JP6260864B2 - タッチスイッチシステム - Google Patents

Description

本発明は、マトリクス型静電容量結合方式を利用したタッチスイッチの感度の向上とノイズ対策に関するものである。

現在、電子機器の指等を利用したマトリクス型静電容量結合方式のタッチスイッチシステムは、多数のスイッチが必要な用途に利用されるため広い入力面積を必要とする。広い入力面は検出感度の低下とノイズの影響を受けやすくする。
このようなタッチスイッチシステムは、ＬＥＤや電球や液晶等の表示装置の前面にタッチスイッチを積層する構造になる。このためタッチスイッチ上に設けられるセンスラインは、表示装置が発生する様々なノイズや外来からの様々なノイズの影響を受けやすい。
また、タッチスイッチは入力に使用する指等に常時接触されるため十分な強度が必要であり、そのために厚いアクリルやガラスにより保護する必要があり、この厚さは検出感度の低下をともなう。

その対策として、ラインの幅を大きくしたり、ラインの抵抗を小さくしたり、大きい信号電圧を加えたり、複雑な信号処理を行うのが現状である。
この前記の高感度化、耐ノイズ性の問題を解消する従来の静電容量方式のタッチスイッチ技術としては、特許文献１に記載のものが挙げられる。
この特許文献１に記載のものにあっては、複数のドライブラインと複数のセンスラインを有するタッチパネルシステムでタッチ操作を検出するにあたり、ノイズ等を除去するために隣接するセンスラインの信号をメインのセンスラインの信号から減算するのに使用しセンサからの入力信号に含まれるノイズの影響を低減することが可能とされている。

また、特許文献２に記載のものも知られている。センサからの入力信号に対し、その入力信号に含まれるＡＣ信号成分をノイズとして扱う。ＡＣ信号成分はフィルタで抽出され位相を１８０度反転して加算部で入力信号と加算されノイズの影響が低減することが可能とされている。

特開２０１３−９２８７２号公報 特開２００１−１２５７４４号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、多様な種類のノイズを確実に減少させ、かつ感度を向上させる方法を提供することである。
前記、特許文献１はメインのセンスラインの信号から隣接するセンスラインの信号を減算することにより周辺に発生しているノイズのうちセンスライン共通のノイズを減少させる方法である。この方法は、センスライン別に発生しているノイズ信号は減少させられない。また真の信号も隣接するセンスラインに十分な真の信号レベルがある場合には同様に減衰させてしまう。特にライン間隔が狭い場合には影響が大きい。
前記、特許文献２は連続的なＡＣ信号には有効であるが、連続的でないパルスノイズや離散的な高周波成分を伴うノイズ信号には効果が少ない。

本発明は、マトリックス型静電容量結合方式を利用したタッチスイッチと、タッチスイッチの信号を処理するタッチスイッチコントローラとを備えたタッチスイッチシステムにおいて、前記タッチスイッチは複数のドライブライン電極と複数のレシーブライン電極とを有し、前記タッチスイッチコントローラは、ドライブ側アナログスイッチを経由してサイン信号を前記ドライブライン電極に出力し、レシーブ側アナログスイッチを経由して交流信号を前記レシーブライン電極から受信し、前記タッチスイッチへのタッチ操作を検出するように構成され、前記タッチスイッチコントローラは、３つの近接するドライブライン電極に対して前記ドライブ側アナログスイッチを経由して前記サイン信号を出力し、１つの前記レシーブライン電極からの前記交流信号を前記レシーブ側アナログスイッチを経由して受信し、受信された前記交流信号の実効値を閾値と比較することで、前記３つの近接するドライブライン電極の中心のドライブライン電極と、当該中心のドライブライン電極と交差する前記１つのレシーブライン電極との交差部分でのタッチスイッチのオン・オフを判断するように構成されたことを特徴とする、タッチスイッチシステムに関する。

本発明は、マトリックス型静電容量結合方式を利用したタッチスイッチと、タッチスイッチの信号を処理するタッチスイッチコントローラとを備えたタッチスイッチシステムにおいて、前記タッチスイッチは複数のドライブライン電極と複数のレシーブライン電極とを有し、前記タッチスイッチコントローラは、ドライブ側アナログスイッチを経由してサイン信号を前記ドライブライン電極に出力し、レシーブ側アナログスイッチを経由して交流信号を前記レシーブライン電極から受信し、前記タッチスイッチへのタッチ操作を検出するように構成され、前記タッチスイッチコントローラは、３つの近接するドライブライン電極に対して前記ドライブ側アナログスイッチを経由して前記サイン信号を出力し、１つの前記レシーブライン電極からの前記交流信号を前記レシーブ側アナログスイッチを経由して受信し、受信された前記交流信号の実効値を閾値と比較することで、前記３つの近接するドライブライン電極の中心のドライブライン電極と、当該中心のドライブライン電極と交差する前記１つのレシーブライン電極との交差部分でのタッチスイッチのオン・オフを判断するので、複数のドライブラインと複数のレシーブラインを有し、３つのドライブラインを同時にドライブし１つのレシーブラインで受信することによりタッチスイッチの感度の向上とノイズに対する効果的な対策を実施することができる。
本発明は、同時にドライブラインやレシーブラインに接続される複数のアナログスイッチをオンにする処理をすることで感度と対ノイズ性能を大幅に改善することができるものである。

タッチスイッチ全体図 タッチスイッチ構成図 １ラインドライブ・１ラインレシーブ状態回路図 ３ラインドライブ・１ラインレシーブ状態回路図 １ラインドライブ・３ラインレシーブ状態回路図 隅の２ラインドライブ・１ラインレシーブ状態回路図 １ラインドライブ・隅の２ラインレシーブ状態回路図 全ラインドライブ・全ラインレシーブ状態回路図 ３ラインドライブ・１ラインレシーブ状態実効値図 １ラインドライブ・３ラインレシーブ状態実効値図 隅の２ラインドライブ・１ラインレシーブ状態実効値図 １ラインドライブ・隅の２ラインレシーブ状態実効値図 全ラインドライブ・全ラインレシーブ状態実効値図 タッチスイッチのラインドライブ・ラインレシーブ基本タイミング図 ２５回ドライブ・レシーブで５×５タッチスイッチのオン・オフ確認タイミング図 ５×５タッチスイッチの全ドライブ・全ラインレシーブのタイミング図 一秒間に２０回２種類の方法で５×５タッチスイッチのオン・オフ確認１タイミング図 一秒間に２０回２種類の方法で５×５タッチスイッチのオン・オフ確認２タイミング図 一秒間に２回で５×５タッチスイッチのオン・オフ確認３タイミング図

図１を用いてマトリクス型静電容量結合方式のスイッチ構成について説明する。本発明のマトリクス型静電容量結合方式のスイッチは、タッチスイッチ７とタッチスイッチコントローラ８から構成される。タッチスイッチ７は、通常フィルム（一般としてはポリエチレンステレフタートフィルム：ＰＥＴフィルムが使用されている。）の表面に銀ペーストまたはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等を印刷した電極フィルム、またはガラスエポキシ基板等を銅エッチングした基材を利用してレシーブ電極４、絶縁層５、ドライブ電極６を作成し、アクリルやガラス及び樹脂等の絶縁基材に接着剤や両面テープ等で表面保護ガラス３に張り合わせたもので構成される。

図１を用いてマトリクス型静電容量結合方式のスイッチ動作について説明する。レシーブ電極４とドライブ電極６の交点に指１が近づくと指１等とレシーブ電極４とドライブ電極６との間に平行板コンデンサが形成され静電容量２が発生する。この静電容量２の発生によりレシーブ電極４に流れる電流が変化する。この変化をタッチスイッチコントローラ８が測定・監視することにより各交点により作られたスイッチのオン・オフを判断する。

図２を用いてマトリクス型静電容量結合方式のスイッチ動作について説明する。ドライブ側９のスイッチを一つオンにして一つのドライブ電極６にＳＩＮ波ＣＯＳ波発信回路１９からのＳＩＮ信号をドライブ電極６に供給する。ドライブ電極６に供給されたＳＩＮ波信号は容量結合で絶縁層５を挟んでレシーブ電極４に流れタッチスイッチコントローラ８にある増幅回路および掛算回路１２で増幅されＳＩＮ波およびＣＯＳ波と掛算される。この回路でＳＩＮ波成分以外の交流信号はローパスフィルタ回路１３で取除かれＡ／Ｄ変換でデジタル化され実効値演算１５で実効値が求められ、位相差演算１６で位相差が求められる。
求められた実効値は、タッチスイッチ固有の検出電圧と比較され、そのタッチスイッチ固有レベルの７０％以上の差はオフからオンへ変化したと判定され、３０％以内の差になるとオンからオフへ変化したと制御部１１で判定される。尚、ヒステリシスの幅やレベルもスイッチの材料、環境、形状により望ましい値を使用する。また、固有の検出電圧も、温度や湿度、経年変化により変わるので固有の時間差で変えていくことが望ましい。

本発明のタッチスイッチ７は指または手１が触れることができる領域があればどの様な形状・本数でも実現可能である。ここではスイッチ全体の形状を四角形状、スイッチ単体の形状を丸型形状、ドライブライン５本とレシーブライン５本を例として説明する。

図３は１ラインドライブ・１ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側スイッチ９のＤＳＷ３スイッチだけがオンで中心のドライブラインだけがＳＩＮ波発振器２１（ＳＩＮ波ＣＯＳ波発信回路１９からのＳＩＮ波発振器部）に接続されている。レシーブ側スイッチ１０のＲＳＷ３スイッチだけがオンで中心のレシーブラインだけが受信信号２０に接続されている。尚、受信信号２０は、ＳＩＮ波ＣＯＳ波発信回路１９からのＣＯＳ波発振器部と増幅回路および掛算回路１２から以降の全てと制御部１１を示す。
即ち、ドライブ側９・レシーブ側１０とも、いずれか１箇所のスイッチがオンである全ての組み合わせを含む構成の例である。

図４は３ラインドライブ・１ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側スイッチ９のＤＳＷ２、ＤＳＷ３、ＤＳＷ４スイッチだけがオンでＳＩＮ波発振器２１に接続されている。レシーブ側スイッチＲＳＷ３スイッチだけがオンで受信信号２０に接続されている。
即ち、ドライブ側９は隣合った３箇所、レシーブ側１０は１箇所のスイッチがオンである全ての組合わせを含む構成例である。

図５は１ラインドライブ・３ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側スイッチ９のＤＳＷ３だけがオンでＳＩＮ波発振器２１に接続されている。レシーブ側スイッチはＲＳＷ２、ＲＳＷ３、ＲＳＷ４スイッチだけがオンで受信信号２０に接続されている。ドライブ側９は１箇所、レシーブ側１０は３箇所のスイッチがオンである全ての組合わせを含む構成例である。

図６は隅の２ラインドライブ・１ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側スイッチ９のＤＳＷ１，ＤＳＷ２スイッチだけがオンでＳＩＮ波発振器２１に接続されている。レシーブ側スイッチはＲＳＷ３スイッチがオンで受信信号２０に接続されている。
即ち、ドライブ側９は端の隣合った２箇所の組合わせと、レシーブ側１０は１箇所のスイッチがオンである全ての組合わせを含む構成例である。

図７は１ラインドライブ・隅の２ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側９スイッチのＤＳＷ３スイッチだけがオンでＳＩＮ波発振器２１に接続されている。レシーブ側１０スイッチはＲＳＷ１、ＲＳＷ２スイッチがオンで受信信号２０に接続されている。
即ち、ドライブ側９は１箇所のスイッチがオンである全ての組合わせと、レシーブ側１０は端の２箇所のスイッチがオンである全ての組合わせを含む構成例である。

図８は全ラインドライブ・全ラインレシーブの状態を示す回路図である。ドライブ側９スイッチのＤＳＷ１からＤＳＷ５の全てのスイッチがオンでＳＩＮ波発振器２１に接続されている。
即ち、レシーブ側１０スイッチはＲＳＷ１からＲＳＷ５の全てのスイッチがオンで受信信号２０に接続されている構成例である。

以下、実施例により、本発明を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものでなく、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を用いて説明する。タッチスイッチ７は、厚さ３〜５ｍｍの表面保護ガラス６とＰＥＴフィルムまたは基板による絶縁層５の上面にレシーブ電極４、下面にドライブ電極６を銀ペーストの印刷または銅のエッチングで作製する。これら電極群はフレキケーブル等または直接タッチスイッチコントローラに接続される。実施例では、基板を用い絶縁層の厚さは０．６ｍｍとした。
図２を用いて説明する。形状と配置はタッチスイッチ７にドライブ電極は２ｍｍ幅、レシーブ電極は２ｍｍ幅、間隔は１５ｍｍ。入力範囲はドライブ電極とレシーブ電極の交点を中心とした直径１０ｍｍの円形とした。それぞれの電極はフレキケーブルでタッチスイッチコントローラにそれぞれのラインが交差しないように基板上のアナログスイッチに接続した。
前記の条件で、タッチスイッチ７に構成されるタッチスイッチは２ｍｍ幅のパターンのドライブラインとレシーブラインの交点を中心とした直径１０ｍｍの円形形状（図２）とした。
実施例では指の代わりにテスト指、直径１０ｍｍ長さ１００ｍｍのステンレス棒、先端に厚さ１ｍｍの導電性ゴムを接着したものを垂直に立てて使用した。

（比較例）
実施例の条件で、図３を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。テスト指をＳＷ３−３に設置。
図９から図１３の１ラインドライブ・１ラインレシーブの実効値を確認した。

（実施例２）
実施例の条件で、図４を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ２、ＤＳＷ３、ＤＳＷ４をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。テスト指をＳＷ３−３に設置。
図９の３ラインドライブ・１ラインレシーブの実効値を確認した。
上記実効値は、１ラインドライブ・１ラインレシーブの２．５倍であることを確認した。

（参考例３）
実施例の条件で、図５を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ２、ＲＳＷ３、ＲＳＷ４をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。テスト指をＳＷ３−３に設置。
図１０の１ラインドライブ・３ラインレシーブの実効値を確認した。
上記実効値は、１ラインドライブ・１ラインレシーブの２．５倍であることを確認した。

（参考例４）
実施例の条件で、図６を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ１、ＤＳＷ２をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。テスト指をＳＷ１−３に設置。
図１１の隅の２ラインドライブ・１ラインレシーブの実効値を確認した。
上記実効値は、１ラインドライブ・１ラインレシーブの２倍であることを確認した。

（参考例５）
実施例の条件で、図７を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ３をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ１、ＲＳＷ２をオンにし、他は全てＧＮＤに接続。テスト指をＳＷ３−１に設置。
図１２の１ラインドライブ・隅の２ラインレシーブの実効値を確認した。
上記実効値は、１ラインドライブ・１ラインレシーブの２倍であることを確認した。

（参考例６）
実施例の条件で、図８を実施し実効値１７を確認した。
ドライブ側アナログスイッチＤＳＷ１、ＤＳＷ２、ＤＳＷ３、ＤＳＷ４、ＤＳＷ５をオンに。レシーブ側アナログスイッチはＲＳＷ１、ＲＳＷ２、ＲＳＷ３、ＲＳＷ４、ＲＳＷ５をオンに。テスト指をＳＷ３−３に設置。
図１３の全ラインドライブ・全ラインレシーブの実効値を確認した。
上記実効値は、１ラインドライブ・１ラインレシーブの４倍であることを確認した。
全てのラインがドライブ信号およびレシーブ信号に接続されることで、全てのドライブラインがドライブされることでノイズは減少し、レシーブ信号はドライブラインが増えることで非常に大きくなりノイズの影響は減少する。また、全てのレシーブラインが接続されることで、信号は非常に大きくなる。ノイズが減少するうえにレシーブ信号が大きくなり閾値を大きくすることができるのでノイズの影響は大幅に減少する。

上記実施例及び参考例の基本的なタイミングを図１４に示す。一回のラインドライブ・ラインレシーブは１ｍｓｅｃで実施される。ドライブ信号の基本周波数は、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの±１ＶのＳＩＮ信号で約１ｍｓｅｃ出力され１ｍｓｅｃ停止する。（停止しなくても可）出力されているタイミングにおいて、ドライブ側アナログスイッチ経由でドライブ電極に接続され同様にアナログスイッチ経由で増幅回路および掛算回路１２に接続されたレシーブ電極はドライブ電極との間に構成された平行板コンデンサにより流れる電流の実効値を計測・基準値と比較し、タッチスイッチのオン・オフを制御部１１が判断する。５×５のタッチスイッチの場合２５回のドライブ・レシーブでその交点全てのタッチスイッチのオン・オフを判断する。２５個のタッチスイッチのオン・オフを判断するには、（１ｍｓｅｃ＋１ｍｓｅｃ）・２５個＝５０ｍｓｅｃかかり、毎秒２０回オン・オフを確認できる。図１５に示す。

（参考例７）
毎秒２０回タッチスイッチが押されているかどうかの確認だけであれば、（参考例６）図８を５０ｍｓｅｃに一回実行すればよく、５×５のタッチスイッチの場合は消費電力を１／２５にでき感度も４倍程度高くなりノイズにも非常に強くできる。図１６に示す。
タッチスイッチ全体の動作時間がかぎりなく１／（ドライブライン数×レシーブライン数）にできるので、ライン数が多いいほど動作時間を大幅に減少させ、突発的なノイズの影響を減らすことができ、ノイズ等により異常事態が発生しても動作時間が短いため繰返し等の対策が容易にでき、さらに消費電力を大幅に減らすことができる。

（実施例８、参考例８）
図１７に図１５と同様なタッチスイッチの検出を実施して、消費電力を最小１／２５に最悪でも同等にできる実施例を示す。どれかタッチスイッチがオンになるまで参考例７に示す方法で５×５のタッチスイッチを確認し、どれかのタッチスイッチがオンになれば実施例２、参考例３、参考例４の方法で５×５のタッチスイッチ２５個のオン・オフを確認する。全てのスイッチがオフなことを確認後は参考例７に示す方法に戻す。消費電力は、最少１／２５になり感度も２倍〜４倍程度高くなりノイズに対しても強くできる。

（参考例９）
図１８に図１５と同様であるが最初のタッチスイッチがオンになった後は、全てのタッチスイッチがオフになるまで同一のタッチスイッチがオンであるとするなら消費電力は、最少１／２５になり最悪でも１／２０（毎秒１〜３回程度のタッチスイッチがオン・オフされた場合）になり感度も２倍〜４倍程度高くなりノイズに対しても強くできる。

（参考例１０）
図１９に図８と同様であるが、繰返し周期を５０ｍｓｅｃから４９９ｍｓｅｃに延ばし、タッチスイッチがどれかオンになったことを検出する。消費電力は最少１／２５０になり感度も２倍〜４倍程度高くなりノイズに対しても強くなる。

１ 指
２ 静電容量
３ 表面保護ガラス
４ レシーブ電極
５ 絶縁層
６ ドライブ電極
７ タッチスイッチ
８ タッチスイッチコントローラ
９ ドライブ側アナログスイッチ
１０ レシーブ側アナログスイッチ
１１ 制御部
１２ 増幅回路および掛算回路
１３ ローパスフィルタ回路
１４ Ａ／Ｄ変換回路
１５ 実効値演算回路
１６ 位相差演算回路
１７ 実効値
１８ 位相差
１９ ＳＩＮ波ＣＯＳ波発振回路
２０ レシーブ信号
２１ ドライブ信号

Claims (2)

1. マトリックス型静電容量結合方式を利用したタッチスイッチと、タッチスイッチの信号を処理するタッチスイッチコントローラとを備えたタッチスイッチシステムにおいて、
   前記タッチスイッチは複数のドライブライン電極と複数のレシーブライン電極とを有し、
   前記タッチスイッチコントローラは、ドライブ側アナログスイッチを経由してサイン信号を前記ドライブライン電極に出力し、レシーブ側アナログスイッチを経由して交流信号を前記レシーブライン電極から受信し、前記タッチスイッチへのタッチ操作を検出するように構成され、
   前記タッチスイッチコントローラは、
   ３つの近接するドライブライン電極に対して前記ドライブ側アナログスイッチを経由して前記サイン信号を出力し、
   １つの前記レシーブライン電極からの前記交流信号を前記レシーブ側アナログスイッチを経由して受信し、
   受信された前記交流信号の実効値を閾値と比較することで、前記３つの近接するドライブライン電極の中心のドライブライン電極と、当該中心のドライブライン電極と交差する前記１つのレシーブライン電極との交差部分でのタッチスイッチのオン・オフを判断するように構成されたことを特徴とする、タッチスイッチシステム。
2. 前記タッチスイッチコントローラは、
   全ての前記ドライブライン電極に対して前記ドライブ側アナログスイッチを経由して前記サイン信号を出力し、
   全ての前記レシーブライン電極からの前記交流信号を前記レシーブ側アナログスイッチを経由して受信し、
   受信された前記交流信号の実効値を前記閾値と比較することで、前記全ての前記ドライブライン電極と前記全ての前記レシーブライン電極との交差部分のうちのいずれかの交差部分でのタッチスイッチのオン・オフを判断するように構成され、
   前記全ての前記ドライブライン電極と前記全ての前記レシーブライン電極との交差部分のうちのいずれかの交差部分でのタッチスイッチのオンを判断した場合に、
   前記３つの近接するドライブライン電極に対して前記ドライブ側アナログスイッチを経由して前記サイン信号を出力し、
   前記１つの前記レシーブライン電極からの前記交流信号を前記レシーブ側アナログスイッチを経由して受信し、
   受信された前記交流信号の実効値を前記閾値と比較することで、前記３つの近接するドライブライン電極の中心のドライブライン電極と、当該中心のドライブライン電極と交差する前記１つのレシーブライン電極との交差部分でのタッチスイッチのオン・オフを判断するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載のタッチスイッチシステム。

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