JP6104721B2 - 圧電センサおよび圧力検出装置 - Google Patents

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、圧電シート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、荷重によって圧電シートから生じる電荷を効果的に検出することはできない。そのため、荷重を正確に、感度良く検出することが困難であった。

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、圧電シートと、第１電極と、第２電極と、撓ませ部材を備える。圧電シートは可撓性を有している。第１電極は、圧電シートの２つの面のうち、荷重が与えられる部位に近い面（以下、第１主面という）に配置されている。第２電極は、圧電シートを介して上記第１電極と重なるよう、圧電シートの第１主面とは反対側の第２主面に積層されている。
撓ませ部材は、圧電シートに荷重が与えられたとき、圧電シートを撓ませて、前記圧電シートに第１主面側を凸とする凸部と、第１主面側を凹とする凹部を形成する。
また、第１電極と第２電極は、圧電シートの凸部または凹部の少なくともいずれか一方に積層されている。

上記構成によれば、圧電センサに荷重が与えられると、圧電シートの第１電極部と第２電極部が配置された箇所には凸部と、凹部が形成される。上記凸部と凹部では圧電シートが変形しているので大きな応力が働き、他の箇所よりも大きな電荷が発生する。すなわち、１電極部と第２電極部を圧電センサに荷重が与えられたとき大きな電荷が発生する箇所に配置することにより、荷重が与えられたとき圧電シートで発生する電荷を効果的に検出できるようになっている。

上記圧電センサは、圧電シートの第２電極の下に基板を備えていてもよい。そうすると、凸部では圧電シートに大きな引張応力が加わり、凹部では圧電シートに大きな引張応力が加わる。よって第１電極と第２電極を経由して効率的に電荷を検出できる。

上記圧電センサは、撓ませ部材が、圧電シートと接していてもよい。
そうすると、圧電シートを直接撓ませるため、圧電シートにより大きな応力を加えることができる。

上記圧電センサは、撓ませ部材が、基板と接していてもよい。撓み部材が直接圧電シートに接することは無いので、強度を上げることができる。

上記圧電センサは、第１電極または第２電極が、複数の電極を備えていてもよい。
そうすると、圧電シートの複数の位置に荷重が与えられたとき、複数の位置情報を検出できる。

上記撓ませ部材は、圧電シートの周縁部に設けられていてもよい。

圧電シートが活性圧電部と不活性圧電部とからなり、活性圧電部は、第１電極と第２電極によって挟まれていてもよい。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。

第１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、第１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。

第２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、第２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。

圧電シートは、有機圧電材料から構成されていてもよい。
そうすると、圧電シート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、圧電シート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は、荷重を与えたとき圧電シートに発生する電荷を効果的に検出できるため、荷重を正確に、感度良く検出できる。

圧力検出装置の概念図である。 図１のＡ-Ａ’断面図である。 圧電センサが撓んだときの断面図である。 圧電センサの平面図である。 圧電センサの断面図である。 圧電センサが撓んだときの断面図である。 圧電センサの平面図である。 圧電センサの断面図である。 圧電センサと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Ａ-Ａ’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、圧電シート１１と、第１電極１２と、第２電極１３と、撓ませ部材１４と、基板１５と、接着部材１６からなる。第１電極１２は、圧電シートの二つの面のうち、荷重が与えられる部位に近い面（以下、第１主面）に配置され、第２電極１３は、圧電シート１１の第１主面とは反対側の第２主面に配置されている。撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面の周縁部に枠状に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電センサ１０の断面視において、圧電シート１１の周縁部から撓ませ部材１４をオーバーラップして、圧電シート１１の中央付近にまで配置されている。

（３）圧電シート
圧電シート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、圧電シート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
第１電極１２、第２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）撓ませ部材
撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面に配置され圧電シート１１に荷重が与えられたとき、圧電シート１１を撓ませて圧電シート１１に凸面と凹面を形成する部材である。撓ませ部材１４を構成する材料としては、剛性を有し他の基材と圧電センサ１０を接着する材料が挙げられる。
接着材料としては、両面テープやクッション素材、または両面テープとクッション素材を組合せたものを用いることができる。両面テープを構成する材料をしては、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などを挙げることができる。クッション素材としては、発泡性ポリウレタンやポリエチレンなどの樹脂を挙げることができる。

（６）基板
基板１５は、圧電センサ１０を保護するための部材である。基板１５の材料としては、有機材料、無機材料、有機−無機ハイブリッド材料が挙げられる。有機材料としては、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートを挙げることができる。無機材料としては、ガラス板などが挙げられる。有機−無機ハイブリッド材料としては、樹脂の中にガラス繊維を含有させた材料を挙げることができる。

（７）接着材料
接着材料１６は、圧電層１１と基板１５を接着する部材である。接着材料１６を構成する材料としては、アクリルやシリコンなどの粘着剤や、UV硬化の接着材などを挙げることができる。

（８）検出部
図１に示すように、第１電極１２は検出部２０と接続されている。図示しないが、第２電極１３はアースされている。上記のように構成すると、検出部２０は、圧電シート１１が押圧されたときに、圧電シート１１で発生する電荷を検出できる。なお、検出部２０は、ＡＤコンバータなどの検出機器を用いることができる。

（９）制御部
制御部３０は、第１電極１２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、図３に示すように、圧電センサ１０に荷重が与えられたとき、圧電シート１１は撓み、荷重のかかった箇所には、第１主面側を凹とする凹部が形成される。反対に、撓ませ部材１４が配置された付近には、第１主面側を凸とする凸部が形成される。このとき、圧電シート１１の上記凸部には、大きな圧縮応力が働き、大きな電荷が発生する。上記で発生した電荷は、上記凸面に配置された第１電極１２と第２電極１３を経由して検出部２０で検出することができる。その結果、検出した電荷を測定することによって、荷重のかかった場所と荷重量を測定できる。

なお、検出した電荷から荷重量を測定するには、検出部２０に所定の演算式を入力しておけばよい。また、検出した電荷から荷重位置を特定するには、各コーナー部で検出された電荷の電荷量から特定すればよい。荷重のかかった箇所が複数に及んだ場合も同様にすることで、各箇所の位置と荷重をそれぞれ検出すること(マルチフォース検出)が可能となっている。

なお、図示しないが、圧力検出装置１は、基板１５を第１電極１２の上に積層する代わりに、基板１５を第２電極１３の下に積層してもよい。そうすると、凸部では圧電シートに大きな引張応力が、凹部には圧電シートに大きな圧縮応力が働き、それぞれの箇所に大きな電荷が発生する。そのため、圧力検出装置１は、荷重を正確に感度良く検出することができる。

２．第２実施形態
第１実施態様では、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の周縁部に枠状に配置されていた。第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１のコーナー部に配置され、第１電極１２と第２電極１３は、断面視において、圧電シート１１の周縁部から撓ませ部材１４をオーバーラップして圧電シート１１の中央付近にまで配置されていた。しかし、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の断面視において、撓ませ部材１４より圧電シート１１の中央部付近に配置されてる限りにおいては、上記態様に限定されない。

図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第３実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図４（ａ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面の周縁部に枠状に配置されている。第１電極１２は圧電シート１１の第１主面の周縁部に配置され、第２電極１３は圧電シート１１の第２主面の周縁部に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の断面視において、圧電シート１１の端部から撓ませ部材１４をオーバーラップし圧電シート１１の中央部付近にまで部分的に設けられている。

上記態様において、図４（ｂ）に示すように、第１電極１２と第２電極１３は、枠状であってもよい。

図４（ｃ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面に配置されている。また、撓ませ部材１４は圧電シート１１の一の辺の周辺と、その一の辺と反対側の辺の周辺に帯状に配置されている。第１電極１２は圧電シート１１の第１主面の周縁部に配置され、第２電極１３は圧電シート１１の第２主面の周縁部に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の断面視において、圧電シート１１の端部から撓ませ部材１４をオーバーラップし圧電シート１１の中央部付近まで部分的に設けられている。

上記態様において、図４（ｄ）に示すように、第１電極１２と第２電極１３は、帯状であってもよい。

図４（ｅ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１のコーナ部に部分的に配置され、第１電極１２は圧電シート１１の第１主面のコーナー部に配置され、第２電極１３は圧電シート１１の第２主面のコーナー部に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の断面視において、圧電シート１１の端部から撓ませ部材１４をオーバーラップして圧電シート１１の中央部付近まで部分的に設けられている。

図示しないが、圧電センサにおいて、撓ませ部材は、圧電シートの第２主面の周縁部に部分的に配置されていてもよい。第１電極は圧電シートの第１主面のコーナー部に配置され、第２電極は圧電シートの第２主面のコーナー部に配置されていてもよい。なお、第１電極と第２電極は、圧電シートの断面視において、圧電シートの端部から撓ませ部材をオーバーラップし圧電シートの中央部付近まで部分的に設けられていてもよい。

上記態様において、第１電極と第２電極は、枠状であってもよい。

３．第３実施形態
第１実施形態，第２実施形態では、圧電シート１１の断面視において、第１電極１２や第２電極１３は、圧電シート１１の周縁部から撓ませ部材１４をオーバーラップし圧電シート１１の中央部付近にかけて配置されていた。しかし、第１電極１２と第２電極１３が配置される場所は、圧電シート１１が撓んだとき、第１主面側を凸とする凸部を形成する面（圧電シートに圧縮応力がかかる面）に配置されていれば、上記に限定されない。
下記で、第１電極１２と第２電極１３の他の配置場所について説明する。

図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第３実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図５（ａ）に示すように、圧電シート１１の断面視において、第１電極１２や第２電極１３は、撓ませ部材１４から圧電シート１１の中央部付近まで配置されていてもよい。

図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の態様において、第１電極１２が圧電シート１１の一面に配置されていてもよい。

図５（ｃ）に示すように、圧電シート１１の断面視において、第１電極１２や第２電極１３は、撓ませ部材１４と隣接する限りにおいて撓ませ部材１４より圧電シート１１の中央部に配置されていてもよい。

図５（ｄ）に示すように、圧電シート１１の断面視において、第１電極１２や第２電極１３は、撓ませ部材１４の形状に沿うように撓ませ部材１４上に配置されていてもよい。

図５（ｅ）に示すように、撓ませ部材１４は、接着部材１６を介して基板１５と接着されていてもよい。かかる場合において、撓ませ部材１４は、圧電センサ１０の周縁部に配置され、圧電シート１１は、圧電センサ１０の中央部に配置されているとよい。なお、圧電シート１１の圧電センサ１０の断面視において、第１電極１２や第２電極１３は、撓ませ部材１４付近に配置されるよう、圧電シート１１の上に積層されているとよい。

このように、撓ませ部材１４が基板と接することで、撓み部材が直接圧電シートに接することは無いので、強度を上げることができる。

４．第４実施形態
第１〜３実施態様では、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１に荷重がかかったときに、撓ませ部材１４と荷重によって形成される圧電シート１１の凸部上に配置されていた。しかし、図６に示すように、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１に荷重がかかったときに、撓ませ部材１４によって形成される圧電シート１１の凹部上に配置されていてもよい。

図７（ａ）〜図７（ｅ）は、第３実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図７（ａ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面の周縁部に枠状に配置されている。第１電極１２は、圧電シート１１の第１主面に配置され、第２電極１３は圧電シート１１の第２主面に配置されている。また、第１電極１２と第２電極１３は、撓ませ部材１４より圧電センサ１０の中央部に配置されている。なお、圧電センサ１０の中央部とは、外部から荷重が直接与えられたとき、撓ませ部材１４との間で圧電シート１１が凹部を形成する箇所である。

上記のように、圧電センサ１０を構成すると、図６に示すように、圧電センサ１０に荷重が与えられたとき、圧電シート１１は撓み、荷重のかかった箇所には凹部が形成される。このとき、圧電シート１１の上記凹部には、引張り応力が働き、圧電シート１１内で電荷が発生する。なお、電荷が発生する凹面には、第１電極１２と第２電極１３が配置されているので、発生した電荷を検出部２０で検出することができる。その結果、検出した電荷を測定することによって、荷重のかかった場所と荷重量を測定できるものとなっている。

なお、図示しないが、圧力検出装置１は、基板１５を第１電極１２の上に積層する代わりに、基板１５を第２電極１３の下に積層してもよい。そうすると、凸部では圧電シートに大きな引張応力が、凹部には圧電シートに大きな圧縮応力が働き、それぞれの箇所に大きな電荷が発生する。そのため、圧力検出装置１は、荷重を正確に感度良く検出することができる。

上記態様において、図７（ｂ）に示すように、第１電極１２と第２電極１３は、帯状であってもよい。

図７（ｃ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面に配置されている。また、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の一の辺の周辺と、その一の辺と反対側の辺の周辺に帯状に配置されている。この場合において、第１電極１２は、圧電シート１１の第１主面に配置され、第２電極１３は、圧電シート１１の第２主面に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の平面視において、撓ませ部材１４より圧電センサ１０の中央部に部分的に配置されている。

上記態おいて、図７（ｄ）に示すように、第１電極１２と第２電極１３は、帯状であってもよい。

図７（ｅ）に示すように、圧電センサ１０において、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第２主面に配置されている。また、撓ませ部材１４は、圧電シート１１の第１主面のコーナー部に部分的に配置されている。この場合において、第１電極１２は圧電シート１１の第１主面に配置され、第２電極１３は圧電シート１１の第２主面に配置されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、圧電シート１１の平面視において、撓ませ部材１４より圧電センサ１０の中央部に部分的に配置されている。

図示しないが、圧電センサは、撓ませ部材は、圧電シート１１の第２主面に配置されている。また、撓ませ部材１４は、圧電シートの周縁部に部分的に配置されていてもよい。この場合において、第１電極は圧電シートの第１主面に配置され、第２電極は圧電シートの第２主面に配置されているとよい。なお、第１電極と第２電極は、圧電シートの平面視において、撓ませ部材より圧電センサの中央部に部分的に配置されていてもよい。

５．第５実施形態
圧電シート１１は、活性圧電部１１０と不活性圧電部１１１を備えていてもよい。

図８は、第５実施形態にかかる圧電センサの断面図である。

図８に示すように、圧電シート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。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８の例では、圧電センサ１０は、第１電極１２と第２電極１３に活性圧電部１１０が挟まれている。このように構成されていると、圧電シート１１の第１電極１２や第２電極１３が積層されていない箇所で発生した電荷が漏れ出して、第１電極１２や第２電極１３で検出されるのを防止できる（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８では、第１電極１２と第２電極１３が活性圧電部１１０の上下に直接積層されていたが、接着層やフィルムなどの絶縁材料を介して、第１電極１２や第２電極１３が活性圧電部１１０の上下に積層されていてもよい。

６．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９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、タッチパネル５０を用いて与えられた荷重の位置を検出できる。

１：圧力検出装置
１０：圧電センサ
１１：圧電シート
１２：第１電極
１３：第２電極
１３a ：第１圧電シート
１３ｂ：第２圧電シート
１４：撓ませ部材
２０：検出部
３０：制御部
５０：タッチパネル
１１０：活性圧電部
１１１：不活性圧電部
Ｓ：スイッチ

Claims (1)

1. 可撓性を有し１又は複数箇所に指で荷重が与えられたときに荷重がかかった箇所に電荷を発生する矩形状の圧電シートと、
   前記圧電シートの第１主面に配置される第１電極と、
   前記第１電極と前記圧電シートを介して重なるように前記圧電シートの前記第１主面とは反対側の第２主面に配置されアースされている第２電極と、
   前記圧電シートの前記第２主面の周縁部に枠状に配置される撓ませ部材と、を備える一つの圧電センサと、
   前記第1電極と接続されている検出部と、
   制御部と、を有している圧力検出装置であって、
   前記撓ませ部材は、前記圧電シートに荷重が与えられたとき前記圧電シートに前記第１主面を凸とする凸部と、前記第１主面を凹とする凹部を形成し、
   前記第１電極と第２電極は、前記圧電シートの前記凸部で、かつ各コーナー部に配置されているマルチフォース検出用の圧力検出装置。

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