JP6011012B2

JP6011012B2 - 防水型スイッチ及び電子機器

Info

Publication number: JP6011012B2
Application number: JP2012109276A
Authority: JP
Inventors: 哲神林; 慎吾山口; 勇人信太; 哲也堀; 一裕中嶋; 博久徳永
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: US9129757B2; JP2013235802A; CN103390519B; CN103390519A; US20130299324A1

Description

本発明は、防水型スイッチ及びその防水型スイッチを備えた電子機器に関する。

携帯電話等の電子機器では、防水型スイッチを備えたものが多い。この種の電子機器に使用される一般的な防水型スイッチは、電気信号をオン−オフするスイッチ本体と、指等により押下されるキートップと、防水シートとを備えている。通常、キートップと防水シートとはプラスチック等により一体的に形成されている。そして、防水型スイッチは、防水シートと筐体との間に隙間ができないように筐体に取り付けられる。

筐体に取り付けられた防水型スイッチのキートップを押下すると、防水シートがたわみ、キートップの下側がスイッチ本体の可動接点を押し下げる。これにより、スイッチ本体がオン状態又はオフ状態となる。

特開２００５−２１６６０９号公報特開平１０−７０３７４号公報特開２００５−７８８４６号公報特開２００６−５４０６２号公報

キートップ部に電子部品が搭載された防水型スイッチであって薄く且つ信頼性が高い防水型スイッチ及びその防水型スイッチを備えた電子機器を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、平坦部、及び前記平坦部の周囲に配置されて上部が前記平坦部の縁部と連絡した側壁部を備えた防水シートと、前記平坦部の下方に配置されて電気信号をオン−オフするスイッチ本体と、前記平坦部の上側の面に接合され、キートップとして使用される電子部品とを有し、前記防水シートはゴムと補強板との一体成形品であり、前記電子部品は前記平坦部の上側の面に配置された補強板と接着剤又は両面テープにより接合されている防水型スイッチが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、筐体と、前記筐体の開口部に配置されて前記筐体の内側と外側とを分離する防水型スイッチとを有し、前記防水型スイッチが、平坦部、及び前記平坦部の周囲に配置されて上部が前記平坦部の縁部と連絡した側壁部を備えた防水シートと、前記平坦部の下方に配置されて電気信号をオン−オフするスイッチ本体と、前記平坦部の上側の面に接合され、キートップとして使用される電子部品とを有し、前記防水シートはゴムと補強板との一体成形品であり、前記電子部品は前記平坦部の上側の面に配置された補強板と接着剤又は両面テープにより接合されている電子機器が提供される。

上記一観点によれば、キートップ部に電子部品が搭載された、薄く且つ信頼性が高い防水型スイッチが得られる。また、その防水型スイッチを備えた電子機器は、機器内部への水分の進入が防止される。

図１（ａ）は第１の実施形態に係る電子機器の一方の面側を示す斜視図、図１（ｂ）は同じくその電子機器の他方の面側を示す斜視図である。図２は、図１（ｂ）のＩ−Ｉ線の位置における断面図である。図３は、防水型スイッチの断面図である。図４は、生体認証モジュールを示す図である。図５は、防水シートを示す図である。図６は、スイッチ本体の一例を示す断面図である。図７は、キートップが押下された状態の電子機器を示す断面図である。図８は、スイッチの変位−荷重特性の一例を示す図である。図９は、比較例に係る防水型スイッチの例を示す図である。図１０は、平坦な防水シートの変位−荷重特性を示す図である。図１１は、比較例の防水型スイッチの変位−荷重特性を示す図である。図１２は、実施形態の防水型スイッチに使用される防水シートの変位−荷重特性を示す図である。図１３は、実施形態の防水型スイッチの変位−荷重特性を示す図である。図１４は、スイッチ本体の適切な配置の例を示す図である。図１５は、スイッチ本体の最大荷重が発生する位置が(２/３)Ｌよりも高い位置の場合の変位−荷重特性の一例を示す図である。図１６は、スイッチ本体の最大荷重が発生する位置が(１/２)Ｌよりも低い位置の場合の変位−荷重特性の一例を示す図である。図１７は、第２の実施形態に係る電子機器の断面図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

近年、携帯電話等の電子機器は、薄型化及び高機能化が促進されている。携帯型電子機器のより一層の高機能化のために、例えばキートップに生体認証モジュール等の電子部品を配置することが考えられる。

但し、単に防水型スイッチのキートップの上に電子部品を接合しただけではスイッチの厚さが厚くなり、携帯型電子機器の薄型化が阻害される。そこで、電子部品自体をキートップとして使用し、電子部品と防水シートとを一体成形（インサート成形）加工することが考えられる。一体成形加工では、成形時の熱と圧力とにより防水シートとなるゴムと電子部品とを強固に接合することができる。

しかし、生体認証モジュール等の電子部品や電子部品に接続した電線（樹脂被覆線）等は熱に弱いため、電子部品と防水シートとを一体成形加工しようとすると、成形時の熱により電子部品や電線が破損してしまう。耐熱性が高い電子部品や電線を使用することも考えられるが、耐熱性が高い電子部品や電線は一般的に高価であり、電子機器の製品コストが高くなるという新たな問題が発生する。

防水シートに電子部品を接着剤や両面テープ等で接合することも考えられる。しかし、防水シートとして一般的に使用されるゴムには、耐熱性、耐寒性、耐水性及び柔軟性等を確保するためにシリコンが含まれている。シリコンは接着剤や両面テープの接着性を阻害するため、防水シートに電子部品を接着剤や両面テープ等で接合しただけでは十分な接合強度を確保することが難しく、信頼性が低い。

以下の実施形態では、キートップ部に電子部品が搭載された防水型スイッチであって薄く且つ信頼性が高い防水型スイッチ及びその防水型スイッチを備えた電子機器について説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は第１の実施形態に係る電子機器の一方の面側を示す斜視図、図１（ｂ）は同じくその電子機器の他方の面側を示す斜視図である。また、図２は、図１（ｂ）のＩ−Ｉ線の位置における断面図である。更に、図３は、防水型スイッチの断面図である。なお、本実施形態では、電子機器が携帯端末の場合について説明している。

携帯端末１０の一方の面側にはタッチパネルを備えた表示パネル１１が配置されている。表示パネル１１に表示されるアイコンや文字列等を指でタッチすることにより、アイコンや文字列等に応じた処理が実行される。

携帯端末１０の他方の面側には防水型スイッチ１２が配置されており、防水型スイッチ１２のキートップ部には生体認証モジュール２１が配置されている。本実施形態では、生体認証モジュール２１として、指紋センサを使用している。

図２に示すように、携帯端末１０の筐体１３内には、ＣＰＵ（Central Processing Unit：図示せず）及びその他の電子部品（図示せず）が搭載された配線基板１５が配置されている。筐体１３の上には化粧板１４が取り付けられており、防水型スイッチ１２の上面は化粧板１４の表面とほぼ同一面上に位置している。図２中の符号１１ａは表示パネル本体（液晶パネル）であり、１１ｂはタッチパネルである。

防水型スイッチ１２は、図３に示すように、キートップとなる生体認証モジュール２１と、生体認証モジュール２１の下側に接合された防水シート２２と、配線基板１５上に搭載されて防水シート２２の下方に配置されるスイッチ本体２３とを有する。

図４（ａ）は生体認証モジュール２１の上面図、図４（ｂ）は生体認証モジュール２１の表面側を示す斜視図、図４（ｃ）は生体認証モジュール２１の裏面側を示す斜視図である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、生体認証モジュール２１は、基板２１ｂと、基板２１ｂ上に搭載された指紋読取部２１ａと、基板２１ｂの裏面側に接続されたケーブル２１ｃと、ケーブル２１ｃの先端に配置されたコネクタ２１ｄとを有する。図２に示すように、コネクタ２１ｄを配線基板１５上のコネクタ１６と結合すると、配線基板１５に搭載された電子部品と生体認証モジュール２１とが電気的に接続される。

指紋読取部２１ａの周囲には、図２に示すように、生体認証モジュール２１と化粧板１４との間の隙間を塞ぐカバー１７が配置される。なお、カバー１７は必須ではなく、必要に応じて配置すればよい。

図５（ａ）は防水シート２２の表面側を示す斜視図、図５（ｂ）は防水シート２２の裏面側を示す斜視図、図５（ｃ）は防水シート２２の断面形状を示す図である。

防水シート２２は、適度の弾力性を有するゴム（樹脂）により例えば０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さに形成されている。図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、防水シート２２はカップを伏せた形状であり、中央の平坦部３１と、平坦部３１を囲み平坦部３１の上部と連絡した側壁部３２と、側壁部３２の下端から外側に平坦部３１と平行な方向に延びるフランジ部３３とを有する。

平坦部３１の上には補強板３４ａが接合されており、この補強板３４ａの上に接着剤３７を介して生体認証モジュール２１が接合される（図３参照）。平坦部３１及び補強板３４ａには、生体認証モジュール２１のケーブル２１ｃが通る穴２２ａが設けられている。また、フランジ部３３の上には補強板３４ｂが接合されており、図２のように補強板３４ｂと筐体１３とが接着剤３８を介して接合される。これにより、筐体１３の開口部が防水シート２２により塞がれる。

なお、図３のように、穴２２ａの周囲は接着剤３７で囲まれるので、穴２２ａを介して筐体１３内に水分が進入することはない。

防水シート２２は、補強板３４ａ，３４ｂとゴムとを一体成形（インサート成形）加工して形成された一体成形品である。すなわち、プライマー処理した補強板３４ａ，３４ｂを金型に入れ、金型内にゴムを押し出して防水シート２２を形成する。このとき、プライマー（一種の接着剤）が温度と圧力とにより反応し、ゴムと補強板３４ａ，３４ｂとが強固に接合される。

但し、プライマー処理は必要に応じて行えばよく、必須ではない。また、補強板３４ａ，３４ｂはステンレス等のさびにくい金属により形成されていることが好ましいが、補強板３４ａ，３４ｂとしてプラスチック板等を使用してもよい。

図６は、スイッチ本体２３の一例を示す断面図である。図６に例示したスイッチ本体２３は、固定接点４１ａ，４１ｂと、縁部が固定接点４１ａに接触して固定接点４１ｂの上を覆うドーム形状の可動接点４２と、可動接点４２の上方に配置されたボタン４３とを有する。

図７に示すように生体認証モジュール２１（キートップ部）が押下されると、防水シート２２の側壁部３２が変形し、平坦部３１の裏面側に設けられた凸部２２ｂがスイッチ本体２３のボタン４３（図６参照）に接触してボタン４３を押し下げる。これにより、ボタン４３の下部が可動接点４２を押圧する。そして、可動接点４２が変形して、固定接点４１ａ，４１ｂ間が可動接点４２を介して電気的に接続される。

上述した構造の防水型スイッチ１２を備えた携帯端末１０において、例えば、生体認証モジュール２１（キートップ部）を押下すると、防水型スイッチ１２がオンになって生体認証モジュール２１に通電される。その後、生体認証モジュール２１の上に指を載せると、生体認証モジュール２１が指紋を読み取る。生体認証モジュール２１で読み取った指紋と予め登録されている指紋とが携帯端末１０のＣＰＵにより照合され、一致した場合は携帯端末１０のロックが解除されて、携帯端末１０が操作可能な状態となる。

本実施形態に係る携帯端末１０では、図２に示すように、防水シート２２により筐体１３の内側の空間と外側の空間とが分離されている。このため、化粧板１４と生体認証モジュール２１との隙間に水分が進入しても、配線基板１５側に水分が進入するおそれはなく、水分の進入による不具合の発生を回避できる。

また、防水型スイッチ１２は、生体認証モジュール２１と防水シート２２とを接合し、生体認証モジュール２１をキートップとして使用している。このため、キートップの上に生体認証モジュールを接合する場合に比べて薄型化が容易である。

更に、本実施形態に係る防水型スイッチ１２では、生体認証モジュール２１とゴムとを一体成形加工するのではないので、生体認証モジュール２１及びそれに付随するケーブル２１ｃには耐熱性が要求されない。このため、比較的安価に製造することができる。

更にまた、本実施形態に係る防水型スイッチ１２では、ゴムと補強板３４ａ，３４ｂとを一体成形加工して形成された防水シート２２を使用している。このため、防水シート２２のゴムと補強板３４ａ，３４ｂとの接合強度が高く、補強板３４ａ，３４ｂが剥離しにくい。また、生体認証モジュール２１は金属である補強板３４ａの上に接着剤３７で接合しているので、生体認証モジュール２１と補強板３４ａとの間の接合強度も高い。これらのことから、本実施形態に係る防水型スイッチ１２は、接合部分の剥離のおそれが少なく、信頼性が高い。

なお、本実施形態では生体認証モジュール２１として指紋センサを使用しているが、生体認証モジュール２１として静脈センサを使用してもよい。また、本実施形態では防水型スイッチ１２のキートップ部に生体認証モジュール２１を配置しているが、防水型スイッチ１２のキートップ部にＬＥＤ（Light Emitting Diode）、小型の表示パネル又はその他の電子部品を配置してもよい。

更に、本実施形態では補強板３４ａと生体認証モジュール２１との間、及び補強板３４ｂと筐体１３との間が接着剤３７，３８により接合されているものとしているが、接着剤３７，３８に替えて両面テープを使用してもよい。更にまた、本実施形態では防水シート２２の上面図における形状をほぼ四角形としているが、防水シート２２の上面図における形状は円形又はその他の形状であってもよい。

ところで、キートップを押下して電気信号をオン−オフする方式のスイッチでは、キートップを押下したときのクリック感（操作感）が重要である。

図８は、横軸にキートップの変位をとり、縦軸にキートップに加えられる荷重をとって、スイッチの変位−荷重特性の一例を示す図である。この図８に示すように、キートップを押下すると、キートップの変位にともなって荷重が高くなるが、変位がＸ１を超えると荷重が減少し、更に変位がＸ２の時点でスイッチがオンになる。

ここで、変位Ｘ１のとき荷重、すなわち最大荷重をＰ１とする。また、変位Ｘ２のときの荷重、すなわちスイッチがオンになるときの荷重をＰ２とする。この場合、クリック感は下記（１）式により数値化される。

ＣＬ＝（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１ …（１）
上記（１）式で表されるＣＬ値が０．３程度のときに最も良好なクリック感が得られるといわれている。

図９は、比較例に係る防水型スイッチの例を示す図である。図９中、図２と同一物には同一符号を付している。

この比較例に係る防水型スイッチ５０は、キートップ５１と、防水シート５２と、スイッチ本体５３とを有する。防水シート５２は平坦であり、キートップ５１は防水シート５２の上に接合されている。そして、防水シート５２は、接着剤５４により筐体１３と接合されている。ここでは、スイッチ本体５３が、図８に示した変位−荷重特性を有するものとする。

平坦な防水シート５２の変位−荷重特性は、図１０に示すようにほぼ直線的であり、変位が大きくなるほど荷重が高くなる。また、防水型スイッチ５０の変位−荷重特性は、図１１に示すように、スイッチ本体５３の変位−荷重特性と、防水シート５２の変位−荷重特性とを合成したものとなる。この場合、前述の（１）式で計算されるＣＬ値は０．３を大きく下回ってしまう。このことから、図９に示す比較例の防水型スイッチ５０は、クリック感が悪いことがわかる。

一方、本実施形態では、防水シート２２がカップ状であり、防水シート２２の平坦部３１には補強板３４ａが接合されているため、キートップ部（生体認証モジュール２１）に荷重が加えられたときには側壁部３２のみが変形する。

この場合、防水シート２２の変位−荷重特性は、図１２に示すようになる。すなわち、ある時点までは変位にともなって荷重が増加するが、ある時点を通過すると側壁部３２が座屈して、荷重が減少する。この防水シート２２の変位−荷重特性は、スイッチ本体２３の変位−荷重特性と類似しており、両者の変位−荷重特性のピークの位置を調整することにより、良好なクリック感を得ることができる。

図１３は、防水シートの変位−荷重特性とスイッチ部の変位−荷重特性とを合成して示す図である。この図１３のように、防水シート２２の変位−荷重特性のピーク位置とスイッチ本体２３の変位−荷重特性のピーク位置とを調整し、（１）式で計算されるＣＬ値を０．３程度とすることで、防水型スイッチ１２のクリック感を良好なものとすることができる。例えば、防水シート２２の変位−荷重特性のピーク位置とスイッチ本体２３の変位−荷重特性のピーク位置とが一致するように、防水シート２２とスイッチ本体２３とを配置してもよい。

本願発明者らが種々実験を行った結果、以下のことが判明した。すなわち、図５に例示したカップ形状の防水シート２２の場合、図１４に示すように、防水シート２２のフランジ部３３の下面から平坦部３１の下面までの距離をＬとしたときに、最大荷重は概ね(１/２)Ｌ〜(２/３)Ｌの間で発生する。そして、防水シート２２のフランジ部３３の下面から(１/２)Ｌ〜(２/３)Ｌ上方の位置にスイッチ本体２３の最大荷重が発生する位置がくるように防水シート２２及びスイッチ本体２３を配置すれば、防水型スイッチ１２のＣＬ値がほぼ０．３となる。

図１５は、スイッチ本体２３の最大荷重が発生する位置が(２/３)Ｌよりも高い位置の場合の変位−荷重特性の一例を示す図である。この図１５からわかるように、スイッチ本体２３の最大荷重が発生する位置が(２/３)Ｌよりも高い位置の場合は、（１）式で計算されるＣＬ値が０．３を大きく下回り、クリック感が減少する。

図１６は、スイッチ本体２３の最大荷重が発生する位置が(１/２)Ｌよりも低い位置の場合の変位−荷重特性の一例を示す図である。この図１６からわかるように、スイッチ本体２３の最大荷重が発生する位置が(１/２)Ｌよりも低い位置の場合は、防水型スイッチの変位−荷重特性のピークが２つになる。この場合、スイッチがオンになっていないのにオンになったと勘違いしやすい。

（第２の実施形態）
図１７は、第２の実施形態に係る電子機器の断面図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、防水型スイッチの取り付け方法が異なることにあり、その他の構造は基本的に第１の実施形態と同様であるので、図１７において図２と同一物には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

第１の実施形態では、防水型スイッチ１２の防水シート２２を接着剤３８により筐体１３に直接接合している。この場合、生体認証モジュール２１が故障した場合は筐体１３ごと交換することになる。

これに対し、本実施形態では、防水シート２２を台座１８に接合し、台座１８と筐体１３との間に止水部品としてＯリング１９を配置して、防水シート２２を筐体１３に対し着脱自在としている。これにより、例えば生体認証モジュール２１が故障しても、防水シート２２及び生体認証モジュール２１のみの交換でよく、筐体１３を交換する必要はない。

１０…携帯端末、１１…表示パネル、１１ａ…表示パネル本体、１１ｂ…タッチパネル、１２…防水型スイッチ、１３…筐体、１４…化粧板、１５…配線基板、１６…コネクタ、１７…カバー、１８…台座、１９…Ｏリング、２１…生体認証モジュール、２２…防水シート、２３…スイッチ本体、３１…平坦部、３２…側壁部、３３…フランジ部、３４ａ，３４ｂ…補強板、３７，３８…接着剤、４１ａ，４１ｂ…固定接点、４２…可動接点、４３…ボタン、５０…防水型スイッチ、５１…キートップ、５２…防水シート、５３…スイッチ本体。

Claims

平坦部、及び前記平坦部の周囲に配置されて上部が前記平坦部の縁部と連絡した側壁部を備えた防水シートと、
前記平坦部の下方に配置されて電気信号をオン−オフするスイッチ本体と、
前記平坦部の上側の面に接合され、キートップとして使用される電子部品とを有し、
前記防水シートはゴムと補強板との一体成形品であり、前記電子部品は前記平坦部の上側の面に配置された補強板と接着剤又は両面テープにより接合されていることを特徴とする防水型スイッチ。
前記防水シートは、更に前記側壁部の下端から外側に延びるフランジ部を有し、前記フランジ部の上側の面にも補強板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の防水型スイッチ。
前記電子部品を押下すると、前記防水シートの前記側壁部が変形して前記平坦部の下側の面が前記スイッチ本体に接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の防水型スイッチ。
前記電子部品が、生体認証モジュールであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の防水型スイッチ。
筐体と、
前記筐体の開口部に配置されて前記筐体の内側と外側とを分離する防水型スイッチとを有し、
前記防水型スイッチが、
平坦部、及び前記平坦部の周囲に配置されて上部が前記平坦部の縁部と連絡した側壁部を備えた防水シートと、
前記平坦部の下方に配置されて電気信号をオン−オフするスイッチ本体と、
前記平坦部の上側の面に接合され、キートップとして使用される電子部品とを有し、
前記防水シートはゴムと補強板との一体成形品であり、前記電子部品は前記平坦部の上側の面に配置された補強板と接着剤又は両面テープにより接合されていることを特徴とする電子機器。
前記防水シートは、更に前記側壁部の下端から外側に延びるフランジ部を有し、前記フランジ部の上側の面にも補強板が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電子機器。
前記防水型スイッチの前記防水シートは、止水部材を介して前記筐体に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項５又は６に記載の電子機器。
前記電子部品が、生体認証モジュールであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の電子機器。
前記防水シートの変位−荷重特性のピーク位置と前記スイッチ本体の変位−荷重特性のピーク位置とが一致していることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の電子機器。
前記スイッチ本体は、前記側壁部の高さをＬとしたときに、(１/２)Ｌ乃至(２/３)Ｌの位置に変位−荷重特性のピークが位置するように配置されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の電子機器。