(57)【要約】【課題】操作体による様々な操作を検出することが可能な感圧式静電スイッチ装置を提供する。【解決手段】操作体による操作の対象となる絶縁パネルと、絶縁パネルの裏面に操作領域と対応して設けられた検出電極と、回路基板上に検出電極と対向して配設された駆動電極と、駆動電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、検出電極から受信信号を取り出す受信信号検出部を有する回路装置とを備え、回路装置が受信信号検出部により検出された受信信号を解析して、絶縁パネル対する操作体の絶縁パネルへの近接、タッチ及び押し込みを検出するようにした感圧式静電スイッチ装置である。【選択図】図５
2019029160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作体による操作の対象となる絶縁パネルと、
前記絶縁パネルの裏面に操作領域と対応して設けられた検出電極と、
回路基板上に前記検出電極と対向して配設された駆動電極と、
前記駆動電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、前記検出電極から受信信号を取り出す受信信号検出部を有する回路装置とを備え、
前記回路装置が前記受信信号検出部により検出された受信信号を解析して、前記絶縁パネル対する前記操作体の前記絶縁パネルへの近接、タッチ及び押し込みを検出するようにした感圧式静電スイッチ装置。
【請求項２】
前記絶縁パネルの前記検出電極の近傍に配設され、前記交流信号供給部から前記交流信号が供給される他の駆動電極を有する請求項１に記載の感圧式静電スイッチ装置。
【請求項３】
前記検出電極が複数であって、前記検出電極のうち少なくとも２つに対して共通の前記駆動電極が配設された請求項１又は２に記載の感圧式静電スイッチ装置。
【請求項４】
分離された前記駆動電極が配設された請求項１又は２に記載の感圧式静電スイッチ装置。
【請求項５】
前記駆動電極が前記検出電極と１対１に対応して設けられた請求項４に記載の感圧式静電スイッチ装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の感圧式静電スイッチ装置を有する電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧式静電スイッチ装置及び電気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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及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。
【０００４】
一方、特許文献２には、金属箔と、絶縁層と、センサー素子（金属電極）と、回路基板を積層した構成が示されている。金属表面が基準電位（グラウンド電位）とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３４２７８号公報
【０００６】
【特許文献２】特表２００７−５２０１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、特許文献２は、金属箔を指で押すことによってギャップが変化することを検出するもので、特許文献２には指などの操作体のタッチ検出（近接検知を含む）を行うことについては記載されていない。
【０００８】
したがって、本発明の目的の一つは、タッチ検出（近接検知を含む）及び押し込み検出の両方の検出が可能な感圧式静電スイッチ装置及び当該感圧式静電スイッチ装置を有する電気装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
操作体による操作の対象となる絶縁パネルと、
絶縁パネルの裏面に操作領域と対応して設けられた検出電極と、
回路基板上に検出電極と対向して配設された駆動電極と、
駆動電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、検出電極から受信信号を取り出す受信信号検出部を有する回路装置とを備え、
回路装置が受信信号検出部により検出された受信信号を解析して、絶縁パネル対する操作体の絶縁パネルへの近接、タッチ及び押し込みを検出するようにした感圧式静電スイッチ装置である。
また、本発明は、上述した感圧式静電スイッチ装置を有する電気装置であっても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、タッチ検出（近接検知を含む）と押し込み検出の両方を行うことができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一般的な静電容量方式のタッチスイッチ装置を説明するための図である。
【図２】図２は、第１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３】図３は、第１実施形態に係る感圧式静電スイッチの変形例の説明に使用する断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る弾性シートの変形例を示す平面図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る感圧式静電スイッチ装置の電気的な構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る感圧式静電スイッチの等価回路を示す回路図である。
【図７】図７は、第２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８】図８は、第２実施形態に係る感圧式静電スイッチ装置の電気的な構成例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第３実施形態に係る感圧式静電スイッチの構成例の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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．第１実施形態＞
＜２．第２実施形態＞
＜３．第３実施形態＞
＜４．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。
【００１３】
＜１．第１実施形態＞
「感圧式静電スイッチ装置の構成」
図２は、本発明の第１実施形態に係る感圧式静電スイッチ装置１０の外観例を示す斜視図及び一部断面図である。感圧式静電スイッチ装置１０は、全体として薄板状を成している。破線で示すように、感圧式静電スイッチ装置１０は、複数例えば５個の静電スイッチ１１ａ，１１Ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ（個々の静電スイッチを区別する必要がない場合は静電スイッチ１１と称する）を備えている。
【００１４】
静電スイッチ１１は、回路基板２０と、ゴムなどの弾性を有する絶縁体である弾性シート３０と、絶縁パネルとしての操作パネル４０が積層された構成とされている。操作パネル４０は、操作体による操作、具体的には、操作体の近接若しくはタッチ、又は操作体の押し込み（これらが組み合わされたものでも良い）の対象とされるものである。操作パネル４０は、非金属、例えば、プラスチック、ガラス等である。回路基板２０、弾性シート３０及び操作パネル４０は、両面テープ、接着剤などにより貼り合わされる。回路基板２０上に駆動電極としての共通基板電極２１が形成され、操作パネル４０の裏面に検出電極としての操作パネル電極４１が形成されている。
【００１５】
操作パネル電極４１は、操作パネル４０の凹み、撓みなどの変形に対して追従可能とされている。共通基板電極２１と操作パネル電極４１が弾性シート３０を挟んで対向する。各操作パネル電極４１は、例えば円形状とされている。操作パネル電極４１は、円形以外の矩形などの形状であっても良い。共通基板電極２１は、操作パネル電極４１の直径とほぼ等しい幅の帯状の形状を有し、全ての操作パネル電極４１と対向している。
【００１６】
操作パネル４０の表面が静電スイッチ１１を操作するための操作領域面とされており、上方から指Ｆ、ペン等の操作体により所望の静電スイッチの１１に対してタッチ検出（近接検知を含む）、又は押圧操作（押下操作）がなされる。押圧操作によって操作パネル４０の操作領域が下方に凹む（又は撓む）。操作パネル４０の表面（操作領域面）には、各静電スイッチと対応して操作領域を示す加工例えば静電スイッチの機能を表す表示の印刷が施されている。
【００１７】
図２に示すように、操作パネル４０の操作領域に指Ｆが触れたこと又は指Ｆが近接したことを指Ｆと操作パネル電極４１との間の浮遊容量の変化として捉えることができる。さらに、指Ｆが操作パネル４０を押し込むと、操作パネル電極４１と共通基板電極２１の間の距離が小さくなる。したがって、操作パネル電極４１と共通基板電極２１と弾性シート３０により構成される浮遊容量の変化として操作パネル４０の押し込みを捉えることができる。
【００１８】
このように、本発明の第１実施形態によれば、タッチ検出（近接検知を含む）と押し込み検出の両方が可能である。かかる検出によって２段階の制御が可能となる。例えば操作パネル４０を光透過性の材質によって形成し、タッチ検出（近接検知を含む）によって操作領域の全体を複数のＬＥＤ(Light Emitting Diode)の点灯によって明るく表示する。さらに、押し込みが検出される時には、当該スイッチの操作領域のみを点灯し，当該スイッチと対応する制御を行うようになされる。常時、操作パネル全体を明るく表示することによる電力消費を防止でき、また、押し込み動作を必要とするので、スイッチ操作をより確実なものとできる。ＬＥＤは、共通基板電極２１に切欠きを形成し、切欠き内の回路基板２０上に配設することができる。
【００１９】
なお、図３に示すように、弾性シート３０を設けずに、図示しないスペーサによって、共通基板電極２１と操作パネル電極４１が空気層５０を挟んで対向するようにしても良い。但し、上述したように、弾性シート３０を介在させる構成は、操作パネル４０の静電スイッチ１１の部分を押し下げた時に、その部分のみが局所的に撓みやすくなるという効果がある。
【００２０】
さらに、図４に示すように、弾性シート３０に静電スイッチ１１ａ〜１１ｅとそれぞれの操作領域と対応する位置に穴３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｅ（個々の穴を区別する必要がない場合は穴３１と称する）を形成してもよい。穴３１を設けることによって、回路基板２０上に設けたＬＥＤの光を対応する静電スイッチ１１の操作領域のみに誘導することができる。このＬＥＤによって、押し込み操作された静電スイッチの操作領域のみを明るく表示することができる。また、全てのＬＥＤを点灯させることによって、操作パネル全体を明るく表示することができる。
【００２１】
「感圧式静電スイッチ装置の電気的な構成について」
図５は、感圧式静電スイッチ装置１０の電気的な構成（回路装置）の一例を示すブロック図である。発振回路６２によって共通基板電極２１を駆動する駆動信号（交流信号）が形成される。駆動信号は、正弦波でも矩形波やその他のひずみ波でもかまわない。駆動信号が共通基板電極２１に供給される。発振回路６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１によって制御される。
【００２２】
共通基板電極２１と操作パネル電極４１ａ〜４１ｅの間には、浮遊容量Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅが存在する。駆動信号が浮遊容量Ｃａ〜Ｃｅを通じてマルチプレクサ６３に供給される。マルチプレクサ６３が受信信号を順次切り替えて取り出し増幅回路６４に供給する。受信信号は、浮遊容量Ｃａ〜Ｃｅのそれぞれの値に応じたレベルの信号が時分割多重されたものである。浮遊容量Ｃａ〜Ｃｅは、押し込み操作に応じて共通基板電極２１と操作パネル電極４１ａ〜４１ｅの間の距離が変化するのに対応して変化する。この距離が小さくなると、浮遊容量Ｃａ〜Ｃｅの値が大きくなる。
【００２３】
さらに、操作パネル電極４１と操作体例えば指Ｆの間に浮遊容量Ｃ０が存在する。操作パネル電極４１に伝わった受信信号が浮遊容量Ｃ０によって吸収され、減衰する。指Ｆが操作パネル電極４１に近接し又は操作パネル電極４１にタッチすると、当該操作パネル電極との間の浮遊容量Ｃ０が増大するので、受信信号レベルがさらに大きく減衰し、タッチの場合に減衰量がほぼ最大となる。
【００２４】
さらに、指Ｆが押し込む動作を行うと、共通基板電極２１と操作パネル電極４１の間の距離が小さくなり、両電極で形成される浮遊容量が増加する。よって操作パネル電極４１の受信信号レベルが増加に転ずる。すなわち、タッチ操作（近接操作を含む）によって受信信号レベルが減衰し、押し込み操作によって受信信号レベルが増加する。
【００２５】
増幅回路６４は、マルチプレクサ６３からの受信信号を増幅する。増幅回路６４の出力信号がＡ／Ｄ(Analog to Digital)変換回路６５に供給され、デジタル受信信号に変換され、デジタル受信信号がＣＰＵ６１に供給される。マルチプレクサ６３に加え、増幅回路６４及びＡ／Ｄ変換回路６５を含む構成が受信信号検出部に対応する構成であっても良い。増幅回路ＣＰＵ６１では、各操作パネル電極のデジタル受信信号を解析することによって、タッチ検出（近接検知を含む）と押し込み検出を行う。ＣＰＵ６１においてなされた検出結果がインターフェースを介してホスト例えば電気装置のシステムコントローラに送信される。ＣＰＵ６１とホストの間では双方向通信がなされる。
【００２６】
また、指Ｆの押し込みの操作の力によって電極間の距離の変動が相違し、浮遊容量も相違する。しかも、押し込み操作の指の位置、又は指の接触面積によっても浮遊容量が変化する。この浮遊容量の変化は、受信信号のレベルのアナログ的な変化となるので、段階的な入力操作が可能となる。例えば時計の時刻合わせや、ビデオ録画／再生機器の早送り、早戻しなどの速度を指の押す力によって変えることができる。
【００２７】
「感圧式静電スイッチ装置の等価回路」
次に、図６の等価回路を参照して、感圧式静電スイッチ装置１０について説明する。図６中の表記は以下の通りである。なお、図６は、１個の静電スイッチに関する等価回路を示す。
【００２８】
浮遊容量ＣE ：共通基板電極２１及び操作パネル電極４１間に形成される浮遊容量
浮遊容量ＣM ：操作体（例えば指Ｆ）及び操作パネル電極４１間に形成される浮遊容量
ｖi ：駆動信号
ｖo ：受信信号
ｉ  ：回路を流れる電流
【００２９】
一般的に静電容量Ｃは、式（１）で表すことができる。
【００３０】
【数１】
2019029160.tif 000003
【００３１】
なお、数式（１）におけるＳは電極の面積［ｍ2 ］、ｄは電極間距離［ｍ］を示している。またε0は真空の誘電率（８．８５４ｘ１０-12 ）であり、εrは比誘電率であり空気の場合は、εr=１．０である。
【００３２】
図６の回路構成において、キルヒホッフの第２法則より、式（２）及び式（３）が成り立つ。
【００３３】
【数２】
2019029160.tif 000004
【数３】
2019029160.tif 000005
【００３４】
式（２）及び式（３）より受信信号ｖo は、式（４）及び式（５）で示すものとなる。
【００３５】
【数４】
2019029160.tif 000006
【数５】
2019029160.tif 000007
【００３６】
式（５）から分かるように、指Ｆが操作パネル４０に接近して操作パネル電極４１及び指Ｆ間の浮遊容量ＣMが大きくなると、受信信号ｖo が減衰し、そのレベルが小さくなる。さらに、指Ｆが操作パネル４０を押し込むと、操作パネル電極４１及び共通基板電極２１間の浮遊容量ＣEが大きくなる。その結果、受信信号ｖo が大きくなる。このような受信信号ｖo のレベル変化を検出することによってタッチ検出（近接検知を含む）と押し込み検出とを独立して行うことができる。
【００３７】
＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第２実施形態に適用することができる。
【００３８】
第２実施形態による感圧式静電スイッチ装置１０Ａは、図７に示すように、共通基板電極２１を分割し、操作パネル電極４１のそれぞれと（１対１に）対向する円形状の分離基板電極２２を回路基板２０上に形成したものである。なお、第１実施形態と同様に、弾性シート３０に対して穴３１を形成しても良い。また、弾性シート３０を空気層としても良い。
【００３９】
「電気的な構成について」
図８は、第２実施形態に係る感圧式静電スイッチ装置１０Ａの電気的な構成（回路装置）の一例を示すブロック図である。感圧式静電スイッチ装置１０Ａの構成において、第１実施形態に係る感圧式静電スイッチ装置１０の構成と異なる点は、分離基板電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅに対して、駆動信号をデマルチプレクサ６６によって時分割方式で供給するようにした点である。
【００４０】
感圧式静電スイッチ装置１０Ａの基本的な動作（タッチ検出（近接検知を含む）及び押し込み検出の動作）は、第１の実施形態による感圧式静電スイッチ装置１０と同様であるので重複した説明を省略する。第２の実施形態では、駆動信号の供給を時分割で行うので、複数の静電スイッチ間の分離度を良好とすることができ、受信信号のノイズを低減することができる。
【００４１】
＜３．第３実施形態＞
次に、第３実施形態について図９を参照して説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第３実施形態に適用することができる。図９に示すように、操作パネル４０の裏面に操作パネル電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ、４１ｅを形成するとともに、これらの操作パネル電極４１ａ〜４１ｅの近傍を取り囲むように、線状の駆動信号用電極４３が配設される。発振回路６２から駆動信号用電極４３に対しても駆動信号が供給される。他の構成は、上述した第１の実施形態又は第２の実施形態と同様とされる。
【００４２】
図９の構成によれば、共通基板電極２１又は分離基板電極２２に加えて駆動信号用電極４３に対しても駆動信号を供給することができるので、タッチ検出（近接検知を含む）の感度を向上させることができる。
【００４３】
「応用例」
本発明は、上述した感圧式静電スイッチ装置１０、１０Ａ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装置１０、１０Ａが組み込まれる電気装置としては、オーディオ／ビジュアル機器、モバイル機器、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。
【００４４】
＜４.変形例＞
以上、本発明の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。
【００４５】
感圧式静電スイッチ装置は、検出電極を複数設けた場合、複数の検出電極のうち少なくとも２つの検出電極に対して共通の駆動電極が配設された構成であっても良い。
【００４６】
また、上述した実施形態において、操作領域の数は適宜、変更することができる。また、操作パネルにおける操作領域を識別するための手段（識別手段）は、印刷又は装飾シート等を貼付するようにしても良い。
【００４７】
上述した感圧式静電スイッチ装置は、オン／オフのスイッチに限定されるものはない。例えば、操作パネルの凹み量に応じた浮遊容量の変化を段階的に検出し、浮遊容量の段階的な変化に伴う信号レベルの変化に応じて、ＬＥＤの発光強度や色等が段階的に変化するようにしても良い。
【００４８】
また、上述した感圧式静電スイッチ装置は、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良い。
【００４９】
感圧式静電スイッチ装置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。また、感圧式静電スイッチ装置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良い。この場合、感圧式静電スイッチ装置の各構成が所定の支持部材により支持される構成でも良い。
【００５０】
上述の実施形態及び変形例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及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、材料及び数値などを用いても良く、公知のもので置き換えることも可能である。また、実施形態及び変形例における構成、方法、工程、形状、材料及び数値などは、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。
【符号の説明】
【００５１】
１０，１０Ａ・・・感圧式静電スイッチ装置、２０・・・回路基板、２１・・・共通基板電極、２２・・・分離基板電極、３０・・・弾性シート、３１，３１ａ〜３１ｅ・・・穴、４０・・・操作パネル、４１・・・操作パネル電極、４３・・・駆動信号用電極、５０・・・空気層、６１・・・ＣＰＵ、６２・・・発振回路
【図１】
2019029160.tif 000008
【図２】
2019029160.tif 000009
【図３】
2019029160.tif 000010
【図４】
2019029160.tif 000011
【図５】
2019029160.tif 000012
【図６】
2019029160.tif 000013
【図７】
2019029160.tif 000014
【図８】
2019029160.tif 000015
【図９】
2019029160.tif 000016