JP5255364B2 - Switch circuit and operation device using polymer actuator - Google Patents
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本発明は、静電力やイオン移動を利用して高分子層に曲げ変形を生じさせる高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置に係わり、特に曲げ変形によってキーの突出状態や照光状態を変化させる高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置に関する。 The present invention relates to a switch circuit and an operation device using a polymer actuator that causes bending deformation in a polymer layer by using electrostatic force or ion movement, and in particular, changes a protruding state or illumination state of a key by bending deformation. The present invention relates to a switch circuit and an operation device using a polymer actuator.
従来より、操作部に複数のキーが配列されるとともに、複数のキーの照光を行う照明機能を備えた装置としては、例えば以下の特許文献1に記載されたスイッチモジュールなどが存在する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a device having a lighting function for illuminating a plurality of keys while arranging a plurality of keys on an operation unit, for example, there is a switch module described in
特許文献1に記載されたスイッチモジュールでは、基板上にドーム式の可動接点が設けられており、基板と可動接点の表面に導光性シートが積層されている。
In the switch module described in
導光性シートの端面に発光素子が対向配置されており、発光素子から出射された光は、導光性シート内を導光し、可動接点を構成する金属面によって上方に反射される。そして、キートップに入射され、キートップの上面を照明するというものである。 A light emitting element is disposed opposite to the end face of the light guide sheet, and light emitted from the light emitting element is guided through the light guide sheet and reflected upward by the metal surface constituting the movable contact. Then, the light is incident on the key top and illuminates the upper surface of the key top.
一方、複数のキーのうち機能の割り当てがあるものだけを隆起させて感触のみで確認ができるリモコンのスイッチが以下の特許文献2に記載されている。
しかし、特許文献1に記載された発明では、常に配列された複数のキーの全てが基板から突出する構成である。このため、感触によりキーが配列されていることはわかるが、隣接してキーが配置されている場合には必ずしも目的とするキーを操作できるとは限らない。
However, in the invention described in
また特許文献1に記載のものでは全てのキーが照明されてしまう。このため、ブラインドタッチ入力を習得したような上級者を除き、キーの表面に表示されている文字等を目で見て確認しなければ、正しい操作を行うことは困難である。
Moreover, in the thing of
また、特許文献2に記載のものには照明機能がないため、暗い所での操作に困難がある。
Moreover, since the thing of
基板上にキーごとに発光素子を設けて、アクティブ・キーだけを照明するようにすれば一見して入力すべきキーが判別でき、入力ミスを低減することが可能となる。 If a light emitting element is provided for each key on the substrate and only the active key is illuminated, the key to be input can be identified at a glance, and input errors can be reduced.
しかし、発光素子の総数が多く配線が複雑化するため、小型化または薄型化しにくくなるという問題がある。 However, since the total number of light emitting elements is large and the wiring becomes complicated, there is a problem that it is difficult to reduce the size or the thickness.
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単な回路構成でアクティブ・キーだけを突出させるとともに照光できるようにした高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置を提供することを目的としている。 The present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a switch circuit and an operation device using a polymer actuator that allows only an active key to project and illuminate with a simple circuit configuration. It is aimed.
本発明は、操作パネル内に進退自在に支持されたキーの進退動作を行う高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路であって、
前記高分子アクチュエータは、対向配置された第1の電極層および第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に設けられた高分子層とを有し、
前記キーは、前記キーの表面が前記操作パネルの表面に対して同一平面をなす一致状態と、前記キーの表面が前記操作パネルの表面よりも上方に持ち上げられる突出状態のいずれかの状態に設定可能であり、
前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に電界を与えて、前記高分子アクチュエータを変形させ、前記キーを前記一致状態と前記突出状態の一方から他方の状態に移行させる第1回路と、
前記高分子アクチュエータが変形して、前記第1の電極層と、前記操作パネルまたは前記キーに設けられた接点と、が接離することによって、開閉状態が切り換えられる第2回路と、が設けられていることを特徴とするものである。
The present invention is a switch circuit using a polymer actuator that performs the advance and retreat operation of a key supported so as to freely advance and retreat in an operation panel,
The polymer actuator includes a first electrode layer and a second electrode layer arranged to face each other, and a polymer layer provided between the first electrode layer and the second electrode layer. ,
The key is set in one of a matching state in which the surface of the key is flush with the surface of the operation panel and a protruding state in which the surface of the key is lifted above the surface of the operation panel. Is possible,
An electric field is applied between the first electrode layer and the second electrode layer to deform the polymer actuator, and the key is shifted from one of the coincidence state and the protruding state to the other state. One circuit,
The polymer actuator is deformed, the first electrode layer, and a contact provided on the control panel or the key, thus to but be separable, a second circuit closing state is switched, is provided It is characterized by being.
本発明では、アクティブ・キーだけを操作部の表面に突出させることができる。このため、視覚および触覚(手に触れたキーの感触)からキーの操作状態を知覚することが可能となり、操作ミスが発生する確率を低減することができる。この点で、盲人に対する操作性を向上させることができる。 In the present invention, only the active key can be protruded from the surface of the operation unit. For this reason, it becomes possible to perceive the operation state of the key from the sense of sight and touch (feel of the key touched by the hand), and the probability of an operation error occurring can be reduced. In this respect, operability for the blind person can be improved.
上記においては、前記第2回路が、前記キーを照光する光源を有し、前記高分子アクチュエータが変形することによって前記光源の照光状態が切り換えられるものが好ましい。 In the above, it is preferable that the second circuit has a light source that illuminates the key, and the illumination state of the light source is switched by the deformation of the polymer actuator.
上記手段では、アクティブ・キーだけを照光状態に切換えることが可能となるため、視覚的な面における操作性をさらに向上させることができる。 In the above means, only the active key can be switched to the illuminated state, so that the operability in the visual aspect can be further improved.
また前記高分子層が透光性の高分子材料で形成され、前記光源が前記高分子層の一方の端面に設けられており、
前記高分子アクチュエータが変形したときに、前記高分子層の他方の端面を有する側の前記高分子アクチュエータの端部が前記キーの下面を持ち上げるとともに、前記他方の端面から出射した光によって前記キーが照光させられるものが好ましい。
Further, the polymer layer is formed of a light-transmitting polymer material, and the light source is provided on one end surface of the polymer layer,
When the polymer actuator is deformed, the end of the polymer actuator on the side having the other end surface of the polymer layer lifts the lower surface of the key, and the key is released by light emitted from the other end surface. What is illuminated is preferred.
上記手段では、光源(発光素子)をキーの近傍に密集して配置する必要がなくなるため、設計上の自由度を高めることが可能となる。 In the above means, it is not necessary to arrange the light sources (light emitting elements) close to the key, so that the degree of freedom in design can be increased.
例えば、前記高分子層は電解質を含み、前記高分子層の一方の面に前記第1の電極層が他方の面に前記第2の電極層が設けられ、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に、電界が与えられたときに、前記高分子アクチュエータ内のイオンが移動することによって曲げ変形するものである。 For example, the polymer layer includes an electrolyte, the first electrode layer is provided on one surface of the polymer layer, the second electrode layer is provided on the other surface, and the first electrode layer and the first electrode layer are provided. When an electric field is applied between the two electrode layers, the ions in the polymer actuator move and bend and deform.
また本発明は、前記いずれかに記載のスイッチ回路を利用した操作装置であって、
前記操作体には複数のキーが配列されており、個々のキーに対して前記光源の点滅と前記キーの進退動作が行われるものである。
Further, the present invention is an operating device using any one of the switch circuits described above,
A plurality of keys are arranged on the operation body, and the blinking of the light source and the advance / retreat operation of the keys are performed for each key.
上記発明では、例えば、配列された複数のキーのうちから、アクティブ・キーとなるいくつかのキーのみを予め突出させておくことができる。さらにはアクティブ・キーのみを照光状態に設定することが可能となるため、操作ミスが起き難い操作装置とすることができる。
そして、前記キー操作に連動してキー入力を行うキー入力機構が設けられている。
In the above invention, for example, only some keys that are active keys can be projected in advance from among a plurality of arranged keys. Furthermore, since it becomes possible to set only the active key to the illuminated state, it is possible to provide an operating device that is less prone to operation errors.
A key input mechanism that performs key input in conjunction with the key operation is provided.
本発明では、簡単な回路構成でアクティブ・キーだけを突出させるとともに、照光状態に設定することが出来る。 In the present invention, it is possible to project only the active key with a simple circuit configuration and set the illumination state.
また本発明では、動作待機状態に合わせて発光素子を点灯状態に切り換えるとともに、キーの押下に合わせて消灯状態に切り換えるための専用のドライブ回路を不要にできるため、回路構成を容易化とコストの低減を図ることができる。 Further, according to the present invention, the light emitting element is switched to the lighting state in accordance with the operation standby state, and the dedicated drive circuit for switching to the light-off state in accordance with the key press can be made unnecessary, thereby simplifying the circuit configuration and reducing the cost. Reduction can be achieved.
図1(A),(B)は本発明の第1の実施の形態の切換回路に利用される高分子アクチュエータ本体の動作原理を示す断面図、図2は高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の構成を示す概略図である。 1A and 1B are cross-sectional views showing the operating principle of a polymer actuator body used in the switching circuit according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a switch circuit using the polymer actuator. It is the schematic which shows a structure.
第1の実施の形態に使用される高分子アクチュエータ1の動作原理について説明する。
第1の実施の形態に使用される高分子アクチュエータ1は、電界印加によるイオン移動を利用したイオン導電型アクチュエータとして機能するアクチュエータ本体10を有している。
The operation principle of the
The
図1(A),(B)に示すようにアクチュエータ本体10は、電解質層である高分子層2と、この高分子層2の一方の面に設けられた第1の電極層3と、高分子層2の他方の面に設けられた第2の電極層4とが重ねられて構成されている。
高分子層2は、ベースポリマーにイオン液体を混合したゲル状のフィルムである。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
The
第1の電極層3および第2の電極層4は、高分子層2と同じベースポリマー、およびイオン液体と導電性フィラーを混合しゲル状としたものである。たとえば、ベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンなどを用いることが出来る。また、導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどを用いることが出来る。
The
前記高分子層2を形成しているシート状でゲル状の樹脂と、導電性フィラーが混入されたシート状の第1の電極層3およびシート状の第3の電極層4とが積層されて3層構造のアクチュエータ本体10が形成される。
A sheet-like gel-like resin forming the
図1(B)に示すように、第1の電極層3が陰極側になり第2の電極層4が陽極側となるように、電界が与えられると、高分子層2内の陰イオンおよび極性分子が陽極側である第2の電極層4の方向へ移動する。第1の電極層3と第2の電極層4は、ベースポリマーとイオン液体を混合したゲル状の樹脂に導電性フィラーが混入されたものであるため、第1の電極層3と第2の電極層4内の陰イオンおよび極性分子も第2の電極層4の方向に移動する。これとは逆に、陽イオンおよび極性分子は第1の電極層3の方向に移動する。
As shown in FIG. 1B, when an electric field is applied such that the
その結果、第2の電極層4側において高分子層2の体積が膨張し、曲げ応力が発生して、図1(B)に示すように、アクチュエータ本体10に曲げが発生する。
As a result, the volume of the
次に、高分子アクチュエータ1を利用したスイッチ回路および操作装置について説明する。
Next, a switch circuit and an operation device using the
図2に示すように、アクチュエータ本体10は、その基端部10Aが拘束材5bと基板20上に固定された拘束材5aとで挟まれて、片持ち支持されている。アクチュエータ本体10の先端は自由端10Bを構成しており、電界が与えられていない状態ではアクチュエータ本体10は図示点線で示す真っ直ぐに延びた水平な状態にある。
As shown in FIG. 2, the
基板20の上方には、基板20に対して平行に設けられた操作パネル30が設けられている。操作パネル30には貫通孔31が形成されており、この貫通孔31の内部にはキー11が設けられている。キー11の底面側には外周側に広がるフランジ部12が一体に設けられている。
Above the
貫通孔31の内面には、板厚方向(Z方向)に、フランジ部12の板厚寸法よりも高い高さ寸法を有する切欠部32が部分的に形成されている。フランジ部12はこの切欠部32内に保持されており、この切欠部32の内部を高さ(Z)方向に移動可能である。
A
図2に実線で示すように、切欠部32の内部をZ1方向に移動したフランジ部12の上端が、切欠部32の上端に当接すると、キー11の表面が操作パネル30の表面から図示上方に突出する(突出状態)。また図2に点線で示すように、フランジ部12の下端が、Z2方向の切欠部32の下端に当接すると、キーの表面が操作パネル30の表面とほぼ同一平面に設定される(一致状態)。つまり、キー11は、フランジ部12が切欠部32の上端と下端との間を移動可能な範囲で、貫通孔31内を板厚方向に進退自在に保持されている。
As shown by a solid line in FIG. 2, when the upper end of the
操作パネル30の下面には、金やカーボン材料などからなる導電路33がパターン形成されている。導電路33の端部は、前記貫通孔31の縁部から貫通孔31の内面に沿って折れ曲がるようにして入り込んでおり、折れ曲がったエッジ部分が接点34を形成している。
On the lower surface of the
図2に示すように、キー11の下方(Z2方向)で、前記アクチュエータ本体10と重ならない基板20上の位置には、LEDなどからなる発光素子(光源)7が固定されている。発光素子(光源)7は所定の電流が与えられると、光を上面から周囲に放つ。
As shown in FIG. 2, a light emitting element (light source) 7 made of an LED or the like is fixed at a position on the
前記基板20上には、複数の導電路21がパターン形成されている。このような導電路21のいずれかを用いることにより、アクチュエータ本体10の第1の電極層3と第2の電極層4との間には、電源16と起動スイッチSW0が直列に接続されている。この状態では、第1の電極層3と第2の電極層4に電源16の電圧E1が印加可能な状態にある。
A plurality of
また別の導電路21aは、その間に設けられた電源18を介して発光素子(光源)7の一方の端子7aと導電路33との間を接続し、さらに別の導電路21bは発光素子7の他方の端子7bと第1の電極層3との間を接続している。導電路21aと導電路33とはGNDに接地されている。発光素子(光源)7の一方の端子7aと他方の端子7bとの間は、電源18の電圧E2が印加可能な状態にある。
Another
前記電源16と起動スイッチSW0を含む回路が高分子アクチュエータ本体10を駆動する第1回路Aを形成し、電源18を含む回路が発光素子7を点灯および消灯させる第2回路Bを形成している。
A circuit including the
なお、第2回路Bの導電路33が、常にGND対して接地されるようにしたことから、操作パネル30外へのノイズの放出を抑制し、または外部からのノイズの影響を受け難くするシールド効果が期待できる。
Since the
図2に示すように、第1回路Aの起動スイッチSW0を閉じて第1の電極層3と第2の電極層4との間に電源16の電圧E1を印加して電界を発生させると、アクチュエータ本体10に曲げが発生する。すなわち、アクチュエータ本体10は拘束されている基端部10Aを支点として自由端10B側が持ち上げられる。また起動スイッチSW0を開き、与えていた電圧E1を解除して電界を0にすると、変形前の元の状態に戻される。
As shown in FIG. 2, when the start switch SW0 of the first circuit A is closed and the voltage E1 of the
次に、高分子アクチュエータ1を利用したスイッチ回路の動作について説明する。
(初期状態)
初期状態では、前記第1回路Aの起動スイッチSW0は開いた状態にある。このため、第1の電極層3と第2の電極層4には電圧E1は印加されておらず、アクチュエータ本体10は点線で示すように水平姿勢の状態にある。
Next, the operation of the switch circuit using the
(initial state)
In the initial state, the start switch SW0 of the first circuit A is in an open state. For this reason, the voltage E1 is not applied to the
同時に、発光素子(光源)7と電源18との間の第2回路Bは回路的に開いているため、発光素子(光源)7は消灯した状態にある。
At the same time, since the second circuit B between the light emitting element (light source) 7 and the
この状態では、キー11は、その表面が操作パネル30の表面と同一平面となる一致状態に設定されている。
In this state, the key 11 is set in a matching state in which the surface thereof is flush with the surface of the
(動作待機状態)
ここでの動作待機状態とは、第1回路Aの起動スイッチSW0を閉じた状態を意味する。この動作待機状態では、第1の電極層3と第2の電極層4に所定の電圧E1が印加される。図2に実線で示すように、起動スイッチSW0を閉じて動作待機状態に設定すると、アクチュエータ本体10が図示Z1方向に曲げ変形する。そして、アクチュエータ本体10の自由端10Bは操作パネル30の貫通孔31に入り込み、さらにはキー11の底部に当接してキー11全体を上方(Z1方)に持ち上げる。これにより、キー11はその表面が操作パネル30の表面よりも図示Z1方向に突出するアクティブ・キーに設定される(突出状態またはアクティブ状態)。
(Operation standby state)
The operation standby state here means a state in which the start switch SW0 of the first circuit A is closed. In this operation standby state, a predetermined voltage E1 is applied to the
なお、薄型キーの場合には、キー11の表面が操作パネル30の表面とほぼ一致する位置まで持ち上げられた状態をアクティブ・キーとする構成であってもよい。
In the case of a thin key, the active key may be a state in which the surface of the key 11 is lifted to a position that substantially coincides with the surface of the
オペレータは、キー11の表面が操作パネル30の表面から突出しまたは一致する状態にあることで、視覚によりまたは触れたときの感触により、キー11がアクティブ・キーに設定されたことを知覚することが可能である。
The operator can perceive that the key 11 has been set as the active key visually or by touching the touch when the surface of the key 11 protrudes from or coincides with the surface of the
図2に示すように、キー11が全体的に持ち上がると、アクチュエータ本体10の第1の電極層3が操作パネル30の下面に形成されている接点34に接触する。すると、第1の電極層3と導電路33とが導通接続されて第2回路Bが形成される。すなわち、発光素子7の端子7a,7b間に電源18の電圧E2が印加されるため、発光素子7を点灯させることができる。
As shown in FIG. 2, when the key 11 is lifted as a whole, the
なお、アクチュエータ本体10の第1の電極層3のうち接点34と接触する部分に、例えばAuメッキなどを施すことによって接点電極(図示せず)を部分的に厚く形成した構成にするとよい。このようにすると、第1の電極層3上の接点電極が導電路33側のエッジ部分である接点34に接触するようになり、例えば磨耗などによって第1の電極層3の当該部分が変形することによる接点不良を防止することが可能となる。
The contact electrode (not shown) may be partially thickened by applying, for example, Au plating or the like to the portion of the
発光素子(光源)7から放たれた光は、キー11の下面を照らし出す。キー11が透光性の合成樹脂などで形成されている場合には、光はキー11の内部を透過してキー11の表面からキー11の外部に出射する。これにより、キー11の表面が照光される。あるいはキー11の表面に文字等が形成されている場合には、その文字等が明るく浮かび上がる。また光がキー11の内部を透過しない場合でも、キー11と貫通孔31との間から漏れる光により、キー11の周囲が明るく照らし出される。
The light emitted from the light emitting element (light source) 7 illuminates the lower surface of the key 11. When the key 11 is formed of a light-transmitting synthetic resin or the like, the light passes through the inside of the key 11 and is emitted from the surface of the key 11 to the outside of the key 11. Thereby, the surface of the key 11 is illuminated. Alternatively, when characters or the like are formed on the surface of the key 11, the characters or the like emerge brightly. Even when the light does not pass through the inside of the key 11, the periphery of the key 11 is brightly illuminated by the light leaking from between the key 11 and the through
このため、オペレータは照光状態を見極めることにより、いずれのキー11がアクティブ・キーであるかを視覚的に判別することが可能である。 Therefore, the operator can visually determine which key 11 is the active key by determining the illumination state.
また、第2回路Bが形成されたことを検知して他に設けられた処理装置で処理を行ったり、図示しない表示装置に表示を行ったりすることも可能である。 オペレータは、アクティブ状態のキー11の表面を押下し、アクチュエータ本体10に持ち上げられているキー11を押し下げることにより、キー入力を行いうことができる。キー11が押し下げられると、第1の電極層3が前記接点34から離れ、電源18と発光素子7との間を形成する第2回路Bが断たれる。このため、押下されたキー11に対応する発光素子7を消灯させることができる。
It is also possible to detect that the second circuit B has been formed and perform processing using another processing device or display on a display device (not shown). The operator can perform key input by pressing the surface of the key 11 in the active state and pressing down the key 11 lifted to the
このように、第1の電極層3と操作パネル30に形成されている導電路33の接点34との部分は、発光素子(光源)7を点灯または消灯させる切換スイッチSとして機能している。
As described above, the portion of the
なお、キー11による入力操作は、例えばプッシュ式のキー入力機構や静電容量式のキー入力機構(図示せず)などをキー11の裏面に設けることによって検知することが可能である。 Note that an input operation using the key 11 can be detected by providing, for example, a push-type key input mechanism or a capacitance-type key input mechanism (not shown) on the back surface of the key 11.
さらには、内部に光センサを設置し、いずれの発光素子7が点灯または消灯したかを検出することにより、キー11の入力を検出するようにしてもよい。
Furthermore, an input of the key 11 may be detected by installing an optical sensor inside and detecting which light emitting
図3は第1の実施の形態の第1変形例としての高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の構成を示す概略図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a switch circuit using a polymer actuator as a first modification of the first embodiment.
図3の切換回路で使用される高分子アクチュエータは、上記の高分子アクチュエータとほぼ同様の構成であるが、高分子層2に導光機能を持たせた点で相違している。
The polymer actuator used in the switching circuit of FIG. 3 has substantially the same configuration as the polymer actuator described above, but differs in that the
図3に示すアクチュエータ本体10は、電解質層である高分子層2と第1の電極層3および第2の電極層4が、共にイオン交換が可能な透明なゲル状の高分子で形成されているが、ここでは、第1の電極層3および第2の電極層4を構成しているゲル状の樹脂の屈折率が、高分子層2を構成しているゲル状の樹脂の屈折率よりも低く設定されている。このようにすると、高分子層2と第1の電極層3との境界を屈折率境界面にでき、また高分子層2と第2の電極層4との境界を屈折率境界面にできる。その結果、高分子層2を伝播する光が、第1の電極層3と第2の電極層4内に洩れにくくなって、光が高分子層2内を高い効率で伝播するようになる。
The
しかも、電解質層である高分子層2内の陰イオンは第2の電極層4内に移動できるので、アクチュエータ本体10の全体に大きな曲げ応力を与えることができる。
In addition, since the anions in the
図3に示すように、この高分子層2は、片持ち支持されている基端部10A側の基端面2aが光入射端面を構成し、自由端10B側の先端面2bが光出射端面を構成している。基端面2aの近傍には発光素子(光源)7が対向して配置されており、発光素子(光源)7から発せられた光は一方の基端面2aから高分子層2の内部に入射する。高分子層2の内部に入射した光は、高分子層2内を伝播して他方の先端面2bから外部に出射する。
As shown in FIG. 3, in this
図3に示すように、この第1変形例においても、第1回路Aの起動スイッチSW0を閉じると、アクチュエータ本体10の第1の電極層3と第2の電極層4との間に電源16からの電圧E1が印加されて電界が発生するため、アクチュエータ本体10が曲げ変形する。このとき、キー11が上方に持ち上げられて、キー11の表面を操作パネル30の表面から突出(突出状態又はアクティブ状態)させることができる。
As shown in FIG. 3, also in the first modified example, when the start switch SW <b> 0 of the first circuit A is closed, the
またアクチュエータ本体10が曲げ変形すると、第1の電極層3が操作パネル30の導電路33の接点34に接触する。すると、第2回路Bが閉じて、発光素子7の一方の端子7aと他方の端子7bとの間に電源18の電圧E2が印加されて、発光素子(光源)7が発光する。
When the
そして、高分子層2内を伝播して先端面2bから出射した光は、キー11及びその裏面を照光する。このため、突出状態に変化したアクティブ・キー11のみを照光することができる。
And the light which propagated in the
図3に示す変形では、発光素子7をキー11と対向する位置、すなわち貫通孔31の下面の位置に設ける必要がないため、設計上の自由度を高めることができる。すなわち、キー11と対向する基板2との間のスペースを、発光素子(光源)7以外のために有効活用することが可能となる。
In the modification shown in FIG. 3, it is not necessary to provide the light-emitting
また図3に示す第1変形例においても、第2回路Bの導電路33が、常にGNDに接地されている。このため、操作パネル30外へのノイズの放出を抑制し、または外部からのノイズの影響を受け難くするシールド効果が期待できる。
Also in the first modification shown in FIG. 3, the
図4は第1の実施の形態の第2変形例を示す高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の概略図である。 FIG. 4 is a schematic diagram of a switch circuit using a polymer actuator showing a second modification of the first embodiment.
第2変形例の回路構成は上記第1の実施の形態と同様であるが、接点をキー11の底面に設けた点が異なっている。なお、図4では省略しているが、操作パネル30に対するキー11の支持構造は上記第1の実施の形態と同様である。
The circuit configuration of the second modification is the same as that of the first embodiment except that a contact point is provided on the bottom surface of the key 11. Although omitted in FIG. 4, the support structure of the key 11 with respect to the
図4に示す高分子アクチュエータでは、操作パネル30の下面に導電路33が形成され、キー11の下面に金属導体が露出する状態で形成された接点34が設けられている。そして、導電路33の端部と接点34との間がフレキシブルケーブル35を介して接続されている。
In the polymer actuator shown in FIG. 4, a
図4に示すように、起動スイッチSW0が開いた非駆動状態では、アクチュエータ本体10は水平姿勢にあり、キー11は図示Z2方向の下降位置にある。この状態では、フレキシブルケーブル35は略U字形状からなる撓み部35aを有して形成されている。フレキシブルケーブル35は、この撓み部35aの長さ寸法分だけ図示Z1方向に移動可能な状態にある。
As shown in FIG. 4, in the non-driving state in which the start switch SW0 is opened, the
そして、起動スイッチSW0が閉じられて駆動状態に至ると、アクチュエータ本体10が上記同様に変形し、アクチュエータ本体10の自由端10Bがキー11をZ1方向に持ち上げられる。このとき、フレキシブルケーブル35が延ばされ、前記撓み部35aが解消される。そして、前記アクチュエータ本体10の第1の電極層3が前記キー11の底面に形成された接点34に接触すると、発光素子7側の回路がオン状態となるため、発光素子7が点灯し、キー11が照光される。
When the start switch SW0 is closed and the driving state is reached, the
また起動スイッチSW0を開く状態に切り換えると、キー11がZ2方向の下降位置に戻るため、発光素子7を消灯させることが可能である。このとき、フレキシブルケーブル35には撓み部35aが再形成される。
Further, when the start switch SW0 is switched to the open state, the key 11 returns to the lowered position in the Z2 direction, so that the
このように、図4の第2変形例では、撓み部を備えたフレキシブルケーブル35を利用することにより、キー11の上下(Z)方向の自由な移動が拘束されることなく、キー11の移動と、これに伴う発光素子7の点灯および消灯を行うことが可能である。
As described above, in the second modified example of FIG. 4, the movement of the key 11 can be performed without restraining the free movement of the key 11 in the vertical (Z) direction by using the
上記第1の実施の形態および第1,第2変形例では、高分子アクチュエータ1のみを制御して起動スイッチSW0を動作待機状態に設定するだけで、キー11を突出状態(アクティブ状態)に設定することができ、さらには発光素子7を照光状態に設定することができる。しかも、オペレータがキー11を押下すると、キー入力とともに発光素子7を消灯状態に切り換えることができる。このため、動作待機状態に合わせて発光素子7を点灯状態に切り換えるとともに、キーの押下に合わせて消灯状態に切り換えるための専用のドライブ回路を不要とすることができる。この点で、回路構成を容易化することができ、コストの低減を図ることが可能である。
In the first embodiment and the first and second modifications, only the
なお、上記第1の実施の形態および第1,第2変形例では、照光スイッチの構成として、アクチュエータ本体10の一方の面に設けられた第1の電極層3が、発光素子7に電力を供給する電源供給ラインの一部として機能する構成を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第1の電極層3の表面に絶縁シートを介して別電極としての接点電極を形成し、操作パネル30の下面に第1の対向電極と第2の対向電極を互いに絶縁された状態で且つ接近する状態で形成しておいてもよい。この構成では、アクチュエータ本体10が曲げ変形したときに、前記接点電極が第1の対向電極と第2の対向電極の双方に接触することで、第1の対向電極と第2の対向電極との間が導通接続され、これにより照光スイッチが形成される。これにより第1の電極層3の代わりに接点電極を電源供給ラインとし機能させることができる。
In the first embodiment and the first and second modifications, the
図5(A),(B)は、本発明の第2の実施の形態のスイッチ回路に利用される高分子アクチュエータの動作原理を示す断面図であり、(A)は駆動状態、(B)は動作待機状態を示している。 5A and 5B are cross-sectional views showing the operating principle of the polymer actuator used in the switch circuit according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 5A is a drive state, and FIG. Indicates an operation standby state.
図5(A),(B)に示される高分子アクチュエータ41は、シート状の高分子層42を有している。高分子層42は電気活性ポリマーと称されるものである。前記電気活性ポリマーは、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などのエラストマーであり、対向する電極層間で絶縁誘電体として機能する。また、高分子層42に使用される電気活性ポリマーは透光性である。本明細書での透光性とは、内部を光が伝播できる状態であり、透明であるか、または内部に光の伝播を損ねない範囲でフィラーや不純物などが混入されている状態を意味する。
A
高分子層42の下側の面である第1の表面42aに第1の電極層43が密着して設けられ、高分子層42の上側の面である第2の表面42bに、第2の電極層44が密着して設けられている。
The
第1の電極層43には円形の穴43aが開口し、第2の電極層44にも円形の穴44aが開口している。第1の電極層43の穴43aと第2の電極層44の穴44aは、その中心が高分子層42の上下において一致している。
A
高分子層42および第1の電極層43と第2の電極層44とが重ねられたアクチュエータ本体40は、その外周縁40aが前記穴43a,44aと同心円の円形である。そして、アクチュエータ本体40は、前記外周縁40aよりも内側部分において、下側の拘束リング45aと上側に拘束リング45bとで挟まれている。拘束リング45aと拘束リング45bは、合成樹脂やセラミックなどの非導電性で実質的に変形しない剛性を有する材料で形成されている。アクチュエータ本体40の外周縁40aは、その半径が増大する方向へ広がらないように、前記拘束リング45aと拘束リング45bとで保持されている。
The
前記第1の電極層43と第2の電極層44は、ポリマーを主体として構成されている。例えば、オレフィン系などの導電性ポリマーに銀粉やカーボンなどの導電性フィラーが混入されている。第1の電極層43と第2の電極層44は、高分子層42とほぼ同じ弾性率を有しており、高分子層42が面方向に向けて膨張するときに、第1の電極層43と第2の電極層44が一緒に面方向へ膨張することができる。
The
アクチュエータ本体40の前記外周縁40aには、高分子層42の端面42cが露出している。前記外周縁40aの外側には、少なくとも1個の発光素子(光源)7が設けられている。発光素子(光源)7はLEDなどの可視光を発する。発光素子(光源)7から発せられる光は、前記端面42cから高分子層42の内部に入射させられる。なお、発光素子(光源)7の周囲が、端面42cに向く側以外で遮蔽されており、発光素子(光源)7からの光が高分子層42が存在する方向以外に洩れにくくすることが好ましい。または、前記発光素子(光源)7と前記端面42cとの間に、発光素子(光源)7からの光を高分子層42の内部に集光させるための集光レンズが設けられていてもよい。
An end face 42 c of the
第2の電極層44の上部で、前記拘束リング45bの内側には、操作パネル46が設けられている。操作パネル46には、第2の電極層44に形成された穴44aに対向して設けられた穴46aが形成されている。この穴46aの内部には板厚(Z)方向に対して進退自在に設けられたキー51が設けられている。
An
また操作パネル46の下面には導体53が形成されている。導体53は放射状に延びる複数の導線路であってもよいし、一面が金属膜(ベタ膜)で形成された構成であってもよい。導体53の中心側は折れ曲がった状態で穴46aの内部に入り込んでいる。そして、折れ曲がったエッジ部分が周状の接点54を形成している。
A
キー51の表面は、操作パネル46の表面とほぼ同一平面で形成されている。
次に、第2の実施の形態の高分子アクチュエータの動作について説明する。
The surface of the key 51 is formed in substantially the same plane as the surface of the
Next, the operation of the polymer actuator of the second embodiment will be described.
アクチュエータ本体40は、穴43a,44aの中心から半径方向の各方向へ均一に張力が与えられた状態で、拘束リング45aと拘束リング45bとで挟まれている。アクチュエータ本体40に対して、放射方向の各方向へ均等な歪みが予め適正に与えられていると、第1の電極層43と第2の電極層44との間に電圧を印加したときに、高分子層42に面方向に沿う歪みが発生しやすくなる。
The
図5(A)は、第1の電極層43と第2の電極層44に電圧が印加されていない状態(非駆動状態)を示している。アクチュエータ本体40には放射方向へ均等な歪みが予め与えられているため、図5(A)の状態の高分子層42は、第1の表面42aと第2の表面42bが互いに平行で且つ平坦な状態である。
FIG. 5A shows a state where no voltage is applied to the
このため、キー51は、穴46aの内に入り込んでおり、キー51の表面は操作パネル46の表面と同一平面となるように設定されている(一致状態)。
For this reason, the key 51 is inserted into the
図5(B)に示すように、第1回路Aの起動スイッチSW0を閉じて、第1の電極層43と第2の電極層44との間に電圧E1を印加すると、動作待機状態に設定することができる。この動作待機状態では、第1,第2の電極層43,44間に挟まれている高分子層42が絶縁性で且つ誘電体として機能するため、第1の電極層43にプラスの電荷が帯電し、第2の電極層44にマイナスの電荷が帯電する。よって第1の電極層43と第2の電極層44との間に作用する静電引力により、第1の電極層43と第2の電極層44との間に距離を縮めようとする力が作用する。高分子層42はエラストマーであるため、第1の電極層43と第2の電極層44の距離が縮むように厚さ方向へ収縮変形するとともに、エラストマー材料に由来するポアッソン比に基づいて、高分子層42に面方向への伸び歪みが発生しようとする。このとき、第1の電極層43と第2の電極層44も高分子層42に追従して面方向へ伸び歪みを生じようとする。
As shown in FIG. 5B, when the start switch SW0 of the first circuit A is closed and the voltage E1 is applied between the
アクチュエータ本体40の外周縁40aは拘束リング45a,45bで拘束されているため、高分子層42と第1の電極層43および第2の電極層44の3層構造の部分で生じる面方向の歪みにより、アクチュエータ本体10は、前記穴43a,44aの直径が縮むように変形する。その結果、穴43a,44a内に位置する高分子層42が、図5(B)に示すようにドーム状に変形する。
Since the outer
穴43a,44a内に位置する高分子層42は、図1の上方向と下方向のいずれの方向へもドーム状に変形することができる。しかし、高分子層2の第1の表面に無機フィラーを薄く混入させたり、または第2の表面42bに面粗れの表面処理を施すなどして、第1の表面42aよりも第2の表面42bの弾性率をほんのわずかだけ低下させることで、穴43a,44a内に位置する高分子層2を必ず上向きに変形させることができる。なお、穴43aを封鎖することによっても高分子層2必ず上向きに変形させることが可能である。
The
図5に示すアクチュエータ本体40は、高分子層42が第1の電極層43と第2の電極層44とで挟まれた領域、すなわち穴43a,43bを除く領域で、厚さ寸法が大きく、穴43a,44a内よりも剛性がやや高いため、この領域が拘束領域40Bとなる。そして、穴43a,44aの内部において高分子層42が単層で存在している領域が変形領域40Aとなる。第1の電極層43と第2の電極層44との間に電圧E1が印加されると、前記拘束領域40Bにおいて、面方向への伸びが生じるが、その力は、前記拘束領域40Bよりも剛性の低い変形領域40Aに集中し、その結果、変形領域40A内において高分子層42がドーム状に変形する。
The
その結果、高分子層42のドーム状に変形した部分が、操作パネル46の穴46a内に進入してキー51を上方に持ち上げる。よって、キー51の表面を操作パネル46の表面よりも図示上方に突出させることができる(突出状態またはアクティブ状態)。またキー51を薄く形成した薄型キーでは、キー51の表面が操作パネル46の表面とほぼ同一面となる一致状態に設定される。
As a result, the dome-shaped portion of the
図5(B)に示すように、この状態では、第2の電極層44の中心側の上面が、操作パネル46の下面に形成されている導体53の接点54に当接し、導体53と第2の電極層44とを導通接続する。これにより、発光素子(光源)7の一方の端子7aと他方の端子7bとの間の第2回路Bが閉じられて電圧E2が印加されるため、発光素子(光源)7を点灯させることができる。
As shown in FIG. 5B, in this state, the upper surface on the center side of the
図6は、高分子アクチュエータを利用した操作装置の操作部の概略を示す斜視図、図7は図6の操作装置に設けられたスイッチ回路の一構成例を示す等価回路図である。 FIG. 6 is a perspective view schematically showing an operation unit of an operation device using a polymer actuator, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of a switch circuit provided in the operation device of FIG.
図6に示す操作装置は、例えば携帯電話機などの携帯端末機の操作部、あるいは現金自動預け払い機(ATM:Automated Teller Machine)などの操作部、さらにはFAXやコピー機などのその他の機器の操作部に使用することも可能である。 The operation device shown in FIG. 6 includes, for example, an operation unit of a portable terminal such as a mobile phone, an operation unit such as an automated teller machine (ATM), and other devices such as a FAX and a copy machine. It can also be used for the operation unit.
このような、操作部には複数の穴が形成されており、各穴には、板厚方向に進退自在に支持された複数のキーが設けられている。そして、これらのキーの下面(裏面)には上記第1または第2の実施の形態に示すいずれかの種類の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路60がそれぞれ設けられている。
A plurality of holes are formed in the operation unit as described above, and a plurality of keys that are supported so as to advance and retreat in the thickness direction are provided in each hole. Further, on the lower surfaces (back surfaces) of these keys,
なお、以下においては第1の実施の形態として示した高分子アクチュエータ1を用いて説明する。
In the following description, the
図6において、操作パネル30から突出しているキー11が、アクティブ・キー11aを示している。このように、操作前の状態においてあらかじめアクティブ・キー11aが操作パネル30の表面から突出するようにすると、あらかじめ操作が可能なキー11を視覚や感触(操作パネル30に触れたときの凹凸感)により知ることができるため、操作ミスの発生を低減することが可能となる。
In FIG. 6, the key 11 protruding from the
図7に示すように、このスイッチ回路60には、複数の高分子アクチュエータ本体10a,10b,10c,・・・と、発光素子(光源)7A,7B,7C,・・・と、電源16,18と、トランジスタなどから構成される起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・が設けられている。
7, the
起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・は、制御端子D1,D2,D3,・・・を有しており、図示しない制御回路からこの制御端子D1,D2,D3,・・・を介して与えられる制御信号に基づいて動作する。 The start switches SW1, SW2, SW3,... Have control terminals D1, D2, D3,..., And these control terminals D1, D2, D3,. It operates based on a given control signal.
図7に示すスイッチ回路60では、起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・のそれぞれが、2ヶ一組のトランジスタT1,T2からなるプッシュプル回路で形成されており、各トランジスタのベース端子は制御端子D1,D2,D3,・・・に接続されている。
In the
例えば、制御端子D1にハイ・レベル信号が入力されると、これに対応する起動スイッチSW1の一方のトランジスタT1がオンに、他方のトランジスタT2はオフに設定される。これにより、一方の電源16aの電圧E1(+)が起動スイッチSW1のトランジスタT1を介してアクチュエータ本体10aの第1の電極層3と第2の電極層4との間に印加される。よって、アクチュエータ本体10aが変形し、キー11が操作部から突出したアクティブ・キー11aに設定される。
For example, when a high level signal is input to the control terminal D1, one transistor T1 of the start switch SW1 corresponding to the high level signal is turned on, and the other transistor T2 is turned off. As a result, the voltage E1 (+) of one power supply 16a is applied between the
同時に、切換スイッチS1がオン状態に切り換わり、アクチュエータ本体10aの第1の電極層3と操作パネル30下面に設けられた導電路33との間が接点34(図1参照)を介して導通接続され、これに対応する発光素子(光源)7Aが点灯させされる。よって、発光素子7Aに対応するアクティブ・キー11aを明るく照光することができる。同時に、アクティブ・キー11aに対応するキー入力機構(図示せず)を用いてキー入力することが可能となる。
At the same time, the change-over switch S1 is switched on, and the
そして、点灯しているアクティブ・キー11aを押圧すると、このアクティブ・キー11aに対応する第1の電極層3と導電路33の接点34との間の接続が断たれ、切換スイッチS1がオフ状態に切り換わるため、このアクティブ・キー11aを照明している発光素子(光源)7Aを消灯させることができる。同時に、アクティブ・キー11aに対応するキー入力機構(図示せず)を用いてのキー入力が行われる。なお、これらの動作は他の起動スイッチSW2,SW3においても同様である。
When the lit active key 11a is pressed, the connection between the
このように、起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・の一方のトランジスタT1の動作を制御するだけで、アクチュエータ本体10a,10b,10c,・・・の駆動、発光素子(光源)7A,7B,7C,・・・の点灯および各キー入力機構によるキー入力を行うことが可能であるが、図7の起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・には他方のトランジスタT2,T2,T2,・・・もそれぞれ設けられている。
As described above, the
制御端子D1,D2,D3,・・・のいずれかにロウ・レベル信号が入力されると、これに対応するいずれかの各起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・に設けられた他方のトランジスタT2,T2,T2,・・・がオンし、一方のトランジスタT1,T1,T1,・・・がオフ状態に切り換わる。これにより、他方の電源16bの電圧E1(−)がトランジスタT2,T2,T2,・・・を介していずれかのアクチュエータ本体10a,10b,10c,・・・の第1の電極層3と第2の電極層4との間に印加されるが、電源16bの極性は電源16aとは逆極性であるため、アクチュエータ本体10a,10b,10c,・・・を逆方向に変形させることができる。このため、例えばキー11を凹状態に設定することもできる。あるいは突出状態にあるアクティブ・キー11aの表面を操作パネル30の表面と一致する一致状態に強制的に戻すことが可能となる。
When a low level signal is input to one of the control terminals D1, D2, D3,..., The other of the activation switches SW1, SW2, SW3,. The transistors T2, T2, T2,... Are turned on, and one of the transistors T1, T1, T1,. As a result, the voltage E1 (−) of the
したがって、操作パネル30に配列されている複数のキーの凹凸状を変えることにより、様々な利用形態を提案することができるようになる。
Therefore, various usage forms can be proposed by changing the unevenness of the plurality of keys arranged on the
図7に示すように、上記のスイッチ回路60では、アクチュエータ本体10a,10b,10c,・・・を駆動するための電源16a,16bを含む第1回路Aと、発光素子(光源)7A,7B,7C,・・・を点灯させる電源18を含む第2回路Bとのうち、GNDに接地する導電路33を一部共通化することができる。このため、配線数を少なくすることができ、この点で回路構成を簡素化することが可能である。
As shown in FIG. 7, in the
また第1回路Aでは、起動スイッチSW1,SW2,SW3,・・・を構成する一方のトランジスタT1,T1,T1,・・・の各コレクタ端子が共通の配線経路L1を介して電源16aに接続され、同様に他方のトランジスタT2,T2,T2,・・・の各コレクタ端子も共通の配線経路L2を介して電源16bに接続される構成である。さらに第2回路Bでは、発光素子(光源)7A,7B,7C,・・・のアノード側の各端子が共通の配線経路L3を介して電源18に接続される構成である。よって、このスイッチ回路60は、これらの点でも配線数を少なくして回路構成の簡素化を図っている。
In the first circuit A, the collector terminals of one of the transistors T1, T1, T1,... Constituting the start switches SW1, SW2, SW3,... Are connected to the power supply 16a through a common wiring path L1. Similarly, the collector terminals of the other transistors T2, T2, T2,... Are also connected to the
なお、上記実施の形態では、第2回路Bを発光素子の点灯および消灯用の切換え回路として機能する場合を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、その他の機能、例えばビープ音を発生させるための回路として機能させる構成であってもよい。 In the above embodiment, the case where the second circuit B functions as a switching circuit for turning on and off the light emitting element has been described, but the present invention is not limited to this, and other functions such as, for example, It may be configured to function as a circuit for generating a beep sound.
1 高分子アクチュエータ
2 高分子層
3 第1の電極層
4 第2の電極層
5a,5b 拘束材
7 光源(発光素子)
10 アクチュエータ本体
11 キー
20 基板
21,21a,21b 導電路
30 操作パネル
31 貫通孔
33 導電路
34 接点
40 アクチュエータ本体
41 高分子アクチュエータ
42 高分子層
43 第1の電極層
44 第2の電極層
45a,45b 拘束リング
46 操作パネル
51 キー
53 導体
54 接点
60 スイッチ回路
A 第1回路
B 第2回路
SW0,SW1,SW2,SW3 起動スイッチ
S,S1,S2,S3 切換スイッチ
DESCRIPTION OF
10
Claims (6)
前記高分子アクチュエータは、対向配置された第1の電極層および第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に設けられた高分子層とを有し、
前記キーは、前記キーの表面が前記操作パネルの表面に対して同一平面をなす一致状態と、前記キーの表面が前記操作パネルの表面よりも上方に持ち上げられる突出状態のいずれかの状態に設定可能であり、
前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に電界を与えて、前記高分子アクチュエータを変形させ、前記キーを前記一致状態と前記突出状態の一方から他方の状態に移行させる第1回路と、
前記高分子アクチュエータが変形して、前記第1の電極層と、前記操作パネルまたは前記キーに設けられた接点と、が接離することによって、開閉状態が切り換えられる第2回路と、が設けられていることを特徴とする高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路。 A switch circuit using a polymer actuator that performs a back-and-forth movement of a key supported in an operation panel so as to freely advance and retract.
The polymer actuator includes a first electrode layer and a second electrode layer arranged to face each other, and a polymer layer provided between the first electrode layer and the second electrode layer. ,
The key is set in one of a matching state in which the surface of the key is flush with the surface of the operation panel and a protruding state in which the surface of the key is lifted above the surface of the operation panel. Is possible,
An electric field is applied between the first electrode layer and the second electrode layer to deform the polymer actuator, and the key is shifted from one of the coincidence state and the protruding state to the other state. One circuit,
The polymer actuator is deformed, the first electrode layer, and a contact provided on the control panel or the key, thus to but be separable, a second circuit closing state is switched, is provided A switch circuit using a polymer actuator, characterized in that
前記高分子アクチュエータが変形したときに、前記高分子層の他方の端面を有する側の前記高分子アクチュエータの端部が前記キーの下面を持ち上げるとともに、前記他方の端面から出射した光によって前記キーが照光させられる請求項2記載の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路。 The polymer layer is formed of a light-transmitting polymer material, and the light source is opposed to one end surface of the polymer layer;
When the polymer actuator is deformed, the end of the polymer actuator on the side having the other end surface of the polymer layer lifts the lower surface of the key, and the key is released by light emitted from the other end surface. A switch circuit using the polymer actuator according to claim 2 that is illuminated.
前記操作体には複数のキーが配列されており、個々のキーに対して前記光源の点滅と前記キーの進退動作が行われる高分子アクチュエータを利用した操作装置。 An operating device using the switch circuit according to any one of claims 2 to 4,
An operating device using a polymer actuator in which a plurality of keys are arranged on the operating body, and the light source blinks and the keys advance and retract with respect to each key.
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