JP2016080465A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電シートを用いた圧力検出装置において、温度変化に伴う検出感度の変化を減らす。
【解決手段】圧力検出装置１００において、支持基板１は、圧力が作用する入力面１ａと、縁部が支持される背面１ｂとを有する。第１圧電シート３ａは、支持基板１の背面１ｂの中央部に配置されている。第２圧電シート３ｂは、第１圧電シート３ａの支持基板１と反対側において、第１圧電シート３ａに対向して配置されている。第１検出電極４ａは、第１圧電シート３ａの第２圧電シート３ｂと反対側に配置されている。第２検出電極４ｂは、第２圧電シート３ｂの第１圧電シート３ａと反対側に配置されている。中間接着層８は、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂとの間に配置され、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力検出装置、特に、バイモルフ又はモノモルフを用いた圧力検出装置に関する。

タッチパネルへの押圧量を検出するための装置として、圧電シートを用いた圧力センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に示すタッチ入力装置では、感圧センサが、可撓性を有するタッチパネルの平面上に互いに密着するように重ねられている。
圧力センサが１枚の圧電シートからなるモノモルフの場合、圧電シートの両面に電荷検出用電極が設けられ、圧電シートは接着剤によってガラスに貼り合わされている。
圧力センサが２枚の圧電シートからなるバイモルフの場合、２枚の圧電シートは接着剤によって互いに貼り合わされてバイモルフ構造を形成し、さらにバイモルフ構造が接着剤によってガラスに貼り合わされている。

特開平５−６１５９２号公報

従来の圧力センサでは、温度変化が生じると、検出感度が大きく変化してしまう問題があった。本願の発明者は、この問題の原因について研究を行い、その結果、検出感度の変化の原因の一つが温度変化に伴う接着剤の硬度の変化であることを突き止めた。
特に、アクリル系の接着剤は、低温では硬いが、高温では軟らかくなる傾向が顕著である。

本発明の課題は、圧電シートを用いた圧力検出装置において、温度変化に伴う検出感度の変化を減らすことにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。

本発明の一見地に係る圧力検出装置は、外部から加えられた圧力によって発生する２枚の圧電シート間の電位差に基づいて圧力を検出するための装置である。圧力検出装置は、シート部材と、第１圧電シートと、第２圧電シートと、第１検出電極と、第２検出電極と、弾性体とを備えている。
シート部材は、圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有する。
第１圧電シートは、シート部材の第２面の中央部に配置されている。
第２圧電シートは、第１圧電シートのシート部材と反対側において、第１圧電シートに対向して配置されている。
第１検出電極は、第１圧電シートの第２圧電シートと反対側に配置されている。
第２検出電極は、第２圧電シートの第１圧電シートと反対側に配置されている。
弾性体は、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置され、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。

この装置では、シート部材の第１面の中央部が押されると、シート部材は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、第１圧電シート及び第２圧電シートもたわむ。このときに、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置された弾性体は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置の押圧検出感度の変化が少なくなる。
弾性体は接着剤であってもよい。

本発明の他の見地に係る圧力検出装置は、外部から加えられた圧力によって発生する１枚の圧電シートの電位差に基づいて圧力を検出するための装置である。圧力検出装置は、シート部材と、圧電シートと、第１検出電極と、第２検出電極と、弾性体とを備えている。
シート部材は、圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有する。
圧電シートは、シート部材の第２面の中央部に配置されている。
第１検出電極は、圧電シートのシート部材側に配置されている。
第２検出電極は、圧電シートのシート部材と反対側に配置されている。
弾性体は、シート部材と圧電シートとの間に配置され、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。

この装置では、シート部材の第１面の中央部が押されると、シート部材は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、圧電シートもたわむ。このときに、シート部材と圧電シートとの間に配置された弾性体は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置の押圧検出感度の変化が少なくなる。
弾性体は接着剤であってもよい。

圧力検出装置は、シート部材と圧電シートとの間に配置された第１シートをさらに備えていてもよい。その場合、弾性体は、シート部材と第１シートとの間に配置された第１弾性体と、第１シートと圧電シートとの間に配置された第２弾性体とを有している。
この装置では、第１弾性体と第２弾性体は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置の押圧検出感度の変化が少なくなる。

本発明に係る圧力検出装置では、温度変化に伴う検出感度の変化が少なくなる。

電子機器の斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面の断面図であり、第１実施形態の圧力検出装置の断面図である。 接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである。 圧力検出装置の断面図である（第２実施形態）。 接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである（第２実施形態）。 接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである（第２実施形態）。 圧力検出装置の断面図である（第３実施形態）。 接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである（第３実施形態）。

１．第１実施形態
（１）圧力検出装置の概要
図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態としての圧力検出装置１００を説明する。図１は、電子機器の斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面の断面図あり、第１実施形態の圧力検出装置の断面図である。
圧力検出装置１００は、指又はペンによって押された場合の押圧力（荷重）の大きさを測定するための装置である。なお、以下の説明では、使用時にユーザから見て手前側（図２の上側）を圧力検出装置１００の「入力面側」といい、ユーザから見て奥側（図２の下側）を圧力検出装置１００の「奥側」という。

図１に示すように、電子機器１１０は、主に、筐体６と、圧力検出装置１００とを備えている。筐体６は、矩形枠状であり、合成樹脂製である。圧力検出装置１００は、筐体６内に収容されている。

さらに詳細には、筐体６は、入力面側に向かって矩形状に開口する凹部６ａを有している。凹部６ａは、段差を有するように形成されており、この段差部分が支持部６ｂとなっている。支持部６ｂは、凹部６ａの形状に対応しており、つまり矩形枠状に形成されている。支持部６ｂは、後述する支持基板１の背面１ｂの縁部に対応しており、支持基板１に作用する圧力を支持するための構造である。凹部６ａにおいて、支持部６ｂよりも入力面側の第１領域には後述の支持基板１が収納され、背面側の第２領域には後述する圧電シート３や検出電極４が収納されている。
凹部６ａにおいて、第１領域の側面は支持基板１とわずかな隙間を空けて接し、第２領域の側面は圧力検出装置１００にわずかな隙間を空けて接している。また、筐体６の底面と圧力検出装置１００との間には、空間部７が設けられている。

圧力検出装置１００は、主に、支持基板１と、圧電シート３と、検出電極４と備えている。圧力検出装置１００の基本動作として、支持基板１が押されると圧力検出装置１００がたわみ、圧電シート３には引張応力が加わるとともに、電荷が発生する。そして、２枚の検出電極４がその電荷を検出することで、圧力検出装置１００に加えられた押圧力を検出できる。
より詳細には、圧力検出装置１００は、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、第１接着層２、第１検出電極４ａ、第１圧電シート３ａ、中間接着層８、第２圧電シート３ｂ、第２検出電極４ｂ、第２接着層１０、第２シート９を有している。以下、各構成を説明する。なお、図２及び他の断面図は、説明の便宜のために、各層の位置及び厚みを適宜調整している。

（２）支持基板
支持基板１（シート部材の一例）は、シート状の部材であり、筐体６の支持部６ｂ及び支持部６ｂで囲われた領域を覆うように配置される。圧力検出装置１００の入力面１ａ（第１面の一例）を有している。支持基板１は、入力面１ａと反対側に背面１ｂ（第２面の一例）を有している。支持基板１の背面１ｂの縁部は支持部６ｂに支持されるように固定されている。

支持基板１は、保護板として、透明性、耐傷性、及び防汚性等を具備していることが好ましい。支持基板１の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやアクリル系樹脂等の汎用樹脂、ポリアセタール系樹脂やポリカーボネート系樹脂等の汎用エンジニアリング樹脂、ポリスルホン系樹脂やポリフェニレサルファイド系樹脂等のスーパーエンジニアリング樹脂、ガラスがある。
なお、支持基板１の厚みは、例えば０．４ｍｍ〜１．０ｍｍである。

（３）圧電シート
圧電シート３は、第１接着層２を介して、支持基板１の背面１ｂに固定されている。なお、圧電シート３は、支持基板１の背面１ｂの中央部に配置されている。
第１接着層２は例えば透明光学接着剤が用いられる。そのような例としては、感圧接着剤（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ、以後「ＰＳＡ」という）がある。第１接着層２のＡの厚みは、５μｍ〜３００μｍである。
この実施形態では、第１接着層２の弾性係数は、限定されない。なお、第１接着層２の材料は、例えば、アクリル系やシリコーン系、エポキシ系接着剤である。第１接着層２は、上記接着剤を接着後にＵＶ硬化又は熱硬化によって硬化されることが好ましい。

圧電シート３は、押圧力が加えられたわみが発生すると、両面に押圧力に応じた電位差を発生するシートである。圧電シート３は、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂとから構成されている。両シートは同じ形状であり、互いに対向している。第１圧電シート３ａは支持基板１の背面１ｂ側に配置され、第２圧電シート３ｂは第１圧電シート３ａの背面側（第１圧電シート３ａの支持基板１と反対側）に配置されている。第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは、ＰＳＡからなる中間接着層８を介して互いに接着されている。中間接着層８については後述する。

（４）検出電極
検出電極４は、第１検出電極４ａと、第２検出電極４ｂとからなる。第１検出電極４ａは支持基板１（具体的には、第１接着層２）と第１圧電シート３ａの間（つまり、第１圧電シート３ａの第２圧電シート３ｂと反対側）に配置され、第２検出電極４ｂは第２圧電シート３ｂと第２シート９（具体的には、第２接着層１０）との間（つまり、第２圧電シート３ｂの第１圧電シート３ａと反側）に配置される。
なお、第１検出電極４ａ及び第２検出電極４ｂは、導電性を有する材料により構成される。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。この実施形態では、第１検出電極４ａ及び第２検出電極４ｂは、例えば、蒸着やスクリーン印刷などを用いて第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの面にそれぞれ直接形成されている。
なお、検出電極４の厚みは、例えば１ｎｍ〜３０，０００ｎｍである。

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、上記の検出電極は、蒸着により圧電シートに形成してもよく、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。なお、金属からなる検出電極は、透光性を向上させるために、メッシュ構造であってもよい。
なお、検出電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて樹脂フィルムなどの表面に形成したものを、支持基板や圧電シートに接着剤で固着してもよい。
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）第２シート及び第２接着層
第２シート９は、第２検出電極４ｂを保護するための部材である。具体的には、第２シート９は、透明樹脂フィルムであって、例えば、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、又は、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂などで構成されている。
第２接着層１０は、第１接着層２と同様の材料である。
（６）検出器
検出器（図示せず）は、検出電極が検出した電圧信号から押圧量を検出する装置である。検出器はオペアンプを用いたチャージアンプなどから構成される。

（７）押圧手段
なお、圧力検出装置１００に押圧を加える押圧手段としては、押圧を加えることができるものであれば、特に限定されない。押圧手段としては、例えば指やスタイラスベンなどを挙げることができる。

（８）圧電シートの詳細説明
第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの材料は、強誘電体材料をシート状に成形したのちに厚み方向に分極させたシートを用いることができる。強誘電体材料としては、ＰＶＤＦや、ＰＶＤＦとＴｒＦＥやＥＴＦＥなどの共重合体、ＰＺＴがある。第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは互いに分極方向が上下逆になるように積層される。または、ポリ乳酸などの光学活性体を用いることもできる。例えば、第１圧電シート３ａにＰＬＬＡを、第２圧電シート３ｂにＰＤＬＡをそれぞれ用いてもよい。
第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの材料の組み合わせは特に限定されない。ただし、両シートは同じ特性を有する材料が用いられることが好ましい。温度変化による熱応力と焦電効果によって生じる圧電シートからの不要な出力をキャンセルできるからである。

（９）中間接着層
前述したように、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間には、中間接着層８（弾性体の一例）が配置されている。中間接着層８には、例えばＰＳＡが用いられる。
中間接着層８は、従来に比べて硬い材料からなり、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。中間接着層８の弾性係数は、好ましくは、１０ＭＰａ以上である。以上より、中間接着層８は、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間で、比較的弾性係数が高い弾性体として機能している。なお、使用温度範囲とは、例えば、０℃〜４０℃の範囲である。

中間接着層８は、上記の弾性係数を実現すればよく、材料の種類は特に限定されない。ただし、中間接着層８は、貼り合わせるときは柔らかい状態で，貼り合わせてから硬化させるタイプの接着剤であることが好ましく、例えば、アクリル系粘着剤やシリコーン系粘着剤からなる。
なお、中間接着層８として弾性係数が低い材料が選ばれた場合には、温度変化に対する弾性係数の変化率が低い（例えば、±５００％程度）条件を満たす材料であることが望ましく、その場合に例えばシリコーン系粘着剤が選ばれる。
中間接着層８の厚みは、５μｍ以上である。より好ましくは、中間接着層８の厚みは、２５〜１００μｍの範囲である。

以下、圧力検出装置１００に押圧を加えた場合の電荷発生メカニズムを説明する。
圧力検出装置１００に押圧を加えたとき、支持基板１は圧電シート３や検出電極４に比べて高い剛性を有しているため、圧電シート３（第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂ）には引張応力が生じる。このとき、第１圧電シート３ａには引張応力σ_ｕが生じ、第２圧電シート３ｂには引張応力σ_ｌが生じる。その結果、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂの入力面側の面と背面側の面には、上記引張応力に応じた電荷がそれぞれ発生する。そして、発生した電荷によって、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂのそれぞれの入力面側と背面側の面との間には電位差が発生する。第１圧電シート３ａの間で発生する電位差Ｖ_１’は、第１圧電シート３ａ入力面側の電位と背面側の電位との差であり、電位差Ｖ_１’は引張応力σ_ｕの大きさに比例している。第２圧電シート３ｂの間で発生する電位差Ｖ_２’は、第２圧電シート３ｂの入力面側の電位と背面側の電位との差であり、電位差Ｖ_２’は引張応力σ_ｌの大きさに比例している。

前記第１実施形態では、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間に配置されていた弾性体は中間接着層８だけであった。しかし、弾性係数において上記の特性を満たす弾性体であれば接着層のみの構成には限定されない。例えば、弾性体はコアシート及び両面の接着剤から構成されていてもよい。また、弾性体の一部に光学的特性を実現するシートが用いられてもよい。
この圧力検出装置１００では、支持基板１の入力面１ａの中央部が押されると、支持基板１は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂもたわむ。このときに、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂとの間に配置された弾性体は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合の中間接着層８の硬度の変化が少ない。その結果、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置１００の押圧検出感度の変化が少なくなる。

以下に第１実施形態の原理と効果を示すためにおこなったシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、上記実施形態と同様の構造であり、ガラス（支持基板１に相当）にバイモルフ（圧電シート３に相当）を貼合わせ、四辺を土台（電子機器１１０の筐体６に相当）に両面テープで固定した圧力検出装置（圧力検出装置１００に相当）を想定した。この圧力検出装置において、ガラスの中央部に１Ｎの力を加えるという条件を採用した。

ガラスは、サイズを１２０ｍｍ×６０ｍｍとして、厚みを０．５５ｍｍとして、弾性係数を７０ＧＰａとした。圧電シートは、フィルム状のＰＶＤＦの共重合体とした。圧電シートは厚みを０．０３ｍｍとした。ＰＳＡ１（第１接着層２に相当）、ＰＳＡ２（第２接着層１０に相当）、及びＰＳＡｍｉｄ（中間接着層８に相当）は、アクリル系粘着剤とした。ＰＳＡｍｉｄは厚みを０．０４０ｍｍとした。ＰＳＡ１及びＰＳＡ２は厚みを０．０２５ｍｍとした。ＰＥＴは厚みを０．０５ｍｍとした。シミュレーションには、ＦＥＭシミュレーションソフトを用いた。
シミュレーション結果を下記の表１と図３に示す。図３は、接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである。表１及び図３中の圧電出力とは、第１検出電極４ａと第２検出電極４ｂの間に発生する電位差である。

表１のシミュレーションＮｏ．Ａ３〜Ａ６、Ａ９〜１２、Ａ１５〜Ａ１８、Ａ２１〜Ａ２４、Ａ２７〜Ａ３０が本実施形態の最低限の条件（ＰＳＡｍｉｄの弾性係数が所望の範囲にあること）を満たしている実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ａ１〜Ａ２，Ａ７〜Ａ８、Ａ１３〜Ａ１４、Ａ１９〜Ａ２０、Ａ２５〜Ａ２６が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。

以上より、ＰＳＡで貼り合せて形成したバイモルフ構造の場合は、ＰＳＡｍｉｄ（弾性体としての中間接着層８）は使用温度範囲内での弾性係数が１ＭＰａ以上であれば、所望のレベルの圧電出力が得られ、しかも弾性係数が変化しても圧電出力の値に大きな変化はない。つまり、使用温度内で常に１ＭＰａ以上であれば、温度変化によってＰＳＡｍｉｄ（つまり、中間接着層８）の硬度が変化しても、圧電出力に大きな変化は生じない。
また、上記の効果は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）及びＰＳＡ２（つまり、第２接着層１０）の弾性係数にかかわらず得られることが、シミュレーション結果から分かる。より詳細には、ＰＳＡ１及びＰＳＡ２の弾性係数が低くなれば圧電出力は高くなっているが、その影響は、ＰＳＡｍｉｄ（つまり、中間接着層８）の使用温度範囲内での弾性係数が１ＭＰａ以上の領域では、小さい。

２．第２実施形態
（１）圧力検出装置の概要
図４を用いて、本発明の第２実施形態としての圧力検出装置１００Ａを説明する。図４は、第２実施形態の圧力検出装置の断面図である。
圧力検出装置１００Ａの基本的な構造は第１実施形態と同様である。したがって、以下、異なる点を中心に説明する。

圧力検出装置１００Ａは、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、第１接着層２、第１検出電極４ａ、圧電シート３、第２検出電極４ｂ、第２接着層１０、第２シート９を有している。
各層及び材料は、第１実施形態において符号が同一のものと同じである。したがって、それらの説明は適宜省略される。

（２）圧電シート
圧電シート３は、第１接着層２を介して、支持基板１の背面１ｂに固定されている。なお、圧電シート３は、支持基板１の背面１ｂの中央部に配置されている。圧電シート３は、押圧力が加えられたわみが発生すると、両面に加えられた押圧力に応じた電位差を発生するシートである。圧電シート３は、第１実施形態とは異なり、単一のシートから構成されている。
（３）検出電極
検出電極４は、第１検出電極４ａと、第２検出電極４ｂとからなる。第１検出電極４ａは圧電シート３の入力面側に配置され、第２検出電極４ｂは圧電シート３の背面側に配置される。

第１接着層２（弾性体の一例）は、従来に比べて硬い材料からなり、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。第１接着層２の弾性係数は、好ましくは、１０ＭＰａ以上である。以上より、第１接着層２は、圧電シート３と支持基板１との間で、比較的弾性係数が高い弾性体として機能している。
第１接着層２は、上記の弾性係数を実現すればよく、材料の種類は特に限定されない。ただし、第１接着層２は、貼り合わせるときは柔らかい状態で，貼り合わせてから硬化させるタイプの接着剤であることが好ましく、例えば、アクリル系粘着剤やシリコーン系粘着剤からなる。

なお、第１接着層２として弾性係数が低い材料が選ばれた場合には、温度変化に対する弾性係数の変化率が低い（例えば、±５００％程度）条件を満たす材料であることが望ましく、その場合に例えばシリコーン系粘着剤が選ばれる。
前記第２実施形態では、支持基板１と圧電シート３との間に配置されていた弾性体は第１接着層２だけであった。しかし、弾性係数において上記の特性を満たす弾性体であれば接着層のみの構成には限定されない。例えば、弾性体はコアシート及び両面の接着剤から構成されていてもよい。また、弾性体の一部に光学的特性を実現するシートが用いられてもよい。
この圧力検出装置１００Ａでは、支持基板１の入力面１ａの中央部が押されると、支持基板１は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、圧電シート３もたわむ。このときに、支持基板１と圧電シート３との間に配置された弾性体は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合の第１接着層２の硬度の変化が少ない。その結果、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置１００Ａの押圧検出感度の変化が少なくなる。

以下に第２実施形態の原理と効果を示すためにおこなったシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、上記実施形態と同様の構造であり、ガラス（支持基板１に相当）にモノモルフ（圧電シート３に相当）を貼合わせ、四辺を土台（電子機器１１０の筐体６に相当）に両面テープで固定した圧力検出装置（圧力検出装置１００Ａに相当）を想定した。この圧力検出装置において、ガラスの中央部に１Ｎの力を加えるという条件を採用した。

圧電シートは、フィルム状のＰＶＤＦの共重合体とした。ガラスは、サイズを１２０ｍｍ×６０ｍｍとして、厚みを０．５５ｍｍとして、弾性係数を７０ＧＰａとした。圧電シートは厚みを０．０３ｍｍとした。ＰＳＡ１（第１接着層２に相当）及びＰＳＡ２（第２接着層１０に相当）は、アクリル系粘着剤とした。ＰＳＡ１及びＰＳＡ２は、厚みを０．０２５ｍｍとした。ＰＥＴは厚みを０．０５ｍｍとして、弾性係数を３ＧＰａとした。シミュレーションには、ＦＥＭシミュレーションソフトを用いた。
シミュレーション結果を下記の表２と図５に示す。図５は、接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである。

表２のシミュレーションＮｏ．Ｂ３〜Ｂ６、Ｂ９〜１２、Ｂ１５〜Ｂ１８が本実施形態の最低限の条件（ＰＳＡ１の弾性係数が所望の範囲にあること）を満たしている実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ｂ１〜Ｂ２，Ｂ７〜Ｂ８、Ｂ１３〜Ｂ１４が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。

以上をまとめると、モノモルフ構造の場合は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）が１ＭＰａ以上であれば、所望のレベルの圧電出力が得られ、しかも弾性係数が変化しても圧電出力の値に大きな変化はない。つまり、この場合、温度変化によってＰＳＡ１の硬度が変化しても、圧電出力に大きな変化は生じない。
また、上記の効果は、ＰＳＡ２（つまり、第２接着層１０）の弾性係数にかかわらず得られることが、シミュレーション結果から分かる。より詳細には、ＰＳＡ２の弾性係数が低くなれば圧電出力は高くなっているが、その影響は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）の使用温度範囲内での弾性係数が１ＭＰａ以上の領域では、小さい。

実施例３は、圧電シート（圧電シート３に相当）の材料を、フィルム状のＰＬＬＡの共重合体に変更した。それ以外の条件は、実施例２と同じである。
ガラスは厚みを０．５５ｍｍとして、弾性係数を７０ＧＰａとした。圧電シートは厚みを０．０３ｍｍとした。ＰＳＡ１（第１接着層２に相当）及びＰＳＡ２（第２接着層１０に相当）は厚みを０．０２５ｍｍとした。ＰＥＴは厚みを０．０５ｍｍとして、弾性係数が３ＧＰａとした。
シミュレーション結果を下記の表３と図６に示す。図６は、接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである。

表３のシミュレーションＮｏ．Ｃ３〜Ｃ６、Ｃ１０〜Ｃ１３Ｃ１７〜Ｃ２０が本実施形態の最低限の条件（ＰＳＡ１の弾性係数が所望の範囲にあること）を満たしている実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ｃ１〜Ｃ２，Ｃ８〜Ｃ９、Ｃ１５〜Ｃ１６が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。

以上より、モノモルフ構造の場合は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）が１ＭＰａ以上であれば、所望のレベルの圧電出力が得られ、しかも弾性係数が変化しても圧電出力の値に大きな変化はない。つまり、温度変化によってＰＳＡ１の硬度が変化しても、圧電出力に大きな変化は生じない。
また、上記の効果は、ＰＳＡ２（つまり、第２接着層１０）の弾性係数にかかわらず得られることが、シミュレーション結果から分かる。より詳細には、ＰＳＡ２の弾性係数が低くなれば圧電出力は高くなっているが、その影響は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）の使用温度範囲内での弾性係数が１ＭＰａ以上の領域では、小さい。

３．第３実施形態
図７を用いて、本発明の第３実施形態としての圧力検出装置１００Ｂを説明する。図７は、第３実施形態の圧力検出装置の断面図である。
圧力検出装置１００Ｂの基本的な構造は第２実施形態と同様である。したがって、以下、異なる点を中心に説明する。

圧力検出装置１００Ｂは、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、第１接着層２、第３シート１１、第３接着層１２、第１検出電極４ａ、第１圧電シート３ａ、第２検出電極４ｂ、第２接着層１０、第２シート９を有している。
各層及び材料は、第２実施形態において符号が同一のものと同じである。したがって、それらの説明は省略される。

第２実施形態と異なる点は、第３シート１１、第３接着層１２が追加されている点である。
第３シート１１（第１シートの一例）は、第２シート９と同様の材料である。第３接着層１２（第２弾性体の一例）は、第１接着層２（第１弾性体の一例）と同様の材料である。

第１接着層２及び第３接着層１２は、従来に比べて硬い材料からなり、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上である。第１接着層２及び第３接着層１２の弾性係数は、好ましくは、１０ＭＰａ以上である。以上より、第１接着層２及び第３接着層１２は、圧電シート３と支持基板１との間で、比較的弾性係数が高い弾性体として機能している。
第１接着層２及び第３接着層１２は、上記の弾性係数を実現すればよく、材料の種類は特に限定されない。ただし、第１接着層２及び第３接着層１２は、貼り合わせるときは柔らかい状態で，貼り合わせてから硬化させるタイプの接着剤であることが好ましく、例えば、アクリル系粘着剤やシリコーン系粘着剤からなる。

なお、第１接着層２及び第３接着層１２として弾性係数が低い材料が選ばれた場合には、温度変化に対する弾性係数の変化率が低い（例えば、±５００％程度）条件を満たす材料であることが望ましく、その場合に例えばシリコーン系粘着剤が選ばれる。
前記第３実施形態では、支持基板１と第３シート１１との間に配置された弾性体は第１接着層２だけであり、第３シート１１と圧電シート３との間に配置されていた弾性体は第３接着層１２だけであった。しかし、弾性係数において上記の特性を満たす弾性体であれば接着層のみの構成には限定されない。例えば、弾性体はコアシート及び両面の接着剤から構成されていてもよい。また、弾性体の一部に光学的特性を実現するシートが用いられてもよい。
圧力検出装置１００Ｂでは、支持基板１の入力面１ａの中央部が押されると、支持基板１は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、圧電シート３もたわむ。このときに、支持基板１と圧電シート３との間に配置された第１接着層２及び第３接着層１２は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であるので、温度変化が生じた場合の第１接着層２及び第３接着層１２の硬度の変化が少ない。その結果、温度変化が生じた場合において、圧力検出装置１００Ｂの押圧検出感度の変化が少なくなる。
なお、上記複数の実施形態では、それぞれタッチ検出機能を有していてもよい。例えば、第３実施形態では、第３シート１１（第１シートの一例）の支持基板１（シート部材の一例）側及び支持基板１の反対側の少なくとも一方にタッチ検出用電極が配置された構造であってもよい。タッチ検出の方式は特に限定されないが、例えば静電容量変化を検出するものでもよい。

以下に第３実施形態の原理と効果を示すためにおこなったシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、上記実施形態と同様の構造であり、ガラス（支持基板１に相当）に、モノモルフ（圧電シート３に相当）を貼合わせ、四辺を土台（電子機器１１０の筐体６に相当）に両面テープで固定した圧力検出装置（圧力検出装置１００Ｂに相当）を想定した。この圧力検出装置において、ガラスの中央部に１Ｎの力を加えるという条件を採用した。

圧電シートは、フィルム状のＰＶＤＦの共重合体とした。ガラスは、サイズを１２０ｍｍ×６０ｍｍとして、厚みを０．５５ｍｍとして、弾性係数を７０ＧＰａとした。圧電シートは厚みを０．０３ｍｍとした。ＰＳＡ１（第１接着層２に相当）及びＰＳＡ２（第３接着層１２に相当）はアクリル系粘着剤とした。ＰＳＡ１は、厚みを０．０５ｍｍとした。ＰＥＴは両方とも厚みを０．０５ｍｍとした。ＰＳＡ２及びＰＳＡ３（第２接着層１０に相当）は厚みを０．０２５ｍｍとした。シミュレーションには、ＦＥＭシミュレーションソフトを用いた。
シミュレーション結果を下記の表４と図８に示す。図８は、接着層の弾性係数に対する圧電出力の変化を示すグラフである。

表４のシミュレーションＮｏ．Ｄ３〜Ｄ６が本実施形態の最低限の条件（ＰＳＡ１及びＰＳＡ２の弾性係数が所望の範囲にあること）を満たしている実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ｄ１〜Ｄ２が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。

以上より、モノモルフ構造の場合は、ＰＳＡ１（つまり、第１接着層２）及びＰＳＡ２（つまり、第３接着層１２）は使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上であれば、所望のレベルの圧電出力が得られ、しかも弾性係数が変化しても圧電出力の値に大きな変化はない。つまり、温度変化によってＰＳＡ１及びＰＳＡ２の硬度が変化しても、圧電出力に大きな変化は生じない。

４．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。

本発明は、圧力検出装置、特に、モノモルフ又はバイモルフを用いた圧力検出装置に広く適用できる。

１ ：支持基板
１ａ ：入力面
１ｂ ：背面
２ ：第１接着層
３ ：圧電シート
３ａ ：第１圧電シート
３ｂ ：第２圧電シート
４ ：検出電極
４ａ ：第１検出電極
４ｂ ：第２検出電極
６ ：筐体
６ａ ：凹部
６ｂ ：支持部
７ ：空間部
８ ：中間接着層
９ ：第２シート
１０ ：第２接着層
１１ ：第３シート
１２ ：第３接着層
１００ ：圧力検出装置
１１０ ：電子機器

Claims (5)

1. 外部から加えられた圧力によって発生する２枚の圧電シート間の電位差に基づいて前記圧力を検出するための圧力検出装置であって、
   前記圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有するシート部材と、
   前記シート部材の第２面の中央部に配置された第１圧電シートと、
   前記第１圧電シートの前記シート部材と反対側において、前記第１圧電シートに対向して配置された第２圧電シートと、
   前記第１圧電シートの前記第２圧電シートと反対側に配置された第１検出電極と、
   前記第２圧電シートの前記第１圧電シートと反対側に配置された第２検出電極と、
   前記第１圧電シートと前記第２圧電シートとの間に配置された、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上の弾性体と、
   を備えた圧力検出装置。
2. 前記弾性体は接着剤である、請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 外部から加えられた圧力によって発生する１枚の圧電シートの電位差に基づいて前記圧力を検出するための圧力検出装置であって、
   前記圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有するシート部材と、
   前記シート部材の第２面の中央部に配置された圧電シートと、
   前記圧電シートの前記シート部材側に配置された第１検出電極と、
   前記圧電シートの前記シート部材と反対側に配置された第２検出電極と、
   前記シート部材と前記圧電シートとの間に配置された、使用温度範囲内で弾性係数が１ＭＰａ以上の弾性体と、
   を備えた圧力検出装置。
4. 前記弾性体は接着剤である、請求項３に記載の圧力検出装置。
5. 前記シート部材と前記圧電シートとの間に配置された第１シートをさらに備え、
   前記弾性体は、前記シート部材と前記第１シートとの間に配置された第１弾性体と、前記第１シートと前記圧電シートとの間に配置された第２弾性体とを有している、請求項３又は４に記載の圧力検出装置。
   

Images