JP5387337B2

JP5387337B2 - 静電容量結合方式を利用した非接触スイッチ装置

Info

Publication number: JP5387337B2
Application number: JP2009250892A
Authority: JP
Inventors: 憲正池田
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011096094A

Description

本発明は、入力方式に静電容量結合方式を利用した入力装置に関するものである。

静電容量結合方式を利用した入力装置として、従来から、タッチスイッチ及びタッチパネルが知られている。静電容量結合方式タッチスイッチは、パネルスイッチと制御基板から構成される。パネルスイッチは、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極として銀ペースト等を印刷した電極シートを、アクリルやガラス及び樹脂等の絶縁基材に接着剤（両面テープ等）で貼り合わせたもので構成される。スイッチ電極に指または手が近づくと、スイッチ電極と指または手との間に平行板コンデンサが形成され静電容量が発生する。この静電容量の変化をＣ／Ｓ変換回路（静電容量を周波数に変換する回路）で周波数に変換し、その周波数をインプットキャプチャ機能（周波数の数を数える機能）でデジタルデータに置き換え、演算処理によりスイッチのオン／オフ状態を判断する。スイッチ電極が複数個の場合、スイッチ電極の選択は、個々のスイッチ電極分を設けた切換回路により行う（特開２００５−０８４９８２号公報参照）。

静電容量結合方式を利用したタッチスイッチは、スイッチ電極をスイッチと規定し、指または手がそのスイッチ電極に近づいたことを検出するものであり、スイッチのオン／オフを検出するデジタル入力装置である。一方で静電容量結合を利用したタッチパネルは、指または手等の導電体がタッチパネルに近づいた所の位置を検出するものであり、数値を検出するアナログ入力装置である。

静電容量結合方式を利用したタッチスイッチで、スイッチ電極に触れずに、スイッチ電極上で縦、横、斜めの方向に手を動かすことで手を操作させた方向を検出する場合、手を動かす方向に合わせた必要個数のスイッチ電極およびスイッチを選択する切換回路を入力装置に設ける必要である。例えば、縦、横、斜めの場合は、スイッチ電極が縦に2個、横に２個の最低４個必要であり、またレ点の様な動作の場合は、縦に２個、横に３個の計６個のスイッチ電極及びスイッチを選択する切換回路が必要となる。手を動かす方向ごとにスイッチ電極が必要であり、１度スイッチ電極を構成してしまうと、手を動かす方向等を変更したい場合、スイッチ電極は、手を動かす方向に合わせて配置しなければならず簡単に変更することができない。また、スイッチ電極が増えるごとに、スイッチ電極より切換回路につながる引き出し線の数が増え、切換回路までの引き出し線の配回しの方法が複雑になることで、スイッチ電極の設計が難しくなる。また、スイッチ電極が増えるごとに、スイッチ電極を選択する切換回路の数も増えてしまう傾向にあった。

また、静電容量結合方式を利用したタッチパネルで、タッチパネルに触れずに、タッチパネル上で縦、横、斜めの方向に手を動かすことで手を動かす方向を検出する場合、タッチパネル上に位置する手の中心が、検出された位置となり、手を動かす方向とは違う方向に検出してしまう。また、対面型のゲーム器において、それぞれの操作者が使用するタッチパネル上でタッチパネルに触れず、２人の手が同時に違う方向の動作をした場合も、２人の手と手の間の中心が、検出された位置となり、検出された位置が１つのみで個々の手の位置を検出できないため静電容量結合方式を利用したタッチパネルでは使用できないことが知られている。

特開２００５−０８４９８２号公報

前記静電容量結合方式を利用したタッチスイッチでは、スイッチ電極構成後スイッチ電極の配置が固定になりスイッチ電極の変更はできず、またスイッチ電極が増えるごとにスイッチ電極を選択する切換回路の部品も増えてしまう点、静電容量結合方式を利用したタッチパネルでは同時に２個以上の手（導電体等）の位置を正確に検出できない点を考慮してなされたものであり、静電容量結合方式を利用した非接触での入力が可能な装置において、少ない構成要素で多様な入力を可能とする入力装置を提供することを目的とする。

ＰＥＴフィルム上またはポリイミドフィルムの略長方形の領域に銀ペースト等の導電体を印刷した均一な抵抗体、またはＩＴＯフィルム（酸化インジウムスズ）をエッチング処理して形成したスイッチ部と、前記帯上のスイッチ電極とを、引き出し線を介して接続する切換器および前記帯上のスイッチ電極を選択する選択器と、該切換器に引き出し線で接続されるコンデンサと抵抗とで周波数を生成する周波数生成部と、該周波数生成部で生成された周波数を読み取るインプットキャプチャと、該インプットキャプチャで読み取った周波数を格納するメモリ部と、電源切断後も格納したデータが消えないメモリ部と、制御を行うためのマイクロプロセッサであるＣＰＵおよび制御するプログラムを格納したＲＯＭと、前記帯上のスイッチ電極上にある手等の導電体の位置情報を他の装置へ転送する為の送信部を有する静電容量方式の非接触のアナログ入力装置であって、前記、複数個の帯状のスイッチ電極を、長手方向に隙間を設け並べ、前記帯状のスイッチ電極に導電体が近づいたときに生じる静電容量を検出し、前記帯状のスイッチ電極の長手方向に沿った手の位置を前記ＲＯＭに格納したスイッチ電極左端および右端より位置を求めるプログラムにより位置を求めるとともに、前記帯状のスイッチ電極内で検出された位置をオン／オフ状態を出力するデジタルスイッチの領域にすることで、前記帯状のスイッチ電極に触れずに、少ない構成要素で多様な入力ができる静電容量結合方式を利用した非接触スイッチ装置を提案するものである。

本発明は、帯状のスイッチ電極複数個を使用し、それぞれのスイッチ電極間に隙間をあけ、前記スイッチ電極をマイクロプロセッサであるＣＰＵおよびソフトウェアによるアナログ制御により得られた数値を、オン／オフを検出する複数のスイッチ電極の場所に設定することで、オン／オフ状態をもつデジタルスイッチとして検出でき、設定したスイッチの領域に使用者の手が近づいたときスイッチがオン状態とし、使用者の手の操作方向等を検出する入力装置を提供する。また、電極構成を変更することなくスイッチの構成を変更することができるため、使用者は帯状のスイッチ電極複数個で簡単な構成で、多様な入力を可能とする。

静電容量結合方式スイッチの構成図スイッチ電極（デジタルスイッチ）図スイッチ電極２個（デジタルスイッチ）図デジタルスイッチ６個定義図デジタルスイッチ６個操作図コンポ機器デジタルスイッチ設定図

以下、添付図面に従って、本発明に係る入力装置の実施の形態について説明する。
本発明で、２個の帯状のスイッチ電極を用いた場合を例とした構成を図１に示す。本発明の静電容量方式を用いた入力装置は、非接触で手の位置を検出するための帯状のスイッチ電極２個（以下スイッチ電極５およびスイッチ電極６とする。）スイッチ電極５と６にしました。）有し、スイッチ電極５とスイッチ電極６の長手方向に隙間をあけ並べて配置し、スイッチ電極５とスイッチ電極６を選択するための切換器７及び選択器８、コンデンサＣと抵抗Ｒ（図示せず。）とで形成された周波数を生成する周波数発生器９、周波数発生器９で得られた周波数の個数を計りデジタルデータに変換するインプットキャプチャ１０、インプットキャプチャ１０で生成されたデジタルデータを格納するＲＡＭ３、ＥＥＰＲＯＭ４及びプログラムが格納されたＲＯＭ２、制御を行うマイクロプロセッサであるＣＰＵ１、スイッチのオン／オフの状態を他の装置（図示せず）へ転送する送信部１１を装備している。

帯状のスイッチ電極５および６は、ＰＥＴフィルム上またはポリイミドフィルムの略長方形の領域に銀ペースト等の導電体を印刷した均一な抵抗体、またはＩＴＯフィルム（酸化インジウムスズ）をエッチング処理して形成した均一な抵抗体である。スイッチ電極５および６の形状は帯状である必要がある。非接触での手の位置は、スイッチ電極５および６の長手方向に沿った１次元の座標軸上で算出する。

次に、手がスイッチ電極５の長軸上の位置を計算する方法を説明する。
手の導電体がスイッチ電極５に近づくにつれ、手とスイッチ電極５の間の静電容量が増加し、発振周波数が変化する。一般にコンデンサＣと抵抗Ｒとで形成された周波数発生器９の発振周波数は、コンデンサの静電容量Ｃと抵抗の電気抵抗値Ｒを用いて表され式Ｆ＝１．４４／（Ｃ＊Ｒ）に比例する。手がスイッチ電極５に近づくと、手とスイッチ電極５で挟んだ平行板コンデンサが形成される。このコンデンサの容量は、手がスイッチ電極５に近づくほど大きくなる。このため、発振周波数は手がスイッチ電極５に近づくほど小さくなり周期は大きくなる。スイッチ電極５の手の位置を、略長方形のスイッチ電極５の長軸方向に沿って移動させると、スイッチ電極５の長軸の両端までの距離が変化し、それに伴って電気抵抗が変化する。手のスイッチ電極内の位置により、電気抵抗が大きいほど、発振周波数はより小さくなり、周期は大きくなる。

今、略長方形であるスイッチ電極５の長軸方向が左右であり、手がスイッチ電極５の上で触れない位置にあるとし、切換器７によりスイッチ電極５の左端を周波数発生器９に接続したときに、インプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータをＴ１、切換器７によりスイッチ電極５の右端を周波数発生器９に接続したときに、インプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータをＴ２とする。スイッチ電極５の左端を基準とした場合の手の位置はＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）で求められる。またスイッチ電極５の右端を基準とした場合の手の位置はＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）で求められる。スイッチ電極５の上での手の位置としては、同じ位置として検出することができる。

スイッチ電極５の上で手が触れない状態で手を検出できる距離（高さ）を決めるには、前記のインプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータを元に、スイッチ電極５より手を検出できる距離（高さ）の閾値として予め測定し、ＥＥＰＲＯＭ４内に閾値データとして格納する。距離（高さ）の閾値データをＴ３と設定したとき、前記で読まれたＴ１およびＴ２の値がＴ３の値以上であれば、スイッチ電極５の上に非接触で手があると判断しスイッチ電極５上にある手の位置を検出し、位置は前記の式で求まる。

次にスイッチ電極５で検出された位置が、オン／オフの状態とするデジタルスイッチに設定する方法を説明する。デジタルスイッチの設定を図２に示す。スイッチ電極５の左端を基準とし、左端を位置０、右端を位置１００と設定した場合、中心となる位置５０を境に、０以上〜５０未満を１つのスイッチの領域（ＳＷ１とする。）、５０以上〜１００以下をもう１つの領域（ＳＷ２とする。）に分けることで、２個のスイッチの領域が設定できる。前記のインプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータが、手を検出できる距離（高さ）の閾値Ｔ３より大きい場合、スイッチ電極５の上にある手の位置を検出した値を元前記の式で計算し、検出した値が０以上〜５０未満のときは前記のＳＷ１がオン状態、また５０以上〜１００以下のときは前記のＳＷ２がオン状態として送信部１１を介して他の装置（図示せず。）に転送する。また、スイッチ電極５より手が離れ、手を検出できる距離（高さ）の閾値Ｔ３の値より小さくなったときにＳＷ１またはＳＷ２がオフ状態として送信部１１を介して他の装置（図示せず。）に転送する。

本発明の静電容量方式を用いた入力装置は、非接触で手を検出するためのスイッチ電極５とスイッチ電極６の２個有しスイッチ電極５とスイッチ電極６の長手方向に隙間をあけ並べる。スイッチ電極５および６の選択は切換器８により行う。スイッチ電極５の選択は、切換器８を介しスイッチ電極５を周波数発生器９につなぎ、前記インプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータＴ１及びＴ２の値が距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であればスイッチ電極５の上に非接触で手があると判断し位置の検出を行う。次に切換器８を介しスイッチ電極６を周波数発生器９につなぎ、前記と同様にインプットキャプチャ１０で読まれたデジタルデータＴ１及びＴ２の値が距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であればスイッチ電極６上に非接触で手があると判断し位置の検出を行う。

次に図３により、前記したスイッチ電極５および６で検出された位置が、オン／オフの状態とするデジタルスイッチに設定する方法を説明する。前記と同様に、スイッチ電極５および６の左端１２を基準とし、左端１２を位置０、右端１３を位置１００と設定した場合、中心となる位置５０で０以上〜５０未満を１つのスイッチの領域（ＳＷ１およびＳＷ３とする。）、５０以上〜１００以下をもう１つの領域（ＳＷ２およびＳＷ４とする。）に分けることで、横２個、縦２個、計４個のスイッチの領域が設定できる。この各スイッチの領域は予めスイッチの領域としてＥＥＰＲＯＭ４に格納しておく。２個のスイッチ電極５および６でオン／オフの状態とするデジタルスイッチが４個でき、スイッチ電極５および６の上で手が触らなく、使用者が縦、横、斜めに手を動かす動作で操作した方向を検出することができる。２個のスイッチ電極５および６のみで、オン／オフの状態とするデジタルスイッチは、スイッチとする領域をソフトウェアで変えることで必要個数のオン／オフの状態とするデジタルスイッチを簡単に作れ、尚かつ部品の削減および多種の操作が実現できる。

本実施例を以下に記述する。２個の帯上のスイッチ電極５および６は、図４に示すようにオン／オフ状態としてのデジタルスイッチとして定義した。スイッチ電極５は４個の領域に区切ってそれぞれをオン／オフの状態とするデジタルスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ４）に、スイッチ電極６は２個の領域に区切ってそれぞれオン／オフの状態とするデジタルスイッチ（ＳＷ５、ＳＷ６）とした。スイッチの領域の設定は、ＥＥＰＲＯＭ４に予めスイッチの領域データとして格納してあり、本説明はＥＥＰＲＯＭ４よりスイッチの領域データを読み込み後の説明とする。また、スイッチのオン／オフの状態を、前記の送信部１１を介し出力し、スイッチ情報としてパソコン（図示せず。）に取り組むようにした。

パソコン（図示せず。）上でテスト用ソフトウェアを作成し、パソコン画面上に、スイッチ電極５および６に対する画像を表示し、スイッチ電極５および６に設定したデジタルスイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフの状態のスイッチ情報に基づいて、表示する画面を変更して使用に対するフィードバックをおこなった。

本発明の操作を図５で説明する。スイッチ電極６のＳＷ５の領域に手の甲１４をスイッチ電極６に触れずに翳し、手の甲１４の位置する高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であればＳＷ５のスイッチをオンの状態とする。スイッチ電極５のＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ領域に手の指１５を翳し、手の指１５の位置する高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であれば手の指を翳した領域のスイッチをオン状態として送信部１１を介し、パソコンにオン状態としたスイッチ情報を出力する。ＳＷ５のスイッチの状態がオンで尚且つＳＷ１〜ＳＷ４で選択したスイッチの状態がオンとなることで、１つの機能スイッチとして使用することができる。また、同様にスイッチ電極６のＳＷ６の領域に手の甲１４を電極に触れずに翳し、手の甲１４の位置する高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であればＳＷ６のスイッチをオンの状態とし、スイッチ電極５のＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ領域に手の指１５を翳し、手の指１５の位置する高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であれば、手の指１５を翳した領域のスイッチをオン状態として送信部１１を介し、パソコンにオン状態としたスイッチ情報を出力することで、別の機能スイッチとして使用することができる。

例として、図６にパソコンの画面上に、前記スイッチ電極５および６を音楽のコンポ機器の入力スイッチとして割り付け、ＳＷ１〜６に割り付けたコンポ機器の入力画面を描く。前記で記載したようにＳＷ５をコンポ機器の機器選択としてのスイッチに設定し、機器選択としてＳＷ１はＣＤ、ＳＷ２はＤＶＤ、ＳＷ３はＭＤ、ＳＷ４はＵＳＢの機器を選択するスイッチに設定する（図６．１：コンポ機器の機器選択）。また、前記で記載したようにＳＷ６をコンポ機器の音量調整用のボリューム選択に設定し、ＳＷ１は消音、ＳＷ２は音量小、ＳＷ３は音量中、ＳＷ４は音量大の音量のレベルを選択するスイッチに設定する（図６．２：コンポ機器の音量調整選択）。
使用者が、スイッチ電極６のＳＷ５の領域に手の甲１４を翳し、スイッチ電極５のＳＷ１〜ＳＷ４の領域に手の指１５を翳し、翳した手の高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であれば、手の指１５で選択したスイッチの領域の機器が選択でき、送信部１１を介してオンの状態のスイッチ情報を転送し、パソコン（図示せず。）がオンの状態のスイッチ情報を受信し、オン状態になったパソコン画面上のスイッチの色が変わることで、選択されたスイッチの機器が認識できることにした。また、使用者がスイッチ電極６のＳＷ６の領域に手の甲１４を翳し、スイッチ電極５のＳＷ１〜ＳＷ４の領域に手の指１５を翳し、翳した手の高さが距離（高さ）の閾値Ｔ３の値以上であれば、手の指１５で選択したスイッチの領域の音量が選択でき、送信部１１を介してオン状態のスイッチ情報を転送し、パソコン（図示せず。）がオンの状態のスイッチ情報を受信し、オン状態になったパソコン画面上のスイッチの色が変わることで、選択されたスイッチの音量が認識できることにした。これらの操作により、使用者がコンポ機器の機器選択および音量調整を行うことができる。この例の場合、コンポの機器に手を触れずにコンポ機器の機器選択と音量調整選択の別々の操作がスイッチ電極５と６の２個の電極のみで使用できる例として記述した。

１ＣＰＵ
２ＲＯＭ
３ＲＡＭ
４ＥＥＰＲＯＭ
５スイッチ電極
６スイッチ電極
７切換器
８選択器
９周波数発生器
１０インプットキャプチャ
１１送信部
１２左端
１３右端
１４手の甲
１５手の指

Claims

ＰＥＴフィルム上またはポリイミドフィルムの略長方形の領域に銀ペースト等の導電体を印刷した均一な抵抗体、またはＩＴＯフィルム（酸化インジウムスズ）をエッチング処理して形成したスイッチ部と、前記帯上のスイッチ電極とを、引き出し線を介して接続する切換器および前記帯上のスイッチ電極を選択する選択器と、該切換器に引き出し線で接続されるコンデンサと抵抗とで周波数を生成する周波数生成部と、該周波数生成部で生成された周波数を読み取るインプットキャプチャと、該インプットキャプチャで読み取った周波数を格納するメモリ部と、電源切断後も格納したデータが消えないメモリ部と、制御を行うためのマイクロプロセッサであるＣＰＵおよび制御するプログラムを格納したＲＯＭと、前記帯上のスイッチ電極上にある手等の導電体の位置情報を他の装置へ転送する為の送信部を有する静電容量方式の非接触のアナログ入力装置であって、前記、複数個の帯状のスイッチ電極を、長手方向に隙間を設け並べ、前記帯状のスイッチ電極に導電体が近づいたときに生じる静電容量を検出し、前記帯状のスイッチ電極の長手方向に沿った手の位置を前記ＲＯＭに格納したスイッチ電極左端および右端より位置を求めるプログラムにより位置を求めるとともに、前記帯状のスイッチ電極内で検出された位置をオン／オフ状態を出力するデジタルスイッチの領域にすることで、前記帯状のスイッチ電極に触れずに、少ない構成要素で多様な入力ができることを特徴とする静電容量結合方式を利用した非接触スイッチ装置。