JP2010282462A - 静電容量方式タッチパネル - Google Patents

Abstract

【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】検出電極パターンに検出抵抗を直列に接続し、検出電極パターンの浮遊容量とで、入力操作体に発生するコモンモードノイズが通過するハイパスフィルターを形成する。ハイパスフィルターを通過するコモンモードノイズのレベルは、入力操作体が接近し、検出電極パターンの浮遊容量が大きくなるほど上昇するので、コモンモードノイズのレベルが上昇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。
【選択図】図１

Description

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。

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静電容量の変化を利用して、非接触で入力操作位置を検出することにより、ディスプレーの背面側に配置しても入力操作が可能な静電容量方式タッチパネルが用いられている。

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。

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）。

また、上述の時定数の変化を利用した検出方式では、指を検出電極パターンへ接近させた際の浮遊容量がわずかに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）。

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６、図７を用いて説明する。図６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の一側は、操作者を介して接地され、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。

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。

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。

図７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１１００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。

特開２０００−７６０１４号公報 特開２００６−７８２９２号公報

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。

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１０００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６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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、浮遊容量の変化を検出するための検出信号を生成したり、検出電極パターンと入力操作体の間に発生するコンデンサを充電する工程を要しないので、低消費電力で入力操作を待機することが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。

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、複数の検出電極パターンにそれぞれ接続し、接続する検出電極パターンの浮遊容量に応じて変化する容量変化信号を出力する複数の容量検出手段とを備え、１又は２以上の容量検出手段から出力される容量変化信号が変化した際に、その容量変化信号を出力した容量検出手段が接続する検出電極パターンに入力操作体が接近して浮遊容量が上昇したものとし、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、
各容量検出手段は、接地電位若しくは安定電位に保たれた接続部と、前記検出電極パターンとの間に接続され、前記検出電極パターンの浮遊容量とでコモンモードノイズが通過するハイパスフィルターを構成する検出抵抗と、入力インピーダンスが高い入力に前記検出電極パターンを接続させたインピーダンス変換手段とを有し、容量検出手段のインピーダンス変換手段から出力されるコモンモードノイズを容量変化信号とし、いずれか１又は２以上の容量検出手段から出力されるコモンモードノイズのレベルが所定のしきい値を越えた際に、その容量検出手段が接続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ことを特徴とする。

商用交流電力線が配線されている近傍で、検出電極パターンを基準として、操作者の一部とみなされる入力操作体には、商用交流電源周波数で電位が変動するコモンモードノイズが発生する。入力操作体に発生するコモンモードノイズは、ハイパスフィルターを通過し、入力インピーダンスの高いインピーダンス変換手段から容量変化信号として出力される。容量変化信号は、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、所定のしきい値と比較し、しきい値を越えたときにその検出電極パターンへの入力操作体が接近したと判別でき、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。

インピーダンス変換手段の入力インピーダンスは、出力インピーダンスに比べて極めて高く、ハイパスフィルターから出力される微弱なコモンモードノイズを、他のノイズの影響を受けずに容量変化信号として出力できる。

請求項２の静電容量方式タッチパネルは、絶縁パネルの一面の隣り合う検出電極パターンの間に、接地電位若しくは安定電位のシールド電極パターンが検出電極パターンと平行に配設されていることを特徴とする。

絶縁パネルの一面で、検出電極パターンは、接地電位若しくは安定電位のシールド電極パターン間に挟まれて遮蔽され、入力操作体から入力されるコモンモードノイズ以外のノイズは検出電極パターンへ侵入しにくい。

請求項３の静電容量方式タッチパネルは、絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、接地電位若しくは安定電位のシールド板が積層されていることを特徴とする。

絶縁パネルの他面の全体が接地電位若しくは安定電位の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ノイズ以外のノイズは検出電極パターンへ侵入しにくい。

請求項４の静電容量方式タッチパネルは、Ｘ方向に沿って複数の行検出電極パターンが、一面に配設された第１絶縁パネルと、前記行検出電極パターンと格子状に交差するＹ方向に沿って複数の列検出電極パターンが、前記第１絶縁パネルの一面と絶縁する一面に配設された第２絶縁パネルとが積層され、ＸＹ平面上の入力操作位置を検出することを特徴とする。

入力操作体による入力操作位置の近傍で交差する行検出電極パターンと列検出電極パターンの浮遊容量が増加し、容量変化信号のレベルが大きくなるので、しきい値を越える容量変化信号を出力した容量検出手段の行検出電極パターンと列検出電極パターンの各配設位置から、ＸＹ平面上の入力操作位置が検出される。

請求項５の静電容量方式タッチパネルは、検出抵抗の抵抗値は、直列に接続される検出電極パターンの抵抗値を加えて、１ＭΩ以上であることを特徴とする。

コモンモードノイズのレベルは約３０Ｖであり、入力操作によって約１０ｐＦ程度変化する浮遊容量とハイパスフィルターを構成する検出抵抗の抵抗値が１ＭΩ以上である場合に、容量変化信号のレベル変化は、回路上検出可能な１００ｍＶ以上となる。

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、浮遊容量を充電したり、別に生成する検出信号を浮遊容量へ流すことなく、自然発生するコモンモードノイズを検出信号として利用するので、簡単な回路で高速に浮遊容量の変化から入力操作位置を検出できる。

絶縁パネルの一面に配設された複数の検出電極パターンの各浮遊容量の変化を同時に検出できるので、入力操作位置が複数箇所であってもそれぞれ検出できる。

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、その抵抗値の変動量を無視できる程度の大きさに検出抵抗の抵抗値を調整することができ、容量変化信号のレベルにほぼ影響せず、入力操作を誤検出することがない。

また、コンデンサの充電工程や検出信号の発生回路がないので、低消費電力で入力操作を待機できる。

請求項２と請求項３の発明によれば、コモンモードノイズ以外のノイズが容量変化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。

請求項４の発明によれば、ＸＹ平面上の入力操作位置を精度よく検出できる。

請求項５の発明によれば、検出抵抗の抵抗値が検出電極パターンの抵抗値を加えて、１ＭΩ以上であるので、浮遊容量が入力操作により約１０ｐＦ程度の微小変化であっても、検出回路でその変化を検出できる。

また、検出電極パターンの抵抗値は、入力操作面が５インチ以上に拡大しても数１０ｋΩ以下であり、検出電極パターンの抵抗値を加えた検出抵抗の抵抗値は１ＭΩ以上であるので、検出電極パターンの抵抗値に変動があっても無視できる大きさであり、容量変化信号のレベルに影響せず、入力操作面が拡大しても入力操作を誤検出しない。

本発明の第１実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル１の判定回路１５を示すブロック図である。 静電容量方式タッチパネル１の入力操作位置と容量変化信号の関係を示し、（ａ）は、絶縁パネル２の部分平面図、（ｂ）は、ハイパスフィルター４の出力信号Ｂと容量変化信号の包絡線波形Ｃの波形図である。 検出抵抗３の抵抗値Ｒｉとハイパスフィルター４の周波数特性の関係を示す波形図である。 異なる浮遊容量の静電容量ｃについて、ハイパスフィルター４の入出力比と検出抵抗３の抵抗値Ｒｉとの関係を示す波形図である。 第２実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル２０のブロック図である。 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６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。

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４を用いて説明する。タッチパネル１は、絶縁パネル２の表面が入力操作面２ａとなっているもので、図２（ａ）に示すように、入力操作面２ａ上の一方向に沿ったｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、・・ｘｎの等間隔の位置に、ＩＴＯなどの導電材料からなる複数の検出電極パターン５が互いに平行な線状に形成されている。

また、各検出電極パターン５の間には、接地接続された線状のシールド電極パターン１２が検出電極パターン５と平行に形成され、絶縁パネル２の表面に沿って検出電極パターン５に入力されるノイズを遮断している。本実施の形態では、シールド電極パターン１２を接地しているが、安定した電位に保たれれば、必ずしも接地電位としなくてもよい。

各検出電極パターン５の一側には、検出抵抗３が直列に接続され、検出抵抗３の他側は接地接続されている。図１に示すように、各検出電極パターン５には、入力操作体６である操作者の指が接近すると増大する浮遊容量Ｃｆが生じ、検出抵抗３がこの浮遊容量Ｃｆの一側である検出電極パターン５と接地間に接続されることにより、指６からの入力に対するハイパスフィルター４が構成される。

タッチパネル１が商用交流電源で動作する電子機器に搭載されていたり、タッチパネル１を使用する空間の周囲に商用交流電力線が配線されていると、図１に示すように、接地面に接触している操作者の指６は、検出電極パターン５を基準として、商用交流電源周波数で電位が変動し、指６に例えば５０Ｈｚの商用交流電源周波数ｆのコモンモードノイズＡが発生する。

ハイパスフィルター４を通過する出力レベルを|Ｖｏ|は、コモンモードノイズＡのレベルを|Ｖｉ|、コモンモードノイズＡの周波数（商用交流電源周波数ｆ＊２π）をω、浮遊容量をＣｆ、検出抵抗３の抵抗値をＲｉとすると、

で表される。

すなわち、操作者の指６が特定の検出電極パターン５へ接近するほど、その検出電極パターン５に生じる浮遊容量Ｃｆも増加し、ハイパスフィルター４を通過するコモンモードノイズの出力レベル|Ｖｏ|も増加する。

ここで、指６を検出電極パターン５へ接近させた際の浮遊容量は、１０ｐＦ程度であるので、（１）式において、浮遊容量Ｃｆを１０ｐＦとし、検出抵抗３の抵抗値Ｒｉを１ＧΩ、１００ＭΩ、１０ＭΩ、１ＭΩとした場合の|Ｖｏ|／|Ｖｉ|の周波数特性を図３に示すと、周波数ωが高くなるほど|Ｖｏ|／|Ｖｉ|が上昇する。操作者に生じるコモンモードノイズＡのレベルは約３０Ｖであり、後段の回路で出力レベル|Ｖｏ|を検出可能なレベルを１００ｍＶ以上とすると、少なくともハイパスフィルター４のＧａｉｎ（|Ｖｏ|／|Ｖｉ|）は３×１０^−３以上が必要となり、コモンモードノイズＡの周波数（商用交流電源周波数ｆ）が５０Ｈｚであるとすると、検出抵抗３の抵抗値Ｒｉは、検出電極パターン５の抵抗値を加えて少なくとも１ＭΩ以上とする必要がある。

また、（１）式において、浮遊容量Ｃｆを１００ｐＦ、１０ｐＦ、１ｐＦとした場合の検出抵抗３の抵抗値Ｒｉに対する|Ｖｏ|／|Ｖｉ|は、図４に示すように、抵抗値Ｒｉを上昇させるほど大きくなり、１ｐＦ程度の浮遊容量Ｃｆの変化を１００ｍＶ以上の出力レベル|Ｖｏ|が検出できる回路で検出する場合には、３×１０^−３以上のＧａｉｎ（|Ｖｏ|／|Ｖｉ|）を得るため、１０ＭΩ以上の抵抗値Ｒｉの検出抵抗３を接続する必要があり、ここでは、図１に示す検出抵抗３の抵抗値Ｒｉを、１０ＭΩとしている。

入力操作面２ａが大型化し、検出電極パターン５やその配線パターンの抵抗値が変動しても、その抵抗値の変化量は４０ＫΩ程度であり、少なくとも１ＭΩ以上である検出抵抗３の抵抗値Ｒｉに比べて無視できる程度の変化量であるので、ハイパスフィルター４を通過する後述する容量変化信号のレベルの判定には影響せず、入力操作を誤検出することがない。

尚、検出抵抗３の抵抗値Ｒｉが１ＧΩ以上となると、浮遊容量Ｃｆが微小であっても外部ノイズがハイパスフィルター４を通過し、外部ノイズやコモンモードノイズのレベル変動が誤動作の原因となるので、抵抗値Ｒｉは１ＧΩ未満であることが望ましい。

ハイパスフィルター４の出力側は、アノードを接地させたダイオード７のカソードに接続することにより、ハイパスフィルター４から出力されるコモンモードノイズを、図１のＢで示す波形のように、グランドレベルにクランプする。これは、交流信号であるコモンモードノイズの極性を一致させ、後述する電圧しきい値Ｖ_ＴＨと電圧レベルの比較を容易にするためである。

ハイパスフィルター４の出力側は、更にインピーダンス変換手段である電圧フォロアとして作用するユニティゲインアンプ８の入力に接続されている。ユニティゲインアンプ８の入力インピーダンスは、ハイパスフィルター４からの出力インピーダンスより十分に高く、数１００Ωの出力インピーダンスに変換して出力するので、微弱信号であるコモンモードノイズを安定した電圧レベルの容量変化信号として出力できる。また、ユニティゲインアンプ８により、ハイパスフィルター４からユニティゲインアンプ８までの容量検出回路９には、ユニティゲインアンプ８の出力側回路からノイズ、クロックなどの交流信号が通過せず、出力側から分離されるので、タッチパネル１の内部回路からの影響を受けずにコモンモードノイズを検出できる。

ユニティゲインアンプ８の出力は、直列に接続する抵抗Ｒ_ｌと、抵抗Ｒ_ｌの出力と接地端子間に接続するコンデンサＣ_ｌとからなるローパスフィルター１０が接続されている。ローパスフィルター１０は、ユニティゲインアンプ８から出力される図１のＢの波形で示される容量変化信号の高周波成分をカットし、後段に接続するコンパレータ１１がレベルを比較容易にするために、その包絡線に近似するＣの波形に波形成形する。

コンパレータ１１は、ローパスフィルター１０から非反転入力に入力されるＣの波形の容量変化信号のレベルを、所定電圧に設定する電圧しきい値Ｖ_ＴＨと比較し、その比較結果を二値出力する。前述したように、容量変化信号のレベルは、検出電極パターン５へ接近するほど大きくなるので、電圧しきい値Ｖ_ＴＨは、例えば指６が検出電極パターン５に接近し、その浮遊容量Ｃｆが１０ｐＦ以上となったときに非反転入力に入力される容量変化信号のレベルに設定する。これにより、コンパレータ１１は、図１のＤの波形で示すように、検出電極パターン５に対して入力操作を行わない間に、非反転入力の入力レベルは、電圧しきい値Ｖ_ＴＨであるので、「Ｌ」を、入力操作を行う指６が検出電極パターン５に接近したときに、非反転入力の入力レベルが電圧しきい値Ｖ_ＴＨを越えるので、「Ｈ」の二値出力ＣＭＰｏを出力する。

以上の入力操作の判定回路１５は、各検出電極パターン５毎に備えられ、各コンパレータ１１から出力される二値出力ＣＭＰｏは、入力操作位置を検出する図示しないマイコンの各入力ポートへ出力される。マイコンでは、いずれか１又は２以上の入力ポートに「Ｈ」の入力判定信号が入力されると、その「Ｈ」を出力した判定回路の検出電極パターン５の絶縁パネル２上の配設位置に入力操作の指６が接近したものとして、入力操作位置を検出する。

このように構成されたタッチパネル１の入力操作面２ａに沿って、図２（ａ）に示すように、ｘ１からｘｎの方向へ入力操作する指６が移動し、ｘ１にある検出電極パターン５上を指６が通過すると、ｘ１の検出電極パターン５が構成するハイパスフィルター４から、Ｂ_１の波形で示すコモンモードノイズが出力され、その判定回路１５のコンパレータ１１には、Ｃ_１に示す電圧しきい値Ｖ_ＴＨを越えるレベルの波形が入力される。その結果、コンパレータ１１から「Ｈ」の二値出力ＣＭＰｏが出力され、「Ｈ」を出力した判定回路１５の検出電極パターン５の配設位置からｘ１の入力操作位置が検出される。

同様に、指６が通過した位置の検出電極パターン５が構成するハイパスフィルター４から、それぞれＢ_２、Ｂ_３、Ｂ_４の波形のコモンモードノイズが出力され、コンパレータ１１に、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４に示す電圧しきい値Ｖ_ＴＨを越えるレベルの波形が入力される。これにより、コンパレータ１１から「Ｈ」の二値出力ＣＭＰｏが出力され、「Ｈ」を出力した判定回路１５の検出電極パターン５の配設位置から、ｘ２、ｘ３、ｘ４、・・ｘｎの入力操作位置が順に検出される。

次に、本発明の第２実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル２０を図５を用いて説明する。図５において、上述第１実施の形態と同一若しくは同一に作用する構成については、同一番号を付してその詳細な説明を省略する。

このタッチパネル２０は、入力操作面２ａの二次元平面上の入力操作位置を検出するものであり、シールド板２１上にＸ側絶縁パネル２２とＹ側絶縁パネル２３を積層させた３層構造となっている。本実施の形態のタッチパネル２０は、電子機器の液晶ディスプレーなどの表示素子の表面側に搭載されるものであり、従って、操作者が表示素子の表示を確認しながら、入力操作が可能なように、シールド板２１とＸ側絶縁パネル２２とＹ側絶縁パネル２３は、それぞれ透明な絶縁フィルムで形成されている。

Ｘ側絶縁パネル２２の表面には、図に示すＸ方向の等間隔の位置に、Ｙ方向に沿ってＩＴＯなどの透明導電材料からなる複数の検出電極パターン２４Ｘが互いに平行な線状に形成され、各検出電極パターン２４Ｘの一側に、他側を接地させた検出抵抗３が直列に接続されている。

また、Ｙ側絶縁パネル２３の表面には、図に示すＹ方向の等間隔の位置に、Ｘ方向に沿ってＩＴＯなどの透明導電材料からなる複数の検出電極パターン２４Ｙが互いに平行な線状に形成され、各検出電極パターン２４Ｙの一側にも、他側を接地させた検出抵抗３が直列に接続されている。従って、ＸＹ平面を入力操作面２ａとして、入力操作面２ａの背面側で多数の検出電極パターン２４Ｘと検出電極パターン２４Ｙとが、格子状に交差している。

Ｘ側絶縁パネル２２とＹ側絶縁パネル２３の各検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙの間には、線状のシールド電極パターン１２が検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙと平行に形成され、更に、Ｘ側絶縁パネル２２の背面側に、表面の全体に接地接続した透明導電パターン層を形成したシールド板２１が積層されるので、各検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙは、入力操作面２ａの上方以外の方向がシールド電極パターン１２とシールド板２１によってシールドされ、指６のコモンモードノイズ以外のノイズが侵入しない。このシールド板２１は、安定した電位に保たれれば、必ずしも接地しなくてもよい。

各検出電極パターン２４Ｘの検出抵抗３が接続された他側は、ダイオード７によりグランドレベルにクランプされ、ユニティゲインアンプ８の入力に接続され、検出電極パターン２４Ｘを有する入力側回路と、その出力側が分離される。各検出電極パターン２４Ｘに接続するユニティゲインアンプ８の出力は、ＣＰＵ２５によって接続が切り換えられるＸ側マルチプレクサ２６の入力にそれぞれ接続し、Ｘ側マルチプレクサ２６により選択接続されたユニティゲインアンプ８から出力される容量変化信号がＡ／Ｄ変換器２７へ入力される。

各検出電極パターン２４Ｙの検出抵抗３が接続された他側も、検出電極パターン２４Ｘと同様に、ダイオード７によりグランドレベルにクランプされ、ユニティゲインアンプ８を介してＣＰＵ２５によって接続が切り換えられるＹ側マルチプレクサ２８の入力にそれぞれ接続される。従って、Ｙ側マルチプレクサ２８により選択接続されたユニティゲインアンプ８から出力される容量変化信号がＡ／Ｄ変換器２７へ入力される。

第１実施の形態では、容量変化信号の包絡線のレベルを電圧しきい値Ｖ_ＴＨと比較し、特定の検出電極パターン５への入力操作を検出しているが、本実施の形態では、容量変化信号をＡ／Ｄ変換器２７で二値化し、二値化した容量変化信号のレベルから、Ａ／Ｄ変換器２７の出力に接続するＣＰＵ２５で、入力操作位置を検出している。

以下、このように構成されたタッチパネル２０で入力操作位置を検出する方法を、入力操作面２ａ上のＸＹ座標（Ｘｎ、Ｙｎ）の位置へ指６を接近させる入力操作があったものとして説明する。ＣＰＵ２５は、少なくとも指６を入力操作面２ａへ接近させる入力操作時間より短い周期で、Ｘ側マルチプレクサ２６とＹ側マルチプレクサ２８の全ての入力を切り替え制御し、各検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙを走査する。

すなわち、Ｘ側絶縁パネル２２上の多数の検出電極パターン２４Ｘと、Ｙ側絶縁パネル２３上の多数の検出電極パターン２４Ｙの各浮遊容量Ｃｆを表す容量変化信号が、Ａ／Ｄ変換器２７へ順に入力される。ＸＹ座標（Ｘｎ、Ｙｎ）に指６が接近すると、その近傍の検出電極パターン２４Ｘ（Ｘｎ）と検出電極パターン２４Ｙ（Ｙｎ）に接続するユニティゲインアンプ８からＡ／Ｄ変換器２７に入力される容量変化信号のレベルが上昇し、ＣＰＵ２５は、これらのユニティゲインアンプ８の出力に接続するタイミングで、二値化した容量変化信号のレベルが所定回数数繰り返してしきい値を越えることから、検出電極パターン２４Ｘ（Ｘｎ）と検出電極パターン２４Ｙ（Ｙｎ）が交差する位置（Ｘｎ、Ｙｎ）’を、入力操作位置として検出する。

また、同一方向で隣り合う複数の検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙの容量変化信号のレベルが、同一走査周期内でしきい値を越える場合には、各容量変化信号のレベルを比較して、入力操作位置を求める。例えば、Ｘ方向のＸｎ−１、Ｘｎ、Ｘｎ＋１に配設された検出電極パターン２４Ｘ（Ｘｎ−１）、２４Ｘ（Ｘｎ）、２４Ｘ（Ｘｎ＋１）に接続するユニティゲインアンプ８から同一走査周期内に出力される容量変化信号のレベルが、所定回数数繰り返してしきい値を越える場合には、各配設位置にその容量変化信号のレベルを重み付けして算出する重心位置を、Ｘ方向の入力操作位置とする。これにより、複数の検出電極パターン２４Ｘ、２４Ｙの配線数以上の分解能で、ＸＹ方向の入力操作位置を検出できる。

ＣＰＵ２５は、このようにして真検出した入力操作位置を、表示画面上のカーソル移動制御や電子機器の動作を制御するマイコンへ出力し、入力操作位置に応じた所定の処理を実行させる。

以上説明した第１、第２実施の形態では、検出抵抗３を、ユニティゲインアンプ８が接続する検出電極パターン５、２４Ｘ、２４Ｙの他側に接続しているが、ハイパスフィルター４が形成されれば、ユニティゲインアンプ８の接続側に接続するものであってもよい。

また、ユニティゲインアンプ８は、入力インピーダンスが出力インピーダンスに比べて極めて高いインピーダンス変換素子であれば、電圧増幅を兼ねたアンプであってもよい。

また、検出抵抗３の一側を接地させているが、安定した電位の端子に接続してもよく、また、コモンモードノイズを同一極性で変化させるために、ダイオード７によってクランプしているが、コモンモードノイズのレベルを測定できれば、必ずしもダイオード７は介在させなくてもよい。

更に、入力操作体６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。

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。

１ 第１実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル
２ 絶縁パネル
３ 検出抵抗
４ ハイパスフィルター
５ 検出電極パターン
６ 入力操作体（指）
８ インピーダンス変換手段（ユニティゲインアンプ）
９ 容量検出手段（容量検出回路）
１２ シールド電極パターン
２０ 第２実施の形態に係る静電容量方式タッチパネル
２１ シールド板
２２ Ｘ側絶縁パネル
２３ Ｙ側絶縁パネル
２４Ｘ 検出電極パターン
２４Ｙ 検出電極パターン

Claims (5)

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、複数の検出電極パターンにそれぞれ接続し、接続する検出電極パターンの浮遊容量に応じて変化する容量変化信号を出力する複数の容量検出手段とを備え、１又は２以上の容量検出手段から出力される容量変化信号が変化した際に、その容量変化信号を出力した容量検出手段が接続する検出電極パターンに入力操作体が接近して浮遊容量が上昇したものとし、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、
   各容量検出手段は、
   接地電位若しくは安定電位に保たれた接続部と、前記検出電極パターンとの間に接続され、前記検出電極パターンの浮遊容量とでコモンモードノイズが通過するハイパスフィルターを構成する検出抵抗と、
   入力インピーダンスが高い入力に前記検出電極パターンを接続させたインピーダンス変換手段とを有し、
   容量検出手段のインピーダンス変換手段から出力されるコモンモードノイズを容量変化信号とし、いずれか１又は２以上の容量検出手段から出力されるコモンモードノイズのレベルが所定のしきい値を越えた際に、その容量検出手段が接続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ことを特徴とする静電容量方式タッチパネル。
2. 絶縁パネルの一面の隣り合う検出電極パターンの間に、接地電位若しくは安定電位のシールド電極パターンが検出電極パターンと平行に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の静電容量方式タッチパネル。
3. 絶縁パネルの他面に、絶縁パネルの他面全体を覆い、接地電位若しくは安定電位の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。
4. Ｘ方向に沿って複数の行検出電極パターンが、一面に配設された第１絶縁パネルと、前記行検出電極パターンと格子状に交差するＹ方向に沿って複数の列検出電極パターンが、前記第１絶縁パネルの一面と絶縁する一面に配設された第２絶縁パネルとが積層され、
   ＸＹ平面上の入力操作位置を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量方式タッチパネル。
5. 検出抵抗の抵抗値は、直列に接続される検出電極パターンの抵抗値を加えて、１ＭΩ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電容量方式タッチパネル。

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