JP2018200837A - スイッチ用ガラス部材およびこれを備えたスイッチ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、スイッチにおける使用者の操作位置を清潔に保ちやすく、パーティクル発生を抑制できるスイッチ用ガラス部材およびこれを備えたスイッチ機構を提供する。
【解決手段】
スイッチ用ガラス部材は、スイッチにおける使用者の操作位置に配置されるもので、板状を呈している。スイッチ用ガラス部材は、使用者からの操作を受け付ける位置に、少なくとも１つの可撓性スイッチ部を備える。この可撓性スイッチ部は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように構成され、かつ、その両面に圧縮応力層を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチにおける使用者の操作位置に配置されるスイッチ用ガラス部材、およびこれを備えたスイッチ機構に関するものである。

従来、使用されているプッシュスイッチの操作部材質は、樹脂製のものが多い（例えば特許文献１参照）。
樹脂は一般的に耐薬品性に優れるが、強酸・強アルカリへの耐薬品性が不十分である場合もあり、また有機溶剤に対する耐薬品性も十分とは言い難い。
これに対して、近年、使用されている、操作面にガラスを有する静電容量式タッチスイッチであれば、ガラスの性質上、強酸，強アルカリ，有機溶剤に対する高い耐薬品性を得ることができる（例えば特許文献２及び特許文献３参照）。
しかし、タッチスイッチはプッシュスイッチと異なり、操作感(クリック感)を得られないとの問題が残り、聴覚や視覚情報をフィードバックすることによって操作感を補足している。
しかし、意図せずにタッチスイッチに触れてスイッチが入ってしまい、音や色彩変化でフィードバックされても、そもそも手元を見ていなかったり、音とスイッチ入力が関連付けて認識されなかったり等、誤操作に気づかないこともある。

特許第５９２３６８７号 特許第５１７７５６８号 特許第３８５６５２１号

使用者からの操作を受け付ける箇所は、汚れや雑菌の繁殖のリスクが想定されるため、頻繁に清掃や消毒を行うことが好ましいと言えるが、従来技術においては、スイッチにおける使用者の操作位置に十分な耐薬品性を備えた部材が使用されることが少なく、清掃や消毒作業による部材の劣化が懸念されるところである。
特に、半導体ウエハや液晶表示パネル用ガラス基板あるいは半導体製造装置用マスク基板等の基板表面へのフォトレジスト等の塗布工程や剥離工程においては、工程作業中にレジスト液が作業者に付着し、作業者を介して各種生産機器の操作盤にも付着することが多い。付着したレジスト液等の汚れをそのままにしておくと、乾燥，剥離し，パーティクル発生源となってしまうため、清掃にて除去する必要性が極めて高い。
汚れの除去に有効な薬品はアセトンなどの有機溶剤であるが、従来の操作部に採用されることの多い樹脂性部材は、有機溶剤に対する耐久性が弱く、有機溶剤による繰り返しの清掃により劣化してしまう。

本発明の目的は、簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、スイッチにおける使用者の操作位置を清潔な状態に保ちやすい、耐薬品性に優れた、スイッチ用ガラス部材およびこれを備えたスイッチ機構を提供することである。

本発明に係るスイッチ用ガラス部材は、スイッチにおける使用者の操作位置に配置されるものであり、板状を呈している。スイッチ用ガラス部材の代表例としては、タッチパネルに用いられるカバーガラスが挙げられるが、これには限定されない。タッチパネル以外でも、スイッチの操作位置においては広く活用することが可能である。
このスイッチ用ガラス部材は、使用者からの操作を受け付ける位置に、少なくとも１つの可撓性スイッチ部を備える。この可撓性スイッチ部は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように構成され、かつ、その両面に圧縮応力層を有している。
この構成においては、可撓性スイッチ部は、他の領域よりも薄くなるように形成されているため、使用者のプッシュ操作等により荷重が加わると、撓み変形しやすい。特に両面に圧縮応力層が形成されているため、使用者から力を加えられても破損しにくく、かつ、使用者からの力が除かれると、元の形状に戻りやすい。

このため、単一の板状のガラス部材という簡易な構成であるにもかかわらず、使用者はメンブレンスイッチ等のプッシュスイッチのような操作感（クリック感）を得ることができる。また、操作感（クリック感）を得ることによって、使用者は操作を、触覚を通じて直接認識できるので、誤操作抑止に有効である。さらに、ガラス部材は、耐薬品性に優れるため、頻繁に清掃や消毒を行っても劣化しにくく、使用者の操作位置を清潔に保ちやすく、パーティクル発生を抑制できる。

上述の構成において、可撓性スイッチ部が使用者の操作を受け付ける側に向かって凸状の曲面を有することが好ましい。
このように、使用者による操作受付側に向かって凸状の曲面を有することにより、使用者が操作領域を視覚的または触覚的に認識しやすくなる。
凸状の曲面は、可撓性スイッチ部における板厚を十分に薄化し、かつ、両面に十分な厚みの圧縮応力層を形成することにより形成することが可能である。そのメカニズムとしては、凹状に形成された側が、平坦な側に比較して表面積が広く、その結果として圧縮応力層の総体積が大きくなることによって、可撓性スイッチ部における両主面において力のつり合いのアンバランスが発生することが原因であると考えられている。
このメカニズムに整合する事例として、両主面にそれぞれ凹部を形成した場合、凹部の深さが浅い側に向かって凸状にある現象が確認されている。

また、本発明に係るスイッチ機構は、上述したスイッチ用ガラス部材に加えて、可撓性スイッチ部の形状変化を検出する検出手段を備えている。
可撓性スイッチ部の形状変化の検出手段としては、従来のタッチパネル検出方式である投影型静電容量方式や、振動検出方式などを使用できる。
可撓性スイッチ部の撓み変形により、電極までの距離が可変することに基づき、タッチ操作とプッシュ操作とをそれぞれ検出することも出来る。

また検出手段として、可撓性スイッチ部の両主面に対して平行に進行する一定量の光を可撓性スイッチ部に向かって出力する投光部と、可撓性スイッチ部を挟んで投光部の反対側に配置され、投光部から出力された光を受光するように構成された受光部と、を少なくとも備えることにより、可撓性スイッチ部を形状変化による受光量の変化量を検出することもできる。

また、凹部を含む可撓性スイッチ部に接する領域に液体を充填してなる流体充填部と、前記流体の流動を検出する流動検出部と、を少なくとも備えることにより、可撓性スイッチ部を押し込むことによる形状変化を流動検出部にて検出することができる。
該液体に、スイッチ用ガラス部材材質と、近似の屈折率を有する油等を使用することにより、第２の主面側に形成された凹部の輪郭を不可視化することができ、デザイン性に貢献できる。分光透過率，反射率，吸収率も近似であることがより好ましい。

この発明によれば、スイッチ用ガラス部材およびこれを備えたスイッチ機構において、簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、スイッチにおける使用者の操作位置を清潔に保ち、パーティクル発生を抑制することが可能になる。

本発明に係るスイッチ用ガラス部材の概略構成の例１を示す図である。 本発明に係るスイッチ用ガラス部材の概略構成の例２を示す図である。 本発明に係るスイッチ用ガラス部材の概略構成の例３を示す図である。 本発明に係るスイッチ機構の概略構成の実施例１を示す構成図である。 本発明に係るスイッチ機構の概略構成の実施例２を示す構成図である。 本発明に係るスイッチ機構の概略構成の実施例３を示す構成図である。 本発明に係るスイッチ機構の概略構成の実施例４を示す構成図である。

以下、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。ただし同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。
また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。また図示された各構成要素の厚み，長さ，個数等は図面作成の都合上実際と異なる。

図1はスイッチ用ガラス部材の概略構成の例１を示す図である。
図１はスイッチ用ガラス部材の操作に伴う可撓性スイッチ部４の形状変化を示す。
図１（Ａ）は、荷重を加えていない状態の可撓性スイッチ部４の形状である。
図１（Ｂ）は荷重を加えた状態の可撓性スイッチ部４の形状である。

図１（Ａ）に示すように、本発明のスイッチ用ガラス部材は、第２の主面２に凹部を有し、第１の主面１及び第２の主面２の双方に圧縮応力層３を有する。
第２の主面２に凹部を形成した後、イオン交換方法により両主面を処理し、圧縮応力層３を形成することにより、可撓性スイッチ部４となる薄型化領域が形成される。

図１のように、第１の主面に凹部を形成せず、第２の主面２にのみ凹部を形成し、凹部の側面に傾斜をつけることにより、可撓性スイッチ部４の第１の主面１と第２の主面２との単位面積当たりの圧縮応力層体積に差が生じ、単位面積当たりの圧縮応力層体積の小さい第１の主面１側に凸状の曲面を有する可撓性スイッチ部４が形成される。
第１の主面１と第２の主面２とで単位面積当たりの圧縮応力層体積差が小さければ、曲面はほぼ形成されない。
なお、第１の主面１側に操作用の凹部を設ける際は、凹部側面傾斜を第２の主面側よりも小さくすることにより、単位面積当たりの圧縮応力層体積の小さい第１の主面１に凸状の曲面の可撓性スイッチ部４を形成することができる。

可撓性スイッチ部４に第１の主面から荷重を加えると、図１（Ｂ）に示すように、第２の主面２方向に撓む。荷重を加えるのと止めると、図１（Ａ）に示すように元の状態に戻る。
本実施形態では、スイッチ用ガラス部材材質としてアルミノシリケートガラスを想定しているが、ガラス種類に特に制限はない。また、可撓性スイッチ部以外のガラス板厚は、
０．３〜３．０ｍｍが好ましい。ガラスの薄化処理はフッ酸エッチングにより処理することが好ましい。フッ酸エッチングによりガラス表面の傷が消され、スイッチ操作時の応力集中が抑制される。
可撓性スイッチ部４における第１の主面１と第２の主面２の圧縮応力の差は、１０〜１０００ＭＰａであることが好ましい。
凹部側面の傾斜は、１０〜６０度のテーパが好ましい。
可撓性スイッチ部４の板厚は５０〜２００μｍであることが好ましい。
可撓性スイッチ部４の板厚が２００μｍを超えると、ガラスの剛性により可撓性スイッチ部４が変形しにくい。また、可撓性スイッチ部４の板厚が５０μｍ未満では、強度不足により、操作時に破損してしまうリスクが高くなる。
第２の主面２への凹部形成に際して、フッ酸エッチングにより処理することで、第２の主面２との境界部や凹部の側面と底面の接続部が曲面形状を呈し、ガラス部材への新たな傷も生じないので、可撓性スイッチ部４の変形時の応力集中は抑えられ、分散される。

図２はスイッチ用ガラス部材の概略構成の例２を示す図である。
図２（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図２（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
スイッチ用ガラス部材材質としてソーダガラスを採用したり、イオン交換方法の処理時間や処理温度を調整し、圧縮応力層の形成を調整したりすることにより、第１の主面１側に凸状の曲面を殆ど形成しない可撓性スイッチ部４が形成される。

図３はスイッチ用ガラス部材の概略構成の例３を示す図である。
図３（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図３（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
第１の主面側にも第２の主面よりも浅く凹部を形成することで、使用者が操作領域を視覚的または触覚的によりいっそう認識しやすくなる。

図４はスイッチ用ガラス部材とスイッチ操作の検出手段との組み合わせからなる、スイッチ機構の第１の実施形態を示す構成図である。
図４（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図４（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
検出手段として、第１の主面１及び第２の主面２に平行に進行する一定量の光を、可撓性スイッチ部４に向かって出力する投光部５と、可撓性スイッチ部４を挟んで投光部５の反対側に配置され、投光部５から出力された光を受光するように構成された受光部６と、を有する。
可撓性スイッチ部４に第１の主面１側から荷重を加えると、可撓性スイッチ部４が撓み変形し、受光部６に到達する受光量が変化する。受光の変化量に基づき、スイッチ操作を検出することができる。

図５はスイッチ用ガラス部材とスイッチ操作の検出手段との組み合わせからなる、スイッチ機構の第２の実施形態を示す構成図である。
図５（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図５（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
検出手段として、凹部を含む第２の主面２に接する領域に液体を充填してなる流体充填部７と、流体の流動を検出する流動検出部８と、を有する。
可撓性スイッチ部４に第１の主面１側から荷重を加えると、流体充填部７が圧迫され、流動検出部８にて検出されることにより、スイッチ操作を検出することができる。

また液体に、スイッチ用ガラス部材の材質と、近似の屈折率を有する油等を採用することで、第２の主面の凹部を含む液充填部７は使用者から視認されなくなる。
分光透過率，反射率，吸収率も近似であることがより好ましい。

図６はスイッチ用ガラス部材とスイッチ操作の検出手段との組み合わせからなる、スイッチ機構の第３の実施形態を示す構成図である。
図６（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図６（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
検出手段として、投影型静電容量方式を使用する例である。
第２の主面２側に使用者の操作を検出するための電極９が形成されている。電極９は、マトリクス状に形成された透明電極である。透明電極としては、ＩＴＯ等の透明金属材料、銀ナノワイヤ等の金属ナノワイヤ，カーボンナノチューブ，ポリチオフェン等の有機導電材料を使用することが可能である。

ＩＴＯ等の透明導電膜は形状変化に弱いので、リング状電極１０を形成することにより、ＩＴＯ等の変形を回避している。
リング状電極１０は、凹部の第２の主面２側輪郭部に沿って形成されており、可撓性スイッチ部４の操作により静電容量が変化するように構成される。
ここでの輪郭部とは、第２の主面２から凹部への湾曲開始点よりも外側の領域を示す。
また、リング状電極１０は、形状変化する可撓性スイッチ部４直下に電極を有しないので、可撓性スイッチ部４の形状変化に伴う屈折率の変化により、使用者に視認されやすくなってしまうというデメリットも伴わない。

図７はスイッチ用ガラス部材とスイッチ操作の検出手段との組み合わせからなる、スイッチ機構の第４の実施形態を示す構成図である。
図７（Ａ）は、荷重を加えていない状態のスイッチ機構の状態である。
図７（Ｂ）は、荷重を加えた状態のスイッチ機構の状態である。
検出手段として、タクタイルスイッチの構成機構の一部に相当する可動接点１１を凹部の第１の主面１方向の面に、固定接点１２を第２の主面２方向の面に有する。
荷重を加えることで、可撓性スイッチ部４が第２の主面２側に撓み、可動接点１１が固定接点１２に接触し、通電することにより、スイッチ操作を検出することができる。

第２の主面２の凹部の空間には各種タクタイルスイッチ機構を配置することが可能である。タクタイルスイッチは一般に、カバー，プランジャ，反転ばね，ベース部から成る。
デザインにおける優位性に加え、前記可撓性スイッチ部４はカバーガラスと一体性を有するので、第２の主面２の凹部の空間に配置するタクタイルスイッチ機構からは、カバーを省略することができ、かつ機構内への異物の混入リスクも抑制することができる。
また、プランジャ，反転ばねの機構については可撓性スイッチ部４にて機能充分しているため省略することもでき、その場合、可動接点１１を凹部の第１の主面方向の面に、固定接点１２を第２の方向の面に設置する。
凹部の空間にタクタイルスイッチ機構のベース部のみ配置することにより、スイッチ機能を確保することができ、スペース性，およびデザイン性に優れるスイッチ機構を提供することができる。

１−第１の主面
２−第２の主面
３−圧縮応力層
４−可撓性スイッチ部
５−投光部
６−受光部
７−流体充填部
８−流動検出部
９−マトリクス状電極
１０−リング状電極
１１−可動接点
１２−固定接点

Claims (6)

1. スイッチにおける、使用者の操作位置に配置される板状のスイッチ用ガラス部材であって、使用者からの操作を受け付ける位置に、少なくとも１つの可撓性スイッチ部を備え、
   前記可撓性スイッチ部は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように構成され、かつ、その両面に圧縮応力層を有することを特徴とするスイッチ用ガラス部材。
2. 前記可撓性スイッチ部が使用者の操作を受け付ける側に向かって凸状の曲面を有することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ用ガラス部材。
3. 請求項１または２に記載のスイッチ用ガラス部材と、前記可撓性スイッチ部の形状変化を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とするスイッチ機構。
4. 前記検出手段が、
   前記スイッチ用ガラス部材の両主面に対して平行に進行する一定量の光を前記可撓性スイッチ部に向かって出力する投光部と、
   前記可撓性スイッチ部を挟んで前記投光部の反対側に配置され、前記投光部から出力された光を受光するように構成された受光部と、
   を少なくとも備えた請求項３に記載のスイッチ機構。
5. 前記検出手段が、
   前記可撓性スイッチ部に接する領域に液体を充填してなる流体充填部と、
   前記流体の流動を検出する流動検出部と、
   を少なくとも備えた請求項３に記載のスイッチ機構。
6. 前記液体が前記スイッチ用ガラス部材と近似の屈折率を有する液体であることを特徴とする請求項５に記載のスイッチ機構。

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