JP2018190212A

JP2018190212A - タッチ入力装置

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Publication number: JP2018190212A
Application number: JP2017092805A
Authority: JP
Inventors: 史一米野; Fumikazu Komeno
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-11-29

Abstract

【課題】付加電極に検出信号を印加し続けることなく、検出精度を向上できるタッチ入力装置を提供する。【解決手段】表皮２０を介してタッチ操作を受け付ける検出電極１０と、表皮２０を介して検出電極１０の一部の領域と対向するように配置される付加電極３０と、検出電極１０と付加電極３０との間の検出結果に基づいて、検出電極１０によるタッチ操作の有無を判定する制御部４０と、を備えてタッチ入力装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、タッチ入力装置に関する。

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

このタッチ入力装置は、タッチパネル検出用センサ配線が配設されるタッチスクリーン基板と、タッチスクリーン基板と重ねて配置され、その一方主面に指示体が接触する透明基板と、指示体とタッチパネル検出用センサ配線との間の静電容量の変化を検出し、透明基板上での指示体の接触位置を検出する静電容量検出回路とを備え、透明基板は、タッチスクリーン基板のセンサ有効領域と重ならない領域に付加電極を有し、静電容量検出回路は、複数のタッチパネル検出用センサ配線で検出した検出信号が入力され、検出信号をバッファ回路を介して付加電極に与える構成とされている。

このような構成を採ることで、付加電極と検出中のタッチパネル検出用センサ配線との間の電位差が小さくなり、高誘電率物質と筐体との間の寄生容量および高誘電率物質と筐体との間の寄生容量が実質的に消滅し、Ｘ方向配線とＹ方向配線の静電容量検出レベルがタッチ閾値を超えることがなくなり、水滴が付着した場合でも誤検出を抑制できる、とされている。

特開２０１６−１２９０６５号公報

しかし、特許文献１による従来のタッチ入力装置では、付加電極に検出信号を印加し続ける必要があり、消費電力が増加するという問題があった。このため、付加電極に検出信号を印加し続けることなく、検出精度を向上させるという課題があった。

したがって、本発明の目的は、付加電極に検出信号を印加し続けることなく、検出精度を向上できるタッチ入力装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、表皮を介してタッチ操作を受け付ける検出電極と、前記表皮を介して前記検出電極の一部の領域と対向するように配置される付加電極と、前記検出電極と前記付加電極との間の検出結果に基づいて、前記検出電極による前記タッチ操作の有無を判定する制御部と、を備える、タッチ入力装置を提供する。

［２］前記検出電極は、前記付加電極との間の検出を行なうときはグランドに接続される、上記［１］に記載のタッチ入力装置であってもよい。

［３］また、前記制御部は、前記検出結果が増加すると前記判定における検出閾値を増加させる、上記［１］又は［２］に記載のタッチ入力装置であってもよい。

［４］また、前記制御部は、前記検出結果が減少すると前記判定における検出閾値を減少させる、上記［１］から［３］のいずれか１に記載のタッチ入力装置であってもよい。

［５］また、前記付加電極は、前記タッチ操作ができない位置に配置されている、上記［１］から［４］のいずれか１に記載のタッチ入力装置であってもよい。

本発明のタッチ入力装置によれば、付加電極に検出信号を印加し続けることなく、検出精度を向上できるタッチ入力装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るタッチ入力装置の断面図と、回路の概略構成を示す概略構成図である。図２（ａ）は、モニタリング時のタッチ入力装置の断面図、及び概略構成図であり、図２（ｂ）は、モニタリング時の検出信号Ｖ_１を示す検出信号図、図２（ｃ）は、検波後のモニタリング電圧Ｖｍを示す検出信号図である。図３（ａ）は、タッチ操作時のタッチ入力装置の断面図、及び概略構成図であり、図３（ｂ）は、タッチ操作時の検出信号Ｖ_２を示す検出信号図、図３（ｃ）は、検波後の検出信号Ｖｔ（Ｖ_ｔ１、Ｖ_ｔ２）を示す検出信号図である。図４は、本発明のタッチ入力装置の動作を示すフローチャートである。図５は、追加部品６０を着脱している状態を示す断面図である。

（本発明の実施の形態）
（タッチ入力装置１の構成）
本発明の実施の形態に係るタッチ入力装置１は、表皮２０を介してタッチ操作を受け付ける検出電極１０と、表皮２０を介して検出電極１０の一部の領域と対向するように配置される付加電極３０と、検出電極１０と付加電極３０との間の検出結果に基づいて、検出電極１０によるタッチ操作の有無を判定する制御部４０と、を備えて構成されている。

（検出電極１０）
検出電極１０は、図１に示すように、本体部５０に装着され、表皮２０を介してタッチ操作を受け付ける電極である。検出電極１０は、絶縁体である本体部５０に、導線、金属箔、導電ペースト（印刷）、導電布、等の導電体で形成されている。なお、本体部５０は、タッチ入力装置の本体を形成するものであり、例えば、車両の車室内装（センターコンソール、ステアリング等）である。例えば、車両のステアリングの場合は、本体部５０は発泡ポリウレタンで形成されたステアリングであり、その表面に導電体で検出電極１０が形成されている。本体部５０の外層には後述する表皮２０が貼り付けられており、本体部５０の最外層を形成する。

検出電極１０は、操作者の手指によるタッチ操作を検出する。上記説明したように、検出電極１０の外層には表皮２０が貼り付けられているので、検出電極１０は、表皮２０を介してタッチ操作を受け付ける。

図１に示すように、検出電極１０は、その一部であるタッチ検出部１０ａが本体部５０の外層部５０ａに形成されると共に、他部であるモニタリング部１０ｂが本体部５０の傾斜部５０ｂに形成されている。これにより、１つの検出電極１０により、外層部５０ａの領域でタッチ検出を行なうと共に、傾斜部５０ｂにおいて、後述する付加電極３０との間で、表皮２０の吸湿状態のモニタリングとして、静電容量値の検出または絶縁抵抗値の検出を行なうことができる。なお、他部であるモニタリング部１０ｂが本体部５０の傾斜部５０ｂに形成されていることにより、タッチ操作等の外乱の影響を受けずに吸湿状態のモニタリングが可能となる。

（表皮２０）
表皮２０は、例えば、車両のステアリングの場合は、車室内装（センターコンソール、ステアリング等）の最外層に貼り付けられる絶縁体であり、本革、合成皮革、発泡ポリウレタン等である。この表皮２０は、吸湿性があり、吸湿状態により誘電率ε（比誘電率）が変化する。

図１に示すように、表皮２０は、検出電極１０のタッチ検出部１０ａの上に貼り付けられると共に、検出電極１０のモニタリング部１０ｂの上にも貼り付けられている。タッチ検出部１０ａは、図１において、上側領域であり、モニタリング部１０ｂは、傾斜領域である。

（付加電極３０）
付加電極３０は、表皮２０を介して検出電極１０の一部の領域と対向するように配置される。付加電極３０は、本体部５０側に装着されてもよいが、本実施の形態では、追加部品６０（センターパッド、ステアリングスイッチ等）に装着された状態で、表皮２０を介して検出電極１０の一部の領域と対向するように配置される構成としている。

付加電極３０は、表皮２０を介して検出電極１０のモニタリング部１０ｂと対向するように配置される。付加電極３０は、絶縁体である追加部品６０に、導線、金属箔、導電ペースト（印刷）、導電布、等の導電体で形成されている。

付加電極３０は、タッチ操作ができない位置に配置されていることが好ましい。図１に示すように、付加電極３０の上側は追加部品６０で覆われており、タッチ入力装置１へのタッチ操作時における付加電極３０への電気的影響が小さい状態となっている。これにより、タッチ操作の判定を精度よく実施することが可能となる。

（制御部４０）
制御部４０は、検出電極１０によるタッチ操作の有無を判定する。また、タッチ操作の有無の判定の精度を上げるために、表皮２０の吸湿状態により変化する検出電極１０と付加電極３０との間の検出値（静電容量値または絶縁抵抗値）を検出する。本実施の形態では、静電容量値に対応する電圧を検出するものとして説明する。この検出結果に基づいて、タッチ操作の有無の判定における検出閾値であるタッチ検出閾値を変更する。すなわち、制御部４０は、表皮２０の吸湿状態を推定してタッチ操作の検出感度を調整する機能を備えている。

制御部４０は、検出回路部３２、切替制御部３３、及びスイッチ部３４、３５から概略構成されている。検出回路部３２は、検出電極１０、付加電極３０がそれぞれ所定の電気的接続状態に切り替えられてモニタリング動作、タッチ検出動作を行なう。切替制御部３３は、モニタリング動作、タッチ検出動作時において所定の電気的接続状態に切り替えるためにスイッチ部３４、３５を切り替え制御する。

検出回路部３２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、タッチ入力装置１が動作するためのプログラム、タッチ検出閾値Ｖth、吸湿度ごとのテーブル等が格納されている。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。

また、検出回路部３２は、所定の周波数で検出電極１０または付加電極３０に電荷をチャージして、検出電極１０または付加電極３０の電圧を検出してそれぞれの静電容量値に対応する電圧を検出値として出力する。

図１に示すように、検出回路部３２は、所定の周波数で電圧を発生させる発振部３２ａ、これに基づいて検出電極１０または付加電極３０に電荷をチャージする共振部３２ｂ、検出電極１０または付加電極３０の電圧を検出して検波（検波及び平滑化）する検波部３２ｃ、及び、検波部３２ｃの出力をハイインピーダンスで受けて静電容量値に対応する電圧値（ＶｍまたはＶｔ）を出力する増幅部３２ｄから構成されている。

スイッチ部３４は、図１に示すように、切替制御部３３により切り替え制御されて付加電極３０と検出回路部３２との電気的接続状態を切り替えるものである。スイッチ部３４は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等で構成することができる。スイッチ部３４の一端３４ａは付加電極３０に接続され、他端３４ｂが検出回路部３２の３２ｅ（共振部３２ｂの出力端、検波部３２ｃの入力端）に接続されている。

スイッチ部３４は、モニタリング時において、切替制御部３３により、ゲート部３４ｇが切替制御部３３により制御されて一端３４ａと他端３４ｂは接続状態とされる。また、タッチ検出時において、切替制御部３３により、ゲート部３４ｇが制御されて一端３４ａと他端３４ｂは非接続状態とされる。すなわち、付加電極３０は電気的にオープンの状態とされる。

スイッチ部３５は、図１に示すように、切替制御部３３により切り替え制御されて検出電極１０と検出回路部３２との電気的接続状態を切り替えるものである。スイッチ部３４は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等で構成することができる。スイッチ部３５の端子３５ａは検出電極１０に接続され、端子３５ｂが検出回路部３２の３２ｅ（共振部３２ｂの出力端、検波部３２ｃの入力端）に接続されている。また、端子３５ｃは、グランドＧＮＤに接続されている。

スイッチ部３５は、モニタリング時において、切替制御部３３により、ゲート部３５ｇが切替制御部３３により制御されて端子３５ａと端子３５ｃは接続状態とされる。すなわち、検出電極１０はグランドＧＮＤに接続される。また、タッチ検出時において、切替制御部３３により、ゲート部３５ｇが制御されて端子３５ａと端子３５ｂは接続状態とされる。

（制御部４０の動作、モニタリング動作）
モニタリング動作は、検出電極１０と付加電極３０との間の検出を行なう動作であり、本実施の形態では、検出電極１０をグランドＧＮＤに接続した状態で、付加電極３０と検出電極１０との間の静電容量値に対応したモニタリング電圧Ｖｍの検出を行なう動作である。

図２（ａ）に示すように、切替制御部３３は、スイッチ部３４のゲート部３４ｇを制御して、付加電極３０を他端３４ｂを介して検出回路部３２の３２ｅ（共振部３２ｂの出力端、検波部３２ｃの入力端）に接続する。一方、切替制御部３３は、端子３５ａと端子３５ｃを接続状態とし、これにより検出電極１０をグランドＧＮＤに接続する。

したがって、モニタリング動作時は、図２（ａ）に示すように、付加電極３０と対向する検出電極１０が表皮２０を挟んで形成するコンデンサとなっている。

検出回路部３２は、所定の周波数で検出電極１０に電荷をチャージして、検出信号Ｖ_１を検出する。この検出信号Ｖ_１は、図２（ｂ）に示すように、グランドＧＮＤに接続された検出電極１０と付加電極３０との間の静電容量に基づく電圧信号である。これを検波部３２ｃ、増幅部３２ｄを介して図２（ａ）、（ｃ）に示すように、モニタリング時のモニタリング電圧Ｖｍとして検出する。

図２（ａ）に示すように、付加電極３０の電極面積をＳ_０、付加電極３０と検出電極１０との距離をｄ、表皮２０の誘電率（比誘電率）をεとすると、検出電極１０と付加電極３０との間の静電容量値は次のように表される。
Ｃ_０＝ε・ε_０・Ｓ_０/ｄ、ただし、ε_０は真空の誘電率である。

上記のように検出されたモニタリング動作における静電容量値Ｃ_０は、検出電極１０がグランドＧＮＤに接続した状態で測定された値であるので、表皮２０の誘電率のみの関数として測定されたものと等価であるといえる。したがって、このモニタリング動作によるモニタリング電圧Ｖｍは、上記示した静電容量値Ｃ_０に対応した検出値である。したがって、モニタリング電圧Ｖｍから表皮２０の吸湿状態を推定してタッチ操作の検出感度を調整することができる。

制御部４０は、上記のモニタリング動作による検出値であるモニタリング電圧Ｖｍに基づいて、タッチ検出閾値Ｖthを設定することができる。表皮２０の吸湿状態により誘電率εは変化するので、例えば、モニタリング電圧Ｖｍの検出結果が増加するとタッチ判定における検出閾値を増加させ、また、モニタリング電圧Ｖｍの検出結果が減少するとタッチ判定における検出閾値を減少させるようにタッチ検出閾値Ｖthを設定することができる。

また、モニタリング動作による検出値であるモニタリング電圧Ｖｍに基づいて、吸湿度を推定することができる。制御部４０は、記憶部に吸湿度ごとのテーブルを備え、推定された吸湿度によりテーブルを参照してモニタリング電圧Ｖｍに対応したタッチ検出閾値Ｖthを設定することができる。これらにより、表皮２０の吸湿状態に応じて適切なタッチ検出閾値Ｖthを設定することができ、タッチ検出の精度を向上させることができる。

（タッチ操作の検出動作）
タッチ操作の検出動作は、検出電極１０と手指１００との間の検出を行なう動作であり、本実施の形態では、付加電極３０をオープンにした状態で、検出電極１０と手指１００との間の静電容量値に基づいてタッチ操作時のタッチ検出電圧Ｖ_ｔの検出を行なう動作である。

図３（ａ）に示すように、切替制御部３３は、スイッチ部３４のゲート部３４ｇを制御して、スイッチ部３４の一端３４ａと他端３４ｂを非接続状態として付加電極３０をオープンにする。一方、切替制御部３３は、端子３５ａと端子３５ｂを接続状態とし、これにより検出電極１０を検出回路部３２の３２ｅ（共振部３２ｂの出力端、検波部３２ｃの入力端）に接続する。

図３（ａ）に示すように、検出電極１０にタッチがされた状態では、手指１００に相当する電極が仮想グランドＧＮＤに接続されたと等価な回路となる。したがって、タッチ操作の検出動作時は、図３（ａ）に示すように、手指１００と対向する検出電極１０が表皮２０を挟んで形成するコンデンサとなっている。

タッチ操作時は、図３（ａ）に示すように、手指１００と検出電極１０とでコンデンサを形成するが、非タッチ操作時はタッチ検出部１０ａ側はオープンである。表皮２０を介して検出電極１０をタッチした場合は、図３（ａ）に示すように、検出電極１０が仮想ＧＮＤである手指１００とコンデンサを形成するので、図３（ｂ）に示すように、検出信号Ｖ_２は減衰して小さくなる。一方、非タッチ時は、検出信号Ｖ_２は減衰せず大きい。したがって、表皮２０を介して検出電極１０をタッチした場合とタッチしない場合で検出信号Ｖ_２が大きく異なる。

検出信号Ｖ_２は、図３（ｂ）に示すように、検出電極１０の電荷がチャージされた場合の静電容量値に基づく電圧信号である。これを検波部３２ｃ、増幅部３２ｄを介して図３（ｃ）に示すように、タッチ操作時の検出信号Ｖｔ（タッチ時Ｖ_ｔ１、非タッチ時Ｖ_ｔ２）として検出する。制御部４０は、タッチ検出閾値Ｖthを用いてタッチ操作の有無を判定することができる。

（制御部４０の動作、タッチ操作の有無の判定）
制御部４０の動作を、図４で示す本発明のタッチ入力装置の動作を示すフローチャートに従がって、以下に説明する。

制御部４０は、動作がスタートすると、まず、切替制御部３３により、スイッチ部３４、３５を所定の状態に切り替えてモニタリング動作を開始する（Ｓｔｅｐ１）。

制御部４０は、モニタリング電圧Ｖｍを測定する（Ｓｔｅｐ２）。

制御部４０は、モニタリング電圧Ｖｍの値に基づいて、タッチ検出閾値Ｖthを設定する（Ｓｔｅｐ３）。モニタリング電圧Ｖｍの検出結果が増加するとタッチ判定における検出閾値を増加させ、また、モニタリング電圧Ｖｍの検出結果が減少するとタッチ判定における検出閾値を減少させるようにタッチ検出閾値Ｖthを設定することができる。これにより、表皮２０の吸湿状態に応じて適切なタッチ検出閾値Ｖthを設定することができる。

切替制御部３３により、スイッチ部３４、３５を所定の状態に切り替えて、タッチ検出電圧Ｖｔを測定する（Ｓｔｅｐ４）。

制御部４０は、タッチ検出のタッチ検出電圧Ｖｔがタッチ検出閾値Ｖthより小さいかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ５）。タッチ検出電圧Ｖｔがタッチ検出閾値Ｖthより小さい場合はＳｔｅｐ６へ進み（Ｓｔｅｐ５：Ｙｅｓ）、タッチ検出電圧Ｖｔがタッチ検出閾値Ｖthより大きい場合はＳｔｅｐ７へ進む（Ｓｔｅｐ５：Ｎｏ）。このタッチ検出閾値Ｖthは、モニタリング動作により表皮２０の吸湿状態に応じて適切に設定されたものであるので、Ｓｔｅｐ５によるタッチ判定の精度は高い。

制御部４０は、タッチ入力装置１にタッチ操作がされたものとしてタッチ判定を行なう（Ｓｔｅｐ６）。制御部４０は、タッチ判定の信号を外部に出力、送信することができる。

制御部４０は、タッチ入力装置１にタッチ操作がされてないとして非タッチ判定を行なう（Ｓｔｅｐ７）。制御部４０は、非タッチ判定の信号を外部に出力、送信することができる。

制御部４０は、モニタリング周期に達したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ８）。モニタリング周期に達した場合はＳｔｅｐ１へ戻って新たなモニタリングを実施し（Ｓｔｅｐ８：Ｙｅｓ）、モニタリング周期に達してない場合はＳｔｅｐ４へ戻って、タッチ判定を繰り返して実行する（Ｓｔｅｐ８：Ｎｏ）。これにより、所定のモニタリング周期を設定することにより、モニタリング周期でのタッチ検出閾値Ｖthの更新が可能となり、タッチ判定の精度を確保することが可能となる。

（追加部品６０）
本実施の形態では、図５に示すように、追加部品６０（センターパッド、ステアリングスイッチ等）に付加電極３０を装着した状態で、本体部５０に組み付ける構成としている。必要に応じて、図５に示すＡ方向に、追加部品６０を本体部５０に組み付けることができる。

なお、追加部品６０は、ユーザによる着脱が可能とされてもよい。また、追加部品６０の本体部５０への組み付けの際に、コネクタまたは接続機構により付加電極３０をスイッチ部３４の一端３４ａに電気的に接続されるようにする。また、制御部４０は、追加部品６０の着脱を検知してモニタリング機能のオンオフを制御する。

付加電極３０を追加部品６０に装着することにより、必要に応じて付加電極３０を備えたタッチ入力装置１とすることができる。したがって、モニタリング機能をオプション機能とすることが可能となる。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係るタッチ入力装置は、以下のような効果を有する。
（１）タッチ入力装置１は、表皮２０を介してタッチ操作を受け付ける検出電極１０と、表皮２０を介して検出電極１０の一部の領域と対向するように配置される付加電極３０と、検出電極１０と付加電極３０との間の検出結果に基づいて、検出電極１０によるタッチ操作の有無を判定する制御部４０と、を備えて構成されている。これにより、予め検出電極１０と付加電極３０との間の検出結果（モニタリング結果）に基づいてタッチ検出閾値Ｖthを設定することができ、タッチ検出の精度を向上させることができる。また、モニタリング時のみ付加電極に検出信号を印加すればよいので、消費電力を抑制することができるという効果も有する。
（２）タッチ入力装置１を車両に適用する場合、表皮２０として、車室内装（センターコンソール、ステアリング等）の最外層に貼り付けられる、本革、合成皮革、発泡ポリウレタン等が多用される。これら本革、合成皮革等は、吸湿性があり、吸湿状態により誘電率ε（比誘電率）が変化する。また、車両内は、湿度変化も大きいので、本発明の実施の形態に係るタッチ入力装置１を車両に適用する場合の効果も大きい。
（３）付加電極３０は、追加部品６０（センターパッド、ステアリングスイッチ等）に装着しておくことができ、ユーザにより本体部５０への着脱を可能とすることができる。これにより、付加電極３０によるモニタリング機能を付加機能とすることができ、オプション選択を充実させることが可能となる。

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。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…タッチ入力装置、１０…検出電極、１０ａ…タッチ検出部、１０ｂ…モニタリング部、２０…表皮、３０…付加電極、３２…検出回路部、３４…スイッチ部、３４ａ…一端、３４ｂ…他端、３４ｇ…ゲート部、３５…スイッチ部、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ…端子、３５ｇ…ゲート部、４０…制御部、５０…本体部、５０ａ…外層部、５０ｂ…傾斜部、６０…追加部品、１００…手指、Ｃ_０…静電容量値、検出信号Ｖ_１、Ｖ_２…検出信号、Ｖｍ…モニタリング電圧、Ｖｔ…タッチ検出電圧、Ｖth…タッチ検出閾値、ＧＮＤ…グランド、ε…誘電率、ε_０…真空の誘電率

Claims

表皮を介してタッチ操作を受け付ける検出電極と、
前記表皮を介して前記検出電極の一部の領域と対向するように配置される付加電極と、
前記検出電極と前記付加電極との間の検出結果に基づいて、前記検出電極による前記タッチ操作の有無を判定する制御部と、
を備える、タッチ入力装置。
前記検出電極は、前記付加電極との間の検出を行なうときはグランドに接続される、請求項１に記載のタッチ入力装置。
前記制御部は、前記検出結果が増加すると前記判定における検出閾値を増加させる、請求項１又は２に記載のタッチ入力装置。
前記制御部は、前記検出結果が減少すると前記判定における検出閾値を減少させる、請求項１から３のいずれか１項に記載のタッチ入力装置。
前記付加電極は、前記タッチ操作ができない位置に配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のタッチ入力装置。