JP5396333B2 - タッチパネル装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに並走する複数の電極を所定本数ずつグルーピングするようにしたタッチパネル装置に関するものである。

タッチパネル装置は、パソコンや携帯情報端末の分野で広く普及しているが、このタッチパネル装置を、大画面の表示装置と組み合わせることで、多人数を対象にしたプレゼンテーションや講義で利用される、いわゆるインタラクティブホワイトボードとして用いることができる。

また、タッチパネル装置には、タッチ位置を検出する原理が異なる種々の方式があるが、例えば静電容量方式のように、指等の指示物によるタッチ操作に応じた静電容量の変化を検出するために多数の電極をパネル内に配設した構成のものでは、タッチ位置を求めるための演算量が、電極の本数が多くなるのに応じて増大する。特にタッチパネル装置をインタラクティブホワイトボードとして用いた場合、タッチパネル装置の大型化に伴って電極の本数が増えるため、タッチ位置を求めるための演算量が大幅に増大する。

このような演算量の増大に対して制御部の処理能力が不足すると、指等の指示物によるタッチ操作にタッチ位置の検出処理を追従させることができないため、例えばユーザが指示物を動かした際の指示物の軌跡に沿って線が描画される手書きモードでは、線の描画が遅れる等の不具合が生じ、使い勝手が低下する。このような問題に対して、制御部に高い処理能力を有するものを採用することが考えられるが、これには製造コストの大幅な上昇を招き、また処理速度を高めるにも限界がある。そこで、制御部の演算負担を軽減して、タッチ位置の検出処理を高速に行うことができる構成が望まれる。

このような高速化の要望に関連して、従来、互いに並走する複数の電極を所定本数ずつ電気的に接続してグルーピングする技術が知られている（特許文献１、２参照）。この技術は、電極を微細配線化して電極を見えにくくすることにより、タッチパネル装置の背面側に配置される表示装置の視認性を改善するものであるが、電極の微細配線化により電極本数が多くなっても、電極をグルーピングすることで見かけ上の電極本数が少なくなるため、演算負担を軽減して処理の高速化を図ることができる。

また、複数の電極を一定の本数でグルーピングした状態とグルーピングしない状態とを切り換える技術が知られている（特許文献３参照）。この技術は、複数の電極をグルーピングした状態でタッチ位置を大まかに検出した後に、その周辺領域を対象にして電極をグルーピングしない状態に切り換えてタッチ位置を正確に求めるものであり、これにより処理の高速化を図りつつ検出精度を確保するようにしている。

実開平４−１２８３３０号公報 特開２００７−２５７１６４号公報 特開２００９−２５８９０３号公報

ところで、インタラクティブホワイトボードとして用いられるタッチパネル装置は、特に学校などの教育分野での利用が期待され、このような教育分野では、大人の他に、子供が使用する機会が多くなるが、子供の指は大人の指とは大きさが大きく異なる。また、手書きモードで文字などを描画するにはスタイラスペンが都合が良いが、このスタイラスペンでは、タッチ面に接触するペン先が子供の指よりさらに小さくなる。

ところが、タッチ操作を行う指やスタイラスペンなどの指示物の大きさと、グルーピングする電極の本数（以下、グルーピング本数と呼称する）とが適合していないと、検出精度を十分に高めることができない。このため、大人の指、子供の指及びスタイラスペンといったように指示物に大きさが異なる種々のものがある場合、前記従来の技術のように、グルーピング本数が一定であると、指示物の大きさに関係なく、一様に検出精度を高めることが難しいという問題が生じる。

また、大人がタッチ操作を行う場合には、指を大きく動かして大きな文字や図形を描画しようとするため、指を動かす距離が大きく且つ指の動きが速くなる。一方、子供の場合には、比較的細かく指を動かして小さな文字や図形を描画しようとするため、指を動かす距離が小さく且つ指の動きが遅くなる。また、スタイラスペンは、文字や比較的細かい図形を描画する際に用いられることから、スタイラスペンを動かす距離が小さく且つスタイラスペンの動きも遅くなる。また、指の動きでプログラムの動作を指示するジェスチャー操作の場合には、指を動かす距離が大きく且つ指の動きが速くなる。

したがって、指示物が大人の指であれば、タッチ位置の検出処理を指の動きに確実に追従させるために、タッチ位置の検出処理に高い速度が要求される。また、指示物が子供の指であれば、タッチ位置の検出処理に高い精度が要求され、さらにある程度の速度も要求される。また、指示物がスタイラスペンであれば、タッチ位置の検出処理にあまり高い速度は要求されず、代わりに高い精度が要求される。このように指示物の違いに応じてタッチ操作の特徴が異なり、タッチ位置の検出処理に要求されるものも異なるため、想定される指示物のタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる構成が望まれる。

本発明は、このような発明者の知見に基づいて案出されたものであり、その主な目的は、タッチ操作を行う指示物の大きさに関係なく、十分な精度でタッチ位置を検出することができ、さらに想定される指示物によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができるように構成されたタッチパネル装置を提供することにある。

本発明のタッチパネル装置は、タッチ面を備え、互いに並走する複数の第１の電極及び互いに並走する複数の第２の電極が格子状に配置されたパネル本体と、複数の前記電極を所定本数ずつグルーピングして、同一のグループに属する電極を電気的に接続すると共に、前記電極をグルーピングする際のグルーピング本数を切り換え可能としたグルーピング部と、前記タッチ面に対するタッチ操作に応じた静電容量の変化に伴う前記電極の出力信号の変化に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記グルーピング部の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、指示物によるタッチ操作の検出結果に基づいて指示物の大きさを判定し、その指示物の大きさに応じて、前記グルーピング部におけるグルーピング本数を切り換えるようにした構成とする。

本発明によれば、指示物の大きさに応じてグルーピング本数（１グループあたりの電極本数）を切り換えるようにしたため、タッチ操作を行う指示物の大きさに関係なく、タッチ位置の検出精度を高めることができ、さらに想定される指示物によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。

本発明によるタッチパネル装置を示す全体構成図 図１に示したパネル本体の断面図 図１に示した受信部の概略構成図 図３に示した受信信号処理部の概略構成図 図３に示した受信グルーピング部の構成を示す図 図１に示した送信部の概略構成図 図１に示した制御部で行われる送信電極及び受信電極のグルーピングの切換制御における指示物の大きさとグルーピング本数との関係を示す図 図１に示した制御部で行われるグルーピング本数を設定する処理の手順を示すフロー図 図８に示した指示物の大きさを求める処理（接触面積算出）の要領を説明する図 図７に示したグルーピング本数に応じた電極交点の状況を示す図 図１０に示した電極交点を測定点としてその測定点の直上から指示物を矢印方向に移動させた際の指示物の移動距離に応じた静電容量の変化率を示す図

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、タッチ面を備え、互いに並走する複数の第１の電極及び互いに並走する複数の第２の電極が格子状に配置されたパネル本体と、複数の前記電極を所定本数ずつグルーピングして、同一のグループに属する電極を電気的に接続すると共に、前記電極をグルーピングする際のグルーピング本数を切り換え可能としたグルーピング部と、前記タッチ面に対するタッチ操作に応じた静電容量の変化に伴う前記電極の出力信号の変化に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記グルーピング部の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、指示物によるタッチ操作の検出結果に基づいて指示物の大きさを判定し、その指示物の大きさに応じて、前記グルーピング部におけるグルーピング本数を切り換えるようにした構成とする。

これによると、指示物の大きさに応じてグルーピング本数（１グループあたりの電極本数）を切り換えるようにしたため、タッチ操作を行う指示物の大きさに関係なく、タッチ位置の検出精度を高めることができ、さらに想定される指示物によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記制御部は、指示物によるタッチ操作を検出してからそのタッチ操作が終了するまでのタッチ操作期間ごとにグルーピング本数を切り換える構成とする。

これによると、タッチ操作を行う指示物の大きさに対応した適切なグルーピング本数でタッチ位置の検出処理を行うことができる。

なお、フレーム単位で、あるいは所定数のフレームごとにグルーピング本数を切り換える構成も可能である。この場合、最小のグルーピング本数に設定して指示物の大きさを判定する検査フレームを、実際にタッチ位置を検出する位置検出フレームの間に適宜なタイミングで挿入するようにするとよい。

また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記制御部は、指示物の大きさを判定する際に、最小のグルーピング本数に設定して、前記タッチ面に対する指示物の接触領域に含まれる電極交点の数を求め、その電極交点の数に基づいて指示物の大きさを判定する構成とする。

これによると、指示物の大きさを精度よく且つ簡単に判定することができる。

また、第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記第１の電極に対して駆動信号を印加して、その駆動信号に応答した前記第２の電極の充放電電流信号を受信して、電極交点ごとのレベル信号を取得し、そのレベル信号に基づいてタッチ位置を検出するものであり、前記第１の電極が前記タッチ面に近い側に、前記第２の電極が前記タッチ面から離れた側にそれぞれ配置された構成とする。

これによると、タッチ操作の際に指等の指示物と第１の電極との距離が短くなることから、指示物のタッチ操作に応じた第２の電極の充放電電流の変化量が大きくなり、タッチ位置検出の感度を向上させることができる。

また、第５の発明は、前記第１乃至第４の発明において、表示装置の表示面を覆うように配置されるものであり、前記電極は、不透明な金属材料で、前記表示装置の視認性を阻害しない微細な線径に形成された構成とする。

これによると、電極を微細な線径とすることで、電極が見えにくくなり、また、電極に金属材料を用いることで抵抗値を小さくすることができるため、タッチパネル装置の大型化に伴って電極が長くなることで発生する信号の鈍り等の不具合を回避することができ、これによりタッチ位置の検出精度が高く且つ表示装置の視認性に優れた大型のタッチパネル装置を実現することができる。

また、第６の発明は、前記第１乃至第５の発明において、前記グルーピング部は、グルーピング本数が２のべき乗の数となるように前記電極のグルーピングを行う構成とする。

これによると、電極のグルーピングを切り換える制御シーケンスを簡単にすることができる。この場合、例えばグルーピングの最小単位を２本として３段階にグルーピングすると、グルーピング本数は２本、４本及び８本となる。

また、第７の発明は、前記第１乃至第６の発明において、大人の指、子供の指及びスタイラスペンの大きさを基準にして指示物の大きさを３通りに場合分けすると共にグルーピング本数が３段階に設定された構成とする。

これによると、大人や子供が随時操作すると共にスタイラスペンも用いられることがある利用環境、例えば学校などの教育分野で利用される場合に、使い勝手の良いタッチパネル装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるタッチパネル装置を示す全体構成図である。このタッチパネル装置１は、互いに並走する複数の送信電極（第１の電極）２と互いに並走する複数の受信電極（第２の電極）３とが格子状に配置されたパネル本体４と、送信電極２に対して駆動信号（パルス信号）を印加する送信部５と、送信電極２に印加された駆動信号に応答した受信電極３の充放電電流信号を受信して、送信電極２と受信電極３とが交差する電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部６と、この受信部６から出力されるレベル信号に基づいてタッチ位置を検出すると共に送信部５及び受信部６の動作を制御する制御部７とを備えている。

このタッチパネル装置１は、大画面の表示装置９と組み合わせることで、プレゼンテーションや講義で利用される、いわゆるインタラクティブホワイトボードとして用いられ、特にここでは、パネル本体４の各部材が透明材料で構成され、プラズマディスプレイや液晶ディスプレイなどの表示装置９の表示面を覆うようにパネル本体４が配置され、表示装置９の表示画面をパネル本体４を通して見ることができる。なお、表示装置９にプロジェクタ装置を用いることも可能であり、この場合、タッチパネル装置１のタッチ面がプロジェクタ用のスクリーンとなる。

タッチパネル装置１から出力されるタッチ位置情報は、パソコンなどの外部機器８に入力され、外部機器８から出力される表示画面データに基づいて表示装置９の表示画面に、タッチパネル装置１のタッチ面上でユーザが指示物（ユーザの指先及びスタイラスや指示棒等の導電体）で行ったタッチ操作に対応した画像が表示され、タッチパネル装置１のタッチ面にマーカーで直接描画をするのと同様の感覚で所要の画像を表示させることができ、また表示画面に表示されたボタンなどを操作することができる。さらに、タッチ操作で描かれた画像を消去するイレーサを用いることもできる。

送信電極２及び受信電極３は同一の配置ピッチ（例えば１ｍｍ）で配置されており、その本数はパネル本体４のアスペクト比に応じて異なり、送信電極２が例えば９６０本、受信電極３が例えば１４８８本配置される。

ここでは、相互容量方式が採用されており、送信電極２に駆動信号（パルス信号）を印加すると、これに応答して受信電極３に充放電電流が発生し、このとき、ユーザのタッチ操作に応じて電極交点の静電容量が変化すると、受信電極３の充放電電流が変化し、この充放電電流の変化量を受信部６で電極交点ごとのレベル信号（ディジタル信号）に変換して制御部７に出力し、制御部７では、電極交点ごとのレベル信号に基づいてタッチ位置が算出される。この相互容量方式では、同時に複数のタッチ位置を検出する、いわゆるマルチタッチ（多点検出）が可能である。

制御部７は、受信部６から出力される電極交点ごとのレベル信号から所定の演算処理によってタッチ位置（タッチ領域の中心座標）を求める。この制御部７では、タッチ面の全面に渡って電極交点ごとのレベル信号の受信が終了する１フレーム周期ごとにタッチ位置を求める処理が行われ、タッチ位置がフレーム単位で外部機器８に出力される。外部機器８では、時間的に連続する複数のフレームのタッチ位置情報に基づいて、各タッチ位置を時系列に連結する画像データを生成して、表示装置９に出力する。

図２は、図１に示したパネル本体４の断面図である。この図２には、電場の状況（電気力線）を破線で示しており、図２（Ａ）は、初期状態を、図２（Ｂ）は、ユーザが指Ｆ等の指示物でタッチ操作を行った際の状態をそれぞれ示す。

送信電極２及び受信電極３は、指Ｆ等の指示物によるタッチ操作が行われるタッチ面１１を備えた保護絶縁体１２により表面側を保護される。また、送信電極２及び受信電極３は支持体１３により支持され、この支持体１３の表面側に送信電極２が設けられ、支持体１３の裏面側に受信電極３が設けられている。

保護絶縁体１２は、指Ｆ等の指示物によるタッチ操作の検出感度を高めるために透明で誘電率の高いガラス材料等で形成するとよい。支持体１３は、送信電極２と受信電極３との間に介在して両者を絶縁する絶縁層として機能し、この支持体１３には、ガラス板や合成樹脂（例えばＰＥＴ、ＰＩ、ＰＥＮ、ＰＥＳ等）からなるフィルムを用いると良い。

送信電極２及び受信電極３は、導電性を有する不透明な金属材料で、表示装置９の視認性を阻害しない微細な線径（例えば１５μｍ以下）に形成されている。送信電極２及び受信電極３を形成する材料としては、抵抗値が低い金属、例えば銅や銀等が好適である。また、送信電極２及び受信電極３の形成方法としては、支持体１３に予め積層された金属導電層（例えばＣｕ箔）を所定のパターンでエッチングする方法や、Ａｇ等の金属微粒子を溶媒中に分散させた導電性インク（例えばＡｇペースト）をグラビア印刷法やスクリーン印刷法により支持体１３に付着させる方法や、Ａｇ等の金属超微粒子を溶媒中に分散させたナノインクをインクジェット工法により支持体１３に付着させる方法を挙げることができる。

なおここでは、送信電極２及び受信電極３が支持体１３の表裏各面にそれぞれ配設された構成としたが、送信電極２と受信電極３は互いに絶縁されていればよく、例えば支持体の表面に受信電極３を形成し、その受信電極３上に絶縁層を介して送信電極２を形成する構成としてもよい。また、絶縁性を有する支持体を２枚使用し、各々の片面に送信電極２及び受信電極３をそれぞれ形成して、両者を粘着剤等を用いて積層する構成としてもよい。

送信電極２と受信電極３とは、絶縁層となる支持体１３を挟んで重なり合う態様で交差しており、この送信電極２と受信電極３とが交差する電極交点にはコンデンサが形成され、図２（Ｂ）に示すように、ユーザが指Ｆ等の指示物でタッチ操作を行い、指示物がタッチ面１１に接近あるいは接触すると、指示物と送信電極２との間に静電結合が生じる、すなわち指示物と送信電極２との間に新たにコンデンサが形成され、送信電極２と受信電極３との間の全体的な静電容量が減少する。このため、送信電極２に駆動信号（パルス信号）を印加すると、その駆動信号に応答して受信電極３に発生する充放電電流が、タッチ操作に伴う静電容量の変化に応じて変化し、この充放電電流の変化に基づいてタッチ操作の有無を検出することができる。

特にここでは、送信電極２がタッチ面１１に近い側に、受信電極３がタッチ面１１から離れた側にそれぞれ配置されている。これにより、タッチ操作時の指Ｆ等の指示物と送信電極２との距離が短くなることから、指示物と送信電極２との間に形成されるコンデンサの容量が実質的に大きくなるため、指示物のタッチ操作に応じた受信電極３の充放電電流の変化量が大きくなり、タッチ位置検出の感度を向上させることができる。なお、この効果は、送信電極２のタッチ面１１側にある保護絶縁体１２の厚さを薄くするほど顕著に発現する。

図３は、図１に示した受信部６の概略構成図である。受信部６は、受信グルーピング部２１と電極選択部２２と受信信号処理部２３とを備えている。受信グルーピング部２１では、受信電極３が所定本数ずつグルーピングされて同一のグループに属する受信電極３が電気的に接続されると共に、受信電極３をグルーピングする際のグルーピング本数（１グループあたりの電極本数）を切り換えることができるようになっている。

電極選択部２２では、グルーピングの最小単位となる所定本数（ここでは２本）の受信電極３ごとにスイッチング素子ＳＷａが接続されており、送信電極２に駆動信号を印加する間に、受信電極３のグループを１つずつ選択して、受信電極３からの充放電電流信号を受信信号処理部２３に順次入力させる。各スイッチング素子ＳＷａは制御部７からの駆動信号に応じて個別にオンオフ制御される。

図４は、図３に示した受信信号処理部２３の概略構成図である。この受信信号処理部２３は、ＩＶ変換部３１と、バンドパスフィルタ３２と、絶対値検出部３３と、積分部３４と、サンプルホールド部３５と、ＡＤ変換部３６とを備えている。

ＩＶ変換部３１では、電極選択部２２を介して入力される受信電極３の充放電電流信号（アナログ信号）が電圧信号に変換される。バンドパスフィルタ３２では、ＩＶ変換部３１の出力信号に対して、送信電極２に印加される駆動信号の周波数以外の周波数成分を有する信号を除去する処理が行われる。絶対値検出部（整流部）３３では、バンドパスフィルタ３２の出力信号に対して全波整流が行われる。積分部３４では、絶対値検出部３３の出力信号を時間軸方向に積分する処理が行われる。サンプルホールド部３５では、積分部３４の出力信号を所定のタイミングでサンプリングする処理が行われる。ＡＤ変換部３６では、サンプルホールド部３５の出力信号をＡＤ変換してレベル信号（ディジタル信号）を制御部７に出力する。

図５は、図３に示した受信グルーピング部２１の構成を示す図である。受信グルーピング部２１には、３つのスイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３が設けられており、このスイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３の切り換えにより受信電極３のグルーピング本数を変更することができる。各スイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３は制御部７からの駆動信号に応じて個別に切り換え制御される。

この受信グルーピング部２１では、受信電極３が段階的（階層的）にグルーピングされ、ここではグルーピング本数を２本とした小グループＧｓをグルーピングの最小単位とし、この小グループＧｓと、グルーピング本数を４本とした中グループＧｍと、グルーピング本数を８本とした大グループＧｌとの３段階にグルーピングされ、大グループＧｌを構成する８本の受信電極３ごとに受信グルーピング部２１が設けられる。受信電極３からの信号の受信信号処理部２３への入力を断続するスイッチング素子ＳＷａは、グルーピングの最小単位となる小グループＧｓごとに設けられている。

中グループＧｍは２つの小グループＧｓを統合したものとなり、大グループＧｌは２つの中グループＧｍを統合し、また４つの小グループＧｓを統合したものとなる。受信電極３の総本数を１４８８本とすると、小グループＧｓの数は７４４、中グループＧｍの数は３７２、大グループＧｌの数は１８６となる。

各スイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３は、２つの接点の一方がスイッチング素子ＳＷａに接続され、他方が別の小グループＧｓに接続され、２つの小グループＧｓを統合する統合状態と、小グループＧｓを構成する２本の受信電極３をスイッチング素子ＳＷａに接続する非統合状態との間で切り換えられるようになっている。

図５（Ａ）に示すように、スイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３の全てを非統合状態とすると、グルーピング本数が２本となり、小グループＧｓを構成する２本の受信電極３の信号が合流してスイッチング素子ＳＷａを介して受信信号処理部２３に入力する。図５（Ｂ）に示すように、スイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２を統合状態として、スイッチング素子ＳＷｂ３を非統合状態とすると、グルーピング本数が４本となり、中グループＧｍを構成する４本の受信電極３の信号が合流してスイッチング素子ＳＷａを介して受信信号処理部２３に入力する。図５（Ｃ）に示すように、スイッチング素子ＳＷｂ１、ＳＷｂ２、ＳＷｂ３の全てを統合状態とすると、グルーピング本数が８本となり、大グループＧｌを構成する８本の受信電極３の信号が合流してスイッチング素子ＳＷａを介して受信信号処理部２３に入力する。

ここで、受信電極３からの信号の受信信号処理部２３への入力を断続するスイッチング素子ＳＷａは、グルーピング本数が２本の場合には、１つずつ順にオンとなるように制御する必要があるが、グルーピング本数が４本及び８本の場合には、一部のスイッチング素子ＳＷａには信号が来ないため、信号が来るスイッチング素子ＳＷａのみを順にオンとなるように制御し、信号が来ない残りのスイッチング素子ＳＷａはオンとならないように制御するようにしてもよい。

このようにグルーピング本数を２本、４本及び８本といったように２のべき乗の数とすることで、受信電極３のグルーピングを切り換える制御シーケンスを簡単にすることができる。

ところで、図３に示したように、受信電極３は、所定本数ごとに前記の小グループＧｓ、中グループＧｍ及び大グループＧｌをまとめたグループ群を構成しており、この受信電極３の各グループ群ごとに１つずつ受信信号処理部２３が設けられており、電極選択部２２のスイッチング素子ＳＷａも、受信電極３のグループ群に対応するようにグループ分けされている。

１つのグループ群には例えば４８本の受信電極３が属し、受信電極３の総数を１４８８本とすると、グループ群は３１個存在する。この場合、１つのグループ群は、２本の受信電極３からなる小グループＧｓが２４個集まったものとなり、また４本の受信電極３からなる中グループＧｍが１２個集まったものとなり、また８本の受信電極３からなる大グループＧｌが６個集まったものとなる。

各グループ群では、スイッチング素子ＳＷａが１つずつ順にオンとなるように制御され、１つのスイッチング素子ＳＷａがオンとなる間は同一のグループ群内の他のスイッチング素子ＳＷａはオフとなり、スイッチング素子ＳＷａをオンとすることで選択された１つのグループに属する受信電極３の充放電電流信号が受信信号処理部２３に入力される。

このようにすると、電極選択部２２のスイッチング素子ＳＷａのスイッチング動作がグループ群同士で並行して行うことができるため、全ての受信電極３の充放電電流信号を受信するのに要する時間を短縮することができる。また、受信部６での充放電電流信号の処理をグループごとに分割して行うことができるため、ハードウエア構成の大型化を抑えることができる。

図６は、図１に示した送信部５の概略構成図である。送信部５は、駆動信号発生部４１と電極選択部４２と送信グルーピング部（グルーピング部）４３とを備えている。駆動信号発生部４１は、制御部７から出力されるタイミング信号に同期して駆動信号（パルス信号）を生成する。

電極選択部４２では、グルーピングの最小単位となる所定本数（ここでは２本）の送信電極２ごとにスイッチング素子ＳＷａが接続されており、送信電極２のグループを１つずつ選択して、駆動信号発生部４１から出力される駆動信号を送信電極２に順次印加する。各スイッチング素子ＳＷａは制御部７からの駆動信号に応じて個別にオンオフ制御される。

送信グルーピング部４３では、送信電極２が所定本数ずつグルーピングされて同一のグループに属する送信電極２が電気的に接続されると共に、送信電極２をグルーピングする際のグルーピング本数を切り換えることができるようになっている。この送信グルーピング部４３の構成は、図５に示した受信グルーピング部２１と同様であり、内部に設けられた各スイッチング素子が制御部７からの駆動信号に応じて個別に切り換え制御される。

送信グルーピング部４３で行われる送信電極２のグルーピングは、受信グルーピング部２１と同様に、グルーピング本数を２本とした小グループをグルーピングの最小単位とし、この小グループと、グルーピング本数を４本とした中グループと、グルーピング本数を８本とした大グループとの３段階にグルーピングされ、大グループを構成する８本の受信電極３ごとに受信グルーピング部２１が設けられている。駆動信号発生部４１からの信号の送信電極２への入力を断続するスイッチング素子ＳＷａは、グルーピングの最小単位となる小グループＧｓごとに設けられている。

図７は、図１に示した制御部７で行われる送信電極２及び受信電極３のグルーピングの切換制御における指示物の大きさとグルーピング本数との関係を示す図である。制御部７は、指示物によるタッチ操作の検出結果に基づいて指示物の大きさを判定し、その指示物の大きさに応じて、受信グルーピング部２１及び送信グルーピング部４３におけるグルーピング本数を切り換えるようにしている。

特にここでは、大人の指、子供の指及びスタイラスペンの大きさを基準にして指示物の大きさを３通りに場合分けすると共に受信グルーピング部２１及び送信グルーピング部４３におけるグルーピング本数が３段階に設定され、指示物の大きさが大きくなるほどグルーピング本数を増やすようにしている。

具体的には、指示物の大きさがφ２ｍｍ以下の場合と、φ２ｍｍ〜φ８ｍｍの場合と、φ８ｍｍ以上の場合との３通りに場合分けされ、φ２ｍｍ以下の場合はグルーピング本数が２本に設定され、φ２ｍｍ〜φ８ｍｍの場合はグルーピング本数が４本に設定され、φ８ｍｍ以上の場合はグルーピング本数が８本に設定される。ここで、指示物の大きさがφ２ｍｍ以下の場合はスタイラスペンを想定している。指示物の大きさがφ２ｍｍ〜φ４ｍｍの範囲は子供の指を想定している。指示物の大きさがφ８ｍｍ以上の場合は大人の指を想定している。

図８は、図１に示した制御部７で行われるグルーピング本数を設定する処理の手順を示すフロー図である。ここでは、本タッチパネル装置１の電源が投入されるのに応じて、送信電極２及び受信電極３共にグルーピング本数を２本に設定して（ＳＴ１０１）、タッチ位置検出動作が開始され、指等の指示物によるタッチ操作を検知すると、指示物の大きさを求める処理（接触面積算出）が行われる（ＳＴ１０２）。

ついで、指示物の大きさがφ８ｍｍ以上か否かの判定（ＳＴ１０３）と、φ２ｍｍ以下か否かの判定（ＳＴ１０７）により、指示物の大きさがφ２ｍｍ以下の場合と、φ２ｍｍ〜φ４ｍｍの場合と、φ８ｍｍ以上の場合との３通りに場合分けされる。

そして、指示物の大きさに応じてグルーピング本数を設定する処理が行われ、ここでは、φ２ｍｍ以下の場合（ＳＴ１０７でＹｅｓ）はグルーピング本数が２本に設定され（ＳＴ１０８）、φ２ｍｍ〜φ４ｍｍの場合（ＳＴ１０７でＮｏ）はグルーピング本数が４本に設定され（ＳＴ１０９）、φ８ｍｍ以上の場合（ＳＴ１０３でＹｅｓ）はグルーピング本数が８本に設定される（ＳＴ１０４）。

このようにしてグルーピング本数が設定されると、タッチ位置の検出処理が行われ、その後、ユーザが指示物をタッチ面から離してタッチ操作の終了を検知し（ＳＴ１０５）、電源がオフとなっていなければ（ＳＴ１０６でＮｏ）、グルーピング本数を２本に戻して新たなタッチ操作の待ち状態となる（ＳＴ１０１以降）。

このように制御部７では、指示物によるタッチ操作を検出してからそのタッチ操作が終了するまでのタッチ操作期間ごとにグルーピング本数を切り換える、すなわち指示物によるタッチ操作がある度に、その指示物の大きさに適したグルーピング本数に切り換えるように制御される。これにより、タッチ操作を行う指示物の大きさに対応した適切なグルーピング本数でタッチ位置の検出処理を行うことができる。

図９は、図８に示した指示物の大きさを求める処理（接触面積算出）の要領を説明する図である。制御部７は、指示物の大きさを判定する際に、最小のグルーピング本数（ここでは２本）に設定して、タッチ面に対する指示物の接触領域に含まれる電極交点の数を求め、その電極交点の数に基づいて指示物の大きさを判定する。

前記のように、制御部７では、電極交点ごとのレベル信号が受信部６から入力され、全ての電極交点についてレベル信号の受信が終了する１フレーム周期ごとにタッチ位置を求めるが、この電極交点ごとのレベル信号を所定のしきい値と比較することで、各電極交点がタッチ面に対する指示物の接触領域に含まれるか否かを判定することができる。

またここでは、グルーピング本数が最小の２本に設定されるため、電極交点が小さな領域となる。このため、小さな指示物でも、指示物の大きさを精度よく且つ簡単に判定することができる。

図１０は、図５に示したグルーピング本数に応じた電極交点の状況を示す図である。図１０（Ａ）はグルーピング本数を２本とした場合、図１０（Ｂ）はグルーピング本数を４本とした場合、図１０（Ｃ）はグルーピング本数を８本とした場合をそれぞれ示している。

グルーピング本数を多くすると、見かけ上の電極本数が少なくなり、電極交点の数が少なくなるため、制御部７でタッチ位置を求める演算負担が小さくタッチ位置の検出処理を高速化することができる。また、グルーピング本数を多くすると、電極交点が大きくなるため、指示物のタッチ操作に応じて受信電極３から受信信号処理部２３に入力される充放電電流信号の変化量が大きくなり、タッチ位置の検出感度を向上させることができる。

図１１は、図１０に示した電極交点を測定点としてその測定点の直上から指示物を矢印方向に移動させた際の指示物の移動距離に応じた静電容量の変化率を示す図である。ここで、静電容量の変化率とは、指示物を測定点の直上でタッチしたときの測定点での静電容量の変化量ΔＣ_０に対する、測定点から離れた各位置でタッチしたときの測定点での静電容量の変化量ΔＣの割合ΔＣ／ΔＣ_０（％）である。

図１１（Ａ）に示すように、φ２ｍｍの大きさの指示物では、グルーピング本数を８本とした場合、測定点の近傍領域、具体的には移動距離が２ｍｍ以下の領域で、静電容量の変化率の低下幅が極端に小さくなり、タッチ位置検出の精度が大幅に低下する。これに対して、グルーピング本数を２本及び４本とした場合には、測定点の近傍領域での静電容量の変化率の低下幅が大きく、特にグルーピング本数を２本とした場合に、静電容量の変化率の低下幅が最も大きくなり、高い検出精度を得ることができる。

図１１（Ｂ）に示すように、φ３ｍｍの大きさの指示物では、グルーピング本数を８本とした場合、測定点の近傍領域で、静電容量の変化率の低下幅が極端に小さくなり、タッチ位置検出の精度が大幅に低下する。これに対して、グルーピング本数を２本及び４本とした場合には、測定点の近傍領域での静電容量の変化率の低下幅が大きく、高い検出精度を得ることができる。グルーピング本数を２本とした場合と４本とした場合とを比較すると、静電容量の変化状況が近接しているため、精度の面ではどちらでも大差ないが、グルーピング本数を４本とした場合の方が線形性が高い点で優れている。

図１１（Ｃ）に示すように、φ８ｍｍの大きさの指示物では、前記の例とは逆に、グルーピング本数を２本及び４本とした場合に、測定点の近傍領域での静電容量の変化率の低下幅が極端に小さくなり、検出精度が大幅に低下する。これに対して、グルーピング本数を８本とした場合には、静電容量の変化率の低下幅が大きく、高い検出精度を得ることができる。

ここで前記のように、φ８ｍｍ以上の大きさの指示物は、大人の指を想定している。大人の場合、手書きモードで文字や図形を描画する際に、比較的大きく指を動かして大きな文字や図形を描画しようとするため、指を動かす距離が大きく且つ指の動きが速くなる。また、指の動きでプログラムの動作を指示するジェスチャー操作の場合にも、指を動かす距離が大きく且つ指の動きが速くなる。このため、タッチ位置の検出処理を指の動きに確実に追従させるために、タッチ位置の検出処理に高い速度が要求される。

一方、図１１（Ｃ）に示されるように、φ８ｍｍの大きさの指示物では、グルーピング本数を８本とした場合に、静電容量の変化率の低下幅が大きく、高い検出精度を得ることができる。しかも、グルーピング本数を８本とすると、グルーピング本数が多いため、演算負担が軽減されて高速な処理が可能になる。したがって、φ８ｍｍ以上の大きさの指示物では、グルーピング本数を８本とすることが最適であり、これにより大人の指によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。

また、φ２ｍｍ〜φ４ｍｍの大きさの指示物は、子供の指を想定している。子供の場合、手書きモードで文字や図形を描画する際に、比較的細かく指を動かして小さな文字や図形を描画しようとするため、指を動かす距離が小さく且つ指の動きが遅くなる。このため、タッチ位置の検出処理に高い精度が要求される。また、大人の場合と同様に、指でジェスチャー操作を行う場合もあるため、タッチ位置の検出処理にある程度の速度も要求される。

一方、図１１（Ｂ）に示されるように、φ３ｍｍの指示物では、グルーピング本数を２本及び４本とした場合に、静電容量の変化率の低下幅が大きく、高い検出精度を得ることができる。特にグルーピング本数を４本とすると、グルーピング本数が多いため、演算負担が軽減されて高速な処理が可能になる。したがって、φ２ｍｍ〜φ４ｍｍの大きさの指示物では、グルーピング本数を４本とすることが最適であり、これにより子供の指によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。

また、φ２ｍｍ以下の大きさの指示物は、スタイラスペンを想定している。スタイラスペンは、手書きモードで文字や比較的細かい図形を描画する際に用いられることから、スタイラスペンを動かす距離が小さく且つスタイラスペンの動きも遅くなる。このため、タッチ位置の検出処理にあまり高い速度は要求されず、代わりに高い精度が要求される。

一方、図１１（Ａ）に示されるように、φ２ｍｍの大きさの指示物では、グルーピング本数を２本とした場合に、静電容量の変化率の低下幅が大きく、高い検出精度を得ることができる。したがって、φ２ｍｍ以下の大きさの指示物では、グルーピング本数を２本とすることが最適であり、これによりスタイラスペンによるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。

このように指示物の大きさに応じてグルーピング本数を切り換えることで、タッチ位置の検出精度を高めると共に、想定される指示物によるタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる。特に、大人の指、子供の指及びスタイラスペンの大きさを基準にして指示物の大きさを３通りに場合分けしてグルーピング本数を３段階に設定するようにすると、大人や子供が随時操作すると共にスタイラスペンも用いられることがある利用環境、例えば学校などの教育分野で利用される場合に、使い勝手の良いタッチパネル装置を実現することができる。

ところで、本タッチパネル装置では、相互容量方式が採用され、同時に複数のタッチ位置を検出するマルチタッチが可能であることから、１つの指示物によるタッチ操作の途中で、大きさが異なる別の指示物によるタッチ操作が入る場合でも、各指示物の大きさに適したグルーピング本数でタッチ位置の検出処理を行うことができるようにするとよい。

この場合、複数の指示物の大きさの違いに応じて、最適と判断される１つのグルーピング本数を選択することも可能であるが、１フレーム単位で、あるいは所定数のフレームごとに、各指示物の大きさにそれぞれ対応したグルーピング本数の間で切り換えるようにしてもよい。また、タッチ操作の途中で指示物の大きさを判定する処理が必要になることから、最小のグルーピング本数に設定して指示物の大きさを判定する検査フレームを、実際にタッチ位置を検出する位置検出フレームの間に適宜なタイミングで挿入するようにするとよい。

なお、前記の例では、送信電極２及び受信電極３のグルーピングの最小単位を２本としたが、このグルーピングの最小単位は、１本、あるいは３本以上とすることも可能であり、最小の指示物の大きさや送信電極２及び受信電極３の配置ピッチなどに応じて適宜に設定すればよい。

また、前記の例では、静電容量方式のうち、特に相互容量方式を採用した例を示したが、自己容量方式を採用することも可能である。

本発明にかかるタッチパネル装置は、タッチ操作を行う指示物の大きさに関係なく、十分な精度でタッチ位置を検出することができ、さらに想定される指示物のタッチ操作の特徴に応じた効率的なタッチ位置検出を行うことができる効果を有し、互いに並走する複数の電極を所定本数ずつグルーピングするようにしたタッチパネル装置などとして有用である。

１ タッチパネル装置
２ 送信電極（第１の電極）
３ 受信電極（第２の電極）
４ パネル本体
５ 送信部
６ 受信部
７ 制御部
２１ 受信グルーピング部
２２ 電極選択部
２３ 受信信号処理部
４１ 駆動信号発生部
４２ 電極選択部
４３ 送信グルーピング部
Ｇｌ 大グループ
Ｇｍ 中グループ
Ｇｓ 小グループ
ＳＷａ 電極選択部のスイッチング素子
ＳＷｂ１〜ＳＷｂ３ グルーピング部のスイッチング素子

Claims (7)

1. タッチ面を備え、互いに並走する複数の第１の電極及び互いに並走する複数の第２の電極が格子状に配置されたパネル本体と、
   複数の前記電極を所定本数ずつグルーピングして、同一のグループに属する電極を電気的に接続すると共に、前記電極をグルーピングする際のグルーピング本数を切り換え可能としたグルーピング部と、
   前記タッチ面に対するタッチ操作に応じた静電容量の変化に伴う前記電極の出力信号の変化に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記グルーピング部の動作を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、指示物によるタッチ操作の検出結果に基づいて指示物の大きさを判定し、その指示物の大きさに応じて、前記グルーピング部におけるグルーピング本数を切り換えるようにしたことを特徴とするタッチパネル装置。
2. 前記制御部は、指示物によるタッチ操作を検出してからそのタッチ操作が終了するまでのタッチ操作期間ごとにグルーピング本数を切り換えることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記制御部は、指示物の大きさを判定する際に、最小のグルーピング本数に設定して、前記タッチ面に対する指示物の接触領域に含まれる電極交点の数を求め、その電極交点の数に基づいて指示物の大きさを判定することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のタッチパネル装置。
4. 前記第１の電極に対して駆動信号を印加して、その駆動信号に応答した前記第２の電極の充放電電流信号を受信して、電極交点ごとのレベル信号を取得し、そのレベル信号に基づいてタッチ位置を検出するものであり、
   前記第１の電極が前記タッチ面に近い側に、前記第２の電極が前記タッチ面から離れた側にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチパネル装置。
5. 表示装置の表示面を覆うように配置されるものであり、
   前記電極は、不透明な金属材料で、前記表示装置の視認性を阻害しない微細な線径に形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタッチパネル装置。
6. 前記グルーピング部は、グルーピング本数が２のべき乗の数となるように前記電極のグルーピングを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のタッチパネル装置。
7. 大人の指、子供の指及びスタイラスペンの大きさを基準にして指示物の大きさを３通りに場合分けすると共にグルーピング本数が３段階に設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のタッチパネル装置。

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