JP4981113B2 - 静電容量式タッチパネルの多点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量式タッチパネルに関し、特に、一種の静電容量式タッチパネルの多点検出機能に関する。

静電容量式タッチパネルは、静電容量の変化を検出することにより、人が触れたか否かを知ることができる。一般には、人手の動きの検出は、電極アレーと静電容量感応回路からなる構造を使用し、信号がタッチパネルの上部電極層と下部電極に入力されると、上部電極層と下部電極との間に行列（マトリクス）の交差部分にて、生成される特定の静電容量値は、静電容量感応回路により、検出できるため、感応回路が各交差部分の静電容量値を読み取る過程において、静電容量値の変化を検出することにより、人が触れたか否かを判断することができる。

静電容量感応回路によって、触れた位置および生成される静電容量値を判断する場合には、触れた位置における電極の電流値の大きさによってタッチ点を判断するやタッチ点の電極の電流が、コンデンサーの充電の反応を始め、安定な電荷量に達するまでに、その箇所の静電容量値を測定するのを待たなければならないため、タッチパネルが大面積の構造であれば、または多点タッチの制御を実行することが必要である場合には、電流の伝送経路にて、寄生抵抗が生成するから、常にタッチ点の判断に影響を与えてしまうと同時に、コンデンサーの充電の反応時間が長くなり、静電容量感応回路の反応時間が増加する。また、電荷の伝送経路のノイズ干渉が高くなるのせいで、感応回路にて、検出された静電容量信号の信号ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ，Ｓ／Ｎ ｒａｔｉｏ）が低くなってしまう。酸化インジウム錫のような導電性があるのに透明である材料は、タッチパネルの透明電極導線に使われている、その抵抗値が一般的な金属導線より高い、かつパネルサイズの大型化につれ、倍に増加しているため、静電容量感応回路の反応速度が明らかに不足である。そこで、反応速度を加速化させるには、感応回路の追加設置が必要となる。これによって、回路のスペースを増加し、製造コストも高くなる。また、電荷の伝送経路の抵抗値を低減させるために、他の電極材料を考えている場合には、現時点の導電材料において、酸化インジウム錫電極のように、パネルに優れた光透過性を維持できるものが未だに見つからない。

下記の特許文献１に開示されているタッチパネルのコントローラーのように、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ， ＡＳＩＣ）を提供するが必要となり、デジタルプロセッサーによる多点タッチを検出するに合せ、透明電極の材料の特性による寄生抵抗作用が解決される。また、その特定用途向け集積回路において、多周波数で出力された検出信号により、ノイズ周波数を回避し、信号変調回路により、ノイズ量を抑制する。また、タイミングの延長回路により、検出信号に適切な遅延量を提供することから、検出時間を遅延された静電容量の反応時間に合わせられて、検出の精度を高めることができる。これによって、検出された感応電荷を処理するために、電荷増幅器、荷電変換回路および静電容量補償回路など必要であるため、コントローラー全体の回路構造が相当の複雑的で、製造コストも高いため、タッチパネルにおいて、相当のコストがかかる。

下記の特許文献２に開示されているロジック制御回路のように、静電容量の検出および複数のデジタル切替えスイッチの検出を利用して、タッチパネルの上での触れた箇所の電荷変化を感応して、直接にロジック信号に変換して検出条件とすることで、簡単な電気回路構造により、コンデンサーの満充電までの待ち時間を省くことができる。しかしながら、その技術手段を多点タッチに応用できるようになりたい場合には、デジタル切替えスイッチおよび検出静電容量を多く設置しなければならない。特許文献１と同様に、回路のスペースを増加し、コストが高くなる。

米国特許出願公開第２００７／０２５７８９０号明細書 米国特許第６４６６０３６号明細書

上記に鑑み、ノイズが低い、かつ反応が迅速的な検出方法であり、大型サイズのタッチパネルの要求に相応しい静電容量式タッチパネルの多点検出方法を提供することを本発明の１つの目的である。

少数量の検出回路のみが必要で、タッチパネル全体を迅速的にタッチ制御でき、電気回路の製造コストを有効に軽減できる静電容量式タッチパネルの多点検出方法を提供することを本発明の別の目的である。

前記目的を達成するために、本発明が提供する静電容量式タッチパネルの多点検出方法においては、静電容量検出回路により、互いに絶縁された第１電極と第２電極との電圧変化をそれぞれ感応し検出させ、該第１電極および該第２電極の電圧変化が検出された場合に、変化があった該第１電極と該第２電極との交差部分にて、該第１電極および該第２電極により構成される垂直静電容量を測定し、タッチされていない該第１電極と該第２電極との交差部分にて、生成される静電容量との照合を行い、両者が異なっている箇所がある場合には、その箇所が実際のタッチ点である。このため、従来のように、全部の第１電極と第２電極との交差部分の垂直静電容量を持続的に検出することが必要ないので、大幅に検出時間が短縮できる。また、本発明が提供する多点検出方法においては、１つの静電容量検出回路で、タッチパネル全体のタッチを素早く感応し検出することができ、回路のコストを有効に軽減できる。

本発明の好ましい実施態様に係る構造を示す図である。 図１の２−２線からの断面視図である。 本発明の好ましい実施態様に係る電気回路の構造を示す図である。 本発明の好ましい実施態様の操作流れ図である。 本発明の好ましい実施態様の操作態様図であり、タッチ点の位置を示す操作態様図である。 本発明の好ましい実施態様の操作態様図であり、電気回路により、垂直静電容量を測定することの実行によって予測タッチ点を示す操作態様図である。

以下、本発明の好ましい実施態様、目的、望ましい特徴、構成要件、および利点は、添付の図面を参照して行う以下の説明から、より明確に理解できるであろう。そこでは、以下の簡単な説明により、使用する各図面は、以下の通りである。

図１は、本発明の好ましい実施態様に係る構造を示す図である。

図２は、前記図１の２−２線からの断面視図である。

図３は、本発明の好ましい実施態様に係る電気回路の構造を示す図である。

図４は、本発明の好ましい実施態様の操作流れ図である。

図５は、本発明の好ましい実施態様の操作態様図であり、図５Ａは、タッチ点の位置を示す操作態様図であり、図５Ｂは、電気回路により、垂直静電容量の測定の実行による予測タッチ点を示す操作態様図である。

図１および図２に示すような本発明に係る好ましい実施態様が提供するタッチパネル１を参照する。このタッチパネル１は、表示区域１Ａおよび周辺回路区域１Ｂとを含む。該表示区域１Ａは、タッチ感応区域であり、下部から上部を順に追って、電極層１０、絶縁層２０および上部電極層３０を有する。該周辺回路区域１Ｂは、静電容量検出回路４０を設置して、表示区域１Ａの感応タッチ位置を識別する。

これにおいて、該下部電極層１０は、複数本の特定間隔を置き、かつ互いに平行する行電極１００を設置され、当該行電極１００は、さらに周辺回路区域１Ｂまでに延伸して、静電容量検出回路４０と電気接続する。絶縁層２０は、通常の非導電特性を持つ材料より作製し、該上部電極層３０と下部電極層１０を隔離するために用いられている。該上部電極層３０は、複数本の特定間隔を置き、かつ互いに平行する列電極３００を設置され、当該列電極３００は、表示区域１Ａにおいて当該行電極１００と互いに直交する配列され、周辺回路区域１Ｂまでに延伸して、静電容量検出回路４０と電気接続する。これによって、当該行電極１００および列電極３００は、静電容量検出回路４０より電位信号を取得し、隣接する各該行電極１００との間、隣接する各該列電極３００との間または互いに交差する各該行電極１００と列電極３００との間のいずれかにおいて、静電容量特性を生成する。本実施態様に提供される該下部電極層１０、絶縁層２０および上部電極層３０は、前記の材料特性を有すると同時に、優れた光透過性も有する。これによって、感応タッチメッセージを該静電容量検出回路４０に伝送し識別させるほか、タッチパネル１を通常の平板ディスプレイでのパネルに取り付けられ、静電容量検出回路４０によって、検出されたタッチ点の位置を上記の平板ディスプレイに伝送し、タッチ点に表示されるタッチメッセージの駆動に用いられる。

静電容量検出回路４０は、任意の隣接する行電極１００、任意の隣接する列電極３００または互いに交差する各該行電極１００と列電極３００の電圧および静電容量値の検出開始することと保存することを制御することができる。図３を参照し、この図において該静電容量検出回路４０は、検出待ち行電極１００および列電極３００と組合せによって積分増幅器に類似する回路構造を生成し、回路環境の高周波ノイズを有効に取り除くことができる。この回路構造において、信号生成回路４１、アンプ４２および入力抵抗Ｒｉｎを含む。該信号生成回路４１は、静電容量を検出するために必要な特定周波数ｆの交流信号Ｖｉを生成し、例えば、正弦波や方形波など。周波数ｆを検出ことには、静電容量の検出速度に関係する。通常、周波数が１０ＫＨｚ以上の正弦波信号を提供する場合には、静電容量値を１回の検出において０．１ｍｓの時間が掛かると意味する。正弦波信号の周波数を高めることによって、静電容量の検出速度を高める。該アンプ４２は、該２つの入力端と１つの出力端を有する負帰還回路である。該アンプ４２の該２つの入力端４２１において、１つは、高準位端４２１ａであり、別の１つは、低準位端４２１ｂである。該高準位端４２１ａを接地し、該低準位端４２１ｂと該信号生成回路４１との間に、該入力抵抗Ｒｉｎと電気接続する。該低準位端４２１ｂと該アンプ４２の出力端４２２は、隣接する該２つの行電極１００、隣接する該２つの列電極３００または交互に交差する該行電極１００と該列電極３００にそれぞれ電気接続する。これによって、隣接するる該２つの行電極１００、隣接する該２つの列電極３００または交互に交差する該行電極１００と該列電極３００より、構成される１つの等価抵抗Ｒｔおよび等価静電容量Ｃｔは、アンプ４２の負帰還回路４３である。信号生成回路４１から周波数ｆの交流信号Ｖｉが生成されると、アンプ４２の出力端４２２にて、出力電圧Ｖｏが生成され、また、Ｖｏ＝Ｖｉ＊〔Ｒｔ／Ｒｉｎ）＋１／（２π＊ｆ＊Ｒｉｎ＊Ｃｔ）〕。

以上によって、本発明が提供されるタッチパネル１のタッチ可感応し検出方式は、図４に示す通りであり、以下のステップを含む。

イ．稼働開始後、該信号生成回路４１より、交流信号Ｖｉを出力し、タッチされていない隣接する該２つの行電極１００、隣接する該２つの列電極３００および互いに交差する該行電極１００と列電極３００のいずれがそれぞれ生成する水平行の静電容量Ｃｈｒ、水平列の静電容量Ｃｈｃおよび垂直静電容量Ｃｖを感応すると共に、該出力端組４２２にて、電圧信号Ｖｏを出力する。

ロ．該静電容量検出回路４０は、各静電容量Ｃｈｒ、Ｃｈｃ、Ｃｖ構造に対応する該行電極１００と該列電極３００の電圧を保存した上、タッチされる前の各水平行の静電容量Ｃｈｒ、水平列の静電容量Ｃｈｃおよび垂直静電容量Ｃｖの静電容量値を計算して保存する。

ハ．該信号生成回路４１より、交流信号Ｖｉを持続的に出力すると共に、隣接する該２つの行電極１００の間および隣接する該２つの列電極３００の間の水平行の静電容量Ｃｈｒ、水平列の静電容量Ｃｈｃの検出を順におって実行し、人体またはタッチツールによって、タッチパネル１に触れた時に、接地電流または別の電位信号の印加に相当する。触れた位置にある電極の電位が変化されて、該電極の関連静電容量まで変化させるため、交流信号Ｖｉが触れた位置の箇所または隣接する行電極１００’および列電極３００’を通過している時に、出力電圧信号Ｖｏも同時に変化させる。照合するステップ２において、タッチされる前の各該行電極１００と列電極３００の電圧値との照合を経た後に、出力電圧が変化された行電極１００’と列電極３００’の位置を保存する。

二．ステップ３において、保存していた出力電圧が変化された行電極１００’と列電極３００’の位置、それぞれ行電極１００’および列電極３００’の出力電圧により大きさを変化してゆき、行電極１００’と列電極３００’との交差範囲における予測可能なタッチ点を検出する。例えば、１つのタッチ点の座標が（３，３）で、ステップ３において、出力電圧が変化された行の位置が２行目、３行目、４行目であり、出力電圧が変化された列の位置が２行目、３行目、４行目である。以上のように、可能なタッチ点座標が（２，２）、（２，３）、（２，４）、（３，２）、（３，３）、（３，４）、（４，２）、（４，３）、（４，４）計９点が推測される。また、図５Ａに示すような複数のタッチ点ａ、ｂ、ｃ、ｄがあれば、当該タッチ点ａ、ｂ、ｃ、ｄと静電容量の関連性を持つ行電極１００’と列電極３００’より構成される共通集合範囲にて、交流信号Ｖｉが隣接する該２つの行電極１００’の出力電圧値に基づいて、該２つの行電極１００’の等価抵抗、等価静電容量を対応し算出する。また、各該行電極１００’の抵抗または静電容量特性に基づいて、各行電極１００’の上に可能な対応するタッチ範囲および交流信号Ｖｉが隣接する該２つの列電極３００’の出力電圧値により、該２つの列電極３００’の等価抵抗、等価静電容量を対応し算出する。また、各該列電極３００’の抵抗、静電容量の特性に基づいて、各列電極３００’の上に可能な対応タッチ範囲を算出し、両者を交差する線を照合すれば、図５Ｂに示すような実際のタッチ点ａ、ｂ、ｃ、ｄを含みすべての予測のタッチ点Ｐが得られる。

ホ．該信号生成回路４１より、交流信号Ｖｉを各該予測のタッチ点Ｐに対応し交差する行電極１００と列電極３００’に出力することによって、各該予測のタッチ点Ｐの垂直静電容量Ｃｖ’を取得する。この結果をステップ２において計算した垂直静電容量Ｃｖと照合を行われば、両者が異なっている場合には、実際のタッチ点ａ、ｂ、ｃ、ｄであり、よって、各該タッチ点ａ、ｂ、ｃ、ｄのタッチ座標を出力する。

本発明が提供する検出方法によれば、検出速度を加速化できる。仮に、タッチパネルにＭ列とＮ行とすれば、すなわち、Ｍ＊Ｎ個の垂直静電容量が取り付けられているとき、いままではＭ＊Ｎ個の静電容量検出時間が掛かる。これに対して、２段式検出回路の法則を利用する場合には、静電容量の検出時間が、僅かＮ行同士の水平静電容量、Ｍ列同士の水平静電容量と、各予測のタッチ点Ｐの垂直静電容量を感応し検出する時間となり、大幅に静電容量の検出時間を短縮できる。この設計法則は、少なくとも１つの静電容量検出回路でタッチパネル全体の検出が可能となり、また多くともタッチパネルの四つの辺にて、計４つの検出回路を作製することができる。よって、タッチパネルのサイズが大きいほど、速度の差異が感じる。さらに、検出回路素子の数量は、タッチパネルの寸法によって大幅に増加する必要がない、回路コストを大幅に軽減できる。

なお、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様および実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、当業者は、本発明の精神および添付の特許請求の範囲内で変更して実施することができる。

１…タッチパネル、１Ａ…表示区域、１Ｂ…周辺回路区域、１０…下部電極層、１００、１００’…行電極、２０…絶縁層、３０…上部電極層、３００、３００’…列電極、４０…静電容量検出回路、４１…信号生成回路、４２…アンプ、４２１…入力端、４２１ａ…高準位端、４２１ｂ…低準位端、４２２…出力端、４３…負帰還回路、Ｒｉｎ…入力抵抗、Ｖｉ…交流信号、ｆ…周波数、Ｃｔ…等価静電容量、Ｒｔ…等価抵抗、Ｖｏ…出力電圧、Ｃｈｒ…水平行の静電容量、Ｃｈｃ…水平列の静電容量、Ｃｖ、Ｃｖ’…垂直静電容量、ａ、ｂ、ｃ、ｄ…タッチ点、Ｐ…予測のタッチ点。

Claims (17)

1. 静電容量式タッチパネルの多点検出方法において、前記タッチパネルは互いに絶縁された第１電極層と第２電極層を有し、前記第１電極層または前記第２電極層はタッチに用いられる前記静電容量式タッチパネルの多点検出方法であって、
   タッチされる前に、交流信号を前記第１電極層の複数の第１電極と、前記第２電極層の複数の第２電極に出力し、隣接する２つの前記第１電極より生成される第１静電容量と、隣接する２つの前記第２電極より生成される第２静電容量と、各前記第１電極と前記第２電極との交差箇所にて生成される垂直静電容量とを検出するステップａと、
   前記交流信号によって、前記第１静電容量および前記第２静電容量の変化を検出し、前記第１静電容量および前記第２静電容量の変化に対応して、電気接続された前記第１電極の位置と前記第２電極の位置を保存するステップｂと、
   前記交流信号を使用してステップｂにて記録された前記第１電極の位置と前記第２電極の位置の交差箇所にて生成される垂直静電容量を測定し、ステップａにて、検出された前記垂直静電容量との照合を行い、両者が異なっている場合には、前記垂直静電容量に対応する前記第１電極と前記第２電極との交差箇所がタッチ点であるステップｃと、
   を含む静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
2. 負帰還回路であるアンプを提供し、測定待ち前記第１静電容量、前記第２静電容量または前記垂直静電容量のいずれかを負帰還アンプの負帰還回路とし、前記第１静電容量、前記第２静電容量または前記垂直静電容量のいずれかを測定し検出する静電容量の検出方法をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
3. 前記アンプは、２つの入力端と、１つの出力端とを有し、前記２つの入力端において、１つが高準位端であり、別の１つは低準位端であり、前記高準位端を接地させ、前記低準位端は前記交流信号を受信することを特徴とする請求項２に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
4. 各前記第１静電容量を測定する場合には、前記アンプの低準位端および出力端をそれぞれ隣接する前記２つの第１電極と電気接続することを特徴とする請求項３に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
5. 各前記第２静電容量を測定する場合には、前記アンプの低準位端および出力端をそれぞれ隣接する前記２つの第２電極と電気接続することを特徴とする請求項３に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
6. 各前記垂直静電容量を測定する場合には、前記アンプの低準位端および出力端をそれぞれ互いに交差する前記第１電極および前記第２電極と電気接続することを特徴とする請求項３に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
7. 入力抵抗をさらに提供し、前記入力抵抗、前記アンプおよび静電容量は積分増幅器を構成し、前記静電容量が測定待ち各前記第１静電容量、前記第２静電容量または前記垂直静電容量のいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
8. 前記ステップｂにおいて、各前記第１静電容量の変化を判断する方法は、前記交流信号を隣接する前記２つの第１電極のいずれかの第１電極に入力し、別の１つの前記第１電極の出力電圧の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
9. 前記第１電極より出力される電圧値に基づいて、タッチにより前記第１電極の等価抵抗と等価静電容量の変化を算出し、タッチ点に隣接する第１電極の位置の判断根拠とすることをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
10. 前記ステップｂにおいて、各前記第２静電容量の変化を判断する方法は、前記交流信号を隣接する前記２つの第２電極のいずれかの第２電極に入力し、別の１つの前記第２電極の出力電圧の変化を検出することを特徴とする請求項１または請求項８に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
11. 前記第２電極より出力される電圧値に基づいて、タッチにより前記第２電極の等価抵抗と等価静電容量の変化を算出し、タッチ点に隣接する第２電極の位置の判断根拠とすることをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
12. 前記タッチパネルには、第１平面に設けられ、かつ第１方向に沿って配列される複数の第１電極および第２平面に設けられ、第２方向に沿って配列される複数の第２電極を有する、前記タッチパネルによるタッチ点の感応し検出する静電容量式タッチパネルの多点検出方法において、
    タッチされる前に、各前記第１電極と前記第２電極が互いに交差する箇所にて、生成する垂直静電容量を算出して保存するステップと、
    各前記第１電極と前記第２電極の電圧変化を監視し、電圧が変化された第１電極と第２電極の位置を記録するステップと、
    当該電圧が変化された第１電極および第２電極が互いに交差する箇所にて生成される垂直静電容量を記録し、前記垂直静電容量の初期値と照合させ、両者が異なっている場合には、前記垂直静電容量が対応する前記第１電極と前記第２電極との交差部分が前記タッチ点であるステップと、を含む静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
13. 各前記第１電極の電圧変化の検出方法において、隣接する２つの前記第１電極のいずれかの第１電極に交流信号を入力し、別の１つの前記第１電極より、出力電圧を読み取ることを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
14. 負帰還アンプであるアンプを提供し、隣接する前記２つの第１電極を前記負帰還アンプの負帰還回路とすることを特徴とする請求項１３に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
15. 各前記第２電極の電圧変化の検出方法において、隣接する２つの前記第２電極のいずれかの第２電極に交流信号を入力し、別の１つの前記第２電極より、出力電圧を読み取ることを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
16. 負帰還アンプであるアンプを提供し、隣接する前記２つの第２電極を前記負帰還アンプの負帰還回路とすることを特徴とする請求項１５に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。
17. 前記アンプは、２つの入力端と、１つの出力端とを有し、前記２つの入力端において、１つが高準位端であり、別の１つが低準位端であり、前記高準位端を接地させ、前記低準位端は前記交流信号を受信することを特徴とする請求項１４または請求項１６に記載の静電容量式タッチパネルの多点検出方法。

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