JP2014146487A - タッチスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ位置を検出する際の分解能を高めたタッチスイッチを提供する。
【解決手段】タッチスイッチ１は、パネル基材２と、パネル基材２の一方面側において、一端から他端に向けて増加する面積を有する第１の電極３、及び一端から他端に向けて減少する面積を有する第２の電極４に分割して配置した一対のメイン電極と、パネル基材２の他方面側において、一対のメイン電極に対向して交差する領域に延びる複数のサブ電極５とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、タッチスイッチに係り、特に、静電容量型のタッチスイッチに関する。

静電容量型のタッチスイッチは、例えば車載用や携帯機用等の各種の電気機器に多用されている。この種の従来のタッチスイッチの一例としては、例えば操作者の指による接触を検出できない検出感度低下領域を小さくすることができるタッチスイッチが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１記載の従来のタッチスイッチは、複数のセンサ電極のそれぞれと対向する位置に絶縁層を介して同数の補助電極を形成している。隣接するセンサ電極間の隙間には、その隙間に比べて非常に小さい隙間をもって隣接する補助電極間の境界部分が配置されており、補助電極によってセンサ電極間の隙間が埋められるようになっている。

特開２０１２−１２９１７１号公報

上記特許文献１記載の従来のタッチスイッチは、複数のセンサ電極のそれぞれと対向する位置に同数の補助電極を配置する構成となっており、補助電極に対向するセンサ電極の検出容量は、どの補助電極を指でタッチしても、ほぼ同一の検出容量値となる。特に、なぞり操作を検出する場合は、タッチ位置を検出する際の分解能が低下してしまうので、指の微細な動きを感知することは困難となる。

従って、本発明の目的は、タッチ位置を検出する際の分解能を高めたタッチスイッチを提供することにある。

［１］本発明は、パネル基材と、前記パネル基材の一方面側において、一端から他端に向けて増加する面積を有する第１の電極、及び前記一端から前記他端に向けて減少する面積を有する第２の電極に分割して配置した一対のメイン電極と、前記パネル基材の他方面側において、前記一対のメイン電極に対向して交差する領域に延びる複数のサブ電極と、を備えてなることを特徴とするタッチスイッチにある。

［２］上記［１］記載の前記第１の電極が前記サブ電極と対向する領域の静電容量をＣ_１とし、前記第２の電極が前記サブ電極と対向する領域の静電容量をＣ_２とし、前記第１の電極の長さをＬとしたとき、Ｌ×｛Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）｝の値をタッチ位置としたことを特徴とする。

［３］上記［１］又は［２］記載の前記第１の電極は、前記一端から前記他端に向けて漸増する第１の勾配形状部を有しており、前記第２の電極は、前記一端から前記他端に向けて漸減する第２の勾配形状部を有し、前記第１の勾配形状部と前記第２の勾配形状部とが、互いに対向して配置されてなることを特徴とする。

［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の前記第１の電極と前記第２の電極は、直角三角形状に形成されてなることを特徴とする。

［５］上記［１］又は［２］記載の前記サブ電極は、短冊状に形成されてなることを特徴とする。

本発明によれば、細かい分解能でタッチ位置を検出することができる。

本発明の好適な実施の形態に係るタッチスイッチを説明するための断面模式図である。 （ａ）はタッチスイッチの一方面側の第１の電極を示す模式図であり、（ｂ）は他方面側の第２の電極を示す模式図である。 タッチスイッチにおける位置検出を説明するための図である。 タッチスイッチの他の一例を説明するための断面模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、この実施の形態に係る図においては、タッチスイッチを構成する部分の比率は実際のものとは異なり、誇張して示している。

（タッチスイッチの全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、この実施の形態に係る典型的なタッチスイッチの一例を示している。このタッチスイッチ１は、例えば操作者の指Ｆなどの接触物体により、パネル基材２の操作面に対してタッチ操作やなぞり操作を行った際の静電容量の変化を電圧の変化として検出するタッチパッド（タッチパネル）として用いられる。

このタッチスイッチ１は、図１〜図２（ｂ）に示すように、誘電体であるパネル基材２を備えている。このパネル基材２の一方面側には、一対のメイン電極３，４が形成されている。パネル基材２の他方面側には、メイン電極３，４と対向して複数のサブ電極５が形成されている。

このメイン電極３，４は、図示しないセンシングラインと電気的に接続されている。このセンシングラインは、図示しないパッド部を介して同じく図示を省略した位置検出回路と接続される。

一方のサブ電極５は、メイン電極３，４あるいは位置検出回路からの配線を排除しており、他の導体部分とは導通しない導電体として形成されている。

このパネル基材２の操作面に接触した指Ｆとサブ電極５との間の距離は、図１に示すように、メイン電極３，４とサブ電極５との間の距離よりも小さく設定されている。メイン電極３，４と対向する位置にサブ電極５を配置することで、メイン電極３，４及びサブ電極５間に発生する静電容量と、指Ｆ及びサブ電極５間に発生する静電容量との合成静電容量がタッチ検出容量として検出され、サブ電極５がない場合のタッチ検出容量と比較して高い値となる。

このパネル基材２としては、例えばポリエステル系樹脂あるいはポリカーボネート系樹脂などのフィルム状、シート状又は板状の一般的な素材が用いられる。

一方、メイン電極３，４及びサブ電極５は、同じ材料により形成されていてもよく、例えば金、銀、銅、アルミニウム等の金属、又は透明なＩＴＯ（酸化インジウム）等の導電性金属酸化物などの一般的な導電性材料が用いられている。金属めっきや導電性ペーストなどによる導電膜を所要の形状に塗布又は印刷することで導電パターンが形成される。蒸着やスパッタ等により導電パターンを形成することも可能である。

（電極の構成）
図示例によるタッチスイッチ１は、メイン電極３，４とサブ電極５とに主要な構成を有している。このメイン電極３，４は、図２（ａ）に示すように、タッチスイッチ１のＸ軸座標値に相当するタッチ位置を検出する位置検出用の電極として形成されており、２つの電極に分けられている。

このメイン電極３は、図２（ａ）に示すように、パネル基材２の一端から他端に向けて増加する面積を有する直角三角形の第１の電極である。一方のメイン電極４は、パネル基材２の一端から他端に向けて減少する面積を有する直角三角形の第２の電極である。

このメイン電極３，４は、図２（ａ）に示すように、直角三角形の漸増する勾配形状の斜辺と、直角三角形の漸減する勾配形状の斜辺とを所定の隙間をもって相対向させることで、２つの電極を有する長方形のタッチパターンとして形成されている。メイン電極３，４の長辺は、パネル基材２のＸ軸方向に沿って配置されており、メイン電極３，４の短辺は、パネル基材２のＹ軸方向に沿って配置されている。

一方のサブ電極５は、図２（ｂ）に示すように、メイン電極３，４を１０等分に分割した１０個のサブ電極５ａ〜５ｊにより構成されている。このサブ電極５ａ〜５ｊは、Ｙ軸方向に延びる同一の長方形短冊状に形成されており、Ｘ軸方向に同一のピッチをもって並列に配置されている。

このサブ電極５ａ〜５ｊは、位置検出用のメイン電極３，４に離隔した状態で対向して交差する領域に延びる電極として構成されている。サブ電極５ａ〜５ｊのそれぞれが対向した領域のメイン電極３，４の対向面積の変化に基づいて静電容量の変化が検出される。サブ電極５ａ〜５ｊの細かさが分解能となることから、分解能を向上させるためには、サブ電極５の分割数を増やすことが好適である。

（タッチ位置の検出メカニズム）
図３を参照すると、同図には、タッチ位置を認識するメカニズムの一例が例示されている。同図において、番号１〜１０は、サブ電極５の個数を表している。

このメイン電極３の面積は、図３に示すように、１番目のサブ電極５ａから１０番目のサブ電極５ｊに向けて漸増し、一方のメイン電極４の面積は、１番目のサブ電極５ａから１０番目のサブ電極５ｊに向けて漸減しているので、接触物体が接触したままの状態でパネル基材２のＸ軸方向に接触位置を移動するなぞり操作を行うことで、メイン電極３，４とサブ電極５とが対向した領域の面積の変化に基づいて静電容量の段階的な変化が発生する。接触物体の位置変化は、静電容量の変化として認識される。

これにより、このメイン電極３がサブ電極５ａ〜５ｊと対向する領域の第１の静電容量、及びメイン電極４がサブ電極５ａ〜５ｊと対向する領域の第２の静電容量の合計静電容量に対する第１の静電容量の比に、メイン電極３の長さを乗じた値が、タッチ位置として認識される。

メイン電極３の静電容量をＣ_１とし、メイン電極４の静電容量をＣ_２とし、メイン電極３の直角三角形の長辺寸法をＬとしたとき、このタッチ位置は、Ｌ×｛Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）｝となる。

ここで、パネル基材２の比誘電率をεとし、メイン電極３，４とサブ電極５とが対向した領域の台形面積をＳとし、メイン電極３，４とサブ電極５との間の距離をＤとしたとき、メイン電極３の静電容量Ｃ_１とメイン電極４の静電容量Ｃ_２とを平板コンデンサモデルの静電容量値であるＣ＝（ε×Ｓ）／Ｄで計算することができる。

サブ電極５ａ〜５ｊが対向した領域のメイン電極３，４の台形面積Ｓは、メイン電極３，４の直角三角形の短辺寸法をＨとしたとき、メイン電極３，４の直角三角形の長辺寸法Ｌと、メイン電極３，４の直角三角形の短辺寸法Ｈとで計算することができる。なお、隣接するサブ電極５の間の隙間（ギャップ）は、限りなく零に近いものとする。

メイン電極３，４の直角三角形の長辺寸法Ｌを１０等分に分割した１０個のサブ電極５ａ〜５ｊを配置していることから、メイン電極３，４の直角三角形の長辺寸法Ｌは、一番目のサブ電極５ａから１０番目のサブ電極５ｊごとに、（１／１０）×Ｌ，（２／１０）×Ｌ，…，（１０／１０）×Ｌとなる。

メイン電極３の直角三角形の短辺寸法Ｈは、１番目のサブ電極５ａから１０番目のサブ電極５ｊに向けて徐々に増加していることから、（１／１０）×Ｈ，（２／１０）×Ｈ，…，（１０／１０）×Ｈとなる。

一方、メイン電極４の直角三角形の短辺寸法Ｈは、１番目のサブ電極５ａから１０番目のサブ電極５ｊに向けて徐々に減少していることから、（１０／１０）×Ｈ，（９／１０）×Ｈ，…，（１／１０）×Ｈとなる。

サブ電極５ａ〜５ｊのそれぞれが対向した領域のメイン電極３，４の台形面積Ｓは、メイン電極３，４の短辺寸法Ｈに応じて変化することから、メイン電極３，４のそれぞれは、サブ電極５ａ〜５ｊが対向した領域の面積分の静電容量に変化する。

メイン電極３とサブ電極５ａ〜５ｊとが対向した第１検出領域では、サブ電極５ａからサブ電極５ｊとなるにつれてメイン電極３の対向面積が増加するので静電容量が大きくなる。メイン電極４とサブ電極５ａ〜５ｊとが対向した第２検出領域では、サブ電極５ａからサブ電極５ｊとなるにつれてメイン電極４の対向面積が減少するので静電容量が小さくなる。これとは逆に、第１検出領域において、サブ電極５ｊからサブ電極５ａとなるにつれてメイン電極３の対向面積が減少することで静電容量が小さくなると、第２検出領域では、サブ電極５ｊからサブ電極５ａとなるにつれてメイン電極４の対向面積が増加して静電容量が大きくなる。

［実施例］
以下に、タッチ位置の検出メカニズムの一例として、３番目のサブ電極５ｃと４番目のサブ電極５ｄとの間の領域（図３に破線で示す円形部分）をタッチ操作した場合を説明する。

接触物体が図３に破線で示す円形部分に接触すると、メイン電極３，４とサブ電極５ｃ，５ｄとがそれぞれ対向した領域における面積分の検出容量が発生する。

メイン電極３の一方の短辺寸法Ｈを（２／１０）×Ｈとし、他方の短辺寸法Ｈを（４／１０）×Ｈとし、メイン電極３の長辺寸法Ｌを（２／１０）×Ｌとしたとき、サブ電極５ｃ，５ｄが対向した第１検出領域におけるメイン電極３の台形面積Ｓは、｛（２／１０）＋（４／１０）｝×Ｈ×｛（２／１０）×Ｌ｝／２＝（６／１００）×Ｈ×Ｌとなる。

メイン電極３と接触物体との間にエアギャップが存在しないとすれば、メイン電極３の静電容量Ｃ_１は、Ｃ_１＝（ε×Ｓ）／Ｄ＝ε×（６／１００）×Ｈ×Ｌ／Ｄの関係式で表せる。

一方、メイン電極４の一方の短辺寸法Ｈを（８／１０）×Ｈとし、他方の短辺寸法Ｈを（６／１０）×Ｈとし、メイン電極４の長辺寸法Ｌを（２／１０）×Ｌとしたとき、サブ電極５ｃ，５ｄが対向した第２検出領域におけるメイン電極４の台形面積Ｓは、｛（８／１０）＋（６／１０）｝×Ｈ×｛（２／１０）×Ｌ｝／２＝（１４／１００）×Ｈ×Ｌとなる。

メイン電極４と接触物体との間にエアギャップが存在しないとすれば、メイン電極４の静電容量Ｃ_２は、Ｃ_２＝（ε×Ｓ）／Ｄ＝ε×（１４／１００）×Ｈ×Ｌ／Ｄの関係式で表せる。

従って、図３に破線で示す円形部分におけるタッチ位置は、Ｌ×｛Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）｝＝Ｌ×｛ε×（６／１００）×Ｈ×Ｌ／Ｄ｝／｛ε×（６／１００）×Ｈ×Ｌ／Ｄ＋ε×（１４／１００）×Ｈ×Ｌ／Ｄ｝＝（３／１０）×Ｌとして測定される。

（実施の形態の効果）
以上のように構成されたタッチスイッチ１を採用することで、上記効果に加えて以下の効果が得られる。

（１）位置検出用のメイン電極３，４の配置数を増やすことなく、サブ電極５を細くすることで電極の個数を増やしていることから、位置分解能と検出感度との両方の機能を高くすることが可能となる。
（２）２つのメイン電極３，４に対して、サブ電極５のサイズに基づく分解能で位置検出精度を向上させることができる。
（３）タッチ位置がメイン電極３，４の上寄り又は下寄りになったとしても、タッチ面積が偏ることなく、指Ｆの位置ずれが発生しない。
（４）サブ電極５は細かい分解能を有するため、高い分解能をもって静電感度の測定精度を高めることができる。
（５）パネル基材２に他の導体部分とは導通しないサブ電極５を追加することで、静電容量を増大させることが可能となり、タッチスイッチ１の感度のばらつきを抑えることができる。

［変形例］
図４を参照すると、同図には、タッチスイッチの変形例が示されている。なお、同図において、上記実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。

このサブ電極５は、図４に示すように、保護基材６に導電体を形成した電極フィルム７として構成されている。パネル基材２及び保護基材６としては、同じ材料により形成されていてもよく、例えばポリエステル系樹脂あるいはポリカーボネート系樹脂などのフィルム状、シート状又は板状の一般的な素材が用いられる。

この電極フィルム７をインサート品として、金型の成形空間内にパネル基材２となる溶融樹脂を射出成形することで、パネル基材２と電極フィルム７とを積層一体化することができる。これにより、電極フィルム７にパネル基材２が一体成形されたタッチスイッチ１が製作される。

この変形例にあっても、上記実施の形態の効果と同様の効果が得られる。なお、上記変形例の構成に加えて、メイン電極３，４をフレキシブル配線基板に形成した構成、あるいはリジッド板からなる硬質配線基板にメイン電極３，４を形成した構成を適用することができることは勿論である。

メイン電極３，４が形成されたフレキシブル配線基板は、保護基材６と同じ材料により形成されていてもよい。フレキシブル配線基板に所要の導電パターンで導電性材料を印刷することで電極フィルムとして構成し、パネル基材２の裏面に両面テープ、粘着層又は接着層などの接合剤層を介して積層一体化すればよい。このフレキシブル配線基板には、タッチスイッチ１を動作させるための駆動部及び制御部などを構成する部品が搭載される。

メイン電極３，４が形成された硬質配線基板としては、例えばエポキシ系樹脂等が用いられる。硬質配線基板に金属めっきや導電性ペーストなどによる電極膜を所定の形状に塗布又は印刷することでメイン電極３，４が形成される。このメイン電極３，４は、例えば銅等の金属あるいは透明なＩＴＯ等の導電性金属酸化物などの一般的な導電性材料を用い、例えば蒸着やスパッタ等により導電パターンを形成してもよい。

本発明のタッチスイッチを上記実施の形態、実施例、変形例、及び図示例に基づいて説明したが、本発明は上記実施の形態、実施例、変形例、及び図示例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

メイン電極３がサブ電極５と対向する領域の第１の静電容量、及びメイン電極４がサブ電極５と対向する領域の第２の静電容量の合計静電容量に対する第２の静電容量の比に、メイン電極４の長さを乗じた値をタッチ位置として認識する構成が採用できる。

メイン電極３，４の勾配形状部としては、直角三角形の斜辺に限定されるものではなく、例えば四角形の一辺が直線状、曲線状や階段状などの勾配形状であってもよく、パネル基材２、メイン電極３，４、及びサブ電極５の形状や大きさ等については、使用目的、使用箇所や使用用途等に応じて適宜設定することができることは勿論である。

車両のインストルメントパネル、ステアリングホイールや運転席と助手席の間のセンターコンソールなどの各種の内装品に装着することができる。

車載機器を遠隔操作するための入力装置、携帯電話機やカメラなどの各種の携帯情報端末装置の入力デバイスとして効果的に用いることができることは勿論である。

以上の説明からも明らかなように、上記実施の形態、実施例、変形例、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが本発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１…タッチスイッチ、２…パネル基材、３，４…メイン電極、５，５ａ〜５ｊ…サブ電極、６…保護基材、７…電極フィルム

Claims (5)

1. パネル基材と、
   前記パネル基材の一方面側において、一端から他端に向けて増加する面積を有する第１の電極、及び前記一端から前記他端に向けて減少する面積を有する第２の電極に分割して配置した一対のメイン電極と、
   前記パネル基材の他方面側において、前記一対のメイン電極に対向して交差する領域に延びる複数のサブ電極と、
   を備えてなることを特徴とするタッチスイッチ。
2. 前記第１の電極が前記サブ電極と対向する領域の静電容量をＣ_１とし、前記第２の電極が前記サブ電極と対向する領域の静電容量をＣ_２とし、前記第１の電極の長さをＬとしたとき、Ｌ×｛Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）｝の値をタッチ位置としたことを特徴とする請求項１記載のタッチスイッチ。
3. 前記第１の電極は、前記一端から前記他端に向けて漸増する第１の勾配形状部を有しており、
   前記第２の電極は、前記一端から前記他端に向けて漸減する第２の勾配形状部を有し、
   前記第１の勾配形状部と前記第２の勾配形状部とが、互いに対向して配置されてなることを特徴とする請求項１又は２記載のタッチスイッチ。
4. 前記第１の電極と前記第２の電極は、直角三角形状に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタッチスイッチ。
5. 前記サブ電極は、短冊状に形成されてなることを特徴とする請求項１又は２記載のタッチスイッチ。

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