TWI681176B - 力量感測器單元 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種：簡單的構造，可輕易地組裝，並且易於小型化的力量感測器單元。

本發明的力量感測器單元具備：筒體(10)；和將筒體(10)的其中一端封閉的基板(20)；和被支承於基板(20)上的力量感測器(30)；及力量傳遞機構，該力量傳遞機構是由「被配置於筒體(10)的內部空間之中，將力量傳遞至力量感測器(30)」的接觸構件(40)、螺旋彈簧(50)及被操作構件(60)所形成。依序排列於筒體(10)之內部空間的各構件並非相互接著或者卡合，除了基板(20)之外，僅是單純地遊嵌於筒體(10)的內部空間，能容易地執行組裝作業，容易形成小型化。

Description

力量感測器單元

本發明關於：偵測從外部所施加的力量，而以高精確度輸出「對應於該力量之大小的電氣訊號」的力量感測器單元，更詳細地說，是關於「簡單的構造，可輕易地組裝，並且能小型化的力量感測器單元」。

在日本實開平5-92656號公報的第1圖中，揭示了一種荷重計(力量感測器)，該荷重計在形成有貫穿孔5的殼體2的內部，將「其中一端被薄壁部7所封閉之筒狀的金屬膜片6」配設成「封閉貫穿孔5之其中一側的開口部5a」，將鋼球12配設於貫穿孔5的內部，在貫穿孔5另一個開口部5b側將荷重承接具9配設成可在預定範圍內移動，在鋼球12與荷重承接具9之間配設彈簧11，當作用於荷重承接具9的荷重透過彈簧11及鋼球12而作用於金屬膜片6時，利用設在金屬膜片6之薄壁部7的應變計(Strain gauge)8偵測作用於荷重承接具9的荷重。

〔先行技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕：日本實開平5-92656號公報 第1圖

力量感測器，為了「即使施加了衝擊或者過大的力量也不會破損」，在大多數的場合中，力量感測器本身具備受壓部，該受壓部具有「限制力量感測器元件之機械性位移的寬度」的機能。受壓部，如同專利文獻1所示的鋼球12一般，是表面接觸於膜片的球體12。在專利文獻1所示的構造中，在球體12接觸於膜片6之部分的相反側，配置有「與球體12接觸的彈簧11」。一旦配置該彈簧11，將使荷重承接具9的行程變大。然而，在如同傳統般使球體12與彈簧直接接觸的場合中，當彈簧延展時彈簧的姿勢將改變，球體與彈簧之間的接觸位置將產生位移。其結果，使得透過彈簧而施加於球體之力量的方向產生微妙的變化，致使力量感測器的輸出產生參差不齊。此外，在專利文獻1所示的構造中，存在著非常難以小型化的問題。

本發明的目的在於提供一種：簡單的構造，可輕易地組裝，並且能小型化的力量感測器單元。

本發明的另一個目的在於提供一種：可阻止「與力量感測器的受壓部接觸之接觸構件」的轉動，並且使接觸構件圓滑地滑動的力量感測器單元。

本發明的另外一個目的在於提供一種：「於其中一面 安裝有力量感測器單元之基板」的大量成形(指一次加工可獲得大量的製品)變得容易，基板的製造變得容易的力量感測器單元。

本發明的另外一個目的在於提供一種：特別是單元形成小型化的場合中，可抑制「操作特性參差不齊」之現象產生的力量感測器單元。

本發明的另一個目的在於提供一種：可將被操作構件的行程最大化，並能阻止「破壞力量感測器的力量」施加於受壓部的力量感測器單元。

本發明的另外一個目的在於提供一種：使得「封閉力量感測器單元之筒體其中一端的封閉構件」的安裝變得容易的力量感測器單元。

本發明的另外一個目的在於提供一種：可防止「構成封閉構件之安裝構造」的爪部，成為力量感測器單元安裝時之阻礙的力量感測器單元。

本發明將具備以下構件的力量感測器單元作為對象：筒體；將筒體的其中一端封閉的封閉構件；被支承於封閉構件上的力量感測器；被配置於筒體的內部空間中，將力量傳遞至力量感測器的力量傳遞機構。本發明的力量感測器單元，在筒體的另一端，具備與內部空間連通的開口部，並具備朝筒體之徑向內側延伸的止動器。力量傳遞機構具備：與力量感測器的受壓部接觸的接觸構件；具有「 從開口部露出的被操作部」與「被止動器所卡止的被卡止部」的被操作構件；被配置於接觸構件與被操作構件之間的彈性構件。接觸構件與被操作構件分別具有：與「包圍筒體內部空間的內壁面」相對向，滑動於內部空間的滑動部，滑動部具有容許「滑動部沿著筒體的中心線滑動」的形狀。

在本發明的力量感測器單元中，於筒體的內部空間依序排列著：「將筒體的其中一端封閉的封閉構件」上所支承的力量感測器、接觸構件、彈性構件及被操作構件。在組裝時，從筒體之其中一端的開口將各構件依序插入。首先，一開始將被操作構件的被卡止部卡止於筒體另一端的止動器，使被操作部從筒體另一端的開口部露出，並且採用筒體的內壁面與滑動部相對向的姿勢，將被操作構件插入。然後將彈性構件插入，接著採用筒體的內壁面與滑動部相對向的姿勢，將接觸構件插入。最後，採用力量感測器被配置於筒體之內部空間中的姿勢，由封閉構件將筒體其中一端的開口封閉。此時，依序排列的各構件並非相互接著或者卡合，除了封閉構件之外，僅是單純地插入筒體的內部空間。

當從外部對「依上述方式所組裝之力量感測器單元的被操作構件的被操作部」施加力量時，被操作構件，從「被卡止部由止動器所卡止的最初位置」起，沿著筒體的中心線在筒體的內部空間內，朝向接近力量感測器的方向滑動。被操作構件壓縮彈性構件，彈性構件進一步壓縮接觸 構件，使得接觸構件也沿著筒體的中心線在筒體的內部空間內，朝向接近力量感測器的方向滑動，將力量傳遞至力量感測器的受壓部。然而，接觸構件的滑動寬度(寬幅)，由於彈性構件的緩衝功能，較被操作構件的滑動寬度(寬幅)更短。與接觸構件接觸的受壓部，被接觸構件所按壓而移動，而使力量感測器元件形成機械性位移，其結果可輸出對應於「施加於被操作構件的被操作部之力量的大小」的電氣訊號。一旦施加於被操作構件之被操作部的力量消除，力量感測器元件的機械性位移將回復(復位)，受壓部被力量感測器元件按壓而移動，接觸於受壓部的接觸構件朝向「從力量感測器分離」的方向滑動，彈性構件伸張，使被操作構件朝向「從力量感測器分離」的方向滑動，被卡止部由止動器所而停止，回到最初的位置。

據此，根據本發明的力量感測器單元，力量感測器單元可利用「依序將各構件插入筒體內，最後以封閉構件將另一端的開口封閉」的簡單步驟組裝，且藉由被操作構件、彈性構件及接觸構件構成力量傳遞機構，可藉由所包夾之彈性構件的緩衝功能，增加「被操作構件的滑動行程」。

特別是根據本發明，藉由上述的構造，易於小型化，且由於在受壓部與彈性構件之間配置有接觸構件，在彈性構件變形的過程中，不會有「受壓部與彈性構件之間的接觸位置實質上位移」的情形。因此，可以抑制力量的偵測精確度產生參差不齊的情形。

此外，本發明的力量感測器單元最好為：筒體內部空間之橫剖面的輪廓形狀具有多角形的形狀，接觸構件之滑動部的形狀具有：藉由與內壁面接觸，而阻止「以筒體的中心線作為中心而轉動」的形狀。根據上述構造的力量感測器單元，藉由阻止「與力量感測器之受壓部接觸的接觸構件」的轉動，可抑制：力量感測器基於接觸構件的轉動所產生的輸出變動。此外，在受壓部由球體所構成的場合中，阻止受壓部的轉動，可延長力量感測器的壽命。除此之外，特別是力量感測器單元的尺寸較小的場合中，筒體的內壁面和滑動部的形狀，相較於圓筒(柱)形，多角形筒(柱)的形狀更容易以高精確度製造，因此接觸構件能圓滑地滑動於筒體內，可防止拗折和扭曲的發生。

此外，本發明的力量感測器單元最好為：筒體外周面之橫剖面的輪廓形狀具有多角形的形狀，封閉構件由「在位於內部空間側的表面安裝有力量感測器，且具備複數個電極的背面，露出於筒體的外側」的基板所形成，基板的輪廓形狀，具有與「筒體外周面之橫剖面的輪廓形狀」相同或者近似的形狀。根據上述構造的力量感測器單元，「於其中一面安裝有力量感測器單元之基板」的大量成形(指一次加工可獲得大量的製品)變得容易，基板的製造變得容易。其結果，有助於力量感測器單元之價格的低價化。

除此之外，本發明的力量感測器單元，其彈性構件最好是由螺旋彈簧形成。根據該力量感測器單元，特別是單元形成小型化的場合中，可抑制「操作特性參差不齊」的現 象產生。

除此之外，本發明的力量感測器單元，彈性構件的彈性常數(elastic constant)最好設定成：在力量感測器的最大測量容許力已施加於被操作構件時，被操作構件的行程成為最大。一旦如此，可將被操作構件的行程最大化，並能阻止「破壞力量感測器的力量」施加於受壓部。

除此之外，本發明的力量感測器單元最好具有以下的構造：封閉構件是由「在位於內部空間側的表面安裝有力量感測器，且具備複數個電極的背面，朝筒體的外側露出」的基板所形成，筒體是由金屬製所形成，在筒體的其中一端，具備「朝徑向內側彎曲，與基板的背面接觸之2個以上的爪部」。如此一來，用來封閉筒體之其中一端的封閉構件的安裝，可藉由將筒體的爪部朝徑向內側彎折而輕易地執行。

除此之外，本發明的力量感測器單元，最好在基板的表面，設置與「筒體其中一端的端面」抵接的被抵接部，在基板的背面，形成可供爪部嵌合的複數個凹部。如此一來，由於「構成封閉構件之安裝構造」的爪部，可嵌合於「形成在基板背面的複數個凹部」，因此可防止「成為力量感測器單元的安裝障礙」，並可使中心線方向的尺寸變得更小。

10‧‧‧筒體

12‧‧‧爪部

14‧‧‧開口部

16‧‧‧止動器

20‧‧‧基板

22‧‧‧電極

24‧‧‧被抵接部

26‧‧‧凹部

30‧‧‧力量感測器

32‧‧‧受壓部

34‧‧‧殼體

36‧‧‧力量感測器元件

40‧‧‧接觸構件

42‧‧‧滑動部

44‧‧‧螺旋彈簧支承部

50‧‧‧螺旋彈簧

60‧‧‧被操作構件

62‧‧‧滑動部

64‧‧‧被操作部

66‧‧‧被卡止部

70‧‧‧操作構件

第1圖：是顯示本發明之力量感測器單元其中一種實 施形態的立體圖，筒體的局部呈現切除。

第2圖：(A)及(B)分別顯示第1圖所示之實施形態的縱剖面圖，其中(A)顯示被操作構件位於最初位置的狀態，(B)顯示被操作構件位於被壓入至極限之位置的狀態。

第3圖：是第1圖所示之實施形態的仰視圖。

第4圖：是第1圖所示之實施形態的立體分解圖。

以下，參考圖面說明本發明之力量感測器單元的其中一種實施形態。如各圖所示，本實施形態的力量感測器單元具備：筒體10；和將筒體的其中一端封閉的基板20；和被支承於基板20上的力量感測器30；及力量傳遞機構，該力量傳遞機構是由「被配置於筒體10的內部空間之中，將力量傳遞至力量感測器30」的接觸構件40、螺旋彈簧50及被操作構件60所形成。而本實施形態的力量感測器單元，是全長約為7mm、最大外徑約為4mm的小型尺寸，此外立方體形狀之力量感測器30的各邊約為2mm，力量感測器元件之機械性位移的最大容許寬度約為0.1μm以下。

筒體10呈現八角形筒(柱)的形狀，因此筒體10的內部空間之橫剖面的輪廓形狀、及外周面之橫剖面的輪廓形狀，皆為八角形形狀。此外，筒體10為金屬製，在筒體10的其中一端具備：朝徑向內側彎曲，並與基板20的 背面接觸的2個爪部12、12。在筒體10的另一端具備：在中心附近與內部空間連通的圓形的開口部14；及在邊緣附近朝筒體10的徑向內側延伸之環狀的止動器16。

基板20，在位於內部空間側的表面安裝有力量感測器30，且具備4個電極22的背面，朝筒體10的外側露出。基板20的輪廓形狀，與筒體10外周面之橫剖面的輪廓形狀相同，為八角形形狀。藉由將基板20的輪廓形狀設成八角形的形狀，「基板20的大量成形(指一次的加工可形成大量製品之意)」變得容易，基板20的製造也變得容易。其結果，可達成力量感測器單元之價格的低價化。在基板20的表面，設有與「筒體10其中一端的端面」抵接的被抵接部24，在基板20的背面，以與筒體10之2個爪部12、12互補的形狀，形成可供爪部12、12嵌合的2個凹部26、26。

力量感測器30被支承於基板20上，並且具有：本身為球體的受壓部32；和受壓部32的局部從上面露出，用來限制受壓部32之移動的殼體34；及接觸於受壓部32，一旦由受壓部32施加力量便產生機械性位移的力量感測器元件36。產生於力量感測器元件的機械性位移，被轉換成電氣訊號而從基板20的電極22輸出。

接觸構件40，與力量感測器30的受壓部32接觸，將力量傳遞至受壓部32。接觸構件40，橫剖面呈現與筒體10的內壁面大致相同之八角形的形狀，其中一端是由「與力量感測器30的受壓部32接觸的滑動部42」及「從滑 動部42之另一端的中心附近突出之圓柱狀的螺旋彈簧支承部44」所形成。滑動部42的側面，與筒體10的內壁面相對向，接觸構件40被設計成：容許沿著中心軸滑動於筒體10之內部空間內的形狀。

藉由將接觸構件40之橫剖面形狀與筒體10內壁面的橫剖面形狀設成八角形，來阻止接觸構件40的轉動，藉此可抑制：力量感測器30基於接觸構件40的轉動所產生的輸出變動。此外，阻止「由球體所形成之受壓部32」的轉動，可延長力量感測器的壽命。除此之外，特別是力量感測器單元的尺寸較小的場合中，筒體10的內壁面和滑動部42的形狀，相較於呈現曲面的圓筒(柱)形，含有平面的八角形筒(柱)的形狀更容易以高精確度製造，因此接觸構件40能圓滑地滑動於筒體10內，可防止拗折和扭曲的發生。

螺旋彈簧50為按壓彈簧，被配置於接觸構件40與被操作構件60之間，可達到緩衝功能而抑制操作特性產生參差不齊的現象。由於螺旋彈簧50的內徑與接觸構件40之螺旋彈簧支承部44的外徑大致相同，故螺旋彈簧支承部44插入內側支承螺旋彈簧50。螺旋彈簧50的彈性常數被定為：在力量感測器30的最大測量容許力已從被操作構件60施加時，被操作構件60的行程成為最大。

被操作構件60具有：其中一端接觸於螺旋彈簧50，且為了使被操作構件60可沿著筒體10的中心線滑動，而使橫剖面形成與筒體10的內壁面大致相同之八角形形狀 的滑動部62；和從滑動部62之另一端的中心附近突出，且經組裝後，前端部分從筒體10的開口部14露出之圓柱狀的被操作部64；及抵接於「突出有被操作部64之滑動部62的另一端面」，也就是指抵接於筒體10之止動器16的內面，可供被操作構件60卡止的被卡止部66。

雖然在本實施形態中，接觸構件40與被操作構件60形成大致相同的形狀，但在其他的實施形態中亦可形成不同的形狀。

接著，參考第4圖說明本實施形態的組裝過程。在本實施形態之力量感測器單元的組裝時，從筒體10之其中一端的開口將各構件依序插入。首先，一開始將被卡止部66抵接卡止於筒體10另一端的止動器16，使被操作部64的前端附近從筒體10另一端的開口部14露出，並且採用筒體10的內壁面與滑動部62相對向的姿勢，將被操作構件60插入。然後將螺旋彈簧50插入，接著使螺旋彈簧支承部44與螺旋彈簧50相對向，並採用筒體10的內壁面與滑動部42相對向的姿勢，將接觸構件40插入。最後，採用力量感測器30被配置於筒體10之內部空間中的姿勢，由基板20將筒體10其中一端的開口封閉。換言之，基板20的被抵接部24，與筒體10其中一端的端面抵接。此時，為了使相對於「從筒體10其中一端突出之2個爪部12、12的中心線」的角度，與基板20之2個凹部26、26的角度形成一致，而調整彼此的角度。然後，將2個爪部12、12朝徑向彎折90°，並使其分別嵌合於凹部 26、26中，藉此將筒體10其中一端的開口封閉。藉由該爪部12、12與凹部26、26的組合，可防止成為力量感測器單元之安裝的阻礙，並可將中心線方向的尺寸最小化。

依序排列於筒體10之內部空間內的各構件並非相互接著或者卡合，除了基板20之外，僅是單純地遊嵌於筒體10的內部空間，能容易地執行組裝作業。

如上所述，根據本實施形態的力量感測器單元，力量感測器單元可依序將各構件插入筒體10內，並於最後利用以基板20將筒體10另一端的開口封閉的簡單步驟組裝。

經組裝之本實施形態的力量感測器單元，被內藏於觸控筆(stylus pen)，在其中一端的電極22，為了外部輸出而分別連接電線(圖面中未顯示)，在另一端之被操作構件60的被操作部64，則連接操作構件70之其中一端的端面。操作構件70的另一端是觸控筆的筆尖(或者連接於筆尖)，將「觸控筆的操作者把筆尖按壓於面板的力量」傳遞至力量感測器單元。為了能對力量感測器形成接近與分離，操作構件70可沿著中心線滑動。具體地說，是被插入「其中固定有力量感測器單元」之中空的筆軸內。

接著，參考第2圖(A)、(B)說明本實施形態的作用。第2圖(A)顯示：未對力量感測器單元施加任何的力量，被操作構件60位於最初位置的狀態。亦即，被操作構件60的被操作部64，其前端部分從筒體10的開口部14露出，且被卡止部66卡止於筒體10的止動器 16。

第2圖(B)顯示：藉由操作者把觸控筆的筆尖用力按壓於觸控面板，而對力量感測器單元施加最大測量容許力的狀態。此時，被操作構件60，從最初的位置被操作構件70按壓，沿著筒體10的中心線在筒體10的內部空間內，朝向接近力量感測器30的方向形成最大限度的滑動。

被操作構件60壓縮螺旋彈簧50，螺旋彈簧50進一步壓縮接觸構件40，使得接觸構件40也沿著筒體10的中心線在筒體10的內部空間內，朝向接近力量感測器30的方向滑動，將力量傳遞至力量感測器30的受壓部32。

然而，接觸構件40的滑動寬度(寬幅)，由於螺旋彈簧50的緩衝功能，顯然較被操作構件60的滑動寬度(寬幅)更短。與接觸構件40接觸的受壓部32，被接觸構件40所按壓而移動，藉此使力量感測器元件36形成機械性位移，其結果可從電極22輸出對應於「施加於被操作構件60的被操作部64之力量的大小」的電氣訊號。

在該狀態下，為了使「螺旋彈簧50按壓接觸構件40之力量的大小」大致等於最大測量容許力，而調整螺旋彈簧50的長度及彈性常數。亦即，被操作構件60能以從「第2圖(A)的最初位置」到「第2圖(B)之施加最大測量容許力的位置」之間的行程來滑動，在該期間被設計成：力量感測器30可安全地執行穩定的輸出。

一旦觸控筆的筆尖從觸控面板分離，被施加於被操作 構件60之被操作部64的力量消除，力量感測器元件36的機械性位移將回復(復位)，受壓部32被力量感測器元件36按壓而移動，接觸於受壓部的接觸構件40朝向「從力量感測器30分離」的方向滑動，螺旋彈簧50伸張，使被操作構件60朝向「從力量感測器30分離」的方向滑動，被卡止部66由止動器16所卡止而停止，回到第2圖(A)所示之最初的位置。

如以上所述，根據本實施形態的力量感測器單元，藉由被操作構件60、本身為彈性構件的螺旋彈簧50、及接觸構件40構成力量傳遞機構，可藉由所包夾之螺旋彈簧50的緩衝功能，增加「被操作構件60的滑動行程」。

如此一來，構成用來擔保「力量感測器30之輸出的穩定性」和「避免施加過度力量的安全性」之單元的各構件所要求的高精確度，最終可匯集於螺旋彈簧50。亦即，雖然小型的力量感測器30之力量感測器元件36的機械性位移穩定且沒有破損危險地產生的範圍非常狹小，但藉由將螺旋彈簧50包夾於中間，將外部所施加之較大的行程轉換成較小的寬度，可限定產生「力量感測器元件36之機械性位移」的寬度的緣故。因此，螺旋彈簧50的長度和彈簧係數得以盡可能精準地調整。

除此之外，如第2圖(B)所示，操作構件70其中一端面抵接於筒體10之止動器16的外面而停止。據此，舉例來說，可防止因觸控筆的落下之類的事故，而從操作構件70施加了強力的衝擊導致力量感測器30受到破壞的情 形。

〔產業上的利用性〕

根據本發明可實現：簡單的構造，可輕易地組裝，並且易於小型化的力量感測器單元。

10‧‧‧筒體

12‧‧‧爪部

14‧‧‧開口部

16‧‧‧止動器

20‧‧‧基板

24‧‧‧被抵接部

30‧‧‧力量感測器單元

40‧‧‧接觸構件

42‧‧‧滑動部

50‧‧‧螺旋彈簧

60‧‧‧被操作構件

62‧‧‧滑動部

64‧‧‧被操作部

66‧‧‧被卡止部

Claims (7)

1. 一種力量感測器單元，是具備以下構件的力量感測器單元：筒體；和將前述筒體的其中一端封閉的封閉構件；和被支承於前述封閉構件上的力量感測器；及被配置於前述筒體的內部空間之中，將力量傳遞至前述力量感測器的力量傳遞機構，其特徵為：在前述筒體的另一端，具備與前述內部空間連通的開口部，並具備朝前述筒體之徑向內側延伸的止動器，前述力量傳遞機構具備：接觸構件，與前述力量感測器的受壓部接觸；和被操作構件，具有從前述開口部露出的被操作部、與被前述止動器所卡止的被卡止部；及彈性構件，被配置於前述接觸構件與前述被操作構件之間，前述接觸構件與前述被操作構件分別具有：與包圍前述筒體之前述內部空間的內壁面相對向，滑動於前述內部空間內的滑動部，前述滑動部具有：容許前述滑動部沿著前述筒體的中心線滑動的形狀，前述筒體之前述內部空間的橫剖面的輪廓形狀，具有多角形的形狀，前述接觸構件之前述滑動部的形狀，具有藉由與前述內壁面接觸，而阻止以前述筒體的中心線作為中心而轉動的形狀。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的力量感測器單元，其中前述筒體之外周面的橫剖面的輪廓形狀，具有多角形的形狀，前述封閉構件是由基板所形成，該基板在位於前述內部空間側的表面安裝有前述力量感測器，且具備複數個電極的背面，露出於前述筒體的外側，前述基板的輪廓形狀，具有與前述筒體外周面之橫剖面的輪廓形狀相同或者近似的形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的力量感測器單元，其中前述彈性構件是由螺旋彈簧形成。
4. 如申請專利範圍第1~3項之其中任一項所記載的力量感測器單元，其中前述彈性構件的彈性常數被設定成：在前述力量感測器的最大測量容許力已施加於前述被操作構件時，前述被操作構件的行程成為最大。
5. 如申請專利範圍第1項所記載的力量感測器單元，其中前述封閉構件是由：在位於前述內部空間側的表面安裝有前述力量感測器，且具備複數個電極的背面，朝前述筒體的外側露出的基板所形成，前述筒體是由金屬製所形成，在前述筒體的前述其中一端具備：朝前述徑向內側彎曲，與前述基板的背面接觸之2個以上的爪部。
6. 如申請專利範圍第5項所記載的力量感測器單元，其中在前述基板的前述表面，設有與前述筒體其中一端的端面抵接的被抵接部， 在前述基板的前述背面，形成可供前述爪部嵌合的複數個凹部。
7. 如申請專利範圍第1項所記載的力量感測器單元，其中前述力量感測器，其前述受壓部是由球體所形成。

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