JP5517251B2 - タッチセンサ及びタッチ検出方法 - Google Patents
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Description
とくに、車両に搭載されるタッチセンサである場合には、周囲の電子装置の動作を阻害する電磁妨害(EMI、Electromagnetic Interference)が重大な問題となっている。例えば、タッチセンサの上記充放電の繰返し時間が約7μsであれば、ほぼ140kHzを中心とする周波数領域だけでなく、広い周波数範囲で高周波ノイズが放射される。こうした高周波ノイズが放射されると、ラジオ放送の受信やスマートエントリーシステム等車載装置の動作を阻害する問題が生じた。
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、前記制御部は、前記第3ステップにおいて前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記第1の接地回路を接続した後、前記計測回路により電位の計測を行うことを要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3において、前記第1の接地回路は、前記蓄電器の一方の電極(A)にその出力が接続された第1の論理回路素子により構成され、前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路は、前記蓄電器の他方の電極(B)にその出力が接続された第2の論理回路素子により構成されることを要旨とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5において、車両に搭載され、前記検出電極は、略長方形のシート状の導電体、又は長尺状の板状もしくは棒状の導電体であることを要旨とする。
請求項9に記載の発明は、請求項7において、前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、前記第3ステップは、前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記第1の接地回路を接続した後、前記計測回路により電位の計測を行うことを要旨とする。
請求項11に記載の発明は、請求項10において、前記計測回路は前記蓄電器の一方の前記電極(A)に接続されており、前記第3ステップは、前記第2ステップの状態を継続するとともに前記計測回路により電位の計測を行うことを要旨とする。
請求項12に記載の発明は、請求項10において、前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、前記第3ステップは、前記第2の論理回路素子の出力を高インピーダンスとするとともに前記第1の論理回路素子の出力を低レベルとした後、前記計測回路により電位の計測を行うことを要旨とする。
前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、前記制御部は、前記第3ステップにおいて前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記第1の接地回路を接続した後、前記計測回路により電位の計測を行う場合には、人体の近接又は接触によって蓄電器の電極に生じる電位の微少な変化を計測することが容易となる。
前記第1の接地回路は、前記蓄電器の一方の電極(A)にその出力が接続された第1の論理回路素子により構成され、前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路は、前記蓄電器の他方の電極(B)にその出力が接続された第2の論理回路素子により構成される場合には、極めて少ない部品数によりタッチセンサを構成することができる。これによって、複数の検出電極を備えるタッチセンサを構成することも容易となる。
車両に搭載され、前記検出電極は、略長方形のシート状の導電体、又は長尺状の板状もしくは棒状の導電体である場合には、広い面積又は長尺の検出電極を用いる場合であっても検出電極からの高周波ノイズの放射を抑え、周囲の車載電子装置に対する電磁妨害を低減することが可能になる。
本発明のタッチセンサは、図1及び図2に示すように、人体が近接又は接触する検出電極2を備える。静電容量Cxは、検出電極2と大地(接地)との間に生じる静電容量の総和を表わし、人体が検出電極2に近接又は接触した場合には、検出電極2と大地との間に介在する人体によって静電容量が増加することとなる。
本タッチセンサ(1a、1b)は、上記検出電極2と抵抗器R1を介して直列に一方の電極Aが接続された蓄電器3と、蓄電器3の電極Aと接地電位とを接続又は切断する第1の接地回路4と、蓄電器3の他方の電極Bと接地電位とを接続又は切断する第2の接地回路5と、蓄電器3の電極Bと直流電源(Vcc)とを接続又は切断する電圧印加回路6と、蓄電器3の電極A及び電極Bのいずれか1つに接続され、その電極の電位を計測する計測回路7と、制御部8とを備える。タッチセンサ1aにおいては、計測回路7は蓄電器3の電極Aに接続されており、タッチセンサ1bにおいては、計測回路7は蓄電器3の電極Bに接続されている。制御部8は、電圧印加回路6、第1の接地回路4及び第2の接地回路5をそれぞれ接続又は切断するように制御し、所定のタイミングで計測回路7により前記電極A又は電極Bの電位を計測し、その計測値によって検出電極2への人体の近接又は接触の有無を判断するように構成される。
検出電極2への人体の「近接」とは、掌や手指を検出電極の表面に近付ける形態の他、検出電極の表面を覆う絶縁物を介して人体が接触する形態も含むものとする。また「接触」は、検出電極の表面に直接人体が接触する形態をいうものとする。
また、蓄電器3の電極Aは、第1の接地回路4と接続されている。第1の接地回路4は、電極Aから抵抗器R2及びスイッチSW1aを直列に介して接地される。抵抗器R2の抵抗値は適宜の値とすることができる(例えば、0Ω〜数kΩ)。スイッチSW1aが接続状態にされたとき(onとされたとき)、蓄電器3の電極Aは抵抗器R2を介して接地電位(Gnd)と導通され、スイッチSW1aが切断状態にされたとき(offとされたとき)、電極Aと接地電位との間は遮断される。
第2の接地回路5は、蓄電器3の電極Bと接地電位(Gnd)とをスイッチSW2aを介して接続する回路である。スイッチSW2aが接続状態(on)のとき電極Bは接地電位と導通され、スイッチSW2aが切断状態(off)のとき電極Bと接地電位との間は遮断される。
電圧印加回路6は、蓄電器3の電極Bと直流電源(Vcc)とをスイッチSW2bを介して接続する回路である。スイッチSW2bが接続状態(on)のとき電極Bに直流電源Vccが印加され、スイッチSW2bが切断状態(off)のとき電極Bと直流電源Vccとの間は遮断される。なお、スイッチSW2aとSW2bが同時にonとなることはないものとする。
制御部8の処理は、ハードウェア、ソフトウェアのいずれによって実現されてもよく、好適には、図示しないCPU、メモリ(ROM、RAM等)、入出力回路等を備えるマイクロコントローラ(マイクロコンピュータ)を中心に、入出力インターフェース等周辺回路を備えることにより構成することができる。また、プログラム可能な論理回路、ゲートアレーその他の論理回路を用いて構成されてもよい。このマイクロコントローラ等に、前記計測回路や、前記第1の接地回路、第2の接地回路、電圧印加回路等が内蔵されていてもよい。
その他、制御部8は、各種装置(車載装置の例では、車内灯、車内イルミネーション、自動開閉式窓、ラジオ、エアコンディショナ等)と電気的に接続され、人体の近接又は接触状態と判定した場合には、その判定又は判定による動作をさせるための近接検出信号をそれら装置に出力するように構成することができる。
タッチセンサ(1a、1b、11a、11b)に備えられる第1の接地回路(4、41)、第2の接地回路(5、51)及び電圧印加回路(6、61)は、制御部(8、81)により、図4又は図5に示すように制御することができる。ここで、スイッチSW1a、SW2a及びSW2bのon(接続)、off(切断)は、前記のとおり第1の論理回路素子411及び第2の論理回路素子611を用いて、それに対応する状態に制御することができる。
次に、第2ステップにおいては、スイッチSW1a及びスイッチSW2aをoffとすることにより第1の接地回路及び第2の接地回路を切断するとともに、スイッチSW2bをonとすることにより電圧印加回路を接続する。すなわち、蓄電器3の電極Aは接地と遮断され、電極Bは電源(Vcc)レベルに接続される。
続く第3ステップにおいては、前記第2ステップの状態をそのまま継続する。そして、この第3ステップの状態において、制御部(8、81)は計測回路7により蓄電器3の電極Aの電位の計測を行う。
続く第3ステップにおいて、スイッチSW2a及びSW2bをoffとすることにより電圧印加回路及び第2の接地回路を切断するとともに、スイッチSW1aをonとすることにより第1の接地回路を接続する。すなわち、蓄電器3の電極Aは接地電位に接続され、電極Bは電源(Vcc)及び接地電位のいずれからも切断される。
上記第3ステップの状態において、制御部(8、81)は計測回路7により蓄電器3の電極Bの電位の計測を行う。
次に、期間T2(第2ステップ)において、電極A部が接地から遮断されるため電極A部(V1)は高インピーダンス状態とされ、電極B部(V2)にVccが印加される。これによって、蓄電器3と抵抗器R1とキャパシタンスCxとが直列に接続された回路により、時間とともに各静電容量が充電される。そして、電極A部の電位VAは、時間とともに蓄電器3(静電容量Cs)及び未知のキャパシタンスCx(静電容量Cx)によって定まる次の値に近づく。
VA=Vcc−ΔVa、 ΔVa=(Cx/(Cs+Cx))Vcc
Cs、Cx及び抵抗器R1によって定まる充電の時定数よりも期間T2を十分長くとることができるため、期間T2終了時における蓄電器3の充電電圧(電極Aと電極Bとの間の電圧)は上記ΔVaとすることができる。
期間T3(第3ステップ)において、電極B部(V2)をVccから遮断して高インピーダンスの状態とし、電極A部(V1)を0Vに接続すると、キャパシタンスCxに蓄積されていた電荷は第1の接地回路により放電される。キャパシタンスCxの静電容量は小さいため放電の時定数は小さく、放電によって蓄電器3の電極A部の電位VAは速やかに0Vとなる。また、蓄電器3の電極B部は高インピーダンス状態であるため、蓄電器3に蓄積されていた電荷は保持される。すなわち、蓄電器3の充電電圧ΔVaが保持されるため、電極B部の電位VBは前記ΔVaの値となる。
この状態で、電極B部の電位VBを計測回路7に入力することができる。したがって、期間T3内のタイミングMにおいて電位VBを測定すれば上記ΔVaの値を知ることができ、未知のキャパシタンスCxの容量を求めることができる。
上記タッチセンサのタッチ検出方法を、図16のフローチャートに示す。この処理は、前記制御部によって実行されるものとすることができる。図16は、前記タッチセンサ1b、11bにおける検出方法を表す。本図においてSW1a、SW2a及びSW2bは、それぞれ前記第1の接地回路、第2の接地回路及び電圧印加回路に備えられるスイッチを表わす。
次に、第2ステップにおいては、スイッチSW1a及びスイッチSW2aをoffとし、スイッチSW2bをonとする(S20)。これにより、蓄電器3の電極Aは接地と遮断され、電極Bは電源(Vcc)レベルとされるため、時間とともに蓄電器3及びキャパシタンスCxが充電される。そして、所定時間すなわち前記期間T2の経過を待つ(S21)。
本タッチセンサ及びタッチ検出方法は、種々の形態で実施することができる。例えば、図8に示すタッチセンサ12のように、出力ポート1(42)、出力ポート2(62(52))及びAD変換器72が内蔵されたマイクロコントローラ等82を使用すれば、極めて少ない部品により簡単にタッチセンサを構成することができる。この例では、前記第1の論理回路素子として出力ポート1(42)が使用され、前記第2の論理回路素子として出力ポート2(62(52))が使用されている。この構成により、前記図2に説明したタッチセンサ1bと同様の動作をさせることができる。
また、上記AD変換器72は、端子91部又は蓄電器3の電極A部に接続されてもよい。その場合には、前記図1に説明したタッチセンサ1aと同様の動作をさせることができる。
図10は、上記構成により検出電極2a〜2fについて順次、電位を計測する動作を表す。図10において、VAa〜VAfは蓄電器3a〜3fそれぞれの電極Aの電位を表わし、VBa〜VBfは蓄電器3a〜3fそれぞれの電極Bの電位を表わす。
まず、検出電極2aについて、出力ポート1a(42a)及び出力ポート2a(62a)を図7に示したV1及びV2と同様に制御し、AD変換器ADCa(72a)を用いて端子92a部の電位を計測することができる。前記第3ステップの所定のタイミングMaにおいて電位VBaを計測することによって、検出電極2aへの人体の近接又は接触を判断することができる。同様にして、順次、検出電極2b〜2fについてタイミングMb〜Mfにおいて各電位VBb〜VBfを計測することにより、各検出電極への人体の近接又は接触を判断することができる。
また、図9に示されるAD変換器72a〜72fは、それぞれ端子91a〜91f部又は蓄電器3a〜3fの電極A部に接続されてもよい。その場合には、検出電極2a〜2fのそれぞれについて、前記図6に説明したタッチセンサ1aの動作と同様の動作をさせることができる。
図12(b)は、前記第1ステップ(T1)から第3ステップ(T3)までを一連の動作とし、それを一定の周期TCで間断なく繰り返して行うタッチセンサの動作を表わした図である。すなわち上記TCは電位VBの計測を行う周期となる。そこで、第2ステップ(T2)の期間を長くし且つ上記周期TCを適宜に設定すれば、静電誘導により図12(a)のように変動する電位VAを検出することが可能となる。
なお、図13に示す期間T2においては、静電誘導によって、電極Aの電位VAが、破線で示す静電容量の充電による電位(Vcc−ΔVa)よりもΔVi低下する場合を示している。図12(a)から明らかなように、電位VAは、静電誘導によって上記電位(Vcc−ΔVa)より上昇する場合もある。
人体の静電容量は20〜30pFであるので、その静電容量によって生じる電位の変化分(ΔVa)は0.2〜0.3V程度となる。表に示されているように、周期TCが0.1msの場合の(ΔVa+ΔVi)の計測値は0.25Vとなるため、静電誘導による変動分(ΔVi)を捉えることができていないものと考えられる。周期TCを1msとした場合には、(ΔVa+ΔVi)の計測値は0.4Vとなり、その計測値に静電誘導による変動分が含まれることは明らかである。さらに、周期TCが7msを超える場合、(ΔVa+ΔVi)の計測値は2.2Vから大きくは変化しなくなった。周期TCを長くするとタッチセンサとしての応答性を損なうこととなるため、上記計測結果から、上記繰り返し周期TCを1ms〜7msとすることが好ましい(さらに好ましくは1ms)といえる。
以上のように、検出電極に近接又は接触して移動する手指等の静電誘導により蓄電器3の電極部には大きな変動が現れるため、制御部は上記周期Tcごとに計測を行うことにより電極部の電位の変動を検知し、人体が近接又は接触しているか否かの判定のために利用することができる。
Claims (13)
- 人体の近接又は接触を検出するタッチセンサであって、
人体が近接又は接触する検出電極と、
前記検出電極と抵抗器を介して直列に一方の電極(A)が接続された蓄電器と、
前記蓄電器の一方の電極(A)と接地電位とを接続又は切断する第1の接地回路と、
前記蓄電器の他方の電極(B)と接地電位とを接続又は切断する第2の接地回路と、
前記蓄電器の他方の電極(B)と直流電源とを接続又は切断する電圧印加回路と、
前記蓄電器のいずれか1つの電極に接続され、その電極の電位を計測する計測回路と、
前記電圧印加回路、前記第1の接地回路及び前記第2の接地回路をそれぞれ切り替え、前記計測回路により計測された電位によって人体の近接又は接触を判断する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧印加回路を切断するとともに前記第1の接地回路及び前記第2の接地回路を接続する第1ステップと、前記第1の接地回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記電圧印加回路を接続する第2ステップと、前記計測回路により電位の計測を行う第3ステップと、をこの順で1回行うことにより人体の近接又は接触によって生じた静電容量に対応した電位を計測し、且つ前記第1ステップから第3ステップまでを所定周期で繰り返し行うことにより、人体の静電誘導によって生じた電位の変動を検知することを特徴とするタッチセンサ。 - 前記計測回路は前記蓄電器の一方の前記電極(A)に接続されており、
前記制御部は、前記第3ステップにおいて前記第2ステップの状態を継続するとともに前記計測回路により電位の計測を行う請求項1記載のタッチセンサ。 - 前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、
前記制御部は、前記第3ステップにおいて前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記第1の接地回路を接続した後、前記計測回路により電位の計測を行う請求項1記載のタッチセンサ。 - 前記第1の接地回路は、前記蓄電器の一方の電極(A)にその出力が接続された第1の論理回路素子により構成され、
前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路は、前記蓄電器の他方の電極(B)にその出力が接続された第2の論理回路素子により構成される請求項1乃至3のいずれかに記載のタッチセンサ。 - 前記制御部は、前記第1ステップから前記第3ステップまでを1ms〜7msの周期で繰り返して行う請求項1乃至4のいずれかに記載のタッチセンサ。
- 車両に搭載され、前記検出電極は、略長方形のシート状の導電体、又は長尺状の板状もしくは棒状の導電体である請求項1乃至5のいずれかに記載のタッチセンサ。
- 人体の近接又は接触を検出するタッチ検出方法であって、
人体が近接又は接触する検出電極と、
前記検出電極と抵抗器を介して直列に一方の電極(A)が接続された蓄電器と、
前記蓄電器の一方の電極(A)と接地電位とを接続又は切断する第1の接地回路と、
前記蓄電器の他方の電極(B)と接地電位とを接続又は切断する第2の接地回路と、
前記蓄電器の他方の電極(B)と直流電源とを接続又は切断する電圧印加回路と、
前記蓄電器のいずれか1つの電極に接続され、その電極の電位を計測する計測回路と、
を備えるタッチセンサを用いて、
前記電圧印加回路を切断するとともに前記第1の接地回路及び前記第2の接地回路を接続する第1ステップと、
前記第1の接地回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記電圧印加回路を接続する第2ステップと、
前記計測回路により電位の計測を行う第3ステップと、
をこの順で1回行うことにより人体の近接又は接触によって生じた静電容量に対応した電位を計測し、且つ前記第1ステップから第3ステップまでを所定周期で繰り返し行うことにより、人体の静電誘導によって生じた電位の変動を検知することを特徴とするタッチ検出方法。 - 前記計測回路は前記蓄電器の一方の前記電極(A)に接続されており、
前記第3ステップは、前記第2ステップの状態を継続するとともに前記計測回路により電位の計測を行う請求項7記載のタッチ検出方法。 - 前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、
前記第3ステップは、前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路を切断するとともに前記第1の接地回路を接続した後、前記計測回路により電位の計測を行う請求項7記載のタッチ検出方法。 - 前記第1の接地回路は、前記蓄電器の一方の電極(A)にその出力が接続された第1の論理回路素子により構成され、前記電圧印加回路及び前記第2の接地回路は、前記蓄電器の他方の電極(B)にその出力が接続された第2の論理回路素子により構成されるタッチセンサを用いて、
前記第1ステップは、前記第1の論理回路素子の出力及び前記第2の論理回路素子の出力を低レベルとし、
前記第2ステップは、前記第1の論理回路素子の出力を高インピーダンスとするとともに前記第2の論理回路素子の出力を高レベルとする請求項7記載のタッチ検出方法。 - 前記計測回路は前記蓄電器の一方の前記電極(A)に接続されており、
前記第3ステップは、前記第2ステップの状態を継続するとともに前記計測回路により電位の計測を行う請求項10記載のタッチ検出方法。 - 前記計測回路は前記蓄電器の他方の前記電極(B)に接続されており、
前記第3ステップは、前記第2の論理回路素子の出力を高インピーダンスとするとともに前記第1の論理回路素子の出力を低レベルとした後、前記計測回路により電位の計測を行う請求項10記載のタッチ検出方法。 - 前記第1ステップから前記第3ステップまでを1ms〜7msの周期で繰り返して行う請求項7乃至12のいずれかに記載のタッチ検出方法。
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