JP2014196933A - 静電容量式タッチセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
タッチセンサに関する。
いずれかの検出部に人体の近接があった場合には積分出力に変化が現れるので、第1動作
モードにおいて、この積分出力の値に基づいて、いずれかの検出部への人体の近接を検出
することができる。したがって、この検出では、複数の検出部の全てに対して所定の検出
周期に1度のみ、センサ回路に検出処理を行わせればよいので、待機期間中の省電力化を
図ることができる。
このように構成された本発明では、静電結合の総和が等しくなるように複数の検出部を領域を分割することにより、非近接時に積分出力をゼロ又は基準電圧にすることができるので、外部の影響を相殺しつつ、高感度な人体の近接の監視を行うことができる。
さらに、本発明では、前記複数の分割パターンが3個以上の場合に、第1動作モードを前記複数の分割パターンを順次変更して実行する。
このように構成された本発明では、検出部の同時押しを判定が可能となる。
パルス信号をそのまま印加する検出部(第1の領域)と、パルス信号の極性を反転させて印加する検出部(第2の領域)に同時に人体が近接した場合には、人体が近接した検出部は特定されない。すなわち、正極性のパルス信号を印加する検出部への人体近接による積分出力変化と、逆極性のパルス信号を印加する検出部への人体近接による積分出力変化が、極性の違いにより相殺されてしまう。このため、本発明では、積分出力がゼロの場合には、随時第1の領域と第2の領域の分割パターンが切り替えられる。このため、異領域に属する2つの検出部が同領域に属する場合に、人体近接による積分出力変化が発生し、検出部の同時押しを判定できる。つまり、使用者の操作エラーを検出することができるため、任意の報知手段によって操作エラーを使用者へ知らせることができる。
なお、前記複数の分割パターンは、機器や機能によって、検出精度を上げるためにパターン数を増やしてもよいし、検出速度を上げるために必要最低限のパターン数としてもよい。
このように構成された本発明では、最終的に近接検出部が1つに特定された場合に、この検出部に対して、個別にパルス信号を印加することにより、この検出部が近接検出部であることを確認することができる。また、人体の近接の後、人体の近接がなくなった際(例えば、指が離れる)に、この検出部が近接検出部でなくなったことを確認することができ、再び第1動作モード(待機モード)に戻ることができる。
このように構成された本発明では、第1動作モードにより待機状態で作動している間は、所定の検出周期毎(例えば、8Hz)に1回の検出処理を行えばよく、待機電力を大幅に低減することができる。さらに、待機モードから分別モード(第2動作モード)へ移行した後には、領域を分割して近接検出部を含む領域を順次に特定していくので、検出処理の回数を少なくすることができると共に、素早く近接検出部を特定することができる。このため、ユーザが指で検出部を瞬間的にタッチしたような場合であっても、確実に近接検出することができる。さらに、分別モードから確認モード(第3動作モード)へ移行して、近接検出部に対して人体の近接があることを及び人体の近接がなくなったことを検出することができる。
本実施形態は、温水洗浄便座用のリモコンにタッチセンサを適用した例である。図1に示すように、リモコン1は、複数のスイッチ2a−2hと、液晶表示部3を有している。
03,P04に電気配線を介して接続されている。また、受信電極21b,22b,23
b,24bは、電気的に互いに接続された状態で電気配線により検出回路30へ接続され
ている。制御部10の出力ポートから送信電極へパルス信号が送信されると、このパルス信号に基づく送信電極の電位変化により、対応する受信電極に電位変化が誘起される。これは、図2において、送信電極から受信電極への電気力線(破線)で表現されている。これにより、送信電極への送信信号の印加により、受信電極から誘導電圧出力が出力される。
本実施形態のタッチセンサは、第1動作モード(待機モード)、第2動作モード(分別モード又は絞込みモード)、第3動作モード(確認モード)で動作するように構成されている。
第1動作モードにおいて、図3に示すように、制御部10は、検出処理動作開始時の時間T0にリセット信号RSTを出力ポートP12から出力してアナログスイッチ41をオンにし、コンデンサ41の電位差をゼロリセットする。これにより、積分手段の出力(積分値)は、基準電圧源45の基準電圧Vrefとなる。
ている。第1出力モードでは、タイミング信号INTと同期した同じ周波数且つ同じ極性
の矩形パルス信号が出力される。第2出力モードでは、タイミング信号INTと同期した
同じ周波数ではあるが、逆極性の矩形波パルス信号が出力される。すなわち、第1出力モ
ードと第2出力モードでは、極性が逆のパルス信号が出力される。また、第3出力モード
では、固定電圧の信号が出力される。具体的には、パルス信号は、例えば、Hi電位レベ
ル(通常、回路の電源電圧であり、例えば、3V)とLo電位レベル(通常、接地電位の
0V)が4回切り替わるパルス出力であり、固定電圧をLo電位レベルと同じ(例えば、
0V)とすることができる。または、固定電圧をHi電位レベルとしてもよい。なお、パ
ルス信号の切り替わり回数は、1回以上であれば4回でなくても良いが、消費電力を過度
に増加してしまわない範囲で、ノイズ除去の観点から複数回が好ましい。
電極21,22,23,24では、制御部10の各出力ポートからパルス信号V1,V
2,V3,V4を送信電極21a,22a,23a,24aで受け、これにより、対応する受信電極21b,22b,23b,24bに電位変化が誘起される。
入力し、これにより、受信電極に正方向の電圧が誘起されるが、電極23,24では、送
信電極にLo電位レベルのパルスが入力するので、受信電極にはLo電位レベルに応じた
電圧が誘起される。しかしながら、4つの受信電極は電気的に接続されているので同電位
となり、電極20から検出回路30へある電位の受信信号(受信電極電圧)が出力される。
はLo電位レベルのパルスが入力され、電極23,24にはHi電位レベルのパルスが入
力するので、期間T1−T2と同じ大きさの受信信号が出力される。このように、ユーザ
がスイッチ(電極20)を操作しない状態(指等を近接又はタッチしない状態)では、タ
イミング信号INTのHiレベル期間とLoレベル期間における入力がバランスするので
、期間T1−T9まで一定の振幅の受信信号が出力される。
のとき、ユーザ操作がないので、増幅手段の出力はゼロ(信号としてはゼロだが、出力電
位は基準電圧Vref)となる。実際には、ノイズ成分等がふくまれるので増幅手段の出
力はわずかな値を有する。また、反転手段では、増幅手段の出力を基準電圧Vrefに対
して等振幅で反転させる。
体的には、タイミング信号INTがHiレベルのときに増幅手段の出力が入力され、Lo
レベルのときに反転手段の出力が入力される。例えば、期間T1−T2において、増幅手
段の出力が積分手段によって積分され、続く期間T2−T3において、反転手段の出力が
積分手段によって積分される。そして、期間T1−T3の積分動作が、期間T1−T9に
おいて合計4回繰り返される。図3では、この積分動作により、積分出力Vintが得ら
れる。
なお、積分出力Vintは、基準電圧Vrefを基準値として正負の値をとるものとし
て説明する。すなわち、積分出力Vintは、回路的には0Vを基準とした電位であるた
め、基準電圧Vref分のオフセットが加わっており、積分手段の出力信号として扱うに
は不適当である。つまり、Vintと基準電圧Vrefとの差[Vint−Vref]を
信号という意味の積分出力として扱うべきだが、説明が煩雑になるので、これをVint
として説明する。
去効果を有している。つまりノイズとなる信号の周波数が、期間T1−T3を1周期とす
る周波数に一致しなければ、期間T1−T2と期間T2−T3で積分量が相殺され、ノイ
ズは低減される。よって、期間T1−T3の動作だけで、ひとつのノイズ除去積分動作と
言うことができる。これにより、積分出力のS/N比を向上させることができる。
とノイズ除去性能が向上し、積分回数を多く設定する方が検出感度とS/N比にとって有
利であるため、積分回数に制限はない。
力をA/D変換する。なお、検出回路30に常時通電を行っていると消費電力の低減がで
きないため、図3のT0のタイミングで検出回路30の電源をオンし、A/D変換が終了
したT10のタイミングで電源をオフするように構成する。図3には示していないが、検
出回路30のOPアンプ33、36、39に制御部10から操作可能な電源スイッチを設
ければよい。判定手段としての制御部10は、A/D変換した積分出力(積分値)Vin
tを閾値と比較して、いずれかの電極21−24に対してユーザの指等の近接があったか
否かを判定する。本実施形態では、閾値として、基準電圧Vrefに対する正側の第1閾
値Vth1と負側の第2閾値Vth2が設定されており、これらの絶対値は同じ値Vth
である(Vth1=Vth、Vth2=−Vth)。
なお、第1閾値と第2閾値の絶対値を異ならせてもよい。
達していない(−Vth<Vint<Vth)。この場合、制御部10は、分割パターンを変更する。この例での変更後の分割パターンは、第1の領域が出力ポートP02,P03(電極22,23)となり、第2の領域が出力ポートP01,P04(電極21,24)となる。この領域の分割パターンは、図5に示すように、リモコン1では、第1の領域にスイッチ2b,2cがあり、第2の領域にスイッチ2a,2dがある。
電極21,22,23,24では、制御部10の各出力ポートからパルス信号V1,V
2,V3,V4を送信電極21a,22a,23a,24aで受け、これにより、対応する受信電極21b,22b,23b,24bに電位変化が誘起される。
受信信号が検出回路30に出力された後の処理については、図3で説明した内容と同じであるため、省略する。
したがって、本実施形態の待機モードでは、1回の検出周期当たりで1回の検出処理動
作を行うのみであり、すべての電極に対して個々に検出処理動作を行う場合と比べて、待
機時消費電力を大幅に低減することができる。
て説明する。
ユーザの指等がいずれかの電極に近接すると(この例では、ユーザは電極23をタッチ
する)、送信電極23aに入力したパルス信号V3により、受信電極23bに誘起される
はずの誘起電圧がほとんど誘起されなくなる。このため、電極23には実質的に送信信号
V3が入力されず、電極21,22に第1出力モードの送信信号V1,V2が入力され、
電極24に第2出力モードの送信信号V4が入力される状況と等しくなる。
号INTと同極性)で変動するものとなる。したがって、受信信号を反転増幅する増幅手
段は、タイミング信号INTと逆極性で変動する増幅信号を出力し、更にこれを等振幅で
反転する反転手段は、タイミング信号INTと同極性で変動する反転信号を出力する。
して交互に選択して積分し、積分出力Vintを入力ポートP20へ出力する。図6に示
すように、積分手段への入力信号は基準電圧Vrefに対して負の値を有し、積分手段が
これを反転して積分するので、積分出力Vintは、複数回の積分により基準電圧Vre
fに対して正の値となる。
なお、タイミング信号INTに対して同極性のパルス信号が入力した第1の領域の電極にユーザの指等が近接した場合は、積分出力Vintは基準電圧Vrefに対して負方向の値となる。
第1動作モードにおいて、制御部10がいずれかの電極へのユーザの指等の近接を判定すると、第1動作モードが終了し、第2動作モードへ移行する。
第2動作モードへ移行すると、制御部10は、ユーザの指等の近接があったと判定した領域(この例では第2の領域)の電極を更に第1の領域と第2の領域に分割する。領域の分割は、各電極の静電結合の総和が略等しくなるように行われる。この例では、対象の面積の等しい電極の総数が偶数(2個)であるので、第1の領域は電極23のみであり、第2の領域は電極24のみである。
なお、電極21,22への固定電圧信号は、積分出力に実質的に影響を与えない。
なお、この例では、1回の第2動作モードの実行により、指等の近接があった電極が1つに特定されたが、第2動作モードで特定された領域に複数の電極が含まれる場合は、更に第2動作モードを繰返し実行することにより、唯一の電極に絞り込む処理を行うことができる。
第3動作モードへ移行すると、制御部10は、ユーザの指等の近接を判定した電極(この例では、電極23)のみにパルス信号V3を入力し、特定されなかった他の電極には固定電圧の信号を入力する。
図9の例では、ユーザの指が近接している電極23には、タイミング信号INTと同極性のパルス信号V3が入力されているが、ユーザの指等の近接により、電極23にはパルス信号が実質的に入力していないものと見なせる。このため、図9の例では、すべての電極21−24に実質的に信号が入力していないものと見なせる。
達しない(−Vth<Vint<Vth)。これにより、制御部10は、パルス信号を入
力している電極23にユーザの指等が依然として近接していることを確認する。
パルス信号V3の入力に起因して、受信電圧は、図7で示したように変動した値となる。
これにより、積分出力Vintは、第1閾値Vth1以上の値となる。
制御部10は、第3動作モードにおいて、積分出力Vintが第1閾値又は第2閾値に
達していることを判定すると、ユーザの指等が電極から離れたものと判定する。この判定
により、第3動作モードが終了し、再び第1動作モード(待機モード)へ戻る。
図10では、第1動作モードの検出周期を期間T100で示している。本実施形態では、
検出周波数が8Hz(検出周期が125msec)である。このため、第1動作モードで
ユーザの指等の近接が検出されない場合は、検出周期当たり1回の検出動作のみが行われ
る。これは、電極20に含まれる電極の総数にかかわらず1回である。また、本実施形態
では、1回の検出動作に要する検出処理時間(T0−T10)は、例えば2msec程度
である。
したがって、ユーザ操作がない待機状態では、検出動作の頻度を少なくすることができ、その結果、ほとんどの時間において検出動作を行う必要がなくなるので、待機時消費電力を大幅に低減することができる。
電極の総数に応じて第2動作モードが複数回実行されるが、この例では、第2動作モードが1回のみ行われることにより、ユーザの指等が近接した電極が特定されるので、期間T103の終了後に、検出周期の残りの期間において第3動作モードの期間T104が開始される。
期間T102の開始から、検出周期(125msec)が経過する前に、期間T103及び期間T104が終了する。
第3動作モードの検出期間T106において、ユーザの指等が電極から離れると、検出期間の終了により、第3動作モードが終了し、次の検出期間では、再度、第1動作モードが繰り返される。
この動作フローは、8Hz毎に実行される。このため、制御部10は、前回の検出周期(125msec)が終了するのを待つ(ステップS1)。
次に、制御部10は、第1動作モードを実行するため、領域の分割として、タイミング信号INTと同極性のパルス信号(これを、動作フローにおいて「正パルス」と記載する)V1,V2を出力ポートP01,P02(第1の領域)から出力し、逆極性のパルス信号(これを、動作フローにおいて「負パルス」と記載する)V3,V4を出力ポートP03,P04(第2の領域)から出力する(ステップS2)。
制御部10は、積分出力Vintを受けると、積分出力Vintと閾値とを比較する(ステップS4)。
積分出力Vintが第1閾値Vth1と第2閾値Vth2のいずれにも達していない場
合(ステップS4;−Vth<Vint<Vth)、制御部10は、前回の検出周期(125msec)が終了するのを待つ(ステップS5)。次に、制御部10は、領域の分割として、タイミング信号INTと同極性のパルス信号V2,V3を出力ポートP02,P03(第1の領域)から出力し、逆極性のパルス信号V1,V4を出力ポートP01,P04(第2の領域)から出力する(ステップS6)。次いで、ステップS3と同様に積分処理等が実行され(ステップS7)、ステップS8へ移行する。
積分出力Vintが第1閾値Vth1と第2閾値Vth2のいずれにも達していない場合(ステップS8;−Vth<Vint<Vth)、制御部10は、いずれの電極もユーザによって操作されていないと判定して、今回の検出処理を終了する(ステップS9)。
次いで、ステップS3と同様に積分処理等が実行され(ステップS11)、ステップS12へ移行する。
次いで、ステップS3と同様に積分処理等が実行され(ステップS15)、ステップS16へ移行する。
積分出力Vintが第1閾値Vth1と第2閾値Vth2のいずれにも達していない場合(ステップS12;−Vth<Vint<Vth)、制御部10は、複数の電極が同時にユーザによってタッチされたものと見なして、同時押しエラー処理を行い(ステップS13)、今回の検出処理を終了する(ステップS9)。
なお、この同時押しエラー処理は、本実施形態のタッチセンサを適用する電子機器(例えばリモコン)において、同時押しエラーを光や音で使用者に知らせるものでも良いし、同時押しされている2つのスイッチの機能によって優先度の高い処理を実行してもよい。例えば、2つのスイッチが「止め」と「おしり洗浄」であった場合、「止め」機能を優先させてもよい。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極22に対してタイミング信号IN
Tと同極性のパルス信号V2を出力し、他の電極21、23、24には固定電圧の信号を出力する(ステップS23)。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極23に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V3を出力し、他の電極21,22,24には固定電圧の信号を
出力する(ステップS31)。
積分出力Vintが第1閾値Vth1と第2閾値Vth2のいずれにも達していない場合(ステップS16;−Vth<Vint<Vth)、制御部10は、複数の電極が同時にユーザによってタッチされたものと見なして、同時押しエラー処理を行い(ステップS13)、今回の検出処理を終了する(ステップS9)。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極21に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V1を出力し、他の電極22〜24には固定電圧の信号を出力する(ステップS21)。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極24に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V4を出力し、他の電極21〜23には固定電圧の信号を出力する(ステップS33)。
次いで、ステップS3と同様に積分処理等が実行され(ステップS18)、ステップS19へ移行する。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極22に対してタイミング信号IN
Tと同極性のパルス信号V1を出力し、他の電極22〜24には固定電圧の信号を出力する(ステップS21)。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極22に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V2を出力し、他の電極21,23,24には固定電圧の信号を出力する(ステップS23)。
次いで、ステップS3と同様に積分処理等が実行され(ステップS28)、ステップS29へ移行する。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極23に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V3を出力し、他の電極21、22、24には固定電圧の信号を出力する(ステップS31)。
制御部10は、確認モードにおいて、特定された電極24に対してタイミング信号INTと同極性のパルス信号V4を出力し、他の電極21〜23には固定電圧の信号を出力する(ステップS33)。
積分出力Vintが第1閾値Vth1に達していない場合(ステップS25;Vint<Vth)、制御部10は、特定した電極にユーザの指等が依然として近接又はタッチしている状態であると判定して、今回の検出期間が終了するのを待つ(ステップS26)。
一方、積分出力Vintが第1閾値Vth1以上である場合(ステップS25;Vint≧Vth)、制御部10は、特定した電極からユーザの指等が離れたと判定して、処理を終了してステップS1の第1動作モードに戻る。
図13A−Cにおいて、本実施形態の静電容量式スイッチ2つを、操作者により上下もしくは左右に同時押しされた場合を検出するための分割パターンを説明する。
10 制御部
20 電極(検出部)
30 処理回路
Claims (7)
- 所定周波数のパルス信号を出力するパルス出力手段と、
互いに近接して配置され静電結合された送信電極及び受信電極を有し、前記送信電極に前記パルス信号が印加されることにより前記受信電極が誘導電圧出力を出力するように構成された検出部と、
前記受信電極から受けた誘導電圧出力を増幅して増幅出力を出力する増幅手段と、
前記増幅手段から受けた増幅出力の極性を反転させて反転出力を出力する反転手段と、
前記増幅出力及び前記反転出力を、前記パルス信号に同期して交互に選択して積分し積分出力を出力する積分手段と、
前記積分手段から受けた積分出力に基づいて、前記検出部への人体の近接を判定する判定手段と、を備えた静電容量式タッチセンサにおいて、
前記検出部を複数有し、
前記複数の検出部を構成する複数の受信電極は、互いに電気的に接続されており、
前記パルス出力手段は、前記複数の検出部を構成する複数の送信電極の各々に対して、前記パルス信号を印加する第1出力モードと、前記パルス信号の極性を反転させた反転パルス信号を印加する第2出力モードとを備え、
前記静電容量式タッチセンサは、前記複数の検出部のいずれかに人体が近接したことを検出する第1動作モードを備えており、この第1動作モードにおいて、
前記パルス出力手段は、前記複数の検出部を第1の領域と第2の領域とに分割し、前記第1の領域に属する検出部の送信電極へ前記第1出力モードで前記パルス信号を印加し、前記第2の領域に属する検出部の送信電極へ前記第2出力モードで前記反転パルス信号を印加し、
前記積分手段は、前記増幅出力及び前記反転出力を、前記パルス信号及び前記反転パルス信号に同期して交互に選択して積分し積分出力を算出し、
前記判定手段は、前記積分出力が、基準値に対して正側の第1閾値以上又は負側の第2閾値以下である場合、前記複数の検出部のいずれかに人体の近接があったと判定し、前記積分出力が、前記第1閾値より小さく且つ前記第2閾値よりも大きい場合、前記複数の検出部のいずれにも人体の近接がないと判断することを特徴とする静電容量式タッチセンサ。 - 前記第1動作モードにおいて、前記第1の領域に属する検出部の送信電極と受信電極の静電結合の総和と、前記第2の領域に属する検出部の送信電極と受信電極の静電結合の総和が、略等しくなるように領域を分割することを特徴とする請求項1に記載の静電容量式タッチセンサ。
- 前記複数の検出部が3個以上の場合に、前記複数の検出部を第1の領域と第2の領域の2つの領域に分割する組合せを変えた複数の分割パターンを備え、前記複数の分割パターンの中のいずれかひとつの分割パターンを選択した状態で、前記第1動作モードを実行し、前記積分出力が、前記第1閾値より小さく且つ前記第2閾値よりも大きい場合に、次回の前記第1の動作モードの実行時は、前回に選択された前記分割パターンと異なる分割パターンに変更することを特徴とする請求項1又は2に記載の静電容量式タッチセンサ。
- 前記複数の分割パターンが3個以上の場合に、第1動作モードを前記複数の分割パターンを順次変更して実行することを特徴とする請求項3に記載の静電容量式タッチセンサ。
- 前記第1動作モードにおいて、前記積分出力が、前記第1閾値以上又は前記第2閾値以下であるときに第2動作モードに移行し、この第2動作モードにおいて、
前記判定手段は、前記積分出力が前記第1閾値以上であるか前記第2閾値以下であるかに応じて、人体の近接がある検出部がいずれの領域に含まれるかを判定し、
前記パルス出力手段は、人体の近接がある検出部が含まれると判定された判定領域の検出部を更に第2動作モードにおける第1の領域と第2の領域に分割し、前記第2動作モードにおける第1の領域に属する検出部の送信電極へ前記第1出力モードで前記パルス信号を印加し、前記第2動作モードにおける第2の領域に属する検出部の送信電極へ前記第2出力モードで前記反転パルス信号を印加し、
前記パルス出力手段は、人体の近接がある検出部が含まれると判定されなかった非判定領域の検出部の送信電極には固定電圧を印加する第3出力モードで固定電圧を印加し、
前記積分手段は、前記積分出力を算出し、
前記判定手段は、前記積分出力に基づいて、人体の近接がある検出部が前記第2動作モードにおける第1の領域と第2の領域のいずれに含まれるかを判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の静電容量式タッチセンサ。 - 第3動作モードをさらに備え、この第3動作モードにおいて、
前記パルス出力手段は、前記複数の検出部のうちの1つの検出部の送信電極に前記パルス信号を印加し、他の検出部の送信電極に固定電圧を印加し、
前記積分手段は、積分出力を算出し、
前記判定手段は、前記積分出力に基づいて、前記1つの検出部に人体の近接があるか否かを判定することを特徴とする請求項1又は2、4のいずれか1項に記載の静電容量式タッチセンサ。 - 前記第1動作モードにおいて、前記積分出力が前記第1閾値以上又は前記第2閾値以下になったときに、前記第2動作モードへ移行し、
前記第2動作モードにおいて、人体の近接がある検出部が1つに特定された場合に、前記第3動作モードに移行することを特徴とする請求項6に記載の静電容量式タッチセンサ。
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