JP2015130269A - 静電容量式操作装置および静電容量式操作装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操作プレートと電極シートの間に気泡が含まれることの抑制を図る。【解決手段】静電容量式操作装置は、以下に説明する操作プレート１０および電極シート２０を備える。操作プレート１０は、指先Ｆにより接触操作される操作面１１、１２を形成する。電極シート２０は、指先Ｆ（操作体）との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する電極４１、４２、および電極４１、４２を保持する絶縁シート３０を有して構成されている。そして、電極シート２０の少なくとも一部は、インサート成形により操作プレート１０に埋め込まれている。【選択図】図２

Description

本発明は、操作体（例えばユーザの指先）により接触操作される静電容量式操作装置、およびその製造方法に関する。

従来の静電容量式操作装置は、ユーザの指先により接触操作される操作プレート、および電極を備える。電極は、指先との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する。静電容量式操作装置は、上記電気信号に基づき、電極と指先との間で生じる静電容量の変化量に応じた検出値を取得し、取得した検出値が所定の閾値を越えている場合に、操作プレートに指先が接触していると判定する。

そして特許文献１に記載の操作装置では、絶縁シートに上記電極を保持させて電極シートを形成し、その電極シートを操作プレートの裏面に接着シートで貼り付けることで、操作プレートの操作面に対向するように電極を配置させている。

特開２０１２−７９４２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、電極シートと操作プレートの間に気泡を含んだ状態で貼り付けられることがある。このように気泡が介在すると静電容量が異なる値になるので、検出値が閾値を越えたか否かの判定にばらつきが生じることとなり、接触判定の精度が悪くなる。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、操作プレートと電極シートの間に気泡が含まれることの抑制を図った静電容量式操作装置、およびその製造方法を提供することにある。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される発明のひとつは静電容量式操作装置である。この操作装置は、操作体（Ｆ）により接触操作される操作面（１１、１２、１３、１４）を形成する樹脂製の操作プレート（１０）と、操作面に対して操作体の反対側に位置し、操作体との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する電極（４１、４２、４３、４４）、および電極を保持する絶縁シート（３０）を有する電極シート（２０）と、を備え、電極シートの少なくとも一部は、インサート成形により操作プレートに埋め込まれていることを特徴とする。

この発明によれば、インサート成形により電極シートが操作プレートに埋め込まれているので、樹脂成形後の操作プレートに電極シートを接着シートで貼り付ける作業を無くすことができる。よって、操作プレートと電極シートの間に気泡が含まれることを抑制できる。そのため、気泡に起因して静電容量が異なる値になることを抑制でき、ひいては、接触判定の精度を向上できる。

開示される発明のひとつは静電容量式操作装置の製造方法である。この製造方法は、操作体（Ｆ）により接触操作される操作プレート（１０）と、操作体との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する電極（４１、４２、４３、４４）を有する電極シート（２０）と、を備える静電容量式操作装置の製造方法であることを前提とする。そして、電極シートに熱溶融型の接着剤（ＨＡ）を付与する接着剤付与工程（Ｓ２０）と、接着剤付与工程の後、操作プレートを樹脂成形する金型内に電極シートを設置する設置工程（Ｓ３０）と、設置工程の後、金型内に溶融樹脂を注入する注入工程（Ｓ４０）と、を含むことを特徴とする。

この発明によれば、金型内に電極シートを設置して操作プレートをインサート成形するにあたり、熱溶融型の接着剤を電極シートに付与しておいた状態で、金型に溶融樹脂を注入してインサート成形する。そのため、溶融樹脂の熱により接着剤が溶融し、溶融樹脂の冷却固化とともに接着剤が固化しながら、操作プレートが電極シートと一体に成形される。よって、操作プレートと電極シートの間に気泡が含まれることを抑制できることは勿論のこと、溶融樹脂の冷却固化時の収縮に起因して操作プレートと電極シートの間に隙間（空気層）が形成されてしまうことを抑制できる。そのため、気泡や空気層に起因して静電容量が異なる値になることを抑制でき、ひいては、接触判定の精度を向上できる。

本発明の一実施形態にかかる静電容量式操作装置の正面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。 電極シートの単体の状態を示す図２のＩＩＩ矢視図。 図１に示す静電容量式操作装置の製造手順を説明するフローチャート。 図４に示す製造手順において、金型内に電極シートを設置した状態を示す断面図。 図５のＶＩ矢視図。 図４に示す製造手順において、キャビティに樹脂を注入した状態を示す断面図。

以下、本発明にかかる静電容量式操作装置およびその製造方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。この操作装置は車両に搭載されており、各種メータや表示装置が組み付けられたインストルメントパネルに組み付けられている。操作装置は、運転席および助手席のいずれの乗員（ユーザ）からも操作可能な位置に配置されている。図１および図２に示すように、操作装置は、以下に説明する操作プレート１０、電極シート２０およびプリント配線板６０を備えて構成されている。

操作プレート１０は、樹脂成形された板部材であり、ユーザに視認される装飾面１０ａを形成する。装飾面１０ａは、複数の操作面１１、１２、１３、１４を有している。これらの操作面１１〜１４には、操作対象の設定内容を表した文字や記号、図形等が印刷されている。図１に示す例では、操作対象は、車室内を空調する空調装置１００であり、例えば、空調装置１００の起動、風量設定、温度設定等が上記設定内容の具体例として挙げられる。操作面１１〜１４をユーザが指先Ｆで接触操作すると、対応する機器に対して作動を指令する指令信号が出力され、接触操作の内容にしたがって、空調装置１００が作動する。

電極シート２０は、操作面１１に対してユーザの反対側に位置し、インサート成形により操作プレート１０内に埋め込まれている。電極シート２０のうち操作プレート１０と接触する面には、熱溶融型の接着剤ＨＡが介在しており、電極シート２０は接着剤ＨＡにより操作プレート１０に接着されている。この接着剤ＨＡは、常温では固体、所定温度以上で液体となる熱可塑性樹脂を主成分としており、透光性を有する。

図３に示すように、電極シート２０は、以下に説明する絶縁シート３０と、電極４１、４２、４３、４４と、信号用配線５１、５２、５３、５４と、接地用配線５５と、端子５６と、を有して構成されている。

絶縁シート３０は、これらの電極４１〜４４、配線５１〜５５および端子５６を保持する。絶縁シート３０の材質には、電気絶縁性、可撓性および耐熱性を有する樹脂（例えばポリイミド）が採用されている。電極４１〜４４および配線５１〜５５は、絶縁シート３０のうち操作プレート１０の反対側の面に印刷されている。端子５６は、絶縁シート３０のうち操作プレート１０の反対側の面に形成されている。

電極４１〜４４の各々は、対応する操作面１１〜１４に対向するように、絶縁シート３０の所定位置に印刷されて保持される。電極４１〜４４には、酸化インジウムスズ等の透明電極が採用されている。信号用配線５１〜５４の各々は、対応する電極４１〜４４に電気接続されており、絶縁シート３０の所定位置に印刷されて保持されている。接地用配線５５は、複数の電極４１〜４４および複数の信号用配線５１〜５４を取り囲むよう、絶縁シート３０の所定位置に印刷されて保持されている。

配線５１〜５４の一端５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａは、対応する電極４１〜４４の周囲を囲む形状に形成されている。これにより、配線５１〜５４は、電極４１〜４４の全周に電気接続される。配線５１〜５４の他端５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、５４ｂ、および接地用配線５５の両端は、配線保持部３２の先端部分に配置され、端子５６に電気接続されている。

なお、絶縁シート３０のうち、電極４１〜４４を保持する部分を電極保持部３１と呼び、配線５１〜５５を保持する部分を配線保持部３２と呼ぶ。電極シート２０は、図２に示すように操作プレート１０内に埋め込まれている状態では、電極保持部３１と配線保持部３２との境界部分で屈曲している。つまり、電極保持部３１は、その全体が操作プレート１０内に埋め込まれているのに対し、配線保持部３２は、その一部が操作プレート１０からプリント配線板６０へ向けて延出し、操作プレート１０から露出している。

図２の説明に戻り、電極シート２０に対して操作プレート１０の反対側には、プリント配線板６０が配置されている。プリント配線板６０には、複数の光源６１、６２が実装されており、これらの光源６１、６２は、対応する電極４１〜４４に対向するように配置されている。

操作プレート１０には、透光性を有する樹脂部材が採用されており、操作面１１〜１４のうち印刷されていない部分が、光源６１、６２により透過照明される。なお、装飾面１０ａのうち操作面１１〜１４以外の部分には、遮光性を有する塗料が印刷されている。

電極４１〜４４は、静電容量の変化に応じて生じた電圧変化を電気信号として出力する。電極４１〜４４から出力された電気信号は、プリント配線板６０に実装されたマイクロコンピュータ（マイコン６５）に入力される。マイコン６５は、プログラムを記憶する記憶装置、および記憶されたプログラムにしたがって演算処理を実行する中央演算処理装置を備える。マイコン６５は、各種の演算処理を実行することにより、以下に説明する検出手段６５ａおよび接触判定手段６５ｂとして機能する（図２参照）。

プリント配線板６０には、電極シート２０の先端部分２０ａが接続されるコネクタ６６が実装されている。これにより、電極シート２０の端子５６とプリント配線板６０とは電気的に接続され、電極４１〜４４から出力された電気信号はマイコン６５へ入力される。

プリント配線板６０には、電極４１〜４４により形成される仮想キャパシタに対して充放電を繰り返す回路が実装されており、検出手段６５ａは、所定条件を満たすまでの充放電回数をカウントする。このカウント値は、電極４１〜４４と指先Ｆとの間で生じる静電容量が大きいほど小さい値になる。したがって、上記カウント値に基づき、電極４１〜４４と指先Ｆとの間で生じる静電容量の変化量に応じた「検出値」を検出手段６５ａは算出する。具体的には、指先Ｆが電極４１〜４４から十分に離れている時のカウント値を基準値と呼ぶ場合において、電極４１〜４４の近傍位置または接触位置に指先Ｆがある時のカウント値と基準値との差分を、上記検出値として算出する。接触判定手段６５ｂは、予め設定された所定の閾値よりも検出値が大きい場合に、その検出値に該当する操作面が指先Ｆにより接触操作されていると接触判定する。

次に、静電容量式操作装置の製造方法について、図４〜図７を用いて説明する。図４は、絶縁シート３０および操作プレート１０の製造手順を示すフローチャートであり、符号Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０、Ｓ４０、Ｓ５０、Ｓ６０に示す工程を順に実施する。

先ず、図４に示す第１工程Ｓ１０において、電極４１〜４４、配線５１〜５５および端子５６を絶縁シート３０に形成する。電極４１〜４４を形成する具体例としては、絶縁シート３０への印刷、スパッタリング、蒸着等が挙げられる。配線５１〜５５および端子５６を形成する具体例としては、絶縁シート３０への印刷等が挙げられる。

次の第２工程Ｓ２０（接着剤付与工程）では、熱溶融型の接着剤ＨＡを絶縁シート３０に付与する。具体的には、絶縁シート３０のうち操作プレート１０の側の面に、熱溶融型の接着剤ＨＡを印刷する。このように印刷した時点では、雰囲気温度が常温のため接着剤ＨＡは固体の状態である。以上により、電極４１〜４４、配線５１〜５５、端子５６および接着剤ＨＡが絶縁シート３０に設けられた、図３に示す単体状態の電極シート２０が完成する。なお、図３に示すように絶縁シート３０には貫通穴３１ａが複数形成されている。これらの貫通穴３１ａは、電極４１〜４４および配線５１〜５５を避けた位置に形成されている。

次の第３工程Ｓ３０（設置工程）では、図５に示すように、操作プレート１０を樹脂成形する金型内に電極シート２０を設置する。以下、この設置状態について詳細に説明する。図５は、金型を構成する下型８１、８２および上型９０が閉じて、キャビティ９０ａが形成された状態を示す。電極シート２０はキャビティ９０ａ内のうち下型８１、８２の上に設置されている。下型８１、８２には突起８１ａが複数形成されており、これらの突起８１ａは貫通穴３１ａに嵌め込まれている。これにより、電極シート２０はキャビティ９０ａ内で位置決めされる。

下型８１、８２は、第１下型８１および第２下型８２に分割されている。図６に示すように、第１下型８１には凹部８１ｂが形成されている。第１下型８１と第２下型８２を当接させた状態では、凹部８１ｂは、下型を上下方向に貫通する貫通穴を形成する。凹部８１ｂには電極シート２０が嵌め込まれている。したがって、金型内に設置された電極シート２０は、第１下型８１の上面から凹部８１ｂに沿って屈曲した状態で弾性変形している。電極シート２０の先端部分２０ａは、凹部８１ｂの下方に位置する。

次の第４工程Ｓ４０（注入工程）では、図７に示すように、射出機から所定圧力で射出された高温の溶融樹脂Ｒを、キャビティ９０ａ内に注入する。これにより、キャビティ９０ａは溶融樹脂Ｒで充填される。溶融樹脂Ｒの充填圧力により、電極シート２０は下型に押し付けられる。溶融樹脂Ｒの熱により、電極シート２０に設けられている接着剤ＨＡは溶融する。

次の第５工程Ｓ５０では、キャビティ９０ａの全体に溶融樹脂Ｒが充填された状態で、所定時間が経過するまで、金型内で溶融樹脂Ｒを冷却して固化させる。この時、溶融していた接着剤ＨＡも固化する。これにより、固化した溶融樹脂Ｒ（操作プレート１０）と電極シート２０とが接着剤ＨＡにより接着されつつ、操作プレート１０に電極シート２０が埋め込まれた状態となる。なお、冷却にかかる上記所定時間では、射出機からの樹脂圧力を、キャビティ９０ａに充填された溶融樹脂Ｒに印加し続ける。これにより、溶融樹脂Ｒが冷却固化されるときに発生する成形収縮分の溶融樹脂Ｒがさらに追加される。

次の第６工程Ｓ６０では、射出機を金型から切り離し、上型９０、第１下型８１および第２下型８２を脱型する。そして、電極シート２０がインサートされた状態の操作プレート１０を金型から取り出し、スプルーおよびランナーで固化した樹脂を操作プレート１０から除去する。

次の第７工程Ｓ７０では、操作プレート１０に加飾層を印刷して、装飾面１０ａを形成するとともに操作面１１〜１４を形成する。その後、電極シート２０の先端部分２０ａを、プリント配線板６０に設けられたコネクタ６６に挿入して、電極シート２０の端子５６をプリント配線板６０に電気接続する。以上の工程により、図１および図２に示す静電容量式操作装置が製造される。

以上により、本実施形態によれば、電極シート２０のうち電極保持部３１の全体および配線保持部３２の一部は、インサート成形により操作プレート１０に埋め込まれる。そのため、樹脂成形後の操作プレート１０に電極シート２０を接着シートで貼り付ける作業を無くした上で、電極シート２０を操作プレート１０に取り付けることができる。よって、操作プレート１０と電極シート２０の間に気泡が含まれることを抑制できる。そのため、気泡に起因して静電容量が異なる値になることを抑制できるので、検出値を閾値と比較して接触操作の有無を判定するにあたり、その判定精度を向上できる。

さらに本実施形態では、金型内に電極シート２０を設置して操作プレート１０をインサート成形するにあたり、熱溶融型の接着剤ＨＡを電極シート２０に付与しておいた状態で、金型に溶融樹脂Ｒを注入してインサート成形する。つまり、インサート成形後において、電極シート２０のうち操作プレート１０と接触する面には、熱溶融型の接着剤ＨＡが介在した状態になっている。

これによれば、第４工程Ｓ４０（注入工程）において、溶融樹脂Ｒの熱により接着剤ＨＡが溶融し、溶融樹脂Ｒの冷却固化とともに接着剤ＨＡが固化しながら、操作プレート１０が電極シート２０と一体に成形される。そのため、操作プレート１０と電極シート２０の間に気泡が含まれないようにできることは勿論のこと、溶融樹脂Ｒの冷却固化時の収縮に起因して操作プレート１０と電極シート２０の間に隙間（空気層）が形成されてしまうことを抑制できる。よって、接着剤ＨＡを用いることなくインサート成形した場合に比べて、操作プレート１０と電極シート２０の間に気泡が含まれることをより一層抑制できるとともに、空気層形成の懸念も抑制できる。

さらに本実施形態では、配線５１〜５４も絶縁シート３０に保持されており、絶縁シート３０の電極保持部３１は操作プレート１０に埋め込まれる一方で、配線保持部３２の一部は、操作プレート１０からプリント配線板６０に向けて延出している。そのため、電極４１〜４４に電気接続された配線５１〜５４が操作プレート１０からプリント配線板に向けて延出することとなる。よって、操作プレート１０に埋め込まれた状態の配線５１〜５４をプリント配線板６０と電気接続する場合に比べて、配線５１〜５４とプリント配線板６０との電気接続作業を容易にできる。

（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

上述した実施形態では、図４の第２工程Ｓ２０において絶縁シート３０に接着剤ＨＡを塗布しており、図２に示すように電極シート２０と操作プレート１０の間には接着剤ＨＡが介在している。これに対し、上記第２工程を廃止して、接着剤ＨＡを用いることなくインサート成形するようにしてもよい。このように接着剤ＨＡを廃止した場合であっても、図２に示す如く操作プレート１０の内部に電極シート２０が埋め込まれるようにインサート成形することで、気泡を生じさせずに電極シート２０を操作プレート１０に取り付けることが可能となる。

図２に示す実施形態では、電極シート２０のうち操作プレート１０の反対側に位置する面（背面）は、操作プレート１０から露出している。これに対し、電極シート２０の表面と背面の両方が操作プレート１０内に埋め込まれるようにインサート成形してもよい。

図２に示す実施形態では、絶縁シート３０のうち操作プレート１０の反対側に位置する面（背面）に電極４１〜４４を設けている。これに対し、絶縁シート３０の表面に電極４１〜４４を設けてもよい。また、絶縁シート３０の表面または背面に電極４１〜４４を設けることに替えて、絶縁シート３０の内部に電極４１〜４４を設けてもよい。

図２に示す実施形態では、電極４１〜４４に指先Ｆを近づけると電極４１〜４４の静電容量が増加する自己容量方式の装置を採用している。これに対し、電極４１〜４４の各々に対して受信電極を備える相互容量方式を採用してもよい。相互容量方式では、電極４１〜４４に指先Ｆを近づけると電極４１〜４４と受信電極との間で生じる電界が減少して受信電極の電荷が減少する。この電荷の減少に応じた電気信号を電極４１〜４４または受信電極は出力する。

図１に示す実施形態では、車両に搭載された静電容量式操作装置に本発明を適用しているが、本発明は、車両に搭載されたものに限定されるものではない。

上記各実施形態では、ユーザの指先Ｆを操作面１１〜１４に接触させて操作することを想定しており、指先Ｆを操作体としている。これに対し、例えばペン形状の操作部材をユーザが持ち、その操作部材を操作面１１〜１４に接触させて操作してもよく、この場合には、人体以外の操作部材が操作体として機能する。また、ユーザが手袋をはめた状態で操作面１１〜１４を接触操作した場合には、手袋が操作体として機能する。

図２に示す実施形態では、装飾面１０ａが平面形状であるが、曲面形状であってもよいし、部分的に曲面を有する形状であってもよい。また、図２に示す実施形態では、操作プレート１０が肉厚均一の平板であるが、肉厚均一の湾曲板であってもよいし、肉厚が不均一の板であってもよい。

１０…操作プレート、１１、１２、１３、１４…操作面、２０…電極シート、３０…絶縁シート、４１、４２、４３、４４…電極、Ｓ３０…塗布工程、Ｓ４０…設置工程、Ｓ５０…注入工程、ＨＡ…接着剤。

Claims (4)

1. 操作体（Ｆ）により接触操作される操作面（１１、１２、１３、１４）を形成する樹脂製の操作プレート（１０）と、
   前記操作面に対して前記操作体の反対側に位置し、前記操作体との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する電極（４１、４２、４３、４４）、および前記電極を保持する絶縁シート（３０）を有する電極シート（２０）と、
   を備え、
   前記電極シートの少なくとも一部は、インサート成形により前記操作プレートに埋め込まれていることを特徴とする静電容量式操作装置。
2. 前記電極シートのうち前記操作プレートと接触する面には、熱溶融型の接着剤（ＨＡ）が介在していることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式操作装置。
3. 前記電極シートは、前記絶縁シートに保持されつつ前記電極に電気接続された配線（５１、５２、５３、５４）を有し、
   前記絶縁シートのうち前記電極を保持する部分である電極保持部（３１）は、前記操作プレートに埋め込まれ、
   前記絶縁シートのうち前記配線を保持する部分である配線保持部（３２）の一部は、前記操作プレートから延出していることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式操作装置。
4. 操作体（Ｆ）により接触操作される操作プレート（１０）と、前記操作体との間で生じる静電容量の変化量に応じた電気信号を出力する電極（４１、４２、４３、４４）を有する電極シート（２０）と、を備える静電容量式操作装置の製造方法であって、
   前記電極シートに熱溶融型の接着剤（ＨＡ）を付与する接着剤付与工程（Ｓ２０）と、
   前記接着剤付与工程の後、前記操作プレートを樹脂成形する金型内に前記電極シートを設置する設置工程（Ｓ３０）と、
   前記設置工程の後、前記金型内に溶融樹脂を注入する注入工程（Ｓ４０）と、
   を含むことを特徴とする静電容量式操作装置の製造方法。

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