JP6048641B2 - 静電容量結合方式静電センサー - Google Patents

Description

本発明は、入力方式に静電容量結合方式を利用した入力装置に関するものである。

静電容量結合方式を利用した入力装置として、従来から、静電容量結合方式タッチスイッチが知られている。前記タッチスイッチは、パネルスイッチと制御基板から構成される。パネルスイッチは、絶縁体となるＰＥＴフィルムの表面にスイッチ電極として銀ペースト、またはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等を印刷した電極シートを、アクリルやガラス及び樹脂等の絶縁体となる絶縁基材に、接着剤（両面テープ等）で貼り合わせたもので構成される。スイッチ電極に指または手が近づくと、スイッチ電極と指または手との間に平行板コンデンサが形成され、静電容量が発生する。この静電容量の変化をコンデンサＣと抵抗Ｒとで形成するＣ／Ｆ変換回路（静電容量Ｃを周波数Ｆに変換する回路）で周波数に変換し、その周波数をインプットキャプチャ機能（周波数の数を数える機能）でデジタルデータに置き換え、演算処理によりタッチスイッチのオン／オフ状態を判断する。スイッチ電極が複数個の場合、スイッチ電極の選択は、個々のスイッチ電極分設けた切換回路により行う（特許文献１参照）。

静電容量結合方式を利用したタッチスイッチは、スイッチ電極を指または手が触れることのできる領域をタッチスイッチとし、指または手がそのスイッチ電極に近づいたことを検出するものであり、タッチスイッチのオン／オフを検出するデジタル入力装置である。
スイッチ電極は、電気的に導通する導電性材料をＰＥＴフィルム表面に、スクリーン印刷方式により印刷して、タッチスイッチを形成している。スクリーン印刷は、オープニングと呼ばれる糸と糸の間の空間（スクリーン版）からスキージ（ゴムのヘラ、または金属のヘラ）を使ってインキを押し出し、画像パターンを形成する印刷法であり、古くから捺染や印染などの伝統工芸として日本に根付いている工法である。また、できあがった画像パターンの厚みは、使用したスクリーン版の厚みである。現在、スクリーン印刷は、エレクトロニクス分野ではなくてはならない工法として確立しており、プリント配線板や電子部品、フラットパネルディスプレイ、自動車メーターなどを製造する工程には、必ずスクリーン印刷法が用いられていることが知られている。

スイッチ電極は、スクリーン印刷方式により絶縁体となるＰＥＴフィルムの表面に導電性材料である銀ペースト（物質は銀）インク、ＩＴＯ（酸化インジウム）（物質は錫）インクを用いて印刷することでタッチスイッチを形成している。スイッチ電極を形成するためのスクリーン版の厚さは１０〜３０μmの版を使用している。また、導電性材料である銀ペーストインク、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）インクの抵抗率値は高く、数Ω〜数ｋΩ/ cm2の面積抵抗を持っている。
スクリーン印刷方式で印刷されたスイッチ電極は、スキージの移動速度で決まる印刷速度、インクの粘度、印刷環境による版の伸び、縮みにより、印刷毎にスイッチ電極の大きさ、厚みが数mm単位、および数μm単位で違い、大きさ、厚みのばらつきを０にすることは難しいとされている。そのため、印刷毎のスイッチ電極の抵抗値は一定にならず、印刷毎の抵抗値のばらつきを０Ωに抑えることは難しいとされている。

ＰＥＴフィルム上に、スイッチ電極を形成したスイッチを、タッチスイッチの入力領域として使用したときの周波数は、前記コンデンサＣと抵抗Ｒによりｔ＝０．７×Ｃ×Ｒで表せる。スイッチ電極はΔＲの抵抗値を持つ。スイッチ電極の周波数は、抵抗Ｒにスイッチ電極の抵抗値ΔＲが足された周波数として生成される。周波数ｔはｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ）で表せる。

スイッチ電極が、４個の場合の周波数を求めてみる。スイッチ電極のタッチスイッチをＳＷ１からＳＷ４としたときの抵抗値はＳＷ１（抵抗値：ΔＲ１）、ＳＷ２（抵抗値：Δ２）、ＳＷ３（抵抗値：Δ３），ＳＷ４（抵抗値：Δ４）で表せる。各スイッチ電極の周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ１）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ２）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ３）
ＳＷ４の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ４）
で表せる。
また、前記スクリーン印刷での印刷毎に数Ω〜数１０Ω単位での抵抗値のばらつきがある。ばらつきの抵抗値をΔｒとしたときの印刷毎の各周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ１＋Δｒ）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ２＋Δｒ）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ３＋Δｒ）
ＳＷ４の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ４＋Δｒ）
で表せる。
また、近年デジタル技術を利用した電子回路が広く用いられるようになり、デジタル信号の低域から高域までの周波数による電波障害が起こりやすい状況になっている。
たとえば、テレビ等の電化製品の側にラジオ受信機を持っていくと、ザーとかブーといったノイズ雑音が入る。これはラジオ受信機が電化製品から発生している電波ノイズを拾ってしまうことでおきる。
また、ラジオ受信機にＡＣ電源を供給して使う場合、家庭用電源の配線によっては、ＡＣ電源ラインにノイズが混入し、電源ノイズとして拾ってしまうこともある。同じＡＣ電源コンセントにテレビ等の電化製品とラジオ受信機をつなげて使用したとき、つなげた電化製品から発生した電源ノイズをラジオ受信機が拾ってしまいノイズが入る。
生活環境下での前記ノイズ混入に対する対策は、機器にノイズを混入させない様な対策、またはノイズを受けても障害を発生しないように、ノイズ耐性を向上させる対策がある。しかし、生活環境下で、どの様なノイズが混入されるかわからないために、ノイズ防御対策が難しくなっているのが現状である。
前記静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式は、静電容量の変化をＣ
／Ｆ変換回路で周波数（ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ））に変換し、その周波数の変化をインプットキャプチャ機能でデジタルデータに置き換えている。この方式は周波数を用いて動作させていることで、生活環境下で発生するノイズである周波数の混入による影響は、避けられないのが現状である。

また前記、静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路を用いて周波数に変換する方式で、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極を印刷したスイッチを、タッチスイッチとして使用したときに生成される周波数は、スイッチ電極の形状により変わることがわかる。
これに対して、文献２、文献３では、生活環境下で発生するノイズの周波数と、検出する信号の周波数との区別ができないような状況でのノイズの影響を避ける静電容量型のセンサーが提案されている。

特開２００５−０８４９８２号公報 米国特許出願公開第２００７／０２５７８９０号 特開２０１１−００８７２５号公報

特許文献１では、静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で、周波数に変換する方式のスイッチ電極に、スイッチ電極で得られる周波数と、同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは供給電源より同じ、または近い周波数である電源ノイズが混入されると、Ｃ／Ｆ回路で生成される周波数と、ノイズの周波数とが互いに周波数との同期または干渉が起こり、スイッチ電極に指または人が近づいても静電容量は変化しない状態となり、入力できない等の誤動作を生じてしまう。
スイッチ電極の大きさの違いにより生成される周波数が変わるため、大きさの違うスイッチ電極が増える程、生成される周波数の種類が多くなる。そのため生成される周波数と同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは電源ノイズによる誤動作するタッチスイッチが増えてしまう。静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式では、ノイズの周波数に対し、±数１０ＫＨｚの周波数が離れていないと、ノイズより逃げられなく、ノイズによる誤動作の範囲が大きくなり、ノイズの対処が非常に困難である。

また、静電容量の変化を、Ｃ／Ｆ変換回路を用いて、周波数をインプットキャプチャ機能（周波数の数を数える機能）でデジタルデータに置き換え、演算処理によりタッチスイッチのオン／オフ状態を判断している。周波数がインプットキャプチャ機能で周波数の数を数えていることで、スイッチ電極ごとに周波数の数が変わり、動作速度を一定かつ、速度を上げることが非常に困難である。

また、特許文献２では、少なくとも１つの検出電極と、少なくとも１つの駆動電極の交点の静電容量を３つの異なる信号の周波数で計測し、３つの計測した値から、平均化、または、多数決、または、中央値から、その交点の真の静電容量と決めていた。
しかしながら、２種類のノイズが、計測している３つの周波数のうち、２つと同じ周波数の場合では、真の静電容量が決められないという不具合が発生する恐れがある。さらに、同じ周波数を使用している機種が近傍に接していた場合には、お互いの周波数の干渉により不具合が発生する恐れがある。

同様に、特許文献３では、１つのセンサーに対して、３つ以上の検出信号の周波数を用いて、多数決で真の静電容量を決めていた。３つ以上の検出信号の周波数をＮ個の周波数とした場合、ノイズが、Ｎ／２以下の種類の検出信号と同じ周波数のとき、特許文献２では、真の静電容量が決められないという不具合が発生する恐れがある。
同様に、少なくとも１つの検出電極と、少なくとも１つの駆動電極の交点の静電容量を検出する方法では、その検出電極と駆動電極の間隔をできる限り小さくすることを推奨しており、間隔として０．５ｍｍ〜１ｍｍ以下が望ましい。また、容量性電界を遮蔽する指の大きさで遮蔽量が決まるので、電極の大きさは５ｍｍ×５ｍｍ〜１２ｍｍ×１２ｍｍの中に検出電極と駆動電極がおさまることを推奨している。間隔が狭いことで容量性電界の垂直方向への拡散が減り、指が近づいてきた時に急激に遮断量が増加する。また、間隔が狭いことで容量性電界も大きくノイズの影響を受けにくくしている。

本発明は、絶縁体に導電性材料からなる複数のスイッチ電極を配置し、該複数のスイッチ電極を互いに平行に設け、それぞれ平行に設けたスイッチ電極の一方をスイッチ駆動電極、もう一方をスイッチ受信電極とし、前記それぞれのスイッチ電極は導通部材を接続したタッチスイッチであり、前記導通部材に接続する複数のスイッチ電極の前記スイッチ駆動電極と、スイッチ受信電極との間の静電容量変化を計測する為に、信号を生成する発振器と、前記信号を同期がとられたｓｉｎ信号と、ｃｏｓ信号に変換する同期発信回路と、前記ｓｉｎ信号を印加したスイッチ駆動電極をドライブするために、当該スイッチ駆動電極に接続される配線と、他のスイッチ受信電極に接続される配線を切り替える切替回路と、前記複数のスイッチ電極のスイッチ駆動電極と、スイッチ受信電極とに接続された、前記導電部材との間に流れる電流を電圧に変換する電流・電圧回路と、前記電流・電圧変換回路により、電流・電圧変換された前記電圧信号と、前記同期がとられたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号とを掛け算する掛け算回路と、該掛け算回路により得られたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数を安定化したＤＣ信号に変換するローパス・フィルタ回路と、前記変換されたＤＣ電圧を計測するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器により変換されたＤＣ電圧を演算し、しきい値とを比較しスイッチのＯＮ、ＯＦＦを判断する制御装置とを備えることを第１の要旨とし、上記の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ電極間の間が中空であることを第２の要旨とし、上記の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ電極に至る配線がスイッチ電極それぞれの中心から引出されることを第３の要旨とし、上記の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ電極周辺を中間電位またはグランドで囲むことを第４の要旨とするものである。

本発明では、スイッチ電極の間隔が広い静電容量結合式静電センサーでもスイッチ電極を互いに平行に設けることにより、ｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを電流・電圧変換回路の出力に掛算回路で掛けることにより、真の電流値のＡＣ信号だけが、ＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり、ローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。スイッチ電極が接続されても、全てｓｉｎ信号の周波数より高い周波数となり、高い周波数のＡＣ信号のままローパス・フィルタを通すことで、ノイズをなくすことができる。そのため、ｓｉｎ信号の周波数以外のノイズ周波数がスイッチ電極に混入されても正確にスイッチ電極と指および手との間に静電容量が発生し、タッチスイッチのオン／オフの状態を検出することができる。

電極構造図。 電極配置図。 指と容量静電界と電極構造図。 垂直方向から見た容量性電界図。 複数の容量性電界干渉図。 入力装置構成図。 掛算回路波形図。 入力信号レベルと位相差図。 指とスイッチ電極との関係図。 サイン信号掛算波形図。

本発明では、スイッチ電極の間隔が広い静電容量結合式静電センサーでもスイッチ電極
を互いに平行に設け、平行に設けたスイッチ電極の一方をスイッチ駆動電極とし、もう一
方をスイッチ受信電極と称す。それぞれの電極群に、ｓｉｎ信号を印加したスイッチ駆動
電極群のスイッチ駆動電極とその接続をする駆動導通部材と、電流・電圧変換回路と、そ
れを経由してスイッチ受信電極群のスイッチ受信電極とその接続をする受信導通部材を接
続し、発振器で生成する信号を同期発信回路によって、ｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃ
ｏｓ信号の２つを発振し、ｓｉｎ信号の一つは増幅回路と切替回路経由でスイッチ駆動電
極をドライブし、スイッチ受信電極と切替回路を介して、電流・電圧変換回路の抵抗Ｒに
接続する。これらの配線をしているスイッチ駆動電極群のスイッチ駆動電極と、スイッチ
受信電極群のスイッチ受信電極間で、コンデンサを形成し、１つのタッチスイッチを構成
する。この際、切替回路で接続していないスイッチ駆動電極群のスイッチ駆動電極とスイ
ッチ受信電極群のスイッチ受信電極は、このタッチスイッチを構成しているスイッチ電極
から離れた位置に配置していれば、未接続の状態でも良い。ただし、近傍ならば、未接続
のスイッチ電極が外乱からのノイズを受けて、タッチスイッチを構成しているスイッチ電
極と干渉する可能性があり、そのため、未接続のスイッチ電極群を一定電圧、例えば中間
電位またはグランドに接続することが望ましい。
ｓｉｎ信号の一つは、掛算回路に接続される。また、ｃｏｓ信号はもう一つの掛算回路に
接続される。電流・電圧変換回路の出力は、増幅回路とバンドパス・フィルタ回路を介し
て、それぞれ２つの掛算回路に接続し、それぞれｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号と掛けられ
る。真の電流値のＡＣ信号だけが、ＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり、ローパス・
フィルタ回路を通過することで完全なＤＣ信号になる。
スイッチ電極群へ混入されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の周波数以外のノイズは、全てｓｉ
ｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算により、ｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数の
ＡＣ信号になり、ｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタ回路
を通すことで消去することができる。

また、発振器で生成する信号の周波数を制御することで、発振器からの信号を同期発信回路によりｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号に変換し、ｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号の周波数の設定を行うことができる。そして、バンドパス・フィルタを設けて、使用するｓｉｎ信号の周波数帯域の高調波成分と低周波成分のノイズをとることができるため、ｓｉｎ信号の周波数に対応したバンドパス・フィルタを使用することが望ましい。
ここで、電源投入時等の初期化の状態では、ｓｉｎ信号のドライブと電流・電圧変換回路の抵抗Ｒに接続する個々のスイッチ電極に、指および手等が接していない状態での、ｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘと、ｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙより、入力信号のベクトル値を制御装置に保存する。このときのベクトル値を、オフセット値と呼び、ｓｉｎ信号側をＸｏｆｆｓｅｔ値、ｃｏｓ信号側をＹｏｆｆｓｅｔ値と呼ぶことにする。
そして、指および手とスイッチ電極の状態を計測する場合、ｓｉｎ信号のドライブと、電流・電圧変換回路の抵抗Ｒに接続したスイッチ電極との間の静電容量を計測し、そのときのｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙとから入力信号のベクトル値とオフセット値の差分、式ルート（（Ｘ-Ｘｏｆｆｓｅｔ）の二乗＋（Ｙ-Ｙｏｆｆｓｅｔ）の二乗）を計算する。
この計算した値が、閾値以上の場合は、スイッチ電極の近傍に、指および手が接しているとして、オンと判断し、閾値以下の場合は、スイッチ電極から指および手が離れているとして、オフと判断する。さらに、もう一つ閾値を設けることにより、計算前のスイッチ電極のオンまたはオフの状態に対応した２つの閾値の使用ができ、計算した値に対してスイッチ電極のオンとオフにヒステリシスの制御を行うこともできる。
同様にして、他のスイッチ電極も行う。

ここで、スイッチ電極へ混入するｓｉｎ信号と同じ周波数のノイズを計測する場合には、ドライブする配線の全てを未接続または一定電圧、例えば中間電位やグランドにした状態での、オフセット値はスイッチ駆動電極側からの信号がないため、オフセット値を０とする。そして、計測時は、ｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙから入力信号のベクトル値を式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）にし、この値が、ノイズの混入の有無を判断する値以上のときには、ノイズの混入があると判断して、発振器からの信号の周波数を変更する。
そして、初期化時に、スイッチ電極をドライブするｓｉｎ信号と、同じ周波数のノイズがないかを前述のようにして、ノイズの混入の有無を判断する。ノイズ混入の場合には、発振器で生成する信号周波数を変更し、発振器からの信号を同期発信回路によりｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号に変換して、ｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号の周波数を変更し、再度、ノイズの混入の有無を判断する。ノイズがないと判断した場合は、スイッチ電極の計測を行い、タッチスイッチのオン／オフを行う。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

図１に、実施例１の電極構造図を示す。
タッチスイッチの電極はスイッチ駆動電極１と、スイッチ受信電極２で、平行な直線で形成される。その長さｓは同一あり、その太さｔは基板上の銅パターンであれば０．３ｍｍ〜１ｍｍ、フィルムまたはガラス上の銀ペーストまたはＩＴＯ等であれば０．５ｍｍ〜1mmが望ましい最少寸法であり最大寸法でもある。余分に太くてもノイズの増大と使用面積が大きくなるだけでメリットはない。スイッチ駆動電極１は駆動導通部材３により切替回路１３に接続される。スイッチ受信電極２は受信導通部材４により切替回路１３に接続される。スイッチ電極の長さｓと間隔ｄは、指の大きさ等から５ｍｍ以上が望ましい。最大値は、入力装置全体の耐ノイズ性能と入力に使用する指と本数、手の大きさ等で決まり、入力する指の本数が複数であったり、手での入力であれば長さｓと間隔ｄはより大きくできる。駆動導電部材３は、スイッチ駆動電極１およびスイッチ受信電極２、各々の電極の中心から引き出される。
図２に電極の配置図を示す。
図２−１は厚さ１〜５ｍｍのアクリル板５の下に、一枚の基板６があり、その基板上には左側にスイッチ駆動電極１と接続される駆動導通部材３があり、右側にスイッチ受信電極２と接続される受信導通部材４がある。
図２−２は、図２−１の裏表を逆にしたものである。厚さ１〜５ｍｍのアクリル板５の上に、一枚の基板６があり、その基板６上には、左側にスイッチ駆動電極１と接続される駆動導通部材３があり、右側にスイッチ受信電極２と接続される受信導通部材４がある。
図２−３は、厚さ１〜５ｍｍのアクリル板５の下に、２枚の基板６があり、その基板６上には左側基板６にスイッチ駆動電極１と接続される駆動導通部材３があり、右側基板６にスイッチ受信電極２と接続される受信導通部材４がある。左側基板６と右側基板６の間には何もない。すなわち、左側基板６と右側基板６の間が中空の構造になっている。さらに、アクリル板５も、左側基板６と右側基板６の間と同様に中空にしてもよい。
図２−４は、図２−３の裏表を逆にしたものである。厚さ１〜５ｍｍのアクリル板５の上に、２枚の基板６があり、その基板６上には左側基板６にスイッチ駆動電極１と接続される駆動導通部材３があり、右側基板６にスイッチ受信電極２と接続される受信導通部材４がある。左側基板６と右側基板６の間には何もない。すなわち、左側基板６と右側基板６の間が中空の構造になっている。さらに、アクリル板５も、左側基板６と右側基板６の間と同様に中空にしてもよい。

図３に指と、容量性電界と電極構造図を示す。
厚さ１〜５ｍｍのアクリル板等の下に指数本が十分に入る間隔で２つの電極があり、片方がスイッチ駆動電極であり、もう一方がスイッチ受信電極である。二つの電極の間には容量性電界が発生し、複数本の曲線で表す。図３−１から図３−３は上方から下方に指が下りてきた場合に容量性電界が遮断される様子を表している。
十分に上方に指があると、図３−１に表すように容量性電界はなんら影響を受けない。
中央に指が下りてくると、図３−２に示すように容量性電界が指により遮断され始める。
下方に指が下りてくると、図３−３に示すようにアクリル板上の容量性電界が指により十分に遮断される。
また図３−４のように、指が電極間の左隅にある場合と、指が図３−５ように中央にある場合と、指が図３−６のように右隅にある場合とで遮断される容量性電界量に差はない。
図４に垂直方向から見た容量性電界図を示す。
スイッチ駆動電極１と、スイッチ受信電極２との間および周辺で容量性電界が発生する。特に多くの容量性電界７は電極間に多くあり、両電極の側面から両電極外部に出る容量性電界は少ないことを示している。しかし、電極に近接して指等が置かれることで容量性電界は遮断される。
図５に複数の容量性電界が干渉する図を示す。
図５−１は二つのタッチスイッチの容量性電界が干渉し、入力範囲が一部重複することを示している。
図５−２は、個々のスイッチ電極の組を中性電位またはグランド等でガードしている場合に、容量性電界が干渉しないで、入力範囲が重複しないことを示している。

図６に、実施例１の入力装置であるタッチスイッチのオン／オフを計測する場合の構成図を示す。まず、制御装置２４は、プログラムと定数（例えば閾値）を内蔵するＲＯＭとワーキングメモリを内蔵する。発振器９からの信号をｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号に変換するｓｉｎ信号同期発信回路１０、ｃｏｓ信号同期発信回路１１に信号を出力する。ｓｉｎ信号を受け増幅し、スイッチ駆動電極に供給する増幅回路１２、スイッチ電極群１４のスイッチ駆動電極１を選択する切替回路１３を制御する切替制御回路２３と、スイッチ受信電極からのｓｉｎ信号を受信するスイッチ電極群１４のスイッチ受信電極２を選択する切替回路１３を制御する切替制御回路２３と、バンドパス・フィルタ回路１８よりｓｉｎ信号の周波数帯域に対応した発信器９からの信号からｓｉｎ信号同期発振回路のｓｉｎ信号とｃｏｓ信号同期発振回路のｃｏｓ信号を掛算回路１９に入力する。ローパス・フィルタ２１を介した信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路２２と、同期発信回路１０、１１からのｃｏｓ信号とバンドパス・フィルタ回路１８を介したｓｉｎ信号とを掛算し、ローパス・フィルタ２１を介した信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路２２と、２つのＡ／Ｄ変換のデジタルデータを演算して、タッチスイッチのオンまたはオフ情報を各タッチスイッチのＩ／Ｏとして出力する外部Ｉ／Ｆ２５とから構成している。
ここで、本実施例ではタッチスイッチの数を４個設けたものを例に説明する。タッチスイッチは、コンデンサを形成するスイッチ電極１５のスイッチ電極ＳＷ１の、スイッチ駆動電極１とスイッチ受信電極２との対より構成し、同様に、タッチスイッチＳＷ２はスイッチ駆動電極１とスイッチ受信電極２との対より構成し、タッチスイッチＳＷ３は、スイッチ駆動電極１とスイッチ受信電極２との対より構成し、タッチスイッチＳＷ４は、スイッチ駆動電極１とスイッチ受信電極２との対から構成している。

制御装置２４のＣＰＵによって発振器９から出力する発振周波数を設定し、発振器から
出力する信号を２つの同期発信回路１０，１１より、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を９０度の
位相差に変換して出力する。そして、ｓｉｎ信号は増幅回路１２により、タッチスイッチ
ＳＷ１〜４の４個のスイッチ電極群１４のスイッチ電極ＳＷ１〜４をドライブする線を選
択し、切替回路１３にて接続する。制御装置２４より切替制御回路２３を制御して選択し
たスイッチ電極群１４のスイッチＳＷ１〜４の何れかを介し増幅回路１２で増幅したｓｉ
ｎ信号の電圧により、切替回路１３で選択したスイッチ駆動電極ＳＷ１〜４に対となるス
イッチ電極群１４のスイッチ受信電極２を通じ、電流・電圧変換回路１６により抵抗Ｒを流れる電流は電圧に変換され増幅回路１７へ伝達される。
このとき、接続しないスイッチ電極は、制御装置２４からの指示により切替制御回路２３
により、切替回路１３を制御して、未接続にする。またタッチスイッチＳＷ１〜４のスイ
ッチ電極を介した電流ｉ１〜ｉ４は、抵抗Ｒを通過することで電圧Ｅ１〜Ｅ４に変換し、
増幅回路１７で増幅する。そして、切替制御回路２３を制御して発振器９より出力する信
号によって、生成するｓｉｎ信号の帯域に対応するバンドパス・フィルタ回路１８のバン
ドパス・フィルタを通過し、ｓｉｎ信号の周波数で通過帯域以外の周波数をカットする。
バンドパス・フィルタ回路１８のバンドパス・フィルタにより切替回路１３を介して出力
する周波数は、それぞれ２つの掛算回路１９のＹ側に入力する。２つの掛算回路１９のＸ
側にはｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号を入力する。それぞれの掛算回路１９の通過によって、掛
算回路１９のそれぞれの結果は増幅回路２０によって増幅され、非常に低い周波数帯域を
通過させるローパス・フィルタ２１において、ノイズ信号が消され、ＤＣ信号が取り出さ
れる。そして、それぞれのＤＣ信号はＡ／Ｄ変換器２２でデジタルデータに変換し、制御
装置２４に入力する。制御装置２４は、タッチスイッチＳＷ１から、タッチスイッチＳＷ
２、タッチスイッチＳＷ３、タッチスイッチＳＷ４の順番に、切替制御回路２３で切替回
路１３を逐次制御して、デジタルデータを得る。
装置２４に入力する。制御装置２４は、タッチスイッチＳＷ１から、タッチスイッチＳＷ
２、タッチスイッチＳＷ３、タッチスイッチＳＷ４の順番に、切替制御回路２３で切替回
路１３を逐次制御して、デジタルデータを得る。

図７に、実施例１のタッチスイッチのオン／オフを計測する場合の掛算回路１９の波形図を示す。掛算回路１９のＸ入力には、ｓｉｎ信号１０あるいはｃｏｓ信号１１を入力する。抵抗Ｒの片側はグランドに接続する。反対側は図６に示すように、増幅回路１７、バンドパス・フィルタ回路１８を通過したｓｉｎ信号が切替回路１３を介してタッチスイッチを構成するスイッチ受信電極２に接続する。
例えば、人間の指等が、接続しているスイッチ電極群１４のタッチスイッチＳＷ１に近づくと、スイッチ受信電極２に流れる電流ｉ１は、指等によりスイッチ駆動電極１からスイッチ受信電極２への容量性電界が遮蔽され、人に電流が流れて変化し、抵抗Ｒの両端に電位差Ｅ１に変化が発生する。これを掛算回路１９のＹに入力することでＸとＹの入力信号は、掛算され真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり、次のローパス・フィルタ２１を通すことでＤＣ信号になる。タッチスイッチＳＷ１を構成する電極に他の周波数成分であるノイズが混入しても、ノイズの周波数は全てｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算によりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタ２１を通すことでなくすことができる。このようにして、人間の指等が、タッチスイッチに近づいていることを把握することができる。

図８に、本発明の入力信号レベルと位相差図を示す。図７の掛算回路１９でｓｉｎ信号
と掛算された入力信号はｓｉｎによる検出信号になり、ｃｏｓ信号と掛算された入力信号
はｃｏｓによる検出信号になる。ここで、電源投入時等の初期化の状態で、タッチスイッ
チＳＷ１〜４を構成するスイッチ電極群１４のスイッチ駆動電極１と、対になるスイッチ
受信電極２のタッチスイッチに指および手等が接しいていない状態での、ｓｉｎ信号と
の掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号ＹとからＡ／Ｄ変換器２２
を介して計測し、計測した値をベクトル値とし、特に、電源投入時等でのベクトル値をオ
フセット値と呼ぶ。そして、そのオフセット値のｓｉｎ信号側をＸｏｆｆｓｅｔ値、ｃｏ
ｓ信号側をＹｏｆｆｓｅｔ値とする。そして、計測を行うときには、そのときのｓｉｎ信
号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙとから入力信号のベ
クトル値とオフセット値の差分、式ルート（（Ｘ-Ｘｏｆｆｓｅｔ）の二乗＋（Ｙ-Ｙｏｆ
ｆｓｅｔ）の二乗）を計算する。また、位相差は式アークタンジェント（（Ｘ-Ｘｏｆｆ
ｓｅｔ）／（Ｙ-Ｙｏｆｆｓｅｔ））から求められる。
入力信号のベクトル値、位相差を求め利用することは、精度が要求される位置座標検出等
にはとても有効な手段である。

図９に指とスイッチ電極との関係を示す。
図９−１は指がタッチスイッチを構成する電極より遠く離れている場合である。人間の指２６が、タッチスイッチを構成するスイッチ駆動電極１とスイッチ受信電極２の間隔よりも遠く離れていても、指２６とスイッチ駆動電極１の間には静電容量は発生する。しかし、静電容量が非常に小さいため、電流Δｉがスイッチ駆動電極１から指を介して大地にほとんど流れないために供給しているｓｉｎ信号の電流ｉは、そのままスイッチ受信電極２に伝わる。信号の電圧レベルは同じ程度のため、その後のｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号との掛算回路１９を通った信号は変化しない。

図９−２は指が、タッチスイッチを構成するスイッチ電極に近づく、または接触した場合である。人間の指とタッチスイッチを構成するスイッチ駆動電極１と指２６の間に静電容量が発生し、電流Δｉが指を介して大地に流れだし、電流Δｉを失うため、スイッチ受信電極２ではｓｉｎ信号の電圧は、小さくなる。その後のｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号との掛算回路１９を通った信号は小さくなる。

人間の指が、タッチスイッチを構成するスイッチ電極群１４のスイッチ電極ＳＷ１〜４に指がふれていない時の電流ｉ１〜４を前もって測定し、指がふれたときの電流Δｉ１〜４をタッチスイッチ１〜４がオン状態となる閾値とすることで、タッチスイッチとして動作する。

図１０にｓｉｎ信号掛算波形図を示す。ａ・ｓｉｎαとｂ・ｓｉｎαを掛けると式は、 （ａ・ｓｉｎα）・（ｂ・ｓｉｎα）＝（ａ・ｂ／２）−（ａ・ｂ・ｃｏｓ２α）／２となり、ａ・ｂ／２だけ加えられたところに２倍の周波数の半分になったｃｏｓ信号がある。この演算結果が十分低いローパス・フィルタ２１を通過するとｃｏｓ信号分が０となり、ａ・ｂ／２の定数のみになる。この式によりａ・ｓｉｎαの周波数以外のノイズ周波数が混入してもノイズ周波数をカットし、ノイズ周波数による影響はなくなる。

１ スイッチ駆動電極
２ スイッチ受信電極
３ 駆動導通部材
４ 受信導通部材
５ アクリル板
６ 基板
７ 容量性電界
８ ガード電極
９ 発振器
１０ ｓｉｎ信号同期発振回路
１１ ｃｏｓ信号同期発信回路
１２ 増幅回路
１３ 切替回路
１４ スイッチ電極群
１５ スイッチ電極
１６ 電流・電圧変換回路
１７ 増幅回路
１８ バンドパス・フィルタ回路
１９ 掛算回路
２０ 増幅回路
２１ ローパス・フィルタ回路
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ 切替制御回路
２４ 制御装置
２５ 外部Ｉ／Ｆ
２６ 指

Claims (4)

1. 絶縁体に導電性材料からなる複数のスイッチ電極を配置し、該複数のスイッチ電極を互いに平行に設け、それぞれ平行に設けたスイッチ電極の一方をスイッチ駆動電極、もう一方をスイッチ受信電極とし、前記それぞれのスイッチ電極は導通部材を接続したタッチスイッチであり、前記導通部材に接続する複数のスイッチ電極の前記スイッチ駆動電極と、スイッチ受信電極との間の静電容量変化を計測する為に、信号を生成する発振器と、前記信号を同期がとられたｓｉｎ信号と、ｃｏｓ信号に変換する同期発信回路と、前記ｓｉｎ信号を印加したスイッチ駆動電極をドライブするために、当該スイッチ駆動電極に接続される配線と、他のスイッチ受信電極に接続される配線を切り替える切替回路と、前記複数のスイッチ電極のスイッチ駆動電極と、スイッチ受信電極とに接続された、前記導電部材との間に流れる電流を電圧に変換する電流・電圧回路と、前記電流・電圧変換回路により、電流・電圧変換された前記電圧信号と、前記同期がとられたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号とを掛け算する掛け算回路と、該掛け算回路により得られたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数を安定化したＤＣ信号に変換するローパス・フィルタ回路と、前記変換されたＤＣ電圧を計測するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器により変換されたＤＣ電圧を演算し、しきい値とを比較しスイッチのＯＮ、ＯＦＦを判断する制御装置とを備える静電容量結合方式静電センサー。
2. 請求項１記載の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ駆動電極とスイッチ受信電極の間が中空であることを特徴とする静電容量結合方式静電センサー。
3. 請求項１記載の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ駆動電極およびスイッチ受信電極に至る駆動導通部材がスイッチ駆動電極および受信導通部材がスイッチ受信電極の中心から引出されることを特徴とする静電容量結合方式静電センサー。
4. 請求項１記載の静電容量結合方式静電センサーにおいて、スイッチ駆動電極およびスイッチ受信電極の電極周辺を中間電位またはグランドで囲むことを特徴とする静電容量結合方式静電センサー。
   

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