(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指タッチ位置検出する有効エリアに面して均一な面抵抗体を配設したパネルを有し、前記面抵抗体を常時電圧振動させてタッチ時の前記指に前記面抵抗体を介してＡＣ電流を流し、前記パネルと信号処理部との複数の接続点に於けるＡＣ電流または該ＡＣ電流に比例したＡＣ電圧を時分割で計測して、前記パネル上の前記指タッチ位置を該計測値の比から算出するタッチパネル装置であって、前記電圧振動の周波数誤差が１／（５０Ｔ）［Ｈｚ］以内としたことにより近傍で複数台使用時の干渉を低減したことを特徴とする低干渉式タッチパネル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指のパネルへのタッチ位置を検出するタッチパネル装置に関し、特にパネルの有効エリアに面して均一な面抵抗体を配設したもので、パネルを介して指にＡＣ電流を流すことにより位置検出するタッチパネル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
当技術分野の例として、特許第１５３６７２３号に示されたもの、または詳細は不明瞭であるが特許第２６０３９８６号に示されたもの及び特許第１８８１２０８号に示されたもの等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のものの内、構造上時分割の各信号計測動作となるもの、または簡素化と小型化と低コスト化且つ各信号計測のパラメータの均一化のために、アナログ・マルチプレクサを使用し時分割計測しているものは、同一機種を２台またはそれ以上の台数を互いに近くで同時使用した場合、互いの干渉により検出位置ブレを起こしていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
指タッチ位置検出する有効エリアに面して均一な面抵抗体を配設したパネルを有し、前記面抵抗体を常時電圧振動させてタッチ時の前記指に前記面抵抗体を介してＡＣ電流を流し、前記パネルと信号処理部との複数の接続点に於けるＡＣ電流または該ＡＣ電流に比例したＡＣ電圧を時分割で計測して、前記パネル上の前記指タッチ位置を該計測値の比から算出するタッチパネル装置であって、前記電圧振動の周波数誤差が１／（５０Ｔ）［Ｈｚ］以内としたことにより近傍で複数台使用時の干渉を低減した低干渉式タッチパネル装置を提案するものである。
【０００５】
【作用】
第１の作用として、絶対値検出型のＡＣ信号のレベル復調回路は、ＡＣ信号の位相変化に影響されない。第２の作用として、干渉による電流も含めてパネルに流れる総電留置値が一定と見なせる時間内に、１回分の位置検出のための、すべてのＡＣ信号計測を終了させることにより、各信号レベルの比がずれない様にすれば算出位置がずれない。つまり、各パネルの振動周波数の誤差を少なくし、干渉によるビート周波数を低くすることで、同じ作用となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は動作原理上、有効エリアに面して均一な面抵抗体を配設したパネルを有し、面抵抗体を常時電圧振動させて、パネルにタッチし、その指または指に相当する導電体にパネルを介してＡＣ電流を流し、パネルと信号処理部との複数の接続点に於けるＡＣ信号を時分割で計測して、パネル上のタッチ位置をこれらの計測値の比から算出するタッチパネル装置に限られるが、一次元の位置検出装置または二次元の位置検出装置としたものである。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の詳細を添付図を参照して説明する。図１は、本発明の装置の一例を示す構成主部と２台同時動作時の干渉について説明する図である。人２の指がパネル部１（以後パネル１と記す）の面上にタッチした時、その位置（パネル１の面上に於けるＸ，Ｙ座標）を検出する。パネル１には、均一な抵抗値分布の面抵抗体３が配設されて、その周囲に抵抗性電極４を付着してある。抵抗性電極４は低抵抗であり、各辺の両端間抵抗値は３０〜１５０Ω程度である。面抵抗体３の面抵抗値は１ｋΩ／□程度である。面抵抗体３の指接触面は、絶縁層がある場合と、指と面抵抗体３が直に接触する方式とがあるが、本発明はその両方に適応する。
【０００８】
抵抗性電極の各頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）は各接続電線５，５，５，５により、信号処理部７の各入力（振動電圧印加回路６，６，６，６）に電気的に接続されている。振動電圧印加回路６，６，６，６は、パネル１のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れる電流をアナログ・マルチプレクサ８（ＭＵＸ）に伝えると共に、振動電圧発生器９の振動電圧を接続電線５，５，５，５に印加する。従って面抵抗体３は常に電圧振動している。
【０００９】
人体２は接地容量その他により、ＡＣ成分に対して接地効果を持つが、完全接地状態にはならない。従って人体２の指が、パネル１の面上にタッチした時、指と面抵抗体との間の静電容量により、または直接触により人体２の指にＡＣ電流が流れ、面抵抗体３に電流分布が生じる。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れる電流は、人体２の指がタッチした点に近い所へより多く流れる。このＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に流れる電流の比からタッチ位置を算出する。この時人体２が、完全接地状態ではないことから、面抵抗体３の振動電圧の２０〜７０％程度の振動電圧が人体２にも生じる。
【００１０】
振動電圧印加回路６，６，６，６は、アナログ・マルチプレクサ８（ＭＵＸ）でセレクトされていない時でも通過電流をその回路グランドに流し、入力特性をいつも一定条件に保持する。さもないと、面抵抗体３の電流分布が変動して、高確度の位置の算出が大変困難になる。アナログ・マルチプレクサ８（ＭＵＸ）を通ったＡＣ信号電流は、電流／電圧変換、バンドパス・フィルタリング、ＡＣ信号のレベル復調等の信号処理されて、Ａ／Ｄ変換器１０（Ａ／Ｄ）に印加される。そのデジタル化された各データから、プロセッサ１１（ＣＰＵ）が、人体２の指がタッチしたパネル１の面上の位置を算出する。
【００１１】
更に詳細な実際回路及び人体の接地効果要因等については、特願平１０−３２１５０８号その他を参照されたい。図１に示すパネル１の構成とする場合は、アナログ・マルチプレクサ８（ＭＵＸ）による時分割計測でない、同時計測とすることも出来るが、その場合は、電流／電圧変換回路、バンドパス・フィルター回路、増幅回路、ＡＣ信号のレベル復調回路、レベルシフト回路、Ａ／Ｄ変換器等がすべて４セット必要であり、且つこれらすべてのゲイン、位相回転量、セットリングタイム等のすべての回路パラメータを同一にする（バラツキを１／５００以下にそろえる）必要がある。上記の理由で、図１に示す装置に限らず当技術分野の現在の略すべての装置は、時分割による計測を行っている。
【００１２】
本発明に関し、立地条件となる重要な要点は次の３点である。第１の要点は、パネルの電気的構成要素を、電圧振動させる。第２の要点は、指または指と等価と見なせる導電体がパネル面にタッチした時に、そのタッチ点を通してパネル外へ（指等へ）ＡＣ電流を流す。第３の要点は、タッチ検出する有効エリアに面して均一な面抵抗体を配設してあり、そこに流れる電流を各点で計測し、その電流比（または電流に比例した電圧比）からタッチ位置を算出する。従って、指等に流れる電流の大きさには依存しない。
【００１３】
ここで同一機種を２台またはそれ以上の台数を互いに近くで同時使用する場合について、図１を参照して述べる。今まで説明してきたものを第１のタッチパネル装置とする。第２のタッチパネル装置１４が近くにあり、第１の人体２のすぐ近くに居る第２の人体１３により操作されている。第２のタッチパネル装置１４内にも、振動電圧発生器９と同様の独立した振動電圧発生器があり、互いの周波数間には少しのバラツキが存在する。従って、両者のパネルの電気振動の周波数は少し差を持つ。
【００１４】
第２の人体１３は、前述（段落０００９の最後の所で説明）の理由で、第２のタッチパネル装置１４の振動周波数成分を持つ。これが、必然的に生じる人体間容量１２を介して、人体２にも伝わり、結局、面抵抗体３にも伝わる。第１の人体２及び第２の人体１３が、互いに空いている手を結んで、それぞれのタッチパネル装置を操作している時は、上記の現象が特に著しい。
【００１５】
すなわち、面抵抗体３のタッチ点に流れるＡＣ信号電流は、自己装置による本来のＡＣ信号電流に、他の装置から伝わり入力するＡＣ信号電流が重畳したものになる。この様子を分かり易くベクトル表示したものが図４である。参照符号４１は自己装置のパネル１の電気振動位相（基準位相）である。参照符号４３は自己装置による本来のＡＣ信号のベクトル表示であり、参照符号４２は他の装置から伝わり入力するＡＣ信号のベクトル表示である。両信号は周波数差があるためにベクトル４２は回転し、その合成ベクトルの先端の軌跡を参照符号４４（円状）で示す。この合成ベクトルで表される合成ＡＣ信号が、面抵抗体３のタッチ点に流れる。その位相角は図示する様にΦ１（４５）からΦ２（４６）まで変化する。図４は、パネル１の振動電圧位相よりも、普通、ベクトル４３（自己装置による本来のＡＣ信号電流）の位相が７０〜８０度程度進んでいることをも示している。
【００１６】
同様のことは、第１の装置から第２の装置１４へも干渉があり、互いに干渉し合う。従来の装置に於けるこれら干渉の、各ＡＣ信号計測への影響について述べる。面抵抗体３のタッチ点に流れる合成電流（パネル全電流）を時間領域で示したものが図５である。横軸は時間（ｔ）であり、縦軸は合成電流（パネル全電流）の正側包絡線（エンベロープ）である。この合成電流の大きさは他機からの干渉がある場合、参照符号５０に示すように正弦波状に変化し、その変化の周波数（ビート周波数）は、２台の装置の振動電圧発生器のそれぞれの周波数の差の絶対値に等しい。
【００１７】
図１の例では、パネル１の４点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点）に流れる電流値を時分割で計測して、タッチ位置（面抵抗体３から外部へ流出及び流入する一点の座標）を算出する。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点に対し全計測する所要時間がＴである。Ａ点について電流値を計測している時の、タッチ点電流の大きさ（パネル全電流）が参照符号５１で示す長さであり、Ｂ，Ｃ，Ｄ点についても、それぞれ参照符号５２，５３，５４で示す。このように、１回の位置検出するための計測中（Ｔの間）にパネル１に流入及び流出するＡＣ電流の大きさが変動してしまう。時分割計測の大原則は、Ｔの間はパネル全電流の大きさが一定という条件である。図５に示すように基準となるべき全電流の大きさが変動すると、時分割計測したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ点のＡＣ電流の比も変動してしまい、算出する結果が変動してしまう。更に、ＡＣ信号の大きさのみならず、位相までも大きく変動する。
【００１８】
図５に示したものは、現在のほとんどの当該装置にクロックとして使用される、セラミックレゾネータによる振動電圧発生器を備えた、パネル１として示した構成のタッチパネルを使用した実際の２台の装置の、動作記録を清書したものである。当該装置のパネルの電気振動周波数は２０ｋＨｚ以上であり、図１に示す実施例では４６０ｋＨｚであって、ＡＣ信号のレベルを計測するに当たり、復調して（ＤＣ化して）Ａ／Ｄ変換器に印加している。その理由は、ＡＣ信号のままでは０．１％程度の高精度のレベル計測が大変難しいからである。
【００１９】
現在の多くの当該装置に使用される、ＡＣ信号の復調回路を図６に示す。主要パーツはアナログ・スイッチ（アナログ・ゲート）６０である。ゲートＯＮ／ＯＦＦ信号は入力ＡＣ信号に同期させた、固定位相のコントロール信号である。平均化抵抗６１及び平均化コンデンサ６２により、ゲートＯＮ時間内の入力ＡＣ信号電圧の平均値を出力する。乗算器を使用しても同等の機能を得る。このような簡単な復調回路でも、リニアリティは非常に優れており、各ＡＣ信号レベルの比を高精度で求めることが容易である。
【００２０】
図７を参照して図６の復調回路の、位相変化の影響を説明する。自己装置による本来のＡＣ信号７０の正側区間に合わせて、ゲートＯＮ時間７４が固定されている。波形７０に対しては理想的に、ｔ１からｔ２までを平均化し本来の信号による復調（検出平均）レベル７２を出力する。しかし図４に示す合成ベクトルの位相角が最小（Φ１）４５の時は、図７に示すＡＣ信号波形７１となり、ゲートＯＮ時間７４内のｔ３からｔ４までを平均化し復調（検出平均）レベル７３の出力となる。ＡＣ信号７０と７１は、振幅は略同じであるにも係わらず、出力レベルが大きく変わっている。これが他装置からの干渉入力信号がある場合の、図６の回路の、位相変化による影響であることが分かった。
【００２１】
解決するための第１の手段として、ＡＣ信号の位相変化に無関係な絶対値検出型のＡＣ信号レベル復調回路とした。その一例を図２に示す。ダイオードのリニアリティの悪さを演算増幅器で補うものである。入力ＡＣ信号の負側ピーク時のみダイオード２１が導通し、絶対値保持コンデンサ２９を、電圧源２７に関して対称な電圧に充電する。その他の時間はダイオード２２が導通し、ダイオード２１は逆バイアスとなり、絶対値保持コンデンサ２９をそれ以上充電しない。抵抗２８は瞬時電流を制限し、演算増幅器２０を安定動作させるためと、ノイズを少し抑制する効果がある。その他の素子の役目と定数は、参考例として符号の説明の欄を参照されたい。
【００２２】
ここで注意すべきことがある。演算増幅器２０は、入力波形の負側ピークの一瞬だけダイオード２１を導通させるスイッチングのコントロール役をするため、高速且つ高確度の動作が必要である。図１に示す装置の４６０ｋＨｚのＡＣ信号周波数の場合、ｆT が５０ＭＨｚ以上で、ＳＲが５０Ｖ／μｓ以上の演算増幅器が必要であった。それ以下のものでは０．２％以下の精度でパネルへのタッチ位置算出は無理であった。
【００２３】
他の例を図３に示す。演算増幅器ではなく、増幅度（Ｋの値）が約３０のインバータ・リニアアンプ３１を使用している。入力ＡＣ信号の負側ピーク時に、インバータ・リニアアンプ３１のダイナミックレンジの中心電圧に関して対称な電圧に、絶対値保持コンデンサ３９を充電する。入出力間の電圧確度はさほどでもないが、リニアリティは必要な範囲に入っているので、各ＡＣ電圧レベルの比は高確度で算出できた。
【００２４】
これらの絶対値検出型のＡＣ信号レベル復調回路としたことにより、他装置からの干渉によるタッチ位置の算出のブレ量は、約１／２に減少した。更に干渉によるブレ量を少なくする第２の手段を説明する。図５に於いて、１回の位置検出に要する計測時間Ｔの間に包絡線５０の変化がないと見なせる程にビート周波数が低ければ良いことになる。各ＡＣ信号レベルの比から、タッチ位置を算出するのでパネル１に流れる全電流の大きさは無関係である。信号のＳ／Ｎ比が十分であればよい。
【００２５】
実験の結果、ビート成分５０の周期がＴの２５倍以上であれば、指タッチの位置検出として許容出来るブレ範囲であることが分かった。すなわち、
２５Ｔ≦１／｜ｆ１−ｆ２｜  ・・・・・・・・・・・・・・・・・［式１］
ここでｆ１は自己装置のパネルの電気振動周波数であり、ｆ２は他の装置のパネルの電気振動周波数である。一番確実なのは、マスター周波数を作り電線で近くの全装置に供給することである。しかしその場合、装置を移動する時に不便である。
【００２６】
式１を満足するため、自己装置（他の装置も）の電気振動の周波数誤差を、
｜ｆ１−ｆｒ｜≦１／（５０Ｔ）  ・・・・・・・・・・・・・・・［式２］
とすればよいことが分かる。ここでｆｒは設計基準周波数であり、式２の単位は［Ｈｚ］である。因みに図１に示す装置の場合、Ｔは０．０１秒であり、ｆｒは４６０ｋＨｚであり、４ｐｐｍ以下の周波数確度を必要とするので、温度補償した水晶発振回路に安定化した電源を供給して達成した。
【００２７】
この第２の手段だけでも、図１のパネル１の表面に絶縁層がある場合は、２人の操作者２及び１３が手を結んでも実用上支障無いタッチ位置の算出ブレ範囲である。第１と第２の手段を併用すると、パネル１の表面に絶縁層の無い直接触式タッチパネル装置でも、同上の条件で支障無い算出位置ブレ範囲である。
【００２８】
３台またはそれ以上の台数が近くで使用される時は、図４に示すベクトル表示が３信号またはそれ以上の信号の合成となるが、第１の手段及び第２の手段共に、２台の時と同様の効果があった。タッチパネルの面抵抗体と信号処理部との電気的接続方法は各種提案されているが、段落００１２に記した立地条件を備えるものはすべて同様の現象となる。以上の説明は、二次元パネルのみならず１次元パネルでも同様である。
【００２９】
【発明の効果】
２台またはそれ以上の台数を近くで同時使用してもタッチ位置の検出ブレが支障無い範囲となり、装置の信頼性／確実性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の装置の一例を示す構成主部及び２台動作時の干渉説明図。
【図２】  演算増幅器を使用した絶対値検出型のＡＣ信号レベル復調回路の一例。
【図３】  反転増幅器（インバータ・リニアアンプ）を使用した絶対値検出型のＡＣ信号レベル復調回路の一例。
【図４】  本来のＡＣ信号と他の装置から干渉入力するＡＣ信号とのベクトル表示図。
【図５】  干渉入力するＡＣ信号があることによる、タッチ点の電流の包絡線波形図（ビート波形図）。
【図６】  現在の多くの当該装置に使用される、ＡＣ信号の復調（レベル検出用ＡＣ／ＤＣ変換）回路例。
【図７】  従来の固定位相用の同期復調回路の、位相変化の影響を示す図。
【符号の説明】
１  パネル部
２  第１の人体
３  面抵抗体
４  面抵抗体を取り囲む抵抗性電極
５  接続電線
６  振動電圧印加回路
７  信号処理部
８  アナログ・マルチプレクサ
９  振動電圧発生器
１０  Ａ／Ｄ変換器
１１  プロセッサ
１２  人体間容量
１３  第２の人体
１４  第２のタッチパネル装置
２０  演算増幅器
２１  ダイオード（例えばＨＳＭ８８）
２２  ダイオード（例えばＨＳＭ８８）
２３  フィードバック抵抗（例えば２２ｋΩ）
２４  安定化コンデンサ（例えば２ｐＦ）
２５  入力抵抗（例えば２２ｋΩ）
２６  カップリング・コンデンサ（例えば１０００ｐＦ）
２７  ＤＣバイアス電圧源（例えば１．２Ｖ）
２８  瞬時電流制限抵抗（例えば２２０Ω）
２９  絶対値保持コンデンサ（例えば１０００ｐＦ）
３０  放電抵抗（例えば１５０ｋΩ）
３１  インバータ・リニアアンプ
３２  ダイオード（例えばＨＳＭ８８）
３３  ダイオード（例えばＨＳＭ８８）
３４  フィードバック抵抗（例えば２２ｋΩ）
３５  安定化コンデンサ（例えば２ｐＦ）
３６  入力抵抗（例えば２２ｋΩ）
３７  カップリング・コンデンサ（例えば１０００ｐＦ）
３８  瞬時電流制限抵抗（例えば２２０Ω）
３９  絶対値保持コンデンサ（例えば１０００ｐＦ）
４０  放電抵抗（例えば１５０ｋΩ）
４１  自己装置のパネルの電気振動位相（基準位相）
４２  他の装置から伝わり入力するＡＣ信号のベクトル表示
４３  自己装置による本来のＡＣ信号のベクトル表示
４４  合成ベクトルの先端の軌跡
４５  合成ベクトルの最小（進み）位相角
４６  合成ベクトルの最大（進み）位相角
５０  タッチ点電流の正側包絡線
５１  Ａ点電流を計測している時のタッチ点電流の大きさ
５２  Ｂ点電流を計測している時のタッチ点電流の大きさ
５３  Ｃ点電流を計測している時のタッチ点電流の大きさ
５４  Ｄ点電流を計測している時のタッチ点電流の大きさ
６０  アナログ・スイッチ（アナログ・ゲート）
６１  平均化抵抗
６２  平均化コンデンサ
７０  自己装置による本来のＡＣ信号
７１  他の装置から伝わるＡＣ信号と自己装置のＡＣ信号との合成ＡＣ信号のφ１の位相角の時の信号
７２  本来の信号による復調（検出平均）レベル
７３  φ１の時の復調（検出平均）レベル
７４  ゲートＯＮ時間Ｔ１回の位置検出に要する計測時間
【図１】
0004010076.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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