JP5845661B2

JP5845661B2 - 入力装置

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Publication number: JP5845661B2
Application number: JP2011146133A
Authority: JP
Inventors: 瀧本　利宏; 利宏瀧本
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP2013015878A

Description

本発明は少なくとも、面抵抗体を使用した全面アナログ方式の二次元座標検出装置（位置検出装置）に関し、特に面抵抗体と人体または導電性スタイラスペンとの間に特に微小なＡＣ電流を流して位置検出するいわゆる静電容量方式のタッチパネルに関する。

従来、面抵抗体を使用した静電容量方式の入力裝置が知られており、指が面抵抗体に直接接触して電流を流す直接接触型や、二層の抵抗膜方式が知られている。これらは、オンセル型のタッチパネルと呼ばれている。この中で、静電容量方式のタッチパネルでは、ガラス等の表面に面抵抗体層を作り、さらにその表面に非常に薄い絶縁層（１μｍ前後）を作る。更に面抵抗体層の四角に設けた電極にＡＣ電圧を印加することで、絶縁層に接触する指に数百μＡから１ｍＡ前後のＡＣ電流を流し、生活環境下のノイズの中で、１μA以上の精度で四隅の電流を測定することにより指の位置を検出することが知られている。

ガラス等（主にアクリルなどのプラスチック類）の表面ではなく、裏面に面抵抗体層を作り、ガラス自体を絶縁層に使用することで、従来面抵抗体層の上に作っていた絶縁層をなくすことにより構造を簡単にでき、さらに絶縁層の強度を数ｍｍ厚のガラスに置換えることができる。しかし、絶縁層になるガラスが厚くては指に流れる電流が絶縁層の厚さの比で大幅（約１／１０００）に減少し数μＡ前後になる。
特開２００１−９９６０９号寄生信号除去式タッチパネル装置パネルからの電磁放射による寄生信号及び寄生容量による寄生信号に対しＡＣ信号状態で、ベクトル的に、逆位相同振幅の除去信号を制御回路において強制印加するものである。特開２００２−１４７７１号容量結合式タッチパネルにおける絶縁方法タッチパネルと電源との間に、アイソレータ、電源周波数において絶縁体のインピーダンスとなるコンデンサ、結合コイル（相互インダクタンス）、ＡＣ電源の絶縁トランスを排泄するものである。特開２０００−３１５１３９号低干渉式タッチパネル装置絶対値検出型のＡＣ信号のレベル復調手段とした。また、パネルの電圧振動の周波数誤差を１／（５０Ｔ）[Ｈｚ]以内とするものである。

ガラスの表面ではなく、ガラス裏面に面抵抗体を作り、ガラス自体を絶縁層に使用することで構造を簡単にでき、さらに絶縁層の強度を数ｍｍ厚のガラスに置換えることができる。しかし、この構造では印加するＡＣ電圧を変えなければ指に流れる電流が絶縁層の厚さの比で大幅（約１／１０００）に減少する。このため測定する電流がｍＡレベルから数μＡ前後になり、生活環境下のノイズの中で１ｎＡ以上の精度で四隅の電流を測定するのは、非常に困難である。
これを防ぐために流れる電流や電圧の過度現象を計測したり、離散的に計測したりしても、生活環境下のノイズの中で、面抵抗体の四隅の電流を測定するのは、困難である。また計測する電流を増やすために、面抵抗体に印加するＡＣ電圧を高くすることは人体が十分に吸収できる以上の電流が流れるようになり、人体が他の周辺導電体と接触することによりＡＣ電流に変化をおよぼし正確な指の位置座標を測定するのは、非常に困難である。上記2つのことが大きな課題となっていた。
本発明の目的は、上記２つの課題を解決し、微弱な電流を生活環境下のノイズの中で早く正確に計測する方法を提供する。

本発明は、ガラスと該ガラスの裏面に面抵抗帯を形成したタッチパネルであり、人体が十分に吸収できる微弱な電流よりさらに少ない１０μA以下の電流を計測するためにｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の同期発振回路と、少なくとも４つの電流・電圧変換回路とそれを経由して面抵抗体層の少なくとも４箇所に接続される配線と、少なくとも８つの掛算回路と、その結果をＤＣ信号とする少なくとも８つのローパス・フィルタ回路と、そのＤＣ信号化された電圧を計測し演算処理する制御装置により、最初に指等が触れていないときの電流を測定記憶し、指等が触れたときとの電流との差で実際に指に流れる電流を計算し、座標位置を特定すると共に、前記同期発振回路の周波数は１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの間で任意に変えられ特定の周波数に極度に強いノイズがある場合その周波数を避けて計測することを特徴とする入力装置。

本発明では、四隅から入力されたＡＣ信号が指に流れ込む微弱な数μＡの電流をｎａの精度で計測するさいの生活環境下のノイズ問題を解決し、さらにａｃ信号を小さいままにすることで過剰な電流が指に流れ込まないようにするために面抵抗体層に印加するＡＣ電圧をピークｔｏピークで１から５ボルトと低くする。また絶縁層の厚さを１ｍｍ以上とすることで人体が十分に吸収できる以上の電流が流れないようにし、人体が他の周辺導電体と接触することによりＡＣ電流に変化をおよぼさせないようにする。

ｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを電流・電圧変換回路の出力に掛算回路で掛ける事により、真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。他の周波数成分である生活環境下のノイズは、全てｓｉｎ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号のままでローパス・フィルタを通すことで０になる。四隅から人体に流れ込む微弱な電流は生活環境下のノイズを０にすることで正確に比較できる。また、低いＡＣ電圧と厚い絶縁層により人体が他の周辺導電体と接触してもＡＣ電流が変化しにくいので、ノイズの大きい環境下でも正確に指の入力位置を決定できる。

本実施例の入力装置システム構成図。本実施例の掛算回路波形図。本実施例の入力信号レベルと位相差図。本実施例の位置座標計算図本実施例の断面構造比較図ｓｉｎ信号掛算波形図

ガラスの裏面に面抵抗体層を作り、ガラス自体を絶縁層に使用することで構造を簡単にし、さらに絶縁層の強度を数ｍｍ厚のガラスに置換えることができる。また面抵抗体層に印加するＡＣ電圧を低くすることと、絶縁層が厚くなったことで人体が十分に吸収できる以上の電流が流れないようにし、人体が他の周辺導電体との接触によるＡＣ電流の変化を防ぎ、正確な指の位置座標を測定する。
発振器からｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを発信し、ｓｉｎ信号の一つは増幅回路経由で４つの電流・電圧変換回路の抵抗Ｒを通して面抵抗体の４箇所に接続される。ｓｉｎ信号の一つは４つの掛算回路に接続される。またｃｏｓ信号は４つの掛算回路に接続される。４つの電流・電圧変換回路の出力はそれぞれ２箇所づつ８つの掛算回路に接続され、それぞれｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号と掛けられる。真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。他の周波数成分である生活環境下のノイズは、全てｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算によりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタを通すことで０にできる。間に絶縁層を挟んでいるのでｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙとから入力信号のベクトル値を以下から求められる、ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）。また、位相差をアークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる。
四隅から人体に流れ込む微弱な電流は生活環境下のノイズを上記方法で０にすることで正確に測定できる。最初に指等が触れていないときの電流を測定記憶し、指等が触れたときとの電流との差で実際に指に流れる電流を計算できる。４点で測定された電流からｉ１、ｉ２、ｉ３，ｉ４が求められ、それは対角の面積比に対応した電流になることから、ＸＹ座標を計算できる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。図１〜６は、装置図面が煩雑にならないよう単純な構成を模式的に表現した物である。本発明は、以下の実施例に限定される物ではなく、本発明の技術範囲において、種々の変形例を含むものである。

図１に本発明の入力装置システム構成図を示す。制御装置内の発信器から出力される発振周波数に基づいてｓｉｎ波形とｃｏｓ波形が９０度の位相差で出力される。ｓｉｎ波形は増幅回路によりａｃ電圧をピークｔｏピークで１から５ボルトにされ４箇所の抵抗Ｒを通って面抵抗体に流される。この電流ｉ１〜ｉ４は抵抗Ｒを通過することで電圧Ｅ１〜Ｅ４に変換されハイパス・フィルタを通過することで発信周波数より高い周波数はカットされる。次の増幅回路で増幅されローパス・フィルタで発振周波数より低い周波数はカットされそれぞれ２つの掛算回路のＹ側に入力される。８つの掛算回路のＸ側４つにはｓｉｎ波形、他のＸ側４つにはｃｏｓ波形が入力される。掛算回路の結果は非常に低いローパス・フィルタでＤＣ信号をとりだされ生活環境下のノイズ信号は消してしまう。ＤＣ信号は制御装置のＡ／Ｄ変換器で変換される。Ａ／ｄ変換されたデータは演算処理され、電流の実効値と位相差が求められ図３に示された方法で入力信号に変換され、図４に示された方法で座標に変換される。
四隅から入力されたＡＣ信号が指に流れ込む微弱な数μＡの電流をｎａの精度で計測するさいの生活環境下のノイズ問題を解決し、さらにａｃ信号を小さいままにし、絶縁層を厚くすることで過剰な電流が指に流れ込まないようにすることで、人体が十分に吸収できる以上の電流が流れないようにし、人体が他の周辺導電体との接触によりＡＣ電流に変化を及ぼさせないようにすることとで正確な四隅の電流比を得ることができる。

図２に、本発明の掛算回路波形図を示す。掛算回路のＸ入力にｓｉｎ信号あるいはｃｏｓ信号を入力する。抵抗Ｒに増幅回路を通過したｓｉｎ信号を加え、Ｒの反対側は面抵抗体のＡに接続されている。人間の指等がガラス面上に近づき接触すると電流ｉ１が面抵抗体Ａから指等に流れＲの両端に電位差Ｅ１が発生し掛算回路のＹ入力に加えられる。ＸとＹの入力信号は掛算され真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり次のローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。他の周波数成分である生活環境下のノイズは、全てｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算によりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタを通すことで０にできる。

図３に、本発明の入力信号レベルと位相差図を示す。図１の掛算回路でｓｉｎ信号と掛算された入力信号はｓｉｎによる検出信号になり、ｃｏｓ信号と掛算された入力信号はｃｏｓによる検出信号になる。入力信号のベクトル値は以下から求められる、ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）。また、位相差をアークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる
図４に位置座標計算図を示す。図３の方法でｉ１〜ｉ４のベクトル値が求められたら入力有効エリアを４分割し、その面積比をＳ１からＳ４とする。その対角の面積比に対応したｉ１〜ｉ４の電流が流れる。以下の座標の計算方法は特開２０００−２２２１０９による。中心部に対して上下、左右に対象性があることから、中心部を座標原点と考え任意のパネルサイズに容易に適応させるために正規化したＸ値、Ｙ値を使用する。
−１≦Ｘ≦１
−１≦Ｙ≦１
ｉ＝ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点へ配分される電流値は、
ｉ１＝ｉ・Ｓ３／（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）
ｉ２＝ｉ・Ｓ４／（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）
ｉ３＝ｉ・Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）
ｉ４＝ｉ・Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）
各面積は、
Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＝Ｓ＝４
Ｓ１＝（１＋Ｘ）・（１−Ｙ）
Ｓ２＝（１−Ｘ）・（１−Ｙ）
Ｓ３＝（１−Ｘ）・（１＋Ｙ）
Ｓ４＝（１＋Ｘ）・（１＋Ｙ）
座標Ｘ，Ｙは以上から
Ｘ＝（ｉ２＋ｉ３−ｉ１−ｉ４）／（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４）
Ｙ＝（ｉ１＋ｉ２−ｉ３−ｉ４）／（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４）
以上Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点を通過する電流ｉ１，ｉ２，ｉ３，ｉ４の電流を計測することができれば座標Ｘ，Ｙが求まる。電流の総和ｉ＝ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４には依存しない。

図５に断面構造比較図を示す。図５の上図は従来技術による静電容量方式のタッチパネルで、ガラス等の表面に面抵抗体層を作り、さらにその表面に非常に薄い絶縁層（１μｍ前後）を作り四隅から面抵抗体層にＡＣ電圧を印加することで絶縁層に接触する指に数百μＡから１ｍＡ前後のＡＣ電流を流し、生活環境下のノイズの中で１μA以上の精度で四隅の電流を測定することにより位置を検出する。図５の下図は、ガラス等の裏面に面抵抗体層を作り、ガラス自体を絶縁層に使用することで構造を簡単にし、絶縁層の強度を数ｍｍ厚のガラスに置換えることができる。厚い絶縁層により四隅から入力されたＡＣ信号が指に流れ込む電流は上図の１／１０００の微弱な数μＡの電流を流し、生活環境下のノイズの中でｎＡ以上の精度で四隅の電流を測定することにより位置を検出する。

図６にｓｉｎ信号掛算波形図を示す。ａ・ｓｉｎαとｂ・ｓｉｎαを掛けると以下の式
（ａ・ｓｉｎα）・（ｂ・ｓｉｎα）＝（ａ・ｂ／２）−（ａ・ｂ・ｃｏｓ２α）／２
となり、ａ・ｂ／２だけ加えられたところに２倍の周波数の半分になったｃｏｓ信号がある。これは十分低いローパス・フィルタを通過するとａ・ｂ／２の定数になる。

図1入力装置システム構成図について、具体的に説明する。発信器の発振周波数は１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの間で任意に変えられる。これは、特定の周波数に極度に強いノイズがある場合その周波数を避けるためである。ｓｉｎ波形とｃｏｓ波形の出力電圧はピークｔｏピーク２０Ｖで掛算回路の入力に。ｓｉｎ波形はさらに増幅回路の入力に、出力はピークｔｏピーク３Ｖで面抵抗体に。面抵抗体の抵抗値は１００オーム。電流電圧変換の抵抗Ｒは１００オーム。電流電圧変換のゲインは５０倍。ハイパスのカット周波数は７５０ｋＨｚ。増幅回路のゲインは４倍。ローパスのカット周波数は、６０ｋＨｚで掛算回路の入力に。掛算回路は入力を１／１０にして掛算し、その結果を１０倍して出力する。掛算回路の出力は、ゲイン１０倍、カット周波数３ｋＨｚのローパスに。以上の回路の出力は制御装置でＡ／Ｄ変換され実効値と位相差が求められる。指がふれていない時、周辺へ流れる電流を前もって測定し、指がふれたときの測定電流から引いてｉ１〜ｉ４を求め、以下の計算をおこなう。電流の合計は数μAで安定している。
座標Ｘ，Ｙは
Ｘ＝（ｉ２＋ｉ３−ｉ１−ｉ４）／（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４）
Ｙ＝（ｉ１＋ｉ２−ｉ３−ｉ４）／（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４）
で求められる。

Claims

ガラスと該ガラスの裏面に面抵抗帯を形成したタッチパネルであり、人体が十分に吸収できる微弱な電流よりさらに少ない１０μA以下の電流を計測するためにｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の同期発振回路と、少なくとも４つの電流・電圧変換回路とそれを経由して面抵抗体層の少なくとも４箇所に接続される配線と、少なくとも８つの掛算回路と、その結果をＤＣ信号とする少なくとも８つのローパス・フィルタ回路と、そのＤＣ信号化された電圧を計測し演算処理する制御装置により、最初に指等が触れていないときの電流を測定記憶し、指等が触れたときとの電流との差で実際に指に流れる電流を計算し、座標位置を特定すると共に、前記同期発振回路の周波数は１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの間で任意に変えられ特定の周波数に極度に強いノイズがある場合その周波数を避けて計測することを特徴とする入力装置。