JP7088442B1 - 変形検出センサ - Google Patents

Abstract

変形検出センサ（１０）は、検出電極（１３）と、第１グランド電極（１２）と、前記検出電極（１３）および前記第１グランド電極（１２）で挟まれる圧電フィルム（１５）と、前記検出電極（１３）および第２グランド電極（１４）が形成された基材（１６）と、前記検出電極（１３）に接続される配線（２０）と、前記配線（２０）および前記検出電極（１３）を接合する接合部材（３０）と、を備える。

Description

本発明は、検出対象の変形を検出する変形検出センサに関する。

特許文献１には、圧電フィルムを用いた押圧センサが開示されている。圧電フィルムは、検出電極とグランド電極とで挟まれる。押圧センサは、検出電極とグランド電極で生じる電位差を検出することで、押圧を検出する。

国際公開第２０１５／１５９６２８号

特許文献１の様な押圧センサは、センサの信号を演算回路に出力するための配線が必要になる。センサと配線を接続するためには、例えば端子部品等の実装部品が用いられる。しかし、実装部品を用いると厚みが増し、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができない。また、センサ上に端子部品等を実装するための実装部分を確保する必要がある。

そこで、本発明は、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができ、センサ上に端子部品等を実装するための実装部分を確保する必要のない変形検出センサを提供することを目的とする。

本発明の変形検出センサは、検出電極と、第１グランド電極と、第２グランド電極と、前記検出電極および前記第１グランド電極で挟まれる圧電フィルムと、前記検出電極および前記第２グランド電極が形成された基材と、前記検出電極に接続される配線と、前記配線および前記検出電極を接合する接合部材と、を備える。そして、前記接合部材は、平面視して前記第１グランド電極と重なり、前記基材のうち前記圧電フィルムが配置される第１面側と反対側の第２面側に配置される。

この様に、本発明の変形検出センサでは、配線および検出電極は、接合部材（例えばはんだや異方性導電樹脂等）で接合される。これにより、本発明の変形検出センサは、端子部品を用いないため、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができる。また、接合される箇所は、圧電フィルムが配置される第１面側と反対側の第２面側であるため、圧電フィルムの面側に実装部分を設ける必要がない。つまり、圧電フィルムの占有面積を大きくすることができ、センサ全体としての面積を小さくすることができる。

この発明によれば、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができ、センサ上に端子部品等を実装する実装部分を確保する必要のない変形検出センサを提供することができる。

図１（Ａ）は押圧センサ１０を備えた電子機器１の平面図であり、図１（Ｂ）は、電子機器１の側面図である。 図２（Ａ）は、押圧センサ１０の平面図であり、図２（Ａ）は、Ａ－Ａ線の断面図である。 変形例１の押圧センサ１０Ａの断面図である。 図４（Ａ）は、変形例２に係る押圧センサ１０Ｂの平面図であり、図４（Ｂ）は、Ａ－Ａ線の断面図である。 変形例３の押圧センサ１０Ｃの断面図である。 変形例４の押圧センサ１０Ｄの断面図である。 変形例５の押圧センサ１０Ｅの断面図である。 押圧センサ１０Ｆの平面図である。 図９（Ａ）は、押圧センサ１０Ｆの斜視図であり、図９（Ｂ）は、一部分解斜視図である。 図１０（Ａ）は、図８に示すＡ－Ａ線の断面図であり、図１０（Ｂ）は、図８に示すＢ－Ｂ線の断面図である。

図１（Ａ）は、押圧センサ１０を備えた電子機器１の平面図である。図１（Ｂ）は、電子機器１の側面図である。

電子機器１は、例えばスマートフォン等の情報処理端末である。電子機器１は、筐体２と表面パネル３および表示装置４を備えている。筐体２には、情報処理端末の各種回路が内蔵されている。

表示装置４は、静電容量センサ５および表示部６を備える。静電容量センサ５は、表面パネル３に対するタッチ操作を検出する。表示部６は、ＬＣＤまたはＯＬＥＤからなり、画像を表示する。

表面パネル３は、指等により押圧されると変形する。押圧センサ１０は、本発明の変形検出センサの一例である。押圧センサ１０は、表面パネル３と一体的に変形する。押圧センサ１０は、正面視して長方形状である。

図２（Ａ）は、押圧センサ１０の平面図であり、図２（Ａ）は、Ａ－Ａ線の断面図である。押圧センサ１０は、圧電フィルム１５と、基材１６と、配線２０と、接続部材５０と、からなる。

圧電フィルム１５の第１主面には、第１グランド電極１２が配置され、第２主面には検出電極１３が配置される。基材１６の第１主面には検出電極１３が配置され、第２主面には第２グランド電極１４が配置される。

配線２０は、配線基材２３と、配線基材２３の第１主面に形成されている配線グランド電極２２と、配線基材２３の第２主面に形成されている配線検出電極２１と、を備えている。

基材１６の検出電極１３と配線２０の配線検出電極２１は、接合部材３０で接合される。

接続部材５０は、表面パネル３等の変形検出の対象物に接続される。これにより、接続部材５０が表面パネル３の変形に伴って変形する。接続部材５０の上面には、不図示の粘着剤等を介して、第２グランド電極１４が貼り付けられる。

基材１６は、例えばポリイミド等の絶縁性部材からなる。基材１６の両主面には、銅箔等の電極が形成されている。この例では、基材１６のうち第１グランド電極側の第１主面に形成されている電極が検出電極１３となり、反対側の第２主面に形成されている電極が第２グランド電極１４となる。

検出電極１３の上面には、不図示の粘着剤等を介して圧電フィルム１５が貼り付けられる。圧電フィルム１５の上面には、第１グランド電極１２が貼り付けられる。第１グランド電極１２は、例えば導電性粘着剤と金属薄膜と、からなる。

第１グランド電極１２は、圧電フィルム１５とほぼ同じ面積か、圧電フィルム１５の面積よりも大きく、平面視して圧電フィルム１５を覆う。

基材１６は、平面視して圧電フィルム１５の長軸方向に沿って側方に延長されている。当該延長されている部分において、検出電極１３の上面には、接合部材３０が配置される。接合部材３０は、検出電極１３および配線検出電極２１を電気的に接続し、かつ物理的に接続する。

配線基材２３は、例えばポリイミド等の絶縁性部材からなる。配線基材２３の両主面には、銅箔等の電極が形成されている。この例では、配線基材２３のうち第１グランド電極側の第１主面に形成されている電極が配線グランド電極２２となり、反対側の第２主面に形成されている電極が配線検出電極２１となる。

第１グランド電極１２および第２グランド電極１４は、不図示のビア導体等を介して、配線グランド電極２２に接続される。

接合部材３０は、例えば、はんだや異方性導電樹脂等からなる。異方性導電樹脂は、熱圧着されることで、検出電極１３および配線検出電極２１を電気的に接続し、かつ物理的に接合する。

接合部材３０は、平面視して第２グランド電極１４および配線グランド電極２２に重なっている。したがって、接合部材３０におけるシールド性が向上する。また、第２グランド電極１４および配線グランド電極２２とも、それぞれ基材１６および配線基材２３に形成された電極からなる。したがって、接合部材３０における機械的強度が向上する。

本実施形態の押圧センサ１０Ａは、基材１６と配線２０の電気的接続に端子部品を用いないため、厚みの薄い圧電フィルム１５の特徴を活かすことができる。

次に、図３は、変形例１の押圧センサ１０Ａの断面図である。図２（Ｂ）と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

変形例１の押圧センサ１０Ａは、接続部材５０と第２グランド電極１４との間に補強部材７０を備えている。補強部材７０は、例えばＳＵＳ板からなる。補強部材７０は、はんだ等の接合部材で、第２グランド電極１４および接続部材５０に接合される。これにより、変形例１の押圧センサ１０Ａは、接合部材３０におけるシールド性および機械的強度が向上する。

次に、図４（Ａ）は、変形例２に係る押圧センサ１０Ｂの平面図であり、図４（Ｂ）は、Ａ－Ａ線の断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

この例では、基材１６の第１主面および第２主面に形成されている電極がパターニングされている。第１主面に形成されている電極は、検出電極１３Ａとグランド電極１３Ｂに分断されている。検出電極１３Ａは、圧電フィルム１５に対向する位置に配置されている。グランド電極１３Ｂは、圧電フィルム１５に対向しない位置で、概ね平面視して基材１６および配線２０の重なる位置に配置されている。

第２主面に形成されている電極は、検出電極１４Ａとグランド電極１４Ｂに分断されている。図４（Ａ）のハッチングに示す様に、検出電極１４Ａは、平面視して基材１６および配線２０の重なる位置と、圧電フィルム１５の一部に重なる位置とに形成されている。また、検出電極１４Ａは、基材１６の短軸方向の両端を除く位置に形成されている。グランド電極１３Ｂは、平面視して圧電フィルム１５の略全面に重なる位置と、平面視して基材１６および配線２０の重なる位置と、に形成されている。グランド電極１３Ｂは、平面視して基材１６および配線２０の重なる位置において短軸方向の両端側に配置されている。

検出電極１３Ａおよび検出電極１４Ａは、平面視して圧電フィルム１５と重なる位置においてビア導体９０で電気的に接続される。なお、ビア導体９０の位置は、この例に限らない。つまり、この例では、検出電極は、基材１６のうち第１面側に配置される第１電極（検出電極１３Ａ）と、第２面側に配置される第２電極（検出電極１４Ａ）と、からなる。

また、配線基材２３の第１主面に形成されている電極もパターニングされている。配線基材２３の第１主面に形成されている電極は、配線検出電極２１Ａと配線グランド電極２１Ｂに分断されている。配線検出電極２１Ａは、平面視して配線基材２３の短軸方向の両端を除く位置に形成されている。配線グランド電極２１Ｂは、平面視して配線基材２３の短軸方向の両端側に形成されている。

配線検出電極２１Ａおよび検出電極１４Ａは、接合部材３０で接続される。また、配線グランド電極２１Ｂおよびグランド電極１４Ｂは、不図示の別の接合部材で接続される。

圧電フィルム１５の上面には、第１グランド電極１２Ａが貼り付けられる。第１グランド電極１２Ａは、例えば導電性粘着剤と金属薄膜と、からなる。変形例２の押圧センサ１０Ｂでは、第１グランド電極１２Ａは、圧電フィルム１５の上面だけでなく、基材１６の全面を覆う様に貼り付けられている。第１グランド電極１２Ａは、グランド電極１３Ｂにも貼り付けられる。グランド電極１３Ｂは、不図示のビア導体等でグランド電極１４Ｂに接続される。つまり、この例では、第１グランド電極は、圧電フィルム１５に貼り付けられる導電性部材の第１グランド電極１２Ａと、基材１６のうち第１面側に配置されるグランド電極１３Ｂと、からなる。

変形例２の押圧センサ１０Ｂは、基材１６のうち圧電フィルム１５の配置されている第１主面側と反対側の第２主面側で、配線２０を接合する。これにより、圧電フィルム１５の配置されている第１主面側には、配線２０を接続するための実装部分を設ける必要がない。つまり、変形例２の押圧センサ１０Ｂは、圧電フィルム１５の占有面積を大きくすることができる。言い換えると、同じ圧電フィルム１５の面積であってもセンサ全体としての面積を小さくすることができる。

図５は、変形例３に係る押圧センサ１０Ｃの断面図である。図４（Ｂ）の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

変形例３に係る押圧センサ１０Ｃでは、圧電フィルム１５の面積が、変形例２の押圧センサ１０Ｂに比べて大きくなっている。図５の例では、圧電フィルム１５は、平面視して接合部材３０と重なる位置においても配置されている。これにより、変形例３の押圧センサ１０Ｃは、圧電フィルム１５の占有面積をさらに大きくすることができる。

図６は、変形例４に係る押圧センサ１０Ｄの断面図である。図５の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

図６の例では、変形検出の対象物である表面パネル３に配線２０が接続される。図６では、配線２０の配線グランド電極２２が表面パネル３に接触しているが、実際には、配線２０は粘着剤等を介して表面パネル３に貼り付けられて固定される。なお、この例では、表面パネル３が変形検出の対象物であるが、無論、筐体２が変形検出の対象物であってもよい。

押圧センサ１０Ｄは、配線２０を変形検出の対象物に接続しているため、対象物が変形した場合に、当該対象物の変形によるひずみを、配線２０の接続部分を介して圧電フィルム１５に伝達することができる。これにより、押圧センサ１０Ｄは、検出感度が向上する。例えば、図５の押圧センサ１０Ｃの出力が０．１５Ｖｐｐ（Ｖｐｐは、ピークｔｏピーク電圧である。）である場合に、同条件での図６の押圧センサ１０Ｄの出力は０．２２Ｖｐｐとなり、約１．５倍に向上する。また、圧電フィルム１５の面積よりも広い面積の部分におけるひずみを検出することができる。特に、配線２０との接続部分に対する押圧の検出感度が顕著に向上する。

次に、図７は、変形例５に係る押圧センサ１０Ｅの断面図である。図２（Ｂ）の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

基材１６および接続部材５０は、平面視して圧電フィルム１５の長軸方向に沿って側方に延長されている。図７では、第２グランド電極１４も平面視して圧電フィルム１５の長軸方向に沿って側方に延長されているが、第２グランド電極１４が側方に延長されることは必須ではない。

当該延長されている部分において、基材１６および接続部材５０は、変形検出の対象物である表面パネル３に接続される。つまり、平面視して圧電フィルム１５が配置されていない位置においても、基材１６は、変形検出の対象物に接続される。そのため、対象物が変形した場合に、当該対象物の変形によるひずみを、接続部分を介して圧電フィルム１５に伝達することができる。これにより、押圧センサ１０Ｅは、検出感度が向上する。また、圧電フィルム１５の面積よりも広い面積の部分におけるひずみを検出することができる。特に、側方に延長した部分に対する押圧の検出感度が顕著に向上する。

次に、図８は、押圧センサ１０Ｆの全体構造を示す平面図であり、図９（Ａ）は、押圧センサ１０Ｆの斜視図であり、図９（Ｂ）は、一部の分解斜視図である。図１０（Ａ）は、図８に示すＡ－Ａ線の断面図である。図１０（Ｂ）は、図８に示すＢ－Ｂ線の断面図である。

この例の押圧センサ１０Ｆは、センサ部８０および配線部８１を有する。配線部８１は、増幅回路等の回路部品３９、および出力端子３９０を有する。センサ部８０は、粘着剤２００と、セパレータ２０１と、を有する。図１０（Ａ）に示す様に、グランド電極１４Ｂには、粘着剤２００が貼り付けられる。粘着剤２００は、例えばアクリル系粘着剤で構成される。粘着剤２００には、セパレータ２０１が貼り付けられる。セパレータ２０１は、粘着剤２００の粘着面を保護する。セパレータ２０１には、該セパレータ２０１を引き剥がすための離型部を有する。離型部は、セパレータ２０１のうち粘着剤２００に貼り付けられていない部分である。圧電センサ１００の利用者（例えば電子機器の製造者）は、離型部をピンセット等で摘まんで引っ張ることで、セパレータ２０１を引き剥がす。セパレータ２０１を引き剥がした後の粘着剤２００は、電子部品の筐体等に貼り付けられる。なお、回路部品３９については必ずしも設けられている必要はない。

第１グランド電極１２Ａは、グランド電極１３Ｂに貼り付けられる。ただし、この例では、第１グランド電極１２Ａは、平面視して接合部材３０に重なっていない。仮に、第１グランド電極１２Ａとグランド電極１３Ｂの両方が接合部材３０に重なり、第１グランド電極１２Ａの厚みにばらつきが生じた場合に、接合部材３０の接合強度にばらつきが生じてしまう可能性がある。また、仮に、第１グランド電極１２Ａとグランド電極１３Ｂの両方が接合部材３０に重なり、第１グランド電極１２Ａが熱により変形した場合に、第１グランド電極１２Ａおよびグランド電極１３Ｂの密着性にばらつきが生じる場合もある。この場合、圧電フィルム１５に係る応力がばらつき、センサの特性にばらつきが生じる可能性がある。しかし、第１グランド電極１２Ａは、平面視して接合部材３０に重なっていないため、この様な接合強度や密着性のばらつきを防止することができる。

一方で、グランド電極１３Ｂは、平面視して基材１６および接合部材３０に重なる。グランド電極１３Ｂが基材１６に重なっていることで、基材１６の主面は、平坦な形状に保持し易くなる。仮にグランド電極１３Ｂも平面視して接合部材３０に重ならない構成にすると、基材１６の主面が配線検出電極２１Ａの形状の影響により平坦にならない場合があり、接合部材３０の接合強度にばらつきが生じてしまう可能性がある。本実施形態では、グランド電極１３Ｂが基材１６に重なっていることで、基材１６の主面が、平坦な形状に保持され、接合部材３０の接合強度のばらつきを防止することができる。

また、この例では、図１０（Ｂ）に示す様に、接合部材３０のＸ方向に沿った長さ（幅）Ａ１は、検出電極１４Ａの幅Ａ２および配線検出電極２１Ａの幅Ａ３よりも広い。これにより、接合部材３０の幅方向の端部は、接合時に基材１６および配線基材２３に接触し、接合強度が向上する。また、図１０（Ｂ）の例では、配線検出電極２１Ａの幅Ａ３は、検出電極１４Ａの幅Ａ２よりも広い。ただし、検出電極１４Ａの幅Ａ２が配線検出電極２１Ａの幅Ａ３より広くてもよい。つまり、配線検出電極２１Ａの幅Ａ３と検出電極１４Ａの幅Ａ２は、いずれか一方の幅が他方の幅よりも広い。これにより、接合時にわずかに位置がずれても、配線検出電極２１Ａおよび検出電極１４Ａのいずれか一方の全主面が他方の主面に重なる。したがって、接合部材３０を熱圧着して接合する時の安定性が向上する。

また、グランド電極１３Ｂの幅Ａ４および配線グランド電極２２の幅Ａ４は、検出電極１４Ａの幅Ａ２および配線検出電極２１Ａの幅Ａ３より広い。グランド電極１３Ｂおよび配線グランド電極２２等のグランド電極は、接合部分を補強する。グランド電極の幅が検出電極の幅よりも広いことで、接合部材３０を熱圧着して接合する時の安定性がさらに向上し、局所的に高い熱応力等が生じることを防ぐことができる。

また、グランド電極は、検出電極１４Ａおよび配線検出電極２１Ａと異なり、接合部分においてはパターニングされていないベタ電極である。この様な幅の広いベタ電極を配置することで、接合部材３０には、平面方向に均一に熱と圧力が伝わる。さらに、幅の広いベタ電極を配置することで、配線部３８からセンサ部３５に伝わる応力のばらつきが低減し、センサの特性バラつきも低減される。

また、配線部８１は、平面視して幅が短くなっている部分（くびれ部８５）を有する。配線部８１は、くびれ部８５を有することで、可撓性が向上する。これにより、配線部８１は、使用時に配線部８１の配線基材２３に応力が生じた場合でも、くびれ部８５により応力を緩和し、センサ部８０に当該応力が伝わることを抑制でき、センサの誤動作を防止することができる。なお、センサ部８０および配線部８１のそれぞれの両主面は、レジスト（不図示）で覆われているが、くびれ部８５の周囲については、当該レジスト（不図示）を除去してもよい。配線部８１は、くびれ部８５の周囲のレジストを除去することでさらに可撓性を向上させることができる。

本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…電子機器
２…筐体
３…表面パネル
４…表示装置
５…静電容量センサ
６…表示部
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…押圧センサ
１２，１２Ａ…第１グランド電極
１３，１３Ａ…検出電極
１３Ｂ…グランド電極
１４…第２グランド電極
１４Ａ…検出電極
１４Ｂ…グランド電極
１５…圧電フィルム
１６…基材
２０…配線
２１，２１Ａ…配線検出電極
２２…配線グランド電極
２１Ｂ…配線グランド電極
２３…配線基材
３０…接合部材
５０…接続部材
７０…補強部材
９０…ビア導体

Claims (6)

1. 検出電極と、
   第１グランド電極と、
   第２グランド電極と、
   前記検出電極および前記第１グランド電極で挟まれる圧電フィルムと、
   前記検出電極および前記第２グランド電極が形成された基材と、
   前記検出電極に接続される配線と、
   前記配線および前記検出電極を接合する接合部材と、
   を備え、
   前記接合部材は、前記基材のうち前記圧電フィルムが配置される第１面側と反対側の第２面側に配置される、
   変形検出センサ。
2. 前記基材を補強し、前記第２グランド電極に接続され、前記基材を補強する補強部材を備えた、
   請求項１に記載の変形検出センサ。
3. 前記検出電極は、前記基材のうち前記第１面側に配置される第１電極と、前記第２面側に配置される第２電極と、からなり、
   前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続するビア導体を備える、
   請求項１または請求項２に記載の変形検出センサ。
4. 前記第１グランド電極は、前記圧電フィルムに貼り付けられる導電性部材と、前記基材のうち前記第１面側に配置される第１電極と、からなる、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の変形検出センサ。
5. 前記配線は、変形検出の対象物に接続される、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の変形検出センサ。
6. 前記接合部材は平面視して前記第１グランド電極と重なる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の変形検出センサ。

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