JP6895209B2 - 静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法 - Google Patents

Description

本発明は静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法に関し、特にＬＥＤバックライトを有する静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法に関する。

家電機器、ＡＶ機器、ＰＣ／ＯＡ機器、産業機械、その他の電子デバイスにおいて、各機器への入力手段の１つとして静電容量方式のタッチスイッチモジュールが使用されている。この静電容量方式のタッチスイッチモジュールは、スイッチとなる複数のセンサー電極を有するタッチスイッチパネルにおいて、センサー電極の静電容量の変化量を数値化し、その数値が予め決められた閾値をこえるときに指が接触したと判定するマイコンに接続されている。

また、タッチスイッチモジュールのスイッチが動作したことをより明確に示すために、センサー電極の背面に発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）バックライトを搭載することが多い。このＬＥＤバックライトの数が多くなると、これらのＬＥＤを駆動することにより夕ッチスイッチに影響を与えることがある。

従来、複数のＬＥＤを駆動するために必要とされる力率改善制御および定電流制御を両立できるコンバーターを備えたＬＥＤ点灯装置が知られている（特許文献１）。また、ＬＥＤ点灯装置における電磁ノイズを低減しＥＭＩの発生を抑止できるＬＥＤ照明装置が知られている（特許文献２）。

特開２０１５−８４６１６号公報 特開２０１３−６２０３２号公報

しかしながら、ＬＥＤを用いた照明装置と、センサー電極の静電容量の変化量を測定する静電容量方式のタッチスイッチモジュールとは、ＬＥＤの点灯または消灯に伴う電磁誘導などが大きく影響するため、技術的に異なる分野である。
また、ＬＥＤの点灯または照明装置に比較して、静電容量方式のタッチスイッチモジュールは、モジュールの入力電流に占めるＬＥＤ電流の割合が高くなる傾向にある。特に、ＬＥＤバックライトの数が多くなると、モジュールへの入力電流の大半がＬＥＤ駆動電流となる。このため、ＬＥＤ駆動により電気的変化が生じ、タッチスイッチがＬＥＤ駆動に伴う電気的変化を検出してしまい誤動作する場合がある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ＬＥＤバックライトを搭載する静電容量タッチスイッチモジュールにおいて、バックライトの駆動がタッチスイッチの感度に影響を与えにくい静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法の提供を目的とする。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールの点灯方法は、複数のＬＥＤバックライトが搭載されている基板の上方に静電容量タッチスイッチパネルが配置され、上記ＬＥＤバックライトがパルス変調方式で駆動されている静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法であって、上記ＬＥＤバックライトの駆動により発生する電気的ノイズを以下の２つの方法の少なくとも１つの方法により抑えることを特徴とする。
（１）上記パルス変調方式におけるパルス波形のＯＮ／ＯＦＦタイミングを上記複数の発光ダイオードバックライト同時ではなく相互に分散させる。
（２）上記パルス変調方式におけるパルス波形の立上りおよび立下りの少なくとも１つに要する時間を長くする。ここで、ＬＥＤバックライトが搭載されている基板の上方とは、静電容量タッチスイッチをタッチ操作する者側の方向をいう。

上記電気的ノイズの抑制がトランジスタのスイッチング制御によるか、またはオペアンプ制御によることを特徴とする。
また、上記複数の発光ダイオードバックライトが上記静電容量タッチスイッチパネルの複数のタッチスイッチの下部にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法は、複数のＬＥＤバックライト駆動により発生する電気的ノイズを、パルス波形のＯＮ／ＯＦＦタイミングを相互に分散させる、および／または、パルス波形の立上りおよび立下りの少なくとも１つに要する時間を長くすることにより、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ駆動によるタッチスイッチヘの誘導ノイズが低減できるので、静電容量タッチスイッチにおける検出感度を向上でき、誤認識率を低下させることができる。
（２）ＬＥＤ駆動による電源の変動を抑えられるため、検出するマイコン等のコントロール部が安定化し、誤認識率を低下させることができる。
（３）モジュール自身より発生するノイズが減るため、静電容量タッチスイッチモジュールが受けるノイズに対してもＥＭＣ耐性が上がる。
（４）タッチスイッチの動作マージンが増えるので、製造工程および市場での動作不良が減る。

静電容量タッチスイッチモジュールを示す図である。 パネルの配線網とＬＥＤ基板の電気的関連を示す図である。 パルス波形とノイズとの関係を示す図である。 複数のＬＥＤを点灯させる場合の波形について示す図である。 スイッチング素子（トランジスタ）の回路図を示す図である。 誘導結合とパルス波形の関係を示す図である。 容量結合とパルス波形の関係を示す図である。 オペアンプ制御を示す回路図である。 ノイズ対策例２および３を実施した場合の誘導結合の結果を示す図である。 ノイズ対策例２および３を実施した場合の容量結合の結果を示す図である。

実施例として、本発明の静電容量タッチスイッチモジュールの一例を図１に示す。図１（ａ）は斜視図を、図１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。図１に示す静電容量タッチスイッチモジュール１は、タッチスイッチパネル２とＬＥＤバックライトおよびタッチスイッチコントロール基板（以下、ＬＥＤバックライト基板という）３とから構成されている。
タッチスイッチパネル２は、ガラス等の透光性カバー２ａの裏面にセンサー電極およびスイッチデザイン４（以下、センサー電極という）を印刷またはレーザートリミング等で施し、このセンサー電極４はタッチスイッチコントロール配線網９に接続されている。ＬＥＤバックライト基板３は、センサー電極４に対応した複数のＬＥＤバックライト６が搭載されているプリント基板（ＰＣＢ）５から構成され、プリント基板５にはＬＥＤバックライトおよびタッチスイッチコントロール部（以下、コントロール部という）７が実装されている。タッチスイッチパネル２とＬＥＤバックライト基板３とはＦＰＣ等の接続部８により接続されている。コントロール部７において、ＬＥＤバックライト６はパルス変調方式で駆動される。ここで、パルス変調方式による駆動とはパルス幅変調がされたパルス波形により駆動されることをいう。

上記構成の静電容量タッチスイッチモジュール１において、カバー２ａの表面を指で触れると、センサー電極４と指との間で静電結合が起きて電極の静電容量が変化する。センサー電極４はスイッチデザインに対応した複数位置に分けて設けられ、各センサー電極４は配線網９と接続部８でＬＥＤバックライト基板３とそれぞれ接続される。センサー電極４における静電容量の変化量がＬＥＤバックライト基板３で数値化され、その数値が予め決められた閾値をこえるときに指が接触したと判定される。これにより静電容量タッチスイッチモジュール１は、いずれのセンサー電極４の静電容量が変化したかを検知でき、指がいずれのタッチスイッチ部分に触れたかを検出できる。

静電容量タッチスイッチモジュール１には、タッチスイッチパネル２のセンサー電極４（スイッチデザイン）が動作したことをより明確に示すためにＬＥＤバックライト基板３が搭載されている。静電容量タッチスイッチをタッチ操作する者側の方向からみて、タッチスイッチパネル２、ＬＥＤバックライト基板３の順に配置されている。センサー電極４４が触れられるとＬＥＤバックライト６が点灯／消灯／輝度変化／点滅等を行ないスイッチが押されたことを表示する。また、ＬＥＤバックライト基板３に搭載されているＬＥＤバックライト６を駆動するための電流は、タッチスイッチパネルを制御するための電流よりも大きい。特にＬＥＤバックライト６が多く搭載される場合、モジュールの入力電流に占めるＬＥＤ電流の割合が高くなる傾向にあり、大半がＬＥＤ駆動電流となる。

静電容量タッチスイッチモジュール１における、タッチスイッチパネル２のタッチスイッチコントロール配線網９と、ＬＥＤバックライト基板３のコントロール部７との関係を図２に示す。図２は、配線網９とコントロール部７との電気的関連を示す図である。
ＬＥＤバックライト６を点灯／消灯／輝度変化／点滅等させるパルス波形がＯＮ／ＯＦＦすると電流の変動ΔＩが発生する。電流が流れることで電圧の変動ΔＶも発生する。タッチスイッチパネル２の配線網９とＬＥＤバックライト基板３のコントロール部７との間には、キャパシタンスＣによる容量結合、およびインダクタンスＬによる誘導結合がある。この容量結合はキャパシタンスＣを、誘導結合はインダクタンスＬをそれぞれ小さくすれば小さくできる。
タッチスイッチパネル２とＬＥＤバックライト基板３との距離を離すことにより、容量結合および誘導結合を小さくすることは可能であるが、タッチスイッチパネル２の下にＬＥＤバックライト基板３およびＬＥＤバックライト６を配置しなければならなくなる。また、厚さ制限などから、図１に示すタッチスイッチパネル２とＬＥＤバックライト基板３との間隔を狭くせざるを得ず、近年の静電容量タッチスイッチモジュール１にとって容量結合および誘導結合を小さくすることは困難な場合が多い。

誘導結合は、図２に示すように、ＬＥＤバックライト基板３のコントロール部７にパルス波形の電流が流れ、この電流変動ΔＩにより、タッチスイッチパネル２の配線網９に誘導電圧ｅが誘導される現象をいう。誘導電圧ｅはインダクタンスＬと（ΔＩ／Δｔ）との積に比例する。Δｔはパルス波形におけるターンオン／ターンオフに要する時間である。すなわち、パルス波形の立上りおよび／または立下りに要する時間である。インダクタンスＬは組み立てられたモジュールの構造により定まるので、誘導電圧ｅは単位時間当たりの電流変化（＝ΔＩ／Δｔ）に比例する。それ故、誘導電圧ｅはΔＩを小さくΔｔを大きくすれば小さくできる。

容量結合は、図２に示すように、ＬＥＤバックライト基板３のコントロール部７にパルス波形の電流が流れ、この電流変動ΔＩによって生じる電圧変動ΔＶにより、タッチスイッチパネル２の配線網９に誘導電圧Ｖが誘導される現象をいう。誘導電圧ＶはキャパシタンスＣと（ΔＶ／Δｔ）との積に比例する。Δｔはパルス波形におけるターンオン／ターンオフに要する時間である。すなわち、パルス波形の立上りおよび／または立下りに要する時間である。キャパシタンスＣは組み立てられたモジュールの構造により定まるので、誘導電圧Ｖは単位時間当たりの電圧変化（＝ΔＶ／Δｔ）に比例する。それ故、誘導電圧ＶはΔＶを小さくΔｔを大きくすれば誘導電圧Ｖを小さくできる。

上記誘導電圧Ｖおよび誘導電圧ｅはＬＥＤバックライトの駆動により発生する電気的ノイズとなる。このノイズは複数のＬＥＤを点灯させるときに発生しやすい。パルス波形とノイズとの関係を図３に示す。図３（ａ）はパルス波形を、図３（ｂ）は周波数に対するノイズレベルを示す。
ノイズレベルは、図３（ｂ）においてＣで表すＡ（＝ΔＶまたはΔＡ）の値を下げることにより小さくできる。本発明は、パルス変調方式におけるパルス波形のＯＮ／ＯＦＦタイミングを複数の発光ＬＥＤバックライト同時ではなく相互に分散させることでこのＡの値を下げることができ、ノイズレベルを下げることができる。また、図３（ｂ）においてＤで表すように、Δｔを長くすることにより、ノイズ周波数を下げることができる。周波数が高いほど放射されやすいノイズの原因を抑えることができる。

複数のＬＥＤを点灯させる場合の波形について図４に示す。図４（ａ）はＬＥＤを同時に点灯させる場合の波形を、図４（ｂ）はＬＥＤ点灯タイミングをずらす場合の波形を、図４（ｃ）はさらにそれぞれのΔｔを制御する場合の波形をそれぞれ示す。また、（ａ）〜（ｃ）において、図面左側に個々のＬＥＤ波形を、図面右側に全体の波形を、時間軸の上側にＬＥＤ電流変化を、下側にＬＥＤ電圧変化をそれぞれ示す。
従来例のように、複数のＬＥＤを同時に点灯させる場合（図４（ａ））、個々の電流波形のピークが重なる。同時に電圧降下が重なる。その結果、全体としての波形は電流波形のピークが大きくなり、同時に電圧降下が大きくなり、ノイズが大きくなる。

複数のＬＥＤを同時に点灯させる場合に対して、ＬＥＤ点灯タイミングをずらす場合（図４（ｂ））、電流波形のピークと電圧降下とがずれることになる。ピークが全体波形に埋もれることになる。全体波形としては電流増加の傾きが緩やかになりノイズが減少する。同様に電圧降下が分散することでノイズが減少する。

上記図４（ｂ）の効果に対して、さらにそれぞれのΔｔを制御する場合（図４（ｃ））、個々の波形にピークがなく、電圧降下も少なくなることに加えて、Δｔを制御することにより、タッチスイッチ制御に影響を与えにくい周波数に調整することが可能となる。また、電圧降下がより分散する。その結果、ノイズをさらに低減できる。

タッチスイッチパネル２には複数のタッチスイッチとなるセンサー電極４が配置され、この複数のセンサー電極４にそれぞれ対応してＬＥＤバックライト基板３上にバックライト６が配置されている。ここで、ＬＥＤバックライト１個当たりΔＩの電流変動およびΔＶの電圧変動が発生するので、ｎ個のＬＥＤバックライトが搭載され、ｎ個同時に点灯した場合、電流および電圧変動はｎ倍となる。例えば１６個のＬＥＤバックライトを同時に点灯した場合、１６×ΔＩ、１６×ΔＶの変動が発生する。すなわち、誘導結合により１６×（ΔＩ／Δｔ）に比例した誘導電圧ｅが、容量結合により１６×（ΔＶ／Δｔ）に比例した誘導電圧Ｖがタッチスイッチパネル２の配線網９に発生する。これらの誘導電圧Ｖおよび誘導電圧ｅは、電気的ノイズとなりタッチスイッチパネル２の検出感度を低下させる。

ＬＥＤバックライトの駆動により発生する電気的ノイズを抑える方法の１つとして、上述したように、パルス波形のＯＮ／ＯＦＦタイミングをスイッチング素子（トランジスタ）を用いて、１６個のＬＥＤバックライト同時ではなく相互に分散させる方法がある。この方法を対策例１として、図５〜図７により説明する。図５はスイッチング素子（トランジスタ）の回路図を、図６は誘導結合とパルス波形の関係を、図７は容量結合とパルス波形の関係をそれぞれ示す。なお、図６および図７において、Δｔは拡大して表記してある。

図５に示すトランジスタを用いたスイッチング素子において、点灯周期Ｔを１０ｍｓおよびデューティを７０％にて、１６個のＬＥＤバックライトを駆動した。トランジスタのターンオン／ターンオフに要する時間であるΔｔは点灯周期に比較して、極めて短い。例えば点灯周期１０ｍｓに対してΔｔを１００ｎｓとすると、Δｔ／Ｔは０．００１％であり、１６×Δｔ／Ｔとしても０．０１６％である。以上の結果、ＬＥＤを分散点灯させる方法として、点灯タイミングを順次ずらした場合であっても、見た目の影響は無視できる。

図６および図７は、１６個のＬＥＤバックライトを同時に点灯させるときのパルス波形を「通常点灯」として左側に、ノイズ対策１のパルス波形を「ノイズ対策例１」として右側にそれぞれ示す。図６は誘導結合、図７は容量結合の結果をそれぞれ示す。
ノイズ対策例１は、トランジスタのターンオン／ターンオフタイミングを順にΔｔずらした例である。すなわちＬＥＤの点灯開始時間をＬＥＤ０１→Δｔ→ＬＥＤ０２→・・・Δｔ→ＬＥＤ１６としたものである。

ノイズ対策例１の結果、ＬＥＤバックライト点灯に伴う誘導電圧ｅの発生を１／１６に低減できる（図６）。これは誘導電圧ｅがインダクタンスＬと（ΔＩ／Δｔ）との積に比例するためである。同様に、ＬＥＤバックライト点灯に伴う誘導電圧Ｖの発生を１／１６に低減できる（図７）。これは誘導電圧ＶがキャパシタンスＣと（ΔＶ／Δｔ）との積に比例するためである。

図８はオペアンプ制御を示す回路図である。図８は、オペアンプ回路のマイナス（−）端子と出力端子を接続した負帰還回路を有するボルテージフォロア回路を導入したオペアンプ回路の例である。オペアンプボルテージフォロア回路により、トランジスタ素子のターンオン／ターンオフに要する時間を調整できる。すなわち、Δｔを長くして、ｎ倍のΔｔ’とすることができる。また、ボルテージフォロア回路はオペアンプのプラス（＋）端子に入力される波形と相似の電流波形になり、入力波形のターンオン／ターンオフに要する時間がΔｔ’ならば電流波形のターンオン／ターンオフに要する時間もΔｔ’となる。なお、例えば点灯周期１０ｍｓに対してΔｔ’がΔｔの４倍の４００ｎｓになったとしても、１６×Δｔ’／Ｔは０．０６４％であり、ターンオン／ターンオフに要する時間を長くしても、その見た目の影響は無視できる。

オペアンプ制御を用いたノイズ対策例２およびノイズ対策例３について、図９および図１０に示す。図９はノイズ対策例２および３を実施した場合の誘導結合の結果を、図１０はノイズ対策例２および３を実施した場合の容量結合の結果をそれぞれ示す。
ノイズ対策例２は、トランジスタ素子のターンオン／ターンオフに要する時間をΔｔの４倍であるΔｔ’に長くする対策例である。ノイズ対策例３は、トランジスタ素子のターンオン／ターンオフに要する時間をΔｔ’にすると共に、ターンオン／ターンオフタイミングをΔｔ’ずらす対策例である。ＬＥＤバックライトの数、点灯周期Ｔおよびデューティはノイズ対策例１と同じである。

ノイズ対策例２の結果、ＬＥＤバックライト点灯に伴う誘導電圧ｅおよび誘導電圧Ｖの発生をそれぞれ１／４に低減できる（図９および図１０）。
ノイズ対策例３の結果、ＬＥＤバックライト点灯に伴う誘導電圧ｅおよび誘導電圧Ｖの発生をそれぞれ１／６４に低減できる（図９および図１０）。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法は、ＬＥＤバックライト駆動により発生する電気的ノイズを低減できるので、検出感度に優れる。その結果、ＬＥＤバックライトを備えた静電容量タッチスイッチモジュール全般に利用できる。

１ 静電容量タッチスイッチモジュール
２ タッチスイッチパネル
３ ＬＥＤバックライトおよびタッチスイッチコントロール基板
４ センサー電極およびスイッチデザイン
５ プリント基板
６ ＬＥＤバックライト
７ ＬＥＤバックライトおよびタッチスイッチコントロール部
８ 接続部
９ タッチスイッチコントロール配線網

Claims (1)

1. 複数の発光ダイオードバックライトが搭載されている基板の上方に静電容量タッチスイッチパネルが配置され、前記発光ダイオードバックライトがパルス変調方式で駆動されている静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法であって、
   前記複数の発光ダイオードバックライトが前記静電容量タッチスイッチパネルの複数のタッチスイッチの下部にそれぞれ配置されており、
   前記発光ダイオードバックライトの駆動により発生する電気的ノイズを以下の方法により抑えることを特徴とする静電容量タッチスイッチモジュールのバックライト点灯方法、
   トランジスタのスイッチング制御により、前記パルス変調方式におけるパルス波形のＯＮ／ＯＦＦタイミングを前記複数の発光ダイオードバックライト同時ではなく相互に分散させ、かつ、オペアンプ制御により、前記パルス変調方式におけるパルス波形の立上りおよび立下りの少なくとも１つに要する時間を長くする。

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