CN105190224B - 位移传感器、按压量检测传感器以及触摸式输入装置 - Google Patents

位移传感器、按压量检测传感器以及触摸式输入装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供位移传感器、按压量检测传感器以及触摸式输入装置。按压量检测传感器(20)具备压电薄膜(201)、形成有电极的保护薄膜(202、203)、粘合层(204、205)。形成有电极的保护薄膜(202、203)经由粘合层(204、205)与压电薄膜(201)粘合，以使得分别使电极(222、232)位于压电薄膜(201)侧。粘合层(204、205)的相对介电常数(εa)比压电薄膜(201)的相对介电常数(εp)高。而且优选粘合层(204、205)的每单位面积的静电电容比压电薄膜(201)的每单位面积的静电电容高，为约2倍以上较好。为了抑制检测灵敏度的降低并且抑制电极的剥落以及气泡等的产生，将粘合层(204、205)的厚度设定在规定厚度范围内。

Description

位移传感器、按压量检测传感器以及触摸式输入装置
技术领域
本发明涉及检测压电薄膜的位移量的位移传感器，还涉及根据因操作面的按压而产生的电荷量来检测按压量的按压量检测传感器、以及具备该按压量检测传感器的触摸式输入装置。
背景技术
以往，设计了各种使用压电薄膜来对位移量、振动量等物理量和电量进行转换的压电设备。
例如，在专利文献1中，公开了由将多个压电薄膜层叠的结构构成的压电设备。在专利文献1所示的压电设备的各压电薄膜配置有用于向压电薄膜施加电压的导电膜。
不容易将导电膜直接形成于压电薄膜，各导电膜经由粘合层粘合于压电薄膜的情况较多。
而且，在专利文献1中，为了提高压电设备的共振特性，使该粘合层不超过1000[nm]，形成得尽量薄。
专利文献1：日本特开2012-232497号公报
然而，在将这样的压电设备用于检测位移量的位移传感器的情况下，可知，仅仅尽可能地减薄粘合层是无法提高作为传感器的特性、可靠性的。另外可知，相反地，并不是仅仅越加厚粘合层，越能提高传感器的特性、可靠性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种传感器特性以及可靠性优良的位移传感器。
本发明涉及位移传感器，具有如下特征。位移传感器具备：产生与位移量对应的电荷的压电薄膜、被配置成与压电薄膜对置的电极、以及夹在压电薄膜与电极之间的粘合层。粘合层的相对介电常数比压电薄膜的相对介电常数高。
在该结构中，能够将在压电薄膜产生的电荷高效地向外部电路取出。由此，能够抑制因粘合层夹在电极与压电薄膜之间而产生的检测灵敏度的降低。
另外，在本发明的位移传感器中，优选粘合层的每单位面积的静电电容为压电薄膜的每单位体积的静电电容的2倍以上。
在该结构中，能够进一步抑制检测灵敏度的降低。
另外，在本发明的位移传感器中，优选粘合层的厚度为10μm以上30μm以下。
在该结构中，能够抑制检测灵敏度的降低，并且能够抑制电极的剥落，能够抑制气泡等的产生。由此，能够进一步提高可靠性以及外观。
另外，在本发明的位移传感器中，电极也可以形成于保护薄膜的一个主面。
在该结构中，示出了电极的具体的形成结构的一个例子。
另外，在本发明的位移传感器中，优选压电薄膜由至少沿单轴方向延伸的聚乳酸构成。
另外，在本发明的位移传感器中，优选压电薄膜为至少沿单轴方向延伸的聚乳酸，优选上述压电薄膜的厚度为40μm以上100μm以下。
在上述结构中，能够提高检测灵敏度。
另外，在本发明的按压量检测传感器中，优选利用上述任一项记载的位移传感器来检测从操作面按压的按压量。
在该结构中，使用上述位移传感器，从而能够实现检测灵敏度、可靠性优良的按压量检测传感器。
另外，本发明涉及触摸式输入装置，具有如下特征。触摸式输入装置具备：上述按压量检测传感器、以及与按压量检测传感器的电极连接并根据基于按压量检测传感器产生的电荷量的检测信号来检测按压量的运算电路模块。
在该结构中，具备上述按压量检测传感器，从而能够实现检测灵敏度、可靠性优良的触摸式输入装置。
能够实现传感器特性以及可靠性优良的位移传感器。
附图说明
图1是本发明的实施方式的触摸式输入装置的外观立体图。
图2是本发明的实施方式的触摸式输入装置的剖面图。
图3是本发明的实施方式的按压量检测传感器的剖面图以及分解剖面图。
图4是表示相对于压电薄膜与粘合层的相对介电常数比的输出电荷的比例的图。
图5是表示相对于压电薄膜与粘合层的(相对介电常数)/(厚度)之比的输出电荷的比例的图。
图6是表示粘合层的厚度与粘着力之间的关系的图。
具体实施方式
参照附图来说明本发明的实施方式的按压量检测传感器以及触摸式输入装置。图1是本发明的实施方式的触摸式输入装置的外观立体图。图2是本发明的实施方式的触摸式输入装置的剖面图。图3是本发明的实施方式的按压量传感器的剖面图以及分解剖面图。
触摸式输入装置1具备近似长方体形状的框体50。框体50的表面侧开口。此外，以下，将框体50的宽度方向(横向)作为X方向，将长度方向(纵向)作为Y方向，将厚度方向作为Z方向来进行说明。另外，在本实施方式的说明中，示出了框体50的X方向的长度比框体50的Y方向的长度短的情况。然而，也可以X方向与Y方向的长度相同，也可以X方向的长度比Y方向的长度长。
在框体50内，配置有按压量检测传感器20、显示面板30以及运算电路模块40。它们从框体50的开口面(显示面)侧起依次沿Z方向以按压量检测传感器20、显示面板30、运算电路模块40的顺序配置。这里，至少包括按压量检测传感器20和运算电路模块40的部分相当于本发明的“触摸式输入装置”。
按压量检测传感器20作为“位移传感器”发挥作用，具备平板膜状的压电薄膜201、形成有电极的保护薄膜202、203、粘合层204、205。
压电薄膜201由产生与按压量对应的电荷量的压电材料构成，例如是由手性高分子形成的薄膜。作为手性高分子，在本实施方式中使用聚乳酸(PLA)，尤其使用L型聚乳酸(PLLA)。PLLA单轴延伸。压电薄膜201是沿正交的X方向和Y方向伸长的矩形形状。单轴延伸方向相对于X方向以及Y方向为约45°。
由这样的手性高分子构成的PLLA的主链具有螺旋构造。PLLA若单轴延伸来使分子取向，则具有压电性。而且，单轴延伸了的PLLA因压电薄膜的平板面被按压而产生电荷。此时，产生的电荷量根据因按压而平板面向与该平板面正交的方向位移的位移量来唯一地决定。单轴延伸的PLLA的压电常数在高分子中属于非常高的部类。因此，能够高灵敏度地检测由按压产生的位移。
此外，延伸倍率优选为3～8倍左右。通过在延伸后进行热处理，促进聚乳酸的伸展链结晶的结晶化并提高压电常数。另外，在双轴延伸的情况下，使各轴的延伸倍率不同，从而能够得到与单轴延伸相同的效果。例如在将某个方向作为X轴并在该方向实施8倍的延伸，并且在与该轴正交的Y轴方向实施2倍的延伸的情况下，对于压电常数而言，大致能够得到与在X轴方向实施4倍的单轴延伸的情况几乎同等的效果。单纯地单轴延伸的薄膜容易沿延伸轴方向破裂，所以通过进行上述那样的双轴延伸，能够使强度增大一些。
另外，PLLA通过基于延伸等的分子的取向处理来产生压电性，不需要如PVDF等其它聚合物、压电陶瓷那样进行转态处理(Polling process)。即，不属于强磁性体的PLLA的压电性不是像PVDF、PZT等强磁性体那样通过离子的极化而发现的，而是出自分子特征构造即螺旋构造。因此，在PLLA不产生在其它强介电性的压电体中产生的热电性。并且，在PVDF等中，能够看见经时性的压电常数的变动，并且存在根据情况而压电常数显著降低的情况，但PLLA的压电常数随时间经过极其稳定。因此，不受周围环境的影响，能够高灵敏度地检测按压以及按压松弛所带来的位移。
另外，PLLA的相对介电常数约为2.5，非常低，所以若将d设为压电常数，将εT设为介电常数，则压电输出常数(＝压电g常数，g＝d/εT)为较大的值。这里，根据上述式子，介电常数ε33 T＝13×ε0、压电常数d31＝25pC/N的PVDF的压电g常数为g31＝0.2172Vm/N。另一方面，若将压电常数d14＝10pC/N的PLLA的压电g常数换算为g31而求出，则因d14＝2×d31，所以d31＝5pC/N，压电g常数为g31＝0.2258Vm/N。因此，在压电常数d14＝10pC/N的PLLA中，能够充分地得到与PVDF相同的按压量的检测灵敏度。而且，本申请发明的发明者们通过实验得到d14＝15～20pC/N的PLLA，使用该PLLA，从而能够进一步非常高灵敏度地检测按压以及按压松弛。
并且，PLLA的相对介电常数非常低，所以容易使粘合层204、205的相对介电常数比压电薄膜201的相对介电常数高。换言之，具有比压电薄膜201的相对介电常数高的相对介电常数的材料的选择范围大，容易选择粘合层204、205的材料。
形成有电极的保护薄膜202具备平板膜状的保护薄膜221。保护薄膜221由具有透光性且具有绝缘性的材料构成。而且，保护薄膜221由耐热性高的材料构成。例如，保护薄膜221由PET、PEN等材料构成。在保护薄膜221的一个主面形成有电极222。该保护薄膜221的一个主面与压电薄膜201对置。
电极222优选使用以ITO、ZnO、银纳米线、聚噻吩为主要成分的有机电极、以聚苯胺为主要成分的有机电极中的任意一种。通过使用上述材料，能够形成透光性高的导体图案。
像这样，在保护薄膜221形成电极222的情况下，其紧贴性比将电极222直接形成于压电薄膜201的情况下的紧贴性高。因此，作为按压量检测传感器20的可靠性提高。
并且，在将电极222与外部电路连接的情况下，一般进行使用了各向异性导电膜等的热压粘合，但即使在进行这样的热处理的情况下，保护薄膜221比压电薄膜201难以热收缩，能够抑制电极222的断线的产生。由此，能够进一步提高按压量检测传感器20的可靠性。
形成有电极的保护薄膜203具备平板膜状的保护薄膜231。保护薄膜231由具有透光性且具有绝缘性的材料构成。而且，保护薄膜231由耐热性高的材料构成。例如，保护薄膜231由PET、PEN等材料构成。在保护薄膜231的一个主面形成有电极232。该保护薄膜231的一个主面与压电薄膜201对置。
电极232优选使用以ITO、ZnO、银纳米线、聚噻吩为主要成分的有机电极、以聚苯胺为主要成分的有机电极中的任意一种。通过使用上述材料，能够形成透光性高的导体图案。
像这样，在保护薄膜231形成电极232的情况下，其紧贴性比将电极232直接形成于压电薄膜201的情况下的紧贴性高。因此，按压量检测传感器20的可靠性提高。
并且，在将电极232与外部电路连接的情况下，一般进行使用了各向异性导电膜等的热压粘合，但即使在进行这样的热处理的情况下，保护薄膜231比压电薄膜201难以热收缩，能够抑制电极232的断线的产生。由此，能够进一步提高按压量检测传感器20的可靠性。
粘合层204为平板膜状，被设置在压电薄膜201与形成有电极的保护薄膜202之间。通过该粘合层204，形成有电极的保护薄膜202中的电极222的形成面与压电薄膜201的一个主面粘合。粘合层204具体的物理特征以及电特征后述。
粘合层205为平板膜状，被设置在压电薄膜201与形成有电极的保护薄膜203之间。通过该粘合层205，形成有电极的保护薄膜203中的电极232的形成面与压电薄膜201的另一个主面粘合。粘合层205具体的物性特征、构造特征以及电特征后述。
根据这样的结构，能够利用电极222、232取得压电薄膜201产生的电荷，并将与按压量对应的电压值的压电检测信号向外部输出。压电检测信号经由未图示的布线输出至运算电路模块40。运算电路模块40根据压电检测信号计算按压量。
接下来，说明粘合层204、205的具体的决定方法。图4是表示相对于压电薄膜与粘合层的相对介电常数比的输出电荷的比例的图。在图4中，实线表示粘合层的相对介电常数εa比压电薄膜的相对介电常数εp高的情况。具体而言，粘合层的相对介电常数εa为5.0，压电薄膜的相对介电常数εp为2.7。在图4中，虚线表示粘合层的相对介电常数εa比压电薄膜的相对介电常数εp低的情况。具体而言，粘合层的相对介电常数εa为5.0，压电薄膜的相对介电常数εp为12.0。此外，输出电荷的比例表示外部电路取出因按压而弯曲从而在压电薄膜201产生的电荷的比例。
如图4所示，不管粘合层204、205的相对介电常数εa与压电薄膜201的相对介电常数εp之间的关系如何，粘合层204、205的厚度Da与压电薄膜201的厚度Dp之比Da/Dp越高，输出电荷越低。在这一点上，优选粘合层的薄膜204、205的厚度Da较薄。即，粘合层的薄膜204、205的厚度Da越薄，按压量的检测灵敏度越高。
并且，如图4所示，通过粘合层204、205的相对介电常数εa比压电薄膜201的相对介电常数εp高，由此输出电荷的降低率变低。即，即使厚度之比Da/Dp变高，输出电荷也难以降低。即，通过使粘合层204、205的相对介电常数εa比压电薄膜201的相对介电常数εp高，能够抑制按压量的检测灵敏度的降低。
图5是表示相对于压电薄膜与粘合层的(相对介电常数)/(厚度)之比的输出电荷的比例的图。图5的横轴是用压电薄膜的(相对介电常数)/(厚度)除以粘合层的(相对介电常数)/(厚度)所得的值。
如图5所示，压电薄膜201的相对介电常数与厚度之比的值εp/Dp相对于粘合层204、205的相对介电常数与厚度之比的值εa/Da越小(低)，输出电荷的比例越高。即，按压量的检测灵敏度变高。换言之，粘合层204、205的每单位面积的静电电容比压电薄膜201的每单位面积的静电电容越高，按压量的检测灵敏度越高。
而且，如图5所示，若压电薄膜201的相对介电常数与厚度之比的值εp/Dp在粘合层204、205的相对介电常数与厚度之比的值εa/Da的约0.5倍以下，换言之，粘合层204、205的每单位面积的静电电容为压电薄膜201的每单位面积的静电电容的约2倍以上，则能够使输出电荷的降低小于50％，较优选。
图6是表示粘合层的厚度与粘着力之间的关系的图。图6的数据引用自琳得科(リンテック)株式会社的TL-400S系列双面胶带的目录值。
如图6所示，粘合层204、205越厚，粘着力越提高。由此，形成有电极的保护薄膜202、203难以从压电薄膜201剥落。例如，若是具有图6所示的特性的材料，如果为约10[μm]以上，则确认在实用上没有问题。并且，若为约10[μm]以上，则能够将压电薄膜201的主面(平板面)、形成有电极的保护薄膜202、203的电极222、232侧的凹凸填埋，能够抑制有气泡等外观不良的产生。
另一方面，虽然没有图示，但粘合层204、205越厚，透光性会降低。另外，粘合层204、205越厚，因操作面的按压而产生的压电薄膜201的弯曲量(按压量)会降低。因此，优选粘合层204、205的厚度在规定范围内。例如，确认出若是具有图6所示的特性的材料，则优选为约30[μm]以下。
此外，该粘合层204、205的厚度的范围能够根据材料、规格适当地设定。具体而言，最低限度的厚度基于上述剥落强度和外观不良的防止效果来决定即可。最大限度的厚度基于透光性、相对于按压的缓冲性，并根据考虑了上述相对介电常数的检测灵敏度来决定即可。
如上所述，在按压量检测传感器20中，使粘合层204、205的相对介电常数εa比压电薄膜201的相对介电常数εp高。由此，能够抑制输出电荷的降低，能够抑制检测灵敏度的降低。
并且，在按压量检测传感器20中，使粘合层204、205的每单位面积的静电电容比压电薄膜201的每单位面积的静电电容高。优选粘合层204、205的每单位面积的静电电容是压电薄膜201的每单位面积的静电电容的约2倍以上。由此，能够进一步抑制输出电荷的降低，能够进一步抑制检测灵敏度的降低。
另外，并且在按压量检测传感器20中，将粘合层204、205的厚度设定在不是太薄也不是太厚的规定厚度范围内。由此，能够实现可靠性的提高，并且能够抑制检测灵敏度的降低。
此外，在上述的说明中，没有示出具体的厚度，但优选压电薄膜201的厚度为约40[μm]～约100[μm]。通过设定在这样的厚度范围内，能够实现按压量的检测特性、可靠性、外观、透光性全部优良的按压量检测传感器。
接下来，对具备具有上述特征的按压量检测传感器20的触摸式输入装置1的其他结构进行说明。
显示面板30具备平板状的液晶面板301、表面偏振片302以及背面反射板303。液晶面板301为平板状。对于液晶面板301而言，通过被从外部施加驱动电极，从而液晶的取向状态发生变化以便形成规定的图像图案。表面偏振片302具有仅使在规定方向振动的光波透过的性质。背面反射板303将来自液晶面板301侧的光向液晶面板301侧反射。在这种结构的显示面板30中，来自显示面侧的光透过表面偏振片302、液晶面板301到达背面反射板303，被背面反射板303反射，经由液晶面板301、表面偏振片302，向显示面侧射出。而且，此时，进行表面偏振片302的偏振性、液晶的取向状态的偏振性的控制，从而显示面板30利用射出至显示面侧的光，形成所希望的显示图像。从显示面板30射出的显示图像透过按压量检测传感器20，从操作面射出。由此，操作者能够观察到显示图像。
此外，在显示面板30与按压量检测传感器20之间设置有空隙Gap。也可以不设置该空隙Gap，但通过设置该空隙Gap，能够不妨碍压电薄膜201的弯曲而提高检测灵敏度。
在显示面板30的背面侧配置有运算电路模块40。如上述那样，运算电路模块40与按压量检测传感器20的电极222、232连接，根据来自按压量检测传感器20的压电检测信号检测按压量。运算电路模块40固定设置于框体50。
这样，具备上述按压量检测传感器20，从而能够实现可靠性高、按压量的检测灵敏度高的触摸式输入装置1。
此外，在上述实施方式中，作为压电薄膜，以PLA、PLLA为例进行了说明，但也可以使用其它的压电薄膜。但是，优选相对介电常数低的压电薄膜。
另外，在上述实施方式中，称作粘合层，但粘合层可以由粘合材料形成，也可以由粘着材料形成。这里，粘合材料表示利用通过化学反应、热而固化/粘合这一原理的材料。粘着材料表示弹性率为105～106Pa左右的柔软的材料，并且不因温度等而固化而是通过材料其本身的粘着力来贴合并利用的材料。
另外，在上述实施方式中，使粘合层204、205的厚度相同，但它们的厚度只要是上述厚度范围内的厚度，则厚度也可以不同，材料也可以不同。
另外，在上述实施方式中，示出了在压电薄膜201的两主面(两平板面)粘合电极的例子，但也可以是仅对至少一方进行粘合的方式。
另外，在上述触摸式输入装置中，示出了具备显示面板的例子，但也可以代替显示面板而配置适当地描绘了操作用的图像的纸等。另外，也可以在保护薄膜202的表面印刷操作用的图像。
另外，在上述触摸式输入装置中，示出了仅检测按压量的情况，但也可以具备检测操作位置的功能。在该情况下，例如，将平板状的静电电容方式的位置检测传感器配置于按压量检测传感器的操作面侧(框体50的开口面侧)即可。
附图标记说明：1…触摸式输入装置，20…按压量检测传感器，30…显示面板，40…运算电路模块，50…框体，201…压电薄膜，202、203…形成有电极的保护薄膜，204、205…粘合层，221、231…基底薄膜，222、232…电极，301…液晶面板，302…表面偏振片，303…背面反射板。

Claims (8)

1.一种位移传感器，其中，具备：
压电薄膜，其产生与位移量对应的电荷；
电极，其被配置成与所述压电薄膜对置；以及
粘合层，其夹在所述压电薄膜与所述电极之间，
所述粘合层的相对介电常数比所述压电薄膜的相对介电常数高，
所述粘合层的厚度为10μm以上30μm以下。
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其中，
所述粘合层的每单位面积的静电电容为所述压电薄膜的每单位面积的静电电容的2倍以上。
3.根据权利要求1所述的位移传感器，其中，
所述电极形成于保护薄膜的一个主面。
4.根据权利要求2所述的位移传感器，其中，
所述电极形成于保护薄膜的一个主面。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的位移传感器，其中，
所述压电薄膜由至少沿单轴方向延伸的聚乳酸构成。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的位移传感器，其中，
所述压电薄膜由至少沿单轴方向延伸的聚乳酸构成，并且所述压电薄膜的厚度为40μm以上100μm以下。
7.一种按压量检测传感器，其中，
利用权利要求1～6中任一项所述的位移传感器，检测从操作面按压的按压量。
8.一种触摸式输入装置，其中，具备：
权利要求7所述的按压量检测传感器；以及
运算电路模块，其与该按压量检测传感器的所述电极连接，并且根据检测信号来检测按压量，所述检测信号基于所述按压量检测传感器产生的电荷量。
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