JP2021149879A - 荷重センサおよび操作入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量に基づく荷重検出の精度をさらに向上させる。【解決手段】電極と、前記電極と対向するセンサ用弾性体部と、操作面に加わる荷重を検出する検出部と、アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部と、を備え、前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで前記電極から離隔するように配置され、前記検出部は、前記電極からの前記センサ用弾性体部の離隔に伴う前記電極と前記センサ用弾性体部との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて前記操作面に加わる荷重の大きさを検出する、荷重センサが提供される。【選択図】図４

Description

本発明は、荷重センサおよび操作入力装置に関する。

近年、ユーザによるタッチ操作や押下操作等を検出するための技術が開発されている。また、検出した操作に対しフィードバックを返す技術が開発されている。例えば、特許文献１には、静電容量式のタッチセンサと振動フィードバックを発生させる駆動部を備える入力装置が開示されている。

特開２０１９−１５３２７２号公報

しかし、特許文献１に開示されるような入力装置では、操作を検出するための部材と、振動フィードバックを発生させるための部材とを、それぞれ別途に製造し組み合わせる必要があり、構成が複雑となる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、より簡易な構成で操作を検出し、当該操作に対する振動フィードバックを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電極と、前記電極と対向するセンサ用弾性体部と、操作面に加わる荷重を検出する検出部と、アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部と、を備え、前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで前記電極から離隔するように配置され、前記検出部は、前記電極からの前記センサ用弾性体部の離隔に伴う前記電極と前記センサ用弾性体部との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて前記操作面に加わる荷重の大きさを検出する、荷重センサが提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、操作面、アクチュエータ、および複数の荷重センサを備え、前記荷重センサは、電極と、前記電極と対向するセンサ用弾性体部と、操作面に加わる荷重を検出する検出部と、前記アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部と、を備え、前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで前記電極から離隔するように配置され、記検出部は、前記電極からの前記センサ用弾性体部の離隔に伴う前記電極と前記センサ用弾性体部との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて前記操作面に加わる荷重の大きさを検出する、操作入力装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、より簡易な構成で操作を検出し、当該操作に対する振動フィードバックを実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る操作入力装置の構成例を概略的に示した図である。 同実施形態に係る操作面に加わる荷重の方向と対向する方向に向けて電極から離隔するセンサ用弾性体部の一例を示す図である。 同実施形態に係る同実施形態に係る操作面に加わる荷重の方向と対向する方向に向けて電極から離隔するセンサ用弾性体部の一例を示す図である。 図３に示す弾性部材についてさらに詳細に説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る操作面に加わる荷重の方向と同一の方向に向けて電極１２０から離隔するセンサ用弾性体部の一例を示す図である。 同実施形態に係る図５に示す弾性部材についてさらに詳細に説明するための図である。 同実施形態に係る操作面に加わる荷重の大きさと、一般的な静電容量式荷重センサにより検出される静電容量の大きさとの関係を記録したグラフである。 同実施形態に係る操作面に加わる荷重の大きさと、本発明の一実施形態に係る荷重センサにより検出される静電容量の大きさとの関係を記録したグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、いずれかに符号を付し、同一の符号を省略する場合がある。

＜１．実施形態＞
＜＜１．１．操作入力装置の構成例＞＞
まず、本発明の一実施形態に係る操作入力装置１の構成例について簡単に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る操作入力装置１の構成例を概略的に示した図である。図１に示すように、本実施形態に係る操作入力装置１は、基板１１０に搭載される荷重センサ１０、操作面２０、アクチュエータ３０、およびベース４０を少なくとも備える。

本実施形態に係る荷重センサ１０は、ユーザの操作に伴い操作面２０に加わる荷重により変化する静電容量に基づいて、当該荷重の大きさを検出するセンサである。このために、本実施形態に係る荷重センサ１０は、検出部１６０を備える。本実施形態に係る荷重センサ１０は、ユーザによる操作が行われる操作面２０と、ベース４０との間に配置される基板１１０に搭載される。係る構成によれば、荷重センサ１０が検出した上記荷重の大きさに基づいて、操作面２０に対するユーザの操作（例えば、押下や接触）を判定することができる。

また、本実施形態に係る操作入力装置１は、複数の荷重センサ１０を備えてもよい。図１には、操作入力装置１が、４つの荷重センサ１０ａ〜１０ｄを備える場合の一例が示されている。なお、この場合、荷重センサ１０ａ〜１０ｄは、検出部１６０を共有してもよい。

また、図示されるように、荷重センサ１０ａ〜１０ｄは、操作面２０とベース４０との間において、それぞれ操作面２０の四隅付近に配置されてもよい。この場合、操作面２０において指や器具などにより操作が行われた位置に応じて、荷重センサ１０ａ〜１０ｄがそれぞれ検出する荷重の大きさは異なることとなる。

このため、上記のような構成によれば、荷重センサ１０ａ〜１０ｄがそれぞれ検出した荷重の大きさに基づいて、操作面２０において操作が行われた位置（座標）を検出し、当該位置の変化に基づいて、例えば、ユーザによるなぞり操作等を判定することが可能となる。

しかし、ここで、上記のようなユーザの操作に係る判定精度は、荷重センサが検出容量の変化の大きさに強く依存する。

例えば、一般的な静電容量式荷重センサは、電極と対向する導体との間に生じる静電容量の変化に基づいて荷重を検出する。より具体的には、一般的な静電容量式荷重センサでは、弾性体を経由して電極と対向する位置に導体部材が設けられており、ユーザの操作荷重により弾性体が変形して電極との間の距離が近づくことで静電容量が増大する。一般的な静電容量式荷重センサは、その静電容量変化を捉えることで荷重を検出する。

しかし、上記のような構成を有する一般的な静電容量式荷重センサの場合、図７に示すように、低荷重でユーザの操作頻度が高く、本来高い検出精度が要求される領域において、電極と当該電極と対向する導体の距離が遠くなるために静電容量の変化量が小さくなり、また荷重の検出精度が低くなる傾向がある。一方で、一般的な静電容量式荷重センサでは、高荷重でユーザの操作頻度が低く、高い検出精度を求められない領域において、電極と当該電極と対向する導体の距離が近くなるために静電容量の変化量が大きくなり、また荷重の検出精度が高くなる傾向がある。

このため、上記のような一般的な静電容量式荷重センサを用いる場合、高い検出精度が要求される低荷重領域に合わせて電極を大型化したり弾性体を柔らかくして静電容量の変化量を増やす必要があり、搭載性や操作フィーリングの低下が懸念されていた。

また、本実施形態に係る操作入力装置１は、検出したユーザの操作に対し、アクチュエータ３０が発生させる振動を用いたフィードバックを行う。本実施形態に係るアクチュエータ３０は、例えば、偏心モータ（ＥＲＭ：Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｓｓ）、リニア・バイブレータ（ＬＲＡ：Ｌｉｎｅａｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ａｃｔｕａｔｏｒ）、またはピエゾ（圧電）素子等であってもよい。

しかし、静電容量式荷重センサとアクチュエータとを一つの装置に組み込む場合、従来では、操作を検出するための部材と、振動フィードバックを発生させるための部材とを、それぞれ別途に製造し組み合わせる必要があり、構成が複雑となる傾向があった。

本発明に係る技術思想は上記の点に着目して発想されたものであり、静電容量に基づく荷重検出の精度をさらに向上させることを可能とする。また、本発明に係る技術思想は、より簡易な構成で操作を検出し、当該操作に対する振動フィードバックを実現する。

このために、本発明の一実施形態に係る荷重センサ１０は、電極１２０と、電極１２０と対向するセンサ用弾性体部１４０と、操作面２０に加わる荷重を検出する検出部１６０と、アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部１７０と、を少なくとも備える。また、センサ用弾性体部１４０は、操作面２０に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで電極１２０から離隔するように配置され、検出部１６０は、電極１２０からのセンサ用弾性体部１４０の離隔に伴う電極１２０とセンサ用弾性体部１４０との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて操作面２０に加わる荷重の大きさを検出する、ことを特徴の一つとする。

すなわち、一般的な静電容量式荷重センサが、ユーザによる操作に伴い、電極と弾性体部（例えば、操作面）との間の距離が近づくことで変化する静電容量に基づいて荷重を検出するのに対し、本実施形態に係る荷重センサ１０は、ユーザによる操作に伴い、電極１２０とセンサ用弾性体部１４０との間の距離が離れることで変化する静電容量に基づいて荷重を検出してよい。

また、本実施形態に係る荷重センサ１０は、センサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０が操作面２０に加わる荷重により、連動して動作するに構成されてよい。

以下、上記の特徴を有する荷重センサ１０の構成例について具体例を挙げながら詳細に説明する。

＜＜１．２．荷重センサ１０の構成例＞＞
上述したように、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０は、操作面２０に加わる荷重により電極１２０から離隔するように配置される。本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０は、例えば、操作面２０に加わる荷重の方向と対向する方向、すなわち操作面２０の方向に向けて電極１２０から離隔するように配置されてもよい。
されてもよい。

図２は、操作面２０に加わる荷重の方向と対向する方向に向けて電極１２０から離隔するセンサ用弾性体部１４０の一例を示す図である。なお、図２の左側には、非操作時における操作面２０および荷重センサ１０の一部の断面が、図２の右側には、操作時における操作面２０および荷重センサ１０の一部の断面がそれぞれ示されている。

図２の左側に示すように、本実施形態に係る荷重センサ１０は、基板１１０に配置される電極１２０およびグランド電極１３０、センサ用弾性体部１４０、および振動用弾性体部１７０を備える。なお、センサ用弾性体部１４０は、弾性部材１８０の一部として形成されてもよい。

図２に示す一例の場合、電極１２０は、基板１１０において操作面２０側の面（上面）に配置される。また、グランド電極１３０は、基板１１０において弾性部材１８０と接触する位置に配置される。なお、本実施形態に係る電極１２０とグランド電極１３０とは、必ずしも同一の基板上に配置されなくてもよい。

また、この場合、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０は、振動用弾性体部１７０と接触する第１の領域１４１、電極を被覆する第２の領域１４２、および第１の領域１４１および第２の領域１４２の間において基板１１０と接触する第３の領域１４３を有する。

上記の第１の領域１４１、第２の領域１４２、および第３の領域１４３は、操作時において、それぞれ、力点、作用点、支点として機能する。具体的には、図２の右側に示すように、操作面２０に対する操作が行われると、操作面２０の背面と第１の領域１４１との間に配置される振動用弾性体部１７０が第１の領域１４１を押下することにより、第１の領域１４１が力点となり、支点となる第３の領域１４３を挟んで、作用点となる第２の領域１４２が操作面２０の方向に向けて押し上げられる。

このように、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０は、操作面２０に加わる荷重により、第１の領域１４１を力点、第３の領域１４３を支点として、作用点となる第２の領域１４２が上記荷重の方向と対向する方向に向けて電極１２０から離隔するように配置されてもよい。

上記のような構成によれば、高い検出精度を要求される操作荷重の低い領域において電極１２０と対向するセンサ用弾性体部１４０（導体）の距離を近くすることができる。これによれば、より重要な領域において操作に伴う静電容量の変化量を大きくすることができ、当該変化量に基づく荷重の検出精度を向上させることが可能となる。

また、図２に示すように、センサ用弾性体部１４０と操作面２０の背面との間に振動用弾性体部１７０を配置することにより、従来と比較して、構成をより簡素化することができる。センサ用弾性体部１４０は、上述したように、てこの原理により動作するために、ある程度の硬さが求められる。一方、振動用弾性体部１７０は、振動を効果的に操作面２０に伝達するために、ある程度の柔らかさが要求される。本実施形態に係る荷重センサ１０によれば、上記のように強度要件の異なる２つの弾性体を重ねて配置することで、操作の検出および振動フィードバックを効率的に実現することが可能である。

なお、本実施形態に係る弾性部材１８０は、図示するように、電極１２０が配置される基板１１０を挟み込むクリップ構造１４５を有してもよい。図２に示す一例の場合、センサ用弾性体部１４０は、一端において、コの字型（Ｕ−ｓｈａｐｅｄ）のクリップ構造１４５を有し、クリップ構造１４５により基板１１０に着脱可能に形成される。

本実施形態に係るクリップ構造１４５によれば、保持構造を別途に製造、取り付けすることなく、簡易な構造でセンサ用弾性体部１４０と基板１１０との位置関係を保持することができる。

以上、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０が、操作面２０に加わる荷重の方向と対向する方向に向けて電極１２０から離隔する場合の構成について一例を示した。一方、本実施形態に係る荷重センサ１０の構成は係る例に限定されない。例えば、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０および振動用弾性体部１７０は、図３に示すように、一体の弾性部材１８０として形成されてもよい。

また、この場合、振動用弾性体部１７０は、固定部材１５０により操作面２０の背面に固定されてもよい。係る構成によれば、弾性部材１８０を、操作面２０を保持する保持構造として兼ねることも可能である。

なお、センサ用弾性体部１４０および振動用弾性体部１７０が一体の弾性部材１８０として形成される場合、センサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０とは、互いに強度が異なるように形成される。図４は、図３に示す弾性部材１８０についてさらに詳細に説明するための図である。図４の上段には、弾性部材１８０の上面図が示され、下段に弾性部材１８０の側面図が示されている。

図４に示すように、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０とは、図中における短手方向の幅が異なるように形成されてもよい。具体的には、振動用弾性体部１７０は、短手方向の幅が、センサ用弾性体部１４０の短手方向の幅よりも狭くなるように形成されてもよい。このような形状によれば、センサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０とが同一素材で形成される場合であっても、振動用弾性体部１７０に求められる柔らかさの要件を満たすことが可能である。

以上、本実施形態に係る荷重センサ１０の構成に関し、センサ用弾性体部１４０および振動用弾性体部１７０が一体の弾性部材１８０として形成され、またセンサ用弾性体部１４０が、荷重の方向と対向する方向に向けて電極１２０から離隔する場合の例を示した。図３に示した構成によれば、図２に示した一例と比較して、センサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０の位置関係にずれが生じる可能性を排除することができる。また、図３に示した構成によれば、図２に示した一例と比較して、センサ用弾性体部１４０と振動用弾性体部１７０とを密着させるためのプリロードの印加が不要となり、構成をより簡素にすることができる。

次に、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０が、操作面２０に加わる荷重の方向と同一の方向に向けて電極１２０から離隔するように配置される場合の例を示す。すなわち、本実施形態に係るセンサ用弾性体部１４０は、操作面２０に加わる荷重の方向と同一の方向に向けて電極１２０から離隔するように配置されてもよい。

図５は、操作面２０に加わる荷重の方向と同一の方向に向けて電極１２０から離隔するセンサ用弾性体部１４０の一例を示す図である。センサ用弾性体部１４０が荷重と同一方向に向けて電極１２０から離隔する場合、図５に示すように、電極１２０は、基板１１０において、操作面２０側とは反対の面（下面）に配置される。なお、グランド電極１３０は、基板１１０において弾性部材１８０と接触する位置に配置されればよい。

また、この場合、振動用弾性体部１７０は、その一端において基板１１０の下方に配置されるセンサ用弾性体部１４０と接続し、他端において付近において操作面２０の背面と接触するように配置される。なお、センサ用弾性体部１４０および振動用弾性体部１７０は、図示するように一体の弾性部材１８０として形成されてもよい。

上記のような構成によれば、図５の右側に示すように、操作面２０に加わる荷重により、振動用弾性体部１７０とともにセンサ用弾性体部１４０が押下され、荷重の方向と同一の方向に向けて電極１２０から離隔する。

また、この場合であっても、振動用弾性体部１７０は、図６に示すように、短手方向の幅が、センサ用弾性体部１４０の短手方向の幅よりも狭くなるように形成されてもよい。係る形状によれば、振動用弾性体部１７０に求められる柔らかさの要件を満たすことが可能である。

以上、本実施形態に係る操作入力装置１および荷重センサ１０の構成について具体例を挙げながら説明した。上記で説明したように、本実施形態に係る操作入力装置１および荷重センサ１０の構成は、仕様等に応じて柔軟に変形可能である。

＜＜１．３．静電容量変化量の増大効果＞＞
次に、本実施形態に係る荷重センサ１０が奏する、静電容量変化量の増大効果について説明する。ここでは、電極と弾性体部（例えば、操作面との間の距離が近づくことで変化する静電容量に基づいて荷重を検出する一般的な静電容量式荷重センサにより検出される静電容量の変化量と、本実施形態に係る荷重センサ１０により検出される静電容量の変化量とを比較する。

図７は、操作面に加わる荷重の大きさと、一般的な静電容量式荷重センサにより検出される静電容量の大きさとの関係を記録したグラフである。また、図８は、操作面２０に加わる荷重の大きさと、本実施形態に係る荷重センサ１０により検出される静電容量の大きさとの関係を記録したグラフである。なお、図７および図８においては、横軸に荷重［Ｎ］の大きさが、縦軸に検出される静電容量［ｐＦ］の大きさがそれぞれ示されている。また、図７および図８における荷重［Ｎ］の尺度は同一である。

図７に示すグラフは、一般的な静電容量式荷重センサの場合、荷重が比較的小さいうちは検出される静電容量の大きさにはほとんど変化が見られず、荷重が比較的大きくなると、静電容量が大きく増加する傾向があることを示している。

一方、図８に示すグラフは、本実施形態に係る荷重センサ１０の場合、静電容量は荷重がごく小さいうちに大きく低減し、その後は荷重の増加に伴って緩やかに低減する傾向があることを示している。

これらことから、本実施形態に係る荷重センサ１０は、一般的な静電容量式荷重センサと比べ、操作面２０に加わる荷重が小さい場合であっても、静電容量の変化量をより大きく検出できる、といえる。すなわち、本実施形態に係る荷重センサ１０によれば、小さな荷重を精度高く検出することができ、ひいては操作面２０に対する操作の判定精度を効果的に向上させることが可能となる。

＜２．補足＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０：荷重センサ、１１０：基板、１２０：電極、１３０：グランド電極、１４０：センサ用弾性体部、１４１：第１の領域、１４２：第２の領域、１４３：第３の領域、１４５：クリップ構造、１５０：固定部材、１６０：検出部、１７０：振動用弾性体部、１８０：弾性部材、２０：操作面、３０：アクチュエータ、４０：ベース

Claims (9)

1. 電極と、前記電極と対向するセンサ用弾性体部と、操作面に加わる荷重を検出する検出部と、アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部と、を備え、
   前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで前記電極から離隔するように配置され、
   前記検出部は、前記電極からの前記センサ用弾性体部の離隔に伴う前記電極と前記センサ用弾性体部との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて前記操作面に加わる荷重の大きさを検出する、
   荷重センサ。
2. 前記センサ用弾性体部および前記振動用弾性体部は、一体の弾性部材として形成される、
   請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記振動用弾性体部は、前記操作面の背面に固定される、
   請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重の方向と対向する方向に向けて前記電極から離隔するように配置される、
   請求項１から請求項３までのうちいずれか一項に記載の荷重センサ。
5. 前記センサ用弾性体部は、前記振動用弾性体部と接触する第１の領域、前記電極を被覆する第２の領域、および前記第１の領域および前記第２の領域の間において基板と接触する第３の領域を有し、前記操作面に加わる荷重により、前記第１の領域を力点、前記第３の領域を支点として、作用点となる前記第２の領域が前記荷重の方向と対向する方向に向けて前記電極から離隔するように配置される、
   請求項４に記載の荷重センサ。
6. 前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重の方向と同一の方向に向けて前記電極から離隔するように配置される、
   請求項１に記載の荷重センサ。
7. 前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により、前記振動用弾性体部とともに押下されることで、前記荷重の方向と同一の方向に向けて前記電極から離隔するように配置される、
   請求項６に記載の荷重センサ。
8. 前記弾性部材は、前記電極が配置される基板を挟み込むクリップ構造を有する、
   請求項２に記載の荷重センサ。
9. 操作面、アクチュエータ、および複数の荷重センサを備え、
   前記荷重センサは、
   電極と、前記電極と対向するセンサ用弾性体部と、操作面に加わる荷重を検出する検出部と、前記アクチュエータの動作により発生する振動を前記操作面に伝達する振動用弾性体部と、を備え、
   前記センサ用弾性体部は、前記操作面に加わる荷重により前記振動用弾性体が押下されることで前記電極から離隔するように配置され、
   前記検出部は、前記電極からの前記センサ用弾性体部の離隔に伴う前記電極と前記センサ用弾性体部との間の静電容量の変化を検出し、当該静電容量の変化の大きさに基づいて前記操作面に加わる荷重の大きさを検出する、
   操作入力装置。
   

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