JP2019133886A - 筐体兼用スイッチ及び入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てが容易でありデザイン性に優れた筐体兼用スイッチ提供することを目的とする。【解決手段】筐体兼用スイッチ１０は、筐体２０と、感圧センサ３０と、裏板４０とを含む。筐体２０には凹部２１が形成されており、凹部２１の底面が板状部２２である。凹部２１に感圧センサ３０、弾性部材５０が収容される。凹部２１の開口をふさぐように裏板４０が配置され、裏板４０は筐体２０に形成された爪部２３によって固定されている。筐体兼用スイッチ１０は、筐体２０に凹部２１、爪部２３、段差部２４を形成し、凹部２１に感圧センサ３０と弾性部材５０を配置し、その後爪部２３で形成される空間に裏板４０を差し込むことによって組み立てることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の筐体兼用スイッチ、及び筐体兼用スイッチを用いた入力装置に関する。

従来から、スマートフォン等の電子機器の外枠を構成する筐体側面に、複数の操作ボタンを設けたものがある。

特許文献１に記載の携帯端末では、筐体の側面に貫通孔を形成し、操作ボタンが筐体の厚み方向に対して直交する方向を向くように、操作ボタンを貫通孔に収容している。

特開２０１３−０９８６５０

しかし、従来の操作ボタンの構成では、筐体にあらかじめ貫通孔を形成しなければならず、別部材であるボタン部材を用意する必要もあり、製造工程が複雑になる。また、電子機器に防水性を持たせようとすると、操作ボタン周辺に取り付けるためのパッキンが必要になり、部品点数が増えてしまう。更に、操作ボタンが筐体の側面から浮き出た形状となるため、電子機器のデザインが制約されてしまう。

本発明の目的は、組立てが容易でありデザイン性に優れた筐体兼用スイッチ提供することである。

上記の目的を達成するため、第１の発明は、弾性変形する板状部を有する筐体と、板状部の筐体内側の面に配置された感圧センサ体と、感圧センサ体の上に配置された裏板とを備えた、筐体兼用スイッチである。

第２の発明は、第１発明において、板状部と感圧センサ体との間に配置された弾性部材を更に備えた、筐体兼用スイッチである。

このように構成すると、操作ボタンを別部材にする必要がなく、筐体に貫通孔を設ける必要もないので、組立てが容易でありデザイン性に優れた筐体兼用スイッチを得ることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、板状部は、筐体に構成された凹部の底面部である、筐体兼用スイッチである。
である。

このようにすると、板状部の厚みが筐体の他の部分に比べて薄くなるので板状部がたわみやすくなり、感圧センサの感度を向上させることができる。

第４の発明は、第１から第３の発明において、裏板は、筐体内側の面から突出した爪部により固定されている、筐体兼用スイッチである。

このようにすると、筐体内に配置される他のパーツの邪魔にならない範囲で、爪部によって裏板を確実に固定するので、感圧センサ体の感度を向上させることができる。

第５の発明は、第１から第４の発明において、筐体は、扁平な箱型形状であり、凹部は、筐体の側面に形成された、筐体兼用スイッチである。

第６の発明は、第１から第５の発明において、感圧センサ体は、押圧力が変化すると抵抗値が変化する抵抗変化型感圧センサである、筐体兼用スイッチである。

第７の発明は、第６の発明の筐体兼用スイッチと、感圧センサ体を駆動する電圧源と、感圧センサ体に発生する電圧を入力信号として用い、入力信号から直流成分を除去するフィルタを含む増幅回路を有する圧力検出制御部とを備えた、入力装置である。

このようにすると、入力信号から直流成分が除去され入力信号の変化のみが増幅されるので、圧力変化のみを反映した信号を増幅器等に受け渡すことができ、圧力変化が微小であっても精度良く検知することができる。

この発明によれば、組立てが容易でありデザイン性に優れた筐体兼用スイッチを提供することができる。

本発明の実施形態による入力装置の模式構成図である。 本発明の実施形態による入力装置の斜視図である。 図２のＩ−Ｉ線で切断した筐体兼用スイッチの断面図である。 本発明の実施形態による感圧センサの断面図である。 本発明の実施形態による圧力検出制御部の回路図である。 本発明の変形例による感圧センサの断面図である。

次に、発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。
＜実施形態＞

図１から図３を参照して、本発明の実施形態に係る入力装置１は、操作者からの接触動作によって情報を入力するための装置である。入力装置１はディスプレイ２と筐体兼用スイッチ１０を含む。ディスプレイの下にはタッチパネル、液晶表示装置、及び制御基板等が内蔵される。操作者は、ディスプレイ２や筐体兼用スイッチ１０に接触することで情報を入力することができる。本実施形態では、入力装置１をスマートフォンとして説明する。

（１）筐体兼用スイッチ
筐体兼用スイッチ１０は、筐体２０と、感圧センサ３０と、裏板４０とを含む。筐体２０には凹部２１が形成されており、凹部２１の底面が板状部２２である。凹部２１に感圧センサ３０、弾性部材５０が収容される。凹部２１の開口をふさぐように裏板４０が配置され、裏板４０は筐体２０に形成された爪部２３によって固定されている。更に、感圧センサ３０に接続されたＦＰＣ６０が筐体２０の底面に沿って取り出されている。ＦＰＣ６０は、入力装置１に内蔵されている制御基板に接続される。

筐体２０は、底面と底面から立ち上がる側面を有する扁平な箱型形状である。筐体２０は、剛性が高い材料からなり、例えばアルミニウム、チタン、マグネシウムといった金属製またはプラスチック製である。筐体２０右上の内側の面に凹部２１が形成されている。凹部２１は切削や射出成形等の方法で形成することができる。凹部２１の底面が板状部２２であり、板状部２２がスイッチ部分となる。筐体兼用スイッチ１０を用いて操作する場合には、板状部２２を押圧または擦動して操作する。筐体２０右上の外側の面には段差部２４が形成されている。段差部２４は、筐体２０の表面が凹状に掘り込まれた形状となっている。板状部２２のヤング率は、例えば１〜１００ＧＰａであり、好ましくは１０〜１００ＧＰａである。板状部２２の厚みは、例えば１ｍｍである。

筐体２０の内側の面に、Ｌ字型の爪部２３が突出するように形成されている。爪部２３は、筐体２０の内側の面から略垂直に突出する第１爪部２３ａと、第１爪部２３ａから略垂直かつ筐体２０の内側の面に平行となる第２爪部２３ｂを含む。爪部２３は筐体２０に２箇所形成されており、２つの爪部２３は、その第２爪部２３ｂが向かい合うように形成されている。２つの爪部２３の距離は、裏板４０の長さとほぼ同じである。２つの爪部２３で形成された空間に後述する裏板４０を差し込む。

裏板４０は、爪部２３によって筐体２０に固定される。裏板４０は、扁平な直方体形状であり、凹部２１の開口をふさぐような大きさを有する。裏板４０は、剛性が高い材料からなり、例えばアルミニウム、ステンレスといった金属を用いることができる。裏板４０のヤング率は、例えば６０〜３００ＧＰａ、好ましくは１００〜３００ＧＰａである。裏板４０の厚みは、例えば１〜２ｍｍ、好ましくは１．５〜２ｍｍである。

裏板４０と板状部２２との間に、感圧センサ３０と弾性部材５０が配置されている。感圧センサ３０と弾性部材５０は、裏板４０と同様、扁平な直方体形状を有するが、大きさは裏板４０よりも小さく、板状部２２とほぼ同じ大きさを有する。感圧センサ３０は、圧力を加えると抵抗値が変化する、抵抗変化型感圧センサである。弾性部材５０は、感圧センサ３０と板状部２２との間に配置されている。弾性部材５０の材質は、例えば、ポリウレタン、ポリプロピレン、アクリルなどの発泡体である。弾性部材５０は、厚みが１００〜１５００μｍの範囲であり、２５％圧縮時応力が０．００１〜０．５ＭＰａ、好ましくは０．００１〜０．１ＭＰａの範囲である。弾性部材５０は、感圧センサ３０の板状部２２側の面に粘着剤によって接着されている。

筐体兼用スイッチ１０は、筐体２０に内側面に凹部２１、爪部２３、外側面に段差部２４を形成し、凹部２１に感圧センサ３０と弾性部材５０を配置し、その後爪部２３で形成される空間に裏板４０を差し込むことによって組み立てることができる。

本実施形態の筐体兼用スイッチ１０によれば、操作ボタンを別部材にする必要がなく、筐体に貫通孔を設ける必要もないので、組み立てが容易ある。また、段差部２４を設けることにより、操作場所がわかりやすくなる。更に、筐体２０は剛性が高く撓みにくい材質であるが、凹部２１と段差部２４を設けて板状部２２の厚みを筐体の他の部分より薄くすることで、板状部２２が撓みやすくなり、感圧センサ３０に圧力を伝えやすくなる。

（２）感圧センサ
図４を参照して、本実施形態における感圧センサ３０は、抵抗変化型感圧センサである。感圧センサ３０は、間隙３１を介して配置された上部基材３２と下部基材３３を有する。スペーサ３４は、上部基材３２と下部基材３３とを固定する接着剤として機能する。

上部基材３２には、下部基材３３と対向する面に、感圧層３５が形成されている。
下部基材３３には、上部基材３２と対向する面に、第１電極３６と第２電極３７が形成されている。第１電極３６は例えばドライブ電極であり、第２電極３７は例えばセンス電極である。第１電極３６と第２電極３７は交互に配置された一対の櫛歯の組み合わせを有している。
なお、図４は感圧センサ３０に荷重が加えられていない状態を表しているが、筐体兼用スイッチ１０に取り付けられる際には初期荷重がかかるため、感圧センサ３０を押圧していない状態で、感圧層３５と第１電極３６及び第２電極３７とが接触する。

上部基材３２及び下部基材３３の材料は、可撓性を有する絶縁性フィルムであり、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド等である。

第１電極３６及び第２電極３７は、例えば銀ペーストまたは銅ペーストであり、熱硬化型の導電ペーストであることが好ましい。電極材料は、ペースト以外の金属箔、スパッタ膜、蒸着膜、ラミネート膜などであってもよい。

感圧層３５の材料は、カーボンのような一般的な抵抗材料でもよいし、感圧インクであってもよい。感圧インクを構成する組成物は、外力に応じて抵抗値が変化する素材で構成されている。

筐体兼用スイッチ１０が操作者によって押圧されると、板状部２２が撓んで変形する。その結果、弾性部材５０を介して感圧センサ３０も押圧されるので、押圧していない状態と比較して上部基材及び下部基材がより密着する。そうすると、感圧層３５が電極に接触する面積が増大し、電極間でのセンサ抵抗が減少する。

（３）入力装置の制御
入力装置１は、印加する圧力に応じて抵抗値が変化する感圧センサ３０と、感圧センサを駆動するための定電圧源１００と、圧力検出制御部２００とを有する。

圧力検出制御部２００は、直流成分を取り除くハイパスフィルタ部２１０と、基準電位を決めるための抵抗回路２２０と、入力信号を増幅するオペアンプ２３０と、信号ノイズを除去するためのローパスフィルタ部２４０を含む。

感圧センサ３０の抵抗値Ｒｆｓを測定するために、プルアップ抵抗Ｒｐｕと感圧センサ抵抗Ｒｆｓとを直列に接続し、両端に駆動電圧Ｖｃｃを印加する。Ｒｆｓの値によってＲｐｕとＲｆｓの間の電圧を決定し、これを入力信号Ｖｉとしてハイパスフィルタ部２１０に受け渡す。

ハイパスフィルタ部２１０は、例えばコンデンサと抵抗とを直列に接続することによって構成される。直流成分と、低周波の交流を遮断し、高周波の交流のみを選択的に通過させるものである。

圧力検出制御部２００において、プルアップ抵抗Ｒｐｕと感圧センサ抵抗Ｒｆｓの分圧に由来する直流成分が生じる。この直流成分は、感圧層の抵抗値や弾性体の圧縮量に左右されるため、製品個体ごとにばらつく。この直流成分をハイパスフィルタ部２１０により除去することで、感圧センサ抵抗Ｒｆｓの変化だけを取り出すことができる。直流成分を取り除いた入力信号は、オペアンプ２３０により反転増幅される。ローパスフィルタ部２４０は、環境や電源に由来する周波数の高いノイズを除去するように設計する。ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数は、例えば０．１Ｈｚ、ローパスフィルタ部２４０のカットオフ周波数は、例えば１００Ｈｚである。オペアンプ２３０の増幅率は、例えば約２０倍である。

基準電位は、抵抗回路２２０において、Ｒ４とＲ５との分圧によって決定され、この基準電位に入力信号の変化が足し合わされた出力信号Ｖｏが出力される。基準電位は設計の段階で既知の値であるため、基準電位よりも大きい比較電位ＶｔｈとＶｏを比較することで、スイッチのオンオフを容易に判定することができる。

この回路の消費電力を下げるためには、ＲｆｓとＲｐｕの抵抗は大きいほうが良く、好ましくは５０ｋΩ〜１ＭΩである。このとき、入力部２５０のインピーダンスが高くなり増幅率が低下するため、ボルテージフォロワ回路などを挿入して入力部２５０と圧力検出制御部２００とを分離することが好ましい。

圧力検出制御部２００によれば、入力信号Ｖｉから直流成分を取り除くことができるため、感圧センサ３０の個体ごとのばらつきを避け、圧力変化のみを反映した入力信号をオペアンプ２３０により増幅することができる。筐体兼用スイッチ１０の板状部２２は剛性の高い材料からなるため、板状部の厚みを薄くしても圧力変化が微小であるが、上記の圧力検出制御部２００のように構成することで、微小な圧力変化を増幅することができる。よって、スイッチ部分にボタン部材のないシームレスなデザインを採用した場合でも、精度良く圧力を検知することができる。

尚、上記実施形態では、感圧センサ３０において２種類の電極は同一の基材に設けられていたが、電極の配置構造は限定されない。例えば、２種類の電極は対向する基材にそれぞれ設けられていてもよい。図６を参照して、感圧センサ３０の変形例である感圧センサ３０Ａは、間隙３１を介して配置された上部基材３２Ａ及び下部基材３３Ａを有している。スペーサ３４Ａは、上部基材３２Ａと下部基材３３Ａを固定する接着剤として機能する。

上部基材３２Ａには、下部基材３３Ａと対向する面に、第１電極３６Ａが形成されている。第１電極３６Ａは例えばドライブ電極である。上部基材３２Ａには、さらに、第１電極３６Ａを覆うように感圧層３５Ａが形成されている。
下部基材３３Ａには、上部基材３２Ａと対向する面に、第２電極３７Ａが形成されている。第２電極３７Ａは例えばセンス電極である。下部基材３３Ａには、さらに第２電極３７Ａを覆うように感圧層３５Ａが形成されている。

上記実施形態では、筐体２０に段差部２４が形成されていたが、段差は形成されていなくてもよい。

上記実施形態では、弾性部材５０は、感圧センサ３０の板状部２２側の面に粘着剤によって接着されていたが、弾性部材は感圧センサに接着されていなくてもよい。

上記実施形態では、感圧センサ３０と別部材のＦＰＣ６０とが接続されていたが、感圧センサとＦＰＣは一体であってもよい。更に、ＦＰＣ６０に圧力検出制御部を搭載していてもよい。

上記実施形態では、爪部２３は２つに分かれていたが、裏板を覆うように爪部がつながっていてもよい。この場合、裏板が強固に固定されることで感圧センサに圧力が伝わりやすくなる。

上記実施形態では、スイッチ部分は筐体右上の側面に設けられていたが、スイッチ部分を設ける場所は限定されない。筐体の４辺のうち１辺の一部に設けてもよいし、１辺の全体に設けてもよい。更に、１辺の中で複数箇所に設けてもよいし、対向する２辺や直交する２辺に設けてもよい。２箇所以上に設けてもよい。

上記実施形態では、スマートフォンを例に説明したが、入力装置はこれに限定されない。本発明は、タブレット型ＰＣやスマートウォッチ等の電子機器にも適用可能である。

１ 入力装置
２ ディスプレイ
１０ 筐体兼用スイッチ
２０ 筐体
２１ 凹部
２２ 板状部
２３ 爪部
２４ 段差部
３０ 感圧センサ
４０ 裏板
５０ 弾性部材
６０ ＦＰＣ
１００ 定電圧源
２００ 圧力検出制御部
２１０ ハイパスフィルタ部
２２０ 抵抗回路
２３０ オペアンプ
２４０ ローパスフィルタ部
２５０ 入力部

Claims (7)

1. 弾性変形する板状部を有する筐体と、
   前記板状部の前記筐体内側の面に配置された感圧センサ体と、
   前記感圧センサ体の上に配置された裏板とを備えた、筐体兼用スイッチ。
2. 前記板状部と前記感圧センサ体との間に配置された弾性部材を更に備えた、請求項１に記載の筐体兼用スイッチ。
3. 前記板状部は、前記筐体に構成された凹部の底面部である、請求項１又は請求項２に記載の筐体兼用スイッチ。
4. 前記裏板は、前記筐体内側の面から突出した爪部により固定されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の筐体兼用スイッチ。
5. 前記筐体は、扁平な箱型形状であり、
   前記凹部は、前記筐体の側面に形成された、請求項１から請求項４のいずれかに記載の筐体兼用スイッチ。
6. 前記感圧センサ体は、押圧力が変化すると抵抗値が変化する抵抗変化型感圧センサである、請求項１から請求項５に記載の筐体兼用スイッチ。
7. 請求項６に記載の筐体兼用スイッチと、
   前記感圧センサ体を駆動する電圧源と、
   前記感圧センサ体に発生する電圧を入力信号として用い、前記入力信号から直流成分を除去するフィルタを含む増幅回路を有する圧力検出制御部とを備えた、入力装置。