JP2012122989A - 共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置 - Google Patents

共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置 Download PDF

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Abstract


【課題】共振周波数の変化によりＣＴＳＰのＩＴＯ抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定するように機能する、共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置を提供する。
【解決手段】本発明の共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置は、回路に電圧または電流を供給する電源部と、ＣＴＳＰのＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐおよび電極間の静電容量Ｃｐを直列に配置したＣＴＳＰ部と、前記電源部に接続され、電気的共振を起こすＬＣ共振回路を含む共振部と、前記共振部に接続され、前記共振部の共振周波数を変化させる共振周波数変更部と、前記ＣＴＳＰ部と共振周波数変更部との間で動作し、前記ＣＴＳＰ部と前記共振周波数変更部とを接続する作動部とを含んでなり、前記作動部の動作によって前記ＣＴＳＰ部と前記共振部とを接続した状態で、共振周波数の変化により前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量方式のタッチスクリーンパネル（capacitive touch screen panel、以下「ＣＴＳＰ」という）の電気的特性を検査する装置に係り、さらに詳しくは、ＬＣ並列共振回路をＣＴＳＰに結合し、共振周波数のシフトを用いることにより、ＣＴＳＰの電気的特性を判別することができる検査装置に関する。
一般に、 携帯電話やキオスクなどのディスプレイ画面上に取り付けられ、ハンドタッチによって各種ボタンまたは情報入力用として用いられるタッチスクリーンパネルは、抵抗膜方式と静電容量方式に分けられる。これらの中でも、静電容量方式のタッチスクリーンパネル「ＣＴＳＰ」は、一般に、最下端の下部接地用フィルムと、その上にタッチセンサーの役割を果たす透明なＩＴＯ電極パターンが形成されているセンサー電極フィルムと、その上にＩＴＯ電極に接着剤で接着される誘電体フィルムと、最上端の保護フィルムとから構成されている。各製造会社別にタッチセンサー電極としてのＩＴＯ電極パターンの模様はその性能と専用コントローラチップの駆動方式によって異なるが、全体的な基本構造は上述したとおりであり、特にＩＴＯセンサー電極同士の間で静電容量が維持される方式は各社の共通事項である。
一般に、静電容量方式のタッチスクリーンパネル（ＣＴＳＰ）は、透明なＩＴＯパターンからなる横方向の電極と縦方向の電極とが誘電体を挟んで薄く積層されて使用されるが、これを電気的回路の観点からみれば、ＩＴＯ電極の静電容量（図２のＣｐ）の過抵抗（図２のＲｐ）が直列に接続された形態に見られる。
もしＩＴＯの面抵抗が非常に低くてＩＴＯ電極の長さ方向の抵抗が１ＫΩ未満の場合には、抵抗ＲｐはＣＴＳＰの電気的特性において無視され、静電容量値ＣｐのみがＣＴＳＰの電気的特性を左右するものと考えられるが、一般に、スマートフォンなどに使われるＣＴＳＰのＩＴＯ電極の面抵抗が２００〜５００Ω／ｓｑ程度であり、長さ方向の抵抗は数十ｋΩである。よって、ＣＴＳＰの電気的特性は、ＲｐとＣｐの直列接続の影響を受けるので、これらの２つの電気的特性値を測定することはＣＴＳＰの特性検査および機能検査において非常に重要である。ところが、実際状況ではＩＴＯ電極が保護フィルムの下端に配置されて隠されているので、このＩＴＯ電極の抵抗値Ｒｐおよび静電容量値Ｃｐを分離して測定することが非常に難しい。
本発明は、上述した問題点に鑑みて創作されたもので、その目的は、共振周波数の変化によるＣＴＳＰのＩＴＯ抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定するように機能する、共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、共振回路を用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの検査装置において、回路に電圧または電流を供給する電源部と、ＣＴＳＰのＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐおよび電極間の静電容量Ｃｐを直列に配置したＣＴＳＰ部と、前記電源部に接続され、電気的共振を起こすＬＣ共振回路を含む共振部と、前記共振部に接続され、前記共振部の共振周波数を変化させる共振周波数変更部と、前記ＣＴＳＰ部と共振周波数変更部との間で動作し、前記ＣＴＳＰ部と前記共振周波数変更部とを接続する作動部とを含んでなり、前記作動部の動作によって前記ＣＴＳＰ部と前記共振部とを接続した状態で、共振周波数の変化により前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定することを特徴とする、共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置を提供するものである。
ここで、前記共振周波数の変化は、前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐに任意に変更可能な抵抗ｒを直列に接続してｒの変化に応じて生じさせることが好ましい。
また、前記共振周波数変更部は、スイッチがターンオンされるように作動して前記共振部に別途のキャパシタをさらに並列接続し、前記共振周波数を変化させて前記ＣＴＳＰ部の静電容量Ｃｐを測定することが好ましい。
ここで、前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐを固定し、共振周波数の変化による前記ＣＴＳＰ部の静電容量Ｃｐを測定することが好ましい。
本発明に係る検査装置によれば、既存のＣＴＳＰに簡単なＬＣ共振回路を直列接続して共振周波数特性を用いることにより、容易にＣＴＳＰの電気的特性Ｒｐ、Ｃｐを検出することができるという効果がある。また、ＬＣ共振回路の定数と共振周波数の関係式からＣＴＳＰのＩＴＯ電極間の実際静電容量値を得ることができるので、不良分析に容易に使うことができる。
本発明の一実施例に係る回路ブロック図である。 本発明の一実施例に係るＬＣ共振回路をＣＴＳＰに接続した形態の回路図である。 図２の回路図における抵抗ｒの変化による共振周波数の変化計算グラフである。
本発明の上記目的、特徴および他の利点は、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明することによりさらに明らかになるであろう。以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施例に係る共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置を詳細に説明する。本明細書のために、図面における同一の参照番号は、別途指示しない限り、同一の構成部分を示す。
図１は本発明の一実施例に係る回路ブロック図である。図２は本発明の一実施例に係るＬＣ共振回路をＣＴＳＰに接続した形態の回路図である。図１に示すように、本発明は、電源電力を発生して供給する電源部１００と、ＣＴＳＰのＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐおよび電極間の静電容量Ｃｐを直列に接続したＣＴＳＰ部５００と、電源部１００に接続され、電気的共振を起こすＬＣ共振回路を含む共振部２００と、共振部２００に接続され、共振部２００の共振周波数を変化させる共振周波数変更部３００と、ＣＴＳＰ部５００と共振周波数変更部３００との間で動作し、ＣＴＳＰ部５００と共振周波数変更部３００とを接続する作動部４００とを含んでなる。
本発明に係る検査装置は、作動部４００のＳＷ１の動作によってＣＴＳＰ部５００と共振部２００とを接続した状態で、共振周波数の変化によりＣＴＳＰ部５００の抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定するように機能する。ここで、共振周波数の変化はＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐに任意に変更可能な抵抗ｒを直列に接続してｒの変化に応じて生じさせることができる。
また、共振周波数変更部３００は、別途のスイッチＳＷ２をターンオンして共振部２００に別途のキャパシタＣ１をさらに並列接続し、共振周波数を変化させてＣＴＳＰ部５００の静電容量Ｃｐを測定することができる。この際、ＣＴＳＰ部５００の抵抗Ｒｐを固定し、共振周波数の変化によりＣＴＳＰ部５００の静電容量Ｃｐを測定することができる。
前記電源部１００は一般な独立電源を意味する。このように一般な意味での独立電源は、変圧器などを用いて、負荷側で必要とする電圧に昇圧または降圧されて負荷に伝達される。前記電源部１００としての独立電源は交流電源でもよく、直流電源でもよい。交流電源は交流電圧電源および交流電流電源の両方を含み、前記直流電源は直流電圧電源および直流電流電源の両方を含む。前記独立電源が直流電源の場合にはこれをインバータを介して交流に変換させることができる。
本発明では、図２に示したスイッチＳＷ１を有する作動部４００、一般なＬＣ並列共振回路（共振部と同一）２００およびＣＴＳＰ部５００間の結合により構成された「変形ＬＣ並列共振回路」を数学的に分析し、ＣＴＳＰ部５００の電気的特性を構成するＩＴＯ電極の静電容量値Ｃｐと抵抗値Ｒｐを同時に測定する方法を考案した。
本発明の原理は次のとおりである。一般なＬＣ並列回路の共振周波数ｆ０はインピーダンスＺが無限大（∞）となる点の周波数で決定されるが、次のように導き出される。参考として、共振周波数ｆ０とは、ＬとＣで組み合わせられる回路においてその回路の固有周波数と電源の周波数とが一致して共振現象を引き起こし、電流または電圧が最大となるまでの周波数を意味する。ＲＬＣ回路における共振周波数ｆoは下記数式１から導き出される。
数式１
Figure 2012122989
ここで、数式１のように基本ＬＣr e f並列回路としてのＬＣ並列共振回路２００にＣＴＳＰ部５００のＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐおよび静電容量Ｃｐが接続されるように作動部４００のＳＷ１を閉じると、ＬＣ並列共振回路２００は、ＬＣｒｅｆ並列回路と、ＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐ、静電容量Ｃｐの直列回路との間での並列回路である、変形ＬＣ共振回路と見なされる。この際、それぞれのインピーダンスＺ１とＺ２は下記数式２で与えられる。
数式２
Figure 2012122989
この回路の総インピーダンスＺは下記数式３で求めることができる。
数式３
Figure 2012122989
前記総インピーダンスＺにおいて、共振周波数はインピーダンスＺの虚数部が０となる条件で決定される。よって、下記数式４を満足する周波数が共振周波数である。
数式４
Figure 2012122989
ここで、ＣｒｅｆＣｐＬＲｐ≠０の場合、正の実根を求めると、下記数式５のとおりである。
数式５
Figure 2012122989
ここで、抵抗Ｒｐ＝０の場合には基本共振となり、抵抗Ｒｐ→∞の場合には
Figure 2012122989

に収束することが分かる。
前記解のみでは、与えられたＣＴＳＰ部５００での抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に求めることができない。ところが、抵抗Ｒｐに、知られている抵抗値を持つ抵抗ｒを直列に接続して抵抗ｒの変化による共振周波数の変化データを測定し、これを下記数式６に当てはめれば(fitting)、抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に求めることができる。
数式６
Figure 2012122989
図３は抵抗ｒの変化による共振周波数の変化計算グラフを示す。図３のグラフは、Ｌ＝Ｒｒｅｆ＝Ｒｐ＝Ｃｐ＝１のとき、０．００１＜ｒ＜１０の範囲で共振周波数の変化計算グラフを示すものである。特定ｒの範囲ではｒが増加するときに共振周波数が線形的に増加することが分かる（０．０１＜ｒ＜５）。
図１において、抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐからなる直列ＲＣ回路の時定数をτpとし、Ｌと静電容量Ｃｐのみからなる並列共振回路の共振周波数をωｐとすれば、下記数式７のような関係が形成される。
数式７
Figure 2012122989
元々の共振条件方程式は数式８のとおりであり、その解は下記数式９のとおりである。
数式８
Figure 2012122989
数式９
Figure 2012122989
一方、共振条件方程式をωｐに対して解くと、下記数式１０のとおりである。
数式１０
Figure 2012122989
前記数式１０でωｐとτpを求めるためにω０を変化させ、これにより変化するωを測定する。このために、前記共振周波数変更部３００のスイッチＳＷ２をターンオンして共振部２００に別途のキャパシタＣ１をさらに並列接続することにより共振周波数を変更させることができる。すなわち、図２のＳＷ２を閉じてＣ１を共振回路に並列接続してω０を変化させる。この際、測定によってω０、ω値を２つ以上求めると、未知数が２つ、方程式が２つなので、ωｐとτpを求めることができ、最終的には下記数式１１でＲｐと静電容量Ｃpを求めることができる。
数式１１
Figure 2012122989
前記数式１１において、抵抗ＲｐはＣＴＳＰ部５００上の一つの静電容量(Electrostatic Capacity)に対して変わらない値なので、この値を固定し、タッチ環境（手指の位置などの変更）が変化するにつれて変化するωによって各瞬間の静電容量Ｃｐを正確に測定することができる。このような方法でＣＴＳＰ部５００の単純な不良有無を超えて製作されたＣＴＳＰ部５００の全体的な性質を特性化する装備を構築することができる。
本発明に係る検査装置によれば、既存のＣＴＳＰに簡単なＬＣ共振回路を直列接続して共振周波数特性を用いることにより、容易にＣＴＳＰのＩＴＯ電極の電気的特性（抵抗Ｒｐ、静電容量Ｃｐ）を検出することができるという効果がある。また、ＬＣ共振回路の定数と共振周波数の関係式からＣＴＳＰのＩＴＯ電極間の実際静電容量値を得ることができるので、不良分析に容易に使うことができる。
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲の思想および範疇を逸脱することなく、本発明に対する多数の変更および修正が可能であり、それらの全ての適切な変更および修正の均等物も本発明の範囲に属するものと見なされるべきである。
１００ 電源部
２００ 共振部
３００ 共振周波数変更部
４００ 作動部
５００ ＣＴＳＰ部

Claims (4)

  1. 共振回路を用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの検査装置において、
    回路に電圧または電流を供給する電源部と、
    ＣＴＳＰのＩＴＯ電極の抵抗Ｒｐおよび電極間の静電容量Ｃｐを直列に接続したＣＴＳＰ部と、
    前記電源部に接続され、電気的共振を起こすＬＣ共振回路を含む共振部と、
    前記共振部に接続され、前記共振部の共振周波数を変化させる共振周波数変更部と、
    前記ＣＴＳＰ部と共振周波数変更部との間で動作し、前記ＣＴＳＰ部と前記共振周波数変更部とを接続する作動部とを含んでなり、
    前記作動部の動作によって前記ＣＴＳＰ部と前記共振部とを接続した状態で、共振周波数の変化により前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐと静電容量Ｃｐを同時に測定することを特徴とする、共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置。
  2. 前記共振周波数の変化は、前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐに任意に変更可能な抵抗ｒを直列に接続してｒの変化に応じて生じることを特徴とする、請求項１に記載の共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置。
  3. 前記共振周波数変更部は、スイッチがターンオンされるように作動して前記共振部に別途のキャパシタをさらに並列接続し、前記共振周波数を変化させて前記ＣＴＳＰ部の静電容量Ｃｐを測定することを特徴とする、請求項１に記載の共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置。
  4. 前記ＣＴＳＰ部の抵抗Ｒｐを固定し、共振周波数の変化による前記ＣＴＳＰ部の静電容量Ｃｐを測定することを特徴とする、請求項３に記載の共振周波数シフトを用いた静電容量方式タッチスクリーンパネルの電気的特性検査装置。
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