TWI425386B - 指示輸入裝置 - Google Patents

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TWI425386B
TWI425386B TW097141395A TW97141395A TWI425386B TW I425386 B TWI425386 B TW I425386B TW 097141395 A TW097141395 A TW 097141395A TW 97141395 A TW97141395 A TW 97141395A TW I425386 B TWI425386 B TW I425386B
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Osamu Yoshikawa
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Description

指示輸入裝置
本發明係有關靜電容式指示輸入裝置，對於手指等之待檢測體對半球狀輸入操作面的輸入操作，從形成於輸入操作面之電極的浮遊電容變化加以檢測出；更詳言之，係有關以較少之檢測電極數檢測出對半球狀輸入操作面之XY方向與轉動方向之輸入操作的指示輸入裝置。
就用以移動操作電腦或遊戲機之顯示器所顯示之游標或符號的輸入裝置而言，已知有以手指使球體旋轉，而以球體之旋轉方向為輸入操作方向或轉動方向的軌跡球裝置；但其需要相當於球體直徑之安裝空間，妨礙電腦或遊戲機的薄型化。
因此，就維持輸入操作感而取代該軌跡球裝置的指示輸入裝置而言，已知有在半球狀絕緣體之表面配置用以檢測靜電容的檢測電極，從檢測電極之靜電容變化檢測出對半球狀輸入操作面之輸入操作的指示輸入裝置(專利文獻1、專利文獻2)。
圖8係該專利文獻2記載之習知的指示輸入裝置100的分解立體圖；於介電材料構成之上側基板101的頂面側平行設有複數之電極101a，於下側基板102的頂面側在與電極101a垂直之方向上平行設有複數之電極102a。於上側基板101與下側基板102之中央，各形成向圖中上方彎曲的突起彎曲面部，兩者重疊而形成突起彎曲面之輸入操作面。
各電極101a、102a電連接於控制電路103，藉由使手指接近輸入操作面以進行輸入操作，而以控制電路103檢測出在輸入操作位置交叉之電極101a、102a間的靜電容變化，檢測出輸入操作位置。亦即，例如從控制電路103對複數之電極101a依序施加既定之脈衝電壓以進行掃描，檢測出與施加脈衝電壓後之電極101a交叉的複數之電極102a的電壓。使手指等之待檢測體接近時，於待檢測體接近之位置交叉的特定電極101a、102a間的靜電容產生變化；從因靜電容變化而電壓變化之電極102a、與此時施加脈衝電壓後之電極101a的配置，檢測出待檢測體對半球狀輸入操作面的輸入位置。
【專利文獻1】日本特開2004-94450號公報(摘要、圖1)
【專利文獻2】日本特開2003-91360號公報(專利說明書第3頁3欄45行至4欄35行、圖2)
如上述，將多數之電極101a、102a呈矩陣狀配線之習知的指示輸入裝置100中，由於為檢測出對輸入操作面的輸入操作位置，對多數之電極101a依序施加檢測電壓，檢測出與每一施加檢測電壓後之電極101a交叉的多數之電極102a的電壓變化，因此電路結構複雜，造成大型化的問題。
而且，由於針對多數之電極101a、102a的所有交叉位置讀取電壓變化，以檢測出輸入操作位置，因此輸入操作位置的檢測費時；且從輸入操作位置的相對變化檢測出輸入操作之操作方向或旋轉操作方向時，由於檢測週期變長，因此所檢測出之操作位置間的間隔變長，無法精度良好地檢測出該等操作方向。
尤其，於使輸入操作位置沿半球狀輸入操作面轉動之轉動操作的檢測中，由於周期性檢測出作為平面座標檢測的輸入操作位置，並從檢測出之輸入操作位置的相對位置與方向，計算轉動操作方向、轉速，因此運算複雜，而該等檢測耗費時間。
本發明係考慮到此種習知的問題點所設計，其目的為：提供一種指示輸入裝置，無論係對半球狀輸入操作面之XY平面方向及轉動操作方向的任一種輸入操作，皆能以僅4種電極之簡單結構檢測出。
為達成上述目的，申請專利範圍1之指示輸入裝置包含：絕緣性球冠體，形成為以相互直交之X軸、Y軸、Z軸之交叉點為球心的假想球體之Z軸上方作為頂點的球冠狀；X+電極，在該球冠體之X方向一側的半球面上，具有複數之X+分岔圖案，此等X+分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之X方向的大圓在不同位置交叉，且各X+分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；X-電極，在該球冠體之X方向另一側的半球面上，具有複數之X-分岔圖案，此等X-分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之X方向的大圓在不同位置交叉，且各X-分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；Y+電極，在該球冠體之Y方向一側的半球面上，具有複數之Y+分岔圖案，此等Y+分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之Y方向的大圓在不同位置交叉，且各Y+分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；Y-電極，在該球冠體之Y方向另一側的半球面上，具有複數之Y-分岔圖案，此等X-分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之Y方向的大圓在不同位置交叉，且各Y-分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；及浮遊電容檢測機構，分別用以檢測X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極之各檢測電極之浮遊電容的變化；各檢測電極之分岔圖案從與通過頂點之X方向或Y方向大圓的交叉位置朝繞Z軸之圓周方向兩側向前端逐漸變窄而形成，以使相鄰之檢測電極在球面上互不重疊；當待檢測體接近該球冠體而進行輸入操作時，從X+電極與X-電極之浮遊電容的變化、及Y+電極與Y-電極之浮遊電容的變化，檢測出待檢測體在XY平面上的操作方向；並從X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極中之一者的相鄰檢測電極之浮遊電容的變化，檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作方向。
X+電極與X-電極形成於球冠體之X方向一側與另一側的表面，各電極之X+分岔圖案與X-分岔圖案在與對側電極距離最大的底圓附近表面積最大，越接近兩者界線之球冠體的頂點則越縮小。又，Y+電極與Y-電極形成於球冠體之Y方向一側與另一側的表面，各電極之Y+分岔圖案與Y-分岔圖案在與對側電極距離最大的底圓附近表面積最大，越接近兩者界線之球冠體的頂點則越縮小。當待檢測體接近球冠體時，由於該分岔圖案之檢測電極的浮遊電容依與待檢測體相對之分岔圖案的表面積而增加，因此從X方向一側移動至X方向另一側的輸入操作中，X+電極之浮遊電容逐漸減少，X一電極之浮遊電容逐漸增加，而從X方向另一側移動至X方向一側的輸入操作中，浮遊電容之增減相反。同樣地，從Y方向一側移動至Y方向另一側的輸入操作中，Y+電極之浮遊電容逐漸減少，Y一電極之浮遊電容逐漸增加，而從Y方向另一側移動至Y方向一側的輸入操作中，浮遊電容之增減相反。又，由於從浮遊電容起變化之任一個或者相鄰之一組檢測電極的形成位置可辨別繞Z軸之操作位置的方向，因此可檢測出XY平面上的輸入操作方向。
X+電極之X+分岔圖案與X-電極之X-分岔圖案在與通過頂點之X方向大圓交叉位置上表面積最大，越接近繞著Z軸通過頂點之Y方向大圓，則表面積越縮小。又，Y+電極之Y+分岔圖案與Y-電極之Y-分岔圖案在與通過頂點之Y方向大圓交叉位置上表面積最大，越接近繞著Z軸通過頂點之X方向大圓則表面積越縮小。當待檢測體接近球冠體時，由於該分岔圖案之檢測電極的浮遊電容因應與待檢測體相對之分岔圖案的表面積而增加，因此繞著Z軸移動操作待檢測體的輸入操作中，相鄰之檢測電極中，一邊的浮遊電容增加，另一邊減少。因此，可從X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極中，依據繞著Z軸而相鄰之一組檢測電極之浮遊電容的變化以檢測出繞Z軸的輸入操作方向。
申請專利範圍2之指示輸入裝置的特徵為：當待檢測體接近該球冠體而進行輸入操作後，對於X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極中，浮遊電容起變化之相鄰檢測電極的浮遊電容加以比較，檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作位置。
各檢測電極之分岔圖案，由於從與通過頂點之X方向或Y方向大圓的交叉位置朝繞Z軸之圓周方向兩側向前端逐漸變窄而形成，以使相鄰之檢測電極在球面上互不重疊，故在當待檢測體接近的操作位置上相鄰之檢測電極的各浮遊電容，因應轉動操作位置繞著Z軸變動，而一邊增加另一邊減少。因此，從浮遊電容起變化之相鄰檢測電極的浮遊電容之差異量，可檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作位置。
申請專利範圍3之指示輸入裝置的特徵為：各檢測電極之分岔圖案形成為：與相鄰檢測電極之分岔圖案將以分岔圖案與大圓交叉之交叉寬度的球帶所分割的球冠體之表面互補的形狀。
各檢測電極之分岔圖案，由於各朝沿繞Z軸之圓周方向所相鄰的檢測電極向前端逐漸變窄而形成，因此與相鄰檢測電極之分岔圖案，在以交叉寬度的球帶所分割之球冠體之表面互補，可使彼此不接觸，而在有限之球冠體的表面內得到可檢測出浮遊電容之變化的大表面積。
申請專利範圍4之指示輸入裝置的特徵為：各檢測電極之分岔圖案在頂點之周圍，形成對於頂點成點對稱的形狀。
當待檢測體接近頂點時，依據與待檢測體相對之X+分岔圖案及X-分岔圖案的表面積、及Y+分岔圖案與Y-分岔圖案的表面積分別相等，且X+電極及X-電極的浮遊電容與Y+電極及Y-電極的浮遊電容同等增加，故可檢測出對頂點的輸入操作。
申請專利範圍5之指示輸入裝置的特徵為：浮遊電容檢測機構包含將各檢測電極之浮遊電容各轉換成電壓值的CV轉換電路，從CV轉換電路之輸出電壓的變化檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作方向及轉動操作速度。
由於以CV轉換電路將各檢測電極之浮遊電容轉換成電壓，因此可定量檢測出浮遊電容的變化，並藉由以A/D轉換器等進行二值化，以微電腦等運算機構，檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作方向及轉動操作速度。
依申請專利範圍1之發明，由於X+電極、X-電極、Y+電極與Y-電極之各檢測電極各具有分岔之複數個分岔圖案，因此可在成為輸入操作面之絕緣性球冠體表面整體無所闕漏地配置檢測電極，無論待檢測體接近球冠體表面之任一個位置，皆可從與待檢測體相對之分岔圖案之靜電容的變化，精度良好地檢測出輸入操作方向。
又，僅檢測出X+電極、X-電極、Y+電極與Y-電極之4種檢測電極之靜電容的變化，即可檢測出XY平面上的操作方向、與繞Z軸的轉動操作方向。
又，由於僅比較4種檢測電極之靜電容的變化，即可檢測出輸入操作方向，因此無須掃描多數之電極，或者對電極施加交流電壓，能以簡單的結構短時間檢測出輸入操作方向。
依申請專利範圍2之發明，對於X+電極、X-電極、Y+電極與Y-電極，僅比較相鄰2種檢測電極的靜電容，即可檢測出繞Z軸的轉動操作位置；且比較既定經過時間的轉動操作位置，可檢測出轉動操作速度。
依申請專利範圍3之發明，可互不重疊而在有限之球冠體的表面精簡地以較大的表面積形成繞著Z軸相鄰之一組分岔圖案，對於因待檢測體接近所致浮遊電容增加可精度更良好地檢測出。
依申請專利範圍4之發明，由於可從X+電極及X-電極的浮遊電容與Y+電極及Y-電極的浮遊電容全部增加，檢測出對頂點之輸入操作，因此也能以使手指等之待檢測體接近頂點的非接觸式，與輸入ON、OFF之按鈕開關同樣發揮功能。
依申請專利範圍5之發明，由於可將各檢測電極之浮遊電容的變化，作為電壓值的變化定量檢測，因此能以微電腦等運算機構，輕易且短時間檢測出輸入操作位置與轉動輸入操作位置。
 實施發明之最佳形態
以下，利用圖1至圖7，說明依本發明之第1實施形態的指示輸入裝置1。圖1、圖2、圖3各為指示輸入裝置1的俯視圖、前視圖、立體圖，圖4為圖1之A-A線剖面圖，圖5為指示輸入裝置1之電路結構圖，圖6(a)～6(c)係顯示輸入操作位置與CV轉換電路之輸出電壓的關係的波形圖，圖7係說明輸入操作位置之計算方法的說明圖。
指示輸入裝置1，由讓待檢測體之手指接近以進行輸入操作的輸入操作部10、與檢測出對輸入操作部10在平面方向、轉動方向之輸入操作的輸入操作檢測電路部20所構成。而輸入操作部10，由表面形成球冠狀的球冠體2、以銀等之導電材料相互絕緣而形成於球冠體2之表面的X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7、與為保護各該檢測電極而包覆其表面的包覆片(cover sheet)8所構成。
球冠體2係表面以絕緣塑膠材料呈半徑20mm左右之球冠狀而形成；以指示輸入裝置1作為個人電腦、遊戲機等之指示輸入裝置而在該等框體安裝指示輸入裝置1時，亦可將球冠體2以相同於框體之材料一體化成型。本實施形態中，於以相互直交之X、Y、Z軸之交叉點為球心O的假想球體，以Z+方向(鉛直方向上方)為頂點P，以底圓成為大圓之半球面為表面，沿半球面形成相等厚度的中空半球體。以下，於本說明書，圖1中，以從頂點P向右方為X+方向，下方為Y-方向，左方為X-方向，上方為Y+方向；圖2中，以上方為Z+方向，下方為Z-方向，從頂點P沿球冠體2之球面往X+方向連續到底圓的圓弧為X+圓弧，往Y-方向連續到底圓的圓弧為Y-圓弧，往X-方向連續到底圓的圓弧為X-圓弧，往Y+方向連續到底圓的圓弧為Y+圓弧，並以繞著垂直於該等圓弧之Z軸的圓周方向為圓周方向，而說明各部。
X+電極4，由從球冠體2之頂點P於X+方向之半球面上，沿X+圓弧所連結的複數之X+分岔圖案4a、4a...、與從最下方之X+分岔圖案4a往輸入操作檢測電路部20被引出的X+引出圖案4b所構成。複數之X+分岔圖案4a、4a...各於沿交叉於X+圓弧之圓周方向形成帶狀。又，複數之X+分岔圖案4a、4a...與X+圓弧的交叉寬度，從底圓朝向頂點P逐漸變窄，並且各X+分岔圖案4a以在與該X+圓弧交叉位置的交叉寬度為最大寬，形成從交叉位置朝圓周方向兩側向前端逐漸變窄的弓形。
本實施形態中，對於形成此種形狀之複數之X+分岔圖案4a、4a...，在以從球心O朝頂點P逐漸縮小Z方向間隔的一對XY平面分割球冠體2之球面所構成的各球帶B1至B6上，各別形成X+分岔圖案4a。因此，各球帶B1至B6之寬幅逐漸變窄，例如最大之球帶B1的寬幅為3mm，最小之球帶B6的寬幅為1mm。如圖1、圖2所示，各X+分岔圖案4a中，以形成有該X+分岔圖案4a之球帶B之上圓與X+圓弧的交叉點為c1，以該球帶B之下圓之繞著頂點P作90度旋轉的位置，亦即下圓與Y+圓弧及Y一圓弧的交叉點為c2、c3時，以沿球面連接該等3點c1、c2、c3的線段為界線，以沿該界線之內側的形狀而形成輪廓於球帶B的表面。
如上述在各球帶B1至B6上形成有複數之X+分岔圖案4a、4a...的球冠體2中，X+分岔圖案4a之表面積係以頂點P為旋轉中心在X+方向為最大，從X+方向越旋轉而越縮小，並且底圓側為最大，越接近頂點P越縮小，亦即X+方向上之底圓側為最大，越往X一方向移動越縮小。
Y-電極7，由從球冠體2之頂點P於Y-方向之球面上沿Y-圓弧所連結的複數之Y-分岔圖案7a、7a...、與從最下方之Y-分岔圖案7a往輸入操作檢測電路部20被引出的Y-引出圖案7b所構成。複數之Y-分岔圖案7a、7a...亦各形成於沿圓周方向的帶狀，且各與Y-圓弧在不同位置交叉；其交叉寬度從底圓朝向頂點P逐漸變窄，並且各Y-分岔圖案7a之形狀以在與Y-圓弧交叉位置的交叉寬度為最大寬，從交叉位置朝圓周方向兩側形成向前端逐漸變窄的弓形。
本實施形態中，如圖1、圖2所示，複數之各Y-分岔圖案7a中，以形成有該Y-分岔圖案7a之球帶B之下圓與Y-圓弧的交叉點為c3，以該球帶B之上圓與X+圓弧及X-圓弧的交叉點為c1、c4時，以沿球面連接該等3點c3、c1、c4的線段為界線，以沿該界線之內側的形狀而形成輪廓於球帶B的表面。
因此，球冠體2表面之Y-分岔圖案7a、7a...的表面積，係以頂點P為旋轉中心在Y-方向為最大，從Y-方向越旋轉而越縮小，並且Y-方向上之底圓側為最大，越往Y+方向移動越縮小。
X-電極5，由從球冠體2之頂點P於X-方向之球面上沿X-圓弧所連結的複數之X-分岔圖案5a、5a...、與從最下方之X-分岔圖案5a往輸入操作檢測電路部20被引出的X-引出圖案5b所構成。X-電極5的複數之X-分岔圖案5a、5a...係與X+電極4的複數之X+分岔圖案4a、4a...，以關於頂點P成點對稱之形狀形成在球冠體2的X-側球面。因此，X-分岔圖案5a的表面積，係以頂點P為旋轉中心在X-方向為最大，從X-方向越旋轉而越縮小，並且X-方向上之底圓側為最大，越往X+方向移動越縮小。
又，Y+電極6由從球冠體2之頂點P於Y+方向之球面上沿Y+圓弧所連結的複數之Y+分岔圖案6a、6a...、與從最下方之Y+分岔圖案6a往輸入操作檢測電路部20被引出的Y+引出圖案6b所構成。Y+電極6的複數之Y+分岔圖案6a、6a...亦與Y-電極7的複數之Y-分岔圖案7a、7a...，以關於頂點P成點對稱之形狀形成在球冠體2的Y+側球面。因此，Y+分岔圖案6a的表面積係以頂點P為旋轉中心在Y+方向為最大，從Y+方向越旋轉而越縮小，並且Y+方向上之底圓側為最大，越往Y-方向移動越縮小。
如上所述，形成於球冠體2之球面的X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7的各分岔圖案4a、5a、6a、7a，由於各別在圓周方向與相鄰之分岔圖案4a、5a、6a、7a以梳子狀咬合，且互不重疊而形成在同一球帶B之球面互補的形狀，因此能在面積有限之球冠體2的球面精簡地形成大表面積之分岔圖案4a、5a、6a、7a，對於因待檢測體接近所致浮遊電容增加可精度更良好地檢測。
另一方面，當即使各球帶B之寬幅不同、各分岔圖案之表面積不同，仍無法明確地辨別成為待檢測體之手指相對於複數之球帶B之浮遊電容變化時，亦可夾設未形成有分岔圖案之球帶B等，於絕緣體之球冠體2的表面隔出分岔圖案間之間隔。
為保護X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7而包覆其表面的包覆片8，以聚對苯二甲酸乙二酯(PET，polyethylene terephthalate)或聚醯亞胺等之聚酯樹脂等薄膜所形成；但並非必要呈透明，可配合安裝有指示輸入裝置1的框體等而形成各種之色彩、模樣。包覆片8之表面係讓待檢測體之手指接近，或者讓其接觸而描畫的輸入操作面。
如圖5所示，檢測對輸入操作部10之輸入操作位置的輸入操作檢測電路部20，具有：將靜電容轉換成電壓的CV轉換電路21；選擇性切換X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7之任何一個引出圖案4b、5b、6b、7b以連接到CV轉換電路21的切換開關22；將CV轉換電路21之輸出二值化的A/D轉換器23；及連接於A/D轉換器23之輸出的控制電路24。
CV轉換電路21由下列部分所構成：「AND」電路26，一邊之輸入26a連接有形成延遲電路的電阻R1；振盪電路(oscillatory circuit)27，往電阻R1之另一側及「AND」電路26之另一邊的輸入26b輸出既定週期之矩形波的時鐘信號；平滑電路28，由電阻R2及電容器C1構成。
又，於電阻R1及「AND」電路26之輸入26a間，連接有使4種切換端子往各引出圖案4b、5b、6b、7b連接之切換開關22的共點端子(common terminal)。藉此，形成以切換開關22連接之X+電極4、X一電極5、Y+電極6、Y一電極7之任一個檢測電極的靜電容及電阻R1引起的延遲電路，將因應檢測電極之靜電容而延遲的時鐘信號輸入「AND」電路26的輸入26a。亦即，由於對「AND」電路26的一邊之輸入26a，輸入與檢測電極之靜電容成比例而延遲的時鐘信號，對另一邊之輸入26b，則輸入未延遲的時鐘信號，因此「AND」電路26以時鐘信號之脈衝寬為最大寬，輸出因應檢測電極之靜電容而脈衝寬變短的脈衝信號。
「AND」電路26之輸出被平滑電路28平滑化，往A/D轉換器23輸出因應脈衝寬的電壓V。A/D轉換器23將顯示檢測電極之靜電容的平滑電路28之輸出電壓V，作為能以CPU等構成之控制電路24運算的二值資料而輸入控制電路24。控制電路24切換控制切換開關22，對於每一檢測電極，將從A/D轉換器23輸入之二值化輸出電壓V進行比較，檢測出待檢測體對球冠體2表面之輸入操作面的轉動輸入操作或X、Y方向的移動操作。
以下，對於以如上述構成之指示輸入裝置1檢測待檢測體之轉動輸入操作或X、Y方向之移動操作的動作，加以說明。當待檢測體例如手指接近球冠體2時，與手指相對之球冠體2表面之分岔圖案的相向面積成比例地，具有該分岔圖案之檢測電極的浮遊電容增加。輸入操作檢測電路部20中，控制電路24以對於輸入操作速度足夠快之週期，將切換開關22的共點端子切換控制到各檢測電極4、5、6、7之分岔圖案4a、5a、6a、7a；並且於每一輸入操作位置，將各檢測電極4、5、6、7之浮遊電容的增減以A/D轉換器23所二值化之電壓V表示而輸入控制電路24。
首先，說明檢測對指示輸入裝置1繞著Z軸之轉動輸入操作的動作。形成於球冠體2之表面的X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7之各檢測電極的分岔圖案4a、5a、6a、7a，由於各從頂點P在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向上表面積為最大，從該方向繞著Z軸越脫離越縮小而形成，因此例如當手指從X+方向往球冠體2接近時，X+電極4之浮遊電容造成的靜電容Cx+增加。
於此狀態下，控制電路24使切換開關22的共點端子連接到X+引出圖案4b時，將因電阻R1及靜電容Cx+所延遲的時鐘信號輸入「AND」電路26的輸入26a。由於對「AND」電路26的另一邊之輸入26b，則輸入未延遲之時鐘信號，因此「AND」電路26之輸出，比起時鐘信號之脈衝寬，輸出之脈衝信號具有恰短於靜電容Cx+增加所引起之延遲時間的脈衝寬。平滑電路28由於將因應該「AND」電路26輸出之脈衝寬的電壓Vx+經由A/D轉換器23輸往控制電路24，因此於當手指從X+方向接近球冠體2之底面側，X+電極4之靜電容Cx+為最大時，輸入控制電路24之二值化的電壓Vx+為最小值。
另一方面，由於對從X+方向接近之手指的其他檢測電極之分岔圖案5a、6a、7a的相向面積為0或者非常小，因此依序連接切換開關22之共點端子到該等各引出圖案5b、6b、7b而被輸入「AND」電路26之輸入26a的時鐘信號，相對於另一邊輸入26b並不延遲，而從「AND」電路26輸出與時鐘信號之脈衝寬大致相同寬的脈衝信號。因此，其他檢測電極5、6、7之靜電容Cx-、Cy+、Cy-為0時，顯示輸入控制電路24之各檢測電極5、6、7之靜電容的電壓Vx-、Vy+、Vy一為最大電壓Vmax。亦即，輸入控制電路24之電壓V，當檢測電極之靜電容C增加時降低，並且當靜電容C減少至0時為最大電壓Vmax的關係，顯示各檢測電極之浮遊電容的增減。
如圖6(a)所示，以繞Z軸之X+方向為0度，使手指的操作位置順時針方向移動時，由於X+電極4之靜電容Cx+逐漸減少，Y-電極7之靜電容Cy-逐漸增加，因此輸入控制電路24之電壓Vx+逐漸增加，電壓Vy-逐漸減少。於順時針方向轉動90度後之Y-方向的操作位置，Y-電極7之靜電容Cy一為最大，關於Y-電極7輸入控制電路24之電壓Vy-為最小值，並且關於X+電極4之電壓Vx+上升到最大電壓Vmax附近。又，在Y-方向的操作位置上電壓Vx+不會成為最大電壓Vmax，其原因在於接近Y-方向之手指的一部分與X+電極4之分岔圖案4a的端部相對。
當手指的操作位置進一步從Y-方向順時針方向轉動時，Y-電極7之靜電容Cy-逐漸減少，X-電極5之靜電容Cx-逐漸增加，於順時針方向轉動180度後之X-方向的操作位置，X-電極5之靜電容Cx-為最大，關於X-電極5之電壓Vx-為最小值，並且關於Y-電極7之電壓Vy-上升到最大電壓Vmax附近。同樣地，於使手指的操作位置轉動270度後之Y+方向，由於Y+電極6之靜電容Cy+為最大，因此關於Y+電極6輸入控制電路24之電壓Vy+為最小值，並且關於X-電極5之電壓Vx-上升到最大電壓Vmax附近。
如上述，以繞Z軸之操作位置關於各檢測電極4、5、6、7輸入控制電路24的電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-，由於如圖6(a)所示為不同之電壓，因此控制電路24從各電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-中，對於在操作位置相鄰之一組檢測電極的電壓進行比較，而能檢測手指對球冠體2所為之繞著Z軸的操作方向。
本實施形態中，檢測電極之靜電容為0時，以小於輸入控制電路24之最大電壓Vmax的電壓為臨界電壓Vth(以圖6(a)之虛線圖示)，關於任一個檢測電極4、5、6、7，當輸入控制電路24的電壓V在臨界電壓Vth以下時，會得到其檢測電極E1與關於其檢測電極E1的電壓V1。不進行輸入操作時，因為關於所有檢測電極，輸入控制電路24的電壓V係浮遊電容未因手指而增加之狀態的最大電壓Vmax，因此關於任一個檢測電極4、5、6、7的電壓V在臨界電壓Vth以下時，至少手指從配置有該檢測電極E1之方向操作。例如，由圖6(a)可知，關於Y-電極7，當輸入控制電路24的電壓Vy-在臨界電壓Vth以下時，輸入操作位置在繞Z軸的θ1 與θ2 之間。
接著，藉由將切換開關22作切換，比較輸入控制電路24之檢測電極E1所相鄰之檢測電極E2、E3的電壓V2、V3。電壓V2、V3的其中之一(例如V3)為最大電壓Vmax或者其附近之值，檢測出任一個較低的電壓V2與其檢測電極E2。上述之例中，與Y-電極7相鄰之檢測電極為X+電極4與X-電極5，輸入操作位置若比起Y-方向偏θ1 ，則X+電極4的電壓Vx+比大致最大電壓Vmax之X-電極5的電壓Vx-低；若偏θ2 ，X-電極5的電壓Vx-比大致最大電壓Vmax之X+電極4的電壓Vx+低。在此，輸入操作位置在繞Z軸的Y-方向及θ2 之間，X-電極5的電壓Vx-低於電壓Vx+。
繞Z軸之輸入操作方向(輸入操作位置)，可從電壓V2、V3之任一個較低側的電壓(例如V2)及最大電壓Vmax的差異量、與在臨界電壓Vth以下之電壓V1及最大電壓Vmax的差異量加以計算。以下，輸入控制電路24之關於各檢測電極的電壓V，係繞Z軸以相等之梯度而變化，使用將圖6(a)放大之圖7以說明操作位置的計算方法。圖中，以電壓V1係最小時之繞Z軸的操作位置為基準位置θ0 ，以輸入操作位置為從基準位置θ0 逆時針方向轉動θr的位置，以最大電壓Vmax與較低側之電壓V2的差為a，以最大電壓Vmax與電壓V1的差為b。
由於電壓V1與電壓V2成為相等的位置，亦即a與b成為相等的位置，係間隔90度繞著Z軸所配置之相鄰檢測電極E1、E2的大致中間，因此為從基準位置θ0 轉動45度的位置，而由於較低側之電壓V2於從基準位置θ0 反方向轉動α後的位置成為最大電壓Vmax，因此從圖示之關係可得到如下的關係：
θr=a(2α+90)/(a+b)-α　......(1)式
可得到距離檢測電極E1之表面積最大之基準位置θ0 的輸入操作位置。
又，在越過相鄰檢測電極E1、E2之大致中間的位置輸入操作時，電壓V1變得高於低側之電壓V2，但(1)式即使越過中間位置也成立，可求出距離基準位置θ0 的輸入操作位置。亦即，起初被識別為在臨界電壓Vth以下的電壓V，相對於關於其他檢測電極輸入控制電路24的電壓V並無須為最低之電壓，只要將臨界電壓Vth以下的電壓V輸往控制電路24，則對於任一個檢測電極皆能以上述方法計算輸入操作位置。
上述之例中，更具體說明輸入操作位置的計算，圖6(a)中，在繞Z軸的Y-方向及θ2 間之位置進行輸入操作，關於Y-電極7輸入控制電路24的電壓Vy-、與關於X-電極5輸入的電壓Vx-在臨界電壓Vth以下。輸入操作位置在Y-方向的90度、與X-方向的180度之間；至於從Y-方向到操作位置的角度θr，令α為例如5度，令a為Vmax-Vx-，令b為Vmax-Vy-，可從(1)式得到
θr=100(Vmax-Vx-)/(2Vmax-(Vx-+Vy-))-5　......(2)式
控制電路24以X+方向為0度，從100(Vmax-Vx-)/(2Vmax-(Vx-+Vy-))+85計算繞Z軸之輸入操作位置。
由(1)式可知，繞Z軸之輸入操作位置可從對於與輸入操作位置相對的一組相鄰檢測電極之浮遊電容的變化量(a,b)之比檢測出，並無須求出各檢測電極的變化量本身。亦即，各檢測電極之浮遊電容，因為與檢測電極及手指之距離的平方成反比例，故依檢測電極及手指之距離而不同，但相鄰檢測電極與手指之相向面積的比在與手指之距離上並無變化。因此，在輸入操作上無須課予沿包覆各檢測電極4、5、6、7之表面的包覆片8使手指描畫而以與待檢測體相對之檢測電極間的距離為等距離的限制，即可檢測出操作位置。然而，由於在輸入控制電路24之關於各檢測電極的電壓V依繞Z軸之輸入操作位置以相等梯度變化的條件下，檢測出繞Z軸之輸入操作位置，因此從各檢測電極與圓弧之交叉位置朝圓周方向兩側形成向前端逐漸變窄之弓形的分岔圖案，較佳係形成盡可能與圓周方向之距離成比例而表面積變化的形狀。
以既定週期執行該輸入操作位置的計算，可從一週期之輸入操作位置間的相對移動方向及移動距離檢測出對指示輸入裝置1繞著Z軸的轉動方向及轉速。然而，如上所述，繞Z軸之輸入操作位置必須形成該分岔圖案，以使各檢測電極繞著Z軸的表面積與轉動角度成比例而變化。又，求出每既定週期之輸入操作位置的運算上需要時間。另一方面，僅檢測出輸入操作之轉動操作方向及轉動操作速度時，由於並非必要計算輸入操作位置，也無須使各檢測電極繞著Z軸的表面積與轉動角度正確地成比例，因此以下說明檢測出該轉動操作方向及轉動操作速度的方法。
如圖6(a)所示，關於各檢測電極4、5、6、7輸入控制電路24的電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-各於0度、180度、270度、90度為最低電壓，且於從最低電壓之位置大致轉動45度的位置，關於相鄰檢測電極輸入控制電路24的電壓相等。因此，從電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-，若比較相鄰檢測電極之一組電壓V的變化，可檢測出轉動操作方向。例如，若Y-電極7之電壓Vy-上升，與Y-電極7相鄰之X+電極4的電壓Vx+下降，可辨別為圖1中之逆時針方向的轉動操作；若相鄰之X-電極5的電壓Vx-下降，可辨別為順時針方向的轉動操作。
又，從任一個電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-成為最低電壓、與成為該最低電壓之檢測電極，檢測出0度、90度、180度、270度之該輸入操作位置，並由關於電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-之對於一組相鄰檢測電極的電壓變成相等的該一組檢測電極，進一步檢測繞Z軸之更為中間的輸入操作位置，因此可從該等檢測出之一組輸入操作位置間的經過時間以檢測出轉速。
其次，說明檢測出待檢測體於X、Y平面上之輸入操作方向的方法。如上述，形成於球冠體2表面之X+電極4、X-電極5、Y+電極6、Y-電極7之各檢測電極的分岔圖案4a、5a、6a、7a，由於形成在從球心O向頂點P逐漸減少Z方向間隔的各球帶B1至B6上，故各從頂點P向底圓而表面積增大；因此，當手指沿包覆片8之表面從頂點P朝著底圓移動時，配置於該方向上之檢測電極的靜電容Cx+、Cx-、Cy+、Cy-增加。
其結果，如圖6(b)所示，使切換開關22之共點端子往X+引出圖案4b連接而被輸入控制電路24的電壓Vx+，隨著手指所進行之輸入操作位置從頂點P移動到X+方向而整體減少，且使切換開關22之共點端子往X-引出圖案5b連接而被輸入控制電路24的電壓Vx-，於輸入操作位置從頂點P移動到X-方向上而整體減少，並且各在底圓之附近成為最小值。同樣地，如圖6(c)所示，使切換開關22之共點端子往Y+引出圖案6b連接而被輸入控制電路24的電壓Vy+，隨著手指所進行之輸入操作位置從頂點P移動到Y+方向而減少，且使切換開關22之共點端子往Y-引出圖案7b連接而被輸入控制電路24的電壓Vy-，隨著輸入操作位置從頂點P移動到Y-方向而減少，並且各在底圓之附近成為最小值。
因此，所通過之XY方向的輸入操作，係從頂點P朝向底圓的操作，抑或從底圓側朝向頂點P的操作，可與輸入操作經過同時，輸入控制電路24之關於各檢測電極的電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-如圖6(b)、6(c)所示之斜率加以辨別；若為上升之斜率可辨別為前者，若為下降之斜率可辨別為後者。XY平面上之輸入操作方向如上所述，由於能檢測作為繞Z軸之輸入操作方向，因此可從於輸入操作變化之電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-的斜度，檢測出XY平面上之輸入操作方向。
又，待檢測體於X、Y方向的輸入操作速度，可從手指之輸入操作位置移動於不同球帶B間的經過時間檢測出。各檢測電極形成於每球帶B1至B6的分岔圖案中，由於在通過頂點P之輸入操作方向上夾設每球帶B相鄰之檢測電極的分岔圖案，因此靜電容Cx+、Cx-、Cy+、Cy-並非與從頂點P移動至底圓的移動距離成比例而以一定比例增加，而係每通過各球帶B1至B6即增加率變動。因此，顯示各檢測電極之靜電容之變化的電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-的波形，於輸入操作每通過各球帶B1至B6的位置即成為產生極小值與極大值的波線之波形。因此，關於電壓V起變化之任一個電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-，可從極小值之產生位置檢測出通過各個球帶B的輸入操作位置；並且可從沿通過頂點P之圓弧的球帶B間的距離、與其間之經過時間來檢測輸入操作速度。例如，本實施形態中，由於形成從底圓側向頂點P逐漸減少其幅寬之球帶B1至B6，因此從底圓往頂點P進行輸入操作時，電壓V上升，並且於其上升之電壓波形在對應球帶B1至B6的六處產生極小值。各球帶B間沿著圓弧的距離由於係已知，因此可從其間的經過時間檢測出輸入操作速度。
又，輸入操作速度亦可從移動於如上述求出之任何一個球帶B及頂點P之間的輸入操作時間加以檢測出。對頂點P之輸入操作位置的檢測，依據所有之電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-為Vmax以下之電位而進行。所有之電壓V的電位降低，係顯示以球冠體2之頂點P為中心，分成X+、X-、Y+、Y-各方向所形成之4種檢測電極各與手指相對者，其原因為：手指所進行輸入操作位置在頂點P以外時，與4種檢測電極並不相對。針對變化之電壓V的波形，可從顯示輸入操作位置係頂點P的電壓朝電壓V下降之方向上最早產生極小值的位置，在每個產生極小值的位置，依序辨別為輸入操作位置係球帶B6、B5、B4...；且可從沿頂點P及該等任一個球帶B之圓弧的距離、與其間的經過時間，檢測出輸入操作速度。
又，該指示輸入裝置1，亦可從使所有電壓Vx+、Vx-、Vy+、Vy-成為Vmax以下之電位，僅使待檢測體接近頂點P，作為可進行ON、OFF之開關輸入的非接觸式開關而發揮功能。
上述之實施形態中，絕緣體之球冠體2形成底圓為假想球體之大圓的半球，但若頂點P在Z軸之上方，亦可為去除下方之部分球帶的球冠體；又，球冠體2之表面不須為完全的球面，只要係球冠狀的表面即可。
又，將各檢測電極4、5、6、7之靜電容轉換成電壓，從電壓變化檢測出輸入操作方向、輸入操作位置等，但也可從靜電容之變化直接檢測。
而且，以上說明以手指作為待檢測體進行輸入操作之例，但只要經由操作者等接地，也可使用手指以外的其他輸入操作工具。
 【產業上利用性】
本發明適用於以靜電容方式檢測出轉動操作方向及XY方向之輸入操作方向的指示輸入裝置。
1．．．指示輸入裝置
2．．．球冠體
4．．．X+電極
4a．．．X+分岔圖案
4b．．．X+引出圖案
5．．．X-電極
5a．．．X-分岔圖案
5b．．．X-引出圖案
6．．．Y+電極
6a．．．Y+分岔圖案
6b．．．Y+引出圖案
7．．．Y-電極
7a．．．Y-分岔圖案
7b．．．Y-引出圖案
8．．．包覆片
10．．．輸入操作部
20．．．輸入操作檢測電路部
21．．．浮遊電容檢測機構(CV轉換電路)
22．．．切換開關
23．．．A/D轉換器
24．．．控制電路
26．．．「AND」電路
26a、26b．．．「AND」電路之輸入
27．．．振盪電路
28．．．平滑電路
100．．．習知的指示輸入裝置
101．．．上側基板
102．．．下側基板
101a、102a．．．電極
103．．．控制電路
B1-B6．．．球帶
c1．．．形成有X+分岔圖案(Y-分岔圖案)之球帶之上圓與X+圓弧的交叉點
c2．．．形成有X+分岔圖案之球帶之下圓與Y+圓弧的交叉點
c3．．．形成有X+分岔圖案(Y-分岔圖案)之球帶之下圓與Y-圓弧的交叉點
c4．．．形成有Y-分岔圖案之球帶之上圓與X-圓弧的交叉點
C1．．．電容器
O．．．球心
P．．．頂點
R1、R2．．．電阻
Vmax．．．最大電壓
Vth．．．臨界電壓
圖1係依本發明之一實施形態之指示輸入裝置1的俯視圖。
圖2係指示輸入裝置1的正視圖。
圖3係指示輸入裝置1的立體圖。
圖4係指示輸入裝置1的縱剖面圖。
圖5係指示輸入裝置1的電路結構圖。
圖6(a)～6(c)係顯示輸入控制電路24之關於各檢測電極4、5、6、7的電壓波形；6(a)係顯示繞Z軸之輸入操作位置與電壓V的關係，6(b)係顯示沿X+方向、X-方向之輸入操作位置與電壓Vx+、電壓Vx-的關係，6(c)係顯示沿Y+方向、Y-方向之輸入操作位置與電壓Vy+、電壓Vy-的關係的波形圖。
圖7係顯示繞Z軸之輸入操作位置之計算方法的說明圖。
圖8係顯示習知的指示輸入裝置100的分解立體圖。
4．．．X+電極
4a．．．X+分岔圖案
4b．．．X+引出圖案
5．．．X-電極
5a．．．X-分岔圖案
5b．．．X-引出圖案
6．．．Y+電極
6a．．．Y+分岔圖案
6b．．．Y+引出圖案
7．．．Y-電極
7a．．．Y-分岔圖案
7b．．．Y-引出圖案
10．．．輸入操作部
20．．．輸入操作檢測電路部
21．．．CV轉換電路
22．．．切換開關
23．．．A/D轉換器
24．．．控制電路
26．．．「AND」電路
26a、26b．．．「AND」電路之輸入
27．．．振盪電路
28．．．平滑電路
C1．．．電容器
R1、R2．．．電阻

Claims (5)

  1. 一種指示輸入裝置，包含：絕緣性球冠體，形成為以相互直交之X軸、Y軸、Z軸之交叉點為球心的假想球體之Z軸上方作為頂點的球冠狀；X+電極，在該球冠體之X方向一側的半球面上，具有複數之X+分岔圖案，此等X+分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之X方向的大圓在不同位置交叉，且各X+分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；X-電極，在該球冠體之X方向另一側的半球面上，具有複數之X-分岔圖案，此等X-分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之X方向的大圓在不同位置交叉，且各X-分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；Y+電極，在該球冠體之Y方向一側的半球面上，具有複數之Y+分岔圖案，此等Y+分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之Y方向的大圓在不同位置交叉，且各Y+分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；Y-電極，在該球冠體之Y方向另一側的半球面上，具有複數之Y-分岔圖案，此等X-分岔圖案各自形成為沿著繞Z軸之圓周方向的帶狀，並與通過頂點之Y方向的大圓在不同位置交叉，且各Y-分岔圖案與該大圓交叉之帶狀的交叉寬度從底圓向頂點逐漸變窄；及浮遊電容檢測機構，分別用以檢測X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極之各檢測電極之浮遊電容的變化；各檢測電極之分岔圖案從與通過頂點之X方向或Y方向大圓的交叉位置朝繞Z軸之圓周方向兩側向前端逐漸變窄而形成，以使相鄰之檢測電極在球面上互不重疊；當待檢測體接近該球冠體而進行輸入操作時，從X+電極與X一電極之浮遊電容的變化、及Y+電極與Y-電極之浮遊電容的變化，檢測出待檢測體在XY平面上的操作方向；並從X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極中之一者的相鄰檢測電極之浮遊電容的變化，檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之指示輸入裝置，其中，當待檢測體接近該球冠體而進行輸入操作時，對於X+電極、X-電極、Y+電極或Y-電極中，浮遊電容發生變化之相鄰檢測電極的浮遊電容加以比較，以檢測待檢測體繞著Z軸的轉動操作位置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之指示輸入裝置，其中，各檢測電極之分岔圖案形成為：與相鄰檢測電極之分岔圖案共同將以分岔圖案與大圓交叉之交叉寬度的球帶所分割的球冠體之表面互補的形狀。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之指示輸入裝置，其中，各檢測電極之分岔圖案係在頂點之周圍對於頂點成點對稱的形狀。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之指示輸入裝置，其中，浮遊電容檢測機構包含將各檢測電極之浮遊電容分別轉換成電壓的CV轉換電路，從CV轉換電路之輸出電壓的變化檢測出待檢測體繞著Z軸的轉動操作方向及轉動操作速度。
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