JP2011039661A - 静電容量型入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ耐性を向上させると共に、指先等のタッチ位置の検出を高精度に行うことができる静電容量型入力装置を提供する。
【解決手段】第１のタッチパッド１は、Ｘ方向に一列に配置された第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅからなる。共通電位線６は、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅをそれぞれ囲んで配置され、交流電源７からの交流の共通電位ＶＣＯＭが印加される。第２のタッチパッド２は、第１のタッチパッド１と同様に構成され、第１のタッチパッド１に対してＸ方向に隣接して配置される。そして、第１のタッチパッド１と共通電位線６の間に生じる第１の容量Ｃ１と第２のタッチパッド２と共通電位線６の間に生じる第２の容量Ｃ２との容量差に基づいて、人間の指先等のタッチ位置を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型入力装置に関し、特に静電容量の変化を利用して人の指先やペン先等のタッチ位置を検出することにより、データ入力を行う静電容量型入力装置に関する。

従来、携帯電話、携帯音響機器、携帯ゲーム機器、テレビジョン、パーソナルコンピュータ等の各種電子機器のデータ入力装置として、静電容量型入力装置が知られている。

従来の静電容量型入力装置を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０に示すように、ＰＣＢ基板６０上にタッチパッド６１が形成されており、タッチパッド６１とＰＣＢ基板６０との間に静電容量６２（容量値Ｃ）が形成されている。そして、コンパレータ６３の非反転入力端子（＋）に配線６４を介してタッチパッド６１が接続される。コンパレータ６３の反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、タッチパッド６１とコンパレータ６３の非反転入力端子（＋）とを接続する配線６４には定電流源６５が接続されている。

この静電容量型入力装置の動作を図１１に基づいて説明する。先ず、人間の指６６がタッチパッド６１から遠く離れている場合は、タッチパッド６１における容量値はＣである。この場合、タッチパッド６１の静電容量６２は定電流源６５からの定電流により充電されることにより、タッチパッド６１の電圧はリセット状態の０Ｖから増加し、基準電圧Ｖｒｅｆに到達するとコンパレータ６３の出力電圧は反転する。このリセットからコンパレータ６３が反転するまでの時間をｔ１とする。

一方、人間の指先６６をタッチパッド６１に近づけると、タッチパッド６１における容量値はＣ＋Ｃ’に増加、または減少する。この変化分Ｃ’は人間の指とタッチパッド６１の間に形成される容量値である。すると、タッチパッド６１の電圧が０Ｖから基準電圧Ｖｒｅｆに到達するまでの時間はｔ２（ｔ２＞ｔ１）である。つまり、リセットからコンパレータ６３が反転するまでの時間の差（ｔ２−ｔ１）に基づいて、人間の指先６６がタッチパッド６１にタッチしたか否かを検出することができる。換言すれば、タッチパッド６１は、データ入力用のＯＮ／ＯＦＦスイッチとして機能させることができる。

特開２００５−１９００５０号公報

しかしながら、従来の静電容量型入力装置においては、タッチパッド６１にノイズが印加されると、タッチパッド６１の電圧が変化して誤動作が生じるという問題があった。

また、タッチパッド６１はＯＮ／ＯＦＦという２状態スイッチとして機能する場合には、データ入力量が限られていた。

本発明の静電容量型入力装置は、一列に配置され互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第１のタッチパッドと、前記第１のタッチパッドに隣接して一列に配置され、互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第２のタッチパッドと、前記第１及び第２のタッチパッドの複数のサブタッチパッドをそれぞれ囲んで配置され、共通電位が印加される共通電位線と、を備え、前記第１及び第２のタッチパッドの複数のサブタッチパッドの中で、一端に配置されたサブタッチパッドと他端に配置されたサブタッチパッドの間に配置されたサブタッチパッドの面積が最大であり、前記第１のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第１の容量と前記第２のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第２の容量との容量差に基づいて、タッチ位置を検出する。

本発明の静電容量型入力装置によれば、差動容量検出方式を採用したことにより、ノイズ耐性を向上させることができる。

また、本発明の静電容量型入力装置によれば、タッチパッドをそれぞれ面積が異なる複数のサブタッチパッドで構成し、各サブタッチパッドを共通電位線で囲むことにより、指先等のタッチ位置を高精度に検出し、データ入力量を増加させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る静電容量型入力装置の平面図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の第１の実施形態に係る静電容量型入力装置の信号処理回路の回路図である。 信号処理回路の特性図である。 本発明の第２の実施形態に係る静電容量型入力装置の平面図である。 比較例に係る静電容量型入力装置の平面図である。 電荷増幅器の回路図である。 電荷増幅器の動作を説明する図である。 電荷増幅器の入出力特性を示す図である。 従来の静電容量型入力装置の構成を示す図である。 従来の静電容量型入力装置の動作を説明する図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る静電容量型入力装置を図面に基づいて説明する。図１は、この静電容量型入力装置の平面図である。図２は、図１の第１のタッチパッド１、第３のタッチパッド３の拡大図である。

この静電容量型入力装置（タッチパネル）は、ＰＣＢ基板等の絶縁基板１０上に配置された第１〜第５のタッチパッド１〜５、共通電位線６を含んで構成される。共通電位線６には、交流電源７から発生される交流の共通電位ＶＣＯＭが印加されるようになっている。

図１において、一番左側の第１のタッチパッド１は、Ｘ方向に一列に配置された第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅからなり、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅは隣接配線により互いに電気的に接続されている。

共通電位線６は、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅをそれぞれ囲んで配置され、交流電源７からの交流の共通電位ＶＣＯＭが印加されるようになっている。共通電位線６は、各サブタッチパッドを囲む菱形のセルを形成しており、セルの集合体は全体として見るとハニカム構造になっている。

また、共通電位線６は、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅを連結している隣接配線と電気的に絶縁されている。第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅと共通電位線６との間には不図示の絶縁体が介在しており、これにより、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅは、共通電位線６と容量結合している。そして、第１のタッチパッド１は配線を介して第１の出力端子ＣＯ１に接続されている。

この場合、サブタッチパッド１ａ〜１ｅの中で、中央に配置された第１のサブタッチパッド１ａの面積Ｓ１が最も大きく、第１のサブタッチパッド１ａの左隣に配置された第２のサブタッチパッド１ｂの面積Ｓ２は第１のサブタッチパッド１ａの面積Ｓ１より小さい。また、第２のサブタッチパッド１ｂの左隣に配置された第３のサブタッチパッド１ｃの面積Ｓ３は第２のサブタッチパッド１ｂの面積Ｓ２より小さい。つまり、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の大小関係を満たし、端部に近いサブタッチパッドほどその面積は小さくなっている。

また、第４のサブタッチパッド１ｄは、第１のサブタッチパッド１ａを中心として第２のサブタッチパッド１ｂと対称に配置されており、第５のサブタッチパッド１ｅは第１のサブタッチパッド１ａを中心として第３のサブタッチパッド１ｃと対称に配置されている。

具体的には、図２に示すように、第１のサブタッチパッド１ａは菱形の形状を有している。第２のサブタッチパッド１ｂは、第１のサブタッチパッド１ａの菱形の下半分を切り欠いて残った三角形の形状を有している。第３のサブタッチパッド１ｃは、第２のサブタッチパッド１ｂの三角形に切り欠き部Ｋを形成した形状を有している。

この場合、切り欠き部Ｋは、第３のサブタッチパッド１ｃの共通電位線６に対向する辺に設けることがタッチ位置検出の精度向上の上で好ましい。これは、実験結果によれば、タッチ位置検出精度はサブタッチパッドの面積だけでなく、サブタッチパッドと共通電位線６との距離にも依存するからである。第２のサブタッチパッド１ｂと第４のサブタッチパッド１ｄの形状は同じであり、第３のサブタッチパッド１ｃと第５のサブタッチパッド１ｅの形状は同じである。

なお、図１においても第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅは示されているが、第３のサブタッチパッド１ｃと第５のサブタッチパッド１ｅの切り欠き部Ｋの図示は省略してある。また、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅのＸ方向のピッチは等しくなっているが、２ピッチが人の指先の幅と同程度になるようにピッチが設定されることが好ましい。さらにまた、第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅ、共通電位線６は、ＩＴＯ等の透明導電材料を用いて形成しても良いし、アルミニウム等の金属材料を用いて形成しても良い。

第２のタッチパッド２は、第１のタッチパッド１の右側に隣接して配置されており、第１のタッチパッド１と同じ構造を有している。即ち、第２のタッチパッド２は、Ｘ方向に一列に配置された第１〜第５のサブタッチパッド２ａ〜２ｅからなり、第１〜第５のサブタッチパッド２ａ〜２ｅは隣接配線により互いに電気的に接続されている。共通電位線６は、第１〜第５のサブタッチパッド２ａ〜２ｅをそれぞれ囲んで配置されている。そして、第２のタッチパッド２は配線を介して第２の出力端子ＣＯ２に接続されている。

上述の第１及び第２のタッチパッド１，２はペアを形成してタッチ位置の検出に寄与する基本的なユニットである。即ち、第１のタッチパッド１と共通電位線６の間に生じる第１の容量Ｃ１と第２のタッチパッド２と共通電位線６の間に生じる第２の容量Ｃ２との容量差に基づいて、人間の指先等のタッチ位置を検出する。この場合、人間の指先等が第１及び第２のタッチパッド１，２から遠く離れている初期状態においては、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２の容量値は等しくなっている。

タッチ位置の検出をより広範囲において高精度に行うため、第１及び第２のタッチパッド１，２のペアに加えて、第３及び第４のタッチパッド３，４のペアが配置されている。
そして、第１及び第２のタッチパッド１、２のペアの容量差に加えて、第３のタッチパッド３と共通電位線６の間に生じる第３の容量Ｃ３と第４のタッチパッド４と共通電位線６の間に生じる第４の容量Ｃ４との容量差に基づいて、タッチ位置を検出する。この場合も、人間の指先等が第３及び第４のタッチパッド３，４から遠く離れている初期状態においては、第３の容量Ｃ３と第４の容量Ｃ４の容量値は等しくなっている。

第３及び第４のタッチパッド３，４は、第１及び第２のタッチパッド１，２と同じ構造を有している。即ち、第３のタッチパッド３は、第１のタッチパッド１と第２のタッチパッド２の間に一列に配置され、互いに電気的に接続された第１〜第５のサブタッチパッド３ａ〜３ｅで構成される。この場合、図２に示すように、第２のサブタッチパッド３ｂは逆三角形であり、第１のタッチパッド１の第５のサブタッチパッド１ｅと共に、共通電位線６の１つのセルの中に配置されている。同様に、第３のタッチパッド３ｃは切り欠き部Ｋを持った逆三角形であり、第１のタッチパッド１の第４のサブタッチパッド１ｄと共に、共通電位線６の別の１つのセルの中に配置されている。第３のタッチパッド３は配線を介して第３の出力端子ＣＯ３に接続されている。

第４のタッチパッド４は、第２のタッチパッド２の右側に隣接して配置され、互いに電気的に接続された第１〜第５のサブタッチパッド４ａ〜４ｅで構成される。この場合も、第２のサブタッチパッド４ｂは逆三角形であり、第２のタッチパッド２の第５のサブタッチパッド２ｅと共に、共通電位線６の１つのセルの中に配置されている。同様に、第３のサブタッチパッド４ｃは切り欠き部Ｋを持った逆三角形であり、第１のタッチパッド１の第４のサブタッチパッド２ｄと共に、共通電位線６の別の１つのセルの中に配置されている。第４のタッチパッド４は配線を介して第４の出力端子ＣＯ４に接続されている。

また、タッチ位置の検出の範囲を更に拡張するために、互いに電気的に接続された第１〜第５のサブタッチパッド５ａ〜５ｅからなる第５のタッチパッド５が配置される。この場合、第５のタッチパッド５の第１〜第３のサブタッチパッド５ａ〜５ｃについては、第４のタッチパッド４の第１のサブタッチパッド４ａの右側に隣接して、Ｘ方向に一列に配置され、残りの第４及び第５のサブタッチパッド５ｄ、５ｅについては、第１のタッチパッド１の第１のサブタッチパッド１ａの左側に隣接して、Ｘ方向に一列に配置される。第５のタッチパッド５は配線を介して第１の出力端子ＣＯ１に接続されている。

そして、図１に示すように、上述の第１〜第５のタッチパッド１〜５は、Ｙ方向に繰り返して配列されている。そして、この例では第１のタッチパッド１の中央の第１のサブタッチパッド１ａは、Ｙ方向に１５個配列されているが、これらは隣接配線により互いに電気的に接続されている。第２〜第５のタッチパッド２〜５の中央の第１のサブタッチパッド２ａ〜５ａについても同様である。

図３は、静電容量型入力装置の信号処理回路の構成を示す。この信号処理回路は、上述の静電容量型入力装置の第１〜第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４が入力端に接続された選択回路１１、電荷増幅器１２、ＡＤ変換器１３を含んで構成される。

選択回路１１は、先ず、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２のペアを選択し、次に、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４のペアを選択する。選択されたペアは、それぞれ電荷増幅器１２の非反転入力端子（＋）、反転入力端子（−）にそれぞれ接続される。

つまり、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２のペアが選択されると、第１の出力端子ＣＯ１からの信号は電荷増幅器１２の非反転入力端子（＋）に印加され、第２の出力端子ＣＯ２からの信号は電荷増幅器１２の反転入力端子（−）に印加される。すると、電荷増幅器１２は、出力電圧Ｖｏｕｔとして、第１のタッチパッド１と共通電位線６の間に生じる第１の容量Ｃ１と第２のタッチパッド２と共通電位線６の間に生じる第２の容量Ｃ２との容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に応じたアナログの出力電圧Ｖ１を出力する。（Ｃ１、Ｃ２は容量値を表す）電荷増幅器１２は、容量電圧変換器と（Ｃ−Ｖ変換器）して機能する回路である。この場合、電荷増幅器１２は、出力電圧Ｖ１がΔＣに比例するように構成することが好ましい。（後述の［電荷増幅器の構成例］を参照）

次に、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４のペアが選択されると、第３の出力端子ＣＯ３からの信号は電荷増幅器１２の非反転入力端子（＋）に印加され、第４の出力端子ＣＯ４からの信号は電荷増幅器１２の反転入力端子（−）に印加される。すると、電荷増幅器１２は、出力電圧Ｖｏｕｔとして、第３のタッチパッド３と共通電位線６の間に生じる第３の容量Ｃ３と第４のタッチパッド４と共通電位線６の間に生じる第４の容量Ｃ４との容量差ΔＣ＝Ｃ３−Ｃ４に応じたアナログの出力電圧Ｖ２を出力する。（Ｃ３，Ｃ４は容量値を表す）この場合、電荷増幅器１２は、出力電圧Ｖ２がΔＣに比例するように構成することが好ましい。（後述の［電荷増幅器の構成例］を参照）

電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２に基づいてタッチ位置の検出が可能であるが、デジタル演算によりタッチ位置を求めるために、出力電圧Ｖ１，Ｖ２をデジタル値に変換するＡＤ変換器１３が設けられている。

なお、選択回路１１を削除し、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２のペアと、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４のペアに対応して、２個の電荷増幅器１２を設けても良い。

図４は、上述の信号処理回路の特性図である。この場合、信号処理回路の電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ１は、第１のタッチパッド１と共通電位線６の間に生じる第１の容量Ｃ１と第２のタッチパッド２と共通電位線６の間に生じる第２の容量Ｃ２との容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に比例するように構成されている。同様に、電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ２は、容量差ΔＣ＝Ｃ３−Ｃ４に比例するように構成されている。

図４の横軸は、図１のタッチパネルのＸ方向の座標に対応しており、Ｐ１〜Ｐ５はそれぞれ第１〜第５のタッチパッド１〜５の中央のサブタッチパッド１ａ〜５ａの中心位置に対応している。そして、パラメータθをＸ座標に対応させると、θ＝０°はＰ１に対応し、θ＝９０°はＰ３に対応し、θ＝１８０°はＰ２に対応し、θ＝２７０°はＰ４に対応し、θ＝３６０°はＰ５に対応することになる。

そして、人の指先等を第１のタッチパッド１上から第５のタッチパッド５上にＸ方向に移動させていくと、電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ１は、Ｖ１＝ｃｏｓθで近似することができる。（Ｖ１の振幅の１／２を「１」に規格化した場合）

これは、第１のタッチパッド１の第１〜第５のサブタッチパッド１ａ〜１ｅ、第２のタッチパッド２の第１〜第５のサブタッチパッド２ａ〜２ｅの各面積を上述のように重み付けしているからであり、例えば、第１のサブタッチパッド１ａ、２ａの面積を「２」とすると、第２、第４のサブタッチパッド１ｂ、２ｂ、１ｄ、２ｄの面積は「１」、第３、第５のサブタッチパッド１ｃ、２ｃ、１ｅ、２ｅの面積は「０．５」とすることにより、Ｖ１＝ｃｏｓθの波形に近づけることができることが実験的に確認されている。

この点を定性的に説明すると、人の指先が第１のタッチパッド１の第１のサブタッチパッド１ａ上（Ｐ１）にある場合は、人の指先が誘電体として働くモデルにおいては、電気力線の数が局所的に増加することから、第１の容量Ｃ１が第２の容量Ｃ２に比して増加する。そして、人の指先等が第１のサブタッチパッド１ａ→第４のサブタッチパッド１ｄ→第５のサブタッチパッド１ｅへ移動すると、サブタッチパッドの面積の減少に伴い、人の指等とサブタッチパッドとの容量結合も小さくなることから、第１の容量Ｃ１も減少する。

但し、人の指先が接地され電界を遮蔽する、電界遮蔽モデルのおいては、前記の容量変化は逆になる。

この容量変化を反映して、出力電圧Ｖ１はＰ１上で最大値「１」になり、人の指先等が第１のサブタッチパッド１ａ→第４のサブタッチパッド１ｄ→第５のサブタッチパッド１ｅへ移動するにつれて減少し、Ｐ３上で「０」になる。そして、人の指等がＰ３からＰ２に向かうと、出力電圧Ｖ１の極性は反転して、Ｐ２で最小値−１になる。その後、人の指等がＰ４からＰ５に向かうと、出力電圧Ｖ１は増加に転じ、Ｐ５において再び「０」になる。

同様に、人の指先等を第１のタッチパッド１上から第５のタッチパッド上にＸ方向に移動させていくと、電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ２は、Ｖ２＝ｓｉｎθで近似することができる。（Ｖ２の振幅の１／２を「１」に規格化した場合）これは、第３のタッチパッド３及び第４のタッチパッド４がそれぞれ第１のタッチパッド１及び第２のタッチパッド２に対してＸ方向にθ＝９０°だけ位相がずれて配置されているからである。

従って、出力電圧Ｖ１，Ｖ２からタッチ位置θを算出することができる。タッチ位置θの算出を効率的に行うためには、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の比、Ｖ２／Ｖ１を用いることが好ましい。Ｖ２／Ｖ１はｔａｎθで近似される。即ち、Ｖ２／Ｖ１＝ｔａｎθである。ｔａｎの逆関数であるａｒｃｔａｎを用いると、タッチ位置角度θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）で表される。

また、出力電圧Ｖ１（＝ｃｏｓθ）及びＶ２（＝ｓｉｎθ）から、ＡＴＡＮ２関数（ＡＴＡＮ関数の入力範囲を０〜３６０°に拡張した関数）を作成し、このＡＴＡＮ２を用いることでリニアな位置情報を得ることができる。つまり、θ＝ＡＴＡＮ２（ｃｏｓθ，ｓｉｎθ）である。

上述のようなタッチ位置θを算出するアルゴリズムは、電荷増幅器１２のアナログ値である出力電圧Ｖ１，Ｖ２をＡＤ変換器１３により、デジタル値に変換した後に、マイクロコンピュータ等の演算器を用いて実行することが好ましい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る静電容量型入力装置を図面に基づいて説明する。図５は、この静電容量型入力装置の平面図である。第１の実施形態の静電容量型入力装置は、Ｘ方向のタッチ位置を検出することができるが、本実施形態の静電容量型入力装置は、Ｘ方向及びＹ方向のタッチ位置（Ｘ、Ｙ座標）の検出を可能としたものである。

即ち、Ｘ方向については、第１の実施形態と同様に、第１〜第５のタッチパッド１Ａ〜５Ａが絶縁基板１０上に配置されており、第１及び第５のタッチパッド１Ａ、５Ａは、第１の出力端子ＣＯ１Ａに接続され、第２〜第４のタッチパッド２Ａ〜４Ａは、それぞれ第２〜第４の出力端子ＣＯ２Ａ〜ＣＯ４Ａに接続されている。

一方、Ｙ方向については、第１〜第５のタッチパッド１Ａ〜５Ａと同様の構成の第１〜第５のタッチパッド１Ｂ〜５Ｂが絶縁基板１０上に配置されている。図５においては、第１〜第５のタッチパッド１Ｂ〜５Ｂは黒く塗りつぶして図示している。

そして、第１〜第５のタッチパッド１Ｂ〜５Ｂは、Ｘ方向に繰り返して配列されている。そして、この例では第１のタッチパッド１Ｂの中央のサブタッチパッドは、Ｘ方向に１４個配列されているが、これらは隣接配線により互いに電気的に接続されている。第２〜第５のタッチパッド２〜５の中央のサブタッチパッドについても同様である。第１〜第５のタッチパッド１Ｂ〜５Ｂの各サブタッチパッドは、対応する共通電位線６の菱形のセルの中に配置される。これにより、タッチパネル全体として無駄なスペースを無くしている。

第１及び第５のタッチパッド１Ｂ、５Ｂは、第１の出力端子ＣＯ１Ｂに接続され、第２〜第４のタッチパッド２Ｂ〜４Ｂは、それぞれ第２〜第４の出力端子ＣＯ２Ｂ〜ＣＯ４Ｂに接続されている。

この場合、図３の信号処理回路が第１〜第５のタッチパッド１Ａ〜５Ａ、第１〜第５のタッチパッド１Ｂ〜５Ｂに対応して２個設けられることになる。

なお、第１及び第２の実施形態において、第１〜第５のタッチパッド１〜５、１Ａ〜５ａ、１Ｂ〜５Ｂは、他の構成にすることもできる。例えば、それらのタッチパッドを構成する各サブタッチパッドの形状は、例えば、円形、半円形等の形状でも良い。また、タッチパッドの数、タッチパッドを構成しているサブタッチパッドの数も本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜増減することができる。

また、１つのタッチパッドを構成している複数のサブタッチパッドにおいて、中央に配置されたサブタッチパッドの面積は最大であり、一端及び他端のサブタッチパッドの面積は最小であることが、ｓｉｎθ、ｃｏｓθの近似性を高め、リニアなタッチ位置情報を得る上で好適である。しかし、タッチ位置検出を可能にする上では、一端に配置されたサブタッチパッドと他端に配置されたサブタッチパッドの間に配置されたサブタッチパッドの面積が最大又は極大になっていれば良い。つまり、一端から他端に向かうにつれて、サブタッチパッドの面積は増加していき、その途中のサブタッチパッドにおいてその面積は最大又は極大になり、そのサブタッチパッドから他端に向かうにつれて、サブタッチパッドの面積は減少して他端のサブタッチパッドに至る、という構成である。

また、第１及び第２の実施形態において、共通電位線６は複数のサブタッチパッドをそれぞれ完全に囲んで配置されていることが、タッチ位置検出の上で好ましいが、そのような配置が配線上困難である場合には、共通電位線６の一部が切れることがある。この場合、共通電位線６はサブタッチパッドを部分的に囲むことになる。

［比較例］
図６は、比較例に係る静電容量型入力装置の平面図である。この静電容量型入力装置においては、ストライプ状に延びた８個の組合せタッチパッド（１Ｌ，１Ｌ）、（１Ｌ，３Ｌ）、（３Ｌ，３Ｌ）、（３Ｌ，２Ｌ）、（２Ｌ，２Ｌ）、（２Ｌ，４Ｌ）、（４Ｌ，４Ｌ）、（４Ｌ，１Ｌ）が絶縁基板上に配置されており、各組合せタッチパッドの間に共通電位線ＶＣＯＭＬが延びている。共通電位線ＶＣＯＭＬには交流電源７からの共通電位ＶＣＯＭが印加される。そして、タッチパッド１Ｌ〜４Ｌはそれぞれ第１〜第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４に接続されている。第１〜第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４の信号は、それぞれ図３の信号処理回路に入力される。これにより、電荷増幅器１２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２に基づいてタッチ位置を検出するというものである。

本発明者の実験によれば、第１及び第２の実施形態の静電容量型入力装置による出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、それぞれ図４に示したようなｃｏｓθ、ｓｉｎθの波形に良く近似されるのに対して、比較例の出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、タッチ位置の座標θが変化しても出力電圧Ｖ１，Ｖ２が変化しない領域が生じてしまうことがわかった。したがって、第１及び第２の実施形態の静電容量型入力装置は、比較例に比して高精度にタッチ位置を検出することができる。

［電荷増幅器の構成例］
以下、電荷増幅器１２の具体的な構成例について、図７及び図８に基づいて説明する。図７に示すように、破線で囲まれた部分が絶縁基板１０であり、上述の第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２が形成される。つまり、図７においては、選択回路１１により、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２のペアが選択され、電荷増幅器１２の非反転入力端子（＋）に第１の出力端子ＣＯ１からの信号が印加され、電荷増幅器１２の反転入力端子（−）に第２の出力端子ＣＯ２からの信号が印加される場合を示している。

交流電源７は、交互にスイッチングするスイッチＳＷ１，ＳＷ２で形成される。交流電源７は、スイッチＳＷ１が閉じスイッチＳＷ２が開くと接地電圧（０Ｖ）を出力し、スイッチＳＷ１が開きスイッチＳＷ２が閉じると、基準電圧Ｖｒｅｆ（プラス電圧）を出力する。この場合、交流電源７の交流電圧は基準電圧Ｖｒｅｆ（Ｈレベル）と０Ｖ（Ｌレベル）を交互に繰り返すクロック信号電圧である。

また、第１の容量Ｃ１に直列に容量ＣＸ１が接続され、第２の容量Ｃ２に直列に容量ＣＸ２が接続される。ここで、ＣＸ１，ＣＸ２は初期状態では等しく設定され、Ｃ１，Ｃ２と同程度であることが好ましい。

容量ＣＸ１，ＣＸ２の共通接続点には、交流電源７と同様の交流電源１５が接続される。交流電源１５は、交互にスイッチングするスイッチＳＷ３，ＳＷ４で形成される。交流電源１５は、スイッチＳＷ３が閉じスイッチＳＷ４が開くと接地電圧（０Ｖ）を出力し、スイッチＳＷ３が開きスイッチＳＷ４が閉じると、基準電圧Ｖｒｅｆ（プラス電圧）を出力する。そして、交流電源７と交流電源１５は互いに逆相のクロック信号電圧を出力するように構成されている。

１６は一般的な差動増幅器であり、その非反転入力端子（＋）に第１の容量Ｃ１と容量ＣＸ１の接続点から引き出された配線が接続され、その反転入力端子（−）に第２の容量Ｃ２と容量ＣＸ２の接続点から引き出された配線が接続される。

また、差動増幅器１６の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間にフィードバック容量Ｃｆが接続され、差動増幅器１６の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間に同じフィードバック容量Ｃｆが接続される。フィードバック容量Ｃｆの容量値をＣｆとする。

さらに、スイッチＳＷ５が差動増幅器１６の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間に接続され、スイッチＳＷ６が差動増幅器１６の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間に接続される。スイッチＳＷ５，ＳＷ６は同時にスイッチングする。つまり、スイッチＳＷ５，ＳＷ６が閉じると、差動増幅器１６の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡されると共に、差動増幅器１６の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とが短絡される。

差動増幅器１６の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１６の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとし、両者の差電圧をＶｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）とする。

次に、上記構成の回路の動作を図８に基づき説明する。この回路は第１相（電荷蓄積モード）と第２相（電荷転送モード）という２つの相（phase）を有しており、この２つの相が交互に多数回繰り返される。

先ず、図８（ａ）の第１相の場合、交流電源７のＳＷ１が開き、ＳＷ２が閉じることにより、第１の容量Ｃ１，Ｃ２に基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、交流電源１５のＳＷ４が開き、ＳＷ３が閉じることにより、容量ＣＸ１，ＣＸ２に接地電圧（０Ｖ）が印加される。

また、ＳＷ５及びＳＷ６が閉じる。これにより、差動増幅器１６の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とが短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線ノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線ノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｒｅｆになる。ただし、差動増幅器１６のコモンモード電圧を基準電圧の１／２である１／２Ｖｒｅｆとする。

次に、図８（ｂ）の第２相の場合、交流電源７のＳＷ１が閉じ、ＳＷ２が開くことにより、第１及び第２の容量Ｃ１、Ｃ２に接地電圧（０Ｖ）が印加される。また、交流電源１５のＳＷ４が閉じ、ＳＷ３が開くことにより、容量ＣＸ１，ＣＸ２に基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、ＳＷ５及びＳＷ６が開く。

その後、図８（ａ）の第１相の状態に戻り、また第２相に移る。この場合、ＣＸ１＝ＣＸ２＝Ｃであり、Ｃ１，Ｃ２の初期状態の容量値をＣとする。また、人間の指先等がタッチパッドに近づいた場合のＣ１，Ｃ２の容量差をΔＣとする。
つまり、Ｃ１−Ｃ２＝ΔＣである。
そうすると、Ｃ１＝Ｃ＋１／２ΔＣ、Ｃ２＝Ｃ−１／２ΔＣが成り立つ。

ノードＮ１について電荷保存則を適用すると、以下の通りである。
第１相において、

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量であり、Ｃ・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣＸ２の電荷量、Ｃｆ・０（＝０）はＣｆの電荷量である。

第２相において、

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量、Ｃ・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ４の電荷量、Ｃｆ・（Ｖｏｐ−１／２Ｖｒｅｆ）はＣｆの電荷量である。
第１相と第２相においてノードＮ１の電荷量は等しいから、数１＝数２である。

この方程式をＶｏｐについて解くと次式が得られる。

同様にして、ノードＮ２について電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｍについて解くと、次式が得られる。

数３、数４から、Ｖｏｕｔを求める。

即ち、即ち、電荷増幅器１２は、図３（ｂ）の電荷転送モードにおいて出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。そして、図９に示すように電荷増幅器１２の出力電圧ｏｕｔ（＝Ｖ１）は、第１及び第２の容量Ｃ１，Ｃ２の容量差ΔＣに比例して変化することがわかる。

以上、選択回路１１により、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２のペアが選択された場合を説明したが、選択回路１１により、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４のペアが選択され、電荷増幅器１２の非反転入力端子（＋）に第３の出力端子ＣＯ３からの信号が印加され、電荷増幅器１２の反転入力端子（−）に第４の出力端子ＣＯ４からの信号が印加される場合も同様である。即ち、電荷増幅器１２の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖ２）は、第３及び第４の容量Ｃ３，Ｃ４の容量差ΔＣに比例して変化する。

１〜５ 第１〜第５のタッチパッド
１ａ〜１ｅ 第１〜第５のサブタッチパッド ６ 共通電位線
７ 交流電源 １０ 絶縁基板 １１ 選択回路
１２ 電荷増幅器 １３ ＡＤ変換器
１５ 交流電源 １６ 差動増幅器
Ｋ 切り欠き部 ＣＯ１〜ＣＯ４ 第１〜第４の出力端子

Claims (7)

1. 一列に配置され互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第１のタッチパッドと、
   前記第１のタッチパッドに隣接して一列に配置され、互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第２のタッチパッドと、
   前記第１及び第２のタッチパッドの複数のサブタッチパッドをそれぞれ囲んで配置され、共通電位が印加される共通電位線と、を備え、
   前記第１及び第２のタッチパッドの複数のサブタッチパッドの中で、一端に配置されたサブタッチパッドと他端に配置されたサブタッチパッドの間に配置されたサブタッチパッドの面積が最大であり、
   前記第１のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第１の容量と前記第２のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第２の容量との容量差に基づいて、タッチ位置を検出することを特徴とする静電容量型入力装置。
2. 前記第１及び第２のタッチパッドの複数のサブタッチパッドの中で、中央に配置されたサブタッチパッドの面積は最大であり、一端及び他端のサブタッチパッドの面積は最小であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型入力装置。
3. 前記共通電位線は、前記複数のサブタッチパッドのぞれぞれのサブタッチパッドを完全に囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型入力装置。
4. 前記複数のサブタッチパッドは、中央に配置され第１の面積Ｓ１を有する第１のサブタッチパッドと、第１のサブタッチパッドに隣接して配置され第２の面積Ｓ２を有する第２のサブタッチパッドと、第２のサブタッチパッドに隣接して配置され第３の面積Ｓ３を有する第３のサブタッチパッドを含み、第１の面積Ｓ１＞第２の面積Ｓ２＞第３の面積Ｓ３、という関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型入力装置。
5. 前記複数のサブタッチパッドは、前記第１のサブタッチパッドを中心として前記第２のサブタッチパッドと対称に配置された第４のサブタッチパッドと、
   前記第１のサブタッチパッドを中心として前記第３のサブタッチパッドと対称に配置された第５のサブタッチパッドと、を含むことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型入力装置。
6. 前記第１のタッチパッドと前記第２のタッチパッドの間に、一列に配置され互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第３のタッチパッドと、
   前記第２のタッチパッドに隣接して配置され、一列に配置され互いに電気的に接続された複数のサブタッチパッドからなる第４のタッチパッドと、を備え、
   前記第３及び第４のタッチパッドの複数のサブタッチパッドはそれぞれ異なる面積を有し、前記共通電位線は前記第３及び第４の複数のサブタッチパッドをそれぞれ囲んで配置されており、
   前記第３のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第３の容量と前記第４のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第４の容量との容量差に基づいて、タッチ位置を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型入力装置。
7. 前記第１のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第１の容量と前記第２のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第２の容量との容量差に応じた第１の出力電圧と、
   前記第３のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第３の容量と前記第４のタッチパッドと前記共通電位線の間に生じる第４の容量との容量差に応じた第２の出力電圧を出力する電荷増幅器を備えることを特徴とする請求項６に記載の静電容量型入力装置。

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