JP2019086807A - 静電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない電極でシンプルな構造を有する、１次元タッチ位置の検出が可能な静電検出装置提供する。【解決手段】長尺状に導体で形成された低抵抗率の第１検出電極１０と、長尺状に導体で形成され、第１検出電極１０に沿って近接して配置された高抵抗率の第２検出電極２０と、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へ所定電圧を印加したときのそれぞれの過渡特性に基づいて、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出する電圧計測部３１，３２を備えた制御部３０と、を有して静電検出装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、静電検出装置に関し、特に、１次元タッチ位置の検出が可能な静電検出装置に関する。

従来、表示器の表側にタッチパネルを設けるものにおいて、タッチ操作に基づくタッチ位置を検出する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、タッチパネルに、１軸方向に直交して複数並ぶ電極によって形成される１層電極部を設け、他方のタッチパネルに、１軸方向に直交して複数並ぶ電極によって形成される第１電極部、および他方の軸方向に直交して複数並ぶ電極によって形成される第２電極部が重ねられた２層電極部を設ける。２層電極部の端部に対して、１層電極部の端部を容量結合して、制御部が他方のタッチパネルに接続されるようにする。１層電極部の複数の電極をよぎるように（順にタッチしていくように）タッチ操作すると、２層電極部を介して制御部によって、１軸方向に移動する静電容量の変化がタッチ方向として検出される。

特開２０１７−１３８６５６号公報

特許文献１の静電検出装置は、１軸方向のタッチ位置、タッチ方向を検出するために、１軸方向に直交して複数並ぶ電極を形成する必要があった。このため、静電検出装置において、高精度、広範囲の位置特定を目的とするものほど電極の数が増える、という問題があった。

したがって、本発明の目的は、少ない電極でシンプルな構造を有する、１次元タッチ位置の検出が可能な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、長尺状に導体で形成された低抵抗率の第１検出電極と、長尺状に導体で形成され、前記第１検出電極に沿って近接して配置された高抵抗率の第２検出電極と、前記第１検出電極及び前記第２検出電極へ所定電圧を印加したときのそれぞれの過渡特性に基づいて、前記第１検出電極及び前記第２検出電極へのタッチ位置を算出する電圧計測部を備えた制御部と、を有する静電検出装置を提供する。

［２］前記第１検出電極及び前記第２検出電極は、前記タッチ位置をタッチ操作する場合に、同時にタッチする程度に前記近接した配置である、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検出電極及び前記第２検出電極の時定数を同時に検出することにより前記タッチ位置を算出する上記［１］又は［２］に記載の静電検出装置であってもよい。

［４］また、前記第１検出電極は、一端がオープン状態とされ、他端は抵抗を介して前記電圧計測部に接続されている、上記［１］から［３］のいずれか１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、少ない電極、シンプルな構造で、１次元タッチ位置の検出が可能となる。

図１（ａ）は、本発明の静電検出装置の概略構成を示す概略構成であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における検出ユニットをＡ方向から見た側面図である。 図２は、本発明の静電検出装置の第１、第２検出電極にステップ電圧を印加する場合において、第１、第２検出電極をそれぞれ放電して初期化する状態を示す図である。 図３は、本発明の静電検出装置の第１、第２検出電極へのステップ電圧印加時の過渡特性に基づいて、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出する状態を示す図である。 図４は、図１で示すＰｘ点（座標ｘ）へのタッチ時（ｔ＝ｔ_０）から第１検出電極１０、及び第２検出電極２０の電圧変化を示す過渡特性を示す信号図である。

（本発明の実施の形態）
（静電検出装置１の構成）
本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、長尺状に導体で形成された低抵抗率の第１検出電極１０と、長尺状に導体で形成され、第１検出電極１０に沿って近接して配置された高抵抗率の第２検出電極２０と、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へ所定電圧を印加したときのそれぞれの過渡特性に基づいて、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出する電圧計測部３１、３２を備えた制御部３０と、を有して構成されている。

本実施の形態に係る静電検出装置１は、低抵抗率の第１検出電極１０と高抵抗率の第２検出電極２０に対して、それぞれ独立に、同時に、ステップ状の電圧を印加して、電圧値の過渡特性における時定数の違いから、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出するものである。第１検出電極１０と第２検出電極２０は近接して配置されているので、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置Ｘは、同じ１次元位置であることを前提としている。

（検出ユニット５）
検出ユニット５は、図１（ａ）に示すように、パネル７、第１検出電極１０、第２検出電極２０から概略構成されている。

（第１検出電極１０）
第１検出電極１０は、長尺状に導体で形成された低抵抗率のタッチ検出電極である。第１検出電極１０は、指、指先に対して小さい幅の帯状の電極である。第１検出電極１０は、図１（ｂ）に示すように、絶縁体で所定の誘電率を持つ樹脂製のパネル７の下に、導電性の電極が形成されている。例えば、導電性材料の塗布、銅箔等で形成されている。

（第２検出電極２０）
第２検出電極２０も同様に、長尺状に導体で形成され、第１検出電極１０に沿って近接して配置された高抵抗率のタッチ検出電極である。第２検出電極２０は、指、指先に対して小さい幅の帯状の電極であり、第１検出電極１０と同じ幅寸法とされている。第２検出電極２０は、第１検出電極１０に対して狭い間隔で隣接して形成されている。よって、第１検出電極１０及び第２検出電極２０は、タッチ位置をタッチ操作する場合に、同時にタッチする程度に近接した配置となっている。

第２検出電極２０は、第１検出電極１０と同様に、図１（ｂ）に示すように、絶縁体で所定の誘電率を持つ樹脂製のパネル７の下に、導電性の電極が形成されている。例えば、導電性材料の塗布、銅箔等で形成されている。

第１検出電極１０は、図１（ａ）に示すように、一端１０ｂがオープン状態とされ、もう一方の端部１０ａは抵抗Ｒ_０を介して電圧計測部３１に接続されている。ここで、抵抗Ｒ_０の抵抗値は、第１検出電極１０の抵抗値よりも大きく設定されている。これにより、第１検出電極１０へのタッチ位置Ｐｘ（図１（ａ）において、原点ＯからＸの位置）が変わっても抵抗値Ｒ_１（３１ａからＰｘまでの抵抗値）は一定と近似できる。すなわち、第１検出電極１０は、低抵抗率のタッチ検出電極である。

一方、第２検出電極２０は、図１（ａ）に示すように、一端２０ｂがオープン状態とされ、もう一方の端部２０ａは直接、電圧計測部３２の端子３２ｂに接続されている。これにより、第２検出電極２０へのタッチ位置Ｐｘ（図１（ａ）において、原点Ｏからｘの位置）が変わると、抵抗値Ｒ_２（３２ａからＰｘまでの抵抗値）は、Ｘに比例して変化する。すなわち、第２検出電極２０は、高抵抗率のタッチ検出電極である。

（制御部３０）
図１（ａ）に示すように、制御部３０は、第１検出電極１０のタッチ時のタッチ位置Ｐｘを計測するための電圧計測部３１、電圧計測部３２を備えている。また、電圧計測部３１、電圧計測部３２をそれぞれ制御するためのものとして、記憶されたプログラムに従って、所定の演算、処理実行等を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)、半導体メモリであるＲＡＭ(Random Access Memory)及びＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータを備える。このＲＯＭには、例えば、制御部３０が動作するためのプログラムと、各種のパラメータ等が格納されている。また、後述する時定数を計測するためのカウンタ、タイマ等の計時手段を備えている。また制御部３０は、種々の機器との入出力をするためのインターフェース部等を備えている。

（電圧計測部３１、３２）
この第１検出電極１０の端部１０ａは、図２、３に示すように、電圧計測部３１の端子３１ａに電気的に接続されている。また、第２検出電極２０の端部２０ａは、図２、３に示すように、電圧計測部３２の端子３２ａに電気的に接続されている。

第１検出電極１０、第２検出電極２０は、検出対象物である例えば、手指１００の近接または接触により、第１検出電極１０、第２検出電極２０と手指１００とでコンデンサを形成する。第１検出電極１０と第２検出電極２０の電極幅寸法は同じとされ、また、第１検出電極１０と第２検出電極２０は、近接して配置されているので、図１に示すように、手指１００により、同時にタッチされる。このタッチによる各検出電極の直上の接触面積は同じとみなせるので、第１検出電極１０と第２検出電極２０の静電容量値Ｃは同じである。

以下、図２、図３に基づいて、第１検出電極１０、第２検出電極２０への電圧印加と電圧計測、及び電圧値の過渡特性に基づいて、第１検出電極１０、第２検出電極２０へのタッチ位置の算出方法を説明する。なお、第１検出電極１０、第２検出電極２０への電圧印加、及び電圧値の計測等は、それぞれ電圧計測部３１、３２により、同時に、独立して実行される。

（電圧計測部３１）
電圧計測部３１は、図２、３に示すように、スイッチＳＷ１１を有する。電圧計測部３１の端子３１ａは、抵抗Ｒ_０を介して第１検出電極１０の端部１０ａに接続されると共に、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１、及び電圧測定端子ＶＳ１１に接続されている。一方、図１に示したように、第１検出電極１０の一端１０ｂはオープン状態とされている。スイッチＳＷ１１の端子ａ１２は、電源部Ｖ_０に接続されている。また、スイッチＳＷ１１の端子ａ１３は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。スイッチＳＷ１１の端子ａ１１は、端子ａ１２又は端子ａ１３のいずれかの端子と接続されるように制御部３０によってスイッチ制御される。スイッチＳＷ１１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。

電圧測定端子ＶＳ１１は、端子３１ａの電圧値を検出する。なお、端子３１ａ側からみた電圧測定端子ＶＳ１１の入力インピーダンスを十分大きく設定しているので、電圧測定端子ＶＳ１１は、端子３１ａ、第１検出電極１０の端部１０ａに直結させている。

（電圧計測部３２）
電圧計測部３２は、図２、３に示すように、スイッチＳＷ２１を有する。電圧計測部３２の端子３２ａは、第２検出電極２０の端部２０ａに接続されると共に、スイッチＳＷ２１の端子ａ２１、及び電圧測定端子ＶＳ２１に接続されている。一方、図１に示したように、第２検出電極２０の一端１０ｂはオープン状態とされている。スイッチＳＷ２１の端子ａ２２は、電源部Ｖ_０に接続されている。また、スイッチＳＷ２１の端子ａ２３は、ＧＮＤに接続されている。スイッチＳＷ２１の端子ａ２１は、端子ａ２２又は端子ａ２３のいずれかの端子と接続されるように制御部３０によってスイッチ制御される。スイッチＳＷ２１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。

電圧測定端子ＶＳ２１は、端子３２ａの電圧値を検出する。なお、端子３２ａ側からみた電圧測定端子ＶＳ２１の入力インピーダンスを十分大きく設定しているので、電圧測定端子ＶＳ２１は、端子３２ａ、第２検出電極２０の端部２０ａに直結させている。

（タッチ位置の算出動作）
図４は、図１で示すＰｘ点（座標ｘ）へのタッチ時（ｔ＝ｔ_０）から第１検出電極１０、及び第２検出電極２０の電圧変化を示す過渡特性を示す信号図である。第１検出電極１０と第２検出電極２０は、近接して配置されているので、図１に示すように、手指１００により、同時にタッチされる。このタッチによる各検出電極の直上の接触面積は同じとみなせる。したがって、第１検出電極１０と手指１００により形成されるコンデンサの静電容量値と、第２検出電極２０と手指１００により形成されるコンデンサの静電容量値は同じであり、共に静電容量値Ｃとする。

制御部３０は、まず、図２に示すように、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１が端子ａ１３に接続するようにスイッチ制御する。同様に、スイッチＳＷ２１の端子ａ２１が端子ａ２３に接続するようにスイッチ制御する。これにより、第１検出電極１０、第２検出電極２０は、それぞれ、ＧＮＤに接続され、各電極にある電荷がゼロになって初期化される。

次に、制御部３０は、図３に示すように、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１が端子ａ１２に接続するようにスイッチ制御する。同様に、スイッチＳＷ２１の端子ａ２１が端子ａ２２に接続するようにスイッチ制御する。この状態で、各電源部Ｖ_０から第１検出電極１０、第２検出電極２０にそれぞれステップ電圧ＶＩを印加する。このステップ電圧ＶＩは、図４に示すように、時間ｔ_０において電圧がゼロから一定電圧Ｖ_０に立上るステップ状の電圧である。このステップ電圧ＶＩにより、第１検出電極１０、第２検出電極２０にそれぞれ電荷が供給される。

第１検出電極１０において形成される前述したコンデンサＣと、抵抗Ｒ_０、及び、手指１００で位置Ｐｘ（原点ＯからＸの距離の１次元位置）をタッチした場合の、ＯＰｘ間の抵抗値Ｒ_１による時定数τ_１は、τ_１＝Ｃ・(Ｒ_０＋Ｒ_１)である。一方、第２検出電極２０において形成される前述したコンデンサＣと、手指１００で位置Ｐｘ（原点ＯからＸの距離の位置）をタッチした場合の、ＯＰｘ間の抵抗値Ｒ_２による時定数τ_２は、τ_２＝Ｃ・Ｒ_２である。前述したように、第１検出電極１０を低抵抗率とするためにＲ_０を大きく設定するので、図４に示すように、第２検出電極２０に比べて第１検出電極１０の立ち上がり特性は緩やかである。すなわち、電圧Ｖ_０の６３％になる時間、時定数は、τ_２＜τ_１となる。この過渡特性の違いに基づいて、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置Ｘを算出する。

ここで、第１検出電極１０、第２検出電極２０共に、図１で示すＬの長さの抵抗体の抵抗値をＲとすると、手指１００で位置Ｐｘ（原点ＯからＸの距離の位置）をタッチした場合の、ＯＰｘ間の抵抗値Ｒ_１は、Ｒ_１＝Ｒ_０＋Ｒ・(Ｘ/Ｌ)である。第１検出電極１０は、第１検出電極１０へのタッチ位置Ｐｘが変わっても抵抗値Ｒ_１（３１ａからＰｘまでの抵抗値）は一定と近似できる低抵抗率のタッチ検出電極である。すなわち、Ｒ_０＞＞Ｒと設定することにより、低抵抗率のタッチ検出電極とすることができる。これにより、Ｒ_１＝Ｒ_０で、一定値と近似することができる。

一方、抵抗値Ｒ_２は、第２検出電極２０へのタッチ位置Ｐｘ（図１（ａ）において、原点ＯからＸの位置）が変わると、抵抗値Ｒ_２（３２ａからＰｘまでの抵抗値）は、Ｘに比例して変化する。すなわち、第２検出電極２０は、高抵抗率のタッチ検出電極である。これにより、抵抗値Ｒ_２は、Ｒ_２＝Ｒ・(Ｘ/Ｌ)で算出できる。

制御部３０は、以下の計測、演算を、第１検出電極１０と第２検出電極２０に対して、それぞれ、独立して、同時に実行する。
（１）図４に示すように、第１検出電極１０と第２検出電極２０で、電圧が０．６３Ｖ_０になるまでの時間をタイマ等により同時に計測し、それぞれ時定数τ_１、τ_２を計測する。
（２）制御部３０は、以下の演算を実行する。τ_１＝Ｃ・Ｒ_１より、静電容量値Ｃを算出する。よって、Ｃ＝τ_１/Ｒ_１
（３）τ_２＝Ｃ・Ｒ_２より、Ｒ_２＝τ_２/Ｃ＝Ｒ_１・(τ_２/τ_１)＝Ｒ_０×(τ_２/τ_１)。また、Ｒ_２＝Ｒ・Ｘ/Ｌ である。
（４）よって、Ｘ＝Ｌ・(Ｒ_２/Ｒ)＝Ｌ・（Ｒ_０/Ｒ）・（τ_２/τ_１）と算出することができる。

以上から、制御部３０は、上式の、Ｘ＝Ｌ・（Ｒ_０/Ｒ）・（τ_２/τ_１）から、予め設定したＬ、Ｒ_０、Ｒ、及び、計測により求められたそれぞれの時定数τ_１、τ_２を用いることにより、タッチ位置Ｘを算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１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、長尺状に導体で形成された低抵抗率の第１検出電極１０と、長尺状に導体で形成され、第１検出電極１０に沿って近接して配置された高抵抗率の第２検出電極２０と、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へ所定電圧を印加したときのそれぞれの過渡特性に基づいて、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出する電圧計測部３１、３２を備えた制御部３０と、を有して構成されている。第１検出電極１０と第２検出電極２０は近接して配置されているので、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置Ｘは、同じ位置である。これにより、第１検出電極１０、第２検出電極２０で形成される静電容量Ｃは同じである。低抵抗率の第１検出電極１０と高抵抗率の第２検出電極２０に対して、それぞれ独立に、同時に、ステップ状の電圧を印加して、電圧値の過渡特性における時定数の違いから、第１検出電極１０及び第２検出電極２０へのタッチ位置を算出することが可能となる。
（２）上記示したように、少ない電極、かつ、シンプルな構造の静電容量式タッチセンサで、１次元位置の判別が可能となる。

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…静電検出装置、５…検出ユニット、７…パネル、１０…第１検出電極、１０ａ…端部、１０ｂ…一端、２０…第２検出電極、２０ａ…端部、２０ｂ…一端、３０…制御部、３１…電圧計測部、３１ａ…端子、３２…電圧計測部、３２ａ…端子、１００…指、ａ１１、ａ１２、ａ１３…端子、ａ２１、ａ２２、ａ２３…端子、Ｃ…コンデンサ、静電容量、Ｏ…原点、Ｐｘ…タッチ位置、Ｒ_０、Ｒ_１、Ｒ_２…抵抗、ＳＷ１１、ＳＷ２１…スイッチ、ｔ_０…時間、Ｖ_０…電源部、ＶＩ…ステップ電圧、ＶＳ１１、ＶＳ２１…電圧測定端子、Ｘ…タッチ位置、τ_１、τ_２…時定数

Claims (4)

1. 長尺状に導体で形成された低抵抗率の第１検出電極と、
   長尺状に導体で形成され、前記第１検出電極に沿って近接して配置された高抵抗率の第２検出電極と、
   前記第１検出電極及び前記第２検出電極へ所定電圧を印加したときのそれぞれの過渡特性に基づいて、前記第１検出電極及び前記第２検出電極へのタッチ位置を算出する電圧計測部を備えた制御部と、
   を有する静電検出装置。
2. 前記第１検出電極及び前記第２検出電極は、前記タッチ位置をタッチ操作する場合に、同時にタッチする程度に前記近接した配置である、請求項１に記載の静電検出装置。
3. 前記制御部は、前記第１検出電極及び前記第２検出電極の時定数を同時に計測することにより前記タッチ位置を算出する請求項１又は２に記載の静電検出装置。
4. 前記第１検出電極は、一端がオープン状態とされ、他端は抵抗を介して前記電圧計測部に接続されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の静電検出装置。
   

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