(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−００３５２２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】３次元タッチパネルの操作例を示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】第４の実施形態に係る近接・接触センサの上面図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】第１の実験における測定方法を示す図である。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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２３】図２２における３Ｄ触覚センサのシステム構成図である。
【図２４】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。
【図２５】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。
【図２６】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。
【図２７】第３の実験における近接の測定結果を示す図である。
【図２８】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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】第４の実験の測定結果を示す図である。
【図３２】従来の一般的な技術を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。【００３１】
（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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
【数１】
0005888686.tif 000002
【００４１】
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）。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
（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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
（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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。【００５８】
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。【００５９】
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。【００６０】
（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。【００６１】
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。【００６２】
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。【００６３】
（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。。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。
【実施例】
【００６９】
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。【００７０】
（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。【００７１】
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。【００７２】
（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。【００７３】
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））。【００７４】
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。【００７５】
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。【００７６】
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。【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
（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。【００８１】
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。【００８２】
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。【００８３】
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。【００８４】
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。【００８５】
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））。【００８６】
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。【００８７】
（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。【００８８】
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【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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