WO2014196367A1 - 圧力検出装置および入力装置 - Google Patents
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Abstract
Description
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタとを備えるように構成した。
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタに接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1キャパシタに接続される第1電極部を複数備え、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続するように構成した。
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタに接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第2電極に接続される第2キャパシタと、
前記第2電極と前記第2キャパシタに接続される第2マルチプレクサと、
前記第2マルチプレクサに接続される第2検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1キャパシタに接続される第1電極部を複数有し、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続し、
前記第2電極は、前記第2キャパシタに接続される第2電極部を複数有し、
前記第2マルチプレクサは、前記第2検出部に対して複数の前記第2電極部を切替えて接続するように構成した。
前記第1電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第2電極部は、一の方向に対して垂直な方向に配置されるように構成してもよい。
前記第1検出部は、
前記第1マルチプレクサと接続されるアンプ部と、
前記第1アンプ部と接続される第1電圧検出器とを備えるように構成してもよい。
前記第1検出部は
前記第1アンプ部と前記第1電圧検出器との間に接続され、下記式(1)で示される周波数f1を有する第1バンドパスフィルタを備えるように構成してもよい。
式(1):f1=1/(T1×2)
T1=第1検出部を一の第1電極部に接続してから他の第1電極部に接続するまでに要する時間
前記第2検出部は、
前記第2マルチプレクサと接続される第2アンプ部と、
前記第2アンプ部と接続される第2電圧検出器とを備えるように構成してもよい。
前記第2検出部は、
前記第2アンプ部と前記第2電圧検出器との間に接続され、下記式(2)で示される周波数f1を有する備える第2バンドパスフィルタを備えるように構成してもよい。
式(2):f2=1/(T2×2)
T2=第2検出部を一の第2電極部に接続してから他の第2電極部に接続するまでに要する時間
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1検出部とを備えるように構成した。
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1共振回路に接続される第1電極部を複数備え、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続するように構成した。
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第2電極に接続される第2共振回路と、
前記第2電極と前記第2共振回路に接続される第2マルチプレクサと、
前記第2マルチプレクサに接続される第2検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1共振回路に接続される第1電極部を複数有し、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続し、
前記第2電極は、前記第2共振回路に接続される第2電極部を複数有し、
前記第2マルチプレクサは、前記第2検出部に対して複数の前記第2電極部を切替えて接続するように構成した。
前記第1電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第2電極部は、一の方向に対して垂直な方向に配置されるように構成してもよい。
前記共振回路は、バラクタを備えていてもよい。
(1)圧力検出装置の全体構造
図1を用いて、本発明の第1実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図1は圧力検出装置の概略図である。
図1に示すように、第1実施形態に係る圧力検出装置1は、圧電センサ10と、第1検出部20と、第1キャパシタC1を有している。圧電センサ10は、圧電層11と、第1電極12と、第2電極13を有している。第1電極12は、圧電層11の第1主面に配置され、第1キャパシタC1と電気的に接続されている。第2電極13は、圧電シート11の第1主面とは反対側の第2主面に配置され、アースEと接続されている。なお、第1電極12と第2電極13は、それぞれ圧電層11の一面にわたって配置されている。
以下で、圧力検出装置1の各構成について詳細に説明する。
圧電センサ10は、与えられた荷重に応じて電荷を発生させる装置である。図1に示すように、圧電センサ10は、圧電層11と、第1電極12と、第2電極13を有している。
圧電層11を構成する材料としては、無機圧電材料や有機圧電材料が挙げられる。
このような第1電極12、第2電極13は、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、インジウム-スズ酸化物(Indium-Tin-Oxide、ITO)、スズ-亜鉛酸化物(Tin-Zinc-Oxide、TZO)などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン(PolyeThylenedioxyThiophene、PEDOT)などの導電性高分子、などを用いることができる。この場合、上記の電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて形成できる。
第1キャパシタC1は、キャパシタがアースされた構造からなる。第1キャパシタC1は、静電容量により電荷を蓄えたり、放出したりする素子である。そのような部材としては、セラミックキャパシタ、タンタルキャパシタ、フィルムキャパシタを挙げることができる。
第1検出部20は、圧電センサ10で発生した電荷を検出する装置である。第1検出部20は、第1アンプ部21と、第1電位検出部22を有している。第1アンプ部21は、電荷の充電により発生した第1キャパシタC1の電圧を増幅させる機器であり、第1電極12と第1キャパシタC1に接続されている。第1電位検出部22は、第1アンプ部21で増幅された電荷の電位を測定する機器であり、第1アンプ部21と接続されている。
本発明の構成によれば、圧力検出装置1において、第1電極12は、第1キャパシタC1と接続されている。そのため、圧電層11で発生した電荷は、第1電極12を経由して第1キャパシタC1に充電される。そうすると、圧電層11が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、第1キャパシタC1の電圧を第1検出部20で測定することによって、上記で発生した電荷を第1検出部20で検出できるものとなっている。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。基本的な構造は、第1実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
図2を用いて、本発明の第2実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図2は圧力検出装置の概略図である。図3は、図2のA‐A’断面図である。図4は、第2実施形態の変形例である。
図2に示すように、第2実施形態に係る圧力検出装置1は、圧電センサ10と、第1検出部20と、第1キャパシタC1と、第1マルチプレクサM1を有している。
なお、第1電極部120と第1キャパシタC1は、第1マルチプレクサM1を介して第1検出部20と接続されている。
第2電極13は、圧電層11の第1主面とは反対側の第2主面に配置されている。第2電極13は、第2主面の一面に配置され、アースEと接続されている。
第1マルチプレクサM1は、複数の第1電極部120の中から1つの第1電極部120を選択し、選択された第1電極部120と第1検出部20と接続する装置である。
また、上記第1電極部120の切替は、マイコンやカスタムICなどの記憶部に記憶されたプログラムを、CPUなどに実行させることにより実現してもよい。
第1検出部20は、第1アンプ部21と、第1電位検出部22を有している。第1アンプ部21と、第1電位検出部22の構成は、前記と同じであるので省略する。
本発明の構成によれば、圧力検出装置1において、第1電極12は、第1キャパシタC1に接続されている。そのため、圧電層11で発生した電荷は、第1電極12を経由して第1キャパシタC1に充電される。そうすると、圧電層11が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、第1キャパシタC1の電圧を第1検出部20で測定することで、圧電層11で発生した電荷を第1検出部20で検出できるものとなっている。
そのため、第1検出部20で検出された電荷が、複数存在する第1電極部120のうち、いずれの第1電極部120を経由したかを第1マルチプレクサM1で検出することができる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、Y軸方向の荷重位置を特定することができるものとなっている。
図4に示すように、圧力検出装置1は、第1検出部20において第1バンドパスフィルタ23を有していてもよい。第1バンドパスフィルタ23は、第1アンプ部21と第1電位検出部22との間に配置される。第1バンドパスフィルタ23は、必要な範囲の周波数のみを通すRLC回路で構成されていてもよい。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。基本的な構造は、第1~第2実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
図5を用いて、本発明の第3実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図5は圧力検出装置の概略図である。図6は、第3実施形態の変形例である。
図5に示すように、第3実施形態に係る圧力検出装置1は、圧電センサ10と、第1検出部20と、第1キャパシタC1と、第2キャパシタC2と、第1マルチプレクサM1と、第2マルチプレクサM2を有している。
第1マルチプレクサM1は、複数の第1電極部120の中から1つの第1電極部120を選択し、選択された第1電極部120と第1検出部20と接続する装置である。第2マルチプレクサM2は、複数の第2電極部130の中から1つの第2電極部130を選択し、選択された第2電極部130と第2検出部25と接続する装置である。
第1検出部20は、第1アンプ部21と、第1電位検出部22を有している。第2検出部25は、第2アンプ部26と、第2電位検出部28を有している。これら部材は、上記と同じであるので省略する。
本発明の構成によれば、圧力検出装置1において、第1電極部120は、第1キャパシタC1と接続され、第2電極部130は第2キャパシタC2と接続されている。そのため、圧電層11で発生した電荷は、第1電極部120や第2電極部130を経由して、第1キャパシタC1、第2キャパシタC2で充電される。
そうすると、圧電層11が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、第1キャパシタC1や第2キャパシタC2の電圧を第1検出部20や第2検出部25で測定することができる。これによって、圧電層11で発生した電荷を第1検出部20や第2検出部25で検出できるものとなっている。
そのため、第1検出部20で検出された電荷が、複数存在する第1電極部120のうち、いずれの第1電極部120を経由したかを第1マルチプレクサM1で検出できる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、Y軸方向の荷重位置を特定することができる。
そのため、第2検出部25で検出された電荷が、複数存在する第2電極部120のうち、いずれの第2電極部120を経由したかを第2マルチプレクサM2で検出できる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、X軸方向の荷重位置を特定することができる。
図6に示すように、圧力検出装置1は、第1検出部20において第1バンドパスフィルタ23を有していてもよい。第1バンドパスフィルタ23は、第1アンプ部21と第1電位検出部22との間に配置される。
また、第2検出部25において第2バンドパスフィルタ27を有していてもよい。第2バンドパスフィルタ27は、第2アンプ部26と第2電位検出部28との間に配置される。第1バンドパスフィルタ23と第2バンドパスフィルタ27は、必要な範囲の周波数のみを通すRLC回路で構成されていてもよい。
また、第2バンドパスフィルタ27の周波数f2は、1/(T2×2)となるように設定されている。上記T2は、第2マルチプレクサM2において、第2検出部25を一の第2電極部130に接続してから他の第2電極部130に接続するまでの時間である。
上記第1~第3実施形態では、キャパシタを有している構成について説明してきたが、キャパシタに代えて共振回路が設けられていてもよい。
図7を用いて、本発明の第4実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図7は圧力検出装置の概略図である。
図7に示すように、第4実施形態に係る圧力検出装置1は、圧電センサ10と、第1検出部20と、第1共振回路RC1を有している。圧電センサ10は、圧電層11と、第1電極12と、第2電極13からなる。第1電極12は、圧電層11の第1主面に配置され、第1共振回路RC1を介して第1検出部20と電気的に接続されている。第2電極13は、圧電シート11の第1主面とは反対側の第2主面に配置され、アースEと接続されている。なお、第1電極12と第2電極13は、それぞれ圧電層11の一面にわたって配置されている。以下で、圧力検出装置1の構成を詳細に説明するが。
圧電センサ10は、与えられた荷重に応じて電荷を発生させる装置である。図7に示すように、圧電センサ10は、圧電層11と、第1電極12と、第2電極13からなる。
圧電層11を構成する材料としては、無機圧電材料や有機圧電材料が挙げられる。
このような第1電極12、第2電極13は、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、インジウム-スズ酸化物(Indium-Tin-Oxide、ITO)、スズ-亜鉛酸化物(Tin-Zinc-Oxide、TZO)などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン(PolyeThylenedioxyThiophene、PEDOT)などの導電性高分子、などを用いることができる。この場合、上記の電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて形成できる。
第1共振回路RC1は、外部から加わったエネルギーに反応して振動や共鳴などの現象を生じる電気回路であり、RLC回路、LC回路からなる。なお、第1共振回路RC1は、バラクタを備えている。
第1検出部20は、第1共振回路RC1における周波数の変化を検出する機器である。すなわち、第1検出部20は、第1共振回路RC1の共振周波数の変化を検出するものである。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。基本的な構造は、第4実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
図8を用いて、本発明の第5実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図8は圧力検出装置1の概略図である。図8のA‐A’断面図は「2.第2実施形態」で示した図3と同じである。
第2電極13は、圧電層11の第1主面とは反対側の第2主面に配置されている。図示しないが、第2電極13は、第2主面の一面に配置され、アースEと接続されている。
第1マルチプレクサM1は、複数の入力をひとつの信号として出力する装置である。具体的には、複数の第1電極部120の中から1つの第1電極部120を選択し、選択された第1電極部120と第1検出部20と接続する装置である。
そのため、第1検出部20で検出された電荷が、複数存在する第1電極部120のうち、いずれの第1電極部120を経由したかを第1マルチプレクサM1で検出することができる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、X軸方向の荷重位置を特定することができるものとなっている。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。基本的な構造は、第4~第5実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
図9を用いて、本発明の第6実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図9は圧力検出装置の概略図である。
第1マルチプレクサM1、第2マルチプレクサM2は、複数の入力をひとつの信号として出力する装置である。第1マルチプレクサM1は、複数の第1電極部120の中から1つの第1電極部120を選択し、選択された第1電極部120と第1検出部20と接続する装置である。第2マルチプレクサM2は、複数の第2電極部130の中から1つの第2電極部130を選択し、選択された第2電極部130と第2検出部25と接続する装置である。
第1検出部20と第2検出部21は、第1共振回路RC1と第2共振回路RC2における周波数の変化をそれぞれ検出する機器である。すなわち、第1検出部20と第2検出部21は、第1共振回路RC1や第2共振回路RC2に流れ込んだとき、第1共振回路RC1や第2共振回路RC2の共振周波数の変化を検出するものである。
第1共振回路RC1と第2共振回路RC2は、外部から加わったエネルギーに反応して振動や共鳴などの現象を生じる電気回路であり、RLC回路、LC回路からなる。なお、第1共振回路RC1と第2共振回路RC2は、バラクタを備えていることが好ましい。
その結果、圧電層11が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、上記電荷を容易に検出できるものとなっている。
そのため、第1検出部20で検出された電荷が、複数存在する第1電極部120のうち、いずれの第1電極部120を経由したかを第1マルチプレクサM1で検出できる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、X軸方向の荷重位置を特定することができる。
そのため、第2検出部21で検出された電荷が、複数存在する第2電極部120のうち、いずれの第2電極部120を経由したかを第2マルチプレクサM2で検出できる。その結果、圧電センサ10にかけられた荷重について、Y軸方向の荷重位置を特定することができる。
上記第1~第6実施形態では、第1電極12と第2電極13に圧電層11が挟まれた構成について説明してきたが、第1電極12と第2電極13の間に基準電極114が設けられていてもよい。
このように、第1電極12と第2電極13との間に基準電極40が設けられると、第1圧電シート110や第2圧電シート111で発生した電荷を第1電極12と第2電極13とで独立して検出できる。その結果、検出回路の設計が簡易になる。
上記では、与えられた荷重の位置と量を圧電センサ10で検出する例を示した。しかし、圧電センサ10の上にタッチパネル50を積層することで、与えられた荷重の位置と量を検出してもよい。
圧電センサ10の上にタッチパネル50を積層することにより、与えられた荷重が圧電センサ10で検出できないほど小さい場合(フェザータッチの場合)でも、タッチパネル50を用いて与えられた荷重の位置を検出できる。
10: 圧電センサ
11: 圧電層
12: 第1電極
13: 第2電極
20: 第1検出部
C1: 第1キャパシタ
RC1: 第1共振回路
Claims (14)
- 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタに接続される第1検出部と、
を備える圧力検出装置。 - 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタに接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1キャパシタに接続される第1電極部を複数備え、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続する圧力検出装置。 - 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記第1電極に接続される第1キャパシタと、
前記第1電極と前記第1キャパシタに接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第2電極に接続される第2キャパシタと、
前記第2電極と前記第2キャパシタに接続される第2マルチプレクサと、
前記第2マルチプレクサに接続される第2検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1キャパシタに接続される第1電極部を複数有し、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続し、
前記第2電極は、前記第2キャパシタに接続される第2電極部を複数有し、
前記第2マルチプレクサは、前記第2検出部に対して複数の前記第2電極部を切替えて接続する圧力検出装置。 - 前記第1電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第2電極部は、一の方向と交差する方向に配置される請求項3の圧力検出装置。 - 前記第1検出部は、
前記第1マルチプレクサと接続されるアンプ部と、
前記第1アンプ部と接続される第1電圧検出器とを備える請求項1~4の圧力検出装置。 - 前記第1検出部は、
前記第1アンプ部と前記第1電圧検出器との間に接続され、下記式(1)で示される周波数f1を有する第1バンドパスフィルタを備える請求項5の圧力検出装置。
式(1):f1=1/(T1×2)
T1=第1検出部を一の第1電極部に接続してから他の第1電極部に接続するまでに要する時間 - 前記第2検出部は、
前記第2マルチプレクサと接続される第2アンプ部と、
前記第2アンプ部と接続される第2電圧検出器とを備える請求項3~4の圧力検出装置。 - 前記第2検出部は、
前記第2アンプ部と前記第2電圧検出器との間に接続され、下記式(2)で示される周波数f2を有する備える第2バンドパスフィルタを備える請求項7の圧力検出装置。
式(2):f2=1/(T2×2)
T2=第2検出部を一の第2電極部に接続してから他の第2電極部に接続するまでに要する時間 - 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1検出部と、
を備える圧力検出装置。 - 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1共振回路に接続される第1電極部を複数備え、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続する圧力検出装置。 - 入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第1主面に配置される第1電極と、
前記第1電極に接続される第1共振回路と、
前記第1電極と前記第1共振回路に接続される第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサに接続される第1検出部と、
前記圧電層の前記第1主面とは反対側の第2主面に配置される第2電極と、
前記第2電極に接続される第2共振回路と、
前記第2電極と前記第2共振回路に接続される第2マルチプレクサと、
前記第2マルチプレクサに接続される第2検出部と、を備え、
前記第1電極は、前記第1共振回路に接続される第1電極部を複数有し、
前記第1マルチプレクサは、前記第1検出部に対して複数の前記第1電極部を切替えて接続し、
前記第2電極は、前記第2共振回路に接続される第2電極部を複数有し、
前記第2マルチプレクサは、前記第2検出部に対して複数の前記第2電極部を切替えて接続する圧力検出装置。 - 前記第1電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第2電極部は、一の方向と交差する方向に配置される請求項11の圧力検出装置。 - 前記共振回路がバラクタを備える請求項9~12の圧力検出装置。
- 請求項1~13の圧力検出装置とタッチパネルを備えた入力装置。
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