JPH07114866A - 操作スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 指を近づけるだけで非接触で動作するばかり
でなく、近接位置でも、遠隔位置でも動作することがで
きる非接触である操作スイッチを得る。 【構成】 導電材料からなる電極と、電源と電流計を備
え、電極に電圧を印加してチャージし安定させた初期状
態から、電極に誘電体が接近した際の電極の静電容量の
変化を検出し、スイッチを切り換える。また、検出した
静電容量の変化量に対して、切換えのしきい値を複数組
設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、家庭電気製品や産業用
機械などのようにスイッチボタンを操作することによっ
て使用する機器の操作スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５、図１６は実開平３−１２８３７
９号公報に開示された従来のビデオ一体形カメラの録画
ボタンの斜視図、および断面図である。図において、１
１がグリップ部、１２が操作ボタン、１２ａ、１２ｂが
操作面、１５が薄肉部、１７がスイッチ、１８が印刷配
線板である。

【０００３】この従来の録画ボタンにおいては、録画操
作を行う際に人が操作ボタン１２を押圧すると、薄肉部
１５がグリップ部１１に対して弾性変形して凸部１６が
スイッチ１７を圧接する状態になる。さらに凸部１６が
スイッチ１７を押し込むことにより、スイッチ１７の動
作状態が切り換わり、録画状態になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の録
画ボタンによると、薄肉部が弾性変形することによりス
イッチ操作が行われるとともに、スイッチ１７は凸部１
６に圧接されることにより機械的に切り換わる構造を有
している。したがって、数多くの繰り返し操作が行われ
ると、薄肉部１５が弾性を失い、塑性変形を起こすこと
によって操作不能になったり、また凸部１６とスイッチ
１７の接触不良によって操作不能になる可能性があるな
どの問題点がある。上記の例に限らず、機械的に接触部
を有する操作ボタンにおいては、繰り返し使用に対して
接触不良や弾性部のへたりなどの問題が生じる可能性が
十分に存在する。さらに、上記の従来例においては、人
の指が操作ボタン１２をある程度の力で押圧することに
よってはじめて動作するため、例えば手が汚れていると
きや、操作ボタン１２が濡れて滑り易いときなど操作が
できない、あるいは操作が困難な状態となることが考え
られる。さらに、多数並んでいる操作ボタンを連続して
操作する必要がある場合など、従来の方式では１つ１つ
動作を行う必要があり、素早く操作することができない
といった問題点がある。また、上記従来の発明によるボ
タンが用いられているビデオ一体型カメラや他の装置に
おいては、人の指がボタンに触れることによってはじめ
て動作が行われる。そこで、ビデオカメラに限らず、公
共物などのように多数の人が使用する装置においては、
ボタン操作部が汚れていると不潔な印象を与えるため、
人によってはできれば触れずに操作を行いたいと考える
ことがあるが、従来の方式の操作ボタンでは触れること
を避けられないという問題点があった。

【０００５】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたものであり、繰り返し使用に対して十分な
信頼性を得ると共に、容易に操作を行うことができ、さ
らに高速で連続して操作を行うことができるばかりでな
く、操作ボタンに直接触れることなく操作がでじる操作
スイッチを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る操作スイッ
チは、請求項１では、導電体からなる電極と、電源装置
と、静電容量の変化を検出する手段を有し、前記電極に
電源装置より所定の電圧を印加し安定した第１の状態か
ら、前記電極近傍に誘電体を接近させ、その第２の状態
での前記電極の静電容量の変化を検出し、前記第１の状
態と第２の状態の静電容量の変化量が、設定したしきい
値を越えると切り換え状態を変化させる者である。

【０００７】また、請求項２では、導電体からなる電極
を少なくとも複数列設ける操作スイッチであって、複数
個の電極に同時または連続して誘電体を接近させ、複数
個のスイッチを切り換えるものである。

【０００８】また、請求項３では、導電体からなる電極
と、電源装置と、静電容量の変化を検出する手段を有
し、前記電極に電源装置より所定の電圧を印加し安定し
た第１の状態から、前記電極近傍に誘電体を接近させ、
その第２の状態での前記電極の静電容量の変化を検出
し、前記第１の状態と第２の状態の静電容量の変化量
が、設定したしきい値を越えると切り換え状態を変化さ
せるとともに、前記しきい値の値を複数組設定すること
により切換えの感度を変えるものである。ことを特徴と
する請求項１記載の操作スイッチ。

【０００９】

【作用】本発明における操作スイッチは、まず、初期状
態において操作スイッチを構成する電極に電圧を印加す
るなどして静電容量を測定し、その値を第１の静電容量
値とする。このとき、直接静電容量を検出・測定する必
要はなく、一定の電圧を印加したときの電極間の漏れ電
流値や絶縁抵抗値であってもよい。

【００１０】つぎに、前記測定値の変化を常にモニタし
ておき、前記電極に人の指などの誘電体が接近した際に
前記電極の静電容量の変化量を、漏れ電流値や絶縁抵抗
値の変化などから検出する。

【００１１】そこで、その変化量が設定したしきい値を
越えるとスイッチの動作状態を切り換えることにより本
操作スイッチは切り換え動作を行う。

【００１２】

【実施例】

実施例１．図１は本発明による操作スイッチを組み込ん
だ家庭用ＶＴＲの外観図である。図において、１は通常
の機能を備えたものを用いたＶＴＲであり、２は本発明
による操作スイッチを含む操作パネルであり、ＲＥＣや
ＰＬＡＹなど頻繁に使用する操作スイッチのみに用いた
例である。図２は操作スイッチ装置部の構成を示すシス
テム図であり、図３は操作スイッチの部分断面図であ
る。図において、２０はＲＥＣやＰＬＡＹなどの操作の
名称を記載した表示部、２１は銅箔の電極、２２はガラ
スエポキシ基板、２３はＰＥＴ材よりなるカバーフィル
ムである。また、３０は電極２１に電圧を印加するため
の電源、３１は電極２１の静電容量の変化を検出するた
めの微小電流計、３２はＶＴＲのシステムコントローラ
である。

【００１３】まず、上記操作スイッチの製造方法につい
て述べる。操作パネル２には、ＲＥＷ、ＰＬＡＹ、ＲＥ
Ｃ、ＦＦ、ＳＴＯＰの５つの操作スイッチが設けられて
いる。各スイッチは、それぞれ２つの対向する薄板状の
電極２１により構成される。銅箔よりなる電極２１はガ
ラスエポキシ基板２２の片面にエッチングによって設け
られる。ＰＥＴフィルム２３は、電極２１の上面に絶縁
層として設けられる。上記のようにして製造された電極
２１は、電源装置３０および微小電流計３１に接続され
ている。また、微小電流計３１の出力はＶＴＲ装置のシ
ステムコントローラ３２に接続されている。

【００１４】図２、図３により基本動作を説明する。ま
ず、初期状態において電源３０によって電極２１に電圧
を印加する。ここで、電極２１を構成する一対の銅箔に
正負の電圧を印加すると、電極２１は一種のコンデンサ
となっているため、瞬間的に電極２１に電流は流れる
が、電極２１の静電容量に応じた電荷がチャージされる
と、その後はわずかな漏れ電流だけになる。そこで、こ
のときのチャージされた電荷量または漏れ電流の値を第
１の値として電流計により検出し、記憶しておく。電荷
量および漏れ電流値は、電極２１の厚さ、大きさ、間
隔、ガラスエポキシ基板２２の厚さ、誘電率やＰＥＴフ
ィルム２３の誘電率などによって一義的に決まる。

【００１５】つぎに、誘電体である人の指が表示部２０
に接近すると、前記の対向する電極２１の静電容量が変
化する（通常大きくなる）ため、指の接近に応じて漏れ
電流の大きさが変化し、電極２１には電荷が再びチャー
ジされる。一般に、平行コンデンサにおいて、静電容量
を改善するために電極間に誘電率が大きい誘電体を充填
する理屈と同等の考え方である。そこで、このときの再
チャージされた電荷量または電流値を第２の値として電
流計３１によって検出する。この第２の状態での電荷量
および漏れ電流値は指の誘電率および指と電極との距離
などによって決まる。

【００１６】前記過程で記憶された第１の値に対して第
２の値が著しく変化したとき、システムコントローラ３
２によって、ＶＴＲ装置１の動作状態を切り換える。こ
のとき、しきい値を適切にすることによって誤動作など
する事なく切り換えを行うことができる。

【００１７】次に、ＶＴＲでの実際の動作に基づいて説
明する。図４は本発明による操作スイッチの動作状態の
一例を示す図、図５は５つの操作スイッチに接続された
電流計の値による一連の動作のシーケンス図である。図
において、２は５種類の機能が記載された表示部２１を
有する操作パネルである。図にしたがってａ〜ｊまでの
モードについて説明する。

【００１８】電源を入れる前のＶＴＲにおいては、操作
パネル２の電極２１には電圧が印加されておらず、電流
計の値は全てゼロを示している（状態ａ）。ＶＴＲ装置
の電源を入れると同時に操作パネル２に電源３２より電
圧を印加すると、一瞬過大な電流が流れて、電極２１に
電荷がチャージされる（状態ｂ）。その後、電流値は印
加電圧と電極２１の絶縁抵抗値よって決まる漏れ電流値
に安定する（状態ｃ）。この時の漏れ電流値を第１の電
流値として記憶し、スイッチの切り換え動作のしきい値
を例えばその倍の値に設定する。

【００１９】ＶＴＲでテープに記録する際には、図４に
示すように指を操作パネル２のＲＥＣ表示部に近づける
と、電極２１の静電容量が指の誘電率に応じて大きくな
り、電流値が大きくなる（状態ｄ）。このときの電流値
を第２の電流値として検出し、前過程で設定したしきい
値を越えた時点で動作モードをシステムコントローラ３
３によってＲＥＣに切り換える。同様に、指を操作パネ
ル２のＳＴＯＰ表示部に近づけると電流の変化を検出し
てＶＴＲは停止する。ＲＥＷ（巻戻し）、ＰＬＡＹなど
の動作をを順次行ったのち電源を切ると状態ｊとなる
（状態ｆ〜ｊ）。

【００２０】つぎに、上記の動作原理を確認するために
試作した操作スイッチについて説明する。図６は本発明
による操作スイッチの原理モデルの外観図である。図７
は図６の原理モデルの断面図である。図において、２１
は間隔ピッチが６０μｍの平行くし型の形状に設けた電
極である。２２は基板であり、ここでは操作スイッチを
薄型にするため厚さ４０μｍのポリイミドフィルムを用
いた。電極２１は、前記ポリイミドフィルムに銅を全面
にわたって５μｍ厚スパッタしたのちエッチングによっ
て形成した。２４は、シリコン樹脂であって電極２１の
上にカバコート剤として絶縁のために塗布した。３３
は、アドバンテスト社製超高抵抗計Ｒ８３４０であっ
て、絶縁抵抗値および絶縁物の漏れ電流値を測定するも
のである。

【００２１】上記の構成による電極部分の原理モデルに
おいて、電極間に電圧３００Ｖを印加して電極間の漏れ
電流値を測定し、その後電極表面に指を近づけて同様に
漏れ電流値を測定した結果、表１のようになった。

【００２２】

【表１】

【００２３】すなわち、初期状態では電極間の漏れ電流
値が約０．４ｎＡ（ナノアンペア）であったが、誘電体
である指を電極に接近させると漏れ電流値がその倍以上
の値に増加した。したがって、この場合初期状態の漏れ
電流値に対してその２倍程度の電流値を切換えのしきい
値にすると、指を近づけることによって非接触でスイッ
チが切り換わり、動作を行うことができる。また、上記
の測定結果より、電極２１に常時電圧を印加しておいて
も流れる漏れ電流値が小さいため、消費電力は非常に小
さいことが分かる。

【００２４】上記の実施例においては、電極２１を正極
と負極の１対の薄板状の銅箔で構成したが、片極だけで
構成しても良い。たとえば、電極をワイヤ状銅線１極で
構成し電圧を印加すると、ワイヤ状の電極は地面との間
に一種のコンデンサを形成し、静電容量が一義的に決ま
る（対地静電容量という）。したがって、前記動作と同
様に、指などが接近すると電極と地面との間で構成する
コンデンサの静電容量が変化し、同等の動作が期待でき
る。

【００２５】また、上記実施例では、薄板状の２枚の銅
箔電極が単純に対向する形状の電極を示したが、電極を
櫛形に設けるなどして電極間の対向面積を増やし、静電
容量の向上を図るとさらに確実な動作が期待できる。

【００２６】また、上記実施例では電極表面に指を接近
させることによって動作を行う例を示したが、指を電極
に近づけるほど静電容量の変化量が大きくなるため、電
極に指を軽く接触させて動作を行う方が、より安定した
動作が期待できる。

【００２７】また、上記実施例では指で行う操作部の一
部に適用した例を示したが、たとえば、誘電体からなる
テープカセットや磁気テープの有無を検出する手段とし
て用いても同等の動作が期待できる。

【００２８】また、上記の実施例では、指の接近により
ＶＴＲの動作モードを切り換えるという２値間の変換動
作であったが、誘電体の接近に応じて静電容量は連続的
に変化するため、それに応じて連続的に状態を変化させ
るように構成しても同等の動作が期待できる。たとえ
ば、静電容量の変化量に応じてＶＴＲやＴＶの音声ボリ
ュームが切り換わるように構成すると、指を操作スイッ
チに遠近させるだけでボリュームを操作することができ
る。

【００２９】また、上記の実施例では、電極に電荷がチ
ャージされた第１の状態から誘電体の接近を検出するた
めに、常時電源により電圧を印加しておく方法を記載し
た。しかし、対向する電極に一度チャージされた電荷は
互いに引き合っているため、電源を切っても電極の帯電
状態が保持される。そこでこの性質を利用して、一度電
極に電圧を印加してチャージしたのち電源を切っておく
と、低消費電力で同等の動作が期待できる。

【００３０】実施例２．図８は本発明による操作スイッ
チを用いた入力タブレット装置のシステム図である。図
において、２はマトリクス状に電極を配置した操作パネ
ルである。３０は電源、３１は電流計、３２はシステム
コントローラである。３３は、操作パネル２より入力さ
れた情報を表示するためのモニタである。図９は図８に
おけるタブレット部の部品図であり、電極２１がマトリ
クス状に構成されている。図１０はタブレット部の部分
拡大図であり、電極２１は基板２２上にエッチングによ
りマトリクス状に構成されている。電極２１は正極と負
極の２つの電極で１画素を構成しており、各画素は点線
で示した引出し線によって配線されている。図１１は動
作状態を示すタブレットの一部を示す断面図である。

【００３１】つぎに、動作を説明する。まず、システム
全体の電源を入れ、電源３０より操作パネル２の全ての
電極２１に電圧を印加する。瞬間的に電極２１には電流
がながれるが、それぞれの電極２１の静電容量に応じた
電荷がチャージされると流れる電流は極微小なものとな
る。この時の電流値を漏れ電流と呼び、１画素を構成す
る正極と負極間の絶縁抵抗値と印加電圧によって決ま
る。この安定した初期状態での漏れ電流値を第１の値と
して電流計３１によって検出し、システムコントローラ
３２によって記憶しておく。

【００３２】つぎの動作として、図１１に示すように指
を操作パネル２の表面に近づけると指の誘電率は大きい
ため、指が接近した近傍の電極２１は静電容量が増加す
る。したがって、静電容量の増加分に応じて電極２１に
は一次的に電流が流れる。その電流値の変化を電流計３
１によって検出し、第１の値に対して設定したしきい値
を越えたとき、モニタ３３によってその位置を黒く表示
する。この動作を利用すると、たとえば操作パネル２の
上で指で文字を書くと、文字情報としてモニタ３３に表
示される。

【００３３】図１２は本発明による操作スイッチの動作
を説明するための図であり、左側が操作パネル、右側が
モニタ３３を表す。図のように操作パネル２の上で指を
なぞって数字の「１」を描くと、モニタに同様に数字の
「１」が表示される。すなわち、本発明によると操作パ
ネルの近傍で空中で指をなぞるだけで文字などを入力す
ることができる。すなわち、非接触式の入力タブレット
である。

【００３４】この装置を用いると、たとえばコンピュー
タやワープロなどの電子機器において文字を容易に手書
きで入力できる装置にも応用可能である。また、ＶＴＲ
やＴＶなどの家電品に適用すると、手を触れる事なく数
字や文字を入力し、チャンネルを変えることができた
り、全ての操作を非接触で行うことができる。また、自
動販売機や切符発売機などのように不特定多数の人が利
用する機器に適用すると、非接触で手を触れる事なく使
用できるため、不快感や不潔感がない。

【００３５】図１３は他の例による動作を説明するため
の図である。ここでは、操作パネル２の表面に手のひら
を近づけると、同様の動作原理により誘電体が接近した
電極のみ検出すことにより、手の形状を認識することが
できる。図では、画素の大きさが粗く、手の形状がはっ
きりしていないが、電極ピッチを細かくすることにより
精度良く認識することが可能になる。この装置による
と、例えば銀行での本人判別装置として利用できるほ
か、セキュリティシステムとして利用することもでき
る。

【００３６】また、この装置は誘電体が電極に接近した
際の静電容量の変化を利用しているため、特定の誘電率
を有する指に対してのみ動作するようにすることも可能
である。すなわち、漏れ電流のしきい値の設定によって
特定の人だけが操作することが可能になる。

【００３７】また、上記の実施例においては、電極をマ
トリクス状に二次元に配列する例を示したが、立体的に
電極を並べることにより三次元情報を入力したり、誘電
体の三次元形状を認識したりすることも可能である。

【００３８】実施例３．図１４は本発明による操作スイ
ッチを利用した照明装置の例を示す外観図である。図に
おいて、３４は蛍光灯であり、操作パネル２に設けられ
たＯＮ／ＯＦＦスイッチにより操作する。３０は、操作
パネル２用の電源、３１は電流計、３２はシステムコン
トローラである。

【００３９】上記の照明装置においては、前記実施例１
と同様の動作原理により、指を操作パネル２に近づける
ことによってＯＮ／ＯＦＦする。そのさい、誘電体が電
極２１に接近する距離によって、漏れ電流値の変化量が
異なる。誘電体が近づくほど漏れ電流値は大きくなる。
そこで、電流計３１で検出する静電容量の変化に対して
切換えのしきい値を大きく設定すると、ＯＮ／ＯＦＦス
イッチの感度が低くなり、指を確実に操作パネルに接近
させたときだけ動作する。逆に、切換えのしきい値を小
さく設定しておくと、例えば人が操作パネル２に近づく
だけで電源が入ったり、または人が部屋に入るだけで照
明装置をＯＮにすることができる。

【００４０】この照明装置の例から、たとえば交通制御
用の信号灯に本発明を用いると、夜間の人通りの少ない
ときに人が接近したときだけ自動的に信号が切り換わる
ようなシステムが可能である。

【００４１】また、自動ドアなどのように従来赤外線セ
ンサによって人の接近を感知していた装置に対して、本
発明を用いると同じ動作が期待できるとともに、漏れ電
流値が非常に小さいため従来の装置より低消費電力で実
現することができる。

【００４２】また、電極の静電容量は誘電体の接近に応
じて連続的に変化するため、静電容量の変化に応じてＴ
Ｖ画面の明るさを変化させるように構成すると、人が近
づくほど画面が暗くなり、人が遠ざかるほど画面が明る
くなるようにＴＶを動作させることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上にように、請求項１の発明によれ
ば、上記のように誘電体の接近を静電容量の変化から検
出することが可能なため、操作ボタンに触れることなく
非接触で容易に操作を行うことができる。また、構成が
簡単で機械的に変形する部分がないため、長期間の繰り
返し使用に対して安定した動作が期待できる。

【００４４】また、請求項２の発明によれば、複数箇所
の操作スィツチにおいて、誘電体の接近を連続して静電
容量の変化から検出できるため、非接触で連続して動作
を行うことができ、高速の連続操作が可能である。

【００４５】また、請求項３の発明によれば、誘電体が
接近した際の静電容量の変化のしきい値を変化させるこ
とにより感度の設定ができるため、近くからでも遠隔か
らでも操作が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による操作スイッチを組込んだ家庭用Ｖ
ＴＲの外観図である。

【図２】本発明による操作スイッチの構成を示すシステ
ム図である。

【図３】本発明による操作スイッチの部分断面図であ
る。

【図４】本発明による操作スイッチの動作状態の一例を
示す図である。

【図５】５つの操作スイッチに接続された電流計による
一連の動作のシーケンス図である。

【図６】本発明による操作スイッチの原理モデルの外観
図である。

【図７】図６の原理モデルの断面図である。

【図８】本発明による操作スイッチを用いた入力タブレ
ット装置のシステム図である。

【図９】図８におけるタブレット部の部品図である。

【図１０】タブレット部の部分拡大図である。

【図１１】動作状態を示すタブレットの一部を示す断面
図である。

【図１２】本発明による操作スイッチの動作を説明する
ための図である。

【図１３】他の例による動作を説明するための図であ
る。

【図１４】本発明による操作スイッチを利用した照明装
置のシステム図である。

【図１５】従来のビデオ一体形カメラの録画ボタンの斜
視図である。

【図１６】従来のビデオ一体形カメラの録画ボタンの断
面図である。

【符号の説明】

１ ＶＴＲ装置 ２ 操作パネル ２０ 表示部 ２１ 電極 ２２ 基板 ２３ ＰＥＴフイルム ２４ 絶縁物質 ３０ 電源 ３１ 電流計 ３２ システムコントローラ ３３ モニタ ３４ 照明装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電体からなる電極と、電源装置と、静
   電容量の変化を検出する手段を有し、前記電極に電源装
   置より所定の電圧を印加し安定した第１の状態から、前
   記電極近傍に誘電体を接近させ、その第２の状態での前
   記電極の静電容量の変化を検出し、前記第１の状態と第
   ２の状態の静電容量の変化量が、設定したしきい値を越
   えると切り換え状態を変化させることを特徴とする操作
   スイッチ。
2. 【請求項２】 導電体からなる電極を少なくとも複数列
   設ける操作スイッチであって、複数個の電極に同時また
   は連続して誘電体を接近させ、複数個のスイッチを切り
   換えることを特徴とする請求項１記載の操作スイッチ。
3. 【請求項３】 導電体からなる電極と、電源装置と、静
   電容量の変化を検出する手段を有し、前記電極に電源装
   置より所定の電圧を印加し安定した第１の状態から、前
   記電極近傍に誘電体を接近させ、その第２の状態での前
   記電極の静電容量の変化を検出し、前記第１の状態と第
   ２の状態の静電容量の変化量が、設定したしきい値を越
   えると切り換え状態を変化させるとともに、前記しきい
   値の値を複数組設定することにより切換えの感度を変え
   ることを特徴とする請求項１記載の操作スイッチ。