JP2015090727A - 静電容量式スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作面に対する指の接触面積の変化を明確に把握して、押圧力の差に応じた多段階的な操作信号を出力可能とする静電容量式スイッチ装置を提供する【解決手段】静電容量式スイッチ装置において、操作面１１１は、電極部１２０に対応する領域において、指側に突出する凸状部１１１ａを有している。検出出力部１３０は、押圧力に伴う指と凸状部１１１ａとの接触面積の変化に応じて発生する静電容量に基づいて、操作信号を多段階的に形成して出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載される所定の機器に対して作動条件の出力を行う静電容量式スイッチ装置に関するものである。

従来の入力装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の入力装置は、筐体の外面（操作面）側に設けられて、押圧力に応じて電気的状態が変化するシート状のセンサと、電気的状態の変化を検出し、検出結果に基づき押圧力を判定し、判定した押圧力に応じた操作信号を出力するコントローラと、駆動信号により振動を発生するアクチュエータと、コントローラが判定した押圧力に応じた駆動信号をアクチュエータに供給する駆動手段とを備えている。

センサとしては、例えば、人体の指等が持つ導電性を利用した静電容量式のセンサが適用されたものが記載されている。操作面に対するユーザの指先の押圧力が強くなるほど、指の操作面に対する接触面積が広くなり、静電容量式センサの容量値が大きくなる。よって、コントローラは、指の押圧状態に応じて変化する容量値から押圧力を判定し、判定した押圧力に応じて多段階的な操作信号を出力するようになっている。また、駆動手段は、コントローラが判定した押圧力に応じた駆動信号をアクチュエータに供給して、アクチュエータを駆動して振動させるので、押圧力に応じた振動をユーザに与える（振動フィードバックを与える）ことができる。これにより、操作性に優れた入力装置の提供を可能としている。

特開２００５−３５２９２７号公報

しかしながら、上記のように特許文献１の入力装置では、平面状の操作面における指の接触面積に応じて変化するセンサの容量値から押圧力を検出するようにしている。この場合、センサの容量値は押圧力に応じてなだらかに変化するものとなるので、センサの容量値を多段階的に判定するための閾値が互いに近い値となり、明確な押圧力の差を判定することが難しい。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、操作面に対する指の接触面積の変化を明確に把握して、押圧力の差に応じた多段階的な操作信号を出力可能とする静電容量式スイッチ装置を提供することにある。

本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。

本発明では、表側の面に、使用者が指操作する操作面（１１１）が形成された意匠プレート（１１０）と、
意匠プレート（１１０）の裏側に設けられた電極部（１２０）と、
指操作時の使用者の指と電極部（１２０）との間に発生する静電容量の変化を検出して、検出した静電容量に基づいて所定の機器に対する操作信号を出力する検出出力部（１３０）とを備える静電容量式スイッチ装置であって、
操作面（１１１）は、電極部（１２０）に対応する領域において、指側に突出する凸状部（１１１ａ）を有しており、
検出出力部（１３０）は、押圧力に伴う指と凸状部（１１１ａ）との接触面積の変化に応じて発生する静電容量に基づいて、操作信号を多段階的に形成して出力することを特徴としている。

この発明によれば、指操作において、指が凸状部（１１１ａ）の先端に接触した後に、使用者が操作面（１１１）に対して指を強く押すと、凸状部（１１１ａ）によって指の表面が変形して、指は凸状部（１１１ａ）に馴染むように接触する。つまり、従来のように、単純な平面を成す操作面の場合と比べて、指と操作面（凸状部）との接触面積をより大きくすることができる。よって、電極部（１２０）によって発生される静電容量の変化度合いをより大きくすることができるので、この変化度合いに対して有意差のある閾値を設けることができ、押圧力の差を多段階的に判定することが容易となる。

つまり、操作面（１１１）に対する指の接触面積の変化を明確に把握して、押圧力の差に応じた多段階的な操作信号を出力可能とする静電容量式スイッチ装置とすることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

空調装置用の操作パネルを示す正面図である。 第１実施形態における静電容量式スイッチ装置を示す断面図である。 図２におけるIII方向から見た矢視図である。 第１実施形態における静電容量検出器を示す回路図である。 凸状部に対する指の接触状態を示す説明図である。 指の凸状部に対する接触面積と静電容量との関係を示すグラフである。 第２実施形態における静電容量式スイッチ装置を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態の静電容量式スイッチ装置（以下、スイッチ装置）について図１〜図６を用いて説明する。本実施形態のスイッチ装置は、例えば、車両の空調装置用の操作パネル（以下、操作パネル）１０における風量設定スイッチ１１（増加用スイッチ１１ａ）に適用されたものとなっている。操作パネル１０は、例えば、車両のインストルメントパネルの車両左右方向の中央で、ユーザ（使用者）と対向する部位、あるいは、センターコンソールからインストルメントパネルに接続される部位等に設けられている。

操作パネル１０は、図１に示すように、空調装置における各種作動条件をユーザが設定するための各種スイッチ１１〜１６と、その作動状態をユーザに表示する表示部１７とを備えている。

各種スイッチ１１〜１６は、例えば、空調の風量を設定するための風量設定スイッチ１１、空調の温度を設定するための温度設定スイッチ１２、吹出しモードを設定するための吹出しモード設定スイッチ１３、車室内の内気にて空調を行う内気モードに設定するための内気モード設定スイッチ１４、フロントウインドウの曇りを除去するためのフロントデフロスタスイッチ１５、およびリアウインドウの曇りを除去するためのリアデフロスタスイッチ１６等である。

風量設定スイッチ１１には、風量の設定値を増加させるための増加用スイッチ１１ａと、風量の設定値を減少させるための減少用スイッチ１１ｂとが設けられている。本実施形態では、図２〜図５において、風量設定スイッチ１１の増加用スイッチ１１ａを代表スイッチとして説明している。

尚、温度設定スイッチ１２においても、上記の風量設定スイッチ１１と同様に、温度の設定値を増加させるための増加用スイッチ１２ａと、温度の設定値を減少させるための減少用スイッチ１２ｂとが設けられている。

また、表示部１７は、例えば、液晶ディスプレイによって形成されており、上記の各種スイッチ１１〜１６の操作に基づく作動状態を表示するようになっている。加えて、表示部１７は、現在時刻表示、および外気温度表示等も可能となっている。

静電容量式スイッチ装置としての増加用スイッチ１１ａは、図２〜図５に示すように、意匠プレート１１０、電極部１２０、および静電容量検出器１３０等を備えている。

意匠プレート１１０は、ユーザの指操作用の基本となる板部材であり、例えば、外形が操作パネル１０の意匠形状に合わせた平板状の部材となっており、透光性を有する樹脂材から形成されている。意匠プレート１１０の表側の面、つまりユーザ側の面は、操作面１１１となっている。

操作面１１１には加飾層が設けられており、増加用スイッチ１１ａ（各種スイッチ１１〜１６）の周りとなる領域は背景部となっている。また、増加用スイッチ１１ａ（各種スイッチ１１〜１６）に対応する領域内には、スイッチ機能を示す意匠部が形成されている。意匠部は、文字あるいは図形等によって形成されている。

そして、操作面１１１の意匠部には、ユーザ側（指側）に向けて突出するように形成された凸状部１１１ａが設けられている。凸状部１１１ａは、意匠プレート１１０の裏側に設けられた電極部１２０の領域に対応するように操作面１１１上に配置されている。凸状部１１１ａは、操作面１１１の一部を形成している。

凸状部１１１ａは、例えば、導電性材料である金属箔（銅箔）が使用されて、打ち出し等によって凸成形された部材となっており、操作面１１１に接合されている。図２に示すように、凸状部１１１ａの断面形状は、例えば、半円形状となっている。半円形状の直径は１ｍｍ程度に設定されている。尚、この断面形状は、半円形状に限らず、三角形、四角形等とすることもできる。また、凸状部１１１ａのユーザ側から見た場合の全体形状は、図３に示すように、例えば、リング状に形成されている。リングの外径は、例えば、成人ユーザの指先の面積内に収まるような、１０ｍｍ程度に設定されている。

電極部１２０は、凸状部１１１ａおよび意匠プレート１１０を介してユーザの指操作時の指との間でコンデンサを形成する静電容量式の電極部であり、意匠プレート１１０の裏側に設けられている。電極部１２０は、増加用スイッチ１１ａ（各種スイッチ１１〜１６）の意匠部に対応する位置に設けられている。電極部１２０は、例えば、金属箔や導電性物質（カーボン、金属、導電性高分子等）を含む印刷材料（インク、ペースト）等から形成されており、意匠プレート１１０に接合されている。

静電容量検出器１３０は、ユーザの指と電極部１２０との間に発生する静電容量の変化を検出して、検出した静電容量値に基づいて所定の機器に対する操作信号を出力する検出出力部となっている。本実施形態では、静電容量式スイッチ装置は、増加用スイッチ１１ａとして説明しているので、対象となる所定の機器は、空調装置の送風機となっている。操作信号は、送風機に対して風量を増加させるための信号となっている。

静電容量検出器１３０は、各スイッチ１〜３、コンデンサ１３１、抵抗１３２、増幅器１３３、アナログデジタル変換回路（以下、変換回路）１３４、制御部１３５、および電源部１３６等が図４に示すように接続されて形成されている。

スイッチ１は、電源部１３６から電極部１２０へ電力供給する際の切替えを行うスイッチとなっている。スイッチ２は、電極部１２０とコンデンサ１３１との間を開閉するスイッチとなっている。スイッチ３は、並列配置されるコンデンサ１３１および抵抗１３２において、抵抗１３２側を開閉するスイッチとなっている。

また、制御部１３５は、各スイッチ１〜３のオンオフを制御することによって、上記静電容量値を把握するようになっている。具体的には、制御部１３５は、静電容量値を把握する際に、スイッチ３を非接続状態としておき、スイッチ１のオンとスイッチ２のオフ、およびスイッチ１のオフとスイッチ２のオンを交互に繰り返し、コンデンサ１３１に電荷を溜める。そして、スイッチ３を接続状態とすることで、コンデンサ１３１に溜められた電荷を増幅器１３３、変換回路１３４側に流すことで、静電容量値（スイッチ３を接続した回数）を把握するようになっている。

制御部１３５は、得られた静電容量値に対する複数の閾値を予め記憶しており、この複数の閾値に基づいて多段階的な操作信号を出力するようになっている。ここでは、多段階的な操作信号は２段階となっている。

複数の閾値は、第１閾値と第２閾値となっている。第１閾値は、ユーザの指が操作面１１１の凸状部１１１ａに接触した状態を判定するための閾値となっている。また、第２閾値は、第１閾値に対して所定量大きく設定されて、指が凸状部１１１ａに接触した状態から更に凸状部１１１ａに押さえつけられた状態を判定する閾値となっている。第２閾値は、第１閾値に対して、明確な有意差が設けられた閾値となっている。

得られた静電容量値が第１閾値を超えた場合、制御部１３５は、操作信号として第１操作信号を出力するようになっている。第１操作信号は、送風機に対して、予め定められた所定量の風量を増加させるための操作信号となっている。第１閾値を超える静電容量値が繰り返し得られると、第１操作信号は繰り返し出力されて、その都度、風量は所定量ずつ増加されていくことになる。

また、得られた静電容量値が第２閾値を超えた場合、制御部１３５は、操作信号として第２操作信号を出力するようになっている。第２操作信号は、送風機に対して、現在の風量から最大の風量に増加させるための操作信号となっている。第２閾値を超える静電容量値が得られると風量は一気に最大値に増加されることになる。

次に、上記構成に基づく静電容量式スイッチ装置の作動、および作用効果を、図６を加えて説明する。

ユーザが増加用スイッチ１１ａの凸状部１１１ａに指を近づけていくと、凸状部１１１ａに指が接触するまでの間は、指先と凸状部１１１ａとの間には空気層が存在するために、発生する静電容量値は大きく変動しながら増加していく。

そして、図５（ａ）に示すように、指が凸状部１１１ａに接触すると、静電容量値は、順次大きくなっていき、その変化度合いが小さくなって安定する。この場合、制御部１３５は、第１閾値によって、指が凸状部１１１ａに接触したものと判定して、送風機に対して第１操作信号を出力する。これにより、風量が所定量増加される。

更に、図５（ｂ）に示すように、指操作において、指が凸状部１１１ａの先端に接触した後に、ユーザが凸状部１１１ａに対して指を強く押すと、凸状部１１１ａによって指の表面が変形して、指は凸状部１１１ａに馴染むように接触する。つまり、従来のように、単純な平面を成す操作面の場合と比べて、指と操作面１１１（凸状部１１１ａ）との接触面積をより大きくすることができる。よって、電極部１２０によって発生される静電容量の変化度合いをより大きくすることができるので、この変化度合いに対して有意差のある閾値（第２閾値）を設けることができ、押圧力の差を多段階的に判定することが容易となる。つまり、操作面１１１に対する指の接触面積の変化を明確に把握して、押圧力の差に応じた多段階的な操作信号を出力可能とする静電容量式スイッチ装置とすることができる。

また、凸状部１１１ａのユーザ側から見た全体形状は、指先の面積内に収まるリング状に形成されているので、指先の面積内を有効に活用した指先と凸状部１１１ａとの接触状態を実現でき、静電容量の変化度合いをより効果的に把握することが可能となる。

また、操作信号は、２段階に形成されるようになっている。制御部１３５は、指の凸状部１１１ａへの近接に伴い、静電容量が順次大きくなり、その変化度合いが小さくなって安定したときに、指が凸状部１１１ａに接触したものと判定して、操作信号として第１の操作信号を出力する。そして、制御部１３５は、第１の操作信号を出力した状態に対して、静電容量が所定量大きくなったときに、指が凸状部１１１ａに押さえつけられたものと判定して、操作信号として第２の操作信号を出力するようになっている。

これにより、凸状部１１１ａを設けた場合の指の押圧力に基づく静電容量の変化特性を有効に活用した２段階の操作信号の出力が可能となる。

また、人の体は導電性を有しており、凸状部１１１ａを導電性材料から形成することで、指が凸状部１１１ａに接触したときに、指と凸状部１１１ａは導電体同士の接触となり、指が凸状部１１１ａに接触したことを安定して検出することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態の静電容量式スイッチ装置を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態の凸状部１１１ａに対して、凸状部１１１ｂとしたものである。

凸状部１１１ｂは、例えば樹脂材のような非導電性材料から形成されている。更には、凸状部１１１ｂは、意匠プレート１１０と同一の材料設定となっており、意匠プレート１１０と一体的に形成されている。

これにより、上記第１実施形態のように、凸状部１１１ａを専用に形成して、意匠プレート１１０に接合する手間が不要となり、凸状部１１１ｂを意匠プレート１１０と同時に成形できるので、製造工数を低減することができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、凸状部１１１ａ、１１１ｂは、ユーザ側から見て全体形状がリング状を成すものとして説明したが、これに限定されることなく、指に馴染む形状であれば、例えば、短冊状（棒状）等、他の形状としても良い。

また、凸状部は、複数設けられるものとしても良い。例えば、上記各実施形態の凸状部１１１ａ、１１１ｂに対して、同心配置される多重リング状としたもの、あるいは短冊状のものが短辺方向に複数並ぶものなどとすることができる。この場合、一つひとつの凸状部間の距離は、指先の大きさ（面積内）に収まるような距離にすることが望ましい。すなわち、指先がスイッチ領域に接触した時、指先の位置がずれても指先が凸状部にのみ安定した状態で接触する形状が望ましい。これにより、指と凸状部との接触面積を効果的に大きくすることができ、軽く接触した状態と指先を押さえつけたときの指とスイッチ領域の接触面積差を大きくすることができる。スイッチ領域を大きくすることで、ブラインドタッチによる操作性を向上することができる。

また、制御部１３５が出力する操作信号は、２段階の操作信号として説明したが、３段階以上としても良い。

また、静電容量式スイッチ装置として、風量設定スイッチ１１の増加用スイッチ１１ａに適用したものとして説明したが、他のスイッチへの適用も可能である。例えば、温度設定スイッチ１２の増加用スイッチ１２ａに適用して、第２閾値を超えた場合に、一気に設定温度値を最大にするといった適用が可能である。

また、静電容量式スイッチ装置として、オーディオ用の音量スイッチに適用して、通常は、第１閾値の判定により所定量の音量を低下させ、第２閾値の判定により一気にミュート状態にするといった適用が可能である。あるいは、ナビゲーション用の地図画面操作用の拡大縮小スイッチにおいて、通常は、第１閾値の判定により所定倍率の拡大あるいは縮小を行い、第２閾値の判定により最大拡大あるいは最小縮小を行うようにするといった適用が可能である。また、多数のメニューや各種情報を表示する表示画面において、多数のメニューや各種情報の送り速度を変える場合、あるいは送り量を変える場合等にも使用できる。

また、上記第１実施形態では、凸状部１１１ａは、導電性の金属箔から形成されて、凸成形された部位は、中空となるようにしたが、これに限らず、第２実施形態の凸状部１１１ｂのように中実となるようにしてもよい。

１１ 風量設定スイッチ（静電容量式スイッチ装置）
１１ａ 増加用スイッチ
１１０ 意匠プレート
１１１ 操作面
１１１ａ、１１１ｂ 凸状部
１２０ 電極部
１３０ 静電容量検出器（検出出力部）

Claims (5)

1. 表側の面に、使用者が指操作する操作面（１１１）が形成された意匠プレート（１１０）と、
   前記意匠プレート（１１０）の裏側に設けられた電極部（１２０）と、
   前記指操作時の前記使用者の指と前記電極部（１２０）との間に発生する静電容量の変化を検出して、検出した前記静電容量に基づいて所定の機器に対する操作信号を出力する検出出力部（１３０）とを備える静電容量式スイッチ装置であって、
   前記操作面（１１１）は、前記電極部（１２０）に対応する領域において、前記指側に突出する凸状部（１１１ａ）を有しており、
   前記検出出力部（１３０）は、押圧力に伴う前記指と前記凸状部（１１１ａ）との接触面積の変化に応じて発生する前記静電容量に基づいて、前記操作信号を多段階的に形成して出力することを特徴とする静電容量式スイッチ装置。
2. 前記凸状部（１１１ａ）の前記指側から見た全体形状は、指先の面積内に収まるリング状に形成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装置。
3. 前記凸状部（１１１ａ）は、複数設けられており、
   一つひとつの前記凸状部（１１１ａ）間の距離は、指先の面積内に収まる距離に形成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装置。
4. 前記操作信号は、２段階に形成されるようになっており、
   前記検出出力部（１３０）は、
   前記指の前記凸状部（１１１ａ）への近接に伴い、前記静電容量が順次大きくなり、その変化度合いが小さくなって安定したときに、前記指が前記凸状部（１１１ａ）に接触したものと判定して、前記操作信号として第１の操作信号を出力すると共に、
   前記第１の操作信号を出力した状態に対して、前記静電容量が所定量大きくなったときに、前記指が前記凸状部（１１１ａ）に押さえつけられたものと判定して、前記操作信号として第２の操作信号を出力することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の静電容量式スイッチ装置。
5. 前記凸状部（１１１ａ）は、導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の静電容量式スイッチ装置。

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