JP2011100215A - 座標入力装置及び情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】手袋やペンを使って軽く押した場合でも、少ない充放電回数で高速で正確な２次元座標を検出できる座標入力装置の提供。
【解決手段】
第一の支持手段２１１上に配置された複数の駆動電極１１３と、第一の支持手段２１１と対面する第二の支持手段２２１上に複数の駆動電極１１３と２次元マトリクスを形成するように配置された複数の検出電極１１４と、駆動電極１１３と検出電極１１４の間に狭持する絶縁手段２４１と、駆動電極１１３または検出電極１１４と絶縁手段２４１の間に挟持された複数のスペーサー２３１とにより成り立つ検出パネルを用いた座標入力装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は、２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の変化により、人の指やペンなどによる物体の押し圧力や位置などの指示を検出する座標入力装置および検出した指示に対応した処理を行う情報機器に関する。

人の指などの位置を入力する座標入力装置には、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式などが実用化されている。

これらの中で、本発明と構造的に近いデジタル式の抵抗膜方式では、手袋をした指やペンで入力が可能であるが、図１７に示すように絶縁手段がないために電流を流しながら検出するために電極の電気抵抗による電圧降下の影響により検出に誤差を生じたり、ある程度強く押さないと検出しないという課題がある。

静電容量方式は、固定された電極に生じる電界を指などの検出対象が吸収することを利用した方式と、指などの検出対象からの外力により電極間の位置関係が機械的に変化することを利用した方式に分けられる。

検出対象が電界を吸収することを利用した方式は、電極は固定されており、ペンなどの細い検出対象の検出が困難であり、手袋などをしていると検出できないことが多いことが課題となっている。

検出対象が電界を吸収することを利用した方式は、検出面がひとつの検出電極で検出される表面型と２次元座標に対応した複数の検出電極をもつ投影型に分類され、投影型は、更に検出電極そのものの見かけの静電容量あるいはその変化を測定するロード方式と、マトリクス状電極の交点で形成される両電極間の静電容量あるいはその変化を測定するシャント方式に分けられる。

投影型は、複数の検出対象を同時に検出することはできない。また、ロード方式では複数の指で同時に指示した場合に誤検出することがあるため、２次元座標を入力する静電容量方式の座標入力装置ではシャント方式が主流になりつつある。

従来のシャント方式の座標入力装置では、例えば図１８に示すように、Ｘ電極１６１４及びＹ電極１６１３が指などの検出対象とほぼ対面することにより、Ｘ電極とＹ電極間の電界を検出対象が効率的に吸収することにより、交点の静電容量が変化することを応用したものである（例えば特許文献１参照。）。

それでも、この従来の２次元のシャント方式の座標入力装置では、配線抵抗による電圧降下の影響は通常受けないが、指などの検出対象の指示による交点の静電容量の変化は約０．２ｐＦと非常に小さい。そのため、検出感度を高くする必要があり、ノイズの影響を取り除いて正確に検出するために、例えば累積する充放電の回数を多くしたり、逆相の充放電でノイズをキャンセルしたりする必要がある。よって、検出速度を早くするためには、高速の回路やコントローラや演算処理が必要で部材コストが高くなる傾向にあった。

一方、検出対象からの外力により電極間の距離が変化することを利用した方式は、液晶表示装置の中に設けられるインセルタイプのものが主流である。例えば図１９に示すように、共通電極１７１１に対面して２次元の座標ごとに検出電極１７２１を設け、一定の電荷を充電した後に静電容量の変化により生じる検出電極の電圧の変化を検出電極１７２１ごとに増幅して検出する。このため、歩留まりが課題となっている（例えば特許文献２参照。）。

このような従来のインセルタイプの座標入力装置では、検出対象からの外力により、液晶層の厚みが変化して、表示に影響してしまうと言う課題がある。また、各検出電極に増幅トランジスタを設ける必要があった。さらに、液晶表示装置と一体化した歩留まりの低下によるコストアップや、液晶表示装置と一体化されているため既存の液晶装置には使えないという課題もある。

米国特許出願公開第２００８／０３０９６２５号明細書 特開２００９−１５１１３８号公報

そこで本発明では、以上に示した従来の抵抗膜方式とシャント方式とインセルタイプの座標入力装置の課題を解決し、長所をそのまま生かした座標入力装置を実現することである。つまり、手袋やペンを使って軽く押した場合でも、少ない充放電回数で高速で正確な２次元座標を検出することのできる座標入力装置を実現することである。

上記の課題を解決するために、以下にその詳細を示す。

第１の発明は、情報機器に座標を入力する座標入力装置において、第一の支持手段上に配置された複数の駆動電極と、第一の支持手段と対面する第二の支持手段上に複数の駆動電極と２次元マトリクスを形成するように配置された複数の検出電極と、駆動電極と検出電極の間に直流電流が流れないようにするために駆動電極と検出電極の間に設けられた絶縁手段と、駆動電極または検出電極と絶縁手段の間に挟持された複数のスペーサーと、駆動電極を駆動する駆動手段と、駆動電極と検出電極の間の距離の変化に対応した電荷または電流を検出電極から測定する電流測定手段と、電流測定手段の測定結果から操作内容を演算する座標演算手段と、装置全体の状態と工程を制御する制御手段とを有する座標入力装置。

第２の発明は、上記第１に記載の発明において、駆動手段が、複数の駆動電極を時分割して順次駆動する。

第３の発明は、上記第１に記載の発明において、駆動手段が、複数の駆動電極を同時に駆動する。

第４の発明は、上記第１から３に記載の発明において、複数の検出電極からの信号を選択する選択手段を有する。

第５の発明は、上記第１から４に記載の発明において、検出電極は、仮想接地されている。

第６の発明は、上記第１から５に記載の発明において、電流測定手段は、駆動電極に印加される電圧波形の立ち上がりに対応して検出電極から流れ込む電荷または電流の立下りに対応して検出電極から流れ込む電荷または電流の両方を測定する。

第７の発明は、上記第１から６に記載の発明において、駆動手段は、同一の駆動電極に連続して複数サイクルの駆動を行う。

第８の発明は、上記第１から７に記載の発明において、電流測定手段または座標演算手段は、座標入力装置を操作している時に検出電極から流れ込む電荷または電流に対応した値から座標入力装置を操作していない時に検出電極から流れ込む電荷または電流に対応した値を取り除く。

第９の発明は、上記第１から８に記載の発明において、座標演算手段は、逆数の演算を用いる。

第１０の発明は、上記第１から９に記載の発明において、座標演算手段は、複数の駆動電極と複数の検出電極の２次元座標に対応する各交点の静電容量もしくはその変化に対応した値から、隣接する値の大きい交点をグループ化して加重平均により指示座標を演算する。

第１１の発明は、上記第１から１０に記載の発明において、第一の支持手段及び第二の支持手段がガラスである。

第１２の発明は、上記第１から１１に記載の発明において、第一の支持手段上に配置された導電性パターンと第二の支持手段上に配置された導電性パターンが異方導電接着剤により接続されている。

第１３の発明は、上記第１から１２に記載の発明において、第一の支持手段または第二の支持手段の内で操作面側に配置される一方の支持手段のいずれかの厚みが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であること。

第１４の発明は、上記第１から１３に記載の発明において、絶縁手段の厚みの合計が、０．０６μｍ以上１．０ｍｍ以下である。

第１５の発明は、上記第１から１４に記載の発明において、外力がない場合の駆動電極と検出電極の間の距離を一定に保つための第一のスペーサーの高さが０．１μｍ以上２００μｍ以下である。

第１６の発明は、上記第１５に記載の発明において、第一の支持手段と第二の支持手段の位置関係を固定しようとする周辺部の接着剤による駆動電極と検出電極の間隔が、第一のスペーサーによる駆動電極と検出電極の間隔の０．８倍以上１．０倍以下である。

第１７の発明は、上記第１から１６に記載の発明において、駆動手段と電流測定手段の一部を含む集積回路が、第一の支持手段もしくは第二の支持手段上に実装されている。

第１８の発明は、上記第１から１７に記載の発明において、駆動手段と電流測定手段の一部を含む集積回路が、第一の支持手段もしくは第二の支持手段上に接続されているフレキシブル基板上に実装されている。

第１９の発明は、上記第１から１８に記載の発明において、第一の支持手段と第二の支持手段と駆動電極と検出電極と絶縁手段とが透明であり、かつディスプレイ装置の前面に配置される。

第２０の発明は、上記第１から１９に記載の発明において、座標入力装置は、複数の指示座標を同時に入力される。

第２１の発明は、上記第１から２０に記載の発明において、スペーサーは、大きさの異なる複数のスペーサーである。

第２２の発明は、上記第２１に記載の発明において、スペーサーは、少なくとも２種類の大きさの異なるスペーサーで構成される。

第２３の発明は、上記第１から２１に記載の座標入力装置のいずれか１つに従った入力装置を備えている。

第２４の発明は、上記第２３に記載の発明において、情報機器が携帯電話からなる。

第２５の発明は、上記第２３に記載の発明において、情報機器がマルチメディアプレイヤーからなる。

第２６の発明は、上記第２３に記載の発明において、情報機器がナビゲーションシステムからなる。

第２７の発明は、上記第２３に記載の発明において、情報機器がコンピュータからなる。

このように、本発明によると、マトリクス型の電極を用いてたわみによる静電容量の変化を検出するようにしたため、従来の座標入力装置と比較して、以下の効果を同時に実現することができる。
（１）マトリクス型。従来のインセルタイプに比べ、各平行平板コンデンサにスイッチや増幅回路が不要で、歩留まりが良い。
（２）たわみ検出。従来の静電容量方式に比べ、静電容量の変化が大きいため、ノイズに強く、検出が高速である。また、ペン入力や手袋での入力が可能である。
（３）静電容量。従来の抵抗膜方式と異なり、絶縁手段を電極間に狭持させ、電極間で静電容量を検出するようにして、電極や配線の電気抵抗による電圧降下の悪影響を排除するとともに、接触させる必要がないために軽く押した場合でも検出する。

本発明に係る座標入力装置の好適な一実施例を示すブロック図。 本発明に係る検出パネルの実施例を示す断面図。 本発明に係る検出パネルの実施例を示す斜視図。 本発明に係わる検出パネルの他の実施例を示す断面図。 本発明に係る検出パネルの実施例の動作を示す断面図。 本発明に係る検出パネルの実施例を示すパターン図であり、（ａ）は第一の支持手段の導電性パターン、（ｂ）は第二の支持手段の導電性パターン、（ｃ）は絶縁手段（上側）、（ｄ）は上下導通接着剤、（ｅ）は絶縁手段（下側）を示す。 本発明に係わる座標入力装置の実施例を示す実装図。 本発明に係る駆動測定工程の実施例の動作を示すタイミング図。 本発明に係る駆動測定工程の他の実施例の動作を示すタイミング図。 本発明に係る電流測定手段の実施例を示すブロック図。 本発明に係る座標入力装置の他の実施例を示すブロック図。 本発明の座標演算工程の動作を表す概念図。 本発明に係る座標入力方法の実施例を示すフロー図。 本発明に係る充放電検出工程の実施例の動作を示すタイミング図。 本発明を用いる情報機器の例のブロック図。 本発明を用いる情報機器の例を示す図。 従来の検出パネルの構造を示す断面図。 従来の検出パネルの電極の構成図。 従来の検出パネルの他の実施例の電極の構成図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

本発明による座標入力装置の好適な実施例を、図１を基に説明する。

本発明による座標入力装置１０１は、人の指やペンなどの検出対象による力を検出する検出パネル１１１と、検出パネル１１１の駆動電極１１３を駆動する駆動手段１２１と、検出パネル１１１の検出電極１１４からの電荷もしくは電流を測定する電流測定手段１３１と、駆動電極１１３と検出電極１１４との間に挟持する絶縁手段１１２と、電流測定手段１３１で測定した電流の値から検出対象の物体の位置および物体からの力を演算により求める座標演算手段１５１と、全体の状態および工程を管理する制御手段１７１とにより構成した。

なお、本実施例で用いる説明や図は、分かりやすくするために便宜上少ない電極数や片寄った寸法になっているところもあるが、本発明は説明や図面で示す電極数や寸法に制約されるものではない。

本発明の特徴を、従来例との違いを基に説明する。

例えば特許文献１に示すような、マトリク型の電極の交点の静電容量の変化を検出するタイプの座標入力装置では、駆動電極と検出電極の間の電界を検出対象の指が吸収することによる静電容量の変化を検出していたため、静電容量の変化が０．２ｐＦ程度と微小でノイズを除去するための検出の繰り返し回数が多いために検出が遅かったり、接触面積の小さいペン入力が困難であった。本発明では、絶縁手段により駆動電極と検出電極の間の距離が変化することによる静電容量の変化を検出するようにしたため、静電容量の変化が大きく、ノイズに強く高速で検出できる点が異なる。

また、例えば特許文献２に示すような、外力により駆動電極と検出電極との間の距離が変化するインセルタイプの座標入力装置では、共通の面電極１７１１と２次元的に配列された検出電極１７２１との間の静電容量を検出していた。これに対して、本発明では２次元座標に対応するマトリクス型の駆動電極と検出電極の交点に形成される静電容量を検出する点が異なる。併せて、特許文献２に示すような、外力により駆動電極と検出電極との間の距離が変化するタイプの座標入力装置では、予め静電容量に電荷を充電しておき、静電容量の変化による電圧の変化を検出電極毎に増幅して検出している。これに対して、本発明では静電容量に電圧の変化を加えて流れる電荷の量を検出している点が異なる。また、インセルタイプでは、外力により表示が影響を受けてしまったり、タッチスクリーンとしての歩留まりが課題になっていたのに対し、本発明ではディスプレイと座標入力装置を別々に構成して重ねることにより、歩留まり及び表示品位を改善した点が異なる。

さらに、従来のデジタル式の抵抗膜方式の座標入力装置では、２次元のマトリクス型の駆動電極と検出電極の交点の電気抵抗により検出していたのに対し、本発明による座標入力装置では絶縁手段により駆動電極と検出電極の交点で直流成分が流れないようにして定常状態で静電容量を測定するようにしたことにより、駆動電極や検出電極や配線の電気抵抗の影響を排除するとともに、電極が接触する必要がないため小さい外力でも検出できるようにした点が異なる。

これより、各構成手段について、詳細に説明する。

検出パネル１１１では、図２（ａ）に断面構造を示すように、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１が上下に平行な状態で対面し、互いに平行な複数の駆動電極１１３が第一の支持手段２１１の下側に設けられ、互いに平行な複数の検出電極１１４が第二の支持手段の上側に設けられ、絶縁手段２４１が検出電極１１４を覆うように検出電極の上側に設けられ、弾性の第一のスペーサー２３１が外力が加えられていない場合の駆動電極１１３と絶縁手段２４１あるいは検出電極１１４との距離を一定に保つように設けられている。

つまり、図２（ａ）の例では、第一のスペーサー２３１の高さと駆動電極１１３と絶縁手段２４１の間隔はほぼ同じであることが望ましい。このため、第一の支持手段と第二の支持手段の位置関係を固定しようとする周辺部の接着剤による駆動電極と検出電極の間隔は、第一のスペーサー２３１による駆動電極と検出電極の間隔に対して、若干小さくする必要があり、０．８倍以上１．０倍以下が現実的な範囲である。

検出パネル１１１をディスプレイ装置と重ねて、タッチスクリーンを構成する場合には、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１と駆動電極１１３と検出電極１１４と絶縁手段２４１は透明なものを用いる。この場合に、駆動電極と検出電極は、導電性のため、例えばＩＴＯや酸化亜鉛や導電性高分子などを用いるが、この限りではない。

複数の駆動電極１１３と複数の検出電極１１４は、図１のブロック図および図３の斜視図が示すように、上側から見ると２次元座標に対応してマトリクス状に直交するようにした。但し、この場合の２次元座標は必ずしも直角直線座標である必要はなく、直交曲線座標や斜交座標などでも良いし、必ずしも等間隔でなくても良い。従って、各交点では、駆動電極１１３と検出電極１１４による平行平板コンデンサが形成されている。このコンデンサの静電容量は、交差する部分の面積に両電極間の誘電率を掛けて両電極間の距離で割った値にほぼ等しい。より厳密には、絶縁手段２４１と第一のスペーサー２３１によるギャップとをコンデンサの直列接続として分けて考えたり、交差する部分の境界近くから外に出る電界の影響を考慮すれば良い。

但し、これは一例であり、絶縁手段２４１は、図２（ｂ）に示すように駆動電極１１３を覆うように設けても良いし、駆動電極１１３と検出電極１１４の両方を覆うようにしても良い。ここで、図３（ａ）の斜視図は図２（ａ）の断面図に対応し、図３（ｂ）の斜視図は図２（ｂ）の断面図に対応したものである。なお、図３においては、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１と第一のスペーサー２３１は図示していない。

また、逆に第一の支持手段２１１に検出電極１１４を設けて、第二の支持手段２２１に駆動電極１１３を設けるようにしても良い。さらに、第一のスペーサー２３１も、図に示すような球状である必要はなく、半球状や円柱状やシート状などでも良く、駆動電極と検出電極の間の位置関係を保つものであれば特に形状に制約はない。

但し、駆動電極１１３と検出電極１１４の間の平行平板コンデンサの静電容量はギャップに反比例するため、指などで検出パネル１１１を強く押せば押すほど急激に静電容量が大きくなり、場合によっては信号の遅延時間が長くなるなどの問題を生じる。これを回避するためには、ギャップが小さくなるほど弾性率が大きくなるようなスペーサーを用いれば良い。このため、例えば図４に示すように、第二のスペーサー１４１１を追加して、大きさの異なるスペーサーを混在させてギャップが小さくなると支えるスペーサーが増えるようにしても良い。この際、第一のスペーサーと第二のスペーサーは、形状や材料の異なるものを用いても良い。ここで、図４（ａ）の断面図は図２（ａ）の断面図に対応し、図４（ｂ）の断面図は図２（ｂ）の断面図に対応したものである。

これより、検出パネル１１１に指やペンなどの検出対象からの外力が加えられた場合について、図５を基に説明する。本発明による座標入力装置では、検出対象からの外力の検出パネルの法線方向の成分のみを検出するため、検出対象からの外力４１１は検出パネル１１１の法線方向になっている。この外力４１１により第一の支持手段２１１は局所的にたわみ、その下の第一のスペーサーはその弾性により縮むため、外力４１１の近傍の交点では駆動電極１１３と検出電極１１４の間の距離が短くなる。前述したように、交点のコンデンサの静電容量は、凡そ電極間の距離に反比例するため、交点の静電容量は増大する。通常たわみ量は外力に比例するため、静電容量は外力に凡そ反比例する。但し、第二の支持手段の厚みや弾性係数や支持方法などにより、外力による第二の支持手段のたわみは充分小さくなるように構成されているものとする。ここで、図５（ａ）の断面図は図２（ａ）の断面図に対応し、図５（ｂ）の断面図は図２（ｂ）の断面図に対応したものである。なお、ここでは、外力が上側から加えられた場合について説明したが、下側から外力が加えられるように構成した場合についても考え方は同様であることは言うまでもない。

外力が開放されると、第一のスペーサー２３１や第一の支持手段２１１などの弾性により、たわみから復元し、駆動電極１１３と検出電極１１４の間の位置関係も元に戻る。

外力により第一のスペーサー２３１によるギャップがなくなった場合には、駆動電極１１３と検出電極１１４の間の電圧による電界が絶縁手段２４１に集中する。絶縁手段２４１の厚みが小さ過ぎるとリークを生じるため、リークを生じない程度の厚みにする必要がある。本実施例では、絶縁耐力が２２ｋＶ／ｍｍのポリイミドを絶縁材として、絶縁手段２４１の厚みを０．５μｍとした。すると、絶縁耐力は１１Ｖとなる。検出電極１１４の仮想接地の電圧に対する駆動電極１１３に印加する電圧を３Ｖとしたため、３，４倍程度の余裕である。絶縁耐力が５０ｋＶ／ｍｍの材料を用いたとしても、３Ｖの絶縁耐力をもたせるためには、絶縁手段２４１の厚みは最低でも０．０６μｍ以上必要である。逆に、例えば電極の交差する部分の面積を２５平方ミリメータとした場合には、絶縁手段２４１の厚みが１ｍｍあったとしてもポリイミドの比誘電率を３．５とすると、静電容量がおおよそ０．８ｐＦであり、従来のシャント方式の０．２ｐＦの変化と比較しても充分検出可能な範囲である。ここで言う厚みとは、駆動電極１１３と検出電極１１４の両方に絶縁手段２４１を設けた場合には、両方の厚みの合計である。

第一の支持手段２１１及び第二の支持手段２２１は、駆動電極１１３と検出電極１１４の間の距離が安定するようにガラスを用いた。本発明の第一の支持手段２１１として合成樹脂のフィルムを用いることは出来ないことではないが、ある座標に外力が加えられた場合に広い範囲の座標の静電容量が大きく変化してしまうため、座標演算手段の判定で最大値を用いるなどの工夫を行う必要がある。

第一の支持手段２１１がガラスの場合の厚みは、薄すぎると生産性が低下し、厚すぎるとガラスのたわむ範囲が広くなって検出の位置制度を低下させたり、検出パネル１１１自体の厚みや重さが大きくなる。本実施例では、コスト及び生産性を考慮して厚みが０．３ｍｍのガラスを用いた。ガラスの厚みは、０．１から０．５ｍｍまでが実用的な範囲である。但し、大型の座標入力装置では、１．０ｍｍ程度の厚みまで、使われる可能性がある。

第一のスペーサーの高さは、生産性の観点から０．１〜１００μｍが実用的である。本実施例においては、第一のスペーサーの高さを５μｍにしたため、例えば電極の交差する部分の面積を２５平方ミリメータとした場合には、外力が無い場合の静電容量は約４５ｐＦである。ここで、絶縁手段２４１の厚みは充分小さく、静電容量への影響は無視した。仮に外力によりギャップが半分になると、静電容量は約９０ｐＦに増加するため、従来のシャント方式の０．２ｐＦの変化と較べると大幅に改善される。

駆動電極１１３と検出電極１１４は、透明なＩＴＯを用いた。ＩＴＯの抵抗値は、透過率の観点から大きい方が望ましいが、信号の遅延時間の観点からは小さい方が望ましく、正方形辺りのシート抵抗が５〜１０００Ωが現実的な範囲である。本実施例では、正方形当たりのシート抵抗が１００Ωのものを用いた。

図６のパターン図を基に、本発明による検出パネル１１１の構造の一例を説明する。図６（ａ）〜（ｅ）は、すべて上面から見た図である。図６（ａ）は、第一の支持手段２１１に設けられた駆動電極１１３とその配線のための導電性パターンを示し、図６（ｂ）は第二の支持手段２２１に設けられた検出電極１１４と配線のための導電性パターンを示し、図６（ｃ）は第一の支持手段２１１の導電性パターンを覆う絶縁手段２４１のパターンを示し、図６（ｄ）は第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１を接着するとともに第一の支持手段２１１のパターンと第二の支持手段２２１のパターンを接続するための異方導電接着剤１２２１のパターンを示し、図６（ｅ）は第二の支持手段２２１の導電性パターンを覆う絶縁手段２４１のパターンを示す。図６（ｃ）の絶縁手段２４１のない領域において、第一の支持手段２１１の導電性パターンと第二の支持手段２２１の導電性パターンは異方導電接着剤１２２１で接続される。ここで、図６（ｂ）の横線でハッチングされた領域は、検出パネル１１１としての外部との接続端子であり、図６（ｂ）の太線で示すパターンはメタル配線などにより抵抗値を低く抑えることが望ましい。

図７を基に本発明による座標入力装置の実装形態の例を示す。

図７（ａ）の例は、検出パネルの駆動手段１２１及び電流測定手段１３１の全てまたは一部を含む集積回路１３２１をガラスである第二の支持手段２２１上の導電パターンに接続し、外部との接続のために第二の支持手段２２１上の導電パターンとフレキシブル基板１３１１を接続したものである。なお、この例は、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１の導電性パターンは異方性導電接着剤１２２１で接続された場合のものである。

図７（ｂ）の例は、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１の導電性パターンの各々を同一のフレキシブル基板１３１１に接続した場合の例である。但し、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１の導電性パターンの接続は別々のフレキシブル基板によってでも良いことは言うまでもない。

図７（ｃ）の例は、第一の支持手段２１１と第二の支持手段２２１の導電性パターンの各々を同一のフレキシブル基板１３１１に接続し、さらにフレキシブル基板１３１１上に駆動手段１２１及び電流測定手段１３１の全てまたは一部を含む集積回路１３２１を実装した場合の例である。

駆動手段１２１は、各駆動電極１１３の電圧を変化させることにより駆動電極１１３と検出電極１１４の交点に形成される静電容量に充放電を行う。駆動手段１２１は、図８に示すように、駆動電極１１３毎に１つの期間を割り当てて、線順次に各々３回の充放電を繰り返すようにしたが、充放電の回数は１回以上何回でも良い。また、図９に示すように、複数の駆動電極１１３に同一の期間に充放電を行うことにより、駆動の効率を向上させるようにしても良い。

さらに、駆動手段１２１が駆動する波形は、必ずしも矩形波である必要はなく、三角関数など、電圧が変化するものであれば、どのような波形を用いても良い。

電流測定手段１３１は、図１０の例に示すように、各検出電極１１４が、演算増幅器５２１の負の入力に接続され、コンデンサ５１１による負帰還により、演算増幅器５２１の正の入力に接続されている定電圧Ｖｍに仮想接地されている。従って、駆動手段１２１が線順次駆動を行う場合には、その駆動電極１１３の電圧の変化とその駆動電極１１３と検出電極１１４の交点の静電容量の積の電荷が電流測定手段１３１に流れ込む。また、複数の駆動電極１１３を同時に駆動する場合には、検出電極１１４には、同時に駆動する各駆動電極１１３について、電圧の変化と検出電極１１４との複数の交点の静電容量の積の総和の電荷が電流測定手段１３１に流れ込む。

駆動手段１２１が駆動する波形が矩形波の場合には電圧の変化に対応した電荷が流れるが、駆動手段１２１が駆動する波形が例えば三角関数などの場合には電圧変化に対応した電荷と言う概念より、交流電圧に対応する交流電流と考えた方が分かりやすい。従って、ここではより一般的に、電流測定手段と呼ぶようにした。

電流測定手段１３１に流れ込んだ電荷は、コンデンサ５１１にて電圧に変換される。第一のスイッチ５３１は、この変換を行う前にコンデンサ５１１の電圧をリセットするためのものである。

演算増幅器５２１とコンデンサ５１１により変換された電圧は、ＡＤＣ手段５５１によりデジタル値に変換される。ＡＤＣ手段５５１により変換されたデジタル値は、記憶手段５６１に記憶される。記憶手段５６１は、駆動する複数の期間と複数の検出電極１１４の組み合わせごとにデジタル値を記憶する。ここで言う駆動する複数の期間とは、線順次駆動の場合には、複数の駆動電極１１３に対応する。

なお、ノイズの影響を分散させるために、図８に示すように複数サイクルの駆動と電流測定を行う場合には、複数回の測定を累積する必要がある。この累積は、電流測定手段１３１内でのアナログ回路により実現しても良いが、ＡＤＣ手段をΣΔ型にすることにより変換しながら累積するようにしても良いし、デジタルに変換した後に加算するようにしても良い。

図１０において、ＤＡＣ手段５７１と抵抗５８１と第二のスイッチ５９１は、外力による静電容量の変化を抽出するために、外力がない場合の静電容量により流れ込む電荷をキャンセルして、オフセットを除去するためのものである。オフセットの電荷は、ＤＡＣ手段５７１の出力電圧あるいは第二のスイッチ５９１のオン時間により制御される。オフセットは、異なる検出期間と複数の検出電極１１４毎に同じ値を用いても良いが、より正確にオフセットを取り除くために、検出期間毎あるいは検出電極１１４毎あるいは検出期間と検出電極１１４の組み合わせ毎に異なる値を設定しても良い。

図１０においては、検出電極の仮想接地に直接オフセットを加えているが、電圧に変換した後にオフセットを加えたり、デジタル値に変換した後にオフセットを加えるようにしても良い。また、図１０の例ではＤＡＣ手段５７１の出力が電圧値であるが、電流値を出力するものを用いても良い。

設定するオフセットの値は、設計値など予め定められた値を用いても良いし、装置の起動時など外力が加わっていない時の測定値がある値になるようなものを検出して用いてもよいし、外力が加わる前の検出値を更新しながらキャンセルするような値を用いても良い。

ここで、コンデンサ５１１の静電容量が可変になっているのは、外力が加わっていない場合の駆動電極１１３と検出電極１１４の間に形成される平行平板コンデンサの静電容量が、異なる設計などにより平行平板コンデンサの面積やギャップや誘電率が異なる場合にも対応できるようにするためであり、必要に応じて可変にすれば良い。

図１０に示したような電流測定手段１３１は、検出電極１１４毎に設けて、検出電極１１４から流れ込む電荷をほぼ同時に測定するようにしても良いが、図１１に示すように、検出電極１１４と電流測定手段１３１の間に選択手段６１１を設けて、時分割して部材コストを削減しても良い。図１１の例では、検出電極１１４と電流測定手段１３１との間に選択手段６１１を設けたが、選択手段６１１はこの限りではなく、例えば図１０における演算増幅器５２１とＡＤＣ手段５５１の間に設けるようにしても良い。

座標演算手段１５１は、電流測定手段１３１で測定した電荷あるいは電流から、検出パネル１１１への検出対象の指やペンなどの指示座標および指示の強さなどを求める。このため、座標演算手段１５１では、変化の抽出，復号，逆数演算，領域抽出（閾値と比較／隣接連結），加重平均，ベクトル化，ジェスチャー判定などを必要に応じて行う。これらの順番は以下の説明の順番に限られたものではなく、入れ換えても本発明から逸脱するものではない。また、座標演算手段１５１は、論理回路等により構成されても良いが、汎用的なＭＰＵなどにより実現しても良い。

電流測定手段１３１の記憶手段５６１に記憶された値は、前述したように、駆動する複数の期間と複数の検出電極１１４の組み合わせごとのデジタル値に変換された測定値である。

線順次駆動の場合には、ここで言う駆動する複数の期間とは複数の駆動電極１１３に対応するため、記憶手段に記憶されている値は駆動電極１１３と検出電極１１４との各交点の静電容量に対応した値である。しかし、例えば図９に示すように、複数の駆動電極１１３を同時に駆動する場合には、複数の期間の測定値から複数の駆動電極１１３に対応した値に変換する必要がある。このため、各駆動電極１１３に駆動した波形と電流測定手段１３１で測定した値の相関を演算したり、駆動したパターンを駆動電極１１３と期間の行列に見立てて、電流測定手段１３１で測定した値にその逆行列を掛けるなどして、複数の送信電極１１３と検出電極１１４の各交点の静電容量に対応した値に変換する。この際、駆動したパターンが例えばウォルシュ符号の場合には、高速アダマール変換を活用するなどしても良い。

平行平板コンデンサの静電容量の値はギャップに凡そ反比例するため、各交点の静電容量に対応する値の逆数に変換しても良い。逆数に変換することにより、静電容量に対応した値からギャップに対応した値に変換される。ギャップの変化は外力にほぼ比例するため、外力をより正確に検出できるようになる。但し、オフセットを除去した静電容量については、逆数の計算が正しくできないので、オフセット分を補充した後に変換するなど留意する必要がある。逆数への変換は、演算によって行うことが出来るが、テーブル等を用いて変換しても良い。

領域抽出では、駆動電極１１３と検出電極１１４の各交点の静電容量に対応した値から、指やペンなどにより押されている範囲を抽出し、加重平均により指示位置を計算する。この際、範囲内の静電容量に対応した値の合計から指示による力の強さを求める。

図１２の例は、領域抽出と加重平均の様子を示している。図１２において、縦線と横線は、それぞれ駆動電極１１３と検出電極１１４の座標を表している。交点にある黒丸の大きさは、各交点の静電容量の値に対応している。点線で囲まれた範囲は、静電容量がある値より大きい隣接した交点の集まりであり、例えば一本の指などの一つの指示体に対応する。Ｘ印は、指示座標として加重平均などにより検出した位置である。なお、図１２の例では２本の指で指示されている場合の例を示したが、本発明による座標入力装置では、指の数に特に制約はない。また、閾値より静電容量が大きくても孤立している場合は、ノイズが原因であり指示ではないと判定するようにしても良い。

指示座標が求められると、例えば押されてから放されるまでの指示座標の時間的な変化をベクトル化したり、指などで操作する人の意図を示すジェスチーに変換したりするようにしても良い。

制御手段１７１は、座標入力装置１０１全体の状態および工程を管理する。

ここでいう状態とは、例えば電流測定中などの状態を指し、工程とは例えば電流測定のＯＮやＯＦＦの手順などを指す。制御手段１７１は、通常プロセッサ等により実現されるが、論理回路やシーケンサなどにより実現しても良いことは言うまでも無い。本発明による近接検出方法全体の工程フロー図の一例を図１３に示す。

図１３において、メイン工程７３０は、駆動測定工程７４０と座標演算工程７６０のハンドリングを行う。駆動測定工程７４０では、駆動電極１１３に駆動波形を印加しつつ検出電極１１４に流れ込む電荷あるいは電流を電流測定手段１３１で測定する。座標演算工程７６０では、座標演算手段１５１で指示の有無及び指示座標あるいはジェスチャーなどを演算により求める。駆動測定工程７４０あるいは座標演算工程７６０が終了するとメイン工程に戻る。

通常メイン工程７３０は、駆動測定工程７４０で一通りの検出について最新の電流測定値に更新した後に、座標演算工程７６０を順に行う。但し、全体の工程フローは図１３に示す例に限られるものではなく、座標演算工程７６０は、駆動測定工程７４０とは非同期に実行するようにしても良い。例えば、駆動測定工程７４０の実行中でも、常に最新に更新された電流測定結果に基づいて、座標演算工程７６０を並列処理により繰り返し実行するようにしても良い。あるいは、座標演算工程７６０の実行中に割り込み処理で駆動測定工程７４０を実行するなど、図１３に示すフロー以外でも、最新の指示座標を得られるフローは、多様に決定し得る。

なお、通常メイン工程７３０は、指示座標入力中には５〜１００ミリ秒毎に、符号駆動測定工程７４０を行う。但し、駆動電極１１３と検出電極１１４との全交点について静電容量あるいはその変化が閾値より小さい入力待ち状態では、駆動測定工程７４０の実行頻度を低くすることにより、消費電力を低減させても良い。

駆動測定工程７４０のタイミングについて、図８の例を基に、より詳細に説明する。図８の例は、説明の便宜上、少ない期間による簡単なタイミングを示したものである。図８において、横軸は共通の時間軸で、期間ｔは期間の番号を示している。

駆動測定工程７４０では、検出パネル全体の駆動と測定を一通り行う。この駆動測定工程７４０は、複数の期間ｔに分割される。図８に示す線順次駆動の場合には、期間ｔは各駆動電極１１３に対応する。

図９に示すような複数の駆動電極１１３を同時に駆動する場合には、期間ｔの数は駆動電極１１３の数と同じか駆動電極１１３の数より多い。座標演算手段１５１で記憶手段５６１に記憶されている値から駆動電極１１３と検出電極１１４との各交点の静電容量に対応した値に変換する際に、駆動したパターンを駆動電極１１３と期間ｔの行列に見立てて電流測定手段１３１で測定した値に逆行列を掛ける場合には、期間ｔの数は通常駆動電極１１３の数と一致する。

各期間ｔにおいては、１サイクル以上の電圧波形が駆動電極１１３に印加される。サイクル数を多くすることにより、ノイズの影響を軽減することができる。図８及び図９の例では３サイクルである。ここで、図９の期間ｔが４の場合の駆動電極４などでは、４サイクルの波形になっているが、ここでの駆動の位相が反転しているために、最初の立ち上がりと最後の立下りは単に位相を合わせるためのものであり、実質的には３サイクルである。

各サイクルにおいては、駆動波形の変化と同期して、検出電極１１４に流れ込む電荷あるいは電流を測定する。１サイクルの動作について、図１４に示す例を基に説明する。図１４において、横軸は共通の時間軸である。駆動波形は駆動電極１１３に印加される電圧の波形を示し、受信電流は検出電極１１４から電流測定手段に流れ込む電流の波形を示し、ＱＶ変換値はコンデンサ５１１と演算増幅器５２１の出力との接続点の電圧波形を示し、リセットは第一のスイッチ５３１の状態を示し、ＡＤＣはＡＤＣ手段５５１が変換するタイミングを表している。

受信電流の波形は、電極の配線抵抗や静電容量の影響で高周波成分が減衰しているが、基本的には駆動波形を交点の静電容量により微分したものである。ＱＶ変換値は、受信電流を積分したものである。図１４（ａ）の例では、リセットは１サイクル毎に初期化するためのものであり、駆動波形の立ち上がりによるＱＶ変換値の変化を安定したタイミングでＡＤＣ手段でデジタル値に変換している。図１４（ｂ）の例では、駆動波形の立ち上がりと立ち上がりの各々について、受信電流を測定するために、駆動波形の立ち上がりと立下りの前にリセットして、ＱＶ変換値が安定したタイミングでＡＤＣ手段でデジタル値に変換するようにしたものである。この場合には、駆動波形の立下りに対応したデジタル値はマイナス１倍して立ち上がりに対応したデジタル値に加算するようにした。こうすることにより、より低い周波数のノイズの影響を効果的に除去することができる。

座標演算工程７６０では、座標演算手段１５１により、電流測定手段で測定した電荷から、検出パネルへの検出対象の指やペンなどの指示座標および指示の強さなどを求める。このため、座標演算工程７６０では、変化の抽出，復号，逆数演算，領域抽出（閾値と比較／隣接連結），加重平均，ベクトル化，ジェスチャー判定などを必要に応じて行う。これらの順番は以下の説明の順番に限られたものではなく、入れ換えても本発明から逸脱するものではない。

また、図１５に示すように、本発明による座標入力装置１０１をディスプレイ１５３１を持つＣＰＵ１５２１に接続することにより、情報機器を構成することができる。

具体的には、本発明による座標入力装置により、図１６（ａ）に示すような携帯電話や図１６（ｂ）に示すようなマルチメデイアプレーヤーや図１６（ｃ）に示すようなナビゲ―ションシステムや図１６（ｄ）に示すようなコンピュータなどのディスプレイ装置上に透明な検出パネル１１１を重ねることによりタッチスクリーン１６３１を構成し、ノイズに強い安定したスムーズな操作を可能にした携帯機器やコンピュータなどの情報機器を実現することが出来る。

図１６（ａ）〜（ｄ）に示す情報機器の構成として、情報機器を保護するケース１６１１と、情報を出力するタッチスクリーン１６３１と、ディスプレイ１５３１上に設置された検出領域からの入力を受け付け物体の接近や位置を特定する本発明の座標入力装置１０１と、座標入力装置からの入力と、ディスプレイ１５３１への出力を制御するＣＰＵ１５２１と、により成り立つ。また、図１６（ａ）、図１６（ｂ）や図１６（ｄ）に示されるようにキーボード１６２１が情報機器に備え付けられていても良い。

１０１ 座標入力装置
１１１ 検出パネル
１１２ 絶縁手段
１１３ 駆動電極
１１４ 検出電極
１２１ 駆動手段
１３１ 電流測定手段
１５１ 座標演算手段
１７１ 制御手段
２１１ 第一の支持手段
２２１ 第二の支持手段
２３１ 第一のスペーサー
２４１ 絶縁手段
４１１ 外力
５１１ コンデンサ
５２１ 演算増幅器
５３１ 第一のスイッチ
５５１ ＡＤＣ手段
５６１ 記憶手段
５７１ ＤＡＣ手段
５８１ 抵抗
５９１ 第二のスイッチ
６１１ 選択手段
７３０ メイン工程
７４０ 駆動測定工程
７６０ 座標演算工程
１２２１ 異方導電接着剤
１３１１ フレキシブル基板
１３２１ 集積回路
１４１１ 第二のスペーサー
１５２１ ＣＰＵ
１５３１ ディスプレイ
１６１１ ケース
１６１３ Ｙ電極
１６１４ Ｘ電極
１６２１ キーボード
１６３１ タッチスクリーン

Claims (27)

1. 情報機器に座標を入力する座標入力装置において、第一の支持手段上に配置された複数の駆動電極と、前記第一の支持手段と対面する第二の支持手段上に前記複数の駆動電極と２次元マトリクスを形成するように配置された複数の検出電極と、前記駆動電極と前記検出電極の間に直流電流が流れないようにするために前記駆動電極と前記検出電極の間に設けられた絶縁手段と、前記駆動電極または前記検出電極と絶縁手段の間に挟持された複数のスペーサーと、前記駆動電極を駆動する駆動手段と、前記駆動電極と前記検出電極の間の距離の変化に対応した電荷または電流を前記検出電極から測定する電流測定手段と、前記電流測定手段の測定結果から操作内容を演算する座標演算手段と、装置全体の状態と工程を制御する制御手段とを有する座標入力装置。
2. 前記駆動手段が、複数の駆動電極を時分割して順次駆動する請求項１に記載の座標入力装置。
3. 前記駆動手段が、複数の駆動電極を同時に駆動する請求項１に記載の座標入力装置。
4. 前記複数の検出電極からの信号を選択する選択手段を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の座標入力装置。
5. 前記検出電極は、仮想接地されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の座標入力装置。
6. 前記電流測定手段は、前記駆動電極に印加される電圧波形の立ち上がりに対応して検出電極から流れ込む電荷または電流の立下りに対応して検出電極から流れ込む電荷または電流の両方を測定する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の座標入力装置。
7. 前記駆動手段は、同一の駆動電極に連続して複数サイクルの駆動を行う請求項１ないし６のいずれか１項に記載の座標入力装置。
8. 前記電流測定手段または前記座標演算手段は、前記座標入力装置を操作している時に検出電極から流れ込む電荷または電流に対応した値から前記座標入力装置を操作していない時に検出電極から流れ込む電荷または電流に対応した値を取り除く請求項１ないし７のいずれか１項に記載の座標入力装置。
9. 前記座標演算手段は、逆数の演算を用いる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の座標入力装置。
10. 前記座標演算手段は、前記複数の駆動電極と前記複数の検出電極の２次元座標に対応する各交点の静電容量もしくはその変化に対応した値から、隣接する値の大きい交点をグループ化して加重平均により指示座標を演算する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の座標入力装置。
11. 前記第一の支持手段及び前記第二の支持手段が、ガラスである請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の座標入力装置。
12. 前記第一の支持手段上に配置された導電性パターンと前記第二の支持手段上に配置された導電性パターンが、異方導電接着剤により接続されている請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の座標入力装置。
13. 前記第一の支持手段または第二の支持手段の内で操作面側に配置される一方の支持手段のいずれかの厚みが、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の座標入力装置。
14. 前記絶縁手段の厚みの合計が、０．０６μｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の座標入力装置。
15. 外力がない場合の前記駆動電極と前記検出電極の間の距離を一定に保つための第一のスペーサーの高さが０．１μｍ以上２００μｍ以下である請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の座標入力装置。
16. 前記第一の支持手段と前記第二の支持手段の位置関係を固定しようとする周辺部の接着剤による駆動電極と検出電極の間隔が、前記第一のスペーサーによる駆動電極と検出電極の間隔の０．８倍以上１．０倍以下である請求項１５に記載の座標入力装置。
17. 前記駆動手段と前記電流測定手段の一部を含む集積回路が、前記第一の支持手段もしくは前記第二の支持手段上に実装されている請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の座標入力装置。
18. 前記駆動手段と前記電流測定手段の一部を含む集積回路が、前記第一の支持手段もしくは前記第二の支持手段上に接続されているフレキシブル基板上に実装されている請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の座標入力装置。
19. 前記第一の支持手段と前記第二の支持手段と前記駆動電極と前記検出電極と前記絶縁手段とが透明であり、かつディスプレイ装置の前面に配置される請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の座標入力装置。
20. 前記座標入力装置は、複数の指示座標を同時に入力される請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の座標入力装置。
21. 前記スペーサーは、大きさの異なる複数のスペーサーである請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の座標入力装置。
22. 前記スペーサーは、少なくとも２種類の大きさの異なるスペーサーで構成される請求項２１に記載の座標入力装置。
23. 請求項１ないし２１の座標入力装置のいずれか１つに従った入力装置を備えている情報機器。
24. 前記情報機器が携帯電話からなる請求項２３に記載の情報機器。
25. 前記情報機器がマルチメディアプレイヤーからなる請求項２３に記載の情報機器。
26. 前記情報機器がナビゲーションシステムからなる請求項２３に記載の情報機器。
27. 前記情報機器がコンピュータからなる請求項２３に記載の情報機器。

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