JPWO2020129589A1 - 入力装置 - Google Patents

Abstract

操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、接触面積の大小にかかわらず、絶対的な位置情報を正確に検出できる入力装置において、複数の第３電極列は、操作面の法線方向において複数の第２電極列よりも操作面に近い位置に配置され、法線方向に沿って見たときに、第２電極列は、対応する第３電極列からはみ出して見える部分を有し、操作体の操作による、複数の第１電極列と複数の第３電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ１、複数の第１電極列と複数の第２電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ２とし、変化量ΔＣ１と変化量ΔＣ２の比率ΔＣ１／ΔＣ２に基づいて、操作面に対する操作体の前記法線方向の位置を算出する。

Description

本発明は、操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、その位置情報を正確に検出することができる入力装置に関する。

特許文献１に記載の静電容量型入力装置では、両端に位置する電極部が検知電極部に設定され、これらの内側に接地電極部が設定され、さらに、中央の複数の電極部が駆動検知部に設定されている。両端の検知電極部の出力差により指の座標位置を求めることができ、出力和により垂直距離を求めることができる。指の垂直距離が第１のしきい値よりも短くなったら、検知電極部の間隔が短くなるように切り替えられ、さらに指が接近すると、タッチ検知モードが設定される。

特許文献２に記載の静電容量式３次元センサーは、パターン状の導電膜を有するシート状の第１電極体と、パターン状の導電膜を備えるシート状の第２電極体と、第１電極体と第２電極体の間に配置された易変形体とを具備する。易変形体は、弾性層用基材シートと、弾性層用基材シートの一方の面に設けられた弾性層とを備える。指による押圧力が加わると易変形体が圧縮変形するため、第１電極体と第２電極体の距離が短くなり、これによる静電容量の変化を検出することにより押圧量を求めることができる。

特許文献３のデバイスは、検出面と、測定電極を備える少なくとも１つの容量センサーと、測定電極に近接して配置される導電材料のガードと、容量センサーから発せられる信号を処理するための電子手段とを備える。この構成において、容量センサーの測定値に基づいて、物体が近づくときの物体からの距離、物体と検出面との間の物理的接触、及び、物体による押し下げを検出することが可能となる。

特許文献４に記載の静電容量結合方式タッチパネルは、第１の透明基板と、これに対向する第２の透明基板と、第１の透明基板上に設けられ、位置座標を検出する複数の座標電極とを備える。第２の透明基板には、上記複数の座標電極と絶縁して浮遊電極を設けられ、複数の座標電極と浮遊電極との間に気体層と間隔厚制御突起パターンとを備える。これにより、樹脂製のペンや絶縁物でタッチしたときに、タッチ荷重により浮遊電極が押されることで浮遊電極と座標電極が接近するため、これらの間の静電容量が変化し、これによりタッチした位置を検出することが可能となる。

特開２０１５−１６６９２１号公報 特開２０１６−０９１１４９号公報 特開２０１８−００５９３２号公報 特開２０１３−１４０６３５号公報

しかしながら、特許文献１〜４に記載の静電容量式の入力装置においては、操作面に対する指などの操作体の位置を検出することはできるが、例えば指の場合、操作者によって形状や大きさが異なり、さらには、接触圧などにより操作面に対する接触面積が異なる。そのため、指が同じ位置に接触しようとしていても、接触面積の大きさによって検出される静電容量が異なってしまうため、特許文献１〜３の高さ位置の検出では同じ検出結果が得られないという問題があった。このため、相対的な面内位置検出はできたとしても、接触面積の影響を除いた絶対的な高さ位置検出を行うことは困難であった。また、特許文献４の入力装置に至っては、高さ位置検出はそもそも行うことができなかった。

そこで本発明は、操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、接触面積の大小にかかわらず、操作面に対する法線方向の絶対的な位置情報を正確に検出することができる入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の入力装置は、操作体による操作が行われる操作面を備えた入力装置であって、上記操作面は第１方向と、第１方向に交差する第２方向とを有し、それぞれが第１方向に沿って延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第１電極列と、第２方向に沿ってそれぞれ延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第２電極列と、それぞれが第２方向に沿って延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第３電極列とを備え、操作面の法線方向において、複数の第３電極列は、複数の第２電極列よりも操作面に近い位置に配置され、法線方向に沿って見たときに、第２電極列は、対応する第３電極列からはみ出して見える部分を有し、複数の第１電極列が駆動電極に設定されたときには、複数の第２電極列及び複数の第３電極列が受信電極にそれぞれ設定され、複数の第１電極列が受信電極に設定されたときには、複数の第２電極列及び複数の第３電極列が駆動電極にそれぞれ設定され、操作体の操作による、複数の第１電極列と複数の第３電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ１、複数の第１電極列と複数の第２電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ２とし、変化量ΔＣ１と変化量ΔＣ２の比率ΔＣ１／ΔＣ２に基づいて、操作面に対する操作体の前記法線方向の位置を算出することを特徴としている。

これにより、操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、接触面積（又は操作面への投影面積）の大小にかかわらず、操作面の法線方向の絶対的な位置情報を正確に検出することができ、検出精度が高く、誤動作や不動作を防止可能な入力装置を提供することができる。操作面への接触には、操作面を変位又は変形させる押圧操作も含まれ、押圧操作の場合もその押圧面積の大小にかかわらずに、操作面の法線方向の絶対的な位置情報を高精度で検出可能である。
以下の説明において、接触面積には、操作体を接近させたときの操作面への投影面積や、押圧操作を行ったときの押圧面積が含まれる。

本発明の入力装置において、上記比率ΔＣ１／ΔＣ２は、操作面に対する操作体の距離が小さいほど小さな値をとることが好ましい。
操作面と操作体との間の距離に対して比率ΔＣ１／ΔＣ２が略比例するように設定することで、操作面への接触面積の大小の影響を抑えて、操作面の法線方向の位置情報を精度よく検出することが可能となる。

本発明の入力装置において、法線方向において、複数の第２電極列は、複数の第３電極列よりも複数の第１電極列に近い位置に配置されていることが好ましい。
これにより、操作面の法線方向に対する操作体の高さ位置の検出感度を高めることができる。

本発明の入力装置において、複数の第２電極列と複数の第３電極列は、第１方向における配置ピッチが互いに同一であることが好ましい。
これにより、操作面と操作体の間の距離に対する上記比率ΔＣ１／ΔＣ２の略比例関係を確保することができ、操作面への接触面積の大小の影響を抑えた高精度の操作面の法線方向の位置情報検出が可能となる。

本発明の入力装置において、第１方向において、第２電極列の重心と第３電極列の重心とが一致することが好ましい。
これにより、法線方向に沿って見たときに、第２電極列と第３電極列の両方を臨むことができ、これらの電極列のそれぞれと操作体との間で静電容量の結合が確実に行われる。よって、第２電極列と第３電極列のそれぞれについて静電容量の変化量ΔＣ１、ΔＣ２が生じるため、比率ΔＣ１／ΔＣ２に基づいて高精度の操作面の法線方向の位置検出ができるだけでなく、誤検出や不検出の発生を抑えた信頼性の高い入力装置を実現することができる。

本発明の入力装置において、法線方向において、複数の第３電極列よりも操作面側に弾性変形層が形成されていることが好ましい。
これにより、押圧操作を行ったときの操作体と第３電極列との距離が微小変化し、この変化量を検出可能な構成を実現できる。また、弾性変形層を表面に配置した場合は、弾性変形層が消耗した場合に容易に交換することができる。

本発明の入力装置において、法線方向において、複数の第３電極列と複数の第２電極列の間に弾性変形層が形成されていることが好ましい。
これにより、第２電極列と第３電極列との距離が変化し得る構成を実現でき、押圧操作による距離の変化量が検出可能となる。

本発明の入力装置において、操作面に対して操作体による押圧操作が行われたとき、操作体について、法線方向における操作面からの高さ位置、及び、操作面の面方向における位置を算出することが好ましい。
これにより、押圧位置を検出可能な入力装置を提供できる。

本発明の入力装置において、操作面から離間した操作体について、法線方向における操作面からの高さ位置、及び、操作面において対応する位置を算出することが好ましい。
これにより、操作面に接触して行う操作だけでなく、操作面に接触していない状態での操作体の動作の検出や、押圧操作時の検出を行うことができる。

本発明の入力装置において、複数の第１電極列と複数の第２電極列の間の静電容量に基づいて、操作面の面内位置を検出することが好ましい。
これにより、操作面内方向の位置検出と、操作面との距離の検出とを同時に行うことができるため、操作面に接触していない状態、操作面を接触操作している状態、及び、押圧操作をしている状態のいずれに対しても３次元の位置検出が可能となる。

本発明によると、操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、接触面積の大小にかかわらず、操作面に対する法線方向の絶対的な位置情報を正確に検出することができる。

第１実施形態に係る静電容量式入力装置における静電容量式センサー部と複数の第３電極列の構成を示す平面図である。 図１のＩＩ部分の拡大図である。 第１実施形態に係る静電容量式入力装置の構成を示す断面図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ’線の位置で切断して矢印方向から見た断面図である。 第１実施形態に係る静電容量式入力装置の機能ブロック図である。 （ａ）は、第３電極列の上面に対する操作体の高さと静電容量の変化量の関係を示すグラフ、（ｂ）は第３電極列の上面に対する操作体の高さと静電容量の変化量の比率の関係を示すグラフである。 変形例１における第３電極列を第１実施形態の静電容量式センサー部に適用した例を示す平面図である。 変形例２における第３電極列を第１実施形態の静電容量式センサー部に適用した例を示す平面図である。 第２実施形態に係る静電容量式入力装置の構成を示す断面図である。 （ａ）は、第３電極列の上面に対する操作体の高さと静電容量の変化量の関係を示すグラフ、（ｂ）は第３電極列の上面に対する操作体の高さと静電容量の変化量の比率の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る入力装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。以下の実施形態では、平面基材に形成された静電容量式センサー部を備えたタッチパネルに適用した場合について説明するが、本発明の入力装置はこれに限定されず、例えば、曲面タイプの静電容量式センサー部を備えた入力装置や、車両のインストルメントパネルなどの運転席周辺に配置される装置等に適用可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の静電容量式入力装置１０における静電容量式センサー部２０と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６の構成を示す平面図である。図１ではさらに、静電容量式センサー部２０上に第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６を重ねて配置関係を示している。なお、図１においては、弾性保護層３１、３つの粘着層３２ａ〜３２ｃ、及び、基材２０ａ、パネル本体３３、並びに、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６への配線の図示を省略している。図２は図１のＩＩ部分の拡大図である。図３は静電容量式入力装置１０の構成を示す断面図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ’線の位置で切断して矢印方向から見た断面図である。図４は、第１実施形態の静電容量式入力装置１０の機能ブロック図である。図５（ａ）は、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６の上面に対する操作体の高さ（横軸）と静電容量の変化量（縦軸）の関係を示すグラフ、（ｂ）は第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６の上面に対する操作体の高さ（横軸）と静電容量の変化量の比率（縦軸）の関係を示すグラフである。

図１〜図３においては、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｚ１−Ｚ２方向は静電容量式入力装置１０の厚み方向（上下方向）であり、ＸＹ平面はＺ１−Ｚ２方向に垂直な平面である。Ｘ１−Ｘ２方向とＹ１−Ｙ２方向はＸＹ平面において互いに直角になるように交差している。以下の説明において、Ｚ１−Ｚ２方向に沿ってＺ１側からＺ２側を見た状態を平面視と称し、平面視における形状を平面形状と述べる。平面視は、弾性保護層３１の上面３１ａ（操作面）の法線方向に沿って見た状態となる。操作面としての弾性保護層３１の上面３１ａは、その面内に、第１方向としてのＹ１−Ｙ２方向と、第２方向としてのＸ１−Ｘ２方向とを有している。以下の説明では、Ｚ１−Ｚ２方向を上下方向として装置を配置した場合について説明するが、この入力装置は、これ以外の姿勢で使用することも可能である。

図３に示すように、静電容量式入力装置１０は、入力位置情報を検出する静電容量式センサー部２０と、パネル本体３３と、基材２０ａ上に形成された第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６と、弾性保護層３１とを有して構成される。パネル本体３３と、基材２０ａと、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６と、弾性保護層３１とは、静電容量式センサー部２０側から入力操作側（図３のＺ１方向）へ順に配置されている。弾性保護層３１と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は第１粘着層３２ａを介して貼り合わされ、基材２０ａとパネル本体３３は第２粘着層３２ｂを介して貼り合わされ、さらに、パネル本体３３と静電容量式センサー部２０は第３粘着層３２ｃを介して貼り合わされる。

３つの粘着層３２ａ、３２ｂ、３２ｃとしては、例えば光学接着剤（ＯＣＡ）が用いられ、又は、ＩＭＬ（Ｉｎ−ｍｏｌｄ Ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）やＩＭＤ（Ｉｎ−ｍｏｌｄ Ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ）によって形成される。

静電容量式センサー部２０は、（１）基材２０ｂと、（２）基材２０ｂ上に形成された、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、ブリッジ部２４、接続部２５、配線２６、及び、端子部２７とを備える。

（弾性保護層３１）
弾性保護層３１（弾性変形層）は、平面視において静電容量式センサー部２０を覆うような矩形状をなして形成されており、上面３１ａが静電容量式入力装置１０の操作面となる。この操作面では、操作者の指や手などの操作体による操作が行われる。弾性保護層３１（弾性変形層）は、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５及び第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６よりも操作面側であり、かつ、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６よりも操作面側に配置されている。

操作体としては、操作者の指や手、静電容量式入力装置対応のスタイラスやタッチペンなどがある。入力装置を車両に適用する場合には、例えば車両を操作するハンドルに入力装置を設けることができ、この場合の操作体はハンドルを握る運転者の手となり、入力装置によって、運転者がハンドルをどの位置を、どの程度の強さで握っているかを検出することができる。また、入力装置を車両の座席の座面や背もたれ部に設けた場合には、操作体は着座者の背中、腰、及び足となって、着座者の着座安定性など身体状態を検知することができる。

弾性保護層３１は、操作体による操作において、上下方向の力が加えられたときに、弾性変形可能な非導電性の材料で構成されている。このような材料としては、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴムが挙げられる。弾性保護層３１の弾性、厚さ、光透過性、色その他の性質は、静電容量式入力装置１０の仕様に応じて適宜選択できる。

静電容量式入力装置１０の仕様に応じて、弾性保護層３１の裏面（図１のＺ２方向の面）に、有色で不透明の加飾層を設けてもよい。この加飾層は、平面視において、静電容量式センサー部２０の入力領域１５の外側に配置された非入力領域１６に重なるように、印刷等によって設ける。

（パネル本体３３）
パネル本体３３は、平面視において静電容量式センサー部２０を覆うような矩形状をなしている。パネル本体３３は、非導電性で硬性を有する材料で構成されている。このような材料としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂その他のアクリル樹脂、ガラスが挙げられる。パネル本体３３は、以下に述べるように、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６とが、上下方向において所定の間隔を置くように、厚さが設定される。また、パネル本体３３の光透過性、色その他の性質は、静電容量式入力装置１０の仕様に応じて適宜選択できる。

（第１電極列と第２電極列）
図１に示すように、静電容量式センサー部２０の入力領域１５には複数の第１電極２１及び複数の第２電極２２が配列されている。
静電容量式センサー部２０は、基材２０ｂと、基材２０ｂの基材面（Ｚ１側の上面）上に形成された複数の第１電極２１、複数の第２電極２２、及び、複数の配線２６を有して構成される。第１電極２１及び第２電極２２は入力領域１５に形成された、ＸＹ平面に広がる平面を有するパッド状の電極である。

第１電極２１は、Ｙ１−Ｙ２方向（第１方向）に間隔を設けて複数配置されており、Ｙ１−Ｙ２方向に隣り合う第１電極２１同士は幅細の接続部２５によって互いに接続され、第１電極列を構成する。図２に示すように、５本の第１電極列Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５が、Ｘ１−Ｘ２方向（第２方向）において互いに間隔を空けて配列されている。

第２電極２２は、Ｘ１−Ｘ２方向（第２方向）に間隔を設けて複数配置されており、Ｘ１−Ｘ２方向に隣り合う第２電極２２同士は幅細のブリッジ部２４によって互いに接続され、第２電極列を構成する。図１と図２に示す構成においては、６本の第２電極列Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６が、Ｙ１−Ｙ２方向（第１方向）において互いに間隔を空けて配列されている。

図１と図２に示すように、複数の第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５と、複数の第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６とは、互いに交差するように配置されている。図３に示すように、接続部２５とブリッジ部２４とが交差する部分において、接続部２５を覆うように交差部絶縁層３５が設けられており、接続部２５及び交差部絶縁層３５を跨がってブリッジ部２４が形成されている。第１電極２１同士は接続部２５によって接続され、接続部２５をＸ１−Ｘ２方向に挟むように配置された第２電極２２同士は、ブリッジ部２４によって接続されている。このように、第１電極２１と第２電極２２とは、互いに絶縁された状態で形成される。

図１に示すように、基材２０ｂの非入力領域１６には、第１電極２１及び第２電極２２にそれぞれ接続された複数の配線２６が形成されている。これらの複数の配線２６は、基材２０ｂの非入力領域１６を引き回されて、外部回路と接続するための端子部２７に接続される。

基材２０ｂは、フィルム状の非導電性の樹脂材料を用いて形成されており、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、環状ポリオレフィン、ポリメタクリル酸メチル樹脂等の透光性樹脂材料が用いられる。第１電極２１、第２電極２２、及び、接続部２５は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透光性の導電材料を用いて形成されており、スパッタや蒸着等の薄膜法により形成される。また、ブリッジ部２４は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料やＣｕＮｉ、ＡｇＰｄ等の合金、ＩＴＯ等の導電性酸化物材料を用いて形成される。配線２６及び端子部２７には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料やＩＴＯ等の導電性酸化物材料を用いることができる。

（第３電極列）
図１に示すように、静電容量式入力装置１０の入力領域１５には６本の第３電極列Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５、Ｌ３６が配列されている。第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、基材２０ａ上に形成されている（図３）。

第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、それぞれがＸ１−Ｘ２方向（第２方向）に沿って延びる、同一幅のライン状に形成されている。図１に示す構成においては、６本の第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６が、Ｙ１−Ｙ２方向（第１方向）において互いに間隔を空けて配列されている。

第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、平面視において第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６にそれぞれ重なるように配置され、さらに、各第２電極列を構成する複数の第２電極２２を互いに接続するブリッジ部２４についても、平面視において重なるように配置されている。

さらに、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、Ｙ１−Ｙ２方向において、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６と同一の配置ピッチで配置され、かつ、平面視において、それぞれが対応する第２電極列に対して重心がＹ１−Ｙ２方向で一致するように配置されている。

図１と図２に示すように、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、それぞれ、Ｙ１−Ｙ２方向における幅がブリッジ部２４と略同一とされている。このため、平面視において、第２電極列の各第２電極２２は、対応する第３電極列からはみ出して見える部分を有する。はみ出し量を所定量以上確保することにより、上下方向において、第２電極列と操作体との間に、第３電極列が介在して静電容量の変化の妨げとなることを防止できるため、第２電極列による検出を確実に行うことができる。

図３に示すように、上下方向において、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、静電容量式センサー部２０との間にパネル本体３３、第２粘着層３２ｂ、基材２０ａを介して配置されており、第２電極列を含む２０よりも、弾性保護層３１の上面３１ａ側に配置されている。

第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６が設けられる基材２０ａは、静電容量式センサー部２０における基材２０ｂと同様に、フィルム状の非導電性の樹脂材料を用いて形成される。第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、第１電極２１、第２電極２２、及び、接続部２５と同様に、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透光性の導電材料を用いて形成される。

図示はしていないが、基材２０ａの非入力領域１６には、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６のそれぞれに接続された複数の配線が形成され、これらの複数の配線は非入力領域１６を引き回されて、外部回路と接続するための端子部（不図示）に接続される。

（静電容量の変化）
５本の第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５が駆動電極に設定されたときには、６本の第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、及び、６本の第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６が受信電極にそれぞれ設定され、５本の第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５が受信電極に設定されたときには、６本の第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、及び、６本の第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６が駆動電極にそれぞれ設定される。これらのいずれの構成においても、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５のそれぞれと第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６のそれぞれとの間に静電容量が形成されており、この静電容量は、操作面に対して操作体が近づき、又は遠ざかることで、操作体と受信電極との間に形成される静電容量が結合することによって、静電容量に変化が生じ、ＸＹ平面内において静電容量の変化が生じた位置に基づいて操作面内における操作体の位置が検出される。

図４に示すように、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、及び、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６はマルチプレクサ４１に接続され、マルチプレクサ４１には駆動回路４２と検出回路４３が接続されている。マルチプレクサ４１、駆動回路４２、及び、検出回路４３には、これらにおける処理を制御する制御部４４（制御回路）が接続されている。

マルチプレクサ４１は、制御部４４からの指示信号にしたがって、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、及び、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６のうちで駆動電極に設定された電極列に駆動回路４２を接続し、受信電極に設定された電極列に検出回路４３を接続する。検出回路４３における検出結果は、制御部４４が備える記憶部に保存され、制御部４４では、検出結果に基づいて静電容量の比率その他の演算が実行される。

例えば、駆動電極としての第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５に対して、駆動回路４２から電圧が順に印加されると、矩形波の立ち上がりと立下りのタイミングで、受信電極としての第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６、及び、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６のそれぞれに電流が流れ、この検出電流が検出回路４３に与えられる。検出回路４３では、検出電流が電圧に変換され、積分・増幅され、さらにＡ／Ｄ変換されて検出結果として制御部４４に出力される。

操作者が入力操作を行う際に、弾性保護層３１の上面３１ａ（操作面）の入力領域１５に指や手などの操作体を接触させて、又は、近づけた場合、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６のうち、操作体に近位な電極列において、隣り合う第２電極２２と第１電極２１との間の静電容量に、第２電極２２と操作体との間に形成される静電容量が結合する。このため、操作体が接触し、又は近づいた第２電極２２において検出される静電容量の値に変化が生じる。後述するように、この変化量ΔＣ２に基づいて、操作面の法線方向における位置（高さ位置）が検出される。

第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６についても、弾性保護層３１の上面３１ａ（操作面）の入力領域１５に指や手などの操作体を接触させて、又は近づけた場合、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６のうち操作体に近位な電極列（近位第３電極列）に対して平面視で交差する第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５のいずれかと、近位第３電極列との間の静電容量に、近位第３電極列と操作体との間に形成される静電容量が結合する。このため、近位第３電極列（操作体が接触し、又は近づいた第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６のいずれか）において検出される静電容量の値に変化が生ずる。後述するように、この変化量ΔＣ１に基づいて、操作面の法線方向における位置（高さ位置）が検出される。

ここで、図３に示すように、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は、非導電性材料からなる、基材２０ａ、第２粘着層３２ｂ、パネル本体３３、及び、第３粘着層３２ｃを介して上下に配置されている。別言すると、上下方向において、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６は非導電性材料を介して所定の間隔を空けて配置されている。この所定の間隔（第２電極列と第３電極列の間隔）は、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５と、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６との上下方向における間隔よりも大きく設定され、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５と第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６との間隔の所定倍とされている。

このような構成において、操作体の操作による、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６との間の静電容量の変化量をΔＣ１、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５と第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６との間の静電容量の変化量をΔＣ２としたとき、図５（ａ）に示すように、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６の上面（Ｈｅｉｇｈｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）までの操作体の距離（図５（ａ）の横軸（単位ｍｍ））に対して、２つの変化量ΔＣ１、ΔＣ２は、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６と第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６の上下方向の間隔などに応じて、異なる変化を示す。ここで、図５（ａ）においては、変化量ΔＣ１を白丸印の破線で示し、変化量ΔＣ２を黒丸印の実線で示している。

さらに、２つの変化量ΔＣ１、ΔＣ２の比率ΔＣ１／ΔＣ２を、第３電極列の上面までの操作体の距離に対してプロットすると、図５（ｂ）に示すように、直線状の関係となり、操作面に対する操作体の距離が小さいほど上記比率が小さくなる。よって、この直線に基づいて、Ｚ１−Ｚ２方向（操作面に対する法線方向）における操作面からの高さ位置及び操作面内の位置を正確に検出（算出）することが可能となる。特に、この比率ΔＣ１／ΔＣ２を用いることにより、操作面の面方向における、操作体の面積の大小の影響が排除でき、操作面からの高さ位置と、操作面の面内において対応する位置（面内位置）の絶対値を精度よく検出することができる。

ここで、図５（ａ）、（ｂ）に示すのは、各層のサイズを次のように設定した構成によるシミュレーション結果である。厚みはＺ１−Ｚ２方向のサイズである。
弾性保護層３１ ：厚み１．０ｍｍ
第１粘着層３２ａ：厚み０．１ｍｍ
第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６：Ｙ１−Ｙ２方向の幅０．２０ｍｍ、厚み２０ｎｍ
基材２０ａ：厚み０．０５ｍｍ
第２粘着層３２ｂ：厚み０．１ｍｍ
パネル本体３３ ：厚み３．００ｍｍ
第３粘着層３２ｃ：厚み０．１７５ｍｍ（最大）
第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５：対角線長さ６．２０ｍｍ（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の長さ）、厚み２０ｎｍ
第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６：対角線長さ６．２０ｍｍ（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の長さ）、厚み２０ｎｍ
基材２０ｂ：厚み０．０５ｍｍ

以下に変形例について説明する。
上記実施形態において、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６は、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５の同層に配置され、かつ、ブリッジ部２４において第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５の上側を跨ぐように配置されており、さらに、上下方向（操作面の法線方向）において、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６よりも第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５に近い位置に配置されている。これに対して、上下方向において、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６を、第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６よりも第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５に近い位置に配置できれば、上下方向において、第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６を、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５の上側又は下側に配置する構成も可能である。

また、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５がそれぞれ延びる方向（Ｙ１−Ｙ２方向（第１方向））において、互いに対応する、第２電極列と第３電極列の重心が一致しており、平面視において、第２電極列が第３電極列よりも所定量以上はみ出して見えていれば、第２電極列と第３電極列の平面形状は上記実施形態の形状に限定されない。例えば、図６に示すような平面形状の第３電極列Ｌ１３１〜Ｌ１３６を、上記実施形態の第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６に代えて用いることもできる。ここで、図６は、変形例１における第３電極列Ｌ１３１〜Ｌ１３６を上記第１実施形態の静電容量式センサー部２０に適用した例を示す平面図である。図６においては、ブリッジ部２４との位置関係を明確にするために、第３電極列Ｌ１３１〜Ｌ１３６のうちのＬ１３２のみを破線で示している。

図６に示す第３電極列Ｌ１３１〜Ｌ１３６においては、複数の第３電極１２３ａが、Ｘ１−Ｘ２方向に沿って互いに間隔を空けて配置され、かつ、Ｘ１−Ｘ２方向に沿って延びる幅細の連結部１２３ｂによって互いに連結されている。第３電極１２３ａは、平面視において、第２電極２２と相似形状であり、かつ、対応する第２電極２２と重心が一致するように配置されている。さらに、第３電極１２３ａは、平面視において、対応する第２電極２２が所定量以上はみ出し見えるような小さな形状とされている。また、連結部１２３ｂは、平面視においてブリッジ部２４と重なるような、ブリッジ部２４と略同一の幅を有する。

第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５がそれぞれ延びる方向（Ｙ１−Ｙ２方向（第１方向））において、互いに対応する、第２電極列と第３電極列の重心が一致する構成としては、図７に示すように、第３電極列が対応する第２電極列に対してＸ１−Ｘ２方向にずれたものも可能である。ここで、図７は、変形例２における第３電極列Ｌ２３１〜Ｌ２３６を上記第１実施形態の静電容量式センサー部２０に適用した例を示す平面図である。図７においては、ブリッジ部２４との位置関係を明確にするために、第３電極列Ｌ２３１〜Ｌ２３６のうちの第３電極列Ｌ２３２のみを破線で示している。

図７に示す第３電極列Ｌ２３１〜Ｌ２３６においては、複数の第３電極２２３ａが、Ｘ１−Ｘ２方向に沿って互いに間隔を空けて配置され、かつ、Ｘ１−Ｘ２方向に沿って延びる幅細の連結部２２３ｂによって互いに連結されている。第３電極２２３ａは、平面視において、第２電極２２と同一形状であり、かつ、Ｘ１−Ｘ２方向で隣り合う２つの第２電極２の中間の位置に配置されている。連結部２２３ｂは、平面視においてブリッジ部２４と重なるような、ブリッジ部２４と略同一の幅を有する。この構成によれば、第３電極２２３ａと第２電極２２は同じ面積であるが、平面視において第２電極２２がはみ出して見える量を所定量以上確保できている。よって、第２電極列と第３電極列の両方において、受信電極を広くとることができ、静電容量変化をより正確に検出することができるため、上記第１実施形態と同様に、静電容量の変化量に基づいて、操作面の法線方向における高さ位置の絶対値を精度よく検出することができ、また、静電容量の変化が生じた位置に基づいて操作面内の位置も精度よく検出することができる。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係る静電容量式入力装置３１０の構成を示す断面図である。第２実施形態に係る静電容量式入力装置３１０は、第１実施形態における弾性保護層３１に代えて、弾性層３３１及び保護層３３６を設けている以外は、第１実施形態と同様の構成を備えている。第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明する。図８は、図３に対応する位置における断面図である。図９（ａ）は、第３電極列の上面に対する操作体の高さ（横軸）と静電容量の変化量（縦軸）の関係を示すグラフ、（ｂ）は第３電極列の上面に対する操作体の高さ（横軸）と静電容量の変化量の比率（縦軸）の関係を示すグラフである。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５のそれぞれと第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６のそれぞれとの間に静電容量が形成されており、この静電容量は、操作面に対して操作体が近づき、又は遠ざかることで、操作体と受信電極との間に形成される静電容量が結合することによって静電容量に変化が生じ、この変化量に基づいて操作面の法線方向における高さ位置が検出され、変化が生じた位置に基づいて操作面内（ＸＹ平面内）の位置検出が行われる。

図８に示すように、第２実施形態の静電容量式入力装置３１０では、パネル本体３３上から上側へ順に、弾性層３３１（弾性変形層）、基材３２０ａ上に設けられた第３電極列Ｌ３３２、及び、保護層３３６が配置・形成されている。図示はしていないが、第２実施形態では、第１実施形態の第３電極列Ｌ３１〜Ｌ３６と同様の構成の、Ｘ１−Ｘ２方向に延びる第３電極列を６本備え、図８に示す第３電極列Ｌ３３２は、第１実施形態の第３電極列Ｌ３２に対応する。

保護層３３６と第３電極列Ｌ３３２は第１粘着層３３２ａを介して貼り合わされ、基材３２０ａと弾性層３３１は第２粘着層３３２ｂを介して貼り合わされ、さらに、弾性層３３１とパネル本体３３は第３粘着層３３２ｃを介して貼り合わされている。静電容量式センサー部２０、及び、パネル本体３３は第１実施形態と同様の構成であり、第３粘着層３２ｃを介して貼り合わされている。弾性層３３１は、第３電極列Ｌ３３２と、第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５及び第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６との間に配置されている。

弾性層３３１、基材３２０ａ、及び、３つの粘着層３３２ａ〜３３２ｃは、第１実施形態の弾性保護層３１、基材２０ａ、及び、３つの粘着層３２ａ〜３２ｃとそれぞれ同様の材料で構成されている。弾性層３３１の厚みは、静電容量式入力装置３１０で想定される押圧力に応じて設定される。

保護層３３６は、非導電性で硬性を有する材料で構成され、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂その他のアクリル樹脂、ガラスを用いる。

ここで、各層のサイズは次のように設定した。
保護層３３６：厚み０．５ｍｍ
第１粘着層３３２ａ：厚み０．１ｍｍ
第３電極列：Ｙ１−Ｙ２方向の幅０．２０ｍｍ、厚み２０ｎｍ
基材３２０ａ：厚み０．０５ｍｍ
第２粘着層３３２ｂ：厚み０．１ｍｍ
弾性層３３１：厚み２．５ｍｍ
第３粘着層３３２ｃ：厚み０．１ｍｍ
パネル本体３３ ：厚み３．００ｍｍ
第３粘着層３２ｃ：厚み０．１７５ｍｍ（最大）
第１電極列Ｌ１１〜Ｌ１５：対角線長さ６．２０ｍｍ（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の長さ）、厚み２０ｎｍ
第２電極列Ｌ２１〜Ｌ２６：対角線長さ６．２０ｍｍ（Ｘ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向の長さ）、厚み２０ｎｍ
基材２０ｂ：厚み０．０５ｍｍ

このような構成により、操作面としての、保護層３３６の上面３３６ａに対して下方向の押圧力を与えると弾性層３３１が下方向へ収縮するように弾性変形する。これによって、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、操作体が、押圧操作前の位置よりも低い、横軸の負の領域に至る。

図９（ａ）に示すように、第３電極列の上面（Ｈｅｉｇｈｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）までの操作体の距離（図９（ａ）の横軸（単位ｍｍ））に対して、静電容量の変化量ΔＣ１、ΔＣ２は異なる変化を示す。さらに、ΔＣ１とΔＣ２の比率ΔＣ１／ΔＣ２は、図９（ｂ）に示すように、横軸の負の領域と正の領域のそれぞれで直線状の関係となっている。よって、操作面に対する操作体の距離が小さいほど上記比率が小さくなり、この傾向は、負の領域でも同様となっている。ここで、図９（ａ）においては、変化量ΔＣ１を白丸印の破線で示し、変化量ΔＣ２を黒丸印の実線で示している。

したがって、操作体が操作面に接触していない状態、接触している状態、及び、操作面に押圧力を欠けている状態のいずれにおいても、上記直線に基づいて、Ｚ１−Ｚ２方向（操作面に対する法線方向）における操作面からの高さ位置（操作面に対する法線方向の位置）を正確に検出することが可能となる。そして、この比率ΔＣ１／ΔＣ２を用いることにより、操作面の面方向における、操作体の面積の大小の影響が排除でき、操作面からの高さ位置（操作面に対する法線方向の位置）の絶対値を精度よく算出することができる。また、静電容量式センサー部２０による操作面の面内において対応する位置（面内位置）と併せて、操作面に対する３次元座標の絶対位置を精度よく算出することができる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る入力装置は、操作者が操作面に指などの操作体を接近又は接触させたときに、接触面積の大小にかかわらず、操作面に対する法線方向の絶対的な位置情報を正確に検出できる点で有用である。

１０ 静電容量式入力装置
１５ 入力領域
１６ 非入力領域
２０ 静電容量式センサー部
２０ａ、２０ｂ 基材
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２４ ブリッジ部
２５ 接続部
２６ 配線
２７ 端子部
３１ 弾性保護層
３１ａ 上面（操作面）
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 粘着層
３３ パネル本体
３５ 交差部絶縁層
４１ マルチプレクサ
４２ 駆動回路
４３ 検出回路
４４ 制御部
１２３ａ 第３電極
１２３ｂ 連結部
２２３ａ 第３電極
２２３ｂ 連結部
３１０ 静電容量式入力装置
３２０ａ 基材
３３１ 弾性層
３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ 粘着層
３３６ 保護層
３３６ａ 上面（操作面）
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５ 第１電極列
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２６ 第２電極列
Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５、Ｌ３６ 第３電極列
Ｌ２３１、Ｌ２３２、Ｌ２３３、Ｌ２３４、Ｌ２３５、Ｌ２３６ 第３電極列
Ｌ３３２ 第３電極列

Claims (10)

1. 操作体による操作が行われる操作面を備えた入力装置であって、
   前記操作面は第１方向と、前記第１方向に交差する第２方向とを有し、
   それぞれが前記第１方向に沿って延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第１電極列と、
   前記第２方向に沿ってそれぞれ延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第２電極列と、
   それぞれが前記第２方向に沿って延び、かつ、互いに間隔を空けて配置された複数の第３電極列とを備え、
   前記操作面の法線方向において、前記複数の第３電極列は、前記複数の第２電極列よりも前記操作面に近い位置に配置され、
   前記法線方向に沿って見たときに、前記第２電極列は、対応する前記第３電極列からはみ出して見える部分を有し、
   前記複数の第１電極列が駆動電極に設定されたときには、前記複数の第２電極列及び前記複数の第３電極列が受信電極にそれぞれ設定され、前記複数の第１電極列が受信電極に設定されたときには、前記複数の第２電極列及び前記複数の第３電極列が駆動電極にそれぞれ設定され、
   前記操作体の操作による、前記複数の第１電極列と前記複数の第３電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ１、前記複数の第１電極列と前記複数の第２電極列との間の静電容量の変化量をΔＣ２とし、前記変化量ΔＣ１と前記変化量ΔＣ２の比率ΔＣ１／ΔＣ２に基づいて、前記操作面に対する前記操作体の前記法線方向の位置を算出することを特徴とする入力装置。
2. 前記比率ΔＣ１／ΔＣ２は、前記操作面に対する前記操作体の距離が小さいほど小さな値をとる請求項１に記載の入力装置。
3. 前記法線方向において、前記複数の第２電極列は、前記複数の第３電極列よりも前記複数の第１電極列に近い位置に配置されている請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
4. 前記複数の第２電極列と前記複数の第３電極列は、前記第１方向における配置ピッチが互いに同一である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の入力装置。
5. 前記第１方向において、前記第２電極列の重心と前記第３電極列の重心とが一致する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の入力装置。
6. 前記法線方向において、前記複数の第３電極列よりも前記操作面側に弾性変形層が形成されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の入力装置。
7. 前記法線方向において、前記複数の第３電極列と前記複数の第２電極列の間に弾性変形層が形成されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の入力装置。
8. 前記操作面に対して前記操作体による押圧操作が行われたとき、前記操作体について、前記法線方向における前記操作面からの高さ位置、及び、前記操作面の面方向における位置を算出する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の入力装置。
9. 前記操作面から離間した前記操作体について、前記法線方向における前記操作面からの高さ位置、及び、前記操作面において対応する位置を算出する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の入力装置。
10. 前記複数の第１電極列と前記複数の第２電極列の間の静電容量に基づいて、前記操作面の面内位置を検出する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の入力装置。

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