JP6280579B2 - 圧力検出装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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、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。
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、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。
(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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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z0からz0−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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)。
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。
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)。
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、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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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