JP6029088B2 - 静電容量結合方式静電センサー - Google Patents

Description

本発明は、入力方式に静電容量結合方式を利用した入力装置に関するものである。

静電容量結合方式を利用した入力装置として、従来から、タッチスイッチが知られている。静電容量結合方式タッチスイッチは、パネルスイッチと制御基板から構成される。パネルスイッチは、通常フィルム（一般としてはポリエチレンステレフタートフィルム：ＰＥＴフィルムが使用されている。）の表面にスイッチ電極として銀ペースト、またはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等を印刷した電極フィルムを、アクリルやガラス及び樹脂等の絶縁基材に接着剤（両面テープ等）で貼り合わせたもので構成される。スイッチ電極に指または手が近づくと、スイッチ電極と指または手との間に平行板コンデンサが形成され静電容量が発生する。この静電容量の変化をコンデンサＣと抵抗Ｒとで形成するＣ／Ｆ変換回路（静電容量Ｃを周波数Ｆに変換する回路）で周波数に変換し、その周波数をインプットキャプチャ機能（周波数の数を数える機能）でデジタルデータに置き換え、演算処理によりタッチスイッチのオン／オフ状態を判断する。スイッチ電極が複数個の場合、スイッチ電極の選択は、個々のスイッチ電極分設けた切換回路により行う（特開２００５−０８４９８２号公報 参照）。

静電容量結合方式を利用したタッチスイッチは、スイッチ電極を指または手が触れることのできる領域をタッチスイッチとし、指または手がそのスイッチ電極に近づいたことを検出するものであり、タッチスイッチのオン／オフを検出するデジタル入力装置である。
スイッチ電極は、電気的に導通する導電性材料を前記フィルム表面に、スクリーン印刷方式により印刷してタッチスイッチを形成している。スクリーン印刷は、オープニングと呼ばれる糸と糸の間の空間（スクリーン版）からスキージ（ゴムのヘラ、または金属のヘラ）を使ってインキを押し出し、画像パターンを形成する印刷法である。スクリーン印刷は、古くから捺染や印染などの伝統工芸として日本に根付いている工法である。
また、できあがった画像パターンの厚みは、使用したスクリーン版の厚みと同じである。現在、スクリーン印刷は、エレクトロニクス分野ではなくてはならない工法として確立しており、プリント配線板や電子部品、フラットパネルディスプレイ、自動車メーターなどを製造する工程には、必ずスクリーン印刷法が用いられていることが知られている。

スイッチ電極は、スクリーン印刷方式により前記フィルムの表面に導電性材料である銀ペースト（物質は銀）インクまたは、ＩＴＯ（酸化インジウム）（物質は錫）インクを用いて印刷することでタッチスイッチを形成している。スイッチ電極を形成するためのスクリーン版の厚さは１０〜３０μｍの版を使用している。スクリーン版で使用する導電性材料である銀ペーストインクの抵抗値は少ないが、それでも数Ω〜数百Ω/ cm2の面積抵抗を持っている。また、同様に導電性材料であるＩＴＯ（酸化インジウムスズ）インクの場合、抵抗値は高く数Ω〜数ｋΩ/ cm2にもなる面積抵抗を持っている。
スクリーン印刷方式で印刷されたスイッチ電極は、スキージの移動速度で決まる印刷速度、インクの粘度、印刷環境による版の伸び、縮みにより、印刷毎にスイッチ電極の大きさ、厚みが数ｍｍ単位、および数μｍ単位で違い、大きさ、厚みのばらつきを０にすることは難しいとされている。そのため、印刷毎のスイッチ電極の抵抗値は一定にならず、印刷毎の抵抗値のばらつきを０Ωに抑えることは難しいとされている。

前記フィルム上に、スイッチ電極を形成したスイッチを、タッチスイッチの入力領域として使用したときの周波数は、前記コンデンサＣと抵抗Ｒによりｔ＝０．７×Ｃ×Ｒで表せる。
スイッチ電極は、導電性材料からなるためΔＲの抵抗値を持つ。スイッチ電極の周波数は、抵抗Ｒにスイッチ電極の抵抗値分のΔＲの抵抗値が足された周波数として生成される。周波数ｔは
ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ）
で表せる。

図１の様にスイッチ電極が、横３行、縦４列の計１２個（ＳＷ１〜ＳＷ１２）の場合の周波数を求めてみる。スイッチ電極のタッチスイッチをＳＷ１からＳＷ１２としたときの抵抗値はＳＷ１（抵抗値：ΔＲ１）、ＳＷ２（抵抗値：Δ２）、ＳＷ３（抵抗値：Δ３），・・・ＳＷ１２（抵抗値：Δ１２）で表せる。各スイッチ電極の周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ１）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ２）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ３）
・
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・
ＳＷ１２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ１２）
で表せる。
また、前記スクリーン印刷での印刷毎に数Ω〜数１０Ω単位での抵抗値のばらつきがある。ばらつきの抵抗値をΔｒとしたときの印刷毎の各周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ１＋Δｒ）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ２＋Δｒ）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ３＋Δｒ）
・
・
・
ＳＷ１２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ１２＋Δｒ）
で表せる。
また、近年デジタル技術を利用した電子回路が広く用いられるようになり、デジタル信号の低域から高域までの周波数による電波障害が起こりやすい状況になっている。
たとえば、テレビ等の電化製品の側にラジオ受信機を持っていくと、ザーとかブーといったノイズ雑音が入る。これは、ラジオ受信機が電化製品から発生している電波ノイズを拾ってしまうことでおきる。
また、ラジオ受信機にＡＣ電源を供給して使う場合、家庭用電源の配線によっては、ＡＣ電源ラインにノイズが混入し、電源ノイズとして拾ってしまうこともある。同じＡＣ電源コンセントにテレビ等の電化製品とラジオ受信機をつなげて使用したとき、つなげた電化製品から発生した電源ノイズをラジオ受信機が拾ってしまいノイズによりラジオが鳴らない、雑音が入ってしまう等の誤作動を生じる。
生活環境下での前記ノイズ混入に対する対策は、機器にノイズを混入させない様な対策、またはノイズを受けても障害を発生させないようにノイズ耐性を向上させる対策がある。

しかし、生活環境下では、どの様なノイズが機器に混入されるかわからないために、ノイズ防御対策が難しくなっているのが現状である。
前記静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式は、静電容量の変化をＣ
／Ｆ変換回路で周波数（ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ））に変換し、その周波数の変化をインプットキャプチャ機能でデジタルデータに置き換えている。この方式は周波数を用いて動作させていることで、生活環境下で発生するノイズである周波数の混入による影響は、避けられないのが現状である。

また、前記した静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路を用いて周波数に変換する方式で、前記フィルムにスイッチ電極を印刷したスイッチをタッチスイッチとして使用したときに生成される周波数は、スイッチ電極の形状により得られる抵抗値が違うことでスイッチ電極ごとに違う周波数になることがわかる。
ここで、複数個のスイッチ、たとえば横Ｍ行、縦Ｎ列からなる個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を必要とする場合の入力装置のことを考える。前記入力装置は、前記フィルムに（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を印刷し、印刷されたスイッチ電極と同じ印刷面にスイッチ電極と同じ数である個数（Ｍ×Ｎ）個の配線パターンを設け、個数（Ｍ×Ｎ）個の各々のスイッチ電極から１本ずつ配線パターンを、制御基板（図示せず）に接続することが必要である。
例えば、図１の様に横３行、縦４列からなるスイッチ電極を構成した場合、スイッチ電極の個数は（横３行個×縦４列個）＝１２個のスイッチ電極の数になり、各スイッチ電極から制御基板に接続するための配線パターンの数は、前記した個数（横３行個×縦４列個）＝１２本でスイッチ電極の数分必要になることがわかる。

前記、静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式のスイッチ電極に、スイッチ電極で得られる周波数と、同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは供給電源より同じまたは近い周波数である電源ノイズが混入されると、Ｃ／Ｆ回路で生成される周波数とノイズの周波数とが互いに周波数の同期または干渉が起こる。

Ｃ／Ｆ回路で生成される周波数とノイズの周波数の同期または干渉は、スイッチ電極に指または人が近づいても静電容量が変化しない状態となり、スイッチ電極に指が触ったにもかかわらず、スイッチの入力ができない状態になり、誤動作を生じてしまう。
スイッチ電極は、大きさの違いにより生成される周波数が変わるため、大きさの違うスイッチ電極が増える程、生成される周波数の種類が多くなる。そのため生成される周波数と同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは、電源ノイズによる同期または干渉により誤動作が増えてしまう。静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式では、個々のスイッチ電極が使用している周波数に対し、発生するノイズの周波数より±数１０ＫＨｚの値の周波数が離れないと、ノイズの影響を受け、スイッチ電極に指が触れてもスイッチ電極がＯＮ、またスイッチ電極より指を離してもＯＦＦになる周波数にならない。
そのため、スイッチ電極大きさの違いにより、使用している異なった周波数が多くなる程、ノイズの影響によるスイッチが誤動作してしまう周波数の範囲が広がり、ノイズの影響による誤動作防止の対処が非常に困難になる。
前記したように、横Ｍ行、縦Ｎ列からなる個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を必要とする入力装置では、前記フィルムに個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を印刷し、スイッチ電極と同じ印刷面に、スイッチ電極と同じ数である個数（Ｍ×Ｎ）個の配線パターンを設け、個数（Ｍ×Ｎ）個の各々のスイッチ電極から１本ごとに配線パターンを、制御基板に接続することが必要である。
個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極の内、スイッチ電極に囲まれた場所に位置するスイッチより配線パターンを制御基板に接続するためには、スイッチ電極間に配線パターンを通すことのできる隙間（領域）（図１参照）を設け、この設けた隙間に配線パターンを通すことが必然である。
そのため、個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を必要とする入力装置では、スイッチ電極間に配線パターンを通す隙間（領域）を設けた上で、スイッチ電極を同じ形状にすると、入力する個数（Ｍ×Ｎ）個の全体のスイッチ領域が大きくなってしまう。また、入力する領域の大きさをそのままで変えないとした場合、スイッチ電極間に配線パターンを通す隙間（領域）を設ける必要があるために、配線パターンを通すスイッチ電極の形状を小さくしなければならず、入力するスイッチ電極自体の領域が小さくなり、スイッチ電極の形状の違いによる個々のスイッチ電極の得られる周波数もまちまちになってしまい、外来ノイズによる影響がある周波数範囲が大きくなってしまう。
個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極を必要とする入力装置では、前記したように、スイッチ電極からの隙間（領域）配線パターンならびに外来よりのノイズによる影響を考慮に入れ、スイッチ電極の設計をすることが必要であり、スイッチ電極の設計が複雑になり、昨今小型化を要求される機器等が増え、小型化を要求される機器への対応は難しいのが現状である。

本発明は、絶縁体の裏面に導電材料からなる互いに平行で等間隔に配置した複数のスイッチ電極と、前記絶縁体の表面に、前記裏面に設けた複数のスイッチ電極と直角に交わる様に互いに平行で等間隔に複数のスイッチ電極を設け、複数設けられたそれぞれのスイッチ電極に導電部材を接続し、前記絶縁体の表および裏に設けた複数のスイッチ電極が交わる交点を、スイッチの中心とするタッチスイッチであり、前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極と前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極との静電容量変化を計測するために、前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極と、前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極との間に流れる電流を、電流・電圧変換回路により電圧に変換し、発振器で生成される信号を、同期発信回路により同期がとられたｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に変換し、前記ｓｉｎ信号を印加した前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極を、ドライブするために接続された配線と、電流・電圧変換回路とそれを経由して前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極に接続される配線と、前記電流・電圧変換回路により、前記電流・電圧変換された電圧と、前記ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を掛け算する掛け算回路を設け、該掛け算回路により、前記ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をＤＣ信号に変換し、該ＤＣ信号をローパス・フィルタ回路によって安定化させ、前記変換された電圧を計測し、該計測した電圧と演算裝置に予め格納されている閾値とを比較することにより、スイッチのＯＮ、ＯＦＦを判断する静電容量結合方式静電センサーを提案するものである。

本発明では、抵抗値が異なるスイッチ電極を使用した場合、また縦Ｍ個×横Ｎ個（複数個）のスイッチ電極を使用した場合でも、ｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを、ｓｉｎ信号を増幅し接続した縦Ｍ個のスイッチ電極と、横Ｎ個のスイッチ電極を介して接続した電流・電圧変換回路の出力信号に掛算回路で掛けることにより、真の電流値のＡＣ信号だけが、ＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。また、抵抗値の異なるスイッチ電極が接続されても、全てｓｉｎ信号の周波数より高い周波数となり、周波数のＡＣ信号のままでローパス・フィルタを通すことで０Ｖの直流電圧にできる。そのため、ｓｉｎ信号以外の周波数ノイズが異なる抵抗値のスイッチ電極に混入されても、正確にスイッチ電極と指および手との間に静電容量が発生し、得られた静電容量の量を、オン／オフの閾値と比較することで、正確にタッチスイッチのオン／オフの状態を検出することができる。
また、横Ｍ行個×縦Ｎ列個からなるスイッチ電極において、横Ｍ行のスイッチ電極は、フィルムの表面にスイッチ電極の中心となる場所に、互いに等間隔で平行になる様にスイッチ電極をＭ個配置し、前記スイッチ電極の入力領域外にスイッチ電極より制御基板に接続するための配線パターンをＭ本設ける。また、縦Ｎ列のスイッチ電極は、フィルムの裏面にスイッチ電極の中心となる場所に、前記横Ｍ行のスイッチ電極と直角となる様に互いに等間隔で平行となる様にスイッチ電極をＮ個配置し、前記スイッチ電極の入力領域外にスイッチ電極より制御基板に接続するための配線パターンをＮ本設ける。
スイッチ電極は横Ｍ行個と、縦Ｎ列個の交点となる箇所をスイッチ電極の中心として実現でき、スイッチ電極の個数は、横Ｍ行個と縦Ｎ列個を掛けた数（Ｍ×Ｎ）個となり、制御基板に接続する配線パターンの数は、横Ｍ行本と縦Ｎ列本を加算した数（Ｍ＋Ｎ）のみで済むため、横Ｍ行個、縦Ｎ列個のスイッチ電極数を持つタッチスイッチでは、小型化が要求される機器にもノイズに強い静電容量結合方式静電センサーとして対応できる。

スイッチ電極の周波数。 本実施例の横Ｍ行、縦Ｎ列のスイッチ電極構成図。 本実施例の入力装置構成図。 本実施例の掛算回路波形図。 本実施例の入力信号レベルと位相差図。 本実施例の指とスイッチ電極の関係図。 本実施例のｓｉｎ信号掛算波形図。

本発明では、抵抗値が異なるスイッチ電極を使用した場合でも、発振器からｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを発信し、ｓｉｎ信号の一つは増幅回路経由でスイッチ電極を介して信号をドライブし、電流・電圧変換回路の抵抗Ｒを通してもう一つのスイッチ電極に接続される。ｓｉｎ信号の一つは２つの掛算回路に接続される。またｃｏｓ信号はもう一つの掛算回路に接続される。電流・電圧変換回路の出力はそれぞれ２つの掛算回路に接続され、それぞれｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号と掛けられる。掛けられた信号は、真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。
前記スイッチ電極へ混入されるノイズは、全てｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算によりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタを通すことで０Ｖの直流電圧にできる。
ｓｉｎ信号のスイッチ電極を介してドライブした信号と電流・電圧変換回路の抵抗Ｒに接続したもうひとつのスイッチ電極と、指および手との間に発生する静電容量は、ｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙとから、入力信号のベクトル値を以下の式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）から求められる。また、そのときの位相差は、以下の式アークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる。
また、前記したように横Ｍ行個×縦Ｎ列個のスイッチ電極において、スイッチ電極は、制御基板と接続する制御線の配線パターンの横Ｍ行個と、縦Ｎ列個の交点となる箇所をスイッチ電極の中心として実現できることで、スイッチ電極の数は（Ｍ×Ｎ）個、スイッチ電極より制御基板に接続する配線パターンは、電極を構成している配線パターン自体が、配線になるので、配線の本数は、横Ｍ行、縦Ｎ列の個数（Ｍ＋Ｎ）本で済み、横Ｍ行個、縦Ｎ列個のスイッチ電極数からなり、小型化が要求される機器にも静電容量結合方式静電センサーとして対応できる。

フィルムは、樹脂を成形して作られたフィルム（ＰＥＴフィルム：ポリエチレンテレフタレート／ＰＰフィルム：ポリプロピレンフィルム／ＰＶＣフィルム：ポリ塩化ビニルフィルム／ＰＥフィルム：ポリエチレンフィルム等）であるＰＥＴフィルム、導電材料は銀ペースト（物質は銀）とし、横Ｍ行×縦Ｎ列からなるスイッチ電極の作り方を説明する。図２に横Ｍ行、縦Ｎ列のスイッチ電極となるスイッチの構造を表す。
ＰＥＴのフィルムの表面に横Ｍ行個のスイッチ電極および、制御基板に接続するための配線パターンを銀ペーストで印刷する。次にＰＥＴフィルムの裏面に、横Ｍ行個のスイッチ電極および制御基板に接続するための配線パターンを銀ペーストで印刷する。
横Ｍ行のスイッチ電極は、フィルムの表面に印刷するための表面用のスクリーン版に、スイッチ電極の中心となる場所に、互いに等間隔で平行になる様にスイッチ電極を配置するための幅（１mm〜３mm）の配線およびスイッチ電極を制御基板に接続する配線パターンを設け、スクリーン版により、前記したようにフィルムの表面に導電材料である銀ペーストを印刷する。
次に、縦Ｎ列のスイッチ電極は、フィルムの裏面に印刷するための裏面用のスクリーン版に、スイッチ電極の中心となる場所に、互いに等間隔で平行になる様にスイッチ電極を配置するための幅（１mm〜３mm）の配線およびスイッチ電極を制御基板に接続する配線パターンを、横Ｍ行のスイッチ電極と直角になる様に設け、スクリーン版により、前記したようにフィルムの裏面に導電材料である銀ペーストを印刷する。
スイッチ電極を配置するための幅を１mm〜３mmとしたが、静電容量が得られることができる寸法幅であれば１mm以下、または３mm以上でも可能である。

横Ｍ行のスイッチ電極を配置した配線と、縦Ｎ列のスイッチ電極を配置した配線との交点を個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極の中心点とする。個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極で、個々のスイッチ電極の横の大きさは縦Ｎ列の等間隔に配置された配線間の中心となる線の間であり、縦の大きさは横Ｍ行の等間隔に配線された配線間の中心となる線の間となる。

以下、本発明の動きに対し詳細に説明する。図３〜７は、装置図面が煩雑にならないよう単純な構成を模式的に表現した物である。まず、図３を用いて動作説明をする。
図３に示す制御装置１７内の発信器１から出力される発振周波数に基づいて、ｓｉｎ信号２とｃｏｓ信号３が９０度の位相差で出力される。
ｓｉｎ信号２は、増幅回路４により縦３列のスイッチ電極を配置した配線６をスイッチ電極のドライブ線として接続する切替回路５に接続する。
ＳＷ選択１５より選択された縦３列のスイッチ電極を配置した配線６よりのドライブ線のａｃ電圧は、もう一方の切替回路５で選択した横３行のスイッチ電極を配置した配線６を通じ抵抗Ｒに流される。切替回路５で選択された横３行のスイッチ電極を配置した配線６と切替回路５で選択された縦３列のスイッチ電極を配置した配線６との交点が、入力可能なスイッチ電極７の中心点となり、選択された横３行のスイッチ電極を配置した配線６を介し電流ｉは抵抗Ｒを通過することで電圧Ｅに変換され、ハイパス・フィルタ９を通過することで発信周波数より高い周波数はカットされる。次の増幅回路１０で増幅され、ローパス・フィルタ１１を通すことで発振周波数より低い周波数はカットされる。
ローパス・フィルタ１１より出力された周波数は、それぞれ２つの掛算回路１２のｙ側に入力される。２つの掛算回路１２のＸ側にはｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３が入力される。掛算回路１２の結果は、非常に低いローパス・フィルタ１３でＤＣ信号がとりだされノイズ信号を消してしまう。ＤＣ信号は制御装置のＡ／Ｄ変換器１４でデジタルデータに変換される。それぞれのＡ／ｄ変換されたデジタルデータは、図５で示す信号のｓｉｎ信号２の二乗とｃｏｓ信号３の二乗を加算しルート処理を施したベクトル値としてのデジタルデータとなり、予め決めた９個のスイッチ電極７をスイッチとしたタッチスイッチ８がオンの状態、オフの状態を判断する閾値となるデジタルデータとを比較し、閾値より大きい場合をタッチスイッチ８のオン状態、小さい場合をオフ状態として外部処理装置１８へ出力する。
横Ｍ行、縦Ｎ列からなる個数（Ｍ×Ｎ）個のスイッチ電極７の制御は前記の９個の場合と同様に、縦Ｎ列個のスイッチ電極を配置した配線６を切替回路５で、横Ｍ行個のスイッチ電極を配置した配線６を切替回路５で順次切替え、切替られた各スイッチ電極７において、予め個数（Ｍ×Ｎ）個の決めたスイッチ電極７をスイッチとしたタッチスイッチ８がオンの状態、オフの状態を判断する閾値となるデジタルデータとを比較し、閾値より大きい場合をタッチスイッチ８のオン状態、小さい場合をオフ状態として外部処理装置１８へ出力する。
各スイッチ電極７をスイッチとしたタッチスイッチ８がオン状態、オフ状態を決める方法を説明する。縦、横にスイッチ電極を配置した配線６の交点となる場所は、人の指１９とスイッチ電極を配置した配線６が交差する間の検出静電容量が最大になる場所のため、前記ｓｉｎ信号２およびｃｏｓ信号３をＡ／Ｄ変換器１４で得られる電圧を元に、ｓｉｎ信号２の二乗とｃｏｓ信号３の二乗を加算しルート処理を施したベクトル値が最大になる。スイッチ電極を配置した配線６が交差する場所より離れた場所を人の指１９が触られると、検出静電容量が減り計算処理したベクトル値としての電圧が下がる。また、スイッチ電極を配置した配線６が公差する場所より離れれば離れる程、人の指１９とスイッチ電極間の検出静電容量が減ってくる。
スイッチ電極７をスイッチとしたタッチスイッチ８の入力可能な領域を、スイッチ電極を配置した配線６の中心の間として、前記で得られた計算処理したベクトル値である電圧によりタッチスイッチ８のオン状態、オフ状態となる閾値を決める。

また、閾値によりオン状態、オフ状態を決めることができるため、閾値を変えることで横Ｍ行、縦Ｎ列のスイッチ電極７の個々の入力できる領域となるタッチスイッチ８の形状を変えることもできる。

図４に、本発明の掛算回路波形図を示す。
スイッチ電極７は、フィルムの裏面に縦線となるスイッチ電極を配置した配線６を印刷し、表面に横線となるスイッチ電極を配置した配線６が印刷されている。掛算回路１２のＸ入力にはｓｉｎ信号２あるいはｃｏｓ信号３を入力する。抵抗Ｒの片側はＧＮＤに接続する。反対側は増幅回路４を通過したｓｉｎ信号２が切替回路５を介した前記縦線となるスイッチ電極を配置した配線６と対になる横線となるスイッチ電極を配置した配線６に接続されている。
人間の指１９等が前記縦線となるスイッチ電極を配置した配線６と対になる横線となるスイッチ電極を配置した配線６に近づくと電流ｉ１は、前記縦線となるスイッチ電極を配置した配線６から、指１９等を介し横線となるスイッチ電極を配置した配線６に電流が流れ、抵抗Ｒの両端に電位差Ｅ１が発生し、掛算回路１２のＹ入力に加えられる。
ＸとＹの入力信号は、掛算され真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり、次のローパス・フィルタ１３を通すことでＤＣ信号になる。縦線および横線となるスイッチ電極を配置した配線６に他の周波数成分であるノイズが混入されても、ノイズの周波数は全てｓｉｎ信号２・ｃｏｓ信号３との掛算によりｓｉｎ信号２・ｃｏｓ３信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号２・ｃｏｓ信号３の周波数より十分低いローパス・フィルタ１３を通すことで０Ｖの直流電圧にできる。

図５に、本発明の入力信号レベルと位相差図を示す。図４の掛算回路１２でｓｉｎ信号２と掛算された入力信号はｓｉｎによる検出信号になり、ｃｏｓ信号３と掛算された入力信号はｃｏｓによる検出信号になる。入力信号のベクトル値は、ｓｉｎによる検出信号をＸ、ｃｏｓによる検出信号をＹとして式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）１５から求められる。また、位相差は式アークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる。入力信号のベクトル値、位相差を求め利用することは、精度が要求される位置検出等にはとても有効な手段である。

図６に指１９とスイッチ電極７との関係を示す。
図６の上図は指１９がスイッチ電極７のタッチスイッチ８より離れている場合である。
人間の指１９が縦線となるスイッチ電極を配置した配線６および横線となるスイッチ電極を配置した配線６からなるタッチスイッチ８より離れても、指１９とタッチスイッチ８の間に静電容量は発生する。前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６より得られる、静電容量値が小さいため縦線となるスイッチ電極を配置した配線６であるドライブ線に供給しているｓｉｎ信号の電圧は、そのまま前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６に伝わる。信号の電圧レベルは同じ程度のため、その後のハイパス・フィルタ９、増幅回路１０、ローパス・フィルタ１１を介し、ｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３との掛算回路１２を通った信号は変化しない。

図６は指１９が、縦線となるスイッチ電極を配置した配線６である。ドライブ線および前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６に近づく、または前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６に接触した場合である。この場合は、人間の指１９と縦線となるスイッチ電極を配置した配線６であるドライブ線および前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６の間に静電容量が多く発生し、電流ｉが縦線となるスイッチ電極を配置した配線６であるドライブ線から指１９を介し、前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６に電流が流れ、前記縦線となるスイッチ電極を配置した配線６である。ドライブ線に供給しているｓｉｎ信号２の電圧は、電流ｉが多く流れるため大きくなる。その後のハイパス・フィルタ９、増幅回路１０、ローパス・フィルタ１１を介し、ｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３との掛算回路１２を通った信号は大きくなり、得られる信号の大きさも大きくなる。
指１９が前記横線となるスイッチ電極を配置した配線６に触れていない時の電流ｉを前もって測定し、指１９がふれたときの電流ｉを、タッチスイッチ８がオン状態となる閾値とすることで、タッチスイッチ８のスイッチのオン／オフとして動作する。

図７にｓｉｎ信号掛算波形図を示す。ａ・ｓｉｎαとｂ・ｓｉｎαを掛けると式は、 （ａ・ｓｉｎα）・（ｂ・ｓｉｎα）＝（ａ・ｂ／２）−（ａ・ｂ・ｃｏｓ２α）／２となり、ａ・ｂ／２だけ加えられたところに２倍の周波数の半分になったｃｏｓ信号がある。これは十分低いローパス・フィルタ１２を通過するとｃｏｓ信号分が０となりａ・ｂ／２の定数のみになる。この式によりａ・ｓｉｎα以外のノイズ周波数が混入されてもノイズ周波数はカットされることでノイズ周波数による影響はなくなる。
前記で導電材料として銀ペースト（物質は銀）を取り上げ説明したが、スイッチ電極に使用する導電材料は、前記フィルム上に印刷およびエッチングできものであれば何にも対応可能である。
また、基材としてフィルムを取り上げ、フィルム上にスイッチ電極を印刷することとして説明したが現在、精密機器等で使われているガラスエポキシ等の基板に銅箔をエッチング処理した部材等、一般として絶縁体の表面に導電性材料を構成できる物であれば何にも対応可能である。

１ 発信器
２ ｓｉｎ信号
３ ｃｏｓ信号
４ 増幅回路
５ 切替回路
６ スイッチ電極を配置した配線
７ スイッチ電極
８ タッチスイッチ
９ ハイパス・フィルタ
１０ 増幅回路
１１ ローパス・フィルタ
１２ 掛算回路
１３ ローパス・フィルタ
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）
１６ ＳＷ選択
１７ 制御装置
１８ 外部処理装置
１９ 指

Claims (1)

1. 絶縁体の裏面に導電材料からなる互いに平行で等間隔に配置した複数のスイッチ電極と、前記絶縁体の表面に、前記裏面に設けた複数のスイッチ電極と直角に交わる様に互いに平行で等間隔に複数のスイッチ電極を設け、複数設けられたそれぞれのスイッチ電極に導電部材を接続し、前記絶縁体の表および裏に設けた複数のスイッチ電極が交わる交点を、スイッチの中心とするタッチスイッチであり、前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極と前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極との静電容量変化を計測するために、前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極と、前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極との間に流れる電流を、電流・電圧変換回路により電圧に変換し、発振器で生成される信号を、同期発信回路により同期がとられたｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に変換し、前記ｓｉｎ信号を印加した前記絶縁体の裏面に設けた複数のスイッチ電極を、ドライブするために接続された配線と、電流・電圧変換回路とそれを経由して前記絶縁体の表面に設けた複数のスイッチ電極に接続される配線と、前記電流・電圧変換回路により、前記電流・電圧変換された電圧と、前記ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を掛け算する掛け算回路を設け、該掛け算回路により、前記ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をＤＣ信号に変換し、該ＤＣ信号をローパス・フィルタ回路によって安定化させ、前記変換された電圧を計測し、該計測した電圧と演算裝置に予め格納されている閾値とを比較することにより、スイッチのＯＮ、ＯＦＦを判断することを特徴とする静電容量結合方式静電センサー。
   

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