JP7111953B2 - スイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチに関する。
電子機器などに搭載されるスイッチは、複数の固定導電部材および可動導電部材を備え、ユーザのスイッチ操作に応じて可動導電部材が変位し、複数の固定導電部材同士の導通状態を変化させることで、スイッチのオン／オフが決められるように構成されている。
従来技術に係るスイッチが、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている。特許文献１には、支持部材を設けた平板上の基体に、ひずみ検出素子を備えたもので、可動部材の上下方向の押圧動作で操作が可能となる装置が記載されている。
特許文献２には、基板上に感圧導電シートを備えた固定接点を設け、導電金属薄板の可動接点体の押圧操作によるクリック感触を伴った電気的接離に加え、その後の押圧による抵抗値変化を得る装置が記載されている。
特許文献３には、基板に備えた固定接点の上に感圧導電センサを設け、押圧加減に応じた多様なスイッチング機能を得る構造が記載されている。
特開２００４－２１３１６４号公報 特開２００９－１６３３０号公報 特開２０１０－１５７９３号公報 特開２０１６－２７５３３号公報
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、基体に直接ひずみ検出素子が設けられた構成となっており、基体にひずみ検出素子を設ける工程が必要であり、製造工程が複雑である。また、特許文献２及び３の装置では、装置の内部に感圧導電シートあるいは感圧導電センサが設けられた構成であり、これらも製造工程が複雑となり、製造するのは容易ではない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみ検出素子を有し、容易に製造できるスイッチを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るスイッチ（１００）は、一方の面に凹部を有する基体（１１０）と、ドーム形状を有し、前記ドーム形状の開口側が前記凹部の底面に接するように前記凹部に設けられたクリックバネ（１２０）と、前記凹部を塞いで前記クリックバネを前記凹部に収容するように設けられたカバー（１４０）と、前記基体の他方の面に貼り合わされたひずみ検出素子（１５０）と、を有し、押圧による前記クリックバネの押し込み量に応じて発生する前記基体のひずみを前記ひずみ検出素子が検知し検出量を出力する。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
開示の技術によれば、基体の他方の面にひずみ検出素子を貼り合わせた構成であり、容易に製造可能である。
実施の形態に係るスイッチの一例を示す上面側の平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）、下面側の平面図（Ｃ）である。 実施の形態に係るスイッチの一例の分解斜視図である。 実施の形態に係るスイッチの一例の断面図である。 実施の形態に係るスイッチの基体の一例の構成を示す斜視図である。 実施の形態に係るスイッチのひずみ検出素子の一例の斜視図である。 実施の形態に係るスイッチのひずみ検出素子の一例の平面図である。 実施の形態に係るスイッチのひずみ検出素子の一例の断面図である。 実施の形態に係るスイッチのひずみ検出素子の一例の製造工程を示す断面図である。 実施の形態に係る実装時におけるスイッチの一例の下面側の平面図（Ａ）、長辺側の側面図（Ｂ）、短辺側の側面図（Ｃ）である。 実施の形態に係るスイッチのアクチュエータ及びカバーの一例の製造工程を示す斜視図である。 実施の形態に係るスイッチの一例の製造工程を示す斜視図である。 実施の形態に係るスイッチの一例の製造工程を示す斜視図である。 実施の形態に係るスイッチの一例のスイッチ押し込み量に対するスイッチ押し込み荷重及びセンサ検出量を示す図である。 変形例に係るスイッチの一例の分解斜視図である。 変形例に係るスイッチの基体の一例の構成を示す斜視図である。 変形例に係るスイッチのスイッチ押し込み量に対するスイッチ押し込み荷重及びセンサ検出量を示す図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜実施の形態＞
添付の図面を参照しつつ、好適な実施の形態の一例について以下詳細に説明する。なお以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。また「前後」「左右」「上下」という表現は、説明の便宜のために用いられ、実際の使用状態における姿勢や方向を限定する意図はない。
図１は実施の形態に係るスイッチの一例であるプッシュスイッチ１００の上面側の平面図（Ａ）、側面図（Ｂ）、下面側の平面図（Ｃ）である。また、図２は実施の形態に係るスイッチの一例であるプッシュスイッチ１００の分解斜視図である。図３は実施の形態に係るプッシュスイッチの一例の断面図である。
プッシュスイッチ１００は、基体１１０と、クリックバネ１２０と、アクチュエータ１３０と、カバー１４０と、ひずみ検出素子１５０を有する。基体１１０は、端子１１１ａを含む導電体部１１１と樹脂部１１２を有してインサート成形により形成され、一方の面に凹部１１３が設けられている。クリックバネ１２０は、ドーム形状を有し、ドーム形状の開口側が凹部１１３の底面に接するように凹部１１３の内部に配置されている。カバー１４０は、凹部１１３を塞いでクリックバネ１２０を凹部１１３に収容するように設けられている。アクチュエータ１３０は、クリックバネ１２０の頂部とカバー１４０の間に設けられている。ひずみ検出素子１５０は、素子基板１５１にひずみゲージ１５２と端子１５３が設けられて構成されており、基体１１０の他方の面（凹部１１３が設けられた面と反対側の面）に貼り合わされる。ひずみ検出素子１５０をひずみセンサとも称する。
上記のプッシュスイッチ１００は、基体１１０の端子１１１ａとひずみ検出素子１５０の端子１５３において実装基板にはんだ等で接続及び固定される。本実施の形態においては、基体１１０の端子１１１ａを介しての信号の送受信は行わないので、端子１１１ａは実装基板への固定に用いられる。ひずみ検出素子１５０の端子１５３は実装基板を介して測定系に接続され、ひずみ検出素子１５０に設けられているひずみゲージ１５２の抵抗値等が検出される。
上記のプッシュスイッチ１００は、押圧によるクリックバネ１２０の押し込み量に応じて発生する基体１１０のひずみをひずみ検出素子１５０が検知する構成である。ユーザはスイッチを押し込み、直接的あるいは間接的にカバー１４０を介してアクチュエータ１３０を押下できる。アクチュエータ１３０が押下されると、アクチュエータ１３０の下方に配置されているクリックバネ１２０の中央部にあるドーム形状の頂部が押圧され、荷重が所定値を超えると、中央部がクリック感を伴って反転し、下方に凸の状態になる。このときから、基体１１０が押圧される力によって基体１１０にひずみが発生し、ひずみ検出素子１５０が検知を始める。押圧によるクリックバネ１２０の押し込み量がさらに大きくなると、基体１１０が押圧される力がさらに大きくなり、これに伴って発生する基体１１０のひずみがさらに大きくなる。本実施の形態では、基体１１０の凹部１１３に、クリックバネ１２０への押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられていない構成であり、ひずみ検出素子１５０の出力によってスイッチのオン状態とオフ状態の識別がされる。
図４は本実施の形態に係るスイッチの基体の一例の構成を示す斜視図である。図４（Ａ）は基体１１０に含まれる導電体部１１１の斜視図である。導電体部１１１は、略板状の形状を有するステンレス鋼あるいはその他の金属からなり、４箇所の端子１１１ａが設けられている。導電体部１１１は延性材料から形成されていることが好ましく、これにより、導電体部１１１を含む基体１１０に生じるひずみを効果的にひずみ検出素子１５０に伝達することができる。
図４（Ｂ）は基体１１０の上面側の斜視図である。インサート成形により、導電体部１１１にポリアミド樹脂等の絶縁性の樹脂からなる樹脂部１１２が設けられている。基体１１０の一方の面側（上面側）では、導電体部１１１の上面を底面とし、樹脂部１１２が側壁部となる凹部１１３が設けられている。基体１１０は、例えば平面視で長辺が１ｍｍ～数ｍｍ、短辺が０．５ｍｍ～数ｍｍの略矩形形状であり、０．１ｍｍ～数ｍｍの厚さを有する板状の形状である。凹部１１３は基体１１０の大きさに応じた大きさを有し、平面視で略長円形状あるいは略楕円形状である。ここで、平面視とは基体１１０あるいは凹部１１３を基体１１０の上面の法線方向から視ることを指す。
図４（Ｃ）は基体１１０の下面側の斜視図である。導電体部１１１の他方の面１１１ｂが露出するように樹脂部１１２が設けられている。樹脂部１１２の一部として、基体１１０の他方の面側において、略矩形形状の基体１１０の対向する一対の長辺に沿って、一対の凸部１１４が設けられている。凸部１１４は、内壁面が溝を構成する。溝の内壁面に対してひずみ検出素子１５０の外周の位置が位置合わせされることで、基体１１０に対するひずみ検出素子１５０の位置決めがなされる。
図５は本実施の形態に係るスイッチのひずみ検出素子の一例の斜視図である。平面視で略矩形形状の素子基板１５１に、ひずみゲージ１５２と端子１５３が設けられている。図面上は４つのひずみゲージ１５２が設けられているが、１つ、あるいは複数のひずみゲージが設けられていればよい。ひずみゲージのひずみ検出方向は、ひずみゲージの微細パターンの延伸方向となる。図面上は４つのひずみゲージのひずみ検出方向が素子基板１５１の長辺方向に沿ったパターンとなっているが、これに限らず、４つのひずみゲージのひずみ検出方向が素子基板１５１の短辺方向に沿ったパターン、あるいは、長辺方向に沿ったパターンと短辺方向に沿ったパターンが混在するパターンでもよい。特に、４つのひずみゲージを有する場合には、４つのひずみゲージによってホイートストンブリッジを構成することができる。
上記のひずみゲージ１５２について説明する。以下の説明では、代表して１つのひずみゲージについて説明する。図６は、本実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図７は、第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図６のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図６及び図７を参照するに、ひずみゲージ１は、上記の素子基板１５１となる基材１０と、機能層２０と、抵抗体３０と、端子部４１と、カバー層６０とを有している。なお、図６では、抵抗体３０を図示するために、便宜上、カバー層６０は外縁のみを破線で示している。
なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ～５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層等を介して基材１０の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、１０μｍ以上であると絶縁性の点で更に好ましい。
基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
機能層２０は、基材１０の上面１０ａに抵抗体３０の下層として形成されている。すなわち、機能層２０の平面形状は、図６に示す抵抗体３０の平面形状と略同一である。機能層２０の厚さは、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍ程度とすることができる。なお、機能層２０は必須の構成要素ではなく、場合によっては省略可能である。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層２０は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層２０は、更に、他の機能を備えていてもよい。
基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体３０がＣｒ（クロム）を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層２０が抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
機能層２０の材料は、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２等が挙げられる。
抵抗体３０は、機能層２０の上面に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。なお、図６では、便宜上、抵抗体３０を梨地模様で示している。
抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｕ（ニッケル銅）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。
ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。又、Ｃｒ混相膜に、機能層２０を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層２０を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層２０がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。
抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましく、１μｍ以下であると抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。
機能層２０上に抵抗体３０を形成することで、安定な結晶相により抵抗体３０を形成できるため、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性を向上することができる。
例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、機能層２０を設けることで、α－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とする抵抗体３０を形成することができる。α－Ｃｒは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上することができる。
ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味する。抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
又、機能層２０を構成する金属（例えば、Ｔｉ）がＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上することができる。具体的には、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。
なお、抵抗体３０の内部応力をゼロ近傍として基材１０の反りを低減する観点から、基材１０の膨張係数は７ｐｐｍ／Ｋ～２０ｐｐｍ／Ｋとすることが好ましい。基材１０の膨張係数は、例えば、基材１０の材料の選定、基材１０に含有されるフィラーの材料の選定及び含有量の調整等を行うことにより、調整することができる。
ところで、基材１０上に抵抗体３０を形成すると、抵抗体３０にピンホールが発生する場合があり、抵抗体３０に発生するピンホール数が所定値を超えると、ゲージ特性が悪化したり、ひずみゲージとして機能しなくなったりするおそれがある。発明者らは、抵抗体３０にピンホールが発生する原因の１つが、基材１０の上面１０ａから突出するフィラーであることを突き止めた。
すなわち、基材１０がフィラーを含有すると、フィラーの一部が基材１０の上面１０ａから突出し、基材１０の上面１０ａの表面凹凸を増大させる。その結果、基材１０の上面１０ａに形成される抵抗体３０に生じるピンホール数が増加し、ゲージ特性の悪化等の要因となる。
発明者らは、抵抗体３０の厚さが０．０５μｍ以上である場合に、基材１０の上面１０ａの表面凹凸が１５ｎｍ以下であれば、抵抗体３０に生じるピンホール数を抑制してゲージ特性を維持できることを見出した。
すなわち、抵抗体３０の厚さが０．０５μｍ以上である場合に、基材１０の上面１０ａに形成される抵抗体３０に生じるピンホール数を低減してゲージ特性を維持する観点から、基材１０の上面１０ａの表面凹凸は１５ｎｍ以下であることが好ましく、表面凹凸が１５ｎｍ以下であれば基材１０がフィラーを含有してもゲージ特性の悪化にはつながらない。なお、基材１０の上面１０ａの表面凹凸は０ｎｍであってもよい。
基材１０の上面１０ａの表面凹凸は、例えば、基材１０を加熱することにより低減することができる。或いは、基材１０の加熱に代えて、基材１０の上面１０ａに略垂直にレーザ光を照射して凸部を削る方法、基材１０の上面１０ａと平行にウォーターカッター等を可動させて凸部を削り取る方法、基材１０の上面１０ａを砥石を用いて研磨する方法、又は基材１０を加熱しながら加圧する方法（ヒートプレス）等を用いてもよい。
なお、表面凹凸とは、算術平均粗さのことであり、一般的にＲａと表記する。表面凹凸は、例えば、三次元光学干渉法により測定することができる。
端子部４１は、抵抗体３０の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体３０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４１は、ひずみにより生じる抵抗体３０の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。抵抗体３０は、例えば、端子部４１の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部４１に接続されている。端子部４１の上面を、端子部４１よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体３０と端子部４１とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
カバー層６０は、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａに設けられた絶縁樹脂層である。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
カバー層６０は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成することができる。カバー層６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。
図８は、本実施の形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図であり、図７に対応する断面を示している。ひずみゲージ１を製造するためには、まず、図８（ａ）に示す工程では、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに機能層２０を形成する。基材１０及び機能層２０の材料や厚さは、前述の通りである。
機能層２０は、例えば、機能層２０を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層２０が成膜されるため、機能層２０の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
但し、これは、機能層２０の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層２０を成膜してもよい。例えば、機能層２０の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層２０を真空成膜する方法を用いてもよい。
次に、図８（ｂ）に示す工程では、機能層２０の上面全体に抵抗体３０及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって機能層２０並びに抵抗体３０及び端子部４１を図６に示す平面形状にパターニングする。抵抗体３０及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体３０と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。抵抗体３０及び端子部４１は、例えば、抵抗体３０及び端子部４１を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜することができる。抵抗体３０及び端子部４１は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
機能層２０の材料と抵抗体３０及び端子部４１の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層２０としてＴｉを用い、抵抗体３０及び端子部４１としてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。
この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜してもよい。
これらの方法では、Ｔｉからなる機能層２０がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα－Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層２０を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。
なお、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層２０は、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層２０として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
次に、図８（ｃ）に示す工程では、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するカバー層６０を形成する。カバー層６０の材料や厚さは、前述の通りである。カバー層６０は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。以上の工程により、ひずみゲージ１が完成する。
このように、抵抗体３０の下層に機能層２０を設けることにより、抵抗体３０の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体３０を作製できる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層２０を構成する材料が抵抗体３０に拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上することができる。
上記においては、ひずみゲージの一例について説明したが、上記以外のひずみゲージを適用することも可能である。例えば、上記の説明では機能層２０と抵抗体３０を積層した構成を有しているが、これに限らず、抵抗体３０のみを有するひずみゲージであってもよい。また、上記以外の材料を用いたひずみゲージであってもよい。
図９（Ａ）は本実施の形態に係る実装時におけるスイッチの一例の下面側の平面図であり、図９（Ｂ）は長辺側の側面図であり、図９（Ｃ）は短辺側の側面図である。図９（Ａ）においては、説明のために実装基板２００の図示を省略している。本実施の形態のプッシュスイッチ１００は、基体１１０の端子１１１ａとひずみ検出素子１５０の端子１５３において実装基板２００にはんだ等で接続及び固定される。実装基板２００としては、絶縁基板に導電パターンが設けられた構成であるが、図面上は導電パターンの表示を省略している。図９（Ａ）において破線Ａ１で囲んだ領域における端子１１１ａは、はんだ層２１０により、実装基板２００に固定される。本実施の形態においては、基体１１０の端子１１１ａを介しての信号の送受信は行わないので、端子１１１ａは実装基板に電気的接続がされていなくてもよい。このため、端子１１１ａの実装基板２００への固定は、はんだを使用せずに、レーザ固着等で行ってもよい。また、破線Ｂ１で囲んだ領域におけるひずみ検出素子１５０の端子１５３は、はんだ層によって実装基板２００に固定され、同時に電気的に接続される。端子１５３は実装基板２００を介して測定系に接続され、ひずみ検出素子１５０に設けられているひずみゲージ１５２の抵抗値等が検出される。図９（Ｃ）に示されるように、凸部１１４の下面が実装基板２００に接するように実装され、基体１１０の下面側(他方の面側)の表面と実装基板２００の間にクリアランスＣが設けられる。このため、ひずみ検出素子１５０が実装基板２００に接することない構造となっている。
次に、本実施の形態に係るプッシュスイッチ１００の製造方法について説明する。図１０は本実施の形態に係るスイッチのアクチュエータ及びカバーの一例の製造工程を示す斜視図である。まず、図１０（Ａ）に示されるように、ポリアミド樹脂等の樹脂フィルムから打ち抜きによりアクチュエータ１３０を形成する。
次に、図１０（Ｂ）に示されるように、ポリアミド樹脂等の樹脂フィルムからなるカバー１４１Ｓにアクチュエータ１３０を載置し、レーザ溶着によって固定して図１０（Ｃ）に示される状態とする。
次に、図１０（Ｄ）に示されるように、カバー１４１Ｓに絞り加工を施し、アクチュエータ１３０がその厚みの分、カバー１４１Ｓ側に押し込められた状態とする。
次に、図１０（Ｅ）に示されるように、カバー１４１Ｓに対する打ち抜き加工により、１次元に複数枚繋げられた状態のカバー１４１Ｓ２とする。図１０（Ｆ）は、図１０（Ｅ）の反対側に面から見た斜視図である。
次に、図１１（Ａ）に示される基体１１０をインサート成形により形成する。即ち、端子１１１ａを含む導電体部１１１を成形型の内部に配置し、成形用の樹脂を成形型の内部に供給して樹脂部１１２を形成する。基体１１０の一方の面にはインサート成型時において凹部１１３が形成されている。
次に、図１１（Ｂ）に示されるように、基体１１０の凹部１１３に、別工程で予め形成されたドーム形状を有するクリックバネ１２０を、ドーム形状の開口側が凹部１１３の底面に接するように挿入し、図１１（Ｃ）に示される状態とする。クリックバネ１２０は、例えばステンレスシートに対してドーム形状となるように曲面を形成し、所定の形状に打ち抜き加工することで形成される。
次に、図１１（Ｄ）に示されるように、アクチュエータ１３０がクリックバネ１２０の頂部の真上の位置となるようにカバー１４１Ｓ２を位置合わせして基体１１０上に配置する。
次に、図１１（Ｅ）に示されるように、カバー１４１Ｓ２が凹部１１３を塞ぐように基体１１０にレーザ溶着して固定し、カバー１４１Ｓ２の不要部分を除去してカバー１４０の外形に加工する。図１１（Ｆ）は、図１１（Ｅ）の反対側に面から見た斜視図である。基体１１０の反対側の面では、導電体部１１１の他方の面１１１ｂが露出している。また、基体１１０を構成する樹脂部１１２の一部として、略矩形形状の基体１１０の対向する一対の長辺に沿って、一対の凸部１１４が設けられている。
次に、図１２（Ａ）に示されるように、基体１１０の他方の面１１１ｂに、別工程で予め形成されたひずみ検出素子１５０を位置合わせして接着剤等で接着して、図１２（Ｂ）に示される状態とする。略矩形形状の基体１１０の短辺に沿う方向（Ｘ方向）に対するひずみ検出素子１５０の位置合わせは、凸部１１４が形成する溝の内壁面に対してひずみ検出素子１５０の外周の位置を位置合わせすることで行う。凸部１１４が形成する溝の内壁面に、ひずみ検出素子１５０の素子基板１５１の端部が接するように配置することができる。あるいは、凸部１１４が形成する溝の内壁面と素子基板１５１の端部との距離が所定の値となるように配置してもよい。さらに、略矩形形状の基体１１０の長辺に沿う方向（Ｙ方向）に対するひずみ検出素子１５０の位置合わせは適宜行うことが可能である。例えば、ひずみ検出素子１５０に不図示の凸形状が形成され、当該凸形状に嵌合する凹形状が基体１１０に形成され、凸形状と凹形状を嵌合させることでＹ方向に対する位置合わせを行ってもよい。
上記の本実施の形態のプッシュスイッチは、基体の他方の面にひずみ検出素子を貼り合わせた構成であり、容易に製造可能である。さらに、以下に説明する利点を有する。
ひずみを検知して動作を行う従来のインプットデバイスは、電気的な導通はあるが操作感触が無いため、ユーザに対して操作感触を提供できない課題がある。特に、ひずみ検出部に力をスムーズに伝えなければ出力が不安定となってしまう。その原因のひとつに、ひずみ検出部と力が伝達される位置の位置精度が不十分であることで、性能が不安定となる点がある。
本実施の形態のプッシュスイッチでは、上記のように基体１１０に対してひずみ検出素子１５０の位置が正確に位置合わせされていることにより、クリックバネ１２０の押圧される部分の直下に、ひずみ検出素子１５０が設けられた構成とすることができる。さらに導電体部１１１が延性材料から形成されていることにより、導電体部１１１を含む基体１１０に生じるひずみを効果的にひずみ検出素子１５０に伝達することができる。
また、スイッチのクリックポイントと、ひずみセンサの出力ポイントにズレが発生すると、ユーザに対して安定した操作感触が提供できないという課題がある。本実施の形態のプッシュスイッチでは、上記の構成から、クリックバネ１２０を押圧したときに生じるクリックポイントと、ひずみ検出素子のセンサ検出量の立ち上がりの位置（センサ検出ポイント）を一致させやすくなり、操作感触の安定性を向上できる。さらに、クリックポイント以降のスイッチの押し込みに対して、ひずみ検出素子１５０の出力として、クリックバネ１２０の押し込み量に対して線形の出力（リニアな出力）を検知できる。
本実施の形態のプッシュスイッチは、操作感触を表現する機能を有し、ひずみを検知することでリニアな出力を検知できる。クリックバネを組み込むことで、操作感触が向上する。またスイッチの接点における電気的な導通ではなく、ひずみゲージからナチュラルな出力データを取得することで、オン／オフ機能とは別に追加機能を設けることができる。
スイッチ底面部（基体１１０の他方の面）に溝を設けた延性材料の平面が配置され、そこにひずみセンサが貼り付けられた構成であり、ひずみ検出素子が固定されている。スイッチ底面部（基体１１０の他方の面）は両端持ちばね構造となっている。スイッチ底面部（基体１１０の他方の面）に設けた溝に沿って貼りつけることができ、スイッチのがたつきの防止と、製造時の接着剤のはみ出し防止の効果もあり、製造工程における作業性が向上する。両端持ちばね構造とすることで、延性材料のひずみをスムーズにセンサへ伝えることができ、出力を安定させることができる。
また、スイッチ内部に水分が侵入する問題点がある。基体を構成する導電体部と樹脂部の熱膨張係数の差により発生する隙間から、スイッチ内部に水分が侵入すると考えらえる。また、特許文献４に記載のように、基体をインサート成形で形成する場合、インサート成形の金型内で複数のピンが導電体部を支持した状態で樹脂成形することで、ピンによる痕跡として成形した樹脂部に穴ができてしまい、この穴から内部に水分が侵入することが知られている。一般的な電気的導通機能を持つ従来に係るスイッチでは、単体での完全防水仕様への対応が難しい。本実施の形態のプッシュスイッチでは、クリックバネ１２０への押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられておらず、ひずみセンサでスイッチのオン／オフを検知しており、ひずみセンサの完全防水を行うことで、操作感触をもつ完全防水スイッチとすることができる。
また、従来のスイッチは、繰り返しの使用により内部に組み込んだクリックバネの破壊や、クリックバネの部分等での接触抵抗の増大が発生してしまうことがある。本実施の形態のプッシュスイッチでは、クリックバネ１２０への押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられていない構成であり、ひずみセンサにてスイッチがオンとなるタイミングを検知する機能を有する。ひずみセンサによる検知とすることで、電気的導通状態となる接点が設けられていない構成とすることができる。スイッチ内部に設けられるクリックバネの構造設計の自由度が向上し、クリックバネの応力を緩和でき、破壊が抑制されて寿命が向上する。また、クリックバネによる電気的導通状態を担保する必要がなく、クリックバネにおける接触抵抗に対する安定性が向上する。
図１３は本実施の形態に係るスイッチの一例のスイッチ押し込み量に対するスイッチ押し込み荷重及びセンサ検出量を示す図である。横軸はスイッチ押し込み量であり、縦軸はスイッチ押し込み量荷重とセンサ検出量である。Ｘ１はスイッチ押し込み荷重を示し、Ｙ１はセンサ検出量を示す。スイッチ押し込み量が増加するとスイッチ押し込み荷重も増加する。スイッチ押し込み荷重が所定値を超えると、クリックバネの中央部がクリック感を伴って反転し、一時的にスイッチ押し込み荷重が低減される。この点がクリックポイントとなる。さらにスイッチ押し込み量を増加させると、スイッチ押し込み荷重は再び増加する。一方、センサ検出量は、スイッチ押し込み量が所定の値となるまでは増加せず、スイッチ押し込み量が所定の値を超えると、センサ押し込み量の増加とともにセンサ検出量が線形に増加する。本実施の形態のスイッチでは、スイッチ底面部（他方側の面）に延性材料の面を配置し、そこにひずみセンサを貼り付けることで、リニアな出力を検知できる構造となっている。スイッチ部のクリックポイントと、ひずみセンサの検出ポイント（センサ検出量の立ち上りのポイント）を一致させることで、操作感触と機能実動作の不一致を無くなり、操作感触の安定性が向上する。
＜変形例＞
図１４は変形例に係るプッシュスイッチの一例の分解斜視図である。プッシュスイッチは、基体１１０ａと、クリックバネ１２０と、アクチュエータ１３０と、カバー１４０と、ひずみ検出素子１５０を有する。図１に示される実施の形態とは、基体の構成が異なっている。
基体１１０ａについて説明する。図１５は本実施の形態に係るスイッチの基体の一例の構成を示す斜視図である。図１５（Ａ）は基体１１０に含まれる導電体部１１１ｄの斜視図である。導電体部１１１ｄは、略板状の形状を有する第１導電体部１１１ｃ１と、第１導電体部１１１ｃ１から離間して設けられた第２導電体部１１１ｃ２を有する。第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２は、それぞれ２箇所の端子が設けられている。第２導電体部１１１ｃ２には、第１導電体部１１１ｃ１側に延びる延伸部１１１ｅが形成されており、第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２が接しないように、第１導電体部１１１ｃ１には延伸部１１１ｅの形状に適合した凹み形状が設けられている。
図１５（Ｂ）は基体１１０ａの上面側の斜視図である。インサート成形により、導電体部１１１ｄ（第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２）を含んで樹脂部１１２で一体に成形されている。基体１１０ａの一方の面側（上面側）では、第２導電体部１１１ｃ２の延伸部１１１ｅの上面を底面とし、樹脂部１１２が側壁部となる凹部１１３が設けられている。
図１５（Ｃ）は基体１１０ａの下面側の斜視図である。第２導電体部１１１ｃ２の延伸部１１１ｅの他方の面が露出するように樹脂部１１２が設けられている。樹脂部１１２の一部として、基体１１０ａの他方の面側において、略矩形形状の基体１１０ａの対向する一対の長辺に沿って、一対の凸部１１４が設けられている。上記を除いては、上記の実施の形態に係るプッシュスイッチと同様の構成を有する。本変形例のプッシュスイッチは、基体の他方の面にひずみ検出素子を貼り合わせた構成であり、容易に製造可能である。
本変形例のプッシュスイッチの基体１１０ａにおいて、第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２は、樹脂部１１２によって離間して互いに絶縁されている。第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２は固定接点である。一方、クリックバネ１２０は可動接点である。クリックバネ１２０の端部は、クリックバネ１２０の押圧に限らず第１導電体部１１１ｃ１に接している。クリックバネ１２０は、クリックバネ１２０が押圧されていない時は第２導電体部１１１ｃ２に接していない。ユーザはスイッチを押し込み、直接的あるいは間接的にカバー１４０を介してアクチュエータ１３０を押下できる。アクチュエータ１３０が押下されると、アクチュエータ１３０の下方に配置されているクリックバネ１２０の中央部にあるドーム形状の頂部が押圧され、荷重が所定値を超えると、中央部がクリック感を伴って反転し、下方に凸の状態になる。このとき、クリックバネ１２０の中央部の裏面側が第２導電体部１１１ｃ２の延伸部１１１ｅに接する。これにより、クリックバネ１２０を介して第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２が電気的に接続される。第１導電体部１１１ｃ１と第２導電体部１１１ｃ２の間の電気的接続を検知することで、プッシュスイッチのオン状態とオフ状態が識別される。
本変形例のプッシュスイッチでは、クリックバネ１２０の中央部の荷重が所定値を超えて中央部がクリック感を伴って反転し、下方に凸の状態になったときから、基体１１０ａが押圧される力によって基体１１０ａにひずみが発生し、ひずみセンサが検知を始める。押圧によるクリックバネ１２０の押し込み量が大きくなると、基体１１０ａが押圧される力が大きくなり、これに伴って発生する基体１１０のひずみが大きくなり、センサ検出量が大きくなる。本変形例では、上記のように基体１１０ａの凹部１１３に、クリックバネ１２０への押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられており、接点の導通によってスイッチのオン状態とオフ状態の識別がされ、さらに、ひずみセンサの出力によってスイッチの押し込み量が検知可能である多段スイッチとなっている。
図１６は変形例に係るスイッチのスイッチ押し込み量に対するスイッチ押し込み荷重及びセンサ検出量を示す図である。横軸はスイッチ押し込み量であり、縦軸はスイッチ押し込み量荷重とセンサ検出量である。Ｘ２はスイッチ押し込み荷重を示し、Ｙ２はセンサ検出量を示す。スイッチ押し込み量が増加するとスイッチ押し込み荷重も増加する。スイッチ押し込み荷重が所定値を超えると、クリックバネの中央部がクリック感を伴って反転し、一時的にスイッチ押し込み荷重が低減される。この点がクリックポイントとなり、固定接点と可動接点が電気的に接続される。さらにスイッチ押し込み量を増加させると、スイッチ押し込み荷重は再び増加する。一方、センサ検出量は、スイッチ押し込み量が所定の値となるまでは増加せず、スイッチ押し込み量が所定の値を超えると、センサ押し込み量の増加とともにセンサ検出量が線形に増加する。
本変形例では、ひずみセンサが貼り付けられる起歪体として、スイッチ構造を有する基体が用いられている。スイッチ構造を有する基体は、固定接点と可動接点を有し、スイッチの押し込み量によって固定接点と可動接点が接続状態あるいは非接続状態となり、スイッチがオン状態あるいはオフ状態となる。ひずみセンサの出力によって、スイッチのクリックポイントの詳細を検出することが可能である。クリックの感触が得られるポイントまでは、通常のタクティールスイッチの感触を有しており、クリックの感触後、ある一定量の電気的信号をひずみセンサから出力することで、良好な操作感触をもつ多段スイッチの機能を設けることができる。さらに、センサ検出量は、クリックの感触後において押し込み量に応じて大きくなるアナログ出力として用いることができる。
以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、基体を構成する導電体層やクリックバネとしてはステンレス以外の導電性材料を用いることができる。基体を構成する樹脂層やアクチュエータ及びカバーとしてはポリアミド樹脂以外の絶縁性樹脂を用いることができる。
１０ 基材
２０ 機能層
３０ 抵抗体
４１ 端子部
６０ カバー層
１００ プッシュスイッチ
１１０、１１０ａ 基体
１１１ 導電体部
１１１ａ 端子
１１１ｂ 他方の面
１１１ｃ１ 第１導電体部
１１１ｃ２ 第２導電体部
１１１ｄ 導電体部
１１１ｅ 延伸部
１１２ 樹脂部
１１３ 凹部
１１４ 凸部
１２０ クリックバネ
１３０ アクチュエータ
１４０、１４１Ｓ、１４１Ｓ２ カバー
１５０ ひずみ検出素子
１５１ 素子基板
１５２ ひずみゲージ
１５３ 端子
２００ 実装基板
２１０ はんだ層

Claims (11)

  1. 一方の面に凹部を有する基体と、
    ドーム形状を有し、前記ドーム形状の開口側が前記凹部の底面に接するように前記凹部に設けられたクリックバネと、
    前記凹部を塞いで前記クリックバネを前記凹部に収容するように設けられたカバーと、
    前記基体の他方の面に貼り合わされたひずみ検出素子と、
    を有し、
    押圧による前記クリックバネの押し込み量に応じて発生する前記基体のひずみを前記ひずみ検出素子が検知し検出量を出力する
    スイッチ。
  2. 前記クリックバネの頂部と前記カバーの間にアクチュエータをさらに有する
    請求項１に記載のスイッチ。
  3. 前記基体の前記他方の面に、内壁面が溝を構成する一対の凸部を有しており、
    前記溝の前記内壁面に対して前記ひずみ検出素子の外周の位置が位置合わせされることで、前記基体に対する前記ひずみ検出素子の位置決めがされている
    請求項１または２に記載のスイッチ。
  4. 前記凹部に、前記クリックバネへの押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられていない
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチ。
  5. 前記ひずみ検出素子の出力によってオン状態とオフ状態の識別がされる
    請求項４に記載のスイッチ。
  6. 前記凹部に、前記クリックバネへの押圧によって電気的導通状態となる接点が設けられている
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチ。
  7. 前記クリックバネへの押圧によって前記接点が電気的導通状態となる前記クリックバネの押し込み量と、前記ひずみ検出素子の出力が上昇を始める前記クリックバネの押し込み量が一致している
    請求項６に記載のスイッチ。
  8. 前記クリックバネへの押圧によってクリックバネの中央部が反転するクリックポイントとなる前記クリックバネの押し込み量と、前記ひずみ検出素子の出力が上昇を始める前記クリックバネの押し込み量が一致している
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスイッチ。
  9. 前記ひずみ検出素子の出力が前記クリックバネの押し込み量に対して線形の出力となる領域を有する
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスイッチ。
  10. 前記凹部の底部であって前記他方の面側の表面における前記基体の材料が延性材料により形成されている
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のスイッチ。
  11. 前記クリックバネの押圧される部分の直下に前記ひずみ検出素子が設けられている
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスイッチ。
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