JPS5840805B2 - 座標入力用構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電材料特に好ましくはシート状の高分子圧電
材料を用いた座標入力用構造体に関するものであり、そ
の用途の主なものとして座標入力装置あるいはキーボー
ドがある。

一般に、圧電材料としてはチタン酸バリウムや水晶のよ
うな無機物を利用したものと高分子材料を利用したもの
とがあるが、後者は可撓性を有し、耐衝撃比や耐水性に
優れ、しかも一様な圧電性を持つ大きい面積のシート状
物として得られること等において前者に比べて有利な特
性を備えている。

したがって、このような特性を生かすことにより、１枚
の高分子圧電シート上に複数個の感圧部（座標入力部、
座標検出部）を構成し、信頼性の高い座標入力装置また
はキーボードを低コストで得ることができるものである
。

従来、このような高分子圧電材料を使用し、その圧電シ
ートに加えられた機械的刺激の位置を電気信号として検
出するための方式として次の３つが提案されている。

まず第１に、２枚の圧電膜を利用するもので、第１図に
示すようにその２枚の圧電膜１ａｔ１ｂの互いに反対側
の一面にＸ座標側の電極２、Ｙ座標側の電極３をそれぞ
れ設置し、それらの電極２と３が互いに交叉するようシ
ート状の接地側電極４を挾んで重ね合わせ、さらに打鍵
用の穴６と８をそれぞれ設けたプラスチック板５と７を
積層したものである。

ところが、この従来技術では２枚の圧電膜を重ねる構造
であるため、高分子圧電材料に固有の可撓比が損なわれ
、かつ上下の圧電膜の出力レベルに相当大きい差が生じ
、出力信号の大きさが減少する他、圧電材料の使用量カ
Ｓ必然的に増大するというような欠点もあった。

第２の従来方式としては、第２図に示すように、１枚の
圧電膜１１の各座標（キー）に対応する区域内にＸ方向
、Ｙ方向の検出用の電極１２，１３を設けると共に、そ
の一方の電極１３を圧電膜の基板１８を貫通するスルー
ホール１７を通してＹ方向の導電回路に接続するものが
ある。

しかし、この方式においては、基板１８のスルーホール
１７と圧電膜１１上の電極１３との結線が極めて困難で
あり、その結線の信頼比も劣る上に、スルーホール１７
用の面積を余分に必要とするため座標またはキーの面積
密度を大きくすることができないという欠点を持つ。

さらに、第３の従来方式として、第３図に示すように、
圧電膜２０の上面と下面にそれぞれＸ方向、Ｙ方向用の
電極２１，２２を設け、ダイナミック・ドライブ方式に
より各座標またはキーの信号を検出するものが考えられ
る。

ところが、この従来方式では接地が完全に行なわれない
ので、ある座標点に機械的刺激を与えた場合、その信号
出力が容量性の結合を通して他の座標点にも現われる結
果となり、いわゆるクロストークという好ましくない現
象が生じる。

しかも、その場合のクロストークの最大の大きさは信号
の恥にも達する場合があり、Ｓ／Ｎ比の悪い出力信号し
か取り出すことができなくなってしまう。

か＼る欠点は座標入力装置またはキーボードにとっては
致命的なものであって、到底実用に供することのできな
いものである。

本発明は上記従来技術の欠点を解消するためになされた
もので、特に高分子圧電材料の諸特注を十分に生かせる
構造のものでスルーホールを設ける必要なく、クロスト
ークのない良好な出力信号を取り出すことのできる座標
入力用構造体を提供することを目的とするものである。

この目的を達成するための本発明の座標入力用基板の構
成は次の通りである。

操作により刺激を受ける１個の刺激受部が圧電性あるい
は焦電性を有する素材で形成され、その素材の一方の面
側にそれぞれ独立した電極ＡＩ。

Ｂ１が設けられ、その素材の他方の面側には、それぞれ
独立して、電極に１に対応して電極Ａ２が、電極Ｂ１に
対応して電極Ｂ２が設けられ、このように構成された刺
激受部の多数個が、行列状に配列され、かつ、前記電極
人１の群は各行毎に結線され、前記電極Ａ２の群は接地
電極を形成する状態に結絡され、一方前記電極Ｂ１の群
は接地電極を形成するように結絡され、前記電極Ｂ２の
群は各列毎に結線されてなる座標入力用構造体。

以下、添付図面の第４〜第１０図に即して本発明をさら
に説明する。

第４図は本発明による座標入力用構造体の一実施例を示
す図であって、同図ａはその分解斜視図、同図すはその
組立状態の概略説明図を示す。

第４図から明らかなように、本発明の座標入力用構造体
は高分子材料よりなる高分子膜３０と、それぞれ打鍵用
の穴３６．３８を有するプリント基板３５．３７とを有
している。

高分子膜３０は少なくともプリント基板３５，３７の打
鍵用の穴３６゜３８と対応する座標入力部（またはキー
人力部）、たとえば第４図ａで３９により示す刺激受部
において圧電性を備えている。

高分子膜３０の下面にはＸ方向の信号検出のための検出
電極群Ｘ１．Ｘ２゜Ｘ３・・・・・・が設けられ、上面
にはＹ方向の信号検出用の検出電極群Ｙ１． Ｙ２．
Ｙ３・・・・・・が設けられると共に、両電極群は打鍵
用の穴３６，３Ｂと対応する座標入力部（またはキー人
力部）において互に直交状に交叉している。

また、各検出電極Ｘ１゜Ｘ２．Ｘ３・・・・・・、Ｙｌ
、Ｙ２．Ｙ３・・・・・・にはそれぞれ１つの接地電極
Ｇが平行に並設されており、各接地電極Ｇも座標入力部
（またはキー人力部）で互いに交叉する。

したがって、Ｘ方向の各検出電極Ｘ１．Ｘ２．Ｘ３・・
・・・・と１つの接地電極Ｇとにより１つのＸ方向への
電極対３１が形成され、またＹ方向の各検出電極Ｙ１．
Ｙ２．Ｙ３・・・・・・と１つの検出電極Ｇとにより１
つのＹ方向への電極対３２が形成され、各電極対３１と
３２は各座標入力部（またはキー人力部）において互い
に直交し、その結果一方の面側、たとえば第４図の下面
側の検出電極Ｙ１．Ｙ２．Ｙ３・・・・・・は反対面側
（この例では上面側）の接地電極Ｇと直交状に交叉して
いる。

このような構造においては、たとえば下面の検出電極Ｘ
１．Ｘ２．Ｘ３・・・・・・と上面の接地電極Ｇとの間
に生じる信号をＸ方向の出力信号として取り出し、上面
の検出電極Ｙ１．Ｙ２．Ｙ３・・・・・・と下面の接地
電極Ｇとの間に生じる信号をＹ方向の出力信号として取
り出すことができ、接地電極Ｇどうしの間では電圧は生
じない。

その場合、本発明においては各検出電極Ｘ１゜Ｘ２．Ｘ
３・・・・・・、Ｙｌ、Ｙ２．Ｙ３・・・・・・と１つ
の接地電極Ｇとが電極対３１，３２として並設されてい
ることにより、接地電極Ｇがクロストーク防止機能を果
たし、打鍵された所望の座標点以外の個所にクロストー
クの原因となる電圧が生じてもその電圧は接地電極Ｇを
通してアースされるので、第３図に関して上記した従来
技術のように接地不能によるクロストークは原理的にも
全く生じることがなく、実験的にもそのことが確認され
ている。

本発明による座標入力用構造体は１座標または１キーあ
たりの高分子膜の面積を太きいものでは実用可能な限り
無制限とし、小さいものではたとえば１７／Ｌｄ程度に
もすることができるので、必要に応じて分解能の良い座
標入力装置または多くのキーを持つ圧電式キーボード用
に適している。

また、各座標またはキーに対する電極のリード純を独立
的に設ける必要がなく、上面に設けられた電極群とこれ
にはゾ直交して下面に設けられた電極群を高分子膜の周
辺部で電気信号処理部と結線するだけでよいので、構造
が極めて単純で、信頼性が高い、低コストの装置となる
。

電気信号の処理方法もダイナミック・ドライブ方式であ
ってもなくてもよく、電気回路も低コストにすることが
できる。

本発明に用いることのできる圧電材料は本質的には如何
なるものであってもよいが、出力波形が単純であること
、製造が容易であること、機械的強度が大きいこと等の
点で高分子圧電材料が最適である。

高分子圧電材料としては、（１）光学活性を持つ高分子
、たとえばポリアミノ酸であるポリーγ−メチルーＬ−
グルタメートを一軸延伸したもの、（２）極性高分子、
たとえばポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル
、ポリフッ化ビニル等を高電場でポーリング処理したも
の、（３）強請電比微粒子を高分子中に分散・結着し、
これをポーリングしたもの、たとえばポリフッ化ビニリ
デン、ポリシリコーン等にＰＺＴ粉末を分散・結着し、
これをポーリングしたもの等のいずれでも使用可能であ
る。

そのうち、上記（１）の高分子圧電材料はその電気信号
発生のためには膜面に平行な伸縮を誘起するような力学
的刺激が必要であるが、上記（２） 、 （３）の高分
子圧電材料では膜面に平行または垂直、あるいはその両
方の伸縮を誘起するような力学的刺激を加えればよい。

なお、上記（１）の高分子圧電材料では延伸により圧電
性が与えられるが、上記（２） 、 （３）の高分子圧
電材料の場合にはポーリングにより圧電性が与えられる
ので、その膜に必要な電極を設置した後、座標入力部ま
たはキー人力部、すなわち力学的刺激を与える部分のみ
を局所的にポーリングすることによって、あるいは全面
をポーリングした圧電膜を座標入力部のみを残して熱的
に脱分極させて非圧電化させることによって、よりＳ／
Ｎ比の大きい出力信号を取り出すことができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに説明する。

実施例 １ 全面を一様にポーリングした二軸延伸ポリフッ化ビニリ
デン膜（厚さ５０μｍ）の上下両面に第５図ａに示すよ
うなパターンを導電比銀ペーストでスクリーン印刷した
。

その場合、上面の導電回路５４，５５と下面の導電回路
群５３，５６とが互いに直交するように、かつ電極部５
３，５４と５１’、５２’とがそれぞれ重なり合うよう
に印刷した。

なお、図面には簡単化のため３×３の入カバターンを示
し、点線で示すパターンは上面から透視した下面のパタ
ーンを表わし、また５１，５２は上面５１’、５２’は
下面の電極部である。

このような圧電膜を第５図すに示すように各２対の電極
４１，４２と対応する部分に電極部とほぼ同じ大きさの
穴４８をあけたプリン°ト基板４７に接着剤で固定し、
圧電膜４０の周辺部からＸ方向の検出電極群Ｘ１．Ｘ２
．Ｘ３・・・・・・とＹ方向の検出電極群Ｙ１．Ｙ２．
Ｙ３・・・・・・の導電線と、接地電極Ｇの接地紳とを
取り出し、それぞれの増幅回路への入力端子とした。

また、圧電膜４０の上面には各２対の電極４３，４４と
対応する部分に打鍵用の穴４６を持つ座標位置指定およ
び保護用のプラスチック板４５を接着し、第５図Ｃに暗
示するような積層構造とした。

以上のような構成を持つ１０行１０列のマトリックス型
キーボードを第６図に示すように磁石ＭＭおよびはねＳ
、を有する打鍵機構、ある１ フ ２ いは第６図すに示すようにばねとフックＦ１を有する打
鍵機構で作動させた場合、たとえば第５図すにおける電
極４１と４２の部分を打鍵したときには電極Ｙ３とＧと
の間に＋４■、電極Ｘ２とＧとの間には一４■の開放電
圧が得られた。

また、これを増幅回路に接続したときの入力電圧として
電極Ｙ３には＋１．５■、電極Ｘ２には−１，５■が観
測された。

そのとき、他の座標に対応する電極からの出力は開放電
圧で±２００ ｍＶ以下であり、これは主として基板の
振動によるノイズであった。

実施例 ２ 実施例１におけるＸ方向の検出電極とＹ方向の検出電極
の出力信号は互いに逆極性であるが、このような逆極性
の出力信号の処理には正、負の電源を要する等の点では
不利である。

また、全面を一様に圧電化した膜の場合には基板等の振
動によるノイズを発生しやすいので、上記の如き欠点を
除去するには出力信号の発生に必要な部分のみを局所的
に圧電化すること、あるいはＸ、Ｙ両方向の出力信号の
極性が同じになるようにポーリングして圧電ＩＬするこ
とが可能であり、本実施例はこのような目的で行なった
ものである。

すなわち、第７図に示すような電極パターン（簡単化の
ため３Ｘ３＝９座標分のみを示す）を二軸延伸ＰＶＤＦ
膜６４（厚さ５０μｍ以下）の上下両面に印刷した。

そのとき、電極６１，６３間、および電極６０，６２間
にはそれぞれ互いに逆極性の電圧を印加することにより
膜６４をポーリングし、電極６１，６２は負電極、電極
６０，６３を正電極（接地電極）とした。

これを実施例１の場合と同様な基板に接着し、それを実
施例１と同様な打鍵機構で作動させたところ、Ｘ、Ｙ方
向の電極６１，６２から同一極比（正）の出力（４■）
が得られ、この出力は単一電源の増幅器群で容易に処理
することができた。

実施例 ３ ＰＺＴ強誘電体微粒子（粒子径５μｍ以下）をナイロン
１１と熱を加えて混練し、ホットローラーでシート化し
、前者を容積比で３５％名有する膜７１（厚さ１５０μ
ｍ）を得た。

また、第８図に示すように、実施例２の場合と同様なＸ
方向の検出電極７５、接地電極７６の電極パターンをエ
ツチング法によりプリント基板７４に作成した。

このプリント基板７４の下面にはシールド用の銅箔８１
が設けられている。

このプリント基板７４の上に上記膜７１を接着剤で接着
し、その上面にＹ方向の検出電極７３、接地電極７２を
スクリーン印刷で形成し、１０×１０−の面積上にｌｏ
Ｘｌｏ点の座標入力点を持つようにした。

その場合、Ｘ、Ｙ方向の電極群と接地電極との間には上
記実施例のように互いに逆極性の電圧を加えてポーリイ
グを行ない、電極７３，７５は正電圧側、７２゜７６は
接地側としてポーリングした。

次に、第８図に示すようにシリコンゴムシート７７（厚
さ１間）、シールド用アルミ箔７８、および電極部と対
応して打鍵用の穴８０を設けたプラスチック板７９を順
次積層した。

このような構成の座標入力装置を第６図ａ、ｂに示すよ
うな打鍵機構で打つことにより、ノイズやクロストーク
のない同極性（正）のＸ、Ｙ方向の出力が電極７３，７
５の信号出力端子部から得られた。

なお、上記実施例は第６図ａ、ｂに示すような打鍵機構
により座標入力装置の打鍵を行なったが、より高密度の
座標入力装置の場合には、第９図に示す如きペンシル型
の打鍵機構９１により力学的刺激を与えるようにしても
よい。

また、音響振動等を圧電、磁歪振動子または放電等で発
生するよう構成された力学的刺激入力用ペン等を用いる
こともできる。

さらに１座標入力部または１キーに対応する電極の形状
は特に限定されないが、力学的刺激の加えられる位置の
変動に対してもＸ、Ｙ方向の出力ができるだけ不変とな
るようにするため、たとえば第１０図に示すような櫛形
の電極１００を用いることも可能である。

上記実施例３において示したように、圧電膜の静電シー
ルドおよび保護のためにその圧電膜の上または下に非剛
直殴の絶縁膜や導電膜を設けることができる。

また、上記実施例１，２で用いたような基板の穴をゴム
状弾性体で埋めて圧電膜を支持することにより、厚み方
向への伸縮による圧電出力も利用でき、この場合にはゴ
ム状弾性体の存在によりバウンス様の出力信号の発生を
抑制できる。

なお、上記実施例では１枚の連続的な高分子膜の全面ま
たは一部に感圧部が形成されているが、圧電材料の節約
のため、機械的刺激を加える部分に対応する所要部分の
みの大きさに切り出した高分子圧電材料を他のシートに
接着等で固定し、実質的に１枚の膜状にすることも可能
であるがこのようなものも勿論本発明に含まれることは
言うまでもない。

また、上記実施例では高分子膜に力学的刺激を加える例
についてのみ説明したが、高分子圧電材料、特に上記（
２） 、 （３）に分類される材料は焦電性という良く
知られた特注を有し、高分子膜に熱的刺激を加えること
によっても力学的刺激と同様に電圧または電荷を発生す
る。

したがって、本発明はこのような熱的刺激のための入力
ペンや熱入力機構を用いることにより座標入力またはキ
ー人力を行なう場合も含むものである。

以上説明したように、本発明によれば、高分子圧電材料
に固有の緒特性を何ら損なうことなく、また特別なスル
ーホールを全く設ける必要なく、クロストークやノイズ
のない良好な出力信号を取り出すことができ、しかも加
工の容易な優れた座標入力用構造体を得ることが可能で
あり、本発明は座標入力装置、キーボードあるいは力学
的または熱的刺激部位の位置検出や、これらの刺激量の
分布検出等の諸々の用途にも好ましく利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａとｂ１第２図ａとｂ１第３図ａとｂはそれぞれ
従来技術による座標入力装置を示す分解斜視図と組立状
態の概略説明図、第４図ａとｂはそれぞれ本発明の座標
入力用構造体の一実施例を示す分解斜視図と組立状態の
概略説明図、第５図ａ、ｂ、ｃはそれぞれ本発明による
高分子膜の一例とそれを用いた座標入力用構造体の他の
実施例の分解斜視図および組立状態の概略説明図、第６
図ａとｂは本発明に用いられる打鍵機構の例を示す図、
第７図は本発明に用いる高分子膜の他の実権例の平面図
、第８図は本発明の座標入力用構造体の他の実権例の分
解斜視図、第９図は打鍵機構の他の例を示す図、第１０
図は本発明による座標入力用構造体の電極構造の他の例
を示す部分的平面図である。 Ｘｔ ｔ Ｘ２ 、Ｘ３ｔ Ｙｔ ｔ Ｙ２ 、Ｙ３・
・・・・・検出用の電極、Ｇ・・・・・・接地電極、３
１，３２・・・・・・電極対、４０・・・・・・高分子
の圧電膜、４１，４３・・・・・・電極、４２．４４・
・・・・・接地側の電極、５１ 、５１’、５２゜５２
′・・・・・・電極部、６０，６３・・・・・・接地電
極、６１゜６２・・・・・・電極、６４・・・・・・高
分子の膜、７１・・・・・・高分子の膜、７２，７６・
・・・・・接地電極、７３，７５・・・・・・電極、１
００・・・・・・電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 操作により刺激を受ける１個の刺激受部が圧電性あ
   るいは焦電性を有する素材で形成され、その素材の一方
   の面側にそれぞれ独立した電極入１゜Ｂ１が設けられ、
   その素材の他方の面側には、それぞれ独立して、電極Ａ
   １に対応して電極Ａ２が、電極Ｂ１に対応して電極Ｂ２
   が設けられ、このように構成された刺激受部の多数個が
   、行列状に配列され、かつ、前記電極Ａ１の群は各行毎
   に結線され、前記電極Ａ２の群は接地電極を形成する状
   態に結絡され、一方前記電極Ｂ１の群は接地電極を形成
   するように結絡され、前記電極Ｂ２の群は各列毎に結線
   されてなる座標入力用構造体。