静電容量式タッチパネル
【課題】入力操作位置の検出精度が高い静電容量式タッチパネルを提供する。
【解決手段】入力操作面に積層される均一導電層と基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させ、信号検出回路において、基準ノードに対して相対的に各検出電極に現れる固有周波数ｆの固有発振信号を検出し、各信号電圧を比較して入力操作位置を検出する。入力待機状態では、固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧が検出されないので、入力操作体の接近により各検出電極に現れる信号電圧を精度良く検出できる。
【解決手段】入力操作面に積層される均一導電層と基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させ、信号検出回路において、基準ノードに対して相対的に各検出電極に現れる固有周波数ｆの固有発振信号を検出し、各信号電圧を比較して入力操作位置を検出する。入力待機状態では、固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧が検出されないので、入力操作体の接近により各検出電極に現れる信号電圧を精度良く検出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁保護層を介して絶縁パネル上の導電層に入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルに関し、更に詳しくは、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層の周囲に複数の検出電極が接続され、各検出電極に現れる信号電圧を比較して入力操作位置を検出する表面型静電容量式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、携帯電話機等の上位機種へ入力操作位置を示す位置座標を入力するポインティングデバイスとして、絶縁性基板上の入力操作面に合成樹脂、ガラス等の絶縁保護層で覆われた導電層が形成され、絶縁保護層による静電容量を介して導電層に接近する指などの入力操作体の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルが知られている。この静電容量式タッチパネルは、絶縁性基板とその表面に積層する導電層及び絶縁保護層を透明材料で形成することができるので、液晶表示装置などのディスプレー上に配置し、ディスプレーに表示されるアイコンを見ながら、入力やカーソルの移動操作を行うことができ、また、硬質の絶縁性基板によってディスプレーを機械的な外力から保護できる。
【０００３】
静電容量式タッチパネルは、更に絶縁性基板上の検出方向に沿って複数の検出電極パターンを配置し、入力操作体が接近して静電容量が増加する検出電極パターンの配設位置から入力操作位置を検出する投影型と、入力操作面の表面に均一導電層をむらなく形成し、入力操作体に流れる固有発振信号を均一導電層の四隅に接続する検出電極においてその信号レベルを比較して、入力操作位置を検出する表面型（特許文献１）とに分かれる。
【０００４】
投影型は、入力操作面が大型化すると、それに応じて検出電極パターン数も増大し、全てを走査して入力操作位置を検出するための検出時間が延びるので、入力操作面が大型化したタッチパネルでは、表面型静電容量式タッチパネルが用いられている。以下、特許文献１に記載の表面型静電容量式タッチパネル１００を、図５を用いて説明する。
【０００５】
この従来の表面型静電容量式タッチパネル１００は、絶縁性基板１０１表面の入力操作面に単位長さあたりの抵抗値が一定の均一な透明導電層１０２が形成されている。透明導電層１０２の周囲の４隅には、検出電極１０３ａ、〜１０３ｄが接続され、また、表面の全体は絶縁保護層１０４によって覆われている。各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄには、検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出する電流検出回路１０５と、所定の基準ノード（例えば、タッチパネル１００内に配線されたグランドパターン）１０６の電位に対して検出電極１０３ａ、〜１０３ｄへ所定周波数の交流電圧を印加するＡＣ電源１０７が接続されている。
【０００６】
従って、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄと透明導電層１０２の電位は、ＡＣ電源１０７から出力される交流電圧の電位で変動している。図示するように、入力操作体である指１１０を入力操作面に接近させて入力操作を行うと、絶縁保護層１０４の静電容量を介して透明導電層１０２の入力操作位置から指１１０に微少電流Ｉが流れる。この微少電流Ｉは、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄの総和であり、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに接続する電流検出回路１０５やＡＣ電源１０６の回路定数を同一とすれば、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄと入力操作位置間の距離に比例する透明導電層１０２の抵抗値Ｒａ、〜Ｒｄによって分流される。
【０００７】
図示するＸＹ方向の入力操作位置（ｘ、ｙ）は、例えば、ｋ１、ｋ２を定数として、
ｘ＝ｋ１＋ｋ２・（Ｉｂ＋Ｉｃ）／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・（１）式と、
ｙ＝ｋ１＋ｋ２・（Ｉａ＋Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・（２）式とから得られるので、電流検出回路１０５を用いて信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出し、（１）式と（２）式を用いて入力操作位置（ｘ、ｙ）が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２６２６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に例示される従来の静電容量式タッチパネル１００では、入力操作面に接近させて入力操作体１１０に流れる電流Ｉは、インピーダンスが極めて高い操作者や操作者１０８と基準ノード１０６間をも流れるので、微小値であり、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、更にその微少電流Ｉが分流されたものなので、電流検出回路１０５によりその値を正確に検出することが困難であった。
【００１０】
また、入力操作が行われていない状態であっても、透明導電層１０２はＡＣ電源１０６から出力される交流電圧の電位で変動しているので、その表面から放射電磁波が放射され、放射電流が流れることによって電流検出回路１０５では、常時一定量の待機電流Ｉａ’、〜Ｉｄ’を検出している。従って、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、電流検出回路１０５で実際に検出した電流値と、この待機電流Ｉａ’、〜Ｉｄ’との差分から求める必要があり、入力操作体を接近させる入力操作自体や入力操作位置の検出精度が低下する原因となっていた。
【００１１】
更に、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄを介して透明導電層１０２に交流電圧を印加するので、入力操作体が接近することにより各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに重畳して現れる信号電圧を検出することが困難であり、電流検出回路１０５により、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出している。しかしながら、電流値自体の検出は困難であり、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、マイコンなどによる（１）式や（２）式を用いた演算処理にも不向きであるので、電流検出回路１０５では、結局、内部抵抗に信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを流して、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを内部抵抗の両端の電圧に変換する複雑な構成とする必要があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、入力操作自体や入力操作位置の検出精度が高い静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。
【００１３】
また、電流検出回路を用いない簡単な構成で、入力操作位置が検出できる静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、請求項１の静電容量式タッチパネルは、入力操作面に、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層と均一導電層を覆う絶縁保護層が積層された絶縁性基板と、均一導電層の周囲の互いに離間する位置で均一導電層に接続された複数の検出電極と、固有周波数ｆの固有発振信号を出力し、均一導電層の電位を固有周波数ｆで振動させる信号出力回路と、基準ノードに対する各検出電極の電圧から、各検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を検出する信号検出回路とを備え、入力操作面へ入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を、各検出電極について検出した固有発振信号の信号電圧と、各検出電極の均一導電層への接続位置とから検出する静電容量式タッチパネルであって、一方を接地若しくは定電位とした低圧基準電源線と高圧基準電源線を配線した基準電源回路と、基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線間に直流電圧を出力する直流電源と、低圧振動電源線と高圧振動電源線を配線した振動電源回路と、低圧基準電源線と低圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと、高圧基準電源線と高圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第２インダクタと、を更に備え、全ての検出電極と基準ノードを、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続するとともに、信号出力回路と信号検出回路を振動電源回路に接続し、第１インダクタと第２インダクタを介した直流電源の出力で駆動し、信号出力回路から出力される固有発振信号を、キャパシタを介して基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線へ出力し、各検出電極が接続する均一導電層と信号検出回路の基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させることを特徴とする。
【００１５】
基準電源回路と振動電源回路は、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと第２インダクタを介して接続するので、固有発振信号を基準電源回路へ出力すると、基準電源回路と振動電源回路間の電圧は、固有発振信号の固有周波数ｆで相対的に変動する。基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線の一方は、接地若しくは定電位であるので、基準電源回路の電位は安定し、振動電源回路の電位が固有周波数ｆで変動する。従って、入力操作体が接近しない待機状態では、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続する全ての検出電極と基準ノード間も等電位若しくは定電圧で固有周波数ｆで振動し、信号検出回路で検出する各検出電極の電圧に、固有周波数ｆの固有発振信号は現れない。一方、接地若しくは定電位にある入力操作体が、固有周波数ｆで振動する均一導電層に接近すると、基準ノードの電位に対し相対的に入力操作体が固有周波数ｆで振動するので、各検出電極に固有周波数ｆの固有発振信号が現れる。固有発振信号は、入力操作位置と各検出電極間の距離に応じて減衰するので、各検出電極に現れる固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧と各検出電極の配置位置から入力操作の入力操作位置が検出される。
【００１６】
請求項２の静電容量式タッチパネルは、基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタと第２インダクタの合成インダクタンスをＬ／２、信号出力回路と基準電源回路の低圧側電源線間及び信号出力回路と基準電源回路の高圧側電源線間にそれぞれ介在されるキャパシタの合成キャパシタンスを２Ｃとしたときに、固有発振信号の固有周波数ｆを、
ｆ＝１／［２π（ＬＣ）１／２］
とすることを特徴とする。
【００１７】
基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタ及び第２インダクタと、信号出力回路と基準電源回路間のキャパシタは、直列に接続され、固有周波数ｆが１／［２π（ＬＣ）１／２］の固有発振信号が流れると、直列共振し、固有発振信号の電圧Ｖｉに対して振動する振動電源回路の電圧Ｖｏは、理論上無限大となる。従って、振動電源回路に接続する均一導電層の電位を拡大させて振動させることができ、相対的に入力操作体側に発生する固有発振信号の電流値が微小であっても、検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を検出容易なレベルに拡大させることができる。
【００１８】
請求項３の静電容量式タッチパネルは、信号出力回路は、振動電源回路に接続して直流電源の出力で駆動するマイクロプロセッサで構成され、マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号を出力することを特徴とする。
【００１９】
マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号とするので、マイクロプロセッサに簡単な分周回路若しくは倍周回路を加えるだけで、信号出力回路を兼ねて固有発振信号を出力できる。
【００２０】
また、マイクロプロセッサにより、固有発振信号の固有周波数ｆや振幅を調整できる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、入力操作面側の均一導電層を固有周波数ｆで振動させて、相対的に入力操作体に固有周波数ｆの固有発振信号を発生させるので、操作者の入力操作体側で、固有周波数ｆの固有発振信号を出力する信号出力回路を用意する必要がない。
【００２２】
入力操作の待機状態では、各検出電極と信号検出回路の基準ノード間の電位が定電圧に保たれるので、入力操作体が均一導電層に接近して各検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を、信号検出回路により、固有周波数ｆで振動する電圧から検出できる。従って、複雑構成の電流検出回路を用いて検出電極に流れる信号電流から信号電圧に変換する必要がない。
【００２３】
また、入力操作体が入力操作面に接近しない状態で、信号検出回路で検出する各検出電極の電圧に、固有周波数ｆの固有発振信号は現れないので、入力操作体が接近して、各検出電極の電圧に現れる固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧を精度良く検出できる。
【００２４】
また、直流電源が接続する基準電源回路と検出電極が接続する振動電源回路とを、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータなどの高価な絶縁部品を用いずに分離して、振動電源回路を独立に電圧変動させることができる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、固有発振信号が操作者と絶縁保護層を流れ、相対的に入力操作体に現れる固有発振信号の電流値が微小であっても、固有周波数ｆを調整して、検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を精度良く検出可能な電圧に調整できる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、固有周波数ｆの固有発振信号をマイクロプロセッサを動作させるクロックから生成することができ、信号出力回路をマイクロプロセッサと別に設ける必要がない。
【００２７】
また、使用環境やインダクタ、キャパシタの回路定数に応じて調整する固有発振信号の固有周波数ｆや振幅を、マイクロプロセッサから容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る静電容量式タッチパネル１を示すブロック図である。
【図２】静電容量式タッチパネル１の電源回路の等価回路図である。
【図３】静電容量式タッチパネル１の縦断面図である。
【図４】静電容量式タッチパネル１の平面図である。
【図５】従来の静電容量式タッチパネル１００の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施の形態に係る静電容量式タッチパネル（以下、タッチパネルという）１を、図１乃至図４を用いて説明する。タッチパネル１は、図１に示すように、タッチパネル１を構成する主要回路部品が２種類の非振動側回路基板２と振動側回路基板３に分けて搭載されている。
【００３０】
非振動回路基板２には、接地電位とした低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣとからなる基準電源回路４が配線され、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣ間に直流電圧Ｖｃｃを印加するＤＣ電源５が接続されている。これにより、非振動回路基板２に搭載されるインターフェース回路６等の各回路部品を基準電源回路４に接続し、ＤＣ電源５の出力電圧Ｖｃｃにより駆動させている。
【００３１】
また、振動側回路基板３には、低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣとからなる振動電源回路７が配線されている。低圧振動電源線ＳＧＮＤは低圧基準電源線ＧＮＤと、高圧振動電源線ＳＶＣＣは高圧基準電源線ＶＣＣと、それぞれコイル８、９を介して接続している。コイル８とコイル９のインダクタンスは、いずれも後述する固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧに対してハイインピーダンスとなる値に設定され、ここでは、同一のインダクタンスＬのコイル８、９を用いている。これにより、図１に示すように、基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣへ、固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧを同期させて出力すると、基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤが接地されて安定した電位にあるので、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣの電位が、同期して固有周波数ｆで変動し、両者間の電圧は、基準電源回路４と同じ直流出力電圧Ｖｃｃとなる。
【００３２】
振動電源回路７が配線された振動側回路基板３には、図１に示す４種類の検出電極Ｅ１Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４が、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣのいずれかの、ここでは高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続している。
【００３３】
４種類の検出電極Ｅ１Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、図３、図４に示すように、矩形状絶縁性基板１１の入力操作面となる表面全体に形成された均一導電層２１の４隅にそれぞれ接続し、均一導電層２１を高圧振動電源線ＳＶＣＣの電位としている。矩形状絶縁性基板１１は、上述の振動側回路基板３の一部であっても良いが、ここでは、振動側回路基板３と別に設けている。均一導電層２１は、絶縁性基板１１の表面に１０乃至均一の厚みの薄膜として形成され、絶縁性基板１１の表面に沿った単位長さあたりの抵抗値を一定としている。均一導電層２１の更に表面全体は、均一導電層２１が変形したり損傷してその抵抗値が変化しないように、絶縁保護層２２により覆われている。
【００３４】
このように構成されたタッチパネル１を液晶表示素子等の表示装置上に配置して、タッチパネル１を通して表示装置の表示が目視できるように、絶縁性基板１１、検出電極Ｅ、均一導電層２１及び絶縁保護層２２は、透明材料で形成される。
【００３５】
振動側回路基板３には、更に、アナログマルチプレクサ１２、信号検出回路１３、Ａ／Ｄコンバータ１４、信号出力回路を兼ねたＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）１０及び発振回路１５の各回路素子が搭載され、いずれも振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続し、ＤＣ電源５から出力電圧Ｖｃｃを受けて動作している。また、信号検出回路１３で各検出電極Ｅの電圧を比較する基準ノードも、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣのいずれかの、ここでは高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続している。
【００３６】
各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、アナログマルチプレクサ１２の４種類の入力に接続し、アナログマルチプレクサ１２は、ＭＰＵ１０からの切り替え制御により、一定の走査周期で各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を図示しない増幅回路を介して信号検出回路１３へ切り換え接続する。
【００３７】
信号検出回路１３は、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを中心とする周波数帯域の信号を通過させることにより、直流信号等の低周波成分とコモンモードノイズ等の高周波ノイズをカットするバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力される固有発振信号ＳＧの基準ノードに対する信号電圧を検出するオペアンプを利用した積分回路とからなっている。
【００３８】
バンドパスフィルタの出力は、プルアップ抵抗によりプルアップされると共に、低圧振動電源線ＳＧＮＤの方向を順方向とするダイオードでクランプされ、積分回路を構成するオペアンプの反転入力端子に接続している。これにより、バンドパスフィルタから出力される固有発振信号ＳＧは、基準ノードにダイオードの順電圧を加えた電位に、交流信号波形の最下点（最低電位）がクランプされ、オペアンプの反転入力端子に入力される。一方、オペアンプの非反転入力端子の基準電位も、基準ノードの電位に上記ダイオードの順電圧に相当する直流電圧を加えた電圧を加えて、反転入力端子のクランプした電位に一致させている。これにより、オペアンプの出力電圧は、経過時間とともに、固有発振信号ＳＧの振幅（信号電圧）に比例して上昇するので、積分回路のリセット時から一定時間経過後のオペアンプの出力電圧を、固有発振信号ＳＧの振幅を拡大させた信号電圧として検出できる。
【００３９】
信号検出回路１３が検出した固有発振信号ＳＧの信号電圧は、ＭＰＵ１０において演算処理を実行するために、Ａ／Ｄコンバータ１４で、固有周波数ｆの少なくとも２倍以上の周波数でサンプリングされ、量子化データとしてＭＰＵ１０へ出力される。
【００４０】
Ａ／Ｄコンバータ１４から出力される量子化データは、その時にアナログマルチプレクサ１２が選択接続した検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧を二値化して表すので、ＭＰＵ１０では、一走査周期にＡ／Ｄコンバータ１４から出力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に現れる信号電圧の総和を所定の閾値と比較し、所定の閾値以上である場合に、入力操作体である操作者の指２０が入力操作面に接近して固有発振信号ＳＧが検出電極Ｅに現れたものとして、入力操作と判定する。
【００４１】
また、入力操作と判定した後は、一走査周期に入力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に現れる個々の信号電圧を比較し、後述する方法で、指２０が接近する入力操作面上の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。ＭＰＵ１０で検出した入力操作位置（ｘ，ｙ）を含む入力操作データは、直流が絶縁された信号線１６を介して、非振動回路基板２に搭載されるインターフェース回路６に出力され、インターフェース回路６からＵＳＢ通信、Ｉ２Ｃ通信等で入力操作データを利用する上位機器に出力される。
【００４２】
発振回路１５は、固定周波数ｆｃｋのクロックＣＫを、アナログマルチプレクサ１２、信号検出回路１３、Ａ／Ｄコンバータ１４、ＭＰＵ１０へ出力し、これらの回路による上述した一連の動作の同期をとっている。
【００４３】
ＭＰＵ１０は、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣへ出力する信号出力回路としても作用し、ここでは、ＭＰＵ１０から、有周波数ｆが１８７ｋＨｚ、振幅（ピーク間の電圧Ｖｐ−ｐ）が５Ｖの固有発振信号ＳＧが出力される。固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆは、発振回路１５から入力されるクロックＣＫの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周し、また、振幅（信号電圧）は、低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣ間の電圧Ｖｃｃを昇圧若しくは降圧して、任意に調整することができる。
【００４４】
固有発振信号ＳＧを出力するＭＰＵ１０の出力は、二股に分岐しそれぞれコンデンサ１７、１８を介して基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣに接続している。コンデンサ１７とコンデンサ１８は、電源線の直流電圧を遮断する目的で介在させるので、それぞれのキャパシタンスは任意であるが、ここでは、同一のキャパシタンスＣのコンデンサ１７、１８を用いている。
【００４５】
固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが基準電源回路４と振動電源回路７に流れる場合に、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣ間及び低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣ間が近接して配線され、固有周波数ｆの帯域でこれらの電源線間は短絡しているとすれば、図１の基準電源回路４と振動電源回路７は、図２の等価回路図で示される。
【００４６】
図２に示すように、ＭＰＵ１０の出力と基準電源回路４間には、並列にキャパシタンスＣのコンデンサ１７、１８が接続されているので、その合成キャパシタンスは、２Ｃであり、また、基準電源回路４と振動電源回路７間に並列に接続されるコイル８、９の合成インダクタンスは、Ｌ／２となる。これらのキャパシタとインダクタは、固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが流れる閉回路において直列に接続され、固有発振信号ＳＧの振幅（レベル）をＶｉ、コイル８、９両端の基準電源回路４と振動電源回路７間の電圧をＶｏ、２πｆで表される角速度をω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすれば、
Ｖｏ＝［ω２ＬＣ／（ω２ＬＣ−１）］Ｖｉ・・・（３）式
で表される。
ここで、図２に示す回路は、ω２ＬＣ＝１で直列共振し、そのときの周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／［２π（ＬＣ）１／２］・・・（４）式
となる。
【００４７】
つまり、（４）式関係から得られる共振周波数ｆ０を、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆとすれば、固有発振信号ＳＧの信号電圧に対して、（３）式から理論上振動電源回路７の電位が無限大で振動し、振動電源回路７に接続する検出電極Ｅと均一導電層２１の電位も無限大に振動させることができる。その結果、絶縁保護層２２を介した均一導電層２１と指２０との間の静電容量が微小で、入力操作者と振動電源回路７間のインピーダンスが極めて高くても、検出電極Ｅと指２０間に現れる信号電圧を理論上無限大まで任意に拡大することができるので、検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧を、信号検出回路１４により検出可能なレベルまで引き上げることができる。
【００４８】
例えば、図１に示すタッチパネル１において、コイル８、９のインダクタンスが２２０μＨ、コンデンサ１７、１８のキャパシタンスが３３０ｐＦであるとして、固有発振信号ＳＧの振幅（Ｖｐ−ｐ）が５Ｖで固有周波数ｆが１８７ｋＨｚをＭＰＵ１０から出力すると、振動電源回路７と振動電源回路７に接続する検出電極Ｅは、４倍の２０Ｖの振幅（Ｖｐ−ｐ）で振動することが実測された。
【００４９】
実際のタッチパネル１では、基準電源回路４と振動電源回路７のインダクタンス、浮遊容量などの影響から、（４）式から得る周波数ｆ０で共振せず、また、基準電源回路４と振動電源回路７に固有発振信号ＳＧが流れる際のエネルギーロス等により、振動電源回路７は、固有発振信号ＳＧのレベルに対して有限倍率に拡大された振幅で電位が振動する。一方、操作者の指２０を介して大電流の固有発振信号ＳＧを流すことはできないので、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを共振周波数ｆ０から外したり、ＭＰＵ１０から出力する固有発振信号ＳＧの振幅を調整し、検出電極Ｅに現れる信号電圧の上限を、入力操作位置（ｘ，ｙ）を確実に検出できる信号電圧の範囲内としている。
【００５０】
このように構成されたタッチパネル１により、指２０の入力操作位置を検出する動作を以下に説明する。入力操作が行われない待機状態で、均一導電層２１に接続する検出電極Ｅは、その電位が固有周波数ｆで振動するが、信号検出回路１４も等電位差で共に固有周波数ｆで振動するので、信号検出回路１４のバンドパスフィルタを通過する信号はない。積分回路を構成するオペアンプの一対の入力も共に、低圧振動電源線ＳＧＮＤに接続する基準ノードに対してダイオードの順電圧Ｖｆを加えた等電位となっているので、オペアンプの出力電圧は所定期間後も上昇せず、固有発振信号ＳＧの信号電圧は検出されない。従って、一走査周期に信号検出回路１４から出力される信号電圧の総和も所定の閾値未満であり、入力操作が行われていないと判定される。
【００５１】
入力操作により入力操作面の均一導電層２１に指２０が接近すると、全ての検出電極Ｅが高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続することにより、均一導電層２１の電位が固有周波数ｆで振動するのに対し、足下などの一部が接地している操作者の指２０の電位は定電位であるので、図３に示すように、指２０が接近する均一導電層２１の位置（入力操作位置）から絶縁保護層２２を介して指２０へ固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが出力される。これを、固有周波数ｆで振動する信号回路側回路基板３の各素子からみれば、指２０から出力される固有周波数ｆの固有発振信号が均一導電層２１の入力操作位置（ｘ，ｙ）に入力されたものとして現れ、振動電源回路７で駆動する信号検出回路１３において、各検出電極Ｅに現れる固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが検出される。従って、一走査周期に信号検出回路１４から出力される信号電圧の総和が所定の閾値以上となった場合に、入力操作が行われたと判定し、次にその入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。
【００５２】
各検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧は、各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの距離に依存する。すなわち、各検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧は、各検出電極Ｅと基準ノード間の内部抵抗ｒ０と各検出電極Ｅと入力操作位置（ｘ，ｙ）間の抵抗値ｒの和に反比例し、図４に示す各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの均一導電層２１の抵抗値ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４は、その間の距離Ｌにほぼ比例するので、一走査周期にＭＰＵ１０に入力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の信号電圧から、入力操作面の４隅の各検出電Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの距離Ｌを算出し、指２０が接近する入力操作面上の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。
【００５３】
上述の実施の形態では、４つの検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を入力操作面の４隅に配置しているが、その数や配置位置は上述の例限らず、例えば、直線上の入力操作位置を検出する場合には、直線方向に沿って一対の検出電極Ｅを配置すればよい。
【００５４】
また、ＰＭＵ１０に兼ねた信号出力回路は、振動電源回路７に接続して駆動するものであれば、振動側回路基板３にＭＰＵ１０と別に搭載するものであってもよい。
【００５５】
また、入力操作体２０は、操作者が入力操作を行う指２０で説明したが、操作者が握る専用入力ペンなど操作者と別の操作体であってもよい。
【００５６】
また、低圧基準電源線ＧＮＤを接地させて基準電源回路４を定電位としたが、定電位とする手段は、この方法に限らず、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣを入力操作者の指２０や入力操作体に対して一定の電位に保たれれば、その方法は任意である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、絶縁保護層を介して非接触で入力操作体の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルに適している。
【符号の説明】
【００５８】
１ 静電容量式タッチパネル
４ 基準電源回路
５ 直流電源（ＤＣ電源）
７ 振動電源回路
８ 第１インダクタ
９ 第２インダクタ
１０ 信号出力回路（ＭＰＵ）
１１ 絶縁性基板
１３ 信号検出回路
１７ キャパシタ
１８ キャパシタ
２０ 入力操作体（指）
２１ 均一導電層
２２ 絶縁保護層
Ｅ 検出電極
ＧＮＤ 低圧基準電源線
ＶＣＣ 高圧基準電源線
ＳＧＮＤ 低圧振動電源線
ＳＶＣＣ 高圧振動電源線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁保護層を介して絶縁パネル上の導電層に入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルに関し、更に詳しくは、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層の周囲に複数の検出電極が接続され、各検出電極に現れる信号電圧を比較して入力操作位置を検出する表面型静電容量式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器、携帯電話機等の上位機種へ入力操作位置を示す位置座標を入力するポインティングデバイスとして、絶縁性基板上の入力操作面に合成樹脂、ガラス等の絶縁保護層で覆われた導電層が形成され、絶縁保護層による静電容量を介して導電層に接近する指などの入力操作体の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルが知られている。この静電容量式タッチパネルは、絶縁性基板とその表面に積層する導電層及び絶縁保護層を透明材料で形成することができるので、液晶表示装置などのディスプレー上に配置し、ディスプレーに表示されるアイコンを見ながら、入力やカーソルの移動操作を行うことができ、また、硬質の絶縁性基板によってディスプレーを機械的な外力から保護できる。
【０００３】
静電容量式タッチパネルは、更に絶縁性基板上の検出方向に沿って複数の検出電極パターンを配置し、入力操作体が接近して静電容量が増加する検出電極パターンの配設位置から入力操作位置を検出する投影型と、入力操作面の表面に均一導電層をむらなく形成し、入力操作体に流れる固有発振信号を均一導電層の四隅に接続する検出電極においてその信号レベルを比較して、入力操作位置を検出する表面型（特許文献１）とに分かれる。
【０００４】
投影型は、入力操作面が大型化すると、それに応じて検出電極パターン数も増大し、全てを走査して入力操作位置を検出するための検出時間が延びるので、入力操作面が大型化したタッチパネルでは、表面型静電容量式タッチパネルが用いられている。以下、特許文献１に記載の表面型静電容量式タッチパネル１００を、図５を用いて説明する。
【０００５】
この従来の表面型静電容量式タッチパネル１００は、絶縁性基板１０１表面の入力操作面に単位長さあたりの抵抗値が一定の均一な透明導電層１０２が形成されている。透明導電層１０２の周囲の４隅には、検出電極１０３ａ、〜１０３ｄが接続され、また、表面の全体は絶縁保護層１０４によって覆われている。各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄには、検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出する電流検出回路１０５と、所定の基準ノード（例えば、タッチパネル１００内に配線されたグランドパターン）１０６の電位に対して検出電極１０３ａ、〜１０３ｄへ所定周波数の交流電圧を印加するＡＣ電源１０７が接続されている。
【０００６】
従って、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄと透明導電層１０２の電位は、ＡＣ電源１０７から出力される交流電圧の電位で変動している。図示するように、入力操作体である指１１０を入力操作面に接近させて入力操作を行うと、絶縁保護層１０４の静電容量を介して透明導電層１０２の入力操作位置から指１１０に微少電流Ｉが流れる。この微少電流Ｉは、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄの総和であり、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに接続する電流検出回路１０５やＡＣ電源１０６の回路定数を同一とすれば、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄと入力操作位置間の距離に比例する透明導電層１０２の抵抗値Ｒａ、〜Ｒｄによって分流される。
【０００７】
図示するＸＹ方向の入力操作位置（ｘ、ｙ）は、例えば、ｋ１、ｋ２を定数として、
ｘ＝ｋ１＋ｋ２・（Ｉｂ＋Ｉｃ）／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・（１）式と、
ｙ＝ｋ１＋ｋ２・（Ｉａ＋Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・（２）式とから得られるので、電流検出回路１０５を用いて信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出し、（１）式と（２）式を用いて入力操作位置（ｘ、ｙ）が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２６２６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に例示される従来の静電容量式タッチパネル１００では、入力操作面に接近させて入力操作体１１０に流れる電流Ｉは、インピーダンスが極めて高い操作者や操作者１０８と基準ノード１０６間をも流れるので、微小値であり、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに流れる信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、更にその微少電流Ｉが分流されたものなので、電流検出回路１０５によりその値を正確に検出することが困難であった。
【００１０】
また、入力操作が行われていない状態であっても、透明導電層１０２はＡＣ電源１０６から出力される交流電圧の電位で変動しているので、その表面から放射電磁波が放射され、放射電流が流れることによって電流検出回路１０５では、常時一定量の待機電流Ｉａ’、〜Ｉｄ’を検出している。従って、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、電流検出回路１０５で実際に検出した電流値と、この待機電流Ｉａ’、〜Ｉｄ’との差分から求める必要があり、入力操作体を接近させる入力操作自体や入力操作位置の検出精度が低下する原因となっていた。
【００１１】
更に、各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄを介して透明導電層１０２に交流電圧を印加するので、入力操作体が接近することにより各検出電極１０３ａ、〜１０３ｄに重畳して現れる信号電圧を検出することが困難であり、電流検出回路１０５により、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを検出している。しかしながら、電流値自体の検出は困難であり、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄは、マイコンなどによる（１）式や（２）式を用いた演算処理にも不向きであるので、電流検出回路１０５では、結局、内部抵抗に信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを流して、信号電流Ｉａ、〜Ｉｄを内部抵抗の両端の電圧に変換する複雑な構成とする必要があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、入力操作自体や入力操作位置の検出精度が高い静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。
【００１３】
また、電流検出回路を用いない簡単な構成で、入力操作位置が検出できる静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、請求項１の静電容量式タッチパネルは、入力操作面に、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層と均一導電層を覆う絶縁保護層が積層された絶縁性基板と、均一導電層の周囲の互いに離間する位置で均一導電層に接続された複数の検出電極と、固有周波数ｆの固有発振信号を出力し、均一導電層の電位を固有周波数ｆで振動させる信号出力回路と、基準ノードに対する各検出電極の電圧から、各検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を検出する信号検出回路とを備え、入力操作面へ入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を、各検出電極について検出した固有発振信号の信号電圧と、各検出電極の均一導電層への接続位置とから検出する静電容量式タッチパネルであって、一方を接地若しくは定電位とした低圧基準電源線と高圧基準電源線を配線した基準電源回路と、基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線間に直流電圧を出力する直流電源と、低圧振動電源線と高圧振動電源線を配線した振動電源回路と、低圧基準電源線と低圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと、高圧基準電源線と高圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第２インダクタと、を更に備え、全ての検出電極と基準ノードを、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続するとともに、信号出力回路と信号検出回路を振動電源回路に接続し、第１インダクタと第２インダクタを介した直流電源の出力で駆動し、信号出力回路から出力される固有発振信号を、キャパシタを介して基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線へ出力し、各検出電極が接続する均一導電層と信号検出回路の基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させることを特徴とする。
【００１５】
基準電源回路と振動電源回路は、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと第２インダクタを介して接続するので、固有発振信号を基準電源回路へ出力すると、基準電源回路と振動電源回路間の電圧は、固有発振信号の固有周波数ｆで相対的に変動する。基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線の一方は、接地若しくは定電位であるので、基準電源回路の電位は安定し、振動電源回路の電位が固有周波数ｆで変動する。従って、入力操作体が接近しない待機状態では、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続する全ての検出電極と基準ノード間も等電位若しくは定電圧で固有周波数ｆで振動し、信号検出回路で検出する各検出電極の電圧に、固有周波数ｆの固有発振信号は現れない。一方、接地若しくは定電位にある入力操作体が、固有周波数ｆで振動する均一導電層に接近すると、基準ノードの電位に対し相対的に入力操作体が固有周波数ｆで振動するので、各検出電極に固有周波数ｆの固有発振信号が現れる。固有発振信号は、入力操作位置と各検出電極間の距離に応じて減衰するので、各検出電極に現れる固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧と各検出電極の配置位置から入力操作の入力操作位置が検出される。
【００１６】
請求項２の静電容量式タッチパネルは、基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタと第２インダクタの合成インダクタンスをＬ／２、信号出力回路と基準電源回路の低圧側電源線間及び信号出力回路と基準電源回路の高圧側電源線間にそれぞれ介在されるキャパシタの合成キャパシタンスを２Ｃとしたときに、固有発振信号の固有周波数ｆを、
ｆ＝１／［２π（ＬＣ）１／２］
とすることを特徴とする。
【００１７】
基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタ及び第２インダクタと、信号出力回路と基準電源回路間のキャパシタは、直列に接続され、固有周波数ｆが１／［２π（ＬＣ）１／２］の固有発振信号が流れると、直列共振し、固有発振信号の電圧Ｖｉに対して振動する振動電源回路の電圧Ｖｏは、理論上無限大となる。従って、振動電源回路に接続する均一導電層の電位を拡大させて振動させることができ、相対的に入力操作体側に発生する固有発振信号の電流値が微小であっても、検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を検出容易なレベルに拡大させることができる。
【００１８】
請求項３の静電容量式タッチパネルは、信号出力回路は、振動電源回路に接続して直流電源の出力で駆動するマイクロプロセッサで構成され、マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号を出力することを特徴とする。
【００１９】
マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号とするので、マイクロプロセッサに簡単な分周回路若しくは倍周回路を加えるだけで、信号出力回路を兼ねて固有発振信号を出力できる。
【００２０】
また、マイクロプロセッサにより、固有発振信号の固有周波数ｆや振幅を調整できる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、入力操作面側の均一導電層を固有周波数ｆで振動させて、相対的に入力操作体に固有周波数ｆの固有発振信号を発生させるので、操作者の入力操作体側で、固有周波数ｆの固有発振信号を出力する信号出力回路を用意する必要がない。
【００２２】
入力操作の待機状態では、各検出電極と信号検出回路の基準ノード間の電位が定電圧に保たれるので、入力操作体が均一導電層に接近して各検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を、信号検出回路により、固有周波数ｆで振動する電圧から検出できる。従って、複雑構成の電流検出回路を用いて検出電極に流れる信号電流から信号電圧に変換する必要がない。
【００２３】
また、入力操作体が入力操作面に接近しない状態で、信号検出回路で検出する各検出電極の電圧に、固有周波数ｆの固有発振信号は現れないので、入力操作体が接近して、各検出電極の電圧に現れる固有周波数ｆの固有発振信号の信号電圧を精度良く検出できる。
【００２４】
また、直流電源が接続する基準電源回路と検出電極が接続する振動電源回路とを、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータなどの高価な絶縁部品を用いずに分離して、振動電源回路を独立に電圧変動させることができる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、固有発振信号が操作者と絶縁保護層を流れ、相対的に入力操作体に現れる固有発振信号の電流値が微小であっても、固有周波数ｆを調整して、検出電極に現れる固有発振信号の信号電圧を精度良く検出可能な電圧に調整できる。
【００２６】
請求項３の発明によれば、固有周波数ｆの固有発振信号をマイクロプロセッサを動作させるクロックから生成することができ、信号出力回路をマイクロプロセッサと別に設ける必要がない。
【００２７】
また、使用環境やインダクタ、キャパシタの回路定数に応じて調整する固有発振信号の固有周波数ｆや振幅を、マイクロプロセッサから容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る静電容量式タッチパネル１を示すブロック図である。
【図２】静電容量式タッチパネル１の電源回路の等価回路図である。
【図３】静電容量式タッチパネル１の縦断面図である。
【図４】静電容量式タッチパネル１の平面図である。
【図５】従来の静電容量式タッチパネル１００の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施の形態に係る静電容量式タッチパネル（以下、タッチパネルという）１を、図１乃至図４を用いて説明する。タッチパネル１は、図１に示すように、タッチパネル１を構成する主要回路部品が２種類の非振動側回路基板２と振動側回路基板３に分けて搭載されている。
【００３０】
非振動回路基板２には、接地電位とした低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣとからなる基準電源回路４が配線され、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣ間に直流電圧Ｖｃｃを印加するＤＣ電源５が接続されている。これにより、非振動回路基板２に搭載されるインターフェース回路６等の各回路部品を基準電源回路４に接続し、ＤＣ電源５の出力電圧Ｖｃｃにより駆動させている。
【００３１】
また、振動側回路基板３には、低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣとからなる振動電源回路７が配線されている。低圧振動電源線ＳＧＮＤは低圧基準電源線ＧＮＤと、高圧振動電源線ＳＶＣＣは高圧基準電源線ＶＣＣと、それぞれコイル８、９を介して接続している。コイル８とコイル９のインダクタンスは、いずれも後述する固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧに対してハイインピーダンスとなる値に設定され、ここでは、同一のインダクタンスＬのコイル８、９を用いている。これにより、図１に示すように、基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣへ、固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧを同期させて出力すると、基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤが接地されて安定した電位にあるので、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣの電位が、同期して固有周波数ｆで変動し、両者間の電圧は、基準電源回路４と同じ直流出力電圧Ｖｃｃとなる。
【００３２】
振動電源回路７が配線された振動側回路基板３には、図１に示す４種類の検出電極Ｅ１Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４が、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣのいずれかの、ここでは高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続している。
【００３３】
４種類の検出電極Ｅ１Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、図３、図４に示すように、矩形状絶縁性基板１１の入力操作面となる表面全体に形成された均一導電層２１の４隅にそれぞれ接続し、均一導電層２１を高圧振動電源線ＳＶＣＣの電位としている。矩形状絶縁性基板１１は、上述の振動側回路基板３の一部であっても良いが、ここでは、振動側回路基板３と別に設けている。均一導電層２１は、絶縁性基板１１の表面に１０乃至均一の厚みの薄膜として形成され、絶縁性基板１１の表面に沿った単位長さあたりの抵抗値を一定としている。均一導電層２１の更に表面全体は、均一導電層２１が変形したり損傷してその抵抗値が変化しないように、絶縁保護層２２により覆われている。
【００３４】
このように構成されたタッチパネル１を液晶表示素子等の表示装置上に配置して、タッチパネル１を通して表示装置の表示が目視できるように、絶縁性基板１１、検出電極Ｅ、均一導電層２１及び絶縁保護層２２は、透明材料で形成される。
【００３５】
振動側回路基板３には、更に、アナログマルチプレクサ１２、信号検出回路１３、Ａ／Ｄコンバータ１４、信号出力回路を兼ねたＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）１０及び発振回路１５の各回路素子が搭載され、いずれも振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続し、ＤＣ電源５から出力電圧Ｖｃｃを受けて動作している。また、信号検出回路１３で各検出電極Ｅの電圧を比較する基準ノードも、振動電源回路７の低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣのいずれかの、ここでは高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続している。
【００３６】
各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、アナログマルチプレクサ１２の４種類の入力に接続し、アナログマルチプレクサ１２は、ＭＰＵ１０からの切り替え制御により、一定の走査周期で各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を図示しない増幅回路を介して信号検出回路１３へ切り換え接続する。
【００３７】
信号検出回路１３は、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを中心とする周波数帯域の信号を通過させることにより、直流信号等の低周波成分とコモンモードノイズ等の高周波ノイズをカットするバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力される固有発振信号ＳＧの基準ノードに対する信号電圧を検出するオペアンプを利用した積分回路とからなっている。
【００３８】
バンドパスフィルタの出力は、プルアップ抵抗によりプルアップされると共に、低圧振動電源線ＳＧＮＤの方向を順方向とするダイオードでクランプされ、積分回路を構成するオペアンプの反転入力端子に接続している。これにより、バンドパスフィルタから出力される固有発振信号ＳＧは、基準ノードにダイオードの順電圧を加えた電位に、交流信号波形の最下点（最低電位）がクランプされ、オペアンプの反転入力端子に入力される。一方、オペアンプの非反転入力端子の基準電位も、基準ノードの電位に上記ダイオードの順電圧に相当する直流電圧を加えた電圧を加えて、反転入力端子のクランプした電位に一致させている。これにより、オペアンプの出力電圧は、経過時間とともに、固有発振信号ＳＧの振幅（信号電圧）に比例して上昇するので、積分回路のリセット時から一定時間経過後のオペアンプの出力電圧を、固有発振信号ＳＧの振幅を拡大させた信号電圧として検出できる。
【００３９】
信号検出回路１３が検出した固有発振信号ＳＧの信号電圧は、ＭＰＵ１０において演算処理を実行するために、Ａ／Ｄコンバータ１４で、固有周波数ｆの少なくとも２倍以上の周波数でサンプリングされ、量子化データとしてＭＰＵ１０へ出力される。
【００４０】
Ａ／Ｄコンバータ１４から出力される量子化データは、その時にアナログマルチプレクサ１２が選択接続した検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧を二値化して表すので、ＭＰＵ１０では、一走査周期にＡ／Ｄコンバータ１４から出力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に現れる信号電圧の総和を所定の閾値と比較し、所定の閾値以上である場合に、入力操作体である操作者の指２０が入力操作面に接近して固有発振信号ＳＧが検出電極Ｅに現れたものとして、入力操作と判定する。
【００４１】
また、入力操作と判定した後は、一走査周期に入力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に現れる個々の信号電圧を比較し、後述する方法で、指２０が接近する入力操作面上の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。ＭＰＵ１０で検出した入力操作位置（ｘ，ｙ）を含む入力操作データは、直流が絶縁された信号線１６を介して、非振動回路基板２に搭載されるインターフェース回路６に出力され、インターフェース回路６からＵＳＢ通信、Ｉ２Ｃ通信等で入力操作データを利用する上位機器に出力される。
【００４２】
発振回路１５は、固定周波数ｆｃｋのクロックＣＫを、アナログマルチプレクサ１２、信号検出回路１３、Ａ／Ｄコンバータ１４、ＭＰＵ１０へ出力し、これらの回路による上述した一連の動作の同期をとっている。
【００４３】
ＭＰＵ１０は、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣへ出力する信号出力回路としても作用し、ここでは、ＭＰＵ１０から、有周波数ｆが１８７ｋＨｚ、振幅（ピーク間の電圧Ｖｐ−ｐ）が５Ｖの固有発振信号ＳＧが出力される。固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆは、発振回路１５から入力されるクロックＣＫの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周し、また、振幅（信号電圧）は、低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣ間の電圧Ｖｃｃを昇圧若しくは降圧して、任意に調整することができる。
【００４４】
固有発振信号ＳＧを出力するＭＰＵ１０の出力は、二股に分岐しそれぞれコンデンサ１７、１８を介して基準電源回路４の低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣに接続している。コンデンサ１７とコンデンサ１８は、電源線の直流電圧を遮断する目的で介在させるので、それぞれのキャパシタンスは任意であるが、ここでは、同一のキャパシタンスＣのコンデンサ１７、１８を用いている。
【００４５】
固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが基準電源回路４と振動電源回路７に流れる場合に、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣ間及び低圧振動電源線ＳＧＮＤと高圧振動電源線ＳＶＣＣ間が近接して配線され、固有周波数ｆの帯域でこれらの電源線間は短絡しているとすれば、図１の基準電源回路４と振動電源回路７は、図２の等価回路図で示される。
【００４６】
図２に示すように、ＭＰＵ１０の出力と基準電源回路４間には、並列にキャパシタンスＣのコンデンサ１７、１８が接続されているので、その合成キャパシタンスは、２Ｃであり、また、基準電源回路４と振動電源回路７間に並列に接続されるコイル８、９の合成インダクタンスは、Ｌ／２となる。これらのキャパシタとインダクタは、固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが流れる閉回路において直列に接続され、固有発振信号ＳＧの振幅（レベル）をＶｉ、コイル８、９両端の基準電源回路４と振動電源回路７間の電圧をＶｏ、２πｆで表される角速度をω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすれば、
Ｖｏ＝［ω２ＬＣ／（ω２ＬＣ−１）］Ｖｉ・・・（３）式
で表される。
ここで、図２に示す回路は、ω２ＬＣ＝１で直列共振し、そのときの周波数ｆ０は、
ｆ０＝１／［２π（ＬＣ）１／２］・・・（４）式
となる。
【００４７】
つまり、（４）式関係から得られる共振周波数ｆ０を、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆとすれば、固有発振信号ＳＧの信号電圧に対して、（３）式から理論上振動電源回路７の電位が無限大で振動し、振動電源回路７に接続する検出電極Ｅと均一導電層２１の電位も無限大に振動させることができる。その結果、絶縁保護層２２を介した均一導電層２１と指２０との間の静電容量が微小で、入力操作者と振動電源回路７間のインピーダンスが極めて高くても、検出電極Ｅと指２０間に現れる信号電圧を理論上無限大まで任意に拡大することができるので、検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧を、信号検出回路１４により検出可能なレベルまで引き上げることができる。
【００４８】
例えば、図１に示すタッチパネル１において、コイル８、９のインダクタンスが２２０μＨ、コンデンサ１７、１８のキャパシタンスが３３０ｐＦであるとして、固有発振信号ＳＧの振幅（Ｖｐ−ｐ）が５Ｖで固有周波数ｆが１８７ｋＨｚをＭＰＵ１０から出力すると、振動電源回路７と振動電源回路７に接続する検出電極Ｅは、４倍の２０Ｖの振幅（Ｖｐ−ｐ）で振動することが実測された。
【００４９】
実際のタッチパネル１では、基準電源回路４と振動電源回路７のインダクタンス、浮遊容量などの影響から、（４）式から得る周波数ｆ０で共振せず、また、基準電源回路４と振動電源回路７に固有発振信号ＳＧが流れる際のエネルギーロス等により、振動電源回路７は、固有発振信号ＳＧのレベルに対して有限倍率に拡大された振幅で電位が振動する。一方、操作者の指２０を介して大電流の固有発振信号ＳＧを流すことはできないので、固有発振信号ＳＧの固有周波数ｆを共振周波数ｆ０から外したり、ＭＰＵ１０から出力する固有発振信号ＳＧの振幅を調整し、検出電極Ｅに現れる信号電圧の上限を、入力操作位置（ｘ，ｙ）を確実に検出できる信号電圧の範囲内としている。
【００５０】
このように構成されたタッチパネル１により、指２０の入力操作位置を検出する動作を以下に説明する。入力操作が行われない待機状態で、均一導電層２１に接続する検出電極Ｅは、その電位が固有周波数ｆで振動するが、信号検出回路１４も等電位差で共に固有周波数ｆで振動するので、信号検出回路１４のバンドパスフィルタを通過する信号はない。積分回路を構成するオペアンプの一対の入力も共に、低圧振動電源線ＳＧＮＤに接続する基準ノードに対してダイオードの順電圧Ｖｆを加えた等電位となっているので、オペアンプの出力電圧は所定期間後も上昇せず、固有発振信号ＳＧの信号電圧は検出されない。従って、一走査周期に信号検出回路１４から出力される信号電圧の総和も所定の閾値未満であり、入力操作が行われていないと判定される。
【００５１】
入力操作により入力操作面の均一導電層２１に指２０が接近すると、全ての検出電極Ｅが高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続することにより、均一導電層２１の電位が固有周波数ｆで振動するのに対し、足下などの一部が接地している操作者の指２０の電位は定電位であるので、図３に示すように、指２０が接近する均一導電層２１の位置（入力操作位置）から絶縁保護層２２を介して指２０へ固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが出力される。これを、固有周波数ｆで振動する信号回路側回路基板３の各素子からみれば、指２０から出力される固有周波数ｆの固有発振信号が均一導電層２１の入力操作位置（ｘ，ｙ）に入力されたものとして現れ、振動電源回路７で駆動する信号検出回路１３において、各検出電極Ｅに現れる固有周波数ｆの固有発振信号ＳＧが検出される。従って、一走査周期に信号検出回路１４から出力される信号電圧の総和が所定の閾値以上となった場合に、入力操作が行われたと判定し、次にその入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。
【００５２】
各検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧は、各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの距離に依存する。すなわち、各検出電極Ｅに現れる固有発振信号ＳＧの信号電圧は、各検出電極Ｅと基準ノード間の内部抵抗ｒ０と各検出電極Ｅと入力操作位置（ｘ，ｙ）間の抵抗値ｒの和に反比例し、図４に示す各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの均一導電層２１の抵抗値ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４は、その間の距離Ｌにほぼ比例するので、一走査周期にＭＰＵ１０に入力された各検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の信号電圧から、入力操作面の４隅の各検出電Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から入力操作位置（ｘ，ｙ）までの距離Ｌを算出し、指２０が接近する入力操作面上の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。
【００５３】
上述の実施の形態では、４つの検出電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を入力操作面の４隅に配置しているが、その数や配置位置は上述の例限らず、例えば、直線上の入力操作位置を検出する場合には、直線方向に沿って一対の検出電極Ｅを配置すればよい。
【００５４】
また、ＰＭＵ１０に兼ねた信号出力回路は、振動電源回路７に接続して駆動するものであれば、振動側回路基板３にＭＰＵ１０と別に搭載するものであってもよい。
【００５５】
また、入力操作体２０は、操作者が入力操作を行う指２０で説明したが、操作者が握る専用入力ペンなど操作者と別の操作体であってもよい。
【００５６】
また、低圧基準電源線ＧＮＤを接地させて基準電源回路４を定電位としたが、定電位とする手段は、この方法に限らず、低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣを入力操作者の指２０や入力操作体に対して一定の電位に保たれれば、その方法は任意である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、絶縁保護層を介して非接触で入力操作体の入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルに適している。
【符号の説明】
【００５８】
１ 静電容量式タッチパネル
４ 基準電源回路
５ 直流電源（ＤＣ電源）
７ 振動電源回路
８ 第１インダクタ
９ 第２インダクタ
１０ 信号出力回路（ＭＰＵ）
１１ 絶縁性基板
１３ 信号検出回路
１７ キャパシタ
１８ キャパシタ
２０ 入力操作体（指）
２１ 均一導電層
２２ 絶縁保護層
Ｅ 検出電極
ＧＮＤ 低圧基準電源線
ＶＣＣ 高圧基準電源線
ＳＧＮＤ 低圧振動電源線
ＳＶＣＣ 高圧振動電源線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力操作面に、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層と均一導電層を覆う絶縁保護層が積層された絶縁性基板と、
均一導電層の周囲の互いに離間する位置で均一導電層に接続された複数の検出電極と、
固有周波数ｆの固有発振信号を出力し、均一導電層の電位を固有周波数ｆで振動させる信号出力回路と、
基準ノードに対する各検出電極の電圧から、各検出電極に表れる固有発振信号の信号電圧を検出する信号検出回路とを備え、
入力操作面へ入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を、各検出電極について検出した固有発振信号の信号電圧と、各検出電極の均一導電層への接続位置とから検出する静電容量式タッチパネルであって、
一方を接地若しくは定電位とした低圧基準電源線と高圧基準電源線を配線した基準電源回路と、
基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線間に直流電圧を出力する直流電源と、
低圧振動電源線と高圧振動電源線を配線した振動電源回路と、
低圧基準電源線と低圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと、
高圧基準電源線と高圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第２インダクタと、を更に備え、
全ての検出電極と基準ノードを、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続するとともに、信号出力回路と信号検出回路を振動電源回路に接続し、第１インダクタと第２インダクタを介した直流電源の出力で駆動し、
信号出力回路から出力される固有発振信号を、キャパシタを介して基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線へ出力し、各検出電極が接続する均一導電層と信号検出回路の基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させることを特徴とする静電容量式タッチパネル。
【請求項２】
基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタと第２インダクタの合成インダクタンスをＬ／２、信号出力回路と基準電源回路の低圧側電源線間及び信号出力回路と基準電源回路の高圧側電源線間にそれぞれ介在されるキャパシタの合成キャパシタンスを２Ｃとしたときに、固有発振信号の固有周波数ｆを、
ｆ＝１／［２π（ＬＣ）１／２］
とすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項３】
信号出力回路は、振動電源回路に接続して直流電源の出力で駆動するマイクロプロセッサで構成され、
マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１】
入力操作面に、単位長さあたりの抵抗値が一定の均一導電層と均一導電層を覆う絶縁保護層が積層された絶縁性基板と、
均一導電層の周囲の互いに離間する位置で均一導電層に接続された複数の検出電極と、
固有周波数ｆの固有発振信号を出力し、均一導電層の電位を固有周波数ｆで振動させる信号出力回路と、
基準ノードに対する各検出電極の電圧から、各検出電極に表れる固有発振信号の信号電圧を検出する信号検出回路とを備え、
入力操作面へ入力操作体を接近させる入力操作の入力操作位置を、各検出電極について検出した固有発振信号の信号電圧と、各検出電極の均一導電層への接続位置とから検出する静電容量式タッチパネルであって、
一方を接地若しくは定電位とした低圧基準電源線と高圧基準電源線を配線した基準電源回路と、
基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線間に直流電圧を出力する直流電源と、
低圧振動電源線と高圧振動電源線を配線した振動電源回路と、
低圧基準電源線と低圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第１インダクタと、
高圧基準電源線と高圧振動電源線間に接続され、固有周波数ｆの固有発振信号に対してハイインピーダンスとなる第２インダクタと、を更に備え、
全ての検出電極と基準ノードを、低圧振動電源線又は高圧振動電源線に接続するとともに、信号出力回路と信号検出回路を振動電源回路に接続し、第１インダクタと第２インダクタを介した直流電源の出力で駆動し、
信号出力回路から出力される固有発振信号を、キャパシタを介して基準電源回路の低圧基準電源線と高圧基準電源線へ出力し、各検出電極が接続する均一導電層と信号検出回路の基準ノードの電位を固有周波数ｆで振動させることを特徴とする静電容量式タッチパネル。
【請求項２】
基準電源回路と振動電源回路間の第１インダクタと第２インダクタの合成インダクタンスをＬ／２、信号出力回路と基準電源回路の低圧側電源線間及び信号出力回路と基準電源回路の高圧側電源線間にそれぞれ介在されるキャパシタの合成キャパシタンスを２Ｃとしたときに、固有発振信号の固有周波数ｆを、
ｆ＝１／［２π（ＬＣ）１／２］
とすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項３】
信号出力回路は、振動電源回路に接続して直流電源の出力で駆動するマイクロプロセッサで構成され、
マイクロプロセッサを動作させるクロックの周波数ｆｃｋを分周若しくは倍周して固有周波数ｆの固有発振信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量式タッチパネル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６９０７９（Ｐ２０１３−６９０７９Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６５６１（Ｐ２０１１−２０６５６１）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００１０２５００）ＳＭＫ株式会社 (528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００１０２５００）ＳＭＫ株式会社 (528)
【Ｆターム（参考）】
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