JP2008041484A - タッチ検出機能付きスイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ検出用電極に対する手指の接触時に安定した静電容量を得ることができて、操作部材へのタッチ操作を確実に検出することができるタッチ検出装置を提供する。
【解決手段】操作ボタン３の表面に薄膜状のタッチ検出用電極４を形成し、このタッチ検出用電極４に対向して静電結合するように操作ボタン３に結合用電極５を埋設し、この結合用電極５に電気的に接続された配線部８を有するプリント配線板６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作部材に手指が接触した際にこれを検出するためのタッチ検出用電極を有するタッチ検出機能付きスイッチ装置に関する。

例えば、複数の選択部を画面に表示する表示装置の選択用のスイッチ装置としては、上記複数の選択部に対応して複数の操作部材としての操作ボタンを備え、使用者が選択した操作ボタンを手指にて押圧操作すると、操作ボタンの下側に配設されたスイッチ要素が動作して対応する選択部を表示状態にして選択決定するようにした構成が考えられている。

なお、本発明が解決しようとする課題に対応するような公知文献は発見できなかった。

ところで、上記したようなものにおいては、使用者は、スイッチ装置の操作ボタンを見て選択してから操作する必要がある。このため、使用者は、スイッチ装置の操作ボタンと表示装置の画面との両方を見る必要があり、操作性がよくないという問題がある。
そこで、このような問題に対処するため、発明者らは次のようなものを考えた。それは、スイッチ装置の操作ボタンに手指が接触した際に、これを検出して、その操作ボタンに対応する選択部の表示状態を変化させるような構成とするものである。このような構成のものによれば、表示画面を見れば、手指が接触している操作ボタンの位置がわかるため、スイッチ装置の操作ボタンを見ずに、表示画面のみを見て操作することが可能となる。

これを実現させるためのタッチ検出機能付きスイッチ装置として、発明者らは例えば図５に示す構成のもの（比較例）を考えた。図５は、このタッチ検出機能付きスイッチ装置の縦断面図である。操作部材を構成する操作ボタン１０１は合成樹脂により下面側が開口した逆Ｕ字状をなすように形成されていて、その操作面部１０１ａの下面には、タッチ検出用電極１０２が設けられている。また、この操作ボタン１０１の周辺には、操作ボタン１０１の移動のための空間を挟んでボディ１０３が配置されている。

操作ボタン１０１の下方には、プリント配線板１０４が配置されており、このプリント配線板１０４には、プリント配線がなされている。また、プリント配線板１０４の部品装着面（上面）の中央付近には、操作ボタン１０１の照明用のＬＥＤ１０５が装着されている。
上記タッチ検出用電極１０２は、弾性変形可能なフレキシブルプリント配線板（以下、ＦＰＣと称す）１０６を介してプリント配線板１０４の図示しない配線部に電気的に接続されている。このＦＰＣ１０６は、プラスチックシート間に銅製の配線部（いずれも図示せず）を挟み込んだような構造となっていて、操作ボタン１０１の操作面部１０１ａに配置される一端側の上面部をタッチ検出用電極１０２としている。

ＦＰＣ１０６は、操作ボタン１０１の一方の側面部１０１ｂの内面、プリント配線板１０４の図５中左側の部品装着面及び下面に沿うように屈曲して配置され、操作ボタン１０１の内部に内ケース１０１ｃが圧入されることで固定されている。そして、ＦＰＣ１０６の他端側は、プリント配線板１０４の下面に装着されたコネクタ１０７を介して配線部に接続され、コネクタ１０７の手前部分において、固定部材１０８によってプリント配線板１０４に固定されている。

プリント配線板１０４において、操作ボタン１０１の他方の側面部１０１ｄの下方に対応する部位に位置させて、スイッチ要素としてのスイッチ１０９が配設されている。この場合、操作ボタン１０１の側面部１０１ｂとプリント配線板１０４の部品装着面との間には、操作ボタン１０１の側面部１０１ｂの下方向への移動を許容する隙間が設定されている。
なお、図示した構成では、操作ボタン１０１が１個のみであるが、実際には、表示装置の複数の選択部と対応して操作ボタン１０１を含むユニットが複数個設けられている。そして、各スイッチ１０９は、例えばマイクロコンピュータからなる制御装置（図示せず）に接続される。

上記構成において、使用者の手指が操作ボタン１０１の上面の操作面部１０１ａに接触すると、手指がグランド側となってその手指とタッチ検出用電極１０２とによってコンデンサが形成され、これがＦＰＣ１０６及びコネクタ１０７を介してプリント配線板１０４の配線部に接続され、プリント配線板１０４の検出回路の信号レベルが変化する。制御装置は、この信号レベルの変化により操作ボタン１０１への手指の接触を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン１０１に対応する選択部を表示状態にする。そして、その操作ボタン１０１が下方へ押圧操作され、この操作ボタン１０１の側面部１０１ｄによりスイッチ１０９が押圧操作されると、スイッチ１０９が動作して選択信号を出力して制御装置に与え、制御装置はスイッチ１０９に対応する選択部を固定的な表示状態にしてその選択部の選択を決定する。

しかしながら、上記した構成のタッチ検出機能付きスイッチ装置では、使用者が操作ボタン１０１に手指を接触させた場合，その接触状況（手指の大きさ、接触箇所、接触圧力など）に応じて操作ボタン１０１に対する接触面積が変わるので、手指とタッチ検出用電極１０２とで構成されるコンデンサの静電容量も変わるようになり、静電容量がばらつく不安定な状態になって、確実なタッチ検出を行なうことができなくなる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、タッチ検出用電極に対する手指の接触時に安定した静電容量を得ることができて、操作部材へのタッチ操作を確実に検出することができるタッチ検出機能付きスイッチ装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明のタッチ検出機能付きスイッチ装置は、操作部材と、この操作部材が操作されることに基づいて動作するスイッチ要素と、手指が接触したことを検出するために前記操作部材の表面に薄膜状に形成されたタッチ検出用電極と、このタッチ検出用電極に対向して静電結合するように前記操作部材に設けられた結合用電極と、この結合用電極に電気的に接続された配線部を有するプリント配線板とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、使用者の手指が操作部材に接触すると、タッチ検出用電極が手指を介してグランドに接続されて、そのタッチ検出用電極と結合用電極とにより安定した静電容量を有するコンデンサが構成され、プリント配線板の配線部側では、その安定した静電容量を検出することができ、操作部材へのタッチ操作を確実に検出することができる。

以下、本発明の第１の実施例について図１乃至図３を参照して説明する。
図１は、タッチ検出機能付きスイッチ装置の縦断面図である。この図１において、プラスチック製のボディ１には、ボタン収納孔部２が形成されており、このボタン収納孔部２は、上部が他の部位より小になされて両者の間に段部２ａが形成されている。そして、ボディ１のボタン収納孔部２には、操作部材としての操作ボタン３が収納されている。操作ボタン３は、透光性を有するプラスチックで下面が開放する矩形容器状に形成され、上部は他の部位より小になされてこれらの小形部３ａと大形部３ｂとの間に段部３ｃが形成されている。

操作ボタン３の下面を除く表面には、全体にわたって導電性材料によるスパッタリング或いはメッキ塗装により薄膜状のタッチ検出用電極４が形成されている。この場合、タッチ検出用電極４は、薄膜状が故に透光性を有するが、予めＩＴＯ（インジウム＋スズ酸化膜）を用いた透明導電膜として形成してもよい。そして、操作ボタン３の大形部３ｂには、金属例えば銅製の結合用電極５が埋設されている。この結合用電極５は、操作ボタン３のプラスチックによる成形時に同時に埋設されたもので、図２に示すように、大形部３ｂの三辺部に位置する略コ字状をなし、一辺部に大形部３ｂの下端より下方に突出する接続片５ａが形成されている。この結合用電極５は、タッチ検出用電極４と所定の間隙を存して対向するようになっていて、後述するように、タッチ検出用電極４と静電結合してコンデンサＣ１（図３参照）を構成するようになっている。

図１に示すように、操作ボタン３の下方には、プリント配線板６が配設されており、このプリント配線板６には、プリント配線がなされている。また、プリント配線板６の部品装着面（上面）の中央付近には、操作ボタン３の照明用のＬＥＤ７が装着されている。更に、プリント配線板６の部品装着面には、配線部８が設けられており、この配線部８に可撓性を有する接続線９の一端部が半田付けにより接続され、この接続線９の他端部は前記９結合用電極５の接続片５ａに半田付けにより接続されている。

図１に示すように、プリント配線板６には、透明ゴム例えばシリコンゴム製のカバー１０が装着されており、これにより部品装着面が覆われている。このカバー１０には、円錐状（杯を伏せた状態）の可撓部１１が一体に形成されており、その上部の受圧部１１ａが操作ボタン３の下面の押圧部３ｄに下方から当接して上方に付勢するようになっている。これにより、操作ボタン３は上方に付勢されて、その段部３ｃがボディ１の段部２ａに当接し、小形部３ａの上部がボディ１の上面より若干突出した状態に保持される。そして、可撓部１１の受圧部１１ａの下面に可動接点１２ａが設けられ、これと対向してプリント配線板６の部品装着面に固定接点１２ｂ、１２ｂが設けられ、以て、スイッチ要素たるスイッチ１２が構成されている。

なお、図示した構成では、操作ボタン３が１個のみであるが、実際には、図示しない表示装置の複数の選択部と対応して操作ボタン３を含むユニットが複数個設けられている。そして、各スイッチ１２は、例えばマイクロコンピュータからなる制御装置（図示せず）に接続される。

次に、このタッチ検出機能付きスイッチ装置のタッチ検出回路１３について、図３を参照して説明する。このタッチ検出回路１３は一般的な静電容量検出回路であり、高周波信号を出力する発振部１４（一方の端子がグランドに接続されている。）、負荷抵抗１５、高周波信号の検波及び平滑を行なう検波部１６及びオペアンプ１７を備えて構成されている。

発振部１４の出力端子（他方の端子）には、負荷抵抗１５、配線部８及び接続線９を介して結合用電極５が接続されている。検波部１６は、ダイオード及びコンデンサなどからなり、発振部１４からの高周波信号が負荷抵抗１５を介して入力されている。また、検波部１６の出力はオペアンプ１７を介して、増幅及びオフセットされた信号Ｖｏｕｔとして制御装置に入力されている。なお、発振部１４、負荷抵抗１５、検波部１６及びオペアンプ１７は、パッケージ化された静電容量検出ＩＣ１８として構成されている。

次に、本実施例の作用につき説明する。
使用者の手指が操作ボタン３の小形部３ａの上面に接近すると、使用者の手指はグランドに接続された状態になっているので、使用者の手指とタッチ検出用電極４とで可変のコンデンサＣ２が形成され、タッチ検出用電極４と結合用電極５とで平行板状の固定のコンデンサＣ１が形成されて、これらは直列接続された状態になる。この場合、コンデンサＣ１とＣ２の合成コンデンサＣ３の静電容量は、次のように表わすことができる。

Ｃ３＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）［Ｆ］
上記構成において、使用者の手指が操作ボタン３の上面即ちタッチ検出用電極４に接触すると、タッチ検出用電極４は、手指を介してグランドに接続されるようになり、コンデンサＣ２の静電容量は大きくなる。これに対して、平行平板のコンデンサＣ１の静電容量は、タッチ検出用電極４及び結合用電極５の大きさや電極間距離などを調整することで、コンデンサＣ２の静電容量よりも小さな一定の静電容量とすることができ、上記式より合成コンデンサＣ３の静電容量は、コンデンサＣ１と略同じとみなすことができる（Ｃ３≒Ｃ１）。

これにより、プリント配線板６の配線部８は、接続線９、合成コンデンサＣ３（Ｃ３≒Ｃ１）及び手指を介してグランドに接続されることになる。従って、発振部１４から出力された高周波信号は、負荷抵抗１５の抵抗値と合成コンデンサＣ３のインピーダンスとで分圧されて検波部１６に入力される。その結果、タッチ検出用電極４に手指が触れていない状態と比べて、検波部１６に入力される高周波信号のレベルが小さくなるため、検波部１６及びオペアンプ１７を介して出力される信号Ｖｏｕｔのレベルも小さくなる。制御装置は、この信号Ｖｏｕｔのレベルの変化により操作ボタン３への手指の接触を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン３に対応する選択部を暫定的な表示状態にする。

その後、使用者によって操作ボタン３が下方へ押圧操作され、操作ボタン３の押圧部３ｄによりスイッチ１２が押圧操作されると、スイッチ１２は動作（オン）してオン信号を選択信号として制御装置に与えるようになり、制御装置は、操作ボタン３に対応する選択部を固定的な表示状態に変化させ、その選択部の選択を決定する。

以上のように本実施例によれば、操作ボタン３の表面に薄膜状のタッチ検出用電極４を形成し、操作ボタン３にそのタッチ検出用電極４と対向して静電結合する結合用電極５を埋設して、この結合用電極５をプリント配線板６の配線部８に電気的に接続するようにした。従って、使用者が手指で操作ボタン３の上面即ちタッチ検出用電極４に接触すると、タッチ検出用電極４が手指を介してグランドに接続されることにより、その手指とタッチ検出用電極４とでコンデンサＣ２が形成されるとともにタッチ検出用電極４と結合用電極５とでコンデンサＣ１が構成されるようになり、その合成コンデンサＣ３の静電容量はコンデンサＣ１のそれと略等しくなるものであり、このコンデンサＣ１は手指のタッチ検出用電極４に対する接触状況（手指の大きさ、接触箇所、接触圧力など）に関係なく安定した静電容量になるので、タッチ検出回路１３は操作ボタン３への手指によるタッチ操作を確実に検出することができる。

更に、前述したように、タッチ検出用電極４に結合用電極５を静電結合させ、この結合用電極５をプリント配線板６の配線部８に接続線９により電気的に接続するようにしたので、薄膜状のタッチ検出用電極４に対する接続線の接続は不要であり、それだけ配線が容易になる。
そして、操作ボタン３及びタッチ検出用電極４に透光性をもたせるとともに、結合用電極５を上下両面が開放する略コ字状にしたので、ＬＥＤ７による照明効果を充分に得ることができる。

図４は本発明の第２の実施例であり、上記実施例（特に図１）と同一部分には同一符号を付して示す。
操作部材たる操作ボタン１９は、操作ボタン３と同様に、ボディ１のボタン収納孔部２に収納されている。操作ボタン１９は、透光性を有するプラスチックで下面が開放する矩形容器状に形成され、上部は他の部位より小になされてこれらの小形部１９ａと大形部１９ｂとの間に段部１９ｃが形成されている。操作ボタン１９の下面を除く表面には、操作ボタン３と同様に、全体にわたって導電性材料によるスパッタリング或いはメッキ塗装により薄膜状のタッチ検出用電極４が形成されている。そして、操作ボタン１９の下面の押圧部１９ｄは、カバー１０の可撓部１１の受圧部１１ａに上方から当接するようになっている。これにより、操作ボタン１９は可撓部１１により上方に付勢されて、その段部１９ｃがボディ１の段部２ａに当接し、小形部１９ａの上部がボディ１の上面より若干突出した状態に保持される。

その操作ボタン１９の小形部１９ａの上部内面及び一側部内面並びに大形部１９ｂの一側部内面には、結合用電極２０が配置されており、これは、操作ボタン１９に内ケース２１を圧入することにより該操作ボタン１９内に保持されている。この場合、結合用電極２０は、タッチ検出用電極４の一部と所定の間隙を存して対向するようになっていて、タッチ検出用電極４と静電結合してコンデンサ（説明の便宜上図３中Ｃ１参照）を構成するようになっている。なお、結合用電極２０の小形部１９ａ内に位置する電極部２０ａには、透光用の透孔２０ｂが形成され、内ケース２１の上部にも、透孔２０ｂと対向して透孔２１ａが形成されている。

上記結合用電極２０は、弾性変形可能なフレキシブルプリント配線板（以下、ＦＰＣと称す）２２を介してプリント配線板６の配線部８に後述するように電気的に接続されている。このＦＰＣ２２は、プラスチックシート間に銅製の配線部（いずれも図示せず）を挟み込んだような構造となっていて、操作ボタン１９内に位置する一端部側を結合用電極２０としている。そして、ＦＰＣ２２の他端部側は、プリント配線板６の下面に装着されたコネクタ２３を介して配線部８に接続され、コネクタ２３の手前部分において、固定部材２４によってプリント配線板６に固定されている。
しかして、この第２の実施例では、結合用電極２０が前記実施例の結合用電極５の作用をなすものであり、従って、この第２の実施例によっても前記第１の実施例と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記第２の実施例では、ＦＰＣ２２により結合用電極２０を形成するようにしたが、代わりに、例えば、導電部材製の弾性変形可能なフィルムで形成してもよく、または、表面に薄膜状の導電部材を施した弾性変形可能な絶縁フィルムで形成してもよい。
上記第２の実施例では、操作ボタン１９の表面の全体に薄膜状のタッチ検出用電極４を設けるようにしたが、例えば、結合用電極２０に対向する部分にのみタッチ検出用電極を設けるようにしてもよく、或いは、逆に、結合用電極２０の代わりにタッチ検出用電極４の全体にわたって対向する結合用電極を設けるようにしてもよい。

その他、本発明は、上記しかつ図面に示す実施例に限定されず、次のような変形、拡張が可能である。
上記実施例では、複数の選択部を有する表示装置を設け、スイッチ１２の動作によりその選択部の選択を決定するようにしたが、例えば、単に複数の操作ボタンに対応する複数の表示部を有する表示装置を設けるようにしてもよい。
また、上記実施例では、ＬＥＤ７を設けるようにしたが、これは必要に応じて設ければよい。

本発明の第１の実施例を示すタッチ検出機能付きスイッチ装置の縦断面図 結合用電極の斜視図 タッチ検出回路の等価回路を示す図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 比較例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、３は操作ボタン（操作部材）、４はタッチ検出用電極、５は結合用電極、６はプリント配線板、８は配線部、１２はスイッチ（スイッチ要素）、１３はタッチ検出回路、１９は操作ボタン（操作部材）、２０は結合用電極、２１は内ケース、２２はフレキシブルプリント配線板を示す。

Claims (1)

1. 操作部材と、
   この操作部材が操作されることに基づいて動作するスイッチ要素と、
   手指が接触したことを検出するために前記操作部材の表面に薄膜状に形成されたタッチ検出用電極と、
   このタッチ検出用電極に対向して静電結合するように前記操作部材に設けられた結合用電極と、
   この結合用電極に電気的に接続された配線部を有するプリント配線板とを備えていることを特徴とするタッチ検出機能付きスイッチ装置。
   
   

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