Capacitive switch device

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。

また、特許文献２には、２個の検知電極を使用することにより、静電容量式スイッチの動作領域を広げる技術が開示されている。

特開平５−２９８９７９号公報、段落００１２〜００１３，００１９，００２５、図１

特開平１０−６４３８６号公報、段落０００７〜０００８，００５５、図１

特許文献１に開示された静電容量式スイッチでは、透明電極に人体の一部を近づけると表示素子が表示されるだけで、たとえば暗所などにおけるスイッチの操作性を考慮したものではない。 また、特許文献２に開示されたものは、１つのスイッチ状態を検出するもので、こちらもスイッチの操作性を考慮したものではない。

これを解決するために本出願人は特願２００４−３１７５３７「静電容量スイッチ装置」を提案している（未公知）。 このスイッチでは、距離に対応する検出値のしきい値を複数設定し、第１のしきい値を超えたとき第１の点灯パターンで点灯し、第２のしきい値を超えたとき第２の点灯パターンで点灯する手段を備えていることを特徴とする。 本発明は、上述の技術を更に改良することを目的とする。

本発明に係る静電容量式スイッチ装置は、複数の検知電極と、これら複数の検知電極を共通に接続する第１の接続状態と、前記複数の検知電極をそれぞれ電気的に分離する第２の接続状態とを切り替えるスイッチと、前記第１の接続状態で前記共通接続された複数の検知電極と接続されて前記複数の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第１の検出値を出力する第１の静電容量検知回路と、前記第２の接続状態で前記各検知電極とそれぞれ接続されて前記各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第２の検出値を出力する複数の第２の静電容量検知回路と、前記第１の接続状態で前記第１の検出値と第１のしきい値とを比較し、前記第２の接続状態で前記第２の検出値と第２のしきい値との大小関係を比較し、これらの比較結果に基づいて所定の制御を実行する制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、近接する物体とスイッチ装置の距離が遠いときは、複数の検知電極を共通に接続する第１の接続状態に設定することにより、物体とスイッチ装置がある程度離れていても複数の検知電極によって静電容量を高感度に検出することができる。 また、物体とスイッチ装置との距離が近いときには、複数の検知電極をそれぞれ電気的に分離する第２の接続状態に設定することにより、操作者が選択可能なスイッチの数を増加させることができる。 このように、検知電極の面積を制御し、検知感度を調整することで常に安定した精度で物体の近接を検知し、正確なスイッチ操作を実現することができる。

以下、添付の図を参照して、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と、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２Ａ，同じく開口部２ｂ，２ｃを有する検知電極２Ｂ，２Ｃ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を配置し、更に検知電極２Ａの裏面側に光源５Ａを配置し、同じく検知電極２Ｂ，Ｃの裏面側に、光源５Ｂ，Ｃ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、光源５Ａ，Ｂ，Ｃ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。 バックライト用導光板４は、意匠板１の表面１ａにスイッチの位置をより鮮明に映し出すことができるように設置されている。 また、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃ及び光源５Ａ，Ｂ，Ｃは、各検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃで検知された検出値に応じて光源５Ａ，Ｂ，Ｃの点灯状態を制御し、外部にスイッチ出力を行うスイッチ回路１０に接続されている。

図２は、この静電容量式スイッチ装置を制御しているスイッチ回路１０の電気的構成を示すブロック図である。

検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃは、選択回路１８を介して静電容量検知回路９Ａ，Ｂ，Ｃ，１４に接続されている。 選択回路１８は、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃを検知回路９Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ１対１に接続するスイッチＳＷ１，２，３と、検知電極Ａ，Ｂ，Ｃを検知回路１４に共通に接続するスイッチＳＷ４とを有する。 ここで、ＳＷ１〜３がＯＦＦ，ＳＷ４がＯＮであるときを第１の接続状態とし、ＳＷ１〜３がＯＮ，ＳＷ４がＯＦＦであるときを第２の接続状態とする。

第１の接続状態のとき、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃは、すべてＳＷ４を介して静電容量検知回路１４に共通に接続されている。 検知回路１４は、例えば発振回路を内蔵し、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃによって生成される静電容量に応じてデューティー比が変化する信号を生成し、３つの検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃによって生成された静電容量の合計に応じた第１の検出値をコンパレータ１６に出力する。 コンパレータ１６は、一方に第１の検出値を入力し、他方に第１のしきい値を入力し、その大小関係を比較判定して判定結果を制御回路１２に出力する。

また、第２の接続状態のとき、検知電極２Ａは、ＳＷ１を介して静電容量検知回路９Ａに接続されている。 検知回路９Ａは、検知電極２Ａによって生成される静電容量に応じてデューティー比が変化する信号を生成し、検知電極２Ａと接地との間の静電容量に応じた第２の検出値をコンパレータ１１Ａに出力する。 コンパレータ１１Ａは、一方に検知回路９Ａから第２の検出値を入力し、他方に予め設定された第２のしきい値を入力し、その大小関係を比較判定して、判定結果を制御回路１２に出力する。 検知電極２Ｂ，Ｃも同様に、それぞれＳＷ２，ＳＷ３を介して検知回路９Ｂ，９Ｃに接続され、検知回路９Ｂ，９Ｃは、検知電極２Ｂ，２Ｃと接地との間の静電容量に応じた第２の検出値をコンパレータ１１Ｂ，Ｃに出力する。 コンパレータ１１Ｂ，Ｃは、一方に第２の検出値を入力し、他方に第２のしきい値を入力し、その大小関係を比較判定して、判定結果を制御回路１２に出力する。

制御回路１２は、コンパレータ１１Ａ，Ｂ，Ｃ及び１７から判定結果を入力し、それに応じて光源駆動回路１３Ａ，Ｂ，Ｃを駆動して光源５Ａ，Ｂ，Ｃを設定された点灯状態に点灯させると共に、選択回路１８に制御信号を出力してＳＷ１〜４のＯＮ／ＯＦＦ設定をして第１の接続状態又は第２の接続状態にし、更に図示しない外部回路にスイッチ出力を行う。

このように構成されたスイッチ装置の動作について説明する。

図３は、スイッチ装置の操作者がスイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃの中からスイッチ２０Ａを選択するときのスイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃの点灯状態を示す簡略化したスイッチ装置の上面図である。 操作者がスイッチ装置に近接していない状態では図３の（ａ）に示すように、すべてのスイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃが消灯している第１の点灯状態とし、操作者がスイッチ装置に近接したときは、図３の（ｂ）に示すように、すべてのスイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃを点灯する第２の点灯状態として操作者にスイッチ装置が有効になったことを知らせ、更に操作者の指等がスイッチ２０Ａに近接したときは、図３の（ｃ）に示すように、スイッチ２０Ａを点灯させ、スイッチ２０Ｂ，２０Ｃは消灯する第３の点灯状態として操作者にスイッチ２０Ａが選択されたことを表示する。 ここで、スイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃの点灯状態は、それぞれ各スイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃの裏側に設置されている光源５Ａ，Ｂ，Ｃの点灯状態によって実現される。

次に、このような動作を実現するスイッチ回路の具体的動作について説明する。 はじめに操作者がスイッチ装置に近づいていないときは、スイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃが消灯している第１の点灯状態とし、各スイッチＳＷ１〜４の設定は、ＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦ、ＳＷ４がＯＮである第１の接続状態とする。 このとき、すべての検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃは検知回路１４に共通に接続され、みかけの検知電極面積は大きくなり、高感度となる。

ここで、操作者がスイッチ装置を操作しようと、スイッチ装置に近接すると、各検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃの対接地静電容量が変化し、この結果、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃがすべて接続されている検知回路１４から出力される第１の検出値は、図４のように増加する。 コンパレータ１６は、検知回路１４からの第１の検出値が第１のしきい値を超えたら、制御回路１２に出力する判定結果の信号を反転させる。 制御回路１２は、このコンパレータ１６からの判定結果を入力すると、光源駆動回路１３Ａ，Ｂ，Ｃを駆動して光源５Ａ，Ｂ，Ｃを第２の点灯状態に制御すると共に、選択回路１８に制御信号を出力してＳＷ１〜３をＯＮにして、ＳＷ４をＯＦＦにして接続状態を第２の接続状態に設定し、更に、図示しない外部回路にスイッチ出力を行う。 ここで、第２の点灯状態において、光源５Ａ，Ｂ，Ｃがすべて点灯されると、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の裏側を照射するので、意匠板１の表面には、光透過パターン３ａが浮き上がって見える。 また、第２の接続状態に切り替わると、各検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれの検知回路９Ａ，Ｂ，Ｃに１対１で接続され、標準感度となる。

次に、操作者は浮き上がった光透過パターン３ａを確認し、スイッチ２０Ａ，Ｂ，Ｃの中からスイッチ２０Ａを選択しようとして、スイッチ２０Ａに近接すると、検知電極２Ａの人体等を介した対接地容量が変化する。 このとき、検知電極２Ａは、ＳＷ１を介して検知回路９Ａにのみ接続されているため、検知回路９Ａの対接地静電容量が変化し検知回路９Ａから出力される第２の検出値は増加する。 コンパレータ１１Ａは、検知回路９Ａからの第２の検出値が第２のしきい値を超えたら、制御回路１２に判定結果を出力する。 制御回路１２は、このコンパレータ１１Ａからの判定結果を入力すると、光源駆動回路１３Ａ，Ｂ，Ｃを駆動して光源５Ａ，Ｂ，Ｃを第３の点灯状態に制御すると共に、図示しない外部回路にスイッチ出力を行う。

このように構成されたスイッチ装置の効果について説明する。

指がスイッチ装置に接近していない状態では、すべての検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃが検知回路１４に接続している。 指がスイッチ装置から離れているときは、検知電極２Ａで検知する検出値が小さいため、指の接近を検知するのが困難であるが、すべての検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃを１つの検知回路１４に接続することにより、みかけの検知電極面積を大きくし、指がスイッチ装置に接近するのを高感度で検知することができる。

また、操作者がスイッチ２０Ａに指を近づいたときは検知電極２Ａの静電容量のみを検知回路９Ａで検知し、検知電極面積を小さくし、指がスイッチ装置に接近するのを標準感度で検知する。 指の近接により検出値が大きくなると、選択するスイッチの周辺に設置されている他のスイッチの検知回路の静電容量が増し、誤ったスイッチが選択されてしまう可能性があるが、このように、標準感度に設定することによりこのような誤動作を防止することができる。

以上のように、指の接近に応じて検知電極面積を変化させ、静電容量を検知する感度を高感度及び標準感度に切り替えることにより、常に安定した精度で指の接近を検知し、正確なスイッチ操作を実現することができる。

図５は、他の実施形態に係るスイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。 これは、第１の実施形態における表示用マスク板３を設置せずにスイッチ装置を構成した例である。 この場合、検知電極２Ａ，Ｂ，Ｃの中央の開口部２ａ, ｂ，ｃがマスクとして機能し、光源５Ａ，Ｂ，Ｃが点灯することで矩形の光を意匠板１の表面１ａに映し出す。

図６は、更に、他の実施形態に係る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、第１の実施形態における光源５Ａ，Ｂ，Ｃに加えて、光源６Ａ，Ｂ，Ｃを設置した例である。 この場合、操作者がスイッチ装置に近づいたときは、光源５Ａ，Ｂ，Ｃをすべて点灯し、更に指が接近していずれかのスイッチが選択されたときには、選択したスイッチの裏に配置してある光源６Ａ，Ｂ，Ｃの１つを点灯する。 ここで、光源５Ａ，Ｂ，Ｃと、光源６Ａ，Ｂ，Ｃの発光色を変えておくと、更に操作確認がしやすくなる。 図７は、この実施形態に適用されるスイッチ回路３０の構成例を示したものである。 光源駆動回路１９Ａは、制御回路１２３からの入力に応じて、光源５Ａ及び５Ｂの点灯制御を行う。 同様に光源駆動回路１９Ｂ，Ｃは、光源５Ｂ及び６Ｂ，光源５Ｃ及び６Ｃの点灯制御を行う。

図８は、更に、他の実施形態に係るスイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。 第１の実施形態における光源５Ａに代えて、照光手段を３つのＲＢＧ三原色の光源５Ａｒ，５Ａｂ，５Ａｇで構成したものである。 また、光源５Ｂ，Ｃに関しても同様に、光源５Ｂ，Ｃに代えて、ＲＢＧ三原色の光源５Ｂｒ，５Ｂｂ，５Ｂｇ及び光源５Ｃｒ，５Ｃｂ，５Ｃｇ構成する。 この場合、判定結果に応じて、複数の光源の輝度，色，照光時間及び点灯パターンの少なくとも１つを制御する。 これにより、操作状態に応じて色や輝度が様々に変化し、操作性を向上させることができる。 図９は、この実施形態に適用されるスイッチ回路４０の構成例を示したものである。 光源駆動回路２１Ａは、制御回路１２４からの入力に応じて光源５Ａｒ，５Ａｂ及び５Ａｇの点灯制御を行う。 光源駆動回路２１Ｂ，Ｃも同様に、光源５Ｂｒ，５Ｂｂ及び５Ｂｇ、５Ｃｒ，５Ｃｂ及び５Ｃｇの点灯制御を行う。

図１０は、第１の実施形態における検知回路及びコンパレータの共有化を図ることにより、回路構成を単純化した他の実施形態の回路構成を示したものである。 検知電極５Ａは、ＳＷ１を介して検知回路９Ａに接続し、更にＳＷ３〜５を介して検知回路９Ｃに接続する。 検知電極５Ｂは、ＳＷ２を介して検知電極９Ｂに接続し、更にＳＷ３，５を介して検知電極９Ｃに接続する。 検知電極９Ｃは、ＳＷ３を介して検知回路９Ｃに接続する。 この場合、指がスイッチ装置から離れているときは、ＳＷ１，２をＯＦＦ、ＳＷ３〜４をＯＮにする第１の接続状態とし、指がスイッチ装置に接近し、指と検知電極９Ｃから出力される第１の検出値が第１の判定電圧を超えると、制御回路１２５は、選択回路２２を駆動して、ＳＷ１〜３をＯＮ、ＳＷ４，５をＯＦＦにする第２の接続状態にする。 第１の接続状態では、検知電極Ａ，Ｂ，Ｃを検知回路９Ａに共通に接続し、第２の接続状態では、各検知電極Ａ，Ｂ，Ｃと各検知回路９Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ接続する。

図１１は、更に、他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、１６（４×４）個の検知電極を用いて、３段階の階層化を実施した例である。 意匠板１の裏には、１６個の検知電極２と、更に検知電極２の下にはそれぞれ光源５が設置され、意匠板１と検知電極２の間には、上からスイッチの位置を表示するマスクパターン１７ａを有するマスク板１７と、マスク板１７の下に導光板４を設置してなる。 また、１６個の検知電極は、このスイッチ装置を制御するスイッチ回路６０に接続されている。

図１２は、スイッチ回路６０の電気的構成を示すブロック図である。

スイッチ回路６０に接続される１６個の検知電極２Ａ〜２Ｐは、ＳＷ１〜１６を介してスイッチ回路６０が有する検知回路９Ａ〜９Ｐにそれぞれ１対１で接続されている。 また、隣接する検知電極２Ａ〜２Ｐ間には、それぞれＳＷ１７〜３１が介挿されている。

はじめに、ＳＷ１及びＳＷ１７〜３１をＯＮ、その他をＯＦＦにすることで、１６個の検知電極２Ａ〜２Ｐは、検知回路９Ａに共通接続する。 このときを第１の接続状態とする。 検知回路９Ａからの第１の検出値はコンパレータ１１Ａで第１のしきい値と比較される。 次に、ＳＷ１，５，９，１３，１７〜１９，２１〜２３，２５〜２７，２９〜３１をＯＮ、その他をＯＦＦとすることで、検知電極２Ａ〜２Ｐのうち、隣接する４つずつが、それぞれ検知回路９Ａ，９Ｅ，９Ｉ，９Ｍに共通に接続される。 このときを、第２の接続状態とする。 検知回路９Ａ，９Ｅ，９Ｉ，９Ｍからの第２の検出値は、各検知回路９Ａ，９Ｅ，９Ｉ，９Ｍに接続されているコンパレータ１１Ａ，１１Ｅ，１１Ｉ，１１Ｍで第２のしきい値と比較される。 更に、ＳＷ１〜１６をＯＮ，その他をＯＦＦとすることで、検知電極２Ａ〜２Ｐは、検知回路９Ａ〜９Ｐにそれぞれ１対１で接続される。 このときを、第３の接続状態とする。 検知回路９Ａ〜９Ｐからの第３の検出値は、検知回路９Ａ〜９Ｐに接続されているコンパレータ１１Ａ〜１１Ｐで第３のしきい値と比較される。

第１〜３の接続状態において、制御回路１２６は、各コンパレータ１１Ａ〜１１Ｐから入力する判定結果に応じて選択回路２３を駆動し、ＳＷ１〜３１のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより第１〜３の接続状態を設定すると同時に、光源駆動回路１３Ａ〜１３Ｐを駆動して光源５Ａ〜５Ｐの点灯制御を行い、図１３に示すように、第１の接続状態では（ａ），第２の接続状態では（ｂ），第３の接続状態では（ｃ）のように点灯状態を設定する。

本実施例では、しきい値を３つ設け３段階の階層化を行ったが、電極の分割の仕方や階層数を様々に変えて、本発明を実施することが可能である。

図１４は、更に、他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。

本実施例は、検知電極をＩＴＯ，ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ等の検知電極部材２４によって構成したものである。 検知電極部材２４は、文字や記号からなるインジケータが表面に形成された透明フィルム２４Ｅ上に透明導電膜からなる内部検知電極２４Ａ，Ｂ，Ｃを設置し、更にすべての内部検知電極２４Ａ，Ｂ，Ｃの外側を囲むように同じく透明導電膜からなる外周検知電極２４Ｄを配置してなる。 また内部検知電極２４Ａ，Ｂ，Ｃ及び外周検知電極２４Ｄは、すべてスイッチ回路７０に接続されている。

図１５は、スイッチ回路７０の電気的構成を示すブロック図である。

操作者がスイッチ装置から離れているときは、ＳＷ１〜３をＯＦＦ，ＳＷ４をＯＮとする第１の接続状態に設定し、内部検知電極２４Ａ，Ｂ，Ｃ及び外周検知電極２４Ｄを検知回路１４に共通に接続する。 また、第１の接続状態において操作者がスイッチ装置に近接し、検知回路１４から出力される検出値が第１のしきい値を超えると、ＳＷ１〜３をＯＮ，ＳＷ４をＯＦＦとする第２の接続状態に設定し、内部検知回路２４Ａ，Ｂ，Ｃを検知回路９Ａ，Ｂ，Ｃに１対１になるように接続する。

このように、内部検知電極２４Ａ，Ｂ，Ｃに加えて、外周検知電極２４Ｄを設置することで、操作者がスイッチ装置から離れていても操作者の近接を高感度に検知することができる。

本実施例において、各しきい値付近で検出値が頻繁に変動するような場合は、スイッチが何度も切り替わることを防ぐために、コンパレータにヒステリシス特性を持たせることが好ましい。

本実施例において、各ＳＷは、ＦＥＴや一般的なアナログスイッチを適用することができる。

本発明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。

同装置の上面から見た概要図である。

同装置における距離と検出値の関係を示すグラフである。

他の実施例に係るスイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。

更に、他の実施例に係る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。

更に、他の実施例に係る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。

同装置の他の電気的構成を示すブロック図である。

更に、他の実施例に係るスイッチ装置の構成を示す分解斜視図である。

同装置の他の電気的構成を示すブロック図である。

同装置の上面から見た概要図である。

更に、他の実施例に係る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。

符号の説明

１…意匠板、２…検知電極、３，１７…表示用マスク板、４…バックライト導光板、５，６…光源、１０，３０，４０，５０，６０，７０…スイッチ回路、９，…静電容量検出回路、１１，１６，…コンパレータ、１２，１２３〜１２６…制御回路、１３，１９，２１…光源駆動回路、１８，２２，２３…選択回路，２０…スイッチ、２４…検知電極部，６１〜６４グループ回路。