JPWO2019092953A1

JPWO2019092953A1 - 入力装置

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Publication number: JPWO2019092953A1
Application number: JP2019551893A
Authority: JP
Inventors: 伸一寒川井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2038-08-28
Also published as: CN111201582B; CN111201582A; JP7028886B2; US20200264716A1; WO2019092953A1; DE212018000330U1; US11366553B2

Abstract

一実施形態に係る入力装置（１００）は、基板（３）上に設けられた第１センサ電極（４）と、前記第１センサ電極（４）と対向して配置され、前記第１センサ電極（４）と容量結合した第２センサ電極（６）と、前記第１センサ電極（４）の静電容量に基づいて、前記第２センサ電極（６）への操作体の接近を検出する検出回路（５）と、を備える。

Description

本発明は、入力装置に関する。

従来、自己容量式のタッチセンサを備えた入力装置が知られている。自己容量式のタッチセンサは、操作体の接近を検出するためのセンサ電極を備え、センサ電極の静電容量の変化を利用して、センサ電極への操作体の接近を検出する。

特開２０１１−９６３６９号公報

上記従来の入力装置は、タッチセンサと、タッチセンサを収納する筐体と、を備え、タッチセンサの基板上に設けられたセンサ電極と、筐体上のセンシングエリアと、が対向するように、タッチセンサが配置された。このため、入力装置に要求されるセンシングエリアが広いほど、センサ電極が大きくなり、タッチセンサの基板の大型化や基板上のレイアウトの制限をもたらすという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、自己容量式のタッチセンサのセンサ電極を小型化することを目的とする。

一実施形態に係る入力装置は、基板上に設けられた第１センサ電極と、前記第１センサ電極と対向して配置され、前記第１センサ電極と容量結合した第２センサ電極と、前記第１センサ電極の静電容量に基づいて、前記第２センサ電極への操作体の接近を検出する検出回路と、を備える。

本発明の各実施形態によれば、自己容量式のタッチセンサのセンサ電極を小型化できる。

第１実施形態に係る入力装置の一例を示す斜視図。図１の入力装置のＡ−Ａ線断面図。検出回路の機能構成の一例を示す図。入力装置の動作の一例を示すフローチャート。入力装置の変形例を示す断面図。第２実施形態に係る入力装置の一例を示す斜視図。

以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る入力装置１００について、図１〜図５を参照して説明する。本実施形態に係る入力装置１００は、ユーザが操作体を接近させることにより所望の情報を入力するための入力装置であり、操作体の接近を検出する自己容量式のタッチセンサを備える。操作体は、ユーザが情報を入力するために利用する導電性の物体である。操作体は、例えば、指であるが、これに限られない。

まず、入力装置１００のハードウェア構成について説明する。図１は、本実施形態に係る入力装置１００の一例を示す斜視図である。図２は、図１の入力装置１００のＡ−Ａ線断面図である。

図１及び図２に示すように、入力装置１００は、筐体１と、支持体２と、基板３と、第１センサ電極４Ａ〜４Ｄと、検出回路５と、第２センサ電極６Ａ〜６Ｄと、を備える。基板３、第１センサ電極４Ａ〜４Ｄ、及び検出回路５は、タッチセンサ７を構成する。なお、図１の例では、他の構成が見やすくなるように、支持体２が省略されている。

以下、図１及び図２を基準として、入力装置１００における上下を説明するが、入力装置１００における上下はこれに限られない。また、第１センサ電極４Ａ〜４Ｄを区別しない場合、第１センサ電極４と称する。同様に、第２センサ電極６Ａ〜６Ｄを区別しない場合、第２センサ電極６と称する。

筐体１は、入力装置１００の外装であり、支持体２、基板３、第１センサ電極４、及び検出回路５を収納する。図１及び図２の例では、筐体１は、直方体形状を有し、筐体１の底板を構成する下筐体１１と、筐体１の側板及び天板を構成する上筐体１２と、に分割されている。筐体１は、下筐体１１及び上筐体１２を、嵌合、接着、圧着、溶接などの方法により一体化することで形成される。なお、筐体１の形状及び分割方法は、上記の例に限られない。

支持体２は、基板３を筐体１の天板と対向するように支持する任意の部品又は部分（例えば、筐体１と一体に形成された部分）である。図２の例では、支持体２は、筐体１の底板の上面に設けられているが、筐体１の側板や天板に設けられてもよい。また、図２の例では、支持体２は、直方体形状を有するが、基板３を支持可能な任意の形状に設計できる。

基板３は、リジッド基板やフレキシブル基板などのプリント基板であり、第１センサ電極４及び検出回路５と共に、タッチセンサ７を構成する。基板３は、筐体１の天板と対向するように支持体２に支持される。図示省略されているが、基板３の上面及び下面には、第１センサ電極４及び検出回路５を接続する配線パターンが形成されている。また、図１及び図２の例では、基板３の平面視形状は、矩形であるが、これに限られない。

第１センサ電極４は、第２センサ電極６への操作体の接近を検出するために、基板３の上面に設けられたセンサ電極であり、金属箔（銅箔など）、金属板、又はメッキにより形成される。第１センサ電極４は、基板３に設けられた配線パターンを介して、検出回路５と電気的に接続される。また、第１センサ電極４は、対応する第２センサ電極６と対向するように配置される。言い換えると、基板３は、対応する第１センサ電極４及び第２センサ電極６が対向するように、支持体２により支持される。なお、図１及び図２の例では、第１センサ電極４Ａは第２センサ電極６Ａと対応し、第１センサ電極４Ｂは第２センサ電極６Ｂと対応し、第１センサ電極４Ｃは第２センサ電極６Ｃと対応し、第１センサ電極４Ｄは第２センサ電極６Ｄと対応する。また、図１及び図２の例では、第１センサ電極４の平面視形状は、矩形であるが、これに限られない。また、入力装置１００は、第１センサ電極４を１つ以上備えればよい。

検出回路５は、第１センサ電極４の静電容量Ｃに基づいて、第２センサ電極６への操作体の接近を検出する回路である。検出回路５は、例えば、１つ又は複数のＩＣ（Integrated Circuit）であるが、これに限られない。検出回路５について詳しくは後述する。

第２センサ電極６は、操作体の接近を検出するセンシングエリアに対応するセンサ電極であり、筐体１の内面（天板の下面）に設けられ、金属箔（銅箔など）、金属板、又はメッキにより形成される。第２センサ電極６は、第１センサ電極４とは非接続であり、グラウンドにも接続されておらず、対応する第１センサ電極４と対向するように、第１センサ電極４と離間して配置される。

第２センサ電極６をこのように配置することにより、対応する第１センサ電極４と第２センサ電極６とが容量結合する。この結果、第２センサ電極６に操作体が接近すると、操作体が接近した第２センサ電極６に対応する第１センサ電極４の静電容量Ｃが変化する。このため、検出回路５は、静電容量Ｃに基づいて、第２センサ電極６への操作体の接近を検出できる。例えば、第２センサ電極６Ａに操作体が接近した場合、第２センサ電極６Ａに対応する第１センサ電極４Ａの静電容量Ｃａが変化するため、検出回路５は、静電容量Ｃａに基づいて、第２センサ電極６Ａへの操作体の接近を検出できる。

第２センサ電極６は、図１及び図２の例のように、第１センサ電極４より大きく形成されるのが好ましい。これにより、第１センサ電極４を大型化することなく、入力装置１００のセンシングエリアを大型化することができる。

なお、図１及び図２の例では、第２センサ電極６の平面視形状は、矩形であるが、これに限られない。また、入力装置１００は、第２センサ電極６を１つ以上備えればよい。また、対向する第１センサ電極４と第２センサ電極６との間の距離Ｌは、入力装置１００に要求される感度やタッチセンサ７の感度に応じて設計すればよい。距離Ｌは、入力装置１００に要求される感度が高いほど、小さく設計されるのが好ましい。また、距離Ｌは、タッチセンサ７の感度が高いほど、大きく設計することができる。

次に、検出回路５の機能構成について説明する。図３は、検出回路５の機能構成の一例を示す図である。図３に示すように、検出回路５は、計測部５１と、判定部５２と、を備える。

計測部５１は、基板３に設けられた配線パターンを介して、各第１センサ電極４と電気的に接続され、各第１センサ電極４の静電容量Ｃを計測する。静電容量Ｃの計測方法は、任意に選択可能である。計測部５１は、例えば、公知のＣＲ充放電時間を計測する回路、充電した電荷を既知のコンデンサに転送する回路、インピーダンスを測定する回路、発振回路を構成して発振周波数を計測する回路等を用いて構成される。計測部５１が計測した静電容量Ｃは、判定部５２に入力される。

判定部５２は、計測部５１から入力された静電容量Ｃに基づいて、操作体が第２センサ電極６のいずれに接近したか、又はいずれにも接近していないかを判定する。判定部５２は、ハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアにより実現されてもよい。後者の場合、判定部５２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、を備えたマイコンにより構成され、ＣＰＵがプログラムを実行することにより実現される。判定部５２による判定方法については後述する。

次に、入力装置１００の動作について説明する。図４は、入力装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、計測部５１が、各第１センサ電極４の静電容量Ｃをそれぞれ計測する（ステップＳ１０１）。これにより、第１センサ電極４Ａ〜４Ｄの静電容量Ｃａ〜Ｃｄが計測される。計測部５１は、計測により得られた静電容量Ｃを判定部５２に入力する。

次に、判定部５２が、計測部５１から入力された静電容量Ｃに基づいて、変化量ｃを算出する（ステップＳ１０２）。これにより、第１センサ電極４Ａ〜４Ｄの静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化量ｃａ〜ｃｄが算出される。変化量ｃは、静電容量Ｃの基準値と、計測部５１により計測された静電容量Ｃと、の差である。静電容量Ｃの基準値は、第１センサ電極４ごとに異なってもよいし、同一であってもよい。また、静電容量Ｃの基準値は、予め設定されていてもよいし、静電容量Ｃの履歴データに基づいて更新されてもよい。

次に、判定部５２は、算出した変化量ｃの中に閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃがあるか判定する（ステップＳ１０３）。閾値ｃｔｈは、操作体の接触を検出するために予め設定された変化量ｃの閾値である。閾値ｃｔｈは、第１センサ電極４ごとに異なってもよいし、共通であってもよい。

閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃがない場合（ステップＳ１０３のＮＯ）、すなわち、変化量ｃａ〜ｃｄがいずれも閾値ｃｔｈ未満である場合、判定部５２は、操作体がいずれも第２センサ電極にも接近していないと判定する（ステップＳ１０４）。

一方、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃがある場合（ステップＳ１０３のＮＯ）、判定部５２は、その変化量ｃが閾値ｃｔｈ以上である第１センサ電極４に対応する第２センサ電極６に操作体が接近したと判定する（ステップＳ１０５）。閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃが複数ある場合には、例えば、判定部５２は、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃの中で、その変化量ｃと閾値ｃｔｈとの差が最大である第１センサ電極４に対応する第２センサ電極６に操作体が接近したと判定すればよい。また、例えば、判定部５２は、変化量ｃが閾値ｃｔｈ以上である複数の第１センサ電極４にそれぞれ対応する複数の第２センサ電極６に操作体が接近したと判定してもよい。

ステップＳ１０４又はステップＳ１０５の終了後、判定部５２は、判定結果を出力する（ステップＳ１０６）。判定部５２が出力した判定結果は、検出回路５による操作体の接近の検出結果に相当し、検出回路５の後段に接続された信号処理装置などに入力される。

入力装置１００は、以上の動作を所定時間毎に実行することにより、第２センサ電極６に対する操作体の接近を検出する。

以上説明した通り、本実施形態によれば、第２センサ電極６を大きくすることにより、第１センサ電極４を大型化することなく、入力装置１００のセンシングエリアを大きくすることができる。言い換えると、所望のセンシングエリアを実現するために必要となる第１センサ電極４を小型化することができる。これにより、タッチセンサ７の基板３を小型化し、基板３上のレイアウトの自由度を向上させることができる。

また、基板３を支持体２を介して下筐体１１の所定の位置に配置し、第２センサ電極６を上筐体１２の所定の位置に配置することにより、下筐体１１と上筐体１２とを組み立てるだけで、対応する第１センサ電極４及び第２センサ電極６が所定の距離を隔てて対向するように、基板３を配置することができる。これにより、入力装置１００の組み立て性を向上させることができる。

ここで、図５は、本実施形態に係る入力装置１００の変形例を示す断面図である。図５の例では、第２センサ電極６が筐体１の外面（天板の上面）に設けられている。このような構成により、入力装置１００の外面に設けられた加飾メッキ（メッキにより形成された装飾）を、第２センサ電極６として利用することができる。また、操作体が第２センサ電極６に接触可能となる。操作体が第２センサ電極６に接触すると、第２センサ電極６が一定のグラウンド電位となるため、検出回路５は、操作体の接近（接触）を安定して検出可能となる。なお、車載製品のように、加飾メッキがグラウンドに接続されている場合、加飾メッキに操作体が接触しても、加飾メッキの静電容量が変化しないため、加飾メッキを第２センサ電極６として利用することができない。このような場合には、加飾メッキとグラウンドの間にダイオードを接続することにより、加飾メッキを第２センサ電極６として利用することができる。

なお、図４では、変化量ｃ及び閾値ｃｔｈを比較することにより、操作体の接近を判定する方法について説明したが、判定部５２による操作体の接近の判定方法は、これに限られない。例えば、判定部５２は、静電容量Ｃとその閾値とを比較することにより、操作体の接近を判定してもよいし、静電容量Ｃや変化量ｃの経時的なパターンに基づいて、操作体の接近を判定してもよい。判定部５２は、静電容量Ｃに基づく任意の判定方法を採用できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る入力装置１００について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る入力装置１００の一例を示す斜視図である。図６では、他の構成が見やすくなるように、支持体２が省略されている。図６に示すように、本実施形態に係る入力装置１００は、第３センサ電極８Ａ〜８Ｄを更に備える。本実施形態に係る入力装置１００の第３センサ電極８Ａ〜８Ｄを除く構成及び動作は、第１実施形態と同様である。以下、第３センサ電極８Ａ〜８Ｄを区別しない場合、第３センサ電極８と称する。

第３センサ電極８は、操作体の接近を検出するセンシングエリアに対応するセンサ電極であり、筐体１における、第２センサ電極６と同じ面に設けられ、金属箔（銅箔など）、金属板、又はメッキにより形成される。第３センサ電極８は、第２センサ電極６と同様に、第１センサ電極４とは非接続である。一方、第３センサ電極８は、金属箔（銅箔など）、金属板、又はメッキにより形成された配線により、対応する第２センサ電極６と電気的に接続されている。なお、図６の例では、第３センサ電極８Ａは第２センサ電極６Ａと対応し、第３センサ電極８Ｂは第２センサ電極６Ｂと対応し、第３センサ電極８Ｃは第２センサ電極６Ｃと対応し、第３センサ電極８Ｄは第２センサ電極６Ｄと対応する。また、図６の例では、第３センサ電極８の平面視形状は、矩形であるが、これに限られない。また、入力装置１００は、第３センサ電極８を１つ以上備えればよい。

このような構成により、第３センサ電極８が、第１センサ電極４に容量結合した第２センサ電極６と電気的に接続される。この結果、第３センサ電極８に操作体が接近すると、操作体が接近した第３センサ電極８に対応する第１センサ電極４の静電容量Ｃが、第２センサ電極６を介して変化する。したがって、検出回路５は、第１センサ電極４の静電容量Ｃに基づいて、第３センサ電極８への操作体の接近を検出できる。例えば、第３センサ電極８Ａに操作体が接近した場合、第３センサ電極８Ａに対応する第１センサ電極４Ａの静電容量Ｃａが、第２センサ電極６Ａを介して変化するため、検出回路５は、静電容量Ｃａに基づいて、第３センサ電極８Ａへの操作体の接近を検出することができる。

第３センサ電極８は、図６の例のように、第１センサ電極４より大きく形成されるのが好ましい。これにより、第１センサ電極４を大型化することなく、入力装置１００のセンシングエリアを大きくすることができる。

また、第３センサ電極８は、図６の例のように、第２センサ電極６より大きく形成されるのが好ましい。これにより、第３センサ電極８（センシングエリア）のレイアウトの自由度を向上させることができる。

また、第２センサ電極６は、図６の例のように、互いに近接して配置されるのが好ましい。これにより、第２センサ電極６へ操作体が接近した場合、各静電容量Ｃが略同様に変化するため、第２センサ電極６への操作体の接近と、第３センサ電極８への操作体の接近と、を容易に区別することができる。例えば、判定部５２は、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃが１つしかない場合には、その変化量ｃが閾値ｃｔｈ以上である第１センサ電極４に対応する第３センサ電極８に操作体が接近したと判定し、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃが複数ある場合には、第２センサ電極６に操作体が接近したと判定すればよい。また、例えば、判定部５２は、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃが１つ又は２つである場合には、その変化量ｃと閾値ｃｔｈとの差が最大である第１センサ電極４に対応する第３センサ電極８に操作体が接近したと判定し、閾値ｃｔｈ以上の変化量ｃが３つ以上ある場合には、第２センサ電極６に操作体が接近したと判定してもよい。結果として、第２センサ電極６への操作体の接近を、第３センサ電極８への操作体の接近として検出する誤検出を抑制することができる。

以上説明した通り、本実施形態によれば、第３センサ電極８を、第２センサ電極６と配線を介して接続可能な任意の位置に配置することができる。これにより、入力装置１００のセンシングエリアのレイアウトの自由度を向上させることができる。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

また、本国際出願は、２０１７年１１月１０日に出願した日本国特許出願第２０１７−２１７６７３号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

１：筐体
２：支持体
３：基板
４：第１センサ電極
５：検出回路
６：第２センサ電極
７：タッチセンサ
８：第３センサ電極
１１：下筐体
１２：上筐体
１００：入力装置

Claims

基板上に設けられた第１センサ電極と、
前記第１センサ電極と対向して配置され、前記第１センサ電極と容量結合した第２センサ電極と、
前記第１センサ電極の静電容量に基づいて、前記第２センサ電極への操作体の接近を検出する検出回路と、
を備える入力装置。
前記第２センサ電極は、前記第１センサ電極より大きい
請求項１に記載の入力装置。
前記第２センサ電極は、前記基板を収納する筐体に設けられる
請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
前記第２センサ電極は、前記筐体の内面に設けられる
請求項３に記載の入力装置。
前記第２センサ電極は、前記筐体の外面に設けられる
請求項３に記載の入力装置。
前記第２センサ電極は、メッキにより形成される
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の入力装置。
前記検出回路は、前記第１センサ電極の静電容量の変化量が閾値以上である場合、当該第１センサ電極と対向して配置された前記第２センサ電極に前記操作体が接近したと判定する
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の入力装置。
前記第２センサ電極と電気的に接続された第３センサ電極を更に備える
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の入力装置。
前記第３センサ電極は、前記第１センサ電極より大きい
請求項８に記載の入力装置。
前記第３センサ電極は、前記第２センサ電極より大きい
請求項８又は請求項９に記載の入力装置。
複数の前記第２センサ電極が近接して配置される
請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の入力装置。
前記検出回路は、前記第１センサ電極の静電容量の変化量が閾値以上である場合、当該第１センサ電極と対向して配置された前記第２センサ電極と電気的に接続された前記第３センサ電極に前記操作体が接近したと判定する
請求項８から請求項１１までのいずれか１項に記載の入力装置。