JP2004303721A - キースイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 座屈反転する単位要素を容易に作成することができ、部品点数及び組み立て工数の低減が可能であり、座屈反転するときの荷重が周辺部へ影響することが極めて少ないキースイッチ及びその設計方法を提供する。
【解決手段】 キースイッチ１のクリックプレート２が、一枚の金属箔を加工したものであり、外接正方形２ｃに内接する内接正方形２ｄの角部２ｅを出現させるよう外接正方形板２ｃの四辺に切り欠きを設け、連結片２ｆを外接正方形板２ｃにおける一つの対角線の両端部に相当する角部に形成した単位要素２ｂからなり、上記単位要素２ｂの内接正方形２ｄの対角線２ｉ及び内接正方形２ｄの四辺において折り曲げられ、クリックプレート２がシェル構造を形成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、飛び移り座屈を利用するキースイッチに関し、特に、複数の部品を連続体としたキースイッチの構造に関する。

近年、携帯用パーソナルコンピュータ等の情報機器において小型化や薄型化が進み、コンピュータ本体はもとよりキーボードにおいてもその小型化や薄型化が望まれている。キーボードは、複数のキースイッチを二次元的に配置したものである。

良好な操作性を得るためには、ノート型パソコンのキースイッチは、３ｍｍ前後のキーストロークと、０．４〜０．５Ｎの最大反力を備えていることが必要とされ、キーを押したとき常に反力があり、除荷したとき素早く元の形状に戻ることが要求される。また、感覚的な要素として、キーを押したときにクリック感があることが要求される。このような要求を満たすために用いられている従来の一般的な構造は、キーストローク及びキートップの水平姿勢を確保するためのパンタグラフ機構と、反力及びクリック感を発生するラバードームとを併用した構造である。

一方、良好なクリック感を得るために金属箔の飛び移り座屈を利用するものが特許文献１に提案されている。飛び移り座屈は、シェル構造や扁平な曲がりはり構造に見られる現象であり、キースイッチ等の入力装置のクリック感を出すためなどに使われている。シェル構造とは、薄肉の湾曲した立体構造をいい、その立体的な剛性で自重や外力に抵抗させるものである。

特許文献１は、円椀状のタクトばね（文献中符号２）を用いたキースイッチに関するものであり、タクトばねが座屈反転することによりクリック感が得られる。「タクトばね２の周縁部は、周縁固定接点７に常時接触している」（段落番号００１３）とあるため、タクトばねは、周縁固定接点に接着固定されているか、もしくは単に接触させていると考えられる。また、当該文献の図１から、このタクトばねの形状は、座屈反転したときに周辺方向に歪み荷重が発生すると思われ、タクトばね自体には座屈反転したときに発生する歪み荷重を吸収する機構がないため、周縁固定接点にて歪み荷重が作用すると考えられる。
特開平１１−７８６２号公報

パンタグラフとラバードームを併用する構造は、１個のキートップ毎に一組のパンタグラフ機構を用いることから、部品数が非常に多くなり、組立コストも大きくなっている。特許文献１記載の構造は、パンタグラフ機構を用いていない点で構造が単純化される長所があるが、金属箔はラバードームのような歪み荷重の吸収作用を備えていないので、キートップを押したときのタクトバネの歪み荷重が周辺固定接点などの周辺部材に伝達され、疲労破壊の原因となると考えられる。

また、タクトばねは金属材料にてスイッチ数に応じて個々に作成され、周縁固定接点も同様に個々に作成され、キースイッチ配列に応じて一つずつ組み立てられるため、部品加工工数や組立工数を更に削減することが望まれる。また、タクトばねを得るためには、金属ばね材料を円椀状にフォーミングする必要がある。板状の金属板をプレス加工等により円椀状に加工することは、金属板を折り曲げる加工に比べて高精度の技術が必要とされ、円椀状のタクトばね形状が非対称形状となってしまった場合は、座屈反転するときの形状が傾き、良好なクリック感が得られない等、信頼性の低下を招くこととなる。

本発明は、上記の問題を解決するものであり、金属板の飛び移り座屈を利用したキースイッチを汎用の技術にて容易に作成することができ、部品点数及び組み立て工数の低減が可能であり、更に座屈反転するときの歪み荷重が周辺部へ影響することが極めて少ないキースイッチを提供することを課題とするものである。

本発明の請求項１記載のキースイッチは、スイッチ部の上部を覆うように形成された一枚の金属箔からなるクリックプレート２と、上記クリックプレートの上面に当接するキートップ４を備え、キートップ４を押圧するとクリックプレート２の下方に位置する突起が上記スイッチ部を押圧するキースイッチにおいて、上記クリックプレート２の単位要素２ｂが、四辺中央部に外側に突出する撓み片２ｏ、２ｍ、２ｎを備えた正方形２ｄを基本形状とし、この基本形状における上記正方形の対角線及び四辺において上凸状に折り曲げられてシェル構造を形成している。

この発明によれば、正方形２ｄの四辺中央に設けた撓み片２ｏ、２ｍ、２ｎにより、必要なキーストロークが容易に得られ、かつ正方形２ｄ部分のシェル構造における飛び移り座屈によって、良好なクリック感を得ることができる。撓み片２ｏ、２ｍ、２ｎは舌片状に形成されるが、先端側が幅狭になる形状とすることにより、ストローク途中における反力を調整できる。また、シェル構造も直線的な折り曲げ線を組み合わせることによって形成されるため、プレス加工も容易である。

更に、クリックプレートの各単位要素２ｂの頂部が四角錐状に成形されるので、この上に接するキートップの裏面４ｂをこの四角錐に対応する四角錐状の凹部とすることにより、パンタグラフを用いなくてもキートップの水平姿勢を維持することができる。

クリックプレート２上のキートップ４は、各単位要素２ｂの頂部に接着して設ける構造、キートップ裏面に設けた突起４ａをシェルの頂部に設けた貫通孔２ｇに挿通して固定する構造、多数のキートップ４をキートップ相互の間に可撓性を持たせたシート状に一体成形する構造などを採用できる。なお、クリックプレート２の飛び移り座屈は、各単位要素における正方形２ｄ部分の周縁部で起こり、上記形態によるキートップ４の水平保持作用が座屈変形によって妨げられることはない。

本発明の請求項２記載のキースイッチは、請求項１記載の発明を前提として、クリックプレート２の上記基本形状が、上記正方形２ｄの角に四辺の各中央において外接する外接正方形２ｃの各辺に切り欠きを設けることにより形成され、上記単位要素が、上記外接正方形における一つの対角線の両端部に連結片２ｆを備えていることを特徴とする。

この発明によれば、連結片２ｆに座屈変形時の歪み荷重を吸収する可撓性を持たせることにより、各単位要素２ｂにつき２箇所設けられた連結片２ｆによって、座屈変形時の歪み荷重を吸収できる。

本発明の請求項３記載のキースイッチは、請求項２記載の発明を前提として、前記連結片２ｆを前記金属箔からなる連結枠２ａに連続させることにより、前記クリックプレート２が複数の単位要素２ｂを連続した形状であることを特徴とする。

この発明によれば、クリックプレート２が、連結片２ｆを介して単位要素２ｂを複数連続した形状であることから、一枚の金属箔にて複数の単位要素２ｂを有するクリックプレート２を作成することができる。

本発明の請求項４記載のキースイッチは、請求項１記載の発明を前提として、クリックプレート２が複数の単位要素２ｂを備え、各単位要素は、撓み片の一個２ｍの先端に水平方向に折り曲げられた連結片２ｋを備え、隣接する単位要素２ｂが、上記連結片を介して互いに連結されていることを特徴とする。

この発明によれば、各単位要素２ｂが押圧されたときに各単位要素の周辺部に生ずる水平方向の歪み荷重が連結片２ｋが設けられていない３方向に拡散されるので、連結片２ｋに切り込みなどの歪み荷重の吸収構造を持たせる必要がなく、加工性及び耐久性の点で有利である。

本発明の請求項５記載のキースイッチは、請求項４記載の発明を前提として、クリックプレートの単位要素２ｂが、上記連結片２ｋを備えた一個の撓み片２ｍに対向する撓み片２ｎの先端に水平方向に折り曲げられたスライド片２ｐを備えていることを特徴とする。

スライド片２ｐは、連結片２ｋを備えた撓み片２ｍを除くすべての撓み片２ｎ、２ｏに設けることもできる。

また請求項６記載のキースイッチは、請求項５記載の発明を前提として、クリックプレート２が、固定プレート５と上記単位要素２ｂのシェルを露出させる窓６ａを備えた固定カバー６との間に、上記連結片２ｋとスライド片２ｐとを挟持されて積層されていることを特徴とする。

各単位要素を連結する連結片２ｋは、固定プレート５と固定カバー６とで挟持されて固定される。一方、スライド片２ｐは、固定プレート５と固定カバー６との間で水平方向に滑動自在に保持されることから、個々の単位要素２ｂの歪み荷重を開放可能な状態で複数のキースイッチを容易に組立てることが可能になる。

また、請求項７記載のキースイッチは、前記各請求項記載のキースイッチにおいて、クリックプレート２を形成する金属箔の板厚が、キースイッチに入力される座屈荷重の３乗根から算出されていることを特徴とする。

この発明によれば、キースイッチに入力される座屈荷重の仕様値あるいは予想値から、クリックプレート２を形成する金属箔の板厚を容易に算出することができる。

上記のような本願発明の構成及び作用により、ノート型パソコンに要求されるキーストロークと、押圧反力及びクリック感をすべて備え、部品点数が少なく、かつ組立の容易なキースイッチを得ることができる。すなわち、クリックプレートの各単位要素２ｂが備える正方形２ｄと撓み片２ｏ、２ｍ、２ｎとを組合せたシェル構造により、所望のキーストローク、押圧反力及びクリック感を得ることができ、キートップ４を各単位要素２ｂの頂部に安定に保持できることから、キートップの平行を保持するパンタグラフ機構も不要になる。そして、押圧時にシェル周縁部に生ずる歪み荷重が吸収ないし開放された状態で複数の単位要素２ｂを１枚の金属板から一体成形でき、かつクリックプレート２を固定プレート５と固定カバー６で単に挟持するのみで、複数のキースイッチを組立てることができる。

更に、クリックプレート２を一枚の金属箔で構成することができるため、従来のように複雑な部品を多数使用したり、複雑な組み立てをしたりする必要がなく、部品点数及び組み立て工数の大幅な削減を図ることができる。また、クリックプレート２が複数の単位要素２ｂを連続した形状とすることも可能であり、一枚の金属箔をプレス切断及びプレス加工することにより一括成型することが可能である。このとき、プレス切断する辺及びプレス加工する折り曲げ部がすべて直線で構成されるため、いずれの加工においても容易に行うことができ、コスト低減を図ることができる。さらに、一枚の金属箔の一括成型によってクリックプレート２を作成できるため、部品点数及び組み立て工数の大幅な削減が図られることとなる。

また、複数の単位要素２ｂが連続していても、連結片２ｆ、２ｋにより単位要素２ｂの座屈反転による歪み荷重が吸収され、あるいは連結片が設けられていない３方に拡散されるので、隣接する単位要素等の周辺部へ歪み荷重が影響することが抑制され、高い信頼性を保つことができる。例えば、近接する複数のキースイッチを押下しても導通不良等の不具合に至ることはない。

また、本発明によれば、キースイッチに入力される座屈荷重から板厚が算出されるため、キースイッチの使用目的に応じた設計が容易に行われることとなる。

以下に、本発明の第１の実施の形態として、パーソナルコンピュータ等のキーボードに使用されるキースイッチを例に図面を引用しながら説明する。

本実施の形態のキースイッチのクリックプレート部分の概観図を図１ないし図３に、実装状態の断面図を図４に示す。図４に示すように、キースイッチ１は、クリックプレート２と、キートップ４とを備えている。クリックプレート２は、金属箔として厚さｔが０．０５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）の箔からなり、マトリクス状の連結枠２ａに単位要素２ｂが連結された形状である。

図２に示すように、単位要素２ｂは、外接正方形２ｃに内接する内接正方形２ｄの角部２ｅを出現させるよう、外接正方形板２ｃの四辺に切り欠きを設け、連結枠２ａの隅部に設けた連結片２ｆの先端を外接正方形２ｃの一本の対角線の両端にそれぞれ連結させた形状である。また、内接正方形２ｄの中央近辺には貫通孔２ｇが４箇所設けられ、連結片２ｆにおける内接正方形２ｄとの接続部近辺には、歪み荷重を吸収する水平方向の可撓性を付与するための切り込み２ｈが数箇所形成されている。

さらに、図３に示すように、内接正方形２ｄの対角線２ｉ及び四辺（撓み片の根本部分）が緩やかな角度で上凸方向に折り曲げられ、単位要素２ｂが内接正方形と四枚の撓み片からなるシェル構造を形成している。

本実施の形態において、金属箔としてステンレス箔を使用したが、本発明はこれを限定するものではなく、リン青銅等の他の金属箔を使用することも本発明に含まれる。様々な金属箔のうち、ステンレス箔は、強度、耐食及び耐熱性に優れているため、耐久性を重視する精密機械部品にも利用されており、高い信頼性を有している。

本実施の形態のクリックプレート２は、図１に示される形状となるようにステンレス箔をプレス切断し、図３に示される立体形状となるようにプレス加工することにより、全体を一括成型することができる。図２は、単位要素２ｂの拡大図である。このとき、プレス切断する辺及びプレス加工する線（折り曲げ部）が、全て直線であるため、いずれの加工も容易に行うことができる。さらに、全体が一括成型されるため、単位要素２ｂごとに個々の部品を生産して組み立てる必要はなく、キーボード構造のキー配列に適した形状にて一括成型が可能であるため、工数及びコストを大幅に低減させることができる。また、通常、個々の部品を組み立てる際は、配置のばらつき等による組み立て精度の劣化が避けられないが、本実施の形態のように特定の機能を持つ部品が連続した形態（機能的連続体とも呼ばれる）にて作成できる場合は、このような組み立て精度に関する問題をも解決することができる。

本実施の形態のキースイッチ１の実装状態の断面図を図４に示す。図４は、図２のＸ−Ｘ線を切断線としたときの断面図である。図４（ａ）に示されるように、キースイッチ１は、スイッチ部であるシート状のメンブレンスイッチ３の上部にクリックプレート２を配し、連結片２ｆの裏面の切り込み２ｈが形成されていない部分をメンブレンスイッチ３に接着し、クリックプレート２の天頂部に設けられた貫通孔２ｇにキートップ４の突起４ａをはめ込んで形成される。連結片２ｆの裏面の接着は、メンブレンスイッチ３の表面に印刷等により塗布した接着剤にて行う。メンブレンスイッチ３は薄膜シートを重ねた構造であり、常態においては可動接点３ａと固定接点３ｂは離間しており、上方から押下されると可動接点３ａと固定接点３ｂとが接触し、電気的な導通が得られる。

図４（ｂ）に示されるように、キートップ４を上方から押下すると、シェル構造を形成している単位要素２ｂの上面が座屈変形し、キートップ４の突起４ａがメンブレンスイッチ３の表面を押して可動接点３ａと固定接点３ｂとを接触させ、この接触部において電気的な導通が得られる。また、この単位要素２ｂにおいて飛び移り座屈現象が起きるときに、クリック感が得られる。単位要素２ｂが座屈変形するときには、内接正方形２ｄの中央から周辺方向に歪み荷重（図４（ｂ）の矢印Ａ）がかかるが、四角形の連結片２ｆに形成された切り込み２ｈにて歪みが吸収され、隣接する単位要素２ｂの形状に影響を与えない。

本実施の形態において、座屈変形時における歪み吸収機構として、連結片２ｆを四角形とし、連結片２ｆに切り込み２ｈを形成したが、図５及び図６に示すように、連結片２ｆの形状を細い板状としてもよい。また、図１、２及び図５、６において、連結片２ｆの形成位置を単位要素２ｂの右上と左下に形成したが、本発明はこれを限定するものではなく、単位要素２ｂの左上と右下に形成してもよい。あるいは、連結片２ｆの位置をキー列ごとに左右反転させる等、連結片２ｆの位置は実施に応じて任意である。また、本発明のキースイッチを電子機器に使用されるボタンスイッチ等に適用することも可能である。

次に、本発明のキースイッチの設計について述べる。まず、本実施の形態の単位要素２ｂについて、板厚ｔをパラメータとする力学的特性評価を行った。評価方法は、単位要素２ｂの中央に強制変位を与え、その反力を微小荷重ロードセルで測定するものである。その結果を図７に示す。図７から、板厚ｔが薄くなるにつれて座屈荷重が減少し、また座屈するときの変位も減少することが分かる。したがって、飛び移り座屈現象において、板厚が重要なパラメータであるといえる。

次に、板厚ｔに対する座屈荷重の変化を図８に示す。横軸は板厚ｔの３乗であり、縦軸は座屈荷重である。図８から、座屈荷重は板厚の３乗に比例することが分かる。比例定数は、単位要素の大きさや形状によって決定される。以上の結果により、単位要素２ｂを設計する際は、所望の座屈荷重の３乗根から板厚を算出すればよいといえる。

図９ないし図１３は、この発明の第２実施形態を示す図で、請求項４ないし６に対応する実施形態を示した図である。この第２実施形態は、隣接する４個の単位要素２ｂを１枚の金属板から成形したこと、４個の単位要素２ｂが水平方向の可撓性を備えていない連結片２ｋで連結されていること、連結片２ｋを設けた撓み片２ｍに対向する撓み片２ｎの先端に水平方向に延びるスライド片２ｐを形成したこと、及び、クリックプレート２が連結片２ｋとスライド片２ｐを固定プレート５と固定カバー６とで挟持されて保持される構造であることが、上述した第１実施形態と異なる。以下に第１実施形態と異なる点についてのみ詳述する。

第１実施形態の撓み片２ｏは、各単位要素の４個がすべて同一形状であるのに対し、図９ないし１３に示す第２実施形態のものでは、連結片２ｋに接続される撓み片２ｍは矩形であり、この矩形の撓み片に対向する撓み片２ｎは、その先端に水平方向に折り戻された一体のスライド片２ｐを備えている。図１０は、１個の単位要素のスライド片２ｐから連結片２ｋに至る方向の中央部における切断端面を示した図で、屈折点ＰＡないしＰＥが図９の各点ＰＡないしＰＥに対応している。

上記構造のクリックプレート２は、図１１に示す固定プレート５と図１２に示す固定カバー６とに挟持された状態で組立てられる。固定プレート５には、クリックプレートが位置する部分にクリックプレートの板厚に相当する深さの浅い凹所５ａが形成されている。一方、固定カバー６には、クリックプレートの４個のシェル（正方形２ｄと撓み片２ｍ、２ｎ、２ｏを含む部分）のそれぞれをを露出させる大きさの４個の窓６ａが設けられている。この窓６ａの大きさは、単位要素２ｂの頂部が押下されて撓み片２ｎ、２ｏの先端が３方に広がる方向に変位したときも、その変位を妨げない大きさである。クリックプレートの連結片２ｋの部分６ｋと、スライド片２ｐの先端に対応する部分６ｐには、窓が設けられていない。

上記のように構成した固定プレート５の凹所５ａにクリックプレート２を載せ、その上に固定カバー６を積層することにより、クリックプレート２は、その連結片２ｋと４個のスライド片２ｐの先端を固定プレート５と固定カバー６とで挟持された状態となるので、クリックプレートの各単位要素２ｂの上にキートップ４が来るようにキーシート４ｃを積層することにより、キーボードのキートップ部分を組立てることができる。キーシート４ｃは、可撓性のあるシート４ｄに板状のキートップ４を貼付けないしモールド成形して一体化した構造で、図には４個のキートップを備えたものが示されているが、キーボード上のすべてのキートップを１枚のシート状にして組立てることができるものである。同様に固定プレート５及び固定カバー６も、１枚の合成樹脂シートに多数の凹所５ａや窓６ａを設けることにより、キーボード上に配置されるすべてのキースイッチに対応させることができる。

このようにして組立てられたキースイッチのキートップを押下したときに、クリックプレートの単位要素２ｂに生ずる水平方向の歪み荷重は、スライド片２ｐが固定プレート５と固定カバー６との間で、またその両側の撓み片２ｏの先端が固定プレートの凹所５ａの底面上を滑ることで、開放されることとなり、歪み荷重を吸収する切り込みなどを連結片２ｋに設ける必要がなくなるため、クリックプレート２の製造が容易になると共に、耐久性も向上する。なお、撓み片２ｏの先端を円弧状にしたり、上方へ若干反らせることにより、凹所５ａの底面上での滑動性を向上させることができる。

第１実施形態のクリックプレートの一例を示す上面図 図１のクリックプレートの単位要素の拡大図 図２の単位要素の概観図 本発明のキースイッチの実装状態を示す図であり、（ａ）はキートップが押下されない状態の断面図、（ｂ）はキートップが押下された状態の断面図 第１実施形態のクリックプレートの別の例を示す上面図 図５のクリックプレートの単位要素の拡大図 単位要素の力学特性を表すグラフ 単位要素の板厚に対する座屈荷重の変化を表すグラフ 第２実施形態のクリックプレートの例を示す上面図 図９のクリックプレートの単位要素の断面端面図 図９のクリックプレートを搭載する固定プレートの上面図 図９のクリックプレートを挟持する固定カバーの上面図 図９のクリックプレートの実相構造を示す分解斜視図

符号の説明

１ キースイッチ
２ クリックプレート
２ａ 連結枠
２ｂ 単位要素
２ｃ 外接正方形
２ｄ 内接正方形
２ｅ 角部
２ｆ、２ｋ 連結片
２ｇ 貫通孔
２ｈ 切り込み
２ｉ 対角線
２ｍ、２ｎ、２ｏ 撓み片
２ｐ スライド片
３ メンブレンスイッチ
３ａ 可動接点
３ｂ 固定接点
４ キートップ
４ａ 突起
４ｂ キートップの裏面
４ｃ キーシート
４ｄ 可撓性シート
５ 固定プレート
５ａ 凹所
６ 固定カバー
６ａ 窓
Ａ 歪み荷重の方向
Ｘ 切断線
ｔ 板厚

Claims (7)

1. スイッチ部の上部を覆うように形成された一枚の金属箔からなるクリックプレート(2)と、上記クリックプレートの上面に当接するキートップ(4)を備え、キートップ(4)を押圧するとクリックプレート(2)の下方に位置する突起が上記スイッチ部を押圧するキースイッチにおいて、
   上記クリックプレート(2)の単位要素(2b)が、四辺中央部に外側に突出する撓み片(2o,2m,2n)を備えた正方形(2d)を基本形状とし、この基本形状における上記正方形の対角線及び四辺において上凸状に折り曲げられてシェル構造を形成している、キースイッチ。
2. クリックプレート(2)の上記基本形状が、上記正方形(2d)の角に四辺の各中央において外接する外接正方形(2c)の各辺に切り欠きを設けることにより形成され、上記単位要素が、上記外接正方形における一つの対角線の両端部に連結片(2f)を備えている、請求項１記載のキースイッチ。
3. 前記連結片(2f)を前記金属箔からなる連結枠(2a)に連続させることにより、前記クリックプレートが複数の単位要素(2b)を連続した形状であることを特徴とする、請求項２記載のキースイッチ。
4. クリックプレート(2)が複数の単位要素(2b)を備え、各単位要素は、撓み片の一個(2m)の先端に水平方向に折り曲げられた連結片(2k)を備え、隣接する単位要素(2b)が、上記連結片を介して互いに連結されている、請求項１記載のキースイッチ。
5. クリックプレートの単位要素(2b)が、上記連結片(2k)を備えた一個の撓み片(2m)に対向する撓み片(2n)の先端に水平方向に折り曲げられたスライド片(2p)を備えている、請求項４記載のキースイッチ。
6. クリックプレート(2)が、固定プレート(5)と上記単位要素(2b)のシェルを露出させる窓(6a)を備えた固定カバー(6)との間に、上記連結片(2k)とスライド片(2p)とを挟持されて積層されている、請求項５記載のキースイッチ。
7. 前記クリックプレート(2)を形成する金属箔が、キースイッチに入力される座屈荷重の３乗根から算出された板厚を備えていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１記載のキースイッチ。

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