JPWO2013175848A1

JPWO2013175848A1 - センサーデバイスおよび電子機器

Info

Publication number: JPWO2013175848A1
Application number: JP2014516699A
Authority: JP
Inventors: 佳郎田實; 正道安藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Kansai University
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Kansai University
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2013-03-23
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: EP2873944A1; US20150168237A1; WO2013175848A1; EP2873944B1; CN104321613B; US9804041B2; EP2873944A4; CN104321613A; JP6074414B2

Abstract

たとえばポリ乳酸のようなキラル高分子からなる圧電性フィルムを用いて変位をセンシングする、センサーデバイスを提供する。センサーデバイスは、たとえばＰＬＬＡからなるフィルム（２１）と、ＰＬＬＡフィルム（２１）からの出力電圧を取り出すためのもので、ＰＬＬＡフィルム（２１）の少なくとも一部を挟んで互いに対向する状態でＰＬＬＡフィルム（２１）の両主面上に形成された、電極とを備える。ＰＬＬＡフィルム（２１）の第１の辺（２４）が固定され、これに対向する第２の辺（２５）が可動部（２８）とされる。電極は、ＰＬＬＡフィルム（２１）の主面に対して平行な方向への可動部（２８）の変位によって生じるずり変形がもたらす圧電定数ｄ14の効果による出力電圧を取り出すようにされ、摩擦による操作などをセンシングできるようにされる。

Description

この発明は、センサーデバイスおよび電子機器に関するもので、特に、キラル高分子からなる圧電性フィルムを備えるセンサーデバイスおよびそれを用いて構成された電子機器に関するものである。

ポリ乳酸の成形物を延伸することによって、圧電定数ｄ₁₄を持つ圧電性フィルムが得られることが、たとえば特開平５−１５２６３８号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、図１９に示すように、ポリ乳酸からなる圧電性フィルム１１において、図による上下面それぞれに電極（図示せず。）が形成され、「３」軸方向に延伸が施されているとする。電極面の法線方向である「１」軸方向に電界がかかると、「１」軸の回転方向である「４」軸方向にせん断歪みが生じる。このような圧電特性を一般的にはずり圧電と呼ぶ。

このようなポリ乳酸からなる圧電性フィルムをユニモルフまたはバイモルフ構造とすることにより、スピーカやマイクロフォンなどに用いられる圧電振動子などの圧電デバイスを得ることができる。特許文献１には、このような一般的な用途については記載されているものの、その構成方法については、単に、「延伸された成形物がフィルムである場合には適当な大きさにカットされて製品となる。」（段落［００１８］）と記載されているのみで、具体的な記載はない。

特開平５−１５２６３８号公報

そこで、この発明の目的は、ポリ乳酸のようなキラル高分子からなる圧電性フィルムを用いて構成される、センサーデバイスを提供しようとすることである。

この発明の他の目的は、上記のようなセンサーデバイスを用いて構成される、携帯通信機器、タブレットＰＣまたは携帯ゲーム機のような電子機器を提供しようとすることである。

この発明は、主成分がキラル分子を単位とするキラル高分子からなり、かつキラル分子の主たる配向方向が主面に対して平行な方向に向けられた、圧電性フィルムと、圧電性フィルムからの出力電圧を取り出すためのもので、圧電性フィルムの少なくとも一部を挟んで互いに対向する状態で圧電性フィルムの両主面上に形成された、電極と、を備える、センサーデバイスにまず向けられるもので、以下のような特徴を有している。

上記圧電性フィルムには、当該圧電性フィルムの変位が固定される固定部と当該圧電性フィルムの主面に対して平行な方向に変位する可動部とが配置される。また、電極として、上記可動部の変位によって生じる圧電性フィルムのずり変形がもたらす出力電圧を取り出すためのずり変形検出用電極が形成される。

このような構成によって、この発明に係るセンサーデバイスは、圧電性フィルムにもたらされるずり変形を圧電定数ｄ₁₄の効果によって直接検出しようとすることを特徴としている。

好ましくは、圧電性フィルムは、キラル分子の主たる配向方向に対して平行または略平行に延びる辺を持つ矩形状に切り出されたものであり、固定部は、矩形状の圧電性フィルムのいずれかの辺に沿うように位置される。このような構成によれば、圧電性フィルムにずり変形を生じさせたとき、圧電定数ｄ₁₄に基づく圧電効果をより効率良く発揮させることができる。なお、圧電性フィルムを製造するにあたって、延伸工程が実施されるが、この延伸方向に沿って、通常、キラル分子が配向する。

上述の場合において、第１の好ましい実施態様では、固定部は、圧電性フィルムの第１の辺に沿うように位置され、可動部は、第１の辺とは対向する第２の辺に沿うように位置される。これにより、可動部に対して操作者が摩擦力を与える方向に沿って、キラル分子の主たる配向方向を向けることができるので、ずり圧電の結果による圧電性フィルムの変形とよく似た変形を圧電性フィルムにおいて生じさせることができる。したがって、圧電定数ｄ₁₄に基づく圧電効果を最も効率良く発揮させ得るずり変形を圧電性フィルムに生じさせることができる。

上述の第１の好ましい実施態様に係るセンサーデバイスにおいて、圧電性フィルムの可動部を操作者の指によって変位させるように操作する際に、指を接触させる部分を与えるための操作部材が設けられていることが好ましい。この操作部材は、圧電性フィルムの厚みより大きい幅方向寸法を有し、かつ圧電性フィルムの第２の辺に沿って取り付けられる。このような構成によれば、比較的幅広の操作部材によって操作がより容易かつ快適になるとともに、圧電性フィルムの可動部が操作者の指によって直接こすられることがないため、圧電性フィルムそのものが磨滅せず、圧電性フィルムの耐久性を向上させることができる。

他方、第２の好ましい実施態様では、固定部は、圧電性フィルムの互いに対向する第１および第２の辺にそれぞれ沿うように位置され、可動部は、圧電性フィルムにおける第１および第２の辺の中間部に位置される。このような構成によれば、圧電性フィルムにずり変形を生じさせるように、可動部を操作したとき、第１の辺側と第２の辺側とで逆符号の電荷を生じさせることができる。

この発明に係るセンサーデバイスは、好ましくは、圧電性フィルムを平面状態で保持するための保持部材をさらに備える。これにより、圧電性フィルムにおいて、所望のずり変形をより確実に生じさせることができる。

前述した第２の好ましい実施態様では、圧電性フィルムが、保持部材によって、第１および第２の辺の中間部を湾曲させて折り返した状態で保持されていてもよい。この構成によれば、圧電性フィルム自体の湾曲した中間部によって、比較的幅広の操作面が与えられるので、容易かつ快適な操作を実現するため、特別な操作部材を必要としない。

上述したように、圧電性フィルムが折り返した状態で保持される場合、圧電性フィルムの少なくとも折り返し部分の外表面上には、保護フィルムが貼り付けられ、この保護フィルムと圧電性フィルムとによるバイモルフ効果により、圧電性フィルムの折り返し部分を外方から押圧したとき、圧電性フィルムの可動部において伸長変形を生じさせるようにし、また、電極として、圧電性フィルムの可動部における伸長または圧縮変形がもたらす出力電圧を取り出すための伸長／圧縮変形検出用電極をさらに形成し、また、圧電性フィルムの折り返し部分の内周側に弾性体を配置することが好ましい。

上記の構成によれば、圧電性フィルムの折り返し部分をその稜線に沿ってこすれば、圧電性フィルムのずり変形による出力電圧をずり変形検出用電極によって取り出すことができるとともに、圧電性フィルムの折り返し部分を押圧操作すれば、圧電性フィルムの伸長または圧縮変形による出力電圧を伸長／圧縮変形検出用電極によって取り出すことができる。

この発明に係るセンサーデバイスにおいて、圧電性フィルムは、ポリ乳酸からなることが好ましい。ポリ乳酸が用いられると、透明性に優れた圧電性フィルムを得ることができる。また、ポリ乳酸によれば、安定した圧電特性を実現することができるとともに、安価にセンサーデバイスを提供することができる。さらに、ポリ乳酸は、カーボンニュートラルであり、また、生分解性であるので、地球環境保護の点でも好ましい。

この発明は、また、上述したセンサーデバイスをＨＭＩ（ヒューマンマシンインタフェース）として組み込んだ、携帯通信機器、タブレットＰＣまたは携帯ゲーム機のような電子機器にも向けられる。このような電子機器では、操作者が指でなでるなど、所定の操作を行なうことにより、たとえば画面のスクロールを行なう、といった動作モードを実現することができる。

この発明に係るセンサーデバイスによれば、圧電性フィルムにもたらされるずり変形を圧電定数ｄ₁₄の効果によって直接検出する構成とされるので、高い検出効率を得ることができる。また、この発明によれば、焦電性がなく、それゆえ温度ドリフトのないセンサーデバイスを実現することができる。さらに、この発明に係るセンサーデバイスは、静電容量方式などとは異なるため、操作者がたとえば手袋をしたままでも操作することができる。

乳酸分子が脱水重合してキラル分子となっている状態を図解的に示す図である。（Ａ）はＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）結晶の圧電テンソルを示し、（Ｂ）は一軸配向ＰＬＬＡフィルムの圧電テンソルを示す。ＰＬＬＡフィルム２１に電圧を印加したときに生じる変形を示す図である。図３に示したＰＬＬＡフィルム２１を用いて構成されたセンサーデバイスの基本構成を示す図である。この発明の第１の実施形態によるセンサーデバイス３１を示すもので、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は右側面図である。図５に示した圧電性フィルム３２の一部を拡大して示す断面図である。この発明の第２の実施形態によるセンサーデバイス３１ａを示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図である。図７に示したセンサーデバイス３１ａの操作時のずり変形状態を示す正面図である。この発明の第３の実施形態によるセンサーデバイス３１ｂを示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図である。図９に示したセンサーデバイス３１ｂの操作時のずり変形状態を示す正面図である。この発明の第４の実施形態によるセンサーデバイス３１ｃを示す平面図である。この発明の第５の実施形態によるセンサーデバイス３１ｄを示す平面図である。この発明の第６の実施形態によるセンサーデバイス３１ｅを示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図である。図１３に示した圧電性フィルム３２を展開して示す平面図である。この発明の第７の実施形態を説明するためのもので、図１４に示した電極パターンの変形例を示す圧電性フィルム３２の展開状態の平面図である。この発明に係るセンサーデバイス６１が適用されたスマートフォン６２を示す斜視図である。図１６に示したセンサーデバイス６１の取り付け構造を示すスマートフォン６２の一部破断斜視図である。スマートフォンへのセンサーデバイス７１の取り付け構造の変形例を示す一部破断斜視図である。ポリ乳酸からなる圧電性フィルム１１における延伸軸方向、電界方向および歪み方向の関係を説明するための図である。

まず、この発明の原理を理解する上で参考となる技術について詳細に説明する。

ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、脱水縮合重合体であり、乳酸の環状二量体であるラクチドを開環重合することによって得られる。乳酸は不斉炭素を含むため、キラリティを有する。したがって、ＰＬＡにはＬ体とＤ体とが存在し、その重合体をそれぞれＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）、Ｄ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）と呼ぶ。ＰＬＬＡの主鎖は左巻き螺旋、ＰＤＬＡの主鎖は右巻き螺旋構造をとる。Ｌ体とＤ体は乳酸の合成過程において用いる菌などの微生物の種類によってその種類が決定される。現在量産され利用されるＰＬＡはそのほとんどがＰＬＬＡである。したがって、以下には、ＰＬＬＡについて説明する。

ＰＬＬＡは、上述のように、キラル高分子であり、その主鎖の螺旋構造が図１に示されている。このＰＬＬＡシートを一軸延伸し分子を配向させると圧電性を示すことが知られている。圧電定数は高分子の中でも非常に大きい部類に属する。ＰＬＬＡ結晶の点群はＤ_２であるので、圧電テンソルとして、図２（Ａ）に示すように、ｄ₁₄、ｄ₂₅、ｄ₃₆の成分があり、いわゆるずり圧電性を示す。延伸されたシート（フィルム）では、ｄ₂₅＝−ｄ₁₄、ｄ₃₆＝０となることが知られており、圧電テンソルは、図２（Ｂ）に示すようになる。

ＰＬＬＡは延伸による分子の配向、および熱処理による配向分子の結晶化処理を経ることにより大きな圧電性が発現し、たとえばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような他のポリマーや圧電セラミック（たとえばＰＺＴ）の場合とは異なり、ポーリング処理の必要がない。すなわち、ＰＬＬＡにおいては、その圧電性は、ＰＶＤＦやＰＺＴなどの強誘電体のようにイオンの分極により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して発現する。一般的な強誘電体からなる圧電体は焦電性を示すが、ＰＬＬＡは焦電性を示さない。さらに、ＰＶＤＦなどは経時的に圧電定数が小さくなるという現象が見られるが、ＰＬＬＡは非常に安定して圧電性を保つことができる。

ポリマーは、良く知られているように、柔軟であり、大きな変位に対してもセラミックのように破損することが極めて少ない。このため、たとえばＰＶＤＦを用いた変位センサー、圧力センサー、振動センサーなどが商品化されている。しかしながら、ＰＶＤＦは前述のように焦電性を示すため、ＰＶＤＦを用いたセンサーでは、焦電効果により温度の変化に応じて電圧が発生することになり、このことが不具合をもたらす可能性がある。

一方、ＰＬＬＡで同じようなセンサーを作る場合、ＰＬＬＡは焦電性を持たないため、温度に依存しないセンシングを可能とする。また、ＰＬＬＡは、誘電率がおよそ２．５と非常に低いため、圧電出力定数（＝圧電ｇ定数：ｇ＝ｄ／ε^T）が大きな値になり、センシングには有利である。

因みに、ε₃₃＝１３×ε₀（ε₀は真空の誘電率）、ｄ₃₁＝２５ｐＣ／ＮであるＰＶＤＦの場合には、その圧電ｇ定数は、ｇ₃₁＝ｄ₃₁／ε₃₃ より、
ｇ₃₁＝０．２１７２Ｖｍ／Ｎ
となる。

一方、圧電定数ｄ₁₄＝１０ｐＣ／ＮであるＰＬＬＡの場合には、その圧電ｇ定数をｇ₃₁に換算して求めると、ｄ₁₄＝２ｄ₃₁ より、ｄ₃₁＝５ｐＣ／Ｎとなり、同様の計算式により、
ｇ₃₁＝０．２２５８Ｖｍ／Ｎ
となり、圧電定数ｄ₁₄＝１０ｐＣ／ＮであるＰＬＬＡであっても、ＰＶＤＦに匹敵するセンサー感度が得られることがわかる。発明者らは、ｄ₁₄＝１５〜２０ｐＣ／Ｎ前後のＰＬＬＡを実験により得ており、ＰＶＤＦをしのぐセンサー感度を持つＰＬＬＡセンサーを作製することを可能にしている。

次に、ＰＬＬＡフィルムに電圧をかけたときの変形について、図３を参照しながら説明する。なお、以下には、ＰＬＬＡについて説明するが、ＰＬＬＡの鏡像異性体であるＰＤＬＡ（Ｄ型ポリ乳酸）の場合は変形の方向が逆になるだけで、ＰＬＬＡとＰＤＬＡとは基本的な性能は同等である。

図３を参照して、ＰＬＬＡフィルム２１の両主面には、図示を省略するが、電極が形成されている。シンボル２２は電場の方向を示し、紙面手前から奥に向かって電場ベクトルが向いていることを示している。矢印２３は、フィルム作製過程において実施された延伸の方向を示している。

たとえば破線で示す状態にあるフィルム２１に電場を印加すると、ｄ₁₄の効果により、フィルム２１は実線で示された状態となるように変形する。なお、この変形は誇張して図示されている。

このような変形はずり圧電の基本である。たとえば図３に示すフィルム２１を、図４に示すように固定する。すなわち、フィルム２１の第１の辺２４を固定基部２６に固定し、ここに、フィルム２１の固定部２７を構成し、他方、第１の辺２４に対向する第２の辺２５に沿う部分を可動部２８とする。この状態で、可動部２８に対して、矢印２９で示すような力、たとえば摩擦力を加えれば、フィルム２１は、図３に示したずり圧電の結果による変形と良く似た変形を示す。

なお、フィルム２１中に記入された矢印３０ａおよび３０ｂは、図３に示した矢印２３に相当するもので、延伸の方向を示している。すなわち、図４に示したフィルム２１では、延伸は矢印３０ａの方向であっても、矢印３０ｂの方向であってもよい。もっとも、出力効率の点を考慮しないならば、延伸の方向は、矢印３０ａの方向、もしくは矢印３０ｂの方向と一致させる必要はなく、これらの中間にある方向であってもよい。

前述したように、矢印２９で示す摩擦力をフィルム２１の可動部２８に加えると、電極には圧電効果により電圧が生じる。摩擦力の方向を逆にすれば、変位の方向が逆になるので、発生する電圧の極性が変わる。また、摩擦力が強くなれば、変位が大きくなり、大きな信号が得られる。ここでいう摩擦力とは、操作者の指でこすられる程度の摩擦力と理解すればよい。なお、図３の場合と同様、図４においても、フィルム２１の両面に互いに対向するように形成される電極の図示が省略されている。

上述のＰＬＬＡフィルム２１のような圧電性フィルムからの信号は、変位に対する微分値であり、定常的な変位量は出力されない。定常的な変位を検出する場合には、圧電性フィルムからの信号をチャージアンプ回路で受けた後、積分回路で積分すればよい。

摩擦による操作などをセンシングする場合には、微分値だけの検出でも十分な用途がある。摩擦力が加えられている間は、摩擦力の方向に圧電性フィルムが変形し、変形が一定以上を越えると少し戻り、また摩擦力の方向に変形するという動作を繰り返す。このような変形の繰り返しは圧電の信号として検出可能である。

以下、上述した原理に従って実現されるセンサーデバイスのいくつかの実施形態について説明する。

図５を参照して、第１の実施形態によるセンサーデバイス３１について説明する。

センサーデバイス３１は、たとえばＰＬＬＡからなる矩形の圧電性フィルム３２を備える。図５では図示を省略するが、圧電性フィルム３２の両主面上には、図６に示すように、圧電性フィルム３２を挟んで互いに対向する状態で、ずり変形検出用電極３３および３４が形成されている。なお、第２以降の実施形態を説明するために用いる多くの図面においても、電極の図示が省略されている。

圧電性フィルム３２は、所定の厚みの２枚の板からなる保持部材３５によって挟まれ、それによって、平面状態で保持される。矩形の圧電性フィルム３２の第１の辺３６に沿う領域、すなわち図５（Ｂ）において網掛けを施した領域は、保持部材３５に対して接着剤または他の機械的手段によってリジッドに固定された領域であり、ここに固定部３８が与えられる。圧電性フィルム３２の固定部３８以外の部分は、保持部材３５に対する変位が許容されている。その結果、矩形の圧電性フィルム３２の第１の辺３６に対向する第２の辺３７が自由端となり、ここに沿って可動部３９が与えられる。可動部３９は、図５（Ｂ）および（Ｃ）からわかるように、保持部材３５から突出した状態で位置している。

上述した可動部３９を指などで擦って、圧電性フィルム３２の主面に対して平行な方向に向く摩擦力を与えると、圧電性フィルム３２にはずり変形が生じる。これによって、圧電性フィルム３２の両主面に形成された電極３３および３４（図６参照）には電荷が発生し、電圧として検出することができる。

図５に示したセンサーデバイス３１では、圧電性フィルム３２の延伸方向（キラル分子の配向方向）は、上述した摩擦力を与える方向に沿っていることが最も好ましい。したがって、最も好ましくは、圧電性フィルム３２は、延伸方向に対して平行に延びる辺を有する矩形状に切り出されたものであり、固定部３８は、矩形状の圧電性フィルム３２のいずれかの辺である第１の辺３６に沿うように位置される。

図６に示した電極３３および３４は、圧電性フィルム３２の主面の全域にわたって形成されても、一部にのみ形成されてもよい。電極３３および３４の面積は、これを小さくすると、発生電荷量が小さくなり、変位に対する感度も低下する場合があるが、用いられる圧電性フィルム３２の大きさ、与える変位、使用する検出回路の種類等に応じて設計事項として決定されるべきものである。

次に、図７および図８を参照して、第２の実施形態によるセンサーデバイス３１ａについて説明する。図７および図８において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図７および図８に示したセンサーデバイス３１ａは、図５に示したセンサーデバイス３１と比較して、操作部材４０をさらに備えることを特徴としている。操作部材４０は、圧電性フィルム３２の第２の辺３７に沿って取り付けられている。操作部材４０は、圧電性フィルム３２と接着剤などによりリジッドに固定されているが、保持部材３５とは固定されておらず、保持部材３５の上端面に沿ってスライド可能とされている。

また、操作部材４０は、圧電性フィルム３２の厚みより大きい幅方向寸法を有している。この実施形態では、図７（Ｂ）からわかるように、操作部材４０は、保持部材３５の全厚み方向寸法と同等の幅方向寸法を有している。

操作部材４０は、圧電性フィルム３２の可動部３９を操作者の指によって変位させるように操作する際に、この指を接触させる面を与えるためのものである。図８には、操作部材４０に矢印４１方向の摩擦力をかけたときの変位の状態が誇張されて示されている。たとえばＰＬＬＡからなる圧電性フィルム３２のセンサー感度は極めて優れているため、わずかな変位でも、これを検出することができる。

上記のように、操作部材４０を備えていると、操作がより容易かつ快適になるとともに、圧電性フィルム３２の可動部３９が操作者の指等によって直接こすられることがないため、圧電性フィルム３２そのものが磨滅せず、圧電性フィルム３２の耐久性を向上させることができる。

なお、図７および図８においても、圧電性フィルム３２の両主面上に形成されるずり変形検出用電極の図示が省略されているが、これら電極は、圧電性フィルム３２の主面の全域にわたって形成されても、一部にのみ形成されてもよい。

次に、図９および図１０を参照して、第３の実施形態によるセンサーデバイス３１ｂについて説明する。図９および図１０において、図５、図７または図８に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図９および図１０に示したセンサーデバイス３１ｂでは、保持部材３５が下半部３５ａと上半部３５ｂとに分割されている。圧電性フィルム３２の互いに対向する第１の辺３６に沿う領域と第２の辺３７に沿う領域とは、それぞれ、保持部材３５の下半部３５ａと上半部３５ｂとに固定されている。

このセンサーデバイス３１ｂにおいては、圧電性フィルム３２における固定部と可動部とは相対的に決まるもので、たとえば、図９に示すように、第１の辺３６が固定部３８を与える場合には、第２の辺３７が可動部３９を与える。この場合、保持部材３５の上半部３５ｂが操作部材として機能し、たとえば、図１０に示すように、矢印４１方向の摩擦力をかけたとき、圧電性フィルム３２にずり変形が生じ、このずり変形がセンシングされる。逆に、第１の辺３６が可動部を与え、第２の辺３７が固定部を与えるような態様とし、保持部材３５の下半部３５ａに対して摩擦力をかけるように操作してもよい。

なお、図９および図１０においても、圧電性フィルム３２の両主面上に形成されるずり変形検出用電極の図示が省略されているが、これら電極は、圧電性フィルム３２の主面の全域にわたって形成されても、一部にのみ形成されてもよい。

以上説明したセンサーデバイス３１、３１ａおよび３１ｂにおける保持部材３５やセンサーデバイス３１ａにおける操作部材４０は、たとえば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂）、等の一般的な樹脂材料から構成される。あるいは、ウレタンやシリコーン系樹脂などのエラストマーから構成されてもよい。また、圧電性フィルム３２に形成された電極３３および３４と電気的に絶縁された状態であれば、保持部材３５および操作部材４０は、金属から構成されてもよい。

次に、図１１を参照して、第４の実施形態によるセンサーデバイス３１ｃについて説明する。図１１において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１に示したセンサーデバイス３１ｃでは、圧電性フィルム３２は、保持部材４２上に置かれることによって平面状態に保持される。圧電性フィルム３２の第１の辺３６に沿う領域が保持部材４２に固定され、ここに固定部３８が与えられる。第１の辺３６とは対向する第２の辺３７に沿う位置に、可動部３９が与えられる。可動部３９に対して、たとえば矢印４３方向の摩擦力を加えると、圧電性フィルム３２にずり変形が生じ、このずり変形がセンシングされる。

図１１に示したセンサーデバイス３１ｃにおいて、圧電性フィルム３２の少なくとも可動部３９のように、手で触れる部分には、図示しないが、電極を保護するための保護フィルムが貼り付けられてもよい。保護フィルムは、たとえば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、またはＰＰ（ポリプロピレン）から構成される。

なお、図１１においても、圧電性フィルム３２の両主面上に形成されるずり変形検出用電極の図示が省略されているが、これら電極は、圧電性フィルム３２の主面の全域にわたって形成されても、一部にのみ形成されてもよい。

次に、図１２を参照して、第５の実施形態によるセンサーデバイス３１ｄについて説明する。図１２に示したセンサーデバイス３１ｄは、たとえば、フリック動作専用の簡易的なタッチパネルとしての用途に適している。図１２において、図５または図１１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１２に示したセンサーデバイス３１ｄでは、図１１に示したセンサーデバイス３１ｃの場合と同様、圧電性フィルム３２は、保持部材４２上に置かれることによって平面状態に保持される。圧電性フィルム３２は、互いに対向する第１および第２の辺３６および３７にそれぞれ沿う領域が保持部材４２に固定され、それによって、これら第１および第２の辺３６および３７に沿って、それぞれ、第１および第２の固定部３８ａおよび３８ｂが与えられる。可動部３９は、圧電性フィルム３２における第１および第２の辺３６および３７の中間部に位置される。可動部３９に対して、たとえば矢印４４方向の摩擦力を加えると、圧電性フィルム３２に比較的微小なずり変形が生じる。

図１２では、上述のずり変形をセンシングするために圧電性フィルム３２上に形成される第１および第２のずり変形検出用電極４５および４６が図示されている。第１および第２の電極４５および４６のいずれについても、図１２では、圧電性フィルム３２の上面側に位置されたもののみが図示されているが、圧電性フィルム３２を挟んで厚み方向に互いに対向する状態で形成されている。

圧電性フィルム３２にずり変形が生じると、電極４５および４６に電荷が発生する。このとき、第１の電極４５に発生する電荷と第２の電極４６に発生する電荷とは互いに逆符号となる。また、矢印４４方向の摩擦力を加えた場合と矢印４４とは逆向きの摩擦力を加えた場合とでは、電極４５および４６に生じる電荷の極性は逆転する。

また、たとえば矢印４４方向の摩擦力を加える場合、摩擦力を加える位置を図１２において右側にずらしたり左側にずらしたりすることにより、第１の電極４５に発生する電荷量と第２の電極４６に発生する電荷量との比率が変わる。このことから、摩擦力を加えた位置の検出も可能となる。なお、このような検出を特に望まないならば、電極４５および４６のいずれか一方を省略してもよい。

図１２に示したセンサーデバイス３１ｄにおいて、圧電性フィルム３２の少なくとも可動部３９のように、手で触れる部分には、図１１に示したセンサーデバイス３１ｃの場合と同様、電極４５および４６を保護するための保護フィルムが貼り付けられてもよい。

また、電極４５および４６は、透明とされることが好ましい。この場合、電極４５および４６の材料として、たとえば、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの無機系透明導電材料、またはポリアニリンまたはポリチオフェンを主成分とする有機系透明導電材料を用いることができる。なお、電極４５および４６に透明性が要求されない場合には、電極４５および４６は、アルミニウムなどの金属系材料のスパッタや蒸着によって形成されたり、銀ペーストなどの印刷によって形成されたりすることができる。

なお、上述した電極４５および４６に関する説明は、図１２に示したセンサーデバイス３１ｄ以外のセンサーデバイスにおいても当てはまる。

次に、図１３および図１４を参照して、第６の実施形態によるセンサーデバイス３１ｅについて説明する。図１３および図１４において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

センサーデバイス３１ｅは以下のような特徴を有する。

図１３に示すように、圧電性フィルム３２は、第１および第２の辺３６および３７の中間部を湾曲させて折り返した状態とされ、この状態が保持部材４７によって保持される。ここで、圧電性フィルム３２の互いに対向する第１および第２の辺３６および３７に沿う領域が固定部３８とされ、固定部３８は、接着剤等によって保持部材４７に固定される。可動部３９は、圧電性フィルム３２における第１および第２の辺３６および３７の中間部、すなわち湾曲状折り返し部分に位置される。

可動部３９に対して、図１３（Ａ）に示すように、たとえば矢印４８方向の力を加えると、圧電性フィルム３２に比較的微小なずり変形が生じる。

図１４では、上述のずり変形をセンシングするために圧電性フィルム３２上に形成される第１および第２のずり変形検出用電極４９および５０が図示されている。第１および第２の電極４９および５０のいずれについても、図１４では、圧電性フィルム３２の上面側に位置されたもののみが図示されているが、圧電性フィルム３２を挟んで厚み方向に互いに対向する状態で形成されている。

圧電性フィルム３２にずり変形が生じると、電極４９および５０に電荷が発生する。このとき、図１２に示したセンサーデバイス３１ｄの場合と同様、第１の電極４９に発生する電荷と第２の電極５０に発生する電荷とは互いに逆符号となる。また、矢印４８方向の摩擦力を加えた場合と矢印４８とは逆向きの摩擦力を加えた場合とでは、電極４９および５０に生じる電荷の極性は逆転する。

図１３に示すように、圧電性フィルム３２の湾曲状折り返し部分の内周側には、弾性体５１が配置されることが好ましい。操作部となる可動部３９の湾曲形状を維持するためである。

また、圧電性フィルム３２の外表面上には、保護フィルム５２が貼り付けられることが好ましい。電極４９および５０を保護するためである。

このセンサーデバイス３１ｅにおいて、電極４９および５０のいずれか一方を省略してもよい。

以上の図１３および図１４を参照して説明したセンサーデバイス３１ｅによれば、圧電性フィルム３２自体の湾曲した中間部によって、比較的幅広の操作面が与えられるので、容易かつ快適な操作を実現するため、特別な操作部材を必要としない、という利点が得られる。

図１５は、この発明の第７の実施形態を説明するためのもので、図１４に示した電極パターンの変形例を示している。図１５において、図１４に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１５に示した圧電性フィルム３２は、図１３に示した構造を有するセンサーデバイス３１ｅにおいて用いられる。ここで、図１５に示した圧電性フィルム３２によれば、図１４に示した圧電性フィルム３２の場合と同様、ずり変形検出用電極４９および５０を形成しているので、図１３および図１４を参照して説明したセンサーデバイス３１ｅの場合と同様、可動部３９に対して、図１３（Ａ）に示すような矢印４８方向の摩擦力を加えて生じた圧電性フィルム３２のずり変形をセンシングすることができる。

特に、この実施形態の場合には、圧電性フィルム３２の少なくとも折り返し部分の外表面上に貼り付けられた前述の保護フィルム５２は、必須である。保護フィルム５２は、これと圧電性フィルム３２とによるバイモルフ効果により、圧電性フィルム３２の折り返し部分を外方から押圧操作したとき、圧電性フィルム３２の可動部３９において長手方向（図１５において左右方向）に伸長変形を生じさせるように作用する。

また、図１３に示した弾性体５１は、上述した押圧操作の後、操作部となる可動部３９の湾曲形状を復元するように作用する。

図１５に示すように、圧電性フィルム３２の互いに対向する第１および第２の辺３６および３７の中間部に位置される可動部３９には、伸長／圧縮変形検出用電極５３が形成される。伸長／圧縮変形検出用電極５３は、たとえば、第１部分５４、第２部分５５、第３部分５６および第４部分５７というように４分割される。

前述したように、圧電性フィルム３２の折り返し部分を外方から押圧操作したとき、バイモルフ効果により、圧電性フィルム３２の可動部３９において長手方向（図１５において左右方向）の伸長変形が生じる。このとき、延伸方向が長手方向に沿っているとすると、伸長／圧縮変形検出用電極５３における第１部分５４および第４部分５７と第２部分５５および第３部分５６とでは、逆符号の電圧が発生する。

この伸長／圧縮変形検出用電極５３は、圧電性フィルム３２の両主面において４分割されても、いずれか一方の主面において４分割されてもよい。後者のように、いずれか一方の主面において４分割される場合には、他方の主面では、４分割された部分のすべてに共通に対向する一様な電極が形成される。一様な電極とされる場合には、第１部分５４および第４部分５７と第２部分５５および第３部分５６とを直列接続するような回路が形成され、第１部分５４および第４部分５７のいずれか一方と第２部分５５および第３部分５６のいずれか一方とに引出し導体を接続すれば、電圧を検出することができる。他方、両主面において４分割される場合には、第１ないし第４部分５４〜５７の各々に引出し導体を接続しておけば、回路上で並列接続や直列接続とすることもできる。

このように、図１３に示したセンサーデバイス３１ｅにおいて、図１５に示した電極パターンを有する圧電性フィルム３２を用いると、撫でる（さする、擦る）操作と押す操作とを互いに分離して検出することができる。

図１６には、この発明に係るセンサーデバイス６１がラビングセンサーとして適用されたスマートフォン６２が示されている。センサーデバイス６１に備える圧電性フィルム６３は、図１７に示すように、スマートフォン６２の筐体６４に沿って取り付けられる。詳細な図示は省略するが、圧電性フィルム６３は、筐体６４の側面に設けられた操作部材６５に摩擦力を加えることで操作部材６５が筐体６４に対してわずかにずれたとき、ずり変形が生じるように取り付けられている。そして、圧電性フィルム６３上に形成された電極（図示せず。）を通して、ずり変形によって生じた出力電圧が取り出され、この電圧によって、操作部材６５に摩擦力が加わったことが検出される。

圧電性フィルム６３は、図示しない保護フィルムがこれに貼り付けられる場合であっても、２００μｍ程度の隙間さえがあれば、十分にこれを配置することができるので、筐体６４の内部において占有容積をほとんど必要としない。

図１７では、２枚の圧電性フィルム６３の各々が、筐体６４の上面壁および下面壁に取り付けられたが、単に１枚の圧電性フィルム６３が、筐体６４の上面壁および下面壁のいずれか一方にのみ取り付けられてもよい。

また、操作部材６５は、筐体６４の側面以外の場所、たとえば筐体６４の下面壁の端縁近傍に設けられてもよい。

図１８は、スマートフォンへのセンサーデバイスの取り付け構造の変形例を示している。図１８に示したセンサーデバイス７１は、たとえば図１７に示した筐体６４に取り付けられる。センサーデバイス７１に備える圧電性フィルム７３はＮ字状に屈曲され、その一方端は、筐体６４に固定される固定部７４とされる。圧電性フィルム７３の他方端は、可動部７５とされ、図１７に示した操作部材６５に取り付けられる。操作部材６５に摩擦力を加えることで操作部材６５が筐体６４に対してわずかにずれたとき、圧電性フィルム７３にずり変形が生じる。そして、圧電性フィルム７３上に形成された電極（図示せず。）を通して、ずり変形によって生じた出力電圧を取り出すことができる。

以上説明したセンサーデバイスのスマートフォンへの適用例からわかるように、この発明に係るセンサーデバイスは、ＨＭＩとして有利に組み込むことができる。そして、この発明に係るセンサーデバイスは、スマートフォンといった携帯通信機器以外にも、たとえばタブレットＰＣまたは携帯ゲーム機においても、ＨＭＩとして有利に組み込むことができる。

また、以上の説明において、ずり圧電性を有する圧電性フィルムの材料として、ＰＬＬＡを例示したが、ＰＤＬＡを用いることもできる。また、ずり圧電性を有する圧電性フィルムの材料として、他に、ポリ−γ−メチルグルタメート、ポリ−γ−ベンジルグルタメート、セルロース、コラーゲン、ポリプロピレンオキシドなどを用いることも可能である。

１１，３２，６３，７３圧電性フィルム
２１ＰＬＬＡフィルム
２４，２５，３６，３７辺
２７，３８，３８ａ，３８ｂ，７４固定部
２８，３９，７５可動部
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，６１，７１センサーデバイス
３３，３４，４５，４６，４９，５０ずり変形検出用電極
３５，４２，４７保持部材
４０，６５操作部材
５１弾性体
５２保護フィルム
５３伸長／圧縮変形検出用電極
６２スマートフォン

Claims

主成分がキラル分子を単位とするキラル高分子からなり、かつ前記キラル分子の主たる配向方向が主面に対して平行な方向に向けられた、圧電性フィルムと、
前記圧電性フィルムからの出力電圧を取り出すためのもので、前記圧電性フィルムの少なくとも一部を挟んで互いに対向する状態で前記圧電性フィルムの両主面上に形成された、電極と、
を備え、
前記圧電性フィルムには、当該圧電性フィルムの変位が固定される固定部と当該圧電性フィルムの主面に対して平行な方向に変位する可動部とが配置され、
前記電極は、前記可動部の変位によって生じる前記圧電性フィルムのずり変形がもたらす出力電圧を取り出すためのずり変形検出用電極を含む、
センサーデバイス。
前記圧電性フィルムは、前記キラル分子の主たる配向方向に対して平行または略平行に延びる辺を持つ矩形状に切り出されたものであり、前記固定部は、矩形状の前記圧電性フィルムのいずれかの辺に沿うように位置される、請求項１に記載のセンサーデバイス。
前記固定部は、前記圧電性フィルムの第１の辺に沿うように位置され、前記可動部は、前記第１の辺とは対向する第２の辺に沿うように位置される、請求項２に記載のセンサーデバイス。
前記圧電性フィルムの前記可動部を操作者の指によって変位させるように操作する際に、前記指を接触させる部分を与えるための操作部材をさらに備え、前記操作部材は、前記圧電性フィルムの厚みより大きい幅方向寸法を有し、かつ前記圧電性フィルムの前記第２の辺に沿って取り付けられる、請求項３に記載のセンサーデバイス。
前記固定部は、前記圧電性フィルムの互いに対向する第１および第２の辺にそれぞれ沿うように位置され、前記可動部は、前記圧電性フィルムにおける前記第１および第２の辺の中間部に位置される、請求項２に記載のセンサーデバイス。
前記圧電性フィルムを平面状態で保持するための保持部材をさらに備える、請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサーデバイス。
前記圧電性フィルムを、前記第１および第２の辺の中間部を湾曲させて折り返した状態で保持するための保持部材をさらに備える、請求項５に記載のセンサーデバイス。
前記圧電性フィルムの少なくとも折り返し部分の外表面上に貼り付けられる保護フィルムをさらに備え、前記保護フィルムは、当該保護フィルムと前記圧電性フィルムとによるバイモルフ効果により、前記圧電性フィルムの前記折り返し部分を外方から押圧したとき、前記圧電性フィルムの前記可動部において伸長変形を生じさせるように作用するものであり、
前記電極は、前記圧電性フィルムの前記可動部における伸長または圧縮変形がもたらす出力電圧を取り出すための伸長／圧縮変形検出用電極をさらに含み、
前記圧電性フィルムの前記折り返し部分の内周側に配置される弾性体をさらに備える、
請求項７に記載のセンサーデバイス。
前記圧電性フィルムは、ポリ乳酸からなる、請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサーデバイス。
請求項１ないし９のいずれかに記載のセンサーデバイスをＨＭＩ（ヒューマンマシンインタフェース）として組み込んだ、電子機器。