JP2968294B2

JP2968294B2 - 光学タッチ入力装置

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Publication number: JP2968294B2
Application number: JP1508260A
Authority: JP
Inventors: ウェーラー，ウエイン，ジョゼ
Original assignee: AMP Inc
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1999-10-25
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: EP0389581A1; KR900702478A; WO1990003014A1; DE68918581D1; US4988983A; DE68918581T2; EP0389581B1; JPH03501071A; KR0128736B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明はタッチ入力装置、特にビデオ表示器の表示領
域外周に配置した複数対の発光器（LED）および光検出
器（フォトトランジスタ）を使用し、指等の位置情報を
検知入力する光学タッチ入力装置に関する。

ビデオ表示器が長く使用され、かつ広く使用されるよ
うになるとともに、人と機械のインターフェイスの問題
があった。従来、表示される情報またはカーソルはキー
ボードを用いて制御されていた。しかし、最近、いくつ
かの装置によりオペレータがビデオ表示器と直接に相互
作用（対話）できるようになっている。それらの装置は
ライトペン、机上型マウス制御器、またはスイッチマト
リックスやオプトエクトロニックスマトリックスのよう
なタッチ入力装置を含んでいる。ビデオ表示器の近くに
置かれたスイッチ型オーバーレイは応用と利用には一般
的には安くつくが、接触により摩耗しやすく、観察する
人またはオペレータに提示されるビデオ情報を歪ませ、
とくに、高度の使用を含む状況においてはビデオ情報を
歪ませる。全体として赤外線領域にある光を用いるオプ
トエクトロニックスマトリックス技術は観察する人また
はオペレータには見えないマトリックスを構成するか
ら、表示されるビデオ情報は歪ませることはなく、その
ために、高度の使用環境において摩耗させられることは
ない。オプトマトリックスフレームを利用する装置はこ
の技術分野において周知である。そのような装置の例に
は、1951年５月12日にキャロル（Carrol）他へ発行され
た「フォトエレクトリック・インプット・アパレイタス
（Photoelectric Input Apparatus）」という名称の米
国特許第4,267,443号が含まれる。

そのような装置の使用に伴う問題は、使用する部品の
数および周囲光補償を対応した増加させたり、発光器／
検出器の駆動回路網および検出回路網を最適化するよう
なことである。しかし、それらの装置には依然としてあ
る種の欠陥がある。多数の部品を用いるとコストが上昇
する結果となる。また、ある装置は反射またはぎらつき
の補償が困難であることを示している。そうすると、時
にはタッチすなわち当ったことを装置が検出することに
失敗する結果となる。

発光器と光検出器をアドレッシングおよび標本化する
ために必要な部品の数を最小にするタッチ入力装置を有
することが一般に望ましい。また、周囲光の影響と、発
光器の光出力よおび検出器の感度の変化を動的に補償す
る装置も望ましい。しかし、同時に、最小数の部品を採
用すべきである。したがって、本発明の目的は、照射さ
れる場を囲む光検出器と発光器を正確にアドレッシング
および標本化するために必要な部品の数を最小にする、
そのような装置用のタッチ入力装置および回路を得るこ
とである。

他の周囲光補償装置は、赤外線発光ダイオード（LE
D）により発生された光の強さを周囲光の強さより大き
くするために、LEDのような発光器を駆動するために多
量のエネルギーを必要としている。そのようなやり方は
高度な発光素子と光検出素子を使用する必要がある。ま
た、そのようなやり方は、より高い性能のLEDとフォト
トランジスタを正常な動作範囲の外側で動作させること
も要する。

本発明の目的は、照射されている場内の要素の存在の
判定の確度と信頼度を高くするために、周囲の影響によ
り生ずる信号を予め選択したレベルに選択的に保持する
帰還ループを利用する、そのような装置のためのタッチ
入力装置および回路を得ることである。

本発明の別の目的は、ほぼ長方形の枠を有し、この枠
の側方に発光器と光検出器が配置され、かつ、光検出器
と発光器を順次標本化および起動する装置を含み、その
ような装置のための実用的なタッチ入力装置を得ること
である。

本発明の別の目的は、光パルスを利用し、かつ検出す
ることによりタッチ入力装置における周囲光の問題を解
決するために、そのような装置のための、費用の面で効
果のあるタッチ入力装置および回路を得ることである。

本発明の更に別の目的は、最小数の部品および最低の
コストで容易に製造および製作され、周囲光の影響を補
償する、そのような装置のためのタッチ入力装置および
回路を得ることである。

米国特許第4,243,879号は周囲光を標本化するタッチ
パネルを開示している。この装置は、複数の光検出器の
各光検出器の周囲出力レベルを標本化する標本化手段を
含む。周囲光を表す信号を一時的に保持するために記憶
装置が用いられる。それから、対応する赤外線源により
照射された同じ検出器から受けた信号について比較が行
われて、付加光を検出する。付加光が検出されないとす
ると、赤外線ビームを阻止する不透明な要素の存在によ
る当りが検出される。

しかし、米国特許第4,243,879号に用いられている装
置は、本発明の特徴でないある欠点を有する。この従来
の装置で正確な標本化を行うことは困難である。起動さ
れた信号から周囲光信号を差引くためには、高精度の抵
抗を用いなければならない。したがって、取扱うことが
できる周囲光の量に対する制限に遭遇することが、差引
きにおけるオフセットと誤りのために容易にされるか
ら、取扱うことができる周囲光の範囲には制限がある。
本発明では、周囲光を零にするためにサーボループが用
いられる。このサーボループは増幅器の全ての段の周囲
に取付けられ、全てのオフセットと、回路の抵抗または
コンデンサの種類の誤差を零にできる。これにより、周
囲光に加えて回路中の全ての要因を補償する。したがっ
て、従来の技術で可能であったものよりはるかに高い利
得レベルで増幅器を使用できる。これによりフロントエ
ンドをはるかに低い利得で送ることができるようにさ
れ、それによって周囲信号へより広いダイナミックレン
ジを与える。フロントエンドの利得が低くなると、取り
扱うことができる周囲光が一層大きくなる。そうすると
フロントエンドにおける信号の振れを、本発明の好適な
実施例により、プログラム可能な増幅器を含んでいるサ
ーボループにより補償できる。以前は、周囲信号および
起（駆）動された信号の標本化が、利得が加えられる前
に行われ、それは、米国特許第4,243,379号に開示され
ている従来の装置における２種類の抵抗値の比較を必要
としていた。したがって、抵抗値に誤差があると以後の
信号増幅により増大されていた。本発明においては、周
囲信号に対応するベースライン信号がアースにある。そ
のアースは、本発明の好適な実施例を構成するタッチ入
力制御器において採用されるアナログ−デジタル（A/
D）変換器が接続される場所である。

ホストコンピュータ用の出力装置として用いられるCR
Tスクリーンのような視覚的表示器に用いるタッチ入力
装置を開示する。したがって、本発明の好適な実施例に
おいて開示されるタッチ入力装置により、視覚的表示器
との相互作用よって、ホストコンピュータへ入力させる
ことができる。このタッチ入力装置は、好適な実施例に
おいて用いられる発光ダイオードとフォトトランジスタ
のような、複数対の発光器と光検出器を有する。それは
視覚的表示器にわたる光ビームを形成する。発生器と検
出器は順次作動させられる。不透明な針による個々のビ
ームの遮断は、検出器の出力を監視することにより検出
される。この信号は、部品が変化することがあることを
考慮に入れるためにセットできるプログラム可能な増幅
器を含んでいる帰還ループへ供給される。そうすると、
各光ビームによって誘起させられた信号を、周囲条件と
タッチ入力装置の部品の変化することがあることにより
生ずる信号とを区別できるように、発光器が動作してい
ない時に基準レベルを設定できる。

以下、添附図面を参照して本発明を例により説明す
る。

第１図は本発明を採用するタッチ入力装置が採用され
た時に、オペレータが視覚的表示器と直接インターフェ
イスするやり方を示し、第２図は発光ダイオードのような発光器と、光検出
器、この場合にはフォトトランジスタ、を視覚的表示器
または照射される場の周囲に配置するやり方を示し、第３図は本発明の好適な実施例を含むシステム制御器を
示すブロック図、第４図はフォトトランジスタとインターフェイスするた
めに用いられる、演算増幅器をベースとする光電流−電
圧変換器を示し、第４図Ｂ図は本発明の好適な実施例で用いられる低域
フィルタを示し、第５図は周囲光の影響を打消すために用いられる、チ
ョッパーで安定にされた、周囲光補償プログラム可能な
利得増幅器またはサーボ増幅器を示し、第６図はここで用いられるプログラム可能な利得増幅
器を示し、第７図および第８図は２つの周囲条件についてのサー
ボ増幅器への信号入力の捕えられたオッシロスコープ表
示波形を示し、第９図は第８図の信号の上に示されている高い周囲光
状態に対して積分器の出力端子における帰還電圧を示
し、第10図および第11図はプログラム可能な利得制御を有
するプログラム可能な増幅器と、プログラム可能な利得
制御がない場合プログラム可能な増幅器の出力とを詳し
く示し、第12図および第13図は、制御サイクルの種々の部分中
の動作を示すために種々の時間的展開における出力を示
す。

第１図は、パーソナルコンピュータのようなホストコ
ンピュータと共に用いられるCRTに表示されている情報
に、オペレータがどのようにして直接相互作用（対話）
できるかを示す。本発明の好適な実施例は、アイビーエ
ム（IBM）PCのようなパーソナルコンピュータへ実時間
入力を供給することを意図するものである。したがっ
て、この装置は、実時間入力情報をホストコンピュータ
へ直接送る手段を有する。しかし、本発明は入力情報を
処理するようにさせることができることを理解すべきで
ある。それから、その入力情報をRS232型インターフェ
イスを介してホストコンピュータ通常のやり方で入力で
きる。

第１図に示すように、オペレータ65は、スクリーン52
上の特定の場所に直接触れるだけで、スクリーン上に情
報を表示するCRT 50と相互作用できる。赤外線発光ダイ
オードと、フォトトランジスタのような検出器を、複数
の赤外線ビームが表示領域52を走査するように、表示領
域52の周縁部に配置されているベゼルすなわち枠60内に
通常のやり方で設けることができる。オペレータが彼の
指58を表示領域52の上の特定の場所に置くと、整列させ
られている発生器と検出器間の１本または複数のビーム
が遮断される。それから、オペレータの指58の特定の場
所がホストコンピュータ70へ送られる。更に一般的に
は、本発明は、オペレータの指58または別のとがった物
のような不透明な要素が、対応する個々の光検出器に整
列させられているフォトトランジスタのような個々の発
生器で照射されている表示スクリーン52のような周縁部
の周囲に、発光器を位置させることにより形成された照
射される場の中に配置された時に検出できる。

第２図は、照射される場52の周縁部に配置されている
発光器のアレイと光検出器のアレイを示す。ここに示さ
れているように、タッチ入力装置は、CRTの表示器に用
いられた時に、このようにして構成され、発光器の２つ
の直交アレイと光検出器の２つ１直交アレイが長方形表
示領域52の辺に沿って配置される。発光ダイオードとフ
ォトトランジスタはそのようなタッチ入力装置に一般に
用いられるが、他の発光器と光検出器を適当に用いるこ
とができることを理解すべきである。ここに示すよう
に、発光ダイオード（LED）のＹアレイ、Y₁〜Y_N、が、
表示領域すなわち照射されている場52を囲む枠60の左に
沿って配置される。発光ダイオードの類似のアレイ、X₁
〜X_N、が枠60の底に沿って配置される。X₁−X₁、X₂−
X₂、Y₁−Y₁、Y₂−Y₂、のような個々の対応するLEDとフ
ォトトランジスタが整列させられるように、枠60の上部
に沿って位置させられるフォトトランジスタのアレイY₁
〜Y_Nが配置される。したがって、X₁のような個々の発光
器により光が発生されると、この光は整列させられてい
る対応するフォトトランジスタX₁に入射する。しかし、
個々のLEDまたは別の発光器により発生された光は整列
させられている対応する光検出器ばかりでなく、隣接す
る光検出器にも入射する。発生器−検出器対X₁の間の中
心線62に沿って発生された光は検出器X₁に入射するが、
従来の発光器の分散角度内で線64に沿って発生された光
は隣りのフォトトランジスタX₂に入射することに注目さ
れたい。66および68で示されている光は枠60の側方へも
入射して、実際的なタッチ入力装置においつぎらつきと
反射の問題を引き起こす。１つの発光器により発生され
た光が対応する光検出器、すなわちフォトトランジス
タ、X₁−X₁、によってのみ検出されて、X₂のような隣り
の光検出器によっては検出されないようにする一般的な
方法は、発光器を順次起動させ、フォトトランジスタの
アレイを順次走査することである。いいかえると、１つ
の発光器が起動させられて光を発生すると、整列させら
れたフォトトランジスタのみが駆動され、隣接するフォ
トトランジスタは駆動されない。したがって、フォトト
ランジスタX₁が起動させられて入射光を検出すると同時
に発光ダイオードX₁の起動が行われる。LED X₁からの光
も入射する隣りのフォトトランジスタX₂は、LED X₁が起
動させられている期間中は動作させられない。発光ダイ
オードとフォトトランジスタのこの順次起動により、整
列させられているLEDとフォトトランジスタの間に位置
させられている不透明な要素の存在を正確に検出でき
る。場の中に配置された不透明要素（例えば指）により
阻止されていない隣接LEDからの光は、阻止されている
フォトトランジスタを起動することはない。その理由
は、この阻止されているフォトトランジスタの駆動期間
中に同時に隣接するLEDが駆動されることはない為であ
る。発光器と光検出器のとの順次起動は、従来の多重化
技術により、１秒間当り少なくとも20回の走査速度が行
われる。

第３図のブロック図、個々の発光ダイオードと個々の
フォトトランジスタを走査モードで起動させ、かつフォ
トトランジスタからの出力信号を検出および処理し、走
査サイクル中にフォトトランジスタにより検出された周
囲光の影響を補償するために用いられる制御器の重要な
素子を示す。このシステム制御器の部分である各種の部
品は80C31型マイクロプロセッサ101の制御下にある。27
64型EPROM 104は、システムのオペレーティングコード
を含む電気的にプログラム可能な読出し専用メモリであ
る。したがってそれはシステムのためのフォームウェア
を構成する。特定のシステムのための変数が6234型ラン
ダムアクセスメモリ103に格納される。本発明の好適な
実施例においては、マイクロプロセッサ101とEPROM 102
の間の通信が、ここで用いられるマイクロ制御器の多重
化されたアドレス／データバスの多重化を元に戻すため
に用いられる74HC373型により容易にされる。93C46型電
気的に消去可能でプログラム可能な読み出し専用メモリ
104にパラメータをロードすることにより、この回路を
種々のサイズの製品に個々に合わせるためにそのEEPROM
104が用いられる。ロードされるパラメータの例が発光
器・光検出器対とシステム利得レベルのＸ軸数とＹ軸数
を含む。

LEDおよびフォトトランジスタアレイとマイクロプロ
セッサ101の間の通信はバス105と、74HC377型８ビット
レジスタ106を介して行われる。LEDは2585型ドライバ10
7により74HC138型３線−８線デコーダ108を介して、お
よび74LS145型ドライバ109により起動させられる。フォ
トトランジスタは4051型ドライバ110と74LS145型ドライ
バ111により起動させられる。

フォトトランジスタのＸアレイとＹアレイからの出力
信号は、演算増幅器をベースとする光電流が介して、第
4A図に詳しく示されている電圧変換器へインターフェイ
スされる。フォトトランジスタの走査サイクル中に、１
つの演算増幅器112が個々の各フォトトランジスタへ順
次接続される。このインターフェイスにより動作インピ
ーダンスが比較的低くされ、ノイズ性能が良くされ、装
置の整合を良くするためのフォトトランジスタの動作電
圧が一定にされる。フォトトランジスタのコレクタが演
算増幅器の仮想アース入力端子を駆動するという事実に
より、比較的低い動作インピーダンスが得られる。この
構成は演算増幅器の同相分除去比を利用するから、電源
ノイズ除去が良好である。ここで示す好適な実施例にお
いては、演算増幅器中のバイアスのためにフォトトラン
ジスタのコレクタ−エミッタ電圧が一定となるから、負
入力は閉ループ帰還により正入力における２ボルトに等
しく保たれる。フォトトランジスタの強い周囲光により
電圧の振れが演算増幅器の出力を飽和させないようにす
るために、電流−電圧変換器の帰還抵抗が低く維持され
る。電圧のそれらの振れは後で信号処理チェーンにおい
て補償される。

演算増幅器をベースとする光電流−電圧変換器の出力
は次に低域フィルタ113を通る。本発明の好適な実施例
においては、妨害するRFIノイズの影響を減少させるた
めに、第4B図に示されている第４種の低域フィルタが用
いられる。このフィルタは、電気的にノイズの多いプラ
ズマ表示器における信頼性できる動作を行わせるように
含まれた。タッチ信号のパルスの形を維持しながら、高
い周波数を厳しく制限するためにそれは設計される。プ
ラズマパネルの非常に近くで動作するためにRFIシール
ドを使用することが推奨される。本発明の好適な実施例
においては、通過周波数は約15KHzに制限される。動作
環境に応じて、ノイズレベルが許すならば、このフィル
タを第２種低域フィルタ縮減できる。

タッチ信号が低域フィルタ113を通った後で、周囲光
の影響と増幅器のオフセットの補償が、チョッパで安定
にされた周囲光補償プログラム可能な利得増幅器、また
はサーボ増幅器、帰還ループ114により行われる。この
閉ループサーボ増幅器114が第５図により詳しく示され
ている。低域フィルタ113からの信号は加算増幅器115へ
まず入力される。この加算増幅器は入力信号から帰還信
号をまず差し引くと同時に、両方の信号へ利得係数が加
える。それから、帰還ループ内の加算増幅器115の出力
端子へ接続されているプログラム可能な増幅器116へ信
号は入力される。そうすると、回路の全利得は加算増幅
器の利得と、プログラム可能な利得増幅器116の電流設
定との積である。プログラム可能な利得増幅器116の利
得を設定するやり方なついては第６図を参照して説明す
る。

LEDが起動されていない全ての時間中は帰還ループは
閉じられる。この時間中は積分器117が閉ループ中で動
作して、A/D変換器への出力を、入力電圧と、増幅器の
オフセット電圧の変化とは独立に零ボルトへ駆動いす
る。LEDが起動されている時間中は、/LED ENABLEにより
制御されるスイッチ118が開かれる。この時間中は積分
器117が保持回路として動作して最後に修正された値を
維持する。LEDが加算およびプログラム可能な利得増幅
器を修正されずに通るように、この時間中は増幅器の動
作についての付加修正は行われない。ベースライン修正
により、LED信号を読取るA/D変換器に対する理想的な基
準レベルが得られる。この構成により、各発光器・光検
出器対に対して（ファームウェアのオーバーヘッドなし
に）個々に修正できる。この修正は装置ごとの周囲信号
の変動を認めるのとは独立である。

第６図は、本発明の好適な実施例に用いれるプログラ
ム可能な利得増幅器の詳しい図である。この増幅器116
をそれぞれ４つの利得ステップサイズの256の個々の利
得設定に設定できる。7524型デジタル−アナログ（D/
A）変換器119が2256ステップを生ずるための制御素子と
して用いられる。D/A変換器119の基準電圧入力がタッチ
信号のための入力として用いられる。４種類の設定にお
いて素子の全体の利得を換えるために4052型アナログス
イッチが用いられる。回路伝達のためには式は出力＝（30000/4700＋１）☆（D/A変換設定値/256）である。この式は4052型アナログスイッチ120に4700オ
ームの抵抗が選択されたと仮定している。

この制御器のより広い可能な応用を許すために、ソフ
トウェアが選択できるステップサイズ制御が、256のプ
ログラム可能利得ステップ主素子へ付加されている、第
４ステップ制御により256ステップ素子の位置ぎめを最
適にしてダイナミックレンジを保つ。それは、フレーム
のサイズと、ＸディメンジョンとＹデイメジョンの間の
差を調節するために用いれる。マイクロ制御器が加えた
値PGAINAたPGAINBを介してステップサイズが選択され
る。

TLC 549型A/D変換器121へ加えられる電圧が、プログ
ラム可能な増幅器116の出力と、信号処理チェーンの初
段出力との間で切換えられる。強すぎる光条件が無効な
タッチ測定をフラッグすることがあるように、これは実
際の周囲条件を測定できるようにする。それから、A/D
変換器121の出力が74HC299型直列−並列変換器122を介
してバス123へ、したがってマイクロプログラム101へ送
られる。個々のフォトトランジスタからの順次信号が、
対応する光ダイオードからの順次信号に応答して、チョ
ッパにより安定化され、周囲光を補償する同じプログラ
ム可能な利得増幅器を順次通った。この利得増幅器は、
米国特許第4,684,801号に記載されているように個々の
発光器・光検出器対に対する信号を予め調整する。その
米国特許は参考のためにここに含める。不透明な要素に
よる個々のビームの遮断に対応する有効なタッチ入力信
号をいまはマイクロプロセッサで検出でき、この入力情
報を供給する信号をホストコンピュータへ供給できる。

第７〜13図は、周囲光およびその他の周囲の変数とノ
イズの補償をどのようにして行うことができるかを示す
信号を示す。第７図と第８図は、２種類の周囲光条件に
ついてのサーボ増幅器への信号入力の捕えられたオッシ
ロスコープ測定波形図である。第７図は低い周囲条件に
対するものであり、第８図は高い周囲条件（9000フート
キャンドル）に対するものである。横軸は時間であり、
経過時間（秒）はある数の発光器・光検出器対の起動に
対応する。発光器・光検出器対の間の周囲条件によるDC
差は高い周囲において明らかである。第９図は、第８図
に示されている高い周囲光条件に対する積分器117の出
力端子における帰還電圧を示す。それから、この帰還信
号は加算増幅器115へ加えられて周囲条件を補償する。
第10図と第11図は、プログラム可能な利得を加えられた
プログラム可能な増幅器116の出力と、プログラム可能
な利得が加えられないプログラム可能な増幅器116の出
力とを詳しく示す。第10図は、プログラム可能な利得を
加えることにより、赤外線ビームの検出による出力、い
いかえるとビームは、照射される場の中すなわち視覚的
表示器に不透明な要素の存在により遮断されないことを
示す。プログラム可能な利得のないプログラム可能な増
幅器からの出力と比較すると、周囲条件による変動と光
素子の違いによる変動にもかかわらず、種々のフォトト
ランジスタに対する出力信号はほぼ一定であることが明
らかである。第12図と第13図は、制御サイクルの種々の
部分中における挙動をより良く記録するために、種々の
時間拡張におけるこの信号を示す。第13図はタッチ信号
と、周囲補正サーボループによるトランジェントを明ら
かに示す。

以上の説明から理解される如く、本発明の光学タッチ
入力装置は、光検出器の検出電流を電圧変換した後、A/
D変換器に入力する前に閉ループサーボ増幅器を使用す
ることを特徴とする。かかる構成により、第10図のオッ
シロスコープ波形図に示す如く、多数の発光器および光
検出器の非駆動時の信号レベルを基準レベル（０ボル
ト）とし、駆動時の出力信号を、不透明要素によるタッ
チがない限り略一定値とすることが可能となり、周囲光
はもとより各発光器および光検出器の特性のばらつきお
よび特性劣化等に影響されることなく極めて正確且つ高
信頼性の光学タッチ入力装置が得られるという実用上の
顕著な効果が得られる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ビデオ表示器の外周に沿ってそれぞれ対向
して配置された複数対の発光器および光検出器を順次間
欠的に操作駆動して、前記光検出器の出力を増幅した後
にA/D変換器でデジタル変換して前記発光器の出力ビー
ムが不透明要素により遮断されたか否かを判断する光学
タッチ入力装置において、前記光検出器の出力電流を電圧変換器で電圧信号に変換
した後閉ループサーボ増幅器を介して前記A/D変換器に
入力し、前記閉ループサーボ増幅器は、前記電圧変換器からの前
記電圧信号が一方の入力端に入力される加算増幅器、該
加算増幅器の出力側に接続されたプログラム可能な増幅
器、該プログラム可能な増幅器および前記加算増幅器の
他方の入力端に接続された積分器を含み、該積分器は、一方の入力端に前記発光器の駆動に対応し
た開閉するスイッチを有し、該入力端と出力端間にコン
デンサを含み、他方の入力端が基準電圧源に接続される
ことを特徴とする光学タッチ入力装置。