JPWO2015083678A1 - 押圧センサ - Google Patents

Abstract

スペーサ（１４Ａ）の粘着剤（１４３）の弾性率が高い場合、例えば１．０×１０９Ｐａである場合、２００μｍよりも押し込み量が多くなった場合に、押し込み量の増加に対して歪みが増加する傾向を示す。しかし、スペーサ（１４Ａ）の粘着剤（１４３）の弾性率が低い場合、例えば１．０×１０７Ｐａである場合、押し込み量０μｍ〜１０００μｍの間では歪みが増加することはなく、出力が反転することはない。したがって、スペーサ（１４Ａ）の粘着剤（１４３）の弾性率が低い（例えば１．０×１０７Ｐａ以下である）場合、ＳＵＳ板（１５）およびセンサ部（１６）は、長手方向に伸張するモードが発生せず、センサとしての出力が反転することがない。

Description

本発明は、操作面に対する押圧を検出する押圧センサに関する。

操作面に対する押圧を検出する押圧センサとして、例えば特許文献１に示すような入力装置がある。特許文献１に示す入力装置は、矩形平板状のタッチパネルおよびストライプ状の圧電素子を備えている。圧電素子は、タッチパネルの下面に設けられている。ユーザが操作面であるタッチパネルを押圧すると、該タッチパネルが撓み、圧電素子が撓むことにより、押圧を検出することができる。

しかし、特許文献１に記載の入力装置のような構造は、タッチパネルと圧電素子とが離れていると、押圧によるタッチパネルの撓みが圧電素子に伝わりにくい場合がある。

そこで、例えば図７（Ａ）に示すような構造が考えられる。図７（Ａ）は、押圧センサ１００の断面図である。押圧センサ１００は、上面（Ｚ方向の面）が開口した直方体形状の筐体５１と、筐体５１の開口面を塞ぐように当該筐体５１の上面に固定されるガラス板５２とを備えている。

ガラス板５２の下面側には、板状のセンサ部５６が配置されている。ガラス板５２の下面とセンサ部５６の上面との間には、直方体形状の押し子５７が配置されている。押し子５７は、ガラス板５２の下面およびセンサ部５６の上面に当接されている。センサ部５６の下面は、ＳＵＳ板５５の上面に貼付けられている。ＳＵＳ板５５は、中央部の下面でクッション７１に支持され、端部の下面でスペーサ９４Ａおよびスペーサ９４Ｂに支持されている。

ユーザがガラス板５２を押圧するとガラス板５２が撓み、押し子５７がセンサ部５６およびＳＵＳ板５５を押圧する。押し子５７がセンサ部５６およびＳＵＳ板５５の中央部を押圧すると、図７（Ｂ）に示すように、ＳＵＳ板５５が法線方向に撓む。このとき、スペーサ９４Ａおよびスペーサ９４ＢがＳＵＳ板５５の中央部に引っ張られ、ＳＵＳ板５５の上面は、長手方向（Ｙ方向）に収縮する。そして、ＳＵＳ板５５の上面に貼付されているセンサ部５６も長手方向に縮む。センサ部５６に設けられた圧電フィルムは、当該収縮により電荷を発生する。押圧センサ１００は、この電荷を検出することでガラス板５２に対する押圧を検出することができる。

特開２０１２−２０３５５２号公報

しかし、上述のような構造では、図７（Ｃ）に示すように、押し子５７がＳＵＳ板５５の中央部を押圧したときに、ＳＵＳ板５５の上面が長手方向に伸張するモードが発生する場合がある。この場合、センサ部５６も長手方向に伸張することになり、センサとしての出力が反転するため、適切に押圧を検出することができなくなる。図８は、センサ部５６の押し込み量（Ｚ方向の変位量に相当するもの。）と歪み（長手方向への伸縮量に対応するもの）との関係を示した図である。同図に示すグラフの横軸は、ＳＵＳ板５５の押込み量を示し、縦軸は、センサ部５６のひずみ量を示す。センサ部５６が機器に組み込まれて使用される際は、所定の押込み量（０〜１ｍｍ程度）を基準にして、微小量の撓み（数μｍ）を検知することになる。すなわち、このグラフの傾きがセンサ部５６の出力に相当する。例えば、弾性率が１．０×１０^９Ｐａ程度のスペーサを使った場合、押込み量が０．２ｍｍ以下では傾きが負であるが、０．３ｍｍ付近では出力がゼロとなり、０．４ｍｍ以上では傾きが正になり、出力が反転することが分かる。

そこで、この発明は、当該出力の反転を防止する圧電センサを提供することを目的とする。

本発明の圧電センサは、操作面と、該操作面に対する押圧操作により法線方向に撓む板状部材と、前記板状部材のうち前記操作面側と反対側の主面に貼付けされ、該板状部材とともに法線方向に撓む圧電フィルムと、前記板状部材を支持する支持部材と、を備えたことを特徴とする。

板状部材は、図７（Ｂ）のＳＵＳ板５７で示したように、法線方向に撓むと、操作面側は長手方向に収縮し、反対側の面は長手方向に伸張する。本発明の圧電センサは、板状部材のうち前記操作面側と反対側の主面に圧電フィルムを貼り付けられているため、該板状部材の伸張する側の面とともに、長手方向に伸張する。圧電フィルムは、この長手方向の伸張により圧電効果を発生する。したがって、仮に支持部材が硬く、板状部材が強固に固定され、該板状部材において長手方向に伸張するモードが発生した場合であっても、圧電フィルムの長手方向の伸張量が増えるだけであり、センサとしての出力は反転することがない。

なお、板状部材を支持する支持部材の弾性率は、１．０×１０^７Ｐａ以下であることが好ましい。板状部材が強固に固定されていない場合、板状部材を撓ませたときに長手方向に伸張するモードが発生しないため、操作面への押し込み量に比例して板状部材が撓むことになる。したがって、より正確に（リニアに）押圧を検出することができる。

本願発明の構造においては、支持部材の弾性率が１．０×１０^７Ｐａを超えると、押圧操作によりある程度（４００〜６００μｍ程度）の押し込み量が発生した場合に長手方向に伸張するモードが発生することが判明している。

なお、支持部材は、シリコン粘着剤を含むことが好ましい。シリコン粘着剤は、アクリル粘着剤に比べて温度による弾性率の変化が小さいため、低温時においてもより正確に（リニアに）押圧を検出することができる。

なお、圧電フィルムは、キラル高分子からなることが好ましい。キラル高分子からなる圧電フィルムを備えることで、透明性の高い圧電センサとすることができる。また、キラル高分子は、ポリ乳酸であることがより好ましい。ポリ乳酸は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、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。また、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に圧電センサを配置することができる。

この発明によれば、センサとしての出力の反転を防止することができる。

押圧センサの平面図である。 押圧センサの側面断面図である。 センサ部の断面拡大図である。 スペーサの断面拡大図である。 押圧センサによる押圧検知について説明する図である。 センサ部１６の押し込み量（Ｚ方向の変位量に相当するもの。）と歪み（長手方向への伸縮量に対応するもの）との関係を示した図である。 押圧センサの側面断面図である。 センサ部５６の押し込み量（Ｚ方向の変位量に相当するもの。）と歪み（長手方向への伸縮量に対応するもの）との関係を示した図である。

図１は、本発明の押圧センサを備えた表示装置１の平面図である。図２は、Ａ−Ａ断面図である。

表示装置１は、外観上、上面（Ｚ方向の面）が開口した直方体形状の筐体１１と、筐体１１の開口面を塞ぐように当該筐体１１の上面に固定されるガラス板１２とを備えている。ガラス板１２は、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。

筐体１１の内部には、静電容量センサ１３、表示部３０、押し子１７、センサ部１６、ＳＵＳ板１５、スペーサ１４Ａ、スペーサ１４Ｂおよびクッション２１が配置されている。操作面であるガラス板１２、センサ部１６、ＳＵＳ板１５、スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂにより本発明の押圧センサが構成される。

ガラス板１２の下面側には、静電容量センサ１３が配置されている。静電容量センサ１３は、ガラス板１２に対するタッチ操作およびそのタッチ位置を検出するセンサである。表示部３０は、例えば液晶表示素子からなる。表示装置１は、静電容量センサ１３で検出されたタッチ位置に応じて表示部３０の画像を変更する。なお、静電容量センサ１３および表示部３０は、本発明において必須の構成ではない。

表示部３０の下面側には、ＳＵＳ板１５が配置されている。ＳＵＳ板１５は、Ｙ方向に長く、Ｘ方向に短い板状の構造である。ＳＵＳ板１５は、本発明の板状部材に相当する。ＳＵＳ板１５は、主面がガラス板１２の主面と平行になるように筐体１１の内部に配置されている。

ＳＵＳ板１５の下面には、板状のセンサ部１６が貼付けられている。センサ部１６も、Ｙ方向に長く、Ｘ方向に短い板状の構造である。ただし、センサ部１６のＹ方向の長さは、ＳＵＳ板１５よりも短い。センサ部１６も、主面がガラス板１２の主面と平行になるように筐体１１の内部に配置されている。また、センサ部１６は、筐体１１のうちＸ方向の中央部付近に配置されている。

センサ部１６は、中央部の下面で直方体形状のクッション２１を介して筐体１１に支持されている。また、ＳＵＳ板１５は、端部の下面で直方体形状のスペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂを介して筐体１１に支持されている。スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂは、本発明の支持部材に相当する。スペーサ１４Ａは、筐体１１の側面のうち−Ｙ側の側面付近に配置されている。スペーサ１４Ｂは、筐体１１の側面のうちＹ側の側面付近に配置されている。

表示部３０の下面とＳＵ板１５の上面との間には、直方体形状の押し子１７が配置されている。押し子１７は、筐体１１を平面視してほぼ中心位置に配置され、表示部３０の下面およびＳＵＳ板１５の上面に当接されている。押し子１７は、ＳＵＳ板１５およびセンサ部１６に比べてＹ方向の長さが短い。押し子１７は、ガラス板１２が押圧されたときにＳＵＳ板１５およびセンサ部１６を押圧する。

なお、図２においては、スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂは、ＳＵＳ板１５を挟みこむように、表示部３０の下面とＳＵＳ板１５の上面の間にも配置される例を示しているが、表示部３０の下面とＳＵＳ板１５の上面の間に配置することは必須ではない。

次に、図３は、センサ部１６の断面拡大図である。センサ部１６は、上面側（Ｚ側）から順に、基材３７、平板電極３５、粘着剤３３、圧電フィルム３１、粘着剤３２、平板電極３４、基材３６、および接着剤３８が積層されてなる。

すなわち、圧電フィルム３１の一方の主面には、平板電極３４が粘着剤３２により貼付されている。圧電フィルム３１の他方の主面には、平板電極３５が粘着剤３３により貼付されている。平板電極３４および平板電極３５は、回路部（図示せず）に電気的に接続され、圧電フィルム３１の圧電効果により発生する電荷量が検出される。これら平板電極３４および平板電極３５は、基材３６および基材３７で挟み込まれる。基材３６および基材３７は、例えばポリイミドからなる。基材３６は、接着剤３８によりＳＵＳ板１５に貼付けられる。

圧電フィルム３１は、透明性の高いキラル高分子を用いることが好ましい。より好ましくは、一軸延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）、さらにはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）であることが好ましい。キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、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、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、圧電フィルム３１が法線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。すなわち、押圧操作を高感度に検出し、押圧量に応じた変形検出信号を高精度に出力することができる。

また、キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、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。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に押圧センサを配置し、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。さらに、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。本実施形態では、圧電フィルム３１は、延伸方向に対して４５°の角度をなす方向が長手方向となるように配置されている。これにより、圧電フィルム３１が長手方向に伸縮すると、圧電フィルム３１は厚み方向に分極するため、高感度に押圧操作を検出できる。

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。また、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Ｘ軸方向に８倍、Ｘ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。

なお、圧電フィルム３１は、ＰＬＬＡを用いる態様に限るものではなく、ＰＶＤＦ等の他の材料を用いることが可能である。

次に、図４は、スペーサ１４Ａの断面拡大図である。ここでは、スペーサ１４Ａについて説明するが、スペーサ１４Ｂも同じ構造を有する。スペーサ１４Ａは、上面側（Ｚ側）から順に、粘着剤１４１、基材１４２、および粘着剤１４３が積層されてなる。

基材１４２は、例えばＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）からなる。粘着剤１４１および粘着剤１４３は、例えばシリコン粘着剤からなる。基材１４２は、粘着剤１４１を介してＳＵＳ板１５に貼付けられ、粘着剤１４３を介して筐体１１に貼付けられる。これにより、スペーサ１４Ａは、ＳＵＳ板１５を支持する。ただし、基材１４２は、本発明において必須ではなく、ＳＵＳ板１５と筐体１１とを直接、粘着剤で貼付けるようにしてもよい。粘着剤１４１および粘着剤１４３は同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。

次に、図５を参照して、押圧センサ１０による押圧検知について説明する。ユーザは、操作面であるガラス板１２の主面を押圧する。すると、ガラス板１２、静電容量センサ１３および表示部３０が法線方向に撓み、押し子１７がＳＵＳ板１５およびセンサ部１６の中央部を押圧する。なお、同図においては説明のために撓み量を誇張して記載している。

押し子１７がＳＵＳ板１５およびセンサ部１６の中央部を押圧すると、ＳＵＳ板１５が法線方向に撓む。ＳＵＳ板１５は、端部においてスペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂに貼付けられているため、ＳＵＳ板１５の撓みに応じて、スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４ＢがＳＵＳ板１５の中央部に引っ張られる。これにより、ＳＵＳ板１５の上面は、長手方向（Ｙ方向）に収縮し、ＳＵＳ板１５の下面は、長手方向に伸張する。

そして、ＳＵＳ板１５の下面に貼付されているセンサ部１６もＳＵＳ板１５の伸張に応じて長手方向に伸張する。センサ部１６に設けられた圧電フィルム３１は、当該伸張による圧電効果により、電荷を発生する。押圧センサ１０は、この電荷を検出することでガラス板１２に対する押圧の有無、および押圧量を検出することができる。

図６は、センサ部１６の押し込み量（Ｚ方向の変位量に相当するもの。）と歪み（長手方向への伸縮量に対応するもの）との関係を示したグラフである。同図においては、異なる弾性率を有する４つの材料をスペーサ１４Ａ（およびスペーサ１４Ｂ）の粘着剤１４３に用いた場合を示している。歪みは、０ｐｐｍを基準として、負の値が長手方向の収縮、正の値が長手方向の伸張を示す。センサ部１６が機器に組み込まれて使用される際は、所定の押込み量（０〜１ｍｍ程度）を基準にして、微小量の撓み（数μｍ）を検知することになる。すなわち、このグラフの傾きがセンサ部１６の出力に相当する。

図６に示すように、センサ部１６は、押し込み量が増加するにしたがって、歪みも増加する。スペーサ１４Ａの粘着剤１４３の弾性率が高い場合、例えば１．０×１０^９Ｐａである場合、図中の２点破線に示すように、２００μｍよりも押し込み量が多くなった場合に、押し込み量の増加に対して傾きが増加する傾向を示す。また、弾性率が１．０×１０^８Ｐａである場合も、図中の１点破線に示すように、押し込み量が４００μｍ〜６００μｍ程度で、押し込み量の増加に対して傾きが増加する傾向を示す。

これは、図７（Ｃ）の従来図においても示したように、スペーサ１４Ａが硬く、ＳＵＳ板１５が端部において強固に固定されている場合に、ＳＵＳ板１５の上面が長手方向に収縮することができず、ＳＵＳ板１５の全体が長手方向に伸張するモードが発生するためである。この場合、ある程度の押し込み量で押圧操作を行うと、押圧センサ１０で検出される押圧量がさらに増加することになる。ただし、センサとしての出力が反転することはない。

そして、スペーサ１４Ａの粘着剤１４３の弾性率が低い場合、例えば１．０×１０^７Ｐａである場合、図中の点線に示すように、押し込み量０μｍ〜１０００μｍの間ではほぼ押し込み量の増加に比例して歪みが減少する傾向を示す。特に、弾性率が１．０×１０^６Ｐａである場合は、図中の実線に示すように、押し込み量の増加に比例して歪みが減少する傾向を示し、高精度に押圧量を検出することができる。

以上のことから、センサ部１６をＳＵＳ板１５のうち操作面側と反対側の主面に貼り付けることで、仮にスペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂが硬く、ＳＵＳ板１５が強固に固定され、該ＳＵＳ板１５全体が長手方向に伸張するモードが発生した場合であっても、センサ部１６の長手方向の伸張量が増えるだけであり、センサとしての出力が反転することがない。特に、スペーサ１４Ａの粘着剤１４３の弾性率が１．０×１０^７Ｐａ以下である場合、ＳＵＳ板１５およびセンサ部１６は、長手方向に伸張するモードが発生せず、高精度に押圧量を検出することができる。

なお、粘着剤１４３には、シリコン粘着剤を用いることが好ましい。アクリル粘着剤は、室温で１．０×１０^６Ｐａ程度の弾性率を有するものの、温度変化に対する弾性率の変化が大きく、低温環境下（例えば−３０℃程度）では、１．０×１０^８Ｐａ以上となる場合がある。しかし、シリコン粘着剤は、室温から低温環境下にかけて１．０×１０^６Ｐａ〜１．０×１０^７Ｐａ程度の弾性率を有する。

なお、図６においては、粘着剤１４３の弾性率についてのみ示したが、スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂの全体としての弾性率がある程度低い（例えば１．０×１０^７Ｐａ以下である）場合にも、ＳＵＳ板１５の端部が強固に固定されることがないため、センサ部１６は、長手方向に伸張するモードが発生せず、高精度に押圧量を検出することができる。

なお、本実施形態においては、表示装置１について説明したが、本発明の押圧センサの応用例はこれに限るものではない。例えば、表示装置１から表示部３０を省き、筐体１１、ガラス板１２、静電容量センサ１３、センサ部１６、ＳＵＳ板１５、スペーサ１４Ａおよびスペーサ１４Ｂからなるタッチ式入力装置を構成することも可能であるし、さらに静電容量センサ１３を省いた押圧入力装置を構成することも可能である。

１０…押圧センサ
１１…筐体
１２…ガラス板
１４Ａ，１４Ｂ…スペーサ
１５…ＳＵＳ板
１６…センサ部
２１…クッション
３１…圧電フィルム
３２，３３，３８…粘着剤
３４，３５…平板電極
３６，３７…基材
１４１…粘着剤
１４２…基材
１４３…粘着剤

Claims (5)

1. 操作面と、
   該操作面に対する押圧操作により法線方向に撓む板状部材と、
   前記板状部材のうち前記操作面側と反対側の主面に貼付けされ、該板状部材とともに法線方向に撓む圧電フィルムと、
   前記板状部材を支持する支持部材と、
   を備えた押圧センサ。
2. 前記支持部材は、１．０×１０^７Ｐａ以下の弾性率を有することを特徴とする請求項１に記載の押圧センサ。
3. 前記支持部材は、シリコン粘着剤を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の押圧センサ。
4. 前記圧電フィルムは、キラル高分子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の押圧センサ。
5. 前記キラル高分子は、ポリ乳酸からなることを特徴とする請求項４に記載の押圧センサ。

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