JP2015166964A - 静電容量式検出装置及び静電容量式検出プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】容量差検出部30が電極間の静電容量差を検出すると、静電容量差調整部60が、検出された静電容量差に応じて、各電極について印加電極と非印加電極とのどちらにするかの電極設定を決定する。駆動信号印加部20は、決定された電極設定において、印加電極に決定された電極を接続し、非印加電極に決定された電極をフローティングした状態で、駆動信号を印加する。
【選択図】図1
Description
電極間の静電容量差を検出する容量差検出部と、
前記容量差検出部が検出した静電容量差に応じて、各電極について印加電極と非印加電極とのどちらにするかの電極設定を決定する静電容量差調整部と、
前記静電容量差調整部が決定した前記電極設定において、前記印加電極に決定された電極を接続し、前記非印加電極に決定された電極をフローティングした状態で、駆動信号を印加する駆動信号印加部と
を備えることを特徴とする。
図1は、実施の形態1に係る静電容量式検出装置100の構成図である。
静電容量式検出装置100は、タッチパネル10、駆動信号印加部20、容量差検出部30、検出結果記憶部40、検出電極選択部50、静電容量差調整部60、電極接続部70を備える。
検出電極選択部50は、静電容量差を検出する検出電極を選択する(S101)。静電容量差調整部60は、全ての電極を駆動信号印加部20に接続するように、電極接続部70に設定を行い、電極接続部70は、設定に従い、全ての電極を駆動信号印加部20に接続する(S102)。駆動信号印加部20は、接続された全ての電極に対し駆動信号を印加する(S103)。容量差検出部30は、検出電極間の静電容量差を検出し、検出結果記憶部40に検出した静電容量差を記憶する(S104)。
検出電極選択部50は、全ての検出電極に関して検出処理が完了したか否かを判定する(S105)。検出電極選択部50は、全ての検出電極に関して検出処理が完了した場合(S105でY)、処理をS106へ進め、そうでない場合(S105でN)、処理をS101へ戻して、完了していない検出電極を選択する。
静電容量差調整部60は、検出結果記憶部40に記憶された静電容量差と、選択された検出電極とを用いて、駆動信号を印加する印加電極とフローティングにするフローティング電極との電極設定を決定し、電極接続部70は印加電極と駆動信号印加部20とを接続する(S107)。駆動信号印加部20は、接続された電極に対し駆動信号を印加する(S108)。このとき、フローティング電極に対して寄生容量が発生し、検出電極への電荷のチャージで発生する電位が上がる。これにより、オーバーレンジが解消する。
まず、電極接続部70はsw1〜swNを全て接続し、駆動信号印加部20は駆動信号を印加する。次に、sw1〜swNを切り離し、swSとswRとを接続し検出電極Sと検出電極Rの電位差を比較器cmp1にて計測する。その後、swSとswRとを切り離し、swg1とswg2を接続し溜まった電荷の解放を行う。
図4では、まず、Cs及びCrが駆動信号印加部20に接続され、Cs及びCrに駆動信号が印加される。このとき、CsにはQs=CsV、CrにはQr=CrVの電荷が蓄積される。同時に、Gndと接続することでCに蓄積された電荷が解放される。
次に、Cs及びCrが駆動信号印加部20から切り離され、Cと接続される。ここで、蓄積された電荷Qs及びQrが維持され、Cs及びC、Cr及びCにそれぞれ電荷が分配される。このとき図3の(2)のようにCs+CとGND間にVs、Cr+CとGND間にVrの電位差が生じ、それぞれQs=(Cs+C)Vs、Qr=(Cr+C)Vrとなる。
よってVs=CsV/(Cs+C)、Vr=CrV/(Cr+C)となり、Vs−Vr=((Cs−Cr)CV)/((Cs+C)(Cr+C))(以下、式1と呼ぶ)により、検出電極SとR間の電位差を求めることができる。
図5に示すように、検出電極Sの隣接電極がフローティングにされた場合、フローティングにされた電極と検出電極Sとの間に寄生容量Cpnが発生する。さらに、フローティングにされた電極自体の容量Cnが発生する。そして、図6に示すような回路が形成される。
この回路図を基に寄生容量を含めた静電容量Cs’は、Cs’=Cs+(CpnCn)/(Cpn+Cn)となる。
図7に示すように、検出電極Sの2つ隣の電極がフローティングにされた場合、フローティングにされた電極と、検出電極Sの隣接電極との間に寄生容量Cpmが発生し、隣接電極と検出電極Sとの間に寄生容量Cpsが発生する。また、フローティングされた電極と検出電極Sとの間に寄生容量Cpsmが発生する。さらに、フローティングにした電極自体の容量Cmが発生する。そして、図8に示すような回路が形成される。
この回路図を基に寄生容量を含めた静電容量Cs’’は、Cs’’=Cs+((CpsCpm)/(Cps+Cpm)+Cpsm))Cm/(Cm+(CpsCpm)/(Cps+Cpm)+Cpsm)となる。
ここでは、検出電極Sと検出電極Rへの電荷チャージにより発生した電位差をV(Vs−Vr)とする。また、検出レンジを−R〜R(−R以上、R以下)とする。また、Cs’>Cs’’>Csが成り立つものとする。また、図5、図7に示すように検出電極周囲の電極設定パターンを切り替えるものとする。
実施形態1では、検出電極の位置と検出値とに応じて、周囲の電極をフローティングにして寄生容量を発生させ、これにより適切な検出値が得られるようにした。ここで、検出値は、検出ICや電極への配線、電極の大きさに大きく依存している。したがって、検出を行う度に、実施の形態1で説明した処理を行い、検出値を調整しなくても、一旦適切な検出値が得られる電極設定が分かってしまえば、以降はその電極設定により駆動信号を印加することにより、適切な検出値が得られる。
実施の形態2では、適切な検出値が得られた電極設定を記憶しておき、記憶した電極設定を利用して検出値を調整することについて説明する。
図11に示す静電容量式検出装置100は、図1に示す実施の形態1に係る静電容量式検出装置100が備える構成に加え、調整設定記憶部61を備える。
以降、調整設定記憶部61が記憶した電極設定に従い、各電極を駆動信号印加部20に接続するかフローティングにするかを制御して、駆動信号を印加することにより、すぐに適切な検出値が得られる状態にすることができる。
実施の形態1では、検出電極の位置と検出値とに応じて、周囲の電極をフローティングにして寄生容量を発生させ、これにより適切な検出値が得られるようにした。しかし、指(検出対象物の一例)の静電容量を検知する際、指に寄生容量が発生し、検出値が低下する。
実施の形態3では、指に発生する寄生容量を補正して、検出値が低下することを防止することについて説明する。
図12に示す静電容量式検出装置100は、図1に示す実施の形態1に係る静電容量式検出装置100が備える構成に加え、補正テーブル生成部80、補正テーブル記憶部81、検出値補正部82を備える。
指と検出電極Sとの間との間に発生する容量をCfs、検出電極S自体の静電容量をCsとすると、指の近接又は接触があった場合には、図14の回路のように表すことができる。そして、全電極に駆動信号を流した場合の合成容量Caは、Ca=Cs+Cfsとなる。
フローティングにされた電極に対しても指との間に寄生容量が発生し、全ての電極に駆動信号が印加された場合に比べて、検出できる静電容量が減る。
指と検出電極Sとの間に発生する容量をCfs’、指とフローティングされた電極との間に発生する寄生容量をCpfs、フローティングされた電極と検出電極との間の寄生容量をCpn、フローティングされた電極自体の静電容量をCnとすると、図15の回路のように表すことができる。そして、検出電極の隣がフローティングにされた場合の合成容量Ca’は、Ca’=Cs+Cfs’+(Cpfs+Cn)・Cpn/(Cpfs+Cpn+Cn)となる。
ここで、フローティング設定時の検出電極Sの静電容量をCs’とし、このときに、指とフローティングされた電極との間に寄生容量が発生していないと仮定すると、検出電極Sの静電容量はCs’+Cfsとなる。Cs’+Cfsと、Ca’との差Cs’+Cfs−Ca’>0であるため、検出電極の隣がフローティングにされた場合の合成容量Ca’は、元々得られる指の静電容量よりも小さい値であることが分かる。
また、隣接する電極がフローティングされ、残りの電極に対して駆動信号を印加した場合の電圧差ΔVs0’に対し、位置nに指を接触/近接した場合の電圧差ΔVsn’とすると、ΔVs0’−ΔVsn’はΔV0−ΔVnよりも指とフローティングされた電極との間の寄生容量の分だけ減衰した値となる。
これにより、α(ΔV0−ΔVn−(ΔVs0’−ΔVsn’))が減衰した容量値の分と推測できる。ここでαは寄生容量の強度であり0≦α≦1の値を取る。
検出電極選択部50は、検出電極Sと検出電極Rの束ねる本数(結合本数)を1に設定し、以降では検出電極S及び検出電極Rを1つずつ選択して検出を行う(S301)。静電容量差調整部60は、全ての電極を駆動信号印加部20に接続するように、電極接続部70に設定を行い、電極接続部70は、設定に従い、全ての電極を駆動信号印加部20に接続する(S302)。
補正テーブルは、電極設定毎に行が設けられ、指の位置毎に列が設けられる。
そして、ΔV0は、指なし(指を接触又は近接させていない状態)の場合、かつ、フローティング無しの検出値である。ΔVk(k=1,...,n)は指位置kに指を接触/近接した場合、かつ、フローティング無しの検出値である。
ΔVs0’は、指なしの場合、かつ、検出電極Sの隣接電極をフローティングした場合の検出値である。ΔVsk’(k=1,...,n)は、指位置kに指を接触/近接した場合、かつ、検出電極Sの隣接電極をフローティングした場合の検出値である。
ΔVs0’’は、指なしの場合、かつ、検出電極Sの2つ隣の電極をフローティングした場合の検出値である。ΔVsk’’(k=1,...,n)は、指位置kに指を接触/近接した場合、かつ、検出電極Sの2つ隣の電極をフローティングした場合の検出値である。
ΔVr0’は、指なしの場合、かつ、検出電極Rの隣接電極をフローティングした場合の検出値である。ΔVrk’(k=1,...,n)は、指位置kに指を接触/近接した場合、かつ、検出電極Rの隣接電極をフローティングした場合の検出値である。
ΔVr0’’は、指なしの場合、かつ、検出電極Rの2つ隣の電極をフローティングした場合の検出値である。ΔVrk’’(k=1,...,n)は、指位置kに指を接触/近接した場合、かつ、検出電極Rの2つ隣の電極をフローティングした場合の検出値である。
また、結合本数1本の結果に基づき、結合本数が2本以上の場合の補正を行うことも可能である。但し、例えば、結合本数1本の結果に基づき、2本結合の検出値を補正する際は、Csが約2倍となり、Crが約2倍となるため、式1の計算によりVs−Vrが1/2倍程度になる。そこで、結合本数をNとすると、強度αを1/N倍にしておくことで、補正をより正確にすることができる。
実施形態1では、検出電極S及び検出電極Rに対して、残りの電極をフローティング、又は、駆動信号印加に設定することで電位差を調整した。しかし、フローティングにする電極を多く設定すると検出ノイズが増えてしまう。
実施の形態4では、外部のコンデンサを用いた調整や検出範囲を変えるといった調整を組み合わせることで、感度とノイズとのバランスを取ることについて説明する。
図19に示す静電容量式検出装置100は、図1に示す実施の形態1に係る静電容量式検出装置100が備える静電容量差調整部60が、電極決定部62、検出範囲決定部63、予備キャパシタンス決定部64を備える。また、図19に示す静電容量式検出装置100は、ノイズ検出部65、予備キャパシタンス接続部66を備える。
なお、電極設定と範囲設定と予備キャパシタンス設定との設定パターンが予め用意されているものとする。ここでは、図21と図22とに示す設定パターンが用意されているものとする。図21は、検出電極S側の静電容量を増加させる場合の設定パターンであり、図22は、検出電極R側の静電容量を増加させる場合の設定パターンである。
静電容量差調整部60は、検出値が検出範囲内の値であるか否かを判定する(S407)。静電容量差調整部60は、検出値が検出範囲内の値である場合(S407でY)、処理をS408へ進め、そうでない場合(S407でN)、処理をS402へ戻す。
検出電極選択部50は、全ての検出電極間の静電容量差を検出したか否かを判定する(S411)。検出電極選択部50は、全ての検出電極間の静電容量差を検出した場合(S411でY)、処理を終了し、そうでない場合(S411でN)、処理をS401へ戻す。
実施の形態4では、設定パターンを予め用意しておき、用意された順に各設定の探索を行った。しかし、フローティングにする電極と駆動信号を印加する電極のパターンは、並列する電極本数をN本、検出電極(束ね数)をM本とすると、2N−Mのパターンがあり、パターン数が膨大である。そのため、全てのパターンを順に試していくと、相当の処理時間が必要になる。また、妥当な探索順序を与えないと、検出の解像度が落ちてしまう。
実施の形態5では、設定パターンを予め用意することなく、妥当な探索を行うことについて説明する。
図24に示す静電容量式検出装置100は、図19に示す実施の形態4に係る静電容量式検出装置100が備える構成に加え、設定探索部90、探索リスト記憶部93を備える。また、設定探索部90は、設定選択部91、パターン生成部92を備える。
検出電極選択部50は、検出電極S及び検出電極Rを選択する(S501)。パターン生成部92は、全ての電極設定のパターンのうちから、X個の電極設定のパターンをランダムに選び、探索パターン記憶部93に探索パターンとして記憶する(S502)。
パターン生成部92は、選択したパターンに対して一様交叉を行い、新たな探索パターンを生成する(S514)。そして、パターン生成部92は、処理をS503へ戻す。
図26では、電極4を検出電極Sとし、電極5を検出電極Rとし、それ以外の電極に対して、ランダムにP(印加電極)、F(非印加電極)と設定している。そして、図25の処理により、各パターンについて、評価値が計算される。
S513では、この確率により選択された複数のパターンに対して一様交叉が行われる。一様交叉は、選択した2つの設定パターンから、例えば図27に示すように各電極の設定値を取り出し、確率1/2で設定値を入れ替えることにより行われる。
このように高い評価値を与える設定値を次の探索に残しておくことによって、高い評価値を与える設定を進化させていくことが可能である。
静電容量式検出装置100は、コンピュータである。静電容量式検出装置100の各要素をプログラムで実現することができる。
静電容量式検出装置100のハードウェア構成としては、バスに、演算装置901、外部記憶装置902、主記憶装置903、通信装置904、入出力装置905が接続されている。
プログラムは、駆動信号印加部20、容量差検出部30、検出電極選択部50、静電容量差調整部60、電極決定部62、検出範囲決定部63、予備キャパシタンス決定部64、ノイズ検出部65、電極接続部70、補正テーブル生成部80、検出値補正部82、設定探索部90、設定選択部91、パターン生成部92として説明している機能を実現するプログラムである。
更に、外部記憶装置902にはオペレーティングシステム(OS)も記憶されており、OSの少なくとも一部が主記憶装置903にロードされ、演算装置901はOSを実行しながら、上記プログラムを実行する。
また、実施の形態1の説明において、検出結果記憶部40、調整設定記憶部61、補正テーブル記憶部81、探索リスト記憶部93が記憶すると説明した情報等が主記憶装置903にファイルとして記憶されている。
Claims (8)
- 電極間の静電容量差を検出する容量差検出部と、
前記容量差検出部が検出した静電容量差に応じて、各電極について印加電極と非印加電極とのどちらに設定するかの電極設定を決定する静電容量差調整部と、
前記静電容量差調整部が決定した前記電極設定において、前記印加電極に設定された電極を接続し、前記非印加電極に設定された電極をフローティングした状態で、駆動信号を印加する駆動信号印加部と
を備えることを特徴とする静電容量式検出装置。 - 前記静電容量差調整部は、前記静電容量差の偏りの大きさと、偏りが発生している電極の位置とに応じて、前記電極設定を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の静電容量式検出装置。 - 前記容量差検出部は、前記駆動信号印加部が駆動信号を印加した後に、前記電極間の静電容量差を再び検出し、
前記静電容量式検出装置は、さらに、
前記容量差検出部が検出した静電容量差が検出範囲内となった場合、前記電極設定を記憶する調整設定記憶部
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の静電容量式検出装置。 - 前記静電容量式検出装置は、さらに、
検出対象の電極に検出対象物を近づけた場合の静電容量差と、いずれの電極にも検出対象物を近づけていない場合の静電容量差との容量差を用いて、基準となる前記電極設定における前記容量差と、検出対象物を検出する場合に用いる前記電極設定における前記容量差との差に基づき、検出対象物を検出する場合に前記容量差検出部が検出した静電容量差を補正する検出値補正部
を備えることを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の静電容量式検出装置。 - 前記静電容量差調整部は、
前記電極設定を決定する電極決定部と、
前記各電極について、静電容量を有する予備キャパシタンスへ接続するか否かの予備キャパシタンス設定を決定する予備キャパシタンス決定部と、
静電容量差の検出範囲を示す範囲設定を決定する検出範囲決定部と
を備え、
前記静電容量差調整部は、前記容量差検出部が検出する静電容量差のノイズが基準範囲内になるように、前記電極設定と前記予備キャパシタンス設定と前記範囲設定とを決定する
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載の静電容量式検出装置。 - 前記静電容量差調整部は、前記電極設定、前記予備キャパシタンス設定、前記範囲設定の順に決定する
ことを特徴とする請求項5に記載の静電容量式検出装置。 - 前記静電容量式検出装置は、さらに、
前記電極設定と前記予備キャパシタンス設定と前記範囲設定との組合せのうち、一部の組合せを探索パターンとして、探索パターンに含まれる組合せについて、順に選択する設定選択部と、
前記設定選択部が選択した組合せに設定した場合におけるノイズを検出するノイズ検出部と、
前記ノイズ検出部が検出したノイズを用いて決定された確率に従い、前記探索パターンに含まれる組合せから1つ以上の組合せを選択して、選択した組合せにおける前記電極設定と前記予備キャパシタンス設定と前記範囲設定との少なくとも1つの設定を一部変更して、新たな探索パターンを生成するパターン生成部と
を備え、
前記設定選択部は、条件を満たすまで、前記パターン生成部が生成した新たな探索パターンに含まれる組合せについて、順に選択し、
前記静電容量差調整部は、前記条件を満たした場合、前記ノイズ検出部が検出したノイズが小さい組合せに、前記電極設定と前記予備キャパシタンス設定と前記範囲設定とを決定する
ことを特徴とする請求項5に記載の静電容量式検出装置。 - 電極間の静電容量差を検出する容量差検出処理と、
前記容量差検出処理で検出した静電容量差に応じて、各電極について印加電極と非印加電極とのどちらにするかの電極設定を決定する静電容量差調整処理と、
前記静電容量差調整処理で決定した前記電極設定において、前記印加電極に決定された電極を接続し、前記非印加電極に決定された電極をフローティングした状態で、駆動信号を印加する駆動信号印加処理と
をコンピュータに実行させることを特徴とする静電容量式検出プログラム。
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