JP2018195125A - タッチセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出回路数の減少や回路の複雑化防止を図ることができ、しかも、製造コストの低減を図ることのできるタッチセンサを提供する。【解決手段】 誘電体である指１に接近される導電検出線２と、この導電検出線２の形態を維持する絶縁性の形態維持部材１０と、導電検出線２に交流電圧を印加する交流電源とを備え、導電検出線２が円筒形の形態維持部材１０に巻回してソレノイドコイル４とされており、指１と導電検出線２とが接近してインダクタンス値とインピーダンス値に変化が生じた場合に、指１と導電検出線２との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出判定回路２０で検出する。隣接する導電検出線２と導電検出線２との間に寄生容量を発生させることができるので、導電検出線２の巻回数を増やせば、簡単に従来の検出電極機能の向上を図ることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、音楽プレイヤー、家電製品、携帯機器、コンピュータ機器、情報通信機器、自動車搭載機器等に用いられるタッチセンサに関するものである。

静電容量式センサには様々なタイプがあるが、その一つとして、スライド可能なスライダを用いるタイプがあげられる（特許文献１、２参照）。このタイプは、図示しないが、静電容量を検出する複数の検出電極が配設され、各検出電極による検出結果が演算されることにより、指等の誘電体の位置が検出回路で検出される。複数の検出電極の数は、長い距離、例えば８０ｍｍの距離間で指等の誘電体の位置の検出が求められる場合には、検出精度を向上させる観点から、増やされる。

特開２０１２‐００８０４９号公報 特開２０１２‐２５５６８１号公報

従来における静電容量式センサは、以上のように構成されているので、長い距離間で誘電体の位置を高精度に検出する場合には、多数の検出電極を配設しなければならず、これに伴い、検出回路も増加を要するという問題がある。この問題を解消するには、検出回路数を削減する観点から、検出回路の入力切替用の切り替え手段を採用すれば良いが、そうすると、回路が複雑化し、しかも、製造コストの増大を招くという大きな問題が新たに生じることとなる。

本発明は上記に鑑みなされたもので、検出回路数の減少や回路の複雑化防止を図ることができ、しかも、製造コストの低減を図ることのできるタッチセンサを提供することを目的としている。

本発明においては上記課題を解決するため、誘電体に接近される導電検出線材と、この導電検出線材に交流電圧を印加する印加手段とを含み、導電検出線材が巻かれており、
誘電体と導電検出線材とが接近してインダクタンス値とインピーダンス値に変化が生じた場合に、誘電体と導電検出線材との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出することを特徴としている。

なお、導電検出線材の形態を維持する絶縁性の形態維持部材を含むことが好ましい。
また、誘電体と導電検出線材との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出し、このいずれかの値を用いて誘電体の接近を判別する検出判定手段を含むことが好ましい。

また、検出判定手段には、インピーダンス値を閾値と比較する機能と、比較したインピーダンス値が閾値以上の場合には、誘電体が非接近状態にあると判定する機能と、比較したインピーダンス値が閾値未満の場合には、誘電体が接近状態にあると判定する機能とを実現させることができる。

また、検出判定手段には、インダクタンス値を閾値と比較する機能と、比較したインダクタンス値が閾値以上の場合には、誘電体が非接近状態にあると判定する機能と、比較したインダクタンス値が閾値未満の場合には、誘電体が接近状態にあると判定する機能とを実現させることができる。

また、検出判定手段には、インピーダンス値あるいはインダクタンス値を検出値に変換する機能と、この検出値と閾値と比較する機能と、比較した検出値が閾値以上の場合には、誘電体が非接近状態にあると判定する機能と、比較した検出値が閾値未満の場合には、誘電体が接近状態にあると判定する機能とを実現させることもできる。

また、導電検出線材は、一部が狭いピッチで巻かれ、残部が広いピッチで巻かれるようにすることが可能である。
また、導電検出線材が形態維持部材に所定のピッチで略コイル形に巻かれることにより、ソレノイドコイルとされるようにすることが可能である。
また、導電検出線材が形態維持部材上に略渦巻き形に形成されるようにすることも可能である。

ここで、特許請求の範囲における誘電体には、少なくとも専用の筆記用具や指等があげられる。また、導電検出線材としては、少なくとも導電線が絶縁材で被覆された線材、流動性の導電材が硬化した線材や帯材、可撓性の樹脂シート（例えば、ＰＥＴ等）に金属箔、メッキ、ＩＴＯ等の無機物により回路が形成された回路シート等があげられる。この導電検出線材は、必要に応じ、Ｘ方向、Ｙ方向、ＸＹＺ方向に渦巻き形、コイル形、螺旋形等に巻くことができる。

形態維持部材は、樹脂、樹脂シート、樹脂フィルム等により、板形、筒形、柱形、ブロック形等に形成することができる。この形態維持部材は、可撓性や弾性の有無を特に問うものではない。さらに、検出判定手段には、変化前後のインピーダンス値あるいはインダクタンス値を閾値と比較させることができる。

本発明によれば、導電検出線材に交流電圧が印加された後、導電検出線材に誘電体が接近すると、巻かれた導電検出線間の寄生容量が増加し、インダクタンス値とインピーダンス値がそれぞれ変化する。この変化したインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出すれば、導電検出線材に誘電体が接近したと判定したり、接近位置を特定することができる。

本発明によれば、誘電体と巻かれた導電検出線材とが接近してインダクタンス値とインピーダンス値に変化が生じた場合に、誘電体と導電検出線材との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出するので、検出判定手段数の減少や回路の複雑化防止を図ることができ、しかも、製造コストの低減を図ることができるという効果がある。

請求項２記載の発明によれば、形態維持部材が導電検出線材の巻かれた形態を維持するので、導電検出線材の形態を長期に亘り維持することができる。
請求項３記載の発明によれば、インダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を用いた比較等により、誘電体の接近を検出判定手段で判別することができるので、タッチセンサを搭載した機器の自動制御に資することができる。

請求項４記載の発明によれば、導電検出線材を狭い巻きピッチで巻くことにより、隣接する導電検出線材間の寄生容量を大きくし、導電検出線材を広い巻きピッチで巻くことにより、隣接する導電検出線材間の寄生容量を小さくすることが可能となる。
請求項５記載の発明によれば、ソレノイドコイルの巻かれた導電検出線材間に寄生容量を形成することができるので、ソレノイドコイルに誘電体を接近させれば、ソレノイドコイルの導電検出線材間の寄生容量を増加させ、インダクタンス値とインピーダンス値をそれぞれ小さく変化させることが可能となる。

請求項６記載の発明によれば、形態維持部材上に導電検出線材をパターン形成するので、導電検出線材が高さ方向に嵩張ることが少なく、これを通じ、タッチセンサの薄型化や省スペース化が期待できる。

本発明に係るタッチセンサの実施形態を模式的に示す全体説明図である。 本発明に係るタッチセンサの実施形態におけるソレノイドコイルの等価回路を模式的に示す回路構成図である。 本発明に係るタッチセンサの第２の実施形態を模式的に示す全体説明図である。 本発明に係るタッチセンサの第３の実施形態を模式的に示す平面説明図である。 本発明に係るタッチセンサの実施例におけるソレノイドコイルを模式的に示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態におけるタッチセンサは、図１に示すように、誘電体である指１に接近される導電検出線２と、この導電検出線２用の形態維持部材１０と、導電検出線２に交流電圧を印加する印加手段である交流電源と、導電検出線２と交流電源に接続される検出判定回路２０とを備え、指１と導電検出線２とが接近してインダクタンス値とインピーダンス値に変化が生じた場合に、少なくとも指１と導電検出線２との接近時におけるインピーダンス値を検出するようにしている。

導電検出線２は、例えば銅線が絶縁性のエナメルで被包された被覆電線が使用され、形態維持部材１０に巻回される。この導電検出線２は、特に限定されるものではなく、銅合金線がエナメルで被包された被覆電線やアルミニウム線がエナメルで被包された被覆電線等でも良い。また、導電検出線２は、エナメルの代わりに、絶縁性のポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が必要に応じて用いられる。

形態維持部材１０は、例えば絶縁性の樹脂を用いて細く小さい円筒形のパイプに成形され、絶縁性の操作保護層１１の下方に固定して設置されており、この操作保護層１１の加飾された表面に指１が接触して操作する。形態維持部材１０の樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばポリエステル系、ポリプロピレン系、ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ガラス繊維含浸エポキシ樹脂、アクリル樹脂等があげられる。これらの中でも、寸法安定性や絶縁性に優れるポリエチレンテレフタレート樹脂やポリカーボネート樹脂が好適である。

形態維持部材１０は、その外周面に導電検出線２が所定の等間隔ピッチで軸方向にコイル形にスペース巻きされ、このスペース巻きされて隣接する導電検出線２と導電検出線２との間に空気層３が介在する。このような導電検出線２はコイル形に巻回されることにより、円筒のソレノイドコイル４を形成し、交流電圧の印加により、巻かれて隣接する導電検出線２と導電検出線２との間に、コンデンサ成分の寄生容量（浮遊容量）が生じる。この寄生容量は、隣接する導電検出線２間の距離が短くなるほど、大きくなるという特徴を有する。

検出判定回路２０は、例えばマイクロコントローラ等からなり、ＲＡＭに所定の履歴等が記憶されるとともに、ＲＯＭに所定のプログラムが記憶され、この所定のプログラムが制御コントローラにより、必要に応じて書き換えられる。この検出判定回路２０は、導電検出線２の両端部に接続され、インダクタンス値とインピーダンス値のうち、少なくともインピーダンス値を自動的に検出する。

このような検出判定回路２０は、ＣＰＵがＲＡＭ領域を作業領域としてＲＯＭに記憶された所定のプログラムを読み込むことにより、コンピュータとして所定の機能を実現し、タッチセンサを搭載した機器の制御に資するよう機能する。すなわち、検出判定回路２０は、インピーダンス値を予め設定された閾値と常時比較する機能と、比較したインピーダンス値が閾値以上となる場合には、指１が非接近状態にあると判定する機能と、比較したインピーダンス値が閾値未満となる場合には、指１が接近状態にあると判定する機能とを実現する。

次に、タッチセンサの動作原理について説明すると、一般にソレノイドコイル４は、純粋なインダクタンスＬだけではなく、導電検出線２自体の抵抗Ｒと、隣接する導電検出線２間の寄生容量Ｃとを有するので、図２に示す等価回路を構成する。このようなソレノイドコイル４に交流電圧を印加した後、指１を接触させると、指１が誘電体として作用し、寄生容量が増加するので、ソレノイドコイル４を流れる電流の変化と、ソレノイドコイル４両端部の電圧の変化に伴い、インダクタンスとインピーダンスの値がそれぞれ小さくなる。したがって、少なくとも指１の接触後のインピーダンス値を検出すれば、タッチセンサとして利用することが可能となる。

上記構成において、導電検出線２に交流電圧を印加した後、操作保護層１１表面の所定箇所に指１が接触すると、指１と操作保護層１１の所定箇所の直下に位置する導電検出線２とが接近するので、操作保護層１１の所定箇所直下に位置する導電検出線２間の寄生容量が増加し、インダクタンス値とインピーダンス値とがそれぞれ変化して小さくなり、インピーダンス値が変化して検出判定回路２０に出力される。

検出判定回路２０は、変化前のインピーダンス値と予め設定された閾値とを比較しているが、変化したインピーダンス値が出力されると、変化後のインピーダンス値と予め設定された閾値とを比較する。比較の結果、変化後のインピーダンス値が閾値未満となるので、操作保護層１１表面の所定箇所に指１が接触したと高精度に判定され、この判定により、タッチセンサを搭載した機器の所定の機能、例えば温度調整機能が実行される。

上記構成によれば、隣接する導電検出線２と導電検出線２との間に寄生容量を発生させることができるので、導電検出線２の巻回数を増やせば、簡単に従来の検出電極機能の向上を図ることができる。また、検出判定回路２０を増やしたり、入力切替用の切り替え手段を採用する必要性を省くことができる。したがって、回路構成の簡素化を図ることができ、しかも、製造コストの削減が大いに期待できる。さらに、導電検出線２をコイル形に単に巻回するのではなく、形態維持部材１０に導電検出線２をコイル形に巻き付けて形態が崩れるのを未然に防止するので、導電検出線２の巻回状態を長期に亘り維持することができる。

次に、図３は本発明の第２の実施形態を示すもので、この場合には、形態維持部材１０の外周面に導電検出線２をコイル形に巻回してソレノイドコイル４とする際、導電検出線２の巻きピッチを全て均等にするのではなく、部分的に変更して寄生容量の変化量を増減させるようにしている。

導電検出線２は、形態維持部材１０の一端部（図３の左側）外周面に巻回される場合には、通常の基準ピッチよりも狭い巻きピッチでスペース巻きされ、形態維持部材１０の中央部外周面に巻回される場合には、通常の基準ピッチでスペース巻きされており、形態維持部材１０の他端部（図３の右側）外周面に巻回される場合には、通常の基準ピッチよりも広い巻きピッチでスペース巻きされる。

このような導電検出線２は、形態維持部材１０の一端部側では寄生容量が大きくなり、形態維持部材１０の他端部側では寄生容量が小さくなる。また、形態維持部材１０の一端部側、形態維持部材１０の中央部、又は形態維持部材１０の他端部側に指１を接近させた場合、例え指１の対向面積が同一でも、寄生容量の増加分の値が相違することとなる。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、形態維持部材１０の一端部側、形態維持部材１０の中央部、又は形態維持部材１０の他端部側に指１を接近させた場合、インダクタンス値及びインピーダンス値がそれぞれ異なるので、インダクタンス値やインピーダンス値から指１の接近位置を容易に特定することができるのは明らかである。

また、導電検出線２の巻きピッチを徐々に変化させ、寄生容量の変化量を徐々に増加又は減少させるようにすれば、指１の接触位置とインダクタンス値及びインピーダンス値との間に相関性が生じるので、操作保護層１１の表面に接触した指１をずらすことにより、スライダ操作して温度や音量等を調整することができる（図３の矢印参照）。

次に、図４は本発明の第３の実施形態を示すもので、この場合には、導電検出線２を立体的な円筒のソレノイドコイル４に形成するのではなく、略板形の形態維持部材１０Ａの表面に平面略楕円の渦巻き形にパターン形成するようにしている。
導電検出線２は、被覆電線を平面略楕円の渦巻き形に巻いてパターン形成した後、形態維持部材１０Ａの表面に接着しても良いが、流動性の導電材を平面略楕円の渦巻き形にスクリーン印刷して硬化させたり、塗布して硬化させたり、あるいはエッチングしてパターン形成しても良い。

流動性の導電材としては、特に限定されるものではないが、例えば導電ペースト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、導電性ポリマー、ＩＴＯ等があげられる。また、導電検出線２の巻きピッチは、基本的には等間隔とされるが、大小の寄生容量を発生させたい場合には、一側部５が大きな寄生容量の変化を発生させる狭いピッチとされ、他側部６が小さな寄生容量の変化を発生させる広いピッチとされる。

形態維持部材１０Ａは、表裏面のうち、少なくとも表面が平坦な薄板に形成され、上方には指１が接触する操作保護層１１が設置されており、この操作保護層１１の表面には、導電検出線２の上方に位置する複数の操作ボタン１２が間隔をおいて形成される。複数の操作ボタン１２は、導電検出線２の巻きピッチが異なる場合、少なくとも一の操作ボタン１３が導電検出線２の一側部５の直上に位置し、他の操作ボタン１４が導電検出線２の他側部６の直上に位置する。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、操作ボタン１３に指を接触させた場合、操作ボタン１４に指を接触させた場合、又は操作ボタン１２に指を接触させない場合では、インダクタンス値及びインピーダンス値がそれぞれ異なるので、インダクタンス値やインピーダンス値から指１の接近位置を容易に特定することができるのは明白である。また、形態維持部材１０Ａの表面に導電検出線２を低くパターン形成するので、嵩張ることがなく、タッチセンサの薄型化や省スペース化を図ることができるのは明らかである。

なお、上記実施形態では形態維持部材１０に導電検出線２として被覆電線を巻回したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、可撓性の樹脂シート（例えば、ＰＥＴシート）に金属箔、メッキ、ＩＴＯ等の無機物により回路が形成された長尺の回路シートを所定のピッチで巻回しても良い。また、略板形の形態維持部材１０Ａの表面に長尺の回路シートを略渦巻き形にパターン形成しても良い。

また、上記実施形態では検出判定回路２０にインピーダンス値を検出させたが、インダクタンス値を検出させても良いし、インダクタンス値とインピーダンス値とを共に検出させても良い。インダクタンス値を検出する場合、検出判定回路２０には、インダクタンス値を予め設定された閾値と常時比較する機能と、比較したインダクタンス値が閾値以上となる場合には、指１が非接近状態にあると判定する機能と、比較したインダクタンス値が閾値未満となる場合には、指１が接近状態にあると判定する機能とを実現させることができる。

また、検出判定回路２０には、インピーダンス値あるいはインダクタンス値を検出値に変換する機能と、この検出値と予め設定された閾値と常時比較する機能と、比較した検出値が閾値以上となる場合には、指１が非接近状態にあると判定する機能と、比較した検出値が閾値未満となる場合には、指１が接近状態にあると判定する機能とを実現させることができる。

以下、本発明に係るタッチセンサの実施例を説明すると、形態維持部材を図５に示すように、塩化ビニル樹脂製で円筒形のパイプに成形し、この形態維持部材の外周面に導電検出線を所定の等間隔ピッチで軸方向にコイル形に巻回することにより、円筒のソレノイドコイルを形成した。
パイプの外径はφ７６ｍｍとした。また、導電検出線は、線径０．５５ｍｍのエナメル被覆銅線とし、３５回スペース巻きした。ソレノイドコイルは、３５ｍｍの長さに設定した。

円筒のソレノイドコイルを形成したら、このソレノイドコイルにＬＣＲメータ（ＨＩＯＫＩ社製：商品名ＩＭ３５３６）を接続した後、ソレノイドコイルの両端部に２ＭＨｚ／０．２５Ｖの交流電圧を印加し、インダクタンス値とインピーダンス値とを測定した。測定したところ、インダクタンス値は９８μＨ、インピーダンス値は１．２３ｋΩであった。

次いで、ソレノイドコイルの表面に指を接触させ、インダクタンス値とインピーダンス値を再度測定した。測定したところ、インダクタンス値は９２μＨ、インピーダンス値は１．１７ｋΩを示した。
以上の測定結果から、ソレノイドコイルに交流電圧を印加し、インダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を利用すれば、タッチセンサを得ることができるのを確認した。

本発明に係るタッチセンサは、音楽プレイヤー、家電製品、携帯機器、コンピュータ機器、情報通信機器、自動車搭載機器等の製造分野で使用される。

１ 指（誘電体）
２ 導電検出線（導電検出線材）
３ 空気層
４ ソレノイドコイル
１０ 形態維持部材
１０Ａ 形態維持部材
１１ 操作保護層
１２ 操作ボタン
１３ 操作ボタン
１４ 操作ボタン
２０ 検出判定回路（検出判定手段）

Claims (6)

1. 誘電体に接近される導電検出線材と、この導電検出線材に交流電圧を印加する印加手段とを含み、導電検出線材が巻かれており、
   誘電体と導電検出線材とが接近してインダクタンス値とインピーダンス値に変化が生じた場合に、誘電体と導電検出線材との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出することを特徴とするタッチセンサ。
2. 導電検出線材の形態を維持する絶縁性の形態維持部材を含んでなる請求項１記載のタッチセンサ。
3. 誘電体と導電検出線材との接近時におけるインダクタンス値とインピーダンス値の少なくともいずれかの値を検出し、このいずれかの値を用いて誘電体の接近を判別する検出判定手段を含んでなる請求項１又は２記載のタッチセンサ。
4. 導電検出線材は、一部が狭いピッチで巻かれ、残部が広いピッチで巻かれる請求項１、２、又は３記載のタッチセンサ。
5. 導電検出線材が形態維持部材に所定のピッチで略コイル形に巻かれることにより、ソレノイドコイルとされる請求項２、３、又は４記載のタッチセンサ。
6. 導電検出線材が形態維持部材上に略渦巻き形に形成される請求項２、３、又は４記載のタッチセンサ。

Images