JP2023027553A - タッチセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制することができるタッチセンサ装置を提供する。【解決手段】タッチセンサ装置１は、電磁波を出力する出力部としての発光部２と、入射面３００から入射して内部を伝播する電磁波の進行方向を第１の方向に変換し、さらに内部を伝播する電磁波を第１の方向と異なる第２の方向に平行に進む複数の電磁波に変換して出射面３５から出射させ、複数の電磁波からなる検出領域１２を生成するライトガイド３と、出射面３５に対向して配置され、入射面４０から入射する複数の電磁波を第２の方向と異なる第３の方向に変換して出射面４１から出射させるプリズム４と、出射面４１と対向して配置され、検出対象が検出領域１２と交差することによる電磁波の変化を検出する検出部としての受光部５と、を備えて概略構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、タッチセンサ装置に関する。

従来の技術として、発光側装置と、この発光側装置から離隔させて平行に配置され発光側装置から出射されたセンサ光を受光する受光側装置と、を備えた光センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

発光側装置は、センサ光の発光を行う発光部と、この発光部からセンサ光が入射する透明の棒状導光体と、を有している。発光側装置の棒状導光体は、長手方向の一つの側面に対して傾斜する反射面を有するドット状反射部が複数設けられている。

受光側装置は、センサ光の受光を行う光検出部と、透明の棒状導光体と、を有している。受光側装置の棒状導光体は、長手方向の一つの側面に対して傾斜する反射面を有するドット状反射部が複数設けられている。光センサは、発光側装置のドット状反射部と、受光側装置のドット状反射部と、が対向するように配置される。

特開２０１２－１０８０５５号公報

従来の光センサは、発光側装置と受光側装置のドット状反射部が対向しない場合、受光側装置に入射した光が反射を繰り返してその一部が外に出射して光検出部に到達しない可能性があるので、位置合わせの精度を高くする必要があり、製造コストが増加する。

従って本発明の目的は、製造コストを抑制することができるタッチセンサ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、電磁波を出力する出力部と、第１の入射面から入射して内部を伝播する電磁波の進行方向を第１の方向に変換し、さらに内部を伝播する電磁波を第１の方向と異なる第２の方向に平行に進む複数の電磁波に変換して第１の出射面から出射させ、複数の電磁波からなる検出領域を生成するガイド部と、第１の出射面に対向して配置され、第２の入射面から入射する複数の電磁波を第２の方向と異なる第３の方向に変換して第２の出射面から出射させる変換出射部と、第２の出射面と対向して配置され、検出対象が検出領域と交差することによる電磁波の変化を検出する検出部と、を備えたタッチセンサ装置を提供する。

本発明によれば、製造コストを抑制することができる。

図１（ａ）は、タッチセンサ装置が配置された車両内部の一例を示す図であり、図１（ｂ）は、タッチセンサ装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、タッチセンサ装置の構成の一例を説明するための図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、ライトガイドの構成の一例を示す図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、タッチセンサ装置の検出領域に操作指が侵入した一例を示す図である。 図５は、タッチセンサ装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係るタッチセンサ装置は、電磁波を出力する出力部と、第１の入射面から入射して内部を伝播する電磁波の進行方向を第１の方向に変換し、さらに内部を伝播する電磁波を第１の方向と異なる第２の方向に平行に進む複数の電磁波に変換して第１の出射面から出射させ、複数の電磁波からなる検出領域を生成するガイド部と、第１の出射面に対向して配置され、第２の入射面から入射する複数の電磁波を第２の方向と異なる第３の方向に変換して第２の出射面から出射させる変換出射部と、第２の出射面と対向して配置され、検出対象が検出領域と交差することによる電磁波の変化を検出する検出部と、を備えて概略構成されている。

このタッチセンサ装置は、第１の出射面と第２の入射面が対向するようにガイド部と変換出射部とを配置すれば良いので、位置合わせの精度を高くする必要がある場合と比べて、製造コストが抑制される。

[実施の形態]
（タッチセンサ装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係るタッチセンサ装置が配置された車両内部の一例を示す図であり、図１（ｂ）は、タッチセンサ装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係るタッチセンサ装置の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は、タッチセンサ装置の構成の一例を説明するための図であり、図２（ｃ）は、タッチセンサ装置の平行光の一例を説明するための図である。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率や形状は、実際の比率や形状とは異なる場合がある。また図１（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

本実施の形態のタッチセンサ装置１は、一例として、図１（ａ）に示すように、車両８の天井８０に配置されたルームライト８１の点灯と消灯用のタッチスイッチとして用いられているがこれに限定されず、他の電子機器のタッチスイッチとして用いられても良い。ユーザは、タッチセンサ装置１の後述する検出領域１２にタッチ操作することによってルームライト８１の点灯と消灯を行うことができる。

このタッチセンサ装置１は、図１（ｂ）～図２（ｃ）に示すように、電磁波を出力する出力部としての発光部２と、第１の入射面としての入射面３００から入射して内部を伝播する電磁波の進行方向を第１の方向（矢印Ｂ方向）に変換し、さらに内部を伝播する電磁波を第１の方向（矢印Ｂ方向）と異なる第２の方向（矢印Ｃ方向）に平行に進む複数の電磁波に変換して第１の出射面としての出射面３５から出射させ、複数の電磁波からなる検出領域１２を生成するガイド部としてのライトガイド３と、出射面３５に対向して配置され、第２の入射面としての入射面４０から入射する複数の電磁波を第２の方向（矢印Ｃ方向）と異なる第３の方向（矢印Ｄ方向）に変換して第２の出射面としての出射面４１から出射させる変換出射部としてのプリズム４と、出射面４１と対向して配置され、検出対象が検出領域１２と交差することによる電磁波の変化を検出する検出部としての受光部５と、を備えて概略構成されている。

本実施の形態の検出対象は、ユーザの手や指であるが光を遮断するものであればこれら以外のもので良い。

またタッチセンサ装置１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、検出領域１２を照明する光源としての照明用光源６と、受光部５が検出した電磁波の変化に基づいて照明用光源６をオン、オフさせる制御部７と、を備えている。

さらにタッチセンサ装置１は、図２（ｂ）に示すように、発光部２、受光部５及び照明用光源６が同じ基板１３に配置されている。本実施の形態のタッチセンサ装置１は、発光部２、受光部５、照明用光源６及び制御部７が同じ基板１３に配置されている。

（発光部２の構成）
本実施の形態の電磁波は、一例として、不可視光線であるがこれに限定されず、可視光線であっても良い。プリズム４は、第２の方向（矢印Ｃ方向）に平行に進む複数の不可視光線を受光部５に集光するように構成されている。不可視光線は、一例として、赤外線であるがこれに限定されない。

発光部２は、赤外線を出力する、表面実装型の発光ダイオードである。発光部２は、制御部７と電気的に接続され、制御部７から出力される駆動信号Ｓ_１に基づいて発光及び消灯する。発光部２は、光２１を出力する発光面２０がライトガイド３の入射面３００と対向している。

発光部２は、光２１の拡散を抑制するため、発光面２０の法線方向に指向性が強い発光ダイオードが使用される。光２１は、法線方向に指向性が高いので、ライトガイド３の第１のガイド部３０に沿って伝播し易くなると共に第１の変換部３１によって全反射し易くなり、光２１を効率良く第２の変換部３２に導くことができる。なお発光部２の指向性は、一例として、法線方向を基準として±１５°が好ましく、±１０°がより好ましい。

（ライトガイド３の構成）
図３（ａ）は、実施の形態に係るタッチセンサ装置のライトガイドの一例を示す上面図であり、図３（ｂ）は、ライトガイドの一例を示す側面図であり、図３（ｃ）は、ライトガイドの反射部の一例を示す図である。

ライトガイド３は、入射面３００を端部３０１に有する第１のガイド部３０、第１のガイド部３０にガイドされた光２１を矢印Ｂ方向に変換する第１の変換部３１、及び矢印Ｂ方向の光２１を矢印Ｃ方向に平行に進む複数の光２１としての平行光２２に変換する複数の反射部３４を有する第２の変換部３２を備えている。検出領域１２は、図２（ａ）～図２（ｃ）に示すように、複数の平行光２２によって形成された領域である。

第２の変換部３２は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、出射面３５と対向する側面３３に複数の反射部３４を有している。また側面３３は、図３（ａ）に示すように、出射面３５の先端部３６に向けて先細る形状を有している。出射面３５は、図２（ｃ）に示すように、プリズム４の入射面４０に対して先端部３６側の方が近くなるように角度を付けて配置されている。

ライトガイド３は、一例として、ポリカーボネートやアクリルなどの透明な樹脂材料を用いて形成されている。ライトガイド３は、筐体１０の開口１１から見えないように開口１１の外側に配置されている。

ライトガイド３は、図２（ｃ）に一点鎖線で示すように、プリズム４と平行となる位置からプリズム４の方向に角度θ_１傾いて配置される。この角度θ_１は、一例として、５°＜θ_１＜６０°の範囲であることが好ましく、１５°＜θ_１＜３０°範囲であることがより好ましい。この角度θ_１は、主に、後述する反射部３４の角度θ_５及び角度θ_６に基づいて定められる。

第１のガイド部３０は、四角柱形状を有している。第１のガイド部３０は、発光部２から出力された矢印Ａ方向に進む光２１を第１の変換部３１に導くように伝播させる。矢印Ａ方向は、発光部２の発光面２０の法線方向であり、また基板１３の配置面１３０の法線方向でもある。

図３（ｂ）に示す第１のガイド部３０と第２の変換部３２のなす角度は、一例として、９０°であるがこれに限定されない。第１の変換部３１は、第１のガイド部３０と第２の変換部３２の中間に位置して矢印Ａ方向の進む光２１を矢印Ｂ方向に反射するミラーとして形成されている。矢印Ａ方向と矢印Ｂ方向は、一例として、図３（ｂ）に示すように、なす角度が９０°である。つまり第１の変換部３１は、矢印Ａ方向に進む光２１を直角に反射するように構成されている。従って第１の変換部３１のミラーの角度θ_３は、第１のガイド部３０に対して４５°傾いた形状となっている。なお第１の変換部３１は、光２１が全反射し易いように外側に金属膜が設けられても良い。

第２の変換部３２は、一例として、図３（ａ）に示すように、側面３３を延長した線に対する角度θ_２の線に沿って複数の反射部３４が設けられている。この角度θ_２は、一例として、０°＜θ_２＜１０°の範囲の角度である。従って第２の変換部３２は、先端部３６に向かって先細る形状を有している。

複数の反射部３４は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、第２の変換部３２に入射した光２１を複数の平行光２２に変換するものである。反射部３４は、図３（ｃ）に示すように、反射面３４０と側面３４１とを有している。

反射面３４０は、図３（ｃ）に示すように、第２の変換部３２の内部を伝播する光２１を反射させ、出射面３５から平行光２２として出射させる。反射面３４０の角度θ_５は、側面３３からの角度である。角度θ_５は、角度が小さくても大きくても光２１をプリズム４の方向に効率良く反射することが困難となる。また後述するように、光２１を全反射し易くするため、ライトガイド３は、角度θ_１傾けて配置される。そのため、角度θ_５は、一例として、２０°＜θ_５＜４０°の範囲であることが好ましい。

また反射部３４は、一例として、図３（ｃ）に示すように、隣接する反射部３４の間の側面３４１と側面３３とのなす角度θ_４が９０°である。側面３４１は、出射面３５の方向の反射を抑えるため、９０°とされるがこれに限定されない。

反射部３４を反射した光２１は、図３（ｃ）に示すように、ライトガイド３と空気との屈折率の差から角度θ_６ずれて出射する。従ってライトガイド３の角度θ_１は、上述したように、主に角度θ_５及び角度θ_６を考慮して定められている。

（プリズム４の構成）
プリズム４は、一例として、入射面４０が平行光２２を集光するフレネルレンズとして構成されている。このプリズム４は、平行光２２を集光し、さらに集光した光２１を反射面４２で反射させて９０°光路を変換して出射面４１から出射させ、受光部５に導くように構成されている。なおプリズム４は、複数のレンズを組み合わせて構成されても良い。プリズム４は、筐体１０の開口１１から見えないように開口１１の外側に配置されている。

反射面４２は、ライトガイド３の第１の変換部３１と同様に角度が４５°のミラーとして構成されている。

（受光部５の構成）
受光部５は、一例として、フォトダイオードである。受光部５は、制御部７と電気的に接続されている。受光部５は、プリズム４から出射される矢印Ｄ方向の光２１を受光し、受光した光２１の強さを示す受光情報Ｓ_２を制御部７に出力する。

（照明用光源６の構成）
照明用光源６は、一例として、可視光線である照明光６０を出力する発光ダイオードである。照明用光源６は、制御部７と電気的に接続されている。照明用光源６は、制御部７から出力される照明信号Ｓ_３に基づいて点灯及び消灯を行う。

照明用光源６は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、基板１３の配置面１３０であって、上面視において検出領域１２の中央となる位置に配置されている。照明用光源６は、発光によって筐体１０の開口１１、つまり検出領域１２を照明する。

（制御部７の構成）
図４（ａ）は、実施の形態に係るタッチセンサ装置の検出領域に操作指が侵入した一例を示す上面図であり、図４（ｂ）は、検出領域に操作指が侵入した一例を示す側面図である。

制御部７は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部７が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部７は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

制御部７は、照明用光源６を制御するためのしきい値７０を有している。制御部７は、受光部５から取得した受光情報Ｓ_２に基づいて光２１の強さがしきい値７０以下である場合、ユーザの操作指９などが検出領域１２に侵入、つまり検出領域１２にタッチ操作がなされたと判定して、照明用光源６のオン、オフを制御する。

具体的には、ユーザがルームライト８１を点灯させるため、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、検出領域１２に対してタッチ操作を行うと、操作指９によって平行光２２の一部が遮られる。プリズム４を介して集光される光２１は、操作指９で遮られることにより、光２１の強さが弱くなる。制御部７は、光２１の強さがしきい値７０以下である場合、タッチ操作がなされたと判定し、照明用光源６のオン、オフを制御する制御信号Ｓ_４を照明用光源６に出力する。

以下に、本実施の形態のタッチセンサ装置１の動作の一例について図５のフローチャートに従って説明する。

（動作）
タッチセンサ装置１の制御部７は、駆動信号Ｓ_１によって発光部２を発光させると共に受光部５から受光情報Ｓ_２を取得する（Ｓｔｅｐ１）。制御部７は、受光情報Ｓ_２に基づいて光２１の強さがしきい値７０以下となるか監視する。

制御部７は、光２１の強さがしきい値７０以下となった場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、タッチ操作がなされたと判定して照明用光源６を制御する（Ｓｔｅｐ３）。制御部７は、タッチ操作がなされたと判定すると、照明用光源６が消灯している場合、照明用光源６を点灯する制御信号Ｓ_４を出力し、照明用光源６が点灯している場合、消灯する制御信号Ｓ_４を出力する。

ここでステップ２において制御部７は、光２１の強さがしきい値７０より大きい場合（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、ステップ１に処理を進める。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係るタッチセンサ装置１は、製造コストを抑制することができる。具体的には、タッチセンサ装置１は、ライトガイド３とプリズム４を組み合わせて用いることにより、基板１３の配置面１３０の法線方向に出力された光２１を再び配置面１３０に導くので、発光部２及び受光部５を同じ基板１３に配置することができる。従ってタッチセンサ装置１は、発光部と受光部とが別々の基板に配置される場合と比べて、製造コストを抑制することができる。

タッチセンサ装置１は、発光部２として１つの発光ダイオードと受光部５として１つのフォトダイオードを用いて検出領域１２に対するタッチ操作を検出することができるので、検出領域に対するタッチ操作を複数の発光素子や複数の受光素子で検出する場合と比べて、これらの数を削減して製造コストを抑制することができる。

タッチセンサ装置１は、プリズム４に対してライトガイド３の第２の変換部３２を傾けて配置するので、平行に配置する場合と比べて、ライトガイド３を伝播する光２１を内部で全反射し易くして反射による光２１の強さの低下を抑制することができる。

このタッチセンサ装置１は、出射面３５と入射面４０が対向するようにライトガイド３とプリズム４とを配置すれば良いので、位置合わせの精度を高くする必要がある場合と比べて、製造コストが抑制される。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、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及び変形例は、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、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例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、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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…タッチセンサ装置、２…発光部、３…ライトガイド、４…プリズム、５…受光部、６…照明用光源、７…制御部、１２…検出領域、１３…基板、２０…発光面、２１…光、２２…平行光、３０…第１のガイド部、３１…第１の変換部、３２…第２の変換部、３４…反射部、３５…出射面、４０…入射面、４１…出射面、６０…照明光、３００…入射面、３０１…端部、３４０…反射面、３４１…側面

Claims (6)

1. 電磁波を出力する出力部と、
   第１の入射面から入射して内部を伝播する前記電磁波の進行方向を第１の方向に変換し、さらに内部を伝播する前記電磁波を前記第１の方向と異なる第２の方向に平行に進む複数の前記電磁波に変換して第１の出射面から出射させ、複数の前記電磁波からなる検出領域を生成するガイド部と、
   前記第１の出射面に対向して配置され、第２の入射面から入射する複数の前記電磁波を前記第２の方向と異なる第３の方向に変換して第２の出射面から出射させる変換出射部と、
   前記第２の出射面と対向して配置され、検出対象が前記検出領域と交差することによる前記電磁波の変化を検出する検出部と、
   を備えたタッチセンサ装置。
2. 前記検出領域を照明する光源と、
   前記検出部が検出した前記電磁波の変化に基づいて前記光源をオン、オフさせる制御部と、
   を備えた、
   請求項１に記載のタッチセンサ装置。
3. 前記出力部、前記検出部及び前記光源が同じ基板に配置された、
   請求項２に記載のタッチセンサ装置。
4. 前記ガイド部は、前記第１の入射面を端部に有する第１のガイド部、前記第１のガイド部にガイドされた前記電磁波を前記第１の方向に変換する第１の変換部、及び前記第１の方向の前記電磁波を前記第２の方向に平行に進む複数の前記電磁波に変換する複数の反射部を有する第２の変換部を備えた、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタッチセンサ装置。
5. 前記第２の変換部は、前記第１の出射面と対向する側面に前記複数の反射部を有し、
   前記側面は、前記第１の出射面の先端部に向けて先細る形状を有し、
   前記第１の出射面は、前記変換出射部の前記第２の入射面に対して先端部側の方が近くなるように角度を付けて配置される、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタッチセンサ装置。
6. 前記電磁波は、不可視光線であり、
   前記変換出射部は、前記第２の方向に平行に進む複数の前記不可視光線を前記検出部に集光する、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタッチセンサ装置。

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