JP2008134764A - 非接触入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース表面にスイッチ入力部を表示することなく、ケースへ操作体を接近させて入力操作を行う場合にのみ、その入力操作位置に応じた文字若しくは図形をケースを通して表示する非接触入力装置を提供する。
【解決手段】複数の自発光型素子が実装されたプリント配線基板を半透明絶縁ケースで覆い、半透明絶縁ケースの背面に沿って透明な複数の静電容量検出電極を形成する。ケースに接近する操作体と複数の静電容量検出電極との静電容量の変化から、操作体の入力操作位置を検出し、複数の自発光型素子を点滅制御して入力操作位置に応じた表示を、絶縁ケースを通して表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半透明ケースの表面に接近する操作位置に応じて所定の表示を半透明ケースを通して表示する非接触入力装置に関し、更に詳しくは、静電容量検出方式により半透明ケースに接近する操作位置を検出する非接触入力装置に関する。

近年、小型化が求められる携帯電話機などのポータブル機器では、操作データを入力するためにケース表面に設けられる入力操作領域が限られ、狭い入力操作領域を押圧して入力操作を行うことが困難となっている。更に狭いケース表面が煩雑とならないように、入力操作前にはスイッチ入力の表示を行わずに、入力操作を行った場合にのみ、ケース表面に所定の表示を表示することが求められている。

そこで、前者の課題を解決するために、ケースへ操作体を接近させただけで入力操作や入力操作位置を検出する非接触検出手段を有し、後者については、非接触検出手段の検出部を透明として、入力操作を検出した際にのみ、所定の表示をケースを通して表示する非接触入力装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−１７８６５７号公報（第５頁第７欄乃至第６頁第１０欄、図１）

図７、この特許文献１に記載された静電容量検出方式を用い、非接触で入力操作を検出する従来の非接触入力装置１００の分解斜視図である。図７の非接触入力装置１００は、エレベータ用タッチボタンスイッチであり、図に示すように自発光型素子であるＬＥＤ１０１が実装された回路基板１０２、背面側に光反射シート１０３ａが、表面側に拡散シート１０３ｂが貼り付けられた導光板１０３、透明電極１０５を表面側に支持する透明保持板１０４、所定の表示１０６ａが印刷された表示板１０６、及び表示板１０６の表面側周囲を支持する支持枠１０７とが、非接触入力装置１００が取り付けられる機器の内方から外方に向かって積層配置されている。

光反射シート１０３ａは、ＬＥＤ１０１の実装位置で切り欠かれ、従って回路基板１０２に実装されたＬＥＤ１０１は、導光板１０３の一側面に対向して配置されている。また、透明電極１０５は、引き出しパターン１０５ａによって図示しない静電容量検出回路に接続し、透明電極１０５とその周囲との静電容量の変化を監視している。

このように構成された非接触入力装置１００は、非接触入力装置１００への入力操作が行われない、つまり操作体である指が透明電極１０５に接近していない待機時には、透明電極１０５の周囲に接地電極がなく、透明電極１０５に接続する静電容量検出回路で測定される静電容量は極めて小さい値となっている。この状態では、ＬＥＤ１０１が発光せず、表示板１０６に印刷された表示１０６ａは目立たないものとなっている。

非接触入力装置１００へ入力操作を行う場合には、指を支持枠１０７内に接近させる。指は、人体を介して接地電位に接続する一方の電極とみなされるので、透明電極１０５に指が接近することに伴って静電容量は増大し、静電容量検出回路で検出される静電容量が所定値を超えると、非接触入力装置１００への入力操作を表す操作データを図示しない機器側の処理装置へ出力すると共に、ＬＥＤ１０１を発光制御する。

ＬＥＤ１０１から発光される光は、導光板１０３から拡散シート１０３ｂによって外方（図中上方）に向かって拡散され、透明保持板１０４及び透明電極１０５を通過して、表示板１０６に印刷された表示１０６ａを背面から照光する。その結果、表示１０６ａは明るく浮かび上がり、操作者は、直接非接触入力装置１００に触れることなく、入力操作により実行される内容や、入力操作が検出されたことを認識できる。

しかしながら、非接触入力装置１００は、単一の透明電極１０５の静電容量の変化から入力操作を検出するので、入力操作の有無が検出できるだけであり、入力操作位置や入力操作位置の変化による入力操作方向の検出ができず、入力操作によって異なる操作データを出力するような入力装置に採用することはできなかった。

また、入力操作の有無が検出されるだけなので、自発光型素子であるＬＥＤ１０１によって固定した表示１０６ａを照光するだけであり、異なる入力操作に応じて異なる表示を表すことができず、単調な表示となっていた。

一般に非接触で異なる入力操作位置を検出する静電容量検出方式においては、複数の静電容量検出電極を基板上に配置し、各電極の静電容量の変化から入力操作位置を検出しているが、複数の電極を基板上に配置する場合には、各電極から静電容量検出回路へ引き出される引き出しパターンが、他の電極や操作体に接近し誤差となる静電容量を生じないように、電極をスルーホールを介して基板背面側へ引き出している。しかしながら、スルーホールが形成された基板は透明とすることができず、自発光型素子からなる光源の上方（外方）に複数の電極からなる透明な静電容量検出手段を配置することができないので、異なる入力操作位置に応じて異なる表示をケースの表面に表示することが要望されているものの、これを実現する非接触入力装置が得られなかった。

更に、上記従来の非接触入力装置１００では、機器の表面に配置される支持枠１０７によって入力装置が示され、この支持枠１０７を入力操作の目標として指などを接近させているが、携帯電話機などの小型化されたポータブル機器では、狭いケース表面をよりシンプルなデザインとすることが望まれているので、機能的なスイッチ入力部の表示はケースの外観を損なうものとなっていた。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、通常はケース表面にスイッチ入力部を表示することなく、ケースへ操作体を接近させ入力操作を行う場合にのみ、その入力操作位置に応じた文字若しくは図形をケースを通して表示する非接触入力装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の非接触入力装置は、プリント配線基板上に分散して実装された複数の自発光型素子と、複数の自発光型素子が実装されたプリント配線基板の表面側を覆う半透明絶縁ケースと、複数の自発光型素子の点滅を個別に制御し、所定の文字若しくは図形を表示する表示制御回路と、半透明絶縁ケースの背面又は半透明絶縁ケースの背面に沿って配設される透明絶縁シートの一面に形成される透明な複数の静電容量検出電極と、１又は２以上の静電容量検出電極と半透明絶縁ケースの表面に接近する操作体との静電容量の変化から、操作体の操作位置を検出する静電容量位置検出手段と、を備え、
表示制御回路は、静電容量位置検出手段で検出した操作体の操作位置若しくは操作位置の変化に応じて、半透明絶縁ケースを通して異なる文字若しくは図形を表示することを特徴とする。

絶縁ケースが半透明であるので、全ての自発光型素子が表示制御回路により発光しないように制御されている際には、ケースの内方が外方から視認できず、絶縁ケースの表面はスイッチ入力部が表示されないシンプルなデザインとなる。

複数の静電容量検出電極が絶縁ケースの背面に沿った一面に形成されているので、絶縁ケースへ操作体を接近させると、操作体に最も近い静電容量検出電極との静電容量が最も大きくなり、より早く所定値を越えた静電容量検出電極、又は複数の静電容量検出電極の静電容量の相対値から、操作位置が検出される。複数の静電容量検出電極は、スルーホールが形成された絶縁基板を用いずに一面に配置されるので、複数の自発光型素子の点滅により表示される文字若しくは図形を、半透明絶縁ケースの外方から視認できる。

請求項２の非接触入力装置は、半透明絶縁ケースの背面又は透明絶縁シートの一面で静電容量検出電極から静電容量位置検出手段へ引き出される引き出しパターンが、操作体との静電容量が操作体の操作位置を検出する際に無視できる程度に小さくなるように、細幅に形成されることを特徴とする。

ケース表面に操作体が接近すると、導電材料で形成される引き出しパターンと操作体との静電容量も増加するが、引き出しパターンが細幅に形成されるので、静電容量検出電極と操作体との静電容量に比べて無視できる大きさの静電容量であり、操作位置の検出に影響しない。

請求項３の非接触入力装置は、複数の静電容量検出電極は、全ての静電容量検出電極が他の静電容量検出電極により囲まれることなく、前記半透明絶縁ケースの背面又は透明絶縁シートの一面に分散して形成されることを特徴とする。

複数の静電容量検出電極は、いずれも他の静電容量検出電極に囲まれないので、静電容量位置検出手段に接続する引き出しパターンを他の静電容量検出電極へ接近させずに同一面に配線できる。

請求項１の発明によれば、入力操作を行わない通常は、ケース表面にスイッチ入力部を示す表示が表れないので、ケース表面の外観が煩雑とならず、非接触入力装置を備えた機器をシンプルなデザインとすることができる。

また、ケースへの操作体の接近位置に応じて、ケースを通して異なる文字や図形が表示されるので、非接触で入力操作を行う操作者へ、入力操作が検出されたことと、その検出された入力操作の内容を伝達することができる。

検出した操作位置の変化から、入力操作方向を検出できるので、入力操作方向に応じてケースを通して異なる文字や図形を表示することもできる。従って、一面に形成する静電容量検出電極の数が限られていても、入力操作によって多種類の操作データを出力できる。

また、請求項２の発明によれば、引き出しパターンを形成することによって、スルーホールを形成した基板を用いずに、同一面に多数の静電容量検出電極を形成でき、操作体の操作位置をより精度良く検出できる。

また、請求項３の発明によれば、静電容量検出電極から静電容量位置検出手段へ引き出す引き出しパターンを、他の静電容量検出電極へ接近させずに配線できる。従って、他の静電容量検出電極との容量結合による影響がなく、引き出しパターンによる静電容量の影響が少ないので、精度良く操作位置を検出できる。

以下、本発明の一実施の形態に係る非接触入力装置１を、図１乃至図５を用いて説明する。図１は、非接触入力装置１の部分分解斜視図、図２は、要部断面図である。図中２は、ここでは携帯電話機の筐体の一部を兼ねる絶縁ケースであり、非接触入力装置１を含む図示する領域が半透明となっている。半透明の絶縁ケース２は、アクリル、ＡＢＳなどの透明プラスチック材料に所定の顔料を加え、少なくとも後述する発光ダイオード３から発光される光を通過させ、全ての発光ダイオード３が消灯している間、絶縁ケース２の内方（図２において下方）が目視できない程度の光透過率に調整されている。

この絶縁ケース２の背面に沿って、透明な合成樹脂材料で形成されたフレキシブル配線基板５が取り付けられている。フレキシブル配線基板５の絶縁ケース２の背面と対向する表面には、図４に示すように、それぞれ透明なＩＴＯ（酸化インジューム）電極からなる９種類の静電容量検出電極４、４・・が３行３列のマトリックス状に形成されている。各静電容量検出電極４、４・・は、同一の正方形輪郭で、その表面面積（絶縁ケース２へ投影させた投影面積）が同一となるように形成される。

フレキシブル配線基板５には、ＦＰＣ用コネクタ８に一端が接続するフレキシブルテール５ａが一体に形成され、フレキシブルテール５ａの長手方向に沿って各静電容量検出電極４、４・・から引き出された透明な銀パターンからなる引き出しパターン６、６・・が印刷形成されている。フレキシブルテール５ａの一端は、プリント配線基板７に実装されたＦＰＣ用コネクタ８に接続し、これにより、各静電容量検出電極４、４・・は、引き出しパターン６、６・・を介してプリント配線基板７の背面側に実装されたコントローラ９の静電容量位置検出回路９Ａに接続している。各引き出しパターン６は 細幅に形成され、引き出しパターン６の表面面積は、静電容量検出電極４の表面面積に比べて極めて小さくなっている。

プリント配線基板７は、絶縁ケース２と平行に、フレキシブル配線基板５の更に下方に所定の間隔を隔てて配置され、その表面に１２行１２列のマトリックス状に１４４個の発光ダイオード３が実装されている。図４に示すように、このうち４行４列の１６個単位発光ダイオード３が、各静電容量検出電極４の下方に配置される。

１４４個の発光ダイオード３は、図３に示すドライバ１１によって個々に点滅制御されるもので、コントローラ９に含まれる表示制御回路９Ｂからドライバ１１へ表示制御信号を出力することにより、複数の発光ダイオード３の点灯制御の組み合わせで所定の文字や図形を表示するようになっている。

静電容量位置検出回路９Ａと表示制御回路９Ｂを有するコントローラ９は、１チップ化したマイコンで構成され、プリント配線基板７の背面側に実装されている。静電容量位置検出回路９Ａは、各静電容量検出電極４、４・・と接地間の静電容量に応じた検出値を出力し、各検出値の最大値が所定の入力判定値を越えた際に、入力操作が行われたものと判定する。ここでは、入力判定値を、指が絶縁ケース２の表面から１０ｃｍ程度に接近した際に入力操作と判定する値に設定される。

入力操作と判定すると、続いてその入力操作位置を検出する。ここでは、各静電容量検出電極４、４・・の表面面積を同一としているので、検出値が最大値であった静電容量検出電極４が操作される指に最も接近しているものと推定し、その静電容量検出電極４の配設位置を入力操作位置として検出する。この入力操作位置は、更に正確には、静電容量検出電極４、４・・の各検出値の重心から求めてもよい。また、併せて、入力操作を判定した後、一定周期で入力操作位置を検出し、入力操作位置の変化から、入力操作方向を検出してもよい。

コントローラ９は、検出した入力操作位置若しくは入力操作方向に対応する所定の操作データを、操作データに基づいて所定の処理を実行する処理装置（ＰＣ）１３へ、インターフェース１２を介して出力するとともに、表示制御回路９Ｂから、検出した入力操作位置若しくは入力操作方向に対応する表示制御信号をドライバ１１へ出力する。

次にこのように構成された非接触入力装置１の動作を説明する。指を絶縁ケース２へ接近させない待機時には、各静電容量検出電極４、４・・に接地電位の導電体が接近することがないので、各静電容量検出電極４、４・・から検出される静電容量は極めて小さく、各検出値は、入力判定値に達しない。非接触入力装置１は、この間、入力操作が行われていない待機状態と判定し、表示制御回路９Ｂは、全ての発光ダイオード３を消灯制御する。従って、半透明の絶縁ケース２には、その内方から光が発光されず、ケース２の表面のみが目視され、その内部の入力装置１の構造は表面側に表れない。

非接触入力装置１へ入力操作を行うために、操作者が絶縁ケース２の表面へ指を接近させるにつれ、操作者の人体を介した対接地静電容量が徐々に増加し、絶縁ケース２の表面から１０ｃｍ以内に指を接近させると、指に最も近い静電容量検出電極４の静電容量に応じた検出値が入力判定値を越え、静電容量位置検出回路９Ａが、入力操作と判定する。また、この時の最大検出値が検出された静電容量検出電極４が、接近する指に最も近いので、その静電容量検出電極４の配設位置が入力操作位置として検出される。

コントローラ９の表示制御回路９Ｂは、入力操作と入力操作位置を検出すると、入力操作位置とした静電容量検出電極４の下方に配置された１６個の発光ダイオード３を点灯制御する表示制御信号をドライバ１１へ出力し、これらの発光ダイオード３が発光する。１６個の発光ダイオード３から発光する光は、透明なフレキシブル配線基板５と透明な静電容量検出電極４を通して半透明絶縁ケース２の背面を照射し、絶縁ケース２を通して操作する指の下方に正方形の図形が表示される。従って、操作者は、携帯電話機の絶縁ケース２に触れることなく、入力操作とその入力操作位置が非接触入力装置１に検出されたこととを知ることができる。

コントローラ９は、静電容量位置検出回路９Ａが入力操作を検出している間、すなわち各検出値の最大値が入力判定値未満とならない限り、静電容量位置検出回路９Ａにおいて周期的に同様の方法で入力操作位置を検出し、時間の経過と共に入力操作位置が変化する場合には、入力操作の操作方向も検出する。

ここでは、例えば図４に示すいずれかの行の３種類の静電容量検出電極４、４・・の配設位置が、１秒以内に左から右の順に入力操作位置として検出された場合に、絶縁ケース２の上方で左から右方向の入力操作が行われたと判定し、左から右方向の入力操作に関連づけられた「早送り」の制御データを処理装置（ＰＣ）１３へ出力する。同時に、コントローラ９の表示制御回路９Ｂは、「早送り」を表す右向きの三角マークを左右の２カ所に表示する表示制御信号をドライバ１１へ出力し、１４４個の発光ダイオード３を、この表示制御信号によって個別に点滅制御する。その結果、絶縁ケース２を通して図５に示すように「早送り」を示す表示が表れ、操作者は、この表示から「早送り」を求める左から右方向への入力操作が受け付けられたことを認識し、処理装置（ＰＣ）１３は、「早送り」の操作データを受けて、携帯電話機で再生する音を早送りする。

本実施の形態によれば、特に小型化が求められる携帯電話機などのポータブル機器において、その外観をあたかも入力装置が設けられていないようなシンプルなデザインとすることができ、かつ、わずかな入力操作領域で、複数種類の操作データを非接触で入力できる。

この実施の形態では、各静電容量検出電極４、４・・から引き出される引き出しパターン６が、接近する操作体と対向する絶縁ケース２の背面に沿って配置され、特に中央の静電容量検出電極４Ａから引き出される引き出しパターン６Ａは、他の静電容量検出電極４、４に接近する隙間を通して引き出されるので、静電容量位置検出回路９Ａで検出される各静電容量検出電極４、４・・の静電容量は、引き出しパターン６Ａの静電容量により変動する。しかしながら、全ての引き出しパターン６を細幅として、各静電容量検出電極４、４・・の静電容量に対して、引き出しパターン６に発生する静電容量を無視できる程度の値とするので、ほぼ誤差なく各静電容量検出電極４、４・・単位で入力操作位置を検出できる。

尚、３行３列の中央に配置される静電容量検出電極４Ａは、引き出しパターン６Ａの静電容量による検出誤差をより減じるために、省略してもよい。中央に配置される静電容量検出電極４Ａが省略された各静電容量検出電極４、４・・は、全ての静電容量検出電極４が他の静電容量検出電極４に囲まれて配置されることがないので、引き出しパターン６を他の静電容量検出電極４、４間の隙間を通して引き出す必要がなく、その周囲から静電容量位置検出回路９Ａへ引き出すことができる。

図６は、このように全ての静電容量検出電極２１、２１・・を、他の静電容量検出電極２１に囲まれないように配置したフレキシブル配線基板２２の平面図であり、上述の各静電容量検出電極４、４・・を図６に示す静電容量検出電極２１、２１・・のように配置してもよい。

各静電容量検出電極２１、２１・・は、円形の電極を等角度間隔に８分割した互いに等しい扇状に形成され、８個の全体で円形状に形成されるので、各静電容量検出電極２１の円弧状周縁から引き出される引き出しパターン２３は、他の静電容量検出電極２１に接近することなく、フレキシブルテール２２ａから引き出すことができる。従って、スルーホールを設けない透明なフレキシブル配線基板２２の一面に複数の静電容量検出電極２１、２１・・を形成しても、引き出しパターン２３と他の静電容量検出電極２１間の静電容量は極めて小さく、精度良く操作位置を検出できる。

また、このように等角度間隔で、同一形状の静電容量検出電極２１、２１・・を配置することによって、円周回りの操作位置が検出できるのに加え、指を回転操作した際の回転操作方向や回転操作速度を、より精度良く検出することができる。

尚、上述した静電容量検出電極４、２１と、静電容量検出電極４、２１から引き出される引き出しパターン６、２３は、半透明の絶縁ケース２の背面若しく肉厚内に直接形成してもよい。

また、上述の実施の形態では、所定の表示を表示する発光源を発光ダイオード３で説明したが、自発光型素子であれば、発光ダイオード３に代えてＥＬ（エレクトロルミネセンス）等他の発光素子であってもよい。

本発明は、静電容量方式により非接触で入力操作を検出する非接触入力装置に適している。

本発明の１実施の形態に係る非接触入力装置１の部分分解斜視図である。 非接触入力装置１の要部断面図である。 非接触入力装置１の構成を示すブロック図である。 フレキシブル配線基板５の平面図である。 右向きの三角マークを左右の２カ所に表示する表示制御信号により、複数の発光ダイオード３が個別に点滅制御された状態を示すフレキシブル配線基板５の平面図である。 他の実施の形態に係るフレキシブル配線基板２２の平面図である。 従来の非接触入力装置１００の分解斜視図である。

符号の説明

１ 非接触入力装置
２ 半透明絶縁ケース
３ 発光ダイオード（自発光型素子）
４、２１ 静電容量検出電極
５、２２ フレキシブル配線基板（透明絶縁シート）
６、２３ 引き出しパターン
７ プリント配線基板
９Ａ 静電容量位置検出回路（静電容量位置検出手段）
９Ｂ 表示制御回路

Claims (3)

1. プリント配線基板上に分散して実装された複数の自発光型素子と、
   複数の自発光型素子が実装された前記プリント配線基板の表面側を覆う半透明絶縁ケースと、
   前記複数の自発光型素子の点滅を個別に制御し、所定の文字若しくは図形を表示する表示制御回路と、
   前記半透明絶縁ケースの背面又は前記半透明絶縁ケースの背面に沿って配設される透明絶縁シートの一面に形成される透明な複数の静電容量検出電極と、
   １又は２以上の前記静電容量検出電極と前記半透明絶縁ケースの表面に接近する操作体との静電容量の変化から、操作体の操作位置を検出する静電容量位置検出手段と、を備え、
   前記表示制御回路は、前記静電容量位置検出手段で検出した操作体の操作位置若しくは操作位置の変化に応じて、前記半透明絶縁ケースを通して異なる文字若しくは図形を表示することを特徴とする非接触入力装置。
2. 前記半透明絶縁ケースの背面又は透明絶縁シートの一面で前記静電容量検出電極から前記静電容量位置検出手段へ引き出される引き出しパターンは、前記操作体との静電容量が操作体の操作位置を検出する際に無視できる程度に小さくなるように、細幅に形成されることを特徴とする請求項１に記載の非接触入力装置。
3. 前記複数の静電容量検出電極は、全ての静電容量検出電極が他の静電容量検出電極により囲まれることなく、前記半透明絶縁ケースの背面又は透明絶縁シートの一面に分散して形成されることを特徴とする請求項１に記載の非接触入力装置。

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