JP5939319B2 - 押圧センサ付き表示パネル、および押圧入力機能付き電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、表示画面上を指等で操作することで押圧操作入力が可能な押圧センサ付き表示パネル、および当該押圧センサ付き表示パネルを備える押圧入力機能付き電子機器に関する。
従来、液晶ディスプレイ等の薄型表示パネルを備える電子機器において、表示面で操作入力を行うことができる電子機器が各種考案されている。例えば、特許文献1では、操作位置を検出するタッチセンサは、表示パネルの表面側に配置している。操作者が操作面に触れると、タッチセンサがタッチ位置を検出する。電子機器は、操作位置に応じた処理を実行する。
そして、従来のタッチセンサ付き電子機器において、液晶パネル等の偏光板を必要とする表示パネルを用いる場合には、電子機器を構成する各構成要素を、次のような位置関係で配置する。
操作面(最外面)には表面偏光板が配置される。表面偏光板の操作面と反対側の面には、タッチパネルが配置される。タッチパネルの表面偏光板と反対側には、液晶をはさみ込んだ一対のガラスからなる液晶パネルが配置される。液晶パネルのタッチパネルと反対側の面には、裏面側偏光板が配置される。すなわち、タッチパネルは、表面偏光板と裏面側偏光板との間に配置される。
上述の構成では、液晶ディスプレイが透過型の場合、裏面側偏光板の更に裏面側に配置されたバックライトからの光が、裏面側偏光板、液晶パネル、タッチパネル、表面偏光板の順に透過して、操作面に出射する。液晶ディスプレイが反射型の場合、裏面側偏光板は必要ではなく代わりに例えば反射板が設置されるが、操作面から入射した光は、表面偏光板、タッチパネル、液晶パネル、反射板、液晶パネル、タッチパネル、表面偏光板の順に透過して、操作面に戻る。
ここで、表面偏光板および裏面偏光板は、特定方向に振動する波(光波)のみを透過する性質を利用し、液晶パネルとの組合せでコントラストや透光率を所定値としたり、見栄えを向上させている。
しかしながら、上述の従来の薄型表示パネルを備える電子機器では、次の問題が生じる。
現在では、キラル高分子等の圧電素子から押圧センサを構成することで、押し込み量を検出可能にしたものが考えられる。ところが、キラル高分子等の圧電素子は、複屈折性を有する。例えば、一軸延伸されたL型ポリ乳酸(PLLA)の延伸方向に平行な方向に振動する波の屈折率は1.47である。一方、一軸延伸されたL型ポリ乳酸(PLLA)の延伸方向に垂直な方向に振動する波の屈折率は1.45である。すなわち、リタデーションの特性を有する。
このような複屈折性を有する押圧センサを上述の薄型表示パネルに組み込む場合、透過型ならば表面偏光板と裏面偏光板との間に配置した場合や、反射型の場合ならば導光方向に沿って二回の表面偏光板の間に配置された場合には、目標とする色が変化してしまい、所望とする画像色を得られなくなってしまうという問題が生じることがわかった。
したがって、本発明の目的は、キラル高分子の圧電素子により押し込み量を検出可能にした表示パネルにおいて、所望の色を再現可能な押圧センサ付き表示パネルを提供することにある。
この発明の押圧センサ付き表示パネルは、表示パネルと押圧センサを備える。表示パネルは、表面側に出射する光を制御することで表示画像を形成する画像形成パネル、および、該画像形成パネルの表面側に配置された表面偏光板を備える。押圧センサは、キラル高分子によって形成された圧電フィルムを有する。圧電フィルムは、表面偏光板を挟んで、画像形成パネルと反対側に配置されている。
この構成では、表面偏光板から操作者側に出射された光が圧電フィルムを透過する。したがって、複屈折性を有する圧電フィルムであっても、出射光による画像の色が変わらない。
また、この発明の押圧センサ付き表示パネルは、表面偏光板よりも表面側に配置されていることが好ましい。
この構成では、表示パネルよりも押圧センサが操作面側に配置されることになるため、押し込み量の検出感度が良くなる。
また、この発明の押圧センサ付き表示パネルでは、圧電フィルムを形成するキラル高分子はポリ乳酸であり、ポリ乳酸は少なくとも一軸方向に延伸されていることが好ましい。
この構成では、圧電フィルムの具体的な材料例を示している。少なくとも一軸方向に延伸されたポリ乳酸を用いることで、押し込み量の検出感度が良く、温度特性に優れる押圧センサが得られる。
また、この発明の押圧センサ付き表示パネルでは、押圧センサと表示パネルは、距離を開けて配置されていることが好ましい。
この構成では、押圧センサと表示パネルとの距離が開いていることで、押圧センサが押し込みにより湾曲しても、表示パネルの表面偏光板に接触しない。これにより、表面偏光板の損傷や、表面偏光板が押し込みにより変形して出射光の色が変化することを防止できる。また、表示パネルと接していないので、表示パネルの剛性に関係なく、押圧センサを変形させることが可能である。なお、押圧センサと表示パネルとの間は、空隙であってもよいし、弾性体など押圧センサの湾曲を阻害しない緩衝部材が配置されていてもよい。
また、この発明の押圧センサ付き表示パネルでは、次に構成であってもよい。押圧センサは、タッチ位置を検出する平板状の位置検出センサ機能を備える。
また、この発明は、押圧入力機能付き電子機器に関し、次の特徴を有する。押圧入力機能付き電子機器は、上述の押圧センサ付き表示パネルと、押圧センサの検出信号から押し込み量を検出する演算部と、表示面側が開口し押圧センサ付き表示パネルと演算部とが収納された筐体と、を備える。
この構成では、複屈折性を有する圧電フィルムを用いた押圧センサを備えていても、表示パネルと表面偏光板による出射光の色を変えることなく、操作者に視覚させることができる。
この発明によれば、複屈折性を有する押圧センサを備える表示パネルであっても、所望の色を再現することができる。
本発明の第1の実施形態に係る押圧入力機能付き電子機器およびこれに備えられた押圧センサ付き表示パネルについて、図を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る押圧入力機能付き電子機器の外観斜視図である。図2は本発明の第1の実施形態に係る押圧入力機能付き電子機器の断面図である。図3は本発明の第1の実施形態に係る押圧センサの平面図である。
図1に示すように、押圧入力機能付き電子機器1は、略直方体形状の筐体50を備える。筐体50の表面側は開口している。なお、以下では、筐体50の幅方向(横方向)をX方向とし、長さ方向(縦方向)をY方向とし、厚み方向をZ方向として説明する。また、本実施形態に説明では、筐体50のX方向の長さが、筐体50のY方向の長さよりも短い場合を示している。しかしながら、X方向とY方向の長さが同じであっても、X方向の長さがY方向の長さより長くてもよい。
図2に示すように、筐体50内には、押圧センサ20、表示パネル30、保護部材40、および演算回路モジュール60が配置されている。これらは、筐体50の開口面(表示面)側から順に、Z方向に沿って、保護部材40、押圧センサ20、表示パネル30、演算回路モジュール60の順で配置される。ここで、押圧センサ20と表示パネル30とからなる部分が押圧センサ付き表示パネル10である。
図3に示すように、押圧センサ20は、平膜状の圧電フィルム201を備える。圧電フィルム201の両平板面(主面)には、電極202,203が形成されている。電極202,203は、圧電フィルム201の平板面の略全面に形成されている。
圧電フィルム201は、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸(PLA)、特にL型ポリ乳酸(PLLA)を用いている。PLLAは、一軸延伸されている。
圧電フィルム201は、直交するX方向とY方向とに伸長する矩形状である。一軸延伸方向900は、X方向およびY方向に対して略45°である。なお、この角度は一例であり、設計に応じて定める設計事項であるが、保護部材40が押された時に生じる主たる応力の方向に対して45°となるようにすることが好ましい。
このようなキラル高分子からなるPLLAは、主鎖が螺旋構造を有する。PLLAは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたPLLAは、圧電フィルムの平板面が押し込まれることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押し込みにより平板面が、当該平板面に直交する方向へ変位する変位量によって一意的に決定される。
一軸延伸されたPLLAの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。したがって、押し込みおよび押し込み緩和による変位を高感度に検出することができる。
なお、延伸倍率は3〜8倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えばある方向をX軸としてその方向に8倍、その軸に直交するY軸方向に2倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそX軸方向に4倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。
また、PLLAは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、PVDF等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないPLLAの圧電性は、PVDFやPZT等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、PLLAには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、PVDF等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、PLLAの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、周囲環境に影響されることなく、押し込みおよび押し込み緩和による変位を高感度に検出することができる。
また、PLLAは比誘電率が約2.5と非常に低いため、dを圧電定数とし、εTを誘電率とすると、圧電出力定数(=圧電g定数、g=d/εT)が大きな値となる。ここで、誘電率ε33 T=13×ε0,圧電定数d31=25pC/NのPVDFの圧電g定数は、上述の式から、g31=0.2172Vm/Nとなる。一方、圧電定数d14=10pC/NであるPLLAの圧電g定数をg31に換算して求めると、d14=2×d31であるので、d31=5pC/Nとなり、圧電g定数は、g31=0.2258Vm/Nとなる。したがって、圧電定数d14=10pC/NのPLLAで、PVDFと同様の押し込み量の検出感度を十分に得ることができる。そして、本願発明の発明者らは、d14=15〜20pC/NのPLLAを実験的に得ており、当該PLLAを用いることで、さらに非常に高感度に押し込みおよび押し込み緩和を検出することが可能になる。
電極202,203は、ITO、ZnO、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い導体パターンを形成できる。このような電極202,203を設けることで、圧電フィルム201が発生する電荷を電位差として取得でき、押し込み量に応じた電圧値の圧電検出信号を外部へ出力することができる。圧電検出信号は、図示しない配線を介して演算回路モジュール60に出力される。演算回路モジュールは、圧電検出信号から押し込み量を算出する。
そして、このようなPLLAは、複屈折性を有する。具体的には、PLLAは、延伸方向の屈折率は約1.47であり、延伸方向に直交する方向の屈折率は約1.45である。したがって、圧電フィルム201すなわち押圧センサは、リタデーションとなっている。
図2に示すように、表示パネル30は、平板状の液晶パネル301、表面偏光板302、および裏面反射板303を備える。液晶パネル301は、外部から駆動電極が印加されることで、所定の画像パターンを形成するように液晶の配向状態が変化する。表面偏光板302は、所定方向に振動する光波のみを透過させる性質を有する。裏面反射板303は、液晶パネル301側からの光を液晶パネル301側に反射する。このような構成の表示パネル30では、表示面側からの光が、表面偏光板302、液晶パネル301を透過して裏面反射板303まで到達し、裏面反射板303で反射されて、液晶パネル301、表面偏光板302を介して、表示面側に出射される。そして、この際、表面偏光板302の偏光性と、液晶の配向状態による偏光性の制御を行うことで、表示パネル30は、表示面側に出射する光によって、所望の表示画像を形成する。
保護部材40は、絶縁性および透光性を有し、複屈折性を有さない平板からなる。さらには、外部環境に対する耐性が高い方がよい。例えば、保護部材40はガラスであるとよい。なお、保護部材40は、さらには所定の可撓性を有することが好ましい。
このような構成からなる押圧センサ付き表示パネル10および押圧入力機能付き電子機器1では、次に示すような原理で、操作者が表示画面を見ることができる。筐体50の表示面(操作面)側から入射した光は、保護部材40を介して押圧センサ20に入射される。押圧センサ20を透過した光は、表示パネル30に入射される。表示パネル30に入射された光は、所定の色およびパターンの表示画像を形成する光(表示画像形成光)となって、表示パネル30から、押圧センサ20側に出射される。表示画像形成光は、押圧センサ20を透過して保護部材40側に出射される。表示画像形成光は、保護部材40を透過して、筐体50の開口面から表示面側に出射し、操作者が視認できる。
ここで、本実施形態の構成では、表示パネル30を出射した後の表示画像形成光が、押圧センサ20に入力されるので、押圧センサ20の複屈折性に影響されることなく、表示画像形成光の色は変化しない。
より具体的には、従来構成では、液晶パネル301と表面偏光板302との間に押圧センサ20が配置されているので、押圧センサ20で複屈折した光が表面偏光板302を介して外部に出力される。したがって、液晶パネル301の偏光した光が押圧センサ20でリタデーションし、さらに表面偏光板302で偏光されるので、所望とする色にならない。すなわち、オープンニコルとなる。しかしながら、本実施形態の構成では、所望の色として表示パネル30から出力された表示画像形成光が、押圧センサ20を透過するだけなので、表示パネル30から出力した所望の色を、操作者がそのまま視覚することができる。すなわち、オープンニコルは生じない。
このように、本実施形態の構成を用いることで、キラル高分子によって形成された圧電フィルムを有する押圧センサを備えていても、表示パネルで表示した所望の色を、殆ど変化させることなく操作者に提供することができる。
また、上述の実施形態では、押圧センサ20と表示パネル30との間に距離を空けて空隙Gapを設けている。この空隙Gapを設けることで、押圧センサ20が押し込まれて湾曲しても、表面偏光板302に接触しない。したがって、表面偏光板302の損傷や、押し込みによる表面偏光板からの出射光の色の変化を防止できる。さらに、押圧センサ20の押し込みが制限されないので、押し込み量を高精度に検出することができる。
本発明の第2の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルについて、図を参照して説明する。なお、本実施形態の押圧入力機能付き電子機器1Aの外形形状等の基本構造は、第1の実施形態の押圧入力機能付き電子機器1と同じであり、押圧センサ付き表示パネル10Aの構造のみが異なる。したがって、第1の実施形態の押圧センサ付き表示パネル10と異なる箇所のみを具体的に説明する。
図4は本発明の第2の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルの断面図である。図5は本発明の第2の実施形態に係る押圧センサおよび位置検出センサの平面図である。
図4に示すように、本実施形態の押圧センサ付き表示パネル10Aは、位置検出センサ70を備える。位置検出センサ70は、平板状の絶縁性基板701を備える。絶縁性基板701は、透光性を有する材料からなる。図5(A)に示すように、絶縁性基板701の一方の平板面には、複数の電極702が形成されている。複数の電極702は長尺状であり、長尺方向がY方向に沿う形状からなる。複数の電極702は、X方向に沿って間隔を空けて配置されている。絶縁性基板701の他方の平板面には、複数の電極703が形成されている。複数の電極703は長尺状であり、長尺方向がX方向に沿う形状からなる。複数の電極703は、Y方向に沿って間隔を空けて配置されている。複数の電極702,703は、上述の押圧センサ20の電極202,203と同様に、透光性を有する材料からなる。
位置検出センサ70は、操作者の指が近接した際に生じる静電容量変化を、電極702,703で検出し、この静電容量検出信号を演算回路モジュール60に出力する。演算回路モジュール60は、静電容量検出信号が検出された電極702,703の組合せから、操作位置を検出する。
図4に示すように、位置検出センサ70は、押圧センサ20と保護部材40との間に配置されている。このような構成であっても、上述の第1の実施形態と同様に、表示パネルで表示した所望の色を、操作者に提供することができる。さらに、本実施形態の構成を用いることで、押し込み量のみでなく、操作位置も検出することができる。
本発明の第3の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルについて、図を参照して説明する。なお、本実施形態の押圧入力機能付き電子機器の外形形状等の基本構造は、第2の実施形態の押圧入力機能付き電子機器1Aと同じであり、押圧センサ付き表示パネル10Bの構成のみが異なる。したがって、第2の実施形態の押圧センサ付き表示パネル10Aと異なる箇所のみを具体的に説明する。図6は本発明の第3の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルの断面図である。
本実施形態の押圧センサ付き表示パネル10Bは、押圧センサ20Bを備える。押圧センサ20Bは、圧電フィルム201を備える。
圧電フィルム201の第1平板面には、圧電検出用電極202Pおよび静電容量検出用電極202Dが形成されている。圧電検出用電極202Pおよび静電容量検出用電極202Dは、所定のパターンで形成されている。圧電検出用電極202Pおよび静電容量検出用電極202Dは、互いに導通しないように形成されている。
圧電フィルム201の第2平板面には、圧電検出用電極203Pおよび静電容量検出用電極203Dが形成されている。圧電検出用電極203Pおよび静電容量検出用電極203Dは、所定のパターンで形成されている。圧電検出用電極203Pおよび静電容量検出用電極203Dは、互いに導通しないように形成されている。
圧電検出用電極202P,203Pは、圧電フィルム201の湾曲によって発生する電荷による電圧を検出可能な形状で形成されている。静電容量検出用電極202D,203Dは、操作者による操作面への操作によって生じる静電容量の変化を検出可能な形状で形成されている。
圧電検出用電極202P,203P、および静電容量検出用電極202D,203Dは、透光性を有する材料からなる。
このような構成とすることで、押し込み量の検出と操作位置の検出を、単一の圧電フィルム201を用いた押圧センサ20Bで実現することができる。
そして、このような構成であっても、上述の各実施形態と同様に、表示パネルで表示した所望の色を、操作者に提供することができる。さらに、押し込み量と操作位置の検出が可能な押圧センサ付き表示パネルおよび押圧入力機能付き電子機器を薄型に形成することができる。
本発明の第4の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルについて、図を参照して説明する。なお、本実施形態の押圧入力機能付き電子機器の外形形状等の基本構造は、第1の実施形態の押圧入力機能付き電子機器1と同じであり、押圧センサ付き表示パネル10Cの構成のみが異なる。したがって、第1の実施形態の押圧センサ付き表示パネル10と異なる箇所のみを具体的に説明する。図7は本発明の第4の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルの断面図である。
押圧センサ付き表示パネル10Cは、押圧センサ20と表示パネル30とを距離をあけて、その間に緩衝部材80が配置されている。緩衝部材80は、絶縁性、透光性を有する材料からなる。緩衝部材80は、弾性の低い材料からなる。
このような構成であっても、上述の各実施形態と同様に、表示パネルで表示した所望の色を、操作者に提供することができる。また、緩衝部材を備えることで、操作面が広くなり、押圧センサ20が大面積になっても、平板面を平坦に維持することができ、且つ、操作による押し込みによる押圧センサ20の湾曲を阻害しない。
本発明の第5の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルについて、図を参照して説明する。なお、本実施形態の押圧入力機能付き電子機器1Dの外形形状等の基本構造は、第1の実施形態の押圧入力機能付き電子機器1と同じであり、表示パネル30tが透過型の表示パネルである点で異なる。図8は本発明の第5の実施形態に係る押圧センサ付き表示パネルの断面図である。
図8に示すように、表示パネル30tは、液晶パネル301、表面偏光板302、裏面偏光板303tを備える。表示パネル30tの演算回路モジュール60側には、バックライト310が配置されている。
このような透過型の表示パネルを用いる場合でも、上述の実施形態と同様に、表示パネルで表示した所望の色を、操作者に提供することができる。
なお、上述の各実施形態では、キラル高分子の圧電フィルムとして、PLA,PLLAを例に説明したが、PDLA等の他の複屈折性を有する圧電フィルムを用いる場合にも、上述の構成を適用することができる。
1,1A,1B,1C,1D:押圧入力機能付き電子機器、
10,10A,10B,10C,10D:押圧センサ付き表示パネル、
20,20B:押圧センサ、
30,30t:表示パネル、
40:保護部材、
50:筐体、
60:演算回路モジュール、
70:位置検出センサ、
80:緩衝部材、
201:圧電フィルム、
202,203:電極、
202P,203P:圧電検出用電極、
202D,203D:静電容量検出用電極、
301:液晶パネル、
302:表面偏光板、
303:裏面反射板、
701:絶縁性基板、
702,703:電極、
10,10A,10B,10C,10D:押圧センサ付き表示パネル、
20,20B:押圧センサ、
30,30t:表示パネル、
40:保護部材、
50:筐体、
60:演算回路モジュール、
70:位置検出センサ、
80:緩衝部材、
201:圧電フィルム、
202,203:電極、
202P,203P:圧電検出用電極、
202D,203D:静電容量検出用電極、
301:液晶パネル、
302:表面偏光板、
303:裏面反射板、
701:絶縁性基板、
702,703:電極、
Claims (5)
- 表面側に出射する光を制御することで表示画像を形成する画像形成パネル、および、該画像形成パネルの前記表面側に配置された表面偏光板を備える表示パネルと、
キラル高分子によって形成された圧電フィルムを有する押圧センサと、を備え、
前記押圧センサは、前記表面偏光板を挟んで、前記画像形成パネルと反対側に配置され、前記押圧センサの押し込みが制限されないように前記表面偏光板に対して距離を開けて、空隙が設けられるように配置され、
前記押圧センサの前記表面偏光板側の面が前記空隙に面している、
押圧センサ付き表示パネル。 - 前記押圧センサは、前記押圧センサが湾曲した場合に前記押圧センサが前記表面偏光板に接触しないように、前記表面偏光板に対して前記距離を開けて配置されている、
請求項1に記載の押圧センサ付き表示パネル。 - 前記圧電フィルムを形成するキラル高分子はポリ乳酸であり、
該ポリ乳酸は少なくとも一軸方向に延伸されている、請求項1または請求項2に記載の押圧センサ付き表示パネル。 - 前記押圧センサは、タッチ位置を検出する位置検出センサ機能を備える、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のタッチセンサ付き表示パネル。
- 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の押圧センサ付き表示パネルと、
前記押圧センサの検出信号から押し込み量を検出する演算部と、
前記表面側が開口し、前記押圧センサ付き表示パネルと前記演算部とが収納された筐体と、
を備えた押圧入力機能付き電子機器。
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