JP4727753B1 - 静電容量式タッチパネル - Google Patents

Abstract

【課題】動作環境に応じて、検出精度に優れた電圧制御方法を選択可能な静電容量式タッチパネルを提供する。
【解決手段】複数の検出電極の浮遊容量を充放電制御し、検出電極の電位の変化から入力操作体が接近して浮遊容量が増加する検出電極を検出する静電容量式タッチパネルであって、浮遊容量を充電制御若しくは放電制御のいずれでも選択制御可能とし、動作環境に応じて最適な一方の制御方法を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁パネル上に配置される複数の検出電極の浮遊容量を比較し、入力操作体が接近して浮遊容量が増大する検出電極からその検出電極に接近する入力操作を検出する静電容量式タッチパネルに関する。

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、指などの入力操作体が入力操作面に接近することによる静電容量の変化を利用し、非接触で入力操作位置を検出し、ディスプレーの背面側に配置しても入力操作を検出可能な静電容量式タッチパネルが知られている。

従来の静電容量式タッチパネルは、多数のＸ電極とＹ電極を絶縁基板の表裏で交差するようにマトリックス状に形成し、指などの入力操作体を接近させた付近で、交差する各Ｘ電極とＹ電極間の静電容量が変化することから、入力操作体による絶縁基板への操作位置を検出していた（特許文献１）。

この静電容量式タッチパネル１００では、図４に示すように、多数のＹ電極１０１に順次、所定のパルス電圧を印加して走査し、各Ｙ電極１０１にパルス電圧を印加している間に、パルス電圧が印加されたＹ電極１０１と交差する各Ｘ電極１０２の電圧を検出する。指などの入力操作体を絶縁基板へ接近させると、入力操作体が接近する位置で交差するＸ電極１０２とＹ電極１０１間の静電容量が変化することから、制御手段１０３は、静電容量の変化で電圧が変化したＸ電極１０２と、その時にパルス電圧を印加したＹ電極１０１の配置位置によって、入力操作体の絶縁基板への操作位置を検出する。

特許文献１により開示されている静電容量式タッチパネル１００は、指などの入力操作体を静電容量の変化から検出する為に、多数のＸ電極１０２とＹ電極１０１を絶縁基板上に配置する必要があり、入力操作面が大面積となると、その入力面積の増加に応じて静電容量の変化を検出するＸ電極とＹ電極の数が増大し、各電極の交差位置について走査する走査周期が長くなり、短時間で入力操作位置を検出できないという問題がある。

更に、パルス電圧を印加する手段を設ける必要があるほか、入力操作面が拡大するにつれて、マトリックス状に配線する多数のＸ電極１０２とＹ電極１０１を走査する為に、相当する本数に対応するマルチプレクサを用いなければならず、回路構成が複雑、大型化するという問題があった

そこで、より簡易な回路構成で検出電極についての浮遊容量の変化を検出する手段として、入力操作位置での未知の静電容量を、静電容量と既知の抵抗値との時定数から検出する容量判別装置が提案されている（特許文献２）。この容量判別装置は、未知の容量である静電容量（浮遊容量）のコンデンサＣに対し直列若しくは並列に検出抵抗Ｒを接続してＲＣ時定数回路を形成し、検出抵抗Ｒの一側に所定の電圧Ｖｄｄを加え若しくは一側を接地し、コンデンサＣの静電容量ｃと検出抵抗Ｒの抵抗値ｒとで定まる時定数ｒｃに依存して上昇若しくは下降するコンデンサＣの電位を、所定の基準電位と比較し、基準電位に達するまでの充電時間若しくは放電時間を比較して静電容量の大きさを判別する。

この検出原理を利用すれば、絶縁パネル上に配置した検出電極の浮遊容量（検出電極と接地間の静電容量）は、指などの入力操作体が接近すると増大して充放電時間が長くなるので、検出電極の電位が所定の基準電位となるまでの充放電時間を計時することにより、入力操作を行わない場合の充放電時間と比較して、検出電極に接近する入力操作を検出することができる。

特開２００５−３３７７７３号公報（明細書の項目００１７乃至項目００３１、図１） 特開２００９−７０００４号公報（明細書の項目００１４乃至項目００２０、図２）

上述の特許文献２に示される浮遊容量と既知の抵抗値との時定数から未知の浮遊容量を検出する容量判別装置では、各検出電極毎に基準電位に達するまでの充放電時間が異なるので、充放電時間を計時するカウンター、カウンターメモリ等からなる共通の時間計測回路で同時に全ての検出電極についての浮遊容量を比較することができず、各検出電極毎に時間計測回路を接続するか、共通の時間計測回路を用いる場合には、検出電極毎に充放電時間を異ならせる必要があり、このことが障害となり、浮遊容量との時定数を利用した静電容量式タッチパネルは、普及していなかった。

そこで、本願出願人は、複数の検出電極について共通の基準時から基準電位に達した際に二値データが反転する二値信号を、複数の検出電極から同時にパラレルデータとして、複数の検出電極数に相当するビット数のパラレル入力レジスタへ入力し、パラレルデータの各ビットデータが反転するまでの時間から、同時に複数の検出電極の浮遊容量を比較する静電容量式タッチパネルを発明し、特願２００９−１９１９４８号で特許出願した。

しかしながら、この静電容量式タッチパネルであっても、同時に浮遊容量の大きさを検出できる検出電極数は、パラレル入力レジスタの入力ビット数に限られ、これを越える多数の検出電極が配置された静電容量式タッチパネルでは、充電時間若しくは放電時間が重ならないように特定の検出電極群に分けてその浮遊容量を検出する必要があった。

浮遊容量との時定数を利用した静電容量式タッチパネルでは、接地電位にある検出電極に抵抗を介して所定の充電電圧Ｖｄｄを印加する充電制御での検出電極の電位Ｖｃは、検出電極に接続する抵抗の抵抗値をｒ、検出電極と接地間の浮遊容量をｃ、充電電圧Ｖｄｄを印加した基準時からの経過時間をｔ、自然対数をεとすれば、
Ｖｃ＝Ｖｄｄ（１−ε^{−ｔ／ｃｒ}）・・・（１）式
で表され、ｔ＝５ｃｒの過渡期間が経過した際に検出電極の電位Ｖｃは、ほぼ充電電圧Ｖｄｄに達する（以下、本明細書では、説明の便宜上これを充電電圧Ｖｄｄに達したという）。

また、逆に、充電電圧Ｖｄｄにある検出電極を抵抗を介して接地電位する放電制御での検出電極の電位Ｖｃは、充電電圧Ｖｄｄとした基準時からの経過時間をｔ´とすれば、
Ｖｃ＝Ｖｄｄｘε^{−ｔ´／ｃｒ}・・・（２）式
で表され、ｔ´＝５ｃｒの過渡期間が経過した際に検出電極の電位Ｖｃは、ほぼ接地電位に達する（以下、本明細書では、説明の便宜上これを接地電位に達したという）。

ここで、検出電極の電位Ｖｃと比較する基準電位が充電電圧Ｖｄｄ近くにあり、基準電位と検出電極の電位Ｖｃを比較する比較回路の分解能が低い場合には、前者の充電制御によれば、過渡期間に近く、経過時間ｔに対して検出電極の電位Ｖｃの上昇がわずかであるので、基準電位との比較が判別しにくく、経過時間ｔに対して検出電極の電位Ｖｃの下降が大きい後者の放電制御がより精度よく基準電位と比較できる。逆に、基準電位が接地電位近くであり、基準電位と検出電極の電位Ｖｃを比較する比較回路の分解能が低い場合には、後者の放電制御では、過渡期間に近く、経過時間ｔに対して検出電極の電位Ｖｃの下降がわずかであるので、基準電位との比較が判別しにくく、充電制御直後の経過時間ｔに対して検出電極の電位Ｖｃの上昇が大きい前者の充電制御がより精度よく基準電位と比較できる。

しかしながら、従来の特許文献２に示される容量判別装置では、いずれか一方の制御のみで検出するので、充電電圧Ｖｄｄや基準電位をその制御方法に応じて最適に調整しなければならず、また、調整できない固定電位である場合には、浮遊容量の検出精度が低下する問題があった。

また、検出電極の浮遊容量は、液晶表示素子などの周囲の回路素子や機器の影響を受けて変動するので、組み立て後の製品評価の段階で、充電制御と放電制御の制御を比較して検出精度に優れた一方の制御とすることが望まれていたが、制御方法を変更することができなかった。

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、浮遊容量の大きさに依存する充放電時間を同時に計測する時間計測回路を２種類に分けた検出電極群で共用し、より多くの検出電極への入力操作を短時間に比較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。

また、充電電圧Ｖｄｄや検出電極の電位Ｖｃと比較する基準電位に応じて、より検出精度が高い電圧制御方法が選択可能な静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。

更に、動作環境に応じて、検出精度に優れた電圧制御方法を選択可能な静電容量式タッチパネルを提供することを目的とする。

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、絶縁パネル上に互いに絶縁して配置される複数の検出電極と、各検出電極に同一の回路構成で接続し、各検出電極の浮遊容量の大きさに応じて、所定の基準時から二値データが反転するまでの時間が変化する二値信号を出力する複数の容量−時間変換手段と、二値信号の基準時から二値データが反転するまでの時間から各検出電極の浮遊容量の大きさを比較し、入力操作体が接近する検出電極を検出する入力操作検出手段とを備えた静電容量式タッチパネルであって、各容量−時間変換手段は、検出電極の浮遊容量に直列若しくは並列に接続する抵抗と、前記抵抗の抵抗値と検出電極の浮遊容量とで定まる時定数で、基準時から浮遊容量を充放電し、検出電極の電位を接地電位から所定の充電電位まで引き上げる充電制御と、検出電極の電位を前記充電電位から接地電位まで引き下げる放電制御のいずれかを選択して制御可能な充放電回路と、基準時から検出電極の電位を前記充電電位と接地電位の間に設定した基準電位と比較し、検出電極の電位と基準電位の差が反転した際に二値データが反転する二値信号を出力する比較回路を有し、少なくとも二以上の特定検出電極にそれぞれ接続する特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、同一の充電制御若しくは放電制御で基準時から特定検出電極の電位を引き上げ若しくは引き下げ、入力操作検出手段は、前記特定容量−時間変換の比較回路から出力される二値信号の基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの特定検出電極を検出することを特徴とする。

入力操作で入力操作体を接近させた検出電極の浮遊容量は増加し、検出電極に接続する抵抗の抵抗値とで定まる時定数が上昇するので、検出電極の充電制御と放電制御のいずれであっても検出電極の電位が基準電位に達し、二値信号の二値データが反転するまでの時間は、他の検出電極の容量−時間変換手段から出力される二値信号に比較して長くなり、入力操作検出手段は、二値データが反転するまでの時間を比較し、同一の充電制御若しくは放電制御を行った特定検出電極から入力操作体が接近した特定検出電極を検出する。

任意数の特定検出電極について、検出電極の充電制御と放電制御のいずれも選択制御可能で、その特定検出電極から入力操作体が接近する特定検出電極を検出できる。

請求項２の静電容量式タッチパネルは、絶縁パネルに配線される複数の検出電極を、第１特定検出電極と第２特定検出電極に分け、第１特定検出電極にそれぞれ接続する第１特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、充電制御で第１基準時に接地電位である第１特定検出電極の電位を引き上げるとともに、第２特定検出電極にそれぞれ接続する第２特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、放電制御で第２基準時に充電電位である第２特定検出電極の電位を引き下げ、入力操作検出手段は、二値信号の第１基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの第１特定検出電極を検出し、二値信号の第２基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの第２特定検出電極を検出することを特徴とする。

第１特定検出電極は充電制御で、第２特定検出電極は放電制御で、それぞれの特定検出電極から入力操作体が接近した特定検出電極を検出するので、全ての複数の検出電極を充放電制御する１周期内に、二通りの特定検出電極について入力操作体が接近する特定検出電極を検出できる。

請求項３の静電容量式タッチパネルは、第１特定検出電極が、絶縁パネルの一方向に沿って配線される複数の検出電極であり、第２特定検出電極が、絶縁パネルの前記一方向と直交する方向に沿って配線される複数の検出電極であることを特徴とする。

絶縁パネルの直交する２方向についてそれぞれ入力操作体が接近する検出電極を、充放電制御する１周期内に検出できる。

請求項４の静電容量式タッチパネルは、入力操作検出手段のコモン入力を、第１特定容量−時間変換手段の各出力と、第２特定容量−時間変換手段の各出力のいずれかに選択的に接続する切り替えスイッチを備え、切り替えスイッチは、入力操作検出手段のコモン入力を、第１特定容量−時間変換手段の各充放電回路が充電制御を行っている間は、第１特定容量−時間変換手段の各出力に、第２特定容量−時間変換手段の各充放電回路が放電制御を行っている間は、第２特定容量−時間変換手段の各出力に、それぞれ切り替えて接続することを特徴とする。

入力操作体が接近する第１特定検出電極と第２特定検出電極を検出する為の二値信号は、互いに充放電制御の異なる期間中に特定容量−時間変換手段から出力されるので、切り替えスイッチで、入力操作手段のコモン入力を、特定検出電極を検出する為の二値信号が出力される特定容量−時間変換手段側に切り替えて接続することにより、二種類の第１特定検出電極と第２特定検出電極の検出に入力操作手段のコモン入力を共用できる。

請求項５の静電容量式タッチパネルは、入力操作検出手段が、特定検出電極のうち浮遊容量が最大の特定検出電極の配置位置を、入力操作を行った入力操作位置とする。

入力操作を行う入力操作体が最も接近する検出電極の浮遊容量が、他の検出電極の浮遊容量に比べて増大するので、浮遊容量が最大となる検出電極の配置位置を入力操作位置とすることができる。

請求項１の発明によれば、充電電圧Ｖｄｄや検出電極の電位Ｖｃと比較する基準電位や、動作環境に応じて、より検出精度が高い電圧制御方法が選択できる。

請求項２の発明によれば、検出電極の電位を充放電制御する１周期内に、二通りの特定検出電極について入力操作体が接近する特定検出電極を検出できる。

請求項３の発明よれば、充放電制御する一周期内に、絶縁パネル上の直交する２方向で、入力操作体が接近する特定検出電極を検出でき、短期間に二次元の入力操作位置を検出できる。

請求項４の発明によれば、限られた入力ビット数の入力操作検出手段で短時間に多数の検出電極から入力操作体が接近する検出電極を検出できる。

請求項５の発明によれば、検出電極に指などの入力操作体を接触させなくても、絶縁パネルへ接近させるだけで、入力操作体が最も接近する検出電極の浮遊容量が他に比べて最大となるので、絶縁パネル上に表示素子を積層させ表示素子の表示を見ながら、非接触で入力操作位置を入力できる。

本発明の一実施の形態に係る静電容量式タッチパネル１の複数の検出電極３と容量−時間変換回路２を示す回路図である。 静電容量式タッチパネル１の入力操作位置検出回路（入力操作検出手段）のブロック図である。 図１のａ、ｂ、ｃの各波形を示す波形図である。 従来の静電容量式タッチパネル１００を示すブロック図である。

以下、本発明の一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３を用いて説明する。このタッチパネル１は、図示しない絶縁パネル上に、例えばＸ方向に数ｍｍの間隔で互いに絶縁して複数のＸ検出電極３ｘ_１、３ｘ_２、３ｘ_３、３ｘ_４が、Ｘ方向と直交するＹ方向に同一の数ｍｍの間隔で互いに絶縁して複数のＹ検出電極３ｙ_１、３ｙ_２、３ｙ_３、３ｙ_４がそれぞれ配置されている。絶縁パネルに配線されるＸ検出電極３ｘとＹ検出電極３ｙの数は、後述する同一の充放電制御で入力操作体が接近する検出電極を検出可能な数、すなわち後述の第１レジスタ６の入力ビット数を上限とするが、異なる充放電周期でその出力を分ける場合には、前記入力ビット数の整数倍を上限とすることができる。ここでは、説明の便宜上、第１レジスタ６の入力ビット数を４として、Ｘ検出電極３ｘとＹ検出電極３ｙの数をそれぞれ４本とする。

各検出電極３ｘ、３ｙについての浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙは、その周囲の導電パターン、機器を遮蔽するシールドケース、大地との間に形成される容量の総和で表されるが、他の容量が略一定であるの対して、操作者による入力操作で指等の入力操作体が接近すると増大する。そこで、各検出電極３の浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを比較し、他の検出電極３ｘ、３ｙと比較し、浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが最大となる検出電極３ｘ、３ｙに対して入力操作の入力操作体が接近したものと推定し、入力操作体が接近した検出電極３ｘ、３ｙを検出する。

各検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを比較するため、図１に示すように、各検出電極３ｘ、３ｙには、それぞれ浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを二値信号の時間幅で表し出力する容量−時間変換回路２が接続されている。

各容量−時間変換回路２は、コモン端子を基準充電電圧Ｖｄｄと接地電位ＧＮＤとの間で切り換える充放電スイッチ４と、充放電スイッチ４のコモン端子と検出電極３間に直列に接続され、検出電極３ｘ、３ｙについての浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙのコンデンサ（説明上、浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙのコンデンサを浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙという）と時定数回路を形成する検出抵抗Ｒ１及び検出電極３ｘ、３ｙの抵抗Ｒ２と、非反転入力を検出電極３ｘ、３ｙに接続し、反転入力を基準電位Ｖ_ＳＨとしたコンパレータ５とを備えている。基準電位Ｖ_ＳＨは、基準充電電圧Ｖｄｄと接地電位ＧＮＤの間の所定の電位で、ここではＶｄｄの５０％の電位に設定され、これにより、充放電スイッチ４が接地電位ＧＮＤから基準充電電圧Ｖｄｄ側に切り換えられると、検出抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値と浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙから定まる時定数で浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが充電され、接地電位ＧＮＤから上昇する検出電極３ｘ、３ｙの電位が基準電位Ｖ_ＳＨを越えると、コンパレータ５の出力Ｃｘ、Ｃｙが反転する。

容量−時間変換回路２の検出抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値、コンパレータ５等の回路定数、基準電位Ｖ_ＳＨの電位は、各容量−時間変換回路２について同一であり、又、各充放電スイッチ４は、コモン端子に同一の第１基準時ｔ０に基準充電電圧Ｖｄｄが印加され、同一の第２基準時ｔｇに接地電位ＧＮＤとなるように、図２に示すマイコン２０からの切り換え制御信号ａによって同時に切り換え制御される。従って、上述の浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが接地電位ＧＮＤから基準充電電圧Ｖｄｄで充電される充電制御中の検出電極３の電位の上昇速度は、検出抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを乗じた時定数で決定されるが、専ら浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙに依存し、浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが大きくなるほど、電圧の上昇が緩やかになり、第１基準時ｔ０からコンパレータ５の出力ｃが反転するまでの時間も長くなる。同様に、浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが基準充電電圧Ｖｄｄから接地電位ＧＮＤまで放電される放電制御中の検出電極３の電位の下降速度も、検出抵抗Ｒ１、専ら浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙに依存し、浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが大きくなるほど、電圧の下降が緩やかになり、第２基準時ｔｇからコンパレータ５の出力ｃが反転するまでの時間も長くなる。一般に、検出電極３についての浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙは、約１０ｐＦであり、指などの入力操作体の接近により変化する浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙの変化量は、１乃至３ｐＦ程度であるので、その変化を出力ｃが反転するまでの時間から判別するため、各検出抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を、１０ＭΩとしている。

図２に示すように、各容量−時間変換回路２のコンパレータ５の出力Ｃｘ１、Ｃｘ２、・・、Ｃｙ１、Ｃｙ２・・は、一対の対応する検出電極３ｘ、３ｙの出力Ｃｘ１とＣｙ１、Ｃｘ２とＣｙ２毎に切り替えスイッチ１２の切り替え端子に接続している。各切り替えスイッチ１２も、マイコン２０からの切り換え制御信号ａによって同時に切り換え制御され、充電制御中は、検出電極３ｘ側の出力Ｃｘに、放電制御中は、検出電極３ｙ側の出力Ｃｙがコモン端子１２ｃに接続される。

各切り替えスイッチ１２のコモン端子１２ｃは、４ビットのＰＩＰＯ（並列入力並列出力形）レジスタである第１レジスタ（Ｔ）６の各入力に接続し、各切り替えスイッチ１２で選択接続される一方の出力がｃ１、ｃ２・・として、第１レジスタ（Ｔ）６に４ビットのパラレルデータとして並列入力される。

パラレルデータの各ビットデータは、各出力ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の２値信号の値に対応し、出力が「Ｈ」であるときに「１」、「Ｌ」であるときに「０」として記憶される。また、第１レジスタ（Ｔ）６の並列出力は、同様に、４ビットのＰＩＰＯレジスタである第２レジスタ（Ｔ−１）７の並列入力に接続している。第１レジスタ（Ｔ）６と第２レジスタ（Ｔ−１）７は、マイコン２０の共通するシフトクロック端子（ＳＦＴ）とリセット出力端子（ＲＥＳＥＴ）に接続し、クロック端子（ＳＦＴ）からシフトクロックが入力される毎に記憶する４ビットのレジスタ値の入出力を行うとともに、リセット出力端子（ＲＥＳＥＴ）からリセット信号が入力されると、記憶している４ビットのレジスタ値をリセットする。すなわち、第１レジスタ（Ｔ）６は、シフトクロックが入力された際に４ビットのレジスタ値として記憶した各出力ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の二値データを次にシフトクロックが入力されるまで記憶し、同様に第２レジスタ（Ｔ−１）７は、第１レジスタ（Ｔ）６から出力される４ビットのレジスタ値を次にシフトクロックが入力されるまで記憶する。また、第１レジスタ（Ｔ）６は、後述するレジスタ値比較回路８からトリガー信号が入力されると、そのときに記憶しているレジスタ値をＲＡＭ１０へ記憶する。

第１レジスタ（Ｔ）６に出力ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の新たな４ビットのレジスタ値が記憶される毎に、レジスタ値比較回路８において、そのレジスタ値と第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されるレジスタ値とが比較され、少なくとも４ビットのいずれかのビットデータが異なる場合にレジスタ値比較回路８から第１レジスタ（Ｔ）６と後述するカンウター１１にトリガー信号が出力される。第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されるレジスタ値は、最新のシフトクロックが入力される直前に第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値であるので、トリガー信号は、出力ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４の少なくともいずれかの二値データが変化した場合に出力される。

マイコン２０は、クロック発信回路９からクロック信号を入力し、ここでは５０ＭＨｚのクロック信号の周波数を分周した周波数の上記シフトクロックによりレジスタ６、７の動作を制御すると共に、後述するタイミングで切り換え制御信号ａを各充放電スイッチ４と各切り替えスイッチ１２へ出力し、それぞれ切り換え制御する。ここで、入力操作によって出力ｃの二値データが反転するまでの時間差は、１０乃至３０μｓｅｃ程度であるので、シフトクロックの周波数は、その時間差を確実に検出するために、少なくとも１ＭＨｚ以上の周波数としている。

また、マイコン２０は、図３の検出周期Ｔｐ毎にＲＡＭ１０に関連づけて記憶されたカウント値とレジスタ値との組合せから、入力操作体が接近する検出電極３を直交するＸＹ方向の検出電極３ｘ、３ｙについてそれぞれ検出し、その検出電極３ｘ、３ｙのＸＹ方向の配置位置から２次元で表す入力操作位置を出力する検出処理を実行する。

カウンタ１１は、クロック発振回路９から出力されるクロック信号の周波数を分周した周波数でカウント値をカウントアップする。カウンター１１のカウント値は、第１基準時ｔ０のタイミングでマイコン２０から出力されるリセット信号でリセットされ、レジスタ値比較回路８からトリガー信号が入力されると、図２に示すように、その時のカウント値がＲＡＭ１０に出力される。

一時記憶装置であるＲＡＭ１０は、図２に示すように、レジスタ値比較回路８からトリガー信号が出力される毎に、その時のカンウタ１１のカウント値と第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されているレジスタ値とを関連付けて記憶し、全てのビットデータが「０」となるレジスタ値が入力されるまで、カウント値と関連づけた各組合せを記憶する。ＲＡＭ１０に記憶されたこれらの各組合せのデータは、検出周期Ｔｐ毎に次の周期の基準時ｔ０が到来する前にマイコン２０からの制御によりクリアされる。

以下、このように構成されたタッチパネル１により、入力操作を検出する動作を説明する。マイコン２０は、入力操作を検出する動作モードで、図３に示すように、各検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを充電する充電時間Ｔｃと放電する放電時間Ｔｄに休止時間Ｔｒを加えた検出周期Ｔｐで、入力操作の検出を繰り返す。充電時間Ｔｃは、充放電スイッチ４を充電電圧Ｖｄｄ側へ切り換える第１基準時ｔ０から接地電位ＧＮＤへ切り換える第２基準時ｔｇまでの時間であり、入力操作の有無に関わらず、全ての検出電極３の接地電位ＧＮＤである電位が充電電圧Ｖｄｄに達するに充分な経過時間に設定される。浮遊容量Ｃｓの最大値は、１０ｐＦ程度であり、本実施の形態では、１０ＭΩの直列に接続した検出抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙが充電されるので、検出電極３の電位がほぼ充電電圧Ｖｄｄに達するまでの過渡期間は、５００μｓｅｃであり、第２基準時ｔｇまでの充電時間Ｔｃを５００μｓｅｃとしている。

また、放電時間Ｔｄについても、入力操作の有無に関わらず、充電電圧Ｖｄｄとなっいる全ての検出電極３の電位が、接地電位ＧＮＤまで低下するに充分な経過時間に設定され、充電時間Ｔｃと同一の５００μｓｅｃに設定される。より入力操作の検出時間を短縮するためには、放電時間Ｔｄが経過した時を次の周期の第１基準時ｔ０として、必ずしも検出周期Ｔｐに休止時間Ｔｒを設けなくてもよいが、本実施の形態では、１ｍｓｅｃの休止時間Ｔｒを設けて、検出周期Ｔｐを２ｍｓｅｃとしている。マイコン２０は、この放電時間Ｔｄから休止時間Ｔｒにかけて、ＲＡＭ１０に記憶されたデータから入力操作位置を算出する検出処理を行う。

このように、本実施の形態によれば、多数の容量−時間変換回路２の浮遊容量Ｃｓに対して同時に充放電を行うので、容量−時間変換回路２毎に異なる期間に充放電制御を行う必要がなく、充分に長い休止時間Ｔｒを設けても、短い検出周期Ｔｐで入力操作を検出できる。従って、マイコン２０が入力操作を検出する動作モードであっても、電力消費量が少なく、リモートコントロール送信機や携帯電話機などの外部から電源が得られない携帯機器の入力装置に用いた場合に、長時間バッテリーを交換するとなく使用できる。

マイコン２０は、第１基準時ｔ０に、リセット出力端子（ＲＥＳＥＴ）からリセット信号を出力し、第１レジスタ（Ｔ）６と第２レジスタ（Ｔ−１）７のレジスタ値とカウンター１１のカウント値をリセットするとともに、ＲＡＭ１０に記憶されているデータをクリアする。ここでは、第１基準時ｔ０での第１レジスタ（Ｔ）６のレジスタ値を、ＲＡＭ１０へ記憶させるため、第１レジスタ（Ｔ）６と第２レジスタ（Ｔ−１）７のリセットしたレジスタ値を全て「０」とするが、検出周期Ｔｐが経過した時点で第１レジスタ（Ｔ）６と第２レジスタ（Ｔ−１）７の各レジスタ値は、「０」となっているので、必ずしもリセットする必要はない。

また、マイコン２０は、同一の第１基準時ｔ０に各切り替えスイッチ１２と各容量−時間変換回路２の充放電スイッチ４とへ切り換え制御信号ａを出力し、切り替え制御する。第１基準時ｔ０に「Ｌ」から「Ｈ」となる切り換え制御信号ａを出力することにより、各容量−時間変換回路２は充電制御モードとなり、各切り替えスイッチ１２は、検出電極３ｘ側の出力Ｃｘを、出力ｃ１、ｃ２・・として、第１レジスタ６へパラレル出力する。また、各検出電極３ｘ、３ｙは、接地電位ＧＮＤから充電電圧Ｖｄｄ側に切り換えられ、検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを充電電圧Ｖｄｄで充電する。第１基準時ｔ０まで充放電スイッチ４が接地電位ＧＮＤに切り換えられていた各検出電極３ｘ、３ｙの電位は、基準電位Ｖ_ＳＨ以下の接地電位ＧＮＤであるので、基準時ｔ０の各コンパレータ５の出力ｃｘ１、ｃｘ２、ｃｘ３、ｃｘ４は、いずれも「Ｌ」であり、第１レジスタ（Ｔ）６に４ビットの「００００」のパラレルデータが記憶される。

レジスタ値比較回路８は、リセット時である第１基準時ｔ０にカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力するものとし、図２に示すように、ＲＡＭ１０は、第１基準時ｔ０を表すカウント値Ｃ（ｔ０）と、第１基準時ｔ０に第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されるレジスタ値「００００」を関連づけて記憶する。

直列に接続された抵抗Ｒ１と検出電極３ｘ、３ｙの抵抗Ｒ２の抵抗値の和をｒ、検出電極と接地間の浮遊容量をｃ、充電電圧Ｖｄｄを印加した基準時からの経過時間をｔ、自然対数をεとすれば、この充電制御により、接地電位ＧＮＤにある各検出電極３ｘ、３ｙの電位Ｖｃは、
Ｖｃ＝Ｖｄｄ（１−ε^{−ｔ／ｃｒ}）・・・（１）式
で上昇し、浮遊容量ｃが小さいほど急速に上昇する。

ここで、入力操作による指などの入力操作体がＸ方向で検出電極３ｘ２の配置位置に接近したとすると、入力操作体から離れ、入力操作体による影響を受けない検出電極３ｘ４の浮遊容量Ｃｓｘ４が最小であるので、図３に示すように、各検出電極３ｘについて同一の抵抗値との時定数で上昇する検出電極３ｘ４の電位ｂｘ４が最も早い時刻ｔ１で基準電位Ｖ_ＳＨを越える。その結果、コンパレータ５の出力ｃ４が「Ｌ」から「Ｈ」に反転し、第１レジスタ（Ｔ）６に、最下位ビットが「１」となったパラレルデータ「０００１」が記憶される。レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「００００」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ１を表すカウント値Ｃ（ｔ１）と、新たに第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「０００１」を関連づけて記憶される。

続いて検出電極３ｘ２の両側に配置され、検出電極３ｘ２に接近する入力操作体に対してほぼ等距離に配置された検出電極３ｘ１と検出電極３ｘ３の浮遊容量Ｃｓｘ１、Ｃｓｘ３が浮遊容量Ｃｓｘ４より大きく、検出電極３ｘ１、３ｘ３の電位ｂｘ１、ｂｘ３が時刻ｔ２で基準電位Ｖ_ＳＨを越え、コンパレータ５の出力ｃ１、ｃ３が「Ｌ」から「Ｈ」に反転し、第１レジスタ（Ｔ）６にパラレルデータ「１０１１」が記憶される。レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値の１ビット目と３ビット目が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「０００１」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ２を表すカウント値Ｃ（ｔ２）と関連づけて新たに第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「１０１１」が記憶される。

入力操作位置に最も近い検出電極３ｘ２の浮遊容量Ｃｓｘ２は他と比較して最大となるので、図３に示すように、その検出電極３ｘ２の電位ｂｘ２は、時刻ｔ３の最後に基準電位Ｖ_ＳＨを越え、コンパレータ５の出力ｃ２が「Ｌ」から「Ｈ」に反転する。その結果、第１レジスタ（Ｔ）６には、時刻ｔ_３にパラレルデータ「１１１１」が記憶され、レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「１０１１」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、図２に示すように、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ３を表すカウント値Ｃ（ｔ３）と、第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「１１１１」が関連づけて記憶される。

マイコン２０は、この第１基準時ｔ０から充電時間Ｔｃが経過した第２基準時ｔｇに、切り換え制御信号ａの出力を「Ｈ」から「Ｌ」として、各充放電スイッチ４を充電電圧Ｖｄｄ側から接地電位ＧＮＤへ切り換え、放電時間Ｔｄ中に各浮遊容量Ｃｓに蓄積された電荷を放電し、各容量−時間変換回路２を全ての検出電極３の電位を接地電位ＧＮＤとする放電制御モードへ移行させる。また、各切り替えスイッチ１２は、「Ｈ」から「Ｌ」の切り換え制御信号ａを受けて、検出電極３ｙ側の出力Ｃｙを、出力ｃ１、ｃ２・・として、第１レジスタ６へパラレル出力する。

第１基準時ｔ０から過渡期間以上の５００μｓｅｃが経過した第２基準時ｔｇには、全ての検出電極３ｘ、３ｙの電位が基準電位Ｖ_ＳＨを越えているので、検出電極３ｙ側の出力Ｃｙが第１レジスタ（Ｔ）６へ出力されても、第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されるレジスタ値「１１１１」は、変化しないが、レジスタ値比較回路８は、第２基準時ｔｇにおいてもカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力するものとし、図２に示すように、ＲＡＭ１０は、第２基準時ｔｇを表すカウント値Ｃ（ｔｇ）と、第２基準時ｔｇに第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されるレジスタ値「１１１１」を関連づけて記憶する。

充電電圧Ｖｄｄにある検出電極３ｘ、３ｙを抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接地電位する放電制御での検出電極の電位Ｖｃは、電電圧Ｖｄｄとした第２基準時ｔｇからの経過時間をｔ´とすれば、
Ｖｃ＝Ｖｄｄｘε^{−ｔ´／ｃｒ}・・・（２）式
で下降し、浮遊容量ｃが小さいほど急速に下降する。

入力操作による指などの入力操作体がＹ方向で検出電極３ｙ３の配置位置に接近したとすると、入力操作体から離れ、入力操作体による影響を受けない検出電極３ｙ１の浮遊容量Ｃｓｙ１が最小であるので、図３に示すように、各検出電極３ｙについて同一の抵抗値との時定数で下降する検出電極３ｙ１の電位ｂｙ１が最も早い時刻ｔ４で基準電位Ｖ_ＳＨを越えて下回る。その結果、コンパレータ５の出力ｃ１が「Ｈ」から「Ｌ」に反転し、第１レジスタ（Ｔ）６に、最上位ビットが「０」となったパラレルデータ「０１１１」が記憶される。レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「１１１１」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ４を表すカウント値Ｃ（ｔ４）と、新たに第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「０１１１」を関連づけて記憶される。

続いて検出電極３ｙ３の両側に配置され、検出電極３ｙ３に接近する入力操作体に対してほぼ等距離に配置された検出電極３ｙ２と検出電極３ｙ４の浮遊容量Ｃｓｙ２、Ｃｓｙ４が浮遊容量Ｃｓｙ１より大きく、検出電極３ｙ２、３ｙ４の電位ｂｙ２、ｂｙ４が時刻ｔ５で基準電位Ｖ_ＳＨ未満となり、コンパレータ５の出力ｃ２、ｃ４が「Ｈ」から「Ｌ」に反転し、第１レジスタ（Ｔ）６にパラレルデータ「００１０」が記憶される。レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値の２ビット目と４ビット目が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「０１１１」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ５を表すカウント値Ｃ（ｔ５）と関連づけて新たに第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「００１０」が記憶される。

入力操作位置に最も近い検出電極３ｙ３の浮遊容量Ｃｓｙ３は他と比較して最大となるので、図３に示すように、その検出電極３ｙ３の電位ｂｙ３、時刻ｔ６の最後に基準電位Ｖ_ＳＨ未満となり、コンパレータ５の出力ｃ３が「Ｌ」から「Ｈ」に反転する。その結果、第１レジスタ（Ｔ）６には、時刻ｔ６にパラレルデータ「００００」が記憶され、レジスタ値比較回路８は、このレジスタ値が、第２レジスタ（Ｔ−１）７に記憶されたレジスタ値「００１０」と異なることからカンウター１１と第１レジスタ（Ｔ）６へトリガー信号を出力し、図２に示すように、ＲＡＭ１０に、時刻ｔ６を表すカウント値Ｃ（ｔ６）と、第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されたレジスタ値「００００」が関連づけて記憶される。

第２基準時ｔｇから更に過渡期間以上の５００μｓｅｃが経過した時点で、全ての検出電極３ｘ、３ｙの電位は基準電位Ｖ_ＳＨ未満となり、第１レジスタ（Ｔ）６に記憶されるレジスタ値「００００」は、次の周期Ｔｐの第１基準時ｔ０が到来する休止時間Ｔｒの間、変化しない。マイコン２０は、この休止時間Ｔｒ中に、ＲＡＭ１０に記憶されている各カウント値Ｃ（ｔ）とレジスタ値との組合せを読み出す。カウント値Ｃ（ｔ）は、充電を開始した基準時ｔ０からの経過時間を表し、レジスタ値は、その直前の組合せのレジスタ値と比較してビットデータが変化したビットを示している。また、各レジスタ値のビットは、各検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙに対応し浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙの大きさによって第１基準時ｔ０若しくは第２基準時ｔｇからの経過時間が長くなるので、マイコン２０は、ＲＡＭ１０に記憶された各組合せのデータから、検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙの大きさをＸ側の検出電極３ｘとＹ側の検出電極３ｙに分けてそれぞれ比較できる。

図２に示すように、Ｘ側の検出電極３ｘでは、第４ビット（ＬＳＢ）、第１ビット（ＭＳＢ）と第３ビット、第２ビットの順に４ビットのビットデータが変化するので、浮遊容量Ｃｓｘは、Ｃｓｘ４、Ｃｓｘ１とＣｓｘ３、Ｃｓｘ２の順に大きくなることが検出される。これにより、マイコン２０は、Ｘ方向について、浮遊容量Ｃｓｘが最大の検出電極３ｘ２に入力操作体が接近したものと判定でき、その検出電極３ｘ２の配置位置をＸ方向では入力操作位置とする。

また、Ｙ側の検出電極３ｙでは、第１ビット（ＭＳＢ）、第２ビットと第４ビット（ＬＳＢ）、第３ビットの順に４ビットのビットデータが変化するので、浮遊容量Ｃｓｙは、Ｃｓｙ１、Ｃｓｙ２とＣｓｙ４、Ｃｓｙ３の順に大きくなることが検出される。これにより、マイコン２０は、Ｙ方向について、浮遊容量Ｃｓｙが最大の検出電極３ｙ３に入力操作体が接近したものと判定でき、その検出電極３ｙ３の配置位置をＹ方向での入力操作位置とする。これにより、マイコン２０は、図示しない表示画面上のカーソル移動制御や電子機器の動作を制御する外部制御回路へ検出電極３ｘ２と検出電極３ｙ３の配置位置を、二次元の入力操作位置として出力し、入力操作位置に応じた所定の処理を実行させる。

マイコン２０は、休止時間Ｔｒの間に、入力操作位置を検出した後、次の周期Ｔｐの第１基準時ｔ０前に、ＲＡＭ１０に記憶されているデータをクリアする。

尚、入力操作位置の検出は、複数の検出電極３ｘ、３ｙの浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙの大きさを比較し、ＸＹの各方向について、複数の浮遊容量Ｃｓｘ、Ｃｓｙを按分した比から得る検出電極３ｘ、３ｙの配置位置間の位置を、入力操作位置としてもよい。

上記実施の形態では、絶縁パネルに配置される複数の検出電極を、Ｘ側の検出電極３ｘとＹ側の検出電極３ｙに分けて、一方を充電制御、他方を放電制御し、入力操作体が接近する検出電極を検出したが、全ての検出電極について、同一の充電制御若しくは放電制御で制御可能とし、動作環境や基準電圧Ｖｄｄ、基準電位Ｖ_ＳＨ等の関係で、検出に最適な一方の制御を選択してもよい。

本発明は、入力操作面上にディスプレーが配置され、非接触の入力操作を検出する静電容量式タッチパネルに適している。

１ 本実施の形態に係る静電容量式タッチパネル
２ 容量−時間変換回路（容量−時間変換手段）
３ 検出電極
４ 充放電スイッチ
１２ 切り替えスイッチ
２０ マイコン（入力操作検出手段）

Claims (5)

1. 絶縁パネル上に互いに絶縁して配置される複数の検出電極と、
   各検出電極に同一の回路構成で接続し、各検出電極の浮遊容量の大きさに応じて、所定の基準時から二値データが反転するまでの時間が変化する二値信号を出力する複数の容量−時間変換手段と、
   二値信号の基準時から二値データが反転するまでの時間から各検出電極の浮遊容量の大きさを比較し、入力操作体が接近する検出電極を検出する入力操作検出手段とを備えた静電容量式タッチパネルであって、
   各容量−時間変換手段は、
   検出電極の浮遊容量に直列若しくは並列に接続する抵抗と、
   前記抵抗の抵抗値と検出電極の浮遊容量とで定まる時定数で、基準時から浮遊容量を充放電し、検出電極の電位を接地電位から所定の充電電位まで引き上げる充電制御と、検出電極の電位を前記充電電位から接地電位まで引き下げる放電制御のいずれかを選択して制御可能な充放電回路と、
   基準時から検出電極の電位を前記充電電位と接地電位の間に設定した基準電位と比較し、検出電極の電位と基準電位の差が反転した際に二値データが反転する二値信号を出力する比較回路を有し、
   少なくとも二以上の特定検出電極にそれぞれ接続する特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、同一の充電制御若しくは放電制御で基準時から特定検出電極の電位を引き上げ若しくは引き下げ、
   入力操作検出手段は、前記特定容量−時間変換の比較回路から出力される二値信号の基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの特定検出電極を検出することを特徴とする静電容量式タッチパネル。
2. 絶縁パネルに配線される複数の検出電極を、第１特定検出電極と第２特定検出電極に分け、
   第１特定検出電極にそれぞれ接続する第１特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、充電制御で第１基準時に接地電位である第１特定検出電極の電位を引き上げるとともに、第２特定検出電極にそれぞれ接続する第２特定容量−時間変換手段の各充放電回路は、放電制御で第２基準時に充電電位である第２特定検出電極の電位を引き下げ、
   入力操作検出手段は、二値信号の第１基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの第１特定検出電極を検出し、二値信号の第２基準時から二値データが反転するまでの時間から、入力操作体が接近するいずれかの第２特定検出電極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。
3. 第１特定検出電極が、絶縁パネルの一方向に沿って配線される複数の検出電極であり、第２特定検出電極が、絶縁パネルの前記一方向と直交する方向に沿って配線される複数の検出電極であることを特徴とする請求項２に記載の静電容量式タッチパネル。
4. 入力操作検出手段のコモン入力を、第１特定容量−時間変換手段の各出力と、第２特定容量−時間変換手段の各出力のいずれかに選択的に接続する切り替えスイッチを備え、
   切り替えスイッチは、入力操作検出手段のコモン入力を、第１特定容量−時間変換手段の各充放電回路が充電制御を行っている間は、第１特定容量−時間変換手段の各出力に、第２特定容量−時間変換手段の各充放電回路が放電制御を行っている間は、第２特定容量−時間変換手段の各出力に、それぞれ切り替えて接続することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の静電容量式タッチパネル。
5. 入力操作検出手段は、特定検出電極のうち浮遊容量が最大の特定検出電極の配置位置を、入力操作を行った入力操作位置とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネル。

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