JP2006286386A - ハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 軽薄短小が要求される電子機器やオーディオのスイッチにも搭載可能なハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチを実現することにある。
【構成】 アクリル板（ポリカーボネートやガラス等も可能）に真空蒸着により錫膜を蒸着した非導通タイプのハーフミラーパネルと、ＩＴＯ透明電極で作成した静電容量電極シートを透明な糊で貼り付けた静電容量パネルを構成し、接触状態と非接触状態時にスイッチの静電容量変化量を計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載し、その演算結果から鏡状態とスイッチ表示状態を切り替える手段を内蔵した制御基板からなるハーフミラー付き静電容量型スイッチ装置。
【選択図】図１２

Description

本発明は、入力方式に静電容量方式を採用したハーフミラー付きタッチスイッチ装置に関するものである。

ハーフミラー付きタッチスイッチ装置は、入力方式に光学センサを利用したものと、静電容量変化を利用したものがある。
光学センサを利用したハーフミラー付きスイッチは、図１に示した構造が一般的で使われている。動作原理は、照明手段１から文字や絵を描いた表示シートに光を透過し、その光を屈折率分布型レンズの働きで、表示シートに描いた絵や文字を空中に結像し浮かび上がったように見せる。その絵や文字が浮かび上がった結像ポイントに合わせて、発光素子２より投光させる。結像ポイントに光を反射する物がなければ発光素子２からの光は通過し、結像ポイントに手をかざすと発光素子１からの光を反射し、その反射光をハーフミラーで屈曲させ受光素子３により認識する。この原理に基づき空中に浮かんだ絵や文字に手を近づけたり離したりすることを確認し、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ機能と連動させている。

また、静電容量変化を利用したハーフミラー付きタッチスイッチ装置には、図２に示す構造で、バックライト付の液晶表示装置の上に、アクリル板に金属蒸着したハーフミラーパネルを貼り付け、アクリル表面から指で触ることで静電容量変化を認識し、スイッチ機能を実現している。図２に示すように、静電容量変化を感知する電極部とハーフミラーを構成する金属蒸着膜を、共通部品とし利用しているため部品点数が少なく、非常に効率的にハーフミラー付きスイッチが実現出来ている。
しかしスイッチが１個の場合は問題ないが、複数個のスイッチを構成するとアクリル板に金属蒸着した面をスイッチの数だけ分割する必要があり、スイッチとスイッチの間に隙間が出来、隙間の部分はミラーの機能が果たさず、ハーフミラーとしの商品価値が著しく低下する。

特開平９−１２０７６１号公報。 特開２００２−２４７６７４号公報。

従って、従来の光学センサ方式では、非接触でスイッチ入力が可能なため、衛生的に問題のあるトイレ用スイッチのように、不衛生な場所に設置されているために極力触りたくない場所に設けられているスイッチには、非常に有効である。
しかし、図１の構成から明らかなように、使用者の指の反射光を屈曲させるためのハーフミラーを斜めに取り付ける構造で、スペースが必要になり、軽薄短小が要求される電子機器やオーディオのスイッチに採用する場合には、筐体の厚みが問題となり不向きである。
また、静電容量変化型ハーフミラー付きスイッチは、設置場所の美観を損なうことが少ないため、セントラルタイプの給湯器や暖房装置のリモコンに採用されている。このリモコンは、リビングルームやダイニングルームに設置し、使わないときはハーフミラー部分が鏡状態となり、鏡に指が触れると静電容量が変化し、液晶のバックライトを点灯し液晶表示が現れ、図３の（ａ）に示した状態となる。しかしセントラルタイプの給湯器や暖房装置のリモコンは、時間セットや温度調整機能がありスイッチが複数必要になる。そのためリモコンを使わない状態でも、リモコン全体を鏡に出来ず、図３の（ｂ）ようにスイッチが見えてしまう状況が発生する。この原因は静電容量用電極とハーフミラーが共有され、スイッチが１個しか実現できないためである。この構成では、ハーフミラーの特徴が半減してしまう。
ハーフミラーは、図４に示すアクリル板にアルミニウム膜を真空蒸着したもので、金属蒸着のため導通性があり低い抵抗値になる。その為、図５に示す導通性のアルミニウム膜の下に静電容量電極を搭載する場合に１個の静電容量電極を搭載する場合なら問題ないが、図６に示すように静電容量電極を複数個搭載すると、アルミニウム膜で電極全体が覆われ、全部の電極が同時に静電容量変化を引き起こし、各電極の静電容量変化の区別が出来なくなる現象が発生する。
そこで本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、スイッチ構造を小型化し、非接触浮上入力機能が実現でき、またスイッチ形状やスイッチを設ける数も限定しないハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置を提供する事にある。

そこで本発明では、ハーフミラー部を構成するにあたりアクリル板にアルミニウムを真空蒸着せず、図７に示すアクリル板に真空蒸着で錫膜を形成し、鏡面状態をつくりハーフミラーを実現する。これは錫膜を真空蒸着する時に膜厚を制御し、１００〜３００オングストローム範囲内に膜厚を制御することで電気抵抗が１００メガオーム以上になり実質的に絶縁状態を作り出せる。これにより非導通のハーフミラーパネルが実現できる。
静電容量電極シートは、図８に示すＰＥＴフィルムにＩＴＯ透明電極でスイッチ電極を印刷し、ハーフミラーパネルと透明な糊で張り合わせ、図９に示すハーフミラー付き電極パネルを作成する。
表示部では、絵や文字を表示させるため表示シートに導光板を貼り付け、下からＬＥＤで燈火し絵や文字をクッキリと表示させる構造にする。（図１０を参照。）
更にハーフミラー付き電極パネルと表示部を透明なのりで貼り付け、図１１のように制御基板と接続する。そこでハーフミラー付き電極パネル上に、手が存在していない状態と、手が近接した非接触状態と、指が触った接触状態の３段階に分け静電容量の変化の違いにより区別する。この方式により非接触状態の浮上入力が可能となる。

本発明によれば、錫膜を真空蒸着した非導通タイプのハーフミラーパネルを採用することで、静電容量電極シートにＩＴＯ透明電極が利用でき、電極形状や電極数に制約がなくなりスイッチの数を増やすことが可能である。
更に制御回路のプログラムにより、静電容量のＯＦＦ／近接／ＯＮの判定基準を３段階にしたことで浮上入力が可能となり、構造もＩＴＯ透明電極シートの１００ミクロンしか厚みが増えず、薄型構造が実現可能なものである。
その為、軽薄短小が要求される電子機器やオーディオのスイッチにも、ハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチが搭載可能となるものである。

本発明は、図１１で示す通りハーフミラー付き電極パネルと表示ユニットと制御基板から構成する。
ハーフミラー付き電極パネルは、アクリル板に錫膜を真空蒸着した非導通タイプのハーフミラーパネルを作成し、ＰＥＴフィルムにＩＴＯ透明電極膜を印刷した静電容量電極シートを透明な糊で貼り付けた物である。静電容量電極シートのスイッチ部に指が触れると静電容量が変化し、スイッチ機能を実現している。
表示ユニットは、通常表面が鏡になっている状態からスイッチの位置と形状を分かりやすくするために、青色ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ａ１、ＬＥＤ−Ｂ１、ＬＥＤ−Ｃ１）を同時に点灯し、スイッチを触られた場合には触られたスイッチ部分の白色ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ａ２、ＬＥＤ−Ｂ２、ＬＥＤ−Ｃ２）の何れかを点灯させる。
制御基板は、図１２で示したスイッチ電極切り換え回路、発振回路を利用した容量変化を周波数変化に変換するＣ／Ｆ変換回路、しきい値データを記憶するための不揮発性メモリ、波形の幅が計測できるインプットキャプチャ機能を内蔵したＣＰＵで構成する。ＣＰＵのＩ／Ｏ端子１は、不揮発性メモリのリードライトに使用する。スイッチ電極切り換え回路は、汎用のアナログスイッチで構成され、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２でスイッチ電極ＳＷ−Ａ／ＳＷ−Ｂ／ＳＷ−Ｃの何れかを選択する機能を有している。ＣＰＵのＩ／Ｏ端子３は、ＬＥＤ駆動制御に使用する。

以下、本発明を具体化した実施例について図面を参照して説明する。まず始めにスイッチＯＦＦ状態、近接状態、ＯＮ状態の初期発信周波数を順番に測定する。
電極パネル１０上に使用者の手が存在しないスイッチＯＦＦ状態（図１３参照）で、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２（図１２を参照）よりスイッチ電極切り換え回路に対し、制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ−Ａ、ＳＷ−Ｂ、ＳＷ−Ｃの順番で接続しその時の発振周波数を測定し、各スイッチＯＦＦ状態の発信周波数Ｔｏｆｆ−Ａ，Ｔｏｆｆ−Ｂ，Ｔｏｆｆ−ＣをＣＰＵのＩ／Ｏ端子１に接続された不揮発性メモリに記憶する。
次に電極パネル４上に使用者の手５が近接した状態（図１４参照）で、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２（図１２参照）よりスイッチ電極切り換え回路に対し、制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ−Ａ、ＳＷ−Ｂ、ＳＷ−Ｃの順番で接続しその時の発振周波数を測定し、各スイッチ上での近接状態の発信周波数Ｔｎｅａ−Ａ，Ｔｎｅａ−Ｂ，Ｔｎｅａ−ＣをＣＰＵのＩ／Ｏ端子１に接続された不揮発性メモリに記憶する。
続いて電極パネル４上に使用者の手１１が、触れた状態（スイッチＯＮの状態）で、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２（図１２参照）よりスイッチ電極切り換え回路に対し、制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ−Ａ、ＳＷ−Ｂ、ＳＷ−Ｃの順番で接続しその時の発振周波数を測定し、各スイッチ上での発信周波数Ｔｏｎ−Ａ，Ｔｏｎ−Ｂ，Ｔｏｎ−ＣをＣＰＵのＩ／Ｏ端子１に接続された不揮発性メモリに記憶する。

上記測定した電極パネルの個々の初期データは、ＣＰＵの不揮発性メモリに内蔵されており下記の通りである。
１．図１３のスイッチＯＦＦ状態の発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ１
・周波数 Ｔｏｆｆ−Ａ，Ｂ，Ｃ＝１００ｋＨｚ程度
２．図１４のスイッチに手が近接状態の発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２（手が近づいたことによる容量増加）
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ１
・周波数 Ｔｎｅａ−Ａ，Ｂ，Ｃ＝９９．８ｋＨｚ程度
３．図１５のスイッチＯＮ状態の発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ３（指が触ったことによる容量増加）
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ１
・周波数 Ｔｏｎ−Ａ，Ｂ，Ｃ＝９９ｋＨｚ程度

では一例としてＳＷ−Ｂが押された場合について、判断方法を具体的な測定データを使い説明する。
図１３の状態（スイッチＯＦＦ状態）で周波数を計測すると、ＳＷ−Ａ＝ＳＷ−Ｂ＝ＳＷ−Ｃ＝１００ｋＨｚでＴｏｆｆと同じ周波数のためスイッチＯＦＦと判断できる。その時のパネル表示は図１６でＣＰＵのＩ／Ｏ端子３よりＬＥＤが消灯した鏡状態となる。
図１４の状態（使用者の指が電極パネル上に近接した状態）で周波数を計測すると、ＳＷ−Ａ＝ＳＷ−Ｂ＝１００ｋＨｚでＳＷ−Ｃ＝９９．８ｋＨｚの為ＳＷ−Ａ，ＢはＴｏｆｆと同じ周波数のためスイッチＯＦＦと判断し、ＳＷ−ＣはＴｎｅａと同じ周波数のため近接状態と判断できる。その時のパネル表示状態は図１７でＣＰＵのＩ／Ｏ端子３よりＬＥＤ−Ａ１，Ｂ１，Ｃ１が３個とも点灯し、スイッチ青色表示となる。この時非接触の浮上入力が可能となる。
図１５の状態（使用者の指が電極パネル上に接触した状態）で周波数を計測すると、ＳＷ−Ａ＝ＳＷ−Ｃ＝９９．８ｋＨｚでＳＷ−Ｂ＝９９ｋＨｚの為ＳＷ−Ａ，ＣはＴｎｅａと同じ周波数のため近接状態と判断し、ＳＷ−ＢはＴｏｎと同じ周波数のためスイッチＯＮ状態と判断できる。その時のパネル表示状態は図１８に示している状態であり、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子３よりＬＥＤ−Ａ１，Ｃ１が点灯しＬＥＤ−Ｂ１が消灯しスイッチＳＷ−Ａ、Ｃは青色の表示となる。スイッチＢは、ＯＮ状態のため白色ＬＥＤ−Ｂ２が点灯しスイッチＯＮ状態を目視確認できる。このことによりＳＷ−Ｂが押されたことが確認できる。

以上により初期値と測定データをＣＰＵの演算プログラムで比較し、３段階の判定基準を設けることで、浮上入力が可能となる。併せて判定基準の段階に併せてＬＥＤの点灯方式を工夫し視認性の高いハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置が実現できる。

光学センサ方式 静電容量方式 表示状態切り換え 一般的なハーフミラーパネルの構造図 ハーフミラーパネルに１個静電容量電極を貼り付けた構成図 ハーフミラーパネルに複数静電容量電極を貼り付けた構成図 非導通タイプのハーフミラーパネルの構造図 静電容量電極シート ハーフミラー付き電極パネル 表示ユニット ハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチの構成図 制御基板 スイッチＯＦＦ状態 スイッチ近接状態 スイッチＯＮ状態 パネル表示（鏡状態） パネル表示（スイッチ認識可能状態） パネル表示（スイッチＯＮ状態）

符号の説明

１ 照明手段
２ 発光素子
３ 受光素子
４ 電極パネル
５ 使用者の手

Claims (2)

1. ハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置において、アクリル板に１００メガオーム以上の真空蒸着により錫薄膜を蒸着した非導通タイプのハーフミラーパネルと、ＩＴＯ透明電極で作成した静電容量電極シートを透明な接着剤で貼り付けた電極パネルを構成し、電極パネルに対し、導通部材が、接触状態と非接触状態時にスイッチの静電容量変化量を計測する演算回路と、変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載し、その演算結果から鏡状態とスイッチ表示状態を切り替える手段を内蔵したことを特徴とするハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置。
2. 静電容量変化の違いにより入力感度レベルを３段階に設定し、１段目以下の場合スイッチＯＦＦ状態で全面鏡、２段目範囲内は近接状態でスイッチの存在を認識出来き、３段目以上でスイッチＯＮ状態と認識出来き、入力感度レベルで切り替え機能を選択出来きることを特徴とする請求項１記載のハーフミラー付き静電容量型タッチスイッチ装置。

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