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JP2002055004A - 力検出装置 - Google Patents

力検出装置

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JP2002055004A
JP2002055004A JP2000245227A JP2000245227A JP2002055004A JP 2002055004 A JP2002055004 A JP 2002055004A JP 2000245227 A JP2000245227 A JP 2000245227A JP 2000245227 A JP2000245227 A JP 2000245227A JP 2002055004 A JP2002055004 A JP 2002055004A
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Hideo Morimoto
森本  英夫
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Nitta Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で且つ薄型の力検出装置を提供するこ
と。 【解決手段】 基板1と操作部2との間に所定の角度間
隔で可変抵抗器を介在させ、各可変抵抗器の抵抗値の変
化を検出することにより、操作部2に作用した力の大き
さと方向、又は力の分布が測定できる力検出装置であっ
て、各可変抵抗器は、基板1又は操作部2のうち一方に
設けられた一対の導電ランドと、他方に設けられた導電
性のゴム又はエラストマーより成る接触抵抗発生板とか
ら構成されていると共に、前記接触抵抗発生板における
一対の導電ランドとの対向面には多数の微小突起tを形
成してあり、前記接触抵抗発生板と一対の導電ランドと
を接触させるべく操作部2に力が加えられたときには、
その力に応じて微小突起tが押し潰されて接触抵抗発生
板と一対の導電ランドとの接触面積が大きくなり、これ
に伴って一対の導電ランド間の抵抗が小さくなるように
してある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、力検出装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】力検出装置としては、例えば、図14に示
すように、操作軸90である四角柱の四つの側面に歪みゲ
ージ91を貼り付けと共に、X−Y軸方向の力を検出す
る、前記歪みゲージ91を含めたブリッジ回路を構成し、
X−Y軸方向に働く力の大きさ及び方向を検出するもの
がある。
【0003】しかしながら、この力検出装置では、図14
に示すように、操作軸90の存在により薄型が困難であ
り、コスト高であるという問題がある。
【0004】したがって、この種の力検出装置を取り扱
う業界では、安価で且つ薄型の力検出装置が開発される
ことを待ち望んでいる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、安価で且つ薄型の力検出装置を提供することを課題
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】(請求項1記載の発明)
この発明の力検出装置は、基板と操作部との間に所定の
角度間隔で可変抵抗器を介在させ、各可変抵抗器の抵抗
値の変化を検出することにより、操作部に作用した力の
大きさと方向、又は力の分布が測定できる力検出装置で
あって、各可変抵抗器は、基板又は操作部のうち一方に
設けられた一対の導電ランドと、他方に設けられた導電
性のゴム又はエラストマーより成る接触抵抗発生板とか
ら構成されていると共に、前記接触抵抗発生板における
一対の導電ランドとの対向面には多数の微小突起を形成
してあり、前記接触抵抗発生板と一対の導電ランドとを
接触させるべく操作部に力が加えられたときには、その
力に応じて微小突起が押し潰されて接触抵抗発生板と一
対の導電ランドとの接触面積が大きくなり、これに伴っ
て一対の導電ランド間の抵抗が小さくなるようにしてあ
る。 (請求項2記載の発明)この発明の力検出装置は、基板
と操作部との間に所定の角度間隔で可変抵抗器を介在さ
せ、各可変抵抗器の抵抗値の変化を検出することによ
り、操作部に作用した力の大きさと方向、又は力の分布
が測定できる力検出装置であって、各可変抵抗器は、基
板又は操作部のうち一方に設けられた一対の導電ランド
と、他方に設けられており且つ導電性インク又は導電性
塗料を付着した多数の微小突起を有した非導電性ゴム又
は非導電性エラストマー製の接触抵抗発生板とから構成
されており、前記接触抵抗発生板と一対の導電ランドと
を接触させるべく操作部に力が加えられたときには、そ
の力に応じて微小突起が押し潰されて接触抵抗発生板と
一対の導電ランドとの接触面積が大きくなり、これに伴
って一対の導電ランド間の抵抗が小さくなるようにして
ある。 (請求項3記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項1又は2記載の発明に関し、可変抵抗器は180
°間隔で基板と操作部との間に設けられている。 (請求項4記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項1又は2記載の発明に関し、可変抵抗器は90°
間隔で基板と操作部との間に設けられており、前記可変
抵抗器の抵抗値の変化により、操作部に作用したX−Y
軸方向の力の大きさと方向、又は力の分布が測定できる
ようにしてある。 (請求項5記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項1乃至4のいずれかに記載の発明に関し、操作部
に力が作用していない場合には、一対の導電ランドと接
触抵抗発生板とが分離しており、一対の導電ランド相互
間の抵抗が無限大となっている。 (請求項6記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項1乃至5のいずれかに記載の発明に関し、可変抵
抗器相互間の中央において、基板に同芯円状の二つの導
電ランドを設けてスイッチ端子とし、他方、操作部のボ
タン部に導電ゴム面、導電エラストマー面、導電性イン
ク面又は導電性塗料面を有するスイッチ接点となるスイ
ッチ板を固着し、接触抵抗発生板と一対の導電ランドと
を接触させるべくボタン部に力が加えられたときには、
スイッチ板が同心円状の二つの導電ランドと接するよう
になり、二つの導電ランド相互間が閉となる。 (請求項7記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項6記載の発明に関し、可変抵抗器を構成する接触
抵抗発生板と一対の導電ランドとの距離と、スイッチ板
と同心円状の二つの導電ランドとの距離とを相違させ、
接触抵抗発生板と一対の導電ランドとの接触タイミング
と、スイッチ板と同心円状の二つの導電ランドとの接触
タイミングをずらしてある。 (請求項8記載の発明)この発明の力検出装置は、上記
請求項1乃至7のいずれかに記載の発明に関し、操作し
た場合に、手にクリック感を伝えることができるように
している。
【0007】なお、上記発明の力検出装置の機能につい
ては、以下の発明の実施の形態の欄で明らかにする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例として示
した図面に従って説明する。 〔実施形態1〕図1はこの発明の力検出装置Sの断面図
を示しており、図2は前記力検出装置Sを構成する基板
1上の導電ランドDX1,DX2,DX3,DX4, DY1,DY
2,DY3,DY4及び導電ランドDS1,DS2を示してお
り、図3は、前記力検出装置Sを構成する操作部2のボ
タン部20下面に設けられている接触抵抗発生板DGX1,
DGX3, DGY1,DGY3及び、スイッチ板23を示してい
る。
【0009】この力センサSは、図1に示すように、基
板1と、前記基板1と対向配置された操作部2と、前記
操作部2を基板1上で固定する固定部3とから構成され
ている。
【0010】基板1は、図1に示すように、薄いプリン
ト基板により構成されており、図2に示すように上面に
四つの円形状の導電ランドDX1,DX2/DX3,DX4/D
Y1,DY2/DY3,DY4がX−Y軸上に原点Oをから等距
離で配設されていると共に、前記原点Oを中心として導
電ランドDS1,DS2が配設されている。
【0011】ここで、図2に示すように、導電ランドD
S2は円環状に、これの内部に形成された導電ランドDS1
は円形状に、それぞれ形成され、図1に示すように、そ
れぞれ適当な位置に端子TS1,TS2として引き出されて
いる。
【0012】また、導電ランドDX1,DX2/DX3,DX4
/DY1,DY2/DY3,DY4は図1に示すように、それぞ
れ適当な位置に端子TX1,TX2/TX3,TX4/TY1,T
Y2/TY3,TY4がとして引き出されている。
【0013】操作部2は、図1や図3に示すように、カ
ップ状に形成されたゴム製又はエラストマー製のもの
で、上記導電ランドDX1,DX2/DX3,DX4/DY1,D
Y2/DY3,DY4及び導電ランドDS1,DS2と対向する部
分に配置される平面視円形状のボタン部20と、前記導電
ランドDX1,DX2/DX3,DX4/DY1,DY2/DY3,D
Y4を囲む態様で基板1に取り付けられる平面視円環状の
取付部21と、前記ボタン部20の外周面と取付部21の上端
面とを全周で繋ぐ薄肉状の変形部22と、導電ゴムで構成
され且つ前記ボタン部20の導電ランドDX1,DX2/DX
3,DX4/DY1,DY2/DY3,DY4との対向面に固着さ
れた接触抵抗発生板DGX1,DGX3, DGY1,DGY3
と、導電ゴムで構成され且つ前記ボタン部20の導電ラン
ドDS1,DS2との対向面に固着されたスイッチ板23とか
ら構成されている。
【0014】ここで、前記接触抵抗発生板DGX1,DG
X3, DGY1,DGY3における導電ランドDX1,DX2/D
X3,DX4/DY1,DY2/DY3,DY4との対向面は、図1
に示すように、多数の微小突起tが形成されており、ボ
タン部20に押し込む力又は圧力を加えたときには微小突
起tが押し潰されて接触抵抗発生板DGX1,DGX3,D
GY1,DGY3の下面と導電ランドDX1,DX2/DX3,D
X4/DY1,DY2/DY3,DY4との接触面積が変化するよ
うにしてある。
【0015】また、前記スイッチ23における導電ランド
DS1,DS2との対向面は、図1に示すように、微小突起
tを設けることなくフラットとしてある。
【0016】固定部3は、図1に示すように、断面逆L
字状に形成されている円環状のもので、横片で取付部21
の上面を押さえ付けるようにしている。
【0017】次に、この実施形態の力検出装置Sの機能
等について説明する。 (1)ボタン部20を指でおすと、変形部22の座屈が起こっ
て指に軽いクリック感を伝え、接触抵抗発生板は基板1
上の導電ランドに近づく。今、図4に示すように、X軸
方向に力を加えて、接触抵抗発生板DGX1を基板1に押
し付けるようにボタン部20を押すと、相対的に接触抵抗
発生板DGX1が一番基板1に密着し、基板1上の導電ラ
ンドDX1, DX2に接することになる。接触抵抗発生板D
GX1はその下面に微小突起tを有しているので、ボタン
部20を押す力の大きさに応じて接触抵抗発生板DGX1と
導電ランドDX1, DX2との接触面積が変化する。よっ
て、接触抵抗発生板DGX1と導電ランドDX1, DX2との
接触抵抗RX1, RX2もボタン部20を押す力の大きさに応
じて変化することになるが、接触抵抗発生板の表面が平
坦な場合と比べ、力の大きさに応じて変化する比率が小
さなものとなり、指等で操作する場合、操作がしやすい
という効果が得られる。このとき、他の接触抵抗発生板
DGX3, DGY1,DGY3も、ボタン部20に加える力の大
きさによっては、対向する基板1上の導電ランドDX3,
DX4/DY1,DY2/DY3,DY4と接することになるが、
その接触抵抗は接触抵抗RX1, RX2に比べて大きなもの
となる。
【0018】また、接触抵抗発生板DGX1の固有の抵抗
をRdgx1とすると、端子TX1, TX2間の合成抵抗はRX
12は、RX12=RX1+Rdgx1+RX2となる。但し、ボタ
ン部20を押していないときは、接触抵抗発生板DGX1は
導電ランドDX1,DX2と接していないので、RX12は無
限大である。 (2)Y軸方向のボタン部20を押す力についても、対称性
より同様のことが言える。したがって、他の端子TX3,
TX4相互間の合成抵抗RX34、端子TY1,TY2相互間の
合成抵抗RY12、端子TY3,TY4相互間の合成抵抗RY
34は、ボタン部20を押す力の方向と大きさに応じて無限
大より変化することになる。 (3)次に、図5に示すように、X−Y軸に対して均一に
ボタン部20を押すと、対称性により合成抵抗RX12,R
X34,RY12,RY34はほぼ等しく変化する。 (4)上記した(1)〜(3)をまとめると表1のようになる。
【0019】
【表1】
【0020】(5)また、ボタン部20をX−Y軸に対して
均一に押したときは、スイッチ板23が導電ランドDS1,
DS2に接触する。前記スイッチ板23の表面はフラットと
してあるからスイッチ板23と導電ランドDS1,DS2との
接触抵抗は小さく、端子TS1,TS2相互間は電気的に閉
となり、スイッチと同等の機能をすることになる。な
お、ボタン部20をX−Y軸に対して不均一に押したとき
は、押した力の大きさや接触抵抗発生板DGX1, DGX
3, DGY1,DGY3及びスイッチ板23の変形具合に左右
されるので、端子TS1,TS2間の開閉を断定するのは困
難である。 (6)以上を回路的に表現すると図6のようになる。ま
た、図7はこの発明の実施形態の応用回路(同図中、符
号rは固定抵抗)である。図7の回路中、電圧VX1, V
X3, VY1, VY3を測定し、(VX1−VX3)及び(VY1−
VY3)を適当な方法で演算すれば、X−Y軸方向の力を
検出でき、更に、(VX1+VX3+VY1+VY3)を演算す
れば、Z軸方向の力を検出できる。また、例えば、ジョ
イスティックに応用すれば、操作しない場合において合
成抵抗RX12,RX34,RY12,RY34は無限大なの
で、電流は流れることなく省電力に優れている。 (7)図8は次の応用回路(同図中、符号rは固定抵抗)
である。なお、VX,VYは,ボタン部20に加わるX−Y
軸の力の大きさと方向を示す。 (8)上記した基板1上の導電ランドDX1, DX2等は図9
に示すように、歯状にすることができる。 (9)上記実施形態の接触抵抗発生板DGX1, DGX3, D
GY1,DGY3及びスイッチ板23は導電性ゴムにより構成
してあるが、これに限定されることなく導電性エラスト
マーにより構成してもよく、さらには、非導電性ゴムや
エラストマーに導電性インクや導電性塗料を印刷等して
構成してもよい。図1の端子間の合成抵抗RX12,RX
34,RY12,RY34は接触抵抗発生板の導電性ゴム又は
導電性エラストマーの抵抗率、材質、硬度、表面形態を
変更することにより調整できる。 (10)基板1上の導電ランドDX1,DX2/DX3,DX4/D
Y1,DY2/DY3,DY4及び導電ランドDS1,DS2は必要
なものだけ配置すればよい。例えば、導電ランドDX1,
DX2/DX3,DX4だけ配置すればX方向だけの力の向き
で大きさを検出できる。また、八方向に力の方向を検出
したい場合には、図10に示すように、基板1上において
各検出方向1,2,3,4,5,6,7,8のラインを
挟み込むようにして導電ランドD11, D12/D21, D22
/・・・・・/D81, D82を配置させ、他方、図11に示
すように、ボタン部20の下面において各検出方向1,
2,3,4,5,6,7,8のライン上であってD11,
D12/D21, D22/・・・・・/D81, D82と対応する
DG1,DG2・・・・・DG8を配置すればよい。 (11)図1に示した力検出装置Sにおいて、ボタン部20の
スイッチ板23と、接触抵抗発生板DGX1, DGX3, DG
Y1,DGY3との高さを変えること及びゴムの弾性変形と
を利用して、スイッチが閉となるタイミングと、前記接
触抵抗発生板DGX1, DGX3, DGY1,DGY3と導電ラ
ンドDX1,DX2/DX3,DX4/DY1,DY2/DY3,DY4
間の合成抵抗が変化するタイミングとを相対的に変える
ことができる。例えば、図12に示すように、スイッチ板
23を導電ランドDX1等に比べて少し突出(符号Δhで示
す)させておけば、ボタン部20をX−Y方向に均等に押
した場合、先にスイッチが閉となり、さらにボタン部20
を押し込んでいくと、ボタン部20を押す力の大きさと
方向に応じて合成抵抗RX12,RX34,RY12,RY34
が変化するようになる。逆に、導電ランドDX1等をスイ
ッチ板23に比べて少し突出させておけば、先に合成抵抗
RX12,RX34,RY12,RY34が変化し、その後スイ
ッチが閉となる。 (12)図1に示した力検出装置Sにおいて、図13に示すよ
うに、操作部2とスイッチ板23とを硬度の大きいゴム
(又はエラストマー)で一体成形すると共に前記スイッ
チ板23の接点面に導電性インクICを印刷し、他方、接触
抵抗発生板DGX1,DGX3, DGY1,DGY3を硬度の低
いゴム(又はエラストマー)で構成し、同図中の符号a
で示された寸法を符号bで示された寸法よりも小さく設
定する。この図13に示す力検出装置Sは以下のように機
能する。スイッチ板23は硬いためボタン部20を押しても
あまり変形しないので、導電性インクICの面が導電ラン
ドDS1,DS2と全面的に接触するようにボタン部20を押
さないと端子TS1,TS2間は閉とならない。ここで、導
電性インクICの面が導電ランドDS1,DS2と全面的に接
触するようにボタン部20を押し込んで端子TS1,TS2間
を閉にした状態では、寸法a<寸法bの関係から、接触
抵抗発生板DGX1, DGX3, DGY1,DGY3は導電ラン
ドDX1,DX2/DX3,DX4/DY1,DY2/DY3,DY4と
非接触であるから、合成抵抗RX12,RX34,RY12,
RY34は無限大である。前記合成抵抗RX12,RX34,
RY12,RY34の抵抗値を変化させるには、ボタン20を
傾けて押し込めばよい。この場合、導電性インクICの面
が導電ランドDS1,DS2の両方と接触しないので、端子
TS1,TS2間は閉にはならない。つまり、この図13に示
された力検出装置Sは、スイッチの閉と合成抵抗RX1
2,RX34,RY12,RY34との変化が同時に起こるこ
とはない。このような機能を有する力検出装置Sは用途
によっては非常に有用である。なお、この発明の実施形
態の力検出装置Sを用いれば、力の分布についても測定
できる。この発明の実施形態の力検出装置Sは操作軸を
必要としないから薄型であり、また、高価で貼り付け作
業が困難な歪みゲージを使用しないから安価になる。
【0021】
【発明の効果】この発明は上記のような構成であるから
次の効果を有する。発明の実施形態の欄の説明から明ら
かなように、安価で且つ薄型の力検出装置を提供でき
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態の力検出装置の断面図。
【図2】前記力検出装置を構成する基板に形成される導
電ランドの平面図。
【図3】前記力検出装置を構成するボタン部に形成され
る接触抵抗発生板及びスイッチ板の平面図。
【図4】前記力検出装置のボタン部に力を作用させたと
きの断面図。
【図5】前記力検出装置のボタン部に力を作用させたと
きの断面図。
【図6】可変抵抗器と端子を電気回路的に表現した図。
【図7】この実施形態で採用できる応用回路の図。
【図8】この実施形態で採用できる他の応用回路の図。
【図9】前記力検出装置を構成する基板上の導電ランド
と端子の平面図。
【図10】八方向の力を検出するときに使用される基板上
の導電ランドの平面図。
【図11】八方向の力を検出するときに使用されるボタン
部の接触抵抗発生板及びスイッチ板の平面図。
【図12】他の実施形態の力検出装置の断面図。
【図13】他の実施形態の力検出装置の断面図。
【図14】先行技術の力検出装置の外観斜視図。
【符号の説明】 D 導電ランド t 微小突起 1 基板 2 操作部 3 固定部 23 スイッチ板 TX1 端子 TX1 端子 TX2 端子 TX3 端子 TX4 端子 TY1 端子 TY2 端子 TY3 端子 TY4 端子 TS1 端子 TS2 端子 DGX1 接触抵抗発生板 DGX3 接触抵抗発生板 DGY1 接触抵抗発生板 DGY3 接触抵抗発生板 DX1 導電ランド DX2 導電ランド DX3 導電ランド DX4 導電ランド DY1 導電ランド DY2 導電ランド DY3 導電ランド DY4 導電ランド DS1 導電ランド DS2 導電ランド

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と操作部との間に所定の角度間隔で
    可変抵抗器を介在させ、各可変抵抗器の抵抗値の変化を
    検出することにより、操作部に作用した力の大きさと方
    向、又は力の分布が測定できる力検出装置であって、各
    可変抵抗器は、基板又は操作部のうち一方に設けられた
    一対の導電ランドと、他方に設けられた導電性のゴム又
    はエラストマーより成る接触抵抗発生板とから構成され
    ていると共に、前記接触抵抗発生板における一対の導電
    ランドとの対向面には多数の微小突起を形成してあり、
    前記接触抵抗発生板と一対の導電ランドとを接触させる
    べく操作部に力が加えられたときには、その力に応じて
    微小突起が押し潰されて接触抵抗発生板と一対の導電ラ
    ンドとの接触面積が大きくなり、これに伴って一対の導
    電ランド間の抵抗が小さくなるようにしてあることを特
    徴とする力検出装置。
  2. 【請求項2】 基板と操作部との間に所定の角度間隔で
    可変抵抗器を介在させ、各可変抵抗器の抵抗値の変化を
    検出することにより、操作部に作用した力の大きさと方
    向、又は力の分布が測定できる力検出装置であって、各
    可変抵抗器は、基板又は操作部のうち一方に設けられた
    一対の導電ランドと、他方に設けられており且つ導電性
    インク又は導電性塗料を付着した多数の微小突起を有し
    た非導電性ゴム又は非導電性エラストマー製の接触抵抗
    発生板とから構成されており、前記接触抵抗発生板と一
    対の導電ランドとを接触させるべく操作部に力が加えら
    れたときには、その力に応じて微小突起が押し潰されて
    接触抵抗発生板と一対の導電ランドとの接触面積が大き
    くなり、これに伴って一対の導電ランド間の抵抗が小さ
    くなるようにしてあることを特徴とする力検出装置。
  3. 【請求項3】 可変抵抗器は180°間隔で基板と操作
    部との間に設けられていることを特徴とする請求項1又
    は2記載の力検出装置。
  4. 【請求項4】 可変抵抗器は90°間隔で基板と操作部
    との間に設けられており、前記可変抵抗器の抵抗値の変
    化により、操作部に作用したX−Y軸方向の力の大きさ
    と方向、又は力の分布が測定できるようにしてあること
    を特徴とする請求項1又は2記載の力検出装置。
  5. 【請求項5】 操作部に力が作用していない場合には、
    一対の導電ランドと接触抵抗発生板とが分離しており、
    一対の導電ランド相互間の抵抗が無限大となっているこ
    とを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の力検
    出装置。
  6. 【請求項6】 可変抵抗器相互間の中央において、基板
    に同芯円状の二つの導電ランドを設けてスイッチ端子と
    し、他方、操作部のボタン部に導電ゴム面、導電エラス
    トマー面、導電性インク面又は導電性塗料面を有するス
    イッチ接点となるスイッチ板を固着し、接触抵抗発生板
    と一対の導電ランドとを接触させるべくボタン部に力が
    加えられたときには、スイッチ板が同心円状の二つの導
    電ランドと接するようになり、二つの導電ランド相互間
    が閉となることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか
    に記載の力検出装置。
  7. 【請求項7】 可変抵抗器を構成する接触抵抗発生板と
    一対の導電ランドとの距離と、スイッチ板と同心円状の
    二つの導電ランドとの距離とを相違させ、接触抵抗発生
    板と一対の導電ランドとの接触タイミングと、スイッチ
    板と同心円状の二つの導電ランドとの接触タイミングを
    ずらしてあることを特徴とする請求項6記載の力検出装
    置。
  8. 【請求項8】 操作した場合に、手にクリック感を伝え
    ることができるようにしたことを特徴とする請求項1乃
    至7のいずれかに記載の力検出装置。
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