JP2016012237A - 非接触ｉｃカードのリーダ／ライタを備えた静電容量結合方式スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】タッチスイッチのスイッチ部と非接触ＩＣカードのアンテナとを重畳し、装置全体を小型化しながら、アンテナの性能をタッチスイッチが棄損することがないような、静電容量方式のタッチスイッチを提供する【解決手段】非接触ＩＣカードのリーダ／ライタのアンテナからの出力を停止し、タッチスイッチのグランド線を接地し、指やタッチペンといった入力物体による入力を検出するタッチスイッチモードと、非接触ＩＣカードのリーダ／ライタのアンテナからの出力を行い、タッチスイッチのグランド線を浮遊状態にし、静電容量スイッチ電極を全て浮遊状態にする非接触ＩＣカードモードとを、少なくとも１回以上ずつ行う動作を交互に繰り返す。【選択図】図５

Description

本発明は、非接触ＩＣカードと通信するためのアンテナを備え、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。

従来、非接触ＩＣカードのリーダ／ライタ及びアンテナを有する通信機器に、指で操作するテンキーなどのスイッチを組み込む場合は、機械式のスイッチが用いられていた。しかし、機器の薄型化、デザイン上の自由度の拡大等の要求に応じて、機械式のスイッチの代わりに、タッチスイッチが用いられるようになっている。
タッチ入力の手段としては、例えば、抵抗膜方式のタッチパネルが知られている。抵抗膜方式のタッチパネルは、空隙を開けて配置したフィルムの、向かい合ったそれぞれの面に導通性の薄膜を貼り、使用者が特定の位置を押したとき、フィルム上の導通性薄膜が互いに接して電気が通ることに基づいて、使用者がタッチした位置を検出するものである。

従来、前記非接触ＩＣカードのリーダ／ライタ及びアンテナを有する通信機器にタッチスイッチを組み込む場合は、前記の抵抗膜方式のタッチパネルが一般的に使用されている。タッチパネル上に、１個以上のスイッチに対応する領域を定め、それらの領域内にタッチされたと検出したら、対応するスイッチが入力されたと認識する。
透明なタッチパネルを使用し、タッチパネルの下に液晶表示装置を配置すれば、スイッチ面の表示を、稼働中に自由に変えられる等の利点もある。

しかし、抵抗膜方式を使用する場合は、タッチ検出が、指の押圧によるフィルムの変形に基づくため、指が直接抵抗膜方式のタッチパネルに触れられるよう、タッチパネルを、組み込む機器の最表面に配置する必要がある。このため、抵抗膜方式のタッチパネルは、破損しやすい。タッチパネルが破損すると、スイッチの入力の誤動作が起きやすくなり、スイッチとしての耐久性が劣ることになる。また、屋外で使用される場合は、紫外線が直接抵抗膜方式のタッチパネルに当たるため、タッチパネルの変形、変色、劣化等が考えられ、耐候性が劣ってしまう。

また、抵抗膜方式のタッチパネルを機器の最表面に配しなければならないということと、一般的にタッチパネルの入力領域の外側に配置される通信線を隠すために、縁スペースをタッチ部の周囲に設ける必要があることから、タッチパネル周りのデザインは制約を受ける。

これらに対し、前記非接触ＩＣカードのリーダ／ライタ及びアンテナを有する通信機器に、静電容量方式のタッチスイッチを使用すれば、タッチスイッチを、機器の最表面に露出させる必要がない。タッチスイッチを、非導電性の樹脂等のカバーの裏側に配することができるため、前記の耐久性、耐候性、縁スペースの問題を解消することができる。従来の静電容量方式のタッチスイッチの技術としては、例えば、特許文献１記載のものが挙げられる。

図１を用いて、静電容量方式のスイッチの構成について説明する。静電容量結合方式のタッチスイッチは、スイッチ部１と制御基板２とから構成される。スイッチ部１は、スイッチ電極を形成したスイッチ電極フィルムを、ガラス、もしくはアクリルのような樹脂等の絶縁基材５の、タッチする面と反対側に、両面テープ等を含む接着剤６を用いて貼り合わせたもので構成される。スイッチ電極フィルムは、通常、フィルム（一般的には、ポリエチレンテレフタラートフィルム：ＰＥＴフィルムが使用される）の表面に、スイッチ電極３、及び、スイッチ電極３の周りを囲み、制御基板２のグランドに接続されたグランド線４を形成したものである。スイッチ電極３及びグランド線４は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、もしくは、透明でなくてもよい場合は銀ペースト等を印刷することによって形成する。タッチスイッチの背後に、液晶表示装置といった表示装置を配置せず、タッチスイッチが透明でなくてもよい場合は、前記のスイッチ電極フィルムの代わりに、ガラスエポキシ基板の表面に、スイッチ電極３、及びスイッチ電極３の周りを囲むグランド線４を、銅エッチングで形成した基材を用いてもよい。

図２を用いて、静電容量方式のスイッチ動作について説明する。入力物体である指７がスイッチ電極３に近づくと、指７とスイッチ電極３との間に平行板コンデンサが形成され、静電容量８が発生する。この静電容量の変化を、コンデンサＣ９と抵抗Ｒ１０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）で交流信号の周波数の変化に変換し、その周波数を、インプットキャプチャ１１機能（交流信号の周期の数を数える機能）でデジタルデータに置き換え、演算処理１２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３が複数個の場合、スイッチ電極３の選択は、スイッチ電極３の数の分だけ設けた電極選択回路１３により行う。電極選択回路１３を設ける代わりに、インプットキャプチャ１１をスイッチ電極３の数だけ設けてもよい。
入力物体は、指先だけでなく、手や他の人体の部分、また、導電性の素材で形成された先端を持つタッチペン等であってもよい。
静電容量結合方式を利用したタッチスイッチは、指やタッチペンといった入力物体が触れることのできる領域をスイッチ電極とし、入力物体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。

電波を使用して人や物を認識する非接触型の自動認識技術として、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、「電波による個体識別」の略）が知られている。アンテナやＩＣチップを、タグやラベルという形に加工して、商品や人に付与し、そのＩＣチップに対して、情報の読み取りや書き込みを行うリーダ／ライタを用いて、通信を行う。
現在、非接触ＩＣカードは、ＲＦＩＤと同様の技術を用いており、広義のＲＦＩＤに含まれる。非接触ＩＣカードは、乗車カードや電子マネー、社員証やセキュリティロックなど色々な用途があり、ＲＦＩＤは様々な分野で利用される様になった。

図３を用いて、非接触ＩＣカード１４の情報の読み書きについて説明する。非接触ＩＣカード１４は、情報の保持、及び無線を通じて情報の制御を行うＩＣチップ１５と、通信を行うためのアンテナ１６とで構成される。また、リーダ／ライタ１７は、非接触ＩＣカード１４と無線を通じて通信を行うためのアンテナ１６、及び制御を行うための制御基板１８より構成される。
情報をやりとりするためのアンテナ１６は、非接触ＩＣカード１４内及びリーダ／ライタ１７内にそれぞれ配置され、リーダ／ライタ１７内のアンテナ１６から発生する磁界１９を、非接触ＩＣカード１４内のアンテナ１６が捉え、非接触ＩＣカード１４内のアンテナ１６で得た誘導電流２０によってＩＣチップ１５へ電力を供給し、相互間のデータ通信を行う。このため、アンテナ１６は、磁界１９を発生させて誘導電流２０を流すように、ループ状のコイル形状になっている。
静電容量方式のタッチスイッチとＲＦＩＤとを組み合わせた従来技術としては、例えば、特許文献２記載のものが挙げられる。

特開２００５−０８４９８２号公報 特開２０１１−００２９４７号公報

タッチスイッチと非接触ＩＣカードのリーダ／ライタとを組み合わせる場合、装置全体は小型化することが求められる。しかし、非接触ＩＣカードのループ状のアンテナは、その開口面積をできるだけ大きくするのが望ましい。これらの要求を同時に満たすため、タッチスイッチのスイッチ領域と、非接触ＩＣカードのアンテナの開口領域とは、スイッチ面に鉛直な方向から見た場合、互いに重ね合わせるようにデザインされることが多い。

前記特許文献２は、タッチスイッチ側からの影響により、ＲＦＩＤのアンテナの通信感度が低下したことを課題とした技術であり、ＲＦＩＤのアンテナの内側にタッチスイッチを配した上で、ＲＦＩＤのアンテナの角度を傾斜させる構造が記載されている。この構造では、タッチスイッチの周りにＲＦＩＤのアンテナを配する構造のため、ＲＦＩＤのアンテナの大型化、及び機器の筐体のパネル面積の大型化を招き、ＲＦＩＤのアンテナを傾斜配置させることから、機器の筐体の奥行き寸法も厚くなってしまう。特に液晶パネルとタッチセンサーとを積層させる場合、パネル表示部全体を配するための縁スペースならびに厚さが必要となり、機器の筐体形状の設計自由度が低下しやすい構造となってしまう。

一方で、静電容量方式のタッチスイッチは、一般的に、制御基板のグランドに接続されたグランド線が、スイッチ電極を囲うようなループ状の閉回路として、タッチスイッチの外周に配されたものが、多く用いられている。これは、スイッチ電極がノイズの影響を受けないようにするためである。
しかし、非接触ＩＣカードのループ状のアンテナの開口部と重複する領域に、グランドに接続された配線が存在すると、それは、アンテナに対してシールドとして作用するため、アンテナの性能を棄損する。このため、非接触ＩＣカードのアンテナの通信感度が低下することがあった。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、タッチスイッチのスイッチ部と非接触ＩＣカードのアンテナとを重畳し、装置全体を小型化しながら、アンテナの性能をタッチスイッチが棄損することがないような、静電容量方式のタッチスイッチを提供することを目的とする。

本発明は、非接触ＩＣカードに、電波により情報を送信し、前記非接触ＩＣカードから送信される情報を受信するためのアンテナを有したリーダ／ライタと、入力物体により情報を入力するための１個以上の静電容量スイッチ電極と、該静電容量スイッチ電極を取り囲む様に設けられているグランド線と、コンデンサと抵抗によって交流信号を発生させるＣ／Ｆ変換回路と、前記１個以上の静電容量スイッチ電極のいずれか１個と前記Ｃ／Ｆ変換回路とを接続するか、前記１個以上の静電容量スイッチ電極の全てを前記Ｃ／Ｆ変換回路と切り離して浮遊状態にする電極選択回路と、前記グランド線を接地するか、浮遊状態にするグランド接続スイッチとを有し、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより接地し、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を前記Ｃ／Ｆ変換回路に接続して前記入力物体による入力を検出するタッチスイッチモードと、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより浮遊状態にし、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を全て浮遊状態にして非接触ＩＣカードとの通信を行う非接触ＩＣカードモードとを、少なくとも１回以上ずつ行う動作を交互に繰り返すことを要旨とする。

本発明によれば、非接触ＩＣカードを含むＲＦＩＤのリーダ／ライタ及びアンテナを有する通信機器に静電容量方式のタッチスイッチを組み込む場合は、非接触ＩＣカードに、電波により情報を送信し、前記非接触ＩＣカードから送信される情報を受信するためのアンテナを有したリーダ／ライタと、指に代表される入力物体により情報を入力するための１個以上の静電容量スイッチ電極と、該静電容量スイッチ電極を取り囲む様に設けられているグランド線と、コンデンサと抵抗によって交流信号を発生させるＣ／Ｆ変換回路と、前記１個以上の静電容量スイッチ電極のいずれか１個と前記Ｃ／Ｆ変換回路とを接続するか、前記１個以上の静電容量スイッチ電極の全てを前記Ｃ／Ｆ変換回路と切り離して浮遊状態にする電極選択回路と、前記グランド線を接地するか、浮遊状態にするグランド接続スイッチとを有し、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより接地し、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を前記Ｃ／Ｆ変換回路に接続して前記入力物体による入力を検出するタッチスイッチモードと、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより浮遊状態にし、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を全て浮遊状態にして非接触ＩＣカードとの通信を行う非接触ＩＣカードモードとを、少なくとも１回以上ずつ行う動作を交互に繰り返すようにしたので、前記非接触ＩＣカードを含むＲＦＩＤのリーダ／ライタのアンテナの性能を棄損することなく、タッチスイッチを配置することができ、従って、機器の筐体形状の自由度を向上させ、同時に、機器の形状を小さくすることができる。

タッチスイッチ構成図 タッチスイッチ動作図 非接触ＩＣカードの情報読み取り図 構成図 タッチスイッチのブロック図 スイッチ電極形状寸法図 非接触ＩＣカード読み取り構造図

図４及び図５を用いて、本発明にかかる、静電容量方式のスイッチと、非接触ＩＣカード１４及びリーダ／ライタ１７の構成について説明する。リーダ／ライタ１７の上に、静電容量方式のタッチスイッチを、アクリル５をタッチ面として上面になるよう、重ね合わせる。
静電容量方式のタッチスイッチと、非接触ＩＣカード１４用のリーダ／ライタ１７は、静電容量方式のタッチスイッチが指７を検出せず、且つ、リーダ／ライタ１７が非接触ＩＣカード１４を検出しない間は、略交互に動作させる。ここでは、タッチスイッチを動作させる期間をタッチスイッチモード、リーダ／ライタ１７を動作させる期間を、非接触ＩＣカードモードと呼称する。

タッチスイッチモードでは、グランド接続スイッチ２１を閉じて、グランド線４をグランドに接続する。電極選択回路１３によって、検出対象とするスイッチ電極３の全てに順番に切り替え、指７のタッチが存在するかどうか調べる。このとき、リーダ／ライタ１７のアンテナ出力は、出力が変動しない状態にあることが好ましい。いずれのスイッチ電極３もタッチされていなければ、タッチスイッチモードを終了し、非接触ＩＣカードモードに移行する。一回のタッチスイッチモード終了後、非接触ＩＣカードモードに移行せず、二回以上、タッチスイッチモードを繰り返してから、非接触ＩＣカードモードに移行してもよい。

非接触ＩＣカードモードにおいては、タッチスイッチの制御基板２は、グランド接続スイッチ２１を開くとともに、電極選択回路１３も全て開いて、全てのスイッチ電極３、及びグランド線４を浮遊状態にする。その上で、リーダ／ライタ１７は、非接触ＩＣカード１４が検出範囲内に存在するかどうかを調べる。非接触ＩＣカード１４が検出されなければ、非接触ＩＣカードモードを終了し、タッチスイッチモードに移行する。指７及び非接触ＩＣカード１４がいずれも検出されない間は、これを繰り返す。

タッチスイッチモードにおける指７の検出は、以下のように行う。グランド接続スイッチ２１を閉じ、電極選択回路１３によって、検出対象とするスイッチ電極３を選択する。導電体である指７がスイッチ電極３の近傍に近づくと、指７とスイッチ電極３との間に平行板コンデンサが形成され、静電容量８が発生する。静電容量８は、指７がスイッチ電極３に近づくにつれて増大する。静電容量８が変化すると、Ｃ／Ｆ変換回路で変換される交流信号の発振周波数が変化する。一般にコンデンサＣ９と抵抗Ｒ１０とで形成されたＣ／Ｆ変換回路の発振周波数は、コンデンサＣ９の静電容量Ｃと抵抗Ｒ１０の電気抵抗値Ｒを用いて表される、式ｆ＝１／（Ｃ×Ｒ）のｆに比例する。指７がスイッチ電極３に近づくほど、静電容量８が大きくなるため、発振周波数は、指７がスイッチ電極３に近づくほど低くなる。電源を入れたときの計測開始時に、全てのスイッチ電極３について、指７が接触していない状態での、インプットキャプチャ１１でカウントした周期数を基準値として保持しておく。引き続くタッチスイッチモードにおいて、各スイッチ電極３について、指７の接近に伴う周波数の低下によって、周期数がどのくらい減少するか調べることで、タッチを検出する。

非接触ＩＣカードモードにおける非接触ＩＣカード１４の検出は、以下のように行う。リーダ／ライタ１７は、リーダ／ライタ１７内のアンテナ１６から、同期信号及び問い合わせ命令を発信する。読み取り可能範囲内に非接触ＩＣカード１４が存在する場合は、リーダ／ライタ１７内のアンテナ１６が発する磁界１９を、非接触ＩＣカード１４内のアンテナ１６が捉え、非接触ＩＣカード１４内のアンテナ１６で得た誘導電流２０によってＩＣチップ１５へ電力が供給される。ＩＣチップ１５は、リーダ／ライタ１７が発信した問い合わせ命令に対する回答を、非接触ＩＣカード１４内のアンテナ１６から発信し、リーダ／ライタ１７は、それを受信することによって、非接触ＩＣカード１４が読み取り可能範囲内に存在することを検出する。

タッチスイッチモードが必要とする最小の時間は、スイッチ電極３の数、回路構成、Ｃ／Ｆ変換回路で使用する周波数等によって変化する。一方、非接触ＩＣカードモードが必要とする最小の時間も、使用する周波数、試行回数等によって変化する。タッチスイッチモードと非接触ＩＣカードモードの交互の繰り返しは、各々の最小の時間を勘案し、一回ごとに交互に行うようにしてもよいし、いずれかを複数回行ってからもう一方に移行するようにしてもよい。

また、タッチスイッチモードもしくは非接触ＩＣカードモードのいずれかにおいて、指７もしくは非接触ＩＣカード１４が検出された後は、機器の用途に応じて、タッチスイッチモードと非接触ＩＣカードモードを交互に行うようにしてもよいし、指７が検出された後は、所定のスイッチ入力がなされるといった特定の条件を満たすまでは、タッチスイッチモードのみを繰り返し行うようにしたり、非接触ＩＣカード１４が検出された後は、非接触ＩＣカード１４が検出されなくなるといった特定の条件を満たすまでは、非接触ＩＣカードモードを継続するようにしてもよい。

以下、実施例及び比較例により、本発明を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものでなく、本発明の技術範囲において、種々の変形例を含むものである。

（実施例１）
図６を用いて説明する。スイッチ部１は、ＰＥＴフィルム２２の表面に銀ペーストを印刷したスイッチ電極３を用い、スイッチ電極３の形状及び寸法は、人の指７が触れることができる１０×１０ｍｍの正方形とした。スイッチ電極３の周りには、パターン幅を１ｍｍとし、１５×１５ｍｍの正方形で囲うように、グランド線４を設けた。
図７（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。スイッチ電極３の数は、リーダ／ライタ１７のアンテナ１６がスイッチ電極３で覆われるように、横３個、縦３個の計９個とした。前記ＰＥＴフィルム２２の表面に１ｍｍ厚のアクリル５を置き、ＰＥＴフィルム２２の裏面には、リーダ／ライタ１７（ジーエルサイエンス株式会社製のＴＭ０２−Ｃ−５Ｖ）を、前記９個のスイッチ電極３で囲まれる位置に置く構造とした。

非接触ＩＣカード１４のデータの読み取りは、前記リーダ／ライタ１７をパソコンにＵＳＢ接続し、ソフトウェア（ジーエルサイエンス株式会社製のＴＺ０１−ＤＳＥＴ）を使用した。また、試験用の読み取りカードは、非接触ＩＣカード１４（テスト用のフェリカカード（「ＦｅｌｉＣａ」は、ソニー株式会社の登録商標））を使用した。
タッチスイッチモードにかかる時間は１回当たり約２０ｍｓであり、非接触ＩＣカードモードにかかる時間は１回当たり約３０ｍｓである。ここでは、タッチスイッチモードを５回実行した後、非接触ＩＣカードモードを１回実行する動作を繰り返すようにした。
この条件で、リーダ／ライタ１７に非接触ＩＣカード１４をかざし、リーダ／ライタ１７のアンテナ１６の面からの距離２３を変えて、それぞれの距離に対して、５０回の試行中、何回読み取りに成功したかを数えた。

（比較例１）
実施例１の構成において、タッチスイッチモードと非接触ＩＣカードモードを交互に実行するのではなく、常に両者を実行するようにした。
この条件で、同様、リーダ／ライタ１７に非接触ＩＣカード１４をかざし、リーダ／ライタ１７のアンテナ１６の面からの距離２３を変えて、それぞれの距離に対して、５０回の試行中、何回読み取りに成功したかを数えた。

表１の結果より、実施例１は、比較例１に比べ、リーダ／ライタ１７のアンテナ１６の面からの距離２３が大きくなるに連れて、読み取りに成功する割合が高くなることが分かり、本発明の効果が確認された。

１ スイッチ部
２ 制御基板
３ スイッチ電極
４ グランド線
５ アクリル
６ 接着剤
７ 指
８ 静電容量
９ コンデンサＣ
１０ 抵抗Ｒ
１１ インプットキャプチャ
１２ 演算処理
１３ 電極選択回路
１４ 非接触ＩＣカード
１５ ＩＣチップ
１６ アンテナ
１７ リーダ／ライタ
１８ 制御基板
１９ 磁界
２０ 誘導電流
２１ グランド接続スイッチ
２２ ＰＥＴフィルム
２３ ＩＣカード読み取り距離

Claims (1)

1. 非接触ＩＣカードに、電波により情報を送信し、前記非接触ＩＣカードから送信される情報を受信するためのアンテナを有したリーダ／ライタと、入力物体により情報を入力するための１個以上の静電容量スイッチ電極と、該静電容量スイッチ電極を取り囲む様に設けられているグランド線と、コンデンサと抵抗によって交流信号を発生させるＣ／Ｆ変換回路と、前記１個以上の静電容量スイッチ電極のいずれか１個と前記Ｃ／Ｆ変換回路とを接続するか、前記１個以上の静電容量スイッチ電極の全てを前記Ｃ／Ｆ変換回路と切り離して浮遊状態にする電極選択回路と、前記グランド線を接地するか、浮遊状態にするグランド接続スイッチとを有し、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより接地し、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を前記Ｃ／Ｆ変換回路に接続して前記入力物体による入力を検出するタッチスイッチモードと、前記グランド線を前記グランド接続スイッチにより浮遊状態にし、前記電極選択回路によって前記１個以上の静電容量スイッチ電極を全て浮遊状態にして非接触ＩＣカードとの通信を行う非接触ＩＣカードモードとを、少なくとも１回以上ずつ行う動作を交互に繰り返すことを特徴とする、非接触ＩＣカードのリーダ／ライタを備えた静電容量結合方式スイッチ。

Images