(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象物の近接によって静電容量が変化する複数の検出電極を有するセンサ部と、
前記複数の検出電極から出力される検出信号に基づいて、前記検出対象物と前記センサ部との間の距離である第１の距離を算出する演算部と、
前記複数の検出電極を、前記静電容量の検出のための信号電圧が供給される第１の状態と電気的に浮遊した第２の状態との間で切り替え可能であり、前記複数の検出電極のうち前記第２の状態から前記第１の状態へ切り替えられる二以上の検出電極を一つずつ選択する切替回路部と、
前記第２の状態から前記第１の状態へ切り替えられる前記二以上の検出電極相互間の距離である第２の距離が、前記演算部で算出された前記第１の距離に対応するように前記切替回路部を制御する制御部と
を具備するセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記検出電極は、第１の方向に第１の間隔をおいて配列された複数の第１の電極部を有し、
前記制御部は、前記第１の距離の大きさに応じて、前記第２の距離が前記第１の間隔の整数倍で変化するように前記切替回路部を制御するセンサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記検出電極は、前記第１の方向と交差する第２の方向に第２の間隔をおいて配列された複数の第２の電極部をさらに有し、
前記制御部は、前記第１の距離の大きさに応じて、前記第２の距離が前記第２の間隔の整数倍で変化するように前記切替回路部を制御するセンサ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記センサ部に対向して配置され情報を表示する表示面を有する表示素子をさらに具備するセンサ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記センサ部に対向して配置され情報を入力することが可能な入力部材をさらに具備するセンサ装置。
【請求項６】
検出対象物の近接によって静電容量が変化する複数の検出電極を有するセンサ部と、
前記複数の検出電極から出力される検出信号に基づいて、前記検出対象物と前記センサ部との間の距離である第１の距離を算出する演算部と、
前記複数の検出電極を、前記静電容量の検出のための信号電圧が供給される第１の状態と電気的に浮遊した第２の状態との間で切り替え可能であり、前記複数の検出電極のうち前記第２の状態から前記第１の状態へ切り替えられる二以上の検出電極を一つずつ選択する切替回路部と、
前記第２の状態から前記第１の状態へ切り替えられる前記二以上の検出電極相互間の距離である第２の距離が、前記演算部で算出された前記第１の距離に対応するように前記切替回路部を制御する制御部と、
前記センサ部に対向して配置され情報を表示する表示面を有する表示素子と
を具備する情報表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物の近接または接触を検出するセンサ装置および情報表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子などを使用した平面型の情報表示装置にあっては、表示パネル面に指などが接触したことをタッチセンサで検出し、その接触位置の座標情報に基づいて表示画像や動作を制御するものが一般的である。さらに近年、接触状態の検出だけでなく、指などがタッチセンサに触れる前の近接状態を検出可能な情報表示装置が提案されている（例えば下記特許文献１、２参照）。
【０００３】
例えば下記特許文献１には、複数の検知電極からなるセンサ手段と対象物との対向距離に応じて検知電極の電極間距離を変化させ、検知分解能を調整する方法が記載されている。また、下記特許文献２には、遠い位置に存在する検知対象物を検知する場合は複数の検知電極を電気的に結合し、近い位置に存在する検知対象物を検知する場合は電気的に結合されている複数の検知電極を分離する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１７３７１号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の情報表示装置においては、検知電極相互間の静電結合の影響により、対象物の検出距離を大きくすることができないという問題がある。また、上記特許文献２に記載の構成では、検知電極の形状や配置の自由度が低いため、検出距離や感度が検出領域の大きさに制限される。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、検出可能距離および検出感度を向上させることができるセンサ装置および情報表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るセンサ装置は、センサ部と、演算部と、切替回路部と、制御部とを具備する。
上記センサ部は、検出対象物の近接によって静電容量が変化する複数の検出電極を有する。
上記演算部は、上記検出対象物と上記センサ部との間の距離である第１の距離を算出する。
上記切替回路部は、上記複数の検出電極を、上記静電容量の検出のための信号電圧が供給される第１の状態と電気的に浮遊した第２の状態との間で切り替え可能である。上記切替回路部は、上記複数の検出電極のうち上記第２の状態から上記第１の状態へ切り替えられる二以上の検出電極を一つずつ選択する。
上記制御部は、上記第２の状態から上記第１の状態へ切り替えられる上記検出電極相互間の距離である第２の距離が、上記演算部で算出された上記第１の距離に対応するように上記切替回路部を制御する。
【０００８】
上記センサ装置においては、第１の状態に切り替えられる検出電極の静電容量の変化に基づいて、センサ部に対する検出対象物の近接が検出される。センサ部と検出対象物との間の相対距離（第１の距離）は、演算部によって算出される。このとき、第１の状態に切り替えられた検出電極以外の他の検出電極は、切替回路部によって電気的に浮遊した第２の状態に維持されるため、第１の状態にある検出電極とそれ以外の検出電極との間における静電結合が低減される。これにより、センサ部による検出対象物の検出感度を向上させることができる。
【０００９】
また、上記センサ装置においては、上記第１の距離に対応する大きさの電極間距離（第２の距離）を有する二以上の検出電極が一つずつ第２の状態から第１の状態へ切り替えられる。これにより、検出対象物の近接距離に関係なく安定した検出感度を確保できるとともに、検出可能距離の拡大を図ることができる。
【００１０】
上記演算部は、上記検出電極の静電容量の変化を検出することで上記第１の距離を算出する演算回路で構成されてもよい。また、上記演算部は、上記第１の距離を直接的に検出する撮像素子や、光学的に検出するセンサ素子などによって構成されてもよい。
【００１１】
上記検出電極は、第１の方向に第１の間隔をおいて配列された複数の第１の電極部を有してもよい。この場合、上記制御部は、上記第１の距離の大きさに応じて、上記第２の距離が上記第１の間隔の整数倍で変化するように上記切替回路部を制御してもよい。
これにより、第１の方向に沿った検出対象物の位置あるいは動きを検出することができる。また、第１の状態へ切り替えられる検出電極の数を増減させることで、検出対象物の近接距離に応じた検出感度を得ることができる。
【００１２】
上記検出電極は、上記第１の方向と交差する第２の方向に第２の間隔をおいて配列された複数の第２の電極部をさらに有してもよい。この場合、上記制御部は、上記第１の距離の大きさに応じて、上記第２の距離が上記第２の間隔の整数倍で変化するように上記切替回路部を制御してもよい。
これにより、第２の方向に沿った検出対象物の位置あるいは動きを検出することができる。また、第１の状態へ切り替えられる検出電極の数を増減させることで、検出対象物の近接距離に応じた検出感度を得ることができる。
【００１３】
本発明の一形態に係る情報表示装置は、センサ部と、演算部と、切替回路部と、制御部と、表示素子とを具備する。
上記センサ部は、検出対象物の近接によって静電容量が変化する複数の検出電極を有する。
上記演算部は、上記検出対象物と上記センサ部との間の距離である第１の距離を算出する。
上記切替回路部は、上記複数の検出電極を上記静電容量の検出のための信号電圧が供給される第１の状態と電気的に浮遊した第２の状態との間で切り替え可能であり、上記複数の検出電極のうち上記第２の状態から上記第１の状態へ切り替えられる二以上の検出電極を一つずつ選択する。
上記制御部は、上記第２の状態から上記第１の状態へ切り替えられる上記検出電極相互間の距離である第２の距離が、上記演算部で算出された上記第１の距離に対応するように上記切替回路部を制御する。
上記表示素子は、上記センサ部に対向して配置され、情報を表示する表示面を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、検出対象物に対する検出可能距離および検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記センサ装置のセンサ部の概略構成を示す分解斜視図である。
【図３】上記センサ装置のセンサ部、切替回路部、演算部との関係を示す概略的な回路図である。
【図４】上記センサ部から検出対象物までの距離と、検出電極の走査間隔との関係を説明する図である。
【図５】上記センサ装置の作用の一例を示す模式図である。
【図６】上記センサ装置の一動作例を説明するフローチャートである。
【図７】発振方式を異ならせて発振電極上の電界強度分布を測定したときの各発振条件を説明するシミュレーションモデルである。
【図８】図７のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】電極の間隔と検出対象物の高さを変化させて、電極と検出対象物との間の静電容量の変化率を測定する方法を説明するシミュレーションモデルである。
【図１０】図９のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るセンサ装置を示す概略図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置を示す概略図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係るセンサ装置を示す概略図である。
【図１４】上記センサ部の電極形状の変形例を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
＜第１の実施形態＞
［センサ装置］
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。本実施形態のセンサ装置１は、センサ部１０と、切替回路部１１と、演算部１２と、制御部１３と、表示部１５とを有する。センサ装置１は、例えば入力座標位置の検出装置として機能し、入力座標位置に応じて表示画像を制御する情報表示装置の入力インターフェースを構成する。
【００１８】
（センサ部）
図２は、センサ部１０の概略構成を示す分解斜視図である。センサ部１０は、第１の電極基板１０１と、第２の電極基板１０２と、これら電極基板１０１、１０２を相互に接合する接合層１０３との積層構造を有する。センサ部１０は、図２に示すＸＹ平面上における検出対象物の位置座標を検出するためのもので、静電容量式のタッチセンサあるいは近接センサとして構成される。本実施形態において検出対象物は、人の手指である場合を例に挙げて説明するが、これ以外にも、検出対象物にはスタイラスペン等の入力補助具も含まれる。
【００１９】
第１の電極基板１０１は、複数本の検出電極１０ｘと、これらの検出電極１０ｘを支持する支持基材Ｄｘとを有する。各検出電極１０ｘは、図２においてＹ軸方向（縦方向）に平行に延びる直線的な配線電極で形成され、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向（横方向）に所定の間隔をおいて複数配列されている。検出電極１０ｘは、Ｘ軸方向に沿った手指の位置を検出する。
【００２０】
第２の電極基板１０２は、複数本の検出電極１０ｙと、これらの検出電極１０ｙを支持する支持基材Ｄｙとを有する。各検出電極１０ｙは、Ｘ軸方向に平行に延びる直線的な配線電極で形成され、Ｙ軸方向に所定の間隔をおいて複数配列されている。検出電極１０ｙは、Ｙ軸方向に沿った手指の位置を検出する。
【００２１】
本実施形態では、第２の電極基板１０２は、第１の電極基板１０１の上層側に位置しているが、勿論これに限られず、第１の電極基板１０１が上層側に位置してもよい。第２の電極基板１０２の最上面は、検出電極１０ｘ、１０ｙがマトリクス状に配列された検出面Ｄを構成し、例えば、第２の電極基板１０２を被覆する透明基板で形成される。
【００２２】
検出電極１０ｘ、１０ｙおよび支持基材Ｄｘ、Ｄｙは、透光性を有する材料で形成されてもよいし、透光性を有さない材料で形成されてもよい。例えば図２に示すように、センサ部１０が表示素子Ｗの表示面上に積層される場合、表示画像を外部から視認可能とするため、センサ部１０を構成する各部材は、透光性を有する材料で形成される。この場合、検出電極１０ｘ，１０ｙとしては、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電酸化物で形成され、支持基材Ｄｘ、Ｄｙは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の透光性を有する樹脂材料で形成される。これに対して、センサ部１０が表示素子Ｗの背面側に配置される場合は、センサ部１０は透光性を必要とされないため、非透光性の材料で形成されることが可能である。
【００２３】
切替回路部１１は、検出電極１０ｘ、１０ｙに信号電圧を供給することでセンサ部１０を駆動する。センサ部１０は、信号電圧を供給されることで、検出面Ｄへの手指の近接あるいは接触、および検出面Ｄに対する手指の相対位置に関する検出信号を生成し、これを演算部１２へ出力する。
【００２４】
図３は、センサ部１０、切替回路部１１、演算部１２との関係を示す概略的な回路図である。図では簡単のため、センサ部１０の各検出電極１０ｘ、１０ｙはそれぞれ４本ずつ示されているが、実際はより多くの本数で各検出電極が配列される。
【００２５】
（切替回路部）
切替回路部１１は、個々の検出電極１０ｘに対応して設置された複数のスイッチを含む第１のスイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂと、個々の検出電極１０ｙに対応して設置された複数のスイッチを含む第２のスイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂとを有する。
【００２６】
第１のスイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂは、個々の検出電極１０ｘ（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）の両端にそれぞれ設置されたスイッチ（Ｓｘ１、Ｓｘ２、Ｓｘ３、Ｓｘ４）をそれぞれ有する。同一の検出電極１０ｘ（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）に接続された２つのスイッチ（Ｓｘ１、Ｓｘ２、Ｓｘ３、Ｓｘ４）は、それぞれ連動して開閉されるように構成されている。第１のスイッチ群のうち、一方側のスイッチ群１１ｘａは、第１の信号発生回路１４ｘに接続されており、他方側のスイッチ群１１ｘｂは、第１の演算回路１２ｘに接続されている。
【００２７】
一方、第２のスイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂは、個々の検出電極１０ｙ（ｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４）の両端にそれぞれ設置されたスイッチ（Ｓｙ１、Ｓｙ２、Ｓｙ３、Ｓｙ４）をそれぞれ有する。同一の検出電極１０ｙ（ｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４）に接続された２つのスイッチ（Ｓｙ１、Ｓｙ２、Ｓｙ３、Ｓｙ４）は、それぞれ連動して開閉されるように構成されている。第２のスイッチ群のうち、一方側のスイッチ群１１ｙａは、第２の信号発生回路１４ｙに接続されており、他方側のスイッチ群１１ｙｂは、第２の演算回路１２ｙに接続されている。
【００２８】
信号発生回路１４ｘ、１４ｙは、切替回路部１１に含まれてもよいし、切替回路部１１とは別に構成されてもよい。信号発生回路１４ｘ、１４ｙは、検出電極１０ｘ、１０ｙを駆動する信号電圧を発生させる発振回路あるいは電源回路で構成される。本実施形態における信号電圧は、所定周波数で発振するパルス電圧とされるが、これに限られず、高周波を含む所定周波数の交流電圧でもよいし、直流電圧でもよい。演算回路１２ｘ、１２ｙは、後述する演算部１２に含まれる。
【００２９】
スイッチ群１１ｘａを構成する各スイッチは、検出電極１０ｘ（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）と信号発生回路１４ｘとの間を電気的に接続する第１の状態と、これらの間を電気的に遮断する第２の状態とをそれぞれ有する。スイッチ群１１ｘｂを構成する各スイッチは、検出電極１０ｘ（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）と演算回路１２ｘとの間を電気的に接続する第１の状態と、これらの間を電気的に遮断する第２の状態とをそれぞれ有する。第１の状態では、検出電極１０ｘ（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４）へ信号電圧が供給されることで発振し、演算回路１２ｘは、信号電圧が供給された検出電極（以下、「発振電極」ともいう。）の静電容量およびその変化を検出する。
【００３０】
スイッチ群１１ｘａは、スイッチ（Ｓｘ１、Ｓｘ２、Ｓｘ３、Ｓｘ４）のうち一つのスイッチを選択する。ここでいう選択とは、第２の状態から第１の状態へ切り替えられるスイッチを選択することを意味する。選択されたスイッチは、当該スイッチに接続される検出電極を信号発生回路１４に接続し、当該検出電極へ信号電圧を供給する。このとき、スイッチ群１１ｘａは、残余のスイッチを第２の状態に切り替えて、これらスイッチに接続される検出電極への信号電圧の供給を遮断する。
【００３１】
一方のスイッチ群１１ｘａの中から一つのスイッチが選択されると、それを反映するように、他方のスイッチ群１１ｘｂの対応するスイッチが上記スイッチと同じ状態をとるように切り替えられる。例えば、スイッチ群１１ｘａのスイッチＳｘ１が第１の状態に切り替えられると、スイッチ群１１ｘｂのスイッチＳｘ１も第１の状態へ切り替えられ、スイッチ群１１ｘｂの残余のスイッチＳｘ２〜Ｓｘ４が第２の状態へ切り替えられる。したがって、スイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂによって一つの検出電極が選択されると、当該検出電極からの出力信号が演算回路１２ｘへ供給され、残余の検出電極は、電気的に浮遊した状態（フローティング状態）へ遷移される。これにより、検出電極１０ｘ相互間の静電結合の影響を抑えて、発振電極の静電容量を高感度に検出することが可能となる。
【００３２】
スイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂも上記と同様に構成される。すなわち、スイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂによって一つの検出電極が選択されると、当該検出電極からの出力信号が演算回路１２ｙへ供給され、演算回路１２ｙは、信号電圧が供給された検出電極の静電容量およびその変化を検出する。残余の検出電極は、各スイッチ群のスイッチが第２の状態をとることで、電気的に浮遊した状態（フローティング状態）へ遷移される。これにより、検出電極１０ｙ相互間の静電結合の影響を抑えて、発振電極の静電容量を高感度に検出することが可能となる。
【００３３】
スイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂ、１２ｙａ、１２ｙｂを構成する各スイッチは、第２の状態において検出電極をフローティング状態にすることができるものであれば特に限定されない。例えば、上記スイッチは、機械的な接点を使用する電気機械式スイッチでもよいし、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やＰＩＮダイオードなどを使用する半導体スイッチであってもよい。電気機械式スイッチは、原理的にスイッチ容量が発生することはないため所望のフローティング状態を実現できる。一方、半導体スイッチは、スイッチ容量の小さい素子を用いることで、所望のフローティング状態を実現可能である。この種の半導体スイッチとして、例えば、米国アナログデバイセズ（ANALOG DEVICES）社製の単極単投（ＳＰＳＴ）スイッチ「ADG1206」（製品名）を用いることができる。
【００３４】
スイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂおよびスイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂは、複数のスイッチのうち二以上のスイッチを一つずつ選択する。典型的には、スイッチ群１１ｘａ、１１ｘｂは、スイッチＳｘ１〜Ｓｘ４を順番に一つずつ第１の状態へ切り替えることで検出電極１０ｘを順次発振させ、検出面ＤのＸ軸方向に沿った手指の位置を検出可能とする。同様に、スイッチ群１１ｙａ、１１ｙｂは、スイッチＳｙ１〜Ｓｙ４を順番に一つずつ第１の状態へ切り替えることで検出電極１０ｙを順次発振させ、検出面ＤのＹ軸方向に沿った手指の位置を検出可能とする。切替回路部１１は、制御部１３からの出力を受け、各スイッチを統括的に制御するコントローラ１１０を有する
【００３５】
本実施形態のセンサ装置１は、検出面Ｄと手指との間の相対距離に応じて、選択されるスイッチを異ならせて、各検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔を調整する。ここで、走査間隔とは、第２の状態から第１の状態へ切り替えられるスイッチ間の間隔、すなわち発振電極間の間隔をいう。本実施形態のセンサ装置１は、後述するように、検出面Ｄから手指が離れているほど検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔は大きく（粗く）なるように調整される。反対に、検出面Ｄに対して手指が近接しているほど、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が小さく（密に）なるように調整される。
【００３６】
（演算部）
演算部１２は、検出電極１０ｘから出力される信号電圧を処理する演算回路１２ｘと、検出電極１０ｙから出力される信号電圧を処理する演算回路１２ｙとを有する。各検出電極１０ｘ、１０ｙから出力される信号電圧は、検出面Ｄ上における手指の存在あるいは位置に関する情報を含む検出信号に相当する。演算回路１２ｘ、１２ｙはこれら検出電極１０ｘ、１０ｙの検出信号に基づいて、検出面Ｄ上における手指の存在の有無、あるいは手指が存在する場合にはその検出面Ｄからの距離、ＸＹ座標位置、移動方向、移動速度（あるいは加速度）を算出する。
【００３７】
演算回路１２ｘ、１２ｙは、切替回路部１１によって選択された検出電極１０ｘ、１０ｙの検出信号に基づいて、当該検出電極１０ｘ、１０ｙの静電容量を検出し、当該静電容量に対応する距離（第１の距離）を算出する。静電容量の検出方式は特に限定されず、公知の手法を採用することができる。また、静電容量の変化に基づいて、手指の近接や位置座標の特定を行うことができる。
【００３８】
本実施形態では、セルフキャパシタンス方式と呼ばれる検出方式で、各検出電極１０ｘ、１０ｙの静電容量をそれぞれ個別に検出する。セルフキャパシタンス方式は、単電極方式とも呼ばれ、センシングに用いる電極は１つである。センシング用の電極は、接地電位に対して浮遊容量をもっている。この電極に、人体（手指）などの接地された検出対象物が近づくと、当該電極の浮遊容量は増加する。演算部１２は、この容量増加を検出することで、手指の近接や位置座標を算出する。
【００３９】
（制御部）
制御部１３は、センサ装置１の動作を制御する。以下、制御部１３の詳細について説明する。
【００４０】
制御部１３は、検出面Ｄからの手指の距離情報を演算部１２から取得し、この距離情報に基づいて切替回路部１１を制御する。制御部１３は、切替回路部１１を介して、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔（第２の距離）を調整する。本実施形態では、制御部１３は、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が、検出面Ｄからの手指の距離と対応するように、切替回路部１１を制御する。
【００４１】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、検出面Ｄから手指Ｆまでの距離Ｇ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）と、検出電極の走査間隔Ｌ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）との関係を説明する図である。ここでは、検出電極１０Ｘ、１０ｙを構成する各電極を電極ｅ１〜ｅ７とする。電極数は図示の例に限られない。なお、走査対象である電極は、（Ａ）〜（Ｃ）の各図においてハッチングを付して示す（図５において同じ）。
【００４２】
上述のように、制御部１３は、演算部１２から取得する手指Ｆに関する距離情報に基づいて切替回路部１１を制御し、検出電極１０ｘの走査間隔を調整する。そこで、図４（Ａ）に示すように、手指Ｆの距離ＧがＧ１のとき、このＧ１の大きさと同じ大きさとなるように検出電極１０ｘの走査間隔ＬがＬ１に調整される。同様に、図４（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、距離がＧ２のとき走査間隔はＬ２に調整され、距離がＧ３のとき走査間隔はＬ３に調整される。
【００４３】
ここで、手指Ｆの距離Ｇが連続的に変化するのに対して、各電極ｘ１〜ｘ９はＸ軸方向に一定のピッチ（ｐ）で配列されているため、検出電極の走査間隔Ｌは離散した値しかとり得ない。従って、検出電極の走査間隔は、電極ピッチｐの整数倍の値であって、距離Ｇに最も近い値が選択される。このように、検検出電極の走査間隔Ｌは、手指Ｆの検出面Ｄからの距離Ｇの変化に応じて、電極ピッチｐの整数倍で変化する。
【００４４】
また、検出面Ｄ上に手指Ｆが存在しないときの検出電極１０ｘ、１０ｙの最大走査間隔は、要求される検出可能距離等に応じて適宜定められ、例えば電極本数で２本〜５本おきの間隔に設定される。本実施形態では、説明を簡便にするため、図４（Ａ）に示す走査間隔が最大走査間隔であるとして説明する。
【００４５】
走査対象とされた各電極は、一つずつ一定の周期で走査される。走査周期は、検出電極１０ｘおよび検出電極１０ｙともに同一とされ、例えば１フィールドあたり１６．７ｍｓｅｃとされる。検出電極１０ｘと検出電極１０ｙの走査は、交互に実行される。さらに、走査間隔の調整があった場合のフィールド周期は不変とされるが、これに限られない。
【００４６】
図５は、図４（Ｂ）に示す走査形態を切替回路部１１との関係で示す模式図である。切替回路部１１は、制御部１３からの指令に基づいて、走査対象とする二以上の電極（ｅ１、ｅ３、ｅ５、ｅ７）を一つずつ選択する。図５は、電極ｅ３を選択した状態を示している。このとき他の電極（ｅ１、ｅ２、ｅ４〜ｅ７）は、フローティング状態とされる。
【００４７】
なお、切替回路部１１は、上述のように、各スイッチを統括的に制御するコントローラ１１０を有するが、コントローラ１１０は、制御部１３の一部として構成されてもよい。同様に、演算部１２も制御部１３の一部として構成されてもよい。切替回路部１１、演算部１２および制御部１３は、共通の半導体チップ（ＩＣチップ）で構成されてもよい。
【００４８】
制御部１３はさらに、演算部１２において算出された手指の距離、位置座標、移動方向、移動速度などを記憶する記憶部を有してもよい。また、これら記憶された物理量に基づいて、手指のジェスチャを判定し、所定の制御信号を生成する機能を有していてもよい。上記制御信号としては、表示画像の制御等の機器の動作を制御する信号全般が含まれる。これにより、手指の位置に応じたセンサ部１０の最適調整を自動で行いつつ、手指の特定の動作に関連した機器の制御が可能となる。
【００４９】
本実施形態において、制御部１３は、センサ部１０で検出された手指の動作に基づいて制御信号を生成し、表示部１５に表示される画像を制御する。例えば、検出面Ｄへの手指の近接に応じてアイコンの大きさを変更し、あるいは、検出面Ｄ上における手指の移動に応じてポインタの移動や画面のスクロール動作を制御する。
【００５０】
（表示部）
表示部１５は、画像を表示する表示面を有する表示素子Ｗを含む。表示素子Ｗには、例えば、液晶表示パネル、有機ＥＬパネル、冷陰極管（ＣＲＴ）等の画像表示デバイスが用いられる。表示部１５は、制御部１３から供給される制御信号に基づいて、表示面に表示される画像を制御する。表示部１５は、センサ部１０とは物理的に離れた位置に設置されてもよいし、図２に示すようにセンサ部１０と一体的に構成されてもよい。
【００５１】
［センサ装置の動作例］
次に、以上のように構成されるセンサ装置１の動作例について説明する。図６は、センサ装置１の制御フローの一例を示す。
【００５２】
制御部１３は、切替回路部１１を制御して、センサ部１０を図４（Ａ）に示す最大走査間隔で駆動する。これにより、検出電極１０ｘ、１０ｙは、それぞれ所定の間隔をおいて一本ずつ発振され、演算部１２（演算回路１２ｘ、１２ｙ）において各発振電極の静電容量およびその変化が算出される。この動作は、各発振電極の静電容量が所定値（第１の閾値）を超えるまで繰り返される（ステップ１０１）。
【００５３】
検出面Ｄに手指が接近すると、手指に近接する発振電極の浮遊容量は増大する。当該発振電極の浮遊容量が上記所定値（第１の閾値）を超えた場合、制御部１３は、センサ部１０の検出面Ｄへの手指の近接を判定する。このとき、当該発振電極から出力される容量値から、手指の近接距離だけでなく、演算部１２において手指の移動方向および移動速度がそれぞれ算出され、それらの算出結果が制御部１３へ供給される（ステップ１０２）。制御部１３は、演算部１２から出力される手指の移動に関する情報に基づいて制御信号を生成し、表示部１５の表示画像を制御する。
【００５４】
次に、演算部１２にて算出された手指の距離情報に基づいて、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が手指の位置に最適な間隔となるように調整される（ステップ１０３）。すなわち、制御部１３は、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が、検出面Ｄから手指までの距離に対応するように切替回路部１１を制御する。
【００５５】
例えば、図４（Ｂ）に示すように、検出面Ｄから手指Ｆまでの距離がＧ１からＧ２へ変化したとすると、発振電極の浮遊容量はさらに増加する。当該静電容量が所定値（第２の閾値）を超えたとき、制御部１３は、切替回路部１１を制御することで、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔をＬ１からＬ２へ調整する。これにより、発振対象とされる検出電極の位置が変化し、調整前の二本おきから一本おきへ検出電極の走査間隔が変更され、手指Ｆの近接位置の検出感度が高められる。すなわち、検出面Ｄに対する手指のＸ、ＹおよびＺの各位置座標の検出精度を向上させることができる。
【００５６】
検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔の調整は、手指の距離情報（静電容量値）だけを基準とする場合に限られず、例えば、手指の接近速度（Ｚ位置座標の変化率）などを基準として、検出電極の走査間隔を調整するようにしてもよい。
【００５７】
制御部１３は、走査間隔Ｌ２で発振される検出電極の静電容量の増加に基づく手指の更なる接近の有無を判定する（ステップ１０４）。そこで、静電容量の増加が認められない場合、検出面Ｄからの手指の距離に変更がないか、手指が検出面から遠ざかっていることになる。この場合、再度ステップ１０２、１０３が繰り返され、センサ部１０は、手指の距離に応じた最適な走査間隔に調整される。
【００５８】
一方、ステップ１０４において発振電極の静電容量の増加が認められると、検出面Ｄへ手指が更に近接しているか、検出面へ手指が接触していることになる。そこで、制御部１３は、現在の検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が最小（最密）であるか否かを判定する（ステップ１０５）。このとき、上記走査間隔が最小でない場合は、再び上述のステップ１０２〜１０４が実行される。例えば、図４（Ｂ）に示す状態で発振電極の静電容量の更なる増加が認められ、手指Ｆの近接距離がＧ２からＧ３へ変化した場合、制御部１３は、切替回路部１１を制御して、図４（Ｃ）に示すように検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔をＬ２からＬ３へ調整する。これにより、全ての検出電極１０ｘ、１０ｙが走査対象とされ、検出面Ｄの近傍における手指の位置検出精度を更に向上させることが可能となる。
【００５９】
上述のようにして検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔が最小間隔となると、制御部１３は、その走査間隔を保持して手指の動きをトレースする（ステップ１０６）。これにより、検出面Ｄ上における手指の移動に基づく制御信号を生成する。この場合の制御信号としては、例えば表示画面上のポインタの移動制御、画面のスクロール、ページ繰りなどが含まれる。
【００６０】
一方、検出面Ｄからの手指の離間は、発振電極の静電容量の減少に基づいて判断することができる（ステップ１０７）。そこで、静電容量の減少が認められ場合、制御部１３は、ステップ１０２へ移行し、再び上述の動作を繰り返すことで、手指の離間距離に応じた走査間隔が得られる検出電極１０ｘ、１０ｙを選択する。一方、発振電極の静電容量の減少が認められない場合、制御部１３は、ステップ１０６の動作を継続し、手指の移動形態に対応した制御信号を生成する。
【００６１】
以上のように、本実施形態のセンサ装置１においては、検出電極１０ｘ、１０ｙは一本ずつ発振され、発振電極以外の他の検出電極は、切替回路部１１によって電気的に浮遊した状態（第２の状態）に維持される。このため、発振電極とそれ以外の電極との間における静電結合が低減され、個々の発振電極から発生する電界強度が高まり、より遠方に位置する手指の検出が可能となる。これにより、センサ部１０による手指の検出感度および検出可能距離を向上させることができる。
【００６２】
ここで、発振方式を異ならせて発振電極上の電界強度分布を測定したときの各発振条件を説明するシミュレーションモデルとシミュレーション結果を図７および図８に示す。
【００６３】
図７（Ａ）は、基板上に一定ピッチで配列された５本の電極のすべてを同時に発振させるサンプルモデル（サンプル１）を示している。図７（Ｂ）は、中央の電極とこれより最も離れた左右両側の電極とを同時に発振させ、残余の電極をフローティング状態にしたサンプルモデル（サンプル２）を示している。そして、図７（Ｃ）は、中央の配線電極のみ発振させ、残余の電極をフローティング状態にしたサンプルモデル（サンプル３）を示している。
【００６４】
図８は、各サンプルについて中央の電極から生じる電界強度を測定し、注目電極から直上への距離に対する上記電界強度の積分値を算出した結果を示している。当該積分値は、指などの検出対象物との間に生じる静電容量に比例し、この値が大きいほど検出感度が高くなることが電磁気学的に証明されている。
なお、各サンプルの電極の構成は同一とし、電極ピッチ（Ａ１）は５ｍｍ、電極幅（Ｂ１）は０．３ｍｍ、電極厚み（Ｃ１）は０．０４ｍｍ、基板の厚み（Ｄ１）は１ｍｍ、印加電圧は１Ｖとした。また、シミュレータには、アンソフト（Ansoft）社製「Maxwell3D」を用いた。
【００６５】
図８の結果から明らかなように、サンプル１の場合が遠方において最も電界強度が弱くなっていることがわかる。一方、サンプル３では、遠方における電界強度が最も強い。これは、指などの検出対象物を最もよく検出できることを示している。
【００６６】
以上のように、発振電極を一本のみ発振し、残余の電極をフローティング状態にすることで、検出対象物の検出感度および検出可能距離の向上を図ることができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、検出面Ｄに対する手指の近接距離（第１の距離）に対応する大きさに、検出電極１０ｘ、１０ｙの走査間隔（第２の距離）が調整される。これにより、手指の近接距離に関係なく安定した検出感度を確保できるとともに、手指の検出可能距離の拡大を図ることができる。
【００６８】
例えば図９に示すように、電極の間隔（Ａ２）を徐々に広げていき、その各々の間隔において、手指の高さを変化させたときの、手指と電極の間の静電容量の変化率をシミュレーションにより測定した。その結果を図１０に示す。
なお、電極間隔（Ａ２）は０〜５０ｍｍ、電極幅（Ｂ２）は１ｍｍ、電極厚み（Ｃ２）０．０４ｍｍ、手指の高さ（Ｅ）は０〜５０ｍｍ、基板の厚み（Ｄ２）は１ｍｍ、印加電圧は１Ｖとした。また、シミュレータには、アンソフト（Ansoft）社製「Maxwell3D」を用いた。
【００６９】
図１０に示すように、例えば指が１０ｍｍの高さにあるとき（Ｆ１０ｍｍ）、電極の間隔は約１０ｍｍのときが最も変化率が大きく、指を検知しやすい。また、指が５０ｍｍの高さにある場合（Ｆ５０ｍｍ）は、電極の間隔も約５０ｍｍの時の変化率が大きくなっている。このように、指の高さと電極間距離との間には一定の相関があり、検出したい指の高さと同等の電極間隔（走査間隔）を設定することで、検出感度が最もよい状態に保てることがわかる。
【００７０】
さらに、本実施形態においては、検出電極１０ｘ、１０ｙが配線状に形成されているため、配線の幅や本数を調整することによって所望の検出感度を得ることができる。また、検出電極の走査間隔の調整によって近接距離にかかわらず所定の検出感度を得ることができる。さらに、検出電極の配置の自由度が高いため、検出領域の大きさの影響を受けにくい、安定した検出感度を確保することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態によれば、検出面Ｄ上における複数本の手指の動きを検出することができる。例えば、親指と人差し指を用いた手指の複合的な動きに基づいて、画面のズーム制御や回転制御などが実行される。
【００７２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態に係るセンサ装置の概略構成図である。
【００７３】
本実施形態のセンサ装置は、上述のセンサ部１０と表示素子５０とを有する。センサ部１０は２枚の透明基材５１に挟まれ、表示素子５０は、センサ部１０の背面に対向して配置された、文字や図形などの情報を表示する表示面を有する液晶パネルや有機ＥＬパネル等で形成される。表示素子５０は、センサ部１０の検出出力に基づいて表示画像が制御される。本実施形態に係るセンサ装置は、携帯電話に代表される携帯型情報処理端末に適用される。図示せずとも、センサ部１０以外の他の構成（切替回路部１１、演算部１２、制御部１３）は、上記端末本体の内部に格納されている。
【００７４】
透明基材５１は、透光性を有する電気絶縁性の基板、例えば、ガラス基板、プラスチック基板で形成される。センサ部１０の構成部材（検出電極１０ｘ、１０ｙ、支持基材Ｄｘ、Ｄｙ）は透光性を有する材料で形成され、これにより、表示素子５０の表示画像が外部から視認可能とされる。センサ部１０の上面を被覆する透明基材５１は、センサ部１０の検出面Ｄを形成する。
【００７５】
本実施形態によれば、端末を手にもったまま検出面Ｄ上で手指Ｆを動かすだけで、所要の入力操作を行うことができる。また、センサ部１０において手指Ｆの近接およびその動きを高感度に検出することができるため、検出面Ｄに手指を接触させるだけでなく、かざすだけでの入力操作に応じた適正な画像表示制御が可能である。
【００７６】
＜第３の実施形態＞
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置の概略構成図である。本実施形態のセンサ装置は、表示素子５０がセンサ部１０の正面に対向して配置されている点で、上述の第２の実施形態と異なる。センサ部１０は、筐体内部に設置されたシャーシ６０によって支持されている。
【００７７】
本実施形態においても、センサ部１０に近接する手指Ｆを高感度に検出することが可能であるため、センサ部１０と手指Ｆとの間に表示素子５０が介在する場合でも、手指の近接およびその動きを精度よく検出することができる。また、本実施形態によれば、センサ部１０が表示素子５０の背面側に位置しているため、透光性を有する材料で各部材が形成される必要がなくなり、材料選択の自由度を高めることができる。
【００７８】
＜第４の実施形態＞
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るセンサ装置の概略構成図である。本実施形態のセンサ装置は、入力部材７０と、センサ部１０とを有する。入力部材７０は、センサ部１０の正面に対向して配置されるとともに、筐体内部に設置されたシャーシ６０によって支持されている。
【００７９】
入力部材７０は、典型的には、入力キーが配列されたキーボードで構成される。本実施形態によれば、入力部材７０上に手をかざしたり、手指を動かしたりすることで、コンピュータの起動や、図示しない表示画面に表示される画像の制御が可能である。例えば、本実施形態では、入力部材７０の直上において手指を動かすことで、表示画面に表示されるポインタを移動させ、入力部材７０に対する接触動作で当該ポインタの位置を固定する。これにより、入力部材７０を用いたキー入力操作以外の方法で、ポインタの移動制御が可能となる。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変更が可能である。
【００８１】
例えば以上の実施形態では、センサ部１０は平面的に形成される例を説明したが、これに限られず、センサ部は曲面形状を有していてもよい。
【００８２】
また、以上の実施形態では、センサ部１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ検出電極１０ｘ、１０ｙを有する例を説明した。これに限られず、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれかの方向に検出電極が配置されるセンサ装置にも、本発明は適用可能である。さらに、検出電極は配線電極に限られず、点電極であってもよい。
【００８３】
あるいは図１４に示すように、Ｘ軸方向に配列された検出電極ｘ１〜ｘ５と、Ｙ軸方向に配列された検出電極ｙ１〜Ｙ５の交差領域以外の各電極に、幅広の電極領域Ｅｘ、Ｅｙをそれぞれ形成してもよい。これにより、各検出電極の検出感度の更なる向上を図ることができる。
【００８４】
さらに、以上の実施形態では、検出対象物とセンサ部との間の距離を算出する演算部として、発振電極の静電容量に基づいて上記距離を算出する演算回路を例に挙げて説明した。これに代えて、検出対象物を撮像する撮像デバイスや、人体の熱を感知する赤外線検出デバイス等を用いて、上記距離を算出することも可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１…センサ装置
１０…センサ部
１０ｘ、１０ｙ…検出電極
１１…切替回路部
１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｙａ、１１ｙｂ…スイッチ群
１２…演算部
１２ｘ、１２ｙ…演算回路
１３…制御部
１４ｘ、１４ｙ…信号発生回路
１５…表示部
５０…表示素子
７０…入力部材
【図１】
0005545009.tif 000002
【図２】
0005545009.tif 000003
【図３】
0005545009.tif 000004
【図４】
0005545009.tif 000005
【図５】
0005545009.tif 000006
【図６】
0005545009.tif 000007
【図７】
0005545009.tif 000008
【図８】
0005545009.tif 000009
【図９】
0005545009.tif 000010
【図１０】
0005545009.tif 000011
【図１１】
0005545009.tif 000012
【図１２】
0005545009.tif 000013
【図１３】
0005545009.tif 000014
【図１４】
0005545009.tif 000015