JP2007329090A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの入力信号で複数の入力状態が検出でき回路規模を削減し、また接触面積変化に対する静電容量変化を軽減でき１つの入力信号に多くの入力状態を設定可能な入力装置を提供することである。
【解決手段】第２誘電体層４Ｂの下側に形成する第１電極２と、第１誘電体層４Ａと第２誘電体層４Ｂとの間に第１電極２と対向して形成し第１電極２と電気的に接続しておらず１つの第１電極２に対して２つ以上を配置する第２電極３Ａ、３Ｂとで構成され、第１電極２と第２電極３Ａ、３Ｂとの間の静電容量、あるいは接触物１０の接触する面と第２電極３Ａ、３Ｂとの間の静電容量、の少なくとも１つ以上が異なるよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量を検出して入力操作する入力装置に関し、特に回路の規模を削減して装置の小型化が可能な入力装置に関する。

静電容量を検出することによって操作者による操作を入力する入力装置は、デザインされたボタンなどが描かれた操作パネルの下側に電極を配置して構成され、また、その操作パネル下側の電極に必要な集積回路を電気的に接続して構成される。

この電極と集積回路との間の配線上の信号が入力信号であり、この入力信号は外部からの入力操作に対して状態の変化、たとえば静電容量の変化を集積回路へ伝達する役割を持っている。

静電容量を使用する入力装置は、人間の指が操作パネルのボタンへ接触したとき人間の指と操作パネルのボタンの下側に配置した電極との間に発生する静電容量を集積回路で検出することにより、ボタンへの接触・非接触、あるいは押下・非押下を判断する。

この場合、入力状態は押下・非押下の２つの状態があり、この２つの状態に入力操作の機能を割り当てることにより、入力装置は入力操作に応じた動作を実現する。

従来の静電容量を使用する入力装置としては、たとえば特許文献１に示すものがある。

図１５は、特許文献１に記載の発明におけるセンサ部を示す図である。

図１５に示すように、特許文献１に記載の発明では、入力装置に相当するセンサ部１００に複数の電極１０１が配置されており、各電極１０１からそれぞれ配線（図示せず）を介して回路部（図示せず）へ、また、ＩＣ１０２へと電気的に接続されている。

また、少ない配線数で複数の入力状態を判定することが可能な静電容量を使用した入力装置としては、特許文献２に示すものがある。

図１６は、特許文献２に記載の発明における入力装置を示す図である。

図１６に示すように、特許文献２に記載の発明では、入力装置に対して接触・非接触することにより静電容量を変化させる、人の指の代わりに上下方向に可動する第２電極２００ａ〜ｄを用いており、誘電体層２０１ａ〜ｄを介して第２電極２００ａ〜ｄと第１電極２０２との間に発生する静電容量を検出している。

この図１６に示す例では、複数の入力状態を検出するために、複数配置した第２電極２００ａ〜ｄの直下にある誘電体層２０１ａ〜ｄの誘電率、または厚さ寸法を変更するか、または第２電極２００ａ〜ｄの面積を変更している。

特開２００５−３１７９０号公報（図１） 特開平９−１３９１４２号公報（図１）

特許文献１に記載の発明は、一般的な静電容量を使用した入力装置であり、静電容量を検出するために設けた電極に対して１対１の関係で配線を形成する構成である。この場合、文字入力操作など複数のボタンが必要となる入力装置では、その数と同じ複数の電極を配置し、さらにそれらの電極に対応した複数の配線を形成し、かつ複数の入力信号ピンを持つ集積回路が必要であり、回路規模が増大するという問題がある。

その問題を解決するために、少ない配線数で複数の入力状態を判定することが可能な静電容量を使用した入力装置としては特許文献２に記載の発明が知られているが、この場合には以下のような問題がある。

第１の問題点は、電極を押圧することで静電容量を発生する構造では、押圧の具合、または浮遊容量の発生により検出される静電容量の値が所望の値からずれてしまい、正確な入力状態の判定ができないことがある点である。

その理由は、第２電極と誘電体層との間には押圧動作のための空間が介在し、第２電極の押し込み具合（押圧力）により誘電体層と第２電極との距離が一定とならないからである。また、特許文献２では接触物について説明されていないが、第２電極を押す接触物の存在により接触物と第１電極の間に浮遊容量が発生するからである。

第２の問題点は、人間の指などによる接触面と検出電極とで１つのコンデンサを形成する構造では、接触面の面積の増減に比例し検出される静電容量も増減してしまい、正確な入力状態の判定ができないことがある点である。

その理由は、コンデンサの静電容量は電極の面積に比例するため、片側の電極の役目をする接触物が接触圧により変形すると接触する面積が変化してしまうからである。
［発明の目的］
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであって、
（１）１つの第１電極、あるいは入力信号で複数の異なる静電容量が検出できることにより１つの入力信号で複数の入力状態を検出することができるため、第１電極と集積回路間の配線本数の削減、入力信号ピン削減による回路規模の削減が可能であり、
（２）また、接触物の変形による接触面の面積変化に対して静電容量の変化を軽減できるため、１つの第１電極で検出できる入力状態を多くすることができる、
という上記（１）および（２）を実現する入力装置を提供することを目的とする。

本発明は、接触物の接触により静電容量を検出する入力装置において、前記接触物と接触する面を上側に有する第１誘電体層と、前記第１誘電体層の下側に形成する第２誘電体層と、前記第２誘電体層の下側の面に形成する第１電極と、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層の間に前記第１電極と対向して形成し、前記第１電極と電気的に接続しておらず、１つの前記第１電極に対して２つ以上を配置する第２電極とから構成され、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量、あるいは前記接触物の接触する面と前記第２電極との間の静電容量、の少なくとも１つ以上が異なることを特徴とするものである。

また、前記第２電極の面積が前記接触物の接触する面積より大きいことを特徴とするものである。

また、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量が前記接触物の接触する面と前記第２電極との間の静電容量よりも小さいことを特徴とするものである。

本発明では、第１電極と第２電極との対向する面積、または接触物の接触する面と第２電極との間の対向する距離（第１誘電体層の厚さ寸法）、または第１電極と第２電極との間の対向する距離（第２誘電体層の厚さ寸法）、または第１誘電体層の誘電率、または第２誘電体層の誘電率、の少なくとも１つ以上が異なることで第１電極に発生する静電容量を変えているが、具体的には以下の構成で実現している。

たとえば、前記第２電極の面積がそれぞれ異なるものである。

さらに、第１電極は少なくとも１つ以上の第２電極と対向する面積が異なるものである。

さらに、第１誘電体層、あるいは第２誘電体層の少なくとも１つ以上の下側は階段形状に形成し、接触物と接触する面と、第２電極を配置する面と、第２電極と対向する第１電極とをそれぞれ対向して配置するものである。

また、第２電極を第１電極の上側と下側の両方に誘電体を介して形成し、対向する位置に配置されているこの第２電極どうしが電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、第１電極を複数個配置することを特徴とするものである。

また、第２電極の形状を円形状、または多角形状とすることを特徴とするものである。
［作用］
本発明では、接触物と第１電極との間に誘電体層で挟まれた第２電極を設けており、第２電極は第１電極と電気的に接続されていない。これにより、接触物と第２電極との間、第１電極と第２電極との間にそれぞれ静電容量を発生させることができ、大地（グランド）と第１電極との間に直列に接続されたコンデンサを形成することができる。

第１電極と第２電極との対向する面積、または接触物と第２電極との間の対向する距離、または第１電極と第２電極との間の対向する距離、または第１誘電体層の誘電率、または第２誘電体層の誘電率の少なくとも１つ以上を変えることにより、複数の異なる静電容量を第１電極から検出することができる。

また、第２電極の面積を接触物の接触する面積より大きくすることで接触面の面積が変化しても大地（グランド）と第１電極との間に検出される静電容量の変化は、従来の接触面と検出電極とで１つのコンデンサを形成する構造と比較して抑えることができる。

さらに、第１電極と第２電極との間の静電容量を、接触物と第２電極との間の静電容量より小さくすることで、接触面の面積変化による静電容量の変化を大幅に抑えることができる。

本発明によれば、
（１）１つの第１電極、あるいは入力信号で複数の異なる静電容量が検出できることにより１つの入力信号で複数の入力状態を検出することができるため、第１電極と集積回路間の配線本数の削減、入力信号ピン削減による回路規模の削減が可能であり、
（２）また、接触物の変形による接触面の面積変化に対して静電容量の変化を軽減できるため、１つの第１電極で検出できる入力状態を多くすることができる、
という上記（１）および（２）を実現する入力装置を提供することができる。

すなわち本発明によれば、１つの第１電極に複数の第２電極を形成することにより複数の異なる静電容量を検出することができ、１つの入力信号で複数の入力状態を検出できるため、第１電極と集積回路との間の配線本数の削減、および集積回路自身の規模を削減することにより、入力装置の小型化が可能であるという効果を奏することができる。

また本発明によれば、第２電極の面積を接触物の接触面の面積より大きくすることで、接触物（たとえば人間の指）の接触圧による接触面の面積変化に対して静電容量の変化を抑えることができ、限られた静電容量の範囲（最大静電容量と最小静電容量との間）に多くの検出範囲が設定可能なため、１つの第１電極で検出できる入力状態を多くすることができるという効果を奏することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による入力装置の一実施の形態の構造を示す斜視図である。

図１に示す入力装置１において、第１電極２は、導電体材料で出来ており、第２誘電体層４Ｂの下側に形成され、外部に設けられた回路部に電気的に接続される。検出する静電容量は、大地（グランド）と第１電極２との間に発生する。

第２電極３Ａ、３Ｂは、導電体材料で出来ており、第２誘電体層４Ｂを介して第１電極２に対向した面に形成される。また、第２電極３Ａ、３Ｂは、第１電極２やその他の金属物と電気的に接続されていない。これにより、第１電極２と第２電極３Ａ、３Ｂとの間に容量成分を発生することができる。

この入力装置１では、第１電極２の面積、または第２電極３Ａ、３Ｂの面積を任意に設定することによって、検出される静電容量を変えることができる。

また、第２電極３Ａ、３Ｂは、第１誘電体層４Ａ、第２誘電体層４Ｂのどちらに形成してもよい。

第１誘電体層４Ａは、絶縁体材料で出来ており、人の指などの接触物１０が直接接触する部分である。この第１誘電体層４Ａは、その材料の厚さ寸法や、誘電率を任意に設定することによって、検出される静電容量を変えることができる。第１誘電体層４Ａには、入力装置において入力操作の操作機能に合わせたボタン（図示せず）などをデザイン表示してもよい。

第２誘電体層４Ｂもまた、絶縁体材料で出来ており、その材料の厚さ寸法や、誘電率を任意に設定することによって、検出される静電容量を変えることができる。

第１誘電体層４Ａ、第２誘電体層４Ｂは、単一の誘電体材料で構成されていなくてもよく、複数の異なる誘電率を有する誘電体材料を積層して形成してもよい。

また、第１電極２の下側には、外部から絶縁保護するために誘電体を形成してもよい。

さらに、第２電極３Ａ、３Ｂの両方の上部に、接触物１０が同時に接触した場合には、接触物１０が第２電極３Ａの上部に接触するときに発生する静電容量および、接触物１０が第２電極３Ｂの上部に接触するときに発生する静電容量の和に等しい静電容量が発生する。

そのため、接触物１０が第２電極３Ａ、３Ｂのそれぞれ片方だけの上部に接触したときの静電容量よりも、同時に両方の上部に接触したときの静電容量は大きくなり、第１電極２から検出される静電容量はそれぞれ異なり、第２電極３Ａ、３Ｂの上部をそれぞれ接触する状態と、第２電極３Ａ、３Ｂの上部を同時に両方接触する状態を判別することが可能である。

本実施の形態では、第２電極３Ａ、３Ｂを四角形状で記載しているが、これらの形状は円形状、または多角形状であってもよい。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

検出領域５Ａ、５Ｂは、誘電体層４Ａの上面にあり、かつ誘電体層４Ａを介してその下側に第２電極３Ａ、３Ｂが配置してある。検出領域５Ａ、５Ｂのそれぞれに、接触物１０（図２においては図示せず）が接触することにより、第１電極２に、それぞれ異なる静電容量が発生する。

次に、図１および図２に示した実施の形態の入力装置１の動作について、さらに詳しく説明する。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１および図２に示した実施の形態の入力装置１において、接触物１０が第１誘電体層４Ａに接触している状態を示す図である。

なお、図３（ａ）では第２電極３Ｃの上側にある第１誘電体層４Ａに接触物１０が接触しており、図３（ｂ）では第２電極３Ｄの上側にある第１誘電体層４Ａに接触物１０が接触しており、図３（ｃ）では第２電極３Ｅの上側にある第１誘電体層４Ａに接触物１０が接触している。

本実施の形態では、第２電極３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの面積を互いに異ならせることにより静電容量を変えており、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、第２電極３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの順に面積を大きくしている。

図３（ａ）において、接触物１０と第２電極３Ｃとの間の静電容量を静電容量Ｃ１ａとし、第２電極３Ｃと第１電極２との間の静電容量を静電容量Ｃ１ｂとし、接触物１０と第１電極２との間の静電容量を静電容量Ｃ１ｃとする。第２電極３Ｃの面積は、接触物１０と第１誘電体層４Ａとの接触面積よりも小さいため、接触物１０と第１電極２との間に静電容量Ｃ１ｃが発生している。

図３（ｂ）において、接触物１０と第２電極３Ｄとの間の静電容量を静電容量Ｃ２ａとし、第２電極３Ｄと第１電極２との間の静電容量を静電容量Ｃ２ｂとする。

同様に、図３（ｃ）において、接触物１０と第２電極３Ｅとの間の静電容量を静電容量Ｃ３ａとし、第２電極３Ｅと第１電極２との間の静電容量を静電容量Ｃ３ｂとする。

第２電極３Ｄ、３Ｅの面積は、接触物１０と第１誘電体層４Ａとの接触面積よりも大きいとしている。

一例として、接触物１０が人の指の場合、接触物１０が第１誘電体層４Ａの上面に接触するときの接触面積は直径１０ｍｍから１５ｍｍの円の面積（およそ７９平方ｍｍから１７７平方ｍｍ）と同等となる。このとき、第２電極３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの面積をそれぞれ５０平方ｍｍ、２５０平方ｍｍ、３５０平方ｍｍと設定できる。

ここで、接触物１０と第１誘電体層４Ａとの接触面積はどの場合も等しいとする。これにより、第２電極３Ｄ、３Ｅの面積は、接触物１０の接触面積よりも大きいため、静電容量Ｃ２ａと静電容量Ｃ３ａとは等しいことになる。

また、第２電極３Ｄの面積は第２電極３Ｅの面積よりも小さいため、静電容量Ｃ２ｂは静電容量Ｃ３ｂより小さいことになる。

大地（グランド）と第１電極２との間に発生する静電容量は、図３（ａ）では静電容量Ｃ１ａと静電容量Ｃ１ｂとを直列に接続し、さらにその静電容量に並列に静電容量Ｃ１ｃが接続していることと等価である。

図３（ｂ）では静電容量Ｃ２ａと静電容量Ｃ２ｂとを直列に接続していることと等価であり、図３（ｃ）では静電容量Ｃ３ａと静電容量Ｃ３ｂとを直列に接続していることと等価である。

そのため、図３（ａ）の第１電極２に発生する静電容量を静電容量Ｃ１とし、図３（ｂ）の第１電極２に発生する静電容量を静電容量Ｃ２とし、図３（ｃ）の第１電極２に発生する静電容量を静電容量Ｃ３とすると、これらはそれぞれ以下の各数式で表される。
Ｃ１＝１／（１／Ｃ１ａ＋１／Ｃ１ｂ）＋Ｃ１ｃ
Ｃ２＝１／（１／Ｃ２ａ＋１／Ｃ２ｂ）＝Ｃ２ａ・Ｃ２ｂ／（Ｃ２ａ＋Ｃ２ｂ）
Ｃ３＝１／（１／Ｃ３ａ＋１／Ｃ３ｂ）＝Ｃ３ａ・Ｃ３ｂ／（Ｃ３ａ＋Ｃ３ｂ）
上記の各数式において、静電容量Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ａ、Ｃ３ｂを変えることで第１電極２に発生する静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を変えることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、１つの第１電極に対し、複数の互いに異なる面積を持つ第２電極を配置することによって、１つの第１電極で複数の異なる静電容量を検出することができる。

図４（ａ）、（ｂ）を用いて、接触・非接触状態と、そのときの１つの第１電極から発生する静電容量、および検出範囲について説明する。

最大静電容量Ｃｍａｘは第１電極に発生する最大の静電容量であり、最小静電容量Ｃｍｉｎは非接触の状態で第１電極に発生する最小の静電容量である。

図４（ａ）は、従来の入力装置であってＯＮ／ＯＦＦのような２つの入力状態を検出するものの、第１電極から発生する静電容量について示す図である。この例では、接触物が接触することによって、図４（ａ）に示すように静電容量が増加する。

この例において、検出範囲は、最小静電容量Ｃｍｉｎと最大静電容量Ｃｍａｘとの間に設定され、ここでは静電容量Ｃｘを閾値としている。この場合、最小静電容量Ｃｍｉｎと静電容量Ｃｘとの間は非接触状態と同等として扱われ、静電容量Ｃｘと最大静電容量Ｃｍａｘとの間は検出範囲、つまり検出状態と同等として扱われる。

図４（ｂ）は、最小静電容量Ｃｍｉｎと最大静電容量Ｃｍａｘとの間に複数の入力状態を検出するために複数の検出範囲を設定した一例であり、検出範囲は、１からｎまでｎ個設定しようとしてている。最小静電容量Ｃｍｉｎと最大静電容量Ｃｍａｘの値は、入力装置により固有であり、多くの検出範囲を設定するためには各検出範囲の幅をできるだけ小さくする必要がある。

しかしながら、人間の指などの接触物と検出電極とによる１つのコンデンサで静電容量が形成される従来の入力装置では、接触物の接触面の面積がほぼ一定とならず接触面の面積変化に比例して静電容量が変化してしまう。

そのため、検出範囲の幅を小さくしてしまうと所望の検出範囲を選択することができなくなる。

従って、接触時の接触面の面積変化に対して静電容量の変化を抑えることができれば、検出範囲の幅を小さくでき、多くの検出範囲を設定できる。

図５（ａ）に従来の入力装置の構成を示し、図５（ｂ）に本実施の形態による入力装置の構成を示す。図５（ａ）、（ｂ）を参照して、接触面１１の変化による静電容量の変化について説明する。

接触面１１は、接触物（図示せず）が誘電体層１４（図５（ａ））、第１誘電体層１４Ａ（図５（ｂ））に押し当てられたときに、誘電体層１４、第１誘電体層１４Ａの表面と接触物の表面とが接触している面であり、その面積は図５（ａ）、（ｂ）ともに等しいものとする。

第１電極２Ａ（図５（ａ））、第１電極１２（図５（ｂ））は、接触面１１と対向して一定のギャップｄ１、（ｄ２Ａ＋ｄ２Ｂ）をおいて配置されており、その面積は、図５（ａ）、（ｂ）ともに等しい、ものとする。

各ギャップの関係は、ｄ２Ａとｄ２Ｂとの和はｄ１と等しいものとし、ギャップｄ１は誘電体層１４（図５（ａ））の厚さ寸法、ギャップｄ２Ａ、ｄ２Ｂはそれぞれ第１誘電体層１４Ａ（図５（ｂ））、第２誘電体層１４Ｂ（図５（ｂ））の厚さ寸法に相当する。

図５（ｂ）には、２つの第２電極１３Ａ、１３Ｂが第１電極１２に対向して設けてあり、第２電極１３Ａの上側に接触面１１がある。接触面１１と第２電極１３Ａはギャップｄ２Ａをおいて、第１電極１２とはギャップｄ２Ｂをおいた位置に配置してある。第２電極１３Ａの面積は、接触面１１の面積より大きいものとする。

図５（ａ）の第１電極２Ａに発生する静電容量を静電容量Ｃ４、図５（ｂ）の第１電極１２に発生する静電容量を静電容量Ｃ５とすると、これらは以下の各数式で表せる。
Ｃ４＝ε×Ｓ１／ｄ１
Ｃ５＝ε／（ｄ２Ａ／Ｓ１＋ｄ２Ｂ／Ｓ２）
ただし、上記各数式においては、接触面１１の面積をＳ１とし、第２電極１３Ａの面積をＳ２とし、誘電体層１４、第１誘電体層１４Ａ、第２誘電体層１４Ｂの誘電率を一定とし真空中の誘電率を掛け合わせたものをεとする。

接触状態での静電容量の変化を抑えるためには、図５（ａ）においては、上記静電容量Ｃ４の数式を参照すると、入力装置の構造で決定される変数ε、ｄ１は接触時に変更することができないため、接触面１１の面積Ｓ１の変化を抑える方法しかない。しかしながら、人間の指などの接触物は接触圧により変形してしまい、接触面１１の面積Ｓ１が変化してしまう。接触面１１の面積Ｓ１は、静電容量Ｃ４と比例関係にあるため、接触面１１の増減に比例して静電容量Ｃ４も増減してしまう。

これに対して、図５（ｂ）では、第１電極１２と第２電極１３Ａとによる静電容量を、接触面１１と第２電極１３Ａとによる静電容量よりも小さくすることで、接触面１１の面積変化に対して静電容量Ｃ５の変化を抑えることができる。

図６に、接触物の接触面の面積が増加したときの静電容量の変化を計算したグラフの例を示す。

図６のグラフでは、図５（ａ）、（ｂ）において、第２電極の面積を接触面の面積の４倍、ギャップｄ２Ａとギャップｄ２Ｂとの比率を１対９として計算している。

なお、上記では、静電容量を調整するために誘電体層の厚さ寸法を変えているが、誘電率を変えることで静電容量を調整しても同様の特徴が得られる。

従来の入力装置（図５（ａ））では、接触面の面積が１．５倍に増加すると、静電容量は接触面の面積と比例関係にあるため１．５倍に増加する。

これに対して本実施の形態の入力装置（図５（ｂ））では、接触面の面積が１．５倍に増加しても、静電容量は１．１倍にしか増加しない。

つまり、本実施の形態による入力装置は従来の入力装置と比較して、接触面の面積が変化しても静電容量の変化を抑えることができる。

以上説明したように、本実施の形態では、１つの第１電極に複数の面積の異なる第２電極を形成することで、複数の異なる静電容量を検出することができ、１つの入力信号で複数の入力状態を検出することを可能にしている。

また、第２電極の面積を接触面の面積よりも大きくすることで、接触面の面積が変化しても静電容量の変化を抑えることができ、１つの第１電極で検出できる入力状態を多く設定することができる。

図７は、本実施の形態における入力装置から静電容量を検出し、入力状態を取得し、その情報に基づいた信号を出力する構成の一例を示したブロック図である。

容量検出回路部２０は、入力装置の第１電極と電気的に接続され、第１電極に発生する静電容量を計測容易なように電圧または周波数に変換する。

検出判定部２１は、あらかじめ設定された静電容量、または電圧、または周波数と、入力装置から得られた値とを比較して検出範囲にあるとき信号制御部２２から信号を出力する。

信号制御部２２からの出力信号は、信号パルスをそのまま出力するか、またはＣＰＵ等の主要な機器のフォーマットに合わせた状態に加工した後に出力する。

図８は、入力装置の第１電極から検出される測定値の時間変化、および出力信号の状態を示したものである。

図８では、接触物が検出領域５Ａ（図２参照）に接触して、次に検出領域５Ｂ（図２参照）に接触した場合を示している。

測定値が検出領域５Ａの検出範囲に一定時間あるとき、検出信号Ａが生成される。同様に、測定値が検出領域５Ｂの検出範囲に一定時間あるとき検出信号Ｂが生成される。

ここで、接触物が検出領域５Ｂに接触したときの測定値は検出領域５Ａの検出範囲を通過するが、通過する時間が設定されたある一定時間以上でないため、この検出範囲での接触状態として判定されず、検出信号は生成されない。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。

この本発明の第２の実施の形態では、第１電極について工夫している。その構成を図９に示す。

第１電極３２はテーパー形状をしており、第２電極３３Ａ、３３Ｂへの対向する面積を変化させている。

第２電極３３Ａの面積と第２電極３３Ｂの面積とを同一とし、誘電体層の厚さ寸法、および誘電率を一定とすると、第１電極３２と対向する面積が少ない第２電極３３Ａの静電容量は第２電極３３Ｂの静電容量よりも小さくなる。

これにより、第２電極３３Ａ、３３Ｂの面積を変えることなく複数の異なる静電容量を得ることができる。

本実施の形態では、第１電極をテーパー形状としているが、本発明はこれに限られるものではなく、第１電極と少なくとも１つ以上の第２電極とが対向する面積が、それぞれ異なるようにされた形状であればよい。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。

この本発明の第３の実施の形態では、第１誘電体層、第２誘電体層についてさらに工夫している。その構成を図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。

図１０（ａ）では、第１誘電体層４４Ａ１の下側（接触物の接触する面と反対側）、および第２誘電体層４４Ｂ１の上側と下側を階段形状に形成している。

第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが配置される面は、接触物が接触する面、および第１電極４２Ａと対向している。

このように構成することによって、第１電極４２Ａと第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃとの対向する距離、つまり第１電極４２Ａが配置されている面と、第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが配置されている面との間にある第２誘電体層４４Ｂ１の厚さ寸法は等しくなり、一方、接触物が接触する面と第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃとの対向する距離、つまり第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが配置されている面にある第１誘電体層４４Ａ１の厚さ寸法は相互に異なっている。

図１０（ｂ）では、第２誘電体層４４Ｂ２の下側を階段形状に形成している。

また、第２電極４３Ａ、４３Ｂおよび４３Ｃが配置される面は、平坦であり、接触物が接触する面、および第１電極４２Ａと対向している。

このように構成することによって、接触物が接触する面と第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃとの対向する距離、つまり第１誘電体層４４Ａ２の厚さ寸法は等しくなり、第１電極４２Ａと第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃとの対向する距離、つまり第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが配置されている面にある第２誘電体層４４Ｂ２の厚さ寸法は相互に異なっている。

図１０（ｃ）では、第１誘電体層４４Ａ３の下側、および第２誘電体層４４Ｂ３の上側を階段形状に形成している。

このように構成することによって、第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃが配置されている面にある第１誘電体層４４Ａ３、および第２誘電体層４４Ｂ３の厚さ寸法が異なっている。

このような本発明の第３の実施の形態によれば、第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃを介して第１電極４２Ａ、４２Ｂに発生する静電容量はそれぞれ異なる値となるので、第２電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃの面積を変えなくとも複数の異なる静電容量を検出することができる。

次に本発明の第４の実施の形態について説明する。

本発明の第４の実施の形態では、第１誘電体層、第２誘電体層についてさらに工夫している。その構成を図１１（ａ）、（ｂ）に示す。

図１１（ａ）では、第１誘電体層５４Ａ１と第１誘電体層５４Ａ２とは厚さ寸法は同一であるが、誘電率を異ならせている。一方、第２誘電体層５４Ｂは、全面にわたって厚さ寸法、誘電率ともに同一である。

図１１（ｂ）では、第２誘電体層５４Ｂ１と第２誘電体層５４Ｂ２とは厚さ寸法は同一であるが、誘電率を異ならせている。一方、第１誘電体層５４Ａは、全面にわたって厚さ寸法、誘電率ともに同一である。

この第４の実施の形態によれば、第１誘電体層５４Ａ１、５４Ａ２、または第２誘電体層５４Ｂ１、５４Ｂ２の誘電率をそれぞれ異なるものにすることで、第２電極５３Ａ、５３Ｂを介して第１電極５２に発生する静電容量はそれぞれ異なる値となるので、第２電極５３Ａ、５３Ｂの面積を変えなくとも複数の異なる静電容量を検出することができる。

また、図１１（ａ）、図１１（ｂ）では第１誘電体層、第２誘電体層の誘電率を、第１または第２の誘電体層の片方のみ異ならせているが、第１および第２の誘電体層の両方において誘電率を異ならせるようにしてもよく、この場合でも複数の異なる静電容量を検出することができる。

また、第１誘電体層５４Ａ１、５４Ａ２、５４Ａ、第２誘電体層５４Ｂ、５４Ｂ１、５４Ｂ２は、単一の誘電体材料で構成されていなくてもよく、複数の異なる誘電率を有する誘電体材料を積層して形成してもよい。

次に本発明の第５の実施の形態について説明する。

この本発明の第５の実施の形態では、第２電極についてさらに工夫している。その構成を図１２に示す。

図１２では、第２電極６３Ａ、６３Ｃは第１誘電体層６４Ａと第２誘電体層６４Ｂとの間に形成され、第２電極６３Ｂ、６３Ｄは第３誘電体層６４Ｃの下側に形成されている。

また、第２電極６３Ａと６３Ｂとは、また、第２電極６３Ｃと６３Ｄとはそれぞれ第２誘電体層６４Ｂおよび第３誘電体層６４Ｃを介して対向しており、第２電極６３Ａと６３Ｂとは、また、第２電極６３Ｃと６３Ｄとは電気的に接続されている。電気的接続の手段としては、たとえば、第２誘電体層６４Ｂおよび第３誘電体層６４Ｃに、第１電極６２と接触しないようにして、スルーホールを設けて接続してもよい。

図１２では、第２誘電体層６４Ｂと第３誘電体層６４Ｃとに形成された配線接続部６５Ａ、６５Ｂにより、第２電極６３Ａと６３Ｂとを、また、第２電極６３Ｃと６３Ｄとを電気的に接続している。

このように構成することによって、この第５の実施の形態によれば、第２電極６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ、６３Ｄの面積を大きくしなくても比較的大きな静電容量を得ることができる。このため、第１電極６２の面積に対して多くの第２電極６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ、６３Ｄを形成することができる。

また、第１誘電体層６４Ａの上面と直交する面であって、第２誘電体層６４Ｂおよび第３誘電体層６４Ｃの側面に形成された配線接続部６５Ａ、６５Ｂに接触物（図示せず）が、直接、あるいは誘電体を介して接触することにより、第１電極６２に静電容量を発生することができる。

これにより、本入力装置の検出領域において、第１電極６２が配置されている領域に加えて、第１電極６２が配置されていない領域で、かつ配線接続部６５Ａ、６５Ｂが配置されている領域まで検出領域を広げることが可能となる。

次に本発明の第６の実施の形態について説明する。

この本発明の第６の実施の形態では、第１電極７２を複数配置してテンキー入力に使用した入力装置７０を示す。その構成を図１３に示す。図１３（ａ）は本発明の第６の実施の形態による入力装置の構造を上面から見た透視図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の一部分を見た斜視図である。

複数の第１電極７２のそれぞれには、複数の第２電極７３Ａ、７３Ｂ、７３Ｃが形成されている。

第２電極７３Ａ、７３Ｂ、７３Ｃの上側には、図１３（ｂ）に示すように第１誘電体層７４Ａが配置されボタンデザイン７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃが描かれている。ボタンデザイン７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃに人の指などの接触物が接触することで、第１電極７２に静電容量が発生し、対応したボタンデザイン７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃに割り当てられた出力が生成される。

１つの第１電極に配置された複数の第２電極は、上述した実施の形態１から５における構造を用いることで異なる静電容量が得られるように調整する。

従来の静電容量を使用した入力装置では、テンキー入力装置を実現するにはボタンの数、すなわち１６本の出力信号が必要である。それに対して、本実施の形態では、図１３（ａ）に示すように、５本の出力信号で実現することができる。

次に本発明の第７の実施の形態について説明する。

この本発明の第７の実施の形態では、第２電極についてさらに工夫している。その構成を図１４に示す。

図１４では、第２電極８３Ａ、８３Ｃは、第１誘電体層８４Ａと第２誘電体層８４Ｂとの間に形成され、第１電極８２と第２電極８３Ａとの間（第２誘電体層８４Ｂ内）には、第２電極８３Ａと対向する第２電極８３Ｂが配置されている。

このように構成されることによって、第２電極８３Ａと第２電極８３Ｂとの間、および第１電極８２と第２電極８３Ｂとの間に新たに静電容量が形成される。

従って、第２電極８３Ａの上側にある第１誘電体層８４Ａに接触物（図示せず）が接触すると、接触物と第２電極８３Ａとの間、第２電極８３Ａと第２電極８３Ｂとの間、第１電極８２と第２電極８３Ｂとの間に静電容量が形成され、３つのコンデンサが直列に接続されていることと等価になる。

このため、第２電極８３Ｂの面積、または第２電極８３Ａと第２電極８３Ｂとの間、または第１電極８２と第２電極８３Ｂとの間にある誘電体の厚さ寸法、または誘電率のいずれか１つ以上を変えることで、第１電極８２に発生する静電容量を変えることができ、複数の異なる静電容量が得られる。

以上説明した各実施の形態では、複数の異なる静電容量を得るために、第１電極と第２電極との対向する面積、または接触物と第２電極との間の対向する距離（第１誘電体層の厚さ寸法）、または第１電極と第２電極との間の対向する距離（第２誘電体層の厚さ寸法）、または第１誘電体層の誘電率、または第２誘電体層の誘電率のいずれか１つを変えているが、２つ以上を同時に変えて本発明の入力装置を構成してもよい。

本発明の活用例として、コンピュータ、携帯情報端末、携帯電話などの入力操作部を必要とする機器がある。

本発明の第１の実施の形態における入力装置の構造を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における入力装置の構造を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第１の実施の形態における入力装置の接触物が接触している状態を示す断面図である。 （ａ）は従来の入力装置の接触状態、非接触状態と静電容量の変化、検出範囲を示す説明図であり、（ｂ）は本発明の入力装置の接触状態、非接触状態と静電容量の変化、検出範囲を示す説明図である。 （ａ）は従来の入力装置の接触物が接触している状態の斜視図、（ｂ）本発明の第１の実施の形態における入力装置の接触物が接触している状態の斜視図である。 接触面の面積、静電容量の変化を示す説明図である。 本発明の入力装置と接続し出力信号を得るまでの周辺部を示すブロック図である。 検出される測定値の時間変化、および検出信号との関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態における入力装置の構造を上面から見た透視図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の第３の実施の形態における入力装置の構造を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態における入力装置の構造を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態における入力装置の構造を示す斜視図である。 （ａ）本発明の第６の実施の形態における入力装置の構造を上面から見た透視図、（ｂ）は（ａ）の一部分を見た斜視図である。 本発明の第７の実施の形態における入力装置の構造を示す斜視図である。 従来の特開２００５−３１７９０号公報における図である。 従来の特開平９−１３９１４２号公報における図である。

符号の説明

１、７０ 入力装置
２、１２、３２、４２Ａ、４２Ｂ、５２、６２、７２、８２ 第１電極
３Ａ、３Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、５３Ａ、５３Ｂ、６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ、６３Ｄ、７３Ａ、７３Ｂ、７３Ｃ、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ 第２電極
４Ａ、１４Ａ、４４Ａ１、４４Ａ２、４４Ａ３、５４Ａ、５４Ａ１、５４Ａ２、６４Ａ、７４Ａ、８４Ａ 第１誘電体層
４Ｂ、１４Ｂ、４４Ｂ１、４４Ｂ２、４４Ｂ３、５４Ｂ、５４Ｂ１、５４Ｂ２、６４Ｂ、８４Ｂ 第２誘電体層
５Ａ、５Ｂ 検出領域
１０ 接触物
１１ 接触面
１４ 誘電体層
２０ 容量検出回路部
２１ 検出判定部
２２ 信号制御部
６４Ｃ 第３誘電体層
６５Ａ、６５Ｂ 配線接続部
７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃ ボタンデザイン
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ３、Ｃ４ 静電容量
ｄ１、ｄ２Ａ、ｄ２Ｂ ギャップ

Claims (15)

1. 接触物の接触により静電容量を検出する入力装置において、
   前記接触物と接触する面を上側に有する第１誘電体層と、前記第１誘電体層の下側に形成する第２誘電体層と、前記第２誘電体層の下側の面に形成する第１電極と、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層の間に前記第１電極と対向して形成し、前記第１電極と電気的に接続しておらず、１つの前記第１電極に対して２つ以上配置する第２電極とから構成され、
   前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量、あるいは前記接触物の接触する面と前記第２電極との間の静電容量、の少なくとも１つ以上が異なることを特徴とする入力装置。
2. 前記第２電極の面積が前記接触物の接触する面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記第１電極と前記第２電極との対向する面積がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
4. 前記接触物の接触する面と前記第２電極との間にある前記第１誘電体層の厚さ寸法がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
5. 前記第１電極と前記第２電極との間にある前記第２誘電体層の厚さ寸法がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
6. 前記接触物の接触する面と前記第２電極との間にある前記第１誘電体層の誘電率がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
7. 前記第１電極と前記第２電極との間にある前記第２誘電体層の誘電率がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
8. 前記第１電極と前記第２電極とのそれぞれの対向する面積、あるいは前記接触物の接触する面と前記第２電極との間にある前記第１誘電体層の厚さ寸法、あるいは前記第１電極と前記第２電極との間にある前記第２誘電体層の厚さ寸法、あるいは前記接触物の接触する面と前記第２電極との間にある前記第１誘電体層の誘電率、あるいは前記第１電極と前記第２電極との間にある前記第２誘電体層の誘電率、の少なくとも２つ以上が異なることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の入力装置。
9. 前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量が前記接触物の接触する面と前記第２電極との間の静電容量よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
10. 前記第２電極の面積がそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
11. 前記第１電極は少なくとも１つ以上の前記第２電極と対向する面積が異なることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
12. 前記第１誘電体層、あるいは前記第２誘電体層の少なくとも１つ以上の下側を階段形状に形成し、前記接触物と接触する面と、前記第２電極を配置する面と、前記第２電極と対向する前記第１電極とをそれぞれ対向して配置することを特徴とする請求項４または５に記載の入力装置。
13. 前記第２電極を前記第１電極の上側と下側の両方に誘電体を介して形成し、互いに対向する位置に配置されている該第２電極どうしを電気的に接続する配線接続部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし８のうちのいずれか１項に記載の入力装置。
14. 前記第１電極を複数個配置することを特徴とする請求項１ないし１３のうちのいずれか１項に記載の入力装置。
15. 前記第２電極の形状を円形状、または多角形状とすることを特徴とする請求項１ないし１４のうちのいずれか１項に記載の入力装置。

Images