JP2008047420A - 環境感応型スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ低コストな構成で外部環境を感知し、警報発生装置などの電気回路への電源供給のオン／オフに用いる環境感応型スイッチを実現する。
【解決手段】 内壁面に面状の第１電極を有し、外壁面に接する外部環境に応じて変形する筐体と、複数の針状または錐状の第２電極を放射状に設置した電極構造体と、電極構造体を第１電極と第２電極が接触しないように筐体内に支持する絶縁支持体とを備え、絶縁支持体はピン状またはスポンジ状の弾力性を有し、筐体の変形に応じて第１電極と第２電極が接触し、スイッチ素子として機能する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度などの外部環境に応じた筐体の形状変化をスイッチ動作に利用した環境感応型スイッチに関する。

電気回路のオン／オフを行う最も簡単な手段として、電気回路の電源経路に接続されたスイッチを人の手（指）で押す、引く、捻る、回すなどの操作により開閉する方法が一般的である。また、圧力センサや短絡用の電極などに簡単に触れるだけでスイッチが開閉し、電気回路をオン／オフするものもある。また、バイメタルやワックスを用いたサーモスイッチに代表されるように、例えば温度に応じて変形（熱膨張、収縮を含む）する素材を用い、その機械的変形をスイッチの接点に連続させ、スイッチとして動作させるものもある。

一方、傾きセンサなど各種センサと組み合わせ、所定の状況を検出したセンサの出力に応じてスイッチを開閉し、警報発生回路などの電気回路をオン／オフするものもある（特許文献１，２，３）。なお、ここでのスイッチは機械式の手動スイッチとは異なり、一般的には電気回路に組み込まれたトランジスタスイッチなどになる。
特許２８２５９６８号公報 特開２００１−９３０６８号公報 特開２００４−２５８７６１号公報

センサを含む警報発生システムなどは、センサの種類や感度に応じて外部環境の変化を感知し、所定の警報を発生させることが可能である。また、例えばサーモスイッチなどと組み合わせることにより、特別なセンサを用いることなく温度変化に反応する警報発生システムを構成することができる。

一方、例えば人体に影響を与える外部環境としては、温度に限らず、紫外線などの所定の波長の光、有害な液体や気体に晒される状況があり、これらを簡単に感知して警報などの発生ができれば有益である。ただし、センサと組み合わせとコストがかかり、例えば１回警報を発生すれば役割終了というような「使い捨て」などの用途には不向きである。

本発明は、簡単かつ低コストな構成で外部環境を感知し、警報発生装置などの電気回路への電源供給のオン／オフに用いることができる環境感応型スイッチを提供することを目的とする。

本発明の環境感応型スイッチは、内壁面に面状の第１電極を有し、外壁面に接する外部環境に応じて変形する筐体と、複数の針状または錐状の第２電極を放射状に設置した電極構造体と、電極構造体を第１電極と第２電極が接触しないように筐体内に支持する絶縁支持体とを備え、絶縁支持体はピン状またはスポンジ状の弾力性を有し、筐体の変形に応じて第１電極と第２電極が接触し、スイッチ素子として機能する構成である。

ここで、筐体は、温度に応じて変形する形状記憶合金または形状記憶樹脂としてもよい。また、筐体は、紫外線を含む所定の波長の光または所定の液体または所定の気体に反応して変形する合成樹脂としてもよい。また、筐体は、所定の周波数の音または振動に共鳴して変形する構成としてもよい。

さらに、本発明の環境感応型スイッチは、筐体内に電池および該電池からの電源供給により動作する電気回路を有し、該電池の一方の電極と該電気回路の一方の電源端子とを接続し、該電池の他方の電極と電極構造体および第２電極とを接続し、第１電極と該電気回路の他方の電源端子とを接続し、筐体の変形に応じた第１電極と第２電極の接触により該電気回路に該電池の電源が供給される構成である。

また、電池は電極構造体の内部に配置し、電極構造体の内部から引き出したリード線を介して電池の一方の電極と電気回路の一方の電源端子とを接続し、電池の他方の電極と電極構造体および第２電極とを接続する構成としてもよい。さらに、電気回路は、筐体の変形に応じて第１電極と第２電極の接触により電源が供給されたときに警報音を発生または警報信号を送信する警報発生装置としてもよい。

また、本発明の環境感応型スイッチは、筐体内に空気を含む不燃性ガスを充填するようにしてもよい。

本発明の環境感応型スイッチは、外部環境に接する筐体が外部環境に応じて変形し、その変形に応じて電極間が接触／非接触となる。これにより、筐体の素材を適宜選択し、温度に応じて変形する形状記憶合金または形状記憶樹脂、紫外線を含む所定の波長の光または所定の液体または所定の気体に反応して変形する合成樹脂などを用いることにより、簡単な構成で外部環境を感知するスイッチとして機能させることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の環境感応型スイッチの第１の実施形態を示す断面図である。
図において、環境感応型スイッチの筐体１１は、例えば外部の温度に応じて形状が変化する形状記憶合金または形状記憶樹脂とし、第１の温度でほぼ球形、第２の温度で例えば一部が凹むまたは断面が楕円形になるなどの非球形になるものとする。筐体１１の内壁面には、例えば金蒸着や導通素材を塗布して形成された面状の電極１２が備えられる。なお、内壁面に形成された電極１２は、筐体１１の変形を妨げないものとする。

筐体１１の中心部には、複数の針状または錐状の電極１３を放射状に設置した電極構造体１４が配置される。この電極構造体１４は、電極１３と筐体１１の内壁面の電極１２が接触しないように、ピン状またはスポンジ状の弾力性のある絶縁支持体１５により筐体１１内に支持される構造である。また、電極１２および電極１３と一体の電極構造体１４にはそれぞれリード線１６，１７が接続され、筐体１１に設けた微小な孔から外部に取り出す構成とする。なお、リード線１６，１７の接続部以外は、例えば被覆処理により電極１２，１３と絶縁する。

図２は、第１の実施形態における絶縁支持体１５の構成例を示す。
図において、電極構造体１４に取り付けられる電極１３には、その先端部から少し下がった位置に弾性体でできたピン状の絶縁支持体１５が取り付けられ、絶縁支持体１５の先端部が電極１３の先端部により突出して筐体１１の内壁面の電極１２に接触している。電極１３と絶縁支持体１５は接着してもよいし、絶縁支持体１５の下端に電極１３が嵌入する輪を形成し、電極１３の中間位置で絶縁支持体１５が止まるようにしてもよい。これにより、筐体１１の形状が変形前の球形になっていれば、図１に示すように電極構造体１４は筐体１１の内部で絶縁支持体１５を介して、電極同士が電気的に非接触の「浮遊状態」になる。一方、図２(2) に示すように、筐体１１が変形すると弾性体の絶縁支持体１５も潰れるように変形し、電極構造体１４の電極１３が筐体１１の内壁面の電極１２に接触する。

ここで、筐体１１の素材、絶縁支持体１５の弾性度（やわらかさ、反発力）、電極１２と電極１３の間隔（絶縁支持体１５の長さ）は、筐体１１の変形速度や変形量に応じて電極同士が接触するまでの時間（スイッチ感度）を決めることになる。例えば、筐体１１にポリエチレンを用い、紫外線によって変形させる場合には、その変形速度が遅いためスイッチ感度は低いものとなる。また、筐体１１としてウレタン樹脂を用い、塩酸や硫酸によって溶解・変形させる場合には、その変形速度は速いためスイッチ感度は高いものとなる。また、電極１２と電極１３の間隔を狭めることにより、筐体１１のわずかな変形（例えば振動による変形）を感知することになり、スイッチ感度は高くものとなる。このようなスイッチ感度に対応する各パラメータは、環境感応型スイッチの後述する用途に応じて適宜設定すればよい。なお、絶縁支持体１５の弾性度（やわらかさ、反発力）や筐体１１の変形量に応じて、変形した絶縁支持体１５と対極にある絶縁支持体１５も変形し、複数の地点で筐体１１の電極１２と電極構造体１４の電極１３とが接触状態になることもあり、スイッチ感度に対応するパラメータの設定も複雑になる場合もある。

このように、本実施形態の環境感応型スイッチは、外部環境に接する筐体１１の変形に応じて、筐体１１の電極１２と電極構造体１４の電極１３が電気的に接続されたときにオン／オフとなるように回路を構成することができる。例えば、電極１２，１３にそれぞれ接続されるリード線１６，１７との間に電源と警報発生装置を直列に接続し、本実施形態の環境感応型スイッチで警報発生装置に対する電源供給をオン／オフするように構成する。これにより、外部環境の変化が筐体１１の変形をもたらし、筐体１１の電極１２と電極構造体１４の電極１３が接触したときにスイッチ「オン」となり、警報発生装置に電源が供給されて警報音の発生や警報信号の送信などの所定の動作をさせることができる。これらの用途については、後述する第２の実施形態において詳しく説明する。

ところで、図１に示す電極構造体１４の基部は筐体１１と相似形の球形としているが、例えば円筒形など他の形状でもよい。この場合の電極構造体１４は、電極１３および絶縁支持体１５の長さを調整することにより、筐体１１の電極１２に電気的に非接触で支持される構造とする。さらに、筐体１１の形状も球形に限らず、電極構造体１４との電気的な非接触構造を含めて任意の形成が可能である。また、筐体１１の内部には、空気を含む不燃性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）を充填してもよい。なお、不燃性ガスとしては、反応性および毒性がないものが好ましい。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の環境感応型スイッチの第２の実施形態を示す断面図である。
本実施形態の特徴は、環境感応型スイッチの筐体１１に、第１の実施形態で説明した警報発生装置などの電気回路２１と、電源としての電池２２を内蔵したところにある。

電気回路２１は、筐体１１の内壁面に取り付けられ、一方の電源端子が筐体１１の内壁面に形成された電極１２と電気的に接続される。電池２２は、電極構造体１４の内部に埋め込み設置され、例えば電池２２の＋電極が電極構造体１４の基部に電気的に接続され、−電極がリード線２３を介して電気回路２１の他方の電源端子に接続される。なお、リード線２３は、電極構造体１１に設けた微小な孔から取り出され、被覆処理などにより電極構造体１４および電極１２，１３とは絶縁されるものとする。また、電極構造体１４の内部においても、電池２２の−電極と電極構造体１４が接触しないように絶縁物（例えばゴム）２４を用いて電池２２を固定する。なお、電池２２は、電極構造体１４の内部に限らず、筐体１１の内部のいずれかにあってもよい。

なお、リード線２３は、筐体１１の変形による電気回路２１と電池２２との間隔の変動を吸収するものであるが、電気回路２１と電池２２との電気的接続形態として筐体１１の変形に対する自由度を有するものであればリード線２３に限定されるものではない。

図４は、第２の実施形態の回路構成を示す。
図において、電池２２の−電極、リード線２３、電気回路２１、筐体１１の内壁面の電極１２、電極構造体（１４）の電極１３、電池２２の＋電極が直列に接続される。ここで、筐体１１が図４の破線のように変形すると、電極１２と電極１３が接触してスイッチ「オン」となり、電気回路２１に電源が供給されることになる。

電気回路２１としては、例えば電源供給により警報音を発生させる装置、警報信号を電波として送信する装置などの他に、さらに別なセンサや情報処理部などを含む付加的な機能を搭載したものであってもよい。

筐体１１としては、温度に応じて変形する形状記憶合金または形状記憶樹脂、紫外線を含む所定の波長の光または所定の液体または所定の気体に反応して変形する合成樹脂、所定の周波数の音または振動に共鳴して変形するものなどを用いることができる。

例えば、筐体１１として温度に応じて変形する形状記憶合金または形状記憶樹脂を用いた場合には、第１の温度では筐体１１が球形を保つのでスイッチ「オフ」、第２の温度では筐体１１が変形してスイッチ「オン」となる状態を双方向に繰り返すことができる。この温度に応じたスイッチ「オン／オフ」機能と、所定温度になったときに警報（音，信号）を発信する警報発生装置を組み合わせることにより、例えば駐車中の車内温度などを監視する温度監視警報機として利用可能である。また、この温度監視警報機を例えば子供の髪飾りのビーズ代わりに用いることにより、頭上温度を監視して日射病や熱中症等による脱水症状の予防に利用可能である。

また、筐体１１として紫外線に反応して変形する合成樹脂を用いた場合には、屋内などにあって紫外線を受ける前は筐体１１が球形を保つのでスイッチ「オフ」、屋外にあって紫外線を所定量浴びた段階で筐体１１が変形してスイッチ「オン」となる。ただし、この場合の筐体１１は一旦変形すると元に戻らないので、スイッチ「オフ」に戻すことはできないが、紫外線によるダメージがそれ以上進まないように警報するための紫外線監視警報機として利用可能である。この場合には使い捨てになるが、女性のイヤリングやピアスやつけホクロなどに装着できるように小型化し、かつ低コストで製造可能であるので、十分に対応することができる。

同様に、筐体１１として所定の化学物質や有毒ガス、さらにＰＨなどに反応して変形する合成樹脂を用い、それらの許容量とスイッチ「オン」となる筐体１１の変形量を対応させることにより、許容量オーバーを感知する有害物質監視警報機として利用可能である。例えば、筐体１１として特定の油分や溶剤やガスに反応する素材を用い、完全防水にして水タンクに浮かべて使用する構造とすることにより、水タンク内の異常を感知するセンサとして用いることができる。また、筐体１１として塩素濃度に反応して変形する合成樹脂を用い、完全防水にして洗濯機に入れておくことにより、洗濯時の漂白剤投入量の警報用として用いることも可能である。また、洗濯機がこの警報信号を受信したときに、自動的に水を足して濃度を調整するようなシステム化も可能である。

また、筐体１１を特定の周波数の音または振動に共鳴する構造とし、筐体１１の振動により電極１２，１３が接触する程度にその間隔を狭めておけば、音または振動を高い感度を検知するセンサとして機能させることができる。例えば、本発明の環境感応型スイッチを防水仕様でバレーボール大に形成してプールに浮かべておき、プール内の異常音（落下音）を検知したときにスイッチ「オン」となり、警報信号を送信する警報機として利用可能である。また、本スイッチに水中カメラや自走手段などを組み込んでおき、警報信号の送信とともに音のする方向に移動しながら映像を送信するようにしてもよい。また、上記の有害物質監視警報機としての利用形態を合わせることにより、プールの有害物質による汚染の検知にも利用することができる。

本発明の環境感応型スイッチの第１の実施形態を示す断面図。 第１の実施形態における絶縁支持体１５の構成例を示す図。 本発明の環境感応型スイッチの第２の実施形態を示す断面図。 第２の実施形態の回路構成を示す図。

符号の説明

１１ 筐体
１２ 電極（第１電極）
１３ 電極（第２電極）
１４ 電極構造体
１５ 絶縁支持体
１６，１７ リード線
２１ 電気回路
２２ 電池
２３ リード線
２４ 絶縁物

Claims (8)

1. 内壁面に面状の第１電極を有し、外壁面に接する外部環境に応じて変形する筐体と、
   複数の針状または錐状の第２電極を放射状に設置した電極構造体と、
   前記電極構造体を前記第１電極と前記第２電極が接触しないように前記筐体内に支持する絶縁支持体とを備え、
   前記絶縁支持体はピン状またはスポンジ状の弾力性を有し、前記筐体の変形に応じて前記第１電極と前記第２電極が接触し、スイッチ素子として機能する構成である
   ことを特徴とする環境感応型スイッチ。
2. 請求項１に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記筐体は、温度に応じて変形する形状記憶合金または形状記憶樹脂であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
3. 請求項１に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記筐体は、紫外線を含む所定の波長の光または所定の液体または所定の気体に反応して変形する合成樹脂であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
4. 請求項１に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記筐体は、所定の周波数の音または振動に共鳴して変形する構成であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
5. 請求項１に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記筐体内に電池および該電池からの電源供給により動作する電気回路を有し、該電池の一方の電極と該電気回路の一方の電源端子とを接続し、該電池の他方の電極と前記電極構造体および第２電極とを接続し、前記第１電極と該電気回路の他方の電源端子とを接続し、前記筐体の変形に応じた前記第１電極と前記第２電極の接触により該電気回路に該電池の電源が供給される構成であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
6. 請求項５に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記電池は前記電極構造体の内部に配置し、前記電極構造体の内部から引き出したリード線を介して前記電池の一方の電極と前記電気回路の一方の電源端子とを接続し、前記電池の他方の電極と前記電極構造体および第２電極とを接続する構成であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
7. 請求項５または請求項６に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記電気回路は、前記筐体の変形に応じて前記第１電極と前記第２電極の接触により電源が供給されたときに警報音を発生または警報信号を送信する警報発生装置であることを特徴とする環境感応型スイッチ。
8. 請求項１に記載の環境感応型スイッチにおいて、
   前記筐体内に空気を含む不燃性ガスを充填したことを特徴とする環境感応型スイッチ。
   

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