JP2017021635A

JP2017021635A - 静電検出装置

Info

Publication number: JP2017021635A
Application number: JP2015139619A
Authority: JP
Inventors: 悟武縄; Satoru Takenawa; 良平杉本; Ryohei Sugimoto; 和泰田沼; Kazuyasu Tanuma
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-01-26

Abstract

【課題】複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の区別を可能とする静電検出装置を提供する。【解決手段】タッチ操作により静電容量が変化する第１検出部１０と、第１検出部１０と電気的に直列に接続され、タッチ操作により静電容量が変化する第２検出部２０と、第１検出部１０に１の端子で接続されて第１検出部１０の充放電の制御を行ない、第１検出部１０の過渡特性を測定することにより、第１検出部１０又は第２検出部２０のどちらにタッチ操作がされたかを判定する制御部であるＩＣとを有して構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、静電検出装置に関する。

従来、静電容量型のタッチパネルを用いた静電検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

この静電検出装置は、静電容量方式のタッチパネルを操作する操作体の操作位置を検出する操作位置検出装置であって、タッチパネルに配置された複数の容量センサの静電容量を検出するスキャン信号を生成するスキャン信号生成部と、スキャン信号が印加される容量センサのセンサ電圧により充電されるコンデンサと、コンデンサの電圧とヒステリシスを持たせた基準電圧との大きさを比較する比較部と、コンデンサがセンサ電圧により充電されるときにコンデンサから放電させ、充放電によりコンデンサの電圧が変化してからヒステリシスを持たせた基準電圧に一致したことを比較部による比較結果が示すとコンデンサからの放電を停止する放電制御部と、コンデンサが充放電を開始してからコンデンサの電圧が基準電圧に一致するまでの時間を計測する計測部と、を備えて構成されている。これにより、容量センサの静電容量を高精度に検出し、タッチパネルに対する操作体の操作位置を高精度に検出できるとされている。

特開２０１５−６４７７２号公報

特許文献１の静電検出装置は、自己容量型の静電スイッチが各種操作パネルに利用されており、それらは単一の電極で１つのスイッチとして機能する。しかし、スイッチ１つにつき電極への配線１本と検出ＩＣの端子を１つ必要とするため、多数のスイッチを配置する際に配線とＩＣの端子数を減らしたいというニーズがある。

したがって、本発明の目的は、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の区別を可能とする静電検出装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、タッチ操作により静電容量が変化する第１検出部と、前記第１検出部と電気的に直列に接続され、タッチ操作により静電容量が変化する第２検出部と、前記第１検出部に１の端子で接続されて前記第１検出部の充放電の制御を行ない、前記第１検出部の過渡特性を測定することにより、前記第１検出部又は前記第２検出部のどちらにタッチ操作がされたかを判定する制御部と、を有することを特徴とする静電検出装置を提供する。

［２］前記第１検出部、前記第２検出部は、それぞれ容量成分及び抵抗成分から構成されるＲＣ回路であり、前記第１検出部と前記第２検出部は、所定の抵抗値を有する抵抗により接続されていることを特徴とする上記［１］に記載の静電検出装置であってもよい。

［３］また、前記制御部は、前記第１検出部へ充電を行ない、次に、前記第１検出部の放電時における所定時に前記第１検出部の電圧を測定し、この測定値に基づいて前記第１検出部又は前記第２検出部のいずれにタッチ操作がされたかを判定することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の静電検出装置であってもよい。

本発明の静電検出装置によれば、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の区別が可能となる。

図１（ａ）は、本発明の静電検出装置の正面図、図１（ｂ）は、下平面図、図１（ｃ）は、電極をコンデンサと抵抗でモデル化した本発明の静電検出装置を示した等価回路図である。図２（ａ）は、第１検出部へのタッチ操作を示す正面図と等価回路図、図２（ｂ）は、第２検出部へのタッチ操作を示す正面図と等価回路図であり、図２（ｃ）は、第１検出部へのタッチ操作と第２検出部へのタッチ操作時の充電の過渡特性を示すステップ応答図である。図３（ａ）は、制御部であるＩＣと電極との接続を示し、充電状態を示す回路構成図であり、図３（ｂ）は、放電時の電圧検出状態を示す回路構成図である。図４は、本発明の静電検出装置の動作を示すフローチャートである。図５は、第１検出部、第２検出部のいずれのタッチ操作かをパラメータとした場合の、図２（ｃ）で示したコンデンサＣ_ＭＯＤの充電電圧曲線である。図６（ａ）は、第１検出部、第２検出部へのいずれのタッチ操作かをパラメータとした場合の、電極容量と所定時間のコンデンサＣ_ＭＯＤの電圧値の関係を示す図であり、図６（ｂ）は、所定時間のコンデンサＣ_ＭＯＤの電圧値と電圧の収束値との関係を示す図である。

（本発明の実施の形態）
（静電検出装置１の構成）
図１（ａ）は、本発明の静電検出装置の正面図、図１（ｂ）は、下平面図、図１（ｃ）は、電極をコンデンサと抵抗でモデル化した本発明の静電検出装置を示した等価回路図である。

本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、タッチ操作により静電容量が変化する第１検出部１０と、第１検出部１０と電気的に直列に接続され、タッチ操作により静電容量が変化する第２検出部２０と、第１検出部１０に１の端子で接続されて第１検出部１０の充放電の制御を行ない、第１検出部１０の過渡特性を測定することにより、第１検出部１０又は第２検出部２０のどちらにタッチ操作がされたかを判定する制御部であるＩＣ３０と、を有して構成されている。

（第１検出部１０、第２検出部２０の構成）
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、樹脂パネル４０の表面４１には、銅箔等の第１電極１１、第２電極２１が形成されている。この樹脂パネル４０は、所定の誘電率を有する樹脂で形成されている。樹脂パネル４０の表面４１と反対の面は、指等によりタッチ操作がされるタッチ面４２とされている。

第１検出部１０は、所定の抵抗値Ｒ１である第１電極１１と、第１電極１１と樹脂パネル４０（タッチ操作がされた場合は指等を含む）から構成される可変容量のコンデンサＣ１で構成されるＲＣ回路とされている。第１検出部１０は、第１電極１１に対応した樹脂パネル４０のタッチ面４２をタッチすることにより、容量値Ｃ１が変化する。

同様に、第２検出部２０は、所定の抵抗値Ｒ２１である第２電極２１と、第２電極２１と樹脂パネル４０（タッチ操作がされた場合は指等を含む）から構成される可変容量のコンデンサＣ２で構成されるＲＣ回路とされている。第２検出部２０は、第２電極２１に対応した樹脂パネル４０のタッチ面４２をタッチすることにより、容量値Ｃ２が変化する。

第１検出部１０と第２検出部２０は、所定の抵抗値Ｒ２２を有する細い配線部２２で接続されている。

上記のように構成された静電検出装置は、図１（ｃ）に示すような等価回路となる。すなわち、抵抗値Ｒ１とコンデンサＣ１で構成されるＲＣ回路と、抵抗値Ｒ２１とコンデンサＣ２で構成されるＲＣ回路が、抵抗値Ｒ２２の細い配線部２２で接続された２次のＲＣ回路である。なお、計算式を見やすくするために、抵抗値Ｒ２１と抵抗値Ｒ２２を合わせてＲ２とし、図２以降ではＲ２として図示する。

第１電極１１は、接続部１１aが配線部２２と接続され、反対側の接続部１１ｂは、ＩＣの１つの端子に配線部２３で接続されている。

図２（ａ）は、第１検出部へのタッチ操作を示す正面図と等価回路図、図２（ｂ）は、第２検出部へのタッチ操作を示す正面図と等価回路図であり、図２（ｃ）は、第１検出部へのタッチ操作と第２検出部へのタッチ操作時の充電の過渡特性を示すステップ応答図である。また、図３（ａ）は、制御部であるＩＣと電極との接続を示し、充電状態を示す回路構成図であり、図３（ｂ）は、放電時の電圧検出状態を示す回路構成図である。

本実施の形態では、図１で示すような電極形状によって、単一電極を２次のＲＣ回路として構成することができる。指のタッチ位置によって容量値Ｃ１とＣ２の大小関係が変わり、図２（ｃ）に示すように、回路の応答性が変化する。このことを利用すると、樹脂パネルのタッチの有無だけでなく、Ｃ１とＣ２のどちらのスイッチを操作しようとしているのかを判別することができる。

ここで、図２（ａ）で示す２次のＲＣ回路において、入力をＶｉ（ｓ）、出力をＶｏ（ｓ）とすると、伝達関数Ｖｏ（ｓ）／Ｖｉ（ｓ）は、次のように表せる。なお、ｓは、複素数で与えられるラプラス演算子である。

上式において、分母のSの１次の項、（Ｃ１Ｒ１＋Ｃ２Ｒ１＋Ｃ２Ｒ１）において、Ｃ１Ｒ１のみが、Ｃ１とＣ２に対して非対称である。すなわち、Ｃ１かＣ２のどちらかをタッチすることにより、伝達関数が異なることになり、過渡特性が異なったものになる。

上記のことは、図２（ａ）において、１段目のＣ１とＲ１によるＲＣ回路側から見た２段目のＣ２とＲ２によるＲＣ回路の入力インピーダンスが実質的に無限大ではないことに起因する。

図２（ｃ）に示すように、ＩＣ側からステップ信号を入力すると、Ｃ１＞Ｃ２の場合とＣ１＜Ｃ２の場合とで、立ち上り特性（過渡特性）が異なり、所定時ｔ_１における電圧差Δが生じる。Ｃ１＞Ｃ２の場合は、指等により第１検出部１０へタッチ操作をした場合であり、Ｃ１＜Ｃ２の場合は、指等により第２検出部２０へタッチ操作をした場合である。このことにより、第１検出部１０又は第２検出部２０のいずれにタッチ操作がされたかを判定することが可能になる。

図３（ａ）は、制御部であるＩＣと電極との接続を示し、充電状態を示す回路構成図であり、図３（ｂ）は、放電時の電圧検出状態を示す回路構成図である。また、図４は、本発明の静電検出装置の動作を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態は、ＩＣ３０の１つの端子が第１検出部１０へ接続され、この１つの端子により、第１検出部１０又は第２検出部２０のいずれにタッチ操作がされたかを判定するものである。したがって、図２（ａ）〜（ｃ）で示した原理をＩＣ３０の１つの端子で実行するために、図３（ａ）、（ｂ）で示すような構成により実行する。

制御部であるＩＣ３０は、例えば、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２を有する。スイッチＳＷ１の端子ａ１は、第１検出部１０のＲ１に接続されると共に、スイッチＳＷ２の端子ｂ２に接続されている。スイッチＳＷ１の端子ａ２は、電源電圧Ｖｃｃ、例えば、＋５Ｖに接続されている。また、スイッチＳＷ１の端子ａ３は、測定端子ＶＳＷ１に接続されている。スイッチＳＷ１の端子ａ２と端子ａ３は、いずれかの端子が端子ａ１と接続されるように制御される。スイッチＳＷ１は、図示しない信号により切り替え制御される例えば、アナログスイッチである。

また、スイッチＳＷ２の端子ｂ１は、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤに接続されている。検出用コンデンサＣ_ＭＯＤの他端は、グランド側に接続されている。スイッチＳＷ２の端子ｂ２は、第１検出部１０のＲ１に接続されると共に、スイッチＳＷ１の端子ａ１に接続されている。また、スイッチＳＷ２の端子ｂ３は、放電端子ＶＳＷ２に接続されている。スイッチＳＷ２の端子ｂ２と端子ｂ３は、いずれかの端子が端子ｂ１と接続されるように制御される。スイッチＳＷ２は、図示しない信号により切り替え制御される例えば、アナログスイッチである。

図３（ａ）に示すように、第１検出部１０の抵抗Ｒ１は、ＩＣの１つの端子に配線部２３で接続されている。制御部であるＩＣ３０は、第１検出部１０、第２検出部２０へ充電を行ない、次に、第１検出部１０、第２検出部２０の放電時における所定時に第１検出部１０の電圧を測定し、この測定値に基づいて第１検出部１０又は第２検出部２０のいずれにタッチ操作がされたかを判定する。このような検出方式により、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の区別が可能になる。

なお、制御部であるＩＣ３０は、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、記憶部として半導体メモリであるＲＡＭ及びＲＯＭ等を備える。ＲＯＭには、例えば、ＩＣ３０が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果等を格納する記憶領域として用いられる。

図３（ａ）、（ｂ）、及び、図４で示すフローチャートにより、ＩＣ３０における測定及びタッチ判定を説明する。

図３（ａ）は、ＩＣ３０側から第１検出部１０及び第２検出部２０への充電工程である。図３（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１は、端子ａ１と端子ａ２が接続され、端子ａ３はオープンとされている。また、スイッチＳＷ２は、端子ｂ１と端子ｂ３が接続され、端子ｂ２はオープンとされている。このような接続状態により、電源電圧Ｖｃｃから電源を第１検出部１０及び第２検出部２０へ供給する。これにより、図示Ａ方向へ、第１検出部１０及び第２検出部２０への充電が行われる。なお、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤは、端子ｂ１と端子ｂ３を介して放電端子ＶＳＷ２へ接続されて放電状態とされている。

次に、図３（ｂ）は、第１検出部１０及び第２検出部２０から検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへの充電工程、検出工程である。図３（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２は、端子ｂ１と端子ｂ２が接続され、端子ｂ３はオープンとされている。これにより、図示Ｂ方向へ、第１検出部１０及び第２検出部２０から検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへの充電が行われる。また、スイッチＳＷ１は、端子ａ１と端子ａ３が接続され、端子ａ２はオープンとされている。これにより、測定端子ＶＳＷ１が配線部２３を介して抵抗Ｒ１に接続されて、ＲＣ回路の端子部２３ａの電圧値を測定することができる。

図４で示すフローチャートにより、ＩＣ３０におけるタッチ判定を説明する。まず、制御部であるＩＣ３０は、第１検出部１０、第２検出部２０へ充電を行なう（Ｓｔｅｐ１）。スイッチＳＷ１を切り替え制御して、電源電圧Ｖｃｃからを第１検出部１０及び第２検出部２０へ電荷を供給する。また、スイッチＳＷ２を切り替え制御して、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤをＲＣ回路の端子部２３ａから切り離した状態とし、放電端子ＶＳＷ２へ接続して放電させてリセット（初期化）しておく。

次に、ＩＣ３０は、第１検出部１０、第２検出部２０から放電を行なって、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへ充電を行なう（Ｓｔｅｐ２）。スイッチＳＷ２を切り替え制御して、ＲＣ回路の端子部２３ａを検出用コンデンサＣ_ＭＯＤに接続させる。また、スイッチＳＷ１を切り替え制御して、ＲＣ回路の端子部２３ａを測定端子ＶＳＷ１に接続させる。

ＩＣ３０は、所定時ｔ１、ｔ２におけるＲＣ回路の端子部２３ａの電圧値を測定する。この電圧値は、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤの電圧値である。所定時ｔ１、ｔ２は、検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへの充電開始時を基準として計測した時間であり、ｔ１＜ｔ２である。例えば、ｔ１＝０．２μｓ、ｔ２＝３μｓである。ＩＣ３０は、所定時ｔ２におけるＲＣ回路の端子部２３ａの電圧値Ｖ２を測定し、閾値Ｖｔｈ２と比較して、タッチ判定を行なう（Ｓｔｅｐ３）。すなわち、電圧値Ｖ２が閾値Ｖｔｈ２よりも大きい場合は、タッチ操作がされたと判定することができる。

ＩＣ３０は、所定時ｔ１におけるＲＣ回路の端子部２３ａの電圧値Ｖ１を測定し、閾値Ｖｔｈ１と比較して、第１検出部１０又は第２検出部２０のいずれにタッチ操作がされたかの判定を行なう（Ｓｔｅｐ４）。すなわち、閾値Ｖｔｈ１を、所定時ｔ１における第１検出部１０と第２検出部２０の電圧値の間に設定しておく。電圧値Ｖ１が閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合は第１検出部１０へタッチ操作がされたと判定し、電圧値Ｖ１が閾値Ｖｔｈ１よりも小さい場合は第２検出部２０へタッチ操作がされたと判定することができる。

なお、Ｓｔｅｐ３により、まずタッチ操作の判定を行ない、次に、Ｓｔｅｐ４により、第１検出部１０又は第２検出部２０のいずれにタッチ操作がされたかの判定を行なうことが好ましい。

上記のＳｔｅｐ１〜４を繰り返し実行することにより、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置（第１検出部１０又は第２検出部２０）の区別が可能となる。

（実施例）
図５は、第１検出部、第２検出部のいずれのタッチ操作かをパラメータとした場合の、図２（ｃ）で示したコンデンサＣ_ＭＯＤの充電電圧曲線である。実施例として、図１において、Ｃ１＝３（ｐF）、Ｃ２＝３（ｐF）、Ｃ_ＭＯＤ＝６（ｐF）、Ｒ１＝１．２（ｋΩ）、Ｒ２１＝１．２（ｋΩ）、Ｒ２２＝１００（ｋΩ）とした場合の、電圧の立ち上がり時、ｔ＝０．２μｓでの電圧値をＶ１、ｔ＝３μｓでの電圧値をＶ２（収束値）とした電圧波形（過渡特性）を図５に示す。

図５で示した解析結果を、パラメータを分けて詳細に解析したものが、図６（ａ）、（ｂ）である。図６（ａ）は、第１検出部、第２検出部のいずれのタッチ操作かをパラメータとした場合の、電極容量と所定時間のコンデンサＣ_ＭＯＤの電圧値の関係を示す図であり、図６（ｂ）は、所定時間のコンデンサＣ_ＭＯＤの電圧値と電圧Ｖ２の収束値との関係を示す図である。

図６（ａ）から、収束値である電圧Ｖ２は、第１検出部、第２検出部のいずれのタッチ操作かに関係なく一定の値となる。また、図６（ｂ）から、電圧の立ち上がり途中での電圧値Ｖ１は、第１検出部、第２検出部のどちらにタッチ操作がされたかにより違いが表れる。

図５、図６（ａ）、（ｂ）の解析結果から、収束値である電圧Ｖ２を測定することによりタッチ操作の有無を判定でき、また、電圧の立ち上がり途中での電圧値Ｖ１を測定することにより、第１検出部、第２検出部のどちらにタッチ操作がされたかを判定できる。このことから、図１等で示した単一の電極で２つのスイッチとして機能させることができる。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る静電検出装置は、以下のような効果を有する。
（１）静電検出装置１は、タッチ操作により静電容量が変化する第１検出部１０と、第１検出部１０と電気的に直列に接続され、タッチ操作により静電容量が変化する第２検出部２０と、第１検出部１０に１の端子で接続されて第１検出部１０の充放電の制御を行ない、第１検出部１０の過渡特性を測定する構成としている。これにより、単一電極を２次のＲＣ回路として構成することができる。指のタッチ位置によって容量値Ｃ１とＣ２の大小関係が変わり、図２（ｃ）、図５に示したように、回路の応答性が変化する。このことを利用すると、樹脂パネルのタッチの有無判別と、Ｃ１とＣ２のどちらのスイッチを操作しようとしているのかを判別することができる。
（２）収束値である電圧Ｖ２を測定することによりタッチ操作の有無を判定でき、また、電圧の立ち上がり途中での電圧値Ｖ１を測定することにより、第１検出部、第２検出部のどちらにタッチ操作がされたかを判定できる。このことから、図１等で示した単一の電極で２つのスイッチとして機能させることができ、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の区別を可能とする静電検出装置を提供することが可能となる。
（３）上記のように、自己容量型の静電スイッチ電極１つを２つのスイッチとして機能させることができるが、配線及びＩＣの端子は１つでよく、ＩＣの端子数を減らすことが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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およびその変形例は、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。例えば、本発明の実施の形態では、ＲＣ回路を２段接続した２次のＲＣ回路により静電検出装置を構成したが、３次以上のＲＣ回路によっても同様に静電検出装置を構成することが可能である。また、これら実施の形態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、これら実施の形態およびその変形例は、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…静電検出装置
１０…検出部
１１…電極
１１a、１１ｂ…接続部
２０…検出部
２１…電極
２２、２３…配線部
２３ａ…端子部
３０…ＩＣ
４０…樹脂パネル
４１…表面
４２…タッチ面

Claims

タッチ操作により静電容量が変化する第１検出部と、
前記第１検出部と電気的に直列に接続され、タッチ操作により静電容量が変化する第２検出部と、
前記第１検出部に１の端子で接続されて前記第１検出部の充放電の制御を行ない、前記第１検出部の過渡特性を測定することにより、前記第１検出部又は前記第２検出部のどちらにタッチ操作がされたかを判定する制御部と、
を有することを特徴とする静電検出装置。
前記第１検出部、前記第２検出部は、それぞれ容量成分及び抵抗成分から構成されるＲＣ回路であり、前記第１検出部と前記第２検出部は、所定の抵抗値を有する抵抗により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
前記制御部は、前記第１検出部へ充電を行ない、次に、前記第１検出部の放電時における所定時に前記第１検出部の電圧を測定し、この測定値に基づいて前記第１検出部又は前記第２検出部のいずれにタッチ操作がされたかを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電検出装置。