Press sensor

本発明は、例えば携帯電話等の小型の電子機器に搭載される押圧センサに係り、特に、操作面上での押圧力の大きさによってスイッチ部からのスイッチ信号の分解能が変化する押圧センサに関する。

下記に示す特許文献１は、例えばこの文献の図１に示すようなリモコン送信機に関する発明であり、押されたボタン数が複数で且つ奇数であった場合にその中心のボタンが押されたこととみなすなど、特に複数のボタンが押されたときの処理について開示されている。

特開２００１−１４２６１５号公報

図１１に示すように、例えばボタン数が全部で「Ａ」〜「Ｅ」までの５つあるとし、ＡのボタンからＥのボタンまでを連続的に押圧すると、それぞれ押圧されたボタンからはスイッチ信号（デジタル信号）が出力されて押圧されたボタンがオン状態に切り換わる。

しかし従来では、図１１に示すように各ボタンからのスイッチ信号に基づき、各ボタンがオン状態か、オフ状態かを見ているだけであるから、ボタン上での押圧力を変えても出力波形は図１１に示すものと変らなかった。 すなわち単純にボタンのオン信号だけを出力するものであるから、特許文献１の押圧センサを用いて様々な機能を実現することが出来なかった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、操作面上での押圧力の大きさによってスイッチ部からのスイッチ信号の分解能が変化する押圧センサを提供することを目的としている。

本発明における押圧センサは、
表面が操作面である表面シートと、前記表面シートの下面側に前記表面シートと所定距離離れて設けられた複数個のスイッチ部を有する基板シートと、を有し、
前記操作面が押圧されると、前記表面シートが前記基板シート方向に向けて撓み変形されて、前記スイッチ部が入力状態に切り替わり、
前記操作面上での押圧力の大きさによって前記スイッチ部からのスイッチ信号の分解能が変化することを特徴とするものである。

本発明では、押圧されたスイッチ部からのスイッチ信号に基づき、前記スイッチ部を入力状態に切り換えるとともに、押圧力の大きさによって前記スイッチ信号の分解能が変化するようにしたので、前記分解能の変化によって、本発明の押圧センサが組み込まれる例えば携帯電話等の電子機器に、前記分解能の変化に基づく様々な機能を持たせることが可能になる。

本発明では、前記基板シートは、下面に上部電極を有する上側シートと、前記上側シートと分離して形成されるとともに、前記上側シートと所定間隔を有して対向し、上面に下部電極を有する下側シートとを有して構成され、高さ方向で対となる上部電極部と下部電極部とでスイッチ部が構成され、
上部電極と下部電極のうちどちらか一方が、他方の電極よりも抵抗値が高い抵抗膜によって形成されていることが好ましい。 かかる場合、前記抵抗膜はカーボン抵抗膜であることが好ましい。

このように、上部電極と下部電極のうちどちらか一方を、他方の電極よりも抵抗値が高い抵抗膜によって形成することで、押圧力の変化による前記上部電極と下部電極と間の抵抗値の変動を大きくでき、これによってスイッチ信号の分解能を高めることができ、高分解能の押圧センサを提供することが可能になる。

また本発明では、前記分解能を演算する分解能演算手段があり、前記分解能演算手段は、前記スイッチ部からのスイッチ信号をアナログ信号として検出するためのアナログ出力検出手段と、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのデジタル変換手段とを有して構成され、前記分解能は、前記アナログ信号の出力レベルに応じて演算されることが好ましい。

また本発明では、操作体により前記操作面上を押圧すると共に、複数のスイッチ部が並べられた方向に前記操作体を移動させることで、スイッチ信号の移動が検出されて所定モードへ移行するとともに、押圧力に基づくスイッチ信号の分解能の変化に合わせて前記モード内での処理を実行することが好ましい。

例えば、前記モードはスクロールモードであり、前記スイッチ信号の分解能の変化に合わせて画像送りの粗密さを変える処理信号を画像処理部へ送ることが可能である。

本発明では、押圧されたスイッチ部からのスイッチ信号に基づき、前記スイッチ部を入力状態に切り換えるとともに、押圧力の大きさによって前記スイッチ信号の分解能が変化するようにしたので、前記分解能の変化によって、本発明の押圧センサが組み込まれる例えば携帯電話等の電子機器に、前記分解能の変化に基づく様々な機能を持たせることが可能になる。

図１は本発明の押圧センサの部分断面図、図２，図３は使用状態を説明するための前記押圧センサの部分断面図、図４ａは、図２の使用状態でのアナログ信号の出力波形図、図４ｂは、アナログ信号からデジタル信号に変換した出力波形図、図５ａは図３の使用状態でのアナログ信号の出力波形図、図５ｂはアナログ信号からデジタル信号に変換した出力波形図、図６，図７は本発明における押圧センサの回路図の一例、図８は本発明における押圧センサのブロック図、図９は本発明の一例としてスクロールモードを起動させるときのフローチャート図、図１０は、本発明の押圧センサが搭載された携帯電話の部分斜視図、である。

図１に示すように、押圧センサＳは、Ｘ１−Ｘ２方向に細長く延びる帯状の弾性部材（弾性体）６を有している。 弾性部材６の裏面側には基板シート２０が設けられる。

押圧センサＳは、小型の電子機器、例えば携帯電話、オーディオやエアコンなどのリモコン、ＰＤＡ（Personal DigitalAssistance）などに搭載することができる。 あるいはパソコン等の比較的大きな電子機器に搭載することも可能である。

押圧センサＳは、電子機器を構成する筐体から弾性部材６の表面の操作面１０が露出するように配置される。

弾性部材６は弾性変形可能な軟質な素材で形成され、操作面１０は低摩擦抵抗の材料で形成されて弾性部材６の表面に重ねて形成されている。

弾性部材６は、シリコーンゴムで形成されていることが好ましい。 例えば、高密度ポリエチレンやポリプロピレンでは硬度が高く、低荷重で撓み変形できるものではない。 また逆に、低密度ポリエチレンでは高温での特性が悪く使用に耐え得るものではない。 一方、弾性部材６として、シリコーンゴムを使用すると、低加重で、かつ局部的に弾性部材６を撓み変形させることができる。 なお、弾性部材６はシリコーンゴムに限定されず、その他のゴム系の弾性部材であってもよい。

しかし、シリコーンゴムは柔らか過ぎて撚れたり、摩擦抵抗が大きく、操作性が損なわれるという問題がある。 そこで、本発明では、シリコーンゴムで形成された弾性部材６の裏面にフィルム状の補強部材７を固定する。 補強部材７は、ＰＥＴ樹脂やポリプロピレン樹脂などで形成することができ、補強部材７を弾性部材６の裏面に貼り付けることで、弾性部材６のＺ１−Ｚ２方向への撓み変形を損なわずに前記撚れを防止することができる。

また、摩擦抵抗が大きく、操作性が損なわれる点についての対応方法は、たとえば、操作面１０に無機フィラーを含有した、具体的にはシリカの粒子を含有したシリコーン樹脂を形成することである。 このような樹脂を操作面１０に塗布または印刷することで、操作面１０の摩擦抵抗を低くでき、指等を操作面１０上において滑らかに移動させることができる。 ただし、操作面１０を抵抗の小さい平滑な面にできるものであれば、上記したシリカを含むシリコーン樹脂に限定されず、他の部材からなるものであってもよい。

このような低抵抗な操作面１０が、弾性部材６に設けられていると、操作面１０に対して指等をＸ１−Ｘ２方向へ滑らかに移動させることが可能となるため、操作性を向上させることができる。

図１に示すように、弾性部材６のＺ２側の面（裏面）には、補強部材７が重ねて形成されている。 補強部材７は、フィルム状に形成されたものである。

図１及び図３に示すように、補強部材７のＺ２側の面には、例えば５個の断面が三角形状の突起６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅが、Ｘ１−Ｘ２方向に沿って直線状に等ピッチ間隔で設けられている。 前記突起の形状は図１以外の形状であってもよく例えば半円状等などであってもよい。 ただし前記突起の先端が尖った形状でありしかも前記突起が弾性変形可能な材質で形成されていると、前記操作面１０上を押圧する押圧力の変化に合わせて、前記突起と前記基板シート２０との接触面積が大きく変化しやすく、ひいては接触面積の変化に基づく出力値の変化を大きくすることが出来るので好ましい。

本発明では、第性部材６、操作面１０、補強部材７及び突起６ａ〜６ｅを有して表面シートが構成されている。

図１に示すように、前記突起６ａと６ｅの外側には支持部１１ａ，１１ｂが形成されている。 突起６ａ〜６ｆおよび支持部１１ａ，１１ｂは、例えば紫外線硬化型の樹脂で印刷によって同時に形成されている。

次に基板シート２０について説明する。 基板シート２０は、下面に上部電極２１ａ〜２１ｅを有する上側シート２１と、上面に下部電極２２ａ〜２２ｅを有する下側シート２２とを有して構成される。

図１に示すように、上側シート２１と下側シート２２は、各シートに形成された電極が向き合うように対向させられ、シート２１，２２間には、前記電極と対向する位置に穴部２４ａ〜２４ｅが設けられたスペーサ２４が介在する。 スペーサ２４は例えば接着材からなる。

上側シート２１に形成された上部電極２１ａ〜２１ｅ、および下側シート２２に形成された下部電極２２ａ〜２２ｅとで各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５が構成される。

図８のブロック図について説明する。 図８に示すように、本発明における押圧センサＳには、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５、制御部（ＣＰＵ）３０、分解能演算部３３を有して構成され、さらに前記分解能演算部３３は、アナログ出力検出部３１、デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）３２を有して構成されている。

前記アナログ出力検出部３１は、前記スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からのスイッチ信号をアナログ信号として検出する処理部で、デジタル変換部３２は、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理部である。

前記制御部３０は、分解能演算部３３，モード切換部３４、描画処理部３５などに接続されており、各処理部に様々な指令信号を出す。

例えば前記モード切換部３４には、前記デジタル変換部３２から得られたデジタル信号に基づき、あるモードを起動せよとする指令信号が出力され、前記モード切換部３４では、ある所定のモードが起動される。 また前記描画処理部３５では、前記制御部３０からの信号に基づいて描画処理を行い、その描画処理に基づく表示が前記表示パネル３６に表示される。

図６に示すように、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５は、それぞれ抵抗Ｒ１〜Ｒ５を介して入力端子（Ｖｃｃ）に接続されている。 入力端子（Ｖｃｃ）と各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５間には、出力ラインＬ１〜Ｌ５が接続されており、出力ラインＬ１〜Ｌ５は、スイッチ切換部４０を介して出力端子に接続されている。

あるいは図７に示すように、出力ラインＬは一本で、前記出力ラインＬに各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５が並列に接続されている構成であってもよい。 図７に示すように、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５とグランドＧｄ間には、スイッチ切換部４１が設けられている。

本発明では図１に示す上部電極２１ａ〜２１ｅと、下部電極２２ａ〜２２ｅのうちどちらか一方が、他方の電極よりも抵抗値が高い抵抗膜によって形成されている。 前記抵抗膜はカーボン抵抗膜であることが好ましい。 例えば図１の実施形態では、下部電極２２ａ〜２２ｅがカーボン抵抗膜で形成されている。

今、図２のように、スイッチ部Ｓ１の上方の操作面１０上を指等の操作体Ｆで押圧し、前記弾性体６を下方向（Ｚ２方向）へ撓み変形させる。 前記補強部材７の下側に形成されている突起６ａが前記上側シート２１を下方向へ押圧して前記上側シート２１を下方向へ撓み変形させ、前記上側シート２１の下面に設けられている上部電極２１ａが前記カーボン抵抗膜で形成された下部電極２２ａに接触すると、前記スイッチ部Ｓ１からスイッチ信号が出力される。

図６，図７は、スイッチ部Ｓ１が接続された状態を示している。 スイッチ切換部４０，４１は常にセンシングして、接続されたスイッチ部を検知しており、図６ではスイッチ部Ｓ１と接続される出力ラインＬ１と出力端子間が繋がり、出力端子からスイッチ部Ｓ１からの出力が得られ、また図７では、スイッチ部Ｓ１とグランドＧｄ間が接続され、出力端子からは、出力ラインＬを通して前記スイッチ部Ｓ１からの出力が得られる。

上記したように、下部電極２２ａがカーボン抵抗膜であるため、図２の状態から図３のように、前記操作体Ｆを下方向（Ｚ２方向）へ強く押圧し、前記上部電極２１ａと下部電極２２ａとの接触面積が大きくなると抵抗値が大きく変動し、その結果、出力値も大きく変動する。

本発明では図８で説明したように、前記出力値を前記アナログ出力検出部３１でアナログ信号として検知している。 このため図２のように操作面１０上を弱く押圧したときは、図４ａに示すように、出力値の小さいアナログ信号の出力波形を得ることができ、一方、図３のように操作面１０上を強く押圧したときは図５ａにように、出力値の大きいアナログ信号の出力波形を得ることが出来る。

図２ないし図５を用いて、本発明の特徴的部分を詳しく説明する。
図２のように、今、スイッチ部Ｓ１上の操作面１０上を操作体Ｆで下方向（図示Ｚ２方向）へ軽く押圧し、そのときのアナログ信号が図４ａに示すような出力波形を得たとき、デジタル変換部３２では、比較器によって、前記出力値がある所定レベルの閾値以上の大きさであるか否かを判断する。

前記比較器では、図４ａに示す出力値がレベル１以上でレベル２よりも小さい閾値レベル（１）か、レベル２以上でレベル３よりも小さい閾値レベル（２）か、レベル３以上でレベル４よりも小さい閾値レベル（３）か、レベル４以上でレベル５よりも小さい閾値レベル（４）か、レベル５以上の閾値レベル（５）かを判断する。 そしてそれぞれの閾値レベルを越えるごとに、デジタル信号に変換したときに出力オン信号を出す。

図４ａでは、スイッチ部Ｓ１を押圧したときの出力値は前記閾値レベル（１）であり、閾値レベル（２）〜閾値レベル（５）までの出力レベルは得られないので、閾値レベル（１）に基づき、デジタル変換部３２では、スイッチ部Ｓ１を押圧したときに、一つの出力オン信号を生成する（図４ｂ）。

本発明では、各スイッチ部を押圧したときに得られるデジタル信号の出力オン信号数を「分解能」と呼んでいる。 すなわち図４ｂに示す状態ではスイッチ部Ｓ１を押圧したときのスイッチ信号の分解能は１である。

分解能が１以上であると、制御部３０ではスイッチ部Ｓ１を入力状態にし、前記スイッチ部Ｓ１からのスイッチ信号に基づき、モード変換部３４や描画処理部３５に所定の指令信号を与える。

図２に示すように、操作体Ｆを５つのスイッチ部Ｓ１〜Ｓ５が並べられた方向（図示Ｘ２方向）に前記操作面１０上で摺動させる。 このとき前記操作体Ｆからの押圧力が一定であった場合、図４ａに示すように、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からは、常に同じ大きさのアナログ信号の出力値が得られるので、すなわち各スイッチ部を押圧したときの出力値は全て前記閾値レベル（１）であり、それ以上の閾値レベルの出力は得られない。 よって、デジタル信号に変換したとき、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５を押圧したときのスイッチ信号の分解能はそれぞれ１であり（図４ｂ）、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からは分解能１のスイッチ信号が操作体Ｆの移動に伴って次々に出力される。

次に図３に示すように、図２の状態よりも操作体Ｆを操作面１０上で下方向（図示Ｚ２方向）へ強く押圧する。 今、スイッチ部Ｓ１上での操作面１０上を前記操作体Ｆで押圧しているとする。

図５ａに示すように、そのときのアナログ信号の出力値はレベル５を超えているため、デジタル変換部３２で、前記アナログ信号をデジタル信号に変換したとき、各閾値レベル（１）〜（５）ごとに出力オン信号が生成される。 よって図５ｂに示すように、スイッチ部Ｓ１を押圧したときのデジタル信号は５つの出力オン信号からなり、スイッチ部Ｓ１を押圧したときのスイッチ信号の分解能は５となる。

図３に示すように、操作体Ｆを５つのスイッチ部Ｓ１〜Ｓ５が並べられた方向（図示Ｘ２方向）に前記操作面１０上で摺動させる。 このとき前記操作体Ｆからの押圧力が一定であった場合、図５ａに示すように、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からは、常に同じ大きさのアナログ信号の出力値が得られるので、すなわち各スイッチ部を押圧したときの出力値は全て前記閾値レベル（５）である。 よって、デジタル信号に変換したとき、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５を押圧したときのスイッチ信号の分解能はそれぞれ５であり（図５ｂ）、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からは分解能５のスイッチ信号が操作体Ｆの移動に伴って次々に出力される。

このように、本発明では、操作面１０上での前記操作体Ｆによる押圧力の大きさによって前記スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からのスイッチ信号の分解能を変化させることが出来る。

例えば本発明では、前記押圧力の大きさによって変化するスイッチ信号の分解能を利用して、スクロールモードでの画像処理を次のように行なうことが出来る。 図９に示すフローチャートを主に用いて説明する。

まずステップＳＴ１では、いずれかのスイッチ部Ｓ１〜Ｓ５が押圧されてスイッチ信号（アナログ出力信号）が検出されたか否かを判断し、スイッチ信号が出力されている場合は、図８に示す分解能演算部３３のデジタル変換部３２でアナログ信号がデジタル信号に変換される。

次にステップＳＴ２では、変換されたデジタル信号の分解能が１以上であるか否かが判断され、分解能が１以上であると、その押圧されたスイッチ部Ｓ１のスイッチが入力状態に切り替わる（ステップＳＴ３）。

例えば図２のように、操作体Ｆをスイッチ部Ｓ１上での操作面１０上からスイッチ部Ｓ５上での操作面１０上まで移動させることによって、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５から分解能１以上のスイッチ信号が次々に出力されると、操作体Ｆが移動していることが検出され（ステップＳＴ４）、制御部３０からモード切換部３４にスクロールモードを起動せよとする指令信号が出され、例えば図１０に示す表示パネル３６に表示された地図が、例えば矢印（点線）方向に向けてスクロールする（ステップＳＴ５）。

このスクロールモードの最中、各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５から出力されるスイッチ信号の分解能に変化があると（ステップＳＴ６）、ステップＳＴ８か、あるいはステップＳＴ９に移行する。

例えば図２の状態から図３の状態のように各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５から出力されるスイッチ信号の分解能が１から５に高くなったとき（ステップＳＴ７）、描画処理部３５では、図１０に示す表示パネル３６に表示された地図表示の画像の分解能を高めて密に画像送りするように処理し、表示パネル３６に例えば細かい道や建物等が新たに表示されて地図表示をスクロールさせる（ステップＳＴ９）。

あるいは図３の状態から図２の状態のように各スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５から出力されるスイッチ信号の分解能が５から１に低くなったとき（ステップＳＴ８）描画処理部３５では、図１０に示す表示パネル３６に表示された地図表示の画像の分解能を低くして粗く画像送りするように処理し、表示パネル３６に例えば主要な道路（国道等）のみが表示されて地図表示をスクロールさせる（ステップＳＴ１０）。

なお上記ではスイッチ信号の分解能が１と５の場合だけを説明したが、当然、分解能が１→２→３→４→５と高くなるにつれて、徐々に密な画像を送るように制御し、一方、分解能が５→４→３→２→１と低くなるにつれて、徐々に粗い画像を送るように制御する。

このように、スイッチ信号の分解能の大きさにより画像送りの粗密さを変化させることが出来る。

またステップＳＴ４で、ある固有のスイッチ部からのスイッチ信号のみが検出された場合（すなわち操作体Ｆが移動していることが検出されない場合）、スクロールモードには移行せず、ある別のモードに移行させることも出来る（ステップＳＴ１１）。

例えば図１０に示す表示パネル３６には、複数のアイコンが並べられたメニュー画面が表示されているとき、例えばスイッチ部Ｓ１からのスイッチ信号の分解能が図２の１の状態から、図３の５の状態に高くなったとき、制御部３０では、アイコンを開くとする確定信号を出し、描画処理部３５で、前記アイコンを開く描画処理を行なうことも出来る。

以上のように、本発明では、押圧されたスイッチ部Ｓ１〜Ｓ５からのスイッチ信号に基づき、前記スイッチ部Ｓ１〜Ｓ５を入力状態に切り換えるとともに、押圧力の大きさによって前記スイッチ信号の分解能が変化するようにしたので、前記分解能の変化によって、本発明の押圧センサＳが組み込まれる例えば携帯電話等の電子機器に、前記分解能の変化に基づく様々な機能を持たせることが可能になる。

「分解能の変化に基づく様々な機能」は、上記した画像送りの粗密さの変化のみならず、例えば画像送りのスピード等、他の機能であってもよいことは言うまでもない。

本発明の押圧センサの部分断面図、

使用状態を説明するための前記押圧センサの部分断面図、

使用状態を説明するための前記押圧センサの部分断面図、

図２の使用状態でのアナログ信号の出力波形図、

アナログ信号からデジタル信号に変換した出力波形図、

図３の使用状態でのアナログ信号の出力波形図、

アナログ信号からデジタル信号に変換した出力波形図、

本発明における押圧センサの回路図の一例、

本発明における押圧センサの回路図の一例、

本発明における押圧センサのブロック図、

本発明の一例としてスクロールモードを起動させるときのフローチャート図、

本発明の押圧センサが搭載された携帯電話の部分斜視図、

従来の押圧センサの出力波形図（デジタル信号）、

符号の説明

６ 弾性部材７ 補強部材６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ 突起１０ 操作面２０ 基板シート２１ 上側シート２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ 上部電極２２ 下側シート２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ 下部電極３０ 制御部３１ アナログ出力検出部３２ デジタル変換部３３ 分解能演算部３４ モード切換部３５ 描画処理部３６ 表示パネル４０，４１ スイッチ切換部