(57)【要約】【課題】  チャネル数と配線数の同時に減らし、かつ複数のタッチキーの同時押しを可能にしたタッチセンサを提供する。【解決手段】  キーボード２０は、絶縁基板ＳＵＢ上に、６行６列に配置された３６個のタッチキー２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５を含んで構成される。タッチキー２１は、絶縁基板ＳＵＢ上に配置された中央電極２１ａ、この中央電極２１ａを囲んで配置された環状電極２１ｂを有している。センサ回路３０は、選択回路３１、電荷増幅器３２を含んで構成される。電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が接続されたタッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出する。【選択図】図１
2012063843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上で複数の行及び複数の列に配置され、第１の電極と、この第１の電極を囲んで配置された第２の電極とを有する複数のタッチキーと、
前記基板上に配置され、前記複数の行の各行に対応して行方向に配置された複数のタッチキーの第２の電極を互いに連結する複数の駆動線と、
前記基板上に配置され、前記複数の列の各列に対応して列方向に配置された複数のタッチキーの第１の電極を互いに連結する複数のセンサ線と、
前記複数の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、
前記複数の駆動線のある駆動線に前記クロック源から前記クロック信号が印加されている間に、前記複数のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、
前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記タッチキーの前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項２】
前記第１及び第２の電極は丸の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の電極は四角の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項４】
前記基板上で、前記第２の電極の外側の前記基板上に配置された接地電極を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項５】
前記検出回路は、第１及び第２の端子を有し、前記第１の端子が前記選択回路により選択されたセンサ線に接続され、前記第２の端子に前記クロック信号の反転信号が印加された基準静電容量と、
前記選択回路により選択された前記センサ線が非反転入力端に接続され、反転入力端に前記クロック信号のＨレベルとＬレベルの差の１／２の電圧が印加された差動増幅器と、
前記差動増幅器の非反転入力端と反転出力端の間に並列に接続された、第１のスイッチ及び第１のフィードバック容量と、
前記差動増幅器の非反転入力端と反転出力端の間に並列に接続された、第２のスイッチ及び第２のフィードバック容量と、
前記クロック信号がＨレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオンし、前記クロック信号がＬレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオフするように制御する制御回路と、を備え、前記非反転出力端及び前記反転出力端から前記静電容量の変化に比例する出力電圧を出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタッチセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチセンサに関し、特に静電容量の変化を利用して人の指先やペン先等のタッチ位置を検出する静電容量型タッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、携帯音響機器、携帯ゲーム機器、テレビジョン、パーソナルコンピュータ等の各種電子機器のデータ入力装置として、タッチセンサが知られている。（例えば、特許文献１を参照）
近年、タッチセンサは従来のタクト・スイッチの置き換えとして広く使用されるようになっている。図１１は一般的なタッチセンサの基本構成を示す図である。このタッチセンサは、基板上に配置された１６種類のタッチキー１〜１６と、それらのタッチキーに対応した１６チャネルのセンサ回路から構成されている。センサ回路は、タッチキー１〜１６のいずれか１つに人の指先やペン先等で触れることにより生じる静電容量の変化を検出する。この場合、１つのチャネルは対応する１つのタッチキーの静電容量の変化を検出する回路を含んでいる。
【０００３】
図１２は、チャネル数を減らしたタッチセンサの基本構成を示す図である。このタッチセンサにおいては、タッチキーは７種類あり、７種類の中から２種類のタッチキーを組み合わせて１つのタッチキーを構成している。例えば、タッチキー１と２を組み合わせて、１つの組み合わせタッチキー１＋２としている。この場合、組み合わせタッチキー１＋２は、チャネル１、２により静電容量の変化を検出する。これにより、センサ回路のチャネル数を７に減らすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９０９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１１のタッチセンサでは、タッチキーの数だけチャネルが必要であるため、センサ回路の規模が大きくなり、コストアップになるという問題がある。一方、図１２のタッチセンサでは、チャネル数は少なくできるが、タッチキーとセンサ回路を接続するための配線数が多くなり、基板面積が大きくなるという問題がある。また、配線数の増加による配線間のクロストークを対策する必要がある。
【０００６】
つまり、チャネル数と配線数はトレードオフの関係にあり、チャネル数を増やせば配線数は減るがコストアップとなり、タッチキーの組み合わせでチャネル数を減らせば配線数は増加して基板面積アップとなり、両者を同時に低減することはできなかった。
【０００７】
さらに、図１２の組み合わせタッチキーでは、同時押しができなかった。例えば、組み合わせタッチキー１＋２と１＋６が同時に押された時、センサ回路のチャネル１、２、６により静電容量の変化が検出されるが、組み合わせタッチキー１＋６と２＋６が同時に押された時も、センサ回路のチャネル１、２、６により静電容量の変化が検出されることにより、センサ回路は両者を区別することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のタッチセンサは、基板と、前記基板上で複数の行及び複数の列に配置され、第１の電極と、この第１の電極を囲んで配置された第２の電極とを有する複数のタッチキーと、前記基板上に配置され、前記複数の行の各行に対応して行方向に配置された複数のタッチキーの第２の電極を互いに連結する複数の駆動線と、前記基板上に配置され、前記複数の列の各列に対応して列方向に配置された複数のタッチキーの第１の電極を互いに連結する複数のセンサ線と、前記複数の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、前記複数の駆動線のある駆動線に前記クロック源から前記クロック信号が印加されている間に、前記複数のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記タッチキーの前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、チャネル数と配線数の同時に減らすことができる。また、複数のタッチキーの同時押しも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態のタッチセンサの構成を示す図である。
【図２】タッチセンサのセンサ回路の回路図である。
【図３】本発明の実施形態のタッチセンサの動作タイミング図である。
【図４】電荷増幅器の回路図である。
【図５】電荷増幅器の動作を説明する図である。
【図６】タッチキー周辺の電界状態を示す模式図である。
【図７】タッチキーの第１の配置例を示す平面図である。
【図８】タッチキーの第２の配置例を示す平面図である。
【図９】タッチキーの第３の配置例を示す平面図である。
【図１０】タッチキーの構成例を示す平面図である。
【図１１】従来のタッチセンサの構成を示す図である。
【図１２】従来のタッチセンサの他の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態のタッチセンサの全体構成を示す図である。タッチセンサは、キーボード２０（タッチパネル）とセンサ回路３０で構成される。
【００１２】
＝＝＝キーボード２０の構成＝＝＝
先ず、キーボード２０の構成を説明する。キーボード２０は、ＰＣＢ基板等の絶縁基板ＳＵＢと、この絶縁基板ＳＵＢの表面上に配置された３６個のタッチキー２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５を含んで構成される。
【００１３】
３６個のタッチキー２１は、６行×６列のマトリクスに配置されている。各タッチキー２１は、絶縁基板ＳＵＢの表面上に配置された中央電極２１ａ（本発明の「第１の電極」の一例）と、この中央電極２１ａを囲んで配置された環状電極２１ｂ（本発明の「第２の電極」の一例）と、を有している。中央電極２１ａと環状電極２１ｂとは電気的に分離されている。
【００１４】
駆動線２２−０〜２２−５は、各行に対応して配設され、行方向（図１のＸ方向）に配置された６個のタッチキー２１の環状電極２１ｂを互いに電気的に連結している。センサ線２３−０〜２３−５は、各列に対応して配設され、列方向（図１のＹ方向）に配置された６個のタッチキー２１の中央電極２１ａを互いに電気的に連結している。
【００１５】
センサ線２３−０〜２３−５と環状電極２１ｂとは電気的に分離されている。この場合、中央電極２１ａ、環状電極２１ｂ及び駆動線２２−０〜２２−５は下層配線で形成され、センサ線２３−０〜２３−５は下層配線と絶縁された上層配線で形成されるか、環状電極２１ｂ及び駆動線２２−０〜２２−５は下層配線で形成され、中央電極２１ａ及びセンサ線２３−０〜２３−５は上層配線で形成される。
【００１６】
駆動線２２−０〜２２−５は、絶縁基板ＳＵＢの表面上に配置された対応する６個の駆動端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５を介して、外部配線Ｌ０〜Ｌ５により、センサ回路３０の端子Ｐ０〜Ｐ５（クロック出力端子）に接続される。一方、センサ線２３−０〜２３−５は、チャネル端子Ｃｈ６〜Ｃｈ１１を介して、外部配線Ｌ６〜Ｌ１１により、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１（チャネル入力端子）に接続される。
【００１７】
タッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間には静電容量が形成され、人の指等がタッチキー２１に近接することにより、静電容量の容量値Ｃ１が変化する。後述するように、センサ回路３０はこの容量値Ｃ１の変化ΔＣを電圧に変換する回路を含んでいる。
【００１８】
なお、タッチキー２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５等が形成された絶縁基板ＳＵＢ上には接合材を介してアクリル材等の誘電体材料から成る保護板が貼り付けられることが好ましい。
【００１９】
＝＝＝センサ回路３０の構成＝＝＝
センサ回路３０は、端子Ｐ０〜Ｐ１１、選択回路３１、電荷増幅器３２（本発明の「検出回路」の一例）、ＡＤ変換器３３、制御回路３４、クロック源３５、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６及びクロック配線３７を含んで構成される。制御回路３４は、センサ回路３０の全体、即ち、選択回路３１、電荷増幅器３２、ＡＤ変換器３３、クロック源３５及びＩ２Ｃバスインターフェース回路３等の動作を制御する回路である。センサ回路３０は、１チップのＩＣ（半導体集積回路）で形成することができる。
【００２０】
端子Ｐ０〜Ｐ１１は、センサ信号が入力される入力端子、又はクロック信号ＣＬｄｒｖが出力される出力端子として用いられる。クロック信号ＣＬｄｒｖはＨレベルとＬレベルを繰り返す信号である。本実施形態のタッチセンサの場合は、端子Ｐ０〜Ｐ５はクロック信号ＣＬｄｒｖの出力端子として用いられる。
【００２１】
即ち、制御回路３４のクロック源３５のクロック出力端は、１２本のクロック配線３７を介して対応する端子Ｐ０〜Ｐ１１に接続されている。この場合、制御回路３４は、クロック信号ＣＬｄｒｖを対応するクロック配線３７を介して端子Ｐ０〜Ｐ５にシーケンス的に出力するように制御する。
【００２２】
端子Ｐ０〜Ｐ５は、前述のように、外部配線Ｌ０〜Ｌ５を介して、キーボード２０の対応する駆動端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５に接続されているので、クロック信号ＣＬｄｒｖは駆動線２２−０〜２２−５にシーケンス的に印加されることになる。クロック信号ＣＬｄｒｖは、ある期間は駆動線２２−０にのみ印加され、次の期間に駆動線２２−１にのみ印加される。（以下、同様にクロック信号ＣＬｄｒｖの印加が行われる。）これにより、クロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−０〜２２−５に連結された環状電極２１ｂに印加されることになる。そして、クロック信号ＣＬｄｒｖの印加により、中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間の静電容量の容量変化を電荷増幅器３２により検出することが可能になる。
【００２３】
また、本実施形態のタッチセンサの場合、端子Ｐ６〜Ｐ１１は、センサ信号が入力される入力端子として用いられる。即ち、前述のように、キーボード２０のセンサ線２３−０〜２３−５は、外部配線Ｌ６〜Ｌ１１により、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１に接続される。
【００２４】
選択回路３１は、駆動線２２−０〜２２−５のいずれかにクロック信号ＣＬｄｒｖが印加されている期間に、センサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。即ち、クロック信号ＣＬｄｒｖが印加されている期間の中のある期間にセンサ線２３−０が選択され、次の期間にセンサ線２３−１が選択される。（以下、同様に選択が行われる。）
電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が接続されたタッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。電荷増幅器３２は、センサ線２３−０〜２３−５がシーケンス的に選択されている期間に対応して、出力電圧Ｖｏｕｔをシーケンス的に出力することになる。電荷増幅器３２の具体的な構成例については後述する。
【００２５】
ＡＤ変換器３３は、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル信号に変換する回路であり、例えば１６ビットのデルタ・シグマ型のＡＤ変換器で構成されることが好ましい。ＡＤ変換器３３から出力されるデジタル信号は、制御回路３４により一時的に記憶され、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６を介して、外部のＣＰＵ、例えば、マイクロコンピュータに送信される。
【００２６】
この場合、デジタル信号は、シリアルデータ端子ＳＤＡから、シリアルクロック端子ＳＣＬにマイクロコンピュータ側から印加されるシリアルクロックに同期してシリアル出力される。マイクロコンピュータは、送信されたデジタル信号に基づいてどのタッチキー２１が押されたかを判断する。この場合、マイクロコンピュータは、例えば当該デジタルデータが所定の閾値より大きい時に、タッチキー２１が押されたと判断する。
【００２７】
＝＝＝タッチセンサの動作＝＝＝
次に、タッチセンサの動作を図３の動作タイミング図に基づいて説明する。先ず、センサ回路３０のクロック出力端子Ｐ０から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動端子Ｃｄｒｖ０を介して、キーボード２０の１行目の駆動線２２−０に一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にそれぞれチャネル端子Ｃｈ６〜Ｃｈ１１に接続されたセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。
【００２８】
即ち、先ず、センサ線２３−０（チャネル端子Ｃｈ６）が選択される。これにより、１行１列に配置されたタッチキー２１が選択されることになる。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−０が接続されたタッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００２９】
その後、センサ線２３−１（チャネル端子Ｃｈ７）が選択される。これにより、１行２列に配置されたタッチキー２１が選択されることになる。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−１が接続されたタッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００３０】
このように、キーボード２０の１行目に配置された６個のタッチキーが順番に選択され、かつ容量変化が検出される。１行目に配置された６個のタッチキーの検出が全て終了すると、制御回路３４により一時的に記憶されたデジタル信号は、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６とシリアルデータ端子ＳＤＡを介して、外部のマイクロコンピュータに送信される。
【００３１】
次に、センサ回路３０のクロック出力端子Ｐ１から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動端子Ｃｄｒｖ１を介して、キーボード２０の２行目の駆動線２２−１に一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にそれぞれチャネル端子Ｃｈ６〜Ｃｈ１１に接続されたセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。そして、同様に、キーボード２０の２行目に配置された６個のタッチキーが順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３２】
次に、センサ回路３０のクロック出力端子Ｐ２から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動端子Ｃｄｒｖ２を介して、キーボード２０の３行目の駆動線２２−２に一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にそれぞれチャネル端子Ｃｈ６〜Ｃｈ１１に接続されたセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。
【００３３】
そして、同様に、キーボード２０の３行目に配置された６個のタッチキーが順番に選択され、かつ容量変化が検出される。以下、同様に、キーボード２０の４行目〜６行目に配置された６個のタッチキーが順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３４】
このように、本実施形態のタッチセンサによれば、３６個のタッチキー２１の容量変化をシーケンス的に検出するようにしたので、チャネル数（Ｃｈ６〜Ｃｈ１１）とキーボード２上の配線数（駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５）を同時に減らすことができる。また、３６個のタッチキー２１の容量変化を個別に検出しているので、複数のタッチキー２１の同時押しも可能になる。
【００３５】
なお、キーボード２０上のタッチキー２１の個数、配置は自由に適宜変更することができ、それに対応してセンサ回路３０の構成も変更することができる。
【００３６】
＝＝＝電荷増幅器３２の構成例と動作＝＝＝
先ず、電荷増幅器３２の構成例を図４に基づいて説明する。電荷増幅器３２は、基準静電容量５１、差動増幅器５２、第１のフィードバック容量５３、第２のフィードバック容量５４、基準電圧源５５、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を含んで構成される。
【００３７】
いま、１つのタッチキー２１が選択されており、その環状電極２１ｂにクロック信号ＣＬｄｒｖが印加され、中央電極２１ａに接続されたセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が選択回路３１により選択されているとする。タッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂとの間には容量値Ｃ１を有する静電容量が形成される。
【００３８】
基準静電容量５１は、第１及び第２の端子を有し、第１の端子が選択回路３１により選択されたセンサ線２３−ｋに接続され、第２の端子にクロック信号Ｃｄｒｖの反転信号＊Ｃｄｒｖが印加される。基準静電容量５１の容量値をＣｒｅｆとする。
【００３９】
選択回路３１により選択されたセンサ線２３−ｋは、差動増幅器５２の非反転入力端（＋）に接続される。基準電圧源５５は、クロック信号ＣＬｄｒｖのＨレベルとＬレベルの差、つまり振幅Ｖｄｒｖの１／２の電圧である、基準電圧１／２Ｖｄｒｖを発生する。この基準電圧１／２Ｖｄｒｖは、差動増幅器５２の反転入力端（−）に印加される。
【００４０】
第１のスイッチＳＷ１及び第１のフィードバック容量５３は、差動増幅器５２の非反転入力端（＋）と反転出力端（−）の間に並列に接続されている。第２のスイッチＳＷ２及び第２のフィードバック容量５４は、差動増幅器５２の反転入力端（−）と非反転出力端（＋）の間に並列に接続されている。第１及び第２のフィードバック容量５３，５４の容量値をＣｆとする。
【００４１】
次に、電荷増幅器３２の動作を図５に基づいて説明する。電荷増幅器３２はクロック信号ＣｄｒｖのＨレベル、Ｌレベルに応じて、２つの動作モードを有しており、これらの２つの動作モードが交互に繰り返される。ＨレベルをＶｄｒｖ、Ｌレベルを接地電圧０Ｖとする。差動増幅器５２の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとすると、両者の差電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）である。
【００４２】
先ず、図５（ａ）の電荷蓄積モードの時は、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｈレベル（＝Ｖｄｒｖ）である。すると、タッチキー２１の静電容量の環状電極２１ｂにＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。また、基準静電容量５５の第２の端子にＬレベル（＝０Ｖ）が印加される。また、このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオンする。これにより、差動増幅器５２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とがそれぞれ短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線上のノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線上のノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｄｒｖに設定される。
【００４３】
次に、図５（ｂ）の電荷転送モードの時、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｌレベル（＝０Ｖ）である。すると、タッチキー２１の静電容量の環状電極２１ｂには、電荷蓄積モードの時とは逆にＬレベル（０Ｖ）が印加される。また、基準静電容量５５の第２の端子にはＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオフする。
【００４４】
人の指等がタッチキー２１から遠く離れて、タッチキー２１に影響を及ばさない初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃに設定されているとする。そして、人の指等のタッチにより、静電容量の容量値Ｃ１がΔＣだけ変化したとする。つまり、Ｃ１＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃｒｅｆ＝Ｃである。
【００４５】
図５（ａ）の電荷蓄積モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００４６】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・０    ・・・・（１）
図５（ｂ）の電荷転送モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００４７】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・（Ｖｃｏｍ−１／２Ｖｄｒｖ）  ・・・（２）
電荷保存則により、電荷蓄積モードの時と電荷転送モードの時のノードＮ２の電荷量は互いに等しいから、数式（１）＝数式（２）である。
【００４８】
この方程式をＶｏｍについて解くと次式が得られる。
【００４９】
Ｖｃｏｍ＝（１／２−ΔＣ／Ｃｆ）・Ｖｄｒｖ      ・・・（３）
同様にして、ノードＮ１について、電荷蓄積モードと電荷転送モードの時の電荷量を求め、電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｐについて解くと、次式が得られる。
【００５０】
Ｖｏｐ＝１／２Ｖｄｒｖ      ・・・（４）
数式（３）（４）から、Ｖｏｕｔを求める。
【００５１】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ＝ΔＣ／Ｃｆ・Ｖｄｒｖ    ・・・（５）
これにより、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは、タッチキー２１の静電容量の変化量ΔＣに比例して変化することがわかる。上述の計算は、初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃであることを前提としているが、初期状態において、Ｃ１とＣｒｅｆに差がある場合には、キャリブレーション回路を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが所定値又は最少値になるようにＣｒｅｆを調整することができる。
【００５２】
なお、上述のセンサ回路３０においては、電荷増幅器３２は、基準静電容量５１を備え、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が接続されたタッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。つまり、シングル検出方式である。
【００５３】
これに対して、差動検出方式を用いることもできる。この場合、選択回路３１は、２本のセンサ線、例えば、隣接するセンサ線２３−ｋ、ｋ＋１を選択し、それぞれのセンサ線２３−ｋ、ｋ＋１に接続されたタッチキー２１の静電容量の容量値の差を検出するように構成する。
【００５４】
なお、タッチキー２１の静電容量の変化量ΔＣの符号は、電気的モデルにより異なる。これについて、図６を参照して説明する。図６は、タッチキー２１の断面図である。図６（ａ）の初期状態において、ΔＣ＝０である。図６（ｂ）は、人の指等１００を誘電体とする誘電体モデルであり、人の指等１００がタッチキー２１に近接すると、中央電極２１ａと環状電極２１ｂの間に生じる電気力線は人の指等１００の中を通過する事から、その本数は増加する。その結果、タッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの間に形成される静電容量の容量値は増加することなる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＞０である。
【００５５】
一方、図６（ｃ）は、人の指等１００を接地された導体とする電界遮蔽モデルであり、人の指等１００がタッチキー２１に近接すると、中央電極２１ａと環状電極２１ｂの間に生じる電気力線は、接地された人の指等１００による電界遮蔽効果により減少する。その結果、タッチキー２１の中央電極２１ａと環状電極２１ｂの間に形成される静電容量の容量値は減少することになる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＜０である。
【００５６】
＝＝＝キーボードの他の構成例＝＝＝
図７のキーボード２０Ａは、図１のキーボード２０と同様に、３６個のタッチキーを６行×６列に配置したものである。３６個のタッチキーは、それぞれＳＷ１〜ＳＷ３６というスイッチ番号が付されている。図１のキーボード２０は、全てのタッチキー２１は同一のパターンで形成されているが、図７のキーボード２０Ａは、異なるパターンを有するタッチキーを含んでいる。
【００５７】
即ち、タッチキーＳＷ１９は、パーソナルコンピュータのキーボードのＳｈｉｆｔキーやＳｐａｃｅキー等の大型の特殊キーに対応させるために、他のタッチキーＳＷ１等に比べてサイズが大きくなっている。また、タッチキーＳＷ２５，ＳＷ２６も同様の目的で、図１のタッチキー２１を２個連結したものである。この場合、静電容量の容量変化は２本のセンサ線２３−０，２３−１で検出される。また、タッチキーＳＷ３４，ＳＷ３５，ＳＷ３６も同様の目的で、図２１のタッチキー２１を３個連結したものである。この場合、静電容量の容量変化は３本のセンサ線２３−３，２３−４，２３−５で検出される。
【００５８】
図１のキーボード２０Ａから、一部のタッチキーを取り除いた形態もある。図８のキーボード２０Ｂは、そのようなキーボードの形態の一例であり、図１のキーボード２０から、タッチキーＳＷ５，ＳＷ８，ＳＷ１５，ＳＷ２５，ＳＷ２６，ＳＷ２８，ＳＷ３２という７個のタッチキーを取り除いたものである。この場合、タッチキーが取り除かれた部分は当然ながらタッチキーとしては働かない。
【００５９】
図９のキーボード２０Ｃは、図１のタッチキー２１を３６個、３行×１２列に配置したものである。３６個のタッチキーは、それぞれＳＷ１〜ＳＷ３６というスイッチ番号が付されている。キーボード２０Ｂの左半分の３行×６列のタッチキーの配置を見ると、図１の上半分のタッチキー２１の配置と同様である。また、キーボード２０Ｂの右半分の３行×６列のタッチキーは図１の下半分のタッチキー２１の配置と同様である。そして、タッチキーＳＷ１〜ＳＷ３６と駆動線２２−０〜２２−５及びセンサ線２３−０〜２３−５との電気的な接続関係は、図１のキーボード２０と等価になっている。なお、タッチキーの個数、配置は本実施形態に限らず、適宜変更することができる。
【００６０】
＝＝＝タッチキー２１の構成例＝＝＝
次に、絶縁基板ＳＵＢ上に配置されるタッチキー２１の構成例を図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）は丸型のタッチキー２１、図１０（ｂ）は四角型のタッチキー２１、図１０（ｃ）は櫛形のタッチキー２１を示している。また、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）において、左側は通常のタッチキー２１、右側はｓｈｉｆｔキー等に対応した大型のタッチキー２１を示している。大型のタッチキー２１は、図７のタッチキーＳＷ２５，ＳＷ２６に用いることができる。
【００６１】
先ず、図１０（ａ）において、通常のタッチキー２１では、中央に楕円形の中央電極２１ａが配置され、中央電極２１ａを囲んで楕円形の環状電極２１ｂが配置されている。大型のタッチキー２１では、２つの略楕円形の中央電極２１ａが配置され、２つの中央電極２１ａを囲んで略楕円形の環状電極２１ｂが配置されている。大型のタッチキー２１では、２つの中央電極２１ａにそれぞれ別のセンサ線が接続されることが好ましい。中央電極２１ａ及び環状電極２１ｂは円形であっても良い。
【００６２】
図１０（ｂ）において、通常のタッチキー２１では、中央に四角形の中央電極２１ａが配置され、中央電極２１ａを囲んで四角形の環状電極２１ｂが配置されている。大型のタッチキー２１では、２つの四角形の中央電極２１ａが配置され、２つの中央電極２１ａを囲んで四角形の環状電極２１ｂが配置されている。
【００６３】
図１０（ｃ）において、通常のタッチキー２１では、細長い複数の中央電極２１ａをそれぞれ囲んで環状電極２１ｂが配置されている。大型のタッチキー２１では、環状電極２１ｂで囲まれた１つの領域に、２つの中央電極２１ａが配置されることにより、全体として横長の形状になっている。
【００６４】
図１０（ａ）〜（ｃ）のタッチキー２１の特性を対比すると、図１０（ａ）のタッチキー２１の中央で感度がピークとなり、近接感度、つまり人の指等がタッチキー２１に近接した場合の電荷増幅器３２による検出感度、が高いという特性を有している。図１０（ｂ）のタッチキー２１も近接感度が高いが、隣接して配置されたタッチキー２１の影響が出ることがある。図１０（ｃ）のタッチキー２１は、近接感度は比較的低いが、接触感度、つまり人の指等がタッチキー２１に接触した場合の電荷増幅器３２による検出感度、が高いという特性を有している。
【００６５】
また、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）のタッチキー２１において、環状電極２１ｂの外側の絶縁基板ＳＵＢに接地電極２４を配置することにより、タッチキー２１に対する外乱ノイズの影響を低減することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２０  キーボード
２１  タッチキー
２２−０〜２２−５  駆動線
２３−０〜２３−５  センサ線
２４  接地電極
３０  センサ回路
３１  選択回路
３２  電荷増幅器
３３  ＡＤ変換器
３４  制御回路
３５  クロック源
３６  Ｉ２Ｃバスインターフェース回路
３７  クロック配線
５１  基準静電容量
５２  差動増幅器
５３  第１のフィードバック容量
５４  第２のフィードバック容量
５５  基準電圧源
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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