JP2012079661A

JP2012079661A - 静電タッチスイッチ装置

Info

Publication number: JP2012079661A
Application number: JP2010226627A
Authority: JP
Inventors: Seiya Murase; 誠也村瀬
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: JP5562794B2

Abstract

【課題】輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置を提供する。
【解決手段】静電タッチスイッチ装置１０は、操作者がタッチ操作することにより静電容量が変化してスイッチ動作を行なうことができるもので、操作者がタッチ操作する第１の電極とそれに対応して備えられた第２の電極を有する。第１の電極にはタッチ検出を行なうための交流電圧が印加され、第２の電極にはこれと逆位相の交流電圧が印加されているので、輻射ノイズの一部がキャンセルされて輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置１０が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電タッチスイッチ装置に関し、特に、輻射ノイズの小さい静電タッチスイッチ装置に関する。

従来のタッチスイッチ装置として、操作部表面に金属膜が電極として形成され、タッチされる操作者の手指と電極との間で可変コンデンサを構成して電極へのタッチにより静電容量変化を検出してスイッチ検出を行なう静電タッチスイッチ装置がある（例えば、特許文献１）。この静電タッチスイッチ装置の電極には、所定の周波数の交流信号が印加されており、手指が電極に近接または接触することにより、交流信号レベルの低下を検出回路により検出することでタッチによるスイッチ動作を検出するとされている。

一方、高周波成分を含む回路の不要輻射ノイズを抑制するための配線パターン構造が提案されている（例えば、特許文献２）。一つの信号回路が並列する２本に分岐された信号配線パターンで構成され、分岐された信号配線パターンはＧＮＤパターンの形成された層を挟んだ２つの層の対向する位置にそれぞれ形成され、それぞれが内部の次の層に形成されたＧＮＤパターンと対応している。これにより、交流信号の流れる信号配線パターンからは、ＧＮＤパターンへと、対向面に略垂直に高周波電流が方向が互いに対向するように流れ、従って発生する磁界も逆向きになるので互いに打ち消し合い電磁波の発生は減少し外部に放射されるノイズも減少するとされている。

特開２００８−２８２７２４号公報特開平８−２７４４２７号公報

しかし、特許文献１等に示される構成のタッチスイッチ装置は、検出電極への操作者の手指の近接あるいは接触を静電容量変化として検出するので、特許文献２に示されるように背面側にＧＮＤパターンを配置することが難しい。また、操作者の手指を近接させるため検出電極の前面にＧＮＤパターンを配置することができず、タッチスイッチの検出電極から、印加される交流信号による輻射ノイズが放射される場合があった。

本発明の目的は、輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、タッチ操作に基づく静電容量を形成する第１の電極を備えたタッチスイッチ部と、前記第１の電極に対応して備えられた第２の電極と、前記第１の電極に第１の交流電圧を印加して前記タッチ操作に基づく静電容量の変化を検出する検出部と、前記第１の交流電圧と逆位相である第２の交流電圧を前記第２の電極に印加するキャンセル信号発生部と、を有することを特徴とする静電タッチスイッチ装置を提供する。

［２］前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を囲う形態で形成されていることを特徴とする上記［１］に記載の静電タッチスイッチ装置であってもよい。

［３］また、前記第１の電極及び前記第２の電極は、同一の基板上に形成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の静電タッチスイッチ装置であってもよい。

本発明の静電タッチスイッチ装置によれば、輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置のシステム構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するキャンセル信号発生器の構成例を示す回路図である。図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するタッチ検出電極とノイズキャンセル電極の電極パターン例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、その断面図である。図４（ａ）は、タッチ検出電極に印加されるタッチ検出信号Ｖｔの信号波形を示す横軸を時間ｔとするＶｔ−ｔの信号波形図であり、図４（ｂ）は、ノイズキャンセル電極に印加されるノイズキャンセル信号Ｖｃの信号波形を示す横軸を時間ｔとするＶｃ−ｔの信号波形図である。図５（ａ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるタッチ検出信号Ｖｔのタッチ区間の変化を示すＶｔ−ｔの信号波形図であり、図５（ｂ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるノイズキャンセル信号Ｖｃのタッチ区間の変化を示すＶｃ−ｔの信号波形図である。図６（ａ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるタッチ検出信号Ｖｔのタッチ区間の変化を示すＶｔ−ｔの信号波形図であり、図６（ｂ）は、ノイズキャンセル信号Ｖｃの整流およびローパスフィルタ通過後の信号Ｖｉの信号波形図であり、図６（ｃ）は、コンパレータの出力Ｖｎを示す信号波形図である。図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するタッチ検出電極とノイズキャンセル電極の別の電極パターン例を示す平面図であり、図７（ｂ）は、その断面図である。

（静電タッチスイッチ装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置のシステム構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するキャンセル信号発生器の構成例を示す回路図である。また、図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するタッチ検出電極とノイズキャンセル電極の電極パターン例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、その断面図である。

本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置１０は、操作者がタッチ操作することにより静電容量が変化してスイッチ動作を行なうことができるもので、操作者がタッチ操作する第１の電極とそれに対応して備えられた第２の電極を有する。第１の電極にはタッチ検出を行なうための交流電圧が印加され、第２の電極にはこれと逆位相の交流電圧が印加されているので、輻射ノイズの一部がキャンセルされて輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置１０が可能となる。

（静電タッチスイッチ装置の構成）
本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置１０は、操作者がタッチ操作することにより静電容量が変化して形成される第１の電極としてのタッチ検出電極１１０であるタッチスイッチ部と、タッチ検出電極１１０に対応して備えられた第２の電極であるノイズキャンセル電極１２０と、タッチ検出電極１１０に交流電圧を印加してタッチ操作に基づく静電容量の変化を検出する検出部２００と、この交流電圧と逆位相の交流電圧をノイズキャンセル電極１２０に印加するキャンセル信号発生器１４０と、を有して構成される。

タッチ検出電極１１０は、図１に示すように、抵抗Ｒ０を介して発振器１３０に接続されて交流電圧Ｖｔが印加されている。また、タッチ検出電極１１０は、検出部２００の整流器１５０に接続されると共に、キャンセル信号発生器１４０に接続されている。図１に示すＣｔは、タッチ操作する操作者の手指に相当する可変容量コンデンサＣｔであって、操作者の手指がタッチ検出電極１１０にタッチあるいは近接すると、図１に示すようにタッチ検出電極１１０と可変容量コンデンサＣｔが接続された状態となって、タッチ検出電極１１０はこの可変容量コンデンサＣｔを介してグランドＧＮＤ（ゼロレベル）に接続される。尚、タッチされない状態では、図１に示す可変容量コンデンサＣｔが接続されないで、ハイインピーダンス状態となっている。

ノイズキャンセル電極１２０は、キャンセル信号発生器１４０の出力部に接続されている。このノイズキャンセル電極１２０は、図１に示すように、他に接続されずにハイインピーダンス状態となっている。

タッチ検出電極１１０とノイズキャンセル電極１２０の電極パターンは、例えば、図３（ａ）に示すようなものである。回路基板２１０上に、例えば、銅箔で円形にパターン形成され、その周囲を囲むようにノイズキャンセル電極１２０が同様に形成される。図３（ｂ）の断面に示すように、タッチ検出電極１１０は、スルーホール１１３を介して回路基板２１０裏面のパターン１１５に接続され、抵抗Ｒ０や検出部２００、キャンセル信号発生器１４０に接続される。ノイズキャンセル電極１２０も同様に、スルーホール１２３を介して回路基板２１０裏面のパターン１２５に接続され、抵抗Ｒ３を介してキャンセル信号発生器１４０の出力部に接続される。

尚、上記示したタッチ検出電極１１０とノイズキャンセル電極１２０は、一例であり、タッチ検出電極１１０に対応してノイズキャンセル電極１２０が設けられていればよい。すなわち、ノイズキャンセル電極１２０がタッチ検出電極１１０の回りを取り囲まないパターンであってもよく、また、同一の回路基板２１０上に形成されずに別基板上に形成されたものであってもよい。

検出部２００は、整流器１５０、フィルタ回路１６０、比較器１７０等から構成されている。整流器１５０は、例えばダイオード等の整流作用を有するものであれば使用でき、一端がタッチ検出電極１１０に接続されている。よって、所定の周波数である交流電圧Ｖｔが入力され、また、タッチ検出電極１１０への操作者のタッチ操作により振幅変調された信号が入力される。整流器１５０の他端は、フィルタ回路１６０に接続されている。フィルタ回路１６０は、低周波数領域を通過させるローパスフィルタが使用でき、整流器１５０から入力される信号を平滑化する。フィルタ回路１６０の出力は、比較器１７０に入力される。比較器１７０は、例えば、オペアンプによるコンパレータが使用でき、閾値電圧Ｖrefと比較されて、ＨｉまたはＬｏ信号を出力信号Ｖｎとして出力する。尚、上記示した検出部の構成は一例であり、入力信号を整流、平滑、比較する回路を含むものであれば種々の回路を使用でき、また、比較する回路はマイコン（ＣＰＵ）等に信号を取り込んで判断する構成としてもよい。

キャンセル信号発生器１４０は、タッチ検出電極１１０に印加される交流信号Ｖｔを位相反転させて、また、ゲイン調整して出力し、この出力Ｖｃをノイズキャンセル電極１２０に印加するものである。図２に示すように、本実施の形態では、オペアンプ１４２を反転アンプとして使用する。反転入力端子に抵抗Ｒ１を介して交流信号Ｖｔが入力され、出力Ｖｃが反転出力される。Ｖｔに対するＶｃの大きさは、抵抗Ｒ１とＲ２の比を適宜調整して調整される。この調整は、後述する輻射ノイズのレベルを判断しながら行なうことができる。

（静電タッチスイッチ装置の動作）
図４（ａ）は、タッチ検出電極に印加されるタッチ検出信号Ｖｔの信号波形を示す横軸を時間ｔとするＶｔ−ｔの信号波形図である。発振器１３０により、図４（ａ）に示すようなタッチ検出信号Ｖｔをタッチ検出電極１１０に印加する。タッチ検出信号Ｖｔは、例えば、振幅Ｖｔ、５Ｖの交流信号であり、周波数は１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度である。尚、タッチ検出信号Ｖｔは、上記の振幅、周波数に限られず、また、交流成分を含む信号、及びパルス信号等も使用可能である。

図４（ｂ）は、ノイズキャンセル電極に印加されるノイズキャンセル信号Ｖｃの信号波形を示す横軸を時間ｔとするＶｃ−ｔの信号波形図である。ノイズキャンセル信号Ｖｃは、タッチ検出電極に印加されるタッチ検出信号Ｖｔから生成される。キャンセル信号発生器１４０に入力される図４（ａ）に示すタッチ検出信号Ｖｔは、図４（ｂ）に示すように、ゲインＲ２／Ｒ１で反転出力される。振幅Ｖｃはキャンセル信号発生器１４０の抵抗Ｒ１とＲ２の比を調整することで変化させることができる。

図５（ａ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるタッチ検出信号Ｖｔのタッチ区間の変化を示すＶｔ−ｔの信号波形図であり、図５（ｂ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるノイズキャンセル信号Ｖｃのタッチ区間の変化を示すＶｃ−ｔの信号波形図である。操作者がタッチ検出電極１１０に手指を接触させ、あるいは、近接させると、タッチ区間においてタッチ検出信号ＶｔのレベルがＶｔ１に低下する。これは、図１に示す可変容量コンデンサＣｔがタッチ等により容量増加し、交流成分が操作者を介してグランド（ＧＮＤ）に流れ込むからである。

タッチ検出信号Ｖｔが印加されたタッチ検出電極１１０からは輻射ノイズが放射され、また、ノイズキャンセル電極１２０からも輻射ノイズが放射される。これらは互いに逆位相の輻射ノイズであり、周囲に放射される輻射ノイズとしては大きく軽減されたものとなる。あるいは、近接するタッチ検出電極１１０とノイズキャンセル電極１２０の間で逆位相の磁気ベクトルと電気ベクトルが互いにキャンセルされて、放射される輻射ノイズが大きく軽減されたものとなる。ここで、キャンセル信号発生器１４０の抵抗Ｒ１とＲ２の比を調整することにより反転出力のゲインを調整することができる。輻射ノイズのレベルを測定しながらそれが最小付近になるように最適な調整を行なうことができる。

図６（ａ）は、タッチ検出電極へのタッチ操作によるタッチ検出信号Ｖｔのタッチ区間の変化を示すＶｔ−ｔの信号波形図であり、図６（ｂ）は、ノイズキャンセル信号Ｖｃの整流およびローパスフィルタ通過後の信号Ｖｉの信号波形図であり、図６（ｃ）は、コンパレータの出力Ｖｎを示す信号波形図である。

図６（ａ）に示すように、操作者がタッチ検出電極１１０に手指を接触させ、あるいは、近接させると、タッチ区間においてタッチ検出信号ＶｔのレベルがＶｔ１に低下する。図６（ａ）に示すような信号が検出部２００に入力されると、整流作用、平滑作用により図６（ｂ）に示すような信号となり、これが比較器１７０に入力信号として入力される。タッチ検出信号のＶｔとＶｔ１に対応するＶｃとＶｃ１との間に閾値電圧Ｖrefを設定することにより、比較器１７０からＨｉまたはＬｏ信号を出力信号Ｖｎとして出力する。すなわち、操作者がタッチした場合には、タッチ区間でＨｉ信号、タッチしない区間でＬｏ信号を出力信号Ｖｎとして出力する。尚、この出力信号Ｖｎは、ＨｉとＬｏが反転した状態で出力することも可能である。これらの動作により静電タッチスイッチ装置として機能することができる。

（本発明の実施の形態の効果）
ノイズキャンセル信号Ｖｃは、タッチ検出信号Ｖｔを基にしてキャンセル信号発生器１４０で位相反転して生成するので、操作者がタッチ検出電極１１０にタッチしてタッチ検出信号Ｖｔが変化すると、位相が反転した変化信号が信号Ｖｃとしてノイズキャンセル電極１２０に印加されることになる。これにより、タッチ検出電極１１０にタッチ操作がされる時でも、されない時でも、常に位相が互いに反転した信号がタッチ検出電極１１０とノイズキャンセル電極１２０に印加される。従って、タッチ検出電極１１０からの輻射ノイズとノイズキャンセル電極１２０からの輻射ノイズは互いにキャンセルされる。あるいは、それぞれの輻射ノイズの一部が互いにキャンセルされ、静電タッチスイッチ装置１０から放射される輻射ノイズの量が軽減される。

上記のような作用により輻射ノイズの量が軽減されるので、タッチ検出電極１１０に印加する電圧を小さくすることにより輻射ノイズを低減させる必要がない。これにより、タッチ検出精度が高く、輻射ノイズの小さな静電タッチスイッチ装置を実現できる。

また、静電タッチスイッチ装置１０においては、タッチ検出電極１１０を操作者がタッチするので、その前面に輻射ノイズを吸収する吸収部材、あるいは、グランドレベルに接続されたＧＮＤパターン等を配置することが難しい。従って、逆位相の輻射ノイズを発生させるノイズキャンセル電極１２０を有する構成は、特に、静電タッチスイッチ装置に有効である。

また、キャンセル信号発生器１４０は、ゲイン調整して反転出力することができるので、輻射ノイズのレベルを測定しながら、それが最小付近になるよう最適な設定にすることが可能となる。それぞれの電極パターンの形状やその周辺の状況に応じて、適宜最適な設定にすることも可能となる。

以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。

例えば、図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電タッチスイッチ装置を構成するタッチ検出電極とノイズキャンセル電極の別の電極パターン例を示す平面図であり、図７（ｂ）は、その断面図である。尚、図７（ａ）では、カバー２２０がない状態で図示している。

図３で示した電極パターンと異なる別の電極パターン例を示すものであり、タッチ検出電極３１０とノイズキャンセル電極３２０が櫛歯状に対向して配置されている。このように配置することでタッチ検出電極３１０とノイズキャンセル電極３２０の対称性が向上して、放射される輻射ノイズの低減がさらに期待できる。

また、図７（ｂ）に示すように、回路基板２１０上に配置されたタッチ検出電極３１０とノイズキャンセル電極３２０を覆うカバー２２０を設けることも可能である。例えば、カバー２２０は絶縁性の樹脂が使用でき、この状態でも図１に示した可変容量コンデンサＣｔの変化を検出できるので、静電タッチスイッチ装置として機能することができる。

１０…静電タッチスイッチ装置
１１０…タッチ検出電極
１１３…スルーホール
１１５…パターン
１２０…ノイズキャンセル電極
１２３…スルーホール
１２５…パターン
１３０…発振器
１４０…キャンセル信号発生器
１４２…オペアンプ
１５０…整流器
１６０…フィルタ回路
１７０…比較器
２００…検出部
２１０…回路基板
２２０…カバー
３１０…タッチ検出電極
３２０…ノイズキャンセル電極

Claims

タッチ操作に基づく静電容量を形成する第１の電極を備えたタッチスイッチ部と、
前記第１の電極に対応して備えられた第２の電極と、
前記第１の電極に第１の交流電圧を印加して前記タッチ操作に基づく静電容量の変化を検出する検出部と、
前記第１の交流電圧と逆位相である第２の交流電圧を前記第２の電極に印加するキャンセル信号発生部と、
を有することを特徴とする静電タッチスイッチ装置。
前記第２の電極は、前記第１の電極の周囲を囲う形態で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電タッチスイッチ装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電タッチスイッチ装置。