(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で、３次元方向の座標データの取得が可能な座標検出装置を提供する。【解決手段】操作部材５を押し込み量Ｌ１だけ図示下方に移動させると、上層側の可動電極１２のスパイラル接触子１２Ａが下層側の可動電極１１のスパイラル接触子１１Ａに接触し、下層側の可動電極１１の電位がグランド電位となり、下層側の可動電極１１と固定電極４の電圧を検出することにより、操作部材５が押し込み量Ｌ１だけ図示下方に移動させられたことを検出できる。さらに前記操作部材５の押し込み量がＬ２（＞Ｌ１）になると、下層側の可動電極１１および固定電極４がグランド電位となる。よって、操作部材５が押し込み量Ｌ２だけ図示下方に移動させられたことを検知することができる。このように、操作部材５の押し込み方向（Ｚ軸方向）の座標データを取得できる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数のスイッチ素子が配列された座標検出装置であって、
前記スイッチ素子が、固定電極と、前記固定電極と接近する方向に伸縮自在に変形する弾性変形部および前記固定電極と接触するときにその表面上を摺動する摺動接点部を有する可動電極と、前記可動電極を押し込んで前記固定電極に接触させる押圧部と、を備えていることを特徴とする座標検出装置。
【請求項２】
前記スイッチ素子が、基板上にマトリックス状に配列されている請求項１記載の座標検出装置。
【請求項３】
前記可動電極が、前記押圧部の押し込み方向に複数段設けられており、対向し合う個々の可動電極どうしが互いに接近し且つ離間する方向に変形可能とされている請求項１または２記載の座標検出装置。
【請求項４】
前記可動電極が、外周側の巻き始端から中心側の巻き終端方向に渦巻き状に形成されたスパイラル接触子で形成されており、前記巻き終端が前記摺動接点部とされている請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元さらには３次元方向の位置検出が可能な座標検出装置に係わり、特にスパイラル接触子を備えた複数のタッチスイッチを用いた座標検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、入力インタフェースとしてタッチスイッチを用いたものとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載された技術が存在している。
【０００３】
前記特許文献１に記載されたものは、主にディスプレイ上の入力インタフェースとして使用されるものであり、均質な透明抵抗膜からなる２枚の可撓性のタッチパネルを非接触状態で重ね合わせた構造である。このタッチスイッチでは、一方のタッチパネル上のいずれかの点（押下点）が押されて他方のタッチパネルに接触した位置の電位を、前記電圧測定手段によって測定することにより、前記押下点の座標データを得ることができるようになっている。
【０００４】
また特許文献２記載のものは、画面の上下の両側部と左右の両側部に互いに対向する赤外線発光部と赤外線受光部とを複数配置した光学式のタッチパネルである。このタッチパネルでは、画面上の任意の位置に鉛筆を接触させると、その位置で直交する２つの赤外線が遮断されるため、これらを受光する赤外線受光部の出力が低下することから、前記任意の位置の座標データを得ることができるというものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０７−１６０４０２号公報
【特許文献２】
特開平０８−２７２５３７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に記載されたものは、均質な抵抗体膜や電極間に所定の交流電圧を印加するためのドライブ制御部、電圧測定手段で測定した電圧から座標位置を求めるデータ処理部など複雑な構成となりやすい。
【０００７】
また特許文献２に記載されたものでは、比較的単価の高い赤外線の発光素子と受光素子を等間隔に多数配置する必要があり、しかも強い外来光の入射があると、座標データの検出を正確に行うことが困難になるという問題がある。
【０００８】
さらには、特許文献１および特許文献２のいずれも、ＸＹ平面上に示された２次元的な座標位置しか検出することができないものである。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、比較的簡単な構成で２次元、さらには３次元の座標データを取得することが可能な座標検出装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に複数のスイッチ素子が配列された座標検出装置であって、
前記スイッチ素子が、固定電極と、前記固定電極と接近する方向に伸縮自在に変形する弾性変形部および前記固定電極と接触するときにその表面上を摺動する摺動接点部を有する可動電極と、前記可動電極を押し込んで前記固定電極に接触させる押圧部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、微少なスイッチ素子を多数並べるという簡単な構成によって座標位置の検出が可能である。
【００１２】
例えば、前記スイッチ素子が、基板上にマトリックス状に配列されているものが好ましい。
【００１３】
上記構成ではＸＹ平面座標上の位置検出が可能となる。
また前記可動電極が、前記押圧部の押し込み方向に複数段設けられており、対向し合う個々の可動電極どうしが互いに接近し且つ離間することが可能とされているものが好ましい。
【００１４】
上記構成では、厚み方向（Ｚ軸方向）の座標を検出することが可能となるため例えばこの座標検出装置の操作面に手の平などを押し付けると、その手の平の形状や指の形、あるいは手相や指紋などといった凹凸情報を検出することができる。従って、登録されている本人であるか否かを識別する認証装置などに応用することが可能である。
【００１５】
例えば、前記可動電極が、外周側の巻き始端から中心側の巻き終端方向に渦巻き状に形成されたスパイラル接触子で形成されており、前記巻き終端が前記摺動接点部とされるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は座標検出装置を構成するスイッチ素子の第１の実施の形態を示し、Ａはスイッチ素子の拡大断面図、ＢはＡのｂ−ｂ線における矢視方向の断面図、図２は多数のスイッチ素子を配列した座標検出装置を示す平面図である。
【００１７】
第１の実施の形態として図１に示すスイッチ素子１は、平面内の位置を２次元的に検出可能な素子であり、その縦寸法および横寸法は０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以下と非常に小さい。
【００１８】
図１に示されるように、前記スイッチ素子１は基板２の表面にパターンニング処理された固定電極４を覆う枠体３を有している。前記枠体３の天井面３Ａには図示上下（Ｚ）方向に貫通する穴３ａが形成されている。そして、前記穴３ａの内部に、上下方向に自在に移動する操作部材５が設けられている。
【００１９】
前記操作部材５は、略円柱形状の形成された操作部５ａと、略円錐形状に形成された押圧部５ｂと、これらの間に設けられたフランジ部５ｃとが合成樹脂などの非導電性材料によって一体成形されたものであり、前記操作部５ａが前記穴３ａに挿入されている。
【００２０】
前記枠体３の下端には、段差部３ｂが形成されており、この段差部３ｂに可動電極７が固定されている。前記可動電極７は正方形状の薄い銅箔で形成されており、図１Ｂに示すようにその中心には渦巻き状に切り欠かれたスパイラル接触子７Ａが形成されている。図１Ｂでは黒塗の部分が切欠７Ｂを示し、白塗の部分がスパイラル接触子７Ａを示している。前記スパイラル接触子７Ａの巻き始端７ａは外周側に設けられ、巻き終端７ｂが枠体３の中心部に位置している。なお、巻き始端７ａと巻き終端７ｂとの間が伸縮自在に変形可能な弾性変形部であり、巻き終端７ｂが固定電極に接触する摺動接点部である。
【００２１】
図１Ａに示すように、前記巻き終端７ｂ部分に前記操作部材５の押圧部５ｂの先端部が載置されている。すなわち、前記スパイラル接触子７Ａは巻き中心方向およびそれと垂直に交差する上下方向（Ｚ方向）の弾性を有しており、前記押圧部５ｂの先端部は前記スパイラル接触子７Ａの弾性力によって前記枠体３の内部に支持されている。ただし、操作部材５は非常に軽量であり、しかもスパイラル接触子７Ａの弾性力は比較的強いため、スパイラル接触子７Ａに操作部材５が載置されたというだけでは、前記スパイラル接触子７Ａが下方に大きく弾性変形させられることはない。
【００２２】
このスイッチ素子１では、前記可動電極７と固定電極４との間に回路が形成されており、両者が接触してスイッチ素子１がＯＮ状態となる。よって、図１Ａに実線で示される状態では、スイッチ素子１はＯＦＦ状態となっている。
【００２３】
図１Ａに点線で示すように、前記操作部５ａに押圧力Ｆを与えて、操作部材５を図示下方に所定量だけ押し込むと、スパイラル接触子７Ａの前記弾性変形部が前記押圧部５ｂによって図示下方に弾性変形させられる。前記押圧部５ｂは下方に凸となる円錐形状であり、その中心部が最も図示下方に突出している。また前記スパイラル接触子７Ａの巻き終端７ｂは自由端である。よって、操作部材５を図示下方に押し込むと、摺動接点部である前記巻き終端７ｂが固定電極４の表面に接触させられる。このとき、上部側の可動電極７と下部側の固定電極４とが電気的に接続させられ、スイッチ素子１がＯＮ状態に切り換わる。
【００２４】
なお、前記巻き終端７ｂが固定電極４の表面に接触する際、弾性変形部が周方向および半径方向に押し広げられるため、巻き終端７ｂが固定電極４の表面を摺動する。よって、前記巻き終端７ｂが摺動接点部として機能するため、前記巻き終端７ｂと固定電極４の表面との間に接続不良は生じ難くなっている。
【００２５】
次に、前記押圧力Ｆを解除すると、前記スパイラル接触子７Ａが元の実線の状態に復帰しようとする力が発生するため、前記可動電極７の巻き終端７ｂが固定電極４から離れ、両者の間がＯＦＦ状態に切り換わる。
【００２６】
上記のようなスイッチ素子１を多数配列すると、図２に示すような座標検出装置２０を形成することができる。
【００２７】
図２に示す座標検出装置２０は、スイッチ素子１を前記基板２のＸＹ平面上にＸ方向およびＹ方向に沿って規則正しくマトリックス状（格子状または碁盤の目状）に配置したものである。この座標検出装置２０では、任意の位置に設けられたスイッチ素子１の操作部材５が押圧されると、そのスイッチ素子１がＯＮ状態に切り換わるため、前記任意の位置の座標を求めることができる。またこのような座標検出装置２０に手の平など平面的なものを押し付けると、前記手の平の形状や指の長さなどを検出することができる。
【００２８】
図３はスイッチ素子の第２の実施の形態の拡大断面図であり、Ａは操作前のＯＦＦ状態、Ｂは第１の操作状態、Ｃは第２の操作状態を示している。なお、同一の部材には同一の符号を付して説明する。
【００２９】
図３に示すスイッチ素子１０は、前記第１の実施の形態に示したスイッチ素子１とほぼ同じ構成であるが、前記可動電極が枠体３の内部に複数段（図３では２段）設けられている点で異なっている。
【００３０】
すなわち、このスイッチ素子１０では、枠体３の内部の段差部３ｂに、可動電極１１が設けられ、その上部に可動電極１２が設けられている。前記可動電極１１と可動電極１２とは、その平面内の中央部に上記同様のスパイラル接触子１１Ａとスパイラル接触子１２Ａを有しており、両者は所定の対向距離を隔てて設置されている。前記スパイラル接触子１１Ａとスパイラル接触子１２Ａは互いに接近する方向および離間する方向に弾性変形可能である。
【００３１】
図３Ａに示す操作前の状態では、前記操作部材５の押圧部５ｂが上層側の可動電極１２のスパイラル接触子１２Ａに支持されている。ただし、この状態では、上層側の可動電極１２が弾性変形して下層側のスパイラル接触子どうしが接触することのない状態となっている。
【００３２】
図３Ａに示すように、このスイッチ素子１０では、上層側の可動電極１２がグランド電位（０［ｖ］）に設定され、下層側の可動電極１１および固定電極４には共に所定の電圧Ｖｃｃ（例えば５［ｖ］）が与えられている。
【００３３】
前記スイッチ素子１０では、図３Ｂに示すように操作部材５を押し込み量Ｌ１だけ図示下方に移動させると、前記押圧部５ｂが上層側の可動電極１２のスパイラル接触子１２Ａの弾性変形部を押圧するため、前記スパイラル接触子１２Ａの先端部が、その下層に位置する可動電極１１のスパイラル接触子１１Ａの先端部に接触させられる。ただし、この押し込み量Ｌ１では、下層側の可動電極１１のスパイラル接触子１１Ａと固定電極４とが接触することはない。よって、この図３Ｂに示す第１の操作状態では、下層側の可動電極１１が上層側の可動電極１２に接触して短絡するため、下層側の可動電極１１の電位がグランド電位（０［ｖ］）に設定させられる。また固定電極４の電位は所定の電圧Ｖｃｃのままである。よって、下層側の可動電極１１と固定電極４の電圧を検出することにより、操作部材５が押し込み量Ｌ１だけ図示下方に移動させられたことを検知することができる。
【００３４】
さらに図３Ｃに示すように、前記操作部材５の押し込み量がＬ２（＞Ｌ１）になると、前記押圧部５ｂが上層側の可動電極１２のスパイラル接触子１２Ａと下層側の可動電極１１のスパイラル接触子１１Ａと固定電極４のすべてを電気的に接触させる。よって、下層側の可動電極１１および固定電極４が上層側の可動電極１２のスパイラル接触子１２Ａを介してグランド電位（０［ｖ］）に接地させられる。よって、下層側の可動電極１１と固定電極４の電圧を検出することにより、操作部材５が押し込み量Ｌ２だけ図示下方に移動させられたことを検知することができる。
【００３５】
そして、上記同様の可動電極を枠体３の内部に複数段積層しておくことにより、さらに詳細な押し込み方向（Ｚ軸方向）の座標位置（座標データ）を取得することが可能である。
【００３６】
よって、このようなスイッチ素子１０を図２の場合同様にＸＹ平面上に複数配列すると、ＸＹ方向の座標データのみならず、押し込み方向の座標データをも同時に取得することが可能な３次元座標検出装置（凹凸センサ）とすることができる。
【００３７】
そして、このような上記スイッチ素子１０を図２に示すようにＸＹ平面上に規則的に配列した３次元座標検出装置に手の平などを押し付けると、前記手の平の外形や指の長さなどを検出することができるとともに、その凹凸情報をも検出することができるようになる。よって、例えば手の平に形成されているシワなどから手相など個人特有の情報を取得することが可能となる。よって、個人を特定して識別する認証装置などに応用することが可能となる。
【００３８】
なお、上記実施の形態ではスイッチ素子１または１０をＸ方向およびＹ方向に規則正しく配列した場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、不規則に配列したものであってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明では、比較的簡単な構成で２次元のみならず、３次元の座標データを取得することが可能な座標検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】座標検出装置を構成するスイッチ素子の第１の実施の形態を示し、Ａはスイッチ素子の拡大断面図、ＢはＡのｂ−ｂ線における矢視方向の断面図、
【図２】多数のスイッチ素子を配列した座標検出装置を示す平面図、
【図３】スイッチ素子の第２の実施の形態の拡大断面図であり、Ａは操作前のＯＦＦ状態、Ｂは第１の操作状態、Ｃは第２の操作状態、
【符号の説明】
１  １０  スイッチ素子
２  基板
３  枠体
４  固定電極
５  操作部材
５ｂ  押圧部
７，１１，１２  可動電極
７Ａ，１１Ａ，１２Ａ  スパイラル接触子
７ｂ  巻き終端（摺動接点部）
【図１】
2004234190.tif 000003
【図２】
2004234190.tif 000004
【図３】
2004234190.tif 000005