JP4289553B2

JP4289553B2 - 静電容量式フォースセンサの操作機構

Info

Publication number: JP4289553B2
Application number: JP2004036081A
Authority: JP
Inventors: 周治古賀
Original assignee: Sunarrow Co Ltd
Current assignee: Sunarrow Co Ltd
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005228040A

Description

本発明は、携帯電話機やゲーム装置等の入力装置として用いられる静電容量式フォースセンサの操作機構に関する。

静電容量式フォースセンサには内部電極の対向様式から見て二つの形式がある。一つは固定電極に対する可動電極の傾斜角度を変化させて両電極間の間隔を変化させる傾斜型、もう一つは、可動電極を固定電極と平行に動かし、両電極が重なり合う面積を変化させるスライド型である。一般に、入力値の安定性に関しては、スライド型の方が傾斜型より優れるといわれる。

スライド型の静電容量式フォースセンサの一例は特許文献１に見られるが、そこに開示された可動電極の操作機構は、可動電極が固定された円板中央に取り付けられた突起状の「入力軸」を、操作者が操作面に沿って横方向に押して移動させるというものである。しかしながら、今日の携帯電話機等の操作は押し釦を上から押し下げる動作によるものが主流をなしており、これに対して入力軸を横方向へ押し動かす入力動作は、多くの操作者に違和感を抱かせるものである。スライド型フォースセンサの操作感を一般の押し釦のそれに近づけ、正確で素早い操作を実現するためには、何らかの工夫を加える必要がある。

特許3286767号公報

本発明が解決しようとする課題は、扇面状に４等分された円形又は円環形の固定電極と、該固定電極面に誘電体膜を介して滑動可能に対向する可動電極と、各電極間の静電容量を検出する計測回路とを備えるスライド型の静電容量式フォースセンサにおいて、入力軸を横方向へ押し動かす操作ではなく、何らかのキーを押し下げる操作により、固定電極に対して可動電極をスライドさせ得る静電容量式フォースセンサの操作機構を提供することである。

上記の課題は、以下に記載する静電容量式フォースセンサの操作機構により解決することができる。すなわち、
当該フォースセンサの可動電極の中心軸上に位置し可動電極を保持する短柱体形状をなし、加えられた横方向の力によって可動電極を半径方向に滑動させ得る硬質材料製の入力軸と、
下方に開口し前記入力軸の上部を収容する凹部を中心軸上に有し、該中心軸を傾けることにより入力軸に横方向の力を作用させ得る硬質材料製の操作キーと、
前記操作キーの胴部を保持すると共に周縁部を操作キーを取り巻く支持部に固定され、操作キーを傾けたときこれを垂直に復元させる力を及ぼすゴム状弾性体製のパッドとを備え、
前記操作キーを傾けることにより固定電極に対して可動電極を滑動させうる静電容量式フォースセンサの操作機構である。

前記操作キーは、その上部と嵌合し、指などによって押圧等の直接操作を行う部分となるキャップ体を備えることができる。

本発明の静電容量式フォースセンサの操作機構によれば、キャップ体の周縁部を押し下げるなどして操作キーの中心軸を傾けると、操作キー凹部の内面が入力軸短柱体に接触して、これに横方向の力を及ぼし、その力によって可動電極が半径方向に動かされ、この動きは電極間の静電容量の変化として検出される。

かくして、入力軸を横方向に押し動かす操作によらないで、操作用平板部の周縁部を押し下げる操作によりスライド型の静電容量式フォースセンサに対する入力操作を行うことができ、一般の押し釦に近い操作感が得られる。

以下の実施例により、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本実施例に係る静電容量式フォースセンサの操作機構（以下、単に「操作機構」という。）の構成を示す縦断面図、図２は操作キーが傾けられて、入力軸と共に可動電極が横方向にスライドした状態を示す縦断面図である。なお、図２に示す状態に対し、図１の状態は操作キーに操作に伴う力が何も働いていない状態（初期状態）である。

両図において、参照符号１は静電容量式フォースセンサの固定電極、２は可動電極、３はインサート成型によって可動電極２と一体化され、これを保持する入力軸、４は傾いたとき入力軸に横方向の力を作用させる操作キー、５は操作キーの凹部、６は操作キーを弾性的に支持するパッド、７は操作キーを取り巻きパッド６の周縁部を支持する支持部材、８は指などによって押圧等の直接操作を行う部分であるキャップ体、１０はこれらから構成される操作機構（全体）である。１１及び１２は携帯電話機やゲーム装置等のケース体の一部、１３は上面に固定電極が形成されたプリント配線板、１４は固定電極１の表面を覆う誘電体膜、１５、１５は、ケース体の一部１１及び１２に、操作機構１０、プリント配線板１３などを固定するためのねじ孔である。

図３は、上記各構成要素の組立関係を示す斜視図であって、上から順に、キャップ体８を取り付けた操作キー４、ゴム状弾性体からなるパッド７、可動電極２と一体に成型された入力軸３、及び支持部材７を示す。図４は、この操作機構１０が対象機器の筐体に組付けられた状態の一例を示す。

図１、図５及び図６に示すように、固定電極１はプリント配線板１３の上面に導電性カーボンの印刷によって扇面状に４等分された円形又は円環形に形成され、表面が誘電体膜１４によって覆われている。可動電極２はステンレス鋼板（ＳＵＳ板）から成る。

誘電体膜１４は、滑動する可動電極２から固定電極１を絶縁すると共に、該滑動伴う磨耗から固定電極１を保護するためと可動電極２の滑動性を良好にするため、ポリテトラフルオロエチレンやプリント配線板用感光性フィルム(ドライフィルムレジスト)を用いて形成されたレジスト膜から形成することが望ましい。

操作機構１０において、図３に示すように、入力軸３は全体として短柱体形状をなし、基部３ａと、該基部３ａから上方に突出し可動電極２の固定電極１と対向する面の中心軸上に位置する軸部３ｂから成り、上記基部３ａに加えられる横方向の力によって可動電極２を半径方向に滑動させ得る。入力軸３は可動電極２と一体成型され、軸部３ｂの上端は滑らかな半球状に仕上げられる。

なお、入力軸３は、後述するように、下端面がプリント配線板１３上を滑動し、上端に跨った操作キー４が揺動するという特性を有するものなので、耐摩耗特性に優れ、自己潤滑性があるポリオキシメチレン（ＰＯＭ／ポリアセタール）によって形成することが望ましい。

操作キー４は、図１に示すように、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂などの硬質材料で形成され、外径の大きい基部４ａと該基部４ａの下端から下方に向かって延びる外径の小さな筒状部４ｂとから成る。上記筒状部４ｂはその中心軸上に、下方に開口し入力軸３の軸部３ｂを収容する凹部５を有する。上記基部４ａには、操作キー４と同様にＰＣ樹脂などの硬質樹脂で形成された別体の操作用のキャップ体８が外嵌される。また、凹部５の最奥部（天井部）は、入力軸３の軸部３ｂの上端より大きい半径を持つドーム形天井に仕上げられ、軸部３ｂの上端に跨って揺動可能に支持される。凹部５の開口端は、入力軸３の基部を過度の隙間なく収容できる内径を有する。

パッド６は、上記操作キー４の筒状部４ｂと嵌合し保持する中央の保持部６ａと、周縁部分である被支持部６ｂと、これら保持部６ａと被支持部６ｂとを連結する肉厚の薄い薄肉部６ｃとから成る。被支持部６ｂは厚手の円環状をなす支持部材７に固定され、支持部材７はパッド６の被支持部６ｂと共にケース体１１及び１２の間で挟持され、組付け対象機器の筐体に固定される。パッド６を構成するゴム状弾性体としては、弾性並びに諸特性に優れるシリコーンゴムを用いることが好ましい。

キャップ体８は、図１及び図３に示すように、上面中央が皿状にくぼんだ形状をなし、この上面周縁部の任意の箇所を指などによって下方に押し下げると、操作キー４が傾動する。なお、キャップ体４の形状は図１乃至図４に示す形状に限定されることはなく、例えば、図７及び図８に示すように、上面の中央部分が上方に向かって突出した形状とするなど、任意の形状にすることが可能である。図７に示すキャップ体の変形例８Ａは、上面の突出部分の上端を、矢印で示すように、指などによって押圧することにより操作キー４を傾動させることができる。また、図８に示すキャップ体８Ｂは、上面からの突出量がかなり大きくされたものであり、複数の指で摘むことによって、いわゆるジョイスティックのように操作することができる。なお、キャップ体８を操作キー４とは別体とすることにより、デザインの自由度が向上する。

ケース体の一部１１、及び１２は、例えば、ＰＣ樹脂などの硬質樹脂材料によって形成される。

本発明操作機構１０と組み合わされて用いられ、固定電極１と可動電極２間の静電容量を検出する計測回路１６は、例えば、図９に示すように、固定電極１の各部分から入力した静電容量を、その値に基づくＸ軸方向及びＹ軸方向の変位量を表す電気信号に変換するＣＶ変換器１７と、該ＣＶ変換器１７から出力された信号を処理して携帯電話機やゲーム装置等の各部の動作を制御するためのＣＰＵ１８によって構成される。

以上のような構成を有する操作機構１０において、キャップ体８の周縁部の片側を押し下げると、操作キー４の中心軸が入力軸３の軸部３ｂの上端と凹部５の接触部分を中心として入力軸３に対して傾き、凹部５の開口端内面が入力軸３の基部３ａを押し、これを横方向（ほぼキャップ体８を押し下げた方向と直交する方向）に移動させる。このとき、操作キー４の傾動に伴って、操作キー４の筒状部４ｂを保持した保持部６ａも傾くため、パッド６の薄肉部６ｃが撓むことになる。（図２の状態）。そして、キャップ体８を押し下げていた力を解除すると、撓まされていたパッド６の薄肉部６ｃが弾性によって元の形状に復元しようとし、この復元力が操作キー４を、図１に示す垂直の状態、即ち元の状態に復元させる。同時に、操作キー４の復元に伴って、入力軸３も初期状態に戻ることになる。

上記した操作キー４の傾動に伴う入力軸３の滑動によって、円環状の可動電極２と扇面状に４等分された円環形の固定電極１との重なる面積が変化し、固定電極１の４等分された各部分と可動電極２相互間の静電容量がそれぞれ変化する。

かくして、本発明に係る操作機構１０においては、入力軸を横方向に押動かす操作によらないで、キャップ体８の周縁部を押し下げる操作によりスライド型の静電容量式フォースセンサに対する入力操作を行うことができ、一般の押し釦に近い操作感を得ることができる。

本発明は、携帯電話機やゲーム装置等の入力装置として用いられる静電容量式フォースセンサの操作機構に関するものであるから、電子機器製造産業を始めとして通信サービスやゲーム提供業等、広範囲の産業分野の発達に寄与することができる。

本実施例に係るフォースセンサ操作機構の構成を示す側断面図である。図１に示す操作機構のキャップ体の周縁に力が加えられ、その結果操作キーが傾いて、入力軸と共に可動電極が横方向にスライドした状態を示す側断面図である。上から順に、キャップ体と操作キー、パッド、入力軸と可動電極、及び固定部を示す組立斜視図である。本実施例に係るフォースセンサ操作機構が組み付けられた状態を例示する斜視図である。可動電極を保持する入力軸を下から見た状態を示す底面図である。プリント配線板上に形成された固定電極を示す平面図である。キャップ体の第１の変形例を取り付けた操作機構を示す縦断面図である。キャップ体の第２の変形例を取り付けた操作機構を示す縦断面図である。本発明と組み合わせて用いられる計測回路の一例を示す図である。

符号の説明

１固定電極
２可動電極
３入力軸
４操作キー
５操作キーの凹部
６パッド
７支持部材
８キャップ体
１０静電容量式フォースセンサの操作機構
１３プリント配線板
１４誘電体膜
１６計測回路

Claims

扇面状に４等分された円形又は円環形の固定電極と、該固定電極面に誘電体膜を介して滑動可能に対向する可動電極と、各電極間の静電容量を検出する計測回路とを備える静電容量式フォースセンサにおいて、
可動電極面の中心軸上に位置し可動電極を保持する短柱体形状をなし、加えられた横方向の力によって可動電極を半径方向に滑動させ得る硬質材料製の入力軸と、
下方に開口し前記入力軸の上部を収容する凹部を中心軸上に有し、該中心軸を傾けることにより入力軸に横方向の力を作用させ得る硬質材料製の操作キーと、
前記操作キーの胴部を保持すると共に周縁部を操作キーを取り巻く支持部に固定され、操作キーを傾けたときこれを垂直に復元させる力を及ぼすゴム状弾性体製のパッドとを備え、
前記操作キーを傾けることにより固定電極に対して可動電極を滑動させ得ることを特徴とする静電容量式フォースセンサの操作機構。
前記操作キーの上部と嵌合し、指などによって押圧等の直接操作を行う部分となるキャップ体を設けたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式フォースセンサの操作機構。