JP2014203541A - 静電容量式スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量式スイッチの感度向上と誤作動抑制を図る。
【解決手段】静電容量式スイッチは、ユーザの指先Ｆ（操作体）により接触操作される操作面１１ａ、１１ｂを形成する操作プレート１０と、操作プレート１０に対して操作面１１ａ、１１ｂの反対側に配置される電極板２０と、を備える。さらに静電容量式スイッチは、指先Ｆと電極板２０との間で生じる静電容量の変化に応じてオンオフ作動する。そして、操作プレート１０は、板状の基板１３と、その基板１３の表面に配置されて操作面１１ａ、１１ｂを形成する、基板１３に比べて誘電率の高い高誘電率材１４と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作体（例えばユーザの指先）で接触操作することにより生じる静電容量変化に応じてオンオフ作動する、静電容量式スイッチに関する。

特許文献１には、ユーザの指先により接触操作される操作面を形成する操作プレートと、操作プレートの裏側に配置される電極板とを備えた静電容量式スイッチが開示されている。この静電容量式スイッチは、電極板と指先との間で生じる静電容量の変化に応じてオンオフ作動するものである。

特開２００８−３０５７６６号公報

この種の静電容量式スイッチでは、電極板を操作面に近づけて配置すれば、操作面に指先を接触させている時の静電容量と非接触時の静電容量との違いが大きくなる。そのため、指先を僅かに接触させるだけでもスイッチがオン作動するようにスイッチ感度を向上させることができる。しかしながら、操作面に近づけて電極板を配置しなければならない、といった配置レイアウトの制約が生じるので、このような制約を軽減しつつ感度を向上させることが望まれている。

また、上述の如く電極板を操作面に近づけて感度を向上させようとすると、操作プレートのうち操作面の近傍部分に指が触れるだけでオン作動するといった、誤作動の懸念が生じる。特に、操作プレートに複数の操作面が密集して配置されている場合には、所望の操作面に指先を接触させた場合に、その隣の操作面に対向する電極板についても静電容量変化が大きく生じてしまい、誤ってオン作動することが懸念される。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、感度の向上と誤作動の抑制を図った静電容量式スイッチを提供することにある。

開示されたひとつの発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示された発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成する発明は以下の点を特徴とする。すなわち、操作体（Ｆ）により接触操作される操作面（１１ａ、１１ｂ）を形成する操作プレート（１０）と、操作プレートに対して操作面の反対側に配置される電極板（２０）と、を備え、操作体と電極板との間で生じる静電容量の変化に応じてオンオフ作動する静電容量式スイッチであることを前提とする。そして、操作プレートは、板状の基板（１３）と、基板の表面に配置されて操作面を形成する、基板に比べて誘電率の高い高誘電率材（１４、１４１、１４２）と、を備えて構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、電極板のうち操作面の反対側（電極板の裏面）から出る電気力線が、高誘電率材に引き寄せられ、操作面に向けて誘導されるようになる。よって、操作面を貫く電気力線が増大するので、感度の向上を図ることができる。

また、以下に詳述する理由により、本発明によれば誤作動の抑制を図ることもできる。すなわち、例えば図３に示すように、本発明に反して高誘電率材を配置しない場合であっても、電極板２０の裏面２０ｒから出る電気力線の一部は、空気よりも誘電率の高い操作プレート１０に引き寄せられて表面２０ｆ側に誘導される。しかしながら、このように裏面２０ｒから表側に誘導される電気力線は、操作面１１ａに比べて大きな範囲に広がる。つまり、電気力線の操作面への指向性が弱い。そのため、操作面に操作体を接触させていなくても、その近傍部分に操作体を接触させただけで、電極板による静電容量が大きく変化することとなり、誤作動の懸念が生じる。

これに対し本発明によれば、電極板２０の裏面２０ｒから出る電気力線は、例えば図４に示すように、高誘電率材１４に引き寄せられて表面２０ｆ側に誘導される。そのため、電気力線が操作面１１ａへ向かう指向性が強くなるので、上述した誤作動の懸念を抑制できる。また、このように指向性が強くなるので、操作面１１ａへの接触に対する感度も向上する。

本発明の第１実施形態に係る静電容量式スイッチの全体図であって、図２のＩ−Ｉ断面図。 図１のII矢視図。 本発明とは異なり高誘電率材を配置しない場合の比較例を示す図。 第１実施形態の構造において、電極板から出る電気力線の分布を示す図。 本発明の第２実施形態において、電極板を裏面側から見た平面図。 本発明の第３実施形態に係る静電容量式スイッチの断面図。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
図１に示す操作プレート１０は、板状の基板１３および高誘電率材１４を備えて構成されている。基板１３は、透光性を有する樹脂で形成された板形状である。操作プレート１０を形成する樹脂材料の具体例としては、ＰＣ（ポリカーボネート）、アクリル、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）等が挙げられる。基板１３の表面、つまり基板１３のうちユーザ側の面は、ユーザに視認される意匠面１１である。

高誘電率材１４は、基板１３の操作面側の面（意匠面１１）のうちの特定範囲に塗布（ポッティング）されており、平坦形状の意匠面１１からユーザの側に盛り上がっている。高誘電率材１４は、基板１３に比べて誘電率の高い、透光性を有した材料で形成されている。具体的には、樹脂よりも高誘電率の物質（例えばガラスフィラー、カーボンフィラー等）を樹脂（例えばポリカーボネート、アクリル、ＡＢＳ等）に混入させて高誘電率材１４を形成する。

高誘電率材１４の表面は、操作面１１ａ、１１ｂとして機能する。操作面１１ａ、１１ｂは、ユーザの指先Ｆ（操作体）で接触操作されるものである。操作面１１ａ、１１ｂには、操作対象を表した文字や記号等が印刷されている。なお、操作対象を表した文字や記号等は、意匠面１１のうち高誘電率材１４が配置されて部分に印刷されている。

意匠面１１には、３つ以上の操作面が限られた範囲に密集して配置されているが、図１では２つの操作面１１ａ、１１ｂを図示している。なお、図１の例では、２つの操作面１１ａ、１１ｂが並ぶ方向（図１の左右方向）において、２つの操作面１１ａ、１１ｂの間隔は、操作面１１ａ、１１ｂの長さよりも小さい。

操作プレート１０に対して意匠面１１の反対側には、電極板２０が配置されている。電極板２０は、透光性を有する樹脂で形成されたシート形状である。電極板２０を形成する樹脂材料の具体例としては、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸）等の導電性高分子が挙げられる。電極板２０の形状および大きさは、操作面１１ａ、１１ｂと同一である。

電極板２０は、フィルム材２１の裏面、つまりフィルム材２１のうち操作プレート１０に対して反対側の面に、蒸着等の工法で塗布されている。フィルム材２１は可撓性および透光性を有する樹脂材料で形成されており、その樹脂材料の具体例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）が挙げられる。フィルム材２１の表面は、接着材３０により操作プレート１０の裏面１２に貼り付けられている。要するに、電極板２０はフィルム材２１（保持部材）により保持された状態で、操作プレート１０の裏面１２に取り付けられている。

フィルム材２１には、図示しない配線が設けられており、配線の一端は電極板２０に接続されている。配線の他端は、回路基板４０に設けられたコネクタ４３に接続されている。これにより、電極板２０から出力される検出信号は、回路基板４０に実装されたマイクロコンピュータ（マイコン４２）に入力される。この検出信号は、指先Ｆと電極板２０との間で生じる静電容量の変化に応じた、電圧変化の信号である。なお、電極板２０は、複数の操作面１１ａ、１１ｂの各々に対して配置されており、各々の電極板２０から出力される検出信号がマイコン４２に入力される。

マイコン４２は、検出信号に変化に基づき、操作面１１ａ、１１ｂに指先Ｆが接触したか否かを判定し、接触していると判定した場合には、操作対象に対してオン信号を出力し、操作対象が所望の作動をするように操作する。操作対象の具体例としては、車両に搭載された空調装置の起動、風量設定、温度設定、車両に搭載されたオーディオ装置の音量設定、選曲、車両に搭載されたナビゲート装置の目的地設定等が挙げられる。

また、上記判定の具体例としては、検出信号が基準電圧に対して所定値以上変化した場合に、接触していると判定することが挙げられる。換言すれば、自己容量検出方式の原理にしたがって、先述した静電容量が所定量以上増大した場合に、接触していると判定する。

より詳細に説明すると、操作面１１ａ、１１ｂに指先Ｆを接触させていない時には、電極板２０の周辺にある回路基板４０のグランドパターン等と電極板２０との間に寄生容量が発生している。そして、導体である人体が仮想グランドに接地されているため、操作面１１ａ、１１ｂに指先Ｆを近づけると、電極板２０と指先Ｆとの間に静電容量が発生する。これによる静電容量の増加量を測定する事により、指先Ｆの接近（接触操作）を感知する。

電極板２０に対して意匠面１１の反対側には、発光ダイオード等の光源４３が配置されている。光源４３は回路基板４０の表側に実装されている。光源４３は、各々の電極板２０に対向して配置されている。光源４３から出射した光は、図示しない導光部材により、対応する電極板２０に導かれ、その電極板２０、フィルム材２１、接着材３０および操作プレート１０を透過する。そして、複数の操作面１１ａ、１１ｂのうち対応する操作面を透過することで、その操作面を透過照明する。なお、意匠面１１のうち操作面１１ａ、１１ｂ以外の部分には、遮光性を有する塗料が印刷されている。

図１のII矢視図である図２では、接着材３０およびフィルム材２１の図示を省略している。該図２に示すように、電極板２０は矩形であり、高誘電率材１４は円形である。そして、高誘電率材１４は、意匠面１１のうち電極板２０の投影範囲１３ａの一部を覆うように配置されている。「投影範囲１３ａ」とは、電極板２０の裏面２０ｒから、該裏面２０ｒに対して垂直な方向に操作プレート１０を見た場合において、意匠面１１のうち電極板２０と重なる範囲のことである。

次に、高誘電率材１４を配置することによる作用効果について、図３および図４を用いて説明する。なお、図３中の点線は、本発明に反して高誘電率材を廃止した場合の電気力線分布を示し、図４中の点線は、本実施形態の場合における電気力線分布を示す。両図に示すように、電極板２０から出る電気力線は、表面２０ｆと裏面２０ｒの両方から出る。表面２０ｆから出る電気力線は、フィルム材２１、接着材３０、および操作プレート１０を介して、電極として機能する指先Ｆに通じる。一方、裏面２０ｒから出る電気力線の一部は、空気中に出てから指先Ｆに向かう経路となる。

そして、空気は誘電率が極めて低いので、図４に示す如く意匠面１１に高誘電率材１４が配置されていると、空気中の電気力線は高誘電率材１４に強く引き寄せられることとなる。そのため、裏面２０ｒから出た電気力線がＵターンして指先Ｆへ向かうにあたり、高誘電率材を廃止した図３の場合に比べて図４の場合にはＵターンすることが促進される。よって、裏面２０ｒから出た電気力線の、対応する操作面１１ａに接触する指先Ｆへ向かう指向性が強くなるとともに、その指先Ｆに通じる電気力線の本数が増大する。

以上により、本実施形態によれば、意匠面１１のうち電極板２０の投影範囲１３ａに高誘電率材１４を配置することにより、裏面２０ｒから出た電気力線の、対応する操作面１１ａへの指向性が強くなる。そのため、隣の操作面１１ｂに接触させている指先との間で電極板２０の検出信号が変化することを抑制できる。よって、ユーザの意図しない隣の操作面に対応する操作対象がオン作動するといった誤作動を抑制できる。

しかも、上述の如く指向性が強くなることに起因して、対応する操作面１１ａに接触する指先Ｆに通じる電気力線の本数が増大するので、操作面１１ａに指先Ｆを接触した場合に生じる電極板２０の検出信号の変化を大きくできる。よって、操作面１１ａに軽く触れただけで、つまり、指先Ｆの操作面１１ａへの接触面積が小さい状態であっても、検出信号が基準電圧に対して所定値以上変化するようになる。よって、スイッチの感度を向上できる。

さらに本実施形態では、高誘電率材１４は、意匠面１１のうち電極板２０の各々に対応する部分に塗布されており、平坦形状の意匠面１１からユーザの側に盛り上がった形状である。そのため、高誘電率材１４に指先Ｆを接触させているユーザは、その接触部位が操作面１１ａ、１１ｂであることを触覚で認識でき、ブラインド操作が可能になる。

（第２実施形態）
図２に示す上記第１実施形態では、高誘電率材１４は、意匠面１１のうち電極板２０の投影範囲１３ａの一部を覆うように配置されている。これに対し、図５に示す本実施形態では、図中の左側に示す高誘電率材１４１は、意匠面１１のうち電極板２０の投影範囲１３ａの全面を覆うように配置されている。

このように、意匠面１１のうち電極板２０の投影範囲１３ａの全面を覆うように高誘電率材１４を配置するので、投影範囲１３ａの一部を覆うように配置された場合に比べて、先述した指向性向上および電気力線の本数増大の作用を大きくできる。よって、誤作動抑制および感度向上の効果が促進される。

なお、この高誘電率材１４１が円形であるのに対し、図中の右側に示す高誘電率材１４２は矩形である。このように、高誘電率材１４、１４１、１４２は、少なくとも投影範囲１３ａの一部を覆うように配置されていれば、円形に限られるものではない。

（第３実施形態）
図６に示す本実施形態では、図１に示す第１実施形態の構造に、以下に説明する第２高誘電率材１５、１６および低誘電率材１７をさらに追加したものである。

本実施形態に係る操作プレート１０は、板状の基板１３、高誘電率材１４、第２高誘電率材１５、１６および低誘電率材１７を備えて構成されている。第２高誘電率材１５、１６は、基板１３に比べて誘電率の高い、透光性を有した材質で形成されている。第２高誘電率材１５、１６には高誘電率材１４と同じ樹脂材料が用いられている。低誘電率材１７は、基板１３に比べて誘電率の低い材質で形成されている。

また、第２高誘電率材１５、１６、低誘電率材１７および基板１３は、多色成形により樹脂で一体に形成されている。多色成形とは、異材質（材料）どうしを組み合わせて一体に成形する工法である。詳細には、金型内のうち基板１３となる部分へ溶融樹脂を射出し、金型内で成形させ、その後、基板１３が残った状態の同一の金型内へ、第２高誘電率材１４、１５および低誘電率材１７の溶融樹脂を射出する。これにより、異なる材質である第２高誘電率材１４、１５、低誘電率材１７および基板１３が一体に樹脂成形される。

第２高誘電率材１５、１６は、操作プレート１０のうち電極板２０の投影範囲１３ａの全面を覆うように配置されている。なお、図６の例では、第２高誘電率材１５、１６は、電極板２０と同一の形状および大きさである。

図示される一方の第２高誘電率材１５は、基板１３の板厚方向の全体に亘って配置されている。図示される他方の第２高誘電率材１６は、意匠面１１には露出しないように配置されている。したがって、一方の第３高誘電率材１５に対応する操作面１１ａは、第３高誘電率材１６の表面により形成され、他方の第３高誘電率材１６に対応する操作面１１ｂは、基板１３の表面により形成されている。なお、低誘電率材１７は、操作プレート１０のうち隣り合う第３高誘電率材１５、１６の間に配置され、かつ、基板１３の板厚方向の全体に亘って配置されている。

以上に説明した本実施形態によれば、第２高誘電率材１５、１６と基板１３との多色成形により操作プレート１０を一体に形成し、第２高誘電率材１５、１６を、電極板２０の投影範囲１３ａに配置する。そのため、電極板２０から出た電気力線は、第２高誘電率材１５、１６に引き寄せられて指先Ｆに通じるようになるので、電極板２０と指先Ｆとを結ぶ電気力線の本数を増大させることができ、スイッチ感度を高めることができる。また、電極板２０から出た電気力線のうち、その電極板２０に対応する操作面１１ａの隣に位置する操作面１１ｂへ向かう電気力線が、その電極板２０の投影範囲１３ａに配置されている第２高誘電率材１５へ引き寄せられるようになる。よって、電極板２０の裏面２０ｒから出た電気力線の、対応する操作面１１ａに接触する指先Ｆへ向かう指向性が強くなるので、誤作動抑制の効果が促進される。

さらに本実施形態では、第２高誘電率材１５、１６に加えて低誘電率材１７も多色成形し、隣り合う第２高誘電率材１５、１６の間に低誘電率材１７を配置する。そのため、電極板２０から出た電気力線が所望の操作面１１ａに向かうように指向性を強くすることを促進できる。

さらに本実施形態では、一方の第２高誘電率材１５は、基板１３の板厚方向の全体に亘って配置されている。そのため、板厚方向の一部に配置されている場合に比べて、電極板２０から出た電気力線が所望の操作面１１ａに向かうように指向性を強くすることを促進できる。

さらに本実施形態では、他方の第２高誘電率材１６は、操作プレート１０のうち操作面を形成する側の面（意匠面１１）には露出しないように配置されている。そのため、第２高誘電率材１６と基板１３との境界線が意匠面１１に露出しなくなるので、意匠面１１の見栄えを向上できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・図１に示す高誘電率材１４は、基板１３の平坦面からユーザの側に盛り上がった形状であるが、基板１３に凹部を形成し、その凹部に高誘電率材１４を埋め込んでもよい。或いは、盛り上がっていることをユーザが認識できない程度に高誘電率材１４を薄膜状に設け、高誘電率材１４が実質的に意匠面１１と同一の平坦面を形成するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、意匠プレート１０が肉厚均一の平板形状であるため、操作面１１ａ、１１ｂと電極板２０との距離を均一に保つことができている。これに対し、意匠プレート１０が肉厚不均一であったり、凹凸を有する形状であったりする場合の如く、操作面１１ａ、１１ｂと電極板２０との距離を均一に保つことができない場合でも、本発明は適用可能である。そして、このような場合には、高誘電率材１４、１４１、１４２、または第２高誘電率材１５、１６の形状および大きさを調節することで、所望の静電容量変化になるように調整することができる。

・上記各実施形態では、導電性を有する樹脂で電極板２０を形成しているが、金属で電極板２０を形成してもよい。また、透過照明を廃止して、透光性を有しない材料で電極板２０を形成してもよい。また、透過照明を廃止した場合、高誘電率材１４、１４１、１４２および基板１３を、透光性を有しない材料で形成してもよい。

・上記各実施形態では、電極板２０の形状および大きさが操作面１１ａ、１１ｂと異なっているが、同一であっても良い。この場合、操作面１１ａ、１１ｂの投影範囲の全面を覆いつつ、その投影範囲よりも大きい形状に電極板２０を形成してもよいし、投影範囲の一部を覆う形状に電極板２０を形成してもよい。

・図６に示す静電容量式スイッチでは、低誘電率材１７を廃止してもよい。また、複数の第２高誘電率材１５、１６の両方を基板１３の板厚方向の全体に亘って配置しても良いし、これらの両方を意匠面１１には露出しないように配置しても良い。

・図１２に示す低誘電率材１７は、基板１３の板厚方向の全体に亘って配置されているが、意匠面１１を形成する側の面には露出しないように低誘電率材１７を配置してもよい。

・図６に示す第２高誘電率材１５、１６および低誘電率材１７は、基板１３の裏面１２に露出して接着材３０またはフィルム材２１に接触している。これに対し、第２高誘電率材１５、１６および低誘電率材１７を、基板１３の裏面１２に露出しないように配置してもよい。

・上記各実施形態では、電極板２０をフィルム材２１に塗布し、そのフィルム材２１を操作プレート１０に貼り付けている。換言すれば、フィルム材２１を介して電極板２０を操作プレート１０に取り付けている。これに対し、電極板２０を操作プレート１０に直接取り付けるように構成してもよい。例えば、基板１３の裏面１２に電極板２０を蒸着してもよいし、電極板２０を基板１３に接着材で貼り付けてもよいし、基板１１と電極板２０とを樹脂で一体に多色成形して操作プレート１０を形成してもよい。

・上記各実施形態では、ユーザの指先Ｆを操作面１１ａ、１１ｂに接触させて操作することを想定しており、指先Ｆを操作体としている。これに対し、例えばペン形状の操作部材をユーザが持ち、その操作部材を操作面１１ａ、１１ｂに接触させて操作することを想定し、人体以外の操作部材を操作体としてもよい。

・上記各実施形態では、操作面１１ａ、１１ｂが複数設けられた静電容量式スイッチに本発明を適用しているが、操作面が１つ設けられた静電容量式スイッチに本発明を適用してもよい。

１０…操作プレート、１１ａ、１１ｂ…操作面、１４、１４１、１４２…高誘電率材、１５、１６…第２高誘電率材、１７…低誘電率材、２０…電極板、Ｆ…ユーザの指先（操作体）。

Claims (4)

1. 操作体（Ｆ）により接触操作される操作面（１１ａ、１１ｂ）を形成する操作プレート（１０）と、前記操作プレートに対して前記操作面の反対側に配置される電極板（２０）と、を備え、前記操作体と前記電極板との間で生じる静電容量の変化に応じてオンオフ作動する静電容量式スイッチにおいて、
   前記操作プレートは、
   板状の基板（１３）と、
   前記基板の表面に配置されて前記操作面を形成する、前記基板に比べて誘電率の高い高誘電率材（１４、１４１、１４２）と、
   を備えて構成されていることを特徴とする静電容量式スイッチ。
2. 前記高誘電率材（１４、１４１）は、前記基板の操作面側の面のうち、前記電極板の投影範囲（１３ａ）の全面を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式スイッチ。
3. 前記高誘電率材は、前記基板の平坦面からユーザの側に盛り上がった形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式スイッチ。
4. 前記操作プレートは、前記基板と、前記基板に比べて誘電率の高い第２高誘電率材（１５、１６）との多色成形により樹脂で一体に形成され、
   前記第２高誘電率材は、前記電極板の投影範囲（１３ａ）に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つに記載の静電容量式スイッチ。

Images