JP6574968B2 - 磁気変形部材 - Google Patents
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Description
本発明者は、この公報の記載にあるような磁性弾性体をはじめとして種々の磁性材料、弾性材料について研究を進めたところ興味深い性質を見出した。即ち本発明は、この興味深い性質に関して研究を重ねることによって、磁性弾性体の新たな可能性や代替材料の適用、そして、新たな用途を開発することに成功したので、本発明はこうした技術を提供するものである。
即ち、磁性を備える弾性体でなる磁性部と、この磁性部の少なくとも側面を覆う非磁性の弾性体でなるベース部とを備える磁気変形部材であって、少なくとも前記磁性部に、磁場の印加によりベース部との境界側端部が形状変形する磁性変形部を有し、この形状変形が表れる表示部を表面に有する磁気変形部材を提供する。
そして、この変位が磁性部の中央部に対して前記境界側端部を相対的に外方に突出させる変位とすることができる。
ベース部における磁性部との境界側端部に、磁性部の磁性変形部の形状変形に伴って形状変形するベース変形部を有するため、磁性部だけでなくベース部も変形させることができ、これにより磁性部とベース部の境界部を変形させることができる。
表示部を備える表面とは反対側の裏面となるベース部と磁性部の両表面に、剛体でなる硬質部を備えることとしたため、表面とは反対側の裏面方向への磁性部の変位を抑えることができ、表面から外方向への変位をより大きなものとすることができる。
磁気変形部材の表面に保護部を備えたため、ゲルのような摩擦や引裂きに弱い材質からなるベース部や磁性部を保護し耐久性を高めることができる。また、表面の触感や操作性を良くすることができる。
また、前記表面に対する交差方向への磁力線を印加して前記磁場を形成するように磁石を配置することができる。前記表面に対する交差方向への磁力線を印加して前記磁場を形成するように磁石を配置したため、ベース部と磁性部との境界を表面に対する垂直方向に大きく変位させることができる。
前記表示部は、電子機器へのタッチ操作又は押圧操作が行われる操作部であるため、タッチパネルや押しボタンスイッチを備える操作部として利用することができる。
即ち、磁性部のベース部との境界側端部の変位により点字や文字、数字を表示することができるため、点字や文字、数字を表示する表示機器として利用することができる。
前記磁性部を複数備え、当該複数の磁性部は、各磁性部の前記磁性変形部どうしが一体となって所定の表示を構成するように配置したため、個々の磁性部を点字や文字、数字、種々の画像等の一部を構成する網点のように作用させ、点字や文字等の所望の表示を形成することができる。
磁気変形部材を構成する主な構成単位について、まず第1実施形態から第3実施形態で説明し、こうした構成単位を持って形成される応用例について第4実施形態から第6実施形態で説明する。
本実施形態の磁気変形部材11の要部構成を図1で示す。図1(A)はその平面図、図1(B)はその断面図である。この図1に示すように、磁気変形部材11は磁性部2とベース部3とからなるものであり、本実施形態では、磁性部2がベース部3の肉厚を貫通しており、磁性部2の側面がベース部3で覆われている。磁気変形部材11はその外形がシート状であり、そのシートの中に図1で示されたような磁性部2をベース部3で覆う構成が含まれている。また、後述するようにシートの表面s1は磁場の印加により変形する表示部となっている。次には磁気変形部材11を構成する磁性部2とベース部3について説明する。
磁性部は、ゴム弾性変形可能な材質(弾性体)でなり、磁性を備える部位である。その一形態として、バインダーとバインダーに分散する磁性体とを主成分とするゲル状部材とすることができ、この場合の磁性は磁性体によって発現する。
磁性体の含有量を多くすると、磁場を印加しないときの磁性部の硬さも高まる傾向があるが、磁場を印加した時の硬さの上昇の方が大きいため、磁場印加時の硬さの変化を大きくしたい場合にも、磁性体の添加量を多くすることが好ましい。
上記針入度は、JIS K2220記載の装置を用いて試験片の表面に対する針入度を測定した結果である。即ち、JIS K2207に規定される形状の針を用い、針と針固定具全体の重さ(すなわち試験片にかかる重さ)は50gとしている。
ベース部は、非磁性の材料でなり、磁性部を囲むように形成されている。また、ベース部も、磁性部と同様にゴム弾性変形可能な材質(弾性体)でなり、その一態様としてはゲル状とすることができ、柔軟な触感を持たせることができる。磁場中でまったく磁化しない性質であることが好ましいが、磁性が大きくならない程度の少量の磁性を有する充填材の含有を除外するものではなく、磁性部との比較で磁化の程度が遥かに小さい実質的に非磁性であればよい。
図2で示すように、磁性部2とベース部3の表面s1とは反対側の面s2に、剛体からなる硬質部4を積層することができる。硬質部4は、磁場を印加した場合に、表面s1とは反対側へ磁性部2が変形することを抑止することができる。これにより、硬質部4を設けない場合よりも磁性部2の端部の外方への変形を大きなものとすることができると考えられる。
硬質部は、ベース部や磁性部が有する粘着性によって一体化するが、接着剤等を用いて一体化してもよいし、一体化しないように構成してもよい。硬質部4は硬質樹脂から形成することができる。
図3で示すように、ベース部3の周囲(側面)には、ベース部3の広がりを規制する規制部5を設けることができる。磁気変形部材11に磁場を印加したときに、磁性部2が圧縮されるとともに、周囲に広がる方向の応力が生じるが、ベース部3もまたゲル状で柔らかいため、ベース部が周囲に広がるおそれがある。そのため、そうした広がりを防止するために設けたのが規制部5である。
規制部の材質は、ベース部よりも硬い材質であれば、一定の効果を奏することができるが、より硬質な樹脂材料で形成することが好ましい。
図4で示すように、磁性部2やベース部3の表面s1には、磁性部2やベース部3を保護する保護部6を設けることができる。磁性部2やベース部3はゲル状物質からなるため、保護部6を設けることで、耐久性を高め、また表面s1を表示部とする際にその触感を良くすることができる。また、保護部6に印刷等で文字や図形、模様等を施すことで機能性、意匠性を高めることができる。
次に、硬質部4を設けた構成の第1実施形態の磁気変形部材11の動作について図5および図6に基づいて説明する。
磁気変形部材の製造方法の一例を説明する。磁性部については、まずバインダーとなる硬化前の液状高分子に磁性体を配合した液状組成物を調製し、この液状組成物を磁性部の形状に対応した金型に注入し硬化させて磁性部を得る。次に、ベースを成形する金型内にこの磁性部をインサートし、ベース部の材料である硬化前の液状高分子を注入して硬化させる。こうして、ベース部と磁性部が一体となった磁気変形部材を得る。
本実施形態で示す磁気変形部材は、磁性部の材質をゲル状物質から、磁性体が分散した粘性流体とこれを被覆する可撓性膜とに変更したものである。
粘性流体と粘性流体に分散する磁性体を可とう膜で封止した構成とする磁性部であっても、その硬さは、前記実施形態における磁性部の硬さと同様の範囲とすることが好ましい。
本実施形態の磁気変形部材21を図7で示す。この磁気変形部材21は、磁性部2を表面側s1に偏在させており、表面s1以外の部分をベース部3で覆っている。より具体的には、図7(B)の断面図で示すように、磁気変形部材21の表面s1から所定の厚さの磁性部2が形成されており、磁性部2の厚みを超える深部は周囲と同じベース部3となっている。
図7では、硬質部4を設けた構成を示すが、磁気変形部材11と同様に、硬質部4や規制部5、保護部6を設けるか否かは任意である。
なお、図9で示すように、3つの磁性部に対して磁場が印加されるように磁石M2を配置すれば、これら3つの磁性部を同時に変形させることができる。
本実施形態で示す磁気変形部材は、磁性部の材質を第1実施形態の変形例1と同様の材質に変更したものである。即ち、本実施形態における磁性部は、磁性体が分散した粘性流体とこれを被覆する可撓性膜とで構成している。
粘性流体と粘性流体に分散する磁性体を可とう膜で封止した構成とする磁性部であっても、その硬さは、前記実施形態における磁性部の硬さと同様の範囲とすることが好ましい。
本実施形態で示す磁気変形部材は、磁性部の材質を磁性金属箔に変更したものである。磁性金属箔としては、鉄、ニッケル及びコバルトなどの軟磁性金属箔や、鉄珪素合金やパーマロイ、センダスト、パーメンジュールなどの軟磁性合金箔等を利用することができる。
本実施形態で示す磁気変形部材は、磁性部の材質を硬質の材質でなる可とう性の磁性膜に変更したものである。こうした磁性膜としては、鉄、ニッケル及びコバルトなどの金属軟磁性体や、鉄珪素合金やパーマロイ、センダスト、パーメンジュールなどの軟磁性合金、ソフトフェライトなどの磁性粉をインクや塗料に配合し、塗布することで形成した塗膜等を利用することができ前記インクや塗料に含まれるバインダーとしては、第1実施形態で説明した磁性部として用いることができるバインダーの他に、ポリエステル樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン系樹脂など、可とう性を備えた樹脂材料を用いることができる。
本実施形態の磁気変形部材31を図10で示す。この磁気変形部材31は、表面において磁性部2をベース部3から突出するように構成したものである。また、図11で示す磁気変形部材41も磁性部2をベース部3から突出するように構成したものである。但し、図10で示す磁気変形部材31の磁性部2がベース部3の肉厚を貫通するように構成されているのに対し、図11で示す磁気変形部材41は、その磁性部2がベース部3の表面側に偏在している。
本実施形態の磁気変形部材51は、これまで説明した磁気変形部材を応用し、オーディオ装置等の表示部分に利用するものである。この磁気変形部材51の要部構成を図13で示す。図13(A)はその平面図、図13(B)はその断面図である。
図13で示すように、磁気変形部材51に設けた3つの磁性部2は、それぞれの磁性部2が3つの操作ボタン7a,7b,7cに対応する形状に構成されている。また、操作ボタン7a,7b,7cの全部に磁場を印加し得る磁石M2が設けられている。
なお、変更形態として操作ボタン7a,7b,7cに対応する3つの磁石M1を設けて、操作ボタン7a,7b,7cごとに表面から浮かび上がらせて表示するようにすることもできる。
本実施形態の磁気変形部材61は、ポータブル立体表示画面の表示装置として利用するものである。この磁気変形部材61の要部構成を図14で示す。図14(A)はその平面図、図14(B)はその断面図である。これらの図で示すように、一つの磁性部2の形状を円柱状とし、複数個の磁性部2をベース部3中に縦横に規則的に配列している。一つの磁性部2の直径は、0.1〜5mmの範囲で選択した一の大きさにし、磁性部どうしに挟まれる部分のベース部の長さ(磁性部どうしの間隔)を0.1〜10mmの範囲で選択した一の長さとする。
また、表面の表示部には保護部を、裏面には硬質部を、そしてベース部の外周には規制部をそれぞれ設けている。
また、磁性部どうしの間隔を0.1〜10mmとしたのは、0.1mm未満では磁性部どうしが影響し変位が小さくなるおそれがあるからであり、10mmを超えると対応できる変化のパターンが少なくなるおそれがあるからである。
磁石の配置を磁性部に対する1:1対応で配置する代わりに、1個の磁性部の大きさを超えた所望の大きさを最小単位として磁場を印加し得る磁石とし、これを複数個設けることもできる。こうした磁石とすれば、その最小領域内の磁性部に磁場を印加することができ、その磁場を印加した領域内にある磁性部をまとめて変位させることができる。
なお、磁性部は規則的に配列した例を示しているが、必ずしも規則的である必要はなく、ランダムに配列したり、形状や間隔が異なる磁性部を併用したりしても、印加する磁場を制御することで、所望の立体画像を得ることも可能である。
本実施形態の磁気変形部材71は、時刻表示装置として利用するものである。この磁気変形部材71の要部構成を図15で示す。図15(A)はその平面図、図15(B)、図15(C)は図15(A)の別の位置の断面図である。これらの図で示すように、一つの数字8を形成し得る7つの要素をそれぞれ一つの磁性部2で形成し、その磁性部ごとに磁場を印加し得る磁石M1を配置している。
各試料の磁気変形部材の形成:
<試料1〜7>
第1実施形態や第2実施形態に相当する磁気変形部材を作製した。まず、第1実施形態に相当する磁気変形部材として、横80mm×縦50mmで厚さが2mmのシート形状で、中央に10mm四方の貫通孔を3つ備えたベース部を形成し、続いて、この貫通孔を埋めるように磁性部を形成した。こうして試料1〜試料7の磁気変形部材を作製した。
また、第2実施形態に相当する磁気変形部材として、離型フィルムの上にスクリーン印刷で中央に10mm四方の大きさで所定の厚さとなるように3つの磁性部を印刷形成し、この離型フィルムを金型内にインサートし、横80mm×縦50mmで厚さが2mmのシート形状となるようにベース部を成形した。こうして試料8〜試料15の磁気変形部材を作製した。なお、平面視では試料8〜15と試料1〜7とは同じ形状である。
さらに、第1実施形態に相当する磁気変形部材として、直径10mmのドット状でベース部の肉厚を貫通する磁性部を縦2列、横2列の合計5つ設け、その周囲をベースでとり囲んだ厚さが2mmとなる試料16の磁気変形部材を作製した。
<試料17>
また、第2実施形態に相当する磁気変形部材として、直径10mmのドット状で厚さが0.15mmとなる磁性部を縦2列、横2列の合計5つ設け、その周囲をベースでとり囲んだ厚さが2mmとなる試料17の磁気変形部材を作製した。なお、平面視では試料16と試料17とは同じ形状である。
比較例に相当する試料として、横80mm×縦50mmで厚さが2mmのシート形状の全体を磁性部に相当する材料で形成した。こうして試料18の磁気変形部材を作製した。
<硬さの測定>
各試料の磁性部とベース部に用いた材料について、その材料のみからなる厚さ10mmの試験片を準備し、JIS K 6253のタイプEの硬度計を用いてE硬度を測定した。その結果を表1に示す。
<磁性部の変位量の測定>
各試料を厚さ1mmのポリカーボネート樹脂板の上に載せ、その下側に直径30mm、厚さ5mmの円柱形状のネオジム磁石(0.18テスラ)を配置することで磁場を印加し、磁場の印加の前後の磁性部の表面の変位をCNC画像測定機(株式会社ミツトヨ製「QV202−PRO」)で測定した。測定結果は、表面に突出するものを“+”で、表面から沈み込む方向の変位を“−”で記載した。なお、試料18の変位の測定は、磁石の外形に沿った、他の試料の測定位置と略同じ位置で測定した。その結果を表1に示すが、表1において、磁性部の中央部における変位を「中央部の変位」とし、磁性部のベース部側のベース部との境界側端部の変位を「境界部の変位」とし、この両者の変位の差を「変位の大きさ」として、それぞれの項目に示す。
各試料の磁性部とベース部を形成した材料について、個々の試料とは別にその材料のみからなる厚さ10mmの試験片を準備し、JIS K2220に準拠した装置を用いて表面の針入度を測定した。その際に、針の形状についてはJIS K2207に規定されるものを用い、針と針固定具全体の重さ(すなわち試験片にかかる重さ)は、50gとした。結果を表1に示す。
各試験片について、先端の平坦面の直径が5mmで円柱形状である金属製のプローブを用いて、圧縮速度1mm/minの速度で50%圧縮したときの荷重を測定した。その結果を表1の「磁性部の硬さ(N)」「ベース部の硬さ(N)」の項目に示す。また、磁性部については、0.18テスラの磁場を印加した状態で同様に荷重を測定した。その結果を表1の「磁場印加時の磁性部の硬さ(N)」に示す。さらに、磁性部について、磁場印加時の硬さと印加しない硬さの比である(磁場印加時の磁性部の硬さ(N)/磁場を印加しないときの磁性部の硬さ(N)×100)を、表1の「磁場印加時の磁性部の硬さの変化(%)」に示す。
<変位の大きさの評価>
中央部ではマイナスに変位し、境界部ではプラスに変位した試料であって、変位の大きさの値が200μm以上だったのものを“◎”とした。
中央部ではマイナスに変位し、境界部ではプラスに変位した試料であって、変位の大きさの値が50μm以上200μm未満だったのものを“○”とした。
中央部ではマイナスに変位し、境界部ではプラスに変位した試料であって、変位の大きさの値が10μm以上50μm未満だったのものを“△”とした。
中央部と境界部で変位の方向が同じだったもの、または中央部ではマイナスに変位し、境界部ではプラスに変位しているが、変位の大きさの値が10μm未満だった試料を“×”とした。この結果を表1に示す。
各試料に対応する試験片の硬さの変化を次のように評価した。磁場を印加した際の硬さと印加しないときの硬さの変化が110%未満のものを“×”、110%以上150%未満のものを“△”、150%以上200%未満のものを“○”、200%以上のものを“◎”とした。この結果を表1に示す。
前記変位の大きさの評価結果と、硬さの変化の評価結果に基づき以下のように評価した。「◎と◎」、「◎と○」の場合には“◎”とした。「○と○」、「◎と△」、「○と△」、「×と◎」の場合には“○”とした。「△と△」、「×と○」、「×と△」の場合には“△”とした。そして、硬さの評価にかかわらず変位が“×”の場合には“×”とした。この結果を表1の「触感の変化」項目に示す。なお、上記「〇と〇」とした記載は、前者が変位の大きさの評価結果を、後者が硬さの評価結果をそれぞれ示す。
<従来例との比較>
試料18は、ベース部を形成せずに、全体を磁性部の材料で構成した試料である。この試料18では、磁場を印加しても表面に突出する変位は見られず、平坦な表面がゆるやかに凹むように変位をしていたため、触感の変化はほとんど感じられなかった。この試料18に対して、試料1〜17は、磁性部のベース部側の境界は突出方向に、磁性部の中央部分は凹み方向に変位しており、触感の変化が際立っていた。
磁性部の硬さに相違のある試料1、4〜7を比較すると、針入度が30であり、やや硬めの磁性部を備える試料1は、硬さの変化が“△”であった。磁場を印加する前にもある程度の硬さを備えるため、硬さの変化が小さくなったものと思われる。一方、針入度が300と柔軟な試料6については、硬さの変化が“○”であった。試料6は、磁性部を極めて柔軟なものにするために、磁性粉の配合量を減らしているため、この場合は、所定の磁力によって生じる磁性粉どうしの拘束力が弱く、磁場を印加した状態において、やや硬さの上昇が小さかったものと思われる。これらの試料に対して、試料4、5、7は硬さの変化が大きく、何れも200%以上の変化を示していた。針入度が80の試料7では硬さの変化が300%を超えていた。これらの結果より、磁性部の硬さが針入度で80〜190のときに、硬さの変化の増大に対して好ましいことがわかる。
なお、試料1で変位の大きさが68μm程度となったのは、磁性部が硬いため、所定の磁力によって生じる応力では大きな変位を生じさせることができなかったためと考えられる。また、試料6で変位の大きさが73μm程度となったのは、磁性粉の配合量を減らしてあり磁性部が極めて柔軟であるが、この場合でも、所定の磁力によって生じる応力が弱く、大きな変位を生じさせるまでに至らなかったためと考えられる。
ベース部の硬さが相違する試料2〜4について「硬さの変化」の評価結果が同じであり、「硬さの変化」はベースの硬さに影響を受けない結果となった。一方「変位の大きさ」については、ベース部の針入度が80の試料2で変位の大きさが小さく “△”となり、試料3、4で“〇”となったことから、試料2では、ベース部が硬く、磁性部とベース部の境界で磁性部が拘束され、変形が抑制されたと考えられる一方で、ベース部の針入度が120および320である試料3、4では、大きな変位を生じさせており、ベース部の針入度が120以上であれば大きな変位を生じさせることができ、ベース部が柔軟であればあるほど、磁性部の変位の大きさを大きくさせることができると考えられる。
また、ベース部の針入度が120の試料9で「変位の大きさの評価」について“△”、ベース部の針入度が320の試料10で“◎”となり、ベース部の針入度が大きいほど、変位の大きさが大きくなると思われる。
同一のマトリクスに対しての磁性粉の配合量が異なる試料4〜7の「硬さの変化の評価」をみると、磁性粉の配合量が多くなるにつれて、硬さの変化が大きくなることがわかる。また、配合量が少ない試料6については硬さの変化が“○”であり、他の試料では硬さの変化の評価が“◎”であったことから、磁性粉の配合量は20〜49質量%としたときに、硬さの変化の増大に対して好ましいことがわかる。
総厚を2mmに一定にして、磁性部の厚みを変化させた試料4、10、14、15の「硬さの変化の評価」に関し、試料4では“◎”、試料15では“◎”、試料14は“△”、試料10は“×”であった。この試験では、50%圧縮しているため、総厚の50%が磁性部で構成されている試料15については、磁性部の硬さの変化が大きく影響しており、硬さの変化が大きくなることがわかる。一方、磁性部の厚みが25%の試料14については、磁性部に積層するベース部の影響が大きく、硬さの変化が小さくなることがわかる。この結果より、磁性部の厚みが厚いほど、硬さの変化が大きくなることがわかる。
一方、「変位の大きさ」については、いずれの試料において、大きな変位量を示しており、磁性部の厚さによらず、大きな変位が得られることがわかる。
一方、「変位の大きさ」については、試料16、17ともに、境界部が突出している様子が確認された。また、複数ある磁性部について、磁場を印加した磁性部のみが変位している様子が確認できた。
2 磁性部
2a 中央部
2b ベース部との境界側の端部
3 ベース部
3b 磁性部との境界側の端部
4 硬質部
5 規制部
6 保護部
7a,7b,7c 操作ボタン
8 数字
s1 表面
s2 裏面(表面とは反対側の面)
M1、M2 磁石
Claims (18)
- 磁性を備える弾性体でなる磁性部と、前記磁性部の少なくとも側面を覆う非磁性の弾性体でなるベース部とを備える磁気変形部材であって、
少なくとも前記磁性部に、磁場の印加により前記ベース部との境界側端部が形状変形する磁性変形部を有し、この形状変形が表れる表示部を表面に有する磁気変形部材。
- 前記磁性変形部は、前記磁性部の中央部に対して前記境界側端部を相対的に外方に突出するように形状変形する
請求項1記載の磁気変形部材。
- 前記ベース部における前記磁性部との境界側端部に、前記磁性部の前記磁性変形部の形状変形に伴って形状変形するベース変形部を有する
請求項1又は請求項2記載の磁気変形部材。
- 前記表面とは反対側の前記ベース部と前記磁性部の両表面に、剛体でなる硬質部を備える
請求項1または請求項2記載の磁気変形部材。
- 前記表面に、前記磁性部と前記ベース部の表面を保護する保護部を備える
請求項1〜請求項4何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記ベース部よりも硬質の規制部を前記ベース部の外縁に備える
請求項1〜請求項5何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記表面とは反対側に、前記磁場を印加する磁石を備える
請求項1〜請求項5何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記表面に対する交差方向への磁力線を印加して前記磁場を形成するように磁石を配置する
請求項1〜請求項7何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記表示部は、電子機器へのタッチ操作又は押圧操作が行われる操作部である
請求項1〜請求項8何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性変形部が、点字や文字、数字、記号、模様を表示する形状である
請求項1〜請求項8何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部を複数備えており、
当該複数の磁性部は、各磁性部の前記磁性変形部どうしが一体となって所定の表示を構成するように配置されている
請求項1〜請求項10何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部が前記ベース部の肉厚を貫通する形状である
請求項1〜請求項11何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部の表面以外を前記ベース部が覆うものである
請求項1〜請求項11何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部を前記ベース部から突出させて形成する
請求項1〜請求項13何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部がゲルでなる
請求項1〜請求項14何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部が、磁性体が分散した粘性流体とこれを被覆する可撓性膜とを有する
請求項1〜請求項14何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部を、磁性金属箔や可撓性磁性膜からなる薄膜で構成する
請求項1〜請求項14何れか1項記載の磁気変形部材。
- 前記磁性部の硬度が、JIS規定のE硬度で0〜50である
請求項1〜請求項17何れか1項記載の磁気変形部材。
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