JP2008285750A - メタルドームスイッチ用ｓｕｓ３０１ステンレス鋼帯及びメタルドームスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】全ての形状のメタルドームスイッチに適用できるわけではないが、一般的な多数のメタルドームスイッチの形状に適用可能なものであり、スイッチ組み込みの構造や金型の条件を変更することなく、より良好なクリック感を有するメタルドームを提供することである。
【解決手段】湾曲部と台座部を有する形状のメタルドームスイッチにおいて、マルテンサイト量を８０％以上としたＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯を用いて成型されることを特徴とする、クリック感に優れたメタルドームスイッチである。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯端末や家電製品等のスイッチ部分に使用されるＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯およびそれを用いたメタルドームスイッチに関する。

携帯端末や家電製品等のスイッチ部分に使用されるメタルドームにおいては、種々の特性が求められている。スイッチとしての特性は押し力である「スイッチ荷重」や、スイッチを押す感触である「クリック感」が重要である。ここで、メタルドームに変形を加える時の変位と荷重の関係は図１に示す通りで、この測定における荷重の極大値をＰ１、極小値をＰ２としたとき、Ｐ１がスイッチ荷重で（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１がクリック感を評価する指標となるクリック率である。スイッチ荷重やクリック率は、使用環境や用途によって求められる値が異なるが、いずれの環境であっても良好なクリック感が得られるように調整されて使用されている。

スイッチ荷重やクリック率の調整方法は、一般に、プレス圧や金型の形状調整などのプレス条件変更によって実施されており、また、メタルドームを使用したスイッチの部品構成にも種々の特徴を持った方法が開発されている。
スイッチの部品構成については、例えば、ドームの中央部分に対向する位置に、下向きの凸部を有する金属薄板部材を設けることにより良好なクリック感を得る方法が開示されている（特許文献１ 参照）。

特開２００４−２８８５９３

特許文献１のように、スイッチの部品構成でクリック感を調整することは可能である。

しかしながら、特許文献１に代表される技術では、メタルドーム自体のクリック率が低い場合には、これをカバーすることが困難である。また、近年、携帯電話の操作部にＥＬシートや金属シートを積層させた、いわゆるメタルキートップが採用されており、このような構造の場合には、積層シートによってクリック感が低下してしまうため、クリック率を高めたメタルドームが求められるようになっている。
一方、スイッチ荷重を保ったまま必要なクリック率を満たすメタルドームをプレス成形するためには、通常、金型を調整する必要が生じ、また、調整のためのノウハウが必要となる場合が多く、短時間で所望の特性を得ることは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、全ての形状のメタルドームスイッチに適用できるわけではないが、一般的な多数のメタルドームスイッチの形状に適用可能なものであり、スイッチ組み込みの構造や金型の条件を変更することなく、より良好なクリック感を有するメタルドームを提供することである。

本発明者らは、クリック率に影響する要因を鋭意研究した結果、メタルドームの形状で一般的な湾曲部と台座部を有する形状のメタルドームにおいて、材料のマルテンサイト量に加えてバネ限界値（Ｋｂ）とメタルドームのクリック率に相関があり、マルテンサイト量がある値以上であれば、良好なクリック感が得られ、さらにはバネ限界値がある値以下であればより一層良好なクリック感が得られることを見出した。

即ち、本発明は、
（１）湾曲部と台座部を有する形状のメタルドームスイッチにおいて、マルテンサイト量を８０％以上であることを特徴とする上記記載のメタルドームスイッチ用ＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯
（２）圧延方向のバネ限界値が１０００ＭＰａ以下とすることを特徴とする上記（１）記載のメタルドームスイッチ用ＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯、
（３）上記（１）〜（２）に記載のステンレス鋼帯を用いたクリック感に優れたメタルドームスイッチ、
（４）湾曲部と台座部の角度が１０°以上であるメタルドームスイッチであることを特徴とする上記（３）に記載のクリック感に優れたメタルドームスイッチ、
である。

湾曲部と台座部を有する形状のメタルドームおいて、これまで金型によってメタルドームの形状を調整することでクリック率を制御していたが、ＳＵＳ３０１ステンレス鋼のマルテンサイト量とバネ限界値を調整することで、ノウハウと手間が必要な金型調整に代わって容易にメタルドームのクリック率を制御することができる。

以下に限定の理由を説明する。
（１）マルテンサイト量
メタルドームは、通常、図２に示すように台座部、湾曲部と呼ばれる部位からなり、製品はドーム径、スイッチ荷重、クリック率を規定範囲に制御して製造される。これまで、スイッチ荷重やクリック率は、台座部の長さ、湾曲部の曲率、台座部と湾曲部の角度などを制御することで調整しており、調整には経験とノウハウが必要であった。

マルテンサイト量は、材料をプレスした加工時のスプリングバックと相関があるので、本発明では、湾曲部と台座部を形成するためのメタルドームへのプレス加工時におけるスプリングバックの大小がメタルドームのクリック感に影響を与えることに着目した。即ち、マルテンサイト量がある値以上であれば、メタルドームの湾曲部と台座部を形成するためのプレス加工時におけるスプリングバックが小さく、スイッチとしてのクリック感が良好であることを見出した。プレス加工時のスプリングバックが小さいことはプレス時に成形されるメタルドームの形状がより金型の形状に近くなり、設計通り機能を発揮させることができるからであると考えられる。この良好なクリック感を与えるためのＳＵＳ３０１のマルテンサイト量は８０％以上である。材料のマルテンサイト量が８０％以上の場合に８０％未満の場合と比較して、メタルドームのクリック率が概ね５％以上改善する。

（２）バネ限界値（Ｋｂ）
材料のバネ限界値とメタルドームのクリック特性の関係を調べたところ、プレス条件を調整してスイッチ荷重が同じになるようにメタルドームを成型した場合、バネ限界値が小さくなるとクリック率が高くなる傾向があることを見出した。この傾向は、バネ限界値１０００ＭＰａ以下とこれを超える場合で顕著に異なり、バネ限界値が１０００ＭＰａ以下となるように調整することで、クリック率が改善されることを見出した。また、この傾向は、バネ限界値が測定不可となる程度に小さい場合にも見られており、従って、クリック率改善の観点からはバネ限界値に下限値はないが、材料にばね性を付与するには、特に制限するものではないが、５００ＭＰａを下限値とすることができる。

また、バネ限界値によるクリック率改善の効果は、マルテンサイト量による効果とは独立しているため、マルテンサイト量を所定の値に設定し、さらにバネ限界値を制御することで、より一層クリック率の高いメタルドームを成型することが可能である。
ところで、バネ限界値は圧延後の材料に歪取り焼鈍を施すことで回復することが知られており、通常はこの性質を利用して、ばね用材料の加工工程として歪取り焼鈍が取り入れられている。メタルドーム用として広く一般に使用されている質別ＥＨ以上の強度のＳＵＳ３０１では、歪取り焼鈍後のバネ限界値は、通常１０００ＭＰａを超えており、通常の条件で歪取り焼鈍をした材料では、クリック率を改善するバネ限界値が得られない。

（３）メタルドームの形状
メタルドームの形状にはさまざまな形状があるが、台座部と湾曲部を有し、台座部と湾曲部の近傍でクリック感を発生させる設計思想のスイッチであれば、本発明は有効である。具体的には、台座部と湾曲部の角度を１０°以上あれば、台座部と湾曲部を有する形状のメタルドームに該当すると考えてよい。なお、当該角度の上限値は、ドームがスイッチとして機能する範囲であれば良い。
本発明でいう「台座部と湾曲部の角度」は、図３に示すような台座部と湾曲部を有する形状のスイッチにおいて、湾曲部の断面の外面側に、台座部との境界近傍を通るように接線を引き、この接線が台座部を通る直線との交点における小さい方の角度（図３における「Ａ」）とする。

（３）マルテンサイト量の調整方法
マルテンサイト量は、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ３０４などに代表される準安定オーステナイト系ステンレスでは、加工によってマルテンサイト相が生じ、加工条件によって調整が可能である。
ＳＵＳ３０１ステンレス鋼素条を冷間圧延と再結晶焼鈍を繰り返して目的の厚みに加工させるが、マルテンサイト量を増大するには、結晶粒径を微細化する、圧延加工度を増大する、圧延時のクーラント温度を低下する方法があり、これらの条件を適当に組み合わせることで調整することができる。本発明におけるマルテンサイト量８０％以上は、最終冷間圧延前の再結晶焼鈍における結晶粒径、その後の圧延加工度および圧延時のクーラント温度の条件を組み合わせることによって得ることができる。
なお、材料中のマルテンサイト量がほぼ１００％となった場合にもクリック率の改善効果が得られることを確認しており、従って、マルテンサイト量の上限値は特にない。

ただし、メタルドームの耐久性を考慮すると、圧延加工度やクーラント温度でマルテンサイト量を増やすことは好ましくなく、結晶粒径を小さくしてマルテンサイト量を調整することが望ましい。
従って、本発明は以下の製造条件のみに限定されるものではないが、好ましい実施の１形態としては、最終冷間圧延前の再結晶焼鈍における結晶粒径は３μｍ以下、最終冷間圧延加工度を４５〜６０％、圧延時のクーラント温度を４０±５℃である。

（４）バネ限界値の調整方法
バネ限界値は、圧延加工度および歪取り焼鈍の条件により調整することが可能である。圧延加工度を高くし、さらに適当な条件で歪取り焼鈍を実施することで、バネ限界値を高くすることができる。
圧延加工度は、特に制限はないものの、加工度が低すぎると材料の強度が低いためにメタルドームの耐久性が低下する場合があり、また高すぎる場合には製造性が悪くなるため、これらを考慮して４０％〜７０％の範囲で調整することができる。

歪取り焼鈍の条件は、例えば連続焼鈍炉の場合では炉温度と炉内滞留時間を設定して調整するが、一例として、炉温度５００℃以下、炉内滞留時間１０〜２０秒の範囲で調整することができる。炉温度について、バネ限界値を１０００ＭＰａ以下とする観点からはその温度の下限値はないが、歪取り焼鈍という本来の目的のためを考慮すると３５０℃以上が好ましい。圧延加工度や材料の板厚によって歪取り焼鈍条件の影響は変動するが、炉温度と炉内滞留時間の組合せでバネ限界値が最大値となる条件が存在し、この条件から炉温度や炉内滞留時間を変更することで、１０００ＭＰａ以下のバネ限界値となるように調整する。

ａ）実施例１(表１)
ＪＩＳに基いた成分範囲の板厚１．５ｍｍのＳＵＳ３０１ステンレス鋼素条を冷間圧延と再結晶焼鈍を繰り返して、最終冷間圧延前の再結晶焼鈍の結晶粒径を１．５〜４．８μｍの範囲で調整し、最終冷間圧延加工度を４０〜６０％、圧延時のクーラント温度を４０±５℃として最終板厚０．０６ｍｍまで加工し、さらに炉温度が５５０〜７００℃、炉内滞留時間が１５秒となるように歪取り焼鈍を施した。

板材加工後の材料をメタルドームに加工した。加工は、打ち抜き加工、張出し加工の順番で実施し、スイッチ径は５ｍｍφとして作製した。プレス金型は、メタルドームの台座部と湾曲部の角度が異なる３種類のセットを用いてドームを成形した。また、スイッチ荷重は２．５±０．１Ｎとなるようにプレス条件を設定し、各種材料１０個ずつメタルドームをプレスしてスイッチ特性（荷重−変位曲線）を測定した。

以下に測定方法を示す。
（１）マルテンサイト量
マルテンサイト量は、オーステナイト相が非磁性であるのに対してマルテンサイト相が常磁性であることを利用することで、材料の磁性の強さを磁気誘導によるフェライト含有量計（フェライトスコープ）で測定することにより、マルテンサイト相への変態量、具体的には体積率により求めた。

（２）バネ限界値（Ｋｂ）
ばね限界値は、ＪＩＳ Ｈ３１３０に準拠して、繰り返し式たわみ試験を実施し、永久歪が残留する曲げモーメントから表面最大応力を測定した。

（３）メタルドームの形状（台座部と湾曲部角度の測定）
台座部と湾曲部の角度の測定は、メタルドームに加工後の材料の断面を光学顕微鏡で観察して以下のようにして求めた。観察によって得られた断面写真から図３に示すように、湾曲部の断面の外面側に、台座部との境界近傍を通るように接線を引き、この接線が台座部を通る直線との交点における小さい方を当該角度とした。なお、求められた角度はばらつきが大きく、５回測定した結果を表１では範囲で示した。

（４）スイッチ特性
アクチュエーター（押し工具）は直径１．５ｍｍ、先端部は曲率半径２．０ｍｍとし、これを用いて、変位速度１ｍｍ／分にてメタルドームの中心部分に押し付けてスイッチから受ける荷重と変位を測定した。なお、１０個全てがクリック率５０％を超えた場合にクリック率について○、５個以上がクリック率５０％を超えた場合に△、４個以下の場合に×と判定した。

（５）耐久性
耐久性の評価は、荷重５００ｇｆにて１秒間に３回スイッチを押す繰り返しスイッチング試験にて、１０個すべてが３００万回まで割れが発生しない場合を○、３００万回までに１個でも割れが発生した場合を△とした。
表１に結果を示す。

発明例Ｎｏ．１〜６では、台座部と湾曲部との角度が１０°以上あるメタルドームであり、材料のマルテンサイト量が８０％以上あるため、測定した１０個のメタルドームすべてのクリック率は５０％を超え、良好なクリック感が得られた。
発明例Ｎｏ．７では、材料のマルテンサイト量が８０％以上であるため、クリック率５０％を超えたメタルドームが５個以上あるが、台座部と湾曲部との角度が１０°未満であるため、１０個すべてのクリック率が５０％を超えてはいない。

一方、比較例Ｎｏ．８〜１２では、台座部と湾曲部との角度が１０°以上あるメタルドームである。しかし、比較例Ｎｏ．８、１０、１３は、発明例１とほぼ同じ結晶粒径であるが圧延加工度が低いため、また、発明例Ｎｏ．３、６と同じ圧延加工度であっても結晶粒径が大きいため、材料のマルテンサイト量が８０％未満である。比較例Ｎｏ．９、１１はさらに圧延加工度が低く、かつ結晶粒径が大きいために、材料のマルテンサイト量が８０％未満である。
比較例Ｎｏ．１２は発明例Ｎｏ．２、５とほぼ同じ結晶粒径であるが、圧延加工度が低いため、材料のマルテンサイト量が８０％未満である。その結果、すべての比較例において、１０個の測定のうち、クリック率は５０％以下となるものがほとんどとなり、クリック感に問題がある結果となっている。また、比較例Ｎｏ．８〜１１、１３は、耐久性の面でも他の発明例や比較例より劣っている。

ｂ）実施例２（表２）
ＪＩＳに基づいた成分範囲の板厚１．５ｍｍのＳＵＳ３０１ステンレス鋼条を冷間圧延と再結晶焼鈍を繰返して、最終圧延前の再結晶焼鈍の結晶粒径を１．５〜４．１μｍの範囲で調整し、最終冷間圧延加工度を４５％あるいは５５％とし、圧延時のクーラント温度を４０±５℃として最終板厚０．０６ｍｍまで加工し、さらに炉温度４００〜５５０℃、炉内滞留時間１０〜２５秒となるように設定して歪取り焼鈍を実施した。
なお、材料のメタルドーム加工条件は、台座部と湾曲部の境界角度が１３〜２０°となるように金型とプレス条件を調整し、また、スイッチ特性測定方法は、実施例１と同じである。

発明例Ｎｏ．１４〜１７は、いずれもマルテンサイト量が９０％以上、かつバネ限界値が１０００ＭＰａ以下であり、良好なクリック率を示す。
一方、比較例Ｎｏ．１８、１９はマルテンサイト量が９０％以上であるが、バネ限界値が１０００ＭＰａを超えており、クリック感が悪い。
比較例Ｎｏ．２０、２１はバネ限界値が１０００ＭＰａ以下であるが、マルテンサイト量が８０％未満であり、クリック感が悪い。

比較例Ｎｏ．２２は、マルテンサイト量が９０％以上であるが、歪取りにおける炉温度が低く、十分に焼鈍されておらず、試験用の金型ではプレス条件を調整してもスイッチ荷重を２.５Ｎ程度まで低くすることができなかったため、評価の対象外とした。

メタルドームの荷重−変位測定例を示す図である。 メタルドームの断面形態を示す図である。 台座部と湾曲部の角度を示す図である。

Claims (4)

1. 湾曲部と台座部を有する形状のメタルドームスイッチにおいて、マルテンサイト量を８０％以上であることを特徴とする上記記載のメタルドームスイッチ用ＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯。
2. 圧延方向のバネ限界値が１０００ＭＰａ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のメタルドームスイッチ用ＳＵＳ３０１ステンレス鋼帯。
3. 請求項１〜２に記載のステンレス鋼帯を用いたクリック感に優れたメタルドームスイッチ。
4. 湾曲部と台座部の角度が１０°以上であるメタルドームスイッチであることを特徴とする請求項３に記載のクリック感に優れたメタルドームスイッチ。

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