JP2013101545A

JP2013101545A - 入力装置

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Publication number: JP2013101545A
Application number: JP2011245550A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fukuoka; 広晃福岡; Takao Imai; 貴夫今井
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2013-05-23

Abstract

【課題】検出対象に依存することなく検出対象までの距離を算出することができる入力装置を提供する。
【解決手段】入力装置１は、ｘ軸に配置された複数のセンサワイヤ２０と、複数のセンサワイヤ２０より下層に設けられ、ｘ軸と交差するｙ軸に配置された複数のセンサワイヤ２１と、センサワイヤ２０ごとの第１の静電容量、及びセンサワイヤ２１ごとの第２の静電容量を検出する検出部２４と、検出部２４により検出された第１の静電容量及び第２の静電容量に基づいて、検出対象の検出点の座標を算出するｘｙ座標算出部２６ｂと、検出された第１の静電容量の中で最大の静電容量、検出された第２の静電容量の中で最大の静電容量、センサワイヤ２０とセンサワイヤ２１の間隔、及び検出点の座標に基づいて、複数のセンサワイヤ２０が作る平面と検出対象との、ｘ軸及びｙ軸と直交するｚ軸の距離を算出するｚ座標算出部２６ｃと、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力装置に関する。

従来の技術として、ｙ軸方向に延伸するように配置されたｘ電極と、ｘ軸方向に延伸するように配置されたｙ電極と、ｘ電極とｙ電極が対向する電極対の静電容量を検出する静電容量制御部と、を備えた座標入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この座標入力装置の静電容量制御部は、静電容量の変化量に基づいて入力操作面上のｘｙ座標を検出する。また、静電容量制御部は、静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から検出対象までの距離が短いことを利用して、入力座標のｚ座標を検出する。

特開２００８−６５７３０号公報

しかし、静電容量の変化量は、入力操作面と被検出体までの距離のみならず、検出対象ごとに異なるため、座標入力装置は、ｚ座標を正確に検出することができない。

従って、本発明の目的は、検出対象に依存することなく検出対象までの距離を算出することができる入力装置を提供することにある。

本発明の一態様は、第１の方向に配置された複数の第１方向電極と、第１方向電極より下層に設けられ、第１の方向と交差する第２の方向に配置された複数の第２方向電極と、第１方向電極ごとの第１の静電容量、及び第２方向電極ごとの第２の静電容量を検出する検出部と、検出部により検出された第１の静電容量及び第２の静電容量に基づいて、検出対象の検出点の座標を算出する座標算出部と、検出された第１の静電容量の中で最大の静電容量、検出された第２の静電容量の中で最大の静電容量、第１方向電極と第２方向電極の間隔、及び検出点の座標に基づいて、複数の第１方向電極が作る平面と検出対象との、第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向の距離を算出する算出部と、を備えた入力装置を提供する。

本発明によれば、検出対象に依存することなく検出対象までの距離を算出することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る入力装置の斜視図であり、（ｂ）は、電極と検出対象までの距離Ｒと静電容量Ｃ（Ｒ）の関係を示すグラフである。図２は、実施の形態に係る入力装置のブロック図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る入力装置を上面から見た模式図であり、（ｂ）は、指とｘ軸方向のセンサワイヤとの距離の算出を説明するための模式図であり、（ｃ）は、指とｙ軸方向のセンサワイヤとの距離の算出を説明するための模式図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る入力装置は、第１の方向に配置された複数の第１方向電極と、第１方向電極より下層に設けられ、第１の方向と交差する第２の方向に配置された複数の第２方向電極と、第１方向電極ごとの第１の静電容量、及び第２方向電極ごとの第２の静電容量を検出する検出部と、検出部により検出された第１の静電容量及び第２の静電容量に基づいて、検出対象の検出点の座標を算出する座標算出部と、検出された第１の静電容量の中で最大の静電容量、検出された第２の静電容量の中で最大の静電容量、第１方向電極と第２方向電極の間隔、及び検出点の座標に基づいて、複数の第１方向電極が作る平面と検出対象との、第１の方向及び第２の方向と直交する第３の方向の距離を算出する算出部と、を備える。

[実施の形態]
（入力装置１の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係る入力装置の斜視図であり、（ｂ）は、電極と検出対象までの距離Ｒと静電容量Ｃ（Ｒ）の関係を示すグラフである。図２は、実施の形態に係る入力装置のブロック図である。なお、実施の形態に係る各図において、部品と部品との比率は、実際の比率とは異なる場合がある。

入力装置１は、例えば、接続された電子機器の操作を行うことができるものである。入力装置１は、例えば、導電性を有するペンや操作者の指の接近又は接触による操作により、電子機器に表示されたカーソルの移動や選択、表示されたアイコンのドラッグ、ドロップ等の指示を行うことができるように構成されている。本実施の形態では、指による操作について説明する。

入力装置１は、例えば、図１（ａ）及び図２に示すように、第１の方向（ｘ軸）に配置された複数の第１方向電極（センサワイヤ２０）と、複数のセンサワイヤ２０より下層に設けられ、ｘ軸と交差する第２の方向（ｙ軸）に配置された複数の第２方向電極（センサワイヤ２１）と、センサワイヤ２０ごとの第１の静電容量、及びセンサワイヤ２１ごとの第２の静電容量を検出する検出部２４と、検出部２４により検出された第１の静電容量及び第２の静電容量に基づいて、検出対象の検出点の座標を算出する座標算出部（ｘｙ座標算出部２６ｂ）と、検出された第１の静電容量の中で最大の静電容量、検出された第２の静電容量の中で最大の静電容量、センサワイヤ２０とセンサワイヤ２１の間隔、及び検出点の座標に基づいて、複数のセンサワイヤ２０が作る平面と検出対象との、ｘ軸及びｙ軸と直交する第３の方向（ｚ軸）の距離を算出する算出部（ｚ座標算出部２６ｃ）と、を備えて概略構成されている。

また、入力装置１は、例えば、図２に示すように、制御部２６ａ、ｘｙ座標算出部２６ｂ、ｚ座標算出部２６ｃ、判定部２６ｄが形成された制御ＩＣ（Integrated Circuit）２６と、クロック信号生成部２８と、通信部２９と、を備えている。

入力装置１は、例えば、図２に示すように、電源５から供給される電圧に基づいて動作するように構成されている。

（センサワイヤ２０及びセンサワイヤ２１の構成）
図３（ａ）は、実施の形態に係る入力装置を上面から見た模式図であり、（ｂ）は、指とｘ軸方向のセンサワイヤとの距離の算出を説明するための模式図であり、（ｃ）は、指とｙ軸方向のセンサワイヤとの距離の算出を説明するための模式図である。本実施の形態では、図３（ａ）の紙面の横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸とし、入力装置１の左上を原点としている。

以下において、ｘ軸の座標は、ｘに下付きの数字（１〜ｍ）を付して、左から右に向かってｘ_１〜ｘ_ｍと示すものとする。また、ｙ軸の座標は、ｙに下付きの数字（１〜ｎ）を付して、上から下に向かってｙ_１〜ｙ_ｎと示すものとする。

ｘ軸方向のセンサワイヤ２０及びｙ軸方向のセンサワイヤ２１は、例えば、銅等の金属材料を用いて細長い板形状に形成されている。また、センサワイヤ２０及びセンサワイヤ２１は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム）等の透明電極であっても良い。

ｘ軸方向のセンサワイヤ２０は、例えば、図３（ａ）に示すように、ｘ軸に直交するように延伸して配置されている。ｘ軸方向には、図３（ａ）に示すように、ｍ個のセンサワイヤ２０が等間隔で並んでいる。つまり、ｍ個のセンサワイヤ２０は、ｘ軸の座標ｘ_１〜ｘ_ｍに対応する。このｍは、例えば、正の整数である。ｍ個のセンサワイヤ２０は、例えば、図２に示すように、駆動部２２及び検出部２４に電気的に接続されている。

また、ｙ軸方向のセンサワイヤ２１は、例えば、図３（ａ）に示すように、ｙ軸に直交するように延伸して配置されている。ｙ軸方向には、図３（ａ）に示すように、ｎ個のセンサワイヤ２０が等間隔で並んでいる。つまり、ｎ個のセンサワイヤ２１は、ｙ軸の座標ｙ_１〜ｙ_ｎに対応する。このｎは、例えば、正の整数である。ｎ個のセンサワイヤ２０は、例えば、図２に示すように、駆動部２２及び検出部２４に電気的に接続されている。

ｘ軸に直交するように並べられたセンサワイヤ２０は、例えば、図１（ａ）に示すように、ｙ軸に直交するように並べられたセンサワイヤ２１よりも操作面３０に近い層に形成されている。このｘ軸方向のセンサワイヤ２０の表面２００とｙ軸方向のセンサワイヤ２１の表面２１０との間隔は、ｒとする。また、ｘ軸方向のセンサワイヤ２０は、例えば、ｙ軸方向のセンサワイヤ２０と電気的に絶縁されている。

センサワイヤ２０及びセンサワイヤ２１が形成されたセンサ基板１０は、例えば、ガラスを用いて形成される。このセンサ基板１０は、例えば、センサワイヤ２０が形成されたガラス基板と、センサワイヤ２１が形成されたガラス基板と、を重ね合わせて形成される。

また、入力装置１上に設けられた保護材３は、例えば、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）又はガラスを用いて、板状に形成される。

（駆動部２２の構成）
駆動部２２は、例えば、制御部２６ａから出力される制御信号に基づいて、ｘ軸方向のセンサワイヤ２０及びｙ軸方向のセンサワイヤ２１に電源５からの電圧を供給するように構成されている。

（検出部２４の構成）
検出部２４は、例えば、クロック信号生成部２８により生成されたクロック信号に基づいて、座標ｘ_１〜ｘ_ｍに対応するセンサワイヤ２０、座標ｙ_１〜ｙ_ｎに対応するセンサワイヤ２１の順に、静電容量の読み出しを行う。

検出部２４は、例えば、座標ｘ_１〜ｘ_ｍに対応するセンサワイヤ２０の静電容量（第１の静電容量）、座標ｙ_１〜ｙ_ｎの静電容量（第２の静電容量）を読み出したのち、座標と静電容量を関連付けた静電容量情報を制御ＩＣ２６に出力する。

（制御部２６ａの構成）
制御部２６ａは、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで概略構成されている。この制御部２６ａは、例えば、各部を統括的に制御している。このＲＯＭには、例えば、第１のしきい値２６ｅ及び第２のしきい値２６ｆが格納されている。

（ｘｙ座標算出部２６ｂの構成）
ｘｙ座標算出部２６ｂは、例えば、検出部２４から取得した静電容量情報に基づいて指が接近又は接触した検出点１００の座標を算出する。この検出点１００は、一例として、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、複数のｘ軸方向のセンサワイヤ２０が作る平面、言い換えるなら、ｘ軸方向のセンサワイヤ２０の表面２００により形成される二次元平面内の点である。なお、検出点１００の座標は、座標変換を行って、保護材３の操作面３０を二次元平面とする座標系の座標としても良い。

ｘｙ座標算出部２６ｂによる検出点１００の算出は、一例として、第１のしきい値２６ｅよりも大きい静電容量が検出されたセンサワイヤを抽出し、センサワイヤごとの静電容量を重みとした加重平均を演算することで行われる。なお、検出点１００の算出方法は、これに限定されず、周知の方法で求められる。また、変形例として、ｘｙ座標算出部２６ｂは、例えば、複数の検出点を算出、すなわち、マルチタッチに対応した複数の検出点を算出するように構成されても良い。この場合、例えば、複数の検出点に対応したｚ座標が算出される。

（ｚ座標算出部２６ｃの構成）
ｚ座標算出部２６ｃは、例えば、図３（ｂ）に示すように、検出対象と、ｘ軸方向のセンサワイヤ２０の表面２００が作る平面と、の距離ｚを算出するように構成されている。具体的には、ｚ座標算出部２６ｃは、検出された複数のセンサワイヤ２０ごとの静電容量の中で最大の静電容量、及び検出された複数のセンサワイヤ２１ごとの静電容量の中で最大の静電容量に基づいてｚ軸方向の距離を算出する。この距離ｚは、例えば、検出対象から平面に向かって延ばされた直線が平面と直交するときの、平面から検出対象までの距離である。

ここで、静電容量は、センサワイヤが作る電場を検出対象で遮ることで変化し、その大きさは、センサワイヤから検出対象までの距離Ｒの２乗に反比例する。従って、静電容量Ｃ（Ｒ）は、図１（ｂ）に示す様なグラフとなり、以下の式でモデル化して算出できる。
Ｃ（Ｒ）＝ａ／Ｒ^２・・・（１）
ここで、ａは、検出対象の容量の係数であり、検出対象が指である場合、人により変化する値である。

図３（ｂ）に示すように、検出対象と、最大の静電容量を有するｘ軸方向のセンサワイヤ２０と、の距離がＡｒであるとき、検出される静電容量Ｃ（Ａｒ）は、（１）式を用いて、以下の式で表される。
Ｃ（Ａｒ）＝ａ/Ａｒ^２・・・（２）
なお、距離Ａｒは、当該センサワイヤ２０と検出対象との距離が最短となる距離、つまり、当該センサワイヤ２０の長手方向と検出対象から引かれた直線とが直交するときの距離となる。

一方、図３（ｃ）に示すように、検出対象と、最大の静電容量を有するｙ軸方向のセンサワイヤ２１との距離がＢｒであるとき、検出される静電容量Ｃ（Ｂｒ）は、式（１）を用いて、以下の式で表される。
Ｃ（Ｂｒ）＝ａ/Ｂｒ^２・・・（３）
なお、距離Ｂｒは、当該センサワイヤ２１と検出対象との距離が最短となる距離、つまり、当該センサワイヤ２１の長手方向と検出対象から引かれた直線とが直交するときの距離となる。

また、図３（ｂ）に示す距離Ａｒ、距離ｚ、及び距離ｘとには、三平方の定理により、以下の関係式が成り立つ。
Ａｒ^２＝ｘ^２＋ｚ^２・・・（４）
ここで、距離ｘは、ｘｙ座標算出部２６ｂにより算出された検出点１００のｘ座標と、距離算出の対象となるセンサワイヤ２０の中心線までの最短距離と、から算出される。この中心線とは、表面２００の中心を通り、かつ、センサワイヤ２０の表面２００の長手方向に延びる直線である。

一方、図３（ｃ）に示す距離Ｂｒ、距離ｚ＋ｒ、及び距離ｙとには、三平方の定理により、以下の関係式が成り立つ。
Ｂｒ^２＝ｙ^２＋（ｚ＋ｒ）^２・・・（５）
ここで、距離ｙは、ｘｙ座標算出部２６ｂにより算出された検出点１００のｙ座標と、距離算出の対象となるセンサワイヤ２１の中心線までの最短距離と、から算出される。この中心線とは、表面２１０の中心を通り、かつ、センサワイヤ２１の表面２１０の長手方向に延びる直線である。

式（２）と式（３）から係数ａを消去すると、以下の式が求められる。
Ａｒ^２・Ｃ（Ａｒ）＝Ｂｒ^２・Ｃ（Ｂｒ）・・・（６）
続いて、式（４）のＡｒ^２を式（６）の左辺に代入し、式（５）のＢｒ^２を式（６）の右辺に代入し、得られた式をｚについて解くと、以下の式が求められる。

ここで、ｚ座標の原点は、センサワイヤ２０の表面２００の作る平面内にあるので、距離ｒは、保護材３の厚みｄよりも大きい必要がある。従って、ｚ座標は、以下の式で求められる。

上記の結果により、ｚ座標算出部２６ｃは、ｘ軸方向の最大の静電容量Ｃ（Ａｒ）及びｙ軸方向の最大の静電容量Ｃ（Ｂｒ）、検出点１００の座標（ｘ、ｙ）、及びｘ軸方向のセンサワイヤ２０とｙ軸方向のセンサワイヤ２１の間隔ｒ、を用いることで検出対象のｚ座標を求めることが可能となる。つまり、ｚ座標算出部２６ｃは、上記の式（８）を用いてｚ座標を算出するように構成されている。

（判定部２６ｄの構成）
判定部２６ｄは、例えば、ｚ軸方向の距離ｚと予め定められた第２のしきい値２６ｆとを比較することにより、検出対象による操作がなされたか否かを判定する。具体的には、判定部２６ｄは、例えば、算出された距離ｚが第２のしきい値２６ｆ以下であるとき、操作がなされたと判定する。判定部２６ｄは、例えば、判定結果を判定信号として通信部２９を介して出力するように構成されている。

以下に、本実施の形態に係る入力装置１の動作について各図を参照しながら説明する。

（動作）
入力装置１の制御部２６ａは、駆動部２２を制御するための制御信号を生成し、駆動部２２に出力する。

駆動部２２は、制御部２６ａから取得した制御信号に基づいて駆動信号をｘ軸方向のセンサワイヤ２０及びｙ軸方向のセンサワイヤ２１に出力する。

検出部２４は、クロック信号生成部２８から出力されたクロック信号を制御ＩＣ２６を介して取得すると、クロック信号に基づいて、座標ｘ_１に対応するセンサワイヤ２０から座標ｙ_ｎに対応するセンサワイヤ２１の静電容量を順番に読み出し、静電容量情報を生成して制御ＩＣ２６に出力する。この静電容量情報は、ｚ座標算出部２６ｃに送られる。

制御ＩＣ２６のｘｙ座標算出部２６ｂは、検出点１００の座標（ｘ、ｙ）を算出し、ｚ座標算出部２６ｃに出力する。

ｚ座標算出部２６ｃは、取得した静電容量情報、検出点１００の座標（ｘ、ｙ）、センサワイヤ２０とセンサワイヤ２１の間隔ｒ、及び上記で求めた式（８）に基づいてｚ座標を算出し、ｚ座標情報を判定部２６ｄに出力する。

判定部２６ｄは、取得したｚ座標情報と、第２のしきい値２６ｆと、を比較して操作が行われたか否かを判定する。判定部２６ｄは、算出されたｚ座標が第２のしきい値２６ｆより大きいとき、操作が行われていないと判定する。

一方、判定部２６ｄは、算出されたｚ座標が第２のしきい値２６ｆ以下であるとき、操作が行われたと判定し、検出点１００の座標の情報を含む操作情報を通信部２９を介して電気的に接続された電子機器に出力する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る入力装置１は、検出対象に依存することなく検出対象までの距離ｚを算出することができる。上記で求めたように、ｚ座標を算出する式（８）は、検出点１００の座標（ｘ、ｙ）、ｘ軸方向のセンサワイヤ２０の最大の静電容量Ｃ（Ａｒ）、ｙ軸方向のセンサワイヤ２１の最大の静電容量Ｃ（Ｂｒ）、及びセンサワイヤ２０とセンサワイヤ２１との間隔ｒの式となっており、検出対象によって異なる係数ａに依存しない。従って、入力装置１は、異なる検出対象ごとに補正等をすることなく、正確なｚ座標の算出を行うことができる。

入力装置１は、ｚ座標を正確に算出することができるので、操作の検出を精度良く行うことができる。

また、入力装置１は、検出対象ごとの補正を行う必要がなく、容易に取得可能な情報からｚ座標を算出し、さらに、単純な数式に基づいてｚ座標を算出するので、高度な処理能力を必要とせず、製造コストを抑えることができる。

入力装置１は、マルチタッチを検出する構成を有する場合、算出されたｚ座標に基づいて操作の有無を判定することができるので、誤検出を防止するための補正が必要なく、複数の指で行われたジェスチャ等を正確に、また、高速に認識することができる。

入力装置１は、強度を上げるため、保護材３の厚みｄを厚くしたとしても、ｚ座標を算出する式（８）に影響しないため、保護材３の厚みｄに依存することなくｚ座標を算出することができる。

実施の形態の変形例として、入力装置１の下に画像を表示する表示装置を設けても良い。この際、保護材３、センサ基板１０、センサワイヤ２０及びセンサワイヤ２１は、透明度が高い材料から形成される。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…入力装置
３…保護材
５…電源
１０…センサ基板
２０…センサワイヤ
２１…センサワイヤ
２２…駆動部
２４…検出部
２６…制御ＩＣ
２６ａ…制御部
２６ｂ…ｘｙ座標算出部
２６ｃ…ｚ座標算出部
２６ｄ…判定部
２６ｅ…第１のしきい値
２６ｆ…第２のしきい値
２８…クロック信号生成部
２９…通信部
３０…操作面
１００…検出点
２００…表面
２１０…表面

Claims

第１の方向に配置された複数の第１方向電極と、
前記第１方向電極より下層に設けられ、前記第１の方向と交差する第２の方向に配置された複数の第２方向電極と、
前記第１方向電極ごとの第１の静電容量、及び前記第２方向電極ごとの第２の静電容量を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記第１の静電容量及び前記第２の静電容量に基づいて、検出対象の検出点の座標を算出する座標算出部と、
検出された前記第１の静電容量の中で最大の静電容量、検出された前記第２の静電容量の中で最大の静電容量、前記第１方向電極と前記第２方向電極の間隔、及び前記検出点の座標に基づいて、前記複数の第１方向電極が作る平面と前記検出対象との、前記第１の方向及び前記第２の方向と直交する第３の方向の距離を算出する算出部と、
を備えた入力装置。
さらに、前記第３の方向の距離と予め定められたしきい値とを比較することにより、前記検出対象による操作がなされたと判定する判定部を備えた請求項１に記載の入力装置。