JP2007173068A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ操作部材に接触する手指などの大きさやその状態又は触り方などに影響を受けることなく、スイッチ操作部材へのタッチ操作を検出可能とする。
【解決手段】プリント配線板２４と可動電極２２との間にスプリング２５を配置し、その弾性力により可動電極２２を上方に付勢する。可動電極２２の上方において、固定電極２６，２７の電極部２６ａ，２７ａを夫々可動電極２２に対向させて可動電極２２を固定電極２６，２７に当接させる。可動電極２２の一方の端部２２ａと電極部２６ａ、他方の端部２２ｂと電極部２７ａの夫々の電極間における容量結合によりコンデンサＣ１，Ｃ２が形成される。操作ボタン２０にタッチ操作が行われると、可動電極２２が僅かに移動し、可動電極２２と電極部２６ａ，２７ａとの夫々の電極間距離が大きくなり、コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量が減少する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチ操作部材へタッチ操作が行われた際にこれを検出するためのタッチ検出機能を有するスイッチ装置に関する。

例えば複数のスイッチ操作部材として複数の操作ボタンを有するスイッチ装置と、その操作ボタンと対応する数の選択部を画面に表示する表示装置とを備え、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押圧操作され、その操作ボタンに対応する画面上の選択部が決定されるというものが考えられている。

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、表示装置の画面の両方を見る必要があり、操作性が良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分かるため、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スイッチ装置として、発明者らは例えば図３に示す構成のもの（比較例）を考えた。図３は、このスイッチ装置の縦断面図である。スイッチ操作部材を構成する操作ボタン１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１ａの下面には、タッチ検出用電極２が設けられている。また、この操作ボタン１の周辺には、操作ボタン１の可動のための空間を挟んでボディ３が位置している。
操作ボタン１の下方には、矩形板状をなすプリント配線板４が配置されており、このプリント配線板４には、プリント配線がなされている。また、プリント配線板４の部品面中央付近には操作ボタン１の照明用のＬＥＤ５が搭載されている。

上記タッチ検出用電極２は、弾性変形可能なフレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit，以下ＦＰＣと称す）６を介してプリント配線板４の図示しない配線部に電気的に接続されている。このＦＰＣ６は、プラスチックシート間に銅製の配線部（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１の操作面部１ａに配置される一端側の配線部をタッチ検出用電極２としている。
ＦＰＣ６は、操作ボタン１の一方の側面部１ｂの内面、プリント配線板４の図３中左側の部品面及びはんだ面を沿うように屈曲して配置され、操作ボタン１の内部に内ケース１ｃが圧入されることで固定されている。そして、ＦＰＣ６の他端側は、プリント配線板４のはんだ面に搭載されたコネクタ７を介して配線部に接続され、コネクタ７の手前部分において、固定部材８によって固定されている。

プリント配線板４において、操作ボタン１の他方の側面部１ｄ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タクトスイッチ９が配設されている。なお、操作ボタン１の側面部１ｂとプリント配線板４の部品面との間には、操作ボタン１の側面部１ｂ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１が１個のみであるが、複数の選択部と対応させる場合には、操作ボタン１を含むユニットを複数個用意する。そして、各配線部及びタクトスイッチ９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、このスイッチ装置のタッチ検出回路１０について、図４を参照して説明する。このタッチ検出回路１０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１１，負荷抵抗１２，タッチ検出用電極２，高周波信号の検波及び平滑を行う検波部１３，オペアンプ１４を備えて構成されている。発振部１１の出力端子には、負荷抵抗１２及びＦＰＣ６を介してタッチ検出用電極２が接続されている。検波部１３は、ダイオード及びコンデンサなどからなり、発振部１１からの高周波信号が入力されている。また、検波部１３の出力はオペアンプ１４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１１，負荷抵抗１２，検波部１３，オペアンプ１４は、パッケージ化され静電容量検出ＩＣ１５を構成している。

上記構成において、使用者の手指が操作ボタン１の上面の操作面部１ａに接触すると、発振部１１から出力された高周波信号は、タッチ検出用電極２及び使用者の手指により形成されたコンデンサＣのインピーダンスと負荷抵抗１２とで分圧されて検波部１３に入力される。従って、手指が触れていない状態と比べて、検波部１３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１３及びオペアンプ１４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１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１に対応する選択部の表示状態を変える。そして、その操作ボタン１が下方へ押圧操作され、この操作ボタン１の側面部１ｄによりタクトスイッチ９が押圧操作されると、制御装置は、例えば表示装置の画面上の選択部の表示状態を決定状態に変化させる。

しかしながら、上記した構成のスイッチ装置では、使用者の指の大きさやその指の表面の状態、又は触り方などにより検出される静電容量にバラツキが生じることが考えられる。このため、タッチ操作の検出感度設定、誤作動及び不作動などへの対策が難しくなる。さらに、使用者が手袋をはめた指でタッチ操作した場合には、そのタッチ操作を検出できないという問題もある。

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、スイッチ操作部材に接触する手指などの大きさやその状態又は触り方などに影響を受けることなく、スイッチ操作部材へのタッチ操作を検出することができる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、本発明のスイッチ装置は、スイッチ操作部材と、前記スイッチ操作部材がタッチ操作されると移動する可動電極と、前記可動電極と対向し容量結合するように配設され、前記可動電極との電極間の静電容量の変化によってスイッチ操作部材へのタッチ操作を検出するための固定電極と、前記可動電極と前記固定電極との電極間の静電容量の変化を検出する検出部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、使用者の手指がスイッチ操作部材に接触すると可動電極が僅かに移動し、可動電極及び固定電極の電極間距離が変化することでその静電容量が変化する。そして、検出部によってこの静電容量の変化を検出することで、スイッチ操作部材へのタッチ操作を検出することができる。従って、スイッチ操作部材に接触する手指などの大きさやその状態又は触り方などに影響を受けることなく、スイッチ操作部材へのタッチ操作を検出することができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１及び図２を参照して説明する。なお、図５及び図６と同一の部分については同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分のみ説明する。図１は、本発明を適用したスイッチ装置の縦断面図である。操作ボタン２０（スイッチ操作部材に相当）は合成樹脂により、図１中、側面視が矩形状をなすように形成されている。操作ボタン２０は、その上面を使用者がタッチ操作を行うための操作面部２０ａとし、下面の中央部には連結部材２１が一体的に設けられている。
また、連結部材２１の下方には矩形板状をなす可動電極２２が配置されており、その上面中央部において連結部材２１の下面に固定されている。従って、操作面部２０ａへのタッチ操作などによって操作ボタン２０が下方に移動すると、これに伴って可動電極２２も下方に移動するように構成されている。さらに、操作ボタン２０の周辺には、操作ボタン２０の可動のための空間を挟んでボディ２３が配設されている。

上記ボディ２３はプリント配線板２４上に支持されており、このプリント配線板２４の部品面中央と可動電極２２との間にはスプリング２５が配置されている。そして、可動電極２２は、スプリング２５の弾性力により上方に付勢されている。また、スプリング２５の両側には、固定電極２６，２７が夫々配置されている。可動電極２２の上方には、固定電極２６，２７の電極部２６ａ，２７ａが夫々可動電極２２に対向するように位置しており、上記弾性力による付勢で当接した状態となっている。そして、可動電極２２の一方の端部２２ａと電極部２６ａ、他方の端部２２ｂと電極部２７ａの夫々の電極間における容量結合によって、平行平板コンデンサＣ１，Ｃ２が形成されている。

また、固定電極２６，２７は、電極部２６ａ，２７ａのボディ２３側の端部において、プリント配線板２４の方向へ略９０°に屈曲された後、プリント配線板２４へ向けて延設された接続部２６ｂ，２７ｂを有している。接続部２６ｂ，２７ｂの下端は、プリント配線板２４に設けられた図示しないスルーホールに夫々挿入された後、はんだ付けにより固定されると共に、図示しない配線部に接続されている。

次に、プリント配線板２４に設けられたタッチ検出回路２８について図２に示す等価回路を参照して説明する。タッチ検出回路２８は、比較例におけるコンデンサＣに代えて、一端部２２ａ及び電極部２６ａにより形成されるコンデンサＣ１と、他端部２２ｂ及び電極部２７ａにより形成されるコンデンサＣ２とを備えて構成されている。また、発振部１１の出力端子には、負荷抵抗１２を介して固定電極２６が接続されており、固定電極２７はプリント配線板２４において接地されている。なお、本実施例では、静電容量検出ＩＣ１５及び図示しない制御回路により検出部が構成される。

上記構成において、使用者の手指が操作面部２０ａに接触すると、その接触力により操作ボタン２０及び可動電極２２が僅かに下方に移動する。すると、コンデンサＣ１，Ｃ２を形成する一方の電極である一端部２２ａ及び他端部２２ｂが、他方の電極である電極部２６ａ及び２７ａから離間し、コンデンサＣ１，Ｃ２の電極間距離が大きくなることで夫々の静電容量が減少する。
発振部１１から出力された高周波信号は、コンデンサＣ１，Ｃ２のインピーダンスと負荷抵抗１２とで分圧されて検波部１３に入力されるので、操作面部２０ａに接触力が作用していない状態と比べて、検波部１３に入力される高周波信号のレベルが大きくなる。このため、検波部１３及びオペアンプ１４を介して出力される信号Ｖｏｕｔのレベルも大きくなる。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２０へのタッチ操作を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン２０に対応する選択部の表示状態を変える。

以上のように本実施例によれば、使用者の手指が操作面部２０ａに接触すると、これに伴って可動電極２２が僅かに移動し、可動電極２２と電極部２６ａ，２７ａとの夫々の電極間距離が大きくなる。これにより、コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量が減少する。そして、制御回路は、検波部１３，オペアンプ１４を介してこの静電容量の変化を検出することで、操作ボタン２０へのタッチ操作を検出することができる。すなわち、操作ボタン２０に接触する物体との間で形成される静電容量をタッチ操作の検出要素としていないので、操作ボタン２０に接触する手指などの個人差に起因したバラツキに影響を受けることなく、操作ボタン２０へのタッチ操作を確実に検出することができる。

また、上記した構成を採用することで、使用者が手袋をはめた手指によって操作ボタン２０をタッチ操作した場合や、例えばペンの先などの人体以外の物体によりタッチ操作を行った場合においても、そのタッチ操作を検出することができる。
また、可動電極２２と電極部２６ａ，２７ａとの夫々の電極間距離の変化に伴う静電容量の変化をタッチ操作の検出要素としているので、タッチ操作が行われる前の可動電極２２と電極部２６ａ，２７ａとの電気的な接触状態に関係なくタッチ操作を検出できる。すなわち、電極間にごみや埃などが入り込むことにより接触状態が悪化した場合でも、操作ボタン２０へのタッチ操作を検出することができる。

（第２実施例）
次に本発明の第２実施例について図３も参照して説明する。なお、図１及び図２と同一の部分については同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分のみ説明する。図３は、第１実施例における図１相当図で、タッチ検出機能付きスイッチ装置の縦断面図である。操作ボタン３０（スイッチ操作部材に相当）は合成樹脂により、図３中、側面視が略凸形状をなすように形成されており、その上面を操作面部３０ａとしている。また、操作ボタン３０の周辺には、操作ボタン３０の可動のための空間を挟んでボディ３１が配設されている。

第２実施例では、プリント配線板２４の部品面中央と可動電極２２との間に、第１実施例におけるスプリング２５に代えてタクトスイッチ３２（スイッチ要素に相当）が配置され、そのタクトスイッチ３２により操作ボタン３０が図示の状態に付勢されている。このタクトスイッチ３２は、決定用接点３２ａ及びラバーコンタクト３２ｂを備えており、その上面部において可動電極２２の下面中央部と固定されている。従って、操作ボタン３０が押圧操作されることによってタクトスイッチ３２も押圧され、可動接点３２ａがプリント配線板２４上の図示しない固定接点と接触するように構成されている。

上記構成において、使用者の手指が操作面部３０ａに接触すると、その接触力により操作ボタン３０及び可動電極２２が僅かに下方に移動するため、制御装置は、第１実施例と同様にして、操作ボタン３０へのタッチ操作を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン３０に対応する選択部の表示状態を変える。
さらに、使用者によって操作ボタン３０が下方へ押圧操作されると、この操作ボタン３０の下方への移動に伴いラバーコンタクト３２ｂが変形することで、可動接点３２ａも下方へ移動する。そして、可動接点３２ａがプリント配線板２４上の固定接点に接触すると、制御装置は、タクトスイッチ３２がオンされたことを検出して、例えば表示装置の画面上の選択部の表示状態を決定状態に変化させる。

以上のように、第２実施例によれば、操作ボタン３０へのタッチ操作を検出するための可動電極２２の下方にタクトスイッチ３２を設け、操作ボタン３０が押圧されると共に、タクトスイッチ３２が押圧操作されるように構成した。従って、第１実施例と同様に使用者の手指が操作面部３０ａに接触した場合にはタッチ操作を検出でき、さらに操作部３０が下方に押し込まれた場合には、押圧操作を検出することができる。
また、制御装置は、操作ボタン３０へのタッチ操作を検出すると、操作ボタン３０に対応する画面上の選択部の表示状態を変化させ、押圧操作を検出すると決定状態に変更するので、使用者は、表示画面をみればタッチしている操作ボタン３０が分かるため、操作ボタン３０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。

（第３実施例）
次に本発明の第３実施例について図４及び図５も参照して説明する。なお、図２及び図３と同一の部分については同一符号を付して説明を省略し、以下、第２実施例と異なる部分のみ説明する。図４は、タッチ検出機能付きスイッチ装置の外観を示しており、（ａ）は第２実施例における図３相当図、（ｂ）は電極及び周辺回路を概略的に示す平面図である。

第３実施例では、第２実施例における連結部材２１，可動電極２２，固定電極２６，２７，タクトスイッチ３２に代えて、プリント配線板４０にタクトスイッチ４１（スイッチ要素に相当）が配設された構成としている。タクトスイッチ４１は、弾性変形可能な合成樹脂にて形成されており、操作部４２、パッド部４３、可撓部４４，４５、底部４６を備えている。
操作部４２は円柱状に形成され、その下面にはプリント配線板４０上に設けられた２つの固定接点４７，４８に対向するように可動接点４９が設けられている。また、操作部４２は、その上面において操作ボタン３０の下面中央に固定されており、操作ボタン３０がタッチ又は押圧操作されて下方へ移動すると共に操作部４２も下方へ移動する。

また、パッド部４３は円環状に形成され、その下面にはプリント配線板４０上に設けられた固定電極５０，５１に対向するように可動電極５２が設けられている。そして、図４中、可動電極５２の左側の電極部５２ａと固定電極５０、右側の電極部５２ｂと固定電極５１の夫々の電極間における容量結合によって、平行平板コンデンサＣ３，Ｃ４が形成されている。
可撓部４４，４５は、薄肉のスカート状にかつ弾性変形可能に形成されており、可撓部４４は、操作部４２とパッド部４３とを、可撓部４５は、パッド部４３と底部４６とを夫々連結するように配置されている。また、底部４６はシート状に形成され、プリント配線板４０を覆うように配置されている。

次に、プリント配線板４０に設けられたタッチ検出回路５３について図５の等価回路を参照して説明する。タッチ検出回路５３は、第２実施例におけるコンデンサＣ１，Ｃ２に代えて、電極部５２ａ及び固定電極５０により形成されるコンデンサＣ３と、電極部５２ｂ及び固定電極５１により形成されるコンデンサＣ４とを備えて構成されている。また、発振部１１の出力端子には、負荷抵抗１２を介して固定電極５０が接続されており、固定電極５１はプリント配線板４０において接地されている。

上記構成において、使用者の手指が操作面部３０ａに接触すると、その接触力により操作ボタン３０及び操作部４２と共にパッド部４３が僅かに下方に移動する。すると、コンデンサＣ３，Ｃ４を形成する一方の電極である電極部５２ａ及び電極部５２ｂが、他方の電極である固定電極５０及び５１に接近し、コンデンサＣ３，Ｃ４の電極間距離が小さくなることで夫々の静電容量が増加する。
発振部１１から出力された高周波信号は、コンデンサＣ３，Ｃ４のインピーダンスと負荷抵抗１２とで分圧されて検波部１３に入力されるので、操作面部３０ａに接触力が作用していない状態と比べて、検波部１３に入力される高周波信号のレベルが小さくなる。このため、検波部１３及びオペアンプ１４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３０へのタッチ操作を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン３０に対応する選択部の表示状態を変える。

そして、使用者によって操作ボタン３０が下方へ押圧操作されると、この操作ボタン３０の下方への移動に伴って、可撓部４５を変形させながら操作部４２及びパッド部４３はさらに下方へと移動し、パッド部４３が固定電極５０，５１に当接する。その後、さらに操作ボタン３０が押し込まれると、可撓部４４が変形することで操作部４２の下面に設けられた可動接点４９が固定接点４７，４８に接触し、固定接点４７，４８を短絡状態にする。すると、制御回路は、これら接点４７，４８がオンされたことを検出して、例えば表示装置の画面上の選択部の表示状態を決定状態に変化させる。

以上のように、第３実施例によれば、使用者の手指が操作面部３０ａに接触すると、これに伴ってパッド部４３が僅かに移動し、可動電極５２と固定電極５０，５１との夫々の電極間距離が小さくなる。これにより、コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量が増加する。そして、制御回路は、検波部１３，オペアンプ１４を介してこの静電容量の変化を検出することで、操作ボタン３０へのタッチ操作を検出することができる。従って、操作ボタン３０に接触する物体との間で形成される静電容量をタッチ操作の検出要素としていないので、第１実施例と同様の効果が得られる。
さらに、操作ボタン３０が押圧されると、可動接点４９が固定接点４７，４８に接触して短絡させ、制御回路によりこれら接点４７，４８のオン状態を検出するので、操作ボタン３０への押圧操作を検出できる。従って、第２実施例と同様に、１段目にタッチ操作を検出し、２段目に押圧操作を検出する２段検出タイプのスイッチ装置を構成することができる。

なお、本発明は上記し、且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形又は拡張が可能である。
本実施例では、固定電極として２つの電極を設け、平行平板コンデンサを２つ形成するように構成したが、固定電極を１つにし、平行平板コンデンサも１つのみ形成するようにしても良い。また、固定電極を３つ以上設け、平行平板コンデンサも３つ以上形成するようにしても良い。

第１及び第２実施例において、操作ボタン２０又は３０に接触力が作用していないとき、可動電極２２及び固定電極２６，２７は、スプリング２５又はタクトスイッチ３２の弾性力により接触させるように構成したが、操作ボタン２０又は３０に接触力が作用していないとき、可動電極２２及び固定電極２６，２７は、操作ボタン２０又は３０に接触力が作用しているときよりも接近していれば良く、接触状態でなくとも良い。
また、第１及び第２実施例において、固定電極２６，２７とプリント配線板２４の配線部との接続は、接続部２６ｂ，２７ｂの下端をプリント配線板２４のスルーホールへ挿入した後、はんだ付けによって行ったが、接続強度など信頼性に問題が無ければ、プリント配線板２４にコネクタを設けて、これを介して接続しても良い。

本発明の第１実施例を示すものであり、スイッチ装置の縦断面図 タッチ検出回路の等価回路を示す図 第２実施例を示す図１相当図 第３実施例を示すものであり、（ａ）は図３相当図、（ｂ）は電極及び周辺回路を概略的に示す平面図 図２相当図 比較例を示す図１相当図 図２相当図

符号の説明

図面中、１５は静電容量検出ＩＣ（検出部）、２０，３０は操作ボタン（スイッチ操作部材）、２２，５２は可動電極、２６，２７，５０，５１は固定電極、３２，４１はタクトスイッチ（スイッチ要素）を示す。

Claims (4)

1. スイッチ操作部材と、
   前記スイッチ操作部材がタッチ操作されると移動する可動電極と、
   前記可動電極と対向し容量結合するように配設され、前記可動電極との電極間の静電容量の変化によってスイッチ操作部材へのタッチ操作を検出するための固定電極と、
   前記可動電極と前記固定電極との電極間の静電容量の変化を検出する検出部とを備えていることを特徴とするスイッチ装置。
2. 前記可動電極は、前記スイッチ操作部材がタッチ操作されることに伴い前記固定電極から離間するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ装置。
3. 前記可動電極は、前記固定電極と離間する位置に配置されると共に、前記スイッチ操作部材がタッチ操作されることに伴い前記固定電極に近接するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチ装置。
4. 前記スイッチ操作部材は、前記タッチ操作よりも大きい移動距離で押圧操作可能に構成され、
   前記スイッチ操作部材が押圧操作されることに伴い当該スイッチ操作部材を介して押圧操作されるスイッチ要素を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチ装置。

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