JP2019102317A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ素子を備えたスイッチ装置において、ピエゾ素子の変位の自由度を向上させる。【解決手段】荷重が負荷されると変位するパネル１０と、セラミック層２２と金属シム２５が貼り合わされて形成され、荷重が加わると電力を発生し、電力が印加されると変位するユニモルフ型のピエゾ素子２０と、パネル１０とピエゾ素子２０とを接続し、互いの変位を伝達する伝達部材３０と、ピエゾ素子２０が収納されるケーシング４０と、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量を制限するストッパ構造と、を備えてスイッチ装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、ピエゾ素子を使用したスイッチ装置に関する。

従来、ピエゾ素子へ荷重を加えることによってスイッチをオンし、ピエゾ素子に荷重が加えられたことによって発生する電力を、遅延させてピエゾ素子に加えることによって触覚を付与するスイッチ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このスイッチ装置は、触覚応答を提供する圧電キースイッチが、縁部で固定されたバイモルフ圧電素子と、固定された縁部から離間して圧電素子に取り付けられたキーパッドを含み、キーパッドの押下によって素子がたわみ、接地された金属円盤と電極との間に電圧信号が発生する。電極からの電圧信号はワイヤに送られる。この電圧信号に応答して、駆動回路が、駆動信号を提供して圧電素子をたわませ、キーパッドに上向きの触覚フィードバックを提供する。

特開平１０−３０７６６１号公報

従来、ピエゾ素子の変位の方向は、セラミック層の位置に応じた一方向であり、荷重による破壊を防止するために反対方向への変位は困難であった。反対方向へ変位をさせる場合、ピエゾ素子の裏表を反転させた上で、電極に対して正規の電圧を印加する必要がある。ピエゾ素子の裏表を反転させると、セラミック層の位置が変わるため、荷重が加えられた場合の破壊が生じやすくなるという課題があった。

したがって、本発明の目的は、ピエゾ素子を備えたスイッチ装置において、ピエゾ素子の変位の自由度を向上させることにある。

［１］上記目的を達成するため、荷重が負荷されると変位するパネルと、セラミック層と金属シムが貼り合わされて形成され、荷重が加わると電力を発生し、電力が印加されると変位するユニモルフ型のピエゾ素子と、前記パネルと前記ピエゾ素子との互いの変位を伝達する伝達部材と、前記ピエゾ素子が収納されるケーシングと、前記ピエゾ素子の変位の方向及び変位量を制限するストッパ構造と、を備える、スイッチ装置を提供する。
［２］前記ストッパ構造は、前記ピエゾ素子における前記金属シム側が凸状に湾曲するように前記ピエゾ素子の変位の方向を制限する、上記［１］に記載のスイッチ装置であってもよい。
［３］また、前記ストッパ構造は、前記伝達部材及び前記ケーシングの少なくともー方に設けられた少なくとも１つの突部である、上記［１］又は［２］に記載のスイッチ装置であってもよい。
［４］また、前記突部の１つは、前記ピエゾ素子の変位中心に対応する位置において、前記ピエゾ素子の変位の方向に向けて突出されている、上記［１］から［３］のいずれか１に記載のスイッチ装置であってもよい。
［５］また、前記少なくとも１つの突部は、前記伝達部材及び前記ケーシングの双方に少なくとも１つ形成され、前記伝達部材の少なくとも１つの突部は、更に、前記ピエゾ素子の変位量が規定範囲内となるように、前記ケーシングの少なくとも１つの突部と重ならないで前記ピエゾ素子を挟むように設けられている、上記［１］から［４］のいずれか１に記載のスイッチ装置であってもよい。
［６］また、前記少なくとも１つの突部は、前記ピエゾ素子における周方向に沿って配置されている、上記［１］から［５］のいずれか１に記載のスイッチ装置であってもよい。

本発明のスイッチ装置によれば、ピエゾ素子の変位の自由度を向上させることが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るスイッチ装置の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るスイッチ装置のブロック構成図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るスイッチ装置の押圧操作時のピエゾ素子の状態を示す図１（ａ）に相当する断面図であり、図３（ｂ）は、押圧操作時のピエゾ素子の変位（変形）状態を示す断面図である。 図４（ａ）は、本発明の実施形態に係るスイッチ装置の上方向への振動フィードバック時のピエゾ素子の状態を示す図１（ａ）に相当する断面図であり、図４（ｂ）は、上方向への振動フィードバック時のピエゾ素子の変位（変形）状態を示す断面図である。

（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係るスイッチ装置１は、荷重が負荷されると変位するパネル１０と、セラミック層２２と金属シム２５が貼り合わされて形成され、荷重が加わると電力を発生し、電力が印加されると変位するユニモルフ型のピエゾ素子２０と、パネル１０とピエゾ素子２０とを接続し、互いの変位を伝達する伝達部材３０と、ピエゾ素子２０が収納されるケーシング４０と、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量を制限するストッパ構造と、を備えて構成されている。ここで、ストッパ構造は、ピエゾ素子２０における金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０の変位の方向を制限するものである。また、ストッパ構造は、伝達部材３０及びケーシング４０の少なくともー方に設けられた少なくとも１つの突部３３である。この突部３３の少なくとも１つは、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置において、ピエゾ素子２０の変位の方向に向けて突出されている。

（スイッチ装置１の概略構成）
パネル１０は、ケーシング４０の上面４０ａで固定されている。パネル１０の下面１０には、伝達部材３０の上部３０ａが当接している。ピエゾ素子２０は、セラミック層２２と金属シム２５が貼り合わせて形成されている。

伝達部材３０の拡径部３２は、ピエゾ素子２０の金属シム２５に当接している。ピエゾ素子２０は、ケーシング４０の溝部４１に収容されている。パネル１０が下方向に押圧操作されると、伝達部材３０に荷重が作用して、ピエゾ素子２０が押されて変位する。これにより、押圧操作を検知することができる。このときのピエゾ素子２０の変位は、ストッパ構造により、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量が制限され、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。

一方、ピエゾ素子２０には、制御部５０から電力（電力＝電圧×電流、以下、電力を代表して電圧と記載する。）を印加することができるように、図示省略する電極が接続されている。所定の条件の場合に、制御部５０からピエゾ素子２０に所定電圧が印加され、ピエゾ素子２０が変位する。この変位は、伝達部材３０を介して上方向に伝達され、パネル１０を介して、操作者に振動フィードバックを呈示することができる。このときのピエゾ素子２０の変位は、ストッパ構造により、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量が制限され、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。

すなわち、本実施の形態に係るスイッチ装置１は、パネル１０とピエゾ素子２０とが伝達部材３０を介して互いの変位を伝達する場合、上または下のどちら方向の伝達であっても、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。これにより、セラミック層２２が金属シム２５の湾曲により引っ張り力を受けることがなく、ピエゾ素子２０の変位（変形）によるセラミック層２２の破壊が抑制される。

（パネル１０）
パネル１０は、図１（ａ）に示すように、操作者が手指等で操作する板状のオーバーレイであって、荷重が負荷されると変位するものである。パネル１０は、例えば、樹脂等により形成されている。このパネル１０への押圧操作は、伝達部材３０を介して、ピエゾ素子２０に伝達される。また、ピエゾ素子２０が電圧駆動された場合の振動が、伝達部材３０を介して、パネル１０に伝達される。

（ピエゾ素子２０）
ピエゾ素子２０は、セラミック層２２の両面に電極（図示省略）が取り付けられ、セラミック層２２の径よりも大きな金属シム２５に貼り合わせて固定された、ユニモルフ型のピエゾ素子である。セラミック層２２に電圧を印加することにより、セラミック層２２は伸び縮みするため、金属シム２５に反りが生じてセラミック層２２と金属シム２５の全体が湾曲して撓む。

セラミック層２２は、例えば、図１（ａ）に示すように、板形状を有し、金属シム２５の下面２５ｂに配置されている。このセラミック層２２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。ピエゾ素子２０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素子である。

金属シム２５は、例えば、図１（ａ）に示すように、セラミック層２２よりも大きい板形状を有している。この金属シム２５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。

ピエゾ素子２０は、パネル１０に荷重が付加されると、プッシャーとしての伝達部材３０を介して金属シム２５に荷重が伝達され、金属シム２５の変形に追従してセラミック層２２が変形する。これにより、ピエゾ素子２０は、例えば、図２に示すように、荷重に応じて出力した電圧を荷重信号Ｓ_Ｐとして制御部５０に出力する。

また、ピエゾ素子２０は、セラミック層２２に電圧が印加されると印加電圧に応じて伸縮して変形する。ピエゾ素子２０は、制御部５０から出力された駆動信号Ｓ_Ｄに基づく電圧に応じて伸縮して変形して、金属シム２５と一体的に湾曲するように構成されている。

（伝達部材３０）
伝達部材３０は、パネル１０とピエゾ素子２０とを接続し、互いの変位を伝達するプッシャーとして機能する。伝達部材３０は、例えば、樹脂、金属材料により形成されている。

伝達部材３０は、図１（ａ）に示すように、パネル１０に当接する柱状部３１と、金属シム２５に当接するように拡径した拡径部３２から構成されている。拡径部３２には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、突部３３が設けられている。突部３３は、拡径部３２の当接面３４の周方向に沿って３カ所配置されている。パネル１０が押圧されてない状態、及びピエゾ素子２０に駆動電圧が印加されていない停止状態では、突部３３の先端部３３ａが、金属シム２５の上面２５ａに当接している。

（ケーシング４０）
ケーシング４０は、図１（ａ）に示すように、ピエゾ素子２０を支持し、また、パネル１０を４０ａで支持するベースとして機能する。ケーシング４０は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）等の樹脂等により形成されている。

ケーシング４０には、図１（ａ）に示すように、ピエゾ素子２０を収容する溝部４１が形成されている。図１（ｃ）に示すように、この溝部４１の壁部４１ａから中心方向に向かって、周方向に沿って３カ所、ピエゾ素子２０の金属シム２５を支持する突部４３が設けられている。この突部４３と、上記説明した伝達部材３０の突部３３は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ピエゾ素子２０の変位が規定範囲内となるように、ピエゾ素子２０を裏表から重ならないで挟むように設けられている。すなわち、少なくとも１つの突部３３は、伝達部材３０及びケーシング４０の双方に少なくとも１つ形成される。伝達部材３０の少なくとも１つの突部は、更に、ピエゾ素子２０の変位量が規定範囲内となるように、ケーシング４０の少なくとも１つの突部と重ならないでピエゾ素子２０を挟むように設けられている。なお、ここで言う「重ならない」は、パネル１０（もしくはピエゾ素子２０）の変位の方向に沿った突部の投影面が重複しないことを意味する。

また、溝部４１の中央部には、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、ピエゾ素子２０のセラミック層２２に当接する中央突部４４が設けられている。すなわち、ピエゾ素子２０の変位中心Ｃに対応する位置において、ピエゾ素子２０の変位方向に凸となるように突出されている。これにより、中央突部４４の上面４４ａは、セラミック層２２の下面２２ｂに当接している。

（制御部５０）
制御部５０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５０が動作するためのプログラム、荷重閾値等、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。

制御部５０は、図２に示すように、ピエゾ素子２０と接続されている。ピエゾ素子２０から荷重信号Ｓ_Ｐが入力され、ピエゾ素子２０を駆動する駆動信号Ｓ_Ｄを出力する。なお、本実施の形態では、駆動信号Ｓ_Ｄは、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するように、印加電圧の極性が設定されている。

制御部５０は、ピエゾ素子２０から出力された荷重信号Ｓ_Ｐを荷重に変換するように構成されている。そして制御部５０は、検出された荷重と荷重閾値とを比較し、スイッチ装置の押圧操作がなされたか否かを判定する。制御部５０は、押圧操作が判定されると、押圧操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_Ｊを出力する。また、所定の条件において、駆動信号Ｓ_Ｄを出力してピエゾ素子２０を駆動して上向きの振動フィードバックを行なう。

（押圧操作時の動作）
図３（ａ）に示すように、手指１００でパネル１０を下方向に荷重Ｆで押圧操作すると、伝達部材３０を介してピエゾ素子２０（セラミック層２２、金属シム２５）に力が伝達される。ここで、金属シム２５は、下面２５ｂがケーシング４０の突部４３により支持される。また、ピエゾ素子２０のセラミック層２２は、ピエゾ素子２０の変位中心Ｃにおいて、下面２２ｂがケーシング４０の中央突部４４に当接して支持される。

一方、伝達部材３０の当接面３４は、金属シム２５の上面２５ａに当接せず、伝達部材３０の突部３３の先端部３３ａが金属シム２５の上面２５ａに当接して、金属シム２５の周囲を下方向に押圧する。

上記のようなストッパ構造により、パネル１０を下方向に押圧動作したとき、ピエゾ素子２０の変位は、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量が制限され、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、図３（ｂ）に示すように、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。これにより、セラミック層２２が金属シム２５の湾曲により引っ張り力を受けることがなく、ピエゾ素子２０の変位（変形）によるセラミック層２２の破壊が抑制される。

ピエゾ素子２０（セラミック層２２、金属シム２５）が変形して撓むことにより、ピエゾ素子２０から荷重信号Ｓ_Ｐが制御部５０に入力される。制御部５０は、荷重信号Ｓ_Ｐと荷重閾値とを比較し、スイッチの押圧操作がなされたか否かを判定する。制御部５０は、押圧操作が判定されると、図２に示すように、押圧操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_Ｊを出力することができる。

（振動フィードバック時の動作）
所定の条件の場合に、操作者に操作感を呈示するために、ピエゾ素子２０を上方向に変位させて、伝達部材３０を介してパネル１０を振動させることで、上向きの振動フィードバックを行なう。

制御部５０は、駆動信号Ｓ_Ｄを出力して、ピエゾ素子２０のセラミック層２２に電圧を印加する。この電圧は、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するような極性に設定されている。

ピエゾ素子２０は、図４（ｂ）に示すように、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、拡径部３２の当接面３４と金属シム２５の上面２５ａが当接する。一方、拡径部３２の突部３３の先端部３３ａと金属シム２５の上面２５ａは当接しない。また、セラミック層２２の下面２２ｂと中央突部４４の上面４４ａも当接しない。

したがって、ピエゾ素子２０は、図４（ｂ）に示すように、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。これにより、セラミック層２２が金属シム２５の湾曲により引っ張り力を受けることがなく、ピエゾ素子２０の変位（変形）によるセラミック層２２の破壊が抑制される。

ピエゾ素子２０（セラミック層２２、金属シム２５）の変位（変形）は、伝達部材３０を介して、パネル１０に伝達される。これにより、パネル１０を操作する操作者に対して、上向きの振動フィードバックを呈示することができる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係るスイッチ装置１は、荷重が負荷されると変位するパネル１０と、セラミック層２２と金属シム２５が貼り合わされて形成され、荷重が加わると電力を発生し、電力が印加されると変位するユニモルフ型のピエゾ素子２０と、パネル１０とピエゾ素子２０とを接続し、互いの変位を伝達する伝達部材３０と、ピエゾ素子２０が収納されるケーシング４０と、ピエゾ素子２０の変位の方向及び変位量を制限するストッパ構造と、を備えて構成されている。このストッパ構造により、パネル１０とピエゾ素子２０とが伝達部材３０を介して互いの変位を伝達する場合、上または下のどちらの方向への伝達であっても、ピエゾ素子２０の変位中心に対応する位置Ｃにおいて、金属シム２５側が凸状に湾曲するようにピエゾ素子２０が変位する。これにより、セラミック層２２が金属シム２５の湾曲により引っ張り力を受けることがなく、ピエゾ素子２０の変位（変形）によるセラミック層２２の破壊が抑制される。
（２）上記のように、ユニモルフピエゾを従来構造と反転させることで、従来構造ではセラミック層の素子破壊の懸念があるためできなかった上向きの振動フィードバックの呈示が可能となった。これにより、ピエゾ素子を備えたスイッチ装置において、ピエゾ素子の変位の自由度を向上させることができる。
（３）本実施の形態に係るスイッチ装置のストッパ構造により、プッシャーとしての伝達部材３０とベースとしてのケーシング４０に突部を設けて押下検出の際、金属シム２５を変形させ、セラミック層２２に大きな応力を加え出力電圧を大きくすることができ、上向きの振動フィードバックとセンシング性能を両立できるようになった。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。また、これら新規な実施の形態は、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、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態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、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、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。

１…スイッチ装置、１０…パネル、１０ａ …上面、１０ｂ…下面、２０…ピエゾ素子、２２…セラミック層、２２ａ…上面、２２ｂ…下面、２５…金属シム、２５ａ…上面、２５ｂ…下面、３０…伝達部材、３１…柱状部、３２…拡径部、３３…突部、３３ａ…先端部、３４…当接面、４０…ケーシング、４０ａ…上面、４１…溝部、４３…突部、４４…中央突部、５０…制御部、１００…手指、Ｆ…荷重、Ｓ_Ｐ…荷重信号、Ｓ_Ｄ…駆動信号、Ｓ_Ｊ…操作情報

Claims (6)

1. 荷重が負荷されると変位するパネルと、
   セラミック層と金属シムが貼り合わされて形成され、荷重が加わると電力を発生し、電力が印加されると変位するユニモルフ型のピエゾ素子と、
   前記パネルと前記ピエゾ素子との互いの変位を伝達する伝達部材と、
   前記ピエゾ素子が収納されるケーシングと、
   前記ピエゾ素子の変位の方向及び変位量を制限するストッパ構造と、
   を備える、スイッチ装置。
2. 前記ストッパ構造は、前記ピエゾ素子における前記金属シム側が凸状に湾曲するように前記ピエゾ素子の変位の方向を制限する、請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記ストッパ構造は、前記伝達部材及び前記ケーシングの少なくともー方に設けられた少なくとも１つの突部である、請求項１又は２に記載のスイッチ装置。
4. 前記突部の少なくとも１つは、前記ピエゾ素子の変位中心に対応する位置において、前記ピエゾ素子の変位の方向に向けて突出されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
5. 前記少なくとも１つの突部は、前記伝達部材及び前記ケーシングの双方に少なくとも１つ形成され、
   前記伝達部材の少なくとも１つの突部は、更に、前記ピエゾ素子の変位量が規定範囲内となるように、前記ケーシングの少なくとも１つの突部と重ならないで前記ピエゾ素子を挟むように設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
6. 前記少なくとも１つの突部は、前記ピエゾ素子における周方向に沿って配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のスイッチ装置。

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