JP5639117B2

JP5639117B2 - 非接触タッチスイッチ入力装置

Info

Publication number: JP5639117B2
Application number: JP2012124748A
Authority: JP
Inventors: 輝文平家
Original assignee: 鳥取コスモサイエンス株式会社
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: JP2013251122A

Description

本願発明は、タッチスイッチにおいて電極の静電容量の変化を電圧波形に変化し、電極と人体の接触を高速で、且つ、高感度に判定できる非接触タッチスイッチ入力装置に関する。

特許文献１は、高速で、かつ、高精度に人体の接触非接触を検出する容量計測装置及び方法、並びにプログラムを開示する。この容量計測装置において、スイッチＳＷ１がＯＮされて、電源ＶｃｃよりコンデンサＣａが充電された後、ＳＷ１がＯＦＦにされることにより、コンデンサＣａに充電された電荷が、コンデンサＣｓ，Ｃｘに移動する。所定の短時間だけスイッチＳＷ２，ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、コンデンサＣａの充電電荷が抵抗Ｒを介してゆっくり放電されていく。未知のコンデンサＣｘの充電電圧Ｖｘが比較器Ｃｏｍｐにより参考電圧Ｖｒｅｆと比較され、参照電圧Ｖｒｅｆより小さくなるまでのＯＮ／ＯＦＦの回数に基づいて未知のコンデンサＣｘの静電容量が計算される。計算された未知のコンデンサＣｘの静電容量が人体の静電容量の近傍の値であるとき、人体が接触していると判定される。

特許文献２は、パネルに水がかかっても誤動作せず、電池駆動可能な低消費電力タイプの静電容量型タッチスイッチ装置を開示する。このタッチスイッチ装置において、パネル部は、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極を印刷したシートに、圧電効果のあるピエゾ電極を搭載し、アクリル板（ポリカーボネートやガラス等も可能）に貼り付けたパネルスイッチから構成され、制御部は、パネルスイッチを押し圧状態と非接触状態時にスイッチの静電容量変化量計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを内蔵したＣＰＵで構成し、その演算結果と、押し圧状態の両方の結果より、パネルに水がかかっても誤動作せず、押し圧状態になるまで静電容量変化量を計測する演算回路やＣＰＵを非動作状態にできる電池駆動可能な低消費電力タイプの静電容量型タッチスイッチ装置を開示する。

以上のように、電極に静電容量の変化にもとづいて、人体の接触非接触を検知するタッチスイッチはすでに一般に普及している。例えば、自動ドア、エレベータ、照明機器、銀行など金融機関のＡＴＭ、自動販売機（鉄道駅やレストランなどの自動券売機）のような公共的な分野をはじめ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルオーディオプレイヤー、携帯ゲーム機、コピー機、ファックス、カーナビなど多くの民生機器の分野にわたっている。

特開２００６−７８２９２号公報特開２００７−２０７５３１号公報

タッチスイッチの原理となる静電容量方式の代表的な方式である自己容量検出方式は、人体が近づくと導体である人体が仮想ＧＮＤに接地されているため、電極と人体の間に静電容量が発生し容量が増加する。このように自己容量検出方式は非接触から接触時の静電容量の増加を検出することにより人体の接近を検知する。しかしながら、自己容量方式は、装置全体を構成する回路のインピーダンスが高いため、外来ノイズ、電源ノイズ、ＣＰＵなど近傍にあるノイズ源の影響を受け易く、検出回路にこれらのノイズ対策を施す必要があり、そのために電極に高周波を加えたり、高電圧を加えたりして検出精度を上げるための工夫が必要であった。

また、人体の接触又は近接等を検出するタッチスイッチにおいて静電容量の変化を検出し電極と人体が接触したことを判定する場合において、静電容量の変化を直接測定することは困難であるが、電極の電圧波形の変化を観察することにより代用することができる。しかし、この電極の電圧波形も電極のインピーダンスが高いために演算装置、電源、外来ノイズの影響を受け、判定（人体が接触、非接触）に耐えうる波形を観察することは難しい。

このため、本願発明は、従来と同じく静電容量の変化に着目し、静電容量の変化に起因する電圧の変化を判別し、ノイズに埋もれた電圧波形でも、人体の接触を高精度で高速に測定することができる非接触タッチスイッチ入力装置を提供することにある。

したがって、本願発明に係る非接触タッチスイッチ入力装置は、所定の電圧間に直列に接続される抵抗器及び電子スイッチと、該抵抗器及び電子スイッチ間に接続され、絶縁部を介して人体と接触可能な電極部と、前記電子スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチ部と、該スイッチ部による電子スイッチのＯＮ／ＯＦＦによって変化する前記電極部の静電容量の変化を電極部の電圧波形の所定時間間隔の電圧変化データとして検出する検出部と、該検出部によって検出された電圧変化データの変化を演算する演算部と、該演算部によって演算された電圧変化データの変化に基づいて人体の接触非接触を判定する判定部とによって構成されることにある。

また、前記検出部は、前記電圧波形をＡ／Ｄ変換してデジタルデータ列に置き換え、電圧波形の特定部分の電圧値、若しくは特定区間の電圧変化量を検出し、前記判定部は、前記検出部で検出された電圧変化量の積算平均値を所定回数毎に比較し、その比較量が所定値以上である場合に、人体の接触を判定することが望ましい。

以上のように、本願発明の非接触タッチスイッチ入力装置によれば、電子スイッチによって瞬時にＯＮ／ＯＦＦを繰り返して電極部の静電容量に対応する電圧値或いは電圧波形を検出し、人体が電極部に接触した時の静電容量の変化を電圧値或いは電圧波形に変換して検出し、非接触時と接触時の電圧値或いは電圧波形の変化を検出することによって人体の接触を検出することができるので、ノイズに埋もれた電圧波形でも、人体の接触を高精度で高速に測定することができるという効果を奏するものである。

本願発明に係る非接触タッチスイッチ入力装置の構成を示した概略構成図で、電子スイッチがＯＮの状態を示したものである。本願発明に係る非接触タッチスイッチ入力装置の構成を示した概略構成図で、電子スイッチがＯＦＦの状態を示したものである。本願発明の非接触タッチスイッチ入力装置における接触／非接触を検出するフローチャート図を示したものである。本願発明の非接触タッチスイッチ入力装置における接触／非接触を検出するフローチャート図を示したものである。本願発明の非接触タッチスイッチ入力装置における接触／非接触を検出するフローチャート図を示したものである。本願発明の非接触タッチスイッチ入力装置で検出される電圧波形を示した説明図である。

以下、この発明の実施例について図面により説明する。

図１及び図２で示すように、本願発明の実施例に係る非接触タッチスイッチ入力装置１は、所定の電圧Ｖｃｃ間に直列に接続された抵抗器Ｒ１と、電子スイッチＳＷ１とを具備し、また抵抗器Ｒ１と電子スイッチＳＷ１の間に接続された電極部ＰＡＤを具備する。また、電極部ＰＡＤに生じる静電容量Ｃｉの電圧Ｖを検出するための検出部３と、前記電子スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを高速で行うスイッチ部４と、演算部５、判定部６とを少なくとも具備する演算処理装置２を具備する。さらにまた、前記電極部ＰＡＤは、絶縁部７を介して人体、特に手指８が接触するものである。

手指８が絶縁部７に接触した場合、図示されない人体が所定の静電容量Ｃｂを有すると共に、絶縁部７内に静電容量Ｃａが生じるため、電極部ＰＡＤの静電容量Ｃｉは変化する。このため、電極部ＰＡＤに生じる静電容量Ｃｉが変化するため、電極部ＰＡＤに生じる電圧Ｖの変化状態も変わる。

本願発明に係る非接触タッチスイッチ入力装置１において、図１に示すように、電子スイッチＳＷ１が演算処理装置２のスイッチ部４によってＯＮされると、電極部ＰＡＤが接地されるため、静電容量Ｃｉに充電された電荷が電子スイッチＳＷ１を介して放電され、電極部ＰＡＤの電圧は「０」になる。この後、図２に示すように、電子スイッチＳＷ１が演算処理装置２のスイッチ部４によってＯＦＦされると、図６に示されるように電極部ＰＡＤの電圧Ｖは静電容量Ｃｉの容量に対応して上昇する。このため、電極部ＰＡＤの電圧Ｖは静電容量の変化に対応してその上昇状態が変化するものである。

例えば、非接触状態の場合、静電容量Ｃｉの充電と共に上昇する電極部ＰＡＤの電圧Ｖは、例えば特性線Ａで示すように上昇する。また、人体、例えば手指８が接触した場合、例えば図１及び図２で示す場合、電極部ＰＡＤ〜接地間の静電容量は、直列に接続された静電容量Ｃａ，Ｃｂとの分増加するために、電圧Ｖは例えば特性線Ｂで示すように特性線Ａと比較してゆっくりと上昇することになる。このため、特性線Ａの所定時点Ｔ１，Ｔ２の電圧Ｖ１，Ｖ２の差は、特性線Ｂの所定時点Ｔ１，Ｔ２の電圧Ｖ１，Ｖ２の差よりも大きくなる。このため、接触時と非接触時の所定時点での電圧差を検出することによって非接触／接触を判定することができる。さらに、この電圧差から確実に非接触／接触を判定するために、複数回、例えば１０００回繰り返すことによって検出精度を向上させることができるものである。本願発明に係る非接触／接触の検出方法は、例えば下記するものである。

以上の構成の非接触タッチスイッチ入力装置１において、演算処理装置２では、図３乃至図５のフローチャート図に示される制御が実施され、人体の非接触／接触を判定するものである。以下、このフローチャート図に従ってその動作を説明する。

ステップ１００から開始される非接触タッチスイッチ入力装置１の非接触／接触の判定制御は、ステップ１１０において電源をＯＮして、直列に接続された抵抗器Ｒ１及び電子スイッチＳＷ１にＶｃｃを印加し、演算処理装置２を起動させる。ステップ１２０では、演算処理装置２のスイッチ部４によって電子スイッチＳＷ１がＯＮされ、電極部ＰＡＤの電圧が「０」にされる。ステップ１３０では、図示しないＲＥＳＥＴスイッチが押されたか否かが判定され、ＲＥＳＥＴスイッチが押されていない場合（Ｎ）には、ステップ２６０に進んで、各変数を初期化し、ＲＥＳＥＴスイッチが押されている場合（Ｙ）には、ステップ１４０に進んで各変数を初期化する。このステップ１４０では、具体的には、カウント変数ｎ，ｍ、タイマー変数ｔ、非接触時の電圧の変動量を格納する変数Ａ、接触を前提とした電圧の変動量を格納する変数Ａ’、電圧を格納する変数ｓｔｏｒｅ１，ｓｔｏｒｅ２に「０」が設定される。

ステップ１５０では、演算処理装置２のスイッチ部４によって電子スイッチＳＷ１がＯＦＦされ、タイマー変数ｔが図６で示すように所定時点Ｔ１経過することがカウントされ、所定時点Ｔ１経過した時点で、ステップ１７０に進んで電極部ＰＡＤの電圧Ｖ１（ｎ）が検出され、ステップ１８０においてｓｔｏｒｅ１に、検出された電圧Ｖ１（ｎ）が加算される（ｓｔｏｒｅ１＝ｓｔｏｒｅ１＋Ｖ１（ｎ））。

そして、ステップ１９０でタイマー変数ｔが所定時点Ｔ２に到達したか否かが判定され、到達した時点で、ステップ２００に進んで電極部ＰＡＤの電圧Ｖ２（ｎ）が検出され、ステップ２１０においてｓｔｏｒｅ２に、検出された電圧Ｖ２（ｎ）が加算される（ｓｔｏｒｅ２＝ｓｔｏｒｅ２＋Ｖ２（ｎ））。タイマー変数ｔが時間ＴＥＮＤに到達した時点で、図４のステップ２３０に進んで電子スイッチＳＷ１がＯＮされて、電極部ＰＡＤの静電容量Ｃｉに蓄積された電荷が放電され、電圧Ｖが「０」にされ、ステップ２４０でカウント変数ｎを１進め、ステップ２５０でカウント変数ｎが所定数Ｙに到達したか否かが判定され、到達していない場合（Ｎ）には、ステップ１５０に進んで、上述したステップ１５０〜２４０までの処理が所定回数Ｙだけ繰り返される。通常、電圧波形の繰り返し時間ＴＥＮＤは８０μｓｅｃであるので、１０００回（Ｙ＝１０００）繰り返したとしても８０ｍｓｅｃ程度である。そして、ステップ２６０において、初回であることから、非接触時の電圧の変動量を格納する変数Ａが｜ｓｔｏｒｅ２−ｓｔｏｒｅ１｜によって求められる。

その後、ステップ２７０でカウント変数ｍを除く他の変数の初期化を行う。その後、ステップ２８０〜ステップ３７０が、例えば所定回数（例えば１０００回）繰り返される。このステップ２８０〜ステップ３７０において検出され加算されたｓｔｏｒｅ１及びｓｔｏｒｅ２は、ステップ３９０において、前提として接触時の電圧の変動量を格納する変数Ａ’として演算される（Ａ’＝｜ｓｔｏｒｅ２−ｓｔｏｒｅ１｜）。

ステップ４００では、電圧変動量の差｜Ａ−Ａ’｜＞βが判定される。この判定において、電圧変動量の差｜Ａ−Ａ’｜がβ以下の場合、ステップ４３０に進んでカウント変数ｍを１つ進め、ステップ４４０においてカウント変数ｍがＮ回か否かが判定される。ｍ−１回目の演算値とｍ回目の演算値の差である電圧変動量の差が、所定値β以下である回数が所定値以下の場合には、非接触状態であることが判定されるため、ステップ２７０に戻ってステップ２７０〜４３０が繰り返され、ステップ４４０の判定においてＮ回βを下回る場合、ステップ４５０に進んで、Ａ＝Ａ’としてＡを新規値Ａ’で更新し、カウント変数ｍを初期化する（ｍ＝０）。

また、ステップ４００において、電圧変動量の差｜Ａ−Ａ’｜＞βの判定において、β以上である場合には、ステップ４１０に進んでカウント変数ｍを初期化し（ｍ＝０）、ステップ４２０において人体の接触が検出される（タッチ検出）。そして、ステップ２７０に進んでステップ２８０以下の処理が繰り返される。

以上説明したように、本願発明によれば、人体、特に手指８の接触による静電容量の変化を、電圧の変化として検出することができるものである。また、上述した実施例では、接触時の電圧上昇の変化が非接触時の電圧上昇の変化よりも低いものとして説明したが、本願発明によれば人体に静電気が帯電した場合など、接触時の電圧上昇の変化が大きい場合にも、電圧変化を絶対値として判断しているために、人体の接触を検出することができるものである。

このように、本願発明によれば、人体が接触した場合、接触時の電圧変化が非接触時に比べて大きい場合にも小さい場合にも対応して精度良く確実に人体の接触を検出することができるものである。

１非接触タッチスイッチ入力装置
２演算処理装置
３検出部
４スイッチ部
５演算部
６判定部
７絶縁部
Ｒ１抵抗器
ＳＷ１電子スイッチ
ＰＡＤ電極部

Claims

所定の電圧間に直列に接続される抵抗器及び電子スイッチと、
該抵抗器及び電子スイッチ間に接続され、絶縁部を介して人体と接触可能な電極部と、
前記電子スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチ部と、
該スイッチ部による電子スイッチのＯＮ／ＯＦＦによって変化する前記電極部の静電容量に対応して変化する電極部の電圧の所定時間間隔の電圧変化データを検出する検出部と、
該検出部によって検出された電圧変化データを所定回数積算する演算部と、
該演算部によって所定回数積算された電圧変化データの積算値と前記演算部によって次の所定回数積算された電圧変化データの積算値との差が所定値以上の場合に、人体の接触を判定する判定部とによって構成されることを特徴とする非接触タッチスイッチ入力装置。