静電容量式タッチセンサ

【課題】ユーザの操作を正確に検出できる静電容量式タッチセンサを提供する。
【解決手段】板状の絶縁体の表面に列状に配置された、被検物が接近することにより静電容量を発生する複数の電極と、絶縁体の裏面に、絶縁体を挟んで電極と対向するように、予め定められた間隔で配置された複数の配線ラインと、複数の電極のうちの一つと、複数の配線ラインのうちの１本とを接続する接続部と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の変化を監視して、被検物の接近または接触を検出する静電容量式タッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量検出電極と人体間の静電容量を利用して操作を検出する静電容量センサは、例えばタッチパネル、タッチパッドに用いられている。タッチパネルは、例えばＬＣＤ画面上に取り付けられ、従来のメカニカルスイッチに比べ、スイッチの配置を柔軟に行うことができることもあって、広く普及している。
【０００３】
このような静電容量式スイッチでは、被検知物体を検出する方法として、直接検知電極のインピーダンスを測定し静電容量を検出することで検知する方法や、検知電極で検出した静電容量を電圧に変換して入力する発振回路を構成し、その発振周波数を測定する方法、ＲＣ充放電回路を構成してその放電時間を計測する方法、既知電圧で充電された静電容量を既知容量のコンデンサに移動させて、該既知容量のコンデンサが所定電圧まで充電される時間を測定する方法、または、該既知容量のコンデンサに充放電を繰り返しその回数をカウントする方法などが知られている。
【０００４】
また、誘電層に複数の電極を配列形成し、この複数の電極に接近する導電操作体との間にコンデンサを形成し、複数の電極のどの電極に導電操作体が接近したかを静電容量の変化として検出することで、配線ラインに導電操作体が接近した場合の誤操作を防止することのできる静電容量センサが考案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、２以上の検知電極のうち１つを静電容量検知回路に接続し、他の検知電極を同電位出力手段に接続することで測定対象以外の検知電極をシールドとして機能させ、外乱による誤動作を防止することができる静電容量式センサが考案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
また、基板に貫通孔を複数形成し、基板の端面を通ることなく、基板表面と基板裏面との配線を接続して、配線における断線を確実に防止することができるタッチパネルが考案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０８６３８５号公報
【特許文献２】特開２００７−３０３８９５号公報
【特許文献３】特開昭６０−２００４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の構成は、誤操作を防止する発泡層を形成する必要があるため、構成が複雑となるとともに、その分コストが上昇するという問題がある。
【０００９】
特許文献２の構成は、切り替え機が必要であるため、構成が複雑となるとともに、その分コストが上昇するという問題がある。
【００１０】
特許文献３の構成は、ユーザの誤操作を防止する構成を含んでいない。
【００１１】
上記問題点を背景として、本発明の課題は、ユーザの操作を正確に検出できる静電容量式タッチセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１２】
上記課題を解決するための静電容量式タッチセンサは、板状の絶縁体の表面に列状に配置された、被検物が接近することにより静電容量を発生する複数の電極と、絶縁体の裏面に、絶縁体を挟んで電極と対向するように、予め定められた間隔で配置され、一端が発生した静電容量を出力する出力端である複数の配線ラインと、複数の電極のうちの１つと、複数の配線ラインのうちの１本とを、配線ラインの予め定められた位置において接続する接続部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、上述の問題を、配線ラインにおける容量変化の誤判定が、配線ラインが電極と同一平面上に配線されていることに起因するという点に着目し、配線ラインの配置を変更することにより解決するものである。従来の構成では、電極と接続する配線ラインを、電極の上下左右の同一平面上に配線することが多いが、本発明では、配線を電極の下側を通し、絶縁体を挟んで電極と一定距離を保つように配すことにより、静電タッチパネル（電極）へ被測定物が近接した際の誤作動を防止することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の静電容量式タッチセンサにおける接続部は、配線ラインの他の一端を接続する。
【００１５】
上記構成によっても、静電タッチパネル（電極）へユーザの手指等の被検物が近接した際の誤作動を防止することが可能となる。また、配線ラインは電極〜出力端までとなるので、配線ラインの長さを短くすることもできる。
【００１６】
また、本発明の静電容量式タッチセンサは、被検物が接近した電極に発生する静電容量が、被検物が接近した電極と、被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量よりも大きくなるように絶縁体の厚さが定められる。
【００１７】
静電容量Ｃの値は、Ｃ=ε０×εｒ×Ｓ／Ｌで表される。すなわち、金属板の面積Ｓと金属板同士の距離Ｌ、および金属板間の絶縁体の比誘電率εｒにより決まる（ε０は真空の誘電率で８．８５４×１０のマイナス１２乗）。本発明の構成では、絶縁体の厚さが距離Ｌに相当し、配線ラインの電極に対向する面の面積が面積Ｓに相当する。配線スペースの制約により面積Ｓを小さくできないときには距離Ｌを大きくすれば、被検物が接近した電極と被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量を小さくすることができる。上記構成によって、被検物が接近した電極を正確に判別することができる。
【００１８】
また、本発明の静電容量式タッチセンサは、被検物が接近した電極に発生する静電容量が、被検物が接近した電極に接続された配線ラインと、被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量よりも大きくなるように配線ラインの間隔が定められる。
【００１９】
上述の静電容量Ｃの算出式によれば、これら配線ラインの間隔を大きく取れば、被検物が接近した電極に接続された配線ラインと、被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量を小さくすることができる。上記構成によっても、被検物が接近した電極を正確に判別することができる。
【００２０】
また、本発明の静電容量式タッチセンサは、配線ラインが絶縁体にて覆われている。
【００２１】
上記構成によって、配線ラインが露出している（すなわち、空気に触れている）状態に比べて、隣り合う配線ライン間の誘電率が一定となる（すなわち、絶縁体の誘電率となる）ため、ユーザの指（すなわち、被検物）が電極に接近したときに、隣り合う配線ライン間に発生する静電容量の変動を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術による静電容量式タッチセンサの構成を示す図。
【図２】図１の構成における、被検物接近時の各電極の出力電圧を示す図。
【図３】本発明の静電容量式タッチセンサの構成を示す図。
【図４】図３のＸ−Ｘ’断面図。
【図５】図３のＹ−Ｙ’断面図。
【図６】本発明の静電容量式タッチセンサの構成の別例を示す図。
【図７】図６のＸ−Ｘ’断面図。
【図８】図３または図６のＹ−Ｙ’断面の別例を示す図。
【図９】図３または図６のＹ−Ｙ’断面の別例を示す図。
【図１０】図３または図６の構成における、被検物接近時の各電極の出力電圧を示す図。
【図１１】図３または図６の構成における、全ての電極における被検物接近時の各電極の出力電圧を示す図。
【図１２】本発明の静電容量式タッチセンサの構成の別例を示す図。
【図１３】図１２のＸ−Ｘ’断面図。
【図１４】図１２の構成における、被検物接近時の各電極の出力電圧を示す図。
【図１５】電極の配置の別例を示す図。
【図１６】電極の配置の別例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の静電容量式タッチセンサについて、図面を用いて説明する。まず、図１に、従来技術による静電容量式タッチセンサの構成の一例を示す。静電容量式タッチセンサ２は、たとえばプリント基板のような基板４上に実装された電極１０，２０，３０，４０、切替回路５、信号処理回路６を含んで構成されている。また、電極１０，２０，３０，４０と切替回路５とは、それぞれ基板４の電極が配置されている面上に配線パターンとして形成された配線ライン１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａにより接続されている。
【００２４】
切替回路５は、信号処理回路６の制御指令に基づいて、電極１０，２０，３０，４０のうちの１つを選択してその状態を出力する。
【００２５】
信号処理回路６は、電極に発生する静電容量を蓄積するコンデンサ、周知のオペアンプ等を含んで構成される増幅器、ＡＤコンバータ、およびマイクロコンピュータ（マイコン）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路を含んで構成される。そして、マイコンがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することで、静電容量式タッチセンサ２としての各種動作を行う。
【００２６】
なお、切替回路５、信号処理回路６は、基板上に実装されていなくてもよい。すなわち、基板４とは別の基板あるいは装置に含まれていてもよい。また、切替回路５、信号処理回路６を、本発明に含まない構成としてもよい。
【００２７】
上述のような構成により、静電容量式タッチセンサ２は、信号処理回路６（例えばマイコン）の制御指示により、切替回路５で４つの電極のうちいずれかを選択し、その電極に所定電圧を印加する。例えば、ユーザの指Ｆ（被検物）が電極に接近（あるいは接触）すると、電極とユーザとの間の静電容量およびユーザとＧＮＤとの間の静電容量に応じた電荷が電極に蓄積される。この電極に蓄積された電荷を信号処理回路６に含まれるコンデンサに転送する。そして、これらの、電荷の蓄積、転送を所定期間繰り返した後に、電荷量に応じて発生するコンデンサの電圧を増幅・ＡＤ変換し、マイコンにおいて、電圧値あるいは電圧値の変化が、被検物の接近あるいは接触によるものかどうかを判定する。この判定方法として、チャージ・トランスファ方式が知られている。
【００２８】
図１の構成で、ユーザの指Ｆが静電容量式タッチセンサ２に接近したとき、電極に接近したのであれば問題はないが、配線ライン上に接近したとき、ユーザの指Ｆと配線ラインとの間で静電容量が発生する。そして、この静電容量の値は、ユーザの指Ｆの接近の状態により一定せず、誤検出の原因となり得る。
【００２９】
例えば、ユーザの指Ｆが図１のように接近したとき、図２のように、信号処理回路６で検出する各電極の電圧値は、電極２０（この場合は配線ライン２１）の検出レベルが、４つの電極のうちで最も大きい値Ｖ１となる。このとき、ユーザの指Ｆの接近を判定する電圧の閾値がＶ１〜Ｖ２の間に設定されていると、ユーザの指Ｆが電極２０に接近していないにもかかわらず、電極２０に接近したと判定され、ユーザの意図しない動作を行ってしまうこともある。
【００３０】
また、上述の閾値がＶ３〜Ｖ４の間に設定されていると、正規の信号であるのか、本来入力として受け付けたくない誤作動要因の信号であるか判別できない等の問題が生ずる。
【００３１】
次に、図３〜図５を用いて、本発明の静電容量式タッチセンサについて説明する。なお、図１と同様の構成については、ここでの詳細な説明は割愛する。図３は静電容量式タッチセンサ１の上面図を示し、図４は図３のＸ−Ｘ’断面図、図５は図３のＹ−Ｙ’断面図を示している。
【００３２】
静電容量式タッチセンサ１は、基板４の表面上に列状に実装された電極１０，２０，３０，４０、切替回路５、信号処理回路６を含んで構成されている。また、電極１０，２０，３０，４０と切替回路５とは、それぞれ基板４の裏面上の配線パターンとして形成された配線ライン１１，２１，３１，４１により接続されている。
【００３３】
各配線ライン（１１，２１，３１，４１）は、絶縁体である基板４を挟んで電極と対向するように、例えば略等間隔となるように、予め定められた間隔（Ｌ２）で配線されている。また、配線ラインの切替回路５に接続される端部（１６，２６，３６，４６）が出力端となっている。
【００３４】
基板４は、例えばプリント配線基板の代わりに、絶縁体により構成してもよいし、空気層としてもよい。但し、空気層とするよりも絶縁体により構成した方が、各電極と各配線ラインとの間で発生する静電容量の変動が小さいという利点がある。
【００３５】
基板４の、各電極（１０，２０，３０，４０）の切替回路５から遠い端部には、貫通孔（スルーホールともいう）１５，２５，３５，４５が形成され、各配線ライン（１１，２１，３１，４１）は、対応する貫通孔を通り基板４の表面上の配線パターン（１２，２２，３２，４２）を介して電極に接続している。なお、貫通孔および配線パターンが本発明の接続部に相当する。
【００３６】
電極（１０，２０，３０，４０）は略矩形状であるが、後述の条件を満たすものであれば、多角形あるいは円形でもよい。但し、電極と他の電極の配線ラインとの間に発生する静電容量は均一であることが望ましいので、電極の形状は略矩形状が適している。
【００３７】
図５において、基板４の厚さＬ１、各配線ラインの間隔Ｌ２，各配線ラインの幅Ｌ３は、例えば以下の条件を満たすように定められる。無論、電極の面積も、以下の条件を満たすように定められる。
【００３８】
・ユーザの指Ｆが電極に接近したときに、ユーザの指Ｆが接近した電極に発生する静電容量が、ユーザの指Ｆが接近した電極と他の電極の配線ラインとの間で発生する静電容量（浮遊容量）よりも大きくなるように、基板４の厚さＬ１および配線ラインの幅Ｌ３の少なくとも一方が定められる。
【００３９】
・ユーザの指Ｆが電極に接近したときに、ユーザの指Ｆが接近した電極に発生する静電容量が、ユーザの指Ｆが接近した電極の配線ラインと他の電極の配線ラインとの間で発生する静電容量（浮遊容量）よりも大きくなるように、基板４の厚さＬ１および配線ラインの間隔Ｌ２が定められる。
【００４０】
・ユーザの指Ｆが電極に接近したときに、ユーザの指Ｆが接近した電極の配線ラインとユーザの指Ｆが接近した電極の下を通る配線ラインとの間で生ずる静電容量（浮遊容量）が、ユーザの指Ｆが接近した電極の配線ラインとユーザの指Ｆが接近した電極の下を通らない配線ラインとの間で発生する静電容量（浮遊容量）よりも大きくなるように基板４の厚さＬ１および配線ラインの間隔Ｌ２の少なくとも一方が定められる（例えば、Ｌ２＝２×Ｌ１）。
【００４１】
図６，図７を用いて、静電容量式タッチセンサ１の別例について説明する。なお、本構成例は、図３，図４の変形例であるため、図３，図４の相違点のみについて述べる。図６は静電容量式タッチセンサ１の上面図を示し、図７は図６のＸ−Ｘ’断面図を示している。なお、図６のＹ−Ｙ’断面図は図５と同様である。
【００４２】
図６，図７では、基板４の表面上の配線パターン（１２，２２，３２，４２）はなく、貫通孔（１５，２５，３５，４５）は、各電極（１０，２０，３０，４０）の切替回路５から遠い側の周縁下に形成されている。貫通孔の位置は切替回路５から近い側（静電容量信号出力側）の周縁下（配線ライン１１では１５ａ）に形成してもよいし、１５〜１５ａの任意の位置に形成してもよい。このとき、各配線ラインは、切替回路５〜貫通孔の間にのみ配置される。
【００４３】
図８，図９に、図３〜図７の別例を示す。図８，図９は、配線ライン（１１，２１，３１，４１）を、基板４と同じ材質の部材あるいは他の絶縁体４ａで覆ったもの（図８）、あるいは、配線ラインを基板４の内部に配置したもの（図９）である。
【００４４】
図８，図９において、配線ラインの断面形状はそれぞれ矩形状，円形状となっており（多角形状でもよい）、いずれを用いてもよいが、矩形状とした方が隣り合う配線ライン間に発生する静電容量が安定する。
【００４５】
図１０に、図３〜図９の構成における、ユーザの指Ｆが電極３０に接近したときの、各電極に発生する静電容量に応じた出力電圧（検出レベル）を示す。電極３０の検出レベルは、ユーザの指Ｆとの間に発生する静電容量に基づくもので、Ｖ１１である。電極１０，２０の検出レベルは、電極３０と配線ライン１１，２１との間に発生する静電容量に基づくもので、ほぼ同じ値（Ｖ２１）となる。また、電極４０の検出レベルは、配線ライン３１と配線ライン４１との間に発生する静電容量に基づくもので、Ｖ２１よりも十分小さい値（Ｖ３１）となる。
【００４６】
図１１に、図３〜図９の構成における、全ての電極における被検物接近時の各電極の検出レベルを示す。図１０，図１１の例では、Ｖ１１〜Ｖ２１の間に閾値１を設定し、Ｖ２１〜Ｖ３１の間に閾値２を設定すると、各電極の出力電圧の状態を把握でき、ユーザの指Ｆが接近した電極を正確に判別できる。
【００４７】
図１２，図１３を用いて、静電容量式タッチセンサ１の別例について説明する。なお、本構成例は、図６，図７の変形例であるため、図６，図７の相違点のみについて述べる。図１２は静電容量式タッチセンサ１の上面図を示し、図１３は図１２のＸ−Ｘ’断面図を示している。なお、図１２のＹ−Ｙ’断面図は図５（あるいは、図８，図９）と同様である。
【００４８】
図１２，図１３では、電極２０，３０，４０のそれぞれの貫通孔（２５，３５，４５）から電極１０の切替回路５から遠い側の周縁に向けて、各配線ラインが延長されている。配線ライン１１も切替回路５から遠い側に延長されている。配線ラインの延長部分（１３，２３，３３，４３）は、上述の周縁を超えて延長してもよいし、電極１０の下までとしてもよい。
【００４９】
図１４に、図１２，図１３の構成における、ユーザの指（図示略）が電極３０に接近したときの、各電極の出力電圧（検出レベル）を示す。電極３０からの検出レベルは、ユーザの指との間に発生する静電容量に基づくもので、Ｖ１２である。電極１０，２０，４０からの検出レベルは、電極３０と配線ライン１１，２１，配線ライン４１の延長部分４３との間に発生する静電容量に基づくもので、ほぼ同じ値（Ｖ２２）となる。
【００５０】
つまり、本構成では、ユーザの指が接近しない電極からの出力電圧は、全てほぼ同一の値となるので、Ｖ１２〜Ｖ２２間に閾値を１つ設定することで、ユーザの指が接近した電極を正確に判別できる。なお、基板４の厚さＬ１、各配線ラインの間隔Ｌ２，各配線ラインの幅Ｌ３は、Ｖ１２とＶ２２を判別可能なように定められる。
【００５１】
また、図１５のように、上述の構成で、電極の大きさは全て同一でなくともよい。また、電極の配置は、電極２０のように、隣の電極３０と正対しない配置としてもよい。また、図１６のように、電極を斜め直線状にしてもよいし、円弧状に配置してもよい。少なくとも、配線ラインが他の電極の裏面を通るように配置できればよい。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１静電容量式タッチセンサ
４基板
５切替回路
６信号処理回路
１０，２０，３０，４０電極
１１，２１，３１，４１配線ライン
１２，２２，３２，４２配線パターン（接続部）
１３，２３，３３，４３配線ラインの延長部分
１５，２５，３５，４５貫通孔（接続部）
１６，２６，３６，４６出力端

【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の絶縁体の表面に列状に配置された、被検物が接近することにより静電容量を発生する複数の電極と、
前記絶縁体の裏面に、前記絶縁体を挟んで前記電極と対向するように、予め定められた間隔で配置され、一端が発生した前記静電容量を出力する出力端である複数の配線ラインと、
前記複数の電極のうちの１つと、前記複数の配線ラインのうちの１本とを、前記配線ラインの予め定められた位置において接続する接続部と、
を備えることを特徴とする静電容量式タッチセンサ。
【請求項２】
前記接続部に前記配線ラインの他の一端を接続する請求項１に記載の静電容量式タッチセンサ。
【請求項３】
前記被検物が接近した電極に発生する静電容量が、前記被検物が接近した電極と、前記被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量よりも大きくなるように前記絶縁体の厚さが定められる請求項１または請求項２に記載の静電容量式タッチセンサ。
【請求項４】
前記被検物が接近した電極に発生する静電容量が、前記被検物が接近した電極に接続された配線ラインと、前記被検物が接近しない電極に接続された配線ラインとの間で発生する静電容量よりも大きくなるように配線ラインの間隔が定められる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の静電容量式タッチセンサ。
【請求項５】
前記配線ラインが前記絶縁体にて覆われている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の静電容量式タッチセンサ。

【図１】