JP5526761B2 - センサ装置及び情報処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力操作面に対する操作子の接触位置と押圧力を検出するセンサ装置及びこれを備えた情報処理装置に関する。
近年、携帯電話に代表される携帯型の情報処理装置の多機能化が進められており、筐体に設けられた表示部をユーザインターフェースとして機能させる構成が提案されている。例えば特許文献1には、表示部に対する入力操作位置を検出するタッチパネルと、入力操作力を検出する押圧検知センサとを備えた電子機器が記載されている。
特開2009−134473号公報
ところで、構成の簡素化および開発コストの低減を図るため、複数種類のセンサからの出力信号を共通の回路で処理できることが好ましい。例えば、操作位置を検出する検出素子と操作力を検出する検出素子をともに静電容量式の容量素子で構成することで、これら複数の容量素子からの出力信号を処理する回路を共通化することが考えられる。
しかしながら、上記2つの容量素子の静電容量が大きく相違する場合、各素子から出力される信号の出力レンジも大きく相違するため、共通の回路で各素子の信号を処理することが困難となる。従ってこの場合、使用される容量素子の構成に制限が生じたり、検出精度の低下を招いたりする等の不都合がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、静電容量の異なる複数の容量素子の出力を共通の回路で検出することが可能なセンサ装置及び情報処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るセンサ装置は、第1の容量素子と、第2の容量素子と、接地回路と、信号処理回路とを具備する。
上記第1の容量素子は、第1の静電容量を有する。
上記第2の容量素子は、上記第1の静電容量よりも大きい第2の静電容量を形成する第1及び第2の電極を有する。
上記接地回路は、上記第1の電極に近接して配置される第3の電極を有し、上記第3の電極を接地電位に接続することで上記第2の静電容量を当該第2の静電容量よりも小さい第3の静電容量に変換する。
上記信号処理回路は、上記第1の静電容量の変化に基づいて上記第1の容量素子から出力される第1の信号と、上記第3の静電容量の変化に基づいて上記第2の容量素子から出力される第2の信号とを処理する。
上記センサ装置において、接地回路は、第1の電極に近接する第3の電極を接地電位に接続することで、第1の電極と第3の電極とを静電的に結合する。このとき、第1及び第2の電極間の静電容量(第3の静電容量)は、第3の電極が接地電位に接続されていない場合の静電容量(第2の静電容量)に比べて小さくなる。従って、第2の容量素子が第1の容量素子と比較して大きな静電容量を有している場合であっても、上記接地回路によって第2の容量素子の静電容量を小さくできる。これにより、共通の信号処理回路によって、静電容量の異なる2つの容量素子の出力を検出することが可能となる。
上記第3の静電容量は、第1の静電容量に近い値であるほど、第1の静電容量との差を小さくすることができる。第3の静電容量と第1の静電容量との差は特に限定されないが、信号処理回路の調整の範囲内であればよい。
上記第3の静電容量は、第1の電極と第3の電極との間の静電容量の大きさによって決定される。したがって、第1の電極と第3の電極との間の距離を含む、両電極間の相対的位置関係によって、第3の静電容量を所望の値に設定することが可能となる。また、第3の電極は、単一の電極だけに限られず、複数の電極で構成されてもよい。
上記信号処理回路の構成は特に限定されず、各容量素子の構成や検出原理等に応じて適宜の構成が採用可能である。例えば、容量素子に印加される交流電流(高周波、パルス波を含む)の出力変化に基づいて、容量素子の容量変化を検出するようにしてもよい。信号処理回路は、単独の処理回路で構成される場合に限られず、複数の回路で構成されてもよい。また、信号処理回路は、アナログ回路でもよいし、デジタル回路でもよいし、これらの組み合わせであってもよい。
上記第1の容量素子は、操作子によって操作される入力操作面を有してもよい。この場合、上記第1の信号は、上記入力操作面に対する上記操作子の接触位置を検出するための信号を含んでもよいし、上記第2の信号は、上記入力操作面に対する上記操作子の押圧力を検出するための信号を含んでもよい。
上記のように、各容量素子で検出すべき操作子の操作態様を異ならせることで、操作子を用いた三次元的な入力操作を高精度に検出することが可能となる。
上記第1の容量素子は、第1の方向に延在する複数本の第1の検出電極と、上記第1の方向と交差する第2の方向に延在し上記第1の検出電極と対向する複数本の第2の検出電極とを有してもよい。第1及び第2の検出電極は、各々が交差する複数の領域に上記第1の静電容量を有する容量素子を形成する。これにより、第1の容量素子によって、入力操作面に対する操作子の接触あるいは近接位置を検出することが可能となる。
この場合、上記接地回路は、スイッチ回路部を含んでもよい。上記スイッチ回路部は、上記第1及び第2の検出電極のいずれか一方を上記接地電位に接続することで、上記第3の電極を形成する。
この構成により、第1の容量素子の一部の電極を上記第3の電極として機能させることができる。また、第1の容量素子と接地回路との間で構成の一部を共通化することができるため、センサ装置の小型化および構成の簡素化を図ることが可能となる。
上記スイッチ回路部は、第1のスイッチと、第2のスイッチとを含んでもよい。上記第1のスイッチは、上記信号処理回路に対する上記第1の信号の入力を遮断する第1の状態を有する。上記第2のスイッチは、上記第1のスイッチが上記第1の状態のときに、上記信号処理回路に対する上記第2の信号の入力を許容する第2の状態を有する。
上記第1及び第2のスイッチは、信号処理回路に対する第1及び第2の信号の入力を切り替える。これにより、単一の信号処理回路によって、第1の信号についての信号処理と第2の信号についての信号処理とが可能となる。
上記第1のスイッチは、上記第1の状態のとき、上記第1及び第2の検出電極のいずれか一方を上記接地電位に接続してもよい。
これにより、上記接地回路による第2の静電容量から第3の静電容量への変換と、この第3の静電容量の変化に基づく第2の容量素子からの出力信号(第2の信号)の処理とを同期させることができる。
上記センサ装置は、上記第1の容量素子を収容する筐体をさらに具備してもよい。この場合、上記第1の電極は上記第1の容量素子に固定され、上記第2の電極は上記筐体に固定される。
これにより、筐体に対する第1の容量素子の相対位置変化を上記第1及び第2の電極間の静電容量の変化として検出することができる。
この場合、上記第1の電極は、上記第1の容量素子の周囲に配置されることで、第2の容量素子によって、筐体に対する第1の容量素子の相対位置変化を高精度に検出することができる。
また、上記第2の容量素子は、上記第1の電極と第2の電極との間に配置された弾性部材をさらに有してもよい。これにより、入力操作面に対する押圧力を当該弾性部材によって弾性的に支持することができる。
上記センサ装置は、上記入力操作面に画像を表示させる表示素子をさらに具備してもよい。
上記画像は、ユーザによって選択操作されるアイコンであってもよいし、ユーザによる入力操作に基づいて表示される画像であってもよい。上記構成により、入力操作面をGUI(Graphic User Interface)として機能させることが可能となる。
本発明の一形態に係る情報処理装置は、第1の容量素子と、第2の容量素子と、接地回路と、信号処理回路と、表示素子とを具備する。
上記第1の容量素子は、操作子によって操作される入力操作面を含み、第1の静電容量を有する。
上記第2の容量素子は、上記第1の静電容量よりも大きい第2の静電容量を形成する第1及び第2の電極を有する。
上記接地回路は、上記第1の電極に近接して配置される第3の電極を有し、上記第3の電極を接地電位に接続することで上記第2の静電容量を当該第2の静電容量よりも小さい第3の静電容量に変換する。
上記信号処理回路は、第1の信号と第2の信号とを処理する。上記第1の信号は、上記第1の静電容量の変化に基づいて上記第1の容量素子から出力され、上記入力操作面に対する上記操作子の接触位置を検出するための信号である。上記第2の信号は、上記第3の静電容量の変化に基づいて上記第2の容量素子から出力され、上記入力操作面に対する上記操作子の押圧力を検出するための信号である。
上記表示素子は、上記入力操作面に画像を表示させる。
本発明によれば、共通の信号処理回路によって、静電容量の異なる複数の容量素子を共通の回路で処理することができる。
本発明の一実施形態に係るセンサ装置を備えた情報処理装置の概略断面図である。 上記情報処理装置の筐体の図示を省略した概略分解斜視図である。 上記情報処理装置の要部の拡大図である。 図1の円Aで囲まれた領域の拡大図である。 上記情報処理装置に組み込まれる感圧センサの動作原理を説明するための図である。 図5に示す感圧センサの特性の一例を示す図である。 上記情報処理装置に組み込まれたセンサ装置の一構成例を示す回路図である。 上記センサ装置の一構成例を示す要部の回路図である。 上記感圧センサの動作特性例を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係るセンサ装置を概略的に示す分解斜視図である。 図10に示した各種電極の配置関係の変形例を説明する概略図である。 図7に示したセンサ装置の他の構成例を示す回路図である。 図10に示したセンサ装置の構成の変形例を示す分解斜視図である。 図4に示したセンサ装置の一部の構成の変形例を示す側断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
[全体構成]
図1は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置を備えた情報処理装置の概略断面図である。図2は、図1に示す情報処理装置の筐体の図示を省略した概略分解斜視図である。図3は、図2の部分拡大図であり、タッチパネルの分解斜視図に相当する。図2では、図面を見やすくするためにタッチパネルの電極構造を一部省略し、図3にてタッチパネルの詳細な電極構造を示した。図4は、図1の円Aで囲まれた領域の拡大図である。図5は、図1に示す情報処理装置に組み込まれる感圧センサの動作原理を説明するための図である。図6は、図5に示す感圧センサの特性の一例を示す図である。図面において、構造をわかりやすくするために、各構造を実際とは異なる縮尺で図示し、また配線数なども実際とは異なる数で図示している。
図1〜4に示すように、情報処理装置1は、トッププレート40と、センサユニット100と、表示素子としての液晶パネル30と、液晶パネル30に対して光を照射するバックライト20と、これらを収容する筐体70とを備える。情報処理装置1において、使用者側からみて、トッププレート40、センサユニット100、液晶パネル30、バックライト20はその順に配置される。センサユニット100は、第1の容量素子としてのタッチパネル50と、第2の容量素子としての感圧センサ60とを備える。
トッププレート40は、その下部に位置するタッチパネル50の表面を保護するものであるが、トッププレート40を省略した構成としてもよい。トッププレート40には透明のガラス基板やフィルムなどを用いることができる。トッププレート40の表面は、使用者による入力操作時に、指やタッチペン等の入力操作子が接触する入力操作面51となる。以下、入力操作子として指を例にあげて説明する。
トッププレート40とセンサユニット100とは、接着層91により接着固定されている。センサユニット100は、平面矩形状のタッチパネル50と、感圧センサ60とを備え、両者は接着固定されている。本実施形態において、トッププレート40は、タッチパネル50の一部として構成される。
タッチパネル50は、入力操作面51と、これに対向する液晶パネル30側に位置する第2の面52とを有している。感圧センサ60は、タッチパネル50の周囲に配置されている。本実施形態では、感圧センサ60は、タッチパネル50の第2の面52の額縁部の四隅にそれぞれ1つづつ、計4つ配置される。タッチパネル50はトッププレート40側、感圧センサ60は液晶パネル30側に位置するように配置される。液晶パネル30は、タッチパネル50の背面側に配置されている。本実施形態においては、入力操作面51に操作子が近接あるいは接触(以下、「接触」と総称する。)することで、情報処理装置1に対する入力操作が行われる。
感圧センサ60は、筐体70に固定配置されている。感圧センサ60は、弾性体62と、これを挟み込むように配置された上部電極61及び下部電極63を備える。入力操作面51と垂直な方向(図面z軸方向)に入力操作面51を押圧すると、感圧センサ60の弾性体62が縮小するように歪むとともに、この感圧センサ60が接着固定されているトッププレート40及びタッチパネル50が押圧方向に移動する。このように、感圧センサ60は、押圧によって、z軸方向にその厚みが変位する構成となっている。そのため、指による押圧によって感圧センサ60の変位分、タッチパネル50は液晶パネル30に近づくように移動するので、その移動分を考慮してセンサユニット100と液晶パネル30との間には空隙95が設けられている。
[タッチパネル]
タッチパネル50は、入力操作面51のxy座標を検出する静電容量方式の入力デバイスである。静電容量方式のタッチパネル50においては、局所的に静電容量が変化した部位を検出することにより、タッチパネルの入力操作面の使用者の指が触れた位置、さらにはこの位置の変化を検出するようになされている。
図2及び図3に示すように、タッチパネル50は、例えばX電極基板150、Y電極基板250を順に積層し互いを接着層93にて接着して構成される。X電極基板150及びY電極基板250はそれぞれ矩形状を有し、本実施形態では、Y電極基板250はX電極基板150より小さい外形を有する。X電極基板150、Y電極基板250それぞれに形成されるX方向検出電極153及びY方向検出電極252が互いに平面的に重なりあった領域が、xy平面の座標検出領域80となる。感圧センサ60は、タッチパネル50のxy平面の座標検出領域80外の周縁領域(額縁部)に配置される。言い換えると、平面的に見て、X電極基板150のY電極基板250より突出した部分が額縁形状を有し、この突出した部分に感圧センサ60が設けられる。
図2、図3において、X電極基板150、Y電極基板250それぞれに形成される電極パターン等は、図面上、基板の裏面側に配置されるため、点線で図示している。
X電極基板150は、透明ポリイミド基板151と、該基板151上に形成されたX方向検出電極153と、上部電極61と、X方向検出電極153に電気的に接続する配線154と、上部電極61と電気的に接続する引出配線155とを有する。透明ポリイミド基板151以外に、PETフィルム基板やガラス基板などを用いてもよい。
X方向検出電極153は、図上、X軸方向に延在するストライプ状の透明導電膜、例えばITO(Indium Tin Oxide)で形成される。上部電極61は、感圧センサ60の一部を構成する。上部電極61は、X方向検出電極153と同時形成され、ITOで形成される。上部電極61は、座標検出領域80外の矩形のタッチパネル50の額縁上の四隅にそれぞれ1つづつ、計4つ配置される。4つの上部電極61は、それぞれ電気的に独立している。配線154は、X方向検出電極153と図示しない回路基板とをFPC基板81を介して電気的に接続するための配線である。引出配線155は、上部電極61と図示しない回路基板とをFPC基板81を介して電気的に接続するための配線である。配線154及び引出配線155は、例えばAg(銀)などで印刷形成される。尚、上部電極61を配線154及び引出配線155と同時形成し、Agなどで印刷形成してもよい。
Y電極基板250は、透明ポリイミド基板251と、該基板251上に形成されたY方向検出電極252と、Y方向検出電極252に電気的に接続する配線254とを有する。透明ポリイミド基板251以外に、PETフィルム基板やガラス基板などを用いてもよい。
Y方向検出電極252は、図上、y軸方向に延在するストライプ状の透明導電膜、例えばITO(Indium Tin Oxide)で形成される。配線254は、Y方向検出電極252と図示しない回路基板とをFPC基板82を介して電気的に接続するための配線である。配線254は、例えばAg(銀)などで印刷形成される。回路基板は、例えばバックライト20の液晶パネル30が配置される側とは反対の面側に配置される。
このように、タッチパネル50は、直交する二軸の方向に検出用の電極パターンが設けられた構成となっている。タッチパネル50の検出出力(第1の信号)は、図示しない回路基板上に設けられている検出回路に入力され、二軸平面での位置、すなわちXY座標の特定が行われる。各X方向検出電極153及びY方向検出電極252には所定電圧がかけられ、X方向検出電極153とY方向検出電極252との間には電荷が形成される。指による接触によりその電荷が変化し、X方向検出電極、Y方向検出電極それぞれに流れる電流が変化する。この変化を検出することによってXY座標が特定でき、指の位置が検出される。尚、トッププレート40が設けられない場合は、X電極基板150の電極パターンが配置されない側の面が入力操作面となる。
[感圧センサ]
図1〜図4に示すように、感圧センサ60は、タッチパネル50と筐体70との間に配置された誘電材料からなる弾性体62と、これを挟み込むように配置された上部電極61及び下部電極63とを備える。感圧センサ60はさらに、弾性体62と上部電極61とを接着固定する接着層65と、弾性体62と下部電極63とを接着固定する接着層64とを備える。本実施形態においては、4つの各感圧センサ60を構成する弾性体が連結して1つの枠状の弾性体62を構成し、4つの感圧センサ60で1つの弾性体62を共有している。また、4つの各感圧センサ60を構成する下部電極が連結して1つの枠状の下部電極63を構成し、4つの感圧センサ60で1つの下部電極63を共有している。尚、上部電極61も下部電極63と同様に枠状に形成されてもよい。
弾性体62は、例えば、残留ひずみが少なく、復元率(復元速度)が高い材料が用いられる。この種の材料としては、例えばシリコーンゴム、ウレタン系ゴムを用いることができる。本実施形態では、弾性体62として、株式会社イノアックコーポレーション製「ポロン」(商標)が用いられている。
弾性体62は、例えば10%程度変位すればよく、例えば厚み0.5mmの弾性体62を用いる場合、50μm程度変位すればよい。本実施形態において、弾性体62はタッチパネル50の額縁に対応して額縁状(環状)に設けられている。弾性体62を額縁状に設けることにより、情報処理装置1の状態で、タッチパネル50と筐体70との間、詳細にはタッチパネル50と液晶パネル30との間の空隙95に外部からのゴミなどが侵入することを防止できる。このように額縁状の弾性体62に、外部からのゴミの侵入を防止するシール機能を持たせることができる。従って、外部からのゴミ侵入による表示特性への影響がない。
上述したように、上部電極61は、タッチパネル50上に、X方向検出電極153または配線154と同時形成されている。これにより、上部電極61を別工程で形成する必要がない。また、感圧センサ60の一部を構成する上部電極61と、タッチパネル50に形成されるX透明電極パターンや配線を同一基板上に形成できるので、これら電極等を一括して同じFPC基板81にて配線することができる。
下部電極63は、筐体70上に例えば導電ペーストを印刷して形成される。下部電極63には、例えば銀ペーストを用いることができる。下部電極63は、弾性体62と同様にタッチパネル50の額縁部に対応して額縁状(環状)に配置される。下部電極63はFPC基板83を介して電気的に図示しない回路基板と電気的に接続される。下部電極63を、複数の感圧センサ60で共有することにより、下部電極63の配線を単純化させることができる。
[感圧センサの動作原理]
次に、本実施形態における感圧センサ60の動作原理について図5及び図6を用いて説明する。本実施形態の感圧センサ60は、感圧センサ60の上部電極61、弾性体62及び下部電極63の積層方向に指96によって加わる押圧力に応じて静電容量が変化する。図5(b)に示すように、指96によって押圧力が加わると、感圧センサ60を構成する弾性体62はその厚みが減少するようにひずみ、上部電極61と下部電極63との間の静電容量が減少する。
このように、弾性体62の変位による電極61、63間の静電容量変化を利用して感圧機能を実現している。図6に示すように、感圧センサ60は、静電容量変化率が、押し込み力、すなわち感圧センサ60に加わる押圧力にほぼ比例するリニアな特性を有している。本実施形態においては、下部電極63に矩形のパルスを加え、上部電極から得られる信号(第2の信号)が、図示しない回路基板に設けられている演算回路に入力され、電極61、63間の静電容量変化を検出することができる。そして、電極61、63間の静電容量変化から、入力操作面51への押圧による入力決定操作がなされたことを判定することができる。
感圧センサ60の静電容量変化に基く入力操作面51への押圧力は、後述する演算回路7を含む判定ユニットによって判定される。上記判定ユニットは、情報処理装置1の制御部の一部として構成することができる。判定ユニットは、タッチパネル50の四隅位置に配置された各感圧センサ60で検出された静電容量変化に基づいて、上記押圧力を判定する。判定ユニットは、後述するように、各感圧センサ60の静電容量変化の合算値に基づいて、上記押圧力を判定してもよい。これにより、入力操作面への押圧位置に依存しない高精度な押圧力検出が可能となる。この場合、判定ユニットは、例えば、上記静電容量変化の合算値から押圧力を判定してもよいし、上記合算値を感圧センサの数で除算することで得られる平均値から押圧力を判定してもよい。
センサユニット100においては、入力操作面51に指96が触れることにより、タッチパネル50によってxy平面の座標位置が検出される。そして、入力操作面51を指96で押すことにより、感圧センサ60によってxy平面と垂直な方向(z軸方向)に向かって加わる押圧力が検出され、入力決定が判定される。これにより、単に指96が入力操作面51に間接的に触れているだけでは、決定とは判定されないので、誤入力を減少させることができる。更に、指96が入力操作面51に触れた状態で入力操作面51上を移動させることができるので操作性がよい。
[信号処理回路]
次に、上述したタッチパネル50及び感圧センサ60からそれぞれ出力される第1及び第2の信号の生成及び処理を実行する信号処理回路について説明する。図7は、信号処理回路101の一構成例を示す概略構成図、図8は、信号処理回路101の一部を構成する検出回路の一構成例を示す回路図である。また、センサユニット100及び信号処理回路101により、本実施形態に係るセンサ装置10が構成される。
図7に示すように、センサ装置10は、X方向検出電極2a、2b、2c及び2dとY方向検出電極3a、3b、3c及び3dとを有するタッチパネル50と、上部電極61と下部電極63とを有する感圧センサ60と、信号発生回路4と、第1のスイッチ回路501と、第2のスイッチ回路502、検出回路6と、演算回路7とを有する。X方向検出電極2a〜2d及びY方向検出電極3a〜3dはそれぞれ、上述の検出電極153、252に対応しており、図7では説明を分かり易くするため、それぞれ4本ずつ示している。
X方向検出電極2a〜2dとY方向検出電極3a〜3dとは、Z方向から見ればそれぞれが入力操作面51上において交差するように配置され、互いに接触しない。これにより、X方向検出電極2a〜2dとY方向検出電極3a〜3dとが交差する複数の箇所には、両検出電極2a〜2d、3a〜3dが対向する第1のコンデンサC1がそれぞれ形成される。タッチパネル50は、第1のスイッチ回路501と第2のスイッチ回路502との間に接続される。
感圧センサ60は、上部電極61と下部電極63とにより第2のコンデンサC2を形成する。感圧センサ60は、第1のスイッチ回路501と第2のスイッチ回路502との間に接続される。
信号発生回路4は、スイッチ回路501に接続され、スイッチ回路501を介してY方向検出電極3a〜3dに供給される入力信号を発生する。本実施形態において、信号発生回路4はパルス状の入力信号を発生するが、入力信号はパルス以外にも正弦波等の他の周期的信号であってもよい。
第1のスイッチ回路501は、Y方向検出電極3a〜3d及び感圧センサ60の下部電極63のそれぞれに接続され、信号発生回路4において発生された信号を、対応するY方向検出電極3a〜3d及び下部電極63へ供給する複数のスイッチS1a、S1b、S1c、S1d及びS1eを有する。スイッチ回路501は、スイッチS1a〜S1eを開閉することにより、信号発生回路4をY方向検出電極3a、3b、3c、3d及び下部電極63のいずれかひとつと接続する。スイッチ回路501は、スイッチS1a〜S1eを所定のタイミングで順次切り替える。ここでは、検出電極3a、検出電極3b、検出電極3c、検出電極3d、下部電極63の順でスイッチS1a〜S1eが切り替えられる。これにより、タッチパネル50を構成する個々の第1のコンデンサC1と、感圧センサ60を構成する第2のコンデンサC2とに対して順次、信号発生回路4からの入力信号が周期的に供給されることになる。
また、第1のスイッチ回路501は、接地電位(GND)90と接続されている。第1のスイッチ回路501は、スイッチS1a〜S1dを介してY方向検出電極3a〜3dを接地電位(GND)90へ接続可能に構成されている。本実施形態では、図8に示すように、スイッチS1eがオン状態のとき、各Y方向検出電極3a〜3dが接地電位90へ接続される。
第2のスイッチ回路502は、X方向検出電極2a〜2d及び感圧センサ60の上部電極61のそれぞれに接続され、コンデンサC1、C2を介して供給される電気信号を検出回路6へ出力する複数のスイッチS2a、S2b、S2c、S2d(以上、第1のスイッチ)及びS2e(第2のスイッチ)を有する。スイッチ回路502は、スイッチS2a〜S2eを開閉することにより、X方向検出電極2a〜2d及び上部電極61のいずれかひとつを検出回路6と接続する。スイッチ回路502は、スイッチS2a〜S2eを所定のタイミングで順次切り替える。ここではスイッチS1a〜S1dのいずれかがオン操作されたとき、スイッチS2a〜S2dのいずれかがオン操作される。また、スイッチS1eがオン操作されたときは、スイッチS2a〜S2dはオフとされ、スイッチS2eはオン操作される。以上のようにして、タッチパネル50を構成する各コンデンサC1と、感圧センサ60を構成するコンデンサC2からの出力信号とが順次、検出回路6へ周期的に供給される。
次に、検出回路6の構成について説明する。図8は、検出回路6の一構成例を示す回路図である。なお、検出回路6の構成は、以下に説明するものに限られない。
検出回路6は、Nチャネル型FET(Field effect transistor)であるFET21及びFET22、参照用コンデンサCxを有する。FET21のソースは接地され、ゲート及びドレインはスイッチ回路502を介してX方向検出電極2a〜2dに接続されている。FET21のゲートはさらにFET22のゲートと接続されている。FET22のソースは接地され、ドレインは参照用コンデンサCxを介して電源端子(Vdd)24に接続されている。FET22のドレインはさらに演算回路7に接続されている。上記構成の検出回路6において、FET21及びFET22によりカレントミラー回路が構成される。即ち、FET21のドレイン−ソース電流に比例した電流がFET22のドレイン−ソース間を流れる。
コンデンサC1及びC2は、共通の入力信号に対して、各々の静電容量の大きさによって異なる大きさの電流信号を出力する。検出回路6は、コンデンサC1及びC2から出力される電流の変化に基づいて、コンデンサC1及びC2の静電容量の変化に応じた検出信号(Vout)を演算回路7へ出力する。
演算回路7は、MPU(Micro Processing Unit)等で構成されている。演算回路7は、検出回路6からの出力信号を演算し、タッチパネル50を構成する各々のコンデンサC1の静電容量の変化に基づいて、入力操作面51に対する指96の操作位置を特定する。演算回路7はこの特定された操作位置(xy座標値)を図示しない操作対象機器に出力する。
検出回路6においては、参照用コンデンサCxは電源端子24によって充電され、その充電電圧(Vout)が演算回路7に出力される。第2のスイッチ回路502からタッチパネル50又は感圧センサ60の出力信号(第1、第2の信号)が検出回路6へ供給されると、当該電流はカレントミラー回路で増幅されて参照用コンデンサCxに充電される。これにより、参照用コンデンサCxの検出側端子の電位が徐々に上昇し、演算回路7への出力電圧(Vout)が徐々に低下する。出力電圧(Vout)の低下率は、検出回路6へ入力される電流の大きさによって異なる。演算回路7は、電圧Voutの出力値や当該出力値の低下率(時間変化率)等に基づき、コンデンサC1、C2の静電容量の変化を検出する。
例えば、タッチパネル50を構成するコンデンサC1に関しては、入力操作面51に指96が接触するときとしないときとで、当該指の直下付近に位置するコンデンサC1の静電容量が異なる。すなわち、指96は大地(グラウンド)とみなすことができるため、指96と近接する検出電極は当該指と静電的に結合することで、当該検出電極とこれに対向する検出電極との間の静電容量は減少する。したがって、指が近接しないときに比べ、指が近接したときの方がコンデンサC1の静電容量は小さくなる。その結果、信号発生回路4と検出回路6とを結ぶ回路のインピーダンスが増加し、検出回路6へ供給される電流が小さくなる。これにより、検出回路6から演算回路7へ供給される出力電圧(Vout)の低下が緩やかになることで、演算回路7において当該コンデンサC1の静電容量の減少が検出される。演算回路7は、タッチパネル50を構成する全てのコンデンサC1について、上述した静電容量の変化を個々に検出する。
一方、感圧センサ60を構成するコンデンサC2に関しては、入力操作面51が押圧されたときと押圧されないときとで静電容量が異なる。すなわち、入力操作面51に押圧力が印加されないときに比べ、押圧力が印加されときの方が、上部電極61と下部電極63との間の距離が短くなるため、コンデンサC2の静電容量は大きくなる。その結果、信号発生回路4と検出回路6とを結ぶ回路のインピーダンスが減少し、検出回路6へ供給される電流が大きくなる。これにより、検出回路6から演算回路7へ供給される出力電圧(Vout)の低下が急激になることで、演算回路7において当該コンデンサC2の静電容量の増加が検出される。
また、入力操作面51に対する押圧力の大きさに応じてコンデンサC2の静電容量も連続的に変化する。その結果、検出回路6へ入力される電流量もコンデンサC2の静電容量の変化に応じて変化するため、演算回路7において入力操作面51に対する押圧力を検出することが可能となる。
[接地回路]
本実施形態のセンサ装置10は、入力操作面51に指96が接触又は押圧していないときのタッチパネル50及び感圧センサ60の静電容量(初期容量)と、指96が接触あるいは押圧したときのこれらの静電容量との差に基づいて、入力操作を検出する。タッチパネル50及び感圧センサ60の初期容量がそれぞれ異なると、タッチパネル50から検出回路6へ出力される信号の出力レンジと、感圧センサ60から検出回路6へ出力される信号の出力レンジとが大きく相違する。この場合、検出回路6において共通の参照用コンデンサCxを用いることが困難となり、タッチパネル50用と感圧センサ60用とで異なる容量値を有する参照用コンデンサを用意する必要が生じる。
特に、感圧センサ60を構成するコンデンサC2は、タッチパネルを構成する個々のコンデンサC1に比べて、電極の対向面積が大きい。このため、コンデンサC2の静電容量(第2の静電容量)はコンデンサC1の静電容量(第1の静電容量)よりも大きくなる傾向にあり、上述した問題が顕著となる。
このような問題を解消するため、本実施形態のセンサ装置10は、タッチパネル50の初期容量と感圧センサ60の初期容量との差を緩和する接地回路9を備えている。
本実施形態の接地回路9は、タッチパネル50のY方向検出電極3a〜3dと、これらY方向検出電極3a〜3dを接地電位90へ接続するスイッチS1a〜S1dとを含む。上述のように、第1のスイッチ回路501は、信号発生回路4から感圧センサ60へ入力信号を印加する際、スイッチS1a〜S1dは接地電位90側へ切り替えられ、Y方向検出電極3a〜3dは接地電位に接続された接地電極(第3の電極)として機能する。
一方、感圧センサ60の下部電極63は図4に示したようにY方向検出電極252(3a〜3d)に近接して配置されているため、下部電極63は、接地電位に接続されたY方向検出電極3a〜3dと静電的に結合しやすい。その結果、感圧センサ60の下部電極63と上部電極61との間に形成されるコンデンサC2の静電容量は、Y方向検出電極3a〜3dが接地電位に接続されることで、Y方向検出電極3a〜3dが接地電位に接続されない場合に比べて小さい静電容量(第3の静電容量)に変換される。これにより、2つのコンデンサC1、C2の間の容量差が小さくなり、検出回路6において共通の参照用コンデンサCxを用いた容量検出が実現可能となる。
コンデンサC2の静電容量の変換量は、下部電極63とY方向検出電極3a〜3dとの間の距離等に応じて適宜調整することが可能である。また、本実施形態では、全てのY方向検出電極3a〜3dを接地電位に接続したが、これらのうち一部の電極あるいは、下部電極63に最も近接する電極のみ接地電位に接続することで、コンデンサC2の静電容量を変換してもよい。さらに、Y方向検出電極3a〜3dを接地電極として機能させる場合に代えて、X方向検出電極2a〜2dを接地電極として機能させることで、コンデンサC2の静電容量を変換してもよい。この場合、感圧センサ60への入力信号の印加時に、X方向検出電極2a〜2dが接地電位に接続されるように、第2のスイッチ回路502を構成することができる。
本発明者らは、所定の電極面積及び電極間距離を有するコンデンサC10を感圧センサ60に用いて、接地電極の有無によるコンデンサC10の静電容量の変化を測定した。測定条件は、X方向及びY方向検出電極のいずれをも接地電位に接続しないとき(ケース1)、X方向検出電極のみを接地電位に接続したとき(ケース2)、及び、Y方向検出電極のみを接地電位に接続したとき(ケース3)とした。測定の結果、ケース1では15.5[pF]、ケース2では13.0[pF]、ケース3では9.7[pF]となり、接地電極の有無、接地電極の場所等に応じて、感圧センサ60の静電容量が大きく変化することが確認された。
また、コンデンサC10とは異なる他のコンデンサC20を感圧センサ60として用い、上記ケース1(接地電極なし)及びケース3(接地電極あり)の場合各々について、コンデンサC20の電極間距離とその静電容量及び静電容量の変化率との関係を測定した。その測定結果を図9(A)、(B)に示す。図9(A)に示すように、接地電極があるときとないときとで、コンデンサC20の初期容量は異なり、電極間距離の減少に対応して静電容量が増加することがわかる。しかしながら、静電容量の変化率で見ると、図9(B)に示すように、接地電極があるときの方がないときと比べて、容量の変化率は大きくなる。すなわち、初期容量値が低いほど、電極間距離の変化に対して静電容量の変化率が高いことを示している。以上のように、接地電極を用いて感圧センサの静電容量を低下させることにより、感圧センサの容量変化率が大きくなり、その結果、感圧センサの容量変化を高精度に検出することが可能となる。
接地電極によって変換されたコンデンサC2の静電容量は、コンデンサC1の静電容量と同一の値とされることが理想であるが、これに限らず、コンデンサC1の静電容量に近い値であればよい。すなわち、コンデンサC1の静電容量とコンデンサC2の変換後の静電容量との差が、検出回路6の参照用コンデンサCxの調整の範囲内にありさえすればよい。
以上のようにして、信号処理回路101が構成される。信号処理回路101は、単独の処理回路で構成されてもよいし、複数の回路で構成されてもよい。また、信号処理回路101は、アナログ回路で構成されてもよいし、デジタル回路で構成されてもよいし、これらを組み合わせて構成されてもよい。
[情報処理装置の動作]
次に、本実施形態の情報処理装置1の一動作例について説明する。
情報処理装置1が入力操作面51に対する情報の入力待機状態にあるとき、信号発生回路4で発生した入力信号は、第1のスイッチ回路501を介して、タッチパネル50のY方向検出電極3a〜3d及び感圧センサ60の下部電極63へ順次印加される。入力操作面51は、液晶パネル30の画像が表示されることで、GUIとして機能する。表示画像は、ユーザによって選択操作されるアイコンであってもよいし、ユーザによる入力操作に基づいて表示される画像であってもよい。
入力信号がY方向検出電極3a〜3dへ順に入力されている間、各コンデンサC1から出力される電流信号が第2のスイッチ回路502を介して検出回路6へ順次供給される。コンデンサC1の走査方法は特に限定されず、例えば、スイッチS1aがオン状態(Y方向電極3aへの信号入力状態)のとき、スイッチS2a〜S2dが所定の計測周期で順次切り替えられる。次に、スイッチS1bがオン状態にされ、再びスイッチS2a〜S2dの切り替えられる。以後、スイッチS1c及びスイッチS1dについても同様な制御が行われる。これにより、各コンデンサC1に対して点順次的に入力信号が印加され、各コンデンサC1からの出力信号が検出回路6へ点順次的に供給される。
スイッチS1dに対するオン操作が終了した後、スイッチS1eがオン状態とされ、感圧センサ60の下部電極63へ入力信号が印加される。スイッチS1eのオン操作に同期して、スイッチ回路501の他のスイッチS1a〜S1dは接地電位90へ接続され、スイッチ回路502のスイッチS2a〜S2dはオフ状態に、また、スイッチS2eはオン状態とされる。これにより、すべてのY方向検出電極3a〜3dが接地電極に切り替えられるとともに、この接地電極との静電結合によって静電容量が変換されたコンデンサC2からの出力電流が検出回路6へ供給される。
以上の動作が繰り返されることで、1つの信号処理回路101により、タッチパネル50を構成する各コンデンサC1の出力と、感圧センサ60を構成するコンデンサC2の出力とが検出回路6へ交互に供給される。検出回路6は、コンデンサC1及びC2の静電容量に応じた電圧(Vout)を演算回路7へ順次出力する。
演算回路7は、検出回路6の出力電圧(Vout)に基づいて、コンデンサC1及びC2の静電容量の変化を監視する。入力操作面51に指96が接触していないとき、検出回路から出力される各コンデンサC1の静電容量及びコンデンサC2の静電容量は一定である。一方、入力操作面51に指96が接触したとき、その接触位置近傍のコンデンサC1の静電容量が減少する。演算回路7は、検出回路6を介して、当該コンデンサC1の静電容量の減少を電気的に検出することで、入力操作面51上の操作位置を特定する。
また、入力操作面51に対する指96による押圧操作が伴うと、コンデンサC2の静電容量が押圧量に応じて増加する。演算回路7は、検出回路6を介して、当該コンデンサC2の静電容量の増加を電気的に検出することで、入力操作面51に対する押圧操作力を特定する。感圧センサ60は、タッチパネル50の周囲に配置されているので、筐体70に対するタッチパネル50の相対位置変化を高精度に検出することができる。また、タッチパネル50は感圧センサ60を介して筐体70に設置されているため、入力操作面51に対する押圧力を感圧センサ60によって弾性的に支持することが可能となり、操作感の向上を図ることが可能となる。
以上のように、本実施形態の情報処理装置1によれば、感圧センサ60を構成するコンデンサC2の静電容量をそれよりも小さな静電容量に変換する接地回路9を備えているので、検出回路6の参照用コンデンサCxの容量に合わせた出力レンジを有する信号を検出回路6へ供給することが可能となる。これにより、入力操作面51に対する三次元的な入力操作を高精度に検出することが可能となる。
また、本実施形態によれば、第2のスイッチ回路502を備えているので、タッチパネル50用の検出回路を感圧センサ60用の検出回路として兼用することができる。これにより、静電容量の異なる2種の容量素子からの出力信号を共通の回路で処理することが可能となり、信号処理回路101の構成の簡素化および開発コストの低減を図ることができる。
さらに、本実施形態によれば、コンデンサC2の静電容量を変換するための接地電極として、タッチパネル50を構成するY方向検出電極3a〜3dが用いられるため、センサ装置10の小型化および構成の簡素化を図ることが可能となる。
(第2の実施形態)
図10は、本発明の他の実施形態によるセンサ装置の分解斜視図である。本実施形態のセンサ装置10Aは、タッチパネル50を構成するY電極基板250の上に形成された、感圧センサ60の静電容量をそれよりも小さな静電容量に変換するための接地電極92(第3の電極)を備えている。図示の例では、接地電極92は、上部電極61に近接して、Y方向検出電極252と平行にY電極基板250の両側方に各々配置されている。接地電極92は、接地電位に常時接続されることで接地回路を形成している。
接地電極92の構成は上述の例に限られず、感圧センサ60の静電容量を、目的とする容量値に変換できる構成であればよい。例えば、接地電極92は、Y電極基板250の一側方にのみ形成されてもよいし、Y電極基板の周囲に沿って環状に連続的あるいは間欠的に形成されてもよい。
本実施形態によれば、接地電極が常に接地電位に接続されているため、感圧センサ60の出力検出時にタッチパネル50のY方向検出電極252を接地電位に接続する必要がなくなる。これにより、図7に示した第1のスイッチ回路501の構成をより簡略化することが可能となる。
接地電極92は、タッチパネル50を構成する電極基板に形成される場合のみに限られず、例えば筐体70に形成されてもよい。感圧センサ60を構成する上部及び下部電極61、63と接地電極92との配置例を図11に概略的に示す。図11(A)は、上部及び下部電極61、63にそれぞれ隣接して接地電極92が配置された例を示している。図11(B)は、上部及び下部電極61、63をそれぞれ挟むように接地電極92が配置された例を示している。図11(C)は、上部電極61に隣接して接地電極92が配置された例を示しており、この構成は、図10の構成に対応する。そして、図11(D)は、下部電極63に隣接して接地電極92が配置された例を示している。以上の構成例では、接地電極92は上部電極61又は下部電極63と同一の平面内に配置された例を説明しているが、これに限られず、接地電極92は、上部及び下部電極61、63とは異なる平面上に配置されてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の実施の形態では、タッチパネル50及び感圧センサ60に対して共通に検出回路6を設置した例を説明したが、これに限られない。例えば、検出回路は、図12に示すようにタッチパネル50のX方向検出電極2a〜2d及び感圧センサ60ごとに複数設置されてもよい。この場合、各検出回路6a〜6eは共通の構成の回路を用いることができるため、回路部品の共通化により装置コストの低減を図ることが可能となる。なお、図12において図7と対応する部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
次に、図13は、図10のセンサ装置10Aの構成の変形例を示す概略分解斜視図である。図示するセンサ装置10Bは、接地電極92は、図13に示すようにX電極基板150及びY電極基板250のそれぞれに配置されてもよい。接地電極92の位置、形状、大きさ、範囲は特に限定されず、感圧センサ60として要求される静電容量の大きさに応じて適宜設定される。
また、以上の実施形態では、図4に示したように感圧センサ60をタッチパネル50の直下に配置したが、これに限られない。図14(A)、(B)は、トッププレート40の周縁部に、タッチパネル50と離間して、感圧センサ60を配置した構成例を示している。感圧センサ60の上部電極61は、トッププレート40の下面に直接形成されている。図14(B)に示した例は、上部電極61と弾性体62との間に絶縁層41が形成された構成を示している。絶縁層41は、X電極基板150を構成する樹脂基板であってもよい。
また、以上の実施形態においては、タッチパネル50として、X方向検出電極2a〜2dとY方向検出電極3a〜3dとの間に形成されるコンデンサC1の静電容量の変化に基づいて、入力操作面51上の接触位置を検出する方式を例に挙げて説明した。これに代えて、X方向検出電極と操作子(指)との間の静電容量変化と、Y方向検出電極と操作子との間の静電容量変化をそれぞれ検出して操作子の入力操作位置を検出する方式のタッチパネルにも、本発明は適用可能である。
さらに、以上の実施形態では、第1の容量素子としてのタッチパネル50と、第2の容量素子としての感圧センサ60とを備えたセンサ装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、静電容量の異なる2つ以上の容量素子を備えたセンサ装置に対して、本発明は適用可能である。すなわち、容量素子は、接触センサ(近接センサ)や圧力センサとしての機能だけでなく、測距センサや厚みセンサ、濃度計、加速度センサ等に用いることができる。従って、これら用途の異なる複数の容量素子を備えたセンサ装置全般に対し、本発明は適用可能である。
1…情報処理装置
2a〜2d、153…X方向検出電極
3a〜3d、252…Y方向検出電極
4…信号発生回路
6、6a〜6e…検出回路
7…演算回路
9…接地回路
10、10A、10B…センサ装置
30…液晶パネル
40…トッププレート
50…タッチパネル
51…入力操作面
60…感圧センサ
61…上部電極
62…弾性体
63…下部電極
70…筐体
96…指
100…センサユニット
101…信号処理回路
150…X電極基板
250…Y電極基板
501、502…スイッチ回路

Claims (9)

  1. 操作子によって操作される入力操作面を含み、第1の静電容量を有する第1の容量素子と、
    前記第1の容量素子に配置され、前記第1の静電容量よりも大きい第2の静電容量を形成する第1及び第2の電極を有する第2の容量素子と、
    前記第1の電極に近接して配置される第3の電極を有し、前記第3の電極を接地電位に接続し前記第1の電極と前記第3の電極とを静電的に結合させることで前記第2の静電容量を当該第2の静電容量よりも小さい第3の静電容量に変換する接地回路と、
    前記第1の静電容量の変化に基づいて前記第1の容量素子から出力される、前記入力操作面に対する前記操作子の接触位置を検出するための第1の信号と、前記第3の静電容量の変化に基づいて前記第2の容量素子から出力される、前記入力操作面に対する前記操作子の押圧力を検出するための第2の信号とを処理する信号処理回路と
    を具備するセンサ装置。
  2. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記第1の容量素子は、第1の方向に延在する複数本の第1の検出電極と、前記第1の方向と交差する第2の方向に延在し、前記第1の検出電極と対向することで前記第1の静電容量を有する容量素子を形成する複数本の第2の検出電極とを有し、
    前記接地回路は、前記第1及び第2の検出電極のいずれか一方を前記接地電位に接続することで前記第3の電極を形成するスイッチ回路部を含む
    センサ装置。
  3. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記スイッチ回路部は、
    前記信号処理回路に対する前記第1の信号の入力を遮断する第1の状態を有する第1のスイッチと、
    前記第1のスイッチが前記第1の状態のときに、前記信号処理回路に対する前記第2の信号の入力を許容する第2の状態を有する第2のスイッチとを含む
    センサ装置。
  4. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記第1のスイッチは、前記第1の状態のとき、前記第1及び第2の検出電極のいずれか一方を前記接地電位に接続する
    センサ装置。
  5. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記第1の容量素子を収容する筐体をさらに具備し、
    前記第1の電極は前記第1の容量素子に固定され、前記第2の電極は前記筐体に固定される
    センサ装置。
  6. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記第1の電極は、前記第1の容量素子の周囲に配置されている
    センサ装置。
  7. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記第2の容量素子は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置された弾性部材をさらに有する
    センサ装置。
  8. 請求項に記載のセンサ装置であって、
    前記入力操作面に画像を表示させる表示素子をさらに具備する
    センサ装置。
  9. 操作子によって操作される入力操作面を含み、第1の静電容量を有する第1の容量素子と、
    前記第1の容量素子に配置され、前記第1の静電容量よりも大きい第2の静電容量を形成する第1及び第2の電極を有する第2の容量素子と、
    前記第1の電極に近接して配置される第3の電極を有し、前記第3の電極を接地電位に接続し前記第1の電極と前記第3の電極とを静電的に結合させることで前記第2の静電容量を当該第2の静電容量よりも小さい第3の静電容量に変換する接地回路と、
    前記第1の静電容量の変化に基づいて前記第1の容量素子から出力される、前記入力操作面に対する前記操作子の接触位置を検出するための第1の信号と、前記第3の静電容量の変化に基づいて前記第2の容量素子から出力される、前記入力操作面に対する前記操作子の押圧力を検出するための第2の信号とを処理する信号処理回路と、
    前記入力操作面に画像を表示させる表示素子と
    を具備する情報処理装置。
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