(57)【要約】【課題】機械的な接触部分を有することなく、可動部材の突出付勢及びスイッチングを行うことができるスイッチ装置を得る。【解決手段】固定側のスイッチ機枠と、このスイッチ機枠に対して往復動作可能に支持された可動部材と、スイッチング素子とを有するスイッチ装置において、スイッチ機枠と可動部材とにそれぞれ、互いに接近するに連れて反発力を強めるように着磁された永久磁石を固定し、スイッチ機枠に、スイッチング素子として、突出位置にある上記可動部材が押込位置に移動するとき、該可動部材側の永久磁石の磁力によって電気抵抗が変化する磁気センサを固定した。【選択図】図１
2010257638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側のスイッチ機枠と、このスイッチ機枠に対して往復動作可能に支持された可動部材とを有するスイッチ装置において、
上記スイッチ機枠と可動部材とにそれぞれ、互いに接近するに連れて反発力を強めるように着磁された永久磁石を固定し、
上記スイッチ機枠に、突出位置にある上記可動部材が押込位置に移動するとき、該可動部材側の永久磁石の磁力によって電気抵抗が変化する磁気センサを固定したことを特徴とするスイッチ装置。
【請求項２】
請求項１記載のスイッチ装置において、上記スイッチ機枠側と可動部材側の永久磁石は、ともに環状をなしていて、同環状永久磁石の中心空間部に、上記磁気センサの出力反転により点滅する発光素子が配置されており、上記可動部材は、この発光素子の発光を視認できる透光性材料からなっているスイッチ装置。
【請求項３】
請求項２記載のスイッチ装置において、上記スイッチ機枠側の環状永久磁石は径方向に切欠部を有し、同切欠部内に、上記磁気センサが配置されているスイッチ装置。
【請求項４】
請求項２記載のスイッチ装置において、上記磁気センサは、上記スイッチ機枠側の環状永久磁石の外側に配置されているスイッチ装置。
【請求項５】
請求項１記載のスイッチ装置において、上記スイッチ機枠側と可動部材側の永久磁石はそれぞれ、互いに平行に配設された対をなす棒状永久磁石を含み、上記磁気センサは、上記スイッチ機枠側の対をなす棒状永久磁石の間に配置されているスイッチ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載のスイッチ装置において、上記磁気センサはＧＭＲ素子であるスイッチ装置。
【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】
人が手指で操作するスイッチ（プッシュスイッチ）装置は従来、突出方向にばね付勢した押しボタン（可動部材）をタクトスイッチと機械的に連係させる構造が一般的に採用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００-３５３４６２号公報
【特許文献２】特開２００７-２５２４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、厳しい耐久性を求められる用途では、可動部材、ばね及びタクトスイッチの機械的な接触によって、可動部材を突出方向に付勢し、タクトスイッチをオンオフさせる従来機構は、長期の信頼性に問題があった。
【０００５】
本発明は、以上の問題意識に基づき、機械的な接触部分を有することなく、可動部材の突出付勢及びスイッチングを行うことができるスイッチ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、可動部材の突出付勢及びスイッチングをともに磁気力で行うことにより、完全非接触タイプのスイッチ装置を実現したものであって、固定側のスイッチ機枠と、このスイッチ機枠に対して往復動作可能に支持された可動部材と、スイッチング素子とを有するスイッチ装置において、スイッチ機枠と可動部材とにそれぞれ、互いに接近するに連れて反発力を強めるように着磁された永久磁石を固定し、スイッチ機枠に、スイッチング素子として、突出位置にある上記可動部材が押込位置に移動するとき、該可動部材側の永久磁石の磁力によって電気抵抗が変化する磁気センサを固定したことを特徴としている。
【０００７】
スイッチ機枠側と可動部材側の永久磁石は、例えば、ともに環状に形成し、この環状永久磁石の中心空間部に、上記磁気センサの出力反転により点滅する発光素子を配置することができる。この態様では、可動部材は、この発光素子の発光を視認できる透光性材料から構成する。
【０００８】
環状をなすスイッチ機枠側の環状永久磁石には、径方向に切欠部を形成し、同切欠部内に、上記磁気センサを配置することが可能である。
【０００９】
あるいは、磁気センサは、スイッチ機枠側の環状永久磁石の外側に配置することもできる。
【００１０】
また、スイッチ機枠側と可動部材側の永久磁石はそれぞれ、互いに平行に配設された対をなす棒状永久磁石から構成することができる。この態様では、磁気センサは、スイッチ機枠側の対をなす棒状永久磁石の間に配置するのが実際的である。
【００１１】
磁気センサには、ＧＭＲ素子を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機械的な接触部分を有することなく、可動部材の突出付勢及びスイッチングを行うことができる、長期の信頼性の高いスイッチ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるスイッチ装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のII矢視平面図である。
【図３】図１のスイッチ装置の固定側と可動側の永久磁石、ＧＭＲ素子（磁気センサ）及び発光素子（ＬＥＤ）の関係を示す斜視図である。
【図４】第１のスイッチ装置の可動部材の位置とＧＭＲ素子の検知磁束密度の関係を示すグラフ図である。
【図５】第１のスイッチ装置の可動部材の位置と磁気反発力（反発付勢力）変化の関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明によるスイッチ装置の第２の実施形態を示す図３に対応する斜視図である。
【図７】同第２の実施形態の側面図である。
【図８】本発明によるスイッチ装置の第３の実施形態を示す図３に対応する斜視図である。
【図９】同第３の実施形態の側面図である。
【図１０】ＧＭＲ素子の薄膜構造例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１ないし図５は、本発明によるスイッチ装置１００の第１の実施形態を示している。図１に全体の縦断面形状を示すスイッチ装置１００は、筒部１１と底部１２を有し、全体として有底筒状の固定側のスイッチ機枠１０と、このスイッチ機枠１０の筒部１１内に摺動自在に嵌めた可動部材（可動押しボタン）２０とを備え、基本的に、軸線を中心とする回転対称形状をしている。可動部材２０は、透光性の押圧頭部２１の下方に、摺動筒体２２を結合してなり、この摺動筒体２２の周面一部には、スイッチ機枠１０の筒部１１の内面に突出させた案内（規制）突起１３に嵌まる案内長溝（切欠）２３が形成されている。案内突起１３と案内長溝２３は、可動部材２０の回転を規制し、かつ摺動（往復動）距離（ストローク）を「ｄ」に規制する。摺動筒体２２の中心底部は、貫通穴２５を有する穴あき底部２４である。
【００１５】
スイッチ機枠１０の底部１２上には、基板１４が固定されており、この基板１４上には、可動部材２０と同軸に固定側環状永久磁石１６が固定されている。一方、可動部材２０の穴あき底部２４の下面には、この固定側環状永久磁石１６と対をなす可動側環状永久磁石２６が同軸に固定されている。図２、図３は、この固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の着磁方向を示している。固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６は、同一仕様で、半割部分の左右でＮ極とＳ極の着磁方向を異ならせ、かつ上下でＮ極とＳ極の着磁方向を異ならせている。そして、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６は、接近するに連れて互いの磁気反発力を強めるように、互いのＮ極とＳ極を対向させている。このような永久磁石は、例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂とフェライト粉末又は希土類マグネット粉末をミックスして練り込み、均一にした後、射出成型によって成型加工されたマグネットプラスチックに必要な着磁を施すことで得られる。
【００１６】
固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の磁気反発力によって、可動部材２０はスイッチ機枠１０から突出する方向に付勢されている。そして、可動部材２０の突出端は、案内長溝２３と案内突起１３の係合位置によって規制されており、可動部材２０が突出端に位置するときの固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の最大間隔「Ｄ」（図１）は、可動部材２０の最大押し下げストローク「ｄ」より大きく設定されている。従って、可動部材２０を最大に押し下げても、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６は当接（衝突）しない。
【００１７】
固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６には、径方向の切欠部１６Ｃと２６Ｃが形成されており（固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６は、不完全環状体であり）、切欠部１６Ｃと２６Ｃは、対称性を確保するために、１８０゜位相を異ならせて配置されている。基板１４上には、固定側環状永久磁石１６の切欠部１６Ｃ内に位置させて、磁気センサとしてのＧＭＲ素子３０が配置されており、また、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の中心空間部に位置させて、発光素子としてのＬＥＤ１７が固定されている。このＬＥＤ１７は、可動部材２０の穴あき底部２４から押圧頭部２１側に突出している。ＧＭＲ素子３０とＬＥＤ１７は、制御回路３１に接続されており、制御回路３１は、制御対象機器３２を制御する。
【００１８】
ＧＭＲ素子３０は、外部磁界に応じて電気抵抗が変化し、その抵抗変化を電圧信号に変換して出力する周知の素子であり、図１０にその薄膜構造例を示している。同図に示すように、ＧＭＲ素子３０は、基板３０ｘ上に例えば下地層３０ａ、反強磁性層３０ｂ、固定磁性層３０ｃ、非磁性層３０ｄ、フリー磁性層３０ｅ及び保護層３０ｆを順に積層した構造で形成され、外部磁界Ｈextの印加によりフリー磁性層３０ｅの磁化が回転（反転）して電気抵抗が変化する。
【００１９】
可動部材２０が突出位置にあるときには、可動側環状永久磁石２６とＧＭＲ素子３０の間に所定以上距離があるため固定側環状永久磁石１６のみがＧＭＲ素子３０に作用し、該固定側環状永久磁石１６の磁力により、ＧＭＲ素子３０のフリー磁性層３０ｅの磁化方向が固定磁性層３０ｃの磁化方向に対して平行な状態で安定化され、ＧＭＲ素子３０の電気抵抗は最小値で一定に保たれる。固定側環状永久磁石１６は、フリー磁性層３０ｅにバイアス磁界を与えるハードバイアスとして機能する。
【００２０】
一方、可動部材２０が押込位置に移動すると、該移動に伴って可動側環状永久磁石２６がＧＭＲ素子３０及び固定側環状永久磁石１６に近づき、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の両方がＧＭＲ素子３０に作用するため、可動側環状永久磁石２６の磁力により、ＧＭＲ素子３０のフリー磁性層３０ｅの磁化方向が反転して固定磁性層３０ｃの磁化方向に対して反平行状態となり、ＧＭＲ素子３０の電気抵抗が大きくなる。可動側環状永久磁石２６の磁力は、固定側環状永久磁石１６の磁力より大きく、ＧＭＲ素子３０のフリー磁性層３０ｅの磁化を回転させる外部磁界Ｈextとして機能する。
【００２１】
別言すれば、可動部材２０の突出位置では外部磁界Ｈext（可動側環状永久磁石２６の磁力）がＧＭＲ素子３０に作用せず、押込位置では外部磁界ＨextがＧＭＲ素子３０に作用するように、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の最大間隔「Ｄ」を設定してある。本実施形態では、可動部材２０が突出位置にあるときにフリー磁性層３０ｅの磁化方向を固定磁性層の磁化方向と平行に安定化させ、押込位置でフリー磁性層３０ｅの磁化方向が固定磁性層３０ｃの磁化方向と反平行になるように設定してあるが、逆に、突出位置にあるときフリー磁性層の磁化方向を固定磁性層の磁化方向と反平行に安定化させ、押込位置でフリー磁性層の磁化方向を固定磁性層の磁化方向と平行になるように設定してもよい。また、固定磁性層の磁化方向についても同様である。ＧＭＲ素子３０の電気抵抗変化により、制御回路３１は、可動部材２０が突出位置にあるか押込位置にあるか（可動部材２０のオフ／オン）を検出する。
【００２２】
以上の本スイッチ装置１００は、可動部材２０を突出方向に付勢する付勢力が、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の磁気反発力によって得られる。そして、可動部材２０を押込位置に移動させると、ＧＭＲ素子３０の電気抵抗が変化し、このＧＭＲ素子３０の出力が制御回路３１に入力される結果、制御回路３１は、制御対象機器３２を動作させるとともに、ＬＥＤ１７を点灯させる。ＬＥＤ１７の点灯は、可動部材２０の押圧頭部２１を介して視認することができる。
【００２３】
次に、具体的な例によって、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の磁気反発力の大きさ、及びＧＭＲ素子３０の検知磁束密度の例を説明する。
【００２４】
固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６のサイズ：外径15mmφ、内径8mmφ、厚さ2mm
着磁：厚み方向２極
磁石材質：プラスチックマグネットＮｄ系（NPI-7L）
ＧＭＲ素子３０：SON-23、単極1出力
ＧＭＲ素子３０の位置：固定側環状永久磁石１６の高さ方向の中心から下方に0.5ｍｍ）
可動部材２０の想定ストローク：1.5〜2.0mm
【００２５】
図４は、以上の具体例において、固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６の距離Ｄが変化するときの同距離Ｄと可動部材２０に作用する磁気反発力Ｎとの関係を示している。このグラフ図から明らかなように、可動部材２０が押し込まれるに従って、磁気反発力は大きくなり、操作者に十分な反発感（押込抵抗）を与えることができる。
【００２６】
図５は、以上の具体例における可動部材２０の位置とＧＭＲ素子３０の検知磁束密度（ｍＴ、ミリテスラ）の関係を示している。この例においてＧＭＲ素子３０の検知磁束密度は、押込量が０．７ｍｍ前後に達する迄は負の値をとっているが、それを超えると正の値となり、かつ、３ｍＴ感度品（約３ｍＴの外部磁界印加でオン／オフ（フリー層の磁化反転）するＧＭＲ素子）の磁束密度を直ぐに超えて、最大押込位置では十分大きい正の値となる。よって、制御回路３１は、ＧＭＲ素子３０の電気抵抗変化から可動部材２０が押し込まれたことを確実に検知でき、可動部材２０によりスイッチングを確実に行うことができる。
【００２７】
図６、図７は、本発明によるスイッチ装置１００の第２の実施形態を示している。この実施形態は、第１の実施形態の固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６に代えて、着磁態様を上下方向のみとした完全環状永久磁石１６Ｘと２６Ｘを用いた点、及びＧＭＲ素子３０を完全環状永久磁石１６Ｘの外側に配置した点が第１の実施形態と異なる。
【００２８】
図８、図９は、本発明によるスイッチ装置１００の第３の実施形態を示している。この実施形態は、第１の実施形態の固定側と可動側の環状永久磁石１６と２６に代えて、着磁態様を上下方向とした各一対の棒状永久磁石１６Ｙと２６Ｙを用いた点、及びＧＭＲ素子３０を一対の棒状永久磁石１６Ｙの間（スイッチ機枠１０と可動部材２０の平面中心部）に配置した点が第１の実施形態と異なる。
【００２９】
これらの実施形態はいずれも、スイッチ機枠１０側と可動部材２０側に、互いに接近するに連れて反発力を強めるように着磁された永久磁石１６Ｘ（１６Ｙ）と２６Ｘ（２６Ｙ）が固定されていること、及び突出位置にあった可動部材２０が押込位置に移動するとき、該可動部材２０側の永久磁石２６Ｘ（２６Ｙ）の磁力によって電気抵抗が変化するＧＭＲ素子３０を有するという条件を満足している。この条件を満足すれば、固定側と可動側の永久磁石の配置（着磁）態様及びＧＭＲ素子３０の配置位置には自由度がある。
【００３０】
磁気センサ３０としてはホール素子を用いることもできるが、膜面内方向における磁束検出が可能で高感度なＧＭＲ素子を用いればより確実なスイッチングを行うことができる。ホール素子を用いた場合には、素子面に垂直な磁束を検知する構造上、該ホール素子を基板１４に対して垂直方向に立てる必要があるのに対し、素子面内方向の磁束を検知するＧＭＲ素子は基板１４と平行に配置できる。
【符号の説明】
【００３１】
１００  スイッチ装置
１０  スイッチ機枠
１１  筒部
１２  底部
１３  案内突起
１４  基板
１６  固定側環状永久磁石
１６Ｘ  完全環状永久磁石
１６Ｙ  棒状永久磁石
１７  ＬＥＤ（発光素子）
１６Ｃ  ２６Ｃ  切欠
２０  可動部材（可動押しボタン）
２１  押圧頭部
２２  摺動筒体
２３  案内長溝
２４  穴あき底部
２６  可動側環状永久磁石
２６Ｘ  完全環状永久磁石
２６Ｙ  棒状永久磁石
３０  ＧＭＲ素子（磁気センサ）
３１  制御回路
３２  制御対象機器
【図１】
2010257638.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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