JP2015049771A - 静電容量型の入力装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 駆動電極に電界を与えたときの検知電極での検知出力の分解能を高め、いわゆる空間ジェスチャーの検出を高精度に行える静電容量型の入力装置を提供する。【解決手段】 基板の表面に配列している電極12は、全て互いに導通していない独立電極である。電極12が順番に選択されて駆動電極Dに設定され、駆動電極Dに矩形波の駆動電力28が与えられる。駆動電極Dに隣接する電極12が検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7に設定される。単一の駆動電極Dに駆動電力28が与えられるため、駆動電極Dからの電界が各方向に均一に広がることになり、これにより空間ジェスチャーの操作であっても、高い分解能で検知することができる。【選択図】図4

Description

本発明は、複数の電極を備えて、指や手の平などの操作体が接近していることを検知する静電容量型の入力装置に関する。
特許文献1には、静電容量型の入力装置が開示されている。
この入力装置は、X方向に連続する複数の第1の検知電極と、Y方向に連続する複数の第2の検知電極とが互いに絶縁されて設けられ、第1の検知電極と第2の検知電極とが容量結合されている。駆動時には、複数の第1の検知電極と複数の第2の検知電極との静電容量が順次計測される。指がタッチしているときの検知電極間の静電容量と、指がタッチしていないときの前記静電容量とを比較することで、指のタッチ位置を検知できるようになっている。
特開2013−134698号公報
特許文献1に記載された静電容量型の入力装置はタッチパネルであり、パネル表面に接触した指の位置を検知することを目的としている。
一方、最近では、入力装置の表面からある程度離れた位置に指や手の平が接近したときに、指や手の平の接近位置の座標を検知するいわゆる空間ジェスチャーを検知できる入力装置が求められている。この空間ジェスチャーの検知では、それぞれの電極間の静電容量の変化を高い分解能で検知することが必要である。
しかし、特許文献1などに記載された従来の入力装置では、複数の検知電極がX方向とY方向へ連続して延びているため、検知電極に駆動電力を与えたときの検知電極の周囲の電界は、検知電極の連続方向に沿って細長く延びることになる。そのため、空間ジェスチャーにおいて指や手の平が接近した位置を高い分解能で検知するのが難しくなる。特に、複数の指の接近を個別に精度良く検知するのは困難である。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、指や手の平などの接近位置を高い分解能で検知することができる静電容量型の入力装置を提供することを目的としている。
本発明は、基板上に複数の電極が配置されて、選択された電極に駆動電力が与えられ、いずれかの電極から検知出力が得られる静電容量型の入力装置において、
全ての前記電極は互いに絶縁されて容量結合された独立電極であり、前記独立電極から選択された駆動電極に駆動電力を与えるとともに、前記駆動電極と隣接する複数の前記電極から検知出力を得る駆動制御部が設けられていることを特徴とするものである。
本発明の静電容量型の入力装置は、使用されている電極が互いに接続されていない独立電極である。独立電極に駆動電力が与えられると、電極から限られた範囲に電界が発生するため、指などを近づけたときの検知出力の分解能が高くなり、いわゆる空間ジェスチャー操作においても、基板表面から離れた位置の複数の指などの位置座標を比較的高精度に検知できるようになる。
本発明における前記駆動制御部では、所定の領域内の全ての電極を順次駆動電極として選択し、前記領域のうちの駆動電極として選択されている電極以外の各電極から得られる検知出力に基づいて、前記基板に接近した操作体の中心座標が算出されるものである。
例えば、それぞれの電極からの検知出力に基づき、二次関数補間法によって前記中心座標が算出される。
本発明の静電容量型の入力装置は、前記電極が順番に駆動電極として選択されて、同じ電極から複数の検知出力が得られ、この複数の検知出力の平均値が、その電極からの正規検知出力として使用されることが好ましい。
同じ電極から複数回の検知出力が得られるときに、検知出力の平均値を求めることで、その電極から安定した検知出力を得ることができる。
本発明は、前記独立電極は、基板表面に沿って互いに直交する第1の方向と第2の方向に向けて配列しており、前記駆動制御部では、選択された独立電極と第1の方向と第2の方向に隣接する電極から検知出力を得て、第1の方向ならびに第2の方向との間で独立電極と隣接する残りの電極については、第1の方向と第2の方向に隣接する電極から得られた検知出力を用いて補間検知出力が算出されるものとして構成できる。
例えば、前記補間検知出力は、前記検知出力を用いて一次関数補間法により算出される。
上記補間を行うことにより、駆動電極に隣接する全ての電極から検知出力を得なくても、実質的に駆動電極の周辺の全ての電極に検知出力を割り振ることができ、回路負担を軽減して正確な検出ができるようになる。
本発明は、それぞれの独立電極に接続されている配線層は、前記独立電極の下側に絶縁層を介して配置されているものである。
上記構成では、基板表面に配線層が現れないので、電極と配線層との間の容量が検知出力に与える影響を軽減できる。また、基板表面の狭い領域に配線層を設ける必要がなくなって、基板表面の電極配置にゆとりを持たせることができる。さらに配線層の断面を大きくでき配線層の抵抗値も低くできる。
本発明の静電容量型の入力装置は、独立電極が駆動電極として選択され、駆動電極に隣接する独立電極が検知電極として使用されるため、指などが接近したことを検知するときの分解能を高くでき、基板表面から離れた位置の複数の指の位置も高精度に検知できるようになる。この入力装置により、いわゆる空間ジェスチャーの入力操作を高精度に検知できるようになる。
本発明の実施の形態の静電容量型の入力装置の電極配置を示す平面図、 図1に示す入力装置をII線で切断した断面の拡大図、 駆動電極からの電界を示す説明図、 駆動電極と検知電極との配置を示す部分平面図、 選択する駆動電極が移動したときの駆動電極と検知電極との配置を示す部分平面図、 選択する駆動電極が移動したときの駆動電極と検知電極との配置を示す部分平面図、 二次関数補間法によって接近した指の中心位置を求めるための説明図、 2つの指が接近したことを検知するイメージパターンの説明図、 限られた数の電極からの検知出力に基づいて、他の電極の補間検知出力を求める説明図、 限られた数の電極からの検知出力に基づいて、他の電極の補間検知出力を求める説明図、 限られた数の電極からの検知出力に基づいて、他の電極の補間検知出力を求める説明図、 電極の形状の変形例を示す拡大平面図、
図1に示す本発明の実施の形態の静電容量型の入力装置1は、検知パネル10と駆動制御部20とで構成されている。
検知パネル10は基板11を有している。基板11の表面11aに複数の電極12が設けられている。図1に示すように、検知領域の電極12は、いずれも互いに導通されていない独立電極である。電極12は、第1の方向であるX方向へ一定のピッチで規則的に配置され、第2の方向であるY方向へ一定のピッチで規則的に配置されている。
図1に示すように、それぞれの電極12は四角形でさらに詳しくは正方形であり、幅寸法W1,W2が10mm程度、隣接する電極12の間隔Sは2mm程度である。
図2の断面図に示すように、基板11は多層基板である。基板11の下層の内部に複数の配線層13が埋設されている。図1に示すように、個々の配線層13の先端部13aは、基板11の内部に形成された接続層14を介して個々の電極12に個別に接続されている。電極12に接続された接続層14は、他の複数の電極12の下側を通過し、図1に示すように、配線層13の基端部13bが、基板11の下縁部に位置しているコネクタ部15に接続されている。
図2に示すように、基板11の上層の内部にシールド層16が埋設されている。シールド層16の複数か所に穴16aが開口しており、前記接続層14が穴16aの内部を通過している。シールド層16は、電極12と配線層13との間に位置して接地電位に設定されており、基板11の表面11aに接近する人の指や手の平などと配線層13との間に実質的に静電容量が形成されず、配線層13が検知出力にノイズを与えないようになっている。
検知パネル10は、各種電子機器の操作パネルに配置され、電極12の表面が非導電性のカバー層で覆われて使用される。また、検知パネル10の背部にカラー液晶パネルなどの表示パネルが配置されるときは、検知パネル10の全体が透光性材料で形成されて、検知パネル10を透過して表示パネルの表示内容を目視できるように構成される。
図1に示す駆動制御部20は、検知パネル10に付属した回路基板に実装されており、CPUとメモリなどで構成されている。図1では、駆動制御部20内の複数の機能回路と機能部とがブロックごとに分けられて符号が付されて記載されているが、これら機能部は、メモリに格納されたソフトウエアに基づいてCPUによって実行される。
駆動制御部20に切換え回路21が設けられている。検知パネル10において、それぞれの電極12に個別に接続されている全ての配線層13が、コネクタ部15を通過して、切換え回路21に接続されている。
駆動制御部20に駆動回路22と検知回路23が設けられている。駆動回路22は切換え回路21で切換えられて、独立しているそれぞれの電極12に順番に接続される。
図4ないし図6では、第1の方向(X方向)に向けて一定のピッチで並ぶ電極12の行が、X1,X2,X3,・・・で示され、第2の方向(Y方向)に向けて一定のピッチで並ぶ電極12の列が、Y1,Y2,Y3,・・・で示されている。図4では、Y2列でX2行に位置する電極12が選択され、駆動回路22に接続されて駆動電極Dとなっている。図5では、Y3列でX2行の電極12が選択されて駆動電極Dに切換えられ、図6では、Y4列でX2行の電極12が選択されて駆動電極Dに切換えられている。
駆動制御部20に設けられた検知回路23は、切換え回路21によって、独立電極である電極12に順番に接続される。図4ないし図6に示すように、切換え回路21によって、第1の方向であるX方向の両側で駆動電極Dに隣接する2か所の電極12が検知回路23と接続されて、検知電極S0,S1として機能し、第2の方向であるY方向の両側で駆動電極Dに隣接する2か所の電極12が検知回路23と接続されて、検知電極S2,S3として機能する。さらに、X方向とY方向との間で駆動電極Dに隣接する4か所の電極が検知回路23と接続されて、検知電極S4,S5,S6,S7として機能する。
これらの検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7は,それぞれ駆動電極Dと静電容量を有して結合する。
検知回路23は8チャンネルの検知部を有しており、駆動電極Dを囲む8か所の検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7が同時に検知回路23の検知部に接続される。または、検知回路23が1チャンネルの検知部を有しているものである場合には、駆動電極Dを囲む8か所の検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7が、切換え回路21によって短時間に切換えられ、順番に1チャンネルの検知回路23に接続されてもよい。
図4ないし図6に示すように、駆動回路22から駆動電極Dに供給される駆動電力28は、所定の電圧の短い幅の矩形波が短い間隔で繰り返えして与えられる。
全ての電極12は互いに導通していない独立電極であるため、図3に示すように、駆動電極Dに駆動電力28が与えられると、その電界Eは、駆動電極Dを発生スポットとしてX−Y面内の全方向に向けてほぼ均一な強度で分布し、同じ電界強度を観測できる等強度面が、駆動電極D上でほぼ球面形状となる。このような電界分布により、操作体に対する個々の電極の検知出力の分解能を高めることができ、いわゆる空間ジェスチャーの検知も高精度に行えるようになり、複数の指の検知も容易になる。
駆動電極Dと、これを囲んでいる検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7のそれぞれとが静電容量を有して相互結合されているため、駆動電極Dに矩形波の駆動電力28が印加されると、矩形波の立ち上がりと立下りのタイミングで、検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7に電流が流れる。このときの電流値すなわち検知出力は、駆動電極と検知電極との間の静電容量に依存する。相互容量結合方式を用いて隣接容量差を検出することになるため、周囲変化の影響を受けにくくなる特徴があり、分解能が向上する。
図3には、ほぼ接地電位の導電体の操作体である指31が、駆動電極Dと検知電極S1との中間で、基板11の表面11aに接近した状態が示されている。ほぼ接地電位の指31が接近すると、駆動電極Dと検知電極S1との間の静電容量が実質的に変化し、駆動電力28の矩形波の立ち上がりと立下りのタイミングで検知電極S1に流れる検知出力の電流量が減少する。他の検知電極S0,S2,S3,S4,S5,S6,S7も、指31との距離に応じて、駆動電極Dとの間の静電容量が実質的に変化するため、検知出力の電流量が変化する。
図1に示すように、駆動制御部20に操作判別部24が設けられている。それぞれの検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7に接続された検知回路23から得られる検知出力は操作判別部24に与えられる。操作判別部24では、複数の電極12から得られる検知出力から、基板11の表面11aに接近している操作体の形状の判別や操作体の中心座標の算出などが行われる。
駆動電極Dとなる電極12が1個ずつ隣に移動するように順番に選択され、検知領域の全ての電極12が駆動電極Dとして選択された後に、操作判別部24では、検知領域に存在している全ての電極からの検知出力が記憶部に個別に一時的に保持される。ここでの検知領域とは、図1に示す基板11の表面11aに配列している全ての電極12を含む領域であってもよいし、表面11aに配列している一部の電極12を含む限られた領域であってもよい。
図4ないし図6に示すように、駆動電極Dとなる電極12が1個ずつ隣に移動するように順番に選択されると、同じ電極12が検知電極として複数回選択される。例えば、Y3列でX1行の電極12は、図4においては検知電極S5として選択され、図5では検知電極S3として選択され、図6では検知電極S4として選択される。所定の検知領域内の全ての電極12が駆動電極Dとして選択されるのに要する時間はきわめて短時間であり、その間に指31などの位置はほとんど変化していない。そこで、同じ電極12が、検知電極S5,S3,S4として順次選択されたときに、検知電極S5,S3,S4として検知されたそれぞれの検知出力を平均した値が正規検知出力として使用され、操作判別部24ではこの正規検知出力を使用して操作体の判別が行われる。
同じ電極12が検知電極として複数回選択されたときに、それぞれの選択時の検知出力の平均値を求めることで、その電極12の検知出力を高精度に得ることができる。
なお、隣接する電極12を駆動電極Dとして順番に選択するのではなく、1個置きまたは2個置きの電極12が駆動電極Dとして選択されて、同じ電極12が検知電極として選択される回数を少なくし、例えば同じ電極12が検知電極として1回だけ選択されるようにしてもよい。
また、いずれかの電極12が検知電極となったときに、そのときに選択されている複数の検知電極間の検知出力の差が求められ、この差の出力が検知出力として使用されてもよい。さらには、駆動電極Dを検知電極として仮定して検知出力を推定し、推定した駆動電極の検知出力と、実際に検知電極から得られている検知出力との差をその検知電極からの検知出力として使用してもよい。
例えば、図4において、8か所の検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7から得られている検知出力の平均値を、駆動電極Dを検知電極と仮定したときの検知出力として推定する。そして、検知電極S1の実際の検知出力と、推定した前記検知出力との差を、検知電極S1からの検知出力として使用する。同様に、他の検知電極S0,S2,S3,S4,S5,S6,S7についてもその検知出力と、推定した前記検知出力との差を、それぞれの検知電極からの検知出力とする。
このように検知出力どうしの差を求めることで、ノイズや温度ドリフト成分などを相殺することが可能である。
図7は、基板11の表面11aに操作体として指31が接近しているときの判別方法を示している。
検知領域内の全ての電極12が駆動電極Dとして選択された直後に、検知領域内の全ての電極12から得られた検知出力(正規検知出力)が記憶部に短時間だけ保持される。図7では、電極12a,12b,12c,12d,12eから得られた検知出力(正規検知出力)がEa,Eb,Ec,Ed,Eeで示されている。操作判別部24では、二次関数補間法により、検知出力Ea,Eb,Ec,Ed,Eeを含む、または検知出力Ea,Eb,Ec,Ed,Eeからの距離が最短となる二次関数f(x)が算出される。この二次関数f(x)の極値Epが得られるX座標xpが、指31の中心(重心)のX座標上の位置として算出される。
Y方向においても図7に示すのと同じ二次関数補間法で極値となる座標が算出され、その結果、接近している指31の中心座標を求めることができる。
また、隣り合う電極12間の検知出力の差を二次関数または一次関数で補間して、出力差勾配を与え、これをX−Y平面の全方向に展開することで、図8に示すように、検知出力に基づく操作体のイメージデータ41,42を生成することが可能である。このイメージデータによって、指が接近しているのかまたは手の平が接近しているのかの判別などが可能になる。
また、それぞれのイメージデータ41,42の重心を求め、または二次関数補間法で極値座標を求めることで、イメージデータ41,42の中心41a,42aを算出することが可能である。
図4ないし図6に示した例では、駆動電極Dとして選択された電極12を囲む8か所の電極12が全て検知回路23に接続されて検知電極S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7として選択され、8つの検知出力が得られる。これに対し、図9ないし図11には、検知回路23が4チャンネルの検知部しか備えておらず、駆動電極Dを挟む4か所の電極12のみが検知電極として選択されて、1つの駆動電極Dに対して4つの検知出力のみ得られる例が示されている。
図9では、Y3列でX3行の電極12が駆動電極Dとして選択されている。そして、X方向で駆動電極Dと隣接する2つの検知電極S0,S1と、Y方向で駆動電極Dと隣接する2つの検知電極S2,S3の合計4か所の検知電極から検知出力が得られている。
図1に示すように、駆動制御部20に補間計算部25が設けられている。補間計算部25では、図9に示すように、4か所の検知電極S0,S1,S2,S3以外で、駆動電極Dに隣接する4か所の電極S4´,S5´,S6´,S7´に対して補間検知出力が算出される。補間計算部25では一次補間法による補間計算が行われる。
その計算手法は、駆動電極Dを検知電極として仮定したときのその仮定検知出力Sdを、4つの検知電極S0,S1,S2,S3からの平均値として求める。
Sd=ΣSn/4(n=0,1,2,3)
前記仮定検知出力Sdを基準として、仮定検知出力Sdと検知電極S0の検知出力との出力差に、仮定検知出力Sdと検知電極S3の検知出力との出力差を加算した加算出力差を求める。仮定検知出力Sdにこの加算出力差を加えた値を、第1の方向(X方向)と第2の方向(Y方向)の間で駆動電極に隣接する電極S4´の補間検知出力とする。電極S4´,S5´,S6´,S7´の補間検知出力は以下の式で算出される。
S4´=Sd+(S0−Sd+S3−Sd)
S5´=Sd+(S1−Sd+S3−Sd)
S6´=Sd+(S1−Sd+S2−Sd)
S7´=Sd+(S0−Sd+S2−Sd)
図10は、Y1列に位置する電極12が駆動電極Dとして選択されたときの補間計算が示されている。
この場合、駆動電極Dを検知電極と仮定したときの仮定検知出力Sdは、
Sd=ΣSn/3(n=0,1,2)
で求められる。第1の方向(X方向)と第2の方向(Y方向)との間で隣接している電極S3´,S4´の補間検知出力は次のようにして求められる。
S3´=Sd+(S0−Sd+S1−Sd)
S4´=Sd+(S1−Sd+S2−Sd)
図11は、駆動電極Dが、検知領域に配置された電極12のうちの角の電極に設定されたときの補間計算を説明するものである。
ここでは、駆動電極Dを囲む3か所の電極が検知電極S0,S1,S2に設定され、3か所の検知電極から3つの検知出力が得られている。この場合に、駆動電極Dとして選択されているY1列でX5行の電極12の検知出力Sdが次のようにして仮定される。
avg=(S0+S2)/2
Sd=avg−(S1−avg)
図12には入力装置1に設けられる電極の変形例が示されている。
図12に示す電極112は、基板11の縦横方向であるX−Y方向を基準としたときに菱形形状である。この場合に、駆動電極Dに対する第1の方向はα方向であり、第2の方向はβ方向である。前記実施の形態において、α方向をX方向に置き換え、β方向をY方向に置き換えることによって、前記実施の形態と同様にして検知出力を得ることができる。
1 入力装置
10 検知パネル
11 基板
11a 表面
12 電極
13 配線層
14 接続層
20 駆動制御部
28 駆動電力
31 指
41,42 イメージデータ
f(x) 二次関数
D 駆動電極
S0〜S7 検知電極

Claims (7)

  1. 基板上に複数の電極が配置されて、選択された電極に駆動電力が与えられ、いずれかの電極から検知出力が得られる静電容量型の入力装置において、
    全ての前記電極は互いに絶縁されて容量結合された独立電極であり、前記独立電極から選択された駆動電極に駆動電力を与えるとともに、前記駆動電極と隣接する複数の前記電極から検知出力を得る駆動制御部が設けられていることを特徴とする静電容量型の入力装置。
  2. 前記駆動制御部では、所定の領域内の全ての電極を順次駆動電極として選択し、前記領域のうちの駆動電極として選択されている電極以外の各電極から得られる検知出力に基づいて、前記基板に接近した操作体の中心座標が算出される請求項1記載の静電容量型の入力装置。
  3. それぞれの電極からの検知出力に基づき、二次関数補間法によって前記中心座標が算出される請求項2記載の静電容量型の入力装置。
  4. 前記電極が順番に駆動電極として選択されて、同じ電極から複数の検知出力が得られ、この複数の検知出力の平均値が、その電極からの正規検知出力として使用される請求項1ないし3のいずれかに記載の静電容量型の入力装置。
  5. 前記独立電極は、基板表面に沿って互いに直交する第1の方向と第2の方向に向けて配列しており、
    前記駆動制御部では、選択された独立電極と第1の方向と第2の方向に隣接する電極から検知出力を得て、第1の方向ならびに第2の方向との間で独立電極と隣接する残りの電極については、第1の方向と第2の方向に隣接する電極から得られた検知出力を用いて補間検知出力が算出される請求項1ないし4のいずれかに記載の静電容量型の入力装置。
  6. 前記補間検知出力は、前記検知出力を用いて一次関数補間法により算出される請求項5記載の静電容量型の入力装置。
  7. それぞれの独立電極に接続されている配線層は、前記独立電極の下側に絶縁層を介して配置されている請求項1ないし6のいずれかに記載の静電容量型の入力装置。
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