JP6652882B2 - Pressure detector - Google Patents
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Description
本発明は、圧力検出装置、特に、2枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフを用いた圧力検出装置に関する。 The present invention relates to a pressure detecting device, and more particularly to a pressure detecting device using a bimorph in which two piezoelectric sheets are bonded.
タッチパネルへの押圧量を検出するための装置として、圧電シートを用いた圧力センサが知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1に示すタッチ入力装置では、感圧センサが、可撓性を有するタッチパネルの平面上に互いに密着するように重ねられている。
A pressure sensor using a piezoelectric sheet is known as a device for detecting the amount of pressure applied to a touch panel (for example, see Patent Document 1). In the touch input device disclosed in
圧電シートに用いられる圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)とその重合体がある。しかし、それら代表的な圧電材料は、焦電性を有するので、正確な押圧力の検出が難しかった。 As a piezoelectric material used for the piezoelectric sheet, there are lead zirconate titanate (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF) and a polymer thereof. However, since these typical piezoelectric materials have pyroelectricity, it has been difficult to accurately detect the pressing force.
そこで、本願の発明者は、この問題を改善するために、2枚の圧電シートを互いに分極方向を逆に貼り合わせた、いわゆるバイモルフ構造を採用することに着目した。バイモルフ構造は、主に、上下2枚の圧電素子からなる長方形又は円形状のバイモルフを有している。圧電素子の両側には、検出電極が設けられている。バイモルフ構造は、さらに、バイモルフの下面の周囲に取り付けられた枠状の支持部材を有する。 Therefore, the inventor of the present application has paid attention to adopting a so-called bimorph structure in which two piezoelectric sheets are bonded to each other with their polarization directions reversed in order to improve this problem. The bimorph structure mainly has a rectangular or circular bimorph composed of two upper and lower piezoelectric elements. Detection electrodes are provided on both sides of the piezoelectric element. The bimorph structure further includes a frame-shaped support member mounted around a lower surface of the bimorph.
別の例として、バイモルフ構造は、バイモルフの上面に、圧電素子の強度向上(傷防止、割れ防止)のために、保護材としてのガラス又は他の部材を有する。この場合、ガラスの下面の縁部が枠状の支持部材に支持される。 As another example, the bimorph structure has glass or another member as a protective material on the upper surface of the bimorph to improve the strength of the piezoelectric element (prevention of scratches and cracks). In this case, the edge of the lower surface of the glass is supported by the frame-shaped support member.
以下、バイモルフ構造による押圧力検出のメカニズムを説明する。中央部に作用する押圧力で上下2枚の圧電素子が撓むと、上下2枚の圧電素子に押圧力に比例した応力σuと応力σlがそれぞれの圧電素子に発生する。
+ ガラスを取り付けたバイモルフ構造では、応力σuと応力σlはどちらも引張応力となる。この場合、応力σuより応力σlの方が大きくなるので、その差を用いて押圧力を測定することが提案されていた。
Hereinafter, the mechanism of detecting the pressing force by the bimorph structure will be described. When the upper and lower piezoelectric elements are bent by the pressing force acting on the central portion, stress σ u and stress σ l proportional to the pressing force are generated in the upper and lower two piezoelectric elements in the respective piezoelectric elements.
+ In a bimorph structure with glass attached, both stress σ u and stress σ l are tensile stresses. In this case, since the direction of the stress sigma u from stress sigma l increases, it has been proposed to measure the pressing force by using the difference.
しかし、ガラスを設けたバイモルフ構造においては引張応力σuと引張応力σlとの差が小さいので検出感度が低いという問題がある。 However, the bimorph structure provided with glass has a problem that the detection sensitivity is low because the difference between the tensile stress σ u and the tensile stress σ l is small.
本発明の目的は、バイモルフと、押圧面としてのガラス又は他の部材とを有する圧力検出装置において、検出感度を高めることにある。 An object of the present invention is to increase detection sensitivity in a pressure detection device having a bimorph and glass or another member as a pressing surface.
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合わせることができる。 Hereinafter, a plurality of modes will be described as means for solving the problems. These embodiments can be arbitrarily combined as needed.
本発明の一見地に係る圧力検出装置は、開口と開口の周りの支持部とを有する筐体の開口を閉じるように設けられ、外部から加えられた圧力によって電荷を発生する2枚の圧電シートを用いて圧力を検出するための装置である。圧力検出装置は、シート部材と、第1圧電シートと、第2圧電シートとを備えている。 A pressure detecting device according to an aspect of the present invention is provided so as to close an opening of a housing having an opening and a support portion around the opening, and two piezoelectric sheets that generate electric charges by externally applied pressure. This is a device for detecting pressure by using. The pressure detecting device includes a sheet member, a first piezoelectric sheet, and a second piezoelectric sheet.
シート部材は、圧力が作用する第1面と、縁部の一部又は全部が接着層によって支持部に固定及び支持される第2面とを有する。 The sheet member has a first surface on which pressure is applied, and a second surface on which a part or all of the edge is fixed and supported on the support by the adhesive layer.
第1圧電シートは、シート部材の第2面の中央部に配置されている。第1圧電シートは、互いに直交しており伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と小さな軸とを有する異方性である。 The first piezoelectric sheet is arranged at the center of the second surface of the sheet member. The first piezoelectric sheet is anisotropic having an axis having a large axis and an axis having a small axis in which the amount of charge generated with respect to elongation is orthogonal to each other.
第2圧電シートは、第1圧電シートのシート部材と反対側において第1圧電シートに対向して配置されている。第2圧電シートは、互いに直交しており伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と小さな軸とを有する異方性である。 The second piezoelectric sheet is disposed opposite to the first piezoelectric sheet on the side opposite to the sheet member of the first piezoelectric sheet. The second piezoelectric sheet is anisotropic having two axes which are orthogonal to each other and have a large axis and a small axis where the amount of electric charge generated by elongation is large.
縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している。 The arrangement of the fixed portions at the edges has a symmetry of less than twice symmetry.
第1圧電シートと第2圧電シートは、電荷量が大きな軸同士が直交するように配置されている。 The first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet are arranged such that axes having a large charge amount are orthogonal to each other.
ここで、「2回対称以下」とは、2n回対称(nは2以上の整数)を含まないという意味であり、例えば、4回対称、8回対称、16回対称ではないことを意味する。 Here, the term “two-fold symmetry or less” means that it does not include 2n-fold symmetry (n is an integer of 2 or more), and means, for example, that it is not 4-fold, 8-fold, or 16-fold. .
縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有しているので、第1圧電シート及び第2圧電シートには、シート部材と共にたわむときに発生する引っ張り応力が大きい軸と引っ張り応力が小さい軸とが存在する。 Since the arrangement of the fixed portion of the edge portion has symmetry of less than twice symmetry, the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet have an axis and a tensile stress that generate a large tensile stress when bending together with the sheet member. There is a small axis.
この装置では、シート部材の第1面が押されると、シート部材は縁部が他の部材に支持されながらたわみ、その結果、第1圧電シート及び第2圧電シートもたわむ。このとき、第1圧電シート及び第2圧電シートでは、平面視において、伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と引っ張り応力の大小軸との互いに平行になる組み合わせが異なる。 In this device, when the first surface of the sheet member is pressed, the sheet member bends while its edge is supported by another member, and as a result, the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet also bend. At this time, the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet differ from each other in a plan view in which the axis in which the amount of electric charge generated with respect to elongation is large and the axis in which the tensile stress is small and large are parallel to each other.
以下、一例を説明する。第1圧電シートにおいては、伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と引っ張り応力小の軸とが平行になっている。(引っ張り応力大の軸と直交している)。また、第2圧電シートにおいては、伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と引っ張り応力大の軸とが平行になっている(引っ張り応力小の軸と直交している)。そして、第1圧電シートで発生した電荷量と第2圧電シートで発生した電荷量を、押圧力算出の演算において加算することで、比較的大きな出力を得ることができる。つまり、圧力検出装置の押圧検出感度が高くなる。 Hereinafter, an example will be described. In the first piezoelectric sheet, the axis where the amount of electric charge generated with respect to elongation is large and the axis where the tensile stress is small are parallel to each other. (It is orthogonal to the axis of large tensile stress). In the second piezoelectric sheet, the axis where the amount of electric charge generated with respect to elongation is large and the axis where the tensile stress is large are parallel to each other (perpendicular to the axis where the tensile stress is small). Then, a relatively large output can be obtained by adding the amount of charge generated on the first piezoelectric sheet and the amount of charge generated on the second piezoelectric sheet in the calculation of the pressing force calculation. That is, the pressure detection sensitivity of the pressure detection device is increased.
なお、縁部の固定部分の配置が例えば4回対称である場合(例えば、正方形である場合)、又は、第1圧電シート及び第2圧電シートが異方性を有していない場合は、押圧力算出の演算においてこれら電荷量を加算したときに、大きな出力が得られない。 In addition, when the arrangement of the fixed portion at the edge is, for example, four-fold symmetric (for example, when it is a square), or when the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet do not have anisotropy, the pressing is performed. When these charge amounts are added in the calculation of the pressure calculation, a large output cannot be obtained.
縁部の固定部分が、第1方向に延びる一対の第1辺を有していてもよい。 The fixed portion of the edge may have a pair of first sides extending in the first direction.
一対の第1辺は互いに平行な直線であってもよい。 The pair of first sides may be straight lines parallel to each other.
シート部材は平面視で一方向に長く、
一対の第1辺は、長手方向に延びる縁であってもよい。
The sheet member is long in one direction in plan view,
The pair of first sides may be edges extending in the longitudinal direction.
縁部の固定部分が、一対の第1辺の端部同士を連結する一対の第2辺を有していてもよい。 The fixed portion of the edge may have a pair of second sides connecting the ends of the pair of first sides.
第2辺は第1辺に比べて剛性が低くてもよい。 The second side may have lower rigidity than the first side.
一対の第1辺の端部同士は互いに離れて配置されており、不連続であってもよい。 The ends of the pair of first sides are spaced apart from each other, and may be discontinuous.
本発明に係る圧力検出装置では、圧力検出装置の押圧検出感度が高くなる。 In the pressure detection device according to the present invention, the pressure detection sensitivity of the pressure detection device is increased.
1.第1実施形態
(1)圧力検出器の概要
図1及び図2を用いて、本発明の一実施形態としての圧力検出器100を説明する。図1は、電子機器の斜視図である。図2は、図1におけるII−II断面の断面図である。なお、以下の説明では、「直交」、「平行」とは、誤差の範囲及び説明された効果が得られる範囲を許容している。
1. First Embodiment (1) Outline of Pressure Detector A
圧力検出器100は、指又はペンによって押された場合の押圧力(荷重)の大きさを測定するための装置である。なお、以下の説明では、使用時にユーザから見て手前側(図2の上側)を圧力検出器100の「入力面側」といい、ユーザから見て奥側(図2の下側)を圧力検出器100の「背面側」という。
The
図1に示すように、電子機器110は、主に、筐体6と、圧力検出器100とを備えている。筐体6は、矩形枠状であり、合成樹脂製である。圧力検出器100は、筐体6内に収容されている。
As shown in FIG. 1, the
さらに詳細には、筐体6は、入力面側に向かって矩形状に開口する凹部6aを有している。凹部6aは、開口の周りに段差を有するように形成されており、この段差部分が支持部6bとなっている。支持部6bの内縁は、凹部6aの開口形状に対応しており、つまり矩形枠状に形成されている。支持部6bは、後述する支持基板1の背面1bの縁部に対応しており、支持基板1に作用する圧力を支持するための構造である。凹部6aにおいて、支持部6bよりも入力面側の第1領域には後述の支持基板1が収納され、背面側の第2領域には圧力検出器100の本体が収納されている。
More specifically, the
凹部6aにおいて、第1領域の側面は支持基板1とわずかな隙間を空けて接し、第2領域の側面は圧力検出器100の本体にわずかな隙間を空けて接している。また、筐体6の底面と圧力検出器100の本体との間には、空間部7が設けられている。
In the
圧力検出器100は、主に、支持基板1と、圧電シート3と、検出電極4と備えている。圧力検出器100の基本動作として、支持基板1が押されると圧力検出器100がたわみ、圧電シート3には引張応力が加わるとともに、電荷が発生する。そして、2枚の検出電極4がその電荷を検出することで、圧力検出器100に加えられた押圧力を検出できる。
The
より詳細には、圧力検出器100は、筐体6の開口を閉じるように設けられており、入力面側から背面側に向かって、支持基板1、接着層2、第1検出電極4a、第1圧電シート3a、第2圧電シート3b、第2検出電極4bを有している。以下、各構成を説明する。なお、図2等の断面図は、説明の便宜のために、各層の位置及び厚みを適宜調整している。
(2)支持基板
図3を用いて、支持基板1を詳細に説明する。図3は、支持基板の平面図である。
More specifically, the
(2) Support Substrate The
支持基板1(シート部材の一例)は、シート状の部材であり、その縁部が筐体6の支持部6bに配置される。圧力検出器100の入力面1a(第1面)を有している。支持基板1は、入力面1aと反対側に背面1b(第2面)を有している。支持基板1の背面1bの縁部は支持部6bに支持されるように接着剤8(接着層の一例)によって固定されている。接着剤の代わりに両面テープ(接着層の一例)が用いられてもよい。
The support substrate 1 (an example of a sheet member) is a sheet-shaped member, and its edge is disposed on the
支持基板1は、保護板として、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。支持基板1の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやアクリル系樹脂等の汎用樹脂、ポリアセタール系樹脂やポリカーボネート系樹脂等の汎用エンジニアリング樹脂、ポリスルホン系樹脂やポリフェニレサルファイド系樹脂等のスーパーエンジニアリング樹脂、ガラスがある。
The
なお、支持基板1の厚みは、例えば0.4mm〜1.0mmである。
The thickness of the
支持基板1は、図3に示すように、長方形であり、全ての辺が接着剤8によって筐体6に固定されている。したがって、「縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している」という条件が満たされている。ここで、回転対称とは、図形を特徴付ける対称性の一群である。nを2以上の整数として、ある中心の周りを(360/n)度回転させると自らと重なる性質をn回対称という。そして、「2回対称以下」とは、2n回対称(nは2以上の整数)を含まないという意味であり、例えば、4回対称、8回対称、16回対称ではないことを意味する。
(3)圧電シート
図4及び図5を用いて、圧電シートを詳細に説明する。図4は、第1圧電シートの平面図である。図5は、第2圧電シートの平面図である。
The
(3) Piezoelectric sheet The piezoelectric sheet will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a plan view of the first piezoelectric sheet. FIG. 5 is a plan view of the second piezoelectric sheet.
圧電シート3は、接着層2を介して、支持基板1の背面1bに固定されている。なお、圧電シート3は、支持基板1の背面1bの中央部に配置されている。
The
接着層2は例えば透明光学接着剤が用いられる。そのような例としては、感圧接着剤(Pressure Sensitive Adhesive、以後「PSA」という)がある。接着層2のAの厚みは、5μm〜300μmである。
For the
接着層2の弾性係数は、限定されるものではないが、10MPa程度であり、好ましくは10MPa以上、1GPa程度である。なお、接着層2の材料は、例えば、アクリル系やシリコーン系、エポキシ系接着剤である。接着層2は、上記接着剤を接着後にUV硬化又は熱硬化によって硬化されることが好ましい。
The elastic modulus of the
圧電シート3は、押圧力が加えられたわみが発生すると、両面に加えられた押圧力に応じた電位差を発生するシートである。圧電シート3は、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bとから構成された直列型バイモルフである。両シートは同じ形状であり、互いに対向している。第1圧電シート3aは支持基板1の背面1b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(第1圧電シート3aの支持基板1と反対側)において第1圧電シート3aに対向して配置されている。第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは、例えばPSAによって互いに接着されている。
The
上述したように支持基板1が「縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している」という条件を満たされていることによって、図4及び図5に示すように、第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bには、支持基板1と共にたわむときに大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。第1軸は、長方形の短辺3Aが延びる方向に平行に延びている。第2軸は長方形の長辺3Bが延びる方向に平行に延びている。
(4)検出電極
検出電極4は、第1検出電極4aと、第2検出電極4bとからなる。第1検出電極4aは支持基板1(具体的には、接着層2)と第1圧電シート3aの間(つまり、第1圧電シート3aの第2圧電シート3bと反対側)に配置され、第2検出電極4bは第1圧電シート3aの背面側(つまり、第2圧電シート3bの第1圧電シート3aと反対側)に配置される。
As described above, since the
(4) Detection electrode The
第1検出電極4aはグランドに接続されている。第2検出電極4bは、後述する検出回路53に接続されている。
The
なお、第1検出電極4a及び第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−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。この実施形態では、検出電極4は、例えば、蒸着やスクリーン印刷などを用いて圧電シート3の面に直接形成されている。
The
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。
Note that the thickness of the
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、上記の検出電極は、蒸着により圧電シートに形成してもよく、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。なお、金属からなる検出電極は、透光性を向上させるために、メッシュ構造であってもよい。 Alternatively, a conductive metal such as copper or silver may be used as the conductive material. In this case, the detection electrode may be formed on the piezoelectric sheet by vapor deposition, or may be formed using a metal paste such as a copper paste or a silver paste. In addition, the detection electrode made of metal may have a mesh structure in order to improve translucency.
なお、検出電極は、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、支持基板や圧電シートに接着剤で固着してもよい。 The detection electrode may be formed on the surface of a resin film or the like by vapor deposition or screen printing, and may be fixed to a support substrate or a piezoelectric sheet with an adhesive.
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)検出器
第2検出電極4bは、図2に示すように、チャージアンプ51に接続されている。チャージアンプ51は、検出回路53に接続されている。検出回路53は、検出電極4が検出した電圧信号から押圧量を検出する装置である。検出回路53は、例えば、A/Dコンバータ及び押圧力算出回路を有している。
Further, as the conductive material, a material in which a conductive material such as carbon nanotubes, metal particles, and metal nanofibers are dispersed in a binder may be used.
(5) Detector The
以上の回路構成によって、検出回路53は、第1圧電シート3aで発生する電荷量(この実施形態では、正に大きい)と第2圧電シート3bで発生する電荷量(この実施形態では、負に小さい)の加算値(出力)を得ることができる。
(6)押圧手段
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ベンなどを挙げることができる。
(7)圧電シートの詳細説明
第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bの材料は、強誘電体材料をシート状に成形したのちに厚み方向に分極させたシートを用いることができる。強誘電体材料としては、PVDFや、PVDFとTrFEやETFEなどの共重合体、PZTがある。第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは互いに分極方向が上下逆になるように積層される。
With the above-described circuit configuration, the
(6) Pressing Means The pressing means for applying pressure to the
(7) Detailed Description of Piezoelectric Sheet As the material of the first
第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bは、延伸によって物性の異方性を有する圧電体であり、具体的には例えば一軸延伸したポリフッ化ビニリデンフィルムからなる。一軸延伸方向のx軸方向に応力又は歪みを加えた時のz軸方向の分極を示す圧電定数をd31とし、x軸に直交するy軸方向に応力又は歪みを加えた時のz軸方向の分極を示す圧電定数をd32とする。この場合、ポリフッ化ビニリデンの一軸延伸からなる圧電体では、d31はd32の約2倍又はそれ以上の値となる。
Each of the first
なお、延伸による物性の異方性は、多軸延伸において延伸差を設けることでも実現される。 In addition, the anisotropy of the physical property by stretching is also realized by providing a stretching difference in multiaxial stretching.
図4に示すように、第1圧電シート3aでは、d31は長方形の長辺3Bが延びる方向に平行であり、d32は長方形の短辺3Aが延びる方向に平行である。
As shown in FIG. 4, in the first
図5に示すように、第2圧電シート31bでは、d31は長方形の短辺3Aが延びる方向に平行であり、d32は長方形の長辺3Bが延びる方向に平行である。
As shown in FIG. 5, in the second piezoelectric sheet 31b, d31 is parallel to the direction in which the rectangular
以上に述べたように、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは、d31同士が直交するように配置されている。
As described above, the first
また、図4に示すように、第1圧電シート3aでは、前述の引っ張り応力F1が発生する方向とd31の方向とが直交している。図5に示すように、第2圧電シート3bでは、前述の引っ張り応力F1が発生する方向とd31の方向とが平行である。
Further, as shown in FIG. 4, in the first
第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bの材料の組み合わせは特に限定されない。ただし、両シートは同じ特性を有する材料が用いられることが好ましい。温度変化による熱応力と焦電効果によって生じる圧電シートからの出力をキャンセルできるからである。
The combination of the materials of the first
図6を用いて、圧電シートにおける焦電効果に起因する出力をキャンセルするメカニズムを説明する。図6は、圧力検出器の断面図である。 A mechanism for canceling an output due to a pyroelectric effect in the piezoelectric sheet will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a sectional view of the pressure detector.
第1圧電シート3aと第2圧電シート3bが強誘電体から構成され、しかも第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは、無押庄状態での分極方向が互いに逆方向になるように構成されていれば、圧力検出器100内で温度変化が生じて、圧電シート3内に焦電効果が発生した場合に、図6に示すように、第1圧電シート3aの入力面側と第2圧電シート3bの背面側で正負同じ電荷が生じる。
The first
第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは、厚みが十分薄く(例えば、5μm〜50μm)、かつ、同じ特性を有する材料から構成すると、第1圧電シート3aの背面側の面と第2圧電シート3bの入力面側の面との間で、電位同士がほぼ等しくなり、その結果、第1圧電シート3aの入力面側の面と第2圧電シート3bの背面側の面との間で、電位同士が等しくなることが導き出される。
When the first
したがって、上記のように構成すると、圧電シート3が焦電効果の影響を受けた場合、焦電効果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。すると、圧力検出器100において、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bが焦電効果の影響を受けた場合に、検出電極4によって検出される圧電シート3として焦電効果に起因する電位差は、ほぼ「0」となる。したがって、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bに焦電効果が発生しても、圧電シート3全体としては焦電効果に起因する電位差がほとんど検出されない。すなわち、圧電シート3(第1圧電シート3aと第2圧電シート3b)が、強誘電体から構成される場合、圧電シート3と検出電極4が上記のように構成されることにより、温度変化に伴う誤動作(特に、焦電効果に起因した誤動作)がほとんど生じない。
Therefore, with the above configuration, when the
図7を用いて、圧力検出器100に押圧を加えた場合の電荷発生メカニズムを説明する。図7は、圧力検出器の断面図である。
The charge generation mechanism when pressure is applied to the
圧力検出器100に押圧を加えたとき、支持基板1は圧電シート3や検出電極4に比べて高い剛性を有しているため、圧電シート3(第1圧電シート3aと第2圧電シート3b)には引張応力が生じる。このとき、第1圧電シート3aには引張応力σuが生じ、第2圧電シート3bには引張応力σlが生じる。その結果、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bの入力面側の面と背面側の面には、上記引張応力に応じた電荷がそれぞれ発生する。
When pressure is applied to the
圧力検出器100では、支持基板1の入力面1aが押されると、支持基板1は縁部が筐体6に支持されながらたわむ。その結果、第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bもたわむ。
In the
このとき、第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bでは、平面視において、d31の方向及びd32の方向と引っ張り応力F1の方向及び引っ張り応力F2方向との互いに平行になる組み合わせが異なる。例えば、第1圧電シート3aにおいては、図4に示すように、d31の方向は、引っ張り応力F2の方向と平行になっている(引っ張り応力F1の方向と直交している)。また、第2圧電シート3bにおいては、図5に示すように、d31の方向は、と引っ張り応力F1の方向と平行になっている(引っ張り応力F2の方向と直交している)。そして、検出回路53が押圧力算出の演算においてこれら電荷量を加算することで、比較的大きな出力を得ることができる。つまり、圧力検出器100の押圧検出感度が高くなる。
At this time, in the first
なお、縁部の固定部分の平面形状が例えば4回対称である場合(例えば、支持基板の形状が正方形でああって固定部分が4辺全てである場合)、又は、第1圧電シート3a及び第2圧電シート3bが異方性を有していない場合は、押圧力算出の演算においてこれら電荷量を加算したときに、大きな出力が得られない。
2.第2実施形態
図8を用いて、支持基板1の変形例を説明する。図8は、第2実施形態の支持基板の平面図である。
The planar shape of the fixed portion of the edge portion is, for example, four-fold symmetric (for example, the shape of the support substrate is square and the fixed portion has all four sides), or the first
2. Second Embodiment A modification of the
支持基板1Aは、図8に示すように、正方形であり、対向する2つの辺21のみが接着剤8によって筐体(図示せず)に固定されている。
As shown in FIG. 8, the
なお、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)の形状も正方形である。 The first and second piezoelectric sheets (not shown) are also square.
以上より、この実施形態では、支持基板1Aの形状の平面形状が4回対称であるが、「縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している」という条件が満たされていることによって、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)には、支持基板1と共にたわむときに大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。第1軸は、固定された2つの辺21同士が対向する方向に平行に延びている。第2軸は、固定された2つの辺21が延びる方向に平行に延びている。
As described above, in this embodiment, the planar shape of the shape of the
なお、この実施形態では、縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有しており、さらに、第1圧電シートと第2圧電シートは、電荷量が大きな軸同士が直交するように配置されていることによって、第1実施形態と同じ効果が得られる。これは、下記の実施形態全てに当てはまる。
3.第3実施形態
図9を用いて、支持基板1の変形例を説明する。図9は、第3実施形態の支持基板の平面図である。
In this embodiment, the arrangement of the fixed portion at the edge has a symmetry of less than twice symmetry, and the axes of the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet whose axes of charge are large are orthogonal to each other. With such arrangement, the same effect as in the first embodiment can be obtained. This applies to all of the embodiments described below.
3. Third Embodiment A modification of the
支持基板1Bは、図9に示すように、楕円形であり、縁全体が接着剤8によって筐体(図示せず)に固定されている。
As shown in FIG. 9, the
なお、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)の形状も楕円形である。 The first and second piezoelectric sheets (not shown) are also elliptical.
「縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している」という条件が満たされていることによって、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)には、支持基板1Bと共にたわむときに大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。第1軸は、楕円形の短軸が延びる方向に平行に延びている。第2軸は楕円形の長軸が延びる方向に平行に延びている。
4.第4実施形態
図10を用いて、支持基板1の変形例を説明する。図10は、第4実施形態の支持基板の平面図である。
By satisfying the condition that “the arrangement of the fixed portion of the edge portion has symmetry less than or equal to twice symmetry”, the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet (not shown) have support There is a first axis where a large tensile stress F1 is generated when bending together with the
4. Fourth Embodiment A modification of the
支持基板1Cは、図8に示すように、長方形であり、対向する2つの長辺23のみが接着剤8によって筐体6に固定されている。
As shown in FIG. 8, the
なお、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)の形状も長方形である。 The first and second piezoelectric sheets (not shown) are also rectangular.
「縁部の固定部分の配置2回対称以下の対称性を有している」という条件を満たしていることによって、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)には、支持基板1と共にたわむときに大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。第1軸は、2つの長辺23同士が対向する方向に平行に延びている。第2軸は、2つの長辺23が延びる方向に平行に延びている。
5.第5実施形態
図11を用いて、支持基板1の変形例を説明する。図11は、第5実施形態の支持基板の平面図である。
The first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet (not shown) are provided with the
5. Fifth Embodiment A modification of the
支持基板1Dは、図11に示すように、正方形であり、対向する2つの第1辺25が両面テープ8Aによって筐体6に固定されており、対向する2つの第2辺27が両面テープ8Bによって筐体6に固定されている。ここで、両面テープ8Aは、両面テープ8Bに比べて硬い。つまり、両面テープ8Aは硬い材料からなり、両面テープ8Bは柔らかい材料からなる。つまり、第1辺25は第2辺27に比べて剛性が高い。以上より、この実施形態では、支持基板の平面形状が4回対称であるが、剛性が十分に高い両面テープ8Aが二辺に形成されることで、第1圧電シート及び第2圧電シートには、シート部材と共にたわむときに発生する大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。つまり、縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有しているという条件が満たされている。
As shown in FIG. 11, the support substrate 1D is square, and two opposing
したがって、剛性が低い両面テープ8Bが他の二辺に形成されていても、上記条件は満たされている。言い換えると、両面テープ8Bは上記条件が満たされるような剛性であることが必要である。
Therefore, even when the double-
なお、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)の形状も正方形である。 The first and second piezoelectric sheets (not shown) are also square.
第1軸は、剛性の低い第2辺27(両面テープ8B)が延びる方向に平行に延びている。第2軸は、剛性が高い2つの第1辺25(両面テープ8A)が延びる方向に平行に延びている。
6.第6実施形態
図12を用いて、支持基板1の変形例を説明する。図12は、第6実施形態の支持基板の平面図である。
The first axis extends parallel to the direction in which the second side 27 (double-
6. Sixth Embodiment A modification of the
支持基板1Eは、図12に示すように、正方形であり、対向する2つの第1辺25が両面テープ8Cによって筐体6に固定されており、対向する2つの第2辺27が両面テープ8Dによって筐体6に固定されている。ここで、両面テープ8Cは、両面テープ8Dに比べて線幅が大きい。その結果、第1辺25は第2辺27に比べて剛性が高い。
As shown in FIG. 12, the
以上より、剛性が十分に高い両面テープ8Cが二辺に形成されることで、第1圧電シート及び第2圧電シートには、シート部材と共にたわむときに発生する大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。つまり、縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有しているという条件が満たされている。
As described above, since the double-
したがって、剛性が低い両面テープ8Dが他の二辺に形成されていても、上記条件は満たされている。言い換えると、両面テープ8Dは上記条件が満たされるような剛性であることが必要である
なお、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)の形状も正方形である。
Therefore, even when the double-
支持基板1が「縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有している」という条件を満たしていることによって、第1圧電シート及び第2圧電シート(図示せず)には、支持基板1Eと共にたわむときに大きな引っ張り応力F1が発生する第1軸と、小さな引っ張り応力F2が発生する第2軸とが存在する。第1軸は、剛性の低い第2辺27(両面テープ8D)が延びる方向に平行に延びている。第2軸は、剛性が高い2つの第1辺25(両面テープ8C)が延びる方向に平行に延びている。
7.第7実施形態
上記実施形態の装置の層構成は一実施形態であって、本発明はこれに限定されない。例えば、バイモルフは直列型であったが、並列型であってもよい。
When the
7. Seventh Embodiment The layer configuration of the device of the above embodiment is one embodiment, and the present invention is not limited to this. For example, the bimorph is of a serial type, but may be of a parallel type.
図13を用いて、そのような実施形態を説明する。図13は、第7実施形態の圧力検出器の断面図である。なお、基本的な構造は前記実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。 Such an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a sectional view of the pressure detector of the seventh embodiment. Since the basic structure is the same as that of the above-described embodiment, the following description will focus on the differences.
圧力検出器100は、主に、支持基板1と、圧電シート3と、検出電極4と備えている。圧力検出器100の基本動作として、支持基板1が押されると圧力検出器100がたわみ、圧電シート3には引張応力が加わるとともに、電荷が発生する。そして、2枚の検出電極4がその電荷を検出することで、圧力検出器100に加えられた押圧力を検出できる。
The
より詳細には、圧力検出器100は、入力面側から背面側に向かって、支持基板1、接着層2、第1検出電極4c、第1圧電シート3a、第2検出電極4d、第2圧電シート3b、第3検出電極4eを有している。以下、各構成を説明する。
More specifically, the
圧電シート3は、押圧力が加えられたわみが発生すると、両面に加えられた押圧力に応じた電位差を発生するシートである。圧電シート3は、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bと有している。第1圧電シート3aと第2圧電シート3bは互いに分極方向が上下同じになるように積層される。
The
検出電極4は、第1検出電極4cと、第2検出電極4d、第3検出電極4eとからなる。第1検出電極4cは、支持基板1(具体的には、接着層2)と第1圧電シート3aの間(つまり、第1圧電シート3aの第2圧電シート3bと反対側)に配置され、第2検出電極4dは、第1圧電シート3aと第2圧電シート3bとの間に配置されている。第3検出電極4eは第1圧電シート3aの背面側(つまり、第2圧電シート3bの第1圧電シート3aと反対側)に配置される。
The
第1検出電極4c及び第3検出電極4eは互いに短絡されて、グランドに接続されている。第2検出電極4dは、検出回路53に接続されている。
The
以上の回路構成によって、検出回路53は、第1圧電シート3aで発生する電荷量(この実施形態では、正に大きい)と第2圧電シート3bで発生する電荷量(この実施形態では、負に小さい)の加算値(出力)を得ることができる。
8.他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合わせ可能である。
(1)支持基板及び圧電シートの平面形状は前記実施形態のものに限定されない。例えば、台形、平行四辺形、曲線を有する異形形状であってもよい。
(2)支持基板及び圧電シートの平面形状は互いに異なっていてもよい。
(3)上記の実施形態では、圧力検出器のバイモルフは支持基板1に固定されていたが、本発明はそれら実施形態に限定されない。圧力検出器のバイモルフはタッチパネルの背面に固定されてもよい。その場合、押圧力だけでなく、押圧の位置も検出できる。タッチパネルとしては、静電容量方式、抵抗膜方式、光学方式が挙げられる。
With the above-described circuit configuration, the
8. Other Embodiments A plurality of embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit of the invention. In particular, a plurality of embodiments and modifications described in this specification can be arbitrarily combined as needed.
(1) The planar shapes of the support substrate and the piezoelectric sheet are not limited to those of the above embodiment. For example, it may be a trapezoid, a parallelogram, or an irregular shape having a curve.
(2) The planar shapes of the support substrate and the piezoelectric sheet may be different from each other.
(3) In the above embodiments, the bimorph of the pressure detector was fixed to the
本発明は、圧力検出装置、特に、2枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフを用いた圧力検出装置に広く適用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely applied to a pressure detecting device, particularly to a pressure detecting device using a bimorph in which two piezoelectric sheets are bonded.
1 :支持基板
1a :入力面
1b :背面
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
6 :筐体
8 :接着剤
100 :圧力検出器
110 :電子機器
1:
Claims (7)
前記圧力が作用する第1面と、縁部の一部又は全部が接着層によって前記支持部に固定及び支持される第2面とを有するシート部材と、
前記シート部材の第2面の中央部に配置され、互いに直交しており伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と小さな軸とを有する異方性の第1圧電シートと、
前記第1圧電シートの前記シート部材と反対側において前記第1圧電シートに対向して配置され、互いに直交しており伸びに対して発生する電荷量が大きな軸と小さな軸とを有する異方性の第2圧電シートと、を備え、
前記縁部の固定部分の配置が2回対称以下の対称性を有しており、
前記第1圧電シートと前記第2圧電シートは、前記電荷量が大きな軸同士が直交するように配置されている、
圧力検出装置。 An opening and a support portion surrounding the opening are provided so as to close the opening, and the pressure is detected using two piezoelectric sheets that generate electric charges by externally applied pressure. A pressure detector,
A sheet member having a first surface on which the pressure acts, and a second surface in which part or all of an edge portion is fixed and supported on the support portion by an adhesive layer;
An anisotropic first piezoelectric sheet that is arranged at the center of the second surface of the sheet member and that has an axis that is orthogonal to each other and has a large axis and a small axis that generate an amount of electric charge for elongation;
Anisotropically disposed opposite to the first piezoelectric sheet on the opposite side of the first piezoelectric sheet from the sheet member, and having an axis having a large axis and an axis having a small amount of electric charge generated with respect to elongation and being orthogonal to each other. And a second piezoelectric sheet of
The arrangement of the fixed portion of the edge has a symmetry of less than twice symmetry,
The first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet are arranged such that the axes having the large charge amount are orthogonal to each other.
Pressure detector.
前記一対の第1辺は、長手方向に延びる縁である、請求項2又は3に記載の圧力検出装置。 4. The pressure detection device according to claim 2, wherein the fixed portion of the edge is elongated in one direction in a plan view, and the pair of first sides are edges extending in a longitudinal direction. 5.
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