JP6896857B2 - 圧電気センサ装置及び応用 - Google Patents
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Description
複数の圧電領域を含み、圧電領域当たりには正極表面と負極表面が含まれており、複数の圧電領域における1圧電領域目から最後の圧電領域を順に隣接する圧電領域が同極表面と同極表面とが接続する方式で接続し、即ち正極表面と正極表面とが接続するか、又は負極表面と負極表面とが接続することを特徴とする圧電センサ装置である。前記圧電領域とは、圧電効果を持つ独立部であり、例えば圧電セラミック、圧電結晶又は圧電フィルムなどである。
本発明は高周波信号を増大させるとともに低周波信号を弱めるものであり、前記高周波信号と低周波信号は具体的な使用条件に基づいて定義されたものである。f(周波数)=v(波速)/λ(波長)であるため、本発明における高周波と低周波の境界点は下記式(1)で定義される。
f=v/(6*d) (1)
中でも、vは測定される物体における機械波の伝搬速度であり、dは図中に示される両圧電領域の等価距離であり、一般的に両圧電領域の中心の間の距離を指す。なお、シート状構造における波については、上式におけるvは固定値ではなく、fの関数である。周波数が上式におけるf=v/(6*d)よりも大きい場合、高周波信号と定義されるのに対して、周波数が上式におけるf=v/(6*d)よりも小さい場合、低周波信号と定義される。式(1)からすれば、高周波と低周波との境界点は材料と両圧電領域の位置によって異なるため、ここでの高周波と低周波は材料と圧電領域の位置によるものである。本発明において、材料と圧電領域の位置を一定にすることを前提に高周波信号を増大させるとともに低周波信号を弱めるという有利な効果を得ることができる。
構造中の波信号をS0=A0*sin(a*t+θ0) (2)とし、
第1センサ装置が出力する波信号は下式(3)で示され、
第2センサ装置が出力する波信号は下式(4)で示され、
本発明における組み合わせにより出力する波信号は下式(5)で示される。
中でも、
は出力される波信号Sの振幅である。シート状構造における零階非対称波については、周波数fが増大すると、波長λが減少する。両センサの等価距離dが変わらなく、位相差が|θ1−θ2|=2*π*d/λである。したがって、|θ1−θ2|<π(即ちd/λ<1/2)の場合、fが増大し、振幅Sが増大する。したがって、本発明における組み合わせは高周波信号を増大させる(最大で元信号の2倍に達する)役割を果たすとともに、低周波信号を弱める(最小で0に近い役割を果たしている。また、dを調節することにより信号の拡大倍数を調整できることが分かる。
図1は実施例1の第1構造の模式図である。当該構造は第1引出電極1001、第2引出電極1002、第1圧電領域1005、第2圧電領域1006及び電極1004を含む。中でも、第1圧電領域1005と第2圧電領域1006は同じ圧電材料1003に存在する。圧電材料1003は圧電効果を持つ材料であり、無機圧電材料と有機圧電材料を含む。無機圧電材料は圧電結晶を含み、例えば水晶(石英結晶)、リチウムガレート、ゲルマニウム酸リチウム、ゲルマニウム酸チタン、フェロトランジスターニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムなどが挙げられ、その他、圧電セラミックをも含み、例えばチタン酸バリウムBT、チタン酸ジルゴン酸鉛PZT、変性チタン酸ジルゴン酸鉛PZT、メタニオブ酸鉛、ニオブ酸鉛バリウムリチウムPBLN、変性チタン酸鉛などが挙げられる。有機圧電材料は圧電高分子とも呼ばれ、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)(フィルム)及びそれに代表される他の有機圧電(フィルム)材料が挙げられる。本発明の実施例では圧電セラミックが用いられる。本発明の実施例では、第1圧電領域1005と第2圧電領域1006は同じ圧電材料1003に存在し、即ち二つの圧電領域は同じ圧電構造に存在し、二つの圧電領域はいずれも上面が負極表面であり、下面が正極表面である。正極表面に電極1004が結合し、二つの圧電領域の電気的な接続が実現し、それぞれ二つの圧電領域の負極表面に電極が結合し、圧電センサ装置と外部回路との電気的接続に用いられる第1引出電極1001と第2引出電極1002を形成する。本発明において、電極は金属蒸着フィルムであり、圧電センサ装置が稼働する際に、圧電効果のため、圧電領域の二つの表面にそれぞれ同じ数且つ逆極性の電荷が積もる。中でも、正電荷が積もる電極は正極表面であるのに対して、負電荷が積もる電極は負極表面である。正極表面に結合する電極は正電極であるのに対して、負極表面に結合する電極は負電極である。電位差が比較的小さく生じることを確保したまま、電極の抵抗による出力電流の顕著な減少を引き起こさないために、電極については、導電性が良い材料が用いられ、例えばアルミニウム、金、銀などの金属材料、又はAg−Ni−Sn、Ag−Ni−Au、Cu−Ni−Sn(BME)などの三層の構造からなる積層電極が挙げられる。図1において、電極1004は正電極であり、第1引出電極1001と第2引出電極1002は負電極であり、第1圧電領域1005と第2圧電領域1006の分極方向は正極表面から負極表面へ指すものであり、電極1004は第1圧電領域の正極表面と第2圧電領域の正極表面に電気的に接続し、第1引出電極1001と第2引出電極1002はそれぞれ引出線に接続するか、又は伝導路により外部回路に接続し、はんだ材料、導電ペースト又は導電粘着剤などの電気的な接続に適する材料を用いて引出電極と外部回路を接続することを含む。
図5〜図8は実施例2における四つの異なる構造である。本実施例と実施例1との相違点は、実施例1においては同じ圧電領域の正極表面と負極表面に複数の電極が置かれ、一つの圧電構造に複数の圧電領域を有する圧電センサ装置を形成するのに対して、本実施例においては異なる圧電領域の正極表面と負極表面に電極が置かれ、圧電領域当たりがそれぞれ異なる圧電構造に存在する圧電センサ装置を形成する。中でも、異なる圧電領域の間には絶縁材料で接続してもよく、何ら材料を使わずに接続してもよい。前記絶縁材料は一定の強度(例えばプラスチック、絶縁セラミック、アクリルなど)を持つ必要がある。前記絶縁材料は構造を強化する役割を果たし、前記圧電センサ装置は取付及び使用においてより固く且つ耐用になるため、壊れにくい。また、複数の圧電領域間の距離は調節しうるものである。複数の圧電領域間の距離は固定することなく、具体的な使用状況に基づいて調節してもよい。例えば、測定される物体の形状又は厚みに基づいて調節してもよい。圧電領域の間に充填された絶縁材料が含まれる場合、充填された絶縁材料は圧電領域の配列方向に長さが固定することなく、具体的な使用状況に基づいて調節してもよく、例えば測定される物体の形状又は厚みに基づいて調節してもよい。具体的に以下のとおりである。
図11は実施例3の構造の模式図である。本実施例が前述した実施例と違うのは第1引出電極11001、第2引出電極11002、圧電体11003及び接続電極11005を含む円形の圧電体が用いられる点にある。図中において、第1引出電極11001と第2引出電極11002とがそれらに対応する圧電体の負極に結合し、接続電極11004は前記圧電体の正極に結合する。当該実施例において、用いられる円形の圧電体11003は方形の圧電体に比べて取り付け易いため、特定の取り付けの場面に適する。
図13は本発明に係るタッチ検出装置の構造の模式図の一種であり、タッチ受信装置、圧電センサ装置、信号検出装置及び信号処理装置を含む。中でも、タッチ受信装置はタッチ動作を受信するに用いられる。圧電センサ装置はタッチ受信装置に対するタッチ動作を圧電信号に転換するに用いられる。信号検出装置は圧電センサ装置から出力された圧電信号を検出するに用いられる。信号処理装置は検出された信号を分析するに用いられ、タッチ位置の情報を得る。本実施例において、タッチ受信装置はLEDスクリーンである。圧電センサ装置は少なくとも二つである。圧電センサ装置が二つである場合、タッチ受信装置における一対角線の二つの端点に分布する。圧電センサ装置が三つである場合、それぞれタッチ受信装置の四角における三つの角に分布するか、又はそれぞれタッチ受信装置の境界位置に分布する。圧電センサ装置が四つである場合、それぞれタッチ受信装置の四角に分布するか、又はタッチ受信装置の境界位置に分布する。圧電センサ装置が四つ以上である場合、そのうち四つはタッチ受信装置の四角に分布し、他の圧電センサ装置は境界位置に分布する。タッチ受信装置の面積に基づいて、複数の圧電センサ(即ち実施例1又は実施例2に記載の圧電センサ装置)を二次元マトリックスの形で配列してもよい。例えば、タッチ受信装置の境界、角及び中間位置に分布する3X3、5X5又は7X7のマトリックスである。圧電センサ装置が3X3のマトリックスである場合、九つの圧電センサ装置のうち四つは角に分布し、四つはタッチ受信装置の四つの辺の中間位置に分布し、一つはタッチ受信装置の中心点に分布する。
図14に示されるように、本発明はタッチ検出方法を提供するものであり、具体的に以下の工程を含む。
タッチ受信装置はタッチ動作を受信する。タッチ受信装置は振動を検出するに適すれば何でもよい。例えば、ガラス板、プラスチック板、金属板などであってもよく、表示画面(例えば投射表示画面、液晶表示画面、LED表示画面、LCD表示画面又はCRT表示画面など)であってもよい。本実施例において、タッチ受信装置はLED表示画面であり、タッチ動作はタッチ受信装置に圧力を生じる可能なタッチ(クリックタッチ、スライドタッチなどを含む)を含む。
信号処理装置は検出された圧電信号を分析することにより、タッチ動作のタッチ位置及び/又はタッチ軌跡を得る。つまり、四つの圧電センサ装置がそれぞれ検出した電気信号を処理することによりタッチ位置を得る。連続でタッチする場合、例えばスライドタッチ、タッチ位置の変化を対比して分析し、タッチ軌跡を得ることができる。
1002 第2引出電極
1003 圧電材料
1004 電極
1005 第1圧電領域
1006 第2圧電領域
2001 第1引出電極
2002 第2引出電極
2003 圧電材料
2004 電極
2005 第1圧電領域
2006 第2圧電領域
3001 電極
3002 電極
3003 圧電材料
3004 第1引出電極
3005 第2引出電極
3006 接続線
3007 第1圧電領域
3008 第2圧電領域
4001 第1引出電極
4002 電極
4003 第2引出電極
4004 電極
4005 圧電材料
4006 電極
4007 第1圧電領域
4008 第2圧電領域
4009 第3圧電領域
4010 第4圧電領域
5001 電極
5002 電極
5003 第1圧電領域
5004 第1引出電極
5005 第2引出電極
5006 第2圧電領域
5007 接続線
6001 第1引出電極
6002 第2引出電極
6003 第1圧電領域
6004 電極
6005 第2圧電領域
6006 絶縁接続シート
7001 第1引出電極
7002 電極
7003 第1圧電領域
7004 電極
7005 第2圧電領域
7006 第3圧電領域
7007 第2引出電極
8001 第1引出電極
8002 電極
8003 第2引出電極
8004 第1圧電領域
8005 電極
8006 第2圧電領域
8007 第3圧電領域
8008 電極
8009 第4圧電領域
9001 第1引出電極
9002 電極
9003 電極
9004 電極
9005 第2引出電極
9006 第1圧電領域
9007 第2圧電領域
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10001 第1引出電極
10002 電極
10003 電極
10004 電極
10005 電極
10006 電極
10007 電極
10008 電極
10009 第2引出電極
10010 第1圧電領域
10011 第2圧電領域
10012 第3圧電領域
10013 第4圧電領域
10014 第5圧電領域
10015 第6圧電領域
10016 第7圧電領域
10017 第8圧電領域
11001 第1引出電極
11002 第2引出電極
11003 圧電材料
11004 接続電極
Claims (10)
- 圧電センサ装置であって、複数の圧電領域を含み、圧電領域当たりに圧電体と、正極表面と負極表面とが含まれており、中でも、前記複数の圧電領域における第1圧電領域から最後の圧電領域を順に隣接する圧電領域が同極表面と同極表面とが接続する方式(即ち正極表面と正極表面とが接続するか、又は負極表面と負極表面とが接続する)で接続し、前記圧電体は圧電効果を持つ材料であり、
圧電センサ装置が稼働する際に、圧電効果のため、圧電領域の二つの表面にそれぞれ同じ数且つ逆極性の電荷が積もることを特徴とする圧電センサ装置。 - それぞれ第1圧電領域と最後の圧電領域との隣接する圧電領域との非接続端部に結合する第1引出電極と第2引出電極をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 第1引出電極と第2引出電極を除く接続電極をさらに含み、前記接続電極は、前記隣接する圧電領域における同極表面を互いに電気的に接続し、前記接続電極は剛性接続又はフレキシブルな接続を含むことを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域は同一の圧電体の異なる部分に存在することを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域は異なり且つ相互に独立する圧電体に存在することを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域は並列の形で並べられるか、又は前記複数の圧電領域は直列の形で並べられるか、又は前記複数の圧電領域は二次元配列の形で並べられるか、又は前記複数の圧電領域は階層の形で並べられるか、又は前記複数の圧電領域は三次元配列の形で並べられることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域の間に充填された絶縁材料が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域間の距離は調節しうるものであることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 前記複数の圧電領域における圧電体の形状は方形又は円形であることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ装置。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧電センサ装置を含むタッチ受信装置である。
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