JP2005084982A

JP2005084982A - 静電容量型タッチパネル装置

Info

Publication number: JP2005084982A
Application number: JP2003316657A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shinoda; 宏信田
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【目的】入力方式に静電容量型タッチパネル装置を採用し、２方式のスイッチ機構を変え、部品点数を削減し、同時にスイッチの自由なレイアウトも可能にする事にある。
【構成】パネル部のＰＥＴフィルムを拡張しその部分に不透明スイッチ電極を印刷した電極シートを、アクリル板又はガラス板に透明接着剤で貼り付けたタッチパネルであり、上記タッチパネルのスイッチに対し、導通部材が接触状態と非接触状態時の各スイッチの静電容量変化量を計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載した、制御基板からなる静電容量型タッチパネル装置。
【選択図】図８

Description

本発明は、入力方式に静電容量結合方式を採用したタッチパネル装置に関するものである。

従来タッチパネル付きモニタの入力部には、抵抗膜方式のタッチパネルが搭載されている場合が多い。一般的な抵抗膜方式のタッチパネルは、図1に示すようにガラス板とＰＥＴフィルム両方の表面にＩＴＯ透明電極を蒸着し、互いに向き合わせスペーサを間に挟んで間隔を設け、指で押したことで入力出来る仕組みになっている。
しかし図２で示すようにタッチパネル付きモニタは、表示状態（輝度やコントラスト）を変更するために表示装置下部にファンクションキーが有り、タクトスイッチ等のメカニカルスイッチが使用されている。タッチパネルで輝度やコントラストを調整するには、表示状態により操作できない場合も発生し、タクトスイッチ等の別スイッチを設け変更出来る方式を採用している。そのためファンクションキー部は、タッチパネルとは別なスイッチ機構が必要とされる。

特開平０９−２４４８１０号公報

従って従来の方式では、スイッチ機構としてタッチパネルとメカニカルスイッチの２方式で構成され、それに伴い制御回路も２種類必要となっていた。更に、使用環境によっては、表示装置（液晶パネルやＣＲＴディスプレ）の両サイドに予め登録された固定項目選択スイッチを搭載している装置もある。その場合メカニカルスイッチでは、スイッチの形状や高さ及び配置に制限が多く使いづらい。そこで本発明の目的は、入力方式に静電容量型タッチパネル装置を採用し、２方式のスイッチ機構を変え、部品点数を削減し、同時にスイッチの自由なレイアウトも可能にする事にある。

静電容量型タッチパネルにおいて、パネル部のＰＥＴフィルムを拡張し、その部分に不透明スイッチ電極を印刷した電極シートを、アクリル板又はガラス板に貼り付けたタッチパネルであり、上記タッチパネルのスイッチに対し、静電容量結合する導通部材が、接触状態と非接触状態時にスイッチの静電容量変化量を計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載した制御基板からなる静電容量型タッチパネル装置である。
尚、本願明細書では導通部材として、人間の指を用いて説明することとする。

本発明によればタッチパネル付きモニタのスイッチ構成に於いて、タッチパネルとタクトスイッチの２重構造を無くし、更に可動部のあるメカニカルスイッチが無いため、経年変化や接触不良による誤動作が無く信頼性の高いタッチパネルが実現できる。併せて、表面にスイッチの突起等が無く、シールでスイッチ形状を表現でき固定項目の変更も簡単に行え、低コストも実現できる。

本発明は、図７のシステム構成図で示す通りパネル部と制御部からなる。パネル部は、ＰＥＴフィルムにＩＴＯ透明電極と銀ペースト電極を印刷した拡張電極シート（図５）を作成し、その電極シートをガラス板又はアクリル板（誘電体）に、透明な接着剤を用いて張り付けた構造になっている。（図６）。
拡張電極シート構造は、スイッチ電極と不透明スイッチ電極から構成される。透明スイッチ電極及び不透明スイッチ電極は、人の指が隠れるくらいの円又は四角形で形成し、ＧＮＤパターンはパネル周辺に這わしノイズ低減と信号レベルの安定化をはかる事を目的とする。拡張電極シートの構造図を図８に示す。接続端子は、ＰＥＴフィルム上の1層目に銀ペーストで印刷し、２層目に接続端子保護のためカーボンで印刷した２層構造で形成される。
リードパターン１と透明スイッチ電極は、表示エリア内で下からの表示が見えるようにＩＴＯ透明電極で印刷する。リードパターン２と不透明スイッチ電極は、非表示エリアのため透明の必要が無く抵抗値の低い銀ペーストの印刷をする。
制御部は、スイッチ電極（以降透明スイッチ電極及び不透明スイッチ電極を併せてスイッチ電極を指す）を順番に切り替えて発振回路に接続するためのアナログスイッチタイプのマルチプレクサと、周波数が可変出来る発振回路、しきい値データを記憶するための不揮発性メモリ、波形の幅が計測できるインプットキャプチャ機能が内蔵されたＣＰＵで構成する。
この静電容量型タッチパネルの動作原理を図９に沿って説明する。まず図９のブロック図に於いてプログラムで指定したスイッチ電極と発振回路を接続させるために、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子よりスイッチ電極切り替え回路に対し制御信号を出力する。このスイッチ電極切り替え回路は、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子より制御信号に”１”（デジタル的にハイレベル）を出力すればスイッチ電極と発振回路を接続し、制御信号に”０”（デジタル的にローレベル）を出力すればスイッチ電極はＧＮＤ信号に接続する機能を有している。
次に静電容量型タッチパネルを内蔵した実際のタッチパネルモニタを使い、スイッチが特定されるまでの手順を説明する。各スイッチのＯｎ／Ｏｆｆレベルを規定するために次の２点を実施する。まず始めに、パネルに指が触れない非接触状態で、プログラムに従いＣＰＵはＩ／Ｏ端子より制御信号を出力し、スイッチＴ１〜Ｆ３（Ｔ１〜Ｔ９、Ｓ１〜Ｓ６、Ｆ１〜Ｆ３の順番）まで発振周波数を測定し、各スイッチＯｆｆ状態の発信周波数をＣＰＵに接続された不揮発性メモリに記憶する。次にパネルに指１本を載せて同様にスイッチＴ１〜Ｆ３まで周波数を測定し、各スイッチＯｎ状態の発信周波数を不揮発性メモリに記憶する。この測定により各々容量変化が違うスイッチでもＯｎ／Ｏｆｆレベルが判断でき誤認識せずＯｎ／Ｏｆｆの判定できる。
実際に人の指がスイッチ電極に近づくと、スイッチ電極の静電容量が増加する。人間は元々容量が１００ｐＦ程度持った導体であり、スイッチ電極に導体である人の指が近づくと静電誘導現象が発生し静電容量が増加する。発振回路は、増加した静電容量の変化を検知し容量の増加に追従して発信周波数が変化する。
制御部では、ＣＰＵに内蔵されたインプットキャプチャ機能を利用して発振周波数を測定する。ＣＰＵは、Ｉ／Ｏ端子より切り替えスイッチ回路を制御しスイッチＴ１〜Ｆ３まで順番に発信周波数を測定する。今回測定した発信周波数と最初に不揮発性メモリに記憶しておいた各スイッチのＯｎ／Ｏｆｆ時の発信周波数を比較すると、指が近づいたスイッチだけが周波数が低下する。
この原理に基づき、人間の指がどのスイッチ電極の上を触ったかが判断出来、スイッチ機能と場所が確定できる為静電容量型タッチパネルが実現可能となる。

以下本発明を具体化した一実施例について図面を参照して説明する。スイッチ切り替え回路について、図９に沿って説明する。スイッチ電極Ｔ１と発振回路１を接続する時は、ＣＰＵ２のＩ／Ｏ端子３から制御信号に”１”を出力しその他のスイッチ電極Ｔ２〜Ｆ３までは制御信号に”０”を出力する。この状態の時は、スイッチ電極切り替え回路４によりスイッチ電極Ｔ１と発振回路を接続しスイッチ電極Ｔ２〜Ｆ３はＧＮＤに接続される。

次に図１０の発振回路は、ＴＬＣ５５５で非常に一般的なＣ−ＭＯＳタイプのタイマーＩＣである。発振周波数の計算式はメーカのデータシートより提示されており、ｆ＝１．４４／（Ｒ１＋２×Ｒ２）×Ｃ１で定数を代入すると求めることが出来る。今回は、一般的なＣＰＵで測定可能な１００ｋＨｚ程度の発振周波数が好都合のため抵抗Ｒ１＝１ｋΩ、Ｒ２＝６８ｋΩ、Ｃ１＝１００ｐＦでマルチバイブレーターモードで発振する回路を構成した。次に点線で接続されているＣ２のコンデンサは、スイッチ電極に指がタッチした時の容量変化分に相当する等価容量用のコンデンサを表している。通常指1本でタッチすると０．１ｐＦ程度静電容量が増加し指２本では０．２ｐＦ程度増加する。Ｃ３のコンデンサは、発信を安定化させるためコンデンサである。

では、実際に図１１で示すタッチパネルモニタで指がファンクションキースイッチＦ１をタッチしたときの周波数の変化を説明する。
・指がＦ１スイッチにタッチしていない状態での発振周波数
・Ｃ＝１００ｐＦ（Ｃ１）
・周波数１００．１ｋＨｚ程度
・指でＦ１スイッチにタッチした状態での発振周波数
・Ｃ＝１００．１ｐＦ（並列接続Ｃ１＋Ｃ２）
・周波数１００ｋＨｚ程度
指でスイッチＦ１にタッチした時、発振周波数が減少したのは、スイッチ電極と指の間で静電誘導が起こり、静電容量が増加した。
それによりＴＬＣ５５５のタイマーＩＣの周波数を決定するコンデンサの容量が増加したことにより、図１２で示すように発振周波数が１００Ｈｚ減少した。
この原理を応用し、図９で示した発振周波数の変位をＣＰＵの内蔵されたインプットキャプチャ機能のカウンタで各スイッチ毎に周波数を常時モニタし、７０Ｈｚ以上減少した時がタッチした場合と規定すれば、ファンクションキーＦ１が特定可能になる。

ファンクションキーＦ１が特定できたことで、図１０の下図のように拡張電極シートを筐体に貼り付けて、筐体表面にスイッチ場所を特定のための表示シールを貼り付ければ、ファンクションキーにタクトスイッチが無い静電結合型タッチパネルモニタが実現できる。

上記原理を応用して、ファンクションキーや固定キー部に、メンブレンスイッチに点字を付加した、視覚障害者にも広くタッチパネルを利用できるシステムに応用する。具体的な方式として図１３に示す構造で、スイッチに非接触状態での発信周波数、点字の上に指を置き、左右に滑らした状態の発信周波数、図１３下図の状態でメンブレンスイッチを押し込んだ発信周波数３段階の状態を不揮発性のメモリ記憶し、変化量を比較すればメンブレンスイッチの押され方により発振周波数が変化するので、Ｏｎ／Ｏｆｆの判断が可能である。視覚障害者の方のメンブレンスイッチを、押したクリック感と周波数が変化した量により、点字入力機能が搭載された静電容量型タッチパネルが実現できる。

メンブレンスイッチに更に強いクリック感を出すためにクリックドーム（金属製）を内蔵したり、筐体に窪みを付けて深い押し圧感を出すことも発信周波数を不揮発性メモリに記憶させ変化量を比較すれば可能となる。

次に平面パネルに限らず、図１４に示したＩＴＯ透明電極をＰＥＴフィルムで挟み込み筐体に貼り付けるために両面テープを付ける。フィルム状で構成されているため、曲面にも貼り付けることが可能であり、静電容量式の曲面スイッチが可能となる。

抵抗膜方式タッチパネルの構造図。一般的なタッチパネル付きモニタ。透明電極シートの構造図。静電容量型タッチパネルの構造図。拡張電極シート構造図。静電容量型拡張タッチパネル構成図。静電容量型タッチパネルのシステム構成図。拡張電極シート構成図。静電容量型タッチパネル制御回路ブロック図。静電容量型タッチパネル付きモニタ。発信回路の等価回路。発信周波数の変化。静電容量型点字入力スイッチ。静電容量型局面スイッチ。

符号の説明

１発信回路
２ＣＰＵ
３Ｉ／Ｏ端子
４スイッチ電極切り換え回路

Claims

静電容量型タッチパネルにおいて、パネル部のＰＥＴフィルムを拡張し、その部分に不透明スイッチ電極を印刷した電極シートを、アクリル板又はガラス板に貼り付けたタッチパネルであり、上記タッチパネルのスイッチに対し、静電容量結合する導通部材が、接触状態と非接触状態時にスイッチの静電容量変化量を計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載した制御基板からなることを特徴とする静電容量型タッチパネル装置。
静電容量型タッチパネルスイッチは、タッチパネル付きモニタに内蔵されることを特徴とする請求項１記載の静電容量型タッチパネル装置。
前記タッチパネルのスイッチは、導通部材が接触する部分に点字を設けたシートを貼付することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の静電容量型タッチパネル装置。
前記電極シートはフィルムで構成され、曲面に配置可能とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の静電容量型タッチパネル装置。