JP2014067212A - 静電容量式タッチパネル - Google Patents

Abstract

【課題】十分に速い応答速度で浮遊容量の変化を検出する。
【解決手段】駆動部１０によりＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動され、検出部２０によりその駆動されたＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端から出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）が検出される。そして、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の経過後の出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）のレベルを含む出力信号Ｖ_Ｓの時間応答特性から、操作体の近接に伴う浮遊容量の変化が検出される。これにより、駆動部１０及び検出部２０の簡便な構成が可能となるとともに、浮遊容量の充放電時間（時定数）に依らず遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}から定まる十分に速い応答速度を達成することが可能となる。
【選択図】図１

Description

電極パターンが形成されたパネルに操作体が近接することにより生じる前記電極パターンの浮遊容量の変化を検出することで、前記操作体の近接を検出する静電容量式タッチパネルに関する。

近年、液晶パネルのような表示装置と組み合わせて用いられるポインティングデバイスの一種であり、表示装置の画面に指などでタッチすることによる入力操作及びその画面上の位置を検出するタッチパネルが広く利用されるようになった。特に、２点以上のタッチ（マルチタッチ）、フリックやピンチといったジェスチャー操作等ができることから、画面上に２次元配設された複数の電極を用いて指などが近接することにより生じる静電容量の変化を積算検出する静電容量式タッチパネルが注目されている。

静電容量式タッチパネルは、一般的に、絶縁パネルの一面側にＹ軸方向を長手とするＸ電極パターンをＸ軸方向に複数配列し、絶縁パネルの他面側にＸ軸方向を長手とするＹ電極パターンをＹ軸方向に複数配列して、複数のＸ電極パターンと複数のＹ電極パターンとを絶縁パネルを介して互いに交差し格子状に積層することで構成される。係る構成のタッチパネルに指などの操作体が近接（接触を含む）すると、近接点の近傍で互いに交差する一組のＸ及びＹ電極パターンとの間で形成される浮遊容量が変化する。この浮遊容量の変化を検出することにより、操作体の近接、すなわち入力操作及びそのパネル上の位置が検出される。

上述の構成の静電容量式タッチパネルでは、例えば、Ｘ及びＹ電極パターンとの間で形成される浮遊容量を、Ｘ及びＹ電極パターンのすべての組み合わせについて順次、充放電して、蓄積された電荷の量を測定することで、浮遊容量（の変化）が検出される。しかし、この検出原理では、長い電極パターンに対して、その大きな抵抗により充放電時間が長くなるため、応答特性が低下する。また、Ｘ及びＹ電極パターンのすべての組み合わせについて順に走査することから、電極パターンの大きな数に対して走査回数が増えるため、応答特性が低下する。これらの理由より、静電容量式タッチパネルの大型化は困難となっている。

また、例えば特許文献１では、抵抗（Ｒ）を介して浮遊容量（Ｃ）を充放電し、その充放電電圧が閾電圧を超えるまでの時間を測定することで、浮遊容量（の変化）が検出される。しかし、この検出原理では、十分な検出分解能を得るために、大きな抵抗（例えば、浮遊容量〜１０ｐＦに対して１ＭΩ）を用いて時定数（ＲＣ）を大きくすることで充放電の時間を長くするため、測定時間が長くなる。また、大きな時定数に対して充放電電圧は緩やかに増減するため、ノイズ等の影響により、閾電圧を超えるまでの時間の測定に大きな誤差が生じ得る。

上述の技術に対し、さらに特許文献２では、電極パターンに大きな検出抵抗を接続して、指などの操作体から（相対的に）入力される交流信号を通すハイパスフィルタを構成することで、検出回路を簡便化し、浮遊容量の高速検出を試みた。また、特許文献３では、シールド電極を設け、電極パターンとともに固定周波数の交流信号を用いて駆動することで、電極パターンの浮遊容量を充放電することなく、操作体の近接に伴って形成される固定周波数に同期しない浮遊容量を検出することを試みた。電極パターンの大きな抵抗に依らずに浮遊容量を検出することができるため、静電容量式タッチパネルの大型化が期待される。しかし、交流信号を生成する発振器、交流信号を除去して検出信号を抽出する減算器、ノイズを除去するバンドパスフィルタ等を要するため、検出回路の構成規模が大きく且つ複雑になり、タッチパネルの大型化を図るには高コスト、改良の難しさの問題点をまだ残している。

特開２０１１−１８６５０８号公報 特開２０１０−２８２４６２号公報 特開２０１１−２１５６７５号公報

本発明は、上述の事情の下でなされたものであり、電極パターンが形成された絶縁パネルに操作体が近接することにより生じる前記電極パターンの浮遊容量の変化を検出することで、前記操作体の近接を検出する静電容量式タッチパネルであって、絶縁パネル上に形成された電極パターンの一端に駆動信号を入力して、前記電極パターンを駆動する駆動部と、前記電極パターンの一端から出力信号を検出し、前記電極パターンの駆動から遅延時間の経過後の前記出力信号のレベルを含む前記出力信号の時間応答特性から前記浮遊容量の変化を検出する検出部と、を備える静電容量式タッチパネルである。

これによれば、駆動部により電極パターンが駆動され、検出部によりその駆動された電極パターンの一端から出力信号が検出され、電極パターンの駆動から遅延時間の経過後の出力信号のレベルを含む出力信号の時間応答特性から浮遊容量の変化が検出される。この検出原理より、駆動部及び検出部の簡便な構成が可能となるとともに、浮遊容量の充放電時間（時定数）に依らず遅延時間から定まる十分に短い応答速度を達成することが可能となる。

第１の実施形態に係る静電容量式タッチパネル（パネル本体部）、駆動部、及び検出部の概略構成を示す図である。 （Ａ）は図１の構成の静電容量式タッチパネルにおけるＸ及びＹ電極パターン及び駆動部の等価回路を示す図、（Ｂ）はタッチパネル本体への操作体の近接がある場合の等価回路を示す図である。 （Ａ）パルス信号Ｖ_ＣＬＫ、（Ｂ）ホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄ、（Ｃ）出力信号Ｖ_Ｓ、（Ｄ）サンプルアンドホールド回路の出力信号Ｖ_Ｏ、の時間変化を示す図である。 第２の実施形態に係る静電容量式タッチパネル（パネル本体部）、駆動部、及び検出部の概略構成を示す図である。 図４の構成の静電容量式タッチパネルにおけるＸ及びＹ電極パターン、シールド電極パターン、及び駆動部の等価回路を示す図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図１〜３を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る静電容量式タッチパネル１の概略構成を示す。静電容量式タッチパネル１は、パネル本体部１ａ、駆動部１０、及び検出部２０から構成される。

パネル本体部１ａは、積層された２つの絶縁パネル２，３とカバー４とを有する。なお、図１では、説明の都合上、絶縁パネル２，３とカバー４とを積層せず、分解して、斜視図により示している。絶縁パネル２，３とカバー４は、例えば、１２ｃｍ×９．５ｃｍの矩形状を有し、ＰＥＴフィルム等の絶縁フィルムを用いて形成されている。

絶縁パネル２の表面には、Ｙ軸方向を長手とする複数（例えば３２）のＸ電極パターン２Ｘが、互いに平行に、Ｘ軸方向に等間隔で配設されている。また、絶縁パネル３の表面には、Ｘ軸方向を長手とする複数（例えば１８）のＹ電極パターン３Ｙが、互いに平行に、Ｙ軸方向に等間隔で配設されている。Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端は駆動部１０及び検出部２０に接続され、他端は開放されている。Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙは、ＩＴＯ等の導電材を用いて形成されている。

絶縁パネル２の表面は絶縁パネル３の裏面に、絶縁パネル３の表面はカバー４の裏面に、それぞれ粘着剤を用いて接着される。これにより、複数のＸ電極パターン２Ｘと複数のＹ電極パターン３Ｙとが、絶縁パネル３を介して、互いに交差して格子状に積層される。カバー４の表面が、指などの操作体９により操作される操作面４ａを形成する。

駆動部１０は、パルス生成器（ＣＬＫ）１１と、遅延器（ｄｅｌａｙ）１７と、複数の駆動器（ｄｒｉｖｅ）１２，１３とを有する。

パルス生成器（ＣＬＫ）１１は、少なくとも浮遊容量の測定中に、例えば２００μｓｅｃの一定周期でＯＮ信号とＯＦＦ信号を繰り返すパルス信号Ｖ_ＣＬＫを生成する（図３（Ａ）参照）。ただし、パルス信号の生成周期は一定に限らず、電磁ノイズ、一定の周期に由来するノイズ、及びそれらの影響の低減のために、例えばランダムな周期でパルス信号を生成することとしてもよい。パルス信号Ｖ_ＣＬＫは、遅延器１７と複数の駆動器１２，１３とのそれぞれに入力される。

遅延器（ｄｅｌａｙ）１７は、パルス生成器１１からのパルス信号Ｖ_ＣＬＫを受け、この信号に対して一定の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）遅延するホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄを生成する（図３（Ｂ）参照）。ホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄは、後述するサンプルアンドホールド回路２２に入力される。

複数の駆動器（ｄｒｉｖｅ）１２，１３は、それぞれ、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に接続されている。複数の駆動器１２，１３は、例えば、定電圧源（電圧Ｖ_ｄｄ）とプルアップ抵抗と電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）とを用いて構成される。ここで、ＦＥＴのゲートはパルス生成器１１に接続され、パルス信号Ｖ_ＣＬＫが入力される。ＦＥＴのドレインはＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端とプルアップ抵抗とを介して定電圧源に、ソースはグランド（基準電位）にクランプされる。

複数の駆動器１２，１３は、パルス生成器１１からのパルス信号Ｖ_ＣＬＫを受けると、そのＯＦＦ信号の入力と同時に、振幅Ｖ_ｄｄのステップ状の駆動信号をプルアップ抵抗を介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に入力する。これにより、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動される。

本実施形態では、簡単のため、複数の駆動器１２，１３は上述のＦＥＴを用いて構成される回路に対応する等価回路１４により構成されているものとする。等価回路１４は、図２に示すように、プルアップ抵抗に対応する抵抗Ｒｄと、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に抵抗Ｒｄを介して接続する定電圧源Ｖｄｄと、パルス信号Ｖ_ＣＬＫの入力に伴ってＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端をグランドにクランプ（接続）及び切断するスイッチＳＷとから構成される。なお、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙと駆動回路とに接続する配線、ＬＳＩの端子、駆動回路に並列に接続されるＥＳＤ保護素子等がグランドとカップリングする容量を全て合わせたものを浮遊容量Ｃｐとする。

等価回路１４は、パルス信号Ｖ_ＣＬＫ（ＯＦＦ信号）の入力と同時にスイッチＳＷが切断され、振幅Ｖ_ｄｄのステップ状の駆動信号を抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に入力する。これにより、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動される。

検出部２０は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）２１と、サンプルアンドホールド回路（Ｓ＆Ｈ）２２と、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）２３と、信号処理器（ＳＰ）２４と、ホストコンピュータ（ＰＣ）２５と、から構成される。ここで、マルチプレクサ２１の出力端はサンプルアンドホールド回路２２の入力端に、サンプルアンドホールド回路２２の出力端はＡＤ変換器２３の入力端に、ＡＤ変換器２３の出力端は信号処理器２４の入力端に、信号処理器２４の出力端はホストコンピュータ２５の入力端に、それぞれ、接続されている。

マルチプレクサ（ＭＵＸ）２１には、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端が接続されている。マルチプレクサ２１は、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのうちホストコンピュータ２５により選択されたいずれかの一端を出力端に接続する多チャンネルスイッチである。これにより、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのそれぞれからの出力Ｖ_Ｓが、順次、切り換えて出力される。なお、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを２以上のグループに分け、そのグループ毎にマルチプレクサ２１を設けることとしてもよい。これに併せて、サンプルアンドホールド回路２２等、検出部２０の構成各部もグループ毎に設けることとしてもよい。

サンプルアンドホールド回路（Ｓ＆Ｈ）２２は、任意の時刻における入力信号をサンプルしてその信号を保持（ホールド）する回路で、遅延器１７から入力されるホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄに従い、ＯＦＦ信号が入力されている間、マルチプレクサ２１（複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのいずれかの一端）からの出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）を出力し（Ｖ_Ｏ（ｔ）＝Ｖ_Ｓ（ｔ））、時刻Ｔ_{ｄｅｌａｙ}におけるＯＮ信号の入力（ＯＦＦ信号からＯＮ信号への切り換わり）に併せて出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を保持し、以降、ＯＮ信号が入力されている間、その保持した出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を出力する（Ｖ_Ｏ（ｔ）＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}））。（図３（Ｃ）及び（Ｄ）参照。）

ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）２３は、入力された信号（アナログ信号）Ｖ_Ｏをデジタル信号に変換する。これにより、サンプルアンドホールド回路２２によりホールドされた複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのいずれかの一端からの出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）がデジタル値に変換される。

信号処理器（ＳＰ）２４又はホストコンピュータ（ＰＣ）２５は、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の経過後の入力信号、すなわち出力Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）に由来するデジタル信号を解析処理する。信号処理器２４又はホストコンピュータ２５は、そのデジタル信号が、操作体９の操作面４ａ（Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ）への近接により、リファレンスと比較して有意に小さくなっている場合に、操作体９の近接を検出し、その変化ΔＣを検出したＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを特定することで、操作体９の近接、すなわち入力操作及びその操作面４ａ上の位置を検出する。

上述の構成の静電容量式タッチパネル１において、操作面４ａに対する指などの操作体９の近接（接触を含む）を検出する原理を説明する。

まず、操作体９の近接がない場合において、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの駆動と検出部２０の応答について説明する。

図２（Ａ）は、操作体９の近接がない場合におけるＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙと駆動部１０（駆動器１２，１３）と検出部２０（マルチプレクサ２１及びサンプルアンドホールド回路２２）との等価回路を示す。ただし、マルチプレクサ２１によりサンプルアンドホールド回路２２の入力端に接続するＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのみを図示している。また、簡単のため、駆動器１２，１３を先述の等価回路１４に置き換えている。

Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ（及びその他の素子）とグランドレベルとの間で浮遊容量Ｃｐ（例えば〜１０ｐＦ）が形成される。また、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの抵抗が、抵抗Ｒ_ｐを用いて表されている。

等価回路１４において、図３（Ａ）に示されるパルス信号Ｖ_ＣＬＫが等価回路１４を構成するスイッチＳＷに入力される。パルス信号Ｖ_ＣＬＫは、時刻Ｔ_０（＝０）にてＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り換わる。

スイッチＳＷは、ＯＮ信号が入力されている間、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端をグランドクランプする。この時、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端の電位Ｖ_Ｓはグランドレベルにある（すなわちＶ_Ｓ＝０）。スイッチＳＷは、ＯＦＦ信号が入力されると、グランドクランプを切断する。これにより、振幅Ｖ_ｄｄのステップ状の駆動信号が抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に入力され、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動される。すなわち、定電圧源Ｖｄｄから抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量Ｃｐに電流が流れ、浮遊容量Ｃｐが充電される。

Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの駆動（浮遊容量Ｃｐの充電）に伴い、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端の電位Ｖ_Ｓは、図３（Ｃ）に示すように、時間ｔに対して、理想的には、
Ｖ_Ｓ（ｔ）＝Ｖ_ｄｄ（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）） …（１）
のように指数関数的に立ち上がる。ここで、時定数τ（＝τ_０（＝ＣｐＲｄ））である。

一方、遅延器１７は、図３（Ｂ）に示すように、パルス信号Ｖ_ＣＬＫに対して一定の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）遅延するホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄをサンプルアンドホールド回路２２に出力する。

サンプルアンドホールド回路２２は、図３（Ｄ）に示すように、ホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄ（ＯＦＦ信号）が入力されている間、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端からの出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）を出力し、時刻Ｔ_{ｄｅｌａｙ}におけるＯＮ信号の入力（ＯＦＦ信号からＯＮ信号への切り換わり）に併せて出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を保持し、ＯＮ信号が入力されている間、その保持した出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を出力する。これにより、サンプルアンドホールド回路２２の出力Ｖ_Ｏ（ｔ）は、
Ｖ_Ｏ（ｔ）＝Ｖ_Ｓ（ｔ） ｆｏｒ ｔ＜Ｔ_{ｄｅｌａｙ}，
＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}） ｆｏｒ ｔ≧Ｔ_{ｄｅｌａｙ} …（２）
と振舞う。

次に、操作体９の近接がある場合における検出部２０の応答について説明する。

図２（Ｂ）は、操作体９の近接がある場合におけるＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙと駆動部１０（駆動器１２，１３）と検出部２０（マルチプレクサ２１及びサンプルアンドホールド回路２２）との等価回路を示す。図２（Ａ）と同様に、マルチプレクサ２１によりサンプルアンドホールド回路２２の入力端に接続するＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのみを図示している。また、先と同様に、駆動器１２，１３を等価回路１４に置き換えている。

Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙには、グランドレベルとの間に形成される浮遊容量Ｃｐの他に、操作体９の近接によりＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ上の近接点とグランドレベルとの間に浮遊容量ΔＣ（例えば〜１ｐＦ）が形成される。なお、抵抗Ｒ_ｐ１は浮遊容量Ｃｐと近接点までのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの抵抗であり、抵抗Ｒ_ｐ２は近接点から開放端までのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの抵抗であり、Ｒ_ｐ１＋Ｒ_ｐ２＝Ｒ_ｐである。

等価回路１４において、図３（Ａ）に示されるパルス信号Ｖ_ＣＬＫが等価回路１４を構成するスイッチＳＷに入力される。パルス信号Ｖ_ＣＬＫが時刻Ｔ_０（＝０）にてＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り換わると、スイッチＳＷがグランドクランプを切断する。これにより、振幅Ｖ_ｄｄのステップ状の駆動信号が抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端に入力され、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動される。すなわち、定電圧源Ｖｄｄから抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量Ｃｐ及び操作体９の近接により形成された浮遊容量ΔＣに電流が流れ、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣが充電される。

Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの駆動（浮遊容量Ｃｐ，ΔＣの充電）に伴い、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端の電位Ｖ_Ｓは、図３（Ｃ）に示すように、時間ｔに対して指数関数的に立ち上がる。先述の操作体９の近接がない場合と比較して、浮遊容量Ｃｐの変化ΔＣにより時定数τが大きくなるため（τ＞τ_０）、電位Ｖ_Ｓはゆっくり立ち上がることとなる。また、操作体９が操作面４ａに近づくにつれて（操作体９とＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとの離間距離が小さくなるにつれて）、浮遊容量ΔＣが大きくなるため、すなわち時定数τがより大きくなるため、電位Ｖ_Ｓはよりゆっくり立ち上がることとなる。

サンプルアンドホールド回路２２は、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}後の出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を保持して出力するため、その出力Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）は、操作体９の操作面４ａ（Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ）への近接により、先述の近接がない場合と比較して、小さくなる。また、出力Ｖ_Ｏは、近接距離が近くなる（浮遊容量ΔＣが大きくなる）につれてより小さくなる。

信号処理器２４又はホストコンピュータ２５は、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の経過後の入力信号、すなわち出力Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）に由来するデジタル信号を解析処理する。信号処理器２４又はホストコンピュータ２５は、そのデジタル信号が、操作体９の操作面４ａ（Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ）への近接により、リファレンスと比較して有意に小さくなっている場合に、操作体９の近接を検出する。ここで、リファレンスとして、操作体９の近接が無い場合の出力Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）のレベル、操作体９が近接し得ない又はほとんど近接しない位置に配置されたＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙからの出力信号のレベル、後述するシールド電極パターン５Ｓからの出力信号のレベル等が採用される。

上述の通り、操作体９がＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙにより近接するほど、そのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙからの遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の経過後の出力信号Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）は小さくなる。そこで、ホストコンピュータ２５は、全てのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを順次走査する。すなわち、マルチプレクサ２１を制御して、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端を順次、サンプルアンドホールド回路２２の入力端に接続して、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのそれぞれについて出力信号Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を検出する。検出された出力信号Ｖ_Ｏは、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの位置（それぞれＸ及びＹ位置）について分布を有する。ホストコンピュータ２５は、出力信号Ｖ_Ｏの分布より、その振幅の最も小さい操作面４ａ上の位置から操作体９の近接点（入力操作点）の位置を特定する。これにより、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの配設間隔以上の分解能で入力操作点の位置を特定することができる。

なお、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのうち、検出された出力信号Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）が閾値を超えたＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙに操作体９が近接した（入力操作があった）ものと特定し、それらのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの操作面４ａ上の中心位置から操作体９の近接点（入力操作点）の位置を特定してもよい。これにより、同様に、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの配設間隔以上の分解能で入力操作点の位置を特定することができる。

図３に示した電位Ｖ_Ｓ（ｔ）の例において、図３（Ｄ）内に矢印を用いて示された範囲（最適範囲）内で浮遊容量の変化ΔＣの検出効率（検出感度）が最良となる。そこで、上述の検出原理において、最適な遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を決定するために（最適範囲内で決定するために）、電位Ｖ_Ｓ（ｔ）の飽和時間を基準に遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を定めることとする。例えば、係数ａを用いて、関係Ｖ_Ｓ（ｔ）＝ａＶ_ｄｄを満たす時間ｔを遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}と定める。ここで、係数ａは、電位Ｖ_Ｓ（ｔ）の単位時間当たりの変化が十分小さくなる値、例えば０．８＜ａ＜０．９とする。又は、時定数τ_０（＝ＲｄＣｐ）を基準に、例えば２．５τ_０＜Ｔ_{ｄｅｌａｙ}＜３τ_０と定めることとする。又は、浮遊容量の変化ΔＣ（すなわち時定数τ）に対する電位Ｖ_Ｓ（ｔ）の変化ｄＶ_Ｓ／ｄτが最大となる時間、すなわちｄ^２Ｖ_Ｓ／ｄτｄｔ＝０を満たす時間ｔ（式（１）により表される理想的な振舞いの場合、時定数τに等しい）、或いは温度ドリフトの影響を受け難くなる時間を基準に遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を決める。

ただし、検出部２０の機能を確保するためにパルス信号Ｖ_ＣＬＫの生成周期よりも十分短く、分解能の向上のためにノイズレベル（σと表記する）の信号変化を与える時間（σ／（ｄＶ_Ｓ／ｄｔ））よりも十分長く、定めることとする。これにより、浮遊容量の変化ΔＣの検出効率（検出感度）が最適化される。

遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の最適化に代えて或いはこれと併せて、駆動器１２，１３内のプルアップ抵抗（等価回路１４における抵抗Ｒｄ）を調整して、時定数τ、すなわちＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端からの出力信号Ｖ_Ｓの時間応答特性を調整することで、浮遊容量の変化ΔＣの検出効率（検出感度）を最適化することもできる。駆動器１２，１３内のプルアップ抵抗の値を大きくすると遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}は長くなるため、例えば遅延時間の調整幅Ｔ_ｄｉｖが遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の１０分の１程度になるように決めると、浮遊容量の変化ΔＣの検出効率（検出感度）の高い遅延時間の選択が容易になる。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係る静電容量式タッチパネル１によると、駆動部１０によりＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが駆動され、検出部２０によりその駆動されたＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端から出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）が検出される。そして、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の経過後の出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）のレベルを含む出力信号Ｖ_Ｓの時間応答特性から、操作体９の近接に伴う浮遊容量の変化ΔＣが検出される。その浮遊容量の変化ΔＣが検出されたＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを特定することで、操作体９の近接点（入力操作点）の位置が特定される。この検出原理より、駆動部１０及び検出部２０の簡便な構成が可能となるとともに、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣの充放電時間（時定数）に依らず遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}から定まる十分に速い応答速度を達成することが可能となる。

また、パネル本体部１ａが大型化し、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙが長くなると、その抵抗Ｒ_ｐ１（図２（Ｂ）参照）が大きくなり、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣの充放電時間（時定数）が長くなる。しかし、本実施形態に係る静電容量式タッチパネル１における検出原理では、その充放電時間（時定数）に関係なく、十分短い時間で全てのＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを走査することができる。これにより、例えば、タッチパネルの応答速度として十分短い１０〜２０ｍ秒の間に５０程度の数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを走査することができ、ひいては低消費電力化、パネル本体部１ａの大型化が可能となる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を、図４及び５を用いて説明する。

第２の実施形態に係る静電容量式タッチパネル１の主要構成は先述の第１の実施形態におけるそれとほぼ同様のため、以下では、相違点を中心に説明する。また、第１の実施形態と同一又は同等の部分については、同一の符号を用いるとともにその説明を省略する。

図４は、第２の実施形態に係る静電容量式タッチパネル１’の概略構成を示す。静電容量式タッチパネル１’は、パネル本体部１ａ、駆動部１０、及び検出部２０から構成される。

パネル本体部１ａは、積層された２つの絶縁パネル２，３とカバー４とシールドパネル５とを有する。なお、図１では、説明の都合上、絶縁パネル２，３とカバー４とシールドパネル５とを積層せず、分解して、斜視図により示している。シールドパネル５も、ＰＥＴフィルム等の絶縁フィルムを用いて形成されている。

シールドパネル５の表面には、その全面にシールド電極パターン５Ｓが設けられている。シールド電極パターン５Ｓは、ＩＴＯ等の導電材を用いて形成される。シールドパネル５の表面は絶縁パネル２の裏面に、絶縁パネル２の表面は絶縁パネル３の裏面に、絶縁パネル３の表面はカバー４の裏面に、それぞれ光学粘着剤を用いて接着される。これにより、カバー４の表面が指などの操作体９により操作される操作面４ａを形成し、カバー４とシールドパネル５との間に、複数のＸ電極パターン２Ｘと複数のＹ電極パターン３Ｙとシールド電極パターン５Ｓとが積層される。この構成において、シールドパネル５（シールド電極パターン５Ｓ）によりパネル本体部１ａ（操作面４ａ）の裏面が遮蔽され、裏面側から、特に表示装置の画面からの電磁ノイズが遮断される。

また、シールド電極パターン５Ｓとグランドレベルとの間で浮遊容量Ｃ_ｐ０（図５参照）が形成されることで、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ（グランドレベルとの間で形成される）の浮遊容量Ｃｐの容量が小さくなり、相対的に、指などの操作体９が近接することにより生じる浮遊容量（の変化）ΔＣが大きくなる。これにより、変化ΔＣの検出効率（検出感度）が向上する。

その一方、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓとの間で浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等（図５参照）が形成される。この浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２の容量は、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓの大きな面積より、浮遊容量Ｃｐの容量よりはるかに大きいため、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙからの出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）の変化はより緩やかとなり（時定数が大きくなり）、長い測定時間を要することとなる。

そこで、本実施形態に係る静電容量式タッチパネル１’では、複数の駆動器１２，１３と同様にパルス信号Ｖ_ＣＬＫの入力に従ってシールド電極パターン５Ｓを駆動する駆動器１５をさらに含めて駆動部１０が構成されている。駆動器１５は、複数の駆動器１２，１３と同様に構成される。

図５は、操作体９の近接がある場合における、静電容量式タッチパネル１’におけるＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙと駆動部１０（駆動器１２，１３，１５）と検出部２０（マルチプレクサ２１及びサンプルアンドホールド回路２２）との等価回路を示す。ただし、マルチプレクサ２１によりサンプルアンドホールド回路２２の入力端に接続するＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのみを図示している。また、簡単のため、駆動器１２，１３，１５を先述の等価回路１４，１４_０に置き換えている。

Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓには、グランドレベルとの間でそれぞれ浮遊容量Ｃｐ，Ｃ_ｐ０が形成される。これに加えて、上述の通り、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓとの間で浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等が形成される。また、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓの抵抗を、抵抗Ｒ_ｐ１，Ｒ_ｐ２，Ｒ_ｐ３を用いて表すこととする。

等価回路１４，１４_０にパルス信号Ｖ_ＣＬＫが入力されると（ＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り換わると）、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ及びシールド電極パターン５Ｓが駆動される。すなわち、定電圧源Ｖｄｄから抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量Ｃｐに電流が流れ、浮遊容量Ｃｐが充電され、且つ定電圧源Ｖ_ｄｄ０から抵抗Ｒ_ｄ０を介してシールド電極パターン５Ｓの浮遊容量Ｃ_ｐ０に電流が流れ、浮遊容量Ｃ_ｐ０が充電される。これと同時に、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓとの間で形成される浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ側の一端に定電圧源Ｖｄｄから抵抗Ｒｄ，Ｒ_ｐ１等を介して電位が加わり、シールド電極パターン５Ｓ側の他端に定電圧源Ｖ_ｄｄ０から抵抗Ｒ_ｄ０，Ｒ_ｐ１等を介して電位が加わる。ここで、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙとシールド電極パターン５Ｓとの抵抗が同様に分布して構成されているものとすると、浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等の両端には同電位が印加されることとなる。係る場合、浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等は充放電されないため、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの一端からは、先述の第１の実施形態におけるシールド電極パターン５Ｓがない場合の出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）と同様の出力信号が出力されることとなる。

従って、第１の実施形態における検出原理と同じ原理で、浮遊容量の変化ΔＣを検出することができる。その詳細は省略する。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係る静電容量式タッチパネル１’によると、先述の第１の実施形態における静電容量式タッチパネル１と同様の効果が得られることに加え、シールド電極パターン５Ｓの浮遊容量Ｃ_ｐ０が形成されることでＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量Ｃｐの容量が小さくなり、相対的に、指などの操作体９が近接することにより生じる浮遊容量の変化ΔＣが大きくなるため、変化ΔＣの検出効率（検出感度）が向上する。

また、シールド電極パターン５Ｓにより、パネル本体部１ａ（操作面４ａ）の裏面側から、特に表示装置の画面からの電磁ノイズが遮断される。特に、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ及びシールド電極パターン５Ｓを同様に駆動することでこれらの間で形成される浮遊容量Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２等が充放電されることがなく、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙからの出力信号にその効果は現れない。従って、シールド電極パターン５ＳをＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙにより近接して配置することができ、裏面側からの電磁ノイズをより遮断することが可能となる。なお、２つの電極が近接すると、それらの間に形成される浮遊容量は大きくなるため、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ及びシールド電極パターン５Ｓを同様に駆動することの意義は大きい。また、パネル本体部１ａ（シールドパネル５）の裏面側で形成される浮遊容量の寄与も遮蔽されるため、静電容量式タッチパネル１’を表示装置等のセット内部に組み込んだ場合の調整が簡便化される。

なお、上述の第１及び第２の実施形態の静電容量式タッチパネル１，１’では、複数のＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙのそれぞれにステップ状の入力信号を入れて駆動することとしたが、出力信号Ｖ_Ｓ（ｔ）の時間応答特性を十分検出できる限りにおいて、例えば、一定の傾きを有するステップパルス、指数関数的に立ち上がるステップパルス、正弦波状パルス等、様々なステップ状の入力信号を用いてＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを駆動することとしてもよい。静電容量式タッチパネル１，１’において、パネル本体部１ａ（Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙ）及び駆動部１０（駆動器１２，１３又は等価回路１４）は、検出部２０に対してカットオフ周波数ｆ_Ｃ＝１／２πＲｐＣｐを有するハイパスフィルタを構成する。従って、原理上、カットオフ周波数ｆ_Ｃより高い周波数成分を有するあらゆるステップ状の入力信号を用いることができる。

また、第１及び第２の実施形態の静電容量式タッチパネル１，１’では、ステップ状に立ち上がる入力信号を入れることでＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを駆動することとしたが、ステップ状に立ち下がる入力信号を入れることでＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを駆動することとしてもよい。また、Ｘ電極パターン２Ｘにはステップ状に立ち上がる（立ち下がる）入力信号を、Ｙ電極パターン３Ｙにはステップ状に立ち下がる（立ち上がる）入力信号を入れることで、それぞれ駆動することとしてもよい。

また、第１及び第２の実施形態の静電容量式タッチパネル１，１’では、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを駆動して、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣを充電することにともなう出力信号Ｖ_Ｓの時間応答特性を検出する構成を採用したが、逆に、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣを放電することにともなう出力信号Ｖ_Ｓの時間応答特性を検出する構成を採用することもできる。係る場合、遅延器１７は、パルス信号Ｖ_ＣＬＫ（ＯＦＦ信号からオン信号の切り換わり）に対して一定の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）遅延するホールド信号Ｖ_ｈｏｌｄを出力するよう構成する。パルス信号Ｖ_ＣＬＫがＯＦＦ信号の間、定電圧源Ｖｄｄから抵抗Ｒｄを介してＸ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量Ｃｐに電流が流れ、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣが充電され、パルス信号Ｖ_ＣＬＫがＯＮ信号に切り換わると、浮遊容量Ｃｐ，ΔＣが放電され、その切り換わりから遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}後の出力信号Ｖ_Ｓ（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）が検出される。

また、第１及び第２の実施形態の静電容量式タッチパネル１，１’では、操作体９として指を想定して説明したが、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙの浮遊容量ΔＣが形成されるものであれば、指に限らず、専用入力ペンなどの専用デバイスを用いて入力操作するものとしてもよい。

また、第１及び第２の実施形態の静電容量式タッチパネル１，１’では、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを絶縁パネル２，３上に線状に形成したが、電極パターンの形状は線状に限らず、操作体９の近接により浮遊容量が形成される限りにおいて、任意の形状を採用することができる。例えば、一連のダイヤモンド形状、四角形状、三角形状等でもよい。また、操作体９の近接により大きな容量の浮遊容量が形成されるよう、Ｘ及びＹ電極パターン２Ｘ，３Ｙを積層することで操作面４ａの全面を覆う形状を採用してもよい。

１…静電容量式タッチパネル、１ａ…パネル本体部、２，３…絶縁パネル、２Ｘ…Ｘ電極パターン、３Ｙ…Ｙ電極パターン、４…カバー、４ａ…操作面、５…シールドパネル、５Ｓ…シールド電極パターン、１０…駆動部、１１…パルス生成器、１２，１３，１５…駆動器、１７…遅延器、２０…検出部、２１…マルチプレクサ、２２…サンプルアンドホールド回路、２３…ＡＤ変換器、２４…信号処理器、２５…ホストコンピュータ、Ｃｐ，Ｃ_ｐ０，Ｃ_ｑ１，Ｃ_ｑ２，ΔＣ…浮遊容量、Ｒｄ，Ｒ_ｄ０，Ｒｐ，Ｒ_ｐ１，Ｒ_ｐ２，Ｒ_ｐ３…抵抗、Ｔ_{ｄｅｌａｙ}…遅延時間、Ｖ_Ｏ，Ｖ_Ｓ…出力信号、Ｖｄｄ，Ｖ_ｄｄ０…定電圧源。

Claims (12)

1. 電極パターンが形成された絶縁パネルに操作体が近接することにより生じる前記電極パターンの浮遊容量の変化を検出することで、前記操作体の近接を検出する静電容量式タッチパネルであって、
   絶縁パネル上に形成された電極パターンの一端に駆動信号を入力して、前記電極パターンを駆動する駆動部と、
   前記電極パターンの一端から出力信号を検出し、前記電極パターンの駆動から遅延時間の経過後の前記出力信号のレベルを含む前記出力信号の時間応答特性から前記浮遊容量の変化を検出する検出部と、
   を備える静電容量式タッチパネル。
2. 前記検出部は、前記出力信号を任意のタイミングで保持するサンプルアンドホールド回路を含む、請求項１に記載の静電容量式タッチパネル。
3. 前記駆動部が前記電極パターンを駆動するタイミングと、該タイミングから前記遅延時間の経過後に前記検出部が前記出力信号を保持するタイミングと、を生成するタイミング生成部をさらに備える、請求項２に記載の静電容量式タッチパネル。
4. 前記遅延時間を調整することにより、前記浮遊容量の変化の検出効率を最適化する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。
5. 前記駆動部は、前記電極パターンの一端に接続する抵抗と該抵抗に接続する電圧源とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。
6. 前記抵抗を調整することにより、前記浮遊容量の変化の検出効率を最適化する、請求項５に記載の静電容量式タッチパネル。
7. 前記駆動部は、さらに、前記操作体が近接する前記絶縁パネルの一面に対する裏面側に前記電極パターンと絶縁して形成されたシールド電極に前記駆動信号と共通の駆動信号を入力して、前記シールド電極を駆動する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。
8. 前記電極パターンは、前記絶縁パネル上の第１方向に複数配列され、
   前記駆動部は、前記複数の電極パターンのそれぞれを駆動し、
   前記検出部は、前記複数の電極パターンのうちの駆動された電極パターンの一端から出力信号を検出し、
   前記第１方向に配列された複数の電極パターンのうちの前記浮遊容量の変化が検出された電極パターンから前記操作体が近接した前記絶縁パネル上の前記第１方向に関する位置を特定する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。
9. 前記電極パターンは、さらに、前記絶縁パネル上の前記第１方向に交差する第２方向に複数配列され、
   前記第２方向に配列された複数の電極パターンのうちの前記浮遊容量の変化が検出された電極パターンから前記操作体が近接した前記絶縁パネル上の前記第２方向に関する位置を特定する、請求項８に記載の静電容量式タッチパネル。
10. 前記検出部は、前記複数の電極パターンの中から１つの電極パターンを選択し、該電極パターンの一端から前記出力信号を出力するマルチプレクサを含む、請求項８又は９に記載の静電容量式タッチパネル。
11. 前記検出部は、前記出力信号をデジタル変換する変換器と、該変換器の出力を処理して前記浮遊容量の変化を検出する処理器と、を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。
12. 前記駆動信号は、ステップ状信号を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の静電容量式タッチパネル。