JP2017156126A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力検出装置において、入力面に対して垂直方向の応力と共にせん断応力を精度良く検出する。
【解決手段】第１電極パターンＴｙ又は第２電極パターンＴｘは、複数の第３電極ＲｘのうちＹ方向に隣接する第３電極Ｒｘ同士の間に延びることで、隣接する第３電極Ｒｘのそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。マイクロコントローラ２５は、上記部分で発生する静電容量を検出可能である。マイクロコントローラ２５は、圧力が加えられて第２絶縁体１３が変形するときに、平面視で互いに重なっている第３電極Ｒｘと第１電極Ｔｙ又は第２電極Ｔｘとの重なり面積が変化することで得られた静電容量変化に基づいて、せん断力を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力検出装置、特に、入力面に対して垂直方向の応力と共にせん断応力を検出可能な圧力検出装置に関する。

近年、圧力の面内分布が検出できるセンサシートが開発及び製品化されている。例えば、体の下に敷いて体圧分布を測定するものや、圧力を検出できるタッチパッドが知られている。しかし、これらは全て、シート面に作用する法線方向（Ｚ方向）のみの応力の面内分布を検出するものである。
一方、Ｚ方向の応力だけでなくせん断方向（Ｘ，Ｙ方向）の応力も検出できるものとして、３分力ロードセルなどがある。しかし、面内分布を検出するためには、３分力ロードセルを大量に敷き詰めて配置する必要があるので、装置の実用化は困難であった。

引用文献１には、複数の矩形の第１電極と複数の第２電極とを誘電体を介して配置することでせん断力を測定可能とした触覚センサが開示されている。

特開２０１４−１１５２８２号公報

引用文献１の触覚センサでは、矩形の第１電極１３０と第２電極１４０は、それぞれ上部基板１１０と下部基板１２０に敷き詰められるように配置されている。しかし、上部基板１１０は弾性変形可能であることが条件であるので、そこに多数の第１電極１３０を形成してさらに制御回路まで配線を延ばすことは、実際には技術的に難しい。

本発明の課題は、圧力検出装置において、入力面に対して垂直方向の応力と共にせん断応力を精度良く検出することにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。

本発明の一見地に係る圧力検出装置は、支持基板と、支持基板より剛性が低く圧力が作用すると弾性変形する第２絶縁体と、第１絶縁体を有している。圧力検出装置は、複数の第３電極と、複数の第１帯状電極と、複数の第２帯状電極と、静電容量測定回路と、圧力検出回路と、を有している。
支持基板と、第２絶縁体と、第１絶縁体は、圧力が入力される側と反対側から順番に並んで積層されている。
複数の第３電極は、第２絶縁体と支持基板との間に全面的に敷き詰められるように設けられている。

複数の第１帯状電極は、第１絶縁体の第２絶縁体と反対側において第１方向に延びて設けられている。複数の第１帯状電極は、複数の第３電極のうち第１方向と交差する方向に隣接する第３電極同士の間に延びることで、隣接する第３電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。
複数の第２帯状電極は、第１絶縁体と第２絶縁体との間において第１方向に交差する第２方向に延びて設けられている。複数の第１帯状電極は、複数の第３電極のうち第２方向と交差する方向に隣接する第３電極同士の間に延びることで、隣接する第３電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。

静電容量測定回路は、第３電極と当該第３電極に平面視で重なっている第１帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能である。静電容量測定回路は、第３電極と当該第３電極に平面視で重なっている第２帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能である。
圧力算出回路は、圧力が加えられて第２絶縁体が変形するときに、平面視で互いに重なっている第３電極と第１帯状電極との重なり面積及び／又は平面視で互いに重なっている第３電極と第２帯状電極との重なり面積が変化することで静電容量測定回路によって得られた静電容量変化に基づいて、せん断力を算出する。

この装置では、各第１帯状電極は、第２方向に隣接して並んだ複数対の第３電極に対して平面視で重なることで、多数の交点を構成している。また、各第２帯状電極は、第１方向に隣接して並んだ複数対の第３電極に対して平面視で重なることで、多数の交点を構成している。
この装置では、例えば第２方向へのせん断力が第１絶縁体に作用すると、第１帯状電極においてせん断力が作用した部分では、第１帯状電極と隣接する一対の第３電極との各交点（第１帯状電極が対応する一対の第３電極に対して平面視で重なった部分）の面積が変化させられる。これにより、当該第１帯状電極と一方の第３電極との間の静電容量が増加し、当該第１帯状電極と他方の第３電極との間の静電容量が減少する。そして、静電容量測定回路が当該部分の静電容量変化を検出して、さらに圧力算出回路が当該静電容量変化に基づいてせん断力を算出する。

圧力検出装置は、複数のスイッチング素子と、複数の読み出し線と、複数の制御線と、スイッチング制御部と、をさらに備えている。
複数のスイッチング素子は、複数の第３電極に一対一で接続されている。
各読み出し線は、複数のスイッチング素子のうち第１方向又は第２方向に並んだ複数のスイッチング素子に接続されている。各読み出し線は、当該複数のスイッチング素子の並び方向に延びて、静電容量測定回路に接続されている。
複数の制御線は、並び方向と交差する方向に延びており、当該方向に並んだ複数のスイッチング素子に接続されている。
スイッチング制御部は、複数の制御線によって、複数のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

この装置では、スイッチング制御部が１本の制御線によって複数のスイッチング素子をＯＮにした状態において、静電容量測定回路が複数の読み出し線を順番に検出することで、第１帯状電極又は第２帯状電極と第３電極との交点の静電容量変化を検出する。
この装置では、読み出し線が複数のスイッチング素子を介して複数の第３電極に接続されているので、読み出し線の数を減らすことができる。この結果、多くの第３電極が配置された構造において、読み出し線を問題なく配置できる。

第２絶縁体の弾性率は、０．００１〜１０ＭＰａであってもよい。この装置では、第２絶縁体が十分に柔らかいので、圧力が作用すると、第１帯状電極及び第２帯状電極が、第３電極に対して近づく方向及び平面方向に容易に変位できる。

第１絶縁体は第２絶縁体より薄くてもよい。この装置では、第１帯状電極と第２帯状電極との距離が短く設定されているので、第１帯状電極及び第２帯状電極が第３電極に対して変位するときに、第１帯状電極が第３電極に対して変位する量と第２帯状電極が第３電極に対して変位する量とに大きな差が生じない。この結果、静電容量の測定精度が高く維持される。

本発明に係る圧力検出装置では、入力面に対して垂直方向の力と共にせん断力を精度良く検出できる。

タッチパッド装置のブロック構成図。 第１電極パターンの平面図。 第２電極パターンの平面図。 第３電極パターンの平面図。 電極パターンの重なり状態を示す平面図。 せん断力が作用したときの電極パターンの重なり状態の変化を示す平面図。 せん断力が作用したときの電極パターンの重なり状態の変化を示す平面図。 相互容量、せん断応力、法線方向の応力の関係を示すための模式的断面図。 相互容量、せん断応力、法線方向の応力の関係を示すための模式的断面図。 相互容量、せん断応力、法線方向の応力の関係を示すための模式的断面図。 相互容量、せん断応力、法線方向の応力の関係を示すための模式的断面図。 第３電極パターンのアクティブマトリックスを示す模式図。 圧力測定の制御フローチャート。 第１電極パターンと第３電極パターンとの間の静電容量測定制御のフローチャート。 第２電極パターンと第３電極パターンとの間の静電容量測定制御のフローチャート。

１．第１実施形態
（１）タッチパッド装置の全体構造
図１を用いて、タッチパッド装置１（圧力検出装置の一例）の全体構成を説明する。図１は、タッチパッド装置のブロック構成図である。

タッチパッド装置１は、センサ部３（タッチパッド）と、制御回路５とを有している。
センサ部３は、圧力が作用した位置を検出する機能と、圧力を検出する機能とを有している。
制御回路５は、センサ部３を制御すると共に，センサ部３からの検出信号に基づいて各種測定を行う。
なお、タッチパッド装置１は、ＰＣ７を有している。ＰＣ７は、例えば、パーソナルコンピュータである。ＰＣ７によって、制御回路５に各種データ及び指示を入力することができ、さらに制御回路５からの情報をモニター画面に表示できる。例えば、後述する測定結果である相互容量のデータはＰＣ７のモニターに表示される。

（２）センサ部の構造
センサ部３は、支持基板１１と、第２絶縁体１３と、第１絶縁体１５とを有しており、これらは圧力が入力される側と反対側から順番に並んで積層されている。具体的には、第２絶縁体１３は、支持基板１１の上面に設けられている。第１絶縁体１５は、第２絶縁体１３の上面に設けられている。
支持基板１１は、例えば、ガラスエポキシ基板であり、厚みは１．６ｍｍである。なお、支持基板１１の材料は特に限定されない。

第２絶縁体１３は、力が作用すると弾性変形可能な部材である。第２絶縁体１３の弾性率は、０．００１〜１０ＭＰａの範囲にあることが好ましく、０．００１〜０．０１ＭＰａの範囲にあることがさらに好ましい。第２絶縁体１３は、例えば、ポリウレタンゲルシートあり、厚みは１ｍｍである。ポリウレタンゲルシートは、硬度０であり、軽い荷重でも十分変形するものが好ましい。さらに、ポリウレタンゲルシートは、粘着性があるので、別に粘着剤などを用意することなく、支持基板１１と第１絶縁体１５を接着できる。なお、第２絶縁体１３の材料は特に限定されない。
第２絶縁体１３の厚みは、１０μｍ〜１００００μｍの範囲にあることが好ましく、１００μｍ〜２０００μｍの範囲にあることがさらに好ましい。

第１絶縁体１５は、第１電極パターンＴｙと第２電極パターンＴｘとを互いに絶縁しつつかつ積層方向に所定の距離に配置するための層である。
第１絶縁体１５は、例えば、ウレタンフィルムであり、厚みは０．０７ｍｍである。
第１絶縁体１５の弾性率は、１ＭＰａ〜４０００ＭＰａの範囲にあることが好ましく、１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲にあることがさらに好ましい。
なお、第１絶縁体１５の材料は特に限定されない。
第１絶縁体１５の厚みは、１μｍ〜１０００μｍの範囲にあることが好ましく、１０μｍ〜１００μｍの範囲にあることがさらに好ましい。

第１電極パターンＴｙ及び第２電極パターンＴｘは、それぞれ複数の短冊状又は帯状の第２電極Ｔｘ及び第１電極Ｔｙからなる。
第１電極パターンＴｙは、第１絶縁体１５の上面に、すなわち第１絶縁体１５の第２絶縁体１３と反対側に設けられる。第１電極パターンＴｙは、図２に示すように、図のＹ方向に並んでおり、Ｘ方向（第１方向の一例）に延びている。第１電極パターンＴｙは、Ｘ方向に延びる複数の第１電極Ｔｙ（１）、Ｔｙ（２）、Ｔｙ（３）、、、、Ｔｙ（ｌ−２）、Ｔｙ（ｌ−１）、Ｔｙ（ｌ）を有している。図２は、第１電極パターンの平面図である。

第２電極パターンＴｘは、第１絶縁体１５の下面に、すなわち第１絶縁体１５と第２絶縁体１３との間に設けられる。第２電極パターンＴｘは、図３に示すように、図のＸ方向に並んでおり、Ｙ方向（第２方向の一例）に延びている。第２電極パターンＴｘは、Ｙ方向に延びる複数の第２電極Ｔｘ（１）、Ｔｘ（２）、Ｔｘ（３）、、、、Ｔｘ（ｍ−２）、Ｔｘ（ｍ−１）、Ｔｘ（ｍ）を有している。図３は、第２電極パターンの平面図である。
上記の構成により、第２電極パターンＴｘは、第１電極パターンＴｙとの間で絶縁性を保ち且つ第１電極パターンＴｙと交差（この実施形態では、直交）して配置される。第１電極パターンＴｙ及び第２電極パターンＴｘは、引き出し配線によって接続端子（図示せず）に至るまで引き出される。

第３電極パターンＲｘ（第２絶縁体と支持基板との間に全面的に敷き詰められるように設けられた複数の電極の一例）は、第２絶縁体１３と支持基板１１との間に設けられる。第３電極パターンＲｘは、図４に示すように、全体に敷き詰められて配置された多数の島状の第３電極Ｒｘからなる。図４は、第３電極パターンの平面図である。

第３電極パターンＲｘは、第３電極Ｒｘ（１，１）〜Ｒｘ（ｎ，ｏ）のマトリックスを構成している。この実施形態では、個々の第３電極Ｒｘの形状は正方形である。後述するように、隣り合う第３電極Ｒｘの隙間を覆うように、第１電極Ｔｙ及び第２電極Ｔｘが配置されている。つまり、第１電極Ｔｙ及び第２電極Ｔｘの幅は、第３電極Ｒｘ同士の隙間より大きい。第３電極Ｒｘの形状は、その他の形状であってもよい。

第１電極パターンＴｙ、第２電極パターンＴｘ及び第３電極パターンＲｘの材料としては、数ｍΩから数百Ωの表面抵抗値（導電性）を示すことが好ましく、例えば、酸化インジウム、酸化錫、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、錫アンチモン酸等の金属酸化物や、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、ロジウム等の金属などで成膜することができる。これらの材料からなる第１電極パターンＴｙ及び第２電極パターンＴｘの形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法、塗工法等で透明導電膜を形成した後にエッチングによりパターニングする方法や、印刷法等がある。
上記の構造では、第２電極パターンＴｘと第３電極パターンＲｘの間には、入力面からの応力に応じて変形可能な弾性体としての第２絶縁体１３が介在している。よって、入力面からの応力によって、第２電極パターンＴｘ及び第１電極パターンＴｙが第３電極パターンＲｘに対して変位できる。
なお、第２電極Ｔｘ、第１電極Ｔｙ、第１絶縁体１５も、ある程度の柔らかが必要である。ＰＥＴフィルムなど剛性が高いものが積層されていると、その剛性によって第２絶縁体１３の弾性変形を妨げてしまうためである。

センサ部３は、保護層１７を有している。保護層１７の上面が、指がタッチする入力面になっている。保護層１７は、前述した電極パターンを保護するための層であり、指と電極パターンが導通するのを防止したり、電極パターンの損傷を防止したりする機能を有している。保護層１７は、例えば、ウレタンフィルムであり、厚みは０．０５ｍｍである。なお、保護層１７は任意の部材であり、省略可能である。

保護層１７の下面には、第４電極パターンＴａが設けられている。第４電極パターンＴａは、第１電極パターンＴｙと、第２電極パターンＴｘと、第３電極パターンＲｘを全て覆うようなベタパターンである。第４電極パターンＴａも任意の部材である。また、第４電極パターンＴａは、第３電極パターンＲｘを覆うことができればよいので、第１電極パターンＴｙと同一平面上で第１電極パターンＴｙの間に形成されていてもよい。
保護層１７と第１絶縁体１５は、絶縁層としてのＰＳＡ１９によって互いに固定されている。

第１絶縁体１５は第２絶縁体１３より薄い。第１絶縁体１５の厚みは第２絶縁体１３の厚みの２０％以下の範囲にあることが好ましく、１０％以下の範囲にあることがさらに好ましい。例えば、第２絶縁体１３の厚みが１ｍｍである場合に、第１絶縁体１５の厚みが０．０７ｍｍである。この装置では、第２絶縁体１３が薄く設定されることで、第１電極パターンＴｙと第２電極パターンＴｘとの距離が短く設定されている。したがって、第１電極パターンＴｙ及び第２電極パターンＴｘが第３電極Ｒｘに対して変位するときに、第１電極パターンＴｙが第３電極Ｒｘに対して変位する量と第２電極パターンＴｘが第３電極Ｒｘに対して変位する量とに大きな差が生じない。

（３）せん断応力の検出原理
図５〜図７を用いて、入力面をせん断方向に応力が受けた場合の電極位置の変化と、その検出原理の説明を定性的に説明する。図５は、電極パターンの重なり状態を示す平面図である。図６及び図７は、せん断力が作用したときの電極パターンの重なり状態の変化を示す平面図である。

複数の第１電極Ｔｙは、複数の第３電極ＲｘのうちＹ方向に隣接する第３電極Ｒｘ同士の間に延びることで、隣接する第３電極Ｒｘのそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。
複数の第２電極Ｔｘは、複数の第３電極ＲｘのうちＸ方向に隣接する第３電極Ｒｘ同士の間に延びることで、隣接する第３電極Ｒｘのそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている。

以上に述べたように、各第１電極Ｔｙは、Ｙ方向に隣接して並んだ複数対の第３電極Ｒｘに対して平面視で重なることで、多数の交点を構成している。また、各第２電極Ｔｘは、Ｘ方向に隣接して並んだ複数対の第３電極Ｒｘに対して平面視で重なることで、多数の交点を構成している。

図５を用いて、第３電極パターンＲｘのうち第３電極Ｒｘ（ａ−１，ｂ＋１）〜第３電極Ｒｘ（ａ＋１，ｂ−１）（ａ，ｂは任意の自然数）と、それらと重なりを持つ第２電極Ｔｘ（ｄ）、第２電極Ｔｘ（ｄ＋１）、第１電極Ｔｙ（ｃ）、第１電極Ｔｙ（ｃ＋１）について考える。図５は、応力が無い状態の第１電極Ｔｙ、第２電極Ｔｘ、第３電極Ｒｘの重なりを示している。各第２電極Ｔｘ及び第１電極Ｔｙは、第３電極Ｒｘと重なりを有し、その面積にほぼ比例した相互容量を有する。

以後、ハッチングが施された４つの重なりＡ〜Ｄについて検討する。
重なりＡ：Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）間
重なりＢ：Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）間
重なりＣ：Ｒｘ（ａ，ｂ＋１）／Ｔｙ（ｃ）間
重なりＤ：Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｙ（ｃ）間

さらに、重なりＡ〜Ｄにおける相互容量は、下記のような符号表現で表すことにする。
重なりＡの相互容量：Ｃ［Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］
重なりＢの相互容量：Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］
重なりＣの相互容量：Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ＋１）／Ｔｙ（ｃ）］
重なりＤの相互容量：Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｙ（ｃ）］

図６に示すように、入力面に＋Ｘ方向の応力を受けた場合、第２電極Ｔｘ及び第１電極Ｔｙは第３電極Ｒｘに対して＋Ｘ方向に移動し、それに応じて重なり面積が変化する。具体的には、重なりＢの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］は増大し、重なりＡの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］は減少する。一方、重なりＣの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ＋１）／Ｔｙ（ｃ）］と重なりＤの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｙ（ｃ）］は変化しない。
図７に示すように、入力面に＋Ｙ方向の応力を受けた場合は、第２電極Ｔｘ及び第１電極Ｔｙは第３電極Ｒｘに対して＋Ｙ方向に移動し、それに応じて重なり面積が変化する。具体的には、重なりＣの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ＋１）／Ｔｙ（ｃ）］は増大し、重なりＤの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｙ（ｃ）］は減少する。

以上より、上記４つの重なりＡ〜Ｄの静電容量を測定することで、Ｘ方向とＹ方向の移動を検出でき、それによりせん断応力が検出できる。

（４）相互容量、せん断応力、法線方向応力の関係
次に、第２電極Ｔｘ及び第１電極Ｔｙと第３電極Ｒｘとの相互容量と、せん断応力、さらには法線方向（Ｚ方向）の応力との関係を、定量的に解析する。Ｘ方向について考えるため、図８〜図１１に、第２電極Ｔｘ（ｄ）と第３電極Ｒｘ（ａ−１，ｂ）及び第３電極Ｒｘ（ａ，ｂ）の位置関係を断面図として示す。図８〜図１１は、相互容量、せん断応力、法線方向の応力の関係を示すための模式的断面図である。
なお、Ｙ方向の応力については重なりＤの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｙ（ｃ）］と重なりＣの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ＋１）／Ｔｙ（ｃ）］を使って同様に検出できるので、ここでは省略する。

図８は、応力が印加されていない状況を示している。この状況での、第２電極Ｔｘ（ｄ）と第３電極Ｒｘ（ａ−１）又は第３電極Ｒｘ（ａ，ｂ）の平面の法線方向の距離をｚ_０とし、この時の各相互容量は以下の数式１のように表せる。

ここで、Ｋ１とＫ２はそれぞれ、第２絶縁体１３の誘電率や厚み、各電極パターンの大きさやＸ方向、Ｙ方向の位置などによって決まる比例定数である。
図９に示すように、−Ｚ方向に押圧した場合、圧力の強さに応じて第２電極Ｔｘ（ｄ）は第３電極Ｒｘ（ａ−１，ｂ）と第３電極Ｒｘ（ａ，ｂ）に近づく。つまり、距離がｚ_０からｚ_０−Δｚになる。この場合、重なりＢの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｚと重なりＡの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｚは、Δｚに応じて、以下の数式２のように変化する。

数式１と数式２を連立させると、Δｚは以下の数式３のように表される。

弾性体の変形が弾性領域である場合、Δｚは応力に比例するので、数式３によって、容量の変化によって−Ｚ方向の応力を検出できる。

次に、図１０に示すように、＋Ｘ方向に押圧（せん断応力）が発生した場合を考える。その場合、第２電極Ｔｘは圧力の強さに応じて移動する。この場合、重なりＢの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｘと重なりＡの相互容量Ｃ［Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｘは、Δｘに応じて以下の数式４のように変化する。

ここで、Ｋ_ｐは図５で表した斜線部分の長さに比例する値である。数式１と数式４から、Δｘは以下の数式５のように表せる。

第２絶縁体１３の変形が弾性領域である場合、Δｘは応力に比例するので、数式５によって、容量の変化によって＋Ｘ方向の応力を検出できる。

最後に、図１１に示すように、＋Ｘ方向の押圧と−Ｚ方向の押圧が同時に作用した場合を考える。この場合、第２電極Ｔｘ（ｄ）はＺ方向へΔｚ移動し、さらにＸ方向へΔｘ移動すると考える。Ｃ［Ｒｘ（ａ，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｚｘとＣ［Ｒｘ（ａ−１，ｂ）／Ｔｘ（ｄ）］ｚｘは、数式４のＺ_０をＺ−Δｚに置き換えて計算できるので、以下の数式６のように表せる。

数式６と数式１から、以下の数式７が得られる。

以上より、Δｚは、下記の数式８に比例する。

また、以上より、Δｘは、下記の数式９に比例する。

以上に述べたように第１電極Ｔｙ及び第２電極Ｔｘが第３電極Ｒｘに対して平面視において多数の交点を形作るように配置されているので、交点の相互容量を測定することによって、指の接触位置とその圧力が検出できる。つまり、指が第１電極Ｔｙ及び第２電極Ｔｘに近づくと、接触位置に近い交点の相互容量が変化し、さらに押圧によって、第２絶縁体１３が変形すれば第１電極Ｔｙ及び第２電極Ｔｘが第３電極パターンＲｘに近づくことでその交点の相互容量が変化する。
例えば、Ｙ方向へのせん断力がある点に作用すると、第１電極Ｔｙにおいてせん断力が作用した部分では、第１電極Ｔｙと隣接する一対の第３電極Ｒｘとの各交点（第１電極Ｔｙが対応する一対の第３電極Ｒｘに対して平面視で重なった部分）の面積が変化させられる。これにより、当該第１電極Ｔｙと一方の第３電極Ｒｘとの間の静電容量が増加し、当該第１電極Ｔｙと他方の第３電極Ｒｘとの間の静電容量が減少する。

（６）タッチパッド装置の制御構成
図１を用いて、タッチパッド装置１の制御構成を説明する。
制御回路５は、マイクロコントローラ２５を有している。マイクロコントローラ２５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するコンピュータである。

制御回路５は、信号発生回路２７を有している。信号発生回路２７は、第１電極パターンＴｙ又は第２電極パターンＴｘと、マイクロコントローラ２５に接続されている。信号発生回路２７は、第１電極パターンＴｙ又は第２電極パターンＴｘに電圧パルスを印加可能である。
制御回路５は、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）２９を有している。ＡＤＣ２９はマイクロコントローラ２５にデジタル信号を入力可能に接続されている。
制御回路５は、アンプ回路３３を有している。アンプ回路３３は、第３電極パターンＲｘ及びＡＤＣ２９に接続されている。アンプ回路３３は、第３電極パターンＲｘからのアナログ信号を増幅してＡＤＣ２９に送信する。

マイクロコントローラ２５は、第１電極パターンＴｙ及び第２電極パターンＴｘと第３電極Ｒｘとの重なり部分（交点）の相互容量を検出可能である。つまり、マイクロコントローラ２５が静電容量測定回路としての機能を有している。具体的には、マイクロコントローラ２５は、第３電極Ｒｘと当該第３電極Ｒｘに平面視で重なっている第１電極Ｔｙとの間で発生する静電容量を検出可能である。マイクロコントローラ２５は、第３電極Ｒｘと当該第３電極Ｒｘに平面視で重なっている第２電極パターンＴｘとの間で発生する静電容量を検出可能である。
さらに具体的には、マイクロコントローラ２５は、信号発生回路２７を介して、第１電極パターンＴｙ又は第２電極パターンＴｘを送信電極として電圧パルスを順次印加し、複数の第３電極Ｒｘを受信電極として受信強度を測定することにすることで、各電極交点における相互容量の変化を検出する。

制御回路５は、ゲート駆動回路３５を有している。ゲート駆動回路３５は、複数の制御線（後述）によって、複数のスイッチング素子（後述）のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチング制御部である。ゲート駆動回路３５は、マイクロコントローラ２５に接続されている。マイクロコントローラ２５は、静電容量の検出タイミングと、ゲート駆動回路３５の切り替えタイミングとを制御する。
マイクロコントローラ２５は、各交点における相互容量の変化に基づいて、圧力作用位置を算出する。つまり、マイクロコントローラ２５は、圧力作用位置算出回路の機能を有している。圧力作用位置の算出技術は公知であるので、説明を省略する。

マイクロコントローラ２５は各交点における相互容量の変化に基づいて、圧力を算出する。つまり、マイクロコントローラ２５は、圧力算出回路の機能を有している。
この装置では、例えば指が保護層１７を押すと、マイクロコントローラ２５が第２電極Ｔｘ又は第１電極Ｔｙに信号を送り、第３電極Ｒｘが受ける信号をアンプ回路３３によって増幅された信号としてＡＤＣ２９を介して受け取ることで、マイクロコントローラ２５が、第２電極Ｔｘ又は第１電極Ｔｙと第３電極Ｒｘとの相互容量を測定できる。そして、マイクロコントローラ２５が圧力作用位置を算出し、さらに圧力（入力面に対する法線方向の応力及びせん断応力）を算出する。

図１２を用いて、スイッチング素子２１のアクティブマトリックスによる第３電極Ｒｘの切り替え回路を説明する。図１２は、第３電極パターンのアクティブマトリックスを示す模式図である。図１２では、例として、３×３＝９エレメントの第３電極Ｒｘにそれぞれスイッチング素子が取り付けてある形態を示す。なお、実際は１０×１５＝１５０など、エレメントの数がより多くてもよいが、説明の簡略のために図１３を使って説明する。この実施形態では、スイッチング素子２１は、支持基板１１の第２面に設けられている。第３電極Ｒｘとスイッチング素子２１は、貫通穴に設けられた接続線２３によって接続されている。なお、スイッチング素子は第３電極Ｒｘと同じ側の面に設けられてもよい。スイッチング素子２１は、例えば、ＦＥＴなどのトランジスタや、フォトカプラなどである。ただし、スイッチング素子２１の種類は特に限定されない。
スイッチング素子２１は、各列に制御線５３ａ〜５３ｃによってゲート駆動回路３５に接続されている。複数の制御線５３ａ〜５３ｃは、並び方向と交差する方向に延びており、当該方向に並んだ複数のスイッチング素子２１に接続されている。

以上に述べた構造によって、第３電極Ｒｘは、アクティブマトリックス内で、スイッチング素子２１を介して、アンプ回路３３（図１２）の入力に接続されている。具体的には、スイッチング素子２１の一端は各第３電極Ｒｘに接続されており、他端は各行ごとに読み出し線５１ａ〜５１ｃよってアンプ回路３３に接続されている。言い換えると、複数の読み出し線５１ａ〜５１ｃは、複数のスイッチング素子２１のうち一方向に並んだ複数のスイッチング素子２１に接続されている。また、読み出し線５１ａ〜５１ｃは、当該複数のスイッチング素子２１の並び方向に延びて、アンプ回路３３に接続されている。

ゲート駆動回路３５（スイッチング制御部の一例）は、スイッチング素子２１によって各第３電極Ｒｘを選択的に制御回路５に接続する方法、いわゆるアクティブマトリックスによる検出を用いるために用いられる。ゲート駆動回路３５は、マイクロコントローラ２５からの指令に応じて複数の制御線５３ａ〜５３ｃによって、スイッチング素子２１のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

ゲート駆動回路３５が任意の列のスイッチング素子２１のみをＯＮにして、その列の第３電極Ｒｘを個別にアンプ回路３３に接続できる。図１２では、第３電極Ｒｘ（３，１）〜Ｒｘ（３，３）に接続されているスイッチング素子２１をゲート駆動回路３５がＯＮにした状態を示している。この時、第３電極Ｒｘ（３，１）〜Ｒｘ（３，３）だけ個別にアンプ回路３３に接続されており、それ以外の第３電極Ｒｘはスイッチング素子２１がＯＦＦであるのでアンプ回路３３に接続されない。

以上に述べた構成では、ゲート駆動回路３５が１本の制御線によって複数のスイッチング素子２１をＯＮにした状態において、マイクロコントローラ２５が複数の読み出し線５１ａ〜５１ｃを順番に検出することで、第１電極パターンＴｙ又は第２電極パターンＴｘと第３電極パターンＲｘとの交点の静電容量変化を検出する。つまり、読み出し線５１ａ〜５１ｃが複数のスイッチング素子２１を介して複数の第３電極Ｒｘに接続されているので、読み出し線の数を減らすことができる。この結果、多くの第３電極Ｒｘが配置された構造において、読み出し線を問題なく配置できる。
比較例として、上記の構成を採用せず、第３電極Ｒｘをすべて個別にアンプ回路に引き回す場合（以後、「全引き回し」と表記する）は、引き回し配線が多くなりすぎて、現実的には不可能であると考えられる。少なくとも、第３電極が４×４以上のマトリックスの場合は、「全引き回し」の場合より、本実施形態のアクティブマトリックスの方が、制御回路への引き回し配線の数が半分以下になるので、有効である。

（７）圧力作用位置及び圧力の検出制御 図１３を用いて、マイクロコントローラ２５によるタッチパッド装置１のタッチ検出制御動作を説明する。図１３は、圧力測定の制御フローチャートである。

最初に、マイクロコントローラ２５は、アンプ回路３３からのレベル信号に基づいて、タッチ入力の有無を判断する（ステップＳ１）。

タッチされたと判断されれば（ステップＳ１でＹｅｓ）、マイクロコントローラ２５が、第１電極パターンＴｙと第３電極パターンＲｘとの交点の静電容量を測定する（ステップＳ２）。
マイクロコントローラ２５が、第２電極パターンＴｘと第３電極パターンＲｘとの交点の静電容量を測定する（ステップＳ３）。
各交点の静電容量の値は、マイクロコントローラ２５のメモリに保存される。

ステップＳ２とステップＳ３の順序は前記実施例に限定されない。
次にマイクロコントローラ２５は、タッチの圧力作用位置及び圧力をそれぞれ決定する（ステップＳ４）。

図１４を用いて、ステップＳ２の各交点の静電容量の測定制御を説明する。図１４は、第１電極パターンと第３電極パターンとの間の静電容量測定制御のフローチャートである。
最初に、マイクロコントローラ２５は、第１電極パターンＴｙに駆動電圧を供給する（ステップＳ１１）。
次に、ゲート駆動回路３５が、スイッチング素子２１の一列をＯＮにする（ステップＳ１２）。

マイクロコントローラ２５は、読み出し線から順番に第３電極Ｒｘからの信号を読み取る（ステップＳ１３）。
読み出された値はメモリに保存される（ステップＳ１４）。
次に、全列での測定がされたか否かが判定される（ステップＳ１５）。測定されていない列があれば（ステップＳ１５でＮｏ）、プロセスはステップＳ１２に戻る。全ての列の交点で相互容量が測定されれば（ステップＳ１５でＹｅｓ）、プロセスは終了する。

図１５を用いて、ステップＳ３の各交点の容量値測定制御を説明する。図１５は、第２電極パターンと第３電極パターンとの間の静電容量測定制御のフローチャートである。
最初に、マイクロコントローラ２５は、第１電極パターンＴｙに駆動電圧を供給する（ステップＳ１６）。
次に、ゲート駆動回路３５が、スイッチング素子２１の一列をＯＮにする（ステップＳ１７）。

マイクロコントローラ２５は、読み出し線から順番に第３電極Ｒｘからの信号を読み取る（ステップＳ１８）。
読み出された値はメモリに保存される（ステップＳ１９）。
次に、全列での測定がされたか否かが判定される（ステップＳ２０）。測定されていない列があれば（ステップＳ２０でＮｏ）、プロセスはステップＳ１７に戻る。全ての列の交点で相互容量が測定されれば（ステップＳ２０でＹｅｓ）、プロセスは終了する。

以上の結果、シート状弾性体に加わるＸ，Ｙ，Ｚ方向の応力全ての面内分布が検出できるようになる。上記装置の応用例として、複数の指で触った場合に、各指のＸＹＺ方向の力が検出できている。ＰＣのタッチパッドのような入力デバイスとして応用すれば、疑似的に回転方向の応力も検出できるので、“つまむ”や、“表面を捩じる”などの新しいジェスチャーを検出できるようになる。また、３Ｄ画像を操作する新しい入力デバイスにもなり得る。

このセンサの応用例としては、体圧分布を測定するものがある。例えば、歩行又は走行計測のため、足裏に掛かる圧力分布を測定する場合など、せん断力の測定が望まれている。また、ベッドに敷けば、寝ている人に加わる体全体のせん断力の分布が測定できるので、床ずれの研究や予防などに役立つ。

２．他の実施形態
以上、本発明の一又は複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。

各層の積層順序及び他の層の有無は、前記実施形態に限定されない。

各層の材料及び厚みは、前記実施形態に限定されない。
制御構成は前記実施形態に限定されない。
制御フローチャートは前記実施形態に限定されない。具体的には、複数のステップの順序及び有無は特に限定されない。特に、前後して説明されたステップは、全て同時に又は一部同時に行われてもよい。

第４電極パターンＴａと第３電極パターンＲｘとの間で静電容量を測定してもよい。
第４電極パターンのＴａの静電容量を測定することで、弱い圧力を測定できるようにしてもよい。

本発明は、圧力検出装置に広く適用できる。

１ ：タッチパッド装置
３ ：センサ部
５ ：制御回路
１１ ：支持基板
１３ ：第２絶縁体
１５ ：第１絶縁体
２５ ：マイクロコントローラ
２７ ：信号発生回路
３３ ：アンプ回路
３５ ：ゲート駆動回路
Ｒｘ ：第３電極パターン
Ｔａ ：第４電極パターン
Ｔｘ ：第２電極パターン
Ｔｙ ：第１電極パターン

Claims (4)

1. 圧力が入力される側と反対側から順番に並んで積層された、支持基板と、前記支持基板より剛性が低く圧力が作用すると弾性変形する第２絶縁体と、第１絶縁体と、
   前記第２絶縁体と前記支持基板との間に全面的に敷き詰められるように設けられた複数の電極と、
   前記第１絶縁体の前記第２絶縁体と反対側において第１方向に延びて設けられた、前記複数の電極のうち前記第１方向と交差する方向に隣接する電極同士の間に延びることで前記隣接する電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている複数の第１帯状電極と、
   前記第１絶縁体と前記第２絶縁体との間において前記第１方向に交差する第２方向に延びて設けられた、前記複数の電極のうち前記第２方向と交差する方向に隣接する電極同士の間に延びることで前記隣接する電極のそれぞれの一部にのみ平面視で重なっている複数の第２帯状電極と、
   前記電極と当該電極に平面視で重なっている第１帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能であり、前記電極と当該電極に平面視で重なっている第２帯状電極との間で発生する静電容量を検出可能な静電容量測定回路と、
   圧力が加えられて前記第２絶縁体が変形するときに、平面視で互いに重なっている電極と第１帯状電極との重なり面積及び／又は平面視で互いに重なっている電極と第２帯状電極との重なり面積が変化することで前記静電容量測定回路によって得られた静電容量測定結果に基づいて、せん断力を算出する、圧力算出回路と、
   を備えた圧力検出装置。
2. 前記複数の電極に一対一で接続された複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子のうち前記第１方向又は前記第２方向に並んだ複数のスイッチング素子に接続されており、当該複数のスイッチング素子の並び方向に延びて前記静電容量測定回路に接続された複数の読み出し線と、
   前記並び方向と交差する方向に延びており、当該方向に並んだ複数のスイッチング素子に接続された複数の制御線と、
   前記複数の制御線によって、前記複数のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチング制御部と、
   をさらに備えた、請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記第２絶縁体の弾性率は、０．００１〜１０ＭＰａである、請求項１又は２に記載の圧力検出装置。
4. 前記第１絶縁体は前記第２絶縁体より薄い、請求項１〜３のいずれかに記載の圧力検出装置。

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