JP2013161356A

JP2013161356A - 静電検出センサ

Info

Publication number: JP2013161356A
Application number: JP2012024260A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hasegawa; 哲長谷川
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】手袋を装着した状態でタッチしたかどうかを正確に判断でき、この結果に基づいてタッチ検出を正確にできる静電検出センサを提供する。
【解決手段】第１の方向であるｘ方向に配置された複数の第１方向電極パターンであるｘ電極パターン１２、及び、第２の方向であるｙ方向に配置された複数の第２方向電極パターンであるｙ電極パターン１４を有する静電検出部５と、静電検出部５が押圧操作されたことを検出するメカスイッチ部であるメカスイッチ５４と、静電検出部５へのタッチ操作を検出し、メカスイッチ５４が押圧されたタイミングで検出された静電容量の容量分布に基づいて、タッチ操作が素手でされたか手袋によりされたかを判断する判断部を備えた制御部２４０と、を有して静電検出センサ１を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、静電検出センサに関する。

従来の技術として、手袋の有無によらず、オン／オフ操作を正常に行うことができる静電検出センサを備えた入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この入力装置は、素手で接触したときのタッチセンサの抵抗値に基づき、素手であるか手袋装着状態であるかを判断する基準値を規定しておき、メカスイッチ（メカニカルスイッチ）が操作された際に、接触されたタッチセンサの抵抗値を測定すると共に、測定されたタッチセンサの抵抗値を基準値と比較し、タッチセンサの抵抗値が基準値より高い場合には、手袋装着状態と判断し、タッチパネルのオン／オフを判断する判断閾値を、素手のときの判断閾値より低く設定して、タッチパネルの感度を向上させ、タッチセンサの抵抗値が基準値より低い場合には、素手であると判断し、タッチパネルのオン／オフを判断する判断閾値を、素手のときの判断閾値に設定するものである。

特開２００８−３３７０１号公報

しかし、従来の入力装置は、接触されたタッチセンサの抵抗値を１点で測定する方式で、素手でタッチ操作した場合と手袋を装着した状態でタッチした場合の判断精度が悪く、検出精度に問題があった。

従って、本発明の目的は、手袋を装着した状態でタッチしたかどうかを正確に判断でき、この結果に基づいてタッチ検出を正確にできる静電検出センサを提供することにある。

[１]本発明は、上記の目的を達成するために、第１の方向に配置された複数の第１方向電極パターン、及び、前記第１の方向と交差する第２の方向に配置された複数の第２方向電極パターンを有する静電検出部と、前記静電検出部が押圧操作されたことを検出するメカスイッチ部と、前記静電検出部へのタッチ操作を検出し、前記メカスイッチ部が押圧されたタイミングで検出された静電容量の容量分布に基づいて、前記タッチ操作が素手でされたか手袋によりされたかを判断する判断部を備えた制御部と、を有することを特徴とする静電検出センサを提供する。

[２]前記容量分布は、前記第１の方向又は第２の方向の分散であることを特徴とする上記[１]に記載の静電検出センサであってもよい。

[３]また、前記第１の方向又は第２の方向は、前記タッチ操作する指の長さ方向に平行であることを特徴とする上記[１]又は[２]に記載の静電検出センサであってもよい。

本発明によれば、手袋を装着した状態でタッチしたかどうかを正確に判断でき、この結果に基づいてタッチ検出を正確にできる静電検出センサを提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電検出センサを図１（ｂ）のII（ａ）-II（ａ）線で切断した断面を矢印の方向から見た断面図であり、図１（ｂ）は、静電検出センサの上平面図（図１（ａ）におけるＡ矢視図）である。図２（ａ）は、ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターンの概略図であり、（ｂ）は、ｙ軸方向に配置されるｙ電極パターンの概略図である。図３は、静電検出センサのブロック図である。図４は、本発明の実施の形態に係る静電検出センサの手袋検知時の動作フローを示すフローチャートである。図５は、通常動作時の動作フローを示すフローチャートである。図６は、電極パターンにタッチ操作するときの、指と電極パターンの関係を示す図１（ｂ）相当図である。図７は、素手、手袋によるタッチ操作時のピーク値、分散等の測定値の一例を表した測定値表である。図８は、素手、手袋によるタッチとピーク値との関係を示す関係図である。

[本発明の実施の形態]
（静電検出センサ１の構成）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電検出センサを図１（ｂ）のII（ａ）-II（ａ）線で切断した断面を矢印の方向から見た断面図であり、図１（ｂ）は、静電検出センサの上平面図（図１（ａ）におけるＡ矢視図）である。図２（ａ）は、ｘ軸方向に配置されたｘ電極パターンの概略図であり、（ｂ）は、ｙ軸方向に配置されたｙ電極パターンの概略図である。図３は、静電検出センサのブロック図である。

本実施の形態では、図１（ｂ）の紙面の横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸とし、静電検出センサ１の左上を原点としている。なお、以下の実施の形態に係る各図において、部品と部品との比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下において、ｘ軸の座標は、ｘに下付きの数字（１〜６）を付して、左から右に向かってｘ_１〜ｘ_６と示すものとする。また、ｙ軸の座標は、ｙに下付きの数字（１〜５）を付して、上から下に向かってｙ_１〜ｙ_５と示すものとする。

静電検出センサ１は、例えば、センサへのタッチ操作によりｘｙ座標の２次元入力が可能であり、これにより接続された電子機器の操作を行うことができるものである。このタッチ操作において、素手でタッチした場合と手袋着用によるタッチとを検知して区別することができるように構成されている。

本実施の形態に係る静電検出センサ１は、第１の方向であるｘ方向に配置された複数の第１方向電極パターンであるｘ電極パターン１２、及び、第２の方向であるｙ方向に配置された複数の第２方向電極パターンであるｙ電極パターン１４を有する静電検出部５と、静電検出部５が押圧操作されたことを検出するメカスイッチ部であるメカスイッチ５４と、静電検出部５へのタッチ操作を検出し、メカスイッチ５４が押圧されたタイミングで検出された静電容量の容量分布に基づいて、タッチ操作が素手でされたか手袋によりされたかを判断する判断部を備えた制御部２４０と、を有して構成されている。

また、静電検出センサ１は、例えば、図３に示すように、ｘ電極パターン１２、ｙ電極パターン１４、駆動部２０、及びタッチ検出部２２を有する静電検出部５と、制御部２４０、センサコントローラ２４１及びクロック信号生成部２４２を有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２４と、を備えて概略構成されている。

（センサ基板１０の構成）
センサ基板１０は、例えば、ガラス又は合成樹脂等の材料を用いて板形状に形成されている。また、センサ基板１０は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２、及びｙ軸方向に配置されるｙ電極パターン１４が形成されている。

センサ基板１０は、一例として、ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２が形成された基板と、ｙ軸方向に配置されるｙ電極パターン１４が形成された基板と、を張り合わせることにより形成される。

（ｘ電極パターン１２及びｙ電極パターン１４の構成）
ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２及びｙ軸方向に配置されるｙ電極パターン１４は、例えば、銅等の金属材料を用いて形成されている。また、ｘ電極パターン１２及びｙ電極パターン１４は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム）等の透明電極であっても良い。

ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、ｘ軸に直交するように延伸して配置されている。ｘ軸方向には、図１（ｂ）に示すように、一例として、６個のｘ電極パターン１２がピッチＰ_１で、等間隔で並んでいる。つまり、６個のｘ電極パターン１２は、ｘ軸の座標ｘ_１〜座標ｘ_６に対応する。６個のｘ電極パターン１２は、例えば、図３に示すように、駆動部２０及びタッチ検出部２２に電気的に接続されている。

また、ｙ軸方向に配置されるｙ電極パターン１４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、ｙ軸に直交するように延伸して配置されている。ｙ軸方向には、図２（ｂ）に示すように、一例として、５個のｙ電極パターン１４が、ピッチＰ_２で、等間隔で並んでいる。つまり、５個のｙ電極パターン１４は、ｙ軸の座標ｙ_１〜座標ｙ_５に対応する。５個のｙ電極パターン１４は、例えば、図３に示すように、駆動部２０及びタッチ検出部２２に電気的に接続されている。なお、本実施の形態に係るピッチＰ_１とピッチＰ_２は、一例として、等しいがこれに限定されない。

ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２は、例えば、図１（ａ）に示すように、ｙ軸方向のｙ電極パターン１４よりも上表面に近い層に形成されている。このｘ電極パターン１２は、例えば、ｙ電極パターン１２と電気的に絶縁されている。

ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２は、例えば、図２（ａ）に示すように、正方形となる複数のｘ電極部１２０と、ｘ電極部１２０よりも面積が小さく、ｘ電極部１２０同士を接続する複数の接続部１２１と、を備えて概略構成されている。なお、座標ｘ_１及び座標ｘ_６に配置された電極パターンは、一例として、他の座標に配置されたｘ電極パターン１２を長手方向に２つに分割した形状を有するが、他の座標の電極パターンと同様にｘ電極パターン１２と記載する。

ｙ軸方向に配置されるｙ電極パターン１４は、例えば、図２（ｂ）に示すように、正方形となる複数のｙ電極部１４０と、ｙ電極部１４０よりも面積が小さく、ｙ電極部１４０同士を接続する複数の接続部１４１と、を備えて概略構成されている。なお、座標ｙ_１及び座標ｙ_５に配置された電極パターンは、一例として、他の座標に配置されたｙ電極パターン１４を長手方向に２つに分割した形状を有するが、他の座標の電極パターンと同様にｙ電極パターン１４と記載する。

センサ基板１０を図１（ａ）のＡ方向から視ると、例えば、図１（ｂ）に示すように、ｘ軸方向に配置されるｘ電極パターン１２の電極部１２０と電極部１２０の間に、ｙ軸方向のｙ電極パターン１４の電極部１４０が位置するように、ｘ電極パターン１２及びｙ電極パターン１４は交差して配置される。

なお、ｘ電極パターン１２及びｙ電極パターン１４の形状は、上記の例に限定されず、変更可能である。

（メカスイッチ５４の構成）
図１に示すように、センサ基板１０は、ベース５０の上にバネ５２等の弾性部材を介して支持されている。したがって、センサ基板１０を上から押圧操作することにより、センサ基板１０がベース５０に近接する方向へ移動することができる。ベース５０にはタクトスイッチ等のメカスイッチ５４が装着されており、上記示したようにセンサ基板１０を上から押圧操作することにより、所定の移動量でメカスイッチ５４が押圧されてスイッチオン信号を出力する。このセンサ基板１０を押圧操作することによるメカスイッチ５４のスイッチオン信号は、後述する手袋検知の判断時の静電容量（ピーク値）検出のトリガ信号として使用することができる。

（駆動部２０の構成）
駆動部２０は、例えば、ＥＣＵ２４のセンサコントローラ２４１から出力される制御信号に基づいて、ｘ電極パターン１２及びｙ電極パターン１４に電圧Ｖを供給するように構成されている。

（タッチ検出部２２の構成）
タッチ検出部２２は、例えば、クロック信号生成部２４２により生成されたクロック信号に基づいて、座標ｘ_１〜座標ｘ_６に対応するｘ電極パターン１２、座標ｙ_１〜座標ｙ_５に対応するｙ電極パターン１４の順に、静電容量の読み出しを行う。

タッチ検出部２２は、例えば、座標ｘ_１〜座標ｘ_６に対応するｘ電極パターン１２の静電容量、座標ｙ_１〜座標ｙ_５に対応するｙ電極パターン１４の静電容量を読み出したのち、座標と静電容量を関連付けた静電容量情報をＥＣＵ２４に出力する。

（制御部２４０の構成）
制御部２４０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導電体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで概略構成されている。この制御部２４０は、例えば、各部を統括的に制御している。このＲＯＭには、例えば、しきい値２４０ａが格納されている。このしきい値２４０ａは、後述する手袋検知で使用する、Ｐth1、Ｐth2、Ｔｈ、Ｖｔｈ等の予め設定された値が種々記憶され、必要に応じて参照される。ＲＡＭは、例えば、演算等で発生したデータを一時的に格納する。

制御部２４０は、例えば、タッチ検出部２２から取得した静電容量情報に基づいて、種々の算出処理を行なう。また、算出された種々の算出値を使用して、所定のフローチャートに従って、タッチ操作が素手でされたか手袋によりされたかを判断する判断部を備えている。

（動作）
静電検出センサ１のセンサコントローラ２４１は、駆動部２０を制御するための制御信号を生成し、駆動部２０に出力する。

駆動部２０は、センサコントローラ２４１から取得した制御信号に基づいて駆動信号をｘ軸方向の電極パターン１２及びｙ軸方向の電極パターン１４に出力する。

タッチ検出部２２は、クロック信号生成部２４２から出力されたクロック信号を取得すると、クロック信号に基づいて、座標ｘ_１に対応する電極パターン１２から座標ｙ_５に対応する電極パターン１４の静電容量を順番に読み出し、静電容量情報を生成してＥＣＵ２４に出力する。静電検出センサ１は、例えば、上記の動作を、クロック信号に基づいて、連続して行う。

（手袋検知の判断手法）
平行平板コンデンサモデルによれば、静電容量値Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄである。ただし、εは誘電率、Ｓはコンデンサ電極の静電容量部をなす面積、ｄはコンデンサ電極間の距離である。タッチセンサの容量値Ｃを決定するのは、指とセンサ電極間の距離ｄと、静電容量部をなす面積Ｓである。したがって、静電容量値Ｃに加えて面積Ｓが検出できれば、手袋装着か否か、すなわち、指とセンサ間の距離ｄが大きいか否かを判別できる。

センサ基板１０を上から押圧操作することにより、指がつぶれて静電容量部をなす面積が大きくなったとき、静電容量の広がりも大きくなる。したがって、メカスイッチ５４を押圧操作したときの静電容量の値（ピーク値）だけでなく、静電容量の広がりも利用して手袋装着かどうかを判断する。この判断結果に応じて、タッチ検出の適切なしきい値を設定することが可能となる。

静電容量の広がりは、静電容量の容量分布であり、Ｘ分散σ_ｘ ^２、Ｙ分散σ_ｙ ^２、回転不変分数σ^２、ＨｕモーメントＩ_１などを利用する。メカスイッチ５４を押圧操作したときの静電容量の値（ピーク値Ｐ）を、
とすると、重心Ｇｘ、Ｇｙは、

のように算出できる。ここで、Ｉｘｙは、図１（ｂ）で示すｘｙ座標での容量値である。これに基づいて、Ｘ分散σ_ｘ ^２、Ｙ分散σ_ｙ ^２、回転不変分数σ^２、ＨｕモーメントＩ_１は、以下のように算出できる。

図４は、本発明の実施の形態に係る静電検出センサの手袋検知時の動作フローを示すフローチャートである。図５は、通常動作時の動作フローを示すフローチャートである。また、図６は、電極パターンにタッチ操作するときの、指と電極パターンの関係を示す図１（ｂ）相当図である。

本実施の形態では、静電容量の広がりを示す静電容量の容量分布の一形態として、Ｙ分散σ_ｙ ^２を使用して図４のフローチャートに従って手袋検知の判断を行なう。

ここで、Ｙ分散σ_ｙ ^２を使用するのは、図６に示すように、ｘ電極パターンに平行にタッチ操作するときの、指６０のｙ方向への面積の変化を利用するものである。すなわち、指６０のｘ方向への面積の変化は小さいので、面積の変化が大きいｙ方向（指の長さ方向）のＹ分散σ_ｙ ^２を利用して手袋検知の判断を行なうものである。なお、ｘ電極パターン１２、ｙ電極パターン１４は、タッチ操作する指の長さ方向に平行、又は略平行をなるよう配置されることが好ましい。

以下に、本実施の形態に係る静電検出センサ１の手袋検知動作について図４のフローチャートを参照しながら説明する。

静電検出センサ１の動作がスタートすると、制御部２４０は、メカスイッチ５４のスイッチオン信号を検出したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ０１）。スイッチオン信号を検出した場合はＳｔｅｐ０２へ進み、スイッチオン信号を検出しない場合はＳｔｅｐ０１へ戻って、メカスイッチ信号検出を繰り返し行なう。

メカスイッチ５４のスイッチオン信号を検出した時の、ピーク値Ｐを検出し、このピーク値Ｐが第１のしきい値Ｐth1よりも小さいかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ０２）。小さい場合はＳｔｅｐ０３へ進み、小さくない場合、すなわち、ピーク値Ｐが所定のしきい値Ｐth1よりも大きいと判断された場合は、素手で押圧操作されたと判断してＳｔｅｐ０５へ進む。

次にＳｔｅｐ０３において、ピーク値Ｐが第２のしきい値Ｐth2よりも小さいかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ０３）。なお、Ｐth2＜Ｐth1である。
小さい場合は手袋装着状態で押圧操作されたと判断してＳｔｅｐ０６へ進み、小さくないと判断された場合は、Ｓｔｅｐ０４へ進む。

次に、Ｙ分散σ_ｙ ^２が所定のしきい値Ｖｔｈより小さいかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ０４）。小さい場合はＳｔｅｐ０５へ進み、小さくないと判断された場合は、Ｓｔｅｐ０６へ進む。Ｓｔｅｐ０４は、Ｓｔｅｐ０２及びＳｔｅｐ０３の判断において、ピーク値Ｐが第１のしきい値Ｐth1よりも小さく、かつ、第２のしきい値Ｐth2よりも大きいと判断された場合において、さらに、素手か手袋装着かを判断するステップである。この判断において、Ｙ分散σ_ｙ ^２を使用するものである。

Ｓｔｅｐ０５において、素手により押圧操作されたと判断されているので、静電検出センサ１のタッチ検出においてしきい値を大きな値に設定して、一連の手袋検知動作フローを終了する（素手対応）。

Ｓｔｅｐ０６において、手袋装着により押圧操作されたと判断されているので、静電検出センサ１のタッチ検出においてしきい値を小さな値に設定して、一連の手袋検知動作フローを終了する（手袋対応）。

図５は、通常動作時の動作フローを示すフローチャートである。静電検出センサ１の通常動作では、上記示した手袋検知の判断された結果に基づいて、素手又は手袋装着された場合のしきい値Ｔｈを設定して、ピーク値がしきい値Ｔｈを超えるかどうかによりタッチ検出を行なう。

図７は、素手、手袋によるタッチ操作時のピーク値、分散等の測定値の一例を表した測定値表である。また、図８は、素手、手袋によるタッチとピーク値との関係を示す関係図である。

図７に示すように、素手普通タッチ、素手点タッチ、素手接近、手袋普通タッチ、手袋点タッチ、非タッチの６種類のタッチにおける、ピーク値、分散σ_ｙ ^２を一覧表で示した。これを、素手の場合、手袋の場合をパラメータとしてプロットすると、図８に示すような素手、手袋によるタッチとピーク値との関係を示す関係図ができる。なお、ピーク値の縦軸は、検出されるピーク値を０〜１２７とした値である。

ここで、Ｓｔｅｐ０２で設定する第１のしきい値Ｐth1を、Ｐth1＝５０とすれば、図８からわかるように、ピーク値ＰがＰth1以上となるのは、素手の普通タッチに限られる。これにより、素手の普通タッチを除外して精度よくＳｔｅｐ０３へ進むことができる。

また、Ｓｔｅｐ０３で設定する第２のしきい値Ｐth2を、Ｐth2＝２０とすれば、図８からわかるように、ピーク値ＰがＰth2より小さくなるのは、手袋のタッチに限られる。これにより、精度よくＳｔｅｐ０４へ進むことができる。

Ｓｔｅｐ０４において、広がりの値としてＹ分散σ_ｙ ^２を採用し、しきい値としてＶｔｈ＝１．６を採用すれば、図７からわかるように、素手と手袋を区別することが可能となる。

上記示した素手と手袋の区別後に、素手の場合はピーク値のしきい値Ｔｈとして２５、また、手袋の場合はピーク値のしきい値Ｔｈとして１０を採用すれば、図５で示した通常動作において、タッチまたは非タッチを安定して識別することが可能となる。

（本実施の実施の形態の効果）
本実施の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る静電検出センサ１は、メカスイッチ５４を備えているので、センサ押圧時において、メカスイッチ５４のスイッチオン信号をトリガ信号として、静電容量（ピーク値）検出を行なうことができる。これにより、押し方の違いによる検出誤差が低減でき、精度のよい静電容量（ピーク値）検出が可能となる。
（２）上記の静電容量（ピーク値）検出精度の向上により、手袋検知の判断、及び、タッチ／非タッチの通常動作の検出精度が向上する。したがって、手袋を装着した状態でタッチしたかどうかを正確に判断でき、この結果に基づいてタッチ検出を正確にできる静電検出センサが可能となる。
（３）押し方の違いによらず、手袋装着か否かを検知することにより、適切なしきい値を設定することで、素手の場合は近接を検出せず、手袋装着の場合は確実に検出することが可能となる。したがって、本実施の形態に係る静電検出センサを使用したタッチパネルにおいて、手袋によるタッチを検出し、素手による近接は検出しない構成が可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…静電検出センサ
５…静電検出部
１０…センサ基板
１２…ｘ電極パターン
１４…ｙ電極パターン
２０…駆動部
２２…タッチ検出部
２４…ＥＣＵ
５０…ベース
５２…バネ
５４…メカスイッチ
６０…指
１２０…ｘ電極部
１２１…接続部
１４０…ｙ電極部
１４１…接続部
２４０…制御部
２４０ａ…しきい値
２４１…センサコントローラ
２４２…クロック信号生成部

Claims

第１の方向に配置された複数の第１方向電極パターン、及び、前記第１の方向と交差する第２の方向に配置された複数の第２方向電極パターンを有する静電検出部と、
前記静電検出部が押圧操作されたことを検出するメカスイッチ部と、
前記静電検出部へのタッチ操作を検出し、前記メカスイッチ部が押圧されたタイミングで検出された静電容量の容量分布に基づいて、前記タッチ操作が素手でされたか手袋によりされたかを判断する判断部を備えた制御部と、
を有することを特徴とする静電検出センサ。
前記容量分布は、前記第１の方向又は第２の方向の分散であることを特徴とする請求項１に記載の静電検出センサ。
前記第１の方向又は第２の方向は、前記タッチ操作する指の長さ方向に平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電検出センサ。