JPWO2019021981A1 - 押圧センサ及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

第1主面(14)及び第2主面(15)を有する圧電フィルム(10)と、圧電フィルム(10)の第1主面(14)に設けられた第1電極(11)と、圧電フィルム(10)の第2主面(15)に設けられた第2電極(12)と、を備える。第1電極(11)又は第2電極(12)の少なくともいずれか一方は、弾性率60GPa以上の材料で形成され、且つ、積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上である。

Description

本発明の一実施形態は、押圧を検知する押圧センサ及び押圧センサを用いた電子機器に関する。
フッ素樹脂を使用することにより、ITO膜を用いたタッチセンサパネルに比べ電極の抵抗を小さくすることによりパネルの大型化を容易かつ確実にしたタッチセンサパネルが提案されている(特許文献1を参照)。
特開2015−46072号公報
特許文献1のタッチセンサパネルにおいて、電極として使用している金属は、弾性率が60GPa以上あり、十分に高いものの、厚みが薄く、単独で形状を維持できるほどの剛性は無い。このため、特許文献1のタッチセンサパネルに押圧センサを組み込んだ場合、押圧センサを組み込む機器の押圧センサの取り付け位置に、クッション・粘着剤等の低弾性率の材料が使用されると、図10に示すように、応力緩和によりユーザ操作とは逆極性の出力が発生する。例えば、正規の出力であるプラスの電圧(プラス側の最大出力値:h1)が検出された後、応力緩和によって生じるマイナスの電圧(マイナス側の最大出力値:h2)が検出される。従って、センサ感度が低下するといった問題が発生する。
そこで、本発明の一実施形態の目的は、応力緩和による逆極性の出力が発生し難く、センサ感度が向上した押圧センサ及び電子機器を提供することにある。
本発明の一実施形態の押圧センサは、第1主面及び第2主面を有する圧電フィルムと、前記圧電フィルムの前記第1主面に設けられた第1電極と、前記圧電フィルムの前記第2主面に設けられた第2電極と、を備える。前記第1電極又は前記第2電極の少なくともいずれか一方は、弾性率60GPa以上の材料で形成され、且つ、積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上である。
この構成において、押圧センサのうち、第1電極又は第2電極の少なくともいずれか一方は弾性率60GPa以上であり、且つ、積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上である。このため、押圧センサは、所定以上の剛性を有し、単独で形状を維持し易くなる。これにより、押圧センサは、クッション・粘着剤等の低弾性率の材料と共に使用しても、応力緩和が起こり難くなる。従って、押圧センサは、応力緩和による逆極性の出力が発生し難く、センサ感度を向上できる。
本発明の一実施形態の電子機器は、上記押圧センサと、弾性率が1MPa以下の基材と、を備える。
この構成において、電子機器において押圧センサは、所定以上の剛性を有する。このため、弾性率が1MPa以下の基材に押圧センサを貼り付けた状態で使用しても、押圧センサは基材の影響を受け難い。従って、電子機器は、応力緩和による逆極性の出力が発生し難く、センサ感度を向上できる。
本発明の一実施形態の押圧センサは、応力緩和による逆極性の出力が発生し難く、センサ感度を向上できる。
図1(A)は第一実施形態に係る押圧センサを備えた電子機器の斜視図、図1(B)はその断面図である。 図2(A)は第一実施形態に係る押圧センサの分解斜視図、図2(B)はその断面を説明するための模式図である。 図3は、第一実施形態に係る圧電フィルムを説明するための図である。 図4は第一実施形態に係る第1電極の積層方向の厚みと弾性率との積と、第一実施形態に係る押圧センサの感度との関係を示すグラフである。 図5は第一実施形態に係る第1電極の積層方向の厚みと弾性率との積と、第一実施形態に係る押圧センサの応力緩和の関係を示すグラフである。 図6は第二実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。 図7は第三実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。 図8は第四実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。 図9(A)は変形例に係る押圧センサの分解斜視図、図9(B)はその断面を説明するための模式図である。 図10は従来の押圧センサにおける、応力緩和のセンサ出力電圧への影響を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態に係る電子機器及び押圧センサについて説明する。
図1(A)は、本発明の第一実施形態に係る押圧センサを備えた電子機器の斜視図、図1(B)はその断面図である。図2(A)は、第一実施形態に係る押圧センサの分解斜視図、図2(B)はその断面を説明するための模式図である。図3は、第一実施形態に係る圧電フィルムを説明するための図である。なお、図1(A)に示す電子機器はあくまで一例であり、これに限るものではなく仕様に応じて適宜変更することができる。また、各図面において、説明の都合上配線などは省略している。
図1(A)に示すように、電子機器100は、上面が開口した略直方体形状の筐体102を備える。電子機器100は、筐体102の上面の開口部を封止するように配置された平板状の表面パネル103を備える。表面パネル103は、利用者が指やペンなどを用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。以下では、筐体102の幅方向(横方向)をX方向とし、長さ方向(縦方向)をY方向とし、厚み方向をZ方向として説明する。
図1(B)に示すように、電子機器100は、筐体102の内側に表示部104、クッション材105、及び押圧センサ1を備える。押圧センサ1、クッション材105、及び表示部104は、この順に筐体102の内側から外側に向かって積層されている。表示部104は、表面パネル103の筐体102内側の面に形成されている。
クッション材105は、筐体102内部であって表示部104のZ方向下方に形成されている。押圧センサ1は、クッション材105を介して表示部104のZ方向下方に形成されている。なお、クッション材105は、本発明における「基材」に相当する。
クッション材105は、弾性率が1MPa以下である。このため、クッション材105は外力を受けると歪みやすい。表面パネル103に利用者が指やペンなどを用いてタッチ操作を行うと、クッション材105を介して押圧センサ1に押圧力が伝わる。後で詳述するが、押圧センサ1は、表面パネル103で受け付けた操作に応じた電位を出力する。
図2(A)及び図2(B)に示すように、押圧センサ1は、圧電フィルム10、第1電極11、及び第2電極12を備える。なお、図2(A)及び図2(B)では、圧電フィルム10、第1電極11、及び第2電極12以外の図示は省略している。
圧電フィルム10は、第1主面14及び第2主面15を有する。第1電極11及び第2電極12は、平面視で圧電フィルム10と同様に矩形状に形成されている。第1電極11は、圧電フィルム10の第1主面14に設けられている。第2電極12は、圧電フィルム10の第2主面15に設けられている。
押圧センサ1を平面視した時、第1電極11又は第2電極12の少なくとも一方は、上面視で圧電フィルム10と完全に重なるか、圧電フィルム10より面方向内側に位置していると良い。これにより、第1電極11及び第2電極12の端部における短絡を抑制できる。
図3は、圧電フィルム10を平面視した図である。図3に示すように、圧電フィルム10はキラル高分子から形成されるフィルムであってもよい。キラル高分子として、第一実施形態では、ポリ乳酸(PLA)、特にL型ポリ乳酸(PLLA)を用いている。キラル高分子からなるPLLAは、主鎖が螺旋構造を有する。PLLAは、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PLLAは、圧電フィルム10の平板面が押圧されることにより、電圧を発生する。この際、発生する電圧量は、押圧量により平板面が当該平板面に直交する方向へ変位する変位量に依存する。
第一実施形態では、圧電フィルム10(PLLA)の一軸延伸方向は、図3の矢印901で示すように、Y方向及びZ方向に対して45度の角度を成す方向としている。この45度には、例えば45度±10度程度を含む角度を含む。これにより、圧電フィルム10が押圧されることにより電圧が発生する。
PLLAは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じるため、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。すなわち、強誘電体に属さないPLLAの圧電性は、PVDF又はPZT等の強誘電体のようにイオンの分極によって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するものである。このため、PLLAには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。焦電性がないため、ユーザの指の温度や摩擦熱による影響が生じないため、押圧センサ3を薄く形成することができる。さらに、PVDF等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、PLLAの圧電定数は経時的に極めて安定している。従って、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。
なお、圧電フィルム10は、PLLAに代えて、ポーリング処理を行ったPVDF又はPZT等のようなイオンが分極した強誘電体から形成されるフィルムからなるものであってもよい。
圧電フィルム10の両主面に形成されている第1電極11及び第2電極12は、アルミニウムや銅等の金属系の電極を用いることができる。また電極に透明性が求められる場合、第1電極11及び第2電極12は、ITOやPEDOTなどの透明性の高い材料を用いることができる。このような第1電極11及び第2電極12を設けることで、圧電フィルム10が発生する電荷を電圧として取得でき、押圧量に応じた電圧値の押圧量検出信号を外部へ出力することができる。
図4は第1電極の積層方向の厚みと弾性率との積と、押圧センサの感度との関係を示すグラフである。図5は第1電極の積層方向の厚みと弾性率との積と、押圧センサの応力緩和の関係を示すグラフである。
図4に示すように、第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積と、押圧センサ1の感度との関係は正比例である。すなわち、第1電極11の積層方向の厚みt1と弾性率との積が増加するほど、押圧センサ1の感度は増加する。
図5では、応力緩和を、正規の出力であるプラスの電圧(プラス側の最大出力値)と、正規の出力が検出された後、応力緩和によって生じるマイナスの電圧(マイナス側の最大出力値)との比として定義している。例えば、図10においては、応力緩和(%)=h2/h1×100として算出する。
図5に示すように、第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上であると、押圧センサ1の応力緩和は低く抑えられる。一方、第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m未満であると、押圧センサ1の応力緩和は大きくなるため、押圧センサ1の出力への影響が出やすくなる。
第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上の場合、応力緩和を6%以下と小さくすることが出来る。好ましくは第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積が4.5MPa・m以上であり、この場合応力緩和を5%以下と小さくすることができる。更に好ましくは、第1電極11の積層方向の厚みと弾性率との積を5MPa・m以上にすることによって、第1電極11の積層方向の厚みや弾性率が多少ばらついたとしても応力緩和のばらつきの影響を小さくすることが出来る。
ここで、第1電極11は、弾性率60GPa以上の材料で形成されている。弾性率60GPa以上の材料として、例えば、弾性率が約100GPa程度の銅等の金属が挙げられる。また、第1電極11の積層方向の厚みt1と弾性率との積が4MPa・m以上である。これにより、第1電極11は、所定以上の剛性となる。このため、押圧センサ1は全体として所定以上の剛性を有し、単独で形状を維持し易く、応力緩和は低く抑えられる。
なお、第1電極11の代わりに、第2電極12が、弾性率60GPa以上の材料で形成され、第2電極12の積層方向の厚みt2と弾性率との積が4MPa・m以上であってもよい。これによっても、押圧センサ1は全体として所定以上の剛性を有するため、同様の効果が得られる。また、第1電極11及び第2電極12は、共に同様の構成であってもよい。これにより、第1電極11及び第2電極12が共に所定以上の剛性を有するため、同様の効果が得られる。すなわち、第1電極11もしくは第2電極12の少なくともどちらか一方が上記条件を満たしていればよく、又は第1電極11及び第2電極12の両方が上記条件を満たしていても良い。
また、第1電極11の積層方向の厚みt1又は第2電極12の積層方向の厚みt2は、200μm以下であることが好ましい。これにより、電子機器100の小型化又は薄型化が要求される場合に適応することができる。
表面パネル103が押圧操作を受けると、クッション材105を介して押圧センサ1に押圧力が伝わる。これにより、押圧センサ1の圧電フィルム10の平板面が押圧される。圧電フィルム10は、表面パネル103で受け付けた操作に応じた電位を出力する。このとき、クッション材105の弾性率は低めであるが、押圧センサ1は、所定以上の剛性を有し、単独で形状を維持し易く、応力緩和が起こり難い。従って、押圧センサ1は、応力緩和による逆極性の出力が発生し難い。よって、押圧センサ1のセンサ感度が向上される。
以下、第二実施形態に係る押圧センサについて説明する。図6は第二実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。なお、図6では、配線等の図示は省略している。図6に示すように、押圧センサ2は、シールド電極24をさらに備える点で、第一実施形態に係る押圧センサ1と大きく異なる。このため、押圧センサ2については、押圧センサ1と異なる点について説明し、同様の点については省略する。
押圧センサ2は、押圧センサ1に対しさらにシールド電極24を備える。また、押圧センサ2は、第1樹脂基材22、第2樹脂基材23、粘着テープ41、及びビア電極42と、さらに備える。
第1電極11は、圧電フィルム10と対向する第3主面16と、第3主面16の反対側の第4主面17を備える。第1電極11は、第3主面16において、圧電フィルム10と粘着テープ41で接合されている。シールド電極24は、第1電極11の第4主面17に対向して配置されている。なお、粘着テープ41は、本発明における「接合材料」に相当する。
粘着テープ41の弾性率は、10MPa以上であることが好ましい。粘着テープ41の弾性率が10MPa以上であると、温度変化によって粘着テープ41の弾性率が変化しても、押圧センサ2の出力はあまり変動しない。これにより、押圧センサ2の温度特性を改善させることができる。また、粘着テープ41が高弾性率であると、温度変化によって粘着テープ41の弾性率が多少変化したとしても、その変化は無視できる程度である。例えば、粘着テープ41の弾性率が10MPa以上であると、粘着テープ41は粘着テープ41自体による応力緩和の影響を受けにくい。これにより、押圧センサ2の応力緩和特性は劣化されることなく維持される。
第1樹脂基材22及び第2樹脂基材23は、シールド電極24を挟むようにシールド電極24の両主面に形成されている。第1樹脂基材22は、第1電極11の第4主面17と、シールド電極24とに接するように配置されている。第2樹脂基材23は、シールド電極24の第1樹脂基材22が形成されていない側に形成されている。ビア電極42は、第1樹脂基材22の一部に、第1樹脂基材22を貫通するように形成されている。
第1樹脂基材22、第2樹脂基材23、シールド電極24、ビア電極42、及び第1電極11は、プリント配線板で形成されている。このため、第1樹脂基材22、第2樹脂基材23、シールド電極24、ビア電極42、及び第1電極11の形成が容易になる。なお、押圧センサ2は第2樹脂基材23がない構造であってもよい。この場合、第1樹脂基材22の両面に、シールド電極24、ビア電極42、及び第1電極11をプリント配線板で形成する。これにより、押圧センサ2をより薄型化することができる。また、第1樹脂基材22及び第2樹脂基材23は、エポキシ樹脂、ポリイミド、又は液晶ポリマー、の少なくともいずれか一つを含む。
シールド電極24は、弾性率60GPa以上の材料で形成されている。これにより、表面パネル103が押圧操作を受けると、シールド電極24は、所定以上の剛性を有するため、同様に変形することができる。
シールド電極24は、積層方向の厚みt3と弾性率との積が4MPa・m以上である。これにより、シールド電極24は、所定以上の剛性となる。このため、押圧センサ2は全体として所定以上の剛性を有し、単独で形状を維持し易く、応力緩和は低く抑えられる。また、第1電極11の積層方向の厚みt1を薄く形成することが可能となる。これにより、第1電極11は細線として形成することができ、より複雑なパターンを形成できる。よって、第1電極11と同じ面に押圧センサ2の受信回路、又はその他の回路を形成することが容易になる。従って、押圧センサ2とその他の回路を備えたセンサモジュール、又は複合機能を備えたモジュールを容易に形成することができる。
また、シールド電極24は、電子機器100において表示部104側に設けられることが好ましい。すなわち、シールド電極24は、第1電極11及び第2電極12と表示部104との間に位置する。これにより、表示部104、すなわち外部からのノイズを抑制することができる。
以下、第三実施形態に係る押圧センサについて説明する。図7は第三実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。なお、図7では、配線等の図示は省略している。図7に示すように、押圧センサ3は、シールド電極が複数の電極の層で形成されている点で、第二実施形態に係る押圧センサ2と大きく異なる。このため、押圧センサ3については、押圧センサ2と異なる点について説明し、同様の点については省略する。
押圧センサ3は、シールド電極として、シールド電極24及びシールド電極34を備える。押圧センサ3は、第3樹脂基材32、及びビア電極43をさらに備える。シールド電極34、第3樹脂基材32、及びビア電極43は、押圧センサ2のシールド電極24と第2樹脂基材23との間に設けられている。すなわち、シールド電極24の上にさらにシールド電極34が積層されて形成されている。また、シールド電極34及びビア電極43は、シールド電極24等と同様に、プリント配線板で容易に形成することができる。
シールド電極24の積層方向の厚みt3と弾性率との積と、シールド電極34の積層方向の厚みt4と弾性率との積と和は、4MPa・m以上である。このため、押圧センサ3は全体として所定以上の剛性を有し、単独で形状を維持し易く、応力緩和は低く抑えられる。また、押圧センサ3は複数のプリント配線板の層を有する。このため、押圧センサ3とその他の回路を備えたセンサモジュール、又は複合機能を備えたモジュールを形成する際の配置又は配線の自由度が増し、小型化が可能となる。
以下、第四実施形態に係る押圧センサについて説明する。図8は第四実施形態に係る押圧センサの断面を説明するための模式図である。なお、図8では、配線等の図示は省略している。図8に示すように、押圧センサ4は、第2電極12が導電テープで形成されている点で、第二実施形態に係る押圧センサ2と大きく異なる。このため、押圧センサ4については、押圧センサ2と異なる点について説明し、同様の点については省略する。
押圧センサ4は、基準電極パターン21を備える。基準電極パターン21は、第1電極11と同一面に配置されている。ここで、第1電極11と同一面とは、積層方向に対して垂直な面を表す。このため、基準電極パターン21と、第1電極11とは、互いに接触しないように配置されており、個別に第1樹脂基材22と接する。基準電極パターン21は、第1電極11と同様にプリント配線板で形成されている。
ビア電極42は、第1樹脂基材22において基準電極パターン21と対向する位置に形成されている。ビア電極42は、シールド電極24と基準電極パターン21とを接続する。
押圧センサ4において、第2電極12は基準電極である。第2電極12は、導電テープで形成されている。第2電極12は、基準電極パターン21に接続されている。すなわち、押圧センサ4において、第1電極11はHOT電極として、基準電極パターン21は基準電極として機能する。これにより、第2電極12は基準電極である基準電極パターン21に容易に貼り付けることができるため、押圧センサ4の製造が容易となる。また、HOT電極である第1電極11の第3主面16及び第4主面17の両側が基準電極で覆われるため、外部からのノイズを抑制することができる。
第2電極12は、両面テープであることが好ましい。これにより、押圧センサ4の第2電極12側にさらに、クッション、保護用フィルム等の別の部材を貼り付けることができる。
なお、押圧センサは圧電センサに限らず、ひずみケージセンサであっても良い。図9(A)は変形例に係るひずみケージセンサの分解斜視図、図9(B)はその断面を説明するための模式図である。図9(A)及び図9(B)に示すように、ひずみケージセンサ9は、基材90、第1電極91、及び第2電極92を備える。なお、図9(A)及び図9(B)では、基材90、第1電極91、及び第2電極92以外の図示は省略している。また、ひずみケージセンサ9については、押圧センサ1と異なる点について説明し、同様の点については省略する。
第1電極91は、いわゆるジグザグ形状に形成されている。基材90は、第1主面94及び第2主面95を有する。第1電極91は、基材90の第1主面94に設けられている。第2電極92は、基材90の第2主面95に設けられている。なお、第2電極92は必ずしも設ける必要はないが、第2電極92をシールド電極として設けることにより、外部からのノイズを抑制することができる。
第1電極91の積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上、又は第2電極92の積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上であると、ひずみケージセンサ9の応力緩和は低く抑えられる。
最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。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、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。
1,2,3,4…押圧センサ
10…圧電フィルム
11…第1電極
12…第2電極
14…第1主面
15…第2主面
16…第3主面
17…第4主面
21…基準電極パターン
22,23,32…樹脂基材
24,34…シールド電極
41…接合材料
42,43…ビア電極
100…電子機器

Claims (11)

  1. 第1主面及び第2主面を有する圧電フィルムと、
    前記圧電フィルムの前記第1主面に設けられた第1電極と、
    前記圧電フィルムの前記第2主面に設けられた第2電極と、
    を備え、
    前記第1電極又は前記第2電極の少なくともいずれか一方は、弾性率60GPa以上の材料で形成され、且つ、積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上である、
    押圧センサ。
  2. 前記第1電極又は前記第2電極の少なくともいずれか一方は、積層方向の厚みと弾性率との積が5MPa・m以上である、
    請求項1に記載の押圧センサ。
  3. シールド電極を備え、
    前記第1電極は、前記圧電フィルムと対向する第3主面と、該第3主面の反対側の第4主面と、を備え、
    前記シールド電極は、前記第4主面に対向して配置され、
    前記シールド電極は、弾性率60GPa以上の材料で形成され、
    前記シールド電極は、積層方向の厚みと弾性率との積が4MPa・m以上である、
    請求項1に記載の押圧センサ。
  4. 前記シールド電極は、積層方向の厚みと弾性率との積が5MPa・m以上である、
    請求項3に記載の押圧センサ。
  5. 前記シールド電極は、複数の電極の層で形成され、
    前記複数の電極の層を構成する各電極の積層方向の厚みと弾性率との積の和が4MPa・m以上である、
    請求項3に記載の押圧センサ。
  6. 前記複数の電極の層を構成する各電極の積層方向の厚みと弾性率との積の和が5MPa・m以上である、
    請求項5に記載の押圧センサ。
  7. 樹脂基材と、ビア電極と、を備え、
    前記樹脂基材、前記シールド電極、前記ビア電極、及び前記第1電極は、プリント配線板で形成され、
    前記ビア電極は、前記シールド電極と前記第1電極とを接続し、
    前記樹脂基材は、エポキシ樹脂、ポリイミド、又は液晶ポリマー、の少なくともいずれか一つを含む、
    請求項3乃至請求項6のいずれか1項に記載の押圧センサ。
  8. 樹脂基材と、ビア電極と、基準電極パターンと、を備え、
    前記樹脂基材、前記シールド電極、前記ビア電極、前記基準電極パターン、及び前記第1電極は、プリント配線板で形成され、
    前記基準電極パターンは、前記第1電極と同一面に配置され、
    前記ビア電極は、前記シールド電極と前記基準電極パターンとを接続され、
    前記第2電極は、導電テープで形成され、前記基準電極パターンに接続し、
    前記樹脂基材は、エポキシ樹脂、ポリイミド、又は液晶ポリマー、の少なくともいずれか一つを含む、
    請求項3乃至請求項6のいずれか1項に記載の押圧センサ。
  9. 前記導電テープは両面テープである、
    請求項8に記載の押圧センサ。
  10. 前記圧電フィルムと前記第1電極とを接合する接合材料を備え、
    前記接合材料の弾性率は10MPa以上である、
    請求項1乃至請求項請求項9のいずれか1項に記載の押圧センサ。
  11. 請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の押圧センサと、
    弾性率が1MPa以下の基材と、
    を備えた電子機器。
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