静電座標入力装置、静電座標入力方法および情報機器
【課題】２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の変化により、人の指やペンなどの物体の位置を検出する静電座標入力装置ならびに静電座標入力方法において、高速の検出を可能にする。
【解決手段】ある送信電極の電圧を変化させた直後に、電圧の変化しない他の送信電極のインピーダンスが一時的に高くなるように、トライステート駆動する。
【解決手段】ある送信電極の電圧を変化させた直後に、電圧の変化しない他の送信電極のインピーダンスが一時的に高くなるように、トライステート駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の変化により、人の指などの物体の座標を検出する静電座標入力装置、静電座標入力方法および情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近傍に配置される２つの電極間に人の指などの物体が接近すると、電極間の静電容量が変化することが知られている。この原理を検出領域の２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の検出に応用した静電タッチセンサなどの静電座標入力装置が開示され、一部が実用化されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００３】
このような従来の静電座標入力装置の一例について、図１４及び図１５を基に説明する。
【０００４】
図１４の例では、支持部１０２において検出領域１０３に縦方向の座標に対応する送信電極１０４と横方向の座標に対応する受信電極１０５が互いに直交して配置されている。送信電極１０４には、バイステート駆動部１４０２から選択的に１つの電極ごと（線順次駆動）に周期的な交流電圧が印加される。この交流電圧は、送信電極１０４と受信電極１０５との交点の静電結合により、受信電極１０５に伝達される。電流測定部１０７では、仮想接地された受信電極１０５に流れる電流から対応する各交点の静電結合に応じた値を検出して、検出した値を処理部１０８に出力する。ここで、微弱な交流電流を累積して求めるために、送信電極１０４に順次選択的に印加される周期的な交流電圧に同期して累積コンデンサをスイッチ切り換えしたり、復調波形を畳み込むことにより累積する方法が開示されている。
【０００５】
処理部１０８は、２次元の座標に対応した電極の各交点の静電結合に対応した値やその変化から加重平均等を用いて検出対象の物体の位置を求める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５２６８３１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２５７８９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上に示した従来の静電座標入力装置１４０１では、図１５に示されるように、線順次駆動により送信電極の１つずつを選択して順次駆動していた。しかし、選択されていない送信電極も変化しない定電圧を駆動していたため、ある送信電極を選択して駆動した場合に、選択されていない送信電極を迂回して流れる電流により受信電極に到達するまでの時間が長くなるという課題があった。選択されていない電極のインピーダンスを高くすると、ノイズ等により電圧が変化した場合に、受信する電流に影響を与えてしまうため、静電座標入力装置では選択されていない送信電極は低いインピーダンスで一定の電圧にする必要があるためである。
【０００８】
そこで本発明では、これらの課題を解決するために以下の装置及び方法を提供する。
ある送信電極を選択して駆動した場合に、選択されていない他の送信電極のインピーダンスを一時的に高くすることにより、選択されていない送信電極への電流の迂回をなくしつつノイズの影響を除去して、受信電極に到達するまでの時間を短くすることにより、高速での検出を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による静電座標入力装置は、支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極および他の1つの次元に対応する受信電極と、前記複数の送信電極から選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める処理部とにより構成した。
【００１０】
また、本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、送信電極から受信電極までの信号の遅延時間を短くすることができるため、検出速度を速くして、スムーズな入力を可能にする。
【００１２】
あるいは、充放電のサイクル数を増やすことによりノイズの影響を低減したり、駆動電圧を低くすることができる静電座標入力装置及びその方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る静電座標入力装置の好適な一実施例を示すブロック図
【図２】本発明に係るトライステート駆動部の実施例を示すブロック図
【図３】本発明に係る電流測定部の実施例を示すブロック図
【図４】本発明に係る処理部の実施例を示すブロック図
【図５】本発明に係る静電座標入力方法の好適な一実施例を示す工程フロー図
【図６】本発明に係るタイミング発生部のタイミング図
【図７】本発明に係るトライステート駆動工程と電流測定工程のタイミング図
【図８】本発明に係る送信電極の駆動波形を示すタイミング図
【図９】本発明による検出領域の等価回路を示す概念図
【図１０】本発明の効果を示す特性図
【図１１】本発明に係る送信電極の駆動波形の他の例を示すタイミング図
【図１２】本発明を用いる情報機器の例を示すブロック図
【図１３】本発明を用いる情報機器の例を示す図
【図１４】従来の静電座標入力装置のブロック図
【図１５】従来の静電座標入力装置の動作を示すタイミング図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による静電座標入力装置は、支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極と、他の1つの次元に対応する受信電極と、前記複数の送信電極から順次選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるとともに静電座標入力装置全体のステータス及びシーケンスを管理する処理部とにより構成した。
【００１５】
また、本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の１つ以上の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるようにした。
【００１６】
本発明の特徴について、従来例との違いを説明する。
【００１７】
駆動部の相違。従来のバイステート駆動部１４０２から本発明のトライステート駆動部１０６へ置き換えた。従来は２値で駆動していたが、本発明では図２に示すようなトライステートバッファ２０２を用いてハイインピーダンス状態を加えた３つの状態で駆動するという相違点がある。
【００１８】
これにより、本発明では、選択された送信電極の駆動電圧が変化した直後に、選択されていない送信電極のインピーダンスを一時的に高くすることにより、電流測定部に到達するまでの遅延時間を短くする点が異なる。
【実施例】
【００１９】
本発明による静電座標入力装置の好適な実施例を、図面を基に説明する。なお、以降の説明において、送信電極１０４と受信電極１０５の数およびそれらに対応した回路やタイミングは、説明の便宜上少ない数にしているが、本発明の特徴はこれらの数に制限されるものではない。また、以降の説明において、＜＞は大見出し、［］は中見出し、（）は小見出しを表すものとする。
【００２０】
＜静電座標入力装置＞
図１は、本発明による静電座標入力装置のブロック図である。本発明による静電座標入力装置１０１は、支持部１０２上の検出領域１０３における１つの次元に対応する複数の送信電極１０４と、他の1つの次元に対応する受信電極１０５と、前記複数の送信電極１０４から順次選択した１つ以上の送信電極１０４の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極１０４の駆動インピーダンスが選択された送信電極１０４の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部１０６と、前記受信電極１０５からの電流あるいは電荷量を前記送信電極１０４への駆動に同期して測定する電流測定部１０７と、前記電流測定部１０７で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域１０３に入力した座標を求めるとともに、静電座標入力装置全体１０１のステータス及びシーケンスを管理する処理部１０８とにより構成した。
【００２１】
［検出領域］
支持部１０２上の検出領域１０３には、例えば縦方向の座標に対応する複数の送信電極１０４と横方向の座標に対応する１つ以上の受信電極１０５を互いに直交して配置した。しかし、送信電極１０４と受信電極１０５の配置はこの限りでなく、斜交座標や角度と原点からの距離からなる円座標など２次元座標に対応するものであればどのように配置しても良い。これらの電極は導電性であり、送信電極１０４と受信電極１０５の交点では絶縁層により両電極が直流的に絶縁されて電気的に静電結合している。
【００２２】
したがって、説明の便宜上ｎを１からＮまでの自然数としｍを１からＭまでの自然数とすると、ｎ番目の送信電極１０４に印加された周期的な交流電圧は、ｎ番目の送信電極１０４とｍ番目の受信電極１０５との交点の静電結合を介して、ｍ番目の受信電極１０５に伝達される。
【００２３】
検出面に汚れなどの影響があると、接近した物体自体のインピーダンスが高いため、接近した物体を介しての電界により送信電極１０４と受信電極１０５の間の電界が増えて、送信電極１０４と受信電極１０５の間の静電結合は増加し、受信電極１０５に流れる受信電流も大きくなる。逆に検出対象の人の指など比較的インピーダンスの低い物体が接近した場合には、送信電極１０４からの交流電界を吸収する作用の方が強いために、送信電極１０４と受信電極１０５の間の静電結合は減少し、受信電極１０５に流れる受信電流は小さくなる。従って、汚れと人の指などの検出対象は、容易に区別することができる。
【００２４】
また、以上に接近する物体を介して電界が変化することを利用する方式の検出領域について説明したが、本発明による静電座標入力装置１０１および静電座標入力方法では、検出領域１０３において送信電極１０４を構成する層と受信電極１０５を構成する層のギャップが、ペンや指などにより押される力により変化し、このギャップの変化による静電容量の変化を検出するようにしても良い。
【００２５】
ここで、受信電極１０５は、安定して検出するために、接地あるいは仮想接地などにより電圧の変動が抑えられている。このため、受信電極１０５への伝達は、電圧と言うよりはむしろ電流である。つまり、選択された送信電極１０４とある受信電極１０５との交点には、静電結合により交流電界が発生するために、受信電極１０５に受信電流が流れるのである。そこで、物体が接近した交点では交流電界が変化するために、受信電極１０５に流れる受信電流が変化する。
【００２６】
なお、いずれの方法においても、静電座標入力装置１０１が表示装置の上に重ねて用いられる場合などには送信電極１０４や受信電極１０５は透明にする必要があるため、送信電極１０４や受信電極１０５は無視できない抵抗値を持っている。また、検出領域１０３の周辺での配線抵抗も無視できない場合がある。従って、交流の伝達に遅延時間を生じる。本発明では、この遅延時間を短縮する。
【００２７】
＜トライステート駆動部＞
図２（ａ）はトライステート駆動部１０６の回路構成を示したものである。トライステート駆動部１０６は、各送信電極１０４に駆動波形を供給するため、タイミング発生部２０１と各送信電極に対応したトライステートバッファ２０２とにより構成した。
【００２８】
［タイミング発生部］
タイミング発生部２０１は、処理部１０８からの起動により１フレーム分の送信電極の駆動に必要な論理信号２１１とゲート信号２１２及び電流測定部１０７の電流測定に必要な同期信号２１３を生成する。なお、この例での同期信号２１３は、電荷クリア信号と電圧測定信号である。
【００２９】
［トライステートバッファ］
トライステートバッファ２０２は、送信電極１０４をハイレベル、ローレベルおよびハイインピーダンスのトライステート駆動する。各トライステートバッファ２０２に入力される論理信号２１１およびゲート信号２１２は、タイミング発生部２０１から入力する。各トライステートバッファ２０２の出力する駆動波形１〜４は各々が送信電極１〜４に接続される。
【００３０】
［トライステート駆動部の他の例］
図２（ｂ）は、トライステート駆動部１０６の他の例として、オフした時に所定のインピーダンスにするために、トライステートバッファ２０２の代わりに、バイステートバッファ２２１の出力に抵抗２２３とスイッチ２２２の並列接続を挿入したものである。スイッチ２２２がゲート信号２１２によりオンするとインピーダンスが充分に小さくなり、スイッチ２２２がゲート信号２１２によりオフすると、抵抗２２３のインピーダンスにより駆動する構成である。図２（ａ）の構成に較べ、選択されていない送信電極への電流の迂回が若干あるが、インピーダンスを高くした時のノイズの影響を小さくすることができる。
【００３１】
＜電流測定部＞
図３は、電流測定部１０７の構成を示したものである。電流測定部１０７は、積分部３０１とＡＤＣ部３０２と累積部３０３とにより構成した。電流測定部１０７は、１つ以上の受信電極１０５の各々に対応して同様の構成が複数存在するようにしたが、マルチプレクサ等を用いて時分割することにより、複数の受信電極１０５について共用するように構成しても良い。
【００３２】
［積分部］
積分部３０１は、演算増幅器３１１とコンデンサ３１２とスイッチ３１３とにより構成した。演算増幅器３１１は出力端子から負の入力端子へのコンデンサ３１２による負のフィードバックにより積分回路を構成する。受信電極１０５からの受信電流を積分して電荷量に対応した電圧値に変換する。基準になる電圧は、正の入力端子に接続される０Ｖとした。コンデンサ３１２の両端にはスイッチ３１３が接続されており、タイミング発生部２０１からの電荷クリア信号により初期化される。
【００３３】
［ＡＤＣ部］
ＡＤＣ部３０２は、積分部３０１の出力電圧をデジタル値に変換する。ＡＤＣ部３０２は、タイミング発生部２０１からの電圧測定信号が真になったタイミングで変換するようにした。
【００３４】
［累積部］
累積部３０３は、送信電極ごとの複数回の電圧変化に対応したＡＤＣ部３０２からのデジタル値を累積する。電圧が立ち上がりの場合は加算し、立下りの場合には減算して累積するようにした。なお、ＡＤＣ部３０２と累積部３０３はシグマデルタ型のアナログデジタル変換器などによりまとめて構成しても良い。
【００３５】
なお、ＡＤＣ部３０２と累積部３０３を入換えて、累積部３０３でアナログで累積した結果を、ＡＤＣ部３０２でデジタル値に変換するようにしても良い。
【００３６】
［オフセット除去］
また、電流測定部１０７の回路あるいは処理部１０８の演算において、検出対象の物体が接近していない場合の測定値に近い値をオフセットとして差し引くようにすると、物体の接近による測定値の変化をより正確に測定することが出来る。このためのオフセット値は、選択する送信電極１０４や複数の受信電極１０５について共通の値を用いても良いし、個別に最適な値を用いても良い。個別に最適な値を用いると、検出領域１０３の一部に汚れ等があった場合でも、影響を除去して良好な検出をすることができる。
【００３７】
＜処理部＞
図４は、処理部１０８の一例を示したものである。処理部１０８は、汎用的なマイクロプロセッサを用いて実現した。処理部１０８は、ＣＰＵ部４０１，ＲＯＭ部４０３，ＲＡＭ部４０４，ポート部４０５，Ｉ／Ｆ部４０７およびタイマ４０８を含み、これらはＣＰＵバス４０２により接続されている。
【００３８】
ＣＰＵ部４０１は、情報の処理や演算を行う。ＲＯＭ部４０３は、ＣＰＵが処理するプログラムを格納している。ＲＡＭ部４０４は、処理に必要な状態やパラメータなどを一時記憶する。ポート部４０５は、トライステート駆動部１０６及び電流測定部１０７とのステータスやパラメータの入出力を行う。Ｉ／Ｆ部４０７は、座標の検出結果を出力するなど、静電座標入力装置１０１の外部とのインターフェイスを行う。タイマ部４０８は、ＣＰＵ部４０１の動作タイミングの基準となる信号を生成する。
【００３９】
処理部１０８は、電流測定部１０７で測定した電流値の変化を閾値と比較して座標入力の有無を判定するとともに、荷重平均により入力座標を演算するようにした。
【００４０】
また、処理部１０８は、静電座標入力装置１０１全体のステータス及びシーケンスを管理する。ここでいうステータスとは例えば電流測定中など各部の状態を指し、シーケンスとは例えば所定の時間での検出の起動などを指す。
【００４１】
＜静電座標入力方法＞
図５は、本発明による静電座標入力方法の工程の一例を示すフロー図である。本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域１０３における１つの次元に対応する複数の送信電極１０４から１つの送信電極１０４を順次選択して電圧を変化させるとともに非選択の送信電極１０４の駆動インピーダンスが選択された送信電極１０４の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動工程５０１で駆動し、他の１つの次元に対応する１つ以上の受信電極１０５から流れ込む電流あるいは電荷量を前記送信電極１０４への駆動に同期して電流測定工程５１１で測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域１０３への座標入力の有無および入力した座標を座標演算工程５２１で求めるようにした。
【００４２】
なお、トライステート駆動工程５０１及び電流測定工程５１１は、ＳＮ比を向上させるために、同一の送信電極１０４を選択しながら複数回繰り返すようにした。送信電極１０４と受信電極１０５の各交点に形成される静電容量の値は通常１〜１００ｐＦ程度の微小な値であり、受信電極１０５に流れる受信電流やその変化も微弱である。そのため、受信電極１０５に流れる受信電流を検出するために、送信電極１０４から印加される複数の周期による電流を累積して検出する。
【００４３】
但し、通常受信電極１０５に流れる受信電流は交流であるため、単純に累積してしまうと累積値が相殺されてしまう。これを回避するために、累積部３０３では交流電流の位相に同期して極性を切換えながら累積を行う。図５のフローに示す例では、駆動論理の立ち上がりと立下りの両方を用いたため、ｃを１からＣまでの自然数として、サイクル数Ｃの２倍の回数になるまでカウントして繰り返すようにした。
【００４４】
ここで、各電極はそれ自体に抵抗値と静電容量をもっているために高い周波数は減衰し、交点は直列の静電容量のために低い周波数が減衰する。これらを勘案して、送信電極に印加する電圧の周波数は、減衰の小さい周波数にすることが望ましい。
【００４５】
さらに、検出領域１０３のすべての送信電極１０４から駆動する送信電極１０４を順次選択し、検出領域１０３全体の送信電極１０４を駆動するため、図５のフローに示す例ではｔ（１からＴまでの自然数）をカウントすることによりＴ回繰り返すようにした。従って、Ｔは通常送信電極１０４の数Ｎと一致する。
【００４６】
検出領域１０３全体にわたり送信電極１０４を駆動して受信電極１０５に流れ込む電流を測定した後に座標演算工程５２１を行うようにしたが、これは一例であり、例えば選択期間ごとに座標演算工程５２１を行うようにしたり、並列処理により座標演算工程５２１を実行しながら次のトライステート駆動工程５０１と電流測定工程５１１を実行するなど、全体のフローに特に制約はない。
【００４７】
また、図５のフロー全体は、処理部１０８からの起動により定期的に繰り返すようにした。
【００４８】
［トライステート駆動工程］
トライステート駆動工程５０１は、非選択の送信電極１０４を駆動するトライステートバッファ２０２の出力インピーダンスを高くする非選択ゲートオフ工程５０２と、選択した送信電極の電圧を変化させる駆動論理遷移工程５０３と、非選択の送信電極を駆動するトライステートバッファの出力インピーダンスを低くする非選択ゲートオン工程５０４とにより駆動する。図５では駆動論理遷移工程５０３の前に非選択ゲートオフ工程を行う場合の例を示しているが、非選択ゲートオフ工程５０２と駆動論理遷移工程５０３はほぼ同時でも良い。
【００４９】
［電流測定工程］
また、電流測定工程５１１は、トライステート駆動工程５０１の前に積分部３０１のコンデンサ３１２をスイッチ３１３でオンすることによりクリアする電荷クリア工程５１２と、トライステート駆動工程５０１の後に積分部３０１の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤＣ工程５１３と、選択された送信電極１０４あるいはその組合せごとにＡＤＣ工程で得られたデジタル値を累積部３０３で累積する累積工程５１４とにより受信電極１０５からの電流を測定するようにした。
【００５０】
［座標演算工程］
座標演算工程５２１では、電流測定工程５１１で求めた２次元の座標に対応した電極の各交点の静電結合に依存した電流値あるいはその推移から、加重平均などにより検出対象の物体の接近判定と位置を演算する。
【００５１】
＜トライステート駆動工程と電流測定工程の動作タイミング＞
図６及び図７は、本発明の特徴であるトライステート駆動工程５０１と電流測定工程５１１の具体的な動作タイミングの一例について示したものである。図６は最初の選択期間１の最初のサイクルの立ち上がりについて詳細なタイミングを示したものであり、図７は検出領域１０３全体の走査についてのタイミングを示したものである。図６及び図７は、タイミング発生部２０１が生成する論理信号２１１，ゲート信号２１２及び同期信号２１３の一例について、タイミング関係を示している。ここで、論理信号１〜４及びゲート信号１〜４は、各送信電極１０４に対応してタイミング発生部２０１からトライステートバッファ２０２に接続される信号を示している。
【００５２】
図６において横軸は共通の時間軸で、縦軸は論理レベルである。上側が真で下側が偽である。但し、受信電流については、アナログの電流値である。
【００５３】
（クロック）
タイミング発生部２０１で生成する信号は、時間の基準となるクロックをカウントして生成するようにした。
【００５４】
（選択された送信電極）
論理信号１は、選択された送信電極１０４の例としての送信電極１に接続されるトライステートバッファ２０２に入力される論理信号である。初期的には偽レベルであるが、図中クロックの３番目の立ち上がりで真レベルに立ち上がるようにした。論理信号の真レベルは、クロックの１４番目の立ち上がりまで真を維持している。なお、選択されている送信電極１に接続されるトライステートバッファ２０２に接続されるゲート信号は、図示しないが、常に真である。
【００５５】
（非選択な送信電極）
非選択の送信電極１０４に対する例として、ゲート信号２は、送信電極２に接続されるトライステートバッファ２０２のゲート入力に接続される信号である。ゲート信号２は、選択されている論理信号１の変化とほぼ同時に真から偽に変化するようにした。このゲート信号２は、受信電流がほぼ収束するまでの間偽のレベルを維持し、クロックの９番目の立ち上がりにより真に戻すようにした。ここで、ゲート信号２を真に戻すのは、送信電極２の電圧がノイズ等により変化する状態では、送信電極２から受信電極にノイズが流れ込んでしまい、正確な検出ができなくなるからである。また、非選択な送信電極２に接続されるトライステートバッファ２０２に接続される論理信号は、図示しないが、一定のレベルで変化しないようにした。
【００５６】
なお、送信電極２以外についても同様である。
【００５７】
（電荷クリア）
選択した送信電極の電圧を変化させる前に、クロックの１番目のサイクル期間、電荷クリア工程５１２で電荷クリアを真にして積分部３０１のコンデンサ３１２の両端を短絡する。
【００５８】
（ＡＤＣ）
ゲート信号２など非選択の送信電極に対応するゲート信号を真にしてからクロックの１サイクル分経過した後、クロックの１０番目の立ち上がりによりＡＤＣ工程５１３でＡＤＣ部３０２により電圧の測定を行うようにした。
【００５９】
図７において、横軸は共通の時間軸で、縦軸は各信号の論理レベルであり、上側が真で下側が偽であることを示している。図７は、図６に示したタイミングを、駆動論理反転や複数サイクルの繰り返しや選択する送信電極を切り替えながら検出領域全体の走査についてのタイミングを示したものである。
【００６０】
（線順次駆動）
図７に示すように、本実施例においては、４本の送信電極１〜４を選択期間ｔ＝１〜４により線順次で駆動する。つまり、選択期間１で選択されている送信電極１を論理信号１とゲート信号１により駆動する。この際、非選択な送信電極２〜４については、論理信号は変化せずに一定のレベルを維持し、ゲート信号は選択された送信電極に対応する論理信号の変化の直後に一時的に偽になっているように駆動するようにした。選択期間２〜４についても同様である。
【００６１】
（複数サイクル検出）
さらに、選択期間１においては、選択された論理信号は、ＳＮ比を改善するため、２サイクル電圧を変化させるようにした。つまり、立ち上がり，立ち下がり，立ち上がり，立ち下がりの４回の電圧変化である。これら４回の電圧変化の各々について、電流測定工程５１１で電流測定部１０７により電流を測定するとともに、４回の測定値を累積する。この際、累積工程５１４で累積部３０３により立ち上がりに対応する測定値を加算し、立ち下りに対応する測定値は減算する。累積工程５１４での累積は、選択している送信電極ごとに行い、選択期間１〜４に対応して累積された測定値１〜４を得るようにした。
【００６２】
＜発明の作用と効果＞
ここで、本発明の作用と効果について説明する。
【００６３】
［駆動波形］
図８は、以上に説明した構成及び方法で、送信電極１〜４を各々駆動した駆動波形１〜４を示したものである。図８において、横軸は共通の時間軸であり、縦軸は電圧レベルである。
【００６４】
駆動波形は、トライステートバッファ２０２のゲート信号が真の間論理信号がそのまま送信電極１０４に出力され、ゲート信号が偽になるとインピーダンスが高くなり、電圧は不定になる。したがって、線順次で選択された送信電極１０４には各々２サイクル分の電圧変化が出力され、選択されていない送信電極１０４の電圧は選択された送信電極の電圧が変化した直後に一時的に不定になる。なお、図中、斜線で塗りつぶされた時間は電圧が不定であることを示している。
【００６５】
［検出領域の等価回路］
図９は、検出領域１０３の等価回路を集約したものを示す概念図である。ここで、駆動ｕは、選択された送信電極１０４に接続する信号である。抵抗Ｒｕは、選択された送信電極１０４への配線抵抗及び電極自体の抵抗を表している。コンデンサＣｕは、選択された送信電極１０４と受信電極１０５の交点の静電容量を表している。コンデンサＣｗは、非選択の送信電極１０４と受信電極１０５との交点の静電容量を表している。抵抗Ｒｗは、非選択な送信電極１０４の配線抵抗及び電極自体の抵抗を表している。スイッチＳｗは、非選択な送信電極１０４のインピーダンスを切換えるためのものである。抵抗Ｒｘは、受信電極１０５への配線抵抗及び受信電極１０５自体の抵抗である。
【００６６】
従来の静電座標入力装置あるいは静電座標入力方法では、スイッチＳｗがオンしている状態が継続しているため、駆動ｕにスイップ状の電圧変化を印加すると、選択された駆動電極からの電流Ｉｕは、非選択の送信電極１０４に流れる電流Ｉｗと受信電極１０５に直接流れるＩｘに分かれる。この時に非選択の送信電極１０４に流れ込む電流はコンデンサＣｗに蓄積される。その後コンデンサＣｕにより直流成分がカットされてＩｕが途絶えると、コンデンサニＣｗに蓄積された電荷が受信電極１０５に流れ込む。このように、選択された送信電極１０４からの電流の一部が選択されていない送信電極１０４を迂回して受信電極１０４に流れ込むため、遅延時間が長くなっていた。
【００６７】
一方、本発明によりスイッチＳｗを選択された送信電極１０４の電圧変化の直後に一時的に開いていると、選択された送信電極１０４からの電流Ｉｕは非選択の送信電極１０４を迂回することなく直接受信電極１０５に流れ込むために、遅延時間を短くすることができる。
【００６８】
［計算結果］
図１０は、図９に示す回路で流れる電流の時間変化を計算したものである。図中、破線は選択された送信電極１０４からの電流Ｉｕを示し、点線は受信電極１０５に流れ込む電流Ｉｘを示し、一点鎖線は選択されていない送信電極１０４を迂回する電流Ｉｗを示し、実線は受信電極１０５に流れ込んだ電流を積分した電荷量Ｑを示している。
【００６９】
また、ここでは、送信電極数を３０，受信電極数を２４とし、１本の送信電極の配線抵抗を８２ｋΩ，１本の受信電極の配線抵抗を１９５ｋΩ，１本の送信電極と１本の受信電極との交点の静電容量を４０ｐＦとした。ここで、複数の送信電極や複数の受信電極を一つに集約するために、並列接続として計算すると、抵抗Ｒｕを８２ｋΩ，コンデンサＣｕを９６０ｐＦ，コンデンサＣｗを２８ｎＦ，抵抗Ｒｗを２．８ｋΩ，抵抗Ｒｘを８．１ｋΩとなる。
【００７０】
図１０（ａ）は本発明による静電座標入力装置及び静電座標入力方法を想定してスイッチＳｗをオフとして計算したトライステート駆動のステップ応答であり、図１０（ｂ）は従来の静電座標入力装置及び静電座標入力方法を想定してスイッチＳｗをオンとして計算したバイステート駆動のステップ応答である。この例では、本発明により、従来と比較して約３．６分の１の短時間で電荷量Ｑが収束している。
【００７１】
以上に示したように、本発明によると、選択した送信電極１０４の電圧の変化の直後に非選択の送信電極１０４のインピーダンスを高くすることにより、非選択の送信電極１０４への電流の迂回をなくして、受信電極１０５に到達するまでの遅延時間を大幅に短くすることができる。
【００７２】
以上、図１０に示すように、線順次に送信電極１０４を１本づつ選択して、非選択の送信電極１０４の全てについて選択された送信電極１０４の電圧が変化した直後に一時的にインピーダンスを高くし、選択された送信電極１０４の電圧の立ち上がりと立ち下りについて受信電極１０５に流れ込む電流を測定して累積する構成及び方法について説明したが、本発明による静電座標入力装置１０１あるいは静電座標入力方法はこの限りではない。
【００７３】
図１１は、他の駆動波形を示したものである。図１１は図８と同様に、横軸は共通の時間軸で、縦軸は各送信電極の電圧を示している。図１１で斜線で塗りつぶされた時間はインピーダンスが高く電圧が不定であることを示している。
【００７４】
図１１（ａ）は、端の送信電極についてはインピータンスを高くしないように送信電極を駆動することにより、外部からのノイズの影響を小さくするようにしたものである。
【００７５】
また、図１１（ｂ）に示すように、選択された送信電極の隣の送信電極については、インピーダンスを高くしないように送信電極を駆動することにより、選択された送信電極からの電圧の変化による放射ノイズを低減することができる。
【００７６】
さらに、図１１（ｃ）に示すように、例えば選択された送信電極の立ち上がりの直後にのみあるいは立下りの直後にのみ、選択されていない送信電極のインピーダンスを一時的に高くなるようにしても良い。
【００７７】
また、図１１（ｄ）に示すように、複数の送信電極を選択して駆動する場合でも、選択しない送信電極について、選択した送信電極の電圧が変化した直後に一時的にインピーダンスを高くすることにより、受信電極への遅延時間を短くすることができる。図１１（ｄ）の例は、アダマール行列を用いて駆動した場合の例である。但し、この場合には、受信電極への電流の測定値から相関や逆行列の演算を行う必要があることは言うまでもない。
【００７８】
さらに、駆動波形について、以上に立ち上がりの後に立ち下がりを駆動する場合の例を示したが逆相であっても良いことは言うまでもない。
【００７９】
また、図１２に示すように、本発明による静電座標入力装置１０１をディスプレイ１２３１を持つＣＰＵ１２２１に接続することにより、情報機器を構成することができる。
【００８０】
具体的には、本発明による静電座標入力装置１０１により、図１３（ａ）に示すような携帯電話や図１３（ｂ）に示すようなマルチメデイアプレーヤーや図１３（ｃ）に示すようなナビゲ―ションシステムや図１３（ｄ）に示すようなコンピュータなどのディスプレイ装置上に透明な検出領域１０３を重ねることによりタッチスクリーン１３３１を構成し、ノイズに強く安定したスムーズな操作を可能にした携帯機器やコンピュータなどの情報機器を実現することが出来る。
【００８１】
図１３（ａ）〜（ｄ）に示す情報機器の構成として、情報機器を保護するケース１３１１と、情報を出力するタッチスクリーン１３３１と、ディスプレイ１２３１上に設置された検出領域１０３からの入力を受け付け物体の接近や位置を特定する本発明の静電座標入力装置１０１と、静電座標入力装置からの入力とディスプレイ１２３１への出力を制御するＣＰＵ１２２１と、により成り立つ。また、図１３（ａ）、図１３（ｂ）や図１３（ｄ）に示されるようにキーボード１３２１が情報機器に備え付けられていても良い。
【符号の説明】
【００８２】
１０１ 静電座標入力装置
１０２ 支持部
１０３ 検出領域
１０４ 送信電極
１０５ 受信電極
１０６ トライステート駆動部
１０７ 電流測定部
１０８ 処理部
２０１ タイミング発生部
２０２ トライステートバッファ
５０１ トライステート駆動工程
５０２ 非選択ゲートオフ工程
５０３ 駆動論理遷移工程
５０４ 非選択ゲートオン工程
５１１ 電流測定工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の変化により、人の指などの物体の座標を検出する静電座標入力装置、静電座標入力方法および情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近傍に配置される２つの電極間に人の指などの物体が接近すると、電極間の静電容量が変化することが知られている。この原理を検出領域の２次元座標に対応して配置された複数の電極の各交点の静電容量の検出に応用した静電タッチセンサなどの静電座標入力装置が開示され、一部が実用化されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００３】
このような従来の静電座標入力装置の一例について、図１４及び図１５を基に説明する。
【０００４】
図１４の例では、支持部１０２において検出領域１０３に縦方向の座標に対応する送信電極１０４と横方向の座標に対応する受信電極１０５が互いに直交して配置されている。送信電極１０４には、バイステート駆動部１４０２から選択的に１つの電極ごと（線順次駆動）に周期的な交流電圧が印加される。この交流電圧は、送信電極１０４と受信電極１０５との交点の静電結合により、受信電極１０５に伝達される。電流測定部１０７では、仮想接地された受信電極１０５に流れる電流から対応する各交点の静電結合に応じた値を検出して、検出した値を処理部１０８に出力する。ここで、微弱な交流電流を累積して求めるために、送信電極１０４に順次選択的に印加される周期的な交流電圧に同期して累積コンデンサをスイッチ切り換えしたり、復調波形を畳み込むことにより累積する方法が開示されている。
【０００５】
処理部１０８は、２次元の座標に対応した電極の各交点の静電結合に対応した値やその変化から加重平均等を用いて検出対象の物体の位置を求める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５２６８３１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２５７８９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上に示した従来の静電座標入力装置１４０１では、図１５に示されるように、線順次駆動により送信電極の１つずつを選択して順次駆動していた。しかし、選択されていない送信電極も変化しない定電圧を駆動していたため、ある送信電極を選択して駆動した場合に、選択されていない送信電極を迂回して流れる電流により受信電極に到達するまでの時間が長くなるという課題があった。選択されていない電極のインピーダンスを高くすると、ノイズ等により電圧が変化した場合に、受信する電流に影響を与えてしまうため、静電座標入力装置では選択されていない送信電極は低いインピーダンスで一定の電圧にする必要があるためである。
【０００８】
そこで本発明では、これらの課題を解決するために以下の装置及び方法を提供する。
ある送信電極を選択して駆動した場合に、選択されていない他の送信電極のインピーダンスを一時的に高くすることにより、選択されていない送信電極への電流の迂回をなくしつつノイズの影響を除去して、受信電極に到達するまでの時間を短くすることにより、高速での検出を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による静電座標入力装置は、支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極および他の1つの次元に対応する受信電極と、前記複数の送信電極から選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める処理部とにより構成した。
【００１０】
また、本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、送信電極から受信電極までの信号の遅延時間を短くすることができるため、検出速度を速くして、スムーズな入力を可能にする。
【００１２】
あるいは、充放電のサイクル数を増やすことによりノイズの影響を低減したり、駆動電圧を低くすることができる静電座標入力装置及びその方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る静電座標入力装置の好適な一実施例を示すブロック図
【図２】本発明に係るトライステート駆動部の実施例を示すブロック図
【図３】本発明に係る電流測定部の実施例を示すブロック図
【図４】本発明に係る処理部の実施例を示すブロック図
【図５】本発明に係る静電座標入力方法の好適な一実施例を示す工程フロー図
【図６】本発明に係るタイミング発生部のタイミング図
【図７】本発明に係るトライステート駆動工程と電流測定工程のタイミング図
【図８】本発明に係る送信電極の駆動波形を示すタイミング図
【図９】本発明による検出領域の等価回路を示す概念図
【図１０】本発明の効果を示す特性図
【図１１】本発明に係る送信電極の駆動波形の他の例を示すタイミング図
【図１２】本発明を用いる情報機器の例を示すブロック図
【図１３】本発明を用いる情報機器の例を示す図
【図１４】従来の静電座標入力装置のブロック図
【図１５】従来の静電座標入力装置の動作を示すタイミング図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による静電座標入力装置は、支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極と、他の1つの次元に対応する受信電極と、前記複数の送信電極から順次選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるとともに静電座標入力装置全体のステータス及びシーケンスを管理する処理部とにより構成した。
【００１５】
また、本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の１つ以上の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求めるようにした。
【００１６】
本発明の特徴について、従来例との違いを説明する。
【００１７】
駆動部の相違。従来のバイステート駆動部１４０２から本発明のトライステート駆動部１０６へ置き換えた。従来は２値で駆動していたが、本発明では図２に示すようなトライステートバッファ２０２を用いてハイインピーダンス状態を加えた３つの状態で駆動するという相違点がある。
【００１８】
これにより、本発明では、選択された送信電極の駆動電圧が変化した直後に、選択されていない送信電極のインピーダンスを一時的に高くすることにより、電流測定部に到達するまでの遅延時間を短くする点が異なる。
【実施例】
【００１９】
本発明による静電座標入力装置の好適な実施例を、図面を基に説明する。なお、以降の説明において、送信電極１０４と受信電極１０５の数およびそれらに対応した回路やタイミングは、説明の便宜上少ない数にしているが、本発明の特徴はこれらの数に制限されるものではない。また、以降の説明において、＜＞は大見出し、［］は中見出し、（）は小見出しを表すものとする。
【００２０】
＜静電座標入力装置＞
図１は、本発明による静電座標入力装置のブロック図である。本発明による静電座標入力装置１０１は、支持部１０２上の検出領域１０３における１つの次元に対応する複数の送信電極１０４と、他の1つの次元に対応する受信電極１０５と、前記複数の送信電極１０４から順次選択した１つ以上の送信電極１０４の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極１０４の駆動インピーダンスが選択された送信電極１０４の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部１０６と、前記受信電極１０５からの電流あるいは電荷量を前記送信電極１０４への駆動に同期して測定する電流測定部１０７と、前記電流測定部１０７で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域１０３に入力した座標を求めるとともに、静電座標入力装置全体１０１のステータス及びシーケンスを管理する処理部１０８とにより構成した。
【００２１】
［検出領域］
支持部１０２上の検出領域１０３には、例えば縦方向の座標に対応する複数の送信電極１０４と横方向の座標に対応する１つ以上の受信電極１０５を互いに直交して配置した。しかし、送信電極１０４と受信電極１０５の配置はこの限りでなく、斜交座標や角度と原点からの距離からなる円座標など２次元座標に対応するものであればどのように配置しても良い。これらの電極は導電性であり、送信電極１０４と受信電極１０５の交点では絶縁層により両電極が直流的に絶縁されて電気的に静電結合している。
【００２２】
したがって、説明の便宜上ｎを１からＮまでの自然数としｍを１からＭまでの自然数とすると、ｎ番目の送信電極１０４に印加された周期的な交流電圧は、ｎ番目の送信電極１０４とｍ番目の受信電極１０５との交点の静電結合を介して、ｍ番目の受信電極１０５に伝達される。
【００２３】
検出面に汚れなどの影響があると、接近した物体自体のインピーダンスが高いため、接近した物体を介しての電界により送信電極１０４と受信電極１０５の間の電界が増えて、送信電極１０４と受信電極１０５の間の静電結合は増加し、受信電極１０５に流れる受信電流も大きくなる。逆に検出対象の人の指など比較的インピーダンスの低い物体が接近した場合には、送信電極１０４からの交流電界を吸収する作用の方が強いために、送信電極１０４と受信電極１０５の間の静電結合は減少し、受信電極１０５に流れる受信電流は小さくなる。従って、汚れと人の指などの検出対象は、容易に区別することができる。
【００２４】
また、以上に接近する物体を介して電界が変化することを利用する方式の検出領域について説明したが、本発明による静電座標入力装置１０１および静電座標入力方法では、検出領域１０３において送信電極１０４を構成する層と受信電極１０５を構成する層のギャップが、ペンや指などにより押される力により変化し、このギャップの変化による静電容量の変化を検出するようにしても良い。
【００２５】
ここで、受信電極１０５は、安定して検出するために、接地あるいは仮想接地などにより電圧の変動が抑えられている。このため、受信電極１０５への伝達は、電圧と言うよりはむしろ電流である。つまり、選択された送信電極１０４とある受信電極１０５との交点には、静電結合により交流電界が発生するために、受信電極１０５に受信電流が流れるのである。そこで、物体が接近した交点では交流電界が変化するために、受信電極１０５に流れる受信電流が変化する。
【００２６】
なお、いずれの方法においても、静電座標入力装置１０１が表示装置の上に重ねて用いられる場合などには送信電極１０４や受信電極１０５は透明にする必要があるため、送信電極１０４や受信電極１０５は無視できない抵抗値を持っている。また、検出領域１０３の周辺での配線抵抗も無視できない場合がある。従って、交流の伝達に遅延時間を生じる。本発明では、この遅延時間を短縮する。
【００２７】
＜トライステート駆動部＞
図２（ａ）はトライステート駆動部１０６の回路構成を示したものである。トライステート駆動部１０６は、各送信電極１０４に駆動波形を供給するため、タイミング発生部２０１と各送信電極に対応したトライステートバッファ２０２とにより構成した。
【００２８】
［タイミング発生部］
タイミング発生部２０１は、処理部１０８からの起動により１フレーム分の送信電極の駆動に必要な論理信号２１１とゲート信号２１２及び電流測定部１０７の電流測定に必要な同期信号２１３を生成する。なお、この例での同期信号２１３は、電荷クリア信号と電圧測定信号である。
【００２９】
［トライステートバッファ］
トライステートバッファ２０２は、送信電極１０４をハイレベル、ローレベルおよびハイインピーダンスのトライステート駆動する。各トライステートバッファ２０２に入力される論理信号２１１およびゲート信号２１２は、タイミング発生部２０１から入力する。各トライステートバッファ２０２の出力する駆動波形１〜４は各々が送信電極１〜４に接続される。
【００３０】
［トライステート駆動部の他の例］
図２（ｂ）は、トライステート駆動部１０６の他の例として、オフした時に所定のインピーダンスにするために、トライステートバッファ２０２の代わりに、バイステートバッファ２２１の出力に抵抗２２３とスイッチ２２２の並列接続を挿入したものである。スイッチ２２２がゲート信号２１２によりオンするとインピーダンスが充分に小さくなり、スイッチ２２２がゲート信号２１２によりオフすると、抵抗２２３のインピーダンスにより駆動する構成である。図２（ａ）の構成に較べ、選択されていない送信電極への電流の迂回が若干あるが、インピーダンスを高くした時のノイズの影響を小さくすることができる。
【００３１】
＜電流測定部＞
図３は、電流測定部１０７の構成を示したものである。電流測定部１０７は、積分部３０１とＡＤＣ部３０２と累積部３０３とにより構成した。電流測定部１０７は、１つ以上の受信電極１０５の各々に対応して同様の構成が複数存在するようにしたが、マルチプレクサ等を用いて時分割することにより、複数の受信電極１０５について共用するように構成しても良い。
【００３２】
［積分部］
積分部３０１は、演算増幅器３１１とコンデンサ３１２とスイッチ３１３とにより構成した。演算増幅器３１１は出力端子から負の入力端子へのコンデンサ３１２による負のフィードバックにより積分回路を構成する。受信電極１０５からの受信電流を積分して電荷量に対応した電圧値に変換する。基準になる電圧は、正の入力端子に接続される０Ｖとした。コンデンサ３１２の両端にはスイッチ３１３が接続されており、タイミング発生部２０１からの電荷クリア信号により初期化される。
【００３３】
［ＡＤＣ部］
ＡＤＣ部３０２は、積分部３０１の出力電圧をデジタル値に変換する。ＡＤＣ部３０２は、タイミング発生部２０１からの電圧測定信号が真になったタイミングで変換するようにした。
【００３４】
［累積部］
累積部３０３は、送信電極ごとの複数回の電圧変化に対応したＡＤＣ部３０２からのデジタル値を累積する。電圧が立ち上がりの場合は加算し、立下りの場合には減算して累積するようにした。なお、ＡＤＣ部３０２と累積部３０３はシグマデルタ型のアナログデジタル変換器などによりまとめて構成しても良い。
【００３５】
なお、ＡＤＣ部３０２と累積部３０３を入換えて、累積部３０３でアナログで累積した結果を、ＡＤＣ部３０２でデジタル値に変換するようにしても良い。
【００３６】
［オフセット除去］
また、電流測定部１０７の回路あるいは処理部１０８の演算において、検出対象の物体が接近していない場合の測定値に近い値をオフセットとして差し引くようにすると、物体の接近による測定値の変化をより正確に測定することが出来る。このためのオフセット値は、選択する送信電極１０４や複数の受信電極１０５について共通の値を用いても良いし、個別に最適な値を用いても良い。個別に最適な値を用いると、検出領域１０３の一部に汚れ等があった場合でも、影響を除去して良好な検出をすることができる。
【００３７】
＜処理部＞
図４は、処理部１０８の一例を示したものである。処理部１０８は、汎用的なマイクロプロセッサを用いて実現した。処理部１０８は、ＣＰＵ部４０１，ＲＯＭ部４０３，ＲＡＭ部４０４，ポート部４０５，Ｉ／Ｆ部４０７およびタイマ４０８を含み、これらはＣＰＵバス４０２により接続されている。
【００３８】
ＣＰＵ部４０１は、情報の処理や演算を行う。ＲＯＭ部４０３は、ＣＰＵが処理するプログラムを格納している。ＲＡＭ部４０４は、処理に必要な状態やパラメータなどを一時記憶する。ポート部４０５は、トライステート駆動部１０６及び電流測定部１０７とのステータスやパラメータの入出力を行う。Ｉ／Ｆ部４０７は、座標の検出結果を出力するなど、静電座標入力装置１０１の外部とのインターフェイスを行う。タイマ部４０８は、ＣＰＵ部４０１の動作タイミングの基準となる信号を生成する。
【００３９】
処理部１０８は、電流測定部１０７で測定した電流値の変化を閾値と比較して座標入力の有無を判定するとともに、荷重平均により入力座標を演算するようにした。
【００４０】
また、処理部１０８は、静電座標入力装置１０１全体のステータス及びシーケンスを管理する。ここでいうステータスとは例えば電流測定中など各部の状態を指し、シーケンスとは例えば所定の時間での検出の起動などを指す。
【００４１】
＜静電座標入力方法＞
図５は、本発明による静電座標入力方法の工程の一例を示すフロー図である。本発明による静電座標入力方法では、物体の接近を検出する検出領域１０３における１つの次元に対応する複数の送信電極１０４から１つの送信電極１０４を順次選択して電圧を変化させるとともに非選択の送信電極１０４の駆動インピーダンスが選択された送信電極１０４の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動工程５０１で駆動し、他の１つの次元に対応する１つ以上の受信電極１０５から流れ込む電流あるいは電荷量を前記送信電極１０４への駆動に同期して電流測定工程５１１で測定し、得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域１０３への座標入力の有無および入力した座標を座標演算工程５２１で求めるようにした。
【００４２】
なお、トライステート駆動工程５０１及び電流測定工程５１１は、ＳＮ比を向上させるために、同一の送信電極１０４を選択しながら複数回繰り返すようにした。送信電極１０４と受信電極１０５の各交点に形成される静電容量の値は通常１〜１００ｐＦ程度の微小な値であり、受信電極１０５に流れる受信電流やその変化も微弱である。そのため、受信電極１０５に流れる受信電流を検出するために、送信電極１０４から印加される複数の周期による電流を累積して検出する。
【００４３】
但し、通常受信電極１０５に流れる受信電流は交流であるため、単純に累積してしまうと累積値が相殺されてしまう。これを回避するために、累積部３０３では交流電流の位相に同期して極性を切換えながら累積を行う。図５のフローに示す例では、駆動論理の立ち上がりと立下りの両方を用いたため、ｃを１からＣまでの自然数として、サイクル数Ｃの２倍の回数になるまでカウントして繰り返すようにした。
【００４４】
ここで、各電極はそれ自体に抵抗値と静電容量をもっているために高い周波数は減衰し、交点は直列の静電容量のために低い周波数が減衰する。これらを勘案して、送信電極に印加する電圧の周波数は、減衰の小さい周波数にすることが望ましい。
【００４５】
さらに、検出領域１０３のすべての送信電極１０４から駆動する送信電極１０４を順次選択し、検出領域１０３全体の送信電極１０４を駆動するため、図５のフローに示す例ではｔ（１からＴまでの自然数）をカウントすることによりＴ回繰り返すようにした。従って、Ｔは通常送信電極１０４の数Ｎと一致する。
【００４６】
検出領域１０３全体にわたり送信電極１０４を駆動して受信電極１０５に流れ込む電流を測定した後に座標演算工程５２１を行うようにしたが、これは一例であり、例えば選択期間ごとに座標演算工程５２１を行うようにしたり、並列処理により座標演算工程５２１を実行しながら次のトライステート駆動工程５０１と電流測定工程５１１を実行するなど、全体のフローに特に制約はない。
【００４７】
また、図５のフロー全体は、処理部１０８からの起動により定期的に繰り返すようにした。
【００４８】
［トライステート駆動工程］
トライステート駆動工程５０１は、非選択の送信電極１０４を駆動するトライステートバッファ２０２の出力インピーダンスを高くする非選択ゲートオフ工程５０２と、選択した送信電極の電圧を変化させる駆動論理遷移工程５０３と、非選択の送信電極を駆動するトライステートバッファの出力インピーダンスを低くする非選択ゲートオン工程５０４とにより駆動する。図５では駆動論理遷移工程５０３の前に非選択ゲートオフ工程を行う場合の例を示しているが、非選択ゲートオフ工程５０２と駆動論理遷移工程５０３はほぼ同時でも良い。
【００４９】
［電流測定工程］
また、電流測定工程５１１は、トライステート駆動工程５０１の前に積分部３０１のコンデンサ３１２をスイッチ３１３でオンすることによりクリアする電荷クリア工程５１２と、トライステート駆動工程５０１の後に積分部３０１の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤＣ工程５１３と、選択された送信電極１０４あるいはその組合せごとにＡＤＣ工程で得られたデジタル値を累積部３０３で累積する累積工程５１４とにより受信電極１０５からの電流を測定するようにした。
【００５０】
［座標演算工程］
座標演算工程５２１では、電流測定工程５１１で求めた２次元の座標に対応した電極の各交点の静電結合に依存した電流値あるいはその推移から、加重平均などにより検出対象の物体の接近判定と位置を演算する。
【００５１】
＜トライステート駆動工程と電流測定工程の動作タイミング＞
図６及び図７は、本発明の特徴であるトライステート駆動工程５０１と電流測定工程５１１の具体的な動作タイミングの一例について示したものである。図６は最初の選択期間１の最初のサイクルの立ち上がりについて詳細なタイミングを示したものであり、図７は検出領域１０３全体の走査についてのタイミングを示したものである。図６及び図７は、タイミング発生部２０１が生成する論理信号２１１，ゲート信号２１２及び同期信号２１３の一例について、タイミング関係を示している。ここで、論理信号１〜４及びゲート信号１〜４は、各送信電極１０４に対応してタイミング発生部２０１からトライステートバッファ２０２に接続される信号を示している。
【００５２】
図６において横軸は共通の時間軸で、縦軸は論理レベルである。上側が真で下側が偽である。但し、受信電流については、アナログの電流値である。
【００５３】
（クロック）
タイミング発生部２０１で生成する信号は、時間の基準となるクロックをカウントして生成するようにした。
【００５４】
（選択された送信電極）
論理信号１は、選択された送信電極１０４の例としての送信電極１に接続されるトライステートバッファ２０２に入力される論理信号である。初期的には偽レベルであるが、図中クロックの３番目の立ち上がりで真レベルに立ち上がるようにした。論理信号の真レベルは、クロックの１４番目の立ち上がりまで真を維持している。なお、選択されている送信電極１に接続されるトライステートバッファ２０２に接続されるゲート信号は、図示しないが、常に真である。
【００５５】
（非選択な送信電極）
非選択の送信電極１０４に対する例として、ゲート信号２は、送信電極２に接続されるトライステートバッファ２０２のゲート入力に接続される信号である。ゲート信号２は、選択されている論理信号１の変化とほぼ同時に真から偽に変化するようにした。このゲート信号２は、受信電流がほぼ収束するまでの間偽のレベルを維持し、クロックの９番目の立ち上がりにより真に戻すようにした。ここで、ゲート信号２を真に戻すのは、送信電極２の電圧がノイズ等により変化する状態では、送信電極２から受信電極にノイズが流れ込んでしまい、正確な検出ができなくなるからである。また、非選択な送信電極２に接続されるトライステートバッファ２０２に接続される論理信号は、図示しないが、一定のレベルで変化しないようにした。
【００５６】
なお、送信電極２以外についても同様である。
【００５７】
（電荷クリア）
選択した送信電極の電圧を変化させる前に、クロックの１番目のサイクル期間、電荷クリア工程５１２で電荷クリアを真にして積分部３０１のコンデンサ３１２の両端を短絡する。
【００５８】
（ＡＤＣ）
ゲート信号２など非選択の送信電極に対応するゲート信号を真にしてからクロックの１サイクル分経過した後、クロックの１０番目の立ち上がりによりＡＤＣ工程５１３でＡＤＣ部３０２により電圧の測定を行うようにした。
【００５９】
図７において、横軸は共通の時間軸で、縦軸は各信号の論理レベルであり、上側が真で下側が偽であることを示している。図７は、図６に示したタイミングを、駆動論理反転や複数サイクルの繰り返しや選択する送信電極を切り替えながら検出領域全体の走査についてのタイミングを示したものである。
【００６０】
（線順次駆動）
図７に示すように、本実施例においては、４本の送信電極１〜４を選択期間ｔ＝１〜４により線順次で駆動する。つまり、選択期間１で選択されている送信電極１を論理信号１とゲート信号１により駆動する。この際、非選択な送信電極２〜４については、論理信号は変化せずに一定のレベルを維持し、ゲート信号は選択された送信電極に対応する論理信号の変化の直後に一時的に偽になっているように駆動するようにした。選択期間２〜４についても同様である。
【００６１】
（複数サイクル検出）
さらに、選択期間１においては、選択された論理信号は、ＳＮ比を改善するため、２サイクル電圧を変化させるようにした。つまり、立ち上がり，立ち下がり，立ち上がり，立ち下がりの４回の電圧変化である。これら４回の電圧変化の各々について、電流測定工程５１１で電流測定部１０７により電流を測定するとともに、４回の測定値を累積する。この際、累積工程５１４で累積部３０３により立ち上がりに対応する測定値を加算し、立ち下りに対応する測定値は減算する。累積工程５１４での累積は、選択している送信電極ごとに行い、選択期間１〜４に対応して累積された測定値１〜４を得るようにした。
【００６２】
＜発明の作用と効果＞
ここで、本発明の作用と効果について説明する。
【００６３】
［駆動波形］
図８は、以上に説明した構成及び方法で、送信電極１〜４を各々駆動した駆動波形１〜４を示したものである。図８において、横軸は共通の時間軸であり、縦軸は電圧レベルである。
【００６４】
駆動波形は、トライステートバッファ２０２のゲート信号が真の間論理信号がそのまま送信電極１０４に出力され、ゲート信号が偽になるとインピーダンスが高くなり、電圧は不定になる。したがって、線順次で選択された送信電極１０４には各々２サイクル分の電圧変化が出力され、選択されていない送信電極１０４の電圧は選択された送信電極の電圧が変化した直後に一時的に不定になる。なお、図中、斜線で塗りつぶされた時間は電圧が不定であることを示している。
【００６５】
［検出領域の等価回路］
図９は、検出領域１０３の等価回路を集約したものを示す概念図である。ここで、駆動ｕは、選択された送信電極１０４に接続する信号である。抵抗Ｒｕは、選択された送信電極１０４への配線抵抗及び電極自体の抵抗を表している。コンデンサＣｕは、選択された送信電極１０４と受信電極１０５の交点の静電容量を表している。コンデンサＣｗは、非選択の送信電極１０４と受信電極１０５との交点の静電容量を表している。抵抗Ｒｗは、非選択な送信電極１０４の配線抵抗及び電極自体の抵抗を表している。スイッチＳｗは、非選択な送信電極１０４のインピーダンスを切換えるためのものである。抵抗Ｒｘは、受信電極１０５への配線抵抗及び受信電極１０５自体の抵抗である。
【００６６】
従来の静電座標入力装置あるいは静電座標入力方法では、スイッチＳｗがオンしている状態が継続しているため、駆動ｕにスイップ状の電圧変化を印加すると、選択された駆動電極からの電流Ｉｕは、非選択の送信電極１０４に流れる電流Ｉｗと受信電極１０５に直接流れるＩｘに分かれる。この時に非選択の送信電極１０４に流れ込む電流はコンデンサＣｗに蓄積される。その後コンデンサＣｕにより直流成分がカットされてＩｕが途絶えると、コンデンサニＣｗに蓄積された電荷が受信電極１０５に流れ込む。このように、選択された送信電極１０４からの電流の一部が選択されていない送信電極１０４を迂回して受信電極１０４に流れ込むため、遅延時間が長くなっていた。
【００６７】
一方、本発明によりスイッチＳｗを選択された送信電極１０４の電圧変化の直後に一時的に開いていると、選択された送信電極１０４からの電流Ｉｕは非選択の送信電極１０４を迂回することなく直接受信電極１０５に流れ込むために、遅延時間を短くすることができる。
【００６８】
［計算結果］
図１０は、図９に示す回路で流れる電流の時間変化を計算したものである。図中、破線は選択された送信電極１０４からの電流Ｉｕを示し、点線は受信電極１０５に流れ込む電流Ｉｘを示し、一点鎖線は選択されていない送信電極１０４を迂回する電流Ｉｗを示し、実線は受信電極１０５に流れ込んだ電流を積分した電荷量Ｑを示している。
【００６９】
また、ここでは、送信電極数を３０，受信電極数を２４とし、１本の送信電極の配線抵抗を８２ｋΩ，１本の受信電極の配線抵抗を１９５ｋΩ，１本の送信電極と１本の受信電極との交点の静電容量を４０ｐＦとした。ここで、複数の送信電極や複数の受信電極を一つに集約するために、並列接続として計算すると、抵抗Ｒｕを８２ｋΩ，コンデンサＣｕを９６０ｐＦ，コンデンサＣｗを２８ｎＦ，抵抗Ｒｗを２．８ｋΩ，抵抗Ｒｘを８．１ｋΩとなる。
【００７０】
図１０（ａ）は本発明による静電座標入力装置及び静電座標入力方法を想定してスイッチＳｗをオフとして計算したトライステート駆動のステップ応答であり、図１０（ｂ）は従来の静電座標入力装置及び静電座標入力方法を想定してスイッチＳｗをオンとして計算したバイステート駆動のステップ応答である。この例では、本発明により、従来と比較して約３．６分の１の短時間で電荷量Ｑが収束している。
【００７１】
以上に示したように、本発明によると、選択した送信電極１０４の電圧の変化の直後に非選択の送信電極１０４のインピーダンスを高くすることにより、非選択の送信電極１０４への電流の迂回をなくして、受信電極１０５に到達するまでの遅延時間を大幅に短くすることができる。
【００７２】
以上、図１０に示すように、線順次に送信電極１０４を１本づつ選択して、非選択の送信電極１０４の全てについて選択された送信電極１０４の電圧が変化した直後に一時的にインピーダンスを高くし、選択された送信電極１０４の電圧の立ち上がりと立ち下りについて受信電極１０５に流れ込む電流を測定して累積する構成及び方法について説明したが、本発明による静電座標入力装置１０１あるいは静電座標入力方法はこの限りではない。
【００７３】
図１１は、他の駆動波形を示したものである。図１１は図８と同様に、横軸は共通の時間軸で、縦軸は各送信電極の電圧を示している。図１１で斜線で塗りつぶされた時間はインピーダンスが高く電圧が不定であることを示している。
【００７４】
図１１（ａ）は、端の送信電極についてはインピータンスを高くしないように送信電極を駆動することにより、外部からのノイズの影響を小さくするようにしたものである。
【００７５】
また、図１１（ｂ）に示すように、選択された送信電極の隣の送信電極については、インピーダンスを高くしないように送信電極を駆動することにより、選択された送信電極からの電圧の変化による放射ノイズを低減することができる。
【００７６】
さらに、図１１（ｃ）に示すように、例えば選択された送信電極の立ち上がりの直後にのみあるいは立下りの直後にのみ、選択されていない送信電極のインピーダンスを一時的に高くなるようにしても良い。
【００７７】
また、図１１（ｄ）に示すように、複数の送信電極を選択して駆動する場合でも、選択しない送信電極について、選択した送信電極の電圧が変化した直後に一時的にインピーダンスを高くすることにより、受信電極への遅延時間を短くすることができる。図１１（ｄ）の例は、アダマール行列を用いて駆動した場合の例である。但し、この場合には、受信電極への電流の測定値から相関や逆行列の演算を行う必要があることは言うまでもない。
【００７８】
さらに、駆動波形について、以上に立ち上がりの後に立ち下がりを駆動する場合の例を示したが逆相であっても良いことは言うまでもない。
【００７９】
また、図１２に示すように、本発明による静電座標入力装置１０１をディスプレイ１２３１を持つＣＰＵ１２２１に接続することにより、情報機器を構成することができる。
【００８０】
具体的には、本発明による静電座標入力装置１０１により、図１３（ａ）に示すような携帯電話や図１３（ｂ）に示すようなマルチメデイアプレーヤーや図１３（ｃ）に示すようなナビゲ―ションシステムや図１３（ｄ）に示すようなコンピュータなどのディスプレイ装置上に透明な検出領域１０３を重ねることによりタッチスクリーン１３３１を構成し、ノイズに強く安定したスムーズな操作を可能にした携帯機器やコンピュータなどの情報機器を実現することが出来る。
【００８１】
図１３（ａ）〜（ｄ）に示す情報機器の構成として、情報機器を保護するケース１３１１と、情報を出力するタッチスクリーン１３３１と、ディスプレイ１２３１上に設置された検出領域１０３からの入力を受け付け物体の接近や位置を特定する本発明の静電座標入力装置１０１と、静電座標入力装置からの入力とディスプレイ１２３１への出力を制御するＣＰＵ１２２１と、により成り立つ。また、図１３（ａ）、図１３（ｂ）や図１３（ｄ）に示されるようにキーボード１３２１が情報機器に備え付けられていても良い。
【符号の説明】
【００８２】
１０１ 静電座標入力装置
１０２ 支持部
１０３ 検出領域
１０４ 送信電極
１０５ 受信電極
１０６ トライステート駆動部
１０７ 電流測定部
１０８ 処理部
２０１ タイミング発生部
２０２ トライステートバッファ
５０１ トライステート駆動工程
５０２ 非選択ゲートオフ工程
５０３ 駆動論理遷移工程
５０４ 非選択ゲートオン工程
５１１ 電流測定工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指やペンなどにより座標を入力する静電座標入力装置であって、
支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極および他の1つの次元に対応する受信電極と、
前記複数の送信電極から選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、
前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、
前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める処理部と
により構成されることを特徴とする静電座標入力装置。
【請求項２】
前記トライステート駆動部が、トライステートバッファを有することを特徴とする請求項１に記載の静電座標入力装置。
【請求項３】
指やペンなどにより座標を入力する静電座標入力方法であって、
物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、
前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、
得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める
ことを特徴とする静電座標入力方法。
【請求項４】
前記トライステート駆動する際に、端部の送信電極については、駆動インピーダンスを高くしないことを特徴とする請求項３に記載の静電座標入力方法。
【請求項５】
前記トライステート駆動する際に、前記選択された送信電極の隣の送信電極については、駆動インピーダンスを高くしないことを特徴とする請求項３に記載の静電座標入力方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の静電座標入力装置に従った入力装置を備えている情報機器。
【請求項１】
指やペンなどにより座標を入力する静電座標入力装置であって、
支持部上の検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極および他の1つの次元に対応する受信電極と、
前記複数の送信電極から選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるように駆動するトライステート駆動部と、
前記受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して測定する電流測定部と、
前記電流測定部で測定した電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める処理部と
により構成されることを特徴とする静電座標入力装置。
【請求項２】
前記トライステート駆動部が、トライステートバッファを有することを特徴とする請求項１に記載の静電座標入力装置。
【請求項３】
指やペンなどにより座標を入力する静電座標入力方法であって、
物体の接近を検出する検出領域における１つの次元に対応する複数の送信電極について選択した１つ以上の送信電極の電圧を変化させるとともに非選択の送信電極の駆動インピーダンスが前記選択された送信電極の電圧の変化の直後に一時的に高くなるようにトライステート駆動し、
前記検出領域における他の１つの次元に対応する受信電極からの電流あるいは電荷量を前記送信電極への駆動に同期して電流測定し、
得られた電流値あるいは電荷量から前記検出領域に入力した座標を求める
ことを特徴とする静電座標入力方法。
【請求項４】
前記トライステート駆動する際に、端部の送信電極については、駆動インピーダンスを高くしないことを特徴とする請求項３に記載の静電座標入力方法。
【請求項５】
前記トライステート駆動する際に、前記選択された送信電極の隣の送信電極については、駆動インピーダンスを高くしないことを特徴とする請求項３に記載の静電座標入力方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の静電座標入力装置に従った入力装置を備えている情報機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２５７８８４（Ｐ２０１１−２５７８８４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３０４８３（Ｐ２０１０−１３０４８３）
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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