JP6136462B2 - 押圧検出センサ、および操作入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作部の押圧を検出する押圧検出センサおよびこの押圧検出センサを備える操作入力装置に関する。

従来、押圧を検出する押圧検出センサが各種考案されており、特許文献１には、圧電薄膜を用いた押圧検出センサが記載されている。

特許文献１に記載の押圧検出センサは、両主面に電極が形成された平板状の圧電薄膜を備える。圧電薄膜の各角部には、支持柱が配設されており、圧電薄膜は、当該支持柱により、平板状の支持基板に対して平行且つ間隔を空けて設置されている。この圧電薄膜の主面に押圧力を加えると、押圧力に応じた電荷が発生する。この電荷によって両主面の電極間に生じる電圧は、押圧力に依存している。しがって、特許文献１に記載の押圧検出センサの後段に検出回路を接続し、当該検出回路で電圧を検出することにより、押圧力を検出している。

特開２０００−２７５１１４号公報

上述の特許文献１に記載の押圧検出センサでは、押圧力を検出することはできるが、面内での押圧位置を検出することはできない。したがって、当該押圧検出センサを備える電子機器において、複数の押圧位置を検出するためには、位置検出を行いたい箇所毎に当該押圧検出センサを配置しなければならない。すなわち、検出位置分の数の押圧検出センサを、電子機器に配置しなければならない。この場合、押圧検出センサ毎に検出回路を必要とする。したがって、押圧力と押圧位置を検出する構造体が複雑且つ大きなものになってしまう。

また、圧電薄膜の主面に、検出位置毎で個別の電極パターンを形成することで、押圧検出センサを複数配置しない構成を実現できるが、検出回路は電極パターン分だけ必要となり、この構成であっても、構造の簡素化および小型化を容易に実現できない。さらに、この構成では、電極パターンが複雑化することがあり、圧電薄膜上に容易に電極パターンを形成しにくい。特に、樹脂系の圧電薄膜を用いる場合には、電極をパターニングして形成することが難しい。

したがって、本発明の目的は、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能であって、構造が簡素で且つ後段回路も含めた操作入力装置全体を小型化できる押圧検出センサを実現することにある。

この発明の押圧検出センサは、絶縁性基板、複数組のスイッチ用導体、スイッチ接続導体、操作受付基板、圧電性フィルム、第１押圧検出導体、および第２押圧検出導体を備える。絶縁性基板は、操作面に平行な主面を有する。複数組のスイッチ用導体は、絶縁性基板の操作面側の主面のそれぞれ異なる位置に配置されている。スイッチ接続導体は、複数組のスイッチ用導体に対向し、操作面に直交する方向に見て各組のスイッチ用導体に重なる領域に形成されている。操作受付基板は、スイッチ接続導体を備え、該スイッチ接続導体の配置面と反対側の面が操作面となる。圧電性フィルムは、絶縁積基板における操作面側の主面と反対側の面に配置されている。第１押圧検出導体は、絶縁性基板と圧電性フィルムとの間に配置され、複数のスイッチ用導体に接続する。第２押圧検出導体は、平膜状からなり、絶縁性基板とともに圧電性フィルムを挟持する。

この構成では、操作受付基板におけるいずれかのスイッチ用導体の領域が押し込まれると、操作受付基板は湾曲し、押し込んだ領域のスイッチ接続導体がスイッチ用導体を導通する。この導通により、圧電性フィルムを挟む第１押圧検出導体と第２押圧検出導体間に押圧力検出のためのバイアス電圧が印加される。

また、スイッチ接続導体がスイッチ用導体に接触することで、絶縁性基板および圧電性フィルムが押し込まれて変位する。これにより、押圧力に応じた電荷が圧電性フィルムから発生し、バイアス電圧に重畳され、検出用電圧として検出可能になる。

したがって、上述の構成とすることで、押圧力が検出できるとともに、導通したスイッチ用導体を検出することで押圧位置も検出することができる。これにより、１枚の圧電性フィルムにより、押圧力と押圧位置とを検出できる。また、圧電性フィルムに複雑な電極パターンを形成することなく、押圧力と押圧位置とを検出できる。さらに、圧電性フィルムを第１押圧検出導体と第２押圧検出導体で挟持する構造であるので、第１押圧検出導体と第２押圧検出導体を外部回路に接続する際にも、圧電性フィルムに高熱が加わらず、当該圧電性フィルムの変形や特性劣化が生じない。また、押圧位置に関係なく、圧電性フィルムの変位による電荷から得られる検出電圧が一組の第１押圧検出導体と第２押圧検出導体から出力されるので、後段の検出回路を一つ設ければよい。これにより、複数位置に対する押圧力検出と押圧位置検出の検出回路を簡素化できる。

また、この発明の押圧検出センサの第２押圧検出導体は、対向する２辺のみで絶縁性基板に固定されていることが好ましい。

この構成では、押圧位置によって圧電性フィルム内で生じる発生電荷の相殺が抑制される。これにより、押圧位置に起因する圧電性フィルムから発生する電荷量の位置ムラを抑圧することができる。

また、この発明の押圧検出センサの第２押圧検出導体は、操作面に直交する方向から見て、対向する２辺が辺に沿った両端から中央に向かって圧電性フィルムから離間するように湾曲した形状からなることが好ましい。

この構成では、押圧力に対する変位量の押圧位置による相違が抑制される。これにより、押圧位置に起因する圧電性フィルムから発生する電荷量の位置ムラを、さらに抑圧することができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、圧電性フィルムはポリ乳酸からなることが好ましい。

この構成では、変位量に対する電荷発生量を向上させることができる。これにより、押圧力の検出感度を向上させることができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、操作受付基板は、スイッチ接続導体の形成面に、該スイッチ接続導体よりも高い突起部を備えることが好ましい。

この構成では、押圧力が強くても、突起部によって操作受付基板が絶縁性基板に近づく距離を規制できる。したがって、複数のスイッチ用導体が同時に導通することを抑制でき、押圧位置の検出精度を向上させることができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、複数組のスイッチ用導体は、操作面に直交する方向に見て、円周上に沿って配列して配置されている。

この構成では、各スイッチ用導体の組の間隔を広げやすく配置することができる。これにより、複数のスイッチ用導体が同時に導通するように押圧することを抑制でき、押圧位置の検出精度を向上させることができる。

また、この発明の操作入力装置は、上述のいずれかに記載の押圧検出センサと、圧電性フィルムで発生する電荷を電圧変換する電圧変換回路と、電圧変換回路の出力電圧から押圧力を検出し、複数組のスイッチ用導体から導通したスイッチ用導体の組を検出する検出回路と、を備える。

この構成では、押圧検出センサを備えることで、検出回路が一つであっても複数の押圧位置を検出できる。これにより、操作入力装置を簡素な構成で小型に構成することができる。

この発明によれば、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能な押圧検出センサを簡素な構造で且つ容易に形成することができる。また、この発明によれば、押圧検出センサの後段の検出回路を簡素化できる。これにより、小型化のタッチ式入力装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの構成を示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの押圧操作状態を示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る操作入力装置の回路ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る操作入力装置の押圧操作状態での回路ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。

本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサおよびタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの構成を示す側面断面図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。

押圧検出センサ１は、圧電センサ１０、スイッチ用導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ，２１Ｆ，２１Ｇ，２１Ｈ，２１Ｉ，２１Ｊ，２１Ｋ，２１Ｌ，２１Ｍ，２１Ｎ（以下、単にこれらの集まりを表す場合は２１Ａ〜２１Ｎと称する），２１Ｐ，２１Ｑ、スイッチ接続導体２４、筐体３０、絶縁性基板４０、操作受付基板５０を備える。

筐体３０は、表面側が開口する内部空間３１を備える。内部空間３１内には、筐体３０の底壁から立設する支持柱３２が形成されている。

絶縁性基板４０は、矩形の平板からなり、その外周端辺が裏面側から支持柱３２によって支持されている。すなわち、絶縁性基板４０は、裏面側の外周辺部を除いて筐体３０に接しないよう、筐体３０の内部空間３１に配置されている。絶縁性基板４０は、比較的高い弾性を有する材料からなり、例えばガラスエポキシ樹脂からなる。

絶縁性基板４０の操作面側の面（表面）には、スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑが形成されている。スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑは、複数の導体パターンからなる。なお、図２では、スイッチ導体２１Ａ，２１Ｉと除き、具体的な記号の記載を省略しているが、スイッチ用導体２１Ａ，２１Ｉと同じ構造からなる。また、本実施形態では、１６個のスイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑを備える例を示したが、押圧検出位置の必要数や分解能に応じて、個数は適宜設定すればよい。

スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑは、絶縁性基板４０の表面の所定位置ＰＯを中心とし、所定の半径となる円の円周上に沿って配置されている。スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑは、所定の角度間隔、例えば本実施形態では、２２．５°間隔で配置されている。なお、ここでは、複数のスイッチ用導体を等角度間隔で配置しているが、この間隔を不均一にしてもよい。

スイッチ用導体２１Ａは、個別導体２２Ａ，２３Ａからなる。個別導体２２Ａ，２３Ａは分離されている。個別導体２２Ａ，２３Ａは、長尺状の導体であり、互いの長尺方向が一致するように平行に配置されている。個別導体２２Ａ，２３Ａは、長尺方向が、円の接線に直交し、当該円の中心ＰＯ側と逆の外方に放射するように配置されている。個別導体２３Ａは二本であり、長尺方向に直交する方向において個別導体２２Ａを挟むように、所定の間隔を空けて配置されている。二本の個別導体２３Ａは、個別導体２２Ａにおける円の中心ＰＯ側の端部よりも中心ＰＯ側に形成された共通導体２３０によって接続されている。

スイッチ用導体２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ，２１Ｆ，２１Ｇ，２１Ｈ，２１Ｉ，２１Ｊ，２１Ｋ，２１Ｌ，２１Ｍ，２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑも、スイッチ用導体２１Ａと同様に、放射状に形成されている。そして、全てのスイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑの個別導体２３Ａ〜２３Ｎ，２３Ｐ，２３Ｑが、共通導体２３０によって接続されている。この共通導体２３０は、絶縁性基板４０に形成された導体パターン（例えば、導電性ビア導体）によって、後述する圧電センサ１０の第１押圧検出導体１２に接続されている。

絶縁性基板４０の表面側（操作面側）には、当該絶縁性基板４０から所定距離離間して、操作受付基板５０が配置されている。操作受付基板５０は、平板状であり、筐体３０の開口面に配置されている。操作受付基板５０は、その外周端辺が筐体３０の側壁によって支持されている。言い換えれば、操作受付基板５０により、筐体３０の開口が閉じられている。操作受付基板５０は、可撓性を有する材料からなり、例えば、ＰＥＴフィルム等からなる。操作受付基板５０は、平板面に対して外部から外力を加えない状態では、湾曲しない程度の強度を有するように形成されている。

操作受付基板５０の絶縁性基板４０側の面（裏面）には、スイッチ接続導体２４が形成されている。スイッチ接続導体２４は、操作受付基板５０の裏面に対して部分的に***する形状からなる台座５１上に形成されている。

スイッチ接続導体２４および台座５１は、操作面に直交する方向から見て、円環形状に形成されている。スイッチ接続導体２４は、に直交する方向から見て、スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑと重なるように、配置されている。

このような構成により、操作受付基板５０の操作面の所定位置に外部から押圧力を加えると、当該押圧位置を中心として、操作受付基板５０が筐体３０の内側に湾曲する。これにより、スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑの内の押圧位置の最も近いスイッチ用導体２１を構成する個別導体２２，２３とスイッチ接続導体２４とが接触する。このため、個別導体２２，２３が導通し、スイッチが導通状態となる。例えば、操作面におけるスイッチ用導体２１Ａ近傍の領域に押圧力が加わった場合、個別導体２２Ａ，２３Ａが、スイッチ接続導体２４に接触して導通する。また、操作面におけるスイッチ用導体２１Ｉ近傍の領域に押圧力が加わった場合、個別導体２２Ｉ，２３Ｉが、スイッチ接続導体２４に接触して導通する。したがって、導通したスイッチを検出することで、押圧位置を検出することができる。

なお、操作受付基板５０の絶縁性基板４０と反対側の面（表面）には、キートップ５００が配置されている。キートップ５０は、所定の硬さを有する平板からなる。このキートップ５０が形成された操作受付基板５０の表面が、押圧検出センサ１の操作面となる。このようなキートップ５０は、省略することもできるが、所定の硬さを有するキートップ５０を備えることで、操作者が操作面を押圧する際の操作性を向上させることができる。

また、操作受付基板５０の裏面には、当該裏面から突起する突起部５２が形成されている。突起部５２は、スイッチ接続導体２４よりも外周辺側に配置されている。この際、突起部５２は、操作面に直交する方向に見て、スイッチ接続導体２４の形成領域を、内包するように、全周に亘って形成するとよい。

突起部５２の高さは、台座５１とスイッチ接続導体２４の高さ（厚み）よりも高い。この高さは、操作受付基板５０の操作面に押圧を加えたことにより操作受付基板５０が絶縁性基板４０に近づくように湾曲しても、一つのスイッチ用導体２１とスイッチ接続導体２４とが当接し、他のスイッチ用導体とスイッチ接続導体２４が接続しないような高さに設定されている。すなわち、この突起部５２の高さは、仕様や押圧位置の検出分解能、操作受付基板５０の可撓性等に基づいて、適宜設定すればよい。このような高さにすることで、押圧力によって押圧位置の検出分解能が低下することを抑制できる。言い換えれば、操作面を必要以上に強く押しても、検出分解能が低下せず、押圧位置を精度良く検出することができる。

また、突起部５２は、操作面に直交する方向に見て、支持柱３２と重なるようにするとよい。これにより、突起部５２が絶縁性基板４０に接触しても、絶縁性基板４０が湾曲しないので、突起部５２が絶縁性基板４０に接触しても、圧電センサ１０に外部応力が加わらない。したがって、突起部５２が絶縁性基板４０に接触しても、圧電センサ１０で発生する電荷に影響を与えない。

絶縁性基板４０の裏面には、平膜状の圧電センサ１０が配置されている。この際、絶縁性基板４０の裏面と圧電センサ１０の平膜面とが平行になるように配置されている。

圧電センサ１０は、圧電性フィルム１１、第１押圧検出導体１２、第２押圧検出導体１３を備える。圧電性フィルム１１は矩形の平膜からなる。圧電性フィルム１１は、図２に示すように、操作面に直交する方向に見て、スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑの形成領域を含むように、配置されている。

第１押圧検出導体１２は、圧電性フィルム１１における絶縁性基板４０側の面（表面）に配置されている。第２押圧検出導体１３は、圧電性フィルム１１における絶縁性基板４０と反対側の面（裏面）に配置されている。第２押圧検出導体１３は、圧電性フィルム１１よりも広い面積からなり、操作面に直交する方向に見て、圧電性フィルム１１と重ならない領域を有する。第２押圧検出導体１３における圧電性フィルム１１と重ならない領域の四側辺は、導電性接着材等の導電性接続部材１４によって、絶縁性基板４０の裏面の導体パターンに所定幅で固定されている。これにより、絶縁性基板４０と第２押圧検出導体１３とにより、第１押圧検出導体１２と圧電性フィルム１１との積層膜を挟持する構造が実現される。このような構造とすることで、絶縁性基板４０の裏面に平膜状の圧電センサ１０が装着された構成を実現ができる。

そして、この構成では、圧電センサ１０は、後段回路や電源供給部に対して、絶縁性基板４０に配設された導体パターンによって接続される。これにより、従来のように、圧電性フィルム１１に高熱の熱履歴を加えることなく、圧電センサ１０を後段回路や電源供給部に接続することができる。したがって、圧電性フィルム１１の変形や特性劣化を防止でき、圧電センサ１０の特性劣化を防止できる。

なお、この構成では、圧電性フィルム１１と第１押圧検出導体１２との間、第１押圧検出導体１２と絶縁性基板４０との間、圧電性フィルム１１と第２押圧検出導体１３との間に、導電性接着材等を用いてもよい。しかしながら、圧電性フィルム１１と第１押圧検出導体１２は、絶縁性基板４０と第２押圧検出導体１３間に挟持されているので、導電性接着材等を用いなくても、これらの部材を固定することができる。そして、導電性接着を用いないことで、押圧検出センサ１の構成要素を少なくでき、製造が容易であり、安価に押圧検出センサ１を実現することができる。

なお、圧電センサ１０の圧電性フィルム１１は、次の構成であることが好ましい。

圧電性フィルム１１は、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を用いている。ＰＬＬＡは、一軸延伸されている。

圧電性フィルム１１の一軸延伸方向は、例えば、矩形を構成する直交二軸のいずれかに略平行である。なお、この角度は一例であり、設計に応じて定める設計事項であるが、平板面が押圧された時に生じる主たる応力の方向に対して４５°となるようにすることが好ましい。

このようなキラル高分子からなるＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電性フィルムの平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧により平板面が、当該平板面に直交する方向へ変位する変位量によって一意的に決定される。一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。したがって、押圧による変位を高感度に検出することができる。

なお、延伸倍率は３〜８倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えばある方向をＸ軸としてその方向に８倍、その軸に直交するＹ軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそＸ軸方向に４倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。

また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦやＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

また、ＰＬＬＡは比誘電率が約２．５と非常に低いため、ｄを圧電定数とし、ε^Ｔを誘電率とすると、圧電出力定数（＝圧電ｇ定数、ｇ＝ｄ／ε^Ｔ）が大きな値となる。ここで、誘電率ε_３３ ^Ｔ＝１３×ε_０，圧電定数ｄ_３１＝２５ｐＣ／ＮのＰＶＤＦの圧電ｇ定数は、上述の式から、ｇ_３１＝０．２１７２Ｖｍ／Ｎとなる。一方、圧電定数ｄ_１４＝１０ｐＣ／ＮであるＰＬＬＡの圧電ｇ定数をｇ_３１に換算して求めると、ｄ_１４＝２×ｄ_３１であるので、ｄ_３１＝５ｐＣ／Ｎとなり、圧電ｇ定数は、ｇ_３１＝０．２２５８Ｖｍ／Ｎとなる。したがって、圧電定数ｄ_１４＝１０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡで、ＰＶＤＦと同様の押圧力の検出感度を十分に得ることができる。そして、本願発明の発明者らは、ｄ_１４＝１５〜２０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡを実験的に得ており、当該ＰＬＬＡを用いることで、さらに非常に高感度に押圧力を検出することが可能になる。

以上のように、圧電性フィルム１１にＰＬＬＡを用いることで、押圧力に対して高感度で、且つ信頼性の高い圧電センサ１０を実現することができる。

このような構成からなる押圧検出センサ１に対して、図３の回路ブロック図に示すような回路構成で操作入力装置１００が実現できる。図３は本発明の第１の実施形態に係る操作入力装置の回路ブロック図である。

操作入力装置１００は、圧電センサ１０、スイッチ部２０、電圧変換部１０１、および検出部１０２を備える。スイッチ部２０は、上述のスイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑとスイッチ接続導体２４とから構成される複数のスイッチが並列接続してなる。電圧変換部１０１は、コンデンサＣ１、オペアンプＵ１を備える。

圧電センサ１０の一方端（第１押圧検出導体１２）は、スイッチ部２０を介して抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との接続点に接続されている。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とは、駆動電圧印加端子Ｖｄｄとグランドとの間に直列接続されている。圧電センサ１０には、コンデンサＣ１が並列接続されている。圧電センサ１０の他方端（第２押圧検出導体１３）は、オペアンプＵ１の非反転入力端子に接続されている。

オペアンプＵ１の出力端は、オペアンプＵ１の反転入力端子に接続されている。この構成により、バッファ回路が実現される。オペアンプＵ１には、駆動電圧印加端子Ｖｄｄから駆動電圧が供給されている。オペアンプＵ１の出力端は、検出部１０２に接続されている。

このような構成では、スイッチ部２０における導通したスイッチを介して、圧電センサ１０にバイアス電圧が印加される。圧電センサ１０の圧電性フィルム１１は変位量に応じた電荷を発生する。したがって、圧電性フィルム１１に変位が生じた場合、その変位量に応じてオペアンプＵ１の入力電位が変化する。この際、コンデンサＣ１を圧電センサ１０に並列に接続することで、変位による発生した電荷の消滅時間を長くすることができる。オペアンプＵ１は、この圧電センサ１０からの出力電位（オペアンプＵ１の入力電位）と基準電位との差からなる電圧信号をバッファリングして出力する。

検出部１０２は、オペアンプＵ１の出力信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングして、デジタルの出力データに変換して、所定時間積算する。検出部１０２は、積算した出力データから押圧力を検出する。

また、検出部１０２は、スイッチ部２０に接続されている。検出部１０２は、スイッチ回路２０における導通したスイッチを検出する。導通したスイッチは、例えば、導通したスイッチと導通していないスイッチとの電気特性の差から検出することができる。

このような構成とすることで、押圧力と押圧位置とを検出することができる。

次に、より具体的な操作例を用いて、押圧位置と押圧力の検出方法を説明する。図４は本発明の第１の実施形態に係る押圧検出センサの押圧操作状態を示す側面断面図である。図５は本発明の第１の実施形態に係る操作入力装置の押圧操作状態での回路ブロック図である。なお、図４、図５では、スイッチ用導体２１Ａの領域を押圧した場合を示すが、他のスイッチ用導体の領域においても、同様の挙動により、押圧位置と押圧力を検出できる。

図４に示すように、操作者が操作受付基板５０の表面におけるスイッチ用導体２１Ａの領域を押圧する。操作受付基板５０の外周端辺は筐体３０に固定されているので、この押圧動作によって、操作受付基板５０は、図３に示すように、押圧位置を中心として平面状に裏面側へ押し込まれるようにして凹む。言い換えれば、操作受付基板５０の裏面は、押圧位置が絶縁性基板４０に最も近くなるように変形する。これにより、スイッチ接続導体２４におけるスイッチ用導体２１Ａに対向する領域が、スイッチ用導体２１Ａの個別導体２２Ａ，２３Ａに近接していく。そして、所定の押圧力以上になると、スイッチ接続導体２４が個別導体２２Ａ，２３Ａの表面に当接する。これにより、個別導体２２Ａ，２３Ａが導通し、スイッチが導通状態となる。スイッチが導通状態となることで、図５に示すように、バイアス電圧を印加する駆動電圧印加端子Ｖｄｄと圧電センサ１０とがスイッチ２１Ａを介して接続し、圧電センサ１０にバイアス電圧が印加される。

そして、操作受付基板５０のスイッチ接続導体２４と絶縁性基板４０のスイッチ用導体２１Ａとが接触した状態で、さらに押圧力が加わると、絶縁性基板４０が裏面側に押し込まれ、湾曲する。この絶縁性基板４０の湾曲にしたがって、絶縁性基板４０の裏面に当接する圧電センサ１０も湾曲する。すなわち、圧電性フィルム１１が湾曲して、変位する。この変位により、圧電性フィルム１１は電荷を発生する。圧電性フィルム１１の発生する電荷量は変位量に依存する。圧電性フィルム１１の発生した電荷は、第１押圧検出導体１２、第２押圧検出導体１３によって取得され、圧電センサ１０の出力端（上述のオペアンプＵ１に接続する端子）の電位が変化する。この電位の変化により、オペアンプＵ１の出力信号の電圧は変化し、当該変化量から検出部１０２で押圧力を検出することができる。

このように、本実施形態の構成を用いることで、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能な押圧検出センサを、１枚の圧電性フィルムのみを用いて実現することができる。これにより、押圧検出センサを簡素な構造で且つ容易に形成することができる。また、複数の押圧位置の検出に１枚の圧電性フィルムのみを用いるため、複数の位置のそれぞれに圧電性フィルムを備える圧電センサを配置する場合に生じる、センサ間のクロストークを防止することができる。これにより、検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態の構成を用いることで、押圧位置を検出するスイッチが導通することで、圧電センサ１０に電圧供給されるので、消費電力を低減することができる。圧電センサ１０に通電する時間を短くできるので、経時通電による圧電センサ１０の特性劣化を抑制することができる。

さらに、本実施形態の構成を用いることで、複数の押圧位置を検出する態様であっても押圧検出センサの出力端子は一つでよいので、押圧検出センサの後段の検出回路も一つで済み、検出回路を簡素化できる。これにより、操作入力装置を小型に形成することができる。

さらに、本実施形態の構成を用いることで、圧電性フィルム１１を、剛性を有する絶縁性基板４０に貼り付ける構造となることで、圧電性フィルムの寿命を長くすることができる。また、この絶縁性基板４０に導体パターンを形成して、上述のオペアンプＵ１やコンデンサＣ１、検出回路１０２を実装することができ、操作入力装置１００を小型に形成することができる。

さらに、本実施形態の構成を用いることで、スイッチ用導体２１Ａ〜２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑが円周上に配置され、限られた領域内において隣り合うスイッチ用導体の間隔を広くすることができる。これにより、押圧位置の検出分解能を向上させることができる。

なお、上述の構成では、スイッチ回路２０を圧電センサ１０の駆動電圧印加端子Ｖｄｄ側に接続する例を示したが、スイッチ回路２０を圧電センサ１０とオペアンプＵ１との間に接続してもよい。ただし、スイッチ回路２０の損失を考慮すると、スイッチ回路２０を圧電センサ１０の駆動電圧印加端子Ｖｄｄ側に接続した方が好ましい。また、駆動電圧印加端子Ｖｄｄと抵抗Ｒ１およびオペアンプＵ１との接続点に、スイッチ回路２０を配置してもよい。この場合、オペアンプＵ１での消費電力も低減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る押圧検出センサについて、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。図６におけるハッチング部は、第２押圧検出導体１３Ａが絶縁性基板４０に当接して固定されている領域である。

本実施形態に係る押圧検出センサ１０Ａは、第１の実施形態に係る押圧検出センサ１０に対して、第２押圧検出導体１３Ａの絶縁性基板４０に対する固定構造が異なるものである。また、この構成により、圧電性フィルム１１の一軸延伸方向が異なる。その他の構成については、第１の実施形態に係る押圧検出センサ１０と同じであり、説明は省略する。

第２押圧検出導体１３は、対向する二側辺のみが絶縁性基板４０に固定されている。このような構成では、固定されていない二側辺が伸長および変位に対して自由端となる。したがって、操作面が押圧されると、圧電性フィルム１１は、固定される二側辺を結ぶ方向を主として伸長する。これは、押圧位置に依存することなく同じである。

このような構成とすることで、圧電性フィルム１１が発生する電荷は、押圧位置によることなく同符号となる。これにより、圧電性フィルム１１で発生する電荷は、圧電性フィルム１１内で相殺されない。したがって、押圧力に対する検出感度を向上させることができる。

さらに、圧電性フィルム１１を、固定された二側辺に対して４５°を成す方向が一軸延伸方向となるように配置する。これにより、押圧力に対する検出感度をさらに向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る押圧検出センサについて、図を参照して説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。図７におけるハッチング部は、第２押圧検出導体１３Ｂが絶縁性基板４０に当接して固定されている領域である。

本実施形態に係る押圧検出センサ１０Ｂは、第２の実施形態に係る押圧検出センサ１０Ａに対して、第２押圧検出導体１３Ｂの形状が異なるものである。その他の構成については、第２の実施形態に係る押圧検出センサ１０Ａと同じであり、説明は省略する。

第２押圧検出導体１３Ｂは、対向する二側辺のみが絶縁性基板４０に固定されている。第２押圧検出導体１３Ｂは、この固定される二側辺が、操作面に直交する方向から見て湾曲する形状で形成されている。より具体的には、固定される二側辺の中央部における二側辺間の距離Ｌｃが当該二側辺の両端部における二側辺間の距離Ｌｅよりも長くなるように（Ｌｃ＞Ｌｅ）、第２押圧検出導体１３Ｂは形成され、絶縁性基板４０に固定されている。

このような構成では、固定されていない二側辺が伸長および変位に対して自由端となる。さらに、第２押圧検出導体１３Ｂに固定される圧電性フィルム１１における押圧位置による変位量の差が小さくなる。したがって、押圧位置の違いによる押圧力に対する検出感度の差を小さくできる。これにより、押圧位置に依存することなく、同じ検出感度で押圧力を検出することができる。

さらに、圧電性フィルム１１を、固定された二側辺に対して４５°を成す方向が一軸延伸方向となるように配置する。これにより、押圧力に対する検出感度をさらに向上させることができる。

１：押圧検出センサ、
１０，１０Ａ，１０Ｂ：圧電センサ、
１１：圧電性フィルム、
１２：第１押圧検出導体、
１３，１３Ｂ：第２押圧検出導体、
２０：スイッチ部、
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ，２１Ｆ，２１Ｇ，２１Ｈ，２１Ｉ，２１Ｊ，２１Ｋ，２１Ｌ，２１Ｍ，２１Ｎ，２１Ｐ，２１Ｑ：スイッチ用導体、
２２Ａ，２３Ａ，２２Ｉ，２３Ｉ：個別導体、
２４：スイッチ接続導体、
３０：筐体、
３１：内部空間、
３２：支持柱、
４０：絶縁性基板、
５０：操作受付基板、
５１：台座、
５２：突起部、
１００：操作入力装置、
１０１：電圧変換部、
１０２：検出部、
５００：キートップ、
Ｃ１：コンデンサ、
Ｕ１：オペアンプ

Claims (7)

1. 操作面に平行な主面を有する絶縁性基板と、
   該絶縁性基板の操作面側の主面のそれぞれ異なる位置に配置された複数組のスイッチ用導体と、
   該複数組のスイッチ用導体に対向し、前記操作面に直交する方向に見て各組のスイッチ用導体に重なる領域に形成されたスイッチ接続導体と、
   該スイッチ接続導体を備え、該スイッチ接続導体の配置面と反対側の面が前記操作面となる操作受付基板と、
   前記絶縁性基板における前記操作面側の主面と反対側の面に配置された圧電性フィルムと、
   前記絶縁性基板と前記圧電性フィルムとの間に配置され、前記複数のスイッチ用導体に接続する第１押圧検出導体と、
   前記絶縁性基板とともに前記圧電性フィルムを挟持する平膜状の第２押圧検出導体と、
   を備えた、押圧検出センサ。
2. 前記第２押圧検出導体は、対向する２辺のみで前記絶縁性基板に固定されている、
   請求項１に記載の押圧検出センサ。
3. 前記第２押圧検出導体は、前記操作面に直交する方向から見て、前記対向する２辺が辺に沿った両端から中央に向かって前記圧電性フィルムから離間するように湾曲した形状からなる、
   請求項２に記載の押圧検出センサ。
4. 前記圧電性フィルムは、ポリ乳酸からなる、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の押圧検出センサ。
5. 前記操作受付基板は、前記スイッチ接続導体の形成面に、該スイッチ接続導体よりも高い突起部を備える、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の押圧検出センサ。
6. 前記複数組のスイッチ用導体は、前記操作面に直交する方向に見て、円周上に沿って配列して配置されている、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の押圧検出センサ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の押圧検出センサと、
   前記圧電性フィルムで発生する電荷を電圧変換する電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路の出力電圧から押圧力を検出し、前記複数組のスイッチ用導体から導通したスイッチ用導体の組を検出する検出回路と、を備えた操作入力装置。

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