JP5450576B2 - タッチスイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、使用者の指によるタッチ操作を検出するタッチスイッチ装置に関する。

従来より、複数のタッチスイッチに対して、タッチスイッチの操作状態を検出する１個のタッチ検出部を共通に備え、各タッチスイッチとタッチ検出部間の接続を、スイッチング素子により順次切替える検知装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された検知装置によれば、各タッチスイッチに対して個別にタッチ検出部を備える場合よりも、検知装置のコストを低減することができる。

また、対向配置された一対の電極間の静電容量の変化に基づいて、電極間に存在する人や物体を検出する静電容量センサを用いた静電容量式検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された静電容量式検出装置においては、一対の電極のいずれかと対向させて設けた補助電極を動作させて、一対の電極間に人や物体が存在する場合と同じ状態を強制的に作り出すことにより、静電容量センサの自己診断を行っている。

特開２００９−７１７０８号公報（第２４頁、第２６図） 特開２００１−２６４００７号公報（第６−第７頁、第１０図）

特許文献１に記載された検知装置のように、複数のタッチスイッチの操作状態を検出する場合に、特許文献２に記載されたように、各タッチスイッチについて補助電極を設けて自己診断を行うことにより、検知装置の信頼性を向上させることができる。

しかし、各タッチスイッチについて補助電極を設ける場合には、タッチスイッチの構造が複雑になると共に、各タッチスイッチの自己診断を行っている間は、タッチスイッチの操作状況の検出が不能になるという不都合がある。

そこで、例えば、ガスこんろに備えられて、ガスこんろの点火と消火等を指示する複数のタッチスイッチの操作状態を検出するタッチスイッチ装置においては、各タッチスイッチの自己診断機能を備えるのではなく、ガスこんろを消火するためのタッチスイッチを複数個備える構成が採用されている。そして、この構成により、ガスこんろの燃焼中に一つのタッチスイッチが故障しても、他のタッチスイッチによりガスこんろを消火できるようにしている。

このように、タッチスイッチ自体の故障については、複数のタッチスイッチを割り当てる等の冗長性を持たせることによる対処が可能である。しかしながら、タッチ検出部が故障したときには、全てのタッチスイッチの操作状態の検出が不能になり、上記ガスこんろの例では、ガスこんろを消火することができなくなる。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、複数のタッチスイッチの操作状態を検出するタッチ検出部の故障を検知することができるタッチスイッチ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明のタッチスイッチ装置は、
複数の第１検出端子と１つの第２検出端子とを有する検出端子部と、
タッチ電極を有し、該タッチ電極が前記複数の第１検出端子のうちのいずれかに個別に接続された複数のタッチスイッチと、
接地電位部と前記第２検出端子間に直列に接続された２個のコンデンサと、該２個のコンデンサ間の接続箇所と接地電位部との間に接続されたスイッチング素子とを有する擬似タッチ操作回路と、
検出入力端子を有し、該検出入力端子と接地電位部間の静電容量を検出するタッチ検出部と、
前記検出端子部の複数の第１検出端子と第２検出端子とのうちのいずれか１つを選択して、前記タッチ検出部の検出入力端子に接続する選択回路と、
前記選択回路により前記検出端子部の第２検出端子を前記タッチ検出部の検出入力端子に接続した状態において、前記スイッチング素子を導通状態としたときに前記タッチ検出部により検出される第１静電容量と、前記スイッチング素子を遮断状態としたときに前記タッチ検出部により検出される第２静電容量との相違に基づいて、前記タッチ検出部の故障を検知する故障検知部とを備えたことを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記故障検知部は、前記選択回路によって前記検出端子部の第２検出端子と前記タッチ検出部の検出入力端子との間を接続し、前記擬似タッチ操作回路のスイッチング素子を導通状態と遮断状態とに切替えて、前記第１静電容量と前記第２静電容量とを検出する。

ここで、前記タッチ検出部が正常に動作していれば、前記スイッチ素子を導通状態と遮断状態とに切替えると、前記第２検出端子と接地電位部間の静電容量の変化により、前記第１静電容量と前記第２静電容量との間に相違が生じる。それに対して、前記タッチ検出部が故障している場合には、このような前記第１静電容量と前記第２静電容量との間の相違は生じない。そのため、前記故障検知部は、前記第１静電容量と前記第２静電容量との相違に基づいて、前記タッチ検出部の故障を検知することができる。

また、第１発明において、前記２個のコンデンサの容量は、前記タッチ検出部が正常に動作しているときに、前記第１静電容量が、前記複数のタッチスイッチのいずれかのタッチ電極が前記タッチ検出部の検出入力端子に接続されて、該タッチスイッチが操作されたタッチ有状態であるときに、前記タッチ検出部で検出される静電容量の想定値である第１想定値となり、且つ、前記第２静電容量が、前記複数のタッチスイッチのいずれかのタッチ電極が前記タッチ検出部の検出入力端子に接続されて、該タッチスイッチが操作されていないタッチ無状態であるときに、前記タッチ検出部で検出される静電容量の想定値である第２想定値となるように、設定されていることを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記２個のコンデンサの容量を、前記タッチスイッチのタッチ有状態とタッチ無状態において、前記タッチ検出部で検出される静電容量に合わせて設定することにより、前記タッチ検出部の故障をより精度良く検知することができる。

また、第１発明又は第２発明において、前記スイッチング素子は、マイクロコンピュータに備えられて、前記２個のコンデンサ間の接続箇所に接続された該マイクロコンピュータの出力端子と接地電位部との間に接続されていることを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、前記マイクロコンピュータに備えられたスイッチング素子が、前記マイクロコンピュータの前記出力端子と前記２個のコンデンサ間の接続箇所との間に接続される。この場合、一般的に、マイクロコンピュータの出力端子に用いられるスイッチング素子の出力部の寄生容量は、汎用的なＦＥＴ等のスイッチング素子の出力部の寄生容量よりも小さい。

そのため、前記タッチ検出部により前記第２静電容量を検出するときに、遮断状態とされた前記スイッチング素子の出力部の寄生容量分が、前記第２静電容量に占める割合を低くして、前記第２静電容量の検出精度を高めることができる。

タッチスイッチ装置の構成図。 タッチ検出部による検出状態の遷移図。 タッチスイッチ装置の別実施形態における構成図。

本発明の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態のタッチスイッチ装置１は、タッチ電極７３，７５，７７を、図示しない誘電体パネル（ガラス板等）の裏面に密着して取り付けられた複数のタッチスイッチ６２〜６４の操作状態（タッチ有／タッチ無）を検出するものである。

タッチスイッチ装置１は、タッチスイッチ６２〜６４と接続されたマイクロコンピュータ１０と、調整回路８０と、擬似タッチ操作回路６１とを備えている。マイクロコンピュータ１０は、複数のタッチスイッチの操作の有無を検出する機能を備えており、本実施形態では、３個のタッチスイッチ６２〜６４と、タッチスイッチ６２〜６４と同様のタッチ操作がなされた状況を擬似的に作り出す擬似タッチ操作回路６１の操作状態を検出する。

マイクロコンピュータ１０は、メモリ（図示しない）に保持されたタッチスイッチ装置１の制御用プログラムを実行することによって、複数のタッチスイッチ６２〜６４及び擬似タッチ操作回路６１の操作状態（タッチ有／タッチ無）を検出するタッチ検出部１１と、タッチ検出部１１の故障を検知する故障検知部１２として機能する。

複数のタッチスイッチ６２〜６４の各タッチ電極７３，７５，７７は、マイクロコンピュータ１０の検出端子部４０の検出端子４２〜４４（本発明の第１検出端子に相当する）と、個別に接続されている。図中７４，７６，７８は、使用者の指によるタッチ操作に応じて変化する静電容量を示している。

擬似タッチ操作回路６１は、検出端子部４０の検出端子４１（本発明の第２検出端子に相当する）と、接地電位部との間に直列に接続された２個のコンデンサ７１，７２と、コンデンサ７１，７２間の接続箇所と接地電位部との間に接続されたスイッチング素子７０（ＦＥＴ、トランジスタ等）とを備えている。

スイッチング素子７０の制御入力端子は、マイクロコンピュータ１０の出力ポート２１と接続され、マイクロコンピュータ１０内で、出力ポート２１と接地電位部間に内部スイッチング素子２０（ＦＥＴ、トランジスタ等）が接続されている。内部スイッチング素子２０は、故障検知部１２からの制御信号に応じて、導通状態（出力ポート２１が接地電位部に導通した状態）と遮断状態（出力ポート２１がハイインピーダンスの状態）とに切替わる。

出力ポート２１がハイインピーダンスの状態であるときは、スイッチング素子７０が導通状態となる。また、出力ポート２１が接地電位部に導通した状態であるときには、スイッチング素子７０が遮断状態となる。

選択回路１３は、検出端子部４０の検出端子４１〜４４を、選択スイッチ３１〜３４を介してタッチ検出部１１の検出入力端子５１〜５４に個別に接続している。選択回路１３は、選択スイッチ３１〜３４のうちのいずれか１個のみを導通状態にすることによって、検出端子４１〜４４のうちのいずれか一つを選択して、タッチ検出部１１の検出入力端子５１〜５４に接続する。

調整回路８０は、タッチ検出部１１のＣＨａ端子と接地電位部間に直列に接続されたコンデンサ８１、抵抗８２、及びコンデンサ８３を備えている。コンデンサ８１と抵抗８２の接続箇所がタッチ検出部１１のＣＨｂ端子に接続され、抵抗８２とコンデンサ８３の接続箇所がタッチ検出部１１のＣＨｃ端子に接続されている。

タッチ検出部１１は、選択回路１３により、タッチスイッチ６２〜６４と擬似タッチ操作回路６１のうちのいずれかを、対応する検出入力端子５１〜５４のいずれかに順次接続して、静電容量を検出することにより、接続されたタッチスイッチ６２〜６４の操作状態と擬似タッチ操作回路６１の操作状態（擬似操作状態）を検知する。

タッチ検出部１１は、以下の手順(1)〜(6)により、検出入力端子５１〜５４のいずれかに接続された検出対象（タッチスイッチ６２〜６４又は擬似タッチ操作回路６１）の操作状態（タッチ有／タッチ無）を検出する。
(1) ＣＨｃ端子を電源電圧レベルにして、コンデンサ８３を充電する。
(2) コンデンサ８３の充電が完了した後、ＣＨｃ端子をハイインピーダンスにし、ＣＨｂ端子を短時間接地電位にして、コンデンサ８３を抵抗８２を介して放電する。
(3) 短時間の放電を行った後、ＣＨｂ端子をハイインピーダンスにして、ＣＨａ端子の電圧Ｖａを測定する。Ｖａは、以下の式（１）で表される。

但し、Ｖａ：ＣＨａ端子の電圧、Ｃｒ：コンデンサ８１の静電容量、Ｃｘ：選択回路１３を介してタッチ検出部１１に接続された検出対象（タッチスイッチ６２〜６４と擬似タッチ操作回路６１のうちのいずれか）の静電容量、Ｖｃ：ＣＨｃ端子の電圧。
(4) 以後、上記(2)と(3)の放電とＶａの計測を繰り返して、Ｖａが閾値電圧Ｖthを下回るまでの放電回数をカウントする。
(5) 上記(1)〜(4)の処理を所定回数（例えば４回）行って、この所定回数の放電回数のカウント値（放電カウント値）を平均して、検出対象の静電容量の計測値とする。
(6) 計測値が予め設定されたタッチ検出範囲であるときは「タッチ有」と判断し、計測値が予め設定された非タッチ検出範囲であるときには「タッチ無」と判断する。

タッチスイッチ６２〜６４においては、使用者の指がタッチ電極７３,７５,７７に近付くと静電容量Ｃｘが大きくなり、上記式（１）からＶａが低くなる。そのため、Ｖａが閾値電圧Ｖthを下回るまでの放電カウント値が少なくなり、タッチ検出部１１から出力される計測値が小さくなる。

次に、故障検知部１２によるタッチ検出部１１の故障検知処理について説明する。故障検知部１２は、選択回路１３の選択スイッチ３１のみを導通状態とし、他の選択スイッチ３２〜３４を遮断状態として、タッチ検出部１１による検出対象を擬似タッチ操作回路６１とする。

そして、故障検知部１２は、スイッチング素子７０を導通状態として、タッチ検出部１１による計測出力（本発明の第１静電容量に相当する）を取得する。また、故障検知部１２は、スイッチング素子７０を遮断状態として、タッチ検出部１１による計測出力（本発明の第２静電容量に相当する）を取得する。

ここで、スイッチング素子７０を導通状態としたときの擬似タッチ操作回路６１の静電容量Ｃｓ1は、以下の式（２）により表される。

但し、Ｃｓ1：スイッチング素子７０を導通状態としたときの擬似タッチ操作回路６１の静電容量、Ｃ１：擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７１の静電容量。

また、スイッチング素子７０を遮断状態としたときの擬似タッチ操作回路６１の静電容量Ｃｓ２は、以下の式（３）により表される。

但し、Ｃｓ2：スイッチング素子７０を遮断状態としたときの擬似タッチ操作回路６１の静電容量、Ｃ１：擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７１の静電容量、Ｃ２：擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７２の静電容量。

ここで、コンデンサ７１の静電容量Ｃ１とコンデンサ７２の静電容量Ｃ２は、Ｃｓ1が上記タッチ検出範囲内の所定値（本発明の第１想定値に相当する）となり、且つ、Ｃｓ2が上記非タッチ検出範囲内の所定値（本発明の第２想定値に相当する）となるように、設定されている。

そして、タッチ検出部１１が正常に作動しているときに、スイッチング素子７０を導通状態と遮断状態に切替えたときには、図２に示したように、スイッチング素子７０が導通状態であるとき（ｔ1〜ｔ2，ｔ3〜ｔ4，ｔ5〜ｔ6，ｔ7〜ｔ8）は、タッチ検出部１１により「タッチ有」と検出される。また、スイッチング素子７０が遮断状態であるとき（ｔ2〜ｔ3，ｔ4〜ｔ5，ｔ6〜ｔ7）には、タッチ検出部１１により「タッチ無」と検出される。

それに対して、タッチ検出部１１が故障しているときには、タッチ検出部１１の計測出力による操作状態の検出結果が、例えば、検出対象の静電容量に拘わらず「タッチ無」となる（ＯＦＦ故障）、検出対象の静電容量に拘わらず「タッチ有」となる（ＯＮ故障）、といった正常動作時とは異なる状況になる。

そのため、このように、タッチ検出部１１の計測出力による操作状態の検出結果が、正常動作時と異なる状況となったときに、故障検知部１２は、タッチ検出部１１が故障していると判断し、図示しないエラーランプの点灯等による故障報知を行なう。

次に、図３は、タッチスイッチ装置の他の実施形態の構成図である。図３に示したタッチスイッチ装置１ａは、擬似タッチ操作回路６１ａの構成のみが図１に示したタッチスイッチ装置１と相違し、他の構成は同一である。

図１に示したタッチスイッチ装置１の擬似タッチ操作回路６１では、マイクロコンピュータ１０の出力ポート２１からの信号により、ＦＥＴ等のスイッチング素子７０を作動させて、コンデンサ７１，７２間の接続箇所を接地電位部に導通させた。そして、この構成では、スイッチング素子７０が遮断状態であるときの出力端子間（スイッチング素子がＦＥＴであるときはドレイン−ソース間）の寄生容量９０（図１参照）により、上記式（３）は、実際には以下の式（４）のようになる。

但し、Ｃｓ2’：寄生容量を考慮した、スイッチング素子７０を遮断状態としたときの擬似タッチ操作回路６１の静電容量、Ｃ１：擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７１の静電容量、Ｃ２：擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７２の静電容量、Ｃｐ：スイッチング素子７０の出力端子間の寄生容量。

式（３）と式（４）を比較すると、式（４）によるＣｓ2’の方が、式（３）によるＣＳ2よりも小さくなる。例えば、Ｃ１＝１５（ｐＦ）、Ｃ２＝３０（ｐＦ）、Ｃｐ＝１０（ｐＦ）であるときには、Ｃｓ2＝１０（ｐＦ）、Ｃｓ2’＝１１（ｐＦ）となる。そして、上記式（２）によるＣｓ1は、寄生容量に依らずにＣｓ1＝１５（ｐＦ）となる。

そのため、寄生容量の影響により、スイッチング素子７０が導通状態であるときと遮断状態であるときとの静電容量の差が、Ｃｓ1−Ｃｓ2＝１５−１０＝５（ｐＦ）から、Ｃｓ1−Ｃｓ2’＝１５−１１＝４（ｐＦ）に減少する。

そこで、図３の擬似タッチ操作回路６１ａでは、マイクロコンピュータ１０の出力ポート２１を、コンデンサ７１，７２間の接続箇所に直接接続している。なお、この構成では、内部スイッチング素子２０が、本発明のスイッチング素子に相当する。

マイクロコンピュータ１０の内部スイッチング素子２０の出力部の寄生容量は、例えば３．０ｐＦ程度であり、ＦＥＴの出力部の寄生容量（例えば８．０ｐＦ程度）よりも小さくなることが期待できる。そのため、上記式（４）におけるＣｐを減少させて、擬似タッチ操作回路６１ａを、擬似タッチ操作状態（出力ポート２１を接地電位部に導通させた状態）にしたときと、擬似非タッチ操作状態（出力ポート２１をハイインピーダンスにした状態）にしたときとの、擬似タッチ操作回路６１ａの静電容量の差を大きくすることができる。そして、これにより、故障検知部１２によるタッチ検出部１１の故障の検知をより精度良く行なうことができる。

なお、本実施形態では、タッチスイッチと接続可能な４個の検出端子４１〜４４を備えたタッチスイッチ装置１，１ａを示したが、検出端子を２個以上備えて、各検出端子に接続されるタッチスイッチの操作状態を１つの共通のタッチ検出部により検出するタッチスイッチ装置であれば、本発明の適用が可能である。

また、本発明のタッチスイッチ装置をガスこんろ等の加熱機器に備えて、加熱手段（バーナ、ヒータ等）の作動開始と停止の指示をタッチスイッチにより行う場合には、加熱手段の作動中にタッチ検出部の故障を定期的に行い、タッチ検出部の故障を検知したときには加熱手段の作動を強制的に停止するようにしてもよい。

また、本実施形態では、擬似タッチ操作回路６１のコンデンサ７１，７２の静電容量を、選択回路１３により擬似タッチ操作回路６１をタッチ検出部１１に接続して、スイッチング素子７０を導通状態としたときにタッチ検出部１１で検出される静電容量（第１静電容量）がタッチ検出範囲内となり、且つ、スイッチング素子７０を遮断状態としたときにタッチ検出部１１で検出される静電容量（第２静電容量）が非タッチ検出範囲内となるように設定したが、この設定に限定されるわけではなく、第１静電容量と第２静電容量とがある程度相違するように、コンデンサ７１，７２の静電容量を設定すればよい。

１，１ａ…タッチスイッチ装置、１０…マイクロコンピュータ、１１…タッチ検出部、１２…故障検知部、１３…選択回路、４０…検出端子部、４１〜４４…検出端子、６１…擬似タッチ操作回路、６２〜６４…タッチスイッチ、７０…スイッチング素子、７１，７２…（直列接続されたコンデンサ）、７３，７５，７７…タッチ電極、８０…調整回路。

Claims (3)

1. 複数の第１検出端子と１つの第２検出端子とを有する検出端子部と、
   タッチ電極を有し、該タッチ電極が前記複数の第１検出端子のうちのいずれかに個別に接続された複数のタッチスイッチと、
   接地電位部と前記第２検出端子間に直列に接続された２個のコンデンサと、該２個のコンデンサ間の接続箇所と接地電位部との間に接続されたスイッチング素子とを有する擬似タッチ操作回路と、
   検出入力端子を有し、該検出入力端子と接地電位部間の静電容量を検出するタッチ検出部と、
   前記検出端子部の複数の第１検出端子と第２検出端子とのうちのいずれか１つを選択して、前記タッチ検出部の検出入力端子に接続する選択回路と、
   前記選択回路により前記検出端子部の第２検出端子を前記タッチ検出部の検出入力端子に接続した状態において、前記スイッチング素子を導通状態としたときに前記タッチ検出部により検出される第１静電容量と、前記スイッチング素子を遮断状態としたときに前記タッチ検出部により検出される第２静電容量との相違に基づいて、前記タッチ検出部の故障を検知する故障検知部と
   を備えたことを特徴とするタッチスイッチ装置。
2. 請求項１に記載のタッチスイッチ装置において、
   前記２個のコンデンサの容量は、前記タッチ検出部が正常に動作しているときに、前記第１静電容量が、前記複数のタッチスイッチのいずれかのタッチ電極が前記タッチ検出部の検出入力端子に接続されて、該タッチスイッチが操作されたタッチ有状態であるときに、前記タッチ検出部で検出される静電容量の想定値である第１想定値となり、且つ、前記第２静電容量が、前記複数のタッチスイッチのいずれかのタッチ電極が前記タッチ検出部の検出入力端子に接続されて、該タッチスイッチが操作されていないタッチ無状態であるときに、前記タッチ検出部で検出される静電容量の想定値である第２想定値となるように、設定されていることを特徴とするタッチスイッチ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のタッチスイッチ装置において、
   前記スイッチング素子は、マイクロコンピュータに備えられて、前記２個のコンデンサ間の接続箇所に接続された該マイクロコンピュータの出力端子と接地電位部との間に接続されていることを特徴とするタッチスイッチ装置。

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