JP2014002080A

JP2014002080A - 回転式入力装置

Info

Publication number: JP2014002080A
Application number: JP2012138374A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yokoyama; 達也横山
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US9261348B2; US20130342222A1

Abstract

【課題】薄型に構成できる回転式入力装置を提供する。
【解決手段】固定基板の固定対向面に、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２と第２の固定検知電極１３が形成されている。第１の固定検知電極１２は、複数の第１の対向部１２ａとそれぞれの第１の対向部１２ａを導通させる第１の連結部１２ｂを有し、第２の固定検知電極１３は、複数の第２の対向部１３ａとそれぞれの第２の対向部１３ａを導通させる第２の連結部１３ｂを有しており、第１の対向部１２ａと第２の対向部１３ａは、回転方向の位相が相違している。回転部に回転電極１５が設けられている。回転部が回転すると、第１の固定検知電極１２と接地電位との間で第１相のエンコード信号が得られ、第２の固定検知信号１３と接地電位との間で第２相のエンコード信号が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、接点を設けることなく回転操作に応じた入力信号を得ることができる回転式入力装置に関する。

特許文献１には静電容量式角度検出装置が開示されている。この静電容量式角度検出装置は、第１の部材の電極と第２の部材の電極とが対向してコンデンサが形成されている。第１の部材と第２の部材との間に、誘電体または金属導体である第３の部材が介在しており、この第３の部材を回転させることで、第１の部材の電極と第２の部材の電極との間に形成されるコンデンサの容量を変化させるというものである。

特許文献１に記載された静電容量式角度検出装置は、第１の部材の電極と第２の部材の電極との間でコンデンサを構成しているために、装置が大きくなり、第１の部材と第２の部材の双方の電極を配線処理しなくてはならないため、構造が大型で且つ配線処理も複雑になる。

特開平１０−２３２１０４号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、薄型に構成できる回転式入力装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の本発明は、固定対向面と、前記固定対向面に対向する回転対向部と、前記回転対向部を回転させる操作部とが設けられた回転式入力装置において、
前記固定対向面は１つであり、この１つの前記固定対向面に、前記回転対向部の回転中心と同一の中心をもつ円周方向に向けて一定の間隔で配置された複数の対向部を有する固定電極が設けられ、前記回転対向部は前記固定対向面の上方に配置され、この前記回転対向部の下面に、前記固定電極と対向すると共に、前記複数の対向部と静電容量結合を行う回転電極が設けられていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の本発明の回転式入力装置は、前記固定電極が、前記回転対向部の回転中心と同心であると共に異なる円周のそれぞれに沿って形成された第１の固定検知電極及び第２の固定検知電極とで構成されており、
前記第１の固定検知電極は、前記異なる円周の一方に間隔を空けて配置された前記複数の対向部をなす複数の第１の対向部と、それら複数の第１の対向部を導通させる第１の導通部とを有し、前記第２の固定検知電極は、前記異なる円周の他方に間隔を空けて配置された、前記複数の対向部をなす複数の第２の対向部と、それら複数の第２の対向部を導通させる第２の導通部とを有しており、
前記第１の対向部と前記第２の対向部は、前記異なる円周の一方及び他方のそれぞれに沿って形成されたリング体が、周方向に所定の角度幅をもち、且つ、同一の角度間隔で分断されて形成されると共に、前記各円周方向において、それらの位相が互いに相違しているものである。

請求項３に記載の本発明の回転式入力装置は、前記固定電極は、前記第１の固定検知電極と前記第２の固定検知電極との間に、前記回転対向部の回転中心と同一の中心を持つリング状の固定接地電極を有するものである。

請求項４に記載の本発明の回転式入力装置は、前記回転電極は、前記複数の第１の対向部のうちの一つと前記複数の第２の対向部１３ａのうちの一つとに同時に対向するように形成されると共に、前記複数の第１の対向部のうちで互いに隣り合う第1の対向部とは同時に対向せず、かつ、前記複数の第２の対向部のうちで互いに隣り合う第２の対向部とは同時に対向しないように形成されるものである。

請求項５に記載の本発明の回転入力装置は、前記回転電極と前記操作部とが電気的に導通しており、人の指が前記操作部を操作することによって、前記回転電極が接地電位に設定されるものが好ましい。

また、請求項６記載の本発明の回転式入力装置は、前記固定電極は、前記複数の対向部をなす複数の第３の固定検知電極とを有し、それら複数の第３の固定電極は、前記回転対向部の回転中心と同心のリング体が、周方向に所定の角度幅をもち、且つ、同一の角度間隔で分断されて形成されてなり、前記回転対向部の回転に伴う静電容量の変化によって、前記複数の第３の対向部ごとに得られる個別の入力信号に基づいて回転角度を検出するものである。

本発明の回転式入力装置は、１つの固定対向面に設けられた固定電極の複数の対向部に、１つの回転対向部に設けられた回転電極を対向させる構造であるため、薄型化が可能である。

本発明の第１の実施の形態の回転式入力装置を示す側面図、第１の実施の形態の回転式入力装置に設けられた固定対向面の固定電極の構造を示す平面図、図２に示す固定電極を簡略化して示す説明図、回転式入力装置の動作原理を示す回路説明図、第１の実施の形態の回転式入力装置から得られるエンコード信号の波形図、本発明の第２の実施の形態の回転式入力装置を示す側面図、第２の実施の形態の回転式入力装置に設けられた固定対向面の固定電極を簡略化して示す説明図、本発明の第３の実施の形態の回転式入力装置に設けられた固定対向面の固定電極の構造を示す平面図、

図１に示す本発明の第１の実施の形態の回転式入力装置１は回転エンコーダとして使用される。

回転式入力装置１は、固定基板２と回転部３とを有している。回転部３は、回転基板４と軸部５と操作部６とを有している。回転部３は軸部５に保持されて回転中心線Ｏを中心として自由に回転でき、回転角度を規制する機構は設けられていない。回転基板４は、固定基板の上方に配置された回転中心線Ｏを中心とした円板で、その下面が回転対向部４ａである。固定基板２は、回転中心線Ｏを中心とした円板であり、固定基板２の回転対向部４ａと対向する面が固定対向面２ａである。回転対向部４ａと固定対向面２ａは微小距離を隔てて対向している。

第１の実施の形態の回転式入力装置１は、固定基板２および回転基板４の少なくともいずれかが絶縁材料で覆われているか、絶縁材料からなる基板で形成されている。好ましくは、軸部５と操作部６が絶縁材料で形成されている。

図２と図３（図２の電極パターンを簡略化した説明図）に示すように、固定基板２の固定対向面２ａに、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２ならびに第２の固定検知電極１３が設けられている。固定接地電極１１は、回転中心線Ｏを中心とするリング状パターンで３６０度の全周に連続して形成されている。第１の固定検知電極１２と第２の固定検知電極１３も、固定接地電極１１と同様に回転中心線Ｏを中心とした円周上に配置されている。この際、第１の固定検知電極１２と第２の固定検知電極１３は異なる円周上に配置されている。第１の固定検知電極１２は、複数の第１の対向部１２ａ（対向部）とそれぞれの第１の対向部１２ａを連結する第１の連結部１２ｂとから構成されている。第２の固定検知電極１３は、複数の第２の対向部１３ａ（対向部）とそれぞれの第２の対向部１３ａを連結する第２の連結部１３ｂとから構成されている。

図２に示すように、全ての第１の対向部１２ａは、固定接地電極１１に対して均等な距離を空けて配置され、全ての第１の対向部１２ａは円周方向の全周にわたって一定のピッチで配置されている。全ての第２の対向部１３ａは、固定接地電極１１に対して均等な距離を空けて配置され、全ての第２の対向部１３ａは全ての第１の対向部１２ａに対して異なる円周上であって、その円周方向の全周にわたって一定のピッチで配置されている。

第１の対向部１２ａと第２の対向部１３ａは同数設けられている。ただし、第１の対向部１２ａと第２の対向部１３ａは、円周方向の位相が互いに相違している。

固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２ならびに第２の固定検知電極１３は、表面が金などの低抵抗材料でメッキされた導電板を、固定基板２の表面に埋設させ、リング状の固定接地電極１１と第１の対向部１２ａならびに第２の対向部１３ａを固定対向面２ａに露出させることで形成されている。第１の連結部１２ｂと第２の連結部１３ｂは、固定対向面２ａに露出しないように固定基板２に埋設されていることが好ましいが、第１の連結部１２ｂと第２の連結部１３ｂが固定対向面２ａに露出している構造であってもよい。

固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２ならびに第２の固定検知電極１３は、固定対向面２ａに形成された導電性の薄膜やスパッタ膜などで形成されていてもよい。

図２と図３に示すように、回転電極１５は、固定接地電極１１と第１の対向部１２ａと第２の対向部１３ａに同時に対向できるように形成され、且つ隣り合う２つの第１の対向部１２ａと同時に対向することがなく、且つ隣り合う２つの第２の対向部１３ａと同時に対向することのないように形成されている。回転電極１５は第１の連結部１２ｂと第２の連結部１３ｂに対向しないことが好ましいが、回転電極１５が第１の連結部１２ｂと第２の連結部１３ｂに対向していても動作原理上問題はない。

回転電極１５は、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２ならびに第２の固定検知電極１３を形成するのと同じ工程で、回転対向部４ａに形成される。

図４に、前記回転式入力装置１の検知動作を行う回路構成が簡易化されて示されている。

図４に示すように、第１の固定検知電極１２と固定接地電極１１は、容量Ｃｘで結合されている。結合容量Ｃｘは、回転電極１５の回転位置に応じて変化する。回転電極１５はどの位置であっても固定接地電極１１との対向面積は変わらないが、回転電極１５と第１の対向部１２ａの全面が対向するとき、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２との間の結合容量Ｃｘが極大となり、回転電極１５が第１の対向部１２ａから外れると、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２との間の結合容量Ｃｘが極小となる。

結合容量Ｃｘが増大すると、結合容量ＣｘとコンデンサＣ１との容量の合計値が増大し、結合容量ＣｘとコンデンサＣ１に作用する電圧Ｖが増大する。スイッチＳＷを早い周期で断続させ、スイッチＳＷが接続されている間に計測される電圧Ｖを演算することで検知出力を得ることができる。検知出力は、回転電極１５が第１の対向部１２ａに対向しているときに大きくなり、回転電極１５が第１の対向部１２ａから外れると小さくなる。この検知出力の波形を成形することで、図５（Ａ）に示す第１相のエンコード信号Ｅ１が得られる。

図４において第１の固定検知電極１２を第２の固定検知電極１３に置き換えたもう１組の回路構成で前記と同様に検知出力を得ることで、図５（Ｂ）に示す第２相のエンコード信号Ｅ２を得ることができる。すなわち、図４に示す検出回路を２組設けることで、回転部３の回転角度に応じてパルス数が変化する第１相と第２相の２つのエンコード信号Ｅ１，Ｅ２を得ることができる。また、これらのエンコード信号Ｅ１，Ｅ２は、回転部３の回転角速度に応じてパルスの周期が変化する。また、第１相のエンコード信号Ｅ１と第２相のエンコード信号Ｅ２の位相が相違しているので、回転部３の回転方向を検出することも可能である。

第１相のエンコード信号Ｅ１と第２相のエンコード信号Ｅ２を、上記の回路で同じレベルの信号として得るためには、１個の第１の対向部１２ａと１個の第２の対向部１３ａの面積が同じであり、１個の第１の対向部１２ａと回転電極１５との対向面積と、１個の第２の対向部１３ａと回転電極１５との対向面積とが同じであることが好ましいが、それぞれの対向部と固定接地電極１１との間の結合容量Ｃｘが同じとなるような形状であれば良い。

図１と図２に示す回転式入力装置１は、回転電極１５を１つの回転対向部４ａに設け、固定接地電極１１と第１の固定検知電極１２ならびに第２の固定検知電極１３を１つの固定対向面２ａに設けて、１つの回転対向部４ａと１つの固定対向面２ａを対面させる構造であるため薄型に構成できる。また回転対向部４ａの回転電極１５が外部の回路に直接に接続されないため、回転部３に配線を接続する必要がない。そして、非接触により回転部３の自由な回転角度と回転方向に対応した第１相のエンコード信号Ｅ１と第２相のエンコード信号Ｅ２を得ることが可能になる。

図６と図７に、本発明の第２の実施の形態の回転式入力装置２１が示されている。
この回転式入力装置２１の固定基板２は絶縁基板であり、その固定対向面２ａに、第１の固定検知電極２２と第２の固定検知電極２３が設けられている。第１の固定検知電極２２は、複数の第１の対向部２２ａ（対向部）とそれぞれの第１の対向部２２ａを導通させる第１の連結部２２ｂとを有している。第２の固定検知電極２３は、複数の第２の対向部２３ａ（対向部）とそれぞれの第２の対向部２３ａを導通させる第２の連結部２３ｂとを有している。

図７では、第１の対向部２２ａと第２の対向部２３ａが細い線で描かれているが、実際は図２に示した第１の対向部１２ａと第２の対向部１３ａと同様に所定の面積を有している。１個の第１の対向部２２ａと１個の第２の対向部２３ａは、互いに同じ面積を有していることが好ましい。

隣り合う第１の対向部２２ａの回転中心線Ｏを基準とした配置の角度と、隣り合う第２の対向部２３ａの回転中心線Ｏを基準とした配置の角度は同じであり、第１の対向部２２ａと第２の対向部２３ａは同じ数だけ設けられている。ただし、第１の対向部２２ａと第２の対向部２３ａは、円周方向の位相が互いに相違している。

図６に示す回転部２７は、回転基板２４と軸部２９と操作部２６を有しており、回転基板２４の回転対向部２４ａに回転電極２５が設けられている。回転電極２５は、第１の対向部２２ａと第２の対向部２３ａに同時に対向できるように形成され、且つ隣り合う２つの第１の対向部２２ａと同時に対向することがなく、且つ隣り合う２つの第２の対向部２２ａと同時に対向することがないように形成されている。

回転部２７は、少なくとも操作部２６が導電性であり、導電体である回転電極２４と操作部２６とが導通されている。図６に示す実施の形態では、回転基板２４と軸部２９ならびに操作部２６が導電性材料で形成されており、例えば導電性樹脂で成形されている。そのため、回転基板２４と回転電極２５を一体に形成することも可能である。ただし、第１の対向部２２ａならびに第２の対向部２３ａと回転電極２５との隙間δ１に比べ、第１の対向部２２ａならびに第２の対向部２３ａと回転基板２４の回転対向部２４ａと隙間δ２が大きくなっている。好ましくは、隙間δ２が隙間δ１の２倍以上である。
図６に示すように導電性の操作部２６の表面は薄い絶縁層２６ａで覆われている。

操作部２６が、導電性で且つ接地電位に近い電位を有する人の指２８で保持されて操作されると、回転電極２５がほぼ接地電位になる。したがって、回転電極２５が回転中心線Ｏを中心として回転すると、回転電極２５と第１の固定検知電極２２との間で、図５（Ａ）に示すのと同じ第１相のエンコード信号Ｅ１が得られ、回転電極２５と第２の固定検知電極２３との間で図５（Ｂ）に示すのと同じ第２相のエンコード信号Ｅ２が得られる。

図８は、本発明の第３の実施の形態の回転式入力装置３１の固定対向面２ａに形成される電極パターンを示している。

この回転式入力装置３１は、回転中心線Ｏから一定の半径でリング状に連続する固定接地電極４２と、第３の固定検知電極４３が形成されている。第３の固定検知電極４３は複数の第３の対向部４３ａ〜４３ｉ（対向部）に分離され、第３の対向部４３ａ〜４３ｉはそれぞれが互いに導通しておらずに独立している。そして、個々の第３の対向部４３ａ〜４３ｉと固定接地電極４２とで、図４に示す回路が構成されている。すなわち、回転式入力装置３１は、第３の対向部４３ａ〜４３ｉの数だけ図４に示す検出回路を有している。

図８に示す固定対向面２ａに対向する回転部は図１に示す回転部３と同じであり、回転基板４の回転対向部４ａに回転電極４５が設けられている。図８に示すように、回転電極４５は、固定接地電極４２と個々の第３の対向部４３ａ〜４３ｉとの双方に微小距離で対向する。

図８に示す回転式入力装置３１は、回転部が回転すると、回転電極４５は、固定接地電極４２と常に対向しながら、第３の対向部４３ａ〜４３ｉに順番に対向していく。回転電極４５がいずれかの第３の対向部に対向すると出力電圧が変化する。出力電圧がどのように変化しているかを検出することで、回転部がどの位置まで回転しているかの絶対角度を知る検出信号を得ることができる。

上記に各種実施形態を示したが、そのいずれの形態においても、回転電極と固定電極は両者の間に微小距離を隔てて対向している。しかし、回転電極及び固定電極を絶縁物でコーティングして固定電極と回転電極を接触させて摺動させるようにしても良い。

また、各種実施形態において、回転基板及び固定基板を円板としているが、各電極の配置が円形であればよく、回転基板自体は任意の形状で良い。

また、回転式入力装置として用いるにあたり、回転入力時に節度感を与える機構を別途設けても良い。

１、２１、３１回転式入力装置
２固定基板
２ａ固定対向面
３回転部
４、２４回転基板
４ａ、２４ａ回転対向部
６、２６操作部
１１、４２固定接地電極
１２、２２第１の固定検知電極
１２ａ、２２ａ第１の対向部（対向部）
１２ｂ、２２ｂ第１の連結部
１３、２３第２の固定検知電極
１３ａ、２３ａ第２の対向部（対向部）
１３ｂ、２３ｂ第２の連結部
１５、２５、４５回転電極
４３第３の固定検知電極
４３ａ〜４３ｉ第３の対向部（対向部）

Claims

固定対向面と、前記固定対向面に対向する回転対向部と、前記回転対向部を回転させる操作部とが設けられた回転式入力装置において、
前記固定対向面は１つであり、この１つの前記固定対向面に、前記回転対向部の回転中心と同一の中心をもつ円周方向に向けて一定の間隔で配置された複数の対向部を有する固定電極が設けられ、前記回転対向部は前記固定対向面の上方に配置され、この前記回転対向部の下面に、前記固定電極と対向すると共に、前記複数の対向部と静電容量結合を行う回転電極が設けられていることを特徴とする回転式入力装置。
前記固定電極は、前記回転対向部の回転中心と同心であると共に異なる円周のそれぞれに沿って形成された第１の固定検知電極及び第２の固定検知電極とで構成されており、
前記第１の固定検知電極は、前記異なる円周の一方に間隔を空けて配置された前記複数の対向部をなす複数の第１の対向部と、それら複数の第１の対向部を導通させる第１の導通部とを有し、
前記第２の固定検知電極は、前記異なる円周の他方に間隔を空けて配置された、前記複数の対向部をなす複数の第２の対向部と、それら複数の第２の対向部を導通させる第２の導通部とを有しており、
前記第１の対向部と前記第２の対向部は、前記異なる円周の一方及び他方のそれぞれに沿って形成されたリング体が、周方向に所定の角度幅をもち、且つ、同一の角度間隔で分断されて形成されると共に、前記各円周方向において、それらの位相が互いに相違している請求項１記載の回転式入力装置。
前記固定電極は、前記第１の固定検知電極と前記第２の固定検知電極との間に、前記回転対向部の回転中心と同一の中心を持つリング状の固定接地電極を有する請求項２記載の回転式入力装置。
前記回転電極は、前記複数の第１の対向部のうちの一つと前記複数の第２の対向部１３ａのうちの一つとに同時に対向するように形成されると共に、前記複数の第1の対向部のうちで互いに隣り合う第１の対向部とは同時に対向せず、かつ、前記複数の第２の対向部のうちで互いに隣り合う第２の対向部とは同時に対向しないように形成される請求項２記載の回転式入力装置。
前記回転電極と前記操作部とが電気的に導通しており、人の指が前記操作部を操作することによって、前記回転電極が接地電位に設定される請求項３または４記載の回転式入力装置。
前記固定電極は、前記複数の対向部をなす複数の第３の固定検知電極を有し、
それら複数の第３の固定電極は、前記回転対向部の回転中心と同心のリング体が、周方向に所定の角度幅をもち、且つ、同一の角度間隔で分断されて形成されてなり、
前記回転対向部の回転に伴う静電容量の変化によって、前記複数の第３の対向部ごとに得られる個別の入力信号に基づいて回転角度を検出する請求項１記載の回転式入力装置。