JP4178690B2

JP4178690B2 - 寄生信号除去式タッチパネル装置

Info

Publication number: JP4178690B2
Application number: JP27873499A
Authority: JP
Inventors: 康一郎方波見
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001099609A

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（位置検出装置）に関し、特に面抵抗体と人体または導電性スタイラスとの間に微少ＡＣ電流を流して位置検出するタッチパネル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本技術分野の代表的な例として静電容量結合型がり、また指が面抵抗体に直接接触する直接触型も知られている。これらはすべて、人体が接地効果を持っていることによりＡＣ電流経路を形成可能であることに由来している。実施例の説明でも更に従来技術について述べる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
人体の接地効果の程度つまり接地インピーダンスの如何んによって検出位置がずれる現象があり、従来からいくつかの対策は講じられてきたが、充分とは言い難いものであった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ＡＣ信号の振幅を計測するためのＤＣ化（ＡＭ検波）する前のＡＣ電圧状態の信号に、ベクトル的に、寄生信号とは逆位相で同振幅の除去信号を強制的に加えて、指がタッチした時の本来の信号と寄生信号との合成（混在）信号から寄生信号成分をベクトル的に（ＡＣ信号状態で）相殺する。
【０００５】
【作用】
人体の居る周囲条件または左手（または右手）のシステム筐体とその接地台等への接触状態、更には履物の材質により、人体の接地インピーダンスの内、抵抗成分が無視できなくなり、その結果寄生信号（２種の要因があり共に容量性信号経路を成す）と指による本来の信号との間に位相差が生じ、現れる信号はスカラー量の合成（混合）ではなく、ベクトル合成となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、要因の詳細な解析とそれに基づく対策なので、本発明に適合する形態は、二次元位置を検出するタッチパネル装置のみならず、一次元の位置検出装置でもよい。故にストライプ状の面抵抗体を多数平面状に配置した二次元的位置検出装置の形態でもよい。また、パルス信号を使用するものでも、あるいは指による負荷変動を検出するものでも、電気等価的に［請求項１〜４］に適合する形態でよい。
【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、寄生信号除去式タッチパネル装置の一例を示す、構成及び機能ブロック図である。先ずパネル部１の構造から説明する。長方形の透明または不透明なガラス基板または絶縁基板の表面に均一な面抵抗体２（抵抗膜）が成膜されている。抵抗膜２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）膜などであり、本実施例では面抵抗値を約１ｋΩ／□とした。
【０００８】
面抵抗体２の更に表面に絶縁層を設ける場合が静電容量結合型であり、設けない場合が直接触型であり、本発明の本質的な差ではないが、詳しくは特許登録第１５３６７２３号（特公平１−１９１７６号公報）、本願出願人の出願になる特願平１０−３２１５０８号等で説明されている。
【０００９】
本実施例において、面抵抗体２（抵抗膜）を取り囲む低抵抗性周囲電極３を面抵抗膜２に接触配設し、その４頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）にそれぞれ接続電線４が接続されている。周囲電極３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、本実施例では各頂点間の抵抗値を約８０Ωとした。周囲電極３は面抵抗膜２を電圧駆動する媒体であり、その機能は検出位置の歪みを大変少なくする一つの方法であり、その効果については本願出願人の出願になる特願平１１−２１６６７２号に詳述されている。面抵抗膜２を電圧駆動する他の方法は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点の４点よりも多くの接続点を周囲電極３の代わりに配設してもよい。また面抵抗膜２を電圧駆動する媒体となる他の方法は、カップリングコンデンサを周囲電極３の代わりに配設してもよい。位置検出の有効エリアは、周囲電極３の内側全域である。
【００１０】
各接続電線４は、電流／シングルエンド電圧変換回路９のそれぞれの入力に接続される。ＡＣ信号源としての振動電圧発生器８が、電流／シングルエンド電圧変換回路９の各入力に低インピーダンスで振動電圧を与える。従って面抵抗体２はＡＣ電圧駆動される。電流／シングルエンド電圧変換回路９の簡単な実際例は、トランジスタのベースをＡＣ電圧で振動させ、エミッタをパネル部１と接続し、コレクタからシングルエンド化した（ＡＣ電圧振動系からアイソレートされた）出力信号電圧をアナログマルチプレクサ１０に印加する。この出力信号電圧は接続電線４に流れる信号電流に比例する。寄生信号除去ブロック１５については後述する。
【００１１】
電圧駆動される面抵抗体２に、人体の手５（一般には指）がタッチまたは近接する。導電性スタイラスが指の代わりにタッチまたは近接しても同様である（以後指または手で表現し、導電性スタイラスの場合をも意味することとする）。人体は導電性があり、等価抵抗６で図示する。また従来から知られているように、人体は接地効果を持っており、接地インピーダンス７（Ｚ）で図示する。この接地インピーダンス７の詳細については後述する。以上のことから、人体の手５が面抵抗体２にタッチまたは近接した時（近接した時は静電容量結合を介して）面抵抗体２と手５を介したＡＣ信号電流の経路ができる。
【００１２】
図１に示す例では、面抵抗体２に流れるＡＣ電流は結局Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に配分され、図示するタッチ位置の場合、Ａ点には多く流れ、Ｃ点には少なく流れる。これらＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れるＡＣ信号電流値、すなわちそれらに比例した、アナログマルチプレクサ１０の各入力ＡＣ信号電圧値から、面抵抗体２上の手５のタッチまたは近接した位置を検出する。
【００１３】
面抵抗体２を電圧駆動する方法は、他にも各種提案されており、その多くはパネル部１とそれに接続される制御回路との間で、スイッチ回路により接続切替えられる。その場合アナログマルチプレクサ１０を不要とし、電流／シングルエンド電圧変換回路９を１系統としてもよい。パネル部１との接続を切替えて面抵抗体２を電圧駆動する有力な方式について、前述の［特願平１１−２１６６７２号］にも詳述されている。
【００１４】
ここで手５以外にも流れる寄生信号（擬似信号）について説明する。図２はパネル部１からの電磁放射による寄生信号電流の説明図である。一般的に、導電体が電圧振動すると、多かれ少なかれ電磁放射を伴い、駆動点に放射電流が流れる。本実施例ではパネル部１を４６０ｋＨｚ０．５Ｖｒｍｓの正弦波で駆動しており、その放射電磁波２０の波長は６５０ｍである。パネル部１のサイズはＡ５〜Ａ３程度であり、波長に比し極めて小さい。故にその放射インピーダンスはほぼ容量性のみであり、抵抗成分は無視してよい。従って各接続電線４にはその電圧位相より９０度進んだ位相の寄生電流ｉ_A，ｉ_B，ｉ_C，ｉ_Dが図示するように流れる。その各電流値は０．５μＡ〜１０μＡ程度である。この電磁放射による寄生信号電流は信号処理部２１の入力回路に常時流れる。
【００１５】
この要因による寄生信号電流は、パネル部１の背面にガード導体（一種のシールド）を置き、振動電圧発生器８に接続して、背面からの電磁放射による電流を信号処理部２１に流入させないことで、減少されるが、前面に関しては電磁放射２０を止めることはできない。ついでに電磁放射２０の実効電力について述べれば、上述のようにＡＣ電圧とＡＣ電流の位相差が９０度（厳密には９０度より僅か小さな位相角）であり、ほぼ無効電力であり有害放射レベルとはならない。しかし上述のように寄生ＡＣ電流は無視できない。
【００１６】
更に別の寄生信号の発生要因があり、図３を参照して説明する。本装置のパネル部１が、本装置を使用するシステムの筐体３０に取り付けられている。通常、筐体３０は金属製であり、導電体である。また筐体３０は、本装置の信号周波数において、回路グランドと、電源部のノイズフィルタ、ストレー容量、その他を介して低インピーダンスの関係にある。図示するように、透明なタッチパネルは特に、パネル部１が筐体３０のすぐ近くに取り付けられるため、寄生容量３１が実際には生じる。またパネル部１は液晶ディスプレイと重ねて使用されることが多く、背面にも大きな寄生容量が生じる。
【００１７】
いずれにしてもパネル部１の取付部の周囲の導電部との間に寄生容量が大なり小なり存在する。これらの寄生容量を介して、やはり寄生信号電流が常時流れる。この寄生信号電流の位相角もやはり、駆動電圧よりも９０度進む。この寄生容量による寄生信号電流は、パネル部１の取り付け状態により大きく変わり、５μＡ〜３００μＡ程度となる。これも前述のガード（シールド）を配置することにより減少するが零にはならない。米国特許番号５４５７２８９号で述べられている前面の周囲枠状シールドも施すと、大きな減少効果はあったが、零にならなかった。
【００１８】
次に人体の接地効果について図４を参照して説明する。本装置のパネル部１が、本装置を使用するシステムの筐体４３に取り付けられている。人体４０がその右手でパネル部１にタッチし、操作している。人体４０の左手を図示するように金属筐体４３に接触している時は人体４０と筐体４３間は抵抗性のインピーダンスの関係にある。その抵抗値は１ｋΩ程度である。また人体４０の左手を筐体４３から離している場合は、他の接地効果要因が主役となり、筐体４３と人体４０間の容量４２、人体４０の接地容量４１，更に指がパネル部１にタッチした時人体も少し電圧振動するが、その電磁放射インピーダンスによる接地効果との合成したものとなる。この人体からの電磁放射による接地効果（人体の電圧振動抑制効果）については前述の特許出願番号［特願平１０−３２１５０８号］に詳述されている。
【００１９】
従って、人体４０の履物が絶縁性とすれば、筐体４３に触れない時は、図１に示す人体の接地インピーダンス７は容量性であり、筐体４３に触れている時は、接地インピーダンス７は抵抗性であり小さな値となる。パネル部１と人体４０とのインピーダンスは、直接触型パネルの場合は抵抗性の１〜数ｋΩであり、静電容量結合型のパネルの場合は、現在実用化されているものは表面絶縁層の厚さが極薄の０．１〜１μｍ程度なので結合容量が１０００〜５０００ｐＦと大きく、直接触型パネルの場合と大差ない。
【００２０】
従来の装置の改善課題は、人体４０の一部が筐体４３またはそれに続いた金属性の机等に接触した時に、タッチ検出位置がずれてしまうことである。このずれの理由を図５を参照して説明する。先ず接地インピーダンス７が容量性の場合を考える。振動電圧発生器８の電圧位相を基準位相軸５０とする。
【００２１】
ベクトル５２は容量性接地人体の指による本来のＡＣ信号成分を示す。図示する位相角になるのは次の理由による。接続電線４を介しパネル部１を電圧駆動するが、駆動電流の向きは図２に示すｉ_A〜ｉ_Dの矢印の向きが正である。その時、電流／シングルエンド電圧変換回路９の出力電圧は負の極性になり、ｉ_A〜ｉ_Dの位相と１８０度の位相差が生じる。故にベクトル５２は基準位相よりも９０度遅れた位相角となる。以後同様に、電流／シングルエンド電圧変換回路９の出力点での電圧ベクトルで図示する。
【００２２】
ベクトル５１は寄生信号成分である。２種の要因による寄生信号の位相角が前述のように同じであるために、１つのベクトル５１としてまとめて示した。故に実際の信号電圧はこれらの合成（混合）されたベクトル５３となる。これらのベクトル５１，５２，５３はすべて同じ位相角を持つので、スカラー量としてＤＣ化（ＡＭ検波）後に、ベクトル５３の振幅からベクトル５１の振幅を引き算して本来の指によるＡＣ信号成分の振幅（大きさ）を検出しても問題はない。従って容量性接地人体の指でタッチした位置は従来技術でもずれないで検出できる。
【００２３】
ところが抵抗性接地人体の場合は事情が変わる。ベクトル５４は、例えばＡ点からの抵抗性接地人体の指による本来のＡＣ信号成分を示す。またベクトル５６は、例えばＣ点からの本来のＡＣ信号成分である。これらベクトル５４及び５６の大きさの比を正確に検出する必要がある。ベクトル５１に示す寄生信号成分も含まれるために、実際のＡＣ信号はベクトル５５及びベクトル５７に示すものとなる。
【００２４】
スカラー量として同じくＤＣ化後に、ベクトル５１の大きさをそれぞれ差し引くと、大きさ［ＨＧ］及び大きさ［ＦＥ］となりその比は、本来の大きさ［ＪＯ］及び［ＩＯ］の比と異なってしまい、結果としてタッチ位置検出がずれる。単純化して説明した点もあるが理解することは容易であろう。
【００２５】
この現象の対策は、従来も行われていたスカラー量のみの処理では不可能である。悪さの元は寄生信号成分５１が有ることにある。充分なシールドを施すことは略無理であり、パネル部１の構造も複雑になり、高コストとなる。本実施例では、ベクトルとしてのＡＣ電圧において対策した。寄生信号成分５１と１８０度位相の異なる同振幅の除去信号を強制印加し、寄生信号成分と相殺する。つまり基準位相軸から９０度進んだ信号を強制印加すればよい。２種の要因による寄生信号の位相角が前述のように同じであることが判明したので、強制印加する信号はまとめて１つでよい。図１のブロック図では振動電圧発生器８の出力電圧を９０度進相させた信号をアナログマルチプレクサ１０の出力に加えてもよい。
【００２６】
本実施例ではより有効な、制御し易い回路とし、図１の寄生信号除去ブロック１５に示す。印加する信号の位相は変えないで検出信号の位相をすべて９０度ディレーする。この位相ディレー回路１１の実際例は、ＬＣ直列共振回路のＬ側に信号入力し、ＬとＣのコモン接続点から信号出力する。これでバンドパス機能と兼用でき且つ電圧増幅も得た。
【００２７】
サミング回路１２に印加する除去信号（ベクトル５８）は、分圧抵抗１４及び１３で振幅を調整し、寄生信号成分５１の９０度ディレーしたものを相殺除去する。これで信号処理ブロック１６に入力する信号は、タッチ位置を介して指に流れる、本来のＡＣ電流成分に比例した電圧成分のみとなり、どのような接地インピーダンスの人体でも、そのタッチ検出位置がずれることは実用上なくなった。本実施例ではパネル部１の各点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）毎に、少し大きさの異なる寄生信号成分に対し、可変分圧抵抗１４を信号処理ブロック１６のプロセッサが制御している。
【００２８】
これで、前述のシールドの無いパネル部１でも、任意の接地インピーダンスの人体の指タッチ位置入力として支障のないずれ範囲となった。前述のシールドを施したパネルに対して、ここに開示したテクニックを組み合わせると更に安定化することは言うまでもない。１つ注意すべきことは、サミング回路１２までの信号パス回路のリニアダイナミックレンジは充分に広く設計する必要がある。ここまでの説明では長方形パネルであったが、それに限らず任意の形のパネルでよい。また三次元的に湾曲した二次元面上の位置検出する場合でも、ここに開示したテクニックは有効である。
【００２９】
【発明の効果】
パネル部がシンプルな構成のまま、制御回路部に少しの機能を付加するだけで、パネル操作者の接地の状況如何んに係わらずに、タッチ位置の検出ずれを実用上無くすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】寄生信号除去式タッチパネル装置の一例を示す、構成及び機能ブロック図
【図２】パネル部からの電磁放射による寄生信号電流の説明図
【図３】パネル部の寄生容量の説明図
【図４】人体の接地インピーダンス説明図
【図５】指による本来のＡＣ信号と寄生ＡＣ信号及びこれらの合成ＡＣ信号のベクトルで示した説明図
【符号の説明】
１パネル部
２面抵抗体
３低抵抗性周囲電極
４接続電線
５手
６人体の等価抵抗
７人体の接地インピーダンス
８振動電圧発生器
９電流／シングルエンド電圧変換回路
１０アナログマルチプレクサ
１１９０度位相ディレー回路
１２サミング回路
１３分圧抵抗
１４可変分圧抵抗
１５寄生信号除去ブロック
１６信号処理ブロック
２０電磁放射
２１信号処理部
３０本タッチパネル装置を使用するシステムの筐体
３１寄生容量
４０人体
４１人体の接地容量
４２筐体４３と人体間の容量
４３本タッチパネル装置を使用するシステムの筐体
５０基準位相軸
５１寄生信号成分
５２容量性接地人体の指による本来のＡＣ信号成分
５３本来のＡＣ信号成分５２と寄生信号成分５１との合成信号
５４例えばＡ点からの、抵抗性接地人体の指による本来のＡＣ信号成分
５５本来のＡＣ信号成分５４と寄生信号成分５１との合成信号
５６例えばＣ点からの、抵抗性接地人体の指による本来のＡＣ信号成分
５７本来のＡＣ信号成分５６と寄生信号成分５１との合成信号
５８強制印加する、寄生信号成分除去信号

Claims

タッチ有効エリア全面にわたり均一な面抵抗体を配設し、前記面抵抗体を電圧駆動する各点または前記面抵抗体を電圧駆動する媒体の各点に流れるＡＣ電流に比例したＡＣ電圧の振幅から、指または導電性スタイラスの前記面抵抗体に近接またはタッチした位置を検出するタッチパネル装置であって、前記ＡＣ電圧の各点または前記面抵抗体を電圧駆動する媒体の各点に流れるＡＣ電流に比例した経路に９０度位相ディレー回路を有することにより、前記指または前記導電性スタイラスが前記面抵抗体の近くに無い時の、寄生信号による前記ＡＣ電圧に対しベクトル信号として１８０度異なる位相で同振幅の除去信号を、電圧駆動源の分圧から加えることにより、前記位置を検出するに当たり前記寄生信号の成分を除去することを特徴とする寄生信号除去式タッチパネル装置。
一次元の前記位置を検出することを特徴とする請求項１記載の寄生信号除去式タッチパネル装置。
二次元の前記位置を検出することを特徴とする請求項１記載の寄生信号除去式タッチパネル装置。
前記各点に対する前記ＡＣ電圧の計測毎に、前記除去信号の振幅を各設定することを特徴とする請求項１記載の寄生信号除去式タッチパネル。