JP2011128858A - タッチパネル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができるようにする。
【解決手段】送信電極に印加された駆動信号に応答した受信電極３の充放電電流信号を受信して、電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部６を備え、この受信部は、受信電極の充放電電流信号を電圧信号に変換するＩＶ変換部３１と、この出力信号を整流する絶対値検出部３３と、この出力信号を時間軸方向に積分する積分部３４と、この出力信号を所定のタイミングでサンプリングするサンプルホールド部３５と、この出力信号をＡＤ変換してレベル信号を出力するＡＤ変換部３６とを有し、制御部は、受信部から出力されるレベル信号のばらつき度合を検出して、そのばらつき度合が小さくなるようにサンプルホールド部のサンプルタイミングを設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、第１電極に印加された駆動信号に応答した第２電極の充放電電流信号を受信して電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部に、積分信号を所定のタイミングでサンプリングするサンプルホールド部を備えたタッチパネル装置に関するものである。

タッチパネル装置には、静電容量方式や、抵抗膜方式、電磁誘導方式などの種々の方式があるが、特に静電容量方式では、抵抗膜方式に比較してタッチ面の強度を高めることができる利点があり、また電磁誘導方式のように発振器などを内蔵した電子ペンが不要であり、ユーザの指先で直接、あるいは単なる導電性材料からなるスタイラスでタッチ操作を行うことができることから、高い利便性を有している。

この静電容量方式では、格子状に配置された第１電極と第２電極との交点（以下、電極交点と呼称する）に形成されるコンデンサの静電容量が、導電性物体（例えば人体）が接近あるいは接触することで変化する原理を利用した、いわゆる投影型静電容量方式が、タッチ位置を高精度に検出することができる点で優れている。

この投影型静電容量方式には、電極交点ごとの静電容量の変化に伴う充放電電流の変化量に基づいてタッチの有無を検出する、いわゆる相互容量方式と、電極ごとの静電容量の変化量に基づいてタッチの有無を検出する、いわゆる自己容量方式とがあり、特に相互容量方式では、同時に複数のタッチ位置を検出する、いわゆるマルチタッチ（多点検出）が可能である（特許文献１参照）。

また、タッチパネル装置は、パソコンや携帯情報端末の分野で広く普及しているが、このタッチパネル装置を、大画面の表示装置と組み合わせることで、多人数を対象にしたプレゼンテーションや講義で使用することができるようにした、いわゆるインタラクティブホワイトボードとして用いる技術が知られている（特許文献２参照）。

特開２００２−３４２０３３号公報 特開２００９−８６８５５号公報

しかるに、タッチパネル装置には、通常、第１電極に印加される駆動信号の周波数以外の周波数成分を有する信号を除去するバンドパスフィルタが設けられているが、第１電極の駆動信号と一致あるいはごく近接した周波数の外来ノイズが混入した場合、バンドパスフィルタで除去することができないため、タッチ位置の誤検出が発生する。特に、タッチパネル装置をインタラクティブホワイトボードとして用いる場合、タッチパネル装置の大型化に伴って電極が長くなることから、外来ノイズの影響を受け易くなるため、有効な外来ノイズ対策が望まれる。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができるように構成されたタッチパネル装置を提供することにある。

本発明のタッチパネル装置は、互いに並走する複数の第１電極及び互いに並走する複数の第２電極が格子状に配置されたパネル本体と、前記第１電極に対して駆動信号を印加する送信部と、前記第１電極に印加された駆動信号に応答した第２電極の充放電電流信号を受信して電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部と、前記受信部から出力されるレベル信号に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記送信部及び前記受信部の動作を制御する制御部とを備え、前記受信部は、前記第２電極の充放電電流信号をＩＶ変換して得られた電圧信号を、整流した上で時間軸方向に積分し、その積分信号をサンプルホールド部にて所定のタイミングでサンプリングして、レベル信号を出力するものであり、前記制御部は、前記受信部から出力されるレベル信号のばらつき度合を検出して、そのばらつき度合が小さくなるタイミングでサンプリングが行われるように前記送信部及び前記受信部の少なくともいずれかの動作条件を設定する構成とする。

本発明によれば、受信部から出力されるレベル信号のばらつきを抑えることができるため、外来ノイズの影響を受けない安定した出力信号を得ることができるので、外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができる。

本発明によるタッチパネル装置を示す全体構成図 図１に示した受信電極及び受信部の概略構成図 図２に示した受信信号処理部の概略構成図 図３に示したサンプルホールド部におけるサンプルタイミングの設定の要領を説明する図 図３に示した制御部で行われるサンプルタイミング設定処理の手順を示すフロー図 本発明によるタッチパネル装置の別例を示す概略構成図

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、互いに並走する複数の第１電極及び互いに並走する複数の第２電極が格子状に配置されたパネル本体と、前記第１電極に対して駆動信号を印加する送信部と、前記第１電極に印加された駆動信号に応答した第２電極の充放電電流信号を受信して電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部と、前記受信部から出力されるレベル信号に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記送信部及び前記受信部の動作を制御する制御部とを備え、前記受信部は、前記第２電極の充放電電流信号をＩＶ変換して得られた電圧信号を、整流した上で時間軸方向に積分し、その積分信号をサンプルホールド部にて所定のタイミングでサンプリングして、レベル信号を出力するものであり、前記制御部は、前記受信部から出力されるレベル信号のばらつき度合を検出して、そのばらつき度合が小さくなるタイミングでサンプリングが行われるように前記送信部及び前記受信部の少なくともいずれかの動作条件を設定する構成とする。

これによると、受信部から出力されるレベル信号のばらつきを抑えることができるため、外来ノイズの影響を受けない安定した出力信号を得ることができるので、外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができる。

前記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記第１の発明において、前記制御部は、前記レベル信号のばらつき度合が小さくなるように前記サンプルホールド部のサンプルタイミングを設定する構成とする。

これによると、サンプルタイミングを変更するには単にタイマの設定値を変更すれば済むため、製造コストの上昇を抑えることができる。

前記課題を解決するためになされた第３の発明は、前記第１・第２の発明において、前記制御部は、前記レベル信号のばらつき度合が小さくなるように前記送信部から前記第１電極に印加される駆動信号の周波数を設定する構成とする。

これによると、送信部に駆動信号の周波数を変更するための手段が必要となるため、製造コストが上昇するものの、サンプルタイミングを変更する必要がないため、フレームレートが低下することを避けることができる。

前記課題を解決するためになされた第４の発明は、前記第１〜第３の発明において、前記制御部は、前記動作条件の設定処理を、装置の起動時に実施されるキャリブレーション時に実行する構成とする。

これによると、ユーザの操作の支障とならずに動作条件の設定処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるタッチパネル装置を示す全体構成図である。このタッチパネル装置１は、互いに並走する複数の送信電極（第１電極）２と互いに並走する複数の受信電極（第２電極）３とが格子状に配置されたパネル本体４と、送信電極２に対して駆動信号（パルス信号）を印加する送信部５と、送信電極２に印加された駆動信号に応答した受信電極３の充放電電流信号を受信して、送信電極２と受信電極３とが交差する電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部６と、この受信部６から出力されるレベル信号に基づいてタッチ位置を検出すると共に送信部５及び受信部６の動作を制御する制御部７とを備えている。

このタッチパネル装置１は、大画面の表示装置と組み合わせることで、プレゼンテーションや講義に用いることができるようにした、いわゆるインタラクティブホワイトボードとして用いられ、特にここでは、プロジェクタ装置と組み合わせて用いられ、タッチパネル装置１のタッチ面がプロジェクタ用のスクリーンとなる。

タッチパネル装置１から出力されるタッチ位置情報は、パソコンなどの外部機器８に入力され、外部機器８から出力される表示画面データに基づいてプロジェクタ装置９によりタッチパネル装置１のタッチ面上に投影表示される表示画面上に、タッチパネル装置１のタッチ面上でユーザが指先で直接、あるいはスタイラスを用いて行ったタッチ操作に対応した画像が表示され、タッチパネル装置のタッチ面にマーカーで直接描画をするのと同様の感覚で所要の画像を表示させることができ、また表示画面に表示されたボタンなどを操作することができる。さらに、タッチ操作で描かれた画像を消去するイレーサを用いることもできる。

パネル本体４では、複数（例えば１２０本）の送信電極２がシート材１１の表面に配置されると共に、複数（例えば１８６本）の受信電極３がシート材１１の裏面に配置されている。送信電極２及び受信電極３は同一の配置ピッチ（例えば１０ｍｍ）で配置されている。

なお、パネル本体４では、送信電極２及び受信電極３とシート材１１とで構成される電極シートの背面側に電極シートを支持する背面ボードが設けられ、また電極シートの表面側に電極シートを保護する表面ボードが設けられる。また、送信電極２と受信電極３は互いに絶縁されていればよく、例えば両方ともシート材１１の表面側に絶縁層を介して配置された構成してもよい。

パネル本体４において送信電極２と受信電極３とが交差する電極交点にはコンデンサが形成され、ユーザが指先で直接、あるいはスタイラスを用いてタッチ操作を行うと、これに応じて電極交点の静電容量が実質的に減少することで、タッチ操作の有無を検出することができる。

特にここでは、相互容量方式が採用され、送信電極２に駆動信号を印加すると、これに応答して受信電極３に充放電電流が流れ、このとき、ユーザのタッチ操作に応じて電極交点の静電容量が変化すると、受信電極３の充放電電流が変化し、この充放電電流の変化量を受信部６で電極交点ごとのレベル信号（ディジタル信号）に変換して制御部７に出力し、制御部７では、電極交点ごとのレベル信号に基づいてタッチ位置が算出される。この相互容量方式では、同時に複数のタッチ位置を検出する、いわゆるマルチタッチ（多点検出）が可能である。

送信部５は、制御部７から出力されるタイミング信号に同期して、送信電極２を１本ずつを選択して駆動信号を印加する。受信部６は、１本の送信電極２に駆動信号を印加する間に、受信電極３を１本ずつを選択して受信電極３の充放電電流を受信する。これにより、全ての電極交点ごとの充放電電流を取り出すことができる。なお、例えば全ての電極交点（１８６×１２０（＝２２３２０））について充放電電流の受信が終了するフレーム周期が１０ｍｓとすると、１２０本の送信電極２の１本あたりの駆動信号出力期間は約８３μｓとなる。

制御部７は、受信部６から出力される電極交点ごとのレベル信号から所定の演算処理によってタッチ位置（タッチ領域の中心座標）を求める。このタッチ位置の演算では、Ｘ軸方向（送信電極２の延在方向）とＹ軸方向（受信電極３の延在方向）とでそれぞれ隣接する複数（例えば４×４）の電極交点ごとのレベル信号から所要の補間法（例えば重心法）を用いてタッチ位置を求める。これにより、送信電極２及び受信電極３の配置ピッチ（１０ｍｍ）より高い分解能（例えば１ｍｍ以下）でタッチ位置を検出することができる。

図２は、図１に示した受信電極３及び受信部６の概略構成図である。各受信電極３には、受信電極３の充放電電流信号の受信部６への入力を断続するスイッチング素子（スイッチング手段）ＳＷが接続されている。受信部６は、スイッチング素子ＳＷを介して受信電極３から入力される充放電電流信号に対して所要の信号処理を行う受信信号処理部２１とを備えている。各スイッチング素子ＳＷは制御部７からの駆動信号に応じて個別にオン／オフ制御される。

受信電極３及びスイッチング素子ＳＷは、所定数（例えば２４本）ごとにグループ化され、各グループに属するスイッチング素子ＳＷの互いに対応するもの同士が並行してオン／オフ制御される。また、各グループごとに受信信号処理部２１が設けられている。各グループではスイッチング素子ＳＷが１つずつ順にオンとなるように制御され、残りのスイッチング素子ＳＷはオフに制御されており、スイッチング素子ＳＷをオンとすることで選択された１本の受信電極３の充放電電流信号が受信信号処理部２１に入力される。

このように、スイッチング素子ＳＷのスイッチング動作が複数のグループ間で並行して行われるため、全ての受信電極３の充放電電流信号を受信するのに要する時間を短縮することができる。また、受信部６での充放電電流信号の処理をグループごとに分割して行うことができるため、ハードウエア構成の大型化を抑えることができる。

なお、受信電極３のグループ化では、各グループに属する受信電極３の本数を同一とする必要はなく、例えば受信電極３が１８６本の場合、７つのグループＡ〜Ｇを２４本とし、最後のグループＨを１８本とすればよい。

図３は、図２に示した受信信号処理部２１の概略構成図である。この受信信号処理部２１は、ＩＶ変換部３１と、バンドパスフィルタ３２と、絶対値検出部３３と、積分部３４と、サンプルホールド部３５と、ＡＤ変換部３６とを備えている。

ＩＶ変換部３１では、スイッチング素子ＳＷを介して入力される受信電極３の充放電電流信号（アナログ信号）が電圧信号に変換される。バンドパスフィルタ３２では、ＩＶ変換部３１の出力信号に対して、送信電極２に印加される駆動信号の周波数以外の周波数成分を有する信号を除去する処理が行われる。絶対値検出部（整流部）３３では、バンドパスフィルタ３２の出力信号に対して全波整流が行われる。積分部３４では、絶対値検出部３３の出力信号を時間軸方向に積分する処理が行われる。サンプルホールド部３５では、積分部３４の出力信号を所定のタイミングでサンプリングする処理が行われる。ＡＤ変換部３６では、サンプルホールド部３５の出力信号をＡＤ変換してレベル信号（ディジタル信号）を出力する。

図４は、図３に示したサンプルホールド部３５におけるサンプルタイミングの設定の要領を説明する図である。これは、シミュレーションの１例であり、送信電極２に印加される駆動信号は、ここでは正弦波となっているが、実際にはパルス波となる。また、外来ノイズは位相がランダムに変化するものとしている。

積分部３４の出力信号は、絶対値検出部３３の出力信号が時間軸方向に積分されるため、時間の経過に伴って徐々に大きくなり、また外来ノイズの影響でランダムに変化する。このため、例えばサンプルタイミングＴ０でサンプリングを行うと、サンプルホールド部３５の出力信号がばらつき、安定した出力信号を得ることができない。

しかしながら、積分部３４の出力信号には、駆動信号の周期と外来ノイズの周期との公倍数となるタイミングで、ばらつき度合が小さくなる節が現れる。この節が現れるタイミング（時刻Ｔ１及びＴ２）あるいはその近傍でサンプリングを行えば、サンプルホールド部３５の出力信号のばらつきを抑えることができ、外来ノイズの影響を受けない安定した出力信号を得ることができる。

そこでここでは、制御部７が、受信部６から出力されるレベル信号のばらつき度合を検出して、そのばらつき度合が小さくなるタイミングでサンプリングが行われるように送信部５及び受信部６の少なくともいずれかの動作条件を設定する。特にここでは、レベル信号のばらつき度合が小さくなるようにサンプルホールド部３５のサンプルタイミングを設定する。

図５は、図３に示した制御部７で行われるサンプルタイミング設定処理の手順を示すフロー図である。このサンプルタイミング設定処理は、装置の起動時に実施されるキャリブレーション時に実行される。

まず、電源が投入されると、サンプルタイミングを初期値Ｔ０に設定して（ＳＴ１０１）、そのサンプルタイミングＴ０でサンプルホールド部３５にてサンプリングが行われ、電極交点ごとのレベル信号が受信部６から順次出力され、１画面分のレベル信号を取得する（ＳＴ１０２）。これを所定回数（ここでは５回）繰り返し（ＳＴ１０３）、所定回数に達したら、レベル信号のばらつき度合を算出する（ＳＴ１０４）。そして、レベル信号のばらつき度合が所定の基準値（ここでは４）以下であるかどうか判断し（ＳＴ１０５）、ばらつき度合が所定の基準値以下であれば、外来ノイズの影響を受けていないものと判断して、サンプルタイミングを初期値Ｔ０のままとして処理を終了する。

一方、ばらつき度合が所定値を越えた場合には（ＳＴ１０５でＮｏ）、外来ノイズの影響を受けているものと判断して、サンプルタイミングを変更し、ばらつき度合が所定値以下となるまで前記の処理を繰り返す。このとき、サンプルタイミングを少しずつずらしながら、ばらつき度合が小さくなるサンプルタイミングを探し出すことになるが、例えば図４に示したように、まずサンプルタイミングの初期値Ｔ０から時間的に前（Ａ方向）及び時間的に後ろ（Ｂ方向）の双方に新たなサンプルタイミングを設定し、それぞれのばらつき度合を算出し、ばらつき度合の小さな方向で新たなサンプルタイミングを細かく設定するようにするとよい。図４の例では、サンプルタイミングをＢ方向に変更した方がばらつき度合が小さくなり、Ｂ方向に新たなサンプルタイミングを細かく設定して、ばらつき度合が小さくなるサンプルタイミングを探し出す。

これにより、受信部６から出力されるレベル信号のばらつきを抑えることができるため、外来ノイズの影響を受けない安定した出力信号を得ることができるので、外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができる。また、バンドパスフィルタ３２のみで外来ノイズの影響を抑えるには、バンドパスフィルタ３２に急峻な特性を有するものを採用する必要があるが、ここでは、このような急峻な特性の高コストなバンドパスフィルタは不要となるため、コストの削減を図ることができる。

なお、この構成では、外来ノイズの周波数が駆動信号の周波数と一致する場合には、積分部３４の出力信号に節が出現しないため、レベル信号のばらつきを抑えることができないが、外来ノイズの周波数と駆動信号の周波数とが一致する可能性は低く、実用上、十分な効果を得ることができる。

図６は、本発明によるタッチパネル装置の別例を示す概略構成図である。ここでは、制御部７が、受信部６から出力されるレベル信号値のばらつき度合が小さくなるように送信部５から送信電極２に印加される駆動信号の周波数を設定するようしている。送信部５は、発振器６１と、周波数変換部（ＰＬＬ）６２とを備えており、送信電極２に印加する駆動信号の周波数を変更することができる。

制御部７では、図５に示した例と同様の手順で処理を行えばよいが、ここでは、サンプルタイミングを設定する処理（ＳＴ１０１）に代えて、駆動信号の周波数を設定する処理が行われ、駆動信号の周波数を少しずつずらしながら、ばらつき度合が小さくなる周波数を探し出す。その他の構成は、前記の例と同様であり、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

このように送信電極２に印加する駆動信号の周波数を変更すると、図４に示したように、積分部３４の出力信号に出現する節のタイミングを前後にずらすことができ、積分部３４の出力信号に出現する節が、所定のサンプルタイミングに一致あるいは近接するように、送信電極２に印加する駆動信号の周波数を設定すればよい。

駆動信号の周期と外来ノイズの周期とが近接していると、積分部３４の出力信号に節が現れるタイミング、すなわち駆動信号の周期と外来ノイズの周期との公倍数となるタイミングが遅くなるため、前記のサンプルタイミングを変更する構成では、電極交点ごとのレベル信号の取得に要する時間が長くなり、その結果、フレームレートが低下するが、駆動信号の周波数を変更する構成では、サンプルタイミングを変更する必要がないため、フレームレートが低下しない利点が得られる。

なお、図３に示した例のように受信部６の動作条件、すなわちサンプルホールド部３５のサンプルタイミングを設定する構成と、図６に示した例のように送信部５の動作条件、すなわち送信電極２に印加される駆動信号の周波数を設定する構成とは、製造コストなどを考慮して選択すれば良いが、両方を組み合わせた構成も可能である。

本発明にかかるタッチパネル装置は、外来ノイズによる影響でタッチ位置の検出精度が低下することを避けることができる効果を有し、送信電極に印加された駆動信号に応答した受信電極の充放電電流信号を受信して電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部に、積分信号を所定のタイミングでサンプリングするサンプルホールド部を備えたタッチパネル装置などとして有用である。

１ タッチパネル装置
２ 送信電極
３ 受信電極
４ パネル本体
５ 送信部
６ 受信部
７ 制御部
２１ 受信信号処理部
３１ ＩＶ変換部
３２ バンドパスフィルタ
３３ 絶対値検出部
３４ 積分部
３５ サンプルホールド部
３６ ＡＤ変換部
６１ 発振器
６２ 周波数変換部
ＳＷ スイッチング素子

Claims (4)

1. 互いに並走する複数の第１電極及び互いに並走する複数の第２電極が格子状に配置されたパネル本体と、
   前記第１電極に対して駆動信号を印加する送信部と、
   前記第１電極に印加された駆動信号に応答した第２電極の充放電電流信号を受信して電極交点ごとのレベル信号を出力する受信部と、
   前記受信部から出力されるレベル信号に基づいてタッチ位置を検出すると共に前記送信部及び前記受信部の動作を制御する制御部とを備え、
   前記受信部は、前記第２電極の充放電電流信号をＩＶ変換して得られた電圧信号を、整流した上で時間軸方向に積分し、その積分信号をサンプルホールド部にて所定のタイミングでサンプリングして、レベル信号を出力するものであり、
   前記制御部は、前記受信部から出力されるレベル信号のばらつき度合を検出して、そのばらつき度合が小さくなるタイミングでサンプリングが行われるように前記送信部及び前記受信部の少なくともいずれかの動作条件を設定することを特徴とするタッチパネル装置。
2. 前記制御部は、前記レベル信号のばらつき度合が小さくなるように前記サンプルホールド部のサンプルタイミングを設定することを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記制御部は、前記レベル信号のばらつき度合が小さくなるように前記送信部から前記第１電極に印加される駆動信号の周波数を設定することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のタッチパネル装置。
4. 前記制御部は、前記動作条件の設定処理を、装置の起動時に実施されるキャリブレーション時に実行することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチパネル装置。

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