JP2003177857A - 圧電素子を用いた触感スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特別な駆動回路を設けないシンプルな構成を
採り、スイッチ操作に対して触覚的な応答を得ることが
でき、確実で安定なスイッチ動作を行い得る圧電素子を
用いた触感スイッチを提供すること 【解決手段】 バイモルフ素子１をキートップ２下方に
配置して歪み変形させる。これにはバイモルフ素子の裏
面中央部を支持体３で支持し、キートップ底面を凹形状
に形成する。キートップを押すことでバイモルフ素子が
凹形状に沿う状態で歪み変形し、裏面の電極膜が保持片
５，５に接触して接地側が導通となる。次に中間電極層
１０がメーク接点６に接触して電荷の検知を行う回路が
閉じる。バイモルフ素子の歪み変形が制限されるので発
生電荷量が一定となり、この電荷が閉回路を流れて検知
にかかりオン状態を得る。バイモルフは電荷の放出によ
り歪み変形を戻す反力を発現し、キートップ２に衝撃的
に伝わるので触感を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いた
触感スイッチに関するもので、より具体的には、押し操
作等のスイッチ操作によりバイモルフ素子を歪ませて発
生電荷の検知を行うようにした触感スイッチの基本構成
の改良に関する。

【０００２】

【発明の背景】良く知られているように、圧電素子は外
力により歪んで電荷を発生する圧電気効果を示すことか
ら、これをスイッチ素子に利用することが行われてい
る。例えば押し操作を行うキースイッチ等に適用してお
り、押し操作力で圧電素子を歪ませて発生電荷（電圧）
の検知からオン状態を得るスイッチ動作になっている。

【０００３】また、圧電素子を用いたスイッチには、例
えば特開平１０−３０７６６１号公報などに示されたも
のがある。同公報のものは、キーパッドを押し操作する
ことで当該キーパッド下方のバイモルフ素子に歪み変形
を与えるように構成してある。そして、触覚的な応答の
ために、発生電荷の検知信号の出力から所定時間遅延し
た駆動信号を生成し、この駆動信号のタイミングでバイ
モルフ素子に高電圧を加えるフィードバック回路を備え
た構成を採っている。

【０００４】このため、キーパッドを押し操作すると、
バイモルフ素子の歪み変形による発生電荷を検知してオ
ン状態を得るとともに、フィードバック回路の動作によ
りバイモルフ素子がその歪みを戻す反力を発現し、いわ
ゆる逆圧電気効果を示すのでその反力（応答）を操作者
が触覚的に知覚することになり触感を得る。

【０００５】しかしながら、上記公報に示されたスイッ
チでは、触覚的な応答を得るためにフィードバック回路
が必要であり、しかも高電圧の駆動回路となるため構成
要素が増して大がかりになることは避けられず、コスト
が高くなる。また、最近は電子装置について小型化の要
求が高いという背景があるため、上記のように付設回路
が大がかりになるのでは小型，軽量化には適さない。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、特別な駆動回路を設けないシンプルな構成を採り、
スイッチ操作に対して触覚的な応答を得ることができ、
確実で安定なスイッチ動作を行い得る圧電素子を用いた
触感スイッチを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る圧電素子を用いた触感スイッチ
は、押し操作等のスイッチ操作に対して触覚的な応答が
ある触感スイッチである。そして、外力により歪んで電
荷を発生する圧電素子を備えたバイモルフ素子と、前記
スイッチ操作における作用力を前記圧電素子に伝えて所
定に歪ませる外力作用手段と、前記外力作用手段により
所定に歪んだ圧電素子と電気的に接続するメーク接点と
を備え、当該メーク接点から前記圧電素子の他端に連な
り巡る回路を形成して前記圧電素子に蓄えられた電荷を
放電可能に構成した。

【０００８】また、前記外力作用手段は前記圧電素子の
裏面中央部を支持する支持体と、凹形状の底面を持ち前
記圧電素子の上部に配置するキートップとを備えて、当
該キートップを押すスイッチ操作により前記圧電素子に
接触して当該底面の凹形状に歪ませる構成にする。

【０００９】また、前記キートップを、下層側が変形し
ない剛体層であり上層側は柔軟性を持つ弾性体層である
上下２層の材質構造としたり、あるいはまた、下部が変
形しない剛体部であり上部はバネ等の弾性部材を介して
連なる上下２段の機能構造とする。

【００１０】また、前記圧電素子は分極方向が上下層共
に同一方向であり上面電極と下面電極とを電気的に接続
して共通電極とし、中間電極層との間から電荷を取り出
す構成にする。あるいはまた、前記圧電素子は分極方向
が上下層で逆方向であり上面電極と下面電極との間から
電荷を取り出す構成でもよい。

【００１１】また、前記回路には、ＬＥＤ等の発光素子
を設け、前記電荷の放電に伴い前記発光素子を点灯可能
に構成するとよい。さらに前記回路には、前記圧電素子
における電荷の蓄積を所定極性にそろえるためのダイオ
ード等の整流蓄電手段を備えるとよい。

【００１２】また、前記圧電素子に定常位置で電気的に
接続する定常接点と、当該定常接点から前記圧電素子の
他端に連なり巡る回路を形成して電荷の放電を行う電荷
放電手段とを備える。

【００１３】したがって本発明では、キートップを押す
ことでバイモルフ素子が凹形状に沿う状態で歪み変形
し、やがてメーク接点に接触して電荷の検知を行う回路
が閉じる。ここで、バイモルフ素子の歪み変形はキート
ップ底面の凹形状に制限されるので、発生する電荷量が
所定値となる。この電荷がメーク接点の接続により閉回
路を流れてＬＥＤ等の発光素子の発光から検知でき、オ
ン状態が得られる。このとき、バイモルフ素子は発生電
荷を放出することによって歪み変形を戻す向きに反力を
発現するので、この戻り反力がキートップに衝撃的に伝
わり、スイッチ操作した操作者が触感することになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態を示している。本実施の形態において、触感スイッチ
は、外力により歪んで電荷を発生するバイモルフ素子１
を備えて、キートップ２を押し操作することで当該キー
トップ２下方のバイモルフ素子１に歪み変形を与える構
成を採っている。そして、発生電荷の検知（放電）から
オン状態を得るスイッチ動作になっていて、そのオン状
態を得る際に生じる急速放電によりバイモルフ素子１に
歪みを戻す反力を発現させて触覚的な応答を得る。

【００１５】バイモルフ素子１は、中間電極層１０を挟
むようにセラミック材料等による圧電素子からなる圧電
層１１，１２を設けるとともに、それぞれの圧電層１
１，１２の表面に電極膜を形成した多層構造になってい
る。本実施の形態では、図２に示すように、バイモルフ
素子１は分極方向が上下層共に同一方向であり上面電極
と下面電極とをリード線１３により接続して共通電極と
し、中間電極層１０との間から電荷を取り出すようにし
ている。

【００１６】キートップ２は、その底面を凹形状に成形
してあり、上下２層の材質構造つまり下層側が変形しな
い剛体層２０で、上層側が柔軟性を持つ弾性体層２１に
なっている。これは、キートップ２を押すスイッチ操作
のストローク量を大きくするためである。つまり、バイ
モルフ素子１を弾性限界の範囲内で歪み変形させること
には、操作ストローク量はさほど大きくすることはでき
ないが、操作者に確かな操作感覚を感じさせるにはある
程度大きな操作ストローク量を設定することが好まし
い。そこで、剛体層２０の底面の凹形状を圧電材料の弾
性限界の範囲内で適切に設定することにより、その凹形
状よりも大きく変形してしまうことを抑止し、さらに、
弾性体層２１を設けることにより、スイッチ操作に伴う
押下時に係る弾性体層２１が弾性変形することによって
操作ストローク量を確保するようにした。

【００１７】なお、キートップ２としては、底面のみが
形状を保持できればよいので、本実施の形態に示す上下
２層の材質構造に限定されるものではない。例えば、下
部を変形しない剛体部とし、上部はバネ等の弾性部材を
介して連なる上下２段の機能構造としてもよい。もちろ
ん３層以上にしても良い。

【００１８】そして、この触感スイッチでは、略方形状
の支持体３をベース板４上に設けていて、バイモルフ素
子１は支持体３上に固着してその裏面中央部を支持する
構成を採り、キートップ２を押すスイッチ操作によりバ
イモルフ素子１に接触して当該底面の凹形状に沿う状態
で歪ませる。また、支持体３の両側には保持片５，５を
設けていて、キートップ２の底面形状に歪み変形したバ
イモルフ素子１が接触し、これを支持する。

【００１９】支持体３及び保持片５，５は、弾性部材か
ら形成していて、キートップ２の弾性体層２１よりも硬
めの設定とする。さらに、保持片５，５は、導電性部材
を混合していて、後述する接点に連なる閉回路の接地側
接点になっている。

【００２０】図１には図示を省略したが、ベース板４に
はメーク接点６を設けていて、このメーク接点６は所定
に歪み変形したバイモルフ素子１と電気的に接続するよ
うに設定している。本実施の形態では、図５（ｂ）に示
すように、中間電極層１０の張り出し部と接触する。ま
た、メーク接点６の上方には定常接点７を配設してい
て、その定常接点７はバイモルフ素子１に定常位置で電
気的に接続する設定としてあり、本実施の形態では図３
（ｂ）に示すように、中間電極層１０の張り出し部と接
触する。

【００２１】メーク接点６には、図２に示すように、電
流制限のための抵抗６０，ＬＥＤ６１の直列ラインと、
整流蓄電ダイオード６２のラインとを並列に接続してあ
り、これらのラインは当該メーク接点６からバイモルフ
素子１の他端に接続された回路を形成している。この整
流蓄電ダイオード６２は、ＬＥＤ６１とは逆向きに接続
している。したがって、バイモルフ素子１が歪み変形に
より発生した電荷は、ＬＥＤ６１側には順方向電流とし
て放出するので発光し、電荷の検知を行える。そしてそ
のとき、整流蓄電ダイオード６２の方向制限により、バ
イモルフ素子１には電荷の蓄積が逆向きに起こることに
なり、これは定常接点７に連なる放電回路で放電させ
る。

【００２２】つまり、定常接点７には図２に示すよう
に、電荷放電のための抵抗７０を接続してあって、これ
は当該定常接点７からバイモルフ素子１の他端に連なり
巡る回路を形成している。したがって、バイモルフ素子
１が定常位置にある場合、これに蓄積された電荷は抵抗
７０に対して放出する。

【００２３】なお、ベース板４の裏面には回路パターン
を形成してあり、その回路パターンに、上記した抵抗６
０，ＬＥＤ６１，整流蓄電ダイオード６２，抵抗７０等
の回路素子を実装している。

【００２４】キートップ２底面の凹形状に沿う状態で歪
み変形したバイモルフ素子１では、上側の圧電層１１が
延び変形となり下側の圧電層１２が縮み変形となる。そ
して発生電荷の極性は、延び変形側は分極方向にそろう
向きになり、縮み変形側は分極方向と逆向きになる。こ
こでは上下層共に分極方向が同一なので、図２に示すよ
うに、中間電極層１０に対して電荷の極性がそろうこと
になり、圧電層１１と圧電層１２とをパラレルに接続し
た状態になる。ここに、本発明に係る触感スイッチは以
下のように動作する。

【００２５】（１）触感スイッチが定常状態にあるとき
は、図３に示すように、メーク接点６及び接地側接点の
保持片５，５は非接触になっている。

【００２６】（２）ここでキートップ２を押すと、中央
を支持されたバイモルフ素子１がキートップ２底面の凹
形状に沿う状態で歪み変形して、図４に示すように、バ
イモルフ素子１の裏面（電極膜）が保持片５，５に接触
してまず接地側が導通状態となり、弾性を有する保持片
５，５及び支持体３を圧縮しはじめる。このバイモルフ
素子１の歪み変形量は、キートップ２底面の凹形状によ
って決まり、その凹形状は圧電材料の弾性限界の範囲内
で適切に設定するので、バイモルフ素子１が破損してし
まうことはない。

【００２７】（３）さらにキートップ２を押し込むこと
で、図５（ｂ）に示すように、中間電極層１０の張り出
し部がメーク接点６に接触して導通状態になり電荷の検
知を行う閉回路ができる。

【００２８】したがって、バイモルフ素子１の発生電荷
が放出し、ＬＥＤ６１が発光する。このとき、バイモル
フ素子１は発生電荷を急激に放出することによって歪み
変形を戻す向きに反力を発現するので、この戻り反力が
キートップ２に衝撃的に伝わり、スイッチ操作した操作
者が触感することになる。

【００２９】（４）操作者がキートップ２を離して押し
操作を止めた際には、バイモルフ素子１の歪み形状が戻
って図３に示す定常状態に戻るが、このときバイモルフ
素子１には整流蓄電ダイオード６２による電荷の蓄積が
逆向きに起こっている。この蓄積電荷は次回のスイッチ
動作による発生電荷と相殺するので放電する必要があ
り、本発明では中間電極層１０が定常接点７に接触して
導通状態となり抵抗７０を巡る閉回路で電荷を放出させ
る。

【００３０】このように本発明では、キートップ２を押
すことでバイモルフ素子１が凹形状に沿う状態で歪み変
形し、やがてメーク接点６に接触して電荷の検知を行う
回路に接続して閉じる。ここで、バイモルフ素子１の歪
み変形はキートップ２底面の凹形状に制限されるので、
発生する電荷量が所定値となり、この電荷が閉回路を流
れてＬＥＤ６１の発光から検知でき、オン状態が得られ
る。そして、バイモルフ素子１は発生電荷を放出するこ
とによって歪み変形を戻す向きに反力を発現するので、
この戻り反力がキートップ２に衝撃的に伝わり、スイッ
チ操作に対して触覚的な応答を得ることができる。

【００３１】この場合、触覚的な応答を得ることに従来
のようにフィードバック回路は必要なく、特別な駆動回
路を設けないシンプルな構成となる。このため、コスト
面で有利性があり、小型，軽量化が図れる。

【００３２】また、バイモルフ素子１の歪み変形が所定
量なので、これによる発生電荷量が一定となり、このた
めオン状態を安定的に得ることができ、確実で安定なス
イッチ動作を行うことができる。

【００３３】図６から図９は、本発明の第２の実施の形
態を示している。この第２の実施の形態では、バイモル
フ素子１の分極方向を変更している。つまり、バイモル
フ素子１は、中間電極層１０を挟む上下をセラミック材
料等による圧電層１１，１２とし、それぞれ圧電層１
１，１２の表面に電極膜を形成して多層構造にすること
は第１の実施の形態のものと同様であるが、本実施の形
態では、圧電層１１上には張り出し部を有する上面電極
層１４を設け、中間電極層１０には張り出し部を形成し
ない。そして、このバイモルフ素子１は分極方向が上下
層で逆方向であり上面電極層１４と下面電極との間から
電荷を取り出すように構成している。

【００３４】また、保持片５，５には導電性部材を混合
しないで、支持体３に導電性部材を混合する構成を採
り、バイモルフ素子１の下面電極は支持体３に導電性接
着剤により固着するので電荷の検知を行う回路の接地側
に接続することになる。他の構成各部は第１形態と同様
であり、それら同様各部の説明は省略する。

【００３５】なお、キートップ２底面の凹形状に沿う状
態で歪み変形したバイモルフ素子１では、上側の圧電層
１１が延び変形となり下側の圧電層１２が縮み変形とな
る。そして発生電荷の極性は、延び変形側は分極方向に
そろう向きになり、縮み変形側は分極方向と逆向きにな
る。ここでは上下層で分極方向が逆方向なので、図６に
示すように、中間電極層１０に対して電荷の極性が逆に
なり、圧電層１１と圧電層１２とをシリーズに接続した
状態になる。したがって、本形態の触感スイッチは以下
のように動作する。

【００３６】（１）触感スイッチが定常状態にあるとき
は、図７（ｂ）に示すように、メーク接点６は非接触に
なっている。

【００３７】（２）ここでキートップ２を押すと、中央
を支持されたバイモルフ素子１がキートップ２底面の凹
形状に沿う状態で歪み変形し、図８に示すように、バイ
モルフ素子１の裏面（電極膜）が保持片５，５に接触し
て、保持片５，５及び支持体３を圧縮しはじめる。

【００３８】（３）さらにキートップ２を押し込むこと
で、図９（ｂ）に示すように、上面電極層１４の張り出
し部がメーク接点６に接触して導通状態になり電荷の検
知を行う閉回路ができる。

【００３９】したがって、バイモルフ素子１の発生電荷
が放出し、ＬＥＤ６１が発光する。このとき、バイモル
フ素子１は発生電荷を放出することによって歪み変形を
戻す向きに反力を発現するので、この戻り反力がキート
ップ２に衝撃的に伝わり、スイッチ操作した操作者が触
感することになる。

【００４０】（４）操作者がキートップ２を離して押し
操作を止めた際には、バイモルフ素子１の歪み形状が戻
って図７に示す定常状態に戻るが、このときバイモルフ
素子１には整流蓄電ダイオード６２による電荷の蓄積が
逆向きに起こっている。この蓄積電荷は次回のスイッチ
動作による発生電荷と相殺するので放電する必要があ
り、本形態では上面電極層１４が定常接点７に接触して
導通状態となり抵抗７０を巡る閉回路で電荷を放出させ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る圧電素子を
用いた触感スイッチでは、キートップを押すことでバイ
モルフ素子が凹形状に沿う状態で歪み変形し、やがてメ
ーク接点に接触して電荷の検知を行う回路が閉じる。こ
こで、バイモルフ素子の歪み変形はキートップ底面の凹
形状に制限されるので、発生する電荷量が所定値とな
り、この電荷が閉回路を流れてＬＥＤ等の発光素子の発
光から検知でき、オン状態が得られる。そして、バイモ
ルフ素子は発生電荷を放出することによって歪み変形を
戻す向きに反力を発現するので、この戻り反力がキート
ップに衝撃的に伝わり、スイッチ操作に対して触覚的な
応答を得ることができる。

【００４２】この場合、触覚的な応答を得ることに従来
のようにフィードバック回路は必要なく、特別な駆動回
路を設けないシンプルな構成となる。このため、コスト
面で有利性があり、小型，軽量化が図れる。

【００４３】また、バイモルフ素子の歪み変形が所定量
なので、これによる発生電荷量が一定となり、このため
オン状態を安定的に得ることができ、確実で安定なスイ
ッチ動作を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す触感スイッチ
の斜視図である。

【図２】本発明に係る触感スイッチの構成図である。

【図３】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【図４】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【図５】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す触感スイッチ
の構成図である。

【図７】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【図８】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【図９】（ａ）は、触感スイッチの正面図である。
（ｂ）は、その側面図である。

【符号の説明】

１ バイモルフ素子 ２ キートップ ３ 支持体 ４ ベース板 ５ 保持片 ６ メーク接点 ７ 定常接点 １０ 中間電極層 １１，１２ 圧電層 １３ リード線 １４ 上面電極層 ２０ 剛体層 ２１ 弾性体層 ６０，７０ 抵抗 ６１ ＬＥＤ ６２ 整流蓄電ダイオード

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 押し操作等のスイッチ操作に対して触覚
   的な応答がある触感スイッチであって、 外力により歪んで電荷を発生する圧電素子を備えたバイ
   モルフ素子と、 前記スイッチ操作における作用力を前記圧電素子に伝え
   て所定に歪ませる外力作用手段と、 前記外力作用手段により所定に歪んだ圧電素子と電気的
   に接続するメーク接点とを備え、 当該メーク接点から前記圧電素子の他端に連なり巡る回
   路を形成して前記圧電素子に蓄えられた電荷を放電可能
   としたことを特徴とする圧電素子を用いた触感スイッ
   チ。
2. 【請求項２】 前記外力作用手段は、前記圧電素子の裏
   面中央部を支持する支持体と、凹形状の底面を持ち前記
   圧電素子の上部に配置するキートップとを備え、 当該キートップを押すスイッチ操作により前記圧電素子
   に接触して当該底面の凹形状に沿って歪ませることを特
   徴とする請求項１に記載の圧電素子を用いた触感スイッ
   チ。
3. 【請求項３】 前記キートップを、下層側が変形しない
   剛体層であり上層側は柔軟性を持つ弾性体層である複数
   層の材質構造としたことを特徴とする請求項２に記載の
   圧電素子を用いた触感スイッチ。
4. 【請求項４】 前記キートップを、下部が変形しない剛
   体部であり上部はバネ等の弾性部材を介して連なる上下
   ２段の機能構造としたことを特徴とする請求項２に記載
   の圧電素子を用いた触感スイッチ。
5. 【請求項５】 前記圧電素子は分極方向が上下層共に同
   一方向であり上面電極と下面電極とを電気的に接続して
   共通電極とし、中間電極層との間から電荷を取り出すこ
   とを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の圧
   電素子を用いた触感スイッチ。
6. 【請求項６】 前記圧電素子は分極方向が上下層で逆方
   向であり上面電極と下面電極との間から電荷を取り出す
   ことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の
   圧電素子を用いた触感スイッチ。
7. 【請求項７】 前記回路には、ＬＥＤ等の発光素子を設
   け、前記電荷の放電に伴い前記発光素子を点灯可能とし
   たことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載
   の圧電素子を用いた触感スイッチ。
8. 【請求項８】 前記回路には、前記圧電素子における電
   荷の蓄積を所定極性にそろえるためのダイオード等の整
   流蓄電手段を備えたことを特徴とする請求項１から７の
   何れか１項に記載の圧電素子を用いた触感スイッチ。
9. 【請求項９】 前記圧電素子に定常位置で電気的に接続
   する定常接点と、当該定常接点から前記圧電素子の他端
   に連なり巡る回路を形成して電荷の放電を行う電荷放電
   手段とを備えたことを特徴とする請求項１から８の何れ
   か１項に記載の圧電素子を用いた触感スイッチ。