JP5950053B2

JP5950053B2 - 押圧検出センサ

Info

Publication number: JP5950053B2
Application number: JP2015537916A
Authority: JP
Inventors: 河村　秀樹; 秀樹河村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN105556267A; CN105556267B; US10309844B2; WO2015041198A1; US20160169753A1; JPWO2015041198A1

Description

本発明は、操作面が押し込まれた際の押圧力を検出する押圧検出センサに関する。

従来、操作者による操作面への操作を検出する操作検出センサが各種考案されている。操作検出センサとしては、静電容量方式、熱抵抗方式、圧電音響方式、赤外線センサ方式等があるが、操作面に対する押圧力を検出する場合には、これらとは別の押圧検出センサを設置する必要がある。

特許文献１には、操作検出センサであるタッチパネル、操作面の押し込みを検出する感圧センサを備えるタッチ式入力装置が記載されている。特許文献１のタッチ式入力装置では、感圧センサは、タッチパネルの下側の面（操作面と反対側の面）に配置されており、タッチパネルと同じ面積からなる。また、特許文献１のタッチ式入力装置では、タッチパネルの操作面側に保護層が配置されている。

この場合、感圧センサは、保護層とタッチセンサを介して、操作面が押し込まれることによる応力を受け、当該応力に応じた押圧力を検出する。

特開平５−６１５９２号公報

特許文献１に示すような構成では、保護層とタッチセンサ、タッチセンサと感圧センサをそれぞれ接着する必要があり、それぞれの箇所を接着部材によって接着している。

このような操作検出センサにおいて、透光性を有する保護層を備える操作検出センサの場合、保護層とタッチセンサとを接着する接着部材には、透光性の高いアクリル系粘着剤を用いることが多い。

この粘着剤は、−１０℃〜−５０℃程度のガラス転移点を有するものが多く、この温度を境界として急激に弾性率が変化する。図５は、粘着剤の弾性率の温度特性を示すグラフである。図５に示すように、ガラス転移点付近よりも低温での弾性率が、ガラス転移点付近よりも高温での弾性率よりも大幅に高くなる。

このため、保護層とタッチセンサを粘着剤で接着した多層部材の撓み量は、同じ押圧力で操作面（保護層）を押し込んでも、ガラス転移点付近よりも低温の状態と、ガラス転移点よりも高温の状態とで大幅に変化する。図６は、多層部材の撓み量の温度特性を示すグラフである。図６に示すように、同じ押圧力で操作面を押し込んだ場合に、ガラス転移点付近よりも高温での撓み量は、ガラス転移点付近よりも低温での撓み量と比較して大幅に大きくなる（例えば、図６の場合であれば約４倍）。

したがって、ガラス転移点付近よりも高温での感圧センサの押圧検出値は、ガラス転移点付近よりも低温での感圧センサの押圧検出値よりも大幅に大きくなってしまう。

本発明の目的は、温度依存性が無く、押圧力に応じた検出値を得られる押圧検出センサを提供することにある。

この発明は、操作受付部材と圧電センサを備える押圧検出センサに関するものであり、次の構成を特徴としている。操作受付部材は、複数の剛体板を第１の粘着剤で接着して積層した構造からなり、積層方向に直交する一方主面が操作面となる板状部材である。圧電センサは、操作受付部材の他方主面側で、操作受付部材に加わる応力が伝搬する位置に配置された平膜状の部材である。さらに、圧電センサは、圧電性フィルムと、該圧電性フィルムの両主面に形成された検出用電極とを備える。操作受付部材側の検出用電極と圧電性フィルムとは第２の粘着剤によって接着されている。

この構成では、温度によって操作受付部材の撓みに差が生じる際に、圧電センサの粘着剤（第２の粘着剤）の弾性率も温度によって変化する。したがって、温度変化による操作受付部材の撓みの差が、圧電センサの粘着剤の弾性率の温度変化で緩和される。これにより、圧電性フィルムの撓み量、すなわち圧電性フィルムに加わる応力が、温度よって変化する量を抑制することができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、圧電センサは操作受付部材の他方主面に接着されていることが好ましい。

この構成では、操作受付部材の撓みによる応力を圧電センサで直接受けることができ、押し込みの検出感度を向上させることができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、第１の粘着剤と第２の粘着剤は同じ材料からなることが好ましい。

この構成では、温度の違いによって生じる操作受付部材の撓みの差を、より正確に緩和し易くなる。

また、この発明の押圧検出センサでは、第１の粘着剤と第２の粘着剤は、アクリル系粘着剤であることが好ましい。この構成では、高い透光性を実現し易いアクリル系粘着剤を用いているので、操作受付部材に透光性を要する場合に好適である。

また、この発明の押圧検出センサでは、圧電性フィルムはポリ乳酸を含むことが好ましい。この構成では、撓みを高感度に検出することができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、操作受付部材は、一方主面が操作面となるカバーガラスと、該カバーガラスの他方主面側に配置された平板状の位置検出センサと、を備えていてもよい。この構成では、操作受付部材によって、操作位置を検出することができる。

また、この発明の押圧検出センサでは、操作受付部材は、位置検出センサのカバーガラスと反対側の面に配置された表示パネルをさらに備えていてもよい。この構成では、操作受付部材によって、表示機能付きタッチパネルを実現できる。

この発明によれば、操作面への押圧力に応じて、温度に影響されない一定の押圧検出値を得ることができる。

本発明の実施形態に係る押圧検出センサの平面図および側面断面図である。本発明の実施形態に係る操作受付部材および圧電センサの具体的な層構成を示す図である。本発明の実施形態に係る押圧検出センサの操作面が押し込まれた場合の各部の撓み方を模式化した図である。本発明の実施形態に係る押圧検出センサの圧電性フィルムが発生する電荷量の温度特性、および従来構成の押圧検出センサの圧電性フィルムが発生する電荷量の温度特性を示す図である。粘着剤の弾性率の温度特性を示すグラフである。多層部材の撓み量の温度特性を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る押圧検出センサについて、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る押圧検出センサの平面図および概略構成を示す側面断面図である。なお、図１では、操作受付部材および圧電センサの具体的な層構成は図示せず、図２に操作受付部材および圧電センサの具体的な層構成を図示している。図２は、本発明の実施形態に係る操作受付部材および圧電センサの具体的な層構成を示す図である。

図１に示すように、押圧検出センサ１は、圧電センサ１０、操作受付部材２０、および接着部材３０を備える。操作受付部材２０は、矩形の平板からなる。操作受付部材２０は、少なくとも短手方向の両端が、図示しない筐体等の剛体に固定されている。この際、操作受付部材２０の短手方向の両端を構成する長手方向に沿った端辺の略全長が筐体等の剛体に固定されていることが好ましい。

圧電センサ１０は長尺状の平膜である。圧電センサ１０は、接着部材３０によって操作受付部材２０の裏面に接着されている。接着部材３０は接着剤からなる。接着剤３０は、圧電センサ１０の操作受付部材２０に当接する略全面に設けられている。

なお、本実施形態では、約−３０［℃］〜約＋６０［℃］の範囲内において弾性率が１０^８［Ｐａ］〜１０^９［Ｐａ］以上のものを接着剤とする。常温での弾性率が低温での弾性率と比較して大幅に低下するもの、例えば具体的に、常温（約２５［℃］）での弾性率が１０^４〜１０^６程度になるものを粘着剤とする。

圧電センサ１０は、操作受付部材２０の長手方向の一方端付近に接着されている。この際、圧電センサ１０は、自身の長尺方向が操作受付部材２０の短手方向と平行になるように、操作受付部材２０に接着されている。

このような構成とすることで、操作面への押し込みにより操作受付部材２０が撓むと、圧電センサ１０も撓む。すなわち、操作面への押し込みで生じる操作受付部材２０の撓みによる応力が接着部材３０を介して圧電センサ１０にも伝わり、操作面への押し込みによる応力が圧電センサ１０に加わる。圧電センサ１０は、この撓みの応力によって検出電圧を発生する。この検出電圧を取得することで、押し込みを検出することができる。また、この検出電圧の値は、押込量すなわち押圧力によって一意に決まるので、検出電圧値を取得することで、押圧力を検出することができる。

次に、操作受付部材２０および圧電センサ１０の具体的な構成について、図２を参照して説明する。

操作受付部材２０は、厚み方向に沿って、カバーガラス２１、位置検出センサ２２、および表示パネル２３が積層されてなる。これらカバーガラス２１、位置検出センサ２２、および表示パネル２３が本発明の「剛体板」に相当する。カバーガラス２１、位置検出センサ２２、および表示パネル２３は、矩形の平板であり、それぞれの主面が重なるように積層されている。この際、カバーガラス２１の表面、すなわち、位置検出センサ２２が接着されていない側の面が、操作受付部材２０の操作面となる。

カバーガラス２１と位置検出センサ２２は、粘着剤２３１を介して接着されている。粘着剤２３１は、カバーガラス２１と位置検出センサ２２が対向する主面の略全面に設けられている。位置検出センサ２２と表示パネル２３は、粘着剤２３２を介して接着されている。粘着剤２３１，２３２は、アクリル系粘着剤であることが望ましい。アクリル系粘着剤は高い透光性を有するので、表示パネル３０の表示画像を、操作面に効率的に表示することができる。

圧電センサ１０は、圧電性フィルム１１、第１検出部材１２、第２検出部材１３を備える。

圧電性フィルム１１は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、より具体的にはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）からなり、長尺状の平膜からなる。圧電性フィルム１１の分子の配向方向９００は、圧電性フィルム１１の長尺方向および短尺方向に対して４５°を成す。言い換えれば、圧電性フィルム１１の一軸延伸方向は、圧電性フィルム１１の長尺方向および短尺方向に対して略４５°を成す。

ここで、圧電性フィルム１１を形成するＰＬＬＡの特性について説明する。

ＰＬＬＡは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、一軸延伸された方向に分子が配向し、当該分子の配向によって圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電性フィルム１１にひずみが生じることで、電荷を発生する。ここで、圧電性フィルム１１に生じるひずみとは、圧電性フィルム１１が所定方向に伸長することである。この際、発生する電荷量は、圧電性フィルム１１のひずみ量によって決まる。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。例えば、ＰＬＬＡの圧電歪み定数ｄ_１４は、延伸条件、熱処理条件、添加物の配合等の条件を整えることにより１０〜２０ｐＣ／Ｎという高い値が得られる。

そして、上述のように圧電センサ１０を操作受付部材２０に接着することで、押し込みの応力によって圧電性フィルム１１が撓んで伸長する方向と、一軸延伸方向が略４５°の角度をなすので、押し込みを効果的に電荷に変換することができる。

なお、圧電性フィルム１１の延伸倍率は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るので、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、ＰＶＤＦ等は経時的に脱分極による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、出力電荷量が周囲環境に影響されない。さらに、ＰＬＬＡは、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じないため、温度変化による誤検知の可能性が少なくなる。

第１検出部材１２は、ベースフィルム１２１，１２３、電極１２２，１２４を備える。ベースフィルム１２１，１２３は、ポリイミド等の可撓性を有する絶縁性フィルムからなる。電極１２２は、銅箔等の導電率が高い導体膜からなり、ベースフィルム１２１の主面に形成されている。電極１２４は、銅箔等の導電率が高い導体膜からなり、ベースフィルム１２３の主面に形成されている。この際、ベースフィルム１２１，１２３は、圧電性フィルム１１よりも広い面積で形成されており、電極１２２，１２４は、圧電性フィルム１１と略同じで且つ圧電性フィルム１１よりも小さい面積で形成されている。

電極１２２が形成されたベースフィルム１２１と、電極１２４が形成されたベースフィルム１２３は、ベースフィルム１２１、電極１２２、ベースフィルム１２３、電極１２４の順に並ぶように積層化されている。この積層体によって第１検出部材１２が構成される。

第１検出部材１２は、電極１２４が圧電性フィルム１１に当接するように、粘着剤１４１を介して、圧電性フィルム１１に接着されている。この際、第１検出部材１２は、電極１２２，１２４が圧電性フィルム１１に重なるように、圧電性フィルム１１に接着されている。粘着剤１４１は、上述の粘着剤２３１，２３２と同じ材料からなる。

第２検出部材１３は、ベースフィルム１３１、電極１３２を備える。ベースフィルム１３１は、ポリイミド等の可撓性を有する絶縁性フィルムからなる。電極１３２は、銅箔等の導電率が高い導体膜からなり、ベースフィルム１３１の主面に形成されている。この際、ベースフィルム１３１は、圧電性フィルム１１よりも広い面積で形成されており、電極１３２は、圧電性フィルム１１と略同じで且つ圧電性フィルム１１よりも小さい面積で形成されている。

第２検出部材１３は、電極１３２が圧電性フィルム１１に当接するように、粘着剤１４２を介して、圧電性フィルム１１に接着されている。この際、第１検出部材１２は、電極１２２，１２４が圧電性フィルム１１に重なるように、圧電性フィルム１１に接着されている。粘着剤１４２は、上述の粘着剤１４１，２３１，２３２と同じ材料からなる。

このような構成とすることで、圧電性フィルム１１に撓みの応力が加わって圧電性フィルム１１が伸長する際に生じる電荷を、電極１２４，１３２で検知できる。そして、この電極１２４，１３２が電荷を検知したことにより、上述の検出電圧を取得することができる。

なお、電極１２２および当該電極１２２が形成されるベースフィルム１２１は省略することもできる。しかしながら、電極１２２をグランド電位に接続することで、操作面側からのノイズをシールドすることができ、押し込みによる検出電圧値を正確に得ることができる。

上述の構成を用いることで、温度に応じて、次に示すように押圧力が検出される。図３は、操作面が押し込まれた場合の各部の撓み方を模式化した図である。図３（Ａ）は高温時の状態を示し、図３（Ｂ）は低温時の状態を示す。図３は、操作受付部材２０の短手方向の両端を固定点として、操作受付部材２０の短手方向の中心を押し込んだ状態を示している。

なお、本実施形態に示す高温は、粘着剤のガラス転移点よりも高温のことを示し、低温は粘着剤のガラス転移点よりも低温のことを示す。図３（Ａ）、図３（Ｂ）では、押圧力Ｐは同じである。

（高温時）
図３（Ａ）に示すように、高温時には、操作受付部材２０を構成する粘着剤２３１，２３２の弾性率が低下するため、押圧力Ｐで操作面が押し込まれると、操作受付部材２０は大きな撓みＤＬＧ２０Ｈを生じる。この操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｈによる応力は、接着部材３０によって操作受付部材２０に接着している第１検出部材１２に伝搬し、さらに粘着剤１２４によって第１検出部材１２と接着している圧電性フィルム１１に伝搬する。

ここで、第１検出部材１２は粘着剤１４１を介して圧電性フィルム１１に接着されており、当該粘着剤１４１も弾性率が低下している。したがって、操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｈによる応力は緩和され、圧電性フィルム１１の撓みＤＬＰ２０Ｈは、操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｈと比較して大幅に小さくなる（ＤＬＰ２０Ｈ＜＜ＤＬＧ２０Ｈ）。

（低温時）
図３（Ｂ）に示すように、低温時には、操作受付部材２０を構成する粘着剤２３１，２３２の弾性率が高いので、押圧力Ｐで操作面が押し込まれると、操作受付部材２０は小さな撓みＤＬＧ２０Ｌを生じる。このように低温時での操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｌは、高温時での操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｈと比較して大幅に小さくなる（ＤＬＧ２０Ｌ＜＜ＤＬＧ２０Ｈ）。

この操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｌによる応力は、接着部材３０によって操作受付部材２０に接着している第１検出部材１２に伝搬し、さらに粘着剤１２４によって第１検出部材１２と接着している圧電性フィルム１１に伝搬する。

ここで、第１検出部材１２は粘着剤１４１を介して圧電性フィルム１１に接着されており、当該粘着剤１４１も弾性率が高い。したがって、操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｈによる応力は殆ど緩和されず、圧電性フィルム１１の撓みＤＬＰ２０Ｌは、操作受付部材２０の撓みＤＬＧ２０Ｌと略同じなる（ＤＬＰ２０Ｌ≒ＤＬＧ２０Ｌ）。

このように、本実施形態の構成を用いることで、高温時に操作受付部材２０が相対的に大きく撓んでも、低温時に操作受付部材２０が相対的に小さく撓んでも、圧電性フィルム１１の撓みは略同じになる（ＤＬＡ２０Ｌ≒ＤＬＡ２０Ｈ）。

これにより、同じ押圧力Ｐで操作面が押し込まれていれば、温度に依存することなく、圧電性フィルム１１の発生する電荷量は略同じになり、圧電センサ１０の発生する検出電圧値は略同じになる。

図４は、本発明の実施形態に係る押圧検出センサの圧電性フィルムが発生する電荷量の温度特性、および従来構成の押圧検出センサの圧電性フィルムが発生する電荷量の温度特性を示す図である。図４は、押圧力を一定とし、温度を変化させた時の検出電荷量を示すグラフである。なお、図４に示す従来構成とは、第１検出部材１２の粘着剤を接着剤に置き換えた態様を示す。

図４に示すように、従来構成では、検出電荷量が温度によって大きく異なってしまう。しかしながら、本実施形態の構成を用いることで、温度に依存することなく検出電荷量は略一定になる。

このように、本実施形態の構成を用いることで、温度に影響されない、操作面への押圧力のみに依存する押圧検出値を得る押圧検出センサを実現することができる。

なお、圧電センサ１０の操作受付部材２０への装着位置は、上述の位置に限らず、操作面への押し込みにより操作受付部材２０が撓むことによる応力を受けられる位置であれば、他の位置であってもよい。また、圧電センサ１０は、操作受付部材２０が押し込まれたことによる撓みの応力が伝搬される位置であれば、当該押圧検出センサを構成する他の構成要素（例えば、操作受付部材２０の裏面側に配置された板金部材等）に装着されていてもよい。

１：押圧検出センサ
１０：圧電センサ
１１：圧電性フィルム
１２：第１検出部材
１３：第２検出部材
２０：操作受付部材
２１：カバーガラス
２２：位置検出センサ
２３：表示パネル
３０：接着部材
２３１，２３２：粘着剤
１２１，１２３，１３１：ベースフィルム
１２２，１２４，１３２：電極
１４１，１４２：粘着剤

Claims

複数の剛体板を第１の粘着剤で接着して積層した構造からなり、積層方向に直交する一方主面が操作面となる操作受付部材と、
該操作受付部材の他方主面側で、前記操作受付部材に加わる応力が伝搬する位置に配置された平膜状の圧電センサと、を備えた押圧検出センサであって、
前記圧電センサは、
圧電性フィルムと、該圧電性フィルムの両主面に形成された検出用電極とを備え、
前記操作受付部材側の前記検出用電極と前記圧電性フィルムとは、第２の粘着剤によって接着されており、
前記第１の粘着剤と前記第２の粘着剤は同じ材料からなる、押圧検出センサ。
前記圧電センサは、前記操作受付部材の前記他方主面に接着されている、請求項１に記載の押圧検出センサ。
前記第１の粘着剤と前記第２の粘着剤は、アクリル系粘着剤である、請求項１又は２に記載の押圧検出センサ。
前記圧電性フィルムはポリ乳酸を含む、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の押圧検出センサ。
前記操作受付部材は、
一方主面が前記操作面となるカバーガラスと、
該カバーガラスの他方主面側に配置された平板状の位置検出センサと、を備える、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の押圧検出センサ。
前記操作受付部材は、
前記位置検出センサの前記カバーガラスと反対側の面に配置された表示パネルをさらに備える、請求項５に記載の押圧検出センサ。