JP4687478B2 - 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、パネルスイッチと制御基板から構成される。パネルスイッチは、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で示すパネルスイッチに指（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。また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（Ａ／Ｄコンバータ）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で示すようにパネルスイッチ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。

特許登録第２８８７３３６号。

従って従来の方式では、パネルスイッチ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をした場合、誤動作が生じる。
その為パネルスイッチに水がかかり誤動作を防止する対策として、パネルスイッチ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。しかしパネルスイッチ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。また、パネルスイッチ表面に部分的に突起部を設けた場合にも、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て、誤動作を防止できない。その為、表面形状が限定され汎用性に乏しく使いにくいパネルスイッチとなってしまい、問題点を十分に解決するものではなかった。
また図1に示す従来の静電容量型タッチスイッチの動作は、静電容量の変化を測定するためにＣ／Ｖ変換回路を動作させ、その値をＣＰＵのＡＤＣによりデジタルデータに変換し、ＣＰＵの演算結果よりスイッチのＯｎ／Ｏｆｆを判断している。そのためにスイッチが押されない入力待ちの状態でも、制御基板が常時動作状態で消費電力を削減することが難しく、電池駆動の静電容量型タッチスイッチを商品化しにくい欠点があった。
そこで本発明は上記問題を解決することを目的とし、屋外や水回り等で使用した場合、水がかかり水滴が出来ても誤動作せず、また、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し、更にリモコンやＡＣ電源の取りにくいガスレンジ等のスイッチ部に搭載しても、電池駆動可能な低消費電力タイプの静電容量型タッチスイッチを提供する事にある。

本発明は、静電容量型タッチスイッチにおいて、PETフィルムに銀ペーストでスイッチ電極を印刷し、更に湾曲すると圧電効果による電圧が発生するピエゾ電極を搭載した電極シートを作成し、アクリル板又はガラス板からなる誘電体に接着剤で貼り付けたパネルスイッチであり、前記パネルスイッチが導通部材である指に対し、押し圧状態と無圧状態でピエゾ電極の電圧値を閾値とする回路及び、押し圧状態と無圧状態でスイッチ電極の静電容量変化量を計測する演算回路で、電極及び静電容量両方の変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載した制御基板からなる静電容量型タッチスイッチ裝置を第１の要旨とし、静電容量型タッチスイッチは、パネルスイッチが無圧状態のスイッチ入力待ち状態で静電容量変化を計測する演算回路を非動作とし、押し圧状態でピエゾ電極の電圧値が閾値を超える状態でCPUを起動し、消費電力を削減する静電容量型タッチスイッチ裝置を第２の要旨とするものである。

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、パネルスイッチに傾斜を付けたり、また、スイッチ表面に凸曲面を設け撥水処理することなく、簡単なパネル構造で、パネルスイッチ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。
また消費電力においても、パネルスイッチが指で押され湾曲するまで入力待ち状態で、圧電素子駆動回路のみ動作し、ＣＰＵや静電容量変化の回路が動作する必要がなく、消費電力が削減でき電池駆動可能な静電容量型タッチスイッチが提供できる。

本発明は、図５で示す通りパネルスイッチと制御基板から構成する。
パネルスイッチは、ＰＥＴフィルムにスイッチ電極とＧＮＤ電極を印刷したフィルムに圧電素子を両面テープ等で貼り付けた電極シートで（図４−１）、前記電極シートをガラス板またはアクリル板（誘電体）に、接着剤で貼り付け構造となる。
本発明で採用する接着剤としては、両面テープやのり、ボンド等の接着効果のあるものであれば良いものである。
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。
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。
圧電素子には、湾曲しやすく貼り付けやすいピエゾフィルムを使用する。ピエゾフィルムは、伸縮すると圧電効果により電圧が発生する性質があり、スイッチ電極の上部または下部に長方形のピエゾフィルムを平行に貼り付け、ピエゾ電極を形成する。このピエゾ電極つき電極シートをパネルスイッチの裏面に両面テープで貼り付ける。パネルスイッチを指で押す圧力でピエゾ電極が伸縮され電圧が発生する。このピエゾ電極は、圧電効果の性質により、パネルスイッチが湾曲する割合に応じて正比例して電圧が発生する
制御基板は、ピエゾ電極で発生した電圧が予め設定した閾値を越えた場合、ＣＰＵに対しインターラプト（ＩＮＴ）信号を発生するピエゾ駆動回路、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、発振回路を利用した容量変化を周波数変化に変換するＣ／Ｆ変換回路、Ｃ／Ｆ変換回路の動作非動作を選択するためのＣＰＵのＩ／Ｏ制御信号、閾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。

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。まず始めにパネルスイッチの無圧状態と、押し圧状態を判断する方法について図６に基づいて説明する。ピエゾ電極の一端をＧＮＤに接続し反対側のもう一端をＣ-ＭＯＳ型ＯＰアンプの＋端子に接続する。Ｒ1はピエゾ電極の電圧発生用抵抗で１００ＭΩの高抵抗が必要で、発生電圧を増幅するため低消費電力タイプのＣ-ＭＯＳ型ＯＰアンプを非反転増幅回路として使用する。増幅率は非反転増幅回路のため（Ｒ３／Ｒ２）＋１でパネルスイッチがどれくらい湾曲すればスイッチが押されたかを判定する閾値の値なる。
図６−１のパネルスイッチが無圧状態の時は、ピエゾ電極の出力電圧が０ＶのためＯＰアンプの出力も０ＶでＬｏｗレベル信号となり、汎用ＩＣの７４ＨＣ１４反転回路よりＩＮＴ信号はＨｉｇｈレベルとなり、パネルスイッチが無圧状態であることを通知し、ＣＰＵを起動状態にしない。
図６-２のパネルスイッチが押し圧状態の時はピエゾ電極から電圧が発生し、増幅回路にて（Ｒ３／Ｒ２）＋１倍に増幅される。予め決められた閾値を超えた電圧が発生するまでパネルスイッチが湾曲すると、７４ＨＣ１４反転回路よりＩＮＴ信号はＬｏｗレベルとなりパネルスイッチが押し圧状態であることを通知しＣＰＵを起動状態にする。

次に、パネルスイッチに指が接触状態と非接触状態時でスイッチ電極の静電容量変化量を計測する方式を図７に基づいて説明する。
パネルスイッチに指が触れない非接触状態即ちスイッチＯＦＦの状態で、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２より電極切り換え回路に対し制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ１〜ＳＷ６まで順番に接続し、その時の発振周波数を測定し、各スイッチＯＦＦ状態の発信周波数Ｔｏｆｆ−１〜Ｔｏｆｆ−６の値をＣＰＵのＩ／Ｏ端子１に接続された不揮発性メモリに記憶する。
次にパネルスイッチに指が触れた接触状態、即ちスイッチＯＮの状態で、ＣＰＵのＩ／Ｏ端子２より電極切り換え回路に対し制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ１〜ＳＷ６の順番に接続しその時の発振周波数を測定し、各スイッチＯＮ状態の発信周波数（図8）Ｔｏｎ−１〜Ｔｏｎ−６をＣＰＵのＩ／Ｏ端子１に接続された不揮発性メモリに記憶する。

上記測定した電極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。
１）スイッチＯＦＦ状態の発振周波数（図9−1）
・容量 Ｃ＝Ｃ１
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ１
・周波数 Ｔｏｆｆ−１，２，３，４，５，６＝１００ｋＨｚ程度
２）スイッチＯＮ状態の発振周波数（図9−2）
・容量 Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２（指が触ったことによる容量増加）
・抵抗値 Ｒ＝Ｒ１
・周波数 Ｔｏｎ−１，２，３，４，５，６＝９９ｋＨｚ程度
一例としてＳＷ２が押された場合について、判断方法を図１０の具体的な回路を使い説明する。
ＳＷ２が押された押し圧状態になると、ピエゾ電極が湾曲しＯＰアンプの出力値が閾値を超え、７４ＨＣ１４の反転回路からＣＰＵに対しＩＮＴ信号を発生する。ＣＰＵのＩＮＴ端子にＬｏｗレベルの信号が入るとスタンバイモードで停止していたＣＰＵに起動がかかり、予め内蔵されていたプログラムに従いＣＰＵのＩ／Ｏ端子3にて発信回路の停止信号を解除し、ＴＬＣ５５５は発振用タイマーＩＣとしてマルチバイブレータ回路が構成される。
次にＣＰＵのＩ／Ｏ端子２より電極切り換え回路に対し制御信号を出力し、Ｃ／Ｆ変換回路にＳＷ１〜ＳＷ６の順番に接続しその時の発振周波数を測定する。ＳＷ１＝ＳＷ３＝ＳＷ４＝ＳＷ５＝ＳＷ６＝１００ｋＨｚでＴｏｆｆと同じ周波数のためスイッチＯＦＦと判断できる。ＳＷ２は、９９ｋＨｚでＴｏｎと同じで周波数のためスイッチＯＮと判断できる。

この原理により、パネルスイッチに水がかかり水滴ができても、パネルが湾曲しないためピエゾ電極から電圧が発生せず、静電容量変換回路（Ｃ/Ｆ変換回路）が非動作のため静電容量型タッチスイッチは誤動作防止可能となる。
更にパネルスイッチが無圧状態つまりスイッチが入力状態では、ＣＰＵをスタンバイモードにし発信回路も停止状態にできるため低消費電力モードが実現でき電池駆動も可能となる。

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。 ピエゾ電極付きパネルスイッチ。 ピエゾ電極付き静電容量型タッチスイッチのシステム構成図。 ピエゾ電極駆動回路。 スイッチ電極静電容量変化量測定回路構成図。 指が接触状態の静電容量変化測定回路（Ｃ／Ｆ変換回路）。 容量変化による発振周波数の変化。 静電容量型タッチスイッチの構成図。

符号の説明

１ 発信回路
２ ＣＰＵ
３ Ｉ／Ｏ端子
４ 電極切り替え回路

Claims (2)

1. 静電容量型タッチスイッチにおいて、PETフィルムに銀ペーストでスイッチ電極を印刷し、更に湾曲すると圧電効果による電圧が発生するピエゾ電極を搭載した電極シートを作成し、アクリル板又はガラス板からなる誘電体に接着剤で貼り付けたパネルスイッチであり、前記パネルスイッチが導通部材である指に対し、押し圧状態と無圧状態でピエゾ電極の電圧値を閾値とする回路及び、押し圧状態と無圧状態でスイッチ電極の静電容量変化量を計測する演算回路で、電極及び静電容量両方の変化量を記憶する不揮発性メモリを搭載した制御基板からなることを特徴とする静電容量型タッチスイッチ裝置。
2. 静電容量型タッチスイッチは、パネルスイッチが無圧状態のスイッチ入力待ち状態で静電容量変化を計測する演算回路を非動作とし、押し圧状態でピエゾ電極の電圧値が閾値を超える状態でCPUを起動し、消費電力を削減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裝置。