JP3763103B2

JP3763103B2 - 静電容量式センサー

Info

Publication number: JP3763103B2
Application number: JP02528594A
Authority: JP
Inventors: 森本　　英夫; 和廣岡田
Original assignee: Nitta Corp; Wacoh Corp
Current assignee: Nitta Corp; Wacoh Corp
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: JPH07234756A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ディスプレイに表示されるカーソルの移動操作部として利用される静電容量式センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディスプレイに表示されるカーソルの移動操作部として利用できる静電容量式センサーとしては、既に、図１６に示すような形式のものを開発している。
【０００３】
このセンサーは図１７や図１８に示すように、キーボードＫＢに配列された近接するキーＫ相互間の横・縦隙間部Ｇ_x，Ｇ_y1，Ｇ_y2に配置できるようにしたもので、図１６や図１９に示すように、横延部Ｘとこれから上下に延びる縦延部Ｙ１，Ｙ２から成り且つ隙間を設けて相互に対向すべく配設された基板１，２と、前記基板１の上部に設けられ且つキートップ面から突出した操作軸１０と、前記基板１における基板２との対向面に設けられた電極Ｄと、前記基板２における基板１との対向面に設けられた電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−とを有している。
【０００４】
そして、前記横延部Ｘに対する縦延部Ｙ１，Ｙ２の位置を、キーボードＫＢに配列された近接するキーＫ相互間にできる縦隙間部Ｇ_Y1，Ｇ_Y2の位置に適合させると共に、横・縦延部Ｘ，Ｙ１，Ｙ２の幅を横・縦隙間部Ｇ_X，Ｇ_Y1，Ｇ_Y2の幅よりも小さく設定している。
【０００５】
尚、このセンサーでは、図１６に示すように、電極Ｄと電極Ｄｘ＋によりコンデンサＣｘ＋（検出素子となる。以下のＣｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−も同じ）が、電極Ｄと電極Ｄｘ−によりコンデンサＣｘ−が、電極Ｄと電極Ｄｙ＋によりコンデンサＣｙ＋が、電極Ｄと電極Ｄｙ−によりコンデンサＣｙ−が、それぞれ形成され、各コンデンサの静電容量は操作軸１０の傾倒操作に伴う基板１の基板２に対する接離により変化するようにしてある。そして、図示していない電子装置により、各コンデンサの静電容量の変化を電圧Ｖｘ＋，Ｖｘ−，Ｖｙ＋，Ｖｙ−の変化に変換できるものとしてあり、Ｘ−Ｘ方向の操作軸１０の傾倒量が〔（Ｖｘ＋）−（Ｖｘ−）〕に、Ｙ−Ｙ方向の操作軸１０の傾倒量が〔（Ｖｙ＋）−（Ｖｙ−）〕にそれぞれ変換されると共にこれらの電圧の絶対値の大きさによりカーソルの移動速度が決定されるようにしてある。
【０００６】
しかしながら、この静電容量式センサーでは、縦隙間部Ｇ_Y1，Ｇ_Y2が操作軸１０の配置点を含むＹ線上からＸ線方向にズレていることから、コンデンサＣｙ＋及びコンデンサＣｙ−の静電容量が最も変化するこれらコンデンサＣｙ＋，Ｃｙ−相互をむすぶ直線方向とセンサーのＹ軸方向とが一致していない。したがって、操作軸１０に対してＸ，Ｙ軸方向に同じ力を加えた場合でも、基板２に対する基板１の接近量又は離反量が相違してしまう。換言すれば、この静電容量式センサーでは、センサーＸ，Ｙ軸と、センサから出力される電圧で決定される検出軸Ｘ，Ｙがずれるという問題がある。
【０００７】
近年、キーボードＫＢに配列されたキーＫ相互間にできる横・縦隙間部に配設でき、且つ、操作軸１０に作用する力の方向とカーソルの移動方向が相違しない静電容量式センサーの開発が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明では、キーボードに配列されたキー相互間にできる横・縦隙間部に配設でき、且つ、受力部に作用する力の方向とカーソルの移動方向が相違しない静電容量式センサーを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
この発明の静電容量式センサーは、基板２と、前記基板２の上方に平行配置された弾性変形可能な基板１と、前記基板１の上面に設けた操作軸１０とを有し、前記操作軸１０を介した基板１の変形により基板１，２相互間に形成される検出素子Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙの静電容量が変化するようにした静電容量式センサーにおいて、キーボードのキー相互間の隙間に配置されるものであって、基板１，２を、三本の片を略等角度間隔で放射線状に配置させて平面視略Ｙ字状に形成してあると共に、前記検出素子Ｃｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙを基板１，２の中央部相互間に集合させ、操作軸１０の基板１への配設位置を基板１の中央部とし、キーボードへの取付部を三本の片部分としてある。
【００１０】
尚、上記した基板１，２を構成する三本の片が、１２０°間隔で放射線状に配置してあるものとすることが好ましい。
【００１１】
【作用】
この発明は次のように作用する。
【００１２】
このセンサーでは、Ｘ又はＹ軸方向に力を操作軸１０に作用させた場合、以下に示すようになる。即ち、このセンサーでは、基板１，２は三本の片を略等角度間隔で放射線状に配置して構成してあるから、自然状態にある基板２に対する基板１の位置を「０」とすると共に接近した量を「＋」、離反した量を「−」とすると、基板２に対する基板１の接近量と離反量との合計は操作軸１０の傾倒方向にかかわらずほぼ一定となる。尚、ここでいう接近量及び離反量は、接近・離反した面積と接近・離反した距離とを含めた概念である。
【００１３】
したがって、操作軸１０に一定の外力を加えた場合、その外力の方向にかかわらず静電容量の変化はほぼ一定となり、また受力部に作用する力の方向とカーソルの移動方向が相違しないものとなる。
【００１４】
また、基板１，２は三本の片を略等角度間隔で放射線状に配置して構成してあるから、以下の実施例において示されるように、キーボードに配列されたキー相互間にできる横・縦隙間部に配設し得るものとなる。
【００１５】
【実施例】
この発明の構成を実施例として示した図面に従って説明する。
【００１６】
この実施例の静電容量式センサーＳは、図１に示すように、キーボードＫＢにおける文字キーの配列部Ａに配置させるためのものであり、図２や図３に示すように、五個の文字キーにおけるキーＫ相互の隙間Ｇ₁及び、ベース板ＢとキートップＫＴ相互間にできる隙間部Ｇ₂にセンサーを収容させ、図３に示すように、操作軸１０の上端部をキートップＫＴの文字形成面から突出させるようにしている。
【００１７】
尚、上記したキーＫには、図２や図３に示すように、キートップＫＴを被せてあるが、上記センサーＳの存在がキーの押し込み操作の邪魔にならないようにするためにキートップＫＴの側壁に切欠部ｈを設けている。
〔静電容量式センサーＳの全体構成〕
上記静電容量式センサーＳは、図４や図６に示すように、基板２と、前記基板２の上方に平行配置された弾性変形可能な基板１と、前記基板１の上面に設けた操作軸１０と、前記基板１，２相互の間隔を形成するためのスペーサ３とを有し、前記操作軸１０を介した基板１の変形により基板１，２相互間に形成される可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−の静電容量が変化する構成としてある。尚、この実施例では、前記可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−の静電容量をデジタル値に変換せしめる静電容量検出回路を設けてある。
〔基板１の構成〕
基板１は弾性合成樹脂製の薄板で構成されており、図５〜図７に示すように、円形状の電極配置部１１と、これの回りに１２０°間隔で放射線状に配置させてある支持片１２とから成り、全体が平面視略Ｙ字状に形成してある。
【００１８】
前記電極配置部１１の下面には、図５〜図７に示すように、円形状の電極Ｄを配置させてあり、他方、電極配置部１１の上面中央部には、同図に示すように、丸軸状の操作軸１０を配置させてあり、前記操作軸１０の傾倒操作により電極配置部１１が後述する電極配置部２１に対して接離するようにしてある。尚、上記電極Ｄは絶縁のため、レジスト皮膜等でコーティングしてある。
【００１９】
ここで、この基板１は支持片１２，１２相互の角度間隔を１２０°間隔としたが、これに限定されることなく平面視Ｙ字状であればこの発明の作用・効果を有する。
【００２０】
また、導電性を有する金属板等の弾性体で基板１を構成させた場合、基板１自体が電極として機能し、このため、電極Ｄを特に形成しなくてもよいものとなる。
〔基板２の構成〕
基板２はプリント基板（セラミック基板やホーロ基板等でもよい）により構成されており、図４、図５や図８に示すように、円形状の電極配置部２１と、これの回りに１２０°間隔で放射線状に配置させてある支持片２２とから成り、全体が平面視略Ｙ字状に形成してある。
【００２１】
前記電極配置部２１の上面には、図８に示すように、４つの扇型の電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−を配置させてある。尚、この電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−は絶縁のためレジスト皮膜等でコーティングしてある。
〔スペーサ３の構成〕
スペーサ３は、図５や図６に示すように、導電性を有する金属製の筒体（セラミック等の絶縁体でもよい）で構成されており、センサー組立状態では、このスペーサ３は上記基板１，２相互間に介装した状態でビス４０によって前記基板１，２と一体化される。
【００２２】
尚、スペーサ３はセンサの温度特性の観点から線膨張係数の小さいもを採用することが望ましい。
〔可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−の構成〕
可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−は、図５や図６に示すように、電極配置部１１に設けられた電極Ｄと、電極配置部２１に設けられた電極電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−とにより形成される。
【００２３】
尚、基板１が樹脂製の場合、電極Ｄは金属メッキにより、若しくはスクリーン印刷の製法により形成することができ、また、基板１に金属板をインサートモールディングすることにより形成することができる。また、基板２がプリント基板の場合、上記電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−はエッチングにより形成される。
【００２４】
ここで、この基板１を導電性を有する金属板で構成した場合、基板１には電極Ｄを形成する必要はなくなる。また、基板１側に電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−を、基板２側に電極Ｄを、それぞれ形成するようにして可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−を構成させることもでき、更に、基板１側に電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−を形成させると共に基板１を導電性を有する金属板で構成させるようにしても可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−を構成させることができる。
〔静電容量検出回路について〕
（１）上記静電容量式センサーは操作軸１０を介して基板１が変形すると、可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−，Ｃｙ＋，Ｃｙ−の静電容量が変化するが、この静電容量Ｘ軸方向またはＹ軸方向の力が加わった場合、可変コンデンサＣｘ＋と可変コンデンサＣｘ−、可変コンデンサＣｙ＋と可変コンデンサＣｙ−における静電容量は一方が増加し、他方が減少するという性質がある。
（２）ここで、Ｘ軸方向の静電容量検出回路だけについて考えて、図９に示すような位相差検出回路を設けると、静電容量の変化に応じたパルス出力、即ち、力や電極の相対位置に応じた出力を得ることができる。
【００２５】
尚、図９中、抵抗Ｒ１＝抵抗Ｒ２であり、また、センサーに力が加わっておらず且つ可変コンデンサＣｘ＋の静電容量＝可変コンデンサＣｘ−の静電容量のときにも、出力Ｐｘがパルスを出力できるように固定コンデンサＣｘｏを挿入してある。即ち、抵抗Ｒ１，可変コンデンサＣｘ＋で構成する回路の時定数ｔ_x1と抵抗Ｒ２，可変コンデンサＣｘ−，固定コンデンサＣｘｏで構成する回路の時定数ｔ_x2とが、等しくないようにするためである。
【００２６】
図９の回路におけるＡ点，Ｂ点，Ｃ点，Ｄ点，Ｂ’点（ＩＣ１のＢの入力点），Ｃ’点（ＩＣ１のＣの入力点）の動作をタイミングフローチャートで表すと図１０に示すようになる。
【００２７】
尚、ＩＣ１はＥＸ−ＮＯＲ回路でもよい。また、時定数ｔ_x1と時定数ｔ_x2とが等しくないようにするために抵抗Ｒ１≠抵抗Ｒ２とし、固定コンデンサＣｘｏを省略してもよい。
（３）操作軸１０に力が加わると、可変コンデンサＣｘ＋，Ｃｘ−の静電容量は逆方向に増減するので、時定数ｔ_x1，ｔ_x2も一方は大きくなり、他方は小さくなる。即ち、図１１に示すようになる。
【００２８】
したがって、Ｘ方向の力の方向と大きさに対応してＤ点での出力（以下、出力Ｄという）のパルスの「Ｈ」信号の幅（時間）が変化する。
【００２９】
以上、Ｘ軸について説明したが、Ｙ軸の検出についても同様のことがいえる。
（４）出力Ｄを制御や計測に利用するには、平滑回路を通してアナログ信号に変換することも考えられるが、マイクロコンピュータを使用してデジタル的に信号処理するには図１２に示すデジタル信号処理構成図を利用した回路を用いること好ましい。
【００３０】
ここで、図１２中
ポートＤＩ１：デジタル入力１（Ｘ軸出力検出用）
ポートＤＩ２：デジタル入力２（Ｙ軸出力検出用）
ポートＤＯ１：デジタル出力（位相差検出回路駆動用）
ポートＳＯ：シリアル出力（センサー情報のシリアル出力）
尚、ＳＯの代わりにデジタル出力ポートを利用してデジタル値をパラレル出力してもよい。
（５）マイクロコンピュータの内部では、クロックＣ１とＤＩ１，クロックＣ１とＤＩ２のＡＮＤ演算を行い、この間、内部カウンターで高速でカウントする。この値をＮｘ，Ｎｙとする（図１３参照）。クロックＣ１とＤＩ１，ＤＩ２のＡＮＤ演算を行うのは図１３に示すパルスＡとＢの幅が異なるので、後の信号処理を簡素化するためである。
（６）上記（５）でセンサーのＸ，Ｙ軸方向の出力に対応したカウンターのカウント値Ｎｘ，Ｎｙが得られたので、この値を基にマイクロコンピュータの演算機能を利用して目的に合った信号を演算し、出力すればデジタル信号化されたセンサーの出力情報が得られる。
（７）図１４に他の実施例のデジタル信号処理構成図を示す。このように構成した場合、クロック発生器を別にすることができ、マイクロコンピュータの負担を軽くすることができるという利点がある。
（８）尚、Ｎｘ，Ｎｙの和を求めれば、Ｚ軸の力の検出などに利用できる。
〔キーボードの基板及びメンブレンを利用した実施例〕
キーボードＫＢは通常、図１５に示すように、基板８３上に、メンブレン８２，８２と、スペーサ８１と、シリコンゴム板８０等を重ねるようにして構成されているが、この実施例では、キーボードＫＢの基板８３を上記基板２として使用し、基板１を基板８３上にスペーサ３を介して配置させ、更には、電極Ｄｘ＋，Ｄｘ−，Ｄｙ＋，Ｄｙ−を下側のメンブレン８２上に形成するようにしている。つまり、キーボードＫＢの部材を有効に使用している。
【００３１】
【発明の効果】
作用の欄に記載した内容から、キーボードに配列されたキー相互間にできる横・縦隙間部に配設でき、且つ、受力部に作用する力の方向とカーソルの移動方向が相違しない静電容量式センサーを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の静電容量式センサーのキーボード上の位置を示す平面図。
【図２】前記静電容量式センサーとキー相互間の隙間部との関係を示す平面図。
【図３】前記静電容量式センサーとキー相互間の隙間部との関係を示す側面図。
【図４】前記静電容量式センサーの外観斜視図。
【図５】前記静電容量式センサーの分解斜視図。
【図６】前記静電容量式センサーの部分断面図。
【図７】前記静電容量式センサーの上側基板の平面図。
【図８】前記静電容量式センサーの下側基板の平面図。
【図９】前記静電容量式センサーに使用される位相差検出回路図。
【図１０】前記位相差検出回路に示されたＡ点，Ｂ点，Ｃ点，Ｂ’点，Ｃ’点，Ｄ点における波形相互のタイミングチャート。
【図１１】前記静電容量式センサーの操作軸にＸ軸方向の力を加えた場合の、出力信号の変化を示す図。
【図１２】前記静電容量式センサーに使用されるデジタル信号処理構成図。
【図１３】前記デジタル信号処理構成図のマイクロコンピュータ内部でなされるデジタル信号のタイミングチャート。
【図１４】他の実施例のデジタル信号処理構成図。
【図１５】この発明の他の実施例の静電容量式センサーの断面図。
【図１６】先行技術である静電容量式センサーの外観斜視図。
【図１７】先行技術である静電容量式センサーのキーボード上の位置を示す平面図。
【図１８】先行技術である静電容量式センサーとキー相互間の隙間部との関係を示す平面図。
【図１９】先行技術である静電容量式センサーとキー相互間の隙間部との関係を示す側面図。
【符号の説明】
Ｃｘ＋可変コンデンサ
Ｃｘ− 可変コンデンサ
Ｃｙ＋可変コンデンサ
Ｃｙ− 可変コンデンサ
１基板
２基板
１０操作軸
１１電極配置部
１２支持片
２１電極配置部
２２支持片

Claims

基板（２）と、前記基板（２）の上方に平行配置された弾性変形可能な基板（１）と、前記基板（１）の上面に設けた操作軸（１０）とを有し、前記操作軸（１０）を介した基板（１）の変形により基板（１）（２）相互間に形成される検出素子（Ｃｘ＋）（Ｃｘ−）（Ｃｙ＋）（Ｃｙ−）の静電容量が変化するようにした静電容量式センサーにおいて、キーボードのキー相互間の隙間に配置されるものであって、基板（１）（２）を、三本の片を略等角度間隔で放射線状に配置させて平面視略Ｙ字状に形成してあると共に、前記検出素子（Ｃｘ＋）（Ｃｘ−）（Ｃｙ＋）（Ｃｙ−）を基板（１）（２）の中央部相互間に集合させ、操作軸（１０）の基板(１)への配設位置を基板（１）の中央部とし、キーボードへの取付部を三本の片部分としてあることを特徴とする静電容量式センサー。
基板（１）（２）を構成する三本の片が、１２０°間隔で放射線状に配置してあることを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサー。