JPH07174646A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポインティングデバイスとして用いられる荷
重センサに関するものであり、抵抗精度、コスト、量産
性、信頼性、強靱性にすぐれた荷重センサを提供するこ
とを目的とするものである。 【構成】 周囲を４ヵ所固定されガラスホーロー被覆を
設けた弾性板１にあって、弾性板１の中央に立てられた
操作部２に加えた力により、弾性板１が変形し、この変
形をホーロー上に直接形成された二対の歪み抵抗検出素
子５、５′、６、６′の抵抗値変化で検知し、各一対の
抵抗値変化の差を演算することにより、操作部の力の方
向と大きさを検出するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元の座標入力を行
うポインティングデバイスに用いる荷重センサに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、２次元の座標入力として、またパ
ーソナル・コンピュータ（以下、「パソコン」と記
す。）等のＧＵＩ（グラフィカル・ユーザー・インター
フェイス）の操作入力装置として、ポインティングデバ
イスが重要な入力として注目されている。パソコンの小
型・軽量化の流れからノートブックパソコンが広く使わ
れるようになってきて、このポインティングデバイスの
１つとして、「マウス」が広範に使用されている。しか
しながら、ノートブックパソコンは机の上だけでなく、
膝の上に置いたり、列車や飛行機などの座席等のマウス
を操作するための平面を確保できない場所での使用が多
くなり、マウスは使用上問題のあるポインティングデバ
イスになってきており、この課題を解決するために、荷
重センサを用いたポインティングデバイスが開発されて
いる。

【０００３】以下に、従来の荷重センサを用いたポイン
ティングデバイスについて説明する。図１２は、従来の
荷重センサを用いたポインティングデバイスの斜視図で
ある。図１２において、４１は取付台である。４２は取
付台４１の中央部に一体に設けられた４角柱状の軸で、
上面は指で荷重を与える操作部４３を有している。この
軸４２の側面は、対向する面と対になるように張り付け
られた二対の第１、第２の歪みゲージ４４、４４′、４
５、４５′を有し、操作部４３に加えられた力で、軸４
２と垂直な分力により軸４２が変形し、この変形に応じ
て、第１、第２の歪みゲージ４４、４４′、４５、４
５′が収縮して、抵抗値が変化する。

【０００４】つまり、第１、第２の歪みゲージ４４、４
４′、４５、４５′は軸４２の中心軸と対称な１組を一
対としており、この二対の第１、第２の歪みゲージ４
４、４４′、４５、４５′は９０°の間隔に配設してい
るので、軸４２の変形を２つの座標に分割することがで
きる。実際には、第１の歪みゲージ４４、４４′の一対
の歪みゲージの信号の差を取った信号を１座標軸方向の
信号とし、第２の歪みゲージ４５、４５′も同様に差の
信号を取り、他の座標軸の信号としている。

【０００５】２つの座標軸の上記信号により、指が操作
部４３に与えた力の方向と大きさを検知して、ＣＲＴ
（図示せず）上のポインタを動かす信号となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成では、
軸４２に第１、第２の歪みゲージ４４、４４′、４５、
４５′を接着しているので、接着する位置がずれると軸
４２の上面の操作部４３に加えられた力に対する感度が
変わりポインタの動く方向が変わるため、精度良く位置
決めしなければならないと共に、接着時に第１、第２の
歪みゲージ４４、４４′、４５、４５′を変形させない
ような接着方法を取る必要があるという課題を有してい
た。

【０００７】さらに、軸４２の対向する側面の第１、第
２の歪みゲージ４４、４４′、４５、４５′の抵抗値を
同一にしておく必要があると共に、選別して使用しなけ
ればならずコストアップになり、組立が複雑になるとい
う課題を有していた。

【０００８】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、低コストで量産性に優れた荷重センサを提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記従来課題を解決する
ために、本発明は、端部に固定部を有する弾性板と、こ
の弾性板の中央に配設された操作部と、前記弾性板上に
設けられた少なくとも２つの歪み抵抗検出素子とからな
るものである。

【００１０】また、中央に固定部を有する弾性板と、こ
の弾性板の端部に設けた操作部と、前記弾性板上に少な
くとも２つの歪み抵抗検出素子とからなるものである。

【００１１】

【作用】したがって、本発明によれば厚膜印刷等の方法
で弾性板に直接歪み抵抗検出素子を形成することから、
従来の技術のような接着による位置ずれがなく、一括し
て精度良く歪み抵抗検出素子が配置できる。

【００１２】また、金属板上のガラスホーロー被膜上に
歪み抵抗検出素子を形成することから、相対抵抗精度が
高くトリミングが容易で抵抗値の高制度化が可能である
ものである。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）以下に、本発明の一実施例における荷重セ
ンサを用いたポインティングデバイスについて説明す
る。

【００１４】図１は、本発明の一実施例における荷重セ
ンサを用いたポインティングデバイスの斜視図である。
図１において、１は弾性板で、圧電材料からなる基板、
ガラスまたは樹脂の電気絶縁材料を少なくとも一部分を
コーティングした金属板、ホーロー金属板、アルミナか
らなる基板、樹脂材料からなる基板または銅張積層板の
いずれからなるものである。２は弾性板１の略中央部に
この弾性板１と連結して設けられた操作部である。３は
取付台で、弾性板１の周囲４ヵ所の端部である固定部４
で固定され、操作部２を指で力を加えることにより、弾
性板が変形する構造になっている。弾性板１上の操作部
２と固定部４との間には、操作部２と対向する位置、つ
まり、弾性板１の同一表面上に固定部４と操作部２とを
結ぶ線の直交する対称位置に抵抗値の等しい歪み感応抵
抗体からなる第１、第２の歪み抵抗検出素子５、５′、
６、６′が設けられている。

【００１５】以上のように構成された本発明の一実施例
における荷重センサを用いたポインティングデバイスの
動作について、以下に説明する。

【００１６】まず、操作部２を図１に示す弾性板１と平
行な「ア」の方向に力を加えた場合、弾性板１の第１の
歪み抵抗検出素子５の部分は凹面に、第１の歪み抵抗検
出素子５′の部分は凸面に変形する。この変形により、
第１の歪み抵抗検出素子５の抵抗値は下がり、第１の歪
み抵抗検出素子５′の抵抗値は上がる。この第１の歪み
抵抗検出素子５、５′の一対の抵抗値変化の差を演算す
ることで、抵抗値変化が２倍に拡大され、加えられた力
を検出することができる。

【００１７】一方、第２の歪み抵抗検出素子６、６′
は、同じ方向のねじり応力が加えられるだけで抵抗値変
化は起こらない。つまり、第１の歪み抵抗検出素子５、
５′上の座標軸方向のみの力が検出できる。

【００１８】次に、操作部２を図１に示す弾性板１と平
行な「イ」の方向に力を加えた場合、弾性板１の第２の
歪み抵抗検出素子６の部分は凹面に、第２の歪み抵抗検
出素子６′の部分は凸面に、第１の歪み抵抗検出素子
５、５′は同じ方向のねじり応力が加えられ、第２の歪
み抵抗検出素子６、６′上の座標軸方向のみの力が検出
できる。

【００１９】このように、操作部２に加えられた力は、
２座標軸の方向に分離されて、方向と大きさが検出でき
るものである。

【００２０】（実施例２）図２は、本発明の実施例２に
おける荷重センサを用いたポインティングデバイスで、
実施例１と同様な構成は同一番号を付し、説明は省略す
る。実施例１と異なるところは、対になる第１の歪み抵
抗検出素子５、５′および第２の歪み抵抗検出素子６、
６′を弾性板１の表裏に配置したことである。本実施例
２では、対になる第１、第２の歪み抵抗検出素子５、
５′、６、６′は、弾性板の歪みに対して圧縮・伸張の
変形を受け検出精度が向上するものである。

【００２１】（実施例３）図３は、本発明の実施例３に
おける荷重センサを用いたポインティングデバイスで、
実施例１と同様な構成は同一番号を付し、説明は省略す
る。実施例３は、実施例１の弾性板１の形状を変えたも
ので、弾性板７を操作部２を中心とした十字型とし、端
部の４ヵ所を固定部４で固定したものである。本実施例
４では、加えられた力に対する弾性板７の変形量が上述
した実施例１、２よりも大きくなるので力に対する信号
変化の感度が高くできるものであると共に、歪みが均等
に発生しやすくなるため、第１、第２の歪み抵抗検出素
子の位置精度に高精度が要求されず、生産性が高くな
る。

【００２２】（実施例４）図４、図５は本発明の実施例
４であり、８はガラスホーロー被覆が設けられたＬ字状
の弾性板、２は操作部、９は取付台である。１３はピポ
ット支持部で取付台９からの突起である。弾性板８の中
央は操作部２と連結し、周囲の２ヵ所は取付台９の固定
部１０で固定されている。また、弾性板８の中央は取付
台９からのピポット支持部１３で支持されている。さら
に、弾性板８表面のガラスホーロー被覆面には１１，１
２の第１、第２の歪み抵抗検出素子がグレーズ抵抗を印
刷被膜して直接構成している。

【００２３】以下に、動作について説明すると、操作部
２を図４上の「ウ」の方向（弾性板８と平行）に力を加
えた場合、金属弾性板の第２の歪み抵抗検出素子１２の
部分は凹面に変形する。一方１１の部分はピポット支持
によりねじり変形をする。この第２の歪み抵抗検出素子
１２の部分の変形により歪み抵抗検出素子は抵抗値が変
化するが、第１の歪み抵抗検出素子１１はねじり応力が
加えられるだけで抵抗値変化はない。次に操作部２を図
４上の「エ」の方向（弾性板８と平行）に力を加えた場
合、弾性板８の第１の歪み抵抗検出素子１１の部分は凹
面に変形し、第２の歪み抵抗検出素子１２はねじり応力
が加えられる。このように操作部２に加えられた力は２
座標軸の方向に分離されて、方向と大きさが検出でき
る。

【００２４】また、本実施例４ではピポット１３の支持
により垂直荷重を受けるので、正確に水平荷重のみを検
出することができ、操作性の優れた荷重センサを用いた
ポインティングデバイスが提供できる。

【００２５】（実施例５）図６は歪み抵抗検出素子の他
の配置例である。第１、第２の歪み抵抗検出素子１１、
１２と対になる第１、第２の歪み抵抗検出素子１１′１
２′は、弾性板１４を延ばした固定部１０の外側に配置
している。この位置にある第１、第２の歪み抵抗検出素
子１１′、１２′は弾性板１４が歪んでも影響を受けな
い。本実施例５では対になる第１の歪み抵抗検出素子１
１、１１′および第２の歪み抵抗検出素子１２、１２′
のそれぞれ抵抗変化の差を演算する。このことで歪み抵
抗検出素子の温度変化をキャンセルすることができるも
のである。

【００２６】（実施例６）図７（ａ），（ｂ）は、本発
明の実施例６であり、断面を示したものである。１５は
弾性板、１６は支持台、１７は取付台、１８は操作部で
ある。操作部１７と弾性板１５は一体で、操作部１８の
中央最下部には円錐状の凹部１９を設けてある。支持台
１６からは円錐状の突起であるピポット支持部２０を設
け、操作部１８の凹部１９に当接している。このような
支持であるから操作部１８は支持台１６の突起部２０の
先端を中心として自由に回転できるが、操作部１８が支
持台１６方向に押さえられても支持台１６のピポット支
持部２０で支持されている。

【００２７】２１は支持台１６と取付台１７の弾性板１
５周辺の支持部で弾性板１５をはさんでいるが、弾性板
１５の厚みに対して適切なクリアランスをもたせてあ
る。さらに弾性板１５と取付台１７の支持部２１は図７
（ｂ）に示したように、弾性板１５には長円の孔をあけ
ており、取付台１７から円柱状の突起が入り込んでい
る。このような構造であるから弾性板１５は操作部１８
の中央と支持部２１を結ぶ線上のみ自由にスライドする
ことができる。

【００２８】なお、弾性板１５には実施例５の弾性板１
４上と同様に歪み抵抗検出素子が設けられているが図上
は省略している。

【００２９】この実施例でも操作部１８先端に加えられ
た力によって弾性板１５が変形することは、他の実施例
と同様で、荷重センサとしての機能を持つ。本実施例で
は弾性板１５の面と平行な方向での固定部は操作部１８
の凹部１９のみであるから支持台１６・取付台１７の温
度による膨張・収縮の影響を受けない構造になってい
る。

【００３０】（実施例７）図８は実施例４の図６の弾性
板をＴ字状の弾性板２２として固定部１０のない第３の
アーム部に歪み抵抗検出素子１１″、１２″を配置した
ものである。歪み抵抗検出素子１１″、１２″は応力を
受けない事は実施例４と同様である。本実施例では配線
パターン２２が固定部１０の近傍を通す必要がなくアー
ム部が細くできさらに小型化が可能となる。

【００３１】図９は図４、図５の本発明の荷重センサを
フルキーボードのポインティングデバイスとして用いた
応用例を示すものであり、２３はキートップ、２４はＳ
Ｗ素子、２５は実施例４，５の荷重センサである。各キ
ートップ２３の下に破線で示したようにＳＷ素子２４が
配置され、これらのＳＷ素子２４の間にハッチングで示
した荷重センサ２５が設置されている。これから明らか
なようにＬ字形状はセンサが大きくなってもキーの間に
うまく配置できる特徴がある。Ｔ字形状も同じである。
このためにポインティングデバイスを内蔵したノートパ
ソコンのさらなる小型化に貢献できるものである。

【００３２】図１０は、本発明における荷重センサを用
いたポインティングデバイスの実施例４〜６における弾
性板と軸と歪み抵抗検出素子との関係を示した図であ
る。ここで実施例６のポインティングデバイスを例にし
て説明すると、操作部２に連結された弾性板２２の連結
部の直径をＤとする。弾性板２２上の歪み抵抗検出素子
１１、１２を配置したアーム部２２ａ，２２ｂの幅をＷ
とする。歪み抵抗検出素子１１、１２と操作部２中心ま
での距離をＨとする。

【００３３】この時、操作部２の「オ」の方向に水平荷
重を加えると、弾性板２２の歪み抵抗検出素子１２を配
したアーム部２２ａは曲げ応力を受ける。この時、操作
部２は剛体であり、この剛体である操作部２に連結され
た弾性板２２に曲げ応力を加えると、操作部２と弾性板
２２との境界部が最大の応力を受けるので、アーム部２
２ａの中心軸と操作部２の外周との交点Ａが最大の応力
を受けることとなる。この交点Ａは、Ｈ＝０．５Ｄであ
る。

【００３４】一方、この時アーム部２２ｂはねじり応力
を受けているのでひっぱり応力としてはアーム部２２ｂ
の中心軸は中性点で０であり、中心軸から離れるにした
がってひっぱり応力が大きくなり、アーム部２２ｂの中
心軸上に配置することで、ねじり応力に対する歪みは最
小となる。このような応力分布から歪み抵抗検出素子１
１、１２をアーム部２２ａ，２２ｂの中心軸上でＨ＝
０．５Ｄ付近に配置することで曲げ応力に対し最大で、
かつ、ねじり応力に対して最小の信号が得られる。

【００３５】つまり長方形の弾性板にねじり応力を加え
た場合中性点は長方形の弾性板の中心軸となるが、本実
施例６ではＴ字状の弾性板２２の片側のアーム部２２ａ
にねじり応力が加えられているので、他方のアーム部２
２ｂの曲げ応力の歪みの影響を受けて中心軸上が中性点
とはならない。中性点を中心軸上にするために、剛体で
ある操作部２の直径を太くして２つのアーム部２２ａ，
２２ｂに歪みが伝わらないようにしてやれば良い。つま
り、操作部２と弾性板２２との連結部の円周を、２つの
アーム部２２ａ，２２ｂの外辺との交点（図１０のＢ
点）と重なる直径以上にする。つまり、

【００３６】

【外１】

【００３７】とすることでねじり応力の影響を小さくし
て誤差信号が最小となる。このように歪み抵抗検出素子
の位置と操作部２の直径とアーム部２２ａ，２２ｂの寸
法を規定することで、操作部２に加えられた水平荷重
を、誤差を最小にして二軸に分離することができる。

【００３８】（実施例８）図１１（ａ），（ｂ）は本発
明における荷重センサを用いたポインティングデバイス
の実施例８で図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は断
面図である。本実施例で２６が弾性板、２７は操作部、
２８は取付台、２９は固定部である。弾性板２６は中心
を取付台２８の固定部２９で固定され、操作部２７は弾
性板周囲と連結されている。操作部２７先端を荷重
「オ」のように力を加えられると、弾性板２６はその中
心に対して力の方向に応力を加えられ変形する。本実施
例８で図１〜３の実施例と逆の構造となっており、弾性
板２６の中心が固定で、周辺部に操作部２７からの荷重
を受けている。

【００３９】本実施例８では操作部２７が弾性板２６に
応力を加える位置（図１１（ｂ）のＬ）が実施例４〜６
より長くすることが可能である。操作部２７の先端は指
先のあてる部分でその先端形状を操作し易い形状にする
ので樹脂成型品を使うことになる。本実施例８ではＬ寸
法が長いので弾性板と結合された部分の応力が小さくな
り、樹脂の変形が小さいので弾性板を変形させる作用点
が安定しているため、温度による弾性板の変形量の変動
が少なくなる。

【００４０】また、弾性板にホーロー金属板、もしくは
ガラスコート金属板を使うことにより、外部応力や衝撃
に対して強靱であると共に、かしめ等の組立工法が使用
でき組立が容易となる。また高温処理が可能なことから
抵抗体に高信頼性のメタルグレーズ抵抗体を使うことが
できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、歪み抵抗検出素子を平面上に
配置していることから、厚膜印刷等の方法で平面に歪み
抵抗検出素子を形成することで、一括して精度よく歪み
抵抗検出素子が配置でき、抵抗値の相対精度が高く、ト
リミングも容易で抵抗値の高精度化が可能である。特に
一面だけ歪み抵抗体を形成した実施例ではこの特徴が顕
著である。また、ガラスホーローを絶縁層とすることか
ら、高温処理が可能で高信頼性なメタルグレーズ抵抗体
を使うことができる。さらに金属弾性板を使用している
ことから外部応力や衝撃に対して強靱であることや、か
しめ等の組立工法が使用でき組立が容易となる特徴があ
る。他の特徴としてガラスホーロー被覆上に厚膜ハイブ
リッド集積回路も構成できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の荷重センサの一実施例の斜視図

【図２】同他の実施例の斜視図

【図３】同他の実施例の斜視図

【図４】同他の実施例の斜視図

【図５】同側面図

【図６】同他の実施例の斜視図

【図７】（ａ）同他の実施例の側断面図 （ｂ）同要部の上部断面図

【図８】同他の実施例の斜視図

【図９】本発明の荷重センサを用いたキーボードを説明
する上面図

【図１０】同要部の平面図

【図１１】（ａ）同他の実施例の斜視図 （ｂ）同側面図及び断面図

【図１２】従来の荷重センサの斜視図

【符号の説明】

１，１５ 弾性板 ２，１８，２７ 操作部 ３，９，１７，２８ 取付台 ４，１０，２９ 固定部 ５，５′ 第１の歪み抵抗検出素子 ６，６′ 第２の歪み抵抗検出素子 ７，２６ 十字形状の弾性板 ８，１４ Ｌ字形状の弾性板 １１，１１′ 第１の歪み抵抗検出素子 １１，１１″ 第１の歪み抵抗検出素子 １２，１２′ 第２の歪み抵抗検出素子 １２，１２″ 第２の歪み抵抗検出素子 １３，２０ ピポット支持部 ２１ スライド支持部 ２２ Ｔ字形状の弾性板 ２３ キートップ ２４ キーボードのＳＷ素子 ３１ 断面が正方形の軸 ３２，３２′ 一対の歪みゲージ ３３，３３′ 他の一対の歪みゲージ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端部に固定部を有する弾性板と、この弾
   性板の中央に配設された操作部と、前記弾性板上に設け
   られた少なくとも２つの歪み抵抗検出素子とからなる荷
   重センサ。
2. 【請求項２】 中央に固定部を有する弾性板と、この弾
   性板の端部に設けた操作部と、前記弾性板上に少なくと
   も２つの歪み抵抗検出素子とからなる荷重センサ。
3. 【請求項３】 Ｌ字状の弾性板と、この弾性板上に設け
   られたガラスホーロー被覆層と、前記弾性板の中央に立
   てられた操作部と、前記弾性板の中央の支持部と、前記
   弾性板を装着する支持部と、ホーロー上に直接形成され
   た少なくとも２つの歪み抵抗検出素子とからなる荷重セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 弾性板は支持部によって全方向に固定さ
   れ、中央の支持部を回転可能であるが金属弾性板平面と
   垂直な動きを規制するピポット支持とする請求項３記載
   の荷重センサ。
5. 【請求項５】 ２つの歪み抵抗検出素子と対になる他の
   ２つの歪み抵抗検出素子を、弾性板周囲の支持部より外
   側の延長部に配置したことを特徴とする請求項４記載の
   荷重センサ。
6. 【請求項６】 弾性板の支持部は弾性板中央と周囲との
   支持部を結ぶ方向のみ可動とし、中央の支持部は回転可
   能であるが金属弾性板平面と垂直方向の動きを規制する
   ピポット支持としたことを特徴とした請求項１または３
   記載の荷重センサ。
7. 【請求項７】 歪み抵抗検出素子は、歪み感応抵抗体で
   ある請求項１，２または３記載の荷重センサ。
8. 【請求項８】 弾性板は、圧電材料からなる基板、ガラ
   スまたは樹脂の電気絶縁材料を少なくとも一部分をコー
   ティングした金属板、ホーロー金属板、アルミナからな
   る基板、樹脂材料からなる基板または銅張積層板のいず
   れからなる請求項１，２または３記載の荷重センサ。
9. 【請求項９】 二対の歪み抵抗検出素子を弾性板の同一
   表面上に有し、この二対の歪み抵抗検出素子に直交する
   線の対称位置に配置する請求項１，２または３記載の荷
   重センサ。
10. 【請求項１０】 二対の歪み抵抗検出素子を有し、各一
    対の歪み抵抗検出素子を弾性板の面対称になる表裏に配
    置する請求項１，２または３記載の荷重センサ。
11. 【請求項１１】 弾性板と連結してなる操作部の直径
    を、前記弾性板の幅より前記操作部の直径を大きくして
    なる請求項４記載の荷重センサ。