JP3550690B2 - 操作スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、手や肘あるいは足等の人体もしくはロボットのアームなどの物体により操作され、所定のスイッチ信号を得る操作スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
操作スイッチには、移動可能な操作部を設け、この操作部を押し込むなどの操作を行なうことで、スイッチのオン・オフ操作がなされるのが一般的である。タッチスイッチなど、移動しない操作部を有するスイッチも存在するが、可動タイプのスイッチには、使用者にとってスイッチ操作の動作確認が容易であること、物体の位置を検出するリミットスイッチとして容易に利用できるなどの利点が存在するため、広く用いられている。
【０００３】
通常、操作部には、スイッチ操作による移動方向と逆方向の力が予め与えられている。使用者にとっては、この逆方向の力に抗して操作部を操作することで、触覚的にスイッチ操作の確認が図られる。最も一般的には、ばねを操作スイッチの操作部に取り付け、操作部のストロークに比例した逆方向の力が操作者に感じられるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の操作スイッチは、操作感の向上等のために設けたばね等の機械部品のために、次のような多くの問題点があった。
操作スイッチに設けられたばね等の機械部品は、操作スイッチを使用する度に変形させられる構成となっており、徐々に塑性変形してしまう。従って、塑性変形に伴う使用限界が存在し、操作スイッチの耐用操作回数や耐用年数を制限していた。また、ばねの座屈や折損等の機械部品の故障が操作スイッチの不良を招き、品質向上のネックとなっていた。特に、スイッチの操作感を高めるために、明確な動作点のある動きを実現していわゆるクリック感を得ようとすると、スナップアクションを行なう板ばねなどを設ける必要があり、折損など故障の可能性が増大すると言う問題があった。
【０００５】
更に、機械部品の腐食による信頼性の低下を防止するため、湿度、温度等、操作スイッチの使用環境に厳しい制限が必要となったり、機械部品の材料を厳選してコストの向上を招いたりしていた。その上、操作スイッチを小型化しようとすれば、機械部品を操作スイッチに組み込むこと自体、操作スイッチの設計上の大きな制約条件であり、設計の困難性、組立作業の悪化などを招来していた。
【０００６】
本発明の操作スイッチは、上記問題点を解決し、使用環境を問わず半永久的な使用が可能となり、かつ、信頼性、組立作業性の向上を図りつつ、しかも設計が極めて容易な操作スイッチを提供することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の操作スイッチは、
スイッチ操作の実行により、スイッチ本体に対して移動自在に設けられた操作部が移動し、その操作部の移動に基づきスイッチ信号を発生する操作スイッチにおいて、
前記スイッチ本体に取り付けられ、磁気的な力で吸引される吸引部と、
前記操作部に取り付けられて前記吸引部との間に磁気回路を形成すると共に、前記操作部の操作により前記吸引部との離隔距離が大きくなるように移動する被吸引部と、
該被吸引部と前記吸引部とを磁路とする前記磁気回路に磁束を形成する起磁力発生部と、
前記操作部と前記被吸引部とを連結し、該被吸引部の移動に伴って、前記吸引部に形成された貫通孔を貫通した状態で進退する金属からなる棒状部材と、
該棒状部材の進退を、磁気的、光学的などの非接触方式で検出して、前記スイッチ信号を出力する検出部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
ここで、吸引部および／または被吸引部と起磁力発生部とは、永久磁石により一体に構成されてもよい。
【０００９】
また、被吸引部を永久磁石により構成すると共に、
この被吸引部に反発力または吸引力を与える永久磁石を、スイッチ本体側であって、かつ操作部の操作により被吸引部との離隔距離が小さくなる位置に配置することも、操作感を向上する上で好適である。
【００１０】
【作用】
以上のように構成された本発明の操作スイッチでは、起磁力発生部にて発生される磁束が吸引部及び被吸引部を磁路の一部として貫き、吸引部と被吸引部にはその磁束に比例した吸引力が作用し合う。すなわち、この磁力は、操作部に対してスイッチ操作時の反力として作用し、その点で従来の機械部品と等価の作用を奏する。しかも、本発明の操作スイッチでは、この被吸引部の移動に伴って進退する金属からなる棒状部材が備えられており、この棒状部材の進退を、磁気的、光学的などの非接触方式で検出した検出部が、スイッチ信号を出力するから、スイッチ信号を出力するために接触して作動する部材がなく、高い信頼を確保することができる。非接触の検出手法としては、インダクタンスの変化を検出する検出回路の他、公知のホールセンサ、光センサ、超音波センサ、静電容量センサ等を用いることができる。
【００１１】
また、被吸引部を永久磁石にて構成し、その被吸引部に反発力または吸引力を与える永久磁石をスイッチ本体側であって、スイッチ操作の実行により離隔距離が小さくなる位置に配置するならば、被吸引部には既設の吸引部と当該永久磁石との合成磁力が作用することになり、スイッチ操作に必要とする操作力を自由に設計することができる。
【００１２】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の操作スイッチの好適な実施例について説明する。
【００１３】
図１は第１実施例である押圧タイプの操作スイッチ１０の端面図、図２はその分解斜視図、図３はその操作スイッチ１０のスイッチ出力を発生する検出部２０の電気回路図である。
【００１４】
図示するように、この操作スイッチ１０は、円盤状の被吸引板１２を貫通固着した操作棒１４、その操作棒１４が遊嵌された環状の永久磁石１６、操作棒１４の押圧操作を容易とするため操作棒１４の一端に螺合される押圧ボタン１８、そして操作棒１４の他端側に設けられ操作棒１４の進退を検出する検出部２０、図示しないケースを全部品とする極めて簡易な構成からなる。なお、永久磁石１６と検出部２０とは、操作スイッチ１０のケース側に固定されている。
【００１５】
ここで、被吸引板１２は、鉄、パーマロイなどの強磁性体の金属により構成されており、操作スイッチ１０に何らの力も作用していない状態においては永久磁石１６に吸引され、図１に示す状態にて安定している。また、この安定状態にあるときに操作棒１４の他端は、検出部２０に穿設された検出孔２２にまで至らず、距離ＤＳだけ離隔している。
【００１６】
操作棒１４は、被吸引板１２と一体に、あるいはその他の金属により別途形成されるもので、大きな透磁率を示す。このため、任意の空間に配置されると、その空間のインダクタンスに大きな変化をもたらす。従って、このインダクタンスの変化を検出すれば、操作棒１４の位置を検出することは容易である。本実施例では、このインダクタンスの変化を利用して、操作棒１４の位置を検出器２０によりに検出する。なお、インダクタンスの変化を用いて検出を行なうので、電波雑音等による誤動作の心配がない。
【００１７】
検出部２０の構成および働きを、図３の回路図を用いて詳細に説明する。検出部２０は、発振回路ＣＯとスイッチング回路ＳＷとから構成されており、その内部基板ＰＣには、各回路を構成するコイルＬ１やトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２等の電子部品が組み立てられている。なお、コイルＬ１は、検出孔２２の周囲に配線パターンにより形成された数ターンのコイルである。内部基板ＰＣにコイルＬ１が形成されている様子を、検出部２０の分解斜視図として、図４に示した。
【００１８】
この検出部２０は、１２ボルトが供給される電源端子Ｔ１と、検出端子Ｔ２とを有する。この検出端子Ｔ２は、回路のグランドレベルを兼ねており、検出部２０の検出信号を処理する側の抵抗器ＲＤを介して接地されている。この１２ボルトの電力の供給を受けて発振回路ＣＯと、発振回路ＣＯの発振状態に基づいてオン・オフするスイッチング回路ＳＷとが作動する。
【００１９】
スイッチング回路ＳＷには、電源端子Ｔ１から１２ボルトの電圧が加えられているが、検出端子Ｔ２が抵抗器ＲＤ（本実施例では抵抗値６８０Ω）により接地されていることから、スイッチング回路ＳＷの電源電圧は、スイッチング回路ＳＷのトランジスタＴｒ２のオン・オフ状態により変化する。一方、発振回路ＣＯには、電源端子Ｔ１と検出端子Ｔ２との間に介装された抵抗器Ｒ１（本実施例では抵抗値２７ＫΩ）とツェナーダイオードＤ１により安定化されたツェナー電圧Ｖｚ（本実施例では約５．５ボルト）が供給される。
【００２０】
発振回路ＣＯは、特性が同一の２つのトランジスタを同一チップ内に形成した双トランジスタＴｒ１を備え、この双トランジスタＴｒ１の一方のエミッタとグランドラインとの間に介装されたコンデンサＣ１およびコイルＬ１と、双トランジスタＴｒ１の他方のエミッタとコイルＬ１の中間タップとの間に介装された抵抗器Ｒ３およびコンデンサＣ２とにより、コルピッツ型の高周波発振回路として構成されている。なお、双トランジスタＴｒ１のベースは、抵抗器Ｒ２を介して電源ラインに接続されている。この発振回路ＣＯの発振周波数は、コイルＬ１のインダクタンスとコンデンサＣ１，Ｃ２の容量とで決まり、本実施例ではおよそ３００ＫＨｚとなっている。
【００２１】
双トランジスタＴｒ１のコレクタの一方は使用されていないが、他方はスイッチング回路ＳＷのトランジスタＴｒ２のベース端子に接続されている。トランジスタＴｒ２のベース端子には、グランドラインとの間にコンデンサＣ３が接続されており、また、電源ラインとの間に抵抗器Ｒ４が接続されている。エミッタ端子には抵抗器Ｒ５（本実施例では２２０Ω）が接続されている。また、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子は、電源ラインに接続されている。発振回路ＣＯが発振している状態では、双トランジスタＴｒ１は約３００ＫＨｚでオン・オフを繰り返しており、双トランジスタＴｒ１がオンのときには、そのコレクタ電流はスイッチング回路ＳＷのトランジスタＴｒ２のベースから流れ込んでトランジスタＴｒ２をターンオンする。一方、発振回路ＣＯの発振により双トランジスタＴｒ１が僅かの時間オフとなる間は、トランジスタＴｒ２のベース電流はコンデンサＣ３の放充電により継続され、トランジスタＴｒ２はオン状態に保たれる。
【００２２】
発振回路ＣＯが発振している状態で、検出孔２２に金属製の操作棒１４の一端が通過すると、コイルＬ１の磁束が操作棒１４の他端を通り抜けることになり、操作棒１４内には渦電流が流れて電流損失を生じる。この渦電流の発生は発振回路ＣＯの発振エネルギを消費することになるから、その高周波発振は著しく減衰してほぼ停止状態となり、これによりスイッチング回路ＳＷのトランジスタＴｒ２はターンオフする。
【００２３】
一方、操作棒１４の一端が検出孔２２を貫通していない状態、即ち、発振回路ＣＯが発振している状態では、トランジスタＴｒ２はオン状態を維持する。
【００２４】
抵抗器Ｒ５は抵抗器Ｒ１より抵抗値が小さく設計されており（本実施例では２２０Ω：２７ＫΩ）、トランジスタＴｒ２がオン状態となると、電源端子Ｔ１からトランジスタＴｒ２，抵抗器Ｒ５を介してツェナーダイオードＤ１に流れる電流は、抵抗器Ｒ１を介して流れる電流より増大する（本実施例ではおよそ約１３０倍となる）。この電流は最終的には、検出端子Ｔ２に接続された抵抗器ＲＤを介して接地側に流れ込むから、抵抗器ＲＤの両端電圧、即ち検出部２０の検出信号を処理する回路２の入力ポートＰＢ１の電圧は、トランジスタＴｒ２がオフ状態で約０．２ボルト、オン状態で約４．９ボルトとなる。従って、ＰＢ１の状態を監視することで、操作棒１４が検出孔２２を貫通している押圧操作状態（ロウレベル）、操作棒１４が検出孔２２にまで至っていない未操作状態（ハイレベル）を容易に知ることができる。
【００２５】
この様に構成された操作スイッチ１０の押圧ボタン１８の押圧操作量とその操作に要する操作力の特性曲線は、図５に示すような右下がり特性を示すことが明らかである。すなわち、押圧操作を開始する時点にあっては、図１に示すように被吸引板１２は永久磁石１６に当接し、この安定状態を崩すには両部材間を貫く磁束密度ＢＳに比例した大きな操作力ＦＳを必要とする。しかし、この大きな操作力ＦＳを越える力を与えて被吸引板１２を永久磁石１６から一旦剥離してしまえば、その後は両部材の距離の２乗に反比例して磁束密度Ｂが減少すると共に漏れ磁束も大きくなり、徐々に小さな操作力を与えるのみで押圧ボタン１８の押圧操作を行なうことが可能となる。操作力ＦＳを越える力を与えた後は、急速に必要操作力は低下するから、使用者にとっては、ある種のクリック感が得られることになり、被接触式のスイッチでありながら、明確な動作点を備えたものとなっている。
【００２６】
押圧ボタン１８、延いては操作棒１４の押圧操作量が所定量ＤＳを越えるとき、操作棒１４の一端が検出部２０の検出孔２２を貫通することとなり、検出部２０の検出信号を監視する上位の回路２に操作スイッチ１０の操作状態の信号が伝えられる。すなわち、図１に示す様な機械部品を一切使用しない簡単な構成により、スイッチ操作に必要とされる操作感を実現しつつ操作スイッチ１０を構成することができる。
【００２７】
こうして目的とするスイッチ操作が完了して操作者が押圧ボタン１８から指を離すと、被吸引板１２は磁力により永久磁石１６に吸引され、図１に示すスイッチ操作以前の状態に自動的に復帰する。
【００２８】
この様に、本実施例の操作スイッチ１０によれば、ばね等の機械部品を何ら使用することなく、従来の操作スイッチと全く同様の使い勝手、操作感を実現することができる。このため、本実施例の操作スイッチ１０は、錆などの腐食に極めて強くなり、水周りでの使用環境にも十分な耐久性を示し半永久的な使用が可能となる。また、故障の原因となっていた複雑な機構の機械部品が皆無となるため、信頼性、組立作業性が向上し、かつ、小型化が達成できる。また、永久磁石１６を利用することで被吸引板１２に磁気的吸引力を作用させているため、一層の小型化が可能となり、かつ、操作特性が安定し、省エネルギーをも達成することができる。
【００２９】
なお、本実施例の操作スイッチ１０では永久磁石１６の利用により上述のごとき効果を発揮することができるが、これを公知の電磁石に置換しても機械部品を一切使用しない優れた効果を奏する操作スイッチ１０として構成できることは勿論である。そして、その場合には、操作スイッチ１０の使用を許可する場合のみ電磁石を作動させて磁力によるスイッチ操作感を実現し、その他の場合には電磁石への電力の供給を停止するなどの副次的な効果を奏させることができる。
【００３１】
本実施例の検出部２０は、非接触タイプの検出回路であれば、上述した検出部２０に限定されることなく、操作棒１４の材質や操作スイッチ１０の使用環境等を考慮し、公知のホールセンサ、光センサ、超音波センサ、静電容量センサ等の各種センサを適宜利用することができる。
【００３２】
この様に検出部２０の構成に関しては従来の非接触方式の各種センサが利用可能であり、その何れを採用しようとも本発明の本質を変更するものでもない。従って、以下に説明する第２実施例以降では、これらの検出用のセンサに関する説明および図示を省略する。
【００３３】
第２実施例の操作スイッチ３０の端面図を図６に示す。図示するようにこの操作スイッチ３０は、第１実施例の操作スイッチ１０と基本的に同一の構成であって被吸引板３２、操作棒３４、ケース側に固定された永久磁石（以下、第１永久磁石という）３６、押圧ボタン３８を備える。この操作スイッチ３０の操作スイッチ１０との相違点は、被吸引板３２が永久磁石により構成され、その磁極（Ｓ−Ｎ）が第１永久磁石３６と吸引し合う向きに配置されていること、および被吸引板３２の移動方向に第２永久磁石３９が配設さて、その磁極が被吸引板３２と反発し合う向きに配置されていることである。
【００３４】
こうして構成された操作スイッチ３０の押圧操作量と操作力との特性曲線を、図７に示した。被吸引板３２には、第１永久磁石３６との吸引力（一点鎖線で示す）と第２永久磁石３９との反発力（二点鎖線で示す）とが、押圧ボタン３８の押圧操作量に応じて作用し合うことになる。従って、両者の合成力は、実線で示すようにＵ字型となり、操作スイッチ３０の押圧操作には第１実施例同様に始めに大きな力が必要となってスイッチ操作感を得ることができる。そして、更に押圧操作を実行するならば、被吸引板３２に対して第２永久磁石３９からの反発力が大きく作用しだすのである。
【００３５】
従って、本実施例の操作スイッチ３０によれば、前述した第１実施例同様の効果を総て奏することが可能であるうえに、更に次のような効果を奏する。操作者が押圧ボタン３８を押圧し続けて押圧操作量が大きくなると、第２永久磁石３９による反発力が大きくなる。これにより、操作者に対して指の触覚をもってスイッチ操作の完了を認識させることができる。また、この様な状態において操作者がスイッチ操作の完了を知って押圧ボタン１８から指を離すと、第２永久磁石３９による反発力のために被吸引板３２は大きな加速度で第１永久磁石３６側へ押し返され、スイッチの復帰が瞬時に完了する。すなわち、本実施例の操作スイッチ３０は、２種の磁力の合成力を制御することでスイッチ操作力及びスイッチ復帰力を自由に設計でき、種々の仕様を満足する操作スイッチを提供することが可能となる。
【００３６】
図８は、第３実施例の操作スイッチ４０の端面図である。図より一見して理解される通り、本実施例の操作スイッチ４０の基本構成は第２実施例の操作スイッチ３０と同一であり、説明の重複を避けるために操作スイッチ３０と同一の構成要素には図６で使用した符号と下１桁に同一数字を符している。
【００３７】
本操作スイッチ４０の特徴的な構成は、被吸引板４２が、ニッケル、パーマロイ等の強磁性体にて構成された第１被吸引板４２Ａと永久磁石にて構成された第２被吸引板４２Ｂとに分割構成されている点にある。
【００３８】
この様に構成される操作スイッチ４０では、押圧ボタン４８の操作力は、第２実施例である操作スイッチ３０と同様に、第１永久磁石４６−第１被吸引板４２Ａ間の吸着力と、第２永久磁石４９−第２被吸引板４２Ｂ間の反発力との合成力となる。従って、その押圧操作力や復帰力を自由に設計することができる。その上、第１被吸引板４２Ａと第２被吸引板４２Ｂとの離隔距離を制御することで押圧操作量までも自由に設計することが可能となり、大小様々なスイッチストロークの操作スイッチを提供することが可能となる。
【００３９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない種々の態様により具現化されることは勿論である。
例えば、上記実施例では総て押圧タイプの操作スイッチに本発明を適用する事例について詳述したが、操作スイッチには押圧タイプに限らずトグルタイプなど種々のタイプが存在し、その総てのタイプについて本発明は容易に適用可能である。その一例を図９の概念図に示す。この例では、２つの永久磁石Ａ、Ｂをトグルスイッチ用の操作棒Ｃの回転支点Ｄに対して対称に配置し、操作棒Ｃに延出して強磁性体の被吸引板Ｅを設けている。こうした簡易な構成により、ばねなどを使用することなくクリック感のあるトグルスイッチを構成することができる。
【００４０】
また、この様な他のタイプの操作スイッチへの適用についても、磁力の発生源は永久磁石、電磁石を問わず、かつ、その磁力発生源の使用個数や配置、強磁性体への置換など各種の態様が実現可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の操作スイッチでは、起磁力発生部が磁気回路に形成する磁束によって吸引部と被吸引部には吸引力が作用し、これが操作部に対してスイッチ操作時の反力となる。従って、一切の機械部品を使用する必要がなく、使用環境を問わず半永久的な使用が可能となり、信頼性も格段に向上する。更に、操作スイッチの組立や設計も容易となる。加えて検出部におけるスイッチ信号の出力も、非接触方式によっているので、接触して作動する部材がなく、操作スイッチ全体としての信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である操作スイッチの端面図である。
【図２】同じくその分解斜視図である。
【図３】同じくその操作スイッチに使用される検出回路の電気回路図である。
【図４】検出部２０のコイルＬ１の外観を示す斜視図である。
【図５】同じくその押圧操作の特性図である。
【図６】第２実施例である操作スイッチの端面図である。
【図７】同じくその押圧操作の特性図である。
【図８】第３実施例である操作スイッチの端面図である。
【図９】その他の実施例である操作スイッチの概念説明図である。
【符号の説明】
１０ 操作スイッチ
１２ 被吸引板
１４ 操作棒
１６ 永久磁石
１８ 押圧ボタン
２０ 検出部
２２ 検出孔

Claims (3)

1. スイッチ本体に対して移動自在な操作部を備え、該操作部の移動に基づきスイッチ信号を発生する操作スイッチにおいて、
   前記スイッチ本体に取り付けられ、磁気的な力で吸引される吸引部と、
   前記操作部に取り付けられて前記吸引部との間に磁気回路を形成すると共に、前記操作部の操作により前記吸引部との離隔距離が大きくなるように移動する被吸引部と、
   該被吸引部と前記吸引部とを磁路とする前記磁気回路に磁束を形成する起磁力発生部と、
   前記操作部と前記被吸引部とを連結し、該被吸引部の移動に伴って、前記吸引部に形成された貫通孔を貫通した状態で進退する金属からなる棒状部材と、
   該棒状部材の進退を、磁気的、光学的などの非接触方式で検出して、前記スイッチ信号を出力する検出部と
   を備えることを特徴とする操作スイッチ。
2. 吸引部および／または被吸引部が永久磁石により構成され、起磁力発生部を兼ねる請求項１記載の操作スイッチ。
3. 請求項１記載の操作スイッチであって、
   被吸引部を永久磁石により構成すると共に、
   該被吸引部に反発力または吸引力を与える永久磁石を、スイッチ本体側であって、かつ操作部の操作により該被吸引部との離隔距離が小さくなる位置に配置した操作スイッチ。

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