(57)【要約】【課題】配線構成を簡略化できる検出装置及び入力装置を提供する。【解決手段】基板５と、基板５の底面５ａ側に形成された第１検出電極１０と、第１検出電極１０と同一の面に、少なくとも第１検出電極１０の周囲を囲うように形成されて接地されたグランド電極３０と、基板５の底面５ａ側に設けられた弾性体４０と、弾性体４０において基板５と反対側の下面４０ｂに形成された導体５０と、を備え、グランド電極３０と導体５０との間の容量結合により、仮想的なグランド状態が生成される、ように検出装置を構成する。【選択図】図２
2019074425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の底面側に形成された第１検出電極と、
前記第１検出電極と同一の面に、少なくとも前記第１検出電極の周囲を囲うように形成されて接地されたグランド電極と、
前記基板の底面側に設けられた弾性体と、
前記弾性体において前記基板と反対側の面に形成された導体と、
を備え、
前記グランド電極と前記導体との間の容量結合により、仮想的なグランド状態が生成される、検出装置。
【請求項２】
前記第１検出電極と同一の面に、前記第１検出電極と非接触な状態で形成された第２検出電極を備え、
前記グランド電極は、前記第１検出電極、及び前記第２検出電極の周囲を囲うように形成されている、請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量を検出する検出部を備え、
前記検出部は、前記弾性体を挟んだ前記底面側と前記導体との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する、請求項１又は２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記第１検出電極と前記第２検出電極とは、それぞれ、櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されている、請求項２又は３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記第１検出電極の自己容量に基づく静電容量を検出する検出部を備え、
前記検出部は、前記弾性体を挟んだ前記底面側と前記導体との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する、請求項１に記載の検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの検出装置と、
静電容量を検出してタッチ検出を行なうタッチパネルを備える、入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置及び入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、容量変化を検出することにより、圧力（荷重）を検出する検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この検出装置は、絶縁性の基板の一面側に設けられた検出部と、基板の他面側に設けられ検出部で検出された信号を処理する回路素子と、基板を厚さ方向に貫通して設けられ検出部と回路素子とを接続する配線部とを備え、圧力（荷重）センサとして構成される検出部を基板の検出電極層上に備え、基板裏面のチップ実装面に圧力センサで検出された電気信号を処理する回路素子を備えて構成されている。検出電極層上には、金属板（対向電極）が接着により取り付けられており、検出電極層からチップ実装面まで貫通するスルーホール電極を介して端子に接続されている。また、この金属板には薄板が用いられており、流体圧により検出電極に接近／離間する方向に弾性変形し、金属板と検出電極とからなる信号検出用コンデンサの静電容量が増減することにより圧力（荷重）を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術では、グランド電極から取り出し端子までをスルーホール電極で接続しなければならず、配線が複雑になるという課題が生じる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、配線構成を簡略化できる検出装置及び入力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、基板と、前記基板の底面側に形成された第１検出電極と、前記第１検出電極と同一の面に、少なくとも前記第１検出電極の周囲を囲うように形成されて接地されたグランド電極と、前記基板の底面側に設けられた弾性体と、前記弾性体において前記基板と反対側の面に形成された導体と、を備え、前記グランド電極と前記導体との間の容量結合により、仮想的なグランド状態が生成される、検出装置を提供する。
［２］前記第１検出電極と同一の面に、前記第１検出電極と非接触な状態で形成された第２検出電極を備え、前記グランド電極は、前記第１検出電極、及び前記第２検出電極の周囲を囲うように形成されている、上記［１］に記載の検出装置であってもよい。
［３］また、前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量を検出する検出部を備え、前記検出部は、前記弾性体を挟んだ前記底面側と前記導体との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する、上記［１］又は［２］に記載の検出装置であってもよい。
［４］また、前記第１検出電極と前記第２検出電極とは、それぞれ、櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されている、上記［２］又は［３］に記載の検出装置であってもよい。
［５］また、前記第１検出電極の自己容量に基づく静電容量を検出する検出部を備え、前記検出部は、前記弾性体を挟んだ前記底面側と前記導体との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する、上記［１］に記載の検出装置であってもよい。
［６］また、上記［１］から［５］のいずれかの検出装置と、静電容量を検出してタッチ検出を行なうタッチパネルを備える、入力装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の検出装置又は入力装置によれば、配線構成を簡略化できる検出装置及び入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る検出装置、入力装置の全体構成図である。
【図２】図２は、図１に示す検出装置、入力装置を組み立てた状態での、荷重センサ部分の部分断面図である。
【図３】図３は、図２において、Ａ方向から基板上の各電極を見た、電極パターン例を示すＡ矢視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る検出装置、入力装置の概略ブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る検出装置としての荷重センサ１は、基板５と、基板５の底面５ａ側に形成された第１検出電極１０と、第１検出電極１０と同一の面に、少なくとも第１検出電極１０の周囲を囲うように形成されて接地されたグランド電極３０と、基板５の底面５ａ側に設けられた弾性体４０と、弾性体４０において基板５と反対側の下面４０ｂに形成された導体５０と、を備え、グランド電極３０と導体５０との間の容量結合により、仮想的なグランド状態が生成される、ように構成されている。
【００１１】
第１の実施の形態は、第１検出電極１０と同一の面に、第１検出電極１０と非接触な状態で形成された第２検出電極２０を備え、グランド電極３０は、第１検出電極１０、及び第２検出電極２０の周囲を囲うように形成されている、相互容量方式の電極構成として説明する。
【００１２】
また、第１検出電極１０と第２検出電極２０との間の静電容量を検出する検出部６０を備え、検出部６０は、弾性体４０を挟んだ底面５ａ側と導体５０との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する、ように構成されている。
【００１３】
本発明の実施の形態では、上記説明した荷重センサ１を備えると共に、静電容量を検出してタッチ検出を行なうタッチパネル７０を備える、入力装置７として説明する。
【００１４】
入力装置７は、例えば、図１に示すように、操作面１００ａへの押圧操作等を検出する荷重センサ１と、操作面１００ａへのタッチ操作、なぞり操作、タップ操作、ピンチ操作等を検出するタッチパネル７０と、を備えて概略構成されている。この入力装置７は、一例として、車両の運転席と助手席の間のフロアコンソールに配置される。
【００１５】
（荷重センサ１の構成）
図１に示すように、荷重センサ１は、操作面１００ａの形状に合わせて、１又は複数配置される。この操作面１００ａの形状に合わせた配置とは、一例として、操作面１００ａの形状に合わせたバランスの良い配置であり、より具体的には、複数の荷重センサ１によって定まる重心が操作面１００ａの重心と一致するような配置である。本実施の形態の複数の荷重センサ１は、一例として、図１及び図２に示すように、操作面１００ａの形状に合わせたバランスの良い配置として矩形を有する操作面１００ａの四隅側の下方、言い換えるなら操作面１００ａの背面や裏側に配置される。つまり入力装置７は、４つの荷重センサ１を備えている。なお操作面１００ａの外形は、矩形に限定されず、円形、三角形、台形などやこれらを組み合わせた形状であっても良い。また操作面１００ａは、平面、凹面及び凸面などやこれらを組み合わせた形状であっても良い。
【００１６】
基板５は、図１に示すように、例えば、パネル１００の操作面１００ａに対応した形状とされ、荷重センサ１、タッチパネル７０、その他の回路部等の配線、電子部品等が形成、実装されている。基板５は、例えば、ガラスエポキシ基板であり、本実施の形態では、図２に示すように、基板５には、荷重センサ１の第１検出電極１０、第２検出電極２０、グランド電極３０、配線部３１等が形成され、また、制御部６であるセンサＩＣが実装されており、基板５の一部は荷重センサ１の構成要素として機能する。
【００１７】
図２に示すように、基板５の底面５ａは、回路パターン面、部品実装面であって、この底面５ａである同一の面上には、第１検出電極１０、第２検出電極２０、及びグランド電極３０が形成されている。第１検出電極１０、第２検出電極２０、及びグランド電極３０は、基板５上に、銅箔等により所定の形状でパターン形成されている。
【００１８】
図３に示すように、第１検出電極１０と第２検出電極２０は、例えば、櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されている。第１検出電極１０と第２検出電極２０は、非接触な状態で形成されている。これにより、第１検出電極１０と第２検出電極２０は、所定の静電容量で容量結合された状態となる。第１検出電極１０、第２検出電極２０は、図２で示すように、基板５上で配線部３１により制御部６までそれぞれ接続されている。
【００１９】
また、図３に示すように、グランド電極３０は、第１検出電極１０及び第２検出電極２０の周囲を囲うように形成されている。グランド電極３０は、図２で示すように、基板５上で配線部３１により制御部６まで接続されている。なお、グランド電極３０は、制御部６内において、グランド（あるいはコモン）に接地されている。
【００２０】
図２に示すように、弾性体４０が、基板５の底面５ａ側に設けられている。弾性体４０は、例えば、シリコン等により、所定の弾性係数（ヤング率）、所定の厚さｔで、形成されている。弾性体４０は、例えば、第１検出電極１０、第２検出電極２０、グランド電極３０の領域と略同じ大きさで、形成されている。
【００２１】
弾性体４０は、図２に示すように、上面４０ａが基板５の底面５ａ側に接するように配置される。なお、本実施の形態では、弾性体４０の上面４０ａが基板５の底面５ａ側に接着等により固定されているものとする。
【００２２】
弾性体４０において、基板５と反対側の下面４０ｂには、導体５０が形成されている。導体５０は、例えば、導電性のカーボンを導体印刷することにより形成することができる。その他には、例えば、銅箔、導体板、導体シール等を弾性体４０の下面４０ｂに接着、粘着等により固定してもよい。
【００２３】
導体５０は、例えば、弾性体４０の下面４０ｂの全面に形成されている。したがって、第１検出電極１０と導体５０の間は容量結合とされている。同様に、第２検出電極２０と導体５０の間も容量結合とされている。
【００２４】
また、グランド電極３０と導体５０の間も容量結合とされている。グランド電極３０は、前述したように、配線部３１により制御部６まで接続されて、グランド（あるいはコモン）に接地されている。したがって、導体５０は、容量結合により疑似的にグランドに接続されていることになる。
【００２５】
図２に示すように、弾性体４０の下面４０ｂ、導体５０は、ベース８０に接するように配置されている。また、ベース８０は、クッション８５を介して筐体９０の上に配置されている。したがって、図１、２に示すように、パネル１００の操作面１００ａへの押圧操作により、操作部７５は、クッション８５の弾性により下方へ移動する。
【００２６】
また、弾性体４０は、基板５とベース８０により挟まれた構成であるので、パネル１００の操作面１００ａへの押圧操作により、弾性体４０の厚みｔは変化する。具体的には、弾性体４０が圧縮されることにより、厚みｔは小さくなる。すなわち、弾性体４０を挟んだ底面５ａ側と導体５０との間の距離が変化して、第１検出電極１０、第２検出電極２０と導体５０で形成されるコンデンサの容量、グランド電極３０と導体５０で形成されるコンデンサの容量が変化することになる。検出部６０は、操作面１００ａへの押圧操作による静電容量変化を検出し、作用した荷重を算出することができる。
【００２７】
検出部６０は、第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量を検出する。また、検出部６０は、弾性体４０を挟んだ底面５ａ側と導体５０との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出することができる。
【００２８】
検出部６０は、制御部６のマイコン機能を使用して構成されている。制御部６は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部６が動作するためのプログラムと、検出された静電容量値に対応する荷重値がテーブル形式で格納されている。また、後述するタッチパネル７０によるタッチ検出に使用するタッチ閾値等が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。
【００２９】
（荷重センサ１の動作）
パネル１００の操作面１００ａが下方向へ押圧操作されると、弾性体４０の厚みｔは変化する。これにより、荷重が距離に変換される。
【００３０】
弾性体４０の厚みｔが変化すると、第１検出電極１０と導体５０で形成されるコンデンサの容量値、第２検出電極２０と導体５０で形成されるコンデンサの容量値、グランド電極３０と導体５０で形成されるコンデンサの容量値が変化する。
【００３１】
検出部６０は、この容量値の変化を検出する。具体的には、例えば、検出部６０は、第１検出電極１０に対して所定電圧、所定周波数のパルス信号により電圧を所定時間だけ印加して電荷チャージを行なう。検出部６０は、第２検出電極２０から、チャージされた電荷量を検出する。検出部６０は、検出した電荷量をカウンタにより量子化してデジタル量とした静電容量値を検出する。
【００３２】
検出部６０あるいは制御部６は、検出された静電容量に基づいて、ＲＯＭに格納されたテーブル（静電容量値に対応する荷重値）を参照することにより、荷重値を算出する。これにより、操作面１００ａが下方向へ押圧操作された場合の荷重（操作荷重）を検出することができる。
【００３３】
（本発明の第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、第２検出電極２０を有しない、自己容量方式による電極構成を有するものである。第２の実施の形態に係る検出装置は、第１検出電極の自己容量に基づく静電容量を検出する検出部を備え、検出部は、弾性体を挟んだ底面側と導体との間の距離変化による静電容量の変化に基づいて荷重を検出する。
【００３４】
第１の実施の形態と異なるところは、検出部６０は、第１検出電極の自己容量を検出する。すなわち、操作面１００ａにタッチ等された指等との間の静電容量を検出する。検出部６０の静電容量検出動作は、第１検出電極１０に対して所定電圧、所定周波数のパルス信号により電圧を所定時間だけ印加して電荷チャージを行なう。検出部６０は、第１検出電極１０から、チャージされた電荷量を検出する。検出部６０は、検出した電荷量をカウンタにより量子化してデジタル量とした静電容量値を検出する。その他の構成、動作は、第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
（入力装置７）
図４に示すように、荷重センサ１、タッチパネル７０を備え、荷重センサ１又はタッチパネル７０の静電容量値の検出を行なうことにより荷重、種々のタッチ検出を行なう制御部６（検出部６０）を備えて、入力装置７を構成することができる。制御部６（検出部６０）は、検出方式が静電容量値の検出であって、荷重センサ１とタッチパネル７０に共通する。したがって、制御部６（検出部６０）は、荷重センサ１、タッチパネル７０の静電容量値の検出に共通に使用できる、あるいは、同じ仕様のマイコンを使用できる。
【００３６】
（タッチパネル７０）
タッチパネル７０は、例えば、静電容量方式のタッチセンサであり、マルチタッチを検出するように構成されている。具体的にはタッチパネル７０は、複数の駆動電極及び検出電極が絶縁性を保ちながら交差して基板上に設けられている。複数の駆動電極と複数の検出電極の全ての組み合わせの静電容量を読み出して制御部６に出力する。
【００３７】
制御部６は、タッチパネル７０により検出された静電容量値がタッチ閾値を越えたタッチ位置を１又は複数のタッチ操作として検出する。これらのタッチ操作に基づいて、タッチ操作、なぞり操作、タップ操作、ピンチ操作等を検出することができる。
【００３８】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る検出装置としての荷重センサ１は、基板５と、基板５の底面５ａ側に形成された第１検出電極１０と、第１検出電極１０と同一の面に、第１検出電極１０と非接触な状態で形成された第２検出電極２０と、第１検出電極１０と同一の面に、第１検出電極１０、及び第２検出電極２０の周囲を囲うように形成されて接地されたグランド電極３０と、基板５の底面５ａ側に設けられた弾性体４０と、弾性体４０において基板５と反対側の下面４０ｂに形成された導体５０と、を備え、グランド電極３０と導体５０との間の容量結合により、仮想的なグランド状態が生成される、ように構成されている。すなわち、グランド電極３０と導体５０との間が容量結合により、仮想的にグランドに接続された状態になる。これにより、導体５０側から基板５への特別な配線を準備する必要が無くなり、荷重センサ１の機械的構成が簡略化できる。
（２）荷重センサ１に関する配線は、すべて基板５上ですることができ、導体５０から基板５側へのジャンパー配線を必要としない。荷重センサ１は、パネル１００の操作面１００ａが下方向へ押圧操作されて弾性体４０の厚みｔが変化することにより荷重が距離に変換され、この距離変化による静電容量の変化を検出することを検出原理としている。したがって、従来技術で示したように、導体５０から基板５側へジャンパー配線によりグランド接続を行なうと、操作面１００ａの押圧操作により弾性体４０の厚みｔが変化し、これにより、ジャンパー配線の断線等の問題が発生しやすい。本実施の形態に係る荷重センサ１は、導体５０から基板５側への特別な配線を準備する必要が無いので、断線等の問題が発生しない。
（３）荷重センサ１とタッチパネル７０は、共に、静電容量値の検出を行なう共通性を有しているので、制御部６（検出部６０）を共通に使用できる、あるいは、同じ仕様のマイコンを使用できる、という利点を有する。
【００３９】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…荷重センサ、５…基板、５ａ…底面、６…制御部、７…入力装置、１０…第１検出電極、２０…第２検出電極、３０…グランド電極、３１…配線部、４０…弾性体、４０ａ…上面、４０ｂ…下面、５０…導体、６０…検出部、７０…タッチパネル、７５…操作部、８０…ベース、８５…クッション、９０…筐体、１００…パネル、１００ａ…操作面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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