JP2015212707A - 圧電センサおよび圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電センサ内で位置検出と荷重検出ができる圧電センサを提供する。【解決手段】圧電層１１が上部電極と下部電極に挟まれた圧電センサ１０であって、上部電極が、一の方向に延在する第１パターン電極１４を複数備え、下部電極が、一の方向と交差する他の方向に延在する第２パターン電極１５を複数備え、第１パターン電極１４や第２パターン電極１５の幅方向の大きさが、圧電層１１の周縁部に近づくにつれて大きさが大きくなるように構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、荷重に応じた圧電信号を発生する圧電センサに関し、特に荷重が与えられた位置を検出できる圧電センサに関する。

与えられた荷重を検出するため、圧電層を用いた圧電センサが知られている。例えば、特許文献１には、透明感圧層と、一対の透明導電層からなる透明圧電センサが開示されている。

特開２００４−１２５５７１号公報

しかし、特許文献１の透明圧電センサでは、与えられた荷重を検出できるものの、透明圧電センサ内において荷重がかかった位置を検出することはできない。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の圧電センサは、圧電層が上部電極と下部電極に挟まれている。上部電極は第１パターン電極を複数備え、下部電極は第１パターン電極と交差する第２パターン電極を複数備えている。
上記構成によると、第１パターン電極と第２パターン電極が圧電層を介して交差する。すなわち、圧力センサは、圧電層を介して第１電極パターンと第２電極パターンが重なる箇所を複数有する。そうすると、圧電層で発生した電荷について、複数ある重なり箇所のうち、どの重なり箇所で発生したものであるかを検出することにより、荷重のかかった位置を特定できるようになる。

上部電極と下部電極の間に、基準電極が設けられていてもよい。かかる場合、上部電極と基準電極の間には第１圧電層が設けられてもよく、下部電極と基準電極の間には第２圧電層が設けられていてもよい。

そうすると、第１圧電層や第２圧電層で発生した電荷を上部電極と下部電極とで独立して検出できる。

第１パターン電極は、第１電極部と第１電極部どうしを電気的に接続する第１接続部を備えていてもよい。第２パターン電極も、第２電極部と第２接続部を備えていてもよい。また、第１電極部は、圧電層を介して第２電極部と重なるように圧電層上に設けられていてもよい。

そうすると、圧電センサ内に複数ある第１電極部と第２電極部の重なり部分で、圧電層から発生した電荷を検出できる。

第１電極部は、圧電層を介して複数の第２電極部と重なるように積層されていてもよい。

そうすると、第１電極部と第２電極部の重なり部分の数が、上述の場合よりも増える。その結果、圧電センサ内の位置検出精度と荷重検出精度が向上する。

第１パターン電極と第２パターン電極は、帯状であってもよい。

第１パターン電極の幅方向の大きさは、圧電層の周縁部に近づくにつれて大きくなっていてもよい。

そうすると、荷重が掛かったときの撓み量が少なく、荷重の検出感度が悪い圧電層の周縁部について、荷重の検出感度が向上する。

第２パターン電極の幅方向の大きさは、圧電層の周縁部に近づくにつれて大きくなっていてもよい。

そうすると、荷重が掛かったときの撓み量が少なく、荷重の検出感度が悪い圧電層の周縁部について、荷重の検出感度が向上する。

第１パターン電極のピッチ間隔は、一定であってもよい。

そうすると、周縁部の感度を一定に保ったまま、与えられた荷重に対して位置の検出精度が向上する。

第２パターン電極のピッチ間隔は、一定であってもよい。そうすると、周縁部の感度を一定に保ったまま、与えられた荷重に対して位置の検出精度が向上する。

第１パターン電極は、凸部分と凹部分からなる凹凸形状を有し、第１パターン電極のピッチ間隔は、入力手段が前記圧電センサと接触したときに形成される接触面の短径の長さより短く設計されていてもよい。さらに、第１パターン電極の隣接する電極間は、上記凸部分と凹部分とが噛み合うように構成されていてもよい。

そうすると、圧電センサと入力手段とが接触したときに、第１パターン電極と入力手段との接触個数が増える。その結果、上記の場合よりも高い精度で荷重のかかった位置と荷重量を検出できる。

第２パターン電極は、凸部分と凹部分からなる凹凸形状を有し、第２パターン電極のピッチ間隔は、入力手段が前記圧電センサと接触したときに形成される接触面の短径の長さより短く設計されていてもよい。さらに、第２パターン電極の隣接する電極間は、上記凸部分と凹部分とが噛み合うように構成されていてもよい。

そうすると、圧電センサと入力手段とが接触したときに、第２パターン電極と入力手段との接触個数が増える。その結果、上記の場合よりも高い精度で荷重のかかった位置と荷重量を検出できる。

圧電層は、活性圧電部と不活性圧電部を有し、活性圧電部の上には第１パターン電極が積層されていてもよい。そうすると、クロストーク現象の発生を防止できる。その結果、圧電センサにかかった位置と荷重の検出精度が向上する。

圧電層は、活性圧電部と不活性圧電部を有し、活性圧電部の上には第２パターン電極が積層されていてもよい。

そうすると、クロストーク現象の発生を防止できる。その結果、圧電センサの位置検出精度が向上する。

上部電極は、酸化インジウム錫、またはポリエチルジオキソチオフェンを含んでいてもよい。

そうすると、上部電極の透明性が高くなるので、液晶や有機ＥＬなどの表示装置の上に圧電センサを配置できる。

下部電極は、酸化インジウム錫、またはポリエチルジオキソチオフェンを含んでいてもよい。

そうすると、下部電極の透明性が高くなるので、液晶や有機ＥＬなどの表示装置の上に圧電センサを配置できる。

圧電層は、有機圧電材料から構成されていてもよい。

そうすると、圧電層の柔軟性が大きくなるので、圧電センサの耐屈曲性が向上する。その結果、上記圧電センサをＲ曲面などに配置できる。

有機圧電材料は、ポリフッ化ビニリデンまたはポリ乳酸を含んでいてもよい。

そうすると、圧電層の透明性が高くなるので、液晶や有機ＥＬなどの表示装置の上に圧電センサを配置できる。

圧電層は、無機材料から構成されていてもよい。

そうすると、圧電層の圧電定数が大きくなるため力を検出する検出感度が向上する。

圧力検出装置は、圧電センサとタッチパネルを備えていてもよい。

そうすると、圧電センサに対し荷重がほとんどかからないような場合でも、荷重の位置検出ができる。

上記タッチパネルが静電容量型のタッチパネルであってもよい。そうすると、圧力検出装置全体の透明性が向上する。

本発明に係る圧電センサでは、圧電センサ内で位置検出ができる。

圧力検出装置の概念図である。 図１のＡ-Ａ’断面図である。 圧電センサの平面図である。 圧電センサの平面図である。 圧電センサの平面図である。 図５のＢ-Ｂ’断面図である。 圧電センサの平面図である。 図７のＣ-Ｃ’断面図である。 圧電センサの断面図である。 圧電センサの断面図である。 圧電センサの断面図である。 圧電センサと静電容量型タッチパネルを組合せた圧力検出装置の断面図である。

下記で、本発明に係る実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明の実施例に記載した部位や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

１． 第１実施形態
（１）圧力検出装置の全体構造
図１、図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図１は圧力検出装置の概略図である。図２は圧電センサの断面図である。

圧力検出装置は、与えられた荷重の量と位置を検出する機能を有している。
図１に示すように、圧力検出装置１は、圧電センサ１０と、検出部２０と、制御部３０を有している。圧電センサ１０は、与えられた荷重に応じて電荷を発生させる装置である。検出部２０は、圧電センサ１０で発生した電荷を検出する装置である。制御部３０は、圧電センサ１０に設置されたスイッチＳを制御する装置である。以下で、圧力検出装置１の構成を詳細に説明する。

（２）圧電センサ
図２に示すように、圧電センサ１０は、圧電層１１が上部電極１２と下部電極１３に挟まれた構成からなる。上部電極１２は圧電層１１の上面に積層され、下部電極１３は圧電層１１の下面に積層されている。

再び図１に示すように、上部電極１２は、帯状の第１パターン電極１４を備えている。なお、第１パターン電極１４は、Ｙ軸方向に複数配列されている。下部電極１３も帯状の第２パターン電極１５を備えている。第２パターン電極１５は、Ｘ軸方向に複数配列されている。

このような圧電センサ１０に荷重がかかると、かかった荷重に応じた電荷が発生する。発生した電荷は、荷重がかかった付近に存在する第１パターン電極１４や第２パターン電極１５を経由して検出部２０で検出される。このとき、検出部２０で検出された電荷量を測定することにより圧電センサ１０に与えられた荷重量を特定できる。なお、荷重位置については、検出部２０で検出された電荷が、複数存在する第１パターン電極１４と第２パターン電極１５のうち、どの第１パターン電極１４と第２パターン電極１５を経由したかを制御部３０で検出することにより、特定できる。

上記では、第１パターン電極１４が圧電層１１のＹ軸方向に、第２パターン電極１５がＸ軸方向に配列された例を示したが、第１パターン電極１４と第２パターン電極１５の配列位置は、入れ替わっていてもよい。

（３）圧電層
圧電層１１を構成する材料としては、無機圧電材料や有機圧電材料が挙げられる。
無機圧電材料としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどが挙げられる。
有機圧電材料としては、フッ化物重合体又はその共重合体、キラリティーを有する高分子材料などが挙げられる。フッ化物重合体又はその共重合体としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体などが挙げられる。キラリティーを有する高分子材料としては、Ｌ型ポリ乳酸や、Ｒ型ポリ乳酸などが挙げられる。

また、圧力検出装置１を、タッチパネルを備えた表示装置に適用する場合には、圧電部を透明な材料により構成するか、又は、光が十分に透過できる程度に薄く構成することが好ましい。

（４）電極
上部電極１２、下部電極１３は、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、スズ−亜鉛酸化物（Ｔｉｎ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ、ＴＺＯ）などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子、などを用いることができる。この場合、上記の電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて形成できる。

また、導電性を有する材料として、銅、銀などの導電性の金属を用いてもよい。この場合、上記の電極は、蒸着により形成してもよく、銅ペースト、銀ペーストなどの金属ペーストを用いて形成してもよい。

さらに、導電性を有する材料として、バインダー中に、カーボンナノチューブ、金属粒子、金属ナノファイバーなどの導電材料が分散したものを用いてもよい。

（５）検出部
図１に示すように、検出部２０は２つの入力を有している。１つの入力は、上部電極１２に接続されている。もう１つの入力は、下部電極１３に接続されている。
以上の構成により、検出部２０は、圧電層１１が押圧されたときに、上部電極１２と下部電極１３との間（すなわち、圧電層１１の両主面間）に発生する電荷を検出できる。なお、検出部２０は、ＡＤコンバータとアンプを組み合わせた検出機器を用いることができる。

（６）制御部
制御部３０は、上部電極１２と検出部２０を接続するスイッチＳ、および下部電極１３と検出部２０を接続するスイッチＳに接続されている。制御部３０は、上記スイッチＳについて、ＯＮ-ＯＦＦの切替信号を出力できる機能を備えている。

制御部３０は、例えば、圧力検出装置１のドライブシステムに含めることができる。当該ドライブシステムは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶部、及び圧電センサをドライブするためのインターフェースなどを備えたマイコンであってもよい。又は、当該ドライブシステムは、カスタムＩＣなどにより１つのＩＣに集約されていてもよい。

また、制御部３０の上記機能は、上記マイコンやカスタムＩＣなどの記憶部に記憶され
たプログラムを、ＣＰＵやカスタムＩＣなどに実行させることにより実現してもよい。

上記のように、圧力検出装置１を構成すると、検出部２０や制御部３０を用いて上部電極１２と下部電極１３の間で発生した電荷を検出できる。そうすると、検出した電荷から荷重のかかった位置と量を計算することができる。荷重のかかった箇所が複数に及んだ場合も同様に、各箇所の位置と荷重のかかった量を検出できる。すなわち、圧力検出装置１は、マルチフォース検出が可能となる。

２．第２実施形態
第１実施形態では、第１パターン電極１４や第２パターン電極１５の幅方向の長さは一定であったが、上記長さは圧電層１１の周縁部に近づくにつれて、長くなるように構成されていてもよい。

図３は、第２実施形態にかかる圧電センサの平面図である。

図３に示すように、圧電センサ１０の周縁部上には、圧電センサ１０を固定するための固定部材Ｗが設けられている。固定部材Ｗは、接着材料や固定枠である。かかる場合、圧電センサ１０の周縁部に近づくにつれて、電極幅が広くなる第１パターン電極１４が配置されていてもよい。これは、第２パターン電極１５についても同様である。

圧電センサ１０を固定部材Ｗなどで固定すると、感圧センサ１０に荷重が与えられたとき、固定部材Ｗが設けられた箇所、またはその付近の箇所には、撓みの力が伝わりにくくなる。そのため、上記のような箇所において荷重の検出は困難となる。
第２実施形態では、固定部材Ｗが設けられた箇所に近づくにつれて、電極幅の広い電極を配置し、物理的な検出感度を向上させることで、荷重の検出が難しい固定部材Ｗ付近の検出を可能にしている。

また、第１パターン電極１４は、第１パターン電極１４のピッチ間隔Ｌが一定になるよう圧電層１１の上に配列されている。なお、第２パターン電極１５も、第２パターン電極１５のピッチ間隔ｌが一定になるよう圧電層１１の下に配列されている。このように構成すると、第１パターン電極１４や第２パターン電極１５が、圧電層１１の上に等間隔に配列されるので、上記に加え正確な位置検出が可能となる。

３．第３実施形態
第１パターン電極１４と第２パターン電極１５は、圧電層１１を介して重なり部分があればよいので、第１パターン電極１４と第２パターン電極１５の形状は、帯状には特に限定されない。以下、電極の形状について説明する。

図４は、第３実施形態にかかる圧電センサの平面図である。

図４に示すように、第１パターン電極１４は、凹凸形状を有している。この凹凸形状は、凸部分と凹部分の繰返し形状からなる。凸部分と凹部分は、隣接する第１パターン電極１４どうしの間で噛み合うように配列されている。

なお、第１パターン電極１４のピッチ長さＬは、入力手段（例えば、指やスタイラスペン）と圧力センサ１０が接触した場合、その接触面の短径の長さよりも短くなるように設計されている。入力手段が指の場合、凸部分のピッチ長さＬは、１ｍｍ〜１６ｍｍであり、スタイラスペンの場合、０．５ｍｍ〜４ｍｍである。

そうすると、入力手段と圧力センサが接触したとき、第１パターン電極１４の形状が帯状である場合と比べて、入力手段はより多くの第１パターン電極１４と接触する。その結果、上記の場合より、より正確な位置検出と荷重検出が可能となる。

なお、上記の場合において、第２パターン電極１５は、第１パターン電極１４の形状に沿うように圧電層１１を介して第１パターン電極１４の下に配置されていてもよい。

上記のように構成されていると、入力手段と圧力センサ１０が接触した場合、入力手段がより多くの第１パターン電極１４や第２パターン電極１５と接触する。そのため、より正確な位置検出と荷重検出が可能となる。

４．第４実施形態
第１パターン電極１４と第２パターン電極１５の他のパターン形状について、以下で説明する。

図５は、第４実施形態にかかる圧電センサの平面図である。図６は、図５のＢ-Ｂ’断面図である。

図５に示すように、第１パターン電極１４は、Ｘ軸方向に複数配置される第１電極部１６と、第１電極部１６どうしを電気的に接続する第１接続部１７を備えている。
第２パターン電極１５は、Ｙ軸方向に複数配置される第２電極部１８（図５：ひし形点線部分）と、第２電極部１８どうしを電気的に接続する第２接続部１９（図５：点線部分）を備えている。なお、第１電極部１６と第１電極部１８の形状は、図５ではひし形形状で示したが、三角形や四角形などの多角形状や、円や楕円形状であってもよい。

また、図５、図６に示すように、第１電極部１６は、第２電極部１８の形状に沿うように圧電層１１の上に積層されている。そうすると、第１電極部１６に入力手段（例えば、指やスタイラスペン）が接触した場合、圧電層１１で発生した電荷が第１電極部１６と第２電極部１８を介して検出器２０で検出される。接触した位置の検出については、検出された電荷が、どの第１パターン電極１４と第２パターン電極１５を経由してきたかを制御部２０で検出することで特定できる。荷重量については、検出部２０で検出された電荷量を特定すること検出できる。

５．第５実施形態
第１パターン電極１４と第２パターン電極１５の積層方法は、第１電極部１６が第２電極部１８の形状に沿うように圧電層１１の上に積層する場合に限定されない。以下で、他の配列方法について説明する。

図７は、第５実施形態にかかる圧電センサの平面図である。図８は、図７のＣ-Ｃ’断面図である。

図７に示すように、第１電極部１６は、複数の第２電極部１８に跨って圧電層１１上に積層されている。上記のように構成することで、第１電極部１６と第２電極部１８の重なり部分の個数が、第４実施形態の場合と比べて増加する。その結果、入力手段が圧電センサ１０に接触した場合の位置検出精度と荷重検出精度が向上する。

６．第６実施形態
上部電極１２や下部電極１３だけでなく、圧電層１１は活性な部分と不活性な部分を有するようにパターニングされていてもよい。

図９、図１０は、第６実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図９に示すように、圧電層１１は、活性圧電部１１０と不活性圧電部１１１からなる。
活性圧電部１１０は、圧電センサ１０に荷重が与えられたときに電荷が発生する部分である。反対に不活性圧電部１１１は、荷重が与えられても電荷が発生しない部分である。

図９の例では、第１パターン電極１４は、活性圧電部１１０の上に積層され、第２パターン電極１５は、活性圧電部１１０と不活性圧電部１１１の下に積層されている。このように構成されていると、第１パターン電極１４付近で発生した電荷が漏れて、他の第１パターン電極１４に混入するのを防止できる（クロストーク現象を防止できる）。その結果、位置検出精度と荷重検出精度が向上する。

なお、図１０で示すように、第２パターン電極１５が、活性圧電部１１０の下に積層され、第１パターン電極１４が、活性圧電部１１０と不活性圧電部１１１の上に積層されていてもよい。また上記では、活性圧電部１１０の上に第１パターン電極１４や第２パターン電極１５が直接積層された例を示したが、活性圧電部１１０と第１パターン電極１４の間、または活性圧電部１１０と第２パターン電極１５の間には、接着剤やフィルムなどの絶縁材料が積層されていてもよい。

７．第７実施形態
上記では、上部電極１２と下部電極１３に圧電層１１が挟まれた構成について説明してきたが、上部電極１２と下部電極１３の間に基準電極４０が設けられていてもよい。

図１１は、第６実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図１１に示すように、第７実施形態の圧電センサ１０は、上部電極１２と下部電極１３の間に基準電極４０が設けられている。上部電極１２と基準電極４０の間には、第１圧電層１１aが設けられている。下部電極１３と基準電極４０の間には、第２圧電層１１ｂが設けられている。第１圧電層１１aと第２圧電層１１ｂの材質は、圧電層１１と同じである。基準電極４０の材質も、上部電極１２や下部電極１３と同じである。
このように、上部電極１２と下部電極１３との間に基準電極４０が設けられると、第１圧電層１１aや第２圧電層１１ｂで発生した電荷を上部電極１２と下部電極１３とで独立して検出できる。その結果、検出回路の設計が簡易になる。

８．その他の実施形態
上記では、与えられた荷重の位置と量を圧電センサ１０で検出する例を示した。しかし、図１２に示すように、圧電センサ１０の上にタッチパネル５０を積層することで、与えられた荷重の位置と量を検出してもよい。
圧電センサ１０の上にタッチパネル５０を積層することにより、与えられた荷重が圧電センサ１０で検出できないほど小さい場合（フェザータッチの場合）でも、圧電センサ１０の上にタッチパネル５０を積層することで、与えられた荷重の位置を検出できる。なお、タッチパネルの中でも、静電容量型タッチパネルを用いることが特に好ましい。

１：圧力検出装置
１０：圧電センサ
１１：圧電層
１１a ：第１圧電層
１１ｂ：第２圧電層
１２：上部電極
１３：下部電極
１４：第１パターン電極
１５：第２パターン電極
１６：第１電極部
１７：第１接続部
１８：第１電極部
１９：第２接続部
２０：検出部
３０：制御部
４０：基準電極
５０：静電容量型タッチパネル
１１０：活性圧電部
１１１：不活性圧電部
Ｓ：スイッチ
Ｌ：第１パターン電極のピッチ間隔
ｌ：第２パターン電極のピッチ間隔
Ｗ：固定部材

Claims (8)

1. 圧電層が上部電極と下部電極に挟まれた圧電センサであって、
   前記上部電極が、
   一の方向に延在する第１パターン電極を複数備え、
   前記下部電極が、
   前記一の方向と交差する他の方向に延在する第２パターン電極を複数備え、
   前記第１パターン電極の幅方向の大きさが、前記圧電層の周縁部に近づくにつれて大きさが大きくなる圧電センサ。
2. 圧電層が上部電極と下部電極に挟まれた圧電センサであって、
   前記上部電極が、
   一の方向に延在する第１パターン電極を複数備え、
   前記下部電極が、
   前記一の方向と交差する他の方向に延在する第２パターン電極を複数備え、
   前記第２パターン電極の幅方向の大きさが、前記圧電層の周縁部に近づくにつれて大きさが大きくなる圧電センサ。
3. 前記第２パターン電極の幅方向の大きさが、前記圧電層の周縁部に近づくにつれて大きさが大きくなる請求項１の圧電センサ。
4. 前記圧電層が、
   前記上部電極と接する第１圧電層と、
   前記下部電極と接する第２圧電層とを備え、
   前記第１圧電層と前記第２圧電層の間に基準電極を備える請求項１〜３のいずれかの圧電センサ。
5. 前記圧電層が活性圧電部と不活性圧電部とからなり、前記第１パターン電極は前記活性圧電部の上に積層された請求項１〜４のいずれかの圧電センサ。
6. 前記圧電層が活性圧電部と不活性圧電部とからなり、前記第２パターン電極は前記活性圧電部の上に積層された請求項１〜４のいずれかの圧電センサ。
7. 請求項１〜６のいずれかの圧電センサとタッチパネルを備える圧力検出装置。
8. 前記タッチパネルが静電容量型タッチパネルである請求項７の圧力検出装置。

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