JPS5851646B2 - 静電容量可変式押釦スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は静電容量の変化により作動させる押釦スイッチ
に係り、スイッチ動作が確実で、且つ量産性に優れた押
釦スイッチを提供することを目的とする。

例えばデータ入力装置等においては動作が確実で高信頼
性のスイッチが必要とされるために、静電容量可変式押
釦スイッチ（以下略して容量式スイッチと称する）が広
く使用されるようになった。

この様なスイッチにおいては、ＯＮ状態とＯＦＦ状態と
の間の静電容量の変化を十分に犬とする必要があり、そ
のためには誘電率の高い誘電材料を選定する必要がある
。

第１図は従来の容量式押釦スイッチの要部断面図で、同
図には主として電気的構成のみが示されており、３１は
押杆で、絶縁基板３２上に配設された１対の限定電極３
３．３４と、誘電体皮膜３５と可動電極３６とにより一
種のコンデンサを構成し、且つ固定電極は例えばその一
方３３が入力側に、他方３４が出力側となり、押杆３１
が下降して誘電体皮膜３５が固定電極３３．３４上に密
接し、１対の固定電極３３．３４の間を静電容量を介し
て交流的に接続する働きをするものである。

同図において、空気層及び誘電体皮膜３５の厚みをそれ
ぞれｄａ、ｄｆとし、可動電極の表面積をＳ、空気及び
誘電体皮膜３５の比誘電率をそれぞれε。

、ｄｆ、真空の誘電率をε。（単位はＦ／ｍ、Ｆはファ
ラド）とし、また、一方の固定電極３３のみと可動電極
３５との間の静電容量をＣ１とし、同様に他方の固定電
極３４についてはＣ２とする。

なお、２つの固定電極間の間隙は小さいので、各固定電
極３３．３４の面積はそれぞれＳ／２とするこ８′−で
き、Ｃ０は、電気層の静電容量更にＣ１と０２との直列
結合による合成静電容量をＣとし、且つＣ１＝Ｃ２（固
定電極は同一形状、同一寸法に形成されている）であり
、 となる。

なおｄａ、ｄｆの単位は傭、Ｓの単位は傭とする。

（２）式から明らかなように、誘電体皮膜３５の比誘電
率εｆが十分に大であるか、或いはその膜厚ｄｆが出来
るだけ薄い程、静電容量の変化が大きく取れ、従ってス
イッチの動作は確実になる。

以上の電気的解析に対して、実際の製造条件から考える
と、誘電被膜の膜厚をあまり薄くすることは、次の様な
問題がある。

即ち、（ａ）膜厚のバラツキが犬で、静電容量のバラツ
キも犬となる。

（ｂ）機械的強度が小さく、製造工程中における取扱い
、即ちハンドリング性が悪くなる。

従って膜厚は成る一定の値より小さくはできない。

従って誘電体皮膜の誘電率が可及的に犬なる材料を使用
することが必要となる。

誘電体材料としては、ポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）、ポリプロピレン（ｐｐ）等のフィルムが最も一
般的なものであるが、これらは何れも誘電率が小さく（
２〜４）、従ってこれらを使用した場合、確実なオン、
オフ動作を有する容量式スイッチを得ることは困難であ
った。

本発明者等は、前記従来の欠点を除去するため、例えば
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の如く誘電率の格
段に大きい高分子組成物の誘電材料を使用すればスイッ
チの開離時と閉成時との静電容量の差が大きくとれるこ
とを期待したが、単に第１図のように可動電極並びに固
定電極が共に剛体構造より成るスイッチでは誘電材料の
誘電率、および厚みから期待される程大きな静電容量の
変化は容易に得られ難いという問題に遭遇し、その原因
を更に深く検討した結果法のことがわかった。

即ち、誘電体材料としてＰＥＴ（誘電率３）およびＰＶ
ＤＦ（誘電率１１）の５μ、１０μおよび２０μの膜厚
のフィルムを用いＳ ＝ ０．５ ｃｒｒｔＩ）時の第
１図のスイッチの開度（空気層の厚みｄａ）と静電容量
Ｃの関係を（１）式に従って計算しプロットしたところ
、第４図のようなグラフが得られた。

このグラフより、例えばＰＥＴ２Ｏμのフィルムでは、
ｄａ−００場合のＣが１７ＰＦであるのに対し、ｄ
＝１μおよび０．１μの場合のＣは夫々１４ＰＦおよび
１６．５ＰＦで、ｄａ−０の時のＣの夫々約８２％およ
び９７％に達している。

一方、ＰＶＤＦの２０μのフィルムではｄａ−００時の
Ｃが６０ＰＦであるのに対し、ｄａが１μおよび０．１
μの時のＣは夫々３８Ｐ および５５ＰＦで、ｄａ＝
Ｏの時の値の夫々約６６％および９１％で１μと０．１
μの間に於ける変化が大きく、また、この％はフィルム
の膜厚が薄くなる程またはフィルムの誘電率が増大する
程小さくなり、ＰＶＤＦの１０μのフィルムでは夫々約
４８％および９０％となる。

この事はＰＥＴなとのような誘電率の比較的小さいもの
、あるいは膜厚の比較的厚いものでは電極間密着度の良
否による容量はさほど変化がないことを示している。

即ち、この場合にはｄａ＝００時の容量が比較的小さく
、且つ、ｄａによる容量変化が少ないので、特に電極間
の密着度は厳格にしてもあまり意味がないことになる。

一方、誘電率の大きな、また、薄い誘電材料を使用して
大きな容量変化を期待する場合には、スインチ作動時に
できるだけ空隙が残らない構造とする必要性がでてくる
。

第１図の構造に於て、若し可動電極と下部の１対の固定
電極が共に押圧により自由変形しない剛体構造の場合は
、上下電極表面の平面精度、上下電極の平行性、移動電
極の完全な垂直移動のうちのいずれかが少しでも狂うと
入力側若しくは出力側の少なくとも一方の電極の密着性
が阻害される６そこで、本発明の静電容量可変式押釦ス
イッチでは、可動電極をスイッチ押圧により自由に角度
を変えて下部の一対の電極と均等に且つ精度よく密着す
ることが可能なように、電極とキーステムの間に圧縮性
に富む弾性材料より成る可動電極保持材料を設け、更に
電極自体もその表面に高誘電率の高分子組成物より成る
誘電体皮膜を設けた例えば金属箔若しくは金属蒸着フィ
ルムなどの可撓性に富むものを用いて下部電極と均一に
密着させることができるようにしたものである。

第２図は本発明による容量式スイッチの構造の一実施例
を示すもので、１は合成樹脂より成るケース、２は合成
樹脂より成るキーステム、３は復帰用コイルバネ、４は
ケース１の上底部に固定され、復帰バネ３０弾接部の機
能と、キーステム２の下降限界規制とを兼ねるようにし
た取付板で、その鉛直部はキーステム２０大径部８に穿
設された縦条孔１３を貫通しているので、キーステム２
の上下動は拘束されないようになっている。

キーステム２の細径部７は、ケース１の上面板に設けら
れた孔６に嵌挿され、また、中軸体９の先端と、垂下突
片１１の先端の爪１２により、可動部材５が保持されて
いる。

また、間隙部１０内には、前記復帰バネ３が収納されて
いる。

絶縁基板２６上には、前記可動部材５に対向して１対の
固定電極２５．２５が配設されている。

なお、２７はツマミの取付けられる位置を示すが、その
形状等は任意であり、また、２８は取付けた際における
パネル等の位置を示す。

前記可動部材５において、２４は硬質の材料より成る板
体、２１は圧縮性と弾性に富む材料より成る緩衝部材、
２２は可動電極、２３は誘電体皮膜である。

この部分の製造工程としては、例えば予めアルミニウム
等の金属を真空蒸着した可撓性の誘電体フィルムを用意
し、該フィルムの蒸着金属面を前記緩衝部材２１の下面
に接着することにより、前記可動電板２２並びに誘電体
皮膜２３が形成される。

但し、このようなものに限定されるものではなく、キー
ステム２が押圧された際に、誘電体皮膜２３が１対の固
定電極２５，２５上に一様に密着するように可撓性と柔
軟性とを備えた構成であればよく、例えば第３図のよう
に緩衝部材２１の中央部が両端部より少し厚いかまぼこ
状とすれば可動部材５が固定電極２５，２５と接触する
際に両者間の空気が更に残り難いので一層好ましい。

前記可動電極２２、誘電体皮膜２３、固定電極２５．２
５により、一種の可変コンデンサが構成されるが、本発
明においては、７誘電体皮膜２３として特に従来の誘電
材料よりも格段に高い誘電率を有する高分子組成物、例
えばフッ化ビニリデン系合成樹脂より成るフィルムを使
用する。

前記高誘電率の高分子組成物としては大別して単重合体
のものと、共重合体のものとがあるので、以下その各々
について説明する。

まず単重合体の組成物としては、例えばポリフッ化ビニ
ル、ポリフッ化ビニリデンの如き単重合体、および３７
ツ化エチレンとかクロロフロロビニリデンを重合させて
成る単重合体が挙げられる。

このような唯１種類だけの単量体のみを重合して生成し
た組成物（即ち単重合体）としては、前記の第２番目に
挙げたポリフッ化ビニリデンが最も誘電率が犬である。

次に共重合体について説明する。

即ち１つの単量体と１．これと共重合可能な他の単量体
とを混合し重合させて生成したもの、即ち共重合体のな
かには、誘電率の犬なるもの、即ち比誘電率が８或いは
８を越えるものがある。

例えばフッ化ビニリデン（単量体）と他の単量体（例え
ば３７ツ化エチレン）との共重合体は本発明の誘電体と
して適切なものである。

先に第４図および同図に関連して、前記のポリフッ化ビ
ニリデンが本発明における誘電体として適切であること
を説明したが、本発明においては特に二軸延伸加工によ
り誘電率を高くしたポリフッ化ビニリデンフィルムが使
用される。

このフィルムは常温で１）Ｇ（ｚ における比誘電率ε
ｆは１０〜１３であり、また１ ００ ）Ｇ（ｚ に
おいてもεｆは８〜１０の値を有している。

なお一軸延伸処理によってもフィルムを製造することが
でき、この場合はεｆが最高１８付近のものも得られる
。

但しフィルムの量産性においては前記２軸延伸の方が優
れているので、本発明においては主として２軸延伸フイ
ルムを使用した。

次に前記フッ化ビニリデン系の共重合体のフィルムにつ
いては、フッ化ビニリデンと、３フツ化エチレンとを等
モルで混合して生成させた共重合体を延伸加工すること
により、常温でＩＫＦｌ’ｚ における比誘電率εｆ
が約１５に達し、前記ポリフッ化ビニリデンの延伸加工
フィルムと同様に、本発明の誘電体皮膜として有効に使
用することができる。

本発明の容量式スイッチは、可動電極が可撓性を有し、
更にこれが圧縮性に富む弾性材料より成る可動電極保持
部材に支持されているので、押釦を押した時、可動電極
は容易に変形して１対の固定電極に均等に密着して空隙
層を最小にすることが可能であり、更にポリフッ化ビニ
リデンフィルムなどの高誘電率の薄いフィルムを誘電体
として使用し、そのフィルムの特性から期待される完全
接触時の静電容量に近い静電容量が確実に得られ、従っ
てスイッチ０Ｎ−ＯＦＦ間の静電容量の差が大きく取れ
る。

また、可動電極が高誘電率フィルムに蒸着された金属薄
膜であれば、可動電極層及び誘電体層が共に薄くて極め
て柔軟であり、可動電極と誘電体層との間に接着剤など
の誘電率の低い層が存在しないので高容量を得る上で非
常に好ましく、金属蒸着フィルムの蒸着面をポリウレタ
ン等の緩衝部材に接着させるだけでよいので作業性も極
めて良い。

更にまた、ＰＥＴフィルム或いはＰＰフィルム等では静
電容量の変化が小さいので、これを犬にするため膜厚の
より薄いフィルムを使用する必要があり、製造工程中に
おいて、しわや破損を生じ易く、しわの発生はスイッチ
作動時の間隙の増大につながり、動作不確実の原因とも
なるが、誘電率の高いフィルムでは同一静電容量を得る
場合のフィルムの厚みはより大きくとれ、従って製造上
の作業性の点でも、また電気的性能の点でも極めて改善
される。

叙上の如く本発明は、緩衝部材に可撓性の金属蒸着した
誘電体皮膜を貼付し、且つその誘電体皮膜は誘電率の犬
なる高分子組成物より成るため、静電容量のバラツキが
少く、開閉動作が確実で信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）も犬
なる容量式スイッチを提供し得るものであり、またその
量産性も格段に改善し得るものであり、産業上多大の効
果を奏し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の静電容量可変式押釦スイッチの原理を説
明するため要部断面図、第２図は本発明による静電容量
可変式押釦スイッチの実施例を示す断面図、第３図は可
動部材の他の実施例を示す断面図、第４図はスイッチの
開度と静電容量との関係を示すグラフである。 １・・・・・・ケース、２・・・・・・キーステム、５
・・・・・・可動部材、２１・・・・・・可動電極保持
部材、２２・・・・・・可動電極、２３・・・・・・誘
電体皮膜、２５・・・・・・固定電極、２６・・・・・
・絶縁基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁材料より成るケースと、該ケースに上下動自在
   に嵌挿されたキーステムと、該キーステムの下端に取付
   けた可動部材とを備え、該可動部材は、圧縮性に富む弾
   性材料より成る可動電極保持部材と、可撓性に富む導電
   材料より成る可動電極と、該可動電極の表面に形成した
   フッ化ビニリデン系合成樹脂より成る誘電体皮膜とより
   成り、前記キーステムの押圧により、前記誘電体皮膜が
   絶縁基板上に形成した固定電極に圧接し得るようにした
   ことを特徴とする静電容量可変式押釦スイッチ。 ２ 常温でＩ ＫＨｚ における比誘電率が１０〜１
   ３の範囲にあるポリフッ化ビニリデンより成る誘電体皮
   膜を可動電極の表面に形成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の静電容量可変式押釦スイッチ。