(57)【要約】【課題】マルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネル上に表示される細かなアイテムの選択可能しさらに手袋をはめたままで前述のタッチパネルの操作を可能とする。【解決手段】マルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルを装備した端末装置が反応する静電容量を調査し、接触面積、ペン先素材、ペン軸素材、仕組みを決定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルの電極パッドと接触するペン先とペン軸によって仮想電極面を形成する構成あるいは仕組みを持つことを特徴とする相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネル用のスタイラスペン
【請求項２】
請求項１のスタイラスペンの仮想電極面と種々の絶縁素材で作られた手袋と指との間で静電回路が形成されることによって、手袋をはめたまま投影型静電容量方式タッチパネルを操作可能とする請求項1に掲げるスタイラスペン
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネル用のスタイラスペンに関するものである
【背景技術】
【０００２】
ｉＰｈｏｎｅが２００７年に米国で発表され、２００８年７月に日本で販売された、マルチタッチが行えるタッチパネルでは、指で操作するのが当たり前でスタイラスペンは出来ないといわれていた。
【０００３】
１年くらいすると、導電性で柔軟性を持つ素材をペン先としたスタイラスペンが発売されている。
【０００４】
２０１２年になるとマルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルを備えた、スマートフォン、タブレット端末が多くのメーカーから供給されるようになった。
【０００５】
同時にさまざまな素材を使用したスタイラスペンも供給されるようになったが、ペン先が文字より大きく、細かな選択を行うなどができない、あるいは、描画を行うときに、変形具合が一定でなく、力の調整が難しく安定した図形が描きにくいなどの難点がある。
さらに、冬場に手袋をつけたままで操作を行うために、専用の手袋が必要になるという不便さがある。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０５３６８１
【特許文献２】特開２０１２−１０８８９６
【特許文献３】特開２０１２−１０８８９５
【特許文献４】特開２０１２−１０８８９５
【特許文献５】特開２０１２−１０８８９４
【特許文献６】特開２０１２−８８８９０
【特許文献７】特開２０１２−８８８８９
【特許文献８】特開２０１２−８８８８８
【特許文献９】特開２０１２−４８４３７
【特許文献１０】特開２０１２−２７６８９
【特許文献１１】特開２０１１−２５７９７４
【特許文献１２】特開２０１１−２４２９０３
【特許文献１３】特開２０１０−３９６１０
【特許文献１４】特開２００９−１９９５７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルに表示された指で選択が困難な細かな文字やアイテムを選択可能とし、さらに当該タッチパネルに手書き文字や、図をよりスムースに描画できるスタイラスペンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
まず本特願のスタイラスペンに要求される仕様の決定に関係する投影型静電容量方式タッチパネルの基本的な原理について説明をおこなう。
【０００９】
「電極パッドに触れた場合の形成される静電容量」  図１は相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルの原理を説明するためモデル化した図である。
【００１０】
図1に示す静電容量センサが５ｍｍ間隔で格子状にパネル平面に配列されている。
指が電極パッドに触れると静電容量Ｃｆが生じる。
【００１１】
指と電極パッドの間に生ずる静電容量  Ｃｆ は、数１で示される関係がある。真空の誘電率は一定で、電極間お誘電体すなわち人体の誘電率は脂肪などで差があるが、一定と考えてよい。  変動要素は、電極パッドに触れる指の接触面積Aである。
【数１】
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【００１２】
「電極パッドに触れた場合の形成される静電容量を計測する」  図２は、５ｍｍ間隔に配列されたセンサのホールデイングコンデンサー（Ｃｈｏｌｄ）５における電圧計測回路のブロック図である
【００１３】
ＡＤＣで計測される電圧Ｖｃｈｏｌｄは、数式２の関係を持っている。
マルチプレクサーで格子点のセンサーの値を測定し接触した場所を座標を求めている。
【数２】
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【００１４】
数２示される指と電極パッドの間に生ずる静電容量Ｃｆは、数１で示されるように指と電極パッドの距離ｄに反比例し、指が電極パッドに近づくほど増加することは明らかである。電極パッドの静電容量値は、供給電圧より下がることは明らかです。
【００１５】
式1に示される電極の有効面積Aは、指が電極パッドに接触する面積である。
大人の人指の有効面積Aは、筆圧によって変化するが直径５ｍｍ〜10ｍｍの円面積と考えてよい。
【００１６】
このような電気回路において、実装したときには、センサ寄生容量、空気状況など多くのノイズが信号に含まれためソフトウェアで計測信号を処理し、雑音などを除去している。
【００１７】
この信号処理は、タッチパネルの製造ベンダ、ドライバー開発ベンダによって種々異なるため、閾値やフィルタパラメータを一意に決定することは出来ないが、いずれにしても人体と電極パッドとの間に生ず静電容量が引き起こす値が一定の値を越すのでその値を越すようなものを前述した原理を元に探りだせばよい。
【００１８】
スタイラスペンが持つべき電気的特性は、直接指で電極パッドに触れた場合に形成される静電容量Ｃｆと同等の電荷を運ぶ構造をもつことである。
【００１９】
スタイラスペン使用時の静電回路モデル図３を使って原理的な説明を行う。本特願のスタイラスペンは相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルに接触する場合、電極パッドと接触有効面積Aは、通常の筆記角度内である場合一定以上の面積を保持できるペン先で構成され、電荷の減衰を出来るだけ小さくする導電性に優れたペン軸で構成する。このように構成したスタイラスペンと手が接触する境界は、電極パッドが延長されていると見なすことができそれを仮想電極面と呼ぶ。
【００２０】
すなわち仮想電極面は、電極パッドの電極面を導電特性を備えるペン先とペン軸とで構成される本特願スタイラスペンによって電気的に延長したものと言える。
本特願のスタイラスペンが作り出す仮想電極面と手の間に絶縁体を入れると新しい静電容量回路が形成されることが容易に推定できる。
【００２１】
実装するにあたり、スタイラスペンが持つべき特性は、前述の仮想電極面とのあいだで形成される静電容量を直接触れた値に近くすることである。ペン軸の仮想電極面と手との間で形成され静電容量は、ペン軸が゛持つ潜在静電容量と直列コンデンサ回路として減衰方向に影響するので、できるだけ導電性のよい素材を選択する。また、ペン先が持つ有効面積Ａの大きさがくペン軸の仮想電極面と手との間で形成され静電容量の大きさの決定要因となるが有効面積Ａを大きくするとタッチポイントの特定が困難になる。  
【００２２】
マルチタッチが行える相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネル用のスタイラスペンが備える特性をまとめると、
ペン先の素材は導電性もち、機構的には、ペン先と電極パッドとなす接触角が種々に変化しても常に、ペン軸と手と間の形成される仮想電極面に十分な電荷を運ぶだけの電極パッドと接触する有効面積Ａを保つような柔軟性を持つ素材と機構を備え、ペン軸は、その電荷を減衰させない素材で構成することである。
【発明の効果】
【００２３】
従来の製品は、おそらく感覚的な開発を行い、理論的な裏づけがなく、素材選択、仕組み、品質基準がなかったため、大げさすぎる仕組みの割には操作性が悪く、値段が高いという弊害がでていた。
本特願の方法で製品を開発すると技術的到達目標が設定され品質が安定し、低コスト製品を提供でき。特性手袋という重複投資をさけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネル原理図である。
【図２】図２は相互キャパシタンス検出法を装備した投影型静電容量方式タッチパネルの測定回路ブロックダイアグラムである。
【図３】図３は本特願スタイラスペンで形成される仮想電極面を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本特願の最大のテーマは、前述の本特願のスタイラスペンの仮想電極面  8と手の間で形成される静電容量値の決定要因となる電極パッドとペン先の有効面積Ａを一定値以上にする仕組である。
【００２６】
本特願を実施する方法を
スタイラスペン使用時の静電回路モデル図３で説明する。
【００２７】
スタイラスペンと人体で形成される静電容量は、指で直接触れた場合に形成される静電容量Ｃｆ、と比較すると数３のCpfようになる。  すなわち、このスタイラスペンが持つ静電容量は、直列回路であるためＣｆを減衰させるので、電源、コンデンサを内部的に備えペン先とペン軸で構成されたスタイラスペンが持つ潜在静電容量Cpenを強化する方法も考えられるが、電極面を直接指で触れた時のＣｆを超える事はないのは、数３から明らかである。
【数３】
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【００２８】
電極パッドと指で形成する静電容量Ｃｆは、前述した指が電極パッドにふれる時の接触有効面積Aに比例する。スタイラスペンが通常の筆記具と用紙とのなす接触角度によらず指で触れたときと同じ接触有効面積Aを保つための構成あるいは機構を持つこととペン軸の素材として電荷通過量（導電率）を落とさない素材を選択することである。
【００２９】
本特願書の実施例1として第一方法として、ペン先の素材として導電特性を備えると同時に接触時に柔軟に変形し接触有効面積Aを保つ素材を導電性に優れたペン軸で構成する方法がある。
【００３０】
第２の方法として、ペン先の素材として導電特性を持つ素材を接触有効面積Ａを持つように加工し、スタイラスペンの接触角度によらず接触有効面積Ａで電極パッドと接触するようにペン軸との間に関節をいれた構成が考えられる。
【００３１】
第２の方法は、関節部の加工がコストを高めると容易に推定できるため、第１の方法で試作品を作成しテストをおこなった。
【実施例１】
【００３２】
ペン先の素材として、導電性を持ち柔軟な素材としては、導電性繊維から形成された糸、水を含ませた綿あるいはスポンジ、導電性繊維から形成された布、導電性ゴム、導電性スポンジなどが列挙できるが、導電性が高く、あらゆる方向の力に同じ変形をする素材を選択することである。
【００３３】
試作品をテストするにあたり、相対的静電容量を測定器としてｍＴｏｕｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｃａｐｃｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｋｉｔを用いた。
この測定器は、描画で反応、不反応が目で判別できるのと相対静電容量が測定できる。
【００３４】
ペン先の素材には、導電性にすぐれた金属性のから柔軟性と導電性をもった素材を選び、ペン軸には、クローム、銅、クロームの表面に塗装した素材を選択し、ペン先とペン軸を種々組み合わせたテストピースを作成した。加えて、比較のため指の７つを前述の開発キットにて相対静電容量の値と反応を測定した。
【００３５】
表1は、前述の指とテストピースを前述の相対的静電容量を測定器で測定した結果である。
【００３６】
表１のテストピース番号１の場合  導電性の高いペン先とペン軸にあるにもかかわらず指の値の約20％である。金属スナップの表面がスナップであるため接触面を水平にするためハンダでコーティングを行いヤスリにて水平をだしたが十分に有効面積をえらるほど加工ができていないためかテストピース番号２の６ｍｍの直径をもつ表面が滑らかなクロームをペン先にしたものより相対静電容量が出ていない。
【００３７】
前述のテストピース番号２も金属でありペンを移動するとき、有効面積を保つのが難しく相対静電容量が大きく変動する。
【００３８】
テストピース番号3  （直径６ｍｍの導電性糸束のペン先）は、相対静電容量が指の５０％であるが、描画の結果とペンの動きが同期している。相対静電容量の変動幅は、何も接触していない場合のノイズ幅の揺れである。
【００３９】
テストピース番号３のペン先の直径を１０ｍｍと増加させたテストピース番号４の結果を見るとペン先素材が柔軟であれば有効面積を保つことができ結果的に相対静電容量も大きい値が得られている。
【００４０】
テストピース番号４を考察すると、直径が大きくなれば、有効面積Aが大きくなり、
相対静電容量が指の６０％で反応は向上する。すなわち、接触有効面積Aが大きくなれば、測定される相対静電容量が大きくなっており、すなわち仮想電極面と人体（手）との間に形成される静電容量が大きくなることが実証できる。
【００４１】
テストピース番号５は水を含んだ綿で導電性は人体と同じくらいである。ペン先の直径は８ｍｍとやや小さいが有効面積の電気的密度は水分子でみたされ高いと想像できテストピース番号４と近い値を出しているが、実施にあたっては、水分を補給する仕組みが必要になる。
【００４２】
テストピース番号６はペン先素材である導電性スポンジの柔軟性と密度がないため相対静電容量は、小さくしかもその値に大きな揺れが生じている。
【００４３】
本特願の目的を達成するには、これらテストペースの６つのケースから、スタイラスペンのペン先は導電性と柔軟性に優れ有効面積Ａをアイテム選択に支障のない限り大きくし、ペン軸は抵抗のない優れた素材で実装することにより指と限りなく近い仮想電極面が得られる。
【表１】
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【００４４】
仮想電極と手の間に絶縁素材を置いた場合について先に言及したが、テストピース番号３と４のケースで実際に人工皮で作られた手袋で反応を確かめた結果、いづれの場合にも反応した。
【００４５】
どれくらいの距離まで反応するかを確かめるためこれらのテストピースを約２５ｃｍの長さを持つ木の棒にセロテープにて固定し木の部分を手で握って反応を確かめるとペン軸と約５ｍｍ離れた木の枝部を握ったところで反応をしている。
仮想電極面と手の間にかなり厚手の絶縁体が入っても反応することが期待できる。
【符号の説明】
【００４６】
１：Ｃｐ  潜在静電容量
２：Ｃｆ  ユーザの指と電極パッドまたは仮想電極面の間に生じる静電容量
３：Ｃｓｅｎｓｏｒ 
４：Ｖｄｄ
５：Ｃｈｏｌｄ
６：ＶＣｈｏｌｄ
７：スタイラスペンに生じる静電回路
８：仮想電極面
９：電極の有効面積をなす接触面積
１０:ペン先とペン軸で構成されたスタイラスペンが持つ潜在的静電容量
【産業上の利用可能性】
【００４７】
請求項1に示した特性を持ち、実施例で示した値を参考に適切な素材と機構を備えた投影型静電容量方式タッチパネル用のスタイラスペンが供給できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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