JP2006261051A - ドーム状金属バネおよびそれを用いたスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化されたドーム状金属バネとしても、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有するドーム状金属バネを提供すること。また、そのようなドーム状金属バネを用いて、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有する実用的なスイッチを提供することにある。
【解決手段】 ドーム状部の外周端部および繋ぎ部が打抜き加工によって形成されたドーム状金属バネであって、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、切断面の内周面側に形成されているドーム状金属バネとすることによって、解決される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話、デジタルカメラ等の電子機器等に使用されるドーム状金属バネおよびそれを用いたスイッチに関するものである。

携帯電話器等の電子機器類のオンオフ操作を行なう押しボタンスイッチには、ドーム状金属バネが用いられてきた。このドーム状金属バネは、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渡って繰返し受けることになるので、耐久性に優れたステンレス製の薄板等が用いられている。例えば、図３（ａ）に示される断面形状のものが最も標準的に用いられているものである。このようなドーム状金属バネは、通常板材を帯状に形成したフープ材にほぼＣ形の打抜き孔を対向させて打抜くことによって、中央の円盤部と左右のランナー部とが形成され、前記円盤部をプレス加工してドーム状とし、ついで切断機でフープ材から切断されてドーム状金属バネとしている。そしてこのドーム状金属バネは、１００万回以上のクリックに耐える耐久回数が要求されている。通常のドーム状バネの直径は３．０〜６．０ｍｍ程度であるが、最近の電子機器類の小型化に対応するために直径が４．０ｍｍ以下の場合に、特に耐久回数が問題となっている。これは押圧により歪が大きいために破断すると考えられる。このような耐久回数の問題に対する技術が特許文献１に見られる。すなわち、ドーム状金属バネが１００万回以上のクリックに耐える構造として、金属薄板からなり中央部にドーム状部が形成され、かつドーム状部の底部外周部に、水平或いは若干上向きの突出部を形成することによって、解決されるとしている。しかしながら、以上のようなドーム状金属バネに於いても、特に４ｍｍ以下の小型化されたドーム状金属バネに於いては、耐久回数が１００万回に達しない場合があった。また特許文献２には、浅いドーム型の形状であって、ドームの外周端部の内面側は滑らかな曲面状（具体的には曲率半径が１０μｍ以上の曲面状）であるスイッチ用接点バネが開示されている。しかしながら、このようなドーム状金属バネに於いても曲面状にする場合、打抜き工程で細かい調整を行なわないと、規定の曲率半径を得ることが難しいという問題がある。そこで、より耐久回数に優れたドーム状金属バネが望まれていた。
特開２００４−１６５０２０号公報 特開２００３−１９７０６６号公報

よって本発明が解決しようとする課題は、小型化されたドーム状金属バネとしても、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有するドーム状金属バネを提供すること。また、そのようなドーム状金属バネを用いて、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有する実用的なスイッチを提供することにある。

前記解決しようとする課題は、請求項１に記載されるように、ドーム状部の外周端部および繋ぎ部が打抜き加工によって形成されたドーム状金属バネであって、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、切断面の内周面側に形成されているドーム状金属バネとすることによって、解決される。また請求項２に記載されるように、前記切断面のせん断破面が、ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面の厚さ部分に於いて、せん断破面と破断面の合計厚さのうち、少なくとも１／２以上の割合になるように形成されている請求項１に記載のドーム状金属バネとすることによって、解決される。

さらに請求項３に記載されるように、スイッチを構成する配線基板の固定接点上に、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面におけるせん断破面部分が配置されているスイッチとすることによって、解決される。

以上の本発明は、ドーム状部の外周端部および繋ぎ部が打抜き加工によって形成されたドーム状金属バネ（以下ＭＤ）であって、前記ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が切断面の内周面側に形成されているＭＤとしたので、小型化されたＭＤとしてもクリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有するＭＤとなる。特に、小型化された電子機器類のスイッチ用として好適である。

また前記切断面のせん断破面が、ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面の厚さ部分に於いて、せん断破面と破断面の合計厚さのうち、少なくとも１／２以上の割合になるように形成されているので、前述の効果に加えて、より小型化されたＭＤとすることができる。

さらに、スイッチを構成する配線基板の固定接点上に、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または（繋ぎ部の切断面）におけるせん断破面部分が配置されているスイッチとしたので、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有するＭＤを有するスイッチとすることができ、特に小型化された電子機器類に十分対応できる。

以下に本発明を詳細に説明する。請求項１に記載される発明は、ドーム状部の外周端部および繋ぎ部が打抜き加工によって形成されたＭＤであって、前記ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が切断面の内周面側に形成されているＭＤである。このようなＭＤは、ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面における高応力が係る部分の耐久力の低下を防ぐことができるので、より小型化されたＭＤに於いても、クリックによる破断回数が１００万回以上の優れた耐久性を有するＭＤとすることができる。

まず、図３により従来のＭＤについて説明する。このＭＤは背景技術でも説明したように、プレス成型加工によってＭＤの外周端部および繋ぎ部が切断されて製造されるので、ＭＤの外周端部および繋ぎ部には切断面が形成される。すなわち従来は、→印で示した方向に切断されている。符号１はＭＤで、２、２´がＭＤの外周端部の切断面（以下切断面）である。その切断面２、２´の拡大図である図３（ｂ）から明らかなように、切断面２、２´の厚さ方向Ａ−Ｂには、せん断破面と破断面が存在している。これは、金属板を打抜き加工する際に上下の刃が完全にクリアランスなく一致せず、逃げが生じるために避けられないものである。そして、この切断面２、２´に生じるせん断破面は非常に平滑な表面を有しているので特に問題はないが、破断面の方は引き千切られたような状態となっており、ディンプル状の延性破断面に近く微細なクラックが生じている。このような微細クラックは、押圧によるクラックへの応力の集中、繰返し受ける押圧によるクラックの進展により、金属が本来持っている耐久性を低下させることになり、ＭＤの寿命を低下させることになる。このことが、ＭＤ１が１００万回以上のクリック回数に耐えられ理由と考えられる。そのため切断面２、２´の破断面をなくすことが好ましいが、前述のように実際問題としては困難である。

そこで、このような状態のＭＤ１におけるクリック回数と耐久性について検討し結果、前記ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、切断面の内周面側に形成されているように構成することにより効果があることを見いだした。すなわち、ＭＤ１は図２（ａ）のように図示しない配線基板上の固定接点３、３´上に配置され、ＭＤ１の頂部であるドーム状部が繰返えされてクリックされることになる。すなわち、図２（ｂ）に示されるように、押棒５によって接点電極４に押付けられることによって導通されるが、この際に最も大きな応力を受ける部分は、ＭＤ１の外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面の厚さ部分において、高応力部として記載した部分である。このため、この高応力部に欠陥部分が存在するとこの部分から破壊が生じることになる。そこでこの高応力部に欠陥がないＭＤ１とすること、より詳細には、ＭＤ１の外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面の厚さ部分に欠陥がないようにすることが好ましい。実際問題として、切断によってＭＤ１は製造されるために、ＭＤ１の外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面の厚さ部分には破断面が生じることは避けがたい。

そして前述の実験結果から、図１（ａ）に示すようにＭＤ１の２、２´で示される切断面が、その厚さＡ´−Ｂ´に於いてＢ´方向（→印方向）から切断されることによって、切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、前記切断面の内周面側に形成されているＭＤ１とすることができる。そして、このようなＭＤ１を得るためには、ＭＤ１のドーム状部をプレス成型加工する際に行なわれたプレス成型方向と同方向から切断することによって得られる。このような構造のＭＤ１とすれば、切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、高い応力を受ける内周面側に形成されることになり、クリックによる応力を受けても微細なクラックが生じている破断面が最も高い応力を受けないですむようになり、クリックによる耐久回数を大幅に改善することができることになる。このようにして形成したＭＤ１の切断面２、２´の厚さ部分（Ａ´−Ｂ´）は、図１（ｂ）に示されるように、Ｂ´方向からＡ´方向に向けてせん断破面、破断面の順に形成される。しかも、切断面２、２´の厚さ方向に占めるせん断破面の割合が大きくなっており、結果として欠陥部分が少ないことになり好ましい。このようなＭＤ１を用いれば、スイッチを形成させる場合に、ＭＤ１の破断面２、２´のＢ´部分が配線基板等の固定接点と接触して配置されることになりクリックによる押圧を受けても、微細クラックが存在しない表面性が優れたせん断破面部分が高応力を受けることになり、十分に耐久性を保持できることになる。このためより小型化されたＭＤに於いても、クリックによる破断回数が確実に１００万回以上の優れた耐久性を有するＭＤとなる。

さらに検討を重ねた結果、請求項２に記載するように、前記せん断破面が、ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面と破断面の合計厚さのうち、少なくとも１／２以上の割合となるように形成したＭＤとすると、ＭＤの直径を４ｍｍ以下と小型化しても十分にクリックによる耐久性が得られることが判った。すなわち、図１（ｂ）に示すＭＤ１の切断面２、２´が、その厚さＡ´−Ｂ´に於いて→印方向に切断されることによって、せん断破面の割合をＭＤの周辺切断面の厚さ部分におけるせん断破面と破断面との合計厚さのうち、前記せん断破面の厚さの割合が、少なくとも１／２以上とすることができると共にスイッチとして構成した場合に、配線基板の固定接点と接する側に切断面２、２´中のせん断破面側がくるようになる。このことにより、微細なクラックが生じている破断面が最も高い応力を受ける部分側にならないので、クリックによる耐久回数をより確実に改善することができる。このような状態のＭＤ１の切断面２、２´を具体的に得るには、ＭＤ１のドーム状部をプレス成型した方向と同じ方向から切断することによって得られる。そしてこのようなＭＤ１は、その直径が４ｍｍ以下と小型化されても十分に使用可能である。なお、前述したせん断破面を得る方法としては、ＭＤの外周端部の切断および繋ぎ部の切断を行なう際に、上下の刃と刃のクリアランスを極力小さくすることによって、せん断破面の割合を大きくすることができる。これは、クリアランスを小さくすることで、切断における金属板の切断方向へのだれ込みがなくなったことに起因する。

前述したＭＤの材料について述べると、通常高剛性の材料が使用される。具体的には、ヤング率が７０〜２００ＧＰａの金属材料である。このようなヤング率の金属材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１Ｈ等）、真鍮、リン青銅等の銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などである。特に前記スイッチシートのクリック感触、耐久性や耐食性からステンレス鋼が好ましく、その厚さは４０〜８０μｍ程度のものである。さらにこのような高剛性のＭＤを用いることによって、前記スイッチシートのクリック感触が良く、耐久性や耐食性にも優れたものとすることができる。さらに、プレス加工を用いることによって、製造コスト面からも実用的なものである。

実験によって、本発明の効果を確認した。図１に示したＭＤ（Ｂ´方向からＡ´方向に切断）と図３に示したＭＤ（Ａ方向からＢ方向に切断）について、クリック（押圧）を繰返し与える耐久試験を行なった。すなわち、厚さ５０μｍのＳＵＳ３０１を用いてせん断破面の位置が異なる２種類（図１の本発明のＭＤ、図３の従来のＭＤ）の外径４ｍｍのＭＤを作製し、このＭＤのドーム状部を先端径が１．６ｍｍのシリコーンゴム製の押棒（硬度Ｈｓ６０°）を用いて、動作速度３回／ｓｅｃ、１５Ｎの押圧荷重で押圧（クリック）した。なおＭＤは、平滑な表面を有するガラスエポキシ板上に粘着性シートで固定した。また試料数はそれぞれ２０個とした。結果を表１に示した。

表１から明らかなとおり、本発明のＭＤ（図１のＭＤ）は、２０試料すべてが３００万回以上のクリックに対して破損するものは見られなかった。これに対して、従来のＭＤ（図３のＭＤ）は、２０試料中５試料に１００万回のクリックで破損が見られた。このように、前記ＭＤの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、切断面の内周面側に形成されているＭＤとすることが好ましいことが判る。

つぎに、請求項３に記載される本発明のＭＤを用いたスイッチについて説明する。すなわち、配線基板の固定接点上に、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面におけるせん断破面側が配置されたスイッチである。このスイッチは、従来のスイッチシートと基本的には同様の構造である。例えば、プリント配線基板の固定接点上に取り付けられるもので、外表面に樹脂シートを接着剤で接着したＭＤおよび回路導体から構成される。そしてアクチュエータが、前記ＭＤの頭頂部における樹脂シートのほぼ中央部分をクリックし、回路導体と導通するようになっている。このようなスイッチシートは、アクチュエータによるクリック回数を大幅に向上して耐久性を有するものとなる。これはＭＤとして、ＭＤの周辺切断面の厚さ部分におけるせん断破面と破断面の合計厚さのうち、前記せん断破面の厚さ割合が少なくとも１／２以上であるＭＤを用いたことによる。すなわち、ＭＤの切断断面に微細なクラックが生じている破断面の割合が少なくなったことにより微細クラックの数が大幅に減少するので、押圧によるクラックへの応力の集中、繰返し受ける押圧によるクラックの進展が少なくなり、１００万回以上のクリック回数に十分耐えうることになる。なおこの構成のスイッチシートに於いても、ＭＤの外径が４ｍｍ以下の小型化のものを用いても何ら問題がなかった。なお、前記樹脂シートとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等で、厚さが５０〜１００μｍ程度のものが使用され、また接着剤についても特に規定されるものではなく、通常使用されているものを用いればよい。

本発明のＭＤは、１００万回以上のクリック回数が確実に得られると共に、ＭＤの外径が４ｍｍ以下の場合に於いても十分対応できるので、各種小型化された電子機器類に好適に用いることができる。特に、携帯電話器用として有用である。

本発明のＭＤの外周端部の切断面の状態を示す概略断面図である。 ＭＤの押圧状態を示す概略断面図である。 従来のＭＤの外周端部の切断面の状態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ ドーム状金属バネ（ＭＤ）
２、２´ ＭＤの外周端部の切断面
３、３´ 固定接点
４ 接点電極
５ 押棒

Claims (3)

1. ドーム状部の外周端部および繋ぎ部が打抜き加工によって形成されたドーム状金属バネであって、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部の切断面に於いて、前記切断面の厚さ部分におけるせん断破面が、切断面の内周面側に形成されていることを特徴とするドーム状金属バネ。
2. 前記切断面のせん断破面が、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または繋ぎ部切断面の厚さ部分に於いて、せん断破面と破断面の合計厚さのうち、せん断破面の厚さが少なくとも１／２以上の割合になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のドーム状金属バネ。
3. スイッチを構成する配線基板の固定接点上に、前記ドーム状金属バネの外周端部の切断面または（繋ぎ部の切断面）におけるせん断破面部分が配置されていることを特徴とするスイッチ。

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