JP5029144B2 - 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前記した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で示すように、パネルスイッチ表面に指が触れると容量変化が発生する。そのため不注意に指や体の一部がパネルスイッチに触れた場合でも、スイッチが押されたと判断し、誤入力の原因となる。

特許登録第３８８０６５２号 特開２００５−１８６６９号

従って従来の方式では、不注意にパネルスイッチに指や体の一部が触れただけでも、容量変化が生じ、誤動作が発生する。したがって、軽いタッチで操作して使用する機器のファンクションキーの入力手段として使用する場合は問題ないが、家電製品等（テレビや洗濯機等）の電源スイッチや、運転しながら操作する車載用スイッチ等には静電容量型のタッチスイッチは、前記したように不注意に指や体の一部がパネルスイッチに触れただけで、スイッチが入ってしまうので、誤動作に繋がり搭載できない難点があった。
そこで本発明は上記問題を解決することを目的とし、パネルスイッチに指でタッチするとき明確に押した感触が認識できる静電容量型押し圧式タッチスイッチを提供する事にある。

更に従来の静電容量型タッチスイッチを利用したスライドキーや、サークルキーを構成する場合、スライドキーやサークルキーを摺動操作しながら目的の場所までカーソル等を移動し、更に項目を選択するために決定キーを押す必要がある。そのためスライドキーの決定キーは、スライドキーの近辺（図４−１）に配置され、サークルキーの決定キーはサークルキーの内側（図４−２）に配置され、タクトスイッチ等で構成された専用キーを設けているのが一般的である。しかしこの決定キーは、スライドキーやサークルキー上とは別の場所に配置されているため、一端指を離す必要があり操作の連続性が無くなり操作感が損なわれる。
そこで本発明は、静電容量型タッチスイッチを利用したスライドキーやサークルキーを構成する場合でも、タクトスイッチ等により構成された決定キーを無くし、静電容量型タッチスイッチに摺動機能と決定機能を両立させ、操作の連続性が損なわれないスライドキーやサークルキーを実現することにある。

上記課題を達成するために、本発明の静電容量型タッチスイッチは、容量変化を段階的に変化させるために、検出電極に図５に示したスリットを４カ所設けた検出電極シートと、図６に示した押し圧の程度に応じて検出電極への接触面積が変化し、押し圧の程度に応じて検出電極と指の間隔が変化する弾力性の部材で構成された表面パネルを備えたことを特徴とする。

図７で示した平行板コンデンサの原理（静電容量は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄの式で表せる。Ｃは静電容量，εは誘電率，Ｓは電極の面積，ｄは電極間の間隔）を応用して、押し圧の程度に応じて検出電極への接触面積が変化し、押し圧の程度に応じて検出電極と指の間隔が変化する弾力性の部材で構成された表面パネルを組み合わせることで、表面パネルを挟んだ指と検出電極との間の静電容量変化に応じて段階的に４つの状態（図８に示した非接触状態／接触状態／軽い押し圧状態／強い押し圧状態）に区分し、段階別に静電容量を計測する機能を備え、パネルスイッチを確実に押した感触が認識できる静電容量型押し圧式タッチスイッチが実現できる。

上記静電容量型押し圧式タッチスイッチを、直線上に複数連結することで、スライドスイッチが実現でき、円形上に複数連結することでサークルスイッチが実現できる。

本発明によれば、静電容量型タッチスイッチのパネルスイッチに不注意で指や体の一部が触れた場合でも誤動作しないため、家電製品等（テレビや洗濯機等）の電源スイッチ、運転しながら操作する車載用スイッチ等にも搭載可能となる。

更に本発明によれば静電容量型タッチスイッチをスライドキーやサークルキーとして使用した場合、決定キーも一体化した機能として内蔵できるため決定専用のタクトスイッチ等を設けることなく項目選択が可能となる。

本発明は、図９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、指で押すことで変形する弾力性のあるゴム等の部材で形成された表面パネル、ＰＥＴフィルムにスリットの入った検出電極と周辺にＧＮＤ電極を印刷した電極シート、前記電極シートを補強板（誘電体）に両面テープや接着剤で貼り付けた構成となる。
前記検出電極のスリットは、図８に示すパネルスイッチの状態で示した非接触状態／接触状態／軽い押し圧状態／強い押し圧状態の４つに区分し、押し圧と状態別静電容量変化が図１０の状態になり、境界点を明確にし、判断しやすくするために設けたものである。また、押し圧状態を軽い押し圧状態／強い押し圧状態の２段階に分けたのは入力時初めから強い押し圧状態にあるとき、接触状態と押し圧状態の区別が付かず２段階に分けて回避することが目的とする。
更に表面パネルは、図６−１で示す通り伸縮性の弾性体で形状は台形で、材質はゴム等でできている。表面パネルに於いて検出電極と対向する形状を台形にする目的は、押し圧状態に応じて検出電極との接触面積が変化し、押し圧力も沈み込みに応じて反発力が大きくなるために、押し圧と表面パネルの沈み込みにより比例関係が生まれ、押した感触も醸し出すことが出来る。
制御基板は、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、押し圧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付きカウンタが内蔵された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。
静電容量型タッチスイッチのONを判断する方式について、図１１の静電容量測定回路に基づいて説明する。図１１に示す静電容量測定回路は、発振回路に接続されたパネルスイッチの静電容量の変化量を周波数に変換し（C/F変換回路）、CPUのインプットキャプチャ機能により周波数を測定し、前記測定した周波数データを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機能を有している。
まず始めに、パネルスイッチに対する非接触状態/接触状態/軽い押し圧状態/強い押し圧状態の初期発信周波数を順番に測定する。その測定周波数データを図１１で示した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。測定結果から押し圧と周波数の関係をグラフ化したものが図１２である。図１２により接触状態２と軽い押し圧状態３の間に容量変化の少ないタイミングが発生する。これは検出電極のスリットの影響で接触面積が変化しないため一定の期間容量変化の少ないタイミングが発生する。更に軽い押し圧状態３と強い押し圧状態４の間にも、検出電極のスリットの影響で容量変化の少ないタイミング発生する。２回容量変化の少ないタイミングを不揮発性メモリに内蔵したプログラムで検知できれば、正しい操作でパネルスイッチが徐々に押されたことの証明となるため重要な鍵になる。前記プログラムで確認できた後、強い押し圧状態４が１０ｍｓ以上維持出来たとき初めて静電容量型タッチスイッチをONと規定する。
そこで、不注意にパネルスイッチに指や体の一部が触れた場合、図１１の検出電極のCもしくは（B+C+D）の接触面積程度で容量変化も少なく、その為周波数変化も図１２の２または３の状態までしか変化せずONに至らず誤動作も発生しない。

次に静電容量型タッチスイッチをスライドキーとして使用した場合、決定専用のタクトスイッチ等を設けることなく項目選択が可能となる方式について説明する。
図１３で示した静電容量型スライドスイッチの構成図に基づいて説明する。
パネルスイッチのスライド操作はＳＷ１からＳＷ３上を指が摺動している状態で、容量変化も図１２の2から3の状態で静電容量型タッチスイッチはＯＮにならない。スライドスイッチＳＷ１を強く押し込むと容量変化図１２の4の状態になりＳＷ１がＯＮ状態となる。この操作は、決定キーを押した操作と同一となる。

この原理により、不注意にパネルスイッチに指や体の一部が触れて容量変化が生じても誤動作が発生しない。またパネルスイッチに指でタッチするとき明確に押した感触が認識できる静電容量型押し圧式タッチスイッチが実現できる。
更に、静電容量型タッチスイッチをスライドキーやサークルキーとして使用した場合、決定キーも一体化した機能として内蔵できるため決定専用のタクトスイッチ等を設けることなく項目選択が可能となる。

静電容量型タッチスイッチの構造図。 一般的なパネルスイッチ構造図。 静電容量変化メカニズム。 一般的なスライドキーやサークルキー。 検出電極シート。 パネルスイッチ構造。 平行板コンデンサの動作原理。 パネルスイッチの状態。 静電容量型タッチスイッチのシステム構成図。 検出電極の接触面積と各状態別容量変化。 静電容量変化測定回路（Ｃ／Ｆ変換回路）。 押し圧と周波数の関係。 静電容量型スライドスイッチの構成図。

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 (1)

1. CPUとC／F変換回路とメモリを搭載した制御基板を備えた静電容量型タッチスイッチにおいて、静電容量を段階的に変化させるために電極にスリットを設けた検出電極と、押した力の程度により、前記検出電極への接触面積が変化する弾力性の有る部材で構成された押圧部材を備えたパネルスイッチを作成し、前記パネルスイッチを押圧したときの静電容量を連続的に測定し、静電容量をC／F変換回路により周波数に変換し、周波数の変化の少ないタイミングを２回検出出来たときに静電容量型タッチスイッチをONとすることを特徴とする静電容量型タッチスイッチ裝置。