投影型静電容量式タッチスクリーン構造
典型的な投影型静電容量センサーは、ガラスまたはプラスチックのカバーの下に取り付けられています。 図1に、2層センサーの簡略化した側面図を示します。 エミッタ（Tx）およびレシーバ（Rx）電極は透明な酸化インジウムスズ（ITO）に接続され、クロスマトリックスを形成します。 各Tx-Rxノードには固有の容量があります。 Tx ITOはRx ITOの下にあり、ポリマーフィルムまたは光学接着剤（OCA）の層で分離されています。 図に示すように、Tx電極の方向は左から右であり、Rx電極の方向は外側から内側です。
センサーの動作原理
現時点では干渉要因を考慮せずに、タッチスクリーンの動作を分析してみましょう。オペレーターの指はジオポテンシャルとしてラベル付けされています。 Tx電圧は可変ですが、Rxはタッチスクリーンコントローラー回路を介して接地電位に維持されます。 Tx電圧の変化により、電流がTx-Rxコンデンサを通過します。 慎重にバランスのとれたRx集積回路は、Rxに入る電荷を分離して測定します。 測定された電荷は、TxとRxを接続する「相互容量」を表します。
センサーの状態：触れられていない
図2に、触れていない状態の磁力線の概略図を示します。 指の接触がない場合、Tx-Rx磁力線はカバーのかなりのスペースを占有します。 「投影静電容量」という用語は、エッジの磁力線が電極構造の外側に投影されているという事実に由来しています。
センサーの状態：タッチ
指がカバーに触れると、図3に示すように、Txと指の間に磁力線が形成され、多数のTx-Rxエッジ磁場が置き換えられます。このように、指のタッチによりTx-Rx相互容量が減少します。 電荷測定回路は、変化する静電容量（Delta C）を認識し、Tx-Rx接合部の上の指を検出します。 Tx-RxマトリックスとデルタCのすべての交点を測定することにより、パネル全体のタッチ分布を取得できます。
図3は、もう1つの重要な効果も示しています。指とRx電極間の容量結合です。 このパスを介して、電気的干渉がRxに結合される場合があります。 ある程度の指とRxの結合は避けられません。
特別な用語
投影型静電容量式タッチスクリーンの干渉は、無感覚な寄生パス結合によって発生します。 「グランド」という用語は通常、DC回路の基準ノードまたは大地への低インピーダンス接続のいずれかを指すために使用されます。これらは同じ用語ではありません。 実際、ポータブルタッチスクリーンデバイスの場合、この違いがタッチカップリング干渉の根本的な原因です。 混乱を明確にして回避するために、次の用語を使用してタッチスクリーンの干渉を評価します。
アース：たとえば、3穴AC電源コンセントのアース線を介してアースに接続します。 分散地球：オブジェクトと地球間の静電容量接続。
DCグラウンド：ポータブルデバイスのDC基準ノード。
DC電源：ポータブルデバイスのバッテリー電圧。 または、USBインターフェイス充電器の5V Vbusなど、ポータブルデバイスに接続された充電器の出力電圧。
DC VCC（DC VCC電源）：ポータブル電子デバイス（LCDおよびタッチスクリーンコントローラーを含む）用の安定した電圧供給。
ニュートラル：AC電源回路（公称ジオポテンシャル）。
ホット：AC電源電圧、相対ゼロ線は電気エネルギーを適用します。
タッチスクリーン受信回路に結合されたLCD Vcom
ポータブルデバイスのタッチスクリーンは、LCDディスプレイ画面に直接インストールできます。 典型的なLCDアーキテクチャでは、液晶材料は透明な上部電極と下部電極によってバイアスされます。 下部電極は、ディスプレイ画面の単一ピクセルの数を決定します。 上部共通電極は、電圧Vcomでバイアスされたディスプレイ画面の視覚的なフロントエンド全体を覆う連続した平面です。 一般的な低電圧ポータブルデバイス（携帯電話など）では、AC VCOM電圧はDCと3.3Vの間で前後に振動する方形波です。 通常、AC Vcomレベルは表示ラインごとに1回切り替えられるため、生成されるAC Vcomの周波数は、表示フレームのリフレッシュレートと行数の積の1/2です。 一般的なポータブルデバイスのAC Vcom周波数は15 kHzです。 図4は、タッチスクリーンに結合されたLCD Vcom電圧を示しています。
2層タッチスクリーンは、誘電体層で分離されたTxおよびRxアレイで覆われた別個のITO層で構成されています。 TxラインはTxアレイ間隔の幅全体を占有し、製造に必要な最小間隔のみがライン間で分離されます。 このアーキテクチャは、TxアレイがRxアレイをLCD Vcomからシールドするため、自己シールドと呼ばれます。 ただし、Txバンドの空間を介して結合が発生する場合があります。
アーキテクチャのコストを削減し、透過性を向上させるために、シングルレイヤータッチスクリーンは、TxおよびRxアレイを単一のITOレイヤーにインストールし、アレイを個別のブリッジで順番に接続します。 したがって、TxアレイはLCD VcomプレーンとセンサーRx電極の間にシールド層を形成できません。 これにより、深刻なVcom干渉結合が発生する可能性があります。
充電器の干渉
タッチスクリーンの干渉のもう1つの潜在的な原因は、給電式携帯電話充電器のスイッチング電源です。 図5に示すように、干渉は指を介してタッチスクリーンに結合されます。通常、小型携帯電話充電器にはAC電源とゼロ入力がありますが、グランド接続はありません。 充電器は安全に絶縁されているため、電源入力と充電器の二次コイルとの間に直流接続はありません。 ただし、これはスイッチング電源絶縁トランスを介して容量結合を生成します。 充電器は、画面に指で触れることで戻り経路を妨害します。
注：この場合、充電器の干渉とは、接地に対するデバイスの印加電圧を指します。 この種の干渉は、DC電源とDCグラウンドで同等であるため、「コモンモード」干渉と呼ばれる場合があります。 DC電源とDCグランド間のスイッチングノイズが適切にフィルタリングされていない場合、タッチスクリーンの通常の動作に影響する可能性があります。 この電源除去比（PSRR）の問題は別の問題であり、このペーパーでは説明しません。
充電器結合インピーダンス
充電器のスイッチング干渉は、トランスの1次および2次巻線の漏れ容量（約20pF）結合によって発生します。 この弱い容量結合は、充電器ケーブルと受信デバイス自体の比較的分散した領域にある寄生シャントコンデンサによって補償できます。 デバイスがピックアップされると、並列容量が増加します。これは通常、充電器のスイッチ干渉を排除し、タッチ操作に影響を与える干渉を回避するのに十分です。 ポータブルデバイスが充電器に接続されてデスクトップに置かれ、オペレーターの指がタッチスクリーンに触れるだけの場合、充電器からの最悪の干渉が発生します。
充電器のスイッチング干渉成分
典型的な携帯電話充電器は、フライバック回路トポロジを使用します。 充電器によって生成される干渉波形は複雑で、充電器によって大きく異なります。 回路の詳細と出力電圧制御戦略に依存します。 干渉振幅も、設計の労力とスイッチングトランスシールドの製造業者の単価によって大きく異なります。 典型的なパラメータは次のとおりです。波形：複雑なPWM方形波とLCリンギング波形を含みます。 周波数：定格負荷で40〜150 kHz、負荷が非常に軽い場合、パルス周波数またはジャンプサイクル動作は2 kHz未満に低下します。 電圧：電源のピーク電圧の最大半分= Vrms / 2。
充電器電源の妨害成分
充電器のフロントエンドで、AC電源電圧整流器が充電器の高電圧レールを生成します。 このようにして、充電器のスイッチング電圧成分は、電源電圧の半分の正弦波に重畳されます。 スイッチング障害と同様に、電源電圧はスイッチング絶縁トランスによって結合されます。 50Hzまたは60Hzでは、このコンポーネントの周波数はスイッチング周波数よりもはるかに低いため、その効果的な結合インピーダンスはそれに応じて高くなります。 電源電圧干渉の重大度は、グランド並列インピーダンスの特性と低周波数に対するタッチスクリーンコントローラーの感度に依存します。
電源障害の特殊なケース：接地なしの3穴プラグ高定格電力の電源アダプター（ラップトップACアダプターなど）には、3穴AC電源プラグが装備されている場合があります。 出力EMIを抑制するために、充電器は内部で主電源の接地ピンを出力のDC接地に接続する場合があります。 この種の充電器は通常、ファイアラインとゼロラインとグランドの間にYコンデンサを接続し、電力線からの伝導EMIを抑制します。 接続が意図的に存在すると仮定すると、そのようなアダプターは、PCおよびUSB接続を搭載したポータブルタッチスクリーンデバイスに干渉しません。 図5の破線のワイヤフレームは、この構成を示しています。 PCおよびそのUSB接続のポータブルタッチスクリーンデバイスの場合、3ホールの電源入力を備えたPC充電器が接続されていない電源ソケットに挿入されると、充電器の干渉の特殊なケースが発生します。 Yコンデンサは、AC電源をDC出力に結合します。 Yキャパシタンスが比較的大きいと、電源電圧を効果的に結合できます。これにより、比較的低いインピーダンスで、より大きな電源周波数の電圧がタッチスクリーン上の指を介して結合されます。 この記事の要約現在、ポータブルデバイスで広く使用されている投影型静電容量式タッチスクリーンは、電磁干渉に対して脆弱です。 内部または外部からの干渉電圧は、静電容量を介してタッチスクリーンデバイスに結合されます。 これらの干渉電圧は、タッチスクリーンで電荷の移動を引き起こす可能性があり、指がスクリーンに触れたときに電荷の移動の測定を混乱させる可能性があります。 したがって、タッチスクリーンシステムの効果的な設計と最適化は、干渉結合経路の認識と、可能な限り削減または補償に依存します。 干渉結合経路には、トランスの巻線容量や指デバイスの容量などの寄生効果が含まれます。 これらの影響を適切にモデリングすると、干渉の原因とサイズを完全に認識できます。 多くのポータブルデバイスでは、タッチスクリーンの主な干渉源はバッテリー充電器です。 オペレータの指がタッチスクリーンに触れると、結果として生じる静電容量により、充電器がカップリング回路と干渉してオフになります。 充電器内部のシールド設計の品質と充電器の適切な接地設計は、充電器の干渉結合に影響する重要な要素です。
