JP4848457B2

JP4848457B2 - 静電容量センサ、位置センサ

Info

Publication number: JP4848457B2
Application number: JP2009524428A
Authority: JP
Inventors: 誠團野; 修平田; 大介平岡
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: JPWO2009013965A1; WO2009013965A1

Description

本発明は、配列された複数のセンサ電極を有する静電容量センサと、センサ電極をスキャンしながら静電容量を測定し接近した導体の位置を検出する位置センサに関する。

センサ電極を装置の筐体内に配置し、センサ電極とアースとの静電容量を検出することで、導体（例えば、人の指）がセンサ電極に接近したことを検出する静電容量センサ（タッチセンサ）がある。静電容量センサには、次のようなアプリケーションがある。１つ目は、１つまたは複数のセンサ電極を配置し、タッチしたか否かを判定する“ボタン”アプリケーションである。２つ目は、センサ電極を１次元アレイ状に隣接して配置し、指がアレイ上を移動したときの移動方向や速度の情報に基づき、ボリュームコントロールやリストスクロールを行う“スライダ”アプリケーションである。３つ目は、センサ電極を２次元アレイ状に配置し、アレイ上の指の動きに連動してディスプレイ上のカーソル（ポインタ）を制御する“タッチパッド”アプリケーションである。

具体的な例としては、特許文献１がある。特許文献１では、特許文献１の図５に示された回路構成によって、複数のセンサ電極のどの程度の面積にタッチしているのかを検出できること（特許文献１、段落００４５）、静電容量の変動を検出でき、時計回りに操作されたか反時計回りに操作されたかが検出できること（特許文献１、段落００４８）などが示されている。
特開２００４−１４６０９９号公報

人体などの導体がセンサ電極に接近すると、センサ電極とアースとの静電容量が変化する。この原理を利用したのが静電容量センサである。つまり、静電容量センサは、指が無い状態でのセンサ電極とアースとの静電容量と、指が有る状態でのセンサ電極とアースとの静電容量の違いを検出している。また、センサ電極と指との関係は、平行平板コンデンサに近似できる。したがって、指が接近した時の静電容量は、センサ電極と指が対向する面積に比例し、距離に反比例する。

近年、電子機器のディスプレイの大型化にともなって、電子機器の入力デバイスは小型化が求められている。また、小型携帯機器などのように強度面の要求から厚い筐体を用いた電子機器への適用も求められている。入力デバイスの小型化はセンサ電極の面積を小さくすることであり、結果として静電容量が小さくなる。また、小型携帯機器の強度を強くすることは、筐体を厚くし、センサ電極と指の距離が長くなることであり、同様に静電容量が小さくなる。つまり、近年の入力デバイスおよび小型携帯機器への要求は、いずれもセンサ電極と指との静電容量を小さくする方向であり、これは静電容量センサの感度（ＳＮ比）を悪化させている。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、単体のセンサ電極の面積が小さい場合、またはセンサ電極と指との距離が長い場合でも、検出する静電容量を大きくできる静電容量センサを提供することと、その静電容量センサを用いて、指などの導体が接触している位置を検出する位置センサを提供することである。

本発明の静電容量センサは、配列された３個以上のセンサ電極と、その中から複数のセンサ電極の選択が可能なように構成されたスイッチ部と、選択されたセンサ電極とアースとの静電容量を検出する静電容量検出部とを備えている。つまり、スイッチ部は、複数のセンサ電極を同時に選択する機能を有し、１つのセンサ電極のみを独立に選択する機能を有しないものであってもよいし、複数のセンサ電極を同時に選択する機能と１つのセンサ電極のみを独立に選択する機能とを共に有するものであってもよい。また、感度を一定に保つ必要のある用途において、個々のセンサ電極の面積が異なる場合には、選択したセンサ電極の面積の合計がほぼ等しくなるように、選択するセンサ電極の数を適宜変更してもよい。さらに、スイッチ部は、あらかじめ定めた時間ごとに、選択する前記センサ電極を変えてもよい。

本発明の位置センサは、スイッチ部があらかじめ定めた時間ごとに選択するセンサ電極を変える静電容量センサと、データ処理部を備える。データ処理部は、あらかじめ定めた時間ごとの、静電容量検出部が検出した静電容量を示す情報と、選択されたセンサ電極全体の位置を示す情報とを取得する。そして、複数の静電容量を示す情報と位置を示す情報の組から、接近した導体の位置を計算する。なお、選択されたセンサ電極全体の位置とは、選択されたセンサ電極の組合せごとに定まる位置であり、その一例は、選択されたセンサ電極全体の中心となる位置や、選択されたセンサ電極全体の重心となる位置や、選択されたセンサ電極全体のうちの最小又は最大の座標位置などである。例えば、データ処理部は、静電容量を示す情報を、位置を示す情報で重み付けして平均（加重平均）することで、接近した前記導体の位置を計算すればよい。

本発明の静電容量センサと位置センサによれば、小型化したセンサ電極で必要とされる感度が得られるように、複数個のセンサ電極を同時にスキャンすることで、静電容量を検出するセンサ電極の面積を確保できる。また、静電容量を大きくすることができるため、筐体を厚くしても十分な感度を得ることができる。また、ノイズの大きい環境下であっても操作時の誤認識がなくなる。また、本発明の位置センサによれば、要求される分解能（検出箇所）に応じてセンサ電極の大きさと、同時にスキャンする数を選択できるので、計算された指の位置と実際の指の位置との誤差を小さくすることができる。また、加重平均を用いた計算によれば、アナログ的に指の位置が計算できるので、計算された位置の直線性を向上できる。さらに、あらかじめ定めた値よりも大きい静電容量の時だけ、静電容量を示す情報を位置の計算に用いれば、ノイズ成分を除去できるので、タッチ座標の安定性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態の位置センサを含むシステムの模式図である。図２は、本発明の実施形態の静電容量センサと位置センサの構成を示す図である。図３Ａ−図３Ｃは、センサ部のセンサ電極の配置例を示す図である。図４は、静電容量センサの具体的な構成例を示す図である。図５Ａ−図５Ｃは、図４に示した静電容量センサのセンサ部の動作の例を示す図である。図６は、図４に示した静電容量センサのスイッチ部の動作の例を示す図である。図７Ａ−図７Ｄは、６つのセンサ電極を直線状に配置したセンサ部の動作の例を示す図である。図８Ａ−図８Ｈは、リング状にセンサ電極を配置した場合のセンサ部の動作の例を示す図である。図９は、１つのセンサ電極を静電容量検出部に接続した場合の静電容量検出部からの出力を説明するための図である。図１０は、２つのセンサ電極を静電容量検出部に接続した場合の静電容量検出部からの出力を説明するための図である。図１１Ａ−図１１Ｃは、同じ幅のセンサ部に異なる数のセンサ電極を配置した例を示す図である。図１２Ａ−図１２Ｇは、指の半分の幅のセンサ電極を１つずつ選択しながらスキャンした場合に求められるタッチ座標の特性を説明するための図である。図１３Ａ−図１３Ｆは、指の半分の幅のセンサ電極を２つずつ選択しながらスキャンした場合に求められるタッチ座標の特性を説明するための図である。図１４は、図１２の場合の位置センサの処理フローを例示する図である。図１５は、図１３の場合の位置センサの処理フローを例示する図である。図１６は、センサ電極の間に穴を開けた場合のセンサ部の構成例を示す図である。図１７は、センサ電極の面積が均一でない場合の例を示す図である。

符号の説明

１センサ部３制御部
４ホストコンピュータ５〜８、８’、８” センサ部
３１スイッチ部３２静電容量検出部
３３データ処理部１００、１００’ 静電容量センサ
２００位置センサ９１〜９４スイッチ
１１_ｍｎ、５１〜５４、６１〜６６、７１〜７８、８１〜８４、８１’〜８６’、８１”、８２”、１１１〜１１４、１２１〜１２４、１３５、１５１〜１５９センサ電極

［第１実施形態］
図１に本発明の実施形態の位置センサを含むシステムの模式図を示す。本形態の位置センサは、センサ部１、制御部３、ホストコンピュータ４から構成される。制御部３は、スイッチ部３１、静電容量検出部３２、データ処理部３３を備え、指２などの導体がセンサ部１のどの位置に接近しているのかを検出する。ホストコンピュータ４は、この結果を用いて様々な処理（ボリューム調整、リストスクロール、ポインタの位置制御など）を行う。

図２に、本発明の実施形態の静電容量センサと位置センサの構成を示す。静電容量センサ１００は、センサ部１、スイッチ部３１、静電容量検出部３２から構成される。位置センサ２００は、静電容量センサ１００とデータ処理部３３から構成される。センサ部１は、Ｍ×Ｎ個のセンサ電極１１_ｍｎがある。ただし、ＭとＮは、１以上の整数である。センサ部１は、ＰＷＢ（printed-wiring board）、ＦＰＣ（flexible printed circuit）基板のようなプリント基板、メンブレン印刷配線板などによって構成すればよい。センサ電極１１_ｍｎは、ＰＷＢやＦＰＣの場合は銅箔で形成し、メンブレン印刷配線板の場合は銀インクやＩＴＯなどの透明抵抗体で形成すればよい。また、センサ電極１１_ｍｎの形状は長方形に限らず、円形や六角形なども選択可能であり、用途に合わせて数を決めればよい。スイッチ部３１はこれらのセンサ電極１１_ｍｎの中から、１つ以上のセンサ電極１１_ｍｎを選択し、静電容量検出部３２に接続する。静電容量検出部３２は、選択されたセンサ電極１１_ｍｎ全体とアースとの静電容量を検出し、静電容量を示す情報を出力する。これが、静電容量センサ１００の出力である。なお、静電容量の検出方法に限定はなく、静電容量検出部３２は、例えば、特開平９−２８０８０６号公報、特開２００１−２６４１９４号公報、及び特開２００４−１８４３０７号公報等に開示された公知の静電容量検出回路によって構成される。データ処理部３３は、静電容量検出部３２が出力する静電容量を示す情報を、各センサ電極１１_ｍｎの位置の情報を用いて、センサ部１に接近した指などの位置を計算し、出力する。なお、データ処理部３３は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＲＡＭ（random-access memory）等から構成される公知のコンピュータに所定のプログラムが読み込まれ、ＣＰＵがこれを実行することによって構成される。また、集積回路と半導体メモリとによってデータ処理部３３を構成してもよい。

静電容量センサの利用方法によって、スイッチ部３１の制御方法や、センサ電極１１_ｍｎの選択の方法は、様々である。例えば、“ボタン”アプリケーションとして利用するのであれば、１つまたは複数の特定のセンサ電極１１_ｍｎを常時選択しておき、オン、オフのみが検出できるようにすればよい（１／０の信号を出力する）。指の位置センサとして用いるのであれば、１つまたは複数のセンサ電極１１_ｍｎをスキャンさせ（あらかじめ定めた時間ごとに選択するセンサ電極または選択するセンサ電極の組合せを変え）、静電容量の位置的な違いから指の位置を求めればよい。スキャンの方法もさまざまであり、連続して配列された複数のセンサ電極１１_ｍｎを、その組合せを変えながら順番に選択してもよいし、ｍが同じセンサ電極１１_ｍｎを直線状に選択しながらスキャンした後、ｎが同じセンサ電極１１_ｍｎを直線状に選択しながらスキャンしても良い。なお、「連続して配列された複数のセンサ電極」は、連続して隣り合う複数のセンサ電極であってもよいし、それらのセンサ電極の少なくとも一部が少なくとも１つの座標上で重なりあったものであってもよい。つまり、「連続して配列」は、一連に連続的に配列された状態だけではなく、一連に離散的に配列された状態をも意味する。また、複数のセンサ電極１１_ｍｎが連続して隣り合う状態とは、これら複数のセンサ電極１１_ｍｎを要素とする集合の各要素が、必ず当該集合の何れかの要素に隣接している状態である。例えば、隣接する２つのセンサ電極１１_ｍｎや、１つのセンサ電極１１_ｍｎに２つのセンサ電極１１_ｍｎが隣接してなる３つのセンサ電極１１_ｍｎは、連続して隣り合う複数のセンサ電極１１_ｍｎである。また、複数のセンサ電極１１_ｍｎを同時に選択してスキャンを行う場合、一部のセンサ電極１１_ｍｎが重複して選択されるように制御されることが望ましい。言い換えると、ある時点で選択されるセンサ電極１１_ｍｎの組合せと、他の時点で選択されるセンサ電極１１_ｍｎの組合せとが、同一の前記センサ電極を含むように制御されることが望ましい。さらに言い換えると、スイッチ部３１が選択するセンサ電極１１_ｍｎの組合せは、スイッチ部３１が選択する他のいずれかのセンサ電極１１_ｍｎの組合せに含まれるセンサ電極１１_ｍｎを含むことが望ましい。この場合、走査密度を高くできるため、静電容量センサ１００の分解能を向上できる。さらにこの場合、各センサ電極１１_ｍｎがそれぞれ複数の位置の静電容量検出に共用されるため、センサ電極１１_ｍｎの数を削減でき、センサ部１を小型化できる。さらに、求めた位置の時間的な変化から移動方向や移動速度を求め、画面表示されたリストをスクロールさせるための制御に用いてもよい。本発明の静電容量センサを位置センサとして利用する場合のスイッチ部３１の制御方法や、データ処理部３３での計算方法については後述する。

さらに、センサ電極の配置も、１次元アレイ、２次元アレイ、リング状などいろいろあり、利用方法に合わせて決めればよい。図３は、センサ部のセンサ電極の配置例を示している。図３Ａは１次元アレイの場合、図３Ｂは２次元アレイの場合、図３Ｃはリング状の場合を示している。図３Ａのセンサ部５は、４つのセンサ電極５１〜５４を備えている。図３Ｂのセンサ部６では、電気的に接続された複数の正方形の電極でセンサ電極６１が形成され、同じようにセンサ電極６２、６３も形成されている。さらに、センサ電極６１〜６３と垂直な方向に電気的に接続された複数の正方形の電極でセンサ電極６４〜６６も形成されている。図３Ｂでは、センサ電極６１〜６３が指の横方向の位置を検出するために用いられ、センサ電極６４〜６６が指の縦方向の位置を検出するために用いられる。図３Ｃのセンサ部７では、リング状に８個のセンサ電極７１〜７８が配置されている。なお、本形態の構成の静電容量センサで高い感度（ＳＮ比）を実現するためには、各センサ電極は互いに近接して配置されることが望ましい。少なくとも、スイッチ部３１に選択されていない状態で互いに絶縁されるセンサ電極（例えば、図３Ａのセンサ電極５１〜５４）の間隔は、センサ部１にタッチする導体の幅（例えば指の幅）より小さいことが望ましい。これらのセンサ電極の間隔がセンサ部１にタッチする導体の幅よりも大きいと、後述する静電容量センサの感度（ＳＮ比）を向上させる効果が十分に得られないからである。

図４は、静電容量センサの具体的な構成例を示す図である。静電容量センサ１００’は、センサ部８、スイッチ部３１、静電容量検出部３２から構成される。センサ部８は、直線状に配置された４つのセンサ電極８１〜８４を有する。スイッチ部３１は、スイッチ９１〜９４を有し、各スイッチ９１〜９４はそれぞれセンサ電極８１〜８４に接続されている。したがって、スイッチのオン、オフによって、センサ電極を選択して静電容量検出部３２に接続できる。なお、複数のセンサ電極が選択された場合、選択された複数のセンサ電極の間は短絡され、それらが静電容量検出部３２に接続される。この場合、選択された複数のセンサ電極は１つの導体として機能する。例えば、センサ電極８１，８２が選択され、スイッチ９１，９２がオンになり、スイッチ９３，９４がオフとなった場合、センサ電極８１，８２の間がスイッチ９１，９２やそれらに接続された配線を通じて短絡し、センサ電極８１，８２が１つの導体として機能する。これにより、センサ電極の面積が実質的に拡大し、静電容量センサの感度（ＳＮ比）が向上する。センサ電極の面積が拡大することによって静電容量センサの感度が向上する理由は後述する。

図５は、図４に示した静電容量センサ１００’のセンサ部８の動作の例を示す図である。図５の網掛けされたセンサ電極が、スイッチ部３１によって選択されたセンサ電極である。図６は、図４に示した静電容量センサ１００’のスイッチ部３１の動作の例を示す図である。横軸は時間、縦軸は各スイッチ９１〜９４の状態を示している。この例では、２つのセンサ電極を選択しながらスキャンしている。時間ｔａでは、スイッチ９１、９２がオン状態であり、スイッチ９３、９４がオフ状態である。つまり、センサ電極８１、８２が静電容量検出部３２に並列に接続されている。時間ｔｂでは、スイッチ９２、９３がオン状態、スイッチ９１、９４がオフ状態である。時間ｔｃでは、スイッチ９３、９４がオン状態、スイッチ９１、９２がオフ状態である。静電容量センサ１００’は、このように２つのセンサ電極を選択したスキャンを繰り返し、静電容量を示す情報を出力する。ここで、図２に示したデータ処理部３３を接続し、時間と静電容量を示す情報とを用いて解析を行うと、どのセンサ電極に指などが接近しているかが分かる。例えば、時間ｔａでの静電容量が大きければ、センサ電極８１、８２の近くに指があることが分かる。さらに、センサ電極の位置（座標）が分かると、指などの位置（座標）も分かる。つまり、静電容量センサ１００’にデータ処理部３３を付加することで、位置センサを構成できる。

図７は、６つのセンサ電極を直線状に配置したセンサ部８’の動作の例を示す図である。この例では、３つのセンサ電極を選択しながらスキャンしている。このように３つのセンサ電極を選択してもよいし、４つ以上のセンサ電極を選択してもよい。選択するセンサ電極の数を多くすれば、選択されたセンサ電極全体での電極の面積を広くできる。指とセンサ電極との関係は並行平板コンデンサに近似できるので、指と電極の面積を大きくできれば、静電容量を大きくでき、センサとしての感度を向上できる。一方、選択するセンサ電極の数を多くしすぎると、位置の分解能が低下してしまう。したがって、指が筐体に接触する面積と同じくらいの面積となるように、センサ電極の数を決めればよい。

図８は、リング状にセンサ電極を配置した場合のセンサ部７の動作の例を示す図である。例えば、選択されたセンサ電極を、（ａ）センサ電極７８、７１、（ｂ）センサ電極７１、７２、（ｃ）センサ電極７２、７３、（ｄ）センサ電極７３、７４、（ｅ）センサ電極７４、７５、（ｆ）センサ電極７５、７６、（ｇ）センサ電極７６、７７、（ｈ）センサ電極７７、７８のようにスキャンさせ、さらにこのスキャンを繰り返す。スキャンは逆向きでもよいし、選択するセンサ電極の数も２つに限られない。

次に、センサ電極の面積を広げることが、静電容量センサの感度（ＳＮ比）を向上させる理由を説明する。図９に、１つのセンサ電極を静電容量検出部に接続した場合の静電容量検出部からの出力を説明するための図を示す。図１０に、２つのセンサ電極を静電容量検出部に接続した場合の静電容量検出部からの出力を説明するための図を示す。どちらも、横軸は時間であり、縦軸は静電容量検出部から出力される静電容量を示す情報（例えば、電圧値）である。この例では、時間Ｔ１とＴ３では指などの導体が接近しておらず、時間Ｔ２では指などの導体が接近している。Ｎはノイズの振幅、Ｓは信号の振幅を示している。しきい値は、指などの導体が接近しているか接近していないか（オン／オフ）を判断する基準であり、しきい値を超える場合がオン、しきい値より小さい場合がオフである。２つのセンサ電極の面積は、１つのセンサ電極に対して２倍広いので、信号の振幅Ｓが２倍程度となる。一方、２つのセンサ電極は１つの導体とみなされるため、ノイズの振幅は変わらない。したがって、ＳＮ比が改善される。例えば、Ａ_１やＢ_１のように大きなノイズが生じた場合に、図９の例ではオン／オフを誤判断してしまう。一方、Ａ_２やＢ_２のように大きなノイズが生じた場合でも、図１０の例ではオン／オフの誤判断は生じない。このように複数のセンサ電極を選択することでオン／オフの振幅が広くなり、操作時の誤認識がなくなる。さらに、信号がタッチ面積に比例することを利用して、押圧を検出することが従来より行われているが、本発明の方法によれば、押圧の分解能を向上させることもできる。

図１１に、同じ幅のセンサ部に異なる数のセンサ電極を配置した例を示す。この例ではセンサ電極を配置できる範囲は、指２本分程度としている。図１１Ａは２つのセンサ電極８１”、８２”を配置した場合であり、１つのセンサ電極の幅は指１本分程度である。この場合は、センサ電極８１”だけを静電容量検出部に接続した状態と、センサ電極８２”だけを静電容量検出部に接続した状態とを繰り返す。したがって、指が右にあるか左にあるかを検出できる。図１１Ｂは４つのセンサ電極を配置した場合であり、１つのセンサ電極の幅は指の幅の１／２程度である。この場合は、センサ電極８１〜８４の中から隣接する２つのセンサ電極を選択しながらスキャンするので、３つの状態を検出できる。つまり、指が右、中央、左のどこになるかを検出できる。図１１Ｃは６つのセンサ電極を配置した場合であり、１つのセンサ電極の幅は指の幅の１／３程度である。この場合は、センサ電極８１’〜８６’の中から隣接する３つのセンサ電極を選択しながらスキャンするので、４つの状態を検出できる。測定精度の関係などから限界はあるが、センサ電極を小型化することで、判定できる状態の数を増やすことができることが分かる。この効果は、１次元（直線状やリング状）にセンサ電極を配置した場合に限らず、２次元にセンサ電極を配置した場合にも得られる。

次に、４つのセンサ電極を用いて指の位置を求める方法を説明する。図１２は、指の半分の幅のセンサ電極を１つずつ選択しながらスキャンした場合に求められるタッチ座標の特性を説明するための図である。図１３は、指の半分の幅のセンサ電極を２つずつ選択しながらスキャンした場合に求められるタッチ座標の特性を説明するための図である。図１２Ａと図１３Ａは、センサ電極１１１〜１１４、１２１〜１２４の配置を説明するための図である。センサ電極１１１〜１１４の中心は、それぞれＸ _０〜Ｘ _３の位置（座標）である。センサ電極１２１と１２２を合わせた電極の中心はＸ’ _０、センサ電極１２２と１２３を合わせた電極の中心はＸ’ _１、センサ電極１２３と１２４を合わせた電極の中心はＸ’ _２である。

図１２Ｂ−図１２Ｅは、各センサ電極の静電容量と指の位置（座標）の関係を示す図である。横軸は、指の座標（指の中心部分の位置）を示している。縦軸は、各センサ電極が静電容量検出部３２に接続されたときの静電容量検出部３２の出力（静電容量を示す情報）である。指の幅がセンサ電極の幅よりも広いので、出力が、最大値で一定となる領域がある。図１３Ｂ−図１３Ｄは、選択された２つのセンサ電極の静電容量と指の位置（座標）の関係を示す図である。横軸は、指の座標（指の中心部分の位置）を示している。縦軸は、選択された２つのセンサ電極が静電容量検出部３２に接続されたときの静電容量検出部３２の出力（静電容量を示す情報）である。図１３Ｂはセンサ電極１２１と１２２が選択された場合、図１３Ｃはセンサ電極１２２と１２３が選択された場合、図１３Ｄはセンサ電極１２３と１２４が選択された場合である。指の幅と２つのセンサ電極を合わせた幅がほぼ一致するので、指と２つの電極とがちょうど重なったときだけ出力が最大となる。図１２Ｂ−図１２Ｅと図１３Ｂ−図１３Ｄに示されたしきい値は、後述する加重平均に静電容量検出部３２からの出力を利用するか否かの基準である。しきい値よりも出力が小さい場合はノイズ成分が多いので、しきい値以下を除去した信号を、静電容量を示す情報として利用する。

図１２Ｆと図１３Ｅは、指の座標（横軸）に対するしきい値以下を除去した静電容量（縦軸）を示している。図１２ＦのＤ_０はセンサ電極１１１の静電容量、Ｄ_１はセンサ電極１１２の静電容量、Ｄ_２はセンサ電極１１３の静電容量、Ｄ_３はセンサ電極１１４の静電容量である。図１３ＥのＤ’ _０はセンサ電極１２１と１２２の静電容量、Ｄ’ _１はセンサ電極１２２と１２３の静電容量、Ｄ’ _２はセンサ電極１２３と１２４の静電容量である。図１２Ｆと図１３ＥのＷの範囲に指があるときは、静電容量検出部３２からの出力が重複する範囲である。

データ処理部３３では、スキャンによって得られた静電容量を示す情報の加重平均を計算する。図１２の場合は次式で示される。

また、図１３の場合は次式で示される。

図１２Ｇと図１３Ｆは、指の座標（横軸）に対する加重平均によって得られるタッチ座標（縦軸）を示している。なお、タッチ座標とは、データ処理部３３での計算によって得られた指の座標である。タッチ座標を正確に計算できれば、グラフは単純増加の直線となるはずである。図１２Ｇと図１３Ｆから、２つのセンサ電極を選択した場合（図１３）の方が、直線性が高いことが分かる。これは、図１３ＥのＷで示した範囲（静電容量検出部３２からの出力が重複する範囲）が広いので、加重平均によりアナログ的にタッチ座標を計算できるからである。このように、センサ電極の面積を小さくし、複数のセンサ電極を同時に選択してスキャンすることと、加重平均による計算を組み合わせることで、タッチ座標をアナログ的に求めることができる。したがって、直線性を向上できる。

なお、図１４は図１２の場合の位置センサの処理フローを示す図である。図１２の場合の位置センサは次のように動作させればよい。スイッチ部３１は、センサ電極１１１に対応するスイッチをオンにする（Ｓ１１０）。静電容量検出部３２は、センサ電極１１１の静電容量を検出する（Ｓ１１１）。次に、スイッチ部３１は、センサ電極１１２に対応するスイッチをオンにする（Ｓ１１２）。静電容量検出部３２は、センサ電極１１２の静電容量を検出する（Ｓ１１３）。スイッチ部３１は、センサ電極１１３に対応するスイッチをオンにする（Ｓ１１４）。静電容量検出部３２は、センサ電極１１３の静電容量を検出する（Ｓ１１５）。スイッチ部３１は、センサ電極１１４に対応するスイッチをオンにする（Ｓ１１６）。静電容量検出部３２は、センサ電極１１４の静電容量を検出する（Ｓ１１７）。ステップＳ１１１、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１７の結果からのしきい値以下のノイズ成分を除去し、それぞれの静電容量を求める（Ｓ１１８）。ステップＳ１１８で求めた静電容量を加重平均し、タッチ座標を求める（Ｓ１１９）。

また、図１５は図１３の場合の位置センサの処理フローを示す図である。図１３の場合の位置センサは次のように動作させればよい。スイッチ部３１は、センサ電極１２１とセンサ電極１２２に対応するアナログスイッチをオンにする（Ｓ１２０）。静電容量検出部３２は、センサ電極１２１とセンサ電極１２２の静電容量を検出する（Ｓ１２１）。次に、スイッチ部３１は、センサ電極１２２とセンサ電極１２３に対応するアナログスイッチをオンにする（Ｓ１２２）。静電容量検出部３２は、センサ電極１２２とセンサ電極１２３の静電容量を検出する（Ｓ１２３）。スイッチ部３１は、センサ電極１２３とセンサ電極１２４に対応するアナログスイッチをオンにする（Ｓ１２４）。静電容量検出部３２は、センサ電極１２３とセンサ電極１２４の静電容量を検出する（Ｓ１２５）。ステップＳ１２１、Ｓ１２３、Ｓ１２５の結果からのしきい値以下のノイズ成分を除去し、それぞれの静電容量を求める（Ｓ１２６）。ステップＳ１２６で求めた静電容量を加重平均し、タッチ座標を求める（Ｓ１２７）。このような処理フローによって、タッチ座標は計算できる。

上述のように、本発明の静電容量センサと位置センサによれば、静電容量を検出するセンサ電極の面積を、求められる感度を満足するように広くすることができる。したがって、個々のセンサ電極を小さくでき、かつ、筐体を厚くできる。また、ノイズが大きい環境下でも、センサの信頼性を高くできる。また、本発明の位置センサによれば、指の大きさに合わせてセンサ電極の数を調整できるので、計算された指の位置と実際の指の位置との誤差を小さくすることができる。また、加重平均を用いた計算によれば、アナログ的に指の位置が計算できるので、計算された位置の直線性を向上できる。さらに、あらかじめ定めた値よりも大きい静電容量の時だけ、静電容量を示す情報を位置の計算に用いれば、ノイズ成分を除去できるので、タッチ座標の安定性を向上させることができる。また、複数のセンサ電極を同時に選択してスキャンを行う場合に、一部のセンサ電極が重複して選択されるように制御させた場合、センサ部を小型化でき、さらに静電容量センサの分解能を向上させることができる。

［変形例１］
図１６は、センサ電極の間に穴を開けた場合のセンサ部の構成例である。センサ部の筐体（操作面）１３１は不透明な素材であり、意匠１３４（例えば文字）は透明または半透明の素材で、光を透過できるようになっている。筐体の下にはセンサ部が配置されている。センサ部１３２には、センサ電極１３５が配置されるとともに、穴１３６がある。センサ部１３２の下にはＥＬシート１３３が配置されている。ＥＬシート１３３を光らせると、穴１３６を光が透過し、筐体の意匠を光らせることができデザイン性を向上できる。なお、ＥＬシート１３３の代わりに、ＬＥＤなどの発光素子を用いてもよい。

本来、穴１３６を設けることで、その分センサ電極１３５の面積は狭くなり、センサ電極の感度が悪くなる。しかし、穴１３６の両サイドのセンサ電極を同時に選択することでセンサ電極の面積を２倍にし、タッチしている面積を１つのセンサ電極の面積より広くすれば、静電容量センサの感度を良くできる。この時、穴１３６がタッチする面積（例えば指の大きさ）より大きい場合は上記効果が得られないため、穴１３６はタッチする面積より小さくする必要がある。
変形例１は、“ボタン”アプリケーションや、“スライダ”アプリケーションなどに応用でき、意匠を付加することで操作位置などを指示することが可能になる。

［変形例２］
第１実施形態では、各センサ電極の面積は等しいことを前提に説明した。しかし、各センサ電極の面積が等しいことに限定する必要はない。デザインや筐体の構造上の制限などから、センサ電極の面積を均一にしない場合がある。図１７に、センサ電極の面積が均一でない場合の例を示す。センサ部１５０は、センサ電極１５１〜１５９を備えている。センサ電極１５１、１５５、１５９は、センサ電極１５２〜１５４、１５６〜１５８の約２倍の面積である。上述したように静電容量センサの感度は電極の面積に比例する。したがって、感度を一定に保つためには、電極の面積をほぼ同一にする必要がある。そこで、センサ電極１５１、１５５、１５９を選択するときは１つのセンサ電極のみを選択し、センサ電極１５２〜１５４、１５６〜１５８を選択するときは２つのセンサ電極を選択する。このようにセンサ電極の面積が一定になるように、センサ電極の数を調整すれば、静電容量センサの感度を一定に保つことができる。

この例では、センサ電極１５１、１５５、１５９が、センサ電極１５２〜１５４、１５６〜１５８の約２倍の面積の場合を示したので、センサ電極を１つ選択するか２つ選択するかで面積を一致させることができた。しかし、センサ電極の面積の組み合わせでは、選択されたセンサ電極の面積を一致させることができない場合もあり得る。一致させることがでない場合には、できるだけ感度を一致させるように電極の数を選択すればよい。例えば、選択されるセンサ電極の面積の合計があらかじめ定められた範囲内となるように電極の数を選択すればよい。このようにセンサ電極の大きさが異なる場合であっても、静電容量センサの感度を一定に保つことで、“スライダ”アプリケーションとして使用できる。

また、別の使用例として、センサ電極１５１、１５５、１５９を“ボタン”アプリケーションとして使用し、センサ電極１５２〜１５４、１５６〜１５８をそれぞれ“スライダ”アプリケーションとして使用するなど、複合的な使い方もできる。同じ静電容量センサであっても、用途に応じてスキャン方法を変えることで、様々なアプリケーションに対応できる。

Claims

配列された３個以上のセンサ電極と、
複数の前記センサ電極の選択が可能なように構成されたスイッチ部と、
前記スイッチ部によって選択された前記センサ電極とアースとの間の静電容量を検出する静電容量検出部と、
を有し、
前記スイッチ部は、選択した複数の前記センサ電極の間を短絡させ、それらを前記静電容量検出部に接続し、
前記静電容量検出部は、前記静電容量検出部に接続された前記センサ電極とアースとの間の静電容量を検出する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項１記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、
複数の前記センサ電極を選択する場合は、連続して配列されている複数の前記センサ電極を選択する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項２に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、前記センサ電極ごとの面積に応じて、選択する前記センサ電極の数を変更する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項２に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、あらかじめ定めた時間ごとに、選択する前記センサ電極又は選択する前記センサ電極の組合せを変える
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項４に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部が選択する前記センサ電極の組合せは、前記スイッチ部が選択する他のいずれかの前記センサ電極の組合せに含まれる前記センサ電極を含む
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項４に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、前記センサ電極ごとの面積に応じて、選択する前記センサ電極の数を変更する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項１に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、あらかじめ定めた時間ごとに、選択する前記センサ電極又は選択する前記センサ電極の組合せを変える
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項７に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部が選択する前記センサ電極の組合せは、前記スイッチ部が選択する他のいずれかの前記センサ電極の組合せに含まれる前記センサ電極を含む
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項７に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、前記センサ電極ごとの面積に応じて、選択する前記センサ電極の数を変更する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項１に記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、前記センサ電極ごとの面積に応じて、選択する前記センサ電極の数を変更する
ことを特徴とする静電容量センサ。
請求項１から１０の何れか１つに記載の静電容量センサであって、
前記スイッチ部は、複数の前記センサ電極を選択するように構成される
ことを特徴とする静電容量センサ。
前記センサ電極への導体の接近によって、前記センサ電極とアースとの静電容量が変化する請求項４，５，７，８の何れか１つに記載の静電容量センサと、
前記あらかじめ定めた時間ごとの、前記静電容量検出部が検出した静電容量を示す情報と、選択された前記センサ電極全体の位置を示す情報とを取得し、
複数の前記静電容量を示す情報と前記位置を示す情報の組から、接近した前記導体の位置を計算するデータ処理部と、
を有する位置センサ。
請求項１２記載の位置センサであって、
前記データ処理部は、
前記静電容量を示す情報を、前記位置を示す情報で重み付けして平均することで、接近した前記導体の位置を計算する
ことを特徴とする位置センサ。
請求項１２に記載の位置センサであって、
前記スイッチ部は、複数の前記センサ電極を選択するように構成される
ことを特徴とする位置センサ。