Each of the contact conductors C1 to C5 has a bowl shape (more precisely, the contact conductors C1 to C4 are hemispherical, and the contact conductor C5 is semielliptical) and elastically deforms. It is made of a conductive material. Here, conductive silicon rubber is used as the conductive material that is elastically deformed, and all of the contact conductors C1 to C5 are formed by molding conductive silicon rubber into a bowl shape and bonded to the lower surface of the elastic deformable body 120. It is a thing. Here, the arrangement of the contact conductors C1 to C5 is important. That is, the contact conductors C1 to C5 are disposed at positions facing the resistors R1 to R5, respectively. Each of the contact conductors C1 to C5 is made of an elastically deformable material, and at least the contact surfaces with respect to the resistors R1 to R5 have conductivity, and the pressure applied by the displacement of the elastic deformable body 120 is applied. Accordingly, it is necessary to have a shape in which the area of the contact surface with respect to the resistors R1 to R5 changes. The side sectional view of FIG. 1 clearly shows that the contact conductors C1, C2, and C5 are disposed at positions facing the resistors R1, R2, and R5, respectively. In this force detection device, in a state where no external force is applied, the contact conductors C1 to C5 are in a state in which they substantially come into point contact with the upper surfaces of the resistors R1 to R5 at their lower end points. The distance is set. Note that no contact conductor is provided at a position facing the reference resistor R6. This is because the reference resistor R6 is a resistor used to refer to the resistance value as described above.
[0040]
As described above, when an external force is applied to the operating rod 125, the flexible portion 122 is bent, and the lower surface of the operating portion 121 is displaced with respect to the upper surface of the substrate 110. When such a displacement occurs, the contact state of each contact conductor with respect to each resistor changes. More specifically, the area of the contact surface of each contact conductor with respect to each resistor changes. The basic principle of the force detection device according to the present invention is to detect the area of such a contact surface as a change in the resistance value of the resistor and to determine the magnitude of the applied external force. In the following, the basic principle of detecting each coordinate axis direction component of the applied external force will be described.
[0041]
§2. Operating principle of force detector using variable resistance element
As shown in the side sectional view of FIG. 5A, one resistor R is formed on the upper surface of the substrate 110, and a hemispherical contact conductor C is formed on the lower surface of the action portion 121. Let's assume that it is. At this time, it is assumed that the contact conductor C is substantially in point contact with the center of the resistor R at the lower end point thereof. FIG. 5B is a top view of the resistor R at this time, and the black circle S shown at the center position indicates the contact surface of the contact conductor C. FIG. Thus, in a state where the lower end point of the contact conductor C is substantially in point contact with the surface of the resistor R, the contact surface S is a minute circle close to a point.
[0042]
Now, as shown in FIG. 5 (b), wires are drawn out from the left and right ends of the resistor R, terminals T1 and T2 are connected to the ends of these wires, and the resistance between these terminals T1 and T2 is connected. Suppose you try to measure the value. In other words, the resistance value between two points on the resistor R sandwiching the “contact position (contact surface S) of the contact conductor C” is measured. In this case, since the contact surface S is a small circle close to a point, the contact conductor C hardly affects the measured resistance value, and the resistance value obtained by the measurement is the resistance value of the resistor R. This is a value close to the original resistance value. FIG. 5 (c) is an equivalent circuit of such a measurement system. The arrow extending downward from the contact conductor C is only in contact with the center point of the resistor R, and the original resistance value of the resistor R only appears between the terminals T1 and T2. .
[0043]
On the other hand, as shown in the side sectional view of FIG. 6A, a downward force -Fz (a force in the -Z-axis direction) is applied to the action part 121. Think about it. In this case, the lower surface of the action part 121 is displaced downward, and a pressing force in the −Z-axis direction is applied to the contact conductor C. Since the contact conductor C is made of an elastically deformable conductive material (in this example, conductive silicon rubber), the contact conductor C is crushed as shown in FIG. The contact state changes. The shape of the contact conductor C is such that the area of the contact surface changes based on such a change in the contact state (in this example, a hemispherical shape). When C is crushed in the vertical direction, the area of the contact surface increases. FIG. 6B is a top view of the resistor R at this time, and a circle S indicates a contact surface of the contact conductor C. FIG. The concentric circles drawn inside the circle S are isobars indicating the pressure distribution applied to the surface of the resistor R. That is, the contact pressure increases toward the center of the circle S.
[0044]
Thus, when the contact surface of the contact conductor C becomes large, the resistance value between the terminals T1 and T2 changes. That is, since the contact conductor C is a conductor and has a property that allows a current to flow much more easily than the resistor R, the current flowing between the terminals T1 and T2 is at the portion of the contact surface indicated by the circle S. Would bypass the contact conductor C without passing through the resistor R. FIG. 6C shows an equivalent circuit of such a measurement system. Two arrows extending downward from the contact conductor C are in contact with two locations of the resistor R, and the current is diverted to the contact conductor C side at these two locations. The interval between the two arrows increases according to the size of the contact surface of the contact conductor C. Eventually, as the area of the contact surface of the contact conductor C with respect to the resistor R increases, the resistance value between the terminals T1 and T2 decreases.
[0045]
In this way, as the external force -Fz applied to the action part 121 increases, the area of the contact surface of the contact conductor C increases and the resistance value between the terminals T1 and T2 decreases. A linear relationship does not necessarily hold between the applied external force and the resistance value between both terminals, but if a monovalent functional relationship holds between both terminals and the resistance value between both terminals can be measured, The magnitude of the applied external force can be obtained. This is the basic principle of force detection in a force detection device using a variable resistance element.
[0046]
Subsequently, the reason why each component of the applied external force in the X axis, Y axis, and Z axis can be detected by the force detection apparatus described in §1. First, consider a case where an external force F in the diagonally lower right direction acts on the operating rod 125 in the force detection device shown in FIG. When this force detection device is used as a joystick, such an external force F acts when the operator performs an operation of tilting the operating rod 125 diagonally to the right. The side sectional view of FIG. 7 shows a displacement state of the action part 121 when such an external force F acts. When the external force F is applied, the flexible portion 122 having flexibility is bent. However, since the external force F is a force in the diagonally lower right direction, as shown in the drawing, the disk-shaped action portion 121 is formed. Is displaced to tilt to the lower right. When the external force F is broken down into force components in each coordinate axis direction, it can be divided into a downward force -Fz (-Z-axis direction force) and a rightward force + Fx (+ X-axis direction force) in the figure. it can. Here, the principle of detecting the component + Fx in the + X-axis direction among these components will be described.
[0047]
When the external force F is regarded as a force acting on the origin O of the coordinate system, the force component + Fx in the + X-axis direction is actually a moment around the Y-axis, but the operator gives it to the operation rod 125. When viewed as a force, the force component + Fx in the + X-axis direction is a force directed to the + X-axis direction to the last. As described above, the force and the moment indicate substantially the same physical quantity, and in the present specification, a unified description will be given below in terms of the force.
[0048]
Now, when an external force F including a component + Fx in the + X-axis direction is applied, as shown in FIG. 7, the disk-shaped action part 121 is displaced so as to incline in the lower right direction. Therefore, when the degree of crushing for the contact conductors C1 and C2 arranged on the X-axis is compared, the degree of crushing for C1 is larger than that for C2. For this reason, the contact area of C1 with respect to R1 is larger than the contact area of C2 with respect to R2. Therefore, for example, if the resistance values at both ends of the resistors R1 and R2 in FIG. 7 are measured, the resistance value for the resistor R1 is smaller than the resistance value for the resistor R2. The greater the difference between the two resistance values, the greater the X-axis direction component of the applied external force.
[0049]
Contrary to the above-described example, when the operator performs an operation of tilting the operation rod 125 obliquely to the lower left, a downward force in the figure -Fz (a force in the Z-axis direction) and a force in the left direction in the figure- An external force F obtained by combining Fx (a force in the −X-axis direction) acts, and the disk-like action portion 121 is displaced to incline in the lower left direction. For this reason, the contact area of C2 with respect to R2 is larger than the contact area of C1 with respect to R1. As a result, the resistance value for the resistor R2 is smaller than the resistance value for the resistor R1. Eventually, the resistance value between the two points across the “contact position of the first contact conductor C1” for the first resistor R1 disposed in the X-axis positive region and the first resistor R1 disposed in the X-axis negative region. It is possible to detect the X-axis direction component of the applied external force by comparing the resistance value between two points across the “contact position of the second contact conductor C2” for the second resistor R2. become. That is, the direction of force (in the + X-axis direction or the −X-axis direction) can be recognized from the magnitude relationship between the two resistance values, and the magnitude of the force can be recognized from the difference between the two resistance values.
[0050]
The detection principle of the Y-axis direction component of the applied external force is exactly the same as the above-described detection principle of the X-axis direction component. On the substrate 110, as shown in FIG. 2, six resistors R1 to R6 are arranged. For detection of the X-axis direction component, as described above, the first resistor R1 disposed in the X-axis positive region, the second resistor R2 disposed in the X-axis negative region, and positions facing them. The first contact conductor C1 and the second contact conductor C2 arranged in the above are used. On the other hand, for detection of the Y-axis direction component, the third resistor R3 arranged in the Y-axis positive region, the fourth resistor R4 arranged in the Y-axis negative region, and the positions facing these The third contact conductor C3 and the fourth contact conductor C4 may be used.
[0051]
On the other hand, the detection principle of the Z-axis direction component of the applied external force is slightly different from the above-described detection principle of the X-axis direction component and the Y-axis direction component. In order to detect the X-axis direction and the Y-axis direction, it is necessary to compare the resistance values of the pair of resistors arranged on both sides of the origin O, whereas the detection in the Z-axis direction is It is possible to perform the measurement only by measuring the resistance value of a single resistor. Further, the arrangement of the resistors used for detection in the Z-axis direction is not limited to a specific position, and the Z-axis direction component of the force applied by the resistors arranged at arbitrary positions on the upper surface of the substrate 110. Can be detected. For example, in FIG. 7, the principle of detecting the X-axis direction component + Fx of the external force F has been described. However, the external force F also includes the Z-axis direction component -Fz, and the contact conductor C1 is moved vertically. The crushing force is nothing but the action of the Z-axis direction component -Fz. In other words, the direct reason why the resistance value of the resistor C1 has decreased is that the Z-axis direction component -Fz has acted. The amount of decrease in the resistance value of the resistor C1 is the primary reason. Indicates the magnitude of the force of the Z-axis direction component acting on the resistor C1. The reason why the X-axis direction component + Fx can be detected by the above-described principle is that the force in the Z-axis direction applied to the contact conductors C1 and C2 arranged on the left and right in the figure is unbalanced on the left and right. This is because it was used.
[0052]
Accordingly, it is also possible to detect a force component in the Z-axis direction based on the resistance value of the resistor R1. Similarly, the force component in the Z-axis direction can be detected using any of the resistors R2, R3, and R4. However, in practice, it is preferable to arrange a dedicated resistor for detecting a force component in the Z-axis direction at a position where the most efficient detection can be performed. Therefore, in this force detection device, as shown in the top view of FIG. 2, the fifth resistor R5 disposed on the origin O is used as the Z-axis resistor, and the Z resistor is disposed above the fifth resistor R5. The shaft contact conductor C5 is arranged. That is, both the Z-axis resistor R5 and the Z-axis contact conductor C5 are disposed on the Z-axis. In FIG. 1, when a force −Fz in the −Z-axis direction is applied to the operating rod 125, the Z-axis contact conductor C <b> 5 arranged to make point contact with the Z-axis resistor R <b> 5 is crushed, A change occurs in the contact state. That is, as shown in FIG. 6A, the contact area increases. Here, if the resistance value between two points sandwiching the “contact position of the Z-axis contact conductor C5” on the Z-axis resistor R5 is measured, the measured resistance value becomes the Z-axis contact conductivity. Since the relationship decreases as the contact area of the body C5 increases, the applied -Z-axis direction force -Fz can be obtained based on the measured resistance value.
[0053]
When this force detection device is used for a joystick or the like, the force in the Z-axis direction generated by an operation applied by the operator to the operation rod 125 is usually a −Z-axis direction force −Fz (downward in FIG. 1). Therefore, there is no need to measure + Z-axis direction force + Fz (upward force in FIG. 1). However, when this force detector is used in an environment in which a force that pulls up the operating rod 125 is applied, it is necessary to have a configuration that can measure the force + Fz in the + Z-axis direction. Actually, with the configuration shown in FIG. 1, the force + Fz in the + Z-axis direction cannot be measured. As already described in §1, in the force detection device shown in FIG. 1, in the state where no external force is applied, each of the contact conductors C1 to C5 is almost on the upper surface of each of the resistors R1 to R5 at its lower end point. The distance between the two is set so as to be in a point contact state. In such a configuration, when a force that pulls the operating rod 125 upward is applied, the contact conductors C1 to C5 are lifted from the upper surfaces of the resistors R1 to R5 and are in a non-contact state. Therefore, even if the force + Fz in the + Z-axis direction is applied, no change occurs in the resistance values of the resistors R1 to R5.
[0054]
In order to achieve a configuration that can detect even when a force + Fz in the + Z-axis direction is applied, the contact conductors C1 to C5 are pressed to some extent even in the state where no external force is applied. What is necessary is just to make it be in the state which is in surface contact with the upper surface of each resistor R1-R5 with pressure. With such a configuration, when the force + Fz in the + Z-axis direction acts, the contact area with respect to the resistor decreases, and the force acting in the form of an increase in the resistance value of the resistor is detected. Will be able to.
[0055]
Thus, although the detection of the Z-axis direction component can be performed using only the single Z-axis resistor R5, in practice, it is preferable to perform the detection using the reference resistor R6. . The reason is that a general resistor has a property that its own resistance value varies depending on various environmental factors. For example, if the chemical composition changes due to secular change, the resistance value changes. In practice, the environmental factor that has the greatest impact is temperature. The resistance value of a general resistor changes depending on temperature. Therefore, if the Z-axis direction component of the applied force is detected based only on the resistance value for the Z-axis resistor R5, the detected value is likely to be affected by the temperature, and an accurate detection result is obtained. You can't get it. In the case of the X-axis direction component and the Y-axis direction component described above, detection based on the difference between the resistance values of the pair of resistors is performed, and thus the influence of temperature is offset. Therefore, when detecting the Z-axis direction component, if the detection is performed with reference to the resistance value of the reference resistor R6, the influence of temperature can be offset.
[0056]
In the case of the example shown in FIG. 2, the Z-axis resistor R5 and the reference resistor R6 are resistors having geometrically congruent shapes, and changes in resistance values due to environments such as temperature are equivalent. Become. The only difference between the two is whether or not the resistance value changes due to the action of an external force. That is, the Z-axis resistor R5 is a resistor whose resistance value between two predetermined points (two points sandwiching the contact position of the Z-axis contact conductor C5) is changed by the action of an external force. In the reference resistor R6, the resistance value between two predetermined points is constant without being influenced by the external force (this means that the resistance value does not change with respect to the influence of the external force, Of course, the resistance value changes.) Therefore, if the difference between the two resistance values is detected, only the factor based on the action of the external force is included in this difference, and environmental factors such as temperature can be excluded.
[0057]
As described above, the principle of detecting each direction component of the X axis, the Y axis, and the Z axis of the external force F acting on the operation rod 125 has been described with respect to the force detection device shown in FIG. As described above, the force detection device shown in FIG. 1 is a three-dimensional force detection device that can detect the force of each three-dimensional coordinate axis direction component. In this three-dimensional force detection device, each of the resistors R1 to R6 shown in FIG. 2 and each of the contact conductors C1 to C5 shown in FIG. 4 share the force detection of a specific coordinate axis direction component. That is, the resistors R1, R2 and the contact conductors C1, C2 are responsible for detecting the X-axis direction component, and the resistors R3, R4 and the contact conductors C3, C4 are responsible for detecting the Y-axis direction component, The resistor R5, the reference resistor R6, and the Z-axis contact conductor C5 are responsible for detecting the Z-axis direction component.
[0058]
Therefore, if the two-dimensional force detection device that can detect the force of each two-dimensional coordinate axis direction component or the one-dimensional force detection device that can detect the force of the one-dimensional coordinate axis direction component, Of the resistors and contact conductors described above, only those necessary for detection may be used. For example, it is sufficient to use the resistors R1 and R2 and the contact conductors C1 and C2 to realize a one-dimensional force detection device that detects the force in the X-axis direction component. In order to realize a two-dimensional force detection device that detects the X-axis direction component and the Y-axis direction component, resistors R1, R2, R3, and R4 and contact conductors C1, C2, C3, and C4 are prepared. In order to realize a two-dimensional force detection device that detects the X-axis direction component and the Z-axis direction component, the resistors R1, R2, R5, R6 and the contact conductors C1, C2, C5 It is enough to prepare.
[0059]
§3. Detection circuit for use as a force detection device
Up to now, the basic configuration and operation principle of the force detection device using variable resistance elements have been described. In order to take out the external force actually applied by such a force detection device as an electric signal, a predetermined detection circuit is required. Here, an example suitable for practical use of such a detection circuit will be described. FIGS. 8A, 8B and 8C are circuit diagrams showing examples of such detection circuits.
[0060]
First, the circuit shown in FIG. 8A is a detection circuit that outputs a detection value of a force X-axis direction component to the output terminal Tx using the resistors R1 and R2. In this detection circuit, the X-axis detection resistor is formed by connecting the first resistor R1 and the second resistor R2 in series at the X-axis detection connection point Jx. As both end points of the first resistor R1 or the second resistor R2, as shown in FIG. 5 (b), the center point on both the left and right short sides of the rectangular resistor is taken. The current flows in the left-right direction in the figure. Of course, as the two end points of each resistor R, any end point may be used as long as it is two points sandwiching the contact position of the contact conductor C. For example, in FIG. The center point on both the upper and lower long sides of the resistor may be taken so that the current flows in the vertical direction in the figure.
[0061]
In the circuit of FIG. 8 (a), the X-axis detection resistor constituted by the serial connection of the first resistor R1 and the second resistor R2 has an upper end connected to the power source Vcc and a lower end grounded. In other words, a constant power supply voltage Vcc is applied to both ends. Here, the voltage output to the output terminal Tx is the voltage at the X-axis detection connection point Jx, and the power supply voltage Vcc is set to the resistance value for the first resistor R1 and the resistance for the second resistor R2. It corresponds to the value prorated by the value. As described in §2, when a force + Fx in the + X-axis direction is applied, the resistance value of the first resistor R1 is reduced compared to the resistance value of the second resistor R2. Therefore, the voltage output to the output terminal Tx increases. On the other hand, when a force -Fx in the -X-axis direction is applied, the voltage output to the output terminal Tx drops. After all, when this voltage value rises on the basis of the voltage value (theoretically Vcc / 2) output to the output terminal Tx in the state where no external force is acting, When the + X-axis direction force + Fx having a corresponding magnitude is applied, and this voltage value decreases, the −X-axis direction force −Fx having a magnitude corresponding to the descending width is obtained. It has acted. As described above, if the detection circuit of FIG. 8A is used, the X-axis direction component of the applied external force can be detected based on the output voltage of the output terminal Tx.
[0062]
Next, the circuit shown in FIG. 8B is a detection circuit that outputs the detection value of the Y-axis direction component of the force to the output terminal Ty using the resistors R3 and R4. In this detection circuit, the Y-axis detection resistor is formed by connecting the third resistor R3 and the fourth resistor R4 in series at the Y-axis detection connection point Jy. As the two end points of the first resistor R1 or the second resistor R2, any end point may be used as long as it is two points sandwiching the contact position of the contact conductor C. Also in the circuit of FIG. 8 (b), the Y-axis detection resistor constituted by the serial connection of the third resistor R3 and the fourth resistor R4 has an upper end connected to the power supply Vcc and a lower end at the lower end. It is grounded and a constant power supply voltage Vcc is applied to both ends. Based on the output voltage of the output terminal Ty in this detection circuit, the principle that enables detection of the Y-axis direction component of the applied external force is the same as the detection principle of the X-axis direction component by the detection circuit of FIG. is there.
[0063]
On the other hand, the circuit shown in FIG. 8 (c) is a detection circuit that outputs the detection value of the force Z-axis direction component to the output terminal Tz using the resistors R5 and R6. In this detection circuit, a Z-axis detection resistor is formed by connecting a Z-axis resistor R5 and a reference resistor R6 in series at a Z-axis detection connection point Jz. The two end points of the Z-axis resistor R5 may be any end points as long as they are two points that sandwich the contact position of the Z-axis contact conductor C5. Moreover, what is necessary is just to take the position equivalent to the both ends of Z-axis resistor R5 as the both ends of reference resistor R6.
[0064]
Also in the circuit of FIG. 8 (c), the Z-axis detection resistor constructed by connecting the Z-axis resistor R5 and the reference resistor R6 in series is connected to the power source Vcc at the upper end and grounded at the lower end. Thus, a constant power supply voltage Vcc is applied to both ends. Here, the voltage output to the output terminal Tz is the voltage at the connection point Jz for Z-axis detection, and the power supply voltage Vcc is set to a resistance value for the Z-axis resistor R5 and a resistance value for the reference resistor R6. Corresponds to the value prorated by. As described in §2, the resistance value of the Z-axis resistor R5 increases or decreases due to the action of a force in the Z-axis direction. On the other hand, the resistance value of the reference resistor R6 is constant irrespective of the action of force (of course, it changes due to the influence of temperature, etc., but this change is the same for the Z-axis resistor R5 as well). And offset). For example, when a force −Fz in the −Z-axis direction is applied, the contact area of the Z-axis contact conductor C5 increases, and the resistance value of the Z-axis resistor R5 decreases. As a result, the output voltage at the output terminal Tz increases. Further, if a force detector having a configuration capable of detecting the force + Fz in the + Z-axis direction is used, when the force + Fz in the + Z-axis direction is applied, the contact area of the Z-axis contact conductor C5 is reduced. The resistance value of the Z-axis resistor R5 increases. As a result, the output voltage at the output terminal Tz drops. As described above, when the detection circuit of FIG. 8C is used, the Z-axis direction component of the applied external force can be detected based on the output voltage of the output terminal Tz.
[0065]
Thus, if the detection circuit shown in FIGS. 8 (a), (b), and (c) is added to the three-dimensional force detection device described in §1, X of the external force F acting in the XYZ three-dimensional coordinate system is obtained. A three-dimensional force sensor having a function of independently detecting each direction component of the axis, the Y axis, and the Z axis can be configured. Of course, when configuring a one-dimensional force sensor or a two-dimensional force sensor, it is only necessary to use a detection circuit necessary for the detection component from the three detection circuits shown in FIG.
[0066]
In any case, in the force detection device using the variable resistance element described above, it is essential to measure the electric resistance of the resistor in order to obtain a detection value of the applied force. However, in order to measure the electrical resistance of the resistor, it is necessary to pass a current through the resistor as shown in the detection circuit of FIG. 8, and a certain amount of power consumption is unavoidable during measurement. Actually, in order to detect a three-dimensional force using the circuit shown in FIG. 8, it is necessary to pass a current through all of the six resistors R1 to R6. For this reason, as described above, when the above-described force detection device using the variable resistance element is incorporated into various electronic devices, there is a problem that the power consumption increases as a whole. This is a major disadvantage especially when used in electronic devices such as mobile phones and game play devices that operate with a built-in battery.
[0067]
An object of the present invention is to efficiently suppress power consumption of a force detection device using the above-described variable resistance element. The basic principle is that only when the electrical resistance of a resistor needs to be measured, a current is passed through the resistor to perform the measurement. For example, the side sectional view of FIG. 1 shows a state where no external force is applied to the force detection device. In such a state, there is no external force to be detected, so there is no need to actually perform an operation for detection. Therefore, when the force detection device is in the state as shown in FIG. 1, the power consumption may be suppressed by not supplying the power supply voltage Vcc in the detection circuit shown in FIG. On the other hand, the side sectional view of FIG. 7 shows a state when an external force to be detected acts on the force detection device. In such a state, since it is necessary to actually perform an operation for detection, if the power supply voltage Vcc is supplied and the resistance value can be measured in the detection circuit shown in FIG. Good.
[0068]
Actually, the detection circuit can perform a detection function that outputs a resistance value between two predetermined points of the resistor as an electrical signal, and such a detection function cannot be performed. 1 is configured so that the standby mode for maintaining the standby state for shifting to the detection mode can be selected with less power consumption, and the external force to be detected as shown in FIG. When no is applied, the standby mode is selected, and when the external force to be detected is applied as shown in FIG. 7, the detection mode may be selected. In the present invention, a switching element is added in order to perform such mode switching. This switching element has a pair of contact electrodes. Normally, when the pair of contact electrodes are electrically insulated from each other and an external force of a predetermined magnitude or more acts on the elastic deformation body 120. The elastic deformation body 120 is a component that performs a switching function so that the pair of contact electrodes are electrically connected to each other by deformation of the elastic deformation body 120 (detailed configuration will be described in section 4 and later).
Then, using this switching element, the standby mode is selected when the electrical state between the pair of contact electrodes constituting the switching element is an insulation state, and detection is performed when the electrical state is a conduction state. What is necessary is just to comprise so that a mode may be selected.
[0069]
§4. Basic embodiment of a force detection device according to the present invention
FIG. 9 is a side cross-sectional view showing a basic embodiment of a force detection device using a variable resistance element according to the present invention. The embodiment shown in FIG. 9 can be realized by slightly modifying the force detection device shown in FIG.
[0070]
First, the first modification is that the elastic deformation body 120A is used in the apparatus shown in FIG. 9 instead of the elastic deformation body 120 in FIG. The elastic deformation body 120A is a member disposed on the upper surface of the substrate 110, and includes a disk-shaped action portion 121 located on the inner side, a flexible portion 122 around the action portion 121, an outer fixing portion 123A, and a columnar operation. A member formed by the flange 125, and a member that performs the same function as the elastic deformation body 120 of FIG. The material is also formed by integral molding of insulating silicon rubber, similar to the elastic deformable body 120. However, the portion of the fixing portion 123A that functions as a pedestal is slightly higher than the fixing portion 123 shown in FIG. For this reason, the shape of the fixing member 130A is also slightly different from the fixing member 130 shown in FIG.
[0071]
As described above, the height of the fixing portion 123A that functions as a pedestal is increased by making the cavity portion VV higher so that the contact conductors C1 to C1 in a normal state (a state in which no external force is applied) are obtained. This is because C5 and the resistors RR1 to RR5 are in a non-contact state. That is, in the force detection device shown in FIG. 1, the lower ends of the contact conductors C1 to C5 are in point contact with the resistors R1 to R5 even when no external force is applied. In the force detection device shown in FIG. 1, gaps are formed between the contact conductors C1 to C5 and the resistors RR1 to RR5, and are in a non-contact state.
[0072]
The second modification is that the resistors RR1 to RR6 are used in the device of FIG. 9 instead of the resistors R1 to R6 (see the top view of the substrate 110 shown in FIG. 2) in the device of FIG. It is a point. The structures of the resistors RR1 to RR6 are clearly shown in FIG. FIG. 10 is a top view of the substrate 110 of the apparatus shown in FIG. 9, and the dashed-dotted rectangle indicates the position of the elastic deformation body 120 </ b> A disposed thereon. The cross section of the substrate 110 shown in FIG. 9 is a cross section obtained by cutting the substrate 110 shown in FIG. 10 along the X axis. Again, an XY plane is defined on the upper surface of the substrate 110, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined. The resistor RR6 shown in FIG. 10 is the same component as the resistor R6 shown in FIG. 2, and the arrangement position on the substrate 110 is also exactly the same (here, different symbols are used for convenience of explanation). ). On the other hand, the resistors RR1 to RR5 shown in FIG. 10 are components similar to the resistors R1 to R5 shown in FIG. Specifically, the outer outlines of the resistors RR1 to RR5 shown in FIG. 10 are exactly the same rectangle as the outer outlines of the resistors R1 to R5 shown in FIG. 2, and the overall shape is also flat. The arrangement position on the substrate 110 is exactly the same. However, a circular gap region is formed in the center of each of the resistors RR1 to RR5, and a pair of semicircular contact electrodes are arranged in the circular gap region.
[0073]
FIG. 11 (a) is an enlarged top view for more clearly showing the structure of the resistors RR1 to RR5 (hatching is for showing a portion where a plate-like structure exists, and shows a cross section) Not for). The resistor RR shown in FIG. 11 (a) represents one resistor representing the resistors RR1 to RR4. The resistor RR5 has a square outer shape, but the basic structure is the same as that of the resistor RR shown in FIG. As shown in the figure, the resistor RR is a rectangular flat plate resistor having a circular gap region at the center. In this embodiment, the resistor RR is formed on the substrate 110 by a printing method using carbon as a material. A pair of semicircular contact electrodes S1 and S2 are arranged in a circular void region formed in the center of the resistor RR. The pair of contact electrodes S1 and S2 are flat electrodes having the same height as the resistor RR. In this embodiment, the contact electrodes S1 and S2 are formed on the substrate 110 by a printing method using a metal such as copper. ing.
[0074]
Although the same hatching is given in FIG. 11 (a), the resistor RR is a component made of a material having electric resistance (in this example, carbon), whereas a pair of contact electrodes S1, S2 is a component made of a conductive material (copper in this example), which is disposed at a physically separated position, and is electrically isolated from each other. In FIG. 10, the wiring pattern is not shown, but actually, the resistor RR and the contact electrodes S1 and S2 are respectively wired. Terminals T1 to T4 shown in FIG. 11 (a) are terminals electrically connected to each part by this wiring. As described above, the electrical resistance of the resistor RR is measured as the electrical resistance between the terminals T1 and T2. Note that the wiring shown in FIG. 11A does not represent an actual wiring path. The actual wiring path is formed using the lower surface of the substrate 110 via the upper surface of the substrate 110 or through holes formed in the substrate 110 as necessary. For example, since the contact electrodes S1 and S2 are completely surrounded by the resistor RR, the wiring path between the terminals T3 and T4 uses a through hole formed in the substrate 110. Need to be formed.
[0075]
FIG. 11B is a side sectional view in the vicinity of the resistor RR formed on the substrate 110 (illustration of wiring is omitted). The side cross section of the resistor RR shown in FIG. 11 (b) corresponds to a cross section obtained by cutting the resistor RR shown in FIG. 11 (a) along a line connecting the terminals T1 and T2. As described above, in the force detection device shown in FIG. 9, the height of the fixing portion 123 </ b> A that functions as a pedestal is increased, so that in a normal state where no external force is acting, the contact portion formed on the lower surface of the action portion 121. As shown in FIG. 11B, the conductor C is maintained in a physically non-contact state with respect to the resistor RR and the contact electrodes S1 and S2. However, when an external force including a force component -Fz in the negative Z-axis direction (for example, the force F in the oblique direction shown in FIG. 7) is applied, the action portion 121 is displaced downward as shown in the side sectional view of FIG. Then, the lower end of the contact conductor C comes into contact with the contact electrodes S1 and S2. When the magnitude of the external force is further increased, as shown in FIG. 13, the contact conductor C composed of the elastically deformable material is deformed by the pressure applied by the downward displacement of the action portion 121, and the resistor RR is formed. It also comes into contact.
[0076]
As described above, the area of the contact surface of the contact conductor C with respect to the resistor RR changes according to the pressure applied by the displacement of the action part 121, that is, the magnitude of the applied external force. Since the resistor RR has a circular void region at the center, when the applied external force is gradually increased, the area change of the contact surface of the contact conductor C is changed by the apparatus shown in FIG. The change in area of the rectangular resistor used is slightly different. However, the basic property is that the contact surface of the contact conductor C increases as the external force increases, and the resistance value between the two points of the resistor RR depends on the magnitude of the external force. It becomes a fixed amount. Therefore, the force detection device shown in FIG. 9 can fulfill the function of performing XYZ three-dimensional force detection based on the same principle as that of the force detection device shown in FIG. In addition, the force detection device shown in FIG. 9 is provided with a pair of contact electrodes S1 and S2 that can be used as switching elements. By detecting the conduction state of the contact electrodes S1 and S2, a detection circuit is provided. It is possible to perform switching processing between the two modes, that is, the detection mode and the standby mode.
[0077]
Consider a case where the ON / OFF switch SW is configured by the contact electrodes S1 and S2. In this case, an equivalent circuit of the resistor RR and the pair of contact electrodes S1, S2 shown in FIG. 11A is as shown in FIG. The terminals T1 to T4 in each circuit diagram of FIG. 14 correspond to the terminals T1 to T4 shown in FIG. 11A, and the switch SW is turned off when the contact electrodes S1 and S2 are not in contact with each other. It is a switch that turns on when touched. 14A, the contact conductor C is not in contact with either the resistor RR or the contact electrodes S1 and S2, as shown in the side sectional view of FIG. 11B. FIG. 14B is an equivalent circuit in a state where the contact conductor C is in contact with the contact electrodes S1 and S2, as shown in the side sectional view of FIG. FIG. 14C is an equivalent circuit in a state in which the contact conductor C is in contact with both the resistor RR and the contact electrodes S1 and S2, as shown in the side sectional view of FIG.
[0078]
The switch SW is turned on when the contact conductor C comes into contact with the contact electrodes S1 and S2, so that the switch SW is in the OFF state in the equivalent circuit of FIG. 14 (a), but FIGS. 14 (b) and 14 (c). In the equivalent circuit of FIG. In the equivalent circuits of FIGS. 14A and 14B, the contact conductor C is not in contact with the resistor RR, so that the resistance value between the terminals T1 and T2 does not change. In the equivalent circuit of FIG. 14C, since the contact conductor C is in contact with the resistor RR, the resistance value between the terminals T1 and T2 depends on the contact area (that is, the magnitude of the applied external force). Will change). As a result, in the configuration shown in FIG. 11 (b), the contact conductor C functions as a conductor that changes the resistance value of the resistor RR and simultaneously contacts both the pair of contact electrodes S1 and S2. By doing so, it also functions as a mediating electrode that can conduct them. If attention is paid to the function of the contact conductor C as an intermediary electrode, switching is performed by a pair of contact electrodes S1 and S2 formed on the substrate 110 and the contact conductor C functioning as an intermediary electrode. The element is composed. This switching element is normally (in a state where an external force to be detected is not acting), and the pair of contact electrodes S1, S2 is electrically insulated, and the elastic deformable body 120 has a predetermined size or more. When the external force is applied, it can be said that the elastic deformation body 120 is deformed so as to achieve a switching function such that the pair of contact electrodes S1 and S2 are brought into an electrically conductive state.
[0079]
By using the pair of contact electrodes S1 and S2 constituting such a switching element as an ON / OFF switch and controlling the voltage application between the two points of the resistor RR, the power consumption is efficiently reduced. It becomes possible to suppress. That is, a switch SW that is turned on / off by the conduction / insulation state of the pair of contact electrodes S1 and S2 is configured. When the switch SW is turned off, the detection circuit is set in a standby mode and a voltage is applied between two points of the resistor RR. When no switch is applied and the switch SW is ON, control is performed such that a voltage is applied between two points of the resistor RR with the detection circuit in the detection mode. If such control is performed, in the equivalent circuit of FIG. 14 (a), since the switch SW is in the OFF state, the detection circuit enters the standby mode, and no voltage is applied between the terminals T1 and T2. Since no current flows through the resistor RR, power consumption can be suppressed. However, in the equivalent circuits of FIGS. 14B and 14C, the switch SW is turned on, and the detection circuit enters the detection mode. Therefore, when a voltage is applied between the terminals T1 and T2 and a current is passed through the resistor RR, the resistance value between the terminals T1 and T2 is measured. In other words, as shown in FIG. 11 (b), in the state where the external force to be detected is not acting, no current flows through the resistor RR, and wasteful power consumption is suppressed, and FIGS. As described above, when an external force of a certain magnitude is applied, a current flows through the resistor RR, and the applied external force can be detected. In this way, if a current is supplied to the resistor RR only when it is necessary for detection, overall power saving can be achieved.
[0080]
In the embodiment shown in FIG. 9, in a normal state where no external force is applied, all the contact conductors C1 to C5 (mediating electrodes) are not physically in contact with the contact electrodes S1 and S2. In the normal state where no external force is applied, the mediating electrode may be in contact with only one of the pair of contact electrodes. For example, in FIG. 11B, even if the contact conductor C is in contact with only the contact electrode S1 (or only the contact electrode S2), the pair of contact electrodes S1 and S2 are insulated. Will be maintained. Therefore, for example, the positions of the resistor RR and the pair of contact electrodes S1 and S2 in FIG. 11B are slightly shifted to the right so that the contact electrode S1 is located immediately below the center of the contact conductor C. In addition, in a normal state where no external force is applied, the central portion of the contact conductor C may be in point contact with only the contact electrode S1. In short, the mediating electrode (contact conductor C) is usually not in contact with any of the pair of contact electrodes S1, S2 (when no external force to be detected is acting), or It is only necessary to maintain a state in which only one of the electrodes is in contact, and when the external force of a predetermined magnitude or more is applied, it can perform the function of being in contact with both the pair of contact electrodes S1 and S2. .
[0081]
§5. Specific detection circuit of force detection device according to the present invention
Here, some specific detection circuits used in the force detection device shown in FIG. 9 are illustrated. FIG. 15 is a circuit diagram showing a first example of such a detection circuit, which performs substantially the same function as the detection circuit shown in FIG. That is, each of RR1 to RR6 is the resistor shown in FIG. 10, and functions as a resistance element having both ends between two predetermined points. Since the contact conductors C1 to C5 are in contact with the resistors RR1 to RR5, and the resistance value varies depending on the contact area, the resistors RR1 to RR5 are variable resistance elements in the circuit diagram of FIG. It is drawn as. On the other hand, since the resistor RR6 functions as a reference resistor, it is depicted as a constant resistor in the circuit diagram of FIG. The five switches SW1 to SW5 are switches each constituted by a pair of contact electrodes S1 and S2 in a gap region formed in the central portion of the resistors RR1 to RR5, and the contact electrodes S1 and S2 are in an insulated state. If it is, it is OFF.
[0082]
After all, the detection circuit shown in FIG. 15 is nothing but the one in which five switches SW1 to SW5 connected in parallel are inserted in the supply path of the power supply voltage Vcc in the detection circuit shown in FIG. Therefore, if all of the five switches SW1 to SW5 are in the OFF state, no current flows through each of the resistors RR1 to RR6. However, if any one of the switches is in the ON state, each of the resistors RR1 to RR6. In addition, a current for detecting the resistance value flows. The detection principle for each component of the external force in the coordinate axis direction is exactly the same as the detection principle in the detection circuit shown in FIG.
[0083]
FIG. 16 is a circuit diagram showing a second example of a detection circuit that can be used in the force detection device shown in FIG. The difference from the detection circuit shown in FIG. 15 is that the circuit detects an external force in the X-axis direction (FIG. 16 (a)), the circuit that detects the external force in the Y-axis direction (FIG. 16 (b)), and the Z-axis direction. This is the point that the control of the current supply to the circuit for detecting the external force (FIG. 16C) is performed separately. In this detection circuit, an external force including an X-axis direction component is applied, and the switch SW1 (a switch composed of a pair of contact electrodes S1 and S2 formed in the gap region of the resistor RR1) or the switch SW2 (the gap of the resistor RR2). When any one of the pair of contact electrodes S1 and S2 formed in the region is turned ON, a current flows through the resistors RR1 and RR2 necessary for detecting the external force of the X-axis direction component. . Further, an external force including a Y-axis direction component is applied, and the switch SW3 (a switch composed of a pair of contact electrodes S1 and S2 formed in the gap region of the resistor RR3) or the switch SW4 (in the gap region of the resistor RR4). When one of the formed switches (a switch composed of a pair of contact electrodes S1 and S2) is turned ON, a current is passed through the resistors RR3 and RR4 necessary for detecting the external force of the Y-axis direction component. Further, when an external force including a Z-axis direction component is applied and the switch SW5 (a switch composed of a pair of contact electrodes S1 and S2 formed in the gap region of the resistor RR5) is turned ON, the Z-axis direction A current is passed through the resistors RR5 and RR6 necessary for detecting the component external force. As described above, the detection circuit shown in FIG. 16 enables fine control in consideration of the direction of the applied external force.
[0084]
FIG. 17 is a circuit diagram showing a third example of a detection circuit that can be used in the force detection device shown in FIG. This detection circuit is composed of a signal processing circuit having an input terminal for an analog signal. The input analog signal is converted into a digital signal, and a predetermined calculation is performed on the digital signal internally. Output is obtained. The signal processing circuit shown in FIG. 17 is configured as a one-chip integrated circuit, and analog voltages corresponding to the resistance values of the resistors RR1 to RR5 are applied to the analog input terminals T11 to T15 shown on the right side of the drawing, respectively. A value is entered. One end (the lower end in the figure) of each resistor RR1 to RR5 is grounded, and the other end (the upper end in the figure) is connected to each analog input terminal T11 to T15, and each of the switches SW11 to SW15 and the reference resistor. It is connected to the power source Vcc via the bodies RR61 to RR65. Here, RR61 to RR65 are reference resistors similar to RR6 shown in FIG. 10, and in this circuit, five sets of reference resistors RR61 to RR65 are formed on the substrate 110 instead of RR6. To use.
[0085]
When the switches SW11 to SW15 are turned on, a voltage is applied from the power source Vcc to the resistors RR1 to RR5, and the analog input terminals T11 to T15 are divided according to the resistance values of the resistors RR1 to RR5. Will be added. For example, the voltage of the power source Vcc is applied to the analog input terminal T11, the resistance value of the resistor RR1 (variable resistance element whose resistance value changes according to the magnitude of the applied external force) and the reference resistor RR61 (constant resistance element). ) And a partial pressure divided by the resistance value. This analog voltage division value is converted into a digital signal inside the signal processing circuit, and a digital value corresponding to the resistance value of the resistor RR1 is obtained. Similarly, the divided voltages of the resistors RR2 to RR5 are applied to the analog input terminals T12 to T15 and digitized inside the signal processing circuit, and digital values corresponding to the respective resistance values are obtained. As described above, each coordinate axis direction component of the applied external force can be obtained based on these digital values. That is, the X-axis direction component can be obtained as a difference between the resistance value of the resistor RR1 and the resistance value of the resistor RR2, and the Y-axis direction component is obtained by calculating the resistance value of the resistor RR3 and the resistance value of the resistor RR4. The Z-axis direction component can be obtained as the resistance value of the resistor RR5. When the signal processing circuit shown in FIG. 17 is used, each coordinate axis direction component of the applied external force can be output as a digital signal. Therefore, when used in an electronic device such as a mobile phone input device or a game input device. Is convenient.
[0086]
The switches SW11 to SW15 are switches for controlling voltage supply to each resistor. That is, when all of the switches SW11 to SW15 are maintained in the OFF state, the voltage of the power supply Vcc is not applied to each resistor, and no current flows through each resistor. Therefore, power consumption by the resistor does not occur, but naturally, the voltage to be measured is not applied to the analog input terminals T11 to T15, and the resistance value of each resistor cannot be detected. This indicates that the signal processing circuit is in the standby mode state. On the other hand, when any of the switches SW11 to SW15 is turned on, the voltage of the power supply Vcc is applied to the resistor connected to the switch that is turned on, and a current flows through the resistor. Therefore, power consumption is caused by the resistor, and as described above, a digital value corresponding to the resistance value of the resistor is detected. This indicates that the signal processing circuit is in the detection mode state.
[0087]
ON / OFF control of the switches SW11 to SW15 is performed by control signals S21 to S25 output from the control terminals T21 to T25. Actually, the switches SW11 to SW15 are constituted by semiconductor switches such as logic elements, and the control signals S21 to S25 are digital logic signals. The signal processing circuit includes a CPU and a program for operating the CPU, and the logical values of the control signals S21 to S25 are determined by the logical operation of the CPU.
[0088]
The power supply voltage Vcc or the ground voltage is applied to the input terminals T01 to T03 shown on the left side of FIG. 17 depending on the ON / OFF state of the switches SW1 to SW5. That is, when the switches SW1 to SW5 are in the OFF state, the power supply voltage Vcc is applied to the input terminals T01 to T03 via the resistance elements R01 to R03, but at least one of the switches SW1 and SW2 is When the ON state is established, the input terminal T01 is at the ground potential, when at least one of the switches SW3 and SW4 is in the ON state, the input terminal T02 is at the ground potential, and when the switch SW5 is in the ON state, the input terminal T03 is at the ground potential. . Therefore, the signal processing circuit can grasp the ON / OFF states of the switches SW1 to SW5 based on the potentials of the input terminals T01 to T03.
[0089]
The switches SW1 to SW5 are the same switches as the switches SW1 to SW5 shown in the circuit diagram of FIG. 15 and the circuit diagram of FIG. 16, and are in the gap regions formed in the central portions of the resistors RR1 to RR5, respectively. It is a switch comprised by a pair of contact electrode S1, S2. Therefore, when an external force having a predetermined magnitude including the X-axis direction component is applied to the force detection device shown in FIG. 9, the switch SW1 or SW2 is turned on, and the predetermined magnitude including the Y-axis direction component is set. When an external force is applied, the switch SW3 or SW4 is turned on, and when an external force having a predetermined magnitude including a Z-axis direction component is applied, the switch SW5 is turned on.
[0090]
Therefore, in the signal processing circuit shown in FIG. 17, when the potential of the input terminal T01 is the power supply voltage Vcc (when the switches SW1 and SW2 are in the OFF state), the switches SW11 and SW12 are connected from the control terminals T21 and T22. When the control signals S21 and S22 for turning OFF are output and the potential of the input terminal T01 is the ground potential (when at least one of the switches SW1 and SW2 is ON), the switch SW11 is switched from the control terminals T21 and T22. , SW12 is turned on, and control signals S21 and S22 are output. Thereby, only when an external force having a predetermined magnitude including the X-axis direction component is applied, a current flows through the resistors RR1 and RR2, and the X-axis direction component of the external force can be detected. Similarly, when the potential of the input terminal T02 is the power supply voltage Vcc (when the switches SW3 and SW4 are in the OFF state), the control signals S23 and S24 that turn off the switches SW13 and SW14 from the control terminals T23 and T24. When the potential of the input terminal T02 is the ground potential (when at least one of the switches SW3 and SW4 is in the ON state), the control signals for turning on the switches SW13 and SW14 from the control terminals T23 and T24. Control is performed so as to output S23 and S24. Thus, only when an external force having a predetermined magnitude including the Y-axis direction component is applied, a current flows through the resistors RR3 and RR4, and the Y-axis direction component of the external force can be detected. When the potential at the input terminal T03 is the power supply voltage Vcc (when the switch SW5 is in the OFF state), the control terminal S25 outputs a control signal S25 for turning off the switch SW15, and the potential at the input terminal T03. When is the ground potential (when the switch SW5 is in the ON state), the control terminal T25 is controlled to output a control signal S25 for turning on the switch SW15. Thus, only when an external force having a predetermined magnitude including the Z-axis direction component is applied, a current flows through the resistor RR5, and the Z-axis direction component of the external force can be detected.
[0091]
Of course, further fine control can be performed by the signal processing circuit. For example, the ON / OFF states of five switches SW1 to SW5 are detected separately and independently. When the switch SW1 is ON, only the switch SW11 is ON. When the switch SW2 is ON, only the switch SW12 is ON. In addition, when the switch SW3 is in the ON state, only the switch SW13 is turned ON, and so on. Conversely, rougher control is possible. For example, comprehensive control is performed such that all five switches SW1 to SW5 are connected in parallel, and when any one switch is turned on, all five switches SW11 to SW15 are turned on. Also good.
[0092]
As described above, several detection circuits that can be used in the force detection device shown in FIG. 9 have been shown. In any case, until one of the switches SW1 to SW5 is turned on, the detection circuit does not have the original detection function. The standby mode that cannot be achieved will be maintained, and the power consumption will be suppressed. In other words, unless an external force large enough to turn on one of the switches SW1 to SW5 is applied, a detection output of the external force cannot be obtained from the detection circuit, and there is a dead zone in the detection sensitivity. It will be provided. When an external force is applied to the extent that any one of the switches SW1 to SW5 is turned on, the detection circuit shifts to the detection mode and performs the original detection function.
[0093]
In the foregoing, three specific examples of the detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 9 have been described. In each circuit diagram of these detection circuits, the switches SW1 to SW5 and the resistors RR1 to RR5 are drawn as completely separate circuit elements, and as long as the circuit diagram is seen, no interference occurs between them. looks like. However, in the case of the force detection device shown in FIG. 9, the contact conductors C1 to C5 are in contact with the resistors RR1 to RR5 to change the resistance value, and the mediation is in contact with the pair of contact electrodes S1 and S2. Since it is a component that fulfills both functions as an electrode, the operation of the switches SW1 to SW5 affects the resistance values of the resistors RR1 to RR5.
[0094]
For example, consider a circuit as shown in FIG. This circuit shows a state in which predetermined wiring is applied to the resistor RR and the pair of contact electrodes S1, S2 formed in the gap region at the center thereof. The contact electrode S1 is grounded via the terminal T3, and the contact electrode S2 is connected to the power source Vcc via the terminal T4 and the resistance element R01. With such a configuration, when the contact conductor C is in a non-contact state (the switch SW is in an OFF state), the potential of the terminal T4 is the power supply voltage Vcc, but the contact conductor C is a pair of contact electrodes S1. , S2 are in contact with each other at the same time (the switch SW is in the ON state), the electrodes S1, S2 become conductive, and the potential of the terminal T4 becomes the ground potential. Therefore, for example, if the terminal T4 is connected to the input terminal T01 of the signal processing circuit shown in FIG. 17, the CPU in the signal processing circuit can recognize the ON / OFF state of the switch SW.
[0095]
However, when the contact conductor C is also in contact with the resistor RR as shown in the side sectional view of FIG. 13, the contact conductor for the resistor RR and the electrodes S1, S2 is considered. The entire contact surface of the body C becomes a contact surface S as shown by a broken line in FIG. That is, the contact conductor C is in contact with both the electrodes S1 and S2 and is also in contact with the peripheral portion of the circular void region at the center of the resistor RR. In such a state, the contact conductor C as well as the electrodes S1 and S2 are at the ground potential, and therefore the portion in the contact surface S of the resistor RR is also at the ground potential. Accordingly, an equivalent circuit relating to the resistor RR at this time is as shown in FIG. That is, when the resistor RR is considered as a resistance element, the central portion thereof is grounded. For this reason, when a predetermined voltage is applied between the terminals T1 and T2 to measure the resistance value of the resistor RR, measurement is possible in principle, but the measurement sensitivity is lowered.
[0096]
Thus, in order to prevent the circuit that detects the conduction state of the pair of contact electrodes S1 and S2 constituting the switching element from interfering with the circuit that detects the resistance value between the two points of the resistor RR, It is preferable to prepare a resistance element having a resistance value sufficiently larger than the resistance value between two points of the body RR, and to isolate both circuits using this resistance element. FIG. 20 shows a resistance element having a large resistance value, a circuit for detecting the conduction state of the contact electrodes S1 and S2 in the circuit shown in FIG. 18 and a circuit for detecting the resistance value between two points of the resistor RR. It is a circuit diagram which shows the example isolate | separated by. This example is a circuit configuration example in the case where the resistance value between the left and right points of the resistor RR (that is, the resistance value between the terminals T1 and T2) is 10 kΩ when the contact conductor C is not in contact. is there. As shown in the figure, the terminal T4 connected to the contact electrode S2 is connected to the power supply voltage Vcc via the 10 MΩ resistive element R01, and the terminal T3 connected to the contact electrode S1 is connected to the 1 MΩ resistive element R04. Is grounded. Therefore, the contact electrodes S1 and S2 constituting the switch SW are sufficient for the power supply system as compared with the resistance element R01 of 10 MΩ and the resistance element R04 of 1 MΩ (both having a resistance value of 10 kΩ between the two points of the resistor RR). Are isolated by a resistance element having a large resistance value. For this reason, even if current is supplied from the same power supply system in order to measure the resistance value of the resistor RR, interference with the resistance value of the resistor RR due to the ON / OFF operation of the switch SW is considerably suppressed. .
[0097]
FIG. 21 is an equivalent circuit when the switch SW is turned on in the circuit shown in FIG. When the resistor RR is considered as a resistor element, the central portion thereof is in contact with the contact conductor C. The potential of the contact conductor C corresponds to the potential of the node TT in the circuit diagram of FIG. To do. Since the node TT is isolated from the power supply line Vcc by a 10 MΩ resistive element R01 and isolated from the ground line Gnd by a 1 MΩ resistive element R04, the node TT is near the center of the resistor RR. Even if the connection is established, the resistance value measurement of the resistor RR having only a resistance value of about 10 kΩ is not greatly affected. The resistance element R01 is set to 10 MΩ, the resistance element R04 is set to 1 MΩ, and the resistance value of both the resistance elements is set to about 10 times in order to clearly detect the ON / OFF state of the switch SW. . That is, in FIG. 20, if the contact electrodes S1 and S2 are in an insulated state (the switch SW is in an OFF state), the terminal T4 becomes the power supply voltage Vcc, and the contact electrodes S1 and S2 are in a conductive state (the switch SW is in an ON state). Therefore, since the terminal T4 is almost at the ground voltage (Vcc × 1/11), the ON / OFF state of the switch SW can be detected by directly taking the potential of the terminal T4 as a digital value.
[0098]
§6. Another embodiment of a force detection device using a variable resistance element according to the present invention
The present invention provides a plate-shaped substrate, an elastic deformable body disposed opposite to the substrate, and a resistance value between two predetermined points according to the applied pressure, disposed between the substrate and the elastic deformable body. Can be widely applied to a force detection device having a variable resistance element that changes and a detection circuit that detects a resistance value of the variable resistance element as an electric signal, and the application target thereof is the force detection device described in §1. It is not limited to. Therefore, here, an embodiment in which the present invention is applied to a force detection device different from the force detection device described in §1 will be described.
[0099]
FIG. 22 is an exploded side cross-sectional view showing each component by disassembling a force detection device according to another embodiment. As shown in the figure, this force detection device is constituted by an operation panel 210, an elastic deformation body 220, a dome-like structure 230, and a substrate 240. Actually, this force detection device is configured by disposing the dome-shaped structure 230 on the substrate 240, covering it with the elastic deformation body 220, and further mounting the operation panel 210 thereon. Become. This force detection device is suitable for use as an input device for an electronic device that executes a predetermined process based on a predetermined program, such as a mobile phone or a game device, and an operation indicating an operation amount in a predetermined direction. In addition to the input, a switch input indicating an ON / OFF state can be performed. Here, description will be made on the assumption that the force detection device is used as an input device for such an electronic device.
[0100]
The operation panel 210 is disposed on the upper surface of the elastic deformable body 220 and has a function of transmitting the force applied based on the operation of the operator to the elastic deformable body 220 and causing the elastic deformable body 220 to be elastically deformed. ing. Here, the operation input to the operation panel 210 by the operator corresponds to an external force that is a detection target of the force detection device. Therefore, the operation panel 210 performs a function of causing the elastic deformation body 220 to elastically deform based on the action of the external force and displacing a part of the elastic deformation body 220 relative to the substrate 240.
[0101]
FIG. 23 is a top view of the operation panel 210, and FIG. 24 is a bottom view of the operation panel 210. As shown in the figure, the operation panel 210 has a disk shape as a whole, and in this embodiment, the operation panel 210 is made of a resin such as plastic. As described above, the operation panel 210 may have any shape as long as it can perform a function of transmitting a force to the elastic deformable body 220. However, in order to input operation amounts related to various directions. A disk shape is suitable. Further, in order to reliably transmit the operation of the operator to the elastic deformable body 220, it is preferable that the operator is made of a rigid material such as resin or metal. In the case of the illustrated embodiment, the operation panel 210 is composed of three parts, that is, an operation part 211, a bank part 212, and an outer peripheral part 213 as shown in FIG. A cylindrical pressing rod 214 protrudes from the center. The operation portion 211 is a smooth hollow portion formed inside the bank portion 212 so as to fit the operator's finger, and the outer peripheral portion 213 is a tapered portion formed outside the bank portion 212. Further, as will be described later, the pressing bar 214 is for effectively performing switch input indicating the ON / OFF state, and is vertically below the top of the dome-shaped structure 230 from the operator. It fulfills the function of effectively transmitting the directed force.
[0102]
In the case of this embodiment, the elastic deformable body 220 is constituted by an integrally molded silicon rubber. FIG. 25 is a top view of the elastic deformable body 220, and FIG. 26 is a bottom view of the elastic deformable body 220. As shown in the figure, the elastic deformation body 220 has a substantially square shape in plan view. As shown in the side sectional view of FIG. 22, the basic components are an inner membrane portion 221, an annular raised portion 222, an outer membrane portion 223, a side wall portion 224, a fixed leg portion 225, and a columnar protrusion P1. ~ P3. As shown in FIG. 25, the inner membrane portion 221 and the outer membrane portion 223 are membrane structures that form the entire square upper surface of the elastic deformable body 220, but here, for convenience of explanation. The inner portion of the annular ridge 222 will be referred to as the inner membrane portion 221 and the outer portion will be referred to as the outer membrane portion 223. The film-like portions 221 and 223 are arranged so as to be substantially parallel to the upper surface of the substrate 240 with the dome-shaped structure 230 interposed therebetween. The annular raised portion 222 is an annular raised portion formed on the upper surface of the membrane-like portion, and the upper surface portion of the inner membrane-like portion 221 is surrounded by the annular raised portion 222. . In this embodiment, the annular raised portion 222 has a so-called washer-like structure with a rectangular cross section, which can efficiently receive the force from the operation panel 210 disposed on the upper surface thereof. It is consideration to make it.
[0103]
On the other hand, the side wall part 224 functions to fix the periphery of the outer film-like part 223 to the upper surface of the substrate 240. The square film-like portions 221 and 223 are supported by the side wall portions 224 at their four sides, and are kept substantially parallel to the upper surface of the substrate 240. As shown in the bottom view of FIG. 26, cylindrical fixed leg portions 225 extend downward at the four corners of the bottom surface of the elastic deformation body 220, respectively. The four fixed leg portions 225 are inserted into fixed hole portions 241 (see FIG. 22) formed at four positions on the upper surface of the substrate 240. Thus, the elastic deformation body 220 is fixed at a predetermined position on the substrate 240.
[0104]
Further, as shown in FIG. 26, a large number of columnar protrusions P <b> 1 to P <b> 3 extending downward are formed on the lower surfaces of the film-like portions 221 and 223. FIG. 27 is a view in which concentric circles indicated by alternate long and short dash lines are added to the bottom view of FIG. 26 in order to clarify the positions of these columnar protrusions P1 to P3. As illustrated, if three concentric circles K1, K2, and K3 are defined around the center point of the elastic deformation body 220, each of the columnar protrusions P1 to P3 is disposed on the circumference of any one of the concentric circles. I understand that. That is, a total of four columnar projections P1 are arranged on the circumference of the inner concentric circle K1 at intervals of 90 °, and the columnar projections P2 are arranged on the circumference of the reference concentric circle K2 at intervals of 22.5 °. A total of 16 columnar projections P3 are arranged on the circumference of the outer concentric circle K3, and a total of eight columnar projections P3 are arranged at intervals of 45 °.
[0105]
The side shape of each of the columnar protrusions P1 to P3 is clearly shown in the side sectional view of FIG. In the side sectional view of FIG. 22, only the pillar-shaped protrusions P1 to P3 that are located on the cut surface are drawn in order to avoid complication of the figure, but actually, FIG. 26 and FIG. As shown in the bottom view, a larger number of columnar protrusions extend downward from the lower surface of the film-like portion. Here, when the lengths and shapes of the columnar protrusions P1, P2, and P3 shown in FIG. 22 are compared, each of the columnar protrusions P1, P2, and P3 has a unique length and shape. This is because the main function of each is different.
[0106]
That is, the main function of the columnar protrusion P1 is a function as the contact conductor C in the force detection device described in §1, and this resistor is brought into contact with the surface of the resistor formed on the substrate 240. It works to change the resistance value. Therefore, the columnar protrusion P1 has a length and a shape suitable for fulfilling such a function as a contact conductor. Therefore, here, the columnar protrusion P1 is referred to as a “columnar protrusion” or a “contact conductor” as necessary.
[0107]
On the other hand, the main function of the columnar protrusion P3 is that the inner film-shaped portion 221 and the outer film-shaped portion 223 are placed on the upper surface of the substrate 240 when no input from the operator is applied to the operation panel 210. It is a function to support, and the length of this columnar protrusion P3 is set to a length suitable for fulfilling such a support function. Therefore, here, this columnar protrusion P3 is referred to as a “supporting columnar protrusion”.
[0108]
On the other hand, the main function of the columnar protrusion P2 is a function of causing a change in the electrically conductive state by contacting an electrode formed on the upper surface side of the substrate 240, as will be described later. Therefore, here, the columnar protrusion P2 is referred to as an “electrode columnar protrusion”. The reason why the length of the electrode columnar protrusion P2 is set to be shorter than the length of the supporting columnar protrusion P1 or the contact conductor P3 is that no input from the operator acts on the operation panel 210. This is because the lower end of the electrode columnar protrusion P2 is suspended so as not to be in physical contact with the electrode formed on the upper surface of the substrate 240.
[0109]
Further, the contact conductor P1, the supporting columnar protrusion P3, and the electrode columnar protrusion P2 are different not only in length but also in the side surface shape. Specifically, the contact conductor P1 and the supporting columnar protrusion P3 are slightly rounded at the lower end, whereas the electrode columnar protrusion P2 is a disk-shaped protrusion whose lower end is flat. . Such a difference in shape is also based on the difference in function described above. That is, the lower end portions of the contact conductor P1 and the support columnar protrusion P3 are in contact with the upper surface of the substrate 240, and have a shape suitable for changing the contact surface and supporting the film-like portion. The lower end portion of the electrode columnar protrusion P2 is in contact with the electrode formed on the upper surface of the substrate 240 and has a shape suitable for ensuring an electrical conduction state.
[0110]
When the operation panel 210 is constituted by a disk-shaped rigid member as in the embodiment shown here, it is considered that the force applied by the operator is transmitted along a concentric circle with the central axis of the operation panel 210 as the center. As shown in FIGS. 26 and 27, the columnar protrusions P1 to P3 are also preferably arranged along a predetermined circumference. Particularly, in the case of the illustrated embodiment, when an operation input indicating a predetermined direction is applied to the operation panel 210, the applied force is transmitted from the peripheral portion of the operation panel 210 to the annular ridge 222. The Therefore, here, the reference concentric circle K2 shown in FIG. 27 is a circle corresponding to the center position of the annular ridge portion 222, and the electrode columnar protrusion P2 is located at a predetermined position (16 locations below the annular ridge portion 222). Further, an inner concentric circle K1 is defined inside the reference concentric circle K2, a contact conductor P1 is arranged on the circumference thereof, and an outer concentric circle K3 is defined outside the reference concentric circle K2. Supporting columnar protrusions P3 are arranged on the circumference.
[0111]
Another important component as the component of the elastic deformation body 220 is a displacement conductive layer 226 formed in a predetermined region on the lower surface of the film-like portion. FIG. 28 is a bottom view of the elastic deformable body 220 for illustrating a region where the displacement conductive layer 226 is formed. A displacement conductive layer 226 is formed in a hatched region in the drawing (hatching in FIG. 28 is not for showing a section but for showing a region). As described above, a large number of columnar protrusions are formed on the lower surface of the elastic deformable body 220, but the displacement conductive layer 226 is formed on the lower surface of the elastic deformable body 220 including the surface of these columnar protrusions. Yes. Therefore, the displacement conductive layer 226 is also formed on the surface portions of the columnar protrusions (contact conductors) P1 and the electrode columnar protrusions P2 located in the hatched region in FIG. Since the columnar protrusion P1 functions as a conductor for contact with the resistor, at least a portion of a contact surface with the resistor needs to have conductivity. The displacement conductive layer 226 formed on the surface of the columnar protrusion P1 is necessary to fulfill the function as the contact conductor. Further, as will be described later, since the electrode columnar protrusion P2 functions as an intermediary electrode that contacts a pair of contact electrodes formed on the substrate 240, at least a portion serving as the contact surface has conductivity. Need to be. The displacement conductive layer 226 formed on the surface of the electrode columnar protrusion P2 is necessary to fulfill the function as such a mediating electrode. On the other hand, the supporting columnar protrusion P3 only needs to be able to perform a physical supporting function and is not required to have an electrical function. In the embodiment shown here, the displacement conductive layer 226 is formed on the surface thereof. Not.
[0112]
In addition, the displacement conductive layer 226 can be specifically configured by a layer made of a conductive material applied to the lower surface of the elastic deformation body 220. As described above, in this embodiment, the elastic deformable body 220 is composed of integrally molded silicon rubber. Therefore, after the structure shown in the figure including the columnar protrusion is integrally molded with silicon rubber, the bottom surface thereof is formed. If the conductive paint is applied to a part of the region (the region within the circle hatched in FIG. 28) and dried, the displacement conductive layer 226 can be formed. Since the thickness of the displacement conductive layer 226 is smaller than the thickness of each part of the elastic deformation body 220, the displacement conductive layer 226 is not shown in the side sectional view.
[0113]
On the other hand, as shown in the side sectional view of FIG. 22, the dome-shaped structure 230 is a structure having a shape of a concealed cup, and is disposed so as to be constricted near the center of the upper surface of the substrate 240. FIG. 29 is a top view of the dome-shaped structure 230. The shape of the dome-shaped structure 230 is not particularly limited, but if the dome-shaped structure 230 having a circular planar shape is used as shown in the drawing, the operation input in each direction can be smoothly performed. Is preferable. Further, the dome-shaped structure 230 has a property that when a downward pressing force of a predetermined size or more is applied to the vicinity of the apex, the shape is inverted so that the vicinity of the apex is elastically deformed and protrudes downward. have.
FIG. 30 is a side sectional view showing such a shape reversal state. FIG. 30 (a) shows a state where no external force is applied, and FIG. 30 (b) shows that a downward pressing force F is applied to the vicinity of the apex, and the vicinity of the apex is elastically deformed and becomes convex downward. A state in which such shape reversal has occurred is shown. Of course, since the shape inversion is elastic deformation, when the pressing force F disappears, the dome-shaped structure 230 returns to the state shown in FIG.
[0114]
The shape inversion of the dome-shaped structure 230 is used for switch input by an operator. For this reason, at least the lower surface portion near the apex of the dome-shaped structure 230 needs to form the conductive contact surface 231. That is, as shown in FIG. 30 (b), when the shape inversion near the apex causes the conductive contact surface 231 to contact the electrode provided on the substrate 240 side, switch input is detected. It becomes like this. In the present embodiment, a metal dome is used as the dome-shaped structure 230. In general, when a dome-shaped structure is formed of a metal material, the shape inversion as described above occurs, and a dome having a conductive contact surface 231 can be realized. However, the dome-shaped structure 230 is not necessarily made of metal. do not have to. For example, the conductive contact surface 231 may be realized by creating a dome-shaped structure with a resin or the like and forming a conductive material film near the center of the lower surface thereof.
[0115]
Subsequently, the configuration of the substrate 240 will be described. The basic functions of the substrate 240 are a function of mounting and supporting each of the above-described components and a function of providing a reference surface for forming each resistor and each electrode. FIG. 31 shows a top view of the substrate 240. The four fixing holes 241 shown in the figure are holes dug in the upper surface of the substrate 240 in order to insert the fixing legs 225 of the elastic deformation body 220 as described above.
[0116]
On the upper surface of the substrate 240, as shown in the figure, four fan-shaped resistors R11 to R14 and four circular or annular electrodes E15 to E18 are formed. Here, based on the position where each electrode is arranged, the two annular electrodes E15 and E16 arranged outside the four resistors R11 to R14 are called outer electrodes, and the circular arranged inside. The electrode E17 and the annular electrode E18 will be referred to as inner electrodes. In FIG. 31, in order to clearly show the shape of each resistor and each electrode, the individual resistors and electrodes are hatched. Therefore, the hatching in FIG. 31 does not indicate a cross section. Also, in the figure, two types of hatching patterns are used in order to distinguish between resistors and electrodes. In this embodiment, the resistors R11 to R14 are made of flat carbon, and the electrodes E15 to E18 are made of metal such as copper. Both are formed by printing a predetermined pattern on the substrate 240.
[0117]
The annular outer electrode E15 formed on the outermost side is formed on the outer peripheral facing portion (the portion on the upper surface of the substrate obtained by projecting the outer contour line of the operation panel 210 on the substrate 240) facing the outer peripheral portion of the operation panel 210. Yes. In the case of this embodiment, since the operation panel 210 has a disk shape, the outer periphery facing portion facing the outer periphery circle also becomes a circular portion, and the outer electrode E15 faces the outer periphery circle of the operation panel 210 as illustrated. It is an annular (washer-like) electrode arranged at a position. The outer electrode E16 is an annular (washer-like) electrode disposed slightly inside the outer electrode E15. If it mentions a more exact position, the boundary part between the outer side electrode E15 and the outer side electrode E16 will be located on the circumference facing the reference | standard concentric circle K2 shown in FIG. And the inner contour of the outer electrode E16 are designed to be approximately equal to the diameter of the electrode columnar protrusion P2. Therefore, the two outer electrodes E15 and E16 are disposed directly below each electrode columnar protrusion P2.
[0118]
The roles of the outer electrodes E15 and E16 are formed on the lower surface of the electrode columnar protrusion P2 when an operation input regarding a predetermined direction is applied from the operator to the operation panel 210 and the elastic deformable body 220 is deformed. The contact with the displaced conductive layer 226 is to detect that the applied operation input is a predetermined magnitude or more. That is, the elastic deformation body 220 is deformed by an operation input by the operator, and the displacement conductive layer 226 formed on the lower surface of any one of the electrode columnar protrusions P2 simultaneously contacts both the outer electrodes E15 and E16. When the state is reached, the outer electrodes E15 and E16 are brought into conduction through the contacted displacement conductive layer 226. Therefore, if the conduction state between the outer electrodes E15 and E16 is electrically detected, it can be recognized whether or not an operation input of a predetermined size or more has been applied. Eventually, the outer electrodes E15 and E16 function as a pair of contact electrodes, and the displacement conductive layer 226 formed on the lower surface of each electrode columnar protrusion P2 functions as an intermediary electrode. Will be. The pair of contact electrodes E15 and E16 constituting this switching element normally maintains an electrically insulated state (unless an operation input of a predetermined size or more is applied to the operation panel 210). When an operation input of a predetermined size or more is applied to the operation panel 210, the mediating electrode comes into contact at the same time due to the deformation of the elastic deformation body 220, and becomes electrically conductive.
[0119]
The four fan-shaped resistors R11 to R14 perform the same functions as the resistors R1 to R4 in the force detection device described in §1, and detect an operation input having a direction applied by the operator. It is arranged at a position suitable for. Since the force detection device described in §1 has a function of detecting the XYZ triaxial components of external force, five resistors R1 to R5 (other reference resistors R6) are formed on the substrate. However, since the force detection device shown here has only a function of detecting only the XY biaxial components as the operation amount, it is sufficient to form the four resistors R11 to R14. (For the external force in the Z-axis direction, as described later, only an ON / OFF binary state is detected as a switch input).
[0120]
Here, the origin O (not shown) is located at the center position of the upper surface of the substrate 240 shown in FIG. 31, the X axis is in the right direction of the drawing, the Y axis is in the upward direction of the drawing, and the upper surface of the substrate is included in the XY plane. If an XYZ three-dimensional coordinate system is defined, the resistor R11 is in the X-axis positive region, the resistor R12 is in the X-axis negative region, the resistor R13 is in the Y-axis positive region, and the resistor R14 is in the Y-axis negative region. It will be formed. Above the four resistors R11 to R14, columnar protrusions P1 (displaced conductive layers 226 are formed on the lower surface) functioning as contact conductors are disposed. When each of the resistors R11 to R14 and the contact conductor P1 disposed thereabove constitute a variable resistance element and an operation input of a predetermined size is applied to the operation panel 210, the elastic deformation body 220 As described above, the contact conductor P1 comes into contact with the resistors R11 to R14 due to the deformation, and the resistance value between the two predetermined points of the resistors R11 to R14 changes depending on the contact area at this time. That's right. Therefore, the X-axis direction component and the Y-axis direction component of the applied operation input using the resistors R11 to R14 according to the same principle as that using the resistors R1 to R4 in the force detection device described in §1. Can be detected.
[0121]
As shown in FIG. 31, two inner electrodes E <b> 17 and E <b> 18 are formed inside the resistors R <b> 11 to R <b> 14, that is, near the center of the substrate 240. The role of the pair of inner electrodes E17 and E18 is to detect a switch input applied by the operator to the operation panel 210, that is, a vertically downward pressing force. The inner electrode E <b> 17 is a disk-like electrode disposed in the center of the substrate, and the diameter thereof is set smaller than the circle constituting the bottom peripheral surface (bottom edge portion) of the dome-shaped structure 230. On the other hand, the inner electrode E18 is a washer-shaped electrode, and the outer diameter thereof is set to be approximately equal to the diameter of the circle constituting the bottom peripheral surface of the dome-shaped structure 230. It is placed on the washer-shaped inner electrode E18. 32 is a top view showing a state in which the dome-like structure 230 shown in FIG. 29 is arranged at the center of the top surface of the substrate 240 shown in FIG. Actually, the dome-shaped structure 230 is fixed to the upper surface of the substrate 240 by using an adhesive or an adhesive tape.
[0122]
As shown in FIG. 30 (b), when a downward pressing force F is applied to the vicinity of the apex of the dome-shaped structure 230, the shape of the dome-shaped structure 230 is reversed, but the inner electrode E17 is At this time, the dome-shaped structure 230 has a shape suitable for contacting the conductive contact surface 231 on the lower surface. In this embodiment, since the entire dome-shaped structure 230 is made of metal, in the state shown in FIG. 30 (a), the dome-shaped structure 230 contacts only the washer-shaped inner electrode E18. However, in the state shown in FIG. 30 (b), the vicinity of the inverted apex comes into contact with the inner electrode E17, and the pair of inner electrodes E17 and E18 are electrically connected to each other. That is, the inner electrodes E17 and E18 are composed of a pair of physically separated electrodes, but when the metallic dome-shaped structure 230 is inverted, the bottom peripheral surface of the dome-shaped structure 230 becomes the inner electrode. E18 is in contact, and the lower surface near the apex is in contact with the inner electrode E17, and the dome-like structure 230 made of a conductive material is in contact with both inner electrodes E17 and E18 at the same time. It becomes conductive. Eventually, by electrically detecting the conduction state between the pair of inner electrodes E17 and E18, it is possible to detect the ON / OFF state relating to the switch input of the operator. Note that the dome-shaped structure 230 does not necessarily need to be entirely made of a conductive material, and at least a portion extending from the inner side surface (the lower surface in a state where it is faced down) to the bottom peripheral surface forms a conductive contact surface. Then, both inner side electrodes E17 and E18 can be made into an electrically conductive state.
[0123]
As described above, on the upper surface of the substrate 240, a flat plate-shaped configuration including a pair of outer electrodes E15 and E16 (contact electrodes), four resistors R11 to R14, and a pair of inner electrodes E17 and E18 (contact electrodes). Although the elements are formed, each component is arranged at the following positions in consideration of the respective functions. First, as described above, the inner electrode E18 is disposed at a position in contact with the bottom peripheral surface of the dome-shaped structure 230, and the inner electrode E17 is formed when the dome-shaped structure 230 undergoes shape reversal. The conductive contact surface 231 corresponding to the lower surface near the apex is disposed at a position where the conductive contact surface 231 can be contacted. Further, the pair of outer electrodes E15 and E16 are disposed on the outer periphery facing portion (the portion facing the reference concentric circle K2 in FIG. 27) on the substrate 240 facing the outer periphery of the operation panel 210. On the other hand, the resistors R11 to R14 are disposed at predetermined locations on the upper surface of the substrate 240, “an intermediate region located outside the region where the dome-shaped structure 230 is disposed and inside the outer periphery facing portion”. In the present embodiment, the substrate 240 is configured by a printed circuit board for mounting electronic circuits, each electrode is configured by a printed pattern such as copper formed on the printed circuit board, and each resistor is formed on the printed circuit board. It is composed of printed carbon patterns. As described above, if the substrate 240 is configured by a circuit printed board, various wirings can be provided on the board 240 by a printed pattern, which is practically convenient.
[0124]
Although the details of the structure of each component shown in FIG. 22 have been described above, the actual force detection device is configured by stacking these components. That is, the dome-shaped structure 230 is placed at the center of the substrate 240, and the elastic deformable body 220 is placed so as to cover the dome-like structure 230 (the fixed leg portion 225 is inserted into the fixing hole portion 241 and fixed). By bonding the operation panel 210, a force detection device is formed as shown in a side sectional view of FIG. 33 (the dome-shaped structure 230 has a side surface instead of a cross section).
[0125]
§7. Operation of another embodiment of a force detection device using a variable resistance element according to the present invention
Next, the operation of the force detection device shown in FIG. 33 will be described. Here, for convenience, the origin O is the center position of the upper surface of the substrate 240 shown in FIG. 31, the X axis is the right direction of the drawing, the Y axis is the upward direction of the drawing, and the upper surface of the substrate is included in the XY plane. The coordinate system is defined and the following explanation will be given. 33, an X axis is defined in the right direction of the figure, a Z axis is defined in the upward direction of the figure, and a Y axis is defined in a direction perpendicular to the drawing sheet.
[0126]
As already described, this force detection device has a function of performing switch input (so-called click input) indicating an ON / OFF state and operation input indicating an operation amount in a predetermined direction with respect to an arbitrary electronic device. It is a device with Here, the operator performs these inputs to the operation panel 210. Basically, when performing switch input, the operator applies a finger to the central portion of the operation panel 210 and moves downward (Z In the case of performing an operation of pushing in the negative axis direction and performing an operation input in a predetermined direction, an operation of pushing the operation panel 210 obliquely downward is performed.
[0127]
FIG. 34 is a side sectional view (a side view of the dome-shaped structure 230) showing a deformed state of each part when the operator performs switch input. When a downward pressing force (referred to as -Fz in the sense of a force in the negative direction of the Z axis) is applied to the operation panel 210, the pressing rod 214 is displaced downward by this pressing force -Fz. A downward force is applied to the apex portion of the dome-shaped structure 230 through the inner membrane portion 221. The dome-shaped structure 230 has a property that when a downward pressing force of a predetermined size or more is applied to the vicinity of the apex, the shape is inverted so that the apex is elastically deformed and protrudes downward. Therefore, when the magnitude of the pressing force -Fz exceeds a predetermined critical value, the shape reversal occurs near the apex of the dome-shaped structure 230 as shown in the figure. That is, when the operator gradually increases the downward pressing force -Fz, the dome-shaped structure 230 is abruptly collapsed to a state shown in the figure, and a click feeling is transmitted to the fingertip of the operator. At this time, the columnar protrusions P1 and P3 made of an elastic material are elastically deformed and slightly crushed in the vertical direction. However, the electrode columnar protrusion P2 remains suspended.
[0128]
Thus, when the dome-shaped structure 230 undergoes shape reversal, the conductive contact surface 231 on the lower surface of the dome-shaped structure 230 comes into contact with the inner electrode E17 shown in FIG. 31, and thus the inner electrode E17. And the inner electrode E18 become conductive. When the operator stops the pressing operation, the dome-shaped structure 230 returns to the original state, and the apparatus returns to the state shown in FIG. In this state, the inner electrode E17 and the inner electrode E18 are insulated. Eventually, by detecting the electrical connection state between the inner electrode E17 and the inner electrode E18, it becomes possible to detect the switch input indicating the ON / OFF state, and so-called click input can be detected.
[0129]
Next, consider a case where an operator performs an operation input indicating an operation amount in a predetermined direction. Such an operation input is usually given as an input indicating operation amounts in four directions including up, down, left, and right, or eight directions including oblique directions. In the embodiment shown here, the four resistors R11 to R14 shown in FIG. 31 and the contact conductors (columnar protrusions P1 whose surfaces are covered with the displacement conductive layer 226) arranged thereabove are totaled. Four sets of variable resistance elements are formed, and the operation amount in each direction can be detected based on the resistance values of the four sets of variable resistance elements.
[0130]
For example, suppose that the operator performs an operation to apply an obliquely downward force including a force in the negative X-axis direction to the operation panel 210. Here, the force applied by such an operation will be referred to as -Fx. In FIG. 35, the operator applies such an operation force -Fx (it is not always necessary to apply to the center position of the operation panel 210, and is actually applied to a portion slightly displaced to the left as illustrated). It is a sectional side view (a side view about the dome-shaped structure 230) which shows the deformation | transformation state of each part at the time. Since the operating force -Fx is an obliquely downward force component, it also includes a downward force component (Z-axis negative direction component) in the figure, but this downward force component is the click described above. Since it is smaller than the pressing force -Fz due to the operation, the dome-shaped structure 30 is not applied with a force sufficient to reverse the shape. Therefore, operation panel 210 is inclined such that the left side is lowered and the right side is raised in FIG. In other words, the dome-shaped structure 230 causes a shape reversal with respect to a vertically downward pressing force applied as a switch input, and a diagonally downward pressing force applied as an operation input in a predetermined direction. In contrast, a structure having a deformation characteristic that does not cause shape reversal may be used. A similar phenomenon occurs when a vertically downward operating force -FFx is applied to a position near the left end of the operation panel 210 in the drawing instead of the diagonally downwardly operating force -Fx shown in FIG. In the present embodiment, when “operation input indicating an operation amount in the negative direction of the X-axis” is used, not only operation input obliquely downward as in the operation force −Fx but also operation force −FFx, The operation input that pushes the position displaced in the negative direction of the X axis vertically downward is also included, and the operation force -FFx is an operation input equivalent to the operation force -Fx.
[0131]
Now, as shown in FIG. 35, when an operating force -Fx (or -FFx, hereinafter the same) that tilts the operation panel 210 to the left is applied, the columnar protrusions P1 and P3 in the left half of the figure are elastically deformed. Will collapse in the vertical direction. On the other hand, the columnar protrusions P1 and P3 in the right half of the figure are lifted from the upper surface of the substrate 240, as shown. Eventually, when an operating force -Fx of a certain level or more is applied, as shown in FIG. 35, the lower end surface of the columnar protrusion P2 (displacement conductive layer functioning as an intermediary electrode) at the left end of the figure becomes the outer electrodes E15, E16. The outer electrodes E15 and E16 become conductive, and the entire displacement conductive layer 226 has the same potential as the outer electrodes E15 and E16. If the operating force -Fx is further increased from this state, as shown in FIG. 36, the columnar protrusions P1 and P3 in the left half of the figure are elastically deformed so as to be further crushed, and the columnar protrusion P2 is also slightly elastic. Deformed and crushed. Finally, as shown in FIG. 37, all of the columnar protrusions P1, P2, P3 on the left side of the drawing are completely crushed.
[0132]
Here, how the resistance value between the two predetermined points of each of the resistors R11 to R14 changes when the state shown in FIG. 33 is changed to the state shown in FIGS. In the resistor R12 shown on the left side of the figure, the contact surface of the columnar protrusion P1 (contact conductor) arranged above the resistor R12 gradually increases. While the resistance value between the points gradually decreases, the resistance R11 shown on the right side of the drawing is not in contact with the columnar protrusion P2 (contact conductor), so that the resistance value changes. Does not occur. On the contrary, when the operation force + Fx in the positive direction of the X axis is applied, the operation panel 210 is inclined to the right side. The resistance value between two predetermined points of the body R11 gradually decreases. Eventually, by measuring the resistance values of the resistors R11 and R12, the operation amount applied as the operation force −Fx, + Fx in the X-axis direction can be detected (for example, the difference between both resistance values may be obtained). ). By measuring the resistance values of the resistors R13 and R14 arranged on the Y axis based on the same principle, it is possible to detect the operation amount applied as the operation forces -Fy, + Fy in the Y axis direction.
[0133]
The operation amount related to the X-axis direction or the Y-axis direction is an operation amount that can be input by the operator by tilting the operation panel 210 in four directions, up, down, left, and right. By performing a predetermined calculation process, It is also possible to detect the operation amount for a larger number of directions. For example, the operation amount in a total of eight directions including the oblique 45 ° direction can be obtained as a composite component of the operation amount in the X-axis direction and the operation amount in the Y-axis direction. Specifically, for example, when the operation amount x in the X-axis direction and the operation amount y in the Y-axis direction are obtained, the route (x2+ Y2) Can be handled as acting on an oblique 45 ° direction (which direction can be determined by a combination of the signs of the operation amounts x and y). Of course, a force in an arbitrary direction can also be detected. In this case, the magnitude of the operation amount is determined by the route (x2+ Y2) And the direction is tan-1It is obtained by (y / x).
[0134]
By the way, in order to measure the resistance values of the resistors R11 to R14, it is necessary to apply a voltage between two predetermined points of each resistor to cause a current to flow through the resistors. An object of the present invention is to efficiently suppress power consumption in a force detection device using such a variable resistance element. The force detection device shown in FIG. 33 also efficiently suppresses power consumption. It has a function. That is, until the operation input applied to the operation panel 210 exceeds a predetermined magnitude, the detection circuit is kept in a standby mode so that no current flows through the resistor, and an operation input greater than the predetermined magnitude is applied. Sometimes, the detection circuit is set to the detection mode so that a current is passed through the resistor to measure the resistance value. Specifically, in the force detection device shown in FIG. 33, the outer electrodes E15 and E16 (a pair of contact electrodes) formed on the substrate 240, the columnar protrusion P2 disposed above the electrodes, and the surface thereof are formed. The displacement conductive layer 226 (mediating electrode) constitutes a switching element. When the outer electrodes E15 and E16 are electrically insulated, the standby mode is set, and when they are conductive, the detection mode is switched. be able to.
[0135]
FIG. 38 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit that can be used in the force detection device shown in FIG. Like the detection circuit shown in FIG. 17, this detection circuit is configured by a signal processing circuit having an input terminal for analog signals. The input analog signal is converted into a digital signal, and a predetermined value for the digital signal is internally generated. The output as a digital signal is obtained. The signal processing circuit shown in FIG. 38 is also configured as a one-chip integrated circuit, and analog input terminals T11 to T14 shown on the right side of the drawing have analog values corresponding to the resistance values of the resistors R11 to R14, respectively. A voltage value is input. One end (lower end in the figure) of each resistor R11 to R14 is grounded, and the other end (upper end in the figure) is connected to each analog input terminal T11 to T14, and each of the switches SW11 to SW14 and the resistor element R05. Are connected to the power source Vcc through .about.R08.
[0136]
When the switches SW11 to SW14 are turned on, a voltage is applied from the power source Vcc to the resistors R11 to R14, and the analog input terminals T11 to T14 are divided according to the resistance values of the resistors R11 to R14. Is added to obtain a digital value corresponding to each resistance value, similar to the circuit shown in FIG. The added amount of operation in the X-axis direction can be obtained based on the resistance value of the resistor R11 or R12 (or the difference between the two), and the added amount of operation in the Y-axis direction is determined by the resistor R13 or R14. It can be determined based on the resistance value (or the difference between the two).
[0137]
The switches SW11 to SW14 are switches for controlling the voltage supply to each resistor. When any of the switches SW11 to SW14 is maintained in the OFF state, the voltage of the power source Vcc is applied to each resistor. In addition, no current flows through each resistor. This indicates that the signal processing circuit is in a standby mode state. On the other hand, when one of the switches SW11 to SW14 is turned on, the voltage of the power supply Vcc is applied to the resistor connected to the switch that is turned on, and a current flows through the resistor. Therefore, as described above, a digital value corresponding to the resistance value of the resistor is detected. This indicates that the signal processing circuit is in the detection mode state.
[0138]
ON / OFF control of the switches SW11 to SW14 is performed by control signals S21 to S24 output from the control terminals T21 to T24. Actually, the switches SW11 to SW14 are constituted by semiconductor switches such as logic elements, and the control signals S21 to S24 are digital logic signals. The signal processing circuit includes a CPU and a program for operating the CPU, and the logical values of the control signals S21 to S24 are determined by the logical operation of the CPU.
[0139]
The power supply voltage Vcc or the ground voltage is applied to the input terminal T01 shown on the left side of FIG. 38 according to the ON / OFF state of the switch SW1. That is, when the switch SW1 is in the OFF state, the power supply voltage Vcc is applied to the input terminal T01 via the resistance element R01. However, when the switch SW1 is in the ON state, the input terminal T01 becomes the ground potential. . Therefore, the signal processing circuit can grasp the ON / OFF state of the switch SW1 based on the potential of the input terminal T01.
[0140]
This switch SW1 is actually a switch composed of outer electrodes E15 and E16 (a pair of contact electrodes) formed on the substrate 240 in the force detection device shown in FIG. 33, and the outer electrodes E15 and E16 are insulated. OFF when in a state, ON when in a conductive state. Therefore, for example, in the state shown in FIG. 33 and FIG. 34 (the state in which the X-axis direction operation amount or the Y-axis direction operation amount greater than a predetermined size is not added), the switch SW1 is in the OFF state. In the state shown in FIGS. 36 and 37 (a state in which an operation amount in the X-axis direction or an operation amount in the Y-axis direction greater than a predetermined size is added), the switch SW1 is in the ON state.
[0141]
Therefore, in the signal processing circuit shown in FIG. 38, when the potential of the input terminal T01 is the power supply voltage Vcc (when the switch SW1 is in the OFF state), the switches SW11 to SW14 are turned off from the control terminals T21 to T24. Control signals S21 to S24 are output, and when the potential of the input terminal T01 is the ground potential (when the switch SW1 is in the ON state), the switches SW11 to SW24 are turned on from the control terminals T21 to T24. Control is performed so as to output the control signals S21 to S24. As a result, only when an operation amount having a predetermined size including the X-axis or Y-axis direction component is applied, a current flows through the resistors R11 to R14, thereby enabling detection. Eventually, until the switch SW1 is turned on, the detection circuit maintains a standby mode in which the original detection function cannot be performed, and power consumption is suppressed.
[0142]
On the other hand, the power supply voltage Vcc or the ground voltage is applied to the input terminal T00 shown on the left side of FIG. 38 depending on the ON / OFF state of the switch SW0. That is, when the switch SW0 is in the OFF state, the power supply voltage Vcc is applied to the input terminal T00 via the resistance element R00. However, when the switch SW0 is in the ON state, the input terminal T00 becomes the ground potential. . Therefore, the signal processing circuit can grasp the ON / OFF state of the switch SW0 based on the potential of the input terminal T00. This switch SW0 is actually a switch constituted by the inner electrodes E17 and E18 formed on the substrate 240 in the force detection device shown in FIG. 33, and is OFF when the inner electrodes E17 and E18 are in an insulated state. Turns on when in a state. Therefore, the ON / OFF state of the switch SW0 indicates an operator switch input (click input by reversing the shape of the dome-shaped structure 230).
[0143]
In the embodiment shown here, as shown in the bottom view of FIG. 28, a single displacement conductive layer 226 (hatched portion in the figure) is formed on the bottom surface of the elastic deformation body 220, Another conductive layer (a part of the displacement conductive layer 226) formed on the lower surface of each columnar protrusion P1 (contact conductor) and another conductive layer (a different one of the displacement conductive layer 226) formed on the lower surface of each columnar protrusion P2 38), when the detection circuit shown in FIG. 38 is used, when the switch SW1 is turned on, the entire displacement conductive layer 226 is grounded, and the resistance values of the resistors R11 to R14 are measured. Will be affected. Of course, even if there is such an effect, the resistance value can be measured, but in order to perform a more efficient measurement, the resistance value is sufficiently larger than the resistance values of the resistors R11 to R14. A resistance element is prepared, and a circuit for detecting the conduction state of the contact electrodes E15 and E16 and a circuit for detecting the resistance value of the resistors R11 to R14 may be isolated using the prepared resistance element. . Specifically, in the detection circuit shown in FIG. 38, the resistance element R01 is configured by a resistance element having a large resistance value of about 10 MΩ, and a large resistance value of about 1 MΩ is provided between the electrode E16 and the ground level Gnd. What is necessary is just to insert a resistance element. Alternatively, instead of the displacement conductive layer 226 being a single conductive layer, electrically isolated island-shaped conductive layers are formed on the lower surface of each columnar protrusion P1 and the lower surface of each columnar protrusion P2. May be.
[0144]
§8. Modification of the force detection device using the variable resistance element according to the present invention
As mentioned above, several embodiments of the force detection device using the variable resistance element according to the present invention have been described. Here, some modified examples will be described.
[0145]
(1) Variation of contact electrode configuration
In the embodiment shown in FIG. 31, a switching element is constituted by a pair of annular contact electrodes (that is, outer electrodes E15 and E16) and a displacement conductive layer 226 formed on the bottom surface of the electrode columnar protrusion P2. However, the pair of contact electrodes used as the switching elements do not necessarily need to be annular. For example, the pair of contact electrodes E15A and E16A, some of which are shown in FIG. 39, are annular electrodes formed at substantially the same positions as the outer electrodes E15 and E16 shown in FIG. 31, but each has a tooth-like protrusion. (The hatching in FIG. 39 is for clarifying the shape of the electrode, and does not show a cross section). The displacement conductive layer 226 functioning as a mediating electrode needs to be in contact with both of the pair of contact electrodes at the same time. However, if a pair of contact electrodes E15A and E16A as shown in FIG. Becomes easier.
[0146]
In addition, contact electrode groups E15B and E16B, some of which are shown in FIG. 40 (hatching in FIG. 40 is for clarifying the shape of the electrodes, not showing a cross section), belong to the first group. A plurality of N electrodes E15B and a plurality of N electrodes E16B belonging to the second group are alternately arranged along the circumference defined on the substrate 240 (the outer electrode E15 shown in FIG. 31). , E16 are arranged at substantially the same position). As a result, the electrode E15B belonging to the first group and the electrode E16B belonging to the second group are arranged adjacent to each other, and a pair of contacts is made by the electrodes E15B and E16B arranged adjacent to each other. The electrode for a structure is comprised, and a pair of electrode for a contact which consists of a total of N sets is formed. In the embodiment shown in FIG. 31, only one pair of contact electrodes E15 and E16 is provided, but the example shown in FIG. 40 is a modification in which a plurality of pairs of contact electrodes are provided. In this modified example, it is necessary to perform wiring for each of the N electrodes E15B and the N electrodes E16B, which is practically complicated.
[0147]
(2) Modification of a pair of contact electrodes
In the embodiments described so far, a pair of contact electrodes included in the switching element are both formed on the substrate, and the mediating electrode is simultaneously brought into contact with both of the pair of contact electrodes, thereby making a pair of contact electrodes. Although the method of conducting the electrodes has been adopted, in carrying out the present invention, it is not always necessary to provide a pair of contact electrodes on the substrate side, and it is not always necessary to use a mediating electrode. For example, the contact fixed electrode formed on the substrate and the contact displacement electrode formed on the elastic deformation body side constitute a pair of contact electrodes, and an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the elastic deformation body. When the elastic deformation body is acted on, a structure is adopted in which the contact fixed electrode formed on the substrate and the contact displacement electrode formed on the elastic deformation body side are in physical contact with each other due to the deformation of the elastic deformation body. It doesn't matter.
[0148]
However, in order to electrically detect whether or not the fixed electrode for contact formed on the substrate and the displacement electrode for contact formed on the elastic deformable body are in physical contact with each other as described above, It is necessary to wire each electrode. In practice, it is not preferable to wire the elastic deformation body. Therefore, in practice, it is preferable to use a method in which a pair of contact electrodes are provided on a substrate and both electrodes are made conductive by using a mediating electrode, as in the embodiments described so far. If such a method is adopted, no wiring is required on the mediating electrode side. Therefore, if wiring is performed only on the substrate side, it is not necessary to provide wiring on the elastic deformable body side.
[0149]
(3) Variation of variable resistance element
In the embodiments described so far, the variable resistance element is configured by the resistor arranged on the substrate and the contact conductor provided on the elastic deformation body side so as to face the resistor. The variable resistance element used in the present invention is a component that is disposed between a substrate and an elastic deformable body, and has a property that the resistance value between two predetermined points changes according to the pressure applied by the displacement of the elastic deformable body. If present, it is not always necessary to configure the combination of the resistor and the contact conductor.
[0150]
FIG. 41 is a side cross-sectional view showing a configuration of a variable resistance element 300 having a form different from that of the variable resistance element used in the above embodiments. The variable resistance element 300 shown here has a structure in which a first sheet 310 and a second sheet 320 are stacked so as to be vertically symmetrical. As illustrated, the first sheet 310 includes a first film 311, a first conductive layer 312 formed thereon, and a first resistor 313 formed thereon. The second sheet 320 includes a second film 321, a second conductive layer 322 formed under the second film 321, and a second resistor 323 formed under the second film 321 as illustrated. Has been. However, the reason why the first and second modifiers are added to the individual constituent elements is here for the sake of convenience, and the actual structure is the first sheet 310. And the second sheet 320 are exactly the same sheet, and one of the two identical sheets is turned upside down and stacked on the other, the variable resistance element 300 is obtained. Practically, it is preferable to bond the two sheets by some method so that the two sheets do not shift.
[0151]
The first resistor 313 and the second resistor 323 are both made of a material that causes elastic deformation, and are disposed at positions facing each other. In addition, the upper surface of the first resistor 313 and the lower surface of the second resistor 323 each have a corrugated structure with a corrugated cross section, and the first resistor 313 and the second resistor 313 correspond to the pressure applied in the vertical direction in the figure. The area of the contact surface with the resistor 323 is configured to change. That is, in the state where the vertical pressure is not applied to the variable resistance element 300, as shown in FIG. 41, the apex portions of the corrugated uneven structures of the resistors 313 and 323 are in point contact, Although the area of the contact surface is extremely small, when a downward external force -Fz as shown in FIG. 42 is applied to the variable resistance element 300, for example, the waveform of each of the resistors 313 and 323 is illustrated. The uneven structure portion is deformed by pressure, and the contact area between the two increases.
[0152]
Since the first conductive layer 312 is connected to the lower surface of the first resistor 313 and the second conductive layer 322 is connected to the upper surface of the second resistor 323, the first conductive layer When the resistance value between the terminal T31 connected to 312 and the terminal T32 connected to the second conductive layer 322 is measured, the resistance value changes according to the contact area between the two, Based on this resistance value, it is possible to detect an external force applied to the variable resistance element 300 in the vertical direction. That is, the two sheets 310 and 320 function as the variable resistance element 300 having a property that the resistance value between two predetermined points changes according to the applied pressure. Practically, the following method may be employed to create the first sheet 310, for example. First, a first film 311 made of an FPC (Flexible Print Circuit) film or the like is prepared, and a first conductive layer 312 is formed by forming a layer of copper or the like on the upper surface thereof. Subsequently, pressure-sensitive conductive ink is applied to the upper surface of the first conductive layer 312, and the surface of the pressure-sensitive conductive ink is processed into a concavo-convex structure having a corrugated cross section to form the first resistor 313. Good. Of course, the second sheet 320 can be created in the same manner. In the illustrated example, a corrugated structure having a corrugated cross section is formed on each of the upper surface of the first resistor 313 and the lower surface of the second resistor 323. It is not necessary to form it, and if it is formed in at least one surface part, a variable resistance element can be comprised. In short, the surface portion facing at least one of the first resistor 313 and the second resistor 323 has a concavo-convex structure that causes elastic deformation, and the contact between the two according to the pressure applied between them. What is necessary is just to be comprised so that the area of a surface may change.
[0153]
The variable resistance element 300 shown in FIG. 41 can be used in place of, for example, a variable resistance element constituted by “resistor and contact conductor” in the force detection device shown in FIG. In this case, the variable resistance element 300 described above may be used instead of the four resistors R11 to R14 formed on the substrate 240. Specifically, four variable resistance elements 300-1 to 300-4 having a planar shape in the shape of a fan like the resistors R11 to R14 in FIG. 32 and having a side sectional structure as shown in FIG. 41 are prepared. If each is adhered to a predetermined position on the substrate 240, that is, a position where the resistors R11 to R14 of FIG. 32 are disposed (if the lower surface of the first film 311 is adhered to the upper surface of the substrate 240), The four variable resistance elements 300-1 to 300-4 perform the same function as the four resistors R11 to R14. However, the applied external force is detected based on the resistance value between the terminals T31 and T32 shown in FIG. 41 for each of the variable resistance elements 300.
[0154]
Since each variable resistance element 300 can actually be made as a very thin sheet-like member, the four resistors R11 to R14 are replaced with four variable resistance elements 300-1 to 300-4. The side cross-sectional structure of the force detecting device is almost the same as that of the force detecting device shown in FIG. However, in the case of the force detection device shown in FIG. 33, a combination of the four resistors R11 to R14 and the columnar protrusion P1 disposed above and the conductive layer (displacement conductive layer 226) formed on the lower surface thereof. 41, the variable resistance element 300 shown in FIG. 41 functions as a variable resistance element by itself. Therefore, in the apparatus of the modification described here, the columnar protrusion P1 applies pressure. The displacement conductive layer 226 is not required to be formed on the lower surface of the columnar protrusion P1.
[0155]
When the columnar protrusion P1 shown in FIG. 33 is made to function as a protrusion that applies pressure, the pressure concentrates near the center of the upper surface of the variable resistance element 300 shown in FIG. The deformation is unevenly distributed in the vicinity of the central portion, and efficient detection sensitivity cannot be obtained. Therefore, as shown in FIG. 42, in order to improve the detection sensitivity by uniformly deforming the resistors 313 and 323 over the entire surface, a bottom view is shown in FIG. 43 instead of the elastic deformable body 220 shown in FIG. The elastic deformation body 220A as shown in FIG. The elastic deformable body 220A shown in FIG. 43 is obtained by replacing the four columnar protrusions P1 in the elastic deformable body 220 shown in FIG. 26 with four plate-like protrusions P4. The planar shape of each plate-like protrusion P4 has a fan shape, and has the same shape as the four variable resistance elements 300-1 to 300-4 formed on the substrate 240. It will be arranged in the position. Note that it is not necessary to form a conductive layer on the lower surface of each plate-like protrusion P4. 44 replaces the four resistors R11 to R14 in the force detection device shown in FIG. 33 with four variable resistance elements 300-1 to 300-4, and the elastic deformation body 220 to the elastic deformation shown in FIG. It is a sectional side view showing the modification replaced with body 220A. Each of the variable resistance elements 300-1 to 300-4 has the same cross-sectional structure as that of the variable resistance element 300 shown in FIG. 41, and pressure is applied to the entire surface by the plate-like protrusion P4 disposed above the variable resistance element 300. It is done. For this reason, more efficient detection sensitivity can be obtained.
[0156]
FIG. 43 shows an example in which four fan-shaped plate-like projections P4 are formed. However, these are connected to form a single plate-like projection having a washer shape as a whole. It doesn't matter. In addition, each of the variable resistance elements 300-1 to 300-4 is also connected to, for example, four sets of fan-shaped conductive layers on a single washer-like film by connecting portions of the film 311 or the film 321. Also, a structure in which a resistor is formed may be used. Furthermore, in the above description, the entire variable resistance element 300 is fixed to the substrate 240 side, but the first sheet 310 of the variable resistance element 300 is fixed to the substrate 240 side (the first film 311 is fixed to the substrate 240). The second sheet 320 may be fixed to the plate-like protrusion P4 side (elastic deformation body 220A side) (the second film 321 is attached to the lower surface of the plate-like protrusion P4).
[0157]
(4) Application to one-dimensional force detector
The force detection device according to the embodiment shown in FIG. 9 described above is a three-dimensional force detection device having a function of detecting an XYZ three-dimensional force direction component, but includes resistors R5 and R6 and a contact conductor C5. If omitted, a two-dimensional force detection device having a function of detecting force components in the X-axis direction and the Y-axis direction can be configured. If only the resistors R1 and R2 and the contact conductors C1 and C2 are disposed, a one-dimensional force detection device having a function of detecting only a force component in the X-axis direction can be configured. Similarly, the force detection device according to the embodiment shown in FIG. 33 is a two-dimensional force detection device having a function of detecting an XY two-dimensional force direction component (operation amount), but a resistor and a contact conductor. Can be used as a three-dimensional force detection device, or can be used as a one-dimensional force detection device by removing unnecessary resistors and contact conductors. Thus, the present invention can be used for any one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional force detection devices.
[0158]
(5) Other variations
In the above-described embodiments, examples of some detection circuits have been described with reference to circuit diagrams. However, the detection circuit used to implement the present invention is not limited to those using these circuits. Any detection circuit may be used as long as it has a function of outputting the resistance value of the variable resistance element as an electric signal. The detection circuit used in the present invention operates in two modes, a standby mode and a detection mode. In the standby mode, the circuit does not necessarily have to perform any operation, and the state of the switching element As long as the transition to the detection mode is possible based on the transition, the circuit may be in a completely stopped state. For example, a method may be employed in which the state in which the power supply to the detection circuit is completely stopped is set as the standby mode, and the power supply is started and the detection mode is shifted to when the state transition of the switching element occurs. The switching element in the present invention is a component that can change the conduction state between the pair of contact electrodes in order to switch from the standby mode to the detection mode or from the detection mode to the standby mode. Any configuration can be used.
[0159]
Note that the application of the force detection device according to the present invention is not necessarily limited to an electronic device input device, and can of course be used for a detection device used for control of a robot, an industrial machine, or the like. Moreover, it is also possible to use as an acceleration detection device by attaching a weight body to the elastic deformable body and detecting a force acting on the weight body based on acceleration. In this case, the detection circuit is in a standby mode unless an acceleration of a predetermined magnitude or more is applied, so that power consumption can be saved.
[0160]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a force detection device using a variable resistance element capable of efficiently suppressing power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing a structure of a force detection device using a variable resistance element to which the present invention is applied.
2 is a top view of a substrate 110 in the force detection device shown in FIG. 1, and a cross section of the substrate 110 cut along the X-axis is shown in FIG.
3 is a top view of the elastic deformable body 120 in the force detection device shown in FIG. 1, and a cross section of the elastic deformable body 120 cut along the X axis is shown in FIG.
4 is a bottom view of the elastic deformable body 120 in the force detection device shown in FIG. 1, and a cross section of the elastic deformable body 120 cut along the X axis is shown in FIG.
FIG. 5 is a side sectional view (a), a plan view (b), and an equivalent circuit diagram (c) showing a contact state between the resistor R and the contact conductor C when no external force is applied.
FIG. 6 is a side sectional view (a), a plan view (b), and an equivalent circuit diagram (c) showing a contact state between the resistor R and the contact conductor C in the state where an external force is applied.
7 is a side cross-sectional view showing a state when an external force F obliquely downward to the right acts on the force detection device shown in FIG.
8 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 9 is a side sectional view showing the structure of a force detection device using a variable resistance element according to a basic embodiment of the present invention.
10 is a top view of the substrate 110 in the force detection device shown in FIG. 9, and a cross section of the substrate 110 cut along the X axis is shown in FIG.
FIG. 11A is an enlarged view of the resistors RR1 to RR4 shown in FIG. 10 and a wiring diagram thereof. The hatching is for clarifying the shape of the plate-like structure, and is not for showing a cross section. Fig. (B) is a side sectional view showing the positional relationship between the resistor RR shown in Fig. (A) and the contact conductor C arranged thereabove when no external force is applied.
FIG. 12 is a side sectional view showing a contact state between a resistor RR and a contact conductor C disposed thereabove in a state where an external force -Fz is applied.
FIG. 13 is a side sectional view showing a contact state between a resistor RR and a contact conductor C disposed thereabove in a state where a larger external force -Fz is applied.
14 shows various states of the resistor RR shown in FIGS. 11 to 13, the contact conductor C disposed above the switch, and the switch SW including a pair of contact electrodes S1 and S2. Is an equivalent circuit.
15 is a circuit diagram showing a first example of a detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 9;
16 is a circuit diagram showing a second example of a detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 9;
FIG. 17 is a circuit diagram showing a third example of a detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 9;
FIG. 18 is a wiring diagram showing a circuit for detecting an ON / OFF state of a switch composed of a pair of contact electrodes S1, S2 formed in the central gap region of the resistor RR.
19 is an equivalent circuit diagram for the wiring shown in FIG. 18;
20 is a wiring diagram for enabling efficient resistance measurement by adding a resistance element to the wiring shown in FIG. 18; FIG.
FIG. 21 is an equivalent circuit diagram for the wiring shown in FIG. 20;
FIG. 22 is an exploded side sectional view of a force detection device according to another embodiment of the present invention.
23 is a top view of operation panel 210 shown in FIG. FIG. 22 shows a side cross section obtained by cutting the operation panel 210 at the center.
24 is a bottom view of operation panel 210 shown in FIG. FIG. 22 shows a side cross section obtained by cutting the operation panel 210 at the center.
25 is a top view of the elastic deformable body 220 shown in FIG. A side cross section obtained by cutting the elastic deformable body 220 at the center is shown in FIG.
26 is a bottom view of the elastic deformable body 220 shown in FIG. A side cross section obtained by cutting the elastic deformable body 220 at the center is shown in FIG.
27 is a bottom view for explaining the arrangement of columnar protrusions formed on the bottom surface of the elastic deformable body 220 shown in FIG. 26. FIG.
28 is a bottom view showing a displacement conductive layer 226 formed on the bottom surface of the elastic deformable body 220 shown in FIG. 26 (hatching does not indicate a cross section).
29 is a top view of the dome-shaped structure 230 shown in FIG. A side cross section obtained by cutting the dome-like structure 230 at the center is shown in FIG.
30 is a side sectional view for explaining the shape reversal operation of the dome-shaped structure 230 shown in FIG.
31 is a top view of the substrate 240 shown in FIG. A side cross section obtained by cutting the substrate 240 at the center (XZ plane) is shown in FIG. 22 (hatching does not indicate a cross section).
32 is a top view showing a state in which a dome-shaped structure 230 is arranged on the substrate 240 shown in FIG. 31. FIG.
33 is a side cross-sectional view of a force detection device configured by assembling the components shown in FIG. However, the portion of the dome-shaped structure 230 is shown not on a cross section but on a side surface. Each columnar protrusion P1 to P3 has only a cross-sectional portion drawn, and each columnar protrusion located in the back is not shown.
34 is a side sectional view showing a state when switch input (click input) is performed in the force detection device shown in FIG. 33. FIG. However, the portion of the dome-shaped structure 230 is shown not on a cross section but on a side surface. Each columnar protrusion P1 to P3 has only a cross-sectional portion drawn, and each columnar protrusion located in the back is not shown.
35 is a side cross-sectional view showing a first state when an operation input in the negative direction of the X-axis is performed in the electronic apparatus input device shown in FIG. 33. FIG. However, the portion of the dome-shaped structure 230 is shown not on a cross section but on a side surface. Each columnar protrusion P1 to P3 has only a cross-sectional portion drawn, and each columnar protrusion located in the back is not shown.
36 is a side cross-sectional view showing a second state when an operation input in the negative direction of the X-axis is performed in the electronic apparatus input device shown in FIG. 33. FIG. However, the portion of the dome-shaped structure 230 is shown not on a cross section but on a side surface. Each columnar protrusion P1 to P3 has only a cross-sectional portion drawn, and each columnar protrusion located in the back is not shown.
37 is a side sectional view showing a third state when an operation input in the negative direction of the X-axis is performed in the electronic apparatus input device shown in FIG. 33. FIG. However, the portion of the dome-shaped structure 230 is shown not on a cross section but on a side surface. Each columnar protrusion P1 to P3 has only a cross-sectional portion drawn, and each columnar protrusion located in the back is not shown.
38 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit used in the force detection device shown in FIG. 33. FIG.
39 is a top view showing a modification of the pair of contact electrodes shown in FIG. 31. FIG.
40 is a top view showing another modification of the pair of contact electrodes shown in FIG. 31. FIG.
FIG. 41 is a side sectional view showing an example in which the variable resistance element 300 is configured using a pair of resistors 313 and 323 having a wavy uneven structure on the surface.
42 is a sectional side view showing a deformed state when pressure -Fz is applied to the variable resistance element 300 shown in FIG. 41. FIG.
43 is a bottom view of an elastic deformable body 220A suitable for using the variable resistance element 300 shown in FIG. 41. FIG.
44 is a side sectional view of a force detection device configured using the variable resistance element 300 shown in FIG. 41 and the elastic deformation body 220A shown in FIG.
[Explanation of symbols]
110 ... Board
120, 120A ... elastic deformation body
121 ... action part
122 ... Flexible part
123, 123A ... fixed portion
125 ... operation
130, 130A ... Fixing member
210 ... Control panel
211 ... Operation part
212 ... bank part
213 ... outer peripheral part
214 ... Pressing bar
220, 220A ... elastic deformation body
221 ... Inner membrane part
222 ... An annular ridge
223 ... Outer membrane part
224 ... side wall
225 ... Fixed leg
226 ... Displacement conductive layer
230 ... Domed structure
231 ... Conductive contact surface
240 ... substrate
241: Fixed hole
300: Variable resistance element
310 ... first sheet
311: First film
312... First conductive layer
313: First resistor
320 ... second sheet
321 ... Second film
322 ... Second conductive layer
323. Second resistor
C, C1 to C5 ... Conductor for contact
E15-E18 ... Electrodes
E15A, E15B, E16A, E16B ... Electrodes
F ... External force
+ Fx: + X-axis direction component of external force
-Fx, -FFx ... -X-axis direction component of external force
-Fz: -Z-axis direction component of external force
Gnd ... Grounding point
Jx, Jy, Jz ... Connection point
K1 ... inner concentric circle
K2 ... Standard concentric circle
K3 ... Concentric circle outside
O ... Origin of coordinate system
P1-P3 ... Columnar protrusion
P4 ... Plate-like projection
R, R1 to R6, RR, RR1 to RR6, R11 to R14 ... resistor
R100, R200 ... resistors
R00 to R08 ... Resistance element
S ... Contact surface
S1, S2 ... Contact electrodes
S21 to S25 ... Control signal
SW, SW0 to SW5... Switch comprising a pair of contact electrodes
SW11 to SW15 ... Semiconductor switch
T1 to T4, T00 to T03, T11 to T15, T21 to T25, T31, T32 ... terminals
TT ... Node
Tx, Ty, Tz ... Detection value output terminals
V, VV ... Cavity
Vcc ... Power supply voltage
X, Y, Z ... Coordinate axes of 3D coordinate system

Claims (15)

可変抵抗要素を利用して、作用した外力の大きさを検出する機能をもった力検出装置であって、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなり、外力の作用に基づく弾性変形により前記基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
前記基板と前記弾性変形体との間に配置され、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
一対の接触用電極を有し、通常は前記一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、前記弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、前記弾性変形体の変形により前記一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
前記可変抵抗要素の前記二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、
を備え、
前記検出回路が、前記二点間の抵抗値を電気信号として出力する検出機能を果たすことができる検出モードと、前記検出機能を果たすことはできないが前記検出モードよりも少ない消費電力で、前記検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成され、前記一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には前記待機モードが選択され、導通状態である場合には前記検出モードが選択されるように構成されており、
前記可変抵抗要素は、前記基板上に配置された４つの抵抗体と、前記弾性変形体の前記４つの抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの接触用導電体と、を有し、前記基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、前記弾性変形体の変形により各接触用導電体の対向する各抵抗体に対する接触状態が変化し、
前記接触用導電体は、弾性変形する材料から構成され、少なくとも前記抵抗体に対する接触面は導電性を有しており、かつ、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて前記抵抗体に対する接触面の面積が変化する形状を有しており、前記接触面の面積の変化に応じて、前記抵抗体上の「前記接触用導電体の接触位置」を挟む二点間の抵抗値が変化するように構成されており、
前記切替要素が、前記基板上に形成された一対の接触用電極と、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより前記一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成され、
前記一対の接触用電極は、前記ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、前記原点Ｏを中心として前記各抵抗体の外側位置に配置されており、
前記仲介電極は、前記弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、通常は前記一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように配置されており、
前記検出回路は、前記検出モードにおいて、前記各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、前記弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 A force detection device having a function of detecting the magnitude of an applied external force using a variable resistance element,
A plate-like substrate;
An elastic deformation body that is disposed at a position facing the substrate, and at least a part thereof is made of a material that causes elastic deformation, and has a structure that is displaced with respect to the substrate by elastic deformation based on the action of an external force;
A variable resistance element disposed between the substrate and the elastic deformable body, and having a property that a resistance value between two predetermined points changes according to a pressure applied by displacement of the elastic deformable body;
A pair of contact electrodes, and the pair of contact electrodes is normally electrically insulated, and when an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the elastic deformable body, the elastic deformable body A switching element that performs a switching function such that the pair of contact electrodes are electrically connected by deformation, and
A detection circuit for detecting a resistance value between the two points of the variable resistance element as an electric signal;
With
The detection circuit can perform a detection function that outputs a resistance value between the two points as an electric signal, and the detection circuit that cannot perform the detection function but consumes less power than the detection mode. A standby mode capable of maintaining a standby state for shifting to a mode, and being configured to be able to select two modes, and when the electrical state between the pair of contact electrodes is an insulating state Is configured so that the detection mode is selected when the standby mode is selected and in a conductive state ,
The variable resistance element has four resistors disposed on the substrate, and four contact conductors disposed at positions facing the four resistors of the elastic deformation body, respectively. When an XY coordinate system having the origin O at the center position of the upper surface of the substrate is defined, the first resistor is arranged in the X-axis positive region and the second resistor is arranged in the X-axis negative region. The third resistor is disposed in the Y-axis positive region, and the fourth resistor is disposed in the Y-axis negative region, and each of the contact conductors facing each other is deformed by the deformation of the elastic deformable body. The state of contact with the resistor changes,
The contact conductor is made of an elastically deformable material, at least a contact surface with respect to the resistor has conductivity, and contact with the resistor according to a pressure applied by displacement of the elastic deformable body. It has a shape in which the area of the surface changes, and the resistance value between two points across the “contact position of the contact conductor” on the resistor changes according to the change in the area of the contact surface. Is configured as
The switching element is a pair of contact electrodes formed on the substrate, and a mediating electrode capable of conducting between the pair of contact electrodes by simultaneously contacting both of the pair of contact electrodes; Composed by
The pair of contact electrodes are arranged in all of the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, and the Y-axis negative region in the XY coordinate system, and the origin O is the center. Arranged at the outer position of each resistor,
The intermediary electrode is formed at a position where the elastic deformation body is displaced, and is usually not in contact with either of the pair of contact electrodes or in a state of being in contact with only one of them. When an external force of a predetermined magnitude or more acts on the elastic deformable body, the elastic deformable body is deformed to cause an X-axis positive area, an X-axis negative area, a Y-axis positive area, or a Y-axis negative area. And arranged so as to be in contact with both of the pair of contact electrodes simultaneously,
The detection circuit detects an X-axis direction component and a Y-axis direction component of an external force applied to the elastic deformation body based on a resistance value between two points of each resistor in the detection mode. Force detecting device using a variable resistance element. 請求項１に記載の力検出装置において、The force detection device according to claim 1,
接触用導電体を、導電性ゴムによって構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。  A force detecting device using a variable resistance element, wherein the contact conductor is made of conductive rubber. 可変抵抗要素を利用して、作用した外力の大きさを検出する機能をもった力検出装置であって、A force detection device having a function of detecting the magnitude of an applied external force using a variable resistance element,
板状の基板と、  A plate-like substrate;
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなり、外力の作用に基づく弾性変形により前記基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、  An elastic deformation body that is disposed at a position facing the substrate, and at least a part thereof is made of a material that causes elastic deformation, and has a structure that is displaced with respect to the substrate by elastic deformation based on the action of an external force;
前記基板と前記弾性変形体との間に配置され、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、  A variable resistance element disposed between the substrate and the elastic deformable body, and having a property that a resistance value between two predetermined points changes according to a pressure applied by displacement of the elastic deformable body;
一対の接触用電極を有し、通常は前記一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、前記弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、前記弾性変形体の変形により前記一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、  A pair of contact electrodes, and the pair of contact electrodes is normally electrically insulated, and when an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the elastic deformable body, the elastic deformable body A switching element that performs a switching function such that the pair of contact electrodes are electrically connected by deformation;
前記可変抵抗要素の前記二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、  A detection circuit for detecting a resistance value between the two points of the variable resistance element as an electric signal;
を備え、  With
前記検出回路が、前記二点間の抵抗値を電気信号として出力する検出機能を果たすことができる検出モードと、前記検出機能を果たすことはできないが前記検出モードよりも少ない消費電力で、前記検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成され、前記一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には前記待機モードが選択され、導通状態である場合には前記検出モードが選択されるように構成されており、  The detection circuit can perform a detection function that outputs a resistance value between the two points as an electric signal, and the detection circuit that cannot perform the detection function but consumes less power than the detection mode. A standby mode capable of maintaining a standby state for shifting to a mode, and being configured to be able to select two modes, and when the electrical state between the pair of contact electrodes is an insulating state Is configured so that the detection mode is selected when the standby mode is selected and in a conductive state,
前記可変抵抗要素は、前記基板上に配置された４つの下方抵抗体と、前記弾性変形体の前記４つの下方抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの上方抵抗体と、を有し、前記基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の下方抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の下方抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の下方抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の下方抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、前記弾性変形体の変形により各上方抵抗体の対向する各下方抵抗体に対する接触状態が変化し、  The variable resistance element includes four lower resistors disposed on the substrate and four upper resistors disposed at positions facing the four lower resistors of the elastic deformation body, respectively. When an XY coordinate system having the origin O at the center position of the upper surface of the substrate is defined, the first lower resistor is disposed in the X-axis positive region, and the second lower resistor is negative in the X-axis. The third lower resistor is disposed in the Y-axis positive region, the fourth lower resistor is disposed in the Y-axis negative region, and each upper resistor is deformed by the deformation of the elastic deformable body. The state of contact with each of the lower resistors facing each other changes,
前記下方抵抗体および前記上方抵抗体の少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、検出対象となる外力の作用によって加わる圧力に応じて前記下方抵抗体と前記上方抵抗体との接触面の面積が変化するように構成され、前記接触面の面積の変化に応じて、前記下方抵抗体側に接続された所定点と前記上方抵抗体側に接続された所定点との間の抵抗値が変化するように構成されており、  A surface portion facing at least one of the lower resistor and the upper resistor has an uneven structure that causes elastic deformation, and the lower resistor and the upper resistor according to the pressure applied by the action of an external force to be detected. An area of the contact surface with the resistor is configured to change, and according to a change in the area of the contact surface, a predetermined point connected to the lower resistor side and a predetermined point connected to the upper resistor side It is configured to change the resistance value between
前記切替要素が、前記基板上に形成された一対の接触用電極と、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより前記一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成され、  The switching element is a pair of contact electrodes formed on the substrate, and a mediating electrode capable of conducting between the pair of contact electrodes by simultaneously contacting both the pair of contact electrodes; Composed by
前記一対の接触用電極は、前記ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、前記原点Ｏを中心として前記各下方抵抗体の外側位置に配置されており、  The pair of contact electrodes are arranged in all of the X-axis positive region, the X-axis negative region, the Y-axis positive region, and the Y-axis negative region in the XY coordinate system, and the origin O is the center. Arranged at the outer position of each lower resistor,
前記仲介電極は、前記弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、通常は前記一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように配置されており、  The intermediary electrode is formed at a position where the elastic deformation body is displaced, and is usually not in contact with either of the pair of contact electrodes or in a state of being in contact with only one of them. When an external force of a predetermined magnitude or more is applied to the elastic deformable body, an X-axis positive area, an X-axis negative area, a Y-axis positive area, or a Y-axis negative area is generated by deformation of the elastic deformable body. And arranged so as to be in contact with both of the pair of contact electrodes simultaneously,
前記検出回路は、前記検出モードにおいて、４組の抵抗体対の所定点間の抵抗値に基づいて、前記弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。  In the detection mode, the detection circuit detects an X-axis direction component and a Y-axis direction component of an external force applied to the elastic deformable body based on resistance values between predetermined points of the four pairs of resistor pairs. A force detection device using a variable resistance element. 請求項３に記載の力検出装置において、The force detection device according to claim 3,
下方抵抗体および上方抵抗体を、感圧導電性インクによって構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。  A force detection device using a variable resistance element, wherein the lower resistor and the upper resistor are made of pressure-sensitive conductive ink. 請求項１〜４のいずれかに記載の力検出装置において、
一対の接触用電極を、環状の第１電極と、この第１電極の外側に隣接配置された環状の第２電極と、によって構成し、
仲介電極を、前記第１電極と前記第２電極との双方に、いずれかの箇所で同時に接触可能な位置に形成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 4 ,
The pair of contact electrodes is constituted by an annular first electrode and an annular second electrode disposed adjacent to the outside of the first electrode,
A force detection device using a variable resistance element, characterized in that an intermediate electrode is formed at a position where both the first electrode and the second electrode can be simultaneously contacted at any location. 請求項１〜４のいずれかに記載の力検出装置において、
基板上に第１グループに所属する複数Ｎ個の電極と第２グループに所属する複数のＮ個の電極とを配置し、前記第１グループに所属する第ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の電極と前記第２グループに所属する第ｉ番目の電極とがそれぞれ隣接するようにし、互いに隣接して配置された前記第１グループに所属する電極と前記第２グループに所属する電極とによって一対の接触用電極が構成されるようにし、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極を形成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 4 ,
A plurality of N electrodes belonging to the first group and a plurality of N electrodes belonging to the second group are arranged on the substrate, and the i-th (1 ≦ i ≦ N) belonging to the first group. The electrode and the i-th electrode belonging to the second group are adjacent to each other, and a pair of electrodes belonging to the first group and electrodes belonging to the second group are arranged adjacent to each other. A force detection device using a variable resistance element, characterized in that a contact electrode is configured, and a pair of contact electrodes consisting of a total of N pairs is formed. 請求項６に記載の力検出装置において、
基板上に定義された円周に沿って、第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とを交互に配置し、
仲介電極を、弾性変形体側の「前記円周に対向する円周」に沿って形成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。The force detection device according to claim 6, wherein
Along the circumference defined on the substrate, the electrodes belonging to the first group and the electrodes belonging to the second group are alternately arranged,
A force detection device using a variable resistance element, wherein the mediating electrode is formed along the "circumference opposite to the circumference" on the elastic deformable body side. 請求項１〜７のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、抵抗体の二点間に電圧を印加することにより当該二点間の抵抗値を検出する回路を有し、検出モードにおいては前記電圧を印加し、待機モードにおいては前記電圧を印加しない制御が行われることを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 7 ,
The detection circuit has a circuit that detects a resistance value between two points by applying a voltage between two points of the resistor, and applies the voltage in the detection mode and applies the voltage in the standby mode. A force detection device using a variable resistance element, characterized in that control is not performed. 請求項８に記載の力検出装置において、
切替要素を構成する一対の接触用電極の導通／絶縁状態をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体の二点間への電圧印加が行われるように構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。The force detection device according to claim 8 , wherein
A variable resistance element characterized in that a voltage is applied between two points of a resistor by using a conduction / insulation state of a pair of contact electrodes constituting a switching element as an ON / OFF switch. The force detector used. 請求項１〜９のいずれかに記載の力検出装置において、
剛性材料からなる操作盤を弾性変形体に取り付け、この操作盤に加えられた操作入力に基づいて弾性変形体に変位が生じるようにしたことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 9 ,
A force detection device using a variable resistance element, characterized in that an operation panel made of a rigid material is attached to an elastic deformation body, and the elastic deformation body is displaced based on an operation input applied to the operation panel. 請求項１〜１０のいずれかに記載の力検出装置において、
弾性変形体が、基板上面に対してほぼ平行になるように配置された膜状部と、この膜状部の周囲を前記基板上面に固定するための側壁部と、前記膜状部の下面の所定の複数箇所から下方に伸びた柱状突起と、を有し、少なくとも前記膜状部の一部および前記柱状突起が弾性材料によって構成されていることを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 10 ,
A film-like portion in which the elastic deformable body is arranged so as to be substantially parallel to the upper surface of the substrate, a side wall portion for fixing the periphery of the film-like portion to the upper surface of the substrate, and a lower surface of the film-like portion. And a columnar protrusion extending downward from a plurality of predetermined locations, wherein at least a part of the film-shaped portion and the columnar protrusion are made of an elastic material. apparatus. 請求項１１に記載の力検出装置において、
弾性変形体を、一体成型されたゴムによって構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。The force detection device according to claim 11 .
A force detection device using a variable resistance element, characterized in that the elastic deformable body is made of integrally molded rubber. 請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、In the force detection device according to any one of claims 1 to 12,
基板と弾性変形体との間に挿入され、基板上面の中心付近に伏せるように配置されたドーム状構造体を更に有することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。  A force detection device using a variable resistance element, further comprising a dome-shaped structure that is inserted between the substrate and the elastic deformable body and disposed so as to lie near the center of the upper surface of the substrate. 請求項１３に記載の力検出装置において、The force detection device according to claim 13,
ドーム状構造体が、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、前記頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有し、かつ、少なくとも下面から底周面にかけた部分が導電性接触面を構成しており、  When the dome-shaped structure is applied with a downward pressing force of a predetermined size or more with respect to the vicinity of the vertex, the dome-shaped structure has a property of causing shape reversal so that the vicinity of the vertex is elastically deformed and protrudes downward, And at least the part from the lower surface to the bottom peripheral surface constitutes the conductive contact surface,
基板上面の、前記ドーム状構造体が形状反転を起こした際に頂点付近の下面に接触可能な位置に配置された第１のクリック用電極と、  A first click electrode disposed on the upper surface of the substrate at a position where it can come into contact with the lower surface near the top when the dome-shaped structure undergoes shape reversal;
基板上面の、前記ドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置された第２のクリック用電極と、  A second click electrode disposed on the top surface of the substrate at a position in contact with the bottom peripheral surface of the dome-shaped structure;
を更に備え、  Further comprising
検出回路が、前記第１のクリック用電極と前記第２のクリック用電極との導通状態を電気的に検出することによりクリック入力の検出が行えるように構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。  A variable resistance element, wherein the detection circuit is configured to detect a click input by electrically detecting a conduction state between the first click electrode and the second click electrode. The force detector used. 所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定方向への操作量を示す操作入力を行うための電子機器用入力装置であって、請求項１〜１４のいずれかに記載の力検出装置を含み、この力検出装置によって検出された外力を操作量として取り扱うことを特徴とする電子機器用入力装置。The electronic device to perform a predetermined process based on a predetermined program, an input device for an electronic device for performing an operation input indicating an operation amount in a predetermined direction, in any one of claims 1 to 14 An input device for electronic equipment, comprising the force detection device described above, and handling an external force detected by the force detection device as an operation amount.
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