JP5558928B2 - タッチセンサ - Google Patents

Description

本発明は、人が電極に接触または近接していることを検出するタッチセンサに関する。

例えば特許文献１に記載されているように、人体が接触または近接することによる電極の静電容量の変化を検出するタッチセンサが利用されている。そのようなタッチセンサにおいて、電極の静電容量の変化は、人体の近接だけでなく、温度や湿度等の環境変化によっても生じる。このため、従来のタッチセンサは、温度や湿度の変化によって、人体が接近していないにもかかわらず、検出信号を出力してしまう場合があった。

電極の温度や湿度による静電容量の変化が、人体の近接による静電容量の変化に比べて十分に小さくなるように設計すれば、そのような誤検出は防止できる。しかしながら、その場合も、温度や湿度による静電容量の変化によって、人体の近接に対する検出感度が大きく変化するという問題が残る。

特開２００７−１５０７３３号公報

前記問題点に鑑みて、環境変化に対して安定なタッチセンサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるタッチセンサは、周期的な作動信号を出力する発振器と、人体の接近によって静電容量が変化して前記作動信号の波形を歪ませた出力電圧を形成するアンテナ電極と、前記出力電圧と予め設定した基準電圧との差に応じた検出値を生成する検出回路と、前記検出値に基づいて前記アンテナ電極への人体の接近を判定する判定手段と、前記検出値が所定の標準値に近付くように前記基準電圧を変更する調整手段とを有するものとする。

この構成によれば、基準電圧を変更することによって、人体が接近していないときの検出値を標準値に近い値に維持するので、人体の近接による電極の静電容量の変化だけを検出できる。このため、温度や湿度が変化しても人体の接近に対する検出感度が大きく変化せず、検出感度を高く設定しても誤検出が起きない。

また、本発明のタッチセンサにおいて、前記判定手段は、前記検出値が所定の近接閾値よりも所定の判定時間以上継続して小さくなったとき、前記アンテナ電極に人体が接近していると判定するようにしてもよい。

この構成によれば、ノイズ等による一時的な検出値の変動をフィルタリングして、人体の近接だけを正確に検出できる。

また、本発明のタッチセンサにおいて、前記調整手段は、前記検出値が所定の変更閾値よりも所定の変更時間以上継続して小さくなったとき、前記検出値が所定の標準値に近付くように、前記基準電圧を変更し、前記変更時間は、前記判定時間よりも長い方が好ましい。

環境変化は人体の接離に比べて長時間にわたるので、変更時間を判定時間より長くすることで、人体の近接による検出値の変化が、基準電圧の調整に影響しないようにできる。

また、本発明のタッチセンサにおいて、前記変更閾値は、前記近接閾値よりも前記標準値に近い値であることが好ましい。

変更閾値が近接閾値よりも標準値に近い値であれば、誤って人体の近接として検出する前に、環境変化による検出値の変化を補償できる。

また、本発明のタッチセンサにおいて、前記検出回路は、前記アンテナ電極の出力信号と基準電圧との大小関係に応じてオンオフ出力するコンパレータと、前記コンパレータの出力を積分する積分回路とを含んでもよい。

この構成によれば、簡単な回路構成で、人体の近接および環境変化によるアンテナ電極の静電容量の変化を検出して補償できる。

本発明の第１実施形態のタッチセンサの回路図である。 図１のタッチセンサの人体の近接による出力変化を示す図である。 図１のタッチセンサの環境変化による出力変化を示す図である。 図１のタッチセンサの人体近接検出に係る制御の流れ図である。 図４の基準電圧変更処理に係る制御の流れ図である。 本発明の第２実施形態のタッチセンサの処理の流れ図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態であるタッチセンサ１の回路図である。

タッチセンサ１は、人体の近接によって静電容量が変化するアンテナ電極２と、周期的な方形波からなる作動信号を出力して抵抗Ｒ０を介してアンテナ電極２に入力する発振器としての機能を有するマイコン（判定手段、調整手段）３と、直流電源電圧Ｖｃｃ（Ｖ）を分割するように直列に接続された４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、アンテナ電極２の出力電圧と抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間のａ点の電位（基準電圧）Ｖａとを比較して、アンテナ電極２の出力電圧が高ければオンして所定の電圧を出力し、アンテナ電極２の出力が低ければオフして電圧を出力しないコンパレータ４と、コンパレータ４の出力を積分する積分回路５と、抵抗Ｒ２とＲ３との間のｂ点を接地可能な第１スイッチ部（調整手段）６と、抵抗Ｒ３とＲ４との間のｃ点を接地可能な第２スイッチ部（調整手段）７とを有する。

積分回路５の出力は、マイコン３に入力され、マイコン３内部でディジタル変換されて演算処理される。また、第１スイッチ部６および第２スイッチ部７は、それぞれ、マイコン３によって開閉が制御されるようになっている。

初期状態において、第１スイッチ部６はオフであり、第２スイッチ部７はオンである。つまり、第２スイッチ部７は、ｃ点を接地することによって、抵抗Ｒ４をバイパスしている。このとき、ａ点の電位Ｖａは、｛（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）である。

しかしながら、第２スイッチ部７をオフにすると、ａ点の電位Ｖａは、｛（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）となり、初期状態よりも高い電位になる。

また、第１スイッチ部６をオンして、ｂ点を接地することにより、抵抗Ｒ３，Ｒ４をバイパスすると、ａ点の電位Ｖａは、｛（Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）となり、初期状態よりも低い電位になる。

図２に、アンテナ電極２の出力電圧、コンパレータ４の出力電圧、および、積分回路５の出力電圧の変化を、アンテナ電極２に人体が近接していないとき（左）とアンテナ電極２に人体が近接しているとき（右）とに分けて示す。

アンテナ電極２は、その静電容量によって作動電圧を歪ませる。よって、出力信号は、マイコン３から入力される方形波を歪ませた、立ち上がりおよび立ち下がりが遅れた鋸波に近い波形（分かりやすくするために、完全な三角波として図示）の電圧信号となる。

コンパレータ４は、アンテナ電極２の出力（出力信号）が、ａ点の電位（基準電圧）Ｖａより高いときだけ、電圧を出力する。積分回路４は、コンパレータ４の出力を積分するので、その出力が略直線的に上昇し、その傾きは、コンパレータ４の出力のデューティ比（オンしている時間の割合）に比例する。

マイコン３は、積分回路５が積分を開始してから１ｍｓｅｃ後の積分回路５の出力電圧（一点鎖線で図示）をディジタル変換して、検出値Ｖｍとして記憶する。尚、この検出値Ｖｍは、マイコン３に内蔵された図示しないメモリ等の記憶手段に記憶される。

本実施形態において、コンパレータ４、積分回路５およびマイコン３は、アンテナ電極２の出力信号と基準電圧（ａ点の電位）Ｖａとの差に応じた検出値Ｖｍを生成する検出回路として機能する。

アンテナ電極２に人体が近接すると、アンテナ電極２の静電容量が増加するため、人体が接近していない場合（図２左図）と比べて、右図に示すように、アンテナ電極２の出力信号の振幅が小さくなる。これにより、アンテナ電極２の出力信号が基準電圧Ｖａ以上となる時間が短くなり、コンパレータ４の出力電圧のデューティ比が低下して、積分回路５の出力電圧上昇の傾きが小さくなることにより、１ｍｓｅｃ後の電圧が低くなるため、マイコン３が取得する検出値Ｖｍが小さくなる。

マイコン３は、この検出値Ｖｍをマイコン３内の記憶手段に記憶されている予め設定した近接閾値Ｓｏ（破線で図示）と比較し、検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下となったときに、アンテナ電極２に人体が近接していると判定し、オン出力を外部出力する（判定手段）。

ここで、アンテナ電極２の静電容量は、人体の近接だけでなく、湿度によっても変化することを考慮しなければならない。具体的には、アンテナ電極２の静電容量は、湿度が高くなると増大する。したがって、図３左側に示すように、高湿時には、アンテナ電極２に人体が近接していなくても、アンテナ電極２の出力信号の振幅が減少する。すると、コンパレータ４の出力電圧のデューティ比が低下し、積分回路５の出力の傾きが小さくなるので、マイコン３が取得する検出値Ｖｍが小さくなる（図３左図において高湿環境下の基準電圧変更前の状態を二点鎖線で示す）。

このように、環境の変化によって検出値Ｖｍが小さくなり、検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下となると、タッチセンサ１は、アンテナ電極２に人体が近接していないにもかかわらず、人体が近接しているものと判断してマイコン３からオン出力を出力し続ける可能性がある。つまり、高湿時には人体接近の検出が不能となる畏れがある。

そこで、タッチセンサ１では、このような高湿による検出値Ｖｍの低下を近接閾値Ｓｏ（変更閾値）と比較することにより判別し、検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下であれば、第１スイッチ部６をオンすることにより、基準電圧を｛（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）から（Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）に引き下げる。図には、初期状態の基準電圧Ｖａを二点差線で示し、引き下げ後の基準電圧Ｖａ’を破線で示す。

これにより、図３中実線で示すように、コンパレータ４の出力電圧のデューティ比が大きくなり、積分回路５の出力の傾きが大きくなるので、マイコン３が取得する検出値Ｖｍ’も大きくなる。このようにして、タッチセンサ１は、人体が近接していないときの検出値Ｖｍ’を、通常の温度湿度環境下における検出値（標準値Ｖｍｓ）に近い値に維持する。このように、環境の変化によって検出値Ｖｍが小さくなり、検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下となった場合でも、上記のように基準電圧Ｖａを変更することで、検出値Ｖｍを近接閾値Ｓｏ以上に引き上げることができる。これにより、タッチセンサ１は、アンテナ電極２に人体が近接したことによるアンテナ電極２の静電容量の変化を、通常環境下と大きく異ならない精度および感度で検出できる。尚、前記標準値Ｖｍｓは、近接閾値Ｓｏ以上の値であれば任意に設定可能であり、タッチセンサ１が使用される環境、および、必要とする感度等によって適宜設定すればよい。また、検出値Ｖｍの変化量は、基準電圧Ｖａの変化量を適宜調整することで調整可能である。

また、低湿下では、アンテナ電極２の静電容量は通常環境下よりも減少する。したがって、図３右側に示すように、人体非接触時においてアンテナ電極２の静電容量が減少すると、アンテナ電極２の出力信号の振幅が大きくなる。すると、コンパレータ４の出力電圧のデューティ比が上昇し、積分回路５の出力の傾きが大きくなるので、マイコン３が取得する検出値Ｖｍが大きくなる（図３右図において低湿環境下の基準電圧変更前の状態を二点鎖線で示す）。このように、環境の変化によって検出値Ｖｍが大きくなり、検出値Ｖｍと近接閾値Ｓｏとの差が大きくなると、人体検出の感度が悪くなる。

そこで、タッチセンサ１では、検出値Ｖｍの上昇限界値としての上限変更閾値ＳＨを設定し、このような低湿による検出値Ｖｍの上昇を上限閾値ＳＨと比較することにより判別する。この上限変更閾値ＳＨは、予め設定され、マイコン３内の記憶手段内に記憶されている。タッチセンサ１は、検出値Ｖｍが上限変更閾値ＳＨ以上であれば、第１スイッチ部６および第２スイッチ部７をいずれもオフ（開放）することにより、基準電圧を｛（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）から｛（Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）｝＊Ｖｃｃ（Ｖ）に引き上げる。図には、初期状態の基準電圧Ｖａを二点鎖線で示し、引き上げ後の基準電圧Ｖ”を破線で示す。

これにより、図３中右側実線で示すように、コンパレータ４の出力電圧のデューティ比が小さくなり、積分回路４の出力の傾きが小さくなるので、マイコン３が取得する検出値Ｖｍ”も小さくなる。このようにして、タッチセンサ１は、低湿環境下においても、人体が近接していないときの検出値Ｖｍを、通常の湿度環境下における検出値（標準値Ｖｍｓ）に近い値に維持する。このように、環境の変化によって検出値Ｖｍが大きくなり、検出値Ｖｍと近接閾値Ｓｏとの差が大きくなった場合でも、上記のように基準電圧を変更することで、検出値Ｖｍを標準値Ｖｍｓに近付けることができる。これにより、タッチセンサ１は、アンテナ電極２に人体が近接したことによるアンテナ電極２の静電容量の変化を、通常環境下と変わらない精度および感度で検出できる。

図４および５に、タッチセンサ１のマイコン３における、人体の近接の検出および、上記基準電圧の変更に係る制御の流れを示す。タッチセンサ１は、電源が投入されると、この制御を開始し、先ずデータバッファ（メモリ）やタイマをクリアする。

タッチセンサ１は、１０ｍｓｅｃに１回、アンテナ電極２への人体の近接を確認するためのタイマを起動する。そして、マイコン３が、１ｍｓｅｃの間、方形波からなる作動信号をアンテナ電極２に入力し、１ｍｓｅｃ後の積分回路５の出力電圧をディジタル変換した検出値Ｖｍを取得する。

マイコン３は、この検出値Ｖｍを通常の温度湿度環境下における検出値（標準値）よりも高い所定の上限変更閾値ＳＨと比較する。マイコン３は、検出値Ｖｍが上限変更閾値ＳＨ以上であれば、第１スイッチ部６および第２スイッチ部７の状態を変更して、基準電圧（ａ点の電位）を引き上げることによって、次回の検出値Ｖｍが標準値に近付くようにする。

また、人体が近接すると検出値Ｖｍは低下するので、検出値Ｖｍが上限変更閾値ＳＨ以上であれば、アンテナ電極２に人体は近接していない。このため、基準電圧を低下させたならば、データバッファをクリアして、１０ｍｓｅｃが経過するまで待機する。

検出値Ｖｍが上限変更閾値ＳＨ未満であれば、マイコン３は、過去２回の検出値Ｖｍをデータバッファから読み出して、直近３回の検出値Ｖｍをアンテナ電極２への人体の近接を判別するための近接閾値Ｓｏとそれぞれ比較する。この近接閾値Ｓｏは、通常の温度湿度環境下における検出値（標準値）よりも低い値である。

直近３回の検出値Ｖｍが１つでも近接閾値Ｓｏより大きければ、ノイズ等の影響であると予想されるため、人体の接近がないと判断し、今回の検出値Ｖｍをデータバッファに記憶し、次の検出まで待機する。

マイコン３は、３回連続して検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下、すなわち、３０ｍｓｅｃ（所定の）判定時間）以上継続して検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下になっていれば、アンテナ電極２に人体が近接していると判断し、オン出力を０．３秒間外部出力する。タッチセンサ１では、人体の近接と判定してオン出力したならば、さらに、図５に示した基準電圧を低下させる必要があるかどうかの判定（基準電圧低下処理）を行う。

基準電圧低下処理においても、マイコン３は、１０ｍｓｅｃ毎に、１ｍｓｅｃの作動信号をアンテナ電極２に印加し、積分回路５の出力電圧をディジタル化して検出値Ｖｍを取得する。この処理では、検出値Ｖｍを２０回繰り返して取得し、全ての検出値Ｖｍをデータバッファに記録する。

そして、この処理において取得した検出値Ｖｍが、全て近接閾値Ｓｏ以下であれば、オン出力時間を合わせて０．５秒間（所定の変更時間）、連続して検出値Ｖｍが低い値を維持していると評価できる。そのような長時間にわたる検出値Ｖｍの低下は、人体の近接によるものではなく、低温高湿等の環境に起因するものと考えられる。

したがって、検出値Ｖｍが全て近接閾値Ｓｏ以下である場合、第１スイッチ部６および第２スイッチ部７の状態を変更して、基準電圧（ａ点の電位）を引き下げることによって、次回の検出値Ｖｍが標準値に近付くようにする。近接閾値Ｓｏよりも大きい検出値Ｖｍが１つでもあれば、それは人体の近接によってもたらされたものである可能性が高いため、基準電圧の変更は不要であると判断する。

この基準電圧低下処理を終えたなら、図４の処理に戻って、データバッファをクリアし、次の検出まで待機する。

このように、タッチセンサ１では、環境の変化による検出値Ｖｍの変化を、基準電圧を調節することによって相殺するので、人体の近接に対する感度が大きく変化せず、人体近接の検出精度も高く維持できる。

また、タッチセンサ１は、検出値Ｖｍが所定の判定時間以上継続して近接閾値Ｓｏ以下となった場合に、アンテナ電極２に人体が接近していると判定するように構成されているため、ノイズ等による一時的な検出値Ｖｍの変動をフィルタリングして人体の近接だけを正確に検出できる。

さらに、環境変化は人体の接近に比べて長時間にわたるので、検出値Ｖｍの変化が維持される時間に応じて、検出値Ｖｍの変化が、人体近接によるものであるのか、または、環境の変化によるものであるのかを判定することができる。したがって、基準電圧を変更するかどうかを判定するための変更時間を人体が接近したかどうかを判定するための判定時間よりも長く設定することで、人体の近接による検出値の変化によって不意に基準電圧が変更されないように構成できる。

さらに、図６に、本発明の第２実施形態のタッチセンサの人体近接検出および基準電圧変更に係る制御の流れを示す。本実施形態のタッチセンサの機械的構成は第１実施形態と同一であるので、重複する説明は省略する。

本実施形態においても、タッチセンサは、第１実施形態と同様に、起動後、１０ｍｓｅｃ毎に出力信号をアンテナ電極に入力し、検出値Ｖｍを取得する。本実施形態では、マイコン３は、取得した検出値Ｖｍをすべてデータバッファに記憶する。

第１実施形態と異なり、本実施形態では、検出値Ｖｍが、単に１回だけ上限変更閾値ＳＨよりも大きくなっても、基準電圧を変更しない。具体的には、本実施形態では、直近５０回の検出値Ｖｍをデータバッファから読み出して、上限変更閾値ＳＨと比較し、直近５０回の検出値Ｖｍが全て上限変更閾値ＳＨよりも大きくなったときに、基準電圧を上昇させる。

本実施形態では、さらに、直近５０回の検出値Ｖｍを、近接閾値Ｓｏよりも大きく、また、上限変更閾値ＳＨよりも小さい値に予め設定された下限変更閾値ＳＬ（マイコン３の記憶手段内に記憶されている）と比較し、直近５０回（０．５秒間）の検出値Ｖｍが全て下限変更閾値ＳＬよりも小さければ、基準電圧を低下させることによって、検出値Ｖｍを標準値に近づける。

アンテナ電極への人体の近接の検出に関しては、本実施形態においても、直近３回の検出値Ｖｍが全て近接閾値Ｓｏよりも小さければ、アンテナ電極に人体が近接していると判断してオン出力を行う。

環境の変化による検出値Ｖｍの変化は、人体の近接による変化と比べて非常に緩慢である。したがって、下限変更閾値ＳＬを近接閾値Ｓｏよりも十分に大きく設定しておけば、人体の近接を誤って検出する前に、環境変化による検出値Ｖｍの変化を、基準電圧を調節することによって補償できる。

尚、本実施形態においては、１０ｍｓｅｃ毎に作動信号を発信してアンテナ電極２に入力し、検出値Ｖｍを取得する構成としているが、作動信号の出力周期については任意に設定可能である。また、本実施形態においては、１０ｓｅｃ毎に取得される直近３回の検出値Ｖｍを近接閾値Ｓｏとそれぞれ比較して人体の接近を判定するようにしているが、判定方法は、これに限定されるものではない。例えば、直前に取得した検出値Ｖｍが近接閾値Ｓｏ以下であった場合に、通常の周期（１０ｍｓｅｃ）よりも短い周期（例えば１ｍｓｅｃ）で複数回（例えば２回）、連続して作動信号の発信を行い、それによって得られた複数の検出値Ｖｍを近接閾値Ｓｏと比較して、人体の接近を判定するようにしてもよい。このようにすれば、人体の検出感度を向上することができる。

１…タッチセンサ
２…アンテナ電極
３…マイコン（発振器、判定手段、調整手段）
４…コンパレータ（検出回路）
５…積分回路（検出回路）
６…第１スイッチ部（調整手段）
７…第２スイッチ部（調整手段）

Claims (5)

1. 周期的な作動信号を出力する発振器と、
   人体の接近によって静電容量が変化して前記作動信号の波形を歪ませた出力電圧を形成するアンテナ電極と、
   前記出力電圧と予め設定した基準電圧との差に応じた検出値を生成する検出回路と、
   前記検出値に基づいて前記アンテナ電極への人体の接近を判定する判定手段と、
   前記検出値が所定の標準値に近付くように前記基準電圧を変更する調整手段とを有することを特徴とするタッチセンサ。
2. 前記判定手段は、前記検出値が所定の近接閾値よりも所定の判定時間以上継続して小さくなったとき、前記アンテナ電極に人体が接近していると判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
3. 前記調整手段は、前記検出値が所定の変更閾値よりも所定の変更時間以上継続して小さくなったとき、前記検出値が所定の標準値に近付くように、前記基準電圧を変更し、
   前記変更時間は、前記判定時間よりも長いことを特徴とする請求項２に記載のタッチセンサ。
4. 前記変更閾値は、前記近接閾値よりも前記標準値に近い値であることを特徴とする請求項３に記載のタッチセンサ。
5. 前記検出回路は、前記アンテナ電極の出力信号と基準電圧との大小関係に応じてオンオフ出力するコンパレータと、前記コンパレータの出力を積分する積分回路とを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタッチセンサ。

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