JP5229887B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
タッチパネルは、指や専用のペン等の入力体で検出平面に触れることで、コンピュータ等の操作を行なう入力装置である。指やペンが触れた位置を検知して画面上の位置を指定し、コンピュータに指示を与える。
このタッチパネルは、PDA(Personal Digital Assistant)や銀行のATM(Automated Teller Machine)、駅の券売機等で広く利用されている。
駆動部602は、例えば、人体に最も吸収され易いとされる周波数である、200kHzの交流電圧を生成する。この駆動部602によって生成された200kHzの交流電圧は、送信選択スイッチ603を通じて、マトリクス電極103のX軸方向の電極(以下、「X軸電極群」という)107に、選択的に印加される。
このマトリクス電極103は、細長い導体の電極を縦横に並べ、縦に並べた電極と、横に並べた電極との間には、図示しない略板状の絶縁シートが介在してコンデンサを形成する。200kHzの交流電圧はこれらコンデンサに印加される。
受信選択スイッチ104は、コンデンサを形成する交点を定めるためのスイッチである。この受信選択スイッチ104の出力はプリアンプ109に供給され、A/D変換器105でデジタルデータに変換された後、位置算出部605に入力される。
なお、説明の便宜のため、マトリクス電極103の、送信選択スイッチ603に接続されている側の電極群をX軸電極群107と呼び、受信選択スイッチ104に接続されている側の電極群をY軸電極群108と呼ぶ。
クロック生成器607はクロックを生成する発振器である。このクロック生成器607が生成したクロックは読み出し部608に供給される。
サイン波ROM609は、8ビット×256サンプルの疑似サイン波が記憶されているROMである。読み出し部608は、クロック生成器607から供給されるクロックに基づいて、このサイン波ROM609のアドレスを指定して、データを読み出す。
このサイン波ROM609から読み出し部608によって読み出されたデータは、D/A変換器610によってD/A変換された後、LPF611にて平滑化されることにより、アナログのサイン波信号に変換される。その後、このサイン波信号は、ドライバ612において電圧増幅されて、X軸電極群107に印加される交流電圧となる。
この積分処理に要する時間では、小規模の位置検出装置ではあまり問題にはならないが、位置検出装置の位置検出平面を大きくしようとすると、問題が顕在化する。つまり、位置検出平面を大きくすると、交点の数が増えるので、交点の数が増えれば増えるほど、位置検出平面全体を走査(スキャン)するのに要する時間が長くなってしまう。
一方、出願人は広大な面積の位置検出平面を備える、静電容量方式の位置検出装置を実現したいと考えている。目指す位置検出装置の位置検出平面内の交点数は、およそ15000個程度を目標にしている。したがって、従来技術による位置検出装置では、到底実現することはできない。
そして、信号供給部は、立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を、第一の方向に配置された複数の電極を構成する第一の電極に供給される信号の立ち上がりの時点と第一の方向に配置された複数の電極を構成する第一の電極とは異なる第二の電極に供給される信号の立ち下がりの時点が同時となるように、所定の時間幅より短い時間差にて第一の方向に配置された複数の電極のそれぞれに供給する。
また、位置算出部は、第一の方向に対して直交する方向に配置された複数の電極に選択的に結合されるとともに、選択的に結合された電極に発生する第一の電極に供給される信号の立ち上がりの時点での電流と、第二の電極に供給される信号の立ち下がりの時点での電流との合成電流による信号に基づいて、指示体が指示する位置を検出するようにしたことを特徴としている。
この矩形波生成部102によって生成されるリセットパルスは、後述するA/D変換器105及び位置算出部106に供給される。
なお、この矩形波生成部102が生成するワンショットパルスのパルス幅は、例えば、人体に最も吸収され易いとされる200kHzの矩形波から半周期分の信号を取り出したものに等しい、2.5μsecに設定されている。
そして、X軸電極群107は矩形波生成部102に接続されており、この矩形波生成部102からこのX軸電極群107にワンショットパルスが印加される。すなわち、X軸電極群107とY軸電極群108との各交点に形成されるコンデンサには、このX軸電極群107を介して、ワンショットパルスが供給されるから、このX軸電極群107は信号供給電極として機能する。
そして、この受信選択スイッチ104は、マトリクス電極103から出力された電流をプリアンプ109に出力する。すなわち、Y軸電極群108は、受信電極として用いられている。
また、この受信選択スイッチ104は、後述する位置算出部106に、Y軸電極群108のいずれの電極を選択したかを示すアドレス情報を出力する。
この位置算出部106には、A/D変換器105から出力されるデジタルデータと、矩形波生成部102から出力されるクロックパルスと、受信選択スイッチ104から出力されるアドレス情報とが入力される。
図2は、矩形波生成部102の内部ブロック図である。
この矩形波生成部102は、クロック生成部202と、分周器203と、ANDゲート204と、カウンタ206と、デジタルコンパレータ205と、定数n207と、シフトレジスタ208と、モノステーブルマルチバイブレータ211とから構成される。
この分周器203は周知のプログラマブル・カウンタである。そして、この分周器203は、クロック生成器202から入力されるクロックを一定の数だけ計数することで、クロックの周波数を1/Nに変換する。本実施形態では、この分周器203の分周比は1/10に設定されており、このクロックは1200kHz(一周期0.833μs)に分周される。
そして、このカウンタ206の入力端子はANDゲート204の出力端子に、リセット端子は後述するモノステーブルマルチバイブレータ211にそれぞれ接続されている。
この無効ビットセル210a、210b及び210cのうちの最後の無効ビットセル210cは、モノステーブルマルチバイブレータ211に接続される。
このモノステーブルマルチバイブレータ211は、その論理値出力をカウンタ206のリセット端子と、受信選択スイッチ104と位置算出部106とに供給する。
同様に、このシフトレジスタ208の有効ビットセル209a〜209mは、デジタルコンパレータ205あるいは直前の隣接するセルから論理値「0」が入力され、クロックパルスのアップエッジが入力されると、接続されているX軸電極群107の電極に低電位を出力する。
すなわち、各有効ビットセル209a〜209mに入力される論理値を「0」→「1」→「0」と経時的に変化させることにより、シフトレジスタ208はX軸電極群107の各電極にワンショットパルスを供給する。
カウンタ206の初期値は0であるので、その出力端子からは数値「0」が出力される。デジタルコンパレータ205は、定数n207から与えられる数値(n=3)と、カウンタ206から入力される数値「0」とを比較する。この時点では、定数n207の数値は、カウンタ206から入力される値よりも大きいので、デジタルコンパレータ205からは論理値「1」が出力される。その結果、ANDゲート204には、デジタルコンパレータ205からの論理値「1」が入力されるので、このANDゲート204は、分周器203から出力されるクロックパルスをカウンタ206に供給する。このカウンタ206は、ANDゲート204からクロックパルスが入力されるので、値「1」を出力する。
以降、このカウンタ206から出力された値「1」がデジタルコンパレータ205へ入力され、ANDゲート204、カウンタ206及びデジタルコンパレータ205は、カウンタ206からデジタルコンパレータ205へ入力された値が「3」になるまで上記の動作を繰り返す。
デジタルコンパレータ205から出力される論理値は、シフトレジスタ208の有効ビットセル209aに供給される。このシフトレジスタ208は、分周器203から供給されるクロックパルスのアップエッジに応じて、有効ビットセル209aに保持されている値「1」を隣の有効ビットセル209bへシフトさせると共に、新たにデジタルコンパレータ205から出力された値「1」を有効ビットセル209aに保存する。以降、クロックパルスが入力される毎に、シフトレジスタ208は、特定の有効ビットセル209xの値を隣接する隣の有効ビットセル209(x+1)へ順にシフトさせる。
そして、最後の有効ビットセル209mに保持されている値は、最初の無効ビットセル210aに供給される。同様に、最初の無効ビットセル210aに保持されている値は隣接する隣の無効ビットセル210bに、無効ビットセル210bに保持されている値は最後の無効ビットセル210cにそれぞれ供給される。
そして、最後の無効ビットセル210cに保持された値は、シフトレジスタ208にクロックパルスが入力されると、モノステーブルマルチバイブレータ211に供給される。
このように、シフトレジスタ208がデータを移動させ続けると、最初の段階で入力された「111」という値は、無効ビットセル210a〜210cへ到達する。
その後、モノステーブルマルチバイブレータ211に次の値「1」が入力されると、このモノステーブルマルチバイブレータ211はカウンタ206のリセット入力へのパルス信号の供給をしなくなるので、この時点からカウンタ206は計数が再開する。
このようにして、矩形波生成部102は、X軸電極群107にワンショットパルスを供給する。
ループカウンタ104aは、受信電極であるY軸電極群108の電極の数が最大値(本実施例ではn)に設定された、周知のプログラマブルN進カウンタである。このループカウンタ104aは、矩形波生成部102のモノステーブルマルチバイブレータ211から出力されるリセットパルスを計数する。
以下同様に、Y軸電極群108の最後の電極である、n番目の電極を選択した後、ループカウンタ104aは次のリセットパルスを受けると最初の数値(=1)に戻る。
この位置算出部106は、積算部302と、バッファメモリ303と、ピーク検出部304と、重心演算部305と、カウンタ306とから構成される。
また、このバッファメモリ303が積算部302の演算出力値を記憶するデータの個数は、X軸電極群107の電極の本数の三倍である。後段の重心演算部305が重心を演算する際に、Y軸方向の重心も演算する必要があるからである。
さらに、この積算部302には、矩形波生成部102から出力されるクロックパルスが入力される。そして、この積算部302は、このクロックパルスが入力される毎に演算値を記憶する。
また、このバッファメモリ303には、矩形波生成部102から出力されるクロックパルスと、後述するカウンタ306から出力されるX軸方向アドレス情報とが入力される。ここで、このクロックパルスは、バッファメモリ303が積算部302の出力値を記憶するタイミングパルスとして用いられる。なお、このX軸方向アドレス情報は、バッファメモリ303が積算部302の出力値を記憶する領域のアドレスとして用いられる。
そして、このカウンタ306の出力値は、X軸方向アドレスとして、バッファメモリ303及び重心演算部305に供給される。
これら第1のX軸電極402及び第2のX軸電極403とY軸電極406とに着目すると、図3に示す矩形波生成部102、X軸電極群107、Y軸電極群108及びプリアンプ109は、図4(a)に示す等価回路で表すことができる。これら第1のX軸電極402と第2のX軸電極403に矩形波を供給する矩形波生成部102は、第1のX軸電極402と第2のX軸電極403とのそれぞれに矩形波を供給するので、それぞれの電極に第1の矩形波電圧源404及び第2の矩形波電圧源405が接続されたとみなすことができる。なお、この図4(a)中では、指407を点線で示している。
従って、指407が電極の交点に近接していない場合、すなわち、第2矩形波電圧源405から第2のX軸電極403に対して、図4(b)に示すような、時点t0に立ち上がる矩形波信号が印加された場合は、第2のX軸電極403とY軸電極406との間に構成されるコンデンサには、その印加された矩形波信号の立ち上がり時にのみ電流が流れる。その結果、このコンデンサに流れる電流は図4(c)に示す波形となる。
同様に、特に図示はしないが、指407が電極の交点に近接している場合に、第1の矩形波電圧源404から第1のX軸電極402に対して、図4(e)に示す矩形波信号が印加されると、第1のX軸電極402から発される電気力線の一部が指407に吸収され、図4(d)に示す電流波形の位相を180°反転した波形が現れる。
時点t0において、第1矩形波電圧源404から第1のX軸電極402に対し、立ち上がり電圧(図4(b))が印加され、第2矩形波電圧源405から第2のX軸電極403に対し、立ち下がり電圧(図4(e))が印加されたとすると、第1のX軸電極402とY軸電極406との交点によって形成されるコンデンサの静電容量と、第2のX軸電極403とY軸電極406の交点とによって形成されるコンデンサの静電容量とが等しくなるので、それぞれの交点に発生する電流が打ち消し合う。その結果、Y軸電極406には、電流波形は発生しない。
第一の絶縁シート505は、例えば、略板状の絶縁材で、X軸電極群107とY軸電極群108との各交点を絶縁させるためのものである。
第二の絶縁シート506は、略板状の絶縁材で、位置を指示する際に指407が、X軸電極107a〜107gに直接触れないように、この第二の絶縁シート506によって覆われている。したがって、この第二の絶縁シート506の直下に、X軸電極107a〜107gが位置するので、X軸電極群107から発される電気力線は、効果的に指407に吸収される。
ここで、有効ビットセル209aがX軸電極107aに印加する電圧のビット幅は、ANDゲート204、カウンタ206、定数n207及びデジタルコンパレータ205によって形成され、デジタルコンパレータ205から出力される論理信号によって決定される。この論理信号は、定数n207に格納されている数値「3」によって、分周器203から出力されるクロックの三倍の周期に形成されている。したがって、値「1」は連続して3回、シフトレジスタ208に入力されるから、シフトレジスタ208に入力されたクロックの3回分に相当するワンショットパルスとなる。その結果、例えば、X軸電極107aにワンショットパルスが印加された時点t1を基準とすると、X軸電極107aに印加されたワンショットパルスの立ち下がりは、時点t4に到達することになる。
例えば、図5(c)に示すX軸電極107bの波形では、t5の時点でワンショットパルスの立ち下がりが発生する。同様に、図5(f)に示すX軸電極107eの波形では、t5の時点でワンショットパルスの立ち上がりが発生する。そして、X軸電極107b及びX軸電極107eのいずれも、指407は近接していない。このため、t5の時点では、X軸電極107bに現れたワンショットパルスの立ち下がりによってY軸電極503に発生する電流と、X軸電極107eに現れたワンショットパルスの立ち上がりによってY軸電極503に発生する電流とが合成されるので、Y軸電極503から電流波形は発生しない。
同様に、時点t5以外の、指407が近接していないX軸電極の組の時点、例えば、時点t6の場合では、図5(d)に示すX軸電極107cにワンショットパルスの立ち下がりが発生し、同様に、図5(g)に示すX軸電極107eにワンショットパルスの立ち上がりが発生する。そして、X軸電極107c及びX軸電極107fのいずれも、指407は近接していない。このため、t6の時点でも、X軸電極107cに現れたワンショットパルスの立ち下がりによってY軸電極503に発生する電流と、X軸電極107fに現れたワンショットパルスの立ち上がりによってY軸電極503に発生する電流とが合成されるので、Y軸電極503から電流波形は発生しない。
この結果、Y軸電極503には、図5(i)に示すように、指407が近接しているX軸電極107dに印加されたワンショットパルスの立ち上がりが現れるt4時点と、ワンショットパルスの立ち下がりが現れるt7時点とに電流波形が現れる。
ここで、X軸電極群107全体を縦方向に見ると、3倍の速度で走査を行っていることと等しいものと見ることができる。
本実施形態は、従来技術がなしえなかった「200kHzの壁」を破る技術の一実装形態である。
(1)X軸電極群107の各電極に印加される信号の波形は、必ずしも矩形波でなくてもよい。
例えば、0Vから所定の電圧に至るまでの期間、つまり立ち上がりの期間と、所定の電圧から0Vに至るまでの期間、つまり立ち下がりの期間との、電圧の積分値がそれぞれ同じであれば、図4(g)に示した、電流変化の打ち消し合いの効果が得られる。
例えば、シフトレジスタ208の各有効ビットセル209a〜209mとX軸電極群107の各電極との間に、200kHzを通過させるバンドパスフィルタを挿入する。すると、X軸電極群107の各電極には、サイン波形の半波長が印加されることとなる。このような波形でも、上記実施例と同様に指の存在を検出することができる。
Claims (6)
- 第一の方向に配置された複数の電極と、前記第一の方向に対して直交する方向に配置された複数の電極と、前記第一の方向に配置された複数の電極に信号を供給する信号供給部と、前記第一の方向に対して直交する方向に配置された複数の電極から、指示体による位置指示に対応した信号変化を検出する位置算出部を備えた、静電容量方式による位置検出装置において、
前記信号供給部は、立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を、前記第一の方向に配置された複数の電極を構成する第一の電極に供給される信号の立ち上がりの時点と前記第一の方向に配置された複数の電極を構成する前記第一の電極とは異なる第二の電極に供給される信号の立ち下がりの時点が同時となるように、前記所定の時間幅より短い時間差にて前記第一の方向に配置された複数の電極のそれぞれに供給するとともに、
前記位置算出部は、前記第一の方向に対して直交する方向に配置された複数の電極に選択的に結合されるとともに、選択的に結合された電極に発生する前記第一の電極に供給される信号の立ち上がりの時点での電流と前記第二の電極に供給される信号の立ち下がりの時点での電流との合成電流による信号に基づいて、前記指示体が指示する位置を検出するようにしたことを特徴とする静電容量方式による位置検出装置。 - 前記信号供給部が前記第一の方向に配置された複数の電極に供給する前記立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号は、矩形波信号である、
請求項1に記載の位置検出装置。 - 前記信号供給部は、前記第一の方向に配置された複数の電極のそれぞれに対応するセルを有するシフトレジスタを備え、前記シフトレジスタに供給する信号を制御することにより前記第一の方向に配置された複数の電極に前記立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を生成するようにした、
請求項2に記載の位置検出装置。 - 前記位置算出部には前記信号供給部から前記第一の方向に配置された複数の電極のいずれの電極に前記立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を供給したかを示す信号が供給されており、
前記位置算出部は、前記第一の方向に配置された複数の電極のいずれの電極に前記立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を供給したかを示す信号と前記選択的に結合された電極から得られる信号とに基づいて指示位置を算出するようにした、
請求項1に記載の位置検出装置。 - 前記第一の方向に対して直交する方向に配置された複数の電極を順次選択するための選択回路をさらに備え、
前記選択回路は、前記信号供給部から前記第一の方向に配置された複数の電極のいずれの電極に前記立ち上がりと立ち下がりの間に所定の時間幅を有する波形の信号を供給したかを示す信号に基づいて順次前記第一の方向に対して交差する方向に配置された複数の電極から所定の電極を選択して前記位置算出部に結合するようにした、
請求項4に記載の位置検出装置。 - 前記位置算出部は、前記選択された電極から得られる信号に対し積分処理をするための積分回路を有するとともに、前記積分回路により積分処理された信号のピーク値に基づいて前記指示体による指示位置を算出するようにした、
請求項5に記載の位置検出装置。
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