JP5770397B2 - スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電素子に押圧による空気圧力を印加した時に電気信号を発生する押圧スイッチ装置に関するものである。

従来、圧電素子は機械的変形を加わることにより電気信号を発生する。この電気信号により機器へのスイッチ機能を持たせることが行われている。

特許文献１はシーソータイプのスイッチでシーソーレバーによる圧電シートの機械変形の電気信号をスイッチ信号として利用しており、圧電素子の形状の工夫である。特許文献２はスイッチレバーを押すことにより機械変形による圧電素子の電気信号を発生させ、この発生した信号を処理して、圧電素子を駆動し、その振動を操作する指に伝えスイッチ操作感を確実にするものである。いずれにしても圧電素子変形は機械変形を直接与えるものである。

前述のごとく、圧電素子を利用したスイッチは直接機械的応力を圧電素子に加える事により発生する電気信号を利用しており機械的結合の制約からスイッチ形状の制限を受ける。

特開平０９−１０６７３６号 公報 特開平０９−０３５５６９号 公報

以上述べたような従来の圧電素子を用いたスイッチ機能では、圧電素子変形は機械的結合が必須であったためスイッチとしての形状が制限を受ける。本発明は機械的結合ではない空気圧力変化による圧電素子スイッチ装置を提供する。

従来の圧電素子を用いたスイッチは機械的結合による圧電素子変形による信号発生のみに着目している。スイッチの起因となる機械的変形発生部分と電気信号を発生する圧電素子部分とが近接する必要があり、機械的結合はスイッチとしての形状を制限することとなる。この構造的制約を排除することが可能となれば圧電素子を用いたスイッチの利用範囲を大きく広げることが出来る。

そして、本発明は上記目的を達成するため、本発明は、空気圧を利用することである。空気封入部を押圧することにより、弾性体構造の空気封入部の形状を変化させることで空気圧を変化させ、その空気圧変化により圧電素子を変形させることにより電気信号を発生させる。空気圧を変化させる空気封入部の空気圧変化発生部分と、その空気圧変化による圧電素子の変形による電気信号をスイッチ信号とする信号発生部分とを空気的連結することにより実現する。空気的結合は機械結合と異なり位置的制約および形状的制約は少ないため自由な形状の圧電素子スイッチが可能となる。
特に、本願の請求項１に記載の発明は、空気封入部と、圧電素子と基板からなり前記空気封入部の押圧により生じる空気圧変化に基づいて変形可能な圧電素子板と、前記圧電素子板の変形により電気信号を発生する圧電センサー部と、前記空気封入部と前記圧電センサー部との間に介在する連結部材と、を有し、前記空気封入部と前記圧電センサー部と前記連結部材とは相互に取り外し可能に構成されるスイッチ装置であって、前記圧電センサー部は、前記圧電素子板を設置する設置部と、前記空気封入部に嵌入可能な嵌入部と、からなり、前記嵌入部において前記圧電センサー部と前記連結部材とは相互に取り外し可能に構成され、前記空気封入部と前記圧電センサー部と前記連結部材との嵌入状態でかつ前記空気封入部に所定の押圧がされていない状態において、前記連結部材の端部と前記圧電センサー部の前記設置部との間に隙間が存在し、前記連結部材の厚み寸法と前記設置部の厚み寸法が略同一に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、空気的結合があれば空気封入部の押圧により空気圧変化部と圧電素子変形部は離間しても機能を損なうことはなく、圧電素子を用いたスイッチが可能となる。空気封入部に連結部を介して圧電センサー部を嵌入および取り外しを可能にすることで空気封入部と圧電センサー部の形状制約を避けることが出来る。

本発明は、空気封入部の発生する空気圧変化により圧電素子変形による信号発生部が離間していることを利用しているが空気圧と圧電素子変形量の連携が取りにくい面も存在する。圧電素子の変形が過大になることを防ぐ発明である。過大な空気圧は圧電素子に過剰な応力を発生させ破損につながる。請求項３はこの過大な空気圧発生を防止する工夫である。弾性体で構成される空気封入部の押圧による変形を制限することが空気圧封入体内の空気圧力を制御できる。請求項３において空気封入部内に緩衝用押圧ストッパーを設置し空気封入部の変位量を制限することで空気封入部に発生する空気圧を制限し、過大な空気圧で圧電センサー部の圧電素子が損傷するのを防ぐ方法である。

本発明は、空気封入部の外部の近傍に緩衝用押圧ストッパーを設置し空気封入部の変位量を制限することで空気封入部に発生する空気圧を制限し、過大な空気圧で圧電センサー部の圧電素子が損傷するのを防ぐ方法である。空気封入部外に緩衝用押圧ストッパーを設置することは、緩衝用押圧ストッパーの形状を変えることが出来る。たとえば空気封入部の段差を緩和する斜め形状をも採用できる。

本発明は、圧電センサー部の圧電素子の変位が過剰になるのを防ぐ方法である。圧電素子にたわみ変位ストッパーを設置し、空気封入部からの空気圧が過大の時にも圧電素子に加わる過大な変位を低減し圧電素子の折損を防ぐことが出来る。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、発明例として記載以外の機器応用など発明の趣旨の範囲で他の態様としても有効である。

本発明は機械的結合ではない空気圧力変化による圧電素子を用いたスイッチ装置を提供するものである。空気封入部を押圧することにより、弾性体構造の空気封入部の形状を変化させることで空気圧を変化させ、その空気圧変化により圧電素子を変形させることにより電気信号を発生させる。空気圧を変化させる空気封入部の空気圧変化発生部分と、その空気圧変化による圧電素子の変形による電気信号をスイッチ信号とする信号発生部分とを空気的連結することにより実現する。空気的結合は機械結合と異なり位置的制約および形状的制約は少ないため自由な形状の圧電素子スイッチが可能となり様々な機器への展開が可能となる。

本発明の実施形態図である。 本発明の実施形態図である。 本発明の実施形態図である。 本発明の押圧時の形態図である。 本発明の実施形態図である。 本発明の実施形態図である。 本発明の実施形態図である。

本発明を具体化した実施形態（１００）を図に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図１は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項１に準拠している。１０１は薄板状の圧電素子で板状基板（１０２）上に圧電素子を配置している。１０３は圧電センサー部で空気封入部１０４を押圧すると封入部の空気圧が上昇し、圧電センサー部１０３の空気圧が連動して上昇する。圧電センサー部の空気圧上昇は圧電素子１０１と板状基板１０２が上方に変形させる。変形量は空気圧に比例するが圧電センサー１０１の板厚および基板１０２の板厚によって変形量が決定される。板状基板１０２は圧電センサー部の機密性を確保するため圧電センサー部内に接着される。圧電センサー１０１の板厚および基板１０２は一体化され基板１０２と圧電センサー１０１は同じ形態に変形する。圧電センサー１０１はバイモルフ型の圧電素子を想定し圧電素子１０１の両表面間に電気信号を発生する。圧電センサー部１０３は空気封入部１０４に嵌入される構造を持ち、空気封入部１０４と圧電センサー部１０３は取り外し可能であり、押圧される空気封入部１０４の空気圧力に応じた圧電センサー部１０３を選択可能である。図１の構造を採用することで、封入空気封入部が発生する空気圧変化量と圧電センサーの変形特性を自由に選択でき、様々な機器に展開可能である。尚、圧電センサー部の機密性によって、空気封入部からの空気圧や応答性を制御できる。具体的には圧電センサー部に小孔を設け、機密性をコントロールすることで空気封入部からの空気圧や応答性を制御できる。図１では圧電センサー１０１及び基板１０２は空気封入部１０４と平行配置例で、この構造の特徴は圧電センサー１０１、基板１０２の表面積を大きくすることが可能となる。断面図Ａ−Ａ、断面図Ｂ−Ｂに詳細構造を表示する。

本発明を具体化した実施形態（２００）を図２に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図２は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項２に準拠している。２０１は薄板状の圧電素子で板状基板（２０２）上に圧電素子を配置している。２０３は圧電センサー部で空気封入部２０４と連結チューブ２０５で空気封入部２０４と連結される。空気封入部２０４を押圧すると封入部の空気圧が上昇し、連結チューブ２０５を介して圧電センサー部２０３の空気圧が連動して上昇する。圧電センサー部の空気圧上昇によって圧電素子２０１と板状基板２０２が上方に変形する。変形量は空気圧に比例するが圧電センサー２０１の板厚および基板２０２の板厚によって変形量が決定される。板状基板２０２は圧電センサー部の機密性を確保するため圧電センサー部内に接着される。圧電センサー２０１の板厚および基板２０２は一体化され基板２０２と圧電センサー２０１は同じ形態に変形する。圧電センサー２０１はバイモルフ型の圧電素子を想定し圧電素子２０１の両表面間に電気信号を発生する。圧電センサー部２０３は連結チューブ２０５に嵌入され、連結チューブ２０５は空気封入部２０４に嵌め込まれる構造を持つ。空気封入部２０４と連結チューブ２０５は取り外し可能であり、連結チューブ２０５と圧電センサー部２０３も取り外し可能の構造となっている。押圧される空気封入部２０４の空気圧力に応じた圧電センサー部２０３を選択可能である。図２の構造を採用することで、封入空気封入部が発生する空気圧変化量と圧電センサーの変形特性を自由に選択でき、様々な機器に展開可能である。尚、圧電センサー部の機密性によって、空気封入部からの空気圧や応答性を制御できる。具体的には圧電センサー部に小孔を設け、機密性をコントロールすることで空気封入部からの空気圧や応答性を制御できる。図２では圧電センサー２０１及び基板２０２は空気封入部２０４と平行配置例で、この構造の特徴は圧電センサー２０１、基板２０２の表面積を大きくすることが可能となる。連結チューブ２０５は空気封入部２０４と圧電センサー部２０３を空気連結する。連結チューブ２０５は圧電センサー部と押圧空気封入部を離間可能にしており、押圧を検知する空気封入部２０４と圧電センサー部２０３を別の場所に配置することを可能にしており、押圧センサーとしての自由度を向上させる。

本発明を具体化した実施形態（３００）を図３に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図３は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項３に準拠している。３０１は薄板状の圧電素子で板状基板（３０２）上に圧電素子を配置している。３０３は圧電センサー部でチューブ状の空気封入部３０４と圧電センサー部３０３が連結される。チューブ状の空気封入部３０４の端面は栓３０５で密封され、チューブ状空気封入部３０４の他端に圧電センサー３０３が嵌め込まれる構造を持つ。チューブ状空気封入部３０４を押圧すると封入部の空気圧が上昇し、圧電センサー部３０３の空気圧が連動して上昇する。圧電センサー部の空気圧上昇は圧電素子３０１と板状基板３０２が上方に変形する。チューブ状空気封入部３０４と圧電センサー部３０３は取り外し可能の構造となっており、押圧されるチューブ状空気封入部３０４の空気圧力に応じた圧電センサー部３０３を選択可能である。チューブ状空気封入部３０４の内部に緩衝用押圧ストッパー３０６を設けることで押圧時のチューブ状空気封入部３０４の過大な変形を防止するとともに、押圧空気圧変化量を制御することができる。図３のチューブ形態の空気封入部構造を採用することで、チューブ長手方向に細長い範囲の押圧センサーを得ることができ、細長い押圧センス範囲に適応できる。

本発明を具体化した実施形態（４００）を図４に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図４は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項３に準拠している。図３のチューブ形態の空気封入部構造の押圧空気圧センサー形状において、押圧した状態を図示している。チューブ状空気封入部４０４を押圧子４０７で押圧した状態を示す。押圧子４０７でチューブ状空気封入部４０４を押圧した時、チューブ状空気封入部４０４が変形し圧電センサー部４０３の空気圧が上昇し圧電素子４０１、基板４０２が変形することで圧電素子４０１から電気信号を得る。チューブ状空気封入部４０４内部には緩衝用押圧ストッパー４０６を配置し必要以上の空気圧が発生しない構造を採っている。この押圧状態を断面図Ｇ−Ｇに示す。押圧子４０７による圧力でチューブ状空気封入部４０４が変形し空気圧が上昇する。断面Ｇ−Ｇにおいて押圧子４０７によるチューブ状空気封入部の変形はチューブ内部に設置される緩衝用押圧ストッパーで緩衝され変位量も制限される。チューブ状空気封入部の変形量Δｄ（４０８）で示され、押圧力が増大しても変位量は制限されることから必要以上の空気圧は発生せず、またチューブの多大なる変形も回避できチューブ状空気封入部の破損が回避される。

本発明を具体化した実施形態（５００）を図５に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図５は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項３に準拠している。図５はチューブ状空気封入部を持つ押圧センサーの構造を示している。圧電センサー５０１、基板５０２は前記チューブ状空気封入部の長手方向に直交する平面に配置する構造を採る。この構成にすることで圧電センサー部とチューブ状空気封入部の径をほぼ同等に出来る。チューブ状空気封入部５０４の内部に緩衝用押圧ストッパー５０６により押圧によるチューブ変形量を緩衝し制限している。

本発明を具体化した実施形態（６００）を図６に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図６は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項４に準拠している。図６はチューブ状空気封入部を持つ押圧センサーの構造とチューブ状空気封入部の外部に隣接して緩衝用押圧ストッパー６０６配置した例を示している。圧電素子６０１、基板６０２は前記チューブ状空気封入部６０４の長手方向に直交する平面に配置する構造を採る。この構成にすることで圧電センサー部６０３とチューブ状空気封入部６０４の径をほぼ同等に出来る。チューブ状空気封入部６０４の内部には緩衝用押圧ストッパーを配置せず、チューブ状空気封入部の外部に隣接して緩衝用押圧ストッパー６０６配置している。緩衝用押圧ストッパー６０６により押圧によるチューブ変形量Δｄ（６０７）を緩衝し制限している構造である。緩衝用押圧ストッパー６０６の形状は緩やかな傾斜を持ちチューブ状空気封入部６０４の段差を和らげる効果も有する。

本発明を具体化した実施形態（７００）を図７に基づいて説明する。図は説明の都合上模式的に描いてある。図７は本発明に係る空気圧利用の圧電素子を用いたスイッチの構造図で請求項５に準拠している。図７はチューブ状空気封入部７０４を持つ押圧センサーの構造とチューブ状空気封入部７０４の内部に緩衝用押圧ストッパー７０５配置した例を示している。圧電素子７０１、基板７０２は前記チューブ状空気封入部７０４の長手方向に平行の平面に配置する構造を採る。この構成にすることで圧電センサー部７０３の高さとチューブ状空気封入部７０４の径をほぼ同等に出来る。緩衝用押圧ストッパー７０５により押圧によるチューブ変形量を緩衝し制限している構造である。押圧子７０６によるチューブ状空気封入部７０４の変形の状態は押圧子７０６の形状によることがわかる。例えば人間の足による押圧は比較的小さな範囲で有り、車のタイヤによる押圧は広い範囲で起こることが想定される。押圧子の形状によって空気圧変化も関連することを示しており種々の押圧空気圧量に対処する必要がある。請求項５の形態は圧電素子７０１、基板７０２の変位を規制する変位ストッパー７０７を設け過大な変位が圧電素子に加わらない形態を採る。この方法により押圧子の形状に対処する自由度を上げることが出来る。但し、変位ストッパー７０７を設置する部分は小孔を設け外気圧にすることが必要である。

１００ 本発明実施形態
１０１ 圧電素子
１０２ 基板
１０３ 圧電センサー部
１０４ 空気封入部
２００ 本発明実施形態
２０１ 圧電素子
２０２ 基板
２０３ 圧電センサー部
２０４ 空気封入部
２０５ 連結チューブ
３００ 本発明実施形態
３０１ 圧電素子
３０２ 基板
３０３ 圧電センサー部
３０４ チューブ状空気封入部
３０５ チューブ栓
３０６ 緩衝用押圧ストッパー
４００ 本発明実施形態
４０１ 圧電素子
４０２ 基板
４０３ 圧電センサー部
４０４ チューブ状空気封入部
４０５ チューブ栓
４０６ 緩衝用押圧ストッパー
４０７ 押圧子
４０８ チューブ状空気封入部変位量
５００ 本発明実施形態
５０１ 圧電素子
５０２ 基板
５０３ 圧電センサー部
５０４ チューブ状空気封入部
５０５ チューブ栓
５０６ 緩衝用押圧ストッパー
６００ 本発明実施形態
６０１ 圧電素子
６０２ 基板
６０３ 圧電センサー部
６０４ チューブ状空気封入部
６０５ チューブ栓
６０６ 緩衝用押圧ストッパー
７００ 本発明実施形態
７０１ 圧電素子
７０２ 基板
７０３ 圧電センサー部
７０４ チューブ状空気封入部
７０５ 緩衝用押圧ストッパー
７０６ 押圧子
７０７ たわみ変位制限ストッパー

Claims (3)

1. 空気封入部と、圧電素子と基板からなり前記空気封入部の押圧により生じる空気圧変化に基づいて変形可能な圧電素子板と、前記圧電素子板の変形により電気信号を発生する圧電センサー部と、前記空気封入部と前記圧電センサー部との間に介在する連結部材と、を有し、前記空気封入部と前記圧電センサー部と前記連結部材とは相互に取り外し可能に構成されるスイッチ装置であって、
   前記圧電センサー部は、前記圧電素子板を設置する設置部と、前記空気封入部に嵌入可能な嵌入部と、からなり、
   前記嵌入部において前記圧電センサー部と前記連結部材とは相互に取り外し可能に構成され、
   前記空気封入部と前記圧電センサー部と前記連結部材との嵌入状態でかつ前記空気封入部に所定の押圧がされていない状態において、前記連結部材の端部と前記圧電センサー部の前記設置部との間に隙間が存在し、
   前記連結部材の厚み寸法と前記設置部の厚み寸法が略同一に構成されていることを特徴とするスイッチ装置。
2. 前記空気封入部の内部又は近傍に、前記空気圧変化の変化量を制限するためのストッパーを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記圧電センサー部に、前記圧電素子板のたわみ変位を制限するためのストッパーを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチ装置。

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