JP5801638B2 - タッチパネル - Google Patents
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Description
静電容量方式のタッチパネルは、縦横二次元マトリクス状に配置した検出用縦方向の電極(X電極)と検出用横方向の電極(Y電極)とを設け、入力処理部で各電極の容量を検出する。タッチパネルの表面に指などの導体が接触した場合には、各電極の容量が増加するため、入力処理部でこれを検知し、各電極が検知した容量変化の信号を基に入力座標を計算する。
近年、タッチパネルに対しても、低コスト化が要望されているが、タッチパネルの低コスト化には、裏面シールド電極の削除が効果的である。この低コスト化策を実施するには信号処理における耐ノイズ性能を向上する必要がある。
本発明は、前述の要望に基づいて成されたものであり、本発明の目的は、耐ノイズ性能を向上させたタッチパネルを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
(1)前記課題を解決するために、本発明のタッチパネルは、複数の走査電極と、前記複数の走査電極交差する複数の検出電極と、前記各走査電極に、順次1走査期間毎に、連続する駆動パルス列を入力する手段1と、前記それぞれの検出電極で検出された連続する検出パルス列から異なる間隔でパルスを抽出し、少なくとも2つのデータ系列を生成する手段2と、前記少なくとも2つのデータ系列にそれぞれにフーリエ変換を施して、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルを生成する手段3と、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルとの間で、周波数成分毎の信号強度を比較し、強度が変化している周波数成分を修正した周波数スペクトルを生成する手段4と、前記手段4で生成された周波数スペクトルに逆フーリエ変換を施して、前記手段4で生成された周波数スペクトルから検出信号を生成する手段5とを有する。
(2)(1)において、前記手段3は、複数のフレーム期間に亘る前記少なくとも2つのデータ系列から、それぞれの周波数スペクトルを生成する。
(4)(1)または(2)において、前記少なくとも2つのデータ系列毎に、前記それぞれの検出電極で検出された連続する検出パルス列からパルスを抽出する間隔が調整可能である。
(5)(1)または(2)において、前記少なくとも2つのデータ系列は、データ系列Aと、データ系列Bの2つのデータ系列である。
(6)(5)において、前記手段4は、前記データ系列Aの周波数スペクトルと前記データ系列Bの周波数スペクトルとの間で、周波数成分毎の信号強度を比較し、強度が変化している周波数成分の信号強度として、前記データ系列Aの周波数スペクトル周波数成分と前記データ系列Bの周波数スペクトルの周波数成分との間で、信号強度が低い方の値を採用する。
(7)(1)ないし(6)の何れかにおいて、前記タッチパネルは、搭載される表示パネル側の面にシールド電極を備えない。
本発明のタッチパネルによれば、耐ノイズ性能を向上させたタッチパネルを提供することが可能となる。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例は、本発明の特許請求の範囲の解釈を限定するためのものではない。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例のタッチパネルが搭載されるタッチパネル付きディスプレイの概略構成を示すブロック図である。
図1において、106は、本実施例の静電容量方式のタッチパネルである。タッチパネル106は、後述するように、容量検出用のX電極と、Y電極を有する。
タッチパネル106は、表示パネル101の前面に設置される。従って、表示パネル101に表示された画像を使用者が見る場合には、表示画像がタッチパネル106を透過する必要があるため、タッチパネル106は光透過率が高いことが望ましい。
タッチパネル106のX電極とY電極は、配線107によってタッチパネル制御部108に接続される。
タッチパネル制御部108は、Y電極を走査電極として、順次駆動電圧を印加し、X電極を検出電極とすることで、各電極交点における電極間容量を測定し、各電極間の交点の容量値によって変化する容量検出信号から入力座標を演算して求める。
タッチパネル制御部108は、I/F信号109を用いて、入力座標をシステム制御部105に転送する。
表示制御回路103は、表示制御信号104により転送される表示画像に応じて表示信号102を生成し、表示パネル101に画像を表示する。
なお、表示パネルとしては、タッチパネル106を用いることができるものであれば良く、液晶表示パネルに限らず、有機発光ダイオード素子や表面伝導型電子放出素子を用いる表示パネル、あるいは、有機EL表示パネルなども使用可能である。
表示パネル101として、液晶表示パネルを使用する場合、液晶表示パネルの観察者側とは反対側の面下に配置されたバックライト(図示せず)を備える。ここで、液晶表示パネルは、例えばIPS方式、TN方式、VA方式等の液晶表示パネルが用いられている。
良く知られているように、液晶表示パネルは、対向して配置された2枚の基板が貼り合わされて形成されており、2枚の基板の外側には偏光板が設けられている。
図2に示すように、本実施例のタッチパネル106は、容量検出用のTX1〜TX6のY電極201と、RX1〜RX5のX電極202を有する。ここでは、例えば、X電極202を5本、Y電極201を6本で図示しているが、電極数はこれに限らない。
本実施例のタッチパネル106は、例えば、タッチパネル基板上に、Y電極201、層間絶縁膜(図示せず)、X電極202、保護膜(図示せず)が順次積層されて構成される。
図3は、従来の静電容量方式のタッチパネル106の検出手順を説明するための図であり、タッチパネル106への入力がない場合の検出手順を説明するための図である。
図3(a)は、タッチパネルの電極パターンを示す図であり、図3(a)に示すように、Y電極201をTX1〜TX6の6本、X電極202をRX1〜RX5の5本とする。また、図3(b)は波形図であり、図3(b)に示す波形図において横軸は時間、縦軸は振幅を示す。
図3(b)に示すように、TX1〜TX6のY電極201に対して、1走査期間毎に、順次駆動電圧(駆動パルス)401が入力される。これに対して、RX1〜RX5のX電極202で検出される検出信号402の波形は、駆動電圧の入力に同期して変化するようになる。図3では、タッチパネル106への入力がないので、RX1〜RX5のX電極202で検出される検出信号の振幅に大きな変化は発生しない。
図4(a)は、タッチパネルの電極パターンを示す図、図4(b)は波形図であり、図4(b)に示す波形図において横軸は時間、縦軸は振幅を示す。
図4(a)に示すように、タッチパネル106に対して、破線円501で示す位置に入力があったとする。
図3で説明したように、TX1〜TX6のY電極201に対して、1検出期間毎に、順次駆動電圧(駆動パルス)401が入力される。これに対して、RX1〜RX5のX電極202で検出される検出信号402の波形には、破線円501で示す位置、つまりTX5のY電極とRX4、RX5のX電極との間、および、TX6のY電極とRX4、RX5のX電極との間で、信号振幅の変化が見られるようになる。この変化を抽出して処理することで入力座標が得られる。
しかしながら、表示パネル101からのノイズがある場合、例えば、もともとの信号レベルがノイズに埋もれてしまうため、X電極202で検出される検出信号604から、本来の信号(検出信号402)が抽出されなくなる。
なお、図3(b)のA、図4(b)のAに示すように、TX1〜TX6のY電極201に対して、1検出期間毎に順次入力される駆動電圧(駆動パルス)401は、複数のパルス列であり、同様に、図3(b)のB、図4(b)のBに示すように、RX1〜RX5のX電極202で検出される検出信号402も複数のパルス列である。
本発明では、ランダムに発生、変動する信号を検出対象として、それに重畳するノイズを除去し、高いシグナルノイズ(SN)比を実現するノイズ除去方法を提案する。
このため、本発明では、ノイズが重畳した信号を、同時に、複数の異なる周波数で、同一期間、サンプリングして信号系列を得る。そして、各信号系列について周波数スペクトルを算出し、それらの間で同一周波数毎に信号強度比較を行い、強度変化が発生している周波数成分については、適正な強度に修正することによりノイズを除去する。
一般的に、信号処理系の入力段にはアナログフィルタ(ローパス)が設けられ、その後段にアナログ・デジタル変換器が設けられる。
しかしながら、アナログ・デジタル変換器のサンプリング時に、サンプリング周波数で規定される特定周波数(ナイキスト周波数)よりも高い周波数成分が信号に含まれていると、ナイキスト周波数が対象軸になる状態で、それらの周波数成分が低い周波数側に折り返されてしまい、フィルタの通過帯域にノイズが混入してしまう。
これを防ぐには、フィルタの帯域を狭くする、またはサンプリング周波数を高くする必要があるが、フィルタの帯域を狭くすると目的とする信号の周波数成分も失われるため、目的とする信号の正しい振る舞いを観測できなくなる。
一方、サンプリング周波数を高めるには、高精度、且つ高速応答の測定回路系が必要となり一定のコスト範囲では実現が困難となる。
図5(a)は、目的信号の周波数スペクトルであり、図5(b)は、ノイズの周波数スペクトル、図5(c)は、ノイズが重畳した信号の周波数スペクトル、図5(d)は、信号処理入力段に設けられているアナログフィルタ(ローパス)の周波数特性である。
図5(e)は、アナログフィルタを通過した後の目的信号の周波数スペクトルであり、図5に示す例では、アナログフィルタ(ローパス)の通過帯域が、目的信号の周波数スペクトルよりも広く設定されているため、フィルタ通過後のスペクトルに変化は無い。
図5(f)は、アナログフィルタを通過した後のノイズの周波数スペクトルであり、図5に示す例では、ノイズは、アナログフィルタの減衰帯域に存在するためフィルタ通過後は信号強度が低下する。
図5(g)は、サンプリングされた後の信号の周波数スペクトルであり、図5に示す例では、サンプリング周波数(fsp)が高く、ナイキスト周波数(fn)内に目的信号とノイズが存在するため折り返しは発生していない。従って、追加の処理によりノイズと目的信号が分離可能である。
図6(a)は、目的信号の周波数スペクトルであり、図6(b)は、ノイズの周波数スペクトル、図6(c)は、ノイズが重畳した信号の周波数スペクトル、図6(d)は、信号処理入力段に設けられているアナログフィルタ(ローパス)の周波数特性である。
図6(e)は、アナログフィルタを通過した後の目的信号の周波数スペクトルであり、図6に示す例では、アナログフィルタ(ローパス)の通過帯域が、目的信号の周波数スペクトルよりも広く設定されているため、フィルタ通過後のスペクトルに変化は無い。
図6(f)は、アナログフィルタを通過した後のノイズの周波数スペクトルであり、図6に示す例では、ノイズは、アナログフィルタの減衰帯域に存在するためフィルタ通過後は信号強度が低下する。
図6(g)は、サンプリング入力段の全体信号スペクトルであり、図6(h)は、サンプリング後のノイズの周波数スペクトルである。図6の例では、サンプリング周波数(fsp)が低いため、ノイズがナイキスト周波数(fn)よりも高い帯域に存在する。これによりノイズ成分がナイキスト周波数(fn)よりも低い周波数領域に折り返されている。
図6(i)は、サンプリング後の目的信号の周波数スペクトルであり、図6に示す例では、目的信号はナイキスト周波数(fn)よりも低い周波数帯域に存在するため折り返しは発生していない。
図6(k)は、サンプリングにより得られる全体信号の周波数スペクトルであり、折り返し無くサンプリングされた目的信号に対して、折り返されたノイズの周波数スペクトルが重畳している。従って、追加の処理によってもノイズと目的信号が分離できない。
図7(a)は、目的信号の周波数スペクトルであり、図7(b)は、ノイズの周波数スペクトルであり、図7(c)は、ノイズが重畳した信号の周波数スペクトルであり、図7(d)は、信号処理入力段に設けられているアナログフィルタ(ローパス)の周波数特性である。
図7(e)は、アナログフィルタを通過した後の目的信号の周波数スペクトルであり、図7に示す例では、アナログフィルタの通過帯域が目的信号の周波数スペクトルよりも広く設定されているため、フィルを通過した後のスペクトルに変化は無い。
図7(f)は、アナログフィルタを通過した後のノイズの周波数スペクトルであり、図7に示す例では、ノイズは、アナログフィルタの減衰帯域に存在するため、フィルタを通過した後は信号強度が低下する。
図7(g)は、サンプリング入力段の全体信号スペクトルであり、図7(h)は、サンプリング後のノイズの周波数スペクトルである。図7では、サンプリング周波数(fsp)が低いため、ノイズがナイキスト周波数(fn)よりも高い帯域に存在する。これにより、ノイズ成分がナイキスト周波数(fn)よりも低い周波数領域に折り返されている。但し、図6の状態とはサンプリング周波数(fsp)が異なるためナイキスト周波数(fn)が異なり、折り返し位置が異なっている。
図7(i)は、サンプリング後の目的信号の周波数スペクトルであり、図7に示す例では、目的信号はナイキスト周波数(fn)よりも低い周波数帯域に存在するため折り返しは発生していない。
図7(j)は、サンプリングにより得られる全体信号の周波数スペクトルであり、図7に示す例では、折り返し無くサンプリングされた目的信号に対して折り返されたノイズの周波数スペクトルが重畳している。但し、折り返し位置が異なるため重畳される位置も異なっている。しかし、追加の処理によってもノイズと目的信号が分離できないことは変わらない。
図8(a)は、図6で説明したサンプリング周波数で得られるサンプリング後の全体信号の周波数スペクトルである。
図8(b)は、図7で説明したサンプリング周波数で得られるサンプリング後の全体信号の周波数スペクトルである。図8(a)の周波数スペクトルと比較すると、目的信号は変化しないが重畳されるノイズ周波数成分の位置が異なっている。したがって、両者を比較することでノイズを判別可能であることが明らかである。
図8(c)は、ノイズを除去した後の信号の周波数スペクトルである。
例えば、図8(a)、図8(b)のそれぞれの周波数fnの信号強度を比較する。この周波数における信号強度は異なっている。これはノイズが重畳している可能性を示唆する。そこで、信号強度が低い方を正と捉え、これをこの周波数における信号強度とする。全ての周波数において同様の判定を行うことでノイズ除去が達成される。
本実施例のノイズ除去方法は、大きく4段階の処理手順で構成される。
手順1は、入力信号のサンプリングである。
目的信号にノイズが重畳している入力信号を、異なる複数のサンプリング周期(図9では、AとBの2つとする)で、同時に、同一期間に亘ってサンプリングを行う。これにより、この手順1において、データ系列Aとデータ系列Bが生成される。なお、図9では、サンプリング期間は同一である。
手順2は、時間信号を周波数信号に変換する手順である。
具体的にはフーリエ変換が実施される。この結果、データ系列Aの周波数スペクトルとデータ系列Bの周波数スペクトルが生成される。
手順3は、ノイズ除去の手順である。
データ系列Aの周波数スペクトルとデータ系列Bの周波数スペクトルの間で、周波数成分毎の信号強度の比較を行う。この時、データ系列Aの周波数スペクトルとデータ系列Bの周波数スペクトルの間で信号強度に変化がある場合は、信号強度の低い方を正として、その周波数成分の信号強度に調整した周波数スペクトルを生成する。例えば、データ系列Aの周波数スペクトル(あるいは、データ系列Bの周波数スペクトル)の周波数成分の中で、データ系列Aの周波数スペクトルとデータ系列Bの周波数スペクトルとの間で、信号強度が変化している周波数成分の強度を、データ系列Aとデータ系列Bの中で信号強度の低い方の値に調整する。
本実施例では、比較する周波数スペクトルが2つであるので大小比較としているが、3つ以上ある場合は、正とする信号強度の選び方は、最小値を用いる、平均値を用いる等の方法もあるが、発明の目的に照らしてどれを採用しても良い。
この結果、ノイズ成分が除去された処理後の周波数スペクトルが得られる。
手順4は、時間信号を再生する手順である。
手順3で得られた周波数スペクトルを時間信号に変換する手順である。
具体的には逆フーリエ変換が実施される。この結果、出力としてノイズが除去された主に目的信号から構成される信号が得られる。
なお、前述の手順2ないし手順4は、データ系列Aとデータ系列Bを、A/D変換してデジタル値に変換した後、デジタル信号処理で実行される。
図10(a)のグラフにおいて、横軸は、データ系列Aとデータ系列Bのサンプリング周期の比率;周波数比率)、縦軸は、出力信号のシグナルノイズ比率(SNR)を示す。なお、データ系列Aとデータ系列Bのサンプリング周期の比率は、(データ系列Bのサンプリング周期)/(データ系列Aのサンプリング周期)で表される。
図6のRefは、ノイズ除去適用が無い状態、図10Aないし図10Gは、データ系列Aとデータ系列Bのサンプリング周期の比率を、図10(a)のA〜Gのように変化させた場合の、出力信号のシグナルノイズ比率(SNR)を示す。
図10のグラフから、本実施例のノイズ除去効果は、データ系列Aとデータ系列Bのサンプリング周期の比率に依存し、特定の比率において最大になることが分かる。
これは、最大効果を得るサンプリング周期の比率は、目的信号とノイズの周波数に依存するため、本実施例の信号処理を適用する際は該比率を調整パラメータとして最適化する機能を必然的に有する。
図11(a)は、従来のタッチパネルの検出方式の詳細を示す図である。
駆動電圧は、1msの1走査期間(TX)内に、10us周期のパルス系列が、TX1〜TX6のY電極に順次印加される。検出信号は、1つのX電極に着目して示している。
TX1〜TX6のY電極へのパルス系列の入力信号に同期して、X電極にもパルス信号として出力信号が発生する。入力信号が印加されるY電極が切り替わっても、1つのX電極に着目している場合は、出力信号は連続するパルス信号として考えられる。
従来は、当該連続するパルス信号を、入力信号が印加される1走査期間(TX)毎に平均化を行い一つの出力信号(所謂、検出信号)に集約する処理が行われていた。これは、平均化処理によりノイズを低減することが目的である。
また、1走査期間(TX)が一巡する期間をフレームと定義する。
図11(b)は、本発明のタッチパネルの検出方式の詳細を示す図である。
TX1〜TX6のY電極Txへのパルス系列の入力信号、1つのX電極に着目して得られる出力信号は、図11(a)に示す従来と同じである。
従来は、連続するパルス信号を、入力信号が印加される1走査期間(TX)毎に平均化を行い、一つの出力信号に集約することによるノイズ低減処理を行っていたが、本実施例では、入力パルス周期(本実施例では、10us)により発生する出力信号のパルス系列から異なる間隔で出力信号を抽出し、データ系列Aとデータ系列Bを生成する。
これは、図9で説明した手順1に相当する。以降、得られたデータ系列を図9の手順に従って処理することでノイズ除去が行える。
本実施例のノイズ除去方法では、時間信号を周波数信号に変換する。周波数信号の周波数分解能は、変換もととなる時間信号の長さの逆数になる。
従って、高い分解能を持つ周波数信号に変換するには長い時間信号が必要になる。これは、複数のフレームに亘る時間信号を変換もとの時間信号とすることで実現される。
図12(a)の場合、最新のフレームは、Frame(N+m)である。フレームFrame(N)から最新のフレームFrame(N+m)までを連続する時間信号として扱う。
図12(b)は、最新のフレームがFrame(N+m+1)となった場合である。フレームFrame(N+1)から最新のフレームFrame(N+m+1)までを連続する時間信号として扱う。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
103 表示制御回路
105 システム制御部
106 タッチパネル
107 配線
108 タッチパネル制御部
201,TX1〜TX6 Y電極
202,RX1〜RX5 X電極
Claims (10)
- 複数の走査電極と、
前記複数の走査電極と交差する複数の検出電極と、
前記各走査電極に、順次1走査期間毎に、連続する駆動パルス列を入力する手段1と、
前記それぞれの検出電極で検出された連続する検出パルス列から異なるサンプリング周波数でパルスを抽出し、少なくとも2つのデータ系列を生成する手段2と、
前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルを生成する手段3と、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルとの間で、周波数成分毎の信号強度を比較し、強度が変化している周波数成分を修正した周波数スペクトルを生成する手段4と、
前記手段4で生成された周波数スペクトルから検出信号を生成する手段5とを有することを特徴とするタッチパネル。 - 前記手段3は、複数のフレーム期間に亘る前記少なくとも2つのデータ系列から、それぞれの周波数スペクトルを生成することを特徴とする請求項1に記載のタッチパネル。
- 前記手段3は、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれにフーリエ変換を施して、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルを生成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチパネル。
- 前記手段4は、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルの間で、周波数成分毎の信号強度を比較し、強度が変化している周波数成分の信号強度として、前記少なくとも2つのデータ系列のそれぞれの周波数スペクトルの周波数成分の中で、信号強度が最も低い最小値、あるいは、信号強度の平均値を採用することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチパネル。
- 前記手段5は、前記手段4で生成された周波数スペクトルに逆フーリエ変換を施して、検出信号を生成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチパネル。
- 前記少なくとも2つのデータ系列毎に、前記それぞれの検出電極で検出された連続する検出パルス列からパルスを抽出する間隔が調整可能であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチパネル。
- 前記少なくとも2つのデータ系列は、データ系列Aと、データ系列Bの2つのデータ系列であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタッチパネル。
- 前記手段3は、データ系列Aとデータ系列Bのそれぞれにフーリエ変換を施して、前記データ系列Aの周波数スペクトルと前記データ系列Bの周波数スペクトルを生成することを特徴とする請求項7に記載のタッチパネル。
- 前記手段4は、前記データ系列Aの周波数スペクトルと前記データ系列Bの周波数スペクトルとの間で、周波数成分毎の信号強度を比較し、強度が変化している周波数成分の信号強度として、前記データ系列Aの周波数スペクトル周波数成分と前記データ系列Bの周波数スペクトルの周波数成分との間で、信号強度が低い方の値を採用することを特徴とする請求項7に記載のタッチパネル。
- 前記タッチパネルは、搭載される表示パネル側の面にシールド電極を備えないことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のタッチパネル。
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