JP2009076237A - Ｅｌ発光式タッチスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の表面電極を備えたＥＬ発光式タッチスイッチにおいて、相互の表面電極の影響を排除して、各表面電極が独立して正確はタッチ判定を可能にする。
【解決手段】表面電極１aと背面電極１dとの電位が一致するように、表面電極１aに電流を供給する、オペアンプ４１及び抵抗Ｒ1〜Ｒ4を含んで構成された差動増幅回路を備え、ＥＬ発光層への駆動電圧の印加を停止させているときに、オペアンプ４１の出力信号に基づいて表面電極１aへの人体の接触を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）とタッチスイッチとを組み合わせたＥＬ発光式タッチスイッチに係り、特に、複数のタッチ検出電極を備えたＥＬ発光式タッチスイッチに関する。

従来から、導電性の電極部材に人体の一部が接触または近接するとこれを検出するタッチスイッチが知られている。このようなタッチスイッチでは、電極部材が静電容量センサとして機能するものであって、人体が電極にふれた際の電極のインピーダンス（静電容量）の変化に基づいて、タッチスイッチのオンオフを検出するようになっている。
更に、このようなタッチスイッチに、蛍光体から光を放出する有機または無機のＥＬ素子を組み合わせ、人体の接触を検出する電極部が発光可能なものが知られている（特許文献１）。

図３はこのようなタッチスイッチの本体部の構造を示す模式的な断面図の一例である。
図３に示すように、タッチスイッチ本体部には、透明絶縁基板２の表面（上面）に透明電極５が設けられ、更にその上面が透明絶縁被膜６で覆われてタッチ面が形成されている。
また、透明絶縁基板２の裏面（下面）にはＥＬ発光層１が形成されている。このＥＬ発光層１は、透明絶縁基板２側から下方へ順に、透明電極１a、蛍光層１b、絶縁層１c、背面電極１dを積層して形成されており、２つの電極１a、１d間に交流電圧を印加することによってＥＬ発光層１を発光させている。

この発光は、透明電極１a、透明絶縁基板２、タッチ検出用の透明電極５及び透明絶縁被膜６を介して外部に到達するので、オペレータ（操作者）はこの発光を頼りに透明絶縁被膜２を容易に指先で触れることができる。そして、透明絶縁被膜６に指先が触れることで、検出用の透明電極５と接続した図示しないタッチ判定回路が、インピーダンス変化や容量変化を検知し、タッチされたことを判定するとともに、これに接続された機器のオンオフ制御を実行可能としている。

しかしながら、このようなタッチスイッチでは、ＥＬ発光層１を発光駆動させるための１対の電極１a、１dと、タッチ検出用の透明電極５とが必要となるため、スイッチの薄型が困難であるとともに、積層する各電極の層数が増加してコストアップとなっていた。
そこで、このような課題を解決するべく、特許文献２には、タッチ検出用の電極とＥＬ駆動用の電極を共用させて、スイッチの薄型化を可能としたＥＬ発光式タッチスイッチが開示されている。

図４は、特許文献２に開示されたＥＬ発光式タッチスイッチの概略構成図である。図４に示すように、タッチスイッチ本体部１０は、透明電極（表面電極）１aと背面電極１dとの間に蛍光層１bと絶縁層１cとを積層して構成されるＥＬ発光層１を備え、絶縁基板３の上にＥＬ発光層１が形成され、更にその上に透明絶縁被膜６を形成して構成されている。ここで、透明電極１aは、タッチ検出用の電極としての機能とＥＬ駆動用の電極としての機能とを兼ね備えている。

また、このタッチスイッチ本体部１０には、透明電極１ａの電位の変化を検知して透明絶縁被膜６に対するオペレータの接触を検知するタッチ判定回路１００と、ＥＬ発光層１を発光させるべく透明電極１aの電位を基準とした交流電圧を出力するＥＬ駆動回路２００とが並列に接続されている。
また、該タッチ判定回路１００と該ＥＬ駆動回路２００に加えてさらに駆動制御回路３００が設けられており、この駆動制御回路３００からの制御信号により、タッチ判定回路１００が作動するようになっている。そして、該タッチ判定回路１００では、透明電極１aの電位ＶＡと設置電位ＶＧとの電位差の変化から透明絶縁被膜６に対する指の接触を検知するように構成されており、該タッチ判定回路１００においてタッチ判定されると、ＥＬ駆動回路２００をオンオフ駆動させて上記両電極１a、１d間に交流電界を印加し、ＥＬ発光層１の発光を制御するように構成されている。
特開平５−１３５６５４号公報 特許第３２８４２５９号公報

ところで、このようなタッチスイッチを自動車の車室内の機器（具体的には、自動車のオーディオやエアコンディショナ）の操作パネル用に適用することが考えられる。
しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、薄型化が困難であり、例えば自動車のオーディオやエアコンディショナの操作パネルとしては適したものではない。また、特許文献２に開示された技術では、タッチ検出電極（透明電極１a）が１つの場合には問題ないが、自動車用機器の操作パネルのように、タッチ検出電極が同一パネル内に複数存在する場合には、有効な解決手段とはなり得ない。

つまり、多くの独立した発光部位（ＥＬ発光層１）を備えるＥＬパネルにおいては、背面電極１dは、発光部位全体を覆う面積で形成し、共通電極とするのが一般的である。
しかし、このような構成のＥＬパネルにおいて、特許文献２に開示されているように、タッチ検出電極と兼用した透明電極１aを基準にＥＬ駆動回路を接続する、即ち背面電極１dは接地電位に対してフローティングであるが如く構成した場合は、独立した発光部位である透明電極１aと背面電極１dとの間には大きな静電容量が存在するため、複数のタッチ検出電極のいずれかを触ると、同時に全てのスイッチに於いてタッチを検出してしまうことになる（図５参照）。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、タッチ検出用の電極としての機能とＥＬ駆動用の電極としての機能とを兼ね備えた複数の表面電極と、単一の（共通の）背面電極とを備えたＥＬ発光式タッチスイッチにおいて、相互の表面電極の影響を排除して、各表面電極が独立して正確にタッチ判定できるようにした、ＥＬ発光式タッチスイッチを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、透光性を有する複数の第１電極と、複数の第１電極と対向して配置され、複数の第１電極に対して単一の電極として設けられた第２電極と、第１電極と第２電極との間に夫々設けられ、蛍光層及び絶縁層を積層して形成されたＥＬ発光層と、ＥＬ発光層が発光するように、第１電極と第２電極との間に駆動電圧を印加する発光駆動手段と、駆動電圧の印加が所定周期で停止するように、発光駆動手段を制御するタイミング信号を発生するタイミング信号発生手段と、第１電極と第２電極との電位が一致するように第１の電極に電流を供給する帰還回路を有し、タイミング信号に基づいて発光駆動手段における駆動電圧の印加が停止しているときに、前記帰還回路の作動に基づいて第１の電極への人体の接触を判定するタッチ判定手段と、を備えてＥＬ発光式タッチスイッチを構成することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、帰還回路は、オペアンプと抵抗とを含んで構成される差動増幅回路であって、タッチ判定手段は、オペアンプの出力電圧に基づいて第１の電極への人体の接触を判定することを特徴とする。

本発明の請求項１のＥＬ発光式タッチスイッチによれば、第１電極がタッチ検出用の電極としての機能とＥＬ駆動用の電極としての機能とを兼ね備えた表面電極として、第２電極が単一の（共通の）背面電極として、複数の表面電極を有するＥＬ発光式タッチスイッチが得られ、該表面電極と背面電極との間に介在する静電容量によって発生する相互の表面電極の影響を排除することができ、表面電極のタッチ判定を正確に行うことができる。したがって、例えば自動車の車室内の機器の操作パネル（インストルメンタルパネル）のように、複数のスイッチが設けられるパネルに最適なＥＬ発光式タッチスイッチを得ることができる。

また、本発明の請求項２のＥＬ発光式タッチスイッチによれば、簡単な構成で、第１電極と第２電極との電位が一致するように第１電極に電流が供給され、タッチ判定手段を容易に実現することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のＥＬ発光式タッチスイッチのシステム構成図である。
図１に示すように、本実施形態のＥＬ発光式タッチスイッチは、タッチスイッチ本体部１０と、ＥＬ駆動手段２０（発光駆動手段）と、タイミング信号発生手段３０と、検出手段４０（タッチ判定手段）とを備えて構成されている。

タッチスイッチ本体部１０は、図４に示す従来のタッチスイッチ本体部１０と同様に、表面電極（透明電極）１a（第１電極）と背面電極１d（第２電極）との間に蛍光層１bと絶縁層１cとを積層して構成されるＥＬ発光層１を備え、更にその上に透明絶縁被膜６を形成して構成されており、表面電極１aはタッチ検出用の電極とＥＬ駆動用の電極を共用させた構造となっている。本実施形態のタッチスイッチ本体部１０は、複数のタッチ検出用の電極を備えたパネル状に形成されており、１つの背面電極１dに対して複数の表面電極１aが備えられている。また、これに伴い、各表面電極１a毎にＥＬ発光層１が夫々形成されている。

ＥＬ駆動手段２０は、例えば２００Ｖ/５ｋＨｚの正弦波出力の交流電源２１と、スイッチング手段２２とを備えており、各ＥＬ発光層１を発光させるために、背面電極１dと各表面電極１aとの間に駆動用電圧を印加する機能を有している。
スイッチング手段２２は、交流電源２１と各表面電極１aとを接続する回路に夫々介装され、該回路の連通遮断を切り換える機能を有する。ＥＬ駆動手段２０は、図示しない外部要件（例えば、車両における夜間照明用スイッチが操作された場合）に応じて、該当するＥＬ発光層に対応する表面電極１aと接続されたスイッチング手段２２をオンオフする。更に、スイッチング手段２２は、タイミング信号発生手段３０により供給される周期的なタイミング信号Ｔ1によっても、その開閉作動が制御される。したがって、スイッチング手段２２は、外部要件に応じてＯＮ制御されている期間において、タイミング信号Ｔ1に合わせて周期的にオンオフ作動する。

検出手段４０は、各表面電極１a毎に夫々設けられ、表面電極１aに人体が接触したか否かを検出する機能を有している。詳しくは、検出手段４０は、表面電極１aから入力する入力信号（入力電圧）Ｓ2と、背面電極１dから入力する入力信号（入力電圧）Ｓ1とに基づいて人体の接触を判定するものであって、抵抗Ｒ1〜Ｒ4及びオペアンプ４１からなる差動増幅回路（帰還回路）と判定回路４２とを含んで構成されており、該抵抗Ｒ1〜Ｒ4の抵抗値は以下の（1）及び（2）式のように設定されている。
Ｒ1＝Ｒ2・・・（1）
Ｒ3＝Ｒ4・・・（2）
上記スイッチング手段２２がＯＮ作動してＥＬ発光層が発光している場合には、該スイッチング手段２２のＯＮ作動によって、Ｓ２入力側が接地され、Ｓ1入力側にのみ交流電源２１の電圧が印加される。

図２は、タイミング信号Ｔ1、Ｔ2、差動増幅回路出力信号（オペアンプ４１の出力信号）Ｓ3の推移を示すタイムチャートである。交流電源２１による電圧の印加により、オペアンプ４１の出力信号（出力電圧）Ｓ3は図２に示す如く、交流電源２１の電圧に対応して大きな振幅を有し、その値は以下の（3）式に表される。
Ｓ3＝（Ｓ2−Ｓ1）Ｒ3/Ｒ1・・・（3）
タイミング信号発生手段３０は、タイミング信号Ｔ1として、周期taで時間tbの間ＯＦＦとなるＬ信号を出力し、かかるＬ信号の出力時（ＯＦＦ時）に該スイッチング手段２２がＯＦＦ（断）作動するように設定されている。好ましくは、周期taが５０msec程度に、時間tbが２msec程度に設定すればよいが、これらの値に限定されるものではなく、ｔb＜taとなるように設定すればよい。また、タイミング信号発生手段３０は、タイミング信号Ｔ2として、時間tbより短いＨ信号を判定回路４２に出力する。Ｈ信号の発生開始（ＯＦＦからＯＮに切り換わる）タイミングは、Ｌ信号出力期間中になるように設定されている。

Ｌ信号の出力時（ＯＦＦ時）において、タッチスイッチ本体部１０における背面電極１dと表面電極１aとの間は大きな静電容量で結合されているので、背面電極１d及び表面電極１aは、ともに交流電源２１の電圧と等しくなる。したがって、差動増幅回路の出力信号Ｓ3は、スイッチング手段２２のＯＦＦ作動中は０Ｖとなる。
ここで、オペレータによって、表面電極１aに触れると、該オペレータを介して接地電流ＩSが流れる。これにより、表面電極１a側の電位が下がろうとして入力信号Ｓ1とＳ2との間に電位差が発生する。ところが、オペアンプ４１は、該電位差を打ち消すが如く抵抗Ｒ3を介して帰還電流Ｉfを発生する（オペアンプ回路のイマジナリーショート状態を示す）ので、結果的にＳ1とＳ2、言い換えれば背面電極１dと表面電極１aとの電位差は打ち消されることとなる。したがって、このときオペアンプ４１から抵抗Ｒ3を介して帰還電流を流す為に発生する電圧である出力信号Ｓ3は、オペレータを介して流れた接地電流ＩSに比例することとなる。

上記のように作用することで、出力信号Ｓ3は、スイッチング手段２２のＯＦＦ期間中に、表面電極１aに対してオペレータが触れたか否かによって、図２の実線と破線で示す如く振幅が変化する。そして、この振幅の変化に基づいて判定回路４２は、オペレータの操作を検出する。
判定回路４２は、出力信号Ｓ3の振幅を電圧に置き換える図示しない検波回路を備えており、該電圧と所定の閾値とをタイミング信号発生手段３０から供給されたタイミング信号Ｔ２の立ち上がりタイミングで比較する。そして、該比較の結果を端子Ｓ4から出力して、各検出手段４０に接続された車両の各機器の作動を制御する。

以上のような構成により、本実施形態では、Ｌ信号出力時においてはＳ1とＳ2の電位は帰還電流Ｉfによって等しく保たれる。加えて、抵抗Ｒ1＝Ｒ2、Ｒ3＝Ｒ4であるから結果的に背面電極１dと表面電極１aとの電位も等しくなる。したがって、背面電極１dと表面電極１aとの間に介在する静電容量/又はインピーダンスが如何なる値であったとしても、背面電極１dと表面電極１aとの間に電流が流れることはないので、該静電容量/又はインピーダンスの値はオペレータが表面電極１aに触れたことによって変化する出力信号Ｓ3の大きさと関連がない。即ち、該静電容量／又はインピーダンスの値はオペレータが触れたことを検出する場合の検出感度に影響を及ぼさないばかりか、該静電容量／又はインピーダンスによってタッチスイッチ本体部１０の隣接する各表面電極１aの相互影響をゼロにすることが可能になるのである。

以上のように、本実施形態のＥＬ発光式タッチスイッチは、タッチ検出用の電極としての機能とＥＬ駆動用の電極としての機能とを兼ね備えた複数の表面電極１aと、単一の（共通の）背面電極１bとを備え、表面電極１aと背面電極１bとの間に介在する静電容量によって発生する相互の表面電極の影響を排除することができ、表面電極１aのタッチ判定を正確に行うことができる。

本発明に係るＥＬ発光式タッチスイッチの構成図である。 本発明に係るＥＬ発光式タッチスイッチでのタイミング信号、差動増幅回路出力信号の推移を示すタイムチャートである。 従来技術のＥＬ発光式タッチスイッチのスイッチ本体部の構造を示す断面図である。 他の従来技術のＥＬ発光式タッチスイッチの構成図である。 従来技術における問題点を示す説明図である。

符号の説明

１ ＥＬ発光層
１a 表面電極
１d 背面電極
１０ タッチスイッチ本体部
２０ ＥＬ駆動手段
３０ タイミング信号発生手段
４０ 検出手段
４１ オペアンプ
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4 抵抗

Claims (2)

1. 透光性を有する複数の第１電極と、
   前記第１電極と対向して配置され、前記複数の第１電極に対して単一の電極として設けられた第２電極と、
   前記第１電極と第２電極との間に夫々設けられ、蛍光層及び絶縁層を積層して形成されたＥＬ発光層と、
   前記ＥＬ発光層が発光するように、前記第１電極と第２電極との間に駆動電圧を印加する発光駆動手段と、
   前記駆動電圧の印加が所定周期で停止するように、前記発光駆動手段を制御するタイミング信号を発生するタイミング信号発生手段と、
   前記第１電極と第２電極との電位が一致するように前記第１電極に電流を供給する帰還回路を有し、前記タイミング信号に基づいて前記発光駆動手段における前記駆動電圧の印加が停止しているときに、前記帰還回路の作動に基づいて前記第１の電極への人体の接触を判定するタッチ判定手段と、
   を備えたことを特徴とするＥＬ発光式タッチスイッチ。
2. 前記帰還回路は、オペアンプと抵抗とを含んで構成される差動増幅回路であって、
   前記タッチ判定手段は、前記オペアンプの出力電圧に基づいて前記第１の電極への人体の接触を判定することを特徴とする請求項１に記載のＥＬ発光式タッチスイッチ。

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