(57)【要約】【課題】静電容量Ｃｍの変化率が大きく異なるタッチ入力操作からホバー入力操作の全ての領域で、等しい検出精度で検出電極に対する入力操作体の相対距離を検出する静電容量式タッチパネルを提供する。【解決手段】検出電極と入力操作体間の静電容量を表す信号レベルを検出し、信号レベルの逆数に所定定数を乗じた演算値を検出電極に対する入力操作体の相対距離とする。演算値は、検出電極と入力操作体との距離に比例するので、検出領域で静電容量の変化率が大きく異なっても均一の検出精度で入力操作体の位置を検出できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁パネルに検出電極が配置され、検出電極に沿った入力操作面へ入力操作体を接触させるタッチ入力操作から入力操作面から離れたホバー入力操作までの検出電極に対する入力操作体の相対距離を、検出電極と入力操作体間の静電容量から検出する静電容量式タッチパネルであって、
入力操作体と検出電極との相対電位が変動する交流検出信号を発信し、検出電極と入力操作体間の静電容量を表す信号レベルの容量信号を検出電極に発生させる発信手段と、
容量信号の信号レベルを検出する信号検出手段と、
信号検出手段が検出した信号レベルの逆数に所定定数を乗じた演算値を検出電極に対する入力操作体の相対距離と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】
絶縁パネルに互いに絶縁して複数の検出電極が配置され、
入力位置検出手段は、各検出電極毎に信号レベルを演算した演算値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】
容量信号の信号レベルは、発信手段が交流検出信号を発信することにより、検出電極に表れる交流検出信号の電圧Ｖｉであることを特徴とする請求項１又は請求項２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４】
信号検出手段が検出した容量信号をＡ／Ｄコンバータへ入力して信号レベルを第１デジタルデータで表し、第１デジタルデータの逆数に所定定数を乗じた演算値を第１デジタルデータのビット数より少ないビット数の第２デジタルデータで表すことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項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と検出電極との相対距離を、入力操作体と検出電極間の静電容量の変化から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、抵抗膜方式など種々の検出方式のタッチパネルが用いられている。いずれもタッチパネルの入力操作面へ入力操作体を接触させることにより、入力操作面上の二次元の入力位置を検出するものであり、本願出願人は、入力操作面から指などの入力操作体が数１０ｍｍ離れた状態で入力操作体を移動させるホバー入力操作であっても、その入力位置を検出する静電容量式タッチパネルを開発した（特許文献１）。
【０００３】
この従来の静電容量式タッチパネル１００は、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、空気の比誘電率を約１、入力操作体と検出電極の対向面積をｓとすれば、
【０００４】
Ｃｍ＝ε０・１・Ｓ／ｄ・・・（１）
【０００５】
で表されるので、（１）式から静電容量Ｃｍを求めて検出電極と入力操作体間の距離ｄを検出する。検出電極と入力操作体間の静電容量Ｃｍを直接検出することは困難であるので、静電容量式タッチパネル１００では、検出電極と入力操作体間に所定の電圧Ｖｏの交流検出信号を印加し、検出電極に、静電容量Ｃｍにほぼ比例して表れる交流検出信号の受信レベルＶｉを検出して、受信レベルＶｉに反比例する検出電極と入力操作体間の距離ｄを求めている。
【０００６】
入力操作位置を検出する検出方向に沿って一対の検出電極を配置し、同様に、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を検出すると、一対の検出電極間の検出方向の距離Ｌと、受信レベルＶ０、Ｖ１から算出する入力操作体と一対の検出電極との距離ｄの比から、検出方向に沿った入力操作体の入力操作位置が得られる。
【０００７】
しかしながら、例えば入力操作体を操作者の指として、検出電極から１０ｃｍ離れた位置で指により入力操作を行ったとしたときの指と検出電極間の静電容量Ｃｍは、（１）式において、指と検出電極との対向面積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。そして、このときの検出電極に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉも、交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓを５Ｖとして、４．４ｍＶ程度と微小値であるので、増幅回路においてこれを増幅して、増幅した値から距離ｄを求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３−０１８１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の静電容量式タッチパネル１００によれば、検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルＶｉを検出することにより、検出電極に沿った入力操作面へ指などの入力操作体を接触させるタッチ入力操作から、検出電極に沿った入力操作面から５ｃｍ乃至１０ｃｍ程度離れた空間上で入力操作体を移動操作するホバー入力操作まで、検出電極に対する入力操作体の距離ｄを検出できる。
【００１０】
ここで（１）式によれば、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ｄに反比例するので、図７に示すように、ホバー入力操作に比べて入力操作体が検出電極に接近するタッチ入力操作では、検出電極と入力操作体間の距離ｄの変化に対して静電容量Ｃｍは大きく変化する。図７は、太さφ１０ｍｍの指が検出電極に対向し、（１）式中の対向面積Ｓをπ・（５・１０−３）２ とした
【００１１】
Ｃｍ＝０．６９５・１０−１５／ｄ・・・（２）
【００１２】
で変化する距離ｄと静電容量Ｃとの関係を示すグラフである。
【００１３】
（２）式から、指が検出電極から５０ｍｍに離れたホバー入力操作での静電容量Ｃは１３．９ｆＦと微小であり、検出電極に指が１ｍｍまで近接すると静電容量Ｃｍは６９５ｆＦまで増大する。実際には、検出電極は厚さ数ｍｍのカバーレイにより覆われているので、タッチ入力操作はカバーレイの表面の入力操作面を指で触れる操作であり、このときの検出電極と指の間の静電容量Ｃｍは、カバーレイの厚さを２ｍｍ、比誘電率εｒを３．２とすれば、１．１１ｐＦと更に増大する。従って、タッチ入力操作から指が検出電極から５０ｍｍに離れるホバー入力操作まで、静電容量Ｃは、最小の１３．９ｆＦから最大の１．１１ｐＦまで変化し、最大値と最小値のデータ幅が大きくなる。
【００１４】
一方、（２）式を距離ｄで微分した
Ｃ’ｍ＝−０．６９５・１０−１５／ｄ２・・・（３）式
【００１５】
から、距離ｄが１ｍｍのタッチ入力操作の近傍で静電容量Ｃｍの変化率は６９５ｐＦ／ｍｍであるのに対して、距離ｄが５０ｍｍのホバー入力操作で静電容量Ｃｍの変化率は０．２７８ｐＦ／ｍｍと激減する。
【００１６】
その結果、検出した静電容量Ｃｍ若しくは静電容量Ｃｍを表す検出値から（１）式を用いて算出する距離ｄは、入力操作体が検出電極に触れるタッチ入力操作に比べてホバー入力操作の領域でその精度が粗くなり、ホバー入力操作で入力操作体の入力操作位置を正確に検出できないという問題があった。
【００１７】
また、静電容量Ｃｍの検出値をＡ／Ｄ変換したデジタルデータから距離ｄを算定する場合には、静電容量Ｃｍのダイナミックレンジが大きいので、ビット数が大きいデジタルデータで静電容量Ｃｍの検出値を表す必要があり、距離ｄの算定に時間がかかるとともに、距離ｄを表す静電容量Ｃｍの検出値を出力して（１）式から外部の処理装置が入力操作位置を検出する場合には、その出力に時間がかかるという問題があった。
【００１８】
上記の問題は、静電容量Ｃｍと検出電極に表れる受信レベルＶｉとはほぼ比例するので、検出した受信レベルＶｉから距離ｄを算定する静電容量式タッチパネル１００についても同様に生じていた。
【００１９】
また、静電容量Ｃｍや静電容量Ｃｍの値を表す受信レベルＶｉ等の検出値は、そのまま検出電極と入力操作体との距離ｄを表すものではないので、これらのデータを直接検出電極と入力操作体との相対距離を表すデータとして扱うことができなかった。
【００２０】
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、静電容量Ｃｍの変化率が大きく異なるタッチ入力操作からホバー入力操作の全ての領域で、等しい検出精度で検出電極に対する入力操作体の相対距離を検出す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。
【００２１】
また、入力操作体の入力操作位置を検出する演算時間を短縮し、入力操作体との相対距離を表すデータを少ないデータ量で高速に出力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】
【００２２】
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、絶縁パネルに検出電極が配置され、検出電極に沿った入力操作面へ入力操作体を接触させるタッチ入力操作から入力操作面から離れたホバー入力操作までの検出電極に対する入力操作体の相対距離を、検出電極と入力操作体間の静電容量から検出する静電容量式タッチパネルであって、
入力操作体と検出電極との相対電位が変動する交流検出信号を発信し、検出電極と入力操作体間の静電容量を表す信号レベルの容量信号を検出電極に発生させる発信手段と、容量信号の信号レベルを検出する信号検出手段と、信号検出手段が検出した信号レベルの逆数に所定定数を乗じた演算値を検出電極に対する入力操作体の相対距離とする入力位置検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
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、
【００２４】
Ｃｍ＝ε０・１・Ｓ／ｄ・・・（１）
【００２５】
で表されるので、静電容量Ｃｍを表す容量信号の信号レベルの逆数は、検出電極と入力操作体間の距離ｄに比例し、その逆数に所定定数を乗じた演算値も距離ｄに比例する。
【００２６】
従って、演算値は、タッチ入力操作からホバー入力操作まで幅広く距離ｄが異なる全ての領域で距離ｄに比例するので、入力操作体と検出電極との距離ｄにかかわらず演算値から同一の精度で検出電極に対する入力操作体の相対距離ｒｄを検出できる。
【００２７】
請求項２の静電容量式タッチパネルは、絶縁パネルに互いに絶縁して複数の検出電極が配置され、入力位置検出手段は、各検出電極毎に信号レベルを演算した演算値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ことを特徴とする。
【００２８】
複数の各検出電極について検出する容量信号の信号レベルから演算した演算値は、各検出電極の配置位置と入力操作体との相対距離ｒｄを表すので、検出方向に沿った各検出電極間の距離を実測することにより、各検出電極との相対距離ｒｄを比較し、検出方向に沿った入力操作体の位置が検出される。
【００２９】
請求項３の静電容量式タッチパネルは、容量信号の信号レベルは、発信手段が交流検出信号を発信することにより、検出電極に表れる交流検出信号の電圧Ｖｉであることを特徴とする。
【００３０】
交流検出信号を発信することにより検出電極に表れる交流検出信号の電圧Ｖｉは、交流検出信号の電圧をＶｓ、検出電極と入力操作体間の静電容量をＣｍ、検出電極と絶縁パネルの接地電位間の浮遊容量をＣｐとして、
【００３１】
Ｖｉ＝（Ｃｍ／Ｃｐ）・Ｖｓ      ・・・（１３）式
【００３２】
で表され、検出電極の内部浮遊容量Ｃｐ、交流検出信号の電圧Ｖｓは、定数であるので、静電容量Ｃｍに比例し、静電容量Ｃｍを表す。
【００３３】
請求項４の静電容量式タッチパネルは、信号検出手段が検出した容量信号をＡ／Ｄコンバータへ入力して信号レベルを第１デジタルデータで表し、第１デジタルデータの逆数に所定定数を乗じた演算値を第１デジタルデータのビット数より少ないビット数の第２デジタルデータで表すことを特徴とする。
【００３４】
検出電極と入力操作体との距離ｄを表す第１デジタルデータより、少ないビット数の第２デジタルデータで検出電極と入力操作体との相対距離ｒｄが表わされる。
【００３５】
第２デジタルデータは、タッチ入力操作からホバー入力操作までの入力操作体の距離ｄに比例する。
【発明の効果】
【００３６】
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触させるタッチ入力操作から入力操作面から離れた空間上の位置で移動させるホバー入力操作の領域まで、入力操作体の位置にかかわらず、等しい精度で検出電極との相対距離ｒｄを検出できる。
【００３７】
また、検出電極に対する入力操作体との相対距離ｒｄを表すデータを簡易な演算で出力できる。
【００３８】
請求項２の発明によれば、各検出電極と入力操作体との実際の距離ｄを求めることなく、各検出電極と入力操作体との相対距離ｒｄを表す演算値から所定方向に沿った入力操作体の入力操作位置を検出できる。
【００３９】
請求項３の発明によれば、検出電極と入力操作体間の静電容量Ｃｍを、検出電極に表れる電圧Ｖｉの数値で表すので、増幅してその値を拡大したり、所定定数を乗じて演算値とする演算処理が容易となる。
【００４０】
請求項４の発明によれば、少ないビット数の第２デジタルデータで検出電極と入力操作体との相対距離ｒｄを表されるので、相対距離ｒｄや相対距離ｒｄをもとに算出する入力操作位置の演算処理時間が短縮される。
【００４１】
検出電極と入力操作体との相対距離ｒｄが表わす第２デジタルデータを、高速に外部へ出力できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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の斜視図である。
【図２】静電容量式タッチパネル１のブロック図である。
【図３】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４】静電容量式タッチパネル１の検出電極１１周囲の等価回路図である。
【図５】（ａ）は、入力操作面ＥＳへ指３０を接触させるタッチ入力操作の状態を、（ｂ）は、入力操作面ＥＳから指３０が離れたホバー入力操作の状態を、それぞれ示す静電容量式タッチパネル１の縦断面図である。
【図６】検出電極１１と入力操作体３０間の静電容量Ｃｍの逆数と距離ｄの関係を示すグラフである。
【図７】検出電極１１と入力操作体３０間の静電容量Ｃｍと距離ｄの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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６を用いて説明する。タッチパネル１には、図１に示すように、横長長方形の絶縁基板であるガラス基板２０の表面に、Ｙ方向に沿って形成される多数のＸ検出電極１１Ｘ（Ｘ０、Ｘ１・・Ｘｎ）と、Ｘ検出電極１１ｘに直交するＸ方向に沿って形成される多数のＹ検出電極１１Ｙ（Ｙ０、Ｙ１・・Ｙｎ）とがそれぞれ等ピッチで配線されている。Ｘ検出電極ＸｎとＹ検出電極Ｙｎは、それぞれ幅２．５ｍｍのＩＴＯからなる帯状片で形成され、Ｘ検出電極１１ＸとＹ検出電極１１Ｙとの交差部位は、図示しない透明絶縁片が配設され、相互に絶縁されている。
【００４４】
また、Ｘ検出電極１１ＸとＹ検出電極１１Ｙが配線されたガラス基板２０の表面の全面は、検出電極１１の酸化を防止すると共に指等の入力操作体３０等が触れることによる摩耗を防止する保護層となる厚さ２ｍｍの透明な絶縁性のカバーレイ２１（図５参照）で覆われている。
【００４５】
タッチパネル１の下方には、所定のカーソル、アイコンなどを表示する図示しない液晶表示素子が配置され、操作者は、透明なカバーレイ２１、検出電極１１、ガラス基板２０を通してその下方に表示される液晶表示素子の表示を見ながら指３０を移動操作して入力操作を行うもので、本発明に係るタッチパネル１は、カバーレイ２１の表面の入力操作面ＥＳに入力操作体３０を直接触れながら操作するタッチ入力操作から、入力操作面ＥＳから入力操作体３０が１０ｃｍほど離れた上方を操作するホバー入力操作まで、検出モードを変更せずに、検出電極１１と入力操作体３０との相対距離ｒｄを検出する。
【００４６】
検出電極１１と入力操作体３０との相対距離ｒｄは、後述するように、その間のカバーレイ２１を誘電体とする静電容量Ｃｍａと空気を誘電体とする静電容量Ｃｍｂが直列に接続された静電容量Ｃｍに反比例することから、本実施の形態では、各検出電極１１についての静電容量Ｃｍの値を、その検出電極１１に表れる交流検出信号の受信レベルＶｉから検出する。そのため、全てのＸ検出電極１１ＸとＹ検出電極１１Ｙを、ガラス基板２０上の図示しない引き出し配線パターンを介して後述するマルチプレクサ１２の各入力端子に接続し、入力操作体３０が接近した際の各検出電極１１に表れる受信レベルＶｉを検出している。
【００４７】
以下、検出電極１１と入力操作体３０との相対距離ｒｄを検出する為の検出回路の構成を図２を用いて説明する。図２に示すように、各検出電極１１を含む検出回路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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、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。
【００５０】
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すれば、基準電源回路４と振動電源回路７は、図３の等価回路図で示される。
【００５１】
図３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、
Ｖｓ＝［ω２ＬＣ’／（ω２ＬＣ’−１）］Ｖｓｇ・・・（５）式
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、
ｆ０＝１／［２π（ＬＣ’）１／２］・・・（６）式
となる。
【００５２】
つまり、（６）式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、（５）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、（６）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、特にコイル８、９の内部抵抗による電力消費により、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。
【００５３】
一方、入力操作体である操作者の指３０がカバーレイ２１を介して接触する各検出電極１１に大電圧を加えることはできないので、発振回路１５の出力とコンデンサ１７、１８との間に図示しない抵抗を接続して、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をここでは、出力レベルＶｓを５Ｖとしている。この交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓは、交流検出信号ＳＧの固有周波数ｆを共振周波数ｆ０の近傍で調整することもできる。
【００５４】
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している。
【００５５】
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、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で振動する信号発生源となる。従って、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には、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が表れる。
【００５６】
各検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉから入力操作体３０との相対距離ｒｄを検出するために、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、Ａ／Ｄコンバータ１９、演算処理回路１４、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。
【００５７】
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１１Ｘ、１１Ｙ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。すなわち、Ｘ方向に沿って配線されている検出電極Ｘ０１、Ｘ０２・・、Ｘｎ、Ｙ方向に沿って配線されている検出電極Ｙ０１、Ｙ０２・・、Ｙｎ順で、一走査周期内に全ての検出電極１１が信号処理回路１３に接続される。
【００５８】
信号処理回路１３は、並列共振回路と増幅回路とピークホールド回路とから構成され、並列共振回路は、入力信号から交流検出信号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、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た交流検出信号ＳＧとする。また、増幅回路は、並列共振回路を通過した交流検出信号ＳＧを増幅し、ピークホールド回路は、増幅した交流検出信号ＳＧの極大値と極小値をそれぞれピークホールドし、その差分、つまり検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを、後段のＡ／Ｄコンバータ１９へ出力する。
【００５９】
Ａ／Ｄコンバータ１９は、信号処理回路１３から入力される受信レベルＶｉを１２ビットデータに量子化して後段の演算処理回路１４へ出力する。
【００６０】
演算処理回路１４は、周波数ｆでＡ／Ｄコンバータ１９から繰り返して入力される交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを表す１２ビットデータを一定回数積算して１６ビットのデジタルデータで表し、微小な受信レベルＶｉを拡大させて表す。その後、積算した受信レベルＶｉを表す１６ビットデータの逆数に所定の定数を乗じる演算処理を行い、その演算値を、マルチプレクサ１２で選択した検出電極１１と指３０間の相対距離ｒｄを表す８ビットのデジタルデータとして後段のＭＰＵ１０へ出力する。
【００６１】
以下、この演算処理回路１４における演算処理について説明する。各検出電極１１と指３０間の静電容量Ｃｍは、検出電極１１と指３０間の距離をｄ、真空の誘電率をε０、その間の誘電体の比誘電率をε１、指３０と検出電極１１の対向面積をＳとして、
Ｃｍ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄ・・・（７）
で表される。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、指３０がカバーレイ２１に触れているタッチ入力操作では、（７）式の比誘電率εｒはカバーレイ２１の比誘電率となる。また、図５（ｂ）に示すように、指３０が入力操作面ＥＳから離れたホバー入力操作では、検出電極１１と指３０間の静電容量Ｃｍは、直列に接続されたカバーレイ２１を誘電体とする静電容量Ｃｍａと空気を誘電体とする静電容量Ｃｍｂとからなり、Ｃｍａ・Ｃｍｂ／（Ｃｍａ＋Ｃｍｂ）で表されるが、検出電極１１と指３０との距離ｄに対してカバーレイ２１の厚さは無視できるほど小さいので、（７）式の比誘電率εｒを空気の比誘電率１として静電容量Ｃｍを求めることができる。このように（７）式の比誘電率εｒはタッチ入力操作とホバー入力操作で異なるが、後述する相対距離ｒｄから入力操作の検出や入力操作体３０の入力操作位置を検出する上では比誘電率εｒを一定値とみなしても差し支えないので、以下の相対距離ｒｄを演算する演算処理では定数として扱う。
【００６３】
図４は、検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉを検出する検出回路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４の等価回路図では、
ｉ１＝ｉ２＋ｉ３    ・・・（８）式
Ｖｓ＝ｉ１／（ｊω・Ｃｍ）＋ｉ２／（ｊω・Ｃｐ）      ・・・（９）式
−ｉ２／（ｊω・Ｃｐ）＋ｉ３・ｒｐ＋ｉ３・Ｒ４＝０      ・・・（１０）式
ｉ３・Ｒ４＝Ｖｉ      ・・・（１１）式
の関係が成り立ち、（８）式乃至（１１）式から、
Ｖｉ＝［ｊω・Ｃｍ／｛１／Ｒ４＋ｊω（Ｃｍ＋Ｃｐ）（ｒｐ／Ｒ４＋１）｝］・Ｖｓ    ・・・（１２）式
の関係が得られる。
【００６４】
内部抵抗ｒｐを０とし、Ｒ４がマルチプレクサ１２を介してインピーダンス変換する信号処理回路１３に接続することにより無限大とすれば、（１２）式は、
Ｖｉ＝Ｃｍ／（Ｃｐ＋Ｃｍ）・Ｖｓ
と置き換えられ、更に
浮遊容量Ｃｐに比べて静電容量Ｃｍは極めて小さいので、（１２）式は、更に
Ｖｉ＝（Ｃｍ／Ｃｐ）・Ｖｓ      ・・・（１３）式
で表される。
【００６５】
入力操作体３０と検出電極１１の静電容量Ｃｍは、（７）式からＣｍ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄで表されるので、これを（１３）式に代入して変形すれば、
Ｖｉ＝｛ε０・εｒ・Ｓ／（ｄ・Ｃｐ）｝Ｖｓ      ・・・（１４）式となり、（１４）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、
Ｖｉ＝Ｖｓ／（ｄ・ｋ）          ・・・（１５）式
で表される。つまり、受信レベルＶｉは、入力操作体３０と検出電極１１との距離ｄに反比例し、入力操作体との距離ｄが近い検出電極１１ほど、受信レベルＶｉは交流検出信号ＳＧの出力レベルＶｓに近づく大きな値となる。
【００６６】
従って、検出電極１１に表れる受信レベルＶｉを検出すれば、（１５）式からその間の距離ｄを求めることができるが、図７に示すように、タッチ入力操作からホバー入力操作までの指３０と検出電極１１間の静電容量Ｃは距離ｄに反比例して大きく変化するので、静電容量Ｃの値を表す受信レベルＶｉの最大値と最小値の差も大きくなる。更に、受信レベルＶｉの最大値が検出されるタッチ入力操作では、距離ｄに対する受信レベルＶｉの変化率が大きく、最小値が検出されるホバー入力操作では、受信レベルＶｉの変化率が極めて小さいので、（１５）式を用いて受信レベルＶｉから直接距離ｄを検出する場合に、タッチ入力操作の領域に対してホバー入力操作の領域での距離ｄの検出精度が極めて粗いものとなる。
【００６７】
一方、後述するように入力操作を意図して指３０を接近させる入力操作の検出や、入力操作体３０による入力操作位置の検出には、必ずしも絶対値である距離ｄまで検出する必要はなく、相対距離ｒｄから充分に検出できる。この相対距離ｒｄについて、図６に示すように、指３０と検出電極１１間の静電容量Ｃｍの逆数に所定の定数（４・１０−１２）を乗じた値が距離ｄに比例する相対距離ｒｄを表している。従って、静電容量Ｃｍや静電容量Ｃｍに比例する値の逆数に所定定数を乗じた演算値も、指３０と検出電極１１間の距離ｄに比例する相対距離ｒｄを表し、本実施の形態では、（１３）式から静電容量Ｃに比例する受信レベルＶｉの逆数に所定の定数を乗じた演算値を、距離ｄに比例する相対距離ｒｄとしている。この演算値は、指３０と検出電極１１間の距離ｄに比例して増減するので、演算値をもとにタッチ入力操作からホバー入力操作の領域まで均一な検出精度で相対距離ｒｄを検出することができる。
【００６８】
上述の演算において受信レベルＶｉの逆数に乗じる定数は、任意の値とすることができるが、ここでは演算値の最小値から最大値までを１バイトの８ビットデータで表すことができる値とする。ここでは、受信レベルＶｉの逆数の最小値、つまりタッチ入力操作で検出される受信レベルＶｉの最大値の逆数を１０を基数とする浮動小数点数で表したときの指数部の逆数を４で割った値とする。これにより、最小値の１／１０から１００倍の相対距離ｒｄを表す演算値を１バイトのデジタルデータで表すことができる。
【００６９】
例えば、出力レベルＶｓが５Ｖの交流検出信号ＳＧが検出電極１１に表れる受信レベルＶｉの最大値が、タッチ入力操作で、指３０と検出電極１１間の静電容量Ｃが１．１１ｐＦであるときの１４．９・１０−３Ｖであるとすると、受信レベルＶｉの逆数の最小値は、６７．１であり、１０を基数とする３桁の有効数字の浮動小数点数で表すと、６、７１・１０となるので、上述の受信レベルＶｉの逆数に乗じる定数は、指数部１０の逆数を４で割った値である０．２５・１０−１ とする。このように定数を定めることにより、タッチ入力操作において最大値の１０倍の受信レベルＶｉが検出された場合から、ホバー入力操作において最大値の１００分の１の受信レベルＶｉが検出されるまで、演算値を８ビットデータで表して出力できる。
【００７０】
演算処理回路１４で演算した８ビットデータで表される演算値は後段のＭＰＵ１０へ出力される。ＭＰＵ１０は、演算処理回路１４から入力されるこの演算値をもとに、入力操作面ＥＳに指３０を接近させる入力操作と、ＸＹ平面である入力操作面ＥＳに指３０を投影させた入力操作面ＥＳ上の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出する。
【００７１】
入力操作の検出は、予め特定の検出電極１１について、例えばその検出電極１１から５０ｍｍまで指３０を接近させたときの検出電極１１に表れる受信レベルＶｉを検出し、その受信レベルＶｉから演算した演算値を入力操作閾値として、ＭＰＵ１０の記憶部に記憶しておく。一定周期で、上記特定の検出電極１１について検出した受信レベルＶｉから演算した演算値を入力操作閾値と比較し、演算処理回路１４から入力される演算値が入力操作閾値以上である場合には、指３０との距離が５０ｍｍ以上離れ、入力操作が行われていないと判定し、他の全ての回路を休止するスリープモードを維持する。
【００７２】
一方、一定周期で演算処理回路１４から入力される演算値が、入力操作閾値未満となった場合には、特定の検出電極１１と指３０との距離が５０ｍｍ未満になり、入力操作面ＥＳに指３０を接近させる入力操作があったものと判定し、入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出するための全ての回路を起動させる。このように、入力操作の検出には、特定の検出電極１１と指３０との距離ｄを求める必要はなく、演算値で表される相対距離ｒｄを比較して検出できる。
【００７３】
指３０の入力操作面ＥＳ上の入力操作位置（ｘ，ｙ）は、検出方向に沿って等間隔で配置された複数の検出電極１１、１１について検出する受信レベルＶｉから演算した演算値を比較して検出する。指３０の入力操作位置は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、指３０を入力操作面ＥＳに接触させるタッチ入力操作であるか、入力操作面ＥＳの上方の空間に指３０を接近させるホバー入力操作であるかにかかわらず、検出方向（図５ではＸ方向）で既知の距離Ｌｘ離れた一組の検出電極Ｘｎ、Ｘｎ’について、それぞれ演算処理回路１４から入力された演算値Ｄｎ、Ｄｎ’を比較することにより検出できる。
【００７４】
すなわち、検出電極Ｘｎに表れる受信レベルＶｉから演算した演算値Ｄｎは、検出電極Ｘｎと指３０の相対距離ｒｄを表し、検出電極Ｘｎ’に表れる受信レベルＶｉ’から演算した演算値Ｄｎ’は、検出電極Ｘｎ’と指３０の相対距離ｒｄ’を表すので、演算値Ｄｎと演算値Ｄｎ’の比は、入力操作面ＥＳ上に投影させた入力操作位置（ｘ）の検出電極Ｘｎまでの距離と検出電極Ｘｎ’までの距離の比に等しい。従って、検出電極Ｘｎから検出方向に沿った入力操作位置（ｘ）までの距離ｄｘは、ｄｘ＝Ｌｘ・Ｄｎ／（Ｄｎ＋Ｄｎ’）から得られ、検出電極Ｘｎ、Ｘｎ’の検出方向に沿った入力操作面ＥＳ上の配線位置は既知であるので、入力操作位置（ｘ）を検出できる。
【００７５】
このタッチパネル１では、入力操作面ＥＳに直交するＸＹ方向にそれぞれ多数のＸ検出電極１１ＸとＹ検出電極１１Ｙとをそれぞれ互いに絶縁させて配線しているので、上述の方法で入力操作面ＥＳ上の二次元の入力操作位置（ｘ，ｙ）を検出できる。
【００７６】
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。
【００７７】
上述の実施の形態では、ＭＰＵ１０で、複数の検出電極１１についての演算値から入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出したが、各検出電極１１について演算処理回路１４が演算した演算値をそのまま信号線１６を介して上位機器へ出力し、上位機器で入力操作の検出や入力操作位置（ｘ、ｙ）の検出を行うようにしてもよい。この場合には、上位機器へ出力される演算値は１バイトのデジタルデータであるので、高速に出力することができる。更に、出力される演算値はそのまま検出電極１１と入力操作体３０との相対距離ｒｄを表すので、簡単な演算処理で入力操作位置（ｘ、ｙ）を検出することができる。
【００７８】
また、上述の実施の形態では、静電容量Ｃｍを表す容量信号の信号レベルを、検出電極１１に表れる交流検出信号ＳＧの受信レベルＶｉとしたが、静電容量Ｃｍに比例する値を検出できれば、既知の容量のコンデンサに静電容量Ｃｍに比例する電荷を蓄積し、そのコンデンサの充電電圧を容量信号の信号レベルとするなど他の検出値であってもよい。
【００７９】
また、上述の実施の形態では、検出した受信レベルＶｉをＡＤ変換した後、演算処理を行って演算値を算出しているが、受信レベルＶｉの逆数に所定の定数を乗じる演算処理の少なくともいずれかの演算をアナログ回路でおこなってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、入力操作面に入力操作体を接触させるタッチ入力操作から入力操作面から入力操作体を離して空間上で入力操作体を移動させるホバー入力操作までの全ての入力操作領域で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】
【００８１】
１  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
１３  信号処理回路（信号検出手段）
１４  演算処理回路（入力位置検出手段）
１５  発振回路（発信手段）
１９  Ａ／Ｄコンバータ
２０  ガラス基板（絶縁パネル）
２１  カバーレイ
３０  指（入力操作体）
ＥＳ  入力操作面
ＳＧ  交流検出信号
Ｃｍ  静電容量
Ｖｉ  受信レベル（信号レベル）
ｄ    距離
ｒｄ  相対距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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