JP6568544B2 - フォースセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、外部から加わる力を検知して、力の大きさに応じた電気信号を高い精度で出力するフォースセンサユニットに関し、さらに詳しくは、簡単な構造で、容易に組み立てることができ、しかも小型化が可能なフォースセンサユニットに関するものである。

実開平５−９２６５６号公報の図１には、貫通孔５が形成されたケース２の内部に、一端が薄肉部７で閉塞された筒状の金属ダイアフラム６を貫通孔５の一方の開口部５ａを閉塞するように配設し、貫通孔５の内部に鋼球１２を配設し、貫通孔５の他方の開口部５ｂ側に所定の範囲内で移動可能に荷重受け９を配設し、鋼球１２と荷重受け９との間にバネ１１を配設して、荷重受け９に作用した荷重がバネ１１および鋼球１２を介して金属ダイアフラム６に作用するときに、金属ダイアラム６の薄肉部７に設けた歪ゲージ８で荷重受け９に作用した荷重を検出する荷重計（フォースセンサ）が開示されている。

実開平５−９２６５６号公報 図１

フォースセンサは、衝撃や過大な力が加わっても破損しないように、多くの場合、フォースセンサ自体に、フォースセンサ素子の機械的変位の幅を制限する機能を有する受圧部が備えられている。受圧部は、特許文献１に示される鋼球１２のように、ダイアフラムに表面が接する球体１２である。特許文献１に示された構造では、球体１２がダイアフラム６に接する部分の反対側に球体１２と接触するバネ１１が配置されている。このバネ１１を配置すると荷重受け９のストロークが大きくなる。しかしながら従来のように、球体１２とバネとを直接接触させた場合には、バネが延びたときにバネの姿勢が変わり、球体とバネとの接触位置が変位する。その結果、バネを通して球体に加わる力の方向が微妙に変わり、フォースセンサの出力にバラツキが生じる。また特許文献１に示された構造では、小型化をすることが非常に難しい問題がある。

本発明の目的は、簡単な構造で、容易に組み立てることができ、しかも小型化が容易なフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明の他の目的は、フォースセンサの受圧部と接触する接触部材の回動を阻止し、且つ円滑に接触部材をスライドさせることのできるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、一面にフォースセンサユニットが実装される基板の多数個取りが容易になり、基板の製造が容易になるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、特にユニットが小型化された場合でも、操作特性のバラツキの発生を抑制できるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、被操作部材のストロークを最大化でき、且つフォースセンサを破壊するような力が受圧部に加わることを阻止することができるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、フォースセンサユニットの筒体の一端を塞ぐ閉塞部材の取付が容易になるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、閉塞部材の取付構造を構成する爪部がフォースセンサユニットの実装の障害になることを防止できるフォースセンサユニットを提供することにある。

本発明は、筒体と、筒体の一端を塞ぐ閉塞部材と、閉塞部材上に支持されたフォースセンサと、筒体の内部空間の中に配置されてフォースセンサに力を伝える力伝達機構とを備えているフォースセンサユニットを対象とする。本発明のフォースセンサユニットは、筒体の他端に、内部空間と連通する開口部を備えて筒体の径方向内側に延びるストッパを備えている。力伝達機構は、フォースセンサの受圧部と接触する接触部材と、開口部から露出する被操作部とストッパに係止される被係止部とを有する被操作部材と、接触部材と被操作部材との間に配置された弾性部材とを備えている。接触部材と被操作部材はそれぞれ筒体の内部空間を囲む内壁面と対向して内部空間内をスライドするスライド部を有しており、スライド部はスライド部が筒体の中心線に沿ってスライドすることを許容する形状を有している。

本発明のフォースセンサユニットにおいては、筒体の内部空間の中には、筒端の一端を塞ぐ閉塞部材の上に支持されたフォースセンサ、接触部材、弾性部材、及び被操作部材が順に並んでいる。組立時には筒体の一端の開口から各部材が順に挿入されていく。まず最初に、被操作部材の被係止部が筒体の他端のストッパに係止され、被操作部が筒体の他端の開口部から露出し、且つ筒体の内壁面とスライド部とが対向する姿勢で、被操作部材が挿入される。次に弾性部材が挿入され、続いて筒体の内壁面とスライド部とが対向する姿勢で接触部材が挿入される。最後にフォースセンサが筒体の内部空間の中に配置される姿勢で、筒体の一端の開口が閉塞部材により閉塞される。このとき、順に並んだ各部材は相互に接着されたり係合されたりすることはなく、閉塞部材を除いて、単に筒体の内部空間に挿入されているのみである。

このようにして組み立てられたフォースセンサユニットの被操作部材の被操作部に外部から力が加わったとき、被操作部材は、被係止部がストッパにより係止されている最初の位置から、筒体の内部空間内を筒体の中心線に沿って、フォースセンサに接近する方向にスライドする。被操作部材は弾性部材を圧縮し、弾性部材はさらに接触部材を押し、接触部材も筒体の内部空間内を筒体の中心線に沿って、フォースセンサに接近する方向にスライドして、フォースセンサの受圧部に力を伝達する。しかしながら、接触部材のスライドする幅は、弾性部材の緩衝機能により、被操作部材のスライドする幅よりも短い。接触部材と接触する受圧部は、接触部材に押されて移動することによりフォースセンサ素子を機械的に変位させ、その結果被操作部材の被操作部に加わった力の大きさに応じた電気信号が出力される。被操作部材の被操作部に加えられていた力が消えると、フォースセンサ素子の機械的変位が復帰し、受圧部がフォースセンサ素子に押されて移動し、これに接触する接触部材がフォースセンサから離反する方向にスライドし、弾性部材が伸張し、被操作部材がフォースセンサから離反する方向にスライドして、被係止部がストッパに係止されて停止し、最初の位置に戻る。

よって本発明のフォースセンサユニットによると、フォースセンサユニットは筒体内に各部材を順に挿入して、最後に閉塞部材で他端の開口を閉塞する簡単な工程で組み立てることが可能であり、且つ力伝達機構を被操作部材と弾性部材と接触部材とにより構成して、弾性部材の緩衝機能を挟むことにより、被操作部材がスライドするストロークを大きくすることができる。

特に本発明によれば、上記構成により、小型化が容易で、しかも受圧部と弾性部材との間に接触部材が配置されているため、弾性部材が変形する過程で受圧部と弾性部材との接触位置が実質的に変位することがない。そのため力の検出精度にバラツキが発生することを抑制することができる。

また本発明のフォースセンサユニットは、筒体の内部空間の横断面の輪郭形状は、多角形形状を有しており、接触部材のスライド部の形状は、内壁面と接触することにより、筒体の中心線を中心にして回動することを阻止する形状を有しているのが好ましい。このような構成のフォースセンサユニットによると、フォースセンサの受圧部と接触する接触部材の回動を阻止することにより、接触部材の回動に基づくフォースセンサの出力変動を抑制することができる。また受圧部が球体からなる場合には、受圧部が回動することを阻止して、フォースセンサの寿命を延ばすことができる。さらにまた、特にフォースセンサユニットのサイズが小さい場合には、筒体の内壁面やスライド部の形状は円筒（柱）形よりも多角形筒（柱）形の方が高い精度で製造しやすく、従って筒体内を接触部材が円滑にスライドし、拗れや捻れの発生を防止することができる。

さらにまた、本発明のフォースセンサユニットは、筒体の外周面の横断面の輪郭形状は、多角形形状を有しており、閉塞部材は、内部空間側に位置する表面にフォースセンサが実装され且つ複数の電極を備えた裏面が筒体の外側に露出する基板からなり、基板の輪郭形状は、筒体の外周面の横断面の輪郭形状と同一または近似した形状を有していることが好ましい。このような構成のフォースセンサユニットによると、一面にフォースセンサユニットが実装される基板の多数個取りが容易になり、基板の製造が容易になる。その結果、フォースセンサユニットの価格の低減化に寄与する。

さらにまた、本発明のフォースセンサユニットは、弾性部材がコイルバネからなることが好ましい。このフォースセンサユニットによると、特にユニットが小型化された場合でも、操作特性のバラツキの発生を抑制できる。

さらにまた、本発明のフォースセンサユニットは、弾性部材の弾性定数は、フォースセンサの最大測定許容力が被操作部材に加わったときに、被操作部材のストロークが最大になるように定められているのが好ましい。このようにすると、被操作部材のストロークを最大化でき、且つフォースセンサを破壊するような力が受圧部に加わることを阻止することができる。

さらにまた、本発明のフォースセンサユニットは、閉塞部材が、内部空間側に位置する表面にフォースセンサが実装され且つ複数の電極を備えた裏面が筒体の外側に露出する基板からなり、筒体は金属製からなり、筒体の一端に径方向内側に曲げられて基板の裏面と接触する２以上の爪部を備えている構造を有しているのが好ましい。このようにすると、筒体の一端を塞ぐ閉塞部材の取付は、筒体の爪部を径方向内側に曲げることで、容易に実行することができる。

さらにまた、本発明のフォースセンサユニットは、基板の表面には、筒体の一端の端面と当接する被当接部が設けられており、基板の裏面には、爪部が嵌合される複数の凹部が形成されているのが好ましい。このようにすると、閉塞部材の取付構造を構成する爪部は、基板の裏面に形成された複数の凹部に嵌合されるので、フォースセンサユニットの実装の障害になることを防止できるとともに、中心線方向のサイズをより小さくすることができる。

本発明のフォースセンサユニットの一つの実施の形態を示す斜視図であり、筒体の一部は切り欠いて示してある。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１に示した実施の形態の縦断面図であり、（Ａ）は被操作部材が最初の位置にあり、（Ｂ）は被操作部材が限界まで押し込まれた位置にある状態を示す。 図１に示した実施の形態の底面図である。 図１に示した実施の形態の分解組立図である。

以下、本発明のフォースセンサユニットの一つの実施の形態について、図を参照しつつ説明する。各図に示すように、本実施の形態のフォースセンサユニットは、筒体１０と、筒体１０の一端を塞ぐ基板２０と、基板２０上に支持されたフォースセンサ３０と、筒体１０の内部空間の中に配置されてフォースセンサ３０に力を伝える、接触部材４０、コイルバネ５０及び被操作部材６０からなる力伝達機構とを備えている。なお本実施の形態のフォースセンサユニットは全長が約７ｍｍ、最大外径が約４ｍｍの小型サイズであり、また立方体形状のフォースセンサ３０の各辺は約２ｍｍであり、フォースセンサ素子の機械的変位の最大許容幅は約０．１μｍ以下である。

筒体１０は八角形筒（柱）形状であり、従って筒体１０の内部空間の横断面の輪郭形状、及び外周面の横断面の輪郭形状は、八角形形状である。また筒体１０は金属製であって、筒体１０の一端には、径方向内側に曲げられて基板２０の裏面と接触する２つの爪部１２、１２が備えられている。筒体１０の他端には、中心近くに内部空間と連通する円形の開口部１４と、縁近くに筒体１０の径方向内側に延びるリング状のストッパ１６を備えている。

基板２０は、内部空間側に位置する表面にフォースセンサ３０が実装され、且つ４つの電極２２を備えた裏面が筒体１０の外側に露出している。基板２０の輪郭形状は、筒体１０の外周面の横断面の輪郭形状と同一の八角形形状である。基板２０の輪郭形状を八角形形状とすることにより、基板２０の多数個取りが容易になり、基板２０の製造が容易になる。その結果、フォースセンサユニット自体の価格の低減化を図ることができる。基板２０の表面には、筒体１０の一端の端面と当接する被当接部２４が設けられており、基板２０の裏面には、筒体１０の２つの爪部１２、１２と相補的な形状で、爪部１２、１２が曲げられて嵌合される２つの凹部２６、２６が形成されている。

フォースセンサ３０は基板２０上に支持されており、球体である受圧部３２と、受圧部３２の一部が上面から露出しており、受圧部３２の移動を制限するケース３４と、受圧部３２が接触しており、受圧部３２から力が加わると機械的変位を生じるフォースセンサ素子３６とを有する。フォースセンサ素子に生じた機械的変位は電気信号に変換されて基板２０の電極２２から出力される。

接触部材４０は、フォースセンサ３０の受圧部３２と接触して、受圧部３２に力を伝達する。接触部材４０は、横断面が筒体１０の内壁面とほぼ同一の八角形形状であり、一端がフォースセンサ３０の受圧部３２と接触するスライド部４２と、スライド部４２の他端の中心近くから突出した円柱状のコイルバネ支持部４４とからなる。スライド部４２の側面は筒体１０の内壁面と対向しており、接触部材４０が筒体１０の内部空間内を中心軸に沿ってスライドすることを許容する形状に設計されている。

接触部材４０の横断面形状と筒体１０の内壁面の横断面形状とを八角形とすることで接触部材４０の回動を阻止することにより、接触部材４０の回動に基づくフォースセンサ３０の出力変動を抑制することができる。また球体からなる受圧部３２が回動することを阻止して、フォースセンサの寿命を延ばすことができる。さらにまた、特にフォースセンサユニットのサイズが小さい場合には、筒体１０の内壁面やスライド部４２の形状は全体が曲面である円筒（柱）形よりも平面を含む八角形筒（柱）形の方が高い精度で製造しやすく、従って筒体１０内を接触部材４０が円滑にスライドし、拗れや捻れの発生を防止することができる。

コイルバネ５０は押しバネであり、接触部材４０と被操作部材６０との間に配置されて、緩衝機能を果たし、操作特性のバラツキの発生を抑制する。コイルバネ５０の内径は接触部材４０のコイルバネ支持部４４の外径とほぼ同一なので、コイルバネ支持部４４が内側に入り込んでコイルバネ５０が支持される。コイルバネ５０の弾性定数は、フォースセンサ３０の最大測定許容力が被操作部材６０から加わったときに、被操作部材６０のストロークが最大になるように定められている。

被操作部材６０は、一端がコイルバネ５０に接触し、被操作部材６０が筒体１０の中心線に沿ってスライド可能なように、横断面が筒体１０の内壁面とほぼ同一の八角形形状に形成されたスライド部６２と、スライド部６２の他端の中心近くから突出し、組み立てられたときに筒体１０の開口部１４から先端部分が露出する円柱状の被操作部６４と、被操作部６４が突出している以外のスライド部６２の他端面であって、筒体１０のストッパ１６の内面に当接して被操作部材６０が係止される被係止部６６とを有する。

なお本実施の形態では接触部材４０と被操作部材６０とは同一の形状に形成されているが、他の実施の形態では異なる形状でもよい。

次に、本実施の形態の組立の過程について、図４を参照しつつ説明する。本実施の形態のフォースセンサユニットの組立時には、筒体１０の一端の開口から各部材が順に挿入されていく。まず最初に、被係止部６６が筒体１０の他端のストッパ１６に当接して係止され、被操作部６４の先端近くが筒体１０の他端の開口部１４から露出し、且つ筒体１０の内壁面とスライド部６２とが対向する姿勢で、被操作部材６０が挿入される。次にコイルバネ５０が挿入され、続いてコイルバネ支持部４４がコイルバネ５０に対向し、筒体１０の内壁面とスライド部４２とが対向する姿勢で接触部材４０が挿入される。最後にフォースセンサ３０が筒体１０の内部空間の中に配置される姿勢で、筒体１０の一端の開口が基板２０により閉塞される。すなわち基板２０の被当接部２４が筒体１０の一端の端面と当接される。このとき、筒体１０の一端から突出する２つの爪部１２、１２の中心線に対する角度が基板２０の２つの凹部２６、２６の角度と一致するように、相互の角度が調整される。そして２つの爪部１２、１２を径方向に９０°曲げて、凹部２６、２６の中にそれぞれ嵌合することにより、筒体１０の一端の開口が閉塞される。この爪部１２、１２と凹部２６、２６との組み合わせにより、フォースセンサユニットの実装の障害となることを防止できるとともに、中心線方向のサイズを最小化することができる。

筒体１０の内部空間内に順に並んだ各部材は相互に接着されたり係合されたりすることはなく、基板２０を除いて、単に筒体１０の内部空間に遊嵌されているのみであり、容易に組立作業を行うことができる。

以上のように本実施の形態のフォースセンサユニットによると、フォースセンサユニットは筒体１０内に各部材を順に挿入して、最後に基板２０で筒体１０の一端の開口を閉塞する簡単な工程で組み立てることが可能である。

組み立てられた本実施の形態のフォースセンサユニットは、スタイラスペンに内蔵されており、一端の電極２２には外部出力のためにそれぞれ電線が接続され（図示していない）、他端の被操作部材６０の被操作部６４には操作部材７０の一端の端面が接している。操作部材７０の他端はスタイラスペンのペン先であり（又はペン先に接続されており）、スタイラスペンの操作者がパネルにペン先を押し付ける力をフォースセンサユニットに伝達する。操作部材７０はフォースセンサに対し接近離反できるように、中心線に沿ってスライド可能である。具体的には、その中にフォースセンサユニットが固定されている中空なペン軸内に挿入されている。

次に、本実施の形態の作用について、図２（Ａ）（Ｂ）を参照しつつ説明する。図２（Ａ）は、フォースセンサユニットに何も力が加わっておらず、被操作部材６０が最初の位置にある状態を示す。すなわち被操作部材６０の被操作部６４は筒体１０の開口部１４から先端部分が露出し、被係止部６６が筒体１０のストッパ１６に係止されている。

図２（Ｂ）は、操作者がスタイラスペンのペン先をタッチパネルに強く押し付けることにより、フォースセンサユニットに最大測定許容力が加わっている状態を示す。このとき被操作部材６０は、最初の位置から操作部材７０に押されて、筒体１０の内部空間内を筒体１０の中心線に沿って、フォースセンサ３０に接近する方向に最大限スライドしている。

被操作部材６０はコイルバネ５０を圧縮し、コイルバネ５０はさらに接触部材４０を押し、接触部材４０も筒体１０の内部空間内を筒体１０の中心線に沿って、フォースセンサ３０に接近する方向にスライドして、フォースセンサ３０の受圧部３２に力を伝達する。

しかしながら、接触部材４０のスライドする幅は、コイルバネ５０の緩衝機能により、被操作部材６０のスライドする幅よりも遙かに短い。接触部材４０と接触する受圧部３２は、接触部材４０に押されて移動することによりフォースセンサ素子３６を機械的変位させ、その結果、被操作部材６０の被操作部６４に加わった力の大きさに応じた電気信号が電極２２から出力される。

この状態でコイルバネ５０が接触部材４０を押す力の大きさは最大測定許容力にほぼ等しくなるようにコイルバネ５０の長さ及び弾性定数は調整されている。すなわち被操作部材６０は、図２（Ａ）の最初の位置から図２（Ｂ）の最大測定許容力が加わっている位置までの間のストロークでスライド可能であり、その間はフォースセンサ３０が安全に安定した出力を行うことができるように設計されている。

スタイラスペンのペン先がタッチパネルから離れ、被操作部材６０の被操作部６４に加えられていた力が消えると、フォースセンサ素子３６の機械的変位が復帰し、受圧部３２がフォースセンサ素子３６に押されて移動し、これに接触する接触部材４０がフォースセンサ３０から離反する方向にスライドし、コイルバネ５０が伸張し、被操作部材６０がフォースセンサ３０から離反する方向にスライドして、被係止部６６がストッパ１６に係止されて停止し、図２（Ａ）に示す最初の位置に戻る。

以上のように本実施の形態のフォースセンサユニットによると、力伝達機構を被操作部材６０と弾性部材であるコイルバネ５０と接触部材４０とにより構成して、コイルバネ５０の緩衝機能を挟むことにより、被操作部材６０のスライドするストロークを大きくすることができる。

これにより、フォースセンサ３０の出力の安定性や過度の力が加わることを回避する安全性を担保するユニットを構成する各部材に要求される高い精度は、結局はコイルバネ５０にのみ集約することができる。すなわち、特に小型のフォースセンサ３０のフォースセンサ素子３６の機械的変位が安定して且つ破損の危険なく生ずる範囲は非常に狭いが、コイルバネ５０を中間に挟むことにより、外部から加わる大きなストロークを小さな幅に変換することで、フォースセンサ素子３６の機械的変位を生ずる幅を限定しているのである。そのため、コイルバネ５０の長さや弾性係数はなるべく精確に調整されている。

これに加えて、図２（Ｂ）に示すように、操作部材７０の一端面は筒体１０のストッパ１６の外面に当接して停止する。これによって、例えばスタイラスペンの落下等の事故により操作部材７０から強い衝撃が加えられてフォースセンサ３０が破壊されるのを防止することができる。

本発明によれば、簡単な構造で、容易に組み立てることができ、小型化が容易なフォースセンサユニットを実現できる。

１０ 筒体
１２ 爪部
１４ 開口部
１６ ストッパ
２０ 基板
２２ 電極
２４ 被当接部
２６ 凹部
３０ フォースセンサ
３２ 受圧部
３４ ケース
３６ フォースセンサ素子
４０ 接触部材
４２ スライド部
４４ コイルバネ支持部
５０ コイルバネ
６０ 被操作部材
６２ スライド部
６４ 被操作部
６６ 被係止部
７０ 操作部材

Claims (7)

1. 筒体と、前記筒体の一端を塞ぐ閉塞部材と、前記閉塞部材上に支持されたフォースセンサと、前記筒体の内部空間の中に配置されて前記フォースセンサに力を伝える力伝達機構とを備えているフォースセンサユニットであって、
   前記筒体の他端には、前記内部空間と連通する開口部を備えて前記筒体の径方向内側に延びるストッパを備えており、
   前記力伝達機構は、
   前記フォースセンサの受圧部と接触する接触部材と、
   前記開口部から露出する被操作部及び前記ストッパに係止される被係止部を有する被操作部材と、
   前記接触部材と前記被操作部材との間に配置された弾性部材とを備えており、
   前記接触部材と前記被操作部材はそれぞれ前記筒体の前記内部空間を囲む内壁面と対向して前記内部空間内をスライドするスライド部を有しており、前記スライド部は前記スライド部が前記筒体の中心線に沿ってスライドすることを許容する形状を有しており、
   前記筒体の前記内部空間の横断面の輪郭形状は、多角形形状を有しており、
   前記接触部材の前記スライド部の形状は、前記内壁面と接触することにより、前記筒体の中心線を中心にして回動することを阻止する形状を有していることを特徴とするフォースセンサユニット。
2. 前記筒体の外周面の横断面の輪郭形状は、多角形形状を有しており、
   前記閉塞部材は、前記内部空間側に位置する表面に前記フォースセンサが実装され且つ複数の電極を備えた裏面が前記筒体の外側に露出する基板からなり、前記基板の輪郭形状は、前記筒体の外周面の横断面の輪郭形状と同一または近似した形状を有している請求項１に記載のフォースセンサユニット。
3. 前記弾性部材が、コイルバネからなる請求項１に記載のフォースセンサユニット。
4. 前記弾性部材の弾性定数は、前記フォースセンサの最大測定許容力が前記被操作部材に加わったときに、前記被操作部材のストロークが最大になるように定められている請求項１乃至３のいずれか１項記載のフォースセンサユニット。
5. 前記閉塞部材は、前記内部空間側に位置する表面に前記フォースセンサが実装され且つ複数の電極を備えた裏面が前記筒体の外側に露出する基板からなり、
   前記筒体は金属製からなり、前記筒体の前記一端に前記径方向内側に曲げられて前記基板の裏面と接触する２以上の爪部を備えている請求項１に記載のフォースセンサユニット。
6. 前記基板の前記表面には、前記筒体の一端の端面と当接する被当接部が設けられており、
   前記基板の前記裏面には、前記爪部が嵌合される複数の凹部が形成されている請求項５に記載のフォースセンサユニット。
7. 前記フォースセンサは、前記受圧部が球体からなる請求項１または２に記載のフォースセンサユニット。
   

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