JPWO2019069786A1 - 押圧センサ及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

押圧操作を受け付ける受付部(9)の変形量に対応して電圧を出力する第1センサ素子(20)と、受付部(9)が押圧操作を受け付けている状態か否かを判定する押圧操作判定部(25)と、押圧操作判定部(25)が受付部(9)で押圧操作を受け付けたと判定した時点から第1所定時間(t1)の経過後に、受付部(9)が押圧操作を終了したか否かを判定するための、グランド電圧の値との差である閾値の絶対値を、第1所定時間(t1)の経過前より小さく設定する設定部(26)と、を備える。

Description

本発明の一実施形態は、圧電素子を備える押圧センサ及び該押圧センサを備える電子機器に関する。
特許文献1には、弾性体と、該弾性体の第1主面に取り付けられ圧電性シートの両主面に電極が形成された平膜型圧電素子とを備える変位センサが開示されている。特許文献1に記載の変位センサでは、弾性体の変位によって圧電性シートが変位し、圧電効果により変位量に応じた出力電圧が、圧電性シートの両面に形成された電極から出力される。
図11(A)〜図11(C)は、従来例に係る変位センサにおいて長押し操作をした場合に発生する電圧の変動を説明するための図である。図11(A)〜図11(C)において、Sで示す区間は変位センサが押圧を検知している時間を示す。特許文献1に記載の変位センサにおいては、例えば図11(A)に示すように、ユーザが変位センサを押圧すると正の極性の電圧が発生し、所定の正の極性の閾値(Vth1)を超えると押圧が開始されたと判断する。ユーザが変位センサから手を離すと負の極性の電圧が発生し、所定の負の極性の閾値(Vth2)を下回ると押圧が終了したと判断する。なお、本明細書において、基準電位を0Vとして極性の説明を行う。また、本明細書において、基準電位をグランド電位とした場合について説明を行う。
国際公開第2012/137897号
特許文献1に記載の変位センサにおいて、変位センサを長押しする場合、初めに変位センサを押圧した際に、正の極性の電圧が発生した後に弾性体の跳ね返りで負の極性の電圧が発生する。このため、図11(B)に示すように、押圧の終了を判断するための閾値(Vth2)を負の方向に小さく設定すると、跳ね返りで発生した電圧が閾値(Vth2)を下回ることにより誤った判断がされるおそれがある。逆に、図11(C)に示すように、押圧の終了を判断するための閾値(Vth2)を負の方向に大きく設定すると、ゆっくり手を離した際に電圧の出力変動が小さくなるため、閾値(Vth2)を下回ることなく、押圧の終了を検出することができないおそれがある。
そこで、本発明の一実施形態の目的は、変位センサを長押しする場合であっても、長押しの終了を誤動作なく検知することができる押圧センサを提供することにある。
本発明の一実施形態に係る押圧センサは、第1センサ素子と、押圧操作判定部と、設定部と、を備えることを特徴とする。第1センサ素子は、押圧操作を受け付ける受付部の変形量に対応して電圧を出力する。押圧操作判定部は、前記受付部が押圧操作を受け付けている状態か否かを閾値に基づいて判定する。設定部は、前記押圧操作判定部が前記受付部で押圧操作を受け付けたと判定した時点から第1所定時間の経過後に、前記受付部が押圧操作を終了したか否かを判定するための、グランド電圧の値との差である閾値の絶対値を、前記第1所定時間の経過前より小さく設定する。
この構成では、押圧操作判定部が受付部で押圧操作を終了したことを判定する時点における閾値は、押圧操作を受け付けたと判定する時点における閾値よりグランド電圧の値との差が小さくなるように設定されている。このため、ユーザが長押し後にゆっくりと指を受付部から離した場合であっても、閾値の絶対値が小さく設定されているため、押圧操作判定部は、受付部が押圧操作を終了したことを判定することができる。従って、変位センサを長押しする場合であっても、長押しの終了を誤動作なく検知することができる。
本発明の一実施形態に係る電子機器は、上記押圧センサを備える。
この構成では、電子機器の操作部等に押圧センサを配置することにより、操作部が長押しされた場合であっても、長押しの終了を誤動作なく検知することができる。
本発明の一実施形態によれば、変位センサを長押しする場合であっても、長押しの終了を誤動作なく検知することができる。
図1(A)は第一実施形態に係る電子機器の斜視図、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圧電素子の配置を説明するための図、図2(B)は押圧センサのブロック図である。 図3(A)は第一実施形態に係る圧電素子の分解斜視図、図3(B)はその断面図である。 図4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5は第一実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。 図6は第二実施形態に係る圧電素子の配置を説明するための図である。 図7は第二実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。 図8は第三実施形態に係る圧電素子の配置を説明するための図である。 図9は第三実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。 図10(A)〜図10(C)は、変形例を説明するための図である。 図11(A)〜図11(C)は、従来例に係る押圧センサにおいて長押し操作をした場合に発生する電圧の変動を説明するための図である。
図1(A)は第一実施形態に係る電子機器の斜視図である。図1(B)は、図1(A)に示すI−I線における断面図である。図2(A)は、第一実施形態に係る圧電素子の配置を説明するための図である。図2(B)は、押圧センサのブロック図である。なお、図2(A)においては、電子機器の内側を説明するために、上面及び内部構造の一部が省略されて示されている。また、図1(A)に示す電子機器はあくまで本発明の一例であり、これに限るものではなく仕様に応じて形状等を適宜変更することができる。
図1(A)、図1(B)及び図2(A)に示すように、電子機器1は、略直方体形状の筐体2を備える。筐体2は、側面3、上面4、底面7、及び開口部8を備える。開口部8は、上面4の一部に形成されている。電子機器1は、筐体2の開口部8に配置された平板状の表示部5を備える。なお、電子機器1は、上面4を備えない構成であってもよい。例えば、筐体2の上面全体が開口部8であり、開口部8を封じるように表示部5が配置されていてもよい。
表示部5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2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。
筐体2は、側面3の外側の一部に受付部9を有する。電子機器1は、受付部9に対応する側面3の内側に圧電素子20を備える。圧電素子20は、側面3の内側に、例えば粘着テープや接着剤等で貼り付けられている。圧電素子20は、本発明における第1センサ素子に相当する。
電子機器1は、筐体2の内側に回路部6を備える。図2(B)に示すように、回路部6は、CPU21、タイマー22、RAM23、及びROM24を備える。CPU21は、押圧操作判定部25及び設定部26を備える。
CPU21は、記憶媒体であるROM24に記憶されているプログラムをRAM23に読み出すことで、以下の種々の動作を行なう。
回路部6は、圧電素子20と電気的に接続されており、圧電素子20から発生した電圧を検出する。回路部6は、圧電素子20と共に押圧センサ100を構成している。
受付部9が押圧操作を受け付けると、受付部9は変形する。受付部9及び筐体2の変形に伴い、圧電素子20が変形する。圧電素子20は、受付部9の変形量に対応した電圧を出力する。押圧センサ100は、圧電素子20が変形によって発生する電圧を回路部6で検出し押圧を検知する。
後から詳細に説明するが、押圧操作判定部25は、受付部9が押圧操作を受け付けている状態か否かを閾値に基づいて判定する。設定部26は、押圧操作判定部25が受付部9で押圧操作を受け付けたと判定した時点から第1所定時間(t1)の経過後に、閾値の絶対値を第1所定時間(t1)の経過前より小さく設定する。なお、圧電素子20及び回路部6は、必ずしも筐体2内部に配設される必要はなく、筐体2外部に配設されてもよい。以下、圧電素子20について説明する。
図3(A)は第一実施形態に係る圧電素子の分解斜視図、図3(B)はその断面図である。図4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3(A)及び図3(B)に示すように、圧電素子20は、平膜状の圧電フィルム10及び平膜状の第1電極11、及び第2電極12を備える。なお、図3(A)及び図3(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。
圧電素子20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。また、第1電極11又は第2電極12の一方はグランド電極である。従って、圧電素子20は、グランド電極を基準とした電圧を出力する。なお、本明細書において説明の便宜上、グランド電位を0Vとして説明を行う。
図4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り、圧電フィルムを平面視した図である。図4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、第一実施形態においては、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、電荷を発生する。圧電フィルム10で発生した電荷は、回路部6で電圧に変換される。この際、回路部6で検出される電圧量は、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4の矢印901に示すように、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、圧電素子20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。
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5は第一実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。
受付部9が押圧操作を受け付けると、図5に示すように、圧電素子20は、グランド電極を基準として電圧を出力する。初めに、圧電素子20は押圧操作により変形をすると、正又は負の極性の電圧を発生する。本実施形態においては、この状態において正の極性の電圧を発生するものについて説明をする。このとき、発生する電圧が正の極性における第1閾値(Th1)を超えると、押圧操作判定部25は、受付部9が押圧操作を受け付けている状態であると判定する。なお、この時の経過時間を説明の便宜上、時間(t0)とする。また、定常時における負の極性側の閾値を第4閾値(Th4)とする。
時間(t0)を経過して、発生する電圧がピークに到達したときの電圧をVmaxとする。圧電素子20は、その後圧電素子20自体における押圧操作の跳ね返りにより、負の極性の電圧を発生する。ここで、設定部26は、受付部9で押圧操作を受け付けたと判定した時点(t0)以降第2所定時間(t2)において、閾値を、第4閾値(Th4)よりグランド電圧の値との差の絶対値が大きい第3閾値(Th3)に設定することが好ましい。例えば、圧電素子20から発生する電圧がピークに到達すると、負の極性の第4閾値(Th4)は新たに閾値を変化させる設定部26は、閾値を第4閾値(Th4)より、負の方向へ大きい値である第3閾値(Th3)に設定する。この閾値の変更により、押圧操作の跳ね返りにより発生負の方向の電圧を押圧操作判定部25が検出することを防止できる。なお、第4閾値(Th4)は、あらかじめ第3閾値(Th3)と同じ値に設定しておいても良い。
また、設定部26は、圧電素子20から出力される電圧の最大値Vmaxに応じて、第3閾値(Th3)を設定することが好ましい。押圧操作の跳ね返りは、押圧操作の大きさに概ね比例する。このため、押圧操作によって生じた電圧の最大値Vmaxを基準に第3閾値(Th3)を設定することにより、より正確に押圧操作の跳ね返りを検出することを防止できる。
設定部26が閾値を第3閾値(Th3)に設定して所定時間が経過した時点である、押圧操作判定部25が受付部9で押圧操作を受け付けたと判定した時点から第1所定時間(t1)の経過後に、設定部26は、閾値を第3閾値(Th3)より、負の方向へ小さい値である第2閾値(Th2)に設定する。
設定部26が閾値を第3閾値(Th3)に設定する期間、すなわち第2所定時間(t2)から第1所定時間(t1)の長さは、押圧操作によって生じた電圧の最大値Vmaxを基準に設定することが好ましい。押圧操作の跳ね返りが起こる時間の長さは、押圧操作の大きさに概ね比例する。このため、押圧操作によって生じた電圧の最大値Vmaxを基準に第2所定時間(t2)及び第1所定時間(t1)を設定することにより、より正確に押圧操作の跳ね返りを検出することを防止できる。
設定部26は、第1所定時間(t1)の経過後に、閾値を第2閾値(Th2)に設定する。長押し中のあまり電圧の変動のない状態からゆっくりと指を受付部9から離した場合、図5に示すように押圧操作を検知した際に生じるピークと正負逆方向に比較的ブロードなピークが生じる。第2閾値(Th2)の絶対値が比較的小さく設定されているため、指を受付部9から離した場合に生じる電圧変化が小さくても第2閾値(Th2)を十分に下回る。押圧操作判定部25は、受付部9が押圧操作を終了したことを判定することができる。従って、押圧センサ100は、図5のSで示すように、長押し操作においても押圧している時間を検知することができる。このとき押圧操作を終了した時間を(t3)とする。
なお、第2閾値(Th2)は、受付部9を長押ししているときの指のずれ等によって生じるノイズを拾わない程度の大きさであることが好ましい。これにより、多少の手のブレなどがあった場合でも、押圧操作を終了したことを正確に判定することができる。
設定部26は、押圧操作判定部25が押圧操作を終了したことを判定すると、時間(t3)において、閾値を第2閾値(Th2)から定常時の第4閾値(Th4)に設定することが好ましい。これにより、引き続きユーザが長押しの押圧操作を行う場合であっても、スムーズに検知することができる。
なお、本実施形態では、受付部9が形成されているが、受付部9は複数個形成されていてもよく、其々筐体2の表示部5以外のいずれの位置に配置されていてもよい。
図6は、第二実施形態に係る圧電素子の配置を説明するための図である。図7は、第二実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。以下、第二実施形態に係る押圧センサについて説明するが、第一実施形態に係る押圧センサ100と同様の構成については説明を省略する。従って、図6において第二実施形態に係る押圧センサのうち押圧センサ100と異なる構成のみ表す。図7において、下側のグラフは、他のセンサ素子の出力を表したものである。
図6に示すように、第二実施形態に係る押圧センサ200は、圧電素子20に加えて、センサ素子60を備える。センサ素子60は、本発明における第2センサ素子に相当する。センサ素子60は、圧電素子20と同様に、側面3の内側に、例えば粘着テープや接着剤等で貼り付けられている。センサ素子60は、センサ素子60自体の変形等を検出するセンサ素子である。すなわち、センサ素子60は、ユーザが受付部9を操作した時に、補助的に圧電素子20の変形を検知するセンサ素子である。センサ素子60としては、例えば、圧電フィルムセンサ、近接センサ、照度センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、圧力センサ等が挙げられる。
筐体2の受付部9が押圧操作を受け付けると、押圧操作を受け付けた箇所が圧電素子20付近であると、センサ素子60は、押圧操作の影響を受けて、何らかのシグナルを発生する。例えば、センサ素子60が圧力センサである場合、圧電素子20の変形に伴いセンサ素子60も変形する。図7の下図に示すように、センサ素子60からも押圧時と長押しを終了した時とにシグナルが検出される。
押圧操作判定部25が、圧電素子20からの出力だけでなく、センサ素子60が発生するシグナルを検出することにより、センサ素子60のシグナルを基に、設定部26が閾値を変更するタイミングを判断することができる。これにより、より設定部26が閾値を変更するタイミングをより正確に設定することができる。
また、筐体2の側面3において受付部9以外の箇所が押圧操作を受け付けると、センサ素子60の発生するシグナルは、受付部9が押圧操作を受け付けた時と比べて異なるシグナルを出力する。これにより、押圧操作判定部25が、センサ素子60の発生するシグナルに基づき、受付部9が押圧操作を受け付けた時のものであるか否かを判断することによって、より正確に受付部9が押圧操作を受け付けた時のみを検知することができる。また、受付部9が押圧操作を受け付けた時と比べて異なるシグナルを出力していると押圧操作判定部25が判断した場合、設定部26が閾値を変更することを停止させることができるため、無駄な消費電力の消費が抑制できる。
図8は、第三実施形態に係る圧電素子の配置を説明するための図である。図9は第三実施形態に係る押圧センサが長押し操作を受けた場合における、時間と発生電位との関係を説明するための図である。以下、第三実施形態に係る押圧センサについて説明するが、第二実施形態に係る押圧センサ200と同様の構成については説明を省略する。従って、図8において第三実施形態に係る押圧センサのうち押圧センサ200と異なる構成のみ表す。図9において、下側のグラフは、他のセンサ素子の出力を表したものである。
図8に示すように、第三実施形態に係る押圧センサ300は、センサ素子60に代えて、センサ素子80を備える。センサ素子80は、本発明における第3センサ素子に相当する。センサ素子80は、生体の微小振動(いわゆる、生体振戦)の振戦情報を検出するセンサ素子である。
センサ素子80は、ユーザが受付部9を押圧操作した時に、筐体2を伝わってセンサ素子80へ届いた生体振戦を検出する。例えば、図9に示すように、ユーザの指が筐体2に触れている間、センサ素子80はシグナルを出力する。検出された振戦情報に基づき、受付部9が押圧操作を受け付けた時のものであるか否かを判断することによって、より正確に受付部9が押圧操作を受け付けた時のみを検知することができる。
また、筐体2の側面3において押圧操作を受け付ける箇所のセンサ素子80からの距離により、出力されるシグナルの大きさが変化する。このため、センサ素子80と圧電素子20との位置関係によって、受付部9が押圧操作されたか否かを判断することが可能となる。従って、検出された振戦情報の大きさに基づいて、より明確に受付部9が押圧操作されたことを検知することができる。
図10(A)は変形例1を、図10(B)は変形例2を、図10(C)は、変形例3を、それぞれ説明するための図である。変形例1〜3では、第一実施形態に係る押圧センサ100における負の極性の第2閾値(Th2)のみが異なるため、これについてのみ説明を行い、その他の点については説明を省略する。
第一実施形態に係る押圧センサ100において、第2閾値(Th2)は所定時間一定である。これに対して、変形例1の第2閾値(Th2)は、図10(A)に示すように、所定時間(t1〜t3)の間、経過時間に比例して増加する。変形例2の第2閾値(Th2)は、図10(B)に示すように、所定時間(t1〜t3)の間、階段状に増加する。変形例3の第2閾値(Th2)は、図10(C)に示すように、所定時間(t1〜t3)の間、曲線状に増加する。このように、第3閾値(Th3)は、経過時間に対して様々な値に変化させることができる。従って、筐体2の形状や硬度等に対して適宜対応させることが可能となる。また、図10(A)〜図10(C)のように第2閾値(Th2)を経過時間に対応して増加させることによって、不要ノイズの影響による誤検知をさらに軽減することができる。
なお、本実施形態の構造は、スマートフォン以外にも様々な電子機器に適用することができる。本実施形態においては、メカニカルスイッチのように筐体に開口を設ける必要が無い。このため、洗濯機や浴室内に配置するスイッチなど防水性が求められる箇所での使用に好適である。
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…電子機器
9…受付部
10…圧電フィルム
20…圧電素子(第1センサ素子)
25…押圧操作判定部
26…設定部
60…圧電素子(第2センサ素子)
80…圧電素子(第3センサ素子)
100,200,300…押圧センサ

Claims (9)

  1. 押圧操作を受け付ける受付部の変形量に対応して電圧を出力する第1センサ素子と、
    前記受付部が押圧操作を受け付けている状態か否かを判定する押圧操作判定部と、
    前記押圧操作判定部が前記受付部で押圧操作を受け付けたと判定した時点から第1所定時間の経過後に、前記受付部が押圧操作を終了したか否かを判定するための、グランド電圧の値との差である閾値の絶対値を、前記第1所定時間の経過前より小さく設定する設定部と、
    を備える押圧センサ。
  2. 前記受付部が押圧操作を受け付けている状態か否かを判定する閾値は、第1閾値であり、
    前記第1所定時間の経過後において、前記第1所定時間の経過前よりグランド電圧の値との差の絶対値が小さく設定され、前記受付部が押圧操作を終了したか否かを判定する閾値は、第2閾値である、
    請求項1に記載の押圧センサ。
  3. 前記設定部は、前記受付部で押圧操作を受け付けたと判定した時点以降、前記第1所定時間以前の第2所定時間の経過後から前記第1所定時間までの閾値を、前記第2閾値よりグランド電圧の値との差の絶対値が大きい第3閾値に設定する、
    請求項2に記載の押圧センサ。
  4. 前記設定部は、前記受付部で押圧操作を受け付けたと判定した時点から前記第2所定時間までにおける前記第1センサ素子から出力される電圧の最大値に応じて、前記第1所定時間及び前記第2所定時間を設定する、
    請求項3に記載の押圧センサ。
  5. 前記設定部は、前記受付部で押圧操作を受け付けたと判定した時点から前記第2所定時間までにおける前記第1センサ素子から出力される電圧の最大値に応じて、前記第3閾値を設定する、
    請求項3又は4に記載の押圧センサ。
  6. 前記設定部は、前記押圧操作判定部が押圧操作を終了したと判定すると、前記第2閾値を定常時の第4閾値に設定する、
    請求項3乃至請求項5のいずれかに記載の押圧センサ。
  7. 第2センサ素子をさらに備え、
    前記押圧操作判定部は、第2センサ素子が変形を検知しているか否かを判断する、
    請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の押圧センサ。
  8. 第3センサ素子をさらに備え、
    前記押圧操作判定部は、前記第3センサ素子で振戦情報が検出されているか否かを判断する、
    請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の押圧センサ。
  9. 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の押圧センサを備える、
    電子機器。
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