JP2016021194A - タッチ入力装置、表示装置、電子機器、タッチ判定制御方法、及び、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】タッチパネルの動作周波数とノイズ周波数の一致に起因するタッチパネルの誤認識を防止する。
【解決手段】静電容量方式タッチセンサーの測定値を所定のタイミングで取得する測定手段と、測定手段が取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する判定手段と、判定手段によりタッチ状態と判定されていないときの測定値の変動周期が所定範囲内のとき、所定のタイミングを変更する測定タイミング制御手段と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、タッチ入力装置、表示装置、電子機器、タッチ判定制御方法、及び、プログラムに関する。

近年、タッチパネル付電子機器の普及がめざましい。例えば、スマートフォンと呼ばれる携帯電話機やタブレット型の電子機器の全てがタッチパネルを備えている。タッチパネルは、指先などのタッチを検出し、そのタッチ位置やタッチの仕方などの信号を発生する。タッチパネルの背面には液晶パネルなどの表示部が設けられており、その表示情報をタッチパネルを透して見ることができるようになっている。したがって、ユーザーは、表示情報を見ながら“直感的”に画面上のボタンを押したり、あるいは、画面をスクロールしたりといった操作を行うことができる。

タッチパネルには様々な方式があるが、特に静電容量方式のタッチパネルは、光の透過率や耐久性の点で他の方式よりも優れていることから、今日のタッチパネルの主流を占めつつある。静電容量方式のタッチパネルの検出要素は、２枚の電極間に誘電体を挟み込んだ構造（この構造は等価的に１個のコンデンサとみなせる）を有しており、コンデンサの容量の変化からタッチの有無を検出する仕組みになっている。

しかし、静電容量方式のタッチパネルはノイズ（電磁雑音）耐性に劣るという弱点を抱えている。つまり、筐体内外で発生するノイズの影響を受けてコンデンサの容量に変化が現れることがある。このような容量変化は不本意な変化であり、タッチの誤検出につながる。

そこで、特許文献１には、上述したタッチの誤検出を防止すべく、センサ測定値がタッチ閾値を超えた場合にタッチされたものとみなし、タッチ閾値として、ノイズでは達せず、タッチされてはじめて達する値を設定する、タッチパネルのタッチ位置検出方法に関する発明が開示されている。

特開２０１０−６１５９８号公報

ここで、上述したタッチ誤検出（誤認識）の原因として、タッチパネルを搭載したＰＣやスマートフォンのような電子機器を、その電源をＡＣアダプタから取得して使用する場合、タッチパネルの動作周波数とＡＣアダプタが発生するスイッチングノイズ周波数とが一致することが挙げられる。その原因は、パネルの動作周波数とノイズ周波数とが同期した場合、基準電位（ＧＮＤ）が変動して指をタッチしたときの僅かな電位変化を識別できなくなることにある。そして、タッチパネルの動作周波数とＡＣアダプタの動作周波数の一致は、ＡＣアダプタからのスイッチングノイズに起因することが知見された。

特許文献１に開示されたタッチ位置検出方法によれば、タッチ検出において高い測定値を示したセンサと、その近傍に位置するセンサ群に対して異なるノイズ低減パラメータを適用することで、ノイズの影響を軽減している。しかし、特許文献１に係るタッチ位置検出方法は、タッチパネルの動作周波数とスイッチングノイズなどノイズの周波数との一致の問題を考慮していない。よって、特許文献１のタッチ位置検出方法では、タッチパネルの動作周波数とノイズ周波数の一致によるタッチ誤認識を防ぐことはできない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、タッチパネルの動作周波数とノイズ周波数の一致に起因するタッチ誤認識を防止することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明のタッチ入力装置は、静電容量方式タッチセンサーの測定値を所定のタイミングで取得する測定手段と、測定手段が取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する判定手段と、判定手段によりタッチ状態と判定されていないときの測定値の変動周期が所定範囲内のとき、所定のタイミングを変更する測定タイミング制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、タッチパネルの動作周波数とノイズ周波数の一致に起因するタッチ誤認識を防止することができる。

本発明の実施形態の電子機器１の構成図である。 タッチセンサー４の概念構成図である。 タッチ部９の断面図である。 タッチ検出の原理説明図である。 ノイズによるタッチ状態判定の誤認識について説明する模式図である。 本発明の実施形態におけるタッチ検出タイミングの変更制御について説明する模式図である。

本発明の実施形態のタッチ入力装置について図面を用いて以下説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。まず、本実施形態のタッチ入力装置を備えた電子機器１の概略について図１を用いて以下説明する。

図１は、本実施形態のタッチ入力装置を適用する電子機器１の構成図である。この図において、電子機器１は、特にそれに限定されないが、例えば、パーソナルコンピュータやスマートフォンであり、この電子機器１は、少なくとも、制御部２と、表示手段としての表示パネル３と、静電容量方式タッチセンサー４と、電源部５とを備える。なお、本実施形態において、表示パネル３とタッチセンサー４を合わせて表示装置としてのタッチパネル５０とする。

制御部２は、プログラム制御方式の制御要素であり、不揮発性かつ書換え可能なメモリ（例えば、フラッシュメモリ、ハードディスク又はシリコンディスクなど）６に予め格納されているプログラムをコンピュータ（以下、ＣＰＵ）７で実行することにより、この電子機器１に必要な様々な機能を実現する。制御部２は、タッチセンサー４の測定値を所定のタイミングで取得する測定手段と測定タイミング制御手段を備える。測定タイミング制御手段についての詳細は後述する。

表示パネル３は、例えば、液晶ディスプレイパネルやＥＬパネルなどの平面型二次元表示デバイスであり、制御部２から出力される様々な情報を表示する。

タッチセンサー４は、表示パネル３の表示画面とほぼ同じ平面サイズを有する二次元の透明なタッチデバイスであり、表示パネル３の画面の上に重ねて配置されている。タッチセンサー４は、透明であって、なお、図では、表示パネル３に対してタッチセンサー４を若干右下にずらして描いているが、これは図示の都合である。実際には両者は重なっており、ユーザーは、表示パネル３の表示情報をタッチセンサー４を透過して外部から視認することができる。タッチセンサー４の詳細については後で説明する。

電源部５は、例えば、電子機器１に電源を供給するために商用電源からの交流電源を直流電源に変換するトランス式のＡＣアダプタ等の定電圧電源をいう。定電圧電源の電源方式には、シリーズ方式と、スイッチング方式があるが、高効率で軽いことからスイッチング方式が採用されることが多い。スイッチング方式は、半導体素子により電流を高速にｏｎ／ｏｆｆすることで所望の電圧を生成するものである。そして、このスイッチング方式においては、高周波のノイズ（スイッチングノイズ）がしばしば発生する。この高周波のノイズが後述するタッチ判定の際に用いられる直流信号の周波数と同期すると、タッチセンサー４の誤認識をもたらす。本発明は、このスイッチングノイズなどのノイズの周波数とタッチパネルの動作周波数との一致に起因するタッチパネルの誤認識を防止するためのものである。

次に、タッチセンサー４の詳細について説明する。図２は、タッチセンサー４の概念構成図である。この図において、タッチセンサー４は、表示パネル３の表示面とほぼ同じ平面サイズ（縦横の大きさ）のタッチ部９を備える。タッチ部９は、微小間隔で一様に配列された縦方向と横方向の各々複数本ずつの電極を備える、いわゆる相互静電容量（Mutual Capacitance）方式の構造を有している。なお、この図では、一定幅の長尺電極としているが、これに限定されない。例えば、正方形や菱形又はその他の形を連ねた形状の電極であってもよい。

ここで、タッチ部９の縦方向（図面の上下方向）をＹ軸方向、横方向（図面の左右方向）をＸ軸方向ということにし、縦方向に配列された各電極にＹ１〜Ｙ８の符号を付すとともに、横方向に配列された各電極にＸ１〜Ｘ８の符号を付すことにする。

なお、図示の電極本数（Ｘ、Ｙ各々８本）は説明上の一例に過ぎない。タッチ部９の平面サイズにもよるが、実際には数百乃至数千本にも及ぶ。また、電極Ｙ１〜Ｙ８、Ｘ１〜Ｘ８を含むタッチ部９は透光性を有する素材で作られており、タッチ部９の裏面側に位置する表示パネル３の表示面に表示された任意の表示情報を、このタッチ部９を透して視認できるようになっている。

図３は、タッチ部９の断面図である。この図において、タッチ部９は、表示パネル３の表示面に接して配置されたガラスや透明フィルム等の基部用透明板１０と、その基部用透明板１０の上に順次に積層配置されたＸ電極層１１及びＹ電極層１２と、そのＹ電極層１２の上面に配置されたガラス（好ましくは強化ガラス）やアクリル等の保護用透明板１３とを備える。なお、保護用透明板１３にガラスや強化ガラスを使用した場合には、万一の破損に備え、ガラス破片の飛散防止用の保護膜（例えば、保護用透明フィルム）をガラス表面に貼り付けておくことが望ましい。

Ｘ電極層１１は、透明な誘電体膜（例えば、ＰＥＴ）１４に微小間隔な多数の電極Ｘ１〜Ｘ８を形成したものであり、同様に、Ｙ電極層１２も透明な誘電体膜１５に微小間隔な多数の電極Ｙ１〜Ｙ８を形成したものである。電極Ｘ１〜Ｘ８、Ｙ１〜Ｙ８は透明な導電素材、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）などを蒸着又は塗布若しくは印刷して形成されている。

二つの電極層（Ｘ電極層１１とＹ電極層１２）は電極の配列方向を除き、いずれも同じ構造を有している。ただし、図示のとおり、Ｘ電極層１１とＹ電極層１２は基部用透明板１０の上に順次に積層配置されたものであって、図示の例では、Ｘ電極層１１の上にＹ電極層１２が位置しているから、Ｙ電極層１２の方が上層、つまり、タッチ部９の表面（タッチ面９ａ）に近い位置にある点で相違する。なお、この上下関係は逆であってもかまわない。すなわち、Ｘ電極層１１が上層に位置していてもかまわないが、ここでは、図示の上下関係にある（Ｘ電極層１１の上層にＹ電極層１２が位置する）ものとして説明を続ける。

再び図２に戻り、電極Ｘ１〜Ｘ８の一端側（図では上端側）にはＸ電極選択部１６が接続され、同様に、電極Ｙ１〜Ｙ８の一端側（図では右端側）にはＹ電極選択部１７が接続されている。これらのＸ電極選択部１６及びＹ電極選択部１７は、走査駆動部１８からの走査信号に応答して電極Ｘ１〜Ｘ８と電極Ｙ１〜Ｙ８とを線順次に選択する。線順次の方法は、行（Ｙ）単位や列（Ｘ）単位のいずれであってもよい。例えば、行（Ｙ）単位に各列（Ｘ）を選択してもよく、あるいは、列（Ｘ）単位に各行（Ｙ）を選択してもよいが、ここでは後者の方法を採用することにする。すなわち、Ｘ電極選択部１６及びＹ電極選択部１７は、走査駆動部１８からの走査信号に応答して、まず、第１列目のＸ電極（Ｘ１）を選択しながら、その選択中に第１行目から第８行目までのＹ電極（Ｙ１〜Ｙ８）を順次選択し、次いで、第２列目のＸ電極（Ｘ２）を選択しながら、その選択中に第１行目から第８行目までのＹ電極（Ｙ１〜Ｙ８）を順次選択し、・・・・、最後に、第８列目のＸ電極（Ｘ８）を選択しながら、その選択中に第１行目から第８行目までのＹ電極（Ｙ１〜Ｙ８）を順次選択する、という動作を延々と繰り返すことにより、線順次に電極Ｘ１〜Ｘ８と電極Ｙ１〜Ｙ８とを選択するものとする。なお、ここでは、順次選択方式で説明したが、これに限らない。例えば、一つ飛ばしや複数本飛ばしなどの間引き的な選択方式であってもよい。

Ｘ電極選択部１６とＹ電極選択部１７の枠内に描かれている８接点のロータリスイッチ１６ａ、１７ａは、それらＸ電極選択部１６とＹ電極選択部１７の選択動作を模式化して示したものである。Ｘ電極選択部１６は、ロータリスイッチ１６ａの接点を介して信号源（交流駆動）１９からの駆動信号（例えば、数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度の交流矩形波）を選択電極（Ｘ１〜Ｘ１のいずれか）に供給する。また、Ｙ電極選択部１７は、選択電極（Ｙ１〜Ｙ１のいずれか）と、その時点でＸ電極選択部１６によって選択されているＸ電極との間の静電容量を通過した駆動信号（信号源１９から供給されたもの）をロータリスイッチ１７ａの接点を介して取り出し、タッチ判定部２０に出力する。

判定手段としてのタッチ判定部２０は、測定手段が取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する。上記の基準値は、タッチセンサー４への非タッチ時における測定値とタッチセンサー４へのタッチ時における測定値との差分に基づいて算定される。より具体的にいえば、タッチ判定部２０は、Ｙ電極選択部１７を介して取り出した駆動信号から不要な信号成分を取り除き、直流化した後、この直流信号と所定のタッチ判定閾値（基準値）とを比較してタッチ部９へのタッチ操作の有無を判定し、その判定結果を制御部２に出力する。なお、本実施形態の説明において、例えば上記直流信号をタッチセンサー４による測定値とする。

上記のとおり、信号源１９は、例えば、数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度の交流矩形波を駆動信号としてＸ電極選択部１６に供給するが、この信号源１９の動作は、制御部２からの指示でオンオフされるようになっており、したがって、オン期間中のみＸ電極選択部１６に駆動信号が供給されるようになっている。

図４は、タッチ検出の原理説明図である。（ａ）はタッチセンサー４の最小検出単位（以下、セルという）を模式的に表したものであり、セル３０は、Ｙ電極２１（図３のＹ１〜Ｙ８の一つに相当）とＸ電極２２（図３のＸ１〜Ｘ８の一つに相当）との間に誘電体２３（図３の誘電体膜１４に相当）を挟み込んだ構造を有している。

（ｂ）はセル３０とその周辺回路を含む等価回路である。セル３０は、等価的なコンデンサ２４で表されている。コンデンサ２４の一端（Ｘ電極２２）は信号源２５（図２の信号源１９に相当）に接続されており、コンデンサ２４の他端（Ｙ電極２１）は、電圧検出回路２６と抵抗２７からなる並列回路を介して信号源２５に接続されている。電圧検出回路２６と抵抗２７は、図３のタッチ判定部２０に含まれている回路要素である。

信号源２５（図２の信号源１９）は、制御部２からのオン指示に応答して、数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度の交流矩形波Ｓｇ（駆動信号）を出力する。電圧検出回路２６は、入力された信号の波高値を検出し、その検出電圧に基づいてタッチセンサー４へのタッチの有無を判定する。なお、タッチとは厳密には指等によるタッチセンサー４への“接触”のことをいうが、これに限定されない。微妙な距離を隔てて指先等がタッチセンサー４に極接近した状態（いわゆるホバー状態）を含んでいてもよい。

さて、信号源２５からＸ電極２２に交流矩形波Ｓｇを印加すると、Ｙ電極２１には、この交流矩形波Ｓｇとほぼ相似形の信号が現れる。以下、この信号のことを検出信号Ｖｄｅｔ（図４（ｂ）参照）ということにする。なお、図示の検出信号Ｖｄｅｔは交流矩形波Ｓｇと同じ矩形状を有しているが、これは図示の都合である。実際にはコンデンサ２４の充放電時定数に対応した形状になる。

ここで、非タッチ時の検出信号Ｖｄｅｔの大きさ（波高値）をＶａで表すことにすると、タッチセンサー４に指先等をタッチしたときの検出信号Ｖｄｅｔの大きさは、Ｖａよりも小さいＶｂになる。これは、人体の容量分（図示のコンデンサ２８）がセル３０の容量分（コンデンサ２４）に直列挿入されるからである。つまり、この状態では、コンデンサ２４、２８のそれぞれに電流Ｉ１、Ｉ２が流れるため、抵抗２７の両端に現れる電位（検出信号Ｖｄｅｔの大きさ）が電流Ｉ２の分だけ減少するからである。したがって、検出信号Ｖｄｅｔの大きさは、タッチ時と非タッチ時で異なる値（Ｖａ＞Ｖｂ）になるから、適切な閾値を用いることにより、タッチ状態を判定することができる。すなわち、以上の例であれば、ＶａとＶｂの間に位置する適切な閾値を設定し、検出信号Ｖｄｅｔの大きさがその閾値を下回ったときに「タッチ状態」を判定し、そうでなければ「非タッチ状態」を判定することができる。これは、言い換えれば、ＶａとＶｂとの差分が予め定められた閾値（基準値）を超えたか否かによりタッチ状態・非タッチ状態を判定することと等価である。

以上のとおり、タッチセンサー４のタッチ部９は、信号源２５（図３の信号源１９）からの駆動信号によって交流的に駆動される。上述のとおりこの駆動信号は、例えば、数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度の交流矩形波である。そして、上述のスイッチングノイズの周波数が、タッチセンサー４の動作周波数と一致又は近似すると、タッチセンサー４に対するタッチ操作の誤認識が発生する。具体的には、タッチセンサー４にタッチしていないにも関わらずタッチ操作が認識されたり、逆にタッチセンサー４にタッチしているのにタッチ操作が認識されなかったりという誤認識である。

この誤認識は、スイッチングノイズによる基準電位（値）の変動周期とタッチ検出タイミングとの一致により、タッチセンサーの検出信号と基準電位との差がほぼ一定になることに起因する。

上記誤認識を防止するため、本実施形態では、制御部２に含まれる上述した測定タイミング制御手段により、タッチ判定部２０によりタッチ状態と判定されていないときの測定値の変動周期が所定範囲内のとき、測定手段によりタッチセンサー４の測定値を取得するタイミングを変更する。具体的には、例えば、測定タイミング制御手段は、タッチ判定部２０によりタッチ状態と判定されていないときの測定値の変動周期と異なる周期となるように測定手段によるタッチセンサー４の測定値を取得するタイミングを変更する。

通常は、所定のタイミングでタッチセンサーの測定値としてのタッチ検出信号と基準電位との差分をとり、その差が閾値を超えているか否かによりタッチ状態を判定する。しかし、基準電位の変動周期と同じ周期でタッチセンサーの測定値を取得し基準電位との差分をとると、常に同じ電位との比較になってしまう。つまり、基準電位の変動周期と測定タイミングが一致すると、比較対象とする基準電位が常に同一となってしまう。この場合、例えば測定タイミングが基準電位の周期の振幅の上限や下限にあたると、誤認識が発生してしまう。例えば、基準電位の振幅の上限と比較した場合、本来、タッチ状態と判定されるべき検出信号が閾値に達しないため、非タッチ状態と誤認されてしまう。また、基準電位の振幅の下限と比較した場合、本来、非タッチ状態と判定されるべき検出信号が閾値に達してしまうため、タッチ状態と誤認されてしまう。

そこで、本実施形態においては、上述したように、タッチ判定部２０によりタッチ状態と判定されていないときの測定値の変動周期と異なる周期となるように測定手段によるタッチセンサー４の測定値を取得するタイミングを変更することで、上記誤認を防止する。なお、「所定範囲内のとき」とは、基準値の変動周期において一定レベル以上の振幅となっているときをいう。

上述した誤認識について図５を参照して説明する。図５（ａ）は、基準電位Ｖｃがノイズの影響を受け一定の変動周期で変動している様子を示している。本図では、タッチ検出信号Ｖｓは説明の便宜上一定の値とする。また、本図では、基準電位Ｖｃとタッチ検出信号Ｖｓとの差分が大きい状態での測定タイミングを「タイミング［１］」とし、基準電位Ｖｃとタッチ検出信号Ｖｓとの差分が小さい状態での測定タイミングを「タイミング［２］」としている。

タイミング［１］における誤認識について、図５（ｂ）を参照して説明する。破線は通常時、つまりノイズの影響を受けない場合の基準電位、及び、その基準電位に基づいてタッチ検出信号が閾値（太線）を超えタッチ状態と判定される様子を示したものである。一方、タイミング［１］でタッチ検出信号を検出すると、実線で示すように基準電位が変動する。変動後の基準電位に基づいたタッチ検出信号は閾値を超えず、非タッチ状態であると誤認識されてしまう。

次に、タイミング［２］における誤認識について、図５（ｃ）を参照して説明する。破線は通常時、つまりノイズの影響を受けない場合の基準電位、及び、その基準電位に基づいてタッチ検出信号が閾値（太線）を超えず、非タッチ状態と判定される様子を示したものである。一方、タイミング［２］でタッチ検出信号を検出すると、実線で示すように基準電位が変動する。変動後の基準電位に基づいたタッチ検出信号は閾値を超えてしまい、タッチ状態であると誤認識されてしまう。

そこで、本実施形態では、例えば図６に示すように、測定タイミングをタイミング［３］のように、通常時の１周期の半分の１／２周期へと変更する。これにより、基準電位として異なる値が２以上測定されるため、適正な基準電位を得ることができ誤認識を防止することができる。なお、本実施形態では変更後の測定タイミングを１／２周期としたが、タッチ検出信号として異なる値を得ることができれば、その他の周期であってもよい。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。

１ 電子機器
２ 制御部
３ 表示パネル
４ タッチセンサー
５ 電源部
６ メモリ
７ ＣＰＵ
９ タッチ部
１０ 基部用透明板
１１ Ｘ電極層
１２ Ｙ電極層
１３ 保護用透明板
１４、１５ 誘電体膜
１６ Ｘ電極選択部
１７ Ｙ電極選択部
１８ 走査駆動部
１９、２５ 信号源（交流駆動部）
２０ タッチ判定部
２１ Ｙ電極
２２ Ｘ電極
２３ 誘電体
２４ コンデンサ
２６ 電圧検出回路
２７ 抵抗
３０ セル
５０ タッチパネル
Ｖｓ タッチ検出信号

Claims (7)

1. 静電容量方式タッチセンサーの測定値を所定のタイミングで取得する測定手段と、
   前記測定手段が取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する判定手段と、
   前記判定手段によりタッチ状態と判定されていないときの前記測定値の変動周期が所定範囲内のとき、前記所定のタイミングを変更する測定タイミング制御手段と、
   を備えることを特徴とするタッチ入力装置。
2. 前記測定タイミング制御手段は、前記判定手段によりタッチ状態と判定されていないときの前記測定値の変動周期と異なる周期となるように前記測定手段による前記タッチセンサーの測定値を取得するタイミングを変更することを特徴とする請求項１記載のタッチ入力装置。
3. 前記基準値を、前記タッチセンサーへの非タッチ時における測定値と前記タッチセンサーへのタッチ時における測定値との差分に基づいて算定することを特徴とする請求項１又は２記載のタッチ入力装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のタッチ入力装置を備える表示装置であって、
   前記タッチセンサーが透明であって、前記タッチセンサーを透過して外部から視認可能な表示手段を備えることを特徴とする表示装置。
5. 請求項４記載の表示装置を備えることを特徴とする電子機器。
6. 静電容量方式のタッチセンサーの測定値を所定のタイミングで取得する工程と、
   前記取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する工程と、
   前記タッチ状態と判定されていないときの前記測定値の変動周期が所定範囲内のとき、前記所定のタイミングを変更する工程と、
   を備えることを特徴とするタッチ判定制御方法。
7. 静電容量方式のタッチセンサーの測定値を所定のタイミングで取得する処理と、
   前記取得する測定値が所定の基準値を超えるとタッチ状態と判定する処理と、
   前記タッチ状態と判定されていないときの前記測定値の変動周期が所定範囲内のとき、前記所定のタイミングを変更する処理と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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