JP6206604B2 - 押圧検知装置 - Google Patents

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Description

本発明は、操作面への押圧を検知する押圧検知装置に関する。
現在、平膜状の押圧センサを用いて操作面への押圧を検知する装置が各種考案されている。例えば、特許文献１に記載のタッチ入力装置は、平膜状の感圧センサ（押圧センサ）と、平膜状のタッチパネル（押圧位置検出センサ）とを備える。感圧センサとタッチパネルは、ベースプレート上に、感圧センサ、タッチパネルの順で重ねられている。
このように、感圧センサとタッチパネルを重ねて配置する場合、一般的には、感圧センサとタッチパネルとの間に粘着層を介在させ、感圧センサとタッチパネルとの位置関係が変化しないようにしている。
特開平５−６１５９２号公報
タッチ式入力装置において感圧センサとタッチパネルが透光性を有する場合、これらの間に介在する粘着層も透光性を必要とする。現在、一般的に利用されている透光性を有する粘着剤は、低温でのヤング率が大きく、高温でのヤング率が小さい。
したがって、感圧センサとタッチパネルのみの構成では、低温時には押圧力による歪みが感圧センサに伝わりやすく、高温時には押圧力による歪みが感圧センサに伝わりにくい。このため、感圧センサの出力電圧をそのまま利用して押圧力を算出すると、低温時と高温時で押圧力が異なってしまう。
さらに、このようなタッチ式入力装置は、筐体等に固定された状態で利用される。タッチ式入力装置を筐体に固定する場合、温度によるヤング率の変化は殆ど無い固定用接着剤が用いられることがある。
図１２は、層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。図中の色の濃さが出力電圧を示す。層間粘着剤とは、上述の従来技術における感圧センサとタッチパネルとを粘着させるための粘着剤である。固定用接着剤とは、上述のタッチ式入力装置を筐体に固定するための粘着剤である。
図１２の黒丸に示すように、温度が変化しても、固定用接着剤のヤング率は変化しない。図１２に示すように、各温度を示す黒丸の背景色は、温度によって異なる。すなわち、従来の構成では、温度の変化によって、出力電圧が変化することを意味する。
図１３は、押圧検知装置に相当する感圧センサの出力特性の温度特性を示すグラフである。図１３における横軸は温度であり、縦軸は、２０℃の出力電圧を基準値とした各温度での出力電圧比である。図１３に示すように、従来の構成では、−２０℃から＋６０℃の温度区間において、＋７０％から−６０％の温度バラツキを生じる。したがって、従来の構成では、検知した押圧力が温度の影響を受ける。
本発明の目的は、検知した押圧量が温度によって変化することを抑制できる押圧検知装置を提供することにある。
この発明の押圧検知装置は、圧電膜を有する押圧センサと、操作面を有し押圧センサを筐体に固定する保持部材と、押圧センサを保持部材に固定する層間粘着剤と、保持部材を筐体に固定する固定用接着剤と、を備える。層間粘着剤は、低温でのヤング率が大きく、高温でのヤング率が小さい。固定用接着剤は、低温でのヤング率が大きく、高温でのヤング率が小さい。
この構成では、層間粘着剤のヤング率の温度変化による圧電膜に伝わる保持部材の歪みの変化が、固定用接着剤のヤング率の温度変化によって抑制される。これにより、層間粘着剤のヤング率の温度変化による圧電膜の発生する電荷量の変化が、固定用接着剤のヤング率の温度変化によって抑制される。
また、この発明の押圧検知装置は、次の構成であることが好ましい。層間粘着剤は、低温でのヤング率の温度変化率が高く、高温でのヤング率の温度変化率が低い。固定用接着剤は、低温でのヤング率の温度変化率が低く、高温でのヤング率の温度変化率が高い。
この構成では、高温における層間粘着剤の温度変化による圧電膜の電荷量の変化は、低温における層間粘着剤の温度変化による圧電膜の電荷量の変化よりも大きい。したがって、固定用接着剤における、高温でのヤング率の温度変化率を高くすることによって、保持部材の歪みが大きくなるので、この高温における層間粘着剤の温度変化による圧電膜の電荷量の変化を、より正確に抑制することができる。
この発明によれば、検出した押圧量が温度によって変化することを抑制できる。これにより、温度に影響されることなく安定して押圧力を検知することができる。
本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の層間粘着剤と固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。 本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。 本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。 従来構成における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。 従来構成における押圧検知装置に相当する感圧センサの出力特性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知装置を備えるタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係るタッチ式入力装置の外観斜視図である。図２は本発明の実施形態に係るタッチ式入力装置の断面図である。
タッチ式入力装置１０は、略直方体形状の筐体４０を備える。筐体４０の表面側は開口している。なお、以下では、筐体４０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。
筐体４０内には、タッチ検知センサ２０、表示パネル（図示せず）、および演算回路モジュール（図示せず）が配置されている。
筐体４０の表面は開口しており、当該開口部に保持部材３０が配置されている。保持部材３０は、透光性を有する平板である。例えば、保持部材３０はガラスである。筐体４０における開口面の近傍には、開口内に向かって突出する形状の保持用突起４１が形成されている。保持部材３０の外周端は、保持用突起４１上に載置される。保持部材３０における保持用突起４１に当接する面は、固定用接着剤５０によって保持用突起４１に固定されている。この保持部材３０の表面が操作面、すなわち、ユーザからの押圧やタッチを受け付ける面である。
タッチ検知センサ２０は、層間粘着剤２６によって保持部材３０の裏面に固定されている。
タッチ検知センサ２０は、圧電膜２１、絶縁性フィルム２２，２３，２４、押圧検知用導体２２１，２３１、位置検知用導体２２２，２４２、層間粘着剤２５１，２５２，２５３を備える。
圧電膜２１は、押圧力に応じた電荷量を発生する圧電材料からなり、例えば、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。圧電膜２１の一軸延伸方向は、タッチ式入力装置１０のＸ方向およびＹ方向に対して略４５°である。
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圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧により平板面が、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、押圧による変位を高感度に検知することができる。
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、押圧による変位を高感度に検知することができる。
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圧を検知することが可能になる。
圧電膜２１の保持部材３０側には、絶縁性フィルム２２が配置されている。絶縁性フィルム２２の表面には、押圧検知用導体２２１および位置検知用導体２２２が配置されている。押圧検知用導体２２１および位置検知用導体２２２は、複数設けられている。押圧検知用導体２２１および位置検知用導体２２２は、Ｙ方向に沿って延びる形状であり、Ｘ方向に沿って間隔をおいて配列されている。
絶縁性フィルム２２は、層間粘着剤２５２によって圧電膜２１に固定されている。
圧電膜２１の絶縁性フィルム２２と反対側には、絶縁性フィルム２３が配置されている。絶縁性フィルム２３の表面には、押圧検知用導体２３１が配置されている。押圧検知用導体２３１は、複数設けられている。押圧検知用導体２３１は、Ｙ方向に沿って延びる形状であり、Ｘ方向に沿って間隔をおいて配列されている。押圧検知用導体２３１は、圧電膜２１を間に介して、押圧検知用導体２２１に対向している。
絶縁性フィルム２３は、層間粘着剤２５１によって圧電膜２１に固定されている。
絶縁性フィルム２２の保持部材３０側には、絶縁性フィルム２４が配置されている。絶縁性フィルム２４の表面には、位置検知用導体２４２が配置されている。位置検知用導体２４２は、複数設けられている。位置検知用導体２４２は、Ｘ方向に沿って延びる形状であり、Ｙ方向に沿って間隔をおいて配列されている。位置検知用導体２４２と位置検知用導体２２２は、絶縁性フィルム２４を間に介して、部分的に重なっている。
絶縁性フィルム２４の裏面は、層間粘着剤２５３によって、絶縁性フィルム２２に固定されている。絶縁性フィルム２４の表面は、層間粘着剤２６によって、保持部材３０の裏面に固定されている。
本実施形態では、位置検知用導体２４２はＸ方向に、位置検知用導体２２２、押圧検知用導体２２１、２３１はＹ方向に沿って延びる形状としたが、これとは逆に位置検知用導体２４２はＹ方向に、位置検知用導体２２２、押圧検知用導体２２１、２３１はＸ方向に沿って延びる形状であってもよい。
なお、本実施形態では、押圧力と押圧位置を検知するタッチ式入力装置１０の態様を示したが、押圧力を検知する押圧検知装置であってもよい。この場合、押圧位置の検知に必要な部材、上述の態様であれば、絶縁性フィルム２４、位置検知用導体２２２，２４２、層間粘着剤２５３は、省略される。
このような構成において、層間粘着剤２５１，２５２，２５３，２６と、固定用接着剤５０は、次の物性を有する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の層間粘着剤と固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。
図３に示すように、層間粘着剤２５１，２５２，２５３，２６のヤング率は、低温で大きく、高温で小さい。層間粘着剤２５１，２５２，２５３，２６は、＋２０℃以下の温度領域でヤング率の温度変化率が大きく、０℃以下の温度領域でヤング率の温度変化率がさらに大きい。層間粘着剤２５１，２５２，２５３，２６は、＋２０℃以上の温度領域でヤング率の温度変化率が小さく、＋４０℃以上の温度領域でヤング率の温度変化率がさらに小さい。
固定用接着剤５０のヤング率は、低温で大きく、高温で小さい。固定用接着剤５０は、０℃以下の温度領域でヤング率の温度変化率が小さい。固定用接着剤５０は、０℃以上の温度領域でヤング率の温度変化率が大きい。
なお、ここで言う低温の領域とは、概ね０℃から１０℃よりも低温の領域であり、高温の領域とは、概ね０℃から１０℃よりも高温の領域である。
図４は、本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。図中の色の濃さが出力電圧を示す。図４に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、各温度での出力を示す黒丸の背景色が同じになる。低温時では、固定用接着剤のヤング率が大きいため、ガラスが変形し難くなり、ガラスの歪みは高温時に比べて小さくなる。また、低温時は層間粘着剤のヤング率も大きいため、ガラスの歪みは緩和されず、出力が大きく低下することはない。一方、高温時では、固定用接着剤のヤング率が小さいため、ガラスが変形し易くなり、ガラスの歪みは低温時よりも大きくなる。また、高温時では、層間粘着剤のヤング率のヤング率も小さいため、ガラスの歪みが緩和されて、出力が低下する。つまり、ガラスの歪みの大きさとその歪みの緩和の大きさが低温時と高温時で相反する関係となり、図中の黒線が同じ背景色の部分を通過する。すなわち、各温度での出力電圧が温度に影響されることなく一定になる。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。図５の縦軸は、２０℃の時の出力電圧を基準値とした出力電圧比である。図５に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、出力電圧の温度による変化を抑制することができる。これにより、温度に影響されず、押圧力に応じて安定した出力電圧を検知することができる。したがって、温度に影響されず、押圧力を正確に検知することができる。
なお、上述の層間粘着剤２５２，２５３，２６は、全てが粘着剤である必要はなく、少なくとも１つが粘着剤であり、他は固定用接着剤と同じであってもよい。
また、上述の説明では、保持部材３０の裏面を、固定用接着剤５０によって、保持用突起４１の表面に接着する態様を示した。しかしながら、保持部材３０の側面を固定用接着剤５０によって筐体４０の内壁に接着する態様であってもよい。また、保持部材３０の底面を固定用接着剤５０によって保持用突起４１に接着し、且つ、保持部材３０の側面を固定用接着剤５０によって筐体４０の内壁に接着する態様であってもよい。この際、固定用接着剤５０は、保持部材３０の側面から底面に亘る形状にするとよい。
次に、本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。本実施形態に係るタッチ式入力装置は、固定用接着剤の特性が第１の実施形態に係るタッチ式入力装置１０と異なる。他の構成は、第１の実施形態に係るタッチ式入力装置１０と同じである。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。図６に示すように、本実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤は、低温でのヤング率が高く、高温でのヤング率が低い。より具体的には、本実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤は、図３に示す層間粘着剤と同じヤング率の温度特性を有する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。図中の色の濃さが出力電圧を示す。図７に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、各温度での出力を示す黒丸の背景色は若干異なるものの、殆ど同じになる。すなわち、各温度での出力電圧が温度に影響されるものの、その影響を小さく抑制することができる。
図８は、本発明の第２の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。図８の縦軸は、２０℃の時の出力電圧を基準値とした出力電圧比である。図８に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、出力電圧の温度による変化を、従来構成よりも抑制することができる。これにより、温度の影響は受けるものの、所定の誤差範囲内で、従来構成よりも安定して押圧力を検知することができる。例えば、本実施形態の構成では、±３０％の誤差範囲内で押圧力を検知することができる。
次に、本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。本実施形態に係るタッチ式入力装置は、固定用接着剤の特性が第１の実施形態に係るタッチ式入力装置１０と異なる。他の構成は、第１の実施形態に係るタッチ式入力装置１０と同じである。
図９は、本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤のヤング率の温度特性を示すグラフである。図９に示すように、本実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤は、低温でのヤング率が高く、高温でのヤング率が低い。より具体的には、本実施形態に係るタッチ式入力装置の固定用接着剤は、図３に示す層間粘着剤に類似するヤング率の温度特性を有する。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置における層間粘着剤のヤング率と固定用接着剤のヤング率との関係による出力電圧の変化を示す図である。図中の色の濃さが出力電圧を示す。図１０に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、各温度での出力を示す黒丸の背景色は或程度異なるものの、従来構成よりはバラツキがない。すなわち、各温度での出力電圧が温度に影響されるものの、その影響を従来構成よりも小さく抑制することができる。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るタッチ式入力装置における出力電圧比の温度特性を示す。図１１の縦軸は、２０℃の時の出力電圧を基準値とした出力電圧比である。図８に示すように、本実施形態の構成を用いることによって、出力電圧の温度による変化を、従来構成よりも抑制することができる。これにより、温度の影響は受けるものの、所定の誤差範囲内で、従来構成よりも安定して押圧力を検知することができる。例えば、本実施形態の構成では、＋２０％から−５０％の誤差範囲内で押圧力を検知することができる。
なお、第２、第３の実施形態では、温度による影響を受けているが、その影響は従来構成よりも小さい。従来構成では、２０℃の時の出力電圧に比べ、６０℃の時の出力電圧が６０％も減少してしまう。６０℃の時の出力電圧を押圧力として検知するには、ユーザがタッチ式入力装置を押したとみなすことができる出力電圧の閾値を大幅に下げなければならない。閾値を大幅に下げると押圧検知用導体に発生するノイズも押圧力として検知してしまい、誤動作してしまう。一方で、第２、第３の実施形態での温度による影響は閾値を大幅に下げる必要が無いため誤動作が発生せず、実用的に利用することが可能である。
１０：タッチ式入力装置
２０：タッチ検知センサ
２１：圧電膜
２２，２３，２４：絶縁性フィルム
３０：保持部材
４０：筐体
４１：保持用突起
５０：固定用接着剤
２２１，２３１：押圧検知用導体
２２２，２４２：位置検知用導体
２５１，２５２，２５３，２６：層間粘着剤

Claims (2)

  1. 圧電膜を有する押圧センサと、
    前記押圧センサを筐体に固定する保持部材と、
    操作面を有し、前記押圧センサを前記保持部材に固定する層間粘着剤と、
    前記保持部材を前記筐体に固定する固定用接着剤と、を備え、
    前記層間粘着剤は、低温でのヤング率が高温でのヤング率よりも大きく、
    前記固定用接着剤は、低温でのヤング率が高温でのヤング率よりも大きい、
    押圧検知装置。
  2. 前記層間粘着剤は、低温でのヤング率の温度変化率が高温でのヤング率の温度変化率よりも高く、
    前記固定用接着剤は、低温でのヤング率の温度変化率が高温でのヤング率の温度変化率よりも低い、
    請求項１に記載の押圧検知装置。
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