JP4168537B2 - 対角方式座標検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一な面抵抗体を使用した全面アナログ方式の二次元座標検出装置に関し、特に一層の長方形または疑似長方形の面抵抗体を使用した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二層の抵抗膜が押圧点で互いに導通する構造の、通称感圧式タッチパネルと言われている二次元座標検出装置、またはペンから信号を発信し、静電容量結合を介して面抵抗体がこの信号を受信する座標検出装置、及び信号伝達の方向がこれと逆の、面抵抗体の各部を信号駆動し、ペンで受信する座標検出装置、更には面抵抗体全体を電圧振動させて、指または導電物が近接または接触した点の位置を検出するタッチパネル装置、また特殊な例では光の当たる位置を検出するＰＳＤ装置等が知られているが、これらはすべてＸ、Ｙ直交座標系のＸ軸及びＹ軸に平行な電圧印加または電流配分を利用して座標検出していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のものは大きく２種に分類出来て、面抵抗体にＤＣまたはＡＣの電位勾配を強制的に与えて、指示座標点の電圧レベルを検出するものと、面抵抗体の一点に出入りする電流の、４隅へ配分される電流値を計測するものである。前者は面抵抗体に電位勾配を与える駆動電流が大きく、後者は４点へ同時に電流配分されるため、それぞれの信号電流値が小さくなり信号のＳ／Ｎ比が悪化する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、凹パラボラ状の４辺で閉じられ、且つ中心点に関しては対称な疑似長方形または長方形の一層の面抵抗体と、該面抵抗体の４頂点と制御部とに接続されたスイッチ回路とを少なくとも備え、前記スイッチ回路の動作は、始めに前記４頂点の内の一方の対角２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他方の対角２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にし、次にＯＦＦしていた前記２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他の２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にする事で、前記面抵抗体に対して強制的に対角方向の電位勾配をそれぞれ作るかまたは強制的に対角方向の電流配分をそれぞれ作り、該状態での前記制御部における電圧または電流計測結果から数値計算により、前記面抵抗体上の当該二次元位置を算出することを特徴とする対角方式座標検出装置を提案するものである。
【０００５】
【作用】
面抵抗体の対角方向に電位勾配を作ると、負荷抵抗値が大きくなり、駆動電流値が小さくて済む。また、対角方向に電流配分する場合、対角２点に配分するので、４点に配分される従来の場合に比し、それぞれの信号電流値が大きい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
長方形（正方形を含む）または疑似長方形の、一層の均一な面抵抗体を使用した全面アナログ方式の、４頂点の接続点をスイッチ切換えにより対角方向の電位勾配または電流配分から指示座標を検出する装置であり、機械的、電気的、光学的に面抵抗体表面への接触または近接する二次元位置を検出する装置である。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の詳細を添付図面を参照して説明する。図１はＤＣ電位勾配による対角方式の、感圧式座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図である。パネル部１の構造から先ず説明する。可撓板２は透明または不透明の樹脂フィルムまたは０．２ｍｍ厚程度の薄手のガラスの下側（内面側）に導電膜３が成膜されている。導電膜３は抵抗性である必要はなく、抵抗性であっても均一な抵抗値分布の必要性はない。この導電膜３の少なくとも１ヶ所に引き出し線４が接続されている。
【０００８】
下側の長方形板の構成は、透明または不透明な絶縁基板またはガラス基板６の上面（内面側）に均一な面抵抗体５（抵抗膜）が成膜されている。抵抗膜５は不透明なカーボン膜または透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜、ＮＥＳＡ（酸化錫）膜等であり、本実施例では面抵抗値を約１ｋΩ／□とした。抵抗膜５を取り囲む低抵抗性周囲電極７を配設し、その４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）にそれぞれ引き出し線４が接続されている。周囲電極７はカーボンまたは銀カーボン等による均一な線状抵抗電極であり、本実施例において、ＡＢ間及びＣＤ間を約９０Ωとし、ＡＤ間及びＢＣ間を約６０Ωとした。
【０００９】
有効座標検出エリアは周囲電極７の内側全域である。導電膜３及び抵抗膜５は、実際には互いに狭い間隔で平行に配置されている。通常は互いに接触しない様に一定間隔で配置された絶縁性スペーサ（図示せず）で離されている。指またはスタイラス状の押圧物８が可撓板２上の一点（Ｐ）を押圧するとＰ点を中心に可撓板２が撓み、その点の導電膜３が抵抗膜５のｐ点に接触し、その点で上下２層の導電膜３及び抵抗膜５が導通する。
【００１０】
抵抗膜５は、後述の方法でＤＣ電位勾配が時分割で各方向に与えられ、それぞれのＰ点の電圧をＡ／Ｄコンバータ１４でデジタル化し、プロセッサ１５（ＣＰＵ）がＰ点の座標を計算し出力する。
【００１１】
次に抵抗膜５にＤＣ電位勾配を与える方法について説明する。スイッチＡ９（ＳＷA）〜スイッチＤ１２（ＳＷD）のＯＮ／ＯＦＦ状態の組合せにより、ＤＣ電源１３の電圧がＡ〜Ｄ点に印加される。ＤＣ電源１３の電圧をＥとすると、従来はＸ座表検出時はＡ及びＤ点の電圧を零とし、Ｂ及びＣ点の電圧をＥとしていた。この場合に、抵抗膜５の全面を均一な電位勾配とすることが望まれるが、特開昭４７−３６９２３号公報、特許第１５３６７２３号、特開平８−６３２７４号公報、特開平９−１５２９４０号公報等でも各種の改善策が述べられている。
【００１２】
本実施例では、ＡＣ間に電圧Ｅを印加（駆動）する時はＢ及びＤ点をＯＦＦとし、ＢＤ間に電圧Ｅを印加する時はＡ及びＣ点をＯＦＦとする。従ってＤＣ電源１３から見た負荷抵抗が、平均として従来の方法に比し約２倍になり、低消費電流である。
【００１３】
ここで本実施例に於けるｐ点の座標を算出する方法について述べる。今、ＡＣ間に電圧Ｅを印加（駆動）した時の、抵抗膜５上の電位勾配を示す等電位線の実測例を図２に示す。良く見るとこれは等間隔ではなく、各等電位線も直線ではない。面抵抗体５（抵抗膜）の面抵抗値を更に大きくするか、または周囲電極７の抵抗値を更に小さくすれば、図２の等電位線を更に理想に近づけることは可能である。
【００１４】
従って、以後使用する計算式は大変理想状態に近い近似式である。それぞれの周囲電極７の単位長当たりの抵抗値はどれも等しいので、ｐ点を通る等電位線は周囲電極７と約４５°の角をなす。図３に示すように、Ａ点（座標原点とする）を電圧基準点（零電圧点）として、Ｃ点に電圧Ｅを印加した時、ｐ（ｘ、ｙ）点の電位（電圧）ＥCは上記の関係から
ＥC ＝Ｅ（ｘ＋ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・・［式１］
である。ここでＨとＶは抵抗膜５の横と縦のサイズである。
【００１５】
同様にＣ点を電位零としてＡ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥAは
ＥA ＝Ｅ（Ｈ−ｘ＋Ｖ−ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・［式２］
である。同様にＤ点を電位零としてＢ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥBは、
ＥB ＝Ｅ（ｘ＋Ｖ−ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・［式３］
である。同様にＢ点を電圧零としてＤ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥDは、
ＥD ＝Ｅ（Ｈ−ｘ＋ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・［式４］
である。
これらの関係式は、周囲電極７の内側の任意のｐ位置で成立する。
【００１６】
式１〜式４から、
ｘ／Ｈ＝１／２＋（１＋Ｖ／Ｈ）（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／２（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・・［式５］
及び
ｙ／Ｖ＝１／２＋（１＋Ｈ／Ｖ）（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／２（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・・［式６］
を得る。これらは正規化された座標値を意味する。
また式１〜式４から
ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD＝２Ｅ・・・・・・［式７］
の関係があるので式７と式５及び式６を組み合わせることで各種の計算式を導出できるがここでの説明は省略する。
【００１７】
ここで座標系を少し変えて考えてみる。すなわちパネル部１が上下、左右に対称性があることから、中心部を座標原点とし、任意のパネルサイズに容易に適応させるため、正規化したＸ，Ｙ値を使用する。すなわち
−１≦Ｘ≦１・・・・・・［式８］
−１≦Ｙ≦１・・・・・・［式９］
及び両座標系の変換式
ｘ／Ｈ＝（Ｘ＋１）／２・・・・・・［式１０］
ｙ／Ｖ＝（Ｙ＋１）／２・・・・・・［式１１］
を得る。式５，式６を式１０，式１１で変換すると、
正規化Ｘ＝（１＋Ｖ／Ｈ）（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ ＥD）・・・・・・［式１２］
正規化Ｙ＝（１＋Ｈ／Ｖ）（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１３］
を得る。
【００１８】
この式１２及び式１３の意味するところは、
▲１▼ＥA、ＥB、ＥC、ＥDを計測すれば、それから正規化Ｘ、Ｙが求まる。
▲２▼Ｅの値には無関係にＸ，Ｙ値が求まる。つまり、ＤＣ電源１３のドリフト及び出力インピーダンスのゆっくりした変動等に影響されない。
▲３▼図１の導電膜３が長期使用でかなり劣化しても、電圧さえ伝われば良いので、耐久性が高い。
式１２、式１３から求めた座標値は、実際のＸ，Ｙ値に良く近似している。
【００１９】
更に改良を加えた周囲電極７と、その時の実測座標図について説明する。図３の例ではＡＢ間の周囲電極７の方が、ＡＤ間の周囲電極７よりも両端間抵抗値が大きいためにＡＢ間の周囲電極７に近いエリアの検出座標の湾曲性が、ＡＤ間の周囲電極７に近いエリアの検出座標の湾曲性よりも多い。ＡＢ間，ＡＤ間、ＢＣ間、ＣＤ間の抵抗値を同じにすることでこれは改善された。この場合の電位勾配を示す等電位線は図３と少し変わるが、図３の距離を周囲電極７の抵抗値に置き変えて解析すると上述と同様に出来て、結果を記すと、
正規化Ｘ＝２（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１４］
正規化Ｙ＝２（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１５］
を得る。この結果は式１２及び式１３からも類推できることは理解されるであろう。
【００２０】
この場合の算出座標値による検出等座標線を図８、図９に示す。図８の実線は、周囲電極７の各辺の両端間抵抗値を約３００Ωとした時のＸ検出等座標線であり、破線は約６０Ωとした時のＹ検出等座標線の周辺付近と中央部について示したものである。図９は、図８に対応したＹとＸ検出等座標線を示したものである。周囲電極７の抵抗値を小さくした場合の効果は湾曲エラーの少なさとして明らかであるが、消費電流との兼ね合いで決定すればよい。本実施例では、プロセッサ１５がこれらの湾曲性を補正して座標値を出力している。
【００２１】
更に、周囲電極７の各辺の両端間抵抗値を同じにした場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の内のＯＦＦされている点を、ＤＣ電源１３の電圧Ｅの１／２の電圧に接続すれば、パネル部１の個々のバラツキを少なくする効果がある。
【００２２】
上述の計算式は全て、ＤＣ電源１３の代わりにＡＣ電源の場合にも成立する。その場合、検出電圧をＡＣ信号のまま高精度でレベル計測するのは難しいのでＤＣ化するなどのアナログ信号処理をした方が良い。図４は、面抵抗体２２に信号発生器３３によりＡＣ電位勾配を与える、対角方式の静電容量結合型の座標検出装置の一例を示す構成概要図である。スイッチＡ２９〜スイッチＤ３２の４個のスイッチの機能は図１のものと同じである。パネル部２１は図１のものの下側長方形板と同様のものであるが、信号検出ペン２６の先端は面抵抗体２２に直接に接触する必要がないので、面抵抗体２２の表面は絶縁層で覆われている。
【００２３】
面抵抗体２２の、ペン２６の先端に近い位置のＡＣ信号レベルは、静電容量結合２５を介してペン２６に伝わり、更にペンケーブル２７を介してアナログ信号処理部３４に伝わる。アナログ信号処理部３４内には、増幅器、バンドパスフィルタ、ＡＣ／ＤＣ変換器（ＡＭ検波器）等があり、入力ＡＣ信号レベルに比例したＤＣレベルを出力する。Ａ／Ｄコンバータ３５及びプロセッサ３６は図１のものと同様である。
【００２４】
図１のものと同じく、図４の装置もパネル部２１を駆動するための消費電流は、従来のものに比し平均的に約１／２で済む。座標計算式は、上述のものがすべて使用可能である。その理由は、上述のすべての計算式は、各計測レベルの比に基づいているために、リニアなアナログ処理を重ねても計算結果に影響しない。つまり、静電容量２５が大きく変わっても、ＡＣ信号発生器の出力レベルが個々にバラツイても、アナログ処理部３４のゲインがバラツイても、ペン２６の先端のパネル部２１上の座標が高精度に検出される。
【００２５】
次に、ペン４５から面抵抗体４２に電流印加する対角方式の座標検出装置の一例を図５に示す。パネル部４１は図４のものと同様であるが、ＤＣ信号電流を利用しているので、面抵抗体４２の表面の絶縁層はない。パネル部４１のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点は、スイッチＡ４８、スイッチＢ４９、スイッチＣ５０、スイッチＤ５１をそれぞれ介して、演算増幅器５８，・・・・のインバート入力端子に図５に示すように接続されている。各演算増幅器５８，・・・はそのインバート入力端子の電圧を、ＤＣ電源５２と同じ（例えば１．５Ｖ）に保持する様に働く、と共に入力電流を出力電圧に変換する。そのトランスインピーダンス値はフィードバック抵抗５７（例えば１５０ｋΩ）と同じ値になる。
【００２６】
従来のこの種の装置は、スイッチＡ４８〜スイッチＤ５１のすべてをＯＮにしたのと同じ接続で使用していた。スイッチ５５がＯＮしている時に、電流印加ペン４５の先端が面抵抗体４２の表面に接触すると、電流印加抵抗５３（例えば７５ｋΩ）を介して面抵抗体４２にＤＣ電流（本実施例では約２０μＡ）が流れる。この約２０μＡのＤＣ電流は周囲電極４３を介して４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）に配分され、前述の電圧に変換され、アナログマルチプレクサ５９により順次Ａ／Ｄコンバータ６０に印加される。
【００２７】
スイッチ５５をＯＦＦにすると、ペン４５の座標指示を無効にする。抵抗５４はペン４５が静電気等により帯電することを防止する高抵抗（例えば３３０ｋΩ）である。フィードバックコンデンサ５６は、不要なＡＣ成分を少なくすることと、演算増幅器５８の安定動作のための、例えば６８０ｐＦである。
【００２８】
ここで面抵抗体４２及び周囲電極４３による電流配分と検出座標について説明する。図６はパネル部４１に流れる電流のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点への電流配分説明図である。今、スイッチＡ４８（ＳＷA）〜スイッチＤ５１（ＳＷD）のすべてがＯＮしているとする。また電流ｉがｐ（Ｘ、Ｙ）点に印加されているとする。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れる電流を図示するように計測出来るようにし、しかしその計測部の抵抗値は零とする。従ってＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点は等電位に保持される。
【００２９】
ここでもパネル中心部を座標原点とし、正規化したＸ、Ｙ値を使用する。ＸとＹの範囲は式８及び式９と同じである。この場合の近似式を求めることは出来た。今、ｐ点を通るＸ、Ｙ軸に平行な線により有効エリアを図示するように４分割して考える。その面積をそれぞれＳ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4とする。
【００３０】
ここでＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点へ配分される電流値は、その対角方向の面積に比例すると仮定してみる。例えばＡ点に流れる電流値はＳ3に比例すると仮定する。すなわち、
ｉA＝ｉＳ3／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１６］
ｉB＝ｉＳ4／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１７］
ｉC＝ｉＳ1／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１８］
ｉD＝ｉＳ2／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１９］
また各面積は、
Ｓ1 ＝（１＋Ｘ）（１＋Ｙ）・・・・・［式２０］
Ｓ2 ＝（１−Ｘ）（１＋Ｙ）・・・・・［式２１］
Ｓ3 ＝（１−Ｘ）（１−Ｙ）・・・・・［式２２］
Ｓ4 ＝（１＋Ｘ）（１−Ｙ）・・・・・［式２３］
である。また式２０〜式２３から
（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）＝４・・・・・［式２４］
を得る。
【００３１】
式１６〜式２４までを使用し、多くのパラメータと、実験誤差を少なくするために同一パラメータにより製作した多数個のパネルにより得た実験結果によると、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値が低くなるに従い、実測ｉA〜ｉDは任意のｐ点について限りなく上記仮定式の値に近づくことが判明した。また、面抵抗体４２の面抵抗値を低くした場合は、それに比例して周囲電極４３の抵抗値を低くすると、仮定式による値と実測値の誤差範囲が同じになることも判明した。
【００３２】
因みに一例を上げると、面抵抗体４２の面抵抗値が１ｋΩ／□であり、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値が３５Ωの場合、ｉA〜ｉDの仮定計算値と実測値との差は、任意のｐ点位置で、最大でも１．５％であった。ここまで計算値が一致すると、実際上は面抵抗体４２の不均一性による誤差の方が多くなる。従って、周囲電極４３の抵抗値が面抵抗体４２の面抵抗値に比し、充分に低い場合、式１６〜式１９は非常に良い近似式と言い得る。
【００３３】
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の４点に同時に電流ｉを配分しないで、対角方向の２点に同時に配分することを考えてみる。つまりｉAとｉCを計測する時はスイッチＡ４８（ＳＷA）とスイッチＣ５０（ＳＷC）とをＯＮし、スイッチＢ４９（ＳＷB）とスイッチＤ５１（ＳＷD）とをＯＦＦする。またｉBとｉDを計測する時は、スイッチＢ４９（ＳＷB）とスイッチＤ５１（ＳＷD）とをＯＮし、スイッチＡ４８（ＳＷA）とスイッチＣ５０（ＳＷC）とをＯＦＦする。これらの対角方向への電流配分の計測を時分割で行う。これらの配分電流値を以後ｉA〜ｉDと表記する。
【００３４】
この場合の（対角方式に於いての）ｉAは、同時４点配分時のＡ点に流れる電流と、同時４点配分時のＢ点に流れる電流の内のＡ点に配分される電流、つまり（４配分時のＢ電流）ＲY／（ＲX＋ＲY）と、同時４点配分時のＤ点に流れる電流の内のＡ点に配分される電流、つまり（４配分時のＤ電流）ＲX／（ＲX＋ＲY）との和となる。ここでＲXは周囲電極４３のＡＢ間及びＣＤ間の抵抗値であり、ＲYは周囲電極４３のＡＤ間及びＢＣ間の抵抗値である。
【００３５】
従って、
ｉA＝ｉＳ3／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ4ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ2ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２５］
同様に、
ｉC＝ｉＳ1／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ4ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ2ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２６］また、
ｉB＝ｉＳ4／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ3ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ1ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２７］
ｉD＝ｉＳ2／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ3ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ1ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２８］
となる。
【００３６】
式２０〜式２４及び式２５〜式２８からＸ、Ｙについて解き、ｉA，ｉB，ｉC，ｉDで表現すると、
Ｘ＝（１＋ＲY／ＲX）（ｉB＋ｉC−ｉA−ｉD）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式２９］
Ｙ＝（１＋ＲX／ＲY）（ｉC＋ｉD−ｉA−ｉB）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３０］
を得る。
【００３７】
ここで得た結果の式２９及び式３０は、式１２及び式１３と形が全く同じである。また
ｉA＋ｉC＝ｉB＋ｉD・・・・・・［式３１］
の関係があるので、式２９及び式３０は各種の変形が出来るが、ここでの説明は省略する。
【００３８】
図５の実施例でもやはり、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値を同じにすることで、縦と横の周辺近くの湾曲性を同程度とすることが出来た。この場合の座標計算式は式２９及び式３０から、
Ｘ＝２（ｉB＋ｉC−ｉA−ｉD）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３２］
Ｙ＝２（ｉC＋ｉD−ｉA−ｉB）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３３］
となる。
【００３９】
本実施例での式３２及び式３３を使用した実測座標パターンは、図１のパネル部１の下側長方形板と同条件の時、図８及び図９に示したものと同じであった。式２９〜式３３はＤＣ信号のみならずＡＣ信号でも成立する。またＤＣ信号時、電流の向きは正でも負でもよい。図５に示す回路は、負の電流をパネル部４１に印加する例である。
【００４０】
ここでＡＣ信号を使用したタッチパネル装置について説明する。図７に示す実施例は、ＡＣ電流配分による対角方式の座標検出装置（タッチパネル装置）としたものである。パネル部７１は図４または図５のものと同じである。ＡＣ信号源としての振動電圧発生器８２が、アナログ信号処理部８３内の各振動電圧印加回路８４（パネル部７１の信号入力回路）に振動電圧を与える。振動電圧印加回路８４は、そのパネル入力部を低インピーダンスで振動させ、且つアナログマルチプレクサ８５にパネルからの電流を出力する。その簡単な例は、トランジスタのベースをＡＣ信号で振動させ、エミッタをパネルと接続し、コレクタから電流出力するものがある。
【００４１】
スイッチＡ７８〜スイッチＤ８１の機能は図５に示したものと同じである。従って面抵抗体７２は全面が振動電圧発生器８２の出力電圧に従い電圧振動する。また人体は、従来から知られている様にＡＣ信号に対して接地効果を持っており、その指７５が面抵抗体７２に接触または近接した時に、その指先を通して面抵抗体７２にＡＣ信号電流が流れる。座標の算出方法は図５の例と同じである。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点を流れる電流に比例した電圧をＡ／Ｄコンバータ８６に印加するので、式２９，式３０または式３２，式３３の各電流値の代わりに、それに比例した各電圧値で計算してよい。また指７５に流れる電流の大きさは、本質的に計算結果に影響しない。
【００４２】
図５及び図７に示した例では、従来の４頂点に同時に電流を配分する場合よりも、各頂点の電流が平均的に約２倍になり、信号のＳ／Ｎ比が良いので算出座標の精度が従来よりも良くなる効果を得た。
【００４３】
次に、面抵抗体を取り囲む周囲電極が無い場合について説明する。図１，図４，図５，図７のものに、周囲電極が無い面抵抗体のパネルを使用し、式１２，式１３または式２９，式３０により座標を算出すると、皆同様の座標パターンとなり、図１０及び図１１に示す。これらの検出等座標線のＸ側とＹ側パターンが略平行となる４頂点付近は、略一次元要素のみの情報量しかなく、そこは使用に耐えないが、中央付近は内蔵するプロセッサで補正を掛けながら使用可能となる。このパネル構造でも、本発明の対角方式は、面抵抗体を駆動する場合の駆動電流が少なくなり、電流配分を利用する場合の各頂点に流れる電流が多くなるメリットを持つ。
【００４４】
次に、面抵抗体パネルの形が、図１２に示す様な、中心点に関して対象な、凹パラボラ条の４辺で閉じられた形（疑似長方形）を有する場合について述べる。長方形の面抵抗体の場合、図８〜図１１で示した様に、多かれ少なかれ湾曲した検出座標パターンとなるが、それを改善する為に考えられたものが図１２に示す形状の面抵抗体のパネル９０である。この形状でも周囲電極があるものと無いものとが可能だが、いずれにしても本発明の対角方式を利用出来て、同様のメリットを持つ。
【００４５】
次にＰＳＤ（半導体光位置検出器）を用いた装置について述べる。光が当たった位置に発生する電荷が、抵抗層を通じて外周部に配分され、それを検出して光位置を判定する。その内、一層の抵抗層とその周辺４点の検出端子を持つものは、本発明の対角方式により、各端子の検出電流が平均的に約２倍になり検出精度が従来より向上する。
【００４６】
【発明の効果】
パネル部に電位勾配を与え、その電圧により座標情報を検出する場合は、パネル部を駆動するための消費電流が削減され、またパネル部の電流配分から座標を検出する場合は、パネル部の各検出端子の電流が多くなり、Ｓ／Ｎ比が良くなり検出座標精度が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＤＣ電位勾配による対角方式の、感圧式座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図
【図２】 図１に示す装置のＡＣ間を電圧駆動した時の、面抵抗体５上の等電位線の実測図の一例
【図３】 ＤＣ電位勾配を利用した対角方式の、座標計算の説明図
【図４】 ＡＣ電位勾配による対角方式の、ペンによる静電容量結合型座標検出装置の一例を示す構成概要図
【図５】 ＤＣ電流配分による対角方式の、座標検出装置の一例を示す構成概要図
【図６】 ＤＣ電流配分を利用した対角方式の、座標計算の説明図
【図７】 ＡＣ電流配分による対角方式の、座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図
【図８】 対角方式の座標検出装置の、検出等座標線のＸ方向の実測図の一例
【図９】 対角方式の座標検出装置の、検出等座標線のＹ方向の実測図の一例
【図１０】 対角方式の座標検出装置の、面抵抗体の周囲の抵抗性電極が無い場合の、検出等座標線のＸ方向の実測図
【図１１】 対角方式の座標検出装置の、面抵抗体の周囲の抵抗性電極が無い場合の、検出等座標線のＹ方向の実測図
【図１２】 検出等座標線の湾曲性を改善する、対角方式の面抵抗体の疑似長方形の形状図
【符号の説明】
１ パネル部
２ 可撓板
３ 導電膜
４ 引き出し線
５ 面抵抗体
６ 基板（ガラス等）
７ 面抵抗体５を取囲む低抵抗性周囲電極
８ 指またはスタイラス状の押圧物
９ スイッチＡ
１０ スイッチＢ
１１ スイッチＣ
１２ スイッチＤ
１３ ＤＣ電源
１４ Ａ／Ｄコンバータ
１５ プロセッサ
２１ パネル部
２２ 面抵抗体
２３ 面抵抗体２２を取囲む低抵抗性周囲電極
２４ 基板
２５ 静電容量結合
２６ 信号検出ペン
２７ ペンケーブル
２８ 引出し線
２９ スイッチＡ
３０ スイッチＢ
３１ スイッチＣ
３２ スイッチＤ
３３ ＡＣ信号発生器
３４ アナログ信号処理部
３５ Ａ／Ｄコンバータ
３６ プロセッサ
４１ パネル部
４２ 面抵抗体
４３ 周囲電極
４４ 基板
４５ 電流印加ペン
４６ ペンケーブル
４７ 引出し線
４８ スイッチＡ
４９ スイッチＢ
５０ スイッチＣ
５１ スイッチＤ
５２ ＤＣ電源（例えば１．５Ｖ）
５３ 電流印加抵抗（例えば７５ｋΩ）
５４ 抵抗（例えば３３０ｋΩ）
５５ スイッチ
５６ フィードバックコンデンサ（例えば６８０ｐＦ）
５７ フィードバック兼電流／電圧変換抵抗（例えば１５０ｋΩ）
５８ 演算増幅器
５９ アナログマルチプレクサ
６０ Ａ／Ｄコンバータ
６１ プロセッサ
７１ パネル部
７２ 面抵抗体
７３ 周囲電極
７４ 基板
７５ 指
７６ 接地効果等価容量
７７ 接地効果等価抵抗
７８ スイッチＡ
７９ スイッチＢ
８０ スイッチＣ
８１ スイッチＤ
８２ 振動電圧発生器
８３ アナログ信号処理部
８４ 振動電圧印加回路
８５ アナログマルチプレクサ
８６ Ａ／Ｄコンバータ
８７ プロセッサ
９０ 面抵抗体パネル
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一な面抵抗体を使用した全面アナログ方式の二次元座標検出装置に関し、特に一層の長方形または疑似長方形の面抵抗体を使用した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二層の抵抗膜が押圧点で互いに導通する構造の、通称感圧式タッチパネルと言われている二次元座標検出装置、またはペンから信号を発信し、静電容量結合を介して面抵抗体がこの信号を受信する座標検出装置、及び信号伝達の方向がこれと逆の、面抵抗体の各部を信号駆動し、ペンで受信する座標検出装置、更には面抵抗体全体を電圧振動させて、指または導電物が近接または接触した点の位置を検出するタッチパネル装置、また特殊な例では光の当たる位置を検出するＰＳＤ装置等が知られているが、これらはすべてＸ、Ｙ直交座標系のＸ軸及びＹ軸に平行な電圧印加または電流配分を利用して座標検出していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のものは大きく２種に分類出来て、面抵抗体にＤＣまたはＡＣの電位勾配を強制的に与えて、指示座標点の電圧レベルを検出するものと、面抵抗体の一点に出入りする電流の、４隅へ配分される電流値を計測するものである。前者は面抵抗体に電位勾配を与える駆動電流が大きく、後者は４点へ同時に電流配分されるため、それぞれの信号電流値が小さくなり信号のＳ／Ｎ比が悪化する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、凹パラボラ状の４辺で閉じられ、且つ中心点に関しては対称な疑似長方形または長方形の一層の面抵抗体と、該面抵抗体の４頂点と制御部とに接続されたスイッチ回路とを少なくとも備え、前記スイッチ回路の動作は、始めに前記４頂点の内の一方の対角２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他方の対角２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にし、次にＯＦＦしていた前記２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他の２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にする事で、前記面抵抗体に対して強制的に対角方向の電位勾配をそれぞれ作るかまたは強制的に対角方向の電流配分をそれぞれ作り、該状態での前記制御部における電圧または電流計測結果から数値計算により、前記面抵抗体上の当該二次元位置を算出することを特徴とする対角方式座標検出装置を提案するものである。
【０００５】
【作用】
面抵抗体の対角方向に電位勾配を作ると、負荷抵抗値が大きくなり、駆動電流値が小さくて済む。また、対角方向に電流配分する場合、対角２点に配分するので、４点に配分される従来の場合に比し、それぞれの信号電流値が大きい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
長方形（正方形を含む）または疑似長方形の、一層の均一な面抵抗体を使用した全面アナログ方式の、４頂点の接続点をスイッチ切換えにより対角方向の電位勾配または電流配分から指示座標を検出する装置であり、機械的、電気的、光学的に面抵抗体表面への接触または近接する二次元位置を検出する装置である。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の詳細を添付図面を参照して説明する。図１はＤＣ電位勾配による対角方式の、感圧式座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図である。パネル部１の構造から先ず説明する。可撓板２は透明または不透明の樹脂フィルムまたは０．２ｍｍ厚程度の薄手のガラスの下側（内面側）に導電膜３が成膜されている。導電膜３は抵抗性である必要はなく、抵抗性であっても均一な抵抗値分布の必要性はない。この導電膜３の少なくとも１ヶ所に引き出し線４が接続されている。
【０００８】
下側の長方形板の構成は、透明または不透明な絶縁基板またはガラス基板６の上面（内面側）に均一な面抵抗体５（抵抗膜）が成膜されている。抵抗膜５は不透明なカーボン膜または透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜、ＮＥＳＡ（酸化錫）膜等であり、本実施例では面抵抗値を約１ｋΩ／□とした。抵抗膜５を取り囲む低抵抗性周囲電極７を配設し、その４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）にそれぞれ引き出し線４が接続されている。周囲電極７はカーボンまたは銀カーボン等による均一な線状抵抗電極であり、本実施例において、ＡＢ間及びＣＤ間を約９０Ωとし、ＡＤ間及びＢＣ間を約６０Ωとした。
【０００９】
有効座標検出エリアは周囲電極７の内側全域である。導電膜３及び抵抗膜５は、実際には互いに狭い間隔で平行に配置されている。通常は互いに接触しない様に一定間隔で配置された絶縁性スペーサ（図示せず）で離されている。指またはスタイラス状の押圧物８が可撓板２上の一点（Ｐ）を押圧するとＰ点を中心に可撓板２が撓み、その点の導電膜３が抵抗膜５のｐ点に接触し、その点で上下２層の導電膜３及び抵抗膜５が導通する。
【００１０】
抵抗膜５は、後述の方法でＤＣ電位勾配が時分割で各方向に与えられ、それぞれのＰ点の電圧をＡ／Ｄコンバータ１４でデジタル化し、プロセッサ１５（ＣＰＵ）がＰ点の座標を計算し出力する。
【００１１】
次に抵抗膜５にＤＣ電位勾配を与える方法について説明する。スイッチＡ９（ＳＷA）〜スイッチＤ１２（ＳＷD）のＯＮ／ＯＦＦ状態の組合せにより、ＤＣ電源１３の電圧がＡ〜Ｄ点に印加される。ＤＣ電源１３の電圧をＥとすると、従来はＸ座表検出時はＡ及びＤ点の電圧を零とし、Ｂ及びＣ点の電圧をＥとしていた。この場合に、抵抗膜５の全面を均一な電位勾配とすることが望まれるが、特開昭４７−３６９２３号公報、特許第１５３６７２３号、特開平８−６３２７４号公報、特開平９−１５２９４０号公報等でも各種の改善策が述べられている。
【００１２】
本実施例では、ＡＣ間に電圧Ｅを印加（駆動）する時はＢ及びＤ点をＯＦＦとし、ＢＤ間に電圧Ｅを印加する時はＡ及びＣ点をＯＦＦとする。従ってＤＣ電源１３から見た負荷抵抗が、平均として従来の方法に比し約２倍になり、低消費電流である。
【００１３】
ここで本実施例に於けるｐ点の座標を算出する方法について述べる。今、ＡＣ間に電圧Ｅを印加（駆動）した時の、抵抗膜５上の電位勾配を示す等電位線の実測例を図２に示す。良く見るとこれは等間隔ではなく、各等電位線も直線ではない。面抵抗体５（抵抗膜）の面抵抗値を更に大きくするか、または周囲電極７の抵抗値を更に小さくすれば、図２の等電位線を更に理想に近づけることは可能である。
【００１４】
従って、以後使用する計算式は大変理想状態に近い近似式である。それぞれの周囲電極７の単位長当たりの抵抗値はどれも等しいので、ｐ点を通る等電位線は周囲電極７と約４５°の角をなす。図３に示すように、Ａ点（座標原点とする）を電圧基準点（零電圧点）として、Ｃ点に電圧Ｅを印加した時、ｐ（ｘ、ｙ）点の電位（電圧）ＥCは上記の関係から
ＥC ＝Ｅ（ｘ＋ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・・［式１］
である。ここでＨとＶは抵抗膜５の横と縦のサイズである。
【００１５】
同様にＣ点を電位零としてＡ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥAは
ＥA ＝Ｅ（Ｈ−ｘ＋Ｖ−ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・［式２］
である。同様にＤ点を電位零としてＢ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥBは、
ＥB ＝Ｅ（ｘ＋Ｖ−ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・［式３］
である。同様にＢ点を電圧零としてＤ点へ電圧Ｅを印加した時のｐ点の電圧ＥDは、
ＥD ＝Ｅ（Ｈ−ｘ＋ｙ）／（Ｈ＋Ｖ）・・・・・・［式４］
である。
これらの関係式は、周囲電極７の内側の任意のｐ位置で成立する。
【００１６】
式１〜式４から、
ｘ／Ｈ＝１／２＋（１＋Ｖ／Ｈ）（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／２（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・・［式５］
及び
ｙ／Ｖ＝１／２＋（１＋Ｈ／Ｖ）（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／２（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・・［式６］
を得る。これらは正規化された座標値を意味する。
また式１〜式４から
ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD＝２Ｅ・・・・・・［式７］
の関係があるので式７と式５及び式６を組み合わせることで各種の計算式を導出できるがここでの説明は省略する。
【００１７】
ここで座標系を少し変えて考えてみる。すなわちパネル部１が上下、左右に対称性があることから、中心部を座標原点とし、任意のパネルサイズに容易に適応させるため、正規化したＸ，Ｙ値を使用する。すなわち
−１≦Ｘ≦１・・・・・・［式８］
−１≦Ｙ≦１・・・・・・［式９］
及び両座標系の変換式
ｘ／Ｈ＝（Ｘ＋１）／２・・・・・・［式１０］
ｙ／Ｖ＝（Ｙ＋１）／２・・・・・・［式１１］
を得る。式５，式６を式１０，式１１で変換すると、
正規化Ｘ＝（１＋Ｖ／Ｈ）（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ ＥD）・・・・・・［式１２］
正規化Ｙ＝（１＋Ｈ／Ｖ）（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１３］
を得る。
【００１８】
この式１２及び式１３の意味するところは、
▲１▼ＥA、ＥB、ＥC、ＥDを計測すれば、それから正規化Ｘ、Ｙが求まる。
▲２▼Ｅの値には無関係にＸ，Ｙ値が求まる。つまり、ＤＣ電源１３のドリフト及び出力インピーダンスのゆっくりした変動等に影響されない。
▲３▼図１の導電膜３が長期使用でかなり劣化しても、電圧さえ伝われば良いので、耐久性が高い。
式１２、式１３から求めた座標値は、実際のＸ，Ｙ値に良く近似している。
【００１９】
更に改良を加えた周囲電極７と、その時の実測座標図について説明する。図３の例ではＡＢ間の周囲電極７の方が、ＡＤ間の周囲電極７よりも両端間抵抗値が大きいためにＡＢ間の周囲電極７に近いエリアの検出座標の湾曲性が、ＡＤ間の周囲電極７に近いエリアの検出座標の湾曲性よりも多い。ＡＢ間，ＡＤ間、ＢＣ間、ＣＤ間の抵抗値を同じにすることでこれは改善された。この場合の電位勾配を示す等電位線は図３と少し変わるが、図３の距離を周囲電極７の抵抗値に置き変えて解析すると上述と同様に出来て、結果を記すと、
正規化Ｘ＝２（ＥB＋ＥC−ＥA−ＥD）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１４］
正規化Ｙ＝２（ＥC＋ＥD−ＥA−ＥB）／（ＥA＋ＥB＋ＥC＋ＥD）・・・・・・［式１５］
を得る。この結果は式１２及び式１３からも類推できることは理解されるであろう。
【００２０】
この場合の算出座標値による検出等座標線を図８、図９に示す。図８の実線は、周囲電極７の各辺の両端間抵抗値を約３００Ωとした時のＸ検出等座標線であり、破線は約６０Ωとした時のＹ検出等座標線の周辺付近と中央部について示したものである。図９は、図８に対応したＹとＸ検出等座標線を示したものである。周囲電極７の抵抗値を小さくした場合の効果は湾曲エラーの少なさとして明らかであるが、消費電流との兼ね合いで決定すればよい。本実施例では、プロセッサ１５がこれらの湾曲性を補正して座標値を出力している。
【００２１】
更に、周囲電極７の各辺の両端間抵抗値を同じにした場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の内のＯＦＦされている点を、ＤＣ電源１３の電圧Ｅの１／２の電圧に接続すれば、パネル部１の個々のバラツキを少なくする効果がある。
【００２２】
上述の計算式は全て、ＤＣ電源１３の代わりにＡＣ電源の場合にも成立する。その場合、検出電圧をＡＣ信号のまま高精度でレベル計測するのは難しいのでＤＣ化するなどのアナログ信号処理をした方が良い。図４は、面抵抗体２２に信号発生器３３によりＡＣ電位勾配を与える、対角方式の静電容量結合型の座標検出装置の一例を示す構成概要図である。スイッチＡ２９〜スイッチＤ３２の４個のスイッチの機能は図１のものと同じである。パネル部２１は図１のものの下側長方形板と同様のものであるが、信号検出ペン２６の先端は面抵抗体２２に直接に接触する必要がないので、面抵抗体２２の表面は絶縁層で覆われている。
【００２３】
面抵抗体２２の、ペン２６の先端に近い位置のＡＣ信号レベルは、静電容量結合２５を介してペン２６に伝わり、更にペンケーブル２７を介してアナログ信号処理部３４に伝わる。アナログ信号処理部３４内には、増幅器、バンドパスフィルタ、ＡＣ／ＤＣ変換器（ＡＭ検波器）等があり、入力ＡＣ信号レベルに比例したＤＣレベルを出力する。Ａ／Ｄコンバータ３５及びプロセッサ３６は図１のものと同様である。
【００２４】
図１のものと同じく、図４の装置もパネル部２１を駆動するための消費電流は、従来のものに比し平均的に約１／２で済む。座標計算式は、上述のものがすべて使用可能である。その理由は、上述のすべての計算式は、各計測レベルの比に基づいているために、リニアなアナログ処理を重ねても計算結果に影響しない。つまり、静電容量２５が大きく変わっても、ＡＣ信号発生器の出力レベルが個々にバラツイても、アナログ処理部３４のゲインがバラツイても、ペン２６の先端のパネル部２１上の座標が高精度に検出される。
【００２５】
次に、ペン４５から面抵抗体４２に電流印加する対角方式の座標検出装置の一例を図５に示す。パネル部４１は図４のものと同様であるが、ＤＣ信号電流を利用しているので、面抵抗体４２の表面の絶縁層はない。パネル部４１のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点は、スイッチＡ４８、スイッチＢ４９、スイッチＣ５０、スイッチＤ５１をそれぞれ介して、演算増幅器５８，・・・・のインバート入力端子に図５に示すように接続されている。各演算増幅器５８，・・・はそのインバート入力端子の電圧を、ＤＣ電源５２と同じ（例えば１．５Ｖ）に保持する様に働く、と共に入力電流を出力電圧に変換する。そのトランスインピーダンス値はフィードバック抵抗５７（例えば１５０ｋΩ）と同じ値になる。
【００２６】
従来のこの種の装置は、スイッチＡ４８〜スイッチＤ５１のすべてをＯＮにしたのと同じ接続で使用していた。スイッチ５５がＯＮしている時に、電流印加ペン４５の先端が面抵抗体４２の表面に接触すると、電流印加抵抗５３（例えば７５ｋΩ）を介して面抵抗体４２にＤＣ電流（本実施例では約２０μＡ）が流れる。この約２０μＡのＤＣ電流は周囲電極４３を介して４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）に配分され、前述の電圧に変換され、アナログマルチプレクサ５９により順次Ａ／Ｄコンバータ６０に印加される。
【００２７】
スイッチ５５をＯＦＦにすると、ペン４５の座標指示を無効にする。抵抗５４はペン４５が静電気等により帯電することを防止する高抵抗（例えば３３０ｋΩ）である。フィードバックコンデンサ５６は、不要なＡＣ成分を少なくすることと、演算増幅器５８の安定動作のための、例えば６８０ｐＦである。
【００２８】
ここで面抵抗体４２及び周囲電極４３による電流配分と検出座標について説明する。図６はパネル部４１に流れる電流のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点への電流配分説明図である。今、スイッチＡ４８（ＳＷA）〜スイッチＤ５１（ＳＷD）のすべてがＯＮしているとする。また電流ｉがｐ（Ｘ、Ｙ）点に印加されているとする。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れる電流を図示するように計測出来るようにし、しかしその計測部の抵抗値は零とする。従ってＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点は等電位に保持される。
【００２９】
ここでもパネル中心部を座標原点とし、正規化したＸ、Ｙ値を使用する。ＸとＹの範囲は式８及び式９と同じである。この場合の近似式を求めることは出来た。今、ｐ点を通るＸ、Ｙ軸に平行な線により有効エリアを図示するように４分割して考える。その面積をそれぞれＳ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4とする。
【００３０】
ここでＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点へ配分される電流値は、その対角方向の面積に比例すると仮定してみる。例えばＡ点に流れる電流値はＳ3に比例すると仮定する。すなわち、
ｉA＝ｉＳ3／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１６］
ｉB＝ｉＳ4／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１７］
ｉC＝ｉＳ1／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１８］
ｉD＝ｉＳ2／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）・・・・［式１９］
また各面積は、
Ｓ1 ＝（１＋Ｘ）（１＋Ｙ）・・・・・［式２０］
Ｓ2 ＝（１−Ｘ）（１＋Ｙ）・・・・・［式２１］
Ｓ3 ＝（１−Ｘ）（１−Ｙ）・・・・・［式２２］
Ｓ4 ＝（１＋Ｘ）（１−Ｙ）・・・・・［式２３］
である。また式２０〜式２３から
（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）＝４・・・・・［式２４］
を得る。
【００３１】
式１６〜式２４までを使用し、多くのパラメータと、実験誤差を少なくするために同一パラメータにより製作した多数個のパネルにより得た実験結果によると、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値が低くなるに従い、実測ｉA〜ｉDは任意のｐ点について限りなく上記仮定式の値に近づくことが判明した。また、面抵抗体４２の面抵抗値を低くした場合は、それに比例して周囲電極４３の抵抗値を低くすると、仮定式による値と実測値の誤差範囲が同じになることも判明した。
【００３２】
因みに一例を上げると、面抵抗体４２の面抵抗値が１ｋΩ／□であり、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値が３５Ωの場合、ｉA〜ｉDの仮定計算値と実測値との差は、任意のｐ点位置で、最大でも１．５％であった。ここまで計算値が一致すると、実際上は面抵抗体４２の不均一性による誤差の方が多くなる。従って、周囲電極４３の抵抗値が面抵抗体４２の面抵抗値に比し、充分に低い場合、式１６〜式１９は非常に良い近似式と言い得る。
【００３３】
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の４点に同時に電流ｉを配分しないで、対角方向の２点に同時に配分することを考えてみる。つまりｉAとｉCを計測する時はスイッチＡ４８（ＳＷA）とスイッチＣ５０（ＳＷC）とをＯＮし、スイッチＢ４９（ＳＷB）とスイッチＤ５１（ＳＷD）とをＯＦＦする。またｉBとｉDを計測する時は、スイッチＢ４９（ＳＷB）とスイッチＤ５１（ＳＷD）とをＯＮし、スイッチＡ４８（ＳＷA）とスイッチＣ５０（ＳＷC）とをＯＦＦする。これらの対角方向への電流配分の計測を時分割で行う。これらの配分電流値を以後ｉA〜ｉDと表記する。
【００３４】
この場合の（対角方式に於いての）ｉAは、同時４点配分時のＡ点に流れる電流と、同時４点配分時のＢ点に流れる電流の内のＡ点に配分される電流、つまり（４配分時のＢ電流）ＲY／（ＲX＋ＲY）と、同時４点配分時のＤ点に流れる電流の内のＡ点に配分される電流、つまり（４配分時のＤ電流）ＲX／（ＲX＋ＲY）との和となる。ここでＲXは周囲電極４３のＡＢ間及びＣＤ間の抵抗値であり、ＲYは周囲電極４３のＡＤ間及びＢＣ間の抵抗値である。
【００３５】
従って、
ｉA＝ｉＳ3／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ4ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ2ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２５］
同様に、
ｉC＝ｉＳ1／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ4ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ2ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２６］また、
ｉB＝ｉＳ4／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ3ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ1ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２７］
ｉD＝ｉＳ2／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）
＋ｉＳ3ＲX／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）
＋ｉＳ1ＲY／（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3＋Ｓ4）（ＲX＋ＲY）・・・［式２８］
となる。
【００３６】
式２０〜式２４及び式２５〜式２８からＸ、Ｙについて解き、ｉA，ｉB，ｉC，ｉDで表現すると、
Ｘ＝（１＋ＲY／ＲX）（ｉB＋ｉC−ｉA−ｉD）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式２９］
Ｙ＝（１＋ＲX／ＲY）（ｉC＋ｉD−ｉA−ｉB）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３０］
を得る。
【００３７】
ここで得た結果の式２９及び式３０は、式１２及び式１３と形が全く同じである。また
ｉA＋ｉC＝ｉB＋ｉD・・・・・・［式３１］
の関係があるので、式２９及び式３０は各種の変形が出来るが、ここでの説明は省略する。
【００３８】
図５の実施例でもやはり、周囲電極４３の各辺の両端間抵抗値を同じにすることで、縦と横の周辺近くの湾曲性を同程度とすることが出来た。この場合の座標計算式は式２９及び式３０から、
Ｘ＝２（ｉB＋ｉC−ｉA−ｉD）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３２］
Ｙ＝２（ｉC＋ｉD−ｉA−ｉB）／（ｉA＋ｉB＋ｉC＋ｉD）・・・・［式３３］
となる。
【００３９】
本実施例での式３２及び式３３を使用した実測座標パターンは、図１のパネル部１の下側長方形板と同条件の時、図８及び図９に示したものと同じであった。式２９〜式３３はＤＣ信号のみならずＡＣ信号でも成立する。またＤＣ信号時、電流の向きは正でも負でもよい。図５に示す回路は、負の電流をパネル部４１に印加する例である。
【００４０】
ここでＡＣ信号を使用したタッチパネル装置について説明する。図７に示す実施例は、ＡＣ電流配分による対角方式の座標検出装置（タッチパネル装置）としたものである。パネル部７１は図４または図５のものと同じである。ＡＣ信号源としての振動電圧発生器８２が、アナログ信号処理部８３内の各振動電圧印加回路８４（パネル部７１の信号入力回路）に振動電圧を与える。振動電圧印加回路８４は、そのパネル入力部を低インピーダンスで振動させ、且つアナログマルチプレクサ８５にパネルからの電流を出力する。その簡単な例は、トランジスタのベースをＡＣ信号で振動させ、エミッタをパネルと接続し、コレクタから電流出力するものがある。
【００４１】
スイッチＡ７８〜スイッチＤ８１の機能は図５に示したものと同じである。従って面抵抗体７２は全面が振動電圧発生器８２の出力電圧に従い電圧振動する。また人体は、従来から知られている様にＡＣ信号に対して接地効果を持っており、その指７５が面抵抗体７２に接触または近接した時に、その指先を通して面抵抗体７２にＡＣ信号電流が流れる。座標の算出方法は図５の例と同じである。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点を流れる電流に比例した電圧をＡ／Ｄコンバータ８６に印加するので、式２９，式３０または式３２，式３３の各電流値の代わりに、それに比例した各電圧値で計算してよい。また指７５に流れる電流の大きさは、本質的に計算結果に影響しない。
【００４２】
図５及び図７に示した例では、従来の４頂点に同時に電流を配分する場合よりも、各頂点の電流が平均的に約２倍になり、信号のＳ／Ｎ比が良いので算出座標の精度が従来よりも良くなる効果を得た。
【００４３】
次に、面抵抗体を取り囲む周囲電極が無い場合について説明する。図１，図４，図５，図７のものに、周囲電極が無い面抵抗体のパネルを使用し、式１２，式１３または式２９，式３０により座標を算出すると、皆同様の座標パターンとなり、図１０及び図１１に示す。これらの検出等座標線のＸ側とＹ側パターンが略平行となる４頂点付近は、略一次元要素のみの情報量しかなく、そこは使用に耐えないが、中央付近は内蔵するプロセッサで補正を掛けながら使用可能となる。このパネル構造でも、本発明の対角方式は、面抵抗体を駆動する場合の駆動電流が少なくなり、電流配分を利用する場合の各頂点に流れる電流が多くなるメリットを持つ。
【００４４】
次に、面抵抗体パネルの形が、図１２に示す様な、中心点に関して対象な、凹パラボラ条の４辺で閉じられた形（疑似長方形）を有する場合について述べる。長方形の面抵抗体の場合、図８〜図１１で示した様に、多かれ少なかれ湾曲した検出座標パターンとなるが、それを改善する為に考えられたものが図１２に示す形状の面抵抗体のパネル９０である。この形状でも周囲電極があるものと無いものとが可能だが、いずれにしても本発明の対角方式を利用出来て、同様のメリットを持つ。
【００４５】
次にＰＳＤ（半導体光位置検出器）を用いた装置について述べる。光が当たった位置に発生する電荷が、抵抗層を通じて外周部に配分され、それを検出して光位置を判定する。その内、一層の抵抗層とその周辺４点の検出端子を持つものは、本発明の対角方式により、各端子の検出電流が平均的に約２倍になり検出精度が従来より向上する。
【００４６】
【発明の効果】
パネル部に電位勾配を与え、その電圧により座標情報を検出する場合は、パネル部を駆動するための消費電流が削減され、またパネル部の電流配分から座標を検出する場合は、パネル部の各検出端子の電流が多くなり、Ｓ／Ｎ比が良くなり検出座標精度が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＤＣ電位勾配による対角方式の、感圧式座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図
【図２】 図１に示す装置のＡＣ間を電圧駆動した時の、面抵抗体５上の等電位線の実測図の一例
【図３】 ＤＣ電位勾配を利用した対角方式の、座標計算の説明図
【図４】 ＡＣ電位勾配による対角方式の、ペンによる静電容量結合型座標検出装置の一例を示す構成概要図
【図５】 ＤＣ電流配分による対角方式の、座標検出装置の一例を示す構成概要図
【図６】 ＤＣ電流配分を利用した対角方式の、座標計算の説明図
【図７】 ＡＣ電流配分による対角方式の、座標検出装置（タッチパネル装置）の一例を示す構成概要図
【図８】 対角方式の座標検出装置の、検出等座標線のＸ方向の実測図の一例
【図９】 対角方式の座標検出装置の、検出等座標線のＹ方向の実測図の一例
【図１０】 対角方式の座標検出装置の、面抵抗体の周囲の抵抗性電極が無い場合の、検出等座標線のＸ方向の実測図
【図１１】 対角方式の座標検出装置の、面抵抗体の周囲の抵抗性電極が無い場合の、検出等座標線のＹ方向の実測図
【図１２】 検出等座標線の湾曲性を改善する、対角方式の面抵抗体の疑似長方形の形状図
【符号の説明】
１ パネル部
２ 可撓板
３ 導電膜
４ 引き出し線
５ 面抵抗体
６ 基板（ガラス等）
７ 面抵抗体５を取囲む低抵抗性周囲電極
８ 指またはスタイラス状の押圧物
９ スイッチＡ
１０ スイッチＢ
１１ スイッチＣ
１２ スイッチＤ
１３ ＤＣ電源
１４ Ａ／Ｄコンバータ
１５ プロセッサ
２１ パネル部
２２ 面抵抗体
２３ 面抵抗体２２を取囲む低抵抗性周囲電極
２４ 基板
２５ 静電容量結合
２６ 信号検出ペン
２７ ペンケーブル
２８ 引出し線
２９ スイッチＡ
３０ スイッチＢ
３１ スイッチＣ
３２ スイッチＤ
３３ ＡＣ信号発生器
３４ アナログ信号処理部
３５ Ａ／Ｄコンバータ
３６ プロセッサ
４１ パネル部
４２ 面抵抗体
４３ 周囲電極
４４ 基板
４５ 電流印加ペン
４６ ペンケーブル
４７ 引出し線
４８ スイッチＡ
４９ スイッチＢ
５０ スイッチＣ
５１ スイッチＤ
５２ ＤＣ電源（例えば１．５Ｖ）
５３ 電流印加抵抗（例えば７５ｋΩ）
５４ 抵抗（例えば３３０ｋΩ）
５５ スイッチ
５６ フィードバックコンデンサ（例えば６８０ｐＦ）
５７ フィードバック兼電流／電圧変換抵抗（例えば１５０ｋΩ）
５８ 演算増幅器
５９ アナログマルチプレクサ
６０ Ａ／Ｄコンバータ
６１ プロセッサ
７１ パネル部
７２ 面抵抗体
７３ 周囲電極
７４ 基板
７５ 指
７６ 接地効果等価容量
７７ 接地効果等価抵抗
７８ スイッチＡ
７９ スイッチＢ
８０ スイッチＣ
８１ スイッチＤ
８２ 振動電圧発生器
８３ アナログ信号処理部
８４ 振動電圧印加回路
８５ アナログマルチプレクサ
８６ Ａ／Ｄコンバータ
８７ プロセッサ
９０ 面抵抗体パネル
Claims (1)
- 凹パラボラ状の４辺で閉じられ、且つ中心点に関しては対称な疑似長方形または長方形の一層の面抵抗体と、該面抵抗体の４頂点と制御部とに接続されたスイッチ回路とを少なくとも備え、前記スイッチ回路の動作は、始めに前記４頂点の内の一方の対角２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他方の対角２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にし、次にＯＦＦしていた前記２頂点と前記制御部との接続を電気的にＯＮし他の２頂点との接続を電気的にＯＦＦした状態にする事で、前記面抵抗体に対して強制的に対角方向の電位勾配をそれぞれ作るかまたは強制的に対角方向の電流配分をそれぞれ作り、該状態での前記制御部における電圧または電流計測結果から数値計算により、前記面抵抗体上の当該二次元位置を算出することを特徴とする対角方式座標検出装置。
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- 1999-07-30 JP JP21667299A patent/JP4168537B2/ja not_active Expired - Lifetime
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