検出センサ及び入力装置

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