JP5868383B2 - タッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、タッチ入力システムに係り、特に、バッテリーを持たないスタイラスペン及び指によるタッチが区別して検出可能となるようにする一方で、スタイラスペンの大きさ及びその製造コストを低減できるようにしたタッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法に関する。

近年、本格的な情報化時代の渡来に伴って電気的情報信号を視覚的に表現するディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）分野が急速に発展してきており、それに相応して、薄型化、軽量化、低消費電力化といった性能に優れた様々な平板表示装置（Ｆｌａｔ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）の開発が行われている。

平板表示装置としては、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）、プラズマ表示装置（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ ｄｅｖｉｃｅ）、電界放出表示装置（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＦＥＤ）、有機発光ダイオード表示装置（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）などが挙げられる。

最近では、平板表示装置に、人の手や別体の入力手段によるタッチ部位を認識し、それに対応して別個の情報を伝達できるタッチパネルを付加する場合が増えている。現在、このようなタッチパネルは表示装置の外部表面に取り付ける形態で適用されている。そして、タッチ感知方式によって、抵抗方式、静電容量方式、赤外線感知方式などに分類され、製造方式の便宜性及び検出力などの点から、最近、静電容量方式が注目されている。

最近考慮されている主なモバイル装置であるスマートフォン、スマートブックなどはＨＩＤ（Ｈｕｍａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）であって、指を用いたタッチ入力に止まらず、ペンを用いた筆記又は描画が可能なスタイラスペンを用いた入力が次第に増えている。スタイラスペンによる入力は、指による入力に比べてより高精度の入力が可能であり、高精度の描画及び筆記などの機能を支援できるという長所がある。

以下、添付の図面を参照して、一般的な静電容量方式のタッチスクリーンについて説明する。

図１は、一般的な静電容量方式のタッチ検出回路を示す回路図であり、図２は、図１の回路図を用いたフィンガータッチの有無によって区別される、時間による電圧出力を示すグラフである。

図１に示すように、一般的な静電容量方式のタッチ検出回路は、互いに交差する第１電極Ｔｘ及び第２電極Ｒｘと、第２電極Ｒｘの出力を「−」入力端子に、基準電圧Ｖｒｅｆを「＋」入力端子に受け取る増幅器５と、増幅器５の出力端子と「−」入力端子との間に設けられたキャパシタＣｓと、を含んでなる。

ここで、第１電極Ｔｘの一端に設けられたパッドを介して入力電圧Ｖｉｎを受け取り、第２電極Ｒｘの一端に設けられたパッドを介して、増幅器５から出力された出力電圧Ｖｏｕｔ値をセンシングする。

通常、２〜３μｓ程度の矩形波のタッチ駆動信号（Ｔｏｕｃｈ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）が第１電極Ｔｘに入力電圧として印加され、この時、第１及び第２電極Ｔｘ及びＲｘ間の相互静電容量の変化量Δ（ｍｕｔｕａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ：ΔＣｍ）の値に比例した電圧値が上記の出力電圧Ｖｏｕｔとしてセンシングされる。

図２に示すように、矩形波が入力電圧として印加されると、時間（Ｔｉｍｅ）が経過するにつれて、出力電圧Ｖｏｕｔが増加（フィンガー非タッチ時（Ｆｉｎｇｅｒ Ｎｏｔ Ｔｏｕｃｈｅｄ））し、フィンガー（指）タッチ時（Ｆｉｎｇｅｒ Ｔｏｕｃｈｅｄ）には、フィンガーと電極とが接触して相互静電容量の変化量ΔＣｍが減少するので、出力電圧Ｖｏｕｔの増加量が減少する。このような減少量をそれぞれのＴｘチャンネル及びＲｘチャネルの交差点で求め、このようなデータからフィンガータッチ部位の座標を抽出するようになる。

ところが、図１のタッチ検出回路をフィンガータッチではなくスタイラスペンタッチ時に利用すると、相対的にスタイラスペンのチップのセンサーパネル面との接触面積が小さいため、電極間の相互静電容量Ｃｍが小さくなり、スタイラスペンによるタッチ時の相互静電容量の変化をセンシングにし難くなる。そのため、座標抽出の正確度が低下する。

また、センシングのためにセンサーパネルに設けられる電極に比べてスタイラスペンのチップが小さい場合は、電極の有無によって座標歪み現象があり、これはセンシング感度に直接的に影響を与える。

そして、フィンガータッチとスタイラスペンタッチについて同一のタッチ検出回路をと用すると、スタイラスペンによる入力では、電極に接する手の平によるタッチとスタイラスペンによるタッチとを区別できないという問題点がある。すなわち、図１の検出回路は、スタイラスペンタッチ時にパームリジェクション（ｐａｌｍ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）の機能を有し難い。

また、スタイラスペンをフィンガータッチとは異なる駆動方式、例えば、電磁気方式の駆動方式を用いてタッチ検出をする方法も紹介されたが、この場合、別途の静電容量方式の電極の他に、別途の電磁気駆動による検出が可能なパネルをさらに備えなければならず、構成要素の増加及び工程の増加といった問題点がある。

本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたもので、バッテリー無しでスタイラスペンの具現が可能であり、スタイラスペン及び指によるタッチを区別して検出しながらも、スタイラスペンの大きさ及び製造コストを低減できるようにしたタッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法を提供することにその目的がある。

上記目的を達成するための、本発明のタッチ入力システムは、互いに交差する複数個の第１チャネル及び第２チャネルを有するセンサーパネルと、一つ、又は互いに直列接続した複数の１次コイル、該１次コイルに並列接続された共振キャパシタ、及び前記１次コイルに連結された導電性チップを含んでいるスタイラスペンと、該スタイラスペンに連結された接地部と、前記センサーパネルの外周に形成されたアンテナループと、前記第１チャネル及び第２チャネル、及び前記アンテナループに連結されたタッチコントローラと、を備えることを特徴とする。

前記１次コイルは、導電性チップに直列形態で連結され、且つ前記スタイラスペンの軸方向に配置されている磁気コアに巻き付けられたことを特徴とする。

前記スタイラスペンは、前記導電性チップの一部が突出する孔を有するスタイラスボディーと、前記スタイラスボディーの少なくとも一部の外周面に形成され、且つ高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップと、を備えたことを特徴とする。

前記スタイラスペンの直列配置された前記１次コイルの一端は、前記導電性チップに連結され、他端は前記スタイラスボディー、又は前記高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップに連結されたことを特徴とする。

前記アンテナループは、前記スタイラスペンの前記センサーパネル面へのタッチ時に、前記スタイラスペン内の１次コイルから、共振されたインダクタンス信号を受信することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための、本発明のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法は、互いに交差する複数個の第１チャネル及び第２チャネルを有するセンサーパネルと、一つ、又は互いに直列接続された複数の１次コイル、該１次コイルに並列接続された共振キャパシタ、及び前記１次コイルに連結された導電性チップを含んでいるスタイラスペンと、該スタイラスペンに連結された接地部と、前記センサーパネルの外周に形成されたアンテナループと、を有する入力システムのタッチ検出方法であって、フレーム別にフィンガータッチのセンシングとスタイラスペンタッチのセンシングを時分割して行うことを特徴とする。

前記スタイラスペンタッチのセンシングは、前記複数個の第１及び第２チャネルに順次に信号を印加し、各チャネル別にアンテナループの両端に受信された電圧差によりタッチ検出を行ってなることを特徴とする。

前記タッチ検出は、前記導電性チップと前記センサーパネル間のセンシングキャパシタと前記少なくとも一つの１次コイルとの電気的連結が形成され、前記１次コイルと共振キャパシタとの共振回路が形成され、前記１次コイルのインダクタンスにより、前記アンテナループで電磁気共振された誘導起電力が受信されることによってなることを特徴とする。

前記スタイラスペンは、前記導電性チップの一部が突出する孔を有するスタイラスボディーと、該スタイラスボディーの少なくとも一部の外周面に形成され、且つ高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップと、を備えたことを特徴とする。

前記アンテナループは、前記スタイラスペンの前記センサーパネル面へのタッチ時に、前記スタイラスペン内の直列配置された１次コイルから共振されたインダクタンス信号を受信することを特徴とする。

上記のような本発明のタッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法は、下記の効果がある。

第一、基本構成としてフィンガータッチに対して静電容量方式のタッチ検出をする構造を利用し、スタイラスペンのタッチ検出時には、スタイラスペン内部の共振回路とセンサーパネル外周のアンテナループとによる共振によりタッチ検出を行うことができる。すなわち、静電容量方式ではタッチ検出に限界があるスタイラスペンタッチの検出を、別のパネルを構成することなく、センサーパネルの外周構成とスタイラスペンの内部回路を変更することによって、接触面積や電極パターンの形状に影響を受けることなく行うことが可能になる。

第二に、スタイラスペン内部の共振回路の共振コイルを簡単にすることで共振コイルによる磁気結合係数を減少させ、スタイラスペンをより薄くて小さく作製でき、その分、製造コストを低減することもできる。

第三に、フィンガータッチとスタイラスペンタッチについて別個のパネルをさらに備えた構成に比べて、タッチ入力システムの製作コストの低減、及び工程の簡素化が可能である。また、タッチ入力システムにおいて薄いセンサーパネルを具現可能である。

第四に、スタイラスペン内部の共振回路とセンサーパネルのアンテナループ間の共振作用によりタッチ検出が可能であり、スタイラスペン内にバッテリーを備える必要がないため、別の電源を必要とするアクティブスタイラスペンに比べて、低い製作コストとなる。さらに、より軽量で小型のスタイラスペンにすることもできる。

第五に、スタイラスペンタッチとフィンガータッチを別々の駆動方式により区別してセンシングするため、スタイラスペンタッチ時にパームリジェクションが容易となり、結果としてタッチ感度の正確性が向上する。

第六に、静電容量方式で利用する互いに交差した電極間の相互静電容量ΔＣｍではなく、スタイラスペンと一つの電極間で発生したセンシング静電容量Ｃｓｘをタッチ検出に利用しているため、従前に比べてより大きい値のセンシング静電容量をスタイラスペンタッチ検出に利用でき、感度の向上が期待される。

第七に、センサーパネル内の電極（チャネル）に印加する駆動信号に同期してスタイラスペン内部の共振回路の周波数信号が定められるため、別途に筆圧又は特殊ボタンの押下を適用することが容易となる。

第八に、スタイラスペンによるタッチ検出に用いられるアンテナループを、互いに交差する電極が形成されたアクティブ領域から離隔させ、感度が劣るエッジ領域よりも外側にアンテナループを配置することによって、領域を問わず、スタイラスペンの感度を同等に維持することができる。

一般的な静電容量方式のタッチ検出回路を示す回路図である。 図１の回路図を用いたフィンガータッチの有無によって区別される、時間による電圧出力を示すグラフである。 本発明のタッチ入力システムにおけるアクティブ領域内の構造を示す平面図である。 図３のタッチ入力システムにおいて、スタイラスペンとＴｘチャネル間のキャパシタンスＣｓｘ、及びスタイラスペンの有無によるＴｘチャネルとＲｘチャネル間のキャパシタンス変化ΔＣｍを、図３のＸ座標によって示すグラフである。 アクティブ領域内に静電容量方式のＴｘチャネル及びＲｘチャネルを設けたとき、タッチ前の状態、フィンガータッチ状態、及びスタイラスペンタッチ状態における電荷量変化を示す図である。 本発明に係るタッチ入力システムを示す回路図である。 図６のスタイラスペンに対応する部分を示す回路図である。 図７Ａのスタイラスペンを構造的に示す図である。 図６のスタイラスペンに対応する部分を示す他の回路図である。 図８Ａのスタイラスペンを構造的に示す図である。 図７Ａのスタイラスペンを構造的に示す別の図である。 図９に示した伝導性グリップの材質による伝導性特性を示すグラフである。 図８Ａのスタイラスペンを構造的に示す別の図である。 本発明のタッチ入力システムの接地方法の各実施例を示す図である。 本発明のタッチ入力システムのタッチセンサーパネルを示す平面図である。 本発明のタッチ入力システムのフレーム駆動方法を示す図である。 本発明のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法において、タッチセンサーパネル及びスタイラスペンの各構成別検出波形を示す波形図である。 本発明のタッチ入力システムの信号強度の実験部位を示す図である。 図１６ＡのＸ軸移動による静電容量Ｃｓｘ変化を示すシミュレーション図である。 本発明のタッチ入力システムにおけるタッチセンサーパネルとこれに設けられたアンテナループを示す図である。 図１７ＡのＸ軸に沿ってスタイラスペンを移動する時に現れる相互インダクタンスを示すグラフである。 本発明のタッチ入力システムにおけるスタイラスペンのＡ〜Ｃ地点の位置状態を示す図である。 図１８ＡのスタイラスペンのＡ〜Ｃ各位置で検出された信号波形を示す図である。

発明を実施するための具体的な内容

以下、添付の図面を参照して、本発明のタッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法を詳しく説明する。

本発明のタッチ入力システムは、基本構成として、フィンガータッチに対して静電容量方式のタッチ検出をする構造を利用し、スタイラスペンのタッチに対しては、スタイラスペン内部の共振回路とセンサーパネル外周のアンテナループを用いた共振によるタッチ検出を利用する。すなわち、静電容量方式ではタッチ検出に限界があるスタイラスペンタッチ検出を、別のパネルを構成せず、センサーパネルの外周構成とスタイラスペンの内部回路を変更することで、接触面積や電極パターンの形状に影響を受けることなく可能にさせる。

以下、アクティブ領域内に構成された静電容量方式の電極構成と、これを用いたスタイラスペンタッチ時の現象について説明する。

図３は、本発明のタッチ入力システムのアクティブ領域内の構造を示す平面図であり、図４は、図３のタッチ入力システムにおいて、スタイラス（Ｓｔｙｌｕｓ）ペンとＴｘチャネル間のキャパシタンスＣｓｘ、及びスタイラスペンの有無によるＴｘチャネルとＲｘチャネル間のキャパシタンス（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）変化ΔＣｍを、図３のＸ座標（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）によって示すグラフである。

図３に示すように、それぞれＴｘチャネル及びＲｘチャネルをそれぞれバー形状にすると、これらの電極は互いに交差する方向に配置される。任意に、図３の領域においてスタイラスペンの移動による静電容量の変化を、図４を参照して説明する。

図４のグラフに示す静電容量値は、ＴｘチャネルとＲｘチャネルの中心点を原点とし、これを基準にして一軸をＸ軸、それと交差する軸をＹ軸と定義し、スタイラスペンの位置によって、静電容量の変化を検出する。図中、縦軸がＸ軸（Ｒｘの方向）、横軸がＹ軸と表されており、実験は、Ｙ軸は座標値を０点とし、Ｘ軸の値のみ変更して行った。

ここで、ΔＣｍは、スタイラスペンの有無によるＴｘチャネルとＲｘチャネル間の相互静電容量の差を表し、Ｃｓｘは、スタイラスとＴｘチャネル間の静電容量の分布を表す。ΔＣｍ値に比べてＣｓｘ値の大きさが全領域においてより大きいことがわかり、Ｃｓｘ値が、Ｘ軸の値が０点に近づくほど変化の度合も大きくなることがわかる。また、ΔＣｍの値は、０点ではむしろ隣接領域に比べて値が低下することがわかる。したがって、スタイラスペンによるタッチを検出するためのデータとしては、ΔＣｍよりはＣｓｘを利用する方が、感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）及び位置分解能の側面で有利であることがわかる。

したがって、本発明のタッチ入力システムでは、スタイラスペンの位置を測定する上で、より感度の良いＣｓｘを用いた検出方法を利用する。

図５Ａ乃至図５Ｃは、タッチ前（ＢＥＦＯＲＥ ＴＯＵＣＨ）状態、フィンガータッチ（ＡＦＴＥＲ ＴＯＵＣＨ（ＦＩＮＧＥＲ））状態、及びスタイラスペンタッチ（ＡＦＴＥＲ ＴＯＵＣＨ（ＰＥＮ））状態の電荷量変化を示す図である。

図５Ａ乃至図５Ｃは、Ｔｘチャネル１０及びＲｘチャネル２０を基板１上に交差させた構成の断面を示すもので、Ｔｘチャネル１０とＲｘチャネル２０との間の層、及びＲｘチャネル２０の上部及び周辺に絶縁体２５が形成される。絶縁体２５のうち、Ｒｘチャネル２０の上部及び周辺に形成された絶縁体は、図示のように形成されてもよく、あるいは省略されてもよい。また、基板１のディスプレイ上への配置時に含まれるエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）であってもよい。

図５Ａに示すように、タッチされていない時は、Ｔｘチャネルの駆動電圧Ｖｄにより、ＴｘチャネルとＲｘチャネル間の相互静電容量Ｃｍに比例する電荷（Ｑ=Ｃｍ×Ｖｄ）が誘起される。

図５Ｂに示すように、フィンガータッチ時には、Ｒｘチャネルに誘起されていた一部の電荷がフィンガー（指）により誘起されるため、Ｒｘチャネルに誘起される電荷量は減少する。これは、指により、ＴｘとＲｘ間の相互静電容量がＣｍからＣｍ'に減少し、電荷Ｑ'＝Ｃｍ'×Ｖｄが減少したことを示す。ΔＣｍ＝Ｃｍ−Ｃｍ'で定義でき、これはタッチ感度（ｔｏｕｃｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を表す指標に用いることができる。

図５Ｃに示すように、スタイラスペンのタッチ時に上記の静電容量方式で検出すると（それぞれ、Ｔｘチャネルに駆動電圧Ｖｄを印加、Ｒｘチャネルに誘起される電荷量を検出）、フィンガーに比べて、スタイラスペンが直接センサーパネルと接するチップ部位の面積が小さいため、スタイラスペンタッチの方がフィンガータッチに比べてタッチ感度ΔＣｍが小さくなり、座標抽出の正確度が低下する。

すなわち、内部素子を備えることなく、導電体性質の入力道具としてパッシブ方式のペンを用いた静電容量方式の検出は、指に比べてスタイラスペンのチップの方が接触面積が小さいことから、タッチ感度及び座標抽出の正確度が低下するなどの問題がある。

このようなパッシブ方式のスタイラスペンは、チップサイズが小さいことから座標抽出の正確度が低下する問題、及びフィンガータッチとスタイラスペン入力を同一の静電容量方式で具現するときに発生するパームリジェクション（ｐａｌｍ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）問題などを抱えている。また、Ｔｘ及びＲｘチャネルがディスプレイ駆動信号とキャパシティブカップリングされる問題、及びタッチのセンシング信号にディスプレイノイズが影響する問題もある。そして、パッシブスタイラスペンは、スタイラスペンからセンサー側に独自で別の信号を送信できず、筆圧感知又は特殊ボタン機能などを具現し難いという問題点もある。

そこで、本発明は、フィンガータッチのためにはセンサーパネルの静電容量方式の構造を利用するが、スタイラスペンタッチ検出のために、スタイラスペンをバッテリーのないアクティブ方式のものにし、該スタイラスペンと同期して駆動されるアンテナループをセンサーパネルの外周に備えたタッチ入力システム及びこれを用いてタッチ検出をする方法を提供する。以下、本発明に係るタッチ入力システム及びこれを用いたタッチ検出方法について説明する。

図６は、本発明に係るタッチ入力システムを示す回路図である。そして、図７Ａは、図６におけるスタイラスペンに対応する部分を示す回路図であり、図７Ｂは、図７Ａのスタイラスペンを構造的に示す図である。

図６に示すように、本発明のタッチ入力システムは、大きく、スタイラスペン１００、タッチセンサー２００及びアンテナ４００を含むセンサーパネルと、タッチコントローラ３００と、スタイラス接地部５００と、で構成されている。

タッチセンサー２００は、互いに交差する複数個の第１チャネルＴｘ及び第２チャネルＲｘを有しており、センサーパネルの中央に該当するアクティブ領域に配置されている。そして、センサーパネルのアクティブ領域の外周にアンテナ４００として、アクティブ領域の外周を囲む形状を有し、且つ両端間が若干離隔した形態のループ（ｌｏｏｐ）状にアンテナループ４１０が形成されている。

図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、スタイラスペン１００の内部には、一つの１次コイルＬ１ １２０、１次コイルＬ１ １２０と並列接続された共振キャパシタＣ１ １１０、及び１次コイルＬ１ １２０に連結された導電性チップ（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｉｐ）１０１が設けられている。

スタイラスペン１００内に並列接続された１次コイルＬ１ １２０と共振キャパシタＣ１の一端は導電性チップ１０１に連結されており、他端は、スタイラスの非伝導性物質からなるスタイラスボディーに連結されて接地される。場合によって、使用者が接地部５００を構成するときは、人のボディーに該当する接地部キャパシタＣｈに連結される。すなわち、スタイラスペン１００はスタイラス接地部５００とも連結されており、スタイラスペン内部の回路を安定化する。

アンテナループ４１０は、スタイラスペン１００がセンサーパネルに接する時、回路的に２次コイルＬ２ ４１０の機能を担う。換言すれば、センサーパネルの外周に形成された２次コイルＬ２であるアンテナループと第１チャネルＴｘ及び第２チャネルＲｘはそれぞれタッチコントローラ３００に連結されて、信号制御を受ける。

結果として、アンテナループ４１０は、スタイラスペン１００のセンサーパネル面のタッチ時に、スタイラスペン１００内の１次コイルＬ１のインダクタンス信号を、アンテナループＬ２ ４１０と１次コイルＬ１間の相互インダクタンスＭ１２の誘導により受信するようになる。ここで、アンテナループ４１０はセンサーパネルの外周を囲むように形成され、両端にそれぞれパッドが設けられてタッチコントローラ３００に連結される。

タッチコントローラ３００は、アンテナループ４１０に接続し、アンテナループ４１０両端に受信された電圧差を増幅する増幅器３１０と、増幅器３１０に接続してノイズを除去するフィルター部（ＡＦＥ）３２０と、フィルター部３２０に接続してアナログ信号をデジタル信号に変換するコンバータ（ＡＤＣ）３３０と、コンバータに接続し、デジタル信号を収集して座標を抽出する信号処理部（ＤＳＰ）３４０と、センサーパネル内の各チャネルに印加する信号を発生する駆動信号発生部（Ｄｒｉｖｅ ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）３０５と、を含んでなる。ここで、タッチセンサー２００にスタイラスペン１００がタッチされる時、１次コイルＬ１ １２０及び共振キャパシタＣ１ １１０が一種の共振回路として閉回路をなす。

駆動信号発生部３０５から各チャネルに印加する信号は、閉回路内の共振周波数（ｆ＝１／[２π＊（Ｌ２＊Ｃ２）^０．５]）と同じ周波数で、矩形波（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ）又は正弦波（ｓｉｎｅ ｗａｖｅ）を印加できる。各チャネルに印加する信号は一種の交流電圧であり、各コイルでは、印加された信号と類似の波形、又は時間経過によって波形が大きくなる形態の信号形状（ｓｉｇｎａｌ ｓｈａｐｅ）を有する。

一方、スタイラス接地部５００は、スタイラスペン１００と接する使用者、又はスタイラスペン１００とセンサーパネルとの間に連結されたワイヤーであってよい。不説明のＣｈは、スタイラスペン１００と使用者が接する時に使用者が誘電体として機能し、スタイラスペン１００と接地端子との間において接地部静電容量Ｃｈが発生した状態であることを表している。

スタイラスペン１００内部の１次コイルＬ１ １２０と共振キャパシタＣ１ １１０は、センサーパネルの交差された第１、第２チャネル（Ｔｘ／Ｒｘ）により構成されたタッチセンサー２００から、キャパシティブカップリングされて形成されたセンシングキャパシタＣｓｘ ２５０を介して入力される信号の周波数と電磁気共振が発生するよう、適切な値を持つように構成される。ここで、共振周波数は、ｆ＝１／[２π＊（Ｌ２＊Ｃ２）^０．５]）の条件を有する。そして、センシングキャパシタＣｓｘ ２５０は、物理的に回路構成を持つ素子ではなく、スタイラスペン１００の導電性チップがセンサーパネル２０１に接する時、接する部位で静電容量カップリングされて発生する仮想の素子である。

スタイラスペン１００で電磁気共振時に発生した磁場信号は、１次コイルＬ１ １２０とセンサーパネル２０１に形成されたアンテナループＬ２ ４１０との相互インダクタンスＭ１２により、アンテナコイルに該当する２次コイルＬ２ ４１０に誘導起電力を発生させる。このような誘導起電力は、アンテナループ４１０両端間の電圧差を増幅できる増幅器３１０で増幅され、ノイズ除去などのためのフィルターなどからなるフィルター部（ＡＦＥ：Ａｎａｏｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）３２０を経由し、コンバータ（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３３０でデジタル信号に変換された後、信号処理部（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）３４０で適切なアルゴリズムにより座標が抽出され、続いて、この座標データなどがホストシステムに伝送される。

このように、本発明では、スタイラスペン１００の１次コイルＬ１ １２０が直接的にアンテナループＬ２ ４１０との相互インダクタンスＭ１２により、アンテナコイルに該当する２次コイルＬ２ ４１０に誘導起電力を発生させるので、１次コイルＬ１ １２０とアンテナループＬ２ ４１０間の磁気結合係数を減らしたり勘案しなくて済む。これにより、スタイラスペン１００の大きさを減らし、より薄くでき、その分、製造コストも削減可能となる。

図７Ｂのスタイラスペン構造を参照すると、スタイラスペン１００内部の１次コイルＬ１ １２０は、スタイラスペン１００の軸方向に配置されている磁気コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）１３５に巻き付けられている。スタイラスペン１００の軸方向は、ペンの長さ方向に該当し、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標系のＺ軸に相当する。

また、スタイラスペン１００のスタイラスボディー１５０は、１次コイルＬ１ １２０、共振キャパシタＣ１ １１０及び磁気コア１３５を内部に含んでおり、導電性チップ１０１の一部が突出する孔を有している。ここで、導電性チップ１０１は、スタイラスボディー１５０から絶縁されており、そのために、孔の周囲には導電性チップ１０１を囲む形態の絶縁緩衝部をさらに備えればよい。そして、スタイラスボディー１５０は、上記のスタイラス接地部５００と接続しているのが好ましい。こうすると、１次コイルＬ１ １２０の一端は導電性チップ１０１に、他端はスタイラスボディー１５０のグラウンド端子１２５に接続される。

このように構成されたスタイラスペン１００の動作について説明すると、下記の通りである。

１次コイルＬ１ １２０の一端は導電性チップ１０１を介してセンサーパネルのタッチセンサーと静電容量カップリングされてセンシングキャパシタＣｓｘ ２５０を形成する。したがって、タッチセンサーの各チャネルからの入力信号がＣｓｘを介して、１次コイルＬ１ １２０及び共振キャパシタＣ１ １１０からなる共振回路を駆動する。

タッチセンサー２００の各チャネルＴｘ及びＲｘに駆動信号発生部３０５から入力される信号と、１次コイルＬ１ １２０及び共振キャパシタＣ１ １１０からなる共振回路の電磁気共振周波数とが同一となるように回路構成をし、この場合、電磁気共振により信号強度が時間によって増加する。この時、１次コイルＬ１ １２０の他端は、スタイラスペンのスタイラスボディー１５０に接触した手及び人のボディーからなる接地部キャパシタＣｈを介して接地している。

スタイラスペン１００がセンサーパネル面をタッチ時、上述した通り、センシングキャパシタＣｓｘ ２５０の生成、及びスタイラスのボディー部を介した接地が可能となる。そして、スタイラスペン１００内の導電性チップを介して、センシングキャパシタＣｓｘ ２５０に印加された信号が１次コイルＬ１に伝達される。１次コイルＬ１及び共振キャパシタＣ１は閉回路状態で共振し、時間の経過につれて信号の大きさが増加する。また、共振回路内の１次コイルＬ１の磁場信号は相互インダクタンスＭ１２によりアンテナループ４１０に誘導される。このようなアンテナループでのセンシングは、毎チャネル別に行う。

図８Ａは、図６のスタイラスペンに対応する部分を示す他の回路図であり、図８Ｂは、図８Ａのスタイラスペンを構造的に示す図である。

図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、スタイラスペン１００の内部には、相互に直列接続された複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）、直列接続された複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）に並列に接続された共振キャパシタＣ２ １１０、及び１次コイルＬ１Ｂ １２０ｂに連結された導電性チップ（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｉｐ）１０１が備えられている。

スタイラスペン１００内に直列接続している複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）、及び複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）に並列接続されている共振キャパシタＣ２ １１０は、一端が導電性チップ１０１に連結されており、他端は、スタイラスペンの非伝導性物質からなるスタイラスボディー１５０に連結されて接地する。この他端は、場合によって、使用者が接地部５００を構成する場合は、人のボディーに該当する接地部キャパシタＣｈに接続する。すなわち、スタイラスペン１００はスタイラス接地部５００にも接続しており、スタイラスペンの内部回路を安定化する。

アンテナループ４１０は、スタイラスペン１００のセンサーパネル面へのタッチ時に、スタイラスペン１００内の複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）のインダクタンス信号を、アンテナループＬ２ ４１０と複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）間の相互インダクタンスＭ１２の誘導により受信する。図６で説明した通り、アンテナループ４１０はセンサーパネルの外周を囲むように形成され、両端にそれぞれパッドが設けられ、該パッドを介してタッチコントローラ３００に接続する。

スタイラスペン１００内部の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）及び共振キャパシタＣ１ １１０は、センサーパネルのセンシングキャパシタＣｓｘ ２５０を介して入力される信号の周波数と電磁気共振が発生するように適切な値を持つように構成される。換言すれば、スタイラスペン１００の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）及び共振キャパシタＣ１ １１０は、センサーパネルの交差した第１及び第２チャネル（Ｔｘ／Ｒｘ）により構成されたタッチセンサー２００から、キャパシティブカップリングされて形成されたセンシングキャパシタＣｓｘ ２５０を介して入力される信号の周波数と電磁気共振が発生するように適切な値を持つように構成される。ここで、共振周波数は、ｆ＝１／[２π＊（Ｌ２＊Ｃ２）^０．５]）の条件を有する。そして、センシングキャパシタＣｓｘ ２５０は、物理的に回路構成を有する素子ではなく、スタイラスペン１００の導電性チップがセンサーパネル２０１に接する時、接する部位で静電容量カップリングされて発生する仮想の素子である。

スタイラスペン１００で電磁気共振時に発生した磁場信号は、複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）とセンサーパネル２０１に形成されたアンテナループＬ２ ４１０との相互インダクタンスＭ１２により、アンテナコイルに該当する２次コイルＬ２ ４１０に誘導起電力を発生させる。このような誘導起電力は、アンテナループ４１０両端間の電圧差を増幅できる増幅器（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）３１０で増幅され、ノイズ除去などのためのフィルター（Ｆｉｌｔｅｒ）などからなるフィルター部（ＡＦＥ：Ａｎａｏｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）３２０を経由し、コンバータ（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３３０でデジタル信号に変換された後、信号処理部（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）３４０で適切なアルゴリズムにより座標が抽出され、続いて、この座標データなどがホストシステムに伝送される。

上述した通り、スタイラスペン１００の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）が直接的にアンテナループＬ２ ４１０との相互インダクタンスＭ１２により、アンテナコイルに該当する２次コイルＬ２ ４１０に誘導起電力を発生させるので、１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）とアンテナループＬ２ ４１０間の磁気結合係数を減らしたり勘案しなくて済む。これにより、スタイラスペン１００の大きさを減らし、より薄くでき、その分、製造コストも削減可能となる。

図８Ｂのスタイラスペン１００は、図７Ｂのスタイラスペン１００に比べて、複数個の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）が磁気コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）１３５の異なった領域に直列構造で巻き付けられている以外は同一の構成を取るので、同一部位についての説明は省略する。ここで、磁気コア１３５と導電性チップ１０１との間、又は複数個からなる磁気コア１３５の間には、バネ１３０がさらに構成されてもよい。このバネ１３０は、導電性チップ１０１がセンサーパネル面にある程度押下された時に狭まり、この時に限って電磁気共振が発生することでスタイラスペンの入力感知及び筆圧感知を可能にさせる。また、スタイラスペンがセンサーパネルに接近しても、ある程度押下されないと動作せず、誤動作を防止するスイッチ機能を果たすこともできる。電磁気共振時に発生した磁場信号は、センサーパネルの外周に配置されているアンテナループ４１０に伝達され、該アンテナループ４１０が一種の２次コイルＬ２ ４１０として働き、その両端の電圧差をタッチコントローラ３００により感知する。

このように構成される図８Ｂのスタイラスペン１００は、複数個の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）間の干渉がないため、両者間の寄生静電容量（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を低減できるという利点がある。場合によって、寄生静電容量が無視できる程度であれば、寄生静電容量によりタッチ感度の正確性が劣るといえる図８Ｂのスタイラスペン１００を選択してもよい。

図９は、図７Ａのスタイラスペンを構造的に示す別の図である。そして、図１０は、図９の伝導性グリップの材質による伝導性特性を示すグラフである。

図９のスタイラスペン構造を参照すると、スタイラスペン１００内部の１次コイルＬ１ １２０は、スタイラスペン１００の軸方向に配置されている磁気コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）１３５に巻かれている。ここで、１次コイルＬ１ １２０の一端は導電性チップ１０１に連結され、他端はスタイラスボディー１５０の伝導性グリップ１１７に連結される。

伝導性グリップ１１７は、使用者が手でつかむ取っ手の部分に設けられ、接地として働く。このような伝導性グリップ１１７は、図１０を参照した高抵抗の伝導性物質（例えば、伝導性プラスチック及び伝導性グラファイト）で形成すればよい。高抵抗の伝導性物質で伝導性グリップ１１７を形成すると、磁場信号の透過度が金属性物質に比べて大幅に高められるため、磁場信号の減殺を減らし、アンテナ４００でも受信可能とさせることができる。この時、導電性チップ１０１も高抵抗の伝導性物質で形成し、磁場の透過を容易にさせてもよい。

図９のスタイラスペン構造は、１次コイルＬ１ １２０の他端が、高抵抗の伝導性物質からなる伝導性グリップ１１７に接続されることにその技術特徴があり、スタイラスボディー１５０及びスタイラス接地部５００の連結構造、及びスタイラスペン１００の動作は、図７Ｂのスタイラスペンの構造と同一である。したがって、図９のスタイラスペンの構造及び動作についての説明は、図７Ｂでの詳細な説明に代えるものとする。

図１１は、図８Ａのスタイラスペンを構造的に示す別の図である。

図１１のスタイラスペン構造を参照すると、スタイラスペン１００の内部には、互いに直列連結された複数の１次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂ（１２０ａ，１２０ｂ）が、スタイラスペン１００の軸方向に配置されている磁気コア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）１３５に巻き付けられている。ここで、１次コイルＬ１ １２０の一端は導電性チップ１０１に連結され、他端はスタイラスボディー１５０の伝導性グリップ１１７に連結される。

上述した通り、伝導性グリップ１１７は、使用者が手でつかむ取っ手の部分に形成されて接地として働く。このような伝導性グリップ１１７は、図１０を参照した高抵抗の伝導性物質（例えば、伝導性プラスチック及び伝導性グラファイト）で形成すればよい。高抵抗の伝導性物質で伝導性グリップ１１７を形成すると、磁場信号の透過度が金属性物質に比べて大幅に高められるため、磁場信号の減殺を減らし、アンテナ４００でも受信可能とさせることができる。この時、導電性チップ１０１も高抵抗の伝導性物質で形成し、磁場の透過を容易にさせてもよい。

図１１のスタイラスペン構造は、１次コイルＬ１ １２０の他端が、高抵抗の伝導性物質で形成された伝導性グリップ１１７に接続されることにその技術特徴があり、スタイラスボディー１５０及びスタイラス接地部５００の連結構造、及びスタイラスペン１００の動作は、図８Ｂのスタイラスペンの構造と同一である。したがって、図１１に係るスタイラスペンの構造及び動作についての説明は、図８Ｂでの詳細な説明に代えるものとする。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の入力システムの接地方法の各実施例を示す図である。

図１２Ａは、前述したスタイラスペン１００のスタイラスボディー１５０及び人のボディーを介した接地を示す。

図１２Ａに示すように、人（使用者）による接地の場合に、センサーパネル２０１が装着されたディスプレイ装置２０００及び人のボディーはそれぞれ地上とＣｂ１及びＣｂ２の静電容量を介してカップリングされている。もし、ディスプレイ装置２０００を人が他の手で取っていると、Ｃｂ２は他の手とボディーを介してより強くカップリングされ、これで、ＡＣ信号が伝達され得る閉回路を形成することとなる。

一方、ここで、ディスプレイ装置２０００は、センサーパネル２０１が装着されている表示パネルを意味する。表示パネルの例には、液晶表示パネル、有機発光表示パネル、プラズマ表示パネル、量子点表示パネル、電気泳動表示パネルなどがある。ここで、表示パネルは必要に応じて光源などを含む場合もあり、光源を含む場合には、別のケースユニットをさらに含んでもよい。

そして、センサーパネル２０１は、ディスプレイ装置２０００上に取り付けらテレもよく、ディスプレイ装置のパネル面上にアレイ工程で併せて形成されてもよく、或いはパネルの内部に形成されてもよい。

また、ワイヤレススタイラスペン（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｔｙｌｕｓ ｐｅｎ）にする場合にも、図９Ａのような構成により人のボディーを介した接地をする。

図１２Ｂは、スタイラスペン１００の接地を、ワイヤー１７０を介して、センサーパネル２０１が取り付けられたディスプレイ装置２０００のタッチコントローラ側に直接連結する有線スタイラスペン（ｗｉｒｅｄ ｓｔＹｌｕｓ ｐｅｎ）を示すもので、ここで、スタイラスペン１００とセンサーパネル２０１とは、ワイヤー１７０を介して互いに物理的連結関係を有する。

図１３は、本発明のタッチ入力システムにおけるタッチセンサーパネルを示す平面図である。

図１３に示すように、本発明のタッチ入力システムにおけるセンサーパネル２０１は、アクティブ領域（ＡＣＴＩＶＥ ＲＥＧＩＯＮ）とその外周領域とに大別される。

複数個の第１チャネルＴｘ ２１０及び第２チャネルＲｘ ２２０はそれぞれバー形状を有するもので、第１チャネルＴｘ ２１０と第２チャネルＲｘ ２２０とが交差してアクティブ領域に配置される。同図でチャネルはバー形状をしているが、場合によって、静電容量方式の他の形状のパターンに変更されてもよい。例えば、ダイアモンドパターンや他の形状の多角形パターンであってもよい。いずれのパターンであれ、本発明のタッチ入力システムでは、スタイラスペンタッチの正確性のために、中心から上下左右のいずれの方向にも対称性を有することが要求される。

また、スタイラスペン１００内の共振回路から発生する電磁気信号を受信するために、センサーパネル２０１の外周領域にアンテナループを形成する。アンテナループ４１０は、できれば、実際にスタイラス入力（Ｓｔｙｌｕｓ Ｉｎｐｕｔ）及び座標抽出がなされるアクティブ領域よりも大きく形成する。これは、スタイラスペン１００を用いたタッチ検出において、センサーパネル２０１の周縁部でチャネルの非対称性により座標抽出の正確度が低下するエッジエフェクト（ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）を解消するためである。

一方、アンテナループ４１０は、インダクタンス誘導が可能な一種の３次コイルであるが、別の物理的形状を有する磁気コアは備えない。ここで、アンテナループ４１０は、アンテナループ４１０とスタイラスペン間のエアーコア（ａｉｒ ｃｏｒｅ）を媒介として動作するコイルであってよい。

第１チャネルＴｘ ２１０及び第２チャネルＲｘ ２２０は、ディスプレイ装置において光の透過のために透明電極で形成するのが好ましい。そして、フィンガータッチ（Ｆｉｎｇｅｒ Ｔｏｕｃｈ）区間に、第１チャネルＴｘ ２１０は駆動信号印加用に、第２チャネルＲｘ ２２０は検出信号受信用に用いられ、これらのチャネルはそれぞれ、センサーパネル２０１の一側縁部に設けられたパッド２３０とルーティング配線２２５で電気的に連結される。

そして、アンテナループ４１０の両端も、センサーパネル２０１の一側縁部に設けられたパッド２３０に並んで形成されたループパッド２４０に接続され、両者間の電圧差がタッチコントローラ（Ｔｏｕｃｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により検出されるようになっている。

一方、アンテナループ４１０は、ルーティング配線２２５と同一の工程で併せて形成されてもよい。或いはアンテナループ４１０の電磁気誘導特性を向上させるために、センサーパネル２０１に、アンテナループ４１０とコンタクトするシフト形態の磁気成分コア（ｐｌａｎａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｒｅ）がさらに備えられてもよい。

図１４は、本発明のタッチ入力システムのフレーム駆動方法を示す図である。

図１４に示すように、本発明のタッチ入力システムは、１フレームを、スタイラスタッチ検出用とフィンガータッチ検出用とに分けて時分割駆動する。そして、スタイラスタッチ検出用とフィンガータッチ検出用は交互に行われるようになっている。

例えば、１フレームが５〜１０ｍｓに相当するとき、フレームレート（ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ）は１００〜２００Ｈｚに相当する。この場合、１フレームをスタイラスタッチ検出用とフィンガータッチ検出用とに二分すれば、それぞれの割当区間は２．５ｍｓ〜５ｍｓとなる。これは、スタイラスタッチ検出用とフィンガータッチ検出用を二分する場合に相当するもので、場合によって、いずれか一方の時間を１フレーム内でより長く調節してもよい。

一方、スタイラスタッチ検出時に、図１３おいて、第１チャネルＴｘ及び第２チャネルＲｘの数をそれぞれｍ及びｎとすれば、第１チャネルのｍ個のチャネルＴｘ(１)〜Ｔｘ(ｍ)と第２チャネルのｎ個チャネルＲｘ(１)〜Ｒｘ(ｎ)を順次に駆動（Ｄｒｉｖｅ）してセンシング（Ｓｅｎｓｉｎｇ）する。

すなわち、合計「ｍ＋ｎ」チャネルを、スタイラスタッチ検出用区間内に順次に駆動することとなる。そのため、例えば、「ｍ＋ｎ」＝５０とすれば、一つのチャネルを駆動するのにかかる可能時間は、２．５ｍｓ〜５ｍｓを５０で割った５０μｓ〜１００μｓとなる。

一方、フィンガータッチ検出時は、第１チャネルＴｘに順次に駆動信号を印加し、第２チャネルＲｘで検出信号をセンシングすることで、タッチによる変化を検出し、タッチ位置を検出する。フィンガータッチ検出時は、スタイラスタッチ検出時と違い、駆動信号が第１チャネルＴｘにのみ印加されるため、スタイラスタッチ検出時の各チャネルへの信号印加時間（２．５ｍｓ〜５ｍｓ／（ｍ＋ｎ））に比べて、フィンガータッチ検出時の各第１チャネルＴｘへの駆動信号印加時間（２．５ｍｓ〜５ｍｓ／ｍ）の方が長くなることがある。

この場合、それぞれのチャネルを駆動する信号波形とセンシング波形は、後述するように、スタイラス入力とフィンガータッチとを時分割して交互に駆動するものである。

次に、上記のスタイラスペンタッチ検出において各チャネルの駆動及びセンシング方法について説明する。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法において、タッチセンサー（Ｔｏｕｃｈ Ｓｅｎｓｏｒ）パネル及びスタイラスペン（Ｓｔｙｌｕｓ ｐｅｎ）の各構成別検出波形を示す波形図である。

図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して、本発明のタッチ入力システムの２つの隣接した第１チャネルＴｘ(ｎ)及びＴｘ(ｎ＋１)に関する駆動及びセンシング過程を説明する。

同図ではＴｘ(ｎ)及びＴｘ(ｎ＋１)のチャネルの駆動過程を示すが、このような過程は、同様の方式により、Ｔｘ(１)〜Ｔｘ(ｍ)、Ｒｘ(１)〜Ｒｘ(ｎ)の順に順次に信号を印加し、各チャネル別にアンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）ループ４１０の両端に受信された電圧差によりタッチ検出を行うことによってなされてもよい。

タッチ検出は、導電性チップ１０１とセンサーパネル２０１間のセンシングキャパシタＣｓｘと１次コイル（Ｃｏｉｌ）Ｌ１との電気的連結が形成され、１次コイルＬ１と共振キャパシタＣ２との共振回路が形成され、これにより、１次コイルＬ１とアンテナループ間のインダクタンスＭ１２によりアンテナループ４１０に電磁気共振された誘導起電力が受信されることによってなる。

このように、スタイラスペン１００の１次コイルＬ１ １２０が直接的にアンテナループＬ２ ４１０との相互インダクタンスＭ１２により、アンテナコイルに該当する２次コイルＬ２ ４１０に誘導起電力を発生させるので、１次コイルＬ１ １２０とアンテナループＬ２ ４１０間の磁気結合係数を減らしたり勘案しなくて済む。これにより、スタイラスペン１００の大きさを減らし、より薄くでき、その分、製造コストも削減可能となる。

一方、複数個の第１及び第２チャネルＴｘ(１)〜Ｔｘ(ｍ)及びＲｘ(１)〜Ｒｘ(ｎ)に印加する信号は、図１５Ａに示すように、共振回路内の共振周波数と同じ周波数である矩形波又は正弦波であってよい。

スタイラスペンは、センサーパネル面へのスタイラスペンのタッチ時に、使用者によりスタイラスペンの接地がなされるとよい。この接地時に、使用者は非導電性のボディーを直接コンタクトしたり、或いは非導電性ボディーをセンサーパネルにワイヤーを介して連結させる。

図１５Ａに示すように、Ｔｘ(ｎ)チャネルを駆動する場合に、タッチコントローラから一定周波数の矩形波又は正弦波の信号をＴｘ(ｎ)チャネルにＴ１時間印加する。そして、Ｔ２時間ではＴｘ(ｎ)チャネルに信号を印加せず、回路及びアンテナループで受信された信号のみセンシングすればよい。

すなわち、Ｔｘ(ｎ)チャネルに矩形波又は正弦波信号が印加されると、この時間の間に、スタイラスペンの１次コイルＬ１は、Ｔｘチャネルと導電性チップ間に静電容量カップリングにより生成されたセンシングキャパシタＣｓｘが形成され、センサーパネル面にスタイラスペンをタッチ時、センシングキャパシタＣｓｘと導電性チップ間に電気的連結が形成される。ここで、１次コイルＬ１は、Ｔ１時間において時間の経過につれて波形が大きくなるが、これは、閉回路の共振回路内の直列接続された共振キャパシタＣ１と共振周波数により電磁気共振を起こしつつ時間の経過につれて振幅が増加するからである。

また、スタイラスペンがセンサーパネルをタッチする時、１次コイルＬ１はセンサーパネル内のアンテナループと相互インダクタンスＭ１２によりカップリングされているため、アンテナループは、スタイラスペンの共振により発生する電磁気信号をセンシングすることができる。

アンテナループでは、アンテナループの両端に受信された電圧差を検出する段階と、電圧差を増幅する段階と、増幅された電圧差のノイズを除去する段階と、ノイズが除去された増幅された電圧差をアナログ信号からデジタル信号に変換する段階と、デジタル信号をメモリーに保存する段階と、を用いて、該当のチャネルに対応するアンテナループの両端における電圧差に対する信号強度（Ｓｉｇｎａｌ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）デジタルデータ（ｄａｔａ）を保存（Ｓａｖｅ）する。

続いて、図１５Ｂに示すように、Ｔｘ(ｎ＋１)チャネルについても、上述と同一の方法によりＴ３区間及びＴ４区間に駆動信号印加及びセンシング（タッチ検出）をし、信号の大きさに比例するデジタルデータをメモリーに保存する。

このような過程により１つのフレームの各チャネルに対する信号強度デジタルデータが全て集まると、タッチコントローラの信号処理部で、スタイラスペンが置かれた位置の座標を抽出する。

一方、スタイラスペンの信号印加区間は、同図のようにＴ１のみとし、続くセンシング区間を十分に別個として備えてもよく、或いは、Ｔ１＋Ｔ２区間で信号印加とセンシングを同時に行うようにしてもよい。信号受信区間をＴ１＋Ｔ２とする場合は、信号を受信する時間が長くなるため、測定された信号の精密度が増大するという利点がある。しかし、Ｔ１時間にＴｘ又はＲｘチャネルが駆動されるため、これらチャネルで形成される寄生ループが磁場信号を誘発することがある。これら磁場信号はアンテナループにノイズ成分となり、このようなノイズは、スタイラスペン内部の共振回路で発生する信号と共に、アンテナループ側に受信されることもある。

このような寄生ループによる磁場干渉により正確なタッチ検出がしづらい場合には、Ｔ２区間でのみスタイラスペンの共振信号検出によるタッチ検出を行えばよい。この場合には、Ｔ１時間には共振信号を受信しないため、信号受信時間の減少及びデータ精密度の低下があるが、磁場ノイズがアンテナループに影響を与えないという利点がある。

次に、本発明のタッチ入力システムを用いてスタイラスペンタッチの検出が可能であるかシミュレーションしてみる。

図１６Ａは、本発明のタッチ入力システムの信号強度の実験部位を示す図であり、図１６Ｂは、図１６ＡのＸ軸移動に従って表した静電容量Ｃｓｘ変化を示すシミュレーション図である。

図１６Ａに示すように、スタイラスペン１００の位置がＹ軸の０点に位置し、Ｘ軸の座標（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）のみ変化するとき、Ｔｘ(ｎ)及びＴｘ(ｎ＋１)チャネルとスタイラスペンの導電性チップ間のセンシングキャパシタのキャパシタンス値Ｃｓｘを、図１６Ｂにシミュレーションして示した。

センシングキャパシタのキャパシタンス値Ｃｓｘは、Ｔｘチャネルの中央で最大値になり、中央から遠ざかるほど小さくなることがわかる。

一方、Ｔｘ(ｎ)とＴｘ(ｎ＋１)との中間位置において、Ｔｘ(ｎ)に対するセンシングキャパシタンス値Ｃｓｘ(ｎ)とＴｘ(ｎ＋１)に対するセンシングキャパシタンス値Ｃｓｘ(ｎ＋１)値とが同一になる。すなわち、Ｃｓｘ(ｎ)＝Ｃｓｘ(ｎ＋１)になる。

万一、Ｔｘ(ｎ)よりもＴｘ(ｎ＋１)の方にスタイラスペンが近づくと、Ｔｘ(ｎ)とのカップリングされたセンシングキャパシタンス値Ｃｓｘ(ｎ)よりもＴｘ(ｎ＋１)とカップリングされたセンシングキャパシタンス値Ｃｓｘ(ｎ＋１)が大きくなることがわかる。すなわち、Ｃｓｘ(ｎ)＜Ｃｓｘ(ｎ＋１)になる。したがって、それぞれのＴｘチャネルに対して、このようなカップリングされたセンシングキャパシタンス値に比例する信号を発生させ、それをセンシングすることによって、スタイラスペンの位置を抽出するのに必要な信号強度で表現されるアナログデータを得ることができる。

図１７Ａは、本発明のタッチ入力システムのタッチセンサーパネルとそれに設けられたアンテナループを示す図であり、図１７Ｂは、図１７ＡのＸ軸に沿ってスタイラスペンを移動する時に現れる相互インダクタンスを示すグラフである。

図１７Ａに示すように、センサーパネル２０１の中心を０点とし、横軸をＸ軸、縦軸をＹ軸とし、このＸ軸に沿ってスタイラスペン１００を移動させるとき、スタイラスペンで磁場信号を発生する１次コイルＬ１とセンサーパネル２０１で磁場信号を受信するアンテナループＬ２ ４１０間（ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｏｉｌ ａｎｄ Ａｎｔｅｎｎａ）の相互インダクタンス（ｍｕｔｕａｌ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）Ｍ１２をシミュレーションしてみる。このシミュレーションの結果、図１７Ｂに示すように、アンテナループの中央部位（すなわち、アクティブ領域（Ａｒｅａ））では０．５Ａ．Ｕ〜１．５Ａ．Ｕの範囲で緩やかに変化するが、縁部に接近すると、相互インダクタンスＭ１２の値が突然逆転して低下することがわかる。これをエッジエフェクトという。この場合、実際に第１及び第２チャネルが配置されるアクティブ領域は、図１７Ｂの相互インダクタンスが、０点から距離が遠ざかるほど大きくなる領域に来るようにすることで、エッジエフェクトを排除する領域にアクティブ領域を設計するのが好ましい。

図１８Ａは、本発明のタッチ入力システムのスタイラスペンのＡ〜Ｃ地点の位置状態を示す図であり、図１８Ｂは、図１８ＡのスタイラスペンのＡ〜Ｃの各位置で検出された信号波形を示す図である。

図１８Ａに示すように、Ｘ軸（図面上、縦方向）に沿ってそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ地点にスタイラスペンを位置させた時、Ｔｘ(ｎ)チャネルに駆動信号が印加され、実際アンテナループでセンシングされる信号波形を、図１８Ｂに示した。

センシングされる信号の波形は、駆動信号が印加されるＴｘ(ｎ)チャネルの中央であるＡ地点において最も強く、隣接チャネルＴｘ（ｎ−１）との境界領域であるＢ地点において中間の大きさを有し、また、隣接チャネルＴｘ（ｎ−１）の中央であるＣ地点において最も弱くセンシングされることがわかる。これは、実際に駆動信号が印加されるチャネルに近接するほど、センシングされた波形が大きくなり、駆動信号が印加されるチャネルから遠ざかるほど、波形が小さくなることを意味し、実際のタッチ地点において波形が最大となることが予想できる。

このような各チャネルに対するアナログ信号形態の信号強度は、タッチコントローラのＡＤＣコンバータでデジタルデータに変換され、以降、信号処理部で適切なアルゴリズムを適用してスタイラスペンタッチの座標抽出に利用される。

すなわち、最も大きい波形が現れたチャネルを検出し、それを用いて実際のスタイラスペンタッチ検出をすればよい。

本発明のタッチ入力システム及びこれを適用したタッチ検出方法は、下記の利点がある。

まず、フィンガータッチとスタイラスペンタッチについて別個のパネルをさらに備えた構成に比べて、タッチ入力システムの製作コストの低減、及び工程の簡素化が可能である。また、タッチ入力システムにおいて薄いセンサーパネルを具現可能である。

そして、スタイラスペン内部の共振回路とセンサーパネルのアンテナループ間の共振作用によりタッチ検出が可能であり、スタイラスペン内にバッテリーを備える必要がないため、別の電源を必要とするアクティブスタイラスペンに比べて、低い製作コストとなる。さらに、より軽量で小型のスタイラスペンにすることもできる。

また、スタイラスペンタッチとフィンガータッチを別々の駆動方式により区別してセンシングするため、スタイラスペンタッチ時にパームリジェクションが容易となり、結果としてタッチ感度の正確性が向上する。

そして、静電容量方式で利用する互いに交差した電極間の相互静電容量ΔＣｍではなく、スタイラスペンと一つの電極間で発生したセンシング静電容量Ｃｓｘをタッチ検出に利用しているため、従前に比べてより大きい値のセンシング静電容量をスタイラスペンタッチ検出に利用でき、感度の向上が期待される。

一方、センサーパネル内の電極（チャネル）に印加する駆動信号に同期してスタイラスペン内部の共振回路の周波数信号が定められるため、別途に筆圧又は特殊ボタンの押下を適用することが容易となる。

また、スタイラスペンによるタッチ検出に用いられるアンテナループを、互いに交差する電極が形成されたアクティブ領域から離隔させ、感度が劣るエッジ領域よりも外側にアンテナループを配置することによって、領域を問わず、スタイラスペンの感度を同等に維持することができる。

一方、以上で説明した本発明は、上述した実施例及び添付の図面に限定されるものでなく、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとっては、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能になるであろう。

１００ スタイラスペン
１０１ 導電性チップ
１０３ 絶縁膜
１１０ 共振キャパシタ
１２０ １次コイル
１３０ バネ又は弾性ゴム
２００ タッチセンサー
２０１ センサーパネル
２５０ センシングキャパシタ
３００ タッチコントローラ
３０５ 駆動信号発生部
３１０ 増幅器
３２０ フィルター部
３３０ コンバータ
３４０ 信号処理部
４００ アンテナ
４１０ アンテナループ
２０００ ディスプレイ

Claims (8)

1. 互いに交差する複数個の第１チャネル及び第２チャネルを有するセンサーパネルと、
   一つ、又は互いに直列接続した複数の１次コイル、該１次コイルに並列接続された共振キャパシタ、及び前記１次コイルに連結された導電性チップを含んでいるスタイラスペンと、
   前記スタイラスペンに連結された接地部と、
   前記センサーパネルの外周に形成されたアンテナループと、
   前記第１チャネル及び第２チャネル、及び前記アンテナループに連結されたタッチコントローラと、
   を備え、
   前記導電性チップを介して前記センサーパネルと静電容量カップリングされてセンシングキャパシタを形成し、前記スタイラスペンの１次コイルと共振キャパシタは前記センシングキャパシタを介して前記センサーパネルの各チャネルからの入力信号により駆動され、
   前記１次コイルは、導電性チップに直列形態で連結され、且つ前記スタイラスペンの軸方向に配置されている磁気コアに巻き付けられ、
   前記スタイラスペンは、
   前記導電性チップの一部が突出する孔を有するスタイラスボディーと、
   前記スタイラスボディーの少なくとも一部の外周面に形成され、且つ高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップと、
   を備えたことを特徴とする、タッチ入力システム。
2. フレーム別にフィンガータッチのセンシングとスタイラスペンタッチのセンシングを時分割して行い、フィンガータッチに対して静電容量方式のタッチ検出をする構造を利用し、スタイラスペンのタッチに対しては、スタイラスペン内部の共振回路とセンサーパネル外周のアンテナループを用いた共振によるタッチ検出を利用することを特徴とする、請求項１に記載のタッチ入力システム。
3. 前記スタイラスペンの直列配置された前記１次コイルの一端は、前記導電性チップに連結され、他端は前記スタイラスボディー、又は前記高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップに連結されたことを特徴とする、請求項１に記載のタッチ入力システム。
4. 前記アンテナループは、前記スタイラスペンの前記センサーパネル面へのタッチ時に、前記スタイラスペン内の１次コイルから、共振されたインダクタンス信号を受信することを特徴とする、請求項１に記載のタッチ入力システム。
5. 互いに交差する複数個の第１チャネル及び第２チャネルを有するセンサーパネルと、一つ、又は互いに直列接続された複数の１次コイル、該１次コイルに並列接続された共振キャパシタ、及び前記１次コイルに連結された導電性チップを含んでいるスタイラスペンと、該スタイラスペンに連結された接地部と、前記センサーパネルの外周に形成されたアンテナループと、を有する入力システムのタッチ検出方法であって、
   フレーム別にフィンガータッチのセンシングとスタイラスペンタッチのセンシングを時分割して行い、
   前記１次コイルは、導電性チップに直列形態で連結され、且つ前記スタイラスペンの軸方向に配置されている磁気コアに巻き付けられ、
   前記スタイラスペンは、
   前記導電性チップの一部が突出する孔を有するスタイラスボディーと、
   前記スタイラスボディーの少なくとも一部の外周面に形成され、且つ高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップと、
   を備え
   前記１次コイルの一端は、前記導電性チップに連結され、他端は前記スタイラスボディー、又は前記高抵抗の伝導性物質で形成されたグリップに連結され、
   前記導電性チップを介して前記センサーパネルと静電容量カップリングされてセンシングキャパシタを形成し、前記スタイラスペンの１次コイルと共振キャパシタは前記センシングキャパシタを介して前記センサーパネルの各チャネルからの入力信号により駆動されることを特徴とする、タッチ入力システムを用いたタッチ検出方法。
6. 前記スタイラスペンタッチのセンシングは、
   前記複数個の第１及び第２チャネルに順次に信号を印加し、
   各チャネル別にアンテナループの両端に受信された電圧差によりタッチ検出を行ってなることを特徴とする、請求項５に記載のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法。
7. 前記タッチ検出は、
   前記導電性チップと前記センサーパネル間のセンシングキャパシタと前記少なくとも一つの１次コイルとの電気的連結が形成され、
   前記１次コイルと共振キャパシタとの共振回路が形成され、
   前記１次コイルのインダクタンスにより前記アンテナループで電磁気共振された誘導起電力が受信されることによってなることを特徴とする、請求項６に記載のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法。
8. 前記アンテナループは、前記スタイラスペンの前記センサーパネル面へのタッチ時に、前記スタイラスペン内の直列配置された１次コイルから共振されたインダクタンス信号を受信することを特徴とする、請求項５ないし７のいずれか１項に記載のタッチ入力システムを用いたタッチ検出方法。

Images