JP2022013270A - タッチパネル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回動操作部に触れて操作する人物の静電容量に関係なく回動操作部の操作を確実に検出できる低コストのタッチパネル装置を提供する。【解決手段】タッチパネル装置は、電極パターン２０（第１電極２１、第２電極２２）を備えた静電容量方式のタッチパネルと、電極パターン２０に対向する対向電極１０を備えてタッチパネルに回動自在に取り付けられた回動操作部６を備える。回動操作部６を回すと、対向電極１０とタッチパネル間に静電容量の変化が生じ、対向電極１０の位置を検知できる。【効果】回動操作部６が非導電性なので人体の容量は関係せず、位置検知が電極パターン２０の寄生容量に依存するため精度が高い。【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量方式のタッチパネルに取り付けた回動操作部の操作をタッチパネルの電極パターンによって検出するタッチパネル装置に係り、特に、回動操作部に触れて操作する人物の静電容量に関係なく回動操作部の操作を確実に検出できるタッチパネル装置に関するものである。

種々の物理量を制御する機能を備えた各種の電子機器には、操作者が当該物理量を指で調整するための調整手段が設けられている。このような調整手段としては、操作者が指でつまんで回動操作するダイヤル式の回動操作部（操作つまみ）が知られている。例えば、オーディオ機器における音量調節や、エアコンにおける温度調節の操作を行うために、各機器の音量や温度の調節回路に、調節のための電子部品として公知の可変抵抗器やロータリーエンコーダを設け、これらの回動軸に回動操作部を取り付ける。操作者は、この回動操作部を指でつまんで回動させれば、音量や温度を調節することができる。なお、可変抵抗器は、機械的な位置の変化を抵抗値の変化に置き換えてアナログ電気信号として出力する電子部品であり、ポテンショメータとも呼ばれる。またロータリーエンコーダは、入力軸の回転の変位を内蔵した格子円盤を用いてデジタル信号として出力するセンサである。

次に、可変抵抗器等を用いたダイヤル式の調整手段以外の調整手段としては、図５に示すような静電容量方式のタッチパネルが知られている。このタッチパネルは、パネルの一部を構成するカバーガラスの下面側に複数の電極パターン１００からなるタッチキー１０１を有しており、図５ではタッチキー１０１のみを表しており、パネルの構造部材等は省略している。図５の例では、タッチキー１０１の各電極パターン１００は操作方向に沿って直線的に並べられており、例えば、このタッチキー１０１がオーディオ機器における音量調節用の操作部であれば、図５中に観念的に示すように、カバーガラス越しに操作者が指でタッチキー１０１に触れて矢印で示す方向にスライダージェスチャー操作を行えば、タッチパネルは指が近接している電極パターン１００の位置を検出するので、機器はタッチパネルが検出した電極パターン１００の位置に応じて音量を調節する。例えば、矢印の右方向に指をスライドさせると音量が増大し、また矢印の左方向に指をスライドさせると音量が減少する。

可変抵抗器やロータリーエンコーダの軸に回動操作部を連結した調整手段の場合、回動操作部を回転させて操作を行うため、回動操作部を直接視認しなくても、指の感覚だけで操作量を直感し易い。しかしながら、可変抵抗器やロータリーエンコーダは回動部分があるために電子部品としての摩耗寿命があり、また高価であるという問題点があった。

また、調整手段がタッチパネルである場合、調整操作は、操作者の指によるスライダージェスチャー操作で行う。このため、タッチキーと指を直接視認しない限り、指で触れているタッチキーの位置がわからず、指の感覚だけでは操作量を直感しにくいという問題点がある。特に、車載用の電子機器の場合、運転中にタッチパネルを見ることは安全上好ましくないので、運転中は特に操作量が分かりにくく、また操作自体も不安定になり易いという問題があった。

本発明は、以上説明した従来の技術の課題を解決するためになされたものであり、タッチパネルを用いるため比較的低コストであり、操作量を直感的に把握できるとともに、操作量の検出が確実なタッチパネル装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたタッチパネル装置は、
電極パターンを備えた静電容量方式のタッチパネルと、
前記電極パターンに対向する対向電極を備え前記タッチパネルに回動自在に取り付けられた回動操作部と、
を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載されたタッチパネル装置は、請求項１に記載のタッチパネル装置において、
前記電極パターンは、互いに隣接するように絶縁して配置された円形の第１電極及び第２電極から構成されており、
前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は接地されており、
前記対向電極は、前記第１電極と前記第２電極をまたぐように配置されていることを特徴としている。

請求項３に記載されたタッチパネル装置は、請求項２に記載のタッチパネル装置において、
前記第１電極と前記第２電極の一方が周方向に分割されて互いに絶縁されており、少なくとも他方が接地されていることを特徴としている。

請求項４に記載されたタッチパネル装置は、請求項１乃至３の何れか一つに記載のタッチパネル装置において、
前記対向電極が複数設けられていることを特徴としている。

請求項１に記載されたタッチパネル装置によれば、操作者が、回動操作部を指でつまんで回動させると、回動操作部の対向電極がタッチパネルの電極パターンに対して相対的に移動し、これによって対向電極とタッチパネルの間に静電容量の変化が生じ、その変化の生じた位置をタッチパネルによって検知することができる。このような位置検知原理のタッチパネル装置において、回動操作部を非導電性材料で構成する等、回動操作部を操作する人体の容量が関係しにくい構成を採用すれば、回動操作部を操作する人体には電流が流れにくくなり、従って上述した静電容量の変化の検出による位置の検知は、タッチパネルの電極パターンの側の寄生容量に主として依存することとなるため、位置の検出動作が確実になり精度が向上する。

請求項２に記載されたタッチパネル装置によれば、操作者が、回動操作部を指でつまんで回動させると、第１電極と第２電極をまたいで配置された対向電極は、タッチパネルが有する円形の第１電極と第２電極に沿って移動する。この動きによって第１電極と第２電極に対する対向電極の位置が周方向に変化すると、変化した後の位置において第１電極の寄生容量と第２電極の寄生容量が結合され、対向電極とタッチパネルの間に移動の前後で静電容量の変化が生じるため、その変化の生じた位置をタッチパネルによって検知することができる。このように、このタッチパネル装置では、対向電極の位置を検知するために、第１電極の寄生容量と第２電極の寄生容量の結合により生じた静電容量の変化を検出しているので、回動操作部に接する人体の容量に関わらず、位置の検出動作が確実になり精度が向上する。すなわち、回動操作部を非導電性材料で構成すれば、回動操作部を操作する人体には電流が流れなくなり、人体の容量は無関係になるし、また回動操作部を導電性材料で構成しても、回動操作部を操作する人体に流れる電流は相対的に少ないので、やはり人体の容量の影響は少ない。従って、素手でも厚手の手袋をしながらでも操作が可能となる。

請求項３に記載されたタッチパネル装置によれば、第１電極と第２電極の一方が周方向に分割され、互いに絶縁された構造となっているため、対向電極の周方向の位置を精密に検出することができる。

請求項４に記載されたタッチパネル装置によれば、複数個の対向電極の周方向の配置を適宜に設定することにより、複数個の対向電極の各々と、電極パターンとの間にそれぞれ生じる静電容量の変化が同一とならないようにすれば、対向電極の周方向の位置をより精密に検出することができ、さらに対向電極の回転方向も検出することができる。

第１実施形態のタッチパネル装置の全体構成を示す側面図である。 分図（ａ）は、第１実施形態のタッチパネル装置の回動操作部を下面側から見た斜視図であり、分図（ｂ）は、同回動操作部の底面であり、図分図（ｃ）は、同タッチパネル装置の分解斜視図である。 分図（ａ）は、第１実施形態のタッチパネル装置の回動操作部の上面側から見た斜視図であり、分図（ｂ）は、同回動操作部を底面側から見た斜視図であり、分図（ｃ）は、同タッチパネル装置のタッチパネルの電極パターンに対する回動操作部の対向電極の位置関係と、同電極パターンの寄生容量を示す図である。 分図（ａ）は、第２実施形態のタッチパネル装置の回動操作部の上面側から見た斜視図であり、分図（ｂ）は、同タッチパネル装置のタッチパネルの電極パターンに対する回動操作部の対向電極の位置関係と、同電極パターンの寄生容量を示す図である。 従来の静電容量方式のタッチパネルにおける電極パターン（タッチキー）と、指によるスライダージェスチャー操作を示す図である。

本発明の第１実施形態を、図１～図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のタッチパネル装置１は、ディスプレイパネル２と、ディスプレイパネル２の表示部を視認できる上面側に、透光性の粘着シート３で貼着された静電容量方式のタッチパネル４と、タッチパネル４の上面に透光性の粘着シート３で貼着された透光性のカバーガラス５と、カバーガラス５の上面に回動自在に取り付けられた回動操作部６（操作ダイヤル）を有している。なお、ディスプレイパネル２の表示原理及び表示内容は問わない。また、カバーガラス５の下面の周縁部には、黒色等の加飾層７が設けられており、ディスプレイパネル２の表示部の表示範囲を枠状に区画している。

このタッチパネル装置１によれば、カバーガラス５の表面側からタッチパネル４越しにディスプレイパネル２の表示を見ることができ、当該表示を視認しつつ、回動操作部６の操作によって回動操作部６の真下にあるタッチパネル４の電極パターンを選択操作することができる。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、回動操作部６は円筒形である。回動操作部６は、非導電性樹脂等の非導電性材料で構成されるか、又は表面を非導電性に加工された導電性材料から構成されている。回動操作部６には、母線（円筒形の周面における中心軸と平行な線）に平行な多数の溝からなる滑り止め８が形成されている。回動操作部６の中心には、円筒形の中心軸線と平行に軸孔９が形成されている。軸孔９は、上面には開口していないが、底面の中央には開口している。この底面の一部には、軸孔９の縁と回動操作部６の外周に接する矩形の対向電極１０が設けられている。対向電極１０は回動操作部６の底面に埋め込まれており、対向電極１０の表面と回動操作部６の底面は同一面である。

詳細は後述するが、対向電極１０は、タッチパネル４の電極パターン２０（図３（ｃ）参照）に対向するように設けられた電極である。なお、寸法の一例を挙げれば、軸孔９の直径は回動操作部６の直径の（４割程度）である。また対向電極１０の周方向（回転方向）の寸法（幅）は、回動操作部６の円周の概ね（２０分の１）前後であり、従って回動操作部６を対向電極１０の幅分だけ回動操作した場合の回転角度は概ね（１５度から２０度）程度である。

図２（ｃ）に示すように、カバーガラス５の表面には、回動操作部６の支持軸である取り付けステー（ｓｔａｙ）１１が設けられている。すなわち、取り付けステー１１の底部には２本の固定棒１２が突出して設けられており、カバーガラス５の表面には２カ所の凹部１３が設けられており、凹部１３の内部（及び必要に応じて凹部１３と凹部１３の間のカバーガラス５の表面）に接着剤を塗布して固定棒１２を凹部１３に挿入することにより、カバーガラス５の表面に対して取り付けステー１１を垂直に固定することができる。

図２（ｃ）に示すように、取り付けステー１１は、上方部分の先端がやや先細とされた略円筒形である。取り付けステー１１の少なくとも上方部分は中空であり、その外径は回動操作部６の軸孔９の内径よりも若干大きい。さらに、取り付けステー１１の上方部分は、その上端部から略中央部分に至るまで、略円筒形の中心軸と概ね平行に形成された複数の縦溝１４によって複数の板部１５に分割されている。各板部１５は、下方部分は一体であるが上端部は独立した自由端であるため、半径方向については弾性的に変形することができる。また、取り付けステー１１の長さは、回動操作部６の軸孔９の長さと同程度である。従って、回動操作部６の軸孔９にカバーガラス５上の取り付けステー１１が挿入されるように回動操作部を取り付けステー１１に取り付ければ、取り付けステー１１の板部１５が内方に若干変位して軸孔９の内面に弾性力をもって接触し、回動操作部６の底面はカバーガラス５の表面に接した状態となる。

なお、取り付けステー１１の各板部１５の中途には返し１６が設けられており、また回動操作部６の軸孔９の内周面の要所には図示しない係止部が設けられているので、回動操作部６の軸孔９に取り付けステー１１が挿入されると、軸孔９の係止部に返し１６が係止するため、取り付けた回動操作部６を引っ張っても取り付けステー１１から簡単に抜けてしまうことはない。

このように、回動操作部６を取り付けステー１１に取り付けた状態で、回動操作部６を指でつまんで回せば、回動操作部６は取り付けステー１１に対して回動することができる。この操作により、回動操作部６の底面にある対向電極１０は、カバーガラス５の表面に沿って周方向に移動する。

図３に示すように、回動操作部６は、カバーガラス５の下にあるタッチパネル４の電極パターン２０に対面している。すなわち、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、回動操作部６の底面には対向電極１０があり、図３（ｃ）に示すように、この対向電極１０はタッチパネル４に設けられた円形の第１電極２１及び第２電極２２から構成された電極パターン２０に対面している。

図３（ｃ）は、タッチパネル４の電極パターン２０を示すとともに、電極パターン２０の平面図に対向電極１０を投影することにより電極パターン２０と対向電極１０の位置関係を示している。図３（ｃ）に示すように、第１電極２１と第２電極２２は、何れも取り付けステー１１と同芯の環状のパターンであって、外側が第１電極２１、中心側が第２電極２２である。第１電極２１と第２電極２２は、半径方向の寸法は互いに等しく、互いに絶縁されている。外側の第１電極２１は、周方向に分割された複数個（図示例では６個）の小パターン２１ａから構成されている。小パターン２１ａは、一端が凸三角、他端が凹三角の湾曲した矢のような形状であり、同方向を向いて互いに組み合わされることで、全体として前述した環状の第１電極２１を構成している。小パターン２１ａどうしは互いに絶縁されている。第２電極２２は単一の環状の電極パターンである。

図３（ｃ）中に、インピーダンスの記号Ｚで可視化して示すように、第１電極２１の各小パターン２１ａと、第２電極２２は、それぞれ寄生容量Ｚ_P1、Ｚ_P2を有している。同図中、第１電極２１の小パターン２１ａの寄生容量Ｚ_P1は、一つの小パターン２１ａについてのみ表示しているが、実際には６個すべての小パターン２１ａの各々が、寄生容量Ｚ_P1を有している。

寄生容量（ストレーキャパシティ、 stray capacity ）とは、実装されている特定の素子のみに起因するものではなく、電子部品の内部や電子回路の内部の物理的な構造に起因する相互作用により発生するものであり、設計者の意図しない容量成分を意味している。従って、図３（ｃ）では、第１電極２１（小パターン２１ａ）と第２電極２２の両方が、それぞれ寄生容量Ｚ_P1、Ｚ_P2を介して接地されているように表現されているが、本実施形態では、第２電極２２のみが実際の回路として接地（ＧＮＤに接続）されている。

なお、ここで接地とは、電極（電極パターン２０）を電気伝導体で基準電位点に接続することを意味しており、典型的な基準電位点としては大地（ＧＮＤ）が使用される場合が多いが、大地に至る中途に配線、筐体、インピーダンスを有する何らかの電子素子等が介在する場合も含む意味である。要するに、電極（電極パターン２０）から電荷が流出していく状態となっていればよい。

このタッチパネル装置１によれば、操作者が、回動操作部６を指でつまんで回動させると、回動操作部６の対向電極１０がタッチパネル４の電極パターン２０に対して相対的に移動し、これによって対向電極１０とタッチパネル４の間に静電容量の変化が生じ、その変化の生じた位置をタッチパネル４によって検知することができる。これを詳述すると、回動操作部６を回動させることにより、第１電極２１と第２電極２２をまたいで配置された対向電極１０は、タッチパネル４の円形の第１電極２１と第２電極２２に沿って移動し、第１電極２１と第２電極２２に対する位置が周方向に変化する。対向電極１０の位置が変化した後、このタッチパネル４のシステムにおける容量Ｚ_S は、対向電極１０によって第１電極２１の寄生容量Ｚ_P1と第２電極２２の寄生容量Ｚ_P2を結合した値となる。この値と、移動前の容量Ｚ_S との差により、対向電極１０とタッチパネル４の間に移動の前後で静電容量の変化が生じるため、その変化の生じた位置をタッチパネル４によって検知することができる。

このように、このタッチパネル装置１では、対向電極１０の位置を検知するために、第１電極２１の寄生容量と第２電極２２の寄生容量の結合により得られる静電容量の変化を検出している。このため、回動操作部６に接する人体Ｈの容量に関わらず、位置の検出動作が確実になり精度が向上する。すなわち、このタッチパネル装置１の回動操作部６は非導電性材料で構成されているので、回動操作部６を操作する人体Ｈには電流が流れず、人体Ｈの容量は対向電極１０の位置の検出には無関係になる。従って、素手でも、厚手の手袋をしながらでも、いずれの場合であっても操作が可能となる。このような使用状況の自由度の高さは、自動車の運転ではドライバーが手袋を着けることが想定されるため、車載用の機器に搭載した場合等には特に有利である。なお、このタッチパネル装置１において、回動操作部６を導電性材料で構成したとしても、回動操作部６を操作する人体Ｈに流れる電流は相対的に少ないので、やはり人体Ｈの容量の影響は少ない。

本発明の第２実施形態を、図４を参照して説明する。
図４（ａ）は回動操作部６の斜視図であり、第１実施形態の図３（ａ）に相当する図である。図４（ｂ）は電極パターン２０と対向電極１０の投影イメージを示しており、図３（ｃ）に相当する図である。図４から理解されるように、本実施形態のタッチパネル装置１ａが、第１実施形態のタッチパネル装置１と相違する点は、対向電極１０の数である。その他の構成については第１実施形態と同一であり、第１実施形態の記載を援用して説明の繰り返しを避けるものとする。

図４（ｂ）に示すように、本実施形態のタッチパネル装置１ａは２つの対向電極１０，１０を有している。２つの対向電極１０，１０は、回動操作部６の回動方向について互いに１８０離れた対称位置から、若干ずれた位置に配置されており、図示の具体的な一例では前記対称位置から（２５度～３０度）程度ずれた位置関係となっている。第１電極２１は同形状の６個の小パターン２１ａによって構成されているため、２つの対向電極１０，１０が回転方向について１８０度離れているならば、２つの対向電極１０，１０が対面する小パターン２１ａの位置は互いに同一となり、異なる同形の小パターン２１ａの同一位置に２つの対向電極１０，１０が投影された状態となる。しかし、本実施形態の２つの対向電極１０，１０は、前記対称位置から外れた配置となっており、小パターン２１ａに対する重なり方の位相が互いに異なっている。

本実施形態のタッチパネル装置１ａにおいても、回動操作部６を指でつまんで回動させれば、回動操作部６の２個の対向電極１０，１０は、タッチパネル４の電極パターン２０に対してそれぞれ相対的に移動し、これによって２個の対向電極１０，１０とタッチパネル４の間に静電容量の変化が生じるが、その変化は２個の対向電極１０，１０について同一にはならないので、対向電極１０，１０の位置の検出精度は第１実施形態よりも高くなり、また回動操作部６の回転方向も検出できる。なお、小パターン２１ａに対する重なり方の位相が異なるのであれば、対向電極１０を３以上設けて検出精度をさらに高めることもできる。

なお、以上説明した実施形態のタッチパネル装置１，１ａは、図１に示したように、ディスプレイパネル２の上にタッチパネル４を貼着し、タッチパネル４の上にカバーガラス５を貼着し、カバーガラス５の上面に回動操作部６を設けた構成であった。しかしながら、タッチパネル４とカバーガラス５を一体化した次に説明するような簡易な構成としてもよい。すなわち、第１実施形態における加飾層７を備えたカバーガラス５の下面において、加飾層７よりも内側の範囲に電極パターンを形成し、この電極パターンを絶縁性の保護フィルムで被覆してタッチパネルとする。ディスプレイパネル２の上に、このような１枚構造のタッチパネルを貼着し、該タッチパネルの上面に回動操作部６を設ければ、より簡易な構成のタッチパネル装置となる。

１，１ａ…タッチパネル装置
４…タッチパネル
６…回動操作部
１０…対向電極
２０…電極パターン
２１…第１電極
２１ａ…第１電極を構成する小パターン
２２…第２電極

Claims (4)

1. 電極パターンを備えた静電容量方式のタッチパネルと、
   前記電極パターンに対向する対向電極を備え前記タッチパネルに回動自在に取り付けられた回動操作部と、
   を備えたことを特徴とするタッチパネル装置。
2. 前記電極パターンは、互いに隣接するように絶縁して配置された円形の第１電極及び第２電極から構成されており、
   前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は接地されており、
   前記対向電極は、前記第１電極と前記第２電極をまたぐように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記第１電極と前記第２電極の一方が周方向に分割されて互いに絶縁されており、少なくとも他方が接地されていることを特徴とする請求項２に記載のタッチパネル装置。
4. 前記対向電極が複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のタッチパネル装置。

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