JP3456412B2

JP3456412B2 - 導電体接近及び近接位置検出装置

Info

Publication number: JP3456412B2
Application number: JP12183898A
Authority: JP
Inventors: 波見康一郎方
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: JPH11304942A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量結合型の導電体
接近及び近接位置検出装置に関し、特に能動的に信号を
発しない人体及びその指等の被検出導電体に対応した接
近及び近接位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】抵抗性パネルの４隅を演算増幅器により
電圧駆動し、同時に駆動電流を差動増幅器で検出する例
として特許第１５３６７２３号に示されたものがある。
また、指との結合容量を含めてパネルの格子状導体のキ
ャパシタンスの変化を検出する例として、特許第１７５
４５２２号及び同第２０３７７４７号に示されたものが
ある。または、指との結合容量を含めて抵抗性パネルの
インピーダンスを検出する例として、詳細は不明瞭であ
るが、特許第２６０３９８６号に示されたものがある。
他の例として、変成器により、タッチパネルの４点をＡ
Ｃ電圧駆動し、同時に駆動電流成分を差動増幅器へ印加
する例として特許第１８８１２０８号に示された指の位
置検出装置がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術に於
いては、センサーパネルから、電気信号を人体等の被検
出導電体へ吸収させる考え方であったために、複雑な手
段による回路構成となり、理想的な信号プロセスとする
ことが非常に困難であった。また、被検出導電体の疑似
接地の理由が不確実（不明瞭）であったために、検出が
不安定となる条件が潜在していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は如上の課題に鑑
みなされたもので、センサーパネルまたはセンサー導体
アレイ、シールド板、信号プロセス回路、グランド及び
電源回路をも含めて電圧振動系を作り、非振動系に属す
る人体等の導電体（本出願に於いて、必要充分な電流を
流し得る抵抗体は導電体に含める）から静電容量結合を
介して等価的に受信する電気振動（ＡＣ信号）を対グラ
ンド信号プロセスし、処理結果をアイソレータを介して
非振動系へ伝える導電体接近及び近接位置検出装置であ
る。また振動周波数を２００ｋＨｚ以上とし、無条件に
安定な信号検出とした。尚、本出願に於いて、「接近」
とは１ｍ〜２ｃｍ程度を意味し、「近接」とは５ｃｍ〜
０ｃｍ（接触）程度を意味するものとする。

【０００５】

【作用】電圧振動系から非振動系に属する被検出導電体
を見る（観測／計測する）と、あたかも被検出導電体が
電圧振動しているように計測される。センサーパネルま
たはセンサー導体アレイが、その被検出導電体から静電
容量結合を介して等価的に受信する電気振動（ＡＣ信
号）を本装置が計測する。別の表現をすれば、電気系に
於ける天動説と言うこともできる。従来の人体（導電
体）の指に信号を吸収させる信号処理と異なり、電圧振
動系内に於いて対グランドの受信信号処理が可能とな
り、回路設計の自由度が大きい。更にシールドを施すこ
とも容易であり、大きな浮遊容量による悪影響も低入力
インピーダンスの入力回路により容易に避けることがで
きる。

【０００６】また、人体等の導電体が電圧振動した場合
は、人体等の導電体がアンテナとなり、電磁波を多少な
りとも放射する。このアンテナとしての放射インピーダ
ンスは振動周波数が高い程、一般的には低下する。この
放射インピーダンスが人体等の導電体の負荷となるた
め、人体（操作者）等の導電体が絶縁性の椅子または台
上に居る時でも、振動周波数が２００ｋＨｚ以上で、電
圧振動抑制効果がある。

【０００７】

【発明の実施の形態】インピーダンス計測方式でもな
く、キャパシタンス計測方式でもなく、電圧振動系が非
振動系に属する人体等の導電体から等価的に受信するＡ
Ｃ信号レベルにより検出する方式の装置であり、被検出
導電体の疑似接地効果を、被検出導電体の対地容量のみ
に頼らずに、アンテナとしての放射インピーダンスの負
荷による電圧振動抑制効果をも有効利用し、空中に浮い
た人体程度のサイズの被検出導電体でさえも安定に検出
し、接近のみ検出する装置、近接位置のみ検出する装置
または両機能を兼ね備えた装置としたものである。

【０００８】

【実施例】以下本発明の詳細を添付図を参照して説明す
る。図２に示す導電体接近検出装置から先に説明する。
例えば被検出体が人体２０（導電体）である場合、人体
２０がセンサー導電板２４（抵抗膜でもよい）に近づい
た時、その接近を検出する装置である。

【０００９】本実施例に於いて、非振動系２内の振動電
圧発生器１４が例えば４６０ｋＨｚの正弦波を発生す
る。その出力は、電圧振動系１内のすべてを周波数４６
０ｋＨｚで同位相同振幅で電圧振動させるために、振動
系１内のグランド回路１１または電源１２の電源回路に
接続されている。

【００１０】センサー導電板２４は信号処理部２５の入
力回路に接続されている。この入力回路は低入力インピ
ーダンスとしてあり（詳細は後述）、従ってセンサー導
電板２４はやはり電圧振動系のグランド回路１１と同様
に電圧振動する。センサー導電板２４はガラス、ガラス
エポキシ基板等に塗布または蒸着により形成された抵抗
膜でもよい。シールド板４は必ずしも必要とは限らな
い。このように電圧振動系１はすべて同振幅同位相で電
圧振動しているが、電圧振動系１内に於いては、互いの
どの点間でも電気振動していない。電圧振動系１以外か
ら見た時だけ、系全体が電圧振動していることが分か
る。

【００１１】被検出導電体である人体２０がセンサー導
電板２４の比較的近くに居る場合、人体２０とセンサー
導電板２４間に少量ではあるが、静電容量２３が存在す
る。また人体２０と接地（アース）２１間には、主に容
量による接地インピーダンス（Ｚｅ）２２が存在し、通
常は容量２３によるインピーダンスよりもＺｅ２２の方
が小さい（疑似接地効果）。また、非振動系２のグラン
ド１６は通常、容量を介しまたは商用電源供給ライン
（ＡＣ１００Ｖ，ＡＣ２００Ｖライン）を介して接地
（アース）２１にＺｅ２２よりも低インピーダンスで交
流的に疑似接地されている（図示せず）。従って人体２
０は通常、非振動系に属している。また人体２０の導通
抵抗は数ｋΩ〜１０ｋΩと言われている。

【００１２】故に人体２０とセンサー導電板２４間には
振動電位差が生じ、結合容量２３を介して微少ではある
がＡＣ電流が流れる。実際にはセンサー導電板２４が電
圧振動しているのであるが、電気現象は相対的にどちら
を基準にして考えてもマクロ的にはよいので、逆に電圧
振動系１を基準にしてみると、人体２０の方が電圧振動
して見える（観測／計測される）。従ってセンサー導電
板２４は、等価的に電圧振動している人体２０からの電
気振動をＡＣ信号として受信して、信号処理部２５の入
力に印加する。電気系における「天動説」と前記した所
以である。

【００１３】理解を容易にするため、他の例を挙げて説
明する。１個の電池はマイナス端子を基準（グランド）
にすれば”正電源”となり、逆にプラス端子を基準（グ
ランド）にすれば”負電源”となり、どちらを基準にす
るかで、逆の作用をする。別の例を挙げれば、電流の向
きと電子の移動の方向が逆であることは、今は誰でも知
っていると思うが、電流の向きを先に（電子の移動であ
ることを発見する前に）決めてしまったために、今もっ
てそのまま通用している。それでマクロ的には良いので
ある。キルヒホッフの法則も、フレミングの法則も、マ
ックスウエルの電磁場方程式でさえも変更する必要もな
い。

【００１４】信号処理部２５は、センサー導電板２４が
等価的に受信したＡＣ信号を、シングルエンドの対グラ
ンド信号処理をするだけで良い。従来行っていた差動バ
ランスによる複雑な手段による信号処理をする必要性は
全くない。通常の対グランド増幅、バンドパス・フィル
タリング、ＡＣ／ＤＣ変換（ＡＭ検波）、Ａ／Ｄ変換等
をすれば良い。信号処理のためのマイクロコンピュータ
までも信号処理部２５に含めても良い。

【００１５】被検出導電体が、無いか、近いか、遠いか
（１ｍ程度）をセンサー導電板２４の受信信号レベルか
ら判断している。結合容量２３を介して受信する信号レ
ベルが大変小さいため、信号ロスは可能な限り避けなけ
ればならない。目的の信号以外の外来ノイズを少なくす
るため、シールド板４を置くことが良いが、センサー導
電板２４との間に大きな浮遊容量ができて、構造上５０
０〜１０００ｐＦになることもある。本実施例での４６
０ｋＨｚの信号周波数に対するこの浮遊容量のインピー
ダンスは７００Ω〜３５０Ωとなり、従来はこの悪影響
を避け難かった。本装置は信号処理部２５の入力インピ
ーダンスを７．５Ω以下とすることにより（詳細は後
述）、センサー導電板２４が受けたＡＣ信号電流の９８
％以上を信号処理部２５に流入するようにした。また、
そうすることによって、大きな浮遊容量が温度により、
または機械的ショック等で少しぐらい容量変化しても、
信号計測の精度にはほとんど影響しない。このメリット
は図１に示す装置で、より顕著な効果を発揮する。

【００１６】信号処理部２５の処理結果出力は、アイソ
レータ１３を介して非振動系２のインターフェイス１５
へ伝える。アイソレータ１３が伝える電気情報はアナロ
グでもデジタルでもよい。Ａ／Ｄ変換器、マイクロコン
ピュータ等をインターフェイス１５内に配設しても良
い。またはマイクロコンピュータは電圧振動系１及び非
振動系２の両方に配設しても良い。

【００１７】ここで、人体２０が絶縁性の椅子または台
上に居る場合、または導電体が空中にある場合について
述べる。当然、接地インピーダンス（Ｚｅ）２２は増大
し、疑似接地効果は小さくなる。人体２０が地上２０ｃ
ｍの絶縁台上に立っている時の接地容量を実測してみた
が（１０ｋＨｚを使用）、１ｐＦにも満たなかった。し
かし、接地インピーダンス（Ｚｅ）２２を４６０ｋＨｚ
で実測してみると７ｋΩ前後であった。１ｐＦの４６０
ｋＨｚに於けるインピーダンスは３５０ｋΩであり、従
って接地容量以外の疑似接地効果要因がある。この要因
は、人体がアンテナとなる時の、電磁波放射インピーダ
ンスが負荷となることによる疑似接地効果（電圧振動抑
制効果）であることが、各実験の結果判明した。

【００１８】因みに、人体が１ｍの高さの絶縁台上に居
る場合でも、疑似接地効果は上記と大差ない。また大人
が台上でしゃがむ時、または小学校低学年の子供が台上
に立った時は、実測で１５ｋΩ前後であった。また、周
波数が２００ｋＨｚの時は、上記のいずれの場合も、疑
似接地効果が１／２〜１／２．５に低下した（接地イン
ピーダンス（Ｚｅ）２２が増大した）。

【００１９】以上をまとめると、電磁波の放射インピー
ダンスは、波長に比して被検出導電体のサイズがはるか
に小さい時、電気振動周波数と被検出導電体のサイズ
（主に長さ）との積にほぼ反比例する。２００ｋＨｚ〜
５００ｋＨｚの電磁波の波長は１．５ｋｍ〜６００ｍな
ので、人体程度の大きさの場合、その放射インピーダン
スは上記程度となることは理解されるであろう。より小
さな被検出導電体が電気的に空中に浮いている場合、そ
の検出のためには更に高周波の電気振動を必要とする。
周波数による疑似接地効果の重要性は図１に示す装置に
於いてより顕著である。

【００２０】図２に示す接近検出装置の場合、結合容量
２３を介してセンサー導電板２４が受け取る検出電流の
大きさも重要であり、信号処理部２５の入力回路のノイ
ズレベル程度が、検出電流の識別限度である。結合容量
２３を流れる電流の大きさは電気振動の周波数と結合容
量２３との積に比例する。本実施例に於いて、振動周波
数４６０ｋＨｚで２０ｃｍ×２０ｃｍのセンサー導電板
２４の場合、大人で約１ｍの距離から無条件に接近検出
できた。振動周波数を２００ｋＨｚにすると約０．５ｍ
の距離から接近検出できた。小学校低学年の子供の場
合、検出限度距離はそれぞれ約２／３に短縮した。これ
らの結果から振動周波数は２００ｋＨｚ以上が望まし
い。

【００２１】次に図１に示した、均一な面抵抗を有する
センサーパネルを使用した導電体（指でも良い）近接位
置検出装置について説明する。図２に示した装置の説明
と同じ部分が多いので、相違点を主に説明する。参照符
号も同機能の部分は同符号とした。図１に示す装置は導
電体（例えば指）７がセンサーパネル３の面上に近接し
ている時、導電体（指）７のセンサーパネル３の面上に
於ける近接位置（Ｘ、Ｙ位置）を検出する装置である。

【００２２】センサーパネル３の実際の構造について簡
単に述べる。透明なガラス、樹脂、または不透明な絶縁
基板（図示せず）の面上に、２次元に（どの方向にも）
均一に分布した抵抗体５（膜状）を塗布、蒸着等により
形成する。抵抗体５の材料は透明を必要とする場合はＩ
ＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）膜、ＮＥＳＡ
（酸化錫）膜等であり、不透明なものはカーボン膜等で
ある。その外周部に、抵抗体５の面抵抗よりもかなり小
さな面抵抗のストライプ状電極６を密着配設する。この
ストライプ状電極６の形状は各種のものが提案されてい
るが、本実施例では単純な直線状としている。このスト
ライプ状電極６の４隅は、引き出し線（シールド電線
９）が接続されて、信号処理部１０の入力部の４個の低
入力インピーダンス電流／電圧変換回路に接続されてい
る。尚、抵抗体５及びストライプ状電極６の上面（指の
タッチ面）も実際は絶縁シート、ガラス板等で覆われて
おり、操作者その他が導電部分に直接触れないようにし
てある。シールド板４は必ずしも必要とは限らない。

【００２３】図１に示すように、指（導電体）７が抵抗
体５の面上で互いに近接している時、これら両者間に静
電容量結合８が存在し、表面の絶縁層の厚さにもよる
が、タッチ状態で５〜１０ｐＦ程度である。電圧振動系
１は図２の例と同様に、振動電圧発生器１４により例え
ば４６０ｋＨｚで駆動されている。操作者（図示せず）
は前述の理由により、非振動系に属しており、従って操
作者（導電体）の指７と抵抗体５との間に、結合容量８
を介して振動電流（ＡＣ信号電流）が流れる。本実施例
では、この指７に流れる信号電流は、最大でも約２０μ
Ａrmsとしている。

【００２４】抵抗体５は均一な抵抗値の分布をしてお
り、指７の先端に近い辺のストライプ状電極６に、より
多くの信号電流が流れる。従って、信号処理部１０の低
入力インピーダンスの各入力に等価的に流入する信号電
流のレベルから、導電体（指）７の先端の、センサーパ
ネル３の面上に於ける、近接位置を検出することができ
る。

【００２５】指７の先端から平面抵抗体５の一点（仮想
中心点）に等価的に流れ込む電流の位置を検出すること
になるので、ＰＳＤ（光／電荷位置検出素子）の技術的
考え方にどちらかと言うと近い。ＰＳＤとの主な相違点
は、取り扱う信号に関して次の３点である。第１点は、
ＰＳＤがＤＣ信号を扱うのに対して、本装置はＡＣ信号
をダイナミックに扱う。第２点は、ＰＳＤよりもはるか
に大型であり、特に浮遊容量が大きく、シールドを施す
と時には５００〜２０００ｐＦとなることもある。第３
点は、信号電圧よりもかなり大きなノイズ（外乱）電圧
が通常存在し、検出不可能または極端な精度悪化を起こ
し易い。本装置はこれら３点に充分に対処している。こ
の対処の度合いは信号処理部１０の入力部の性能に大き
く左右されるが、詳細は後述する。

【００２６】センサーパネル３の絶縁層表面に指７がタ
ッチした時の、結合容量８は５〜１０ｐＦであるが、１
０ｐＦの時そのインピーダンスは４６０ｋＨｚに於いて
３５ｋΩである。人体２０の疑似接地効果を得る接地イ
ンピーダンス２２は３０ｋΩ以下でありたい。また、検
出信号のＳ／Ｎ比に関して、Ａ４版相当のセンサーパネ
ル３の場合、０．２ｍｍの位置分解能を得るためには、
Ｓ／Ｎ比は結果的に６５ｄＢ以上が必要である。このＳ
／Ｎ比を得るための指７からの受信信号電流は、信号処
理部１０での処理手段にもよるが、本実施例の場合、少
なくとも５μＡrms必要であった。上記の無条件の疑似
接地効果を得るためと、結合容量８を通る信号電流を確
保するため、振動周波数は２００ｋＨｚ以上が望まし
い。

【００２７】次に検出位置歪みについて説明する。本実
施例では、ストライプ状電極６を単純な直線状としてい
る。この構造に於いて、抵抗体５の面抵抗値と、ストラ
イプ状電極６の面抵抗値との比を大きくするほど、位置
検出の湾曲性が少なくなることは従来から知られてい
た。また、周囲電極のパターンを工夫することによって
もやはり湾曲性が改善されることも提案されていた。本
実施例では簡単な周囲電極パターンでなるべく湾曲性を
少なくするようなパラメータとした。抵抗体５の面抵抗
値は１ｋΩ／□でストライプ状電極６の各辺の両端間の
抵抗値を３５０Ωとした。この時の実測によるＸ方向検
出等位置線を図５に、Ｙ方向のそれを図６に示す。

【００２８】信号処理部１０の入力インピーダンスを１
Ω程度まで、回路安定性を確保しながら下げれば、スト
ライプ状電極６の抵抗値を本実施例の１／５程度とし
て、図５、図６に示す検出等位置線（検出位置歪み）を
更に直線的にすることは可能である。この湾曲性を本装
置内のマイクロコンピュータ（図示せず）が補正してい
る。参考例としてストライプ状電極６が無い場合のＸ方
向検出等位置線を図７に、Ｙ方向のそれを図８に示す。
図５〜図８は次の計算結果が等しくなるように指相当の
導体を移動した時の軌跡である。位置計算式は正規化Ｘ＝（ｉ_B ＋ｉ_C −ｉ_A −ｉ_D ）／（ｉ_A ＋ｉ_B
＋ｉ_C＋ｉ_D ）正規化Ｙ＝（ｉ_C ＋ｉ_D −ｉ_A −ｉ_B ）／（ｉ_A ＋ｉ_B
＋ｉ_C ＋ｉ_D ）とした。センサーパネル３の中央部を原点として、図１
に示すＸ、Ｙの方向を正の方向とした。また、ｉ_A 、ｉ
_B 、ｉ_C 、ｉ_D はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点からそれぞれ流れ
るＡＣ信号電流値である。

【００２９】図７、８から、両図を重ねた時、検出等位
置線が平行に近いエリアは略１次元要素のみとなり、２
次元の正確な位置決定不能または精度が著しく悪い所で
あり、中央部以外は実用上使えないエリアであることが
判る。これからもストライプ状電極６が検出電流をＡ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ点へＸ、Ｙ方向に沿って配分する効果を持っ
ていることが判る。

【００３０】次に細部回路の内、本発明を支える主要部
分について説明する。図３は、電圧振動系１を４６０ｋ
Ｈｚで駆動すると共に電源供給する回路とアイソレータ
１３に相当する回路の例を示したものである。主要パー
ツはマルチワイヤ・コモンモード・共振トランス３０で
あり、ドーナツ状、ＥＩ状等の同一の閉磁路磁気コアに
巻いた密結合のコイル群である。図中Ｌ１、Ｌ３、Ｌ
４、Ｌ５で示したコイルは同巻き数であり、同電圧同位
相でＡＣ振動する。参照符号３２及び３３は大きな容量
のデカップリング・コンデンサであり、マルチワイヤ・
コモンモード・共振トランス３０のＬ１及びＬ３で示し
たコイルは、ＡＣ的に並列接続されている。電圧振動系
１と非振動系２のグランド及び＋５Ｖ電源は、それぞれ
コイルＬ３及びコイルＬ１を介して接続されている。ま
たコイルＬ１はコイルＬ２と組み合わされたインダクタ
ンスであり、コンデンサ３５と共に並列共振回路を構成
する。この共振回路（Ｌ１、Ｌ２、３５）を駆動するの
がトランジスタ３６である。

【００３１】駆動パルスが抵抗４４を介して印加される
と、コンデンサ４３と共に構成する簡単なローパスフィ
ルタでなだらかな波形となり、ＡＣカップリング・コン
デンサ４２を介してトランジスタ３６のベースを約４Ｖ
ppでＡＣ駆動する。トランジスタ３６のベースは１０〜
１５％の時間だけ順方向にバイアスされ、その他の時間
は逆バイアスとなり、トランジスタ３６のコレクタ〜エ
ミッタ間は間欠的に導通し、抵抗３８を介して共振回路
（Ｌ１、Ｌ２、３５）を駆動する。つまりトランジスタ
３６はＣ級動作であり、高効率である。コイルＬ２の下
端（ホットエンド）は約１０Ｖppで正弦波振動し、コイ
ルＬ２及びＬ１により分圧されたＡＣ電圧が電圧振動系
１を正弦波で振動させる。電圧振動系１を駆動するため
の、非振動系２の＋５Ｖ電源の消費電流は約２ｍＡであ
る。ショットキーバリア・ダイオード３７は、トランジ
スタ３６の通常の非飽和用であると共に、共振回路（Ｌ
１，Ｌ２，３５）を一定電圧で振動させる作用もある。
各抵抗及びコンデンサの目的と値は符号の説明の欄を参
照されたい。

【００３２】コイルＬ４とＬ５は図１のアイソレータ１
３に相当し、アナログまたはデジタルの電気情報を電圧
振動系１と非振動系２間で受け渡しする。もっと電気情
報線が必要な場合はコイルＬ１等と同巻数で追加したコ
イルを介して行えばよい。電圧振動系１の振動電圧が２
Ｖpp以下で、且つＣＭＯＳロジックによるデジタル電気
情報のみを伝えればよい場合は、アイソレータ１３とし
てコイルＬ４，Ｌ５等の代わりに、抵抗のみを介して電
気情報を受け渡すことも可能である。

【００３３】コイルＬ１及びＬ３を流れる電源電流及び
そのリターン・グランド電流は、大きさが同じで向きが
逆であるため、コイル磁力線を互いに打ち消す。またコ
イルＬ４，Ｌ５等を流れる電流は無視可能な位に少な
い。従ってコイルＬ２を流れる共振電流が主な磁力線源
となり、マルチワイヤ・コモンモード・共振トランス３
０の磁気コアは磁気飽和しにくく、マルチワイヤ・コモ
ンモード・共振トランス３０を大変小型にすることがで
きた。

【００３４】図４に示す回路は、図１の信号処理部１０
の入力回路の例である。基本的にＡＣ電流／ＡＣ電圧変
換回路であり、主要パーツはトランジスタ５５とＬＣ並
列共振回路５２及び５３である。トランジスタ５５は、
抵抗５９を介してベース接地され、エミッタへ入力する
ＡＣ信号電流の９９．５％程度をコレクタへ伝達する。
トランジスタ５５のコレクタ回路は、アナログマルチプ
レクサ５４で選択されている時、信号周波数に於いて高
インピーダンスとなり、トランス・インピーダンス値が
大きく、従って電流／電圧変換効率を高くしている。こ
の電流／電圧変換効率は高いが、ダイナミックレンジを
極めて大きくし、ノイズ耐量を大幅に強化していること
も特徴であるが、詳細は後述する。トランジスタ５５の
コレクタそのものの出力インピーダンスは大きく、並列
共振回路５２及び５３のＱ値をあまり低下させないの
で、必要周波数（電圧振動系１の振動周波数）成分のみ
を電圧に変換する。

【００３５】アナログマルチプレクサ５４は４個の入力
回路の内の１回路を並列共振回路５２及び５３へ接続
し、時分割でＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点からの検出電流を計測で
きるようにしている。ダイオード５１は、アナログマル
チプレクサ５４で選択されていない時にも、入力回路を
動作させておき、本回路の入力インピーダンスを常時一
定値に保持するための、クランプ作用のある代用負荷で
ある。アナログマルチプレクサ５４は内部に浮遊容量を
持っているが、それは共振コンデンサ５３の一部と見な
せるため、信号ロスの要因とはならない。更に本装置
は、従来の装置と異なり、対グランド信号処理であるた
め、本回路の全ての浮遊容量から、信号成分へ加わる有
害なスプリアス成分は無い。これも本装置の特徴の１つ
である。

【００３６】トランジスタ５５のエミッタ入力インピー
ダンスは、本実施例の場合、約２０Ωであり、これのみ
では充分に低い入力インピーダンスではないので、トラ
ンジスタ５７による反転増幅回路を追加している。電流
／電圧変換トランジスタ５５のエミッタ電圧が変動する
と、ＡＣカップリング・コンデンサ６６を介してトラン
ジスタ５７のベースへ、電圧変動分として印加される。
この電圧変動分は、エミッタ接地トランジスタ５７によ
り位相反転され、トランジスタ５５のベースへ印加さ
れ、このベースＤＣ電圧を変調する。この変調は、トラ
ンジスタ５５のエミッタ電圧変動を少なくする方向に働
く。すなわちトランジスタ５５のエミッタ入力インピー
ダンスが低下する。本実施例では６４０ｋＨｚに於い
て、６．５Ω±１Ωを得た。各回路定数は、参考例とし
て符号の説明の欄を参照されたい。

【００３７】注意すべきことは、トランジスタ５５のエ
ミッタに接続される浮遊容量が５００〜２０００ｐＦと
大きいことである。従って回路の安定動作のためには、
抵抗６２とコンデンサ６３による位相補償が必要であ
る。それでも開ループ・ゲインは、本実施例での４６０
ｋＨｚに於いて、ほとんど低下しない。この回路は２０
００ｐＦの入力浮遊容量でも全く安定である。本回路の
代わりに演算増幅器を使用すると、サミング点にこの浮
遊容量が入るため、安定動作は得難い。浮遊容量が２０
００ｐＦよりもずっと少なければ、図４の回路で、定数
を少し変えるだけで入力インピーダンスを１Ω程度まで
下げることは容易である。

【００３８】図４に示す回路の入力インピーダンスが、
センサーパネル３のストライプ状電極６の各辺の両端間
抵抗値に比して充分に小さくないと、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点
への電流配分比が小さくなり、従って検出位置エラー要
因となる。また、この入力インピーダンス値を小さくす
ることは、大きな浮遊容量による信号ロスを防止するこ
とでもあり、段落００１５で説明した通りである。１層
の平面抵抗体をセンサーパネルとして使用する本装置
は、その４隅から検出する電流比から位置算出するの
で、信号ロスは可能な限り少ない方がよい。本実施例で
の６．５Ω±１Ωは実用上充分な低い値であることを確
認している。

【００３９】指へ信号を吸収させる従来の装置は、シー
ルド板、シールド電線、装置筐体等との浮遊容量へもＡ
Ｃ信号が流出し、本来の指へのＡＣ信号の吸収による正
味分は５％にも満たないため、検出位置精度を確保する
ことが、大変困難だった。本実施例では、シールド板４
及びシールド電線９の浮遊容量からの流入ＡＣ信号は無
く、装置筐体から少し流入するが、指７からの正味ＡＣ
信号電流分が約８０％を占めるため、従来に比し非常に
信号の信頼性が増し、より安定に精度よい近接位置検出
を得た。これも対グランド信号を扱う本装置の大きな特
徴である。

【００４０】図４に示す回路のノイズ耐量について説明
する。トランジスタ５５は、そのエミッタ瞬時電流が零
近くになるまで、その電流値にほとんど関係なく、エミ
ッタ瞬時電流の約９９．５％（ほぼ一定値）をそのコレ
クタに伝達するので、リニアリティが必要充分に良好で
あり、回路の線型性が保たれる。すなわち、ＡＣ信号電
流は多くても２０μＡrms程度であり、ＤＣバイアス電
流の約１．３ｍＡが零近くまでになるノイズ混入に対し
て、信号周波数成分に歪みが発生せず、信号レベルの＋
３２ｄＢの違う周波数成分のノイズが混入しても、検出
位置がずれる程ではない。つまり、電流／電圧変換効率
が高くても、信号周波数と違う周波数帯域のノイズが＋
３２ｄＢのレベルで混入しても、本回路は飽和せず、ダ
イナミックレンジが極めて大きい。更に、入力部がＡＣ
カップリングであるため、商用電源の５０〜６０Ｈｚの
電源誘導ノイズ成分に対しては＋１０９ｄＢのノイズ耐
量がある。

【００４１】この耐ノイズ性能（ノイズ余裕度）は、電
圧振動系内に於いては、対グランド信号処理が可能〕で
あることから実現したものであり、テレビ、パーソナル
コンピュータ、ＣＲＴモニタ、液晶ディスプレイ等と共
に使用される環境下での安定動作を提供する。因みに従
来の静電容量結合型指タッチ位置検出装置のノイズ余裕
度は、信号周波数以外の全周波数でせいぜい０ｄＢ程度
である。

【００４２】図４に示す４個の入力回路の内の１回路分
を、アナログマルチプレクサ５４及びクランプダイオー
ド５１を除いて、図２に示す接近検出装置にも使用でき
ることは言うまでもない。また、図４に示す回路は、ペ
ン形の能動位置指示器から、結合容量を介してＡＣ信号
をセンサーパネル（電圧振動系ではない）へ伝達する方
式の装置へも応用できて、その場合も同様に、ＡＣ信号
周波数と違う周波数成分のノイズに対して＋３２ｄＢの
余裕度がある。６０Ｈｚに対してはやはり＋１０９ｄＢ
のノイズ余裕度がある。演算増幅器を使用するものでは
飽和し易く、上記の耐ノイズ性能は得られなかった。

【００４３】次に指７等の導電体がセンサーパネル３か
ら浮上している場合の位置検出の偏りについて説明す
る。図９は、指７がセンサーパネル３の表面に近い場合
の、センサーパネル３上の２点との結合容量９０及び９
１について図示したものである。図１０は指７がセンサ
ーパネル３の表面から少し離れている場合の、センサー
パネル３上の同上の２点との結合容量１００及び１０１
について図示したものである。図９と図１０に於いて、
指７のセンサーパネル３のＸ，Ｙ位置は同じである。結
合容量９０と９１は容量比が大きく、結合容量１００と
１０１は容量比が小さい。

【００４４】実際は、結合容量は、センサーパネル３の
全面に分布しているので、指７がセンサーパネル３の表
面から少し離れている場合は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点への電
流配分比が少し小さくなり、従って実際よりも検出位置
がセンサーパネル３の中央寄りに算出される。本装置は
内蔵するマイクロコンピュータ（図示せず）が、この検
出位置ずれを補正している。指７が近いか、離れている
かは、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点から検出するＡＣ信号電流値の
合計から判断している。補正量はセンサーパネル３のサ
イズにより異なる。

【００４５】図１１は、格子状のセンサー導体アレイ１
１１及び１１２を使用した、指等の導電体近接位置検出
装置の電圧振動系の構成について示したものである。Ｘ
及びＹ方向のアナログマルチプレクサ１１３及び１１４
がＸ方向及びＹ方向検出用センサー導体アレイ１１１及
び１１２を順次切替えて、信号処理部１１０の入力へ印
加する。各センサー導体１１１及び１１２が検出する
（受信する）ＡＣ信号レベル（電流または電圧）から、
指等の導電体の近接位置を算出する。センサー部の構造
が、図１に示すものよりも複雑であるが、各センサー導
体１１１及び１１２間のみをアナログ的に位置補間すれ
ばよいので、検出位置精度は図１のものよりよい。この
装置もやはり、対グランド信号処理が可能であり、上記
の各メリットを持つ。

【００４６】

【発明の効果】差動バランス等の複雑な信号処理をせず
に、対グランド信号処理により、シンプル且つ耐ノイズ
性に優れた、導電体の接近及び近接位置検出装置を得
た。またシールド等の浮遊容量の悪影響もほぼ除去され
た。更に、疑似接地効果の要因を明確にしたことによ
り、電気的に空中に浮いた人体をも含めて無条件に、導
電体の接近及び近接位置の安定な検出を可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】均一な抵抗面を有するセンサーパネルを使用し
た、指等の導電体の近接位置検出装置の構成概要図

【図２】導電体接近検出装置の構成概要図

【図３】電圧振動系の駆動及び電源供給とアイソレー
タ回路例

【図４】検出電流／電圧変換及び時分割回路例

【図５】Ｘ方向検出等位置線図

【図６】 Y方向検出等位置線図

【図７】低抵抗のストライプ状電極６が無いセンサー
パネルに於けるＸ方向検出等位置線図

【図８】低抵抗のストライプ状電極６が無いセンサー
パネルに於けるＹ方向検出等位置線図

【図９】指がセンサーパネルの表面に近接している時
の結合容量比の説明図

【図１０】指がセンサーパネルの表面から少し離れて
いる時の結合容量比の説明図

【図１１】格子状のセンサー導体アレイを使用した、
指等の導電体近接位置検出装置の電圧振動系の構成概要
図

【符号の説明】

１電圧振動系２非振動系３センサーパネル４シールド板５２次元に均一な抵抗体６低抵抗のストライプ状電極７指（導電体）８指７と抵抗体５間の静電容量結合９シールド電線１０信号処理部１１電圧振動系グランド回路１２電圧振動系の電源１３アイソレータ１４振動電圧発生器１５インターフェイス１６非振動系グランド２０人体（導電体）２１接地（アース）２２人体の接地インピーダンス２３人体２０とセンサー導電板２４間の静電容量結
合２４センサー導電板（抵抗膜でもよい）２５信号処理部３０マルチワイヤ・コモンモード・共振トランス３１電圧振動系＋５Ｖ電源３２デカップリングコンデンサ（例えば２２μＦ) ３３デカップリングコンデンサ（例えば４．７μＦ) ３４非振動系＋５Ｖ電源３５共振コンデンサ（例えば６８０ｐＦ) ３６Ｃ級動作の駆動トランジスタ（例えば２ＳＣ４
１１６Ｙ) ３７ショットキーバリア・ダイオード３８コンプライアンス抵抗（例えば４７Ω) ３９抵抗（例えば４．７Ω) ４０抵抗（例えば４７０Ω) ４１ＤＣバイアス電流印加抵抗（例えば１５０ｋ
Ω）４２ＡＣカップリングコンデンサ（例えば４７０ｐ
Ｆ）４３ローパスフィルタコンデンサ（例えば１００ｐ
Ｆ）４４ローパスフィルタ抵抗（例えば１．５ｋΩ）５０＋４．７Ｖ（振動系）５１クランプダイオード（代用負荷）５２バンドパスコイル５３バンドパスコンデンサ５４アナログマルチプレクサ５５電流／電圧変換トランジスタ（例えば２ＳＣ４
１１６Ｙ）５６抵抗（例えば４７Ω）５７電圧変動検出トランジスタ（例えば２ＳＣ４１
１６Ｙ）５８抵抗（例えば１０Ω）５９トランジスタ５７のＡＣ及びＤＣ負荷抵抗及び
トランジスタ５５のベース接地抵抗（例えば１ｋΩ）６０トランジスタ５７のＤＣ負荷抵抗（例えば４．
７ｋΩ）６１デカップリングコンデンサ（例えば１μＦ）６２位相補償抵抗（例えば１ｋΩ）６３位相補償コンデンサ（例えば７ｐＦ）６４ＤＣ分圧抵抗（例えば６８ｋΩ）６５ＤＣ分圧抵抗（例えば２２ｋΩ）６６電圧変動を伝達するカップリングコンデンサ
（例えば１０００ｐＦ）６７抵抗（例えば４．７Ω）６８ＡＣカップリングコンデンサ（例えば０．２２
μＦ）６９ＤＣ電流シンク抵抗（例えば１．５ｋΩ）７０ＤＣ零バイアス印加抵抗（例えば２２ｋΩ）９０指７とセンサーパネル上の近点間の結合容量９１指７とセンサーパネル上の遠点間の結合容量１００指７とセンサーパネル上の近点間の結合容量１０１指７とセンサーパネル上の遠点間の結合容量１１０信号処理部１１１Ｘ方向検出用センサー導体アレイ１１２Ｙ方向検出用センサー導体アレイ１１３Ｘ方向アナログマルチプレクサ１１４Ｙ方向アナログマルチプレクサ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 3/03 G01B 7/00 G01V 3/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧振動系と非振動系とを有する、導電
体の接近を検出する装置であって、前記電圧振動系は、
２００ｋＨｚ以上の周波数の振動電圧発生器により駆動
されており、且つ、前記導電体との間の静電容量結合を
介して流れるＡＣ電流を等価的に受信検出するセンサー
導電板と、該センサー導電板が検出した前記ＡＣ電流を
印加する信号処理部と、該信号処理部にも接続される電
圧振動系グランド回路と、該電圧振動系グランド回路に
対し同振幅同位相で電圧振動し、前記信号処理部に接続
される電源回路とから成り、前記非振動系は、前記振動
電圧発生器と、外部装置とのインターフェイスとから成
り、前記信号処理部と前記インターフェイスとの間で、
アイソレータを介してデジタルまたはアナログ電気情報
を受け渡しすることを特徴とする導電体接近検出装置。
【請求項２】電圧振動系と非振動系とを有する、導電
体のセンサーパネル面上に於ける近接位置を検出する装
置であって、前記電圧振動系は、２００ｋＨｚ以上の周
波数の振動電圧発生器により駆動されており、且つ、前
記導電体との間の静電容量結合を介して流れるＡＣ電流
を等価的に受信する、２次元に均一な面抵抗を有する抵
抗体及び該抵抗体の周辺に低抵抗の電極を密着配設した
前記センサーパネルと、該センサーパネルの４隅から流
れるＡＣ電流を印加する信号処理部と、該信号処理部に
も接続される電圧振動系グランド回路と、該電圧振動系
グランド回路に対し同振幅同位相で電圧振動し、前記信
号処理部に接続される電源回路とから成り、前記非振動
系は、前記振動電圧発生器と、外部装置とのインターフ
ェイスとから成り、前記信号処理部と前記インターフェ
イスとの間で、アイソレータを介してデジタルまたはア
ナログ電気情報を受け渡しすることを特徴とする導電体
近接位置検出装置。
【請求項３】電圧振動系と非振動系とを有する、導電
体のセンサー導体アレイ面上に於ける近接位置を検出す
る装置であって、前記電圧振動系は、２００ｋＨｚ以上
の周波数の振動電圧発生器により駆動されており、且
つ、前記導電体との間の静電容量結合を介してＡＣ信号
を等価的に受信する、Ｘ方向及びＹ方向に格子状に配列
された前記センサー導体アレイと、該センサー導体アレ
イの各導体を順次接続するアナログマルチプレクサと、
該マルチプレクサの出力を印加する信号処理部と、該信
号処理部及び前記マルチプレクサにも接続される電圧振
動系グランド回路と、該電圧振動系グランド回路に対し
同振幅同位相で電圧振動し、前記信号処理部及び前記マ
ルチプレクサに接続される電源回路とから成り、前記非
振動系は、前記振動電圧発生器と、外部装置とのインタ
ーフェイスとから成り、前記信号処理部と前記インター
フェイスとの間で、アイソレータを介してデジタルまた
はアナログ電気情報を受け渡しすることを特徴とする導
電体近接位置検出装置。
【請求項４】同一の閉磁路磁気コアに巻き線したマル
チワイヤ・コモンモード・共振トランスを介して、前記
電圧振動系と前記非振動系との間の、グランド回路、電
源回路、及びデジタルまたはアナログ電気情報線をそれ
ぞれ接続することを特徴とする、請求項１記載の導電体
接近検出装置。
【請求項５】同一の閉磁路磁気コアに巻き線したマル
チワイヤ・コモンモード・共振トランスを介して、前記
電圧振動系と前記非振動系との間の、グランド回路、電
源回路、及びデジタルまたはアナログ電気情報線をそれ
ぞれ接続することを特徴とする、請求項２記載の導電体
近接位置検出装置。
【請求項６】同一の閉磁路磁気コアに巻き線したマル
チワイヤ・コモンモード・共振トランスを介して、前記
電圧振動系と前記非振動系との間の、グランド回路、電
源回路、及びデジタルまたはアナログ電気情報線をそれ
ぞれ接続することを特徴とする、請求項３記載の導電体
近接位置検出装置。
【請求項７】前記マルチワイヤ・コモンモード・共振
トランスがＣ級動作のトランジスタにより駆動される、
請求項４記載の導電体接近検出装置。
【請求項８】前記マルチワイヤ・コモンモード・共振
トランスがＣ級動作のトランジスタにより駆動される、
請求項５記載の導電体近接位置検出装置。
【請求項９】前記マルチワイヤ・コモンモード・共振
トランスがＣ級動作のトランジスタにより駆動される、
請求項６記載の導電体近接位置検出装置。
【請求項１０】位置指示手段のセンサーパネル面上に
於ける近接位置を検出する装置であって、前記位置指示
手段から能動的または等価的に発信するＡＣ信号を静電
容量結合を介して受信する、２次元に均一な面抵抗を有
する抵抗体及び該抵抗体の周辺に低抵抗の電極を密着配
設した前記センサーパネルと、該センサーパネルの４隅
から流れるＡＣ電流を印加する電流／電圧変換回路とを
少なくとも有し、該電流／電圧変換回路は、抵抗を介し
ベース接地するエミッタ入力のトランジスタと、該トラ
ンジスタのコレクタに接続するＬＣ並列共振回路と、前
記エミッタ入力の電圧変動を反転増幅し、前記トランジ
スタのベースへ印加する反転増幅器とから成ることを特
徴とする近接位置検出装置。
【請求項１１】前記導電体が前記センサーパネル面に
接触した時の前記センサーパネルの４隅から流れるＡＣ
電流値の合計を基準計測電流値とし、該基準計測電流値
よりも小さく計測した時に、検出した前記近接位置を前
記センサーパネル面の中心位置よりも外周方向へ補正す
る手段を有することを特徴とする請求項２記載の導電体
近接位置検出装置。