JP2009042903A

JP2009042903A - 表示装置付静電検出装置及び静電容量検出方法

Info

Publication number: JP2009042903A
Application number: JP2007205533A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Matsushima; 健一松島
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】表示画像に応じて表示画像の上を人の指などを動かすことにより操作する、表示装置付の静電容量方式のタッチセンサにおいて、表示装置からのノイズの影響を排除して、分解能及び精度の高い検出を可能にする。
【解決手段】連続回数のカウンタＫと判定手段を設け、１回の検出電極の静電容量を求めるための検出電極の充放電回数Ｎを求める際に、連続した２回以上の充放電の結果について確認を行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータや携帯機器などにおいて、表示画像に応じて表示画像の上を人の指などを動かすことにより操作する、表示装置付の静電容量方式のタッチセンサに関する。

近年のコンピュータや携帯機器においては、表示画面を見やすくするために大きくしつつも装置全体を小型化するために、表示手段の前面に透明にした操作手段を重ねる傾向がある。このための操作手段には、内面反射等による表示品位の劣化の少ない静電容量方式が用いられることが多くなってきている。

ところが、静電容量方式の操作手段を表示手段の前に重ねると、表示手段からのノイズの影響により操作手段が誤動作したり、精度が低下したりすると言う課題があった。

この課題を解決するために、表示手段からの同期信号により一定時間静電容量の検出を停止する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）この方法では、ベタ電極の４隅に同一の交流波形を印加して、電流のアンバランスから接近位置を検出する静電容量検出方式を用いていたため、汚れ等により検出位置精度が大きく低下すると言う課題があった。

そこで、汚れ等があっても大きく検出精度を低下させないために、複数の検出電極を設けて、複数の電極の静電容量すら正確な位置を計算する方法も用いられるようになってきている。この場合には、大きな容量の大蓄電手段に検出電極への繰り返しの充放電の電荷を蓄積して、所定の電圧に到達するまでの充放電の回数から検出電極の静電容量を求める方法が広く知られている。（例えば、特許文献２参照）
ところが、単に検出電極への繰り返しの充放電特性のみから静電容量を検出すると、非検出時の静電容量に対する検出時の静電容量の変化が約1ｐＦ程度と小さく、分解能の高い検出が困難であったため、図２に示すように、検出電極Ｃｘに直列に直列蓄電手段Ｃｓを付加して、検出電極の静電容量Ｃｘと直列蓄電手段の静電容量Ｃｓの比により分圧比が変化することを利用して、検出の分解能を高くする方法も開示されている。（例えば、特許文献３参照）
この方法では、図３に示すように、第１の工程でＳＷ１のみをオンして大蓄電手段の電圧が電源電圧Ｖｄｄになるまで蓄電して初期化し、第２工程で検出電極及び直列蓄電手段の充放電の回数Ｎをインクリメントし、第３の工程でＳＷ２，３のみをオンして大蓄電手段の電荷を若干放電させつつも検出電極及び直列蓄電手段を０ボルトに放電し、第の４工程でＳＷ１〜３をすべてオフすることにより大蓄電手段から検出電極及び直列蓄電手段に電荷を移動させることにより大蓄電手段の電圧を低下させ、第５の工程で検出電極の電圧が予め定められた電圧に到達するまで第の２工程から第の５工程を繰り返し、第５の工程で検出電極の電圧が予め定められた電圧に到達した場合には第６の工程で第２の工程から第５の工程により検出電極及び直列蓄電手段に充放電した回数Ｎを用いて検出電極の容量を容量演算手段で求めるようにしていた。

こうすることにより、検出電極の静電容量に依存して低下する大蓄電手段の電圧特性と、検出電極と直列蓄電手段の静電容量の比率による分圧比の両方を用いて、比較手段で比較される検出電極の電圧により、検出電極の静電容量の微妙な変化を高感度に検出することを可能にしたものである。
特開２００６−１４６８９５号公報特表２００２−５３０６８０号公報特開２００６−７８２９２号公報

しかし、検出電極はインピーダンスが高く、表示手段に重ねて配置されているため、表示手段からのノイズの影響を受けやすい。例えば、図７に層構成を示すＴＦＴ液晶表示手段を用いた場合には、表示手段の検出電極側にある共通電極の電圧Ｖｃｏｍの発生するノイズが、検出電極の電圧Ｖｃｘに重畳してしまう。例えば、図４に示すように、第の４工程の検出電極の充電時から第５の工程で比較するまで間に共通電極Ｖｃｏｍが立下がると、検出電極の電圧も下がってしまい、予めさだめられた電圧Ｖｒｅｆを下回ってしまい、充放電回数Ｎが本来の回数より少なくなってしまうために、検出電極の静電容量を実際より大きく演算してしまう。このように、従来の表示装置付静電検出装置には、検出結果が表示手段からのノイズの影響を受けやすいという課題があった。

そこで、本発明による表示装置付静電検出装置及びその方法では、汚れ等による影響や表示手段からのノイズの影響を排除して、分解能および精度の高い静電容量の検出により、安定した操作を可能にすることである。

本発明による表示装置付静電検出装置は、画像を表示する表示手段と、前記表示手段の表示面に重ねて配置され人の指等の接近を静電容量の変化として検出する検出電極と、前記検出電極と直列に接続された直列蓄電手段と、前記検出電極より充分容量の大きい大蓄電手段と、前記検出電極及び前記直列蓄電手段と前記大蓄電手段の充放電をスイッチにより切り替える充放電手段と、前記検出電極の電圧を閾値と比較する比較手段と、前記検出電極の電圧が閾値に到達するまでの前記検出電極の充放電の回数を用いて前記検出電極の静電容量を演算する容量演算手段と、全体の状態及び動作を制御する制御手段とにより構成した。

ここで、制御手段での静電容量の検出方法は、全体を初期化する第１の工程と、連続判定回数を初期化する第２の工程と、検出電極の充放電回数をインクリメントする第３の工程と、検出電極及び直列蓄電手段を放電する第４の工程と、検出電極及び直列蓄電手段に充電することにより大蓄積手段を徐々に放電する第５の工程と、検出電極の電圧を閾値と比較する第６の工程と連続判定回数をインクリメントする第７の工程と、連続判定回数により検出電極の電圧が閾値に到達したことを判定する第８の工程と、前記検出電極の充放電の回数を用いて検出電極の静電容量や人の指等の物体の接近や位置を演算する第９の工程とにより実現した。

本発明によれば、汚れやノイズがあっても分解能と精度の高い検出の出来る表示装置付静電検出装置あるいは静電容量検出方法を実現することが出来る。

本発明の好適な実施例を、図１を基に説明する。

本発明による表示装置付静電検出装置は、画像を表示する表示手段１と、前記表示手段の表示面に重ねて配置され人の指等の接近を静電容量の変化として検出する検出電極２と、前記検出電極２と直列に接続された直列蓄電手段Ｃ_Sと、前記検出電極２より充分容量の大きい大蓄電手段Ｃ_aと、前記検出電極２及び前記直列蓄電手段Ｃ_Sと前記大蓄電手段Ｃ_aの充放電をスイッチにより切り替える充放電手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、前記検出電極の電圧を閾値と比較する比較手段３と、前記検出電極２の電圧が閾値に到達するまでの前記検出電極２の充放電の回数を用いて前記検出電極２の静電容量を演算する容量演算手段４と、全体の状態及び動作を制御する制御手段５とにより構成した。

これより、各構成と工程について、詳細に説明する。

表示手段は、図７に層構成を示すように、ＴＦＴを用いて液晶を駆動し、ユーザーインターフェイスのための画像などを表示する。ここで、表示手段の表示面側の共通電極１０の電圧が変化すると、表示面側から電界ノイズを発生する。共通電極１０は、液晶への駆動を交流化するためにライン走査毎に反転させると、例えばフレーム周波数７０Ｈｚライン数４８０ラインの表示の場合には、約３０μ秒毎に立ち上がりの電界ノイズと立ち下りの電界ノイズを交互に発生する。

検出電極２は、表示手段１の表示面に重ねて配置され、人の指などの物体が接近することにより静電容量Ｃｘを増加させる。

直列蓄電手段Ｃｓは、検出電極２の電圧がこの直列蓄電手段との静電容量の比率により分圧されることにより、検出電極の静電容量が大きいほど検出電極の電圧を小さくすることが出来るため、検出の分解能を高くすることが出来る。ここで、直列蓄電手段の静電容量Ｃｓは、検出電極の静電容量より若干大きい値とした。例えば、非検出時の検出電極の静電容量Ｃｘが１０ｐＦで検出時に１１ｐＦになる場合には、直列蓄電手段の静電容量Ｃｓは１２〜１５ｐＦ程度の値とした。

大蓄積手段は、電圧が電源電圧Ｖｄｄになるように初期化されたのち、複数回の検出電極および直列蓄電手段への充電により電荷を吸収されて、徐々に電圧を低下させる。このため、大蓄電手段の静電容量Ｃａは、検出電極の静電容量より１０〜１０００倍程度の静電容量とした。Ｎ回の充放電を行った場合の大蓄電手段の電圧Ｖｃａを、数１に示す。
（数１）Ｖｃａ＝Ｖｄｄ×［Ｃａ／｛Ｃａ＋（ＣｘとＣｓの直列容量）｝］のＮ乗
比較手段は、充電状態での検出電極の電圧Ｖｃｘを、例えばＶｄｄ／２など、予め定められた電圧Ｖｒｅｆと比較する。

充放電手段は、ＳＷ１，４のみをオンすることにより大蓄電手段に充電し、ＳＷ２，３のみをオンすることにより検出電極と直列蓄電手段を放電させ、ＳＷ４のみをオンすることにより大蓄電手段から検出電極と直列蓄電手段に充電する。

制御手段は、全体の状態と動作を制御する。

この制御手段には、検出電極と直列蓄電手段の充放電の回数をカウントするためのカウンタＮと、比較手段が連続して検出電極の電圧が予め定められた値と何回連続して同じか下回ったかをカウントする連続回数のカウンタＫと、カウンタＫの連続回数の値により検出電極の電圧が予め定められた値に到達したことを判定する判定手段がを含まれる。

制御手段の１回の検出電極の静電容量を求める一連の工程は、第１〜９の９工程で行った。これより、個々の工程について説明する。

第１の工程では、ＳＷ１とＳＷ４のみをオンにして、大蓄電手段の電圧をＶｄｄに充電する。

第２の工程では、カウンタＫの値をリセットして０にする。

第３の工程では、カウンタＮの値を、インクリメントする。

第４の工程では、ＳＷ２，３をオンにして、検出電極及び直列蓄電手段の電荷を放電して、電圧を０Ｖにする。

第５の工程では、ＳＷ４のみをオンすることにより大蓄電手段からの電荷により、検出電極と直列蓄電手段に充電する。ここで、第４の工程と第５の工程の間に、全スイッチがオフする切換え時間を設けても良いことは言うまでもない。

第６の工程では、検出電極の電圧と予め定められた電圧を比較して、同じか検出電極の電圧が予め定められた値より小さい場合に工程７に進んで、そうでない場合に工程２に戻る。

第７の工程では、カウンタＫの値をインクリメントする。

第８の工程では、判定手段でカウンタＫの値が２以上の場合に検出電極の電圧が確実に予め定められた値に到達したと判定して、第９の工程に進む。カウンタＫの値が２未満の場合には、工程３に戻る。

第９の工程では、容量演算手段において、検出電極の充放電回数Ｎを用いて、検出電極の静電容量や人の指等の物体の接近を演算するようにした。

充放電回数Ｎと検出電極の静電容量の関係については、数２のＶｃａを数１に代入したものをＣｘについて解いたものを用いても良い。
（数２）Ｖｃａ＝（Ｖｄｄ／２）×｛（Ｃｘ＋Ｃｓ）／Ｃｓ｝
しかし、実際にはＳＷ１〜４のオフ時のリーク電流なども無視できない場合もあるため、静電容量が既知のコンデンサを検出電極の代わりに接続して、予め静電容量と充放電回数Ｎとの関係をテーブル化しておくと良い。

ここで、本発明により表示手段からのノイズの影響がどのように排除されるかについて、図６を基に説明する。図６は、表示手段の共通電極の電圧Ｖｃｏｍと、検出電極の電圧Ｖｃｘと、カウンタＮの充放電回数とカウンタＫの連続回数の値を示したものである。ここで、共通電極の電圧が変化すると、検出電極のインピーダンスが高いため、工程４で検出電極が放電されている場合を除いて、検出電極の電圧も静電容量結合により変化してしまう。図６の例では、１３回目の検出電極に充電する第５の工程で共通電極の電圧Ｖｃｏｍが立ち下がった場合で、検出電極の電圧Ｖｃｘも本来の電圧より下がってしまい、比較手段が連続して検出電極の電圧が予め定められた値Ｖｒｅｆを連続して下回った連続回数のカウント値Ｋが１になる。それでも、検出電極の電圧Ｖｃｘは、放電する１４回目の第４の工程で０Ｖに放電されるため、ノイズの影響はほぼ取り除かれる。そこで、１４回目の第５の工程ではほとんどノイズがなかった場合の本来の電圧になって、連続回数のカウント値Ｋが０になり、ノイズの影響が除去される。このように、検出電極の充放電のサイクルは、表示手段の共通電極の交流化の周期より充分短いため、連続する充放電について表示手段からのノイズの影響を受けないようにすることが出来る。

また、例えば１７回目の充電で実際に検出電極の電圧が予め定められた値Ｖｒｅｆに到達した場合には、その後も連続して下回るようになるため、１８回目の判定で連続回数のカウント値Ｋが２になるため、ノイズの影響を除去した充放電回数Ｎを得ることが出来る。

このため、容量演算手段では、充放電回数Ｎの変わりにＮ−１を用いた方がより正確な静電容量を得ることが出来る。あるいは、連続回数が０の場合のみ第３の工程で充放電回数Ｎをインクリメントするようにしても良い。

また、万一、検出電極の電圧が予め定められた電圧に到達したのと同時に共通電極の電圧が立ち上がった場合でも、充放電回数のカウント値Ｎは最大でも１大きくなるだけで、大きな値のカウント値Ｎの誤差を生じることはない。

以上に、４つのスイッチＳＷ１〜４を用いて検出電極と直列蓄電手段と大蓄電手段の充電及び放電を制御する場合の例について示したが、図８に示すように、３つのスイッチＳＷ１〜３と電気抵抗手段Ｒとにより検出電極と直列蓄電手段と大蓄電手段の充電及び放電を制御するようにした場合でも、制御手段に連続回数のカウンタＫと判定手段を設けることにより、同様の効果が得られるなど、検出電極の充放電の回数から検出電極の静電容量を求める方法であれば、どのような方法に適用しても良いことは言うまでもない。

以上に一連の静電容量の検出について説明したが、更に精度を上げるために同様のサイクルを複数回行ってフィルタ処理したり平均値を計算したり、複数の電極の静電容量やその変化を求めてそれらの値から人の指などの物体の位置を求めるようにしても良い。

以上に示したように、本発明による表示装置付静電検出装置およびその方法では、１回の検出電極の静電容量を求めるための検出電極の充放電回数Ｎを求める際に、連続した２回以上の充放電の結果について確認を行うことにより、表示手段からのノイズの影響を大幅に除去した分解能と精度の高い検出を可能にすることが出来る。

本発明に係る表示装置付静電検出装置の第１の実施例を示すブロック図従来の表示装置付静電検出装置のブロック図従来の表示装置付静電検出装置の動作を説明する工程図従来の表示装置付静電検出装置のタイミング図本発明に係る表示装置付静電検出装置の第１の実施例の動作を説明する工程図本発明に係る表示装置付静電検出装置の第１の実施例のタイミング図本発明に係る表示装置付静電検出装置の層構成例を示す構造図本発明に係る他の実施例を示すブロック図

符号の説明

１表示手段
２検出電極
３比較手段
４容量演算手段
５制御手段
１０共通電極

Claims

表示に対応した操作を行う表示装置付静電検出装置において、
前記表示を行う表示手段と、前記表示手段の表示面に重ねて配置する透明の検出電極と、前記検出電極に繰り返し充放電を行う充放電手段と、前記検出電極に繰り返される充放電の電荷に応じて電圧を変化させる蓄電手段と、前記蓄電手段の電圧の変化に応じて変化する値が閾値に達したかを判定する判定手段と、前記判定手段で判定するまでの前期充放電手段の充放電回数により前記検出電極の静電容量を演算する容量演算手段と、全体の状態及び動作を制御する制御手段とを有し、
前記判定手段は、前記蓄電手段の電圧の変化に応じて変化する値と閾値との比較を前記充放電手段の充放電毎に行い、２回以上連続して閾値と等しくなったか越えた場合に前記閾値に達したと判定することを特徴とする表示装置付静電検出装置。
検出電極、直列蓄電手段および大蓄積手段の電極電位を初期化する第１の工程と、
連続判定回数を初期化する第２の工程と、
前記検出電極の充放電回数をインクリメントする第３の工程と、
前記検出電極及び前記直列蓄電手段を放電する第４の工程と、
前記検出電極及び前記直列蓄電手段に充電することにより前記大蓄積手段を徐々に放電する第５の工程と、
前記検出電極の電圧を閾値と比較する第６の工程と、
前記連続判定回数をインクリメントする第７の工程と、
連続判定回数により前記検出電極の電圧が閾値に到達したことを判定する第８の工程と、
前記検出電極の充放電の回数を用いて前記検出電極の静電容量や人の指等の物体の接近や位置を演算する第９の工程とからなる静電容量検出方法。