JP2016212108A - 圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力の大きさによって線形的に変わる信号を提供することができる圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置を提供する。【解決手段】圧力センシング装置は、電極１０と、前記電極に駆動信号を印加する駆動部と、前記電極を介して、前記電極と離隔された基準電位層３００と前記電極との間の相対的な距離によって変わる前記電極と前記基準電位層との間の静電容量に対する情報を含む受信信号を受信する感知部と、前記駆動部と前記電極との間に第１インピーダンス、及び前記感知部と前記電極との間に第２インピーダンスと、を含み得る。【選択図】図２

Description

本発明は、圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置に関する。より詳しくは、圧力の大きさによって線形的に変わる信号を提供することができる圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置に関する。

コンピューティングシステムの操作のために、多様な種類の入力装置が用いられている。例えば、ボタン（ｂｕｔｔｏｎ）、キー（ｋｅｙ）、ジョイスティック（ｊｏｙｓｔｉｃｋ）、及びタッチスクリーンのような入力装置が用いられている。タッチスクリーンの手軽で簡単な操作により、コンピューティングシステムの操作時にタッチスクリーンの利用が増加している。

タッチスクリーンは、タッチ−感応表面（ｔｏｕｃｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ）を備えた透明なパネルであり得るタッチセンサパネル（ｔｏｕｃｈ ｓｅｎｓｏｒ ｐａｎｅｌ）を含み得る。このようなタッチセンサパネルはディスプレイスクリーンの前面に付着され、タッチ−感応表面がディスプレイスクリーンの見える面を覆うことができる。タッチスクリーンは、使用者が指などでディスプレイスクリーンを単純に接触することによって、使用者がコンピューティングシステムを操作することができるようにする。一般的に、タッチスクリーンは、ディスプレイスクリーン上の接触及び接触位置を認識し、コンピューティングシステムは、このような接触を解釈することによって、これに従い演算を遂行することができる。

これとともに、タッチ入力装置のタッチ表面に対するタッチ位置だけでなく、タッチ圧力を検出するための研究が続けられている。このとき、圧力センサは、適用されるタッチ入力装置などとは別個に製作され得るが、均一な圧力の大きさ検出のために適用されるアプリケーションごとに圧力検出回路が修正される必要がある。これは、適用されるアプリケーションごとに圧力電極と基準電位層との間の距離などが変わるためである。これにより、適用されるアプリケーションに関係なく、修正される必要なしに、そして簡単に圧力の大きさを検出できるようにする圧力検出の技法に対する必要性が生じている。

本実施形態による目的は、圧力の大きさによって線形的に変わる信号を提供することができる圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置を提供することにある。

本実施形態による他の目的は、適用されるアプリケーションに関係なく、回路修正なしに、簡単に圧力の大きさを検出できるようにする圧力センシング装置及び圧力検出器を提供することにある。

本発明の実施形態による圧力センシング装置は、電極と、前記電極に駆動信号を印加する駆動部と、前記電極を介して、前記電極と離隔された基準電位層と前記電極との間の相対的な距離によって変わる静電容量に対する情報を含む受信信号を受信する感知部と、前記駆動部と前記電極との間に第１インピーダンス、及び前記感知部と前記電極との間に第２インピーダンスと、を含み得る。

本発明の実施形態による圧力検出器は、電極に駆動信号を印加する駆動部と、前記電極を介して、前記電極と離隔された基準電位層と前記電極との間の相対的な距離によって変わる前記電極と静電容量に対する情報を含む信号を受信する感知部と、を含み、前記駆動信号は、前記駆動部と前記電極との間に位置する第１インピーダンスを通過した後、前記電極に印加され、及び前記受信信号は、前記感知部と前記電極との間に位置する第２インピーダンスを通過した後、前記感知部に受信され得る。

本発明の実施形態による装置は、基準電位層と圧力センシング装置を含んで構成され得る。

本発明の実施形態によれば、圧力の大きさによって線形的に変わる信号を提供することができる圧力センシング装置、圧力検出器及びこれらを含む装置を提供することができる。

また、本発明の実施形態によれば、適用されるアプリケーションに関係なく、回路修正なしに、簡単に圧力の大きさを検出できるようにする圧力センシング装置及び圧力検出器を提供することができる。

実施形態による圧力センシング装置の構造図である。 実施形態による圧力センシング装置が適用された装置の断面を例示する。 第１例による圧力センシング装置の等価経路を示す。 実施形態による圧力センシング装置の電極と基準電位層との間の距離変化による圧力検出器の出力信号を示すグラフである。 第２例による圧力センシング装置の等価回路を示す。 第２例が適用されるのに不適合な駆動信号の周波数変化を例示する。 第３例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、距離変化による圧力キャパシタンスの変化を示すグラフ、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第３例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、距離変化による圧力キャパシタンスの変化を示すグラフ、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第３例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、距離変化による圧力キャパシタンスの変化を示すグラフ、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第３例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、距離変化による圧力キャパシタンスの変化を示すグラフ、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する 第４例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、圧力キャパシタンスを検出するためのタイミングダイヤグラム、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第４例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、圧力キャパシタンスを検出するためのタイミングダイヤグラム、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第４例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、圧力キャパシタンスを検出するためのタイミングダイヤグラム、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。 第４例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、圧力キャパシタンスを検出するためのタイミングダイヤグラム、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを例示する。

後述する本発明に対する詳細な説明は、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施するのに十分なように詳しく説明する。本発明の多様な実施形態は互いに異なるが、相互に排他的である必要はないことが理解されなければならない。例えば、ここに記載されている特定形状、構造及び特性は、一実施形態に関連して本発明の精神及び範囲を外れないながらも、他の実施形態で具現することができる。また、それぞれの開示された実施形態内の個別の構成要素の位置又は配置は、本発明の精神及び範囲を外れないながらも変更できることが理解されなければならない。したがって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として取ろうとするのではなく、本発明の範囲は、適切に説明されるならば、その請求項が主張するのと均等なすべての範囲とともに添付された請求項によってのみ限定される。図面において類似の参照符号は様々な側面にわたって同一もしくは類似の機能を指し示す。

以下、添付される図面を参照して、本発明の実施形態による圧力センシング装置１００を説明する。

図１は、実施形態による圧力センシング装置１００の構造図である。図１を参照すると、実施形態による圧力センシング装置１００は、電極１０、電極１０に駆動信号を印加する駆動部２０、及び電極１０から静電容量に対する情報を含む信号を受信してタッチ圧力に対する情報を検出する感知部３０を含んでもよい。

実施形態による圧力センシング装置１００において、駆動部２０は、駆動信号を電極１０に印加し、感知部３０は、前記電極１０を介して電極１０と基準電位層３００との間の静電容量を測定することによって、圧力の大きさを検出することができる。駆動部２０は、例えばクロック生成器（図示せず）及びバッファ（ｂｕｆｆｅｒ：図示せず）を含んで、パルス形態で駆動信号を生成して電極１０に印加することができる。これは例示に過ぎず、多様な素子を介して駆動部２０が具現されてもよく、かつ駆動信号の形態もまた多様に変形されてもよい。

実施形態により、駆動部２０及び感知部３０は、集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で具現されてもよく、一つのチップ（ｃｈｉｐ）上に形成されてもよい。駆動部２０及び感知部３０は、圧力検出器を構成することができる。

実施形態による電極１０は、透明伝導性物質（例えば、酸化スズ（ＳｎＯ_２）及び酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等からなるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）又はＡＴＯ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ））等から形成されてもよい。実施形態により、電極１０は、透明伝導性物質または不透明伝導性物質で形成されてもよい。例えば、電極は、銀インク（ｓｉｌｖｅｒ ｉｎｋ）、銅（ｃｏｐｐｅｒ）又は炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）のうち少なくとも一つを含んで構成されてもよい。

電極１０は、基準電位層３００との間で静電容量の変化量の検出が容易なように、電極１０と基準電位層３００との間に向かい合う面が大きいように形成されてもよい。例えば、図８ａに例示されたような板状のパターンで形成されてもよい。

以下では、圧力センシング装置１００が、一つの電極１０から圧力の大きさを検出する場合を例に挙げて説明するが、実施形態により、圧力センシング装置１００は、電極１０を複数個含んで複数個のチャネルを構成し、多重タッチ（ｍｕｌｔｉ ｔｏｕｃｈ）により多重の圧力の大きさの検出が可能なように構成されてもよい。

実施形態による電極１０と基準電位層３００との距離変化により、電極１０と基準電位層との間の静電容量が変わるようになり、このような静電容量の変化に対する情報を感知部３０で感知するようにすることで、実施形態による圧力センシング装置１００を介して圧力の大きさを検出することができる。実施形態による圧力センシング装置１００は、電極１０の自己静電容量（ｓｅｌｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）値から圧力の大きさを検出することができる。

図２は、実施形態による圧力センシング装置１００が適用された装置１０００の断面を例示する。図２は、実施形態による圧力センシング装置１００を介して圧力を検出するようにする簡略化された物理的な構造を例示する。実施形態による圧力センシング装置１００は、基準電位層３００を含む装置１０００に適用され、装置１０００に対して印加される圧力の大きさを検出するように構成されてもよい。例えば、電極１０は、基準電位層３００と僅かな空間ｄを挟んで配置されてもよい。この時、電極１０と基準電位層３００との間には、客体４００を介した圧力の印加により形態の変形が可能な（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ）物質が配置されてもよい。例えば、電極１０と基準電位層３００との間に配置された形態変形が可能な物質は、空気（ａｉｒ）、誘電体、弾性体及び／又は衝撃吸収物質であってもよい。

客体４００がタッチ表面を形成する構成２００のタッチ表面を押圧すれば、圧力の大きさにより電極１０と基準電位層３００との間の距離が減少することになる。基準電位層３００は、装置１０００に含まれた任意の電位層であってもよい。実施形態において、基準電位層は、グランド（ｇｒｏｕｎｄ）電位を有するグランド層であってもよい。距離ｄが近づくことによって電極１０と基準電位層３００との間に生成されるキャパシタＣｐの静電容量値が増加し得る。すなわち、距離ｄの減少により基準電位層３００に対する電極１０の自己静電容量値が増加し得る。

実施形態による圧力センシング装置１００が適用され得る装置１０００は、タッチ位置を検出できるようにするタッチセンサパネル及び／又はディスプレイパネルを含むタッチ入力装置１０００であってもよい。実施形態による圧力センシング装置１００の電極１０は、タッチ入力装置１０００内の任意の位置に配置されてもよい。例えば、図２において、電極１０は、ディスプレイパネル２００の下部に配置されてもよい。この時、基準電位層３００は、ディスプレイパネル２００のノイズ（ｎｏｉｓｅ）遮蔽層であってもよい。または、基準電位層３００は、タッチ入力装置１０００の作動のためのメインボード（ｍａｉｎ ｂｏａｒｄ）上の中央処理ユニット（ＣＰＵ）又はＡＰ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等から発生するノイズ遮蔽のための遮蔽層であってもよい。この時、基準電位層３００は、タッチ入力装置１０００においてディスプレイパネル２００とメインボードとを区分／支えるためのミッドフレーム（ｍｉｄ−ｆｒａｍｅ）であってもよい。

図２において、電極１０がディスプレイパネル２００の下部に配置されたものが例示されているが、これは単に例示に過ぎず、タッチ入力装置１０００内で基準電位層３００と所定の距離離隔された任意の位置に配置されてもよい。また、タッチ入力装置１０００において、ディスプレイパネル２００の上部面がタッチ表面を構成するように例示されているが、これは単に例示に過ぎず、タッチ表面は任意の他の構成であってもよく、タッチ表面に対する圧力の印加によって電極１０と基準電位層３００との間の距離が変化し得れば十分である。

図１を参照すると、実施形態による圧力センシング装置１００は、駆動部２０と電極１０との間に第１インピーダンス１２：Ｚ１及び感知部３０と電極１０との間に第２インピーダンス１３：Ｚ２をさらに含む。第１インピーダンス１２及び第２インピーダンス１３に対する説明は、以下で詳しくする。

図３は、第１例による圧力センシング装置１００の等価回路を示す。図３においては、圧力センシング装置１００の電極１０及び感知部３０の領域に対する等価回路を例示する。

Ｖｓは、電極１０に印加される駆動信号である。例えば、電極１０に印加される駆動信号として時間に伴う電圧信号であり得る。例えば、駆動信号Ｖｓは、一連のパルス（ｐｕｌｓｅ）形態で印加され得る。

駆動部２０において駆動信号Ｖｓを電極１０に印加するための駆動端Ｔｘと、感知部３０において電極１０から受信信号を感知するための受信端Ｒｘとの間に圧力キャパシタ１１：Ｃｐが位置する。圧力キャパシタ１１は、結合部１４と基準電位層３００であるグランドとの間に位置するものと示されてもよい。この時、圧力キャパシタ１１は、電極１０と基準電位層３００との間の距離によって静電容量が変わるので、可変するものと表示されてもよい。

実施形態による圧力センシング装置１００の圧力キャパシタ１１を介して圧力を検出するためには、電極１０は、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３との間に構成されてもよい。図３では、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３とが共に純粋なキャパシタＣ１及びＣ２の場合を例示する。図３のように、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３とを共にキャパシタで構成することによって、圧力センシング装置１００が駆動信号Ｖｓの動作周波数に依存しない性能を提供することができる。

図１及び図３において、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３が、駆動部２０と電極１０との間及び感知部３０と電極１０との間として圧力検出器が集積されたチップの外部に形成されたものと解釈され得る。例えば、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３は、チップの外部としてチップと電極を連結する伝導性トレース（ｔｒａｃｅ）等の上に形成され得る。この時、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３は、チップと非常に近接するように構成されていてもよい。しかし、これは単に構成上の実施例に過ぎず、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３のうちの一つ、又は、２つ全て圧力検出器が集積されたチップ上に共に集積されることも可能である。第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３がチップ内に具現されることによって、追加の外部素子に対する必要がなく、単価を低くすることができる。また、任意の圧力検出のための電極にも連結されて、均一な圧力検出性能を提供することができる。

図３において、実施形態による感知部３０は、増幅器３１及び帰還キャパシタ３２を含んで構成されるキャパシタンスセンサを含んで構成されてもよい。帰還キャパシタ３２は、増幅器３１の負（−）入力端と増幅器３１の出力端との間、すなわち帰還経路に結合されたキャパシタである。この時、増幅器の正（＋）入力端は、グランド（Ｇｒｏｕｎｄ）又は基準電位（Ｖｒｅｆ）に接続されてもよい。また、キャパシタンスセンサは、帰還キャパシタ３２と並列に連結されるリセットスイッチ（ｒｅｓｅｔ ｓｗｉｔｃｈ：図示せず）をさらに含んでもよい。リセットスイッチは、キャパシタンスセンサによって遂行される電流において電圧から変換をリセットすることができる。増幅器３１の負入力端は、受信端ＲＸを介して電極１０から圧力キャパシタ１１の静電容量に対する情報を含む電流信号を受信した後、積分して電圧信号Ｖｏに変換することができる。感知部３０は、キャパシタンスセンサを通過したアナログデータ信号Ｖｏをデジタルデータに変換できるＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）３３をさらに含んでもよい。その後、デジタルデータは、ＡＰ又はＣＰＵのようなプロセッサなどに入力され、タッチ圧力の大きさを取得するように処理されてもよい。実施形態による感知部３０は、プロセッサをさらに含んで構成されてもよい。

図２を再び参照すると、客体４００を介して圧力が印加されて電極１０と基準電位層３００との間の距離ｄが減少することになれば、圧力キャパシタ１１の静電容量値が増加することになる。図３の等価回路を参照してキャパシタンスセンサの出力信号Ｖｏと駆動信号Ｖｓとの間の関係は、数式（１）のように表現され得る。

数式（１）を参照すると、出力信号Ｖｏは、駆動信号Ｖｓの周波数とは関係がない結果を得られることが分かる。この時、Ｃｐ＞＞Ｃ１＋Ｃ２である場合を仮定すると、数式（１）は下の数式（２）のように簡素化され得る。

この時、

と表現され得る。ここで、εは電極１０と基準電位層３００との間に満たされた物質の誘電率εoεr、Ａは電極１０の面積、ｄは電極１０と基準電位層３００との間の距離である。数式（２）において、出力信号Ｖｏは距離ｄに比例して線形的に変わることが分かる。Ｃｐ、Ｃ１及びＣ２の静電容量値は、実施形態／環境によって変更され得ることは自明であり、Ｃｐには数百ｐＦ（ｐｉｃｏ Ｆａｒａｄ）の範囲、そしてＣ１及びＣ２には数十ｐＦの範囲の静電容量値を適用して実験した結果、出力信号Ｖｏと距離ｄとの間の線形関係を導出することができた。

図４は、実施例による圧力センシング装置１００の電極と基準電位層との間の距離変化による圧力検出器の出力信号を示すグラフである。図４のグラフは、オフセット（ｏｆｆｓｅｔ）等を除去した後のグラフである。図４を参照すると、圧力キャパシタ１１の静電容量の絶対値に偏差が発生しても、圧力による距離ｄの変化量が同一であれば、これによる出力信号Ｖｏの変化量も一定に維持され得ることが分かる。例えば、圧力センシング装置１００が適用される第１アプリケーションＰ−１と第２アプリケーションＰ−２により、電極１０と基準電位層３００との間の距離ｄは互いに異なってもよい。しかし、実施形態による圧力センシング装置１００を用いる場合、印加される圧力によって電極１０と基準電位層３００との間の距離ｄの変化量が同一であれば（ｄ１＝ｄ２）、出力信号Ｖｏの変化量も同一に維持（Ｖｏ１＝Ｖｏ２）され得るのである。

図５は、第２例による圧力センシング装置の等価回路を示す。図５においては、第１インピーダンス１２として抵抗Ｒ１が用いられる場合に、駆動信号Ｖｓと出力信号Ｖｏとの間の等価回路を示す。第１インピーダンスとして抵抗Ｒ１が用いられる場合を除いては図３と同様であり、重複する説明は省略する。

図５のような圧力センシング装置１００において、駆動信号Ｖｓと出力信号Ｖｏとの間の伝達関数は、下の数式（３）のように表現され得る。

ここで、Ｃｐ＞＞Ｃ２と仮定すると、数式（３）は数式（４）のように簡素化され得る。

ここで、ω＝２πｆであり、ｆは駆動信号Ｖｓの周波数である。数式（４）から分かるように、出力信号Ｖｏの大きさは駆動信号Ｖｓの周波数が大きくなることによって徐々に減少することになる。

この時、仮に、数式（４）によると、出力信号Ｖｏと距離ｄとの間に完全な線形関係が形成されはしないが、固定された周波数において出力信号Ｖｏと距離ｄとの間には、おおむね線形的な特性を有するようになるので、実施形態による全体システムにおいて第１例と同様に信号処理が単純化され得る。以上においては、第１インピーダンス１２が抵抗性素子であり、第２インピーダンス１３は静電容量性素子である場合を例として説明するが、第１インピーダンス１２が静電容量性素子であり、第２インピーダンス１３が抵抗性素子である場合にも適用され得る。

図５を参照して詳しく見てみると、実施形態による圧力センシング装置１００において、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３のうち少なくとも何れか一つが純粋なキャパシタ素子でなく抵抗性素子で構成された場合には、駆動信号Ｖｓの周波数により特性が変化する出力信号を取得するようになる。

Ｃｐ及びＣ２の静電容量値は、実施形態／環境によって変更され得ることは自明であり、Ｃｐとしては数百ｐＦ（ｐｉｃｏ Ｆａｒａｄ）の範囲、そしてＣ２としては数十ｐＦの範囲の静電容量値を適用して実験した結果、出力信号Ｖｏと距離ｄとの間の線形関係及び周波数によって変わる特性を導出することができた。

このように周波数により特性が変わるようにする圧力センシング装置１００の構成は、一部のアプリケーションで適合しないことがある。図６は、第２例が適用されるのに不適合な駆動信号の周波数の変化を例示する。例えば、図６に例示されたように、圧力センシング装置１００が周波数ｆ１で動作する時、周波数ｆ１と類似した帯域のノイズ信号が入力されるならば、圧力センシング装置１００のＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が落ちることになる。このような状況でノイズを回避するためには、駆動信号Ｖｓの駆動周波数を変更しなければならない必要がある。例えば、駆動信号Ｖｓの駆動周波数がｆ２に変更されるならば、数式（４）から分かるように、出力信号Ｖｏの大きさは減少することになる。

例えば、図５のように第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３のうち少なくとも何れか一つを抵抗性素子に代替する回路構成は、駆動信号Ｖｓの駆動周波数を力動的に変えなければならないアプリケーションには適合しないこともある。

以下では、実施形態により、圧力センシング装置１００が第１インピーダンス１２及び第２インピーダンス１３を含まない場合について詳しく見てみる。

図７ａ〜図７ｄはそれぞれ、第３例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる出力信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、距離変化による圧力キャパシタンスの変化を示すグラフ、及び距離変化による出力信号の変化を示すグラフを示す。

図７は、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３を含むことなしに、圧力を検出する場合を示す。

図７ａに例示されたように、電極１０が第１電極１０−１と第２電極１０−２で構成され、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間の静電容量の変化から圧力を検出することができる。図７ａに例示されたような第１電極１０−１と第２電極１０−２は、例えば図２の電極１０と同様に、基準電位層３００と所定の距離離隔して配置されてもよい。客体４００を介して圧力が印加される場合、第１電極１０−１及び第２電極１０−２と基準電位層３００との間の距離は近くなる。この時、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間に発生した電場が基準電位層３００に吸収されるので、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間の圧力キャパシタ１１の静電容量の大きさは減少する。

図７ｂは、図７ａに示されたような第１電極１０−１と第２電極１０−２との間の圧力静電容量１１が駆動端と感知端との間に直列に連結された等価回路を例示する。ここで、駆動信号Ｖｓと出力信号Ｖｏとの間の関係式は、数式（５）のように表現され得る。

この時、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間の静電容量のうち、基準電位層３００に奪われる静電容量はフリンジング（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）静電容量である。この時、圧力静電容量１１は、下記のように表現され得る。

ここで、Ｃｏは、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間に生成される固定静電容量値であり、Ｃ_{ｆｒｉｎｇｉｎｇ}は、第１電極１０−１と第２電極１０−２との間のフリンジング現象によって発生する静電容量値である。固定静電容量は、基準電位層３００との距離ｄには関係がなく、第１電極１０−１と第２電極１０−２によって生成される静電容量を意味する。図７ｃの回路において、電極１０が基準電位層３００と近づくほど第１電極１０−１と第２電極１０−２との間に生成されたフリンジンフィールド（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）が基準電位層３００に奪われる構造であるため、Ｃ_{ｆｒｉｎｇｉｎｇ}値は距離ｄが増加するほど増加するようになる。数式（６）は、このようなＣ_{ｆｒｉｎｇｉｎｇ}値を距離ｄと係数αで表現したものである。数式（５）及び数式（６）から分かるように、出力信号Ｖｏの大きさは距離ｄに対して線形関係を有さないので、距離ｄの変化量が同じでも（ｄ１＝ｄ２）、出力電圧の変化量は同一ではない（Ｖｏ１＜Ｖｏ２）。

このような現象は、圧力センシング装置の信号処理過程を複雑にさせる原因になる。距離ｄの変化量に対する圧力の大きさの解釈がアプリケーションごとに異なり得るので、アプリケーションごとに数値解析が修正されて適用される必要がある。また、このような構造の圧力センシング装置１００の圧力検出性能は、製造過程で発生する圧力キャパシタ１１の絶対値の偏差に大きく影響を受ける。以上の場合、例えば、アプリケーションごとに電源電圧（例えば、図８ｂのＶＤＤ）及び／又は帰還キャパシタ（ＣＦＢ）値を調節して利特(gain)を調節したり、及び／又は信号処理過程で別のキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）が要求され得る。また、適切な大きさの出力信号Ｖｏを取得するために、例えば、圧力キャパシタ１１の値は、帰還キャパシタ（ＣＦＢ）３２と同等の水準の小さい値を有さなければならない制限事項が発生し得る。

図８ａ〜図８ｄはそれぞれ、第４例による電極と基準電位層との間の距離変化によって非線形的に変わる電圧信号を出力する場合の、電極構造、等価回路、圧力キャパシタンスを検出するためのタイミングダイヤグラム、及び距離変化による出力電圧の変化を示すグラフを示す。

図８は、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３を含むことなしに、圧力を検出するまた他の場合を示す。

図８ａには、第４例において圧力検出に用いられ得る電極１０を示す。図８ａに示された電極１０は、例えば、実施形態による圧力センシング装置１００に用いられる電極１０と同一の電極であってもよい。電極１０は、図２に例示されたように、基準電位層３００と所定の距離離隔して配置されてもよい。この時、電極１０と基準電位層３００との間の静電容量が圧力キャパシタ１１の値として用いられてもよい。

図８では、駆動部２０を介して別の駆動信号Ｖｓを印加せず、電極１０は充電／放電スイッチ２１、２２、２３を介して駆動され得る。

図８ｂは、第２例による圧力センシング装置の等価回路であり、図８ｃは、これを介して圧力を検出するための信号のタイミングダイヤグラムを示す。図８ｂ及び図８ｃを参照すると、第１スイッチ２１がオンになれば、第１スイッチ２１の一端が連結された電源電圧ＶＤＤまで圧力キャパシタ１１が充電される。第１スイッチ２１のスイッチがオフになった直後、第３スイッチ２３がオンになれば、圧力キャパシタ１１に充電された電荷が増幅器３１に伝達されて、それに相応する出力信号Ｖｏを取得することができる。第２スイッチ２２がオンになれば、圧力キャパシタ１１に残っている全ての電荷が放電され、第２スイッチ２２がオフなった直後に第３スイッチ２３がオンになれば、帰還キャパシタ３２を介して圧力キャパシタ１１に電荷が伝達されて、それに相応する出力信号を取得することができる。この時、図８ｂに表示される回路の出力信号Ｖｏは、下記のように表現され得る。

数式（７）を介して分かるように、出力信号Ｖｏは距離ｄに反比例するので、図８ｄに示されたように、距離ｄに対して出力信号Ｖｏは線形的でない特性を有する。これは、図７を参照して説明したように、圧力センシング装置の信号処理過程を複雑にさせる原因になる。また、このような構造の圧力センシング装置１００の圧力検出性能は、製造過程で発生する圧力キャパシタ１１の絶対値の偏差に大きく影響を受ける。また、適切な大きさの出力信号Ｖｏを取得するために、例えば、圧力キャパシタ１１の値は、帰還キャパシタ（ＣＦＢ）３２と同様の水準の小さい値を有さなければならない制限事項が発生し得る。

本発明の実施形態による圧力センシング装置１００は、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３を含むように構成されることによって、電極１０と基準電位層３００との間の距離ｄが圧力センシング装置１００が適用されるアプリケーションごとに他の場合であっても回路に対する修正なしに適用され得る。これは、実施形態による圧力センシング装置１００の感知部３０は、距離ｄの変化量により線形的に変わる信号を提供することができるためである。この時、第１インピーダンス１２と第２インピーダンス１３を全て静電容量性素子で構成することによって、駆動信号の周波数に関係がない出力性能を提供することができる。

以上において、実施形態を中心に説明したが、これは単に例示に過ぎず、本発明を限定する訳ではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特徴を外れない範囲で、以上に例示されない様々な変形と応用が可能であることが分かるはずである。例えば、実施形態に具体的に示された各構成要素は、変形して実施することができるものである。そして、このような変形と応用に係る相違点は、添付の特許請求の範囲において規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

１００ 圧力センシング装置
１０ 電極
２０ 駆動部
３０ 感知部
１０００ タッチ入力装置
２００ ディスプレイパネル
３００ 基準電位層

Claims (15)

1. 電極と、
   前記電極に駆動信号を印加する駆動部と、
   前記電極を介して、前記電極と離隔された基準電位層と前記電極との間の相対的な距離によって変わる前記電極と前記基準電位層との間の静電容量に対する情報を含む受信信号を受信する感知部と、
   前記駆動部と前記電極との間に第１インピーダンス、及び前記感知部と前記電極との間に第２インピーダンスと、
   を含む、
   圧力センシング装置。
2. 前記感知部は、前記電極と前記基準電位層との間の距離に対して線形関係を有する信号を出力することができる、
   請求項１に記載の圧力センシング装置。
3. 前記感知部は、
   増幅器と、
   前記増幅器の負入力端と出力端との間に連結された帰還キャパシタと、
   を含み、
   前記距離に対して線形関係を有する信号は、前記増幅器の出力信号である、
   請求項２に記載の圧力センシング装置。
4. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスは、静電容量性素子である、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧力センシング装置。
5. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスのうち少なくとも一つは、前記駆動部及び前記感知部と同一の集積回路上に集積される、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力センシング装置。
6. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスのうちいずれか一つは、抵抗性素子である、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧力センシング装置。
7. 前記基準電位層は、グランド電位層である、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧力センシング装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項による圧力センシング装置と、
   前記基準電位層と、を含んで構成される、装置。
9. 電極に駆動信号を印加する駆動部と、
   前記電極を介して、前記電極と離隔された基準電位層と前記電極との間の相対的な距離によって変わる前記電極と前記基準電位層との間の静電容量に対する情報を含む信号を受信する感知部と、
   を含み、
   前記駆動信号は、前記駆動部と前記電極との間に位置する第１インピーダンスを通過した後に前記電極に印加され、及び前記受信信号は、前記感知部と前記電極との間に位置する第２インピーダンスを通過した後に前記感知部に受信される、
   圧力検出器。
10. 前記感知部は、前記電極と前記基準電位層との間の距離に対して線形関係を有する信号を出力することができる、
    請求項９に記載の圧力検出器。
11. 前記感知部は、
    増幅器と、
    前記増幅器の負入力端と出力端との間に連結された帰還キャパシタと、
    を含み、
    前記距離に対して線形関係を有する信号は、前記増幅器の出力信号である、
    請求項１０に記載の圧力検出器。
12. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスは、静電容量性素子である、
    請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の圧力検出器。
13. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスのうち少なくとも一つは、前記駆動部及び前記感知部と同一の集積回路上に集積される、
    請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の圧力検出器。
14. 前記第１インピーダンス及び前記第２インピーダンスのうちいずれか一つは、抵抗性素子である、
    請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の圧力検出器。
15. 前記基準電位層は、グランド電位層である、
    請求項９ないし１４のいずれか１項に記載の圧力検出器。
    

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