JP2013223205A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト且つ簡便な構成にて静電容量式タッチセンサを実現することが可能な入力装置を提供する。
【解決手段】入力装置は、所定の抵抗を介して電圧が印加される、静電容量式のタッチセンサ用電極と、電圧を印加してから所定時間が経過した際におけるタッチセンサ用電極の出力電圧のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかによって、タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定する制御部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量式タッチセンサを用いた入力装置に関する。

この種の技術が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１には、静電容量による周波数が可変な発振回路を用い、既存のマイコンでその周波数変化を読み取ることで静電容量方式タッチパネルを実現する技術が提案されている。

特開２００５−１８６６９号公報

ところで、入力機能を有するＩＣカードなどの小型機器では、低コスト且つ簡便な構成を実現するためには、専用のコントロールＩＣやＡＤコンバータなどを使用しないことが好ましいと言える。そこで、本発明は、低コスト且つ簡便な構成にて静電容量式タッチセンサを実現することを目的とする。

本発明の１つの観点では、入力装置は、所定の抵抗を介して電圧が印加される、静電容量式のタッチセンサ用電極と、前記電圧を印加してから所定時間が経過した際における前記タッチセンサ用電極の出力電圧のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかによって、前記タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定する制御部と、を備える。

上記の入力装置は、入力素子として静電容量式のタッチセンサ用電極を用いて、ユーザの指先のタッチを検出する。静電容量式のタッチセンサ用電極は、所定の抵抗を介して電圧が印加される。制御部は、当該電圧を印加してから所定時間が経過した際におけるタッチセンサ用電極の出力電圧のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかによって、タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定する。例えば、制御部は、出力電圧のレベルがハイレベルである場合にはタッチセンサ用電極がタッチされていないと判定し、出力電圧のレベルがローレベルである場合にはタッチセンサ用電極がタッチされたと判定する。これにより、タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを適切に判定することができる。上記の入力装置によれば、簡便な構成にて静電容量式タッチセンサを実現することが可能となる。

なお、本明細書では、「タッチセンサ用電極がタッチされた」とは、タッチセンサ用電極が指先で直接タッチされた場合だけでなく、所定のフィルムなどを介してタッチセンサ用電極が間接的に指先でタッチされた場合も含むものとする。また、本明細書では、「静電容量式タッチセンサ」の文言を、「タッチセンサ用電極」を意味するものとして用いることもある。

上記の入力装置の一態様では、前記制御部は、前記抵抗を介して前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加すると共に、前記タッチセンサ用電極の前記出力電圧が入力されて、当該出力電圧のレベルが前記ハイレベルであるか、それとも前記ローレベルであるかを検出する入出力ポートを備える。

この態様では、制御部は、入出力ポートを用いて、タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定する。これにより、専用のコントロールＩＣやＡＤコンバータなどを別途用いる必要がないため、低コスト且つ簡便な構成にて静電容量式タッチセンサを実現することができる。したがって、上記の入力装置は、ＩＣカードなどの実装スペースが限られた小型機器に好適に適用することができる。

上記の入力装置の他の一態様では、前記制御部は、前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加してから前記所定時間が経過した際に、前記入出力ポートによって前記出力電圧のレベルが前記ハイレベルであると検出された場合に、前記タッチセンサ用電極がタッチされていないと判定し、前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加してから前記所定時間が経過した際に、前記入出力ポートによって前記出力電圧のレベルが前記ローレベルであると検出された場合に、前記タッチセンサ用電極がタッチされたと判定する処理部を更に備える。

この態様では、処理部は、タッチセンサ用電極への電圧の印加を開始した時刻から所定時間が経過した時刻（後述する読取タイミング）において、入出力ポートから出力された信号を読み取り、その読み取った信号に基づいてタッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定することができる。例えば、処理部はＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。

上記の入力装置において好適には、前記入出力ポートとして汎用入出力ポートを用いることができる。これにより、静電容量式タッチセンサを低コストで実現することが可能となる。

また、上記の入力装置において好適には、前記所定時間は、前記抵抗の抵抗値と前記タッチセンサ用電極の静電容量とに基づいて設定される。

本実施形態に係る入力装置を適用したＩＣカードの全体構成を概略的に示した図である。 ＩＣカードの具体的な構成を示すブロック図である。 静電容量式タッチセンサの構造の一例を示した図である。 本実施形態に係るタッチ／非タッチの判定方法を具体的に説明するための図を示す。 静電容量式タッチセンサの構造の他の例を示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

［装置構成］
まず、本実施形態に係る入力装置の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る入力装置を適用したＩＣカード１０の全体構成を概略的に示した図である。ＩＣカード１０は、ＩＣが実装されたカードであり、主に、制御マイコン１と、スイッチ２と、電源３と、表示部４と、を備える。

スイッチ２は、静電容量式タッチセンサが適用されており、例えばＩＣカード１０についての起動スイッチとして機能する。表示部４は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）であり、制御マイコン１による制御に応じた画像を表示させる。一つの例では、表示部４は、いわゆるセグメント表示を行う。制御マイコン１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを有しており、ＩＣカード１０全体の制御を行う。制御マイコン１は、本発明における「制御部」の一例に相当する。

なお、図１では、説明の便宜上、制御マイコン１及び電源３がＩＣカード１０の外観に表れている図を示しているが、制御マイコン１及び電源３はＩＣカード１０の内部に実装されており、実際にはＩＣカード１０の外からは見えないものである。

図２は、ＩＣカード１０の具体的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御マイコン１は、ＣＰＵ１ａと、汎用入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）１ｂと、計時部１ｃと、を有する。また、スイッチ２は、静電容量式タッチセンサ２ａを有する。

汎用入出力ポート１ｂは、ＣＰＵ１ａ及び静電容量式タッチセンサ２ａに接続されている。具体的には、汎用入出力ポート１ｂは、ＣＰＵ１ａによる制御の元、抵抗５を介して静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加する。また、汎用入出力ポート１ｂは、静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加した場合の出力電圧が入力され、静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧（言い換えると入力ポートの電圧である。以下では適宜「入力ポート電圧」と呼ぶ。）のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかを検出する。そして、汎用入出力ポート１ｂは、入力ポート電圧のレベルがハイレベルであることを検出した場合には、入力ポート電圧のレベルがハイレベルであることを示す信号（以下では「ハイレベル信号」と呼ぶ。）をＣＰＵ１ａに出力し、入力ポート電圧のレベルがローレベルであることを検出した場合には、入力ポート電圧のレベルがローレベルであることを示す信号（以下では「ローレベル信号」と呼ぶ。）をＣＰＵ１ａに出力する。例えば、汎用入出力ポート１ｂは、シュミットトリガ回路などで構成される。

ＣＰＵ１ａは、汎用入出力ポート１ｂからハイレベル信号及びローレベル信号のうちの一方が入力され、その信号に基づいて静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定する。この場合、ＣＰＵ１ａは、計時部１ｃによる計時結果も合わせて用いて、ユーザによって静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定する。具体的には、計時部１ｃは、静電容量式タッチセンサ２ａへの電圧の印加開始時刻からの経過時間を計時する。そして、ＣＰＵ１ａは、そのような計時部１ｃによる計時結果に基づいて、静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加してから所定時間が経過した際に汎用入出力ポート１ｂから入力された信号に基づいて、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定する。ＣＰＵ１ａは、静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加してから所定時間が経過した際に、汎用入出力ポート１ｂからローレベル信号が入力された場合には、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたと判定する。これに対して、ＣＰＵ１ａは、静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加してから所定時間が経過した際に、汎用入出力ポート１ｂからハイレベル信号が入力された場合には、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされていないと判定する。このように、ＣＰＵ１ａは本発明における「処理部」の一例に相当する。

次に、図３を参照して、静電容量式タッチセンサ２ａについて具体的に説明する。図３は、静電容量式タッチセンサ２ａの構造を概略的に示した図である。

図３に示すように、静電容量式タッチセンサ２ａは、抵抗５を介して汎用入出力ポート１ｂに接続されたタッチセンサ用電極２ａ１と、グランドに接続されたタッチセンサ用電極２ａ２と、タッチセンサ用電極２ａ１、２ａ２の間に挟み込まれた絶縁層２ａ３と、を有する。静電容量式タッチセンサ２ａは、このようなタッチセンサ用電極２ａ１、２ａ２及び絶縁層２ａ３によりコンデンサを形成する。なお、タッチセンサ用電極２ａ１、２ａ２は、例えば人の指先と同程度のサイズに構成される。

ここで、人の指先は容量を持った導体であるため、タッチセンサ用電極２ａ１が指先でタッチされると、タッチセンサ用電極２ａ１、２ａ２から構成されるコンデンサと、導体である指先を電極とするようなコンデンサとが接続された状態となる。つまり、指先によりタッチセンサ用電極２ａ１がタッチされると、静電誘導現象が発生して静電容量が増加することとなる。そのため、電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加すると、タッチセンサ用電極２ａ１がタッチされた場合と、タッチセンサ用電極２ａ１がタッチされていない場合とで、静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧に違いが現れることとなる。具体的には、タッチセンサ用電極２ａ１がタッチされた場合には、タッチセンサ用電極２ａ１がタッチされていない場合よりも、静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧が低くなる。したがって、このような静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧をモニタすることで、タッチセンサ用電極２ａ１がタッチされたか否かを判定することができる。

なお、本明細書では、「センサ用電極２ａ１がタッチされた」と「静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされた」とは同じことを意味するものとする。また、「静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧」は「センサ用電極２ａ１の出力電圧」と同義であるものとする。

ところで、抵抗５を介して静電容量式タッチセンサ２ａに電圧を印加しているのは（図２及び図３参照）、静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧の立ち上がりを緩やかにして、タッチ時の出力電圧と非タッチ時の出力電圧とに適当な差を生じさせることで、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを適切に判定できるようにするためである。つまり、本実施形態では、抵抗５を用いることで、静電容量式タッチセンサ２ａの出力電圧の時定数を調整している。そういった観点より、抵抗５の抵抗値は、汎用入出力ポート１ｂによって入力ポート電圧のレベルがハイレベルであるか否かを適切に検出できるような時定数にて入力ポート電圧が変化するような値に設定することが好ましい。

［タッチ／非タッチの判定方法］
次に、図４を参照して、本実施形態に係るタッチ／非タッチの判定方法について具体的に説明する。

図４（ａ）は、静電容量式タッチセンサ２ａに印加する電圧（印加電圧）の一例を示している。図４（ａ）に示すように、静電容量式タッチセンサ２ａには、パルス状の電圧が所定の周期で繰り返し印加される、言い換えるとオン状態とオフ状態とが周期的に切り替わるような電圧が印加される。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すような電圧を静電容量式タッチセンサ２ａに印加した際に汎用入出力ポート１ｂに入力される電圧（入力ポート電圧）の一例を示している。図４（ｂ）では、１つのパルス状の電圧を印加している期間での入力ポート電圧を示している。また、時刻ｔ０から、静電容量式タッチセンサ２ａへの電圧の印加を開始したものとする。

グラフ２１は、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされていない場合の入力ポート電圧を示しており、グラフ２２は、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされた場合の入力ポート電圧を示している。前述したような原理により、グラフ２１、２２に示すように、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされた場合には、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされていない場合よりも入力ポート電圧が低くなる。

汎用入出力ポート１ｂは、図４（ｂ）に示すような所定値Ｔｈを用いて、入力ポート電圧のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかを判定する。具体的には、汎用入出力ポート１ｂは、入力ポート電圧が所定値Ｔｈ以上である場合には、入力ポート電圧のレベルがハイレベルであると判定して、ハイレベル信号をＣＰＵ１ａに出力する。これに対して、汎用入出力ポート１ｂは、入力ポート電圧が所定値Ｔｈ未満である場合には、入力ポート電圧のレベルがローレベルであると判定して、ローレベル信号をＣＰＵ１ａに出力する。なお、所定値Ｔｈは、汎用入出力ポート１ｂの内部において設定されるものであり、基本的には制御上で変更されない。

ＣＰＵ１ａは、このように汎用入出力ポート１ｂから出力された信号（ハイレベル信号及びローレベル信号のいずれか）に基づいて、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定する。本実施形態では、ＣＰＵ１ａは、静電容量式タッチセンサ２ａへの電圧の印加を開始した時刻ｔ０から所定時間Ｔが経過した時刻ｔ１（以下では適宜「読取タイミング」と呼ぶ。）において、汎用入出力ポート１ｂから出力された信号を読み取り、その読み取った信号に基づいて静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定する。具体的には、ＣＰＵ１ａは、読取タイミングｔ１において汎用入出力ポート１ｂよりハイレベル信号を読み取った場合には、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされていないと判定する。これに対して、ＣＰＵ１ａは、読取タイミングｔ１において汎用入出力ポート１ｂよりローレベル信号を読み取った場合には、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたと判定する。

なお、読取タイミングｔ１を規定する所定時間Ｔは、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされていない場合の入力ポート電圧が所定値Ｔｈ以上であり、且つ静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされた場合の入力ポート電圧が所定値Ｔｈ未満である、といった状態が確実に生じているような電圧印加後のタイミングに基づいて設定される。入力ポート電圧の時間変化の態様は抵抗５の抵抗値や静電容量式タッチセンサ２ａのコンデンサの静電容量によって決まるため、所定時間Ｔは、そのような抵抗値やコンデンサの静電容量に応じて設定することが好ましい。別の言い方をすると、所定時間Ｔは汎用入出力ポート１ｂの特性によってもある程度決まってくるため、つまり汎用入出力ポート１ｂが入力ポート電圧に対する判定を適切に行うことができるタイミングがある程度決まっているため、そのような適切な所定時間Ｔを採用できるように、抵抗５の抵抗値などを適宜選択することが好ましい。

［本実施形態による効果］
以上説明したように、本実施形態では、汎用入出力ポート１ｂを用いて、静電容量式タッチセンサ２ａがタッチされたか否かを判定している。これにより、専用のコントロールＩＣやＡＤコンバータなどを別途用いる必要がないため、低コスト且つ簡便な構成にて静電容量式タッチセンサ２ａを実現することができる。したがって、本実施形態は、ＩＣカード１０などの実装スペースが限られた小型機器に好適に適用することができる。

［変形例］
本発明は、図３に示したような静電容量式タッチセンサ２ａへの適用に限定はされない。本発明は、図５に示すような静電容量式タッチセンサ２ａｘにも適用することができる。この静電容量式タッチセンサ２ａｘは、抵抗５を介して汎用入出力ポート１ｂから電圧が印加されるタッチセンサ用電極２ａｘ１と、汎用入出力ポート１ｂの入力ポートに接続されたタッチセンサ用電極２ａｘ２と、タッチセンサ用電極２ａｘ１、２ａｘ２が並べて載置された絶縁層２ａｘ３と、を有する。タッチセンサ用電極２ａｘ１は、いわゆる基準電極として機能し、タッチセンサ用電極２ａｘ２は、いわゆる検出電極として機能する。このような静電容量式タッチセンサ２ａｘも、基本的には、図３に示した静電容量式タッチセンサ２ａと同様に、指先のタッチによる静電容量の変化を利用してタッチを検出する。

また、本発明は、ＩＣカード１０への適用に限定はされない。本発明は、ユーザのタッチにより所定の動作を行う種々の機器に適用することができる。更に、静電容量式タッチセンサ２ａ、２ａｘを電源用の起動スイッチに適用することに限定はされない。

１ 制御マイコン
１ａ ＣＰＵ
１ｂ 汎用入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）
２ スイッチ
２ａ 静電容量式タッチセンサ
２ａ１、２ａ２ タッチセンサ用電極
２ａ３ 絶縁層
３ 電源
４ 表示部
５ 抵抗
１０ ＩＣカード

Claims (5)

1. 所定の抵抗を介して電圧が印加される、静電容量式のタッチセンサ用電極と、
   前記電圧を印加してから所定時間が経過した際における前記タッチセンサ用電極の出力電圧のレベルがハイレベルであるか、それともローレベルであるかによって、前記タッチセンサ用電極がタッチされたか否かを判定する制御部と、を備えることを特徴とする入力装置。
2. 前記制御部は、前記抵抗を介して前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加すると共に、前記タッチセンサ用電極の前記出力電圧が入力されて、当該出力電圧のレベルが前記ハイレベルであるか、それとも前記ローレベルであるかを検出する入出力ポートを備えることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記制御部は、
   前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加してから前記所定時間が経過した際に、前記入出力ポートによって前記出力電圧のレベルが前記ハイレベルであると検出された場合に、前記タッチセンサ用電極がタッチされていないと判定し、
   前記タッチセンサ用電極に前記電圧を印加してから前記所定時間が経過した際に、前記入出力ポートによって前記出力電圧のレベルが前記ローレベルであると検出された場合に、前記タッチセンサ用電極がタッチされたと判定する処理部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
4. 前記入出力ポートは、汎用入出力ポートであることを特徴とする請求項２又は３に記載の入力装置。
5. 前記所定時間は、前記抵抗の抵抗値と前記タッチセンサ用電極の静電容量とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の入力装置。

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