スイッチ装置
【課題】圧電素子を保護しつつ、力センサに、なされた操作の検出に必要な荷重を伝達することができるスイッチ装置を提供する。
【解決手段】スイッチ装置１は、押し込み操作が可能なパネル２２と、パネル２２と接触するように設けられ、パネル２２の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に伴って付加される荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部としての力センサ１２と、力センサ１２が、上部に形成された開口２０２ａに挿入された台座部２０と、力センサ１２に接触するように台座部２０に設けられ、検出信号に基づいて振動を発生させる振動発生部１４と、台座部２０と振動発生部１４の間に介在し、力センサ１２の押し込まれる方向の移動に伴って、振動発生部１４を介して付加される荷重に基づいて弾性変形を行う弾性部材１８とを備える。
【解決手段】スイッチ装置１は、押し込み操作が可能なパネル２２と、パネル２２と接触するように設けられ、パネル２２の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に伴って付加される荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部としての力センサ１２と、力センサ１２が、上部に形成された開口２０２ａに挿入された台座部２０と、力センサ１２に接触するように台座部２０に設けられ、検出信号に基づいて振動を発生させる振動発生部１４と、台座部２０と振動発生部１４の間に介在し、力センサ１２の押し込まれる方向の移動に伴って、振動発生部１４を介して付加される荷重に基づいて弾性変形を行う弾性部材１８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、基部と、基部上に設けられた支持部と、支持部に支持される基板、及び基板の裏面に設けられる圧電素子からなる圧電アクチュエータと、基板の表面に接触するパッドと、パッド上に設けられた力センサと、力センサ上に設けられた支持トレイと、支持トレイに支持されたタッチ感知ディスプレイと、圧電アクチュエータを作動させる作動信号を生成するプロセッサと、を備えた携帯型電子デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この携帯型電子デバイスは、タッチ感知ディスプレイにタッチ操作がなされると、プロセッサに信号を出力し、信号を取得したプロセッサは、作動信号を生成する。圧電アクチュエータは、この作動信号に基づいて作動し、パッド、力センサ、支持トレイ及びタッチ感知ディスプレイを介して、操作者に触覚フィードバックを与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５２８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の携帯型電子デバイスは、パッドと接触する力センサの接触部分が半球状などの面積が狭い形状であると、軟質性材料から形成されるパッドを介して力センサに荷重が伝達し難く、タッチ感知ディスプレイになされたプッシュ操作を力センサで検出し難い問題がある。また、従来の携帯型電子デバイスは、タッチ感知ディスプレイになされたプッシュ操作による荷重が、両端を支持トレイに支持された圧電アクチュエータの中央に付加されるため、圧電アクチュエータが撓むことによって破損し易いという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、圧電素子を保護しつつ、力センサに、なされた操作の検出に必要な荷重を伝達することができるスイッチ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、筐体の側面から伸びて操作部と接触するように設けられ、操作部の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、上部に形成された開口に荷重検出部が挿入された台座部と、開口に挿入された荷重検出部に接触するように台座部内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部と、台座部と振動発生部の間に介在し、荷重検出部の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、を備えたスイッチ装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、圧電素子を保護しつつ、力センサに、なされた操作の検出に必要な荷重を伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面図であり、（ｃ）は、スイッチ装置のブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、プッシュ操作が行われた場合の状態を示す要部断面図であり、（ｃ）は、プッシュ操作によりパネルに過荷重が付加された場合の状態を示す要部断面図である。
【図３】図３（ａ）は、第２の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、スイッチ装置のプッシュ操作後の状態を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態の要約）
実施の形態に係るスイッチ装置は、筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、筐体の側面から伸びて操作部と接触するように設けられ、操作部の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、上部に形成された開口に荷重検出部が挿入された台座部と、開口に挿入された荷重検出部に接触するように台座部内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部と、台座部と振動発生部の間に介在し、荷重検出部の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、を備える。
【００１１】
[実施の形態]
（スイッチ装置１の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面図であり、（ｃ）は、スイッチ装置のブロック図である。なお、実施の形態に係る各図において、部品と部品との比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下に示す上面視とは、スイッチ装置１のパネル２２を押し込む方向、つまり、図１（ａ）の紙面に垂直な方向からスイッチ装置１を見ることを示すものとする。さらに、以下に示す過荷重とは、想定される平均的な操作者によるプッシュ操作によりパネル２２に付加される荷重を、大きく超えた荷重を示し、例えば、荷重を逃がす構成が無い場合は、圧電素子１５等が破壊される可能性がある荷重を示している。
【００１２】
このスイッチ装置１は、例えば、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作により、接続された電子機器に操作信号を出力すると共に、振動発生部１４の圧電素子１５を振動させることで、操作者に触覚フィードバックを与えるものである。この触覚フィードバックとは、例えば、操作者の指に振動を伝達させることであり、操作者は、この触覚フィードバックを指で感じることにより、操作が受け付けられたことを認識することができる。
【００１３】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、主に、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部としてのパネル２２と、筐体１０の側面１０５から伸びてパネル２２と接触するように設けられ、パネル２２の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部としての力センサ１２と、上部２０２に形成された開口２０２ａに力センサ１２が挿入された台座部２０と、開口２０２ａに挿入された力センサ１２に接触するように台座部２０内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部１４と、台座部２０と振動発生部１４の間に介在し、力センサ１２の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材１８と、を備えて概略構成されている。なお、本実施の形態に係る回転部とは、アーム４０〜アーム４３の少なくとも１つが対応する。
【００１４】
また、スイッチ装置１は、力センサ１２から出力された検出信号に基づいて振動発生部１４を制御して振動を発生させ、パネル２２に振動を伝達させる制御部３２を備える。以下において、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作は、プッシュ操作と記載する。
【００１５】
・筐体１０について
筐体１０は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方端部には開口１０１が形成されて開放され、他方端部には底部１０４を有して閉じられた箱形状となっている。また、筐体１０は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。
【００１６】
筐体１０は、例えば、その内部空間である収容部１０３の側面１０５の上部から、筐体１０の中心に向って突出する凸部１０２が形成され、この凸部１０２により、開口１０１が形成されている。この凸部１０２の表面は、筐体１０の上面１００となっている。この開口１０１は、例えば、図１（ａ）に示すように、上面視において矩形状となっており、パネル２２よりもひと回り大きい形状となっている。操作がなされていないとき、筐体１０の上面１００と、パネル２２の操作面２２ａとは、例えば、ほぼ平坦となるように構成されている。
【００１７】
筐体１０は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、４つの角部に支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄが設けられている。支持部１１０ａは、例えば、支持部１１０ｂと対向している。支持部１１０ｃは、例えば、支持部１１０ｄと対向している。
【００１８】
支持部１１０ａは、例えば、収容部１０３の角部から収容部１０３の中央に向けて突出し、図１（ａ）の上面視において、２つの凸部により中央に開口が形成された形状を有している。支持部１１０ａは、側面に孔が形成されたアーム４０の一方端部が、この開口に挿入され、支持部１１０ａの凸部の側面の孔からアーム４０の孔にピン１１１ａが挿入されることにより、アーム４０を回転可能に支持している。支持部１１０ａは、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、支持部１１０ｂ〜支持部１１０ｄは、例えば、この支持部１１０ａと同材料を用いて、同形状となるように形成される。
【００１９】
また、支持部１１０ａのアーム４０の支持方法と同様の方法により、支持部１１０ｂ〜支持部１１０ｄは、アーム４１〜アーム４３を回転可能に支持している。
【００２０】
なお、この支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄは、例えば、筐体１０と一体となって形成されても良いし、接着剤及びねじ止め等の方法により、筐体１０に取り付けられても良い。
【００２１】
・力センサ１２について
力センサ１２は、例えば、半球形状の先端部１２０が力センサ１２の本体側に移動する際に付加された荷重を検出するセンサである。この力センサ１２は、例えば、歪みゲージ、圧力センサ等が用いられる。なお、先端部１２０は、半球形状であるが、これに限定されない。
【００２２】
この力センサ１２は、例えば、アーム４０〜アーム４３に接触し、アーム４０〜アーム４３の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、この移動に伴って付加される荷重を検出して検出信号を出力するように構成されている。
【００２３】
また、力センサ１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、台座部２０の上部２０２に形成された開口２０２ａに挿入されている。さらに、力センサ１２は、例えば、パネル２２等の重さによる荷重の影響を排除するようにプリロードが設定されている。
【００２４】
・振動発生部１４について
振動発生部１４は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、台座部２０内に取り付けられている。また、振動発生部１４は、圧電素子１５と、金属板１６と、を備えて概略構成されている。
【００２５】
金属板１６は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、台座部２０の基部２００の内壁２００ａに設けられ、円板形状を有している。また、金属板１６には、例えば、導電性を有するアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、金属板１６は、例えば、合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成されても良い。
【００２６】
圧電素子１５は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属板１６よりも一回り小さい円板形状を有している。また、圧電素子１５は、例えば、供給された電圧により、伸縮を行う。この伸縮により、金属板１６が屈曲し、この屈曲によって振動が発生する。
【００２７】
圧電素子１５の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が用いられる。振動発生部１４は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を金属板１６の片面に積層して形成された積層ユニモルフ型の圧電アクチュエータである。なお、振動発生部１４は、例えば、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層バイモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層バイモルフ型、の圧電アクチュエータであっても良い。
【００２８】
なお、圧電素子１５及び金属板１６は、円板形状に限定されず、棒形状等であっても良い。
【００２９】
この圧電素子１５は、例えば、図１（ｃ）に示すように、圧電素子制御部３０と電気的に接続されている。この圧電素子制御部３０は、例えば、制御部３２と電気的に接続され、制御部３２から出力される指示信号に基づいて振動生成信号を生成し、圧電素子１５に出力するように構成されている。圧電素子１５は、例えば、この振動生成信号に基づいて振動する。
【００３０】
ここで、圧電素子１５は、例えば、前述の振動が金属板１６を撓ませて金属板１６を振動させ、この振動がパネル２２に伝達されることで、操作者は、指に振動を感じ、触覚フィードバックを得ることが可能となる。なお、圧電素子制御部３０は、例えば、制御部３２の機能として提供されても良い。
【００３１】
また、圧電素子１５は、一例として、２００〜３００Ｈｚの周波数で振動する。
【００３２】
・台座部２０について
台座部２０は、例えば、図１（ｂ）に示すように、円筒形状を有する基部２００と、基部２００の内壁２００ａの下部から内側に向けて突出する凸部２０１と、開口２０２ａが形成された上部２０２と、から概略構成されている。台座部２０は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、台座部２０は、例えば、基部２００、凸部２０１及び上部２０２が一体形成されも良いし、各部分が接着剤及びねじ止め等の方法により取り付けられても良い。
【００３３】
凸部２０１は、例えば、基部２００の内壁２００ａに沿って形成されることで、開口２０１ａを形成している。また、凸部２０１は、例えば、下面２０３ａ側が筐体１０の底部１０４と接触し、上面２０３ｂ側には弾性部材１８を介して振動発生部１４が設けられている。なお、台座部２０は、上記の構成に限定されず、弾性部材１８が、弾性変形した後、振動発生部１４が台座部２０の底部に接触しないように構成されているならば、開口２０１ａが形成されない形状であっても良い。
【００３４】
・パネル２２について
本実施の形態に係るパネル２２は、例えば、図１（ａ）に示すように、上面視にて矩形状を有する基部２２０と、基部２２０の外周に沿って基部２２０の外側に突出する縁部２２１と、を備えて概略構成されている。このパネル２２は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、パネル２２は、例えば、タッチ操作を検出可能なタッチパネル等で構成されても良い。
【００３５】
基部２２０は、例えば、筐体１０の開口１０１から露出している。基部２２０の外周は、例えば、開口１０１の縁よりもひとまわり小さくなるように形成されている。また、縁部２２１は、例えば、開口１０１の縁よりもひとまわり大きくなるように形成されている。
【００３６】
このパネル２２の裏面２２ｂには、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、接触子５０〜接触子５３が設けられている。この接触子５０〜接触子５３は、例えば、半球形状を有している。また、接触子５０〜接触子５３は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、アルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、ステンレス等の合金材料、又は、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、或いは、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。なお、接触子５０〜接触子５３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、弾性変形し難い材料を用いることが好ましい。さらに、接触子５０〜接触子５３は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、アーム４０〜アーム４３のそれぞれに接している。
【００３７】
・弾性体２４について
筐体１０の凸部１０２とパネル２２の縁部２２１との間には、例えば、弾性体２４が設けられている。
【００３８】
この弾性体２４は、例えば、縁部２２１の形状に応じたリング型状となっている。この弾性体２４は、一例として、図１（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面の形状がＵ字形状となっている。
【００３９】
また、弾性体２４は、例えば、鉄、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、又は、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。弾性体２４は、例えば、筐体１０の上面１００とパネル２２の基部２２０との隙間から入り込むゴミ等を防止するように構成されている。弾性体２４は、例えば、凸部１０２と縁部２２１とに弾性力を付加することで、パネル２２を押し下げ、振動発生部１４を介してアーム４０〜アーム４３と力センサ１２との接触を保つように構成されている。
【００４０】
・アーム４０〜アーム４３について
アーム４０〜アーム４３は、例えば、図１（ａ）に示すように、筐体１０の収容部１０３の対角線に沿うように、収容部１０３の角部から中央に伸びて放射状に設けられている。
【００４１】
アーム４０〜アーム４３は、例えば、長細い四角柱形状を有し、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、アーム４０〜アーム４３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、撓み難い材料を用いて形成されることが好ましい。このアーム４０〜アーム４３の先端には、それぞれ接触子６０〜接触子６３が設けられている。
【００４２】
この接触子６０〜接触子６３は、例えば、半球形状を有している。また、接触子６０〜接触子６３は、例えば、鉄、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、又は、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。なお、接触子６０〜接触子６３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、弾性変形し難い材料を用いることが好ましい。さらに、接触子６０〜接触子６３は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、力センサ１２の作用面１２１に接している。
【００４３】
ここで、アーム４０を例にとると、てこの原理から、アーム４０の回転中心であるピン１１１ａが支点、パネル２２の接触子５０が接触するアーム４０の点が力点、アーム４０の先端の接触子６０が作用点となっている。従って、この構成によれば、パネル２２に付加された荷重が作用点では小さくなり、その代わり、パネル２２の移動距離に比べて接触子６０の移動距離を稼ぐことできる。つまり、アーム４０〜アーム４３を設けることにより、パネル２２に付加された過荷重を緩和すると共に、力センサ１２を動作させることが可能な距離、力センサ１２を移動させることができる。
【００４４】
・制御部３２について
制御部３２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を備えたマイクロコンピュータである。また、制御部３２は、例えば、図１（ｃ）に示すように、力センサ１２と、圧電素子制御部３０を介して振動発生部１４と、に電気的に接続されている。また、制御部３２は、例えば、スイッチ装置１が電気的に接続される電子機器に操作信号を出力するように構成されている。この操作信号は、例えば、検出信号に基づいて生成され、プッシュ操作がなされたことを示す信号である。
【００４５】
また、制御部３２は、例えば、プッシュ操作を判定するためのしきい値３２０をＲＯＭに格納している。制御部３２は、例えば、力センサ１２から出力される検出信号とこのしきい値３２０とを比較し、検出信号がしきい値３２０を超える場合に、なされた操作をプッシュ操作と判定する。従って、制御部３２は、検出信号がしきい値３２０を超える場合に振動を発生させる。
【００４６】
以下に、本実施の形態に係るスイッチ装置１の動作について、各図を参照して説明する。
【００４７】
（動作）
図２（ａ）は、第１の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、プッシュ操作が行われた場合の状態を示す要部断面図であり、（ｃ）は、プッシュ操作によりパネルに過荷重が付加された場合の状態を示す要部断面図である。
【００４８】
操作者は、図２（ａ）に示すスイッチ装置１のパネル２２にプッシュ操作を行う。このプッシュ操作は、パネル２２の操作面２２ａの中央に行われるものとする。
【００４９】
このプッシュ操作に伴って、スイッチ装置１のパネル２２は、図２（ａ）の紙面下方に移動する。この移動により、パネル２２の接触子５０〜接触子５３が、接触するアーム４０〜アーム４３の上部に押し下げる方向の荷重を付加するので、アーム４０〜アーム４３は、下方に回転する。アーム４０〜アーム４３は、各支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄのピン１１１ａ及びピン１１１ｂ等を回転中心として回転する。また、弾性体２４は、パネル２２と凸部１０２との接触を保ちながら弾性変形を行う。
【００５０】
ここで、操作者によるプッシュ操作が、パネル２２の中央ではなく、パネル２２の縁近く、つまり偏って行われた場合、パネル２２は、操作面２２ａが傾いた状態で下方に移動する。しかし、このスイッチ装置１は、どの方向に偏っても接触子５０〜接触子５３の少なくとも１つがアームを介して力センサ１２を押し下げることが可能となる。
【００５１】
アーム４０〜アーム４３の回転の結果、図２（ｂ）に示すように、アーム４０〜アーム４３が、接触子６０〜接触子６３を介して力センサ１２を下方に押し下げる。
【００５２】
ここで、操作者が、パネル２２に対して通常よりも強い力でプッシュ操作を行った場合、つまり、パネル２２に過荷重が付加された場合、図２（ｃ）に示すように、アーム４０〜アーム４３が台座部２０の上部２０２に接触すると共に弾性部材１８を大きく弾性変形させ、荷重を台座部２０から筐体１０に伝達させる。従って、スイッチ装置１は、力センサ１２及び圧電素子１５に過荷重が付加されることを防止することが可能となる。
【００５３】
力センサ１２の下方への移動に伴って、先端部１２０を介して振動発生部１４が、弾性部材１８を弾性変形させながら下方に移動する。
【００５４】
先端部１２０が力センサ１２の本体方向に移動することにより、力センサ１２は、検出信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、検出信号を取得すると、検出信号としきい値３２０とを比較してプッシュ操作の有無を判定する。制御部３２は、プッシュ操作がなされたと判定すると、指示信号と操作信号を生成する。この指示信号は、圧電素子制御部３０に出力される。また、操作信号は、スイッチ装置１が接続された電子機器に出力される。
【００５５】
圧電素子制御部３０は、取得した指示信号に基づいて振動生成信号を生成し、振動発生部１４の圧電素子１５に出力する。圧電素子１５は、この振動生成信号に基づいて振動する。
【００５６】
この振動は、主に、振動発生部１４、力センサ１２、接触子５０〜接触子５３、アーム４０〜アーム４３及び接触子５０〜接触子５３を介してパネル２２に伝達する。操作者は、この振動を指で感じることにより、触覚フィードバックを得ることができる。
【００５７】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、振動発生部に設けられた接触子により、力センサに直接荷重を加えるのではなく、パネル２２、アーム４０〜アーム４３、力センサ１２及び金属板１６を介して圧電素子１５に荷重を付加するので、圧電素子１５を保護しつつ、操作の検出に必要な荷重を力センサ１２に伝達することができる。
【００５８】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、制御部３２により、検出信号としきい値３２０に基づいて圧電素子１５への電圧の供給を行うか否かを判定するので、誤操作による触覚フィードバックの付与を防止することができる。また、パネル２２がタッチセンサである場合、操作対象であるカーソルが、電子機器の表示部に表示されたボタンの境界を超えたとき等に振動を発生させ、操作者に触覚フィードバックを与えることができる。
【００５９】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、アーム４０〜アーム４３を備えているので、パネル２２が傾いたまま移動した場合でも、アーム４０〜アーム４３の少なくとも１つのアームにより、力センサ１２に荷重を付加することができる。また、スイッチ装置１は、アーム４０〜アーム４３を介して力センサ１２に荷重を付加するので、アームによるてこの原理を用いない場合と比べて、パネル２２に過荷重が付加されても力センサ１２には、適度な荷重が付加されるので、力センサ１２及び圧電素子１５を保護することができる。また、スイッチ装置１は、パネル２２に過荷重が付加されたとき、アーム４０〜アーム４３が台座部２０と接触すると共に弾性部材１８が大きく弾性変形するので、付加された過荷重を力センサ１２及び圧電素子１５に伝達し難いので、力センサ１２及び圧電素子１５を保護することができる。
【００６０】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、４つの接触子５０〜接触子５３を介してアーム４０〜アーム４３を移動させるので、接触子が１つの場合と比べて、パネル２２の付加された荷重を分散させることが可能となり、圧電素子１５及び力センサ１２を保護することができる。
【００６１】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、縁部２２１と筐体１０の間に、弾性を有する弾性体２４を備えるので、この弾性部材を備えていない場合と比べて、筐体１０内へのゴミ等の侵入を防止すると共に、接触子５０〜接触子５３とアーム４０〜アーム４３、及び接触子６０〜接触子６３と力センサ１２、の接触が保たれるので、遊びが少なく操作感が向上する。
【００６２】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、弾性部材１８の断面形状が円形状又は楕円形状である点で、上記の実施の形態と異なっている。
【００６３】
図３（ａ）は、第２の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、スイッチ装置のプッシュ操作後の状態を示す要部断面図である。
【００６４】
本実施の形態に係る弾性部材１８は、例えば、リング状の形状を有し、図３（ａ）に示すように、その断面形状は、円形状である。なお、断面形状は、円形状に限定されず、楕円形状であっても良い。この断面形状は、例えば、図１（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で本実施の形態のスイッチ装置１を切断した断面の形状である。
【００６５】
図３（ｂ）に示すように、プッシュ操作が行われた際、本実施の形態の弾性部材１８と金属板１６との接触面が、断面が矩形状である場合の弾性部材１８と金属板１６との接触面よりも小さい、つまり、断面において金属板１６の拘束条件が点支持により近くなるので、圧電素子１５が振動する際の金属板１６の撓みを阻害しない。従って、本実施の形態のスイッチ装置１は、より効果的にパネル２２に圧電素子１５の振動を伝達することができる。
【００６６】
本実施の形態に係るスイッチ装置１の変形例として、荷重検出部は、例えば、タクトスイッチ等のスイッチ素子が用いられても良い。例えば、スイッチ素子が使われた場合、制御部３２は、しきい値を用いること無く、プッシュ操作によりオン状態となったスイッチ素子から出力された信号に基づいてプッシュ操作が行われたと判定し、振動生成信号を生成して振動発生部１４に出力する。従って、制御部３２の構成が、しきい値に基づいて判定するものと比べて、簡単なものとなり、コストを削減することができる。さらに、タクトスイッチが押し下げされたとき、タクトスイッチのクリックに伴う触感がパネル２２に伝達し、操作者は、タクトスイッチからの触覚フィードバックを得ることができる。
【００６７】
また、本実施の形態に係るスイッチ装置１の変形例として、操作部は、指の接触等を検出することができるタッチセンサであっても良い。つまり、パネル２２が、タッチセンサである場合、制御部３２は、操作対象であるカーソルが、電子機器の表示部に表示された選択可能なボタンの境界を超えたとき等に振動を発生させ、操作者に触覚フィードバックを与えることができる。また、スイッチ装置１は、例えば、タッチセンサになされたタップ操作等の力センサ１２で検出されない操作に対しても、タッチセンサで検出し、触覚フィードバックを与えることができる。
【００６８】
なお、上記の各実施の形態のスイッチ装置１の変形例として、スイッチ装置１の形状は、矩形状に限定されず、用途に応じて変更可能である。
【００６９】
また、上記の各実施の形態の変形例として、スイッチ装置１は、例えば、電子機器の入力用のキーボードに好適に用いられる。この際、スイッチ装置１は、例えば、キーボードのひとつのキーとされ、キーの数だけ複数配置される。
【００７０】
以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１…スイッチ装置、１０…筐体、１２…力センサ、１４…振動発生部、１５…圧電素子、１６…金属板、１８…弾性部材、２０…台座部、２２…パネル、２２ａ…操作面、２２ｂ…裏面、２４…弾性体、３０…圧電素子制御部、３２…制御部、４０〜４３…アーム、５０〜５３…接触子、６０〜６３…接触子、１００…上面、１０１…開口、１０２…凸部、１０３…収容部、１０４…底部、１０５…側面、１１０ａ〜１１０ｄ…支持部、１１１ａ、１１１ｂ…ピン、１２０…先端部、１２１…作用面、２００…基部、２００ａ…内壁、２０１…凸部、２０１ａ…開口、２０２…上部、２０２ａ…開口、２０３ａ…下面、２０３ｂ…上面、２２０…基部、２２１…縁部、３２０…しきい値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、基部と、基部上に設けられた支持部と、支持部に支持される基板、及び基板の裏面に設けられる圧電素子からなる圧電アクチュエータと、基板の表面に接触するパッドと、パッド上に設けられた力センサと、力センサ上に設けられた支持トレイと、支持トレイに支持されたタッチ感知ディスプレイと、圧電アクチュエータを作動させる作動信号を生成するプロセッサと、を備えた携帯型電子デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この携帯型電子デバイスは、タッチ感知ディスプレイにタッチ操作がなされると、プロセッサに信号を出力し、信号を取得したプロセッサは、作動信号を生成する。圧電アクチュエータは、この作動信号に基づいて作動し、パッド、力センサ、支持トレイ及びタッチ感知ディスプレイを介して、操作者に触覚フィードバックを与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５２８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の携帯型電子デバイスは、パッドと接触する力センサの接触部分が半球状などの面積が狭い形状であると、軟質性材料から形成されるパッドを介して力センサに荷重が伝達し難く、タッチ感知ディスプレイになされたプッシュ操作を力センサで検出し難い問題がある。また、従来の携帯型電子デバイスは、タッチ感知ディスプレイになされたプッシュ操作による荷重が、両端を支持トレイに支持された圧電アクチュエータの中央に付加されるため、圧電アクチュエータが撓むことによって破損し易いという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、圧電素子を保護しつつ、力センサに、なされた操作の検出に必要な荷重を伝達することができるスイッチ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、筐体の側面から伸びて操作部と接触するように設けられ、操作部の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、上部に形成された開口に荷重検出部が挿入された台座部と、開口に挿入された荷重検出部に接触するように台座部内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部と、台座部と振動発生部の間に介在し、荷重検出部の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、を備えたスイッチ装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、圧電素子を保護しつつ、力センサに、なされた操作の検出に必要な荷重を伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面図であり、（ｃ）は、スイッチ装置のブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、プッシュ操作が行われた場合の状態を示す要部断面図であり、（ｃ）は、プッシュ操作によりパネルに過荷重が付加された場合の状態を示す要部断面図である。
【図３】図３（ａ）は、第２の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、スイッチ装置のプッシュ操作後の状態を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態の要約）
実施の形態に係るスイッチ装置は、筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、筐体の側面から伸びて操作部と接触するように設けられ、操作部の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、上部に形成された開口に荷重検出部が挿入された台座部と、開口に挿入された荷重検出部に接触するように台座部内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部と、台座部と振動発生部の間に介在し、荷重検出部の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、を備える。
【００１１】
[実施の形態]
（スイッチ装置１の構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係るスイッチ装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面図であり、（ｃ）は、スイッチ装置のブロック図である。なお、実施の形態に係る各図において、部品と部品との比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下に示す上面視とは、スイッチ装置１のパネル２２を押し込む方向、つまり、図１（ａ）の紙面に垂直な方向からスイッチ装置１を見ることを示すものとする。さらに、以下に示す過荷重とは、想定される平均的な操作者によるプッシュ操作によりパネル２２に付加される荷重を、大きく超えた荷重を示し、例えば、荷重を逃がす構成が無い場合は、圧電素子１５等が破壊される可能性がある荷重を示している。
【００１２】
このスイッチ装置１は、例えば、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作により、接続された電子機器に操作信号を出力すると共に、振動発生部１４の圧電素子１５を振動させることで、操作者に触覚フィードバックを与えるものである。この触覚フィードバックとは、例えば、操作者の指に振動を伝達させることであり、操作者は、この触覚フィードバックを指で感じることにより、操作が受け付けられたことを認識することができる。
【００１３】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、主に、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部としてのパネル２２と、筐体１０の側面１０５から伸びてパネル２２と接触するように設けられ、パネル２２の押し込まれる方向の移動により押し込まれる方向に回転する回転部と、回転部に接触し、回転部の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部としての力センサ１２と、上部２０２に形成された開口２０２ａに力センサ１２が挿入された台座部２０と、開口２０２ａに挿入された力センサ１２に接触するように台座部２０内に設けられ、検出信号に基づいて振動する振動発生部１４と、台座部２０と振動発生部１４の間に介在し、力センサ１２の押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材１８と、を備えて概略構成されている。なお、本実施の形態に係る回転部とは、アーム４０〜アーム４３の少なくとも１つが対応する。
【００１４】
また、スイッチ装置１は、力センサ１２から出力された検出信号に基づいて振動発生部１４を制御して振動を発生させ、パネル２２に振動を伝達させる制御部３２を備える。以下において、筐体１０の内部に押し込まれる方向の操作は、プッシュ操作と記載する。
【００１５】
・筐体１０について
筐体１０は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方端部には開口１０１が形成されて開放され、他方端部には底部１０４を有して閉じられた箱形状となっている。また、筐体１０は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。
【００１６】
筐体１０は、例えば、その内部空間である収容部１０３の側面１０５の上部から、筐体１０の中心に向って突出する凸部１０２が形成され、この凸部１０２により、開口１０１が形成されている。この凸部１０２の表面は、筐体１０の上面１００となっている。この開口１０１は、例えば、図１（ａ）に示すように、上面視において矩形状となっており、パネル２２よりもひと回り大きい形状となっている。操作がなされていないとき、筐体１０の上面１００と、パネル２２の操作面２２ａとは、例えば、ほぼ平坦となるように構成されている。
【００１７】
筐体１０は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、４つの角部に支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄが設けられている。支持部１１０ａは、例えば、支持部１１０ｂと対向している。支持部１１０ｃは、例えば、支持部１１０ｄと対向している。
【００１８】
支持部１１０ａは、例えば、収容部１０３の角部から収容部１０３の中央に向けて突出し、図１（ａ）の上面視において、２つの凸部により中央に開口が形成された形状を有している。支持部１１０ａは、側面に孔が形成されたアーム４０の一方端部が、この開口に挿入され、支持部１１０ａの凸部の側面の孔からアーム４０の孔にピン１１１ａが挿入されることにより、アーム４０を回転可能に支持している。支持部１１０ａは、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、支持部１１０ｂ〜支持部１１０ｄは、例えば、この支持部１１０ａと同材料を用いて、同形状となるように形成される。
【００１９】
また、支持部１１０ａのアーム４０の支持方法と同様の方法により、支持部１１０ｂ〜支持部１１０ｄは、アーム４１〜アーム４３を回転可能に支持している。
【００２０】
なお、この支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄは、例えば、筐体１０と一体となって形成されても良いし、接着剤及びねじ止め等の方法により、筐体１０に取り付けられても良い。
【００２１】
・力センサ１２について
力センサ１２は、例えば、半球形状の先端部１２０が力センサ１２の本体側に移動する際に付加された荷重を検出するセンサである。この力センサ１２は、例えば、歪みゲージ、圧力センサ等が用いられる。なお、先端部１２０は、半球形状であるが、これに限定されない。
【００２２】
この力センサ１２は、例えば、アーム４０〜アーム４３に接触し、アーム４０〜アーム４３の回転に伴って押し込まれる方向に移動し、この移動に伴って付加される荷重を検出して検出信号を出力するように構成されている。
【００２３】
また、力センサ１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、台座部２０の上部２０２に形成された開口２０２ａに挿入されている。さらに、力センサ１２は、例えば、パネル２２等の重さによる荷重の影響を排除するようにプリロードが設定されている。
【００２４】
・振動発生部１４について
振動発生部１４は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、台座部２０内に取り付けられている。また、振動発生部１４は、圧電素子１５と、金属板１６と、を備えて概略構成されている。
【００２５】
金属板１６は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、台座部２０の基部２００の内壁２００ａに設けられ、円板形状を有している。また、金属板１６には、例えば、導電性を有するアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、金属板１６は、例えば、合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成されても良い。
【００２６】
圧電素子１５は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属板１６よりも一回り小さい円板形状を有している。また、圧電素子１５は、例えば、供給された電圧により、伸縮を行う。この伸縮により、金属板１６が屈曲し、この屈曲によって振動が発生する。
【００２７】
圧電素子１５の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が用いられる。振動発生部１４は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を金属板１６の片面に積層して形成された積層ユニモルフ型の圧電アクチュエータである。なお、振動発生部１４は、例えば、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層バイモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層バイモルフ型、の圧電アクチュエータであっても良い。
【００２８】
なお、圧電素子１５及び金属板１６は、円板形状に限定されず、棒形状等であっても良い。
【００２９】
この圧電素子１５は、例えば、図１（ｃ）に示すように、圧電素子制御部３０と電気的に接続されている。この圧電素子制御部３０は、例えば、制御部３２と電気的に接続され、制御部３２から出力される指示信号に基づいて振動生成信号を生成し、圧電素子１５に出力するように構成されている。圧電素子１５は、例えば、この振動生成信号に基づいて振動する。
【００３０】
ここで、圧電素子１５は、例えば、前述の振動が金属板１６を撓ませて金属板１６を振動させ、この振動がパネル２２に伝達されることで、操作者は、指に振動を感じ、触覚フィードバックを得ることが可能となる。なお、圧電素子制御部３０は、例えば、制御部３２の機能として提供されても良い。
【００３１】
また、圧電素子１５は、一例として、２００〜３００Ｈｚの周波数で振動する。
【００３２】
・台座部２０について
台座部２０は、例えば、図１（ｂ）に示すように、円筒形状を有する基部２００と、基部２００の内壁２００ａの下部から内側に向けて突出する凸部２０１と、開口２０２ａが形成された上部２０２と、から概略構成されている。台座部２０は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、台座部２０は、例えば、基部２００、凸部２０１及び上部２０２が一体形成されも良いし、各部分が接着剤及びねじ止め等の方法により取り付けられても良い。
【００３３】
凸部２０１は、例えば、基部２００の内壁２００ａに沿って形成されることで、開口２０１ａを形成している。また、凸部２０１は、例えば、下面２０３ａ側が筐体１０の底部１０４と接触し、上面２０３ｂ側には弾性部材１８を介して振動発生部１４が設けられている。なお、台座部２０は、上記の構成に限定されず、弾性部材１８が、弾性変形した後、振動発生部１４が台座部２０の底部に接触しないように構成されているならば、開口２０１ａが形成されない形状であっても良い。
【００３４】
・パネル２２について
本実施の形態に係るパネル２２は、例えば、図１（ａ）に示すように、上面視にて矩形状を有する基部２２０と、基部２２０の外周に沿って基部２２０の外側に突出する縁部２２１と、を備えて概略構成されている。このパネル２２は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、パネル２２は、例えば、タッチ操作を検出可能なタッチパネル等で構成されても良い。
【００３５】
基部２２０は、例えば、筐体１０の開口１０１から露出している。基部２２０の外周は、例えば、開口１０１の縁よりもひとまわり小さくなるように形成されている。また、縁部２２１は、例えば、開口１０１の縁よりもひとまわり大きくなるように形成されている。
【００３６】
このパネル２２の裏面２２ｂには、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、接触子５０〜接触子５３が設けられている。この接触子５０〜接触子５３は、例えば、半球形状を有している。また、接触子５０〜接触子５３は、例えば、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、アルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、ステンレス等の合金材料、又は、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、或いは、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。なお、接触子５０〜接触子５３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、弾性変形し難い材料を用いることが好ましい。さらに、接触子５０〜接触子５３は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、アーム４０〜アーム４３のそれぞれに接している。
【００３７】
・弾性体２４について
筐体１０の凸部１０２とパネル２２の縁部２２１との間には、例えば、弾性体２４が設けられている。
【００３８】
この弾性体２４は、例えば、縁部２２１の形状に応じたリング型状となっている。この弾性体２４は、一例として、図１（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で切断した断面の形状がＵ字形状となっている。
【００３９】
また、弾性体２４は、例えば、鉄、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、又は、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。弾性体２４は、例えば、筐体１０の上面１００とパネル２２の基部２２０との隙間から入り込むゴミ等を防止するように構成されている。弾性体２４は、例えば、凸部１０２と縁部２２１とに弾性力を付加することで、パネル２２を押し下げ、振動発生部１４を介してアーム４０〜アーム４３と力センサ１２との接触を保つように構成されている。
【００４０】
・アーム４０〜アーム４３について
アーム４０〜アーム４３は、例えば、図１（ａ）に示すように、筐体１０の収容部１０３の対角線に沿うように、収容部１０３の角部から中央に伸びて放射状に設けられている。
【００４１】
アーム４０〜アーム４３は、例えば、長細い四角柱形状を有し、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料、又はアルミニウム、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、アーム４０〜アーム４３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、撓み難い材料を用いて形成されることが好ましい。このアーム４０〜アーム４３の先端には、それぞれ接触子６０〜接触子６３が設けられている。
【００４２】
この接触子６０〜接触子６３は、例えば、半球形状を有している。また、接触子６０〜接触子６３は、例えば、鉄、銅等の金属材料、それらを含有する合金材料、スチレン・ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴム、又は、天然ゴム等の弾性材料を用いて形成される。なお、接触子６０〜接触子６３は、例えば、パネル２２を介して付加される荷重により、弾性変形し難い材料を用いることが好ましい。さらに、接触子６０〜接触子６３は、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、力センサ１２の作用面１２１に接している。
【００４３】
ここで、アーム４０を例にとると、てこの原理から、アーム４０の回転中心であるピン１１１ａが支点、パネル２２の接触子５０が接触するアーム４０の点が力点、アーム４０の先端の接触子６０が作用点となっている。従って、この構成によれば、パネル２２に付加された荷重が作用点では小さくなり、その代わり、パネル２２の移動距離に比べて接触子６０の移動距離を稼ぐことできる。つまり、アーム４０〜アーム４３を設けることにより、パネル２２に付加された過荷重を緩和すると共に、力センサ１２を動作させることが可能な距離、力センサ１２を移動させることができる。
【００４４】
・制御部３２について
制御部３２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を備えたマイクロコンピュータである。また、制御部３２は、例えば、図１（ｃ）に示すように、力センサ１２と、圧電素子制御部３０を介して振動発生部１４と、に電気的に接続されている。また、制御部３２は、例えば、スイッチ装置１が電気的に接続される電子機器に操作信号を出力するように構成されている。この操作信号は、例えば、検出信号に基づいて生成され、プッシュ操作がなされたことを示す信号である。
【００４５】
また、制御部３２は、例えば、プッシュ操作を判定するためのしきい値３２０をＲＯＭに格納している。制御部３２は、例えば、力センサ１２から出力される検出信号とこのしきい値３２０とを比較し、検出信号がしきい値３２０を超える場合に、なされた操作をプッシュ操作と判定する。従って、制御部３２は、検出信号がしきい値３２０を超える場合に振動を発生させる。
【００４６】
以下に、本実施の形態に係るスイッチ装置１の動作について、各図を参照して説明する。
【００４７】
（動作）
図２（ａ）は、第１の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、プッシュ操作が行われた場合の状態を示す要部断面図であり、（ｃ）は、プッシュ操作によりパネルに過荷重が付加された場合の状態を示す要部断面図である。
【００４８】
操作者は、図２（ａ）に示すスイッチ装置１のパネル２２にプッシュ操作を行う。このプッシュ操作は、パネル２２の操作面２２ａの中央に行われるものとする。
【００４９】
このプッシュ操作に伴って、スイッチ装置１のパネル２２は、図２（ａ）の紙面下方に移動する。この移動により、パネル２２の接触子５０〜接触子５３が、接触するアーム４０〜アーム４３の上部に押し下げる方向の荷重を付加するので、アーム４０〜アーム４３は、下方に回転する。アーム４０〜アーム４３は、各支持部１１０ａ〜支持部１１０ｄのピン１１１ａ及びピン１１１ｂ等を回転中心として回転する。また、弾性体２４は、パネル２２と凸部１０２との接触を保ちながら弾性変形を行う。
【００５０】
ここで、操作者によるプッシュ操作が、パネル２２の中央ではなく、パネル２２の縁近く、つまり偏って行われた場合、パネル２２は、操作面２２ａが傾いた状態で下方に移動する。しかし、このスイッチ装置１は、どの方向に偏っても接触子５０〜接触子５３の少なくとも１つがアームを介して力センサ１２を押し下げることが可能となる。
【００５１】
アーム４０〜アーム４３の回転の結果、図２（ｂ）に示すように、アーム４０〜アーム４３が、接触子６０〜接触子６３を介して力センサ１２を下方に押し下げる。
【００５２】
ここで、操作者が、パネル２２に対して通常よりも強い力でプッシュ操作を行った場合、つまり、パネル２２に過荷重が付加された場合、図２（ｃ）に示すように、アーム４０〜アーム４３が台座部２０の上部２０２に接触すると共に弾性部材１８を大きく弾性変形させ、荷重を台座部２０から筐体１０に伝達させる。従って、スイッチ装置１は、力センサ１２及び圧電素子１５に過荷重が付加されることを防止することが可能となる。
【００５３】
力センサ１２の下方への移動に伴って、先端部１２０を介して振動発生部１４が、弾性部材１８を弾性変形させながら下方に移動する。
【００５４】
先端部１２０が力センサ１２の本体方向に移動することにより、力センサ１２は、検出信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、検出信号を取得すると、検出信号としきい値３２０とを比較してプッシュ操作の有無を判定する。制御部３２は、プッシュ操作がなされたと判定すると、指示信号と操作信号を生成する。この指示信号は、圧電素子制御部３０に出力される。また、操作信号は、スイッチ装置１が接続された電子機器に出力される。
【００５５】
圧電素子制御部３０は、取得した指示信号に基づいて振動生成信号を生成し、振動発生部１４の圧電素子１５に出力する。圧電素子１５は、この振動生成信号に基づいて振動する。
【００５６】
この振動は、主に、振動発生部１４、力センサ１２、接触子５０〜接触子５３、アーム４０〜アーム４３及び接触子５０〜接触子５３を介してパネル２２に伝達する。操作者は、この振動を指で感じることにより、触覚フィードバックを得ることができる。
【００５７】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、振動発生部に設けられた接触子により、力センサに直接荷重を加えるのではなく、パネル２２、アーム４０〜アーム４３、力センサ１２及び金属板１６を介して圧電素子１５に荷重を付加するので、圧電素子１５を保護しつつ、操作の検出に必要な荷重を力センサ１２に伝達することができる。
【００５８】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、制御部３２により、検出信号としきい値３２０に基づいて圧電素子１５への電圧の供給を行うか否かを判定するので、誤操作による触覚フィードバックの付与を防止することができる。また、パネル２２がタッチセンサである場合、操作対象であるカーソルが、電子機器の表示部に表示されたボタンの境界を超えたとき等に振動を発生させ、操作者に触覚フィードバックを与えることができる。
【００５９】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、アーム４０〜アーム４３を備えているので、パネル２２が傾いたまま移動した場合でも、アーム４０〜アーム４３の少なくとも１つのアームにより、力センサ１２に荷重を付加することができる。また、スイッチ装置１は、アーム４０〜アーム４３を介して力センサ１２に荷重を付加するので、アームによるてこの原理を用いない場合と比べて、パネル２２に過荷重が付加されても力センサ１２には、適度な荷重が付加されるので、力センサ１２及び圧電素子１５を保護することができる。また、スイッチ装置１は、パネル２２に過荷重が付加されたとき、アーム４０〜アーム４３が台座部２０と接触すると共に弾性部材１８が大きく弾性変形するので、付加された過荷重を力センサ１２及び圧電素子１５に伝達し難いので、力センサ１２及び圧電素子１５を保護することができる。
【００６０】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、４つの接触子５０〜接触子５３を介してアーム４０〜アーム４３を移動させるので、接触子が１つの場合と比べて、パネル２２の付加された荷重を分散させることが可能となり、圧電素子１５及び力センサ１２を保護することができる。
【００６１】
本実施の形態に係るスイッチ装置１は、縁部２２１と筐体１０の間に、弾性を有する弾性体２４を備えるので、この弾性部材を備えていない場合と比べて、筐体１０内へのゴミ等の侵入を防止すると共に、接触子５０〜接触子５３とアーム４０〜アーム４３、及び接触子６０〜接触子６３と力センサ１２、の接触が保たれるので、遊びが少なく操作感が向上する。
【００６２】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、弾性部材１８の断面形状が円形状又は楕円形状である点で、上記の実施の形態と異なっている。
【００６３】
図３（ａ）は、第２の実施の形態に係るスイッチ装置のプッシュ操作前の状態を示す要部断面図であり、（ｂ）は、スイッチ装置のプッシュ操作後の状態を示す要部断面図である。
【００６４】
本実施の形態に係る弾性部材１８は、例えば、リング状の形状を有し、図３（ａ）に示すように、その断面形状は、円形状である。なお、断面形状は、円形状に限定されず、楕円形状であっても良い。この断面形状は、例えば、図１（ａ）のI（ｂ）−I（ｂ）線で本実施の形態のスイッチ装置１を切断した断面の形状である。
【００６５】
図３（ｂ）に示すように、プッシュ操作が行われた際、本実施の形態の弾性部材１８と金属板１６との接触面が、断面が矩形状である場合の弾性部材１８と金属板１６との接触面よりも小さい、つまり、断面において金属板１６の拘束条件が点支持により近くなるので、圧電素子１５が振動する際の金属板１６の撓みを阻害しない。従って、本実施の形態のスイッチ装置１は、より効果的にパネル２２に圧電素子１５の振動を伝達することができる。
【００６６】
本実施の形態に係るスイッチ装置１の変形例として、荷重検出部は、例えば、タクトスイッチ等のスイッチ素子が用いられても良い。例えば、スイッチ素子が使われた場合、制御部３２は、しきい値を用いること無く、プッシュ操作によりオン状態となったスイッチ素子から出力された信号に基づいてプッシュ操作が行われたと判定し、振動生成信号を生成して振動発生部１４に出力する。従って、制御部３２の構成が、しきい値に基づいて判定するものと比べて、簡単なものとなり、コストを削減することができる。さらに、タクトスイッチが押し下げされたとき、タクトスイッチのクリックに伴う触感がパネル２２に伝達し、操作者は、タクトスイッチからの触覚フィードバックを得ることができる。
【００６７】
また、本実施の形態に係るスイッチ装置１の変形例として、操作部は、指の接触等を検出することができるタッチセンサであっても良い。つまり、パネル２２が、タッチセンサである場合、制御部３２は、操作対象であるカーソルが、電子機器の表示部に表示された選択可能なボタンの境界を超えたとき等に振動を発生させ、操作者に触覚フィードバックを与えることができる。また、スイッチ装置１は、例えば、タッチセンサになされたタップ操作等の力センサ１２で検出されない操作に対しても、タッチセンサで検出し、触覚フィードバックを与えることができる。
【００６８】
なお、上記の各実施の形態のスイッチ装置１の変形例として、スイッチ装置１の形状は、矩形状に限定されず、用途に応じて変更可能である。
【００６９】
また、上記の各実施の形態の変形例として、スイッチ装置１は、例えば、電子機器の入力用のキーボードに好適に用いられる。この際、スイッチ装置１は、例えば、キーボードのひとつのキーとされ、キーの数だけ複数配置される。
【００７０】
以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１…スイッチ装置、１０…筐体、１２…力センサ、１４…振動発生部、１５…圧電素子、１６…金属板、１８…弾性部材、２０…台座部、２２…パネル、２２ａ…操作面、２２ｂ…裏面、２４…弾性体、３０…圧電素子制御部、３２…制御部、４０〜４３…アーム、５０〜５３…接触子、６０〜６３…接触子、１００…上面、１０１…開口、１０２…凸部、１０３…収容部、１０４…底部、１０５…側面、１１０ａ〜１１０ｄ…支持部、１１１ａ、１１１ｂ…ピン、１２０…先端部、１２１…作用面、２００…基部、２００ａ…内壁、２０１…凸部、２０１ａ…開口、２０２…上部、２０２ａ…開口、２０３ａ…下面、２０３ｂ…上面、２２０…基部、２２１…縁部、３２０…しきい値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、
前記筐体の側面から伸びて前記操作部と接触するように設けられ、前記操作部の前記押し込まれる方向の移動により前記押し込まれる方向に回転する回転部と、
前記回転部に接触し、前記回転部の回転に伴って前記押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、
上部に形成された開口に前記荷重検出部が挿入された台座部と、
前記開口に挿入された前記荷重検出部に接触するように前記台座部内に設けられ、前記検出信号に基づいて振動する振動発生部と、
前記台座部と前記振動発生部の間に介在し、前記荷重検出部の前記押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、
を備えたスイッチ装置。
【請求項２】
前記回転部は、一方端部が前記筐体の前記側面に回転可能に取り付けられ、他方端部が前記荷重検出部と接触する請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、短手方向の断面形状が円形状又は楕円形状である請求項２に記載のスイッチ装置。
【請求項１】
筐体の内部に押し込まれる方向の操作が可能な操作部と、
前記筐体の側面から伸びて前記操作部と接触するように設けられ、前記操作部の前記押し込まれる方向の移動により前記押し込まれる方向に回転する回転部と、
前記回転部に接触し、前記回転部の回転に伴って前記押し込まれる方向に移動し、移動に基づく荷重を検出して検出信号を出力する荷重検出部と、
上部に形成された開口に前記荷重検出部が挿入された台座部と、
前記開口に挿入された前記荷重検出部に接触するように前記台座部内に設けられ、前記検出信号に基づいて振動する振動発生部と、
前記台座部と前記振動発生部の間に介在し、前記荷重検出部の前記押し込まれる方向の移動に基づく荷重に応じて弾性変形を行う弾性部材と、
を備えたスイッチ装置。
【請求項２】
前記回転部は、一方端部が前記筐体の前記側面に回転可能に取り付けられ、他方端部が前記荷重検出部と接触する請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記弾性部材は、短手方向の断面形状が円形状又は楕円形状である請求項２に記載のスイッチ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１２３６８（Ｐ２０１３−１２３６８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４３７７０（Ｐ２０１１−１４３７７０）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【Ｆターム（参考）】
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