JP5689523B1 - 圧力検出器を備えたタッチパネル - Google Patents
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Abstract
Description
圧電シートは、タッチパネルを搭載するディスプレイデバイス等の電子機器にも応用されている。例えば、特許文献1には、タッチパネルの背面に圧電シートを接着したタッチパネルが記載されている。上記タッチパネルは、その表面に押圧が加えられた際に、圧電シートが圧力に応じた電荷を発生し、その電荷を検出することで押圧情報(押圧力の強さ)を測定できるものとなっている。
1)圧電シート内で温度変化が発生すると、押圧が無くても圧電シートから電荷が出力されてしまい圧力検出に誤動作が発生してしまう。
2)押圧が加えられたとき、圧電シートの近傍や圧電シート内に引張応力や圧縮応力を受けない箇所(曲げの中立軸)が位置すると、押圧に対する圧電シートの電荷出力感度が非常に小さくなる。特に上記中立軸が圧電シート中央に位置する場合は、押圧を加えても圧電シートの表面に電荷が全く発生せず、押圧を検出できない。
3)さらに、支持基板と圧電シートを貼り合せるために接着剤を用いたとき、接着層の厚みが厚く柔らかい場合や、接着剤の硬さが温度や湿度など環境に応じて変化した場合、押圧力に対する圧電シートの電荷出力感度が大きく変化してしまう。
入力面に押圧された押圧力を測定するタッチパネルであって、
一の方向に間隔を空けて複数配置される上部電極と、
前記上部電極の前記入力面側とは反対側であって前記上部電極と交差する方向に間隔を空けて複数配置され前記上部電極との間で押圧位置を検出する下部電極と、
前記下部電極の入力面側とは反対側の面に配置される第1圧電シートと前記第1圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に前記第1圧電シートの近傍または前記第1圧電シートと接触するように配置される第2圧電シートとを備える圧電シートと、
前記タッチパネルの断面視において下部電極の間隔を空けた箇所に配置される第1検出電極と、
前記第2圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に配置され前記押圧が加えられたときに前記第1検出電極と協同して前記圧電シートに発生した電位差を検出する第2検出電極とを備え、
前記第1圧電シートと前記第2圧電シートは、
同じ特性を有する材料から構成され、
厚みが5μm〜50μmであり、
面内方向に引っ張ったときに前記支持基板側の面と前記第支持基板とは反対側の面の間で発生するそれぞれの電位差が、下記式3で表される関係にある点にある。
式3:V1/V2 < 0
但し、式3において、
V1は、V1a−V1bを示し、
V2は、V2a−V2bを示し、
V1aは第1圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V1bは第1圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示し、
V2aは第2圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V2bは第2圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示す。
入力面に押圧された押圧力を測定するタッチパネルであって、
一の方向に間隔を空けて複数配置される上部電極と、
前記上部電極の前記入力面側とは反対側であって前記上部電極と交差する方向に間隔を空けて複数配置され前記上部電極との間で押圧位置を検出する下部電極と、
前記下部電極の入力面側とは反対側の面に配置される第1圧電シートと前記第1圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に前記第1圧電シートの近傍または前記第1圧電シートと接触するように配置される第2圧電シートとを備え、第1圧電シートと第2圧電シートは前記上部電極と前記下部電極の間に配置される圧電シートと、
前記タッチパネルの断面視において、
前記上部電極の間隔を空けた箇所に配置される第1検出電極と、
前記下部電極の間隔を空けた箇所に配置され前記押圧が加えられたときに前記第1検出電極と協同して前記圧電シートに発生した電位差を検出する第2検出電極とを備え、
前記第1圧電シートと前記第2圧電シートは、
同じ特性を有する材料から構成され、
厚みが5μm〜50μmであり、
面内方向に引っ張られたときに前記入力面側の面と前記入力面とは反対側の面の間で発生するそれぞれの電位差が、下記式4で表される関係にある点にある。
式4:V1/V2 < 0
但し、式4において、
V1は、V1a−V1bを示し、
V2は、V2a−V2bを示し、
V1aは第1圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
位を示し、
V2aは第2圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V2bは第2圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示す。 」
1)電子機器の全体構造
本発明に係る圧力検出器について、図面を参照して説明する。圧力検出器100は、携帯電話や携帯ゲーム機等の電子機器110に備えられる。本実施形態では、電子機器110の一種としての多機能携帯電話(スマートフォン)に搭載された、圧力検出器100を例として説明する。なお、以下の説明では、圧力検出器100の入力面(後述する入力面1a)が位置している側を「入力面側」と称する。この「入力面側」は、電子機器110を操作するユーザーに対して正対する側でもある。これとは反対に、電子機器110を操作するユーザーから見た場合における奥側を「背面側」と称する。
図2に示すように、筐体6は、入力面側に向かって矩形状に開口する凹部6a(太線部分)を備えている。凹部6aは段差を有するように形成されており、この段差部分は、圧力検出器100を支持する支持部6bとして機能する。支持部6bは、凹部6aの形状に対応して、矩形枠状に形成されている。支持部6b(段差部分)よりも入力面側の領域(第一収納凹部)には後述の支持基板1が収納され、背面側の領域(第二収納凹部)にはディスプレイ装置5と圧力検出器100が収納されている。
1)圧力検出器の全体構造
図2に示すように、圧力検出器100は、筐体6の凹部6aに配置され、圧電シート3と、検出電極4を有している。なお、圧力検出器100は、支持基板1と、支持基板1に圧電シート3を貼着する接着層2をさらに備えていてもよい。本実施態様において、圧力検出器100は、支持基板1と、接着層2と、圧電シート3と、検出電極4を有している。支持基板1と、接着層2と、圧電シート3とは、この順番で入力面側から背面側に配置されている。なお、圧電シート3は、押圧がかかると撓んで、圧電シート3の厚み方向に電位差(電荷)を発生する。検出電極4は、圧電シート3の入力面側と背面側の面に配置され圧電シート3を挟み、圧電シート3で発生した電位差(電荷)を検出する。図示しないが、検出電極4で検出された電位差(電荷)は、検出電極4に接続された検出器で処理され、検出された電位差(電荷)から圧力検出器100に加えられた押圧の押圧量を検出している。上記のようにして、圧力検出器100に加えられた押圧の押圧量を検出できるようになっている。
図2に示すように、支持基板1は、筐体6の支持部6bに配置され、圧力検出器100の入力面1aを構成している。なお、支持基板1は、後述の圧電シート3や検出電極4に比べると、その厚みと硬さが大きい。そのため、支持基板1は、圧電シート3や検出電極4よりも大きな曲げ剛性を有している。なお、曲げ剛性とは、部材に押圧を加えたときの部材の曲がりにくさを示すものである。
接着層2としては、特に限定されないが、透明光学接着材を用いることが好ましい。そのような接着材としては、例えば感圧接着剤(Pressure Sensitive Adhesive;PSA)等を挙げることができる。なお、接着層2の厚みは、例えば、5μm〜300μmとすることができる。
圧電シート3は、押圧が加えられ撓みが発生したときに、シートの入力面側と背面側の面に加えられた押圧に応じた電位差を発生するシートである。このような圧電シート3としては、複数の圧電シートから構成されてもよいが、本実施態様では、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bから構成されている。第1圧電シート3aは支持基板1の背面側に配置され、第2圧電シート3bは第1圧電シート3aの背面側に配置されている。
式5:V1/V2< 0
1)厚みが十分薄く(例えば、5μm〜50μm)、
2)近接(例えば、1μm〜50μmの間で近接)または接触しており、
3)同じ特性を有する材料から構成されている。
「同じ特性を有する材料」とは、焦電定数、圧電定数、ヤング率、誘電率が近接している材料を示す。
式6:|V1|≒|V2|
式7:V1b≒V2a
よって、関係式5〜7より、関係式8が導き出される。
式8:V1a≒V2b
従って、上記のように構成されていると、圧電シート3が熱応力を受けた場合、熱応力に起因して発生する第1圧電シート3aの入力面側の面の電位と第2圧電シート3bの背面側の面の電位はほぼ等しくなる。
上記に加えて、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは、
4)互いに接触し、
5)圧力分布と温度分布が同じであり、
6)同じ材料から構成されることが好ましい。
第1圧電シート3aと第2圧電シート3bとが上記のように構成されると、上述の式6〜式7が下記のように書きかえられる。
式6’:|V1|=|V2|
式7’:V1b=V2a
よって、関係式5、6’、7’より関係式8’が導かれる。
式8’:V1a=V2b
すなわち、上記のように構成されると、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bに熱応力が作用しても、圧電シート3全体として検出電極4で検出される熱応力に起因した電位差は、式8’より、V1a−V2b=0となり、全く検出されない。その結果、本発明の圧力検出器100は熱応力に伴う誤動作が生じないものとなっている。
式9:V11/V22 < 0
1)厚みが十分薄く(例えば、5μm〜50μm)、
2)近接(例えば、1μm〜50μmの間で近接)または接触しており、
3)さらに同じ特性を有する材料から構成されている。
そのため、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bに温度変化に起因した焦電効果が発生した場合、第1圧電シート3aで発生する電位差(V11)と第2圧電シートで発生する電位差(V22)は、以下の関係式10を満たす。
式10:|V11|≒|V22|
式11:V11b≒V22a
従って、関係式9〜11より、関係式12が導き出される。
式12:V11a≒V22b
4)互いに接触し、
5)圧力分布と温度分布が同じであり、
6)同じ材料から構成されることが好ましい。
第1圧電シート3aと第2圧電シート3bとが上記のように構成されると、上述の式10〜式12が下記のように書きかえられる。
式10’:|V11|=|V22|
式11’:V11b=V22a
また、関係式9、10’、11’より関係式12’が導かれる。
式12’:V11a=V22b
すなわち、上記のように構成されると、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bに焦電効果が作用しても、圧電シート3として検出電極4で検出される焦電効果に起因した電位差は、式12’より、V11a−V22b=0となり、検出されない。その結果、本発明の圧力検出器100は温度変化に伴う誤動作(熱応力に起因した誤動作に加えて、焦電効果に起因した誤動作)が生じないものとなっている。
すなわち、引張応力F1と電位差V1’、および引張応力F2と電位差V2’の間では下記の関係式13、関係式14の関係が成立している。
但し、式13において、V1’は、圧力検出器に押圧が加えられた場合における第1圧電シートで発生する電位を示し、V1a’−V1b’で表される。V1a’は、圧力検出器に押圧が加えられた場合における第1圧電シートの入力面側の面の電位を示し、V1b’は圧力検出器に押圧が加えられた場合における第1圧電シートの背面側の面の電位を示す。
但し、式14において、V2’は、圧力検出器に押圧が加えられた場合における第2圧電シートで発生する電位を示し、V2a’−V2b’で表される。V2a’は、圧力検出器に押圧が加えられた場合における第2圧電シートの入力面側の面の電位を示し、V2b’は圧力検出器に押圧が加えられた場合における第2圧電シートの背面側の面の電位を示す。
式15:V1b’ ≒ V2a’
なお、式15は、式16のように近似できる。
式16:V1b’ = V2a’
従って、関係式13、14、16より、関係式17が導き出される。
但し、式17において、V2b’−V1a’は、圧力検出器に押圧が加えられた場合における第1圧電シートの入力面側と第2圧電シートの背面側の面との間における電位差を示し、F2−F1は圧力検出器に押圧が加えられた場合における第1圧電シートと第2圧電シートにかかる引張応力の差を示す。
よって、式17は式18のように変換できる。
式18:V’∝ 1/r
但し、V’は圧力検出器に押圧が加えられたときの検出電極から出力される電位差を示し、1/rは、圧力検出器に押圧が加えられた場合における圧力検出器の曲率を示す。
検出電極4は、第1検出電極4aと、第2検出電極4bからなる。第1検出電極4aは支持基板1と第1圧電シート3aの間に配置され、第2検出電極4bは第1圧電シート4aの背面側に配置される。なお、第1検出電極4a、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−T1in−Oxide、IT1O)、スズ−亜鉛酸化物(T1in−Zinc−Oxide、T1ZO)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(PolyeT1hylenedioxyT1hiophene、PEDOT1)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支持基板1や圧電シート3の面に直接形成してもよいし、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1や圧電シート3に接着剤で固着してもよい。なお、検出電極4の厚みは、例えば1nm〜30,000nmとすることができる。
検出器は、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。
なお、圧力検出器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ペンなどを挙げることができる。
1)タッチパネルの全体構造
(1)第1実施形態
次に、本発明にかかるタッチパネルの第1実施形態について説明する。タッチパネルに含まれる圧力検出器の基本的な構造は、上述の通りであるので、圧力検出器については、主に相違点についてのみ説明する。なお、以下の説明では、タッチパネルの入力面(後述する入力面60a)が位置している側を「入力面側」と称する。この「入力面側」は、タッチパネル50を操作するユーザーに対して正対する側でもある。これとは反対に、タッチパネル50を操作するユーザーから見た場合における奥側を「背面側」と称する。
保護板60は、タッチパネル50における最入力面側に配置されており、具体的には上部電極10の入力面側に接着されている。保護板60は、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。このような保護板60は、例えばガラスを用いて構成することができる。また、保護板60は、その入力面側の表面に操作面60aを有する。この操作面60aは、ユーザーがタッチパネル50に対して所定操作を入力する際に、ユーザーの指等によってタッチされる(操作対象となる)面である。
図6に示すように、上部電極10は、本実施形態では、保護板60の背面側の面に複数形成されている。複数の上部電極10は、Y軸方向に所定間隔を隔てて並ぶように互いに平行に配置されている。本実施形態では、上部電極10は、ストライプ状(一定幅を有する直線状)に形成されている。なお、上部電極10は、例えば波状やジグザグ状に形成されても良い。いずれにしても、上部電極10のそれぞれは、全体として、X軸方向に沿って延在するように形成されている。
下部電極20は、本実施形態では、上部電極10の背面側に複数形成されている。複数の下部電極20は、X軸方向に所定間隔を隔てて並ぶように互いに平行に配置されている。本実施形態では、下部電極20は、ストライプ状(一定幅を有する直線状)に形成されている。なお、下部電極20は、例えば波状やジグザグ状に形成されても良い。いずれにしても、下部電極20のそれぞれは、全体として、Y軸方向に沿って延在するように形成されている。これにより、上部電極10と下部電極20とは、平面視で互いに交差(本例では直交)するように配置されている。下部電極20は、上部電極10と同様、透明性に優れた材料を用いて構成されていることが好ましい。下部電極20を構成する材料や下部電極20の厚みに関しては、上部電極10と同様に考えることができる。また、下部電極20の形成方法に関しても、上部電極10と同様に考えることができる。
図6に示すように、圧電シート30は、少なくとも複数の圧電シートから構成されている。本実施形態では、圧電シート30は、第1圧電シート31と、第2圧電シート32から構成されている。本実施形態では、第1圧電シート31は保護板60側に設置され、第2圧電シート32は背面側に配置されている。
図6に示すように、検出電極40は、第1検出電極41と第2検出電極42から構成され、第1検出電極41と第2検出電極42は圧電シート30挟んだ構成からなる。
タッチパネル50には、CPU等の演算処理装置を含む制御部(図示せず)が備えられており、この制御部が位置検出演算及び押圧力検出演算を行うように構成されている。具体的には、タッチパネル50(操作面60a)に対してユーザーの指等がタッチされると、上部電極10とユーザーの指等との間の静電容量(自己容量)や下部電極20とユーザーの指等との間の静電容量(自己容量)が変化する。或いは、上部電極10と下部電極20との間の静電容量(相互容量)が変化する。さらには、上部電極10と下部電極20の間の抵抗値が変化する。制御部は、これらの静電容量の変化や抵抗の変化を検出することにより、操作面60aにおけるX−Y座標系での押圧位置を決定することができる。また、タッチパネル50(操作面60a)に対してユーザーの指等がタッチされると、上述したように圧電シート30間における電位差は、加えられた押圧力の大きさに応じて変化する。制御部は、圧電シート30の電位差変化を検出することにより、操作面60aと直交する方向(Z方向)に加えられた押圧力の大きさを決定することができる。
次に、本発明にかかるタッチパネルの第2実施形態について説明する。タッチパネルに含まれる基本的な構造は、第1実施形態と同じであるので、以下では相違点についてのみ説明する。
次に、本発明にかかるタッチパネルの第3実施形態について説明する。タッチパネルに含まれる基本的な構造は、第1実施形態と同じであるので、以下では相違点についてのみ説明する。
1a:入力面
2: 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
5:ディスプレイ装置
6:筐体
6a:凹部
6b:支持部
7:空間部
10:上部電極
20:下部電極
30:圧電シート
31:第1圧電シート
32:第2圧電シート
40:検出電極
41:第1検出電極
42:第2検出電極
50:タッチパネル
60:保護板
100:圧力検出装置
110:電子機器
120:押圧手段
Claims (5)
- 入力面に押圧された押圧力を測定するタッチパネルであって、
一の方向に間隔を空けて複数配置される上部電極と、
前記上部電極の前記入力面側とは反対側であって前記上部電極と交差する方向に間隔を空けて複数配置され前記上部電極との間で押圧位置を検出する下部電極と、
前記下部電極の入力面側とは反対側の面に配置される第1圧電シートと前記第1圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に前記第1圧電シートの近傍または前記第1圧電シートと接触するように配置される第2圧電シートとを備える圧電シートと、
前記タッチパネルの断面視において下部電極の間隔を空けた箇所に配置される第1検出電極と、
前記第2圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に配置され前記押圧が加えられたときに前記第1検出電極と協同して前記圧電シートに発生した電位差を検出する第2検出電極とを備え、
前記第1圧電シートと前記第2圧電シートは、
同じ特性を有する材料から構成され、
厚みが5μm〜50μmであり、
面内方向に引っ張ったときに前記支持基板側の面と前記支持基板とは反対側の面の間で発生するそれぞれの電位差が、下記式3で表される関係にあるタッチパネル。
式3:V1/V2 < 0
但し、式3において、
V1は、V1a−V1bを示し、
V2は、V2a−V2bを示し、
V1aは第1圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V1bは第1圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示し、
V2aは第2圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V2bは第2圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示す。
- 前記下部電極が、前記第1検出電極を兼ねている請求項1のタッチパネル。
- 入力面に押圧された押圧力を測定するタッチパネルであって、
一の方向に間隔を空けて複数配置される上部電極と、
前記上部電極の前記入力面側とは反対側であって前記上部電極と交差する方向に間隔を空けて複数配置され前記上部電極との間で押圧位置を検出する下部電極と、
前記下部電極の入力面側とは反対側の面に配置される第1圧電シートと前記第1圧電シートの前記入力面側とは反対側の面に前記第1圧電シートの近傍または前記第1圧電シートと接触するように配置される第2圧電シートとを備え、第1圧電シートと第2圧電シートは前記上部電極と前記下部電極の間に配置される圧電シートと、
前記タッチパネルの断面視において、
前記上部電極の間隔を空けた箇所に配置される第1検出電極と、
前記下部電極の間隔を空けた箇所に配置され前記押圧が加えられたときに前記第1検出電極と協同して前記圧電シートに発生した電位差を検出する第2検出電極とを備え、
前記第1圧電シートと前記第2圧電シートは、
同じ特性を有する材料から構成され、
厚みが5μm〜50μmであり、
面内方向に引っ張られたときに前記入力面側の面と前記入力面とは反対側の面の間で発生するそれぞれの電位差が、下記式4で表される関係にあるタッチパネル。
式4:V1/V2 < 0
但し、式4において、
V1は、V1a−V1bを示し、
V2は、V2a−V2bを示し、
V1aは第1圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
位を示し、
V2aは第2圧電シートの入力面側の面の電位を示し、
V2bは第2圧電シートの入力面側とは反対側の面の電位を示す。 」
という構成をとるものです。 - 前記上部電極が、前記第1検出電極を兼ねている請求項3のタッチパネル。
- 前記下部電極が、前記第2検出電極を兼ねている請求項3のタッチパネル。
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