JP2014086058A - 入力システムおよび電子機器の操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ジェスチャとキー入力が可能なキーボード・システムを提供する。
【解決手段】キーボードは押下式の複数のキー１００を含む。共通電極１１３と、押下されたときに共通電極の方向に変位するキー・トップ１０５と、共通電極と容量結合するようにキー・トップに配置された第１の電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃと、共通電極と容量結合するようにキー・トップに配置された第２の電極１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃとを含む。指がキー・カバー１０７に接触すると第１の電極と第２の電極との間の合成静電容量が変化する。キー・トップが押下されると、第１の電極および第２の電極と共通電極との間の静電容量が増加する。静電容量の差を検出して、キーへの接触とキーの押下に対応する信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量の変化で信号を生成する入力デバイスに関し、さらにはジェスチャの入力とキー入力の可能な押下式のキーボードに関する。

デスクトップ型コンピュータやノートブック型コンピュータの入力デバイスのひとつにキーボードがある。キーボードは、独立した複数のキーで構成されている。各キーは、押下面を提供するキー・トップ、上下に移動する軸、軸を保持するホルダー、およびキー・トップを上に押し戻すバネの４つの要素で構成されている。バネ構造には、パンタグラフとラバー・ドームの組み合わせ、板バネとコイル・バネの組み合わせなどが採用される。

また、独立したキーの表面を柔軟な構造の連続したフラットなカバーで覆ったものもある。キーの下側には、それぞれにスイッチの接点と配線が形成されたプラスチック・シートを２枚重ねたメンブレン・スッチが配置される。キー・トップが押下されると、メンブレン・スイッチが接触して信号を出力する。メンブレン・スイッチには、電極の間隔を静電容量の変化で検出するタイプも存在する。このような構造のキーボードを以後、キーに圧力を加えて押下することに着目して押下式キーボードまたは以下に述べるソフトウェア・キーボードと対比してハードウェア・キーボードということにする。ハードウェア・キーボードのバネ構造は、キー・トップに一定以上の圧力を加えた指にスイッチの動作感覚を伝えるとともに圧力の解放に応じて瞬時に復帰する構造を採用しているため多量の文字を高速に入力するのに都合がよい。

他方でタブレット型コンピュータやスマートフォンでは、主としてタッチスクリーンに対してフリック、ジェスチャ、またはタップなどの操作を行ってアプリケーションの操作をする。タッチスクリーンは、液晶パネルまたは有機ＥＬパネルのようなフラット・ディスプレイに透明なタッチパネルを重ねた構造をしている。タッチパネルは、フラット・ディスプレイのオブジェクトに指でタッチするとその座標を出力する。

タッチスクリーンは、ディスプレイに表示されているオブジェクトを直接操作する感覚で使用できるため、文書やＷｅｂサイトの閲覧をする場合には都合のよい入力デバイスである。文字の入力をする場合は、タッチスクリーンの表面に表示したソフトウェア・キーボードを使用する。ソフトウェア・キーボードは、指に目的とするキーをタッチした感覚が得られないため、多量の文字を高速に入力するのには適していない。

特許文献１は、ポインティング情報とキー情報を受け付ける情報端末を開示する。情報端末は、複数のキーと各キーが押下されたときに導通する配線パターンと電極シートを含む。静電容量Ｙ１未満に相当する押下圧力でキーが押下されたときは出力せず、押下圧力が静電容量Ｙ１以上でＹ２未満に相当するときはポインティング情報を出力し、静電容量Ｙ２以上に相当するときはポインティング情報を出力しない。また、強い圧力で押下されたときは、キーの押下により導通された配線パターンがキー情報を生成する。

特許文献２は、キー入力モードと位置入力モードを同一の操作面上で行うことが可能な入力装置を開示する。表示シートの表面に指を接近または接触させると、指と反転部材との間に静電容量が形成され、指と対向しない反転部材との間には静電容量Ｃは形成されない。よって、静電容量の大小を比較することにより、指と対向する反転部材の位置情報を入力できる。また表示シートに設けられた表示部を押すと、反転部材が反転して反転部材の下面が接点電極に接触するため、キー入力を行うことができる。

特許文献３は、静電容量の異なる複数の容量素子の出力を共通の回路で検出することが可能なセンサ装置を開示する。センサ装置は、近接する指により入力操作位置を検出するタッチパネルと、同じ指による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Ｃ１を有する。感圧センサは、個々のコンデンサＣ１よりも大きな静電容量のコンデンサＣ２を形成する電極を有する。単一の検出回路で容量の異なる２つのセンサの信号処理をするために、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。

特許文献４は、異なる押圧力を加えたときの静電容量の変化の度合いを検出して、複数種類の入力パターンを出力するタッチパネルを開示する。内部ケースに接続された上側電極膜と電極パターンが形成された下側電極膜が対向するように配置されており、上側電極膜に対する押圧力を変えると、上側電極膜と下側電極膜の間隔が変化し、よって静電容量も変化する。特許文献５はハードウェア・キーボードから連続的なキー入力を受け取ってジェスチャを認識することができる入力デバイスを開示する。

特開２０１２−３８０５０号公報 特開２００４−３３４７３８号公報 特開２０１１−１３４０００号公報 特開２００９−２７６８２１号公報 特開２０１０−２５０６２８号公報

入力性能に優れたハードウェア・キーボードを、タッチスクリーンのように操作してフリックやジェスチャの入力ができればコンピュータの操作性を向上させることができる。特許文献１または特許文献２の方法を採用して、キーボードにタッチパネルの機能を組み合わせようとしたときには、座標入力とキー入力を異なるデバイスで行うため信号処理もそれぞれに必要となり構造が複雑化する。特許文献３の方法では、信号処理は単一の処理回路で行うことができるが電極基板に加えて圧力センサが必要になり、さらに圧力センサの出力は各入力操作位置の座標に対応していない。特許文献４の方法は、２つの信号を出力するために押下圧力を変化させる必要があるため、安定して圧力を調整することが困難な場合がありより安定した入力ができる方法が望ましい。特許文献５の方法では、キーボードを押下してジェスチャを入力する必要があるため、タッチスクリーンのように円滑にジェスチャを入力することができない。

そこで本発明の目的は、ジェスチャとキー入力が可能なキーボード・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、各座標で２種類の信号を出力することが可能な入力システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなキーボード・システムまたは入力システムにより電子機器を操作する方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、押下式の複数のキーを含むキーボード・システムを提供する。キー・トップは、押下されたときに共通電極の方向に変位する。第１の電極と第２の電極は、共通電極と容量結合するようにキー・トップに配置される。検出回路は、
第１の電極と第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して指が特定のキーに接触したと判断したときに特定のキーの接触信号を出力する。検出回路はまた、指が特定のキーを押下したと判断したときに特定のキーの押下信号を出力する。

検出回路は、第１の電極と第２の電極の間の静電容量の変化を検出することができる。この場合、共通電極をフローティング電極にすると、大地間の浮遊容量を小さくすることができるため第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化が検出し易くなる。検出回路は、第１の電極と第２の電極のそれぞれのグランドとの間の静電容量の変化を検出することができる。この場合、共通電極をシステムのグランド・プレーンに接続すると、浮遊容量を増加させて検出感度を向上させることができる。

本発明の第２の態様は、キー・トップが押下される方向に配置された第１の電極と、第１の電極と容量結合するようにキー・トップに配置された第２の電極とで構成されるキーボード・システムを提供する。キーボード・システムは、接触信号をジェスチャの入力信号に利用し、押下信号を通常のキーボードのようにスキャン・コードの生成に利用することができる。本発明の第３の態様では、複数の入力座標を含む入力システムを提供する。第１の電極は、共通電極と容量結合するように弾力的に支持され第１の方向の座標を検出する。

第２の電極は、共通電極と容量結合するように弾力的に支持され第１の電極と交差するように配置されて第２の方向の座標を検出する。操作面は複数の第１の電極と複数の第２の電極を覆う。検出回路は、第１の電極と第２の電極とに関連する静電容量の変化を検出し、指が複数の第１の電極と複数の第２の電極の各交差位置に対応する操作面の所定の位置に接触したと判断したときに交差位置の座標に対応する接触信号を出力し、指が所定の位置を押下したと判断したときに交差位置の座標に対応する押下信号を出力する。検出回路は、第１の電極と第２の電極との間の相互静電容量またはそれぞれの自己静電容量を検出することができる。

本発明により、ジェスチャとキー入力が可能なキーボード・システムを提供することができた。さらに本発明により、各座標で２種類の信号を出力することが可能な入力システムを提供することができた。さらに本発明により、そのようなキーボード・システムまたは入力システムにより電子機器を操作する方法を提供することができた。

ノートＰＣ１０の外形を示す斜視図である。 キーに単位電極を配置した様子を説明する図である。 ハードウェア・キーボード１９の電極マトリクス１４０の構造を説明する図である。 ハードウェア・キーボード１９のジェスチャを入力するキー配列を説明する図である。 ハードウェア・キーボード１９が座標信号と押下信号を生成する原理を説明する図である。 ハードウェア・キーボード１９を含む入力システム４００の構成を示すブロック図である。 自己静電容量の差を検出して接触信号および押下信号を生成する方法を説明する図である。 タッチパネル５００の構成を説明する図である。 ２個の電極を利用して接触信号および押下信号を生成する方法を説明する図である。 自己静電容量の差を検出して接触信号および押下信号を生成する方法を説明する図である。

［ノートＰＣの外形］
図１は、本実施の形態にかかるハードウェア・キーボードを搭載するノートＰＣ１０の外形を示す斜視図である。ノートＰＣ１０は、開閉可能なようにヒンジ結合されたディスプレイ筐体１１とシステム筐体１３を含む。ディスプレイ筐体１１はディスプレイ１５を収納する。システム筐体１３は、内部にプロセッサ、メイン・メモリ、およびハードディスク・ドライブなどのシステム・デバイスを収納し、上面にはハードウェア・キーボード１９を搭載する。ハードウェア・キーボード１９の手前側には、キーボードを操作する際に掌を載せるパームレスト１７が設けられている。パームレスト１７の中央にはタッチパッド２１が配置されている。

〔ハードウェア・キーボードのキー構造〕
図２は、ハードウェア・キーボード１９の代表的なキー１００に単位電極を配置した様子を説明する図である。図２（Ａ）は断面図で、図２（Ｂ）は単位電極１０１ａ、１０３ａの平面図で、図２（Ｃ）は、単位電極１０１ｂ、１０３ｂの平面図である。キー・トップ１０５はプラスチックなどの絶縁性の材料で形成されている。キー・キー・トップ１０５の上側には１対の単位電極１０１ａ、１０３ａが配置されている。単位電極１０１ａ、１０３ａの表面はプラスチックで形成されたキー・カバー１０７で覆われている。キー・カバー１０７は指の操作面を提供する。キー・カバー１０７は誘電率の高い材料を使用することが望ましい。キー・トップ１０５の下面には、単位電極１０１ｂ、１０３ｂが配置されている。

単位電極１０１ａと１０１ｂは連絡導体１０１ｃで電気的に接続され、単位電極１０３ａと１０３ｂは連絡導体１０３ｃで電気的に接続されている。以後特に区別する必要がない場合は、単位電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを単位電極１０１と表記し、単位電極１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを単位電極１０３と表記する。キー・トップ１０５は１対のレバーで構成されたパンタグラフ式のリンク機構１０９で支持されている。リンク機構１０９の下部にはラバー・ドーム１１１が配置される。ラバー・ドーム１１１はキー・カバー１０７が押下されたときのキー・トップ１０５の圧力をリンク機構１０９から受けて下方向に沈み、圧力が解放されたときにその復元力でもとの形状に戻ってキー・トップ１０５を元の位置に復帰させることができるようになっている。

下部プレート１１５の上には共通電極１１３が配置されている。共通電極１１３は、シート状の電極で複数のキーに設けられた単位電極１０１ｂ、１０３ｂとの間に静電容量を形成する。共通電極１１３は、ノートＰＣ１０のグランド・プレーンには接続しないフローティング電極である。共通電極１１３は、個別のキー１００の単位電極１０１ｂ、１０３ｂごとに配置してもよいし、図３に示す各Ｘ電極１６１〜１６７の単位または各Ｙ電極２６１〜２６７の単位で配置してもよい。あるいは、共通電極１１３はすべてのキー１００に対して共通になるような１枚のプレート形状で配置してもよい。共通電極１１３をキー１００の単位電極１０１ｂ、１０３ｂごとに配置すれば、接触または押下されないキーの単位電極１０１ｂ、１０３ｂと接触または押下されたキーの共通電極１１３との相互静電容量を低減することができるため後に説明する指の接触または押下の検出感度を向上させることができる。単位電極１０１ｂまたは単位電極１０３ｂと共通電極１１３の間隔は、キー・トップ１５が押下されると狭くなるため静電容量が増加する。単位電極１０１ｂ、１０３ｂは、それぞれ図示しない配線でキーに対する指の接触または押下を検出する検出回路に接続される。

［電極マトリクスとキー・トップの配列］
図３は、ハードウェア・キーボード１９の電極マトリクス１４０の構造を説明する図である。図３は煩雑さを避けるためにハードウェア・キーボード１９が含む複数のキーのなかから抽出した１６個のキーを例示している。複数のキーのそれぞれに対応する一群の単位電極１０１は相互に電気的に接続され各Ｘ電極１６１〜１６７を構成する。各単位電極１０１に対応する一群の単位電極１０３は相互に電気的に接続され各Ｙ電極２６１〜２６７を構成する。１群のＸ電極１６１〜１６７はＸ電極群１５０を構成し、１群のＹ電極２６１〜２６７はＹ電極群２５０を構成する。Ｘ電極群１５０とＹ電極群２５０は電気的に絶縁されている。Ｘ電極群１５０とＹ電極群２５０は端子１６１ａ〜１６７ａ、端子２６１ａ〜２６７ａでそれぞれ図６のデマルチプレクサ４０３またはマルチプレクサ４０５に接続される。

図４は、キーボード１９のキー・トップのキー配列を示す図である。図４（Ａ）は、キーボード１９の全体のキー配列５１を示し、図４（Ｂ）はキー配列５１の中でジェスチャの入力に使用するキー配列５３を示す。図４（Ｂ）において、キー配列５３を構成する各キーはそれぞれ物理的に独立して形成されておりその平面的な形状がほぼ等しい。キー配列５３は、行方向には複数のキーが整列して配置されているが、列方向は人間工学的見地から整列して配置されていない。キー配列５３には、最下行のキー群「Ｚ、Ｘ、・・・＞、？」の中心を通るＸ軸と最も左に配置されたキーである「１」の中心を通過するＹ軸によりＸ−Ｙ座標が定義されており、キー配列５３を構成するすべてのキーはその中心位置で特定された座標を有する。

［座標信号と押下信号の検出原理］
図５は、ハードウェア・キーボード１９が座標信号と押下信号を生成する原理を説明する図である。座標信号は、キーを押下しないようにしながらジェスチャを入力したときに指が接触した各キーの座標を示す信号である。押下信号は通常のキーボードの操作を示す信号でスキャン・コードを生成するための信号である。図５は、図２のキー１００の断面を模式的に示した図と、それに対応する端子１６１ａと２６１ａの間の等価回路を示している。等価回路は、交流電圧またはステップ電圧に対して応答する静電容量だけを示しており、抵抗やインダクタンスの成分は省略している。図５（Ａ）は、キーから指が離れている状態を示し、図５（Ｂ）は指がキーに接触している状態を示し、図５（Ｃ）はキーが押下された状態を示している。なお、図５（Ｂ）は、指がキーに近接している状態も含む。

図５（Ａ）では、キー・カバー１０７に指が接触していないため、ラバー・ドーム１１１は復元状態にあり、単位電極１０１および単位電極１０３と共通電極１１３との間隔は最大になっている。そして単位電極１０１および単位電極１０３のそれぞれと共通電極１１３との間にはそれぞれ単位静電容量Ｃ０が形成される。単位電極１０１と単位電極１０３が対向する面積は小さいため、両電極間の静電容量は無視することができる。

また、共通電極１１３はノートＰＣ１０のグランド・プレーンには接続しないフローティング電極としているためグラントに対する浮遊容量を減らしてグランドに漏洩する電荷を減少させて検出感度を向上させることができる。図５の等価回路からは、共通電極１１３の浮遊容量は無視している。その結果、単位電極１０１と単位電極１０３の間に共通電極１１３を経由して形成される等価回路はＸ電極１６１の端子１６１ａとＹ電極２６１の端子２６１ａの間を直列に接続する２個の合成静電容量Ｃ０ｔで表すことができる。合成静電容量Ｃ０ｔは、図３の４個の単位電極１０１または単位電極１０３が共通電極１１３に対して形成する単位静電容量Ｃ０を合成した静電容量に相当する。

人体は等価回路に対して大きな自己静電容量を有しているため仮想的なグランドとみなすことができる。図５（Ｂ）では、キー・カバー１０７に指が接触したため、指が接触したキーの指と単位電極１０１の間には静電容量Ｃ１が形成され、単位電極１０３の間には静電容量Ｃ２が形成される。指が接触しないキーと指が接触したキーの共通電極１１３を経由する端子１６１ａと端子２６１ａの間の等価回路は図５（Ａ）のようになる。指が接触したときの等価回路は、図５（Ａ）の等価回路の端子１６１ａと端子２６１ａの間を中間がグランドに接続されて直列接続された静電容量Ｃ１、Ｃ２を加えて表すことができる。

図５（Ｃ）では、キー・カバー１０７を指が押下してラバー・ドーム１１１を圧縮する。押下されたキーに対応する単位電極１０１、１０３だけが共通電極１１３に対する間隔が狭くなり、他の単位電極は図５（Ａ）、（Ｂ）と同じ間隔を保つ。押下されたキーに対応する単位電極１０１または単位電極１０３のそれぞれと共通電極１１３の間には、それぞれ単位静電容量Ｃｘが形成される。単位静電容量Ｃｘは単位静電容量Ｃ０より大きい。その結果、端子１６１ａと端子２６１ａの間の等価回路は図５（Ｂ）の合成静電容量Ｃ０ｔが合成静電容量Ｃｘｔに変化した状態で表すことができる。

合成静電容量Ｃｘｔは、押下されたキーの共通電極１１３を経由する単位静電容量Ｃｘと押下されないキーの共通電極１１３を経由する単位静電容量Ｃ０の静電容量に相当する。押下されたキーの指を経由する静電容量Ｃ１、Ｃ２は、図５（Ｂ）と同じである。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）で端子１６１ａと端子２６１ａの間の合成静電容量はすべて相互に異なるため、この静電容量の差に基づいてキーの近辺に指が存在しない状態、キーに指が接触した状態およびキーが押下された状態を識別することができる。

［入力システム］
図６は、ハードウェア・キーボード１９を含む入力システム４００の構成を示すブロック図である。パルス生成回路４０１は、一定の周期のパルス電圧をデマルチプレクサ４０３に供給する。図３に示した電極マトリクス１４０は、端子１６１ａ〜１６７ａがデマルチプレクサ４０３に接続され、端子２６１ａ〜２６７ａがマルチプレクサ４０５に接続されている。

デマルチプレクサ４０３およびマルチプレクサ４０５の選択端子は、選択回路４０７に接続されている。選択回路４０７は、マルチプレクサ４０５にＹ電極２６１〜２６７を順番に巡回して選択する一定の周期の信号を供給する。選択回路４０７は、いずれかのＹ電極２６１〜２６７を選択している間に、デマルチプレクサ４０３にＸ電極１６１〜１６７を一巡するまで順番に選択する一定の周期の信号を供給する。デマルチプレクサ４０３およびマルチプレクサ４０５がそれぞれ同時にいずれかの電極を選択している状態では、電極マトリクス１４０を等価的にＸ電極とＹ電極の間の相互静電容量Ｃで表すことができる。

選択回路４０７は、現在選択しているＸ電極１６１〜１６７とＹ電極２６１〜２６７の組み合わせを示す信号を座標信号出力回路４１７および押下信号出力回路４１９に出力する。デマルチプレクサ４０５の出力は、反転増幅器４０９の反転入力端子に接続されている。反転増幅器４０９の非反転入力端子はノートＰＣ１０のグランド・プレーンに接続され、出力は抵抗Ｒで反転入力端子に負帰還をかけている。電極マトリクス１４０の選択されたいずれかのＸ電極とＹ電極の対で形成される相互静電容量と反転増幅器４０９は微分回路を形成する。波形処理回路４１１は、パルス生成回路４０１が供給するステップ状のパルス電圧の立ち上がりエッジまたは立ち上がりエッジに対応する反転増幅器４０９の交流出力電圧からピーク電圧を取得する。

ピーク電圧の大きさは、電極マトリクス１４０の相互静電容量Ｃの大きさに応じて変化する。相互静電容量Ｃの大きさは、図５で説明したようにキー・カバー１０７への指の接触の有無または押下の有無により変化する。図５の例におけるピーク電圧は、図５（Ｃ）が最も大きく図５（Ｂ）が最も小さくなる。ピーク・ホールド回路４１３は、波形処理回路４１１が出力するピーク電圧をつぎのＸ電極が選択されるまでの間保持する。入力識別回路４１５は、ピーク電圧の大きさから、選択されたＸ電極とＹ電極の組について、入力なし、接触入力、または押下入力のいずれかを識別する。

入力識別回路４１５は、接触入力があったと認識したときは、座標信号出力回路４１７に接触入力信号を出力する。接触入力信号を受け取った座標信号出力回路４１７は、選択回路４０７からそのピーク電圧に対応するＸ電極とＹ電極の対を識別する信号を受け取って対応するキーの座標を認識する。座標信号出力回路４１７は、認識したキーの座標に対応する接触信号を生成してシステム４２３に出力する。システム４１３は接触信号をキーが押下された信号とは認識しないで、キーの押下以外のさまざまな処理をすることができる。

たとえば、接触信号を受け取ったシステム４２３は複数のキーのキー・カバー１０７に連続して指を接触させたときに、順番にその座標を認識してその軌跡に対応するジェスチャを認識することができる。あるいは、システム４２３は、タッチスクリーンに特有の操作であるタップまたはフリックなどの操作が行われたと認識することができる。ユーザは、タッチスクリーンを操作する感覚で接触信号を入力することができる。

入力識別回路４１５は、押下入力があったと認識したときは、押下信号出力回路４１９に押下入力信号を出力する。押下入力信号を受け取った押下信号出力回路４１９は、選択回路４０７からそのピーク電圧に対応するＸ電極とＹ電極の対を識別する信号を受け取って対応するキーの座標を認識する。押下信号出力回路４１９は、認識したキーの押下を示す押下信号を生成してシステム４２３に出力する。押下信号を受け取ったシステム４２３は、キーボードの信号の通常の処理と同じようにスキャン・コードを生成する。あるいは、押下信号出力回路４１９はスキャン・コードを生成してシステムに送るようにしてもよい。押下入力信号を出力するときに入力識別回路４１５は、接触信号出力回路４１７に対する接触入力信号の出力を停止してもよい。あるいは、接触信号と押下信号を同時に出力してシステム側４２３で処理をするようにしてもよい。

タイミング信号回路４２１は、入力システム４００の全体動作を制御するためのタイミング信号を生成して各デバイスに供給する。このように入力システム４００は電極マトリクス１４０のいずれかのキーに指が接触したときはシステム４２３に接触信号を出力し、いずれかのキーが押下されたときはシステム４２３に押下信号を出力する。入力システム４００は、相互静電容量Ｃの変化を利用して接触出力信号および押下出力信号を同一の検出回路で生成することができる。

ハードウェア・キーボード１９にはメンブレン・スイッチや独立したキー・スイッチを使用しないため入力システム４００の信頼性を向上させることができる。なお微分回路を利用して相互静電容量Ｃの変化を検出する方法は一例であり、本発明は高周波電圧を印加したときの電流を測定したり、パルス電圧を印加して一定の電圧に上昇するまでの時間を計測したりする他の方法で相互静電容量の変化を検出することもできる。また、電極マトリクス４００を採用しないでパルス生成回路４０１が各単位電極１０１、１０３に個別にパルス電圧を印加する方法を採用すれば、接触または押下されたキー以外のキーの静電容量の影響を排除して相互静電容量の変化が識別し易くなる。

［静電容量の他の検出方法］
図６の入力システム４００では接触信号または押下信号を出力するために、Ｘ電極群１５０とＹ電極群２５０の間の相互静電容量の変化を検出したが、本発明はＸ電極群１５０とＹ電極群２５０の自己静電容量を検出する方法を採用することもできる。図７は、Ｘ電極１６１〜１６７とＹ電極２６１〜２６７のそれぞれについて、入力なしの状態、接触入力状態、または押下入力状態に対応する自己静電容量の差を検出して接触信号および押下信号を生成する方法を説明する図である。図７（Ａ）は、キーから指が離れている状態を示し、図７（Ｂ）は指がキーに接触している状態を示し、図７（Ｃ）はキーが押下された状態を示している。

この例では検出感度を向上させるために共通電極１１３をノートＰＣ１０のグランド・プレーンに接続している。グランド・プレーンが筐体に接続されるなどしてその自己静電容量が十分に大きい場合は、グランド・プレーンは人体と同様に等価的なグランドとしてふるまう。その他の記号の意味は図５と同じである。共通電極１１３をグランド・プレーンに接続しない場合は、検出感度は低下するが共通電極１１３とグランドとの間に発生する浮遊容量で検出することができる。本発明はそのような方法を排除するものではない。自己静電容量は、Ｘ電極１６１〜１６７とＹ電極２６１〜２６７について個別に検出する。図７の等価回路から明らかなように、Ｘ電極の端子１６１ａまたはＹ電極の端子２６１ａとグランドとの間の静電容量は、図７（Ａ）の入力なし、図７（Ｂ）の接触入力あり、および図７（Ｃ）の押下入力ありの相互間で異なる。

たとえば端子１６１ａ、２６１ａから異なるタイミングで一定の大きさの高周波電圧を印加したときに当該電極に流れる電流を測定することでＸ電極１６１、Ｙ電極２６１の自己静電容量を検出することができる。そしてＸ電極群１５０の各電極１６１〜１６７を順番にスキャンしたあとに、Ｙ電極群２５０の各電極２６１〜２６７を順番にスキャンして各電極が３つの状態のいずれであるかを識別する。Ｘ電極群１５０とＹ電極群２５０のスキャンが一巡した時点で、状態が一致したＸ電極群の電極とＹ電極群の電極の両方に対応する単位電極１０１、１０３を有するキーに対する入力の有無と入力の種類を特定することができる。

［タッチパッドへの適用］
これまで、ハードウェア・キーボード１９で個別のキーについての静電容量の変化を利用して接触信号と押下信号を生成する入力システム４００を説明したが、本発明は複数の入力座標を有するタッチパネルに適用することもできる。図８はタッチパネル５００の構成を説明する図である。図８（Ａ）は、Ｘ電極層５３０とＹ電極層５５０の平面図で、図７（Ｂ）は側面図である。

タッチパネル５００は、上から指が接触する表面を提供するカバー層５０１、Ｘ電極層５０３、Ｙ電極層５０５、弾力層５０７、共通電極層５０９および基板５１１が積層された構造で形成される。タッチパネル５００をタッチスクリーンに適用する場合は、これらはすべて透明な材料で形成する。Ｘ電極層５０３は、菱形の複数の単位電極で構成されたＸ電極がＸ方向に複数配列されたＸ電極群５３０を含む。Ｙ電極層５０５は、菱形の複数の単位電極で構成されたＹ電極がＹ方向に複数配列されたＹ電極群５５０を含む。

Ｘ電極とＹ電極はそれぞれ、基板の上に銅ペーストの印刷または半導体プロセスにより形成されており相互に絶縁されている。指が接触していないときは、各Ｘ電極と共通電極層５０９の間に単位静電容量Ｃ３のコンデンサが形成され、各Ｙ電極と共通電極層５０９の間には単位静電容量Ｃ４のコンデンサが形成される。弾力層５０７は可撓性の材料で形成されており、指で押下された位置だけが弾性変形する。

カバー層５０１の特定の位置が押下されると、対応する弾力層５０７の位置だけが弾性変形して、Ｘ電極層５０３およびＹ電極層５０５と共通電極層５０９との間隔を狭くする。カバー層５０１に指が接触したときおよびカバー層５０１が押下されたときのＸ電極の端子とＹ電極の端子の間の相互静電容量の変化は、図５の説明から理解することができる。また、相互静電容量の変化を検出して接触信号および押下信号を出力する方法は図６の回路を採用することができる。指が接触または押下した位置の座標は、同一種類のピーク電圧を検出したＸ電極とＹ電極の交差位置になる。あるいは、図７で説明したように自己静電容量の変化を検出して、Ｘ電極群とＹ電極群の交差位置に対応する接触信号または押下信号を出力することもできる。

［２個の電極で検出する方法］
これまで、各キーまたは各座標位置において接触信号と押下信号を生成するために３個の電極を利用する例を説明したが、本発明は２個の電極を利用することもできる。図９は、２個の電極を利用して接触信号と押下信号を生成する方法を説明する図である。図９（Ａ）は、Ｘ電極群６１０とＹ電極群６２０の平面図で、図９（Ｂ）〜（Ｄ）は側面図とその等価回路である。図９（Ｂ）は入力なし、図９（Ｃ）は接触入力あり、図９（Ｄ）は押下入力ありの状態を示している。Ｘ電極群６１０とＹ電極群６２０は、それぞれストライプ状の複数の帯状電極６１１〜６１７、６２１〜６２７で構成され相互に絶縁して積層される。帯状電極６１１〜６１７、６２１〜６２７は、グランド・プレーンに接続されないフローティング電極でもある。ここでは相互静電容量を検出するため帯状電極６１１〜６１７、６２１〜６２７とグランドとの間の浮遊容量は無視して考えることができる。

Ｘ電極群６１０はＹ電極群６２０に対して弾力的に支持される。帯状電極６１１〜６１７と帯状電極６２１〜６２７は各交差位置において所定の面積で対向するため、両者の間には相互静電容量Ｃ５が形成される。Ｘ電極群６１０の各帯状電極６１１〜６１７は柔軟な構造をしており、押下された位置だけが下側に変位する。帯状電極６１７と帯状電極６２１の交差位置に指が接触すると、指と帯状電極６１７との間に静電容量Ｃ１が形成され、指と帯状電極６２１との間に静電容量Ｃ２が形成される。

帯状電極６７１が押下されると、端子６１７ａと端子６２１ａの間の相互静電容量Ｃ５はＣｘまで増大する。図９（Ｂ）〜（Ｄ）に示す等価回路の端子６１７ａと端子６２１ａの間の静電容量の変化を図６に示した方法で検出して交差位置に対応する接触信号と押下信号を生成することができる。図２のキー１００に２個の電極を適用する場合は、単位電極１０１または単位電極１０３のいずれかを一方でＸ電極群を構成し、共通電極１１３を複数の独立した構造にしてＹ電極群を構成することで、２個の電極で相互静電容量の差を検出することができる。

図９の２個の電極構造でも図７で説明したように自己静電容量を検出することもできる。図１０は、Ｘ電極群６１０とＹ電極群６２０のそれぞれの帯状電極の自己静電容量の差を検出して、交差位置に対応する接触信号および押下信号を生成する方法を説明する図である。図１０（Ａ）は入力なし、図１０（Ｂ）は接触入力あり、図１０（Ｃ）は押下入力ありの状態を示している。Ｘ電極群６１０とＹ電極群６２０の各帯状電極はいずれもグランド・プレーンに接続していないフローティング電極であるため、それぞれグランドとの間に浮遊容量Ｃｇ１、Ｃｇ２が形成される。各状態間で、端子６１７ａまたは端子６２１ａとグランド間の自己静電容量が相互に異なることがわかる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１０ ノートＰＣ
１９ ハードウェア・キーボード（押下式キーボード）
１００ キー
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 単位電極
１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ 単位電極
１０５ キー・トップ
１１３ 共通電極
１４０ 電極マトリクス
１６１〜１６７ Ｘ電極
２６１〜２６７ Ｙ電極

Claims (18)

1. 押下式の複数のキーを含むキーボード・システムであって、
   共通電極と、
   押下されたときに前記共通電極の方向に変位するキー・トップと、
   前記共通電極と容量結合するように前記キー・トップに配置された第１の電極と、
   前記共通電極と容量結合するように前記キー・トップに配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極とに関連する静電容量の変化を検出して指が特定のキーに接触したと判断したときに前記特定のキーの接触信号を出力し、指が前記特定のキーを押下したと判断したときに前記特定のキーの押下信号を出力する検出回路と
   を有するキーボード・システム。
2. 前記検出回路は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の静電容量の変化を検出する請求項１に記載のキーボード・システム。
3. 前記共通電極がフローティング電極である請求項２に記載のキーボード・システム。
4. 前記検出回路は、前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれのグランドとの間の静電容量の変化を検出する請求項１に記載のキーボード・システム。
5. 前記共通電極が、システムのグランド・プレーンに接続されている請求項４に記載のキーボード・システム。
6. 押下式の複数のキーを含むキーボード・システムであって、
   前記キーが押下されたときに押下方向に変位するキー・トップと、
   前記押下方向に配置された第１の電極と、
   前記第１の電極と容量結合するように前記キー・トップに配置された第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して指が特定のキーに接触したと判断したときに前記特定のキーの接触信号を出力し、指が前記特定のキーを押下したと判断したときに前記特定のキーの押下信号を出力する検出回路と
   を有するキーボード・システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載されたキーボード・システムを有する携帯式コンピュータ。
8. 複数の入力座標を含む入力システムであって、
   共通電極と、
   前記共通電極と容量結合するように弾力的に支持され第１の方向の座標を検出する複数の第１の電極と、
   前記共通電極と容量結合するように弾力的に支持され前記第１の電極と交差するように配置されて第２の方向の座標を検出する複数の第２の電極と、
   前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極を覆う操作面と、
   前記第１の電極と前記第２の電極とに関連する静電容量の変化を検出し、指が前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極の各交差位置に対応する前記操作面の所定の位置に接触したと判断したときに前記交差位置の座標に対応する接触信号を出力し、指が前記所定の位置を押下したと判断したときに前記交差位置の座標に対応する押下信号を出力する検出回路と
   を有する入力システム。
9. 前記検出回路が、前記第１の電極と前記第２の電極と間の相互静電容量の変化を検出する請求項８に記載の入力システム。
10. 前記検出回路が、前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれの自己静電容量の変化を検出する請求項８に記載の入力システム。
11. 複数の入力座標を含む入力システムであって、
    第１の方向の座標を検出する複数の第１の電極と、
    前記複数の第１の電極と交差するように配置されて容量結合するように弾力的に支持されて第２の方向の座標を検出する複数の第２の電極と、
    前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極を覆う操作面と、
    前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出し、指が前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極の各交差位置に対応する前記操作面の所定の位置に接触したと判断したときに前記交差位置の座標に対応する接触信号を出力し、指が前記所定の位置を押下したと判断したときに前記交差位置の座標に対応する押下信号を出力する検出回路と
    を有する入力。
12. 請求項８から請求項１１のいずれかに記載された入力システムを有する電子機器。
13. 操作面を有する入力デバイスを通じて電子機器を操作する方法であって、
    共通電極を配置するステップと、
    前記操作面の接触位置の押下により前記共通電極との間隔が変化する第１の電極を配置するステップと、
    前記接触位置の押下により前記共通電極との間隔が変化する第２の電極を配置するステップと、
    指が前記接触位置に接触したときの前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して前記接触位置に対応する接触信号を出力するステップと、
    指が前記接触位置を押下したときの前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して前記接触位置に対応する押下信号を出力するステップと
    を有する方法。
14. 前記接触信号を出力するステップと前記押下信号を出力するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極の間の静電容量の変化を検出する請求項１３に記載の方法。
15. 前記接触信号を出力するステップと前記押下信号を出力するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれのグランドに対する静電容量の変化を検出する請求項１３に記載の方法。
16. 操作面を有する入力デバイスを通じて電子機器を操作する方法であって、
    第１の電極を配置するステップと、
    前記操作面の接触位置の押下により前記第１の電極との間隔が変化する第２の電極を配置するステップと、
    指が前記接触位置に接触したときに前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して前記接触位置に対応する接触信号を出力するステップと、
    指が前記接触位置を押下したときに前記第１の電極と前記第２の電極の間の合成静電容量の変化を検出して前記接触位置に対応する押下信号を出力するステップと
    を有する方法。
17. 押下式の複数のキーを含むキーボードを通じて電子機器を操作する方法であって、
    共通電極を配置するステップと、
    前記共通電極と容量結合するように第１の電極を前記キー・トップに配置するステップと、
    前記共通電極と容量結合するように第２の電極を前記キー・トップに配置するステップと、
    指が前記複数のキーの各キー・トップの押下面に連続的に接触してジェスチャを入力したときに各キーについて前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して指が接触した各キーの座標信号を生成するステップと、
    指が特定のキーを押下したときに、前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して前記特定のキーのスキャン・コードを生成するステップと
    を有する方法。
18. 押下式の複数のキーを含むキーボードを通じて電子機器を操作する方法であって、
    キー・トップの押下方向に第１の電極を配置するステップと、
    前記第１の電極と容量結合するように第２の電極を前記キー・トップに配置するステップと、
    指が前記複数のキーの各キー・トップの押下面に連続的に接触してジェスチャを入力したときに各キーについて前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して指が接触した各キーの座標信号を生成するステップと、
    指が特定のキーを押下したときに、前記第１の電極と前記第２の電極に関連する静電容量の変化を検出して前記特定のキーのスキャン・コードを生成するステップと
    を有する方法。

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