JP2012026905A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置、電子機器及びロボットを提供する。
【解決手段】基準点Pの回りに複数配置された第1容量電極12、を有する第1基板10と、複数の第1容量電極12の露出する部位全体を覆うように、第1基板10の上に形成された誘電体と、基準点Pと重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が誘電体に当接した状態で弾性変形する、少なくとも表面が導電性を有する第2容量電極として機能する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】基準点Pの回りに複数配置された第1容量電極12、を有する第1基板10と、複数の第1容量電極12の露出する部位全体を覆うように、第1基板10の上に形成された誘電体と、基準点Pと重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が誘電体に当接した状態で弾性変形する、少なくとも表面が導電性を有する第2容量電極として機能する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、検出装置、電子機器及びロボットに関するものである。
外力を検出する検出装置として、特許文献1〜3に記載の検出装置が知られている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
特許文献1の検出装置は、裏面に錘状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献1の検出装置では、測定面にかかる圧力の面内方向の力(すべり力)を測定することができない。
特許文献2の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献2の検出装置では、外圧を3次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
特許文献3の検出装置は、静電容量を検出するセンシング領域を備えた素子基板と対向基板との間に誘電体を設け、その変形による静電容量の変化から圧力の変化を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献3の検出装置では、測定面にかかる外圧の面内方向の力(すべり力)を測定することができない。
以上のように、特許文献1〜3の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができなかった。
特許文献2の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献2の検出装置では、外圧を3次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
特許文献3の検出装置は、静電容量を検出するセンシング領域を備えた素子基板と対向基板との間に誘電体を設け、その変形による静電容量の変化から圧力の変化を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献3の検出装置では、測定面にかかる外圧の面内方向の力(すべり力)を測定することができない。
以上のように、特許文献1〜3の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができなかった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置、電子機器及びロボットを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、前記基準点の回りに複数配置された第1容量電極、を有する第1基板と、前記複数の第1容量電極の露出する部位全体を覆うように、前記第1基板の上に形成された誘電体と、前記基準点と重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が前記誘電体に当接した状態で弾性変形する、少なくとも表面が導電性を有する第2容量電極として機能する弾性体突起、が形成された第2基板と、を備えることを特徴とする。
この検出装置によれば、弾性体突起の先端部が誘電体に当接した状態ですべり方向(誘電体表面に平行な方向)に変形するので、特許文献1や特許文献2の検出装置に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。第2基板の表面に所定の方向の外圧が付加されると、弾性体突起は先端部が誘電体に当接した状態で圧縮変形する。弾性体突起の重心が基準点からずれない方向の外圧が加わる場合には、外圧の大きさに応じて弾性体突起が変形する。すると、容量検出素子の電極面積が変化するので静電容量が変化し、外圧の大きさを精度よく検出できる。一方、弾性体突起の重心が基準点からずれる方向の外圧が加わる場合には、所定方向の外圧により弾性体突起の変形には偏りが生じる。すなわち、弾性体突起の重心は基準点からずれて所定方向(すべり方向)に移動する。すると、複数の第1容量電極のうち弾性体突起の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。よって、演算装置により、各容量検出素子で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向を求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置を提供することができる。
前記検出装置において、外圧によって前記弾性体突起が弾性変形することにより変化する、前記第1容量電極と前記第2容量電極と前記誘電体とで構成される複数の容量検出素子の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備えていてもよい。
前記検出装置において、前記複数の第1容量電極は、前記基準点に対して点対称に配置されていてもよい。
この検出装置によれば、基準点と各第1容量電極との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起の変形量と各第1容量電極と第2容量電極とを含んで構成される各容量検出素子が検出する静電容量値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の第1容量電極が基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起の変形量が同じであっても、各容量検出素子が検出する静電容量値は互いに異なることとなる。このため、検出容量の差分を演算する際に各第1容量電極の配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起の変形量と各容量検出素子が検出する静電容量値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。したがって、各容量検出素子の静電容量値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
前記検出装置において、前記複数の第1容量電極は、互いに直交する2方向にマトリクス状に配置されていてもよい。
この検出装置によれば、各第1容量電極と第2容量電極とを含んで構成される各容量検出素子の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
前記検出装置において、前記複数の第1容量電極は、互いに直交する2方向に少なくとも4行4列に配置されていてもよい。
この検出装置によれば、配置される第1容量電極の数が多くなる。このため、多数の容量検出素子で検出される静電容量に基づいて各容量検出素子の検出結果を積算して外圧の作用する方向を求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
前記検出装置において、前記弾性体突起は前記第2基板に複数形成されており、前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されていてもよい。
この検出装置によれば、弾性体突起が弾性変形したときの第2基板本体の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。したがって、複数の弾性体突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
前記検出装置において、前記第2基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、前記第2基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていてもよい。
この検出装置によれば、例えば、外圧が2つの隣り合う弾性体突起の間の領域に作用する場合、補強部材が無いときに比べて2つの隣り合う弾性体突起が互いに反対の方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。つまり、外圧の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
前記検出装置において、前記第2基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、絶縁性を有する保護部材が配置されていてもよい。
この検出装置によれば、例えば第2基板が導電性を有する場合、外乱や静電気等の影響により各容量検出素子で検出される静電容量の値にノイズがのることを抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
前記検出装置において、前記誘電体は、弾性体からなっていてもよい。
この検出装置によれば、弾性体突起と誘電体との弾性変形により、弾性体突起のみが弾性を有する構成に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。付加される外圧が大きくなると、弾性体突起はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起に臨界点を越えた外圧が作用すると、弾性体からなる誘電体が柔軟に変形する。このため、弾性体突起が変形しうる臨界点以上の大きさの外圧を検出することができる。外圧が斜め方向から付加されると、弾性体突起の重心は基準点からずれてすべり方向に移動する。すると、弾性体突起の重心が移動した部分の誘電体の厚みが相対的に薄くなる。これにより、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、誘電体の厚みが相対的に薄い部分の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、誘電体の厚みが相対的に厚い部分の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
本発明の電子機器は、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
この電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
本発明のロボットは、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
このロボットによれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
以下の説明においては、図1中に示されたXYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。XYZ直交座標系は、X軸及びY軸が第1基板10に対して平行な方向に設定され、Z軸が第1基板10に対して直交する方向に設定されている。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る検出装置1の概略構成を示す分解斜視図である。図1においては、便宜上、誘電体30(図7参照)の図示を省略している。図1において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子S1〜S4(第1容量電極12と第2容量電極(弾性体突起22)と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。
図1は、本発明の第1実施形態に係る検出装置1の概略構成を示す分解斜視図である。図1においては、便宜上、誘電体30(図7参照)の図示を省略している。図1において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子S1〜S4(第1容量電極12と第2容量電極(弾性体突起22)と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。
検出装置1は、基準点に加えられた外圧の方向を検出する静電容量方式のタッチパッドであり、例えばノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。なお、「基準点」とは、すべり力が作用していない場合に弾性体突起の中心が位置するポイントである。
図1に示すように、検出装置1は、基準点Pの回りに複数配置された第1容量電極12、を有する第1基板10と、複数の第1容量電極12の露出する部位全体を覆うように第1基板10の上に形成された誘電体30(図7参照)と、基準点Pに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が誘電体30に当接した状態で弾性変形する、少なくとも表面が導電性を有する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、を備えている。
検出装置1は、外圧によって弾性体突起22が弾性変形することにより変化する複数の容量検出素子S1〜S4の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置(図示略)を備えている。
なお、本実施形態では、第1基板10に第1容量電極12が配置され、第2基板20に第2容量電極として機能する弾性体突起22が配置されている。つまり、第1容量電極12と第2容量電極(弾性体突起22)との間の誘電体に縦方向(Z方向)の電界を印加させる縦電界方式を採用している。
第1基板10は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状の第1基板本体11と、第1基板本体11に配置された複数の第1容量電極12と、を具備して構成されている。例えば、第1基板本体11の大きさ(平面視のサイズ)は、縦56mm×横56mm程度になっている。
複数の第1容量電極12は、基準点Pに対して点対称に配置されている。例えば、複数の第1容量電極12は、互いに直交する2方向(X方向及びY方向)にマトリクス状に配置されている。これにより、基準点Pと各第1容量電極12との間の距離が互いに等しくなるので、各第1容量電極12と第2容量電極22とを含んで構成される各容量検出素子S1〜S4が検出する静電容量値が互いに等しくなる。よって、各容量検出素子S1〜S4の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子S1〜S4の静電容量値の差分を演算することが容易となる。なお、静電容量値の差分の演算方法については後述する。
隣り合う第1容量電極12の間隔は、0.1mm程度になっている。このため、外乱や静電気等の影響により隣り合う位置の容量検出素子S1〜S4で検出される静電容量の値にノイズがのらないようになっている。
複数の第1容量電極12は、単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている。4つの第1容量電極12の中心(単位検出領域Sの中心)が基準点Pとなっている。例えば、単位検出領域Sの大きさ(平面視のサイズ)は、縦2.8mm×横2.8mm程度になっている。また、4つの第1容量電極12の各面積がほぼ等しくなっている。第1容量電極12の形成材料としては、例えばアルミニウム(Al)等の金属材料を用いることができる。
誘電体30(図7参照)は、複数の第1容量電極12の露出する部位全体を覆って、第1基板10の上に形成されている。誘電体30の形成材料としては、例えば、プラスチック等の樹脂材料、酸化シリコンにフッ素を添加したもの、酸化シリコンに炭素を添加したもの、有機ポリマー系の材料を用いることができる。
第2基板20は、矩形板状の第2基板本体21と、第2基板本体21に配置された複数の弾性体突起22と、を具備して構成されている。第2基板本体21は、外圧を直接受ける部分である。第2基板本体21は、例えば導電性ゴム、導電性樹脂及びカーボンブラック等の導電性及び弾性を有する材料で構成することができる。本実施形態では、第2基板本体21及び弾性体突起22の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用い、第2基板本体21及び弾性体突起22を金型で一体形成している。
複数の弾性体突起22は、第2基板本体21上においてX方向及びY方向にマトリクス状に配置されている。弾性体突起22の先端部は、球面の錘状となっており、第2基板本体21に当接している。弾性体突起22の重心は、基準点Pと重なる位置に配置されている。また、複数の弾性体突起22は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起22が弾性変形したときの第2基板本体21の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。
弾性体突起22のサイズは任意に設定することができる。ここでは、弾性体突起22の基部の径(弾性体突起22が第2基板本体21に接する部分の直径)は1.8mm程度になっている。弾性体突起22の高さ(弾性体突起22のZ方向の距離)は2mm程度になっている。隣り合う弾性体突起22の離間間隔は1mm程度になっている。弾性体突起22のデュロメータ硬さ(タイプA、ISO7619準拠のデュロメータによる硬さ測定値)は30程度になっている。
図2は、容量検出素子を用いて外圧を検出するセンシング回路の等価回路図である。なお、図2において、符号Clは容量検出素子(図1に示す符号S1〜S4)を示している。センシング回路60は、リセットトランジスタ61と、増幅トランジスタ62と、選択トランジスタ63と、基準容量素子Crと、容量検出素子Clと、を備えている。容量検出素子Clは、第1容量電極12と第2容量電極22とを含み、第2容量電極22には共通電位Vcomが供給される。
リセットトランジスタ61のドレインは電源線70に接続されている。リセットトランジスタ61のソースは増幅トランジスタ62のゲートに接続されている。電源線70には電源電位VRHが供給される。リセットトランジスタ61のゲートは第1制御線72に接続されている。第1制御線72にはリセット信号RESが供給される。
増幅トランジスタ62のドレインは電源線70に接続されている。増幅トランジスタ62のソースは選択トランジスタ63のドレインに接続されている。増幅トランジスタ62のゲートと第1制御線72との間には基準容量素子Crが設けられている。また、増幅トランジスタ62のゲートは容量検出素子Clの第1容量電極12と接続されている。
選択トランジスタ63のソースは検出線74に接続されている。選択トランジスタ63のゲートは第2制御線76に接続されている。第2制御線76には選択信号SELが供給される。
(回路動作)
次に、センシング回路60の動作を図3〜図6を参照しながら説明する。
図3は、本実施形態に係るセンシング回路60の動作を示すタイミングチャートである。図4は、リセット期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。図5は、センシング期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。図6は、読出期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。
図3に示すように、センシング回路60は、リセット期間Tres、センシング期間Tsen、及び読出期間Toutを一単位として動作する。
次に、センシング回路60の動作を図3〜図6を参照しながら説明する。
図3は、本実施形態に係るセンシング回路60の動作を示すタイミングチャートである。図4は、リセット期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。図5は、センシング期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。図6は、読出期間におけるセンシング回路60の動作を示す説明図である。
図3に示すように、センシング回路60は、リセット期間Tres、センシング期間Tsen、及び読出期間Toutを一単位として動作する。
(リセット期間)
先ず、リセット期間Tresにおいて、第1制御線72に供給されるリセット信号RESのレベルは電位VDに設定される。すなわち、リセット期間Tresにおいては、リセット信号RESのレベルはハイレベルに設定され、リセットトランジスタ61はオン状態となる。一方、第2制御線76に供給される選択信号SELはローレベルに設定され、選択トランジスタ63はオフ状態となる。すると、図4に示すように、増幅トランジスタ62のゲート電位VAは電源電位VRHに設定(リセット)される。また、容量検出素子Clの第1容量電極12にも電源電位VRHが供給され、容量検出素子Clの第1容量電極12と第2容量電極22との間の電圧はVRH−Vcomに設定される。
先ず、リセット期間Tresにおいて、第1制御線72に供給されるリセット信号RESのレベルは電位VDに設定される。すなわち、リセット期間Tresにおいては、リセット信号RESのレベルはハイレベルに設定され、リセットトランジスタ61はオン状態となる。一方、第2制御線76に供給される選択信号SELはローレベルに設定され、選択トランジスタ63はオフ状態となる。すると、図4に示すように、増幅トランジスタ62のゲート電位VAは電源電位VRHに設定(リセット)される。また、容量検出素子Clの第1容量電極12にも電源電位VRHが供給され、容量検出素子Clの第1容量電極12と第2容量電極22との間の電圧はVRH−Vcomに設定される。
(センシング期間)
次に、リセット期間Tres経過後の次の期間であるセンシング期間Tsenにおいては、リセット信号RESのレベルがVDからGND(=0V)に変化する。すると、図5に示すように、リセットトランジスタ61はオフ状態となる。また、センシング期間Tsenにおいては、選択信号SELはローレベルに設定され、選択トランジスタ63はオフ状態となる。増幅トランジスタ62のゲートのインピーダンスは十分に高いため、センシング期間Tsenにおいては、増幅トランジスタ62のゲートは電気的にフローティング状態となる。基準容量素子Crの一方の電極は第1制御線72に接続されているため、第1制御線72に供給されるリセット信号RESのレベルがVDからGNDに変化する。すると、それに応じて増幅トランジスタ62のゲートの電位VAも変化する。このときのゲートの電位VAの変化量は、基準容量素子Crと容量検出素子Clとの容量比に応じた値となる。
次に、リセット期間Tres経過後の次の期間であるセンシング期間Tsenにおいては、リセット信号RESのレベルがVDからGND(=0V)に変化する。すると、図5に示すように、リセットトランジスタ61はオフ状態となる。また、センシング期間Tsenにおいては、選択信号SELはローレベルに設定され、選択トランジスタ63はオフ状態となる。増幅トランジスタ62のゲートのインピーダンスは十分に高いため、センシング期間Tsenにおいては、増幅トランジスタ62のゲートは電気的にフローティング状態となる。基準容量素子Crの一方の電極は第1制御線72に接続されているため、第1制御線72に供給されるリセット信号RESのレベルがVDからGNDに変化する。すると、それに応じて増幅トランジスタ62のゲートの電位VAも変化する。このときのゲートの電位VAの変化量は、基準容量素子Crと容量検出素子Clとの容量比に応じた値となる。
(読出期間)
センシング期間Tsenの次の期間である読出期間Toutにおいては、選択信号SELがローレベルからハイレベルに変化する。すると、図6に示すように、選択トランジスタ63がオン状態となる。これにより、増幅トランジスタ62のゲートの電位VAに応じた大きさの検出電流Itが検出線74を流れる。この検出電流Itは、対象物(例えば指)と検出装置1との接触を検出する検出回路(図示略)へ供給される。
センシング期間Tsenの次の期間である読出期間Toutにおいては、選択信号SELがローレベルからハイレベルに変化する。すると、図6に示すように、選択トランジスタ63がオン状態となる。これにより、増幅トランジスタ62のゲートの電位VAに応じた大きさの検出電流Itが検出線74を流れる。この検出電流Itは、対象物(例えば指)と検出装置1との接触を検出する検出回路(図示略)へ供給される。
センシング期間Tsenにおいて容量検出素子Clの容量値が変化すると、それに応じて増幅トランジスタ62のゲートの電位VAも変化する。したがって、対象物が検出装置1に接触していない状態のときに読出期間Tsenで出力される検出電流Itの値と、対象物が検出装置1に接触したときに読出期間Tsenで出力される検出電流Itの値とは異なる。
ここで、対象物が検出装置1に接触していない状態における容量検出素子Clの容量値をClc、対象物が検出装置1に接触したときの容量検出素子Clの容量値の変化量をΔClc、基準容量素子Crの容量値をCref、第1制御線72の電位変化をΔV(=VD)とすると、対象物が検出装置1に接触したときの増幅トランジスタ62のゲートの電位VAの変化量ΔVAは、以下に示す式(1)で表される。ただし、式(1)において寄生容量は無視している。
検出回路(図示略)は、検出電流It(検出信号に相当)の値に基づいて対象物と検出装置1との接触を検出する。対象物が検出装置1に接触したときのゲートの電位VAの変化量ΔVAが大きいほど、非接触時における検出電流Itの値と接触時における検出電流Itの値との差が大きくなり、検出感度も高くなる。
図7及び図8は、基準点Pに作用する外圧の方向と大きさを検出する方法の説明図である。
図7(a)〜(c)は、第1実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。図8(a)〜(c)は、第1実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す平面図である。
なお、図7(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図7(b)は第2基板20の表面に相対的に弱い力の外圧が付加された状態を示している。図7(c)は第2基板20の表面に相対的に強い力の外圧が付加された状態を示している。図8(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図8(b)は第2基板20の表面に垂直方向(すべり力がない状態)の外圧が付加された状態を示している。図8(c)は第2基板20の表面に斜め方向(すべり力がある状態)の外圧が付加された状態を示している。また、図8(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起22の重心(圧力中心)を示している。
図7(a)〜(c)は、第1実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。図8(a)〜(c)は、第1実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す平面図である。
なお、図7(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図7(b)は第2基板20の表面に相対的に弱い力の外圧が付加された状態を示している。図7(c)は第2基板20の表面に相対的に強い力の外圧が付加された状態を示している。図8(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図8(b)は第2基板20の表面に垂直方向(すべり力がない状態)の外圧が付加された状態を示している。図8(c)は第2基板20の表面に斜め方向(すべり力がある状態)の外圧が付加された状態を示している。また、図8(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起22の重心(圧力中心)を示している。
図7(a)及び図8(a)に示すように、第2基板20の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起22は変形しない。弾性体突起22の重心Gは基準点Pと重なる位置に配置されている。このときの各容量検出素子S1〜S4の静電容量値は図示略のメモリに記憶されている。メモリに記憶された各容量検出素子S1〜S4の静電容量値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
図8(b)に示すように、第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、弾性体突起22は外圧の大きさに応じて圧縮変形する。外圧が大きくなると、弾性体突起22はこれ以上変形しない臨界点を迎える(図7(c)参照)。すると、複数の第1容量電極のうち弾性体突起22の先端部と重なる割合が外圧の作用がないときに比べて大きくなる。つまり、このときの容量検出素子の静電容量値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。
図8(c)に示すように、第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。このとき、弾性体突起22の重心Gは基準点Pから+X方向及び+Y方向にずれる。この場合、弾性体突起22の先端部と4つの第1容量電極12との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起22の先端部と4つの第1容量電極12との重なる面積は、4つの第1容量電極12のうち−X方向及び−Y方向に配置された部分と重なる面積よりも+X方向及び+Y方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。
弾性体突起22は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起22の重心は基準点Pからずれてすべり方向(X方向及びY方向)に移動する。すると、複数の第1容量電極のうち弾性体突起22の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起22の重心と重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起22の重心と重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外圧が加えられた方向と大きさが求められる。
図9は、第1実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図10は、第1実施形態に係る容量検出素子による垂直方向の圧力分布を示す図である。図11は、第1実施形態に係る容量検出素子によるすべり方向の計算例を示す図である。
図9に示すように、複数の容量検出素子S1,S2,S3,S4は、単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている。ここで、各容量検出素子S1,S2,S3,S4が検出する静電容量値(検出値)をそれぞれPS1,PS2,PS3,PS4とすると、外力のX方向成分Fx(外力の面内方向成分のうちX方向に作用する分力の割合)は以下の式(2)で表される。
また、外力のY方向成分Fy(外力の面内方向成分のうちY方向に作用する分力の割合)は以下の式(3)で表される。
また、外力のZ方向成分Fz(外力の垂直方向成分)は以下の式(4)で表される。
本実施形態では、外圧によって弾性体突起が弾性変形することにより変化する4つの容量検出素子S1,S2,S3,S4の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさが演算される。
式(2)に示すように、外圧のX方向成分Fxにおいては、4つの容量検出素子S1,S2,S3,S4の静電容量値のうち+X方向に配置された容量検出素子S2及びS4が組み合わされるとともに、−X方向に配置された容量検出素子S1及びS3が組み合わされる。このように、+X方向に配置された容量検出素子S2及びS4の組み合わせによる静電容量値と−X方向に配置された容量検出素子S1及びS3の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外圧のX方向成分が求められる。
式(3)に示すように、外圧のY方向成分Fyにおいては、4つの容量検出素子S1,S2,S3,S4の静電容量値のうち+Y方向に配置された容量検出素子S1及びS2が組み合わされるとともに、−Y方向に配置された容量検出素子S3及びS4が組み合わされる。このように、+Y方向に配置された容量検出素子S1及びS2の組み合わせによる静電容量値と−Y方向に配置された容量検出素子S3及びS4の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外圧のY方向成分が求められる。
式(4)に示すように、外圧のZ方向成分Fzにおいては、4つの容量検出素子S1,S2,S3,S4の静電容量値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のZ方向成分Fzは、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fy(分力)に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起22の材質として硬いものを用いたり、先端部の形状を先鋭にしたりすると、外圧の検出感度が高くなる。しかしながら、弾性体突起22の材質として硬いものを用いると弾性体突起22が変形しにくくなり外圧の面内方向の検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起22の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触ったときのタッチ感に強い感度(違和感)を与える場合がある。このため、外圧のZ方向成分Fzの検出値を、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyの検出値と揃えるには、弾性体突起22の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
図10に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている(90〜120mV程度)。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部(60〜90mV程度)、最外周部(30〜60mV程度)の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、0〜30mV程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域(容量検出素子S1〜S4が縦2行横2列に計4つ配置された領域)がマトリクス状(例えば縦15行×横15列に計225個)に配置されているとする。
図11に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分(すべり方向)の算出方法を考える。このとき、指の押圧力(外力)は、縦15行×横15列に配置されたものうち縦3行×横3列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図10と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている(110mV)。
縦3行×横3列に配置された各単位検出領域は、それぞれ4つの容量検出素子S1〜S4を有しており、各容量検出素子S1〜S4で検出された静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子S1〜S4の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。つまり、各単位検出領域では、上述した式(2)及び式(3)に基づいて外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyが算出される。ここでは、+X方向を基準として左回りに約123°の方向に外圧が作用していることが分かる。なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、9つの算出結果の平均値で求める方法、あるいは9つの算出結果のうちの最大値(例えば所定のしきい値よりも大きい検出値)により求める方法を用いることができる。
本実施形態の検出装置1によれば、弾性体突起22の先端部が誘電体30に当接した状態ですべり方向(誘電体表面に平行な方向)に変形するので、特許文献1や特許文献2の検出装置に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。第2基板20の表面に所定の方向の外圧が付加されると、弾性体突起22は先端部が誘電体30に当接した状態で圧縮変形する。弾性体突起22の重心が基準点Pからずれない方向の外圧が加わる場合には、外圧の大きさに応じて弾性体突起22が変形する。すると、容量検出素子の電極面積が変化するので静電容量が変化し、外圧の大きさを精度よく検出できる。一方、弾性体突起22の重心が基準点からずれる方向の外圧が加わる場合には、所定方向の外圧により弾性体突起22の変形には偏りが生じる。すなわち、弾性体突起22の重心は基準点Pからずれて所定方向(すべり方向)に移動する。すると、複数の第1容量電極12のうち弾性体突起22の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各容量検出素子S1〜S4で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起22の重心と重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起22の重心と重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。よって、演算装置により、各容量検出素子S1〜S4で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを求めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することが可能な検出装置1を提供することができる。
また、弾性体突起22が第2容量電極として機能するので、弾性体突起と第2容量電極とを別体にした構成にくらべて、装置の薄型化を図ることができる。
また、弾性体突起22が第2容量電極として機能するので、弾性体突起と第2容量電極とを別体にした構成にくらべて、装置の薄型化を図ることができる。
この構成によれば、複数の第1容量電極12が基準点Pに対して点対称に配置されているので、基準点Pと各第1容量電極12との間の距離が互いに等しくなる。このため、弾性体突起22の変形量と各第1容量電極12と第2容量電極22とを含んで構成される各容量検出素子S1〜S4が検出する静電容量値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の第1容量電極が基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起22の変形量が同じであっても、各容量検出素子S1〜S4が検出する静電容量値は互いに異なることとなる。このため、検出容量の差分を演算する際に各第1容量電極の配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起22の変形量と各容量検出素子S1〜S4が検出する静電容量値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。したがって、各容量検出素子S1〜S4の静電容量値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
この構成によれば、複数の第1容量電極12が互いに直交する2方向にマトリクス状に配置されているので、各第1容量電極12と第2容量電極22とを含んで構成される各容量検出素子S1〜S4の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子S1〜S4の静電容量値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。例えば、面内方向成分のうちX方向成分を演算する場合、複数の第1容量電極12が複数の方向にランダムに配置されている場合に比べて、相対的に+X方向に配置された容量検出素子S2及びS4の組み合わせと相対的に−X方向に配置された容量検出素子S1及びS3の組み合わせとを区分けして選出しやすくなる。したがって、外圧を効率よく検出することができる。
この構成によれば、複数の弾性体突起22が互いに離間して配置されているので、弾性体突起22が弾性変形したときの第2基板本体21の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起22が変形したときに他方の弾性体突起22に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。したがって、複数の弾性体突起22が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
なお、本実施形態においては、第1容量電極12が単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている例を挙げて説明したが、これに限らない。第1容量電極12は、単位検出領域S当たり3つ以上配置されていればよい。
(第2実施形態)
図12は、図1に対応した、本発明の第2実施形態に係る検出装置2の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図12においては、便宜上、誘電体30(図13参照)の図示を省略している。また、図12において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子Si(第1容量電極112と第2容量電極22と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置2は、複数の第1容量電極12が互いに直交する2方向に少なくとも縦4行横4列に配置されている点で、上述の第1実施形態で説明した検出装置1と異なる。図12において、図1と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、図12においては、便宜上、複数の第1容量電極112が単位検出領域S当たり縦4行横4列に配置されているが、実際には図13及び図14に示すように複数の第1容量電極112が単位検出領域S当たり縦4行横4列以上に配置されていてもよいものとする。
図12は、図1に対応した、本発明の第2実施形態に係る検出装置2の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図12においては、便宜上、誘電体30(図13参照)の図示を省略している。また、図12において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子Si(第1容量電極112と第2容量電極22と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置2は、複数の第1容量電極12が互いに直交する2方向に少なくとも縦4行横4列に配置されている点で、上述の第1実施形態で説明した検出装置1と異なる。図12において、図1と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、図12においては、便宜上、複数の第1容量電極112が単位検出領域S当たり縦4行横4列に配置されているが、実際には図13及び図14に示すように複数の第1容量電極112が単位検出領域S当たり縦4行横4列以上に配置されていてもよいものとする。
図12に示すように、検出装置2は、基準点Pの回りに複数配置された第1容量電極112、を有する第1基板110と、複数の第1容量電極112の露出する部位全体を覆って第1基板110の上に形成された誘電体30(図13参照)と、基準点Pに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が誘電体30に当接した状態で弾性変形する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、を備えている。
複数の第1容量電極112は、互いに直交する2方向(X方向及びY方向)に少なくとも縦4行横4列に計16個配置されている。具体的には、複数の第1容量電極112は、単位検出領域S当たり少なくとも縦4行横4列に計16個配置されている。これら16個の第1容量電極112の中心(単位検出領域Sの中心)が基準点Pとなっている。
図13(a)〜(c)は、図7(a)〜(c)に対応した、第2実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。図14(a)〜(c)は、図13(a)〜(c)に対応した、第2実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す平面図である。なお、図13(a)及び図14(a)は第2基板20の表面に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図13(b)及び図14(b)は第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図13(c)及び図14(c)は第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。また、図14(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起22の重心を示している。図13及び図14において、図7及び図8と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図13(a)及び図14(a)に示すように、第2基板20の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起22は変形しない。弾性体突起22の重心Gは基準点Pと重なる位置に配置されている。このときの各容量検出素子Siの静電容量値は図示略のメモリに記憶されている。メモリに記憶された各容量検出素子Siの静電容量値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
図13(b)及び図14(b)に示すように、第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、弾性体突起22は外圧の大きさに応じて圧縮変形する。すると、複数の第1容量電極112のうち弾性体突起22の先端部と重なる割合が外圧の作用がないときに比べて大きくなる。つまり、このときの容量検出素子の静電容量値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。
図13(c)及び図14(c)に示すように、第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。このとき、弾性体突起22の重心Gは基準点Pから+X方向及び+Y方向にずれる。この場合、弾性体突起22の先端部と複数の第1容量電極112との重なる面積の割合は、−X方向及び−Y方向に配置された部分と重なる面積よりも+X方向及び+Y方向に配置された部分と重なる面積のほうが重なる面積の割合が大きくなる。
図15は、図9に対応した、第2実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。なお、図15において、複数の容量検出素子Si(100個)がマトリクス状に配置されており、このうちの25の容量検出素子Siがそれぞれ−X方向及び+Y方向に区画された領域、+X方向及び+Y方向に区画された領域、−X方向及び−Y方向に区画された領域、+X方向及び−Y方向に区画された領域に配置されている。また、図15においては、便宜上、100個の容量検出素子Siを図示しているが、容量検出素子Siの配置数はこれに限らず任意に変更することができる。
図15に示すように、複数の容量検出素子Siは、単位検出領域S当たり縦10行横10列に計100個配置されている。ここで、各容量検出素子Siが検出する静電容量値(検出値)をそれぞれPi(i=1〜100)、基準点Pと各第1容量電極112との間の距離の面内方向成分をri(i=1〜100)とする。また、面内方向成分のうちX方向成分をrxi(i=1〜100)、面内方向成分のうちY方向成分をryi(i=1〜100)とすると、外力のX方向成分Fx(外力の面内方向成分のうちX方向に作用する分力の割合)は以下の式(5)で表される。
また、外力のY方向成分Fy(外力の面内方向成分のうちY方向に作用する分力の割合)は以下の式(6)で表される。
また、外力のZ方向成分Fz(外力の垂直方向成分)は以下の式(7)で表される。
本実施形態では、外圧によって弾性体突起が弾性変形することにより変化する100個の容量検出素子Siの静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Siの静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
式(5)に示すように、外圧のX方向成分Fxにおいては、100個の容量検出素子Siの静電容量値のうち相対的に+X方向に配置された容量検出素子Siが組み合わされるとともに、相対的に−X方向に配置された容量検出素子Siが組み合わされる。このように、相対的に+X方向に配置された容量検出素子Siの組み合わせによる静電容量値と相対的に−X方向に配置された容量検出素子Siの組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外圧のX方向成分が求められる。
式(6)に示すように、外圧のY方向成分Fyにおいては、100個の容量検出素子Siの静電容量値のうち相対的に+Y方向に配置された容量検出素子Siが組み合わされるとともに、相対的に−Y方向に配置された容量検出素子Siが組み合わされる。このように、相対的に+Y方向に配置された容量検出素子Siの組み合わせによる静電容量値と相対的に−Y方向に配置された容量検出素子Siの組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外圧のY方向成分が求められる。
式(7)に示すように、外圧のZ方向成分Fzにおいては、100個の容量検出素子Siの静電容量値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のZ方向成分Fzは、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。このため、外圧のZ方向成分Fzの検出値を、外圧のX方向成分Fx及び外圧のY方向成分Fyの検出値と揃えるには、弾性体突起22の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、100個の容量検出素子Siによる静電容量値の算出結果の平均値で求める方法あるいは100個の容量検出素子Siによる静電容量値の算出結果のうちの最大値(例えば所定のしきい値よりも大きい検出値)により求める方法を用いることができる。
本実施形態の検出装置2によれば、複数の第1容量電極112が互いに直交する2方向に少なくとも縦4行横4列に配置されているので、配置される第1容量電極112の数が多くなる。このため、多数の容量検出素子Siで検出される静電容量に基づいて各容量検出素子Siの検出結果を積算して外圧の作用する方向を求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
(第3実施形態)
図16は、図12に対応した、本発明の第3実施形態に係る検出装置3の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図16においては、便宜上、誘電体30(図17参照)の図示を省略している。また、図16において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子Si(第1容量電極112と第2容量電極22と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置4は、第2基板20の表面に第2基板本体21よりも高い剛性を有する補強部材51が配置されている点で、上述の第2実施形態で説明した検出装置2と異なる。図16において、図12と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図16は、図12に対応した、本発明の第3実施形態に係る検出装置3の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図16においては、便宜上、誘電体30(図17参照)の図示を省略している。また、図16において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起22に対応して配置された複数の容量検出素子Si(第1容量電極112と第2容量電極22と誘電体30とで構成される素子)が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置4は、第2基板20の表面に第2基板本体21よりも高い剛性を有する補強部材51が配置されている点で、上述の第2実施形態で説明した検出装置2と異なる。図16において、図12と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図16に示すように、検出装置3は、基準点Pの回りに複数配置された第1容量電極112、を有する第1基板110と、複数の第1容量電極112の露出する部位全体を覆って第1基板110の上に形成された誘電体30(図13参照)と、基準点Pに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が誘電体30に当接した状態で弾性変形する弾性体突起22、が形成された第2基板20と、第2基板20の弾性体突起22が配置された側と反対の側に配置された補強部材51と、を備えている。
補強部材51は、矩形板状となっており、平面視において第2基板本体21と同じサイズに形成されている。この補強部材51は、第2基板本体21よりも高い剛性を有している。例えば、第2基板本体21の材質が弾性体突起22の材質と同様に導電性ゴム(デュロメータ硬さ30程度)の場合、補強部材51の形成材料としては、エポキシ樹脂を用いたりウレタン樹脂(デュロメータ硬さ60程度)を用いたりすることができる。このため、接触面に弾性体突起22の配置間隔よりも小さい対象物(例えば先鋭なスタイラスペン)によって外力が加えられた場合であっても、外圧を正確に検出することができる。
図17(a)〜(c)は、図13(a)〜(c)に対応した、第3実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。なお、図17(a)は第2基板20の表面(補強部材51の表面)に外圧が付加される前の状態(外圧の作用がないとき)を示している。図17(b)は第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図17(c)は第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。図17において、図13と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図17(a)に示すように、第2基板20の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起22は変形しない。このときの各容量検出素子Siの静電容量値は図示略のメモリに記憶されている。メモリに記憶された各容量検出素子Siの静電容量値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
図17(b)に示すように、第2基板20の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、弾性体突起22は外圧の大きさに応じて圧縮変形する。すると、複数の第1容量電極112のうち弾性体突起22の先端部と重なる割合が外圧の作用がないときに比べて大きくなる。つまり、このときの容量検出素子の静電容量値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。
また、外圧は2つの隣り合う弾性体突起22の間の領域に作用している。本実施形態では第2基板20の表面に第2基板本体21よりも高い剛性を有する補強部材51を備えているので、例えば、指で検出装置3を垂直方向に押した場合、2つの隣り合う弾性体突起22は互いに垂直方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材51が無い場合に比べて外力により2つの隣り合う弾性体突起22が互いに反対方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。
図17(c)に示すように、第2基板20の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起22は先端部が誘電体30の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、弾性体突起22の重心Gは基準点Pから+X方向及び+Y方向にずれる。この場合、弾性体突起22の先端部と複数の第1容量電極112との重なる面積の割合は、−X方向及び−Y方向に配置された部分と重なる面積よりも+X方向及び+Y方向に配置された部分と重なる面積のほうが重なる面積の割合が大きくなる。
また、外圧は2つの隣り合う弾性体突起22の間の領域に作用している。本実施形態では第2基板20の表面に第2基板本体21よりも高い剛性を有する補強部材51を備えているので、例えば、指で検出装置3を斜め方向に押した場合、2つの隣り合う弾性体突起22は互いに斜め方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材51が無い場合に比べて外力により2つの隣り合う弾性体突起22が互いに反対方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。
本実施形態の検出装置3によれば、第2基板20の弾性体突起22が形成された側と反対の側に第2基板本体21よりも高い剛性を有する補強部材51が配置されているので、外圧の方向を高い精度で検出することができる。例えば、外圧が2つの隣り合う弾性体突起22の間の領域に作用する場合、補強部材が無いときに比べて2つの隣り合う弾性体突起22が互いに反対の方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。つまり、外圧の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
なお、本実施形態においては、補強部材51が第2基板20の表面に配置されているが、これに限らない。例えば、補強部材51を設けずに、第2基板本体21自体を弾性体突起22よりも高い剛性を有する材質で形成してもよい。これにより、補強部材51を設ける構成に比べて装置の薄型化を図ることができる。
また、第2基板20の弾性体突起22が形成された側と反対の側には、絶縁性を有する保護部材が配置されていてもよい。もしくは、補強部材51自体が絶縁性を有していてもよい。これにより、例えば第2基板20が導電性を有する場合、外乱や静電気等の影響により各容量検出素子で検出される静電容量の値にノイズがのることを抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
また、誘電体30が弾性体からなっていてもよい。これにより、弾性体突起22と誘電体30との弾性変形により、弾性体突起22のみが弾性を有する構成に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。付加される外圧が大きくなると、弾性体突起22はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起22に臨界点を越えた外圧が作用すると、弾性体からなる誘電体30が柔軟に変形する。このため、弾性体突起22が変形しうる臨界点以上の大きさの外圧を検出することができる。外圧が斜め方向から付加されると、弾性体突起22の重心は基準点Pからずれてすべり方向に移動する。すると、弾性体突起22の重心が移動した部分の誘電体30の厚みが相対的に薄くなる。これにより、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、誘電体30の厚みが相対的に薄い部分の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、誘電体30の厚みが相対的に厚い部分の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
また、図18に示す第2基板120のように、第2基板本体121及び弾性体突起122と、第2電極123とを別体に形成することもできる。例えば、第2基板本体121及び弾性体突起22の形成材料として絶縁性ゴムや発砲ウレタン等の樹脂材料を用い、第2基板本体121及び弾性体突起122を金型で一体形成し、その後、複数の弾性体突起122の露出する部位全体を覆って第2基板本体121の上に例えばアルミニウム(Al)等の金属材料を形成してもよい。これにより、第2基板本体121及び弾性体突起22の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用いる場合に比べて材料選択の幅が拡がるので、弾性体突起122を所望の形状や硬さに形成しやすくなる。
(電子機器)
図19は、上記実施形態に係る検出装置1〜3を適用した携帯電話機1000の概略構成を示す模式図である。携帯電話機1000は、複数の操作ボタン1003及びスクロールボタン1002、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル1001を備えている。スクロールボタン1002を操作することによって、液晶パネル1001に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル1001にはメニューボタン(図示略)が表示される。例えば、メニューボタンを指で触れると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。
図19は、上記実施形態に係る検出装置1〜3を適用した携帯電話機1000の概略構成を示す模式図である。携帯電話機1000は、複数の操作ボタン1003及びスクロールボタン1002、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル1001を備えている。スクロールボタン1002を操作することによって、液晶パネル1001に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル1001にはメニューボタン(図示略)が表示される。例えば、メニューボタンを指で触れると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。
図20は、上記実施形態に係る検出装置1〜3を適用した携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistants)2000の概略構成を示す模式図である。携帯情報端末2000は、複数の操作ボタン2002及び電源スイッチ2003、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル2001を備えている。電源スイッチ2003を操作すると、液晶パネル2001にはメニューボタンが表示される。例えば、メニューボタン(図示略)を指で触れると住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。
このような電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
なお、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、デジタルスチルカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る検出装置を適用させることができる。
(ロボット)
図21は、上記実施形態に係る検出装置1〜3を適用したロボットハンド3000の概略構成を示す模式図である。図21(a)に示すように、ロボットハンド3000は、本体部3003及び一対のアーム部3002、並びに検出装置を適用した把持部3001を備えている。例えば、リモコン等の制御装置によりアーム部3002に駆動信号を送信すると、一対のアーム部3002が開閉動作する。
図21は、上記実施形態に係る検出装置1〜3を適用したロボットハンド3000の概略構成を示す模式図である。図21(a)に示すように、ロボットハンド3000は、本体部3003及び一対のアーム部3002、並びに検出装置を適用した把持部3001を備えている。例えば、リモコン等の制御装置によりアーム部3002に駆動信号を送信すると、一対のアーム部3002が開閉動作する。
図21(b)に示すように、ロボットハンド3000でコップ等の対象物3010を把持する場合を考える。このとき、対象物3010に作用する力は把持部3001で圧力として検出される。ロボットハンド3000は、把持部3001として上述した検出装置を備えているので、対象物3010の表面(接触面)に垂直な方向の力と併せて重力Mgですべる方向の力(すべり力の成分)を検出することが可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたりすべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物3010の質感に応じて力を加減しながら持つことができる。
このロボットによれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
1,2,3…検出装置、10,110…第1基板、12,112…第1容量電極、20…第2基板、22,122…弾性体突起、22,123…第2容量電極、30…誘電体、51…補強部材、S1,S2,S3,S4,Si,Cl…容量検出素子、1000…携帯電話機(電子機器)、2000…携帯情報端末(電子機器)、3000…ロボットハンド(ロボット)
Claims (11)
- 基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、
前記基準点の回りに複数配置された第1容量電極、を有する第1基板と、
前記複数の第1容量電極の露出する部位全体を覆うように、前記第1基板の上に形成された誘電体と、
前記基準点と重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が前記誘電体に当接した状態で弾性変形する、少なくとも表面が導電性を有する第2容量電極として機能する弾性体突起、が形成された第2基板と、
を備えることを特徴とする検出装置。 - 外圧によって前記弾性体突起が弾性変形することにより変化する、前記第1容量電極と前記第2容量電極と前記誘電体とで構成される複数の容量検出素子の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備えることを特徴とする請求項1に記載の検出装置。
- 前記複数の第1容量電極は、前記基準点に対して点対称に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の検出装置。
- 前記複数の第1容量電極は、互いに直交する2方向にマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の検出装置。
- 前記複数の第1容量電極は、互いに直交する2方向に少なくとも4行4列に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の検出装置。
- 前記弾性体突起は前記第2基板に複数形成されており、
前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第2基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、前記第2基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていることを特徴とする請求項6に記載の検出装置。
- 前記第2基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、絶縁性を有する保護部材が配置されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の検出装置。
- 前記誘電体は、弾性体からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の検出装置。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の検出装置を備えることを特徴とするロボット。
Priority Applications (1)
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JP2010166793A JP2012026905A (ja) | 2010-07-26 | 2010-07-26 | 検出装置、電子機器及びロボット |
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CN113966456A (zh) * | 2019-08-05 | 2022-01-21 | 阿尔卑斯阿尔派株式会社 | 运算装置、输入装置、运算方法以及程序 |
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WO2023065540A1 (zh) * | 2021-10-18 | 2023-04-27 | 安徽大学 | 一种基于分级倾斜微圆柱结构的电容式柔性触觉传感器 |
-
2010
- 2010-07-26 JP JP2010166793A patent/JP2012026905A/ja not_active Withdrawn
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