JP6936481B2 - 磁気変形部材 - Google Patents

Description

本発明は、ヒトに対する触覚性や視覚性が変化する表面を備える磁気変形部材に関する。

従来、柔軟性のある弾性体に磁性体を含ませた磁性弾性体に対して磁場を印加するとその形状が変化するという性質を利用して、磁性弾性体をアクチュエータに用いることが知られている。例えば、特開２０１２−１２５１３６号公報（特許文献１）には、磁場の強さに応じて伸長または収縮する磁気応答型アクチュエータに関する技術が記載され、磁性弾性体の具体的な利用例としてマッサージ機が挙げられており、磁場と磁性弾性体の変形との関係が詳細に説明されている。

また、磁場によって形状が変化するものの例として、国際公開第２０１４／１３４９６２号（特許文献２）には、可撓性のタッチスクリーンの裏面にアーマチュア部が積層したフィードバック機能を有する装置が記載されており、特開２０１５−１７９５４４号公報（特許文献３）には、磁力によって変形する磁気流動流体を使用した装置が記載されている。さらに特表２０１３−５４３１８４号公報（特許文献４）には流体が流体口を通って触覚面へ移動することにより、表面の外形が変形する技術が記載されている。

特開２０１２−１２５１３６号公報 国際公開第２０１４／１３４９６２号 特開２０１５−１７９５４４号公報 特表２０１３−５４３１８４号公報

しかしながら、特開２０１２−１２５１３６号公報（特許文献１）に記載の技術に代表されるように、ヒトが触る部品として磁性弾性体の変形を利用しようとしたとき、接触面に磁石を配置できないことから、必然的に接触面とは反対側に磁石を配置する必要性が生じる。こうした配置とした場合に、磁性弾性体の変形について見ると、磁場を印加したときに磁性弾性体が磁石に引き付けられることから、凹む方向への変形は容易なものの、大きく突出させることは困難であった。また、磁性弾性体は、磁場を印加すると硬くなる性質を有していることから、変形した箇所の柔軟性を保つことが難しかった。

国際公開第２０１４／１３４９６２号（特許文献２）に記載の技術であってもアーマチュア部は永久磁石等の硬質なものであったため、アーマチュア部が積層したタッチスクリーンの表面もまた柔軟な触感ではなかった。磁気流動流体を利用した場合であっても、特開２０１５−１７９５４４号公報（特許文献３）に記載の技術のように、磁場を印加したときに磁気流動流体が磁場に引き付けられることから、凹む方向への変形は容易なものの、大きく突出させることは困難であった。また、磁気流動流体は、磁場が消失した後には重力や容器自体が元の形状に戻ろうとするものの、磁気流動流体自体は初期形状に戻る性質のものではないため、磁場で変形した外形は、磁場の印加を無くしたときに完全に元の平坦な状態に戻らない問題があった。特表２０１３−５４３１８４号公報（特許文献４）に記載の技術では、移動のための流体を溜めておく構造や、流体の移動のためのポンプが必要であり、機構が複雑になるという問題があった。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、磁気が印加されると変形する磁気変形部材について、置かれた磁石とは反対側に突出する表面を有し、その表面が柔軟な触感を与えることで、ヒトに対する触覚性や視覚性の変化を与える磁気変形部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の磁気変形部材は以下のとおり構成される。即ち、本発明は、可撓性シートと硬質材でなるバックプレートとが積層した内側にゲルが充填されており、当該可撓性シートの表面に対する垂直方向となる平面視で環状であり当該垂直方向に長さを有する磁性部材が前記可撓性シートに固着して前記ゲル中に配置される磁気変形部材により構成される。

本発明は、可撓性シートと硬質材でなるバックプレートとが積層した内側にゲルが充填されており、当該可撓性シートの表面に対する垂直方向となる平面視で環状であり当該垂直方向に長さを有する磁性部材が前記可撓性シートに固着して前記ゲル中に配置される構成としたため、環状の磁性部材と固着した可撓性シートの前記環内部分に膨らみを生じさせることができる。また、この膨らみを柔らかく触感に優れた凸部とすることができる。

即ち、バックプレートの外側に、例えば磁石を配置して磁場を印加すると、磁性部材が磁場に引っ張られ、ゲル内を磁性部材が変位する。そうした一方で環状の磁性部材内のゲルは磁場による影響を受けないため、磁性部材がバックプレート側に変位すると、この環状の内側のゲルは、磁性部材に対して相対的に可撓性部材側に変位することになる。そのため、可撓性シートは磁性部材と固着した部分では磁性部材によってバックプレート側に引っ張られる一方で、環状の内側ではゲルによってバックプレートとは反対側に持ち上げられるため、この環状の内側が盛り上がって凸部が可撓性シートの表面に形成される。こうした凸部は、表面が柔らかな可撓性シートであり、その内部はゲルであるため、柔軟な触感を与えることができる。換言すれば、可撓性部材の表面に対する垂直方向となる平面視で磁性部材を環状としたため、環の内側に配置されるゲルが内部ゲルを構成し、磁性部材の変形により内部ゲルが受けた応力が効率良く可撓性シートに作用し、その表面を突出させる。

前記磁性部材は、無端環状として構成できる。磁性部材が、無端環状であるため、有端環状である場合と比較して、環の内側に位置するゲルの圧縮効果を高めることができ、可撓性シート表面の膨らみ程度を大きくすることができる。

前記磁性部材は、複数の磁性片が環状に配列したものとして構成できる。前記磁性部材が、複数の磁性片が環状に配列したものとしたため、一つの大きな磁石とする必要がなく、複数の磁性片に分割できる。また、複数の磁性片どうしの間に間隔を取ることができるため、個々の磁性片が剛体であっても環が小さくなる縮環が可能となる。これにより、環内のゲルを圧縮する効果が高まり、可撓性シート表面の膨らみ程度を大きくすることができる。

前記本発明は、前記磁性部材が、変形可能な弾性部材でなり前記バックプレートに接触して配置されるように構成できる。前記磁性部材が、変形可能な弾性部材でなり前記バックプレートに接触して配置されたため、環状の磁性部材の環内にあるゲルをその外に逃がし難くすることができ、圧縮される環内のゲルの応力を可撓性シート表面に作用させ易くすることができる。また、磁性部材が変形可能な弾性部材であるため、この磁性部材に磁場が印加されると磁性部材が圧縮される。これにより、磁性部材に固着する可撓性シートの部分はその周囲に対して相対的に磁石側に変位することができる。

前記本発明は、前記バックプレートの外側に磁力によって前記磁性部材を引き寄せる磁力発生部材を備えるように構成できる。前記バックプレートの外側に磁力発生部材を備える構成としたため、バックプレートの外側に配置した磁力発生部材の磁力によって、磁性部材を磁力発生部材側に引き寄せて変位させ、また磁性部材の形状を変形させることができる。これにより、磁力発生部材を配置した側とは反対側、即ち、可撓性シートの表面において磁性部材のある部分がバックプレート側に沈み込み、磁性部材のない部分が相対的に膨出するように、可撓性シート表面の外形を変形させることができる。前記磁力発生部材としては、例えば、永久磁石や電気的に磁力の発生をオンオフ可能な電磁石により構成することができる。

前記本発明は、前記平面視で、前記磁力発生部材の外形が前記磁性部材の外形より小さいものとして構成できる。前記平面視で、前記磁力発生部材の外形が前記磁性部材の外形より小さい構成としたため、外形の小さい磁力発生部材で磁性部材を引き付けると、磁性部材は単に下方に引っ張られるだけでなく、縮径方向に変位させることができる。それにより、第１に内部ゲルの圧縮量をより大きくすることができ、可撓性シートの表面に大きな凸部を形成することができる。第２に磁性部材の環状の外側のゲルに対する圧縮応力を低減することができ、磁性部材と固着する箇所よりも外側の可撓性シートの変形量を小さくすることができる。

前記本発明は、前記可撓性シートに、接触を感知するセンサを備えるものとして構成できる。前記可撓性シートに、接触を感知するセンサを備える構成としたため、感度の優れたタッチセンサとして利用することができる。

前記本発明は、前記バックプレートに、接触を感知するセンサを備えるものとして構成できる。前記バックプレートに、接触を感知するセンサを備える構成としたため、可撓性シートや磁性部材、ゲルによってセンサを保護することができ、センサの耐久性を高めたタッチセンサとして利用できる。また、可撓性シートとバックプレートの両方にセンサを備える態様とすれば、閾値を調整することで、２段階の検出が可能となる。

前記本発明は、前記センサが静電容量式センサであり、前記ゲルが導電ゲルであるように構成できる。前記センサが静電容量式センサであり、前記ゲルを導電ゲルで形成したため、バックプレートに静電容量センサを備える磁気変形部材について、ゲルを通して静電容量の変化を伝えやすくなるため、センサの感度を高めることができる。

前記本発明は、前記センサが静電容量式センサであり、前記磁性部材が導電ゲルであるように構成できる。前記センサが静電容量式センサであり、前記磁性部材を導電ゲルで形成したため、バックプレートに静電容量センサを備える磁気変形部材について、磁性部材を通して静電容量の変化を伝え易くできセンサの感度を高めることができる。

前記本発明は、前記可撓性シートが導電性シートでなり、前記センサを前記導電ゲルと電気的に絶縁状態で備えるように構成できる。前記可撓性シートが導電性シートでなり、前記センサを前記導電ゲルと電気的に絶縁状態で備えるため、可撓性シートを触ったとき、センサの近傍まで可撓性シートおよび導電ゲルを通じて静電容量の変化を直接伝えることができる。したがって、磁気変形部材の厚さによらず、センサの感度を高めることができる。

前記本発明は、前記可撓性シートが絶縁層でなり、前記センサを、前記導電ゲルと電気的に接続されて備えるように構成できる。前記可撓性シートが絶縁層でなり、前記センサを、前記導電ゲルと電気的に接続されて備えるため、導電ゲルを通じて可撓性シートの裏面までセンサからの導電性を拡張することができる。したがって、ゲルの厚さによらずセンサの感度を高めることができる。

前記本発明は、前記磁性部材の外側に、前記可撓性シートと前記バックプレートとを繋ぐ硬質材でなる枠状の外壁を備えるように構成できる。前記磁性部材の外側に、前記可撓性シートと前記バックプレートとを繋ぐ硬質材でなる枠状の外壁を備えるため、磁場を印加して磁性部材の変形によってゲルに応力がかかる際に、ゲルの側方への膨出を抑制できる。即ち、ゲルは側方を外壁で、下方をバックプレートで抑えられるため、ゲルにかかる応力を効率良く可撓性シートへ向けることができ、可撓性シートに形成される凸部を大きくすることができる。

本発明の磁気変形部材によれば、磁場の印加により柔軟な触感で突出した表面を表出させることができる。

第１実施形態の磁気変形部材の平面図である。 図１のII−II線断面図である。 第１実施形態の磁気変形部材の磁場をかけた状態の図２相当断面図である。 第１実施形態の磁気変形部材における内部ゲルと外部ゲルの位置関係を説明する説明図である。 第１実施形態の変形例１である磁気変形部材の図２相当断面図である。 第１実施形態の変形例２である磁気変形部材の図２相当断面図である。 第１実施形態の変形例２である磁気変形部材の磁場をかけた状態の図２相当断面図である。 第２実施形態の磁気変形部材の図２相当断面図である。 第２実施形態の磁気変形部材の磁場をかけた状態の図２相当断面図である。 第３実施形態の磁気変形部材の図２相当断面図である。 第４実施形態の磁気変形部材の図２相当断面図である。 第４実施形態の変形例１である磁気変形部材の図２相当断面図である。 第５実施形態の磁気変形部材の図２相当断面図である。 第５実施形態の磁気変形部材の磁場をかけた状態の図２相当断面図である。 その他の変形例である磁気変形部材の正面図である。

本発明の磁気変形部材について実施形態に基づいて詳しく説明する。各実施形態において重複する材料、材質、大きさ、製造方法、作用効果、機能等については重複説明を省略する。

第１実施形態：[図１〜図４]

第１実施形態の磁気変形部材１０として、次の３種類の磁気変形部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃについて順次説明する。まず、磁気変形部材１０ａは、図１の平面図や図２の断面図で示すように、可撓性シート１１と硬質材でなるバックプレート１２とが積層した内側に、ゲル１３が充填されており、当該可撓性シート１１の表面１１ａに対する垂直方向となる平面視で環状であり当該垂直方向に長さを有する磁性部材１４が設けられている。この磁性部材１４は、前記可撓性シート１１に固着する一方で前記バックプレート１２からは隔てられて前記ゲル１３中に配置されている。また、バックプレート１２の外側には、「磁力発生部材」としての磁石１５を備えている。そして、磁石１５により磁気変形部材１０ａに磁場が印加されると、図３で示すように、磁性部材１４が可撓性シート１１と固着する境界部１１ｂとその外側となる周辺部１１ｃに対して境界部１１ｂより内側となる囲繞部１１ｄが盛り上がった凸部が形成される部材である。こうした磁気変形部材１０ａを構成する各部位について以下に詳細に説明する。

環状の外形を有する磁性部材１４は、磁石１５による磁場を生じさせたとき、磁石１５に引き付けられる材質でなり、可撓性シートの表面に対する垂直方向となる平面視で環状を為し、その垂直方向に延びた円柱状に形成されている。

磁性部材１４は、強磁性体であれば良く、例えば強磁性体金属や金属酸化物そのものとすることもできる他、こうした強磁性体の粉末をバインダーに分散したゲル状部材とすることができる。この磁性部材１４は、硬質材としても良いが変形可能なゲル状部材とすることが好ましい。第１に、磁性部材１４を可撓性シート１１に固着させるとき、可撓性シート１１の表面に固着部位の段差が表出しやすく、美観に優れなくなるおそれがあることに加え、部分的に硬い触感となるおそれがあるからである。第２には、磁性部材１４は磁場中で変位、または変位および変形するが、このとき磁性部材１４が硬質材でなる場合には、変位はするものの変形し難くなる。一方、ゲル状部材で構成することで、変位に加えて容易に変形する。例えば、磁石１５として小さい磁石を用いると、磁性部材１４は環が縮径する方向に引き寄せられ変形する。こうした変形の結果、可撓性シート１１の突出をより際立たせることができる。

そうした一方で、磁性部材１４を剛体とすれば、強磁性体粉末をバインダーに分散した磁性部材よりも磁力を高めることができる。したがって、例えばゲル１３に対して同等の応力を与え同等の凸部を可撓性シート１１の表面１１ａに形成しようとした際に、硬質の磁性部材１４は、柔らかな弾性部材でなる磁性部材１４よりも小さな磁石とすることができる。

強磁性体としては、具体的には、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用いることができる。バインダーは高分子材料からなり、柔軟性の高い高分子ゲル、ゴム及び熱可塑性エラストマーなどを用いることができる。高分子ゲルとして、シリコーンゲル、及びポリウレタンゲルなどが挙げられる。また、ゴムとして、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム、及びアクリルゴムなどが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとして、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、及びポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらの中でも、磁性体を高充填でき、硬化して柔軟なゲルを形成することができるシリコーンゲルを用いることが好ましい。なお、これらの高分子材料は、単独で用いず、二種以上を組合せて用いてもよい。

強磁性体をバインダーに分散する場合は、磁性体やバインダー以外にもその機能を損なわない範囲で種々の添加剤を含ませることができる。例えば、可塑剤、分散剤、カップリング剤、粘着剤などの有機成分を含んでも良い。またその他の成分として難燃剤、酸化防止剤、着色剤などを適宜添加してもよい。

磁性部材１４の上下方向長さ（平面視での奥行き方向の長さ）は、可撓性部材１１とバックプレート１２との間隔に相当するゲル１３の厚みに対して９５％以下とすることができ、８５％以下とすることが好ましい。磁性部材１４の長さが８５％を超えると、磁性部材１４によって圧縮される、磁性部材１４の下方に位置するゲル１３の容積が小さくなり、大きな膨らみを形成できないおそれが生じ、９５％を超えるとそのおそれが大きくなる。一方、磁性部材１４の上下方向長さの下限は、磁性部材１４が強磁性体の粉末をバインダーに分散したゲル状部材でなる場合には、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。０．５ｍｍ未満では、磁石１５と磁性部材１４の引き付け合う力が弱くなり、囲繞部１１ｄに膨らみ（凸部）を形成する応力が充分でなく、大きな膨らみを形成できないおそれがある。また、強磁性体等の硬質材で磁性部材１４を形成した場合には、上下方向長さを０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。強磁性体の粉末をバインダーに分散した場合と比較して強磁性体そのものを用いる場合には、０．１ｍｍ程度で、囲繞部１１ｄに膨らみ（凸部）を形成する応力を生じさせることができるためである。

続いてゲル１３について説明する。ゲル１３は磁気変形部材１０ａの内部の大部分を占め、磁気変形部材１０ａに柔軟な触感を与える部材である。より具体的には、ゲル１３の一方側に可撓性シート１１が積層し、他方側にバックプレート１２が積層している。また内部に磁性部材１４が配置されている。そして、図４で示すように、この磁性部材１４の環状に囲まれる内部にあるゲル１３を内部ゲルＧｉとし、残余の部分を外部ゲルＧｏと呼ぶものとする。ゲル１３は全体として単一の部材で構成しても良いが、内部ゲルＧｉと外部ゲルＧｏを別の部材を組合せて構成することもできる。

ゲル１３の材質には、柔軟性の高い高分子ゲル、ゴム及び熱可塑性エラストマーなどを挙げることができる。高分子ゲルとして、シリコーンゲル、及びポリウレタンゲルなどが挙げられる。また、ゴムとして、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム、及びアクリルゴムなどが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとして、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、及びポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらの中でも、極めて柔軟なゲルを形成することができるシリコーンゲルを用いることが好ましい。なお、これらの高分子材料は、単独で用いず、二種以上を組合せて用いてもよい。

上記ゲル１３の材質は、日本工業規格であるＪＩＳ Ｋ ６２５３のタイプＥの硬度計によって測定される値（以下「Ｅ硬度」）で５０以下であることが好ましい。硬さがＥ５０を超えると、磁場を印加したときの形状の変化が小さくなるおそれがある。また、Ｅ硬度の下限を限定しないのは、測定限界以下（Ｅ０以下）であっても好ましい範囲に含まれるからである。このＥ０以下を別の尺度である針入度でみると、針入度が概ね１００から３２０程度の範囲で好ましく用いることができ、３４０までは利用可能である。但し、これよりも柔らかくなり、針入度が３４０を超えると、自重で変形して磁気変形部材１０ａとしての形状を維持できないおそれがある。この針入度は、ＪＩＳ Ｋ ２２２０記載の装置を用いて、以下の試験条件で試験片の表面に対して測定した結果である。即ち、ＪＩＳ Ｋ ２２０７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としたときの値である。

ゲル１３の硬さは、磁性部材１４の硬さと同じとすることも異なるものとすることもできる。ゲル１３と磁性部材１４の硬さを同じにすれば、磁場を印加しないときには、磁性部材１４とゲル１３の硬さの違いを感じることがなくその境界がわからない一体感のある磁気変形部材１０ａとすることができる。そうした一方で磁場を印加すれば、磁性部材１４の下方には外部ゲルＧｏが積層していることから、磁性部材１４が硬い場合であって、下方にある外部ゲルＧｏが変形できるため、ある程度の柔軟性を発揮することができる。そうした意味では、磁性部材１４の硬さは種々のものを用いることができるが、ゲル１３には、柔軟な材料を用いることが特に好ましいといえる。

ゲル１３は、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、磁性部材１４との比較で磁化の程度が小さく実質的に非磁性であればよい。

可撓性シート１１は、一方面が外部に露出して磁気変形部材１０ａの表面１１ａとなる部材である。この露出している表面１１ａは、ヒトが触る接触面でもあり、磁場の影響で凸部が形成される面でもある。また、他方面は、磁気変形部材１０ａの内部に向いており、磁性部材１４、内部ゲルＧｉ、外部ゲルＧｏと接している。

可撓性シート１１の形状は限定されないが、比較的薄いシート状のものを用いることが好ましく、具体的には、１０〜１０００μｍ程度の樹脂シートを用いることが好ましい。１０μｍ未満の場合には、接触面としての耐久性に懸念が生じるおそれがある。また、１０００μｍを超える場合には、容易に変形しにくくなり凸部の形成を阻害するおそれがあるか、または１０００μｍを超える厚みでありながら容易に変形可能な場合には、材質が過度に柔軟なため耐久性の点で懸念が生じる。

こうした可撓性シートの材質としては、ある程度の柔軟性と耐久性を合せ持つ材質が好ましい。具体的には、ゴム及び熱可塑性エラストマーなどを用いることができる。ゴムとして、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム、及びアクリルゴムなどが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとして、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、及びポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらの中でも、柔軟でありながら、耐久性の高いブチルゴム、ウレタンゴム、ポリウレタン系熱可塑性エラストマーを用いることが好ましい。なお、これらの高分子材料は、単独で用いず、二種以上を組合せて用いてもよい。

バックプレート１２は、磁気変形部材１０ａの芯となる部材であり、部品としての形状を保つ役割を持つ。また、磁石１５と磁性部材１４の間に配置され、磁性部材１４の影響でゲル１３が下方へ変形することを抑制する部材でもある。このため、バックプレート１２は剛性のある材質とすることが好ましい。例えば、ゲル１３や可撓性シート１１よりも硬いゴムや熱可塑性エラストマー、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属やセラミック等の無機材料を挙げることができる。ただし、こうした材質の中で、磁石１５の磁気に悪影響のある磁性材料の使用は制限される。具体的には、全面に磁性材料を用いると、磁気シールドとなり磁石１５による磁性部材１４への作用が極めて弱くなるか、全く無くなるおそれがあるため、全面に磁性材料を使用することはできない。一方、バックプレート１２中に磁場の集中する箇所を設けるために、凸部を形成する磁性部材１４の中心下方に相当する位置に部分的に磁性材料を用いる等とすることはできる。

「磁力発生部材」としての磁石１５は、バックプレート１２の外側に配置される。磁石１５は、磁気変形部材１０ａの１要素として一体化してもよいし、別体としても良い。磁石１５を備えない磁気変形部材１０ａとする場合には、磁気変形部材１０ａを取り付ける機器に磁石１５を備え付けておくことで、同様の機能を発現できる。磁石１５の種類としては、永久磁石を用いることができ、またコイルを使った電磁石を用いることもできる。電磁石を用いる場合には、電流のＯＮ／ＯＦＦで磁力を制御できるため、磁石１５はバックプレート１２の裏面に固定して備えることができる。また、永久磁石を用いる場合には、磁石１５を移動する方法や、磁石１５とバックプレート１２の間に磁路となるヨークを設け、このヨークを移動させることで磁場を制御するようにしても良い。

磁石１５の外形は限定されないが、平面視で磁性部材１４の外形と略同じ大きさとすることができる。こうした構成とした場合は、磁性部材１４は、磁石１５に向かって垂直に引き付けられる。したがって、主に磁性部材１４の下方に位置するゲル１３の変形によって、内部ゲルＧｉが応力を受け、可撓性シート１１の囲繞部１１ｄに膨らみ（凸部）が形成されることになる。

磁気変形部材１１ａを構成する上記各部材の大きさは任意の大きさとすることができるが、一例として以下の態様を採用することができる。磁性部材１４は、内径（直径）が１０ｍｍ、外径が１６ｍｍ、長さ（高さ）が２ｍｍの円柱状とすることができる。磁性部材１４の内径を指先と同程度の大きさにすれば、指で操作するときの触感の変化を示し易いためである。磁性部材１４の周囲を覆うゲル１３は、磁気変形部材１１ａの長さ方向（可撓性シート１１の表面１１ａに対する垂直方向）で、可撓性シート１１とバックプレート１２の間隔となる３ｍｍ厚とし、その周囲長さを３０ｍｍとすることができる。可撓性シート１１は厚みを３００μｍ、その周囲長さを４０ｍｍとすることができる。バックプレート１２は厚みを１ｍｍ、その周囲長さを４０ｍｍとすることができる。

続いて、磁気変形部材１０ａへ磁場を印加したときの作用について説明する。
改めて図２および図３を参照して説明すると、図２は、磁石１５に電磁石を用いて磁場を印加していない状態を示し、図３は磁場を印加した状態を示す。磁場を印加しないときは、図２で示すように、磁気変形部材１０ａの表面１１ａは平坦面となっている。この状態から磁場を印加すると、図３で示すように表面１１ａが変形する。より具体的にこうした構造変化を説明すると、磁場を印加することで、磁性部材１４が磁石１５に引き付けられ、磁性部材１４がバックプレート１２側（下方）へ変位する。このとき、磁性部材１４の内側の内部ゲルＧｉと外側の外部ゲルＧｏはせん断応力を受ける。一方、磁性部材１４の円環と重なる下方の外部ゲルＧｏは、圧縮応力を受ける。

こうした応力により内部ゲルＧｉは中央付近のバックプレート１２を押圧する方向の応力を生じさせると考えられるが、バックプレート１２が変形し難いため、応力を下方へ緩和することができない。また、側方は磁性部材１４によって応力の緩和が抑制されている。したがって、前記応力は上方へ逃されることとなり、この応力により可撓性シート１１が押圧され、可撓性シート１１の表面１１ａに凸部が形成される。このとき、可撓性シート１１の境界部１１ｂは、磁性部材１４に引っ張られ上方に変形することができないため、囲繞部１１ｄが大きく突出した膨らみが形成される。

一方、境界部１１ｂの外側となる周辺部１１ｃも、外部ゲルＧｏの応力によってやや突出する。しかし、磁性部材１４の外周については、側面方向へも応力が緩和できるため、周辺部１１ｃの突出は、やや低く形成され、相対的に中央に形成される凸部を際立せることができる。こうして構成される磁気変形部材１０ａの凸部は、内部にゲル１３を有するため、表面を大きく突出させながらも、柔軟な触感を維持することができる。また、下方に磁石１５を配置しながら、磁石１５のある方向とは反対方向となる上方に突出した凸部を形成することができる。

なお、この膨らみの形成については、磁性部材１４の長さや可撓性シート１１とバックプレート１２との間隔の影響を受け、磁性部材１４の長さが長い方が、磁場から大きな力を受ける。一方で、磁性部材１４が長すぎるとバックプレート１２に突き当たり、柔らかな磁性部材１４であっても、磁性部材１４の変位は起こし難い。

第１実施形態の変形例１：[図５]

本実施形態の磁気変形部材１０ｂは、図５の断面図で示すように、磁場をかけない状態で磁性部材１４がバックプレート１２に接触しており、磁性部材１４とバックプレート１２との間が隔てられていない点で先の実施形態で示す磁気変形部材１０ａと異なる。また、磁気変形部材１０ｂでは、磁性部材１４が柔軟で磁場が印加された際に変形可能な柔らかさを有するものである必要がある。

磁性部材１４が、変形可能な弾性部材であるため、この磁性部材に磁場が印加されると磁性部材が圧縮され、また、バックプレート１２に接触して配置されることで、環状の磁性部材の環内にあるゲルをその外に逃がし難くすることができ、圧縮される環内のゲルの応力を可撓性シート表面に作用させ易くすることができる。

第１実施形態の変形例２：[図６，図７]

本実施形態の磁気変形部材１０ｃは、図６の断面図で示すように、磁石１５の大きさが異なり、平面視で磁性部材１４の外形よりも小さい相似形としている。磁気変形部材１０ｃでは、磁場が印加されると図７で示すように、磁性部材１４は、磁石１５に向かって垂直に引き付けられると共に、内側である縮径方向にも引き付けられる。したがって、磁性部材１４の下方に位置するゲル１３の変形に加えて、磁性部材１４の環状の内側に在る内部ゲルＧｉを直接圧縮する応力が生じ、その結果、囲繞部１１ｄに凸部が大きく形成されることになり、周辺部１１ｃの突出は抑制されるようになる。したがって、囲繞部１１ｄの突出がより際立ち、磁気変形部材１０ｃに対する磁場のＯＮ／ＯＦＦによる視覚的変化を大きなものとすることができる。

第２実施形態：[図８，図９]

本実施形態の磁気変形部材２０は、図８の断面図で示すように、その外周に外壁２６を備える。その他の構成は、第１実施形態の磁気変形部材１０ａと同じである。

外壁２６の材質は、バックプレート１２と同様とすることができる。また、外壁２６は、バックプレート１２と一体にして、その外周から立ち上がるように構成しても良いし、バックプレート１２とは別の部材で構成してもよい。こうした外壁２６を備えることで、磁気変形部材２０に磁場を印加としとき、外部ゲルＧｏの側面への変形を抑制することができる。そうすると、外部ゲルＧｏが受ける応力も上方へ向く他、内部ゲルＧｉから外部ゲルＧｏへ逃げる応力も緩和できる。したがって、全応力を上方へ向けることができ、図９で示すように、可撓性シート１１の表面１１ａに表れる膨らみをより大きなものとすることができる。

また、外壁２６を備えることで、可撓性シート１１、バックプレート１２、そして外壁２６によって、ゲル１３を完全に密封する密閉空間を形成することができる。ゲル１３は、相対的に物性が弱いため、密閉空間内に保持することで、磁気変形部材２０の耐久性を高めることができる。

本実施形態の磁気変形部材２０においても、第１実施形態の磁気変形部材１０と同様に、磁性部材１４がバックプレート１２に接触する構成や、平面視での磁石１５の外形を磁性部材１４よりも小さくする構成を採用することができる。

第３実施形態：［図１０］

上記実施形態で示した各磁気変形部材には、接触や押圧を感知するセンサを備えるものとすることができる。第３実施形態として説明する磁気変形部材３０は、これまで説明した磁気変形部材で用いた可撓性シート１１の代わりに、柔軟なベースシート３８ａ中にセンサ３８ｂを設けた可撓性シート３８を用いたものである。センサ３８ｂは、図示しない配線によって制御ＩＣ等に接続している。

センサ３８ｂとしては、磁場がかけられたときに囲繞部１１ｄに膨らみが形成される機能を損なわないセンサであればよく、換言すれば、囲繞部１１ｄの膨らみを阻害しない柔軟性を有するセンサを用いることができる。こうしたセンサ３８ｂとしては、例えば弾性導電材料でなる電極を備える伸張可能なセンサや、伸張性の低い部分と伸張性の高い部分とを組合せることで全体として伸張可能としたセンサを挙げることができる。また、センサの方式としては感圧センサや静電容量センサを挙げることができる。なお、柔軟なベースシート３８ａとしては、第１実施形態で可撓性シート１１として説明した材質を用いることができる。

可撓性シート３８にセンサ３８ｂを備える磁気変形部材３０は、後述するバックプレートにセンサを備える磁気変形部材と比べて、センサ感度を高めることができる。したがって、磁気変形部材３０は、感度の優れたタッチセンサとして利用できる。

センサ３８ｂは、可撓性シート３８内に設ける他、先の実施形態で説明した可撓性シート１１の表面にセンサ３８ｂを設け、さらにその上に柔軟性のある保護層４８ａを設けてセンサ３８ｂを覆うようにしても良い。なお、センサ３８ｂは図示しない配線によって制御ＩＣ等に接続している。

第４実施形態：［図１１］

第４実施形態の磁気変形部材４０として、次の２種類の磁気変形部材４０ａ，４０ｂについて順次説明する。まず、磁気変形部材４０ａは、図１１の断面図で示すように、これまで説明した磁気変形部材で用いたバックプレート１２の磁石１５側（下側）にセンサ４８ｂを設けたものである。そして、センサ４８ｂを設けた側のバックプレート１２の表面には保護層４８ａを設けるとともに、図示しない配線によってセンサ４８ｂは制御ＩＣ等に接続している。センサ４８ｂとしては、バックプレート４９の機能を損なわないセンサを用いることができるが、第３実施形態で説明したセンサのように柔軟性を特に要求するものでもなく、種々の感圧センサや静電容量センサを用いることができる。

磁気変形部材４０ａでは、磁性部材１４または内部ゲルＧｉの少なくとも何れか一方に導電性を持たせることが好ましい。可撓性シート１１からバックプレート１２までの間隔が広がりゲル１３が厚くなると、可撓性シート１１の表面１１ａからセンサ４８ｂまでの距離が長くなるため、静電容量センサを採用したときはその感度が悪くなることが懸念される。しかしながら、これらの部位に導電性を持たせることで感度の低下を抑えることができるからである。さらに磁性部材１４またはゲル１３の最下部と、センサ４８ｂまでの間の距離および磁性部材１４またはゲル１３と、センサ４８ｂとの重なり面積に着目すると、ゲル１３に導電性を持たせることがより好ましい。

磁性部材１４に導電性を持たせる場合には磁性導電ゲルを用い、内部ゲルＧｉに導電性を持たせる場合には、強磁性を示さない導電ゲルを用いることができる。また、外部ゲルＧｏを含めたゲル１３全体を導電性としても良い。こうした導電ゲルは、導電性を有しないバインダーにカーボンや金属粒子等の導電性フィラーを添加する方法や、導電性高分子を用いる方法で得ることができる。導電性フィラーとして繊維状導電体を用いるとバインダーの柔軟性を大きく損なわずに導電性を付与できる点で好ましい。導電性は、１００Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率であることが好ましい。

磁気変形部材４０ａでは、可撓性シート１１についても導電性の材料とすることが好ましい。センサとして静電容量センサを採用するときに可撓性シート１１の厚みが厚くなると感度の低下が懸念されるが、導電性であれば感度の低下を抑えることができるからである。導電性の可撓性シート１１としては、例えば、表裏に導電層を形成して、それらをスルーホールで電気的に導通させた樹脂フィルムや、導電性フィラーを添加した樹脂でなる導電性フィルム等を用いることができる。

バックプレート１２にセンサ４８ｂを備える磁気変形部材４０は、可撓性シート３８にセンサ３８ｂを備える磁気変形部材３０と比べて、センサの変形や摩耗の懸念がないものとすることができる。したがって、耐久性に優れた磁気変形部材４０とすることができる。

センサとして静電容量センサを採用する場合には、可撓性シート１１と、磁性部材１４とゲル１３の少なくとも一方を導電性とすることにより、可撓性シート１１の表面１１ａからバックプレート１２の表面までが電気的に導通しているため、可撓性シート１１の表面１１ａを触ったときにバックプレート１２の表裏両面間の静電容量の変化を検知することができる。したがって、可撓性シート１１やゲル１３の厚みの影響を受け難く、それらが厚い場合でもあっても、感度の低下を抑えることができる。

第４実施形態の変形例１：[図１２]

本実施形態の磁気変形部材４０ｂは、図１２の断面図で示すように、バックプレート１２のゲル１３側（上側）にセンサ４８ｂを設けた点で、磁気変形部材４０ａがバックプレート１２の磁石１５側（下側）にセンサ４８ｂを設けたのと異なる。

センサとして静電容量センサを採用する場合には、磁性部材１４および内部ゲルＧｉの少なくとも何れか一方を導電ゲルで形成することが好ましい点は磁気変形部材４０ａと同じである。そうした一方で可撓性シート１１については絶縁性のシートとする。こうした構成とすれば、磁性部材１４とゲル１３の少なくとも一方とセンサ４８ｂが電気的に導通するため、可撓性シート１１の表面１１ａを触ったとき、可撓性シート１１の表裏両面間の静電容量の変化を検知することができる。したがって、ゲル１３の厚みの影響を受け難く、可撓性シート１１からバックプレート１２までの間隔が広く厚い場合でもあっても、感度の低下を少なくすることができる。なお、厚みが３００μｍ以下の可撓性シート１１を用いれば静電容量センサの感度への悪影響はほとんどない。本実施形態でも磁性部材１４またはゲル１３の最上部と、指先との間の距離および重なりに着目すると、可撓性シート１１の囲繞部１１ｄを触ったときの感度を高めるために、ゲル１３を導電性とすることは好ましい態様である。

第５実施形態：[図１３，図１４]

本実施形態の磁気変形部材５０は、図１３で示すように、磁性部材１４と可撓性シート１１が接しておらず、その間にゲル１３が入り込んだ緩衝部５９が設けられている点である。上記各実施形態では、磁性部材１４と可撓性シート１１とが固着していたが、磁性部材１４と固着する境界部１１ｂの形状が可撓性シート１１の表面１１ａに表出するおそれがあったが、緩衝部５９を有すると、可撓性シート１１における境界部１１ｂの変位を緩和して、なだらかな境界部１１ｂとすることができる。

より具体的にこうした構造変化を説明すると、磁場を印加することで、磁性部材１４が磁石１５に引き付けられ、磁性部材１４がバックプレート１２側（下方）へ変位する。このとき、磁性部材１４の内側の内部ゲルＧｉと外側の外部ゲルＧｏはせん断応力を受けることは第１実施形態と同様である。このとき磁性部材１４は変位に伴って可撓性シート１１を下方に変位させるが、このとき緩衝部５９が介在すると、特に応力が集中する境界付近において緩衝部５９が伸びることができ、なだらかな境界部１１ｂとなるのである。このとき緩衝部５９が厚すぎると、緩衝力が大きくなりすぎて可撓性シート１１の境界部１１ｂを下方に変位させることができなくなり、結果として凸部を目立たせることができなくなってしまう。こうした観点から緩衝部５９の上下方向長さ（平面視での奥行き方向の長さ）は、可撓性部材１１とバックプレート１２との間隔に相当するゲル１３の厚みに対して１〜１０％の範囲とすることが好ましい。こうした緩衝部５９を適用すれば、磁場を印加した際に、図１４で示すように、磁性部材１４の存在を目立たせず、美観に優れた磁気変形部材５０とすることができる。

その他の変形例：[図１５]

磁性部材１４の形状は、平面視で環状である例として先の実施形態では図１で示したような無端環状である閉環した円環状を挙げていたが、環状の例としてはこれに限定されない。例えば、図１５で示すように、開環した環状でも良い。また、円形に限らず、多角形状や、その他の任意形状の環状であっても良い。

さらに磁性部材１４は、剛体でなる複数の磁性片を環状に配列したものとすることができる。剛体で形成しても複数の磁性片を環状に配列すると、磁石１５の外形を小さくした場合に、磁性片の全体として縮径方向の変形が可能となる。閉環されてないため、内部ゲルＧｉの応力は、磁性片どうしの隙間から緩和されるが、そうした緩和の影響よりも、可撓性シート１１の囲繞部１１ｄに対する応力を大きくする効果の方が大きいため、凸部の現出させる効果を奏する。したがって、複数とせずに、単純に剛体でなる一つの磁性部材１４とした場合に、磁石１５の外形を小さくした際に縮径方向の変形が生じないのと比べて好ましい。

また、剛体でなる複数の磁性片を使うメリットとして、バインダーに強磁性体粉末を分散した構成よりも同一材質のみで構成することから磁性を飛躍的に高めることができる点がある。したがって、より小さな磁石（あるいは磁力の小さな磁石）でバインダーに強磁性体粉末を分散した場合と同等の膨らみを囲繞部１１ｄにもたらすことができる。あるいは、同等の膨らみを得るために磁性部材１４を小さくすることができ、磁気変形部材の小型化に効果的である。

上記実施形態は本発明の例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態の変更または公知技術の付加や、組合せ等を行い得るものであり、それらの技術もまた本発明の範囲に含まれるものである。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 磁気変形部材（第１実施形態）
１１ 可撓性シート
１１ａ 表面
１１ｂ 境界部
１１ｃ 周辺部
１１ｄ 囲繞部
１２ バックプレート
１３ ゲル
Ｇｉ 内部ゲル
Ｇｏ 外部ゲル
１４ 磁性部材
１５ 磁石
２０ 磁気変形部材（第２実施形態）
２６ 外壁
３０ 磁気変形部材（第３実施形態）
３８ 可撓性シート
３８ａ ベースシート
３８ｂ センサ
４０，１０ａ，４０ｂ 磁気変形部材（第４実施形態）
４８ａ 保護層
４８ｂ センサ
５０ 磁気変形部材（第５実施形態）
５９ 緩衝部

Claims (13)

1. 可撓性シートと硬質材でなるバックプレートとが積層した内側にゲルが充填されており、当該可撓性シートの表面に対する垂直方向となる平面視で環状であり当該垂直方向に長さを有する磁性部材が前記可撓性シートに固着して前記ゲル中に配置される磁気変形部材。
   
2. 前記磁性部材が、無端環状である請求項１記載の磁気変形部材。
   
3. 前記磁性部材が、複数の磁性片が環状に配列したものである請求項１または請求項２記載の磁気変形部材。
   
4. 前記磁性部材が、変形可能な弾性部材でなり前記バックプレートに接触して配置される請求項１〜請求項３何れか１項記載の磁気変形部材。
   
5. 前記バックプレートの外側に磁力によって前記磁性部材を引き寄せる磁力発生部材を備える請求項１〜請求項４何れか１項記載の磁気変形部材。
   
6. 前記平面視で、前記磁力発生部材の外形が前記磁性部材の外形より小さい請求項１〜請求項５何れか１項記載の磁気変形部材。
   
7. 前記可撓性シートに、接触を感知するセンサを備える請求項１〜請求項６何れか１項記載の磁気変形部材。
   
8. 前記バックプレートに、接触を感知するセンサを備える請求項１〜請求項７何れか１項記載の磁気変形部材。
   
9. 前記センサが静電容量式センサであり、前記ゲルが導電ゲルである請求項７または請求項８記載の磁気変形部材。
   
10. 前記センサが静電容量式センサであり、前記磁性部材が導電ゲルである請求項７〜請求項９何れか１項記載の磁気変形部材。
    
11. 前記可撓性シートが導電性シートでなり、前記センサを、前記導電ゲルと電気的に絶縁状態で備える請求項９または請求項１０記載の磁気変形部材。
    
12. 前記可撓性シートが絶縁層でなり、前記センサを、前記導電ゲルと電気的に接続されて備える請求項９または請求項１０記載の磁気変形部材。
    
13. 前記磁性部材の外側に、前記可撓性シートと前記バックプレートとを繋ぐ硬質材でなる枠状の外壁を備える請求項１〜請求項１２何れか１項記載の磁気変形部材。

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