WO2017163436A1 - 感圧式静電スイッチおよび電気装置 - Google Patents

Abstract

感圧式静電スイッチは、基準電位に接続され、操作領域を有する導電板と、前記導電板に対して対向するように配される電極と、前記導電板と前記電極との間に介在される弾性体とを備える。

Description

感圧式静電スイッチおよび電気装置

　本発明は、感圧式静電スイッチおよび電気装置に関する。

　近年、モバイル機器や携帯電話機器、カーナビゲーション装置などが備える液晶表示素子等の表示素子上に、操作入力を検出するためのタッチスイッチが配置されたタッチパネル（タッチスクリーンなどとも称される）が広く普及している。タッチスイッチの一つの方式として、静電容量方式のタッチスイッチが提案されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
　静電容量方式のタッチスイッチの原理について、図１を参照して概略的に説明する。図１に示すように、一般的なタッチスイッチ１は、絶縁体の操作パネル２と電極３が形成された回路基板４とが対向配置されている。タッチスイッチ１では、指Ｆを近づけた場合の電極３と指Ｆとの静電容量変化を捉えることにより、タッチ操作がなされたことおよび操作がなされた箇所を検出する。そして、検出に応じた処理がなされることにより、タッチスイッチ１がスイッチとして機能する。

特開２００７−１３４２７８号公報

　タッチスイッチ１のような一般的な静電容量方式のタッチスイッチは、指Ｆを操作パネルに近接させる若しくは指を操作パネルに軽く接触させるだけで入力が可能となり、操作性を向上させることができる。一方で、不用意に指を近づけるだけで意図しない入力（処理）が行われてしまうという問題があった。また、静電容量の変化を捉えることができない理由により操作パネルの材料として金属等の導電体を使用することができないという問題があった。このため、特許文献１に記載されているように、絶縁材に金属粒子を添加して金属調とすることができるに留まり、美観、デザイン性や質感の向上、タッチスイッチの用途等に限界が画されてしまうという問題があった。
　したがって、本発明の目的の一つは、操作領域に金属等の導電板を使用可能とした感圧式静電スイッチおよび当該感圧式静電スイッチを備える電気装置を提供することにある。

　上述した課題を解決するために、本発明は、例えば、基準電位に接続され、操作領域を有する導電板と、導電板に対して対向するように配される電極と、導電板と電極との間に介在される弾性体とを備える感圧式静電スイッチである。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、弾性体における操作領域に対応した位置に開口が形成されていてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、導電板が光透過部を有する構成でもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、電極および発光素子が設けられた回路基板を備え、発光素子は、当該発光素子から出射された光が光透過部および開口を介して視認できる位置に配設されていてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、弾性体における操作領域に対応した位置に凹部が形成されていてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、導電板は、金属板により構成されていてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、導電板は、絶縁部材と絶縁部材のおける少なくとも電極と対向する箇所に形成された導電層とを備えていてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチにおいて、弾性体により導電板が支持されていてもよい。
　本発明は、上述した感圧式静電スイッチを備える電気装置でもよい。

　本発明によれば、感圧式静電スイッチの操作領域に金属等の導電板を使用できる。また、指等が近接または接触しただけで意図しない入力がなされてしまうことを防止することができる。なお、本明細書において例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

　図１は、一般的な静電容量方式のタッチスイッチを説明するための図である。
　図２Ａは、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの外観例を示す図である。
　図２Ｂは、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの構成例を示す図である。
　図３Ａは、一実施形態に係る導電板を示す図である。
　図３Ｂは、一実施形態に係る回路基板を示す図である。
　図３Ｃは、一実施形態に係る弾性体を示す図である。
　図４は、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの構成例を示す図である。
　図５は、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの動作例を説明するための図である。
　図６は、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの電気的構成例を示す図である。
　図７は、一実施形態に係る感圧式静電スイッチの電気的な他の構成例を示す図である。
　図８は、変形例の説明図である。
　図９Ａおよび図９Ｂは、変形例の説明図である。

　以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。説明は以下の順序で行う。
＜１．一実施形態＞
＜２．変形例＞
　但し、以下に示す実施形態等は、本発明の技術思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明は例示された構成に限定されるものではない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものではない。特に、実施形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置、上下左右等の方向の記載等は特に限定する旨の記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがあり、また、図示が煩雑となることを防止するために、参照符号の一部のみを図示する場合もある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一つの部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一つの部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
＜１．一実施形態＞
「感圧式静電スイッチの全体構成について」
　図２Ａは、本発明の一実施形態に係る感圧式静電スイッチ（感圧式静電スイッチ１０）の外観例を示す斜視図である。図２Ａに示すように、感圧式静電スイッチ１０は、例えば、全体として薄板状を成している。
　図２Ｂは、感圧式静電スイッチ１０の構成例を説明するための図（断面的に示した図）である。感圧式静電スイッチ１０は、例えば、導電板２０と、回路基板３０と、弾性体４０とを有している。導電板２０の一面が操作領域面２１ａとされており、図２Ｂの上方から指、ペン等の操作体により操作領域面２１ａに対する押圧操作（押下操作）がなされる。導電板２０には、具体的な操作領域を示す加工が施されており、これらが参照符号２２ａ、２２ｂ・・２２ｅにより適宜簡略化されて示されている。
　回路基板３０には、所定数（本実施形態では、５個）の電極３１（３１ａ、３１ｂ・・３１ｅ）が形成されており、これらの電極３１が導電板２０の対向面２１ｂ（操作領域面２１ａと反対側の面）と対向するように配されている。
　導電板２０と回路基板３０との間に弾性体４０が介在している。弾性体４０には、例えば開口４１（４１ａ、４１ｂ・・４１ｅ）が形成されている。本実施形態における感圧式静電スイッチ１０は、導電板２０と弾性体４０とが両面等テープ等により接着されており、導電板２０が弾性体４０により支持された構成を成している。
「導電板について」
　次に、感圧式静電スイッチ１０の各部について図３Ａ乃至図３Ｃを参照して詳細に説明する。図３Ａは、一実施形態に係る導電板２０を示す図である。導電板２０は、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属から構成されており、全体として薄板状を成す金属板である。導電板２０は、押圧操作により対向面２１ｂ側がやや凸になるように撓む程度の厚み（例えば、０．３~０．５ｍｍ（ミリメートル））とされている。
　感圧式静電スイッチ１０の用途に応じた加工が導電板２０に対して施されることで、ユーザは具体的な操作領域およびその操作領域を押下したときに実行される処理を認識することができる。図３Ａは、感圧式静電スイッチ１０が、オーディオの再生態様を変化させるスイッチとして使用される場合の導電板２０に施される加工例を示している。例えば、オーディオを再生／再生停止するためのボタンを模したボタン加工２２ａと、オーディオ再生を早送りするためのボタンを模したボタン加工２２ｂと、次の曲（トラック）に遷移するための曲送りボタンを模したボタン加工２２ｃと、オーディオ再生を戻すためのボタンを模したボタン加工２２ｄと、前の曲（トラック）に遷移するための曲戻しボタンを模したボタン加工２２ｅが導電板２０に対して施されている。
　本実施形態では、導電板２０に貫通孔を形成することで各ボタン加工２２が施されている。この貫通孔を介して後述する発光素子が発光した光をユーザが視認することができる。すなわち、導電板２０が有するボタン加工２２が光透過部として機能している。
「回路基板について」
　次に、一実施形態に係る回路基板３０について説明する。図３Ｂは、一実施形態に係る回路基板３０を示す図である。回路基板３０には、導電板２０における操作領域と対向する位置若しくは当該位置の近傍の位置に矩形状の電極３１が形成されている。
　さらに、本実施形態に係る回路基板３０には発光素子が設けられている。発光素子は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）から構成されており、例えば導電板２０における操作箇所に対応した数の５個のＬＥＤ３２（３２ａ、３２ｂ・・３２ｅ）が回路基板３０に設けられている。ＬＥＤ３２は、ＬＥＤ３２が発光（出射）した光が開口４１およびボタン加工２２を介してユーザが視認できる位置に設けられており、一例として電極３１の近傍に設けられている。例えば、略矩形の電極３１ａの中央にＬＥＤ３２ａが設けられている。同様に、他の電極の略中央にＬＥＤがそれぞれ設けられている。ＬＥＤ３２は、マイクロコンピュータ等の図示しない制御回路に接続されており、当該制御回路によりＬＥＤ３２を点灯／消灯させる制御が行われる。
「弾性体について」
　次に、一実施形態に係る弾性体４０について説明する。図３Ｃは、一実施形態に係る弾性体４０を示す図である。弾性体４０は、例えば、厚みが１．０~数ｍｍ程度の薄板状のゴムシートにより構成されている。弾性体４０は、押圧操作に応じて局所的に変形し、押圧操作後に変形箇所が復元するものであればゴムに限定されるものではない。弾性体４０には、導電板２０における操作領域に対応する位置に円形の開口４１が形成されている。
　図４は、上述した導電板２０、回路基板３０および弾性体４０が積層して配置され一体化された感圧式静電スイッチ１０を導電板２０側から見た図である。例えば、導電板２０におけるボタン加工２２ａが施された位置と対向する位置に電極３１ａおよびＬＥＤ３２ａが配されており、ボタン加工２２ａと電極３１ａ等との間に弾性体４０の開口４１ａが位置している。また、例えば、導電板２０におけるボタン加工２２ｂが施された位置と対向する位置に電極３１ｂおよびＬＥＤ３２ｂが配されており、ボタン加工２２ｂと電極３１ｂ等との間に弾性体４０の開口４１ｂが位置している。他の箇所についても同様である。ボタン加工２２の箇所に対する押圧操作がなされると、押圧操作がなされた箇所の直下に位置するＬＥＤ３２が発光する。ＬＥＤ３２からの光が開口４１およびボタン加工２２を透過する。ユーザは、この光を視認することで入力が受け付けられたことを認識することができ、感圧式静電スイッチ１０を照光式スイッチとして構成することが可能となる。
「感圧式静電スイッチの動作例」
　次に、図５を参照して、感圧式静電スイッチ１０の動作例について説明する。以下では、導電板２０におけるボタン加工２２ａが施された操作領域に対して押圧操作がなされた例について説明する。ボタン加工２２ａが施された操作領域に対して押圧操作がなされる。この押圧操作は、導電板２０を所定以上撓ますことができる程度の力を必要とする操作である。すなわち、感圧式静電スイッチ１０は、近接または触れるだけでは反応しないスイッチである。
　導電板２０における押圧操作がなされた箇所（以下、操作箇所と適宜称する）が撓み、それに連動して操作箇所の下方付近に位置する弾性体４０が撓む。導電板２０における操作箇所が撓むことで、当該操作箇所と電極３１ａとの間の距離が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出ことにより、操作箇所を検出することができる。
　導電板２０と回路基板３０との間に弾性体４０が介在しない場合には、操作箇所と電極３１との間の静電容量の変化が小さくその変化を検出することが困難である。しかしながら、弾性体４０を介在させることにより、押圧操作がなされたことによる操作箇所と他の箇所との相対的な位置の変位を大きくすることができ、操作箇所における静電容量の変化を大きくすることができる。したがって、操作箇所と電極３１との間の静電容量の変化を確実に検出することができ、当該操作箇所を正確に特定することができる。
　さらに、本実施形態では、操作領域（ボタン加工２２ａ）に対応した位置、具体的には、ボタン加工２２ａの直下に開口４１ａが位置し、スペースが形成された構成としている。このため、操作箇所が他の箇所に比べてより撓むようにすることができる。このため、操作箇所と他の箇所との相対的な位置の変位をより大きくすることができ、操作箇所における静電容量の変化をより大きくすることができる。
　操作箇所が検出されると、図示しない制御回路によりＬＥＤ３２ａを発光（点灯）させる制御が実行される。弾性体４０には開口４１ａが形成され、且つ、導電板２０には貫通孔であるボタン加工２２ａが形成されているので、ＬＥＤ３２ａが発光した光をユーザが視認することができ、あたかもボタン加工２２ａが点灯したように感じることができる。
「電気的な構成について」
　図６は、感圧式静電スイッチ１０の電気的な構成例を示す図である。接地電位（グランド）とした低圧基準電源線ＧＮＤと高圧基準電源線ＶＣＣが、静電容量検出コントローラ５０に接続されている。静電容量検出コントローラ５０は、例えば回路基板３０に実装されている。導電板２０が低圧基準電源線ＧＮＤに接続されている。導電板２０と各電極３１との間の静電容量Ｃ（Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄ、Ｃｅ）が模式的に示されている。静電容量Ｃ［Ｆ（ファラド）］は、下記の数式（１）により求めることができる。
　Ｃ＝ε_０ε_ｒ・（Ｓ／ｄ）　　　　　　　　　　（１）
　なお、数式（１）におけるＳは電極の面積［ｍ^２］、ｄは金属板間距離［ｍ］を示している。またε_０は真空の誘電率（８．８５４×１０^−１２）であり、ε_ｒは比誘電率であり空気の場合は、ε_ｒ≒１．０である。
　数式（１）において、Ｓ、ε_０、ε_ｒは一定の値である。押圧操作により距離ｄのみが変化し、この変化により静電容量Ｃも変化する。静電容量検出コントローラ５０は、導電板２０と電極３１との間の静電容量Ｃの変化に応じて操作箇所を判別する。なお、静電容量検出コントローラ５０が静電容量Ｃの変化を検出する方式としては、弛張発振方式、チャージトランスファ方式、ＣＳＡ（ＣａｐＳｅｎｃｅ　Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）方式、直列容量分圧比較方式等、公知の方式を適用することができる。
　図７は、感圧式静電スイッチ１０の電気的な他の構成例を示す図であり、感圧式静電スイッチ１０が静電容量検出コントローラ５１を備えている例である。なお、同図に示す構成は、本発明者が既に提案しているものであり、その詳細は、特許公開公報（特開２０１６−９４５２号）として開示されている。同公報に記載の事項は、本発明に適用することができる。静電容量検出コントローラ５１によれば、微小な静電容量も検出できるので、僅かな撓みによる静電容量の変化も検出することができる。
　以上説明した一実施形態に係る感圧式静電スイッチによれば、操作領域に金属等から成る導電板を使用することができる。このため、美観、デザイン性、質感等を従来よりも向上させることができ、タッチスイッチとしての用途を拡大することができる。また、導電板を撓ますことができる程度の一定以上の力が入力操作に必要とされるため、指等を不用意に近づけることにより誤入力がなされてしまうことを防止することができる。さらに、上述した一実施形態で説明された作用効果を奏するために特別な部品を多数使用する必要もなく、シンプルな構成の感圧式静電スイッチにより本発明を実現することができる。
「応用例」
　本発明は、上述した感圧式静電スイッチ１０を備える電気装置として実現することができる。感圧式静電スイッチ１０が組み込まれる電気装置としては、例えば、一定以上の力での押圧操作が必要とされる装置、換言すれば、安全性等の観点から近接または触れるだけで入力がなされてしまうのが不向きな機器を挙げることができる。このような電気装置として、具体的には、冷蔵庫、ガスやＩＨ型キッチン、電子レンジ等の調理機器、ポット、車載装置、照明機器、扇風機等の空調機器、食器乾燥機等を挙げることができる。
＜２．変形例＞
　以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
　導電板２０は、金属板に限定されることはない。例えば、図８に示すように、薄板状の絶縁部材２３と当該絶縁部材２３における少なくとも電極３１と対向する箇所に形成された導電層２４とを備えたものでもよい。導電層２４は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜により形成することができる。導電層２４が接地電位等の基準電位に接続される。なお、図８に示すように、導電層２４は、絶縁部材２３の電極３１と対向する対向面全体にわたって形成されていてもよい。絶縁部材２３は、板状、フィルム状その形状は任意の形状とすることができる。なお、この場合、絶縁部材２３をガラス、アクリル等の光透過性部材により構成することにより、導電板２０全体を光透過部として機能させることができる。すなわち、光透過部は導電板２０に形成された貫通孔に限定されるものではない。また、導電板２０が光透過部を有しない構成でもよい。
　上述した実施形態において、導電板２０における操作領域の数は適宜、変更することができる。また、導電板２０における操作領域を識別するための手段（識別手段）は、ボタン加工２２のような貫通孔に限定されることはなく、装飾シート等を貼付するようにしてもよいし、導電板２０をプレス加工してもよいし、これらを組み合わせたものでもよい。また、導電板２０における操作領域は、上述した識別手段を含んでいなくてもよいし、導電板２０全体が操作領域とされていてもよい。識別手段は、矩形、三角等の単純な形状でもよく、操作領域を押下したときに実行される処理を示すものでなくてもよい。
　上述した実施形態では、基準電位の一例として、導電板２０が接続される低圧基準電源線の電位を接地電位としたが、所定のレベルの定電位等、他の基準電位であってもよい。
　上述した実施形態では、回路基板３０における電極３１を略矩形の形状として示しているが、円形、楕円形、三角形等、その形状は適宜変更することができる。
　上述した実施形態では、導電板２０における操作領域（ボタン加工２２）の数と電極３１の個数とが一致しているが、それらの数が必ずしも一致している必要はない。複数の電極が１つの操作領域に対応するようにしてもよい。
　回路基板３０に設けられる発光素子の種類や個数、発光態様は適宜変更することができ、また、発光素子が回路基板３０に設けられていなくてもよい。また、発光素子が操作の有無に関わらず電源がオンされたときから常に点灯するようにしてもよい。
　弾性体４０の開口４１は、円形に限らず図９Ａに示すように矩形でもよいし、楕円形、三角形等、その形状は適宜、変更することができる。また。開口４１に代えて、導電板２０から回路基板３０に向かう方向に凹となる凹部が弾性体４０に形成されていてもよいし、図９Ｂに示すように、それら開口や凹部がない一様な平面のものでもよい。
　弾性体４０は、ゴムに限定されることはなく、バネ、スポンジ等を使用することも可能である。例えば、弾性体４０として複数のバネが使用される場合には、それら複数のバネが電極３１の近傍にそれぞれ配設するようにしてもよい。
　上述した感圧式静電スイッチ１０は、オン／オフのスイッチに限定されるものはない。例えば、導電板２０の撓み量に応じた静電容量の変化を段階的に検出し、当該段階的な変化量に応じた制御が実行されるようにしてもよい。また、静電容量の段階的な変化に応じて、ＬＥＤ３２の発光強度や色等が段階的に変化するようにしてもよい。
　また、上述した感圧式静電スイッチ１０は、操作領域を一列に配置しているが、操作領域を複数の列に、すなわち、２次元的に配置してもよい。
　感圧式静電スイッチ１０の形状は薄板状に限定されることはなく、円筒形、球形等適宜な形状により構成することもできるし、それに応じて導電板２０等の形状も適宜な形状により構成することができる。また、感圧式静電スイッチ１０を縦向きや斜めに配置して水平方向や斜め方向に押圧操作がなされるようにしてもよい。この場合、感圧式静電スイッチ１０の各構成（導電板２０、回路基板３０および弾性体４０等）が所定の支持部材により支持される構成でもよい。
　回路基板３０にバイブレータやアクチュエータを配設し、押圧操作に応じて当該操作がなされた箇所を振動等させるフィードバック動作が行われるようにしてもよい。
　上述の実施形態および変形例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよく、公知のもので置き換えることも可能である。また、実施形態および変形例における構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、技術的な矛盾が生じない範囲において、互いに組み合わせることが可能である。

　１０・・・感圧式静電スイッチ
　２０・・・導電板
　２２・・・ボタン加工
　３０・・・回路基板
　３１・・・電極
　３２・・・ＬＥＤ
　４０・・・弾性体
　４１・・・開口

Claims (9)

1. 基準電位に接続され、操作領域を有する導電板と、
   前記導電板に対して対向するように配される電極と、
   前記導電板と前記電極との間に介在される弾性体と、
   を備える感圧式静電スイッチ。
2. 前記弾性体における前記操作領域に対応した位置に開口が形成されて成る請求項１に記載の感圧式静電スイッチ。
3. 前記導電板が光透過部を有する構成を成している請求項２の記載の感圧式静電スイッチ。
4. 前記電極および発光素子が設けられた回路基板を備え、
   前記発光素子は、当該発光素子から出射された光が前記光透過部および前記開口を介して視認できる位置に配設されて成る請求項３に記載の感圧式静電スイッチ。
5. 前記弾性体における前記操作領域に対応した位置に凹部が形成されて成る請求項１に記載の感圧式静電スイッチ。
6. 前記導電板は、金属板により構成されて成る請求項１乃至５のいずれか１項に記載の感圧式静電スイッチ。
7. 前記導電板は、絶縁部材と前記絶縁部材のおける少なくとも前記電極と対向する箇所に形成された導電層とを備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の感圧式静電スイッチ。
8. 　前記弾性体により前記導電板が支持された構成を成す請求項１乃至７のいずれか１項に記載の感圧式静電スイッチ。
9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の感圧式静電スイッチを備える電気装置。

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