(57)【要約】【課題】入力操作面に透明部材を配置することなく、背面側に配置されるディスプレーの視認性に優れた静電容量式タッチパネルを提供する。【解決手段】複数の各検出電極と入力操作体間の静電容量を介して、各検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルがその検出電極と入力操作体間の距離にほぼ比例することから、各検出電極毎に検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体と各検出電極の配置位置との相対距離を比較し、入力操作体の入力操作位置を検出する。【選択図】図１
2013018120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに絶縁して複数の検出電極が配置され、各検出電極の配置位置と、各検出電極と入力操作体との静電容量とから、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であって、
絶縁ケースに所定間隔を隔てて配置される複数の検出電極と、
入力操作体と複数の各検出電極との相対電位が変動する交流検出信号を発信する発信手段と、
前記各検出電極と入力操作体間の静電容量を介して、前記各検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段と、
前記信号検出手段が前記各検出電極毎に検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体と前記各検出電極の配置位置との相対距離を比較し、入力操作体の入力操作位置を検出する入力位置検出手段とを備えたことを特徴とする静電容量式タッチパネル。
【請求項２】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベル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】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項４】
それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が、前記絶縁ケースに形成された窓孔のＸ方向で対向する内縁に沿って配置され、
入力位置検出手段は、検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＸ方向で対向する前記内縁との相対距離を比較し、前記窓孔の開口面を入力操作面とするＸ方向の入力操作位置ｘを検出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５】
それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が、Ｘ方向に直交する前記窓孔のＹ方向で対向する内縁に沿って配置され、
入力位置検出手段は、検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＹ方向で対向する前記内縁との相対距離を比較し、前記窓孔の開口面を入力操作面とするＹ方向の入力操作位置ｙを検出することを特徴とする請求項４に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項６】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項７】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項８】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項７に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項９】
前記窓孔は矩形状に形成され、
前記窓孔で対向する前記一組の検出電極の一方を基準検出電極、他方を対向検出電極とし、
入力位置検出手段は、前記一組の検出電極間の対向方向の距離Ｌ、前記一組の検出電極と入力操作体間の交流検出信号の出力レベルＶｓと、前記基準検出電極と前記対向検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルＶ０、Ｖ１とから、前記基準検出電極から前記対向検出電極に向かう対向方向の入力操作位置ｒを検出するとともに、前記窓孔の平面に直交するＺ方向の入力操作位置ｚを検出することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１０】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項９に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１１】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項９に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１２】
それぞれ細長帯状に形成された複数の分割検出電極が、Ｘ方向若しくはＹ方向に平行な前記窓孔の内縁に沿って互いに絶縁して配置され、
入力位置検出手段は、前記各分割検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルを比較し、最大の受信レベルが検出された前記分割検出電極の配置位置から、前記分割検出電極の配置方向に沿ったＸ方向若しくはＹ方向の入力操作位置を検出することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１３】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１４】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指などの入力操作体が接近して指との静電容量が増大する検出電極の配置位置から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タッチパネルには、入力操作位置の検出方法の相違から静電容量方式、抵抗膜方式、光学式など種々の検出方式のタッチパネルが用いられている。このうち、抵抗方式タッチパネルは、単位長さあたりの抵抗値が均一となる抵抗皮膜を入力操作面に沿って配置し、検出電極と入力操作位置との抵抗値から両者の距離を特定し、入力操作位置を検出するが、その背面側に設置されるディスプレーが目視できるように、入力操作面の表面若しくは背面に沿って配置される検出電極や抵抗膜を高価な透明体で形成する必要があり、透明体としても透過率が低下するので、ディスプレーが見づらいという問題がある。【０００３】
また、光学式タッチパネルは、入力操作面の周囲に複数対の発光素子と受光素子を配設して入力操作面に沿って格子状の光路を形成し、入力操作により光路が遮られた対となる発光素子と受光素子の配設位置から入力操作位置を検出するが、同様に、複数対の発光素子と受光素子を設ける必要があるために高価であるとともに、入力操作面上の異物によっても光路が遮られ、誤認識が頻繁に発生した。【０００４】
静電容量式タッチパネルは、入力操作により入力操作体が接近する検出電極の浮遊容量（入力操作体と検出電極間の静電容量）が増大することに着目し、入力操作体と検出電極間の静電容量の変化から検出電極が配置された入力操作面への入力操作位置を検出するもので、従来は、多数のＸ側検出電極とＹ側検出電極を絶縁基板の表裏で交差するようにマトリックス状に形成し、指などの入力操作体を接近させた付近で静電容量が増加するＸ側検出電極及びＹ側検出電極の配置位置から入力操作体による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（特許文献１）。【０００５】
しかしながら、この静電容量式タッチパネルは、入力操作面に沿って多数のＸ側検出電極とＹ側検出電極を配置し、背面側のディスプレーを目視できるように透明体で形成する必要があり、高価になるという抵抗膜方式と同様な課題があり、更に、入力操作位置の検出分解能を上げるには、多数のＸ側検出電極とＹ側検出電極を密に配置する必要があり、全ての検出電極についての静電容量の変化を検出するので、短時間に入力操作位置を検出できなかった。【０００６】
そこで、入力操作面の周囲にのみ検出電極を配置し、入力操作体と検出電極間の静電容量の変化から入力位置を検出する静電容量式タッチパネルが提案されている（特許文献２）。この特許文献２に記載の静電容量式タッチパネルは、高誘電率の誘電体からなる感触部材を入力操作面に沿った全体に配置し、入力操作位置と検出電極間の静電容量を、空気中に比べて誘電率の高い感触部材により拡大し、検知感度を上げて検出する静電容量の変化から入力操作面上の入力操作位置を検出している。【０００７】
また、入力操作面の周囲に検出電極を配置し、三次元の入力操作を検出可能とした静電容量式検出装置も知られている（特許文献３）。この特許文献３に記載の静電容量式検出装置は、入力操作面の周囲の検出方向（例えば、Ｘ方向）で対向する両側に一対の検出電極と、同一入力操作面上で一対の検出電極から等距離に駆動電極を配置する。入力操作面へ別の誘電体である入力操作体の入力操作があると、これらの一対の各検出電極と駆動電極間の静電容量がそれぞれ入力操作体により遮られて変化するので、入力操作により変化する各検出電極についての静電容量の差分からＸ方向の入力操作位置を検出する。【０００８】
Ｘ方向に直交するＹ方向の入力操作位置の検出は、上記入力操作面の周囲のＹ方向で対向する両側に一対の検出電極と、同一入力操作面上で一対の検出電極から等距離に駆動電極を配置し、同様にして、Ｙ方向の入力操作位置を検出する。特許文献３に記載の検出装置では、Ｘ方向とＹ方向の入力操作位置を検出する際に、検出電極と駆動電極を切り換えて同一の電極を兼用し、入力操作面の周囲に配置する電極数を半減させている。【０００９】
また、ＸＹ平面に直交するＺ方向の入力操作位置の検出は、前記入力操作面に直交する別の入力操作面を想定して、更にその周囲にＺ方向で対向する一対の検出電極と一対の検出電極から等距離の駆動電極を配置し、同様にして、Ｚ方向の入力操作位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３３７７７３号公報
【特許文献２】特開平８−１７１４４９号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００８／０９３６８３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式タッチパネルは、入力操作面上に多数の検出電極を配置するので、背面側にディスプレーを配置する場合には、透明導電体とする必要があるとともに、透明導電体としても完全な透明体ではないので、その透過率に限界があり、背面側のディスプレーの視認性にかけるという問題がある。【００１２】
この問題を解決するために入力操作面上に検出電極を配置しない構成とした特許文献２に記載の静電容量タッチパネルであっても、入力操作面に平行に感触部材を配置するので、透過率低下の問題は本質的に解決できない。【００１３】
また、指などの入力操作体を感触部材に触れて入力操作を行わなければ、入力操作体と検出電極間の静電容量が大幅に変化しないので、感触部材に触れて入力操作を行う必要があり、入力操作面に平行な二次元の入力操作位置の検出に限られる。更に、感触部材に触れなければ入力操作を行うことができないので操作性が損なわれるとともに、入力操作体が触れて透明体とする感触部材が汚れ、美観が損なわれたり、透過率が低下する問題がある。【００１４】
特許文献３に記載の静電容量式検出装置は、三次元の入力操作が検出できるが、互いに直交する二種類の入力操作面を想定して、各入力操作面毎にその平面上に少なくとも一対の検出電極と駆動電極を配置する必要がある。【００１５】
また、この従来の静電容量式検出装置は、入力操作体と検出電極との静電容量を直接検出して両者の距離を求めるものでなく、入力操作体が介在することによる一対の各検出電極と駆動電極間の静電容量の変化は、必ずしも入力操作体と検出電極間の距離に比例しないので、両者の差分からは、検出方向に沿った入力操作体の大凡の相対移動（入力操作のモーション）が検出できるだけであり、入力操作位置までは検出できない。【００１６】
更に、入力操作面に沿って配置された検出電極と駆動電極間の静電容量の変化から入力操作を検出するので、入力操作面から離れた入力操作に対しては急激に検出精度が低下し、検出電極と駆動電極が配置された平面から離れた三次元の入力操作は検出できない。【００１７】
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、入力操作面に接近するだけの非接触の入力操作の入力操作位置を検出可能な静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。【００１８】
また、入力操作面に透明部材を配置することなく、背面側に配置されるディスプレーの視認性に優れた静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。【００１９】
また、入力操作面の周囲に限られた数の検出電極を配置するだけで、入力操作面に平行なＸＹ方向と直交するＺ方向の入力操作位置を検出可能な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】
【００２０】
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、互いに絶縁して複数の検出電極が配置され、各検出電極の配置位置と、各検出電極と入力操作体との静電容量とから、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であって、絶縁ケースに所定間隔を隔てて配置される複数の検出電極と、入力操作体と複数の各検出電極との相対電位が変動する交流検出信号を発信する発信手段と、各検出電極と入力操作体間の静電容量を介して、各検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段と、信号検出手段が各検出電極毎に検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体と各検出電極の配置位置との相対距離を比較し、入力操作体の入力操作位置を検出する入力位置検出手段とを備えたことを特徴とする。【００２１】
検出電極と入力操作体間の静電容量Ｃｍは、検出電極と入力操作体間の距離をｄ、真空の誘電率をε０、空気の比誘電率εを約１、入力操作体と検出電極の対向面積をｓとして、【００２２】
【数１】
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【００２３】
で表され、静電容量Ｃｍに比例する交流検出信号の受信レベルＶｉは、検出電極と入力操作体間の距離ｄに反比例する。【００２４】
入力位置検出手段は、信号検出手段が各検出電極毎に検出した交流検出信号の受信レベルＶｉを比較することにより、各検出電極と入力操作体間の距離が得られる。【００２５】
交流検出信号の出力レベルＶｓと、入力操作位置の検出方向に沿って配置される一対の検出電極間の検出方向の距離Ｌと、一対の各検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルＶ０、Ｖ１が得られれば、検出方向に沿った入力操作位置と、検出方向に直交する方向の入力操作位置を検出でき、互いに直交するＸＹ方向にそれぞれ一対の検出電極を配置すれば、ＸＹ方向とＸＹ平面に直交するＺ方向の３次元の入力操作位置を検出できる。【００２６】
請求項４の静電容量式タッチパネルは、それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が、絶縁ケースに形成された窓孔のＸ方向で対向する内縁に沿って配置され、入力位置検出手段は、検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＸ方向で対向する内縁との相対距離を比較し、窓孔の開口面を入力操作面とするＸ方向の入力操作位置ｘを検出することを特徴とする。【００２７】
細長帯状に形成された一組の検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が、絶縁ケースに形成された窓孔のＸ方向で対向する内縁に沿って配置されるので、検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が両側に配置された窓孔の平面への入力操作では、入力操作位置は、Ｘ方向で検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１を結ぶ直線上に位置する。【００２８】
窓孔のＸ方向で対向する検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１間の距離をＬｘ、検出電極Ｘ０の受信レベルをＶｘ０、検出電極Ｘ１の受信レベルをＶｘ１、検出電極と入力操作体間の距離ｄに反比例する受信レベルＶｘ１の比例定数をｋ、とすると、一組の検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が対向する窓孔内の入力操作面へ入力操作を行ったときの検出電極Ｘ０から検出電極Ｘ１に向かうＸ方向の入力操作位置ｘは、【００２９】
【数２】
2013018120.tif 000004
【００３０】
で表され、入力位置検出手段は、既知の距離Ｌｘと、信号検出手段が検出した受信レベルＶｘ０、Ｖｘ１とから、Ｘ方向の入力操作位置ｘを検出する。【００３１】
請求項５の静電容量式タッチパネルは、それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が、Ｘ方向に直交する窓孔のＹ方向で対向する内縁に沿って配置され、入力位置検出手段は、検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＹ方向で対向する内縁との相対距離を比較し、窓孔の開口面を入力操作面とするＹ方向の入力操作位置ｙを検出することを特徴とする。【００３２】
細長帯状に形成された一組の検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が、絶縁ケースに形成された窓孔のＹ方向で対向する内縁に沿って配置されるので、検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が両側に配置された窓孔の平面への入力操作では、入力操作位置は、Ｙ方向で検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１を結ぶ直線上に位置する。【００３３】
窓孔のＹ方向で対向する検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１間の距離をＬｙ、検出電極Ｙ０の受信レベルをＶｙ０、検出電極Ｙ１の受信レベルをＶｙ１、検出電極と入力操作体間の距離ｄに反比例する受信レベルＶｙ１の比例定数をｋ、とすると、一組の検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が対向する窓孔内の入力操作面へ入力操作を行ったときの検出電極Ｙ０から検出電極Ｙ１に向かうＹ方向の入力操作位置ｙは、【００３４】
【数３】
2013018120.tif 000005
【００３５】
で表され、入力位置検出手段は、既知の距離Ｌｙと、信号検出手段が検出した受信レベルＶｙ０、Ｖｙ１とから、Ｙ方向の入力操作位置ｙを検出する。【００３６】
請求項９の静電容量式タッチパネルは、窓孔が矩形状に形成され、窓孔で対向する一組の検出電極の一方を基準検出電極、他方を対向検出電極とし、入力位置検出手段は、前記一組の検出電極間の対向方向の距離Ｌ、前記一組の検出電極と入力操作体間の交流検出信号の出力レベルＶｓと、前記基準検出電極と前記対向検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルＶ０、Ｖ１とから、前記基準検出電極から前記対向検出電極に向かう対向方向の入力操作位置ｒを検出するとともに、前記窓孔の平面に直交するＺ方向の入力操作位置ｚを検出することを特徴とする。【００３７】
対抗方向に沿った基準検出電極と入力操作位置間の距離をｒとすれば、【００３８】
【数４】
2013018120.tif 000006
【００３９】
【数５】
2013018120.tif 000007
【００４０】
の２式から、検出方向の入力操作位置ｒとＺ方向の入力操作位置ｚが得られる。【００４１】
請求項１２の静電容量式タッチパネルは、それぞれ細長帯状に形成された複数の分割検出電極が、Ｘ方向若しくはＹ方向に平行な前記窓孔の内縁に沿って互いに絶縁して配置され、入力位置検出手段は、前記各分割検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルを比較し、最大の受信レベルが検出された前記分割検出電極の配置位置から、前記分割検出電極の配置方向に沿ったＸ方向若しくはＹ方向の入力操作位置を検出することを特徴とする。【００４２】
入力操作体に最も接近した分割検出電極と入力操作体間の静電容量Ｃｍが他の分割検出電極に比べて最大となるので、交流検出信号の最大の受信レベルが検出される。従って、窓孔の内縁に沿って一方向に配列する検出電極のみで、配列方向の入力操作位置を検出できる。【００４３】
分割検出電極と窓孔を介して対向する内縁に別の検出電極を配置すれば、配列方向に直交する対向方向の入力操作位置を検出でき、窓孔の対向する一対の内縁に検出電極を配置するだけで、窓孔の開口面を入力操作面とするＸＹ方向の入力操作位置を検出できる。【００４４】
請求項３、請求項７、請求項１１、請求項１４の静電容量式タッチパネルは、前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする。【００４５】
導電層を接地させれば、入力操作体と検出電極の背面側が導電層によって遮蔽されることにより、周囲の配線パターンや電子部品などの導電体による浮遊容量の影響を受けにくく、入力操作体と検出電極間の静電容量を正確に検出できる。【００４６】
また、導電層の電位を監視し、入力操作体と導電層の接触による電位変動を検出する監視手段を設ければ、入力操作位置の検出と別に導電層に入力操作体を触れる入力操作自体も検出できる。【００４７】
請求項２、請求項６、請求項８、請求項１０、請求項１３の静電容量式タッチパネルは、信号検出手段が、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする。【００４８】
入力操作体と検出電極間の微小な静電容量に応じて検出電極に表れる交流検出信号が、交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分されるので、信号検出手段は、拡大させた交流検出信号の受信レベルから入力操作位置を検出できる。
【発明の効果】
【００４９】
請求項１の発明によれば、指などの入力操作体を入力操作面へ接近するだけの非接触の入力操作の入力操作位置を検出できる。【００５０】
また、入力操作面の周囲に限られた数の検出電極を配置するだけで、入力操作面に平行なＸＹ方向の入力操作位置に加え、入力操作面に直交するＺ方向の入力操作位置を検出できる。【００５１】
請求項４の発明によれば、絶縁ケースの窓孔の開口面を入力操作面として、入力操作面に透明電極や透明誘電体からなる感触部材を配置することなくＸ方向の入力操作位置を検出でき、背面側に配置されるディスプレーを透明部材を介在させることなく直接目視できる。【００５２】
また、入力操作体が接触する透明部材を介在させないので、指などの入力操作体が触れて透明部材が汚れ、ディスプレーが見づらくなるという問題がない。【００５３】
請求項５の発明によれば、絶縁ケースの窓孔の開口面を入力操作面として、入力操作面に透明電極や透明誘電体からなる感触部材を配置することなく、入力操作面に沿ったＸＹ方向の入力操作位置を検出でき、背面側に配置されるディスプレーを透明部材を介在させることなく直接目視できる。【００５４】
また、４本の細長帯状の検出電極を用いるだけで、窓孔内に指などの入力操作体を挿入させるだけの非接触の入力操作であっても、そのＸＹ方向の二次元の入力操作位置を検出できる。【００５５】
請求項９の発明によれば、絶縁ケースの窓孔を入力操作面として、入力操作面に沿った検出方向の入力操作位置と、入力操作面に直交する方向の入力操作位置を検出できる。【００５６】
また、４本の細長帯状の矩形上の窓孔の内縁に沿って配置するだけで、窓孔内に指などの入力操作体を挿入させるだけの非接触の入力操作であっても、その窓孔の平面に沿ったＸＹ方向入力位置と、窓孔の平面に直交するＺ方向の入力位置の三次元の入力操作位置を検出できる。従って、経過時間と共にＺ方向に変化する入力操作位置から、入力操作面と直交する方向の入力操作自体を検出でき、例えば、入力操作面へ入力操作体を加速して接近させる操作をマウスの左クリック相当する入力操作として認識することができる。【００５７】
請求項１２の発明によれば、窓孔で対向する内縁に沿って一組の検出電極を配置することなく、分割検出電極の配列方向に沿った入力操作位置を検出でき、分割検出電極と窓孔を介して対向する内縁に別の検出電極を配置すれば、窓孔の対向する一対の内縁に検出電極を配置するだけで、窓孔の開口面を入力操作面とするＸＹ方向の入力操作位置を検出できる。【００５８】
請求項３、請求項７、請求項１１、請求項１４の発明よれば、導電層を接地することにより、入力操作体と検出電極間の距離に比例して減少する交流検出信号の受信レベルを、周囲の導電体の影響を受けずに、より正確に検出できる。【００５９】
また、導電層の電位を監視する監視手段を設けることにより、導電層に入力操作体を触れる入力操作を検出できる。【００６０】
請求項２、請求項６、請求項８、請求項１０、請求項１３の発明よれば、入力操作体と検出電極間の３０ｆＦ程度の微小な静電容量を拡大させた交流検出信号の受信レベルから検出でき、高誘電率の接触部材を介在させることなく、非接触で検出電極に接近する入力操作体との距離を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る静電容量式タッチパネル１の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】静電容量式タッチパネル１を示すブロック図である。
【図４】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５】図３の信号検出回路１３と積分処理回路１４の詳細を示す回路図である。
【図６】静電容量式タッチパネル１の信号検出回路部の等価回路図である。
【図７】図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す各部の電圧波形図である。
【図８】本発明の第２実施の形態に係る静電容量式タッチパネル５０の平面図である。
【図９】本発明の第３実施の形態に係る静電容量式タッチパネル５１の平面図である。
【図１０】本発明の第４実施の形態に係る静電容量式タッチパネル５２の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、本発明の第１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、長方形枠状の絶縁ケース２０とすることにより、その内方に横長長方形の窓孔２１が形成され、窓孔２１の開口面を入力操作体である指３０を接近させて入力操作を行う入力操作面２１ａとしている。窓孔２１に隣接する絶縁ケース２０の内縁２０ａは、図２に示すように、窓孔２１の中心に向かって下方に傾斜する傾斜面となっていて、互いに直交する４辺の内縁２０ａの表面に、それぞれＸ方向で対向する一組の検出電極Ｘ０、Ｘ１とＹ方向で対向する一組の検出電極Ｙ０、Ｙ１が一体に取り付けられている。
【００６３】
各検出電極１１（Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１）は、それぞれ細長帯状に形成され、取り付けられる内縁２０ａに沿ったほぼ全体に配置される。これにより、入力操作面２１ａのいずれの位置に指３０をおいても、指３０が全ての検出電極１１に対向するようになっている。ここでは、各検出電極１１を傾斜する内縁２０ａに沿って配置することにより、入力操作面２１ａの上方に指３０が配置された際に、指３０との対向面積が最大となり、後述する静電容量Ｃｍが小さい値とならないようにしている。
【００６４】
図３に示すように、各検出電極１１を含むタッチパネル１を構成する主要回路部品は、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。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。
【００６５】
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の交流検出信号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。
【００６６】
交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆを発信する発信手段となる発振回路１５は、振動側回路基板３に搭載され、二股に分岐してそれぞれ直流電圧を遮断するキャパシタンスＣ’のコンデンサ１７、１８を介して交流検出信号ＳＧ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に接続している。これにより、図３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の交流検出信号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。交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆは、任意に調整することができるが、ここでは、１８７ｋＨｚの固有発振周波数の交流検出信号ＳＧを出力する。
【００６７】
固有周波数ｆの交流検出信号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みなされ、基準電源回路４と振動電源回路７は、図４の等価回路図で示される。
【００６８】
図４に示すように、振動電源回路７側の発振回路１５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の交流検出信号ＳＧが流れる閉回路において直列に接続され、交流検出信号ＳＧの振幅（レベル）をＶｓｇ、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Ｖｓ、２πｆで表される角速度をω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすれば、
【００６９】
【数６】
2013018120.tif 000008
【００７０】
で表される。
ここで、図３に示す回路は、ω２ＬＣ’＝１で直列共振し、そのときの周波数ｆ０は、
【００７１】
【数７】
2013018120.tif 000009
【００７２】
となる。
【００７３】
つまり、（２）式の関係から得られる共振周波数ｆ０を、交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆとすれば、交流検出信号ＳＧのレベルに対して、（１）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に接続する各検出電極１１の電位も無限大に振動させることができる。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、（２）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に交流検出信号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、交流検出信号ＳＧのレベルＶｓｇに対して有限倍率に拡大された振幅Ｖｓで振動する。
【００７４】
更に、操作者の指３０が触れることのある各検出電極１１に大電圧を加えることはできないので、交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆを共振周波数ｆ０の近傍で調整し、各検出電極１１が相対的に振動する交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓを任意に設定し、ここでは、出力レベルＶｓを５Ｖとしている。
【００７５】
また、交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆについても、任意の周波数とすることができるが、商用交流電源線の周囲では、入力操作体３０が定電位ではなく商用交流電源の周波数のコモンモードノイズが重畳することがあるので、各検出電極１１から商用交流電源の周波数と識別して固有周波数ｆの交流検出信号ＳＧを検出する必要があり、商用交流電源の周波数とその高調波を除く周波数とすることが好ましい。
【００７６】
上述の各検出電極１１は、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。全ての各検出電極１１が高圧振動電源線ＳＶＣＣに接続することによって、交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓで固有周波数ｆで振動する一方、足下などの一部が接地している操作者の指３０の電位は定電位であるので、両者の間には、交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓの電圧が発生し、指３０が接近して指３０との静電容量Ｃｍが増大する検出電極１１では、検出電極１１から指３０へ静電容量Ｃｍを介して固有周波数ｆの交流検出信号ＳＧがあらわれる。これを、固有周波数ｆで振動する振動電源回路７からみれば、定電位の検出電極１１に対して入力操作体である指３０が交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆで振動する。
【００７７】
各検出電極１１と入力操作体３０間の静電容量Ｃｍは、検出電極と入力操作体間の距離をｄ、真空の誘電率をε０、空気の比誘電率εを約１、入力操作体３０と検出電極１１の対向面積をｓとして、Ｃｍ＝ε０・εｒ・ｓ／ｄで表され、この静電容量Ｃｍの交流検出信号に対するリアクタンスＸｃは、交流検出信号の固有周波数がｆであるので、
【００７８】
【数８】
2013018120.tif 000010
【００７９】
から、
【００８０】
【数９】
2013018120.tif 000011
【００８１】
で表される。
【００８２】
図６は、検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを検出する信号検出回路部全体の等価回路図であり、図中、Ｃｐは、検出電極１１と低圧振動電源線ＳＧＮＤ間の浮遊容量、ｒｐは、検出電極１１の内部抵抗値、Ｒ４は、出力抵抗の抵抗値である。  図中の等価回路図では、
【００８３】
【数１０】
2013018120.tif 000012
【００８４】
【数１１】
2013018120.tif 000013
【００８５】
【数１２】
2013018120.tif 000014
【００８６】
【数１３】
2013018120.tif 000015
【００８７】
の関係が成り立ち、（３）式乃至（６）式から、
【００８８】
【数１４】
2013018120.tif 000016
【００８９】
の関係が得られる。
【００９０】
内部抵抗ｒｐを０とし、Ｒ４がマルチプレクサ１２を介して後述する積分用オペアンプＡ／Ｄ２５に接続されるので無限大とすれば、（７）式は、
【００９１】
【数１５】
2013018120.tif 000017
【００９２】
と置き換えられ、更に
数１０ｐＦの浮遊容量Ｃｐに比べて静電容量Ｃｍは数１０ｆＦと極めて小さいので、（７）式は、更に
【００９３】
【数１６】
2013018120.tif 000018
【００９４】
で表される。
【００９５】
上述の通り、入力操作体３０と検出電極１１のＣｍは、
【００９６】
【数１７】
2013018120.tif 000019
【００９７】
で表されるので、これを（８）式に代入して変形すれば、
【００９８】
【数１８】
2013018120.tif 000020
【００９９】
となり、入力操作中に指３０と検出電極１１との対向面積ｓがほぼ変化しないものとして、（９）式中の（ε０・εｒ・ｓ／Ｃｐ）は、定数であるので、これを１／ｋとおけば、検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉは、
【０１００】
【数１９】
2013018120.tif 000021
【０１０１】
となり、指３０との距離ｄが近い検出電極１１ほど、受信レベルＶｉが交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓに近づく大きな値となる。ただし、指３０が検出電極１１に近接し、その間の静電容量Ｃｍが数１０ｐＦの浮遊容量Ｃｐに比べて無視できない程度に大きくなった場合には（１０）式を適用できず、受信レベルＶｉは最大で出力レベルＶｓとなる。
【０１０２】
（１０）式を用いれば、複数の各検出電極１１に表れる交流検出信号の受信レベルＶｉを比較して、指３０と各検出電極１１間の距離を比較することができ、本実施の形態では、各検出電極１１（Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１）の配置位置と、各検出電極１１（Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１）の受信レベルＶｉとから、入力操作面２１ａに平行なＸＹ方向の入力操作位置（ｘ、ｙ）と入力操作面２１ａに直交するＺ方向の入力操作位置ｚの３次元の入力操作位置を検出する。
【０１０３】
この入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）を検出するために、図３に示すように、振動側回路基板３には、アナログマルチプレクサ１２、信号処理回路１３、積分処理回路１４、Ａ／Ｄコンバータ１９、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。
【０１０４】
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、一定の周期、ここでは２００ｍｓｅｃ毎に、各検出電極１１を信号処理回路１３へ切り換え接続し、各検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧを順に信号処理回路１３へ出力している。
【０１０５】
図５に示すように、信号処理回路１３は、交流検出信号の固有周波数ｆを中心とする周波数帯域の信号を通過させる共振回路２３と、インピーダンス変換用の増幅回路２４と、これらの間に直列に接続される第１アナログスイッチＡＳＷ１とからなっている。共振回路２３は、アナログマルチプレクサ１２を介して接続する検出電極１１に表れる信号から、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し、交流検出信号ＳＧのみを後段の増幅回路２４へ出力する。増幅回路２４は、入力インピーダンスが無限大に近く、出力インピーダンスが微小値であるインピーダンス変換素子で、検出電極１１に表れる微弱な交流検出信号ＳＧであっても、その出力側に接続される積分処理回路１４が動作するようにしている。
【０１０６】
第１アナログスイッチＡＳＷ１は、ＭＰＵ１０により開閉制御され、積分処理回路１４が後述する積分動作を行っている積分動作期間（Ｔｉｎｔ）中に共振回路２３と増幅回路２４間を接続し、後述するオフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）中に遮断する。これにより、オフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）中に、交流検出信号ＳＧが積分処理回路１４に出力されないようにしている。
【０１０７】
積分処理回路１４は、図５に示すように、積分用オペアンプ２５と、信号処理回路１４の出力と積分用オペアンプ２５の反転入力端子間に接続された積分用抵抗Ｒ１と、積分用オペアンプ２５の反転入力端子と出力端子間に接続された積分用コンデンサＣ１と、積分用コンデンサＣ１に並列に接続され、ＭＰＵ１０により開閉制御される第２アナログスイッチＡＳＷ２を備えている。
【０１０８】
積分用抵抗Ｒを介して積分用オペアンプ２５の反転入力端子に入力される交流検出信号の電圧をＶｉｎ、積分用オペアンプ２５の出力端子から出力される電圧をＶｏｕｔ、積分用抵抗Ｒ１の抵抗値をＲ、積分用コンデンサＣ１の容量をＣとすれば、
【０１０９】
【数２０】
2013018120.tif 000022
【０１１０】
で表され、積分用オペアンプ２５の出力端子から入力電圧Ｖｉｎを積分した電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【０１１１】
第２アナログスイッチＡＳＷ２は、オフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）開始後のわずかな時間、ＭＰＵ１０により閉じ制御され、積分処理回路１４の積分動作期間（Ｔｉｎｔ）に積分用コンデンサＣ１に蓄積された電荷を速やかに放電し、その直前の積分動作期間（Ｔｉｎｔ）に積分用コンデンサＣに充電された充電電圧が、後述する積分処理回路１４のオフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）のオフセット動作に影響しないようにしている。
【０１１２】
この積分用オペアンプ２５の反転入力端子と非反転入力端子間には、積分用オペアンプ２５のオフセット電圧やその他の要因による直流成分の誤差があり、これらを合わせた誤差電圧をオフセット電圧Δｖで表すと、（１１）式は、
【０１１３】
【数２１】
2013018120.tif 000023
【０１１４】
で表され、オフセット電圧Δｖは直流成分であるので、（１２）式は、
【０１１５】
【数２２】
2013018120.tif 000024
【０１１６】
で表され、時間ｔの経過と共に、出力電圧Ｖｏｕｔ中のオフセット電圧Δｖによる誤差が拡大する。
【０１１７】
そこで、本実施の形態では、上記オフセット電圧Δｖによる影響を実質的に解消させる目的で積分処理回路１４に更にフィードバック回路部を設けている。このフィードバック回路部は、図５に示すように、帰還用オペアンプ２６と、帰還用オペアンプ２６の出力と積分用オペアンプ２５の非反転入力端子間に接続された第３アナログスイッチＡＳＷ３と、第３アナログスイッチＡＳＷ３と積分用オペアンプ２５の非反転入力端子間に接続され、帰還用オペアンプ２６の出力電圧で充電されるホールド用コンデンサ２７とから構成される。
【０１１８】
帰還用オペアンプ２６の反転入力端子は、抵抗Ｒ２を介して積分用オペアンプ２５の出力に接続され、非反転入力端子は、積分用抵抗Ｒ１の入力側に接続している。帰還用オペアンプ２６の反転入力端子と出力端子間に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ２の抵抗値は等しく、従って、帰還用オペアンプ２６は、第３アナログスイッチＡＳＷ３が閉じ制御されている間、積分用オペアンプ２５の反転入力端子に入力される入力電圧Ｖｉｎを基準電位とし、入力電圧Ｖｉｎに対する積分用オペアンプ２５の出力電圧Ｖｏｕｔの差分をゲイン−１で増幅し積分用オペアンプ２５の非反転入力端子へ帰還するように作用する。
【０１１９】
ＭＰＵ１０により制御されるオフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）中に、第３アナログスイッチＡＳＷ３が閉じ制御されるとともに、積分用抵抗Ｒ１の入力と各検出電極１１とは開制御される第１アナログスイッチＡＳＷ１により遮断されるので、積分用抵抗Ｒ１の入力側には、交流検出信号ＳＧが入力されることなく、積分用オペアンプ２５の反転入力端子の電位は、一定の入力電圧Ｖｉｎに保たれる。
【０１２０】
積分用オペアンプ２５の非反転入力端子に対して反転入力端子に上記オフセット電圧Δｖが生じているものとすると、Δｔ後にその積分値−（Ｖｉｎ＋Δｖ）・Δｔ／ＣＲが出力されるが、帰還用オペアンプ２６により、積分用オペアンプ２５の非反転入力端子にＶｉｎ＋（Ｖｉｎ＋Δｖ）・Δｔ／ＣＲが入力され、Δｔ／ＣＲが１より充分に小さいので、これを繰り返すことにより、積分用オペアンプ２５の出力はオフセット電圧Δｖに収束して安定する。この状態で、積分用オペアンプ２５の反転入力端子にオフセット電圧Δｖを加えた電位は、非反転入力端子の電位に等しくなり、ホールド用コンデンサ２７には、オフセット電圧Δｖの影響を含めて非反転入力端子と反転入力端子間の差電圧を０とする補正電圧が充電される。従って、オフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）は、積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔがオフセット電圧Δｖに達して安定する充分な時間に設定し、ホールド用コンデンサ２７は、積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔが安定した際には飽和するキャパシタのコンデンサを用いる。
【０１２１】
オフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）の経過後、ＭＰＵ１０は、第１アナログスイッチＡＳＷ１を閉じ制御すると共に、第３アナログスイッチＡＳＷ３を開制御して、積分動作期間（Ｔｉｎｔ）に移行する。積分動作期間（Ｔｉｎｔ）では、第１アナログスイッチＡＳＷ１を閉じ制御されることにより、アナログマルチプレクサ１２で選択接続した検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧが積分用抵抗Ｒ１を介して積分用オペアンプ２５の反転入力端子に入力される。また、第３アナログスイッチＡＳＷ３が開制御されるので、オフセット調整期間（Ｔｓｅｔ）中に、ホールド用コンデンサ２７に充電された上記補正電圧が積分用オペアンプ２５の非反転入力端子に入力され、オフセット電圧Δｖを含めた積分用オペアンプ２５の非反転入力端子と交流検出信号ＳＧを除いた反転入力端子間の差電圧が０となり、積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔに（１３）式に示すオフセット電圧Δｖを積分した誤差−Δｖ・ｔ／ＣＲが含まれない。
【０１２２】
その結果、微小な交流検出信号ＳＧの電圧Ｖｉｎのみが積分して拡大され、積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔとして表れる。ＭＰＵ１０は、積分動作期間（Ｔｉｎｔ）の開始時から各積分動作期間（Ｔｉｎｔ）で同一の時間経過後であって、積分動作期間（Ｔｉｎｔ）が終了する直前の判定時ｔ１に、判定時ｔ１の出力Ｖｏｕｔを後段に接続されたＡ／Ｄコンバータ１９へ出力する。積分動作期間（Ｔｉｎｔ）は、ＣＲで定まる積分用コンデンサＣ１の飽和時間より充分に短く、かつ交流検出信号ＳＧの電圧Ｖｉｎを、判定時ｔ１にその積分値である積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔから判別可能な期間に設定する。
【０１２３】
Ａ／Ｄコンバータ１９は、判定時ｔ１の積分用オペアンプ２５の出力Ｖｏｕｔを量子化してＭＰＵ１０へ出力する。
【０１２４】
Ａ／Ｄコンバータ１９から出力される量子化データは、その積分動作期間（Ｔｉｎｔ）中にアナログマルチプレクサ１２が選択接続した各検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを表し、入力位置検出手段として作用するＭＰＵ１０は、各検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉから、指３０の入力操作位置を検出する。交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉが信号処理回路１３と積分回路１４を通して量子化データが受信レベルＶｉのｎ倍に増幅されている場合には、ＭＰＵ１０は、Ａ／Ｄコンバータ１９から出力される量子化データを１／ｎとした受信レベルＶｉから入力操作位置を算出する。
【０１２５】
検出電極Ｘ０、Ｘ１をアナログマルチプレクサ１２が接続した際に、Ａ／Ｄコンバータ１９から出力される交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉをそれぞれＶｘ０、Ｖｘ１、Ｘ方向で対向する一組の検出電極Ｘ０、Ｘ１間の距離をＬｘとし、指３０が図２に示す入力操作位置Ｐ（ｘ、ｚ）にあったとすると、（１０）式から、
検出電極Ｘ０について、
【０１２６】
【数２３】
2013018120.tif 000025
【０１２７】
と、検出電極Ｘ１について、
【０１２８】
【数２４】
2013018120.tif 000026
【０１２９】
が成り立ち、ｋ、Ｌｘ、Ｖｓが既知の値であるので、検出したＶｘ０、Ｖｘ１を（１４）式と（１５）式に代入して、Ｌｘ−ｘ、ｚが負ではないとの条件から、
検出電極Ｘ０からＸ方向の位置ｘと、入力操作面２１ａに直交するＺ方向の位置ｚが得られる。
【０１３０】
交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓの検出が困難である場合には、例えば、検出電極Ｘ０の入力操作位置（ｘ（０）、ｚ（０））で検出電極Ｘ１についての交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｘ１（０、０）を検出し、（１０）式に代入し、
【０１３１】
【数２５】
2013018120.tif 000027
【０１３２】
から得てもよい。
【０１３３】
同様に、Ｙ方向についても、検出電極Ｙ０、Ｙ１をアナログマルチプレクサ１２が接続した際に、Ａ／Ｄコンバータ１９から出力される交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉをそれぞれＶｙ０、Ｖｙ１、Ｙ方向で対向する一組の検出電極Ｙ０、Ｙ１間の距離をＬｙとし、指３０が入力操作位置Ｐ（ｙ、ｚ）にあったとすると、（１０）式から、
検出電極Ｙ０について、
【０１３４】
【数２６】
2013018120.tif 000028
【０１３５】
と、検出電極Ｙ１について、
【０１３６】
【数２７】
2013018120.tif 000029
【０１３７】
が成り立ち、検出したＶｙ０、Ｖｙ１を（１６）式と（１７）式に代入して、Ｌｙ−ｙ、ｚが負ではないとの条件から、
検出電極Ｙ０からＹ方向の位置ｙと、入力操作面２１ａに直交するＺ方向の位置ｚが得られる。
【０１３８】
各検出電極Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１は、それぞれ矩形状の窓孔２１の内縁の各辺全体に渡って配置されているので、少なくとも入力操作面２１ａの鉛直方向のいずれかを入力操作した指３０は、Ｘ方向で検出電極Ｘ０、Ｘ１と、Ｙ方向で検出電極Ｙ０、Ｙ１と対向し、（１４）式乃至（１７）式から、指３０の三次元の入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）を検出できる。
【０１３９】
特に、入力操作面２１ａへの入力操作に限り、二次元の入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出するタッチパネル１とする場合には、Ｘ方向について、ｚ＝０とした（１４）式と（１５）式から、出力レベルＶｓを消去すれば、０≦ｘ≦Ｌｘから
【０１４０】
【数２８】
2013018120.tif 000030
【０１４１】
が得られ、（１８）式をｘについて解けば、
【０１４２】
【数２９】
2013018120.tif 000031
【０１４３】
となる。
【０１４４】
同様に、Ｙ方向についても、（１６）式、（１７）式から、
【０１４５】
【数３０】
2013018120.tif 000032
【０１４６】
が得られ、Ｖｘ０、Ｖｘ１、Ｖｙ０、Ｖｙ１から入力操作面２１ａ上のＸＹ方向の入力位置（ｘ、ｙ）が容易に得られる。
【０１４７】
ＭＰＵ１０で検出した入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）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。
【０１４８】
以下、このように構成されたタッチパネル１により、指３０の入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）を検出する動作を説明する。入力操作体である指３０を検出電極１１から１０ｃｍ離れた位置へ入力操作を行ったとしたときの指３０と検出電極１１間の静電容量Ｃｍは、指３０と検出電極１１との対向面積ｓを５・１０−４（ｍ２）、真空の誘電率ε０を、８．８５４・１０−１２（Ｆ／ｍ）、空気の比誘電率εを約１として、約４４．２７・１０−１５Ｆすなわち、４４．２７ｆＦと極めて微小な値となる。
【０１４９】
このとき、検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉは、（１０）式において、比例定数ｋは、Ｃｐ／（ε０・εｒ・ｓ）から、浮遊容量Ｃｐを５０ｐＦとして１．１３・１０４であるので、交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓを５Ｖ、ｄを１０−１とすして、４．４ｍＶ程度であり、積分処理回路１４においてこれを拡大して、距離ｄを求める。
【０１５０】
入力操作位置を検出する間、ＭＰＵ１９は、図６に示す約２００ｍｓｅｃの周期でアナログマルチプレクサ１２の接続を切り換え制御し、検出電極Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１の順に各検出電極１１を信号処理回路１３へ接続し、全ての検出電極Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１を切り換え接続する一周期を繰り返す。各検出電極１１毎に信号処理回路１３へ接続する一期間は、オフセット調整期間Ｔｓｅｔと積分動作期間Ｔｉｎｔとからなり、ＭＰＵ１９は、上述の通り、オフセット調整期間Ｔｓｅｔの開始直後から一定期間、第２アナログスイッチＡＳＷ２を閉じ制御し、その直前の積分動作期間Ｔｉｎｔ中に積分用コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電させる。
【０１５１】
オフセット調整期間Ｔｓｅｔ中は、第１アナログスイッチＡＳＷ１が開制御、第３アナログスイッチＡＳＷ３が閉じ制御され、これにより、積分用オペアンプ２５の出力電圧Ｖｏ・・（ｃ）は、ＡＳＷ１が開制御され一定の基準電圧となる反転入力端子の入力電圧（ａ）とオフセット電圧Δｖの電位差での電位に収束して安定し、一定電圧に安定したオフセット調整期間Ｔｓｅｔの終了時には、積分用オペアンプ２５のオフセット電圧Δｖを相殺する充電電圧がホールド用コンデンサ２７に充電される。
【０１５２】
続いて、ＭＰＵ１９は、第１アナログスイッチＡＳＷ１を閉じ制御、第３アナログスイッチＡＳＷ３を開制御し、積分動作期間Ｔｉｎｔに移行させる。第１アナログスイッチＡＳＷ１を閉じ制御されることにより、その期間内にアナログマルチプレクサ１２を介して接続された検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧが信号処理回路１３から積分処理回路１４へ入力される。また、第３アナログスイッチＡＳＷ３が開制御されることにより、積分用オペアンプ２５の非反転入力端子から、帰還用オペアンプ２６の出力が切り離されると共に、ホールド用コンデンサ２７の充電電圧が加わり、積分用オペアンプ２５の非反転入力端子にオフセット電圧Δｖを相殺する充電電圧が加わる。
【０１５３】
図７に示すように、積分動作期間Ｔｉｎｔ中は、積分用オペアンプ２５の非反転入力端子にホールド用コンデンサ２７の充電電圧Δｖ・・（ｂ）が入力され、この（ｂ）の電位に対する反転入力端子に入力される固有周波数１８７ｋＨｚの交流検出信号ＳＧの電圧（ａ）との差分が経過時間ｔで積分され、反転して積分用オペアンプ２５から出力される（ｃ）。図中、反転入力端子に入力される交流検出信号ＳＧは、その電圧が高くなるほど、階段状に表れる積分用オペアンプ２５の出力波形の傾斜が大きくなる。
【０１５４】
本実施の形態では、積分動作期間Ｔｉｎｔが終了する直前であって、積分動作期間Ｔｉｎｔの開始時からの経過時間Ｔｃが各検出電極１１との接続時間について同一となる判定時ｔ１を設定し、この判定時ｔ１の積分用オペアンプ２５の出力を、接続した検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｘ０、Ｖｘ１、Ｖｙ０、Ｖｙ１として、Ａ／Ｄコンバータ１９へ出力する。
【０１５５】
積分動作期間Ｔｉｎｔの終了後、ＭＰＵ１０は、次の検出電極１１を信号処理回路１３へ接続するようにアナログマルチプレクサ１２を切り換え制御し、その検出電極１１について、同様にオフセット調整期間Ｔｓｅｔと積分動作期間Ｔｉｎｔの制御を繰り返す。ＭＰＵ１０は、全ての検出電極Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１を接続した一周期の経過後に、各検出電極１１についてＡ／Ｄコンバータ１９から入力された受信レベルＶｘ０、Ｖｘ１、Ｖｙ０、Ｖｙ１をもとに、（１４）式乃至（１７）式を用いて指３０の三次元の入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）を検出する。また、入力操作面２１ａ上の指３０の入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出するタッチパネル１とする場合には、（１９）式と（２０）式から二次元の入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出する。
【０１５６】
検出した入力操作位置（ｘ、ｙ）若しくは入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）は、任意のタイミングで、インターフェース回路６を介して入力操作データとしてタッチパネル１を入力装置とする上位機器に出力される。
【０１５７】
第１実施の形態にかかるタッチパネル１では、矩形状の窓孔２１で対向する対向方向に一組の検出電極Ｘ０、Ｘ１若しくは一組の検出電極Ｙ０、Ｙ１を配置し、対向方向での入力位置を検出したが、図８乃至図１０に示すように、検出方向に沿って複数の分割検出電極４１を配置し、各分割検出電極４１について同様に検出する交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを比較して検出方向の入力操作位置を検出してもよい。以下、図８乃至図１０に示す他の実施の形態にかかるタッチパネル５０、５１、５２では、検出電極の構成のみが異なるので、図中の第１実施の形態と共通する構成は同一番号を付してその説明を省略する。
【０１５８】
図８は、タッチパネル１の４種類の検出電極Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１について、それぞれ複数の分割検出電極４１で構成した第２の実施の形態にかかる静電容量式タッチパネル５０の平面図である。すなわち、検出電極Ｘ０に代えて、複数の分割検出電極Ｘ０１、Ｘ０２・・Ｘ０ｎが、検出電極Ｘ１に代えて、複数の分割検出電極Ｘ１１、Ｘ１２・・Ｘ１ｎが、検出電極Ｙ０に代えて、複数の分割検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・Ｙ０ｎが、検出電極Ｙ１に代えて、複数の分割検出電極Ｙ１１、Ｙ１２・・Ｙ１ｎがそれぞれ各検出電極１１の配置位置に沿って配置される。
【０１５９】
ＭＰＵ１０は、マルチプレクサ１２を制御し、全ての分割検出電極４１を順に信号処理回路１３へ接続し、各接続期間中に接続した分割検出電極４１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを検出する。図示する位置に指３０を入力操作したとすると、同方向に一列に配置された複数の分割検出電極４１のうち、入力操作位置のＸＹ方向に配置された分割検出電極Ｘ０ｍａｘ、Ｘ１ｍａｘ、Ｙ０ｍａｘ、Ｙ１ｍａｘの受信レベルＶｉが最大となるので、一列に配置された分割検出電極４１の受信レベルＶｉを相対比較して入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出できる。
【０１６０】
また、同方向に一列に配列され複数の分割検出電極４１の受信レベルＶｉの総和は、同位置に配置された第１実施の形態にかかる検出電極１１の受信レベルＶｉに相当するので、検出方向で対向して配置された分割検出電極の受信レベルＶｉの総和と比較して、対向方向の入力位置、若しくは対向方向に直交するＺ方向の入力位置も検出できる。
【０１６１】
図９は、タッチパネル１のＹ方向で対向する検出電極Ｙ０、Ｙ１について、それぞれ複数の分割検出電極４１で構成した第３の実施の形態にかかる静電容量式タッチパネル５１の平面図である。すなわち、検出電極Ｘ０、Ｘ１は、第１実施の形態と同一で、検出電極Ｙ０に代えて、複数の分割検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・Ｙ０ｎが、検出電極Ｙ１に代えて、複数の分割検出電極Ｙ１１、Ｙ１２・・Ｙ１ｎがそれぞれ各検出電極１１の配置位置に沿って配置されたものである。
【０１６２】
マルチプレクサ１２は、検出電極Ｘ０、Ｘ１と全ての分割検出電極４１を順に信号処理回路１３へ接続し、各接続期間中に接続した検出電極１１、４１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを検出する。ＭＰＵ１０は、分割検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・Ｙ０ｎの受信レベルＶｉの総和Ｖｓｙ０を、検出電極Ｙ０の受信レベルＶｙ０として、分割検出電極Ｙ１１、Ｙ１２・・Ｙ１ｎの受信レベルＶｉの総和Ｖｓｙ１を、検出電極Ｙ１の受信レベルＶｙ１として、Ｖｓｙ０とＶｓｙ１からＹ方向とＺ方向の入力操作位置（ｙ、ｚ）を検出する。
【０１６３】
また、Ｘ方向の入力操作位置（ｘ）は、第１実施の形態と同様に、検出電極Ｘ０の受信レベルＶｘ０と、検出電極Ｘ１の受信レベルＶｘ１とから検出できるが、上述した第２の実施の形態での検出と同様に、同一方向に一列に配置された分割検出電極４１の受信レベルＶｉを相対比較し、Ｘ方向で最大の受信レベルＶｉが検出される位置をＸ方向の入力操作位置（ｘ）として検出することもできる。
【０１６４】
このように、第１検出方向で対向する一組の検出電極１１の少なくともいずれかを、複数の分割検出電極４１とした場合には、第１検出方向と直交する第２検出方向に検出電極１１を配置しなくても、第２検出方向の入力操作位置を検出できる。図１０は、図９に示すタッチパネル５１において、Ｘ方向の入力操作位置（ｘ）の検出に重複する検出電極Ｘ０、Ｘ１を省略した静電容量式タッチパネル５２を示す。
【０１６５】
このタッチパネル５２によれば、分割検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・Ｙ０ｎの受信レベルＶｉの総和Ｖｓｙ０と分割検出電極Ｙ１１、Ｙ１２・・Ｙ１ｎの受信レベルＶｉの総和Ｖｓｙ１から、Ｙ方向とＺ方向の入力操作位置（ｙ、ｚ）を検出するとともに、同列に配置された分割検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・Ｙ０ｎ若しくは分割検出電極Ｙ１１、Ｙ１２・・Ｙ１ｎの受信レベルＶｉを相対比較してＸ方向の入力操作位置（ｘ）を検出する。
【０１６６】
上述の各実施の形態では、入力操作面２１ａとなる窓孔２１内を空間とするので、その下方に配置されるディスプレーの視認性に優れるが、必ずしも空間とする必要はない。例えば、透明材料で形成した導電層が形成された導電シートを、窓孔２１を含む検出電極１１、４１の背面全体に配置し、低圧振動電源線ＳＧＮＤ等検出電極１１、４１に対して等電位となる接地線に接続させてシールド層とすれば、検出電極１１、４１に対して外部ノイズが侵入したり、浮遊容量が不安定に変動することがなく、より精度良く入力操作位置を検出できる。
【０１６７】
また、入力操作面２１ａとなる窓孔２１内の入力操作体３０が接触可能な位置に入力操作体３０と異なる電位とした導電シートを掛け渡し、導電シートの電位を監視する監視手段を設ければ、導電シートの電位変動から入力操作体３０を導電シートに触れる入力操作を検知することができる。従って、上記シールド層として作用する導電シートに電位監視手段を設ければ、入力操作の検知に兼用できる。
【０１６８】
上述の実施の形態では、検出電極１１、４１を入力操作体３０に対して交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓで振動させ、両者の間に出力レベルＶｓの相対電位を発生させたが、検出電極１１、４１側を定電位として、入力操作体３０の電位を交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓで変動させてもよい。
【０１６９】
また、入力操作体３０は、操作者が入力操作を行う指３０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。
【０１７０】
また、矩形状の輪郭に形成された窓孔は、任意の形状とすることができ、検出電極は、その内縁に沿って配置することなく、例えば、窓孔の四隅に配置し、四隅に配置した各検出電極との距離から、窓孔内の入力操作位置を検出するものであってもよい。
【０１７１】
検出電極は入力操作体との対向面積に比例してその間の静電容量Ｃｍが大きく、静電容量Ｃｍの検出が容易になるので、入力操作面２１ａ上の三次元の入力操作位置（ｘ、ｙ、ｚ）も検出する上述の実施の形態では、絶縁ケース２０の傾斜する内縁２０ａに沿って検出電極１１を配置しているが、入力操作面２１ａ上の二次元の入力操作位置（ｘ、ｙ）のみを検出する場合には、検出電極１１を入力操作面２１ａに直交する鉛直面に沿って配置することが望ましく、また、主として入力操作面２１ａから鉛直方向に離れたＺ方向の入力操作位置（ｚ）を検出する場合には、より水平に配置するのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明は、背面側に表示素子が配置され、非接触で入力操作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】
【０１７３】
１、５０、５１、５２  静電容量式タッチパネル
１０      ＭＰＵ（入力位置検出手段）
１１      検出電極
１４      積分処理回路（信号検出手段）
１５      発振回路（発信手段）
２０ａ    内縁
２１      窓孔
２１ａ    入力操作面
３０      指（入力操作体）
４１      分割検出電極
Ｃｍ      静電容量
ＳＧ      交流検出信号
Ｖｓ      交流検出信号の出力レベル
Ｖｉ      交流検出信号の受信レベル
【図１】
2013018120.tif 000033
【図２】
2013018120.tif 000034
【図３】
2013018120.tif 000035
【図４】
2013018120.tif 000036
【図５】
2013018120.tif 000037
【図６】
2013018120.tif 000038
【図７】
2013018120.tif 000039
【図８】
2013018120.tif 000040
【図９】
2013018120.tif 000041
【図１０】
2013018120.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに絶縁して複数の検出電極が配置され、各検出電極の配置位置と、各検出電極と入力操作体との静電容量とから、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であって、
絶縁ケースに所定間隔を隔てて配置される複数の検出電極と、
入力操作体と複数の各検出電極との相対電位が変動する交流検出信号を発信する発信手段と、
前記各検出電極と入力操作体間の空気の静電容量を介して、前記各検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段と、
前記信号検出手段が前記各検出電極毎に検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体と前記各検出電極の配置位置との相対距離を比較し、入力操作体の入力操作位置を検出する入力位置検出手段とを備えたことを特徴とする静電容量式タッチパネル。
【請求項２】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベル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】
前記絶縁ケースに形成された窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項４】
それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１が、前記絶縁ケースに形成された窓孔のＸ方向で対向する内縁に沿って配置され、
入力位置検出手段は、検出電極Ｘ０と検出電極Ｘ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＸ方向で対向する前記内縁との相対距離を比較し、前記窓孔の開口面を入力操作面とするＸ方向の入力操作位置ｘを検出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５】
それぞれ細長帯状に形成された一組の検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１が、Ｘ方向に直交する前記窓孔のＹ方向で対向する内縁に沿って配置され、
入力位置検出手段は、検出電極Ｙ０と検出電極Ｙ１から検出した交流検出信号の受信レベルをもとに入力操作体とＹ方向で対向する前記内縁との相対距離を比較し、前記窓孔の開口面を入力操作面とするＹ方向の入力操作位置ｙを検出することを特徴とする請求項４に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項６】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項７】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項８】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項７に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項９】
前記窓孔は矩形状に形成され、
前記窓孔で対向する前記一組の検出電極の一方を基準検出電極、他方を対向検出電極とし、
入力位置検出手段は、前記一組の検出電極間の対向方向の距離Ｌ、前記一組の検出電極と入力操作体間の交流検出信号の出力レベルＶｓと、前記基準検出電極と前記対向検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルＶ０、Ｖ１とから、前記基準検出電極から前記対向検出電極に向かう対向方向の入力操作位置ｒを検出するとともに、前記窓孔の平面に直交するＺ方向の入力操作位置ｚを検出することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１０】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項９に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１１】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項９に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１２】
それぞれ細長帯状に形成された複数の分割検出電極が、Ｘ方向若しくはＹ方向に平行な前記窓孔の内縁に沿って互いに絶縁して配置され、
入力位置検出手段は、前記各分割検出電極から検出した交流検出信号の受信レベルを比較し、最大の受信レベルが検出された前記分割検出電極の配置位置から、前記分割検出電極の配置方向に沿ったＸ方向若しくはＹ方向の入力操作位置を検出することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１３】
信号検出手段は、前記各検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い時間で積分する積分回路を有し、積分回路の出力レベルを受信レベルとすることを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネル。
【請求項１４】
前記窓孔と複数の検出電極の背面側全体を覆う導電層を絶縁ケースの背面側に積層させたことを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネル。
【国際調査報告】
2013018120.tif 000043
2013018120.tif 000044