JPS5840803B2 - 無接点押ボタンスイツチ回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、セラミック電歪振動子を圧電変換素子とす
るとともに、その振動駆動回路と圧電変換検出回路とを
設け、機械的印加圧力の検出、さらには電気−音響変換
のスイッチ機能を持たせた無接点押ボタンスイッチ回路
に関するもので、押ボタン操作の前後における回路の機
械的、電気的および音響的振動の有機的な変換効果をも
たらすこの種スイッチ回路の提供を目的とするものであ
る。

セラミック電歪振動子に直接大きな圧力を加えると振動
子のＱや中心振動周波数などの電気定数が大きく変化す
る。

例えば、第１図は圧電変換素子として利用するセラミッ
ク電歪振動子（以下圧電電歪素子という）の周波数対イ
ンピーダンス特性曲線を示したもので、圧電電歪素子の
端子間インピーダンスＺは常時は同図の曲線ａのような
周波数特性を持っている。

ところが、この圧電電歪素子に機械的圧力を加えると、
同図の曲線すのように変化する。

すなわち、加圧により素子の直列共振点が周波数ｆ１か
らｆ２に変化すると同時に、共振点付近の周波数に対す
るインピーダンスＺの変化の勾配が緩慢になる。

共振点の周波数がｆｌからｆ２に変化することは例えば
自励発振形では発振周波数が変化することを意味し、か
つ里〕ｆ！；ｆ１の勾配が緩慢になるとは素子のＱがｆ 低下することを意味する。

したがって自励発振形では発振強度の低下を意味する。

さらに周波数ｆ１に対するインピーダンスＺの変化のみ
に着目すると同図に示すごとく、インピーダンスＺの値
はＺｌからＺ２に変る。

このことは定電流駆動回路では端子間電圧が上昇するこ
とを意味する。

このように圧電電歪素子の電気定数変化は電圧レベルの
変化として、あるいは発振周波数の変化として取り出す
ことができるので、押ボタンを介して該素子への圧力の
印加を検知することができる。

一般に電気音響変換素子としての振動子は音圧の検出お
よび発音手段に用いられる場合が多いが、本発明は上記
圧電電歪素子の感圧機能を利用して機械的圧力、特に人
体の指圧力により操作駆動される押ボタンの押圧力を検
知するもので、従って、機械電気変換がもつとも重要な
トランスデユーサとなる押ボタンスイッチに係わる回路
である。

第２図に上述の圧電電歪素子を構成要素として構成した
押ボタンの１例図を示す。

同図は円形押ボタンの組成を表わした縦断面図で、１は
リード端子２を有する圧電電歪素子、３は円筒蓋状の押
ボタン体、４は樹脂等の充填材、５はゴム等の緩衝材、
６は支持台、７は押ボタン体３に使用する材料の如何に
応じて必要とする絶縁材である。

これらの組成材は接着材で接着されて、この種押ボタン
に構成される。

構成の形状は必ずしも一様ではなく、例えば第２図に仮
想線で示したごときアームを設ける等押ボタンの形状は
自由である。

本発明は上記のごとき構成の押ボタン（以下単に押ボタ
ンという）を用い、機械的圧力を電気変換により検知す
るスイッチ回路、さらには電気０機械０音響の変換機能
を持った無接点押ボタンスイッチ回路を構成したもので
ある。

以下本発明の実施例を第３図以下の図面とともに説明す
ると、第３図は押ボタンを発振回路の振動子に用いた場
合の押ボタンスイッチ回路で、点線で囲んだ発振回路Ａ
１の同調回路に共振振動子として押ボタンＳ１を用いた
例である。

押ボタンＳ１に機械的外圧が加圧されていないときは自
励発振により押ボクンＳ１の振動周波数の信号がインピ
ーダンス変換’１５ Ｚ Ａを介して増巾され、整流器
ＲＦ１で整流されて出力する。

すなわち、発振回路Ａ１による振動子Ｓ１の電気入力の
変化をインピーダンス変換器ＺＡによって検出し、押ボ
タンに加わる押圧力の有無に対応した電気出力を整流器
ＲＦＩから得るものである。

この回路におい。て押ボクンＳ１に強い押圧力を加える
と、第４図イに示すように加圧している間、発振が停止
し、同図口のごとくスイッチ出力はＯＮからＯＦＦとな
り、加圧を去ると再び発振を開始してスイッチ出力はＯ
Ｎとなる。

このようなスイッチ作用により確実に機械的圧力の有無
が検知される。

ここで、インピーダンス変換器ＺＡは、次段の整流器Ｒ
Ｆ１が発振回路Ａ１の動作に影響を及ぼさないように挿
入した緩衝回路である。

第５図は定電流源としての発振器Ａ２の出力側に図示の
ごとく押ボタンＳ２を接続し、検知レベル■１のレベル
検知器ＬＤ１と整流器ＲＦ２とを設けた押ボタンスイッ
チ回路で、この場合はスイッチ出力がＯＮの状態で押ボ
タン圧力を検知する回路である。

すなわち、発振器Ａ２の出力周波数を一定とすると、第
１図の特性図で説明したように加圧により押ボタンＳ２
のインピーダンスが高くなる。

したがって、発振器Ａ２が定電流源であると、第６図へ
に示すごとくそれまでレベル検知器ＬＤ１の検知レベル
ｖ１以下の出力レベルのためスイッチ出力が同図二のご
と＜ＯＦＦの状態にあった発振器Ａ２の出力電圧は押ボ
タンＳ２の押圧によるインピーダンス増加により上昇し
て検知レベルｖ１を越えレベル検知器ＬＤ１を通ること
によりスイッチ出力がＯＮとなって押ボタンＳ２の押圧
が検知される。

第７図は発振が停止しない程度の被圧力で変化する押ボ
タンＳ３の振動数により発振周波数が変動する発振回路
Ａ３の出力回路に周波数−電圧変換器ＦＥ、レベル検出
器ＬＤ２および整流器ＲＦ３を設けて構成した押ボタン
スイッチ回路である。

周波数−電圧変換器ＦＥは一般には第８図に示すごとき
周波数対電圧特性を有するごとく構成されており、押ボ
タンＳ３はまた加圧によりその振動数が低下するので、
押ボタンＳ３が押圧されると発振回路Ａ３の出力周波数
が低下する。

したがって周波数−電圧変換器ＦＥの出力電圧レベルが
低下してレベル検出器ＬＤ２の検出レベル以下になると
不イツチ出力が断たれて押ボクンＳ３に圧力が加えられ
たことが検知される。

以上、第３図または第７図において、発振回路Ａ１．
Ａ３から振動子Ｓ１．Ｓ３を除く部分が、振動子Ｓ０ま
たはＳ３に対する励振回路とみることができる。

次にこの種押ボタンを可聴周波振動数の発音体とし、こ
の発音体の位置を聴覚的に知らせるとともに、位置を知
って押した押ボタンが動作したことを聴覚的に知らせる
効果を有する、例えば盲人を対象に設置されるような押
ボタンスイッチ回路について述べる。

セラミック電歪振動子を可聴周波振動数で励振すると、
振動子自体の振動により、□聴取相応な音量の音を発生
することはすでに知られている。

以下の実施例はこの振動音響特性を利用した押ボタンス
イッチ回路例を示したものである。

第９図は押ボタンの操作により一定時間音色を変える効
果を持つ回路例で発振周波数ｆａの発振器Ａ４、発振周
波数ｆｂの発振器Ａ５、検出レベルｖ２のレベル検知器
ＬＤ３、整流器ＲＦ４、スイッチ出力でセットされる記
憶回路Ｍ１、記憶回路Ｍ１のセット時間を設定するタイ
マーＴ１、タイマーＴ１の設定する時間記憶回路Ｍ１の
セット出力で動作するリレーＲ１等を用い、リレーＲ１
の復旧接点ｒｌｂをそれぞれ発振器Ａ４０回路および記
憶回路Ｍ１の入力回路に、リレーＲ１の動作接点ｒ１ａ
を発振器Ａ５の出力回路に挿入して回路を構成し、押ボ
タンＳ４を図示の位置に接続したものである。

ただし、この回路構成は、発振器Ａ４ 、Ａ５を定電流
源とした場合の例で、定電圧源とする場合は逆の思想で
構成が可能である。

第９図の回路についてその動作を説明すると、常時すな
わち待機時における発振器Ａ４ 、Ａ５の出力電圧レベ
ルはレベル検出５ＬＤ３の検出レベル■２以下に設定さ
れているので、スイッチ出力はなく記憶回路Ｍ１はリセ
ット状態であり、リレーＲ１は復旧しているから、その
復旧接点ｒ１ｂを介して活かされている発振器Ａ４によ
り押ボタンＳ４は励振されて振動するとともに、その励
振周波数ｆａの可聴音を発生している。

次に押ボタンＳ４に押圧力が加えられると第１０図のチ
ャートホに示すごとくそれまで検出レベル■２以下であ
った周波数ｆａのレベルが検出レベルｖ２を越えて上昇
し、レベル検出器ＬＤ３を通ったスイッチ出力がリレー
Ｒ１の復旧接点ｒｌｂを介して記憶回路Ｍ１をセットし
、そのセット出力がリレーＲ１を動作させるから記憶回
路Ｍ１の入力回路および発振器Ａ４の電源回路が断たれ
第１０図のチャートホのごとく周波数ｆａの信号が断た
れ、かつ記憶回路Ｍ１へのセット入力は同図のチャート
へのごとくになる。

一方タイマーＴ１は記憶回路Ｍ１のセット出力が入力す
ると計時を開始し設定時間ｔ１後に記憶回路Ｍ１をリセ
ットする。

したがってリレーＲ１は第１０図のチャートドに示すご
とく時間ｔ１の開動作を継続し、その間チャートチに示
すごとく押ボタンＳ４は発振器Ａ５の発振周波数ｆｂで
励振される。

このように励振周波数が変化することによって押ボタン
Ｓ４の発生する音色が変るから、押ボタンの操作が音色
の変化によって検知される。

第１１図は音の断続数を変化させることによって押ボタ
ンの操作を検知する押ボタンスイッチ回路の１例で、可
聴周波発振器Ａ６、パルス発生器ＰＧ、パルス発生器Ｐ
Ｇの発生するパルス周期を変る周期変換器ＣＣ，アンド
ゲートＡＧ１押ボタボタン、レベル検出器ＬＤ４、整流
器ＲＦ５、記憶回路Ｍ２、タイマーＴ２、リレーＲ２等
を図示のごとく接続して構成し、リレーＲ２の復旧接点
ｒ２ｂを記憶回路Ｍ２の入力回路および周期変換器ＣＣ
からパルス発生器ＰＧへの一指令回路に、また他の指令
回路にリレーＲ２の動作接点ｒ２ａをそれぞれ挿入しで
ある。

なおこの場合も発振器Ａ６を定電流源とする。

発振器−Ａ６の出力レベルを検出器ＬＤ４の検出レベル
■３以下に設定すると、押ボタンＳ５が操作されていな
い常時すなわち待機時はリレーＲ２は復旧状態にあって
パルス発生器ＰＧのパルス発生周期はリレーＲ２の復旧
接点ｒ２ｂを介する周期変換器ＣＣからの指令信号によ
り、第１２図のチャートリに示すパルス間隔Ｔｂである
とする。

発振器Ａ６の出力周波数信号はパルス発生器ＰＧの発生
するパルスの入力を条件にアンドゲートＡＧを通過し、
第１２図のチャートヌに示す断続信号となって押ボクン
Ｓ５を励振し、押ボタンＳ５は周期Ｔｂの断続音を発生
するが、レベル検出器ＬＤ４からの出力はない。

次に押ボタンＳ５に押圧力が加えられると、アンドゲー
トＡＧの出力電圧のレベルが上昇し、検出レベルｖ３を
越えてレベル検出器ＬＤ４および整流器ＲＦ５を通るス
イッチ出力がリレーＲ２の復旧接点ｒ２ｂを介して記憶
回路Ｍ２をセットし、押ボタンＳ５への加圧が記憶され
る。

リレーＲ２、タイマーＴ２０作用動作は第９図で述べた
のと同様で記憶回路Ｍ１へのセット入力は第１２図のチ
ャートルのごとくであり、リレーＲ２は同図のチャート
ラに示すごとくタイマーＴ２に設定した時間ｔ２の開動
作する。

リレーＲ２が動作するとその動作接点ｒ２ａを介して周
期変換器ＣＣの指令がパルス発生器ＰＧのパルス発生周
期をチャートリに示すとと＜Ｔａに変換し、アンドゲー
トＡＧの出力信号もチャートヌのごとく周期Ｔａの断続
信号となって押ボタンＳ５を励振するから、押ボタンＳ
５は加圧される前後において異った周期の断続音を発生
し、押ボタン操作の検知が聴覚によって認知される。

なおチャートヌは押ボタンＳ５への加圧が周期Ｔａにわ
たった場合の図示である。

また記憶回路とタイマーを省いて出力リレーを直接動作
させる構成（第９図、第１１図に点線で示す）にすると
押ボタンを押している間だけ変音する構造にすることも
できる。

さらにまた第１１図において記憶回路にフリップフロッ
プ回路を使用し、接点ｒ２ｂの代りに直接整流器ＲＦ５
の出力ラフリップフロップに導入するような構造にする
と、いわゆるオールターネート形押ボタンスイッチとな
る。

すなわち、第１回目の抑圧と第２回目の抑圧とで異なる
周期の音を発生するようにすることができ、第３回目の
抑圧では第１回目の抑圧と同じ周期の音を発生する。

したがって第２回目では押ボタンを押さないとき発生し
ている音の周期になる。

この場合、使用するタイマーは変音を常時音に戻すため
にあり、抑圧の繰返えし周期に較べて十分に長い時間を
計時できる構造とすることによってリレーＲ２が励磁状
態になり続ける場合、自動的に無励磁の側に戻してしま
う機能を有する。

以上に述べた本発明の効果は次の通りである。

（１）信頼性に優れている。

すなわち、本発明は静的に電歪振動子の電気定数変化を
検出するものであるから、本発明によるスイッチは、電
気的可動部品である接点を必要としないことは勿論のこ
と、いわゆる機械的可動部分をまったく必要としない。

従って、摩耗による故障を生じない。

（１１）持続形の出力が得られること。

従来のこの種スイッチにおいては、押圧力によって与え
られる電気エネルギーを直接スイッチの動作のエネルギ
ーとしている。

一方、本発明では、振動子のエネルギー源が別途励振回
路から与えられており、押圧力による振動子の電気定数
変化を検出するものとなっている。

従って、前者は衝激力（本質的には加速度）を与えられ
たときのみ、出力が得られ、出力は時間的に持続しない
。

しかるに、後者は押圧力に対して振動子の電気定数が追
従するので、押圧力を与えている間、出力は持続して得
られることになる。

（ｉｉｉ） 聴覚的効果を有すること。

従来のスイッチ類においては、扱い者に対してスイッチ
の位置を認識させたり、スイッチ操作による動作確認の
表示を出したりする必要がある場合には、特別な装置を
追加しなければならなかった。

しかし、本発明は、押ボタンとして用いる電歪振動子自
体が発音体として聴覚効果を有するので、スイッチの位
置の認識、また音響周波数の変化による動作確認が容易
に可能となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明無接点押ボタンスイッチ回路の実施例に関
するもので、第１図は押ボタン横取の要素である圧電電
歪素子の周波数対インピーダンス特性図、第２図は押ボ
タン構成の１例図、第３図は押ボタンの抑圧でスイッチ
出力をＯＮからＯＦＦにする回路の１例図、第４図は同
上の動作チャート、第５図は押ボタンの抑圧でスイッチ
出力をＯＦＦからＯＮにする回路例図、第６図は同上の
動作チャート、第１図は押ボタンの押圧による周波数変
化を利用したスイッチ回路例図、第８図は同上回路に用
いた周波数−電圧変換器の変換特性を示す１例図、第９
図は発音体押ボタンの励振周波数の変換により押ボタン
操作を聴覚的に検知する回路例図、第１０図は同上回路
の動作説明用チャート、第１１図は発音体押ボタンを励
振する信号の断続数変換により押ボタン操作を聴覚的に
検知する回路例図、第１２図は同上回路の動作説明用チ
ャートである。 １・・・・・・電歪振動子、８１．８２，８３，８４゜
Ｓ５・・・・・・押ボタン、ＡＩ 、Ａ２．Ａ３．Ａ４
。 Ａ５ 、 Ａ６・・・・・・発振器、ＺＡ・・・・・・
インピーダンス変換器、ＬＤｌ 、ＬＤ２ 、ＬＤ３．
ＬＤ４・・・・・・レベル検出器、Ｍｌ 、 Ｍ２・・
・・・・記憶回路、Ｒ１，Ｒ２・・・・・・出力リレー
、ＰＧ・・・・・・パルス発生器、ＣＣ・・・・・・周
期変換器、ＴＩ 、Ｔ２・・・・・・タイマー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電歪振動子と、押圧力によって該振動子の電気定数
   に変化を与える押ボタンと、該振動子を交流信号で励振
   する励振回路と、この励振回路による該振動子の電気入
   力の変化を検出する検出回路とからなり、押ボタンに加
   わる押圧力の有無に対応した電気出力を該検出回路から
   得ることを特徴とする無接点押ボタンスイッチ回路。 ２ 励振回路が電歪振動を共振振動子とした発振回路で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の無接
   点押ボタンスイッチ回路。 ３ 振動子を励振する交流信号として可聴周波信号を用
   いた特許請求の範囲第１項記載の無接点押ボタンスイッ
   チ回路。