JP2003123586A

JP2003123586A - ドーム型金属バネ

Info

Publication number: JP2003123586A
Application number: JP2001310599A
Authority: JP
Inventors: Toshimizu Tomizuka; 稔瑞富塚; Shoji Mimura; 彰治味村; Tetsuya Kawahira; 哲也川平
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】携帯電話機等で格段に増加したスイッチ操作
に耐えるために、スイッチの打鍵回数の増加に対して耐
久性に優れたドーム型金属バネおよびこれを使用したス
イッチを得ることにある。【解決手段】硬度Ｈｖが５００〜６５０のステンレス
鋼からドーム型金属バネが成形されたため、３００万回
の打鍵でも破断せず、Ｐ１低下率の小さいドーム型金属
バネが得られる。さらに、このドーム型金属バネと固定
接点およびリード回路でスイッチが構成されたため、耐
久性に優れたスイッチおよび長時間の使用に耐える電子
機器を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は携帯電話機や各種
電子機器用として、特に耐久性を要求される接触式など
のスイッチとこのスイッチに用いられるドーム型金属バ
ネに関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話機をはじめとして各種電子機器
のオンオフ操作を行う押しボタンスイッチには、ドーム
型の金属バネが用いられている。このような金属バネ
は、スイッチ操作により固定接点と導通させるために、
押荷重による変形を多数回にわたり繰返し受けることに
なる。金属バネは安定した動作を維持するために剛性が
必要であり、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０１Ｈ材のような硬度
Ｈｖ（ビッカース硬度）が４００〜４５０程度のステン
レス鋼の薄板が使用されている。ドーム型金属バネはこ
のような材質の厚さ０．０３〜０．０７ｍｍ程度の薄板
をプレス機で成形して、直径３．５〜７ｍｍ程度の浅い
ドーム形状に加工したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１０はドーム型金属
バネの頂部に押荷重を加えて変位を与えた時の荷重と変
位の関係を示す図である。変位が増大していくとととも
に、荷重は増大していくが、符号１４で示すＰ１値（荷
重の極大値）に達すると次第に減少していき、金属バネ
の頂部が固定接点に接触した時、符号１５で示すＰ２値
に達する。

【０００４】Ｐ１値１４はスイッチ操作時のスイッチ感
触に影響を与えるので、打鍵回数を重ねてもＰ１値１４
が安定していることが望ましい。近年、携帯電話機にメ
ール機能やゲーム機能が搭載されたことにより、スイッ
チ操作が格段に増加し、３００万回の打鍵に耐えること
が必要になってきた。しかしながら、従来から使用され
ている硬度Ｈｖが４００〜４５０程度のＳＵＳ３０１Ｈ
材では、１００万回程度の打鍵回数で金属バネが破断し
たり、打鍵により塑性変形を引き起こすことによって、
打鍵回数の増加とともにＰ１値１４が大きく低下したり
し、寿命が短いという問題点があった。

【０００５】また、金属バネと固定接点との接触抵抗を
低減するために、ＳＵＳ３０１Ｈ材の金属バネにＮｉま
たはＡｇの内のいずれか、あるいは両者をメッキする場
合がある。このようなメッキをする際にはメッキ膜中あ
るいはＳＵＳ３０１Ｈ材中に水素が侵入し、材料を脆化
させることが知られており、このため耐久性を著しく低
下させる。

【０００６】よって、この発明における課題は、携帯電
話機等で格段に増加したスイッチ操作に耐えるために、
スイッチの打鍵回数が増加してもＰ１値の変化が少な
い、耐久性に優れたドーム型金属バネおよびこれを使用
したスイッチを得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めの請求項１にかかる発明は、硬度Ｈｖが５００〜６５
０のステンレス鋼の薄板から成形されたドーム型金属バ
ネとする。請求項２にかかる発明は請求項１のドーム型
金属バネにおいて、ドームの周辺部の一部に縁部を設け
た構造であるドーム型金属バネとする。請求項３にかか
る発明は、請求項１または２のドーム型金属バネにおい
て、その周辺部の一部に開口部を設けたドーム型金属バ
ネとする。

【０００８】請求項４にかかる発明は、請求項１ないし
３のいずれかのドーム型金属バネと固定接点および固定
接点に接続されたリード回路から構成されたスイッチと
する。請求項５にかかる発明は、請求項４のスイッチに
おいて、スイッチを打鍵した時の荷重の極大値の低下率
が、打鍵回数３００万回で２０％以内であるスイッチと
する。請求項６にかかる発明は、請求項４または５のス
イッチをオンオフ操作スイッチとして使用した電子機器
とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明はドーム型金属バネに使用
されるステンレス鋼ＳＵＳ３０１Ｈ材の硬度Ｈｖを５０
０〜６５０の範囲とすることにより、耐久性に優れたド
ーム型金属バネを得ることにある。一般に金属材料は引
張強度あるいは硬度が大きいほど耐久性がよくなるとい
う性質がある。また、耐力の大きい材料ほど同一の歪み
を加えた時の塑性変形量が小さいため、金属バネとして
使用した場合のへたり（Ｐ１値の低下）が小さくなる。
このことから硬度の高い（耐力も高い）材料を用いるこ
とにより、ドーム型金属バネの破断寿命を長くし、しか
もＰ１値の低下率を小さく抑えることが可能である。

【００１０】しかしながら、このようなステンレス鋼に
は微小な介在物が含まれており、極度に硬度を高めた材
料の場合には、強度の塑性加工によって介在物近傍での
応力集中が大きくなり、この介在物近傍に亀裂が発生し
破断しやすくなる。以上の理由によりドーム型金属バネ
に使用されるＳＵＳ３０１Ｈ材の硬度を５００〜６５０
の範囲とすることにより、バネとして耐久性に優れたも
のとなる。

【００１１】図１および図２は本発明のドーム型金属バ
ネおよびこれを用いたスイッチを示す図である。これら
の図において符号６は本発明のドーム型金属バネであ
り、硬度Ｈｖを５００〜６５０の範囲とするＳＵＳ３０
１Ｈ材が使用されている。

【００１２】図３は本発明のドーム型金属バネについ
て、周辺部の一部に縁部を設けたものである。この図に
おいて縁部９は円錐の頂部を切り取った形状であり、回
路基板面に対して５〜２０度の角度で立ち上がってい
る。この場合の金属バネは円弧を浅くしたドーム形状部
８が形成されている。縁部９を設けたドーム型金属バネ
は、押しボタンにより金属バネの頂部を押すボタン操作
時における戻り不良の防止に効果的である。

【００１３】図４および図５は本発明のドーム型金属バ
ネの外周部の一部に開口部を設けた金属バネおよびこれ
を用いたスイッチの一例を示す図である。これらの図に
おいてドーム型金属バネ６は、その外周部の一部を切り
取って開口部１０を設けた構造になっている。

【００１４】本発明のドーム型金属バネは、接点バネと
して固定接点および固定接点に接続されたリード回路か
ら構成されるスイッチとして使用される。図１および図
２に示すように、回路基板１の一方の表面上に形成され
た円形の第１の固定接点２はスルーホール７を介して回
路基板１の他方の表面に設けられた第１のリード回路３
に接続されている。また、第１の固定接点２の外方には
これと離間して円環状の第２の固定接点４が形成されて
おり、これに接続する第２のリード回路５が設けられて
いる。ドーム型金属バネ６はその周辺部を第２の固定接
点４に導通状態で取り付けられており、常時、第１の固
定接点２とは接触しないようになっている。

【００１５】このような構成のスイッチでは図示しない
ゴム、プラスチックなどの押しボタンを接点バネの上方
に設け、これを押し下げてドーム型金属バネ６の頂部を
押すと、押荷重がある程度大きくなったときに、金属バ
ネは一種の座屈を起こし、金属バネの中央頂部が反転し
て下向きになり、第１の固定接点２に接触する。これに
より第１の固定接点２と第２の固定接点４は、金属バネ
を介して電気的に導通するため回路が動作する。図３に
示す縁部９を設けたドーム型金属バネも同様の回路を構
成することによりスイッチとして使用される。

【００１６】図４および図５に示すように、ドーム型金
属バネ６の一部に開口部１０を設けた金属バネを用いた
スイッチの場合は、第１の固定接点２の外方に第２の固
定接点４が形成されているが、開口部１０に一致するよ
うに第２の固定接点４の円環の一部が切り取られて離間
部が形成されている。このため開口部１０を通過させて
第１のリード回路３を外方に引き回すことにより、回路
基板１の同一の面上で第１のリード回路３と第２のリー
ド５を形成することができる。この結果、スルーホール
を穿孔された両面回路基板を必要とせず、回路基板の同
一面上で回路を形成したスイッチが可能となる。

【００１７】本発明のドーム型金属バネを用いたスイッ
チは、繰り返し打鍵した時の打鍵荷重の極大値を示すＰ
１値１４の低下率が、打鍵回数３００万回で２０％以内
であるため、打鍵による塑性変形を起こしにくく、十分
な耐久性を保持したものである。

【００１８】また、本発明のスイッチはオンオフ操作ス
イッチとして携帯電話機をはじめ携帯用オーディオ機
器、カメラ、ゲーム機などの各種電子機器に使用するこ
とができ、スイッチ操作回数が格段に増加した機器にお
いても、十分な寿命を与えるものである。

【００１９】なお、ドーム型金属バネには、接触抵抗の
低減を目的としてＮｉやＡｇ等のメッキ処理を行う場合
があるが、メッキを施すことにより高強度のＳＵＳ３０
１Ｈ材では水素脆性を起こしやすいことから、メッキ処
理をしない無垢の材料を使用することが適切である。

【００２０】本発明の実験例を以下に示す。種々の硬度
のＳＵＳ３０１Ｈ材にプレス成形を施し、直径５ｍｍ、
ドームの高さが０．２４〜０．２５ｍｍのドーム型金属
バネを作製し、耐久試験を行った。これらのドーム型金
属バネのＰ１値は１．７〜１．８Ｎである。

【００２１】図６および図７は耐久試験に使用した打鍵
装置と荷重−変位の関係の測定方法を示す図である。図
６に示すように、曲率半径４ｍｍの合成ゴム（ショア硬
度Ｈｓ５０）製の打鍵治具１１を用い、４回／秒の速
度、３．２Ｎの荷重で繰り返し打鍵を行った。荷重と変
位の関係は図７に示すようにドームの頂部に押荷重をか
けていった時、測定棒１２により頂部の変位量１３を測
定し、荷重−変位の曲線を求め、Ｐ１値を決定した。さ
らに、３００万回の打鍵後、Ｐ１値を測定し打鍵前Ｐ１
値に対する低下率（％）を次式により求めた。Ｐ１低下
率（％）＝（打鍵前Ｐ１値−打鍵後Ｐ１値）／打鍵前Ｐ
１値×１００

【００２２】図８はドーム型金属バネの硬度と３００万
回の打鍵後のＰ１低下率との関係を示す図である。図８
から金属バネの硬度が高くなるほどＰ１低下率は小さく
なる傾向にあることがわかる。また、この図から明らか
なように、硬度Ｈｖが５００未満の従来の金属バネの場
合は急激にＰ１低下率が大きくなり、３０％以上の低下
率になるため、スイッチとして使用することができな
い。硬度Ｈｖが５００以上ではＰ１低下率は２０％未満
であり、本発明の硬度Ｈｖが５００〜６５０の範囲はＰ
１低下率が小さい値であるため、十分使用に耐えるもの
である。

【００２３】図９は３００万回までの打鍵を各硬度のド
ーム型金属バネについて２０個ずつ行い、破断個数を調
べて各硬度についての破断率を示した図である。硬度が
低いほど破断率は大きくなり、硬度Ｈｖが４００以下で
は破断率が９０％以上であった。また、硬度Ｈｖが４５
０〜６５０の範囲では、３００万回の打鍵後においても
破断したものはなく、破断率は０％であった。さらに、
硬度Ｈｖが６５０を越える場合は破断率が４０％以上で
あった。

【００２４】硬度Ｈｖが６５０を越える場合に破断した
ドーム型金属バネを拡大観察したところ、破面に数μｍ
の小さな介在物が認められた。このことは、硬度を高め
るために強加工を行った結果、介在物の近傍部分に過大
な応力集中が発生することにより疲労強度が低下し、破
断に至ったことを示すものである。

【００２５】以上の３００万回打鍵後のＰ１低下率およ
び破断率の実験結果から、硬度Ｈｖが５００〜６５０の
範囲のドーム型金属バネが、耐久性に優れていることが
明らかである。さらに、図８に示すように硬度Ｈｖが５
５０以上ではＰ１低下率は１０％以下となることから、
金属バネの硬度Ｈｖを５５０から６５０の範囲とするこ
とにより、極めて耐久性に優れたドーム型金属バネを提
供するものである。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のドーム
型金属バネは硬度Ｈｖが５００〜６５０のステンレス鋼
の薄板から成形されたため、３００万回の打鍵にも耐え
うる耐久性を保持することが可能となる。請求項２のド
ーム型金属バネは請求項１のドーム型金属バネにおい
て、ドームの周辺部の一部に縁部を設けた構造であるた
め、ドーム頂部を押し込んだ際の戻り不良の防止に効果
的であり、オンオフ操作をより確実に行うことができる
ようになる。請求項３のドーム型金属バネはドームの周
辺部の一部に開口部を設けた構造であるため、第１の固
定接点からのリード回路が外方に取り出され、スルーホ
ールを穿孔された両面回路基板を必要とせず、回路基板
の同一面上で回路を形成したスイッチが可能となり製造
コストを低減できる。

【００２７】請求項４のスイッチは請求項１ないし３の
いずれかのドーム型金属バネと固定接点および固定接点
に接続されたリード回路から構成されたため、耐久性に
優れ、安定したスイッチ動作が可能となる。請求項５の
スイッチは請求項４のスイッチを打鍵した時のＰ１変化
率を３００万回の打鍵回数で２０％以内としたため、耐
久性の優れたスイッチが可能となる。請求項６の電子機
器は請求項４または５のスイッチをオンオフ操作スイッ
チとして使用したため、長時間の使用においても耐久性
に優れ、十分な寿命を与えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドーム型金属バネおよびこれを用いた
スイッチの一例を示す平面図である。

【図２】本発明のドーム型金属バネおよびこれを用いた
スイッチの一例を示す側面断面図である。

【図３】本発明の他のドーム型金属バネの一例を示す側
面断面図である。

【図４】本発明の他のドーム型金属バネおよびこれを用
いたスイッチの一例を示す平面図である。

【図５】本発明の他のドーム型金属バネおよびこれを用
いたスイッチの一例を示す側面断面図である。

【図６】本発明のドーム型金属バネの耐久性を試験する
打鍵装置の側面断面図である。

【図７】本発明のドーム型金属バネのＰ１低下率の測定
方法を示す側面断面図である

【図８】本発明のドーム型金属バネの３００万回打鍵後
のＰ１低下率を示すグラフである。

【図９】本発明のドーム型金属バネの３００万回打鍵後
の破断率のグラフである。

【図１０】従来のドーム型スイッチの荷重―変位曲線を
示すグラフである。

【符号の説明】

２…第１の固定接点、３…リード回路、４…第２の固定
接点、５…リード回路、６…ドーム型金属バネ、９…縁
部、１０…開口部、１４…Ｐ１値

フロントページの続き (72)発明者川平哲也千葉県佐倉市六崎1440番地株式会社フジクラ佐倉事業所内Ｆターム(参考） 3J059 AB07 AB11 BA23 BC02 BD01 GA22 5G006 AA01 AB25 BA09 BB03 FB04 5G050 AA14 BA12 CA01 DA02 EA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬度Ｈｖが５００〜６５０のステンレス
鋼の薄板から成形されたことを特徴とするドーム型金属
バネ。
【請求項２】請求項１に記載したドーム型金属バネに
おいて、ドームの周辺部の一部に縁部を設けた構造であ
ることを特徴とするドーム型金属バネ。
【請求項３】請求項１または２に記載したドーム型金
属バネにおいて、その周辺部の一部に開口部を設けたこ
とを特徴とするドーム型金属バネ。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載した
ドーム型金属バネと固定接点および固定接点に接続され
たリード回路から構成されたことを特徴とするスイッ
チ。
【請求項５】請求項４に記載したスイッチにおいて、
スイッチを打鍵した時の荷重の極大値の低下率が、打鍵
回数３００万回で２０％以内であることを特徴とするス
イッチ。
【請求項６】請求項４または５に記載したスイッチを
オンオフ操作スイッチとして使用したことを特徴とする
電子機器。