JP2008065730A - 携帯通信端末装置、携帯通信端末装置における座標入力方法および座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチセンサ面からの距離を検出することにより、被検出体の位置を３次元座標として検出することができる携帯通信端末装置、携帯通信端末装置における座標入力方法および座標入力装置を提供する。
【解決手段】タッチセンサ入力部２２は、各電極対における静電容量の変化量を静電容量制御部２１に出力する。静電容量制御部２１は、静電容量の変化量が、予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定し、大きいと判定した電極対に対応する入力操作面上の座標を、入力座標のｘ座標およびｙ座標として検出する。また、静電容量制御部２１は、電極対における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、入力座標のｚ座標を検出する。静電容量制御部２１は、入力座標のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を示す座標データを生成し、デジタル値としてＣＰＵ１２に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量方式により、指等で指示された位置の座標を検出することができる携帯通信端末装置、携帯通信端末装置における座標入力方法および座標入力装置に関する。

携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handy phone System ）、ＰＤＡ（Personal Data Assistance, Personal Digital Assistants ：個人向け携帯型情報通信機器）等の携帯端末装置における座標入力装置（ポインティングデバイス）として、タッチセンサ（タッチパッド）が知られている。タッチセンサを用いれば、タッチセンサに指や専用のペン等で触れることにより、携帯通信端末装置に指示を与えたり、情報を入力することができる。すなわち、タッチセンサは、タッチセンサを座標面として、指等で指示された位置の座標を検出することにより情報を入力可能な入力装置である。

タッチセンサ上での指示位置を検出する方式として、静電容量方式が知られている。静電容量方式では、タッチセンサのｘ軸方向およびｙ軸方向にマトリクス状に電極を設け、指のような誘電率を有する被検出体が近付いた場合に、電極間の静電容量が変化することを利用して、被検出体の位置を検出する。

静電容量方式によるタッチセンサは、実装容積が小さいこと等から、携帯端末装置における座標入力装置として採用されている。一般に、静電容量方式によるタッチセンサは、被検出体の位置を、ｘ，ｙ座標、すなわち２次元座標として検出する。しかし、ゲーム等のアプリケーションでは、奥行きや操作の強弱として、タッチセンサ面からの距離（ｚ座標）も検出されることが望ましい。例えば、手書きメモ機能等において、文字の太さとして、指が限りなくタッチセンサに近い場合には太い線（強い操作）と認識し、指がセンサから離れていく場合には細い線（弱い操作）として認識されることが望ましい。

携帯電話機等のように操作入力部の面積が狭い携帯型電子装置において、種々の機能を操作入力できる携帯型電子装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、テンキーボタンが配列されたキーマットとキー基板との間に、静電容量パッドが設けられていることから、操作入力部の面積が狭い場合であっても、キー入力やタッチセンサ入力を行うことができることが記載されている。

また、特殊なパネルを使用することなく、押下した画面の位置（ｘ，ｙ座標）のみでなく、同時にｚ方向を検出することができるタッチパネルが提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２には、パネルに設けられた圧力センサーが検出した荷重値から、ｘ，ｙ，ｚ座標を所定の計算式により求めることができることが記載されている。

特開２００５−１８２８４号公報（段落００２３） 特開２００６−１２６９９７号公報（段落００１９、００２３−００２６）

しかし、特許文献１に記載されている方式では、静電容量パッドに接触した被検出体の位置を、ｘ，ｙ座標、すなわち２次元座標として検出する。したがって、空間上にある被検出体の位置を３次元座標として検出することはできない。

また、特許文献２に記載されている方式では、パネルが押下された圧力からｚ座標を算出する。したがって、タッチセンサ面からの距離をｚ座標として算出することはできず、空間上にある指（誘電体）を認識することはできない。

そこで、本発明は、タッチセンサ面からの距離を検出することにより、被検出体の位置を３次元座標として検出することができる上に、非接触でｚ座標を算出することができる座標入力装置、携帯通信端末装置および携帯通信端末装置における座標入力方法を提供することを目的とする。

本発明による携帯通信端末装置は、３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な携帯通信端末装置であって、導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段と、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出する座標検出手段とを備えたことを特徴とする。

座標検出手段は、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量を予め定められた閾値と比較し、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された変化量検出手段における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、被検出体のｚ座標として検出することが望ましい。そのような構成によれば、被検出体の位置を３次元座標として検出することができる。

情報を入力するためのキー入力部を有し、変化量検出手段は、キー入力部が配置されている領域に形成されていてもよい。そのような構成によれば、携帯通信端末装置が小さい場合であっても、キー入力および座標入力を行うことができる。

本発明による携帯通信端末装置における座標入力方法は、導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段を備え、３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な携帯通信端末装置における座標入力方法であって、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出することを特徴とする。

本発明による座標入力装置は、３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な座標入力装置であって、導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段と、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出する座標検出手段とを備えたことを特徴とする。

座標検出手段は、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量を予め定められた閾値と比較し、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された変化量検出手段における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、被検出体のｚ座標として検出することが望ましい。そのような構成によれば、被検出体の位置を３次元座標として検出することができる。

本発明によれば、被検出体の位置を３次元座標として検出することができる上に、非接触でｚ座標を算出することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明による座標入力装置を備える携帯通信端末装置の実施の一形態を示すブロック図である。図１に示す携帯通信端末装置１１は、ＣＰＵ１２と、ＲＯＭ１３と、作業用メモリ１４と、センサ補正パラメータ用格納メモリ１５と、割込みコントローラ１６と、送受信部１８と、キー入力部１９と、表示部２０と、静電容量制御部２１と、静電容量方式センサ入力部（以下、タッチセンサ入力部という。）２２と、電源供給部２８と、バッテリ２９とを備える。以下、静電容量制御部２１とタッチセンサ入力部２２とを含む部分をタッチセンサまたは静電容量方式センサと記す。

以下の説明では、本発明による携帯通信端末装置として、携帯電話機を例示する。図２は、携帯通信端末装置の一例を示す斜視図である。図２に示す携帯通信端末装置１１は、キー入力部１９と、表示部２０と、タッチセンサ入力部２２とを備える。

ＣＰＵ１２は、携帯通信端末装置１１の各部を制御し、各種の制御用プログラムや、タッチセンサの初期化や出力された座標の補正等を行うためのタッチセンサ制御用プログラム等を実行する。ＣＰＵ１２は、バス５０を介して、ＲＯＭ１３と、作業用メモリ１４、センサ補正パラメータ用格納メモリ１５、割込みコントローラ１６、送受信部１８、キー入力部１９、表示部２０、静電容量制御部２１および電源供給部２８と接続されている。

ＲＯＭ（Read Only Memory）１３は、例えば不揮発性メモリによって実現され、ＣＰＵ１２が実行する各種の制御用プログラムやタッチセンサ制御用プログラム等を格納する。また、ＲＯＭ１３は、３次元座標入力機能をサポートしたゲームや手書きメモ機能等のアプリケーションを格納する。

作業用メモリ１４は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）によって実現され、ＣＰＵ１２がプログラムを実行する上で一時的に必要とされる制御プログラムやデータなどを格納する。

センサ補正パラメータ用格納メモリ１５は、ＣＰＵ１２がタッチセンサの座標補正および感度補正を行うためのセンサ補正パラメータを格納する。センサ補正パラメータ用格納メモリ１５は、例えば不揮発性メモリによって実現される。

割込みコントローラ１６は、キー入力部１９におけるキー入力や、タッチセンサ入力部２２におけるセンサ入力が行われたことを検出し、ＣＰＵ１２に割り込みとして通知する。

送受信部１８は、アンテナ（図示せず。）を介して移動通信網の基地局と無線通信を行う。携帯通信端末装置１１は、他の携帯通信端末装置や固定電話機等の通信機器と、移動通信網を介して電話やデータ通信を行うことができる。

キー入力部１９は、情報を入力するための複数のキー（以下、キー操作部と記す。）を有する入力回路であって、使用者によってキー操作部から入力された情報をＣＰＵ１２に出力する。

表示部２０は、例えば、白黒またはカラー表示が可能な液晶表示装置や有機ＥＬ（Electroluminescence ）ディスプレイ装置等のディスプレイ装置によって実現され、各種のゲームや手書きメモ機能等のアプリケーション情報等を表示する。

バッテリ２９は、携帯通信端末装置１１を動作させるための電源供給源である蓄電池である。電源供給部２８は、電源を携帯通信端末装置１１の各部に供給する。

次に、被検出体の位置を検出する方法について説明する。図３（ａ）は、タッチセンサを模式的に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、タッチセンサ入力部２２は、ｘ電極６１，６２，６３と、ｙ電極７１と、基材８０とを含む。

図３（ａ）には、ｘ電極６１，６２，６３とｙ電極７１とが互いに対向して配置されている場合を例示する。なお、図３（ａ）には、複数設けられるｘ電極のうちの３つと、複数設けられるｙ電極のうちの１つを例示する。ｘ電極６１，６２，６３とｙ電極７１との間には、非導電性の基材８０が挟持される。

図４は、タッチセンサ入力部の例を示す正面図である。例えば、ｘ電極６１，６２，６３は、タッチセンサ入力部２２の入力操作面の縦方向の一辺（以下、ｙ軸と記す。）に平行に、ｙ軸方向に延伸するように一定間隔で設けられる。また、ｙ電極７１，７２，７３は、タッチセンサ入力部２２の入力操作面の横方向の一辺（以下、ｘ軸と記す。）に平行に、ｘ軸方向に延伸するように一定間隔で設けられる。図４に例示するように、ｘ電極６１，６２，６３とｙ電極７１，７２，７３とは、互いに交差するように対向して配置される。なお、図４には、複数設けられるｘ電極およびｙ電極のうち、それぞれ３つずつを例示する。

図３（ａ）に例示するように、ｘ電極６１，６２，６３とｙ電極７１とが、それぞれ互いに対向して配置され、各ｘ電極とｙ電極との間に非導電性の基材８０が挟持されることから、各ｘ電極とｙ電極との間には、電荷が蓄えられる。以下、ｘ電極６１とｙ電極７１とが互いに対向し、電荷が蓄えられる部分を電極対９１と表記し、ｘ電極６２とｙ電極７１とが互いに対向し、電荷が蓄えられる部分を電極対９２と表記し、ｘ電極６３とｙ電極７１とが互いに対向し、電荷が蓄えられる部分を電極対９３と表記する（図３（ａ）および図４参照。）。

図３（ａ）に示すように、例えば、電極対９２に使用者の指や専用の入力ペン等の導体である被検出体１００が近付いた場合、電極対９２における静電容量が変化する。タッチセンサは、各電極間の静電容量の変化量に基づいて、入力座標（タッチポイント、具体的には近接ポイント）のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を検出する。ここで、入力座標のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標とは、タッチセンサ入力部２２の入力操作面の横方向の一辺（ｘ軸）と、縦方向の一辺（ｙ軸）と、ｘ軸およびｙ軸に垂直な軸（すなわち、タッチセンサ入力部２２の入力操作面に垂直な軸）として仮定したｚ軸とを座標軸とする３次元座標系における被検出体の位置を示す座標である。ここで、入力座標のｚ座標は、入力操作面から被検出体までの距離を示す。

例えば、電極対９２における静電容量の変化量が、予め定められた閾値よりも大きい場合、電極対９２に対応する入力操作面上の座標を、入力座標のｘ座標およびｙ座標として検出する。さらに、電極対９２における静電容量の変化量に基づいて、入力座標のｚ座標を算出する。

図３（ｂ）は、各電極対における静電容量の変化量の例を示す説明図である。図３（ｂ）に示すように、被検出体１００が近付いた電極対９２の近傍で、静電容量の変化が発生し、静電容量の変化量が大きくなる。すなわち、静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいことになる。タッチセンサの感度を上げることにより、被検出体１００との距離が離れていても、極めて小さい静電容量分布変異を認識することができる。なお、図３（ｂ）に示す例では、ｘ軸を横軸として例示したが、ｙ軸であっても同様である。また、タッチセンサの感度を上げるには、例えば、コンデンサに相当する電極対の静電容量が高くなるようにタッチセンサを形成する。

タッチセンサ入力部２２は、各電極対における静電容量の変化量をアナログ量（具体的には、電流量）として静電容量制御部２１に出力する。静電容量制御部２１は、タッチセンサ入力部２２から入力した各電極対の静電容量の変化量をアナログ−デジタル変換する。そして、静電容量の変化量が、予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定し、大きいと判定した電極対９２に対応する入力操作面上の座標を、入力座標のｘ座標およびｙ座標として検出する。また、静電容量制御部２１は、電極対における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、入力座標のｚ座標を検出する。静電容量制御部２１は、入力座標のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を示す座標データを生成し、デジタル値としてＣＰＵ１２に出力する。なお、静電容量制御部２１は、携帯通信端末装置１１の工場出荷時等にタッチセンサ入力部２２の補正を行ってもよい。

なお、図２に例示するように、キー入力部１９の上にタッチセンサ入力部２２が設けられることにより、携帯電話機等のように操作入力部の面積が狭い場合であっても、キー入力やタッチセンサ入力を行うことができる。図２に示す携帯通信端末装置１１では、例えば、ｘ電極３１とｙ電極３２とが配置されていない部分の基材８０に穴を開けることにより、タッチセンサ入力部２２の上側からキー入力部１９を操作することができる。また、使用者がタッチセンサを使用する際に、基材８０に設けられた穴の真上に指を近付けた場合には、穴の近傍の電極対において認識される静電容量の変化量が小さくなる。そこで、ＣＰＵ１２は、センサ補正パラメータを用いて、穴の近傍の電極対の出力に対して、真上に指がある場合と同程度の出力レベルになるように補正を行うことが好ましい。なお、タッチセンサ入力部２２は、キー入力部１９の下側に設けられてもよい。

本実施の形態において、変化量検出手段は、タッチセンサ入力部２２によって実現される。座標検出手段は、静電容量制御部２１によって実現される。

次に、図５を参照して本実施の形態の動作について説明する。図５は、本実施の形態における携帯通信端末装置の動作を示すフローチャートである。

携帯通信端末装置１１が着信の待ち受け状態にある場合（ステップＳ３０１）、キー入力部１９は、例えば定期的に、キー操作部が押下されたか否かを判定する（ステップＳ３０２）。使用者がキー操作部を押下して、３次元座標入力機能をサポートしたゲームや手書きメモ機能等のアプリケーションの起動が指示されると（ステップＳ３０２のＹ）、キー入力部１９は、割込みコントローラ１６にその旨の通知を行う。また、割込みコントローラ１６は、ＣＰＵ１２に対して割り込みを発生する（ステップＳ３０３）。キー操作部が押下されない場合には（ステップＳ３０２のＮ）、ステップＳ３０１に移行する。

ＣＰＵ１２は、ステップＳ３０３で発生された割り込みに応じて、ＲＯＭ１３に記憶された３次元座標入力機能をサポートしたアプリケーションおよび静電容量方式センサプログラムを作業用メモリ１４に読み出すとともに、センサ補正パラメータ用格納メモリ１５に記憶されたセンサ補正パラメータを作業用メモリ１４に読み出す（ステップＳ３０４）。ＣＰＵ１２は、３次元座標入力機能をサポートしたアプリケーションを起動するとともに、タッチセンサ制御用プログラムを実行する（ステップＳ３０５）。

ＣＰＵ１２は、センサ補正パラメータを用いて静電容量制御部２１の初期化を行う（ステップＳ３０６）。例えば、使用者は、導体である手等で携帯通信端末装置１１を保持するため、携帯通信端末装置１１を保持している手や入力を行う指とタッチセンサ入力部２２との距離によって、誤動作することがある。そのため、使用者が携帯通信端末装置１１を保持している状態で初期化を行うことが望ましい。

タッチセンサ入力部２２は、例えば定期的に、使用者によって指や入力ペン等の被検出体１００が近付けられたか否か、すなわち、各電極対における静電容量が変化したか否かを判定する（ステップＳ３０７）。被検出体１００がタッチセンサ入力部２２に近付けられると（ステップＳ３０７のＹ）、タッチセンサ入力部２２は、各電極対における静電容量の変化量をアナログ量として静電容量制御部２１に出力する（ステップＳ３０８）。被検出体１００がタッチセンサ入力部２２に近付けられない場合には（ステップＳ３０７のＮ）、ステップＳ３０７に移行する。

静電容量制御部２１は、タッチセンサ入力部２２から入力した各電極対の静電容量の変化量に基づいて、入力座標のｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を示す座標データをデジタル値として生成し、割込みコントローラ１６に入力が行われたことを通知する。割込みコントローラ１６は、ＣＰＵ１２に対して割り込みを発生する（ステップＳ３０９）。

ＣＰＵ１２は、ステップＳ３０９で発生された割り込みに応じて、静電容量制御部２１から入力座標の座標データを入力し（ステップＳ３１０）、センサ補正パラメータを用いて各座標データの座標補正を行い（ステップＳ３１１）、アプリケーションに対し座標データを出力して（ステップＳ３１２）、ステップＳ３０７に移行する。座標補正を行うためのセンサ補正パラメータは、例えば、製品出荷時に設定される。例えば、携帯通信端末装置の検査時に、各電極対の出力が示す座標と実際の被検出体１００の近接位置とを位置させるための補正データを得て、そのデータをセンサ補正パラメータとする。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、感度の高い静電容量方式センサを用いることにより、２次元座標の入力に加えて、空間上にある被検出体の位置を３次元座標として入力することができる。そのため、例えば、ゲーム等のアプリケーションにおいて、奥行きや操作の強弱を表すことができる。また、使用者が携帯通信端末装置を保持している状態で、静電容量制御部の初期化を行うことから、誤動作を防止することができる。

また、本実施の形態の座標入力装置は、携帯電話機などのキー入力部の領域を有する装置に適用するのに特に効果的である。なぜなら、キー入力部には多数の操作スイッチ（ボタン）が設けられているので、指等が接触することによって位置を認識するように構成されている場合には、位置検出に係る接触部の面積が確保できないおそれがある。しかし、本実施の形態では、非接触でｘ，ｙ，ｚ座標を検出できるので、接触部の面積が確保できない場合でも、広い範囲に亘る位置を検出することができる。

なお、本実施の形態では、タッチセンサとして複数のｘ電極と複数のｙ電極とを用いた構造のものが使用されているが、タッチセンサとしてワンシート型のものを使用してもよい。また、上記の説明では、携帯通信端末装置として携帯電話機を例示したが、ＰＨＳ、ＰＤＡやその他の携帯通信端末装置であってもよい。

本発明は、空間上にある被検出体の位置を３次元座標として入力する場合に効果的に適用できる。

本発明による座標入力装置を備える携帯通信端末装置の実施の一形態を示すブロック図である。 携帯通信端末装置の一例を示す斜視図である。 被検出体の位置を検出する方法の一例を説明するための説明図である。 タッチセンサ入力部の例を示す正面図である。 本実施の形態における携帯通信端末装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 携帯通信端末装置
１２ ＣＰＵ
１３ ＲＯＭ
１４ 作業用メモリ
１５ センサ補正パラメータ用格納メモリ
１６ 割込みコントローラ
１８ 送受信部
１９ キー入力部
２０ 表示部
２１ 静電容量制御部
２２ タッチセンサ入力部
２８ 電源供給部
２９ バッテリ

Claims (6)

1. ３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な携帯通信端末装置であって、
   導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段と、
   前記変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、前記変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出する座標検出手段と
   を備えたことを特徴とする携帯通信端末装置。
2. 座標検出手段は、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量を予め定められた閾値と比較し、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された前記変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された前記変化量検出手段における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、被検出体のｚ座標として検出する
   請求項１記載の携帯通信端末装置。
3. 情報を入力するためのキー入力部を有し、
   変化量検出手段は、前記キー入力部が配置されている領域に形成されている
   請求項１または請求項２記載の携帯通信端末装置。
4. 導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段を備え、３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な携帯通信端末装置における座標入力方法であって、
   前記変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、前記変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出する
   ことを特徴とする携帯通信端末装置における座標入力方法。
5. ３次元座標系における被検出体の座標を検出可能な座標入力装置であって、
   導体が近接したことに基づく静電容量の変化量を検出する変化量検出手段と、
   前記変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量に基づいて、前記変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、入力操作面から被検出体までの距離を被検出体のｚ座標として検出する座標検出手段と
   を備えたことを特徴とする座標入力装置。
6. 座標検出手段は、変化量検出手段によって検出された静電容量の変化量を予め定められた閾値と比較し、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された前記変化量検出手段に相当する入力操作平面上の座標を被検出体のｘ座標およびｙ座標として検出するとともに、閾値よりも大きい静電容量の変化量が検出された前記変化量検出手段における静電容量の変化量が大きいほど、入力操作面から被検出体までの距離が小さいと判定し、被検出体のｚ座標として検出する
   請求項５記載の座標入力装置。

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