復帰機構、加速機構、発電装置、発信装置、およびスイッチ装置

本発明は、復帰機構、加速機構、ならびに復帰機構を備える、発電装置、発信装置、およびスイッチ装置に関する。

スイッチ等の操作部の復帰機構は、確実に操作部の位置が復帰することが求められる。一方で、復帰機構は、より小さい力で操作部を操作可能であることが求められる。

特許文献1には、2つのバネから構成された合成バネ機構により、操作レバーに力を与える係止片取付装置が記載されている。合成バネ機構は、操作レバーを復帰させる。

特許文献2には、磁石とコイルと可動部とバネとを備え、可動部の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電磁エネルギー変換器が記載されている。可動部にはバネが接続されており、バネは、可動部を所定の位置に復帰させるように可動部に力を加えている。

例えば、動作部の変位による電磁誘導によって発電を行う発電装置では、動作部が速く変位する方が発電効率が高くなる。このような発電装置において動作部を復帰機構によって自己復帰させる場合、操作に必要な力が小さいこと、および、操作に対して動作部が高速で変位することが求められる。

また、発電装置以外でも、操作に必要な力が小さいこと、および、操作に対して動作部が高速で変位することが復帰機構に求められる場合がある。

日本国公開特許公報「特開平7−61431号公報(1995年3月7日公開)」

米国特許出願公開第2011/0285487号明細書(2011年11月24日公開)

特許文献1の構成では、作用を発揮する動作部と利用者が操作する操作部との位置関係は一定なので、操作に対して動作部を高速で変位させることはできない。

特許文献2の構成では、作用を発揮する可動部に復帰用のバネが直接接続されているため、可動部を操作するために必要な力が大きい。また、操作に対して可動部を高速で変位させることもできない。

本発明に係る一態様では、操作に必要な力が小さく、操作に対して動作部が高速で変位可能な復帰機構を実現することを目的とする。

本発明に係る操作部および動作部の復帰機構は、操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記操作部と上記ベース部との間で働く第2バネとを備え、上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動するとともに、上記第2バネから与えられる力によって上記第2位置から上記第1位置に運動し、上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、上記第1バネは、上記操作部に加わる外力、および、上記第2バネから与えられる力の少なくともいずれか一方によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、上記第2バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであり、上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向は、上記操作部が上記第2位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向に対して平行ではなく、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、上記操作部が復帰する方向を正として、上記操作部が上記第1位置にあるときよりも上記第2位置にあるときの方が小さいことを特徴としている。

本発明に係る動作部の加速機構は、操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記動作部と上記ベース部との間で働く第3バネとを備え、上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動し、上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、上記第1バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、上記動作部が上記第3位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向は、上記動作部が上記第4位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向に対して平行ではなく、上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、上記動作部が上記第4位置から上記第3位置に復帰する方向を正として、上記動作部が上記第3位置にあるときよりも上記第4位置にあるときの方が小さいことを特徴としている。

本発明によれば、操作速度に関わらず動作部を高速で運動させることができる。また、操作部の操作に必要な外力の最大値を低減することができる。

本発明の一実施形態の復帰機構の概略構成を示す図である。

上記復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

上記復帰機構のFS特性を示す図である。

上記復帰機構のFS特性の具体例を示す図である。

保持力の具体例を示す図である。

本発明の他の実施形態の復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

第2バネの具体例を示す図である。

2つの第2バネを操作部に対して対称に配置する構成を示す図である。

第1バネの変形例を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の構成を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の構成を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態のスイッチ装置の構成を示す側面図である。

上記スイッチ装置の構成を示す斜視図である。

上記スイッチ装置の発電モジュールの構成を示す斜視図である。

上記発電モジュールの構成を示す正面図である。

回転可能なレバーを備えるリミットスイッチの構成を示す図である。

参考例1の復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

参考例1の復帰機構のFS特性を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の操作および復帰の動作の概略を示す図である。

上記復帰機構のFS特性を示す図である。

本発明のさらに他の実施形態の復帰機構の構成およびFS特性を示す図である。

説明の便宜上、各項目において、上述の項目に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略することがある。まず参考例の復帰機構について説明する。

〔参考例1〕 図19は、参考例1の復帰機構100の操作および復帰の動作の概略を示す図である。復帰機構100は、操作部101、動作部102、ベース部103、加速用バネ111、および復帰用バネ112を備える。加速用バネ111は、操作部101と動作部102とを接続している。復帰用バネ112は、操作部101とベース部103とを接続している。復帰用バネ112が操作部101に働く方向は、加速用バネ111が操作部101に働く方向に対して平行である。

操作部101は、第1位置と第2位置との間で変位可能である。動作部102は第3位置と第4位置との間で変位可能である。ベース部103は固定されている。操作部101が変位可能な方向、動作部102が変位可能な方向、復帰用バネ112が働く方向、および加速用バネ111が働く方向は、互いに平行である。

動作部102が第3位置にあるとき、動作部102には動作部102を第3位置に保持するように保持力が働いている。動作部102が第4位置にあるとき、動作部102には動作部102を第4位置に保持するように保持力が働いている。

図19の(a)は、復帰機構100の初期状態を示す。初期状態は、操作部101に外力が加えられていない状態である。初期状態において、動作部102は保持力によって第3位置に保持されている。また、初期状態において、操作部101は圧縮された復帰用バネ112の復元力によって第1位置に押しつけられている。

図19の(b)は、操作部101に操作する力(操作力)が加えられて操作部101が変位した状態を示す。操作部101に外力として操作力が加えられると、操作部101は、第1位置から第2位置へ変位する。操作部101の変位に応じて、復帰用バネ112および加速用バネ111は圧縮される。

圧縮された加速用バネ111の復元力が動作部102に働く保持力より大きくなると、圧縮された加速用バネ111の復元力により、動作部102は第3位置から第4位置に変位する(図19の(c))。第4位置に変位した動作部102は、保持力によってそのまま第4位置に保持される(図19の(d))。以上で、操作部101および動作部102の操作時の動作が完了する。

動作部102は、圧縮された加速用バネ111の復元力が保持力を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、加速用バネ111によって動かされる。すなわち、動作部102は、操作部101の運動速度に関係なく、加速用バネ111によって高速に動かされる。

操作部101に対する操作力がなくなると、圧縮された復帰用バネ112の復元力によって、操作部101は、第2位置から第1位置へと動き始める(図19の(e))。このとき、動作部102は、保持力によって第4位置に保持されたままである。そのため、操作部101の変位に応じて、加速用バネ111は自然長より伸長される(図19の(e)(f))。操作部101は、第1位置まで変位する。

伸長された加速用バネ111の復元力が、動作部102に働く保持力より大きくなると、伸長された加速用バネ111の復元力により、動作部102は第4位置から第3位置に変位する(図19の(g))。第3位置に変位した動作部102は、保持力によってそのまま第3位置に保持される(図19の(h))。以上で、操作部101および動作部102の復帰時の動作が完了する。

動作部102は、伸長された加速用バネ111の復元力が保持力を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、加速用バネ111によって動かされる。すなわち、動作部102は、復帰する操作部101の運動速度に関係なく、加速用バネ111によって高速に動かされる。

このように、復帰用バネ112と、加速用バネ111と、動作部102に働く保持力とにより、操作部101の運動速度に関係なく、加速用バネ111によって動作部102を高速に動かすことができる。

(FS特性) 図20は、参考例1の復帰機構100のFS特性を示す図である。横軸は操作部101のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図20には、加速用バネ111の力(復元力)と、復帰用バネ112の力と、操作力とが示されている。利用者が操作部101を操作するために必要となる力が操作力である。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、復帰用バネ力と加速用バネ力との合力である。力が正であることは、操作部101に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。必要な操作力は、操作部101が復帰する上向きの力(復帰力)と言うこともできる。

自然長において各バネの力は0となる。ここでは復帰用バネ112の力は一定である。これは、復帰用バネ112が小さいバネ定数を有し、予め初期位置において大きく圧縮されているような理想的な状況を仮定したものである。実際には、復帰用バネ112の力もストロークの増加に応じて線形に増加する。全ストロークにおいて、復帰用バネ112は自然長より圧縮されている。加速用バネ111の力が負であるとき、加速用バネ111は自然長より伸張されている。加速用バネ111の力が正であるとき、加速用バネ111は自然長より圧縮されている。

図19の(a)に示す初期状態は、例えば操作部101がストロークS0の位置にあるときに対応する。図19の(d)に示す状態は、例えば操作部101がストロークS3の位置にあるときに対応する。ただし、操作部101の第1位置は、ストロークS0からS1の間であればよい。操作部101の第2位置は、ストロークS2からS3の間であればよい。

(操作時) 操作部101に操作力を加えて操作部101を第1位置(S0)から変位させていくと、加速用バネ111は圧縮されていき、復元力(バネ力)は線形に増加していく。すなわち、操作に必要な操作力も増加していく。なお、ストロークS1を越えても、保持力により動作部102は第3位置に保持されるので、加速用バネ111は圧縮され続ける。

操作部101のストロークがS2に達したとき、圧縮された加速用バネ111の復元力が第3位置の保持力を上回る。そのため、ストロークS2において、動作部102が第3位置から第4位置に変位する。この変位に伴い、圧縮されていた加速用バネ111が解放され、加速用バネ111はほぼ自然長まで戻る。同時に操作力も低下する。

S2からさらに操作部101のストロークを増加させると、加速用バネ111は再び圧縮され、復元力および操作力が増加する。

(復帰時) 一方、操作部101に加える外力(操作力)を弱めると、復帰用バネ力と加速用バネ力の合力(復帰力)によって、操作部101が復帰する。操作部101を第2位置(S3)から第1位置の方向へ復帰させていくと、加速用バネ111の圧縮が少なくなっていき、復元力(バネ力)は線形に減少していく。すなわち、操作力(復帰力)も減少していく。操作部101がストロークS2よりさらに復帰しても、保持力により動作部102は第4位置に保持されるので、加速用バネ111は伸長される。

操作部101のストロークがS1に達したとき、伸長された加速用バネ111の復元力が第4位置の保持力を上回る。そのため、ストロークS1において、動作部102が第4位置から第3位置に変位する。この変位に伴い、伸長されていた加速用バネ111が解放され、加速用バネ111はほぼ自然長まで戻る。同時に復帰力は増加する。

S1からさらに操作部101のストロークを減少させると、加速用バネ111は再び伸長され、復元力および操作力が減少する。

このように、操作部101に加わる復帰力(操作に必要な操作力)は、ヒステリシスになる。なお、復帰動作が途中で止まってしまわないためには、復帰力が常に正である必要がある。そのため、加速用バネ111が最大に伸長された状態(S1)でも復帰力が正になるように、復帰用バネ112のバネ力が設定される。すなわち、復帰用バネ112のバネ力は、ストロークS1において、第4位置の動作部102に働く保持力より大きくなければならない。

操作のために必要な最大の操作力Fmaxは、操作時にストロークS2に達するときの値である。実際には復帰用バネ112の復元力はストロークの増加に応じて線形に増加するので、最大の操作力Fmaxは、さらに大きくなる。これは利用者が操作部101に大きな操作力を加えなければならないことを意味する。

〔実施形態1〕 以下に、本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態では、参考例1に比べて、復帰用バネに対応するバネに関する構成が異なる。

(復帰機構10の構成) 図1は、本実施形態の復帰機構10の概略構成を示す図である。本実施形態は、操作部11および動作部12が自己復帰し、かつ、動作部12が操作速度に関わらず高速で動作する復帰機構において、必要な操作力が小さくてすむ復帰機構に関する。第1バネ1および動作部12に働く保持力によって、動作部12の高速での動作を実現することができる。また、第2バネ2によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。ここで、本実施形態では、第2バネ2の構成(配置)を工夫することにより、必要な操作力を参考例1の復帰機構に比べて低減する。

復帰機構10は、操作部11、動作部12、ベース部13、第1バネ1、および第2バネ2を備える。第1バネ1は、操作部11と動作部12とを接続している。第2バネ2は、操作部11とベース部13とを接続している。ベース部13は固定されている。操作部11および動作部12は、ストローク軸Sに沿って運動可能である。第1バネ1が操作部11に力を加える方向は、操作部11が運動可能な方向に平行である。

一方、第2バネ2が操作部11に力を加える方向は、操作部11が運動可能な方向に対して斜めになっている。第2バネ2が操作部11に力を加える方向とストローク軸Sとの間の角度をθとする。ベース部13に接続された第2バネ2の一端は移動しない。一方、操作部11に接続された第2バネ2の他端は、操作部11の移動に合わせて移動する。そのため、操作部11がストローク軸Sに沿って運動すると、角度θも変化する。

操作部11上の操作点11aを操作部11の変位の基準として考える。外力によって操作部11が平行移動するとき、操作部11の任意の点が同じように平行移動する。平行移動する場合、操作点11aは操作部11上の任意の点でよい。同様に、平行移動する動作部12上の任意の動作点12aを動作部12の変位の基準とする。

操作部11の操作点11aは、ストローク軸Sに沿って、第1位置から第2位置の間で変位可能である。動作部12の動作点12aは、ストローク軸Sに沿って、第3位置から第4位置の間で変位可能である。

動作点12aが第3位置にあるとき、動作部12には動作点12aを第3位置に保持するように保持力が働いている。動作点12aが第4位置にあるとき、動作部12には動作点12aを第4位置に保持するように保持力が働いている。具体的には、動作部12は、第3位置および第4位置で働く磁力によって、それぞれの位置に保持される。

以下では便宜的に、操作点11aが例えば第1位置にあることを、操作部11が第1位置にあると表現することがある。動作点12aおよび動作部12についても同様である。

(復帰機構10の動作) 図2は、本実施形態の復帰機構10の操作および復帰の動作の概略を示す図である。利用者は、操作部11に外力として操作力を加えることにより操作部11を運動(移動)させる。そして操作部11の変位に応じて、動作部12が変位する。動作部12が移動することにより、復帰機構10は機能を提供する。例えば後述するように復帰機構10を発電装置に適用する場合、動作部12の運動(移動)によって発電を行う。

図2の(a)は、復帰機構10の初期状態を示す。初期状態は、操作部11に外力が加えられていない状態である。初期状態において、動作部12は保持力によって第3位置に保持されている。また、初期状態において、操作点11aは圧縮された第2バネ2の復元力によって第1位置に押しつけられている。操作点11aが第1位置にあるときの角度θをθ1とする。角度θは、操作部11(操作点11a)が復帰する方向と、第2バネ2の復元力が操作部11に加わる方向との間の角度である。操作点11aが第1位置にあるとき、操作部11に働く第2バネの復元力のストローク軸Sに沿った成分(操作部11の運動方向の成分)は、cosθ1である。操作部11に上向きに働く力(操作部11の復帰方向に働く力)を正としている。

図2の(b)は、操作部11に操作する力(操作力)が加えられて操作部11が変位した状態を示す。操作部11に外力として操作力が加えられると、操作部11の操作点11aは、第1位置から第2位置へ変位する。操作点11aの変位に応じて、第2バネ2および第1バネ1は圧縮される。また、操作点11aの変位に応じて、第2バネ2の方向が変わるので、第2バネ2の復元力が働く方向も変化する。操作点11aが第1位置にあるときに操作部11に第2バネ2の力が加わる方向は、操作点11aが第2位置にあるときに操作部11に第2バネ2の力が加わる方向に対して平行ではない。

操作点11aが第2位置にあるときの角度θをθ2とする。操作点11aが第2位置にあるとき、操作部11に働く第2バネ2の復元力のストローク軸Sに沿った成分は、cosθ2である。0°<θ1<θ2<180°であり、cosθ1>cosθ2である。すなわち、操作部11に働く第2バネ2の復元力のストローク軸Sに沿った成分(操作部11が復帰する方向を正とした成分)は、第1位置のときより第2位置のときの方が小さい。そのため利用者が操作部11を操作するとき、第2バネ2による反発力は徐々に小さくなる。これは、参考例1に比べて、復帰機構10では操作に必要な操作力が低減されることを意味する。

圧縮された第1バネ1の復元力が動作部12に働く保持力より大きくなると、圧縮された第1バネ1の復元力により、動作部12の動作点12aは第3位置から第4位置に変位する(図2の(c))。第4位置に変位した動作部12は、保持力によってそのまま第4位置に保持される(図2の(d))。以上で、操作部11および動作部12の操作時の動作が完了する。

動作部12は、圧縮された第1バネ1の復元力が保持力を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、第1バネ1によって動かされる。すなわち、動作部12は、操作部11の運動速度に関係なく、第1バネ1によって高速に動かされる。

操作部11に対する操作力がなくなると、圧縮された第2バネ2の復元力によって、操作部11は、第2位置から第1位置へと動き始める(図2の(e))。このとき、動作部12は、保持力によって第4位置に保持されたままである。そのため、操作部11の変位に応じて、第1バネ1は自然長より伸長される(図2の(e)(f))。操作部11は、第1位置まで移動する。

伸長された第1バネ1の復元力が、動作部12に働く保持力より大きくなると、伸長された第1バネ1の復元力により、動作部12は第4位置から第3位置に変位する(図2の(g))。第3位置に移動した動作部12は、保持力によってそのまま第3位置に保持される(図2の(h))。以上で、操作部11および動作部12の復帰時の動作が完了する。

動作部12は、伸長された第1バネ1の復元力が保持力を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、第1バネ1によって動かされる。すなわち、動作部12は、復帰する操作部11の運動速度に関係なく、第1バネ1によって高速に動かされる。

このように、第2バネ2と、第1バネ1と、動作部12に働く保持力とにより、操作部11の運動速度に関係なく、第1バネ1によって動作部12を高速に動かすことができる。

(FS特性) 図3は、本実施形態の復帰機構10のFS特性を示す図である。横軸は操作部11のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図3には、第1バネ1の力(第1バネ力)と、第2バネ2の力(第2バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネ力と第2バネ力との合力である。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。なお、図示する第2バネ力は、操作部11に働く力のストローク軸Sの成分である。第2バネ2の復元力にcosθをかけたものが、ストローク軸Sの成分である。

なお、図3において、FS特性の左上に第1位置での第2バネ2の状態を、右上に第2位置での第2バネ2の状態を示す。

第2バネ2は、ストロークの増加と共に圧縮される。にもかかわらず、第2バネ力は、ストロークの増加と共に単調に減少する。これは、角度θが増加して、cosθが小さくなるためである。例えばθ=90°のとき、cosθ=0となり、ストローク軸Sの成分である第2バネ力も0となる。なお、全ストロークにおいて、第2バネ2は自然長より圧縮されている。第1バネ力が負であるとき、第1バネ1は自然長より伸張されている。第1バネ力が正であるとき、第1バネ1は自然長より圧縮されている。

図2の(a)に示す初期状態(操作部11の上死点)は、例えば操作部11がストロークS0の位置にあるときに対応する。図2の(d)に示す状態(操作部11の下死点)は、例えば操作部11がストロークS3の位置にあるときに対応する。ただし、操作部11の第1位置は、操作部11の上死点(S0)からストロークS1の間であればよい。操作部11の第2位置は、ストロークS2から操作部11の下死点(S3)の間であればよい。

(操作時) 操作部11に操作力を加えて操作部11を第1位置(S0)から変位させていくと、第1バネ1は圧縮されていき、第1バネ力は線形に増加していく。一方で、第2バネ2はストローク軸に対する角度θが大きくなるので、第2バネ力は減少していく。そのため、操作に必要な操作力は、ほぼ一定である。なお、第2バネ力の減少度合いによっては、操作力は一定ではなく増加または減少することもあり得る。なお、ストロークがS1を越えても、保持力により動作部12は第3位置に保持されるので、第1バネ1は圧縮され続ける。

操作部11のストロークがS2に達したとき、圧縮された第1バネ1の復元力が第3位置の保持力を上回る。そのため、ストロークS2において、動作部12が第3位置から第4位置に変位する。この変位に伴い、圧縮されていた第1バネ1が解放され、第1バネ1はほぼ自然長まで戻る。同時に操作力も低下する。

S2からさらに操作部11のストロークを増加させると、第1バネ1は再び圧縮され、第1バネ力が増加する。一方で、第2バネ力が減少するため、操作力は低いままほとんど変化しない。

なお、第2バネ力が負になることは、角度θが90°を越えることを意味する。角度θが90°を越えて第2バネ2による力が操作部11に下向きに加わったとしても、それを打ち消すように第1バネ1の上向きの力が増加する。それゆえ、合計の復帰力は正になる(上向きに働く)。そのため、第2位置において角度θが90°を越えても復帰力が正であれば操作部11は復帰する。

(復帰時) 一方、操作部11に加える外力(操作力)を弱めると、第1バネ力と第2バネ力の合力(復帰力)によって、操作部11が復帰する。操作部11を第2位置(S3)から第1位置の方向へ復帰させていくと、第1バネ1の圧縮が少なくなっていく。一方で、第2バネ力は増加していく。操作力は低いままほとんど変化しない。操作部11がストロークS2よりさらに復帰しても、保持力により動作部12は第4位置に保持されるので、第1バネ1は伸長される。

操作部11のストロークがS1に達したとき、伸長された第1バネ1の復元力が第4位置の保持力を上回る。そのため、ストロークS1において、動作部12が第4位置から第3位置に変位する。この変位に伴い、伸長されていた第1バネ1が解放され、第1バネ1はほぼ自然長まで戻る。同時に復帰力は増加する。

S1からさらに操作部11のストロークを減少させると、第1バネ1は再び伸長される。一方で、第2バネ力が増加するため、復帰力は高いままほとんど変化しない。

このように、操作部11に加わる復帰力(操作に必要な操作力)は、ヒステリシスになる。なお、復帰動作が途中で止まってしまわないためには、復帰力が常に正である必要がある。そのため、第1バネ1が最大に伸長された状態(S1)でも復帰力が正になるように、第2バネ2のバネ力が設定される。すなわち、第2バネ力は、ストロークS1において、第4位置の動作部12に働く保持力より大きくなければならない。

(復帰機構10の効果) 操作のために必要な最大の操作力Fmaxは、操作時のストロークS0からS2の間の値である。S0からS2にかけて操作力が一定である場合、Fmaxは、第4位置の動作部12に働く保持力より大きければよい。そのため、参考例1に比べて、本実施形態の復帰機構10では、利用者は小さな操作力で操作部11を操作することができる。また、動作部12を、第1バネ1に蓄積された弾性エネルギーによって高速に動作させることができる。そのため、操作部のストローク量を増加させることなく操作の負担を減少させ、操作性を向上させることができる。

また、FS特性における第2バネ力の傾きを調整することで、操作力の勾配を適宜調整することができる。すなわち、操作性を向上させることができる。FS特性における第2バネ力の傾きは、第2バネ2のストローク軸Sに対する傾き、および第2バネ2の圧縮度合い、第2バネ2のバネ定数等に依存する。

なお、第2バネ2と操作部11およびベース部13との接続は、固定されていなくともよい。第2バネ2は、操作部11とベース部13との間で、それぞれに反発力を与えるように配置されていればよい。また、操作部11および動作部12は、それぞれ複数の部品から構成されていてもよい。第1バネ1および第2バネ2の力が図2に示すように働くことが重要である。ベース部13は、第2バネ2の一端の位置変化を規制するものであれば、固定されていなくともよい。

また、復帰機構を、操作時に第1バネが伸長され、復帰時に第1バネが圧縮されるように構成することもできる。例えば図1に示す動作部12および第1バネを操作部11に対して反対側に配置してもよい。この場合、操作部11が下側(第2位置)に変位するのに応じて、第1バネが伸長される。伸長された第1バネによって動作部12が下側(第4位置)に変位させられる。

(FS特性の具体例) 図4は、復帰機構10のFS特性の具体例を示す図である。図4の(a)は復帰機構10の構成を示し、図4の(b)はFS特性の具体例を示す。図4の(b)の横軸は操作部11のストロークを示し、縦軸は力を示す。図4の(b)には、操作時(行き)および復帰時(戻り)の、第1バネ力と第2バネ力と操作荷重(操作力)とが示されている。

ここでは、第1バネ1はコイルバネであり、その自然長は9.36[mm]、バネ定数は5.45[N/mm]である。第2バネ2はトーションバネであり、そのフリー角度は1.46[rad]、バネ定数は192[N・mm/rad]であり、アーム長さは6[mm]である。ストローク軸Sに垂直な方向における第2バネ2の両端の距離Lは4[mm]である。第3位置および第4位置でのそれぞれの保持力は3[N]である。動作部12のストロークは0.6[mm]である。

ストロークが0から1.2mmまで変化する間に、第1バネ力の増加と第2バネ力の減少とが打ち消し合うので、操作荷重の増加は低いレベルに抑制される。

(保持力の具体例) 図5は、保持力の具体例を示す図である。図5の(a)は、保持力として磁力を用いる場合を示す。復帰機構は、動作部12を挟んで対向する2つの磁石21a・21bを備える。この場合、動作部12は強磁性体である。第3位置にある動作部12は、上側の磁石21aの磁力によって第3位置に保持され、第4位置にある動作部12は、下側の磁石21bの磁力によって第4位置に保持される。なお2つの磁石21a・21bは、図示しない箇所においてつながっていてもよい。

図5の(b)は、保持力として粘着力を用いる場合を示す。復帰機構は、動作部12を挟んで対向する2つの支持体22a・22bを備える。動作部12の上側面および下側面にはそれぞれ粘着体23a・23bが設けられている。粘着体23a・23bが支持体22a・22bに粘着することで、動作部12は第3位置および第4位置に保持される。粘着体23a・23bは、それぞれ2つの支持体22a・22bの対向する面に設けられていてもよい。

図5の(c)は、保持機構としてスナップフィットを用いる場合を示す。復帰機構は、動作部12を挟んで対向する2つの支持体22a・22bを備える。復帰機構は、動作部12を第3位置または第4位置に押しつける弾性体24を備える。動作部12が移動するときに弾性体24は弾性変形する。

図5の(d)は、保持力としてバネ力を用いる場合を示す。復帰機構は、動作部12を挟んで対向する2つの支持体22a・22bと第3バネ3とを備える。第3バネ3は、一端が固定された部材に接続され、他端が動作部12に接続されている。第3位置において、圧縮された第3バネ3の復元力は上側に働き、第4位置において、圧縮された第3バネ3の復元力は下側に働く。

なお、保持力は第3位置および第4位置の少なくともいずれか一方にある動作部12に働けばよく、他方の位置にある動作部12には働かなくてもよい。例えば、第3位置にある動作部12にのみ保持力が働く場合、操作時において動作部12は第1バネ1によって高速に動作させられ、復帰時においては動作部12は操作部11の速度に応じた速度で復帰する。逆に、第4位置にある動作部12にのみ保持力が働く場合、操作時において動作部12は操作部11の速度に応じた速度で動作させられ、復帰時においては動作部12は第1バネ1によって高速に復帰する。

〔実施形態2〕 以下に、本発明に係る他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、動作部が回転動作を行う点が異なる。

(復帰機構30の動作) 図6は、本実施形態の復帰機構30の操作および復帰の動作の概略を示す図である。棒状の動作部12は、点12bを支点にして回転可能である。動作部12は一端の動作点12aにおいて第1バネ1と接続されている。動作点12aは、動作部12上において、第1バネ1の伸び縮みと同じ方向に変位する点である。動作点12aは、第3位置から第4位置まで変位可能である。動作部12の両端には保持力として図示しない磁石による磁力が働いている。動作点12aが第3位置にあるとき、動作部12の動作点12a側の一端12cは、保持力により上側に引きつけられ、動作部12の他端12dは、保持力により下側に引きつけられる。

図6の(a)は、復帰機構30の初期状態を示す。初期状態において、動作部12は保持力によって第3位置に保持されている。また、初期状態において、操作点11aは圧縮された第2バネ2の復元力によって第1位置に押しつけられている。

操作部11に外力として操作力が加えられると、操作部11の操作点11aは、第1位置から第2位置へ変位する(図6の(b))。操作点11aの変位に応じて、第2バネ2および第1バネ1は圧縮される。また、操作点11aの変位に応じて、第2バネ2の方向が変わるので、第2バネ2の復元力が働く方向も変化する。操作部11に働く第2バネ2の復元力のストローク軸Sに沿った成分は、第1位置のときより第2位置のときの方が小さい。そのため、必要な最大の操作力を小さくすることができる。

圧縮された第1バネ1によるトルクが動作部12に働く保持力(トルク)より大きくなると、圧縮された第1バネ1の復元力により、動作部12は回転し、動作点12aは第3位置から第4位置に変位する(図6の(c))。第4位置に移動した動作部12は、保持力によってそのまま第4位置に保持される(図6の(d))。以上で、操作部11および動作部12の操作時の動作が完了する。

操作部11に対する操作力がなくなると、圧縮された第2バネ2の復元力によって、操作部11は、第2位置から第1位置へと動き始める(図6の(e))。このとき、動作点12aは、保持力によって第4位置に保持されたままである。そのため、操作部11の変位に応じて、第1バネ1は自然長より伸長される(図6の(e)(f))。

伸長された第1バネ1によるトルクが、動作部12に働く保持力(トルク)より大きくなると、伸長された第1バネ1の復元力により、動作部12は回転し、動作点12aは第4位置から第3位置に変位する(図6の(g))。第3位置に変位した動作点12aは、保持力によってそのまま第3位置に保持される(図6の(h))。以上で、操作部11および動作部12の復帰時の動作が完了する。

動作部12は、第1バネ1の復元力が保持力を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、第1バネ1によって回転させられる。すなわち、動作部12は、操作部11の運動速度に関係なく、第1バネ1によって高速に動かされる。

〔実施形態3〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、操作部が回転動作を行う点が異なる。

(復帰機構31の動作) 図7は、本実施形態の復帰機構31の操作および復帰の動作の概略を示す図である。操作部11は、点11bを支点にして回転可能である。操作部11は、操作点11aにおいて第2バネ2と接続されている。操作点11aは、操作部11上において、第2バネ2と接続されている(接している)点である。操作点11aは、第1位置から第2位置まで変位(回転)可能である。第1バネ1は、点11cにおいて操作部11に接続されている。

第2バネ2の働く方向と、操作点11aが復帰(変位)する方向との間の角度をθとする。操作点11aは円周方向に沿って変位するので、操作点11aにおける円の接線方向と、第2バネ2の働く方向との間の角度がθである。

初期状態において、操作点11aは圧縮された第2バネ2の復元力によって第1位置に押しつけられている。操作点11aが第1位置にあるときの角度θをθ1とする(図7の(a))。操作点11aが第1位置にあるとき、第2バネの復元力のうち操作部11にトルクとして働く成分は、cosθ1である。操作部11に左回りに働く力(トルク)を正としている。

図7の(b)は、操作部11に操作力(トルク)が加えられて操作部11が回転した状態を示す。操作力によって操作部11の操作点11aは、第1位置から第2位置へ変位する。操作点11aの変位に応じて、点11cも変位し、第2バネ2および第1バネ1は圧縮される。また、操作点11aの変位に応じて、第2バネ2の方向が変わるので、第2バネ2の復元力が働く方向も変化する。

操作点11aが第2位置にあるときの角度θをθ2とする。操作点11aが第2位置にあるとき、第2バネの復元力のうち操作部11にトルクとして働く成分は、cosθ2である。0°<θ1<θ2<180°であり、|cosθ1|>|cosθ2|である。すなわち、第2バネ2の復元力のうち操作部11にトルクとして働く成分(操作点11aの接線方向の成分)は、第1位置のときより第2位置のときの方が小さい。そのため利用者が操作部11を操作するとき、第2バネ2による反発力は徐々に小さくなる。

圧縮された第1バネ1の復元力が動作部12に働く保持力より大きくなると、動作部12は第3位置から第4位置に変位する(図7の(c))。第4位置に移動した動作部12は、保持力によってそのまま第4位置に保持される(図7の(d))。以上で、操作部11および動作部12の操作時の動作が完了する。

操作部11に対する操作力がなくなると、圧縮された第2バネ2の復元力によって、操作点11aは、第2位置から第1位置へと動き始める(図7の(e))。このとき、動作部12は、保持力によって第4位置に保持されたままである。そのため、操作部11の点11cの変位に応じて、第1バネ1は自然長より伸長される(図7の(e)(f))。

伸長された第1バネ1の復元力が、動作部12に働く保持力より大きくなると、動作部12は第4位置から第3位置に変位する(図7の(g))。第3位置に移動した動作部12は、保持力によってそのまま第3位置に保持される(図7の(h))。以上で、操作部11および動作部12の復帰時の動作が完了する。

本実施形態のように操作部11が回転する場合でも、第2バネ2の復元力のうち操作部11にトルクとして働く成分は、操作ストロークの増加(操作部11の回転)と共に単調に減少する。そのため、操作ストロークの増加に応じた第1バネ1の復元力の増加は、少なくとも部分的にキャンセルされる。それゆえ、復帰機構31は、必要な最大の操作力を低減することができる。

なお、図7では操作部は円形の部材として描かれているが、支点11b、操作点11a、および点11cを含む任意の形状とすることができる。復帰機構31は、利用者が操作部11を直接回転させるよう構成されてもよいし、直線運動する部品によって操作部11にトルクを与えるよう構成されてもよい。復帰機構31をスイッチ装置に組み込む場合、ロッカースイッチ、回転スイッチ、またはレバースイッチに適用することができる。また、復帰機構31を押しボタンスイッチに適用した場合、ボタンを押す方向を自由に設定することができる。

また、以上では第2バネ2が操作によって圧縮される構成について説明したが、復帰機構31は、第2バネ2が操作によって伸長される構成とすることもできる。例えば、図7の(a)に示す操作部11上の点11dに第2バネ2の一端が接続されており、その状態で第2バネ2が自然長より伸長されている構成としてもよい。図7の(a)は操作部11が第1位置にある状態を示す。この構成でも、操作部11を右回りに回転させると、第2バネ2はさらに伸長され、角度θは増加する。この場合も第2バネ2は操作部11を第1位置へ復帰させるように働く。

〔実施形態4〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、操作部および動作部が回転動作を行う点が異なる。

図8は、本実施形態の復帰機構32の操作および復帰の動作の概略を示す図である。操作部11は、点11bを支点にして回転可能である。棒状の動作部12は、点12bを支点にして回転可能である。復帰機構32は、実施形態2の回転可能な動作部12と、実施形態3の回転可能な操作部11とを組み合わせたものである。操作および復帰の動作は実施形態2、3と同様であるので、詳細な説明は省略する。

なお、復帰機構32では、動作部12の両端12c・12dのそれぞれに磁石による保持力が働いているが、一方の端部にのみ保持力が働く構成でもよい。

〔実施形態5〕 (第2バネの具体例) 図9は、第2バネ2の具体例を示す図である。図9では、操作部上の第2バネ2が接続される点を操作点11aとして描いている。図9の(a)は、第2バネ2としてコイルバネを使用する場合を示す。コイルバネは、耐久性が高く、バネ特性が安定しているという利点を有する。図9の(b)は、第2バネ2として板バネを使用する場合を示す。板バネは、簡単な形状でコストが低いという利点を有する。図9の(c)は、第2バネ2としてトーションバネを使用する場合を示す。トーションバネは、耐久性が高く、狭い空間に配置できるという利点を有する。

これらに限らず、圧縮方向に正のバネ定数を持つバネを、第2バネとして使用することができる。もちろん、これらの第2バネを、回転可能な操作部に対しても、適用することができる。

いずれの場合でも、第1位置において復元力が生じるよう第2バネ2は弾性変形されていてもよい。図示するように、第2位置では第2バネ2の復元力はより大きくなる。一方で、第2位置では角度θが大きくなる(cosθが小さくなる)。結果として、第2位置の第2バネ2の復元力のストローク軸S方向の成分Fsは第1位置のものより小さくなる。

図10は、2つの第2バネ2を操作部11に対して対称に配置する構成を示す図である。1つの操作部11の両側に、2つの第2バネ2が配置されている。図10の(a)はコイルバネを使用する場合を示し、図10の(b)(c)は板バネを使用する場合を示す。図10は、操作部11が第2位置にある場合を示す。

操作部11に対して2つの第2バネ2を対称に配置することで、第2バネ2の復元力のうち、ストローク軸Sに垂直な成分Fvがキャンセルされる。そのため、操作部11に働く摩擦力を低減することができる。

〔実施形態6〕 (第1バネの具体例) 第1バネとしても、第2バネと同様に、種々のバネを使用することができる。ここでバネとは、弾性変形によって復元力を生じる部材を指す。それゆえ、第1バネおよび第2バネとして、復元力を発揮する弾性体を使用することもできる。

図11は、第1バネ1の変形例を示す図である。図11の(a)は、第1バネ1として板バネを使用した復帰機構33を示す。操作部11および動作部12は回転可能である。

図11の(b)は、第1バネ1としてトーションバネを使用した復帰機構34を示す。操作部11は上下に平行移動可能であり、動作部12は回転可能である。第1バネ1は、支点1bで回転可能に支持されている。操作部11は、操作によって初期状態から上側に変位する。

〔実施形態7〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態4に比べて、各部材の配置が異なる。

図12は、本実施形態の復帰機構35の構成を示す図である。操作部11および動作部12は回転可能である。図12では、操作部11は第1位置にあり、動作部12は第3位置にある。操作部11は左回りに回転すると第2位置になる。復帰機構35では、操作部11および第2バネ2が、動作部12の上側に並ぶように配置される。復帰機構35は、狭い空間に配置することができる。

〔実施形態8〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態2に比べて、プランジャが追加されている点が異なる。

図13は、本実施形態の復帰機構36の構成を示す図である。動作部12は回転可能である。操作部11は、ストローク軸Sに沿って平行移動可能である。第1バネ1の一端は操作部11に接続され、第1バネ1の他端は、プランジャ14(中継部品)に接続されている。プランジャはストローク軸Sに沿って平行移動可能である。プランジャ14に形成された凹部に動作部12の一端12cが挿入されているため、プランジャ14の移動に合わせて動作部12は回転する。プランジャ14と動作部12の組み合わせには、遊びがあってもよい。

動作部12は、保持力によって第3位置および第4位置のそれぞれの位置に保持される。プランジャ14は、動作部12によって、第3位置および第4位置のそれぞれに対応する位置に保持される。

プランジャ14は、操作部11に対して第1バネ1を介して運動するので、プランジャ14を動作部と見なすこともできる。この場合、保持力は動作部12を介してプランジャ14を所定の位置に保持する。

操作および復帰の動作は実施形態2と同様であるので、詳細な説明は省略する。

なお、第1バネ1と動作部12とをプランジャ14を用いて接続してもよいのと同様に、第1バネ1(または第2バネ2)と操作部11とを別の部品によって接続してもよい。

〔実施形態9〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、復帰機構を備えるスイッチ装置について説明する。

図14は、本実施形態のスイッチ装置40の構成を示す側面図である。図15は、スイッチ装置40の構成を示す斜視図である。図14および図15は、筐体41等を一部透視した内部透視図である。また、図15では、一方の第2バネを省略している。図16は発電モジュール46の構成を示す斜視図である。図17は、発電モジュール46の構成を示す正面図である。図16、17には動作部12も描いている。図17の(a)は、動作部12が第3位置にある状態を示し、図17の(b)は、動作部12が第4位置にある状態を示す。

スイッチ装置40は、実施形態8の復帰機構36、発電モジュール46、発信装置45、および、筐体41を備える。筐体41は、復帰機構36、発電モジュール46、および発信装置45を内包する。発電モジュール46は、コイル42、2つのヨーク43a・43b、磁石44を備える。動作部12は、発電モジュール46のアマチュア(電機子)として機能する。発電モジュール46と復帰機構36とは、発電装置として機能する。

筐体41の内側の対向する2つの側面に、2つのベース部13が設けられている。操作部11は、上下方向に平行移動可能である。操作部11と2つのベース部13との間には、それぞれ第2バネ2が配置されている。ここでは、第2バネ2はトーションバネである。2つの第2バネ2は、操作部11に対して左右対称に配置されている。操作部11が操作力によって下方向に変位させられると、第2バネ2は向きを変えながら曲げられる。

操作部11とプランジャ14との間には、第1バネ1が配置されている。第1バネ1はコイルバネである。プランジャ14は、上下方向に平行移動可能である。

プランジャ14の凹部には動作部12が挿入されている。動作部12は鉄等の強磁性体である。動作部12はU字型の形状をしている。動作部12は、中央付近(磁石44の付近)にある支点を中心に、2つのヨーク43a・43bの間で回転可能である。2つのヨーク43a・43bは、その間に配置された磁石44(永久磁石)によって磁化されている。動作部12は、コイル42の中を通過するよう配置されている。

動作部12は、第3位置(図17の(a)に示す位置)において、一端が一方のヨーク43aに接し、他端が他方のヨーク43bに接する。一方、動作部12は、回転移動した第4位置(図17の(b)に示す位置)において、上記一端が他方のヨーク43bに接し、上記他端が一方のヨーク43aに接する。2つのヨーク43a・43bの対向する面は互いに逆の磁極になっているため、動作部12が第3位置から第4位置に移動すると、動作部12の磁化の方向が反転する。そのため、コイル42を通過する磁束の向きが反転し、コイル42に磁束の変動に応じた誘導電流が流れる。スイッチ装置40はこのようにして発電を行う。時間当たりの磁束の変化が大きい方が大きな誘導電流が流れる。スイッチ装置40は、第1バネ1によって高速で動作部12を運動させることができるので、発電効率がよい。また、操作ストロークを増大させることなく、操作部11を操作するために必要な最大の操作力を小さくすることができるので、操作性がよい。

コイル42は、リード線等により発信装置45に接続されている。発信装置45は、コイル42で発電された電力を用いて、無線または有線により、外部の装置に信号を発信する。発信装置45は、操作部11が第1位置から第2位置に操作されたとき(すなわち動作部12が第3位置から第4位置に移動したとき)に、操作部11が第2位置にあることを示す信号を、外部の装置に発信する。一方、発信装置45は、操作部11が第2位置から第1位置に復帰したとき(すなわち動作部12が第4位置から第3位置に復帰したとき)に、操作部11が第1位置にあることを示す信号を、外部の装置に発信する。

よって、スイッチ装置40は、操作部11の位置に応じた信号を外部の装置に発信するスイッチ装置として機能する。スイッチ装置40は、利用者が操作する操作スイッチ、および、対象物の位置を検出するリミットスイッチ(検出スイッチ)等として利用することができる。

なお、発信装置45は、操作部11の位置に関わらず、発電された電力を用いて所定の信号を発信するように構成することもできる。また、発電モジュール46と復帰機構36とを、単なる発電装置として利用することもできる。

なお、スイッチ装置40は、発電モジュール46の代わりに、電池または外部電源を有する構成とすることもできる。この場合、発信装置45は、電池または外部電源から供給される電力を用いて動作部12の位置に応じた信号を生成する。

なお、利用者または位置検出の対象物が、直接的に操作部11を操作する構成であってもよいし、間接的に操作部11を操作する構成であってもよい。

図18は、回転可能なレバーを備えるリミットスイッチ47の構成を示す図である。図18の(a)は、リミットスイッチ47の構成を示す斜視図であり、図18の(b)は、スイッチ本体部47aの構成を示す正面図(部分透視図)である。

リミットスイッチ47は、スイッチ本体部47aと操作補助部47bとを備える。スイッチ本体部47aは、その筐体の内部にスイッチ装置40とプランジャ49とを備える。操作補助部47bは、回転可能なレバー48を備える。対象物は、レバー48に接触してレバー48を回転させる。レバー48の回転に連動して、プランジャ49が上下に平行移動する。プランジャ49の動作に連動して、スイッチ装置40の操作部11は上下に平行移動する。

〔実施形態10〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。例えば、動作部の運動による発電量の増加または高速にスイッチを切り替えるために、動作部をより高速で動作させたい場合がある。そこで、本実施形態では、第2バネの代わりに、動作部に働く第3バネを設ける構成について説明する。

(復帰機構50の構成) 図21は、本実施形態の復帰機構50の操作および復帰の動作の概略を示す図である。本実施形態は、操作部11および動作部12が自己復帰し、かつ、動作部12が操作速度に関わらずさらに高速で動作する復帰機構に関する。第3バネ3によって、動作部12のより高速での動作を実現することができる。また、第5バネ5によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。ここで、本実施形態では、第3バネ3の構成(配置)を工夫することにより、動作部12の動作をより高速にする。

復帰機構50(加速機構)は、操作部11、動作部12、ベース部13、第1バネ1、第3バネ3、および第5バネ5を備える。第1バネ1は、操作部11と動作部12とを接続している。第3バネ3は、動作部12とベース部13とを接続している。第5バネ5は、動作部12とベース部13とを接続している。ベース部13は固定されているものであればよく、第3バネ3が接続されている箇所と、第5バネ5が接続されている箇所とが別の部品に分かれていてもよい。操作部11および動作部12は、ストローク軸Sに沿って運動可能である。第1バネ1が操作部11に力を加える方向は、操作部11が運動可能な方向に平行である。また、第5バネ5が動作部12に力を加える方向は、動作部12が運動可能な方向に平行である。

一方、第3バネ3が動作部12に力を加える方向は、動作部12が運動可能な方向に対して斜めになっている。第3バネ3が動作部12に力を加える方向とストローク軸Sとの間の角度をηとする。ベース部13に接続された第3バネ3の一端は移動しない。一方、動作部12に接続された第3バネ3の他端は、動作部12の移動に合わせて移動する。そのため、動作部12がストローク軸Sに沿って運動すると、角度ηも変化する。

動作部12は接続点12eにおいて第3バネ3と接続されている。接続点12eは、第3バネ3に動作部12が接続されている点であり、動作部12上において、第1バネ1の伸び縮みと同じ方向に変位する点である。動作部12は、第3位置から第4位置まで変位可能である。動作部12が第3位置にあるとき、動作部12には動作部12を第3位置に保持するように保持力が働いている。動作部12が第4位置にあるとき、動作部12には動作部12を第4位置に保持するように保持力が働いている。具体的には、動作部12は、第3位置および第4位置で働く磁力によって、それぞれの位置に保持される。

(復帰機構50の動作) 図21の(a)は、復帰機構50の初期状態を示す。なお、操作部11および動作部12に働くバネ力を矢印で図示するが、矢印の長さは、正確な力の大きさを示すものではない。初期状態は、操作部11に外力が加えられていない状態である。初期状態において、動作部12は、圧縮された第5バネ5の復元力、圧縮された第3バネ3の復元力、および保持力(図示せず)によって第3位置に保持されている。また、初期状態において、操作部11は圧縮された第1バネ1の復元力によって第1位置に押しつけられている。動作部12が第3位置にあるときの角度ηをη1とする。角度ηは、動作部12が復帰する方向と、第3バネ3の復元力が動作部12に加わる方向との間の角度である。動作部12が第3位置にあるとき、動作部12に働く第3バネの復元力のストローク軸Sに沿った成分(動作部12の運動方向の成分)は、cosη1である。動作部12に上向きに働く力(動作部12の復帰方向に働く力)を正としている。

図21の(b)は、操作部11に操作する力(操作力)が加えられて操作部11が変位した状態を示す。操作部11に外力として操作力が加えられると、操作部11は、第1位置から第2位置へ変位する。操作部11の変位に応じて、第1バネ1は圧縮される。

圧縮された第1バネ1の復元力が、動作部12に働く第3バネ3の復元力、第5バネ5の復元力、および保持力の和より大きくなると、圧縮された第1バネ1の復元力により、動作部12は第3位置から第4位置に変位する(図21の(c))。第4位置に変位した動作部12は、保持力によってそのまま第4位置に保持される(図21の(d))。また、動作部12の接続点12eの変位に応じて、第3バネ3の方向が変わるので、第3バネ3の復元力が働く方向も変化する。動作部12が第3位置にあるときに動作部12に第3バネ3の力が加わる方向は、動作部12が第4位置にあるときに動作部12に第3バネ3の力が加わる方向に対して平行ではない。

動作部12が第4位置にあるときの角度ηをη2とする。動作部12が第4位置にあるとき、動作部12に働く第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分は、cosη2である。0°<η1<η2<180°であり、cosη1>cosη2である。すなわち、動作部12に働く第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分(動作部12が復帰する方向を正とした成分)は、第3位置のときより第4位置のときの方が小さく、単調減少する。そのため動作部12が第3位置から第4位置に向かって動き始めると、第3バネ3による反発力は徐々に小さくなる。そのため、動作部12が動き始めると、動作部12はさらに加速される。これは、後述の参考例2に比べて、動作部12が高速で動作(運動)することを意味する。以上で、操作部11および動作部12の操作時の動作が完了する。

動作部12は、圧縮された第1バネ1の復元力が第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分、第5バネ5の復元力、および保持力の和を越えて、蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、第1バネ1によって動かされる。すなわち、動作部12は、操作部11の運動速度に関係なく、第1バネ1によって高速に動かされる。

操作部11に対する操作力がなくなると、圧縮された第1バネ1の復元力によって、操作部11は、第2位置から第1位置へと動き始める(図21の(e))。このとき、動作部12は、保持力および第1バネ1の復元力によって第4位置に保持されたままである。ただし、操作部11の変位に応じて、第1バネ1の復元力は徐々に小さくなる。操作部11は、第1位置まで移動する(図21の(f))。

圧縮された第1バネ1の復元力と保持力との和が、動作部12に働く第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分と第5バネ5の復元力との和より小さくなると、圧縮された第5バネ5の復元力により、動作部12は第4位置から第3位置に変位する(図21の(g))。第3位置に移動した動作部12は、保持力によってそのまま第3位置に保持される(図21の(h))。

動作部12が第3位置から第4位置に向かって動き始めると、第3バネ3による上方向の力(動作部12が復帰する方向を正とした成分)は、徐々に大きくなる。そのため、動作部12が動き始めると、動作部12はさらに加速される。このように復帰時も、第3バネ3があるために、動作部12を高速で動作させることができる。以上で、操作部11および動作部12の復帰時の動作が完了する。

動作部12は、第5バネ5に蓄積された弾性エネルギーが解放されるときに、第5バネ5によって動かされる。すなわち、動作部12は、復帰する操作部11の運動速度に関係なく、第5バネ5によって高速に動かされる。

なお、ここでは、動作部12を復帰させるために第5バネ5を設けたが、第5バネ5を省略することもできる。例えば、動作部12が第4位置にあるときに第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分が、上向きであり(η2<90°)、かつ、保持力と第1バネの復元力との和よりも大きければ、第3バネの復元力によって動作部12を第3位置へ復帰させることができる。また、復帰用のバネ(第5バネ5)があれば、第3位置における角度η1は90°より大きくてもよい。

(FS特性) 図22は、本実施形態の復帰機構50のFS特性を示す図である。横軸は操作部11のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図22には、第5バネ5の力(第5バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネの反発力と同じである。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。

(参考例2) 図22の(a)は、参考例2の構成およびFS特性を示す。参考例2の復帰機構は、本実施形態の復帰機構50から第3バネ3を除いたものである。動作部12に働く保持力のために、FS特性はヒステリシスになる。操作部11の第1位置は、操作部11の上死点(S0)からストロークS1の間であればよい。操作部11の第2位置は、ストロークS2から操作部11の下死点(S3)の間であればよい。

(操作時) 操作部11に操作力を加えて操作部11の上死点(S0)から変位させていく。操作部11のストロークがS2に達したとき、圧縮された第1バネ1の復元力が第3位置の保持力と第5バネ力との和を上回る。そのため、ストロークS2において、動作部12が第3位置から第4位置に変位する。この変位に伴い、圧縮されていた第1バネ1が解放される。同時に操作力も低下する。

S2からさらに操作部11のストロークを増加させると、第1バネ1は再び圧縮され、操作力が増加する。

(復帰時) 一方、操作部11に加える外力(操作力)を弱めると、第1バネ力によって、操作部11が復帰する。操作部11を第2位置から第1位置の方向へ復帰させていくと、第1バネ1の圧縮が少なくなっていく。操作部11のストロークがS1に達したとき、第5バネ5の復元力が第4位置の保持力と第1バネ力との和を上回る。そのため、ストロークS1において、動作部12が第4位置から第3位置に変位する。この変位に伴い、第1バネ1が圧縮される。同時に復帰力は増加する。

S1からさらに操作部11のストロークを減少させると、第1バネ1の圧縮は減少する。

(復帰機構50のFS特性) 図22の(b)は、本実施形態の復帰機構50の構成およびFS特性を示す。参考例2と同様に、ストロークS2で動作部12が第3位置から第4位置へ移動し、ストロークS1で動作部12が第4位置から第3位置へ移動する。

復帰機構50では、参考例2に対して第3バネ3が付加されているため、動作部12を第3位置から第4位置へ変位させるために、より大きな操作力を操作部11に加える必要がある。また上述したように、動作部12が第4位置に変位すると、動作部12が第4位置から第3位置へ復帰する方向を正として、第3バネ3の力のストローク軸Sに沿った成分は小さくなる。そのため、動作部12の移動距離を大きく設定して、第1バネ1の圧縮を解放することができる。そのため、ストロークS2での操作力の低下量は、参考例2での低下量より大きい。それゆえ、クリック率が高く、操作感が好感触である。図に斜線で示す面積は、操作および復帰において、動作部12に与えられるエネルギーを表す。

本実施形態の復帰機構50では、参考例2に比べて、より大きなエネルギーを動作部12に与えることができる。すなわち、動作部12を高速で運動させることができる。復帰機構50の動作部12を上述した発電モジュールと組み合わせて発電を行う場合、動作部12の運動エネルギーを高くすることができるため、発電量をより大きくすることができる。また、発電モジュールの磁石による磁力(保持力)を大きくすることなく、発電量を大きくする(動作部を高速動作させる)ことができる。

この復帰機構50を上述の実施形態のようにスイッチ装置に設けることもできる。復帰機構50を用いれば、高速にスイッチ動作を行うことができる。また、動作部12を電極端子に対する可動接点として用いる場合、接点の開離が速いので接点間にアークが生じる時間が短く、消耗を抑えることができる。

〔実施形態11〕 以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態10に比べて、第5バネの代わりに復帰用に第4バネを設ける点が異なる。

(復帰機構51の構成) 図23の(b)は、本実施形態の復帰機構51の構成およびFS特性を示す図である。第4バネ4によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。

復帰機構51(加速機構)は、操作部11、動作部12、ベース部13、第1バネ1、第3バネ3、および第4バネ4を備える。第4バネ4は、操作部11とベース部13とを接続している。ベース部13は固定されているものであればよく、第3バネ3が接続されている箇所と、第4バネ4が接続されている箇所とが別の部品に分かれていてもよい。第4バネ4が操作部11に力を加える方向は、操作部11が運動可能な方向に平行である。

実施形態10と同様に、操作部11は操作力に応じて第1位置と第2位置との間で変位し、動作部12は第3位置と第4位置との間で変位する。本実施形態では、復帰時に、第4バネ4が操作部11を第2位置から第1位置へ復帰させ、それによって伸長された第1バネ1が動作部12を引っ張り、動作部12を第4位置から第3位置へ復帰させる。

第3バネ3は動作部12の運動方向に対して斜めに作用する。そのため、動作部12に働く第3バネ3の復元力のストローク軸Sに沿った成分(動作部12が復帰する方向を正とした成分)は、第3位置のときより第4位置のときの方が小さく、単調減少する。そのため動作部12が第3位置から第4位置に向かって動き始めると、第3バネ3による反発力は徐々に小さくなる。そのため、動作部12が動き始めると、動作部12はさらに加速される。また、復帰時においても、動作部12が第4位置から第3位置に動き始めると、増加する第3バネ3のストローク軸Sに沿った力成分によって動作部12は加速される。

(復帰機構51のFS特性) 図23の(b)には、第4バネ4の力(第4バネ力)と、第1バネの力(第1バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネ力と第4バネ力との合力である。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。操作時にストロークS2で動作部12が第3位置から第4位置へ移動し、復帰時にストロークS1で動作部12が第4位置から第3位置へ移動する。

参考までに図23の(a)に、参考例1の構成およびFS特性を示す。参考例1の復帰機構100は、本実施形態の復帰機構51から第3バネ3を除いたものである。参考例1では、動作部102に働く加速用バネ111の加速用バネ力が第3位置での保持力Frを越えると、動作部102が第4位置へ移動する。また、復帰時においては、動作部102に働く加速用バネ111の加速用バネ力が第4位置での保持力Frを越えると、動作部102が第3位置へ移動する。

復帰機構51では、動作部12に働く第1バネ1の力が、第3位置での保持力Frと第3バネ3の力のストローク軸Sに沿った成分F1・cosη1との和を越えると、動作部12が第4位置へ移動する。ここでF1は、第3位置における第3バネ3の復元力である。グラフにおけるストロークS2の位置は、参考例1に比べて右側にずれる。また、復帰時においては、動作部12に働く第1バネ1の力が、第4位置での保持力Frと第3バネ3の力のストローク軸Sに沿った成分F2・cosη2との和を越えると、動作部12が第3位置へ移動する。ここでF2は、第4位置における第3バネ3の復元力である。図はη2>90°の場合を示し、グラフにおけるストロークS1の位置は、参考例1に比べて左側にずれる。η2<90°の場合は、グラフにおけるストロークS1の位置は、参考例1に比べて右側にずれる。なお、F1・cosη1>F2・cosη2である。そのため、復帰機構51では、ストロークS1とS2との間隔は、参考例1に比べて大きくなる。

このように、復帰機構51では、参考例1に対して第3バネ3が付加されているため、動作部12を第3位置から第4位置へ変位させるために、より大きな操作力を操作部11に加える必要がある。また上述したように、動作部12が第4位置に変位すると、動作部12が第4位置から第3位置へ復帰する方向を正として、第3バネ3の力のストローク軸Sに沿った成分は小さくなる。そのため、第1バネ1に蓄積され解放される弾性エネルギーを大きくすることができる。それゆえ、クリック率が高く、操作感が好感触である。図に斜線で示す面積は、操作および復帰において、動作部12に与えられるエネルギーを表す。

本実施形態の復帰機構51では、参考例1に比べて、より大きなエネルギーを動作部12に与えることができる。すなわち、動作部12を高速で運動させることができる。復帰機構51の動作部12を上述した発電モジュールと組み合わせて発電を行う場合、発電量をより大きくすることができる。また、実施形態10と同様に、復帰機構51をスイッチ装置に用いることもできる。

なお、復帰機構50・51の操作部11および動作部12は、上述の実施形態のように、回転する構成であってもよい。なお、実施形態1で説明したような復帰のための第2バネを、復帰機構50・51の操作部11に追加することもできる。また、上述の実施形態のように、任意のバネを用いることができる。また、第5バネ5は、発電素子に内蔵された弾性体(バネ)であってもよい。

〔まとめ〕 本発明の一態様に係る操作部および動作部の復帰機構は、操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記操作部と上記ベース部との間で働く第2バネとを備え、上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動するとともに、上記第2バネから与えられる力によって上記第2位置から上記第1位置に運動し、上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、上記第1バネは、上記操作部に加わる外力、および、上記第2バネから与えられる力の少なくともいずれか一方によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、上記第2バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであり、上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向は、上記操作部が上記第2位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向に対して平行ではなく、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、上記操作部が復帰する方向を正として、上記操作部が上記第1位置にあるときよりも上記第2位置にあるときの方が小さい。

上記の構成によれば、例えば第3位置において保持力が働く場合、操作部の第1位置から第2位置への運動に応じて、第1バネおよび第2バネに弾性エネルギーが蓄積される。第1バネの復元力による影響が保持力を越えると、第1バネに蓄積された弾性エネルギーが解放され、操作速度に関わらず動作部を高速で運動させることができる。同様に第4位置において保持力が働く場合、復帰時に動作部を高速で運動させることができる。また、操作部の位置に応じて第2バネの力が加わる方向が変化する。これにより、第2バネの力が加わる方向に応じて、第2バネの復元力のうち操作部の運動方向に作用する成分を変化させることができる。

ここで、第2バネは、操作部および動作部をそれぞれ第1位置および第3位置に復帰させるために設けられるものであるが、上記の構成によれば、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、上記操作部が上記第1位置にあるときよりも上記第2位置にあるときの方が小さい。そのため、操作部の操作に必要な外力の最大値を低減することができる。

上記復帰機構は、上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネが上記操作部に加える力の方向は、上記操作部が運動する方向に対して斜めである構成であってもよい。

例えば操作部が平行移動をする場合、操作部が運動する方向に対して第2バネが操作部に加える力の方向を斜めにすることにより、第2位置において第2バネが操作部を復帰させる力を低減することができる。

上記復帰機構は、上記操作部が上記外力から解放されると、上記第1バネおよび上記第2バネの合力によって、上記操作部は上記第2位置から上記第1位置へ復帰し、上記操作部の復帰によって生じた上記第1バネの力によって、上記動作部は上記第4位置から上記第3位置へ復帰する構成であってもよい。

上記復帰機構は、上記操作部が上記第2位置にあるときの上記第2バネの力は、上記操作部が上記第1位置にあるときの上記第2バネの力よりも大きく、上記第2バネが接続された点である上記操作部の操作点が復帰する方向と、上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向との間の角度をθとすると、上記操作部が上記第1位置にあるときの|cosθ|より、上記操作部が上記第2位置にあるときの|cosθ|は小さい構成であってもよい。

上記の構成によれば、|cosθ|に応じて、第2バネの力のうち操作部の運動方向に作用する力が小さくなる。それゆえ、第2位置において第2バネが操作部を復帰させる力を低減することができる。

上記復帰機構は、上記操作部が上記第1位置から上記第2位置に変位する間、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、単調減少する構成であってもよい。

上記の構成によれば、操作部が第1位置から第2位置へ変位するのにしたがって、第2バネが操作部を復帰させる力を減少させることができる。

上記第2バネは、トーションバネまたは板バネであってもよい。

本発明の一態様に係る発電装置は、上記復帰機構と、磁石と、コイルとを備え、上記動作部の運動に連動して、上記コイルを通過する、上記磁石の磁束を変動させることによって、上記コイルに電流を誘導する構成であってもよい。

本発明の一態様に係るスイッチ装置は、上記復帰機構と、発信装置とを備え、上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は外部の装置に信号を発信する構成であってもよい。

本発明の一態様に係る加速機構は、操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記動作部と上記ベース部との間で働く第3バネとを備え、上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動し、上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、上記第1バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、上記動作部が上記第3位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向は、上記動作部が上記第4位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向に対して平行ではなく、上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、上記動作部が上記第4位置から上記第3位置に復帰する方向を正として、上記動作部が上記第3位置にあるときよりも上記第4位置にあるときの方が小さい。

上記の構成によれば、例えば第3位置において保持力が働く場合、操作部の第1位置から第2位置への運動に応じて、第1バネに弾性エネルギーが蓄積される。第1バネの復元力による影響が第3バネの復元力の運動方向の成分と保持力との和を越えると、第1バネに蓄積された弾性エネルギーが解放され、操作速度に関わらず動作部を高速で運動させることができる。同様に第4位置において保持力が働く場合、復帰時に動作部を高速で運動させることができる。また、動作部の位置に応じて第3バネの力が加わる方向が変化する。これにより、第3バネの力が加わる方向に応じて、第3バネの復元力のうち操作部の運動方向に作用する成分を変化させることができる。

上記の構成によれば、上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、上記動作部が上記第3位置にあるときよりも上記第4位置にあるときの方が小さい。そのため、動き始めた動作部をさらに加速させることができる。

上記加速機構は、上記操作部と上記ベース部との間で働く第4バネを備え、上記第4バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであってもよい。

上記加速機構は、上記動作部と上記ベース部との間で働く第5バネを備え、上記第5バネは、上記動作部の上記第3位置から上記第4位置への運動によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を上記第3位置に復帰させるものであってもよい。

上記動作部が上記第3位置にあるときに上記第3バネが上記動作部に加える力の方向は、上記動作部が運動する方向に対して斜めであってもよい。

上記第3バネが接続された点である上記動作部の接続点が復帰する方向と、上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向との間の角度をθとすると、上記動作部が上記第3位置にあるときのcosθより、上記動作部が上記第4位置にあるときのcosθは小さい構成であってもよい。

上記の構成によれば、cosθに応じて、第3バネの力のうち動作部の運動方向に作用する力が小さくなる。それゆえ、動作部の第3位置から第4位置への運動、または第4位置から第3位置への運動を加速させることができる。

上記動作部が上記第4位置から上記第3位置に復帰する方向を正として、上記動作部が上記第3位置から上記第4位置に変位する間、上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、単調減少する構成であってもよい。

上記の構成によれば、動作部の運動に対する第3バネによる反発力は単調減少するので、動き始めた動作部を第1バネによってさらに加速させることができる。

上記保持力は磁力であってもよい。

上記動作部は上記第3位置から上記第4位置に回転運動する構成であってもよい。

上記第3バネは、トーションバネまたは板バネであってもよい。

本発明の一態様に係るスイッチ装置は、上記加速機構と、発信装置とを備え、上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は外部の装置に信号を発信する。

本発明の一態様に係る発電装置は、上記加速機構と、磁石と、コイルとを備え、上記動作部の運動に連動して、上記コイルを通過する、上記磁石の磁束を変動させることによって、上記コイルに電流を誘導する。

本発明の一態様に係る発信装置は、上記発電装置を備え、上記発電装置によって発電された電力を用いて、外部の装置に信号を発信する構成であってもよい。

本発明の一態様に係るスイッチ装置は、上記発信装置を備え、上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は上記外部の装置に信号を発信する構成であってもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、復帰機構、加速機構、発電装置、発信装置、およびスイッチ装置に利用することができる。

1 第1バネ 2 第2バネ 3 第3バネ 4 第4バネ 5 第5バネ 10、30〜36 復帰機構 11 操作部 11a 操作点 12 動作部 12a 動作点 12e 接続点 13 ベース部 14 プランジャ 21a・21b 磁石 23a・23b 粘着体 24 弾性体 40 スイッチ装置 41 筐体 42 コイル 43a・43b ヨーク 44 磁石 45 発信装置 50、51 復帰機構(加速機構)