JP5666698B2 - 荷重検出装置及び前記荷重検出装置を用いた電子機器、ならびに荷重検出装置の製造方法 - Google Patents

Description

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

図１５（ａ）（ｂ）は、従来における荷重検出装置の構成及び問題点を説明するための部分縦断面図である。図１５（ａ）（ｂ）は、いずれも、荷重の非検出状態（操作面に下方への荷重が作用していない状態）を示している。

図１５（ａ）に示すように、筐体５１とパネル５２の間には両面粘着テープ５３及び荷重センサ５４が介在している。両面粘着テープ５３はパネル５２と筐体５１間を接合して両者間を支持するためのものである。両面粘着テープ５３は、パネル５２の操作面５２ａが下方向（Ｚ１）に押圧されると高さ方向に変位し、このため、パネル５２が下方に移動する。このとき、パネル５２下に配置された荷重センサ５４が下方向（Ｚ１）へ荷重を受けるため、荷重センサ５４からのセンサ出力に基づいて高さ方向への変位量（荷重）を検出することが可能になっている。

ところで、従来では両面粘着テープ等の寸法ばらつきにより、図１５（ａ）に示すように、両面粘着テープ５３とパネル５２とが非接触状態になったり、図１５（ｂ）に示すように、荷重センサ５４とパネル５２とが非接触状態になり、荷重検出の安定性に不具合が生じやすかった。

図１５（ａ）の従来例では、両面粘着テープ５３とパネル５２とが非接触状態であるため、筐体５１とパネル５２間を適切に両面粘着テープ５３により接合できないし、また、パネル５２の操作面５２ａを無理やり下方（Ｚ１）に押圧してパネル５２と両面粘着テープ５３間を接合すると、荷重センサ５４を破壊等してしまう可能性があった。

また図１５（ｂ）の従来例のように、荷重センサ５４とパネル５２とが非接触状態であると、操作面５２ａが下方に押圧されて、パネル５２が荷重センサ５４に接触するまでの間の変位量（荷重）を検出することができず、また荷重センサ５４とパネル５２間の間隔ａもばらつきやすいため、正確な荷重検出を行うことができない問題があった。

下記特許文献にはいずれにも変位部（両面粘着テープ）等の寸法ばらつきに基づく上記問題点の課題認識はなく、上記問題点の解決手段は開示されていない。

また特許文献４，５には、センサを裏面からバネで支持した構成が開示されているが、特許文献４，５は、振動ペンから伝達される振動を振動センサで検出するものであり、前記変位部がなく、そもそも上記の従来の課題が生じる構成でない。

特開２０１０−１６９４１１号公報 特開平６−３３２６０７号公報 特開２００５−５０２１０３号公報 特開平１−１１４９２７号公報 特開平９−１８５４５３号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、荷重センサが破壊等されることなく、パネル下にて変位部及び荷重センサの双方を接触状態にできる荷重検出装置及び前記荷重検出装置を用いた電子機器、ならびに荷重検出装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明における荷重検出装置は、上面側が操作面側であるパネルと、前記パネルを下面側から支持し高さ方向に変位可能な変位部と、前記パネルの下面側であって前記変位部の形成位置と異なる位置に配置され荷重を受けることで高さ方向への変位量を検出可能な荷重センサと、を有し、
前記荷重センサは、撓み変形可能な弾性体上に支持されており、前記変位部と前記荷重センサの双方が前記パネルの下面に接触していることを特徴とするものである。

本発明では、荷重センサを撓み変形可能な弾性体上に支持し、変位部と荷重センサの双方をパネル下に接触させている。これにより、荷重センサが損傷を受けたり破壊することなく、簡単且つ適切に、変位部と荷重センサの双方をパネル下に接触させることができる。したがって荷重検出の安定性及び長寿命を得ることが可能である。

本発明では、前記弾性体の両側は固定支持部であり、前記荷重センサは前記弾性体の中央に位置しており、前記弾性体が前記パネルに対して垂直方向に撓み変形することが好ましい。例えば特許文献４及び特許文献５はセンサを片持ちバネで支持するが、本発明では、弾性体の両側が固定支持部であり、荷重センサを弾性体の中央に配置した。このため、荷重センサにパネルに対して垂直方向に荷重が作用したときに、弾性体を前記垂直方向に適切に撓み変形させることができ、荷重センサに荷重を前記垂直方向から作用させることができる。よって本発明によれば、荷重検出の安定性をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、前記荷重センサの設置位置と異なる位置に前記パネルが下方へ所定以上に変位するのを抑制するためのストッパ部が設けられていることが好ましい。これにより荷重センサに設定以上の荷重がかからないようにできる。

また本発明では、上記において、前記ストッパ部は複数設けられ、少なくとも前記荷重センサの両側に配置されていることが好ましい。より効果的に、荷重センサに設定以上の荷重がかからないようにできる。

また本発明では、前記弾性体の下面には、前記荷重センサと高さ方向で対向しない位置に、前記弾性体の撓み変形を許容する空間を形成するための脚部が配置されていることが好ましい。これにより、弾性体の下方への撓み変形を容易にでき、荷重センサの破壊等を効果的に抑制することができる。また後述する電子機器において、筐体側に前記空間を設けることが必要でなくなる。

また上記において、前記脚部は複数設けられ、少なくとも前記荷重センサの両側に配置されていることが好ましい。これにより、安定して前記空間を形成できる。また後述する電子機器において、弾性体を脚部を介してバランスよく安定して筐体に固定することができる。

また本発明では、前記荷重センサ及び前記変位部を、前記パネルの周囲に配置でき、このとき、前記荷重センサを、前記パネルの周囲に複数、配置することが検出精度を向上させることができて好ましい。

また本発明では、前記弾性体を板バネで形成することができる。
また本発明では、前記荷重センサは、第１の面と前記第１の面に対して反対側に設けられた第２の面と、前記第２の面に形成された突起状の受圧部と、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた荷重検出部と、を有し、
前記荷重センサは、前記受圧部が下向きとなるように配置されて、前記受圧部が前記弾性体の表面に接触し、前記第１の面が前記パネルの下面に接触している構成にできる。このように受圧部が弾性体の表面に接触するように下向きにて荷重センサを配置する構成は、前記パネルの下面が前記弾性体よりも軟らかい軟質層の下面で構成された形態に適用することが好適である。すなわち、かかる形態では前記荷重センサの前記第１の面が前記軟質層の下面に接触し、受圧部が弾性体の表面に接触するように荷重センサを配置する。

仮にパネル下面が軟質層の下面で構成された構成において、突起状の受圧部を軟質層の下面に接触させると、荷重を受けたときに受圧部が軟質層内にめり込んでしまい、荷重センサに適切に荷重がかからず、安定した荷重検出を行うことができない場合がある。また受圧部が軟質層内にめり込むことでパネル側が損傷を受けやすい。

そこで本発明のように、突起状の受圧部を軟質層側でなく、軟質層より硬質の弾性体表面に接触させた状態とし、受圧部よりも面積の広い第１の面を軟質層に接触させた状態とすることで、荷重を受けた際の軟質層に対するめり込み量を受圧部を軟質層に接触させた形態に比べて小さくでき、安定した荷重検出を行うことができる。

また本発明では、前記第１の面は、前記荷重センサと電気的に接続されるフレキシブルプリント基板に固定されており、前記フレキシブルプリント基板と前記弾性体とに位置決め部が設けられており、前記フレキシブルプリント基板を介して前記荷重センサの前記第１の面が前記パネルの下面に接触していることが好ましい。これにより荷重センサを位置決め精度良く固定化できる。

また本発明では、前記荷重センサは、第１の面と前記第１の面に対して反対側に設けられた第２の面と、前記第２の面に形成された突起状の受圧部と、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた荷重検出部と、を有し、
前記荷重センサは、前記受圧部が上向きとなるように配置されて前記受圧部が、前記パネルの下面に接触し、前記第１の面が前記弾性体の表面に接触している構成にできる。

また本発明における電子機器は、上記に記載された荷重検出装置と、前記荷重検出装置を支持する筐体と、を有し、前記パネルと前記筐体との間に前記変位部、前記荷重センサ及び前記弾性体が介在しており、前記荷重センサと前記筐体との間に、前記弾性体が下方に撓み変形するのを許容する空間が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の電子機器によれば、荷重センサが損傷を受けたり破壊することなく、変位部と荷重センサの双方をパネル下に簡単且つ適切に接触させることができる。よって荷重検出に基づいた様々な入力状態を安定して行うことができる。

また本発明では、前記弾性体の両側が固定支持部であり、前記荷重センサが前記弾性体の中央に位置している荷重検出装置を有し、前記筐体には前記変位部及び前記固定支持部を固定する固定面が設けられ、前記固定面は前記高さ方向に対して直交する平面であり、前記変位部は両面粘着テープであり、前記両面粘着テープを介して前記パネルと前記筐体間が接合されていることが好ましい。これにより、簡単な構造により、荷重センサに精度良く前記垂直方向からの荷重をかけることができ、荷重検出の安定性をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、荷重センサの第１の面が、前記荷重センサと電気的に接続されるフレキシブルプリント基板に固定され、前記フレキシブルプリント基板と前記弾性体とに位置決め部が設けられており、前記フレキシブルプリント基板を介して前記荷重センサの前記第１の面が前記パネルの下面に接触している荷重検出装置を有し、前記フレキシブルプリント基板と前記弾性体とが前記位置決め部を介して前記筐体に取り付けられている構成とすることが可能である。これにより、荷重センサを位置決め精度良く支持できる。

また本発明における荷重検出装置の製造方法は、
上面側が操作面側であるパネルと、前記パネルを下面側から支持し高さ方向に変位可能な変位部と、前記パネルの下面側であって前記変位部の形成位置と異なる位置に配置され荷重を受けることで高さ方向への変位量を検出可能な荷重センサと、を有し、
前記荷重センサを撓み変形可能な弾性体上に支持する工程、
前記荷重センサ及び前記変位部の高さ寸法を調整して、前記荷重センサを前記パネルの下面に接触させるとともに、前記変位部と前記パネルとの間に間隔を空ける工程、
前記パネルを下方に押し込み、前記変位部を前記荷重センサとともに前記パネルの下面に接触させる工程、
を有することを特徴とするものである。

これにより、荷重センサが損傷を受けたり破壊することなく、簡単且つ適切に、変位部と荷重センサの双方をパネル下に接触させることができる。

本発明の荷重検出装置によれば、荷重センサが損傷を受けたり破壊することなく、変位部と荷重センサの双方をパネル下に接触させることができる。よって荷重検出の安定性及び長寿命を得ることが可能である。

図１は、本発明の実施形態における荷重検出装置、及び荷重検出装置を用いた電子機器の部分縦断面図である。 図２（ａ）は、図１の一部を拡大して示したものであり、本発明の実施形態における荷重検出装置の製造過程を示す部分縦断面図であり、図２（ｂ）は、完成後の本発明の実施形態における荷重検出装置の部分縦断面図である。 図３は、第１実施形態の荷重検出装置を構成する、板バネと、板バネ上に載置された荷重センサとを示す斜視図である。 図４は、荷重センサ、板バネ及び両面粘着テープ（変位部）の配置の一例を示す平面図である。 本発明における荷重センサの構造の一例であり、図５（ａ）は、部分縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。 図６は、板バネの厚さ（硬さ）を変更し、同じ荷重をかけたときの状態を示す本発明の実施形態における荷重検出装置の部分縦断面図である。 図７は、板バネの厚さ（硬さ）を変更したときの、入力荷重とセンサ出力との関係を示すグラフである。 図８は、バネの硬さと耐荷重との関係を示すグラフである。 図９は、第２実施形態の荷重検出装置を構成する、板バネと、板バネ上に載置された荷重センサと、ストッパ部とを示す斜視図である。 図１０（ａ）は、図９に示すストッパ付きの板バネを用いた荷重検出装置の非検出状態（静止状態）を示す部分縦断面図であり、図１０（ｂ）は、荷重検出装置に下方への荷重が加わった状態を示す部分縦断面図である。 図１１は、第３実施形態の荷重検出装置を構成する、板バネと、板バネ上に載置された荷重センサと、ストッパ部と、脚部とを示す斜視図である。 図１２は、図１１に示すストッパ及び脚部付きの板バネを用いた荷重検出装置を示す部分縦断面図である。 図１３は、第４実施形態の荷重検出装置の部分縦断面図である。 図１４（ａ）は、第５実施形態の荷重検出装置の部分縦断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すフレキシブルプリント基板とフレキシブルプリント基板の下面に配置された荷重センサとを示す拡大平面図である。 図１５（ａ）（ｂ）は、従来における荷重検出装置の構成及び問題点を説明するための部分縦断面図である。

図１は、本発明の実施形態における荷重検出装置、及び荷重検出装置を用いた電子機器の部分縦断面図、図２（ａ）は、図１の一部を拡大して示したものであり、本発明の実施形態における荷重検出装置の製造過程を示す部分縦断面図であり、図２（ｂ）は、完成後の本発明の実施形態における荷重検出装置の部分縦断面図、図３は、第１実施形態の荷重検出装置を構成する、板バネと、板バネ上に載置された荷重センサとを示す斜視図、図４は、荷重センサ、板バネ及び両面粘着テープ（変位部）の配置の一例を示す平面図、図５は、本発明における荷重センサの構造の一例であり、図５（ａ）は、部分縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す荷重センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。

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

荷重検出装置１は、パネル３と、パネル３を下面（裏面）３ａ側（Ｚ１側）から支持する両面粘着テープ（変位部）４と、パネル３下であって、前記両面粘着テープ４の形成位置と異なる位置に配置された荷重センサ５とを有して構成される。

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

両面粘着テープ４は高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）へ変位可能な変位部を構成する。両面粘着テープ４はスポンジ体を有するものであると、効果的に高さ方向に弾性変位でき好ましいが、本実施形態では両面粘着テープ４の材質を限定するものでない。また本実施形態では変位部として両面粘着テープ４を用いたが、両面粘着テープ４以外のものを採用することも可能である。ただし両面粘着テープとすることがパネル３と筐体７との間の接合と、高さ方向への変位を簡単且つ適切に得ることができ好適である。

図５（ａ）に示すように荷重センサ５は、センサ基板１２と、ベース基板１３とを有する。

図５（ａ）に示すようにセンサ基板１２には、変形部１４と、変形部１４の上面４ａに上方に向けて突出する突起状の受圧部１９が設けられる。変形部１４は、荷重により高さ方向に変形可能な部分である。

変形部１４や受圧部１９は例えばシリコン基材で形成される。図５（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板１２の裏面（下面）には、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子（荷重検出部）１６、複数の電気接続部１７、各ピエゾ抵抗素子１６と各電気接続部１７間を繋ぐ複数の回路配線部１８が設けられる。

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

図５（ａ）に示すように、各ピエゾ抵抗素子１６、各電気接続部１７、及び各回路配線部１８は、絶縁層２０により覆われている。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板１２の裏面には、変形部１４の周縁部を囲むようにセンサ側接合層２１が形成されている。図５（ｂ）に示すように、センサ側接合層２１は閉じた形態であることが好適である。

図５（ｂ）に示すように、各電気接続部１７は、センサ基板２の裏面側に形成された各回路配線部１８を介して各ピエゾ抵抗素子１６に電気的に接続されている。

ベース基板１３は例えばシリコン基材で形成される。ベース基板１３の表面には、センサ基板１２に形成されたセンサ側接合層２１と対応するベース側接合層２３が形成されている。また図５（ａ）に示すように、ベース基板１３の表面には、複数の電気配線部２４が形成されており、電気配線部２４の表面にはセンサ基板１２から離れた位置に電極パッド部２６が形成されている。

図５（ａ）に示すように、センサ基板１２とベース基板１３とはセンサ側接合層２１とベース側接合層２３とを対向させた状態で接合されて、変形部１４に対する変位空間３５が設けられている。

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

そして、支持基板３０の表面からベース基板１３及びセンサ基板１２の周囲にかけて封止樹脂２５により覆われてパッケージ化されている。図５（ａ）に示すように、受圧部１９は、封止樹脂２５の表面から露出した状態となっている。

図５に示した荷重センサ５の構成は一例であり、これ以外の構成であってもよい。例えば操作面Ａ（図１参照）を押圧したときに２つの電極間の距離の変化に基づいて静電容量が変化し、この静電容量変化により荷重を検出することが可能な構成にすることも可能である。

図４（パネル３下に配置された両面粘着テープ４や荷重センサ５を透視して示した平面図）に示すように、両面粘着テープ４は操作面Ａの周囲を囲むように形成されているが、このような構成に限定するものではない。例えば両面粘着テープ４は間欠的に複数、設けられていてもよい。また複数の荷重センサ５は、操作面Ａの四隅に配置されている。このように複数の荷重センサ５を用いることで、各荷重センサ５の出力に基づき、押圧点の座標位置及び荷重を知ることが可能である。なお複数の荷重センサ５を四隅でなく、パネル３の各辺の中心に配置することも可能である。また荷重センサ５は４つであることに限定されない。

パネル３下の周囲に加飾層を設けることが可能である。例えば、図４に示す点線の外側が加飾領域であり、内側がパネル３を通して液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）６（図１参照）の表示がされ操作面Ａでの操作を可能とする操作領域である。加飾領域内に荷重センサ５や後述する板バネ８及び両面粘着テープ４を配置することが可能である。

また本実施形態では、パネル３の裏面側や表面側に荷重センサ５とは別に静電容量式や抵抗膜式のセンサ層（図示しない）等が備えられた構成とすることも可能である。

図１に示す電子機器２は、本実施形態の荷重検出装置１と、前記荷重検出装置１を支持する筐体７と、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）６等を備えて構成される。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３を用いて、荷重センサ５の支持構造、及び荷重検出装置１の製造工程について説明する。

図２（ａ）、図３に示すように、荷重センサ５は板バネ８上に固定支持されている。板バネ８はリン青銅等、特に材質を限定するものでない。また弾性体として板バネ８以外であってもよいが、弾性係数、降伏点、製造効率、コスト等を考慮すると板バネ８を使用することが好適である。

図２（ａ）、図３に示すように板バネ８は、Ｙ１−Ｙ２方向よりもＸ１−Ｘ２方向に長い帯状で形成される。これにより、板バネ８を高さ方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に撓み変形させやすい。

図３に示すように、板バネ８のＸ１−Ｘ２方向の両端部は、筐体７との固定支持部８ａ，８ａを構成する。そして固定支持部８ａ，８ａに夫々、固定穴９，９が形成されている。各固定穴９，９は、板バネ８の中心からＸ１−Ｘ２方向へ等間隔の位置に形成される。

図２（ａ）、図３に示すように、荷重センサ５は板バネ８の中央に配置される。ここで板バネ８の中央とは、図３に示すＸ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の中心である。また荷重センサ５の中心は、凸状の受圧部１９の位置である。よって、荷重センサ５が板バネ８の中央に配置される状態とは、荷重センサ５の受圧部１９が、板バネ８のＸ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の中心に位置する状態である。なお荷重センサ５の形態（凸状の受圧部１９がない等）によっては、荷重センサ５の中心とは、Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の中心を指す。

図３に示す符号１０は、荷重センサ５と電気的に接続されるフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）である。

図２（ａ）に示すように、筐体７には、両面粘着テープ（変位部）４及び板バネ８の固定支持部８ａ，８ａを支持する固定面７ａが形成されている。固定面７ａは、水平面（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向からなる平面）で形成される。図２（ａ）に示すように、両面粘着テープ４が固定面７ａ上に貼着される。また筐体７には固定面７ａから下方（Ｚ１）に凹む凹部７ｂが形成されている。そして、凹部７ｂのＸ１−Ｘ２方向の両側に位置する固定面７ａ上には例えば固定凸部が設けられ、板バネ８の固定支持部８ａ，８ａの固定穴９，９を前記固定穴部に挿入して接合することで、板バネ８を筐体７に固定できる。このとき、図２（ａ）に示すように、荷重センサ５下に凹部７ｂが位置する。なお板バネ８の筐体７への固定方法（取付方法）は上記の構成に限定されない。

図２（ａ）に示すように、両面粘着テープ４及び板バネ８に載置された荷重センサ５を筐体７の固定面７ａ上に組み込んだとき、予め、荷重センサ５の高さが両面粘着テープ４よりも高くなるように設定しておく。例えば、荷重センサ５の厚さよりも薄い両面粘着テープ４を選択する。

これにより図２（ａ）に示すように、まず、パネル３の下面（裏面）３ａと、荷重センサ５の受圧部１９の頂部とが接触した状態になる。このときパネル３と両面粘着テープ４との間には、間隔ｂが形成される。

本実施形態では図２（ａ）の状態から図２（ｂ）に示すようにパネル３を下方（Ｚ１）に押し込み、板バネ８を下方に撓ませる。このとき、荷重センサ５下には凹部７ｂが設けられているため、この凹部７ｂの空間に板バネ８を無理なく撓み変形させることができる。パネル３を下方に押し込むことで、やがてパネル３の下面３ａに両面粘着テープ４を接触させることができる。これにより、両面粘着テープ４を介してパネル３と筐体７との間を接合することができる。従って、単に荷重センサ５を弾性体に相当する板バネ８に支持したということだけでなく、板バネ８を下方に撓み変形させて変位部に相当する両面粘着テープ４と荷重センサ５の双方をパネル３下に接触させ、かつ、荷重センサ５を確実にパネル３と接触させて適切に出力を取ることが可能となる。

本実施形態では図２（ａ）の状態からパネル３を下方に押し込んでも、板バネ８の撓み変形により荷重センサ５が損傷を受けたり破壊することなく、両面粘着テープ４と荷重センサ５との双方をパネル３の下面３ａに接触させることが可能になる。したがって荷重検出を安定して行うことができ、また荷重センサ５が破壊等されることなく長寿命を得ることが可能である。

ここでパネル３の下面３ａは、本実施形態では平面となっているが、平面でなくてもよくまた、荷重センサ５が接触する下面と、両面粘着テープ４が接触する下面との間に段差があってもよい。

また、パネル３の下面３ａとは、荷重センサ５及び両面粘着テープ４が接触するパネル３側の面を指し、例えば上記したようにパネル３の下面に加飾層が設けられる等し、前記加飾層に荷重センサ５及び両面粘着テープ４が接触する構成であれば、加飾層の下面がパネル３の下面３ａを構成する。

また後述するように、パネル３の下面３ａにフレキシブルプリント基板１０を介して荷重センサ５が接触する構成があるが、本実施形態でいう「接触」とは、必ずしもパネル３の下面３ａに直接的な接触でなく、フレキシブルプリント基板１０を介したような間接的な接触も含まれる。

図２（ｂ）の状態が本実施形態における荷重検出装置１の完成図である。図２（ｂ）は、荷重の非検出状態（検出すべき荷重が操作面Ａ上に作用していない状態；静止状態）を示しているが、図２（ａ）から図２（ｂ）の製造過程で、荷重センサ５は下方に押されて出力が出ており、また複数ある各荷重センサ５の出力もばらついた状態になりやすいため、キャリブレーションを行った後、荷重検出が行われるように制御する。

また本実施形態では、板バネ８の両側が固定支持部８ａ，８ａであり、荷重センサ５が板バネ８の中央に位置している。また筐体７には両面粘着テープ（変位部）４及び固定支持部８ａ、８ａを固定する固定面７ａが設けられ、固定面７ａは高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）に対して直交する平面である。そして両面粘着テープ４を介してパネル３と筐体７間が接合された構成となっている。これにより、簡単な構造により、荷重センサ５に精度良く高さ方向に平行な方向（Ｚ１−Ｚ２）からの荷重をかけることができ、荷重検出の安定性をより効果的に向上させることができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）では、板バネ８の厚さを変更して板バネ８の硬さ（ばね定数）を変えている。図６（ａ）では厚さの厚い板バネ８を使用し、図６（ｂ）では、厚さの薄い板バネ８を使用した。

例えば図６（ａ）では、図３に示すＹ１−Ｙ２方向の幅が２．５ｍｍ、Ｘ１−Ｘ２方向の長さが７ｍｍ、厚さが０．２ｍｍの板バネ８（以下、バネ（１）とする）を使用し、図６（ｂ）では、図３に示すＹ１−Ｙ２方向の幅が２．５ｍｍ、Ｘ１−Ｘ２方向の長さが７ｍｍ、厚さが０．１ｍｍの板バネ８（以下、バネ（２）とする）を使用した。そして、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すパネル３の操作面Ａを下方（Ｚ１）に押し込み、荷重をかけた。

入力荷重（パネル３の操作面Ａ上を押圧したときの荷重）とセンサ出力との関係を図７に示す。「バネ無」とは、図１５に示す従来例のように荷重センサを板バネ上に載置せず、図２（ａ）に示す筐体７の平らな固定面７ａ上に両面粘着テープ４とともに荷重センサ５を載置した構成を指す。

図７に示すように、図６（ａ）のバネ（１）、図６（ｂ）のバネ（２）、及びバネの無い構成のいずれにおいても、入力荷重とセンサ出力との関係は同じであった。すなわち、バネの有無、バネの硬さ（ばね定数）に係らず、同じ入力荷重であれば、荷重センサ５に作用する荷重の大きさは変らず、よって荷重センサ５のセンサ出力も同じとなる。

ただし、図６（ａ）のように厚さが厚く硬い（ばね定数が大きい）板バネ８を使用した場合と、図６（ｂ）のように厚さが薄く軟らかい（ばね定数が小さい）板バネ８を使用した場合とでは、入力荷重Ｆを同じとしても、バネの撓み変形のしやすさが変り、図６（ａ）のように硬いバネ（１）ではパネル３を下方に押し込んだときのストローク量は小さくなり、一方、図６（ｂ）のように軟らかいバネ（２）の場合にはパネル３を下方に押し込んだときのストローク量は大きくなる。

このように、軟らかいバネほどストローク量が大きくなり、押し込んだときの良好な押圧感触、あるいは十分な押圧感触を得ることができる一方、応力が増大することで、降伏点に早く達しやすい。図８は、バネの硬さと耐荷重との関係を示したもので、バネ硬さ、すなわちバネ定数は、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の順に大きくなっている。そして耐荷重もＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の順に大きくなっている。このように軟らかいバネほど耐荷重は小さく、小さい荷重しか測定することができないが、十分な押圧感触を得やすい。一方、硬いバネほど耐荷重は大きく、大きい荷重を測定することができるが、押圧感触は鈍りやすい。

このようにバネの硬さ（ばね定数）により、ストローク量と荷重の測定範囲とをコントロールすることが出来る。

図９の第２実施形態では、図９の第１実施形態と違ってストッパ４０，４０が設けられている。図９に示すように、複数のストッパ４０，４０は、板バネ８の長手方向であるＸ１−Ｘ２方向の両側端部８ａ，８ａ上に配置されている。なおストッパ４０，４０には、板バネ８に設けられた固定穴９，９（図３参照）に連続する固定穴４０ａ，４０ａが形成されている。ストッパ４０，４０の材質は問わない。ストッパ４０，４０は金属や樹脂等で形成できるが、両面粘着テープ４の変位部のように押圧力を受けても高さ方向に変位しない、あるいは少なくとも前記変位部よりも変位しにくい材質であることが必要である。

図１０（ａ）は、図９に示すストッパ４０，４０付きの板バネ８を用いた荷重検出装置１及び荷重検出装置１を組み込んだ電子機器２における荷重の非検出状態（静止状態）を示す部分縦断面図であり、図１０（ｂ）は、荷重検出装置１に下方への荷重が加わった状態を示す部分縦断面図である。

図１０（ａ）においても、図２（ａ）、図２（ｂ）に示した方法で、板バネ８を下方に撓み変形させて、パネル３の下面３ａに両面粘着テープ４と荷重センサ５の双方を接触させている。

図１０（ａ）に示すように、荷重の非検出状態（静止状態）では、ストッパ４０，４０とパネル３の下面（裏面）３ａとの間に間隔ｃが空いている。図１０（ａ）の状態からパネル３の操作面Ａ上を下方（Ｚ１）に押圧すると、パネル３が下方に移動し、やがて図１０（ｂ）に示すようにパネル３の下面３ａに各ストッパ４０，４０が接触し、ストローク量が制限される。このため荷重センサ５に所定以上の荷重がかからないように規制することができる。

ストッパ４０は一つでもよいが、図９，図１０に示すようにストッパ４０，４０を複数個、設け、少なくとも各ストッパ４０，４０を荷重センサ５の両側に配置することで、より安定して、荷重センサ５に設定以上の荷重がかからないように規制することが出来る。

図１１の第３実施形態では、図１０の第２実施形態と違って、更に板バネ８の下面側に板バネ８の下方への撓み変形を許容する空間Ｓを形成するための脚部４１，４１が配置されている。これにより板バネ８を空間Ｓに適切に撓み変形させることができる。さらに図１２に示すように、筐体７に図２（ａ）等に示す凹部７ｂの形成が必要ない。よって筐体７の構造を簡単にできる。なお図１１，図１２の脚部４１，４１には、ストッパ４０，４０及び板バネ８の各固定穴９，４０ａに連続する固定穴（図示せず）が形成されている。また図１２においても、図２（ａ）、図２（ｂ）に示した方法で、板バネ８を下方に撓み変形させて、パネル３の下面３ａに両面粘着テープ４と荷重センサ５の双方を接触させている。

脚部４１，４１をストッパ４０，４０と同様の材質で形成することができる。また脚部４１，４１の大きさをストッパ４０，４０と同じとすることも出来るが、荷重センサ５の最大ストローク量を考慮して、脚部４１，４１の厚さ（高さ）を規制する。

また脚部４１，４１を荷重センサ５の両側に配置することで、板バネ８を脚部４１，４１を介してバランスよく安定して筐体７の固定面７ａ上に固定することができる。

図１３は、第４実施形態の荷重検出装置の部分縦断面図である。
図１３は図２（ｂ）等と異なって荷重センサ５の向きが反対となっている。荷重センサ５は、第１の面５ａと、第１の面５ａに対して反対の第２の面５ｂと、第２の面５ｂに形成された突起状の受圧部１９と、第１の面５ａと第２の面５ｂとの間に設けられた荷重検出部（図示しない）とを有して構成される。荷重センサ５の構成は、例えば図５と同じであり、荷重検出部は、図５に示すピエゾ抵抗素子１６に該当する。

図１３に示す荷重センサ５は、受圧部１９が下向き（Ｚ１）となるように配置される。
図１３に示すように、受圧部１９が板バネ８の表面に接触し、一方、第１の面５ａがパネル３の下面３ａに接触している。この実施形態では、荷重センサ５の第１の面５ａがパネル３の下面３ａに直接、貼着されている。

図１３に示すように、パネル３は、ガラスや樹脂等で形成されたパネル基材４４と、その下面に板バネ８やパネル基材４４よりも軟らかい軟質層４５が形成されている。硬さは市販の硬度計等を用いて測定できる。また軟質層４５の材質は問わないが例えば樹脂フィルムである。軟質層４５は保護層であったり、あるいはパネル３の裏面に設けられたタッチセンサを構成する樹脂層等である。

このような軟質層４５がパネル３の下面３ａを構成する場合、図２（ｂ）のように荷重センサ５の受圧部１９を上向きとすると、操作面Ａを下方（Ｚ１）に押圧して荷重センサ５が荷重を受けた際、受圧部１９が軟質層４５内にめり込みやすい。したがって図１３に示すように、受圧部１９を硬質な板バネ８の表面に接触させ、一方、受圧部１９よりも面積の広い第１の面５ａを軟質層４５に接触させることで、操作面Ａを下方（Ｚ１）に押圧して荷重センサ５が荷重を受けた際、受圧部１９の軟質層４５内へのめり込み量を小さくできる。これにより、安定した荷重検出（センサ出力）を得ることができる。またパネル３への損傷を抑制することができる。なお、本実施形態においても、第２実施形態におけるストッパ４０，４０や第３実施形態における脚部４１，４１を取り付けることが可能である。

図１４（ａ）は、第５実施形態の荷重検出装置の部分縦断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すフレキシブルプリント基板とフレキシブルプリント基板の下面に配置された荷重センサとを示す拡大平面図である。

図１４（ａ）は図１３と同様に荷重センサ５の突起状の受圧部１９が下向き（Ｚ１）とされている。

図１４（ｂ）に示すように、フレキシブルプリント基板１０は、Ｘ１−Ｘ２方向に延びる固定支持部１０ａ，１０ａと、略中央位置からＹ２方向に延びる延出部１０ｂとを有して構成される。荷重センサ５はその第１の面５ａがフレキシブルプリント基板１０の裏面にて固定されている。図５（ｂ）では、裏面に位置する荷重センサ５を点線で示した。フレキシブルプリント基板１０には荷重センサ５と電気的に接続される配線層（図示せず）が延出部１０ｂの裏面に形成されている。

図１４（ｂ）に示すように、固定支持部１０ａ，１０ａには固定穴４６が形成されている。固定穴４６は位置決め部も兼ねている。

図１４（ａ）に示すように、フレキシブルプリント基板１０及び板バネ８の双方が、筐体７に取り付けられる。このとき、板バネ８には図３で示したように固定支持部８ａが設けられ、前記固定支持部８ａには位置決め部も兼ねる固定穴９が形成されている。そしてフレキシブルプリント基板１０及び板バネ８が位置決め部である各固定穴９，４６を介して筐体７に取り付けられる。例えば固定穴９，４６には固定ピン４７が挿通される。

パネル３の下面３ａとフレキシブルプリント基板１０の表面との間が貼着されている。これにより荷重センサ５の第１の面５ａは、フレキシブルプリント基板１０を介してパネル３の下面３ａに接触している。

図１４の構成とすることで、受圧部１９が下向きとされた荷重センサ５を適切に支持できるとともに位置決め精度を向上させることができる。荷重センサ５の位置決めは板バネ８及びパネル３に対してである。図１４（ａ）のように、板バネ８とフレキシブルプリント基板１０との双方を位置決め部である固定穴９，４６を介して筐体７に取り付けることで、荷重センサ５の板バネ８に対する位置精度を向上させることができる。更に、筐体７に対するパネル３の位置決めが適切に成されることで、荷重センサ５のパネル３に対する位置決め精度を適切に向上させることができる。またパネル３にも固定穴などを設けて、共通の固定ピンにより、パネル３、フレキシブルプリント基板１０及び板バネ８を位置決め部を介して筐体７に取り付けることで、より効果的に荷重センサ５の位置決め精度を向上させることができる。なお、本実施形態においても、第２実施形態におけるストッパ４０，４０や第３実施形態における脚部４１，４１を取り付けることが可能である。

図１４に示した荷重センサ５の位置決め方法は一例でありこれに限定されるものでない。

なお、本実施形態の荷重検出装置１において、図１等に示すようにパネル３と筐体７との間を両面粘着テープ４にて接合し、板バネ８を筐体７に固定したが、例えば、枠形状等の支持部材をパネル３下方に配置して、支持部材とパネル３間を両面粘着テープ４にて接合し、また支持部材上に板バネ８付きの荷重センサ５を支持できるようにし、前記支持部材を筐体へ取り付けるような構造とすることも可能である。

１ 荷重検出装置
２ 電子機器
３ パネル
４ 両面粘着テープ
５ 荷重センサ
７ 筐体
７ａ 固定面
７ｂ 凹部
８ 板バネ
８ａ 固定支持部
９、４６ 固定穴（位置決め部）
１０ フレキシブルプリント基板
１２ センサ基板
１３ ベース基板
１４ 変位部
１６ ピエゾ抵抗素子
１９ 受圧部
３０ 支持基板
４０ ストッパ
４１ 脚部
４５ 軟質層

Claims (17)

1. 上面側が操作面側であるパネルと、前記パネルを下面側から支持し高さ方向に変位可能な変位部と、前記パネルの下面側であって前記変位部の形成位置と異なる位置に配置され荷重を受けることで高さ方向への変位量を検出可能な荷重センサと、を有し、
   前記荷重センサは、撓み変形可能な弾性体上に支持されており、前記変位部と前記荷重センサの双方が前記パネルの下面に接触していることを特徴とする荷重検出装置。
2. 前記弾性体の両側は固定支持部であり、前記荷重センサは前記弾性体の中央に位置しており、前記弾性体が前記パネルに対して垂直方向に撓み変形する請求項１記載の荷重検出装置。
3. 前記荷重センサの設置位置と異なる位置に前記パネルが下方へ所定以上に変位するのを抑制するためのストッパ部が設けられている請求項１又は２に記載の荷重検出装置。
4. 前記ストッパ部は複数設けられ、少なくとも前記荷重センサの両側に配置されている請求項３記載の荷重検出装置。
5. 前記弾性体の下面には、前記荷重センサと高さ方向で対向しない位置に、前記弾性体の撓み変形を許容する空間を形成するための脚部が配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
6. 前記脚部は複数設けられ、少なくとも前記荷重センサの両側に配置されている請求項５記載の荷重検出装置。
7. 前記荷重センサ及び前記変位部は、前記パネルの周囲に配置される請求項１ないし６のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
8. 前記荷重センサは、前記パネルの周囲に複数、配置される請求項７記載の荷重検出装置。
9. 前記弾性体は板バネである請求項１ないし８のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
10. 前記荷重センサは、第１の面と前記第１の面に対して反対側に設けられた第２の面と、前記第２の面に形成された突起状の受圧部と、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた荷重検出部と、を有し、
    前記荷重センサは、前記受圧部が下向きとなるように配置されて、前記受圧部が前記弾性体の表面に接触し、前記第１の面が前記パネルの下面に接触している請求項１ないし９のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
11. 前記パネルの下面は前記弾性体よりも軟らかい軟質層の下面で構成されており、前記軟質層の下面に前記荷重センサの前記第１の面が接触している請求項１０記載の荷重検出装置。
12. 前記第１の面は、前記荷重センサと電気的に接続されるフレキシブルプリント基板に固定されており、前記フレキシブルプリント基板と前記弾性体とに位置決め部が設けられており、前記フレキシブルプリント基板を介して前記荷重センサの前記第１の面が前記パネルの下面に接触している請求項１０又は１１に記載の荷重検出装置。
13. 前記荷重センサは、第１の面と前記第１の面に対して反対側に設けられた第２の面と、
    前記第２の面に形成された突起状の受圧部と、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた荷重検出部と、を有し、
    前記荷重センサは、前記受圧部が上向きとなるように配置されて前記受圧部が、前記パネルの下面に接触し、前記第１の面が前記弾性体の表面に接触している請求項１ないし９のいずれか１項に記載の荷重検出装置。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載された荷重検出装置と、前記荷重検出装置を支持する筐体と、を有し、前記パネルと前記筐体との間に前記変位部、前記荷重センサ及び前記弾性体が介在しており、前記荷重センサと前記筐体との間に、前記弾性体が下方に撓み変形するのを許容する空間が設けられていることを特徴とする電子機器。
15. 請求項２に記載された荷重検出装置を有し、前記筐体には前記変位部及び前記固定支持部を固定する固定面が設けられ、前記固定面は前記高さ方向に対して直交する平面であり、前記変位部は両面粘着テープであり、前記両面粘着テープを介して前記パネルと前記筐体間が接合されている請求項１４記載の電子機器。
16. 請求項１２に記載された荷重検出装置を有し、前記フレキシブルプリント基板と前記弾性体とが前記位置決め部を介して前記筐体に取り付けられている請求項１４に記載の電子機器。
17. 上面側が操作面側であるパネルと、前記パネルを下面側から支持し高さ方向に変位可能な変位部と、前記パネルの下面側であって前記変位部の形成位置と異なる位置に配置され荷重を受けることで高さ方向への変位量を検出可能な荷重センサと、を有し、
    前記荷重センサを撓み変形可能な弾性体上に支持する工程、
    前記荷重センサ及び前記変位部の高さ寸法を調整して、前記荷重センサを前記パネルの下面に接触させるとともに、前記変位部と前記パネルとの間に間隔を空ける工程、
    前記パネルを下方に押し込み、前記変位部を前記荷重センサとともに前記パネルの下面に接触させる工程、
    を有することを特徴とする荷重検出装置の製造方法。

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