JPWO2015041268A1

JPWO2015041268A1 - 検出センサ及び入力装置

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Publication number: JPWO2015041268A1
Application number: JP2015537955A
Authority: JP
Inventors: 河村　秀樹; 秀樹河村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2034-09-18
Also published as: JP6032371B2; WO2015041268A1; US10042455B2; CN105556439A; US20160170543A1

Abstract

可撓性のある基板（１１）の表面に、平面方向に距離をおいて設けられた、位置検出用の電極（２０〜２４）と、基板（１１）の表面に設けられ、電極（２０〜２４）を覆う絶縁体膜（１４）と、基板（１１）の裏面に設けられた押圧力検出用の電極（３１，３２）と、電極（３１，３２）と間隙をおいて対向して設けられた押圧力検出用の電極（４１）とを備える。これにより、ユーザによる入力操作を確実に受け付けて押圧位置を精度よく検出でき、かつ、押圧力も検出できる検出センサ及び入力装置を提供する。

Description

本発明は、入力位置及び押圧力を検出する検出センサ及びタッチ式入力装置に関する。

特許文献１には、電子装置の入力装置として、対向する電極の一方が押圧されたときに、電極間に生じる静電容量が変化することを利用して、押圧位置及び押圧力を検出する静電容量式の入力装置が開示されている。特許文献１に記載の入力装置は、対向する電極の一方が基板に設けられ、他方が、ゴム等の弾性材料により形成された変位部に設けられている。入力操作時にユーザにより変位部が押圧された場合に、電極間の距離が狭まり、電極間に生じる静電容量は増加する。そして、入力装置は、その静電容量の変化（増加）から押圧位置及び押圧力を検出する。

特開２００６−１７８７４２号公報

特許文献１に記載の入力装置において、変位部に対する押圧力が小さい場合、変位部が十分に変位せずに電極間の距離が狭まらず、電極間の静電容量はほぼ変化しない。このため、特許文献１に記載の入力装置は、入力操作時にユーザにより十分な力で変位部が押圧されなければ、押圧力を検出するのに十分な静電容量の変化量を得られず、押圧力だけでなく押圧位置も検出できないといった問題がある。

そこで、本発明の目的は、ユーザによる入力操作を確実に受け付けて入力位置を精度よく検出でき、かつ、押圧力も検出できる検出センサ及び入力装置を提供することにある。

本発明は、可撓性があり、対向する第１面と第２面を有する第１基板と、前記第１面に、平面方向に距離をおいて設けられた複数の位置検出用電極と、前記第１面に設けられ、前記複数の位置検出用電極を覆う絶縁膜と、前記第２面に設けられた押圧力検出用第１電極と、前記押圧力検出用第１電極と対向して設けられた押圧力検出用第２電極とを備えることを特徴とする。

この構成では、第１基板への入力位置及び押圧力をそれぞれ独立して検出できる。押圧位置は、ユーザの指が絶縁膜に触れると、指と位置検出用電極との間に静電容量が生じ、その静電容量の変化から検出できる。また、ユーザにより第１基板が押圧されると、押圧力検出用第１電極と押圧力検出用第２電極との距離が縮まり、電極間に生じる静電容量が変化（増加）する。押圧力は、その静電容量の変化から検出できる。したがって、ユーザによる押圧力がなくても、ユーザの指が絶縁膜に触れるだけで入力位置を精度よく検出できるため、本発明に係る検出センサは、ユーザによる入力操作を確実に受け付けて精度よく入力位置を検出でき、かつ、押圧があった場合その押圧力も検出できる。

本発明は、前記第２面に対向し、前記第１基板と距離をおいて設けられた第２基板を備え、前記押圧力検出用第２電極は、前記第１基板側となる前記第２基板の面に設けられていることが好ましい。

この構成では、第２基板に回路パターンを形成できるため、入力位置及び押圧力を検出する制御ＩＣを、第１基板又は第２基板の何れかに設けることができる。

前記複数の位置検出用電極は、第１位置検出用電極と、前記第１位置検出用電極の周囲を囲むように設けられた複数の第２位置検出用電極と、を有し、前記第１位置検出用電極、又は、前記第２位置検出用電極の一方がグランドに接続され、他方が、電圧源に接続される構成が好ましい。

この構成では、ユーザの指が絶縁膜に触れると、指と第１位置検出用電極との間、及び、指と第２位置検出用電極との間それぞれに静電容量が形成される。このため、接触した際に形成される静電容量の変化が大きく、静電容量の変化を検出しやすいため、精度よく入力位置を検出できる。

本発明によれば、ユーザによる入力操作を確実に受け付けて入力位置を精度よく検出でき、かつ、押圧力をも検出できる。

実施形態１に係る入力装置の平面図図１のII−II線における断面図押圧力検出用の電極を示す基板の平面図基板の入力位置を検出する検出方法を説明するための図図４のＶ−Ｖ線における断面図基板への押圧力を検出する検出方法を説明するための図実施形態２に係る入力装置の断面図

以下に、本発明に係る検出センサについて説明する。以下に説明する各実施形態は、検出センサを備えた入力装置として説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る入力装置の平面図である。図２は、図１のII−II線における断面図である。入力装置１は、例えば携帯電話機、携帯音楽プレーヤ、電子機器のコントローラ等の操作を受け付ける装置として用いられる。ユーザは、入力装置１を介して操作することで、例えば携帯電話機の場合には、文字入力時のカーソルを動かし、また、コントローラの場合には、音量の上げ下げ（チャンネル変更）ができる。

入力装置１は、矩形状のプリント基板（以下、基板と言う）１１，１２を備えている。基板１１は、本発明に係る第１基板、基板１２は、本発明に係る第２基板にそれぞれ相当する。基板１２は、入力装置１が搭載される装置、例えば携帯電話機等の主基板に実装される。基板１２にはスペーサ１３Ａ，１３Ｂが設けられ、基板１１は、距離をおいて基板１２と対向するように、スペーサ１３Ａ，１３Ｂに支持されている。なお、図２では、二つのスペーサ１３Ａ，１３Ｂのみ示しているが、スペーサは、矩形状の基板１１，１２の四つ角部に設けられている。

入力装置１が携帯電話機等に搭載された場合、基板１１は、ユーザによる操作を受け付ける面である表面が、携帯電話機筐体から露出するようになっている。ユーザは、基板１１を押圧することで、入力装置１へ操作を入力するようになっている。基板１２には、ユーザの押圧を検出する制御ＩＣ１０が設けられている。具体的には、制御ＩＣ１０は、ユーザが基板１１に接触した位置（以下、入力位置という）と、基板１１を押圧した際の基板１１の押し込み量（以下、押圧力という）を検出する。

基板１１の表面には、円形状の電極２０が略中央に設けられ、さらに、その電極２０を中心として、電極２０の四方から囲うように円弧状の電極２１〜２４が設けられている。各電極２０〜２４は、平面方向において距離をおいて設けられている。電極２０と電極２１〜２４とは、平面同士は対向していないが、近接配置されているので、電極２０と電極２１〜２４との間には僅かな静電容量が生じる。基板１１の表面には、各電極２０〜２４を覆うように、レジスト又はフィルム等の絶縁体膜１４が形成されている。

電極２０は、入力装置１の基準電位に接続されている。電極２１〜２４は、検出用電圧印加端子、又は検出電圧出力端子に接続されている。また、基板１１の表面にユーザの指が触れた場合、指は低周波数では導体として振る舞うので、基板１１の表面に形成された絶縁体膜１４を介して、指と電極２０〜２４との間に静電容量が形成される。より具体的には、電極２０と指とによって絶縁体膜１４が挟まれた構成からなる静電容量と、電極２１〜２４の何れかと指とによって絶縁体膜１４が挟まれた構成からなる静電容量とが直列接続された構成となる。この静電容量は、ユーザが基板１１の表面を押圧した場合に、制御ＩＣ１０がその入力位置を検出する際に用いられる。このため、絶縁体膜１４は、指と電極２０〜２４との間に形成される静電容量が小さくならないように、１００μｍ以下の厚みであることが好ましい。入力位置の検出方法については、後に詳述する。

基板１１の裏面には、押圧力検出用の電極３１，３２が形成されている。図３は、押圧力検出用の電極３１，３２を示す基板１１の平面図である。電極３１は円形であり、平面視で、基板１１の表面に設けられている基板２０の中心点と同じとなるように形成されている。電極３２は電極３１を覆う円環状であり、電極３１と中心点を同じにして形成されている。また、電極３２は、電極２１〜２４が合わさって形成される円形と同じ径を有している。

電極３１は、入力装置１の基準電位に接続されている。電極３２は、検出用電圧印加端子、又は検出電圧出力端子に接続されている。そして、電極３１，３２と電極４１との間には、静電容量が形成される。具体的には、電極３１，４１の間に形成される静電容量と、電極３２，４１の間に形成される静電容量とが直列接続された構成となる。この静電容量は、ユーザが基板１１の表面を押圧した場合に、制御ＩＣ１０がその押圧力を検出する際に用いられる。

また、基板１２の表面には、電極３１，３２と対向する電極４１が形成される。そして、電極４１，３１の間、及び、電極３２，４１の間それぞれにも静電容量が形成される。基板１１は可撓性を有し、基板１１の表面がユーザの指等により押圧されると、基板１２側に撓むようになっている。基板１１が撓むと、電極３１，３２と電極４１との距離が狭くなり、電極間に形成される静電容量が変化（増加）する。制御ＩＣ１０は、この静電容量の変化を検出することで、基板１１への押圧力を検出する。

なお、基板１１，１２の間に、基板１１の撓みを阻害しない範囲で弾性体を設けるようにしてもよい。この場合、弾性体は、比誘電率が１よりも大きな材料であることが好ましい。静電容量を大きくすることで、制御ＩＣ１０は、基板１１への押圧力をより精度よく検出しやすくなる。

以下に、ユーザが基板１１を押圧した場合の制御ＩＣ１０による入力位置検出、及び押圧力検出について具体的に説明する。

図４は、基板１１の入力位置を検出する検出方法を説明するための図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図である。

図４では、電極２５の中心点を原点０とし、電極２２，２４を通る直線をＸ軸、電極２１，２３を通る直線をＹ軸とする。また、Ｘ軸において、電極２４方向を正方向とし、Ｙ軸において、電極２１方向を正方向とする。制御ＩＣ１０は、電極２１〜２４の何れが入力されたかを検出することで、入力位置を検出する。例えば、電極２１が入力された場合、制御ＩＣ１０は、入力位置がＸ軸の正方向であると検出する。図４では、破線丸印部分がユーザにより入力されたとする。

前記のように、電極２０と電極２１〜２４との間には静電容量が形成される。例えば、図５に示すように、電極２０と電極２１との間には静電容量Ｃｙ１が形成され、電極２０と電極２３との間には静電容量Ｃｙ２が形成されている。基板１１が入力されていない場合、静電容量Ｃｙ１，Ｃｙ２の静電容量比（電圧比）は変わらない。

基板１１の表面である絶縁体膜１４にユーザの指１０１が触れると、図５に示すように、ユーザの指１０１と電極２１との間に静電容量Ｃ１が形成され、ユーザの指１０１と電極２０との間に静電容量Ｃ２が形成される。したがって、電極２０と電極２１との間には静電容量は、静電容量Ｃ１，Ｃ２が形成される分だけ大きくなり、電極２０，２１間の静電容量と、電極２０，２３間の静電容量との比（静電容量比）は変化する。すなわち、制御ＩＣ１０は、静電容量の差分を算出し、電極２０，２１間の静電容量が大きい場合、電極２１がユーザにより入力されたとし、Ｙ軸方向では正側が入力されたと検出する。

なお、制御ＩＣ１０は、Ｘ軸方向の位置検出と、Ｙ軸方向の位置検出とを分離して実行する。例えば、時分割で、制御ＩＣ１０への接続を切り替える。これにより、各方向の検出を分離して正確に行える。

Ｘ軸についても同様に、図４の破線丸印部分が押圧されると、ユーザの指１０１と電極２２との間に静電容量が形成され、電極２０と電極２２，２４との間の静電容量比は変化する。すなわち、電極２０，２２間の静電容量は、電極２０，２４間の静電容量より大きくなる。この結果から、制御ＩＣ１０は、電極２２がユーザにより入力されたとし、Ｘ軸方向では負側が入力されたと検出する。

制御ＩＣ１０は、検出した入力位置を入力装置１の外部へ出力する。そして、入力装置１が搭載される装置、例えば、携帯電話機では、カーソルを入力された方向と同じ方向に動かすなどの操作が行われる。

このように、ユーザの指１０１が基板１１の表面に触れれば、指１０１と電極２０〜２４との間に静電容量が形成されるため、基板１１が撓まない程度で押圧力がなくても、制御ＩＣ１０は接触位置を検出できる。このため、入力装置１は、ユーザによる操作を確実に受け付けることができる。

図６は、基板１１への押圧力を検出する検出方法を説明するための図である。図６の上部は、基板１１を押圧する前の状態、図６の下部は、基板１１を押圧した後の状態を示す。

上述のように、対向する電極３１，３２と電極４１との間には、静電容量が形成されている。基板１１を押圧する前において、電極３１，３２と電極４１との距離をＬ１とする。基板１１がユーザにより押圧されると、指１０１により押圧される基板１１の部分は基板１２側に撓む。このときの電極３２，４１の距離をＬ２とする。そうすると、Ｌ１＞Ｌ２であり、基板１１がユーザにより押圧された場合、電極３１，３２と電極４１との間に形成される静電容量は増加する。制御ＩＣ１０は、この静電容量の変化を検出し、その変化量から、ユーザによる押圧力を算出する。

制御ＩＣ１０は、検出した押圧力を入力装置１の外部へ出力する。そして、入力装置１が搭載される装置、例えば、テレビのコントローラの場合には、押圧力に応じて、音量を上げ続ける（下げ続ける）などの操作が行われる。

なお、基板１１は、押圧位置によって、変位量が異なる。例えば、同じ力で基板１１の中央が押圧された場合と、スペーサ１３Ａ，１３Ｂ近傍が押圧された場合とで、基板１１の撓み量が異なる。このため、押圧時の静電容量の変化も異なる。したがって、制御ＩＣ１０は、あらかじめ記憶された補正値を用いて、押圧位置に応じて、検出する押圧力を補正するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る入力装置１は、ユーザによる基板１１への入力位置及び押圧力を検出することができる。また、入力装置１は、基板１１が十分な力で押圧されていなくても、基板１１の表面にユーザの指が触れていれば、その入力位置を検出できるため、ユーザによる操作を確実に受け付けることができる。

なお、本実施形態では、電極４１が設けられている基板１２はプリント基板としているが、配線パターンなどが形成されていない基材であってもよい。この場合、制御ＩＣ１０などは基板１１に設けるようにしてもよい。

（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る入力装置の断面図である。本実施形態に係る入力装置２は、実施形態１と構造は同じであるが、押圧力を検出する電極４１が、入力装置２が搭載される装置、例えば携帯電話機等の主基板１５に設けられている点で実施形態１と相違する。この場合、各電極には、携帯電話機等の電圧源から電圧ＶＤＤを印加し、携帯電話機を制御する制御ＩＣが、基板１１の入力位置及び押圧力を検出するようにしてもよい。

このように、本実施形態に係る入力装置２は、実施形態１と同様に、ユーザによる基板１１への入力位置及び押圧力を検出することができる。また、入力装置２は、基板１１が十分な力で押圧されていなくても、基板１１の表面にユーザの指が触れていれば、その入力位置を検出できるため、ユーザによる操作を確実に受け付けることができる。

なお、上述の実施形態１，２において、電極３１，３２は一つの電極としてもよい。この場合、一つの電極、又は、電極４１の一方をグランドに接続し、他方に電圧ＶＤＤを印加する。また、実施形態１，２において、電極２０をグランドに接続し、電極２１〜２４に電圧ＶＤＤを印加しているが、電極２１〜２４をグランドに接続し、電極２０に電圧ＶＤＤを印加するようにしてもよい。さらに、入力位置を検出する電極の数は４つの電極２１〜２４に限らず、２つ、３つ、又は５つ以上であってもよい。例えば、電極２０の周囲に８つの電極を設けることで、原点を基準として、より細かい入力位置が検出できる。

１，２…入力装置
１０…制御ＩＣ
１１…基板（第１基板）
１２…基板（第２基板）
１３Ａ，１３Ｂ…スペーサ
１４…絶縁体膜（絶縁膜）
１５…主基板
２０〜２４…電極（位置検出用電極）
３１…電極（押圧力検出用第１電極、第１位置検出用電極）
３２…電極（押圧力検出用第１電極、第２位置検出用電極）
４１…電極（押圧力検出用第２電極）
１０１…指
Ｃ１，Ｃ２…静電容量
Ｃｙ１，Ｃｙ２…静電容量

Claims

可撓性があり、対向する第１面と第２面を有する第１基板と、
前記第１面に、平面方向に距離をおいて設けられた複数の位置検出用電極と、
前記第１面に設けられ、前記複数の位置検出用電極を覆う絶縁膜と、
前記第２面に設けられた押圧力検出用第１電極と、
前記押圧力検出用第１電極と対向して設けられた押圧力検出用第２電極と、
を備える検出センサ。
前記第２面に対向し、前記第１基板と距離をおいて設けられた第２基板、
を備え、
前記押圧力検出用第２電極は、前記第１基板側となる前記第２基板の面に設けられている、
請求項１に記載の検出センサ。
前記複数の位置検出用電極は、
第１位置検出用電極と、
前記第１位置検出用電極の周囲を囲むように設けられた複数の第２位置検出用電極と、
を有し、
前記第１位置検出用電極、又は、前記第２位置検出用電極の一方がグランドに接続され、他方が、電圧源に接続される、
請求項１又は２に記載の検出センサ。
請求項１から３の何れかに記載の検出センサと、
前記検出センサによる検出結果に応じた信号を入力する手段と、
を備えた入力装置。