JP2009245402A - タッチパネル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択肢指示後に指を移動することなく、所定の処理動作である操作指示を実現する。
【解決手段】センサーパネルは抵抗膜材料を均一に形成され、周辺を取り囲む抵抗性周囲電極を配設されて、前記抵抗性周囲電極の４頂点またはセンサーパネル面に接続された導電ケーブルの各点から、入力電圧または入力電流を保持する信号処理部に接続されるタッチパネル装置において、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値からセンサーパネル面上の座標位置を外部処理装置に出力するとともに、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値の合計値から、センサーパネル面に接触している指の本数を信号処理部で判別し、接触している指の本数をスイッチ情報の代替として前記外部処理装置に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置上のタッチ位置を検出する座標入力装置に関し、特に、指とタッチパネル装置間の静電容量の変化を検出する装置に関する。

タッチパネル装置は一般的に、交通機関の乗車券等を発行する券売機や工場の機械のコントロール部分に設けられる。前記のタッチパネル装置は、タッチパネル装置に設けられた表示装置の画面（以下、「表示画面」と記す）に、操作方法あるいは表示項目の解説を表示したまま、操作を行うことができ、表示画面上のボタンやキーボードを、直接触って、文字や数字の入力ができるため、コンピュータに不慣れな人でも、直感的で分かりやすい操作が可能な装置である。

つまり、ユーザはデータの入力にキーボードやマウスを用いるのではなく、
指でタッチパネル装置に設けられた表示画面上のアイコンに直接触れたり、表示画面上に文字や絵を描くことにより、タッチパネル装置を介して外部処理装置へ情報を送ることができる。
また、同じ画面範囲でも、画面の切替えによって、様々な機能を集約させることができる。

従来、前記タッチパネル装置では、座標位置とオンオフ情報のみを外部処理装置へ出力していた。しかし近年では、タッチパネル装置で実行されるアプリケーションプログラムの拡張に伴い、たくさんの項目が入力できるように、オンオフ情報以外のスイッチ機能を備えたタッチパネル装置が必要となってきている。
そのため、表示画面外に複数の釦、スイッチが設けられているタッチパネル装置が増加している。

しかし、タッチパネル装置は、塵や埃等が吹き込む場所に設置されることが多く、数多くの釦やスイッチを設けることは、塵や埃等が、タッチパネル装置の筐体と、釦、スイッチの隙間から入り込み、タッチパネル装置の故障の原因となってしまう。

そこで、タッチパネル装置の表示画面に表示されるアイコンのみで、複数の釦やスイッチを操作した時の機能と同等の機能を実現するためには、数字や文字を選択する操作（以下、選択肢指示と記す。）と、「決定」や「取り消し」を行う操作（以下、操作指示と記す。）をタッチパネル装置の表示画面内で、前記選択指示の表示項目と操作指示の表示項目を異なる領域に表示するというものが知られている。

また他の方法として、表示画面内のある一点を指示した後、再び同一の点を指示し直すという、パーソナルコンピュータに使用されるマウスでのダブルクリック操作の概念を用いたものが知られている。
特開２０００−１３２３１９号

前記した選択肢指示と操作指示の表示項目を同一画面内の異なる領域に設けた方法では、選択肢指示と操作指示を異なる領域に表示しているため、選択肢指示と操作指示を行うときの動作には指の移動が必要となる。

特に、タッチパネル装置の表示画面内において、選択肢指示と操作指示を示すそれぞれの表示項目は、指に対して充分な大きさが必要なため、指の移動は大きくなり、操作性が良くないという問題点がある。さらに、前記したように選択肢指示と操作指示という目的の異なる表示項目を同一画面内の異なる領域に表示するため、任意の表示項目を検索する際に時間がかかってしまう。
また、表示画面上のある一点を指示した後、再び同一の点を指示し直すという、ダブルクリックの概念を用いた方法では、ある１点の位置を指示した後、１度入力パネルから指を離してしまうため、１度目に指示した点と２度目に指示した点とにずれが生じてしまい、複数のスイッチ動作を操作性よく行うことが難しい。

また、座標の変化によって複数のスイッチ動作を行うことを考えた場合、同時に検出される情報が、実質的に１種類という機能上の制限が影響して、複雑な操作と複数のスイッチ動作を検出するためのデータ処理手順が必要となる。
本発明の目的は、静電容量方式を用いたタッチパネル装置を操作する場合に、選択肢指示後に指を移動することなく、所定の処理動作である操作指示を実現することを可能にすることで、上述した各問題を解決するタッチパネル装置を提案するものである。

上記目的を達成するために、本発明は、抵抗膜材料を均一に形成したセンサーパネルと、該センサーパネルの周辺を取り囲む抵抗性周囲電極を配置し、前記抵抗性周囲電極の４頂点又はセンサーパネル面に導電ケーブルからなる引き出し線を接続し、該引き出し線を、前記センサーパネル面に入力電圧又は入力電流を供給する機能を有する信号処理部を接続し、前記信号処理部に接続された引き出し線を介して、センサーパネル面に供給する入力電圧又は入力電流を基に、操作者の指が前記センサーパネル面に触れたときに発生する静電容量を介して、信号処理部に流れる電流値又は電圧値を、センサーパネル面上の座標位置データに変換し、この座標位置データを外部処理装置に出力するタッチパネル装置において、前記、電流値又は電圧値の合計値から、センサーパネル面に接触している操作者の指の本数を、前記信号処理部で判別し、センサーパネル面に接触している指の本数を外部処理装置に出力するタッチパネル装置を提案するものである。

本発明のタッチパネル装置では、センサーパネルに接触する指の本数の増加に伴う累乗関数を算出することで、複数に及ぶ所定の処理動作に代替する指の本数と、タッチ位置の座標を外部装置へ出力することが可能となる。

これにより、従来、タッチパネル装置に設けられた表示画面上で、選択肢指示の表示領域とは異なる領域に配置していた操作指示の表示領域が不要となり、選択肢指示後に指を移動することなく、操作指示を行うことができ、画面に表示される項目の削減により、任意の表示項目を検索する時間を短縮することができ、よりスピーディな操作が実現可能となる。

さらに、従来の座標入力時には描画線やオブジェクトの詳細設定をツールボックスのような固定画面により変更していたため、詳細設定を行う場合には、座標入力を中断し、指の移動を行わなければならなかったが、本発明により、指の移動を必要とせずに、描画線やオブジェクトの詳細設定を行うことができる。

また、複数のスイッチを必要とするアプリケーションを用いたタッチパネル装置であっても、ボタンやマウスのような機械部分を備えたデバイスを備える必要がないため、防塵、防水が容易となり、様々な場所への設置が可能となる。

センサーパネルは抵抗膜材料を均一に形成され、周辺を取り囲む抵抗性周囲電極を配設されて、前記抵抗性周囲電極の４頂点またはセンサーパネル面に接続された導電ケーブルの各点から、入力電圧または入力電流を保持する信号処理部に接続されるタッチパネル装置において、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値から前記センサーパネル面上の座標位置を外部処理装置に出力するとともに、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値の合計値から、センサーパネル面に接触している指の本数を信号処理部で判別し、接触している指の本数をスイッチ情報の代替として前記外部処理装置に出力するタッチパネル装置である。

以下、本発明の詳細を添付した図を参照して説明する。
図１は、指４が座標入力パネルの入力面にある面抵抗体１上における接触位置（Ｘ，Ｙ座標）を検出する静電容量式タッチパネル装置の説明図である。
面抵抗体１は、透明なガラス、樹脂、または不透明な絶縁基板の片面に
塗布、蒸着等により均一に形成したものである。
面抵抗体１は、通常指４に直接触れないように薄い非導体膜をコーティングしてある。

均一な面抵抗体１（指４がタッチする表面）の周辺に取り囲むように、低抵抗の周囲電極２を密着配設してある。
面抵抗体１の４頂点に設けられている検出電極３−Ａ、３−Ｂ、３−Ｃ、３−Ｄは、導体ケーブルで構成された引き出し線５により信号処理部６に接続されている。

信号処理部６は、本静電容量式タッチパネル装置が、指４の位置を検出するために使用する電気信号（ＡＣ信号）を発生し、電圧駆動する。
さらに信号処理部６は４つの引き出し線５に接続されており、検出電極３−Ａ、３−Ｂ、３−Ｃ、３−Ｄからの各ＡＣ電流を計測できる機能を持っている。

また、信号処理部６では、引き出し線５より得られた電流値または電圧値から面抵抗体１上の指の接触位置を演算処理により算出する手段と、引き出し線より得られた電流値または電圧値の合計値を算出する手段を備えている。

指４は、その人体の等価抵抗７及び接地容量８による人体の接地インピーダンスを介して接地されている。
指４が、面抵抗体１に接触している時、両者間に図１に示すような静電容量結合９が存在する。

従って、指４と面抵抗体１間に、信号処理部６より発生させたＡＣ電流が少量ではあるが流れる。
面抵抗体１は上述のように均一な抵抗値の分布をしており、指４が面抵抗体１に接触したときに、その接触点により近い検出電極３（３−Ａ，３−Ｂ，３−Ｃ，３−Ｄ点）に指４を通して面抵抗体１にＡＣ信号がより多く流れる。従って、４つの各頂点の端子である検出電極３に流れるＡＣ信号電流値の比率から、信号処理部６で座標入力パネルの面抵抗体１上の指４のタッチ点（Ｘ，Ｙ座標）を算出している。

ここで、接触する指の本数を増やした場合には、指４の接触面積に比例して、ＡＣ信号は多く流れる。
これは、接触した指と、パネル面（面抵抗体１）を流れる電流を通る静電容量が大きくなるためである。
また、接触する指の本数を増した場合には、流れる電流は累乗関数の傾向を含むことが、実験の結果により明らかになった。
本発明は前記した指の接触本数と検出電流の累乗関数の関係に着目した。

図２は、ユーザがパネル面に接触させる指の接触本数をｎとし、指の接触本数を０本から５本まで増やしていったときに、検出電極４頂点より検出された電流値の図である。この累乗関数の傾向は人体と指が図３のような等価回路に置き換えられることから導くことができる。

図３において、各指のインピーダンスが手のひらから分岐しているため、５本の指のインピーダンスは、並列に接続された合成インピーダンス１０となる。そのため人体の等価回路は、並列に接続された５本の指の合成インピーダンス１０と、手のひらから接地までの人体のインピーダンス１１及び接地インピーダンス８を、直列に接続した合成インピーダンスに置き換えることができる。

まず、電流は面抵抗体１に接触する指だけではなく、接触していない指にもごくわずかに流れ、各指は並列に接続された回路に置き換えられる。
各指の接触面積が異なるため、各指が接触したときのインピーダンスは異なるが、接触していないときのインピーダンスは、各指が接触したときのインピーダンスの差を無視できる程度に大きい。
また、接触している指と接触していない指は、５本の指の合成インピーダンスとして求まり、その合成インピーダンスは累乗関数に近似される。
これは、各指のインピーダンスが同じと考えたとき、５本の指の合成インピーダンスが累乗関数となることにより、実証される。

この合成インピーダンス１０に、人体の接地インピーダンス１１を直列接続として加えたものが、実際の面抵抗体と人体のインピーダンスとなる。
以上の関係性から、接触する指の本数を求めることができる。
この証明を下記に示す。
ｚｔ：接触した指のインピーダンス
ｚｎ：接触していない指のインピーダンス
ｚｔ＜＜ｚｎ
Ｚｎ：指ｎ本を接触させた場合の合成インピーダンス ｛ｎ：１，２，３，４，５｝
Ｚ１＝１／（（１／ｚｔ）＋４＊（１／ｚｎ））
Ｚ２＝１／（２＊（１／ｚｔ）＋３＊（１／ｚｎ））
Ｚ３＝１／（３＊（１／ｚｔ）＋２＊（１／ｚｎ））
Ｚ４＝１／（４＊（１／ｚｔ）＋（１／ｚｎ））
Ｚ５＝１／（５＊（１／ｚｔ））
Ｚｎは累乗関数 Ｚｎ＝αｎ＾βである。
ｚｂ：各指を接続した点から人体が接地するまでのインピーダンス
前記Ｚ１〜Ｚ５にｚｂを加えたものが人体の接地インピーダンスとなる。
Ｚｂｎ：Ｚｎのときの人体の接地インピーダンス ｛ｎ：１，２，３，４，５｝
Ｚｂｎ＝Ｚｎ＋ｚｂ
一定の電気信号（ＡＣ信号）下であれば、人体の接地インピーダンスＺｂｎに流れる電流と接触している指の本数の比は一定である。
Ｖ：一定の電気信号
Ｉｎ：指ｎ本を接触させた場合に人体に流れる電流値
Ｉｎ＝Ｖ／Ｚｂｎ＝Ｖ／αｎ＾β＋ｚｂ
上記説明により、指の本数の閾値は、
指の本数の中間値（ｎ：０．５，１．５，２．５，３．５，４．５，５．５）を代入したときの電流値を求めることにより定めることができる。
つまり、指の本数をｎとしたとき、
各本数の中間値までの範囲 （ｎ−０．５）＜ｎ＜（ｎ＋０．５）
を代入した電流値 Ｉ（ｎ−０．５）＜Ｉ＜Ｉ（ｎ＋０．５）が閾値となる。

以上が、電気信号（ＡＣ信号）が一定であるとき、
検出電流から、接触する指の本数を求めることができることの証明である。
次に検出電流から閾値を求める手順を下記に示す。
まず、接触する指の本数が１本のときの検出電流をＩ１とし、接触する指の本数が５本のときの検出電流をＩ５とする。
次に、 ｚｔ＜＜ｚｎ という事実より、
５本の指の合成インピーダンス１０ Ｚｎ＝αｎ＾β を求める。
次に、累乗関数の関係より、
Ｚ１：Ｚ５＝（（Ｖ／Ｉ１）−ｚｂ）：（（Ｖ／Ｉ５）−ｚｂ）
という式を置くことができ
各指を接続した点から人体が接地するまでのインピーダンス１１及び接地インピーダンス８ ｚｂを求める式
ｚｂ＝（Ｚ５＊（Ｖ／Ｉ１）−Ｚ１＊（Ｖ／Ｉ５））／（Ｚ５−Ｚ１）
が求まる。
さらに数２より、
各指の本数の閾値を、以下のような要素で求めることができる。
Ｉｎ＝Ｖ／αｎ＾β＋ｚｂ
｛ｎ：０．５，１．５，２．５，３．５，４．５，５．５｝
以上が、検出電流から閾値を求める手順である。

また、接触する指の本数を増やす際に、その順番を一定にし、精度を高める場合には、接触した各指のインピーダンスをそれぞれ別の変数（ｆｔを、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５に置き換える等）で表し、接触する指の本数が１から５本のときの検出電流より最小二乗法より累乗関数に近似した５本の指の合成インピーダンス１０を求め、閾値にフィードバックすることで可能になる。
このことは、各指のインピーダンスに関して個体差はあっても、実際の検出電流から、各指のインピーダンスの比を導くことができ、それらの接触面積は、同等の力をかけた場合、各指の相対面積はほぼ一定といえるため、個人が所有する場合、その閾値を一定としてとらえることができる。
（非特許文献 Ｔｅｚｕｋａｙａｍａ Ｃｏｌｌｅｇｅ、指先の力発揮に伴う皮膚接触面積の変化、川合 悟・小林 久幸・中村 秀夫 より）

上記のようにして求めた閾値と検出電流を比較し、接触している指の本数を求め、タッチ位置の座標とともに、シリアルポートなどの外部との通信方法により、外部処理装置へ出力する。
上記のようにして、本発明では、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値からセンサーパネル面上の座標位置を外部処理装置に出力するとともに、前記４頂点とタッチ位置間に流れる電流値または電圧値の合計値から、センサーパネル面に接触している指の本数を信号処理部で判別し、接触している指の本数をスイッチ情報の代替として、前記外部処理装置に出力することを実現する。

静電容量タッチパネル装置の説明図 接触する指の本数を増加させたときの検出電流の値 人体と指の等価回路

符号の説明

１ 面抵抗体
２ 周囲電極
３−Ａ 検出電極
３−Ａ 検出電極
３−Ａ 検出電極
３−Ａ 検出電極
４ 指
５ 引き出し線
６ 信号処理部
７ 人体抵抗
８ 接地容量
９ 静電容量
１０ ５本指の合成インピーダンス
１１ 人体のインピーダンス

Claims (1)

1. 抵抗膜材料を均一に形成したセンサーパネルと、該センサーパネルの周辺を取り囲む抵抗性周囲電極を配置し、前記抵抗性周囲電極の４頂点又はセンサーパネル面に導電ケーブルからなる引き出し線を接続し、該引き出し線を、前記センサーパネル面に入力電圧又は入力電流を供給する機能を有する信号処理部を接続し、前記信号処理部に接続された引き出し線を介して、センサーパネル面に供給する入力電圧又は入力電流を基に、操作者の指が前記センサーパネル面に触れたときに発生する静電容量を介して、信号処理部に流れる電流値又は電圧値を、センサーパネル面上の座標位置データに変換し、この座標位置データを外部処理装置に出力するタッチパネル装置において、前記、電流値又は電圧値の合計値から、センサーパネル面に接触している操作者の指の本数を、前記信号処理部で判別し、センサーパネル面に接触している指の本数を外部処理装置に出力することを特徴とするタッチパネル装置。