JP5064848B2 - 静電容量スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、各種の電子機器に搭載可能な静電容量スイッチに係わり、特に静電ノイズ対策を施した静電容量スイッチに関する。

以下の特許文献１には、自動販売機の前面パネルに静電容量を検出するためのタッチパネルを設けたスイッチ装置に関する発明が記載されている。

人体の一部がタッチパネルに接近しまたは接触すると、タッチパネルと人体との間に形成される静電容量が変化する。このスイッチ装置では、このような静電容量の変化に起因して発生する信号間の位相の遅れを、内部の回路で検出することにより、スイッチとしての機能が得られるようになっている。
特開平７−７３７９０号公報（図８−図１０）

上記特許文献１に記載のスイッチ装置では、タッチパネルが導電性樹脂または導電性金属で形成されており、タッチパネルは内部回路に直接的に接続される構成である。しかも、タッチパネルは前面パネルに露出された状態で取り付けられている。

このため、タッチパネルを介して静電ノイズが混入しやすい状態にある。このような静電ノイズが内部回路に直接に伝わると、スイッチ動作について誤動作が発生したり、内部の回路が破壊されたりするといった問題があった。

また特許文献１に記載のものでは、手袋による静電容量と人体による静電容量との２つから検出される構成であるが、いずれも可変容量であり、安定した静電容量を確保できず、検出精度が低くなりやすいという問題がある。この問題は、固定静電容量として、市販のコンデンサをタッチパネルと回路との間に設けておくことで解決可能とも考えられが、このような方法では部品点数の増大し、製造コストを低減することが難しい。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、静電ノイズの影響を受け難くした静電容量スイッチを提供することを目的としている。

また本発明は検出精度に優れ、部品点数を削減可能な静電容量スイッチを提供することを目的としている。

本発明は、静電容量の変化を監視して、人体の接近又は接触に基づいてスイッチの開閉を行う静電容量スイッチにおいて、
筐体の表面に露出して設けられた少なくとも表面が導電性の入力キーと、前記入力キーの背部から前記筐体の内部へ延びる接続突起と、前記筐体の内部に設けられた基板とを有し、
前記基板の表面と裏面のそれぞれに対向電極が形成されて、前記対向電極が前記基板を挟んで対向する第１の容量部が形成され、前記基板の表面に設けられた導電パターンによって、前記接続突起が接続される接続部と、前記接続部と一方の対向電極とを導通させる連結線と、接続部を包囲するアース電極とが形成されて、前記入力キーと一方の対向電極とが、前記接続部と前記連結線を介して導通されており、
前記筐体の内部に、前記第１の容量部に所定の信号を与えるとともにその出力を検出して切り換え信号を出力する検出回路が設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、入力キーと検出回路との間は直接的に接続される構成ではなく、第１の容量部を介して接続される構成であるため、入力キーが拾った静電ノイズが検出回路に直接的に入り込むことがなく、検出回路を保護することができる。

また第１の容量部を、通常有する基材で形成することができるため、市販のコンデンサを購入する必要がなく、部品点数の削減および製造コストの低減を図ることができる。

上記において、前記基板の表面に形成された前記アース電極が、前記連結線を挟み込むように連結線の両側に配置されているものが好ましい。

上記手段では、前記連結線の周囲をアース電極で包囲することで、電磁遮蔽することができるため、静電ノイズの影響を受け難くすることが可能となる。

さらには、前記接続部の周囲が、前記アース電極で囲まれているため、入力キーから基材までの間の静電ノイズを遮断することができる。

上記においては、前記入力キーに人体が接近し又は接触したときに、第１の容量部が、人体により形成される第２の容量部を介して接地される。
このため、検出精度の高い安定した静電容量スイッチとすることができる。

さらには、前記入力キーが、導電性の金属材料、導電性の樹脂材料または絶縁性の樹脂材料の表面に導電材料が積層されたもので形成することができる。

本発明では、静電ノイズの影響を受け難い静電容量スイッチとすることができる。
また部品点数を少なくすることにより、製造コストを低減することが可能となる。
さらには、安定して動作し、検出精度に優れた静電容量スイッチとすることができる。

図１は本発明の実施の形態として、静電容量スイッチが搭載されたモニタを示す正面図、図２は図１のモニタを部分的に示す斜視図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における矢視断面図、図４Ａは基板の表面側を示す平面図、図４Ｂは基板の裏面側を示す背面図、図５は静電容量スイッチにおける電磁遮蔽の様子を等価的に示す概念図、図６は検出回路の一例を示す回路の概略構成図である。また図７Ａはスイッチを操作しない場合におけるＡＮＤ回路の入出力信号の関係を示し、図７Ｂはスイッチ操作時におけるＡＮＤ回路の入出力信号の関係を示している。

図１および図２に示すように、本願発明の静電容量スイッチは、例えばモニタ１用の電源投入スイッチとして使用される。ただし、これ以外のスイッチとして使用できることはいうまでもない。

図１に示すモニタ１は、コンピュータ用、またはＴＶ用の薄型ディスプレイである。モニタ１は枠状の筐体２を有している。この筐体２の内部には、液晶ディスプレイまたはプラズマディスプレイなどが収納されている。

筐体２の前面には凹部２ａが設けられており、この凹部２ａには入力キー３がその表面を露出させた状態で取り付けられている。入力キー３の表面には電源投入用のスイッチであることを意味する電源マークが印刷され、入力キー３の背面には筐体２の内部方向に延びる接続突起３ａが一体形成されている。接続突起３ａは筒状体で形成されており、前記凹部２ａに形成された貫通孔２ｂ内に挿通されている。接続突起３ａの先端は貫通孔２ｂを通り抜け、前記筐体２の内部に達している。

本実施の形態における入力キー３は、絶縁性の樹脂材料からなる母材で形成されており、この母材の表面には導電性の樹脂材料が塗布されている。前記入力キー３は、少なくとも表面が導電性を有していれば足りる。したがって、前記入力キー３は導電性の金属材料で形成されていてもよいし、導電性樹脂そのもので形成してもよい。ただし、本実施の形態のような構成にすると、金属材料又は導電性材料で形成するよりも軽量で安価な入力キー３とすることができる。

図３に示すように、前記入力キー３に対応する筐体２の内部には、基板（基材）１０が設けられている。前記基板１０は絶縁性および誘電性を有する材料で形成されている。図４Ａ，図４Ｂに示すように、基板１０の表裏両面には所定の導電パターンが形成されている。所定の導電パターンは、例えば基板１０の表裏両面に積層された薄い銅箔などからなる導電膜をエッチング処理することにより形成されている。

前記基板１０のほぼ中央の位置には、前記接続突起３ａに対向する内ピン（接続部）１１が設けられている。内ピン１１は導電性の材料で形成されており、その外形寸法は前記筒状の接続突起３ａの内径寸法と同じか、わずかに小さい。前記内ピン１１は筒形状からなる前記接続突起３ａの内部に挿入されている。前記基板１０上で且つ前記内ピン１１の基部の周囲には、導電性の円形パターン（接続部）１２が形成されており、前記内ピン１１と円形パターン１２とが半田付けなどの手段を介して導通接続されている。

図４Ａに示すように、基板１０の表面のＸ１側には一方の対向電極１３が形成されている。図４Ｂに示すように、基板１０の裏面のＸ２側で、且つ前記一方の対向電極１３と対向する位置には、前記一方の対向電極１３とほぼ同じ面積からなる他方の対向電極１４が形成されている。一方の対向電極１３と他方の対向電極１４とは基板１０を挟んで重なり合っており、第１の容量部（静電容量Ｃ１）１５を形成している。ここで、第１の容量部１５を形成する一方の対向電極１３と他方の対向電極１４との対向面積をＳ、板厚方向の電極間距離をｄ、基板１０の材料に起因する固有の誘電率をεとすると、静電容量Ｃ１はＣ１＝ε・Ｓ／ｄ[Ｆ（ファラド）]である。なお、前記第１の容量部１５の静電容量Ｃ１は、数ピコファラッド[ｐＦ]である。第１の容量部１５は、周囲の環境変化によって静電容量が大幅に変動するようなことがなく、安定した固定容量として機能する。

図４Ａに示すように、基板１０の表面では、円形パターン１２と一方の対向電極との間が前記導電パターンの一部を構成する第１の連結線１６により接続されている。

図４Ｂに示すように、基板１０の裏面にはコネクタ１８が設けられている。前記他方の対向電極１４と前記コネクタ１８との間は、前記導電パターンの一部を構成する第２の連結線１７を介して接続されている。基板１０の外部には後述する検出回路２０を備えた電源部（図示せず）が設けられており、前記コネクタ１８と検出回路２０とは図示しない接続ケーブルを介して接続される。

すなわち、基板１０の表面では、前記入力キー３と第１の容量部１５を構成する一方の対向電極１３との間が、接続突起３ａ、内ピン１１、円形パターン１２および第１の連結線１６を介して接続されている。また基板１０の裏面では、前記第１の容量部１５を構成する他方の対向電極１４と外部の検出回路２０との間が、第２の連結線１７および図示しない接続ケーブルを介して接続されている。つまり、前記入力キー３と検出回路２０との間は直接的に接続される構成ではなく、前記第１の容量部１５を介して接続されている。このため、入力キー３が拾った静電ノイズ（特に、インパルス的なサージ電圧）が検出回路に直接的に入り込むことがなく、この点で検出回路２０を保護することが可能となっている。

図４Ａおよび図４Ｂに斜線で示すように、基板１０の表面および裏面にはアース電極１９Ａ，１９Ｂが形成されている。基板１０の表面では、一方の対向電極１３を円形パターン１２から少し離れた位置に設けられている。前記アース電極１９Ａは、Ｘ方向に延びる第１の連結線１６に沿ってＹ方向の両側から挟み込むように対向配置されている。同様に基板１０の裏面では、コネクタ１８が他方の対向電極１４から少し離した位置に設けられている。前記アース電極１９Ｂは、Ｘ方向に沿って延びる第２の連結線１７に沿ってＹ方向の両側から挟み込むように対向配置されている。そして、これらアース電極１９Ａ，１９ＢはともにグランドＧＮＤに接地されている。

またアース電極１９Ａ，１９Ｂは、前記内ピン１１および円形パターン（接続部）１２を取り囲むように、その周囲に設けられている。

図５に示すように、これらの関係は、表側の前記一方の対向電極１３、第１の連結線１６、前記内ピン１１および円形パターン（接続部）１２の周囲はアース電極１９Ａにより包囲され、裏側の前記他方の対向電極１４および第２の連結線１７の周囲はアース電極１９Ｂにより包囲され、それぞれ電磁遮蔽（シールド）された状態と等価と考えられる。このため、例え静電ノイズが入力キー３に重畳したとしても、この静電ノイズがアース電極１９Ａまたはアース電極１９Ｂを越えて他の検出回路に影響を及ぼすことを防止することができる。同時に、一方の対向電極１３から他方の対向電極１４との間に伝わる静電ノイズの影響を防止することができる。

次に、静電容量スイッチの回路構成とその動作について説明する。
図６の回路構成図に示すように、本発明の静電容量スイッチは、一定周期のクロック信号を出力する発振回路２１を有している。発振回路２１の後段には、ＡＮＤ回路２２が設けられており、このＡＮＤ回路２２の一方の入力端子２２ａには前記発振回路２１の出力であるクロック信号ＣＫが直接入力され、他方の入力端子２２ｂには、インバータ２３および固定抵抗２４（抵抗値Ｒ）を介した反転信号ＣＫバーが入力されている。

他方の対向電極１４から延びる第２の連結線１７は、前記固定抵抗２４の一端と前記ＡＮＤ回路２２の他方の入力端子２２ｂの接続点２８に接続されている。そして、一方の対向電極１３は前記入力キー３に接続されている。前記ＡＮＤ回路２２の後段には、例えばＡＮＤ回路２２の出力を積分して平滑する平滑回路２６および比較回路２７など設けられており、比較回路２７の出力（切り換え信号）が電源回路３０に入力されている。比較回路２７は、ＡＮＤ回路２２の出力を常時監視している。例えば、ＡＮＤ回路２２の出力がＬレベルからＨレベルに変化すると、比較回路２７は電源回路３０を立ち上げる切り換え信号を出力する。すると、電源回路３０からモニタ１に電力が供給されて、画面に画像が表示される（スイッチ閉状態）。

まず、操作者の指Ｆが入力キー３に接近し又は触れていない状態では、第１の容量部１５の一方の対向電極１３は電気的に浮いた状態にあり、回路全体に影響を与えない。よって、一方の入力端子２２ａへの入力であるクロック信号と、他方の入力端子２２ｂへの入力であるインバータの反転出力ＣＫバーとの間に位相遅れは生じない。このため、図７Ａに示すように、ＡＮＤ回路の出力はＬレベルの状態が維持される。このとき、平滑回路２６の出力は０[ｖ]であり、比較回路の切り換え信号はＬレベルが維持される。よって、電源回路３０は停止されており、モニタ１はオフ状態にある（スイッチ開状態）。

次に、操作者の指Ｆが入力キー３に接近し又は触れると、入力キー３が人体を通じてグランドＧＮＤに接地される。このときには、図６に示すように、入力キー３とグランドＧＮＤとの間に、第１の容量部１５と人体による第２の容量部２５とが形成される。つまり、前記第１の容量部１５に対し、人体によって形成された第２の容量部２５が直列に接続される。入力キー３とグランドＧＮＤとの間の静電容量は、人体によって接近又は接触によって形成される不安定な第２の容量部２５だけでなく、これに安定な固定容量としての第１の容量部１５が直列に接続されたものとして構成されるため、この間の静電容量を安定化させることができる。

第１の容量部１５と第２の容量部２５との合成容量をＣとすると、ＡＮＤ回路２２の他方の入力端子２２ｂの入力である反転信号ＣＫバーには、固定抵抗２４のＲと合成容量Ｃとの積による時定数ＲＣに起因する位相遅れが生じる。このため、図７Ｂに示すように、ＡＮＤ回路の出力には位相遅れに起因するＨレベルになる時間ｔが発生する。この状態では、平滑回路２６の出力が０[ｖ]以外の電圧となり、比較回路２７の出力である切り換え信号はＨレベルに変化させられる。よって、電源回路３０が立ち上がり、モニタ１に必要な電力が供給されてオン状態となる（スイッチ閉状態）。

そして、もう一度、操作者の指Ｆが入力キー３に接近し又は触れると、前記電源回路３０が停止させられ、モニタ１はオフ状態に切り換えられる。このように、上記実施の形態では、操作者の指Ｆが入力キー３に接近し又は触れるだけで、モニタ１をオンし又はオフすることが可能である。

上記実施の形態では、一方の対向電極１３と他方の対向電極１４との間に基板１０を挟み込むことにより、第１の容量部１５を形成する構成について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、薄く可撓性のある樹脂性のフィルムシート（基材）の両面に一対の対向電極１３，１４を配置することにより第１の容量部１５とする構成であってもよい。この構成では、薄型の静電容量スイッチとすることができる。

本発明の実施の形態として、静電容量スイッチが搭載されたモニタを示す正面図、 図１のモニタを部分的に示す斜視図、 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における矢視断面図、 基板の表面側を示す平面図、 基板の裏面側を示す背面図、 静電容量スイッチにおける電磁遮蔽の様子を等価的に示す概念図、 検出回路の一例を示す回路の概略構成図、 スイッチを操作しない場合におけるＡＮＤ回路の入出力信号の関係、 スイッチ操作時におけるＡＮＤ回路の入出力信号の関係、

符号の説明

１ モニタ
２ 筐体
３ 入力キー
３ａ 接続突起
１０ 基板（基材）
１１ 内ピン（接続部）
１２ 円形パターン（接続部）
１３ 一方の対向電極
１４ 他方の対向電極
１５ 第１の容量部
１６ 第１の連結線
１７ 第２の連結線
１８ コネクタ
１９Ａ，１９Ｂ アース電極
２０ 検出回路
２１ 発振回路
２２ ＡＮＤ回路
２３ インバータ
２４ 固定抵抗
２５ 第２の容量部
２６ 平滑回路
２７ 比較回路
３０ 電源回路

Claims (5)

1. 静電容量の変化を監視して、人体の接近又は接触に基づいてスイッチの開閉を行う静電容量スイッチにおいて、
   筐体の表面に露出して設けられた少なくとも表面が導電性の入力キーと、前記入力キーの背部から前記筐体の内部へ延びる接続突起と、前記筐体の内部に設けられた基板とを有し、
   前記基板の表面と裏面のそれぞれに対向電極が形成されて、前記対向電極が前記基板を挟んで対向する第１の容量部が形成され、前記基板の表面に設けられた導電パターンによって、前記接続突起が接続される接続部と、前記接続部と一方の対向電極とを導通させる連結線と、接続部を包囲するアース電極とが形成されて、前記入力キーと一方の対向電極とが、前記接続部と前記連結線を介して導通されており、
   前記筐体の内部に、前記第１の容量部に所定の信号を与えるとともにその出力を検出して切り換え信号を出力する検出回路が設けられていることを特徴とする静電容量スイッチ。
2. 前記基板の表面に形成された前記アース電極が、前記連結線を挟み込むように連結線の両側に配置されている請求項１記載の静電容量スイッチ。
3. 前記接続部が、前記基板の表面に形成された導電パターンの一部であるパターンと、前記パターンに接続された導電性のピンとを有し、前記ピンが前記接続突起に連結されている請求項１または２記載の静電容量スイッチ。
4. 前記入力キーに人体が接近し又は接触したときに、第１の容量部が、人体により形成される第２の容量部を介して接地される請求項１ないし３のいずれかに記載の静電容量スイッチ。
5. 前記入力キーが、導電性の金属材料、導電性の樹脂材料または絶縁性の樹脂材料の表面に導電材料が積層されたものである請求項１ないし４のいずれかに記載の静電容量スイッチ。

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