JP2015181087A - 静電容量式入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力精度を維持しつつ簡単な構造を実現し、これにより組み立て性を高めることのできる静電容量式入力装置を提供する。
【解決手段】非導電性樹脂からなる第１部材２０と、第１部材と一体に成形された、導電性樹脂からなる第２部材３０と、第２部材の静電容量の変化に基づいて、第２部材に対する操作者の入力操作の有無を判断する判断部と、カバー部材の内部に固定され、判断部が実装された回路基板７０と、第２部材と回路基板との間に介在させ、弾性力により第２部材と回路基板との電気的接続を維持する導電性弾性部材４１〜４６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化に基づいて入力操作を検知する静電容量式入力装置に関する。

特許文献１には、操作パネルの内面側にタッチセンサシートが貼り付けられた車両空調装置用操作装置が開示されている。この操作装置において、タッチセンサシートとして静電容量方式のセンサーが用いられ、このセンサーの静電容量をセンシングすることによって、操作パネルへの入力を判断している。

特開２０１０−１７９７３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の操作装置の製造においては、別部材のタッチセンサシートを操作パネルの内面側に貼り付ける工程があり、毎回精度良く貼り付ける必要があるため、組み立て性を高めることが難しかった。

そこで本発明は、入力精度を維持しつつ簡単な構造を実現し、これにより組み立て性を高めることのできる静電容量式入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の静電容量式入力装置は、非導電性樹脂からなる第１部材と、第１部材と一体に成形された、導電性樹脂からなる第２部材と、第２部材の静電容量の変化に基づいて、第２部材に対する操作者の入力操作の有無を判断する判断部と、カバー部材の内部に固定され、判断部が実装された回路基板と、第２部材と回路基板との間に介在させ、弾性力により第２部材と回路基板との電気的接続を維持する導電性弾性部材とを備えることを特徴としている。

この構成により、第１部材に対して第２部材を容易かつ正確に配置できるため、従来の入力装置のように静電センサシートを正しく位置決めして貼り付ける工程や、センサシートと回路基板とをハンダ付け等で接続する工程が不要となるため、組み立て性を向上させることができる。

本発明の静電容量式入力装置において、第２部材は、操作者の入力操作によって静電容量が変化する操作領域を有し、第２部材のうち、少なくとも操作領域の外側は、第１部材で覆われており、判断部は、第１部材で覆われた操作領域に対する、操作者の入力操作の有無を判断することが好ましい。

これにより、操作者の指等から静電気が第２部材に落ちるのを防ぐことができる。さらに、従来の入力装置のように、静電気放電（ＥＳＤ）対策のシートを操作面に設ける工程が必要なくなることから、組立性の向上に資することができる。

本発明の静電容量式入力装置において、回路基板には、操作者の入力操作によって静電容量が変化する操作領域に対応する位置にＬＥＤが実装されており、第１部材は、ＬＥＤからの出射光を操作領域まで導く、導光性樹脂からなる導光部を有することが好ましい。

これにより、操作者は、各操作領域を識別することができる。また、個別のＬＥＤによって各操作領域を識別可能となるため、第１部材上に、操作領域を識別するための表示や部材を別途設ける必要がないことから、部品点数を少なくすることができる。

本発明の静電容量式入力装置において、第１部材と第２部材は、回路基板に対して、導電性弾性部材の弾性伸縮に応じて移動可能であり、回路基板には、押圧の有無に応じた信号を発生するスイッチ部材が実装され、スイッチ部材は、操作者によって第１部材及び第２部材が回路基板側へ移動することによって押圧されたときは、オン状態を示す信号を出力し、第１部材及び第２部材による押圧が解除されているときは、オフ状態の信号を発生することが好ましい。

これにより、操作者が意図せずに入力装置に触れた場合と、操作のために操作領域を押した場合とを区別することが可能となるため、誤動作を防ぐことができる。

本発明の静電容量式入力装置において、第１部材と第２部材は、第２部材の成形後に第１部材を成形することによって一体化され、第１部材を成形するための金型のゲートの位置が導光部の内部に相当する位置に配置されたことが好ましい。

この構成により、導光部の内側から外側へ樹脂が流れるため、第１部材の成形時の熱によって、既に成形された第２部材が溶けたとしても、導光部から離れる方向にのみ溶け出すことから、導光部の形状は所望の形状を実現でき、その導光性能を確保できる。

本発明によると、入力精度を維持しつつ簡単な構造を実現し、これにより組み立て性を高めることのできる静電容量式入力装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る静電容量式入力装置の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態における第１部材と第２部材にクッションが配置された状態を示す斜視図である。 図２の第１部材と第２部材に対してさらにバネが配置された状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る静電容量式入力装置の構成を模式的に示す一部断面図であり、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面に対応している。 本発明の実施形態における第１部材、第２部材、及びゲート位置の配置を示す正面図である。 図４の一部断面構造を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る静電容量式入力装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る静電容量式入力装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係る静電容量式入力装置１０の構成を示す分解斜視図である。図２は、静電容量式入力装置１０における第１部材２０と第２部材３０にクッションが配置された状態を示す斜視図である。図３は、図２の第１部材と第２部材に対してさらにバネが配置された状態を示す斜視図である。図４は、静電容量式入力装置１０の構成を模式的に示す一部断面図であり、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面に対応している。図５は、第１部材２０、第２部材３０、及び、ゲート２４、２５、２６の配置を示す正面図である。図６は、図４の一部断面構造を模式的に示す断面図である。図７は、静電容量式入力装置１０の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、静電容量式入力装置１０は、第１部材２０、第２部材３０、導電性弾性部材としてのバネ４０、クッション５０、回路基板７０、及び、カバー部材９０を備える。また、図７に示すように、静電容量式入力装置１０は、さらに、ＬＥＤ１００（発光ダイオード）、スイッチ部材１１０、静電容量算出部１２１、判断部１２２、及び制御部１２３を備える。以下、各部材について詳細に説明する。

第１部材２０は非導電性と導光性を有する樹脂からなり、第２部材３０は導電性樹脂からなる。第１部材２０に用いる非導電性樹脂は、透明であることが好ましく、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルである。第２部材３０に用いる導電性樹脂は、黒色で遮光性があることが好ましく、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルなどの樹脂に、カーボンブラックその他の導電性粒子を含有させたものを用いる。

第１部材２０と第２部材３０は、第２部材３０の成形後に第１部材２０を成形することによって一体に成形し、第１部材２０の内側に第２部材３０を配置する。すなわち、Ｘ方向外側において、第２部材３０は第１部材２０に覆われている。第１部材２０と第２部材３０の成形においては、例えば、共通金型と第１金型を用いて第２部材３０を成形し、第１部材２０の成形では、第２金型と、第２部材３０の成形に用いた共通金型を用いる。これにより、第１部材２０と第２部材３０の位置合わせを容易かつ正確に行うことができ、組立性の向上に資することができる。なお、本実施形態においては、第１部材２０の内側に第２部材３０が配置され、第２部材３０が第１部材２０に覆われているが、第２部材３０の一部が最も表面になる構成としても良い。この場合、静電気放電を防ぐ点からは、少なくとも、操作領域Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３（図５）のＸ方向外側は非導電性の第１部材２０で覆われていることが好ましい。

図２〜図４に示すように、第２部材３０は、Ｘ方向から見た平面形状が矩形状の電極枠部３１、３２、３３と、バネ保持部３４、３５、３６、３７、３８、３９とからなる。バネ保持部３４、３５は電極枠部３１の外囲に、バネ保持部３６、３７は電極枠部３２の外囲に、バネ保持部３７、３８は電極枠部３３の外囲に、それぞれ接続されるように形成されている。したがって、電極枠部３１はバネ保持部３４、３５と導通し、電極枠部３２はバネ保持部３６、３７と導通し、電極枠部３３はバネ保持部３８、３９と導通している。電極枠部３１、３２、３３と、バネ保持部３４、３５、３６、３７、３８、３９は、Ｘ方向の高さが同一である。電極枠部３１、３２、３３は、互いに導通しておらず、第１部材２０の表面近傍において、操作者の入力操作によって静電容量がそれぞれ変化する、独立した操作領域Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３を構成する（図５）。

また、第１部材２０は、電極枠部３１、３２、３３の内面形状にそれぞれ対応するように内側に突出する導光部２１、２２、２３を備える。なお、電極枠部３１、３２、３３の形状、電極枠部３１、３２、３３に対するバネ保持部３４、３５、３６、３７、３８、３９の形成位置、バネ保持部の数は、対応する電極枠部とバネ保持部の間の導通状態が実現できれば図３に示す形状・配置・数に限定されない。

図５に示すように、第１部材２０を成形するための金型のゲート２４、２５、２６は、導光部２１、２２、２３の内部に相当する位置に配置されている。このような配置をとることにより導光部２１、２２、２３の内側から外側へ樹脂が流れるため、第１部材２０の成形時の熱によって、既に成形された第２部材３０が溶けたとしても、導光部２１、２２、２３から離れる方向にのみ溶け出すことから、導光部２１、２２、２３は所望の形状で形成でき、それにより導光性能を確保できる。

また、第１部材２０の成形型は、図６に示すように、Ｚ方向において電極枠部３１との間に隙間２０ａ、２０ｂを形成するような形状を有している。このような形状は、電極枠部３２、３３についても同様である。これにより、図６に示す場合においては、ゲート２４から充填された樹脂は、Ｚ方向上向きに電極枠部３１に当たることがなくなり、矢印Ｄで示すように電極枠部３１の周りを流れていく。このため、第１部材２０の成形時の熱による第２部材３０の溶け出しを抑えることが可能となる。

図２に示すように、バネ４０は、コイルバネ４１、４２、４３、４４、４５、４６で構成される。バネ４０は、例えば、金属材料で構成され、又は、樹脂で形成した表面を金属めっきして導電性を持たせた材料で構成される。図３に示すように、コイルバネ４１、４２、４３、４４、４５、４６は、一方の端部がバネ保持部３４、３５、３６、３７、３８、３９内にそれぞれ収容され、他方の端部は図１に示す回路基板７０に当接するように配置される。

クッション５０は、弾性材料(例えばゴム）からなり、電極枠部３１、３３の端面形状に対応する平面形状を備えた矩形状クッション５１、５２で構成される。矩形状クッション５１、５２は、電極枠部３１、３３と回路基板７０の間に配置される。

回路基板７０は、ＬＥＤ１００、スイッチ部材１１０、静電容量算出部１２１、判断部１２２、及び制御部１２３が実装された基板である。回路基板７０は、Ｘ方向に孔部７１、７２をそれぞれ貫通する、ねじ６１、６２によってカバー部材９０の内部に固定されている。図４に示すように、回路基板７０のカバー部材９０側の背面には外部への配線のためのピンヘッダ８０が設けられており、ピンヘッダ８０のピンは、カバー部材９０に設けた孔部９１内に延び、外部機器に電気的に接続される。カバー部材９０は非導電性樹脂、例えばアクリル、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルで形成されている。

ＬＥＤ１００は、導光部２１、２２、２３に対して、それぞれ光を入射する位置に設けた複数のＬＥＤを備えており、それぞれのＬＥＤは、図７に示すように、制御部１２３によって動作が制御されている。より具体的には、図４に示すように、導光部２１に入射する位置にＬＥＤ１０１、１０２が設けられ、導光部２２に入射する位置にＬＥＤ１０３、１０４が設けられ、図示しないが導光部２３に入射する位置にもＬＥＤが設けられている。この構成においては、ＬＥＤ１０１、１０２からの出射光は、導光部２１を経て第１部材２０の対応箇所（操作領域Ａ３１）から外部へ射出し、ＬＥＤ１０３、１０４からの出射光は、導光部２２を経て第１部材２０の対応箇所（操作領域Ａ３２）から外部へ射出する。なお導光部２２を取り囲む電極枠部３１、３２は黒色で遮光性があるため、ＬＥＤ１０１、１０２からの出射光が隣の操作領域Ａ３２へ漏れることはないし、同様にＬＥＤ１０３、１０４からの出射光が隣の操作領域Ａ３１へ漏れることはない。これにより、第１部材２０において電極枠部３１、３２、３３に対応する位置が、対応するＬＥＤによって個別に照明・表示され、操作者は電極枠部３１、３２、３３に対応する操作領域Ａ３１〜Ａ３１を示す表示をそれぞれ識別することができる。

第１部材２０は、カバー部材９０又は外部部材によって、カバー部材９０に対するＸ方向における移動が規制されている。これにより、コイルバネ４１〜４６は、その弾性力によって、一方の端部が、バネ保持部３４〜３９の内部にそれぞれ接触し、他方の端部が回路基板７０の対応する導通部にそれぞれ接触した状態を維持する。このため、電極枠部３１は、バネ保持部３４、３５、コイルバネ４１、４２を介して回路基板７０に導通し、電極枠部３２は、バネ保持部３６、３７、コイルバネ４３、４４を介して回路基板７０に導通し、電極枠部３３は、バネ保持部３８、３９、コイルバネ４５、４６を介して回路基板７０に導通している。また、第１部材２０は、コイルバネ４１、４２、４３、４４、４５、４６の弾性力によって、第２部材３０、バネ４０、及び回路基板７０の間の導通状態を維持しつつ、カバー部材９０の内側へ移動可能である。ここで、電極枠部３１、３２、３３には、それぞれ２つのバネ保持部が接続されているため、回路基板７０に対する導通を確実に維持することができる。

図１、図４に示すように、矩形状クッション５１、５２が、電極枠部３１、３３と回路基板７０の間に配置されているため、第１部材２０がカバー部材９０の内側に移動しても電極枠部３１〜３３及びバネ保持部３４〜３９が回路基板７０に接触することを防ぐことができる。また、図４に示すように、回路基板７０上には、Ｚ方向においてバネ保持部３５に対応する位置にスイッチ部材１１０が設けられている。スイッチ部材１１０は、押圧の有無に応じた信号を発生し、操作者によって第１部材２０及び第２部材３０が回路基板７０側へ移動することによって押圧されたときは、オン状態を示す信号を出力し、第１部材２０及び第２部材３０による押圧が解除されているときは、オフ状態を示す信号を発生する、又は、信号は発生しない。このようなスイッチ部材１１０を設けることにより、操作者が意図せずに電極枠部３１〜３３に触れた場合と、意図的に電極枠部３１〜３３を押した場合とを区別することが可能となる。なお、スイッチ部材は、バネ保持部３５以外のバネ保持部に対応する位置や電極枠部３２に対応する位置に配置してもよい。

図７に示すように、電極枠部３１は検出電極３１ａ及び駆動電極３１ｂを備え、電極枠部３２は検出電極３２ａ及び駆動電極３２ｂを備え、電極枠部３３は検出電極３３ａ及び駆動電極３３ｂを備える。ここで、電極枠部３１、３２、３３における静電容量の測定に関して、電極枠部３１を例に挙げて説明するが、電極枠部３２、３３も同様である。すなわち、制御部１２３から駆動電極３１ｂに電圧を印加すると、検出電極３１ａと駆動電極３１ｂの間に電位差が発生し、検出電極３１ａと駆動電極３１ｂの間の静電容量（相互容量）に応じて、検出電極３１ａに電流が流れる。ここで、検出電極３１ａに操作者の指が接近すると、指と検出電極３１ａの間も容量結合されるため、その分だけ検出電極３１ａと駆動電極３１ｂの間の静電容量が減少し、これにより電圧印加時に検出電極３１ａに流れる電流も減少する。このため、検出電極３１ａから、指と検知素子との距離に対応した出力信号を得ることができる。検出電極３１ａからの出力信号は、静電容量算出部１２１に入力される。静電容量算出部１２１は、検出電極３１ａからの信号に基づいて静電容量データを算出し、算出結果を判断部１２２へ出力する。判断部１２２は、静電容量算出部１２１から受けた、電極枠部３１における静電容量の変化に基づいて、電極枠部３１に対する操作者の入力操作の有無を判断する。すなわち、判断部１２２は、第１部材２０で覆われた上記操作領域（電極枠部３１を第１部材２０に投影した領域）に対する、操作者の入力操作の有無を判断する。

なお、検出電極３１ａと接地部（ＧＮＤ）との間の静電容量の変化に基づいて、指の位置を特定することもできる。すなわち、検出電極３１ａに指が接近していないときは検出電極３１ａと接地部の間の寄生容量に応じて、検出電極３１ａに電流が流れるのに対して、検出電極３１ａに指が接近すると、指が接近した検出電極３１ａと指との間が容量結合されるため、その分だけ静電容量（自己容量）が増大し、これにより電圧印加時に検出電極３１ａに流れる電流も増大する。このため、検出電極３１ａから、指と検知素子との距離に対応した出力信号を得ることができる。

制御部１２３には、スイッチ部材１１０が接続されている。スイッチ部材１１０が押圧されてオン状態を示す信号が制御部１２３へ出力された場合、制御部１２３は、判断部１２２による入力操作の有無の判断が始まっているときはこれを継続させ、判断が始まっていないときは判断を開始させる。これに対して、スイッチ部材１１０が押圧されていないためにスイッチ部材１１０からオフ状態を示す信号が出力されている場合、又は、スイッチ部材１１０からオン信号が出力されていない場合は、制御部１２３は、判断部１２２に対して、入力操作の有無の判断をしていない場合は判断を開始しないように指示し、判断を開始しているときはこれを中断するように指示する信号を出力し、判断部１２２は判断を行わない状態となる。

以上の構成の静電容量式入力装置１０においては、対応するＬＥＤによって操作領域Ａ３１〜Ａ３３に指示内容がそれぞれ表示され、これに対して操作者が指等で、所望の指示内容に対応する操作領域を押すと、判断部１２２が該当する操作領域に対して入力操作があったことを判断する。制御部１２３は、判断部１２２が入力操作ありと判断した操作領域に対応する指示信号を外部機器に出力する。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）非導電性樹脂からなる第１部材２０と導電性樹脂からなる第２部材３０とを一体に成形し、導電性を有する弾性部材としてのバネ４０によって第２部材３０と回路基板の電気的接続（導通）を確保した構成により、従来の入力装置のように静電センサシートを正しく位置決めして貼り付ける工程や、センサシートと回路基板とをハンダ付け等で接続する工程が不要となるため、組み立て性を向上させることができる。

（２）操作者の指が触れることによって静電容量が変化する第２部材３０を、非導電性の第１部材２０で覆ったため、操作面が非導電性樹脂で構成されることから、静電気が第２部材３０に落ちるのを防ぐことができる。これにより、従来の入力装置のように、静電気放電（ＥＳＤ）対策のシートを操作面に設ける必要が無くなることから、組立性の高い入力装置を提供することができる。

（３）回路基板７０の操作領域Ａ３１〜Ａ３３に対応する位置に、ＬＥＤがそれぞれ実装されており、ＬＥＤと操作領域Ａ３１〜Ａ３３の間に導光性を有する導光部２１、２２、２３が配置されているため、ＬＥＤ１００からの出射光は、導光部２１、２２、２３に案内されて操作領域Ａ３１〜Ａ３３にそれぞれ至る。これにより、操作者は、各操作領域を識別することができる。上記実施形態の静電容量式入力装置１０では、操作領域Ａ３１〜Ａ３３を規定する電極枠部３１、３２、３３を含む第２部材３０と、第１部材２０とが一体で成形されているため、従来の入力装置のように別の部材を用意して精度よく組み立てるという工程が不要となることから、操作領域の視認性及び操作性を維持しつつ、組み立て性を高めることが可能となる。

（４）第２部材３０と回路基板７０との間にバネ４０を介在させることによって、第１部材２０及び第２部材３０をバネ４０の弾性力に応じてＸ方向に移動させることが可能となり、回路基板７０上に設けたスイッチ部材１１０によって、第１部材２０及び第２部材３０が回路基板７０側に押し込まれたか否かを判断することができる。また、導電性を有するバネ４０を介在させることによって第２部材３０と回路基板７０を電気的に接続できる。すなわち、スイッチ部材１１０への押圧の解除と電気的接続のためにバネ４０を兼用することができるため、部品点数を減らして組み立て性を高めることができる。また、操作者が意図せずに操作領域に触れた場合と、意図的に操作領域を押した場合とを区別することが可能となるため、誤動作を防ぐことができる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る静電容量式入力装置は、操作者の操作の検出性能を維持しつつ組み立て性を向上することができる点で有用である。

１０ 静電容量式入力装置
２０ 第１部材
２０ａ、２０ｂ 隙間
２１、２２、２３ 導光部
２４、２５、２６ ゲート
３０ 第２部材
３１、３２、３３ 電極枠部
３１ａ、３２ａ、３３ａ 検出電極
３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ 駆動電極
３４、３５、３６、３７、３８、３９ バネ保持部
４０ バネ
４１、４２、４３、４４、４５、４６ コイルバネ
５０ クッション
５１、５２ 矩形状クッション
７０ 回路基板
９０ カバー部材
１００、１０１、１０２、１０３、１０４ ＬＥＤ
１１０ スイッチ部材
１２１ 静電容量算出部
１２２ 判断部
１２３ 制御部

Claims (5)

1. 非導電性樹脂からなる第１部材と、
   前記第１部材と一体に成形された、導電性樹脂からなる第２部材と、
   前記第２部材の静電容量の変化に基づいて、前記第２部材に対する操作者の入力操作の有無を判断する判断部と、
   カバー部材の内部に固定され、前記判断部が実装された回路基板と、
   前記第２部材と前記回路基板との間に介在させ、弾性力により前記第２部材と前記回路基板との電気的接続を維持する導電性弾性部材とを備えることを特徴とする静電容量式入力装置。
2. 前記第２部材は、前記操作者の入力操作によって静電容量が変化する操作領域を有し、
   前記第２部材のうち、少なくとも前記操作領域の外側は、前記第１部材で覆われており、
   前記判断部は、前記第１部材で覆われた前記操作領域に対する、前記操作者の入力操作の有無を判断することを特徴とする請求項１に記載の静電容量式入力装置。
3. 前記回路基板には、前記操作者の入力操作によって静電容量が変化する操作領域に対応する位置にＬＥＤが実装されており、
   前記第１部材は、前記ＬＥＤからの出射光を前記操作領域まで導く、導光性樹脂からなる導光部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電容量式入力装置。
4. 前記第１部材と前記第２部材は、前記回路基板に対して、前記導電性弾性部材の弾性伸縮に応じて移動可能であり、
   前記回路基板には、押圧の有無に応じた信号を発生するスイッチ部材が実装され、
   前記スイッチ部材は、前記操作者によって前記第１部材及び前記第２部材が前記回路基板側へ移動することによって押圧されたときは、オン状態を示す信号を出力し、前記第１部材及び前記第２部材による押圧が解除されているときは、オフ状態の信号を発生する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の静電容量式入力装置。
5. 前記第１部材と前記第２部材は、前記第２部材の成形後に前記第１部材を成形することによって一体化され、
   前記第１部材を成形するための金型のゲートの位置が前記導光部の内部に相当する位置に配置されたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の静電容量式入力装置。

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