JP2015070525A

JP2015070525A - 圧電スイッチ

Info

Publication number: JP2015070525A
Application number: JP2013204738A
Authority: JP
Inventors: 信之黒崎; Nobuyuki Kurosaki; 綾太浅倉; Ryota Asakura; 雄一館山; Yuichi Tateyama
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13

Abstract

【課題】ノックによる信号の伝達を可能にし、操作による部材の劣化、漏水や感電および静電気の入り込みによる誤作動を防止できる圧電スイッチを提供する。
【解決手段】ノックによる振動を信号として伝える圧電スイッチ１００であって、弾性体で形成され、一方の表面１１でノックを受ける板状体１０の他方の表面１２に接して設けられ、ノックによる振動を交流信号に変換する板状の圧電素子１１０と、圧電素子に並列に接続され、交流信号を直流信号に変換する整流部１２０と、圧電素子に接続され、直流信号が所定値以上であるか否かを判定する判定部１３０とを備える。これにより、ノックによる信号の伝達が可能になり、キー押圧による部材の劣化を回避できる。また、スイッチのために穴を設ける必要がなくなり、穴からの漏水や感電を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノックによる振動を信号として伝える圧電スイッチに関する。

従来、タッチキー等のスイッチは、電源によって抵抗を介して電圧を印加された接触点が入力によりＯＮ／ＯＦＦするときの電位の変化を用いており、インターフェースＩＣ等で電位変化が読み取られ、その入力状態が検出されていた。図５は、従来のスイッチ５００を示す回路図である。

このような従来のスイッチ５００では、電圧を印加しておく必要があり、キー５１０を押すという動作を受ける可動部と、電圧のかかった接触部５２０が機械的につながっている必要があった。例えば筐体にスイッチを設けようとした場合に機械的なつながりを確保するためには、筐体のどこかに穴を開けるという作業が必要となる。そして、可動部は、繰り返しの動作によって劣化する。

これらの事情により、例えば水がかかる様な場所にスイッチを設けた場合、長期的には、スイッチ部からの漏水や感電のおそれがある。使われている時間のほとんどにおいて、押される回数の少ないスイッチに電圧を印加しておくのは、電気の無駄である。スイッチ部に静電気などによる放電があると、その電圧は内部に入り込みやすく、機械の誤作動を誘発する可能性がある。

このような従来のタッチキースイッチに対して、圧電素子を用いたスイッチが開発されている。例えば、特許文献１記載の圧電スイッチは、一端が固定された圧電素子に外力を伝達して屈曲振動させて得られた電気信号を利用している。また、特許文献２記載のタッチスイッチは、操作面の裏側に圧電素子を設け、押圧による屈曲を電気信号として取り出している。

特開２００６−６７６４３号公報特開２００２−３７３５４０号公報

しかしながら、上記のような圧電素子を用いたスイッチであっても、外力を伝達するキー部分やパネル部分は、周囲の筺体に穴を空けて設ける必要があることは変わらず、そこからの漏水や感電のおそれは残ってしまう。また、静電気などによる放電がキー部分から内部に入り誤作動を誘発するおそれも依然として存在する。また、キーやパネルの押圧の繰り返し動作によってこれらが劣化するのも同様である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ノックによる振動で信号の伝達を可能にし、操作による部材の劣化、漏水や感電および静電気の入り込みによる誤作動を防止できる圧電スイッチを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電スイッチは、ノックによる振動を信号として伝える圧電スイッチであって、弾性体で形成され、一方の表面でノックを受ける板状体の他方の表面に接して設けられ、前記ノックによる振動を交流信号に変換する板状の圧電素子と、前記圧電素子に並列に接続され、前記交流信号を直流信号に変換する整流部と、前記圧電素子に接続され、前記直流信号が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、を備えることを特徴としている。

これにより、ノックによる振動で信号の伝達が可能になり、キー押圧による部材の劣化を回避できる。また、スイッチのために筺体等に穴を設ける必要がなくなり、穴からの漏水や感電を防止することができる。また、板状体に静電気による放電があっても回路が分離されているため、誤作動を防止できる。

（２）また、本発明の圧電スイッチは、前記板状体が、１０ＧＰａ以上の弾性率を有し、１ｍｍ以上の厚さを有することを特徴としている。これにより、ノックによる振動が圧電素子に伝わるとともに、入力による板状体の劣化を防止できる。

（３）また、本発明の圧電スイッチは、前記整流部に並列に接続され、前記判定部を保護する保護部を更に備えることを特徴としている。これにより、高すぎる電圧が判定部にかかることを防止し、判定部が破壊されないようにすることができる。

（４）また、本発明の圧電スイッチは、前記圧電素子が、前記板状体の他方の表面に複数設けられており、前記判定部が、前記圧電素子のいずれからスイッチ信号を受けたかを判定することを特徴としている。これにより、ノックの位置を検知してその組み合わせを判定することも可能になる。

（５）また、本発明の圧電スイッチは、前記判定部に接続され、前記複数の圧電素子のうちのいずれかからスイッチ信号を受けたときには、その他の圧電素子からの信号を所定時間マスクするマスク部を更に備えることを特徴としている。これにより、各圧電素子による信号を判別することが容易になる。

本発明によれば、ノックによる振動で信号の伝達を可能にし、操作による部材の劣化、漏水や感電および静電気の入り込みによる誤作動を防止できる。

第１の実施形態の圧電スイッチを示す概略の回路図である。第２の実施形態の圧電スイッチを示す図である。第２の実施形態の圧電スイッチを示す図である。第２の実施形態の圧電スイッチを示すブロック図である。従来のスイッチを示す回路図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、圧電スイッチ１００を示す概略の回路図である。圧電スイッチ１００は、圧電素子１１０、整流部１２０、保護部１３０および判定部１４０を備え、ノックによる板状体１０の振動をスイッチの入力信号として伝える。

板状体１０は、板状の弾性体で形成され、一方の表面でノックを受ける。板状体１０は
１０ＧＰａ以上の弾性率を有し、１ｍｍ以上の厚さを有することが好ましい。これにより、ノックによる振動が圧電素子１１０に伝わるとともに、入力による板状体１０の劣化を防止できる。なお、板状体１０の弾性率は、７０ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。筺体の材料としてアルミニウムが用いられる場合があり、アルミニウムの弾性率は約７０ＧＰａである。板状体１０のノックを受ける側には圧電素子１１０の位置に印があってもよい。板状体１０は、例えば筺体の一部を構成する。

圧電素子１１０は、厚み方向に分極（図中の回路例では矢印方向）された板状の圧電体１１１と、その両端に設けられた電極１１２、１１３により構成されている。圧電素子１１０は、板状体１０の他方の表面１２（ノックを受ける面１１とは反対側の面）に接して設けられ、ノックによる振動を交流信号に変換する。これにより、ノックによる振動で信号の伝達が可能になり、キー押圧による部材の劣化を回避できる。なお、圧電体１１１の材料には、ＰＺＴを用いることができ、電極１１２、１１３の材料にはＡｇを用いることができる。

また、板状体１０を伝わる振動で信号を発生させるため、板状体１０に穴を設ける必要がなくなり、穴からの漏水や感電を防止することができる。すなわち、圧電スイッチ１００は、板状体１０の振動を検知してスイッチ入力に利用するため、動作を受ける部分と回路との機械的な接続が不要である。また、板状体１０に静電気による放電があっても回路が分離されているため、誤作動を防止できる。なお、上記の圧電素子１１０は単板であるが、圧電層と内部電極が交互に積層された積層板であってもよい。内部電極はＡｇ−Ｐｄで構成することができる。なお、圧電素子１１０は、接着剤で板状体１０に張り付けられていることが好ましい。

整流部１２０は、圧電素子１１０に並列に接続され、交流信号を直流信号に変換する。整流部１２０は、ダイオード１２１により構成され、グランドＧ０に接続された電極１１２ともう一方の電極１１３との間に接続されており、圧電素子１１０で発生した電圧が整流部１２０で整流される。ノックの振動によって誘起された電圧は交流であるが、ダイオード１２１によって、その電圧は直流に変換される。

保護部１３０は、整流部１２０に並列に接続され、判定部１４０を保護する。これにより、高すぎる電圧が判定部１４０にかかることを防止し、判定部が破壊されないようにすることができる。保護部１３０は、例えばダイオード１２１と並列に接続された定電圧ダイオード１３１（ツェナーダイオード）で構成され、誘起された電圧が所定の電圧以上でスイッチ入力を検出するＩＣに入力されるのを制限する。

通常、スイッチ入力を検出するＩＣに電源電圧より高い電圧か、またはＧＮＤより低い電圧が入力されると、ＩＣが壊れてしまう。圧電スイッチ１００では、圧電素子１１０で発生した最大電圧が保護部１３０により制限されるため、スイッチ入力を検出するＩＣを過電圧で破壊することがない。また、ＧＮＤより低い電圧は整流部１２０で制限できる。このようなＩＣを保護する回路は、振動の大きさの範囲を想定し難い圧電スイッチ１００において特に有効である。

判定部１４０は、例えばスイッチ入力を検出するＩＣで構成され、圧電素子１１０に接続され、直流信号が所定値以上であるか否かを判定する。その結果、直流信号が所定値以上であれば、スイッチの入力信号を受けたと判定する。そして、スイッチの入力信号を受けたと判定したときには、ＣＰＵに伝達し、例えばドアのロックを解除するよう制御できる。また、電灯のスイッチをＯＦＦからＯＮまたはＯＮからＯＦＦに変更してもよい。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、単一の圧電素子を用いているが、複数の圧電素子を用いてもよい。図２、図３は、複数の圧電素子を備える圧電スイッチ２００を示す図である。図２は、筺体内を示している。図３は、筺体２０の外観を示している。図４は、圧電スイッチ２００を示すブロック図である。圧電スイッチ２００は、圧電素子２１０ａ〜２１０ｃ、整流部２２０ａ〜２２０ｃ、保護部２３０ａ〜２３０ｃ、判定部２４０ａ〜２４０ｃおよびマスク部２５０を備えている。

筺体２０のノックを受ける表面には、ノックを受ける位置に円状の印２６０ａ〜２６０ｃが付けられている。印２６０ａ〜２６０ｃは、例えばそこがスイッチであることを示すマークが描かれているか、またはマークを貼り付けることで形成できる。筺体２０の印２６０ａ〜２６０ｃの位置の裏側表面に圧電素子２１０ａ〜２１０ｃが設けられており、ノックの信号を有効な信号に変換しやすくなっている。これにより、ユーザはノックの位置を正確に把握でき、容易に信号を発生させることができる。なお、不特定者には、スイッチの入力ができないように印２６０ａ〜２６０ｃを付けないことも可能である。

ユーザは、印２６０ａ〜２６０ｃが付けられたノックを受ける位置を、指で軽くノックすることで、背面の圧電素子２１０ａ〜２１０ｃには圧電特性によって、電圧が誘起される。誘起された電圧は、背面に圧電素子２１０ａ〜２１０ｃのある位置で最大であり、そこから離れた位置でノックされたときには、誘起される電圧ははるかに小さくなる。

図２〜図４に示す圧電スイッチ２００は、３つの圧電素子２１０ａ〜２１０ｃを備えている。圧電素子２１０ａ〜２１０ｃは、板状体２０ａのノックを受ける表面２１とは反対側の表面２２に複数設けられている。保護部２３０ａ〜２３０ｃは、圧電素子２１０ａ〜２１０ｃにそれぞれ並列に接続され、判定部２４０ａ〜２４０ｃを保護する。判定部２４０ａ〜２４０ｃは、圧電素子２１０ａ〜２１０ｃのいずれからスイッチ信号を受けたかを判定する。これにより、ノックの位置を検知してその組み合わせを判定することも可能になる。例えば、ドアに圧電スイッチ２００を設置し、ノックのパターンによりドアのロックを解除するように設定することも可能である。

マスク部２５０は、例えばＣＰＵで構成されて判定部２４０ａ〜２４０ｃに接続され、圧電素子２１０ａ〜２１０ｃのうちのいずれかから直流信号を受けたときには、その他の圧電素子からの信号を所定時間マスクする。これにより、信号の相互干渉を防ぐことができ、各圧電素子２１０ａ〜２１０ｃによる信号を判別することが容易になる。マスク時間は、例えば０．１秒に設定することができる。なお、上記の例では圧電スイッチが３つの圧電素子を有しているが、２つ、または４つ以上の圧電素子を有していてもよい。

１０板状体
２０筺体
２０ａ板状体
２１表面
１００圧電スイッチ
１１０圧電素子
１１１圧電体
１１２、１１３電極
１２０整流部
１２１ダイオード
１３０保護部
１３１定電圧ダイオード
１４０判定部
２００圧電スイッチ
２１０ａ〜２１０ｃ圧電素子
２２０ａ〜２２０ｃ整流部
２３０ａ〜２３０ｃ保護部
２４０ａ〜２４０ｃ判定部
２６０ａ〜２６０ｃ印
２５０マスク部
Ｇ０グランド

Claims

ノックによる振動を信号として伝える圧電スイッチであって、
弾性体で形成され、一方の表面でノックを受ける板状体の他方の表面に接して設けられ、前記ノックによる振動を交流信号に変換する板状の圧電素子と、
前記圧電素子に並列に接続され、前記交流信号を直流信号に変換する整流部と、
前記圧電素子に接続され、前記直流信号が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする圧電スイッチ。
前記板状体は、１０ＧＰａ以上の弾性率を有し、１ｍｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の圧電スイッチ。
前記整流部に並列に接続され、前記判定部を保護する保護部を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電スイッチ。
前記圧電素子は、前記板状体の他方の表面に複数設けられており、前記判定部は、前記圧電素子のいずれからスイッチ信号を受けたかを判定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電スイッチ。
前記判定部に接続され、前記複数の圧電素子のうちのいずれかからスイッチ信号を受けたときには、その他の圧電素子からの信号を所定時間マスクするマスク部を更に備えることを特徴とする請求項４記載の圧電スイッチ。