JP4717757B2 - 静電容量式の入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、指などの操作体の位置を静電容量の変化で検出する静電容量式の入力装置に係わり、特に操作体の位置情報の検出とスイッチの入力情報の検出を共通の回路構成で検出できるようにした静電容量式の入力装置に関する。

以下の特許文献１には、キー入力モードと位置入力モードを同一の操作面上で行えるようにした入力装置が開示されている。

この入力装置では、指などの操作体を表示シートの表面に接近または接触させると、操作体と反転部材との間に静電容量Ｃが形成される一方で、操作体と対向しない反転部材との間には静電容量Ｃが形成されないことになる。よって、前記静電容量Ｃの大小を位置検出手段で比較することにより、操作体の位置情報を検出することが可能とされている。

また表示シートに設けられた表示部を押すと、反転部材１２が反転して前記反転部材１２の下面が接点電極に接触させられ、これによりキー入力を行うことが可能とされている。
特開２００４−３３４７３８号公報

しかし、上記特許文献１に記載された入力装置では、以下に示すような問題がある。
（１）静電容量の変化を検出する位置検出手段とスイッチのＯＮとＯＦＦとの間の切り換えを検出する手段とが別構成であるため、回路構成を簡素化し難い。
（２）位置入力モードとキー入力モードとの間では特にモード切り換えを行う必要がなく、直接移行することができる構成であるため、制御部は前記位置検出手段からの入力と前記スイッチ切換の検出手段からの入力を同時に監視する必要があり、制御部の負担を軽減することができない。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、操作体の位置情報の検出とスイッチの切り換わりである入力情報の検出を共通の回路構成で検出できるようにした静電容量式の入力装置を提供することを目的としている。

また動作時に制御部の負担を軽減できるようにした静電容量式の入力装置を提供することを目的としている。

本発明は、基板と、前記基板上に配置された複数の静電センサと、いずれかの前記静電センサに対向する操作体の位置情報およびスイッチの切り換えに基づく入力情報を検出する検出回路および判定部と、を有する静電容量式の入力装置であって、
前記静電センサは、前記基板の一部が露出する開口部を内側に備えた対向電極と、前記開口部の内側に設けられた接地電極と、基端部を前記対向電極に導通させて前記接地電極に対向配置されるとともに操作体により押下されたときに反転して前記接地電極に接触する反転部材と、を有しており、
前記検出回路は、前記対向電極に所定の周波数のパルス状の入力信号を与える信号生成部と、前記静電センサを含む積分回路からの応答信号の立ち上がり時間を算出する演算部とを有して、前記操作体が前記いずれかの静電センサに接近したときに、前記操作体と前記対向電極との間と、前記操作体と前記反転部材との間の少なくとも一方に形成される静電容量の変化を示す前記立ち上がり時間の算出データが得られ、
前記判定部が第１の基準値および第２の基準値を有しており、先に得られた算出データとその後に得られた算出データの変化量が、前記第１の基準値未満であるときに非入力状態と判定され、前記第１の基準値以上で前記第２の基準値以下であるときに前記操作体が前記反転部材に接近した接触状態と判定され、前記第２の基準値を超えたときに前記操作体が反転した入力状態であると判定されることを特徴とするものである。

本発明では、入力装置に対向して移動する操作体の相対的な位置情報と、操作体の押下により反転して切り換わる反転部材のスイッチ入力情報とを、共通の検出回路を用いて検出することができる。よって、前記検出回路の回路構成を簡素化することが可能となる。

しかも、前記検出回路からの出力を監視するだけで、前記位置情報と入力情報を同時に取得することができるため、動作時における制御部の負担を軽減することができる。

また本願発明では、反転部材が、対向電極とともに静電センサを形成し、操作体との間で静電容量を形成する電極として機能する。このため、静電センサの感度を高めるために、予め静電センサの面積を広く形成しておく必要がない。すなわち、前記静電センサ１ヶ当たりが、所望の感度を得るために最低限必要とする電極面積を小さくすることができるため、装置全体の大きさを小型化することが可能となる。

上記においては、前記反転部材が、ドーム状のメタルコンタクトで形成されており、前記メタルコンタクトの表面および対向電極の表面が誘電率を有する絶縁層で覆われているものが好ましい。

上記手段のように、反転部材を金属製のダイアフラムで形成すると、クリック感を得ることができるとともに反転動作をスムーズに行わせることができる。また表面を誘電体で覆うと、対向電極と操作体との間およびに反転部材と操作体との間に発生する静電容量を大きくすることができるため、入力装置の検出精度を高めることが可能となる。

本発明は、前記積分回路が、前記対向電極と前記反転部材の少なくとも一方と前記操作体との間に形成される静電容量と、所定の抵抗とを有するものとして構成できる。

上記手段では、操作体が前記対向電極と前記反転部材の少なくとも一方に接触したか否かを、この間に形成される静電容量の変化として捕らえることができる。

例えば、電源投入直後にあっては、前記対向電極および前記反転部材を介して形成されるすべての静電容量を検出して初期状態の算出データを求め、この初期状態からの静電容量の変化量が検出される。また前記静電容量の変化量を示す算出データはメモリに記憶されるが、この算出データは新たな算出データが検出されるたび随時書き換えられる。

このように、上記手段では静電容量の変化量から操作体の位置情報とスイッチの入力情報を得るようにしているため、精度の高い検出が可能となる。

前記非入力状態は、操作体が反転部材から離れている状態（ＯＦＦ状態）に相当し、前記接触状態は操作体が反転部材に接触した状態に相当する。さらに前記入力状態は、前記操作体により反転部材が押下されて接地部材に接触した状態（ＯＮ状態）に相当する。このように、上記手段では３つの動作状態を検出することができる。このため、これらを組み合わせることにより、多様な操作が可能となる。

本発明では、操作体の位置情報の検出とスイッチの入力情報の検出を共通の検出回路を用いて検出することができる。

また前記検出回路の出力を監視するだけで、前記位置情報と入力情報を同時に取得できるため、制御部の負担を軽減することができる。

図１は本発明の実施の形態として入力装置を搭載した電子機器を示す斜視図、図２Ａないし図２Ｃは図１の２−２線における矢視断面図であり、図２Ａは非入力状態（ＯＦＦ状態）、図２Ｂは接触状態，図２Ｃは入力状態（ＯＮ状態）を示している。また図３は本発明における検出回路の概略を示すブロック図、図４は積分器への入力信号Ｕとその応答信号Ｗの概略を示す波形図であり、Ａは非入力状態、Ｂは接触状態、Ｃは入力状態、図５は入力装置に対する操作状態を示す平面図である。

図１に示す電子機器１は、非折畳み式の携帯型電話をイメージしたものである。前記電子機器１は外観を形成するケース３を有し、このケース３には表示手段としての表示パネル４とキー入力および座標入力を行う入力装置１０が設けられている。表示パネル４としては、例えばモノクロやカラーなどからなる液晶パネルまたはＥＬパネルである。

図１および図２Ａないし図２Ｃに示すように、入力装置１０は基板１６を有しており、この基板１６の表面にはマトリックス状（図１では４行３列）に配置された複数の対向電極２１が設けられている。

１つの対向電極２１は略正方形状からなる導電層（平面電極）を有しており、前記対向電極２１の内側には前記導電層を有しない開口部２２が略円形状に形成されている。前記開口部２２には前記基板１６の表面が部分的に露出しており、その内側中央には接地電極２３が設けられている。前記接地電極２３は前記基板１６に形成されたスルーホール１６ａを介して前記基板１６の裏面（Ｚ２側の面）に導かれており、前記裏面に沿って前記基板１６の外部に配線されている。

前記対向電極２１の表面には、ドーム状（またはダイアフラム状ともいう）からなる反転部材１２が設けられている。前記反転部材１２は、例えば導電性を有する薄い金属板（例えば、ステンレス板）を精密加工プレスによって打ち抜いて形成したいわゆるメタルコンタクトスイッチで形成されており、歯切れの良いクリック操作を行うことが可能されている。

前記反転部材１２の縁部分である基端部１２ａは、前記対向電極２１の表面に半田付け、あるいはＡｕフラッシュなどの手段によって固定されている。このため、前記対向電極２１と前記反転部材１２とは電気的には同電位に設定されており、１組の前記反転部材１２と前記対向電極２１とが１つの静電センサ２０を形成している。

図２Ａに示すように、反転部材１２が押下されていない状態では、前記反転部材１２の下面と接地電極２３との間には空間部Ｓが形成されており、前記反転部材１２と前記接地電極２３とは互いに離れた状態（電気的に絶縁された状態）にある。

前記基板１６の上面には薄手のシート１１が積層されており、複数の前記反転部材１２と前記接地電極２３とが前記シート１１によって覆われている。

前記シート１１は、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）など絶縁性および誘電性を有する部材で形成されており、面と垂直に交差する方向（Ｚ方向）に撓み変形可能とされている。なお、図１などに示すように、シート１１上には、１，２、３、・・・０、＊、＃などの文字、図形または記号を印刷または転写することにより形成された複数の表示１１ａが設けられている。

図２Ｃに示すように、指やペンなどの操作体５０を用いていずれかの前記反転部材１２をＺ１方向に押下すると、反転部材１２が変形して反転する。このとき、反転部材１２が反転してその下面が前記接地電極２３に接触し、前記反転部材１２および対向電極２１が前記接地電極２３と同じ電位に切り換わる。すなわち、前記反転部材１２はスイッチとして機能する。なお、スイッチの切換動作の検出については後述する。

前記電子機器１の内部には、例えば図３に示すような検出回路３０が設けられている。本実施の形態に示す前記検出回路３０は、信号生成部３１、積分器３２、演算部３３および判定部３４とを有している。

前記信号生成部３１は、一定の周波数からなるパルス状の入力信号Ｕ（図４参照）を生成する発振回路で形成されており、前記入力信号Ｕを積分器３２に与える。前記積分器３２は、所定の抵抗値からなる抵抗Ｒと静電容量Ｃとで形成されている。前記抵抗Ｒは、前記信号生成部３１と前記静電容量Ｃとの間の配線ライン上に形成されている。

前記静電容量Ｃは前記静電センサ２０によって形成されるものであり、前記静電センサ２０（静電容量Ｃ）の一端に前記抵抗Ｒが接続されている。そして、前記静電センサ２０の表面に設けられた前記シート１１が前記静電容量Ｃの他端側を形成している。このため、前記静電容量Ｃの他端は、前記操作体５０が静電センサ２０から離れている非入力状態では電気的に浮いた状態にあり、前記操作体５０が静電センサに接近しまたは接触した接触状態または入力状態になると操作者を通じて接地される。すなわち、前記静電容量Ｃは、前記操作体５０が前記静電センサ２０を覆うシート１１に接近しまたは接触することにより、前記操作体５０と静電センサ２０との間に形成される。

ここで、各静電センサ２０の静電容量Ｃの大きさは、Ｃ＝ε・Ａ／ｄ（εは誘電率、Ａは対向面積、ｄは対向距離）の関係より、操作体５０と静電センサ２０との間の対向面積に比例し、対向距離に反比例する。したがって、前記静電容量Ｃは、前記対向面積Ａが広いほど、または前記対向距離ｄが短いほど大きく、逆に前記対向面積Ａが狭いほど、または前記対向距離ｄが長いほど小さい。

図３に示すように、演算部３３は、前記積分器３２に入力された前記入力信号Ｕと、その出力である応答信号Ｗとの論理積を演算するＡＮＤ回路３３Ａと、前記ＡＮＤ回路３３Ａの出力を所定の時間軸で積分平滑化して平滑電圧Ｅを生成する平滑部３３Ｂと、前記平滑電圧Ｅをデジタル値である算出データＤに変換するＡ／Ｄ変換部３３Ｃなどを有している。そして、前記入力信号と前記応答信号Ｗとの演算結果は、平滑後の算出データＤとして前記演算部３３から出力される。

このようにして得られた平滑後の算出データＤは、必要に応じて前記判定部３４内に設けられたメモリ３４ａに記憶される。前記判定部３４は、前記メモリ３４ａに先に記録されている算出データＤ_Ｎ−１と、今回新たに得られた算出データＤとの比較を行う。比較の結果、先の算出データＤ_Ｎ−１と新たな算出データＤ_Ｎとの出力差（静電容量Ｃの変化量）である（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が所定の範囲内であるか否かを判定する。そして、このとき前記判定部３４が下した判定結果が、制御部４０に向けて出力される。

例えば、判定部３４は、第１の基準値と、前記第１の基準よりも大きな第２の基準値を用意し、前記（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が第１の基準値未満の範囲、第１の基準値以上で且つ第２の基準値以下の範囲または第２の基準値を超える範囲のいずれに該当するかで、入力装置１０の動作状態の判定を行う。なお。制御部４０は、前記メモリ３４ａ内に記憶されている前記先の算出データＤ_Ｎ−１を、前記新たな算出データＤに書き換えるデータ更新処理なども行う。

なお、上記のような検出回路３０は、１つの静電センサ２０に対して１つ設ける構成であってもよいが、例えば複数の静電センサ２０に対して前記演算部３３および判定部３４を共通化した構成であってもよい。例えば、複数の積分器３２の各出力端子３２ａと前記演算部３３の入力端子３３ａとの間に、マルチプレクサ等の切換手段（図示せず）を設け、複数の積分器３２の出力を時分割で切り換えて前記演算部３３の入力端子３３ａに入力することにより共通化を実現することが可能である。この場合には、積分器３２ごとに前記演算部３３や判定部３４を設ける必要がなく部品点数を少なくできるため、低コスト化および小型化などを図ることが可能となる。

以下、上記入力装置の動作ついて説明する。
以下においては、操作体５０が、前記入力装置１０の上部に位置せず、いずれの静電センサ２０とも対向しない状態を非入力状態（ＯＦＦ状態）と定義する（図２Ａ参照）。また前記操作体５０が、反転部材１２にシート１１を介して接触しているが、押下されておらず、したがって前記反転部材１２は変形せずに前記反転部材１２の下面も接地電極２３に接続されていない状態を接触状態と定義する（図２Ｂ参照）。そして、前記操作体５０により反転部材１２が押下され、前記反転部材１２の下面が接地電極２３に接触し、両者の間が電気的に接続された状態を入力状態（ＯＮ状態）と定義する（図２Ｃ参照）。

入力装置１０を搭載した電子機器１に電源が投入されると、前記検出回路３０が駆動され、すべての静電センサ２０を介して形成されるすべての算出データＤが一定の周期で前記判定部３４から出力される。前記判定部３４は、新たな算出データＤを前記メモリ３４ａ内に書換えながら順次記憶する。

（１）非入力状態の場合
図２Ａに示すように、前記非入力状態では、積分器３２を構成する静電センサ２０の静電容量Ｃは電気的に浮いた状態にある。すなわち、静電容量Ｃが形成されないため、入力信号Ｕが抵抗Ｒを介して前記応答信号Ｗとしてそのまま出力される。すなわち、図４のＡに示すように前記入力信号Ｕと前記応答信号Ｗとの間に遅れは生じないため、ＡＮＤ回路３３Ａの出力Ｕ・Ｗも入力信号Ｕとほぼ同様となる。

このとき、前記判定部３４は、先の算出データＤ_Ｎ−１と新たな算出データＤ_Ｎとの出力差（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が所定の範囲内であるか否かを比較検討する。この場合の前記出力差（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）はほぼ０となる。このため、判定部３４は、前記出力差（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が所定の第１の基準値未満であることから、操作体５０が反転部材１２から離れているスイッチＯＦＦ状態にあると判定することができる。

（２）接触状態の場合
図２Ｂに示すように、操作体５０がいずれかの静電センサ２０に接すると、前記静電センサ２０と前記操作体５０との間に静電容量Ｃが形成される。このため、図４のＢに示すように前記応答信号Ｗは、時定数ＲＣに基づいて前記入力信号Ｕよりも鈍る。すなわち、前記応答信号Ｗの立ち上がり時間に遅れが発生する。

このとき、新たな算出データＤ_Ｎは、前記先の算出データＤ_Ｎ−１よりも低い値を示す（Ｄ_Ｎ＜Ｄ_Ｎ−１）。このため、先の算出データＤ_Ｎ−１と新たな算出データＤ_Ｎとに出力差（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が生じる。前記判定部３４は、前記出力差（Ｄ_Ｎ−１−Ｄ_Ｎ）が、前記第１の基準値を超えるが所定の第２の基準値内に収まる場合であることから、前記操作体５０が接触状態にあると判定することができる。

（３）入力状態の場合
図２Ｃに示すように、前記操作体５０により押下された反転部材１２が、反転して前記接地電極２３に接触すると、抵抗ＲとＡＮＤ回路３３Ａとの間の信号ラインの電位がグランドレベルとなる。このため、図４のＣに示すように前記応答信号Ｗは０であり、前記演算部３３の新たな算出データＤ_Nも０[ｖ]となる（Ｄ_N＝０）。このため、前記出力差（Ｄ_N-1−Ｄ_N）はＤ_N-1となり、前記第２の基準値を超える場合に相当することになる。よって、前記判定部３４は前記操作体５０が入力状態（スイッチＯＮ状態）にあると判定することができる。

このように、本願発明の入力装置では、検出回路３０の出力（判定部３４の出力）から入力装置１０が、非入力状態（スイッチＯＦＦ状態）と入力状態（スイッチＯＮ状態）のいずれの状態にあるかだけでなく、接触状態を含めた３種類の動作状態を検知することが可能である。

次に、操作体の位置情報の検出について説明する。
上記のように、各静電センサ２０の静電容量Ｃの大きさは、操作体５０と静電センサ２０との間の対向面積Ａに比例し、対向距離ｄに反比例する。このため、前記操作体５０と前記静電センサ２０との間の対向面積Ａおよび対向距離ｄに応じて各静電センサ２０から出力される応答信号Ｗの鈍りの程度が異なり、これに応じて前記演算部３３からの算出データＤの大きさも異なる。

例えば、図５に示すように、「７」の表示１１ａに操作体５０を近づけたときには、前記「７」の表示１１ａの位置に設けられた静電センサ２０の静電容量Ｃが最も大きくなる。そして、次に前記静電容量Ｃが大きいのは、操作体５０と高さ方向において部分的に重なる「＊」の表示１１ａの位置に設けられた静電センサ２０であり、続いて操作体５０からの対向距離ｄの短い「４」や「８」の表示１１ａの位置に設けられた静電センサ２０が大きくなる傾向を示す。

したがって、前記判定部３４は、各静電センサ２０からの算出データＤの大小関係をそれぞれ比較することにより、操作体５０の位置情報を得ることが可能である。すなわち、前記判定部３４は、前記マトリックス状に配置されたすべての静電センサ２０の算出データＤを比較したときに、前記算出データＤが最も大きい値を示す静電センサ２０の位置を前記操作体５０の位置と判定する。これにより、前記検出回路３０は、前記操作体５０の位置を特定した位置情報を制御部４０に向けて出力することができる。これにより、操作体５０はマトリックス状に配置された複数の静電センサ２０のうち、いずれの静電センサ２０と対向するのか（位置情報）を検出することができる。

以上のように本発明の静電容量式の入力装置１０では、操作体５０の位置情報の検出と、各静電センサ２０に設けられた反転部材１２の切換情報（スイッチＯＮ／ＯＦＦの入力情報）の検出を共通の検出回路３０で検出することが可能である。

また制御部４０は、前記検出回路３０からの出力を監視するだけで、前記位置情報と入力情報を同時に取得することが可能である。このため、従来に比較して制御部４０の負担を軽減することができる。

なお、上記実施の形態では、入力装置１０が搭載される電子機器１として形態電話機の場合について説明したが、本発明はこれに限られるものはなく、その他例えばデジタルオーディオプレーヤ、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などその他の電子機器であってもよい。

また上記実施の形態では、複数の静電センサ２０をマトリックス状に配置した場合を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、その他の配置構成であってもよい。

本発明の実施の形態として入力装置を搭載した電子機器を示す斜視図、 非入力状態（ＯＦＦ状態）を示す図１の２−２線における矢視断面図、 接触状態を示す図１の２−２線における矢視断面図、 入力状態（ＯＮ状態）図１の２−２線における矢視断面図、 本発明における検出回路の概略を示すブロック図、 積分器への入力信号Ｕとその応答信号Ｗの概略を示す波形図であり、Ａは非入力状態、Ｂは接触状態、Ｃは入力状態、 入力装置に対する操作状態を示す平面図、

符号の説明

１ 電子機器
１０ 入力装置
１１ シート
１１ａ 表示
１２ 反転部材
１６ 基板
２０ 静電センサ
２１ 対向電極
２２ 開口部
２３ 接地電極
３０ 検出回路
３１ 信号生成部
３２ 積分器
３３ 演算部
３３Ａ ＡＮＤ回路
３３Ｂ 平滑部
３３Ｃ Ａ／Ｄ変換部
３４ 判定部
３４ａ メモリ
４０ 制御部
Ｃ 静電容量
Ｒ 抵抗
Ｕ 入力信号
Ｗ 応答信号

Claims (3)

1. 基板と、前記基板上に配置された複数の静電センサと、いずれかの前記静電センサに対向する操作体の位置情報およびスイッチの切り換えに基づく入力情報を検出する検出回路および判定部と、を有する静電容量式の入力装置であって、
   前記静電センサは、前記基板の一部が露出する開口部を内側に備えた対向電極と、前記開口部の内側に設けられた接地電極と、基端部を前記対向電極に導通させて前記接地電極に対向配置されるとともに操作体により押下されたときに反転して前記接地電極に接触する反転部材と、を有しており、
   前記検出回路は、前記対向電極に所定の周波数のパルス状の入力信号を与える信号生成部と、前記静電センサを含む積分回路からの応答信号の立ち上がり時間を算出する演算部とを有して、前記操作体が前記いずれかの静電センサに接近したときに、前記操作体と前記対向電極との間と、前記操作体と前記反転部材との間の少なくとも一方に形成される静電容量の変化を示す前記立ち上がり時間の算出データが得られ、
   前記判定部が第１の基準値および第２の基準値を有しており、先に得られた算出データとその後に得られた算出データの変化量が、前記第１の基準値未満であるときに非入力状態と判定され、前記第１の基準値以上で前記第２の基準値以下であるときに前記操作体が前記反転部材に接近した接触状態と判定され、前記第２の基準値を超えたときに前記操作体が反転した入力状態であると判定されることを特徴とする静電容量式の入力装置。
2. 前記反転部材が、ドーム状のメタルコンタクトで形成されており、前記メタルコンタクトの表面および対向電極の表面が誘電率を有する絶縁層で覆われている請求項１記載の静電容量式の入力装置。
3. 前記積分回路が、前記対向電極と前記反転部材の少なくとも一方と前記操作体との間に形成される静電容量と、所定の抵抗とを有する請求項１または２記載の静電容量式の入力装置。

Images