JP2015153375A - 静電タッチスイッチ装置及びノイズ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響による操作面に対する操作の誤検出を低減した静電タッチスイッチ装置及びノイズ検出方法を提供する。
【解決手段】静電タッチスイッチ装置１は、それぞれ周波数が異なる第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２を生成し、生成した第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２を交互に切替をして出力するパルスジュネレーター部４１と、パルスジュネレーター部４１が交互に出力した第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２により充電されるタッチ電極１１と、タッチ電極１１から出力される第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１を入力し、アナログ信号である第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１をデジタル信号Ｓ_３１、Ｓ_３２にアナログ／デジタル変換する出力する変換部３０と、デジタル信号Ｓ_３１、Ｓ_３２に基づいて第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１の差分を算出することにより、ノイズの有無を検出する検出部４２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電タッチスイッチ装置及びノイズ検出方法に関する。

従来の技術として、操作面に対してされた操作を静電容量値の変化により検出する電極と、指が操作面に接触する接触領域に基づいて指が傾いているか否かを判定する判定部とを備え、指の接触面の傾きを変えることで、指移動量に対するポインタ移動量を変化させることができる座標入力装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１８６８８０号公報

しかし、従来の座標入力装置は、操作面に対して指が接触した場合の電極の静電容量の変化により操作面に対する操作を検出することから、電極等からノイズが混入した場合、電極の静電容量が変化して操作面に対する操作を誤検出するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、ノイズの影響による操作面に対する操作の誤検出を低減した静電タッチスイッチ装置及びノイズ検出方法を提供することにある。

本発明の一態様は、周波数が異なる２つの電極駆動信号を生成し、生成した前記２つの電極駆動信号を交互に切替をして出力する生成部と、前記生成部が交互に出力した前記２つの電極駆動信号により充電されるタッチ電極と、前記タッチ電極から出力される２つの電極出力信号を前記切替に同期して入力し、アナログ信号である前記２つの電極出力信号をデジタル信号にアナログ／デジタル変換する出力する変換部と、前記デジタル信号に基づいて前記２つの電極出力信号の差分を算出することでノイズの有無を検出する検出部とを備えた、静電タッチスイッチ装置を提供する。

また、本発明の他の形態は、周波数が異なる２つの電極駆動信号を生成し、生成した前記２つの電極駆動信号を交互に切替をして出力するステップと、交互に出力した前記２つの電極駆動信号によりタッチ電極を充電するステップと、前記タッチ電極から出力される２つの電極出力信号を前記切替に同期して入力し、アナログ信号である前記２つの電極出力信号をデジタル信号にアナログ／デジタル変換するステップと、前記デジタル信号に基づいて前記２つの電極出力信号の差分を算出することにより、ノイズの有無を検出するステップとを含む、ノイズ検出方法を提供する。

本発明によれば、ノイズの影響による操作面に対する操作の誤検出を低減することができる。

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ブロック図である。 図２は、第１の電極駆動信号（３３０ｋＨｚ）と第２の電極駆動信号（３３７ｋＨｚ）とを切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。 図３は、操作面に検出対象物が近接又は接触した場合の第１の電極出力信号（３３０ｋＨｚ）のＡＤ変換値と第２の電極出力信号（３３７ｋＨｚ）のＡＤ変換値とを示すグラフである。 図４は、図３における第１の電極出力信号のＡＤ変換値と、第２の電極出力信号のＡＤ変換値との差分値を示すグラフである。 図５は、タッチ電極に１ＭＨｚのノイズを印加したときの第１の電極出力信号（３３０ｋＨｚ）のＡＤ変換値を示すグラフである。 図６は、タッチ電極に１ＭＨｚのノイズを印加したときの第２の電極出力信号（３３７ｋＨｚ）のＡＤ変換値を示すグラフである。 図７は、図５における第１の電極出力信号のＡＤ変換値と、図６における第２の電極出力信号のＡＤ変換値との差分値を示すグラフである。

[実施の形態]
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ブロック図である。この静電タッチスイッチ装置１は、指等の検出対象物による操作を受け付ける操作面１０と、操作面１０に設けられ、後述するアナログ信号である第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２により電荷が充電されるタッチ電極１１と、タッチ電極１１から出力される第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１をインピーダンス変換するボルテージフォロア２０と、ボルテージフォロア２０でインピーダンス変換された第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１をアナログ／デジタル変換してデジタル信号Ｓ_３１、Ｓ_３２を出力する変換部３０と、静電タッチスイッチ装置１の各部を制御するマイコン４０とを備える。

静電タッチスイッチ装置１は、操作者がタッチ電極１１に指等でタッチ操作することにより静電容量が変化して静電タッチスイッチ動作を行なうことができるものである。タッチ電極１１は、１つ又は複数個が列状に配置されたもの、交差する方向に２次元配列されたもの等に適用できる。

タッチ電極１１は、例えば、２枚の金属板が誘電層を介して対向して配置された構成とされている。操作面１０は、指等の検出対象物により操作される樹脂等の誘電体保護層が形成され、指等が接触するとタッチ電極１１の静電容量値が増加するように構成されている。なお、タッチ電極１１は、一方の電極に操作面を有し、この操作面に検出対象物が接触することによりタッチ電極１１の静電容量値が増加又は減少するように構成してもよい。

（マイコン）
マイコン４０は、例えば、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されるマイクロコンピュータである。マイコン４０は、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）に格納されたプログラムに従って動作することによりパルスジュネレータ部４１及び検出部４２として機能する。

パルスジュネレータ部４１は、マイコン４０内部のクロック信号等に基づいて、所定の周期毎に第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２を交互に切り替えてタッチ電極１１に出力する。第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２は、例えばデューティ比が５０である矩形波、台形波である。また、第１の電極駆動信号Ｓ_１の周波数は、例えば３３０ｋＨｚであり、第２の電極駆動信号Ｓ_２の周波数は、例えば３３７ｋＨｚである。第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２の周波数は、３３０ｋＨｚ、３３７ｋＨｚに限定されず、それぞれの周波数が異なっていれば適用することができる。なお、パルスジュネレータ部４１は、生成部の一例である。

検出部４２は、タッチ電極１１が出力した第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１をアナログ/デジタル変換したデジタル信号Ｓ_３１、Ｓ_３２のパルス数をカウントするカウンタ等により構成することができる。検出部４２は、例えば第１のチャンネル４２１から第１の電極出力信号Ｓ_１１を入力し、第２のチャンネル４２２から第２の電極出力信号Ｓ_２１を入力するように構成されている。

検出部４２は、操作面１０への接触により静電容量の変化に応じて出力されるパルスをカウントすることにより、タッチ電極１１の静電容量値、すなわち、タッチ容量を検出する。検出部４２は、検出されたタッチ容量に基づいて、タッチ電極１１への接触、非接触を検出する。

また、検出部４２は、タッチ電極１１等から第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１に混入したノイズを検出するように構成されている。すなわち、検出部４２は、第１及び第２のチャンネル４２１、４２２からそれぞれ入力したデジタル信号Ｓ_３１、Ｓ_３２のパルス数の差分を算出することにより、タッチ電極１１等から混入したノイズを検出して操作面１０に対する操作の誤検出を抑制する。

（変換部）
変換部３０は、タッチ電極１１から出力された第１の電極出力信号Ｓ_１１をアナログ／デジタル変換する第１の変換回路３１と、第２の電極出力信号Ｓ_２１をアナログ／デジタル変換する第２の変換回路３２と、ボルテージフォロア２０と第１又は第２の変換回路３１、３２との間の接続を切り替えるスイッチ３３とを有する。

第１及び第２の変換回路３１、３２は、一端がスイッチ３３と接続し、他端がマイコン４０と接続する。第１及び第２の変換回路３１、３２は、入力した第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１の電圧値をＡＤ（アナログデジタル）変換値としたデジタル信号Ｓ_３に変換する。第１の変換回路３１は、第１の電極出力信号Ｓ_１１をアナログ／デジタル変換したデジタル信号Ｓ_３１を検出部４２の第１のチャンネル４２１に出力する。第２の変換回路３２は、第１の変換回路３１と同様に、第２の電極出力信号Ｓ_２１を変換したデジタル信号Ｓ_３２を検出部４２の第２のチャンネル４２２に出力する。

スイッチ３３は、ボルテージフォロア２０と接続する端子３３ａと、第１の変換回路３１と接続する端子３３ｂと、第２の変換回路３２と接続する端子３３ｃとを有する。スイッチ３３は、例えば、マイコン４０の制御に基づいて、パルスジュネレータ部４１が第１の電極駆動信号Ｓ_１と第２の電極駆動信号Ｓ_２とを交互に切り替えるのに同期して端子３３ａと端子３３ｂとの接続又は端子３３ａと端子３３ｃとの接続を切り替えるように構成されている。

（静電タッチスイッチ装置の動作）
次に、静電タッチスイッチ装置１の動作について説明する。図２は、第１の電極駆動信号（３３０ｋＨｚ）と第２の電極駆動信号（３３７ｋＨｚ）とを切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。

図示しない電源から静電タッチスイッチ装置１に電源が投入されると、パルスジュネレータ部４１は、３３０ｋＨｚの第１の電極駆動信号Ｓ_１及び３３７ｋＨｚの第２の電極駆動信号Ｓ_２を生成する。パルスジュネレータ部４１が第１の電極駆動信号Ｓ_１をタッチ電極１１に出力すると、第１の電極駆動信号Ｓ_１は、タッチ電極１１を充電する。

タッチ電極１１は、第１の電極駆動信号Ｓ_１に基づいて第１の電極出力信号Ｓ_１１を出力する。第１の電極出力信号Ｓ_１１は、ボルテージフォロア２０でインピーダンス変換されて変換部３０に入力する。

変換部３０は、マイコン４０の制御に基づいてスイッチ３３の端子３３ａと端子３３ｂとを接続し、第１の電極出力信号Ｓ_１１を第１の変換回路３１に入力する。第１の変換回路３１は、第１の電極出力信号Ｓ_１１をデジタル信号Ｓ_３１に変換し、変換したデジタル信号Ｓ_３１を検出部４２の第１のチャンネル４２１に出力する。

検出部４２は、第１のチャンネル４２１から入力したデジタル信号Ｓ_３１に基づいて、第１の電極出力信号Ｓ_１１の値の平均値を算出してＡＤ変換値として保持する。すなわち、図３に示すように、４８μ秒間の第１の電極出力信号Ｓ_１１による１６回のサンプリングの平均値を算出する。

パルスジュネレータ部４１は、第１の電極駆動信号Ｓ_１をタッチ電極１１に出力してから４８μ秒経過すると、第１の電極駆動信号Ｓ_１から第２の電極駆動信号Ｓ_２に切り替えてタッチ電極１１に出力する。変換部３０は、スイッチ３３を切り替えて第２の電極出力信号Ｓ_２１を第２の変換回路３２に入力し、第２の電極出力信号Ｓ_２１の電圧値の平均値を算出してＡＤ変換値として保持する。すなわち、図３に示すように、４７μ秒間の第２の電極出力信号Ｓ_２１による１６回のサンプリングの平均値を算出する。

検出部４２は、保持した第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１のＡＤ変換値に基づいて、タッチ電極１１のタッチ容量を算出して操作面１０への指の接触を検出する処理である容量確定処理をする。さらに、検出部４２は、保持した第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との差分値を算出し、タッチ電極１１等から混入したノイズを検出する処理である差分処理をする。

検出部４２は、ノイズが検出されずに、ＡＤ変換値の変化量が一定値以上であれば、タッチ電極１１のタッチ容量が変化したと判断して操作面１０への指の接触を検出する。マイコン４０は、検出部４２が操作面１０への指の接触を検出すると、操作者からの指示に応じた動作をプログラム等に基づいて実行する。

次に、図３〜図６を用いて静電タッチスイッチ装置１の動作について詳細に説明する。図３は、操作面１０に検出対象物が接触した場合の第１の電極出力信号Ｓ_１１（３３０ｋＨｚ）のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１（３３７ｋＨｚ）のＡＤ変換値とを示すグラフであり、図４は、図３における第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と、第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との差分値を示すグラフである。

図５は、タッチ電極に１ＭＨｚのノイズを印加したときの第１の電極出力信号（３３０ｋＨｚ）のＡＤ変換値を示すグラフであり、図６は、タッチ電極に１ＭＨｚのノイズを印加したときの第２の電極出力信号（３３７ｋＨｚ）のＡＤ変換値を示すグラフであり、図７は、図５における第１の電極出力信号のＡＤ変換値と、図６における第２の電極出力信号のＡＤ変換値との差分値を示すグラフである。

操作者が指を操作面１０に接触させると、タッチ電極１１のタッチ容量が増加することにより第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１の電圧値が低下する。これに伴って、図３に示すように第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２２のＡＤ変換値も低下する。第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１の差分値は、操作面１０に指を接触させたときにノイズがタッチ電極１１等から混入していない場合、図４に示すように、約２００パルスの範囲に収まる。

検出部４２は、第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との差分が例えば、３００パルス以下であり、かつ、第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１の変化量が例えば、１０００パルス以上である場合、タッチ容量の値が閾値よりも増加していると判断して操作面１０への指の接触を検出する。

タッチ電極１１に例えば、外部からの放射ノイズや伝導ノイズ等が混入した場合、ノイズによってタッチ電極１１の静電容量値が変化することから、第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１のＡＤ変換値は、ノイズの影響により図５に示すように、図６に示す第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値よりも振れることがある。

タッチ電極１１にノイズが混入した場合、第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との間の差分値は、図７に示すように、例えば約８００パルスとなる。ノイズがタッチ電極１１等に混入した場合にこの差分値が大きくなるのは、電極駆動信号の周波数によってノイズを検出する感度が異なるためである。

検出部４２は、第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との差分値が例えば、５００パルス以上である場合、操作面１０に対する操作ではなく、ノイズによってタッチ電極１１の静電容量値が変化したと判断する。

すなわち、検出部４２は、第１の電極出力信号Ｓ_１１のＡＤ変換値と第２の電極出力信号Ｓ_２１のＡＤ変換値との差分値が大きい場合には、第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２２の変化量が例えば、１０００パルス以上であったとしても、操作面１０に指が接触していないと判断する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）周波数が異なる第１及び第２の電極駆動信号Ｓ_１、Ｓ_２を用いて操作面１０に対する操作を検出することにより、タッチ電極１１等から混入したノイズを第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２２の差分値に基づいて検出することができる。これにより、ノイズによる誤検出を低減した操作面１０に対する操作の検出が可能になる。
（２）ノイズの検出を検出部４２により行うことにより、タッチ電極１１から混入するノイズを抑制するためのフィルタを操作面１０に設ける必要がなくなるので静電タッチスイッチ装置１を小型化及び低コスト化することができる。
（３）ノイズによる誤検出を低減することにより、操作面１０に対する操作を正確に検出できることから、静電タッチスイッチ装置１の操作性が向上する。
（４）特に、特定の周波数を含む放射ノイズ、スパイクノイズ等がタッチ電極１１等から混入した場合に効果的にノイズの影響を低減することができる。

［変形例］
なお、本発明の実施の形態は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形、実施が可能である。例えば、検出部４２は、第１及び第２のチャンネル４２１、４２２からそれぞれ第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１を入力していたが、検出部４２は、１つのチャンネルから第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１を入力する構成としてもよい。

また、変換部３０は、第１及び第２の電極出力信号Ｓ_１１、Ｓ_２１を１つの変換回路でアナログ／デジタル変換する構成としてもよい。

１…静電タッチスイッチ装置、１０…操作面、１１…タッチ電極、２０…ボルテージフォロア、３０…変換部、３１…第１の変換回路、３２…第２の変換回路、３３…スイッチ、３３ａ〜３３ｃ…端子、４０…マイコン、４１…パルスジュネレータ部、４２…検出部、４２１…第１のチャンネル、４２２…第２のチャンネル、Ｓ_１…第１の電極駆動信号、Ｓ_２…第２の電極駆動信号、Ｓ_１１…第１の電極出力信号、Ｓ_２１…第２の電極出力信号、Ｓ_３１、Ｓ_３２…デジタル信号

Claims (3)

1. 周波数が異なる２つの電極駆動信号を生成し、生成した前記２つの電極駆動信号を交互に切替をして出力する生成部と、
   前記生成部が交互に出力した前記２つの電極駆動信号により充電されるタッチ電極と、
   前記タッチ電極から出力される２つの電極出力信号を前記切替に同期して入力し、アナログ信号である前記２つの電極出力信号をデジタル信号にアナログ／デジタル変換する変換部と、
   前記デジタル信号に基づいて前記２つの電極出力信号の差分を算出することでノイズの有無を検出する検出部とを備えた、
   静電タッチスイッチ装置。
2. 前記検出部は、前記２つの電極出力信号の差分が所定の値より小さく、かつ、前記タッチ電極の静電容量値に変化があったとき、前記タッチ電極の操作面に対する操作を検出する、
   請求項１に記載の静電タッチスイッチ装置。
3. 周波数が異なる２つの電極駆動信号を生成し、生成した前記２つの電極駆動信号を交互に切替をして出力するステップと、
   交互に出力した前記２つの電極駆動信号によりタッチ電極を充電するステップと、
   前記タッチ電極から出力される２つの電極出力信号を前記切替に同期して入力し、アナログ信号である前記２つの電極出力信号をデジタル信号にアナログ／デジタル変換するステップと、
   前記デジタル信号に基づいて前記２つの電極出力信号の差分を算出することにより、ノイズの有無を検出するステップとを含む、
   ノイズ検出方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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