JP4578380B2

JP4578380B2 - タッチセンサー付きスイッチ装置

Info

Publication number: JP4578380B2
Application number: JP2005293110A
Authority: JP
Inventors: 哲夫徳留
Original assignee: U-SHINLTD.
Current assignee: U-SHINLTD.
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP2007103213A

Description

本発明は、人体の接触を検知するタッチセンサー付きスイッチ装置に関する。

従来より、人体の接触を検知するタッチセンサーをスイッチ装置の操作ノブに設け、操作者が操作ノブに触れると、そのことを検出して出力信号を発生するようにしたタッチセンサー付きスイッチ装置がある。（例えば、特許文献１）
特開平８−３２９７９０号公報

この特許文献１のスイッチ装置は、導電性材料からなる操作軸を筐体の軸受に回転かつ軸線方向に移動可能に支持し、この操作軸の一端に導電性のつまみを固定するとともに、操作軸の他端にプッシュスイッチを収納したホルダが配設されている。そして、つまみを軸線方向に押圧操作することによって操作軸も一緒に移動し、その移動によって操作軸の他端がプッシュスイッチを押圧してスイッチ操作が行われるようになっている。

また、この操作軸には、つまみへの人体の接触を外部に出力するための一対の接触片が操作軸の周面を挟持するように設けられており、操作軸の一端に取り付けられた導電性のつまみと接触片とを導通するように構成されている。この場合、操作軸と接触片とは操作軸の軸線方向への移動位置にかかわらず常時接触しており、操作者の手指などがつまみに触れたことを接触片から検出することができるようになっている。

しかし、前述した従来のタッチセンサー付きスイッチ装置は、操作軸と接触片とが接触して導電路が形成されているため、スイッチ操作時には操作軸の移動による摩擦によって少なからず接触片が消耗する。そのため、スイッチ操作を繰り返すたびに接触片は劣化し、接触不良等が発生する原因にもなり、耐久性に乏しいという問題点があった。

そこで、本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、操作ノブへの人体の接触を途中無接点にて電気的に外部に出力することができる、耐久性及び信頼性に優れたタッチセンサー付きスイッチ操作を提供することを課題とするものである。

前記問題を解決するために本発明のタッチセンサー付きスイッチ装置は、ケース内に進退可能に保持された操作ノブと、該操作ノブの進退によってオンまたはオフ動作が行われるスイッチ部と、前記操作ノブを操作する人の手指が接触する位置に設けられた接触電極と、該接触電極に接続され前記操作ノブに設けられた可動電極と、該可動電極に対向して所定の距離だけ離間して設けられた固定電極と、前記可動電極が前記接触電極を通じて人体に接続されることによって前記固定電極に現れる電気的変化を検出する人体接近検知手段とを設けたことを特徴とする。

上記構成では、接触電極を通じて人体に接続された可動電極に対向して離間する固定電極に現れる電気的変化を人体接近検知手段によって検出することにより、操作ノブへの人体の接触を検知するようにしている。そのため、可動電極と固定電極とを接触させて接触信号を伝達する必要がないため、スイッチ操作によって固定電極が劣化することがない。その結果、スイッチ装置の耐久性および信頼性を向上することができる。

前記接触電極と前記可動電極は、前記操作ノブに施された導電性の被膜によって形成されるようにしてもよい。

上記構成では、別部材の電極部材が不要であり、容易に接触電極と可動電極とを設けることができ、安価に製造することが可能となる。

前記可動電極と前記固定電極とは、前記操作ノブの移動方向と平行に対向して設けるようにしてもよい。

上記構成では、操作ノブの進退移動によっても可動接点と固定接点との対向状態が維持されるため、スイッチ操作中でも確実に操作ノブへの人体の接触を検出することが可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明のタッチセンサー付きスイッチ装置によれば、操作ノブへの人体接触の検出を可動電極と固定電極とが非接触で行うことができるため、耐久性および信頼性に優れたタッチセンサー付きスイッチ装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態であるタッチセンサー付きスイッチ装置１の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図、図４は図３の要部拡大図である。なお、この明細書における「上」あるいは「下」の表現は、図１の向きを基準として用いている。

このスイッチ装置１は、大略、ケース２と、このケース２の下方に配されるターミナルベース３と、ケース２に進退自在に収容される操作ノブ４とからなる。

前記ケース２は、上部の円筒状に形成された円筒部１０と、下部の略半円筒状に形成された収納部１２とが一体となって形成され、上方および下方はともに開口している。円筒部１０の上端内縁には内側に向けて突出した一対の係合爪１４が設けられている。また、収納部１２の内周壁には、図２に示すように、上下方向に直線的に延びて９０°間隔に配置された３つの突条１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設けられている。この内、中央の突条１６ｂは、収納部１２の平坦な壁の部分である平坦壁１２ａの内側中央に設けられ、残りの２つの突条１６ａ、１６ｃは、平坦壁１２ａと平行な位置に対向して設けられている。

ターミナルベース３は、図１に示すように、略半円盤形状の基部２０と、基部２０の一側部から上方側に突出する板状部２１と、基部２０の下面から矩形筒状に突出して設けられるコネクタ部２２とからなり、絶縁材料にて形成されている。板状部２１の内側の平坦な面である電極配置面２３には、基部２０から上方向に直線的に延びる一対のスイッチ電極２４と、同じく基部２０から上方向に直線的に延びるタッチセンサー用の固定電極２５（図２及び図３に図示）とがインサート成形によって一体的に固定されている。また、このスイッチ電極２４と固定電極２５とは、それぞれコネクタ部２２の内部まで延設されて外部に導出されように構成されている。さらに、基部２０の上面には、スプリング４１を固定するための突起２６が設けられている。そして、ターミナルベース３は、図２に示すように、板状部２１がケース２の平坦壁１２ａに対向する反対側の収納部１２内壁に沿って配設される向きで、基部２０がケース２の下方開口に固定されている。

操作ノブ４は、図１に示すように、ケース２内に進退可能に収納され上部が円筒状で下部が略直方体形状であるスライド部３０と、スライド部３０の円筒状の上部の外周面に外嵌して固定され、上面には操作機能を表す文字（図示せず）などが印刷された押圧部３１とからなる。スライド部３０にはケース２の係合爪１４に係合する鍔状部３２が設けられ、スライド部３０のケース２内からの抜け出しが阻止されている。スライド部３０の側面には、図２に示すように、ケース２の３つの突条１６ａ、１６ｂ、１６ｃがそれぞれ進入する３つの案内溝３３が上下方向に延びて設けられている。そしてこの操作ノブ４のスライド部３０は、このケース２の３つの突条１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって、図４に示すように、スライド部３０の一側面３０ａとターミナルベース３の電極配置面２３とが常に所定の距離ｔ（本実施形態においては０．５mm）だけ離間した状態となるように、ケース２内で進退可能に案内される。また、前記ターミナルベース３のスイッチ電極２４と対向するスライド部３０の一側面には、スイッチ電極２４と共にスイッチ部を構成する可動スイッチ電極３４と、可動スイッチ電極３４が配置される収納凹部３５とが設けられている。この収納凹部３５内にはネジ穴３６が形成された段部３７が設けられ、この段部３７に可動スイッチ電極３４がネジ３８によって固定されている。さらに、スライド部３０の底面に設けられた突起３９とターミナルベース３の突起２６との間にはスプリング４１が配置され、このスプリング４１の付勢力によって操作ノブ４を上方向に付勢している。

前記操作ノブ４の押圧部３１の全面（内側の面も含む）およびスライド部３０の収納凹部３５を除く外周側面全体には、導電性のメッキが加飾されている。そして、このメッキを電極として利用することにより、操作する人の指が接触する操作ノブ４の押圧部３１の上面上のメッキを接触電極４２として構成している。また、図４、５に示すように、ターミナルベース３の固定電極２５と対向し、操作ノブ４の移動方向と平行に配置されたスライド部３０の一側面３０ａ上のメッキ４３を可動電極４３として構成している。そして、接触電極４２と可動電極４３とは操作ノブ４の押圧部３１およびスライド部３０に加飾されたメッキによって電気的に導通している。

このように、導電性の加飾を電極として利用することにより、別部材の電極が不要であるため、部品点数を削減できる。また、操作ノブ４が本実施形態のようにスライド部３０と押圧部３１とによって構成される場合でも、２つの部品の導電性の加飾部が接触するように組付けるだけで接触電極４２と可動電極４３との接続を容易に行なうことができる。

操作ノブ４の可動電極４３とターミナルベース３の固定電極２５とは、図４に示すように、所定距離ｔだけ離間しており、この距離は、固定電極２５が操作ノブ４の移動方向に対して平行な向きに配置されているため、操作ノブ４の押圧操作によっても変わることがない。そして、操作ノブ４の押圧部３１上のメッキ（接触電極４２）に人の手などが接触すると、メッキを介して人体と可動電極４３とが電気的に接続された状態となり、ターミナルベース３の固定電極２５に対して、この可動電極４３の位置まで人体が接近したのと等価な状態となる。そして、この固定電極２５に人体の接近を検知する人体検知回路を接続することによって、操作ノブ４への人体の接触を検知することが可能となる。

尚、本実施の形態においては、可動電極４３と固定電極２５との所定距離ｔを０．５ｍｍとしたが、これに限定されるものではなく、可動電極４３に人体が接続されたことを、固定電極２５に接続された人体検知回路によって検知できる距離であればよい。

また、本実施形態においては、導電性の加飾としてメッキを用いたが、これに限定されるものではなく、導電性の塗料、スパッタリング及び蒸着等により導電性の被膜を形成してもよい。また、操作ノブ４の押圧部３１およびスライド部３０自体を導電性部材で形成してもよいし、別部材の電極を押圧部３１およびスライド部３０に設けるようにしてもよい。さらに、押圧部３１およびスライド部３０とを一体的に形成してもよい。

次に、固定電極２５に接続される人体接近検知手段である人体検知回路５について説明する。

人体検知回路５は、固定電極２５への人体の接近を検知するものであり、例えば、図６に示すように、公知の矩形波発振回路である２つの発振回路５０ａ、５０ｂを有しており、発振回路５０ａ、５０ｂの各入力側は同調コンデンサ５１で接続され、固定電極２５が発振回路５０ａの入力側に接続されている。発振回路５０ａ、５０ｂの出力は検波回路５２に接続され、検波回路５２の出力は出力回路５３に接続されている。

検波回路５２は、入力電圧がしきい値より大きいときにＨＩレベル、しきい値より小さい時にＬＯレベルとして認識し、入力の値によって所定の電圧を出力する論理演算素子のひとつであり、２つの入力に異なる値（ＨＩとＬＯ）が入力されているときに電圧を出力し、２つの入力に等しい値が入力されているときに電圧を出力しない第１排他論理和素子５４からなっている。第１排他論理和素子５４の出力は出力回路５３のダイオード５５に入力され、コンデンサ５６と抵抗５７で接地されて第２排他論理和素子５８の一方の入力に接続され、第２排他論理和素子５８の他方の入力は接地されている。そして、第２排他論理和素子５８の出力が出力端子５９になっている。

また、図６には、人体が固定電極２５に接近したときの等価回路を２点鎖線で示している。人体は、固定電極２５をキャパシタンス１０２、抵抗１０４およびインダクタンス１０６で接地する回路１００とみなすことができる。

次に、以上の回路構成の人体検知回路５の動作を説明する。
発振回路５０ａと５０ｂとの発振の周期が一致している場合、発振回路５０ａと５０ｂの等価な点の電位は等しくなるので同調コンデンサ５１の両端の電位は同じである。しかし、発振回路５０ａと５０ｂとの発振の周期がずれている場合、同調コンデンサ５１の両端の電位が異なり、いずれか一方の発振回路５０ａまたは５０ｂの帰還電流の一部が同調コンデンサ５１を介して他方の発振回路５０ａまたは５０ｂに流れる。これによって位相が進んでいる方の発振回路５０ａまたは５０ｂの周期が長くなり、位相が遅れている方の発振回路５０ａまたは５０ｂの周期が短くなることで同調コンデンサ５１の両端の電位が等しくなるように発振回路５０ａと５０ｂとの発振を同調させる。

そして、発振回路５０ａおよび５０ｂの出力が同調されているときには第１排他論理和素子５４の２つの入力が常に等しいので検波回路５２からは電圧が出力されない。すると、第２排他論理和素子５８の２つの入力は常に入力がないＬＯレベルの状態になるので第２排他論理和素子５８も常に出力端子５９に電圧を出力しない。

しかし、図６に示すように、固定電極２５に人体が接近して接地回路１００を構成すると、発振回路５０ａの帰還電流の一部が固定電極２５を介して人体から大地に流れることによって発振回路５０ａの発振周波数が変化する。発振周波数の変化がわずかであれば、同調コンデンサ５１の作用によって発振回路５０ａと５０ｂの周期が一致するように同調されるが、発振周波数の変化が大きくなると、同調コンデンサ５１によっても周期を同調させることができなくなる。そして、図７に示すように、発振回路５０ａと５０ｂとの発振周期がずれると、第１排他論理和素子５４は矩形波を出力する。この出力は、ダイオード５５、コンデンサ５６および抵抗５７で平滑化され、図示するように、第２排他論理和素子５８に入力される平滑化した電圧は、第２排他論理和素子５８のしきい値よりも大きな値となる。このため、発振回路５０ａと５０ｂの発振周期がずれていると、第２排他論理和素子５８は、出力端子５９に連続して電圧を出力する。このように、固定電極２５に人体が接近すると人体検知回路５はＨＩレベルの電圧を出力する。

次に、スイッチ装置１の動作について説明する。
例えば操作者が操作ノブ４の押圧部３１を指で触ると、操作者の体が操作ノブ４の押圧部３１およびスライド部３０上のメッキを介して可動電極４３に接続される。すると、固定電極２５に対して可動電極４３の位置まで人体が接近したのと等価な状態となり、上述したように、固定電極２５に接地回路１００（人体）が接続された状態となる。これにより、人体検知回路５が上述したようにＨＩレベルの信号を出力し、操作ノブ４への人体の接触が検知される。

また、操作者が、この操作ノブ４の押圧部３１をスプリング４１の付勢力に抗して指で押圧操作して操作ノブ４を後退させると、操作ノブ４の可動スイッチ電極３４がターミナルベース３の一対のスイッチ電極２４を短絡し、スイッチ装置１がオン状態となる。この操作ノブ４が押込まれた状態においても、可動電極４３と固定電極２５とは所定の距離だけ離間して対向した状態が維持されるため、人体検知回路５はHＩレベル信号を送信し続ける。

そして、押し操作を止めると、スプリング４１の付勢力により操作ノブ４が元の位置に復帰してスイッチ電極２４の導通が解除され、スイッチ装置１がオフ状態となる。そして、最後に、操作者が操作ノブ４から手を離すと人体検知回路５からはＬＯＷレベルの信号が出力され、操作ノブ４への人体の接触検知状態が解除される。このように、操作ノブ４に手を触れている間は、人体検知回路５からＨＩレベル信号が出力され続け、操作ノブ４への人体の接触検知状態が維持される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態のタッチセンサー付きスイッチ操作では、操作ノブ４の接触電極４２への人体の接触を、途中、可動電極４３から離間した固定電極２５に伝えることが可能であるため、接触による信号伝達を行う必要がない。その結果、電極が摩擦によって消耗することがなく、耐久性および信頼性に優れたタッチセンサー付きスイッチ装置とすることが可能となる。

なお、本実施形態においては、人体接近検知手段を、上述した構成の人体検知回路としたが、これに限定されるものではなく、固定電極への人体の接近を検知できるものであればよい。例えば、固定電極に電気的に接続される人体のキャパシタンス、抵抗およびインダクタンスの少なくともどれか１つの素子成分の影響による電気的変化を検出することにより、操作ノブへの人体の接触を検知するようにしてもよい。また、例えば、可動電極が人体によって接地されることによる固定電極と接地間との静電容量の変化を検出することによって、人体の接近を検知するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、スイッチ部を構成するスイッチ電極２４と可動スイッチ電極３４とを操作ノブ４の側方に配置するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、操作ノブ４の下方のスプリング４１に代えて、可動スイッチ電極を備えた弾性力を有するドーム型のゴム状スイッチを設け、ターミナルベース３の基部２０の上面にスイッチ電極を設けるようにしてもよい。このように構成すれば、可動スイッチ電極がゴム状スイッチのゴム部によって操作ノブのメッキから絶縁されるため、本実施形態のように、可動スイッチ電極３４に操作ノブ４の導電性のメッキが接触しないように、スライド部３０の収納凹部３５のみメッキ処理を行わないようにする必要がない。その結果、操作ノブ４の全体をメッキ処理することが可能となり、製造が容易となる。

本発明の実施の形態に係るタッチセンサー付きスイッチ操作の縦断面である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。図３の要部拡大図である。操作ノブのスライド部の側面図である。人体検知回路を示す回路図である。図６の人体検知回路の検波回路の出力および出力回路内での信号の波形を示すグラフである。

符号の説明

２…ケース、４…操作ノブ、５…人体検知回路（人体接近検知手段）、２４、３４…スイッチ部、２５…固定電極、４２…接触電極、４３…可動電極。

Claims

ケース内に進退可能に保持された操作ノブと、該操作ノブの進退によってオンまたはオフ動作が行われるスイッチ部と、前記操作ノブを操作する人の手指が接触する位置に設けられた接触電極と、該接触電極に接続され前記操作ノブに設けられた可動電極と、該可動電極に対向して所定の距離だけ離間して設けられた固定電極と、前記可動電極が前記接触電極を通じて人体に接続されることによって前記固定電極に現れる電気的変化を検出する人体接近検知手段とを設けたことを特徴とするタッチセンサー付きスイッチ装置。
前記接触電極と前記可動電極は、前記操作ノブに施された導電性の被膜によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサー付きスイッチ装置。
前記可動電極と前記固定電極とは、前記操作ノブの移動方向と平行に対向して設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のタッチセンサー付きスイッチ装置。