静電容量方式タッチパネル
【課題】入力操作面が大型化し、検出電極パターンやその配線パターンの抵抗値が変動しても、精度良く、入力操作位置を検出可能な静電容量方式タッチパネルを提供する。
【解決手段】入力操作面に配置される検出電極パターンの電位を、固定周波数ｆの交流検出信号で変化させ、固定電位の入力操作体に固定周波数ｆのコモンモード信号を相対的に発生させる。入力操作により入力操作体との浮遊容量Ｃｍが増大する検出電極パターンから固定周波数ｆのコモンモード信号を検出し、検出した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ので、入力操作面が大型化し検出電極パターンの内部抵抗ｒが増加しても、減衰することなく、コモンモード信号を検出できる。
【解決手段】入力操作面に配置される検出電極パターンの電位を、固定周波数ｆの交流検出信号で変化させ、固定電位の入力操作体に固定周波数ｆのコモンモード信号を相対的に発生させる。入力操作により入力操作体との浮遊容量Ｃｍが増大する検出電極パターンから固定周波数ｆのコモンモード信号を検出し、検出した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ので、入力操作面が大型化し検出電極パターンの内部抵抗ｒが増加しても、減衰することなく、コモンモード信号を検出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁パネルの入力操作面への入力操作位置を、入力操作位置における浮遊容量の変化から検出する静電容量方式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器のディスプレーに表示されたアイコンなどを指示入力するポインティングデバイスとして、指などの入力操作体を入力操作面へ接近させた位置での静電容量が変化することを利用して非接触で入力操作位置を検出し、これによりディスプレーの背面側に配置可能な静電容量方式タッチパネルが知られている。
【０００３】
入力操作による静電容量の変化は、入力操作面に検出抵抗Ｒを直列に接続した検出電極パターンを配置し、検出電極パターンについての静電容量（浮遊容量）Ｃと検出抵抗Ｒの一側に所定の電圧Ｖｃｃを加えて、時定数ＲＣに依存する充電時間若しくは放電時間の変化から検出できる。
【０００４】
しかしながら、入力操作面の大きさが例えば４インチ以上に拡大したタッチパネルでは、検出電極パターン自体やこれに接続される引き出し電極パターンの厚さや幅の製造誤差や温度変化に起因して個々の検出電極パターン毎の抵抗値が安定せず、時定数が設計値と異なることから入力操作を誤検出するという問題があった。そこで、従来、入力操作面が大型の静電容量式タッチパネルは、入力操作面の表面に均一抵抗層をむらなく形成し、入力操作位置の浮遊容量を介して操作者に流れる交流信号を入力操作面の四隅で検出し、四隅での信号レベルを比較して、入力操作位置を検出している（特許文献１）。
【０００５】
また、上述の時定数の変化を利用して入力操作位置を検出する静電容量方式タッチパネルは、指を検出電極パターンへ接近させた際の浮遊容量が大きくても１０ｐＦ程度であるので、１ＭΩの検出抵抗を直列に接続したとしても、時定数は、約１０−５秒変化するだけであり、充電時間や放電時間の比較から直接検出電極パターンへの入力操作を検出することは、極めて困難であった。この問題を解決するために、より大きな容量のコンデンサを用意しておき、浮遊容量の充電電荷を繰り返しこのコンデンサへ移し、コンデンサの充電時間を比較するチャージトランスファー方式の静電容量検出方法が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
以下、チャージトランスファー方式の静電容量検出方法を、図８、図９を用いて説明する。図８に示すコンデンサＣ１は、容量の変化を検出しようとする小容量ｃ１のコンデンサであり、例えば、操作者の指とパターンとの間に生じる微小浮遊容量のコンデンサである。コンデンサＣ１の一側が接地され、他側のＳＷ１がＯＮ動作している間、充電電圧Ｖｃｃで充電される。また、コンデンサＣ１と並列に、ＳＷ２を介してコンデンサＣ１の静電容量に対して充分に大きい容量ｃ２のコンデンサＣ２が接続されている。
【０００７】
このように構成された検出回路について、第１ステップで、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦとして、コンデンサＣ１を充電電圧Ｖｃｃで充電し、充電後、第２ステップで、ＳＷ１とＳＷ２をともにＯＦＦとする。この第２ステップでは、コンデンサＣ１の電圧Ｖ１は、Ｖｃｃである。続いて、第３ステップで、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮとし、コンデンサＣ１の充電電荷の一部をコンデンサＣ２へ移し、その後、第４ステップで、ＳＷ１とＳＷ２を再びともにＯＦＦとする。この第４ステップでは、コンデンサＣ１の電圧Ｖ１とコンデンサＣ２の電圧Ｖ２は等しくなる。
【０００８】
第１ステップから第４ステップまでの処理をＮ回繰り返したときのコンデンサＣ２の電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖｃｃ×（１−ｃ２／（ｃ１＋ｃ２）Ｎ）で表され、充電電圧Ｖｃｃ、コンデンサＣ２の容量ｃ２が既知であるので、図７に示す充電電圧Ｖｃｃの例えば１／２に設定したＶｒｅｆまでコンデンサＣ２の電圧Ｖ２が達成する回数Ｎを求めれば、検出しようとするコンデンサＣ１の静電容量ｃ１が得られる。
【０００９】
図９に示すように、静電容量ｃ１が増加する程、Ｖｒｅｆに達する繰り返し回数Ｎは短くなるので、検出電極パターンへの入力操作体の接近のみを検知できれば充分な静電容量方式タッチパネルでは、繰り返し回数のしきい値Ｎｒｅｆを例えば図中の３００に設定し、このしきい値Ｎｒｅｆより短い繰り返し回数でＶｒｅｆに達した場合に、入力操作の指が接近し１０ｐＦ以上の浮遊容量が生じたものとして、検出電極パターンへの入力操作を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−７６０１４号公報
【特許文献２】特開２００６−７８２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１により開示されている静電容量方式タッチパネルは、入力操作面の異なる２カ所以上の位置に入力操作体を接近させるいわゆるマルチタッチの入力操作位置を検出することができず、また、入力操作面が拡大するほど、四隅の信号レベルを比較するだけでは検出誤差が大きく、正確な入力操作位置を検出できないものであった。
【００１２】
また、特許文献２に記載のチャージトランスファー方式の静電容量検出方法を用いた静電容量方式タッチパネルでは、検出電極パターン毎に二種類のスイッチＳＷ１、ＳＷ２と充電手段及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２の制御手段が必要になるとともに、特許文献２に記載の例では、ステップ１からステップ４までの処理を３００回ほど繰り返さないと、静電容量の変化を検出できず、入力操作を検出可能な時間内に検出しなければならないことから、各ステップでスイッチＳＷ１、ＳＷ２を２μｓｅｃの周期で高速に切り替え制御している。また、タッチパネルの大型化に伴い、検出電極パターンも長くなるため、パターンの抵抗が大きくなり、図８のＣ１にて示される浮遊容量コンデンサとの時定数も大きくなり、その結果、ステップ１の間に浮遊容量コンデンサへの充電が不十分となり、入力操作を誤検出する場合もあった。
【００１３】
この方式のタッチパネルでは、入力操作位置を二次元平面座標で検出する場合には、格子状に配置する多数の行検出電極パターンと多数の列検出電極パターンについてそれぞれステップ１からステップ４までの処理を隔離返して各スイッチＳＷ１、ＳＷ２を同時に高速制御する必要があり、全体の構造が複雑化すると共に、短時間の入力操作の検出は極めて困難なものであった。
【００１４】
従って、大面積の入力操作面への入力操作を、誤検出することなく、また、その入力操作位置を精度良く迅速に検出可能な静電容量方式タッチパネルが望まれているが、従来のいずれの静電容量方式タッチパネルであっても、これを実現することができなかった。
【００１５】
更に、いずれの静電容量方式タッチパネルも、入力操作面に交流信号を印加したり、充放電工程が必要となるので、入力操作を待機する待機時間中にも電力を消費し、バッテリーの消耗が激しいことから携帯機器への搭載には不適であった。
【００１６】
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、入力操作面が大型化し、検出電極パターンやその配線パターンの抵抗値が変動しても、精度良く、入力操作位置を検出可能な静電容量方式タッチパネルを提供することを目的とする。
【００１７】
また、検出電極パターン毎に高速で回路の開閉制御を行うことなく、多数の検出電極パターンについての入力操作を迅速に検出できる静電容量方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】
【００１８】
上述の目的を達成するため、請求項１の静電容量方式タッチパネルは絶縁パネルの一面に互いに絶縁して配設される複数の検出電極パターンと、前記複数の検出電極パターンに接続し、入力操作体から出力されるコモンモード信号を、入力操作体との浮遊容量を介して検出電極パターンから検出する入力操作検出手段とを有し、１又は２以上の検出電極パターンからコモンモード信号を検出した際に、その検出電極パターンに入力操作体が接近し浮遊容量が増大したものとして、該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静電容量方式タッチパネルであって、固定電位の第１基準電圧とした第１基準電圧パターンに接続し、固定周波数ｆの交流検出信号を出力する発振回路と、前記発振回路の出力に接続し、交流検出信号の電位の第２基準電位とした第２基準電圧パターンとを備え、前記複数の検出電極パターンを直接若しくは間接的に第２基準電圧パターンに接続して、第２基準電位を基準とした電位とし、前記交流検出信号に相対する固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させることを特徴とする。
【００１９】
検出電極パターンの電位は、固定周波数ｆの交流検出信号と同位相の第２基準電圧を基準として変動するので、電位がほぼ変動しない指などの入力操作体の検出電極パターン側からみた電位は相対的に変動し、入力操作体から固定周波数ｆのコモンモード信号が出力される。
【００２０】
コモンモード信号は、入力操作体が検出電極パターンに接近し、検出電極パターンの浮遊容量が増加するほどそのレベルが大きくなるので、検出電極パターンで検出する固定周波数ｆの信号レベルが所定のしきい値を越えたときにコモンモード信号を検出し、その検出電極パターンへの入力操作体が接近したものと判定し、その検出電極パターンの絶縁パネルの一面の配設位置から入力操作位置を検出する。
【００２１】
請求項２の静電容量方式タッチパネルは、入力操作検出手段が、固有周波数ｆの帯域信号を通過させる帯域フィルタと、複数の検出電極パターンのいずれかの検出電極パターンを選択して帯域フィルタへ接続するマルチプレクサと、帯域フィルタの出力レベルからコモンモード信号を検出し、コモンモード信号を検出した際にマルチプレクサが選択接続した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入力判定部とを備え、発振回路は、第１基準電圧パターンが配線された第１回路基板に実装され、第１基準電位を基準とする電位で動作するとともに、
前記帯域フィルタと、マルチプレクサと、入力判定部とは、第２基準電圧パターンが配線された第２回路基板に実装され、第２基準電位を基準とする電位で動作することを特徴とする。
【００２２】
帯域フィルタは、固有周波数ｆの帯域信号を通過させるので、他のコモンモードノイズが遮断され、帯域フィルタの出力レベルかコモンモード信号を正確に検出できる。
【００２３】
帯域フィルタとマルチプレクサと入力判定部は、検出電極パターンと同位相の第２基準電位で変動するので、検出電極パターンと入力操作検出手段の各回路素子を分離せずに、同一回路基板上に形成することができる。
【００２４】
請求項３の静電容量方式タッチパネルは、一面に検出電極パターンが配設された絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、第２基準電圧パターンに接続するシールド板が積層されていることを特徴とする。
【００２５】
絶縁パネルの他面の全体が、検出電極パターンと同位相で変動するシールド板で覆われるので、各検出電極パターンは他面側がシールド板で遮蔽され、一面側の入力操作体から入力されるコモンモード信号以外のコモンモードノイズが検出電極パターンに侵入しない。
【００２６】
請求項４の静電容量方式タッチパネルは、入力操作体が接近した検出電極パターンと入力操作体との間の浮遊容量をＣｍ、検出電極パターンとシールド板間の浮遊容量をＣｐ、検出電極パターンの内部抵抗をｒ、検出電極パターンの出力抵抗をＲとして、交流検出信号の固定周波数ｆを、１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数に設定することを特徴とする。
【００２７】
検出電極パターンに入力されるコモンモード信号の入力電圧に対する電圧比（Ｖｏ／Ｖｉ）は、
【００２８】
【数１】
【００２９】
で表され、そのカットオフ周波数ｆｃは、
【００３０】
【数２】
【００３１】
となることから、交流検出信号の固定周波数ｆを１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数とすることにより、コモンモード信号が大きく減衰することなく検出電極パターン側で検出される。
【発明の効果】
【００３２】
請求項１の発明によれば、入力操作体と検出電極パターンとの間の浮遊容量の変化を検出するために、浮遊容量を充電することなく、検出が容易な固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させ、浮遊容量が大きくなりコモンモード信号を検出可能となった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ので、簡単な回路で高速に入力操作位置を検出できる。
【００３３】
コモンモード信号は、商用交流電源などに起因して検出電極パターンに入力されるコモンモードノイズを利用せず、自らの発振回路から出力する交流検出信号を利用して生成するので、乗用車内など商用交流電源線が配線されていない場所でも確実に入力操作位置を検出できる。
【００３４】
また、コモンモード信号の周波数を発振回路から出力する交流検出信号の周波数ｆにより、任意に設定できるので、バンドパスフィルタなどを用いて簡単な回路でコモンモード信号のみを検出することができる。
【００３５】
また、入力操作面が大型化し、検出電極パターンやその配線パターンの抵抗値が増大しても、検出電極パターンで検出するコモンモード信号レベルが大きく減少することはなく、大型のタッチパネルとしても入力操作位置を正確に検出できる。
【００３６】
また、検出電極パターンの浮遊容量を充放電する過程がないので、低消費電力で入力操作を検出できる。
【００３７】
請求項２の発明によれば、コモンモードノイズを除き、コモンモード信号の信号レベルのみを検出できるので、検出レベルを比較するだけの簡単な回路で正確に入力操作位置を検出できる。
【００３８】
請求項３の発明によれば、コモンモードノイズがコモンモード信号に重畳しにくく、入力操作位置の検出精度が向上する。
【００３９】
請求項４の発明によれば、コモンモード信号が大きく減衰することなく、検出電極パターンに伝達され、より精度よく入力操作位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル１を示すブロック図である。
【図２】静電容量方式タッチパネル１のタッチパネル入力部２１を示すブロック図である。
【図３】入力操作体５０が接近した特定の検出電極パターン３について示す回路図である。
【図４】図３の等価回路図である。
【図５】検出電極パターン３から出力されるコモンモード信号の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）とコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図６】入力操作体５０と検出電極パターン３のコモンモード信号の位相差φとコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図７】検出電極パターン３から出力されるコモンモード信号の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）と検出電極パターン３の内部抵抗ｒとコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図８】従来のチャージトランスファー方式の静電容量検出方法を示すブロック図である。
【図９】図８に示す静電容量検出方法による充電回数ＮとコンデンサＣ２の電圧Ｖ２との関係を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の一実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル（以下、タッチパネルという）１を、図１乃至図７を用いて説明する。タッチパネル１は、図１に示すように、発振回路１１と減算回路１２等を構成する各素子が第１回路基板１３に搭載された発振側回路部１０と、タッチパネル入力部２１、マルチプレクサ２２、バンドパスフィルタ２７、Ａ／Ｄコンバータ２３、ＣＰＵ２４等が第２回路基板２５に搭載された検出側回路部２０の２種類のモジュールに分けて構成されている。
【００４２】
第１回路基板１３には、接地レベルのグランドパターン１４が配線され、第１回路基板１３に搭載された発振回路１１と減算回路１２を構成する回路素子は、図示しない接地端子がグランドパターン１４に電気接続し、接地レベルを低圧側電位とする図示しない定電圧電源から電圧を受けて動作している。
【００４３】
発振回路１１は、固定周波数ｆの交流検出信号Ｓを発振出力するもので、ここでは１２ｋＨｚの周波数で振幅Ａ（ピーク間の電圧Ｖｐ−ｐが１２Ｖ）の交流検出信号Ｓを出力する。交流検出信号の周波数ｆを１２ｋＨｚとした理由については後述する。
【００４４】
発振回路１１の出力は、減算回路１２の反転入力端子と検出側回路部２０の第２回路基板２５に配線された第２基準電圧パターン２６に接続している。これにより、上述１２ｋＨｚの交流検出信号Ｓが減算回路１２に反転入力されるとともに、第２基準電圧パターン２６の電位は、１２ｋＨｚの交流検出信号Ｓに従って変化する。
【００４５】
減算回路１２の他方の非反転入力端子は、検出側回路部２０のＣＰＵ２４の出力に接続し、その出力は、タッチパネル１からの出力から応答する命令を実行するホストＰＣ等の処理装置３０に接続している。ＣＰＵ２４は、後述する入力操作位置データを非反転入力端子へ出力するが、その出力には交流検出信号Ｓが重畳しているので、減算回路１２で交流検出信号Ｓを相殺し、処理装置３０が処理可能な出力とするものである。
【００４６】
検出側回路部２０の第２回路基板２５に搭載されるマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、バンドパスフィルタ２７、ＣＰＵ２４を構成する各回路素子は、図示しない低圧側端子が第２基準電圧パターン２６に電気接続し、第２基準電圧パターン２６の電位を低圧側電位とする図示しない第２定電圧電源から電圧を受けて動作している。
【００４７】
検出側回路部２０のタッチパネル入力部２１は、第２回路基板２５に取り付けられたガラス基板などの絶縁パネル２の表面が入力操作面２ａとしたもので、図２に示すように、入力操作面２ａ上のＸ方向に沿って等間隔の位置に、３０本のＸ側検出電極パターン３ｘと、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って等間隔の位置に１７本のＹ側検出電極パターン３ｙが、それぞれＩＴＯなどの透明導電材料から線状に形成されている。Ｘ側検出電極パターン３ｘとＹ側検出電極パターン３ｙが交差する交差領域には図示しない絶縁インシュレータが配置され、入力操作面２ａの全体では、互いが絶縁された複数の検出電極パターン３が網目状に配置されている。
【００４８】
全ての検出電極パターン３は、それぞれ入力抵抗Ｒと０．５Ｖのバイアス電源５を介して第２基準電圧パターン２６に電気接続するとともに、アナログマルチプレクサ２２の切り替え入力端子に接続している。これにより、全ての検出電極パターン３の電位は交流検出信号Ｓの振幅で変化するので、足下などの一部が接地電位など定電位となっている操作者が操作する指などの操作体５０の電位は、検出電極パターン３に対して相対的に交流検出信号Ｓの周波数ｆと振幅Ａで変位し、操作体５０から検出電極パターン３へ交流検出信号Ｓに相当するコモンモード信号Ｓｃが出力される。
【００４９】
入力操作体５０と検出電極パターン３との距離が十分に離れている場合には、両者の間の浮遊容量Ｃｍが極めて小さく、入力操作体５０から検出電極パターン３に到達するコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏは微少であり検出できないが、入力操作により入力操作体５０が特定の検出電極パターン３へ接近すると、その間の浮遊容量Ｃｍが増大して検出可能となり、タッチパネル１は、このコモンモード信号Ｓｃを検出した検出電極パターン３の入力操作面２ａ上での配設位置から入力操作位置を検出する。検出電極パターン３で検出されるコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏと浮遊容量Ｃｍとの関係の詳細は後述する。
【００５０】
検出電極パターン３が配線された絶縁パネル２の表面側は、透明プラスチックシート６で覆われ、また、背面側は、導電性の板材からなるシールド板４により覆われている。シールド板４は、第２基準電圧パターン２６に電気接続し、これにより、絶縁パネル２の背面側から侵入しようとする他の電子部品からのノイズやコモンモードノイズは、シールド板４で遮断され、表面側に配設された検出電極パターン３まで到達しない。
【００５１】
アナログマルチプレクサ２２は、ＣＰＵ２４からの切り替え制御により、一定の走査周期で全ての検出電極パターン３を一本毎に図示しない増幅回路を介したバンドパスフィルタ２７への接続に切り替える。本実施の形態では、２０ｍｓｅｃの一走査周期内に４７本の検出電極パターン３の接続を切り替える。
【００５２】
バンドパスフィルタ２７は、コモンモード信号Ｓｃの周波数ｆを中心とする周波数帯域の信号を通過させるもので、バンドパスフィルタ２７で、バイアス電源５による直流信号等の低周波成分と高周波成分がカットされ、コモンモードノイズ等が除かれたコモンモード信号Ｓｃのみが後段のＡ／Ｄコンバータ２３へ出力される。
【００５３】
Ａ／Ｄコンバータ２３は、コモンモード信号Ｓｃの固定周波数ｆの少なくとも２倍以上の周波数でサンプリングし、コモンモード信号Ｓｃのレベルを量子化する。本実施の形態では、１２ｋＨｚの固定周波数ｆに対して約３倍の３５ｋＨｚのサンプリング周波数でコモンモード信号Ｓｃのレベルを量子化してＣＰＵ２４へ出力する。
【００５４】
Ａ／Ｄコンバータ２３からＣＰＵ２４に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２２が選択接続した検出電極パターン３のコモンモード信号Ｓｃの検出レベルを表すので、ＣＰＵ２４では、その検出電極パターン３の接続期間中にＡ／Ｄコンバータ２３から入力された量子化データの総和を所定の閾値と比較し、閾値以上である場合にコモンモード信号Ｓｃを検出したものと判定し、その検出電極パターン３の配設位置から入力操作位置を検出する。
【００５５】
本実施の形態では、アナログマルチプレクサ２２が１本の検出電極パターン３を選択接続する時間は、２０／４７ｍｓｅｃであり、その間にＡ／Ｄコンバータ２３は計算上１５回コモンモード信号Ｓｃをサンプリングして量子化データを出力するが、検出電極パターン３間を切り替えた直後にバンドパスフィルタ２７に入力されるコモンモード信号Ｓｃのレベルが安定しないで、ＣＰＵ２４では各検出電極パターン３に切り替えた直後から５回目までＡ／Ｄコンバータ２３から入力された量子化データを無視し、６回目から１５回目の量子化データの絶対値の総和を求めている。
【００５６】
入力操作位置は、ＸＹ方向のいずれかで閾値を越えた検出電極パターンが複数ある場合には、その検出電極パターンの配設位置の中間を入力操作位置とする。また、検出電極パターン３毎の量子化データの総和を比較し、総和で案分した検出電極パターン３間の位置を入力操作位置としてもよい。
【００５７】
ＣＰＵ２４は、このようにして、ＸＹ方向の各方向で検出した入力操作位置を上述の減算回路１２を介して外部処理装置３０へ出力し、外部処理装置３０はこの入力操作位置に応じて所定の命令を実行する。
【００５８】
次に、入力操作体である操作者の指５０を接近させた検出電極パターン３のコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏと浮遊容量Ｃｍとの関係について図３乃至図７を用いて説明する。図３は、操作者の指５０を特定の検出電極パターン３へ接近させた入力操作状態を示す回路図であり、図４は、その等価回路図である。
【００５９】
これらの図に示すように、指５０と検出電極パターン３は、指５０との間に数ｐＦの浮遊容量Ｃｍが、第２基準電圧パターン２６に接続されたシールド板４との間に数１０ｐＦの浮遊容量Ｃｐがそれぞれ発生している。一方、操作者の指５０には、第２基準電圧パターン２６の電位に対して相対的に交流検出信号Ｓの固定周波数ｆの１２ｋＨｚでピーク間の電圧Ｖｐ−ｐが１２Ｖのコモンモード信号Ｓｃが発生し、これを入力電圧Ｖｉと、マルチプレクサ２２の切り替え入力端子と第２基準電圧パターン２６間で検出するコモンモード信号Ｓｃの出力電圧をＶｏ、その間の出力抵抗をＲ、検出電極パターン３の内部抵抗をｒとすれば、
【００６０】
【数３】
【００６１】
【数４】
【００６２】
【数５】
【００６３】
【数６】
【００６４】
の各関係が成り立つ。尚、（４）（５）式において、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。
【００６５】
（３）式乃至（６）式からｉ１、ｉ２、ｉ３を消去し、伝達特性Ｖｏ／Ｖｉについて整理すれば、
【００６６】
【数７】
【００６７】
の関係が得られる。
【００６８】
（１）式から伝達特性Ｖｏ／Ｖｉの絶対値｜Ｖｏ／Ｖｉ｜は、
【００６９】
【数８】
【００７０】
ＶｏとＶｉの位相差φは、
【００７１】
【数９】
【００７２】
となる。
【００７３】
図４に示す回路は、ハイパスフィルターを構成し、（８）式からそのカットオフ周波数ｆｃは、
【００７４】
【数１０】
【００７５】
となるので、発振回路１１で生成する交流検出信号Ｓの固定周波数ｆは、各回路定数から（２）式を用いて求めるカットオフ周波数ｆｃ以上の周波数とすることにより、検出電極パターン３において大きく減衰することなくコモンモード信号Ｓｃを検出できる。
【００７６】
ここで、（７）式と（８）式とから算出したタッチパネル１の出力比（伝達特性Ｖｏ／Ｖｉ）と位相差φの周波数特性を図５、図６に示す。入力操作面２ａの大きさが１０インチ程度のタッチパネル１の指５０と検出電極パターン３との浮遊容量Ｃｍを３ｐＦ、シールド板４との浮遊容量Ｃｐを５０ｐＦ、検出電極パターン３の内部抵抗ｒを２０ｋΩ、信号出力抵抗Ｒを１ＭΩとすると、（８）式から算定されるカットオフ周波数ｆｃは約３ｋＨｚであり、図５、図６に示すように、１０ｋＨｚ以上となると位相差φがほぼなくなり、出力比Ｖｏ／Ｖｉは、−２５ｄＢで安定する。
【００７７】
本実施の形態では、交流検出信号Ｓの固定周波数ｆを１２ｋＨｚとし、その最大振幅Ｖが±６Ｖであるので、検出電極パターン３で検出されるコモンモード信号Ｓｃの最大振幅Ｖｏは、Ｖｏ＝±６ｘ１０−２５／２０Ｖの±０．３４Ｖとなる。検出電極パターン３の電位は、バイアス電源５により＋０．５Ｖが加わっているので、アナログマルチプレクサ３では常に正の電位のコモンモード信号Ｓｃが検出される。このように、コモンモード信号Ｓｃを常に正極性とすることにより、その出力側の各回路での処理が容易となり、例えば、ＣＰＵ２４ではＡ／Ｄコンバータ２３から出力されるレベルの絶対値を比較するだけで、コモンモード信号Ｓｃ検出の有無を判別できる。
【００７８】
図７は、（７）式において、更に、検出電極パターン３の内部抵抗ｒを１００Ωから１０ＭΩまで変化させた際の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）と位相差φとの関係を示すグラフであり、図に示すように、出力比が−２５ｄＢで安定する周波数１０ｋＨｚ以上では、１００ｋΩを越えると減衰が始まるので、各検出電極パターン３の内部抵抗ｒは１００ｋΩ以下とすることが好ましい。上述のように、通常、入力操作面２ａの大きさが１０インチ程度の大きさで内部抵抗ｒは２０ｋΩ程度とすることができるので、４０乃至５０インチの大画面の入力操作面２ａとして各検出電極パターン３が長くなっても、その抵抗ｒの増加によりコモンモード信号ＳｃのレベルＶｉが減少することがない。
【００７９】
上述の実施の形態では、検出電極パターン３、絶縁パネル２、シールド板４等を透明材料で形成して、入力操作面２ａの下方に配置される液晶パネルなどの表示素子の表示を目し可能なようにしているが、必ずしもタッチパネルは、透明である必要はない。
【００８０】
また、入力操作体が接近する入力操作面２ａの入力操作位置を浮遊容量の変化から検出して出力するポインティングデバイスであれば、上述の構造に限らない。
【００８１】
また、入力操作体５０を操作者の指で説明したが、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。
【００８２】
また、発振側回路部１０の第１回路基板１３に配線される第１基準電圧パターンは、接地電位のグランドパターンで説明したが接地電位に限らない。
【００８３】
また、検出側回路部２０の第２回路基板２５に搭載されるマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、バンドパスフィルタ２７、ＣＰＵ２４を構成する各回路素子についても、第２基準電圧パターン２６の電位を基準として動作するものであれば、例えば、第２基準電圧パターン２６の電位を高圧側端子とする定電圧電源から電圧を受けて動作するものであってもよい。
【００８４】
また、各検出電極パターン３の電位を、交流検出信号Ｓのレベルである第２基準電圧とすれば、その出力側のマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、ＣＰＵ２４等の各回路素子の少なくとも一部は第１基準電圧パターンの電位を基準とする第１回路基板１３側に搭載するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、大型の入力操作面を有する静電容量方式タッチパネルに適している。
【符号の説明】
【００８６】
１ 静電容量方式タッチパネル
２ 絶縁パネル
２ａ 入力操作面
３ 検出電極パターン
４ シールド板
１１ 発振回路
１４ グランドパターン（第１基準電圧パターン）
２２ アナログマルチプレクサ（マルチプレクサ）
２４ ＣＰＵ（入力判定部）
２６ 第２基準電圧パターン
２７ バンドパスフィルタ（帯域フィルタ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁パネルの入力操作面への入力操作位置を、入力操作位置における浮遊容量の変化から検出する静電容量方式タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器のディスプレーに表示されたアイコンなどを指示入力するポインティングデバイスとして、指などの入力操作体を入力操作面へ接近させた位置での静電容量が変化することを利用して非接触で入力操作位置を検出し、これによりディスプレーの背面側に配置可能な静電容量方式タッチパネルが知られている。
【０００３】
入力操作による静電容量の変化は、入力操作面に検出抵抗Ｒを直列に接続した検出電極パターンを配置し、検出電極パターンについての静電容量（浮遊容量）Ｃと検出抵抗Ｒの一側に所定の電圧Ｖｃｃを加えて、時定数ＲＣに依存する充電時間若しくは放電時間の変化から検出できる。
【０００４】
しかしながら、入力操作面の大きさが例えば４インチ以上に拡大したタッチパネルでは、検出電極パターン自体やこれに接続される引き出し電極パターンの厚さや幅の製造誤差や温度変化に起因して個々の検出電極パターン毎の抵抗値が安定せず、時定数が設計値と異なることから入力操作を誤検出するという問題があった。そこで、従来、入力操作面が大型の静電容量式タッチパネルは、入力操作面の表面に均一抵抗層をむらなく形成し、入力操作位置の浮遊容量を介して操作者に流れる交流信号を入力操作面の四隅で検出し、四隅での信号レベルを比較して、入力操作位置を検出している（特許文献１）。
【０００５】
また、上述の時定数の変化を利用して入力操作位置を検出する静電容量方式タッチパネルは、指を検出電極パターンへ接近させた際の浮遊容量が大きくても１０ｐＦ程度であるので、１ＭΩの検出抵抗を直列に接続したとしても、時定数は、約１０−５秒変化するだけであり、充電時間や放電時間の比較から直接検出電極パターンへの入力操作を検出することは、極めて困難であった。この問題を解決するために、より大きな容量のコンデンサを用意しておき、浮遊容量の充電電荷を繰り返しこのコンデンサへ移し、コンデンサの充電時間を比較するチャージトランスファー方式の静電容量検出方法が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
以下、チャージトランスファー方式の静電容量検出方法を、図８、図９を用いて説明する。図８に示すコンデンサＣ１は、容量の変化を検出しようとする小容量ｃ１のコンデンサであり、例えば、操作者の指とパターンとの間に生じる微小浮遊容量のコンデンサである。コンデンサＣ１の一側が接地され、他側のＳＷ１がＯＮ動作している間、充電電圧Ｖｃｃで充電される。また、コンデンサＣ１と並列に、ＳＷ２を介してコンデンサＣ１の静電容量に対して充分に大きい容量ｃ２のコンデンサＣ２が接続されている。
【０００７】
このように構成された検出回路について、第１ステップで、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦとして、コンデンサＣ１を充電電圧Ｖｃｃで充電し、充電後、第２ステップで、ＳＷ１とＳＷ２をともにＯＦＦとする。この第２ステップでは、コンデンサＣ１の電圧Ｖ１は、Ｖｃｃである。続いて、第３ステップで、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮとし、コンデンサＣ１の充電電荷の一部をコンデンサＣ２へ移し、その後、第４ステップで、ＳＷ１とＳＷ２を再びともにＯＦＦとする。この第４ステップでは、コンデンサＣ１の電圧Ｖ１とコンデンサＣ２の電圧Ｖ２は等しくなる。
【０００８】
第１ステップから第４ステップまでの処理をＮ回繰り返したときのコンデンサＣ２の電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖｃｃ×（１−ｃ２／（ｃ１＋ｃ２）Ｎ）で表され、充電電圧Ｖｃｃ、コンデンサＣ２の容量ｃ２が既知であるので、図７に示す充電電圧Ｖｃｃの例えば１／２に設定したＶｒｅｆまでコンデンサＣ２の電圧Ｖ２が達成する回数Ｎを求めれば、検出しようとするコンデンサＣ１の静電容量ｃ１が得られる。
【０００９】
図９に示すように、静電容量ｃ１が増加する程、Ｖｒｅｆに達する繰り返し回数Ｎは短くなるので、検出電極パターンへの入力操作体の接近のみを検知できれば充分な静電容量方式タッチパネルでは、繰り返し回数のしきい値Ｎｒｅｆを例えば図中の３００に設定し、このしきい値Ｎｒｅｆより短い繰り返し回数でＶｒｅｆに達した場合に、入力操作の指が接近し１０ｐＦ以上の浮遊容量が生じたものとして、検出電極パターンへの入力操作を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−７６０１４号公報
【特許文献２】特開２００６−７８２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１により開示されている静電容量方式タッチパネルは、入力操作面の異なる２カ所以上の位置に入力操作体を接近させるいわゆるマルチタッチの入力操作位置を検出することができず、また、入力操作面が拡大するほど、四隅の信号レベルを比較するだけでは検出誤差が大きく、正確な入力操作位置を検出できないものであった。
【００１２】
また、特許文献２に記載のチャージトランスファー方式の静電容量検出方法を用いた静電容量方式タッチパネルでは、検出電極パターン毎に二種類のスイッチＳＷ１、ＳＷ２と充電手段及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２の制御手段が必要になるとともに、特許文献２に記載の例では、ステップ１からステップ４までの処理を３００回ほど繰り返さないと、静電容量の変化を検出できず、入力操作を検出可能な時間内に検出しなければならないことから、各ステップでスイッチＳＷ１、ＳＷ２を２μｓｅｃの周期で高速に切り替え制御している。また、タッチパネルの大型化に伴い、検出電極パターンも長くなるため、パターンの抵抗が大きくなり、図８のＣ１にて示される浮遊容量コンデンサとの時定数も大きくなり、その結果、ステップ１の間に浮遊容量コンデンサへの充電が不十分となり、入力操作を誤検出する場合もあった。
【００１３】
この方式のタッチパネルでは、入力操作位置を二次元平面座標で検出する場合には、格子状に配置する多数の行検出電極パターンと多数の列検出電極パターンについてそれぞれステップ１からステップ４までの処理を隔離返して各スイッチＳＷ１、ＳＷ２を同時に高速制御する必要があり、全体の構造が複雑化すると共に、短時間の入力操作の検出は極めて困難なものであった。
【００１４】
従って、大面積の入力操作面への入力操作を、誤検出することなく、また、その入力操作位置を精度良く迅速に検出可能な静電容量方式タッチパネルが望まれているが、従来のいずれの静電容量方式タッチパネルであっても、これを実現することができなかった。
【００１５】
更に、いずれの静電容量方式タッチパネルも、入力操作面に交流信号を印加したり、充放電工程が必要となるので、入力操作を待機する待機時間中にも電力を消費し、バッテリーの消耗が激しいことから携帯機器への搭載には不適であった。
【００１６】
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、入力操作面が大型化し、検出電極パターンやその配線パターンの抵抗値が変動しても、精度良く、入力操作位置を検出可能な静電容量方式タッチパネルを提供することを目的とする。
【００１７】
また、検出電極パターン毎に高速で回路の開閉制御を行うことなく、多数の検出電極パターンについての入力操作を迅速に検出できる静電容量方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】
【００１８】
上述の目的を達成するため、請求項１の静電容量方式タッチパネルは絶縁パネルの一面に互いに絶縁して配設される複数の検出電極パターンと、前記複数の検出電極パターンに接続し、入力操作体から出力されるコモンモード信号を、入力操作体との浮遊容量を介して検出電極パターンから検出する入力操作検出手段とを有し、１又は２以上の検出電極パターンからコモンモード信号を検出した際に、その検出電極パターンに入力操作体が接近し浮遊容量が増大したものとして、該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静電容量方式タッチパネルであって、固定電位の第１基準電圧とした第１基準電圧パターンに接続し、固定周波数ｆの交流検出信号を出力する発振回路と、前記発振回路の出力に接続し、交流検出信号の電位の第２基準電位とした第２基準電圧パターンとを備え、前記複数の検出電極パターンを直接若しくは間接的に第２基準電圧パターンに接続して、第２基準電位を基準とした電位とし、前記交流検出信号に相対する固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させることを特徴とする。
【００１９】
検出電極パターンの電位は、固定周波数ｆの交流検出信号と同位相の第２基準電圧を基準として変動するので、電位がほぼ変動しない指などの入力操作体の検出電極パターン側からみた電位は相対的に変動し、入力操作体から固定周波数ｆのコモンモード信号が出力される。
【００２０】
コモンモード信号は、入力操作体が検出電極パターンに接近し、検出電極パターンの浮遊容量が増加するほどそのレベルが大きくなるので、検出電極パターンで検出する固定周波数ｆの信号レベルが所定のしきい値を越えたときにコモンモード信号を検出し、その検出電極パターンへの入力操作体が接近したものと判定し、その検出電極パターンの絶縁パネルの一面の配設位置から入力操作位置を検出する。
【００２１】
請求項２の静電容量方式タッチパネルは、入力操作検出手段が、固有周波数ｆの帯域信号を通過させる帯域フィルタと、複数の検出電極パターンのいずれかの検出電極パターンを選択して帯域フィルタへ接続するマルチプレクサと、帯域フィルタの出力レベルからコモンモード信号を検出し、コモンモード信号を検出した際にマルチプレクサが選択接続した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入力判定部とを備え、発振回路は、第１基準電圧パターンが配線された第１回路基板に実装され、第１基準電位を基準とする電位で動作するとともに、
前記帯域フィルタと、マルチプレクサと、入力判定部とは、第２基準電圧パターンが配線された第２回路基板に実装され、第２基準電位を基準とする電位で動作することを特徴とする。
【００２２】
帯域フィルタは、固有周波数ｆの帯域信号を通過させるので、他のコモンモードノイズが遮断され、帯域フィルタの出力レベルかコモンモード信号を正確に検出できる。
【００２３】
帯域フィルタとマルチプレクサと入力判定部は、検出電極パターンと同位相の第２基準電位で変動するので、検出電極パターンと入力操作検出手段の各回路素子を分離せずに、同一回路基板上に形成することができる。
【００２４】
請求項３の静電容量方式タッチパネルは、一面に検出電極パターンが配設された絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、第２基準電圧パターンに接続するシールド板が積層されていることを特徴とする。
【００２５】
絶縁パネルの他面の全体が、検出電極パターンと同位相で変動するシールド板で覆われるので、各検出電極パターンは他面側がシールド板で遮蔽され、一面側の入力操作体から入力されるコモンモード信号以外のコモンモードノイズが検出電極パターンに侵入しない。
【００２６】
請求項４の静電容量方式タッチパネルは、入力操作体が接近した検出電極パターンと入力操作体との間の浮遊容量をＣｍ、検出電極パターンとシールド板間の浮遊容量をＣｐ、検出電極パターンの内部抵抗をｒ、検出電極パターンの出力抵抗をＲとして、交流検出信号の固定周波数ｆを、１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数に設定することを特徴とする。
【００２７】
検出電極パターンに入力されるコモンモード信号の入力電圧に対する電圧比（Ｖｏ／Ｖｉ）は、
【００２８】
【数１】
【００２９】
で表され、そのカットオフ周波数ｆｃは、
【００３０】
【数２】
【００３１】
となることから、交流検出信号の固定周波数ｆを１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数とすることにより、コモンモード信号が大きく減衰することなく検出電極パターン側で検出される。
【発明の効果】
【００３２】
請求項１の発明によれば、入力操作体と検出電極パターンとの間の浮遊容量の変化を検出するために、浮遊容量を充電することなく、検出が容易な固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させ、浮遊容量が大きくなりコモンモード信号を検出可能となった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ので、簡単な回路で高速に入力操作位置を検出できる。
【００３３】
コモンモード信号は、商用交流電源などに起因して検出電極パターンに入力されるコモンモードノイズを利用せず、自らの発振回路から出力する交流検出信号を利用して生成するので、乗用車内など商用交流電源線が配線されていない場所でも確実に入力操作位置を検出できる。
【００３４】
また、コモンモード信号の周波数を発振回路から出力する交流検出信号の周波数ｆにより、任意に設定できるので、バンドパスフィルタなどを用いて簡単な回路でコモンモード信号のみを検出することができる。
【００３５】
また、入力操作面が大型化し、検出電極パターンやその配線パターンの抵抗値が増大しても、検出電極パターンで検出するコモンモード信号レベルが大きく減少することはなく、大型のタッチパネルとしても入力操作位置を正確に検出できる。
【００３６】
また、検出電極パターンの浮遊容量を充放電する過程がないので、低消費電力で入力操作を検出できる。
【００３７】
請求項２の発明によれば、コモンモードノイズを除き、コモンモード信号の信号レベルのみを検出できるので、検出レベルを比較するだけの簡単な回路で正確に入力操作位置を検出できる。
【００３８】
請求項３の発明によれば、コモンモードノイズがコモンモード信号に重畳しにくく、入力操作位置の検出精度が向上する。
【００３９】
請求項４の発明によれば、コモンモード信号が大きく減衰することなく、検出電極パターンに伝達され、より精度よく入力操作位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル１を示すブロック図である。
【図２】静電容量方式タッチパネル１のタッチパネル入力部２１を示すブロック図である。
【図３】入力操作体５０が接近した特定の検出電極パターン３について示す回路図である。
【図４】図３の等価回路図である。
【図５】検出電極パターン３から出力されるコモンモード信号の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）とコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図６】入力操作体５０と検出電極パターン３のコモンモード信号の位相差φとコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図７】検出電極パターン３から出力されるコモンモード信号の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）と検出電極パターン３の内部抵抗ｒとコモンモード信号の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図８】従来のチャージトランスファー方式の静電容量検出方法を示すブロック図である。
【図９】図８に示す静電容量検出方法による充電回数ＮとコンデンサＣ２の電圧Ｖ２との関係を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の一実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル（以下、タッチパネルという）１を、図１乃至図７を用いて説明する。タッチパネル１は、図１に示すように、発振回路１１と減算回路１２等を構成する各素子が第１回路基板１３に搭載された発振側回路部１０と、タッチパネル入力部２１、マルチプレクサ２２、バンドパスフィルタ２７、Ａ／Ｄコンバータ２３、ＣＰＵ２４等が第２回路基板２５に搭載された検出側回路部２０の２種類のモジュールに分けて構成されている。
【００４２】
第１回路基板１３には、接地レベルのグランドパターン１４が配線され、第１回路基板１３に搭載された発振回路１１と減算回路１２を構成する回路素子は、図示しない接地端子がグランドパターン１４に電気接続し、接地レベルを低圧側電位とする図示しない定電圧電源から電圧を受けて動作している。
【００４３】
発振回路１１は、固定周波数ｆの交流検出信号Ｓを発振出力するもので、ここでは１２ｋＨｚの周波数で振幅Ａ（ピーク間の電圧Ｖｐ−ｐが１２Ｖ）の交流検出信号Ｓを出力する。交流検出信号の周波数ｆを１２ｋＨｚとした理由については後述する。
【００４４】
発振回路１１の出力は、減算回路１２の反転入力端子と検出側回路部２０の第２回路基板２５に配線された第２基準電圧パターン２６に接続している。これにより、上述１２ｋＨｚの交流検出信号Ｓが減算回路１２に反転入力されるとともに、第２基準電圧パターン２６の電位は、１２ｋＨｚの交流検出信号Ｓに従って変化する。
【００４５】
減算回路１２の他方の非反転入力端子は、検出側回路部２０のＣＰＵ２４の出力に接続し、その出力は、タッチパネル１からの出力から応答する命令を実行するホストＰＣ等の処理装置３０に接続している。ＣＰＵ２４は、後述する入力操作位置データを非反転入力端子へ出力するが、その出力には交流検出信号Ｓが重畳しているので、減算回路１２で交流検出信号Ｓを相殺し、処理装置３０が処理可能な出力とするものである。
【００４６】
検出側回路部２０の第２回路基板２５に搭載されるマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、バンドパスフィルタ２７、ＣＰＵ２４を構成する各回路素子は、図示しない低圧側端子が第２基準電圧パターン２６に電気接続し、第２基準電圧パターン２６の電位を低圧側電位とする図示しない第２定電圧電源から電圧を受けて動作している。
【００４７】
検出側回路部２０のタッチパネル入力部２１は、第２回路基板２５に取り付けられたガラス基板などの絶縁パネル２の表面が入力操作面２ａとしたもので、図２に示すように、入力操作面２ａ上のＸ方向に沿って等間隔の位置に、３０本のＸ側検出電極パターン３ｘと、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って等間隔の位置に１７本のＹ側検出電極パターン３ｙが、それぞれＩＴＯなどの透明導電材料から線状に形成されている。Ｘ側検出電極パターン３ｘとＹ側検出電極パターン３ｙが交差する交差領域には図示しない絶縁インシュレータが配置され、入力操作面２ａの全体では、互いが絶縁された複数の検出電極パターン３が網目状に配置されている。
【００４８】
全ての検出電極パターン３は、それぞれ入力抵抗Ｒと０．５Ｖのバイアス電源５を介して第２基準電圧パターン２６に電気接続するとともに、アナログマルチプレクサ２２の切り替え入力端子に接続している。これにより、全ての検出電極パターン３の電位は交流検出信号Ｓの振幅で変化するので、足下などの一部が接地電位など定電位となっている操作者が操作する指などの操作体５０の電位は、検出電極パターン３に対して相対的に交流検出信号Ｓの周波数ｆと振幅Ａで変位し、操作体５０から検出電極パターン３へ交流検出信号Ｓに相当するコモンモード信号Ｓｃが出力される。
【００４９】
入力操作体５０と検出電極パターン３との距離が十分に離れている場合には、両者の間の浮遊容量Ｃｍが極めて小さく、入力操作体５０から検出電極パターン３に到達するコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏは微少であり検出できないが、入力操作により入力操作体５０が特定の検出電極パターン３へ接近すると、その間の浮遊容量Ｃｍが増大して検出可能となり、タッチパネル１は、このコモンモード信号Ｓｃを検出した検出電極パターン３の入力操作面２ａ上での配設位置から入力操作位置を検出する。検出電極パターン３で検出されるコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏと浮遊容量Ｃｍとの関係の詳細は後述する。
【００５０】
検出電極パターン３が配線された絶縁パネル２の表面側は、透明プラスチックシート６で覆われ、また、背面側は、導電性の板材からなるシールド板４により覆われている。シールド板４は、第２基準電圧パターン２６に電気接続し、これにより、絶縁パネル２の背面側から侵入しようとする他の電子部品からのノイズやコモンモードノイズは、シールド板４で遮断され、表面側に配設された検出電極パターン３まで到達しない。
【００５１】
アナログマルチプレクサ２２は、ＣＰＵ２４からの切り替え制御により、一定の走査周期で全ての検出電極パターン３を一本毎に図示しない増幅回路を介したバンドパスフィルタ２７への接続に切り替える。本実施の形態では、２０ｍｓｅｃの一走査周期内に４７本の検出電極パターン３の接続を切り替える。
【００５２】
バンドパスフィルタ２７は、コモンモード信号Ｓｃの周波数ｆを中心とする周波数帯域の信号を通過させるもので、バンドパスフィルタ２７で、バイアス電源５による直流信号等の低周波成分と高周波成分がカットされ、コモンモードノイズ等が除かれたコモンモード信号Ｓｃのみが後段のＡ／Ｄコンバータ２３へ出力される。
【００５３】
Ａ／Ｄコンバータ２３は、コモンモード信号Ｓｃの固定周波数ｆの少なくとも２倍以上の周波数でサンプリングし、コモンモード信号Ｓｃのレベルを量子化する。本実施の形態では、１２ｋＨｚの固定周波数ｆに対して約３倍の３５ｋＨｚのサンプリング周波数でコモンモード信号Ｓｃのレベルを量子化してＣＰＵ２４へ出力する。
【００５４】
Ａ／Ｄコンバータ２３からＣＰＵ２４に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２２が選択接続した検出電極パターン３のコモンモード信号Ｓｃの検出レベルを表すので、ＣＰＵ２４では、その検出電極パターン３の接続期間中にＡ／Ｄコンバータ２３から入力された量子化データの総和を所定の閾値と比較し、閾値以上である場合にコモンモード信号Ｓｃを検出したものと判定し、その検出電極パターン３の配設位置から入力操作位置を検出する。
【００５５】
本実施の形態では、アナログマルチプレクサ２２が１本の検出電極パターン３を選択接続する時間は、２０／４７ｍｓｅｃであり、その間にＡ／Ｄコンバータ２３は計算上１５回コモンモード信号Ｓｃをサンプリングして量子化データを出力するが、検出電極パターン３間を切り替えた直後にバンドパスフィルタ２７に入力されるコモンモード信号Ｓｃのレベルが安定しないで、ＣＰＵ２４では各検出電極パターン３に切り替えた直後から５回目までＡ／Ｄコンバータ２３から入力された量子化データを無視し、６回目から１５回目の量子化データの絶対値の総和を求めている。
【００５６】
入力操作位置は、ＸＹ方向のいずれかで閾値を越えた検出電極パターンが複数ある場合には、その検出電極パターンの配設位置の中間を入力操作位置とする。また、検出電極パターン３毎の量子化データの総和を比較し、総和で案分した検出電極パターン３間の位置を入力操作位置としてもよい。
【００５７】
ＣＰＵ２４は、このようにして、ＸＹ方向の各方向で検出した入力操作位置を上述の減算回路１２を介して外部処理装置３０へ出力し、外部処理装置３０はこの入力操作位置に応じて所定の命令を実行する。
【００５８】
次に、入力操作体である操作者の指５０を接近させた検出電極パターン３のコモンモード信号ＳｃのレベルＶｏと浮遊容量Ｃｍとの関係について図３乃至図７を用いて説明する。図３は、操作者の指５０を特定の検出電極パターン３へ接近させた入力操作状態を示す回路図であり、図４は、その等価回路図である。
【００５９】
これらの図に示すように、指５０と検出電極パターン３は、指５０との間に数ｐＦの浮遊容量Ｃｍが、第２基準電圧パターン２６に接続されたシールド板４との間に数１０ｐＦの浮遊容量Ｃｐがそれぞれ発生している。一方、操作者の指５０には、第２基準電圧パターン２６の電位に対して相対的に交流検出信号Ｓの固定周波数ｆの１２ｋＨｚでピーク間の電圧Ｖｐ−ｐが１２Ｖのコモンモード信号Ｓｃが発生し、これを入力電圧Ｖｉと、マルチプレクサ２２の切り替え入力端子と第２基準電圧パターン２６間で検出するコモンモード信号Ｓｃの出力電圧をＶｏ、その間の出力抵抗をＲ、検出電極パターン３の内部抵抗をｒとすれば、
【００６０】
【数３】
【００６１】
【数４】
【００６２】
【数５】
【００６３】
【数６】
【００６４】
の各関係が成り立つ。尚、（４）（５）式において、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。
【００６５】
（３）式乃至（６）式からｉ１、ｉ２、ｉ３を消去し、伝達特性Ｖｏ／Ｖｉについて整理すれば、
【００６６】
【数７】
【００６７】
の関係が得られる。
【００６８】
（１）式から伝達特性Ｖｏ／Ｖｉの絶対値｜Ｖｏ／Ｖｉ｜は、
【００６９】
【数８】
【００７０】
ＶｏとＶｉの位相差φは、
【００７１】
【数９】
【００７２】
となる。
【００７３】
図４に示す回路は、ハイパスフィルターを構成し、（８）式からそのカットオフ周波数ｆｃは、
【００７４】
【数１０】
【００７５】
となるので、発振回路１１で生成する交流検出信号Ｓの固定周波数ｆは、各回路定数から（２）式を用いて求めるカットオフ周波数ｆｃ以上の周波数とすることにより、検出電極パターン３において大きく減衰することなくコモンモード信号Ｓｃを検出できる。
【００７６】
ここで、（７）式と（８）式とから算出したタッチパネル１の出力比（伝達特性Ｖｏ／Ｖｉ）と位相差φの周波数特性を図５、図６に示す。入力操作面２ａの大きさが１０インチ程度のタッチパネル１の指５０と検出電極パターン３との浮遊容量Ｃｍを３ｐＦ、シールド板４との浮遊容量Ｃｐを５０ｐＦ、検出電極パターン３の内部抵抗ｒを２０ｋΩ、信号出力抵抗Ｒを１ＭΩとすると、（８）式から算定されるカットオフ周波数ｆｃは約３ｋＨｚであり、図５、図６に示すように、１０ｋＨｚ以上となると位相差φがほぼなくなり、出力比Ｖｏ／Ｖｉは、−２５ｄＢで安定する。
【００７７】
本実施の形態では、交流検出信号Ｓの固定周波数ｆを１２ｋＨｚとし、その最大振幅Ｖが±６Ｖであるので、検出電極パターン３で検出されるコモンモード信号Ｓｃの最大振幅Ｖｏは、Ｖｏ＝±６ｘ１０−２５／２０Ｖの±０．３４Ｖとなる。検出電極パターン３の電位は、バイアス電源５により＋０．５Ｖが加わっているので、アナログマルチプレクサ３では常に正の電位のコモンモード信号Ｓｃが検出される。このように、コモンモード信号Ｓｃを常に正極性とすることにより、その出力側の各回路での処理が容易となり、例えば、ＣＰＵ２４ではＡ／Ｄコンバータ２３から出力されるレベルの絶対値を比較するだけで、コモンモード信号Ｓｃ検出の有無を判別できる。
【００７８】
図７は、（７）式において、更に、検出電極パターン３の内部抵抗ｒを１００Ωから１０ＭΩまで変化させた際の出力比（Ｖｏ／Ｖｉ）と位相差φとの関係を示すグラフであり、図に示すように、出力比が−２５ｄＢで安定する周波数１０ｋＨｚ以上では、１００ｋΩを越えると減衰が始まるので、各検出電極パターン３の内部抵抗ｒは１００ｋΩ以下とすることが好ましい。上述のように、通常、入力操作面２ａの大きさが１０インチ程度の大きさで内部抵抗ｒは２０ｋΩ程度とすることができるので、４０乃至５０インチの大画面の入力操作面２ａとして各検出電極パターン３が長くなっても、その抵抗ｒの増加によりコモンモード信号ＳｃのレベルＶｉが減少することがない。
【００７９】
上述の実施の形態では、検出電極パターン３、絶縁パネル２、シールド板４等を透明材料で形成して、入力操作面２ａの下方に配置される液晶パネルなどの表示素子の表示を目し可能なようにしているが、必ずしもタッチパネルは、透明である必要はない。
【００８０】
また、入力操作体が接近する入力操作面２ａの入力操作位置を浮遊容量の変化から検出して出力するポインティングデバイスであれば、上述の構造に限らない。
【００８１】
また、入力操作体５０を操作者の指で説明したが、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。
【００８２】
また、発振側回路部１０の第１回路基板１３に配線される第１基準電圧パターンは、接地電位のグランドパターンで説明したが接地電位に限らない。
【００８３】
また、検出側回路部２０の第２回路基板２５に搭載されるマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、バンドパスフィルタ２７、ＣＰＵ２４を構成する各回路素子についても、第２基準電圧パターン２６の電位を基準として動作するものであれば、例えば、第２基準電圧パターン２６の電位を高圧側端子とする定電圧電源から電圧を受けて動作するものであってもよい。
【００８４】
また、各検出電極パターン３の電位を、交流検出信号Ｓのレベルである第２基準電圧とすれば、その出力側のマルチプレクサ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、ＣＰＵ２４等の各回路素子の少なくとも一部は第１基準電圧パターンの電位を基準とする第１回路基板１３側に搭載するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、大型の入力操作面を有する静電容量方式タッチパネルに適している。
【符号の説明】
【００８６】
１ 静電容量方式タッチパネル
２ 絶縁パネル
２ａ 入力操作面
３ 検出電極パターン
４ シールド板
１１ 発振回路
１４ グランドパターン（第１基準電圧パターン）
２２ アナログマルチプレクサ（マルチプレクサ）
２４ ＣＰＵ（入力判定部）
２６ 第２基準電圧パターン
２７ バンドパスフィルタ（帯域フィルタ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁パネルの一面に互いに絶縁して配設される複数の検出電極パターンと、前記複数の検出電極パターンに接続し、入力操作体から出力されるコモンモード信号を、入力操作体との浮遊容量を介して検出電極パターンから検出する入力操作検出手段とを有し、１又は２以上の検出電極パターンからコモンモード信号を検出した際に、その検出電極パターンに入力操作体が接近し浮遊容量が増大したものとして、該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静電容量方式タッチパネルであって、
固定電位の第１基準電位とした第１基準電圧パターンに接続し、固定周波数ｆの交流検出信号を出力する発振回路と、
前記発振回路の出力に接続し、交流検出信号の電位の第２基準電位とした第２基準電圧パターンとを備え、
前記複数の検出電極パターンを直接若しくは間接的に第２基準電圧パターンに接続して、第２基準電位を基準とした電位とし、
前記交流検出信号に相対する固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させることを特徴とする静電容量方式タッチパネル。
【請求項２】
入力操作検出手段は、固有周波数ｆの帯域信号を通過させる帯域フィルタと、複数の検出電極パターンのいずれかの検出電極パターンを選択して帯域フィルタへ接続するマルチプレクサと、帯域フィルタの出力レベルからコモンモード信号を検出し、コモンモード信号を検出した際にマルチプレクサが選択接続した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入力判定部とを備え、
発振回路は、第１基準電圧パターンが配線された第１回路基板に実装され、第１基準電位を基準とする電位で動作するとともに、
前記帯域フィルタと、マルチプレクサと、入力判定部とは、第２基準電圧パターンが配線された第２回路基板に実装され、第２基準電位を基準とする電位で動作することを特徴とする請求項１に記載の静電容量方式タッチパネル。
【請求項３】
一面に検出電極パターンが配設された絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、第２基準電圧パターンに接続するシールド板が積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量方式タッチパネル。
【請求項４】
入力操作体が接近した検出電極パターンと入力操作体との間の浮遊容量をＣｍ、検出電極パターンとシールド板間の浮遊容量をＣｐ、検出電極パターンの内部抵抗をｒ、検出電極パターンの出力抵抗をＲとして、交流検出信号の固定周波数ｆを、１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数に設定することを特徴とする請求項３に記載の静電容量方式タッチパネル。
【請求項１】
絶縁パネルの一面に互いに絶縁して配設される複数の検出電極パターンと、前記複数の検出電極パターンに接続し、入力操作体から出力されるコモンモード信号を、入力操作体との浮遊容量を介して検出電極パターンから検出する入力操作検出手段とを有し、１又は２以上の検出電極パターンからコモンモード信号を検出した際に、その検出電極パターンに入力操作体が接近し浮遊容量が増大したものとして、該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静電容量方式タッチパネルであって、
固定電位の第１基準電位とした第１基準電圧パターンに接続し、固定周波数ｆの交流検出信号を出力する発振回路と、
前記発振回路の出力に接続し、交流検出信号の電位の第２基準電位とした第２基準電圧パターンとを備え、
前記複数の検出電極パターンを直接若しくは間接的に第２基準電圧パターンに接続して、第２基準電位を基準とした電位とし、
前記交流検出信号に相対する固定周波数ｆのコモンモード信号を入力操作体から出力させることを特徴とする静電容量方式タッチパネル。
【請求項２】
入力操作検出手段は、固有周波数ｆの帯域信号を通過させる帯域フィルタと、複数の検出電極パターンのいずれかの検出電極パターンを選択して帯域フィルタへ接続するマルチプレクサと、帯域フィルタの出力レベルからコモンモード信号を検出し、コモンモード信号を検出した際にマルチプレクサが選択接続した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入力判定部とを備え、
発振回路は、第１基準電圧パターンが配線された第１回路基板に実装され、第１基準電位を基準とする電位で動作するとともに、
前記帯域フィルタと、マルチプレクサと、入力判定部とは、第２基準電圧パターンが配線された第２回路基板に実装され、第２基準電位を基準とする電位で動作することを特徴とする請求項１に記載の静電容量方式タッチパネル。
【請求項３】
一面に検出電極パターンが配設された絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、第２基準電圧パターンに接続するシールド板が積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量方式タッチパネル。
【請求項４】
入力操作体が接近した検出電極パターンと入力操作体との間の浮遊容量をＣｍ、検出電極パターンとシールド板間の浮遊容量をＣｐ、検出電極パターンの内部抵抗をｒ、検出電極パターンの出力抵抗をＲとして、交流検出信号の固定周波数ｆを、１／２π（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒ＋Ｒ）以上の周波数に設定することを特徴とする請求項３に記載の静電容量方式タッチパネル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２１５６７５（Ｐ２０１１−２１５６７５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８０１９６（Ｐ２０１０−８０１９６）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００１０２５００）ＳＭＫ株式会社 (528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００１０２５００）ＳＭＫ株式会社 (528)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]