JP2020177458A - 静電容量型パネルセンサ - Google Patents

Description

本発明は、Ａ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジの制限によって検出信号の増幅率が制限され、かつ、検出対象物の有りと無しとの検出信号の差が小さい場合であっても精度良く検出対象物を検出することができる静電容量型パネルセンサに関する。

静電容量型タッチパネルは、入出力デバイスに多用されている。静電容量型タッチパネルは、センサ表面にガラスやアクリルなどの厚く硬い加飾パネルを用いることができるという利点がある。静電容量型タッチパネルは、縦横にパターニングされた透明電極を組み合わせ、センサーパネルの表面に指を近づけると、近づけた部分の電極に容量変化が生じ、この容量変化を検出することで指の位置を特定する。

特開２０１６−５０２４５号公報

ところで、静電容量型タッチパネルは、ショーケースの商品棚や倉庫棚の上面に配置し、この静電容量型タッチパネルの上面に載置される商品などの検出対象物を検出する静電容量型パネルセンサとして利用することができる。しかし、検出対象物の有無による静電容量変化は、１０％程度である。このため、検出感度を上げようとする場合、アンプによって検出信号を増幅することが考えられる。しかし、検出信号はＡ／Ｄ変換されるため、増幅された検出信号の振幅がＡ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジを超えてしまい、検出対象物の有無を検出できなくなってしまう場合があった。

特に、検出対象物の誘電率が低い場合、検出対象物が有りのときと、無いときとの検出信号の差が小さく、検出信号を増幅しようとしてもダイナミックレンジの制限によって検出対象物の有無を精度良く検出できない場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Ａ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジの制限によって検出信号の増幅率が制限され、かつ、検出対象物の有りと無しとの検出信号の差が小さい場合であっても精度良く検出対象物を検出することができる静電容量型パネルセンサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、送信電極線群パターンの送信電極線と受信電極線群パターンの受信電極線とが直交し電極シートの表裏に離隔配置され、前記送信電極線と前記受信電極線との交差点をマトリクス状に形成したセンサ基板上に検出対象物が載置された場合における各交差点の静電容量変化を検出する静電容量型パネルセンサであって、前記送信電極線に入力される送信信号を用いて、前記送信信号と同位相であって、前記検出対象物が載置されていない場合の前記交差点の静電容量と同等の静電容量を介して流れる電流波形を有した基準信号を生成する基準信号生成部と、前記受信電極線からの受信信号と前記基準信号との差分を増幅した信号を検出信号として出力する差動アンプと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記基準信号生成部は、前記検出対象物が載置された場合の静電容量変化が小さくなるに従って、前記基準信号のレベルを、前記検出対象物が載置されていない場合の受信信号のレベルに近づけることを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記基準信号生成部は、前記交差点の静電容量と同等の静電容量を有し、前記送信信号が入力されるコンデンサと、前記コンデンサから出力される信号レベルに対してゲイン調整した信号を前記基準信号として前記差動アンプに出力するゲイン調整アンプと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記コンデンサは、前記送信電極線群パターンの各送信電極線の入力側にそれぞれ接続される複数のコンデンサであることを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記コンデンサは、前記送信電極線群パターンの各送信電極線の入力側にそれぞれ静電結合する配線パターン間の容量であることを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記配線パターンは、前記送信電極線群パターンと前記受信電極線群パターンとを表裏に形成する電極シートの前記受信電極線群パターン側に形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、複数の異なる静電容量を有し、前記送信信号が入力される複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサのうちのいずれか一つを選択し、選択されたコンデンサを介した信号を前記基準信号として前記差動アンプに出力する選択スイッチと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる静電容量型パネルセンサは、上記の発明において、前記検出対象物は商品棚上に陳列される商品であり、前記センサ基板は前記商品棚上に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジの制限によって検出信号の増幅率が制限され、かつ、検出対象物が有りと無しとの検出信号の差が小さい場合であっても精度良く検出対象物を検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態である静電容量型パネルセンサの全体構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した静電容量型パネルセンサの断面構成を示す図である。 図３は、センサ基板における送信電極線と受信電極線との配置関係を示す図である。 図４は、センサ基板上の駆動回路の一例を示す回路図である。 図５は、静電容量型パネルセンサの検出値をもとに生成した底面形状画像の一例を示す図である。 図６は、送信電極線と受信電極線との交差点近傍における電気力線及び電流の流れを示す図である。 図７は、変形例１による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。 図８は、変形例２による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。 図９は、変形例３による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態である静電容量型パネルセンサ１の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した静電容量型パネルセンサ１の断面構成を示す図である。なお、静電容量型パネルセンサ１は、表面側（＋Ｚ方向）に載置された検出対象物の有無を静電容量の変化によって検出するセンサである。例えば、ショーケースの商品棚に載置された缶飲料、ペットボトル、煙草、薬などを商品の有無を検出する。図１に示すように、静電容量型パネルセンサ１は、検出対象物が載置される検出領域Ｅとマトリクス駆動部ＥＡとを有するセンサ基板２である。

図２に示すように、センサ基板２は、電極シートであるＰＥＴフィルム１０の裏面（−Ｚ方向）に複数の送信電極線１１からなる送信電極線パターンが描かれ、表面に複数の受信電極線１２からなる受信電極線パターンが描かれている。複数の送信電極線１１は、Ｘ方向に延びて所定のピッチで平行配置される。複数の受信電極線１２は、Ｙ方向に延びて所定のピッチで平行配置される。複数の送信電極線１１と複数の受信電極線１２とは、ＰＥＴフィルム１０の厚みの間隔で離隔配置され、Ｚ方向からみた、複数の送信電極線１１と複数の受信電極線１２との交差点がマトリクス状に配置される。静電容量型パネルセンサ１は、各交差点での静電容量変化を検出し、２次元の静電容量変化画像を生成することによって、上部に載置された検出対象物の有無を検出することができる。

受信電極線パターンの表面側及び送信電極線パターンの裏面側には、それぞれ両面テープ１３，１５を介してそれぞれ保護膜としてのＰＥＴフィルム１４，１６が積層される。

なお、センサ基板２は、コネクタ１ａを介して検出部３に接続される。検出部３は、送信信号を送信電極線１１に出力し、受信電極線１２から出力される検出信号を受信して検出対象物の有無を検出する。

＜検出動作＞
次に、静電容量型パネルセンサ１の動作について説明する。図３に示すように、静電容量型パネルセンサ１は、ＰＥＴフィルム１０を挟んで複数の送信電極線１１及び複数の受信電極線１２が直交して配置される。

図４に示すように、複数の送信電極線１１及び複数の受信電極線１２が直交する交差点は、ＰＥＴフィルム１０の厚みの間隔で離隔されているため、結合容量Ｃｅが発生している。この状態で、検出部３は、送信電極線１１に３０Ｖの矩形波信号Ｓｉを印加すると、受信電極線１２から各交差点に対応する検出信号ＳＢが出力される。

検出部３から入力された送信信号である矩形波信号Ｓｉは、セレクタ２０を介して各送信電極線１１に出力される。この際、矩形波信号Ｓｉは、アンプ２１によって増幅される。各受信電極線１２からは、各送信電極線１１との各交差点で発生した検出信号をセレクタ２２を介して出力され、その後、アンプ２３によって増幅された検出信号ＳＢを差動アンプ３１の＋端に出力する。

一方、ゲイン調整アンプ３０には、送信線１１ａに接続される静電容量Ｃｃを有するコンデンサ３３を介した送信信号Ｓｉを増幅し、この増幅した校正信号ＳＣを基準信号として差動アンプ３１の−端に出力する。なお、校正信号ＳＣは、静電容量型パネルセンサ１の表面に検出対象物が載置されていない状態における検出信号ＳＢ０を模擬する信号であり、ゲイン調整アンプ３０は、コンデンサ３３を介して入力される送信信号Ｓｉのゲインが調整されている。

差動アンプ３１は、検出信号ＳＢから校正信号ＳＣを減算した差分を増幅した検出信号ＳＡとして検出部３に出力する。

コンデンサ３３、ゲイン調整アンプ３０は、基準信号生成部として機能し、この基準信号生成部及び差動アンプ３１を設けない場合、検出信号ＳＢがそのまま検出部３に出力される。ここで、検出対象物が載置された状態の検出信号ＳＢを検出信号ＳＢ１とし、検出対象物が載置されない状態の検出信号ＳＢを検出信号ＳＢ０とすると、検出部３は、検出信号ＳＢ０と検出信号ＳＢ１との差ΔＳＢをもとに、検出対象物の載置有無を検出する。ここで、検出対象物が煙草などの誘電率が低いものである場合、静電容量変化は小さく、この差ΔＳＢが極めて小さくなる。そこで、アンプ２３のゲインを大きくし、あるいは高段にアンプを設けてゲインを大きくした場合、検出部３のＡ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジを超えてしまい、検出対象物の有無を検出することができない。

そこで、本実施の形態では、基準信号生成部及び差動アンプ３１を設けて校正信号ＳＣを生成し、差動アンプ３１が検出信号ＳＢから校正信号ＳＣを差し引いた信号を増幅した検出信号ＳＡを検出部３に出力している。校正信号ＳＣは、検出信号ＳＢ０に近い値である。検出信号ＳＡ０は、検出信号ＳＢ０から校正信号ＳＣを差し引いて増幅した信号であり、検出信号ＳＡ１は、検出信号ＳＢ１から校正信号ＳＣを差し引いて増幅した信号である。この検出信号ＳＡ０と検出信号ＳＡ１との差ΔＳＡは、Ａ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジ内に十分収まる値となり、しかも差ΔＳＢを拡大した値である。これにより、検出対象物が煙草などの誘電率が低いものであって静電容量変化が小さい場合であっても、Ａ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジ内で検出感度を向上させることができる。

図５は、検出信号ＳＡの値をもとに生成した底面形状画像Ｄの一例を示す図である。この底面形状画像Ｄは、ＸＹ平面の２次元画像である。図５では、静電容量型パネルセンサ１上に煙草を載置した場合の底面形状画像Ｄを示している。底面形状画像Ｄ内にペットボトルの底面に対応する２次元位置に画像Ｄａが現れている。検出部３は、この底面形状画像Ｄを利用する図示しない外部装置に出力する。

＜検出動作の詳細＞
図６は、図４に示した交差点であるＡ部の送信電極線１１と受信電極線１２との間で生成する電気力線の状態及び電流の流れを示す図である。まず、検出部３から送信された矩形波信号Ｓｉは、入力電流ｉとして送信電極線１１を流れる。入力電流ｉは、受信電極線１２の交差点では結合容量Ｃｅを介した変位電流分である出力電流ｉ０が受信電極線１２に流れる。ここで、送信電極線１１と受信電極線１２との間の電気力線は、静電容量型パネルセンサ１の上部に検出対象物１００が載置されている場合、検出対象物１００側への電気力線が増大し、検出対象物１００に対して微小な変位電流分が漏れ電流ｉ１として流れる。この結果、受信電極線１２を流れる出力電流は、出力電流ｉ０から漏れ電流ｉ１分、差し引いた出力電流（ｉ０−ｉ１）となる。この差は上記の差ΔＳＢである。

一方、送信線１１ａには、コンデンサ３３が接続され、このコンデンサ３３を介した変位電流（校正電流）分が出力電流ｉ０´としてゲイン調整アンプ３０側に流れる。この結果、差動アンプ３１は、検出対象物１００が載置されていないときの検出電流ＳＡ０は、出力電流ｉ０から出力電流ｉ０´を減算して所定ゲインＧ分、増幅した値となる。また、検出対象物１００が載置されているときの検出電流ＳＡ１は、出力電流ｉ０から、漏れ電流ｉ１及び出力電流ｉ０´を減算して所定ゲインＧ分、増幅した値となる。ここで、出力電流ｉ０と出力電流ｉ０´の値が近い値であると、検出電流ＳＡ０は、ほぼ０になり、検出電流ＳＡ１は、（−ｉ１）となり、検出対象物１００に流れた漏れ電流ｉ１のみを検出できることになる。

なお、ゲイン調整アンプ３０のゲインは、静電容量型パネルセンサ１に載置される検出対象物１００の誘電率や形状などによって予め設定しておくことができる。検出対象物１００の誘電率が低く、差ΔＳＢが小さい場合には、出力電流ｉ０と出力電流ｉ０´との値が近くなるようにゲイン調整しておき、検出対象物１００の誘電率が高く、差ΔＳＢが大きい場合には、出力電流ｉ０´の値が出力電流ｉ０よりも小さくなるようにゲイン調整しておけばよい。すなわち、差ΔＳＡがＡ／Ｄ変換入力のダイナミックレンジ内に収まり、かつ、大きな値となるようにゲイン調整する。

＜変形例１＞
図７は、変形例１による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。上述した実施の形態では、送信線１１ａにコンデンサ３３を直接接続し、送信線１１ａから矩形波信号Ｓｉを直接取得するようにしていたが、本変形例１では、アンプ２１の後段であって、検出領域Ｅ外に、送信電極線１１に直交する校正電極線４０を設けるとともに、各送信電極線１１と校正電極線４０との間にそれぞれコンデンサ３４を設け、校正電極線４０を介して矩形波信号Ｓｉを得るようにしている。なお、コンデンサ３４は、静電容量Ｃｃである。また、校正電極線４０は、受信電極線１２に対して平行配置されることになる。

＜変形例２＞
図８は、変形例２による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。変形例１では、校正電極線４０と送信電極線１１との間にコンデンサ３４を設けるようにしていたが、本変形例２では、校正電極線４０に替えてベタな配線パターンである平板校正電極線４１を設け、送信電極線１１と平板校正電極線４１との間をそれぞれ静電結合し、それぞれ静電容量Ｃｃが生成できるようにしている。

なお、配線パターンである平板校正電極線４１は、送信電極線群パターンと受信電極線群パターンとを表裏に形成するＰＥＴフィルム１０の受信電極線群パターン側に形成される。なお、平板校正電極線４１は、校正電極線４０と同様に、アンプ２１の後段であって、検出領域Ｅ外に設けられる。

＜変形例３＞
図９は、変形例３による静電容量型パネルセンサの構成を示す回路図である。上述した実施の形態及び変形例１，２では、静電容量型パネルセンサ１に載置される検出対象物に応じてゲイン調整アンプ３０のゲインを調整していたが、本変形例２では、複数の異なるコンデンサ３３，３３´，３３´´を送信線１１ａに予め接続しておき、静電容量型パネルセンサ１に載置される検出対象物に応じたコンデンサ３３，３３´，３３´´をセレクタ４３によって選択し、選択したコンデンサ３３，３３´，３３´´を経由した矩形波信号Ｓｉをゲイン調整アンプ３０に入力するようにしている。この場合、ゲイン調整アンプ３０は調整せず、セレクタ４３の選択設定のみでよい。

なお、本実施の形態及び変形例で示した静電容量型パネルセンサ１は、ショーケースの商品棚や倉庫棚以外にも適用することができる。たとえば、ベルトコンベアなどの搬送路上に静電容量型パネルセンサ１を設けることによって、搬送される物品の形状や材料を検出することができる。

また、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ 静電容量型パネルセンサ
１ａ コネクタ
２ センサ基板
３ 検出部
１０，１４，１６ ＰＥＴフィルム
１１ 送信電極線
１１ａ 送信線
１２ 受信電極線
１３，１５ 両面テープ
２０，２２，４３ セレクタ
２１，２３ アンプ
３０ ゲイン調整アンプ
３１ 差動アンプ
３３，３３´，３３´´，３４ コンデンサ
４０ 校正電極線
４１ 平板校正電極線
１００ 検出対象物
Ｃｃ 静電容量
Ｃｅ 結合容量
Ｄ 底面形状画像
Ｄａ 画像
Ｅ 検出領域
ＥＡ マトリクス駆動部
Ｇ 所定ゲイン
ｉ 入力電流
ｉ０，ｉ０´ 出力電流
ｉ１ 漏れ電流
ＳＡ，ＳＡ０，ＳＡ１，ＳＢ，ＳＢ０，ＳＢ１ 検出信号
ＳＣ 校正信号
Ｓｉ 矩形波信号
ΔＳＡ，ΔＳＢ 差

Claims (8)

1. 送信電極線群パターンの送信電極線と受信電極線群パターンの受信電極線とが直交し電極シートの表裏に離隔配置され、前記送信電極線と前記受信電極線との交差点をマトリクス状に形成したセンサ基板上に検出対象物が載置された場合における各交差点の静電容量変化を検出する静電容量型パネルセンサであって、
   前記送信電極線に入力される送信信号を用いて、前記送信信号と同位相であって、前記検出対象物が載置されていない場合の前記交差点の静電容量と同等の静電容量を介して流れる電流波形を有した基準信号を生成する基準信号生成部と、
   前記受信電極線からの受信信号と前記基準信号との差分を増幅した信号を検出信号として出力する差動アンプと、
   を備えたことを特徴とする静電容量型パネルセンサ。
2. 前記基準信号生成部は、前記検出対象物が載置された場合の静電容量変化が小さくなるに従って、前記基準信号のレベルを、前記検出対象物が載置されていない場合の受信信号のレベルに近づけることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型パネルセンサ。
3. 前記基準信号生成部は、
   前記交差点の静電容量と同等の静電容量を有し、前記送信信号が入力されるコンデンサと、
   前記コンデンサから出力される信号レベルに対してゲイン調整した信号を前記基準信号として前記差動アンプに出力するゲイン調整アンプと、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型パネルセンサ。
4. 前記コンデンサは、前記送信電極線群パターンの各送信電極線の入力側にそれぞれ接続される複数のコンデンサであることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型パネルセンサ。
5. 前記コンデンサは、前記送信電極線群パターンの各送信電極線の入力側にそれぞれ静電結合する配線パターン間の容量であることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型パネルセンサ。
6. 前記配線パターンは、前記送信電極線群パターンと前記受信電極線群パターンとを表裏に形成する電極シートの前記受信電極線群パターン側に形成されることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型パネルセンサ。
7. 複数の異なる静電容量を有し、前記送信信号が入力される複数のコンデンサと、
   前記複数のコンデンサのうちのいずれか一つを選択し、選択されたコンデンサを介した信号を前記基準信号として前記差動アンプに出力する選択スイッチと、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型パネルセンサ。
8. 前記検出対象物は商品棚上に陳列される商品であり、前記センサ基板は前記商品棚上に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の静電容量型パネルセンサ。

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