JP2011017626A - 力学量検知部材及び力学量検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 二者択一的操作を越えた、より多様な情報入力が可能であり、かつ、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られ、しかも、小型、簡素で、その操作が使用環境による制約を受けにくく、電子機器の入力装置として好適な力学量検知装置、及びそれを可能にする力学量検知部材を提供すること。
【解決手段】 接触物体による押圧に応じて接触部を含む一部又は全部が変形し、接触物体による押圧がなくなると元の形状を回復する基体１と、基体１の表面又は内部に複数個が固定され、そのうちの少なくとも１個は基体１の変形部（変形及び変位する領域）に配置されている変位電極２である電極と、電極への配線とで力学量検知部材を構成する。基体１の変形に際し、変位電極２は、基体１から分離することなく、かつ導電性を損なうことなく、変形部の変形及び変位に追従する。この変位電極２の変位が、電極３との間の静電容量の変化として検知される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、変位、力、および加速度などの力学量を静電容量方式で検知する力学量検知部材、及び電子機器等の入力装置として好適な力学量検知装置に関するものである。

従来、電子機器等の一般的な入力装置、すなわち入力ユーザーインターフェース（ＵＩ）としては、キーボードをはじめとして、押しボタンスイッチに代表されるスイッチ類が多く用いられてきた。リモートコントローラやマウスも含めて、スイッチ類の動作は、通常、物理的な接触によってオンかオフかを選択する二者択一の動作である。このようなＵＩは、入力情報が増え選択肢が増えるに従い、ボタンやキー等が増えてしまい、操作性が著しく悪化するのみならず、電子機器のデザインにまで制約を与えることになる。

近年、マウス、タッチパッド、およびタッチスクリーン等のポインティングデバイスと、出力ＵＩとの間に連動性をもたせることにより、直感的な操作を可能とするグラフィカルＵＩ（ＧＵＩ）が多く用いられている。

マウスには、押しボタンスイッチによるクリック感によって快適な操作感が得られる特徴がある。しかし、マウスを走行させる操作面が必要であるので、操作面を配置できる環境下でないと用いることができない不都合がある。

タッチパッドやペンタブレット等のタッチセンシングデバイスには、抵抗膜式、静電容量式、および表面弾性波式等の多くの方式が実用化されており、現金自動預け払い機（ＡＴＭ）、各種携帯情報端末、およびカーナビゲーションシステム等に多く搭載されている。しかし、通常のタッチセンシングデバイスでは、１つの操作ポイントにおいて、オンかオフかを選択する二者択一の操作が可能であるのみで、それ以上の複雑な情報処理を行うことは困難である。従って、取り扱う情報が多くなると、タッチ面を２次元的に拡大せざるを得なくなり、スイッチ類と同様、操作性が悪化するとともに、電子機器のデザインに制約を与えることになる。また、タッチセンシングデバイスには、押しボタンスイッチと異なり、クリック感がないので、直感的な取り扱いができず、操作がぎこちなくなりやすい。加えて、視覚障害者による操作や、暗所での手探りでの操作は、非常に困難である。

二者択一的操作を越えた、より多様な情報入力を可能にするために、入力時の圧力や変位を入力情報として検知することが考えられる。圧力をセンシングする装置としては、抵抗線式やピエゾ式など、多種多様な圧力センサが実用化されており、スイッチングデバイスに圧力センサを備えることによって、入力時の筆圧を反映した入力情報制御を可能とするペン入力装置も登場している。しかし、一般に用いられる圧力センサでは、金属の薄板やプラスチックの薄膜からなるダイアフラムを介して圧力源の圧力を受け、ダイアフラムに加わる圧力またはダイアフラムの変位や変形を変換素子などで検知することによって、圧力を電気信号に変換する。この際、圧力源に影響を与えて圧力が変化してしまわないように、また、圧力と電気信号との間に比例関係などの簡単な関係が成り立つように、ダイアフラムの変形量は小さく抑えられるように設計されている。従って、圧力センサでは、広範囲の圧力を検知することはできるが、変位としては最大で１ｍｍ程度の変位を読み取ることが限界である。また、筆圧をセンシングするには、筆圧が変化しないように、ペンの筆圧を受けとめる筆記面が十分な固さを有することが必要になる。このため、筆圧をセンシングする入力装置では、固い筆記面を固いペンでなぞることになり、操作者が自然で心地よい感触や快適な操作感を得ることは難しい。

一方、変位をセンシングする装置としては、静電容量方式の変位センサがあり、多くの公開特許公報が開示されている。このセンサは、コンデンサの原理を応用した非接触式微小変位センサの１種であり、電極間の距離に反比例して静電容量が変化することを利用して、小さな変位を高精度で測定することができる。静電容量の微小な変化を高精度に検出するためには、周波数変調、振幅変調、位相変調などの方法が採られ、静電容量型変位センサは０．２〜１０ｍｍの変位を１〜１０μｍの精度で検出することができる。

変位センサを応用した入力装置としては、例えば、後述の特許文献１に、パネルに対して作用する力を検出する力検出手段を備えたパネルセンサであって、力の強さの違いに対応して、力検出手段が弱い力を検出する検出部と強い力を検出する検出部とを備えていることを特徴とする、パネルセンサが提案されている。

図７は、このパネルセンサの一例を示す部分断面図である。パネルセンサ１００は、主として、四角形状のパネル１１０と、その四隅に配置されたパネル支持部１２０および力検出手段（力センサ）１３０とで構成されている。パネル１１０に加えられた力はパネル支持部１２０を介して力センサ１３０に伝えられる。図７は、パネルセンサ１００の１つの隅（角）の近傍を示している。

力センサ１３０は、ダイアフラム部１３１、電極１３２、基板１３３、内部枠１３４、梁部１３５、固定枠１３６、電極１３７、および支持体１３８を備えている。ダイアフラム部１３１は、伸縮性を有する薄膜１３１ａと、張力を保った状態で薄膜１３１ａを支持する支持部１３１ｂとで構成され、電極１３２とともに基板１３３上に固定されている。薄膜１３１ａには（図示省略した）変位電極が設けられており、変位電極と電極１３２とは第１のコンデンサを形成している。基板１３３は、内部枠１３４、梁部１３５、および固定枠１３６を介して支持体１３８上に配置されている。梁部１３５は、所定の弾性を有する材料からなり、電極１３２と、支持体１３８上の電極１３７とは、第２のコンデンサを形成している。

パネル１１０を押し下げる方向に小さな力が作用する場合には、図７（ｂ）に示すように、薄膜１３１ａが伸張変形し、薄膜１３１ａ上の変位電極が変位する。この変位を、第１のコンデンサの静電容量の変化として検出する。パネル１０１に作用する力が強くなると、薄膜１３１ａと電極１３２との間隔は狭まるので、第１のコンデンサの静電容量は大きくなる。

パネル１１０に作用する力がさらに強くなると、図７（ｃ）に示すように、薄膜１３１ａと電極１３２とは密着してしまい、第１のコンデンサの静電容量はほとんど変化しない。この場合、梁部１３５がたわむことによって、電極１３２が固定されている基板１３３が図の下向きに変位する。この変位を、第２のコンデンサの静電容量の変化として検出する。

上述したように、入力時の筆圧を圧力センサでセンシングする入力装置では、固いペンで固い筆記面をなぞることになり、操作者が自然で心地よい感触や快適な操作感を得ることは難しい。

入力時の変位を変位センサでセンシングする入力装置では、通常、入力はダイアフラムによって受けとめられ、ダイアフラムの変位が静電容量方式などで検知される。従来の変位センサでは、入力の大きさとダイアフラムの変形量との間に線形性などの単純な関係が成り立つことを重視して、ダイアフラムの材料として比較的硬い材料が用いられ、ダイアフラムの変形量が小さく抑えられるように設計されている。このような変位センサを用いた入力装置では、筆圧をセンシングする入力装置と同様、操作者が自然で心地よい感触や快適な操作感を得ることは難しい。

また、ダイアフラムの変形量が小さく抑えられているので、広い範囲の入力を受けとめるには、特許文献１の例にも見られるように、ダイアフラムを支持する弾性体（特許文献１の例では梁部１３５）が変形する構成とする必要が生じる。このため、入力装置の構造が複雑になり、大型化して、操作性が低下する。

本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、二者択一的操作を越えた、より多様な情報入力が可能であり、かつ、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られ、しかも、小型、簡素で、その操作が使用環境による制約を受けにくく、電子機器の入力装置として好適な力学量検知装置、及びそれを可能にする力学量検知部材を提供することにある。

即ち、本発明は、
接触物体による押圧に応じて接触部を含む一部又は全部が変形し、接触物体による押 圧がなくなると元の形状を回復する基体と、
前記基体の表面又は内部に複数個が固定され、そのうちの少なくとも１個は前記基体 の変形部（前記変形に際し変形及び変位する領域）に配置されている変位電極である電 極と、
前記電極に接続された配線と
を有し、
前記変形に際し、前記変位電極は、前記基体から分離することなく、かつ導電性を損 なうことなく、前記変形部の変形及び変位に追従して変形及び変位し、
前記変形部の変形及び変位が、前記電極間の静電容量の変化として検知される
、力学量検知部材に係わる。

また、
前記力学量検知部材と、
前記配線を介して前記電極に電気的に接続され、前記接触物体による押圧で生じる前 記電極間の静電容量の変化を、電気信号として検出する検出回路部と
を有する、力学量検知装置に係わる。

本発明の力学量検知部材によれば、前記接触物体による押圧に応じて前記基体の前記変形部の形状が変化すると、前記変形部に固定されている前記変位電極が、前記基体から分離することなく、前記変形部の変形及び変位に追従して変形及び変位する。この変形に際し、前記変位電極の導電性が損なわれることはないので、この変位の大きさに応じて前記変位電極と他の電極との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、例えば、前記配線を介して接続された静電容量検出回路によって電気信号に変換される。この結果、前記基体の前記変形部の変形及び変位の大きさ、又は、その原因となった前記押圧の大きさが、電気信号などに変換されて検知される。そして、前記接触物体による押圧がなくなると、前記基体は元の形状を回復し、前記変位電極は元の位置に復帰するので、前記電極間の静電容量も元の大きさに戻る。

この際、前記接触物体の押し込み量の違い（アナログ量）を情報として区別することができる。また、前記接触物体である手指などは、押し込み量に応じて徐々に増加する前記基体の反発力を感じながら押し込んでいくので、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られる。しかも、前記力学量検知部材は、小型で、簡素であり、大きな形状の自由度が得られる。また、別途操作面などを必要としないので、その操作が使用環境による制約を受けにくい。

本発明の力学量検知装置は、本発明の力学量検知部材を用いて構成されているので、上述した効果を得ることができる。この結果、前記接触物体の押し込み量の違い（アナログ量）に応じて、二者択一的操作を越えた、より多様な情報の入力が可能であり、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られ、かつ、小型で、簡素であり、その操作が使用環境による制約を受けにくい、電子機器の入力装置などを実現できる。

本発明の実施の形態１に基づく、平板形入力部材として構成された力学量検知部材の構造を示す断面図である。 同、静電容量検出回路の例を示す説明図（ブロック図）である。 本発明の実施の形態２に基づく、平板形入力部材として構成された力学量検知部材の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に基づく、円筒形入力部材として構成された力学量検知部材の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に基づく、球形入力部材として構成された力学量検知部材の構造を示す説明図である。 本発明の実施例１で得られた平板形入力部材における、電極間距離と静電容量との関係を示すグラフ（ａ）、および、繰り返し変位を与えた後の変位電極の断面の、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察像（ｂ）である。 特許文献１に示されているパネルセンサの一例を示す部分断面図である。

本発明の力学量検知部材において、前記基体の位置を区画するように分画された複数の前記電極が、電極ごとに独立した前記配線とともに設けられており、前記接触物体が前記基体を押圧する位置の違いが、前記区画を単位として識別可能であるのがよい。

また、前記電極のうちの少なくとも１つが、前記変位電極に対向する位置に配置されているのがよい。

また、前記変位電極と、前記の変位電極に対向配置されている電極との組が、２〜１０組み直列に接続して設けられているのがよい。

また、前記変位電極の材料が、カーボンナノチューブ又は導電性高分子であるのがよい。

また、前記接触物体による押圧で生じる前記変位電極の伸縮率が、２００％以上であるのがよい。

また、前記接触物体による押圧で生じる前記電極間の距離の変化量が、１ｍｍ以上であるのがよい。

また、前記基体の材料がエラストマー（弾力性のある高分子物質）であるのがよく、とくに、多孔性のエラストマーであるのがよい。この際、前記基体の材料が、ばね定数が０．１Ｎ／ｍｍ以下の材料であるのがよい。また、前記基体に、カーボンナノチューブが０．０５以下の質量比で添加されているのがよい。

また、片手に握って操作できる形状を有するのがよい。

また、前記基体が、フレキシブル材料からなる密閉容器に、気体、液体、又はゲル状固体が充填されてなる構造体であるのがよい。

また、前記電極間を占める前記基体の比誘電率が１．１以上であるのがよい。

本発明の力学量検知装置は、他の電子機器とともに用いられ、前記接触物体による押圧の大きさに応じた電気信号を前記他の電子機器に出力する入力装置として構成されているのがよい。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。

［実施の形態１］
実施の形態１では、主として、請求項１、３〜１１、１４に記載した力学量検知部材、および請求項１５、１６に記載した力学量検知装置の例について説明する。

図１は、実施の形態１に基づく、平板形入力部材として構成された力学量検知部材１０の構造を示す断面図である。力学量検知部材１０は、基体１、変位電極２、変位電極２に対向配置された電極３、並びに、変位電極２および電極３を形成し、保護するための電極支持体４および５で構成されている。

基体１は、エラストマー（弾力性のある高分子物質）からなり、接触物体による押圧の大きさに応じて接触部を含む一部又は全部が変形するが、接触物体による押圧がなくなると元の形状を回復する。変位電極２は、例えばカーボンナノチューブ層からなり、基体１の変形部（基体１の変形に際し変形および変位する領域）に固定されている。カーボンナノチューブには強さとしなやかさがあり、基体１の変形に際し、基体１から分離することなく、かつ、導電性を損なうことなく、変形部の変形および変位に追従して変形および変位する。電極３を配置する位置はとくに限定されるわけではないが、変位電極２に対向する位置であれば、変位電極２と電極３との間に効率よく静電容量が形成されるので好ましい。図１では、変位電極２に対向配置される電極３を１つ示したが、複数個の電極を対向配置してもよい。

電極支持体４および５は、変位電極２および電極３を形成したり、保護したりするために設けられているが、機能的には前記基体の一部と見なすべきものである。従って、電極支持体４および５は基体１と同じエラストマーからなるのがよい。そして、接触物体による押圧の大きさに応じて接触部を含む一部又は全部が変形するが、接触物体による押圧がなくなると元の形状を回復する。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、接触物体による押圧に応じて基体１の形状が変化すると、変形部に固定されている変位電極２が変位するので、この変位の大きさに応じて変位電極２と電極３との間の静電容量がＱａからＱｂへ変化する。この静電容量の変化は、（図示省略した）配線を介して接続された静電容量検出回路によって、電気信号に変換される。この結果、基体１の変形部の変形および変位の大きさ、又は、その原因となった押圧の大きさが、電気信号に変換されて検知される。接触物体による押圧がなくなると、基体１は元の形状を回復し、変位電極２は元の位置に復帰するので、電極間の静電容量も元の大きさに戻る。

この際、接触物体の押し込み量（アナログ量）の違いを情報として区別することができるので、力学量検知部材１０を入力手段として用いる力学量検知装置は、二者択一的操作を越えた、より多様な情報の入力が可能な入力装置を実現することができる。また、手指は押し込み量に応じて徐々に増加する基体１の反発力を感じながら押し込んでいくので、自然な押し込み感覚や心地よい感触が感じられる入力が可能となり、直感的で快適な操作が可能な入力装置を実現できる。

力学量検知部材１０を電子機器への入力装置に応用する場合、接触物体の押し込み量が連続的なアナログ量であるとしても、これをそのまま入力情報として用いることは少ない。例えば、接触物体として手指を用いる場合、前記基体に相当する基体１および電極支持体４から受ける反発力の大きさなどから、押し込み量の違いを容易に２〜５段階程度に区別して感知することができる。この場合、２つ〜５つ程度に明瞭に区分された押し込み量の範囲のそれぞれが１つの入力情報として扱われる。また、押し込み量が連続的なアナログ量として扱われる場合でも、それは、スクロール速度の設定など、厳密な正確性を必要としない用途である。

本発明の特徴は、上述した観点に立って、前記基体（力学量検知部材１０では基体１および電極支持体４）の大きな変形を好ましく利用する点にある。先述したように、一般的な物理計測に用いられる変位センサにおいては、入力の大きさとダイアフラムの変形量との間に線形性などの単純な関係が成り立つこと、あるいは厳密な再現性が得られることなどを重視して、ダイアフラムの材料として比較的硬い材料が用いられ、ダイアフラムの変形量は小さく抑えられるように設計されている。このような変位センサを入力装置に応用すると、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られない原因になる。上述したように、入力装置に応用される変位センサにおいては、入力と出力との間に厳密な線形性や再現性がアナログ的に成り立つことは必要ではない。従って、前記基体が厳密な線形性や再現性が成り立つ範囲をこえて変形することが、許容される。しかも、前記基体の大きな変形を好ましく利用することによって、従来犠牲にされてきた、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られることになる。

しかも、力学量検知部材１０は、小型で、簡素であり、大きな形状の自由度が得られる。また、別途操作面などを必要としないので、マウスと異なり、その操作が使用環境による制約を受けにくい。

以上のように、力学量検知部材１０を用いることによって、従来にはなかった、多様な情報の入力が可能で、自然で心地よい感触や快適な操作感が得られ、かつ、小型で、簡素であり、その操作が使用環境による制約を受けにくい、電子機器の入力装置などを実現できる。

なお、力学量検知部材１０では、直接検知される力学量は変位電極２の変位の大きさであるが、その原因となった接触物体による押圧の大きさが間接的に検知されている。また、一定質量のおもりを接触物体として配置しておけば、このおもりに作用する加速度を押圧に変換することができるので、加速度を力学量として検知することもできる。

また、例えば、基体１が積層体であるような場合には、基体１の内部に埋め込むように、変位電極２とそれに対向配置される電極３との組を２〜１０組み直列に配置するのもよい。このようにすると、形成される各コンデンサにおける電極間の距離が小さくなり、静電容量が増加するので、静電容量の変化の検知が容易になる。

変位電極２の材料は、カーボンナノチューブまたは導電性高分子であるのがよい。これらの材料は伸縮性に優れ、かつ伸縮時にその導電特性を保持する。従来の変位センサの電極材料として用いられている金属などの硬い材料は、力学量検知部材１０の変位電極２として必要な性質を満たすことができない。力学量検知部材１０が実現できる理由の１つとして、１２０％以上の伸縮を加えても、引き伸ばされた状態で導通を保持する、カーボンナノチューブなどの新しい電極材料が利用できるようになったことを挙げることができる。

接触物体による押圧で生じる変位電極２の伸縮率が、２００％以上であるのがよい。例えば、変形部の幅と同程度以上の押し込み量（変位電極２の変位量）を、変形の形状によらず確実に実現するには、２００％程度以上の伸縮率が必要である。

接触物体による押圧で生じる電極間の距離の変化量が、１ｍｍ以上であるのがよい。とくに、変位電極２の材料としてカーボンナノチューブ層を利用することによって、ダイアフラム方式やスペーサー方式では実現できない、１ｃｍ以上の変位を可能にすることができるので、変位電極２の材料としてカーボンナノチューブ層を用いるのが好ましい。

基体１、並びに電極支持体４および５の材料は、エラストマー（弾力性のある高分子物質）であるのがよい。例えば、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、スチレンブタジエンゴム、シリコーンゴム、ポリウレタンゴムなどである。とくに、上記材料が、多孔性のエラストマー、例えば、生物海綿質、多孔質ポリマー、発泡成型ゴム、ポリウレタンスポンジ等であるのがよい。エラストマーは、弾性体として例えば、２００％を超える、非常に大きな引っ張り伸び率を示し、かつ、優れた引っ張り強度および収縮率を有するので好ましい。また、多孔性のエラストマーは、多数の空隙をもった状態で形状が安定しており、かつ、外圧が加わると空隙の体積を減少させることによって体積を著しく減少させることのできる材料であり、力学量検知部材１０の基体１、並びに電極支持体４および５の材料として最適である。

この際、基体１、並びに電極支持体４および５の材料は、ばね定数が０．１Ｎ／ｍｍ以下の材料であるのがよい。これらの材料のばね定数が小さいほど、力学量検知部材１０を操作する際に加える力は小さくて済む。例えば、人間の指先などで操作する場合を考えると、指先の力が最大で１Ｎ程度であるとすると、押し込み部のばね定数が０．１Ｎ／ｍｍ以下であれば、指先のわずかな力で１ｍｍ以上の大きな変位が得られるので、望ましいと考えられる。

また、基体１、並びに電極支持体４および５に、カーボンナノチューブが０．０５以下の質量比で添加されているのがよい。概算すると、カーボンナノチューブの添加量が質量比で０．０５以下であれば、カーボンナノチューブ同士の接触によって伝導パスが生じることはない。この範囲でカーボンナノチューブを添加することによって、カーボンナノチューブの局所的な分極効果の積算によって、基体１、並びに電極支持体４および５における誘電率を実効的に高めることができる。

基体１の比誘電率は、とくに限定されるものではない。後に示す実施の形態４のように、変位電極４２とこれに対向する電極４３との間を占める基体４１が気体である場合には、基体４１の比誘電率はほぼ１である。ただし、力学量検知部材１０の検出感度を高くするには、変位電極２と電極３との間の静電容量が大きいことが望ましく、このためには基体１の比誘電率は高いほどよい。基体１の比誘電率が１．１以上であると、容易に検出可能な静電容量を確保できるので好ましい。例えば、変位電極２と電極３が直径１２ｍｍの円形で、電極間距離が１０ｍｍ、基体１の比誘電率が１．１であるとすると、静電容量は０．１１ｐＦとなる。これは、静電容量検出回路で容易に読み取ることのできる静電容量のしきい値にほぼ等しい。

本実施の形態に基づく力学量検知装置は、力学量検知部材１０と、（図示省略した）配線を介して電極２および３に電気的に接続され、接触物体による押圧で生じる電極間の静電容量の変化を、電気信号として検出する検出回路部とを有する。この力学量検知装置は、他の電子機器とともに用いられ、接触物体による押圧の大きさに応じた電気信号を他の電子機器に出力する入力装置として構成されているのがよい。

静電容量の変化を検出する検出回路部としては、市販の一般的な静電容量測定装置を用いることができる。図２は、静電容量検出装置の一例を示す説明図（ブロック図）である。この装置では、基準容量Ｃ_MODに基づいて未知容量Ｃ_Xの大きさが決定される。すなわち、Ｖ_DDが一定電圧に保たれた状態で、Oscillator回路と16bit-PRS(Pseudo Random Sequence)回路とによって、ＳＷ1とＳＷ2とが交互に切り換えて開閉される。ＳＷ1がオンの間に未知容量Ｃ_Xが電圧Ｖ_DDに充電され、ＳＷ2がオンになると未知容量Ｃ_Xに充電された電荷の一部が基準容量Ｃ_MODにゆずり渡され、未知容量Ｃ_Xと基準容量Ｃ_MODとが同電圧になる。ＳＷ1およびＳＷ2の開閉の度ごとにこの動作が繰り返され、基準容量Ｃ_MODの電圧が徐々に上昇する。基準容量Ｃ_MODの電圧が基準電圧Ｖ_REFを上回ると、それがComparatorによって検出され、このときまでに繰り返された開閉動作の回数がData Processing回路へ送られる。Data Processing回路では、この開閉動作の回数に基づいて未知容量Ｃ_Xの大きさが決定される。また、Comparatorの出力によって短期間ＳＷ3がオンになり、Ｃ_MODに蓄積された電荷が放電され、Ｃ_MODはリフレッシュされる。以上の動作を繰り返し、未知容量Ｃ_Xの大きさが断続的に測定される。

［実施の形態２］
実施の形態２では、主として、請求項２に記載した力学量検知部材の例について説明する。

図３は、実施の形態２に基づく、平板形入力部材として構成された力学量検知部材２０の構造を示す断面図である。力学量検知部材２０は、基体１、変位電極２２Ａ〜２２Ｃ、変位電極２２Ａ〜２２Ｃにそれぞれ対向配置された電極２３Ａ〜２３Ｃ、並びに、変位電極２２および電極２３を形成するための電極支持体４および５で構成されている。

力学量検知部材２０が、実施の形態１の力学量検知部材１０と異なる点は、基体１上の、接触物体によって押圧する位置の違いに対応して、基体１の位置を区画するように分画された複数の変位電極２２Ａ〜２２Ｃが、対向配置された電極２３Ａ〜２３Ｃ、および（図示省略した）電極ごとに独立した配線とともに設けられており、押圧位置の違いが区画を単位として識別可能であることである。

変位電極２２Ａ〜２２Ｃおよび電極２３Ａ〜２３Ｃは、例えば、電極切り換え回路によって時分割的に繰り返し選択される。すなわち、変位電極２２Ａと電極２３Ａ、変位電極２２Ｂと電極２３Ｂ、および変位電極２２Ｃと電極２３Ｃの各組みは、１サイクルの間にある期間だけ、順次交代して、静電容量検出回路に接続され、このサイクルが短い周期で高速に繰り返される。

例えば、図３（ｂ）に示すように、接触物体が、基体１の面の、変位電極２２Ｂが配置されている位置を押圧すると、変位電極２２Ｂが変形および変位して、変位電極２２Ｂと対向配置された電極２３Ｂとの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、配線２４および２５を介して静電容量変化検出回路２６に伝えられ、電気信号に変換して感知される。

力学量検知部材２０の変位電極２２Ａ〜２２Ｃを構成するカーボンナノチューブ層は、後に実施例２で説明するように、成膜後にエッチングで不要部を除去するか、成膜前に電極支持体４の面の一部にマスキングを施すことで、パターニングすることができる。あるいは、印刷法を用いてもよい。エッチングは、例えば、機械的な切削除去またはレーザーエッチングで施すことができる。

力学量検知部材２０を備えた力学量検知装置は、押圧する位置の違いによって、異なる指示を電子機器に出力するように構成される。例えば、変位電極２２Ａの押し込みにより意思決定、感情を表現し、変位電極２２Ｂを前後左右に押し込むことによりドラッグを指示し、変位電極２２Ｃの押し込みにより複数の項目から選択する等である。

［実施の形態３］
実施の形態３では、主として、請求項１２に記載した力学量検知部材の例について説明する。

図４は、実施の形態３に基づく、円筒形入力部材として構成された力学量検知部材３０の構造を示す斜視図である。この力学量検知部材３０は、片手に握って操作するハンドヘルド型入力部材として用いることができる。

力学量検知部材３０では、円筒形基体３１の円筒の外周表面部に（図示省略した）単数または複数の変位電極が配置されており、これらに対向して円筒形基体３１の内部に電極３３が配置されている。

力学量検知部材３０を備えた力学量検知装置は、握る位置の違いによって、異なる指示を電子機器に出力するように構成される。例えば、親指の押し込みにより意思決定、感情を表現し、人差し指を前後左右に押し込むことにより、ドラッグを指示し、中指の押し込みにより複数の項目から選択する等である。また、握りの強弱で、例えばスクロールの速度を変化させることができる。

力学量検知部材３０は、円筒形基体３１の触感によって自然で心地よい感触が得られ、握りの強弱で、二者択一的操作を越えた、より多くの情報入力が可能であり、マウスと同等以上の機能と快適な操作感を得ることができる。しかも、片手に握って操作することができるので、マウスを走行させる操作面が必要なマウスと異なり、その操作が使用環境による制約を受けにくい。

［実施の形態４］
実施の形態４では、主として、請求項１３に記載した力学量検知部材の例について説明する。

図５は、実施の形態４に基づく、球形入力部材として構成された力学量検知部材４０の構造を示す説明図である。力学量検知部材４０では、基体４１が、フレキシブル材料からなる密閉容器に気体、液体、又はゲル状固体が充填されてなる構造体である。そして、基体４１の表面に変位電極４２が配置され、基体４１の内部に表面に変位電極４２に対向して電極４３が配置されている。

接触物体による押圧によって基体４１の形状が変化し、これによって変位電極４２が変位するので、このときの変位電極４２と電極４３との間の静電容量の変化を検出する。

本発明の実施例では、実施の形態１および２でそれぞれ説明した、力学量検知部材１０および２０を作製した例について説明する。

実施例１では、実施の形態１で説明した、平板形入力部材として構成された力学量検知部材１０を作製した例について説明する。

＜１．電極支持体４および５の作製＞
まず、エラストマー（商品名 sylgard184；DOW CORNING社製）のベース剤と硬化剤とを質量比１５：１の比率で混合し、混合物を直径３インチ、深さ１．２ｍｍの金型に入れ、８５℃に１００分間保持した。

＜２．変位電極２および電極３の作製＞
次に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（ＳＤＢＳ；Ｃ₁₂Ｈ₂₅Ｃ₆Ｈ₄ＳＯ₃Ｎa）の１質量％水溶液中に、カーボンナノチューブを０．４ｇ／ｌの濃度で添加し、超音波式ホモジナイザーを用いて出力５０Ｗで５分間ホモジナイズ処理を行い、分散液を作製した。電極支持体４および５上にこの分散液をそれぞれ０．５ｍｌずつ配し、これをギャップ長５００μｍのアプリケーター用バーを用いて電極支持体４および５の全面に広げ、薄い塗膜を形成した。この時、電極支持体４および５全体を３０〜７０℃の温度範囲に保持してもよい。以上の成膜工程を１０回繰り返すことにより、表面抵抗値が５００Ω／□のカーボンナノチューブ層を変位電極２および電極３として得た。変位電極２および電極３がそれぞれ形成された電極支持体４および５を流水にて１０分間洗浄した。

＜３．基体１の作製＞
次に、エラストマー（商品名 sylgard184；DOW CORNING社製）のベース剤と硬化剤とを質量比１５：１の比率で混合し、混合物を直径３インチ、深さ２５ｍｍの金型に入れ、８５℃に１００分間保持し、基体１を作製した。

＜４．力学量検知部材１０の作製＞
次に、基体１を挟んで変位電極２および電極３が対向するように電極支持体４および５を配置し、基体１と変位電極２および電極３とを８０℃で熱圧着させ、サンドイッチ構造を形成した。続いて、銀を主材料とする導電ペーストを用いて、変位電極２および電極３に配線を形成し、力学量検知部材１０を作製した。

＜５．押し込みセンシング＞
力学量検知部材１０の配線を静電容量検出回路に接続した。静電容量検出回路としては市販の各種回路を用いることができる。力学量検知部材１０の電極支持体４に指等を押し当て、その押圧を増しながら指等を基体１側へ押し込むことにより、変位電極２と電極３との間の静電容量の変化を測定した。

図６（ａ）は、実施例１で得られた力学量検知部材１０における、電極間距離ｄと静電容量Ｃとの関係を示すグラフである。一般的なコンデンサと同様、静電容量Ｃは電極間距離ｄにほぼ反比例して変化するので、電極変位に対して連続的な入力が可能である。

図６（ｂ）は、繰り返し変位を与えた後の変位電極２の断面の、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察像である。カーボンナノチューブが撓んだ状態ながらも、カーボンナノチューブ同士が膜としてのつながりを保持している。このように、カーボンナノチューブ層からなる変位電極２では、元の形状に戻れなくなるほどの変形を受けても、導電性が損なわれていないことがわかる。

実施例２では、実施の形態２で図３を用いて説明した、平板形ハンドヘルド入力部材として構成された力学量検知部材２０を作製した例について説明する。

＜１．変位電極１２および電極１３の作製＞
ジメチルホルムアミドにカーボンナノチューブを０．５ｇ／ｌの濃度で添加し、超音波式ホモジナイザーにて出力５０Ｗで５分間ホモジナイズ処理を行って分散液を作製した。得られた分散液をポリエチレンテレフタラート製の網（孔径５０μｍ）を通して吸引ろ過を行い、５００Ω／□の表面抵抗値を持ったカーボンナノチューブ薄膜を形成した。基体１である、長さ５ｃｍ、幅３ｃｍ、厚さ３ｃｍのポリウレタン製スポンジの上面および下面にカーボンナノチューブ薄膜を転写成型して、変位電極２２およびこれに対向する電極２３を形成した。

＜２．電極のパターニング＞
ＹＶＯ₄半導体レーザー光（波長 １０６４ｎｍ）を照射し、カーボンナノチューブ層を選択的にエッチング除去して、変位電極２２Ａ〜２２Ｅおよび電極２３Ａ〜２３Ｅのパターンを作製し、５つのドメインをもつ電極構造を形成した（図３では、変位電極２２Ｄ、２２Ｅおよび電極２３Ｄ、２３Ｅは図示省略されている。）。ＹＶＯ４半導体レーザー光源装置として、キーエンス社製レーザーマーカーＭＤ−Ｖ９９００（平均光出力 １３Ｗ）を用いた。この装置では、レーザー光を直径約１０μｍのスポットサイズに集光できる。

＜３．押し込みセンシング＞
力学量検知部材２０の配線を各電極構造に対応した静電容量検出回路に接続した。上記の５つのドメインを各手指に対応させ、手を握ることで基体１であるスポンジに変位を加えた。力学量検知部材２０の変位電極２２Ａ〜２２Ｅに指等を押し当て、その押圧を増しながら指等を基体１側へ押し込むことにより、変位電極２２および電極２３との間の静電容量の変化を測定した。

以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明によって、タッチパネルなどの静電容量式タッチ検出装置の形状自由度および生産性は飛躍的に向上し、利用できる製品領域も格段に広がると予想される。

１…基体、２…変位電極、３…対向配置された電極、４、５…電極支持体、
１０…力学量検知部材、２０…力学量検知部材、２２Ａ〜２２Ｃ…変位電極、
２３Ａ〜２３Ｃ…対向配置された電極、２４、２５…配線、２６…静電容量検出回路、
３０…力学量検知部材、３１…基体、３２…変位電極、３３…対向配置された電極、
３０…力学量検知部材、３１…基体、３３…対向配置された電極、
４０…力学量検知部材、４１…基体、４２…変位電極、４３…対向配置された電極、
１００…パネルセンサ、１１０…パネル、１２０…パネル支持部、
１３０…力検出手段（力センサ）、１３１…ダイアフラム部、１３１ａ…薄膜、
１３１ｂ…支持部、１３２…電極、１３３…基板、１３４…内部枠、１３５…梁部、
１３６…固定枠、１３７…電極、１３８…支持体

特開２００５−３４９４号公報（請求項２、第７−１２頁、図１−６）

Claims (16)

1. 接触物体による押圧に応じて接触部を含む一部又は全部が変形し、接触物体による押 圧がなくなると元の形状を回復する基体と、
   前記基体の表面又は内部に複数個が固定され、そのうちの少なくとも１個は前記基体 の変形部（前記変形に際し変形及び変位する領域）に配置されている変位電極である電 極と、
   前記電極に接続された配線と
   を有し、
   前記変形に際し、前記変位電極は、前記基体から分離することなく、かつ導電性を損 なうことなく、前記変形部の変形及び変位に追従して変形及び変位し、
   前記変形部の変形及び変位が、前記電極間の静電容量の変化として検知される
   、力学量検知部材。
2. 前記基体の位置を区画するように分画された複数の前記電極が、電極ごとに独立した前記配線とともに設けられており、前記接触物体が前記基体を押圧する位置の違いが、前記区画を単位として識別可能である、請求項１に記載した力学量検知部材。
3. 前記電極のうちの少なくとも１つが、前記変位電極に対向する位置に配置されている、請求項１に記載した力学量検知部材。
4. 前記変位電極と、前記の変位電極に対向配置されている電極との組が、２〜１０組み直列に接続して設けられている、請求項３に記載した力学量検知部材。
5. 前記変位電極の材料が、カーボンナノチューブ又は導電性高分子である、請求項１に記載した力学量検知部材。
6. 前記接触物体による押圧で生じる前記変位電極の伸縮率が、２００％以上である、請求項５に記載した力学量検知部材。
7. 前記接触物体による押圧で生じる前記電極間の距離の変化量が、１ｍｍ以上である、請求項１に記載した力学量検知部材。
8. 前記基体の材料がエラストマーである、請求項１に記載した力学量検知部材。
9. 前記基体の材料が多孔性のエラストマーである、請求項８に記載した力学量検知部材。
10. 前記基体の材料が、ばね定数が０．１Ｎ／ｍｍ以下の材料である、請求項８又は９に記載した力学量検知部材。
11. 前記基体に、カーボンナノチューブが０．０５以下の質量比で添加されている、請求項８又は９に記載した力学量検知部材。
12. 片手に握って操作できる形状を有する、請求項１に記載した力学量検知部材。
13. 前記基体が、フレキシブル材料からなる密閉容器に、気体、液体、又はゲル状固体が充填されてなる構造体である、請求項１に記載した力学量検知部材。
14. 前記電極間を占める前記基体の比誘電率が１．１以上である、請求項１に記載した力学量検知部材。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載した力学量検知部材と、
    前記配線を介して前記電極に電気的に接続され、前記接触物体による押圧で生じる前 記電極間の静電容量の変化を、電気信号として検出する検出回路部と
    を有する、力学量検知装置。
16. 他の電子機器とともに用いられ、前記接触物体による押圧の大きさに応じた電気信号を前記他の電子機器に出力する入力装置として構成されている、請求項１５項に記載した力学量検知装置。