JP2008282724A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プッシュ操作時の操作感が良く、また、その改善が容易に行えるスイッチ装置を提供する。
【解決手段】
タッチ操作に基づく静電容量結合を形成する金属膜２２が全表面に形成されたノブ２１を有し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位するタッチスイッチ部２００Ａと、ノブ２１のプッシュ操作に伴ってタッチスイッチ部２００Ａを介してプッシュ操作されるプッシュスイッチ部２０１Ａと、ノブ２１の下面側に金属膜２２を介して設けられた絶縁体２３と、ノブ２１の下面側の金属膜２２と対向し、金属膜２２と静電容量結合する導電パターン２４ａに形成された電極２４ｂと、導電パターン２４ａが設けられたＦＰＣ２４とを備えたことを特徴とするスイッチ装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチ装置に関し、特にスイッチ操作部材へのタッチ操作状態及びプッシュ操作状態を検出するための機能を備えたスイッチ装置に関する。

従来のスイッチ装置として、例えば、操作者によってスイッチ操作部材を操作したときに第１操作状態と第２操作状態を検出するものがある（特許文献１）。

このスイッチ装置は、操作キーを有するキーパッドと、スイッチ用電極及び接点電極を有するドーム型スイッチと、変位電極及び容量素子用電極を有する容量素子と、容量素子及びドーム型スイッチを搭載するフレキシブルプリント基板とを備えている。

キーパッドは、操作キーのプッシュ操作によって弾性変形し、ドーム型スイッチを下方にプッシュする。ドーム型スイッチは、操作キーのプッシュ操作力をキーパッドから受けてスイッチ用電極が下方に変位し、接点電極にタッチする。これにより、操作キーの第１操作状態が第１の処理回路によって検出される。容量素子は、キーパッドに作用した操作キーのプッシュ操作力をドーム型スイッチから受けて変位電極が変位し、容量素子用電極に接近する。これにより、変位電極と容量素子用電極との間に形成されるコンデンサの静電容量が変化し、操作キーの第２操作状態が第２の処理回路によって検出される。フレキシブルプリント基板は、折り返して配置され、スペーサを介して対向する固定部と折り返し部を有している。固定部の折り返し部側には容量素子の容量素子用電極が搭載されている。折り返し部の固定部側には容量素子の変位電極が、またそのキーパッド側にはドーム型スイッチがそれぞれ搭載されている。

以上の構成において、操作キーがプッシュ操作されると、キーパッドが弾性変形して撓み、ドーム型スイッチを下方にプッシュする。このため、ドーム型スイッチのスイッチ用電極が下方に変位して接点電極にタッチし、操作キーの第１操作状態が検出される。この後、引き続いて操作キーがプッシュ操作されると、操作キーの第１操作状態を保持しつつ、フレキシブルプリント基板が弾性変形して撓み、容量素子を下方にプッシュする。このため、容量素子の変位電極が下方に変位して容量素子用電極に接近し、操作キーの第２操作状態が検出される。
特開２００４−４５２４３号公報

しかし特許文献１のスイッチ装置によると、プッシュ操作するとき、フレキシブルプリント基板が弾性変形させなければならないため、操作感が良くなく、また、操作感を改善することも困難であった。

従って、本発明の目的は、プッシュ操作時の操作感が良く、また、その改善を容易に行えるスイッチ装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、タッチ操作に基づく第１の静電容量結合を形成する第１の電極が全表面に形成されたノブを有し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位する第１のスイッチ部と、前記ノブのプッシュ操作に伴って前記第１のスイッチ部を介してプッシュ操作される第２のスイッチ部と、前記ノブの下面側に前記第１の電極を介して設けられた絶縁部材と、前記ノブの下面側の前記第１の電極と対向し、前記第１の電極と第２の静電容量結合する第２の電極と、前記第２の静電容量結合を介して前記第２の電極と電気的に接続する配線部が設けられた基板とを備えたことを特徴とするスイッチ装置スイッチ装置を提供する。

上記した構成によれば、プッシュ操作時の操作感が良く、また、その改善を容易に行うことができる。

本発明によると、プッシュ操作時の操作感が良く、また、その改善を容易に行うことができる。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の後述する図２のＡ−Ａ線断面図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の使用状況を示す図である。なお、以下の図は概念図であり、各パーツの寸法は図の縮尺に関係ない。

車両１は、図２に示すように、２つのスイッチを有するスイッチ装置２と表示画面３を備えており、表示画面３には、カーソル３０と、メニュー３１とが表示されている。図２は、メニュー３１の「テレビ」をカーソル３０にて選択した場合を表している。本実施の形態において、スイッチ装置２は、２つのスイッチを有して構成されるが、スイッチが１つでも、或いは複数でも良い。

（スイッチ装置２の全体構成）
スイッチ装置２は、第１のスイッチ２Ａ及び第２のスイッチ２Ｂの２つのスイッチから構成され、第１のスイッチ２Ａは、更に第１のスイッチ部としてのタッチスイッチ部２００Ａと第２のスイッチ部としてのプッシュスイッチ部２０１Ａから構成される。同様に、第２のスイッチ２Ｂは、タッチスイッチ部２００Ｂとプッシュスイッチ部２０１Ｂから構成される。

スイッチ装置２は、合成樹脂等で形成された筐体２０と、筐体２０に設けられたノブ挿通孔２０ａ、第１の開口２０ｂ及び第２の開口２０ｃと、金属スパッタリング及び導電メッキ等の方法によって第１の電極としての金属膜２２が全表面に形成されたノブ２１と、ノブ２１の下面の金属膜２２と電極２４ｂの間に設けられた絶縁部材としての絶縁体２３と、ＦＰＣ２４に設けられ、第２の電極としての電極２４ｂを有する配線部としての導電パターン２４ａと、弾性を有し、表面に導電パターン２４ａと第１の開口２０ｂに対応した位置に湾曲部２４ｃが設けられた基板としてのＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ；フレキシブルプリント基板）２４と、ＦＰＣ２４が接続されるコネクタ２５と、ＦＰＣ２４と可動電極２７ａの間に設けられた絶縁体２６と、導電性を有する弾性体である導電性ラバー２７と、導電性ラバー２７に設けられた可動電極２７ａと、基板２８上の可動電極２７ａと対向する位置に設けられた固定電極２８ａと、基板２８に設けられた後述する静電容量ＩＣと接続し、導電パターン２４ａ及び後述する静電容量ＩＣ等が設けられた基板２８とによって概略構成されている。なお、第２のスイッチ２Ｂは、上記の第１のスイッチ２Ａと同様の構成及び機能を有しているので、以下の説明において、第１のスイッチ２Ａについて説明する。

（ノブ２１の構成）
ノブ２１は、図１に示すように、ノブ挿通孔２０ａを挿通し、筐体２０に出没自在に配設され、全体が筐体２０と同様に合成樹脂材料によって形成されている。そして、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位するように構成されている。ノブ２１は、その表面に形成された金属膜２２に操作者の手指がタッチすることによって、電極２４ｂと静電容量結合し、タッチスイッチ部２００Ａを形成するように構成されている。

（ＦＰＣ２４の構成）
ＦＰＣ２４は、筐体２０に設けられた第１の開口２０ｂ及び第２の開口２０ｃを貫通してコネクタ２５に接続している。また、操作者の手指のプッシュ動作によって、ノブ２１が、プッシュ方向に変位するとき、ＦＰＣ２４は、プッシュ方向に力を受け変位するが、湾曲部２４ｃを設けることで、ＦＰＣ２４がプッシュ方向に応力を受けることによるコネクタ２５からの抜けを防止し、また、金属膜２２と電極２４ｂとの静電容量結合を維持するように構成されている。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る導電パターンの概略図である。ＦＰＣ２４の表面には、図３に示す導電パターン２４ａが形成されており、この導電パターン２４ａの電極２４ｂと金属膜２２とで静電容量結合する。このような構成によれば、ノブ２１のプッシュ方向の変位に対して、電極２４ｂと金属膜２２との距離が変化しないため、安定した静電容量結合を維持することができる。また、静電容量結合としたことで、金属膜２２と導電パターン２４ａを接続する手間が省けるので、組み立ても容易になる。

（導電性ラバー２７の構成）
導電性ラバー２７は、例えば、導電性と弾性を兼ね備えた導電性ゴムと絶縁性を備えた絶縁性ゴムによって形成され、基板２８に設けられた固定電極２８ａに対向する位置に可動電極２７ａが形成され、第１のスイッチ２Ａと第２のスイッチ２Ｂの間に絶縁性ゴムによって形成された絶縁部２７ｂを設けて、絶縁部２７ｂの両端部付近で基板２８の接地パターンに接続されている。また、導電性ラバー２７の可動電極２７ａ近傍は、操作者のプッシュ操作によって屈曲した状態に弾性変形し、かつノブ２１のプッシュ操作解除によって屈曲した状態から弾性復帰するように構成されている。

可動電極２７ａは、ノブ２１のプッシュ操作のとき、基板２８に設けられた固定電極２８ａと電気的に接続する。この電気的な接続によって、静電容量検出ＩＣ１０から分圧された電圧がゼロになり、ノブ２１のプッシュ操作状態が検出される。なお、本実施の形態において、導電性ラバー２７は、導電性ゴムによって形成されるが、導電性を有しないゴム及び金属等の弾性部材でこれらを形成し、配線によって電気的に接続する構成でも良い。

（コンデンサの構成）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置のブロック図である。コンデンサＣ１は、金属膜２２及び電極２４ｂによって形成され、静電容量結合によって、操作者の手指及び金属膜２２で形成されるコンデンサＣ２と電気的に接続されている。コンデンサＣ１の静電容量結合によって金属膜２２と電極２４ｂとを直接接続することなく、回路を形成することができるので、プッシュ操作時の操作感に影響することがなく、また、接点不良による誤動作を抑えることができる。

操作者の手指が、第１のスイッチ２Ａのノブ２１に形成された金属膜２２にタッチしたとき、操作者の手指及び金属膜２２によって形成されるコンデンサＣ２とコンデンサＣ１は、図４に示すように、直列接続される。このとき、コンデンサＣ１とＣ２の合成コンデンサＣ３の静電容量は、次のように表すことができる。
Ｃ３＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・Ａ
本実施の形態において、コンデンサＣ２の静電容量は、１から数ｐＦであるのに対して、金属膜２２及び電極２４ｂの静電容量結合により形成されるコンデンサＣ１の静電容量は、間に介在する絶縁体２３の厚みや金属膜２２及び電極２４ｂの大きさを調整することで、数百ｐＦとコンデンサＣ２の静電容量よりも２桁大きい値、例えば１００倍程度に設定されている（Ｃ１＞＞Ｃ２）。よって、Ｃ１はＣ２に比べて十分に大きい値であるので、上記Ａより合成コンデンサＣ３の静電容量は、コンデンサＣ２の静電容量に等しいとみなすことができる（Ｃ３≒Ｃ２）。

（静電容量ＩＣ１００の構成）
静電容量ＩＣ１００は、例えば１００ｋＨｚの高周波信号（Ｖｏ）を出力する発振部１００Ａと、例えば１００ｋΩの抵抗値を有する負荷抵抗１００Ｂと、発振部１００Ａから出力された高周波信号の平滑化を行うダイオード１００Ｃと、例えば２ｋＨｚ以下の信号を通過させるＬＰＦ１００Ｄと、オペアンプ１００Ｅとから構成されている。静電容量ＩＣ１００は、コントローラ１２０に接続され、本実施の形態においては、第２のスイッチ２Ｂは、別の静電容量ＩＣが接続されているものとする。オペアンプ１００Ｅは、増幅及びオフセットが行われた信号（Ｖｏｕｔ）として発振部１００Ａからの高周波信号をコントローラ１２０に出力する。タッチスイッチ部２００ＡとしてのコンデンサＣ２は、金属膜２２及び操作者（手指）によって形成されており、プッシュスイッチ部２０１Ａは、可動電極２７ａ及び固定電極２８ａで構成されている。タッチスイッチ部２００Ａ及びプッシュスイッチ部２０１Ａからの出力信号は、重畳されて信号線２００及び静電容量ＩＣ１００を介してコントローラ１２０に出力される。

（コントローラ１２０の構成）
コントローラ１２０は、図４に示すように、後述する各種しきい値等を記憶するメモリ１２１を有し、判断手段及び制御手段として機能する車両用ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からなり、車両１に配設されている。判断手段としてのコントローラ１２０は、メモリ１２１に記憶された各種しきい値に基づいて静電容量ＩＣ１００からの重畳された出力信号を判断する。制御手段としてのコントローラ１２０は、例えば、静電容量ＩＣ１００からの重畳された出力信号の判断結果に基づいて表示画面３に表示されたメニュー３１の選択及び決定を判断し、その結果を表示画面３に出力する。

（スイッチ装置２の動作）
図５は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の動作を説明するために用いる信号波形図である。図５（ａ）は、タッチ操作による静電容量ＩＣの検出信号を、図５（ｂ）は、その出力信号を、図５（ｃ）は、プッシュ動作による静電容量ＩＣの検出信号を、図５（ｄ）は、その出力信号をそれぞれ示している。以下の実施の形態においては、操作者が、スイッチ装置２に触れない状態で出力される基準電圧１１０を２ｖ、タッチ用しきい値４０を１．５ｖ、プッシュ用しきい値５０を０．５ｖとしている。

図１に示すように、ノブ２１に形成された金属膜２２が操作者の手指によってタッチ操作されると、静電容量ＩＣ１００の発振部１００Ａから出力された高周波信号が、コンデンサＣ３のインピーダンスと負荷抵抗１００Ｂとで分圧（Ｖｃ）してダイオード１００Ｃで整流され、ＬＰＦ１００Ｄでフィルタされた後、オペアンプ１００Ｅに入力する。この場合、図５（ｂ）に示すタッチ区間におけるオペアンプ１００Ｅに入力される高周波信号のレベルは、金属膜２２に手指が触れていない場合のレベルと比べて小さくなる。そして、オペアンプ１００Ｅからコントローラ１２０に信号（Ｖｏｕｔ）として入力する。このとき、金属膜２２が操作者の手指によってタッチ操作される前に比べて、オペアンプ１００Ｅから出力される信号（Ｖｏｕｔ）には、電位差Ａが生じる。電位差Ａは、タッチ操作される前の電圧である基準電圧１１０と、タッチ又はプッシュ操作された後に静電容量ＩＣ１００から出力される電圧である検出電圧１１１との差である。

コントローラ１２０は、タッチ用しきい値４０及びプッシュ用しきい値５０と、電位差Ａに基づいて、操作者が、金属膜２２に触れたか否か、又はプッシュ操作したか否かを判断する。図４（ｂ）に示す電位差Ａは、基準電圧１１０とタッチ用しきい値４０との差より大きく、基準電圧１１０とプッシュ用しきい値５０との差よりも小さいので、コントローラ１２０は、タッチ区間において操作者による手指のタッチ操作状態（入状態）と判断し、例えば、図１に示す表示画面３に表示されたカーソル３０が指示するメニュー３１が選択されたとして表示画面３に表示された「テレビ」を選択状態にする。

一方、ノブ２１が操作者の手指によってプッシュ操作されると、ノブ２１が下方に変位し、これに伴い可動電極２７ａが屈曲した状態に弾性変形し、可動電極２７ａが固定電極２８ａに電気的に接触、つまり、図５に示すプッシュ区間においてプッシュスイッチ部２０１Ａが入状態になる。そのとき、導電性ラバー２７の一端が、接地されていることから、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、電位差Ｂは２ｖになる。

コントローラ１２０は、タッチ用しきい値４０及びプッシュ用しきい値５０と、電位差Ｂに基づいて、操作者が、金属膜２２に触れたか否か、又はプッシュ操作されたか否かを判断する。図４（ｄ）に示す電位差Ｂは、基準電圧１１０とプッシュ用しきい値５０との差よりも大きいので、コントローラ１２０は、操作者によるプッシュ操作状態と判断し、例えば図１に示す表示画面３に表示されたメニュー３１が選択・決定されたとして表示画面３の表示状態をテレビに変更する。

[第１の実施の形態の効果]
上記した実施の形態によると、部品点数を削減でき、また、構造を簡素化することができるので、コストの低廉化を図ることができる。更に、タッチスイッチ部２００Ａと静電容量ＩＣ１００との電気的接続をコンデンサＣ１で行うことによりノブ２１のプッシュ操作の操作感に影響与えることなくプッシュ操作を検出することができ、また、非接触状態であるので組み付け性と耐久性を向上させることができる。更に、操作者のプッシュ操作を行うときの操作感は、プッシュスイッチ部２０１Ａのプッシュ操作に伴う操作感と同様になるので、プッシュスイッチ部２０１Ａのプッシュ操作時の操作感の設計を行うだけで所望の操作感を実現することが可能になる。

[第２の実施の形態]
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るスイッチ装置の図２のＡ−Ａ線断面図であり、図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＦＰＣの平面図であり、図７（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る組み付けに関する図であり、図７（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＦＰＣの平面図である。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成及び機能を有する部分については共通の符号を付して詳細な説明は省略し、異なる部分のみ説明する。

（ノブ２１の構成）
ノブ２１は、凹部２１ａを有し、凹部２１ａには、第１の実施の形態と同様に金属膜２２が形成されている。

（ＦＰＣ２４の構成）
ＦＰＣ２４は、図７（ａ）に示すように、切かき２４０ａが形成され、谷線２４１に沿って屈折し、屈折部２４０ｂがＦＰＣ２４に対して垂直方向に屈折するよう構成されている。屈折部２４０ｂには、電極２４ｂが形成されており、ノブ２１の凹部２１ａに形成された金属膜２２と静電容量結合し、金属膜２２と導電パターン２４ａを電気的に接続する。

（ノブ２１の組み付け）
ノブ２１の組み付けは、図７（ｂ）に示すように、挿入部材２１ｂをＦＰＣ２４の切かき２４０ａの下側からノブ２１の凹部２１ａに、図７（ｂ）の矢印Ｘの方向に挿入して行われる。このように組み付けることによって、金属膜２２と電極２４ｂとで形成されるコンデンサＣ１が、プッシュ操作時においても安定し、プッシュ操作時の誤作動を抑えることができる。

（屈折部２４０ｂの変形例）
第１の実施の形態において述べたように、静電容量結合によって形成されるコンデンサＣ１の静電容量が大きいほうが、安定にタッチ操作を検出することができるので、屈折部２４０ｂに形成される電極２４ｂの面積が大きいほうが良い。よって、ＦＰＣ２４に切かき２４０ａを設けるのではなく、図７（ｃ）に示すように屈折部２４０ｂを設けることで、電極２４ｂの面積を自由に変更できるので、コンデンサＣ１の静電容量を更に大きくすることができる。

[第２の実施の形態の効果]
上記した実施の形態によると、コンデンサＣ１の静電容量を大きくできるので、誤作動を抑えることができ、また、組み付けも容易になる。

上記した実施の形態においてプッシュスイッチ部２０１Ａは、変位量を電気信号に変換する磁気センサ及び超音波センサ等のセンサを用いても良い。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の後述する図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の使用状況を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る導電パターンの概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るスイッチ装置の動作を説明するために用いる信号波形図であり、（ａ）は、タッチ操作による静電容量ＩＣの検出信号を、（ｂ）は、その出力信号を、（ｃ）は、プッシュ動作による静電容量ＩＣの検出信号を、（ｄ）は、その出力信号をそれぞれ示している。 本発明の第２の実施の形態に係るスイッチ装置の図２のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＦＰＣの平面図であり、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る組み付けに関する図であり、（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＦＰＣの平面図である。

符号の説明

１…車両、２…スイッチ装置、２Ａ…第１のスイッチ、２Ｂ…第２のスイッチ、３…表示画面、２０…筐体、２０ａ…ノブ挿通孔、２０ｂ…第１の開口、２０ｃ…第２の開口、２１…ノブ、２１ａ…凹部、２１ｂ…挿入部材、２２…金属膜、２３…絶縁体、２４ａ…導電パターン、２４ｂ…電極、２４ｃ…湾曲部、２５…コネクタ、２６…絶縁体、２７…導電性ラバー、２７ａ…可動電極、２７ｂ…絶縁部、２８…基板、２８ａ…固定電極、３０…カーソル、３１…メニュー、４０…タッチ用しきい値、５０…プッシュ用しきい値、１００…静電容量ＩＣ、１１０…基準電圧、１１１…検出電圧、１００Ａ…発振部、１００Ｂ…負荷抵抗、１００Ｃ…ダイオード、１００Ｄ…ＬＰＦ、１００Ｅ…オペアンプ、１２０…コントローラ、１２１…メモリ、２００…信号線、２００Ａ、２００Ｂ…タッチスイッチ部、２０１Ａ、２０１Ｂ…プッシュスイッチ部、２４０ａ…切かき、２４０ｂ…屈折部、２４１…谷線、Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ、Ｃ３…合成コンデンサ、Ａ、Ｂ、Ｃ…電位差、Ｘ…矢印、

Claims (3)

1. タッチ操作に基づく第１の静電容量結合を形成する第１の電極が全表面に形成されたノブを有し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位する第１のスイッチ部と、
   前記ノブのプッシュ操作に伴って前記第１のスイッチ部を介してプッシュ操作される第２のスイッチ部と、
   前記ノブの下面側に前記第１の電極を介して設けられた絶縁部材と、
   前記ノブの下面側の前記第１の電極と対向し、前記第１の電極と第２の静電容量結合する第２の電極と、
   前記第２の静電容量結合を介して前記第２の電極と電気的に接続する配線部が設けられた基板と
   を備えたことを特徴とするスイッチ装置。
2. 下面に凹部が形成され、タッチ操作に基づく第１の静電容量結合を形成する第１の電極が全表面に形成されたノブを有し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位する第１のスイッチ部と、
   前記ノブのプッシュ操作に伴って前記第１のスイッチ部を介してプッシュ操作される第２のスイッチ部と、
   前記ノブの凹部に対応した位置に挿入部材の挿入によって前記ノブの凹部に沿うように変形する切かきを有し、前記切かきに前記第１の電極に対向する位置に第２の電極が設けられた基板とを備え、
   前記基板は、前記ノブの凹部に形成された前記第１の電極と前記第２の電極間の第２の静電容量結合を介して前記第２の電極と電気的に接続する配線部が設けられたことを特徴とするスイッチ装置。
3. 前記基板は、フレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチ装置。

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