JP3039286B2 - 荷重センサ - Google Patents

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貼り付け
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´，４５，４５
´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´からな
る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
ればならないため、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】上記従来の課題を解決す
るために本発明の荷重センサは、Ｌ字状またはＴ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連結された操作部と、前記
弾性板の中央部を回転可能で、かつ弾性板の平面と垂直
方向の動きは規制されるようにピポット支持部で支持す
るとともに、前記弾性板の周囲の２ヵ所を固定部で固定
した取付台と、前記ガラスホーロー被覆層上に厚膜印刷
により直接形成された２つの歪み感応抵抗体とを備えた
ものである。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、Ｌ字状またはＴ字状の弾性
板上に設けられたガラスホーロー被覆層上に厚膜印刷に
より２つの歪み感応抵抗体を直接形成するようにしてい
るため、従来の技術のような接着による位置ずれという
ことはなく、一括して精度良く歪み感応抵抗体を配置す
ることができ、これにより、抵抗値の相対精度も高いも
のが得られるとともに、トリミングも容易で抵抗値の高
精度化が可能となるものである。また弾性板上にガラス
ホーロー被覆層を設けたことにより、歪み感応抵抗体と
しては、高温処理が可能で高信頼性のメタルグレーズ抵
抗体を使うことができるものである。そしてまた弾性板
の周囲の２ヵ所を固定部で固定した取付台のピポット支
持部で、弾性板の中央部を回転可能で、かつ弾性板の平
面と 垂直方向の動きは規制されるように支持しているた
め、正確に水平荷重のみを検出することができ、その結
果、操作性の優れた荷重センサを得ることができるもの
である。

【００１１】

【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。

【００１２】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に
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、この取付台３は前記弾性板１の周囲４ヵ所の
端部を固定部４で固定しており、操作部２に指で力を加
えることにより、弾性板１が変形する構造になってい
る。前記弾性板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。

【００１３】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。

【００１４】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、かつ第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、かつ
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´からなる一対の抵抗値の
変化の差を演算することにより、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。

【００１５】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。

【００１６】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、かつ第２の歪み抵
抗検出素子６´の部分は凸面に変形するとともに、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
加えられるだけであるため、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。

【００１７】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。

【００１８】（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と同様の構成につ
いては同一番号を付し、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´が弾
性板１の歪みに対して圧縮・伸張の変形を受けるため、
検出精度が向上するものである。

【００１９】（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と同様の構成につ
いては同一番号を付し、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で取付台３に固定したものである。本実施例３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よりも大きくなるため、力に対する信号変
化の感度が高いものが得られるとともに、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
５，５´，６，６´の位置精度に高精度が要求されず、
生産性が高くなる。

【００２０】（実施例４） 図４、図５は本発明の実施例４を示したものであり、８
は表面にガラスホーロー被覆層を設けたＬ字状の弾性
板、２は操作部、９は取付台である。１３は取付台９に
設けた突起からなるピポット支持部である。前記弾性板
８の中央は操作部２と連結し、周囲の２ヵ所は取付台９
に固定部１０で固定されている。また、弾性板８の中央
は取付台９に設けたピポット支持部１３で支持されてい
る。さらに、弾性板８の表面に設けたガラスホーロー被
覆層にはメタルグレーズ抵抗体を直接印刷被膜すること
により、第１、第２の歪み抵抗検出素子１１，１２を形
成している。

【００２１】以下に、本発明の実施例４の動作について
説明する。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、弾性板８における第２の歪
み抵抗検出素子１２の部分は凹面に変形する。一方、第
１の歪み抵抗検出素子１１の部分はピポット支持により
ねじり変形をする。この場合、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における第１の歪み抵抗検出素子１１の部
分は凹面に変形し、かつ第２の歪み抵抗検出素子１２に
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。

【００２２】また、本実施例４ではピポット支持部１３
の支持により垂直荷重を受けるため、正確に水平荷重の
みを検出することができ、その結果、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。

【００２３】（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´，１２´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１１，１１´および第２の
歪み抵抗検出素子１２，１２´におけるそれぞれの抵抗
変化の差を演算する。このようにすることにより、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。

【００２４】（実施例６） 図７（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例６を示したもの
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
１８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には円錐
状の突起からなるピポット支持部２０を設け、操作部１
８の凹部１９に当接させている。このような支持とした
ことにより、操作部１８は支持台１６のピポット支持部
２０の先端を中心として自由に回転できるが、操作部１
８が支持台１６の方向に押さえられても操作部１８は支
持台１６のピポット支持部２０で支持されるものであ
る。

【００２５】２１は取付台１７に設けた支持部で、この
支持部２１は支持台１６とにより、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の関係は、図７（ｂ）に示したように、弾性板
１５に長円の孔をあけ、そしてこの長円の孔に、取付台
１７から円柱状の突起が入り込むようにしているもので
ある。このような構造にしたことにより、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ものである。

【００２６】なお、弾性板１５には実施例５の弾性板１
４と同様に歪み抵抗検出素子が設けられているが、ここ
では省略している。

【００２７】この実施例６でも操作部１８の先端に加え
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６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のみであるため、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。

【００２８】（実施例７） 図８は実施例５で示した図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´が応力を受けない事は実施例
４と同様である。本実施例７では配線パターン２２を固
定部１０の近傍に通す必要がないため、アーム部が細く
できさらに小型化が可能となる。

【００２９】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が配置されている。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。

【００３０】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の中心
までの距離をＨとする。

【００３１】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
を受けることになる。この交点Ａは、Ｈ＝０．５Ｄであ
る。

【００３２】一方、この時アーム部２２ｂはねじり応力
を受けているので、引張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
がって引張り応力は大きくなるものであり、したがっ
て、アーム部２２ｂの中心軸上に配置することにより、
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１１，１２をアーム部２２
ａ，２２ｂの中心軸上でＨ＝０．５Ｄ付近に配置するこ
とにより、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。

【００３３】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２２
ａにねじり応力が加えられているので、他方のアーム部
２２ｂ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２２
ａ，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、

【００３４】

【外１】

【００３５】とすることにより、ねじり応力の影響が小
さくなるため、差異信号が最小となる。

【００３６】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
ことにより、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。

【００３７】（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を示したもの
で、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は断面図であ
る。本実施例８において、２６は弾性板、２７は操作
部、２８は取付台、２９は固定部である。弾性板２６は
中心が取付台２８の固定部２９で固定され、操作部２７
は弾性板２６の周囲と連結されている。操作部２７の先
端に荷重「オ」のように力が加えられると、弾性板２６
はその中心に対して力の方向に応力が加えられて変形す
る。本実施例８は図１〜３の実施例とは逆の構造となっ
ており、弾性板２６の中心が固定され、かつ周辺部に操
作部２７からの荷重がかかるものである。

【００３８】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）を実施例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
先を当てる部分でその先端形状を操作し易い形状にする
ため、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２６と結合された部分の応力が小
さくなり、かつ樹脂の変形が小さいため、弾性板２６を
変形させる作用点は安定することになり、これにより温
度による弾性板２６の変形量の変動は少なくなるもので
ある。

【００３９】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
に対して強靭であると共に、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。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明の荷重センサは、Ｌ
字状またはＴ字状の弾性板上に設けられたガラスホーロ
ー被覆層上に厚膜印刷により２つの歪み感応抵抗体を直
接形成するようにしているため、従来の技術のような接
着による位置ずれということはなく、一括して精度良く
歪み感応抵抗体を配置することができ、これにより、抵
抗値の相対精度も高いものが得られるとともに、トリミ
ングも容易で抵抗値の高精度化が可能となるものであ
る。また弾性板上にガラスホーロー被覆層を設けたこと
により、歪み感応抵抗体としては、高温処理が可能で高
信頼性のメタルグレーズ抵抗体を使うことができるもの
である。そしてまた弾性板の周囲の２ヵ所を固定部で固
定した取付台のピポット支持部で、弾性板の中央部を回
転可能で、かつ弾性板の平面と垂直方向の動きは規制さ
れるように支持しているため、正確に水平荷重のみを検
出することができ、その結果、操作性の優れた荷重セン
サを得ることができる等すぐれた効果を有するものであ
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 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−223836（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−169827（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−159530（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13414（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−15358（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭62−500682（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 1/22 G01L 5/16 G06F 3/033

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｌ字状またはＴ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
   板の中央に連結された操作部と、前記弾性板の中央部を
   回転可能で、かつ弾性板の平面と垂直方向の動きは規制
   されるようにピポット支持部で支持するとともに、前記
   弾性板の周囲の２ヵ所を固定部で固定した取付台と、前
   記ガラスホーロー被覆層上に厚膜印刷により直接形成さ
   れた２つの歪み感応抵抗体とを備えた荷重センサ。
2. 【請求項２】 ２つの歪み感応抵抗体と対になる他の２
   つの歪み感応抵抗体を、弾性板の周囲の２ヵ所を取付台
   に固定する固定部より外側に位置して前記弾性板に配置
   した請求項１記載の荷重センサ。
3. 【請求項３】 弾性板の中央に連結された操作部の直径
   を前記弾性板の幅より大きくした請求項１記載の荷重セ
   ンサ。