CN102103445A - 传感器装置及信息处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器装置及信息处理装置。该传感器装置包含第一电容元件、第二电容元件、接地电路和信号处理电路。第一电容元件具有第一电容。第二电容元件包括形成大于第一电容的第二电容的第一电极和第二电极。接地电路包含与第一电极相邻设置的第三电极，并且通过将第三电极连接到接地电位将第二电容转换为小于第二电容的第三电容。信号处理电路处理基于第一电容的变化而从第一电容元件输出的第一信号，以及基于第三电容的变化而从第二电容元件输出的第二信号。

Description

传感器装置及信息处理装置
技术领域
本发明涉及一种检测操作体对于输入操作面的接触位置和压力的传感器装置，以及配置有该传感器装置的信息处理装置。
背景技术
近年来，以便携式电话为代表的便携式信息处理装置正在多功能化，并提出了其中使设置为壳体的显示单元用作用户界面的结构。例如，第2009-134473号日本专利申请公开披露了一种电子装置，该电子装置包括检测对于显示单元的输入操作位置的触摸面板以及检测输入操作力的按压检测传感器(press detection sensor)。
发明内容
顺便提及，为了简化结构并降低开发成本，期望以共用电路来处理从各种类型的传感器中输出的信号。例如，可以想到的是，检测操作位置的检测元件以及检测操作力的检测元件均由电容型电容元件构成，因此共享对从那些电容元件输出的信号进行处理的电路。
然而，在两个电容元件彼此具有极大不同的电容的情况下，从各个元件输出的信号的输出范围彼此也极大的不同，这就使得很难以共用电路来处理各个元件的信号。因此，在这种情况下，造成了不便。例如，待用的电容元件的结构受到限制，或者检测精度降低。
考虑到上述情况，期望提供一种能够以共用电路来检测具有不同电容的多个电容元件的输出的传感器装置和信息处理装置。
根据本发明的实施方式，提供有一种传感器装置，包含第一电容元件、第二电容元件、接地电路和信号处理电路。
第一电容元件具有第一电容。
第二电容元件包括形成大于第一电容的第二电容的第一电极和第二电极。
接地电路包含与第一电极相邻设置的第三电极，并且通过将第三电极连接到接地电位将第二电容转换为小于第二电容的第三电容。
信号处理电路处理基于第一电容的变化而从第一电容元件输出的第一信号，以及基于第三电容的变化而从第二电容元件输出的第二信号。
在传感器装置中，接地电路将位于邻近于第一电极的第三电极连接到接地电位，从而静电耦接第一电极和第三电极。此时，第一和第二电极之间的电容(第三电容)变为小于不将第三电极连接到接地电位的情况的电容(第二电容)。因此，即使第二电容元件具有大于第一电容元件的电容，仍可以利用接地电路使第二电容元件的电容变小。因此，可以通过使用共用信号处理电路来检测具有不同电容的两电容元件的输出。
由于第三电容的值接近于第一电容，因此与第一电容之差可以变小。第三电容与第一电容之差并无具体限制，但其应在信号处理电路的可调范围内。
根据第一电极和第三电极之间的电容的大小来确定第三电容。因此，可以根据第一电极与第三电极之间的相对位置关系(包括两电极之间的距离)将第三电容设置为期望值。进一步地，第三电极不限于单个电极，而是可以由多个电极构成。
并不具体限制信号处理电路的结构，而是可以采用对应于每个电容元件的结构、检测原理等的合适的结构。例如，根据施加到电容元件的交流(包括高频和波形脉冲)的输出变化，可以检测电容元件的电容变化。信号处理电路并不限于由单个信号处理电路构成的情况，而是可以由多个电路构成。此外，信号处理电路可以是模拟电路、数字电路或这些电路的组合。
第一电容元件可以包括由操作体操作的输入操作面。在这种情况下，第一信号可以包括用于检测操作体对于输入操作面的接触位置的信号，而第二信号可以包括用于检测操作体对于输入操作面的压力的信号。
如上所述，在各个电容元件中，待检测的操作体的操作模式彼此不同，结果，可以使用操作体以高精度检测三维输入操作。
第一电容元件可以包括沿第一方向延伸的多个第一检测电极、以及沿与第一方向交叉的第二方向延伸并且与多个第一检测电极相对的多个第二检测电极。多个第一检测电极和多个第二检测电极在第一和第二检测电极彼此交叉的多个区域中形成均具有第一电容的电容元件。因此，可以通过第一电容元件检测操作体对于输入操作面的接触或接近位置。
在这种情况下，接地电路可以包括开关电路。开关电路通过将多个第一检测电极和多个第二检测电极之一连接到接地电位形成第三电极。
利用这种结构，可以使第一电容元件的一些电极用作第三电极。此外，第一电容元件和接地电路可以共享其结构的一部分，结果，可以减小传感器装置的尺寸并且简化其结构。
开关电路可以包括第一开关和第二开关。第一开关具有阻挡第一信号向信号处理电路的输入的第一状态。第二开关具有当第一开关处于第一状态时允许第二信号输入到信号处理电路的第二状态。
第一开关和第二开关选择第一和第二信号对于信号处理电路的输入。因此，可以在单个信号处理电路中执行对第一信号的信号处理以及对第二信号的信号处理。
在第一状态下，第一开关可以将多个第一检测电极和多个第二检测电极之一连接到接地电位。
利用这种结构，通过接地电路而从第二电容到第三电容的转换可以与处理基于第三电容的变化而从第二电容元件输出的信号(第二信号)同步。
传感器装置可以进一步包括容纳第一电容元件的壳体。在这种情况下，将第一电极固定到第一电容元件，将第二电极固定到壳体。
利用这种结构，可以将第一电容元件对于壳体的相对位置的变化检测作为第一电极和第二电极之间的电容的变化。
在这种情况下，第一电极设置在第一电容元件的周围，结果，通过第二电容元件可以高精度地检测第一电容元件对于壳体的相对位置的变化。
此外，第二电容元件可以进一步包括设置在第一电极和第二电极之间的弹性构件。利用这种结构，对于输入操作面的压力可以由弹性构件来弹性支撑。
传感器装置可以进一步包括显示元件，用于在输入操作面上显示图像。
图像可以是用户选择并操作的图标，或者可以是根据用户进行的输入操作而显示的图像。利用这种结构，可以使输入操作面用作GUI(图形用户界面，Graphical User Interface)。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种信息处理装置，包括第一电容元件、第二电容元件、接地电路、信号处理电路和显示元件。
第一电容元件包括由操作体操作的输入操作面并且具有第一电容。
第二电容元件包括形成大于第一电容的第二电容的第一电极和第二电极。
接地电路包含与第一电极相邻设置的第三电极，并且通过将第三电极连接到接地电位将第二电容转换为小于第二电容的第三电容。
信号处理电路处理第一信号和第二信号。第一信号是用于检测操作体对于输入操作面的接触位置的信号，并且根据第一电容的变化从第一电容元件输出。第二信号是用于检测操作体对于输入操作面的压力的信号，并且根据第三电容的变化从第二电容元件输出。
显示元件在输入操作面上显示图像。
根据本发明的实施方式，通过使用共用信号处理电路，可以以共用电路处理具有不同电容的多个电容元件的输出。
如附图中所示，通过本发明的优选模式实施方式的以下详细的描述，本发明的这些和其他目的、特征及优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施方式的包含传感器装置的信息处理装置的示意性的截面图；
图2是信息处理装置的示意性分解透视图，其中没有示出壳体；
图3是信息处理装置的主要部分的放大图；
图4是图1的圆A包围的区域的放大图；
图5是用于说明结合在信息处理装置中的压敏传感器(pressure-sensitive sensor)的操作原理的图示；
图6是示出了图5中所示的压敏传感传感器的特性的实例的图示；
图7是示出了结合在信息处理装置的传感器装置的结构实例的电路图；
图8是示出了传感器装置的主要部分的结构实例的电路图；
图9是用于说明压敏传感器的操作特性的实例的示图；
图10是示意性示出了根据本发明另一实施方式的传感器装置的分解透视图；
图11是用于说明图10中所示的各个电极的配置关系的变形实例的示意性的示图；
图12是示出了图7中所示的传感器装置的另一结构实例的电路图；
图13是示出了图10中所示的传感器装置的结构的变形实例的分解透视图；以及
图14均为示出了图4中所示的传感器装置的结构的一部分的变形实例的截面侧视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。
(第一实施方式)
[整体结构]
图1是示出了根据本发明实施方式的包含传感器装置的信息处理装置的示意性截面图。图2是图1中所示的信息处理装置的示意性分解透视图，其中没有示出壳体(casing)。图3是图2的局部放大图，对应于触摸面板的分解透视图。在图2中，为便于理解附图，部分省略了触摸面板的电极结构，在图3中示出了触摸面板的具体电极结构。图4是图1的圆A包围的区域的放大图。图5是用于说明结合在图1中所示的信息处理装置中的压敏传感器的操作原理的示图。图6是示出了图5中所示的压敏传感器的特性的实例的示图。在这些图中，为便于理解这些结构，这些结构以与实际尺寸不同的尺寸示出，并且布线等的数目也不同于实际的数目。
如图1～图4所示，信息处理装置1包括顶板40、传感器单元100、作为显示元件的液晶面板30、用光照射液晶面板30的背光20以及容纳上述部件的壳体70。在信息处理装置1中，当从用户侧看时，依次设置有顶板40、传感器单元100、液晶面板30和背光20。传感器单元100包括作为第一电容元件的触摸面板50以及作为第二电容元件的压敏传感器60。
顶板40用来保护位于顶板40之下的触摸面板50的表面，但是可以省略顶板40。对于顶板40，可以使用透明玻璃基板或薄膜。顶板40的表面用作输入操作面51，当用户进行输入操作时，诸如手指或铁笔的输入操作体与其接触。在下文中，将手指作为输入操作体的实例。
结合层91将顶板40和传感器单元100相互结合并固定。传感器单元100包括彼此结合并固定的触摸面板50和压敏传感器60，触摸面板为平面矩形形状。在本实施方式中，顶板40被构造作为触摸面板50的一部分。
触摸面板50具有输入操作面51和位于与其相对的液晶面板30侧上的第二表面52。压敏传感器60设置在触摸面板50周围。在本实施方式中，四个压敏传感器60逐次设置在触摸面板50的第二表面52的框架部分的四个角处。触摸面板50设置在顶板40侧上，而压敏传感器60设置在液晶面板30侧上。液晶面板30设置在触摸面板50的后表面侧上。在本实施方式中，操作体接近或接触(在下文中，统称为“接触”)输入操作面51，从而进行关于信息处理装置1的输入操作。
压敏传感器60固定地设置到壳体70。压敏传感器60包括弹性本体62以及上部电极61和下部电极63，设置上部电极61和下部电极63以将弹性本体62插入其间。当在垂直于输入操作面51的方向(图中的z轴方向)按压输入操作面51时，压敏传感器60的弹性本体62变形而收缩，同时，结合并固定有压敏传感器60的触摸面板50和顶板40沿按压方向移动。通过这种方式，压敏传感器60具有这样的结构，即，其中，当被按压时，其厚度在z轴方向变化。因此，通过由手指的按压而导致的压敏传感器60的变形量，触摸面板50移动而接近液晶面板30。考虑到移动量，在传感器单元100与液晶面板30之间设置间隙95。
[触摸面板]
触摸面板50是检测输入操作面51上的xy坐标的电容型输入设备。在电容型触摸面板50中，通过检测其中电容局部改变的部分，可以检测接触面板(用户的手指已经与其接触)的输入操作面的输入位置以及位置上的改变。
如图2和3所示，例如，通过顺序层压X电极基板150和Y电极基板250并且通过结合层93将它们彼此结合来构成触摸面板50。X电极基板150和Y电极基板250均具有矩形形状，在本实施方式中，Y电极基板250的外部形状小于X电极基板150的外部形状。其中形成在X电极基板150上的X方向检测电极153以及形成在Y电极基板250上的Y方向检测电极252在平面视图中彼此重叠的区域成为xy平面坐标检测区域80。压敏传感器60设置在触摸面板50的xy平面坐标检测区域80外部周围区域(框架部分)中。换言之，从Y电极基板250突出的X电极基板150的一部分在平面视图中具有框架形状，压敏传感器60设置在该突出部分中。
在图2和3中，形成在X电极基板150和Y电极基板250上的电极图案等设置在图中的基板的后面侧上，因此由虚线来表示电极图案。
X电极基板150包括透明聚酰亚胺基板151、形成在透明聚酰亚胺基板151上的X方向检测电极153、上部电极61、电连接到X方向检测电极153的布线154以及电连接到上部电极61的引线(lead wire)155。除了透明聚酰亚胺基板151之外，可以使用PET薄膜基板、玻璃基板等。
X方向检测电极153均由沿图中的X轴方向延伸的条纹状透明导电薄膜形成，例如ITO(氧化铟锡)。上部电极61构成压敏传感器60的一部分。上部电极61与X方向检测电极153同时形成，并且由ITO形成。上部电极61共有四个，并且逐次设置在坐标检测区域80外部的矩形触摸面板50的框架部分的四个角上。四上部电极61彼此电独立。布线154是用于经由FPC基板81电连接X方向检测电极153和电路基板(未示出)的布线。引线155是用于经由FPC基板81电连接上部电极61和电路基板(未示出)的布线。例如，通过用Ag(银)印制来形成布线154和引线155。应该注意的是，通过用Ag等印制，上部电极61可以与布线154和引线155同时形成。
Y电极基板250包括透明聚酰亚胺基板251、形成在透明聚酰亚胺基板251上的Y方向检测电极252以及电连接到Y方向检测电极252的布线254。除了透明聚酰亚胺基板251之外，还可以使用PET薄膜基板、玻璃基板等。
Y方向检测电极252均由沿图中Y轴方向延伸的条纹状透明导电薄膜形成，例如ITO(铟锡氧化物)。布线254是用于经由FPC基板82电连接Y方向检测电极252和电路基板(未示出)的布线。例如，通过用Ag(银)印制来形成布线254。电路基板设置在例如背光20的表面上，与其上设置有液晶面板30的一侧相对。
如上所述，触摸面板50具有其中用于检测的电极图案设置在彼此正交的二轴方向上的结构。触摸面板50的检测输出(第一信号)被输入至设置在电路基板(未示出)上的检测电路，并确定二轴平面上的位置(即，xy坐标)。将预定的电压施加到X方向检测电极153和Y方向检测电极252中的每一个，从而在X方向检测电极153与Y方向检测电极252之间形成电荷。由于手指的接触导致电荷改变，从而流过X方向检测电极和Y方向检测电极中的每一个的电流改变。当检测到这种改变时，可以确定xy坐标并检测到手指的位置。应当注意的是，当没有设置顶板40时，其上没有设置电极图案的X电极基板150的表面用作输入操作面。
[压敏传感器]
如图1～图4所示，压敏传感器60包括弹性本体62、上部电极61和下部电极63。弹性本体62由电介质材料形成并且设置在触摸面板50与壳体70之间。上部电极61和下部电极63被设置为将弹性本体62插入到其间。压敏传感器60还包括结合层65和结合层64。结合层65将弹性本体62结合并固定到上部电极61。结合层64将弹性本体62结合并固定到下部电极63。在本实施方式中，构成四个压敏传感器60的弹性本体彼此耦接以构成一个框架形状的弹性本体62，从而四个压敏传感器60共用一个弹性本体62。进一步地，构成四个压敏传感器60的下部电极彼此耦接以构成一个框架形状的下部电极63，从而四个压敏传感器60共用一个下部电极63。应该注意的是，也可以将上部电极61形成为类似于下部电极63的框架形状。
对于弹性本体62，例如，使用引起较少残余变形并具有高恢复率(恢复速度)的材料。作为这种类型的材料，可以使用例如硅树脂橡胶或聚氨酯橡胶。在本实施方式中，作为弹性本体62，使用由INOACCORPORATION制造的“PORON”(注册商标)。
例如，弹性本体62可以变形大约10％。在例如使用厚度为0.5毫米的弹性本体62的情况下，形变大约为50微米。在本实施方式中，弹性本体62以与触摸面板50的框架部分一致的框架形状(环形形状)设置。由于弹性本体62以框架形状设置，所以，在信息处理装置1的状态下，可以防止灰尘等从外部进入到接触面板50和壳体70之间，特别地，可以防止灰尘等从外部接触面板50和液晶面板30之间的间隙95中。通过这种方式，框架形状的弹性本体62可以具有防止灰尘从外部进入的密封功能。因此，不存在由于灰尘从外部进入而导致的对显示特性的影响。
如上所述，上部电极61与X方向检测电极153或布线154同时形成在触摸面板50上。因此，不必要用其他的步骤来形成上部电极61。此外，由于可以在相同的基板上形成构成压敏传感器60的一部分的上部电极61以及形成在触摸面板50上的X方向透明电极图案和布线，因此，可以在同一FPC基板81上对那些电极等进行集体布线。
例如，通过在壳体70印制导电浆来形成导电下部电极63。对于下部电极63，例如，可以使用银浆。如弹性本体62的情况中那样，下部电极63以与触摸面板50的框架部分相一致的框架形状(环形形状)设置。下部电极63经由FPC基板83电连接到电路基板(未示出)。下部电极63被多个压敏传感器60共用，结果是可以简化下部电极63的布线。
[压敏传感器的操作原理]
然后，将参照图5和6描述本实施方式中的压敏传感器的操作原理。在本实施方式中的压敏传感器60中，电容在压敏传感器60的上部电极61、弹性本体62和下部电极63的层压方向上根据手指96施加的压力而改变。如图5的右侧示图所示出的，当手指96将压力施加到压敏传感器60时，构成压敏传感器60的弹性本体62发生形变从而其厚度减小，上部电极61与下部电极63之间的电容降低。
如上所述，通过使用由于弹性本体62的形变而导致的电极61与63之间的电容变化来实现压敏功能。如图6中所示，压敏传感器60具有线性特性，其中电容变化率基本上正比于推力，即，施加到压敏传感器60的压力。在本实施方式中，将矩形脉冲施加到下部电极63，将从上部电极获得的信号(第二信号)输入到设置在电路基板(未示出)上的计算电路，从而可以检测电极61与63之间的电容变化。然后，根据电极61与63之间的电容变化，可以判断已经做出了通过按压输入操作面51而做出的输入确定操作。
通过包含计算电路7(以下将描述)的判断单元判断基于压敏传感器60的电容变化而施加到输入操作面51的压力。可以将判断单元构成为信息处理装置1的控制器的一部分。判断单元根据设置在触摸面板50的四个角上的压敏传感器60检测的电容变化来判断压力。如以下将描述的，判断单元可以根据各个压敏传感器60的电容变化的组合值来判断压力。因此，使得能够无需依赖于输入操作面上的按压位置而进行压力的高精度检测。在这种情况下，例如，判断单元可以根据电容变化的组合值来判断压力，或者根据通过组合值除以压敏传感器的数量而获得的平均值来判断压力。
在传感器单元100中，当手指96触摸输入操作面51时，触摸面板50检测xy平面上的坐标位置。然后，当手指96按压输入操作面51时，通过压敏传感器60检测朝向垂直于xy平面的方向(z轴方向)施加的压力，从而判断输入确定。结果，手指96仅与输入操作面51的间接接触不能被判断为确定，从而降低了错误输入。此外，由于手指96在触摸输入操作面51的同时可以在输入操作面51上移动，因此操作性是完美的。
[信号处理电路]
接下来，将描述信号处理电路。信号处理电路生成并处理分别从上述触摸面板50和压敏传感器60输出的第一信号和第二信号。图7是示出了信号处理电路101的结构实例的示意性结构图。图8是示出了构成信号处理电路101的一部分的检测电路的结构实例的电路图。此外，根据本实施方式，传感器单元100和信号处理电路101构成传感器装置10。
如图7所示，传感器装置10包括触摸面板50、压敏传感器60、信号发生电路4、第一开关电路501、第二开关电路502、检测电路6以及计算电路7。触摸面板50包括X方向检测电极2a、2b、2c和2d以及Y方向检测电极3a、3b、3c和3d。压敏传感器60包括上部电极61和下部电极63。X方向检测电极2a～2d对应于上述检测电极153，而Y方向检测电极3a～3d对应于上述检测电极252。为便于理解，在图7中示出了四个X方向检测电极2a～2d和四个Y方向检测电极3a～3d。
设置X方向检测电极2a～2d和Y方向检测电极3a～3d，使得当从Z方向看时在输入操作面51上彼此交叉，但彼此不接触。因此，在X方向检测电极2a～2d和Y方向检测电极3a～3d彼此交叉的多个点上，形成的是第一电容器C1，在每个第一电容器C1中，检测电极2a、2b、2c或2d与检测电极3a～3d中的一个相对。触摸面板50连接在第一开关电路501与第二开关电路502之间。
压敏传感器60通过上部电极61和下部电极63形成第二电容器C2。压敏传感器60连接在第一开关电路501与第二开关电路502之间。
信号发生电路4连接到第一开关电路501，并且生成将经由第一开关电路501提供到Y方向检测电极3a～3d的输入信号。在本实施方式中，尽管信号发生电路4生成脉冲形状的输入信号，然而，输入信号可以是诸如正弦波的其他周期信号，而不是脉冲。
第一开关电路501连接到Y方向检测电极3a～3d和压敏传感器60的下部电极63。第一开关电路501包括将信号发生电路4中生成的信号分别提供给Y方向检测电极3a、3b、3c和3d和下部电极63的开关S1a、S1b、S1c、S1d和S1e。开关电路501打开/闭合开关S1a～S1e，从而将信号发生电路4连接到Y方向检测电极3a、3b、3c和3d或下部电极63之一。开关电路501以预定的定时顺序翻转开关S1a～S1e。这里，按照检测电极3a、检测电极3b、检测电极3c和检测电极3d以及下部电极63的顺序翻转开关S1a～S1e。结果，来自信号发生电路4的输入信号以连续的方式被周期性地提供给各构成触摸面板50的第一电容器C1和构成压敏传感器60的第二电容器C2。
此外，第一开关电路501连接到接地电位(GND)90。构造第一开关电路501以使Y方向检测电极3a～3d可以经由开关S1a～S1d连接到接地电位(GND)90。在本实施方式中，如图7所示，当开关S1e处于导通状态时，各个Y方向检测电极3a～3d连接到接地电位90。
第二开关电路502连接到X方向检测电极2a～2d和压敏传感器60的上部电极61。第二开关电路502包括将经由电容器C1和C2提供的电信号输出到检测电路6的开关S2a、S2b、S2c、S2d(称为第一开关)和S2e(称为第二开关)。开关电路502打开/闭合开关S2a～S2e，从而将X方向检测电极2a～2d或上部电极61之一连接到检测电路6。开关电路502以预定的定时顺序翻转开关S2a～S2e。这里，当接通开关S1a～S1d中的一个时，则开关S2a～S2d中的一个也接通。此外，当接通开关S1e时，则断开开关S2a～S2d并接通开关S2e。通过这种方式，来自于构成触摸面板50的电容器C1以及构成压敏传感器60的电容器C2的输出信号以连续的方式被周期性地提供给检测电路6。
接下来，将描述检测电路6的结构。图8是示出了检测电路6的结构实例的电路图。应当注意的是，检测电路6的结构不限于以下将要描述的结构。
检测电路6包括n沟道FET(场效应晶体管)，即FET 21和FET 22，以及参考电容器Cx。FET 21的源极接地，而其栅极和漏极经由第二开关电路502连接到X方向检测电极2a～2d。FET 21的栅极还连接到FET 22的栅极。FET 22的源极接地，而其漏极经由参考电容器Cx连接到电源端(Vdd)24。FET 22的漏极还连接到计算电路7。在具有上述结构的检测电路6中，FET 21和FET 22形成电流反射镜电路(current mirror circuit)。换言之，正比于FET 21的漏极-源极电流的电流在FET 22的漏极和源极之间流过。
根据共用输入信号，电容器C1和C2均输出其幅度根据各电容而不同的电流信号。根据从电容器C1和C2输出的电流的变化，检测电路6将对应于电容器C1和C2的电容的变化的检测信号(Vout)输出到计算电路7。
计算电路7由MPU(微处理单元)等构成。计算电路7计算来自检测电路6的输出信号，并且根据构成触摸面板50的电容器C1的电容的变化，确定手指96对于输入操作面51的操作位置。计算电路7将确定的操作位置(xy坐标值)输出到操作目标设备(operation target device)(未示出)。
在检测电路6中，由电源端24对参考电容器Cx进行充电并将参考电容器Cx的充电电压(Vout)输出到计算电路7。当将触摸面板50或压敏传感器60的输出信号(第一或第二信号)从第二开关电路502提供给检测电路6时，电流在电流镜电路中被放大并在参考电容器Cx中被充电。结果，检测端上的参考电容器Cx的端电位逐渐升高，而对计算电路7的输出电压(Vout)逐渐降低。输出电压(Vout)的降低速率根据输入检测电路6的电流的幅度而不同。计算电路7根据电压Vout的输出值、输出值的降低速率(时间变化率)等检测电容器C1和C2的电容的变化。
例如，对于构成触摸面板50的电容器C1，基本上直接位于手指96之下的电容器C1的电容在手指96与输入操作面51接触时和其与输入操作面不接触时是不同的。换言之，由于可以将手指96视为地面(地)，因此接近手指96的检测电极静电耦接到手指96，故该检测电极和与其相对的检测电极之间的电容降低。因此，当手指接近时，电容器C1的电容与不接近手指的情况相比变小。因此，连接信号发生电路4和检测电路6的电路的阻抗增加，从而提供给检测电路6的电流降低。因此，从检测电路6提供给计算电路7的输出电压(Vout)逐渐地降低，然后在计算电路7中检测到电容器C1的电容的降低。对于构成触摸面板50的所有电容器C1，计算电路7分别检测上述电容变化。
另一方面，对于构成压敏传感器60的电容器C2，按压输入操作面51时和不按压输入操作面51时的电容不同。换言之，与没有向输入操作面51施加压力的情况相比，当向输入操作面51施加压力时上部电极61与下部电极63之间的距离变小。因此，电容器C2的电容增加。从而，连接信号发生电路4和检测电路6的电路的阻抗降低，提供给检测电路6的电流增加。因此，从检测电路6提供给计算电路7的输出电压(Vout)急剧降低，在计算电路7中检测到电容器C2的电容的增加。
此外，根据对于输入操作面51的压力的幅度，电容器C2的电容也被连续地改变。因此，根据电容器C2的电容变化，输入到检测电路6的电流量也发生改变，结果，在计算电路7中可以检测到对于输入操作面51的压力。
[接地电路]
本实施方式的传感器装置10根据手指96不接触或按压输入操作面51时的触摸面板50与压敏传感器60之间的电容(初始电容)与手指96接触或按压输入操作面51时的触摸面板50与压敏传感器60之间的电容之差，来检测输入操作。当触摸面板50的初始电容以及压敏传感器60的初始电容彼此不同时，从触摸面板50输出到检测电路6的信号的输出范围与从压敏传感器60输出到检测电路6的信号的输出范围彼此显著不同。在这种情况下，难以在检测电路6中使用共用的参考电容器Cx，因此，有必要为触摸面板50和压敏传感器60准备参考电容器，这些参考电容器具有不同的电容值。
具体地，与构成触摸面板的各个电容器C1相比，构成压敏传感器60的电容器C2电极的相对面积较大。因此，电容器C2的电容(第二电容)倾向于大于电容器C1的电容(第一电容)，从而上述问题变得突出。
在这点上，本实施方式的传感器装置10包括接地电路9，其消除触摸面板50的初始电容与压敏传感器60的初始电容之差。
本实施方式的接地电路9包括触摸面板50的Y方向检测电极3a～3d以及Y方向检测电极3a～3d连接到接地电位90的开关S1a～S1d。如上所述，在第一开关电路501中，当将输入信号从信号发生电路4施加到压敏传感器60时，将开关S1a～S1d翻转到接地电位90，Y方向检测电极3a～3d每个用作连接到接地电位的接地电极(第三电极)。
另一方面，如图4所示，由于压敏传感器60的下部电极63被设置得接近Y方向检测电极252(3a～3d)，因此下部电极63易于电耦接到连接到接地电位的Y方向检测电极3a～3d。结果，与Y方向检测电极3a～3d未连接到接地电位的情况相比，当Y方向检测电极3a～3d连接到接地电位时，压敏传感器60的下部电极63与上部电极61之间形成的电容器C2的电容转换为小电容(第三电容)。结果，两电容器C1和C2之间的电容的差变小，从而在检测电路6中可以实现使用共用的参考电容器Cx进行电容检测。
根据下部电极63和Y方向检测电极3a～3d之间的距离等，可以适当地调节电容器C2的电容的转换量。此外，在本实施方式中，尽管所有的Y方向检测电极3a～3d连接到接地电位，然而也可以是这些电极中的一些或者仅是最接近下部电极63的电极连接到接地电位，以转换电容器C2的电容。此外，取代使Y方向检测电极3a～3d用作接地电极的情况，也可以使X方向检测电极2a～2d用作接地电极以转换电容器C2的电容。在这种情况下，可以构造第二开关电路502以在将输入信号施加到压敏传感器60时使X方向检测电极2a～2d连接到接地电位。
本发明的发明人在压敏传感器60中采用具有预定电极区域和电极距离的电容器C10，以测量由于接地电极的存在和不存在而导致的电容器C10的电容变化。将测量条件设置为X和Y方向检测电极两者均不连接到接地电位的情况(情况1)、只有X方向检测电极连接到接地电位的情况(情况2)以及只有Y方向检测电极连接到接地电位的情况(情况3)。作为测量结果，在情况1中获得15.5[Pf]的电容、在情况2中获得13.0[Pf]的电容，而在情况3中获得9.7[Pf]的电容，可以确信的是，压敏传感器60的电容根据接地电极的存在或不存在、接地电极的位置等而发生显著地变化。
此外，将与电容器C10不同的另一电容器C20用作压敏传感器60，以对于情况1(没有接地电极)和情况3(具有接地电极)中的每一个测量电容器C20的极间距离、其电容以及电容变化率之间的关系。图9A和9B示出了测量结果。如图9A所示，可以发现的是，设置有接地电极时与未设置接地电极时电容器C20的初始电容不同，且电容随着极间距离的减小而增加。然而，就电容的变化率而言，如图9B所示，与未设置接地电极的情况相比，设置有接地电极时电容的变化率较大。换言之，当初始电容较小时，对于极间距离的变化的电容的变化率高。如上所述，当使用接地电极降低压敏传感器的电容时，压敏传感器的电容变化率增加，结果，可以高精度检测压敏传感器的电容变化。
理想的是，将通过接地电极转换的电容器C2的电容设置为与电容器C1的电容相等的值，但不限于此。电容器C2的电容可以是接近电容器C1的电容的值。具体地，转换之后获得的电容器C1的电容与电容器C2的电容之差只需要在检测电路6的参考电容器Cx的可调节范围内。
如上所述，构造了信号处理电路101。信号处理电路101可以由单个信号处理电路构成，或者可以由多个电路构成。此外，信号处理电路101可以由模拟电路、数字电路或这些电路的组合构成。
[信息处理装置的操作]
接下来，将描述本实施方式的信息处理装置1的操作实例。
当信息处理装置1处于用于向入操作表面51输入信息的输待机状态时，信号发生电路4中生成的输入信号经由第一开关电路501被顺序施加到触摸面板50的Y方向检测电极3a～3d以及压敏传感器60的下部电极63。输入操作面51通过正显示的液晶面板30的图像而用作GUI(图形用户界面)。该显示图像可以是用户选择并操作的图标，或者可以是根据用户进行的输入操作而显示的图像。
在向Y方向检测电极3a～3d顺序输入输入信号期间，从每个电容器C1输出的电流信号经由第二开关电路502被顺序提供给检测电路6。电容器C1的扫描方法并不具体限制。例如，当开关S1a处于接通状态(向Y方向检测电极3a输入信号的状态)时，开关S2a～S2d在预定的测量周期顺序翻转。接下来，接通开关S1b，开关S2a～S2d再次翻转。在下文中，对开关S1c和开关S1d也执行同样的控制。因此，输入信号以点序列被提供到电容器C1中，来自每个电容器C1的输出信号以点序列被提供到检测电路6。
在终止对于开关S1d的接通操作之后，接通开关S1e，将输入信号施加到压敏传感器60的下部电极63。与开关S1e的接通操作同步，开关电路501的其他开关S1a～S1d连接到接地电位90。然后，开关电路502的开关S2a～S2d断开，开关S2e接通。因此，所有Y方向检测电极3a～3d切换到接地电极，来自电容器C2(其中通过静电耦接到接地电极来转换电容)的输出信号被提供给检测电路6。
通过重复上述操作，将构成触摸面板50的每个电容器C1的输出以及构成压敏传感器60的电容器C2的输出通过一个信号处理电路101交替地提供给检测电路6。检测电路6将对应于电容器C1和C2的电容的电压(Vout)顺序输出到计算电路7。
计算电路7根据检测电路6的输出电压(Vout)监测电容器C1和C2的电容变化。当手指没有与输入操作面51接触时，从检测电路输出的电容器C1的电容以及电容器C2的电容恒定。另一方面，当手指与输入操作面51接触时，接触位置附近的电容器C1的电容降低。计算电路7经由检测电路6电检测电容器C1的电容的降低，以确定输入操作面51上的操作位置。
此外，随着手指96在输入操作面51上进行按压操作，电容器C2的电容根据按压量增加。计算电路7经由检测电路6电检测电容器C2的电容的增加，以确定对于输入操作面51的压力。压敏传感器60设置在触摸面板50的周围，结果，可以高精度检测触摸面板50对于壳体70的相对位置的变化。此外，由于触摸面板50经由压敏传感器60安装在壳体70中，因此，施加到输入操作面51的压力可以由压敏传感器60弹性地支撑，从而可以改善操作性。
如上所述，根据本实施方式的信息处理装置1，由于设置了将构成压敏传感器60的电容器C2的电容转换为更小的电容的接地电路9，因此，可以将输出范围与参考电容器Cx的电容匹配的信号提供给检测电路6。因此，可以高精度检测对于操作表面51的三维输入操作。
此外，根据本实施方式，由于设置了第二开关电路502，因此用于触摸面板50的检测电路还可以用作压敏传感器60的检测电路。因此，可以在共用电路中处理来自电容不同的两种类型的电容元件的输出信号，从而使信号处理电101的结构简化并降低开发成本。
另外，根据本实施方式，由于构成触摸面板50的Y方向检测电极3a～3d用作接地电极，用于转换电容器C2的电容，因此可以减小传感器装置10尺寸并使其结构简化。
(第二实施方式)
图10是根据本发明的另一实施方式的传感器装置的分解透视图。本实施方式的传感器装置10A包括接地电极92(第三电极)，所述接地电极形成在构成触摸面板50的Y电极基板250上，并用于将压敏传感器60的电容转换为较小电容。在图10的实例中，接地电极92设置在Y电极基板250的两侧上，接近于上部电极61且平行于Y方向检测电极252。通过一直连接到接地电位，接地电极92形成接地电路。
接地电极92的结构不限于以上实例，而可以是其中压敏传感器60的电容可以被转换为目标电容值的结构。例如，接地电极92可以形成在Y电极基板250的一侧上，或者以环形方式沿着Y电极基板250的周围连续或间断地形成。
根据本实施方式，由于接地电极一直连接到接地电位，所以在检测压敏传感器60的输出时没有必要将触摸面板50的Y方向检测电极252连接到接地电位。因此，可以简化图7中的第一开关电路501的结构。
接地电极92可以形成在壳体70上，例如，虽然不限于接地电极92形成在构成触摸面板50的电极基板上的情况。将在图11中示意性地示出构成压敏传感器60的上部电极61和下部电极63以及接地电极92的配置实例。图11A是其中接地电极92相邻于上部电极61和下部电极63设置的实例。图11B是其中接地电极92被设置为使将上部电极61和下部电极63中的每一个插入其间的实例。图11C是其中接地电极92相邻于上部电极61设置的实例。该结构对应于图10的结构。此外，图11D是其中接地电极92相邻于下部电极63设置的实例。在以上结构实例中，接地电极92被设置在上部电极61或下部电极63被设置在其上的平面上，但是不限于此。可以将接地电极92设置在与其上设置有上部电极61和下部电极63的平面不同的平面上。
至此，已经描述了本发明的实施方式。然而，本发明不限于以上实施方式，而是可以根据本发明的技术思想进行各种变形。
例如，在上述实施方式中，已经描述了其中将共用检测电路6提供给触摸面板50和压敏传感器60的实例，但是本发明不限于此。例如，如图12所示，可以为触摸面板50的X方向检测电极2a～2d以及压敏传感器60中的每一个设置检测电路。在这种情况下，可以将具有共用结构的电路用作检测电路6a～6e，结果，可以通过使用共用电路部件而降低装置的成本。应当注意的是，在图12中，与图7中的对应的那些部分采用相同的参考标号表示，并且将省略其描述。
接下来，图13是示意性地示出了图10的传感器装置10A的结构的变形实例的分解透视图。在图13中所示的传感器装置10B中，可以将接地电极92设置在X电极基板150和Y电极基板250上，如图13所示。接地电极92的位置、形状、尺寸和范围并不受到具体限制，而是可以根据作为压敏传感器60所需要的电容的大小进行适当地设置。
此外，在上述实施方式中，如图4所示，压敏传感器60被直接设置在触摸面板50下方，然而本发明并不限于此。图14A和14B均示出了其中将压敏传感器60设置在与触摸面板50隔开的顶板40的边缘部分的结构实例。将压敏传感器60的上部电极61直接形成在顶板40的下表面上。图14B中所示的实例示出了其中绝缘层41形成在上部电极61和弹性本体62之间的结构。绝缘层41可以是构成X电极基板150的树脂基板。
此外，在上述实施方式中，作为触摸面板50，已经作为实例描述了其中根据X方向检测电极2a～2d和Y方向检测电极3a～3d之间形成的电容器C1的电容变化检测输入操作面51上的接触位置的系统。除此之外，本发明还可应用于具有如下系统的触摸面板，即，在该系统中，检测X方向检测电极与操作体(手指)之间、Y方向检测电极之间与操作体之间的电容变化，从而检测操作体的输入操作位置。
此外，在上述实施方式中，已经作为实例描述了包括作为第一电容元件的触摸面板50和作为第二电容元件的压敏传感器60的传感器装置，然而本发明不限于此。本发明可应用于包含两个或两个以上具有不同电容的电容元件的传感器装置。具体地，电容元件可以不仅用作接触传感器(proximity sensor，接近传感器)或压力传感器，还可以用作距离传感器、厚度传感器、浓度计、加速度计等。因此，本发明可应用于包含不同用途的多个电容元件的所有传感器装置。
本申请包含涉及于2009年12月22日向日本专利局提交的第JP2009-291255号日本优先专利申请，其全部内容结合于此作为参考。
本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同替换的范围内，可以根据设计要求和其他因素进行各种变形、组合、子组合和修改。

Claims (10)

1.一种传感器装置，包括：
第一电容元件，具有第一电容；
第二电容元件，包括形成大于所述第一电容的第二电容的第一电极和第二电极；
接地电路，包括与所述第一电极相邻设置的第三电极，并且通过将所述第三电极连接到接地电位而将所述第二电容转换为小于所述第二电容的第三电容；以及
信号处理电路，处理基于所述第一电容的变化而从所述第一电容元件输出的第一信号，以及基于所述第三电容的变化而从所述第二电容元件输出的第二信号。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，
其中，所述第一电容元件包括由操作体操作的输入操作面，
其中，所述第一信号包括用于检测所述操作体对于所述输入操作面的接触位置的信号，以及
其中，所述第二信号包括用于检测所述操作体对于所述输入操作面的压力的信号。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，
其中，所述第一电容元件包括沿第一方向延伸的多个第一检测电极以及沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸并且与多个所述第一检测电极相对的多个第二检测电极，从而形成均具有所述第一电容的电容元件，以及
其中，所述接地电路包括通过将多个所述第一检测电极和多个所述第二检测电极之一连接到所述接地电位而形成所述第三电极的开关电路。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，
其中，所述开关电路包括
第一开关，具有阻挡所述第一信号向所述信号处理电路的输入的第一状态；以及
第二开关，具有当所述第一开关处于所述第一状态时允许所述第二信号输入到所述信号处理电路的第二状态。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，
其中，在所述第一状态下，所述第一开关将多个所述第一检测电极和多个所述第二检测电极之一连接到所述接地电位。
6.根据权利要求3所述的传感器装置，进一步包括容纳所述第一电容元件的壳体，
其中，所述第一电极固定到所述第一电容元件，所述第二电极固定到所述壳体。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，
其中，所述第一电极设置在第一电容元件的周围。
8.根据权利要求7所述的传感器装置，
其中，所述第二电容元件进一步包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的弹性构件。
9.根据权利要求2所述的传感器装置，进一步包括显示元件，用于在所述输入操作面上显示图像。
10.一种信息处理装置，包括：
第一电容元件，包括由操作体操作的输入操作面并且具有第一电容；
第二电容元件，包括第一电极和第二电极，并且形成大于所述第一电容的第二电容；
接地电路，包括与所述第一电极相邻设置的第三电极，并且通过将所述第三电极连接到接地电位而将所述第二电容转换为小于所述第二电容的第三电容；
信号处理电路，处理用于检测所述操作体对于所述输入操作面面的接触位置的第一信号以及处理用于检测所述操作体对于所述输入操作面的压力的第二信号，所述第一信号基于所述第一电容的变化而从所述第一电容元件输出，所述第二信号基于所述第三电容的变化而从所述第二电容元件输出；以及
显示元件，在所述输入操作面上显示图像。
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