JP5357106B2 - タッチ検出機能付きスイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作部材に手指が接触（タッチ）した際に、このタッチを検出するためのタッチ検出用電極を有するタッチ検出機能付きスイッチ装置に関する。

複数の選択部を画面に表示する表示装置の選択用のスイッチ装置としては、複数の前記選択部に対応して複数の操作部材としての操作ボタンを備えている。使用者の手指が前記操作ボタンに接触した際に、このタッチを検出して、前記操作ボタンに対応する前記選択部の表示状態を変化させることで、使用者は前記表示装置の画面を見ながら手指が接触している前記操作ボタンを認識することができる。そして、使用者は前記表示装置の画面を見ながら選択した前記操作ボタンを手指にて押圧操作すると、前記操作ボタンの下側に配設されたスイッチ要素が動作して対応する前記選択部を選択決定するようにした構成のスイッチ装置が考えられている。

例えば、上述したスイッチ装置としては特許文献１から４に開示されている。
特許文献１に開示のスイッチ装置は、図４に示すように、操作ボタン１の操作面部１ａの内側にタッチ検出用電極部２、側面部１ｂの内側に可動電極部３が配設されている。タッチ検出用電極部２および可動電極部３は矩形板状をなしており、相互に電気的に接続されている。側面部１ｂとボディ４との隙間に可動電極部３と略同形状をなす固定電極部５が可動電極部３と対向するように配置され、プリント配線基板６の配線部６ａに接続されている。可動電極部３および固定電極部５により平行平板コンデンサＣ１が形成され、タッチ検出用電極部２と配線部６ａとは容量結合を介して電気的に接続されている。

使用者の手指が操作ボタン１の操作面部１ａに触れることにより、コンデンサＣ１の静電容量が変化し、この静電容量の変化を検出することで操作面部１ａに手指が触れたか否かを検知する。
しかし、特許文献１に開示のスイッチ装置の構成では、可動電極部３と固定電極部５との対向間隔にばらつきが生じ、このため可動電極部３と固定電極部５とで構成されるコンデンサＣ１の静電容量が不安定になって、操作ボタン１に対する手指のタッチ検出が不安定になる問題がある。

特許文献２のスイッチ装置は、図５に示すように、操作ボタン１１の表面に薄膜状のタッチ検出用電極部１２を形成し、このタッチ検出用電極部１２に対向して容量結合するように操作ボタン１１に結合用電極部１３を埋設している。結合用電極部１３とプリント配線基板１４の配線部１４ａとは接続線１５により電気的に接続されている。接続線１５は、一端部が半田付けにより結合用電極部１３に接続され、他端部が半田付けにより配線部１４ａに接続されている。タッチ検出用電極部１２および結合用電極部１３によりコンデンサＣ２が形成されている。

使用者の手指が操作ボタン１１のタッチ検出用電極部１２に触れることにより、コンデンサＣ２の静電容量が変化し、この静電容量の変化を検出することでタッチ検出用電極部１２に手指が触れたか否かを検出する。
しかし、特許文献２に開示のスイッチ装置の構成では、結合用電極部１３と配線部１４ａとを電気的に繋ぐために接続線１５を接続しなければならず製造過程における組み付け性が良くなかった。さらに、接続線１５は、半田付けにより結合用電極部１３および配線部１４ａに接続されており、その半田付け部分は、操作ボタン１１の操作時に負荷がかかり、耐久性が良くなかった。

特許文献３に開示のスイッチ装置は、図６に示すように、操作ボタン２１にタッチ検出用電極部２２を一体に固定している。このタッチ検出用電極部２２は、一端部は操作ボタン２１の接触面部２１ａに露出しており、他端部はプリント配線基板２３の配線部２３ａと接続線２４を介して電気的に接続されている。接続線２４は、一端部が半田付けによりタッチ検出用電極部２２に接続され、他端部が半田付けにより配線部２３ａに接続されている。

使用者の手指が操作ボタン２１に取り付けられたタッチ検出用電極部２２に近接すると、手指とタッチ検出用電極部２２とで可変のコンデンサが構成される。このような状態において、手指がタッチ検出用電極部２２に接触すると前記コンデンサの静電容量の変化はほとんどなくなる。これにより操作ボタン２１の接触面部２１ａに露出しているタッチ検出用電極部２２に手指が触れたか否かが検出される。

しかし、特許文献３に開示のスイッチ装置の構成では、上述した特許文献２に開示のスイッチ装置と同様に、タッチ検出用電極部２２と配線部２３ａとを電気的に繋ぐために接続線２４を接続しなければならず組み付け性が良くなかった。さらに、接続線２４は、半田付けによりタッチ検出用電極部２２および配線部２３ａに接続されており、その半田付け部分は、操作ボタン２１の操作時に負荷がかかり、耐久性が良くなかった。

特許文献４に開示のスイッチ装置は、図７に示すように、ボディ３１に手指で接触される操作ボタン３２を移動可能に設け、ボディ３１に操作ボタン３２に対応して配線部３３ａを有するプリント配線基板３３を設け、このプリント配線基板３３に板状のタッチ検出用電極部３４を立設して、その立設基部３４ａを配線部３３ａに電気的に接続し、先端部３４ｂを操作ボタン３２の手指が接触する側の面近傍に位置させるようにしている。

使用者の手指が操作ボタン３２に取り付けられたタッチ検出用電極部３４に近接すると、手指とタッチ検出用電極部３４とで可変のコンデンサが構成される。このような状態において、手指がタッチ検出用電極部３４に接触すると前記コンデンサの静電容量の変化はほとんどなくなる。これによりタッチ検出用電極部３４に手指が触れたか否かが検出される。

しかし、特許文献４に開示のスイッチ装置の構成では、タッチ検出用電極部３４の先端部３４ｂがスイッチ装置の表面に露出するため、該スイッチ装置の意匠を制約していた。さらに、タッチ検出用電極部３４の無い方向からの操作ボタン３２の操作時には手指がタッチ検出用電極部３４の先端部３４ｂに触れないことがあり、タッチ検出できないことがあった。

特開２００７−１７３０６７号公報 特開２００８−４１４８４号公報 特開２００８−１０８５５７号公報 特開２００８−７８０２２号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者の手指が操作部材に接触したことを確実に検出でき、接続線の半田付けがなく製造過程における組み付け性が良いとともに耐久性に優れ、更に、意匠の制約の少ないタッチ検出機能付きスイッチ装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明のタッチ検出機能付きスイッチ装置は、裏面に配線部を有した配線基板と、前記配線基板の表面に設けられた押圧操作式のスイッチ要素と、手指が接触される接触面部を有するとともにスイッチ押圧部を有し、前記配線基板の表面側に位置させて原位置と押込み位置との間で往復移動可能に設けられ、前記接触面部が手指によって押圧操作されることに伴い前記原位置から前記押込み位置へ移動され、前記押込み位置で前記スイッチ押圧部により前記スイッチ要素を押圧操作する操作部材と、前記操作部材に当該操作部材とともに移動するように設けられ、一端部に前記接触面部の裏側にこれに沿って配置されたタッチ検出用電極部を有する導電部材と、前記導電部材の他端部に前記タッチ検出用電極部と電気的に接続されて設けられ、前記配線基板の裏側に配置されて前記配線部に対し接離可能な電気接続部と、を備え、前記操作部材が前記原位置に移動した状態で前記電気接続部が前記配線部に接触してそれらが電気的に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、タッチ検出用電極部は、接触面部の裏側にこれに沿って配置されている。このため、手指が接触面部のどこに接触しても、タッチ検出用電極部と手指との離間距離にばらつきがなく、タッチ検出用電極部と手指とにより安定した静電容量を有するコンデンサが構成され、配線基板の配線部において、その安定した静電容量を検出することができ、操作部材へのタッチ操作を確実に検出することができる。また、タッチ検出用電極部は接触面部に露出することがないので、タッチ検出機能付きスイッチ装置の意匠の制約を少なくすることができる。

さらに、電気接続部は導電部材に設けられタッチ検出用電極部と電気的に接続されている。導電部材は操作部材と一体に移動し、操作部材の押圧操作に基づいて電気接続部は配線部に対して接離可能に接触してそれらが電気的に接続されるので、タッチ検出用電極部と配線部とを電気的に繋ぐ接続線を別途必要とはしない。また、導電部材は伸縮する必要がない。このため、タッチ検出機能付きスイッチ装置は、耐久性および製造過程における組み付け性がよい。

本発明の一実施形態を示すタッチ検出機能付きスイッチ装置の操作ボタンの原位置における縦断側面図 タッチ検出機能付きスイッチ装置の操作ボタンの押込み位置における縦断側面図 タッチ検出回路の等価回路を示す図 従来例１を示す図１相当図 従来例２を示す図１相当図 従来例３を示す図１相当図 従来例４を示す図１相当図

本発明の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１はタッチ検出機能付きスイッチ装置の操作ボタン４３の原位置における縦断側面図であり、図２は同操作ボタン４３の押込み位置における縦断側面図である。前記原位置とは押圧操作されていない状態の操作ボタン４３の前記スイッチ装置内での位置であり、前記押込み位置とは押圧操作されている状態の操作ボタン４３の前記スイッチ装置内での位置である。

プラスチック製のボディ４１は、図１における上下両側が開口した略矩形筒状部４１ａと平面状に延設形成された板状部４１ｂとを有する。このボディ４１の略矩形筒状部４１ａには、ボタン収納孔部４２が形成されており、このボタン収納孔部４２には、操作部材としての操作ボタン４３が図１における上下方向に移動可能、即ち前記原位置と前記押込み位置（図２参照）との間で往復移動可能に収納されている。操作ボタン４３は、プラスチック製で下面が開口する略矩形容器状に形成され、上部は他の部位より小形であり、この小形部４３ａと大形部４３ｂとの間に段部４３ｃが形成されている。

操作ボタン４３の上面部４３ｄは一定の肉厚により形成されており、その表面には使用者の手指Ｍが触れる接触面部４３ｅが形成されている。また、操作ボタン４３の段部４３ｃが形成されている左側面部４３ｇとは反対側に位置する右側面部４３ｈも一定の肉厚をもって形成されている。なお、左側面部４３ｇの底面には、後述する押圧操作式のスイッチ要素たるスイッチ４９を押圧操作するスイッチ押圧部４３ｆが形成されている。

導電部材４４は、帯板状の金属、例えば銅でできており、操作ボタン４３のプラスチックによる成形時に同時に埋設されたもので（例えば、インサート成形）、操作ボタン４３と一体に移動し、図１に示すように、操作ボタン４３の上面部４３ｄおよび右側面部４３ｈに埋設された略Ｌ字状をなしている。

導電部材４４は、一端部（略Ｌ字状の短手部に相当）にタッチ検出用電極部４４ａと他端部（略Ｌ字状の長手部に相当）に接続片部４４ｂとを備えて構成されている。タッチ検出用電極部４４ａは、上面部４３ｄの接触面部４３ｅの裏側全体に亘ってこれに沿って配置され、接触面部４３ｅとの離間距離が一定になるように埋設されている。

接続片部４４ｂは、タッチ検出用電極部４４ａと電気的に接続されるとともに右側面部４３ｈに埋設され、その下端部４４ｃは右側面部４３ｈの下端より下方に突出されている。接続片部４４ｂの下端部４４ｃは、後述する可撓体４８のシート部４８ｂに設けられた貫通孔４８ｄおよびプリント配線基板４７の貫通孔４７ｂを貫通し、プリント配線基板４７の裏側に位置される。

図１に示すように、配線基板たるプリント配線基板４７がボディ４１の下側に位置するように配設され、プリント配線基板４７の表面側（図１において上方）に操作ボタン４３が位置される。このプリント配線基板４７の部品装着面（表面）にはプリント配線がなされるとともに、絶縁材、例えばゴム製の可撓体４８が固定されている。また、プリント配線基板４７の裏面にも、配線部４７ａのプリント配線がなされている。

可撓体４８は、上部には操作ボタン４３の左側面部４３ｇの底面に形成されたスイッチ押圧部４３ｆに下方から当接する受圧部４８ａと、下部にはプリント配線基板４７の上面に設置されるシート部４８ｂと、受圧部４８ａとシート部４８ｂとをつなぐラバードーム部４８ｃとが一体となり形成されている。

ラバードーム部４８ｃは中空円錐状（杯を伏せた状態）をなし、弾性力を有し受圧部４８ａを上方に付勢するとともに、スイッチ押圧部４３ｆを介して操作ボタン４３も上方に付勢する。シート部４８ｂはボディ４１の板状部４１ｂの下面に形成されたリブ４１ｃによりプリント配線基板４７へ押し付けられる。可撓体４８の受圧部４８ａの底面に可動接点４９ａが設けられ、これと対向してプリント配線基板４７の表面に固定接点４９ｂが２個設けられ、以て、押圧操作式のスイッチ要素たるスイッチ４９が構成されている。

導電部材４４の下端部４４ｃには電気接続部５０が固定され、電気接続部５０はタッチ検出用電極部４４ａと電気的に接続されている。電気接続部５０は、プリント配線基板４７の裏側に配置され、操作ボタン４３の押圧操作に伴いプリント配線基板４７の配線部４７ａに対して接離可能に設けられている。電気接続部５０は導電性を有する弾性体、例えばシリコーンゴムに導電剤としてカーボンブラックを添加してなる導電性ゴムから成形されたもので、略直方体に形成され配線部４７ａに対応する部位に上方へわずかに突出形成されている接触部５０ａを有する。電気接続部５０は、操作ボタン４３の前記原位置に移動した状態で配線部４７ａに接触して電気的に接続され、操作ボタン４３の前記押込み位置に移動した状態で配線部４７ａと離間される。

操作ボタン４３は前記原位置に移動した状態で可撓体４８により図１における上方に付勢されており、導電部材４４は操作ボタン４３に固定されているため、電気接続部５０も操作ボタン４３とともに上方に付勢される。このため、電気接続部５０の接触部５０ａはプリント配線基板４７の裏面に設けられた配線部４７ａに押圧され接触し、導電部材４４と配線部４７ａとは電気的に接続される。

タッチ検出機能付きスイッチ装置の底部はカバー５１により覆われており、カバー５１に形成されたリブ５１ａによりプリント配線基板４７は下方から支持されている。
次に、このタッチ検出機能付きスイッチ装置のタッチ検出回路５２について、図３を参照して説明する。このタッチ検出回路５２は、一般的な静電容量検出回路であり、高周波信号を出力する発振部５３（一方の端子がグランドに接続されている。）、負荷抵抗５４、高周波信号の検波および平滑を行なう検波部５５およびオペアンプ５６を備えている。

操作ボタン４３の前記原位置の状態では、発振部５３の出力端子（他方の端子）には、負荷抵抗５４および配線部４７ａを介してタッチ検出用電極部４４ａが接続されている。なお、操作ボタン４３の前記押込み位置の状態では、配線部４７ａとタッチ検出用電極部４４ａとの間は断電されている。検波部５５は、ダイオードおよびコンデンサなどからなり、発振部５３からの高周波信号が負荷抵抗５４を介して入力される。また、検波部５５の出力は、オペアンプ５６を介して増幅およびオフセットされた信号Ｖｏｕｔとして図示しない制御装置に入力される。なお、発振部５３、負荷抵抗５４、検波部５５およびオペアンプ５６は、パッケージ化された静電容量検出ＩＣ５７として構成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
使用者の手指Ｍが前記原位置の状態の操作ボタン４３における小形部４３ａの上面の接触面部４３ｅに近接すると、使用者の手指Ｍはグランドに接続された状態になっているので、タッチ検出用電極部４４ａと使用者の手指Ｍとで可変のコンデンサＣ（図３参照）が構成される。このような状態において、使用者の手指Ｍが操作ボタン４３の接触面部４３ｅに接触すると、コンデンサＣの静電容量の変化はほとんどなくなる。これにより、プリント配線基板４７の配線部４７ａは、導電部材４４のタッチ検出用電極部４４ａと手指Ｍとから構成されるコンデンサＣを介してグランドに接続されることになる。従って、発振部５３から出力された高周波信号は、負荷抵抗５４の抵抗値とコンデンサＣのインピーダンスとで分圧されて検波部５５に入力される。

その結果、操作ボタン４３の接触面部４３ｅに手指Ｍが触れていない状態と比べて、検波部５５に入力される高周波信号のレベルが小さくなるため、検波部５５およびオペアンプ５６を介して出力される信号Ｖｏｕｔのレベルも小さくなる。前記制御装置は、この信号Ｖｏｕｔのレベルの変化により操作ボタン４３の接触面部４３ｅへの手指Ｍの接触を検出し、図示しない表示装置の画面において、その操作ボタン４３に対応する選択部を暫定的な表示状態にする。

その後、操作ボタン４３の接触面部４３ｅが手指Ｍによって押圧操作されることに伴い、操作ボタン４３は可撓体４８のラバードーム部４８ｃの弾性変形に基づく付勢力に抗して前記原位置から前記押込み位置へ移動され、前記押込み位置において操作ボタン４３のスイッチ押圧部４３ｆによりスイッチ４９が押圧操作される（図２参照）。これにより、スイッチ４９は動作（オン）してオン信号を選択信号として前記制御装置に与えるようになり、前記制御装置は、操作ボタン４３に対応する選択部を固定的な表示状態に変化させ、その選択部の選択を決定する。なお、導電部材４４の下端部４４ｃに設けられた電気接続部５０は、操作ボタン４３が前記原位置から前記押込み位置へ移動されることに伴い、プリント配線基板４７の配線部４７ａから離間されるが、タッチ検出後であるのでタッチ検出に問題はない。

上記した本実施形態に係るタッチ検出機能付きスイッチ装置は、以下の効果を奏する。
導電部材４４はタッチ検出用電極部４４ａと接続片部４４ｂとを有し、接続片部４４ｂの下端部４４ｃには電気接続部５０を有しており、タッチ検出用電極部４４ａと電気接続部５０とは電気的に接続されている。操作ボタン４３が前記原位置に移動した状態では、電気接続部５０はプリント配線基板４７の配線部４７ａと接触しそれらは電気的に接続され、タッチ検出用電極部４４ａと配線部４７ａとは電気的に接続されるため、これらを接続するための接続線が不要となる。このため、タッチ検出機能付きスイッチ装置の製造過程における接続工程が不要となり組み付け性がよく、接続線が無いため接続部分に用いる半田付けの必要性がなく、接続部の劣化も無いため、スイッチ装置の押圧操作に対する耐久性がよい。

さらに、操作ボタン４３は前記原位置に移動した状態で可撓体４８により図１における上方に付勢されており、電気接続部５０も操作ボタン４３とともに上方に付勢されている。このため、電気接続部５０の接触部５０ａはプリント配線基板４７の裏面に設けられた配線部４７ａに押圧され接触し、導電部材４４と配線部４７ａとは確実に電気的に接続される。

さらに、電気接続部５０は弾性体である。このため、配線部４７ａと電気接続部５０との接触面に仮に異物が入り込んだ場合でも、接触部５０ａが弾性変形して配線部４７ａと接触部５０ａとは接触し、より確実に配線部４７ａと電気接続部５０とは電気的に接続される。

さらに、タッチ検出用電極部４４ａは、接触面部４３ｅとの離間距離が一定になるように操作ボタン４３の上面部４３ｄに埋設されている。このため、手指Ｍが接触面部４３ｅに接触した状態でのコンデンサＣの静電容量はばらつくことはなく、コンデンサＣのインピーダンスは安定し、負荷抵抗５４の抵抗値とコンデンサＣのインピーダンスとで分圧されて検波部５５に入力される発振部５３から出力された高周波信号も安定するため、前記制御装置は確実に操作ボタン４３へのタッチ操作を検出することができる。

さらに、導電部材４４のタッチ検出用電極部４４ａは、操作ボタン４３の接触面部４３ｅの裏側全体に亘ってこれに沿って配置されている。このため、接触面部４３ｅのどこに手指Ｍが接触しても前記制御装置は確実に操作ボタン４３へのタッチ操作を検出することができる。

さらに、タッチ検出用電極部４４ａは、操作ボタン４３の接触面部４３ｅの裏側に亘ってこれに沿って配置され、操作ボタン４３の表面に露出することはない。このため、タッチ検出用電極部４４ａがタッチ検出機能付きスイッチ装置の意匠を制約することは少ない。

さらに、導電部材４４は操作ボタン４３とともに移動し、操作ボタン４３の前記押込み位置では、導電部材４４に設けられた電気接続部５０はプリント配線基板４７の配線部４７ａから離間する。このため、導電部材４４は伸縮することはなく耐久性がよい。

（その他の実施形態）
以上説明したタッチ検出機能付きスイッチ装置は、上記し図示した実施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実施形態に適宜変更して適用可能である。例えば、上記した実施形態では、接続片部４４ｂの下端部４４ｃは、可撓体４８のシート部４８ｂに設けられた貫通孔４８ｄおよびプリント配線基板４７の貫通孔４７ｂを貫通し、プリント配線基板４７の裏側に位置される。しかし、これに限られることはなく、プリント配線基板４７の内周縁部に配置された操作ボタン４３において、その接続片部４４ｂの下端部４４ｃは、可撓体４８のシート部４８ｂおよびプリント配線基板４７の端から通過させて、プリント配線基板４７の裏側に位置されてもよい。

また、上記した実施形態では、電気接続部５０は、導電部材４４の下端部４４ｃに固定され、操作ボタン４３の押圧操作に伴い配線部４７ａに対して接離可能に設けられている。しかし、これに限るものではなく、導電部材４４の下端部４４ｃを曲成して、操作ボタン４３の押圧操作に伴い配線部４７ａに対して接離可能にしてもよい。

図面中、４３は操作ボタン（操作部材）、４３ｅは接触面部、４３ｆはスイッチ押圧部、４４は導電部材、４４ａはタッチ検出用電極部、４７はプリント配線基板(配線基板)、４７ａは配線部、４９はスイッチ（スイッチ要素）、５０は電気接続部である。

Claims (2)

1. 裏面に配線部を有した配線基板と、
   前記配線基板の表面に設けられた押圧操作式のスイッチ要素と、
   手指が接触される接触面部を有するとともにスイッチ押圧部を有し、前記配線基板の表面側に位置させて原位置と押込み位置との間で往復移動可能に設けられ、前記接触面部が手指によって押圧操作されることに伴い前記原位置から前記押込み位置へ移動され、前記押込み位置で前記スイッチ押圧部により前記スイッチ要素を押圧操作する操作部材と、
   前記操作部材に当該操作部材とともに移動するように設けられ、一端部に前記接触面部の裏側にこれに沿って配置されたタッチ検出用電極部を有する導電部材と、
   前記導電部材の他端部に前記タッチ検出用電極部と電気的に接続されて設けられ、前記配線基板の裏側に配置されて前記配線部に対し接離可能な電気接続部と、を備え、
   前記操作部材が前記原位置に移動した状態で前記電気接続部が前記配線部に接触してそれらが電気的に接続されることを特徴とするタッチ検出機能付きスイッチ装置。
2. 前記電気接続部は、導電性を有する弾性体により構成されていることを特徴とする請求項１記載のタッチ検出機能付きスイッチ装置。

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