JP4924412B2 - 静電容量型デジタル式タッチパネル - Google Patents

Description

本発明は、デジタル式タッチパネルの入力方式に関するものであり、静電容量結合方式を採用したタッチパネルにおいて、安価な構造で安定したデータ入力を可能にするシステムである。

従来、タッチパネル部６と、制御部５から構成される静電容量型デジタル式タッチパネルが知られている。前記タッチパネル部６は、誘電体絶縁パネル２の下に、ＰＥＴフィルム３にＩＴＯ膜を印刷する事により、スイッチとして機能する透明電極１が形成されている透明スイッチシート４を張り合わせて構成されている。前記制御部５は、静電容量の変化により周波数が可変可能な発振回路８と、波形の幅が計測できるインプットキャプチャ機能１０が内蔵されたマイクロコントローラ９が設けられている。
前記タッチパネル部６の透明電極１上の位置に、操作者が触れた時の静電容量の変化による発振回路８の発振周波数を、インプットキャプチャ１０にて、常に複数回発振周波数をサンプリングする。複数回発振周波数をサンプリングし、数値化した値の中で、制御部５への電源投入後の初回の発振周波数のサンプリングを透明スイッチ電極１に触れていない時の発振周波数のサンプリングとして数値化し、ＲＡＭ１２へ記憶保持しておき、その値との差分を元に、予め決められている閾値を超えたか、超えていないかをＣＰＵが判断することで、スイッチ機能として押圧されたかを判断している。

透明スイッチ電極１は、人の指が隠れるくらいの円又は四角形でスイッチ電極を形成し、その信号を取り出すための信号端子７が制御部５に接続されている。

制御部５は、周波数が可変出来る発振回路８、発振回路８からの波形の幅を計測するインプットキャプチャ１０が内蔵されたマイクロコントローラ９があり、マイクロコントローラ９にはＣＰＵ１５と、個別に接続される前記インプットキャプチャ１０、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、ＵＡＲＴ１３がバスにより接続されており、さらにマイクロコントローラ９を動作させるための外部クロック１６がある。
ＣＰＵ１５は、ＲＯＭ１１に格納された制御プログラムを読み出して実行し、マイクロコントローラ９の動作を管理する。ＣＰＵ１５が、インプットキャプチャ１０から得られた数値を複数使用し、演算や比較を行った結果のデータをＲＡＭ１２に記憶するとともに、ＵＡＲＴ１３を通して外部へ送出するＲＳ２３２Ｃドライバ１５が接続された構成となっている。

この構成において、まず人の指が透明電極１の上に近づくと、透明電極１の静電容量が増加する。それは、人間は元々容量が１００ｐＦ程度持った導体であり、透明電極１に導体である人の指が近づくと、静電誘導現象が発生し、静電容量が増加する。
次に発振回路８では、増加した静電容量の変化を検知し、容量の増加に追従して発振周波数が変化する発振回路で構成されている。発振周波数は、一般的なＣＰＵで測定可能な１００ｋＨｚ程度とする。
次に制御部５では、マイクロコントローラ９に内蔵されたインプットキャプチャ１０の機能、すなわち前記発振周波数入力の１周期の間にクロック１６が何クロック経過したかを計測する機能を利用して、初めに指がタッチパネル部に触っていないとされる発振周波数を測定して数値化し、ＲＡＭ１２に記憶する。次に指が、タッチパネルに接触したときには、静電容量が低下するので、発振周波数を測定して数値化するインプットキャプチャ１０で数値化される値は、ＲＡＭ１２に記憶した値より増加する。

ここで透明スイッチ電極１に対して、誘電体絶縁パネル２に指が接触した時に変化する静電容量は接触面積に比例して変化し、指の接触面積は軽く触れてから強く触れるまでに、例えば周波数変化は１００Ｈｚから５ｋＨｚぐらいとなる。通常クロック１６は４ＭＨｚから２０ＭＨｚであり、例えばクロックを１０ＭＨｚとした場合に１００ｋＨｚをインプットキャプチャでカウントすると１００カウントとなり、１ｋＨｚ以下の変化を計測出来ず、また精度的にも問題があることからインプットキャプチャを複数回繰り返した値を採用する。例えば１００回加算すれば１００００カウントになり１００Ｈｚの変化も１０カウントの変化として計測可能となり、１００Ｈｚから５ｋＨｚの変化が１０カウントから５００カウントの数値として判断可能となる。

また透明スイッチ電極１に対して、誘電体絶縁パネル２に指が接触した時の接触面積は指の動きにより変化し、さらにはノイズ等でも変動する事になるので、図６に示す様に電源投入時に指がタッチパネル部に触れていない発振周波数を測定し、周波数を数値化した値が前記例では１００００としてＲＡＭ１２に記録されており、この値から以降の周波数を数値化したものと比較、演算を行うと、指が触れていない状態では同じ１００００という値であるので差分値を算出すると０となる。また図６の指がタッチパネルを押下した場合には、指の弾み等の触れかたにより例えば１００６５から１０１００という値になり差分値としては６５から１００となる。ここでスイッチの判定として例えば一つの閾値だけてＯＮ／ＯＦＦの判定、例えば閾値７０とすると７０以上でＯＮ、７０未満でＯＦＦ判定を行うと、差分値が６５から１００の変動があると指が触れた状態でも閾値を上下してしまい、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返してしまう事態が発生するので、差分値に対してＯＮを判断する閾値７０とは別に、ＯＦＦとする閾値３０を設けてＯＮと判断した以降はＯＦＦの閾値以下にならないとＯＦＦとしないようにする事でスイッチ機能を実現している。
特開２００５−１８６６９号公報。

上記従来技術の方式では、タッチパネルに指が触れた状態で制御部への電源投入やリセットを行ってスイッチ動作を開始した場合でも、制御部のプログラムで使用するＲＡＭのクリアやハードウェアを動作させる設定等の初期化課程で制御部では、タッチパネルに指が触れていない事を前提に発振回路８から出力される発振周波数を数値化した値をＲＡＭ１２へ記録する。記録後に指が触れたかを判断するために発振周波数の変化を常に数値化して、タッチパネルに指が触れていない事を前提に発振回路８から出力される発振周波数を数値化したＲＡＭ１２の値を減算した差分値を算出する。操作者の指がタッチパネルに触れていない状態や、触れたままの状態で指の動作が止まり、指の動作状態が変わっていない場合は、測定される発振周波数も変化が無いため差分値０が続き、もし初期化時に、操作者の指がタッチパネルに指を触れている状態から離した状態になった場合は、差分値がマイナス側の数値になるので、スイッチをＯＮ／ＯＦＦ判定する閾値を越える事がなく、スイッチとして機能しなくなる問題があった。

タッチパネル部と、制御部から構成される静電容量型デジタル式タッチパネルであって、前記タッチパネル部はＰＥＴフィルムにＩＴＯ膜により、スイッチとして電極が印刷された透明シート状電極よりなり、前記制御部は静電容量により発振回路上で作られる信号の周波数が可変可能な発振回路と、発振回路から出力される信号の矩形波の幅が計測できるインプットキャプチャ機能が内蔵されたＣＰＵが設けられ、前記スイッチの透明シート電極に操作者が触れた時の静電容量の変化で、前記発振回路を通して入力される発振周波数を、インプットキャプチャにて複数回計測して数値化する処理を行い、以降常に数値化を行う事で、微少な周波数変化を最初の数値との差分値として計算して数値化し、決められた閾値との比較でスイッチとしてのＯＮ／ＯＦＦを判断する静電容量型デジタル式タッチパネルであり、制御部への電源投入時にタッチパネルに操作者の指が触れている場合は、指が離れた段階で差分値がマイナス値を検出し、これを絶対値として扱い、スイッチＯＮの閾値のみを使用して、前記絶対値とした値とスイッチＯＮの閾値とを比較し、絶対値がスイッチＯＮの閾値を上回った場合は、スイッチＯＦＦと判断する静電容量型デジタル式タッチパネルを提案するものである。

以上により、タッチパネル５へ指を触れたままで、制御部の電源投入やリセット等で動作を開始した場合でも、指が離れた事を出力することで指が触れていた事が判断可能となり、ＯＦＦデータ出力後の初期化により、指が離れてからの確実な初期化が行えるので以降の正常なスイッチのＯＮ／ＯＦＦを判断し出力することが出来る信頼性の高い入力装置が実現できる。

発明の実施と形態

タッチパネルに指が触れたり、離れたりして容量が変化することによる周波数の変化を制御部起動時の発振周波数とそれ以降に常にサンプリングする発振周波数の差分値として計算して数値化したものを絶対値として扱い、スイッチのＯＮを判定する閾値と比較して値が、ＯＮの閾値を超えた場合は、スイッチＯＦＦと判定して出力する。さらに出力終了後の一定の時間経過後に制御部にて再度初期化を行う。

作用

即ち本発明では、制御部から出力される情報として通常は、例えばスイッチ毎にＡＳＣＩＩコードを‘Ａ’から順番に割り当てて、割り当てた二番目のスイッチがＯＮの場合ＡＳＣＩＩコードで‘Ｂ’の情報を出力後にＯＦＦの情報としてＡＳＣＩＩコードで‘ｂ’の出力があるのに対して、ＯＦＦの情報としてＡＳＣＩＩコードで‘ｂ’のみが出力されることで、制御部が、動作開始時にタッチパネルに指が触れていたことを判断する。またＯＦＦ情報としてＡＳＣＩＩコードで‘ｂ’出力後に初期化を行うことで確実に指が触れていない状態での初期化となり、以降のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ判定を正常に行うことが可能となる。

図２に示すタッチパネル６が接続された発振回路８からは、タッチパネル６に指が接触する、しないに関わらず発振周波数が出力され続けている。ここで前記周波数をインプットキャプチャ１０にて数値化するが、通常インプットキャプチャ１０は入力周波数の１周期のタイミングでクロック１６のカウント数を読み出して保持する。この時、図３に示す例では８カウントを保持することになるが、実際に計測したい周波数変化は微小であり８〜９カウントの間での変化も数値化しなければならない。そのため例えばクロック１６を速くすればカウント数を多くできるが、そうなるとＣＰＵ１５も高クロックに対応した物が必要となり高価な物となってしまう。そこで図４で示すように周期の複数回目で保持されたカウント数を記憶するようにする。

例えば図５のフローチャートで示すように、まずステップＳ１でクロック１６をカウントするカウンターをクリアし、事前に決定した必要な精度を得るためのキャプチャ数をＲＡＭ１２に記録する。次にステップＳ２でインプットキャプチャを開始し、ステップＳ３で１周期のインプットキャプチャ終了を待ち終了確認後、ステップＳ４のＲＡＭ１２に記録した数を減算して０にならない場合は、ステップＳ２へ、０ならばステップＳ５へ移り、この時までのカウンター数を読み出してＲＡＭ１２へ記録する事で、当初図３の様に８カウントしか出来なかった物が８４カウントとして記録出来る。例では１０回としたが実際の動作環境にクロック１６と入力周波数と必要な精度によって５０回や１００回のように回数を決定する事になる。
さらにステップＳ５でＲＡＭ１２に記録後ステップＳ１へ戻り常に周波数をカウントし続ける。

次に計測されたカウント数を使用して制御部起動時、タッチパネル６に操作者の指が触れている場合と、通常のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを判定する方法を説明する。図９に示すように、ステップＳ６で制御部起動時のカウント値を、ＲＡＭ１２より読み出し、オフセット値として記録する。次にスイッチのＯＮ／ＯＦＦとしての判断を開始し、ステップＳ７で常に更新されて記録されているカウント値をＲＡＭ１２より読み出し、ステップＳ６で記録した非接触時と想定されるカウント値との差分値を計算する。そしてステップＳ８で差分値の絶対値と事前に設定したＯＮの閾値１８と比較を行い、ＯＮの閾値１８を超えない場合はステップＳ７に戻り繰り返しとなる。ここで本タッチパネル６に指を接触させた場合や、離した場合には静電容量が増加または減少し、発振回路８から出力される周波数は減少または増加し、インプットキャプチャ１０でのカウント数は増加または減少し、ステップＳ７にて算出された差分値の絶対値は増加するので、この絶対値に対してステップＳ８で事前に設定したＯＮの閾値１８と比較して大きくなった場合に、ステップＳ９で差分値がプラスの正の値である場合に初めてスイッチのＯＮと判断し、ステップＳ１０に移りＯＮデータをＵＡＲＴ１３からＲＳ２３２Ｃドライバ１４を通して外部に通知する。

次にステップＳ１１、Ｓ１２のループで常にステップＳ５で記録されるカウント数をＲＡＭ１２より読み出し、前記オフセット値からの差分値を算出し、差分値が、事前に設定したＯＮの閾値１８より小さく設定されたＯＦＦの閾値１９と比較して、小さくなった時点でスイッチのＯＦＦと判断する。図５に示すように、一度スイッチのＯＮと判断した後はＯＮの閾値１８より差分値が小さくなってもスイッチのＯＮとしての判断を保持し、ステップＳ１２で、ＯＦＦの閾値１９より差分値が小さくなった時点でステップＳ１３へ移りＯＦＦデータをＵＡＲＴ１３からＲＳ２３２Ｃドライバ１４を通して外部に通知する。

次に、ステップＳ９で初期化時、指がタッチパネルに触られた状態から離された場合、図７に示す差分値のマイナス側への変化が発生し、差分値が負の値となりステップＳ１４へ移り、ＯＦＦデータをＵＡＲＴ１３からＲＳ２３２Ｃドライバ１４を通して外部に通知する。この時のＯＦＦデータ出力前には、ＯＮデータの出力が無いので起動時に指が触れられていたことが判別可能となる。ステップＳ１４で、ＯＦＦデータ出力後にステップＳ６へ戻る事で再度初期化を行う事になり図７、８で示す指がタッチパネルから離された状態の差分値２１が、図６で示す差分値２０へとなるので、以降のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ判定が通常の動作として行えることとなる。

静電容量型タッチパネルの構造図 静電容量型タッチパネル入力装置概略ブロック図 インプットキャプチャ概念図 複数回インプットキャプチャ概念図 複数回キャプチャフローチャート 指が触れていない状態での電源投入後の差分値変化 指が触れている状態での電源投入後の差分値変化 指が触れている状態での電源投入後の差分値変化 ＯＮ／ＯＦＦ判断フローチャート

符号の説明

１ ＩＴＯ透明電極
２ 誘電体絶縁パネル
３ ＰＥＴフィルム
４ 透明スイッチシート
５ 制御部
６ タッチパネル部
７ 電極接続線
８ 発振回路
９ マイクロコントローラ
１０ インプットキャプチャ
１１ ＲＯＭ
１２ ＲＡＭ
１３ ＵＡＲＴ
１４ ＲＳ２３２Ｃドライバ
１５ ＣＰＵ
１６ クロック
１７ 周波数
１８ ＯＮしきい値
１９ ＯＦＦしきい値
２０ 指が触れていない状態の差分値
２１ 初期化時指が触れていた状態から指が離されて場合の差分値

Claims (1)

1. タッチパネル部と、制御部から構成される静電容量型デジタル式タッチパネルであって、前記タッチパネル部はＰＥＴフィルムにＩＴＯ膜により、スイッチとして電極が印刷された透明シート状電極よりなり、前記制御部は静電容量により発振回路上で作られる信号の周波数が可変可能な発振回路と、発振回路から出力される信号の矩形波の幅が計測できるインプットキャプチャ機能が内蔵されたＣＰＵが設けられ、前記スイッチの透明シート電極に操作者が触れた時の静電容量の変化で、前記発振回路を通して入力される発振周波数を、インプットキャプチャにて複数回計測して数値化する処理を行い、以降常に数値化を行う事で、微少な周波数変化を最初の数値との差分値として計算して数値化し、決められた閾値との比較でスイッチとしてのＯＮ／ＯＦＦを判断する静電容量型デジタル式タッチパネルであり、制御部への電源投入時にタッチパネルに操作者の指が触れている場合は、指が離れた段階で差分値がマイナス値を検出し、これを絶対値として扱い、スイッチＯＮの閾値のみを使用して、前記絶対値とした値とスイッチＯＮの閾値とを比較し、絶対値がスイッチＯＮの閾値を上回った場合は、スイッチＯＦＦと判断することを特徴とする静電容量型デジタル式タッチパネル。