JP2009218876A - 静電容量タッチセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】寄生容量の有無に拠らず、タッチ操作を高い精度で検出する静電容量タッチセンサを提供する。
【解決手段】水濡れによって寄生容量Ｃ３が、第１及び第２の電極２０、２２に発生したとき、第１及び第２の電極２０、２２が水滴３を介して接続されたような回路となり、検出部２５に入力する出力電圧は、タッチ操作が行われたときに比べ、波形形状が反転したような形状となる。よって検出部２５のタッチ判定部２５ｃには、基準電圧４０よりも大きい出力電圧が入力されることになる。タッチ判定部２５ｃは、しきい値４１及び基準電圧４０よりも大きい出力電圧に基づいてタッチ操作の判定を行うので、高い精度でタッチ操作がなされていないと判定することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量タッチセンサに関する。

従来の技術として、タッチ電極、発振回路及び検波平滑回路からなるタッチセンサと、タッチセンサからの出力を微分する微分回路と、微分回路からの出力を増幅する増幅回路と、増幅回路からの出力に基づいて手指の接触状態を判定する判定部と、を備えたタッチセンサスイッチ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このタッチセンサスイッチ装置によれば、操作者の手指がタッチ電極に接触したとき、タッチ電極と大地との間の静電容量が変化して発振回路の発振強度が変化し、検波平滑回路から出力される出力電圧が低下する。

この出力電圧は、微分回路によって微分され、接触開始に対応する下向きのピークが現れる。また、操作者が、タッチ電極から手指を離したとき、検波平滑回路からの出力電圧が上昇して上向きのピークが現れる。

判定部は、下向きのピークを第１のしきい値と比較して接触状態にあると判定し、続いて上向きのピークを第２のしきい値と比較して接触状態から非接触状態に変化したと判定することができるので、接触の有無、及び接触状態の継続時間を判定することができる。
特開２００７−１５０７３３号公報

しかし、従来のタッチセンサスイッチ装置は、寄生容量を有する物質、例えば水滴がタッチ電極に付着したとき、水滴の有する寄生容量によって検波平滑回路から出力される出力電圧が低下し、判定部が手指の接触状態にあると誤判定する可能性があった。

従って本発明の目的は、寄生容量の有無に拠らず、タッチ操作を高い精度で検出する静電容量タッチセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、タッチ操作に基づいて第１の静電容量を形成し、第１の抵抗が接続された第１の電極と、前記タッチ操作に基づいて第２の静電容量を形成し、前記第１の抵抗の抵抗値よりも大きい前記抵抗値を有する第２の抵抗が接続された第２の電極と、一端が前記第１及び第２の抵抗の間に接続され、他端が接地され、高周波信号を出力する発振部と、前記第２の電極と前記第２の抵抗の間に接続され、前記第２の電極と前記第２の抵抗の間で検出される前記高周波信号に基づいて前記タッチ操作を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする静電容量タッチセンサを提供する。

このような構成によれば、寄生容量の有無に拠らず、タッチ操作を高い精度で検出することができる。

以下に、本発明の静電容量タッチセンサの実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。

[実施の形態]
（車両１の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るタッチセンサが搭載された車両の概略図である。本発明の静電容量タッチセンサをタッチセンサ２として車両１に搭載した場合について説明する。点線で囲んだ領域は、ドアノブ１２付近の拡大図である。なお、本実施の形態において、静電容量タッチセンサを車両１に搭載した場合について説明するが、これに限定されず、スイッチ装置として家電製品等に搭載されても良いことは言うまでもない。

車両１は、図１に示すように、エンジン及び各種電子機器（図示せず）を搭載した車両本体１０と、車両本体１０に開閉自由に設けられたドア１１と、ドア１１に設けられたドアノブ１２と、を備えて概略構成されている。

ドア１１は、一例としてドアラッチ装置（図示せず）を有し、ドアラッチ装置は、車両本体１０に設けられたストライカ（図示せず）と結合・結合解除を行うことによって、ドア１１の施解錠を制御している。

ドアノブ１２は、一例として上記したドアラッチ装置とリンク（図示せず）を介して接続されており、ドア１１が解錠状態にあるとき、操作者がドアノブ１２を操作者側に引くことによって、ドアラッチ装置とストライカの結合解除が行われ、ドア１１の開閉を行うことができる。

またドアノブ１２には、後述するタッチセンサ２が設けられている。

（タッチセンサ２の構成）
図２は、本発明の実施の形態に係るタッチセンサの等価回路図であり、図３は、本発明の実施の形態に係る第１の電極付近の断面図である。

以下に、タッチ操作とは、操作者の手指による第１及び第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１に対する接触の意味であるものとする。また、タッチ操作は、必ずしも保護被膜２０１に手指が接触する必要はなく、静電容量が発生する距離に接近する操作も含むものとする。なお、図３は、一例として寄生容量Ｃ３を有する水滴３が保護被膜２０１上に付着している場合を表している。

タッチセンサ２は、図２に示すように、タッチ操作に基づいて大地との間に静電容量Ｃ１（第１の静電容量）を形成し、第１の抵抗２１が接続された第１の電極２０と、タッチ操作に基づいて大地との間に静電容量Ｃ２（第２の静電容量）を形成し、第１の抵抗２１の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する第２の抵抗２３が接続された第２の電極２２と、一端が第１及び第２の抵抗２１、２２の間に接続され、他端が接地され、高周波信号として出力電圧Ｖを出力する発振部２４と、第２の電極２２と第２の抵抗２３の間に接続され、第２の電極２２と第２の抵抗２３の間で検出される出力電圧に基づいてタッチ操作を検出する検出部２５とを備えて概略構成されている。

また、タッチセンサ２は、図３に示すように、一例として、図示しない電気配線層等を有する基板２００と、ポリイミド等の絶縁材料によって形成され、基板２００と第１及び第２の電極２０、２２を保護する保護被膜２０１とを備えて概略構成されている。

検出部２５は、さらに高周波信号を直流電圧に変換する検波回路２５ａと、検波回路２５ａから出力された第１の出力信号を増幅及びオフセットするオペアンプ２５ｂと、オペアンプ２５ｂから出力された第２の出力信号に基づいてタッチ操作の有無を判定するタッチ判定部２５ｃとを備えている。

図２に示す寄生容量Ｃ３は、一例として配線、検出回路内部、又は近接する金属等によって発生する静電容量であり、本実施の形態においては、一例として、第１及び第２の電極２０、２２に付着した水滴３によって発生するものとする。

（第１及び第２の電極２０、２２の構成）
図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る第１及び第２の電極の概略図である。図４（ａ）に示す第１及び第２の電極２０、２１は、所定の間隔を経て並べられた並列構造を備えて構成されている。

図４（ｂ）に示す第１及び第２の電極２０、２１は、所定の間隔で折り返された櫛歯構造を備えて構成されている。

図４（ａ）及び（ｂ）における第１及び第２の電極２０、２２は、操作者の手指に対して十分小さいので、タッチ操作のとき、操作者の手指の接近によって第１の電極２０には静電容量Ｃ１が、第２の電極２２には静電容量Ｃ２が発生するものとする。

（タッチ判定部２５ｃに入力する出力電圧について）
図５は、本発明の実施の形態に係る時間と出力電圧に関するグラフである。本実施の形態において、発振部２４は、１００Ｋ〜１ＭＨｚの高周波信号を出力するものとし、基準電圧４０は２．５Ｖであり、しきい値４１は２Ｖであるものとする。

またグラフ４において、水濡れとは、第１及び第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１に寄生容量Ｃ３を有する水滴３が付着した状態を示している。

（動作）
以下に、本実施の形態におけるタッチセンサの動作を各図を参照して詳細に説明する。

（従来のタッチセンサ５の動作）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る従来のタッチセンサの等価回路図の一例であり、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る時間と出力電圧に関するグラフである。まず、従来のタッチセンサ５の動作について説明する。

従来のタッチセンサ５は、一例として、電極５０と、電極５０と接続された抵抗５１と、抵抗５１に接続され、高周波信号を出力する発振部５２と、電極５０と抵抗５１との間に接続され、高周波信号を直流電圧に変換する整流回路５３と、整流回路５３からの出力を積分する積分回路５４と、積分回路５４からの出力に基づいてタッチ操作を判定するタッチ判定部５５とを備えて概略構成されている。

操作者が、手指によって電極５０に対してタッチ操作を行ったとき、図６（ｂ）に示すように、静電容量Ｃ４が発生したことによって出力電圧がしきい値６１以下となるので、タッチ判定部５５は、タッチ操作が行われたと判定することができる。

しかし、水滴３が電極５０上の保護被膜に付着したとき、図６（ａ）に示す静電容量Ｃ４の代わりに寄生容量Ｃ３が発生する。

発生した寄生容量Ｃ３によって出力電圧が基準電圧６０より降下し、寄生容量Ｃ３の大きさによっては、しきい値６１近傍やしきい値６１以下となり、タッチ判定部５５が誤判定を行う可能性があるという問題があった。

これは、例えば、車両１のドアノブ１２にこのタッチセンサ５を設けたとき、雨や洗車等によってドアノブ１２に水滴３が付着する状態に相当する。

よって従来のタッチセンサ５は、寄生容量Ｃ３に基づいた出力電圧の降下のため、タッチ判定部５５の判定精度が落ちることから、発明者は鋭意検討し、以下の発明をするに到った。

（タッチセンサ２の動作）
まず、操作者が手指によってタッチ操作を行った場合について説明する。

操作者は、車両１のドア１１を開けるため、ドアノブ１２を把握し、手指でタッチセンサ２に対してタッチ操作を行う。なお、電子式キー認証及び機械式キー認証等によって、ドア１１は解錠されているものとする。

操作者の手指が第１及び第２の電極２０、２２から十分離れているとき、発振部２４、第２の抵抗２３及び検出部２５によって閉じた回路を形成する。

このときタッチ判定部２５ｃには、発振部２４、第２の抵抗２３、検波回路２５ａ及びオペアンプ２５ｂを介して出力電圧として図５に示す基準電圧（２．５Ｖ）４０が入力する。

しかし、操作者が手指によって第１及び第２の電極２０、２２に対してタッチ操作を行ったとき、発振部２４、第２の抵抗２３、検波回路２５ａ及びオペアンプ２５ｂを介してタッチ判定部２５ｃに入力する出力電圧（１．５Ｖ；第２の出力信号）は、タッチ操作によって発生した静電容量Ｃ１及びＣ２に基づいて基準電圧（２．５Ｖ）４０よりも降下する。

よってタッチ判定部２５ｃは、しきい値（２Ｖ）４１と降下した出力電圧（１．５Ｖ）を比較し、降下した出力電圧（１．５Ｖ）がしきい値（２Ｖ）４１よりも低いとき、タッチ操作が行われたと判定し、ドアラッチ装置とストライカの結合解除を行う。

操作者は、ドアラッチ装置とストライカの結合解除が行われたので、ドア１１を開け、車両１に乗込むことができる。

（寄生容量Ｃ３の発生について）
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、水濡れによって水滴３が第１及び第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１に付着した場合について説明する。

水濡れによって水滴３が第１及び第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１に付着したとき、図２に示すように、第１及び第２の電極２０、２２の間に寄生容量Ｃ３が発生する。

発振部２４から出力された高周波信号は、第２の抵抗２３よりも抵抗値の低い第１の抵抗２１を経由して、第１の電極２０、寄生容量Ｃ３及び第２の電極２２を介して検出部２５に入力する。

検出部２５に入力した高周波信号は、第２の抵抗２３を経由した高周波信号よりも大きいことから、検波回路２５ａを介してオペアンプ２５ｂから出力される出力電圧（２．８Ｖ）は、基準電圧（２．５Ｖ）４０よりも大きくなる。

よってタッチ判定部２５ｃは、しきい値（２Ｖ）４１及び基準電圧（２．５Ｖ）４０よりも大きい出力電圧（２．８Ｖ）に基づいてタッチ操作の判定を行うので、タッチ操作がなされていないと高い精度で判定することができる。

ここで、図４（ａ）における第１及び第２の電極２０、２２の並列構造は、第１及び第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１に水滴３が付着した場合には、図５に示すグラフ４のように、出力電圧の波形形状が反転して検出される。

しかし、水滴３が、第１又は第２の電極２０、２２上の保護被膜２０１のみに付着した場合、第１又は第２の電極２０、２２に寄生容量Ｃ３が発生する可能性がある。

また図４（ｂ）における第１及び第２の電極２０、２２の櫛歯構造は、所定の間隔にて折り返された構造を有しているので、保護被膜２０１に付着した水滴３が、高い確率で図２に示すような寄生容量Ｃ３を発生させる。

よって櫛歯構造を有する第１及び第２の電極２０、２２を備えたタッチセンサ２は、より高い精度でタッチ操作を判定することができる。

なお、第１及び第２の電極２０、２２の構造は、これに限定されず、寄生容量を有する物質が付着又は接近したとき、第１及び第２の電極２０、２２の間に静電容量が発生する構造であればその形状は問わない。

（効果）
上記した実施の形態によれば、タッチセンサ２は、水滴３等の付着による寄生容量Ｃ３が発生しても、第１及び第２の電極２０、２２間に寄生容量Ｃ３が発生するので、通常のタッチ操作で検出される出力電圧とは波形形状が反転して検出されるので、タッチ操作が行われたと誤判定することなく、高い精度でタッチ操作の有無を判定することができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態に係るタッチセンサが搭載された車両の概略図である。 本発明の実施の形態に係るタッチセンサの等価回路図である。 本発明の実施の形態に係る第１の電極付近の断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る第１及び第２の電極の概略図である。 本発明の実施の形態に係る時間と出力電圧に関するグラフである。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る従来のタッチセンサの等価回路図の一例であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る時間と出力電圧に関するグラフである。

符号の説明

１…車両、２…タッチセンサ、３…水滴、４…グラフ、５…タッチセンサ、６…グラフ、１０…車両本体、１１…ドア、１２…ドアノブ、２０…第１の電極、２１…第１の抵抗、２２…第２の電極、２３…第２の抵抗、２４…発振部、２５…検出部、２５ａ…検波回路、２５ｂ…オペアンプ、２５ｃ…タッチ判定部、４０…基準電圧、４１…しきい値、５０…電極、５１…抵抗、５２…発振部、５３…整流回路、５４…積分回路、５５…タッチ判定部、６０…基準電圧、６１…しきい値、２００…基板、２０１…保護被膜、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４…静電容量、Ｃ３…寄生容量、Ｖ…出力電圧

Claims (3)

1. タッチ操作に基づいて第１の静電容量を形成し、第１の抵抗が接続された第１の電極と、
   前記タッチ操作に基づいて第２の静電容量を形成し、前記第１の抵抗の抵抗値よりも大きい前記抵抗値を有する第２の抵抗が接続された第２の電極と、
   一端が前記第１及び第２の抵抗の間に接続され、他端が接地され、高周波信号を出力する発振部と、
   前記第２の電極と前記第２の抵抗の間に接続され、前記第２の電極と前記第２の抵抗の間で検出される前記高周波信号に基づいて前記タッチ操作を検出する検出部と、
   を備えたことを特徴とする静電容量タッチセンサ。
2. 前記第１及び第２の電極は、所定の間隔を有して折り返された櫛歯構造を備えたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量タッチセンサ。
3. 前記検出部は、前記高周波信号を直流電圧に変換する検波回路と、前記検波回路から出力された第１の出力信号を増幅するオペアンプと、しきい値を有し、前記オペアンプから出力された第２の出力信号と前記しきい値に基づいて前記タッチ操作の判定を行う判定部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量タッチセンサ。

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