JP2007242571A - 静電容量式スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でスイッチの多チャンネル化及びスイッチ装置の小型化を実現した静電容量式スイッチを提供する。
【解決手段】静電容量式スイッチ１００は、被覆材としてのスイッチパネル１と、このスイッチパネル１の裏側に配された複数の検知電極２と、検知電極２が接続された制御装置３とを備えて構成されている。スイッチパネル１の上面１ａには、スイッチの位置や機能を表示する文字や図形などによるスイッチマーク４が形成されている。検知電極２は、指などの近接により対接地容量が変化し、それぞれ静電容量検知回路に接続されている。スイッチマーク４は、各検知電極２に対応する位置（４Ａ）に加えて、隣り合う検知電極２との間に対応する位置（４Ｂ）に設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、指などの近接又は接触を検知する静電容量式スイッチに関する。

従来より、指などの被検知物体の近接を検知電極によって検出し、この検知電極の静電容量変化から被検知物体の近接を検知することができる非接触又は接触型の静電容量式スイッチが知られている（特許文献１）。

このような静電容量式スイッチでは、被検知物体を検出する方法として、直接検知電極のインピーダンスを測定し静電容量を検出することで検知する方法や、検知電極で検出した静電容量を電圧に変換して入力する発信回路を構成し、その発信周波数を測定する方法、ＲＣ充放電回路を構成してその放電時間を計測する方法、既知電圧で充電された静電容量を既知容量のコンデンサに移動させて、該既知容量のコンデンサが所定電圧まで充電される時間を測定する方法、または、該既知容量のコンデンサに充放電を繰り返しその回数をカウントする方法などが知られている。
特開平８−６４３６４、段落００１０、図１

しかしながら、このような静電容量式スイッチでは、操作者が選択するチャンネル数と同数の検知電極を配し、更に、この検知電極毎に静電容量検知回路を設置しなければならないためスイッチ装置の小型化が難しい。

また、静電容量検知回路の数を削減するために、複数の検知電極を切り替え装置を介して検知回路に接続し、被検知物体の近接により回路を切り替えるように静電容量式スイッチを構成することが可能である。しかしながら、このような静電容量式スイッチは、切り替え装置を複数配さなければならないため高価であり、また、配線が複雑になるという問題点を有する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でスイッチの小型化を実現することができる静電容量式スイッチを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式スイッチの一態様は、複数のスイッチマークが配列されたスイッチパネルと、前記複数のスイッチマークのうちの一部のスイッチマークの位置に、他のスイッチマークを挟むように分散的に配置された複数の検知電極と、 これら検知電極の静電容量を検知する静電容量検知回路と、この静電容量検知回路の出力に基づいて前記検知電極が配置されたスイッチマーク及び前記検知電極に囲まれたスイッチマークのオン／オフを判断してスイッチオン／オフ信号を出力する制御回路とを備えたことを特徴とする。

本発明の静電容量式スイッチによれば、スイッチマークより少ない検知電極を配し、制御回路によって複数の検知電極の静電容量変化を判定することで、隣り合う検知電極間を仮想スイッチとして構成することができる。これにより簡単な構成でスイッチの多チャンネル化を可能とすると共に、静電容量式スイッチの小型化を実現することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す分解斜視図である。

この静電容量式スイッチ１００は、被覆材としてのスイッチパネル１と、このスイッチパネル１の裏側に配された複数の検知電極２と、これら検知電極２が接続された制御装置３とを備えて構成されている。

スイッチパネル１は、例えば、樹脂やガラス等の材料により形成され、その上面１ａには、スイッチの位置や機能を表示する文字や図形などによるスイッチマーク４が形成されている。このスイッチマーク４は、図２に示すように、検知電極２に対応する位置と、隣り合う検知電極２との間に対応する位置にそれぞれ形成されている。検知電極２は、配線基板５上に所定の間隔を置いて複数配置され、すべて制御装置３に接続されている。制御装置３は、複数の検知電極２が接続されると共に、図示しない外部電気回路に接続されている。なお、配線基板５は、フレキシブルプリント基板、リジットプリント基板や、ＰＥＴ上或いはＰＥＮ上の銀回路（又は銅回路）によって構成することができる。

図３は、第１の実施形態に係る静電容量式スイッチ１の電気的構成を示すブロック図である。

検知電極２は、それぞれ静電容量検知回路１０に接続されている。静電容量検知回路１０は、検知電極２と接地との間の静電容量Ｃｘに応じた検出値を電圧として出力する。この静電容量検知回路１０は、例えば、発振回路を内蔵し、静電容量Ｃｘに応じて発振周波数又はデューティ比が変化する信号を生成するように構成することができる。また、静電容量検知回路１０は、制御回路１１に接続されている。

次に、このように構成された静電容量式スイッチ１００の動作について説明する。

図４は、指が近接したときの同静電容量式スイッチ１００の一部断面図である。

ここで、隣り合った検知電極２の一方を検知電極２Ａとし、他方を検知電極２Ｂとし、各検知電極２Ａ，２Ｂに接続している静電容量検知回路１０からの出力を検出値Ｖ_２Ａ，Ｖ_２Ｂとする。図４（ａ）に示すように、操作者が検知電極２Ａと検知電極２Ｂとの中間に指を近接させると、検知電極２Ａ，２Ｂから指へほぼ等しい数の電気力線が指に向かう。このとき、検出値Ｖ_２Ａ及び検出値Ｖ_２Ｂはほぼ等しい。また、図４（ｂ）に示すように、操作者が検知電極２Ａの近くに指を近接させたときは、検知電極２Ａからの電気力線は、検知電極２Ｂからの電気力線より多くなる。このとき、検出値Ｖ_２Ａは、検出値Ｖ_２Ｂより大きい。以下、指の検出位置における検出値２Ａ，２Ｂとの関係を分類すると次のようになる。
（１）検知電極２Ａと検知電極２Ｂの中間にあるとき：検出値Ｖ_２Ａ≒検出値Ｖ_２Ｂ
（２）検知電極２Ａ側にあるとき：検出値Ｖ_２Ａ＞検出値Ｖ_２Ｂ
（３）検知電極２Ｂ側にあるとき：検出値Ｖ_２Ａ＜検出値Ｖ_２Ｂ
（４）検知電極２Ａ上にあるとき：検出値Ｖ_２Ａ＞＞検出値Ｖ_２Ｂ≒０
（５）検知電極２Ｂ上にあるとき：０≒検出値Ｖ_２Ａ＜＜検出値Ｖ_２Ｂ
制御回路１１は、検出値Ｖ_２Ａ，Ｖ_２Ｂを入力してその大小関係を比較することにより以上の５パターンに分類して操作者がどのスイッチＳＷを選択したのか判定し、それに応じたスイッチ出力を行う。例えば、指が検知電極２Ａ側にあるとき、若しくは指が２Ａ上にあるときは、検知電極２Ａが選択されたと判定して検知電極２Ａに対応するスイッチ出力を行う。

ここで、制御回路１１において、指が検知電極２Ａと検知電極２Ｂの中間にあるときを判断する際には、検出値Ｖ_２Ａ，Ｖ_２Ｂの大小関係がどの程度まで許容するかしきい値を設ける必要がある。以下、そのしきい値の設定方法について説明する。

図５は、指と検知電極２との位置を示す概略図である。

指と検知電極２とを平行平板コンデンサと模擬し、ｄ１：指から検知電極２Ａまでの距離，ｄ２：指から検知電極２Ｂまでの距離，ｈ：スイッチパネル１の厚さ，ｘ１：指と検知電極２Ａとの水平距離，ｘ２：指と検知電極２Ｂとの水平距離，Ｃ_２Ａ：検知電極２Ａから検知される静電容量，Ｃ_２Ｂ：検知電極２Ｂから検知される静電容量と定義すると、以下のような関係式が成り立つ。なお、ここでは指がスイッチパネル１に接触した状態とする。
式（１）ｄ１＝εＳ／Ｃ_２Ａ
式（２）ｄ２＝εＳ／Ｃ_２Ｂ
更に、式（１），式（２）及び図５より、以下の関係式が成り立つ。
式（３）ｘ１^２＝（εＳ／Ｃ_２Ａ）^２−ｈ^２
式（４）ｘ２^２＝（εＳ／Ｃ_２Ｂ）^２−ｈ^２
ここで、隣り合うスイッチの境界位置を、予めｘ１とｘ２によって定められる任意の位置に決定すれば、式（３）及び式（４）によってその境界位置における静電容量Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂが定まる。この静電容量Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂに基づいて、しきい値を決めればよい。なお、ここでは指と検知電極を平行平板として仮定したが、実際には、センサの形状や寸法に従ってしきい値を決めればよい。

このように、指が近接した近くの検知電極２Ａ，２Ｂからの検出値Ｖ_２Ａ，Ｖ_２Ｂを制御回路１１によって判定することで、隣り合う検知電極２間を仮想スイッチとして構成することができる。本発明によれば、検知電極がＮ（Ｎは２以上の自然数）個配されていれば、スイッチのチャンネルを（２Ｎ−１）個とすることができる。これによりスイッチの多チャンネル化を可能とすると共に、静電容量式スイッチの小型化を実現することができる。

なお、本実施形態では、各検知電極２にそれぞれ静電容量検知回路１０を接続したが、切り替器などを使用して、複数の検知電極２で１つの静電容量検知回路１０を共用するようにしてもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す要部拡大図である。

第１の実施形態では、図２に示すように、複数の矩形状の検知電極２が所定の距離を置いて配されているが、第２の実施形態では、図６に示すように、検知電極１５のうち他の検知電極１５と隣り合う辺を櫛歯状に形成し（１５a）、隙間を介して互いの櫛歯部１５aが歯合するよう検知電極１５同士を重み付けされている。ここでは、互いの櫛歯部１５aが重なり合った部分が仮想スイッチとして機能する。また、本実施形態の電気的構成は、第１の実施形態と同様であり、各検知電極１５で検出された静電容量は、検出値に変換されて制御回路１１に出力される。

以下に、このように構成された第２の実施形態に係る静電容量式スイッチにおける制御回路１１の判定方法について説明する。

隣り合う検知電極１５の一方を検知電極１５Aとし、他方を検知電極１５Bとし、それぞれから検知される静電容量をC_１５Ａ，C_１５Ｂとすると、以下の関係式が成り立つ。なお、Ｓ_１５Ａ：指が覆う検知電極１５Ａの面積，Ｓ_１５Ｂ：指が覆う検知電極１５Ｂの面積，ε：スイッチパネル１の誘電率である。ここで、検知電極１５Ａ及び検知電極１５Ｂは互いに近接して配されているため、指と検知電極１５Ａ及び１５Ｂとの距離は等しいと仮定でき、指と検知電極１５Ａ及び１５Ｂとの距離をスイッチパネル１の厚さｈとする。
式（５）C_１５Ａ／C_１５Ｂ＝（ε・Ｓ_１５Ａ／ｈ）／（ε・Ｓ_１５Ｂ／ｈ）＝Ｓ_１５Ａ／Ｓ_１５Ｂ
式（５）に示すように、検知電極１５Ａ及び検知電極１５Ｂから検出される静電容量C_１５Ａと静電容量C_１５Ｂとの比は、指が覆う検知電極１５Ａの面積Ｓ_１５Ａと指が覆う検知電極１５Ｂ及びの面積Ｓ_１５Ｂの比として扱うことができる。この指の位置と、検知電極１５から検出される静電容量の関係を図７に示す。この静電容量C_１５Ａ，C_１５Ｂは、それぞれ検出値Ｖ_１５Ａ，Ｖ_１５Ｂに変換され制御回路１１に出力される。制御回路１１は、検出値Ｖ_１５Ａ，Ｖ_１５Ｂと２つのしきい値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２とを比較し、以下（１）〜（３）に示すような判定を行う。
（１）Ｖ_１５Ａ＞Ｖ_ｔｈ２かつＶ_１５Ｂ＜Ｖ_ｔｈ１ならばＡの領域のスイッチがＯＮ
（２）Ｖ_１５Ａ＜Ｖ_ｔｈ１かつＶ_１５Ｂ＞Ｖ_ｔｈ２ならばＢの領域のスイッチがＯＮ
（３）Ｖ_ｔｈ１＜Ｖ_１５Ａ＜Ｖ_ｔｈ２かつＶ_ｔｈ１＜Ｖ_１５Ｂ＜Ｖ_ｔｈ２ならばＡＢ間の領域のスイッチがＯＮ
このように隣り合う検知電極１５を重み付けするように構成することで、検知電極１５間における指の近接の検知感度を向上させることができる。

また、検知電極２の重み付けは図７のような形状に限らず、指の近接する位置により隣り合う検知電極で検出される静電容量が変化すればよい。

図８〜図１１は、他の重み付けした検知電極の構成例を示す図である。

検知電極１６Ａ（１７Ａ）の隣り合う他の検知電極１６Ｂ（１７Ｂ）と接する辺において、電極配列方向（図８）又はそれと直交する方向（図９）に配列された矩形の櫛歯部を形成し、所定の隙間を介して櫛歯部が歯合するように検知電極を配することができる。なお、図８に示す櫛歯部は、検知電極１６Ａ、１６Ｂから遠ざかる程、その幅が狭くなるようにして隣接する検知電極１６Ａ、１６Ｂの面積比を位置によって変えるようにしている。

更に、図１０に示すように、多層リジットプリント基板や、多層フレキシブルプリント基板上において、第１の実施形態に係る検知電極を細かい検知電極１８Ｌ、１８Ｒに分離し、検知電極１８Ｌ及び１８Ｒとを異なる層に配置して各層の検知電極１８Ｌ、１８Ｒを相互接続するように構成することができる。このように検知電極を任意の形状に構成することができる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す要部拡大図である。

この実施形態では、隣り合う検知電極２の間に接地電極１９が形成されている。このように検知電極２間に接地電極１９を備えることによって、検知電極２が近接して配されていても、図１２に示すように、隣接した検知電極２からの電気力線は接地電極１９に結合して他の検知電極２に作用しないので誤作動を防止することができる。

上述した実施形態では、検知電極間に１つの仮想スイッチを配しているが、制御回路において検知電極から検出される検出値を複数のしきい値によって判定することで、２つの検知電極の間に複数の仮想スイッチを構成することができる。

また、上述した実施形態では、スイッチマーク及び検知電極を直線上に配置しているが、例えば図１３に示すように、スイッチマーク４’及び検知電極２’を平面的にマトリクス状に配するなど任意の位置に配置することができる。

また、上述した実施形態では、隣り合う２つの検知電極で検知される静電容量を比較したが、例えば、スイッチが２次元的に配置される場合のように、上下左右等に３つ以上の検知電極４’を配置し、各検知電極４’から検知される静電容量を静電容量検知回路２’で検出し比較するように構成することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す分解斜視図である。 同静電容量式スイッチの要部拡大図である。 同静電容量式スイッチの電気的構成を示すブロック図である。 指と検知電極との位置を示す概略図である。 指と検知電極との位置を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す要部拡大図である。 指と検知電極との位置を示す概略図である。 他の重み付けした検知電極の構成例を示す図である。 更に他の重み付けした検知電極の構成例を示す図である。 更に他の重み付けした検知電極の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る静電容量式スイッチの構成を示す要部拡大図である。 静電容量式スイッチの要部拡大図である。 他の静電容量式スイッチの構成を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…スイッチパネル、２，１５〜１７…検知電極、３…制御装置、４…スイッチマーク、５…配線基板、１０…静電容量検知回路、１１…制御回路、１８…接地電極、１００…静電容量式スイッチ。

Claims (4)

1. 複数のスイッチマークが配列されたスイッチパネルと、
   前記複数のスイッチマークのうちの一部のスイッチマークの位置に、他のスイッチマークを挟むように分散的に配置された複数の検知電極と、
   これら検知電極の静電容量を検知する静電容量検知回路と、
   この静電容量検知回路の出力に基づいて前記検知電極が配置されたスイッチマーク及び前記検知電極に囲まれたスイッチマークのオン／オフを判断してスイッチオン／オフ信号を出力する制御回路と
   を備えたことを特徴とする静電容量式スイッチ。
2. 前記スイッチマークは、一次元的に奇数個配置され、
   前記検知電極は、前記複数のスイッチマークの一番端から奇数番目のスイッチマークの位置のみに配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の静電容量式スイッチ。
3. 隣接する前記検知電極は、互いに隣接する部分が櫛歯状に形成され、所定の隙間を介して歯合するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量式スイッチ。
4. 隣接する前記検知電極の間には、接地電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の静電容量式スイッチ。

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