JP2013117458A - Detection device, electronic apparatus, and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出装置、電子機器及びロボットに関する。 The present invention relates to a detection device, an electronic device, and a robot.
外力を検出する検出装置として、特許文献１乃至３に記載の検出装置が知られている。この様な検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。特許文献１の検出装置は、裏面に錘状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。特許文献２の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献３の検出装置は、静電容量を検出する単位検出領域を備えた素子基板と対向基板との間に誘電体層を設け、その変形による静電容量の変化から圧力の変化を検出する構成となっている。
As a detection device for detecting an external force, detection devices described in
しかしながら、特許文献１と３の検出装置では、測定面にかかる圧力の面内方向の力（滑り力）を測定する事ができないという課題があった。又、特許文献２の検出装置では、外力を三次元の力ベクトルとして検出する事は可能であるが、突起の変形の度合いで外力の検出限界が制限されていた。以上の様に、特許文献１乃至３の検出装置では、いずれも外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができないという課題があった。
However, the detection devices of
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決する為になされたものであり、以下の形態又は適用例として実現する事が可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
（適用例１） 本適用例に係わる検出装置は、外力を検出する検出装置であって、基準点の回りに第一容量電極を複数個配置した第一基板と、第一容量電極を挟んで第一基板と対向配置された第二基板と、第一基板と第二基板との間に配置された、弾性体若しくは流体からなる誘電体と、第一基板と第二基板との間において誘電体を挟んで第一容量電極と対向配置された第二容量電極と、基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第一基板に当接した状態で弾性変形する弾性体突起、が形成された第三基板と、を備える事を特徴とする。
この構成によれば、弾性体突起と誘電体との二段構成により、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外力の検出精度を高める事ができる。第三基板の表面に所定の方向の外力が付加されると、弾性体突起はある程度の厚みまで圧縮変形する。付加される外力が更に大きくなると、弾性体突起はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起に臨界点を越えた外力が作用すると、誘電体が柔軟に変形する。この為、弾性体突起が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出する事ができる。又、弾性体突起は、所定方向の外力により変形に偏りが生じる。即ち、外力に面内の所定方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起の重心は基準点からずれて所定方向（滑り方向）に移動する。すると、弾性体突起の重心が移動した部分の誘電体の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出される事となる。よって、演算装置により、各容量検出素子で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさとを求める事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事が可能な検出装置を提供する事ができる。
Application Example 1 A detection apparatus according to this application example is a detection apparatus that detects an external force, and includes a first substrate in which a plurality of first capacitance electrodes are arranged around a reference point and a first capacitance electrode. A second substrate disposed opposite to the first substrate; a dielectric composed of an elastic body or a fluid disposed between the first substrate and the second substrate; and a dielectric between the first substrate and the second substrate. A second capacitive electrode disposed opposite to the first capacitive electrode across the body, and an elastic protrusion that is elastically deformed while the center of gravity is located at a position overlapping the reference point and the tip is in contact with the first substrate; And a third substrate on which is formed.
According to this configuration, the detection accuracy of the external force can be increased by the two-stage configuration of the elastic protrusion and the dielectric as compared with the detection devices of
（適用例２） 上記適用例に係わる検出装置において、外力によって弾性体突起が弾性変形する事により変化する、第一容量電極と第二容量電極と誘電体とで構成される複数の容量検出素子の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを演算する演算装置を備えている事が好ましい。
この構成によれば、大規模な演算装置を用いずとも、小規模で簡単な演算装置にて比較的正確に外力の大きさと方向とを計測する事ができる。
(Application Example 2) In the detection device according to the application example described above, a plurality of capacitance detection elements configured by a first capacitance electrode, a second capacitance electrode, and a dielectric, which change when the elastic protrusion is elastically deformed by an external force. An arithmetic unit that calculates the difference between the capacitance values of the capacitance detection elements arbitrarily combined among the capacitance values of the first and second capacitances, and calculates the direction and magnitude of the external force applied based on the difference. Things are preferable.
According to this configuration, the magnitude and direction of the external force can be measured relatively accurately with a small and simple arithmetic device without using a large arithmetic device.
（適用例３） 上記適用例に係わる検出装置において、容量検出素子は、弾性体突起の弾性変形による静電容量値の変化と誘電体の変形による静電容量値の変化とを分けて検出可能になっている事が好ましい。
この構成によれば、容量検出素子が弾性体突起の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化と誘電体の変形による静電容量値の変化とを一括して検出する場合に比べて、外力を検出する事が容易となる。例えば、弾性体突起が臨界点を迎えるまで誘電体がほとんど変形しないとすると、弾性体突起の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化を検出すれば、外力が加えられた方向と外力の大きさとを求める事ができる。従って、各容量検出素子の静電容量値の差分を演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
Application Example 3 In the detection apparatus according to the application example described above, the capacitance detection element can separately detect a change in capacitance value due to elastic deformation of the elastic protrusion and a change in capacitance value due to deformation of the dielectric. It is preferable that
According to this configuration, compared to the case where the capacitance detection element collectively detects the change in the capacitance value due to the elastic deformation of the elastic protrusion and the change in the capacitance value due to the deformation of the dielectric, It becomes easy to detect external force. For example, assuming that the dielectric hardly deforms until the elastic protrusion reaches the critical point, if the change in the capacitance value due to the elastic deformation of the elastic protrusion is detected, the direction of the external force and the external force You can ask for size. Therefore, it becomes easy to calculate the difference between the capacitance values of the capacitance detection elements, and the external force can be detected efficiently.
（適用例４） 上記適用例に係わる検出装置において、複数の第一容量電極は、基準点に対して点対称に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、基準点から各第一容量電極への距離が、点対称の関係にある第一容量電極同士で等しくなるので、弾性体突起の変形量と、第一容量電極と第二容量電極とを含んで構成される容量検出素子が検出する静電容量値と、の関係が互いに等しくなる。これがもし、第一容量電極が基準点からそれぞれに異なる距離に配置されていると、弾性体突起の変形量が同じであっても、各容量検出素子が検出する静電容量値は皆異なった値となる。この為、検出値を用いて各種の演算をする際に、各第一容量電極の配置位置に応じた補正係数が必要となる。一方、この構成によれば、弾性体突起の変形量と各容量検出素子が検出する静電容量値との関係が、点対称の関係にある第一容量電極同士で等しくなるので、補正係数は不要となる。従って、各容量検出素子で検出された静電容量値から外力の大きさと方向とを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
Application Example 4 In the detection device according to the application example described above, it is preferable that the plurality of first capacitor electrodes are arranged symmetrically with respect to the reference point.
According to this configuration, since the distance from the reference point to each first capacitance electrode is equal between the first capacitance electrodes that are in point symmetry, the deformation amount of the elastic protrusion, the first capacitance electrode, and the second capacitance electrode The relationship between the capacitance value detected by the capacitance detection element including the capacitance electrode is equal to each other. If the first capacitance electrodes are arranged at different distances from the reference point, the capacitance values detected by the capacitance detection elements are all different even if the deformation amount of the elastic protrusion is the same. Value. For this reason, when various calculations are performed using the detected value, a correction coefficient corresponding to the arrangement position of each first capacitor electrode is required. On the other hand, according to this configuration, since the relationship between the deformation amount of the elastic protrusion and the capacitance value detected by each capacitance detection element is equal between the first capacitance electrodes that are point-symmetric, the correction coefficient is It becomes unnecessary. Therefore, it is easy to calculate the magnitude and direction of the external force from the capacitance value detected by each capacitance detection element, and the external force can be detected efficiently.
（適用例５） 上記適用例に係わる検出装置において、複数の第一容量電極は、互いに直交する２方向に行列状に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、外力が作用する第三基板の一面に対して、行方向又は列方向をＸ軸又はＹ軸と定義でき、外力のＸ軸成分とＹ軸成分とを分離して計測する事が容易にできる。即ち、滑り力を面内の二方向成分に分解する事が容易となる。
Application Example 5 In the detection device according to the application example described above, it is preferable that the plurality of first capacitance electrodes are arranged in a matrix in two directions orthogonal to each other.
According to this configuration, the row direction or the column direction can be defined as the X axis or the Y axis with respect to one surface of the third substrate on which an external force acts, and the X axis component and the Y axis component of the external force are separately measured. Things can be done easily. That is, it becomes easy to decompose the sliding force into two in-plane components.
（適用例６） 上記適用例に係わる検出装置において、第二容量電極は、第二基板に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、第一容量電極及び第二容量電極が同一の基板に配置される場合に比べて、第一容量電極と第二容量電極との間に印加される電界のベクトル成分が誘電体の厚み方向と平行な方向の成分を多く含む事となる。つまり、第一容量電極と第二容量電極との間に印加される電界のベクトル成分は、外力が加えられる方向とほぼ同じとなる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
Application Example 6 In the detection device according to the application example, it is preferable that the second capacitor electrode is disposed on the second substrate.
According to this configuration, the vector component of the electric field applied between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode is dielectric compared to the case where the first capacitor electrode and the second capacitor electrode are disposed on the same substrate. It contains many components in the direction parallel to the body thickness direction. That is, the vector component of the electric field applied between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode is substantially the same as the direction in which the external force is applied. Therefore, the magnitude and direction of the external force can be detected with high accuracy.
（適用例７） 上記適用例に係わる検出装置において、第二容量電極は、第一基板の基準点と重なる位置に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、第一容量電極及び第二容量電極を同一の工程で形成する事が可能となる。従って、製造工程を簡略化する事ができ、製造効率の向上及び製造コストの低減を図る事ができる。又、製造プロセス中の加熱工程などにおいて第二基板に反り等が生じる事を抑制する事ができるので、外力の検出精度を向上させる事ができる。又、弾性体突起の変形の過程において電極間の距離を一定に保つ事ができるので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
Application Example 7 In the detection device according to the application example, it is preferable that the second capacitor electrode is disposed at a position overlapping the reference point of the first substrate.
According to this configuration, the first capacitor electrode and the second capacitor electrode can be formed in the same process. Therefore, the manufacturing process can be simplified, and the manufacturing efficiency can be improved and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the second substrate can be prevented from warping during the heating process during the manufacturing process, the detection accuracy of the external force can be improved. Further, since the distance between the electrodes can be kept constant in the process of deformation of the elastic projection, the magnitude and direction of the external force can be detected with high accuracy.
（適用例８） 上記適用例に係わる検出装置において、複数の第一容量電極は、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、配置される第一容量電極の数が多くなる。この為、多数の容量検出素子で検出される静電容量に基づいて、外力の作用する方向と大きさとを求める事ができる。即ち、外力を高い精度で検出する事ができる。
Application Example 8 In the detection device according to the application example described above, it is preferable that the plurality of first capacitance electrodes be arranged in at least 4 rows and 4 columns in two directions orthogonal to each other.
According to this configuration, the number of first capacitance electrodes arranged increases. For this reason, it is possible to determine the direction and magnitude of the external force applied based on the capacitance detected by a large number of capacitance detection elements. That is, the external force can be detected with high accuracy.
（適用例９） 上記適用例に係わる検出装置において、弾性体突起は第三基板に複数形成されており、複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されている事が好ましい。
検出装置では、複数の第一容量電極に対して一つの弾性体突起を以て単位検出領域としている。従って、この構成によれば、検出装置が複数個の単位検出領域を有している場合に、単位検出領域を互いに離間して配置する事ができる。弾性体突起が弾性変形した際に、第三基板本体の面内に平行な方向への弾性体突起の変形量を或る程度許容する事ができる。こうして、第一の弾性体突起が変形した結果、第一の弾性体突起の隣に位置する第二の弾性体突起に当接して誤動作させる事態を抑制できる。この為、複数の弾性体突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力をより正確に誘電体に伝達する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
Application Example 9 In the detection device according to the application example described above, it is preferable that a plurality of elastic protrusions are formed on the third substrate, and the plurality of elastic protrusions are arranged apart from each other.
In the detection device, one elastic protrusion is used as a unit detection region for the plurality of first capacitance electrodes. Therefore, according to this configuration, when the detection apparatus has a plurality of unit detection areas, the unit detection areas can be arranged apart from each other. When the elastic protrusions are elastically deformed, the deformation amount of the elastic protrusions in a direction parallel to the plane of the third substrate body can be allowed to some extent. Thus, as a result of the deformation of the first elastic protrusion, it is possible to suppress a situation in which the first elastic protrusion is in contact with the second elastic protrusion positioned adjacent to the first elastic protrusion and malfunctions. For this reason, it is possible to transmit the external force to the dielectric more accurately than in the case where the plurality of elastic protrusions are arranged in contact with each other. Therefore, the magnitude and direction of the external force can be detected with high accuracy.
（適用例１０） 上記適用例に係わる検出装置において、第一基板と第二基板の間には、少なくとも隣接する弾性体突起の境界に、第一基板と第二基板との間の距離を一定に保つスペーサーが配置されている事が好ましい。
この構成によれば、外力はスペーサーで囲まれた単位検出領域毎に作用する事となる。この為、スペーサーで囲まれた単位検出領域においては、他の単位検出領域との間で相互作用を及ぼし合う事なく、別個独立して外力を検出する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
Application Example 10 In the detection apparatus according to the application example described above, the distance between the first substrate and the second substrate is constant between the first substrate and the second substrate at least at the boundary between the adjacent elastic protrusions. It is preferable that a spacer to be maintained is disposed.
According to this configuration, the external force acts on each unit detection area surrounded by the spacer. For this reason, in the unit detection area surrounded by the spacer, it is possible to detect the external force separately and independently without interacting with other unit detection areas. Therefore, the magnitude and direction of the external force can be detected with high accuracy.
（適用例１１） 上記適用例に係わる検出装置において、第三基板の弾性体突起が形成された側と反対の側には、第三基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されている事が好ましい。
この構成によれば、例えば、外力が２つの隣り合う弾性体突起の間の領域に作用する場合、補強部材が無い時に比べて、２つの隣り合う弾性体突起が互いに反対の方向に圧縮変形する事態を抑制できる。つまり、外力の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
Application Example 11 In the detection device according to the application example, a reinforcing member having rigidity higher than that of the third substrate is disposed on the side of the third substrate opposite to the side on which the elastic protrusion is formed. Is preferred.
According to this configuration, for example, when an external force acts on a region between two adjacent elastic protrusions, the two adjacent elastic protrusions are compressed and deformed in directions opposite to each other as compared to when there is no reinforcing member. The situation can be suppressed. That is, it is possible to suppress erroneous detection such as detecting a direction opposite to the direction in which the external force is applied. Therefore, the magnitude and direction of the external force can be detected with high accuracy.
（適用例１２） 本適用例に係わる電子機器は、上記適用例に係わる検出装置を備える事を特徴とする。
この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事が可能な電子機器を提供する事ができる。
Application Example 12 An electronic apparatus according to this application example includes the detection device according to the application example.
According to this configuration, since the above-described detection device is provided, it is possible to provide an electronic device that can detect the magnitude and direction of the external force with high accuracy.
（適用例１３） 本適用例に係わるロボットは、上記適用例に係わる検出装置を備える事を特徴とする。
この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、把持力の大きさと方向とを高い精度で検出する事が可能なロボットを提供する事ができる。
Application Example 13 A robot according to this application example includes the detection device according to the application example.
According to this configuration, since the above-described detection device is provided, it is possible to provide a robot that can detect the magnitude and direction of the gripping force with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内にて任意に変更可能である。又、以下の各図においては、各構成を判り易くする為に、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、外力が作用していない状態で、Ｘ軸及びＹ軸が第三基板３０に対して平行な方向に設定され、ＸＹ平面（ｚ＝０）を検出面（図１（ａ）の第三基板本体３１の表面）と称す。又、Ｚ軸が第三基板３０に対して直交する方向（検出面の法線方向）に設定されている。尚、外力が検出面に作用した場合、第三基板３０は変位や変形を起こすが、ＸＹＺ直交座標系はここに記述した方向と変わらず、不変である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Such an embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. In the following drawings, the scale of each layer and each member is made different from the actual scale in order to make each configuration easy to understand. In the following description, the XYZ rectangular coordinate system shown in FIG. 1 is set, and each member will be described with reference to this XYZ rectangular coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system, the X axis and the Y axis are set in a direction parallel to the
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。検出装置１は外力を検出し、図１（ａ）に示す様に、第一基板１０と第二基板２０と第三基板３０と誘電体４０とを備えている。前述の如く、第三基板３０の表面が検出面となっており、検出面に作用した外力が、検出装置１に依って検出される。尚、第一基板１０も第二基板２０も第三基板３０も基板の一面を表面と称し、表面に反対の他面を裏面と称している。本明細書では、Ｚ軸の正の方向（図１（ａ）の上向き）に面する方を表面と称し、Ｚ軸の負の方向（図１（ａ）の下向き）に面する方を裏面と称する。
(Embodiment 1)
1A and 1B are diagrams illustrating a schematic configuration of a detection device according to
第一基板１０には基準点Ｐが定められ、基準点Ｐの回りに容量検出素子Ｓｉが複数個配置されている（ｉは２以上の整数）。容量検出素子Ｓｉは圧力センサーとして機能する。第一基板１０は第一基板本体１１と第一容量電極１２とを含み、第一容量電極１２は第一基板本体１１の裏面に設けられている。一方、第二基板２０は第二基板本体２１と第二容量電極２２とを含み、第二容量電極２２は第二基板本体２１の表面に設けられている。第一基板１０と第二基板２０との間には誘電体４０が挟持されている。即ち、誘電体４０は第一容量電極１２と第二容量電極２２とで挟まれており、第一容量電極１２と第二容量電極２２と誘電体４０とで容量検出素子Ｓｉを構成している。この結果、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の誘電体４０に縦方向（Ｚ方向）の電界が印加され、容量検出素子Ｓｉは縦電界の静電容量式となっている。又、第三基板３０は第三基板本体３１と弾性体突起３２とを含み、弾性体突起３２は第三基板本体３１の裏面に設けられている。弾性体突起３２は、第三基板本体３１の裏面（底部）にてその幅（平面視で弾性体突起形状が円形の場合には直径）がもっとも広く、先端部に近づく程幅が狭くなっている。先端部における弾性体突起３２の接平面は第一基板１０にほぼ平行で、弾性体突起３２の先端部は第一基板１０に当接している。本実施形態では、弾性体突起３２の先端部は第一基板本体１１の表面に当接している。弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐに重なっている。即ち、重心Ｇの（Ｘ、Ｙ）座標と基準点Ｐの（Ｘ、Ｙ）座標とはほぼ等しい。換言すると、基準点Ｐとは、弾性体突起３２や第一基板１０が変形や変位をしていない時に、弾性体突起３２の中心と平面視で一致する場所である。
A reference point P is defined on the
図１（ｂ）に示す様に、検出装置１には１個以上の弾性体突起３２が設けられ、各弾性体突起３２に対応して単位検出領域Ｓが定められる。一台の検出装置１に設けられる単位検出領域Ｓの数は１個でも良いが、複数個設けた方が外力の大きさと方向とを検出する感度が向上する。本実施形態では、一台の検出装置１に４個の弾性体突起３２が設けられており、４個の単位検出領域Ｓが存在する。尚、一つの単位検出領域Ｓに一つの弾性体突起３２が対応していれば良く、一台の検出装置１に設けられる弾性体突起３２の数と単位検出領域Ｓの数とは異なっていても良い。即ち、一台の検出装置１に設けられる弾性体突起３２の数が単位検出領域Ｓの数よりも多くても良い。
As shown in FIG. 1B, the
単位検出領域Ｓの平面視における中心に基準点Ｐが定められ、外力が加えられない状態でこの基準点Ｐに一致する様に重心Ｇが設定される。基準点Ｐの回りには容量検出素子Ｓｉが複数個配置されている。１個の単位検出領域に配置される容量検出素子Ｓｉの数は２個以上が好ましい。容量検出素子Ｓｉの数が２個で有れば、これら２個の容量検出素子Ｓｉを結ぶ直線方向の滑り力を検出できる。容量検出素子Ｓｉの数が３個で有れば、滑り力をＸ成分とＹ成分とに分離できる。図１（ｂ）に示される様に、容量検出素子Ｓｉの数が４個（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）で有れば、滑り力のＸ成分とＹ成分との分離が容易となる。これらに関しては後に詳述する。 A reference point P is determined at the center of the unit detection region S in plan view, and the center of gravity G is set so as to coincide with the reference point P in a state where no external force is applied. A plurality of capacitance detection elements Si are arranged around the reference point P. The number of capacitance detection elements Si arranged in one unit detection region is preferably two or more. If the number of the capacitance detection elements Si is two, the sliding force in the linear direction connecting the two capacitance detection elements Si can be detected. If the number of capacitance detection elements Si is three, the sliding force can be separated into an X component and a Y component. As shown in FIG. 1B, if the number of capacitance detection elements Si is four (S1, S2, S3, S4), it is easy to separate the X component and the Y component of the sliding force. These will be described in detail later.
容量検出素子Ｓｉは、基準点Ｐに対して点対称になる様に複数個が配置されている。図１（ｂ）では容量検出素子Ｓｉが、互いに直交する二方向（Ｘ方向及びＹ方向）に行列状に配置されている。具体的には、容量検出素子Ｓｉは、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に合計４個配置されて、４個の容量検出素子Ｓｉの中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。これにより、基準点から各容量検出素子Ｓｉへの距離が、４個の容量検出素子Ｓｉで総て等しくなるので、弾性体突起３２や第一基板１０の変形量と各容量検出素子Ｓｉで検出される静電容量値との関係が、４個の容量検出素子Ｓｉで皆等しくなる。従って、各容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値から外力の方向と大きさとを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。換言すると、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値の差分を演算する事が容易となる。尚、検出された静電容量値を用いた演算方法については後述する。
A plurality of capacitance detection elements Si are arranged so as to be point-symmetric with respect to the reference point P. In FIG. 1B, the capacitance detection elements Si are arranged in a matrix in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other. Specifically, a total of four capacitance detection elements Si are arranged in two rows and two columns per unit detection area S, and the center of the four capacitance detection elements Si (the center of the unit detection area S) is the reference point. P. As a result, the distance from the reference point to each capacitance detection element Si is the same for all four capacitance detection elements Si, so that the amount of deformation of the
単位検出領域Ｓの大きさ（平面視のサイズ）は、縦２．８ｍｍ×横２．８ｍｍ程度になっている。また、４つの容量検出素子Ｓｉの各面積がほぼ等しくなっている。単位検出領域Ｓ内で隣り合う容量検出素子Ｓｉの間隔は、０．１ｍｍ程度になっている。この為、外乱や静電気等の影響により隣り合う位置の容量検出素子Ｓｉで検出される静電容量値にノイズがのらない様になっている。 The size of the unit detection region S (size in plan view) is about 2.8 mm long × 2.8 mm wide. Further, the areas of the four capacitance detection elements Si are substantially equal. An interval between adjacent capacitance detection elements Si in the unit detection region S is about 0.1 mm. For this reason, noise is not applied to the capacitance value detected by the capacitance detection element Si at the adjacent position due to the influence of disturbance, static electricity, or the like.
第一基板本体１１の裏面には第一容量電極１２とこの第一容量電極１２を制御する薄膜回路とが形成されている。薄膜回路は薄膜トランジスターを用いて組まれる。第一基板本体１１は可撓性物質から成り、ポリイミドフィルムやポリエステルフィルムなどの各種プラスチックフィルムが用いられる。第一基板本体１１の大きさ（平面視のサイズ）は、例えば、縦６．０ｍｍ×横６．０ｍｍ程度である。
A
第一容量電極１２は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４個配置されている。第一容量電極１２の面積は４個ともほぼ等しく、１個の第一容量電極１２の大きさ（平面視のサイズ）は、縦１．３ｍｍ×横１．３ｍｍ程度になっている。又、第一容量電極１２の形成材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を用いる事ができる。
A total of four
第二基板本体２１の表面には、平面視でほぼ全面に第二容量電極２２が形成されている。即ち、第二容量電極２２は、複数の第一容量電極１２の全体と重なる位置に配置されている。具体的には、第二容量電極２２は、第二基板本体２１の表面の露出する部位全体に亘って形成されている。第二容量電極２２の形成材料としては、第一容量電極１２と同様に、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を用いる事ができる。この結果、第二容量電極は、複数の第一容量電極に対して、同電位（共通電位Ｖｃｏｍ、図２参照）を取る。第二基板本体２１は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状で、第一基板本体１１と同程度の大きさである。
On the surface of the
誘電体４０は、第一基板１０と第二基板２０との間に配置された、弾性体若しくは流体からなるものである。誘電体４０の形成材料としては、例えば、ゴム等の弾性体を用いる事もできるし、シリコンオイルや液晶等の流体を用いる事もできる。
The dielectric 40 is made of an elastic body or a fluid disposed between the
第一基板１０と第二基板２０との間には、第一基板１０と第二基板２０との間の距離を一定に保つスペーサー（図示略）が複数配置されている。複数のスペーサーは、弾性体突起３２が行列状に配置された領域の外周部に配置される。これにより、誘電体４０は、第一基板１０と第二基板との間においてＺ方向に一定の厚みを有して構成されている。
Between the
第三基板３０は、矩形板状の第三基板本体３１と、第三基板本体３１に配置された複数の弾性体突起３２と、を具備して構成されている。第三基板本体３１は、外力を直接受ける部分である。第三基板本体３１は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成する事もできるし、発泡ウレタン樹脂等の樹脂材料で構成する事もできる。本実施形態では、第三基板本体３１及び弾性体突起３２の形成材料として樹脂材料を用い、第三基板本体３１及び弾性体突起３２を金型で一体形成している。
The
複数の弾性体突起３２は、第三基板本体３１上においてＸ方向及びＹ方向に行列状に配置されている。弾性体突起３２は、基準点Ｐに重なる位置に重心Ｇが位置すると共に、外力によって先端部が第一基板１０に当接した状態で弾性変形する。弾性体突起３２の先端部は、球面の錘状となっており、第一基板本体１１の表面に当接している。弾性体突起３２の重心は、基準点Ｐと重なる位置に配置されている。又、複数の弾性体突起３２は、互いに離間して配置されている。この為、弾性体突起３２が弾性変形した時や、第一基板１０が変位や変形を生じた時に、ＸＹ平面に平行な方向の変形量を許容する事ができる。
The plurality of
弾性体突起３２のサイズは任意に設定する事ができる。ここでは、弾性体突起３２の基部の径（弾性体突起３２が第三基板本体３１に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２の高さ（弾性体突起３２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。隣り合う弾性体突起３２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２のデュロメーター硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメーターによる硬さ測定値）は３０程度になっている。
The size of the
更に、検出装置１は、不図示の演算装置を備えている。演算装置は、各容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値と、基準点Ｐに対するその容量検出素子Ｓｉの位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、その関数にて計算された値を用いて所定の演算を行って、外力の大きさと方向とを特定する。換言すると、演算装置は、外力によって弾性体突起３２が弾性変形する事により変化する複数の容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓｉの静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさを演算する。尚、各容量検出素子Ｓｉは、弾性体突起３２の弾性変形による静電容量値の変化と誘電体４０の変形による静電容量値の変化とを分けて検出する事が可能になっている。
Furthermore, the
図２は、容量検出素子Ｓｉを用いて外力を検出するセンシング回路の等価回路図である。尚、図２において、符号Ｃｌは容量検出素子Ｓｉ（図１に示す符号Ｓ１乃至Ｓ４）を示している。センシング回路６０は、リセットトランジスター６１と、増幅トランジスター６２と、選択トランジスター６３と、基準容量素子Ｃｒと、容量検出素子ＳｉＣｌと、を備えている。容量検出素子ＳｉＣｌは、第一容量電極１２と第二容量電極２２とを含み、第二容量電極２２には共通電位Ｖｃｏｍが供給される。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a sensing circuit that detects an external force using the capacitance detection element Si. In FIG. 2, reference symbol Cl indicates a capacitance detection element Si (reference symbols S1 to S4 shown in FIG. 1). The
リセットトランジスター６１のドレインは電源線７０に接続されている。リセットトランジスター６１のソースは増幅トランジスター６２のゲートに接続されている。電源線７０には電源電位ＶＲＨが供給される。リセットトランジスター６１のゲートは第１制御線７２に接続されている。第１制御線７２にはリセット信号ＲＥＳが供給される。
The drain of the
増幅トランジスター６２のドレインは電源線７０に接続されている。増幅トランジスター６２のソースは選択トランジスター６３のドレインに接続されている。増幅トランジスター６２のゲートと第１制御線７２との間には基準容量素子Ｃｒが設けられている。又、増幅トランジスター６２のゲートは容量検出素子ＳｉＣｌの第一容量電極１２と接続されている。
The drain of the
選択トランジスター６３のソースは検出線７４に接続されている。選択トランジスター６３のゲートは第２制御線７６に接続されている。第２制御線７６には選択信号ＳＥＬが供給される。
The source of the
（回路動作）
次に、センシング回路６０の動作を図３乃至図６を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係わるセンシング回路の動作を示すタイミングチャートである。図４は、リセット期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。図５は、センシング期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。図６は、読出期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。図３に示す様に、センシング回路６０は、リセット期間Ｔｒｅｓ、センシング期間Ｔｓｅｎ、及び読出期間Ｔｏｕｔを一単位として動作する。
(Circuit operation)
Next, the operation of the
（リセット期間）
先ず、リセット期間Ｔｒｅｓにおいて、第１制御線７２に供給されるリセット信号ＲＥＳのレベルは電位ＶＤに設定される。即ち、リセット期間Ｔｒｅｓにおいては、リセット信号ＲＥＳのレベルはハイレベルに設定され、リセットトランジスター６１はオン状態となる。一方、第２制御線７６に供給される選択信号ＳＥＬはローレベルに設定され、選択トランジスター６３はオフ状態となる。すると、図４に示す様に、増幅トランジスター６２のゲート電位ＶＡは電源電位ＶＲＨに設定（リセット）される。又、容量検出素子ＳｉＣｌの第一容量電極１２にも電源電位ＶＲＨが供給され、容量検出素子ＳｉＣｌの第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の電圧はＶＲＨ−Ｖｃｏｍに設定される。
(Reset period)
First, in the reset period Tres, the level of the reset signal RES supplied to the
（センシング期間）
次に、リセット期間Ｔｒｅｓ経過後の次の期間であるセンシング期間Ｔｓｅｎにおいては、リセット信号ＲＥＳのレベルがＶＤからＧＮＤ（＝０Ｖ）に変化する。すると、図５に示す様に、リセットトランジスター６１はオフ状態となる。又、センシング期間Ｔｓｅｎにおいては、選択信号ＳＥＬはローレベルに設定され、選択トランジスター６３はオフ状態となる。増幅トランジスター６２のゲートのインピーダンスは十分に高い為、センシング期間Ｔｓｅｎにおいては、増幅トランジスター６２のゲートは電気的にフローティング状態となる。基準容量素子Ｃｒの一方の電極は第１制御線７２に接続されている為、第１制御線７２に供給されるリセット信号ＲＥＳのレベルがＶＤからＧＮＤに変化する。すると、それに応じて増幅トランジスター６２のゲートの電位ＶＡも変化する。この時のゲートの電位ＶＡの変化量は、基準容量素子Ｃｒと容量検出素子ＳｉＣｌとの容量比に応じた値となる。
(Sensing period)
Next, in the sensing period Tsen, which is the next period after the lapse of the reset period Tres, the level of the reset signal RES changes from VD to GND (= 0V). Then, as shown in FIG. 5, the
（読出期間）
センシング期間Ｔｓｅｎの次の期間である読出期間Ｔｏｕｔにおいては、選択信号ＳＥＬがローレベルからハイレベルに変化する。すると、図６に示す様に、選択トランジスター６３がオン状態となる。これにより、増幅トランジスター６２のゲートの電位ＶＡに応じた大きさの検出電流Ｉｔが検出線７４を流れる。この検出電流Ｉｔは、対象物（例えば指）と検出装置１との接触を検出する検出回路（図示略）へ供給される。
(Reading period)
In the readout period Tout that is the period following the sensing period Tsen, the selection signal SEL changes from the low level to the high level. Then, as shown in FIG. 6, the
センシング期間Ｔｓｅｎにおいて容量検出素子ＳｉＣｌの容量値が変化すると、それに応じて増幅トランジスター６２のゲートの電位ＶＡも変化する。従って、対象物が検出装置１に接触していない状態の時に読出期間Ｔｏｕｔで出力される検出電流Ｉｔの値と、対象物が検出装置１に接触した時に読出期間Ｔｏｕｔで出力される検出電流Ｉｔの値とは異なる。
When the capacitance value of the capacitance detection element SiCl changes during the sensing period Tsen, the potential VA of the gate of the
ここで、対象物が検出装置１に接触していない状態における容量検出素子ＳｉＣｌの容量値をＣｌｃ、対象物が検出装置１に接触した時の容量検出素子ＳｉＣｌの容量値の変化量をΔＣｌｃ、基準容量素子Ｃｒの容量値をＣｒｅｆ、第１制御線７２の電位変化をΔＶ（＝ＶＤ）とすると、対象物が検出装置１に接触した時の増幅トランジスター６２のゲートの電位ＶＡの変化量ΔＶＡは、以下に示す式（１）で表される。ただし、式（１）において寄生容量は無視している。
Here, the capacitance value of the capacitance detection element SiCl when the object is not in contact with the
検出回路（図示略）は、検出電流Ｉｔ（検出信号に相当）の値に基づいて対象物と検出装置１との接触を検出する。対象物が検出装置１に接触した時のゲートの電位ＶＡの変化量ΔＶＡが大きいほど、非接触時における検出電流Ｉｔの値と接触時における検出電流Ｉｔの値との差が大きくなり、検出感度も高くなる。
The detection circuit (not shown) detects contact between the object and the
図７及び図８は、単位検出領域Ｓに作用する外力の大きさと方向とを検出する方法の説明図である。図７（ａ）乃至（ｃ）は、実施形態１に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。図８（ａ）乃至（ｃ）は、図７（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態１に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す平面図である。尚、図７（ａ）及び図８（ａ）は第三基板３０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図７（ｂ）及び図８（ｂ）は第三基板３０の表面に垂直方向（滑り力がない状態）の外力が付加された状態を示している。図７（ｃ）及び図８（ｃ）は第三基板３０の表面に斜め方向（滑り力がある状態）の外力が付加された状態を示している。又、図８（ａ）乃至（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心（圧力中心）を示している。
7 and 8 are explanatory diagrams of a method for detecting the magnitude and direction of the external force acting on the unit detection region S. FIG. 7A to 7C are cross-sectional views showing changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the first embodiment. FIGS. 8A to 8C are plan views showing changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the first embodiment, corresponding to FIGS. 7A to 7C. 7A and 8A show a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (when no external force is applied). FIGS. 7B and 8B show a state in which an external force in the vertical direction (in a state where there is no sliding force) is applied to the surface of the
図７（ａ）及び図８（ａ）に示す様に、第三基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形しない。これにより、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIGS. 7A and 8A, before the external force is applied to the surface of the
図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示す様に、第三基板３０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。更に、複数の容量検出素子Ｓｉは弾性体突起３２の先端部に等しく押圧され、第一基板１０はＺ軸の負の方向に撓む。この結果、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は、容量検出素子Ｓｉの場所に応じて、外力の作用がない時に比べて小さくなる。つまり、この時の容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。但し、その変化量は４個の容量検出素子Ｓｉで、皆、略同じ値となる。
As shown in FIG. 7B and FIG. 8B, when a vertical external force F is applied to the surface of the
弾性体突起３２は、外力の大きさに応じて圧縮変形する。外力が大きくなると、弾性体突起３２はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起３２に臨界点を越えた外力が作用すると、弾性体突起３２は臨界点の形状を保ったまま、誘電体４０が単独でＺ方向に柔軟に変形する。この為、弾性体突起３２が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出する事ができる。
The
図７（ｃ）及び図８（ｃ）に示す様に、第三基板３０の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形すると共に、第一基板１０も変位や変形を起こす。これにより第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この際に、弾性体突起３２に強く押圧された容量検出素子Ｓｉからは大きな静電容量値が検出され、反対に弾性体突起３２に弱く押圧されたり、或いは押圧されなかったりする容量検出素子Ｓｉからは小さな静電容量値が検出される。即ち、第一基板１０の変位や変形によって、各容量検出素子Ｓｉで異なる値の静電容量値が検出される。例えば、図７（ｃ）や図８（ｃ）に示す様に滑り力がＸ軸の正の方向とＹ軸の正の方向とを向いている場合、第一基板１０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。更に、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起３２の先端部と４個の第一容量電極１２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起３２の先端部と４個の第一容量電極１２との重なる面積は、４個の第一容量電極１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIGS. 7C and 8C, when an external force F in the oblique direction is applied to the surface of the
弾性体突起３２は、外力の大きさに応じて斜めに圧縮変形し、外力が大きくなるとこれ以上変形しない臨界点を迎える。又、弾性体突起３２は、斜め方向の外力により変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起３２の重心は基準点Ｐからずれて滑り方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、弾性体突起３２の重心が移動した部分の誘電体４０の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子Ｓｉで異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心と重なる位置の容量検出素子Ｓｉでは相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起３２の重心と重ならない位置の容量検出素子Ｓｉでは相対的に小さい静電容量が検出される事となる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力が加えられた方向と大きさが求められる。
The
図９は、実施形態１に係る単位検出領域の座標系を示す図である。図１０は、実施形態１に係る容量検出素子Ｓｉによる垂直方向の圧力分布を示す図である。図１１は、実施形態１に係る容量検出素子Ｓｉによる滑り方向の計算例を示す図である。次に各容量検出素子Ｓｉにて計測された静電容量値から外力の大きさと方向とを求める演算方法を説明する。 FIG. 9 is a diagram illustrating a coordinate system of the unit detection area according to the first embodiment. FIG. 10 is a view showing a pressure distribution in the vertical direction by the capacitance detection element Si according to the first embodiment. FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation example of the slip direction by the capacitance detection element Si according to the first embodiment. Next, a calculation method for obtaining the magnitude and direction of the external force from the capacitance value measured by each capacitance detection element Si will be described.
外力Ｆの大きさと方向とを求めるには、一つの容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値と、基準点に対するその容量検出素子Ｓｉの位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、得られた値を用いて所定の演算を行う。図９に示す様に、複数の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている。ここで、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値から定まる圧力値をそれぞれＰS1、ＰS2、ＰS3、ＰS4とし、各容量検出素子Ｓｉの面積をＡとすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力）は以下の式（２）で表される。 In order to obtain the magnitude and direction of the external force F, the value of a function having the capacitance value detected by one capacitance detection element Si and the position of the capacitance detection element Si with respect to the reference point as variables is calculated. At the same time, a predetermined calculation is performed using the obtained value. As shown in FIG. 9, the plurality of capacitance detection elements S1 to S4 are arranged in a total of four rows per unit detection region S in two rows and two columns. Here, when the pressure values determined from the capacitance values detected by the capacitance detection elements S1 to S4 are P S1 , P S2 , P S3 , and P S4 , respectively, and the area of each capacitance detection element Si is A, the external force The X direction component Fx (component force acting in the X direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (2).
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力）は以下の式（３）で表される。 Further, the Y direction component Fy of the external force (a component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (3).
尚、式（２）及び式（３）のｆは検出装置１に固有な比例定数で力の単位を有する。また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）は以下の式（４）で表される。
Note that f in the equations (2) and (3) is a proportionality constant inherent to the
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Ｆｚに関しては式（４）を用い、滑り力に関しては式（２）及び式（３）を用いる。滑り力に関しては、次の手順を踏む。まず、検出面上で第一軸（例えばＸ軸）と第二軸（例えばＹ軸）とを定める。第一軸に沿った滑り力の成分を検出するには、静電容量値と容量検出素子Ｓｉの位置とを変数とする関数として、基準点より第一軸の正の方向に位置する容量検出素子Ｓｉ（例えばＳ２とＳ４）に関しては、＋１を検出された静電容量値に乗じ、第一軸の負の方向に位置する容量検出素子Ｓｉ（例えばＳ１とＳ３）に関しては、−１を検出された静電容量値に乗じ、これらの総和を取るものとする。次に、得られた数値（一軸差分と称する）を用いて所定の演算する事で、第一軸に沿った滑り力の成分を求める。同様に、第二軸に沿った滑り力の成分を検出するには、基準点より第二軸の正の方向に位置する容量検出素子Ｓｉ（例えばＳ１とＳ２）に関しては、＋１を検出された静電容量値に乗じ、第二軸の負の方向に位置する容量検出素子Ｓｉ（例えばＳ３とＳ４）に関しては、−１を検出された静電容量値に乗じ、これらの総和を取るものとする。次に、得られた数値（二軸差分と称する）を用いて所定の演算する事で、第二軸に沿った滑り力の成分を求める。所定の演算の一例としては、先の数値（一軸差分や二軸差分）を、総ての容量検出素子Ｓｉ（例えばＳ１〜Ｓ４）で検出された静電容量値の総和にて除し、検出装置１に固有な比例定数ｆを乗ずる。
In this embodiment, when detecting the component of the external force, the equation (4) is used for the normal component Fz, and the equations (2) and (3) are used for the sliding force. The following steps are taken for the sliding force. First, a first axis (for example, X axis) and a second axis (for example, Y axis) are defined on the detection surface. In order to detect the component of the sliding force along the first axis, the capacitance detection located in the positive direction of the first axis from the reference point as a function having the capacitance value and the position of the capacitance detection element Si as variables. For element Si (eg, S2 and S4), +1 is multiplied by the detected capacitance value, and for capacitance detection element Si (eg, S1 and S3) located in the negative direction of the first axis, −1 is detected. It is assumed that the sum of these values is obtained by multiplying the obtained capacitance value. Next, the component of the sliding force along the first axis is obtained by performing a predetermined calculation using the obtained numerical value (referred to as a uniaxial difference). Similarly, in order to detect the component of the sliding force along the second axis, +1 is detected for the capacitance detection element Si (for example, S1 and S2) positioned in the positive direction of the second axis from the reference point. For the capacitance detection element Si (for example, S3 and S4) positioned in the negative direction of the second axis by multiplying the capacitance value, multiply the detected capacitance value by -1 and take the sum of these. To do. Next, the component of the sliding force along the second axis is obtained by performing a predetermined calculation using the obtained numerical value (referred to as a biaxial difference). As an example of the predetermined calculation, the previous numerical value (uniaxial difference or biaxial difference) is divided by the sum of the capacitance values detected by all the capacitance detection elements Si (for example, S1 to S4), and detected. Multiply by a proportional constant f unique to the
式（２）に示す様に、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４で検出された値が組み合わされると共に、−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせによる静電容量値と−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外力のＸ方向成分が求められる。 As shown in Expression (2), the X direction component Fx of the external force is detected by the capacitance detection elements S2 and S4 arranged in the + X direction among the capacitance values detected by the four capacitance detection elements S1 to S4. The combined values are combined, and the values detected by the capacitance detection elements S1 and S3 arranged in the −X direction are combined. As described above, based on the difference between the capacitance value obtained by the combination of the capacitance detection elements S2 and S4 arranged in the + X direction and the capacitance value obtained by the combination of the capacitance detection elements S1 and S3 arranged in the -X direction. The X direction component of the external force is obtained.
式（３）に示す様に、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２で検出された値が組み合わされると共に、−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２の組み合わせによる静電容量値と−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外力のＹ方向成分が求められる。 As shown in Expression (3), the Y direction component Fy of the external force is detected by the capacitance detection elements S1 and S2 arranged in the + Y direction among the capacitance values detected by the four capacitance detection elements S1 to S4. The values detected are combined, and the values detected by the capacitance detection elements S3 and S4 arranged in the -Y direction are combined. As described above, based on the difference between the capacitance value obtained by combining the capacitance detection elements S1 and S2 arranged in the + Y direction and the capacitance value obtained by combining the capacitance detection elements S3 and S4 arranged in the -Y direction. The Y direction component of the external force is obtained.
式（４）に示す様に、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値から求められる圧力値と第一容量電極１２の面積Ａとの積を足し合わせた合力で求められる。但し、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、第一基板１０の材質として硬いものを用いたり、或いは弾性体突起３２の先端部の形状を先鋭にしたりすると、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出感度が高くなる。具体的には、第一基板１０の材質として硬いものを用いると、第一基板１０の変位や変形が生じにくくなり、外力の面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、弾性体突起３２の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触った時のタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。この為、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出感度を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙの検出感度と揃えるには、第一基板１０の材質や弾性体突起３２や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。実際には、こうした影響を正しく補正する様に検出装置１に固有な比例定数ｆが定められる。
As shown in Equation (4), in the Z direction component Fz of the external force, the product of the pressure value obtained from the capacitance values of the four capacitance detection elements S1 to S4 and the area A of the
図１０は、検出装置１を１５行１５列の行列状（合計２２５個）に並べて、タッチパッドとした例で、各検出装置１は、単位検出領域Ｓに容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４を縦２行横２列の合計４個配置している。図１０では、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押している。この時、外力の垂直方向の圧力は、外力が作用した部分の中心部が最も大きくなっている（容量検出素子Ｓｉの出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外力の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、容量検出素子Ｓｉの出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。尚、本実施形態では静電容量に対応する電圧値を計測している。
FIG. 10 shows an example in which the
図１０に示すタッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合に外力の面内方向成分（滑り方向）の算出方法を考える。図１１は、外力を算出する一例を示している。図１１の例では、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置された検出装置１の内の縦３行×横３列に配置された部分に作用している。外力の垂直方向の圧力は、図１０と同様に、外力が作用した３行３列の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。各検出装置１は、それぞれ４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４を有しており、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４からの出力の和が外力の法線成分となる（上述の式（４））。例えば、先の中央部の検出装置１では各容量検出素子Ｓｉから圧力に相当する電圧値の和は５４ｍＶ＋２８ｍＶ＋１８ｍＶ＋１０ｍＶ＝１１０ｍＶとなっている。
Consider a method of calculating the in-plane direction component (sliding direction) of the external force when the finger is obliquely pressed at a position on the upper left side of the center of the detection surface of the touchpad shown in FIG. FIG. 11 shows an example of calculating the external force. In the example of FIG. 11, the finger pressing force (external force) acts on a portion arranged in 3 rows × 3 columns in the
一方、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向（滑り力の方向）が演算される。つまり、各検出装置１にて、上述した式（２）及び式（３）に基づいて外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙが算出される。例えば、中心部の検出装置１ではＦｘ＝（２８＋１０−５４−１８）／１１０ｆ＝−０．３１ｆ、Ｆｙ＝（５４＋２８−１８−１０）／１１０ｆ＝０．４９ｆとなっている。従ってｔａｎθ＝−０．４９／０．３１＝−１．５８となり、滑り力の方向はθ＝１２２°である。この様に９個の検出装置１にて検出された滑り力の方向の平均を取ると、＋Ｘ方向を基準として反時計回りに約１２３°の方向に外力が作用している事が分かる。尚、外力の作用する方向の算出にあっては、ここで行われた様に複数の検出装置１から算出された結果の平均値で求める方法の他に、例えば、複数の検出装置１から算出された結果の最大値を採用する方法や、所定の閾値よりも大きい検出値を採用する方法等を用いる事ができる。
On the other hand, the difference between the capacitance values detected by the capacitance detection elements Si arbitrarily combined among the capacitance values detected by the capacitance detection elements S1 to S4 is calculated, and the external force is calculated based on the difference. The applied direction (the direction of the sliding force) is calculated. That is, in each
本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起と誘電体との２段構成により、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外力の方向の検出精度を高める事ができる。第三基板３０の表面に所定の方向の外力が付加されると、弾性体突起３２はある程度の厚みまで圧縮変形する。付加される外力が大きくなると、弾性体突起３２はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起３２に臨界点を越えた外力が作用すると、誘電体４０が柔軟に変形する。この為、弾性体突起３２が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出する事ができる。又、弾性体突起３２は、所定方向の外力により変形に偏りが生じる。即ち、外力に面内の所定方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起３２の重心は基準点からずれて所定方向（滑り方向）移動する。すると、弾性体突起３２の重心が移動した部分の誘電体４０の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心と重なる位置の容量検出素子Ｓｉでは相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起３２の重心と重ならない位置の容量検出素子Ｓｉでは相対的に小さい静電容量が検出される事となる。よって、演算装置により、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさを求める事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事が可能な検出装置１を提供する事ができる。
According to the
この検出装置によれば、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４が弾性体突起３２の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化と誘電体４０の変形による静電容量値の変化とを分けて検出するので、それらを一括して検出する場合に比べて、外力を検出する事が容易となる。例えば、弾性体突起３２が臨界点を迎えるまで誘電体がほとんど変形しないとすると、その間は弾性体突起３２の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化のみを検出すれば外力が加えられた方向と外力の大きさを求める事ができる。従って、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値の差分を演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
According to this detection apparatus, each of the capacitance detection elements S1 to S4 separately detects a change in the capacitance value due to the elastic deformation of the
この構成によれば、複数の第一容量電極１２が基準点Ｐに対して点対称に配置されているので、弾性体突起３２の変形量と基準点Ｐと各第一容量電極１２との間の距離との関係が互いに等しくなる。この為、各第一容量電極１２と第二容量電極２２とを含んで構成される各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４が検出する静電容量値が互いに等しくなる。例えば、複数の第一容量電極が基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起３２の変形量が同じであっても、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４が検出する静電容量値は互いに異なる事となる。この為、検出容量の差分を演算する際に各第一容量電極の配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起３２の変形量と各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４が検出する静電容量値が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。従って、各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値の差分から外力の大きさと方向とを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
According to this configuration, since the plurality of
この構成によれば、複数の第一容量電極１２が互いに直交する２方向に行列状に配置されているので、各第一容量電極１２と第二容量電極２２とを含んで構成される各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１乃至Ｓ４の静電容量値の差分から外力の大きさと方向とを演算する事が容易となる。例えば、面内方向成分のうちＸ方向成分を演算する場合、複数の第一容量電極１２が複数の方向にランダムに配置されている場合に比べて、相対的に＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせと相対的に−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３の組み合わせとを区分けして選出しやすくなる。従って、外力を効率よく検出する事ができる。
According to this configuration, since the plurality of
この構成によれば、第二容量電極２２が第二基板に配置されているので、第一容量電極１２及び第二容量電極２２が同一の基板に配置される場合に比べて、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間に印加される電界は誘電体４０の厚み方向と平行な方向の成分を多く含む事となる。つまり、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間に印加される電界のベクトル成分は、外力が加えられる方向とほぼ同じとなる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to this configuration, since the
この構成によれば、複数の弾性体突起３２が互いに離間して配置されているので、弾性体突起３２が弾性変形した時の第三基板本体３１の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。例えば、一方の弾性体突起３２が変形した時に他方の弾性体突起３２に変形の影響を及ぼす事を抑制する事ができる。この為、複数の弾性体突起３２が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力を正確に誘電体４０に伝達する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to this configuration, since the plurality of
（実施形態２）
図１２は、実施形態２に係る検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。以下、本実施形態に係わる検出装置２について説明する。尚、実施形態１と同一の構成部位については、同一の符号を附し、重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a diagram illustrating a schematic configuration of the detection device according to the second embodiment, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. Hereinafter, the
本実施形態の検出装置２は、複数の容量検出素子Ｓｉが互いに直交する二方向に少なくとも縦４行横４列に配置されている点で、上述の実施形態１で説明した検出装置１と異なる。尚、図１２においては、便宜上、複数の容量検出素子Ｓｉが単位検出領域Ｓ当たり縦４行横４列に配置されているが、実際には図１３及び図１４に示す様に複数の容量検出素子Ｓｉが単位検出領域Ｓ当たり縦４行横４列以上に配置されていても良い。
The
図１２（ａ）に示す様に、検出装置２は、第一容量電極１２と第一基板本体１１とを有する第一基板１０と、第二容量電極２２と第二基板本体２１とを有する第二基板２０と、先端部が第一基板１０に当接している弾性体突起３２が形成された第三基板３０と、誘電体４０と、を備えている。容量検出素子Ｓｉは、第一容量電極１２と、第二容量電極２２と、これらに挟まれた誘電体４０とからなり、基準点Ｐの回りに複数個配置されている。図１２（ｂ）に示す様に、容量検出素子Ｓｉは、互いに直交する二方向（Ｘ方向及びＹ方向）に縦４行横４列に合計１６個配置され、これら１６個の容量検出素子Ｓｉの平面的な中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。基準点Ｐの（Ｘ、Ｙ）座標は重心Ｇの（Ｘ、Ｙ）座標にほぼ一致している。
As shown in FIG. 12A, the
図１３（ａ）乃至（ｃ）は、図７（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態２に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。図１４（ａ）乃至（ｃ）は、図１３（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態２に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す平面図である。尚、図１３（ａ）及び図１４（ａ）は第三基板３０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は第三基板３０の表面に垂直方向の外力が付加された状態を示している。図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は第三基板３０の表面に斜め方向の外力が付加された状態を示している。又、図１４（ａ）乃至（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心を示している。図１３及び図１４において、図７及び図８と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
FIGS. 13A to 13C are cross-sectional views corresponding to FIGS. 7A to 7C and illustrating changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the second embodiment. FIGS. 14A to 14C are plan views showing changes in electrostatic capacitance due to the capacitance detection element Si according to the second embodiment, corresponding to FIGS. 13A to 13C. 13A and 14A show a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (when no external force is applied). FIGS. 13B and 14B show a state in which a vertical external force is applied to the surface of the
図１３（ａ）及び図１４（ａ）に示す様に、第三基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形しない。これにより、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各容量検出素子Ｓｉの静電容量値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各容量検出素子Ｓｉの静電容量値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIGS. 13A and 14A, the
図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）に示す様に、第三基板３０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。更に、複数の容量検出素子Ｓｉは弾性体突起３２の先端部に等しく押圧され、第一基板１０はＺ軸の負の方向に撓む。この結果、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は、容量検出素子Ｓｉの場所に応じて、外力の作用がない時に比べて小さくなる。つまり、この時の容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる物が現れる。但し、その変化量は基準点Ｐの回りに、同心円状となり、基準点Ｐからの距離が等しい容量検出素子Ｓｉでは、略同じ値となる。
As shown in FIGS. 13B and 14B, when a vertical external force F is applied to the surface of the
図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）に示す様に、第三基板３０の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形すると共に、第一基板１０も変位や変形を起こす。これにより第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる物も現れる。この際に、弾性体突起３２に強く押圧された容量検出素子Ｓｉからは大きな静電容量値が検出され、反対に、弾性体突起３２に弱く押圧されたり、或いは押圧されなかったりする容量検出素子Ｓｉからは小さな静電容量値が検出される。即ち、第一基板１０の変位や変形によって、各容量検出素子Ｓｉで異なる値の静電容量値が検出される。例えば、図１３（ｃ）や図１４（ｃ）に示す様に滑り力がＸ軸の正の方向とＹ軸の正の方向とを向いている場合、第一基板１０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。更に、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起３２の先端部と複数個の第一容量電極１２との重なる面積の割合は、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIGS. 13 (c) and 14 (c), when an external force F in an oblique direction is applied to the surface of the
図１５は、図９に対応した、実施形態２に係わる単位検出領域の座標系を示す図である。尚、図１５において、複数の容量検出素子Ｓｉ（１００個）が行列状に配置されており、このうちの２５の容量検出素子Ｓｉがそれぞれ−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域に配置されている。又、図１５においては、便宜上、１００個の容量検出素子Ｓｉを図示しているが、容量検出素子Ｓｉの配置数はこれに限らず任意に変更する事ができる。 FIG. 15 is a diagram illustrating a coordinate system of the unit detection area according to the second embodiment, corresponding to FIG. In FIG. 15, a plurality of capacitance detection elements Si (100) are arranged in a matrix, and 25 of these capacitance detection elements Si are divided into −X direction and + Y direction, respectively, and + X direction. And an area partitioned in the + Y direction, an area partitioned in the −X direction and the −Y direction, and an area partitioned in the + X direction and the −Y direction. In FIG. 15, for convenience, 100 capacitance detection elements Si are illustrated, but the number of arrangement of the capacitance detection elements Si is not limited to this and can be arbitrarily changed.
図１５に示す様に、複数の容量検出素子Ｓｉは、単位検出領域Ｓ当たり縦１０行横１０列に計１００個配置されている。ここで、各容量検出素子Ｓｉが検出する静電容量値（検出値）に相当する圧力値をそれぞれＰｉ（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各容量検出素子Ｓｉとの間の距離の面内方向成分をｒｉ（ｉ＝１〜１００）とする。また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒｘｉ（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒｙｉ（ｉ＝１〜１００）とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力）は以下の式（５）で表される。 As shown in FIG. 15, a plurality of capacitance detection elements Si are arranged in a total of 100 per unit detection region S in 10 rows and 10 columns. Here, the pressure value corresponding to the capacitance value (detection value) detected by each capacitance detection element Si is Pi (i = 1 to 100), and the distance between the reference point P and each capacitance detection element Si is The in-plane direction component is ri (i = 1 to 100). Further, when the X direction component of the in-plane direction component is rxi (i = 1 to 100) and the Y direction component of the in-plane direction component is ryi (i = 1 to 100), the X direction component Fx (external force) of the external force Of the in-plane direction component) is expressed by the following equation (5).
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力）は以下の式（６）で表される。 Further, the Y direction component Fy of the external force (component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following formula (6).
尚、式（５）及び式（６）のｇは検出装置２に固有な比例定数で力／長さの単位を有する。また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）は以下の式（７）で表される。式（７）のＡは、一つの容量検出素子Ｓｉの面積である。
In the equations (5) and (6), g is a proportionality constant inherent to the
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Ｆｚに関しては式（７）を用い、滑り力に関しては式（５）及び式（６）を用いる。滑り力の検出に関しては、次の手順を踏む。まず、検出面上で第一軸（例えばＸ軸）と第二軸（例えばＹ軸）とを定める。第一軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値を距離の第一軸成分で重み付けし、これら重み付けされた静電容量値（第一モーメントと称する）の総和を用いて所定の演算する事で求める。同様に、第二軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値を距離の第二軸成分で重み付けし、これら重み付けされた静電容量値（第二モーメントと称する）の総和を用いて所定の演算する事で求める。所定の演算の一例としては、重み付けされた静電容量値の総和を、総ての容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
In this embodiment, when detecting the component of the external force, the equation (7) is used for the normal component Fz, and the equations (5) and (6) are used for the sliding force. The following steps are taken to detect slip force. First, a first axis (for example, X axis) and a second axis (for example, Y axis) are defined on the detection surface. In order to detect the component of the sliding force along the first axis, the capacitance value detected by each capacitance detection element Si is weighted by the first axis component of the distance, and these weighted capacitance values (first It is obtained by a predetermined calculation using the sum of the moments). Similarly, in order to detect the component of the sliding force along the second axis, the capacitance value detected by each capacitance detection element Si is weighted by the second axis component of the distance, and these weighted capacitances It is obtained by a predetermined calculation using the sum of values (referred to as second moment). As an example of the predetermined calculation, the sum of the weighted capacitance values is divided by the sum of the capacitance values detected by all the capacitance detection elements Si, and a proportionality constant g unique to the
式（５）に示す様に、第一軸をＸ軸とし、外力のＸ方向成分Ｆｘを求めるには、１００個の容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値を用いて１００個の第一モーメントを求めて和を取り、これを総ての容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
As shown in the equation (5), in order to obtain the X-direction component Fx of the external force with the first axis as the X axis, 100 capacitances detected by the 100 capacitance detection elements Si are used. One moment is obtained and summed, and this sum is divided by the sum of the capacitance values detected by all the capacitance detection elements Si, and multiplied by a proportional constant g inherent to the
同様に、式（６）に示す様に、第二軸をＹ軸とし、外力のＹ方向成分Ｆｙを求めるには、１００個の容量検出素子Ｓｉの静電容量値を用いて１００個の第二モーメントを求めて和を取り、これを総ての容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
Similarly, as shown in Equation (6), in order to obtain the Y-direction component Fy of the external force with the second axis as the Y axis, 100 capacitances of the 100 capacitance detection elements Si are used. The two moments are obtained and summed, and the sum is divided by the sum of the capacitance values detected by all the capacitance detection elements Si, and is multiplied by a proportional constant g unique to the
式（７）に示す様に、外力のＺ方向成分Ｆｚを求めるには、１００個の容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値に相当する圧力値を足し合わせ、これに一つの容量検出素子Ｓｉの面積Ａを乗ずる。但し、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。この為、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出感度を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙの検出感度と揃えるには、第一基板１０の材質や弾性体突起３２や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。具体的には、こうした影響を正しく補正する様に検出装置２に固有な比例定数ｇが定められる。
As shown in the equation (7), in order to obtain the Z direction component Fz of the external force, the pressure value corresponding to the capacitance value detected by the 100 capacitance detection elements Si is added, and one capacitance detection is added to this. Multiply by area A of element Si. However, the detected value of the Z direction component Fz of the external force tends to be detected larger than the X direction component Fx of the external force and the Y direction component Fy of the external force. For this reason, in order to make the detection sensitivity of the Z-direction component Fz of the external force equal to the detection sensitivity of the X-direction component Fx of the external force and the Y-direction component Fy of the external force, it is determined by the material of the
本実施形態の検出装置２によれば、複数の第一容量電極１２が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行横４列に配置されているので、配置される第一容量電極１２の数が多くなる。この為、多数の容量検出素子Ｓｉで検出された静電容量値に基づいて、外力の作用する方向と大きさとをより正確に求める事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to the
（実施形態３）
図１６は、実施形態３に係る検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。以下、本実施形態に係わる検出装置３について説明する。尚、実施形態１又は２と同一の構成部位については、同一の符号を附し、重複する説明は省略する。本実施形態の検出装置３は、第一基板１０と第二基板２０の間において少なくとも隣接する弾性体突起３２の境界にスペーサー５０が配置されている点で、上述の実施形態２で説明した検出装置２と異なる。図１６において、図１２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 16 is a diagram illustrating a schematic configuration of a detection device according to the third embodiment, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. Hereinafter, the
図１６に示す様に、検出装置３には、基準点Ｐの回りに容量検出素子Ｓｉが複数個配置されている。検出装置３は、第一容量電極１２を有する第一基板１０と、第一容量電極１２を挟んで第一基板１０と対向配置された第二基板２０と、第一基板１０と第二基板２０との間に配置された誘電体４０と、弾性体突起３２が形成された第三基板３０と、スペーサー５０と、を備えている。弾性体突起３２は、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が第一基板１０に当接した状態で弾性変形する。又、スペーサー５０は、第一基板１０と第二基板２０の間において少なくとも隣接する弾性体突起３２の境界に配置されている。
As shown in FIG. 16, a plurality of capacitance detection elements Si are arranged around the reference point P in the
スペーサー５０は、円柱形状となっており、隣接する弾性体突起３２の境界に配置されている。スペーサー５０の配置構成は、前記境界の交差する領域に配置されていても良いし、前記境界を埋めつくすよう例えば枠状形状にするなど、単位検出領域Ｓの周囲全体に亘って配置されていても良い。ここでは、スペーサー５０は前記境界の交差する領域に配置されている。つまり、スペーサー５０は単位検出領域Ｓの４隅に配置されている。
The
図１７（ａ）乃至（ｃ）は、図１３（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態３に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。尚、図１７（ａ）は第三基板３０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図１７（ｂ）は第三基板３０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された状態を示している。図１７（ｃ）は第三基板３０の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された状態を示している。図１７において、図１３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
FIGS. 17A to 17C are cross-sectional views showing changes in electrostatic capacitance due to the capacitance detection element Si according to the third embodiment, corresponding to FIGS. 13A to 13C. FIG. 17A shows a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (when no external force is applied). FIG. 17B shows a state in which a vertical external force F is applied to the surface of the
図１７（ａ）に示す様に、第三基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形していない。これにより、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。この時の各容量検出素子Ｓｉの静電容量値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各容量検出素子Ｓｉの静電容量値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIG. 17A, the
図１７（ｂ）に示す様に、第三基板３０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第二基板２０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第一基板１０が−Ｚ方向に撓み、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。つまり、この時の容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。
As shown in FIG. 17B, when a vertical external force is applied to the surface of the
ところで、スペーサーを弾性体突起が圧縮変形した時の面積よりも狭い距離で配置すると、基板の撓みやすいところと撓みにくいところで（変形の度合い）で検出値のむらが生じやすくなる事が知られている。本実施形態では、スペーサー５０を弾性体突起が圧縮変形した時の面積よりも広い距離で配置している。この為、第一基板１０の撓みはスペーサー５０で囲まれた領域内で生じる。つまり、外力はスペーサー５０で区画された単位検出領域毎に作用する事となる。例えば、指で検出装置３を垂直方向に押した場合、押圧ポイント以外のところで垂直方向の外力が検出される事を抑制する事ができる。
By the way, it is known that when the spacer is arranged at a distance narrower than the area when the elastic protrusion is compressed and deformed, unevenness of the detected value is likely to occur at a place where the substrate is easily bent and a place where the substrate is not easily bent (degree of deformation). . In the present embodiment, the
図１７（ｃ）に示す様に、第三基板３０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第一基板１０が−Ｚ方向に撓み、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。又、第一基板１０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。
As shown in FIG. 17C, when an external force in an oblique direction is applied to the surface of the
又、第一基板１０の撓みはスペーサー５０で囲まれた領域内で生じる。つまり、外力はスペーサー５０で区画された単位検出領域毎に作用する事となる。例えば、指で検出装置３を斜め方向に押した場合、押圧ポイント以外のところで斜め方向の外力が検出される事を抑制する事ができる。又、第二基板２０がスペーサー５０で固定されるので、外力が作用した時に第二基板２０がつられて移動してしまう事を抑制する事もできる。
Further, the deflection of the
本実施形態の検出装置３によれば、第一基板１０と第二基板２０の間に少なくとも隣接する弾性体突起３２の境界にスペーサー５０が配置されているので、外力はスペーサー５０で囲まれた単位検出領域毎に作用する事となる。この為、スペーサー５０で囲まれた単位検出領域においては、他の単位検出領域との間で相互作用を及ぼし合う事なく、別個独立して外力を検出する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to the
（実施形態４）
図１８は、実施形態４に係わる検出装置４の概略構成を示す断面図である。尚、実施形態１乃至３と同一の構成部位については、同一の符号を附し、重複する説明は省略する。本実施形態の検出装置４は、第三基板３０の表面に第三基板本体３１よりも高い剛性を有する補強部材５１が配置されている点で、上述の実施形態で説明した検出装置１〜３と異なっている。
(Embodiment 4)
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the
図１８に示す様に、検出装置４には、基準点Ｐの回りに容量検出素子Ｓｉが複数個配置されている。検出装置４は、第一容量電極１２を有する第一基板１０と、第一容量電極１２を挟んで第一基板１０と対向配置された第二基板２０と、第一基板１０と第二基板２０との間に配置された誘電体４０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が第一基板１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第三基板３０と、補強部材５１と、を備えている。
As shown in FIG. 18, in the
補強部材５１は、矩形板状となっており、平面視において第三基板本体３１と同じサイズに形成されている。この補強部材５１は、第三基板本体３１よりも高い剛性を有している。例えば、第三基板本体３１の材質が弾性体突起３２の材質と同様に発泡ウレタン樹脂（デュロメーター硬さ３０程度）の場合、補強部材５１の形成材料としては、エポキシ樹脂を用いたりウレタン樹脂（デュロメーター硬さ６０程度）を用いたりする事ができる。この為、接触面に弾性体突起３２の配置間隔よりも小さい対象物（例えば先鋭なスタイラスペン）によって外力が加えられた場合であっても、外力を正確に検出する事ができる。
The reinforcing
図１９（ａ）乃至（ｃ）は、図１３（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態４に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。尚、図１９（ａ）は第三基板３０の表面（補強部材５１の表面）に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図１９（ｂ）は第三基板３０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された状態を示している。図１９（ｃ）は第三基板３０の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された状態を示している。図１９において、図１３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
FIGS. 19A to 19C are cross-sectional views corresponding to FIGS. 13A to 13C and illustrating changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the fourth embodiment. FIG. 19A shows a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (the surface of the reinforcing member 51) (when no external force is applied). FIG. 19B shows a state in which a vertical external force F is applied to the surface of the
図１９（ａ）に示す様に、第三基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形しない。これにより、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。この時の各容量検出素子Ｓｉの静電容量値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各容量検出素子Ｓｉの静電容量値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIG. 19A, the
図１９（ｂ）に示す様に、第三基板３０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第一基板１０が−Ｚ方向に撓み、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。つまり、この時の容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。
As shown in FIG. 19B, when a vertical external force is applied to the surface of the
又、外力は２つの隣り合う弾性体突起３２の間の領域に作用している。本実施形態では第三基板３０の表面に第三基板本体３１よりも高い剛性を有する補強部材５１を備えているので、例えば、指で検出装置４を垂直方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起３２は互いに垂直方向に圧縮変形する事となる。この様に、補強部材５１が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起３２が互いに反対方向に圧縮変形してしまう事を抑制する事ができる。
The external force acts on a region between two adjacent
図１９（ｃ）に示す様に、第三基板３０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板１０の表面に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第一基板１０が−Ｚ方向に撓み、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。又、第一基板１０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。
As shown in FIG. 19C, when an external force in the oblique direction is applied to the surface of the
又、外力は２つの隣り合う弾性体突起３２の間の領域に作用している。本実施形態では第三基板３０の表面に第三基板本体３１よりも高い剛性を有する補強部材５１を備えているので、例えば、指で検出装置４を斜め方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起３２は互いに斜め方向に圧縮変形する事となる。この様に、補強部材５１が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起３２が互いに反対方向に圧縮変形してしまう事を抑制する事ができる。
The external force acts on a region between two adjacent
本実施形態の検出装置４によれば、第三基板３０の弾性体突起３２が形成された側と反対の側に第三基板本体３１よりも高い剛性を有する補強部材５１が配置されているので、外力の方向を高い精度で検出する事ができる。例えば、外力が２つの隣り合う弾性体突起３２の間の領域に作用する場合、補強部材が無い時に比べて２つの隣り合う弾性体突起３２が互いに反対の方向に圧縮変形してしまう事を抑制する事ができる。つまり、外力の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制する事ができる。従って、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to the
尚、本実施形態においては、補強部材５１が第三基板３０の表面に配置されているが、これに限らない。例えば、補強部材５１を設けずに、第三基板本体３１自体を弾性体突起３２よりも高い剛性を有する材質で形成しても良い。これにより、補強部材５１を設ける構成に比べて装置の薄型化を図る事ができる。
In the present embodiment, the reinforcing
又、上記実施形態においては、第一基板に第１電極が配置され、第二基板に第２電極が配置された、第１電極と第２電極との間の誘電体に縦方向（Ｚ方向）の電界を印加させる縦電界方式を採用する構成を例に挙げて説明したが、これに限らない。以下、上記実施形態とは異なる検出装置５について、図２０を用いて説明する。
In the above embodiment, the first electrode is disposed on the first substrate and the second electrode is disposed on the second substrate, and the dielectric between the first electrode and the second electrode is longitudinal (Z direction). The configuration adopting the vertical electric field method in which the electric field is applied is described as an example, but is not limited thereto. Hereinafter, a
（実施形態５）
図２０は、実施形態５に係る検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。以下、本実施形態に係わる検出装置５について説明する。尚、実施形態１乃至４と同一の構成部位については、同一の符号を附し、重複する説明は省略する。本実施形態の検出装置５は、第二容量電極２２２が第一基板２１０の基準点Ｐと重なる位置に配置されている点で、上述の実施形態で説明した検出装置１乃至４と異なる。
(Embodiment 5)
FIG. 20 is a diagram illustrating a schematic configuration of a detection device according to the fifth embodiment, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. Hereinafter, the
図２０（ａ）に示す様に、検出装置５は、第一基板２１０と、第一基板２１０と対向配置された第二基板１２０と、第一基板２１０と第二基板１２０との間に配置された誘電体４０と、弾性体突起３２が形成された第三基板３０と、を備えている。第一基板２１０には基準点Ｐが定められ、基準点Ｐの回りに第一容量電極１２が複数個配置されると共に、基準点Ｐと平面視で重なる位置に第二容量電極２２２が配置されている。弾性体突起３２は、第三基板本体３１の裏面で、平面視で基準点Ｐに重なる位置に重心が位置する様に形成されており、先端部が第一基板２１０に当接している。弾性体突起３２は、第三基板３０に外力が加えられると、先端部が第一基板２１０に当接した状態で弾性変形する。この様に、本実施形態では、第一基板２１０に第一容量電極１２と第二容量電極２２２とが配置されており、第一容量電極１２と第二容量電極２２２との間の誘電体に横方向（ＸＹ方向）の電界を印加させる横電界方式を採用している。
As shown in FIG. 20A, the
第二基板１２０は一枚板であり、縦電界方式を採用した構成の様に電極が形成されている訳でない。例えば、第二基板１２０の形成材料としてプラスチック等の樹脂材料を用いて電極を蒸着やスパッタ等の方法で形成すると、製造プロセス中の加熱工程において第二基板に反り等が生じる場合がある。しかしながら、この構成によれば第二基板１２０に電極を形成する必要がないので、製造プロセス中において第二基板１２０に反り等が生じる事を抑制する事ができる。
The
又、第二容量電極２２２は、複数の第一容量電極１２と等間隔に配置されている。具体的には、複数の第一容量電極１２は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４個配置されている。これら４個の第一容量電極１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっており、この基準点に第二容量電極２２２が配置されている。
The
図２１（ａ）乃至（ｃ）は、図７（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態５に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。図２２（ａ）乃至（ｃ）は、図２１（ａ）乃至（ｃ）に対応した、実施形態５に係わる容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す平面図である。尚、図２１（ａ）及び図２２（ａ）は第三基板３０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図２１（ｂ）及び図２２（ｂ）は第三基板３０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された状態を示している。図２１（ｃ）及び図２２（ｃ）は第三基板３０の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された状態を示している。又、図２２（ａ）乃至（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心を示している。図２１及び図２２において、図７及び図８と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。尚、第一容量電極１２と第二容量電極２２２との間の距離は外力が付加される過程において一定に保たれる。
FIGS. 21A to 21C are cross-sectional views showing changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the fifth embodiment, corresponding to FIGS. 7A to 7C. FIGS. 22A to 22C are plan views showing changes in capacitance due to the capacitance detection element Si according to the fifth embodiment, corresponding to FIGS. 21A to 21C. 21A and 22A show a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (when no external force is applied). FIG. 21B and FIG. 22B show a state in which a vertical external force F is applied to the surface of the
図２１（ａ）及び図２２（ａ）に示す様に、第三基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形していない。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。又、弾性体突起３２の先端部は第二容量電極２２２に重なっている。具体的には、弾性体突起３２の先端部は第二容量電極２２２と重なった状態で平面視円形となっている。尚、この時の容量検出素子Ｓｉが検出する静電容量値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIGS. 21A and 22A, the
図２１（ｂ）及び図２２（ｂ）に示す様に、第三基板３０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板２１０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第一基板２１０が−Ｚ方向に撓み、誘電体４０の厚みが外力の加えられた部位で薄くなる。この結果、水平方向の電気力線の密度が上がり、第一容量電極１２と第二容量電極２２２との間の実効的な距離（静電容量値と誘電率とから定まる電極間距離）が外力の作用がない時に比べて小さくなる。つまり、この時の容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がない時に比べて大きくなっている。又、弾性体突起３２の先端部は外力の作用がない時よりも大きいサイズの平面視円形となっている。
As shown in FIGS. 21B and 22B, when a vertical external force is applied to the surface of the
図２１（ｃ）及び図２２（ｃ）に示す様に、第三基板３０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起３２は先端部が第一基板２１０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第一基板２１０が−Ｚ方向に撓み、誘電体４０の厚みが外力の加えられた部位で薄くなる。この結果、水平方向の電気力線の密度が上がり、第一容量電極１２と第二容量電極２２２との間の実効的な距離（静電容量値と誘電率とから定まる電極間距離）が外力の作用がない時に比べて小さくなる。又、第一基板２１０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。この時、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この弾性体突起３２の重心Ｇのずれ（変位量）から外力の面内方向成分（上述したＦｘ及びＦｙ）を算出する事ができる。又、弾性体突起３２の先端部は平面視楕円形となっている。具体的には、弾性体突起３２の先端部と複数の第一容量電極１２との重なる面積は、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分のほうが重なる割合が大きくなっている。
As shown in FIGS. 21 (c) and 22 (c), when an external force in an oblique direction is applied to the surface of the
図２３は、図９に対応した、実施形態５に係わる単位検出領域の座標系を示す図である。図２３に示す様に、複数の容量検出素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４個配置されている。
FIG. 23 is a diagram showing a coordinate system of the unit detection area according to the fifth embodiment, corresponding to FIG. As shown in FIG. 23, a plurality of capacitance
ここで、各容量検出素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が検出する静電容量値（検出値）をそれぞれＰS1、ＰS2、ＰS3、ＰS4とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は上述した式（２）で表される。又、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は上述した式（３）で表される。又、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）は上述した式（４）で表される。 Here, assuming that the capacitance values (detected values) detected by the capacitance detection elements S1, S2, S3, and S4 are P S1 , P S2 , P S3 , and P S4 , respectively, the X-direction component Fx of the external force (the external force) The ratio of the component force acting in the X direction among the in-plane direction components) is expressed by the above-described formula (2). Further, the Y direction component Fy of the external force (the ratio of the component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the above-described equation (3). Further, the Z direction component Fz of the external force (vertical direction component of the external force) is expressed by the above-described equation (4).
本実施形態では、実施形態１と同様に、外力によって弾性体突起が弾性変形する事により変化する４個の容量検出素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓｉの静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさが演算される。 In the present embodiment, as in the first embodiment, the capacitance values of the four capacitance detection elements S1, S2, S3, and S4 that are changed by elastic deformation of the elastic protrusion by an external force are arbitrarily combined. The difference between the capacitance values of the capacitance detection elements Si is calculated, and the direction and magnitude in which an external force is applied are calculated based on the difference.
式（２）に示す様に、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４で検出された値が組み合わされると共に、−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせによる静電容量値と−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外力のＸ方向成分が求められる。 As shown in Expression (2), the X direction component Fx of the external force is detected by the capacitance detection elements S2 and S4 arranged in the + X direction among the capacitance values detected by the four capacitance detection elements S1 to S4. The combined values are combined, and the values detected by the capacitance detection elements S1 and S3 arranged in the −X direction are combined. As described above, based on the difference between the capacitance value obtained by the combination of the capacitance detection elements S2 and S4 arranged in the + X direction and the capacitance value obtained by the combination of the capacitance detection elements S1 and S3 arranged in the -X direction. The X direction component of the external force is obtained.
式（３）に示す様に、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２で検出された値が組み合わされると共に、−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２の組み合わせによる静電容量値と−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４の組み合わせによる静電容量値との差分に基づいて外力のＹ方向成分が求められる。 As shown in Expression (3), the Y direction component Fy of the external force is detected by the capacitance detection elements S1 and S2 arranged in the + Y direction among the capacitance values detected by the four capacitance detection elements S1 to S4. The values detected are combined, and the values detected by the capacitance detection elements S3 and S4 arranged in the -Y direction are combined. As described above, based on the difference between the capacitance value obtained by combining the capacitance detection elements S1 and S2 arranged in the + Y direction and the capacitance value obtained by combining the capacitance detection elements S3 and S4 arranged in the -Y direction. The Y direction component of the external force is obtained.
式（４）に示す様に、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値を足し合わせた合力で求められる。但し、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、第一基板２１０の材質として硬いものを用いたり、或いは弾性体突起３２の先端部の形状を先鋭にしたりすると、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出感度が高くなる。具体的には、第一基板２１０の材質として硬いものを用いると、第一基板２１０の変位や変形が生じにくくなり、外力の面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、弾性体突起３２の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触った時のタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。この為、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、第一基板２１０の材質や弾性体突起３２や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。実際には、こうした影響を正しく補正する様に検出装置５に固有な比例定数ｆが定められる。
As shown in the equation (4), the Z direction component Fz of the external force is obtained by a resultant force obtained by adding the capacitance values of the four capacitance detection elements S1 to S4. However, the Z direction component Fz of the external force tends to be detected with a larger detection value than the X direction component Fx of the external force and the Y direction component Fy (component force) of the external force. For example, if a hard material is used as the material of the
本実施形態の検出装置５によれば、第一容量電極１２及び第二容量電極２２２を第一基板２１０に配置しているので、第一容量電極１２及び第二容量電極２２２を同一の工程で形成する事が可能となる。従って、製造工程を簡略化する事ができ、製造効率の向上及び製造コストの低減を図る事ができる。又、製造プロセス中の加熱工程において第二基板１２０に反り等が生じる事を抑制する事ができるので、外力の検出精度を向上させる事ができる。又、弾性体突起３２の変形の過程において電極間の距離を一定に保つ事ができるので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができる。
According to the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加える事が可能である。変形例を以下に述べる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be added to the above-described embodiment. A modification will be described below.
（変形例１）
図２４は、変形例１に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。次に図２４を参照して、変形例１に係る検出装置６を説明する。上述の実施形態では、第一基板１０、２１０に弾性体突起３２が当接していたが、これは必須ではなく、本変形例では第二基板２０に弾性体突起３２が当接している。即ち、第三基板３０に対する第一基板１０と第二基板２０との位置関係を反転させ、図２４に示す様に、第二基板本体２１の表面に弾性体突起３２が当接する様に配置しても良い。この場合、第二基板本体２１はポリイミドフィルムやポリエステルフィルムなど、可撓性を有する基板となる。
(Modification 1)
FIG. 24 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the detection device according to the first modification. Next, with reference to FIG. 24, the
（変形例２）
図２５は、変形例２に係る検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。次に図２５を参照して、変形例２に係る検出装置７を説明する。上述の実施形態では、容量検出素子Ｓｉはアクティブマトリックス型式で、第一基板１０に薄膜トランジスターで回路が形成されていたが、これは必須ではなく、本変形例では所謂パッシブマトリックス型式で容量検出素子Ｓｉを行列状に配置してある。
(Modification 2)
FIG. 25 is a diagram illustrating a schematic configuration of a detection device according to the second modification, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. Next, with reference to FIG. 25, a
図２５（ａ）に示す様に、検出装置７は第一基板１０と第二基板２０と第三基板３０と誘電体４０とを備える。誘電体４０は第一基板本体１１の裏面と第二基板本体２１の表面とで挟持される。又、第一基板本体１１の表面には弾性体突起３２が当接する。第一基板１０は更に第一容量電極１２を備え、第二基板２０は第二容量電極２２を備える。第一容量電極１２は第一基板本体１１の裏面に形成され、第二容量電極２２は第二基板２０の表面に形成されている。従って、第一容量電極１２と第二容量電極２２との間に誘電体４０としての感圧導電性弾性体が備えられている。容量検出素子Ｓｉは第一容量電極１２と第二容量電極２２と誘電体４０とを含んで構成される。一方、平面視においては、図２５（ｂ）に示される様に、第一容量電極１２と第二容量電極２２とは、帯状で、互いに交差される様に配置される。第一容量電極１２と第二容量電極２２との交点に形成された四角の重なり部が一つの容量検出素子Ｓｉとなる。容量検出素子Ｓｉは、第三基板３０に外力が作用した時に外力を電気信号に変換する。この様に、容量検出素子Ｓｉをパッシブマトリックス型式で形成しても良い。
As shown in FIG. 25A, the
（電子機器）
検出装置１乃至７は、第三基板３０に加えられた外力の大きさと方向とを検出するタッチパッド等に使用され、例えば、ノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられる。この際に、電子機器は筐体を備え、第二基板２０は筐体の一部をなしていても良い。即ち、筐体が第二基板本体２１を兼用しても良い。
(Electronics)
The
図２６は、上記実施形態及び変形例に係る検出装置１乃至７を適用した携帯電話機の概略構成を示す模式図である。携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びスクロール装置１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１を備えている。検出装置１は平面状のスクロール装置１００２に用いられ、スクロール装置１００２を操作する事によって、液晶パネル１００１に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューアイコン（図示略）が表示される。例えば、スクロール装置１００２を操作して、メニューアイコンを選択すると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。
FIG. 26 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a mobile phone to which the
図２７は、上記実施形態及び変形例に係る検出装置１乃至７を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）の概略構成を示す模式図である。携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２及びタッチパッド２００３、並びに表示部として液晶パネル２００１を備えている。検出装置１はタッチパッド２００３に用いられ、タッチパッド２００３を操作する事によって、液晶パネル２００１に表示されるポインターが移動されたり、或いはメニューが選択されたりする。例えば、タッチパッド２００３を介してポインターを住所録メニューアイコン（図示略）に移動させ、そこで選択動作を施す事に依り、住所録が表示される。
FIG. 27 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a personal digital assistant (PDA) to which the
このような電子機器によれば、上述した検出装置１乃至７を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する電子機器を提供する事ができる。
According to such an electronic device, since the above-described
尚、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、デジタルスチルカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る検出装置１乃至７を適用させる事ができる。
Other electronic devices include personal computers, video camera monitors, car navigation devices, pagers, electronic notebooks, calculators, word processors, workstations, videophones, POS terminals, digital still cameras, and touch panels. Equipment and the like. The
（ロボット）
図２８は、上記実施形態及び変形例に係る検出装置１乃至７を適用したロボットの概略構成を示す模式図である。図２８（ａ）に示す様に、ロボットハンド３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに検出装置１乃至７を適用した把持部３００１を備えている。例えば、リモコン等の制御装置によりアーム部３００２に駆動信号を送信すると、一対のアーム部３００２が開閉動作する。
(robot)
FIG. 28 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a robot to which the
図２８（ｂ）に示す様に、ロボットハンド３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合を考える。この時、対象物３０１０に作用する力は把持部３００１で圧力として検出される。ロボットハンド３０００は、把持部３００１として上述した検出装置１乃至７を備えているので、対象物３０１０の表面（接触面）に垂直な方向の力と併せて重力Ｍｇですべる方向の力（滑り力の成分）を検出する事が可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたり滑りやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じて力を加減しながら持つ事ができる。
As shown in FIG. 28B, a case is considered where the
このロボットによれば、上述した検出装置１乃至７を備えているので、把持力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能なロボットを提供する事ができる。
According to this robot, since the above-described
１…検出装置、２…検出装置、３…検出装置、４…検出装置、５…検出装置、６…検出装置、７…検出装置、１０…第一基板、１１…第一基板本体、１２…第一容量電極、２０…第二基板、２１…第二基板本体、２２…第二容量電極、３０…第三基板、３１…第三基板本体、３２…弾性体突起、４０…誘電体、５０…スペーサー、５１…補強部材、６０…センシング回路、６１…リセットトランジスター、６２…増幅トランジスター、６３…選択トランジスター、７０…電源線、７２…第１制御線、７４…検出線、７６…第２制御線、１２０…第二基板、２１０…第一基板、２２２…第二容量電極、１０００…携帯電話機、１００１…液晶パネル、１００２…スクロール装置、１００３…操作ボタン、２０００…携帯情報端末、２００１…液晶パネル、２００２…操作ボタン、２００３…タッチパッド、３０００…ロボットハンド、３００１…把持部、３００２…アーム部、３００３…本体部、３０１０…対象物。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
基準点の回りに第一容量電極を複数個配置した第一基板と、
前記第一容量電極を挟んで前記第一基板と対向配置された第二基板と、
前記第一基板と前記第二基板との間に配置された、弾性体若しくは流体からなる誘電体と、
前記第一基板と前記第二基板との間において前記誘電体を挟んで前記第一容量電極と対向配置された第二容量電極と、
前記基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第一基板に当接した状態で弾性変形する弾性体突起が形成された第三基板と、
を備える事を特徴とする検出装置。 A detection device for detecting an external force,
A first substrate having a plurality of first capacitance electrodes arranged around a reference point;
A second substrate disposed opposite to the first substrate across the first capacitive electrode;
A dielectric made of an elastic body or a fluid, disposed between the first substrate and the second substrate;
A second capacitance electrode disposed opposite to the first capacitance electrode with the dielectric interposed between the first substrate and the second substrate;
A third substrate on which a center of gravity is located at a position overlapping with the reference point, and an elastic protrusion that is elastically deformed in a state in which a tip portion is in contact with the first substrate;
A detection device comprising:
前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されている事を特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の検出装置。 A plurality of the elastic protrusions are formed on the third substrate,
The detection device according to any one of claims 1 to 8, wherein the plurality of elastic body protrusions are spaced apart from each other.
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- 2011-12-05 JP JP2011265504A patent/JP2013117458A/en active Pending
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