JP3937531B2

JP3937531B2 - タッチスイッチ

Info

Publication number: JP3937531B2
Application number: JP29759197A
Authority: JP
Inventors: 昌弘中園; 裕司中川; 勝則北川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11134987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレートに指等が触れたことを検知することにより負荷のオン・オフ制御を行うタッチスイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プレートに指等が触れたことを検知、または、プレートに指等が接近したことを検知して電気機器等の負荷をオン・オフ制御するタッチスイッチに関しては、種々の方法が考案されている。このうち、静電容量の変化によって指等の接触・接近を検知する方法は、可動する部分がほとんどないため、高い耐久性を有している。
【０００３】
このような静電容量の変化を用いて検知するタッチスイッチには、タッチ検出用電極に指等が接触・接近したことによるインピーダンスの変化を検出する単極構成のものや基板の一方の面にタッチ用電極を形成し、他方の面に一対の検出用電極を形成した三極構成のもの等がある。
【０００４】
上記の構成のタッチスイッチでは、タッチ検出用電極（タッチ用電極）に直接又は電極の表面に施されたコーティング材を介して指等を接触・接近させる必要があり、手袋をはめた場合等、指の表面とタッチ検出用電極（タッチ用電極）との距離が大きくなると検知しなくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、この問題を解決するために、基板の一方の面に一対のタッチ検出用電極を形成するとともに、その表面を絶縁基板で覆った二極構成とし、電極間の静電容量変化によってタッチ検出を行うようにしたものが開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のタッチスイッチにおいては、指等が接触・接近する電極板と、その際に生じる静電容量の変化を検出する容量変化検出部と、検知された接触・接近により負荷等のオン・オフ制御を行う負荷制御回路とが一体に本体に設けられている。そして、このタッチスイッチを壁面等に設置するには、壁面の所望の位置にて本体が埋め込まれるだけの開口若しくはスイッチボックスを設け、タッチスイッチの電極板のみが壁面に露出するように本体を壁面に埋設するとともに、壁面の内部にて電源や負荷への配線が行われている。
【０００７】
ところが、上述のような構成のタッチスイッチでは、電極板のみが壁面に露出するので美観に優れるものの、壁面に開口を設け、スイッチボックスの取付及び電源や負荷との配線等の工事が必要であり、タッチスイッチの設置場所の変更や新規の取付、取り外しに工事の手間がかかるといった問題を有していた。また、このような配線工事には電気工事士等の資格が必要であり、タッチスイッチの取付、取り外しに際してコストや時間がかかるという問題点や、設置場所に様々な制約があるという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、取付・取り外しの作業性に優れるとともに、設置場所に制約を受けないタッチスイッチを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、タッチ操作部と本体とが分離して配置されるものであって、タッチ操作部は、表面に絶縁層を有して指等の接触・接近を検知する一対のタッチ検出用電極と、タッチ検出用電極の裏面側に設けられたシールド電極とを備え、本体は、指等の接触・接近に伴うタッチ検出用電極間の静電容量の変動を検出する容量変化検出部と、容量変化検出部による検出結果に基づいて負荷のオン・オフ制御を行う制御部とを備え、タッチ検出用電極と本体とはシールド部分で被覆された少なくとも２本のシールド線を介して接続され、シールド線のシールド部分は本体より定電位が供給され、タッチ操作部のシールド電極は一のシールド線のシールド部分と電気的に接続されて定電位が保持されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のタッチスイッチにおいて、本体に少なくとも２つ以上のタッチ操作部を接続するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のタッチスイッチにおいて、本体にタッチ操作部をバス接続するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載のタッチスイッチにおいて、タッチ操作部に制御部における負荷制御の状態を表示する表示手段を設けるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のタッチスイッチにおいて、シールド線のシールド部分を介して表示手段に電源供給するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図１乃至図９に基づき詳細に説明する。図１はタッチスイッチの回路構成図である。図２はタッチスイッチを構成するタッチ操作部の側面断面図である。図３はタッチスイッチを構成するタッチ操作部の上面に形成されるタッチ検出用電極の配置パターンである。図４は指等の接近・接触等に伴うタッチ用電極間の静電容量の変化の様子を表す図である。図５は発振回路部の回路図である。図６は指等の接近・接触等に伴う発振回路の発振周期の変化の様子を表す図である。図７は図５の等価回路図である。図８はタッチ操作部を並列接続した場合のタッチ操作部の個数と発振回路から見たタッチ操作部の合成静電容量との関係を表す図である。図９はタッチ操作部と発振回路との接続を表す構成図である。
【００１５】
本実施の形態のタッチスイッチはタッチ操作部１と、本体２と、タッチ操作部１と本体２とを接続するシールド線３とから構成される。なお、図１では、タッチ操作部１が３つ取り付けられた構成となっているが、タッチ操作部１の数はこれに限られるものではない。
【００１６】
まず、本実施の形態のタッチスイッチを構成するタッチ操作部１について述べる。
【００１７】
タッチ操作部１は、図２に示すように、絶縁基板４の一面に一対のタッチ検出用電極５を形成し、このタッチ検出用電極５を絶縁樹脂６で被覆し、その上に絶縁プレート７を配置することにより構成される。また、絶縁基板４の他方の面にはシールド電極８が形成されている。
【００１８】
絶縁基板４はガラスエポキシ樹脂で形成されたプリント配線基板からなる。また、タッチ検出用電極５及びシールド電極８は銅から形成されている。さらに、絶縁樹脂６はソルダーレジストからなり、絶縁プレート７はアクリル或いはポリカーボネート等の絶縁樹脂材料からなる。
【００１９】
なお、絶縁基板４として、フィルム状のフレキシブルプリント基板を用い、タッチ検出用電極５として、インジウムオキサイドや酸化錫等からなる透明電極を用い、表面の絶縁材料として、フィルム状の高分子樹脂を用いてフィルム状の薄型のタッチ操作部１を形成することもできる。
【００２０】
また、タッチ検出用電極５の絶縁樹脂６とその上の絶縁プレート７が分離されている必要はなく、指等が直接タッチ検出用電極５に触れず、タッチ検出用電極５、５間が電気的に絶縁されている構成となっているれば良いため、タッチ検出用電極５の絶縁樹脂６の表面をタッチ操作部１としてもよい。
【００２１】
絶縁基板４上に形成されたタッチ検出用電極５の配置パターンは、例えば、図３のようになる。タッチ検出用電極５は、一対の対向するタッチ検出用電極５、５間が互いに絶縁された構成をなしているため、電気力線は一方の電極から他方の電極へ向かってのびており、電気的にはコンデンサとして機能することになる。
【００２２】
このタッチ操作部１に指等が接触・接近する場合について説明する。人体は電気的には接地導体として近似的に取り扱うことが可能となる。従って、指等がタッチ操作部１に接近することにより、電気力線の一部がタッチ操作部１に接近する指等にのびるため、タッチ検出用電極５、５間の電気力線の数が減少することになる。つまり、タッチ操作部１に指等が接近するとタッチ検出用電極５、５間の静電容量が減少することになる。
【００２３】
指の接近に伴う静電容量の変化の様子を図４に示す。指の接近に伴ってタッチ検出用電極５、５間の静電容量が初期値のＣ０から減少し、指がタッチ操作部１表面に接触すると静電容量がＣ０−ΔＣとなって変化が停止する。そして、指がタッチ操作部１から遠ざかると再びもとの静電容量であるＣ０となる。
【００２４】
次に、本実施の形態のタッチスイッチの回路構成について述べる。
本実施の形態のタッチスイッチの回路図を図１に示す。タッチスイッチは、電源回路１０と、負荷制御回路１１と、タッチ検知判断回路１２と、発振回路１３とからなる本体２と、前述の構成よりなるタッチ操作部１とからなり、本体２とタッチ操作部１とはシールド線３を介して接続されている。
【００２５】
シールド線３の被覆部には定電位が本体２より供給されており、シールド線３内部の電界分布は外部の電界分布の影響を受けることがないので、シールド線３、３間の容量は指の接近や輻射ノイズの印加による外部の電界分布変化による影響を受けることがない。なお、タッチ操作部１の絶縁基板４の裏面に設けられたシールド電極８は、二つのシールド線３の一方側の被覆部と電気的に接続されており、定電位が供給されている。
【００２６】
電源回路１０は、電源４０と接続され、負荷３０及びタッチ検知判断回路１２、発振回路１３へ電力を供給する。
【００２７】
負荷制御回路１１は、タッチ検知判断回路１２からの信号に基づいてタッチスイッチに接続される電灯等の負荷３０のオン・オフ制御を行う。
【００２８】
発振回路１３は、図５に示すような構成となっており、インバータ素子Ｇ１、Ｇ２を直列に接続することによりなるＲＣ形発振回路である。なお、タッチ操作部１はそれぞれコンデンサとして機能している。本実施の形態では、ＲＣ形発振回路としては、公知のインバータ回路によるものを用いており、インバータ回路の外部に接続された静電容量をＣ、帰還抵抗の抵抗値をＲ、発振周期をＰとすると、Ｐ＝ＫＲＣとなる。なお、Ｋは係数であり、インバータ回路の電源電圧、論理判定の閾値電圧等で決まる定数である。従って、抵抗値Ｒは一定であるので、発振周期Ｐはタッチ検出用電極５、５間の静電容量Ｃに比例することになるため、指の接近によるタッチ操作部１の静電容量Ｃの変化は発振回路１３の発振周期Ｐを測定することによって検知が可能となる。
【００２９】
タッチ検知判断回路１２は、上記のＲＣ形発振回路の発振周期Ｐから、後述する方法によりタッチ検知の判断を行い、負荷制御回路１１へと出力を行う。この出力信号に基づいて、負荷制御回路１１は負荷３０のオン・オフ制御を行う。
【００３０】
タッチ操作部１に形成されたシールド電極８は、定電位（図５の例ではＧＮＤ電位）に保持されているため、タッチ操作部１裏側の電界分布変化がタッチ検出用電極５、５間の電界分布変化に影響を及ぼさず、電気的なノイズなどによってタッチ検出用電極５の静電容量に影響を与えないようにしている。このようにシールド線３の被覆線及びシールド線の電極８によって、タッチ検出用電極５のタッチ操作面側以外の部分は定電位に保持されているので、指等の接近によってタッチ操作面側に生じた電界分布の変化を選択的に検出できる。
【００３１】
次に、本実施形態のタッチスイッチの動作について図６に基づいて説明する。電源投入・リセット時の発振回路１３の発振周期をＰｓ（定常周期）とする。ここでいう定常周期Ｐｓは、タッチ操作部１に指等が接近していない状態における発振周期Ｐであり、電源投入・リセット直後にこの値を計測する。定常周期Ｐｓを計測した後、直ちに指が接近中であるかどうかを監視する指接近監視状態へ遷移する。
【００３２】
次に、指等の接近に伴い、発振周期Ｐが低くなり、定常周期Ｐｓとそのときの発振周期Ｐとの差が、予め定めた閾値ΔＰｔｈ以上となった状態で所定時間が経過すると、タッチ検知判断回路１２では指が接触しているものと判断し、負荷制御回路１１へと出力を行う。負荷制御回路１１は、この出力信号に基づき照明灯の負荷３０のオン・オフ制御を行う。
【００３３】
そして、指が離れて発振周期Ｐが高くなり、定常周期Ｐｓとの差が一定の閾値ΔＰｔｈ以下である状態が一定時間経過すると、再び指接近を監視する指接近監視状態へ遷移する。
【００３４】
電源回路１０と、負荷制御回路１１と、タッチ検知判断回路１２と、発振回路１３とからなる本体２は、一体化され、例えば、屋根裏等に格納されており、電源（ＡＣ１００Ｖ）と照明等の負荷３０が接続されている。タッチ操作部１は、壁面へ張り付けられており、タッチ操作部１と本体２との間の接続はシールド線３を介して行われる。シールド線３は壁面等に沿って配線される。なお、本体２とタッチ操作部１の設置場所は、これに限られるものではなく、必要に応じて本体２を室内に既存のスイッチボックスへ格納するようにしてもよいし、タッチ操作部１を机や床面等に張り付けるようにしてもよい。
【００３５】
また、図５に示したように、タッチ操作部１は、コンデンサとして機能するため、発振回路１３からタッチ操作部１を見れば、タッチ操作部１が複数個接続されていても動作的には全く前述のものと同様であり、電気的にも図７と回路的に等価と考えられる。従って、タッチ操作部１を複数設け、室内にそれぞれ設置するようにすれば、負荷３０のオン・オフ制御が様々な場所から行えるため、利便性に優れる。
【００３６】
図８は、タッチ操作部１を並列接続した場合のタッチ操作部１の個数と発振回路１３から見たタッチ操作部１の合成静電容量との関係を示してある。今、タッチ操作部１の１個当たりの静電容量をＣ０とすると、合成静電容量はタッチ操作部１の静電容量の和になる。いずれか１つのタッチ操作部１に指が接触した場合の静電容量変化をΔＣとすると、指が接触したタッチ操作部１の静電容量はＣ０−ΔＣとなり、他のタッチ操作部１の静電容量はＣ０であるため、タッチ操作部１の接続個数に関係せず指が接近したことによる静電容量の変化量はΔＣとなる。このため、上述のタッチ検知方法により、タッチ検知部の接続個数によらずタッチ検知を行うことができる。なお、図９に示すように、複数のタッチ操作部１を個々に発振回路１３に接続するようにしてもよい。
【００３７】
なお、本体２の電源回路１０よりタッチ操作部１に接続される２本のシールド線３に新たに１本のシールド線３を加え、このシールド線３を用いてタッチ操作部１に設けた面実装型ＬＥＤ素子等の表示手段（図示せず）に直流電圧を供給するようにしてもよい。これにより、例えば、負荷３０がオン状態にあれば電力を供給してＬＥＤを点灯し、負荷３０がオフ状態にあれば電力の供給を止めることによりＬＥＤを消灯するといった、負荷３０の状態にあわせて表示を切り替えることが可能となる。なお、表示の手段としては、ＬＥＤ素子に限らず、ＥＬ（電界発光）素子や蛍光管等の発光素子を用いるようにしてもよい。
【００３８】
また、本体２の電源回路１０から一方のシールド線３の被覆線側を介して定電位Ｖｔｈを表示手段に供給し、他方のシールド線３の被覆線側を表示手段のアース電位とするようにしてもよい。これにより、表示手段に電力を供給するためのシールド線３を別途設ける必要がない。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明にあっては、タッチ操作部と本体とが分離して配置されるものであって、タッチ操作部は、表面に絶縁層を有して指等の接触・接近を検知するタッチ検出用電極を備え、本体は、指等の接触・接近に伴うタッチ検出用電極間の静電容量の変動を検出する容量変化検出部と、容量変化検出部による検出結果に基づいて負荷のオン・オフ制御を行う制御部とを備え、タッチ検出用電極と本体とはシールド線を介して接続するようにしたので、タッチ操作部の薄型化が可能となり、例えば、本体を屋根裏に設置し、壁面等の必要な場所にタッチ操作部を張り付けるといったことができ、取付・取り外しの作業性に優れるとともに、設置場所に制約を受けないタッチスイッチを提供することができるという効果を奏する。さらに、タッチ操作部と本体との接続がシールド線により行われており、被覆線が定電位保持されているため、シールド選外部の電界変化によりシールド線間の容量が変化せず、タッチ操作部と本体との接続線からの輻射ノイズの混入を避けることができ、耐ノイズ性が向上するという効果を奏する。
【００４０】
請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載のタッチスイッチにおいて、本体に少なくとも２つ以上のタッチ操作部を接続するようにしたので、複数箇所から同一の負荷を制御することが可能になるという効果を奏する。
【００４１】
請求項３記載の発明にあっては、請求項２記載のタッチスイッチにおいて、本体にタッチ操作部をバス接続するようにしたので、例えば、二つ目以降のタッチ操作部を本体に直接接続する必要がなくなるため、新たにタッチ操作部の追加を行う際に、シールド線間の任意の位置にタッチ操作部を接続すれば良いので、タッチ操作部や本体の設置場所や配線経路の自由度を増すことができるという効果を奏する。
【００４２】
請求項４記載の発明にあっては、請求項１乃至請求項３記載のタッチスイッチにおいて、タッチ操作部に制御部における負荷制御の状態を表示する表示手段を設けるようにしたので、タッチ操作部において負荷の動作状況を確認することができるという効果を奏する。
【００４３】
請求項５記載の発明にあっては、請求項４記載のタッチスイッチにおいて、シールド線のシールド部分を介して表示手段に電源供給するようにしたので、タッチ操作部と本体とを接続するシールド線以外に別途接続線を用いる必要がなくなり、配線の簡素化が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】タッチスイッチの回路構成図である。
【図２】タッチスイッチを構成するタッチ操作部の側面断面図である。
【図３】タッチスイッチを構成するタッチ操作部の上面に形成されるタッチ検出用電極の配置パターンである。
【図４】指等の接近・接触等に伴うタッチ用電極間の静電容量の変化の様子を表す図である。
【図５】発振回路部の回路図である。
【図６】指等の接近・接触等に伴う発振回路の発振周期の変化の様子を表す図である。
【図７】図５の等価回路図である。
【図８】タッチ操作部を並列接続した場合のタッチ操作部の個数と発振回路から見たタッチ操作部の合成静電容量との関係を表す図である。
【図９】タッチ操作部と発振回路との接続を表す構成図である。
【符号の説明】
１タッチ操作部
２本体
３シールド線
１１制御部（負荷制御回路）
１２発振回路
１３タッチ検知判断回路
１２、１３容量変化検出部
３０負荷

Claims

タッチ操作部と本体とが分離して配置されるものであって、タッチ操作部は、表面に絶縁層を有して指等の接触・接近を検知する一対のタッチ検出用電極と、タッチ検出用電極の裏面側に設けられたシールド電極とを備え、本体は、指等の接触・接近に伴うタッチ検出用電極間の静電容量の変動を検出する容量変化検出部と、容量変化検出部による検出結果に基づいて負荷のオン・オフ制御を行う制御部とを備え、
タッチ検出用電極と本体とはシールド部分で被覆された少なくとも２本のシールド線を介して接続され、シールド線のシールド部分は本体より定電位が供給され、タッチ操作部のシールド電極は一のシールド線のシールド部分と電気的に接続されて定電位が保持されていることを特徴とするタッチスイッチ。
本体に少なくとも２つ以上のタッチ操作部を接続するようにしたことを特徴とする請求項１記載のタッチスイッチ。
本体にタッチ操作部をバス接続するようにしたことを特徴とする請求項２記載のタッチスイッチ。
タッチ操作部に制御部における負荷制御の状態を表示する表示手段を設けるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のタッチスイッチ。
シールド線のシールド部分を介して表示手段に電源供給するようにしたことを特徴とする請求項４記載のタッチスイッチ。