CN207817659U - 压电传感器、触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置 - Google Patents

压电传感器、触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及压电传感器、触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置。压电传感器具备：压电片，沿单轴方向延伸；电极，检测在上述压电片产生的电荷；以及光学补偿层，被层叠在上述压电片的至少一侧，具有与上述单轴方向交叉的滞相轴，对因上述压电片沿单轴方向延伸而产生的相位差进行光学补偿。

Description

压电传感器、触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置
技术领域
本实用新型涉及压电传感器、具备该压电传感器的触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置。
背景技术
在专利文献1中，公开了一种在操作面(最外面)配置有表面偏振片的显示面板。专利文献1的显示面板在表面偏振片的与操作面相反侧的面配置有触摸面板。另外，在触摸面板中的与表面偏振片相反侧，配置有由夹有液晶的一对玻璃构成的液晶面板。
另一方面，在专利文献2中，公开了一种使用单轴延伸的压电片来进行按压检测的显示装置。
但是，压电片因单轴延伸而产生双折射性。因此，例如若佩戴偏光太阳镜来观察显示图像，则由于压电片的相位差而光强度的波长特性发生变化，图像的颜色发生变化。
专利文献1：日本特开2012－230657号公报
专利文献2：日本特开2015－095696号公报
对于光学特性而言，例如，通过使显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电片的单轴延伸方向平行或者正交，能够消除压电片的相位差的影响。
但是，由于压电传感器的制造偏差、显示面板的制造偏差或者压电传感器与显示面板的组装偏差等，有显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电片的延伸方向从平行或者正交的状态偏离的情况。另外，最适合按压检测的压电片的延伸方向和显示面板的表侧偏振片的偏振方向未必是平行或者正交的状态，而若显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电片的延伸方向从平行或者正交的状态偏离，则在佩戴偏光太阳镜观察显示图像时，图像的颜色发生变化。
实用新型内容
因此，本实用新型提供一种即使显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电片的延伸方向从平行或者正交的状态偏离，在佩戴偏光太阳镜观察显示图像时，也能够抑制图像的颜色的变化的压电传感器、触摸面板、触摸式输入装置以及显示装置。
本实用新型的压电传感器具备：压电片，沿单轴方向延伸；电极，检测在上述压电片产生的电荷；以及光学补偿层，被层叠在上述压电片的至少一侧，具有与上述单轴方向交叉的滞相轴，对因上述压电片沿单轴方向延伸而产生的相位差进行光学补偿。
像这样，压电传感器在压电片的上表面或者下表面具备光学补偿层。光学补偿层通过滞相轴与压电片的延伸方向交叉，使光学补偿层中的相位差和压电片的相位差相抵消。由此，即使显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电性薄膜的延伸方向从平行或者正交的状态偏离，在佩戴偏光太阳镜观察显示图像时，也能够抑制图像的颜色的变化。
此外，压电片也可以是PVDF，但为了应用于显示装置，优选使用透明性高的手性高分子。更为优选是单轴延伸的聚乳酸(PLA)，进一步优选是L型聚乳酸(PLLA)。
此外，电极形成于电极用薄膜，该电极用薄膜成为上述光学补偿层，由此不用设置新的层，就能够形成光学补偿层。
根据本实用新型，即使显示面板的表侧偏振片的偏振方向与压电性薄膜的延伸方向从平行或者正交的状态偏离，在佩戴偏光太阳镜观察显示图像时，也能够抑制图像的颜色的变化。
附图说明
图1是显示装置的外观立体图。
图2是显示装置的侧面剖视图。
图3是显示装置的框图。
图4是表示滞相轴的关系的图。
图5的(A)、图5的(B)、图5的(C)以及图5的(D)是对光学补偿的原理进行说明的图。
图6是表示各波长下的透射光强度的图。
图7的(A)是表示对最佳的延迟评价了图像的颜色的变化的结果的图，图7的(B)是表示各波长下的透射光强度的图。
图8是变形例1的显示装置的侧面剖视图。
图9是变形例2的显示装置的侧面剖视图。
图10是表示滞相轴的关系的图。
图11是对光学补偿的原理进行说明的图。
图12是变形例3的显示装置的侧面剖视图。
图13是表示滞相轴的关系的图。
附图标记说明：1、1A、1B…显示装置；11…压电传感器；20…检测部；22…处理部；23…程序存储部；30…显示面板；40…表面面板； 45…触摸式输入装置；47…处理装置；50…壳体；70…静电电容传感器； 111…第一电极用薄膜；112…第一电极；113…压电片；113B…光学补偿用压电片；114…第二电极；115…第二电极用薄膜；117…第三电极； 301…表侧偏振片；302…液晶面板；303…背侧偏振片；304…背光灯。
具体实施方式
以下，参照附图，对具备本实用新型的压电传感器的显示装置进行说明。
如图1的外观立体图所示，显示装置1具备在外观上呈长方体形状的壳体50和配置于壳体50的上表面的开口部的平面状的表面面板40。表面面板40作为利用者使用手指、笔等进行触摸操作的操作面发挥功能。
此外，在本实施方式中，将壳体50的宽度方向(横向)设为X方向，将长度方向(纵向)设为Y方向，将厚度方向设为Z方向。
如图2所示，在壳体50的内部，从壳体50的开口部(表面面板40) 侧起沿着Z方向依次配置有压电传感器11和显示面板30。由表面面板 40和压电传感器11构成触摸面板。
压电传感器11和显示面板30为平板状，在壳体50的内部配置为分别与壳体50的开口部(表面面板40)对置。
在壳体50的底面与显示面板30之间配置有电路基板(未图示)。在该电路基板上，设置有构成图3所示的检测部20的电路模块。
如图3所示，检测部20与压电传感器11和处理部22连接。处理部 22与检测部20、程序存储部23以及显示面板30连接。
显示装置1由触摸式输入装置45和处理装置47构成。压电传感器 11和检测部20构成触摸式输入装置45。处理部22、程序存储部23以及显示面板30构成处理装置47。
处理部22包含CPU，对处理装置47进行统一控制。即，处理部 22读出存储于程序存储部23的动作用程序来进行各种处理。例如，处理部22对显示面板30进行控制使其显示图像，并且根据从检测部20 输入的检测信号来决定操作输入内容，并变更所显示的图像。
压电传感器11产生与针对操作面亦即表面面板40的按压操作相应的电荷。检测部20检测由压电传感器11产生的电荷，并作为检测信号输出至处理部22。
显示面板30例如由液晶显示元件构成。在本例中，如图2所示，显示面板30具备表侧偏振片301、液晶面板302、背侧偏振片303以及背光灯304。
表侧偏振片301和背侧偏振片303被配置为夹着液晶面板302。背光灯304隔着背侧偏振片303而配置于与液晶面板302相反侧。另外，如图4所示，表侧偏振片301的偏振方向L3相对于X轴为75°，背侧偏振片303的偏振方向L4为165°。
从背光灯304输出的光被背侧偏振片303偏振，并经由液晶面板302 到达表侧偏振片301。液晶面板302根据处理部22的控制按照每个像素使通过表侧偏振片302的光量变化。从表侧偏振片302输出的光经由压电传感器11输出至表面面板40。由此，在表面面板40显示各种图像。
压电传感器11从表面侧起依次具备第一电极用薄膜111、第一电极 112、压电片113、第二电极114以及第二电极用薄膜115。第一电极112 和第二电极114被配置为覆盖压电片113的主面的大致整个面。
第一电极112和第二电极114由具有透明性的材料构成，例如使用以氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、聚噻吩为主要成分的材料。第一电极112和第二电极114分别通过蒸镀等预先形成于第一电极用薄膜 111和第二电极用薄膜115的主面。
压电片113的一个主面(表面侧的主面)粘贴于表面面板40。利用者按压表面面板40，从而压电片113沿法线方向弯曲，产生电荷。压电片113能够使用PVDF等材料，但优选使用透明性较高的手性高分子。更为优选压电片113为单轴延伸的聚乳酸(PLA)，进一步优选为L型聚乳酸(PLLA)。
手性高分子的主链具有螺旋结构，若单轴延伸从而分子取向，则具有压电性。而且，单轴延伸的手性高分子所产生的电荷量由表面面板40 向法线方向位移的位移量唯一确定。
单轴延伸的PLLA的压电常量在高分子中属于非常高的类别。即，能够高灵敏度地检测按压操作，并且能够高精度地输出与按压量相应的变形检测信号。
另外，由于手性高分子通过基于延伸等的分子的取向处理来产生压电性，所以无需进行轮询处理。特别是，由于聚乳酸没有热电性，所以即使在将压电传感器配置于接近操作面的位置，而被传递了利用者的手指等的热的情况下，检测出的电荷量也不会变化。并且，PLLA的压电常量不会随时间变动，极其稳定。
在本实施方式中，如图4所示，压电片113被配置成单轴延伸方向 L1相对于X方向和Y方向呈约45°的角度。通过进行这样的配置，能够较高灵敏度地检测按压操作。
此外，延伸倍率优选是3～8倍左右。通过在延伸后实施热处理，促进了聚乳酸的延长链晶体的结晶化且压电常量提高。另外，在双轴延伸的情况下，通过使各个轴的延伸倍率不同，能够得到与单轴延伸相同的效果。例如，在将某一方向设为X轴，在X轴方向上实施了8倍的延伸并在与X轴正交的Y轴方向上实施了2倍的延伸的情况下，能够得到关于压电常量与在X轴方向上实施了大约4倍的单轴延伸的情况几乎同等的效果。由于单纯地单轴延伸后的薄膜容易沿着延伸轴方向撕裂，所以通过进行如上述那样的双轴延伸，能够增加几分强度。
第一电极用薄膜111是本实用新型的光学补偿层的一个例子。第一电极用薄膜111具有面内相位差。如图4所示，第一电极用薄膜111的滞相轴L2与压电片113的延伸方向正交。由此，第一电极用薄膜111 中的相位差与压电片113的相位差相抵消。
图5是对光学补偿原理进行说明的图。首先，如图5的(A)所示，压电片113的延伸方向L1相对于X轴为45°。因此，表示压电片113 的面内相位差的折射率椭圆体P的长轴相对于X轴为45°。另外，压电片113的延迟Re根据相对于通常光线的折射率no和相对于异常光线的折射率ne而用Re＝(ne－no)×d来表示。在这里，例如，若设折射率no为1.45、折射率ne为1.47、压电片113的厚度d＝50μm，则压电片113的延迟Re为1000nm。
另一方面，如图5的(B)所示，第一电极用薄膜111的滞相轴L2 被配置为与压电片113的延伸方向L1正交。因此，折射率椭圆体E的长轴相对于X轴为135°。例如，若设相对于通常光线的折射率No为 1.7、相对于异常光线的折射率Ne为1.725、第一电极用薄膜111的厚度D＝40μm，则根据Re＝(Ne－No)×D，第一电极用薄膜111的延迟Re为1000nm。
因此，如图5的(C)所示，若使压电片113与第一电极用薄膜111 重叠，则与折射率椭圆体P和折射率椭圆体E相互抵消地合成而成的部件等效。因此，压电片113和第一电极用薄膜111与具有各向同性的折射率球S的介质等效，不对光给予相位差。
接下来，参照图5的(D)，对光的偏振状态的变化进行说明。图5 的(D)是在庞加莱球上示出了从表侧偏振片301出来的光通过压电片 113和第一电极用薄膜111时的偏振状态的轨迹的图。
在图5的(D)中，从表侧偏振片301出来的光的偏振状态位于庞加莱球的S1轴上的P0。在这里，光的偏振状态在通过压电片113时，以A1(30°×2)为旋转轴，基于压电片113的延迟Re沿着轨迹R1 旋转。决定A1的旋转轴的30°是从光线的行进方向观察到的L1与L3 所成的角。由此，光的偏振状态到达庞加莱球上的P1的位置。
接下来，在通过第一电极用薄膜111时，光的偏振状态以A2(120°×2)为轴旋转。决定A2的旋转轴的120°是从光线的行进方向观察到的L2与L3所成的角。此时，旋转轴A1和旋转轴A2相差180度，并且第一电极用薄膜111的延迟Re与压电片113的延迟Re相等。因此，光的偏振状态从偏振状态P1的位置起沿着轨迹R1逆溯地旋转。因此，通过第一电极用薄膜111后的偏振状态P2位于与偏振状态P0相同的位置。
理想上优选表侧偏振片301的偏振方向与压电片113的延伸方向正交或者平行。但是，表侧偏振片301的偏振方向L3和背侧偏振片303 的偏振方向L4有因压电传感器11的制造偏差、显示面板30的制造偏差或者压电传感器11和显示面板30的组装偏差等而偏离的情况。另外，最适合按压检测的压电片的延伸方向和显示面板的表侧偏振片的偏振方向未必是平行或者正交的状态，例如，如图4所示，存在表侧偏振片 301的偏振方向L3相对于X轴为75°而不与压电片的延伸方向正交或者平行的情况。在该情况下，在光通过压电片113时，偏离偏振状态 P1的位置，根据光的波长而变化到轨迹R1上的与P1不同的位置。但是，本实施方式的压电传感器11在光通过第一电极用薄膜111时，向与从偏振状态P0的位置旋转到偏振状态P1的位置时相反方向旋转，并且旋转量根据波长而相同，所以能够进行不依赖于波长的宽频带的光学补偿。
图6是表示各波长下的透射光强度的图。该图所示的曲线图的纵轴的“透射光强度”表示相对于表侧偏振片301的偏振方向L3的偏振方向偏离了45°的偏光太阳镜的透射光强度，并且表示相对于压电片113 的延伸方向L1与表侧偏振片301的偏振方向L3一致时的透射光强度的比。
图中的虚线是在表侧偏振片301的偏振方向L3相对于X轴为75°的情况下，在第一电极用薄膜111中没有面内相位差的情况(即不光学补偿的情况)下的透射光强度。像这样，在不光学补偿的情况下，透射光强度根据波长较大地变化，图像的颜色发生变化。
另一方面，图中的实线是表侧偏振片301的偏振方向L3相对于X 轴为75°的情况下，利用第一电极用薄膜111抵消压电片113的相位差 (即光学补偿)的情况下的透射光强度。在该情况下，各波长下的透射光强度的变化变少，图像的颜色的变化被抑制。
此外，在上述的例子中，示出第一电极用薄膜111的滞相轴L2与压电片113的延伸方向L1正交并且延迟相同的例子，但也可以是第二电极用薄膜115的滞相轴与压电片113的延伸方向L1正交并且延迟相同的方式。即，是第一电极用薄膜111或者第二电极用薄膜115中的至少任意一方对压电片113的面内相位差进行补偿的方式即可。或者，也可以是设置与第一电极用薄膜111和第二电极用薄膜115不同的电介质片，该电介质片对压电片113的面内相位差进行补偿的方式。
另外，第一电极用薄膜111或者第二电极用薄膜115的滞相轴不是必须与压电片113的延伸方向准确地正交，±5°的偏离是允许范围。另外，延迟的值也无需相同。
例如，如图7的(A)所示，若相对于最佳的延迟，第一电极用薄膜或者第二电极用薄膜的延迟为±30％以内，则佩戴偏光太阳镜来观察显示图像时的颜色的变化在实用上并没有问题。此外，若相对于最佳的延迟，第一电极用薄膜或者第二电极用薄膜的延迟为+40％，则如图7 的(B)所示，相对于绿色的波长，蓝色的波长以及红色的波长的强度增大。在该情况下，虽然强度比的变化较少，但是由于绿色的视敏度较高，所以导致观测到颜色的变化。相反，若相对于最佳的延迟，第一电极用薄膜或者第二电极用薄膜的延迟为－40％，则相对于蓝色的波长，红色的波长的强度显著增大，所以导致强烈地观测到颜色的变化。因此，第一电极用薄膜或者第二电极用薄膜的延迟相对于最佳的延迟为+ 40％～－30％即可，更为优选为±30％以内。
接下来，图8是变形例1的显示装置1A的侧面剖视图。对于与图2 共用的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
显示装置1A除了显示装置1的结构以外，还具备静电电容传感器 70。静电电容传感器70被配置于比压电传感器11靠表面面板40侧。即，各构成部从壳体50的开口部(表面面板40)侧起依次沿着Z方向以静电电容传感器70、压电传感器11以及显示面板30的顺序配置。
静电电容传感器70为平板状，在壳体50的内部被配置为与壳体50 的开口部(表面面板40)平行。
静电电容传感器70具备第一静电电容检测用电极701、平板状的绝缘性基板702以及第二静电电容检测用电极703。绝缘性基板702由具有透明性的材料构成，例如由PMMA(丙烯酸树脂)构成。在绝缘性基板702的表面侧的主面形成有第一静电电容检测用电极701，在背面侧的主面配置有第二静电电容检测用电极703。
第一静电电容检测用电极701和第二静电电容检测用电极703全部由具有透明性的材料构成，例如使用以氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、聚噻吩为主要成分的材料。
静电电容传感器70根据由第一静电电容检测用电极701和第二静电电容检测用电极703检测出的静电电容的变化，来检测触摸操作的有无和触摸位置。
而且，压电传感器11的第一电极用薄膜111和静电电容传感器70 的第二静电电容检测用电极703被配置于相同的面上。即，在第一电极用薄膜111上，第一电极112和第二静电电容检测用电极703交替地并行设置。像这样，变形例1的显示装置1A通过将静电电容传感器的电极的一部分和压电传感器的电极的一部分设置于相同的薄膜上，从而能够减少薄膜的总数。
接下来，图9是变形例2的显示装置1B的侧面剖视图。图10是表示变形例2的显示装置1B的滞相轴的关系的图。
变形例2的显示装置1B在图9所示的结构上与图2所示的显示装置1相同。但是，在显示装置1B中，第一电极用薄膜111具有面内相位差，并且第一电极用薄膜111的滞相轴L2相对于表侧偏振片301的偏振方向L3为约45°。另外，第一电极用薄膜111的延迟相对于光的波长λ为λ/4。另外，显示装置1B的第二电极用薄膜115具有面内相位差，并且第二电极用薄膜115的滞相轴L5相对于压电片113的延伸方向L1为约90°。
参照图11，对光的偏振状态的变化进行说明。如图11的庞加莱球所示，从表侧偏振片301出来的光的偏振状态位于P0。在这里，对于通过第二电极用薄膜115时的偏振状态而言，以A1(120°×2)为旋转轴，基于第二电极用薄膜115的延迟沿着轨迹R2旋转，到达P1的位置。决定A1的旋转轴的120°为从光线的行进方向观察到的L3与L5 所成的角。接下来，对于通过压电片113时的偏振状态而言，以A2(30°×2)为轴基于压电片113的延迟来旋转。决定A2的旋转轴的30°为从光线的行进方向观察到的L3与L1所成的角。此时，由于第二电极用薄膜115的延迟与压电片113的延迟相等，所以从P1起沿着轨迹R2 逆溯地旋转。因此，通过压电片113后的偏振状态P2为与P0相同的位置。
并且，对于通过第一电极用薄膜111时的偏振状态而言，以A3(45°×2)为旋转轴，基于第一电极用薄膜111的延迟沿着轨迹R3旋转，到达P3的位置。决定A3的旋转轴的45°为从光线的行进方向观察到的 L3与L2所成的角。
位置P3存在于庞加莱球的S3轴上。因此，通过第一电极用薄膜111 后的光成为圆偏振状态。因此，即使在表侧偏振片301的偏振方向与偏光太阳镜的偏振方向正交的情况下，也不会遮挡而光会透射，从而能够视觉确认图像。
接下来，图12是变形例3的显示装置1C的侧面剖视图。对于与图 2共用的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
显示装置1C除了显示装置1的结构以外，还具备沿单轴方向延伸的光学补偿用压电片113B和第三电极117。在该情况下，显示装置1 的第一电极用薄膜111不具有面内相位差。光学补偿用压电片113B被配置于比第一电极用薄膜111靠显示面板30侧。
第三电极117也由具有透明性的材料构成，例如使用以氧化铟锡 (ITO)、氧化锌(ZnO)、聚噻吩为主要成分的材料。第三电极117通过蒸镀等预先形成于第二电极用薄膜115的主面。
在变形例3中，第二电极114作为接地电极发挥功能。第一电极112 作为压电片113的检测用电极发挥功能。第三电极117作为光学补偿用压电片113B的检测用电极发挥功能。
在变形例3中，如图13所示，压电片113被配置为单轴延伸方向 L1相对于X方向以及Y方向成约45°的角度。
光学补偿用压电片113B是本实用新型的光学补偿层的一个例子。光学补偿用压电片113B具有面内相位差。如图13所示，光学补偿用压电片113B的单轴延伸方向L6与压电片113的单轴延伸方向L1正交。由此，光学补偿用压电片113B中的相位差与压电片113的相位差相抵消。光学补偿的原理与第一实施方式相同。
像这样，变形例3的结构还具备光学补偿用压电片113B，从而与按压量相应的变形检测信号增大，能够更高灵敏度地检测按压操作。另外，在变形例3中，若用相同的材料(例如PLLA)构成压电片113和光学补偿用压电片113B，则无需另外制造用于光学补偿的薄膜。此外，光学补偿用压电片113B的单轴延伸方向L6无需与压电片113的单轴延伸方向L1准确地正交，例如即使偏离了±5°，也可确保光学补偿的功能。

Claims (11)

1.一种压电传感器，其特征在于，具备：
压电片，沿单轴方向延伸；
电极，检测在所述压电片产生的电荷；以及
光学补偿层，被配置于所述压电片的至少一侧，具有与所述单轴方向交叉的滞相轴，对因所述压电片沿单轴方向延伸而产生的相位差进行光学补偿。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，
所述光学补偿层的延迟值在所述压电片的延迟值的40％～－30％的范围内。
3.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，
所述光学补偿层的延迟值在压电片的延迟值的±30％的范围内。
4.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，
所述滞相轴与所述单轴方向正交。
5.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，
所述压电片包含聚乳酸。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的压电传感器，其特征在于，
所述电极形成于电极用薄膜，
该电极用薄膜成为所述光学补偿层。
7.一种触摸面板，其特征在于，具备：
权利要求1～6中任一项所述的压电传感器；以及
操作面。
8.一种触摸式输入装置，其特征在于，具备：
权利要求7所述的触摸面板；以及
检测部，检测通过对所述操作面的按压操作而在所述压电传感器产生的电荷。
9.一种显示装置，具备：
权利要求7所述的触摸面板；以及
显示面板，
所述显示装置的特征在于，
所述显示面板通过控制向所述操作面侧射出的光来形成显示图像，
所述显示装置具备被配置于比所述显示面板靠所述操作面侧的表侧偏振片。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，
在所述光学补偿层的相反侧隔着所述压电片地配置有第二光学补偿层，
所述第二光学补偿层具有与所述表侧偏振片的偏振方向成45度的滞相轴。
11.一种压电传感器，其特征在于，具备：
压电片，沿单轴方向延伸；
电极，检测在所述压电片产生的电荷；以及
光学补偿层，被配置于所述压电片的至少一侧，具有与所述单轴方向交叉的滞相轴，具有在所述压电片的延迟值的±30％的范围内的延迟值。
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