JP4629621B2 - スイッチ装置 - Google Patents

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（接触）操作状態及びスイッチＯＮ（押圧操作）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、操作キーの押圧操作によって弾性変形し、ドーム型スイッチを下方に押圧する。ドーム型スイッチは、操作キーの押圧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、接点電極に接触する。これにより、操作キーの第１操作状態が検出される。容量素子は、キーパッドに作用した操作キーの押圧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、操作キーが押圧操作されると、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押圧する。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接触し、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押圧操作されると、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、容量素子を下方に押圧する。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

しかしながら、特許文献１のスイッチ装置によると、キーパッド及びスペーサのみならず、操作キーの第１，第２操作状態を検出するためにフレキシブルプリント基板を必要とするものであり、またフレキシブルプリント基板を折り返して配置するものであるため、部品点数が嵩むばかりか、構造全体が複雑になり、コスト高になるという問題があった。

また、特許文献１のスイッチ装置によると、第１操作状態の検出がスイッチ用電極の接点電極への接触によって行われるものであるため、繰り返し使用によってドーム型スイッチ（接点部）が破損し、長寿命化を図ることができないという問題もあった。

従って、本発明の目的は、コストの低廉化を図ることができるとともに、長寿命化を図ることができ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、接触に基づく静電容量を形成する電極を内蔵し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位するプッシュスイッチ部材と、前記電極に接続され、前記プッシュスイッチ部材の前記プッシュ方向への変位によって変位する導電部材と、前記導電部材に接続され、前記電極の出力によって前記プッシュスイッチ部材の前記接触を検出する検出回路と、前記導電部材の変位を検出する非接触型の変位センサとを備えたことを特徴とするスイッチ装置を提供する。

本発明によると、コストの低廉化を図ることができるとともに、長寿命化を図ることができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係るスイッチ装置の全体を説明するために示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係るスイッチ装置の接触・非接触検出回路を説明するために示す等価回路図である。

〔スイッチ装置の全体構成〕
図１において、符号１で示すスイッチ装置は、装置本体２と、プッシュスイッチ部材としての操作キー（スイッチノブ）３と、この操作キー３の接触（第１）操作状態及び押圧（第２）操作状態を検出するための電極部４と、非接触型の変位センサとしての近接センサ５と、この近接センサ５及び電極部４（固定電極）を搭載するプリント配線板６とから大略構成されている。

なお、図１に示す構成では、操作キー３が１個のみであるが、例えば表示装置（図示せず）の画面における複数の選択部と対応させる場合には操作キー及び電極部・非接触センサを含むユニットを複数個用意する。

（装置本体２の構成）
装置本体２は、図１に示すように、下方に開口する凹部２Ａ及びこの凹部２Ａ（底部）の内外に開口するキー挿通孔２Ｂを有し、全体が例えば合成樹脂材料によって形成されている。

（操作キー３の構成）
操作キー３は、図１に示すように、凹部２Ａに遊嵌するキー基部３Ａ及びキー挿通孔２Ｂを挿通するキー操作部３Ｂを有し、装置本体２に出没自在に配設され、全体が装置本体２と同様に合成樹脂材料によって形成されている。そして、押圧操作によって押圧方向に変位するように構成されている。操作キー３には、電極部４（可動電極）に接続するコンデンサ形成用のタッチ検出用電極７が埋設されている。タッチ検出用電極７は、その下方端面７Ａが装置本体２内に露出する断面略Ｔ字状の導電性部材によって形成され、操作者（手指）による操作キー３への接触に基づくコンデンサＣ（図２に示す）を形成するように構成されている。

（電極部４の構成）
電極部４は、図１に示すように、固定電極８及び可動電極９を有し、操作キー３とプリント配線板６との間に配設され、かつ前述したようにプリント配線板６上に搭載されている。

固定電極８は、可動電極９の下方に位置する貫通孔８Ａを有し、後述する接触・非接触検出回路１１の静電容量検出ＩＣ１０（図２に示す）に接続されている。これにより、操作キー３に操作者の手指が接触すると、この手指とタッチ検出用電極７との間にコンデンサＣ（図２に示す）が形成され、コンデンサＣの静電容量検出ＩＣ１０への出力によって操作キー３の接触操作状態が検出される。

可動電極９は、スイッチ機能部９Ａ及びセンサ接触回避部９Ｂ・連結部９Ｃ・電極可撓部９Ｄを有し、固定電極８の貫通孔８Ａを閉塞するような位置に配設され、かつタッチ検出用電極７（下方端面７Ａ）及び固定電極８（貫通孔８Ａの上側開口周縁）に接続され、全体が操作キー３の押圧操作で可動する導電性ゴムからなる略ドーム型部材によって形成されている。

スイッチ機能部９Ａは、近接センサ５の検出面５Ａに対向する扁平面（部位）９ａを有し、タッチ検出用電極７の下方端面７Ａに接続されている。そして、全体が円柱状部材によって形成されている。スイッチ機能部９Ａの部位９ａは、操作キー３の押圧操作によって近接センサ５に接近し（近接センサ５との間の距離が変化し）、かつ操作キー３の押圧操作解除によって初期位置に復帰するように構成されている。

センサ接触回避部９Ｂは、プリント配線板６に着座可能な着座面９ｂを有し、全体が円環状部材によって形成されている。そして、着座面９ｂがプリント配線板６のセンサ搭載側面に着座してスイッチ機能部９Ａ（部位９ａ）の近接センサ５（検出面５Ａ）に対する接触を回避するように構成されている。

連結部９Ｃは、スイッチ機能部９Ａ及びセンサ接触回避部９Ｂに連設されている。そして、全体がスイッチ機能部側からセンサ接触回避部側に向かって広がる弾性変形不能な薄肉の直線形スカート状部材によって形成されている。

電極可撓部（連結部）９Ｄは、センサ接触回避部９Ｂ及び固定電極８に連設され、全体がセンサ接触回避部側から固定電極側に向かって広がる薄肉の曲線形スカート状部材によって形成されている。そして、操作キー３の押圧操作によって屈曲した状態に弾性変形し、かつ操作キー３の押圧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。

（近接センサ５の構成）
近接センサ５は、例えば磁気センサからなり、固定電極８の貫通孔８Ａ内に配設され、かつプリント配線板６上に搭載されている。そして、操作キー３の押圧操作による可動電極９（スイッチ機能部９Ａの部位９ａ）の接近によって操作キー３に対する押圧操作（スイッチＯＮ）状態を、また操作キー３の押圧解除操作による可動電極９の初期位置への復帰によって操作キー３に対する押圧操作解除（スイッチＯＦＦ）状態をそれぞれ検出するように構成されている。

（プリント配線板６の構成）
プリント配線板６は、装置本体２内に配設されている。プリント配線板６には、近接センサ５及び静電容量ＩＣ１０（接触検出回路）を含み、タッチ検出用電極７の出力によって操作キー３の接触操作状態（操作キー３への手指の接触）を検出するとともに、近接センサ５の出力（検出信号）によって操作キー３の押圧操作状態を検出する接触・非接触検出回路１１（図２に示す）が形成されている。また、プリント配線板６には、静電容量ＩＣ１０及び近接センサ５に接続する例えばマイクロコンピュータからなる制御装置（図示せず）が搭載されている。

接触・非接触検出回路１１は、図２に示すように、近接センサ５及び静電容量ＩＣ１０に加え、電極部４及びコンデンサＣから構成されている。静電容量ＩＣ１０は、高周波信号を出力する発振部１０Ａと、負荷抵抗１０Ｂと、オペアンプ１０Ｃとから構成されている。発振部１０Ａの出力端子には、負荷抵抗１０Ｂ及び電極部４（固定電極８と可動電極９）を介してタッチ検出用電極７が接続されている。また、オペアンプ１０Ｃは、増幅及びオフセットが行われた信号（Ｖｏｕｔ）として発振部１０Ａからの高周波信号を制御装置（図示せず）に出力する。コンデンサＣは、タッチ検出用電極７及び操作者（手指）によって形成されている。

〔スイッチ装置１の動作〕
図３は、本発明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示す断面図である。図３（ａ）は接触操作状態を、図３（ｂ）は押圧操作状態をそれぞれ示す。

図３（ａ）に示すように、操作キー３のキー操作部３Ｂが操作者の手指によって接触操作されると、静電容量ＩＣ１０の発振部１０Ａが高周波信号を出力し、コンデンサＣのインピーダンスと負荷抵抗１０Ｂとで分圧してオペアンプ１０Ｃに入力する。この場合、オペアンプ１０Ｃに入力される高周波信号のレベルは、キー操作部３Ｂ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１０Ｄから制御装置が信号（Ｖｏｕｔ）として入力する。この場合、制御装置に入力される信号（Ｖｏｕｔ）は、検波部１０Ｃに入力される高周波信号のレベルに応じて小さくなる。制御装置は、入力した信号（Ｖｏｕｔ）のレベルの変化によって操作キー３に対する手指の接触操作状態を検出し、例えば表示装置（図示せず）の画面において操作キー３に対応する選択部（図示せず）の表示状態を変える。

一方、図３（ｂ）に示すように、操作キー３のキー操作部３Ａが操作者の手指によって押圧操作されると、操作キー３が下方に移動して可動電極９を押圧し、これに伴い可動電極９の電極可撓部９Ｄが屈曲した状態に弾性変形し、センサ接触回避部９Ｂの着座面９ｂがプリント配線板６上に着座するとともに、スイッチ機能部９Ａの部位９ａが近接センサ５の検出面５Ａに接近する。そして、近接センサ５がスイッチ機能部９Ａの部位９ａを検出し、この検出信号を制御装置（図示せず）に出力する。制御装置は、近接センサ５から出力された検出信号によって操作キー３に対する手指の押圧操作状態を検出し、例えば表示装置（図示せず）の画面における選択部（図示せず）の表示状態を決定する。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）操作キー３の接触操作状態と押圧操作状態を検出するために従来必要としたフレキシブルプリント基板やキーパッド及びスペーサが不要なものとなり、またフレキシブルプリント基板を折り返して配置する必要がないため、部品点数を削減することができるとともに、構造全体を簡素化することができ、コストの低廉化を図ることができる。

（２）押圧操作状態の検出が近接センサ３によって行われるものであるため、繰り返し使用による構成部品の破損発生を防止することができ、長寿命化を図ることができる。

（３）可動電極９の電極可撓部９Ｄが操作キー３の押圧操作によって屈曲した状態に弾性変形すると、近接センサ５がスイッチ機能部９Ａの部位９ａを検出するため、操作キー３の押圧操作検出時にクリック感を得ることができる。

（４）導電性ラバー部材からなる可動電極９を用いて操作キー３の押圧操作状態を検出するものであるため、操作キー４の押圧操作による断線の恐れがなく、スイッチとしての信頼性を高めることができる。

以上、本発明のスイッチ装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、変位センサが近接センサ５（磁気センサ）である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波センサ等の非接触センサを用いてもよい。

（２）本実施の形態では、可動電極９が単一の部材（ドーム型部材）によって形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の部材によって形成してもよい。例えば、近接センサ５に対応するスイッチ機能部と固定電極８に常時接続するコイルスプリング部とによって可動電極を形成してもよい。この場合、コイルスプリング部は、操作キー３の押圧操作によって圧縮し、かつ操作キー３の押圧操作解除によって弾性復帰するように構成される。

本発明の実施の形態に係るスイッチ装置の全体を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係るスイッチ装置の接触・非接触検出回路を説明するために示す等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明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示す断面図。

符号の説明

１…スイッチ装置、２…装置本体、２Ａ…凹部、２Ｂ…キー挿通孔、３…操作キー、３Ａ…キー基部、３Ｂ…キー操作部、４…電極部、５…近接センサ、５Ａ…検出面、６…プリント配線板、７…タッチ検出用電極、７Ａ…下方端面、８…固定電極、８Ａ…貫通孔、９…可動電極、９Ａ…スイッチ機能部、９Ｂ…センサ接触回避部、９Ｃ…連結部、９Ｄ…電極可撓部、９ａ…扁平面（部位）、９ｂ…着座部、１０…静電容量ＩＣ、１０Ａ…発振部、１０Ｂ…負荷抵抗、１０Ｃ…検波部、１０Ｄ…オペアンプ、１１…接触・非接触検出回路、Ｃ…コンデンサ

Claims (5)

1. 接触に基づく静電容量を形成する電極を内蔵し、プッシュ操作によってプッシュ方向に変位するプッシュスイッチ部材と、
   前記電極に接続され、前記プッシュスイッチ部材の前記プッシュ方向への変位によって変位する導電部材と、
   前記導電部材に接続され、前記電極の出力によって前記プッシュスイッチ部材の前記接触を検出する検出回路と、
   前記導電部材の変位を検出する非接触型の変位センサと
   を備えたことを特徴とするスイッチ装置。
2. 前記導電部材は、導電性ゴムによって形成され、前記プッシュ操作によって前記変位センサとの間の距離が変化するスイッチ機能部と、前記検出回路に接続された固定電極との間に形成された弾性変形可能な連結部とを有する請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記導電部材は、前記変位センサに対する前記スイッチ機能部の接触を回避するための接触回避部を有する請求項２に記載のスイッチ装置。
4. 前記スイッチ機能部は、前記プッシュスイッチ部材の前記プッシュ操作によって前記変位センサに接近し、かつ前記プッシュスイッチ部材のプッシュ操作解除によって初期位置に復帰する請求項２に記載のスイッチ装置。
5. 前記変位センサは、近接センサからなる請求項１に記載のスイッチ装置。

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