JP2006509335A - 箔型スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

スペーサーを用いて互いに一定間隔を空けて配置された第一担体箔及び第二担体箔を含む箔型スイッチング素子。前記スペーサーにはスイッチング素子の作動領域を限定する少なくとも１個のくぼみが含まれる。前記第一及び第二担体箔間のスイッチング素子の作動領域中には、スイッチング素子に対して作用する圧力に応答して第一及び第二担体箔が該弾性担体箔の反発力に反して押し付け合わされて前記少なくとも２つの電極間に電気接触ができるように少なくとも２つの電極が配置されている。本発明によれば、前記第一及び第二担体箔の少なくとも一方は、内側支持箔と、スイッチング素子の前記作動領域の中心領域へスイッチング素子に対して作用する作用力を導入するための外側弾性賦活層を備える多層構造に構成される。

Description

本発明は、スペーサーを用いて互いに一定間隔を空けて配置された第一担体箔及び第二担体箔を備える箔型スイッチング素子に関する。前記スペーサーにはスイッチング素子の活動領域を画成する少なくとも１個の切り欠き部が含まれる。前記第一及び第二担体箔間のスイッチング素子の活動領域内には少なくとも２つの電極が配置され、前記スイッチング素子の活動領域に対して作用する圧力に応答して前記第一及び第二担体箔がそれら弾性担体箔の反発力に反して押し付け合わされて前記少なくとも２つの電極間に電気接触が確立される。

上記した箔形スイッチング素子についてはいくつかの実施態様が当該技術分野において周知である。これらのスイッチング素子は、その数例において、例えば第一担体箔上へ配置される第一電極と、第二担体箔上へ前記平面状の第一電極と対向位置関係になるように配置される第二電極から成る簡単なスイッチとして構成されている。これら電極は前記作動領域内の担体箔のそれぞれを実質的に全面被覆する平面形状に構成してもよい。

当該技術分野において公知の他のスイッチング素子は、加圧量に伴って電気抵抗が変化する圧力センサとして構成されている。かかる圧力センサの一実施態様においては、第一電極が第一担体箔上へ配置され、第二電極が第二担体箔上へ該第一電極と対向位置関係になるように配置される。これら電極の少なくとも一方は、第一及び第二担体箔がスイッチング素子に対して作用する作用力に応答して押し付け合わされた時に、電気接触が第一及び第二電極間に感圧性材料から成る層を介して確立されるべく、感圧性材料、例えば半導体材料で被覆される。この種の感圧センサはいわゆる「スルーモード」での作動に要求される。

前記圧力センサの上記に代わる実施態様においては、第一及び第二担体箔の一方上へ第一及び第二電極が間隔を空けた位置関係になるように配置され、他方の担体箔が感圧性材料から成る層で被覆される。前記感圧性材料層は、第一及び第二担体箔がスイッチング素子の作動領域に対して作用する作用力に応答して押し付け合わされる際に前記感圧性材料層が第一及び第二電極を分路（ｓｈｕｎｔ）するように、第一及び第二電極へ対向位置関係になるように配置される。この実施態様によるセンサは所謂「分路モード」での作動に要求される。

上記したスイッチング素子はコスト効率的に製造でき、また実用に際して極めて強靭かつ信頼度が高いことが実証されている。

このようなスイッチング素子の電気的王と性は、電極タイプ、感圧性材料層の有無、電極構成、スイッチング素子の作動領域内への電極配置、そして前記作動領域に対して作用する作用力に応答して電極間に確立される物理的接触と依存関係にある。前記電極間の物理的接触は、前記作動領域に対して作用する作用力の場合、スイッチング素子の機械的応答によって決まる。この機械的応答については膜モデルを用いて説明することができる。この膜は該膜に対して垂直に作用する圧力に比例して撓み、この撓みは膜の弾性特性、膜厚及び抑制手段の半径によって左右される。

この機械的応答は、センサが被覆材下に配置され、特に該被覆材が剛性であり及び／またはスイッチング素子上において強い緊張状態にある場合には負の影響を受ける可能性がある。この場合、前記作動領域範囲内の被覆材に対して作用する作用力の主要部分は該被覆材によってスイッチング素子のスペーサー領域の方へと逸れる。このためにスイッチング素子の感度が低下する可能性がある。

本発明は上記欠点を解消する改良された箔型スイッチング素子を提供することを目的とする。

上記欠点は本発明に従ったスイッチング素子により解消することが可能である。ここで提案されるスイッチング素子は、スペーサーを用いて互いに一定間隔を空けて配置された第一単体箔と第二担体箔を備え、このスペーサーには該スイッチング素子の作動領域を限定する少なくとも１つの切り欠き部と、該スイッチング素子の作動領域に対して作用する圧力に応答して前記第一及び第二担体箔がそれら弾性担体箔の反発力に反して押し付け合わされ少なくとも２つの電極間に電気的接触が確立されるように、前記第一担体箔と第二担体箔間のスイッチング素子の作動領域中に配置された少なくとも２本の電極が含まれる。本発明によれば、前記第一及び第二担体箔の少なくとも一方は内側支持箔とスイッチング素子に対して作用する作用力を該スイッチング素子の前記作動領域の中心領域まで導入するための外側弾性賦活層（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）をもつ多層構造に構成される。

本発明に係るスイッチング素子においては、前記膜の撓みの進行を補助賦活層によって制御することが可能である。この賦活層の弾性機械的特性に基いて、前記膜系への前記作用力の導入を制御可能な方式で調節することが可能である。作用力がスイッチング素子へ作用すると、前記外側賦活層が圧迫され、この圧迫の結果該賦活層が前記内側支持箔に対して作用する。これにより、十分に限られた条件下で膜の変形が起こるため、この変形はセンサの取りまき材、例えば座席の種々発泡材料あるいは被覆材料の性質及び特性とは実質的に無関係である。被覆材の特性によって、例えスイッチング素子に対して作用する作用力が前記作動領域の中心から外れた部分の方へ逸れても、前記圧迫された賦活層の応答作用力は前記作動領域の中心部分へと向かう。そのため、スイッチング素子に対して作用する作用力も賦活層によって作動領域の中心へと逸れ、外側作用力が作動領域の中心からずれていても膜の撓みは起こる。これにより、従来のスイッチング素子では全く応答がなかった条件下においても本発明に係るスイッチング素子を作動させることが可能である。実際、本発明スイッチング素子は賦活層の作用力転移機能ゆえに堅固な作動装置下へ取り付けることも可能である。

スイッチング素子に対して作用する作用力への応答として、前記賦活層は圧迫されて前記内側支持箔に対して作用する。対向側の担体箔に対して内側支持箔を押しつけるためには、圧迫された賦活層の応答は内側支持箔が少なくとも前記二つの担体箔間の間隔に相当する間隔の撓みを起こすに十分なものでなければならない。そのため、賦活層の厚さは前記二つの担体箔間の隙間より厚くなければならない。ここでスイッチング素子を作動させるために要する賦活層材料の圧縮性は該賦活層の厚さが大きければ少なくてすむことに注意されたい。それゆえ、好ましい実施態様においては、前記賦活層の厚さは第一及び第二担体箔間の間隔よりもかなり大きくなっている。賦活層の厚さは、例えば前記二つの担体箔間の間隙の１０倍の厚さであってもよい。このような厚さをもつ賦活層であれば圧迫性の比較的小さい材料を使用することも可能である。このような材料を用いることにより、より直線的な圧迫作用が得られるためスイッチング素子のスイッチ動作の制御がより向上する。

賦活層は多種に亘る適当な材料から選択可能であることが理解されよう。賦活層は、例えば発泡材料、及び／またはシリコンゲル、及び／またはゴム様材料、及び／または液体充填緩衝材から成る層であってもよい。

本発明の好ましい一実施態様においては、前記第一及び第二担体箔の双方が、内側支持箔と、スイッチング素子に対して作用する作用力を該スイッチング素子の前記作動領域の中心領域へ導入するための外側弾性賦活層とをもつ多層構造に構成される。この場合、両担体箔の機械的応答は前述したより向上された動作で起こる。第二賦活層は第一賦活層とは異なる弾性機械的特性をもっていてもよく、かかる構成とすることによりスイッチング素子へ非対称な機械的応答が付与されることに注意すべきである。また、かかる非対称な機械的応答は、支持層双方が異なる機械的特性を有している場合にも得られることは理解されるところであろう。

賦活層が二層である場合、該二層の賦活層を合わせた厚さは好ましくは前記第一及び第二支持箔間の間隔よりも大きい。

スイッチング素子へより向上された機械的特性を付与するため、前記外側賦活層を前記作動領域の範囲内だけに配置することも可能である。かかる実施態様においては、賦活層材料を最小限とすることができるので、該賦活層の材料及びデザインはスイッチング素子の製作コストに関して重要な要素と成り得る。特に複数のスイッチング素子へ共通の担体箔が設けられているスイッチマットの場合には、上記実施態様では製造プロセスがより複雑となり得る。そのため本発明の別の実施態様においては、外側賦活層は内側支持箔のほぼ全面に亘って広がっている。

極めて簡単な実施態様においては、箔型スイッチング素子は単純膜スイッチとして構成される。この場合、第一電極は前記第一担体箔の内面上へ配置され、第二電極は第二担体箔の内面上へ前記第一電極と対向位置関係となるように配置される。単純スイッチの変形例では、第一及び第二電極は前記第一担体箔の内面上へ並べて配置され、分路素子が第二担体箔の内面上へ前記第一及び第二電極と対向関係となるように配置される。

上記のような簡単なスイッチの場合には担体箔を多層構造とすることに利点がある一方において、かかる多層構造は箔型圧力センサの場合さらに重要である。箔型圧力センサは通常上記スイッチと同様に構成される。前記スイッチとは異なり、前記第一及び第二電極の少なくとも一方は感圧性抵抗材料によって被覆される。別の実施態様においては、前記分路素子には抵抗材料が含まれる。このように感圧抵抗性あるいは半導性材料であるため、前記電極とこれら圧力センサ間の電気抵抗は前記二つの担体箔が押し付け合わされる圧力によって左右される。センサの種類によっては、前記配置された二つの電極接続間の抵抗は例えば該二つの電極配置間の接触面の半径あるいは大きさによって相違する。この接触面の大きさはスイッチング素子に対して作用する圧力に依存するため、スイッチング素子の電気抵抗もスイッチング素子に対して作用する圧力と直接的な相関関係にある。

前記圧力センサは数種の異なるセンサであってもよいことが理解されるであろう。前記センサの実施可能な実施態様においては、前記第一電極は前記スイッチング素子の作動領域のほぼ全面を被覆する平面電極から成り、他方前記第二電極は前記作動領域のほぼ周辺部に配置された周辺電極から成り、前記抵抗層はこの周辺電極から内側へ延びている。電圧がこれら電極配置間を通じて加えられ、また前記平面電極が第二電極配置の抵抗層に対して押し付けられると、電気接触面の周辺部から半径方向へ抵抗層を通って周辺電極へと電流が流れる。この場合、スイッチング素子の抵抗は、前記抵抗層の非接触領域、すなわち機械的接触面周辺部と周辺電極との間に位置している前記抵抗層の一部、の抵抗によって決まる。二つの抵抗層を備えるこの第一のタイプのスイッチング素子の変形例においては、前記第一及び第二電極配置のそれぞれには前記作動領域のほぼ周辺部に配置される周辺電極が含まれていてもよく、前記抵抗層は該周辺電極から内側へ延びている。

本発明に係るスイッチング素子の他の実施態様においては、前記第一及び第二電極のそれぞれは前記スイッチング素子の作動領域の実質的に全面を被覆する平面電極から成り、前記抵抗層が前記第一及び第二平面電極の上部に配置される。これら電極配置を通じて電圧を加え、そして平面電極が第二電極配置の抵抗層に対して押し付けられると、電流が第一電極配置と抵抗層との間の境界層から該抵抗層を垂直方向に通って第二平面電極へと流れる。この場合、スイッチング素子の抵抗は機械的接触面下にある抵抗材料及び第二平面電極によって決まる。

また別の実施態様においては、前記二つの電極は第一担体箔上へ間隔を空けて配置され、他方第二担体箔はスイッチング素子の分路素子を形成する抵抗材料で被覆される。

本発明の好ましい実施態様においては、前記第一及び第二担体箔の少なくとも一方にはさらに外側アクチュエータ層が含まれる。このアクチュエータ層は賦活層の片側に配置され、内部支持箔から離れて対向している。この外側アクチュエータ層には、例えばスイッチング素子に対して作用する作用力を賦活層の全面に亘って均等に分散できるように剛性を付与してもよい。これにより、賦活層は均等に圧迫され、前記作用力はスイッチング素子の作動領域へ最適な状態で導入される。剛性を有するアクチュエータ層が前記賦活層の保護層として機能することもさらなる利点である。

以下に添付図面を参照しながら本発明の非限定的な実施態様について説明し本発明についてさらに明らかにする。

図１はスイッチング素子１０の全体を示す断面図である。第一担体箔１２及び第二担体箔１４はスペーサー１６を用いて一定間隔ｄを空けて配置されている。スペーサー１６には、該スペーサーがスイッチング素子の作動領域１８を取り囲むように、くぼみあるいは切り欠き部分１７が含まれている。前記担体箔双方それぞれの内面上には、これら担体箔が互いに押し付けられた際に電極間に電気接触が確立されるように電極１９が配置されている。図示された実施態様では、電極１９は対向関係にある担体箔のそれぞれに一個ずつ配置されている。但し、他の配置、例えば担体箔の一方上へ二本の電極を間隔を空けて配置し、第二の担体箔上へ分路素子を配置することも可能である。

前記第一及び第二担体箔のそれぞれは、内側支持箔２０及び２２と弾性材料から成る外側賦活層２４及び２６から成る多層構造に構成されている。発泡材料、シリコンゲル、ゴム様材料あるいは液体充填緩衝材等の弾性材料から作ることができる賦活層２４及び２６は前記支持箔２０、２２の外面上へ積層されるため、これら賦活層はスイッチング素子周辺環境に接している。従って、スイッチング素子のいずれかの表面に対して圧力が作用する際には、この圧力作用力は賦活層２４または２６に対して作用する。スイッチング素子へ作用するかかる圧力に対し、前記弾性層の外面がこの圧迫に対する応答として圧迫され、次いで下方の支持箔に対して作用する。かかる賦活層の応答によって、前記支持箔は電極１９間に接触が確立されるまで対向側の担体箔の方へと撓む。

図２は、剛性（ｒｉｇｉｄ）アクチュエータ２８を介してスイッチング素子に対して作用する作用力Ｆを受けた時のスイッチング素子を示す図である。前記アクチュエータに対して作用する圧力によって賦活層２４は圧迫され、その一部が支持箔上へ作用している。図から分かるように、圧迫された賦活層２４は支持箔に対して作用力を及ぼし、支持箔を対向する担体箔の方へ撓ませている。作用力Ｆは作動領域の中心から外れているが支持箔の撓みは作動領域の中心に対して対称的である。

スイッチング素子が確実に作動するように支持箔に対して確実に作用させるため、両賦活層２４及び２６の厚さは支持箔２０及び２２それぞれの厚さよりも厚くなるように選択される。しかしながら、図１に示した実施態様では二つの賦活層２４及び２６の厚さが異なることに気付くであろう。この厚さの相違によって賦活層の機械的動作が相違してスイッチング素子の機械的応答が非対称的となる。このような非対称的動作は、二つの賦活層２４及び２６に異なる弾性材料を用いること、あるいは機械特性の異なる支持箔２０及び２２を用いることによっても達成可能である。

スイッチング素子の非対称的な機械的応答を図４に概略的に示す。図示された実施態様においては、下部支持箔１４は上部担体箔１２よりも高い剛性を示すため、下部担体箔の撓みは上部担体箔よりも小さい。

図３ａは機械的に剛性なアクチュエータによる平面賦活期間中の発泡材料上に配置された特定の圧力センサデザインの起動動作を示す図である。この起動動作のグラフは符号３０で示される。センサは圧力約ｐ＝１００ミリバールで起動し、その起動は前記作用力に対して弱い依存性しか示さない。この依存性は所望の直線的な公称動作（グラフ３２）とは大きく異なっている。

しかしながら、剛性アクチュエータとセンサとの間に補助的賦活層が配置されると、該センサは同一操作条件下においてずっと敏感に応答し、作用力に比例する応答相関性を示す。すなわち、この応答関数は所望の公称動作に対して平行である。この応答相関性を図３ｂに示す。

スイッチング素子の第一の実施態様を示す略断面図である。 スイッチング素子に対して作用する作用力によって作動するスイッチング素子の第二の実施態様を示す略断面図である。 従来型圧力センサの応答相関性を示した図である。 本発明に従った圧力センサの応答相関性を示した図である。 非対称的であるスイッチング素子の実施態様を示した図である。

Claims (15)

1. スイッチング素子の作動領域を画成する少なくとも１つの切り欠き部を含むスペーサーを用いて互いに一定間隔を空けて配置された第一担体箔及び第二担体箔と、
   前記第一及び第二担体箔間のスイッチング素子の作動領域中に、スイッチング素子の作動領域に対して作用する圧力に応答して、第一及び第二担体箔がそれら弾性担体箔の反発力に反して押し付け合わされて少なくとも２つの電極間に電気接触ができるように配置された前記２つの電極を備える箔形スイッチング素子であって、
   前記第一及び第二担体箔の少なくとも一方は、内側支持箔と、前記スイッチング素子の前記作動領域の中心領域へスイッチング素子に対して作用する作用力を導入するための外側弾性賦活層とを備える多層構造に構成されることを特徴とする前記箔型スイッチング素子。
2. 前記賦活層の厚さが前記第一及び第二支持箔間の間隔よりも実質的に大きいことを特徴とする請求項１項記載の箔型スイッチング素子。
3. 前記第一及び第二担体箔の双方が、内側支持箔と、スイッチング素子に対して作用する作用力を前記スイッチング素子の前記作動領域の中心領域中へ導入するための外側弾性賦活層とを備える多層構造から成ることを特徴とする請求項１または２項記載の箔型スイッチング素子。
4. 前記二つの賦活層を合わせた厚さが前記第一及び第二支持箔間の間隔より実質的に大きいことを特徴とする請求項３項記載の箔型スイッチング素子。
5. 前記外側賦活層が前記作動領域の範囲内だけに位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
6. 前記外側賦活層が前記内側支持箔の実質的に全面に亘って広がっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の箔方スイッチング素子。
7. 第一電極が前記第一担体箔の内面上へ配置され、第二電極が前記第二担体箔の内面上へ前記第一電極と対向位置関係になるように配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
8. 前記第一及び第二電極が前記第一担体箔の内面上へ並んで配置され、及び分路素子が前記第二担体箔の内面上へ前記第一及び第二電極と対向位置関係になるように配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
9. 前記第一及び第二電極の少なくとも一方が抵抗材料で被覆されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
10. 前記分路素子が抵抗材料から成ることを特徴とする請求項８項記載の箔型スイッチング素子。
11. 前記第一及び第二坦体箔の少なくとも一方に、前記内側支持箔から反対側の前記賦活層の片側に配置される外側アクチュエータ層がさらに含まれることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
12. 前記賦活層に発泡材料が含まれることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
13. 前記賦活層にシリコンゲルが含まれることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
14. 前記賦活層にゴム状材料が含まれることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
15. 前記賦活層に液体充填緩衝材が含まれることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の箔型スイッチング素子。
    
    

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