JP4380534B2 - 静電容量型タッチスイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力方式に静電容量方式を採用した静電容量型タッチスイッチに関するものである。

図１に示した従来型の静電容量型タッチスイッチは、操作パネルと制御基板から構成される。操作パネルは、図２−1で示すＰＥＴフィルムに銀ペーストを印刷した電極シートをアクリルやガラス等からなる誘電体に接着剤（両面テープ等）で貼り付けたもので構成される。（図２−２）
図３−１で示す操作パネルに指（導通部材）が近づくと、誘電体を電極と指で挟んだ平行板コンデンサが形成され静電容量が増加する。又逆にパネルから指が離れるとこの原理とは反対に静電容量が減少する。制御基板は、この静電容量の変化をＣ／Ｖ（容量を電圧）変換回路で電圧に変換し、ＣＰＵのＡＤＣでデジタルデータに置き換え、演算プログラムよりスイッチのＯｎ／Ｏｆｆ状態を判断しているのが、静電容量型タッチスイッチの一般的な動作原理である。
しかし図３−２で示すように操作パネル表面に水がかかり水滴が出来ると、水も導通性があるため指が近づいた状態と同様に、静電容量の増加が発生し誤動作の原因となる。

特許第２８８７３３６号

従って従来の方式では、操作パネルの表面に水滴が付くと容量変化が発生し、指が触った状態と同程度の変化した場合誤動作が生じる。
その為操作パネルに水がかかり誤動作を防止する対策として、操作パネル表面の水滴が素早く流れるように表面に傾斜を付け、更にパネル表面スイッチ部のみに凸局面を設け撥水処理を施しているのが現状である。しかし操作パネル表面に傾斜を付けた場合、シャワーのような連続的に水がかかる場所では、水が捌けきれず容量変化が発生し誤動作を防止できない。又操作パネル表面に部分的に突起部を設け凸局面を付けた場合にも、小さなスイッチには有効であるが、大きなスイッチでは水がかかり水滴が出来てしまい静電容量が変化し誤動作を防止できない。また、スイッチ形状が限定され汎用性に乏しく使いにくい。
そこで本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、屋外や水回り等で使用しても水がかかり水滴が出来ても誤動作せず、又スイッチの大きさや形状も限定しない静電容量型タッチスイッチを提供する事にある。

上記目的を達成するために本発明では、静電容量型タッチスイッチのパネル部を構成するに於いて、ＰＥＴフィルムの中央部に静電容量を感知するスイッチ電極と、そのスイッチ電極上部に電極シートが湾曲すると抵抗値が変化するレジスタ電極を並列に配置した電極シート（図４−１）を作成し、アクリル板又はガラス板に貼り付け、レジスタ電極付き操作パネル（図４−２）を製作する。
上記操作パネルに水がかかり水滴が出来ると、従来同様スイッチ電極の静電容量は変化するが（図４−３）、水滴が出来ても操作パネルは湾曲しないため抵抗値は変化せず（図４−４）、抵抗値変化と静電容量変化の両方変化量を併せて判断することで誤動作を防止できる。
すなわち指(導通部材)で操作パネルを押すと、パネルに貼り付けられたレジスタ電極が湾曲し抵抗値が変化し、更に指(導通部材)とスイッチ電極の間で容量変化が発生する。抵抗変化と静電容量変化両方の変化を同時に制御基板に内蔵した演算回路で判断することで、水がかかり水滴が出来ても誤動作を防止する静電容量型タッチスイッチ装置を提案するものである。

本発明によれば静電容量型タッチスイッチの水滴による誤動作防止対策に於いて、操作パネルに傾斜を付けたり、又スイッチ表面に凸曲面を設け撥水処理することなく、操作パネルに水がかかり水滴が出来ても誤動作しない静電容量型タッチスイッチが提供できる。
更に制御基板に於いても、従来微少な抵抗変化を計測するには、図５で示したブリッジ回路で検知しその信号を増幅する差動増幅回路が一般的に使われる。図５のブリッジ回路で示す電圧Ｖeを発生させないためには、ブリッジ回路常数で（ＲＤ１＋ＶＲ1）×Ｒ２＝Ｒ１×Ｒ３の条件を満たす必要がある。しかしレジスタ電極ＲＤ1は、印刷抵抗のためバラツキが大きく抵抗値が一定しない。その為抵抗値（ＲＤ１＋ＶＲ1）が一定値になるように可変抵抗ＶＲ1が必要で、個々のパネルに対し上記条件を満たすためＶＲ1を調整しなければならない。
その為レジスタ電極の抵抗変化量を電圧に変換すると、図５で示したブリッジ回路が必要になり、抵抗変化量を周波数に変換すれば静電容量変化を計測する回路が利用できる。その結果図５で示したブリッジ回路が不要になり、可変抵抗ＶＲ1の調整する手間もいらず、ブリッジ回路にかかる部品もなくなり、コスト削減も可能となる。

本発明は、図６で示す通り操作パネルと制御基板から構成する。
操作パネルは、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極とレジスタ電極とＧＮＤ電極を印刷した電極シート図７−１を作成し、その電極シートをガラス板又はアクリル板（誘電体）に、接着剤で貼り付け構成する。
スイッチ電極は、人の指が隠れるくらいの大きさでＰＥＴフィルムに銀ペーストで印刷し、指（導通部材）と電極の間で静電容量変化が発生する。
レジスタ電極は、湾曲すると抵抗値が変化する電極で、図７−２に示したＰＥＴフィルムにカーボン抵抗を印刷し、そのカーボン抵抗に上部よりレーザーカッティングで表面にクラックを付け、クラックの状態が変化しないように樹脂系の接着剤でオーバーコートした構造になっている。このカーボン抵抗に押し圧加わり湾曲しクラックが開いた状態では、抵抗値が大きくなり、逆にクラックが閉じた状態では（図７−３）抵抗値が小さくなる。このメカニズムにより、湾曲すると抵抗値が変化する機能を実現している。
ＧＮＤ電極は、パネル周辺に銀電極でパターンを這わしノイズ低減と信号レベルの安定化をはかる事を目的としている。
制御基板は、図６で示したレジスタ電極と発信回路を接続するための電極切り換え回路、スイッチ電極を順番にて発振回路に接続するためのスイッチ電極切り換え回路、周波数が可変出来る発振回路、しきい値データを記憶するための不揮発性メモリ、波形の幅が計測できるインプットキャプチャ機能が内蔵されたＣＰＵで構成する。電極切り換え回路は、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子１で設定しレジスタ電極又はスイッチ電極かを選択する。スイッチ電極切り換え回路は、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２でスイッチ電極ＳＷ１〜ＳＷ６の何れかを選択する機能を有している。

以下本発明を具体化した実施例について図面を参照して説明する。
まず始めに操作パネルを押した状態と、押さない状態を判断する方式について図面を参照して説明する。ＣＰＵのＩ／Ｏ端子１から電極切り換え回路でレジスタ電極を選択すると、図８に示したレジスタ電極と発振回路を接続したレジスタモードになる。このレジスタモードでは、レジスタ電極の抵抗値変化量を測定する回路でレジスタ電極は抵抗、Ｃ１はコンデンサ、ＴＬＣ５５５は発振用タイマーＩＣで、発信回路が構成される。すなわちこの回路は、図９の等価回路となり抵抗値変化を周波数変化に変換するＲ／Ｆ変換回路が成り立ち一定の周波数が発生し、ＣＰＵに内蔵されたカウンタより周波数の測定が可能となる。
そこで操作パネルに指が押していない状態でその時の測定周波数をＴrd0とし、次に操作パネルを指が押した状態で周波数Ｔrd1を測定する。レジスタモードの初期値として、周波数Ｔrd0とＴrd1の値（図１０）をＣＰＵのＩ／Ｏ端子３を制御して不揮発性メモリに登録する。
Ｔrd0は指が操作パネルを押していない状態の周波数値を示し、Ｔrd1は操作パネルを押した状態の周波数値を表すから、周波数変化（Ｔrd0−Ｔrd1）を測定することで、レジスタ電極の抵抗値変化量が測定でき、操作パネルを押した状態と押さない状態を判断出来る。

次に操作パネルでどのスイッチを押したかを判断する方式について、図面を参照して説明する。ＣＰＵのＩ／Ｏ端子１から電極切り換え回路でスイッチ電極を選択すると、図１１に示したスイッチ電極と発振回路を接続した状態でスイッチモードとなる。このスイッチモードは、スイッチ電極の静電容量変化を測定する回路で、予め接続されている抵抗Ｒ６とコンデンサＣ１とＴＬＣ５５５は発振用タイマーＩＣで発信回路が構成される。更にスイッチ電極を指で押すと容量Ｃ２が増加したことになり、すなわちこの回路は図１２の等価回路となり静電容量変化を周波数変化に変換するＣ／Ｆ変換回路が成り立ち一定の周波数が発生し、ＣＰＵに内蔵されたカウンタより周波数の測定が可能となる。
そこで操作パネルを指で押さない状態で、スイッチ電極切り換え回路に対しＣＰＵのＩ／Ｏ端子２からＳＷ１を選択しその時の測定周波数をＴoff1とし、次に同様にＩ／Ｏ端子２からＳＷ２〜ＳＷ６を順番に選択し、操作パネルを指で押さない状態の周波数Ｔoff2〜Ｔoff6（図１３）を測定する。そしてスイッチモードの初期値として、周波数Ｔoff1〜Ｔoff6の値をＣＰＵのＩ／Ｏ端子３を制御して不揮発性メモリに登録する。
次にスイッチ電極切り換え回路に対しＣＰＵのＩ／Ｏ端子２からＳＷ１を選択し、ＳＷ１を指で押した状態で、その時の測定周波数をＴon1とし、次に同様にＩ／Ｏ端子２からＳＷ２〜ＳＷ６を順番に選択し、その選択したスイッチＳＷ２〜ＳＷ６に指で押した状態の周波数をＴon2〜Ｔon6（図１３）を測定する。そしてスイッチモードの初期値として、周波数Ｔon1〜Ｔon6の値をＣＰＵのＩ／Ｏ端子３を制御して不揮発性メモリに登録する。
Ｔoff1〜Ｔoff6は指が操作パネルを押していない状態の周波数値を示し、Ｔon1〜Ｔon6は操作パネルを押した状態の周波数を表すから、周波数変化（Ｔoff*−Ｔon*）を測定することで、スイッチ電極の抵抗値変化量が測定でき、操作パネルのどのスイッチを押したか判断出来る。

では、実際ＳＷ３のスイッチが押された場合について実際の値に照らし合わせて説明する。操作パネルの個々の初期データは、ＣＰＵの不揮発性メモリに内蔵されており下記の通りである。
・ 操作パネルが押されたことを判断するレジスタモード初期データ
・ 操作パネルを指で押していない状態の発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ７（一定値）
・周波数 Ｔrd0＝１００ｋＨｚ程度
2操作パネルを指で押した状態の発振周波数指
・容量 Ｃ＝Ｃ１
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ７（指の押方により変化する変動値）
・周波数 Ｔrd1＝１０１ｋＨｚ程度
２）どのスイッチが押されたかを判断するスイッチモード初期データ
1操作パネルを指で押していない状態でのＳＷ１〜ＳＷ６の発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ６
・周波数 （Ｔoff1〜Ｔoff6）＝１００ｋＨｚ程度
2ＳＷ１〜ＳＷ６を指で押した状態での発振周波数
・容量 Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２（指の押し方により変化する変動値）
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ６
・周波数 （Ｔon1〜Ｔon6）＝９９．９ｋＨｚ程度
そこで一例としてＳＷ３が押された場合について、判断方法を具体的な測定データを使い説明する。
始めにレジスタモードで、周波数を測定した結果１０１ｋＨｚが計測できた。この値をＣＰＵの演算プログラムで照らし合わせた結果１）−2と周波数が一致するため、操作パネルが押されたと判断できる。次にスイッチモードで、周波数を測定した結果ＳＷ１＝ＳＷ２＝ＳＷ４＝ＳＷ５＝ＳＷ６＝１００ｋＨｚでＳＷ３＝９９．９ｋＨｚが計測できた。この値をＣＰＵの演算プログラムで照らし合わせた結果ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６は、２）−1と周波数が一致するため押されていないと判断でき、ＳＷ３は、２）−2と一致するためＳＷ３が押されたと判断できる。

以上によりレジスタモード及びスイッチモード両方で初期値と測定データをＣＰＵの演算プログラムで比較すれば押されスイッチを特定できる。併せて操作パネル表面に水がかかり水滴が出来ても、レジスタモードでは周波数が変化せず誤動作防止となり静電容量型タッチスイッチが実現できる。

更に微少抵抗変化を測定する場合でもブリッジ回路がなくなり、可変抵抗を調整する手間も省け、レジスタ電極とＲ／Ｆ変換回路を利用することで、抵抗値測定を静電容量変化測定回路で共有でき部品コストダウンも可能となる。
またスイッチ形状も制約無く自由な大きさに出来、静電容量型タッチスイッチが実現できる。

静電容量型タッチスイッチの構造図。 パネル構造図。 静電容量変化メカニズム。 レジスタ電極付き操作パネル。 抵抗変化を測定する一般的なブリッジ回路。 レジスタ電極付き静電容量型タッチスイッチのシステム構成図。 レジスタ電極詳細図。 レジスタ電極抵抗値変化量測定回路ブロック図（レジスタモード）。 抵抗値変化測定等価回路（Ｒ／Ｆ変換回路）。 抵抗変化量による発振周波数の変化。 スイッチ電極静電容量変化量測定回路ブロック図（スイッチモード）。 静電容量変化測定等価回路（Ｃ／Ｆ変換回路）。 容量変化による発振周波数の変化。

１ 発信回路
２ ＣＰＵ
３ Ｉ／Ｏ端子
４ スイッチ電極切り換え回路

Claims (2)

1. パネルスイッチと制御基板からなる静電容量型タッチスイッチ装置において、前記パネルスイッチは、ＰＥＴフィルムに銀ペーストで静電容量を感知するスイッチ電極と、前記スイッチ電極にスイッチ電極が湾曲すると抵抗値が変化するレジスタ電極を並列に配置し、更にＧＮＤ電極を印刷したシートを設け、前記シートをガラス板またはアクリル板に接着手段を用いて貼り付けたパネルスイッチであり、前記制御基板は、前記パネルスイッチを押した状態、押さない状態で、前記レジスタ電極の抵抗値変化量を計測する演算回路を設け、前記レジスタ電極の抵抗値に変化があった場合にスイッチ電極の静電容量変化を計測する第２の演算回路を設け、前記シートの抵抗値及び静電容量の両方の変化量を記憶する不揮発性メモリを設けたことを特徴とする静電容量型タッチスイッチ装置。
2. 静電容量型タッチスイッチ装置は、抵抗値変化量を計測する演算回路並び静電容量変化量を計測する演算回路を共有することを特徴とする請求項１記載の静電容量型タッチスイッチ装置。

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