JP2010015262A

JP2010015262A - 静電検出装置及び静電検出方法

Info

Publication number: JP2010015262A
Application number: JP2008172685A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Matsushima; 健一松島
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】人の指などで操作する電極に繰り返し充放電する静電検出装置において、ノイズの周波数と充放電の周波数が一致してノイズの影響を大きく受けてしまうことのないようにする。
【解決手段】物体の接近の検出に先立って、予め複数の周波数でのノイズの影響を検出してノイズの影響の小さい周波数を選択しておき、選択された周波数で物体の接近を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単数あるいは複数の検出電極により人の指などの物体の接近や位置を静電結合の変化として捉える、静電結合方式のタッチセンサ等に応用することのできる静電検出装置および静電検出方法に関する。

人の指など浮遊容量を持つ物体が電極に接近すると、電極自体の見かけの静電容量や電極間の静電容量が変化することが知られている。これらの原理を応用して、物体の接近や位置などを検出する静電検出装置が実用化されている。

これらの静電検出装置では、図２に示すように、検出電極を有する電極パネル１１の各電極に充放電手段１２が繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行い、特性抽出手段１３で前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出し、得られた特性を累積アナログデジタル変換手段１４で累積してアナログデジタル変換し、後処理手段１５で前記累積アナログデジタル変換手段１４の出力から前記物体の接近や位置を求めていた。ここで、検出制御手段１７は、全体の状態およびシーケンスを管理するためのものである。

なお、繰り返される特性を累積して検出するのは、ノイズの影響を減衰させるためである。更に、例えば充電時の特性と放電時の特性を合成してノイズの影響を軽減する方法や、充放電における電流や電圧の特性を同一の周波数の三角波などで畳み込んで充放電と同一の周波数の成分のみを抽出する方法が例えば特許文献１において開示されている。
米国公開特許ＵＳ２００７／０２５７８９０Ａ１号

しかし、このように特定の周波数成分を抽出しながら複数回の特性を累積しても、例えば、ノイズの周波数が充電あるいは放電あるいは充放電の周波数に非常に接近している場合には、ノイズはほとんど減衰しない。

この課題を回避するために、３つの異なる周波数で検出を行い、値の近い２つの周波数に対応した検出値を平均する方法も、特許文献１にて開示されている。

しかし、この方法では、値の近い検出をする２つの周波数の方がノイズの影響を大きく受けている可能性もあり、必ずしも、ノイズの小さい周波数で検出するとは限らないという課題があった。

そこで、本発明による静電検出装置及びその方法では、可能な範囲で最もノイズの影響の小さい周波数で検出することを可能にする静電検出装置およびその方法を実現することである。

本発明による静電検出装置は、検出電極を有する電極パネルと、前記電極パネルの各電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う充放電手段と、前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段と、前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段と、前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理手段と、前記特性抽出手段の出力からノイズの影響の強さを検出するノイズ検出手段と、全体の状態とシーケンスを管理する検出制御手段とにより構成した。

また、本発明による静電検出方法は、検出電極を有する電極パネルの各電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う充放電工程と、前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出工程と、前記特性抽出工程で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換工程と、前記累積アナログデジタル変換工程の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理工程と、前記特性抽出工程の出力からノイズの影響の強さを検出するノイズ検出工程と、全体の状態とシーケンスを管理する検出制御工程とにより実現した。

本発明によれば、可能な範囲で最もノイズの影響の小さい周波数で検出することを可能にする静電検出装置およびその方法を実現することが出来る。

本発明の好適な実施例を、図１を基に説明する。

本発明による静電検出装置は、検出電極を有する電極パネル１と、前記電極パネルの各電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う充放電手段２と、前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段３と、前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段４と、前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理手段５と、前記特性抽出手段の出力からノイズの影響の強さを検出するノイズ検出手段６と、全体の状態とシーケンスを管理する検出制御手段７とにより構成した。

これより、各手段について、詳細に説明する。

ここで、電極パネルは、図５に例を示すように、指示基板上４１に相互に絶縁されて配置された検出電極でもある電極４２により物体の接近を検出する。物体が接近すると電極自体あるいは電極間の静電容量が変化する。充放電手段２では、電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う。特性抽出手段３は、充放電に同期して充放電の特性を抽出して、物体の接近の影響を抽出する。

これらの電極パネル１と充放電手段２と特性抽出手段３の具体的な構成には、様々なものが考えられ、以下に代表的なものについて説明する。

まず、ロード方式と呼ばれる電極パネルの電極自体の静電容量の変化を用いる手段について説明する。この場合では、単数または複数の電極が電極パネルに配置されており、個々の電極をスイッチとして用いたり、整然と配置してスライダーとして用いたり、あるいは２次元的に配置して接近物体の座標検出として用いたりすることができる。

この場合、充放電手段と特性抽出手段では、初期化した後に例えば一定時間定電流で充電するなど所定の電荷を充電して電極の電圧を測定したり、あるいは初期化した後に一定の電圧に到達するまでの低電流充電時間を測定したり、逆に一定の電圧を電極に印加した後に放電させて放電時に流れる電荷量を直接あるいは間接的に測定する手段を用いることが出来る。

次に、シャント方式と呼ばれる電極バネルの電極間の静電容量が物体の接近により変化する手段について説明する。この場合には、通常２次元的に配列された電極の一方の次元の電極を送信電極として所定の振幅の電圧変化を印加して、もう一方の電極を低インピーダンスにした受信電極として流れ込む電流を測定する。

さらに、本発明では、サーフェス方式と呼ばれる検出面全体にわたる長方形の電極の４隅から同一の交流電圧を印加して、各々の電流値を測定する手段も用いることが出来る。

このように特性抽出手段３で抽出された静電容量に対応する特性は、累積アナログデジタル変換手段４で、複数回の充放電に対応する特性を累積して、デシタル値に変換する。このため、累積アナログデジタル変換手段４は、累積手段８とアナログデジタル変換手段９とにより実現した。累積手段８は、ノイズを除去するために複数回の充放電に対応する特性を累積するためのもので、通常コンデンサに蓄積する。ここで演算増幅器などを用いて累積精度を向上させることが出来ることは言うまでもない。

累積されたコンデンサの電圧は、アナログデジタル変換手段であるアナログデジタル変換器によりデジタル値に変換される。

ただし、例えばシグマデルタ型のアナログデジタル変換器などにより累積しながらデシタル値に変換することにより、累積手段とアナログデジタル変換手段あるいは累積工程とアナログデジタル変換工程をまとめて実現することもできる。

後処理手段５では、累積アナログデジタル変換手段４からのデジタル値により電極バネルへの物体の接近や位置を求める。

例えば、後処理手段５では、まず必要に応じて、フィルタ処理等による更なるノイズの除去や、物体が接近していない場合の値をオフセットとして差し引くことにより物体の接近による静電容量の変化に対応した値に変換する。次に、この変化がある値より大きい場合に物体の接近として判定して、接近物体の位置を求める。

接近物体の位置を求めるために、前述のロード方式やシャント方式の場合には、例えば変化の最も大きい電極あるいは変化の最も大きい交点の電極間の近くに物体が接近しているものとした。また、周囲の電極あるいは周囲の交点の電極間の静電容量の変化を用いて加重平均により位置精度を向上させることができる。

サーフェス方式の場合には、４隅に印加する電流値の変化のバランスから物体の接近位置を求めるようにすれば良い。

検出制御手段７は、全体の状態とシーケンスを管理する。このため、前述の各手段の同期をとって整然と動作するように制御する。

以上に説明した電極パネルと充放電手段と特性抽出手段と累積アナログデジタル変換手段と後処理手段と検出制御手段は、従来の静電検出装置とほぼ同様のものである。本発明による静電検出装置では、さらに、特性抽出手段の出力によりノイズの影響の強さを検出するノイズ検出手段６を設け、ノイズの影響の小さい周波数で充電あるいは放電あるいは充放電を行えるようにした。

ノイズ検出手段６は、例えば図３に示すように、集約手段２１と前回保持手段２２と変化抽出手段２３とフィルタ手段２４とにより構成し、ノイズの強度を検出するようにした。

ここで、集約手段２１では、外部からのノイズは全ての電極に同様に印加されることが多いため、複数の電極に対応する特性抽出手段１３からの特性を集約するためのもので、必要に応じて設ければよい。例えば、抵抗を介して１つの信号にまとめて平均化したり、演算増幅器や演算等などにより合計したりするなどして集約することができる。

前回保持手段２２は、繰り返される充放電の例えば１回前の充放電に対応して集約された特性値を、サンプルホールド回路や記憶手段などにより保持する。

変化抽出手段２３は、今回の充放電に対応する特性値が前回保持手段２２で保持された特性値からどれだけ変化したかを抽出して変化量を出力する。このため、変化抽出手段２３は、減算手段２５と絶対値演算手段２６とにより実現して、変化の絶対値を変化量として抽出するようにしたが、この限りでなく、特性値の変化の程度がわかる値を変化量として抽出するようなものであればどのような手段を用いても良い。

フィルタ手段２４では、変化抽出手段または変化抽出工程で繰り返される充放電に対応して繰り返し抽出した値を、例えばフィルタリングするなどして、平均的なノイズの強度を得る。

また、次回の充放電での変化を抽出するために今回の充放電に対応した特性値を前回保持手段２２で保持しておくように更新する。

以上に説明した手段により、本発明による静電検出装置では、例えば図４に示すように、検出対象の物体の接近検出に先立って、前記充電あるいは放電あるいは充放電および特性抽出およびノイズ検出を複数の周波数で行い、各周波数における前記ノイズ検出手段の検出するノイズの強さにより、接近対象の物体を検出するための充電あるいは放電あるいは充放電の周波数を予め決定する。但し、検出対象の物体の接近検出ごとに必ずしも周波数の選択を行う必要はなく、各々適当なタイミングで行えばよいことは、言うまでもない。

ここで、充電あるいは放電あるいは充放電の周波数は、充分早い高速の源発振を分周する比率を変えたり、充分早い高速の源発振によるステートマシンに挿入するウエイトの時間を変えたりすることにより実現したが、充放電の周波数を変えることのできる方法であれば、どのような方法を用いても良い。

また、ノイズの強さが同じでもノイズと充放電との位相関係によりノイズの影響の受け方が変わるため、ノイズの強さの検出は数回行って、例えばそれらの合計値により実際に物体の検出に用いる充放電の周波数を決定するようにした。

接近物体を検出するための周波数の決定方法を、図６を例に説明する。図６はノイズのスペクトルを模式的に示しており、縦軸はノイズレベル、横軸は周波数である。例えば予め測定した各周波数の中で最もノイズの強さが小さい周波数に設定しても良い。例えば、１ＭＨｚのノイズ源が近くにあって、充放電の周波数が1ＭＨｚでのノイズの強さが１０で、１．１ＭＨｚでのノイズの強さが３で、０．９ＭＨｚでのノイズの強さが２の場合には、０．９ＭＨｚを選択する。あるいは、ノイズの強さが許容上限値を超えないある許容範囲に収まる周波数の中で、最も高い周波数を選択して、検出速度を早くするように設定しても良い。このように、接近物体を検出するための周波数の決定方法は、各周波数におけるノイズの強さを用いて望ましい周波数を選択するものであれば、どのような方法を用いても良い。

検出対象の物体の接近を検出する場合は、前述の方法で予め定められた周波数で行う。特性抽出手段では、ノイズの影響を回避するために、例えば充電時の特性と放電時の特性を合成してノイズの影響を軽減したり、充放電における電流や電圧の特性を同一の周波数の三角波などで畳み込んで充放電と同一の周波数の成分のみを抽出したりする方法などにより、充放電の周波数以外のノイズの影響を抑えることが出来るため、複数の周波数の中からノイズの小さい周波数として選択された周波数を用いれば、ほぼノイズの影響のない安定した検出が可能になる。

充放電周波数を選択するための全体の動作のステータスやシーケンスは、検出制御手段で行うようにしたが、この限りではなく、個々の手段においてできるものは、個々の手段でおこなっても良いことは言うまでもない。

以上に示したように、本発明による静電検出装置およびその方法では、ノイズの影響の小さい周波数を選んで充放電を行うことにより、ほとんどの場合にノイズの影響を受けずに検出することが出来る。

本発明に係る静電検出装置の第１の実施例を示すブロック図従来の静電検出装置のブロック図本発明に係るノイズ検出手段のブロック図本発明に係る検出フロー図本発明に係る検出パネルの構成図本発明の動作を示す概念図

符号の説明

１電極パネル、２充放電手段、３特性抽出手段、
４累積アナログデジタル変換手段、５後処理手段、６ノイズ検出手段、
７検出制御手段、８累積手段、９アナログデジタル変換手段、
２１集約手段、２２前回保持手段、２３変化抽出手段、２４フィルタ手段、
２５減算手段、２６絶対値演算手段、４１支持基板、４２電極

Claims

人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出装置であり、
単数または複数の検出電極を有する電極パネルと、
前記電極パネルの各電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う充放電手段と、
前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段と、
前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段と、
前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理手段と、
前記特性抽出手段の出力に含まれるノイズの強さを検出するノイズ検出手段と、
全体の状態及びシーケンスを管理する検出制御手段と、
を有することを特徴とする静電検出装置。
前記ノイズ検出手段が、
前記特性抽出手段の出力する充放電の特性を保持する前回保持手段と、
前記充放電の特性と前記前回保持手段の出力から前記充放電特性の変化を抽出する変化抽出手段と、
前記変化抽出手段からの複数サイクルに対応する充放電特性の変化からノイズの強さを検出するフィルタ手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
前記変化抽出手段が、
前記充放電の特性と前記前回保持手段の差を演算する減算手段と、
前記減算手段の出力の絶対値を演算する絶対値演算手段と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の静電検出装置。
前記異常検出手段が、前記特性抽出手段の出力する前記複数の電極に対応した充放電の特性を集約する集約手段を有することを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
検出対象の物体の接近検出に先立って、前記充電あるいは放電あるいは充放電を複数の周波数で行い、前記ノイズ検出手段の検出するノイズの強さにより、接近対象の物体を検出するための充電あるいは放電あるいは充放電の周波数を決定することを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出方法であり、
単数または複数の検出電極を有する電極パネルの各電極に繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電を行う充放電工程と、
前記物体の接近により変化する前記充電あるいは放電あるいは充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出工程と、
前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換工程と、
前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理工程と、
前記特性抽出手段の出力に含まれるノイズの強さを検出するノイズ検出工程と、
を有することを特徴とする静電検出方法。
前記ノイズ検出工程が、
前記特性抽出手段の出力する充放電の特性を保持する前回保持工程と、
前記充放電の特性と前記前回保持手段の出力から前記充放電特性の変化を抽出する変化抽出工程と、
前記変化抽出手段からの複数サイクルに対応する充放電特性の変化からノイズの強さを検出するフィルタ工程と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の静電検出方法。
前記変化抽出工程が、
前記充放電の特性と前記前回保持手段の差を演算する減算工程と、
前記減算手段の出力の絶対値を演算する絶対値演算工程と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の静電検出方法。
前記異常検出手段が、
前記特性抽出手段の出力する前記複数の電極に対応した充放電の特性を集約する集約工程を有することを特徴とする請求項６に記載の静電検出装置。
検出対象の物体の接近検出に先立って、前記充電あるいは放電あるいは充放電を複数の周波数で行い、前記ノイズ検出工程の検出するノイズの強さにより、接近対象の物体を検出するための充電あるいは放電あるいは充放電の周波数を決定することを特徴とする請求項６に記載の静電検出方法。