WO2014080924A1 - 近接・接触センサ - Google Patents

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WO2014080924A1
WO2014080924A1 PCT/JP2013/081231 JP2013081231W WO2014080924A1 WO 2014080924 A1 WO2014080924 A1 WO 2014080924A1 JP 2013081231 W JP2013081231 W JP 2013081231W WO 2014080924 A1 WO2014080924 A1 WO 2014080924A1
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electrode
contact
proximity
detection means
electrodes
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PCT/JP2013/081231
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聡史 辻
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学校法人福岡大学
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    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04108—Touchless 2D- digitiser, i.e. digitiser detecting the X/Y position of the input means, finger or stylus, also when it does not touch, but is proximate to the digitiser's interaction surface without distance measurement in the Z direction

Definitions

  • the present invention relates to a proximity / contact sensor that detects proximity and contact of an object.
  • touch panels have been used in various fields such as mobile terminals and game machines. Many conventional touch panels detect contact with an object and its position, and a resistance method (5 lines), a capacitance method (surface capacitance method, projection capacitance method), etc., as shown in FIG. Mainly used.
  • a resistance method 5 lines
  • a capacitance method surface capacitance method, projection capacitance method
  • FIG. Mainly used a space is provided between the layers, and the contact position of the object is specified by measuring the potential difference between the layers that changes depending on the portion where the object is pushed.
  • an alternating voltage is applied between four electrodes provided on the ITO film, the current value flowing through the object is measured at each electrode, and the target is determined from the relationship between the current values measured between the electrodes. It specifies the contact position of an object.
  • a plurality of strip-shaped electrodes are disposed in parallel in one layer, and a plurality of similar strip-shaped electrodes are disposed in parallel to the electrodes in one layer in the other layer.
  • the electrodes are arranged in a grid pattern. When the object is in close proximity, the capacitance between the grids of the electrodes of each layer forming the grid changes, and by measuring the change, the proximity and the contact position of the target are specified.
  • This projection capacity method can specify contact positions of a plurality of objects, and is practically used in many devices.
  • a base conductive layer is formed on an upper surface below a lower substrate having a plurality of lower electrode layers formed in a substantially strip shape on the lower surface and facing the lower electrode layer with a predetermined gap.
  • the upper electrode layer and the lower electrode layer on the lower surface of the upper substrate perform position detection of a finger proximity operation, The position of the pressing operation or sliding operation with the finger or pen is detected by the lower electrode layer, the lower conductive layer, and the base conductive layer. Detection can also be performed with high accuracy.
  • Patent Document 2 includes a touch panel that detects an input operation position, a pressure-sensitive sensor that detects a pressing operation force, and a detection circuit.
  • the touch panel has a plurality of capacitors formed in an intersection region between the X direction detection electrode and the Y direction detection electrode.
  • the pressure sensitive sensor has an electrode that forms a capacitor having a larger capacitance than the individual capacitors.
  • the sensor device further includes a ground circuit that converts the capacitance of the pressure-sensitive sensor to a smaller capacitance value by connecting a detection electrode disposed close to the electrode of the pressure-sensitive sensor to a ground potential.
  • Patent Document 1 has a problem that it is difficult to measure the pressing force of an object, although various operations are possible by combining the resistance method and the projection capacitance method. Moreover, since the number of laminations increases, there is a problem that the transparency is lowered. Moreover, although the technique shown in patent document 2 can detect a pressure in the measurement of contact, it has the subject that it is difficult to detect an exact position.
  • the present invention provides a proximity / contact sensor that can accurately measure the position and pressure in proximity and contact, and can improve operability and reduce malfunctions when used as a touch panel. To do.
  • the proximity / contact sensor according to the present invention includes a sheet-like upper electrode layer having a plurality of upper electrodes that are energized in one direction, and the other direction that is insulated from the upper electrode and different from the energizing direction of the upper electrode.
  • a first detection means including a sheet-like lower electrode layer having a plurality of lower electrodes that are energized and intersected with the upper electrode, and disposed below the first detection means to contact an object Alternatively, an intermediate layer that is deformed according to pressure, a second detection unit that is disposed below the intermediate layer and that detects an electrical change according to contact or pressing force of the object, and the first detection unit
  • the approach of the object is determined based on the electrical change between the upper electrode and the lower electrode, and the object contacts or pushes the first detection means.
  • the electrical detection detected by the second detection means Based on the change, the calculation means for specifying the position where the contact or pressing force of the object is applied and the pressure value, and either the first detection means or the second detection means are connected to the ground. Switching means for switching circuits at a predetermined interval.
  • the proximity / contact sensor when the object is approaching, the presence or absence of the approach of the object and the position thereof can be specified by the first detection means.
  • the contact position of the object and its pressing force can be specified by the second detection means, so by measuring an electrical change (for example, a change in capacitance, etc.) There is an effect that it is possible to accurately detect a series of a plurality of operations from approach to contact and press with each sensor.
  • the first detection means since the presence or absence of the approach and the position thereof can be specified by the first detection means, for example, it is possible to perform pointing with an object even for an image having a three-dimensional feeling or a depth feeling such as a three-dimensional image. There is an effect that the width of can be expanded to each step.
  • the proximity / contact sensor includes a voltage application unit that applies an AC voltage to the second detection unit when at least the first detection unit is connected to a ground, and the second detection unit includes: Each end has a detection electrode and is formed of a sheet-like conductive layer having a substantially uniform resistance over the entire surface.
  • the proximity / contact sensor As described above, in the proximity / contact sensor according to the present invention, when the first detection unit is connected to the ground, an AC voltage is applied to the second detection unit, and the second detection unit is applied to the end portion. Since it has a detection electrode and consists of a sheet-like conductive layer that has a substantially uniform resistance over the entire surface, it measures the electrical change in the detection electrode depending on the resistance value according to the position of contact or pressing Thus, there is an effect that the position of contact or pressing can be accurately detected.
  • the calculation means specifies the value of the pressing force by the object based on the total value of the electrical changes detected by the detection electrodes. .
  • the calculation means specifies the value of the pressing force by the object based on the total value of the electrical change detected by each detection electrode. There is an effect that the pressing force can be accurately obtained.
  • the proximity / contact sensor according to the present invention is mounted on a display on which the proximity / contact sensor displays a three-dimensional image, and an electrical change detected by the first detection means and / or the second detection.
  • Calibration means for creating calibration data in relation to the object with respect to an electrical change detected by the means, and the computing means performs computation processing based on the calibration data created by the calibration means. Is what you do.
  • the proximity / contact sensor is mounted on a display that displays a three-dimensional image, and the electrical change detected by the first detection means, and the second Since the electrical change detected by the detection means is calibrated in relation to the object, it is possible to accurately operate 3D images that look different for each user using calibration data. Thus, there is an effect that the range of operations and the expansion of functions can be greatly widened.
  • the proximity / contact sensor includes a sheet-like first upper electrode layer having a plurality of first upper electrodes that are energized in one direction, and the first upper electrode insulated from the first upper electrode.
  • a first detection means including a sheet-like first lower electrode layer having a plurality of first lower electrodes which are energized in another direction different from the energization direction and are arranged to intersect with the first upper electrode;
  • a sheet-like second upper electrode layer having a plurality of second upper electrodes that are disposed below one detecting means and energized in one direction, and energized in another direction different from the energizing direction of the second upper electrode
  • a sheet-like second lower electrode layer having a plurality of second lower electrodes disposed so as to intersect the second upper electrode is disposed with an intermediate layer deformed in accordance with the contact or pressure of the object.
  • the first upper electrode and the front The approach of the object is determined based on an electrical change between the first lower electrodes, and the second upper electrode and the object when the object touches or applies a pressing force to the first detection means.
  • Calculation means for specifying a position where the contact or pressing force of the object is applied and a value of the pressure based on an electrical change between the second lower electrodes, and the first detection means or the second detection means
  • Switching means for switching circuits at a predetermined interval so that either one of them is connected to the ground, and the plurality of second upper electrodes and the plurality of second lower electrodes in the second detection means.
  • the mesh formed by the intersection is finer than the mesh formed by the intersection of the plurality of first upper electrodes and the plurality of first lower electrodes in the first detection means.
  • the first detection means and the second upper electrode and the second lower electrode intersecting each other with the intermediate layer sandwiched below the first detection means.
  • the second detection means has a finer mesh than the first detection means, so that the detection sensitivity in proximity can be improved and the resolution in contact and pressing can be improved.
  • the contact can be detected with high accuracy in a balanced manner.
  • the proximity / contact sensor includes a sheet-like first upper electrode layer having a plurality of first upper electrodes that are energized in one direction, and the first upper electrode insulated from the first upper electrode.
  • a first detection means including a sheet-like first lower electrode layer having a plurality of first lower electrodes which are energized in another direction different from the energization direction and are arranged to intersect with the first upper electrode; 1
  • a sheet having an intermediate layer disposed below the detecting means and deforming in accordance with contact or pressure of an object, and a plurality of second upper electrodes disposed below the intermediate layer and energized in one direction.
  • Second detection means including a sheet-like second lower electrode layer having the second lower electrode, and the first detection means to the pair
  • the approach of the object is determined based on an electrical change between the first upper electrode and the first lower electrode, and the object contacts the first detection means or Calculation for specifying the position of the contact or pressing force of the object and the pressure value based on the electrical change between the second upper electrode and the second lower electrode when pressing force is applied
  • switching means for switching circuits at a predetermined interval so that either one of the first detection means or the second detection means is connected to the ground, and the plurality of second detection means in the second detection means.
  • a mesh formed by the intersection of the two upper electrodes and the plurality of second lower electrodes is formed by the intersection of the plurality of first upper electrodes and the plurality of first lower electrodes in the first detection
  • the first detection means and the second detection means have the same structure with the intermediate layer interposed therebetween, and the first detection means and the second detection means are compared with the mesh of the first detection means. 2 Since the mesh of the detecting means is finely formed, the resolution in contact and pressing can be improved while increasing the detection sensitivity in proximity, and the proximity and contact can be detected with good balance and high accuracy. Play. Moreover, there exists an effect that the position where proximity
  • the calculation means does not perform the detection process in the second detection means when the approach of the object is not detected by the first detection means. .
  • the detection process by the second detection means is not performed, and therefore, unnecessary processing. This is advantageous in that the operability can be improved by reducing the arithmetic processing.
  • the second detecting means at a position corresponding to the approach position of the object when the computing means detects the approach of the object by the first detecting means. Is performed.
  • the second detection means when the approach of the object is detected by the first detection means, the second detection means at the position corresponding to the approach position of the object. Since the detection process is performed, the detection process is performed only on the position where the target object is in contact with and pressed and on the peripheral portion thereof, so that it is possible to reduce the calculation process and improve the operability.
  • the proximity / contact sensor includes a sheet-like first electrode, an intermediate layer disposed below the first electrode, deformed according to contact or pressure of an object, and below the intermediate layer.
  • a sheet-like second electrode disposed; one or a plurality of voltage applying means for applying an alternating voltage of the same potential and the same phase to the first electrode and the second electrode; and
  • a calculation means for specifying a position where the contact or pressing force of the object is applied and a value of the pressure, and the second electrode , Switching the connection to either the voltage application means or the ground
  • the switching means switches so that the second electrode and the voltage applying means are connected, and detects the contact or pressing force of the object. In this case, the switching means performs switching so that the second electrode and the ground are connected.
  • the sheet-like first electrode, the intermediate layer disposed below the first electrode and deformed according to the contact or pressure of the object A sheet-like second electrode disposed below the intermediate layer, one or more voltage applying means for applying an alternating voltage of the same potential and the same phase to the first electrode and the second electrode, and
  • the approach of the object is determined based on an electrical change of the first electrode, and the object contacts or presses the first electrode.
  • the calculation means for specifying the position where the contact or pressing force of the object is applied and the pressure value thereof, One of the voltage applying means and the ground for two electrodes Switching means for switching connection to the object, and when detecting the approach of the object, the switching means performs switching so that the second electrode and the voltage applying means are connected, and the object is contacted or pushed. When detecting pressure, the switching means performs switching so that the second electrode and the ground are connected.
  • the first electrode and the second electrode are set to the same potential and Noise from the outside (mainly below) can be removed in the same phase, and when detecting contact or pressing force of an object, the second electrode is connected to the ground and connected from the outside (mainly below) The noise can be removed, and it is not necessary to provide a separate shield layer, so that an accurate operation can be realized.
  • the proximity / contact sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the proximity / contact sensor according to the present embodiment includes a sheet-like upper electrode layer having a plurality of checkered upper electrodes connected in a strip or rhombus that is energized in one direction, and is insulated from the upper electrode.
  • a first detection including a sheet-like lower electrode layer having a plurality of checkered lower electrodes connected to strips or rhombuses that are energized in a direction different from the direction in which the electrodes are energized and intersect with the upper electrode And an intermediate layer made of an elastic body that is disposed below the first detection unit and whose capacitance changes according to contact or pressure of the object, and is disposed below the intermediate layer, A second detection unit that detects a change in capacitance according to the contact or pressing force of the object, and a capacitance between the upper electrode and the lower electrode when the object approaches the first detection unit.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view and a sectional view of a sensor unit of a proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the sensor unit 1 includes a first detection unit 10 that detects whether or not an object is approaching and its position, an intermediate layer 15 that is formed of an elastic body that is stacked below the first detection unit 10, and the intermediate layer 15. And a second detection unit 20 that detects a contact / pressing position and a pressing force according to a change of the intermediate layer 15 due to contact or pressing of an object.
  • the first detection unit 10 is a sheet-like upper electrode in which a plurality of upper electrodes 11 connected in a rhombus shape in one direction are arranged in parallel in an unconnected state (insulated state) to form a checkered pattern
  • the lower electrode layer 14 and the rectangular shape of the upper electrode 11 that forms the checkered pattern of the upper electrode layer 12 and the rectangular shape of the lower electrode 13 that forms the checkered pattern of the lower electrode layer 14 are in plan view. They are stacked so that they do not overlap each other. However, since the upper electrode 11 and the lower electrode 13 are disposed so as to intersect with each other, the connection portions connected in a rhombus shape are partially overlapped in plan view.
  • the intermediate layer 15 is made of an elastic body that changes the capacitance between the first detection unit 10 and the second detection unit 20 by being deformed according to contact or pressing of an object, for example, air. Also good.
  • electrodes 22 are arranged at four corners of a conductive sheet 21 having a uniform resistance.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the proximity / contact sensor 100 measures the electrical change according to the proximity, contact, and pressure of an object, and supplies electricity to the sensor unit 1 configured as shown in FIG. 1 (for example, applying an AC voltage). ) Of the circuit at a predetermined interval (for example, 0.1 ms, 1 ms, 10 ms, etc.) so that one of the first detection unit 10 and the second detection unit 20 in the sensor unit 1 is connected to the ground.
  • a switching unit 40 that performs switching, a calculation unit 50 that performs calculations regarding proximity, contact, and pressing of an object based on a result measured by the sensor unit 1, and an output unit 60 that outputs the calculated result are provided.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a measurement method using the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • FIGS. 3A and 3B are image diagrams of capacitance measurement in the first detection unit 10 that measures the proximity of an object.
  • FIGS. 3C and 3D are diagrams illustrating contact of an object, It is an image figure of the measurement of the electrostatic capacitance in the 2nd detection part 20 which measures press.
  • the upper electrode 11 and the lower electrode 13 are shown in contact with each other in the same plane. However, strictly speaking, as shown in FIG. It has become.
  • the switching unit 40 switches the circuit intermittently at a predetermined interval so as to connect either the first detection unit 10 or the second detection unit 20 to the ground.
  • Proximity measurement is performed by the first detection unit 10 when switching to the electrode 22 (hereinafter referred to as electrode E 3 ) disposed in the second detection unit 20.
  • the electrode E 3 is connected to the ground
  • the upper electrode 11 hereinafter, the electrode that E 1
  • the lower electrode 13 hereinafter, referred to as the electrode E 2
  • the capacitance C 1 changes when the object (in FIG. 3, the object is indicated by a finger) approaches (C ′ 1 ).
  • the distance to the object can be estimated when the presence or absence of the object or the dielectric constant of the object is known.
  • the position where the target object approaches can be specified from the combination of E 1 and E 2 in which the capacitance C 1 has changed.
  • the switching unit 40 switches the ground connection to the upper electrode 11 (electrode E 1 ) and the lower electrode 13 (electrode E 2 ) in the first detection unit 10. In such a case, the contact or pressing of the object is measured by the second detection unit 20.
  • An AC voltage is applied to the electrode E 3 (electrodes E 3a and E 3b at both ends shown in FIGS. 3C and 3D ) by the power supply unit 30, and the electrodes E 1 and E 2 and the conductive sheet 21 are applied. If the resistance between them is uniform, the current flowing through the electrodes E 3a and E 3b is constant.
  • the capacitance C 2 between the first detection unit 10 and the second detection unit 20 changes (C ′ 2 ). Thereby, the capacitance measured at the electrodes E 3a and E 3b changes. At this time, when contact is detected by the second detection unit 20, the material (person or object) of the object can be determined.
  • the change in capacitance is the change in C 2 and the values of R a and R b .
  • the change in capacitance measured by the electrodes E 3a and E 3b is Ca and Cb, it can be expressed by the following equation.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an operation example of the three-dimensional touch panel.
  • FIG. 4A is an image diagram when the image appears to protrude from the user's view (when there is a stereoscopic effect in the foreground)
  • FIG. 4B is a three-dimensional image near the surface of the touch panel.
  • FIG. 4C is an image diagram when there is a depth when viewed from the user.
  • the screen When the image is projected as shown in FIG. 4A, the screen can be operated by measuring the presence / absence, distance and position of the object. As shown in FIG. 4B, the image near the screen can be operated by measuring the position of contact. When there is a depth as shown in FIG. 4C, the screen can be operated by measuring the pressing position and the pressing force. By performing these operations, for example, the ball in the screen can be lifted toward the front of the screen or bounced to the back of the screen.
  • FIG. 5 is a functional block diagram of the proximity / contact sensor 100 provided with a calibration processing unit.
  • the user When using the proximity / contact sensor 100, the user performs calibration by the calibration processing unit 70 in advance and stores the data for each user (not shown).
  • the calculation unit 50 calculates the finger position, distance, pressing force, and the like for each user using data that has been calibrated in advance. For example, more specifically, an arbitrary three-dimensional image serving as a reference is displayed immediately after activation of the touch panel, and the user is virtually touched by the front end (front end and front end in the depth direction).
  • the calibration processing unit 70 acquires the finger position, distance, dielectric constant, and the like when the user touches the tip from the sensor unit 1 and creates and stores calibration data in relation to the displayed reference three-dimensional image. To do.
  • the calculation unit 50 corrects the actually measured information acquired from the sensor unit 1 based on the created calibration data and passes the calculation result to the output unit 60.
  • the calibration data need only be created once for the first time using the proximity / contact sensor 100. By using the difference between the identification information for each user and the dielectric constant for the second and subsequent uses.
  • the calibration data may be used for each user.
  • the configuration of the first detection unit 10 is a checkered pattern as shown in FIG. 1, but like the projected capacity method shown in FIG. 32, the strips are arranged in parallel.
  • the electrodes may intersect in the vertical direction in an insulating state to form a lattice shape.
  • the electrodes 22 of the second detection unit 20 do not have to be four corners, but may be the end portions of the conductive sheet 21.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the sensor unit of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the sensor unit 1 includes a first detection unit 10 that detects the presence or absence of an object and its position, and a second detection unit that detects a contact / press position and a pressing force of the object below the first detection unit 10.
  • the detection unit 20 is provided, and an intermediate layer 15 made of an elastic body that is deformed by contact or pressing of an object is provided between the second upper electrode layer and the second lower electrode layer of the second detection unit 20.
  • the configuration of the first detection unit 10 is the same as that of the first embodiment.
  • the second detection unit 20 includes a sheet-like second upper electrode layer 62 on which a plurality of strip-like second upper electrodes 61 arranged in parallel in a non-connected state (insulated state) in one direction, A sheet-like second lower electrode layer 64 on which a plurality of strip-like second lower electrodes 63 are arranged in parallel in a non-connected state (insulated state) in another direction perpendicular to the direction.
  • the second upper electrode 61 and the second lower electrode 63 are stacked so as to intersect each other so as to overlap in a lattice shape in plan view.
  • an intermediate layer 15 made of an elastic body that is deformed by contact or pressing of an object is provided, and the second upper electrode 61 and second The mesh formed by the intersection of the lower electrodes 63 is finer than the checkered mesh formed by the intersection of the electrodes in the first detection unit 10.
  • the measurement sensitivity in proximity is increased by increasing the electrode of the first detection unit 10, and the resolution in contact and pressing is improved by decreasing the electrode of the second detection unit 20.
  • FIG. 7 is a diagram showing a measurement method using a proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are image diagrams of capacitance measurement in the first detection unit 10 that measures the proximity of an object.
  • FIGS. 7C and 7D are diagrams illustrating contact of the object, It is an image figure of the measurement of the electrostatic capacitance in the 2nd detection part 20 which measures press.
  • the measurement method of the first detection unit 10 in FIGS. 7A and 7B is the same as that in FIG. 3 in the first embodiment.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the sensor unit of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the sensor unit 1 includes a first detection unit 10 that detects the presence or absence of an object and its position, and an intermediate layer 15 made of an elastic body that is deformed by the contact or pressing of the object below the first detection unit 10.
  • the second detection unit 20 is provided below the intermediate layer 15 to detect the position of contact / press of the object and the pressing force.
  • the configuration of the first detection unit 10 is the same as that of the first embodiment.
  • the second detection unit 20 has the same configuration as that of the first detection unit 10, but the mesh formed by the intersection of the second upper electrode 61 and the second lower electrode 63 is in the first detection unit 10. It is finer than the mesh formed by the intersection of each electrode.
  • the measurement sensitivity in proximity is increased by increasing the electrode of the first detection unit 10, and the resolution in contact and pressing is reduced by reducing the electrode of the second detection unit 20. Has improved.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a measurement method using a proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • FIGS. 9A and 9B are image diagrams of capacitance measurement in the first detection unit 10 that measures the proximity of an object
  • FIGS. 9C and 9D are diagrams illustrating contact of the object
  • It is an image figure of the measurement of the electrostatic capacitance in the 2nd detection part 20 which measures press.
  • the measurement method of the first detection unit 10 in FIGS. 9A and 9B is the same as that in FIG. 3 in the first embodiment.
  • the second upper electrode 61 capacitance C 2 is changed from a combination of the second lower electrode 63, it is possible to subject the contact, to identify the pressed position. In this case as well, when contact is detected by the second detection unit 20, the material (person or object) of the object can be determined.
  • the detection process by the second detection unit 20 is not performed until the target object approaches, and the detection process by the second detection unit 20 is performed only when the target object touches or presses. Further, when the first detection unit 10 detects the approach of the object, the contact and the pressure of the object are measured using only the electrode at the corresponding position of the second detection unit 20 based on the information on the approach position. To do.
  • the response speed is improved by selectively performing contact measurement. That is, until the first detection unit 10 detects the approach of the object, the second detection unit 20 does not measure the push amount. When the approach of the object is detected, the push amount is measured only at that position.
  • FIG. 10 is a top view of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the first detector 10 that measures the approach is an array of 2 ⁇ 2 (X a ⁇ X b , Y a ⁇ Y b ), and the second detector 20 is 6 ⁇ 6 ( In the case of an array of X 1 -X 6 , Y 1 -Y 6 ), if all measurement points are measured, it is necessary to measure the capacitance of 40 points.
  • the contact / press measurement is selectively performed based on the approach measurement.
  • the proximity / contact sensor according to the present embodiment includes a sheet-like first electrode, an intermediate layer disposed below the first electrode and deformed according to contact or pressure of an object, and below the intermediate layer.
  • a sheet-like second electrode disposed on the substrate, one or more voltage applying means for applying an alternating voltage of the same potential and the same phase to the first electrode and the second electrode, and the first electrode
  • the approach of the object is determined based on the electrical change of the first electrode, and the object touches or applies a pressing force to the first electrode.
  • the switching means and when the approach of the object is detected, the switching means performs switching so that the second electrode and the voltage application means are connected, and detects contact or pressing force of the object. In this case, the switching means performs switching so that the second electrode and the ground are connected. .
  • a touch panel uses a shield electrode between the electrode to be measured and the monitor in order to remove noise from the monitor.
  • the shield electrode is grounded, and in the case of the surface capacitance method, a voltage having the same potential and phase as the measurement voltage is applied to the shield electrode, thereby reducing the influence of noise from the monitor. Cut off.
  • contact and pressure are measured from approach by changing the shield state.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • a sheet-like first electrode E 1 and a sheet-like second electrode E 2 are stacked so as to face each other with an intermediate layer 15 made of an elastic body in between.
  • the first electrode E 1 is an AC voltage is applied from the power supply unit 30, the capacitance between the ground is measured.
  • the second electrode E 2 in order to serve also the shield, are connected by a switch to the ground or the measurement voltage and the same potential-in phase.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a measurement method of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • the object that is grounded e.g., such as a human finger
  • the C 1 By measuring only the C 1 accurately without being affected by noise from below, it is possible to accurately measure the proximity of an object.
  • FIG. 13 is an image diagram of the proximity / contact sensor according to the present embodiment.
  • a layer of the surface capacitive type corresponding to the first electrode E 1 is composed of a shielding layer corresponding to the second electrode E 2.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a structure of a proximity / contact sensor created in this experiment.
  • FIG. 14A is a top view and a side view of the proximity / contact sensor.
  • acrylic and grounded aluminum (GND) was used as a target object, and the sensor was brought close to and in contact with the sensor as shown in FIG.
  • the electrodes E 3a and E 3b were grounded, and the capacitance between the electrodes E 1 and E 2 was measured.
  • FIG. 15 is a diagram showing the results. It can be seen that the value changes as the object approaches. From this, the presence or absence of the object can be determined, and the distance of the object can be detected when the dielectric constant of the object is known.
  • FIG. 16 (A) the target object was pressed on the position of A, B, and C from 0.10 mm to 0.04 mm. Further, as shown in FIG. 16B, the object was slid left and right while being pressed.
  • FIG. 17 shows changes in capacitance between the GNDs of the electrodes E 3a and E 3b .
  • the capacitance measured with the electrode E 3a is Ca
  • the capacitance measured with the electrode E 3b is Cb.
  • FIGS. 17A and 17B show results of pressing at positions A, B, and C, and FIGS.
  • 17C and 17D show results of sliding.
  • Ca and Cb are equal to or less than a predetermined value, 0 is set, and ⁇ Ca / ( ⁇ Ca + ⁇ Cb) when Ca and Cb are 0 is an average of changes.
  • FIG. 17 shows, it is possible to detect the push-in amount and the position with high accuracy from the relationship between Ca and Cb.
  • FIG. 18 is a diagram showing the structure of the proximity / contact sensor created in this experiment.
  • the electrodes (E 1 , E 2 ) of the planar capacitive sensor at the upper part of the sensor (electrode width 20 mm)
  • the detection sensitivity in proximity is increased, and the parallel plate capacitive sensor at the lower part of the sensor is improved.
  • the electrodes (E 3 , E 4 ) (electrode width 6.5 mm)
  • the resolution in contact was improved. That was against E 1, E 2, E 1 , E 2 each three and (3 ⁇ 3) installation structures.
  • An ITO film is used for each electrode, and an image from the display is transmitted.
  • a transparent urethane gel (thickness 2 mm, hardness 0, corresponding to CG in the figure) was placed between the electrodes of the parallel plate type capacitive sensor.
  • a polyethylene terephthalate (corresponding to P in the figure) having a thickness of 0.1 mm was disposed on the upper part of the sensor in order to insulate the sensor device from the object.
  • a grounded ITO film was placed on the bottom of the sensor and used as a shield (corresponding to S in the figure).
  • ground point As the object (10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 50 mm), grounded aluminum (GND) was used as a model of acrylic and fingers. The object was attached to the Z-axis stage, and the distance between the sensor and the object was controlled (Position: 0 mm was the ground point). As shown in FIG. 19A, the object is installed at the center of the sensor, and the capacitance is measured by a control circuit using an analog switch, a capacitance measurement IC and a microcomputer, and the measurement data is captured. (FIG. 19B).
  • FIG. 20 shows the measurement result in proximity.
  • the horizontal axis shows the distance (position) to the object, and the vertical axis shows the capacitance value.
  • FIG. 20A shows the result at the center electrode of the parallel plate type capacitive sensor below the sensor, and
  • FIG. 20B shows the result of the planar capacitive sensor above the sensor. From FIG. 20A, when the sensor and the object are not in contact, the capacitance does not change. Moreover, when a sensor and a target object contact, since an electrostatic capacitance changes, it can detect that the sensor contacted the target object. From FIG.
  • the capacitance changes with respect to the distance between the sensor and the object.
  • the approach of the object can be detected by the change in the capacitance.
  • the capacitance varies depending on the dielectric constant and the distance of the object, the distance to the object can be detected by bringing the object into contact with the sensor in advance and obtaining a value of position 0.
  • FIG. 21 shows the measurement result in contact.
  • the horizontal axis shows the distance to the object, and the vertical axis shows the capacitance value.
  • FIG. 21A shows the result of the center electrode of the parallel plate capacitive sensor below the sensor, and
  • FIG. 21B shows the result of the planar capacitive sensor above the sensor. From FIG. 21A, the capacitance changes with respect to the change in distance (pushing amount). Further, since this change does not change due to the dielectric constant of the object, the amount of pressing can be detected from the capacitance. From FIG. 21B, when contact is detected by the lower parallel plate type capacitive sensor, the material can be identified by the difference in the electrical characteristics (dielectric constant) of the object due to the change in capacitance.
  • Fig. 23 shows the measurement system. Along with the sensor array, a capacitance measuring IC having a high capacitance measuring speed was used for the control circuit. The measured data (16 bits) was captured and imaged. The object used in the above experiment was placed in the center of the sensor, and the position of the object and the sensor was adjusted from 40 mm to ⁇ 0.3 mm on the Z-axis stage.
  • FIG. 24 shows the results when the object is aluminum grounded
  • FIG. 25 shows the results when the object is acrylic
  • FIGS. 24A and 25A show the results of the parallel plate type capacitive sensor at the bottom of the sensor
  • FIGS. 24B and 25B show the results of the flat type capacitive sensor at the top of the sensor.
  • the result is represented by the amount of change from the steady value.
  • 24A and 25A the value does not change when the object and the sensor are not in contact with each other, and when they are in contact with each other, the value changes accordingly. Thereby, it can be seen that the contact position and the push-in amount can be detected.
  • the value around the pressed position has decreased, but this is thought to be because the area around the pressed position has risen due to the effect of pressing.
  • the value changes (although the change is difficult to see for the convenience of the drawing). From this, the approach and position of the object can be detected in proximity.
  • FIG. 26 is a diagram showing the structure of the proximity / contact sensor created in this experiment.
  • the electrodes E1 and E2 of the planar capacitive sensor at the top of the sensor are enlarged (electrode width 21 mm), and the parallel plate capacitive sensor at the bottom of the sensor is used to improve the coordinate resolution at the contact.
  • the electrodes E3 and E4 were made smaller (electrode width 7 mm).
  • the number of electrodes of the planar capacitive sensor at the top of the sensor is 5 in the X-axis direction and 3 in the Y-axis direction (5 ⁇ 3).
  • the number of electrodes of the parallel plate capacitive sensor at the bottom of the sensor is: 15 in the X-axis direction and 9 in the Y-axis direction (15 ⁇ 9).
  • an ITO film capable of transmitting an image from a display was used for each electrode.
  • a transparent urethane gel (thickness 2 mm, hardness 0) was placed between the electrodes of the parallel plate capacitive sensor.
  • a silicon sheet (Si) having a thickness of 0.5 mm was installed on the sensor.
  • a grounded ITO film was installed at the bottom of the sensor and used as a shield (S). The size of this sensor was about 4.8 inches.
  • the measurement point was switched by an analog switch, and the capacitance was measured by a control circuit using a capacitance measurement IC and a microcomputer. The electrodes not used for measurement were grounded.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a measurement result in proximity.
  • the horizontal axis shows the distance (position) to the object, and the vertical axis shows the measurement results.
  • FIG. 27A shows the result at the center electrode of the parallel plate type capacitive sensor below the sensor
  • FIG. 27B shows the result at the center electrode of the planar capacitive sensor above the sensor. From FIG. 27A, the push-in amount (x) does not change until the sensor comes into contact with the object. Further, when the sensor and the object come into contact, since x changes, it can be detected that the sensor has come into contact with the object. From FIG. 27B, the capacitance changes with respect to the distance between the sensor and the object.
  • the approach of the object can be detected by ⁇ C 1 .
  • the object is a grounded conductor (person)
  • the object can be detected from about 15 mm.
  • the change in ⁇ C 1 increases as the object approaches. From this, it can be detected from the change in ⁇ C 1 that the object is sufficiently close to the sensor.
  • FIG. 28 is a diagram showing measurement results in contact and pressing.
  • the position of the sensor and the object was adjusted from 0 mm (contact point) to ⁇ 0.6 mm by the Z-axis stage.
  • the horizontal axis shows the distance to the object
  • the vertical axis shows the measurement result.
  • FIG. 28A shows the result at the center electrode of the parallel plate type capacitive sensor at the lower part of the sensor
  • FIG. 28B shows the result at the center electrode of the planar capacitive sensor at the upper part of the sensor.
  • d changes in proportion to the change in distance (push-in amount). From this, the push-in amount can be estimated from the electrostatic capacity.
  • the material can be identified by the difference in the electrical specification (dielectric constant) of the object by changing the capacitance.
  • FIG. 30 shows the measurement results.
  • FIG. 30A shows the result of the total scan measurement
  • FIG. 30B shows the result of the selective scan measurement. If closer to the finger, C 1 is changed in the same manner in all scan measurement and selected scan measurement.
  • the indentation amount (d) measurement in the total scan measurement it can be seen that d changes according to the indentation amount.
  • the sensor does not detect the target object in the range (1), and the sensor detects the target object close in the range (2) when the finger approaches. The contact can be detected in the range (3) where the finger is pushed.
  • the selection scan measurement the finger approaches sufficiently sensors do not measure the C 2 to [Delta] C 1 is changed over 1000digits ((4 in FIG. 30 (B))).
  • ⁇ C 1 changes by 1000 digits or more C 2 is measured, and the pushing amount (d) is detected from the result ((5) in FIG. 30B).
  • the push-in amount (d) can be detected only when the object is sufficiently close.
  • 0.42 s is required for measurement in the case of full scan, but in selective scan measurement, it is 0.08 s when only proximity is measured, and 0.1 s when one point is pressed with a finger. there were. Furthermore, when 2 points
  • FIG. 31 (A) since the sensor at a is not pressed, similar change is observed even when connected to be measured the same potential, the same phase when connecting E 2 to ground. who when connecting b in E 2 to the ground is greater than when connected to a measuring potential and the same potential-in phase. In c, it changes only when connected to the ground.
  • FIG. 31B As shown in FIG. 31B, it can be seen that the pressure can be detected by obtaining the difference. Also, proximity of the object can be detected in the case of connecting E 2 to the measured potential and the same potential-in phase.

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Abstract

近接及び接触の位置、圧力等の正確な測定が可能であり、タッチパネルとして操作性の向上及び誤動作の軽減が可能な近接・接触センサの提供。一方向に通電する複数の上電極１１を有するシート状の上電極層１２、及び、上電極と絶縁され、上電極の通電方向と異なる他方向に通電し、上電極と交差して配設される複数の下電極１３を有するシート状の下電極層１４を含む第１検出部１０と、第１検出部の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層１５と、中間層の下方に配設され、対象物の接触又は押圧力に応じた電気的変化を検出する第２検出部２０と、上電極及び下電極間の電気的変化に基づき、対象物の接近を判定し、第２検出部で検出された電気的変化に基づき、対象物の接触又は押圧力を加えた位置及び圧力の値を特定する演算部５０と、第１検出部又は第２検出部の一方がグラウンドに接続するように所定間隔で回路の切り替えを行う切替部４０とを備える。

Description

近接・接触センサ
　本発明は、対象物の近接、接触を検知する近接・接触センサに関する。
　近年、携帯端末やゲーム機等の様々な分野でタッチパネルが利用されている。従来のタッチパネルの多くは対象物との接触及びその位置を検出するものであり、図３２に示すような、抵抗方式（５線）や静電容量方式（表面容量方式、投影容量方式）等が主に使用されている。抵抗方式の場合は層間に空間が設けてあり、対象物が押し込んだ部分に応じて変化する層間の電位差を測定することで、対象物の接触位置を特定するものである。
　表面容量方式は、ＩＴＯフィルムに設けられた４つの電極間に交流電圧を印加し、対象物を介して流れる電流値を各電極で測定し、各電極間で測定された電流値の関係から対象物の接触位置を特定するものである。投影容量方式は、一の層において帯状の複数の電極が平行に配設され、他の層において一の層における電極と垂直方向に同様の帯状の複数の電極が平行に配設され、各層の電極が格子状に並べられる。対象物が近接して接触すると、格子を形成する各層の電極の格子間の静電容量が変化するため、その変化を測定することで、対象物の近接、接触位置を特定するものである。この投影容量方式は、複数の対象物の接触位置を特定することが可能であり、多くの機器で実用的に利用されている。
　また、近接、接触を複合的に測定する技術として、例えば特許文献１、２に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、下面に略帯状で複数の下電極層が形成された下基板の下方に、この下電極層と所定の空隙を空けて対向する、ベース導電層が上面に形成されたベース基板を設けると共に、下電極層の間に略帯状の複数の下導電層を設けることによって、上基板下面の上電極層と下電極層によって、指の近接操作の位置検出を行うと共に、指やペンでの押圧操作や摺動操作の位置検出は、下電極層及び下導電層とベース導電層によって行うことで、近接操作に加え、指やペンでの押圧操作と摺動操作の位置検出も精度よく行うことができるものである。
　特許文献２に示す技術は、入力操作位置を検出するタッチパネルと、押圧操作力を検出する感圧センサと、検出回路とを有する。タッチパネルは、Ｘ方向検出電極とＹ方向検出電極との交差領域に形成される複数のコンデンサを有する。感圧センサは、個々のコンデンサよりも大きな静電容量のコンデンサを形成する電極を有する。センサ装置はさらに、感圧センサの電極に近接して配置される検出電極を接地電位に接続することで、感圧センサの静電容量をより小さな容量値に変換する接地回路を有する。これにより、単一の検出回路によって容量の異なる２つのセンサの信号処理が可能とするものである。
特開２０１２－００３５２２号公報 特開２０１１－１３４０００号公報
　しかしながら、特許文献１に示す技術は、抵抗方式と投影容量方式を組み合わせることで多様な操作が可能になるものの、対象物の押圧力を測定することが困難であるという課題を有する。また、積層数が多くなってしまうため、透明度が低下してしまうという課題を有する。また、特許文献２に示す技術は、接触の測定において圧力の検出は可能であるものの、正確な位置を検出することが難しいという課題を有する。
　本発明は、近接及び接触における位置、圧力等の正確な測定が可能であり、タッチパネルとして用いた場合には、従来に比べて操作性の向上及び誤動作の軽減が可能な近接・接触センサを提供する。
　本発明に係る近接・接触センサは、一の方向に通電する複数の上電極を有するシート状の上電極層、及び、前記上電極と絶縁され、前記上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記上電極と交差して配設される複数の下電極を有するシート状の下電極層を含む第１検出手段と、前記第１検出手段の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設され、前記対象物の接触又は押圧力に応じた電気的な変化を検出する第２検出手段と、前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記上電極及び前記下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２検出手段で検出された前記電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備えるものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、対象物が接近している場合には、第１検出手段により対象物の接近の有無及びその位置を特定することができ、対象物が接触又は押圧した場合には、第２検出手段により対象物の接触位置及びその押圧力を特定することができるため、電気的な変化（例えば、静電容量の変化等）を測定することで、一つのセンサで接近から接触、押圧までの一連の複数の動作を各動作ごとに正確に検知することができるという効果を奏する。
　また、第１検出手段により接近の有無及びその位置を特定することができるため、例えば、３次元画像のように立体感や奥行き感がある画像に対しても対象物によるポインティングが可能となり、操作の幅を各段に広げることができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、少なくとも前記第１検出手段がグラウンドに接続されている場合に、前記第２検出手段に交流電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記第２検出手段が、端部にそれぞれ検出電極を有し、全面に亘って略一様な抵抗であるシート状の導電層からなるものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、第１検出手段がグラウンドに接続されている場合に、第２検出手段に交流電圧を印加し、第２検出手段が、端部にそれぞれ検出電極を有し、全面に亘って略一様な抵抗であるシート状の導電層からなるため、接触又は押圧の位置に応じた抵抗値に依存する検出電極における電気的な変化を測定することで、接触又は押圧の位置を正確に検出することができるという効果を奏する。
　また、押圧力の中心位置をアナログ的に検出することができるため、配線を少なくして構成を簡略化することができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、前記演算手段が、前記各検出電極にて検出された前記電気的な変化の合計値に基づいて、前記対象物による押圧力の値を特定するものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、演算手段が、各検出電極にて検出された電気的な変化の合計値に基づいて、対象物による押圧力の値を特定するため、押圧力を正確に求めることができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、当該近接・接触センサが３次元像を映すディスプレイに搭載されており、前記第１検出手段において検出される電気的な変化、及び／又は、前記第２検出手段において検出される電気的な変化について、前記対象物との関係で較正データを作成する較正手段を備え、前記演算手段が、前記較正手段にて作成された前記較正データに基づいて演算処理を行うものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、当該近接・接触センサが３次元像を映すディスプレイに搭載されており、第１検出手段において検出される電気的な変化、及び、第２検出手段において検出される電気的な変化について、対象物との関係で較正するため、利用者ごとに見え方が異なるような３次元映像についても、較正データを用いて正確に操作することが可能となり、操作の幅や機能の拡張を大幅に広げることができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、一の方向に通電する複数の第１上電極を有するシート状の第１上電極層、及び、前記第１上電極と絶縁され、前記第１上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第１上電極と交差して配設される複数の第１下電極を有するシート状の第１下電極層を含む第１検出手段と、前記第１検出手段の下方に配設され、一の方向に通電する複数の第２上電極を有するシート状の第２上電極層、及び、前記第２上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第２上電極と交差して配設される複数の第２下電極を有するシート状の第２下電極層が、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層を挟んで配設される第２検出手段と、前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記第１上電極及び前記第１下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２上電極及び前記第２下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備え、前記第２検出手段における前記複数の第２上電極、及び、前記複数の第２下電極の交差により形成される網目が、前記第１検出手段における前記複数の第１上電極、及び、前記複数の第１下電極の交差により形成される網目より細かくなっているものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、第１検出手段と、当該第１検出手段の下方に、中間層を挟んで交差する第２上電極及び第２下電極を有する第２検出手段とを備え、第１検出手段の網目に比べて第２検出手段の網目が細かく形成されているため、近接における検出感度を高めつつ、接触及び押圧における分解能を向上させることができ、近接及び接触をバランスよく高精度に検出することができるという効果を奏する。また、複数の対象物について、近接、接触及び押圧の異なる位置を同時に検出することができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、一の方向に通電する複数の第１上電極を有するシート状の第１上電極層、及び、前記第１上電極と絶縁され、前記第１上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第１上電極と交差して配設される複数の第１下電極を有するシート状の第１下電極層を含む第１検出手段と、前記第１検出手段の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設され、一の方向に通電する複数の第２上電極を有するシート状の第２上電極層、及び、前記第２上電極と絶縁され、前記第２上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第２上電極と交差して配設される複数の第２下電極を有するシート状の第２下電極層を含む第２検出手段と、前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記第１上電極及び前記第１下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２上電極及び前記第２下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備え、前記第２検出手段における前記複数の第２上電極、及び、前記複数の第２下電極の交差により形成される網目が、前記第１検出手段における前記複数の第１上電極、及び、前記複数の第１下電極の交差により形成される網目より細かくなっているものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、第１検出手段と第２検出手段とが、中間層を挟んで同様の構造となっており、第１検出手段の網目に比べて第２検出手段の網目が細かく形成されているため、近接における検出感度を高めつつ、接触及び押圧における分解能を向上させることができ、近接及び接触をバランスよく高精度に検出することができるという効果を奏する。また、複数の対象物について、近接、接触及び押圧の異なる位置を同時に検出することができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、前記演算手段が、前記第１検出手段にて前記対象物の接近が検出されていない場合に、前記第２検出手段における検出の処理を行わないものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、第１検出手段にて対象物の接近が検出されていない場合に、第２検出手段における検出の処理を行わないため、必要ない処理については行われず、演算処理を軽減して操作性の向上を図ることができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、前記演算手段が、前記第１検出手段にて前記対象物の接近が検出された場合に、当該対象物の接近位置に対応する位置における前記第２検出手段の検出の処理を行うものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、第１検出手段にて前記対象物の接近が検出された場合に、当該対象物の接近位置に対応する位置における前記第２検出手段の検出の処理を行うため、対象物が接触・押圧している位置及びその周辺部分についてのみ検出処理が行われるため、演算処理を軽減して操作性の向上を図ることができるという効果を奏する。
　本発明に係る近接・接触センサは、シート状の第１電極と、前記第１電極の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設されるシート状の第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に対して同電位・同位相の交流電圧を印加する１又は複数の電圧印加手段と、前記第１電極に前記対象物が接近した場合に、当該第１電極の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１電極に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第１電極及び前記第２電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第２電極に対して、前記電圧印加手段又はグラウンドのいずれか一方に接続を切り替える切替手段とを備え、前記対象物の接近を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記電圧印加手段が接続するように切り替えを行い、前記対象物の接触又は押圧力を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記グラウンドが接続するように切り替えを行うものである。
　このように、本発明に係る近接・接触センサにおいては、シート状の第１電極と、前記第１電極の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設されるシート状の第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に対して同電位・同位相の交流電圧を印加する１又は複数の電圧印加手段と、前記第１電極に前記対象物が接近した場合に、当該第１電極の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１電極に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第１電極及び前記第２電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第２電極に対して、前記電圧印加手段又はグラウンドのいずれか一方に接続を切り替える切替手段とを備え、前記対象物の接近を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記電圧印加手段が接続するように切り替えを行い、前記対象物の接触又は押圧力を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記グラウンドが接続するように切り替えを行うため、対象物の接近を検出する場合は、第１電極と第２電極とを同電位・同位相にして外部（主に下方）からのノイズを除去することができ、対象物の接触又は押圧力を検出する場合は、第２電極をグラウンドに接続して外部（主に下方）からのノイズを除去することができ、別途シールド層を設ける必要がなく、正確な動作を実現することができるという効果を奏する。
第１の実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図及び断面図である。 第１の実施形態に係る近接・接触センサの機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。 ３次元タッチパネルの操作例を示す図である。 第１の実施形態に係る近接・接触センサにおいて較正処理部を備える場合の近接・接触センサ１００の機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図である。 第２の実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。 第３の実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図である。 第３の実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。 第４の実施形態に係る近接・接触センサの上面図である。 第５の実施形態に係る近接・接触センサの分解斜視図である。 第５の実施形態に係る近接・接触センサの測定手法を示す図である。 第５の実施形態に係る近接・接触センサのイメージ図である。 第１の実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。 第１の実験において対象物を近接・接触させた場合の結果を示す図である。 第１の実験における測定方法を示す図である。 第１の実験において対象物を押圧及びスライド移動させた場合の測定結果を示す図である。 第２の実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。 第２の実験における測定方法及びシステム構成を示す図である。 第２の実験において対象物を近接させた場合の結果を示す図である。 第２の実験において対象物を接触、押圧させた場合の結果を示す図である。 第２の実験で作成したセンサをアレイ化した３Ｄ触覚センサの外観図である。 図２２における３Ｄ触覚センサのシステム構成図である。 第２の実験において対象物を接地したアルミニウムとした場合の測定結果を示す図である。 第２の実験において対象物をアクリルとした場合の測定結果を示す図である。 第３の実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。 第３の実験における近接の測定結果を示す図である。 第３の実験における接触、押圧の測定結果を示す図である。 第３の実験における選択スキャン測定の実験方法を示す図である。 第３の実験における選択スキャン測定の実験結果を示す図である。 第４の実験の測定結果を示す図である。 従来の一般的な技術を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
　　（本発明の第１の実施形態）
　本実施形態に係る近接・接触センサについて、図１ないし図５を用いて説明する。本実施形態に係る近接・接触センサは、一の方向に通電する帯状又は菱形が連接した市松状の複数の上電極を有するシート状の上電極層、及び、前記上電極と絶縁され、前記上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記上電極と交差して配設される帯状又は菱形が連接した市松状の複数の下電極を有するシート状の下電極層を含む第１検出部と、前記第１検出部の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて静電容量が変化する弾性体からなる中間層と、前記中間層の下方に配設され、前記対象物の接触又は押圧力に応じた静電容量の変化を検出する第２検出部と、前記第１検出部に前記対象物が接近した場合に、前記上電極及び前記下電極間の静電容量の変化に基づいて、前記対象物の接近及びその位置を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出部に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２検出部で検出された前記静電容量の変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算部と、前記第１検出部又は前記第２検出部のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替部とを備えるものである。
　図１は、本実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図及び断面図である。センサ部１は、対象物の接近の有無やその位置を検出する第１検出部１０と、当該第１検出部１０の下方に積層配置される弾性体からなる中間層１５と、当該中間層１５の下方に積層配置され、対象物の接触又は押圧による中間層１５の変化に応じた接触／押圧の位置及び押圧力を検出する第２検出部２０とを備える。
　第１検出部１０は、一の方向に菱形状に連接する複数の上電極１１が、それぞれ非接続状態（絶縁状態）で平行に複数配設されて市松模様が形成されたシート状の上電極層１２と、一の方向と垂直な他の方向に菱形状に連接する複数の下電極１３が、それぞれ非接続状態（絶縁状態）で平行に複数配設されて市松模様が形成されたシート状の下電極層１４とを有しており、上電極層１２の市松模様を形成する上電極１１の方形と、下電極層１４の市松模様を形成する下電極１３の方形とが、平面視で相互に重ならないように交差して配置されて積層されている。ただし、上電極１１と下電極１３とが交差するように配設されるため、菱形状に連接する接続部分については、平面視で一部重なる構成となる。
　中間層１５は、対象物の接触又は押圧に応じて変形することで、第１検出部１０と第２検出部２０との間の静電容量を変化させる弾性体からなり、例えば空気であってもよい。第２検出部２０は、一様な抵抗を有する導電性シート２１の４隅に電極２２が配設されている。
　図２は、本実施形態に係る近接・接触センサの機能ブロック図である。近接・接触センサ１００は、対象物の近接、接触及び押圧に応じた電気的な変化を測定する図１に示す構成のセンサ部１と、センサ部１に電気を供給（例えば、交流電圧を印加）する電源部３０と、センサ部１における第１検出部１０及び第２検出部２０のいずれかをグラウンドに接続するように所定の間隔（例えば、０．１ｍｓ、１ｍｓ、１０ｍｓ等）で回路の切り替えを行う切替部４０と、センサ部１で測定された結果に基づいて、対象物の近接、接触及び押圧に関して演算を行う演算部５０と、演算した結果を出力する出力部６０とを備える。
　ここで、演算部５０の機能について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、対象物の近接を測定する第１検出部１０における静電容量の測定のイメージ図であり、図３（Ｃ）、（Ｄ）は、対象物の接触、押圧を測定する第２検出部２０における静電容量の測定のイメージ図である。なお、ここでは簡略化のため、上電極１１と下電極１３とを同一平面内に接触させて示しているが、厳密には図１に示したようにそれぞれの電極は絶縁されて異なる層となっている。
　上述したように、切替部４０は、第１検出部１０及び第２検出部２０のいずれかをグラウンドに接続するように所定の間隔で断続的に回路の切り替えを行っており、グラウンドの接続が第２検出部２０に配設される電極２２（以下、電極Ｅ３という）に切り替えられている場合に、第１検出部１０により近接測定が行われる。図３（Ａ）、（Ｂ）において、電極Ｅ３がグラウンドに接続されている場合、上電極１１（以下、電極Ｅ１という）と下電極１３（以下、電極Ｅ２という）との間の静電容量Ｃ１は、対象物（図３では、対象物が指で示されている）が接近すると変化する（Ｃ’１）。その変化を測定することで、対象物の有無又は対象物の誘電率が既知の場合には対象物までの距離を推定することができる。また、静電容量Ｃ１が変化したＥ１とＥ２の組み合わせから、対象物が接近した位置を特定することができる。
　また、図３（Ｃ）、（Ｄ）において、切替部４０により、グラウンドの接続が第１検出部１０における上電極１１（電極Ｅ１）及び下電極１３（電極Ｅ２）に切り替えられている場合に、第２検出部２０により対象物の接触又は押圧が測定される。電極Ｅ３（図３（Ｃ）、（Ｄ）で示す両端の電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂ）には、電源部３０により交流電圧が印加されており、電極Ｅ１及びＥ２と導電性シート２１との間の抵抗が一様であれば、電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂに流れる電流は一定である。センサ部１の表面が接触又は押下された場合、第１検出部１０及び第２検出部２０間の静電容量Ｃ２は変化する（Ｃ’２）。それにより、電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂにて測定される静電容量は変化する。なお、このとき、第２検出部２０において接触が検出されると、対象物の材質（人又は物）を判別することが可能となる。
　ここで、電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂから対象物が接触又は押下した位置までの抵抗値をＲａとＲｂとすると、静電容量の変化はＣ２の変化及びＲａ、Ｒｂの値に依存する。電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂにより測定される静電容量の変化をＣａ、Ｃｂとすると、下記の式で表すことができる。
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　このことから、電極Ｅ３ａ及びＥ３ｂのそれぞれの静電容量の変化により、接触又は押下された位置（圧力の中心点）を検出することができる。また、Ｃａ、Ｃｂの合計値から、押し込み量（押圧力）を算出することができる（Ｃａ＋Ｃｂ＝Ｃ’２）。
　上記で説明した近接・接触センサ１００は、例えば３次元タッチパネルに応用することでより効果的な利用が可能となる。図４は、３次元タッチパネルの操作例を示す図である。図４（Ａ）は、利用者から見て画像が飛び出しているように見える場合（手前に立体感がある場合）のイメージ図であり、図４（Ｂ）は、タッチパネルの表面付近に３次元画像が見える場合のイメージ図であり、図４（Ｃ）は、利用者から見て奥行きがあるように見える場合のイメージ図である。
　図４（Ａ）のように映像が飛び出している場合は、対象物の近接の有無、距離及び位置を測定することで画面を操作することができる。図４（Ｂ）のように画面付近の映像は接触の位置を測定することで画面を操作することができる。図４（Ｃ）のように奥行きがある場合は押圧の位置及び押圧力を測定することで画面を操作することができる。これらの操作ができることで、例えば画面の中のボールを画面手前に持ち上げたり、画面奥にバウンドさせたりすることが可能となる。
　図４（Ａ）や図４（Ｃ）のように、手前方向や奥行き方向の操作（利用者から見て前後方向の操作）を行う場合には、利用者の指からタッチパネルまでの距離や押圧力を予め較正しておいたほうが、より正確な操作が可能となる。すなわち、３次元画像は利用者ごとに異なる見え方となるため、各利用者ごとに初期値を予め定めておくことで、各利用者ごとに適した操作を実現することができる。図５は、較正処理部を備える場合の近接・接触センサ１００の機能ブロック図である。
　利用者は、近接・接触センサ１００を使う際に、予め較正処理部７０による較正を実施し、そのデータを利用者ごとに保存しておく（図示しない）。演算部５０は、センサ部１から信号が送られた際に、予め較正しておいたデータを用いて、その利用者ごとに指の位置、距離、押圧力等を演算する。例えば、具体的に説明すると、タッチパネルの起動直後に基準となる任意の３次元画像を表示し、利用者にその先端（手前方向の先端及び奥行き方向の先端）を仮想的に触れてもらう。較正処理部７０は、利用者が先端に触れた際の指の位置、距離、誘電率等をセンサ部１から取得し、表示した基準の３次元画像との関係で較正データを作成して記憶する。演算部５０は、作成された較正データに基づいて、センサ部１から取得した実際に測定された情報を補正して出力部６０に演算結果を渡す。
　なお、較正データの作成は、近接・接触センサ１００を利用する最初の１回のみ実施すればよく、２回目以降の利用の際には利用者ごとの識別情報や誘電率の違いを用いることで、較正データを利用者ごとに使い分けるようにしてもよい。
　また、本実施形態に係る近接・接触センサ１００において、第１検出部１０の構成を図１のような市松模様としたが、図３２に示す投影容量方式のように、平行に並んだ帯状の電極が垂直方向に絶縁状態で交差して格子状を形成するようにしてもよい。さらに、第１検出部１０において、単電極に交流電圧を印加し、グラウンド間の静電容量を測定するようにしてもよい（第２検出部２０にも適用可能）。さらにまた、第２検出部２０の電極２２は、４隅である必要はなく、導電性シート２１の端部であればよい。
　　（本発明の第２の実施形態）
　本実施形態に係る近接・接触センサについて、図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図である。センサ部１は、対象物の近接の有無やその位置を検出する第１検出部１０と、当該第１検出部１０の下方に、対象物の接触／押圧の位置及び押圧力を検出する第２検出部２０とを備え、第２検出部２０の第２上電極層と第２下電極層との間には、対象物の接触又は押圧により変形する弾性体からなる中間層１５を備える。第１検出部１０の構成は、前記第１の実施形態の場合と同じである。
　第２検出部２０は、一の方向に非接続状態（絶縁状態）で平行に複数配設される帯状の第２上電極６１が形成されたシート状の第２上電極層６２と、一の方向に垂直な他の方向に非接続状態（絶縁状態）で平行に複数配設される帯状の第２下電極６３が形成されたシート状の第２下電極層６４とを有しており、第２上電極６１と第２下電極６３とが平面視で格子状に重なるように交差して配置されて積層されている。第２上電極層６２と第２下電極層６４との間には、対象物の接触又は押圧により変形する弾性体からなる中間層１５を備えており、第２上電極６１、及び、第２下電極６３の交差により形成される網目が、第１検出部１０における各電極の交差により形成される市松模様の網目より細かくなっている。
　すなわち、静電容量測定において検出感度を高めるためには、電極を大きくする必要がある。しかしながら、座標分解能を上げるためには、電極の配列の幅を狭くする必要がある。そこで、第１検出部１０の電極を大きくすることで近接における測定感度を高めると共に、第２検出部２０の電極を小さくすることにより接触、押圧における分解能を向上させている。
　図７は、本実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。図７（Ａ）、（Ｂ）は、対象物の近接を測定する第１検出部１０における静電容量の測定のイメージ図であり、図７（Ｃ）、（Ｄ）は、対象物の接触、押圧を測定する第２検出部２０における静電容量の測定のイメージ図である。図７（Ａ）、（Ｂ）の第１検出部１０の測定手法は、前記第１の実施形態における図３の場合と同じである。
　図７（Ｃ）、（Ｄ）において、切替部４０により、グラウンドの接続が第１検出部１０における上電極１１（電極Ｅ１）及び下電極１３（電極Ｅ２）に切り替えられている場合に、第２検出部２０により対象物の接触又は押圧が測定される。電極Ｅ１及びＥ２がグラウンドに接続されてシールドされることで、近接を測定する際には静電容量Ｃ２が変化を受けることはないが、接触又は押圧がなされた場合は、第２検出部２０における第２上電極６１（電極Ｅ３）と第２下電極６３（電極Ｅ４）との距離が変化することで、静電容量Ｃ２が変化する。Ｃ２の変化は、第２上電極６１と第２下電極６３との距離に反比例することから、静電容量を測定することにより押し込み量（押圧力）を検出することができる。また、静電容量Ｃ２が変化したＥ３とＥ４の組み合わせから、対象物が接触、押圧した位置を特定することができる。なお、ここでも、第２検出部２０において接触が検出されると、対象物の材質（人又は物）を判別することが可能である。
　なお、本実施形態に係る近接・接触センサの機能ブロック図は、前記第１の実施形態における図２や図５と同様である。
　　（本発明の第３の実施形態）
　本実施形態に係る近接・接触センサについて、図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る近接・接触センサのセンサ部の分解斜視図である。センサ部１は、対象物の近接の有無やその位置を検出する第１検出部１０と、当該第１検出部１０の下方に対象物の接触又は押圧により変形する弾性体からなる中間層１５と、中間層１５の下方に対象物の接触／押圧の位置及び押圧力を検出する第２検出部２０とを備える。第１検出部１０の構成は、前記第１の実施形態の場合と同じである。
　第２検出部２０は、第１検出部１０と同様の構成となっているが、第２上電極６１、及び、第２下電極６３の交差により形成される網目が、第１検出部１０における各電極の交差により形成される網目より細かくなっている。
　すなわち、第２の実施形態の場合と同様に、第１検出部１０の電極を大きくすることで近接における測定感度を高めると共に、第２検出部２０の電極を小さくすることにより接触、押圧における分解能を向上させている。
　図９は、本実施形態に係る近接・接触センサによる測定手法を示す図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は、対象物の近接を測定する第１検出部１０における静電容量の測定のイメージ図であり、図９（Ｃ）、（Ｄ）は、対象物の接触、押圧を測定する第２検出部２０における静電容量の測定のイメージ図である。図９（Ａ）、（Ｂ）の第１検出部１０の測定手法は、前記第１の実施形態における図３の場合と同じである。
　図９（Ｃ）、（Ｄ）において、切替部４０により、グラウンドの接続が第１検出部１０における上電極１１（電極Ｅ１）及び下電極１３（電極Ｅ２）に切り替えられている場合に、第２検出部２０により対象物の接触又は押圧が測定される。電極Ｅ１及びＥ２がグラウンドに接続されてシールドされることで、近接を測定する際には静電容量Ｃ２が変化を受けることはないが、接触又は押圧がなされた場合は、中間層１５が変形することで静電容量Ｃ２が変化する。Ｃ２の変化は、押し込み量（押圧力）に反比例することから、静電容量を測定することで押圧力を検出することができる。また、静電容量Ｃ２が変化した第２上電極６１と第２下電極６３の組み合わせから、対象物が接触、押圧した位置を特定することができる。なお、ここでも、第２検出部２０において接触が検出されると、対象物の材質（人又は物）を判別することが可能である。
　なお、本実施形態に係る近接・接触センサの機能ブロック図は、前記第１の実施形態における図２や図５と同様である。
　　（本発明の第４の実施形態）
　本実施形態に係る近接・接触センサについて、図１０を用いて説明する。本実施形態においては、対象物が接近するまでは、第２検出部２０による検出処理を行わず、対象物が接触、押圧した際にのみ第２検出部２０による検出処理を行う。また、第１検出部１０が対象物の接近を検出した場合に、その接近位置の情報に基づいて、第２検出部２０の対応する位置の電極のみを用いて対象物の接触、押圧を測定する。
　本実施形態においては、指でセンサを触る動作の近接から接触する一連の流れに着目し、接触測定を選択的に行うことにより応答速度の改善を行う。すなわち、第１検出部１０により対象物の接近を検出するまでは、第２検出部２０による押し込み量の測定を行わない。対象物の接近を検知した場合、その位置のみ押し込み量の測定を行う。
　図１０は、本実施形態に係る近接・接触センサの上面図である。例えば、図１０に示すように、接近を測定する第１検出部１０が、２×２（Xａ－Ｘｂ，Ｙａ－Ｙｂ）のアレイ、第２検出部２０が、６×６（X１－Ｘ６，Ｙ１－Ｙ６）のアレイの場合、全ての測定点を測定すると４０点の静電容量の測定が必要となる。ここで、接近測定を元に、接触・押圧測定を選択的に行う。対象物がセンサ表面に存在しない場合は、第１検出部１０に相当するＸａ，Ｘｂ－Ｙａ，Ｙｂ電極間のみを用いて４点の測定を行う。また、Ｘａ－Ｙａ電極間に対象物が接近した場合、第１検出部１０の４点の測定に加え、第２検出部２０のＸ１，Ｘ２，Ｘ３－Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３電極間の静電容量のみを用いて９点の測定を行う。これにより、測定点を減らすことができ、応答速度を格段に高めることができる。
　　（本発明の第５の実施形態）
　本実施形態に係る近接・接触センサについて、図１１ないし図１３を用いて説明する。本実施形態に係る近接・接触センサは、シート状の第１電極と、前記第１電極の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設されるシート状の第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に対して同電位・同位相の交流電圧を印加する１又は複数の電圧印加手段と、前記第１電極に前記対象物が接近した場合に、当該第１電極の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１電極に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第１電極及び前記第２電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第２電極に対して、前記電圧印加手段又はグラウンドのいずれか一方に接続を切り替える切替手段とを備え、前記対象物の接近を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記電圧印加手段が接続するように切り替えを行い、前記対象物の接触又は押圧力を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記グラウンドが接続するように切り替えを行うものである。。
　通常、タッチパネルにはモニタからのノイズを除去するために、測定する電極とモニタとの間にシールド電極が用いられている。従来から知られている投影容量方式の場合はシールド電極を接地し、表面容量方式の場合はシールド電極に測定電圧と同電位・同位相の電圧を印加することにより、モニタからのノイズの影響を遮断する。本実施形態においては、このシールド状態を変化させることで、接近から接触、押圧の測定を行う。
　図１１は、本実施形態に係る近接・接触センサの分解斜視図である。近接・接触センサ１は、シート状の第１電極Ｅ１とシート状の第２電極Ｅ２とが、弾性体からなる中間層１５を挟んで対向して積層されている。第１電極Ｅ１には電源部３０から交流電圧が印加され、グラウンド間の静電容量が測定される。第２電極Ｅ２は、シールドの役割を兼ねるために、グラウンド又は測定電圧と同電位・同位相にスイッチで接続される。
　図１２は、本実施形態に係る近接・接触センサの測定手法を示す図である。第２電極Ｅ２を測定電極と同電位・同位相に接続した場合、接地された対象物（例えば、人の指等）が接近するとＣ１は変化する（図１２（Ａ）、（Ｂ）を参照）。すなわち、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２間は同電位・同位相であるため電流が流れず、測定される静電容量に影響を与えない。つまり、下方からのノイズに影響されることなくＣ１のみを正確に測定することで、対象物の接近を正確に測定することができる。
　次に、第２電極Ｅ２をグラウンドに接続した場合、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間には電位差があり電流が流れる。そのため、測定静電容量は、Ｃ１及びＣ２の影響を受ける。Ｃ２は第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２間の距離、すなわち押し込み量により変化するので、下方からのノイズの影響を受けることなく対象物の接触位置及び押し込み量を正確に測定することが可能となる。
　図１３は、本実施形態に係る近接・接触センサのイメージ図である。本実施形態においては、第１電極Ｅ１に相当する表面容量方式の層と、第２電極Ｅ２に相当するシールド層で構成されている。上述したように、シールドの状態を変化させることで、下方からのノイズ等の影響を受けることなく、対象物の接近、接触及び押圧を正確に測定することができる。
　本発明に係る近接・接触センサについて、以下の実験を行った。
（１）第１の実施形態に係る近接・接触センサの実験
　図１４は、本実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。図１４（Ａ）は近接・接触センサの上面図及び側面図である。本実験では、対象物としてアクリルと指のモデルとして接地したアルミニウム（ＧＮＤ）を用い、図１４（Ｂ）に示すようにセンサに近接・接触させた。まず、電極Ｅ３ａ、Ｅ３ｂを接地し、電極Ｅ１とＥ２の間の静電容量を測定した。図１５は、その結果を示す図である。対象物が近づくにつれて値が変化していることがわかる。このことから、対象物の有無を判定することができ、また、対象物の誘電率が既知の場合には、対象物の距離を検出することができる。
　次に、電極Ｅ１とＥ２を接地し、電極Ｅ３ａ、Ｅ３ｂそれぞれのＧＮＤ間の静電容量を測定した。このとき、図１６（Ａ）に示すように、Ａ、Ｂ及びＣの位置に対象物を０．１０ｍｍから０．０４ｍｍ押し付けた。また、図１６（Ｂ）に示すように、対象物を押し付けながら左右にスライドさせた。図１７に電極Ｅ３ａ、Ｅ３ｂそれぞれのＧＮＤ間の静電容量の変化を示す。電極Ｅ３ａにより測定した静電容量をＣａ、電極Ｅ３ｂにより測定した静電容量をＣｂとする。図１７（Ａ）、（Ｂ）にＡ、Ｂ及びＣのそれぞれの位置で押し付けた結果を示し、図１７（Ｃ）、（Ｄ）にスライドさせた場合の結果を示す。ここで、Ｃａ及びＣｂが所定値以下の場合は０とし、Ｃａ及びＣｂが０の場合のΔＣａ／（ΔＣａ＋ΔＣｂ）は変化の平均とした。図１７の結果が示すように、Ｃａ、Ｃｂの関係から押し込み量と位置の検出を高精度に行うことが可能である。
（２）第２の実施形態に係る近接・接触センサの実験
　図１８は、本実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。本実験では、センサ上部の平面型静電容量センサの電極（Ｅ１、Ｅ２）を大きく（電極幅２０ｍｍ）することにより近接における検出感度を高め、センサ下部の平行平板型静電容量センサの電極（Ｅ３、Ｅ４）を小さく（電極幅６．５ｍｍ）することにより、接触における分解能の向上を図った。すなわち、Ｅ１、Ｅ２に対して、Ｅ１、Ｅ２を各３本（３×３）設置する構造とした。それぞれの電極にはＩＴＯフィルムを用い、ディスプレイからの画像を透過させる。平行平板型静電容量センサの電極間に透明なウレタンゲル（厚さ２ｍｍ、硬度０、図中のＣＧに相当）を配置した。センサ上部には、センサ装置と対象物とを絶縁するために、厚さ０．１ｍｍのポリエチレンテレフタレート（図中のＰに相当）を配置した。センサ底部に接地したＩＴＯフィルムを設置しシールド（図中のＳに相当）として用いた。
　対象物（１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍ）として、アクリルと指のモデルとして接地したアルミニウム（ＧＮＤ）を用いた。対象物をＺ軸ステージに取り付け、センサと対象の距離を制御した（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ：０ｍｍが接地点）。対象物は、図１９（Ａ）に示すように、センサの中心に設置し、アナログスイッチ、静電容量測定ＩＣ及びマイコンを用いた制御回路にて静電容量を測定し、測定データを取りこんだ（図１９（Ｂ））。
　上記センサを用いて近接における測定について実験を行った。センサと対象物の位置をＺ軸ステージにより０ｍｍ（接触）から４０ｍｍまで制御した。図２０に近接における測定結果を示す。横軸に対象までの距離（位置）、縦軸に静電容量値を示す。図２０（Ａ）にセンサ下部の平行平板型静電容量センサの中心の電極における結果、図２０（Ｂ）にセンサ上部の平面型静電容量センサの結果を示す。図２０（Ａ）より、センサと対象物が接触していない場合、静電容量は変化しない。また、センサと対象物が接触した場合、静電容量が変化することから、センサが対象物に接触したことを検出することができる。図２０（Ｂ）より、センサと対象物までの距離に対し、静電容量が変化している。それにより、センサ下部の平行平板型静電容量センサにて非接触とわかった場合、静電容量の変化により対象物の接近を検出することができる。ここで、静電容量は対象物の誘電率及び距離により変化が異なることから、事前にセンサに対象物を接触させ、位置０の値を得ることにより、対象物までの距離を検出できる。
　次に、上記センサを用いて接触における測定について実験を行った。センサと対象物の位置をＺ軸ステージにより０ｍｍ（接触）から－０．４ｍｍまで制御した。図２１に接触における測定結果を示す。横軸に対象までの距離、縦軸に静電容量値を示す。図２１（Ａ）にセンサ下部の平行平板型静電容量センサの中心の電極における結果、図２１（Ｂ）にセンサ上部の平面型静電容量センサの結果を示す。図２１（Ａ）より、距離（押し込み量）の変化に対し静電容量が変化している。また、この変化は対象物の誘電率により変化しないことから、静電容量より押し込み量を検出することができる。図２１（Ｂ）より、下部の平行平板型静電容量センサにより接触を検知した場合、静電容量の変化により対象物の電気特性（誘電率）の違いによる材質識別ができる。
　上記センサをアレイ化した３Ｄ触覚センサを作成して実験を行った（図２２）。センサ上部の平面型静電容量センサの電極数は、Ｘ軸方向に５本、Ｙ軸方向に３本とし（５×３）、センサ下部の平行平板型静電容量センサの電極数は、Ｘ軸方向に１５本、Ｙ軸方向に９本とした（１５×９）。なお、本センサの大きさは、約４．８インチとした。
　図２３に測定システムを示す。センサのアレイ化に伴い、制御回路に静電容量測定速度が速い静電容量測定ＩＣを用いた。測定されたデータ（１６ｂｉｔ）取り込み、画像化した。上記の実験で用いた対象物をセンサ中央に設置し、Ｚ軸ステージで対象とセンサの位置を４０ｍｍから－０．３ｍｍに調節した。
　図２４に対象物が接地したアルミニウムの場合の結果、図２５に対象物がアクリルの場合における結果をそれぞれ示す。図２４（Ａ）、図２５（Ａ）にセンサ下部の平行平板型静電容量センサの結果、図２４（Ｂ）、図２５（Ｂ）にセンサ上部の平面型静電容量センサの結果を示す。結果は、定常値からの変化量で表している。図２４（Ａ）及び図２５（Ａ）より、対象物とセンサとが接触していない場合、値は変化せず、接触した場合、それに合わせて値が変化している。これにより、接触位置と押し込み量が検出できることがわかる。
　また、押し込んだ位置の周辺の値が下がっているが、これは、押し込んだ影響により押圧位置周辺が盛り上がったためだと考えられる。図２４（Ｂ）及び図２５（Ｂ）より対象物が近づいた場合、（図面の都合上、その変化が見難くなっているものの）値が変化している。このことから、近接において対象物の接近及び位置を検出することができる。さらに、接触した場合、センサ下部の平行平板型静電容量センサの結果をもとに対象物が接地された導体（指）かその他であるかを識別することができる。これらのことから、本発明に係る近接・接触センサにより３Ｄタッチパネルの実現の可能性が示された。
（３）第４の実施形態に係る近接・接触センサの実験
　図２６は、本実験で作成した近接・接触センサの構造を示す図である。近接における検出感度を高めるためにセンサ上部の平面型静電容量センサの電極Ｅ１、Ｅ２を大きく（電極幅２１ｍｍ）、接触における座標分解能の向上を図るため、センサ下部の平行平板型静電容量センサの電極Ｅ３、Ｅ４を小さく（電極幅７ｍｍ）した。センサ上部の平面型静電容量センサの電極数は、Ｘ軸方向に５本、Ｙ軸方向に３本とし（５×３本）、センサ下部の平行平板型静電容量センサの電極数は、Ｘ軸方向に１５本、Ｙ軸方向に９本とした（１５×９本）。それぞれの電極にはディスプレイからの画像を透過可能なＩＴＯフィルムを用いた。平行平板型静電容量センサの電極間に透明なウレタンゲル（厚さ２ｍｍ、硬度０）を設置した。センサ上部に厚さ０．５ｍｍのシリコンシート（Ｓｉ）を設置した。センサ底部に接地したＩＴＯフィルムを設置し、シールド（Ｓ）として用いた。本センサの大きさは、約４．８インチとした。アナログスイッチにより測定点を切り替え、静電容量測定ＩＣ及びマイコンを用いた制御回路にて静電容量の測定を行った。なお、測定に用いていない電極は接地した。
　上記作成したセンサを用いて、全ての測定点の測定（全スキャン測定）を行い、センサの基礎特性について確認を行った。対象物（１０×１０×５０ｍｍ）としてアクリルと指のモデルとして接地したアルミニウム（ＧＮＤ）を用いた。対象物をＺ軸ステージに取り付け、センサと対象物の距離を調整した（Position：0mmが接触点）。対象物はセンサの中央に設置した。近接における測定では、センサと対象物の位置をＺ軸ステージにより０ｍｍ（接触点）から４０ｍｍまで調整した。
　図２７は、近接における測定結果を示す図である。横軸に対象物までの距離（位置）、縦軸に測定結果を示す。図２７（Ａ）にセンサ下部の平行平板型静電容量センサの中心電極における結果を示し、図２７（Ｂ）にセンサ上部の平面型静電容量センサの中心電極における結果をそれぞれ示す。図２７（Ａ）より、センサと対象物が接触するまで押し込み量（ｘ）は変化しない。また、センサと対象物が接触した場合、ｘが変化することからセンサが対象物に接触したことを検出することができる。図２７（Ｂ）より、センサと対象物までの距離に対して、静電容量が変化する。それにより、センサ下部の平行平板型静電容量センサにて非接触とわかった場合、ΔＣ１により対象物の接近を検出することができる。本実験で試作したシステムでは、対象物が接地された導体（人）であれば、１５ｍｍ程度から対象物を検出可能である。また、対象物が近づくにつれてΔＣ１の変化が大きくなる。このことから、対象物がセンサに十分に近づいたことをΔＣ１の変化から検出することができる。
　図２８は、接触、押圧における測定結果を示す図である。センサと対象物との位置をＺ軸ステージにより０ｍｍ（接触点）から－０．６ｍｍまで調整した。横軸に対象物までの距離、縦軸に測定結果を示す。図２８（Ａ）にセンサ下部の平行平板型静電容量センサの中心電極における結果、図２８（Ｂ）にセンサ上部の平面型静電容量センサの中心電極における結果を示す。図２８（Ａ）より、距離（押し込み量）の変化に比例してｄが変化している。このことより、静電容量により押し込み量を推定することができる。図２８（Ｂ）より、静電容量の変化により対象物の電気特定（誘電率）の違いによる材質識別ができる。
　次に、測定点を減らして選択的に測定を行う選択スキャン測定を行った。本実験では、ΔＣ１が１０００digits以上変化した場合、対象物が十分近づいたと判別し、その位置のＣ２を測定する。実験は図２９に示すように、図２９（Ａ）のように指をセンサから十分離れた位置から、図２９（Ｂ）のように指を徐々にセンサに近づけ、最終的に図２９（Ｃ）のように指をセンサに押し込んだ後、センサから徐々に離した。
　図３０にその測定結果を示す。図３０（Ａ）は全スキャン測定による結果、図３０（Ｂ）は選択スキャン測定による結果を示す。指を近づけた場合、Ｃ１は全スキャン測定及び選択スキャン測定にて同様に変化している。全スキャン測定における押し込み量（ｄ）測定では、押し込み量に応じてｄが変化していることがわかる。図３０において、（１）の範囲ではセンサが対象物を検出しておらず、指が近づき（２）の範囲ではセンサが近接で対象物を検出する。指を押し込んだ（３）の範囲では接触を検出できる。また、選択スキャン測定では、指が十分にセンサに近づき、ΔＣ１が１０００digits以上変化するまでＣ２を測定しない（図３０（Ｂ）の（４））。ΔＣ１が１０００digits以上変化した場合、Ｃ２の測定を行い、その結果より押し込み量（ｄ）を検出する（図３０（Ｂ）の（５））。
　この結果から、対象物が十分に近づいた場合のみ押し込み量（ｄ）を検出できることがわかる。今回のシステムでは、全スキャン測定の場合、測定に０．４２ｓを要するが、選択スキャン測定では、近接のみ測定した場合は０．０８ｓであり、１点を指で押し込んだ場合は０．１ｓであった。さらに、２点を指で押し込んだ場合は０．１２ｓであった。このことから、選択スキャン測定では応答速度を格段に改善することができ、操作性が向上する。
（４）第５の実施形態に係る近接・接触センサの実験
　本実験用に図１１の構造を有するセンサを作成し、以下の実験を行った。
　Ｅ２をグラウンド又は測定電位と同電位・同位相にスイッチで切り替え、下記の条件にて連続的にＥ１電極における静電容量を測定した。
ａ．指をセンサに近づける
ｂ．指でセンサを押す
ｃ．アクリルの棒でセンサを押す
　その測定結果を図３１に示す。図３１（Ａ）において、ａではセンサが押されていないことから、Ｅ２をグラウンドに接続した場合も測定電位と同電位・同位相に接続した場合も同様の変化が見られる。ｂではＥ２をグラウンドに接続した場合の方が、測定電位と同電位・同位相に接続した場合より大きくなっている。ｃではグラウンドに接続した場合のみ変化している。これらの差分を図３１（Ｂ）に示す。図３１（Ｂ）に示すように、差分を求めることにより押圧を検出できることがわかる。また、対象物の接近はＥ２を測定電位と同電位・同位相に接続した場合に検出することができる。
　　１　センサ部
　　１０　第１検出部
　　１１　上電極（第１上電極）
　　１２　上電極層（第１上電極層）
　　１３　下電極（第１下電極）
　　１４　下電極層（第１下電極層）
　　１５　中間層
　　２０　第２検出部
　　２１　導電性シート
　　２２　電極
　　３０　電源部
　　４０　切替部
　　５０　演算部
　　６０　出力部
　　７０　較正処理部
　　６１　第２上電極
　　６２　第２上電極層
　　６３　第２下電極
　　６４　第２下電極層
　　１００　近接・接触センサ

Claims (11)

  1. 　一の方向に通電する複数の上電極を有するシート状の上電極層、及び、前記上電極と絶縁され、前記上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記上電極と交差して配設される複数の下電極を有するシート状の下電極層を含む第１検出手段と、
    　前記第１検出手段の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、
    　前記中間層の下方に配設され、前記対象物の接触又は押圧力に応じた電気的な変化を検出する第２検出手段と、
    　前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記上電極及び前記下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２検出手段で検出された前記電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、
    　前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備えることを特徴とする近接・接触センサ。
  2. 　請求項１に記載の近接・接触センサにおいて、
    　少なくとも前記第１検出手段がグラウンドに接続されている場合に、前記第２検出手段に交流電圧を印加する電圧印加手段を備え、
    　前記第２検出手段が、端部にそれぞれ検出電極を有し、全面に亘って略一様な抵抗であるシート状の導電層からなることを特徴とする近接・接触センサ。
  3. 　請求項２に記載の近接・接触センサにおいて、
    　前記演算手段が、前記各検出電極にて検出された前記電気的な変化の合計値に基づいて、前記対象物による押圧力の値を特定することを特徴とする近接・接触センサ。
  4. 　請求項１ないし３のいずれかに記載の近接・接触センサにおいて、
    　当該近接・接触センサが３次元像を映すディスプレイに搭載されており、
    　前記第１検出手段において検出される電気的な変化、及び／又は、前記第２検出手段において検出される電気的な変化について、前記対象物との関係で較正データを作成する較正手段を備え、
    　前記演算手段が、前記較正手段にて作成された前記較正データに基づいて演算処理を行うことを特徴とする近接・接触センサ。
  5. 　一の方向に通電する複数の第１上電極を有するシート状の第１上電極層、及び、前記第１上電極と絶縁され、前記第１上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第１上電極と交差して配設される複数の第１下電極を有するシート状の第１下電極層を含む第１検出手段と、
    　前記第１検出手段の下方に配設され、一の方向に通電する複数の第２上電極を有するシート状の第２上電極層、及び、前記第２上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第２上電極と交差して配設される複数の第２下電極を有するシート状の第２下電極層が、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層を挟んで配設される第２検出手段と、
    　前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記第１上電極及び前記第１下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２上電極及び前記第２下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、
    　前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備え、
    　前記第２検出手段における前記複数の第２上電極、及び、前記複数の第２下電極の交差により形成される網目が、前記第１検出手段における前記複数の第１上電極、及び、前記複数の第１下電極の交差により形成される網目より細かくなっていることを特徴とする近接・接触センサ。
  6. 　一の方向に通電する複数の第１上電極を有するシート状の第１上電極層、及び、前記第１上電極と絶縁され、前記第１上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第１上電極と交差して配設される複数の第１下電極を有するシート状の第１下電極層を含む第１検出手段と、
    　前記第１検出手段の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、
    　前記中間層の下方に配設され、一の方向に通電する複数の第２上電極を有するシート状の第２上電極層、及び、前記第２上電極と絶縁され、前記第２上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記第２上電極と交差して配設される複数の第２下電極を有するシート状の第２下電極層を含む第２検出手段と、
    　前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記第１上電極及び前記第１下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２上電極及び前記第２下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、
    　前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備え、
    　前記第２検出手段における前記複数の第２上電極、及び、前記複数の第２下電極の交差により形成される網目が、前記第１検出手段における前記複数の第１上電極、及び、前記複数の第１下電極の交差により形成される網目より細かくなっていることを特徴とする近接・接触センサ。
  7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載の近接・接触センサにおいて、
    　前記演算手段が、前記第１検出手段にて前記対象物の接近が検出されていない場合に、前記第２検出手段における検出の処理を行わないことを特徴とする近接・接触センサ。
  8. 　請求項１ないし７のいずれかに記載の近接・接触センサにおいて、
    　前記演算手段が、前記第１検出手段にて前記対象物の接近が検出された場合に、当該対象物の接近位置に対応する位置における前記第２検出手段の検出の処理を行うことを特徴とする近接・接触センサ。
  9. 　シート状の第１電極と、
    　前記第１電極の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、
    　前記中間層の下方に配設されるシート状の第２電極と、
    　前記第１電極及び前記第２電極に対して同電位・同位相の交流電圧を印加する１又は複数の電圧印加手段と、
    　前記第１電極に前記対象物が接近した場合に、当該第１電極の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１電極に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第１電極及び前記第２電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、
    　前記第２電極に対して、前記電圧印加手段又はグラウンドのいずれか一方に接続を切り替える切替手段とを備え、
    　前記対象物の接近を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記電圧印加手段が接続するように切り替えを行い、前記対象物の接触又は押圧力を検出する場合に、前記切替手段が前記第２電極と前記グラウンドが接続するように切り替えを行うことを特徴とする近接・接触センサ。
  10. 　請求項９に記載の近接・接触センサにおいて、
    　当該近接・接触センサが３次元像を映すディスプレイに搭載されており、
    　前記第１電極において検出される電気的な変化、及び／又は、前記第２電極において検出される電気的な変化について、前記対象物との関係で較正データを作成する較正手段を備え、
    　前記演算手段が、前記較正手段にて作成された前記較正データに基づいて演算処理を行うことを特徴とする近接・接触センサ。
  11. 　請求項１ないし１０のいずれかに記載の近接・接触センサにおいて、
    　前記電気的な変化が、静電容量の変化であることを特徴とする近接・接触センサ。
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