JP2008042724A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量式のタッチスイッチにおいて、スイッチ部への異物の付着による誤入力を低減する。
【解決手段】制御手段１は、周波数・電圧変換部２の出力電圧成分に体動や血流の脈動などによる交流成分が重畳しているかどうかを判定する構成や、日々のタッチ圧やタッチ時間などの実績値を学習して最適な判定閾値を設定する構成により、異物がスイッチ部に付着したことによる誤入力を排除することができ、より確実に動作する入力装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、デザイン性が高く、且つ防水性の高い密閉構造が可能な静電スイッチを用いた入力装置を、電磁調理器や給湯器リモコンとして台所などに設置した場合でも洗剤など異物の付着を検知して、より確実にスイッチの操作ができるようにするものである。

近年、製品表面をフラット化してデザイン性や防水性構造を実現しやすいといった設計性の観点から、従来の摺動部を有するメカニカルスイッチに替わって、密閉構造のスイッチ構成が用いられるようになってきている。

こうした密閉構造のスイッチ構成の代表例としては、光反射式のスイッチや、静電スイッチやタッチスイッチと呼ばれる指で触れる事による静電容量の変化を用いたものが代表的である。

例えば、光反射式のスイッチは、製品表面のアクリルなどの透明材に設けたスイッチ箇所に、製品内部のＬＥＤなどの光源から照射して、指が有れば指から反射光を受光でき、指が無ければ反射光が受光できなくなるといった構成のものである。

また、静電容量の変化を用いたスイッチとしては、製品表面のアクリルやガラスなどのスイッチ部分を構成する箇所の内部側に電極を貼付し、電極貼付箇所の外部をユーザが指で触れた際に導体である人体の影響によりスイッチ部分の静電容量が擬似的に変化することを検出する構成のものがある。

この静電容量の変化を検出する構成としては、電極部分の静電容量に応じて発振周波数が変化するＲＣ発振回路を構成し、この発振周波数を周波数・電圧変換回路を通して電圧値に変換して制御手段に入力し、制御手段では入力された電圧値を予め記憶させた閾値と比較することでスイッチ部にタッチしたのかどうかの判定を行う構成が一般的である。

ところが静電容量式では、静電容量の変化は、温度変化などのユーザが指でタッチする以外にも静電容量を変化させる外乱要因がある。この外乱要因の影響を低減してより正確な検知が出来るようにする例も提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、ユーザが触った場合の静電容量の変化を、ユーザが指でタッチした際の急激な静電容量の変化を、温度変化などによる静電容量の緩やかなドリフト変化と区別するために、静電容量が所定以上の変化率で変化したかどうかを判定する他、偶発的にスイッチ部に触れたりした場合の誤入力を避けるため、所定の時間以上に渡って静電容量が変化していた場合にユーザによるタッチが行われたと確定するようにしている。
特開平１１−１３６１１６号公報

しかし、静電容量を変化させる外乱要因としては、温度変化以外にも洗剤や水などのスイッチ部への異物の付着による要因も考えられる。特に、調理器具や給湯器の台所リモコンなどの、キッチン・サニタリー関連の製品に用いる場合にはこうした異物付着への対策が必要である。

ところが、静電容量の変化率を判定する方式や、所定の時間以上に渡って静電容量が変
化したかの経過を判定する方法は、こうしたキッチン・サニタリー関連の製品では十分ではない。なぜなら、洗剤の泡など粘性の高い異物がスイッチ部に飛び散って付着したような場合には、静電容量は急激に変化する上、急速に流れ落ちたり揮発するといった事がないため静電容量は比較的長時間に渡って変化したままになる状況が発生することがあるためである。

本発明は従来の課題を解決するもので、スイッチ部に付着した汚れ、異物による誤動作、誤入力のない安定した入力装置を提供することを目的とする。

そこで、前記従来の課題を解決するために、本発明の入力装置は、指などの接触により静電容量の変化を検出する電極を配したスイッチ部と、前記スイッチ部の静電容量の変化に応じた周波数で発振する発振回路部と、前記発振回路部からの発振周波数の変化に応じた信号を出力する変換回路部とからなる静電スイッチ手段と、前記静電スイッチ手段からの入力信号のレベルを所定の閾値と比較して前記スイッチ部への操作発生を判定する制御部とを備えた入力装置において、前記制御手段は前記入力信号が時間とともに変化する交流成分を検出して指のタッチの有無を判定する判定手段を備えたものである。

これによって静電容量の変化に重畳する指固有の脈動などの要因による交流成分を検出するので、異物の付着との分別が可能となる。

このように、ユーザが指などで触れた際には体動や脈動などの要因により静電容量の変化に交流成分が重畳することから、静電スイッチ手段からの入力信号を演算して変化の状況から異物の付着なのかユーザによるタッチなのかを判定でき、異物の付着などの要因による影響をより低減できる入力装置を提供することが可能となる。

第１の発明は、指などの接触による静電容量の変化を検出する電極を配したスイッチ部と、前記スイッチ部の静電容量の変化に応じた周波数で発振する発振回路部と、前記発振回路部からの発振周波数の変化に応じた信号を出力する変換回路部とからなる静電スイッチ手段と、前記静電スイッチ手段からの入力信号のレベルを所定の閾値と比較して前記スイッチ部へのタッチの有無を判定する制御手段とを備えた入力装置において、前記制御手段は前記入力信号の時間とともに変化する交流成分を検出して指のタッチの有無を判定する判定手段を備えることにより、人の指固有の静電容量を検出できるので、異物などの外乱との分別ができ誤入力を取り除くことができるものである。

このことにより、ユーザの体動による静電容量の変化成分が含まれているかどうかを判定し、異物の付着による誤入力を除くことができうるものである。

第２の発明は、指などの接触により静電容量の変化を検出する電極を配したスイッチ部と、前記スイッチ部の静電容量の変化に応じた周波数で発振する発振回路部と、前記発振回路部からの発振周波数の変化に応じた信号を出力する変換回路部とからなる静電スイッチ手段と、前記静電スイッチ手段からの入力信号レベルを所定の閾値と比較して前記スイッチ部へのタッチの有無を判定する制御手段とを備えた入力装置において、前記入力信号の周波数成分の強度を検出して指のタッチの有無を判定する判定手段を備えることにより、ユーザの血流や呼吸による脈動など生理的な要因による静電容量の変化成分が含まれているかどうかの判定ができ、異物の付着による誤入力を除くことができうるものである。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記タッチ発生と判定した際の入
力信号のレベルから演算した直流成分を元に前記閾値を更新する事により前記閾値を最適化して変更するようにしたものである。

このことにより、ユーザのタッチ圧やタッチ面積を学習して最適な判定閾値を用いることにより、より大きな面積に付着した異物などによる誤入力を低減できうるものである。

第４の発明は、特に第１または第２の発明において、前記タッチ発生と判定した際の前記入力信号のレベルが前記閾値を下回っている継続時間を元に決定した判定時間幅を設けておき、前記入力信号のレベルが前記閾値を下回っている継続時間が前記判定時間幅を超えなかった場合に、前記指のタッチがあったと判定する。

このことにより、パネル表面から滑り落ちたり、揮発して消えたりしない粘性の高い異物の付着による誤入力を低減できうるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて一実施形態について詳細に説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における入力装置の構成の一例を示したブロック図、図２は本実施の形態における入力装置において、周波数・電圧変換部から制御手段に入力される電圧信号の変化の一例を示している。

図１において、アクリルパネル５は本発明の実施の形態における入力装置を備えた製品のユーザの操作部分であり、アクリルパネル５の製品内部側に電極６、７，８を配設する。

図１の制御手段１は、本入力装置の全体の制御を行ない、マイコン及びその周辺回路で構成する。本実施の形態では、電極６、７、８により３つの電極スイッチを構成した例であり、切替回路部４は、制御手段１からの信号により、発振回路部３と電極６、７、８の接続を時分割で切り替えるスキャン回路である。

発振回路部３は、電極６、７、８とアクリルパネル５部分に生じる静電容量に応じた発振周波数での発振信号を発生する回路であり、一般に知られているＲＣ発振回路を用いて構成する。

周波数・電圧変換部２は周波数に応じた電圧信号を発生して制御手段１に入力する回路であり、本実施の形態では発振周波数が高いほど高い電圧を、発振周波数が低いほど低い電圧を発生するように構成する。

電極およびアクリルパネル５に生じる静電容量は、指１０でタッチすることにより擬似的に低下する。これは電気的に導体と見なすことができる人体を通して放電が起こるためであり、この際、指１０でタッチすることで発振回路部３の発振周波数が下がり、周波数・電圧変換部２の出力電圧は低下するものである。

図２には、電極６により構成する静電スイッチの静電容量変化により周波数・電圧変換部２により出力される電圧信号の一例を示す。周波数・電圧変換部２から制御手段１に入力される電圧信号は、実際には切替回路部４により離散的にサンプリングされたものとなるが、図２では記載の便宜上として連続的な信号として示している。

図２の縦軸は、周波数・電圧変換部２から制御手段１に入力される電圧信号Ｖであり、
横軸はある時点からの経過時間Ｔを示す。

図２の実線１１で示すグラフ線はユーザが指でタッチした際に発生する電圧信号、点線１２で示すグラフ線は洗剤などの異物が電極６上部のアクリルパネル５に付着した場合の電圧信号の例を示す。図２では、説明の便宜上、グラフ線１１とグラフ線１２の経過時間をずらし重ね合わせて図示する。

図２のグラフ線１１では、時刻Ｔ０までのユーザが触れていない状態では周波数・電圧変換回路部２からは電圧Ｖ＝Ｖｆｒｅｅに相当する電圧が出力されており、ユーザが電極スイッチ部を押し始めると電圧Ｖは急激に下がり始め、時刻Ｔ１で押し切った状態になると電圧Ｖ＝Ｖｆｉｘ近辺の電圧が継続して出力される。

そして、時刻Ｔ２付近でユーザが押すのを止めると共に、再び電圧Ｖは急激に回復して再び電圧Ｖ＝Ｖｆｒｅｅの電圧を出力するようになる。

従って、制御手段１は、予め所定の閾値として例えば閾値Ｖ＝Ｖｔｈを記憶しておき、グラフ線１１で示す電圧Ｖがこれを下回る時刻Ｔ１でスイッチがタッチされ、再び上回る時刻Ｔ２でタッチを放したと判断する構成により、電極スイッチのタッチを判断できる。

ところが、図２のグラフ線１２に示すように、静電スイッチ部に洗剤などの異物が付着した場合でも、電圧Ｖが下がる場合が起こりうる。今、異物の付着によりグラフ線１２に示すような電圧変化が起こった場合には、閾値Ｖｔｈと単純に比較する方法ではグラフ線１２の異物の場合もユーザによるタッチがあったと誤判定する事になる。

このため、本実施の形態では、グラフ線１１に示すように静電スイッチの押し始めの急激な電圧Ｖの変化が収まり、再び押すのを止めて電圧の急上昇が始まる時刻Ｔ１〜Ｔ２の範囲の交流成分の強度を判定手段１５が検出する。交流成分が所定以上に存在しない場合は、これは異物などの外乱と見なし、ユーザによる静電スイッチのタッチと見なさない。

これは、ユーザが静電スイッチを押圧する場合は、体動による押圧力や接触面積のブレや、血流や呼吸による脈動などの人間工学的、生理的要因により交流的な静電容量変化が発生する。

一方、温度ドリフトの他、異物が付着した際に揮発したり垂れ落ちたりして異物の電極スイッチ部への接触面積などが変わるような状況では、単調増加や単調減少などの直流的な静電容量の変化が発生するのに留まると考えられるためである。

ユーザが実際にタッチしている際に発生する交流成分としては、たとえば、医用工学的な知見から０．５Ｈｚ程度から、商用電源などのノイズの影響を避けられる５０Ｈｚ未満に設定すれば有効である。

交流成分の強度を検出する方法の一例としては、簡便な方法としては図２の長破線１３と電圧幅△Ｖで示すように平均値からのピーク値差を所定の閾値と比較する方法や、長破線１３、１４の幅で示されるピーク・ツー・ピーク値を所定の閾値と比較して閾値差を越えているかどうかを判定する方法が挙げられる。また、この他、制御手段１内の判定手段１５でＦＦＴとして知られる周波数解析の演算を施した結果を閾値と比較する方法などの構成を用いれば、更に正確な判定ができうるものである。

（実施の形態２）
次に、静電スイッチ部分への異物の付着を判定する別の構成例について説明する。本実
施の形態２での構成は、実施の形態１と同様にでき、制御手段１あるいは判定手段１５にプログラムとして記憶させる処理アルゴリズムを変更して実装しうるものであり、実施の形態１に加えて構成することも可能なものである。

本実施の形態は、ユーザが静電スイッチをタッチする際の“くせ“となるタッチ圧やタッチ面積、タッチから離すまでの時間などの特徴値を判定手段１５で学習的に記憶して、比較のための閾値Ｖｔｈを動的に最適に変更していくものである。

今、一例として、図２のグラフ線１１において、ユーザが静電スイッチ部を確定的に押している期間Ｔ１〜Ｔ２の周波数・電圧変換部２の出力電圧の直流成分のレベルはＶｆｉｘである。判定手段１５では、このユーザが確定的に押している期間の出力電圧を記憶して、所定のマージンＶαを加えて、新たな閾値Ｖｔｈ’＝Ｖｆｉｘ―Ｖαとして設定する。この方法により、グラフ線１２のように異物が付着してもＶｔｈ’までの静電容量の変化を発生しない少量の異物の付着や導電率の大きい異物の場合は、静電スイッチにタッチしたと判定されないことになる。

なお、新たな閾値Ｖｔｈ’への更新は、ユーザがタッチする度に毎回行っても良いし、所定の回数のタッチが行われた時点で一括して更新する方法や、移動平均の演算手法などを用いて順次更新しても良い。更に、静電スイッチの実装によっては電極面積に差のある場合やアクリルパネルなどに特性差を生じる場合も考えられるため、閾値は静電スイッチ毎に個別に設定できるようにしておけば更に有効なものである。

この他、ユーザがタッチしてから離すまでの平均的な時間を学習する方法も有効である。図２では、ユーザがタッチしている時間は、グラフ線１１で示すようにＴ１〜Ｔ２である。従って、この時間幅にマージンＴαを設定した値を判定時間幅Ｔｔｈ＝（Ｔ２−Ｔ１）＋Ｔαとして設定し、グラフ線１２に示すように静電容量が低下している時間がＴｔｈ（図示せず）を越える場合には、異物とみなしてタッチされたと判定しない方法である。

なお、この場合の閾値ＴｔｈもＶｔｈ’の場合と同様に、ユーザがタッチする度に毎回行っても良いし、所定の回数のタッチが行われた時点で一括して更新する方法や、移動平均の演算手法などを用いて順次更新しても良いし、閾値は静電スイッチ毎に個別に設定できるようにしておけば更に有効なものである。

以上のように、本発明にかかる入力装置によれば、異物の付着による静電スイッチのタッチの誤判定を低減できるため、より確実に動作する入力装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における入力装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態における周波数・電圧変換部から制御手段に入力される電圧信号の変化の一例を示す図

符号の説明

１ 制御手段
２ 周波数・電圧変換部（変換回路部）
３ 発振回路部
５ アクリルパネル（スイッチ部）
６、７、８ 電極部（スイッチ部）
９ 静電スイッチ手段
１５ 判定手段

Claims (4)

1. 指などの接触による静電容量の変化を検出する電極を配したスイッチ部と、前記スイッチ部の静電容量の変化に応じた周波数で発振する発振回路部と、前記発振回路部からの発振周波数の変化に応じた信号を出力する変換回路部とからなる静電スイッチ手段と、
   前記静電スイッチ手段からの入力信号のレベルを所定の閾値と比較して前記スイッチ部への指のタッチの有無を判定する制御手段と、を備えた入力装置において、
   前記制御手段は前記入力信号の時間とともに変化する交流成分を検出して指のタッチの有無を判定する判定手段を備えてなる入力装置。
2. 指などの接触により静電容量の変化を検出する電極を配したスイッチ部と、前記スイッチ部の静電容量の変化に応じた周波数で発振する発振回路部と、前記発振回路部からの発振周波数の変化に応じた信号を出力する変換回路部とからなる静電スイッチ手段と、
   前記静電スイッチ手段からの入力信号のレベルを所定の閾値と比較して前記スイッチ部への指のタッチの有無を判定する制御手段と、を備えた入力装置において、
   前記制御手段は前記入力信号の周波数成分の強度を検出して指のタッチの有無を判定する判定手段を備えてなる入力装置。
3. 前記判定手段は、前記指のタッチの操作発生と判定した際の入力信号のレベルから演算した直流成分を元に前記閾値を更新する事により前記閾値を最適化して変更する請求項１または２に記載の入力装置。
4. 前記判定手段は、前記指のタッチの操作発生と判定した際の前記入力信号のレベルが前記閾値を下回っている継続時間を元に決定した判定時間幅を設けておき、前記入力信号のレベルが前記閾値を下回っている継続時間が前記判定時間幅を超えなかった場合に、前記指のタッチがあったと判定する請求項１または２に記載の入力装置。

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