JP2009192306A

JP2009192306A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2009192306A
Application number: JP2008031857A
Authority: JP
Inventors: Masaki Matsubara; 正樹松原
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: EP2090968A3; IL196975A; US20100033437A1; EP2090968B1; EP2090968A2; CN101510136A; CN101510136B; US8148652B2; TW200943161A; IL196975A0; JP5098042B2; TWI448946B

Abstract

【課題】比較的簡素な回路構成で、高速な走査を実行できる、静電式の位置検出装置を提供する。
【解決手段】交流信号のゼロクロスのタイミングで、複数の電極子とそれらの電極子と直交する複数の電極子の交点に形成されるコンデンサに順次印加する。これらのコンデンサに流れる電流変化を、直交する電極子で捉え、従来技術の積分器に代えて、ＬＰＦで包絡線検波を行い、電流の変化を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出装置に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、静電容量方式の位置検出装置の、位置検出平面における走査速度を向上させる技術に関する。

コンピュータに位置情報を与える入力装置には、様々なものがある。その中で、タッチパネルと呼ばれる位置検出装置がある。
タッチパネルは、指や専用のペン等の入力体で検出平面に触れた位置を検知して画面上の位置を指定し、コンピュータに指示を与える。
タッチパネルは、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）や銀行のＡＴＭ（Automated Teller Machine）、駅の券売機等で広く利用されている。

タッチパネルに採用される位置情報検出技術には、様々なものがある。例えば、圧力の変化で位置検出を行う抵抗膜方式や検出平面の表面の膜の静電容量の変化で位置検出を行う静電容量方式等がある。

本発明の従来技術として、静電容量方式による位置検出装置を説明する。
図８は、従来の静電容量方式の位置検出装置を示すブロック図である。
駆動部８０２は、人体に最も吸収され易いとされる周波数である、２００ｋＨｚの交流電圧を生成する。
駆動部８０２によって生成された２００ｋＨｚの交流電圧は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を通じて、マトリクス電極１０４のＸ軸方向の電極（以下、「Ｘ軸電極」という）１０４ａに、選択的に印加される。
マトリクス電極１０４は、細長い導体の電極を縦横に並べたものであり、各交点が小容量のコンデンサを形成している。これら小容量のコンデンサに、２００ｋＨｚの交流電圧を印加する。
Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５は、Ｙ電極１０４ｂの中からいずれか一本を選択するスイッチである。
受信部８０３は、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５が選択した電極から得られる信号を増幅し、所定の信号処理を行うことにより、マトリクス電極１０４に人間の指等が近接したことによって起こる僅かな信号変化をデジタルデータに変換する。

マイコンよりなる位置算出部１２４は、同期クロック生成部８０７から得られるアドレス情報と、受信部８０３から得られる僅かな信号変化のデータを受けて、マトリクス電極１０４上の指の存在の有無と、その位置の情報を出力する。
なお、説明の便宜のため、マトリクス電極１０４の、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３に接続されている側の電極群をＸ電極１０４ａと呼び、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５に接続されている側の電極群をＹ電極１０４ｂと呼ぶ。

これより駆動部８０２の内部を説明する。
クロック生成器１０９はクロックを生成する発振器である。クロック生成器１０９が生成するクロックは読み出し部８０４に供給される。
サイン波ＲＯＭ１０７は、８ビット×２５６サンプルの疑似サイン波が記憶されているＲＯＭである。読み出し部８０４は、クロック生成器１０９から供給されるクロックに基づいて、サイン波ＲＯＭ１０７のアドレスを指定して、データを読み出す。
サイン波ＲＯＭ１０７から読み出し部８０４によって読み出されたデータは、Ｄ／Ａ変換器１１０によってＤ／Ａ変換された後、ＬＰＦ１１１にて平滑化されることにより、アナログのサイン波信号に変換される。その後、ドライバ１１２にて電圧増幅され、Ｘ電極１０４ａに印加される交流電圧となる。

これより受信部８０３の内部を説明する。
Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５には、オペアンプの反転増幅器である電流電圧変換器１１３が接続されている。これは、Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂの交点に形成される小容量のコンデンサに流れる電流が極めて小さいものであり、増幅して電圧に変換する必要があるからである。
電流電圧変換器１１３から出力される信号は、さらにオペアンプの反転増幅器であるドライバ１１７で増幅された後、同期検波器１１４に入力される。
同期検波器１１４は、反転増幅器１１８と切り替えスイッチ１１９よりなる。切り替えスイッチ１１９は、駆動部８０２内の読み出し部８０４から出力されるコサイン矩形波によって切り替え制御が行われる。このコサイン矩形波は、駆動部８０２が出力する２００ｋＨｚの信号とは位相が９０°ずれている矩形波である。

周知のように、コンデンサに交流電圧を印加すると、この印加された交流電圧の位相に対し電流の位相は９０°進む。したがって、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５で電流を検出した信号を同期検波する際には、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３からマトリクス電極１０４に入力される交流電圧とは９０°位相をずらす必要がある。
同期検波器１１４は、周知のダイオード検波と同等の機能を、微弱な信号に対して実現する。
同期検波器１１４の出力信号は、抵抗Ｒ１２０とコンデンサＣ１２２とオペアンプ１２１からなる積分器８０５に入力される。積分器８０５の出力信号はＡ／Ｄ変換器１１６に入力される。Ａ／Ｄ変換器１１６は、入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換して、出力する。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、従来の位置検出装置にて発生する信号の変化を示す波形図及び所定の回路部分の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
図９（ａ）は、駆動部８０２が発生する２００ｋＨｚのサイン波電圧である。図８のＰ８２１にて検出できる信号波形である。
図９（ｂ）は、ドライバ１１７にて検出できる、マトリクス電極１０４の交点において生じた電流であり、図８のＰ８２２にて検出される信号波形である。
周知のように、コンデンサに交流電圧を印加すると、この印加した交流電圧に対し電流の位相は９０°進む。したがって、図９（ｂ）の波形は図９（ａ）より位相が９０°進んでいる。

図９（ｃ）は、図９（ｂ）の信号に対して同期検波を行った結果の波形である。図８のＰ８２３にて検出できる信号波形である。同期検波を行うことにより、交流の信号は直流の脈流に変換される。
図９（ｄ）は、図９（ｃ）の信号に対して積分を行った結果の波形である。図８のＰ８２４にて検出できる信号波形である。
積分器８０５は、時点ｔ２０から入力信号の積分を開始し、時点ｔ２１まで積分を行う。
図９（ｅ）は、Ａ／Ｄ変換器１１６の動作タイミングである。Ａ／Ｄ変換器１１６は、時点ｔ２１から時点ｔ２２まで、積分器８０５のアナログ電圧をデジタル値に変換する。
図９（ｆ）は、放電スイッチ８０６の動作タイミングである。放電スイッチ８０６は、時点ｔ２２から時点ｔ２３までの間にオン制御される。これにより、コンデンサＣ１２２が放電され、積分器８０５の出力電圧はゼロに戻される。つまり、放電スイッチ３２１は、積分器８０５のリセットスイッチといえる。

なお、本出願人の発明に係る従来技術を、特許文献１に示す。

特開平１０−０２０９９２号公報

前述の従来技術による静電容量方式の位置検出装置は、Ｘ軸電極とＹ軸電極の各交点ごとに、積分とＡ／Ｄ変換を行っていた。この積分及びＡ／Ｄ変換の処理は、一交点ごとにおよそ３０μｓｅｃを要した。
この技術は、比較的小規模の位置検出装置ではあまり問題にはならないが、位置検出装置の位置検出平面を大きくしようとすると、問題が顕在化する。つまり、位置検出平面を大きくすると、交点の数が増える。交点の数が増えれば増えるほど、位置検出平面全体を走査（スキャン）する時間が長くなる。

一般に、位置検出装置やマウス等のポインティングデバイスの分解能は、１０ｍｓｅｃ程度が好ましいとされる。したがって、位置検出装置において一交点辺り３０μｓｅｃという制約のままでは、検出面中に設けることのできる交点の数は、およそ３３３個程度となる。
一方、出願人は広大な面積の位置検出平面を備える、静電容量方式の位置検出装置を実現したいと考えている。目指す位置検出装置の位置検出平面内の交点数は、およそ１５０００個程度を目標にしている。したがって、前述の従来技術による位置検出装置では、到底実現することはできない。

ここで、電磁誘導式の位置検出装置であれば、位置検出平面に印加する交流電圧の周波数を上げて速度を稼ぐ、という方策が考えられる。しかし、一方で２００ｋＨｚという周波数は、人体が最も吸収し易い周波数である、という固有の制約がある。したがって、速度向上のための解決策として電磁誘導式のようなアプローチをとることができない。

また、交点を幾つかの群に分割して、夫々の交点群に対応する位置検出回路を複数設ける方法があるが、この場合は装置が大掛かりになり、コストが嵩むと共に、設計がより難しくなる、という大きな欠点がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な回路構成で高速な走査を実行できる、静電容量方式の位置検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による位置検出装置は、複数の導体を相互に平行に配置してなるＸ電極群と、該Ｘ軸電極群と直交するように複数の導体を配置してなるＹ電極群と、Ｘ電極群とＹ電極群との間に設けられた誘電体と、Ｘ電極群に交流信号を供給する駆動部と、交流信号のゼロクロスのタイミングごとに同期クロックを生成する同期クロック生成部と、同期クロックが入力され、該同期クロックの入力に応じてＸ電極群のうちの任意の一の導体である第一の電極を選択する第一の切り替えスイッチと、同期クロックが入力され、該同期クロックの入力に応じてＹ電極群のうちの任意の一の導体である第二の電極を選択する第二の切り替えスイッチと、第二の切り替えスイッチを介して第二の電極から出力された出力信号を脈流に変換する同期検波器と、脈流に変換された出力信号が入力され、該出力信号の所定周波数以上の周波数成分を遮断して出力するフィルタ部と、フィルタ部から出力された出力信号の変化を検出して、第一の電極と第二の電極との交点の位置を算出する位置算出部と、を具備することを特徴とするものである。

一本の電極子に与える入力信号は、２００ｋＨｚから大きくはずすことはできない。
そこで、２００ｋＨｚの交流信号を、その交流信号のゼロクロスのタイミングで、複数の電極子とそれらの電極子と直交する複数の電極子の交点に形成されるコンデンサに順次印加する。これらのコンデンサに流れる電流変化を、直交する電極子で捉え、従来技術の積分器に代えて、ＬＰＦで包絡線検波を行い、電流の変化を検出する。

本発明により、比較的簡素な回路構成で高速な走査を実行できる静電容量方式の位置検出装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。

以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、下記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。例えば、以下の説明で挙げるマトリクス電極を構成するＸ電極及びＹ電極の本数等の数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における寸法、形状及び配置関係も概略的なものである。

図１は、本発明の一実施形態の例である、位置検出装置の全体ブロック図である。
図１に示すように、位置検出装置１０１は、駆動部１０２と、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３と、マトリクス電極１０４と、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５と、受信部１０６と、位置算出部１２４とからなる。

駆動部１０２は、２００ｋＨｚの交流電圧を発する。
マトリクス電極１０４は、細長い導体の電極を縦横に並べて構成され、各交点（以下、「電極交点」という）が小容量のコンデンサを形成する。
駆動部１０２で生成された２００ｋＨｚの交流電圧は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を通じてＸ電極１０４ａに印加される。
マトリクス電極１０４は、複数本の電極からなるＸ電極１０４ａと、このＸ電極１０４ａに対し垂直になるように並べられた複数本の電極からなるＹ電極１０４ｂとから構成される。Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂとの間には、図４にて後述する薄い誘電体が介在している。このため、Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂとの電極交点には、小容量のコンデンサが形成される。したがって、Ｘ電極１０４ａの任意の一つと、Ｙ電極１０４ｂの任意の一つを選択して、交流電圧を印加すると、電流が流れる。
Ｘ電極群１０４ａとＹ電極群１０４ｂとは、表面が薄い絶縁層で覆われているので、人体等に直接は接触しない。しかし、人体の指が近づくと、Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂの各電極交点に形成される小容量のコンデンサは、僅かながら静電容量が減少する。電極に人体の指が接近すると、電極から発される電気力線の一部が指に吸い込まれる現象が生じるからである。この現象は、コンデンサに印加する交流電圧の周波数に強く依存する。吸収現象が最も顕著な周波数が、先に述べた２００ｋＨｚである。

受信部１０６は、駆動部１０２が発する交流電圧がマトリクス電極１０４の各電極交点ごとに印加された状態に生じる、微弱な電流の変化を検出する。マトリクス電極１０４の電極交点に人間の指が近づくと、電極交点近傍の電気力線の一部が指に吸い取られる現象が発生する。このため、指が近づいた電極交点に形成されるコンデンサは、他の電極交点に形成されたコンデンサに比べて静電容量が僅かに減少する。すなわち、コンデンサに流れる電流が僅かに減少する。受信部１０６は、この僅かな電流の変化を検出する。最終的にはマイコンで指の位置を算出し、位置データ出力として外部に出力する。

なお、電気力線が指に吸い取られる現象は、コンデンサに印加する交流電圧の周波数に強く依存する。吸収現象が最も顕著な周波数が、先に述べた２００ｋＨｚである。

従来の技術では、微弱な電流の変化を、フーリエ変換にて検出していた。そのため、積分に要する時間が位置検出装置１０１の大型化の足かせになっていた。
本実施形態では、積分を行わず、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いて、連続的な電流検出を行う。

これより、駆動部１０２の内部を説明する。
クロック生成器１０９はクロックを生成する発振器である。クロック生成器１０９が生成するクロックは読み出し部１０８に供給される。
サイン波ＲＯＭ１０７は、８ビット×２５６サンプルの疑似サイン波データが記憶されているＲＯＭである。読み出し部１０８は、クロック生成器１０９から供給されるクロックに基づいて、サイン波ＲＯＭ１０７のアドレスを指定して、データを読み出す。
サイン波ＲＯＭ１０７から読み出し部１０８によって読み出されたデータは、Ｄ／Ａ変換器１１０によってＤ／Ａ変換された後、ＬＰＦ１１１にて平滑化されることにより、アナログのサイン波信号に変換される。その後、ドライバ１１２にて電圧増幅され、２００ｋＨｚの交流電圧となり、Ｘ電極１０４ａのうちの一の電極に印加される。

また、読み出し部１０８は、図２にて後述する交流電圧と同位相且つ整数倍周期のサイン矩形波を生成し、同期クロック生成部１２５に供給する。また、読み出し部１０８は、交流電圧と同一の周波数のコサイン矩形波を生成し、後述する同期検波器１１４のスイッチ１１９に供給する。読み出し部１０８から出力されるサイン矩形波とコサイン矩形波は、直交関係にある。

ところで、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３は、Ｘ電極１０４ａの中からいずれか一本を選択するスイッチである。また、マトリクス電極１０４と受信部１０６との間には、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５が設けられている。このＹ電極側切り替えスイッチ１０５は、Ｙ電極１０４ｂの中からいずれか一本を選択するスイッチである。なお、これらの切り替えスイッチは、後述する同期クロック生成部１２５により、スイッチを切り替えるタイミングが制御される。

これより、受信部１０６の内部を説明する。
Ｙ電極切り替えスイッチ１０５には、オペアンプの反転増幅器である電流電圧変換器１１３が接続されている。Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂとの各電極交点に形成される小容量のコンデンサに流れる電流が極めて小さなものであり、増幅して電圧に変換する必要があるからである。

電流電圧変換器１１３から出力された信号は、さらにプリアンプ１１７で増幅された後、同期検波器１１４に入力される。

同期検波器１１４は、反転増幅器１１８とスイッチ１１９よりなる。スイッチ１１９は３つの端子を有しており、それぞれが反転増幅器１１８、プリアンプ１１７及び後述するＬＰＦ１１５に接続されている。さらに、このスイッチ１１９は、駆動部１０２内の読み出し部１０８から供給されるコサイン矩形波が入力されるようになっており、このコサイン矩形波によって切り替え制御が行われる。コサイン矩形波が正の場合、スイッチ１１９はドライバ１１７側に切り替わり、ドライバ１１７の出力信号を選択する。
一方、コサイン矩形波が負の場合、スイッチ１１９は反転増幅器１１８側の端子に切り替わり、反転増幅器１１８の出力信号を選択する。コサイン矩形波は、駆動部１０２が出力する２００ｋＨｚの電圧信号とは位相が９０°ずれている（直交関係にある）矩形波である。周知のように、コンデンサに交流電圧を印加すると、この交流電圧に対し電流の位相は９０°進む。したがって、電流を検出した信号を同期検波する際には、マトリクス電極１０４に入力した交流電圧とは９０°位相をずらしたタイミングでスイッチ１１９の切り替えを行う必要がある。同期検波器１１４は、周知のダイオード検波と同等の機能を、微弱な信号に対して実現する。

同期検波器１１４から出力される信号は、抵抗Ｒ１２０、Ｒ１２３、オペアンプ１２１及びコンデンサＣ１２２よりなるＬＰＦ１１５に入力される。このＬＰＦ１１５は、入力される信号の５０ｋＨｚ以上の周波数成分を除去するように、カットオフ周波数が５０ｋＨｚに設定されている。なお、ＬＰＦ１１５のカットオフ周波数を５０ｋＨｚに設定する理由については、後述する。ＬＰＦ１１５は、フィルタ部ともいえる。

ＬＰＦ１１５から出力される信号は、Ａ／Ｄ変換器１１６によって数値データ化され、その後位置算出部１２４に入力され、所定の演算処理がなされる。

位置算出部１２４はマイコンの一機能である。位置算出部１２４は、Ａ／Ｄ変換器１１６から得られるデータから、マトリクス電極１０４の各電極交点に形成された小容量のコンデンサに流れる電流値を算出する。この電流値に基づき、マトリクス電極１０４上にある指の位置を検出し、これを位置データとして出力する。なお、マトリクス電極１０４に指が接近していない場合でも、位置算出部１２４は、マトリクス電極１０４上に指の存在がないことを検出し、これを位置データとして出力する。

同期クロック生成部１２５はマイコンの一機能である。同期クロック生成部１２５は、読み出し部１０８から供給されたサイン矩形波の立ち上がり・立ち下がりのタイミング（図２を参照）で、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５の切り替えを制御する。上述したように、サイン矩形波は、交流電圧の整数倍周期である。つまり、同期クロック生成部１２５は、交流電圧のゼロクロスになるタイミングで、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５を所定の順序で切り替える。なお、交流信号のゼロクロスになるタイミングでＸ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５を切り替える理由については、後述する。Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３は第一の切り替えスイッチ、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５は第二の切り替えスイッチともいえる。

次に、図２を参照して駆動部１０２から発せられる交流電圧と、読み出し部１０８で生成されるサイン矩形波との関係を説明する。ここで、図２は、交流電圧とサイン矩形波とを示す波形図である。

図２（ａ）は、駆動部１０２から発せられる交流電圧の波形図である。
図２（ｂ）は、図２（ａ）の交流電圧と同位相且つ同一周期のサイン矩形波を示す波形図である。図２（ｂ）のサイン矩形波は、読み出し部１０８で生成されるサイン矩形波の一例である。上述したように、サイン矩形波は交流電圧と同位相で生成されるので、サイン矩形波の立ち上がり・立ち下がりのタイミングと、交流電圧のゼロクロスのタイミングとは、常に一致する関係にある。
図２（ｃ）は、図２（ａ）の交流電圧と同位相且つ２倍周期の矩形波を示す波形図である。図２（ｃ）のサイン矩形波は、読み出し部１０８で生成されるサイン矩形波の一例である。この２倍周期のサイン矩形波も交流電圧と同位相で生成されるので、サイン矩形波の立ち上がり・立ち下がりのタイミングと、交流電圧の１周期ごとのゼロクロスのタイミングとは、一致する関係にある。
このサイン矩形波は、同期クロック生成部１２５が制御する、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５の切り替えタイミングに利用される。この詳細は後述する。

これより、本実施形態に係る位置検出装置の動作原理を説明する。
図３は、マトリクス電極１０４を示す概略図である。
以下、Ｘ電極８本及びＹ電極８本から構成されるマトリクス電極を例として説明する。図３に示すマトリクス電極１０４の場合、Ｘ電極とＹ電極の交点、すなわち電極交点の数は、６４個となる。各電極交点には、小容量のコンデンサが形成されている。各電極交点の位置は、Ｘ電極とＹ電極の行列で定義される。具体的には、Ｘ電極Ｘ１とＹ電極Ｙ２の電極交点を電極交点ａ_１２とし、Ｘ電極Ｘ８とＹ電極Ｙ８の電極交点を、電極交点ａ_８８と定義する。

以下、マトリクス電極１０４における電極交点ａ_３４、ａ_４４、ａ_５４を含む領域３０３を指３０２で触った場合を例として、図１及び図４〜図６に従って説明する。ここで、図４は本実施形態に係る位置検出装置のマトリックス電極の断面図及び波形図を、図５はコンデンサにおける電圧と電流との関係を示す図を、図６は本実施形態に係る位置検出装置のマトリクス電極１０４の断面図及び波形図である。

図４（ａ）は、指３０２で触れた電極交点ａ_３４、ａ_４４、ａ_５４を含むＹ電極Ｙ４を、図３のＹ軸方向から見たマトリクス電極１０４の断面を示す。
マトリクス電極１０４の指３０２で触れる面は、薄い絶縁層４１２で覆われている。そして、Ｘ電極１０４ａとＹ電極１０４ｂとの間には、誘電体４１３が設けられている。その結果、Ｘ電極Ｘ１〜Ｘ８とＹ電極１０６ｂと誘電体４１３とから、電極交点ａ_１４、ａ_２４、ａ_３４、ａ_４４、ａ_５４、ａ_６４、ａ_７４、ａ_８４に８つの小容量コンデンサが形成される。

図４（ｂ）は、駆動部１０８が発する２００ｋＨｚの交流電圧の波形図を示す。この波形は図１の点Ｐ１３１にて検出できる信号波形である。そして、この交流電圧は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を通じて、上述した図４（ａ）の８つのコンデンサに対応するＸ電極群１０４ａのいずれかに選択的に入力される。

図４（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３の選択により、Ｘ電極に入力された交流電圧の波形図である。ただし、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５は、Ｙ電極Ｙ４を選択しているものとする。

図４（ｃ）は、ｔ０時点からｔ１時点において、電極交点ａ_１４に形成されるコンデンサに印加される交流電圧の波形図である。Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３が端子Ｘｓ１を駆動部１０２に接続することにより、Ｘ電極Ｘ１に交流電圧が印加されることで、電極交点ａ１４に形成されるコンデンサにも交流電圧が印加される。
図４（ｄ）は、ｔ１時点からｔ２時点において、電極交点ａ_２４に形成されるコンデンサに印加される交流電圧の波形図である。Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３が端子Ｘｓ２を駆動部１０２に接続することにより、ａ２４に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される。
図４（ｅ）は、ｔ７時点からｔ８時点において、電極交点ａ_８４に形成されるコンデンサに印加される交流電圧の波形図である。Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３が端子Ｘｓ８を駆動部１０２に接続することにより、ａ８４に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される。なお、ｔ２時点からｔ７時点においても、図４（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）の交流電圧と同様の特徴を持つ交流電圧が、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３の選択により、電極交点ａ_３４，ａ_３５，ａ_３６，ａ_３７に形成される各コンデンサごとに印加される。

図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）に示す交流電圧を所定の電極交点に形成されるコンデンサに印加するためのＸ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５の切り替え制御について説明を行う。
交流電圧とサイン矩形波とは、図２に示す関係を有しているから、交流電圧と同位相且つ４倍周期のサイン矩形波のゼロクロスのタイミングは、交流電圧の２周期ごとのゼロクロスのタイミングと一致する。本発明はこの関係を利用して、矩形波のゼロクロスのタイミング、すなわち交流電圧の２周期ごとに、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５の切り替えを行っている。

ここで、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極切り替えスイッチ１０５の切り替え手順を、具体例を挙げて説明する。

今、図４（ｂ）の交流電圧が駆動部１０２からＸ電極側切り替えスイッチ１０３に供給されている。

ｔ０時点において、同期クロック生成部１２５は、Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５の端子Ｙｓ４と受信部１０６とが接続されるように切り替え制御してから、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３の端子Ｘｓ１と駆動部１０２とが接続されるように切り替え制御する。すると、電極交点ａ_１４に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される（図４（ｃ）を参照）。

ｔ０時点から交流電圧の２周期後、つまりｔ１時点において、同期クロック生成部１２５はＸ電極側切り替えスイッチ１０３を切り替え制御し、端子Ｘｓ１から端子Ｘｓ２に切り替わる。すなわち、駆動部１０２と端子Ｘｓ２とが接続される。すると、電極交点ａ_２４に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される（図４（ｄ）を参照）。
以下同様に、同期クロック生成部１２５は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を制御して、端子Ｘｓ３から端子Ｘｓ８を交流電圧の２周期ごとに順次切り替える。すると、電極交点ａ_３４、ａ_４４、…、ａ_８４の順で、夫々の電極交点に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される。Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５の端子Ｙｓ４及びＸ電極側切り替えスイッチ１０３の端子Ｘｓ８に切り替えられた時点で、Ｙ電極Ｙ４に対するＸ電極側切り替えスイッチ１０３の走査が完了する。

同期クロック生成部１２５がＹ電極側切り替えスイッチ１０５を端子Ｙｓ４及びＸ電極側切り替えスイッチ１０３を端子Ｘｓ８に切り替え制御してから交流電圧の２周期後、つまりｔ８時点において、同期クロック生成部１２５はＹ電極側切り替えスイッチ１０５を制御して、その端子Ｙｓ５に切り替え、その後、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を制御して、その端子Ｘｓ１に切り替える。すると、電極交点ａ_１５に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される。
以下同様に、同期クロック生成部１２５は、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３を制御して、端子Ｘｓ２から端子Ｘｓ８を交流信号の２周期ごとに順次切り替える。すると、電極交点ａ_１５、ａ_２５、…、ａ_８５の順で、夫々の電極交点に形成されるコンデンサに交流電圧が印加される。Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５の端子Ｙｓ５及びＸ電極側切り替えスイッチ１０３の端子Ｘｓ８に切り替えられた時点で、Ｙ電極Ｙ５に対するＸ電極側切り替えスイッチ１０３の走査が完了する。

Ｙ電極側切り替えスイッチ１０５の端子Ｙｓ１から端子Ｙ３及び端子６から端子Ｙｓ８についても、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３の端子Ｘｓ１から端子Ｘｓ８を交流電圧の２周期ごとに順次切り替えられる。すると、マトリクス電極１０４のすべての電極交点に形成されるコンデンサに順次交流電圧が印加される。

以上のように、交流信号のゼロクロス時に、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５の切り替えを行うようにする。これは、各電極交点に対応する、図６（ｉ）にて後述するＬＰＦ１１５を通過した信号夫々の信号レベルを均一化し、電極交点ごとの感度のばらつきを抑えるためである。このようにスイッチの切り替えタイミングを制御することにより、各電極交点において、指を検出する感度が等しくなる。

ところで、周知のように、コンデンサに図５（ａ）に示す交流電圧が印加されると、コンデンサには、図５（ｂ）に示す電流が流れる。この電流は、図５（ａ）に示す交流電圧に対し、位相が９０°進んだ信号である。

つまり、図４（ｂ）から（ｃ）に示す交流電圧が、電極交点ａ_１４、ａ_２４、ａ_３４、ａ_５４、ａ_６４、ａ_７４、ａ_８４に形成されるコンデンサに印加されると、各コンデンサには、図４（ｃ）から（ｅ）に示す交流電圧より位相の９０°進んだ電流が２周期流れる。電極交点ａ_１４、ａ_２４、ａ_３４、ａ_５４、ａ_６４、ａ_７４、ａ_８４に形成される各コンデンサに流れる電流をそれぞれ図６（ａ）から（ｆ）に示す。

ここで、図６（ｃ）から（ｅ）に示す、電極交点ａ_３４、ａ_４４、ａ_５４に形成されたコンデンサに流れる電流に注目する。これら３つのコンデンサに流れる電流は、その他の電極交点に形成されるコンデンサに流れる電流より少なくなる。これは、電極交点ａ_３４、ａ_４４、ａ_５４に指３０２が接近したことにより、電極から発される電気力線の一部が指３０２に吸い込まれる現象が生じたためである。ただし、完全に指３０２で覆われている電極交点ａ_４４のほうが、指３０２の一部でしか覆われていない電極交点ａ_３４，ａ_５４よりも、指３０２に吸い込まれる電気力線の本数は多くなる。そのため、図６（ｄ）に示す電流のほうが、図６（ｃ）、（ｅ）に示す電流よりも少なくなる。

上述したＸ電極側切り替えスイッチ１０３の走査により、図６（ｇ）に示す電流は、Ｙ電極切り替えスイッチ１０５の端子Ｙｓ４を通じて、Ｙ電極Ｙ４から電流電圧変換器１１３へ入力される。

図６（ｇ）は、図１のＰ１３２にて検出できる信号波形である。この図６（ｇ）に示す波形は、電極交点ａ_１４、ａ_２４、ａ_３４、ａ_５４、ａ_６４、ａ_７４、ａ_８４に形成される各コンデンサに流れた電流を電流電圧変換器１１３にて電圧に変換し、その後、ドライバ１１７にて増幅した後の信号の波形図である。そして、図６（ｇ）の信号は、同期検波器１１４に入力される。

図６（ｈ）は、図６（ｇ）の信号を同期検波器１１４により信号処理した後の電圧信号の波形図である。図１のＰ１３３にて検出できる信号波形である。図６（ｈ）の電圧信号は、図６（ｇ）の信号を脈流に変換した信号となる。同期検波器１１４を通じて同期検波された信号はＬＰＦ１１５に入力される。

図６（ｉ）は、図６（ｈ）に示す電圧信号がＬＰＦ１１５により信号処理した後の電圧信号の波形図である。図１のＰ１３４にて検出できる信号波形である。図６（ｉ）の信号は、図６（ｈ）の電圧信号の５０ｋＨｚ以上の周波数成分を除去した信号である。ところで、マトリクス電極１１４の各コンデンサに印加される交流電圧は、２００ｋＨｚである。つまり、図６（ｈ）に示す電圧信号の主要周波数成分も２００ｋＨｚとなる。図６（ｈ）に示す電圧信号から２００ｋＨｚの周波数成分を除去し、指３０２を検出するための理想的な包絡線を得るために、ＬＰＦ１１５のカットオフ周波数を５０ｋＨｚに設定している。

次に、マトリクス電極１０４上の指３０２の位置検出方法について図７を参照して説明する。
図７は、位置算出部１２４における処理結果を示す３次元グラフである。この３次元グラフは、マトリクス電極１０４に含まれるすべての電極交点に対応する、Ａ／Ｄ変換器１１６からの出力を、所定のスケールに正規化したグラフである。この図７に示す３次元グラフにおいて、Ｘ軸はＸ電極１０４ａの本数を示し、８本となっている。Ｙ軸は、Ｙ電極１０４ｂの本数を表し、８本となっている。そして、Ｚ軸は、電圧の大きさである。

図７に示す３次元グラフで電圧の値が周りより小さくなっている部分７０１は、マトリクス電極１０４の電極交点に形成されたコンデンサに流れる電流が、周りより少ない位置と対応する。つまり、この位置は、指３０２で触れた位置と対応する。

なお、本実施形態では、Ｘ電極側切り替えスイッチ１０３及びＹ電極側切り替えスイッチ１０５を切り換えるタイミングは交流電圧の２周期ごととした。しかし、これらの切り替えスイッチを切り替えるタイミングは、交流電圧のゼロクロス時であればよい。例えば、交流電圧の１／２周期で順次スイッチを切り換えるには、読み出し部１０８から同期クロック生成部１２５へ、交流信号と同周期のサイン矩形波を供給すればよい。

以上説明したように、マトリクス電極１０４のすべての電極交点に形成されるコンデンサに流れる電流（静電容量）を連続的に検出して、マトリクス電極１０４上に触れた指３０２の位置及び形を検出し、外部へ指３０２の位置及び形を出力する。

次に、本発明の位置検出装置１０１が、マトリクス電極１０４のすべての電極交点を走査するのに要する時間について検証する。
上述したように、位置検出装置１０１は、最短、駆動部１０２から発せられる交流電圧の１／２周期で、一つの電極交点を検出することができる。つまり、一つの電極交点を検出するには、１／２（周期）÷２００（ｋＨｚ）＝２．５（μｓｅｃ）必要である。つまり、すべての電極交点を走査するには、２．５（μｓｅｃ）×電極交点数（個）必要となる。

例えば、２１インチのタッチパネルには、約１５０００個の電極交点数がある。
このようなタッチパネルの場合、本発明の位置検出装置１０１がすべての電極交点の走査をするのに必要な時間は、１５０００×２．５μｓｅｃ＝０．０３７５ｓｅｃである。

上述した本発明の一実施形態においては、マトリクス電極１０４の各電極交点に交流電圧を供給するようにスイッチ切り替えを行う際、交流電圧のゼロクロス時に切り替えを行うようにした。これにより、１つの電極交点に形成されるコンデンサに流れる電流を検出するごとに、積分回路をリセットすることなく、すべての電極交点に形成されるコンデンサに流れる電流を連続的に検出できるようにした。すなわち、タッチパネルに触れた指の検出時間を従来技術より短縮できるという効果がある。

なお、上述した実施の形態においては、交流電圧の主要周波数成分である２００ｋＨｚの周波数成分を除去するために、カットオフ周波数を５０ｋＨｚに設定したローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いた例を示した。しかし、交流電圧の主要周波数成分を除去することができれば良いので、ローパスフィルタに限らず、例えば、５０ｋＨｚ以上の周波数を遮断できるフィルタ、例えば、かかる周波数を除去できるバンドエリミネートフィルタ及びバンドパスフィルタ等を用いても良い。

また、上述した実施の形態においては、マトリクス電極に印加される交流電圧をサイン波としたが、サイン波の代替としてサイン矩形波をマトリクス電極に印加しても同様の効果が得られる。

また、上述した実施の形態において、位置検出装置１０１は、一本の指３０２でマトリクス電極に触れた場合の、指検出を例としたが、例えば複数本の指でマトリクス電極に触れた場合でも、触れた指すべての位置を検出することが可能である。

また、上述した実施の形態においては、マトリクス電極に印加される交流電圧の周波数を２００ｋＨｚとしたが、人体に吸収される周波数の交流電圧なら、いかなる周波数のものとしてもよい。

以上、本発明の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことはいうもでもない。

本発明の一実施形態の例である、位置検出装置の全体ブロック図である。本実施形態に係るマトリクス電極に印加される交流電圧と切り替えスイッチを制御するサイン矩形波との関係性を示す図である。本実施形態に係るマトリクス電極を示す図である。本実施形態に係る位置検出装置の、マトリクス電極の断面図と、波形図である。コンデンサにおける、電圧と電流の関係を示す図である。本実施形態に係る位置検出装置の受信部の各ブロックから出力される波形図である。指の位置検出を示す図である。従来の位置検出装置の全体ブロック図である。従来技術の位置検出装置にて発生する信号の変化を示す波形図及び所定の回路部分の動作タイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０１…位置検出装置、１０２…駆動部、１０３…Ｘ電極側切り替えスイッチ、１０４…マトリクス電極、１０５…Ｙ電極側切り替えスイッチ、１０６…受信部、１０７…サイン波ＲＯＭ、１０８…読み出し部、１０９…クロック、１１０…Ｄ／Ａ変換器、１１１…ＬＰＦ、１１２…ドライバ、１１３…電流圧変換器、１１４…同期検波器、１１５…ＬＰＦ、１１６…Ａ／Ｄ変換器、１１９…スイッチ、１２４…位置算出部、１２５…同期クロック生成部、３０２…指、３０３…領域、４１２…絶縁層、４１３…誘電体、８０１…位置検出装置、８０２…駆動部、８０３…受信部、８０４…積分器、８０５…スイッチ、８０６…同期クロック生成部

Claims

複数の導体を相互に平行に配置してなるＸ電極群と、
該Ｘ軸電極群と直交するように複数の導体を配置してなるＹ電極群と、
前記Ｘ電極群と前記Ｙ電極群との間に設けられた誘電体と、
前記Ｘ電極群に交流信号を供給する駆動部と、
前記交流信号のゼロクロスのタイミングごとに同期クロックを生成する同期クロック生成部と、
前記同期クロックが入力され、該同期クロックの入力に応じて前記Ｘ電極群のうちの任意の一の導体である第一の電極を選択する第一の切り替えスイッチと、
前記同期クロックが入力され、該同期クロックの入力に応じて前記Ｙ電極群のうちの任意の一の導体である第二の電極を選択する第二の切り替えスイッチと、
前記第二の切り替えスイッチを介して前記第二の電極から出力された出力信号を脈流に変換する同期検波器と、
前記脈流に変換された出力信号が入力され、該出力信号の所定周波数以上の周波数成分を遮断して出力するフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された出力信号の変化を検出して、前記第一の電極と前記第二の電極との交点の位置を算出する位置算出部と、
を具備することを特徴とする位置検出装置。
前記フィルタ部をローパスフィルタで構成したこと、
を特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
前記駆動部の供給する交流信号は、サイン波であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
前記駆動部の供給する交流信号は、サイン矩形波であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。