JP4713210B2 - 静電容量式スイッチ装置 - Google Patents

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本発明は、家電用機器、産業用機器機、輸送機器、建造物等に使用される静電容量式スイッチ装置に関する。
従来より、静電容量の変化を検出する静電容量式スイッチとして、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この特許文献1に開示されたものは、透明保護膜の下に静電容量検知用透明電極及び表示素子を設け、透明電極での静電容量を検出手段で検出し、その検出結果に基づいて制御手段が表示素子を駆動するようにしたものである。また、この特許文献1には、表示素子の表示面にマスクを設け、文字や絵を表示する点も開示されている。これにより、機械的駆動部分がないタッチスイッチを実現するだけでなく、スイッチがONしたことを表示機能により操作者に報知することが可能になる。
特開平5−298979号公報、段落0012〜0013、0019、図1
上述した従来の静電容量式スイッチでは、スイッチ表面と表示手段の間に透明電極と保護シートが存在するだけで、外部からスイッチの位置が視認可能である。換言すれば、操作上の観点から、スイッチの位置は明示されていることが前提であり、技術常識であるとも言える。
しかしその一方で、例えばデザインの都合上、又はセキュリティーやプライバシーの問題からスイッチの位置を外部からは視認不能にしたい要求もある。そのような用途では、先の先行技術をそのまま適用することはできない。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、操作性を何ら損なわずに、美感の維持及びセキュリティー上又はプライバシー上の問題も解決可能な静電容量式スイッチを提供することを目的とする。
検知電極と、この検知電極の近傍に配置された照光手段と、前記検知電極と接地との間の静電容量を検出してこれに対応した検出値を出力する静電容量検知回路と、この静電容量検知回路から出力される検出値とn個(nは2以上の整数)のしきい値とを比較し、前検出値と前記n個のしきい値との大小関係に応じた信号を出力する判定回路と、この判定回路の出力に応じて前記照光手段の点灯状態を制御する点灯状態制御手段と、前記検知電極及び照光手段を外部から覆い、前記照光手段の非点灯時には前記検知電極及び前記照光手段を外部から視認不能にさせ、前記照光手段の点灯時には前記照光手段からの光を外部側の表面に浮かび上がらせる光透過率を有する被覆材とを有し、前記照光手段は、第1光源及び第2光源を含み、前記第1光源は、前記第2光源の点灯に先立って当該スイッチの位置に所定の光学パターンを浮かび上がらせる光源として用いられ、前記第2光源は、当該スイッチに対する選択操作の過程及び/又は終了を報知するための光源として用いられるものであることを特徴とする静電容量式スイッチ装置。
本発明によれば、検知電極及び照光手段を被覆材で外部から覆い、前記被覆材が、照光手段の非点灯時には検知電極及び照明手段を外部から視認不能とさせ、照光手段の点灯時には照光手段からの光を外部側の表面に浮かび上がらせる光透過率を有しているので、スイッチの存在を外部から隠すことができ、しかもスイッチの存在を知っている特定の操作者にとっては単に手などを検知電極の近傍にかざすだけで照光手段が点灯してスイッチの位置が視認できるので、操作性を損なわずに、美観の維持及びセキュリティー上又はプライバシー上の問題も解決可能である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。
このスイッチ装置は、被覆材としての意匠板1の裏側に人体の接近を検出するための中央に開口部2aを有する矩形状の検知電極2を配置し、意匠板1と検知電極2との間に意匠板1側から順に表示用マスク板3と、バックライト用導光板4及び第1光源5からなるバックライト6とを配置し、更に検知電極2の裏面側に第2光源7を配置してなる。ここで意匠板1は、光透過性を有する樹脂、ガラス等の材料により形成され、例えば無色透明の板の表面1a上に目的にあった模様や色のシートを貼り付けるなどして、数十%、例えば10〜50%の光透過率に調整されたものである。表示用マスク板3は、スイッチの種類及び位置を示すために所定の文字、記号、図形等の所定の光透過パターン3aを形成し、それ以外の部分をマスクしたもので、バックライト6の点灯時に意匠板1の表面1aに光透過パターン3aを浮き上がらせるために設けられている。検知電極2は、図示しない所定の基板上に形成されている。
なお、この例では、検知電極2がバックライト6の後ろ側に配置されているが、検知電極2は、意匠板1と表示用マスク板3との間に配置するようにしても良い。この場合には、検知電極2は、表示用マスク板3のマスク部分に設けられることになる。
図2は、このスイッチ装置の回路構成を示す回路図である。
検知電極2は、静電容量検知回路11に接続されている。静電容量検知回路11は、検知電極2と接地との間の静電容量に応じた検出値を出力する。この検知回路11は、例えば発振回路を内蔵し、検知電極2によって生成される静電容量Cxに応じて発振周波数又はデューティー比が変化する信号を生成するものである。この検知回路11から出力される検出値は、判定回路12に入力されている。判定回路12は、2つのコンパレータ121,122を備えて構成されている。コンパレータ121は、一方の入力端に静電容量検知回路11からの検出値を入力し、他方の入力端に、判定電圧生成回路124で生成された第1判定電圧を入力し、検出値が第1判定電圧を超えたときに第1検知信号を出力する。コンパレータ122は、一方の入力端に静電容量検知回路11からの検出値を入力し、他方の入力端に、判定電圧生成回路125で生成された第2判定電圧を入力し、検出値が第2判定電圧を超えたときに第2検知信号を出力する。なお、ここで第2判定電圧は、第1判定電圧よりも大きく、人体が殆ど意匠板1に触れた場合に超える電圧に設定されている。光源駆動回路13は、第1検知信号によってLED等からなる第1光源5を駆動する。また、光源駆動回路14は、第2検知信号によってLED等からなる第2光源7を駆動する。
次に、このように構成された本実施形態に係るスイッチ装置の動作について説明する。
検知電極2に人体、例えば指が接近すると、検知電極2の人体を介した対接地容量が変化し、この結果、静電容量検知回路11から出力される検出値が図3のように増加する。判定回路12は、静電容量検知回路11からの検出値が第1判定電圧を超えたら、光駆動回路13を駆動してバックライト用の第1光源5を点灯する。このようにバックライト6が点灯されると、その光が表示用マスク板3の光透過パターン3aを透過して意匠板1の裏面を照射するので、意匠板1の表面1aには、光透過パターン3aが浮き上がって見えることになる。
操作者は、これを確認して意匠板1の光透過パターン3aが浮き上がっている部分に指を接触させると、静電容量検出回路11からの検出値が第2判定電圧を超えるので、判定回路12は、光駆動回路14を駆動して第2光源7を点灯させると共に、図示しない回路にスイッチON信号を出力する。第2光源7の点灯により、意匠板1に浮き上がった光透過パターン3aの輝度、色等が変化するので、スイッチ操作が有効になったことを操作者に報知することができる。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す斜視図、図5は同じく断面図である。
この実施形態は、複数の種類の異なるスイッチに対して1つのバックライトを共用した例である。
機器の一部をなす被覆材としての意匠部品21には、その表面21aに目的に応じた模様、色等の意匠処理が施されている。例えば、透明な部材に木目調のプリントを転写したものを使用すれば、木目調のスイッチとなり、マジックミラーの機能を持った部材を使用すれば、金属的なデザインのスイッチも実現可能である。この意匠部品21の裏面には、溝21bが形成されている。そして、この溝21bの部分に、静電容量式スイッチモジュール22が装着されている。
この静電容量式スイッチモジュール22は、次のように構成されている。即ち、溝21bに沿って延びる基板23の上には、複数の検知電極24が配列形成されている。また、基板23の検知電極24以外の部分には、静電容量検知回路等の回路が集積された集積回路部品25が搭載され、各検知電極24の中央部分には、それぞれ操作表示用の第2光源26が装着されている。基板23の上には、複数の検知電極24の全体を覆うように、バックライト27と表示用マスク板28とがこの順に搭載されている。バックライト27は、バックライト導光板29の検知電極24側の面にバックライト用反射シート30を貼着すると共に、バックライト導光板29の側縁部にバックライト用の第1光源31をバックライト導光板29に向けて装着してなる。表示用マスク板28は、各検知電極24の部分にスイッチの位置を示す光透過パターン28aをそれぞれ形成するためのものである。
図6は、本実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の電気的構成を示すブロック図である。
この実施形態では、各検知電極24に対応させて、スイッチ回路41,42を設けている。各スイッチ回路41,42は、前述した検知電極24、静電容量検知回路11、判定回路12、光源駆動回路14及び第2光源26を備えて構成されている。この装置は、これら複数のスイッチ回路41,42からの第1検知信号をORゲート15を介して光源駆動回路13に与えることにより、複数のスイッチ回路41,42のいずれか1つの第1検知信号がONになると第1光源31を点灯させるようにしたものである。
この装置においては、複数の検知電極24のいずれかつに操作者の指が接近すると、第1光源31が点灯し、複数の光透過パターン28aの光が意匠部品21の表面21aに浮き上がる。操作者は、この浮き上がったパターンから所望のスイッチ部分を指で触れると、その部分の近傍の検知電極24に対応した判定回路12からの第2検知信号がONになるので、そのスイッチ部分のみ第2光源26が点灯され、輝度が変化する。これにより、そのスイッチがON状態になったことが分かる。
このように、本実施形態のスイッチ装置によれば、複数のスイッチで第1光源31を含むバックライト27を共用することができるので、部品単価及び組立工数を削減することができ、コスト低減を図ることができる。
また、各スイッチ回路41,42に、その機能の有効/無効を設定が可能なスイッチ回路等の設定手段をそれぞれ設けておけば、同一のスイッチモジュール22で複数の用途に対応することが可能になる。
図7は、第3の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。本実施形態では、判定電圧を3つに増やして、照明手段を3段階に切り替えるようにしている。図4の構成にスイッチ表示用光源32が追加されている。
図8は、このスイッチ装置の回路構成を示す回路図である。
この装置は、複数のスイッチ回路43,44と、光源駆動回路13と、第1光源31を備えている。また複数のスイッチ回路43,44は各検知電極24と、前述した静電容量検知回路11と、判定回路127と、光源駆動回路14,16と、個別スイッチ表示用光源である第3光源32と、操作表示用光源である第2光源26を備えている。これら複数のスイッチ回路43,44からの第1検信号は、OR1ゲート17を介して光源駆動回路13に与えられている。また複数のスイッチ回路43,44からの第2検信号は、OR2ゲート18を介して光源駆動回路13に与えられている。このようにORゲートを2つ設置することにより、いずれか一つのスイッチ回路43,44からの第1検信号がONになると第1光源31が点灯し、いずれか一つのスイッチ回路43,44からの第2検信号がONになると、第1光源31が減光又は消光するように、バックライト27が点灯制御される。
判定回路127は、3つのコンパレータ121,122,123を備えて構成されている。コンパレータ121は、一方の入力端に静電容量検知回路11からの検出値を入力し、他方の入力端に、判定電圧生成回路124で生成された第1判定電圧を入力し、検出値が第1判定電圧を超えたときに第1検知信号を出力する。コンパレータ122は、一方の入力端に静電容量検知回路11からの検出値を入力し、他方の入力端に、判定電圧生成回路125で生成された第2判定電圧を入力し、検出値が第2判定電圧を超えたときに第2検知信号を出力する。コンパレータ123は、一方の入力端に静電容量検知回路11からの検出値を入力し、他方の入力端に、判定電圧生成回路126で生成された第3判定電圧を入力し、検出値が第3判定電圧を超えたときに第3検知信号を出力する。なお、ここで第2判定電圧は、第1判定電圧よりも大きく、人体が意匠板1に接近した場合に超える電圧に設定されている。第3判定電圧は、第2判定電圧よりも大きく、人体が殆ど意匠板1に触れた場合に超える電圧に設定されている。
次に、このように構成された本実施形態に係るスイッチ装置の動作について説明する。
検知電極24に人体、例えば指が接近すると、検知電極24の人体を介した対接地容量が変化し、この結果、静電容量検知回路11から出力される検出値が増加する。判定回路127は、静電容量検知回路11からの検出値が第1判定電圧を超えると第1検信号をORゲート17を介して光源駆動回路13に出力する。
これにより、光源駆動回路13が駆動されバックライト27用の第1光源31が点灯する。このようにバックライト27が点灯されると、光透過パターン28aが浮き上がって見え複数のスイッチの位置を操作者に知らせることになる。
操作者は、これを確認して複数のスイッチのうち操作したい機能を選び、意匠部品21の複数の光透過パターン28aが浮かび上がっている部分のいずれかに更に指を接近させる。これにより、選択したスイッチの静電容量検知回路11からの検出値が第2判定電圧を超えるので、判定回路127が第2検信号を出力し、光源駆動回路14が駆動して、ひとつの個別スイッチ表示用の第3光源32が点灯する。同時に、第2検信号はOR2ゲート18を介して、光源駆動回路13を駆動し、第1光源31を減光又は消光させる。これにより、個別スイッチ表示用の第3光源32の点灯と第1光源31の減光又は消光によって、意匠部品21に浮き上がったひとつの光透過パターン28aの輝度、色等が他のパターンに対して変化するので、どのスイッチが選択されようとしているかを操作者に知らせることができる。
次に操作者は、これを確認して意匠部品21の光透過パターン28aが浮き上がっている選択したい部分に指を接触させると、静電容量検知回路11からの検出値が第3判定電圧を超えるので、判定回路127は、光駆動回路1を駆動して操作表示用の第2光源26を点灯させると共に、図示しない回路に選択した機能のスイッチON/OFF信号を出力する。
このスイッチ装置によれば、個別スイッチ表示用の第3光源32の点灯により、意匠部品21に浮き上がった操作しようとしている光透過パターン28aの輝度、色等が他のパターンに対して変化するので、選択しようと意図したスイッチを確実に操作することができる。
この例では、判定電圧を3つにしたが、判定電圧を更に増やせば、複数のスイッチを更に階層化して、順次選択するグループを絞り込んで行くような制御も可能になる。
またこのスイッチ装置では、個別スイッチ表示用の第3光源32と、操作表示用の第2光源26を用いているが、図9の回路構成を示す回路図のように、個別スイッチ表示用光源兼操作表示用光源33を用いることも可能である。すなわち、スイッチ回路45,46は、操作者が選択しようとしているスイッチを表示するときには、個別スイッチ表示用光源兼操作表示用光源33を点灯し、操作者がその表示されたスイッチをON/OFFしたときには、個別スイッチ表示用兼操作表示用光源33を点滅消光又は輝度変化させ、操作者に状況を知らせることができる。
これにより、光源の数を削減して、省エネ及びコスト低減を図ることができる。
図10は、判定回路127の耐雑音性の向上を図った例を示す図である。
判定回路34は、2つのコンパレータ341及び342と、1つのANDゲート343と、発振子344を備えたタイマ回路345を備えて構成されている。コンパレータ341は、一方の入力端に前記静電容量検知回路11からの検出値を入力し、検出値が判定電圧生成回路346で生成された第1判定電圧を超えたときに第1検知信号を出力する。コンパレータ342は、一方の入力端に前記静電容量検知回路11からの検出値を入力し、検出値が判定電圧生成回路347で生成された第2判定電圧より小さいときに第2検知信号を出力する。第1検信号と第2検信号は、ANDゲート343に入力されるため、検出値が第1判定電圧より大きく第2判定電圧より小さいときにのみ、ANDゲート343のON出力がタイマ回路345に入力される。またタイマ回路345は、ON信号があらかじめ設定された一定時間継続して入力されたときのみ、ON信号を出力する。これにより、判定回路34は、一定範囲の検出値が一定時間内で継続して入力されたときにのみON信号を出力することができるため、外部ノイズによる誤動作を防止できる。
図11は、この判定回路34を用いた第5の実施形態を示した、静電容量式スイッチ装置の回路構成を示す回路図である。
この装置は複数のスイッチ回路35,36を有し、複数のスイッチ回路35,36は判定処理回路351,352,353を備えている。判定処理回路351,352,353は、前記判定回路34と同様の機能を備えている。すなわち、判定処理回路351は、第1判定電圧を超え第4判定電圧より小さい検出値が一定時間継続して検出されたとき、第1検知信号を出力し、判定処理回路352は、第2判定電圧を超え第4判定電圧より小さい検出値が一定時間継続して検出されたとき、第2検信号を出力し、判定処理回路353は、第3判定電圧を超え第4判定電圧より小さい検出値が一定時間継続して検出されたとき、第3検信号を出力する。ここで第2判定電圧は第1判定電圧より大きく、順次判定電圧は大きくなる。
また判定処理回路351352及び353からの出力はAND回路37に入力され、3つの判定処理回路すべてからの信号がONのときのみ、図示しない回路にスイッチON/OFF信号を出力する。これにより、下位の階層すなわち判定処理回路351及び352の条件が成立しなければ、上位の階層すなわち判定処理回路353の条件が成立していても、スイッチON/OFF信号を出力することができない。これにより、ノイズ等に起因した誤動作を防止することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図12は、照光手段を1つの光源8で構成した最もシンプルな実施形態である。本実施形態では、人体の検知電極2への接近で光源8が点灯し(第1の状態)、人体の検知電極2への更なる接近(例えば、意匠板1への接触)で光源8の点灯輝度が変化したり、点滅したりする(第2の状態)。このように、マスク板が存在しなくても、検知電極2の中央の開口部2aがマスクとして機能して、矩形の光を意匠板1の表面1aに映し出すことができる。なお、検知電極2が透明電極であっても、光源5,7の投影像が意匠板1に映し出されるので、機能上支障となることはない。
図13の実施形態は、図7の光源8に代えて、照光手段を2つの光源、すなわち第1光源5と第2光源7によって構成した例である。この場合には、人体の検知電極2への接近で光源5が点灯し、人体の検知電極2への更なる接近で光源7が点灯する。両者の発光色を変えておくと、更に操作確認がし易くなる。
図14の実施形態は、図13の意匠板と検知電極2との間にバックライト導光板4を設けた例である。この実施形態によれば、意匠板1の表面にスイッチの形をより鮮明に映し出すことができる。
図15の実施形態は、第1光源5をバックライト導光板4の側縁部に配置したものであり、図1の実施形態の中から表示用マスク板3を削除した形態である。
この場合には、意匠板1により均一な光を透光することができる。
なお、以上の実施形態では、1又は2つの光源によって第1及び第2の状態として輝度及び/又は色の異なる点灯状態に制御しているが、第1及び第2の状態としては、この他にも、一方を点灯状態、他方を点滅状態としたり、一方を点灯状態、他方を消灯状態とするようにしても良い。要は、第1の状態でスイッチの位置を確認でき、第2の状態でスイッチがONになったことが確認できれば、本願発明の効果を奏することができる。
本発明の第1の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。 同装置の電気的構成を示すブロック図である。 同装置における人体と検知電極との間の距離と静電容量検知回路の検出値との関係を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す一部を切欠した斜視図である。 同装置の断面図である。 同装置の電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実態形態に係る静電容量式スイッチ装置の構成を示す一部を切欠した斜視図である。 同装置の電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第4の実態形態に係る静電容量式スイッチ装置の電気的構成を示すブロック図である。 第5の実施形態に係る静電容量式スイッチ装置における判定回路の電気的構成を示すブロック図である。 同装置の静電容量式スイッチ装置の電気的構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態を示す分解斜視図である。 本発明の更に他の実施形態を示す分解斜視図である。 本発明の更に他の実施形態を示す分解斜視図である。 本発明の更に他の実施形態を示す分解斜視図である。
符号の説明
1…意匠板、2,24…検知電極、3,28…表示用マスク板、4…バックライト導光板、5,31…第1光源、6,27…バックライト、7,26…第2光源、8…光源、11…静電容量検知回路、12,127…判定回路、13,14…光源駆動回路、32…第3光源、33…個別スイッチ表示用操作表示用光源、35,36,41〜45…スイッチ回路。

Claims (11)

  1. 検知電極と、
    この検知電極の近傍に配置された照光手段と、
    前記検知電極と接地との間の静電容量を検出してこれに対応した検出値を出力する静電容量検知回路と、
    この静電容量検知回路から出力される検出値とn個(nは2以上の整数)のしきい値とを比較し、前記検出値と前記n個のしきい値との大小関係に応じた信号を出力する判定回路と、
    この判定回路の出力に応じて前記照光手段の点灯状態を制御する点灯状態制御手段と、
    前記検知電極及び照光手段を外部から覆い、前記照光手段の非点灯時には前記検知電極及び前記照光手段を外部から視認不能にさせ、前記照光手段の点灯時には前記照光手段からの光を外部側の表面に浮かび上がらせる光透過率を有する被覆材と
    を有し、
    前記照光手段は、第1光源及び第2光源を含み、
    前記第1光源は、前記第2光源の点灯に先立って当該スイッチの位置に所定の光学パターンを浮かび上がらせる光源として用いられ、
    前記第2光源は、当該スイッチに対する選択操作の過程及び/又は終了を報知するための光源として用いられるものであ
    ことを特徴とする静電容量式スイッチ装置。
  2. 前記被覆材は、表面に所定の意匠が施された意匠板であることを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置。
  3. 前記点灯状態制御手段は、前記照光手段の点灯状態として前記照光手段の輝度、点灯色、点滅状態及び消灯状態のうちの一つ又は複数を制御するものであることを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置。
  4. 前記点灯状態制御手段は、前記照光手段を前記静電容量の小さい順に第1の状態、第2の状態及び第3の状態に制御するものであり、前記第1の状態は消灯状態、前記第2の状態は第1の輝度での点灯状態、前記第3の状態は前記第1の輝度よりも大きな第2の輝度での点灯状態であることを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置。
  5. 前記照光手段は、前記光源からの光を前記被覆材まで導く導光板を含むものであることを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置。
  6. 前記第1光源からの光を前記被覆材の裏面にバックライトとして照射するバックライト用導光板を更に備えたことを特徴とする請求項記載の静電容量式スイッチ装置。
  7. 前記照光手段と前記被覆材との間に介装されて前記照光手段からの光を部分的にマスクして、前記被覆材の表面に所定のパターンを浮かび上がらせるマスク材を更に設けたことを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置。
  8. 前記検知電極、静電容量検知回路、判定回路及び第2光源はスイッチ回路を構成し、
    前記スイッチ回路が複数設けられ、
    前記第1光源は、前記複数のスイッチ回路に対して共通に設けられている
    ことを特徴とする請求項記載の静電容量式スイッチ装置。
  9. 前記各スイッチ回路は、その機能の有効/無効を設定が可能な設定手段をそれぞれ有することを特徴とする請求項記載の静電容量式スイッチ装置。
  10. 前記判定回路は、前記静電容量検知回路から出力された検値が、あらかじめ設定した一定の時間だけ継続して検知されたときのみ、前記第2光源に出力及びその機能の有効/無効を設定が可能な設定手段をそれぞれ有する
    ことを特徴とする請求項記載の静電容量式スイッチ装置。
  11. 前記検知電極はスイッチ回路を構成し、
    前記スイッチ回路は複数設けられ、
    前記点灯状態制御手段は、前記静電容量の増加に伴って、前記複数のスイッチ回路の全体から選択されようとしている特定のスイッチ回路まで、それらの検知電極の位置を段階的に表示していくように前記照光手段を制御するものであることを特徴とする請求項1記載の静電容量式スイッチ装置
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