JP2018205272A

JP2018205272A - スイッチ装置

Info

Publication number: JP2018205272A
Application number: JP2017114223A
Authority: JP
Inventors: 治彦橋本; Haruhiko Hashimoto
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】接点不良を抑制することができるスイッチ装置を提供する。
【解決手段】スイッチ装置１は、操作面３０になされたプッシュ操作を受け付ける操作部３と、金属シム４０と金属シム４０に設けられた圧電素子４１とを有し、操作部３に付加された荷重Ｆを検出すると共に操作部３に振動を付加するアクチュエータ４と、金属シム４０の撓みを許容しつつアクチュエータ４を支持する支持部２と、アクチュエータ４の下部電極である金属シム４０の上部４０ａと電気的に接合される第１の電極フィルム５と、アクチュエータ４の上部電極である圧電素子４１の上部４１ａと電気的に接合される第２の電極フィルム６と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチ装置に関する。

従来の技術として、基板と、基板上に設けられた銅層と、銅層上に配置された圧電素子と、圧電素子上に配置された導電性箔と、導電性箔が接着され、操作がなされる表面部と、を備えた検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この検出装置の圧電素子は、荷重を検出すると共に振動を呈示するように、金属製の基板と、この金属製の基板上に形成された圧電材料の層と、を備えている。この圧電素子は、金属製の基板が銅層と電気的に接続すると共に、圧電材料の層が導電性箔と電気的に接続する。

特表２０１３−５３０３９８号公報

しかし従来の検出装置は、圧電素子が接着ではなく、銅層に載せられることで圧電素子の金属製の基板と銅層との電気的接続が得られる構造なので、接点が点接触や線接触となる可能性があり、表面部の操作による変形や振動呈示による変形によって接点不良が生じる可能性がある。

従って本発明の目的は、荷重の付加や振動の呈示に起因する接点不良を抑制することができるスイッチ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、操作面になされたプッシュ操作を受け付ける操作部と、金属シムと金属シムに設けられた圧電素子とを有し、操作部に付加された荷重を検出すると共に操作部に振動を付加するアクチュエータと、金属シムの撓みを許容しつつアクチュエータを支持する支持部と、アクチュエータの下部電極である金属シムの上部と電気的に接合される第１の電極フィルムと、アクチュエータの上部電極である圧電素子の上部と電気的に接合される第２の電極フィルムと、を備えたスイッチ装置を提供する。

本発明によれば、荷重の付加や振動の呈示に起因する接点不良を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、スイッチ装置のアクチュエータ、第１の電極フィルム及び第２の電極フィルムの一例を示す概略図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、変形例に係るスイッチ装置のアクチュエータ、第１の電極フィルム及び第２の電極フィルムの一例を示す概略図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係るスイッチ装置は、操作面になされたプッシュ操作を受け付ける操作部と、金属シムと金属シムに設けられた圧電素子とを有し、操作部に付加された荷重を検出すると共に操作部に振動を付加するアクチュエータと、金属シムの撓みを許容しつつアクチュエータを支持する支持部と、アクチュエータの下部電極である金属シムの上部と電気的に接合される第１の電極フィルムと、アクチュエータの上部電極である圧電素子の上部と電気的に接合される第２の電極フィルムと、を備えて概略構成されている。

このスイッチ装置は、アクチュエータの下部電極が支持部に配置された電極と電気的に接続されるのではなく、上部電極及び下部電極がアクチュエータの上側において第１の電極フィルム及び第２の電極フィルムと電気的に接合されるので、この構成を採用しない場合と比べて、荷重の付加や振動の呈示に起因する接点不良を抑制することができる。

[実施の形態]
（スイッチ装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、スイッチ装置のアクチュエータ、第１の電極フィルム及び第２の電極フィルムの一例を示す概略図である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図２（ａ）では、主な信号の流れを矢印で示している。

このスイッチ装置１は、例えば、車両のステアリングに配置され、車両に搭載された電子機器を操作するように構成されている。またスイッチ装置１は、例えば、ステアリングを把持した状態で親指などの操作指によって操作される小型の操作装置である。なおスイッチ装置１の配置は、これに限定されず、例えば、電子機器の操作部として、当該電子機器の表示部などの近くに配置されても良い。

またスイッチ装置１は、操作部３に付加された荷重Ｆを検出すると共に振動による触覚フィードバックを呈示するように構成されている。

具体的には、スイッチ装置１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、操作面３０になされたプッシュ操作を受け付ける操作部３と、金属シム４０と金属シム４０に設けられた圧電素子４１とを有し、操作部３に付加された荷重Ｆを検出すると共に操作部３に振動を付加するアクチュエータ４と、金属シム４０の撓みを許容しつつアクチュエータ４を支持する支持部２と、アクチュエータ４の下部電極である金属シム４０の上部４０ａと電気的に接合される第１の電極フィルム５と、アクチュエータ４の上部電極である圧電素子４１の上部４１ａと電気的に接合される第２の電極フィルム６と、を備えて概略構成されている。

この金属シム４０と第１の電極フィルム５、及び圧電素子４１と第２の電極フィルム６は、導電性接着剤７によって電気的に接合されている。

またスイッチ装置１は、アクチュエータ４から出力される出力信号Ｓ_１に基づいてプッシュ操作を判定し、プッシュ操作が判定された場合、駆動信号Ｓ_２を出力してアクチュエータ４を振動させる判定部としての制御部１０を備えている。

スイッチ装置１は、一例として、プッシュ操作が判定された場合、ボタンを押し込んだ際のクリック感などを模した触覚フィードバックを呈示する。なお触覚フィードバックは、これに限定されず、操作を受け付けたことを示す触覚などであっても良い。

（支持部２の構成）
支持部２は、例えば、図１（ａ）に示すように、樹脂によって形成され、操作部３の形状に応じた円柱形状を有している。この支持部２には、例えば、図１（ｂ）に示すように、第１の凹部２０と、第１の凹部２０の上部に位置して第１の凹部２０の径よりも大きい径を有する第２の凹部２１と、を備えている。この第１の凹部２０と第２の凹部２１の中心は、一致している。

第１の凹部２０は、操作面３０に付加された荷重Ｆ、及び操作面３０に付加する振動によるアクチュエータ４の金属シム４０撓みを許容するものである。また第２の凹部２１は、金属シム４０が下部４０ｂ側から挿入されて嵌り込む形状を有している。

なお金属シム４０は、荷重の付加や振動の呈示（触覚フィードバックの呈示）の際に撓み易いように、下部４０ｂが第２の凹部２１に接着などによって接合されない方が好ましい。

また支持部２は、操作部３との間に、操作部３を保持すると共に第１の電極フィルム５及び第２の電極フィルム６を保持する保持部８が設けられている。この保持部８は、例えば、スペーサと接着部材とを備えて概略構成されている。スペーサは、例えば、プッシュ操作の際の圧縮量を調整するものである。また接着部材は、例えば、弾性力を有し、支持部２とスペーサ、スペーサと操作部３を接着するのに用いられる。第１の電極フィルム５及び第２の電極フィルム６は、例えば、接着部材によって保持されている。

（操作部３の構成）
操作部３は、例えば、樹脂によって円板形に形成されている。この操作部３の表面は、操作面３０となっている。また操作部３の裏面側には、例えば、接着剤を介して第２の電極フィルム６の上部６０ａが取り付けられている。この接着剤は、例えば、アクリル系やエポキシ系の接着剤である。

操作部３は、操作指９によってプッシュ操作が操作面３０に対してなされると、第２の電極フィルム６及び導電性接着剤７を介してアクチュエータ４を変形させる。

なお変形例として操作部３は、上面視において円形や対称な形状に限定されず、他の形状であっても良い。

（アクチュエータ４の構成）
アクチュエータ４は、例えば、図２（ｂ）に示すように、金属シム４０と、圧電素子４１と、を備えたユニモルフ型の圧電アクチュエータである。

金属シム４０は、例えば、図２（ｂ）に示すように、圧電素子４１よりも半径が大きい円板形状を有している。この金属シム４０は、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。

圧電素子４１は、例えば、円板形状を有し、圧電体を上部電極と下部電極で挟んで概略構成されている。この圧電体の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電体は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層型の圧電体である。なお圧電体は、厚み方向に分極し、厚み方向の変形に対して出力が大きくなるように構成されている。

圧電素子４１の下部電極は、金属シム４０と接触しているので、金属シム４０がアクチュエータ４の下部電極となる。アクチュエータ４は、第１の電極フィルム５が金属シム４０の上部４０ａと電気的に接合され、第２の電極フィルム６が圧電素子４１の上部４１ａに電気的に接合されているので、操作部３側に２つの電極フィルムが接合されている。

アクチュエータ４は、操作面３０に荷重Ｆが付加されると、操作部３を介して圧電素子４１に荷重が付加され圧電素子４１が変形する。圧電素子４１は、この変形に応じた電圧を出力信号Ｓ_１として出力する。また圧電素子４１は、上部電極（上部４１ａ）及び下部電極（上部４０ａ）の間に電圧が印加されるとこの電圧に応じて変形する。

アクチュエータ４は、荷重Ｆに応じて出力信号Ｓ_１を制御部１０に出力し、制御部１０から出力された駆動信号Ｓ_２に基づく電圧に応じて変形して振動するように構成されている。

（第１の電極フィルム５）
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、変形例に係るスイッチ装置のアクチュエータ、第１の電極フィルム及び第２の電極フィルムの一例を示す概略図である。

第１の電極フィルム５は、例えば、異方性導電性フィルム（Anisotropic Conductive Film、ACF）である。この第１の電極フィルム５は、例えば、アクリル系やエポキシ系の熱硬化性樹脂に金属粒子を混ぜたものをフィルム状に成型したものである。この金属粒子は、一例として、内側からニッケル層、金メッキ層、絶縁層を有する球体として概略構成されている。

この第１の電極フィルム５は、一例として、図２（ｂ）に示すように、リング形状を有して金属シム４０と接合される第１の接触部としてのリング形端部５０を備えている。このリング形端部５０の開口５１は、円形状を有し、その径が金属シム４０の径よりも小さく、圧電素子４１の径よりも大きくされている。つまり第１の電極フィルム５は、圧電素子４１がリング形端部５０の開口５１から突出しても良いように構成されている。

また第１の電極フィルム５は、配線部５５を備えている。この配線部５５は、支持部２の外に出されて制御部１０と電気的に接続する。

リング形端部５０の下部５０ｂは、金属シム４０の上部４０ａと接合される。従ってリング形端部５０は、金属シム４０を介してアクチュエータ４の下部電極と電気的に接続されている。

なお変形例として、リング形端部５０は、一例として、図３（ａ）に示すように、後述する第２の電極フィルム６の配線部６５が上部５０ａと接触するのを避けるため、一部が切り欠かれた、つまり配線部６５に対応する部分が切り欠かれた切欠部５２が形成されていても良い。

（第２の電極フィルム６）
第２の電極フィルム６は、第１の電極フィルム５と同様に異方性導電性フィルムである。この第２の電極フィルム６は、一例として、リング形端部５０の開口５１より小さい円形状を有して圧電素子４１と接合される第２の接触部としての円形端部６０を備えている。なお変形例として第１の電極フィルム５及び第２の電極フィルム６は、異方性導電性フィルムに限定されず、フレキシブルプリント基板（FPC：Flexible Printed Circuits）などであっても良い。

また第２の電極フィルム６は、配線部６５を備えている。この配線部６５は、支持部２の外に出されて制御部１０と電気的に接続する。

円形端部６０の下部６０ｂは、圧電素子４１の上部４１ａと接合される。従って円形端部６０は、アクチュエータ４の上部電極と電気的に接続されている。

上述のように、スイッチ装置１は、金属シム４０の上部４０ａに第１の電極フィルム５のリング形端部５０の下部５０ｂが接合され、圧電素子４１の上部４１ａに第２の電極フィルム６の円形端部６０の下部６０ｂが接合される構造を有している。

つまりスイッチ装置１は、アクチュエータ４を挟むように上部側と下部側に電極フィルムが配置されるのではなく、アクチュエータ４の上部側にのみ第１の電極フィルム５と第２の電極フィルム６が接触しないように重ねられている。

なお変形例として、一例として、図３（ｂ）に示すように、第１の電極フィルム５がリング形状ではなく、幅が配線５５より広く金属シム４０の上部４０ａと電気的に接続する端部５００を備え、第２の電極フィルム６が円形状ではなく、幅が配線６５より広く圧電素子４１の上部４１ａと電気的に接続する端部６００を備えても良い。このように、上述した第１の電極フィルム５及び第２の電極フィルム６の形状は、一例であって金属シム４０の上部４０ａ、及び圧電素子４１の上部４１ａにおいて電気的に接続可能な形成であれば良い。

（導電性接着剤７の構成）
導電性接着剤７は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などのバインダーに、金粉や銀粉などの導電フィラーを混合したものである。なお導電性接着剤７は、荷重や振動の伝達が効率良く行われるため、硬化後の弾性が小さい方が好ましい。

導電性接着剤７は、金属シム４０の上部４０ａと第１の電極フィルム５のリング形端部５０の下部５０ｂの間に介在し、金属シム４０と第１の電極フィルム５を電気的に接続する。

また導電性接着剤７は、圧電素子４１の上部４１ａと第２の電極フィルム６の円形端部６０の下部６０ｂの間に介在し、圧電素子４１と第２の電極フィルム６を電気的に接続している。なお本実施の形態においては、導電性接着剤７を用いて電気的に接合したが、一例として、ダイレクトバンプ方式による接合のように、電気的に接合されれば他の接合方式を用いても良い。

（制御部１０の構成）
制御部１０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部１０が動作するためのプログラムと、荷重しきい値１００と、が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

この制御部１０は、アクチュエータ４から出力された出力信号Ｓ_１を荷重に変換するように構成されている。そして制御部１０は、この荷重と荷重しきい値１００とを比較し、荷重が荷重しきい値１００以上となった場合、プッシュ操作がなされたと判定する。

そして制御部１０は、判定結果に基づいてプッシュ操作を受け付けたことを示す触覚フィードバックを呈示するため、駆動信号Ｓ_２をアクチュエータ４に出力する。また制御部１０は、判定結果に基づいてプッシュ操作がなされたこと示す操作信号Ｓ_３を生成して接続されている電子機器に出力する。

なお制御部１０は、荷重の付加に伴う応力の影響を排除するため、支持部２とは別の場所に配置される。

以下に本実施の形態のスイッチ装置１の動作について説明する。

（動作）
スイッチ装置１の制御部１０は、アクチュエータ４から出力された出力信号Ｓ_１が入力すると、この出力信号Ｓ_１に基づく荷重と荷重しきい値１００とを比較する。制御部１０は、荷重が荷重しきい値１００以上である場合、プッシュ操作がなされたと判定する。

制御部１０は、プッシュ操作がなされたと判定すると、駆動信号Ｓ_２をアクチュエータ４に出力して触覚フィードバックを呈示すると共に操作信号Ｓ_３を生成して接続された電子機器に出力する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、接点不良を抑制することができる。具体的には、スイッチ装置１は、アクチュエータ４の下部電極が支持部２に配置された電極と電気的に接続されるのではなく、アクチュエータ４の上部電極及び下部電極がアクチュエータ４の上側において第１の電極フィルム５及び第２の電極フィルム６と電気的に接合されているので、この構成を採用しない場合と比べて、接点箇所の機械的ストレスが低減されて接点の信頼性が高く、荷重の付加や振動の呈示に起因する接点不良を抑制することができる。

スイッチ装置１は、金属シム４０と第１の電極フィルム５とがアクチュエータ４の上側において導電性接着剤７を介して接合されているので、金属シムの下部が支持部に配置された電極に載せられている場合と比べて、金属シム４０が撓んだ際、接触面積が大きいまま保たれ、接点の信頼性が高い。

スイッチ装置１は、アクチュエータ４を支持部２に配置することによって電気的な接続が得られる場合と比べて、組み付け後に接点不良の有無を確認することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
（付記）
スイッチ装置は、
金属シム及び圧電素子は、円板形状を有し、
第１の電極フィルムは、リング形状を有して金属シムと接合される第１の接触部を備え、
第２の電極フィルムは、第１の接触部の開口より小さい円形状を有して圧電素子と接合される第２の接触部を備えても良い。

１…スイッチ装置、２…支持部、３…操作部、４…アクチュエータ、５…第１の電極フィルム、６…第２の電極フィルム、７…導電性接着剤、８…保持部、９…操作指、１０…制御部、２０…第１の凹部、２１…第２の凹部、３０…操作面、４０…金属シム、４０ａ…上部、４０ｂ…下部、４１…圧電素子、４１ａ…上部、５０…リング形端部、５０ａ…上部、５０ｂ…下部、５１…開口、５２…切欠部、５５…配線部、６０…円形端部、６０ａ…上部、６０ｂ…下部、６５…配線部、１００…荷重しきい値、５００…端部、６００…端部

Claims

操作面になされたプッシュ操作を受け付ける操作部と、
金属シムと前記金属シムに設けられた圧電素子とを有し、前記操作部に付加された荷重を検出すると共に前記操作部に振動を付加するアクチュエータと、
前記金属シムの撓みを許容しつつ前記アクチュエータを支持する支持部と、
前記アクチュエータの下部電極である前記金属シムの上部と電気的に接合される第１の電極フィルムと、
前記アクチュエータの上部電極である前記圧電素子の上部と電気的に接合される第２の電極フィルムと、
を備えたスイッチ装置。
前記金属シムと前記第１の電極フィルム、及び前記圧電素子と前記第２の電極フィルムは、電気的に接合される、
請求項１に記載のスイッチ装置。
前記アクチュエータから出力される出力信号に基づいて前記プッシュ操作を判定し、前記プッシュ操作が判定された場合、駆動信号を出力して前記アクチュエータを振動させる判定部を備えた、
請求項１又は２に記載のスイッチ装置。