JP2010067117A - タッチパネル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自励型の発振回路で容量検出回路を構成した静電容量結合方式タッチパネルにおいて、安価な構成で指入力とスタイラスペン入力の両方を可能とするタッチパネル装置を得る事を目的とする。
【解決手段】本発明に係るタッチパネル装置は、先端部に導電性のスタイラスペン電極部を備えるスタイラスペン７、基板上に行列方向に形成された複数の容量検出配線８、複数の容量検出配線８の個々に充放電を行う発振信号を出力し、発振信号は充放電する電荷量に伴い周期が変化する発振回路３、容量検出配線８に非接触にして近接されるスタイラスペン７の位置座標を、スタイラスペン電極部と容量検出配線８間に形成される容量に伴う周期の変化により演算するカウンタ４および演算回路／制御回路５を備え、スタイラスペン７は、発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号をスタイラスペン電極部に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力ペンを備えるタッチパネル装置に関する。

タッチパネルによる入力位置の検出は、抵抗膜、赤外線走査、超音波表面弾性波、音響波照合、赤外線イメージセンサおよび静電容量といった様々な方式が提供されている。その中の静電容量方式タッチパネルは投影型静電容量結合（プロジェクテッド・キャパシティブ・タッチスクリーン（以下ＰＣＴ方式と記す））方式と表面静電容量（サーフェイス・キャパシティブ）方式があり、操作者の指とタッチパネル検出電極線間の容量変化を検出することで、指の入力位置を検出している。

ＰＣＴ方式は、タッチセンサが内蔵されるタッチスクリーンの前面側を数ｍｍ厚程度のガラス板等の保護板で覆った場合でもタッチ検出が可能で、堅牢性に優れる点、手袋装着時でもタッチ検出が可能である点、可動部が無いため長寿命である点などの利点を有している。

ＰＣＴ方式のタッチパネルのタッチ容量の検出手段は様々あるが、例えば下記特許文献１記載のような自励発振型の発振回路を使用したタッチパネルがある。

特許文献１記載のタッチスクリーンの構成は、静電容量を検出するための検出導体として、薄い誘電膜に形成された第１シリーズの導電材料パターン（導電エレメント）と、絶縁膜を隔てて形成された第２シリーズの誘電材料パターンを備えており、導体間には電気的接触はなく複数の交点を形成している。また、特許文献１の図８に示すように、静電容量を検出する導体エレメントはマルチプレクサ７５、出力線７２を介して発振回路８５に接続される。発振回路８５の発振周波数は、導体エレメントの寄生容量と導体エレメントと指により形成されるタッチ容量により変化し、その出力は除算器９０でカウントされて、容量検出データとされる。

また、特許文献２〜４には、入力検出を切り替えることにより、指入力とペン入力を行うものが示されている。特許文献５，６には、ＬＣＤと一体化した入力検出装置で、表示と入力検出を一緒に行うものが示されている。

特表平９−５１１０８６号公報（第７頁１９行〜第８頁４行、第８頁２３行〜第９頁６行、第１３頁４行〜１２行、図１、図２、図８） 特開平８−１３７６０７号公報 特開平８−１４７０９２号公報 特開平８−９５７０１号公報 特開平８−１７９８８７号公報 特開平１１−３０５９３２号公報

しかしながら、特許文献１に示すようなＰＣＴ方式タッチパネルの入力は操作者がタッチスクリーンを指で触れる必要があり、指による入力は操作性と簡易性が高く、また指以外の物では反応しないため安全性が高い等のメリットがある反面、指自体の面積がペン先などと比較して大きいため、小さい領域を押圧したり、文字を入力したりすることは困難で、高精細な位置入力は不可能である。

指先の接触面積は人の年齢、性別、体格及びタッチスクリーンへの触れ方により異なるが概ね１００ｍｍ²程度であり、指先によりタッチされた電極と検出電極用に形成される容量はタッチスクリーンの構造により異なるが保護ガラスなどを介するため、一般的に数ｐＦ（２ｐＦ〜５ｐＦ）程度である。仮に高精細な位置入力を行うため、指先の面積より十分小さい導電性の電極をペン先に用い、ペン先電極と人体とが電気的接続されたスタイラスペンを準備して、タッチスクリーンに触れても、タッチスクリーンとペン先電極で形成される容量はタッチされた電極面積に比例して非常に小さいため位置検出は非常に困難である。

ここで、誘電率をε０、検出電極とタッチ面の間にある材料（保護ガラス）の比誘電率をεｓ、指タッチ面積をＳｔ、スタイラスペン接触面積をＳｓ、検出電極と入力位置に容量を形成するための電極との距離（ギャップ）をｄとした場合、指でタッチした場合とスタイラスペンで接触した場合のタッチ電極−検出電極間の容量は、平板コンデンサモデルで単純化して計算すると、
指で接触した場合：Ｃｔ＝（ε０×εｓ×Ｓｔ）÷ｄ
スタイラスペンで接触した場合：Ｃｓ＝（ε０×εｓ×Ｓｓ）÷ｄ
＝Ｃｔ×（Ｓｓ÷Ｓｔ）
で表される。

この２つの式において誘電率ε０および比誘電率εｓと距離ｄは双方同一であり、容量は指またはペン先などの入力装置の電極面積に比例する。よって、接触面積の小さいスタイラスペンでの位置検出は非常に困難である。

また、特許文献２〜４に示すような、スタイラスペン入力が可能な入力検出方式との組み合わせにより実現することも可能であるが、入力方式を併用するために予め検出機能を選択するための切り替え回路が必要となるなど、タッチパネルの構造変更に伴うコストアップ、透過率低下によるＬＣＤ表示品位の低下、操作性と簡易性の低下といった問題が発生する。特許文献５，６に示す方法は、特にスタイラスペンでの位置検出を向上させるものではない。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、自励型の発振回路で容量検出回路を構成した静電容量結合方式タッチパネルにおいて、安価な構成で指入力とスタイラスペン入力の両方を可能とするタッチパネル装置を得る事を目的とする。

本発明に係るタッチパネル装置は、先端部に導電性の電極を備える入力ペン、基板上に行列方向に形成された複数の容量検出配線、複数の容量検出配線の個々に充放電を行う発振信号を出力し、発振信号は充放電する電荷量に伴い周期が変化する発振部、容量検出配線に非接触にして近接される入力ペンの位置座標を、電極と容量検出配線間に形成される容量に伴う周期の変化により演算する演算部を備え、入力ペンは、発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号を電極に出力する。

発振部による発振信号を容量検出手段に用いる静電容量方式のタッチパネルにおいて、入力ペンの先端部の電極に発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号を出力することにより、入力ペン検出用配線に対して指入力と同等の電荷量の充放電を行うことができ、タッチパネルの構造を変えることなく、指による入力の操作性と簡易性を維持したまま、また液晶の表示品位を損なうことなく、入力ペンによる高精細な入力を可能とする静電容量方式のタッチパネル装置を提供できる。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

（構成）
図１は、本発明のタッチパネル装置及び先端部に導電性の電極を備えるスタイラスペン（入力ペン）７の構成図であり、以下構成について説明する。

タッチスクリーン１は基板上に行列方向に形成された複数の容量検出配線８が配線されており、容量検出配線８は配線選択回路２の複数の出力部に接続されている。配線選択回路２の入力部は発振回路（発振部）３の出力部に接続されており、発振回路３の入力部はカウンタ回路４の出力部に接続されている。また、カウンタ回路４の出力部はバッファ６の入力部に接続されており、バッファ６の出力部はスタイラスペン７に接続されている。発振回路３は複数の容量検出配線の個々に充放電を行う発振信号を出力し、後述するように発振信号は充放電する電荷量に伴い周期が変化する。

演算回路／制御回路５の入力部はカウンタ回路４の出力部に接続されており、演算回路／制御回路５の出力部は、配線選択回路２、発振回路３、カウンタ回路４の入力部に接続されている。カウンタ回路４および演算回路／制御回路５は容量検出配線８に非接触にして近接されるスタイラスペン７の位置座標を、スタイラスペン７の電極と容量検出配線８間に形成される容量に伴う発振信号の周期の変化により演算する演算部としての機能を備える。

図２はヒステリシスコンパレータ１５を発振回路に適用したタッチパネルの検出回路において、タッチスクリーンを指でタッチした場合を示す。１１はタッチ電極での指タッチ面積Ｓｔであって、タッチ電極と容量検出配線８間の容量であるタッチ電極−検出配線間容量Ｃｔ１０が形成される。また指は、人体−アース間の抵抗１６を介して指タッチ時の接地点１２に接続される構成となる。

容量検出配線８は、ヒステリシスコンパレータ１５の入力部と接続され、ヒステリシスコンパレータ１５の出力部はカウンタ回路４に接続される。また、ヒステリシスコンパレータ１５の入出力間は充放電抵抗１４と接続され、ヒステリシスコンパレータ１５の入力部は、タッチパネル検出配線容量Ｃｂ１３を介し接地される。

ヒステリシスコンパレータ１５は図１における発振回路３に相当し、充放電抵抗１４およびタッチパネル検出配線容量Ｃｂ１３は、タッチされていないときの容量検出配線８の抵抗および容量に相当する。

図３は説明を分かりやすくするため、図２の特にヒステリシスコンパレータ１５について、さらにモデル化したものである。ヒステリシスコンパレータ１５は比較器１５ａを備え、比較器１５ａの入力部は容量検出配線８の他に、ＶｒｅｆＬおよびＶｒｅｆＨが入力される。

比較器１５ａの出力部は、ＶｏｓＬあるいはＶｏｓＨのどちらかの電位を選択して出力する構成となっている。容量検出配線８からの入力信号がＶｒｅｆＬよりも小さくなればＶｏｓＨを出力し、入力信号がＶｒｅｆＨよりも大きくなればＶｏｓＬを出力する。

図４はヒステリシスコンパレータ１５を容量検出回路に適用したタッチパネルの検出回路において、タッチスクリーンをスタイラスペン７でタッチした場合を示す。スタイラスペン７はヒステリシスコンパレータ１５の出力部に接続され、ＤＣカット用コンデンサ３１の一端に接続される。ＤＣカット用コンデンサ３１の他端はバイアス固定用の抵抗３２を介して接地されると共に位相反転用インバータ４３の入力部に接続される。位相反転用インバータ４３の出力部は電圧変換用レベルシフタ４４の入力部に接続され、電圧変換用レベルシフタ４４の出力部はＤＣカット用コンデンサ３６の一端に接続される。ＤＣカット用コンデンサ３６の他端はスタイラスペン電極部２１に接続される。スタイラスペン電極部２１は、容量検出配線８との容量であるスタイラスペン−検出配線間容量Ｃｓ２０を形成する。

ヒステリシスコンパレータ１５は図１における発振回路３に相当し、充放電抵抗１４およびタッチパネル検出配線容量Ｃｂ１３は、タッチされていないときの容量検出配線８の抵抗および容量に相当する。

図５は説明を分かりやすくするため、図４のヒステリシスコンパレータ１５およびスタイラスペン７について、さらにモデル化したものである。ヒステリシスコンパレータ１５の内部については上述した図３と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。スタイラスペン７は、ＶｏｃＬあるいはＶｏｃＨのどちらかの電位を選択して出力する構成となっている。ヒステリシスコンパレータ１５からの入力信号がＶｏｓＬであればＶｏｃＨを出力し、入力信号がＶｏｓＨであればＶｏｃＬを出力する。

（動作）
次に、本発明に係るタッチパネル装置の動作を説明する。

図２、図３に示すヒステリシスコンパレータ１５は、入力電圧が第一の閾値電圧（ＶｒｅｆＨ）より大きくなった場合に、出力部より抵抗または定電流回路で接続された検出線とその近傍の電極間に形成される容量を放電（ＶｏｓＬを出力）し、入力電圧が第二の閾値電圧（ＶｒｅｆＬとする）より小さくなった場合に容量を充電（ＶｏｓＨを出力）するように動作する。この時、タッチ無し時の発振動作により移動する充電または放電時一回分の電荷量Ｑｂは、発振回路に接続された検出線とその近傍の電極間に形成される容量をＣｂとすると、
Ｑｂ＝Ｃｂ×（ＶｒｅｆＨ−ＶｒｅｆＬ）…（１）
となる。

また、指タッチ直後にＶｒｅｆＬ電位からＶｒｅｆＨ電位まで充電した後のタッチ電極−検出配線間容量Ｃｔ１０を移動する充電または放電時１回分の電荷量Ｑｔは、
Ｑｔ＝Ｃｔ×（ＶｒｅｆＨ−ＶｒｅｆＬ）…（２）
となる。

よって、タッチ時の発振動作により移動する充電または放電時１回分の電荷量Ｑは、
Ｑ＝Ｑｂ＋Ｑｔ
となり、指タッチで電荷量Ｑｔ分増加することにより発振周波数が変動して指タッチを検出する。

ここで、指の接触面積Ｓｔより小さいスタイラスペンのペン先電極（面積Ｓｓとする）の場合でも、指タッチで移動する電荷量Ｑｔと同程度の電荷量を移動させれば、タッチパネルの検出回路構成を変更する事無く指タッチと同様にスタイラスペンでも検出が可能となる。

前述の通り、スタイラスペン７のペン先接触面積Ｓｓは、指の接触面積Ｓｔより小さいのでスタイラスペン−検出配線間容量Ｃｓ２０はタッチ電極−検出配線間容量Ｃｔ１０より十分小さいが、スタイラスペン７のペン先電極の電位をアース接地では無く、Ｃｓを発振回路にて充放電する電荷量Ｑｓが、指タッチでの電荷量Ｑｔと等価になるような電圧振幅の交流信号を印加すればよい。

具体的には、スタイラスペン７のペン先電極に、スタイラスペン−検出配線間容量Ｃｓ２０を充放電する電圧が
（ＶｒｅｆＨ−ＶｒｅｆＬ）×（Ｓｔ／Ｓｓ）…（３）
となるように、前記タッチパネルの検出回路を構成する発振回路３の発振波形と同期させ、位相が異なる交流信号を電圧増幅して印加することにより、移動する電荷量がＱｔと同等になり、スタイラスペン７での位置入力が可能となる。すなわち、スタイラスペン７は、発振回路３による発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号を電極に出力する。

例えば、指の接触面積を１００ｍｍ²、スタイラスペンの接触面積を４ｍｍ²とした場合、その接触面積比Ｓｔ／Ｓｓは２５：１となり、発振回路のＶｒｅｆＨ−ＶｒｅｆＬ電圧を１Ｖと仮定した場合、スタイラスペンのペン先電極接地点の電圧振幅を調整して、Ｃｓを充放電する電圧を１Ｖ×２５倍＝２５Ｖにすれば、発振動作により移動する電荷量がスタイラスペン７を使用した場合にも指で接触した場合と同等の電荷量となり、指でタッチした場合と同等の入力感度を得ることが可能である。

ここで、図２において操作者が指でタッチスクリーンに触れた場合、充放電抵抗１４を介して指タッチ電極−検出配線間容量Ｃｔ１０に対して充放電が行われる。図６はヒステリシスコンパレータに入力される指タッチ電極１１と容量検出配線８間の充放電時の波形、図７はヒステリシスコンパレータ出力部１７の波形である。また、実線はタッチ無しの通常動作時（未入力）の波形、点線はタッチパネルを指で接触した場合の波形を示しており、指で触れることにより容量が増加しヒステリシスコンパレータ１５より出力されるクロック信号の周期が長くなっている。このクロック信号の周期をカウントし、各容量検出配線８の検出結果を演算し入力位置座標を出力する。

本発明のスタイラスペン７で入力する場合は、前述の通り、指でタッチした場合と比べスタイラスペン−検出配線間容量Ｃｓ２０が非常に小さいため、指でタッチした場合と同等電荷量を得るためにはスタイラスペン電極部２１に、図３に示すヒステリシスコンパレータ出力部１７の信号をスタイラスペン７内のインバータ回路などで位相を１８０度反転させ、電圧増幅回路での交流信号の電圧を増幅し、Ｃｓを充放電する電圧が（ＶｒｅｆＨ−ＶｒｅｆＬ）×（Ｓｔ／Ｓｓ）となるような交流信号を印加する必要がある。

その方法として、図９に位相反転アンプを内蔵したスタイラスぺンの実施例を示す。３０は検出回路と同期をとるためのスタイラスペン同期信号入力端子であり、ＤＣカット用コンデンサ３１の一端に接続される。ＤＣカット用コンデンサ３１の他端はバイアス固定用抵抗３２を介して接地されると共に位相反転用アンプ３３の入力部に接続される。位相反転用アンプ３３の出力部は増幅用アンプ３４の入力部に接続され、増幅用アンプ３４の出力部はＤＣカット用コンデンサ３６の一端に接続される。ＤＣカット用コンデンサ３６の他端はスタイラスペン電極部２１に接続される。３５はスタイラス用高電圧電源である。

検出回路の充放電サイクルと同期をとるため、有線（または無線）によりスタイラスペン同期信号入力端子３０からヒステリシスコンパレータ出力部１７の信号を入力し、位相反転用アンプ３３および増幅用アンプ３４により信号を変換した後スタイラスペン電極部２１を介して接地点に印加する交流信号が出力される。

ここで、前述の例で示した通り、指でタッチした場合の接触面積を１００ｍｍ²、スタイラスペン７で接触した場合の接触面積を４ｍｍ²と仮定した場合、指でタッチした時と同等の電荷量を得るためにはスタイラス電極の接地点にＣｓを充放電する電圧が（Ｖｒｅｆｈ−ＶｒｅｆＬ）の２５倍（接触面積比）となるように検出回路の発振波形を位相反転させた交流信号を与える必要がある。図５に示す回路例では、タッチパネルの検出回路の発振波形を位相反転用アンプ３３により位相を１８０度反転させ、増幅用アンプ３４により増幅度Ａ倍の振幅に変換した電圧がスタイラスペン電極部２１に与えられる。すなわち、スタイラスペン７の位相は検出回路の発振信号と１８０度異なり、スタイラスペン７の振幅は、指入力時に充放電される電荷量と同等になるよう設定される。

その結果、静電容量方式タッチパネルにおいてスタイラスペンを接触させた場合にも、指でタッチした場合と同等の入力が可能となり、タッチパネルの構造そのままに操作性と簡易性を維持することが可能となる。

検出回路の出力信号について、ヒステリシスコンパレータ出力部１７からスタイラスペン同期信号入力端子３０への信号伝達は、直流成分は不要で交流成分のみを伝達すればよいため、簡易的には銅線等で有線接続することで実現できるが、スタイラスペン７を操作する際の不都合さや持ち運びなどの利便性を考慮してタッチパネル側に送信回路、スタイラスペン側に受信回路を構成し、無線での接続も可能である。その際、受信信号レベルが小さい場合は、位相反転用アンプ３３に増幅度を持たせることも可能である。

図１０はスタイラスペン７の交流信号発生回路をインバータ＋レベルシフタ回路で構成した場合の実施例である。構成は、図４で示したスタイラスペン７と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。電圧変換用レベルシフタ４４はアナログスイッチＩＣ等で簡単に構成でき、またロジック回路であるため、消費電力的に図９より有利な回路である。

（効果）
発振回路３による発振信号を容量検出手段に用いる静電容量方式のタッチパネルにおいて、スタイラスペン７の先端部の電極に発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号を出力することにより、スタイラスペン電極部２１の面積が小さくても容量検出配線８に対して指入力と同等の電荷量の充放電を行うことができ、タッチパネルの構造を変えることなく、すなわち発振回路３とカウンタ回路４、および演算回路／制御回路５は指入力時およびスタイラスペン使用時にて共用であり、指による入力の操作性と簡易性を維持したまま、また液晶の表示品位を損なうことなく、スタイラスペン７による高精細な入力を可能とする静電容量方式のタッチパネル装置を提供できる。

なお、指入力を対象としたタッチスクリーンの容量検出配線８の配線ピッチは指を前提として構成されることが多く５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、スタイラスペン電極部２１の面積が小さい場合、容量検出配線８の１本分にしか影響を与えることができない。

容量検出配線８のピッチ間の位置補間を行い、より位置精度を上げる場合は、複数本の容量検出配線８に影響を与える必要がある。スタイラスペン７においても同様に複数の容量検出配線８に影響を与えるペン先電極形状は、可能な限り接触する面積を増やすばかりでなくペン先径を可能な限り大きくした円錐状であることが望ましい。

図１１，１２はタッチスクリーン１とスタイラスペン７におけるスタイラスペン電極部２１の形状例を示すものである。タッチスクリーン１における５１は保護ガラス、５２は絶縁層を示し、８は行列方向に形成された複数の容量検出配線を示す。

図１１はスタイラスペン先面積が小さいもの、図１２はペン先が円錐状になっている例である。図１１では、容量検出配線８の１本分にしか影響を与えることが出来ないが、図１２ではペン先を頂点とする円錐状とすることで複数の容量検出配線８に影響を与えることが可能となる。

本発明に係るタッチパネル装置の構成図である。 指入力時の検出回路を示す図である。 指入力時の検出回路を示す図である。 スタイラスペン入力時の検出回路を示す図である。 スタイラスペン入力時の検出回路を示す図である。 ヒステリシスコンパレータの入力波形を示す図である。 ヒステリシスコンパレータの出力波形を示す図である。 ヒステリシスコンパレータの出力波形を示す図である。 スタイラスペンの構成例を示す図である。 スタイラスペンの構成例を示す図である。 スタイラスペンのペン先形状例を示す図である。 スタイラスペンのペン先形状例を示す図である。

符号の説明

１ タッチスクリーン、２ 配線選択回路、３ 発振回路、４ カウンタ回路、５ 演算回路／制御回路、６ バッファ回路、７ スタイラスペン、８ 容量検出配線、１０ Ｃｔ（タッチ電極−検出配線間容量）、１１ Ｓｔ（指タッチ面積）及び指タッチ電極、１２ 指タッチ時の接地点、１３ Ｃｂ（タッチパネル検出配線容量）、１４ 充放電抵抗、１５ ヒステリシスコンパレータ、１５ａ 比較器、１６ 人体−アース間の抵抗、１７ ヒステリシスコンパレータ出力部、２０ Ｃｓ（スタイラスペン−検出配線間容量）、２１ Ｓｓ（スタイラスペン接触面積）及びスタイラスペン電極部、３０ スタイラスペン同期信号入力端子、３１ ＤＣカット用コンデンサ、３２ バイアス固定用抵抗、３３ 位相反転用アンプ、３４ 増幅用アンプ、３５ スタイラス用高電圧電源、３６ ＤＣカット用コンデンサ、４３ 位相反転用インバータ、４４ 電圧変換用レベルシフタ、４５ 位相反転用インバータ用電源、５１ 保護ガラス、５２ 絶縁層。

Claims (5)

1. 先端部に導電性の電極を備える入力ペンと、
   基板上に行列方向に形成された複数の容量検出配線と、
   前記複数の容量検出配線の個々に充放電を行う発振信号を出力し、前記発振信号は前記充放電する電荷量に伴い周期が変化する発振部と、
   前記容量検出配線に非接触にして近接される前記入力ペンの位置座標を、前記電極と前記容量検出配線に形成される容量に伴う前記周期の変化により演算する演算部と、を備え、
   前記入力ペンは、前記発振信号に対して同期し位相が異なり電圧の振幅が大きい入力ペン信号を前記電極に出力する、
   タッチパネル装置。
2. 前記入力ペン信号の位相は前記発振信号と１８０度異なる、
   請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記入力ペン信号の振幅は、指入力時に充放電される電荷量と同等になるよう設定される、
   請求項１に記載のタッチパネル装置。
4. 前記発振部および前記演算部は、指入力時および前記入力ペン使用時にて共用である、
   請求項１に記載のタッチパネル装置。
5. 前記入力ペンの前記電極はペン先を頂点とする円錐状である、
   請求項１に記載のタッチパネル装置。

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