JP2006079995A

JP2006079995A - 感圧スイッチ

Info

Publication number: JP2006079995A
Application number: JP2004264179A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Ueda; 茂樹植田; Hiroyuki Ogino; 弘之荻野; Hideki Kaneko; 秀樹金子; Yoshiyuki Kawai; 美幸河合; Masato Matsuda; 正人松田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CN101044378A

Abstract

【課題】押し圧の強弱や押しストローク長に関係なく、印加される押し圧の加速度に応じた信号を出力することができる感圧スイッチを提供する。
【解決手段】圧電セラミック粉末２５および樹脂系材料２６によって形成されたピエゾ素子構造２３を有する圧電ケーブル２０を備えた感圧スイッチ１０であって、圧電ケーブル２０の少なくとも一部をセンサボックス１１の支持面１２から突出させると共に、該突出部分を湾曲させて湾曲部１３とし、かつ、圧電ケーブル２０の基端部に制御回路１４を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電セラミック粉末および樹脂系材料によって形成されたピエゾ素子構造を有する圧電ケーブルを備えた感圧スイッチに関する。

従来、種々の用途に用いられるスイッチとしては、例えば図１７に示すマイクロスイッチが知られている（例えば特許文献１参照）。
このマイクロスイッチ１は、レバー２に押し圧が作用すると、レバー２が押しボタン３位置に到達し、このときのレバー２による押しボタン３の押し圧が該押しボタン３を可動させるに十分な押し圧であれば、可動端子４が接点５に接触してスイッチがＯＮされるものである。
特開２０００−２１５７５１号公報

上記特許文献１に記載のマイクロスイッチにおいては、可動端子４が接点５に接触するためには、レバー２および押しボタン３を押すための十分な押し圧とレバー２の十分な押しストロークＳが必要であり、レバー２および押しボタン３の押し圧が微小であったり、レバー２の押しストロークＳが短いとスイッチがＯＮされないことになる。
本発明は前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、押し圧の強弱や押しストローク長に関係なく、印加される押し圧の加速度に応じた信号を出力することができる感圧スイッチを提供することにある。

前述した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、圧電セラミック粉末および樹脂系材料によって形成されたピエゾ素子構造を有する圧電ケーブルを備えた感圧スイッチであって、前記圧電ケーブルの少なくとも一部を支持面から突出させると共に、該突出部分を湾曲させて湾曲部とし、かつ、前記圧電ケーブルの基端部に制御回路を接続したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記圧電ケーブルの前記湾曲部と前記支持面との間に隙間を設けたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記圧電ケーブルの前記湾曲部を同一曲率で湾曲させたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記圧電ケーブルの先端部を固定する固定手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、支持面から突出した圧電ケーブルの少なくとも一部を湾曲させているので、機械的に圧電体のたわみ量が増える構成となり、湾曲部に応力を印加することで、押し圧の強弱や押しストローク長に応じて押し圧が弱くても、ストロークが短くても、印加される押し圧を高感度で検出して該押し圧の加速度に応じた信号を出力することができる。

また、圧電ケーブルの湾曲部と支持面との間に隙間を設けることで、圧電ケーブルの押圧時の変位量を大きくすることができ、検出範囲を広くとることができる。
更に、圧電ケーブルの湾曲部を同一曲率で湾曲させることで、湾曲部の全域において均一に感度を上げることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態である感圧スイッチを示す断面図、図２は図１の感圧スイッチの斜視図、図３は圧電ケーブルを説明するための斜視図、図４はピエゾ素子構造を説明するための断面斜視図、図５〜図１３は本発明の他の実施形態である感圧スイッチを示す図である。

まず、図３および図４を参照して、本発明の第１実施形態である感圧スイッチに用いられる圧電ケーブルについて説明する。
この圧電ケーブル２０は、図３に示すように、中心電極としての芯線２１の周囲にピエゾ素子材料２３が被覆され、ピエゾ素子材料２３の周囲に外側電極２２が巻回され、外側電極２２の周囲にＰＶＣ（塩化ビニル樹脂）等の熱可塑性樹脂からなる外皮２４が被覆されており、優れた可撓性を有して、変形時の変形加速度に応じた出力信号を発生する。

芯線２１は、銅−銀合金等のコイル状金属中心電極とされている。また、ピエゾ素子材料２３は、図４に示すように、樹脂系材料２６と１０μｍ以下の圧電性セラミック粉末２５との複合体とされており、振動検出特性は圧電性セラミック粉末２５により、フレキシブル変形性は樹脂系材料２６によりそれぞれ実現される。

ピエゾ素子材料２３の樹脂系材料２６としては、例えば塩素系ポリエチレン等を例示することができ、これにより、従来の代表的な高分子ピエゾ素子材料（一軸延伸ポリ弗化ビニリデン）やピエゾ素子材料（クロロプレンと圧電セラミック粉末のピエゾ素子材料）の最高使用温度である９０℃より高い温度域（１２０℃以下）での使用を可能とすると共に、容易に形成できる柔軟性を実現し、かつ、架橋する必要のない簡素な製造工程を可能にしている。

また、ピエゾ素子材料２３の圧電セラミックス粉末２５としては、例えばチタン酸鉛、またはチタン酸ジルコン酸鉛の焼結粉体やニオブ酸ナトリウム等の非鉛系圧電セラミック焼結粉末を例示することができる。

外側電極２２には、フィルム状電極（アルミニウム−ポリエチレンテレフタレート−アルミニウムの三層ラミネートフィルム）が用いられており、これにより、ピエゾ素子材料２３と外側電極２２との密着性を確保している。

このようにして得られた圧電ケーブル２０は、例えば、比誘電率は５５、電荷発生量は１０−１３Ｃ（クーロン）／ｇｆ、最高使用温度は１２０℃とされているが、ピエゾ素子材料２３を成形したままでは、圧電性能を有しないので、ピエゾ素子材料２３に数ｋＶ／ｍｍの直流高電圧を印加することにより、ピエゾ素子材料２３に圧電性能を付与する処理（分極処理）を行うことが必要である。

ピエゾ素子材料２３にクラック等の微少な欠陥が内在する場合、その欠陥部で放電して両電極間が短絡し易くなるので、充分な分極電圧が印加できなくなるが、この実施形態では、一定長さのピエゾ素子材料２３に密着できる補助電極を用いた分極工程を確立することにより、欠陥を検出・回避して分極を安定化しており、これにより、数１０ｍ以上の長尺化も可能にしている。

ここで、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態である感圧スイッチ１０は、圧電ケーブル２０の少なくとも一部を直方体状のセンサボックス１１の上面の支持面１２から突出させると共に、該突出部分を湾曲させて湾曲部１３とし、かつ、圧電ケーブル２０の基端部に制御回路１４を接続している。
このように支持面１２から突出した圧電ケーブル２０の少なくとも一部を湾曲させることにより、湾曲部１３の内周側の圧電セラミック粉末２５の粒子間の間隔を密にして起電力を発生し易くしている。

センサボックス１１の上板１１ａには２つのケーブル挿通穴１５がセンサボックス１１の長手方向（図１中、左右方向）に互いに離間して形成されており、圧電ケーブル２０はセンサボックス１１内から一方のケーブル挿通穴１５を挿通して支持面１２の上方位置で該支持面１２との間に隙間１６を持たせた状態で同一曲率で湾曲して湾曲部１３を形成し、その先端部が他方のケーブル挿通穴１５に挿入されている。
他方のケーブル挿通穴１５に挿入された圧電ケーブル２０の先端部は、ボルトや接着剤あるいはセンサボックス１１内に充填されたジェル等の固定手段によって固定される。

また、圧電ケーブル２０の基端部は、センサボックス１１の側部に形成されたケーブル挿通穴１７を挿通してセンサボックス１１外に導出されて制御回路１４に接続され、該制御回路１４にはケーブル１８が接続されている。制御回路１４では、アナログ信号を増幅して出力するか、増幅後にＡ／Ｄ変換部でデジタル変換してデジタル信号を出力するようにしてもよく、あるいはフィルタ処理部等でデジタル信号から所定の周波数域を抽出して出力するようにしてもよい。
制御回路１４に接続されたケーブル１８は、電源供給用と検出信号の出力用で、その先端に取り付けられたコネクタ（図示せず）を介して電源やコンピュータ等の端末に接続される。

以上のような感圧スイッチ１０は、例えば図１および図２中、矢印の方向、すなわちセンサボックス１１の支持面１２に向かって湾曲部１３を変形させるような力を圧電ケーブル２０に加えることにより、圧電ケーブル２０の変形時の変形加速度に応じた出力信号を発生する。

図５はこの感圧スイッチ１０に加わる荷重と出力信号特性を示す線図である。出願人が感圧スイッチ１０の荷重と出力信号の関係を実験した結果、感圧スイッチ１０に（ａ）のような曲げ荷重を加えたとき、出力信号が（ｂ）のような現象になることを突きとめた。
（１）すなわち、時刻ｔ０では感圧スイッチ１０に荷重が加わっていないときは、出力信号は２（Ｖ）を示している。
（２）時刻ｔ１で感圧スイッチ１０に一定方向に曲げ荷重を加えると、加わった瞬間から出力信号は４（Ｖ）に増加したあと直ぐに反転して０（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻る。
（３）そのあと、曲げたままにしていても出力信号は２（Ｖ）を示したままである。
（４）時刻ｔ３で感圧スイッチ１０を元の状態に戻すと、その瞬間から出力信号は０．８（Ｖ）に減少したあと、直ぐに反転して２．２（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻る。

また、同じ条件下で、上記（２）の実験のとき、曲げ方向を（２）の実験のときの曲げ方向に対して１８０度逆方向に曲げたら、出力信号は０（Ｖ）に減少したあと直ぐに反転して４（Ｖ）になり、その後再び２（Ｖ）に戻った。

さらに、同じ条件下で、上記（２）の実験のとき、速く曲げたら、（２）の実験のときと比べて出力信号が大きくなり、ゆっくり曲げたら出力信号は小さくなった。

この曲げ方向に対して１８０度逆方向に曲げても同じ結果が生じた。すなわち、速く曲げたら大きく振れ、ゆっくり曲げたら少ししか振れなかった。

この信号は矩形波での出力ではなく、感圧スイッチ１０に対して荷重を加えたとき、あるいは荷重を抜いたときに荷重の加わり方（速度、ストローク）や荷重を加える個所の材質等に応じた波形でアナログ出力する。
従って、この感圧スイッチ１０は、用途に応じて、湾曲部１３の大きさや湾曲率、材質等を適宜選択することにより、出力信号の特性を容易に選択できる。

このようにこの実施形態では、支持面１２から突出した圧電ケーブル２０の少なくとも一部を湾曲させているので、機械的に圧電体のたわみ量が増える構成となり、湾曲部１３に応力を印加することで、押し圧の強弱や押しストローク長に応じて押し圧が弱くても、ストロークが短くても、印加される押し圧を高感度で検出して該押し圧の加速度に応じた信号を出力することができる。

特に、この感圧スイッチ１０は、圧電体を撓ませるために最低限の荷重ストロークは必要であるが、微小な撓み（変位）でも信号を出力するため、使用者が触れただけであると錯覚する程度の極めて小さなストロークでも信号を出力する。
従って、この感圧スイッチ１０は、あたかもタッチスイッチとして用いることができる。

また、この感圧スイッチ１０は、出力信号を制御回路１４により増幅するので、回路構成を変更することによりスイッチ感度を変更できる。
その上、感圧スイッチ１０は機械的な接点を持たないので、従来のマイクロスイッチに比較して、高度な耐水性、耐久性、信頼性が得られる。

そして、圧電ケーブル２０は、湾曲部１３の内周側の圧電セラミック粉末２５の粒子間の間隔が密となって起電力が発生しやすくなり、これにより、押し圧の強弱や押しストローク長に関係なく、印加される押し圧を高感度で検出して該押し圧の加速度に応じた信号を出力することができる。

また、圧電ケーブル２０の湾曲部１３と支持面１２との間に隙間１６を設けているので、圧電ケーブル２０の押圧時の変位量を大きくすることができ、検出範囲を広くとることができる。
更に、圧電ケーブル２０の湾曲部１３を同一曲率で湾曲させているので、湾曲部１３の全域において均一に感度を上げることができる。

なお、本発明の感圧スイッチは、上記実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。
例えば、上記実施形態では、制御回路１４をセンサボックス１１外に配置した感圧スイッチ１０を例示したが、これに代えて、図６および図７に示すように、制御回路１４をセンサボックス１１内に配置した感圧スイッチ３０とすることもできる。

また、上記実施形態では、センサボックス１１の支持面１２から突出した圧電ケーブル２０の湾曲部１３を露出させた場合を例示したが、これに代えて、図８に示すように、センサボックス１１の上部にゴム等の弾性材からなる蓋部４１を被せて、蓋部４１の内面中央部に設けた凸部４２で湾曲部１３の頂き部を押圧可能にした感圧スイッチ４０としてもよく、更に、蓋部４１に代えて、図９示すように、圧電ケーブル２０の湾曲部１３をゴム等の弾性材からなる被覆材５１で隙間１６を残した状態で均一肉厚で円弧状に覆うようにした感圧スイッチ５０としてもよく、また、図１０に示すように、圧電ケーブル２０の湾曲部１３をゴム等の弾性材からなる被覆材６１で隙間１６を残した状態で平坦に覆うようにした感圧スイッチ６０としてもよい。

更に、上記実施形態では、センサボックス１１の支持面１２と湾曲部１３との間に隙間１６を設けた場合を例示したが、これに限定されず、例えば図１１に示すように、湾曲部１３を有する限りにおいて圧電ケーブル２０の支持面１２からの突出部分を支持面１２に接触させるようにした感圧スイッチ７０としてもよい。この例では、圧電ケーブル２０の湾曲部１３をゴム等の弾性材からなる被覆材７１で平坦に覆うようにしている。

更に、上記実施形態では、センサボックス１１の支持面１２に一カ所の湾曲部１３を突出形成した場合を例示したが、これに限定されず、図１２および図１３に示すように、圧電ケーブル２０を波状に湾曲させて２箇所以上の湾曲部１３（図では２箇所）を支持面１２に突出形成した感圧スイッチ８０としてもよく、あるいは図１４に示すように、圧電ケーブル２０をコイル状に湾曲巻回して２箇所以上の湾曲部１３（図では４箇所）を支持面１２に突出形成した感圧スイッチ９０としてもよい。

また、図８の感圧スイッチ４０はセンサボックス１１の上部に被せた蓋部４１がゴム等の弾性材であったが、図１５に示す感圧スイッチ１００のように、硬質の蓋部１０１を採用してもよい。蓋部１０１は、その一端がセンサボックス１１の上部にヒンジ１０２を介して連結されており、荷重が加えられていない状態では、自重により湾曲部１３上に載置されている。
この感圧スイッチ１００は、加えられた荷重がセンサボックス１１に対してヒンジ１０２を中心として回動する蓋部１０１を介して湾曲部１３に伝達され、信号を出力する。
加えられた荷重が解除されると、湾曲部１３が初期形状に復帰しようとする弾性により蓋部１０１が押し上げられ、初期位置に復帰する。

さらに、図１６に示す感圧スイッチ１１０のように、湾曲部１３とセンサボックス１１の支持面１２との間に例えばジェル等の弾性体１１１を充填してもよい。
これによれば湾曲部１３の湾曲形状を維持できるとともに、過度な衝撃から湾曲部１３を保護できる。

なお、湾曲部１３に対する荷重の加え方は支持面１２に向かう方向だけでなく、湾曲部１３の湾曲中心から放射線に沿った方向や、あるいは湾曲軸線に対して平行または交差する方向（図１および図２中、奥行方向）でもよく、要するに圧電ケーブル２０を初期状態から変形可能であれば荷重方向は任意である。

その他、前述した各実施形態において例示した圧電セラミック粉末、樹脂系材料、ピエゾ素子構造、圧電ケーブル、支持面、湾曲部分、制御回路、隙間、固定手段等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の第１実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。図１の感圧スイッチの斜視図である。圧電ケーブルを説明するための斜視図である。ピエゾ素子構造を説明するための断面斜視図である。感圧スイッチに加わる荷重と信号出力特性を示す線図である。本発明の第２実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。図６の感圧スイッチの斜視図である。本発明の第３実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。本発明の第４実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。本発明の第４実施形態である感圧スイッチの変形例を示す断面図である。本発明の第４実施形態である感圧スイッチの変形例を示す断面図である。本発明の第５実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。図１２の感圧スイッチの斜視図である。本発明の第６実施形態である感圧スイッチを示す斜視図である。本発明の第７実施形態である感圧スイッチを示す断面図である。本発明の第８実施形態である感圧スイッチを示す要部側面図である。マイクロスイッチの一例を示す模式図である。

符号の説明

１０感圧スイッチ
１２支持面
１３湾曲部
１４制御回路
１６隙間
２０圧電ケーブル
２３ピエゾ素子構造
２５圧電セラミック粉末
２６樹脂系材料

Claims

圧電セラミック粉末および樹脂系材料によって形成されたピエゾ素子構造を有する圧電ケーブルを備えた感圧スイッチであって、
前記圧電ケーブルの少なくとも一部を支持面から突出させると共に、該突出部分を湾曲させて湾曲部とし、かつ、前記圧電ケーブルの基端部に制御回路を接続したことを特徴とする感圧スイッチ。
前記圧電ケーブルの湾曲部と前記支持面との間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１に記載した感圧スイッチ。
前記圧電ケーブルの湾曲部を同一曲率で湾曲させたことを特徴とする請求項１または２に記載した感圧スイッチ。
前記圧電ケーブルの先端部を固定する固定手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載した感圧スイッチ。