JPS6016050B2 - 静電スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、電気的なスイッチに関するものであり、特
に、静電結合を用いた電気的なスイッチに関するもので
ある。

亀気的なスイッチは多くの制御および選択機能を行なう
ために用いられることができる。

このような幅広く用いられる機能は、タイプラィタ、電
話送受器および計算機のようなキーボード装置内にある
。このような装置のキーボードは電気信号を制御するの
で、それらの複雑さや、反発力の信糠性がないことおよ
びコスト的な問題のため、機機的なコンタクトスイッチ
の使用を避けるようにしなければならない。したがって
、これらのキーボードはスイッチング動作を行なうため
変換器の一種を用いる。磁気的に作動されるリードスイ
ッチ、ホール効果素子、光電素子および静電技術などが
用いられるようにされている。キーボード操作の信頼性
を改善するために、各キ−スイッチは、キースィッチの
復帰力を与えるため簡単な圧縮ばねを有している。いく
つかの最近のキーボ−・ドの設計では、固定磁石との相
互作用によって生じる磁気的な復帰力を利用することに
よって、圧縮ばねを用いることを避けている。これらの
磁気技術のいくつかはｔいくつかのキーボードの特殊で
複雑な「オーバセンタ（ｏｖｅｒ−ｃｅｎｔｅｒ）」お
よび／または他の特殊な「引き外し（ｔｒｉｐｐｉｎｇ
）ｊ機構の感じを単純に真似ているにすぎない。しかし
ながら、これらすべての電子キーボードの機械的ヒステ
リシスは、従来の「オーバセン夕」キースイツチよりも
小さい。機械的ヒステリシスは、キーが押圧されるとき
に生じる現象であり、キーが下方向に進んでいる間に第
１の点で電気信号が発生される。

この信号は、キーが開放されかつ第１の点の上にある第
２の点へ或る距離進み、かつそれから〜第１の点を通過
して再び下方へ進むまでｔ再び発生されることができな
い。第１および第２の点の間の距離は、機械的ヒステリ
シスである。しかしながら、それは、通常、全キー進路
の割合として表現されている。たとえば、もし第１およ
び第２の点の闇の空間が０．０１０インチ（１インチは
約２．５４仇）であり、全体の可能なキー進路が０．２
０インチであるとすれば、キーは、５％の機械的ヒステ
リシスを有すると言われている。キーが２個の英平面パ
ッド間の結合ェレメントとして働く静電スイッチ装置は
、最も小さな機械的ヒステリシス現象の１つを有すると
いうことがわかった。

その理由は、すべての有益な信号結合が、実際に、キー
の総進路の最後の５〜１５％の間に生じ、かっこの範囲
内でその結合が鋭く変化するからである。望まれること
は、有益な信号結合が非常に幅広い範囲を超えて生じ、
かつその変化が鋭くないということである。この方法で
は、進路における２以上の離れた点での信号結合の２個
のレベル閥で弁別するように、電気的な謙出回路を敏感
なものをすることができる。従釆の「静電キーボード」
の機械的ヒステリシス特性が乏しいにもかかわらず、静
電キーボードは製造面においては最大の経済性を与えて
いる。

なぜならばそれは、導電ヱレメントをサブストレート上
に容易に印刷できるという利点に依拠することができる
からである。それゆえに、静電キーボードを用いること
が望ましい。発明の概要 それゆえに「 この発明の主たる目的は、静電スイッチ
ボードの信頼性を上げるため、スイッチのより広範囲の
進路にわたり信号結合が生じるように、機械的ヒステリ
シスが増大され、改良された静電スイッチを提供するこ
とである。

この発明の静電スイッチは、絶縁材料からなるサブスト
レートの表面に形成される、導電材料からなる第１およ
び第２のパッドを備えた電気回路と、この電気回路に対
向して位置決めされる静電結合部材とを備える。

前記第１および第２のパッドは各々電気信号を転送する
ための端子を有する。また、第１および第２のパッドは
、所定の領域を隔てて分離されている。前記静電結合部
材は、前記第１および第２のパッドならびに前記所定の
領域に「所定の間隔を隔てて対向して位置決めされるス
イッチステムを有する。このステムは、前記パッドをま
たがるように延びしかもパッドから変位される。横方向
に延びる都村と、弓状に曲げられ、その両端が前記横方
向に延びる都材に固定され、それによってその弓状の凸
部が前記パッド‘こ間隔を隔てて面するように構成され
る弾性リボンとを有する。前記スイッチステムが前記サ
ブストレート方向へ移動するとき、前記弓状にされたり
ボンが前記パッドに機械的に接触するように、前記サブ
ストレートへの方向に往復運動を行なうように前記スイ
ッチを往復案内する手段がさらに設けられる。リボンは
、弾性プラスチック材料のサプストレートと、弾性プラ
スチック材料の前記サブストレートの１つの表面上に形
成される金属材料の層と、前記金属材料の層上の絶縁材
料のコーティングとからなる。以上のような構成で、ス
イッチステムが押圧されると、リボンがまず機械的に、
２個のパッドと、これらのパッド間に形成されるサブス
トレート上の領域とに接触し、かつ機械的接触領域が単
調に増加する。

リボンの接触している領域が絶縁されれば、薮触領域が
増加するにしたがって静電結合も増える。好ましい実施
例の説明 第１図において、静電スイッチは絶縁材料のサブストレ
ート１０を含む電気回路を有するものとして示されてい
る。

サプストレート１０上には、導電材料のパッド１２およ
び１４が印刷されている。パッドの先端または露出面は
導電面である。パッドはギャップ１６によって互いに隔
てられている。さらに、パッド１２は信号端子１８を介
してＡＣ信号ソースＳＳへ接続され、かつ、パッド１４
は、信号端子２０を介して信号利用装置ＳＵへ接続され
る。通常、ＡＣ信号は信号ソースＳＳから端子１８へ与
えられ、装置ＳＵによって端子２０で検知される。

ＡＦ信号は、好ましくは、パルス形式の信号である。端
子１８およびパッド１２から、パッド１４および端子２
０へ至る信号の経路は、静電結合部材によって制御され
る。静電結合部材はスイッチステム２４を含み、このス
テム２４の一方端には、パッド１２および１４に対向す
る横方向に延びる部村２４が設けられる。

リボン２６が、都材２４の両端に固定される。第２図に
示すリボンは、サブストレート２６Ａ、またはアルミニ
ウムもしくは銀のような金属材料２６Ｂの層に形成され
るマィラ（ＭＹＬＡＲ）のような弾性プラスチック材料
の裏板を有する。金属材料は絶縁材料２６Ｃのコーティ
ングで覆われる。静電結合部材は、スイッチステム２２
を通す支持部材２８によって、パッドに対向して位置決
めされる。もしスイッチが指操作されるべき場合、たと
えば、そのスイッチがキーボードの１個のキーであると
き、ステムの先端にはキーキャツプ３０が設けられる。
通常は、キーステムは図示の引込まれた位置に保持され
る。圧縮ばね３２のようなばねまたは前述した相互作用
する磁石が用いられてもよい。さらに、スイッチステム
２２の下方方向への進行に対する停止部材として働く弾
性材料の緩衝層３１が設けられる。

第ＩＡ図に示すように、リボン２６の最軸または縦軸Ｋ
Ａはギャップ１６の軸ＰＡとともに鋭角を作る。

もしこれらの軸が平行であれば、ステム２２が最大限進
んだ場合に静電変化が得られる。しかしながら、そのよ
うな配列では浮遊キヤパシタンスが最大となる。もしそ
れらの軸が直交であれば、浮遊キヤパシタンスは最小と
なるが、全体的なステムの進路がわずかでも、キヤパシ
タンス変化に関連する。それゆえに、平行と直交との間
の配向が好ましい。パッド１２からパッド１４への信号
の転送は、パッドを結合するキャパシタンスＣｋに依存
する。

第４図に示すように、このキャパシタンスは、３個の主
要な成分を有し、避けることができない浮遊キャパシタ
ンスであるところのキャパシタンスＣｓは、常に両パッ
ドを結合し、サブストレート上のレイアウトに起因する
ものであり、可変キャパシタンスＣｘはパッド１２をリ
ボン２６へ結合し、可変キャパシタンスＣｙはパッド１
４をリボン２６へ結合する（可変キャパシタンスはパッ
ドに関してリボン２６の位置の関数である）。パッド間
のキヤパシタンスは次の式で示される。Ｃｋ＝暴挙き＋
Ｑ スイッチの動作について、第３図および第５図をまず参
照して説明する。

まずスイッチは第３Ａ図に示す静止位置にある。このと
き、唯一の結合キヤパシタンスは浮遊キヤパシタンスＣ
ｓである。これが、第５図の曲線の点ｒとして示されて
おり、そこでは、浮遊キャパシタンスは最大キヤパシタ
ンスの１０％として示されている。キヤパシタスＣｘお
よびＣｙはこの時点では無視できる。ステム２２が押圧
されるに従って、可能な全進路の約１′３の距離にある
点ａに達し、リボン２６がちようどパッドーこ接触する
。その後で、さらに押圧すると、リボンが弾性変形され
、パッドおよびリボン間の結合を増加させる。たとえば
、第３Ｂ図は、進路が全体の約５０％である点ｂを示す
。最終的には、キーをさらに押圧すると、最大キャパシ
タンスは、リボン２６が第３Ｃ図に示すように完全にパ
ッドの上に横たわる点ｃに達するまで結合容量がさらに
増加する。圧縮緩衝層３１によってさらに進行が可能で
あるが、キャパシタンスが不必要に増加するだけである
。今、もし信号の転送と結合キャパシタンスとの間に直
線関係があり、かつ利用装置ＳＵが「メイク（ｍａｋｅ
）」に対し最大信号の８０％および「ブレイク（ｂｒａ
ｋｅ）」に対し最大信号の２０％としてのヒステリシス
基準を確立するものと仮定すると、メイクは７０％の進
行点に等しい点ｈ，で生じ、かつブレイクは、ムすなわ
ち４０％の進行点で生じる。

このように機械的なヒステリシスは総進路の３０％であ
ることがわかる。要するに、サブストレート上に印刷さ
れたパッド間のキャパシタンスが、ステム進路の比較的
早いときから始まり進路の残りの実質的にすべてを通じ
て続く間に「単調に増加する、そのような静電スイッチ
が示された。

これは、パッドに対向するステムの端部に固定されるリ
ボンの可榛性ループ形式の絶縁された導体を用いること
によって達成された。キャパシタンスの増加は、パッド
にリボンのループを非電気的「機械的接触させることに
よって得られ、それによりキャパシタンスはトステムの
下方向への進行が進むに従って、ループとの間の接触領
域が増加するに従って増加する。以上のように、この発
明によれば、機械的なヒステリシスが増大され、静電ス
イッチボードの信額性を上げることができる。この発明
の１つの実施例のみを示し説明してきたが、前掲の特許
請求の範囲に規定したこの発明の精神から逸脱すること
なく、その目的の多くまたはすべてを満足する数多くの
修正および変形が当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による静電スイッチの斜視図である。 第ＩＡ図は静電スイッチの電気回路のためのパッドの平
面図である。第２図は第１図のスイッチに用いられるリ
ボンの断面図である。第３Ａ図、第３Ｂ図および第３Ｃ
図はスイッチの３個の異なる進行距離の間の第１図のス
イッチの断面図である。第４図は第１図のスィッ升こ関
連するキヤパシタンスの千概略表示である。第５図は第
ｉ図のスイッチのキャパシタンスー変位特性を示す蓬鞍
想的な波形図である。図において「 １８はサブストレ
ート、１２および１４はパッド、２２はステム、２６は
リボン「２４は横方向に延びる部材、３２は圧縮‘まね
、１８および２０は端子を示す。 ‘ノ６．〆 〆ソＧ．仇 ‘ノ○２ ‘／Ｇ．３女 ‘′Ｇ．３８ 〆′Ｇ．３Ｃ ｆ／Ｇ．４ ＦＩＧ．５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁材料からなるサブストレートの表面に形成され
   る、導電材料からなる第１および第２のパツドを備えた
   電気回路と、前記電気回路に対向して位置決めされる静
   電結合部材とを備え、前記第１および第２のパツドは各
   々電気信号を転送するための端子を有し、前記第１およ
   び第２のパツドは、所定の領域を隔てて分離され、前記
   静電結合部材は前記パツドおよび前記所定の領域に、所
   定の間隔を隔てて対向して位置決めされるスイツチステ
   ムを有し、前記スイツチステムは、前記パツドをまたが
   るように延びしかもパツドから変位された横方向に延び
   る部材と、弓状に曲げられ、その両端が前記部材に固定
   され、それによつて、その弓状の凸部が前記パツドに間
   隔を隔てて面するように構成される弾性リボンとを含み
   、前記スイツチステムが前記サブストレート方向へ移動
   するとき、前記弓状にされたリボンが前記パツドに機械
   的に接触するように前記サブストレートへの方向に往復
   運動を行なうために前記スイツチを往復案内する手段を
   さらに備え、前記リボンは、弾性プラスチツク材料のサ
   ブストレートと、弾性プラスチツク材料の前記サブスト
   レートの１つの表面上に形成される金属材料の層と、前
   記金属材料の層上の絶縁材料のコーテイングとを含む、
   静電スイツチ。 ２ 静電スイツチが使用者の指によつて操作することが
   できるように前記横方向に延びる部材とは反対の位置に
   ある前記スイツチステムの端部に固定されるキーキヤツ
   プをさらに備えた、特許請求の範囲第１項に記載の静電
   スイツチ。 ３ 前記リボンの縦軸およびパツド間のギヤツプの軸は
   鋭角を作る、特許請求の範囲第１項に記載の静電スイツ
   チ。