特許 7651795 入力装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-18

(45)【発行日】2025-03-27

(54)【発明の名称】入力装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/044 20060101AFI20250319BHJP

【ＦＩ】

G06F3/044 140

G06F3/044 128

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024505908

(86)(22)【出願日】2022-12-19

(86)【国際出願番号】 JP2022046576

(87)【国際公開番号】W WO2023171075

(87)【国際公開日】2023-09-14

【審査請求日】2024-03-01

(31)【優先権主張番号】P 2022037453

(32)【優先日】2022-03-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】松田 厚志

【審査官】塩屋 雅弘

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／１８７３９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－００４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２０１１１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｆ ３／０４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、
前記第１電極の裏側に設けられた弾性誘電体と、
前記第１電極との間に前記弾性誘電体を挟んで設けられた第２電極と、
前記第１電極の表側に位置する操作面に対する検出対象物の近接、接触、及び押圧を前記第１電極の出力に基づいて検出する検出部と、
前記第２電極に隣接して設けられる第３電極と
を含み、
前記第３電極は、前記検出部により前記検出対象物の押圧が検出される際に一定電位に保持される、入力装置。

【請求項2】

前記検出部は、前記第１電極の絶対自己容量に基づいて前記検出対象物の近接又は接触を検出するとともに、前記第１電極と前記第２電極との間の相互容量に基づいて前記検出対象物による押圧を検出する、請求項１に記載の入力装置。

【請求項3】

前記第１電極、前記第２電極、及び前記第３電極は、前記検出部により前記検出対象物の近接又は接触が検出される際に、いずれも同一周波数、同位相の交流電圧が印加される、請求項２に記載の入力装置。

【請求項4】

前記第１電極及び前記第３電極は、前記検出部により前記検出対象物の押圧が検出される際に一定電位に保持され、
前記第２電極は、前記検出部により前記検出対象物の押圧が検出される際に、所定の交流電圧が印加される、請求項２に記載の入力装置。

【請求項5】

前記第３電極は、前記第２電極の周囲を取り囲むように設けられている、請求項１に記載の入力装置。

【請求項6】

前記第１電極の面積は、前記第２電極の面積より大きく、
平面視において、前記第１電極の外縁のすべては、前記第２電極の外縁よりも外側に配置される、請求項１記載の入力装置。

【請求項7】

前記第１電極及び前記第２電極は、互いに相似形の電極形状を有しており、中心位置同士が平面視で一致している、請求項６に記載の入力装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、入力装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、指示体によるタッチ位置を検出するセンサ電極が形成された、平面視にて矩形状のタッチセンサ基板と、前記タッチセンサ基板における一方の面に固定され、前記指示体により押圧されるカバーパネルと、前記カバーパネルにおける前記指示体により押圧される面とは反対側の面の表示領域外に形成された第１電極と、前記タッチセンサ基板における前記一方の面の表示領域外に形成された第２電極とを備える、タッチパネルがある。

【0003】

平面視にて前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一部が重なっており、前記第２電極は、前記タッチセンサ基板の少なくとも１つのコーナー部に形成されると共に、前記センサ電極とは電気的に分離されており、前記カバーパネルにおける前記指示体により押圧される面が押圧されたときの前記第１電極と前記第２電極との間の距離の変化を、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量の変化として測定することで、前記指示体により前記カバーパネルを介して前記タッチセンサ基板が押圧された圧力を検出し、前記カバーパネルにおける前記第１電極の外周側に形成されたグランド電極をさらに備える（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２１－１２５１５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のタッチパネルは、タッチ位置を検出するためのセンサ電極と、押圧を検出するための第１電極及び第２電極とが別々であるため、部品点数が多く、構成が簡易ではない。

【0006】

そこで、簡易な構成で検出対象物の近接、接触、及び押圧を検出可能な入力装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の実施形態の入力装置は、第１電極と、前記第１電極の裏側に設けられた弾性誘電体と、前記第１電極との間に前記弾性誘電体を挟んで設けられた第２電極と、前記第１電極の表側に位置する操作面に対する検出対象物の近接、接触、及び押圧を前記第１電極の出力に基づいて検出する検出部と、前記第２電極に隣接して設けられる第３電極とを含む。

【発明の効果】

【0008】

簡易な構成で検出対象物の近接、接触、及び押圧を検出可能な入力装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態の入力装置１００の平面構成を示す図である。

【図2】図１のＡ－Ａ矢視断面を示す図である。

【図3】各電極に印加する電圧を示す図である。

【図4A】比較用の入力装置１０のシミュレーションモデルの断面構成を示す図である。

【図4B】比較用の入力装置１０における電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5A】比較用の入力装置１０における静電容量の特性を示す図である。

【図5B】比較用の入力装置１０における静電容量の特性を示す図である。

【図5C】比較用の入力装置１０における静電容量の特性を示す図である。

【図6A】実施形態の入力装置１００のシミュレーションモデルの断面構成を示す図である。

【図6B】入力装置１００における電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図6C】入力装置１００における静電容量の特性を示す図である。

【図7】実施形態の第１変形例の入力装置１００Ａの断面構造を示す図である。

【図8】実施形態の第２変形例の入力装置１００Ｃを示す平面図である。

【図9】実施形態の第３変形例の入力装置１００Ｄの平面構成を示す図である。

【図10】図９のＡ－Ａ矢視断面を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の入力装置を適用した実施形態について説明する。

【0011】

＜実施形態＞
図１は、実施形態の入力装置１００の平面構成を示す図である。図２は、図１のＡ－Ａ矢視断面を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。Ｘ軸に平行な方向（Ｘ方向）、Ｙ軸に平行な方向（Ｙ方向）、Ｚ軸に平行な方向（Ｚ方向）は、互いに直交する。また、以下では、説明の便宜上、－Ｚ方向側を下側又は下、＋Ｚ方向側を上側又は上と称す場合があるが、普遍的な上下関係を表すものではない。また、平面視とはＸＹ面視することをいう。また、以下では構成が分かり易くなるように各部の長さ、太さ、厚さ等を誇張して示す場合がある。

【0012】

＜入力装置１００の構成＞
入力装置１００は、トップパネル１０１、基板１０２、弾性誘電体１０３、基板１０４、第１電極１１０、第２電極１２０、第３電極１３０、検出部１４０、駆動部１４１、及びＭＣＵ(micro controller unit)１５０を含む。検出部１４０及びＭＣＵ１５０は、利用者の指先ＦＴとともに図２に示す。

【0013】

利用者は指先ＦＴでトップパネル１０１の操作面（上面）に触れる（接触する）ことで入力装置１００に対して操作入力を行う。指先ＦＴは検出対象物の一例である。入力装置１００は、指先ＦＴ以外でも操作可能であるが、以下では指先ＦＴで操作するものとして説明する。

【0014】

入力装置１００は、利用者の指先ＦＴのトップパネル１０１の操作面への近接、接触、及び押圧を検出し、操作入力の内容を表すデータを入力装置１００に接続される操作対象装置に出力する。入力装置１００は、操作対象装置を遠隔操作するものであってもよく、操作対象装置に一体的に設けられたものであってもよい。また、入力装置１００は、携帯可能であってもよく、壁面等に固定的に設置可能であってもよい。

【0015】

トップパネル１０１は、一例として、透明なガラス製又は樹脂製で上面から押されたときに撓むことが可能で、平面視において矩形状の板状部材であり、上面は利用者が指先ＦＴを接触させて操作入力を行う操作面である。利用者はトップパネル１０１の上面を下方に押圧することもできる。

【0016】

第１電極１１０は、トップパネル１０１の下面側に設けられる基板１０２の上面に配置されている。第１電極１１０の上面側（上方）は、トップパネル１０１に面する表側であり、第１電極１１０の下面側（下方）は、表側とは反対の裏側である。このため、トップパネル１０１の上面である操作面は、第１電極１１０の表側に位置する。第１電極１１０は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極によって構成される。

【0017】

第１電極１１０は、一例として平面視で矩形状であり、ここでは正方形である形態について説明する。第１電極１１０の面積は、第２電極１２０の面積と等しく、平面視において、第１電極１１０の外縁の全体が第２電極１２０の外縁と一致するように配置されている。

【0018】

第１電極１１０は、配線を介して検出部１４０に接続されている。第１電極１１０は、第１電極１１０の絶対自己容量に基づいて指先ＦＴの近接又は接触を検出するために設けられている。第１電極１１０の絶対自己容量は、図２に示す第１電極１１０と指先ＦＴとの間の静電容量Ｃｔである。また、第１電極１１０は、第２電極１２０との間の相互容量に基づいて指先ＦＴによる押圧を検出するために設けられている。相互容量は、図２に示す第１電極１１０と第２電極１２０との間の静電容量Ｃｐである。

【0019】

基板１０２は、第１電極１１０を保持する透明基板であり、トップパネル１０１と同様に、上面から押されたときに撓むことが可能であればよい。基板１０２は、一例として透明なポリイミド製の基板でよい。

【0020】

弾性誘電体１０３は、基板１０２の下方（裏側）に設けられている。基板１０２は、第１電極１１０の下方（裏側）に設けられているため、弾性誘電体１０３は、基板１０２を間に挟んだ状態で、第１電極１１０の下方（裏側）に設けられている。ここで、弾性誘電体１０３の上に基板１０２を設けずに、弾性誘電体１０３の上面に第１電極１１０を直接配置してもよい。すなわち、弾性誘電体１０３が第１電極１１０の下方（裏側）に設けられるとは、基板１０２を間に挟んだ状態で、第１電極１１０の下方（裏側）に間接的に設けられる場合と、基板１０２を間に挟まない状態で、第１電極１１０の下方（裏側）に直接的に設けられる場合との両方を含む意味である。また、第１電極１１０と弾性誘電体１０３との間に、基板１０２の代わりの絶縁層等が設けられる場合や、基板１０２に加えて絶縁層等の構造物が設けられる場合も含まれるものとする。

【0021】

弾性誘電体１０３は、透明で弾性変形可能な誘電体であり、例えばウレタン樹脂で構成される。弾性誘電体１０３は、平面視でトップパネル１０１、第１電極１１０、及び基板１０２と重なる位置に設けられており、Ｚ方向の厚さは均一である。弾性誘電体１０３が弾性変形可能であるため、トップパネル１０１の操作面のうちの検出電極１１１の真上の部分を利用者が指先ＦＴで下方に押圧すると、弾性誘電体１０３が撓んで収縮することにより、第１電極１１０及び基板１０２が下方に僅かに変位する。

【0022】

第２電極１２０は、弾性誘電体１０３の下方に配置される基板１０４の上面に設けられている。すなわち、第２電極１２０は、第１電極１１０との間に基板１０２及び弾性誘電体１０３を挟んで設けられている。第２電極１２０は、一例として、平面視で矩形状である。ここでは第２電極１２０が平面視で正方形である形態について説明する。上述のように、弾性誘電体１０３の上に基板１０２を設けずに、弾性誘電体１０３の上面に第１電極１１０を直接的に設けてもよいため、第２電極１２０は、第１電極１１０との間に弾性誘電体１０３を挟んで設けられていればよい。

【0023】

第２電極１２０及び第１電極１１０は、互いに相似形の電極形状を有しており、中心位置同士が平面視で一致している。また、第２電極１２０の面積は、第１電極１１０の面積と等しい。このため、第２電極１２０の外縁は、第１電極１１０の外縁と一致するように配置されている。

【0024】

第２電極１２０は、第１電極１１０との間の相互容量に基づいて指先ＦＴによるトップパネル１０１の下方への押圧を検出するために設けられている。第２電極１２０は、一例としてＩＴＯ膜のような透明な導電材料で構成される。

【0025】

第３電極１３０は、平面視で第２電極１２０の周囲を取り囲むように、基板１０４の上面に設けられている。換言すれば、第３電極１３０は、第２電極１２０に隣接して設けられている。第３電極１３０は、平面視で矩形環状である。第３電極１３０は、第２電極１２０及び第１電極１１０と中心位置が平面視で一致するように配置されている。

【0026】

第３電極１３０は、指先ＦＴのトップパネル１０１の操作面への近接及び接触を検出する際に、入力装置１００の周囲のグランド（接地電位の構造物）からの浮遊容量をシールドするとともに、指先ＦＴによる押圧を検出する際に、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を安定化させるために設けられている。第３電極１３０は、一例としてＩＴＯ膜のような透明な導電材料で構成される。詳細は後述するが、第３電極１３０は、第２電極１２０から第３電極１３０へ電界を引き寄せることで第２電極１２０から指先ＦＴへの電界の回り込みを低減させるために設けられている。このため、第３電極１３０が第２電極１２０に隣接して設けられているとは、第２電極１２０から指先ＦＴへの電界の回り込みを第３電極１３０側に逃がすことで減少させることができる程、第３電極１３０が第２電極１２０の隣りで、第２電極１２０に近づけて配置されていることをいう。

【0027】

なお、ここでは、第３電極１３０が平面視で矩形環状であって、平面視で第２電極１２０の周囲を取り囲む形態について説明するが、第３電極１３０は矩形環状には限られず、また、環状ではなくてもよい。例えば、第２電極１２０が矩形の場合に、第３電極１３０は、第２電極１２０の四辺に沿って設けられる４つの電極等であってもよい。この場合には、第３電極１３０は、平面視で第２電極１２０の周囲の全体を取り囲んでいないが、第２電極１２０に隣接して設けられていることになる。

【0028】

基板１０４は、第２電極１２０及び第３電極１３０を保持する透明基板である。基板１０４は、一例として基板１０２と同様に、透明なポリイミド製の基板であってもよいが、トップパネル１０１の操作面が押圧されても殆ど撓まない透明なガラス製又は樹脂製の基板であってもよい。

【0029】

なお、ここでは入力装置１００の下方に液晶や有機ＥＬ(Electroluminescence)等のディスプレイパネルが配置されることを想定して、トップパネル１０１、第１電極１１０、基板１０２、弾性誘電体１０３、第２電極１２０、第３電極１３０、及び基板１０４が透明である形態について説明する。しかしながら、例えばディスプレイパネルが配置されないような場合には、これらは透明では無くてよい。この場合には、トップパネル１０１、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０は透明ではなくて導電性を持つ材質であればよく、金属板等であってもよい。

【0030】

検出部１４０は、第１電極１１０に接続されるとともに、ＭＣＵ１５０に接続されている。また、駆動部１４１は、第２電極１２０及び第３電極１３０に接続されるとともに、ＭＣＵ１５０に接続されている。検出部１４０は、第１電極１１０の出力に基づいて、利用者の指先ＦＴのトップパネル１０１の操作面への近接、接触、及び押圧を検出する。この際に、駆動部１４１は、第２電極１２０及び第３電極１３０に駆動用の電圧を印加する。より具体的には、検出部１４０は、第１電極１１０の絶対自己容量に基づいて指先ＦＴの操作面への近接又は接触を検出するとともに、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量に基づいて指先ＦＴによる操作面の押圧を検出する。このような検出部１４０は、一例として、ＩＣ(integrated circuit)で実現可能である。

【0031】

検出部１４０は、第１電極１１０の絶対自己容量（アナログ値）、及び、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量（アナログ値）をデジタル値に変換し、デジタル値の静電容量を表す検出データをＭＣＵ１５０に出力する。なお、検出部１４０が第１電極１１０に電圧を印加することと、駆動部１４１が第２電極１２０及び第３電極１３０に電圧を駆動することとは、時分割的に行われる。この詳細については後述する。

【0032】

ＭＣＵ１５０は、検出部１４０から入力される検出データに基づいて、操作入力の内容を判定し、判定した操作入力の内容を表すデータを入力装置１００に接続される操作対象装置に出力する。ＭＣＵ１５０は、指先ＦＴの操作面への近接又は接触の有無を判定する際には、検出部１４０から入力される第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データに基づいて判定を行い、指先ＦＴによる操作面の押圧の有無を判定する際には、検出部１４０から入力される第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データに基づいて判定を行う。

【0033】

また、ＭＣＵ１５０は、第１電極１１０の絶対自己容量と、第１電極１１０及び第２電極１２０の間の相互容量とを検出部１４０が検出する際に、検出部１４０及び駆動部１４１が第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に時分割的に印加する電圧を制御する。

【0034】

＜各電極に印加する電圧＞
図３は、各電極に印加する電圧を示す図である。図３には、第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データを得る際と、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データを得る際とにおいて、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に印加する電圧を示す。図３に示す電圧は、ＭＣＵ１５０が検出部１４０及び駆動部１４１を制御することによって、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に印加される。検出部１４０は第１電極１１０に電圧を印加し、駆動部１４１は第２電極１２０及び第３電極１３０に電圧を印加する。

【0035】

第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データを得る際には、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に、すべて同一の周波数、振幅、及び位相を有する正弦波状の電圧（交流電圧）を印加する。

【0036】

自己容量は第１電極１１０だけで検出可能であるが、第１電極１１０だけだと、入力装置１００の外部のグランドの浮遊容量まで検出してしまい、静電容量が大きくなる。この結果、検出感度を上げることが困難になる。そこで、入力装置１００は、第１電極１１０の絶対自己容量を検出するため、第２電極１２０及び第３電極１３０にも同一の波形を有する交流電圧を印加することで、第２電極１２０及び第３電極１３０で外部のグランドからの浮遊容量を遮蔽する。

【0037】

第１電極１１０と、第２電極１２０及び第３電極１３０との電位差がないので、第１電極１１０のグランドに対する静電容量を小さくすることができ、入力装置１００は、第１電極１１０での絶対自己容量の検出感度を向上させることができる。このようにすることで、操作面に指先ＦＴが接触していないが非常に近づいている近接状態も検出可能になる。このように、絶対自己容量を検出する際には、第２電極１２０と第３電極１３０とはアクティブシールドとして利用する。

【0038】

また、入力装置１００は、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データを得る際には、第２電極１２０には、交流電圧（所定の交流電圧）を印加し、第１電極１１０及び第３電極１３０は一定電位に保持する。第２電極１２０に印加する交流電圧は、一例として、絶対自己容量を表す検出データを得るために、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に印加する交流電圧と同一のものである。

【0039】

第２電極１２０に交流電圧を印加するとともに、第１電極１１０を一定電位に保持して電荷の移動（電流）を検出するため、第２電極１２０が送信側（Ｔｘ）になり、第１電極１１０が受信側（Ｒｘ）になることになる。

【0040】

第１電極１１０及び第３電極１３０を一定電位に固定し、第２電極１２０に交流電圧を印加すると、第１電極１１０と第２電極１２０に電位差が生じるので、入力装置１００は、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量による電荷の移動（電流）を測ることができる。なお、第１電極１１０及び第３電極１３０の電位が一定であればよいため、任意の直流電圧が印加されていてもよい。

【0041】

＜比較用の入力装置１０のシミュレーション結果＞
図４Ａは、比較用の入力装置１０のシミュレーションモデルの断面構成を示す図である。図４Ｂは、比較用の入力装置１０における電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、比較用の入力装置１０における静電容量の特性を示す図である。ここでは、実施形態の入力装置１００のシミュレーション結果について説明する前に、比較用の入力装置１０のシミュレーション結果と問題点について説明する。

【0042】

指先ＦＴのＺ方向の位置について、Ｚ＝０ｍｍは指先ＦＴが操作面に接触している位置である。Ｚが正の値であることは、指先ＦＴが操作面から上方に離れていることを表し、Ｚが負の値であることは、指先ＦＴが操作面を下方に押圧していることを表す。

【0043】

図４Ａに示すように、比較用の入力装置１０は、実施形態の入力装置１００から第３電極１３０を取り除いた構成を有する。また、図４Ａには、基板１０４の下側にグランド板１１を示す。グランド板１１は、例えば入力装置１０が設置される回路基板等のグランド層等である。

【0044】

ここでは、第２電極１２０に交流電圧を印加するとともに、第１電極１１０をグランド電位に保持した状態で電界分布を計算するため、第２電極１２０にＴｘ（送信側）の符号を付し、第１電極１１０にＲｘ（受信側）の符号を付す。このような電圧の印加の仕方は、実施形態の入力装置１００において第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データを得るための電圧の印加の仕方に相当する。

【0045】

図４Ｂには、図４Ａにおいて破線の四角で囲む部分における電界分布を矢印示す。Ｔｘから指先ＦＴに向かう大きな矢印Ａに沿って、第２電極１２０（Ｔｘ）から第１電極１１０（Ｒｘ）を超えて指先ＦＴに向かう電界が多く発生しており、指先ＦＴへの電界の回り込み量が多いことが分かる。図４Ｂの矢印Ａと同一の矢印Ａを図４Ａにも示す。指先ＦＴの電位はグランド電位であるため、第２電極１２０（Ｔｘ）から指先ＦＴへの電界の回り込みが生じたためである。

【0046】

図５Ａは、指先ＦＴの位置がＺ≧０の場合の指先ＦＴのＺ方向の位置に対する静電容量の変化のシミュレーション結果を示す。破線の特性は、第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データの特性を示し、実線の特性は、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データの特性を表す。

【0047】

図５Ｂは、指先ＦＴの位置がＺ＜０の場合の操作面が押圧される力（Ｎ）に対する静電容量の変化のシミュレーション結果を示す。破線の特性は、第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データの特性を示し、実線の特性は、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データの特性を表す。図５Ｂにおける押圧力が０（Ｎ）の位置は、図５ＡにおけるＺ＝０ｍｍの位置に対応する。

【0048】

図５Ｃは、指先ＦＴのＺ方向の位置に対する静電容量（第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量）の変化のシミュレーション結果を示す。図５Ｃでは、指先ＦＴのＺ方向の位置は、正の値（Ｚ＝＋２０ｍｍ）から負の値（Ｚ＝約－１ｍｍ）に及んでいる。図５ＣにおけるＺ≧０の区間の特性は、図５Ａにおける実線の特性と同一である。図５ＣにおけるＺ＜０の区間の特性は、図５Ｂにおける実線の特性の横軸をＺ方向の位置に変換して表したものである。

【0049】

比較用の入力装置１０は、入力装置１００と同様に、指先ＦＴの操作面への近接又は接触の有無を判定する際には、検出部１４０から入力される第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データに基づいて判定を行い、指先ＦＴによる操作面の押圧の有無を判定する際には、検出部１４０から入力される第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データに基づいて判定を行う。

【0050】

このため、比較用の入力装置１０は、指先ＦＴによる操作が何も行われていない状態から近接又は接触の有無を判定する際には、図５Ａの破線の特性に基づいて近接又は接触の有無を判定することになる。指先ＦＴが操作面に対して近づくときには、図５Ａの特性を左側から右側に向けて辿るように静電容量が変化するため、比較用の入力装置１０は、例えば、静電容量のカウント値が近接判定用の閾値ＴＨ１になったときに指先ＦＴの近接を判定し、静電容量のカウント値が接触判定用の閾値ＴＨ２になったときに指先ＦＴの接触を判定すればよい。一例として、近接判定用の閾値ＴＨ１は５００であり、接触判定用の閾値ＴＨ２は１３００である。なお、接触判定用の閾値ＴＨ２は、指によって静電容量値のばらつきがあるため、確実に接触判定を行うために多少低めに設定せざるを得ない。したがって、図５Ａの例において示す接触判定用の閾値ＴＨ２は、Ｚ＝０ｍｍの位置で得られるカウント値（約４１００）よりも低い値に設定されており、指先ＦＴが操作面に接触するＺ＝０ｍｍの位置よりも少し手前のＺ＝約１ｍｍで接触を判定することになる。

【0051】

また、近接及び接触の有無を判定した後に押圧の有無を判定する際には、図５Ｂに示す実線の特性に基づいて、押圧の有無を判定することになる。指先ＦＴが操作面に接触していると判定された際の相互容量値を基準とし、押圧力が増大するにつれて静電容量が基準値に対して増大するため、測定された静電容量値と基準値との差分に応じて押圧力を算出してもよいし、押圧を判定するための閾値（例えば１０００）を設けて、押圧されたことを判定してもよい。

【0052】

ところで、図５Ａにおける実線の特性（第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量）に示すように、Ｚ＝約１ｍｍの位置において絶対自己容量のカウント値が接触判定用の閾値ＴＨ２（１３００）に到達し、指先ＦＴが操作面に接触していると判定された際に、相互容量のカウント値は約－２５０である。しかしながら、Ｚ＝０ｍｍの位置における相互容量のカウント値は約－３００まで低下している。また、図５Ｂに示す実線の特性（第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量）では、押圧力が０Ｎのときにカウント値は約－３００であり、相互容量が、図５ＡにおけるＺ＝約１ｍｍの位置での相互容量のカウント値（約－２５０）と同一値になるのは、約０．４Ｎである。したがって、押圧力が０Ｎから約０．４Ｎの範囲では、測定された相互容量のカウント値が基準値を下回ってしまい、押圧力の算出ができず不感帯になっていた。

【0053】

このような不感帯が存在するため、押圧された状態から指先ＦＴの押圧力が低下するときに、例えば、指先ＦＴが押圧と近接を繰り返したような場合には、比較用の入力装置１０は、図５Ａ及び図５Ｂに示す実線の特性を用いて静電容量のカウント値に基づいて操作状態を判定しようとしても、押圧と近接の区別が困難になる。

【0054】

これは、図５Ｃを用いて換言すれば、押圧された状態から指先ＦＴの押圧力が低下するときに、例えば、指先ＦＴが押圧と近接を繰り返したような場合には、比較用の入力装置１０が図５Ｃに示す特性を用いて静電容量値に基づいて操作状態を判定しようとしても、押圧と近接の区別が困難になるということである。図５Ｃの特性のＺ＝０ｍｍの前後を破線の円で囲むように、Ｚ＝０ｍｍの前後で静電容量値が落ち込んだ特性になっていて、この区間が不感帯のように振る舞うからである。このようなＺ＝０ｍｍの前後における静電容量値の落ち込みは、指先ＦＴへの電界の回り込みが原因と考えられる。すなわち、第２電極１２０と指との間に電界の回り込みが生じると、検出される静電容量（相互容量）は、Ｚ＝０ｍｍの前後で指がない状態よりも減少し、さらに押圧することによって増加に転じる。したがって、上述したように押圧を判定することができず不感帯が生じていた。

【0055】

実施形態の入力装置１００は、上述のような問題点を解決して、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を用いて操作状態を判定する際に、特にＺ＝０ｍｍの前後において操作状態を容易かつ正確に判定可能にする。

【0056】

＜実施形態の入力装置１００のシミュレーション結果＞
図６Ａは、実施形態の入力装置１００のシミュレーションモデルの断面構成を示す図である。図６Ｂは、入力装置１００における電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図６Ｃは、入力装置１００における静電容量の特性を示す図である。図６Ｃは、比較用の入力装置１０についての図５Ｃの特性に相当する特性を表す。

【0057】

図６Ｂは、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データを得るために、第２電極１２０に交流電圧を印加し、第１電極１１０及び第３電極１３０をグランド電位に保持した状態における電界分布を示す。図６Ｂに示す電界分布は、図６Ａにおいて破線の四角で囲む部分のものである。

【0058】

図６Ｂに示すように、第２電極１２０（Ｔｘ）から矢印Ｂで示すように第３電極１３０（ＧＮＤ）に向かう電界が生じていることにより、図４Ｂに比べると第２電極１２０（Ｔｘ）から指先ＦＴに向かう電界が減少している。

【0059】

また、図６Ｃに示すように、指先ＦＴのＺ方向の位置に対する静電容量（第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量）の変化のシミュレーション結果は、Ｚ＝０ｍｍの前後での静電容量値の落ち込み（不感帯）が解消され、Ｚ＝０ｍｍから指先ＦＴが離れる方向において、略一定の値が得られている。Ｚ座標が正の方から見ると、Ｚ＝０ｍｍまで静電容量のカウント値は略一定であり、Ｚ＝０ｍｍで静電容量値が急激に増大する特性が得られている。

【0060】

このように、Ｚ＝０の前後での特性が改善したのは、第２電極１２０の周囲に第３電極１３０を設け、相互容量を検出する際に第３電極１３０をグランド電位に保持したことにより、図６Ｂに示すように第２電極１２０から第３電極１３０に回り込む電界成分が生じて、第２電極１２０から指先ＦＴに回り込む電界成分が低減されたからと考えられる。

【0061】

一般的に電界は、電極の端部（エッジ）で一番強くなる傾向がある。第２電極１２０から第３電極１３０に回り込む電界成分を効果的に生じさせるには、次のようにすればよい。図１及び図２に示すように、第１電極１１０のエッジの位置と、第２電極１２０のエッジの位置とは平面視で非常に近い。このため、第２電極１２０から第３電極１３０に回り込む電界成分を効果的に生じさせるには、第１電極１１０及び第２電極１２０のエッジの位置と、第３電極１３０の矩形環の内側のエッジの位置とを平面視で近くすればよい。

【0062】

＜効果＞
以上のように、入力装置１００は、第１電極１１０と、第１電極１１０との間に弾性誘電体１０３を挟んで設けられた第２電極１２０と、第２電極１２０に隣接して設けられる第３電極１３０と、第１電極１１０の表側に位置する操作面に対する指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を第１電極１１０の出力に基づいて検出する検出部１４０とを含む。このため、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０を含む簡易な構成で、第１電極１１０の出力に基づいて指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0063】

したがって、簡易な構成で指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出可能な入力装置１００を提供することができる。

【0064】

また、第３電極１３０は、検出部１４０により指先ＦＴの押圧が検出される際に一定電位に保持されるので、第２電極１２０から指先ＦＴへの電界の回り込みを第３電極１３０側に逃がすことで第２電極１２０から指先ＦＴへの電界の回り込みを低減できる。この結果、図６Ｃに示すように、指先ＦＴのＺ方向の位置に対する静電容量（第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量）の変化の特性は、Ｚ＝０ｍｍの前後での静電容量のカウント値の落ち込みが解消される。このため、Ｚ＝０ｍｍの前後で操作状態を正確に判定可能な入力装置１００を提供することができる。

【0065】

また、検出部１４０は、第１電極１１０の絶対自己容量に基づいて指先ＦＴの近接又は接触を検出するとともに、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量に基づいて指先ＦＴによる押圧を検出する。このため、第１電極１１０の出力を利用して、操作面への指先ＦＴの近接又は接触と、操作面の押圧とを検出可能で、構成が簡易な入力装置１００を提供することができる。

【0066】

また、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０は、検出部１４０により指先ＦＴの近接又は接触が検出される際に、いずれも同一周波数、同位相の交流電圧が印加される。このため、第２電極１２０及び第３電極１３０をアクティブシールドとして機能させることができ、第２電極１２０及び第３電極１３０で外部のグランドからの浮遊容量を遮蔽することができる。また、第１電極１１０と、第２電極１２０及び第３電極１３０との電位差がないので、第１電極１１０のグランドに対する静電容量を小さくすることができ、第１電極１１０での絶対自己容量の検出感度を向上させることができる。さらに、近接状態も検出可能になる。

【0067】

また、第１電極１１０及び第３電極１３０は、検出部１４０により指先ＦＴの押圧が検出される際に一定電位に保持され、第２電極１２０は、検出部１４０により指先ＦＴの押圧が検出される際に、所定の交流電圧が印加される。このため、第１電極１１０と第２電極１２０に電位差が生じさせることができ、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を測ることができる。そして、相互容量に基づいて押圧量を検出することができる。

【0068】

また、第３電極１３０は、第２電極１２０の周囲を取り囲むように設けられているので、第２電極１２０及び第３電極１３０をアクティブシールドとして機能させて、グランドからの浮遊容量を遮蔽する際に、より大きな遮蔽効果が得られ、第１電極１１０での絶対自己容量の検出感度を向上させることができる。

【0069】

また、第１電極１１０及び第２電極１２０は、互いに相似形の電極形状を有しており、中心位置同士が平面視で一致しているので、平面視で対称的な配置になり、平面視での方向による偏りが少なく、操作状態を高精度に判定可能な入力装置１００を提供することができる。

【0070】

＜第１変形例＞
図７は、実施形態の第１変形例の入力装置１００Ａの断面構造を示す図である。図７では、検出部１４０及びＭＣＵ１５０を省略する。入力装置１００Ａは、図２に示す入力装置１００に対して、トップパネル１０１と弾性誘電体１０３との間で、平面視で第１電極１１０の周囲に設けられるシールド電極１６０を追加した構成を有する。シールド電極１６０は、例えば、第３電極１３０のように矩形環状であってもよいし、第１電極１１０の四辺に沿って設けられる４つの電極であってもよい。

【0071】

シールド電極１６０には、第３電極１３０と同一の電圧を印加すればよい。すなわち、第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データを得る際には、第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０に印加する交流電圧と同一の交流電圧をシールド電極１６０に印加すればよい。また、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を表す検出データを得る際には、シールド電極１６０を第３電極１３０と同一の一定電位に保持すればよい。このようにすることで、第１電極１１０の絶対自己容量を表す検出データを得る際に、外部のグランドからの浮遊容量をより効果的に遮蔽することができ、第１電極１１０の検出感度がさらに上昇させることができる。

【0072】

＜第２変形例＞
図８は、実施形態の第２変形例の入力装置１００Ｃを示す平面図である。入力装置１００Ｃは、図１に示す入力装置１００をＸ方向に長く引き延ばした構成を有する。このため、トップパネル１０１、弾性誘電体１０３、基板１０４、抵抗性の電極材料を使用した第１電極１１０、第２電極１２０、及び第３電極１３０は、Ｘ方向に引き延ばされている。

【0073】

このような入力装置１００Ｃは、スライダとして利用可能である。指先ＦＴのＸ方向位置が変わることによって、第１電極１１０の接続端から見た抵抗値が変化するので検出部１４０が検出する電荷量が変化する。このため第１電極１１０の両端に検出部１４０を置いてその電荷量の比率を求めることで、指先ＦＴのＸ方向における位置を検出することができる。

【0074】

＜第３変形例＞
図９は、実施形態の第３変形例の入力装置１００Ｄの平面構成を示す図である。図１０は、図９のＡ－Ａ矢視断面を示す図である。

【0075】

第３変形例の入力装置１００Ｄは、図１及び図２に示す入力装置１００の第１電極１１０の面積を第２電極１２０の面積より大きくしたものである。

【0076】

第１電極１１０は、一例として平面視で矩形状であり、ここでは正方形である。第１電極１１０の面積は、第２電極１２０の面積より大きく、平面視において、第１電極１１０の外縁のすべてが第２電極１２０の外縁よりも外側に位置するように配置されている。このため、平面視において、第２電極１２０の外縁は、第１電極１１０の外縁に内包される。

【0077】

また、第１電極１１０の面積は、第２電極１２０の面積より大きく、平面視において、第１電極１１０の外縁の全体が第２電極１２０の外縁よりも外側に配置される。例えば、第１電極１１０と第２電極１２０とは互いに相似形の電極形状を有し、その中心位置同士が平面視で一致するように構成されていてもよい。

【0078】

本変形例においては、第１電極１１０と第２電極１２０との間の相互容量を検出する際に、第３電極１３０を一定電位に保持することで第２電極１２０から指への電界の回り込みを減少させるのみならず、指に近い側の第１電極１１０の面積を大きくして第２電極１２０を完全に覆う形にすることでさらに第２電極１２０と指との間の電界の回り込みを減少させることができる。したがって、第１電極１１０と第２電極１２０との間の静電容量の減少がなく、不感帯が生じないので、検出部１４０は確実に押圧を検出する事ができる。このように第１電極１１０の面積が第２電極１２０の面積より大きい場合には、面積が等しい場合よりも電界の指への回り込みをさらに抑制することができる。

【0079】

したがって、簡易な構成で指先ＦＴの近接、接触、及び押圧をさらに高精度に検出可能な入力装置１００を提供することができる。

【0080】

以上、本開示の例示的な実施形態の入力装置について説明したが、本開示は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0081】

なお、本国際出願は、２０２２年３月１０日に出願した日本国特許出願２０２２－０３７４５３に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

【符号の説明】

【0082】

１０１ トップパネル
１０２ 基板
１０３ 弾性誘電体
１０４ 基板
１１０ 第１電極
１２０ 第２電極
１３０ 第３電極
１４０ 検出部
１５０ ＭＣＵ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】