JP4915232B2

JP4915232B2 - 座標入力装置及び座標入力システム

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Publication number: JP4915232B2
Application number: JP2006341550A
Authority: JP
Inventors: 進金子
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008152640A

Description

本発明は、タッチパネルなどに適用して好適な座標入力装置及び座標入力システムに関する。

タッチパネルを用いた座標入力には、その入力手段として指またはペンを使用する方法が一般的である。
指、ペン両方の入力に対応したタッチパネルでもっとも普及している方式は抵抗膜方式タッチパネルである。図１２は、抵抗膜方式の一般的な構造例を示す。それぞれ透明導電膜４（一般的には導電ポリマー、ＩＴＯ膜等、以下ＩＴＯとする）を塗布した、可撓性のある上部基板１（一般には透明フィルム）と、剛性の高い下部基板２（ガラス、プラスチックなど）を、絶縁用のスペーサ３及びドットスペーサ５を挟んで貼り合せた構造としてある。上下のＩＴＯ４の１組の対辺には電圧印加兼電圧測定用の電極を接続し、電極対辺が互い違いになるように貼り合わせる。

この図１２の上部の表面側から指などで押されることで、上下のＩＴＯ４が接触して、タッチされた座標位置を検出することができる。この抵抗膜方式タッチパネルは、構造的には簡単であり普及しているが、以下の問題がある。

１つ目の問題としては、耐久性が低いということである。入力手段の押圧による上部基板の機械的な動きと、上下のＩＴＯの物理的な接触により座標の特定を行うという仕組みに原因がある。ＩＴＯの機械的な動きはそのまま機械ストレスとして蓄積し、ＩＴＯの微細なクラックを生じる。また物理的な接触によりＩＴＯの磨耗故障へもつながる。ＩＴＯのクラック、磨耗はそのまま直線性、座標精度の低下を引き起こすことになる。

２つ目の問題としては、光学特性が悪いということである。上下の基板の間にはドットスペーサ５と共に空気層が存在する。これにより空気層とＩＴＯの界面が形成され、光の屈折率の違いから反射を引き起こし光透過率の低下を招く。この空気層との界面は上下２箇所に存在し、透過率はさらに低下する事となる。また、上下の基板のギャップが狭くなるとニュートンリングと呼ばれる干渉縞が発生し、表示品位を低下させる。対策にはアンチニュートンリング処理と呼ばれるＩＴＯをあえて凸凹になるように表面処理し、干渉を拡散させ、ニュートンリングを目立たなくしているのが一般的である。この処理は画像がぼやける弊害があり、表示品位を低下させることになる。また、ドットスペーサは、表示画像のギラツキをもたらし、同じく表示品位を低下させる一因になっている。

一方、図１２とは別の方式によるタッチパネルとして、電磁誘導方式の座標入力装置が実用化されている。図１３に原理構成を示す。
この構成では、専用の電子ペンを使用して、パネル１０の表面を触れられたとき、その座標位置を検出するものである。パネル１０には、Ｘ軸方向に並べられた複数のアンテナコイル１１，１２，１３，‥‥，１９を有する。また、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に並べられた複数のアンテナコイルについても、図示を省略するが配置してある。
パネル１０に接続されたセンサ側にある送信回路は、交番磁界を発生させるためのドライブ回路と発振回路で構成される。電子ペンにはコイル３１とコンデンサ３２によるＬＣ共振回路３０が内蔵されている。共振周波数は交番磁界の周波数と同じになるよう設定されている。

図１３に示した座標検出原理について説明すると、まず切り替えスイッチ２３により、送信回路２１とアンテナコイル１１〜１９が順に接続される。この状態でそれぞれのアンテナコイル１１〜１９へ一定期間交流電流を流す。パネル１０の表面に電子ペンが近接していることで、アンテナコイルと電子ペン内のコイル３１が磁気的に結合することで、電子ペン内のコイル３１には誘導起電圧が発生する。このとき、電子ペン内の共振回路には、その誘導起電圧によるエネルギーが蓄積される。次に送信回路２１を停止し、送／受切り替えスイッチ２２を受信回路２４側に切替える。送信を停止しても電子ペン内の共振はしばらく維持されるため、電子ペンのコイル３１に発生した交番磁界により、アンテナコイルに誘導起電圧が発生する。この誘導起電圧を受信回路２４で検出する。この一連の送信／受信をアンテナコイルを切り替えながらスキャンすることで、図１４に示すようなアンテナコイルの位置を横軸とした電圧分布を得ることができる。この電圧分布で、最も電圧が高い位置が、電子ペンが接触したＸ軸方向の位置である。

同様の処理をＸ方向と直交するＹ軸方向についても、そのＹ軸方向に配置された図示しない複数のアンテナコイルを使用して行う。そして、得られたＸ軸の位置とＹ軸の位置を合わせることで。２次元上の電子ペン接触位置を求めることができる。電子ペンはＬＣ共振回路のみで構成でき、電源（電池）を必要とせず、座標の入力が可能となっている。

特許文献１には、透明導電膜を使用したタッチセンサの例についての開示がある。
特表２００５−５３７５７０号公報

電磁誘導方式を採用した座標入力機能付表示装置では、ＬＣＤなどの表示パネルの裏側にセンサ板を設置するのが一般的である。これは画面の前面にセンサが無いことから表示品位の劣化を抑えるには有利である。しかし、原理上、アンテナコイルと電子ペンとの間に磁気的な結合が必要であるため、表示パネルには磁束を通すための構造的な工夫（パネル裏側の金属筐体に穴を空けるなど、金属を使わないなど）が必要となる。また、裏面に固定するための筐体設計も必要なことから表示パネル自体が専用設計となり、コスト面でも不利かつ専用設計であるが故に他機種への転用もできない、などの問題がある。

また、画面表面から表示パネルの厚み分奥に入り込んだところにセンサ部があるため、指示位置（ペン先）とセンサ部の距離が離れることになる。これは入力操作の際、ペンの傾きや操作者の視点の違いにより、実際の指示位置と感知した座標とにズレが生じる、いわゆる視差を大きくする要因となっている。

視差の低減や専用設計回避のために表示装置の前面にセンサ部を設置しようとする場合、透明且つ導電性の高いアンテナコイルを実現し、できる限りペン先とセンサ面の距離を近付けることが必須となる。現在のところ透明かつ導電性を有する材料としてはＩＴＯが一般的であるが、導電性を有するとはいえ、その抵抗値は銅などの良導体と比べると２桁程度高いのが実情であり、図１３に示した如きシステムのアンテナコイルを透明電極化することは困難である。

ＩＴＯの膜厚を上げることで抵抗値を下げることは可能であるが、光学特性とのトレードオフになる。また、図１３に示したシステムの場合には、専用の電子ペンでのみしか入力操作ができない。指（人体）には反応しない。これは、パネルへのお手つきによる誤動作の問題がないというメリットにもなるが、指入力必須のアプリケーションでは、指入力用のセンサシステムを別に用意する必要があり、コスト的にも構造的にも不利となる。

別な技術として、特許文献１に記載された透明デジタイザがある。この透明デジタイザは、透明化が難しい電磁誘導方式の弱点を克服し、既存の比較的高抵抗な透明電極を用いながらペン入力、指入力を可能とする技術である。しかしながら、指入力時はマトリクス型の抵抗膜方式を採用するため、十分な分解能をえることができない。タッチ位置を固定したスイッチ的な使い方に限定されてしまう。また、抵抗膜方式と同様のパネル構造であることから、同方式の課題をそのまま包含することとなる。光学特性に関してはペン入力用パターンの交点に絶縁も必要なことから、更に悪化する要因となっている。ペン、指双方の入力手段として満足するものとは言いがたい。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、より優れたタッチパネルを提供することを目的とする。

本発明は、物体がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出して入力を行う座標入力装置において、ループコイル部をパネルの外周に配置する。パネル上には、相互に直交する方向に平行に所定の間隔で配置した複数の電極で構成し、物体が接触又は近接した座標位置を検出するためのセンサマトリクス部を配置する。センサマトリクス部内の各電極に印加する電圧は、順に切り換える。そして、センサマトリクス部で検出した静電容量の変化及び／又はループコイル部での電流変化に基づいて、物体がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出する演算処理部を備える。そして、演算処理部は、センサマトリクス部に接触又は近接した物体の検出処理として、ループコイル部から供給される電力で作動する通信部を備えた第１の物体をループコイル部での電流変化とセンサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化とで検出する処理と、センサマトリクス部に接触した第２の物体をセンサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化で検出する処理とを行い、演算処理部での第１の物体を検出する処理と、第２の物体を検出する処理とは、選択的に行い、第１の物体を検出した場合に、第２の物体を検出する処理を行わないようにした。

このように構成したことで、パネル外周のループコイルを使用して、位置指示部材側に電源が供給される。ループコイルがパネル外周にあることで、パネルの内側には、静電容量検出用のセンサマトリクス部だけを配置すればよく、例えばセンサマトリクス部を透明電極化して、表示パネルの表面に座標位置入力機構を構成させた場合でも、パネル表面の表示品位などを低下させずに良好に行える。また、座標位置検出そのものは、センサマトリクス部での静電容量の変化又はループコイル部での電流変化による検出であり、ループコイルからの電源で作動する専用の位置指示部材を使用した検出と、指などで触れたことについての検出との双方が可能になる。

本発明によると、ひとつのシステムで指によるタッチの検出と、ペンなどの位置指示部材を使用したタッチの検出との双方が可能となる。この場合、パネル構造としては、ループコイルが周辺部にあるので、パネルが表示パネルである場合には、表示品位を向上させることができ、良好な表示ができるタッチパネルが得られる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図１１を参照して説明する。

本発明は、指、ペン双方の入力を高精度、高機能で可能とし、さらには表示品位に影響する光学特性も良好にすることを目指し成された座標入力装置を提供するものである。
まず、本発明の一実施の形態による座標入力装置の概要を、図１を参照して説明する。図１に示すように、入力検出を行うパネル１００は、外周部にループコイル１０１を配置してある。そして、パネル１００の中央部には、Ｘ軸方向の電極１０２が短冊状に複数本平行に配置してあり、さらにＸ軸方向の各電極１０２と直交する方向である、Ｙ軸方向の電極１０３が短冊状に複数本平行に配置してある。両電極１０２，１０３が重ね合わせて配置してあることで、マトリクスパターン構造を形成してある。Ｘ軸方向の各電極１０２とＹ軸方向の電極１０３は、それぞれＩＴＯ膜などで構成された透明電極であり、両電極１０２，１０３の重ね合わせ部では絶縁させてある。このＸ軸方向の各電極１０２とＹ軸方向の電極１０３が直交して配置されたパネル１００の中央部が、パネルに触れられた座標位置を検出する入力検出部分である。

ループコイル１０１は、所定数ターンさせて、ループアンテナとして機能するようにしてある。ループコイル１０１は、パネル１００に近接した操作指示部材としての電子ペンに、電磁誘導又は電磁結合で電力を供給すると共に、後述する電子ペンからのデータを受信するアンテナとしても機能する。

そして本例においては、直交配置した電極１０２，１０３を使用してパネル１００に接触した位置を検出する原理について説明すると、指などの生体でパネルに触れた場合と、電子ペンを称してパネルに触れた場合とで、それぞれ異なる原理で検出する。

指を入力手段とする場合の検出原理としては、両電極１０２，１０３の各パターンに順次交番電圧を印加し、指の接触による静電容量の変化量を検出するものである。求められた変化量分布から補間演算処理により指の接触位置を特定し、コントローラ部１２０からホスト１９０へ指座標データとして出力する。

電子ペンを入力手段とする場合の検出原理としては、まず、電子ペンはＬＣ共振回路と電界センサ、アンプ、変調回路、用途に応じ筆圧を検知する為の圧力検出機構、クリック等の機能を割り当てるメカニカルスイッチなどを備える。その詳細構造については後述する。そして、マトリクスパターンを構成する電極１０２，１０３の外周に配置されたループアンテナとしてのループコイル１０１に、交流電流を流す。ループコイル１０１から発生した交番磁界中に電子ペンを置くことで、電磁誘導により電子ペンへ電力を供給する。この電力によりペン内の回路を駆動する。マトリクスパターンには順次、交流またはパルス電圧を印加する。ペン先の電界センサでマトリクスパターン周囲に発生した電界の強さを検出し、その検出信号をデジタル変換後、変調回路へ強度データを送る。変調回路はＬＣ共振電圧に振幅変調（負荷変調）をかけ反磁界を発生させる。発生した反磁界はパネル側のループコイル１０１に流れる電流を変化させる。その電流変化を復調することで、ペンから送られた強度データを得る。受信した電界の強度分布からペン座標の補間演算処理を行い、コントローラ１２０からホスト１９０へ、ペン座標データとして出力する。

これらの指の接触位置検出処理と、電子ペンの接触位置検出処理は、同時に行うことが可能であるが、本例の場合、電子ペンの接近を検出した場合には、指の接触位置検出を行わないようにしてある。この検出処理の切り替え処理については、後述する図１１のフローチャートで説明する。

次に、本例のパネル構造を、図２を参照して説明する。下部に液晶表示部などの表示パネルが配置されるために、透明化が要求される画面表示エリアには、マトリクス状に透明導電膜パターンを配置する。即ち、図２の例では、上部透明フィルム１１１に、縦方向（Ｙ軸方向）透明導電膜パターン１０３を形成し、下部透明フィルム１１２に、縦方向（Ｘ軸方向）透明導電膜パターン１０２を形成してあり、両透明フィルム１１１，１１２を透明粘着材１１３で接着させてある。下部透明フィルム１１２の周辺部には、ループコイル１０１が、所定ターン数形成させてある。これらの各導電膜パターン１０２，１０３やループコイル１０１は、フレキシブル基板１１４を介してコントローラ部１２０（図１）と接続させる。図２では、フレキシブル基板への配線は省略してある。なお、マトリクスパターンの数はパネルサイズ、アスペクト比、および所望の分解能などによって決定され、固定的なものではない。

ループコイル１０１の配置箇所は、パネル１００の表示エリアの外側の額縁部分としてある。このループコイル１０１で構成されるアンテナは、透明導電膜の上にＡｇやＣｕなどを添加した導電性ペーストを塗布し、導電性を良くしている。また、導電性の高い金属線を配置することもできる。表示エリアをくりぬいてプリント基板、フレキシブル基板等でアンテナを形成することも可能である。額縁部分には透明性の要求はないため、透明、不透明に関わらず、額縁部分に導電性の高いパターンまたは線材を使用したループアンテナが形成できれば、構成は限定されない。

各導電膜パターン１０２，１０３を構成する透明導電膜としては、金属、合金、金属窒化物、金属酸窒化物、金属酸化物などのうち電気伝導性のある材料が適用できる。金属・合金膜としては、Ａｌ,Ａｇ,Ｃｕ,Ａｕ,Ｔｉ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｐｄなどの金属及びＦｅ−Ｎｉ,Ｎｉ−Ｃｒ, Ｆｅ−Ｃｒ,Ｆｅ−Ｃｕなどの合金が好ましく適用できる。金属膜を透明導電膜として利用する場合、光透過性を維持するためにその膜厚は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下にしなければならない。透明で導電性を有する金属窒化物、金属酸窒化物、金属酸化物としては、ＳｎＯ２,ＺｎＯ,Ｉｎ２Ｏ３,ＩＴＯ(Indium Tin Oxide, In2O3／SnO2),ＡＺＯ(Al:ZnO),ＴｉＮ,ＺｒＮ,ＨｆＮ，ＴｉＮｘＯｙなどが好ましく適用できる。

これらの金属、合金、金属窒化物、金属酸化物、金属酸窒化物を形成するには、ゾル−ゲル法などの溶液法、蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ法(Physical Vapor Deposition)法や、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などを利用することが出来る。
透明導電膜を短冊状に形成するには、あらかじめ膜を形成したい部分に窓を開けた形状のマスクを被せて成膜する方法や、全面に成膜した後に混酸を用いたウエットエッチング法や、レーザ光を用いたレーザエッチング法などで不要部分を除去する方法などが利用できる。

また本例では、基板として透明フィルムを示したが、ポリカーボネートやアクリルなどの板状基材も適用できる。また、２枚のフィルム基板を貼り合せた構造を図示しているが、１枚基板で両面にマトリクスパターンを形成する構造とすることもできる。光学特性の悪化要因となるが、電極の引出しを容易にし、配線交差部をなくす為、縦パターン、横パターン、ループアンテナを各々の層に配した３枚構成とすることもできる。必要に応じ、液晶表示パネルや外来ノイズなどの影響を排除するために、シールド層を配置することもできる。

次に、パネル１００に接続されたコントローラ部１２０の構成について、図３を参照して説明する。
コントローラ部１２０は、入力手段がパネル近傍に近付いた事の検知および指示された座標の演算を行い、インターフェースを介しホスト１９０へ座標情報を送出する。
本例のコントローラ部１２０の制御で行われる指入力の座標検出処理は、一般には静電容量方式や静電結合方式と呼ばれる座標検出処理を使用する。

即ち、水晶振動子１２２が接続された発振回路１２１で、基準クロックを生成させ、その基準クロックを分周器１２３に供給する。分周器１２３で分周された信号により、センサドライバ１２４を駆動し、スイッチ回路１２５で、導電膜パターン１０２，１０３への電圧の印加を順に切り替える順序を、カウンタ１２６により制御する。各導電膜１０２，１０３の容量は、容量センス部１２７で検出される。その検出した容量値は、指座標演算部１２８で、クロックと同期化されてどの電極（導電膜）の容量値であるか判断され、Ｘ軸方向の容量値が高い位置と、Ｙ軸方向の容量値が高い位置とが判断され、それぞれの交差する位置が、指で触れられた位置として判断される。指座標演算部１２８で判断された指の座標データは、インターフェース１２９を介してホスト１９０に送られる。

なお、指座標演算部１２８には、後述する送受信処理部１３０からイネーブル信号が供給される構成としてある。このイネーブル信号は、送受信処理部１３０側で電子ペンのパネルへの接近を検出した場合に出力される信号であり、このイネーブル信号の供給で、指座標演算部１２８での指位置検出処理をキャンセルする構成としてある。

静電容量方式による容量検出用の電極（導電膜）構成は、図２に示した基本的なパターン構成のものから、接地電位（ＧＮＤ）パターンを間に配したもの、長方形状ではなくパターン形状に工夫を施したものなど、さまざまな方式が提案されている。本例では透明導電膜パターンを概略マトリクス状に配置した方式であれば、特に図２の構成に限定されるものではなく、種々の構成が適用できる。静電容量方式では、入力手段（指など）がセンサ面（この場合、透明導電膜パターン）に近付くことにより容量成分が増加し、その変化量に基づき座標を算出している。

ここで、指の接触を検出する場合の具体的な特性例を、図９の波形図を参照して説明する。図９の例は、ある一本の導電膜パターンに、のこぎり波状の電圧を印加した場合である。のこぎり波の供給回路（図３のセンサドライバ１２４）は、充電用の定電流源と放電用のスイッチ回路などで構成される。本例では分周器１２３からのクロックは使用せず、充放電コンデンサ（この場合、透明導電膜パターン）の容量（充放電時定数）によりのこぎり波周波数が決まる。いま、入力手段（指）が離れているとき（非タッチ時）の単位時間（図９（ａ））あたりのパルス数が、図９（ｂ）に示すように１２カウントだったとする。ここで、入力手段（指）がパネルに触れる（タッチ時）と、見かけ上充放電コンデンサの容量が増える方向に変化する為、図９（ｃ）に示すように、のこぎり波周波数は低くなる。図９の例では６カウントに変化している。このタッチ時と非タッチ時のパルス数の差分は容量の変化分に比例する。この動作を各導電膜パターンについて順次繰り返すと、入力手段に近いパターンほど、容量変化が大きく、遠ざかるほど変化が小さい変化量分布を求めることができる。この分布を基に補間演算を行い、一番変化量の大きい点を指入力指示位置として特定し、外部のホスト１９０へ出力する。

容量変化の検出を行う処理としては、別の容量検出処理構成としてもよい。例えば図１０（ａ）に示すように、一定周波数のパルスを印加し、図１０（ｂ）に示すように、容量の大きさに応じた充電時間を計測することで容量変化分を求めて、タッチ時と非タッチ時とを判別するようにしてもよい。

次に、図３に示したコントローラ部１２０での電子ペンの接触又は接近を検出する構成及び動作について説明する。
コントローラ部１２０のペン入力に関係した構成としては、ループコイル１０１に接続された送受信処理部１３０と、ペン座標／ファンクション演算部１２９などを備える。送受信処理部１３０は、発振回路１２１から電磁誘導用クロックが供給され、送受信処理部１３０内の送信回路１３１から、インピーダンス整合器１３２を介して、ループコイル１０１にその電磁誘導用クロックに同期した周波数の交流信号が印加される。
送受信処理部１３０内には受信回路１３３も備え、その受信回路１３３で、電子ペンからの電界の強さに関するデータの検出と、受信ファンクションの復調とを行い、それぞれの検出データと復調データをペン座標／ファンクション演算部１２９に送る。ペン座標／ファンクション演算部１２９では、供給されたデータと分周器１２３から供給されるクロックとを使用して、電子ペンがパネルに接触した座標位置（又は近接した位置）を検出する。検出した座標位置のデータは、インターフェース１４１を介してホスト１９０に送られる。
なお、送受信処理部１３０で電子ペンのパネルへの接近を検出している間は、指座標演算部１２８にイネーブル信号を供給する構成としてある。また、送受信処理部１３０の送信回路１３１には、送信データ入力端子１３４を備えて、ホスト１９０側などから供給されるデータを電子ペン側に送信することもできる。この場合には、励振周波数をキャリアとし、送出するデータを変調することで伝送できる。

図４は、送受信部１３０の構成例を示した図である。発振回路１２１から供給される電磁誘導用のクロックは、変調器１３１ａに供給されて、入力端子１３４に得られる信号でクロックを変調する。変調された電磁誘導用のクロックは、電力増幅器１３１ｂに送られて増幅され、インピーダンス整合器１３２を介してループコイル１０１側に送られて、パネルに近接した電子ペン側に送られる。

また、インピーダンス整合器１３２には、受信用の検出抵抗１３３ａが接続してあり、その検出抵抗１３３ａに得られる受信信号を、バンドパスフィルタ１３３ｂと増幅器１３３ｃを介して復調器１３３ｄに送り、復調器１３３ｄで復調された信号を受信信号として出力端子１３３ｅに得る。

図５は、電子ペン側の構成例を示した図である。本例の電子ペン３００（図１）は、コイル３１１とコンデンサ３１２を有するＬＣ共振回路３１０を備える。このＬＣ共振回路３１０はパネル外周の励振用コイルであるループコイル１０１の磁界により共振する。ＬＣ（コイル３１１，コンデンサ３１２）の定数はあらかじめ共振条件を満たすよう設定されているものとする。この共振時の電気エネルギーを利用し、ペン内の各回路を駆動させる。即ち、ＬＣ共振回路３１０には、ダイオード３３１を介して電源回路３３２が接続してあり、コンデンサ３１２に蓄積されたエネルギーで、電源回路３３２から電子ペン内の各回路に電源電圧Ｖｃｃが供給される。

さらにＬＣ共振回路３１０は、変調回路３２２により振幅変調（負荷変調）され、発生した反磁界でパネル側のループコイル１０１に流れる電流を変化させる。変調回路３２２には、ＬＣ共振回路３１０で検出したキャリア周波数を分周器３２１で分周した信号が供給される。ループコイル１０１に流れる電流を変化させることで、その電流変化をパネル側で検出抵抗により電圧変換し、所望のデータへ復調することで、電子ペンからコントローラへデータの伝送を行うことができる。

図８は、電子ペンへの電力の供給と、電子ペンからのデータの伝送との原理を示した図である。パネル側では、励磁コイルであるループコイル１０１に発振器１２１の出力が供給されることで磁束が発生し、ペン側のＬＣ共振回路３１０にエネルギーが溜まる。このようにして得られた電力で変調回路３２２が作動して、抵抗器Ｒ１２と直列に接続された変調用スイッチが変調回路３２２でオン・オフ制御されて、電子ペン側からパネル側にデータが伝送される。その伝送データは、ループコイル１０１に接続された抵抗器Ｒ１１で検出される。

なお、駆動電源は、このようなＬＣ共振回路３１０での共振を利用する構成ではなく、電子ペンにバッテリやソーラーパネルなどの発電素子を内蔵して対処してもよい。また、双方の併用も可能である。用途、ペン内の消費電力量などに応じた使い分けが可能である。

電子ペンのペン先３２５には、パネル側の導電膜パターンからの電界を検出する金属や導電性樹脂などの導電性材料を配置する。このペン先３２５としての導電性材料は、指示位置の誤差や視差を軽減する為、できるだけペン先のみ（即ちパネルに近い部分だけ）で電界を検出することが望ましい。このため、図６に示すように、ペン先３２５の上部にはシールド材３２６を配することが望ましい。ペン先３２５はペン筐体の両端に配置することもでき、異なる変調データを送信することで、消しゴム機能や太さの異なる線描画など、異なる機能の実装も容易にできる。さらに、ペン入力時、ペン先３２５は直接パネル表面に接触することになる為、パネル表面の傷つき防止の観点からポリスチレン、ポリアセタールなどのパネル表面より柔い樹脂よりなる被覆３２７を設ける構成とすることが望ましい。

導電性材料で構成されたペン先３２５は、図６に示すようにアンプ部３２４に接続してある。図５の説明に戻ると、ペン先３２５で検出した電界の強さはアンプ部３２４で増幅し、アナログ・デジタル変換器３２３でデジタル変換の上、変調回路３２２に送る。

図７は、アンプ部３２４での電界の検出構成例を示した図である。ペン先３２５は、コンデンサＣ１を介して演算増幅器３２４ａの＋側入力端に接続し、コンデンサＣ１と演算増幅器３２４ａとの接続点を、抵抗器Ｒ１を介して接地させる。また、演算増幅器３２４ａの−側入力端を、抵抗器Ｒ２とコンデンサＣ２の直列回路を介して接地させる。さらに、演算増幅器３２４ａの−側入力端と、演算増幅器３２４ａの出力端とを、コンデンサＣ３と抵抗器Ｒ３の並列回路を介して接続する。
このようにして演算増幅器３２４ａとその周辺素子で増幅する構成として、出力端子３２４ｂに、アンプ部３２４で交番電圧を印加された導電膜パターンとペン先の距離に応じた（電界の強さに比例した）信号出力を得る。なお、演算増幅器３２４ａは、高入力インピーダンス品を使用することが好ましい。また、マトリクスパターンに印加する交番電圧周波数に対応できる周波数特性を有する必要がある。ペン先３２５として電界検出デバイスなどを使う構成としてもよいが、図7に示したアンプ部３２４で電界の強さを検出することで、簡易な構成で実現することができる。

なお、図５の電子ペン構成では、検出データをデジタル化した例を示したが、アナログ変調により、ペンデータの伝送を行うこともできる。ただし、ノイズの影響を受けやすくなる為、図５に示したようにデジタル処理する構成が好ましい。

このようにして、電子ペンのペン先で検出した電界で、変調回路３２２での変調を制御することで、パネル上の導電膜パターン１０２，１０３で構成されるマトリクスパターンへの電圧の印加状態により、電界の検出状態が変化し、その電界の検出状態に対応したデータを、コントローラ１２０内の送受信処理部１３０で受信して、マトリクスパターンへの電圧の印加状態と同期して電界の強さを検出することで、電子ペンのペン先が触れた（又は接近した）座標位置を判断することができる。

なお、コントローラ側から電子ペンへデータを送る場合には、図３に示したように、送受信処理部１３０内の送信回路１３１に、入力端子１３４から送信データを送る。このデータ伝送は、励振周波数をキャリアとし、送出するデータを変調することで伝送する。この場合の変調方式は周波数、位相、振幅変調などさまざまな変調方式が適用可能である。

ペンへデータ（コマンド）が送れる事により、ペン固有情報の読み出し、ペンの感度設定などの設定情報、ファームウェアの更新、また発展的には、コントローラ側からのコマンド送出をトリガとして、振動デバイスによるバイブレーション機能、光（発光ダイオードなど）によるユーザへの情報通知など、双方向データ伝送を生かしたワイヤレスペンの提供ができる。即ち、図５に示すように、電子ペンのＬＣ共振回路３１０で受信した信号を、受信／復調回路３４１で復調し、その復調データを、電子ペン内の処理部３４２に供給して対応した処理を実行させる構成とする。

次に、本例の座標入力装置のコントローラ１２０で実行される座標検出処理例を、図１１のフローチャートを参照して説明する。まずコントローラ１２０では、イニシャライズ処理が行われる（ステップＳ１１）。このイニシャライズ処理としては、発振をスタートさせ、座標データのイニシャライズ処理を行う。具体的には、イニシャル電圧Ｖｄの補正、カウンタのカウント値を０とする処理、電極位置Ｔｎを０にリセットする処理、マトリクスパターンの総電極数Ｔmaxのセットなどである。イニシャライズ処理後に、電極位置Ｔｎが総電極数Ｔmaxである場合には、電極位置Ｔｎを０にリセットする（ステップＳ１２）。

その後、座標検出エリア内（表示エリア内）に電子ペンが近接しているか否か判断する（ステップＳ１３）。ここで、電子ペンを検出しない場合には、マトリクスパターンの電極切り替えを行う（ステップＳ１４）。そして、指の接触を検出したか否か判断し（ステップＳ１５）、接触を検出しない場合には、イニシャル電圧Ｖｄの補正を行い（ステップＳ１６）、電極位置Ｔｎを１つ加算した位置として（ステップＳ１７）、ステップＳ１２の処理に戻る。

ステップＳ１５で指を検出した場合には、指入力モードを設定し、電極位置Ｔｎをリセットし（ステップＳ１８）、電極切替スイッチをオンさせて（ステップＳ１９）、電極ドライブパルスのカウント値ｐを加算していき（ステップＳ２０）、電極電圧Ｖｎを測定し、その電極電圧Ｖｎが基準電圧Ｖth未満か、基準電圧Ｖth以上か比較する（ステップＳ２１）。この比較で、基準電圧Ｖth未満である場合には、ステップＳ２０に戻る。基準電圧Ｖth以上が検出された場合には、そのときのパルスカウント値ｐと電極位置Ｔｎとを関連付けて記憶し（ステップＳ２２）、電極数のカウント値Ｔｎを判断する（ステップＳ２３）。ここで、電極数のカウント値Ｔｎが最大値Ｔmaxでない場合には、１つ加算した値Ｔn+1とし（ステップＳ２４）、ステップＳ１９の処理に戻る。

また、ステップＳ２３でカウント値Ｔｎが最大値Ｔmaxである場合には、指座標位置を演算し（ステップＳ２５）、その演算された指座標位置を出力し（ステップＳ２６）、ステップＳ１２の処理に戻る。

次に、ステップＳ１３で電子ペンの接近を検出した場合の処理について説明する。この場合には、ペン入力モードとなる。この電子ペンの接近の検出は、例えば電子ペンからのデータの伝送を検出して判断する。また、このペン入力モード時には、指の座標検出を行わないようにイネーブルデータを出力する（図３）。
ステップＳ１３で電子ペンの接近を検出すると、電極位置Ｔｎを０にリセットし（ステップＳ２７）、マトリクスパターンの電極切り替えを行う（ステップＳ２８）。そして、ペンデータと電極位置Ｔｎとを関連付けて記憶し（ステップＳ２９）、電極数のカウント値Ｔｎを判断する（ステップＳ３０）。ここで、電極数のカウント値Ｔｎが最大値Ｔmaxでない場合には、１つ加算した値Ｔn+1とし（ステップＳ３１）、ステップＳ２８の処理に戻る。

また、ステップＳ３０でカウント値Ｔｎが最大値Ｔmaxである場合には、電子ペンの座標位置を演算し（ステップＳ３２）、ペン座標データを出力し（ステップＳ３３）、ステップＳ１２の処理に戻る。

以上説明したように、本例の座標入力装置によれば、ひとつのシステムで指、ペン双方での入力が可能となり、指用の入力装置／ペン用の入力装置と組み合わせる必要がない為、コスト低減、構造の簡素化が可能となる。また、センサパネル部には空気層やドットスペーサが存在しない為、光透過率が向上し、抵抗膜式に比べ光学特性に優れたものとなる。さらに、物理的な可動部がない為、抵抗膜方式に比べ長寿命である。
また、ペン入力処理時に、指の入力検出処理を行わないため、いわゆるお手つきフリーを実現でき、特に画面サイズが大きい場合のペン入力の操作性が格段に向上する。
さらに、座標入力装置側とペンとの間の双方向通信が可能な為、ペン自体から振動や光などによる警告、情報発信が可能となり、ペンの付加価値向上が図れる。

本発明の一実施の形態によるシステムの概要の例を示す構成図である。本発明の一実施の形態によるパネル構造例を示す斜視図である。本発明の一実施の形態による処理構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態による送受信構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態による電子ペンの構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態による電子ペンのセンサ構造例を示す説明図である。本発明の一実施の形態による電子ペンの電界検出構成例を示す構成図である。本発明の一実施の形態による電力伝送原理を示す説明図である。本発明の一実施の形態による静電容量変化例を示す説明図である。本発明の一実施の形態による静電容量変化例を示す説明図である。本発明の一実施の形態による処理例を示すフローチャートである。従来の抵抗膜式タッチパネルの例を示す構成図である。従来の電磁誘導方式の座標検出構成例を示す構成図である。従来の位置検出処理例を示す特性図である。

符号の説明

１００…パネル、１０１…ループコイル、１０２…Ｘ軸方向の電極、１０３…Ｙ軸方向の電極、１１１…上部透明フィルム、１１２…下部透明フィルム、１１３…透明粘着材、１１４…フレキシブル基板、１２０…コントローラ部、１２１…発振回路、１２２…水晶振動子、１２３…分周器、１２４…センサドライバ、１２５…スイッチ回路、１２６…カウンタ、１２７…容量センス部、１２８…指座標演算部、１２９…ペン座標／ファンクション演算部、１３０…送受信処理部、１９０…ホスト、３００…電子ペン、３０１…ＬＣ共振回路、３２２…変調回路、３２４…アンプ部、３２５…ペン先、３３２…電源回路

Claims

物体がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出して入力を行う座標入力装置において、
前記パネルの外周に配置され、前記パネルに近接した前記物体に電磁誘導又は電磁結合で電力供給するループコイル部と、
相互に直交する方向に平行に所定の間隔で配置した複数の電極で構成し、前記パネル上に前記物体が接触又は近接した座標位置を検出するためのセンサマトリクス部と、
前記センサマトリクス部内の各電極に順に電圧を印加する電圧印加部と、
前記センサマトリクス部内の各電極で検出した静電容量の変化と前記ループコイル部での電流変化とに基づいて、物体がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出する演算処理部とを備え、
前記演算処理部は、前記センサマトリクス部に接触又は近接した物体の検出処理として、前記ループコイル部から供給される電力で作動する通信部を備えた第１の物体を前記ループコイル部での電流変化と前記センサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化とで検出する処理と、前記センサマトリクス部に接触した第２の物体を前記センサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化で検出する処理とを行い、
前記演算処理部での第１の物体を検出する処理と、前記第２の物体を検出する処理とは、選択的に行い、前記第１の物体を検出した場合に、前記第２の物体を検出する処理を行わないようにした
座標入力装置。
請求項１記載の座標入力装置において、
前記ループコイル部が送信する電力には、所定の信号を重畳して前記物体側に伝送する
座標入力装置。
請求項１又は２記載の座標入力装置において、
前記それぞれの電極は、前記パネル上の透明電極で構成した
座標入力装置。
位置指示部材がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出して入力を行う座標入力システムにおいて、
前記位置指示部材として、
電磁誘導又は電磁結合で電力供給を受ける電力受信部と、
前記電力受信部で受信した電力で作動し、信号を送信する送信部と、
前記信号送信部で送信される信号が供給される導電部とを備え、
前記パネル側で、
前記パネルの外周に配置され、前記パネルに近接した前記位置指示部材に電磁誘導又は電磁結合で電力供給するループコイル部と、
相互に直交する方向に平行に所定の間隔で配置した複数の電極で構成し、前記パネル上に前記位置指示部材の導電部が接触又は近接した座標位置を検出するためのセンサマトリクス部と、
前記センサマトリクス部内の各電極に順に電圧を印加する電圧印加部と、
前記センサマトリクス部で検出した静電容量の変化と前記ループコイル部での電流変化とに基づいて、物体がパネル上に接触又は近接した座標位置を検出する演算処理部とを備え、
前記演算処理部は、前記センサマトリクス部に接触又は近接した物体の検出処理として、前記位置指示部材を前記ループコイル部での電流変化と前記センサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化とで検出する処理と、前記センサマトリクス部に接触した生体を前記センサマトリクス部内での各電極での静電容量の変化で検出する処理とを行い、
前記演算処理部での前記位置指示部材を検出する処理と、前記生体を検出する処理とは、選択的に行い、前記位置指示部材を検出した場合に、前記生体を検出する処理を行わないようにした
座標入力システム。
請求項４記載の座標入力システムにおいて、
前記ループコイル部が送信する電力には、所定の信号を重畳して前記物体側に伝送する
座標入力システム。
請求項４又は５記載の座標入力システムにおいて、
前記それぞれの電極は、前記パネル上の透明電極で構成した
座標入力システム。