JPWO2013021414A1 - Capacitance type input detection method - Google Patents
Capacitance type input detection method Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2013021414A1 JPWO2013021414A1 JP2013527746A JP2013527746A JPWO2013021414A1 JP WO2013021414 A1 JPWO2013021414 A1 JP WO2013021414A1 JP 2013527746 A JP2013527746 A JP 2013527746A JP 2013527746 A JP2013527746 A JP 2013527746A JP WO2013021414 A1 JPWO2013021414 A1 JP WO2013021414A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- detection
- operational amplifier
- voltage
- detection electrode
- input
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Position Input By Displaying (AREA)
Abstract
【課題】入力操作体と検出電極間の静電容量から検出電極に対する入力操作体の入力操作を検出する静電容量式入力検出方式を提供する。【解決手段】検出電極と入力操作体間の静電容量を介して検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段が、検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い積分動作期間中に積分して出力する積分回路を有し、積分回路の出力の傾きから前記交流検出信号の受信レベルを拡大させて検出し、検出電極と入力操作体間の距離を求める。【選択図】図1An electrostatic capacity type input detection method for detecting an input operation of an input operation body with respect to a detection electrode from a capacitance between the input operation body and a detection electrode is provided. Signal detection means for detecting a reception level of an AC detection signal appearing on a detection electrode via a capacitance between the detection electrode and an input operation body converts the AC detection signal appearing on the detection electrode from an AC detection signal cycle. It has an integration circuit that integrates and outputs during a sufficiently long integration operation period, detects the reception level of the AC detection signal from the slope of the output of the integration circuit, and detects the distance between the detection electrode and the input operating body. Ask. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、指などの入力操作体が接近して静電容量が増大する検出電極の配置位置から入力操作体の入力操作位置を検出する静電容量式入力検出方式に関する。 The present invention relates to a capacitance type input detection method for detecting an input operation position of an input operation body from an arrangement position of a detection electrode where an input operation body such as a finger approaches and the capacitance increases.
電子機器のディスプレーに表示されたアイコンなどを指示入力するポインティングデバイスとして静電容量式入力検出方式により入力操作や入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネルが知られている。この静電容量式入力検出方式は、入力操作する入力操作体が接近する検出電極の浮遊容量(入力操作体と検出電極間の静電容量)が増大することに着目し、入力操作体との静電容量が変化する検出電極の配置位置から入力操作自体や入力操作体の入力操作位置を検出している。 2. Description of the Related Art A capacitive touch panel that detects an input operation and an input operation position by a capacitive input detection method is known as a pointing device that inputs an instruction displayed on a display of an electronic device. This capacitance type input detection method pays attention to the fact that the floating capacitance (capacitance between the input operation body and the detection electrode) of the detection electrode approaching the input operation body to be input increases. The input operation itself and the input operation position of the input operation body are detected from the position of the detection electrode where the capacitance changes.
しかしながら、入力操作体と検出電極間の静電容量は、例えば、入力操作体が指であるとして、検出電極から10cm離れた入力操作位置で約50fFと極めて微小であり、その静電容量から直接入力操作体の接近を検出することは困難であった。そこで、従来の入力検出方式は、多数のX側検出電極とY側検出電極を絶縁基板の表裏で交差するようにマトリックス状に形成し、入力操作体がいずれの位置にあっても、いずれかのX側検出電極とY側検出電極が近接するようにして、各検出電極の静電容量の変化を相対比較して入力操作位置を検出している(特許文献1)。
However, the capacitance between the input operation body and the detection electrode is extremely small, for example, about 50 fF at an
この従来の入力検出方式では、入力操作面に沿って多数のX側検出電極とY側検出電極を配置し、背面側のディスプレーを目視できるように透明体で形成する必要があり、高価になると共に、入力操作位置の検出分解能を上げるには、より多数のX側検出電極とY側検出電極を密に配置する必要があり、全ての検出電極についての静電容量の変化を検出する走査時間を要し、短時間に入力位置を検出できなかった。 In this conventional input detection method, it is necessary to arrange a large number of X-side detection electrodes and Y-side detection electrodes along the input operation surface, and it is necessary to form a transparent body so that the display on the back side can be seen, which is expensive. In addition, in order to increase the detection resolution of the input operation position, it is necessary to arrange a larger number of X-side detection electrodes and Y-side detection electrodes densely, and a scanning time for detecting a change in capacitance for all the detection electrodes. The input position could not be detected in a short time.
そこで、入力操作面の周囲にのみ検出電極を配置し、入力操作体と検出電極間に高誘電率の誘電体を介在させ、大容量とした入力操作体と検出電極間の静電容量の変化から入力位置を検出する静電容量式入力検出方式が提案されている(特許文献2)。この特許文献2に記載の静電容量式入力検出方式は、高誘電率の誘電体からなる感触部材を入力操作面に沿った全体に配置し、入力操作位置と検出電極間の静電容量を、空気中に比べて誘電率の高い感触部材により拡大し、増大させた静電容量の変化から入力操作面上の入力操作位置を検出している。
Therefore, the detection electrode is arranged only around the input operation surface, and a dielectric having a high dielectric constant is interposed between the input operation body and the detection electrode, so that the capacitance changes between the input operation body and the detection electrode. An electrostatic capacitance type input detection method for detecting an input position from the above has been proposed (Patent Document 2). In the capacitance type input detection method described in
また、複数の検出電極を各検出電極毎に積分回路を接続し、積分回路の出力の勾配により、入力操作体が接触する検出電極を検出し、その検出電極の配置位置から入力操作位置を検出する位置検出装置も知られている(特許文献3)。この従来の位置検出装置では、積分回路の出力が、検出電極の抵抗値と検出電極についての浮遊容量を乗じた時定数に応じて変化し、入力操作体が接触した検出電極の浮遊容量は増大するので、一定時間後に積分回路の出力が所定値以下となる検出電極を入力操作体が接触した検出電極として、その検出電極の配置位置から入力操作位置を検出する。 In addition, an integration circuit is connected to each detection electrode for multiple detection electrodes, the detection electrode that the input operating body contacts is detected based on the gradient of the output of the integration circuit, and the input operation position is detected from the position of the detection electrode. A position detecting device is also known (Patent Document 3). In this conventional position detection device, the output of the integration circuit changes according to the time constant obtained by multiplying the resistance value of the detection electrode and the floating capacitance of the detection electrode, and the floating capacitance of the detection electrode that the input operating body contacts increases. Therefore, the input operation position is detected from the arrangement position of the detection electrode, using the detection electrode whose output from the integration circuit becomes a predetermined value or less after a certain time as the detection electrode with which the input operation body is in contact.
複数の検出電極の配置方向と直交方向の入力操作位置は、各検出電極の両端にそれぞれ積分回路を接続し、それぞれの積分回路の出力を比較して検出する。検出電極は、その長手方向に沿った距離に抵抗値が比例するように構成され、入力操作体の入力操作位置(接触位置)から各両端までの距離に検出電極の抵抗が比例するようにしている。これにより、それぞれの積分回路の出力も、その積分回路が接続する検出電極の一端から入力操作位置までの距離に応じて緩やかに上昇するので、それぞれの積分回路の出力を相対比較して検出電極の長手方向に沿った入力操作位置を検出する。 Input operation positions in a direction orthogonal to the arrangement direction of the plurality of detection electrodes are detected by connecting integration circuits to both ends of each detection electrode and comparing the outputs of the integration circuits. The detection electrode is configured such that the resistance value is proportional to the distance along the longitudinal direction, and the resistance of the detection electrode is proportional to the distance from the input operation position (contact position) of the input operation body to each end. Yes. As a result, the output of each integration circuit also rises gently according to the distance from one end of the detection electrode to which the integration circuit is connected to the input operation position. The input operation position along the longitudinal direction is detected.
特許文献1により開示されている静電容量式入力検出方式では、入力操作位置の検出精度を上げるために、入力操作面上に多数の検出電極を挟ピッチで配置する必要があり、多数の検出電極について走査する必要があるため、検出時間を要するとともに、背面側にディスプレーを配置する場合には、透明導電材料で形成しても完全な透明体ではないので、その背面側に配置されるディスプレーがみずらいという問題がある。
In the capacitance-type input detection method disclosed in
上記問題を解決するために入力操作面上に検出電極を配置しない構成とした特許文献2に開示された静電容量式入力検出方式であっても、入力操作面に平行に高誘電率の感触部材を配置するので、透過率低下の問題は解決できない。
In order to solve the above problem, even in the capacitance type input detection method disclosed in
また、指などの入力操作体を感触部材に触れて入力操作を行わなければ、入力操作体と検出電極間の静電容量が大幅に変化するので、感触部材に触れて入力操作を行う必要があり、入力操作面に平行な二次元の入力操作位置の検出に限られる。更に、感触部材に触れて入力操作を行うので、操作性が損なわれるとともに、入力操作体により透明体とする感触部材が汚れ、美観が損なわれたり、透過率が低下する問題がある。 In addition, if the input operation body such as a finger is not touched with the touch member and the input operation is not performed, the capacitance between the input operation body and the detection electrode changes significantly. Therefore, it is necessary to perform the input operation by touching the touch member. Yes, it is limited to the detection of a two-dimensional input operation position parallel to the input operation surface. Further, since the input operation is performed by touching the touch member, there is a problem that the operability is impaired, the touch member made transparent by the input operation body is soiled, the aesthetic appearance is impaired, and the transmittance is lowered.
特許文献3に記載の静電容量式入力検出方式は、入力操作体の入力操作による検出電極の抵抗値や浮遊容量の変化を積分回路の出力に拡大して、その出力から入力操作位置を検出するが、過渡現象によって上昇する積分回路への入力は、検出電極の浮遊容量や抵抗値に比例せず、積分回路の出力から検出電極の浮遊容量や抵抗値を直接得るものではないので、入力操作位置を精度よく検出することはできない。従って、検出電極の浮遊容量の変化から入力操作位置を検出する場合には、多数の検出電極の浮遊容量の変化を相対比較して、特定の検出電極の配置位置から入力操作位置を検出するものであり、特許文献1と同様に検出方向に沿って多数の検出電極を配置する必要がある。
The capacitance type input detection method described in
また、検出電極についての浮遊容量は、非接触の入力操作体と検出電極間の静電容量が上述の通り極めて微小値であるため、特許文献3に記載の静電容量式検出方式では、これを検出せず、入力操作体が検出電極に接触することを前提とした入力操作体と接地電位間の静電容量を検出電極の浮遊容量として比較するものであり、検出電極に入力操作体を接触させる入力操作しか検出できない。
In addition, since the electrostatic capacitance between the non-contact input operation body and the detection electrode is extremely small as described above, the capacitance detection method described in
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、入力操作体と検出電極間の静電容量から検出電極に対する入力操作体の入力操作を検出する静電容量式入力検出方式を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such conventional problems, and is a capacitance type input that detects an input operation of the input operation body with respect to the detection electrode from the capacitance between the input operation body and the detection electrode. The purpose is to provide a detection method.
また、入力操作面に接近するだけの非接触の入力操作の入力操作位置を検出可能な静電容量式入力検出方式を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a capacitance type input detection method capable of detecting an input operation position of a non-contact input operation that only approaches the input operation surface.
上述の目的を達成するため、請求項1の静電容量式入力検出方式は、絶縁ケースに配置される検出電極と、入力操作体と検出電極との相対電位を変動させる交流検出信号を発信する発信手段と、検出電極と入力操作体間の静電容量を介して検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段とを備え、検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルから、検出電極と入力操作体間の距離を求め、入力操作体による入力操作を検出する静電容量式入力検出方式であって、信号検出手段は、前記検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い積分動作期間中に積分して出力する積分回路を有し、積分回路の出力の傾きから前記交流検出信号の受信レベルを検出することを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the capacitance type input detection system according to
検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルは、検出電極と入力操作体間の静電容量Cmに比例し、積分回路は、交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い積分動作期間中に積分して出力するので、検出電極と入力操作体間の微小な静電容量Cmに比例する受信レベルが、積分回路の出力の傾きに拡大して表される。 The reception level of the AC detection signal appearing on the detection electrode is proportional to the capacitance Cm between the detection electrode and the input operating body, and the integration circuit converts the AC detection signal into an integration operation period sufficiently longer than the cycle of the AC detection signal. Since the signal is integrated and output, the reception level proportional to the minute capacitance Cm between the detection electrode and the input operation body is expanded and expressed in the inclination of the output of the integration circuit.
検出電極と入力操作体間の静電容量Cmは、検出電極と入力操作体間の距離をd、真空の誘電率をε0、空気の比誘電率εを約1、入力操作体と検出電極の対向面積をsとして、Cm=ε0・s/dで表され、その間の距離dに反比例するので、入力位置検出手段は、積分回路の出力の傾きで表される交流検出信号の受信レベルViから検出電極と入力操作体間の距離dが得られ、検出電極に入力操作体を接近させる入力操作やその入力操作位置を検出できる。 The capacitance Cm between the detection electrode and the input operation body is expressed as follows. The distance between the detection electrode and the input operation body is d, the dielectric constant of vacuum is ε0, the relative dielectric constant ε of air is about 1, and the input operation body and the detection electrode are Since the opposed area is s, it is expressed by Cm = ε0 · s / d, and is inversely proportional to the distance d between them, so that the input position detecting means is based on the reception level Vi of the AC detection signal expressed by the slope of the output of the integrating circuit. A distance d between the detection electrode and the input operation body is obtained, and an input operation for bringing the input operation body closer to the detection electrode and its input operation position can be detected.
請求項2の静電容量式入力検出方式は、積分回路が、検出電極の出力側に接続された積分用抵抗と、非反転入力端子の第1基準電圧に対して、検出電極から積分用抵抗を介して反転入力端子に入力される前記交流検出信号の入力電圧との差分を出力する積分用オペアンプと、積分用オペアンプの反転入力端子と出力端子間に接続された積分用コンデンサとからなり、信号検出手段は、更に、積分用オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子間に発生するオフセット電圧を相殺するオフセット調整電圧を、積分用オペアンプの反転入力端子若しくは非反転入力端子に加えるオフセット調整手段を有することを特徴とする。
In the capacitance type input detection system according to
信号検出手段は、更に、積分用オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子間に発生するオフセット電圧がオフセット調整電圧により相殺されるので、積分して積分用オペアンプから出力される出力信号にオフセット電圧が含まれず、検出電極と入力操作体間の微小な静電容量を表す交流検出信号のみを積分して積分用オペアンプから拡大した受信レベルとして出力できる。 In the signal detection means, the offset voltage generated between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier is canceled by the offset adjustment voltage, so that the offset voltage is integrated into the output signal output from the integrating operational amplifier. Is not included, and only the AC detection signal representing a minute capacitance between the detection electrode and the input operation body can be integrated and output as an expanded reception level from the integrating operational amplifier.
請求項3の静電容量式入力検出方式は、オフセット調整手段が、所定のオフセット調整期間中に第2基準電圧とした積分用抵抗の入力側に非反転入力端子が接続するとともに、積分用オペアンプの出力に反転入力端子が接続し、オフセット調整期間中に、非反転入力端子の第2基準電圧に対して、反転入力端子に入力される帰還用オペアンプの出力電圧との差分を出力する帰還用オペアンプと、帰還用オペアンプの出力と積分用オペアンプの非反転入力端子間に接続され、オフセット調整期間中に閉じ動作し、積分動作期間中に開動作するスイッチと、積分用オペアンプの非反転入力端子に接続し、オフセット調整期間中に帰還用オペアンプの出力電圧で充電されるオフセット調整電圧を、積分動作期間中に積分用オペアンプの非反転入力端子に加えるホールド用コンデンサとからなることを特徴とする。
The capacitance type input detection method according to
オフセット調整期間中は、積分用オペアンプの非反転入力端子に、第2基準電圧とその直前に積分用オペアンプから出力された出力電圧との差分が入力され、反転入力端子に第2基準電圧が入力される。積分用オペアンプから出力される出力電圧は、非反転入力端子の入力電圧と反転入力端子の入力電圧の差分にオフセット電圧加えた電圧を積分した値であり、帰還用オペアンプで出力電圧が非反転入力端子に負帰還されることにより、出力電圧はオフセット電圧に収束し、定電圧となる。このとき、帰還用オペアンプの出力電圧は、オフセット電圧を加えて積分用オペアンプの非反転入力端子と反転入力端子間の入力電圧の差分が0となるオフセット調整電圧で安定し、ホールド用コンデンサの充電電圧は、オフセット調整電圧となる。 During the offset adjustment period, the difference between the second reference voltage and the output voltage output from the integrating operational amplifier immediately before is input to the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier, and the second reference voltage is input to the inverting input terminal. Is done. The output voltage output from the integrating operational amplifier is the integrated value of the difference between the input voltage at the non-inverting input terminal and the input voltage at the inverting input terminal plus the offset voltage. By negative feedback to the terminal, the output voltage converges to the offset voltage and becomes a constant voltage. At this time, the output voltage of the feedback operational amplifier is stabilized by the offset adjustment voltage that adds the offset voltage and the difference in the input voltage between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the integrating operational amplifier becomes 0, and the holding capacitor is charged. The voltage is an offset adjustment voltage.
積分動作期間中は、帰還用オペアンプの出力と積分用オペアンプの非反転入力端子間が遮断され、積分用オペアンプの非反転入力端子にホールド用コンデンサからオフセット調整電圧が加わる。その結果、積分動作期間中は、積分用オペアンプの出力にオフセット電圧が含まれず、交流検出信号の受信レベルのみが積分され拡大して表される。 During the integration operation period, the output of the feedback operational amplifier and the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier are disconnected, and an offset adjustment voltage is applied from the holding capacitor to the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier. As a result, during the integration operation period, the offset voltage is not included in the output of the integrating operational amplifier, and only the reception level of the AC detection signal is integrated and expanded.
請求項4の静電容量式入力検出方式は、絶縁ケースに互いに絶縁して配置される複数の検出電極と、複数の各検出電極を選択的に信号検出手段へ切り換え接続する切り換え手段とを備え、前記各検出電極についてそれぞれ信号検出手段が検出した交流検出信号の受信レベルと、各検出電極の配置位置とから、入力操作体の入力操作位置を検出することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a capacitance type input detection method comprising: a plurality of detection electrodes arranged in an insulating case insulated from each other; and a switching means for selectively switching and connecting each of the plurality of detection electrodes to the signal detection means. The input operation position of the input operation body is detected from the reception level of the AC detection signal detected by the signal detection means for each detection electrode and the arrangement position of each detection electrode.
複数の各検出電極について検出した交流検出信号の受信レベルから、各検出電極と入力操作体との距離が得られるので、検出電極から入力操作体が離れた非接触の入力操作であっても、その入力操作位置を検出できる。 Since the distance between each detection electrode and the input operation body is obtained from the reception level of the AC detection signal detected for each of the plurality of detection electrodes, even in a non-contact input operation in which the input operation body is separated from the detection electrode, The input operation position can be detected.
請求項1の発明によれば、指などの入力操作体を入力操作面へ接近させた微小な静電容量の変化を検出できるので、入力操作体を検出電極へ接近させるだけの入力操作や入力操作位置を検出できる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to detect a minute change in electrostatic capacitance when an input operation body such as a finger is brought close to the input operation surface. The operation position can be detected.
また、検出電極と入力操作体間の静電容量から両者の距離が得られるので、少ない検出電極で二次元若しくは三次元の入力操作位置を検出できる。 In addition, since the distance between the detection electrode and the input operation body can be obtained from the capacitance, the two-dimensional or three-dimensional input operation position can be detected with a small number of detection electrodes.
請求項2の発明によれば、入力操作体と検出電極間の数10fF程度の微小な静電容量に比例する交流検出信号の受信レベルを拡大させて検出でき、高誘電率の接触部材を介在させることなく、非接触で検出電極に接近する入力操作体との距離を検出できる。 According to the second aspect of the present invention, the reception level of the AC detection signal proportional to a small capacitance of about several tens of fF between the input operation body and the detection electrode can be expanded and detected, and a high dielectric constant contact member is interposed. The distance to the input operation body that approaches the detection electrode in a non-contact manner can be detected without causing the contact to occur.
請求項3の発明によれば、積分用アンプのオフセット電圧の影響を受けずに、交流検出信号の受信レベルを拡大させてその出力電圧波形の傾きに表すことができる。 According to the third aspect of the present invention, the reception level of the AC detection signal can be expanded and expressed in the slope of the output voltage waveform without being affected by the offset voltage of the integrating amplifier.
請求項4の発明によれば、複数の各検出電極について検出した交流検出信号の受信レベルから、各検出電極と入力操作体との距離が得られるので、限られた数の検出電極が平面上若しくは立体上の入力操作位置を検出できる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the distance between each detection electrode and the input operation body can be obtained from the reception level of the AC detection signal detected for each of the plurality of detection electrodes, a limited number of detection electrodes are on the plane. Alternatively, it is possible to detect a three-dimensional input operation position.
以下、本発明の第1実施の形態に係る静電容量式入力検出方式1を、図1乃至図9を用いて説明する。本実施の形態にかかる入力検出方式1は、入力操作データとなる入力操作体30の入力操作位置を検出するもので、検出した入力操作位置を含む操作データを上位処理装置へ出力し、ディスプレーに表示されるカーソルを移動制御する指示入力装置50に用いられる。
Hereinafter, the capacitance type
指示入力装置50の入力操作部は、図2に示すように、長方形枠状の絶縁ケース20の内方に横長長方形の窓孔21が形成され、窓孔21の開口面を操作体である指30を接近させて入力操作を行う入力操作面21aとしている。窓孔21に隣接する絶縁ケース20の内縁20aは、図3に示すように、窓孔21の中心に向かって下方に傾斜する傾斜面となっていて、互いに直交する4辺の内縁20aの表面に、それぞれX方向で対向する一組の検出電極X0、X1とY方向で対向する一組の検出電極Y0、Y1が一体に取り付けられている。
As shown in FIG. 2, the input operation unit of the
各検出電極11(X0、X1、Y0、Y1)は、それぞれ細長帯状に形成され、取り付けられる内縁20aに沿ったほぼ全体に配置される。これにより、入力操作面21aのいずれの位置に指30をおいても、指30が全ての検出電極11に対向するようになっている。ここでは、各検出電極11を上方に傾斜する内縁20aに沿って配置することにより、入力操作面21aの上方に指30が配置された際に、指30との対向面積が最大となり、後述する静電容量Cmを大きな値となるようにしている。
Each of the detection electrodes 11 (X0, X1, Y0, Y1) is formed in an elongated strip shape, and is disposed almost entirely along the inner edge 20a to be attached. As a result, the
図4に示すように、各検出電極11を含む入力検出方式1を構成する主要回路部品は、2種類の非振動側回路基板2と振動側回路基板3に分けて搭載されている。非振動回路基板2には、接地電位とした低圧基準電源線GNDと高圧基準電源線VCCとからなる基準電源回路4が配線され、低圧基準電源線GNDと高圧基準電源線VCC間に直流電圧Vccを印加するDC電源5が接続されている。これにより、非振動回路基板2に搭載されるインターフェース回路6等の各回路部品を基準電源回路4に接続し、DC電源5の出力電圧Vccにより駆動させている。
As shown in FIG. 4, the main circuit components constituting the
また、振動側回路基板3には、低圧振動電源線SGNDと高圧振動電源線SVCCとからなる振動電源回路7が配線されている。低圧振動電源線SGNDは低圧基準電源線GNDと、高圧振動電源線SVCCは高圧基準電源線VCCと、それぞれコイル8、9を介して接続している。コイル8とコイル9のインダクタンスは、いずれも後述する固有周波数fの交流検出信号SGに対してハイインピーダンスとなる値に設定され、ここでは、同一のインダクタンスLのコイル8、9を用いている。
Further, the vibration
交流検出信号SGの固有周波数fを発信する発信手段となる発振回路15は、振動側回路基板3に搭載され、二股に分岐してそれぞれ直流電圧を遮断するキャパシタンスC’のコンデンサ17、18を介して交流検出信号SGを基準電源回路4の低圧基準電源線GNDと高圧基準電源線VCCに接続している。これにより、図4に示すように、基準電源回路4の低圧基準電源線GNDと高圧基準電源線VCCへ、固有周波数fの交流検出信号SGを同期させて出力すると、基準電源回路4の低圧基準電源線GNDが接地されて安定した電位にあるので、振動電源回路7の低圧振動電源線SGNDと高圧振動電源線SVCCの電位が同期して固有周波数fで変動し、両者間の電圧は、基準電源回路4と同じ直流出力電圧Vccとなる。交流検出信号SGの固有周波数fは、任意に調整することができるが、ここでは、187kHzの固有発振周波数の交流検出信号SGを出力する。
An
固有周波数fの交流検出信号SGが基準電源回路4と振動電源回路7に流れる場合に、低圧基準電源線GNDと高圧基準電源線VCC間及び低圧振動電源線SGNDと高圧振動電源線SVCC間が近接して配線され、固有周波数fの帯域でこれらの電源線間は短絡しているとすれば、基準電源回路4と振動電源回路7は、図5の等価回路図で示される。
When the AC detection signal SG having the natural frequency f flows in the reference
図5に示すように、振動電源回路7側の発振回路15の出力と基準電源回路4間には、並列にキャパシタンスC’のコンデンサ17、18が接続されているので、その合成キャパシタンスは、2C’であり、また、基準電源回路4と振動電源回路7間に並列に接続されるコイル8、9の合成インダクタンスは、L/2となる。これらのキャパシタとインダクタは、固有周波数fの交流検出信号SGが流れる閉回路において直列に接続され、交流検出信号SGの振幅(レベル)をVsg、コイル8、9両端の基準電源回路4と振動電源回路7間の電圧をVs、2πfで表される角速度をω(rad/sec)とすれば、
As shown in FIG. 5, since
で表される。
ここで、図4に示す回路は、ω2LC’=1で直列共振し、そのときの周波数f0は、It is represented by
Here, the circuit shown in FIG. 4 resonates in series at ω 2 LC ′ = 1, and the frequency f 0 at that time is
となる。 It becomes.
つまり、(2)式関係から得られる共振周波数f0を、交流検出信号SGの固有周波数fとすれば、交流検出信号SGのレベルに対して、(1)式から理論上振動電源回路7の電位が無限大で振動し、振動電源回路7に接続する各検出電極11の電位も無限大に振動させることができる。実際の入力検出方式1では、基準電源回路4と振動電源回路7のインダクタンス、浮遊容量などの影響から、(2)式から得る周波数f0で共振せず、また、基準電源回路4と振動電源回路7に交流検出信号SGが流れる際のエネルギーロス等により、振動電源回路7は、交流検出信号SGのレベルVsgに対して有限倍率に拡大された振幅Vsで振動する。That is, if the resonance frequency f 0 obtained from the relationship of the expression (2) is the natural frequency f of the AC detection signal SG, the level of the AC detection signal SG is theoretically calculated from the expression (1) of the vibration
更に、操作者の指30が触れることのある各検出電極11に大電圧を加えることはできないので、交流検出信号SGの固有周波数fを共振周波数f0の近傍で調整し、各検出電極11が相対的に振動する交流検出信号SGの出力レベルVsを任意に設定しでき、ここでは、出力レベルVsを5Vとしている。Furthermore, since a large voltage cannot be applied to each
また、交流検出信号SGの固有周波数fについても、任意の周波数とすることができるが、商用交流電源線の周囲では、入力操作体30が定電位ではなく商用交流電源の周波数のコモンモードノイズが重畳することがあるので、各検出電極11から商用交流電源の周波数と識別して固有周波数fの交流検出信号SGを検出する必要があり、商用交流電源の周波数とその高調波を除く周波数とすることが好ましい。
Also, the natural frequency f of the AC detection signal SG can be set to an arbitrary frequency. However, around the commercial AC power supply line, the
上述の各検出電極11は、振動電源回路7の低圧振動電源線SGNDと高圧振動電源線SVCCのいずれかの、ここでは高圧振動電源線SVCCに接続している。全ての各検出電極11が高圧振動電源線SVCCに接続することによって、交流検出信号SGの出力レベルVsで固有周波数fで振動する一方、足下などの一部が接地している操作者の指30の電位は定電位であるので、両者の間には、交流検出信号SGの出力レベルVsの電圧が発生し、指30が接近して指30との静電容量Cmが増大する検出電極11では、検出電極11から指30へ静電容量Cmを介して固有周波数fの交流検出信号SGがあらわれる。これを、固有周波数fで振動する振動電源回路7からみれば、定電位の検出電極11に対して入力操作体である指30が交流検出信号SGの固有周波数fで振動する。
Each of the
各検出電極11と入力操作体30間の静電容量Cmは、検出電極と入力操作体間の距離をd、真空の誘電率をε0、空気の比誘電率εを約1、入力操作体30と検出電極11の対向面積をsとして、Cm=ε0・εr・s/dで表され、この静電容量Cmの交流検出信号に対するリアクタンスXcは、交流検出信号の固有周波数がfであるので、
The electrostatic capacitance Cm between each
で表される。 It is represented by
図6は、検出電極11に表れる交流検出信号SGの受信レベルViを検出する信号検出回路部全体の等価回路図であり、図中、Cpは、検出電極11と低圧振動電源線SGND間の浮遊容量、rpは、検出電極11の内部抵抗値、R4は、出力抵抗の抵抗値である。 図中の等価回路図では、
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the entire signal detection circuit unit for detecting the reception level Vi of the AC detection signal SG appearing on the
の関係が成り立ち、(3)式乃至(6)式から、 From the equations (3) to (6),
の関係が得られる。 The relationship is obtained.
内部抵抗rpを0とし、R4がマルチプレクサ12と信号処理回路13を介して後述する積分用オペアンプA/D25に接続されるので無限大とすれば、(7)式は、
If the internal resistance rp is set to 0 and R4 is connected to an integration operational amplifier A / D25, which will be described later, via the
と置き換えられ、更に
数10pFの浮遊容量Cpに比べて静電容量Cmは数10fFと極めて小さいので、(7)式は、更にSince the electrostatic capacitance Cm is extremely small, such as several tens of fF, compared to the stray capacitance Cp of several tens of pF, the equation (7)
で表され、受信レベルViは静電容量Cmに比例する。 The reception level Vi is proportional to the capacitance Cm.
上述の通り、入力操作体30と検出電極11のCmは、
As described above, Cm of the
で表されるので、これを(8)式に代入して変形すれば、 If it is transformed by substituting this into equation (8),
で表され、指30との距離dが近い検出電極11ほど、受信レベルViが交流検出信号SGの出力レベルVsに近づく大きな値となる。ただし、指30が検出電極11に近接し、その間の静電容量Cmが数10pFの浮遊容量Cpに比べて無視できない程度に大きくなった場合には(10)式を適用できず、受信レベルViは最大で出力レベルVsとなる。
As the
(10)式を用いれば、複数の各検出電極11に表れる交流検出信号の受信レベルViを比較して、指30と各検出電極11間の距離を比較することができ、本実施の形態では、各検出電極11(X0、X1、Y0、Y1)の配置位置と、各検出電極11(X0、X1、Y0、Y1)の受信レベルViとから、入力操作面21aに平行なXY方向の入力操作位置(x、y)と入力操作面21aに直交するZ方向の入力操作位置zの3次元の入力操作位置を検出する。
If the expression (10) is used, the reception level Vi of the AC detection signal appearing on each of the plurality of
入力操作体である指30を検出電極11から10cm離れた位置へ入力操作を行ったとしたときの指30と検出電極11間の静電容量Cmは、指30と検出電極11との対向面積sを5・10−4(m2)、真空の誘電率ε0を、8.854・10−12(F/m)、空気の比誘電率εを約1として、約44.27・10−15Fすなわち、44.27fFと極めて微小な値となる。The capacitance Cm between the
このとき、検出電極11に表れる交流検出信号SGの受信レベルViは、(10)式において、比例定数kが、Cp/(ε0・εr・s)であることから、浮遊容量Cpを50pFとして1.13・104であり、交流検出信号SGの出力レベルVsを5V、dを10−1とすると、4.4mV程度と極めて微小な電圧変化で表される。At this time, the reception level Vi of the AC detection signal SG appearing on the
そこで、静電容量式入力検出方式1によって、この微小な受信レベルViを拡大し、拡大して表される受信レベルVoutから各検出電極11と指30との距離dを求め、入力操作位置(x、y、z)を検出する。
Therefore, the minute input level Vi is enlarged by the capacitance type
振動側回路基板3には、図1に示す静電容量式入力検出方式1を構成するアナログマルチプレクサ12、信号処理回路13、積分処理回路14、A/Dコンバータ19、MPU(マイクロプロセッサユニット)10及び発振回路15の各回路素子が搭載され、いずれも振動電源回路7の低圧振動電源線SGNDと高圧振動電源線SVCCに接続し、DC電源5から出力電圧Vccを受けて動作している。
The vibration
アナログマルチプレクサ12は、MPU10からの切り替え制御により、一定の周期、ここでは200msec毎に、各検出電極11を信号処理回路13へ切り換え接続し、各検出電極11に表れる交流検出信号SGを順に信号処理回路13へ出力している。
The
信号処理回路13は、交流検出信号の固有周波数fを中心とする周波数帯域の信号を通過させる共振回路23と、インピーダンス変換用の増幅回路24と、これらの間に直列に接続される第1アナログスイッチASW1とからなっている。共振回路23は、アナログマルチプレクサ12を介して接続する検出電極11に表れる信号から、直流信号等の低周波成分とコモンモードノイズ等の高周波ノイズをカットし、交流検出信号SGを後段の増幅回路24へ出力する。増幅回路24は、入力インピーダンスが無限大に近く、出力インピーダンスが微小値であるインピーダンス変換素子で、検出電極11に表れる微弱な交流検出信号SGであっても、その出力側に接続される積分処理回路14が動作するようにしている。
The
第1アナログスイッチASW1は、MPU10により開閉制御され、積分処理回路14が後述する積分動作を行っている積分動作期間(Tint)中に共振回路23と増幅回路24間を接続し、後述するオフセット調整期間(Tset)中に遮断する。これにより、オフセット調整期間(Tset)中に、交流検出信号SGが積分処理回路14に出力されないようにしている。
The first analog switch ASW1 is controlled to be opened and closed by the
積分処理回路14は、図1に示すように、積分用オペアンプ25と、信号処理回路14の出力と積分用オペアンプ25の反転入力端子間に接続された積分用抵抗R1と、積分用オペアンプ25の反転入力端子と出力端子間に接続された積分用コンデンサC1と、積分用コンデンサC1に並列に接続され、MPU10により開閉制御される第2アナログスイッチASW2を備えている。
As shown in FIG. 1, the
積分用オペアンプ25の反転入力端子に接続する積分用抵抗Rに入力される交流検出信号の電圧をVin、積分用オペアンプ25の出力端子から出力される電圧をVout、積分用抵抗R1の抵抗値をR、積分用コンデンサC1の容量をCとすれば、
The voltage of the AC detection signal input to the integrating resistor R connected to the inverting input terminal of the integrating
で表され、積分用オペアンプ25の出力端子から入力電圧Vinを積分した電圧Voutが出力される。
The voltage Vout obtained by integrating the input voltage Vin is output from the output terminal of the integrating
第2アナログスイッチASW2は、オフセット調整期間(Tset)開始後のわずかな時間、MPU10により閉じ制御され、積分処理回路14の積分動作期間(Tint)に積分用コンデンサC1に蓄積された電荷を速やかに放電させるもので、その直前の積分動作期間(Tint)に積分用コンデンサC1に充電された充電電圧が、後述する積分処理回路14のオフセット調整期間(Tset)のオフセット動作に影響しないようにしている。
The second analog switch ASW2 is controlled to be closed by the
この積分用オペアンプ25の反転入力端子と非反転入力端子間には、積分用オペアンプ25のオフセット電圧やその他の要因による直流成分の誤差があり、これらを合わせた誤差電圧をオフセット電圧Δvで表すと、(11)式は、
There is a DC component error between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the integrating
で表され、オフセット電圧Δvは直流成分であるので、(12)式は、 Since the offset voltage Δv is a DC component, the equation (12) is
で表され、時間tの経過と共に、出力電圧Vout中のオフセット電圧Δvによる誤差が積分時間に比例して拡大する。 As time t elapses, the error due to the offset voltage Δv in the output voltage Vout increases in proportion to the integration time.
そこで、本実施の形態では、上記オフセット電圧Δvによる影響を実質的に解消させる目的で積分処理回路14に更にオフセット調整手段となるフィードバック回路部を設けている。このフィードバック回路部は、図1に示すように、帰還用オペアンプ26と、帰還用オペアンプ26の出力と積分用オペアンプ25の非反転入力端子間に接続された第3アナログスイッチASW3と、積分用オペアンプ25の非反転入力端子と接地間に接続され、帰還用オペアンプ26の出力電圧で充電されるホールド用コンデンサ27とから構成される。
Therefore, in the present embodiment, the
帰還用オペアンプ26の非反転入力端子は、抵抗R2を介して積分用オペアンプ25の出力に接続され、反転入力端子は、積分用抵抗R1の入力側に接続している。帰還用オペアンプ26の反転入力端子と出力端子間に接続された抵抗R3と抵抗R2の抵抗値は等しく、従って、帰還用オペアンプ26は、第3アナログスイッチASW3が閉じ制御されている間、積分用オペアンプ25の反転入力端子に接続する積分用抵抗Rの入力側の電位を入力電圧Vinとし、入力電圧Vinに対する積分用オペアンプ25の出力電圧Voutの差分をゲイン−1で増幅し積分用オペアンプ25の非反転入力端子へ帰還するように作用する。
The non-inverting input terminal of the feedback
MPU10により制御されるオフセット調整期間(Tset)中に、第3アナログスイッチASW3が閉じ制御されるとともに、積分用抵抗R1の入力と各検出電極11とは開制御される第1アナログスイッチASW1により遮断されるので、積分用抵抗R1の入力側には、交流検出信号SGが入力されることなく、積分用オペアンプ25の反転入力端子の電位は、一定の基準電圧である入力電圧Vinに保たれる。
During the offset adjustment period (Tset) controlled by the
第1アナログスイッチASW1を開制御し、第3アナログスイッチASW3が閉じ制御したオフセット調整期間(Tset)中のフィードバック回路部は、図7に示すブロック図で示される。図7のVi(s)、Vo(s)、Vf(s)は、積分用オペアンプ25の入力電圧Vin、積分用オペアンプ25の出力電圧Vout及び帰還用オペアンプ26の出力電圧Vfを、それぞれ経過時間tの関数Vi(t)、Vo(t)、Vf(t)で表したそのラプラス変換値、G(s)、H(s)は、積分用オペアンプ25と帰還用オペアンプ26を含む各ブロックの伝達関数である。尚、sは、ラプラス演算子である。
The feedback circuit unit during the offset adjustment period (Tset) in which the first analog switch ASW1 is controlled to open and the third analog switch ASW3 is controlled to close is shown in the block diagram of FIG. In FIG. 7, Vi (s), Vo (s), and Vf (s) indicate the elapsed time of the input voltage Vin of the integrating
図7において、 In FIG.
及び as well as
であるので、
フィードバック回路部全体の伝達関数Vo(s)/Vi(s)は、
(14)式と(15)式からSo
The transfer function Vo (s) / Vi (s) of the entire feedback circuit unit is
From equations (14) and (15)
となる。 It becomes.
ここで伝達関数G(s)は、(11)式から、G(s)=−1/sCR
であり、伝達関数H(s)は、帰還用オペアンプ26のゲインAfであるので、(16)式は、Here, the transfer function G (s) is expressed by G (s) = − 1 / sCR from the equation (11).
Since the transfer function H (s) is the gain Af of the feedback
で表され、システム安定性の定理より伝達関数の極Af/CRが負になれば、フィードバック回路部全体の制御系が安定する。 If the pole Af / CR of the transfer function becomes negative from the system stability theorem, the control system of the entire feedback circuit section is stabilized.
オフセット調整期間(Tset)中に一定の基準電圧とした入力電圧Vinを0Vとして、この制御系に積分用オペアンプ25により発生するオフセット電圧ΔVが入力されたものとすると、オフセット電圧ΔV(t)は、ステップ関数であるので、ラプラス変換すると、
Assuming that the input voltage Vin, which is a constant reference voltage during the offset adjustment period (Tset), is 0 V, and the offset voltage ΔV generated by the integrating
となり、これを(17)式のVi(s)として代入すると、 When this is substituted as Vi (s) in equation (17),
となる。 It becomes.
これを部分分数に展開すると、 When this is expanded into partial fractions,
となるので、等プラス逆変換すると、Vo(t)は、 Therefore, when the inverse plus transformation is performed, Vo (t) becomes
となる。 It becomes.
ここで、例えば、積分用抵抗R1の抵抗値Rを10kΩ、積分用コンデンサC1の容量Cを1000pF、積分用オペアンプ25のオフセット電圧ΔVを100mV、帰還用オペアンプ26のゲインAfを−1として、(15)式と(21)式を用いて、オフセット調整期間(Tset)開始後の経過時間tについて、積分用オペアンプ25の出力電圧Voutと帰還用オペアンプ26の出力電圧Vfを算出すると、図8に示すように、約30μs後に積分用オペアンプ25の出力Voutは、オフセット電圧Δvと逆極性の電圧に収束して安定する。この状態で、帰還用オペアンプ26の出力電圧Vf、すなわち積分用オペアンプ25の反転入力端子の入力電圧は、非反転入力端子の入力電圧Vinにオフセット電圧Δvを加えた電位に等しくなり、積分用オペアンプ25の出力電圧Voutにオフセット電圧Δvを積分した値が表れない。
Here, for example, the resistance value R of the integrating resistor R1 is 10 kΩ, the capacitance C of the integrating capacitor C1 is 1000 pF, the offset voltage ΔV of the integrating
(21)式は、帰還用オペアンプ26のゲインAfが大きいほど収束するまでの経過時間tが早くなることを示しているが、ゲインAfを大きくすると、積分用抵抗R1と積分用コンデンサC1による時定数RCより収束するまでの時間が大幅に短くなり、積分用オペアンプ25自体の遅延時間が無視できなくなる。
Equation (21) shows that the elapsed time t until convergence becomes faster as the gain Af of the feedback
従って、オフセット調整期間(Tset)は、帰還用オペアンプ26のゲインAfと、積分用抵抗R1の抵抗値R及び積分用コンデンサC1の容量Cを考慮し、出力電圧Voutが安定して収束するまでの経過時間より充分に長い期間に設定する。
Therefore, the offset adjustment period (Tset) takes into account the gain Af of the feedback
オフセット調整期間(Tset)に、ホールド用コンデンサ27は帰還用オペアンプ26の出力電圧Vfで充電され、積分用オペアンプ25の出力Voutが安定した収束時のホールド用コンデンサ27の充電電圧は、その時の帰還用オペアンプ26の出力電圧Vf、すなわち、オフセット電圧Δvの影響を含めて非反転入力端子と反転入力端子間の差電圧を0とするオフセット調整電圧となっている。従って、ホールド用コンデンサ27は、積分用オペアンプ25の出力Voutが安定して収束する時に、少なくとも飽和するキャパシタのコンデンサを用いる。
During the offset adjustment period (Tset), the
オフセット調整期間(Tset)の経過後、MPU10は、第1アナログスイッチASW1を閉じ制御すると共に、第3アナログスイッチASW3を開制御して、積分動作期間(Tint)に移行する。積分動作期間(Tint)では、第1アナログスイッチASW1を閉じ制御されることにより、アナログマルチプレクサ12で選択接続した検出電極11に表れる交流検出信号SGが積分用オペアンプ25の反転入力端子に入力される。また、第3アナログスイッチASW3が開制御されるので、オフセット調整期間(Tset)中に、ホールド用コンデンサ27に充電された上記オフセット調整電圧が積分用オペアンプ25の非反転入力端子に入力され、オフセット電圧Δvを含めた積分用オペアンプ25の非反転入力端子と反転入力端子間の差電圧が0となり、積分用オペアンプ25の出力Voutに(13)式に示すオフセット電圧Δvを積分した誤差−Δv・t/CRが含まれない。
After the elapse of the offset adjustment period (Tset), the
その結果、微小な交流検出信号SGの電圧Vinのみが積分して拡大され、積分用オペアンプ25の出力Voutとして表れる。MPU10は、積分動作期間(Tint)の開始時から各検出電極11について同一経過時間とした経過時間後であって、積分動作期間(Tint)が終了する直前の判定時t1に、判定時t1の出力Voutを後段に接続されたA/Dコンバータ19へ出力し、A/Dコンバータ19は、検出電極11毎に、判定時t1の積分用オペアンプ25の出力Voutを量子化してMPU10へ出力する。
As a result, only the voltage Vin of the minute AC detection signal SG is integrated and expanded, and appears as the output Vout of the integrating
A/Dコンバータ19から出力される量子化データは、その積分動作期間(Tint)中にアナログマルチプレクサ12が選択接続した検出電極11に表れる交流検出信号SGの受信レベルViに比例するので、入力位置検出手段として作用するMPU10は、A/Dコンバータ19から出力される量子化データを検出電極11に表れる交流検出信号SGの受信レベルViとし、その検出電極11と指30との距離dを求める。また、交流検出信号SGの受信レベルViは、信号処理回路13と積分回路14を通して量子化データが受信レベルViのn倍に増幅されるので、MPU10は、A/Dコンバータ19から出力される量子化データを1/nとして交流検出信号SGの受信レベルViとし、検出電極11と指30との距離dを求めてもよい。
The quantized data output from the A /
以下、上述の入力検出方式1により、各検出電極X0、X1、Y0、Y1についての交流検出信号SGの受信レベルVx0、Vx1、Vy0、Vy1を検出し、指30の入力操作位置(x、y、z)を検出する方法を説明する。
Hereinafter, the reception level Vx0, Vx1, Vy0, Vy1 of the AC detection signal SG for each of the detection electrodes X0, X1, Y0, Y1 is detected by the
入力操作位置を検出する間、MPU19は、図9に示す約200msecの周期でアナログマルチプレクサ12の接続を切り換え制御し、検出電極X0、X1、Y0、Y1の順に各検出電極11を信号処理回路13へ接続し、全ての検出電極X0、X1、Y0、Y1を個別に切り換え接続する一周期を繰り返す。各検出電極11毎に信号処理回路13へ接続する一期間は、上述のオフセット調整期間Tsetと積分動作期間Tintとからなり、MPU19は、オフセット調整期間Tsetの開始直後から一定期間、第2アナログスイッチASW2を閉じ制御し、その直前の積分動作期間Tint中に積分用コンデンサC1に蓄積された電荷を放電させる。
While detecting the input operation position, the
オフセット調整期間Tset中は、第1アナログスイッチASW1が開制御、第3アナログスイッチASW3が閉じ制御され、これにより、積分用オペアンプ25の出力電圧Vo(c)は、ASW1が開制御され一定の基準電圧となる反転入力端子の入力電圧(a)とオフセット電圧Δvの電位差での電位に収束して安定し、一定電圧に安定したオフセット調整期間Tsetの終了時に、ホールド用コンデンサ27の充電電圧は、積分用オペアンプ25のオフセット電圧Δvを相殺するオフセット調整電圧となる。
During the offset adjustment period Tset, the first analog switch ASW1 is controlled to be opened, and the third analog switch ASW3 is controlled to be closed. As a result, the output voltage Vo (c) of the integrating
続いて、MPU19は、第1アナログスイッチASW1を閉じ制御、第3アナログスイッチASW3を開制御し、積分動作期間Tintに移行する。第1アナログスイッチASW1を閉じ制御されることにより、その期間内にアナログマルチプレクサ12を介して接続された検出電極11に表れる交流検出信号SGが信号処理回路13から積分処理回路14へ入力される。また、第3アナログスイッチASW3が開制御されることにより、積分用オペアンプ25の非反転入力端子から、帰還用オペアンプ26の出力が切り離されると共に、ホールド用コンデンサ27の充電電圧が加わり、オフセット電圧Δvを加えた非反転入力端子と反転入力端子間の差電圧が0となる。
Subsequently, the
図9に示すように、積分動作期間Tint中は、積分用オペアンプ25の非反転入力端子にオフセット電圧Δvを反転入力端子との差電圧から相殺するホールド用コンデンサ27のオフセット調整電圧(b)が入力され、反転入力端子に入力される固有周波数187kHzの交流検出信号SGの入力電圧Vi(a)のみが経過時間tで積分され、反転して積分用オペアンプ25から出力(c)される。図中、反転入力端子に入力される交流検出信号SGは、その入力電圧Viが高くなるほど、階段状に表れる積分用オペアンプ25の出力波形の傾斜が大きくなる。
As shown in FIG. 9, during the integration operation period Tint, the offset adjustment voltage (b) of the
本実施の形態では、積分動作期間Tintが終了する直前であって、積分動作期間Tintの開始時からの経過時間Tcが各検出電極11について同一となる判定時t1を設定し、この判定時t1の積分用オペアンプ25の出力Voutを、接続した検出電極11に表れる交流検出信号SGの受信レベルVx0、Vx1、Vy0、Vy1として、A/Dコンバータ19へ出力する。
In the present embodiment, a determination time t1 is set immediately before the end of the integration operation period Tint, and the elapsed time Tc from the start of the integration operation period Tint is the same for each
積分動作期間Tintの終了後、MPU10は、次の検出電極11を信号処理回路13へ接続するようにアナログマルチプレクサ12を切り換え制御し、その検出電極11について、同様にオフセット調整期間Tsetと積分動作期間Tintの制御を繰り返す。A/Dコンバータ19から入力された出力電圧Voutは、各検出電極に表れる交流検出信号SGの受信レベルViを同倍率で拡大したものなので、MPU10は、全ての検出電極X0、X1、Y0、Y1を接続した一周期の経過後に、各検出電極11についてA/Dコンバータ19から入力された出力電圧Voutを、その検出電極11についての交流検出信号SGの受信レベルViとして、指30の二次元の入力操作位置(x、y)若しくは三次元の入力操作位置(x、y、z)を検出する。
After the end of the integration operation period Tint, the
検出電極X0、X1をアナログマルチプレクサ12が接続した際に、A/Dコンバータ19から出力される交流検出信号SGの受信レベルViをそれぞれVx0、Vx1、X方向で対向する一組の検出電極X0、X1間の距離をLxとし、指30が図3に示す入力操作位置P(x、z)にあったとすると、(10)式から、
検出電極X0について、When the
About the detection electrode X0,
と、検出電極X1について、 And for the detection electrode X1,
が成り立ち、k、Lx、Vsが既知の値であるので、検出したVx0、Vx1を(22)式と(23)式に代入して、Lx−x、zが負ではないとの条件から、
検出電極X0からX方向の位置xと、入力操作面21aに直交するZ方向の位置zが得られる。Since k, Lx, and Vs are known values, the detected Vx0 and Vx1 are substituted into the equations (22) and (23), and the condition that Lx−x and z are not negative is
A position x in the X direction from the detection electrode X0 and a position z in the Z direction orthogonal to the
交流検出信号SGの出力レベルVsの検出が困難である場合には、例えば、検出電極X0の入力操作位置(x(0)、z(0))で検出電極X1についての交流検出信号SGの受信レベルVx1(0、0)を検出し、(10)式に代入し、 When it is difficult to detect the output level Vs of the AC detection signal SG, for example, reception of the AC detection signal SG for the detection electrode X1 at the input operation position (x (0), z (0)) of the detection electrode X0. Detect level Vx1 (0, 0) and substitute it into equation (10)
から得てもよい。 May be obtained from
同様に、Y方向についても、検出電極Y0、Y1をアナログマルチプレクサ12が接続した際に、A/Dコンバータ19から出力される交流検出信号SGの受信レベルViをそれぞれVy0、Vy1、Y方向で対向する一組の検出電極Y0、Y1間の距離をLyとし、指30が入力操作位置P(y、z)にあったとすると、(10)式から、
検出電極Y0について、Similarly, in the Y direction, when the
For the detection electrode Y0,
と、検出電極Y1について、 And for the detection electrode Y1,
が成り立ち、検出したVy0、Vy1を(24)式と(25)式に代入して、Ly−y、zが負ではないとの条件から、検出電極Y0からY方向の位置yと、入力操作面21aに直交するZ方向の位置zが得られる。
Substituting the detected Vy0 and Vy1 into the equations (24) and (25), and assuming that Ly-y and z are not negative, the position y in the Y direction from the detection electrode Y0 and the input operation A position z in the Z direction perpendicular to the
各検出電極X0、X1、Y0、Y1は、それぞれ矩形状の窓孔21の内縁の各辺全体に渡って配置されているので、少なくとも入力操作面21aの鉛直方向のいずれかを入力操作した指30は、X方向で検出電極X0、X1と、Y方向で検出電極Y0、Y1と対向するので、(22)式乃至(25)式から、指30の三次元の入力操作位置(x、y、z)を検出できる。
Since each of the detection electrodes X0, X1, Y0, Y1 is arranged over the entire inner edge of the
特に、入力操作面21aへの入力操作に限り、二次元の入力操作位置(x、y)を検出する入力検出方式1とする場合には、X方向について、z=0とした(22)式と(23)式から、出力レベルVsを消去すれば、0≦x≦Lxから
In particular, in the case of the
が得られ、(26)式をxについて解けば、 And solving equation (26) for x,
となる。 It becomes.
同様に、Y方向についても、(24)式、(25)式から、 Similarly, from the formulas (24) and (25) in the Y direction,
が得られ、Vx0、Vx1、Vy0、Vy1から入力操作面21a上のXY方向の入力位置(x、y)が容易に得られる。
The input position (x, y) in the XY direction on the
MPU10で検出した入力操作位置(x、y、z)を含む入力操作データは、直流が絶縁された信号線16を介して、非振動回路基板2に搭載されるインターフェース回路6に出力され、インターフェース回路6からUSB通信、I2C通信等で入力操作データを利用する上位機器に出力される。The input operation data including the input operation position (x, y, z) detected by the
図10は、上述の積分処理回路14のフィードバック回路部を他の構成とした第2の実施の形態にかかる積分処理回路40のブロック図であり、以下、図10に示す他の実施の形態では、フィードバック回路部の構成のみが異なるので、図中の第1実施の形態と共通する構成は同一番号を付してその説明を省略する。
FIG. 10 is a block diagram of an
積分処理回路40のフィードバック回路部は、非反転入力端子を積分用オペアンプ25の出力に、反転入力端子を基準電位(ここでは接地電位)とした帰還用オペアンプ41と、一側を基準電位とし、他側を第4アナログスイッチASW4を介して帰還用オペアンプ41の出力に接続させたホールド用コンデンサ42と、ホールド用コンデンサ42と第4アナログスイッチASW4の接続点を非反転入力端子に接続させた電圧フォロア43と、電圧フォロア43の出力と積分用オペアンプ25の反転入力端子間に接続された第2積分用抵抗R5で構成される。
The feedback circuit unit of the
すなわち、この第2の実施の形態にかかる積分処理回路40では、フィードバック回路部の出力を、第2積分用抵抗R5を介して積分用オペアンプ25の反転入力端子側に帰還させたもので、第2積分用抵抗R5を流れる帰還用オペアンプ41の出力で積分用オペアンプ25が安定動作させるように、出力インピーダンスがほぼ0の電圧フォロア43を介在させている。
That is, in the
オフセット調整期間Tset中に、第1アナログスイッチASW1を開制御、第4アナログスイッチASW4を閉じ制御すると、帰還用オペアンプ41の出力をVf、積分用抵抗R5の抵抗値をRとして、積分用オペアンプ25の出力電圧Voutは、
When the first analog switch ASW1 is controlled to be opened and the fourth analog switch ASW4 is controlled to be closed during the offset adjustment period Tset, the output of the feedback operational amplifier 41 is set to Vf, the resistance value of the integrating resistor R5 is set to R, and the integrating
で表され、積分用オペアンプ25は、入力電圧Vfを積分した電圧Voutを出力するように動作する。その結果、積分用オペアンプ25の出力電圧Voutは、反転入力端子の入力電圧、すなわち帰還用オペアンプ41の出力電圧Vfに収束して安定し、出力電圧Voutが安定したオフセット調整期間Tsetの終了時に、ホールド用コンデンサ42の充電電圧は、積分用オペアンプ25のオフセット電圧Δvを相殺するオフセット調整電圧となる。
The integrating
第1アナログスイッチASW1を閉じ制御すると共に、第4アナログスイッチASW4を開制御して、積分動作期間(Tint)に移行すると、検出電極11に表れる交流検出信号SGにオフセット電圧Δvを相殺するオフセット調整電圧がホールド用コンデンサ42から加えられ、積分用オペアンプ25の反転入力端子に入力される。従って、非反転入力端子の基準電圧(接地電位)との差電圧には、オフセット電圧Δvが含まれず、交流検出信号SGの入力電圧Vinを積分した出力電圧Voutのみが出力される。
When the first analog switch ASW1 is controlled to be closed and the fourth analog switch ASW4 is controlled to be opened and the integration operation period (Tint) is started, the offset adjustment that offsets the offset voltage Δv to the AC detection signal SG that appears on the detection electrode 11 A voltage is applied from the holding capacitor 42 and input to the inverting input terminal of the integrating
上述の実施の形態では、検出電極11を入力操作体30に対して交流検出信号SGの出力レベルVsで振動させ、両者の間に出力レベルVsの相対電位を発生させたが、検出電極11側を定電位として、入力操作体30の電位を交流検出信号SGの出力レベルVsで変動させてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、入力操作体30は、操作者が入力操作を行う指30で説明したが、操作者が握る専用入力ペンなど操作者と別の操作体であってもよい。
Moreover, although the
積分回路の出力電圧Voutの傾きから交流検出信号の受信レベルViを得る方法として、上述の実施の形態では、一定の積分時間が経過した時点での出力電圧Voutから受信レベルViを得たが、出力電圧Voutが一定値となるまでの積分時間から受信レベルViを得てもよい。 As a method for obtaining the reception level Vi of the AC detection signal from the slope of the output voltage Vout of the integration circuit, the reception level Vi is obtained from the output voltage Vout when a certain integration time has elapsed in the above-described embodiment. The reception level Vi may be obtained from the integration time until the output voltage Vout becomes a constant value.
また、上述の実施の形態では、複数の検出電極11についての受信レベルViを比較して入力操作体30の入力操作位置を検出する例で説明したが、特定の検出電極11についての受信レベルViが一定レベルを越えることから、その検出電極11に入力操作体30を接近させる入力操作を検出する用途にも採用できる。
In the above-described embodiment, the example in which the input operation position of the
本発明は、非接触で入力操作を検出する静電容量式タッチパネルに用いる入力検出方式に適している。 The present invention is suitable for an input detection method used for a capacitive touch panel that detects an input operation without contact.
1 静電容量式入力検出方式
10 MPU
11 検出電極
14 積分処理回路(信号検出手段)
15 発振回路(発信手段)
30 指(入力操作体)
Cm 静電容量
SG 交流検出信号
Vs 交流検出信号の出力レベル
Vi 交流検出信号の受信レベル1 Capacitance type
11
15 Oscillator circuit (transmitting means)
30 fingers (input operation body)
Cm Capacitance SG AC detection signal Vs Output level of AC detection signal Vi Reception level of AC detection signal
Claims (4)
入力操作体と検出電極との相対電位を変動させる交流検出信号を発信する発信手段と、
検出電極と入力操作体間の静電容量を介して検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルを検出する信号検出手段とを備え、
検出電極に表れる交流検出信号の受信レベルから、検出電極と入力操作体間の距離を求め、入力操作体による入力操作を検出する静電容量式入力検出方式であって、
信号検出手段は、前記検出電極に表れる交流検出信号を交流検出信号の周期より充分に長い積分動作期間中に積分して出力する積分回路を有し、積分回路の出力の傾きから前記交流検出信号の受信レベルを検出することを特徴とする静電容量式入力検出方式。A sensing electrode disposed in an insulating case;
Transmitting means for transmitting an AC detection signal for changing the relative potential between the input operation body and the detection electrode;
Signal detecting means for detecting the reception level of the AC detection signal appearing on the detection electrode via the capacitance between the detection electrode and the input operation body,
From the reception level of the AC detection signal appearing on the detection electrode, the distance between the detection electrode and the input operation body is obtained, and the capacitance type input detection method for detecting the input operation by the input operation body,
The signal detection means has an integration circuit that integrates and outputs the AC detection signal appearing on the detection electrode during an integration operation period sufficiently longer than the cycle of the AC detection signal, and the AC detection signal is obtained from the slope of the output of the integration circuit. Capacitance type input detection method characterized by detecting the reception level.
信号検出手段は、更に、積分用オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子間に発生するオフセット電圧を相殺するオフセット調整電圧を、積分用オペアンプの反転入力端子若しくは非反転入力端子に加えるオフセット調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の静電容量式入力検出方式。The integration circuit is configured to detect the AC detection input from the detection electrode to the inverting input terminal via the integration resistor with respect to the integration resistor connected to the output side of the detection electrode and the first reference voltage of the non-inverting input terminal. It consists of an integration operational amplifier that outputs the difference from the signal input voltage, and an integration capacitor connected between the inverting input terminal and the output terminal of the integration operational amplifier.
The signal detection means further applies an offset adjustment voltage that cancels an offset voltage generated between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier to the inverting input terminal or the non-inverting input terminal of the integrating operational amplifier. The electrostatic capacitance type input detection system according to claim 1, wherein:
複数の各検出電極を選択的に信号検出手段へ切り換え接続する切り換え手段とを備え、
前記各検出電極についてそれぞれ信号検出手段が検出した交流検出信号の受信レベルと、各検出電極の配置位置とから、入力操作体の入力操作位置を検出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の静電容量式入力検出方式。A plurality of detection electrodes arranged insulated from each other in an insulating case;
Switching means for selectively switching and connecting each of the plurality of detection electrodes to the signal detection means,
The input operation position of the input operation body is detected from the reception level of the AC detection signal detected by the signal detection means for each detection electrode and the arrangement position of each detection electrode. The capacitance-type input detection method according to any one of the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013527746A JPWO2013021414A1 (en) | 2011-08-06 | 2011-08-06 | Capacitance type input detection method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013527746A JPWO2013021414A1 (en) | 2011-08-06 | 2011-08-06 | Capacitance type input detection method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2013021414A1 true JPWO2013021414A1 (en) | 2015-03-05 |
Family
ID=52696964
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013527746A Pending JPWO2013021414A1 (en) | 2011-08-06 | 2011-08-06 | Capacitance type input detection method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPWO2013021414A1 (en) |
-
2011
- 2011-08-06 JP JP2013527746A patent/JPWO2013021414A1/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110383221B (en) | Input device and control method thereof | |
JP5529881B2 (en) | Capacitive sensor system | |
JP5796527B2 (en) | Capacitive touch panel | |
KR101488008B1 (en) | Control circuit and control method for touch panel | |
JP5257481B2 (en) | Capacitive touch panel | |
CN110286787B (en) | Control chip for touch panel and operation method thereof | |
KR101511162B1 (en) | Multi touch sensing circuit | |
JP2010067117A (en) | Touch panel device | |
JP2013501287A (en) | Device and method for control interface for sensing body or object movement, and control equipment incorporating said device | |
US11269450B2 (en) | Electrostatic capacitance sensor | |
US7683892B2 (en) | Touch sensing apparatus using varying signal delay input to a flip-flop | |
WO2016147423A1 (en) | Capacitive touch panel | |
WO2013021414A1 (en) | Capacitance type input detection method | |
TWI543050B (en) | Touch sensing and feedback apparatuses and methods | |
TWI479400B (en) | Sensing circuit relating to capacitive touch panel and mehod thereof using the same | |
WO2013018120A1 (en) | Capacitive touch panel | |
WO2020237503A1 (en) | Capacitance detection circuit, capacitance detection method, touch chip and electronic device | |
JPWO2013021414A1 (en) | Capacitance type input detection method | |
US10055033B2 (en) | Active capacitive pen, and touch detection and feedback driving methods therefor | |
JP2015133158A (en) | Static type touch panel | |
JP5870575B2 (en) | Capacitive touch panel | |
JPWO2013018120A1 (en) | Capacitive touch panel | |
JP2015156236A (en) | Static type touch panel | |
KR101175073B1 (en) | Capacitive touch screen driving system | |
CN105718124B (en) | Touch-control module and its control circuit and sensing method of touch control |