JPH0594255A - 変調光ビームを利用した光学式タツチパネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受光素子が外乱光の赤外波長成分による影響
により飽和し検査不能になるようなことがなく、発光素
子が選別や実装のための設備や手間のかからない光学式
タッチパネルの提供 【構成】 表示器の表示画面の周辺に、水平方向と垂直
方向に対応して、複数組の発光素子と受光素子とが連け
い動作する単位光学系よりなる光マトリックスを形成
し、該表示画面に外方よりタッチした物体の位置情報を
出力する光学式タッチパネルにおいて、前記発光素子と
受光素子間に変調光ビーム投射手段と変調光ビーム受光
手段とを有するように構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は入力装置に用いられる光
学式タッチパネルに関するもので、特に該タッチパネル
の発光素子及び受光素子間の光ビームを変調光による光
ビーム手段により構成した光学式タッチパネルに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は光学式タッチパネル１２の説明図
である。図８において１は発光素子列、１ａは発光素
子、２は受光素子列、２ａは受光素子、３は表示器、４
は遮光物体である。

【０００３】光学式タッチパネル１２はＣＲＴ等の表示
器３の表示面の周辺に垂直と水平の方向に一定間隔で赤
外線を発光する多数の発光素子１ａを配列した発光素子
列１と前記発光素子１ａと同数の赤外光を受光する受光
素子２ａを配列した受光素子列２とを対向して設け、そ
れぞれ対向する一対の発光素子１ａと受光素子２ａとが
連けい動作するようにして光ビーム１ｂを介して単位光
学系を形成し、該単位光学系を垂直方向と水平方向に順
次掃引、駆動して、前記表示器３の表示面に赤外線マト
リックスを形成し、該表示面にタッチした遮光物体４に
よって遮光される前記マトリックスの交点を検出し、該
交点の直交座標を該遮光物体４の位置情報として出力す
るものである。

【０００４】図９及び図１０により従来の光学式タッチ
パネル１２の動作を説明する。図１０は図９に示す単位
光学系の動作説明図である。

【０００５】図９において１ａは発光素子、２ａは受光
素子、５ａ，５ｂはアナログスイッチ、６は増幅器、７
は負荷抵抗、８は受光出力信号、＋Ｖ_ccは電源である。

【０００６】また図１０においては信号波形を示し、
（１）は受光素子駆動信号、（２）は発光素子駆動信
号、（７）は受光素子駆動信号８の波形、（８）は低レ
ベル信号読み込みパルス、（９）は高レベル信号読み込
みパルスである。

【０００７】この単位光学系は複数個設けてあり、それ
ぞれの受光素子２ａの出力は増幅器６の入力に並列に接
続されている。

【０００８】これらの単位光学系はＣＰＵ１０のプログ
ラムに従って順次掃引されるが、一つの単位光学系が掃
引されると、ＣＰＵ１０から出力される受光素子駆動信
号（１）によってアナログスイッチ５ａがＯＮとなり、
受光素子２ａが動作状態になる。つづいて一定時間後に
発光素子駆動信号（２）によって、アナログスイッチ５
ｂが一定時間ＯＮとなり発光素子１ａが発光する。

【０００９】この過程でアナログスイッチ５ａがＯＮと
なり電源＋Ｖ_ccが受光素子２ａに印加されると、受光素
子２ａには過渡電流が流れ、負荷抵抗７にはパルス性の
ノイズが発生する。このノイズは急速に減衰し、受光素
子２ａは暗電流と外乱光による電流によって負荷抵抗７
に低レベル信号を発生する。つづいて発光素子１ａが発
光すると受光素子２ａはこの光を受けて高レベル信号を
発生し、この両信号は増幅器６により増幅され、受光出
力信号８として受光出力信号８の波形（７）に示すよう
な波形の信号が出力されるので増幅器６から受光出力信
号８が連続的に出力される。この受光出力信号８はＡ／
Ｄ変換器９によってデジタル信号に変換され、前記受光
素子駆動信号（１）及び発光素子駆動信号（２）の駆動
信号と一定のタイミングを有する低レベル信号読み込み
パルス（８）及び高レベル信号読み込みパルス（９）に
よって、順次メモリ１１に読み込まれ、ＣＰＵ１０にお
いて単位光学系ごとに前記低レベル信号と高レベル信号
とを比較してレベル差を求め、その差の有無又は大小に
よって、前記表示面上の遮光物体４の有無を判別し、前
記赤外線マトリックスの遮光された交点を検出し、該交
点の直交座標を該遮光物体４の位置情報として出力する
ようにしたものである。

【００１０】図１１は従来の光学式タッチパネルの単位
光学系が飽和する際の説明図であって、外乱光が〜
に示す如く大となり飽和電圧に近づき、受光出力信号８
の波形の高レベル読み込み位置が飽和電圧に達するのを
示している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学式
タッチパネル赤外波長の光ビームを利用する一種の光電
変換装置であるために、受光素子が外乱光の赤外波長成
分による影響により飽和し、検出不能に陥ることがあっ
た。

【００１２】また発光素子は、受光素子に対して効率良
く赤外光ビームを到達させなければならないため、レン
ズが組み込まれた発光素子の、出力の大きなものを選別
し、それを光軸精度良く実装しなければならない。

【００１３】そのためには選別のための設備や手間が必
要となり、また光軸精度良く実装するための治具が必要
であると共に、実装できる発光素子の形状に制限がある
などの困難さも多く、これらが生産性を低めるという欠
点を有していた。

【００１４】さらに発光素子を強力に発光させ、充分な
光エネルギーを伝達させる必要があるために大電流で駆
動する必要があり、それが発光素子の信頼性や寿命を下
げていた。

【００１５】また発光素子と受光素子間の距離をｄとし
たばあい、発光素子の放射強度Ｉに あり、距離ｄが大きな場合、つまり大口径の画面に対応
したタッチパネルを作ることは、著しく微少な放射照度
ＥからＡ／Ｄコンバータへ読み込める大きさにまで受光
素子出力信号を直流増幅せねばならず、外乱光に対して
強いものを作ることが非常に困難であるという欠点を有
していた。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は従来技術の前記
欠点を解消するために発明されたものであって、請求項
１において、光学式タッチパネルを、表示器の表示面上
の周辺に、水平方向と垂直方向に対応して、発光素子列
と受光素子列とよりなる複数組の素子列を配設し、それ
ぞれ対向する発光素子と受光素子とが連けい動作するよ
うにした複数の単位光学系を水平方向と垂直方向に順次
掃引駆動して光マトリックスを形成し、該単位光学系ご
とに不発光時と発光時の受光出力信号をＡ／Ｄ変換し
て、該受光出力信号のそれぞれのレベルを比較して求め
たレベル差により前記表示面上に外方よりタッチした遮
光物体を検出し、該遮光物体の位置の直交座標を位置情
報として出力する光学式タッチパネルにおいて、前記発
光素子と受光素子間に変調光ビーム投射手段と変調光ビ
ーム受光手段を有するよう構成し、また請求項２におい
て、発光素子を有する複数の単位光学系と所定のアナロ
グスイッチと発振器と変調器とを接続してなる変調光ビ
ーム投射手段と、前記単位光学系に対応する同数の受光
素子と所定のアナログスイッチと電流電圧変換器とバン
ドパスフィルタと後段増幅器と復調器とを接続してなる
変調光ビーム受光手段とを有する請求項１の光学式タッ
チパネルを構成したのである。

【００１７】

【作用】光学式タッチパネルの発光素子と受光素子間の
光ビームには、外乱光が入射し、この外乱光が大きくな
るに従って、低レベル読み込み電圧と高レベル読み込み
電圧との差の受光素子出力の振幅が変化するが、請求項
１及び請求項２の発明では外乱光が大きくなるに従っ
て、素子出力信号は飽和電圧へ近づいてゆくが、変調さ
れた光ビームに対してアナログスイッチを介して直流電
圧変換器で取出せるＰＩＮフォトダイオードの出力電圧
は微少であり、それが受光素子出力信号のダイナミック
レンジを拡大し、即ち外乱光に対する強度を上げている
ので、受光素子出力信号は飽和電圧近くまで外乱光が入
射してもＡ／Ｄコンバータに読み込まれる低レベルと高
レベルの値が変化しないのであって、即ち変調光ビーム
を使用することにより外乱光に対する強度が増すのであ
り、更に受光素子から取出せる微少な電圧の中から、あ
る変調された特定の周波数を取り出し、増幅、復調する
ことにより、容易にＡ／Ｄコンバータへ読み込ませるこ
とが可能な受光素子出力信号が得られるということによ
りローパワー化が計れる利点がある。

【００１８】また発光素子の選別にかかる手間と時間
は、従来に比べてずっと少くなり、選別のための設備
も、より簡易なもので済むことになる。また光学素子の
実装においても光軸精度についての要求もおだやかなも
のとなり、実装時の時間、手間が低減され、生産性が向
上する。

【００１９】さらに、発光素子駆動電流は変調周波数に
よってスイッチングされるので、デューティが減少さ
れ、パワーの実効値が下がることにより発光素子の信頼
性と寿命が向上することになる。

【００２０】その上、微少な変調光出力を扱えるという
ことは、即ち発光素子と受光素子間の距離を大きく取れ
るということであって、大口径の画面に対応したタッチ
パネルを作ることが容易になるという利点がある。

【００２１】

【実施例】本発明の一実施例を図面とともに説明する。

【００２２】図１は本発明の実施例の光学式タッチパネ
ルの単位光学系の構成図、図２は同じくその動作説明
図、図３は同じくその飽和する際の説明図、図４は本発
明の具体化された第１実施例の単位光学系の構成図、図
５は同じくその動作説明図、図６は本発明の具体化され
た第２実施例の説明図、図７は同じくその動作説明図で
ある。

【００２３】図１において、１ａは発光素子、１ｃは変
調光ビーム、２ａは受光素子、５ａ，５ｂはアナログス
イッチ、１６は発振器、１７は変調器、１８は電流電圧
変換器、１９はバンドパスフィルタ、２０は後段増幅
器、２１は復調器、９はＡ／Ｄコンバータ、１０はＣＰ
Ｕ、１１はメモリ、である。

【００２４】図１の構成図に示された発光素子１ａはア
ナログスイッチ５ｂにより選択される。選択に使われる
信号は図２に示される発光素子駆動信号（２）である。
発光素子１ａに流れる電流は、発振器１６から与えられ
た周波数により変調器１７によって変調される。変調さ
れた波形は図２の発光素子駆動電流（３）に示すもので
ある。

【００２５】変調は、ここに示された、独立した変調器
１７を用いることなく、ＣＰＵ１０側から発光素子駆動
信号（２）を変調周波数でスイッチングすることにより
同様の効果が得られる。

【００２６】発光素子１ａから出た光ビーム１ｃは変調
されており、受光素子２ａにより受けられる。変調光ビ
ーム１ｃを受ける受光素子２ａは、変調周波数にもよる
が、この構成図では、周波数応答性の良好なＰＩＮフォ
トダイオードを使用した例を示してある。

【００２７】図２の（４）は受光素子において得られた
受光素子出力信号４である。変調光ビーム１ｃを受けた
ＰＩＮフォトダイオードに生じた電流を、電流電圧変換
器１８により電圧出力させた信号である。その信号は変
調周波数を中心周波数とし、高い周波数選択性を持つ高
次のバンドパスフィルタ１９で変調信号のみが選択的に
取り出される。この信号を後段増幅器２０により増幅し
たものが図２の（５）の受光素子出力信号（復調器前）
５である。図２の受光素子出力信号（復調器後）（６）
は（５）を復調したものである。

【００２８】図２の受光素子出力信号（６）は図１０の
受光出力信号８の波形（７）に対応し、最終的にＡ／Ｄ
コンバータに読み込まれる波形である。図２の低レベル
信号読み込みパルス（８）により低レベルが、高レベル
信号読み込みパルス（９）により高レベルが読み込まれ
るタイミングを作っている。

【００２９】読み込まれてからの処理は従来と同様で、
ＣＰＵ１０において単位光学系ごとに前記低レベル信号
と高レベル信号とを比較してレベル差を求め、その差の
有無又は大小によって遮光物体の有無を判別し、赤外線
変調光ビームマトリックスの遮光された交点を検出し、
その直交座標を遮光物体の位置情報を出力する。

【００３０】図３は本発明の実施例の単位光学系が飽和
する際の説明図である。受光素子出力信号（バンドパス
フィルタ）（４）と同（復調器後）（６）を比較する
に、外乱光が入射し、この外乱光がと大きくな
るに従って、低レベル読み込み電圧と高レベル読み込み
電圧との差の受光素子出力の振幅が変化するが、外乱光
が大きくなるに従って、素子出力信号は飽和電圧へ近づ
いてゆくが、変調された光ビームに対してアナログスイ
ッチを介して直流電圧変換器で取出せるＰＩＮフォトダ
イオードの出力電圧は微少であり、それが受光素子出力
信号のダイナミックレンジを拡大し、即ち外乱光に対す
る強度を上げているので、受光素子出力信号は飽和電圧
近くまで外乱光が入射してもＡ／Ｄコンバータに読み込
まれる低レベルと高レベルの値が変化しないのである。

【００３１】図４及び図５に示す具体化された第１実施
例において、赤外発光ダイオード２４は電流スイッチ２
６により駆動され、赤外発光ダイオード２４を駆動する
電流は発振器１６からのトリガーにより、変調器１７を
介して、所定の周波数に変調される。変調光ビーム１ｃ
は、ＰＩＮフォトダイオード駆動信号（４−１）によ
り、選択駆動されたＰＩＮフォトダイオード２５に到達
し、逆バイアスされたＰＩＮフォトダイオード２５に逆
電流を流す。この逆電流は電流電圧変換器１８によりＰ
ＩＮフォトダイオード出力信号（４−１）を作り出す。

【００３２】ＰＩＮフォトダイオード出力信号（４−
１）の中の微少な変調周波数成分を検出するために−６
ｄＢ／ＯＣＴ以上の能力を持つローパスフィルタ２２と
ハイパスフィルタ２３を組合わせたバンドパスフィルタ
を使う。

【００３３】バンドパスフィルタの中心周波数は変調周
波数に一致させる。

【００３４】フィルタ通過後のＰＩＮフォトダイオード
出力信号（４−１）は後段増幅器２０により増幅され、
Ａ／Ｄコンバータ９に読み込むために必要な振幅を得
る。その復調器前ＰＩＮフォトダイオード信号（５−
１）は、復調器２１により復調され、Ａ／Ｄコンバータ
９へ読み込まれる。読み込まれる値は、ソフトウェア的
なタイミングにより低レベル時と高レベル時が決めら
れ、このレベル差が波高値とされる。この波高値はＣＰ
Ｕ１０によって、メモリ１１上に記憶され、タッチパネ
ル内の発光素子２４と受光素子２５の全ての組合わせに
ついてのデータテーブルを作る。そして順次走査した波
高値データを、データテーブル上の波高値と比較してタ
ッチ入力の有無をＣＰＵ１０にて判定する。

【００３５】図６及び図７に示す具体化された第２実施
例において、赤外発光ダイオード２４は電流スイッチ２
６により駆動され、赤外発光ダイオード２４を駆動す
る。電流は発振器１６からのトリガーにより、変調器１
７を介して、所定の周波数に変調される。変調光ビーム
１ｃは、フォトトランジスタ駆動信号（１−２）によ
り、選択駆動されたフォトトランジスタ２８に到達し、
フォト電流を流す。

【００３６】フォト信号は負荷抵抗７によりフォトトラ
ンジスタ出力電圧（４−２）を発生させる。発生した電
圧は初段増幅器２７によりフォトトランジスタ出力信号
（４−２）を作り出す。フォトトランジスタ出力信号
（４−２）の中の微少な変調周波数成分を検出するため
に−６ｄＢ／ＯＣＴ以上の能力を持つローパスフィルタ
２２とハイパスフィルタ２３が組合わされたバンドパス
フィルタが使われる。

【００３７】バンドパスフィルタの中心周波数は変調周
波数に一致させる。

【００３８】バンドパスフィルタ通過後のフォトトラン
ジスタ出力（４−２）は後段増幅器２０によりＡ／Ｄコ
ンバータ９に読み込まれるのに適した大きさにまで増幅
され、復調前フォトトランジスタ出力信号５−２とな
り、復調される。復調信号（６−２）はＡ／Ｄコンバー
タ９へ、ソフトウェア的な低レベルタイミング（７）と
高レベルタイミング（８）発生時に読み込まれ、そのレ
ベル差が波高値となる。この波高値はＣＰＵ１０によっ
て、メモリ１１上に記憶され、タッチパネル内の発光素
子２４と受光素子２５の全ての組合わせについてのデー
タテーブルを作る。そして順次走査した波高値データ
を、データテーブル上の波高値と比較してタッチ入力の
有無をＣＰＵ１０にて判定する。

【００３９】従って受光素子はＰＩＮフォトダイオード
２５でもフォトトランジスタ２８でも、またそれに準ず
る受光素子に適用できる。

【００４０】

【発明の効果】請求項１及び請求項２の発明は、実施回
路により、受光素子出力のダイナミックレンジが増大し
外乱光に対する強度が増し、また発光ダイオードが消費
する電流が低下し、発光素子の信頼性と寿命が向上する
という効果がある。

【００４１】また低発光強度の発光ダイオードも使用す
ることができ、発光素子や受光素子の選別の手間や設備
やコストが低減され、生産性が向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の光学式タッチパネルの単位光
学系の構成図

【図２】本発明の実施例の光学式タッチパネルの単位光
学系の動作説明図

【図３】本発明の実施例の光学式タッチパネルの単位光
学系が飽和する際の説明図

【図４】本発明の具体化された第１実施例の単位光学系
の構成図

【図５】本発明の具体化された第１実施例の単位光学系
の動作説明図

【図６】本発明の具体化された第２実施例の単位光学系
の構成図

【図７】本発明の具体化された第２実施例の単位光学系
の動作説明図

【図８】光学式タッチパネルの説明平面図

【図９】従来の光学式タッチパネルの単位光学系の構成
図

【図１０】従来の光学式タッチパネルの単位光学系の動
作説明図

【図１１】従来の光学式タッチパネルの単位光学系が飽
和する際の説明図

【符号の説明】 １ 発光素子列 １ａ 発光素子 １ｂ 光ビーム １ｃ 変調光ビーム ２ 受光素子列 ２ａ 受光素子 ３ 表示器 ４ 遮光物体 ５ａ アナログスイッチ ５ｂ アナログスイッチ ６ 増幅器 ７ 負荷抵抗 ８ 受光出力信号 ９ Ａ／Ｄコンバータ １０ ＣＰＵ １１ メモリ １２ 光学式タッチパネル １６ 発振器 １７ 変調器 １８ 電流電圧変換器 １９ バンドパスフィルタ ２０ 後段増幅器 ２１ 復調器 ２２ ローパスフィルタ ２３ ハイパスフィルタ ２４ 赤外発光ダイオード ２５ ＰＩＮフォトダイオード ２６ 電流スイッチ ２７ 初段増幅器 ２８ フォトトランジスタ （１） 受光素子駆動信号 （１−１） ＰＩＮフォトダイオード駆動信号 （１−２） フォトトランジスタ駆動信号 （２） 発光素子駆動信号 （２−１） 発光ダイオード駆動信号 （３） 発光素子駆動電流信号 （３−１） 発光ダイオード駆動電流信号 （４） 受光出力信号（バンドパスフィルタ前） （４−１） ＰＩＮフォトダイオード出力信号 （４−２） フォトトランジスタ出力信号 （５） 受光素子出力信号（復調器前） （５−１） 復調前ＰＩＮフォトダイオード出力信号 （５−２） 復調前フォトトランジスタ出力信号 （６） 受光素子出力信号（復調器後） （６−１） 復調信号 （６−２） 復調信号 （７） 受光出力信号８の波形 （８） 低レベル信号読み込みパルス （９） 高レベル信号読み込みパルス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示器の表示面上の周辺に、水平方向と
   垂直方向に対応して、発光素子列と受光素子列とよりな
   る複数組の素子列を配設し、それぞれ対向する発光素子
   と受光素子とが連けい動作するようにした複数の単位光
   学系を水平方向と垂直方向に順次掃引駆動して光マトリ
   ックスを形成し、該単位光学系ごとに不発光時と発光時
   の受光出力信号をＡ／Ｄ変換して、該受光出力信号のそ
   れぞれのレベルを比較して求めたレベル差により前記表
   示面上に外方よりタッチした遮光物体を検出し、該遮光
   物体の位置の直交座標を位置情報として出力する光学式
   タッチパネルにおいて、前記発光素子と受光素子間に変
   調光ビーム投射手段と変調光ビーム受光手段とを有する
   ように構成したことを特徴とする光学式タッチパネル。
2. 【請求項２】 発光素子を有する複数の単位光学系と所
   定のアナログスイッチと発振器と変調器とを接続してな
   る変調光ビーム投射手段と、 前記単位光学系に対応する同数の受光素子と所定のアナ
   ログスイッチと電流電圧変換器とバンドパスフィルタと
   後段増幅器と復調器とを接続してなる変調光ビーム受光
   手段とを有する請求項１の光学式タッチパネル。