JP5919767B2

JP5919767B2 - 静電容量結合方式静電センサー

Info

Publication number: JP5919767B2
Application number: JP2011261393A
Authority: JP
Inventors: 憲正池田
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013115682A

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フィルムの表面にスイッチ電極として銀ペースト、またはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）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コンデンサＣと抵抗Ｒとで形成するＣ／Ｆ変換回路（静電容量Ｃを周波数Ｆ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、演算処理によりタッチスイッチのオン／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、スイッチ電極を指または手が触れることの可能な領域をタッチスイッチとし、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、タッチスイッチのオン／オフを検出するデジタル入力装置である。
スイッチ電極は、電気的に導通する導電性材料をＰＥＴフィルム表面に、スクリーン印刷方式により印刷してタッチスイッチを形成している。スクリーン印刷は、オープニングと呼ばれる糸と糸の間の空間（スクリーン版）からスキージ（ゴムのヘラ、または金属のヘラ）を使ってインキを押し出し、画像パターンを形成する印刷法であり、古くから捺染や印染などの伝統工芸として日本に根付いている工法である。また、できあがった画像パターンの厚みは、使用したスクリーン版の厚みである。現在、スクリーン印刷は、エレクトロニクス分野ではなくてはならない工法として確立しており、プリント配線板や電子部品、フラットパネルディスプレイ、自動車メーターなどを製造する工程には、必ずスクリーン印刷法が用いられていることが知られている。

スイッチ電極は、スクリーン印刷方式によりＰＥＴフィルムの表面に導電性材料である銀ペースト（物質は銀）インク、ＩＴＯ（酸化インジウム）（物質は錫）インクを用いて印刷することでタッチスイッチを形成している。スイッチ電極を形成するためのスクリーン版の厚さは１０〜３０μｍの版を使用している。また、導電性材料である銀ペーストインク、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）インクの抵抗率値は高く、数Ω〜数ｋΩ/ cmの面積抵抗を持っている。
スクリーン印刷方式で印刷されたスイッチ電極は、スキージの移動速度で決まる印刷速度、インクの粘度、印刷環境による版の伸び、縮みにより、印刷毎にスイッチ電極の大きさ、厚みが数mm単位、および数μｍ単位で違い、大きさ、厚みのばらつきを０にすることは難しいとされている。そのため、印刷毎のスイッチ電極の抵抗値は一定にならず、印刷毎の抵抗値のばらつきを０Ωに抑えることは難しいとされている。

ＰＥＴフィルム上に、スイッチ電極を形成したスイッチを、タッチスイッチの入力領域として使用したときの周波数は、前記コンデンサＣと抵抗Ｒによりｔ＝０．７×Ｃ×Ｒで表せる。スイッチ電極はΔＲの抵抗値を持つ。スイッチ電極の周波数は、抵抗Ｒにスイッチ電極の抵抗値ΔＲが足された周波数として生成される。周波数ｔは
ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ）
で表せる。

図１の様にスイッチ電極が、４個の場合の周波数を求めてみる。スイッチ電極のタッチスイッチをＳＷ１からＳＷ４としたときの抵抗値はＳＷ１（抵抗値：ΔＲ１）、ＳＷ２（抵抗値：Δ２）、ＳＷ３（抵抗値：Δ３），ＳＷ４（抵抗値：Δ４）で表せる。各スイッチ電極の周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ１）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ２）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ３）
ＳＷ４の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ４）
で表せる。
また、前記スクリーン印刷での印刷毎に数Ω〜数１０Ω単位での抵抗値のばらつきがある。ばらつきの抵抗値をΔｒとしたときの印刷毎の各周波数は
ＳＷ１の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ１＋Δｒ）
ＳＷ２の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ２＋Δｒ）
ＳＷ３の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ３＋Δｒ）
ＳＷ４の周波数ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋Δ４＋Δｒ）
で表せる。
また、近年デジタル技術を利用した電子回路が広く用いられるようになり、デジタル信号の低域から高域までの周波数による電波障害が起こりやすい状況になっている。
たとえば、テレビ等の電化製品の側にラジオ受信機を持っていくと、ザーとかブーといったノイズ雑音が入る。これはラジオ受信機が電化製品から発生している電波ノイズを拾ってしまうことでおきる。
また、ラジオ受信機にＡＣ電源を供給して使う場合、家庭用電源の配線によっては、ＡＣ電源ラインにノイズが混入し、電源ノイズとして拾ってしまうこともある。同じＡＣ電源コンセントにテレビ等の電化製品とラジオ受信機をつなげて使用したとき、つなげた電化製品から発生した電源ノイズをラジオ受信機が拾ってしまいノイズが入る。
生活環境下での前記ノイズ混入に対する対策は、機器にノイズを混入させない様な対策、またはノイズを受けても障害を発生しないようにノイズ耐性を向上させる対策がある。しかし、生活環境下でどの様なノイズが混入されるかわからないために、ノイズ防御対策が難しくなっているのが現状である。
前記静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式は、静電容量の変化をＣ
／Ｆ変換回路で周波数（ｔ＝０．７×Ｃ×（Ｒ＋ΔＲ））に変換し、その周波数の変化をインプットキャプチャ機能でデジタルデータに置き換えている。この方式は周波数を用いて動作させていることで、生活環境下で発生するノイズである周波数の混入による影響は、避けられないのが現状である。

また、前記の静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路を用いて周波数に変換する方式で、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極を印刷したスイッチを、タッチスイッチとして使用したときに生成される周波数は、スイッチ電極の形状により変わることがわかる。

前記、静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式のスイッチ電極に、スイッチ電極で得られる周波数と、同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは供給電源より同じまたは近い周波数である電源ノイズが混入されると、Ｃ／Ｆ回路で生成される周波数とノイズの周波数とが互いに周波数との同期または干渉が起こり、スイッチ電極に指または人が近づいても静電容量は変化しない状態となり、入力できない等の誤動作を生じてしまう。
スイッチ電極の大きさの違いにより生成される周波数が変わるため、大きさの違うスイッチ電極が増える程、生成される周波数の種類が多くなる。そのため生成される周波数と同じまたは近い周波数である電波ノイズまたは電源ノイズによる誤動作するタッチスイッチが増えてしまう。静電容量の変化をＣ／Ｆ変換回路で周波数に変換する方式では、ノイズの周波数に対し、±数１０ＫＨｚの周波数離れないとノイズより逃げられなく、ノイズによる誤動作の範囲が大きくなり、ノイズの対処が非常に困難である。

また、静電容量の変化を、Ｃ／Ｆ変換回路を用いて、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、演算処理によりタッチスイッチのオン／オフ状態を判断しているが、周波数がインプットキャプチャ機能で周波数の数を数えていることでスイッチ電極ごとに周波数の数が変わり、動作速度を一定かつ、速度を上げることが非常に困難である。

本発明は、絶縁体の表面に、導電性材料からなるドライブ線とスイッチ電極を複数配置し、それぞれのドライブ線とスイッチ電極からなるタッチスイッチであり、前記ドライブ線と前記スイッチ電極との静電容量を計測するために、発振器で生成されるｓｉｎ信号を、同期発振回路により互いに同期がとられたｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に変換し、前記ｓｉｎ信号を印加した前記ドライブ線と、電流・電圧変換回路に接続されたスイッチ電極との間に流れる電流を電圧信号に変換し、前記電流・電圧変換された電圧信号と前記ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号とを掛算回路により掛算し、前記掛算回路で得られた信号をローパス・フィルタ回路によりＤＣ信号化し、前記ＤＣ信号化された電圧を計測し、前記計測された電圧と、予め決めたタッチスイッチのオンおよびオフとなる閾値とする電圧とを比較し、演算処理する制御装置により、タッチスイッチのオン／オフ状態を判断する静電容量結合方式静電センサーを提案するものである。

本発明では、抵抗値が異なるスイッチ電極を使用した場合でも、ｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを電流・電圧変換回路の出力に掛算回路で掛けることにより、真の電流値のＡＣ信号だけが、ＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。スイッチ電極が接続されても、全てｓｉｎ信号の周波数より高い周波数となり、周波数のＡＣ信号のままでローパス・フィルタを通すことで周波数ノイズを０にできる。そのため、ｓｉｎ信号以外の周波数ノイズがスイッチ電極に混入されても正確にスイッチ電極と指および手との間に静電容量が発生し、タッチスイッチのオン／オフの状態を検出することができる。

スイッチ電極の周波数。本実施例の入力装置構成図。本実施例の掛算回路波形図。本実施例の入力信号レベルと位相差図。本実施例の指とスイッチ電極の関係図。本実施例のｓｉｎ信号掛算波形図。

本発明では、抵抗値が異なるスイッチ電極を使用した場合でも、発振器からｓｉｎ信号と９０度位相の違うｃｏｓ信号の２つを発信し、ｓｉｎ信号の一つは増幅回路経由で信号をドライブし、電流・電圧変換回路の抵抗Ｒを通してスイッチ電極に接続される。ｓｉｎ信号の一つは２つの掛算回路に接続される。またｃｏｓ信号はもう一つの掛算回路に接続される。電流・電圧変換回路の出力はそれぞれ２つの掛算回路に接続され、それぞれｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号と掛けられる。真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になりローパス・フィルタを通すことでＤＣ信号になる。
スイッチ電極へ混入されるノイズは、全てｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号との掛算によりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号・ｃｏｓ信号の周波数より十分低いローパス・フィルタを通すことで０にできる。
ｓｉｎ信号のドライブと電流・電圧変換回路の抵抗Ｒに接続したスイッチ電極と、指および手との間の静電容量はｓｉｎ信号との掛算による検出信号Ｘとｃｏｓ信号との掛算による検出信号Ｙとから入力信号のベクトル値を以下の式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）。また、位相差を以下の式アークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる。
しかし、式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）または式アークタンジェント（Ｘ／Ｙ）の計算はプログラム作成上、コードステップが数１００ステップ以上となり、計算結果がでるまで数msec単位の時間がかかり動作速度が遅くなる。そのためタッチスイッチのオン／オフ状態を検出するタッチスイッチは、ベクトル値を求め詳細な位置座標を検出するのではないため、コードステップが数ステップで済む検出信号Ｘと検出Ｙ信号との足し算のみで行うことができる。その結果計算結果がでるまでの時間は、数μsec単位で済み短い時間で、タッチスイッチのオン／オフ状態を判断できる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。図２〜６は、装置図面が煩雑にならないよう単純な構成を模式的に表現した物である。

図２に本発明の入力装置の構成図を示す。ここではスイッチ電極６のタッチスイッチ７の数を４個として説明する。制御装置１６内の発信器１から出力される発振周波数に基づいてｓｉｎ信号２とｃｏｓ信号３が９０度の位相差で出力される。ｓｉｎ信号２は増幅回路４によりスイッチ電極６のタッチスイッチ７の４個をドライブする線を選択できる切替回路５に接続する。ＳＷ選択１５より選択されたドライブする線よりのａｃ電圧が、もう一方の切替回路５で選択したスイッチ電極６のタッチスイッチ７を通じ抵抗Ｒに流される。スイッチ電極６のタッチスイッチ７を介し電流ｉ１〜ｉ４は抵抗Ｒを通過することで電圧Ｅ１〜Ｅ４に変換され、ハイパス・フィルタ８を通過することで発信周波数より高い周波数はカットされる。次の増幅回路９で増幅され、ローパス・フィルタ１０を通すことで発振周波数より低い周波数はカットされる。
ローパス・フィルタ１０より出力された周波数は、それぞれ２つの掛算回路１１のｙ側に入力される。２つの掛算回路１１のＸ側にはｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３が入力される。掛算回路１１の結果は、非常に低いローパス・フィルタ１２でＤＣ信号がとりだされノイズ信号を消してしまう。ＤＣ信号は制御装置のＡ／Ｄ変換器１３でデジタルデータに変換される。それぞれのＡ／ｄ変換されたデジタルデータは、図４で示す信号の足し算１４を行い、足し算したデジタルデータと、予め決めたタッチスイッチ７がオンの状態、オフの状態を判断する閾値となるデジタルデータとを比較し、閾値より大きい場合をタッチスイッチ７のオン状態、小さい場合をオフ状態として外部処理装置１７へ出力する。

図３に、本発明の掛算回路波形図を示す。掛算回路１１のＸ入力にはｓｉｎ信号２あるいはｃｏｓ信号３を入力する。抵抗Ｒの片側はＧＮＤに接続する。反対側は増幅回路４を通過したｓｉｎ信号２が切替回路５を介したドライブ線に接続し、そのドライブ線と対になるスイッチ電極６のタッチスイッチ７に接続されている。人間の指１８等がドライブ線およびスイッチ電極６のタッチスイッチ７に近づくと電流ｉ１は、ドライブ線から指１８等を介しスイッチ電極６のタッチスイッチ７に電流が流れ、抵抗Ｒの両端に電位差Ｅ１が発生し、掛算回路１１のＹ入力に加えられる。ＸとＹの入力信号は、掛算され真の電流値のＡＣ信号だけがＤＣ信号を含む２倍のＡＣ周波数になり、次のローパス・フィルタ１２を通すことでＤＣ信号になる。スイッチ電極６のタッチスイッチ７に他の周波数成分であるノイズが混入されても、ノイズの周波数は全てｓｉｎ信号２・ｃｏｓ信号３との掛算によりｓｉｎ信号２・ｃｏｓ３信号の周波数より高い周波数のＡＣ信号になりｓｉｎ信号２・ｃｏｓ信号３の周波数より十分低いローパス・フィルタ１２を通すことで０にできる。

図４に、本発明の入力信号レベルと位相差図を示す。図３の掛算回路１１でｓｉｎ信号２と掛算された入力信号はｓｉｎによる検出信号になり、ｃｏｓ信号３と掛算された入力信号はｃｏｓによる検出信号になる。入力信号のベクトル値は、ｓｉｎによる検出信号をＸ、ｃｏｓによる検出信号をＹとして式ルート（Ｘの二乗＋Ｙの二乗）から求められる。また、位相差は式アークタンジェント（Ｘ／Ｙ）から求められる。入力信号のベクトル値、位相差を求め利用することは、精度が要求される位置座標検出等にはとても有効な手段である。しかし、ベクトル値および位相の値を求めるための、二乗計算、ルート計算およびアークタンジェント計算のプログラムは複雑になり、プログラムのステップ数がとても多くなることで実行速度は数msecかかり遅くなる。そのため、スイッチ電極６のタッチスイッチ７の数が増えるほどタッチスイッチ７の実行速度は遅くなり、操作感に耐え切れないものになってしまう。スイッチ電極６のタッチスイッチ７のオン状態、オフ状態を検出するタッチスイッチ７においては、スイッチ電極６のタッチスイッチ７がオンになる閾値を基準にし、タッチスイッチ７のオン状態、オフ状態を検出でき、前記ベクトル値、位相差の変わりにＸとＹとの足し算のみの値でタッチスイッチ７の状態を判断することができる。ＸとＹとの足し算１４の計算のプログラムは数ステップで作成でき、実行速度も数μsecで済みとても早くなる。

図５に指１８とスイッチ電極６との関係を示す。図５の上図は指１８がスイッチ電極６のタッチスイッチ７より離れている場合である。人間の指１８がドライブ線およびスイッチ電極６のタッチスイッチ７より離れていても、指１８とドライブ線およびスイッチ電極６のタッチスイッチ７の間には静電容量は発生する。静電容量値が小さいためドライブ線に供給しているｓｉｎ信号の電圧は、そのままスイッチ電極６のタッチスイッチ７に伝わる。信号の電圧レベルは同じ程度のため、その後のハイパス・フィルタ８、増幅回路９、ローパス・フィルタ１０を介し、ｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３との掛算回路１１を通った信号は変化しない。

図５の下図は指１８がスイッチ電極６のタッチスイッチ７に近づく、または接触した場合である。人間の指１８とドライブ線およびスイッチ電極６のタッチスイッチ７の間に静電容量が発生し、電流ｉがドライブ線から指１８を介しスイッチ電極６のタッチスイッチ７に電流が流れ、ドライブ線に供給しているｓｉｎ信号２の電圧は、電流ｉが多く流れるため大きくなる。その後のハイパス・フィルタ８、増幅回路９、ローパス・フィルタ１０を介し、ｓｉｎ信号２、ｃｏｓ信号３との掛算回路１１を通った信号は大きくなり、得られる信号の大きさも大きくなる。
指１８がスイッチ電極６のタッチスイッチ７にふれていない時の電流ｉを前もって測定し、指１８がふれたときの電流ｉをスイッチ電極６のタッチスイッチ７がオン状態となる閾値とすることで、タッチスイッチとして動作する。

図６にｓｉｎ信号掛算波形図を示す。ａ・ｓｉｎαとｂ・ｓｉｎαを掛けると式は、（ａ・ｓｉｎα）・（ｂ・ｓｉｎα）＝（ａ・ｂ／２）−（ａ・ｂ・ｃｏｓ２α）／２となり、ａ・ｂ／２だけ加えられたところに２倍の周波数の半分になったｃｏｓ信号がある。これは十分低いローパス・フィルタ１２を通過するとｃｏｓ信号分が０となりａ・ｂ／２の定数のみになる。この式によりａ・ｓｉｎα以外のノイズ周波数が混入されてもノイズ周波数はカットされることでノイズ周波数による影響はなくなる。

１発信器
２ｓｉｎ信号
３ｃｏｓ信号
４増幅回路
５切替回路
６スイッチ電極
７タッチスイッチ
８ハイパス・フィルタ
９増幅回路
１０ローパス・フィルタ
１１掛算回路
１２ローパス・フィルタ
１３Ａ／Ｄ変換器
１４足し算
１５ＳＷ選択
１６制御装置
１７外部処理装置
１８指

Claims

絶縁体の表面に、導電性材料からなるドライブ線とスイッチ電極を複数配置し、それぞれのドライブ線とスイッチ電極からなるタッチスイッチであり、前記ドライブ線と前記スイッチ電極との静電容量を計測するために、発振器で生成されるｓｉｎ信号を、同期発振回路により互いに同期がとられたｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に変換し、前記ｓｉｎ信号を印加した前記ドライブ線と、電流・電圧変換回路に接続されたスイッチ電極との間に流れる電流を電圧信号に変換し、前記電流・電圧変換された電圧信号と前記ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号とを掛算回路により掛算し、前記掛算回路で得られた信号をローパス・フィルタ回路によりＤＣ信号化し、前記ＤＣ信号化された電圧を計測し、前記計測された電圧と、予め決めたタッチスイッチのオンおよびオフとなる閾値とする電圧とを比較し、演算処理する制御装置により、タッチスイッチのオン／オフ状態を判断する静電容量結合方式静電センサー。
請求項１記載のタッチスイッチにおいて、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号で検出されＤＣ信号化された信号を足し算することでタッチスイッチのオン、オフ状態を判断でき、動作速度を一定かつ短縮することを特徴とする静電容量結合方式静電センサー。