JP2017111598A

JP2017111598A - 静電検出装置

Info

Publication number: JP2017111598A
Application number: JP2015244980A
Authority: JP
Inventors: 充弘河田; Mitsuhiro Kawada
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】複数の電極を接続した単一の入力回路でありながら、タッチ位置の検出を可能とする静電検出装置を提供する。
【解決手段】第１電極ＣＵ１〜ＣＵＮと第２電極ＣＬ１〜ＣＬＮが対向して配置されて複数のコンデンサＣ_０を形成し、それぞれのコンデンサＣ_０が直列に接続されて一端側１０ａが所定電位（グランドＧＮＤ）に接続された静電センサユニット１０と、静電センサユニットの他端側１０ｂに接続され、静電センサユニットの静電容量値を検出する検出制御部３０と、を有する。静電センサユニットは、第１電極ＣＵ１〜ＣＵＮ側と第２電極ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電検出装置に関し、特に、タッチ位置の検出が可能な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、自己容量方式の静電容量型タッチパネルであり、透明基材と、透明基材の第１の主面上に設けられた検出電極パターンと、第１の主面上に設けられ、検出電極パターンに接続された第１の引出配線パターンと、第１の主面に対向するように配置されたカバーパネルと、を備えており、第１の引出配線パターンとカバーパネルとの間の少なくとも一部に空気層が介在した構成とされている。これにより、誤動作の発生を抑制して静電容量値を高精度に検出できるとされている。

特開２０１４−７１８６３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、複数の電極を接続した単一の入力回路でありながら、タッチ位置の検出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、第１電極と第２電極が対向して配置されて複数のコンデンサを形成し、それぞれのコンデンサが直列に接続されて一端側が所定電位に接続された静電センサユニットと、前記静電センサユニットの他端側に接続され、前記静電センサユニットの静電容量値を検出する検出制御部と、を有し、前記静電センサユニットは、前記第１電極側と前記第２電極側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置されて構成されていることを特徴とする静電検出装置を提供する。

［２］前記検出制御部は、前記静電センサユニットの任意の電極へのタッチ位置における静電容量値Ｃｘ、前記検出制御部側から前記タッチ位置までの前記静電センサユニットの静電容量値Ｃ１、及び、前記タッチ位置から前記静電センサユニットの一端側までの静電容量値Ｃ２に基づいて、前記タッチ位置に対応した静電容量値を算出す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、前記検出制御部は、前記静電センサユニットの充電及び放電の制御を行ない、前記放電時における検出値に基づいて、前記静電センサユニットのタッチ位置の検出を行なう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、複数の電極を接続した単一の入力回路でありながら、タッチ位置の検出が可能になる。

図１（ａ）は、本発明の静電検出装置の電極ｎが対向して配置された静電センサユニットを模式的に示す立体斜視図、図１（ｂ）は、静電センサユニットの回路構成を示す回路図である。図２は、図１（ｂ）において、静電センサユニットのｎ番目の電極ＣＵｎにタッチした場合の等価回路図である。図３は、本発明の静電検出装置のタッチ容量Ｃｘと検出容量との関係を示し、ｎ番目（ｎ＝１、２、３、４，５）の検出容量をパラメータとしたグラフである。図４（ａ）は、検出制御部であるＩＣと静電センサユニットとの接続を示し、充電状態を示す回路構成図であり、図４（ｂ）は、放電時の電圧検出状態を示す回路構成図である。図５（ａ）は、本発明の静電検出装置を車両のステアリングホイールに適用する場合の正面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面を示す断面図である。

（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電極ｎが対向して配置された静電センサユニットを模式的に示す立体斜視図、図１（ｂ）は、静電センサユニットの回路構成を示す回路図である。

本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）が対向して配置されて複数のコンデンサＣ_０を形成し、それぞれのコンデンサＣ_０が直列に接続されて一端側１０ａが所定電位（グランドＧＮＤ）に接続された静電センサユニット１０と、静電センサユニット１０の他端側１０ｂに接続され、静電センサユニット１０の静電容量値を検出する検出制御部３０と、を有し、静電センサユニット１０は、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）側と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置されて構成されている。

（静電センサユニット１０）
図１（ａ）に示すように、静電センサユニット１０は、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）が対向して配置されて形成された複数のコンデンサＣ_０が、それぞれ直列に接続されて構成されている。

図１（ａ）に示すように、銅等の導電材で形成された第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）を備え、それぞれ所定の間隔で対向して構成されている。第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）は、図示省略するが、所定の誘電率を有する樹脂等の誘電体を挟んで上下に配置されて、それぞれコンデンサを形成している。

例えば、第１電極ＣＵ１の中心線から左半分ＣＵ１１は、第２電極ＣＬ１の右半分ＣＬ１２と対向してこの対向する面積に応じた静電容量のコンデンサを形成している。この静電容量値はＣ_０である。同様にして、第１電極ＣＵ１の中心線から右半分ＣＵ１２は、第２電極ＣＬ２の左半分ＣＬ２１と対向してこの対向する面積に応じた静電容量のコンデンサを形成している。この静電容量値もＣ_０であり、他のコンデンサも同一値に設定されている。

上記のように、静電センサユニット１０は、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）側と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置され、一端側１０ａである第２電極ＣＬＮ＋１，２が所定電位（グランド、ＧＮＤ）に接続されている。他端側１０ｂである第２電極ＣＬ１１は、検出制御部３０に接続されている。

図１（ｂ）は、静電センサユニットの回路構成を示す回路図である。図１（ｂ）に示すように、静電センサユニット１０は、静電容量値はＣ_０のコンデンサが、直列に接続された構成となっている。図１（ａ）に示したのと同様に、２Ｎ個のコンデンサが直列に接続され、第２電極ＣＬＮ＋１，２が所定電位（グランド、ＧＮＤ）に接続され、第２電極ＣＬ１１が検出制御部３０に接続されている。

（位置検出の原理）
図１（ａ）、（ｂ）で示した構成において、任意の電極、ここでは、任意の第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）を指等でタッチ等した場合の、その接触した電極の位置、すなわちタッチ位置を検出する原理を説明する。

図２は、図１（ｂ）において、静電センサユニットのｎ番目の電極ＣＵｎにタッチした場合の等価回路図である。

図２で示す静電センサユニット１０において、指でｎ番目の第１電極ＣＵｎをタッチした場合を考える。指でｎ番目の第１電極ＣＵｎをタッチすることにより、指と第１電極ＣＵｎによってタッチ位置における静電容量値Ｃｘが形成される。第１電極ＣＵｎは、指と第１電極ＣＵｎにより形成されるコンデンサＣｘを介して、グランド（ＧＮＤ（指））に接続される。なお、コンデンサＣｘの静電容量値はタッチ状態により変化するため不定であるが、人の指によりタッチすることを想定すると、ある範囲の値をとる。例えば、Ｃｘは、０（ゼロ）以上、１００[ｐＦ]程度の範囲の値である。

検出制御部３０側１０ｂからタッチ位置（第１電極ＣＵｎ）までの静電センサユニットの静電容量値をＣ１とする。また、タッチ位置（第１電極ＣＵｎ）から静電センサユニットの一端側１０ａまでの静電容量値をＣ２とする。

図２からわかるように、静電センサユニット１０は、コンデンサＣｘとコンデンサＣ２が並列に接続され、これにコンデンサＣ１が直列に接続された状態になっている。

ここで、コンデンサＣ１は、第１電極と第２電極で形成されるコンデンサＣ_０が（２ｎ-１）個だけ直列に接続されたものである。したがって、Ｃ１＝Ｃ_０/（２ｎ-１）である。

同様に、コンデンサＣ２は、第１電極と第２電極で形成されるコンデンサＣ_０がＮ-（２ｎ-１）個だけ直列に接続されたものである。したがって、Ｃ２＝Ｃ_０/｛Ｎ-（２ｎ-１）｝である。

以上から、コンデンサＣｘとコンデンサＣ２は並列に接続され、これにコンデンサＣ１が直列に接続されて合成されたコンデンサの静電容量値Ｃは、
Ｃ＝Ｃ１・（Ｃｘ＋Ｃ２）/｛Ｃ１＋Ｃｘ＋Ｃ２｝となる。これに、上記計算したＣ１、Ｃ２を代入すると、

となり、静電容量値Ｃが算出される。

上記の式において、静電容量値Ｃ_０は、第１電極ＣＵｎと第２電極ＣＵｎとの対向する面積、対向距離、及び、誘電率により一意に決まる値である。また、静電容量値Ｃｘは、前述したように、人の指によりタッチすることを想定すると、０（ゼロ）から１００[ｐＦ]程度の範囲の値を設定することができる。

図３は、Ｎ＝１０の時の本発明の静電検出装置のタッチ容量Ｃｘと検出容量Ｃとの関係を示し、ｎ番目（ｎ＝１、２、３、４，５）の検出容量をパラメータとしたグラフである。

図３において、横軸は、タッチ容量Ｃｘ[ｐＦ]、縦軸は、検出容量Ｃである。この検出容量Ｃは、上記計算により算出される容量値である。第１電極ＣＵｎ（ｎ＝１、２、３、４、５）にタッチしたときの検出容量Ｃをプロットしたものである。

図３において、タッチ容量Ｃｘ[ｐＦ]は、タッチ操作を行なう操作者により異なるが、特定の操作者であれば、タッチ容量Ｃｘ[ｐＦ]は、ほぼ一定である。また、タッチ操作を行なう操作者が異なっても、図３からわかるように、例えば、タッチ容量Ｃｘが２０から１００[ｐＦ]くらの範囲であれば、タッチ操作者によらずにほぼ一定の検出容量Ｃが検出可能である。

よって、図３から、検出容量Ｃを求めることにより、操作者がどの電極にタッチ操作をしたかを検出、判断することができる。すなわち、静電センサユニット１０のタッチ位置の検出が可能となる。

なお、検出容量Ｃを求める場合に、直接容量値を求める以外に、この容量値に対応した電圧値、又は、この電圧値に基づいて量子化して積算したカウント値により求めることができる。

（静電容量値Ｃの検出）
図４に示す静電検出装置１は、検出制御部３０から静電センサユニット１０へ一旦充電し、静電センサユニット１０からの放電状態を測定することにより、静電センサユニット１０の静電容量値Ｃに対応した検出値（電圧値）を求める構成である。図４（ａ）は、検出制御部３０と静電センサユニットとの接続を示し、充電状態を示す回路構成図であり、図４（ｂ）は、放電時の電圧検出状態を示す回路構成図である。

検出制御部３０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、静電センサユニット１０の端子１０ｂ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、静電センサユニット１０の端子１０ｂ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４（ａ）に示すように、静電センサユニット１０の端子１０ｂは、検出制御部３０の１つの端子に配線部２３で接続されている。検出制御部３０は、静電センサユニット１０へ充電を行ない、次に、静電センサユニット１０の放電時における所定時に静電センサユニット１０の電圧を測定する。所定の周波数、所定の周期で充電、放電を行なうことにより、静電センサユニット１０の静電容量値Ｃに対応した検出値（電圧値）を求めることができる。

なお、検出制御部３０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、検出制御部３０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４（ａ）、（ｂ）により、静電容量値Ｃに対応した検出値（電圧値）の測定手順を説明する。

図４（ａ）は、検出制御部３０側から静電センサユニット１０への充電工程である。図４（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から電源を静電センサユニット１０へ供給する。これにより、図示Ａ方向へ、静電センサユニット１０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４（ｂ）は、静電センサユニット１０から検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへの放電工程、検出工程である。図４（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、静電センサユニット１０から検出用コンデンサＣ_ＭＯＤへの放電が行われる。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を介して静電センサユニット１０に接続されて、静電センサユニット１０の電圧値を測定することができる。

（適用例）
図５（ａ）は、本発明の静電検出装置を車両のステアリングホイールに適用する場合の正面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面を示す断面図である。本発明の静電検出装置１を車両のステアリングホイールに適用することにより、運転者がステアリングホイールを把持した把持位置を検出することができる。

図５（ａ）に示すように、ステアリングホイール４０の円周方向に沿って、静電センサユニット１０を配置する。すなわち、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）と第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）のそれぞれ略半分が交互に対向しながら、ステアリングホイール４０の円周方向に沿って、列状に配置される。

図５（ｂ）に示すように、第１電極（ＣＵ１〜ＣＵＮ）は、断面が円環状の誘電体である誘電体層５０の外側に円環状に形成され、第２電極（ＣＬ１〜ＣＬＮ＋１）は、誘電体層５０の内側に円環状に形成されている。

静電センサユニット１０の一端側１０ａは、スポーク部４１を通ってグランドＧＮＤへ接続され、他端側１０ｂは、検出制御部３０に接続されている。

把持位置検出の原理は、図１〜４に示したものと同様であり、検出制御部３０により、静電センサユニット１０の静電容量値Ｃ、又は、それに対応した検出値（電圧値）を求めることにより、ステアリングホイール４０の把持位置を検出することができる。

（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）本実施の形態に係る静電検出装置１は、第１電極と第２電極が対向して配置されて複数のコンデンサＣ_０を形成し、それぞれのコンデンサＣ_０が直列に接続されて一端側１０ａが所定電位（グランドＧＮＤ）に接続された静電センサユニット１０と、静電センサユニット１０の他端側１０ｂに接続され、静電センサユニット１０の静電容量値を検出する検出制御部３０と、を有し、静電センサユニット１０は、第１電極側と第２電極側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置されて構成されている。静電センサユニット１０において、指でｎ番目の電極をタッチした場合、静電センサユニット１０は、コンデンサＣｘとコンデンサＣ２が並列に接続され、これにコンデンサＣ１が直列に接続された状態になる。したがって、検出制御部３０により、静電センサユニット１０の静電容量値Ｃを測定することにより、静電センサユニット１０へのタッチ位置を検出することができる。
（２）電極をタッチすることにより、指と電極によってタッチ位置における静電容量値Ｃｘが形成される。電極は、指と電極により形成されるコンデンサＣｘを介して、グランド（ＧＮＤ（指））に接続される。コンデンサＣｘの静電容量値はタッチ状態により変化するため不定であるが、人の指によりタッチすることを想定すると、ある範囲の値をとる。タッチ容量Ｃｘは、タッチ操作を行なう操作者により異なるが、特定の操作者であれば、タッチ容量Ｃｘは、ほぼ一定とすることができる。また、タッチ操作を行なう操作者が異なっても、図３からわかるように、例えば、タッチ容量Ｃｘが２０から１００[ｐＦ]くらの範囲であれば、タッチ操作者によらずに検出容量Ｃが検出可能である。したがって、不定なタッチ容量Ｃｘを有する構成であっても、十分な検出精度を有する静電検出装置１が可能である。
（３）したがって、複数の電極が接続された単一電極でありながら、タッチ位置の検出を可能とする静電検出装置を提供することができる。これにより、１入力だけで触った場所の検出ができるようになり、また、各電極からの配線がなくなることで、配線への誤入力もなくなるという効果を有する。

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。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…静電センサユニット１０
３０…検出制御部
４０…ステアリングホイール
ＣＵｎ…第１電極（ｎ＝１〜Ｎ）
ＣＬｎ…第２電極（ｎ＝１〜Ｎ＋１）
Ｃ_０…静電容量値
Ｃｘ…タッチ容量
Ｃ…検出容量（静電容量値）
Ｃ_ＭＯＤ…検出用コンデンサ
ＳＷ１…スイッチ
ＳＷ２…スイッチ
ＶＳＷ１…測定端子
ＶＳＷ２…放電端子

Claims

第１電極と第２電極が対向して配置されて複数のコンデンサを形成し、それぞれのコンデンサが直列に接続されて一端側が所定電位に接続された静電センサユニットと、
前記静電センサユニットの他端側に接続され、前記静電センサユニットの静電容量値を検出する検出制御部と、を有し、
前記静電センサユニットは、前記第１電極側と前記第２電極側のそれぞれ略半分が交互に対向しながら列状に配置されて構成されていることを特徴とする静電検出装置。
前記検出制御部は、前記静電センサユニットの任意の電極へのタッチ位置における静電容量値Ｃｘ、前記検出制御部側から前記タッチ位置までの前記静電センサユニットの静電容量値Ｃ１、及び、前記タッチ位置から前記静電センサユニットの一端側までの静電容量値Ｃ２に基づいて、前記タッチ位置に対応した静電容量値を算出することを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
前記検出制御部は、前記静電センサユニットの充電及び放電の制御を行ない、前記放電時における検出値に基づいて、前記静電センサユニットのタッチ位置の検出を行なう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。