JPH09129083A - スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 湿気や塵が多い過酷な環境に機能し、繰返し
操作に耐えることができるスイッチを提供する。 【解決手段】 ラップトップ・コンピュータまたはその
他の電子機器に使用するスイッチ（２０、３０）は、ニ
ッケルなどの金属で形成された蛇腹形の静電遮蔽保護ハ
ウジング（１００）で囲まれている。蛇腹（１４０）は
鋳造で形成することが好ましく、約0.06mmないし約0.12
mmの側壁厚を有し、直径の範囲は約2.6mmないし約10m
m、圧縮起動変位の範囲は約２mmないし約８mmである。
蛇腹を形成する渦巻またはひだの数、形状および厚さ
は、起動力対アクチュエータの動程ストロークの転位関
数を調整するよう設計することができる。一定厚さのハ
ウジング壁および一定の渦巻ピッチを提供することによ
り、ほぼ直線の転位関数が達成される。ハウジングは、
水および塵に対して適切に保護し、良好な触知フィード
バックを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はおおむねスイッチに
関し、特にラップトップ・コンピュータに使用する、シ
ールド付きで力を調節可能な機械的スイッチ・アクチュ
エータを提供することに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に図示したような現代のバッテリ駆
動のラップトップ・コンピュータは、重量がおそらく６
ポンド(13.2kg)未満で、湿度の高い熱帯雨林から塵の多
い砂漠まで、様々な環境で使用されることがある。コン
ピュータ１０において、キーボード・スイッチ２０およ
びコンピュータのON/OFFスイッチのような他の機械的ス
イッチ３０が、湿気および塵に対して抵抗力があること
が重要なのはもっともである。図１の部分的な切断面で
図示されているのはキーボード・スイッチ２０’で、こ
れはマザーボードまたはその他の基板４０に取り付けら
れ、ドーム形で通常はゴム製のハウジング５０に囲まれ
ている。

【０００３】図２は、先行技術の機械的スイッチ２０’
の詳細な断面図で、湿気や塵が多い、あるいはその他の
過酷な環境で機能するよう意図されたラップトップ・コ
ンピュータおよびその他の機器に通常見られるスイッチ
である。機械的スイッチ機構６０は、マザーボードまた
はその他の基板４０に取り付けられ、接着剤７０または
同等品で基板に取り付けられた天井であるフレキシブル
なドーム形ハウジング５０によって囲まれる。機構６０
は通常、バネ９０でバイアスがかかったアクチュエータ
８０を含む。外部キーキャップまたはボタン１００へ下
向きの力Ｆがかかると、バネを取り付けたアクチュエー
タ８０が下向きに距離ΔＹだけ移動し、第１導体１１０
と第２導体１２０との間に電気的接触を生成し、導体の
一方を接地することができる。このように、スイッチ２
０’は、導体１１０と１２０との間で第１切換状態（た
とえば電気的に「開」）から第２切換状態（たとえば電
気的「短絡」）に変化する。

【０００４】ハウジング５０は、可撓性であるとよく、
湿気、塵などから機構９０を保護する密閉性を提供する
とよい。一般に、ハウジング５０はゴムで製造される。
しかし、スイッチ・アクチュエータ９０は１００万回の
操作以上の予想寿命を有することがあるが、実際には、
水および塵から密封するハウジング５０の能力は、数ヶ
月で劣化することがある。繰り返し折り曲げ、極端な温
度にさらし、さらに一般的な老化によって、ハウジング
５０は可撓性を失い磨耗して、ひび割れを生じ、それを
通して湿気や塵が侵入することがある。さらに、ハウジ
ング５０と基板４０との間の境界７０が劣化して、さら
にアクチュエータ９０への漏洩路を提供することがあ
る。残念な結果として、スイッチ２０’の機能が中断す
るか、あるいは誤動作することさえある。

【０００５】劣化しやすいことに加えて、ゴムまたはそ
の他の非導電ハウジング材料５０を使用すると、内部の
スイッチ・アクチュエータ９０に静電シールドを提供し
ない。コンピュータ１０またはスイッチ２０’を伴うそ
の他の機器のユーザは、床を歩き回って静電気を蓄積
し、これは、ユーザがスイッチ２０’に接触するか、使
用しようとすると、機器１０に放電される。

【０００６】先行技術のアクチュエータ・スイッチ機構
のもう一つの望ましくない態様は、ドーム形ハウジング
５０によって生じるアクチュエータの動程（ΔＹ）の関
数としてユーザが発生する起動力（Ｆ）の転位関数が非
線形なことである。図３は、このようなアセンブリに特
有の典型的な「Ｓ」字形の転位関数曲線を示す。最初
は、増大するＦが動程距離ΔＹを増大させるが、ゴム製
ドーム５０が下方向に縮みはじめるので、多少圧縮され
た構成で、ドームが再度、直線のＦ対ΔＹの転位関数を
呈し始めるまで、力の減少とともにΔＹは増加する。転
位関数がＳ字形のために、効率的なスイッチ操作を可能
にしながら、適切な触知可能なフィードバックをユーザ
に提供するようなスイッチを設計することは困難であ
る。

【０００７】ゴム製ハウジングの存在は、さらに大きい
起動力を必要とし、スイッチ機構を起動させるためにユ
ーザはさらに強く押す必要があるので、転位関数特性
は、さらに複雑になる。これらの要件は、ラップトップ
・コンピュータのキーボードを使用するためには特に重
要であり、使用する場合は、アクチュエータの動程、起
動力、および触知フィードバックが所望の操作範囲内で
予想可能であるとよい。要するに、必要なのは、防湿性
で繰返し操作に耐えることができる機械的スイッチ・ア
クチュエータである。このような機構は、電気シールド
および好ましくは起動力とアクチュエータの動程との間
でほぼ直線の転位関数も提供するとよい。このようなア
クチュエータは、ラップトップ・コンピュータまたはそ
の他の電子装置にかなりの重量または費用を与えないこ
とが好ましい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題を緩和する
ことが、本発明の目的である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様によ
ると、機械的アクチュエータを所望のスイッチ状態に入
れる起動変位力に反応する前記機械的アクチュエータ
と、前記アクチュエータを囲み、少なくとも１つのひだ
領域を有して、金属から製造される、可撓壁の閉じたハ
ウジングとを特徴とするスイッチが提供される。

【００１０】本発明の第２の態様によると、前記機械的
アクチュエータを所望のスイッチ状態に入れる起動変位
力に反応する機械的アクチュエータとともに使用するた
めに、少なくとも１つのひだ領域を有して、金属から製
造されることを特徴とする可撓壁の閉じたハウジングが
提供される。

【００１１】ハウジングは、ニッケル金属から鋳造する
ことが好ましく、機械的スイッチ・アクチュエータを囲
んで、これを静電遮蔽することができ、さらに湿気およ
び塵の侵入に対して障壁を提供する。ハウジングのベー
スは、インサート成型、エポキシ接着、ポリマー・シー
ル剤を使用した圧入でスイッチ・アクチュエータ・ハウ
ジングに取り付けるか、またははんだ付けによってマザ
ーボードまたはスイッチ・アクチュエータを含む基板に
取り付けることができる。可撓蛇腹は、おおむね線形の
力対アクチュエータ動程の転位関数を生成し、さらにス
イッチが開閉スイッチ状態間で変化するにつれ、良好な
触知フィードバックを生成する。さらに、蛇腹の渦巻の
数および厚さを調整して、非線形の転位関数など、所望
の転位関数を生成することができる。

【００１２】本発明の実施例を、添付図を参照しなが
ら、例を挙げて説明する。

【００１３】

【実施例】図４は、本発明による、キーボード・スイッ
チ２０’と、コンピュータのON/OFFスイッチなどの他の
機械的スイッチ３０’を含むラップトップ・コンピュー
タを示し、このスイッチは湿気および塵に対して抵抗力
がある。図２の部分的切断図に図示されているのは、マ
ザーボードまたはその他の基板に取り付けられ、蛇腹状
の可撓金属ハウジング１００に囲まれた、本発明による
キーボード・スイッチ２０”である。言うまでもなく、
本発明による防湿性および防塵性のスイッチは、ラップ
トップ・コンピュータ以外の電子機器に使用することが
できる。

【００１４】図５は、リード線１１０、１２０によって
プリント回路基板またはその他の基板４０に取り付けら
れ、可撓壁の閉じたハウジング１００に囲まれた機械的
スイッチ３０’を示す。スイッチ機構６０は、通常は基
板４０から離れる方向で垂直のバイアスがかかったアク
チュエータ軸１３０に取り付けられる。軸１３０は、ほ
ぼハウジング１００の「屋根」部１３２まで延びるか、
軸様部材１３４が軸１３０方向に延びるようにハウジン
グ１００を形成することができるが、無負荷状態では、
下に所望の距離Ｇだけ間隔をあける。空隙距離Ｇは、当
面のスイッチ用途によって異なるが、通常は約１mmであ
る。いずれの場合も、ハウジング１００の過剰圧縮とそ
れによる過剰応力は、軸１３０の長さか部材１３４の長
さ、あるいはその両方によって防止される。

【００１５】図５の配置構成では、ハウジング１００は
一定ピッチＰで形成された３つの渦巻（またはひだ）１
４０を有する。ハウジング１００の外周部は、超音波溶
接、接着剤（たとえばエポキシ）の接着、ポリマー・シ
ール剤を使用した圧入などによって、通常はプラスチッ
ク製のスイッチ・ベース・ハウジング１６０の領域１５
０に取り付けられる。（後者の場合は、図５の参照番号
１５０はこのようなポリマー・シール剤を表す。） ハウジング１００の設計には、大きな余裕が設けられ
る。圧縮力がない場合は、ハウジング１００は約0.05mm
ないし約0.15mmの範囲の肉厚を有し、拡張時の長さＬは
おそらく１mmないし８mmの範囲である。これより大きい
Ｌの値を設けることもできるが、Ｌの値が大きすぎる
と、その結果、スイッチのパッケージングに悪影響を及
ぼす。ハウジングの直径Ｄの範囲は、おそらく2.6mmか
ら１０cmにまでなり、アクチュエータのストロークΔＹ
は１mm未満から１cm以上までの範囲にすることができ
る。この場合も、大きい寸法のハウジングを製造するこ
とができるが、その結果、スイッチのパッケージングに
悪影響を及ぼすことになる。

【００１６】キースイッチ２０”の場合、ハウジング直
径Ｄは約３mmないし１００mmの範囲（約６mmが好まし
い）で、長さＬは約1.5mmないし約６mm、変位ストロー
クΔＹは約３mmないし約８mmの範囲（約７mmが好まし
い）で、肉厚は、好ましくは約0.06mmないし約0.12mmの
範囲で一定値となる。典型的なON/OFFスイッチ３０’
は、ハウジングの直径Ｄを１０mm、長さＬを約５mm、変
位ΔＹをおそらく２mm、肉厚を約0.12mmにする必要があ
るかもしれない。一般的な汎用スイッチは、Ｌ≒1.6m
m、Ｄ≒８mm、アクチュエータの変位ストロークΔＹ≒
１mm、肉厚Ｔ≒約0.06mmである。

【００１７】ハウジング１００の製造方法は、当業者に
は周知である。一般に、ハウジング１００は、いわゆる
「ロストワックス」法に似た技術を用いて製造する。ハ
ウジング１００の所望のサイズに合わせてワックスのハ
ウジングを製造し、これを使用して鋳型を作成する。次
に、鋳型を溶融したニッケル金属で満たし、これがハウ
ジング１００を形成する。あるいは、ひだ領域１４０を
別個に製造し、溶接して合わせて、より高品質のハウジ
ングを生産することができる。しかし、より費用の安い
ロストワックス・タイプの大量生産鋳物ハウジングは、
おそらく数十億回曲げるという寿命が見積もられ、費用
は先行技術のゴム製ハウジングと競争できる。ハウジン
グ１００に類似したニッケル金属の蛇腹には、圧力変化
モニタとして航空機産業に用途がある。

【００１８】図６は、アクチュエータのストロークΔＹ
を発生する圧縮力Ｆをかける間の、図５のスイッチ３
０’を示す。図６で下方向に移動するにつれ、軸１３０
の一部がスイッチ機構６０の内部に移動することに留意
されたい。前述のように、アクチュエータの軸１３０と
部材１３４とを組み合わせた長さのため、ハウジングは
約ΔＹの距離より大きく圧縮されることがない。図６に
図示した配置構成では、スイッチ３０’を構成する電気
的接点は、接触するなどして通常は「ＯＮ」である。言
うまでもなく、スイッチ３０’は図５の配置構成で通常
は「ＯＮ」、図６の配置構成で「ＯＦＦ」にすることも
できる。

【００１９】図７は、スイッチ３０’が、たとえば領域
１７０でプリント回路基板または基板４０の接地領域１
７２にはんだ付けするなどの方法により接地された、蛇
腹状ハウジング１００を含む配置構成を示す。この方法
では、スイッチ機構１２０およびその下のボードまたは
基板が、おそらく床の上を歩き回って静電気を蓄積した
後にスイッチ３０’に触れるユーザからの静電放電か
ら、ハウジング１００によって遮蔽される。

【００２０】図８は、ラップトップ・コンピュータ１
０’（図４参照）の様々なキーボードのキーに使用する
ような、ハウジング１００の上に取り付けられたキーキ
ャップ１８０を有するスイッチ２０’を示す。言うまで
もなく、キーキャップ１８０は図５ないし７に図示した
スイッチに追加することもできる。

【００２１】図９は、図５ないし８に図示したスイッチ
のいずれかの起動力（Ｆ）対動程（ΔＹ）の転位関数を
示す。実際には、図５で描いたように、渦巻１４０がほ
ぼ一定のピッチＰを規定し、ハウジングの肉厚Ｔがほぼ
一定であれば、図９の線２００に図示したようなおおむ
ね線形の転位関数が生成される。肉厚Ｔを増加させなが
らハウジング１００の渦巻を増加させるか、肉厚を薄く
しながら渦巻を少なくしても、ほぼ一定の転位関数を得
ることができる。非線形の転位関数の場合、ハウジング
１００は様々な直径の渦巻か様々な高さの渦巻、あるい
は様々な厚さにするか、あるいはそれを組み合わせるこ
とによって形成してもよい。所望すれば、ハウジングの
壁の一部が、渦巻でない領域によって分離された渦巻を
含むことができる。

【００２２】たとえば、図９の想像線グラフ２１０また
は２２０で図示するように、スイッチの設計者はハウジ
ング１００の設計を調節して、所望の非線形転位関数を
生成することができる。特に、転位関数は第１領域（Ｆ
≦Ｆ２、ΔＹ≦Ｙ１）で直線で、第１の利得は前記領域
の傾斜によって与えられ、第２領域（Ｆ≦Ｆ１、ΔＹ≦
Ｙ２）が第２の異なる利得を有する直線であってもよ
い。（所望すれば、様々な利得で追加のおおむね直線の
領域も生成することができる。） 例によって、総アクチュエータ距離ΔＹが５mmで、たと
えばグラフ２１０のように、最初の１mmが他より小さい
力で撓むとする。図１０のハウジング１００で図示する
ように、ハウジング１００の最上位の１つまたは複数の
渦巻１４０’を、残りの渦巻１４０”の側壁寸法Ｔ”よ
り薄く製造することによって、その結果の転位関数を調
整することができる。通常、壁が薄い方の渦巻１４０’
は、壁が厚い方の渦巻１４０”に関連する分離Ｐ”より
大きいピッチ分離Ｐ’を有する。図１１は、最上位の渦
巻１４０”が、下位の渦巻１４０’に関連する肉厚Ｔ’
および分離ピッチＰ’より厚い肉厚Ｔ”および小さい分
離ピッチＰ”を有するハウジング１００を示す。その結
果の転位関数は、図９の想像線グラフ２２０になり、こ
れは、初期撓み後、任意の量の動程ΔＹを生成するのに
必要な力が小さい。図１１に図示したハウジングの設計
には、圧縮力の存在時に座屈しないよう、多少注意しな
ければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 先行技術による一般的なラップトップ・コン
ピュータである。

【図２】 先行技術による、ゴム製可撓ハウジングに囲
まれた機械的スイッチ・アクチュエータの断面図であ
る。

【図３】 先行技術による、図２に図示した先行技術の
スイッチのおおむね「Ｓ」字形の力対アクチュエータ動
程の転位関数である。

【図４】 本発明によるスイッチを装備したラップトッ
プ・コンピュータである。

【図５】 本発明による遮蔽可撓ハウジングに囲まれた
機械的スイッチ・アクチュエータの断面図である。

【図６】 撓んだ配置にある図５の機械的スイッチ・ア
クチュエータの断面図である。

【図７】 本発明による、接地した遮蔽可撓ハウジング
を描いた第２の実施例の断面図である。

【図８】 本発明によるキーボード・タイプのキースイ
ッチの断面図である。

【図９】 図５ないし８で図示したスイッチの、おおむ
ね線形の力対アクチュエータ動程の転位関数である。

【図１０】 本発明による、初期撓み後に転位関数の傾
斜が上昇するスイッチ・ハウジングである。

【図１１】 本発明による、初期撓み後に転位係数の傾
斜が下降するスイッチ・ハウジングである。

【符号の説明】

１０ コンピュータ ２０ キーボード・スイッチ ２０’ スイッチ ２０” キースイッチ ３０ 機械的スイッチ ３０’ 機械的スイッチ ４０ 基板 ５０ ハウジング ６０ 機構 ７０ 境界／接着剤 ８０ アクチュエータ ９０ バネ １００ ハウジング １１０ 導体 １２０ 導体 １３０ 軸 １３２ 屋根部 １３４ 軸様部材 １４０ 渦巻 １４０’ 渦巻 １４０” 渦巻 １５０ ポリマー・シール剤 １７２ 接地領域 １８０ キーキャップ ２１０ グラフ ２２０ 想像線グラフ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械的アクチュエータ（６０）を所望の
   スイッチ状態に入れる起動変位力に反応する前記機械的
   アクチュエータ（６０）と、前記機械的アクチュエータ
   （６０）を囲み、少なくとも１つのひだ領域（１４０）
   を有して、金属から製造される可撓壁の閉じたハウジン
   グ（１００）とを特徴とするスイッチ。
2. 【請求項２】 前記機械的アクチュエータ（６０）を所
   望のスイッチ状態に入れる起動変位力に反応する機械的
   アクチュエータ（６０）とともに使用するために、少な
   くとも１つのひだ領域（１４０）を有して、金属から製
   造されることを特徴とする可撓壁の閉じたハウジング
   （１００）