WO2016035541A1 - 押圧検知タッチパネルおよび表示装置 - Google Patents

押圧検知タッチパネルおよび表示装置 Download PDF

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WO2016035541A1
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touch panel
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potential
detection touch
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Inventor
森健一
安藤正道
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04105—Pressure sensors for measuring the pressure or force exerted on the touch surface without providing the touch position

Definitions

  • the present invention relates to a pressure detection touch panel that detects pressure on an operation surface.
  • Patent Document 1 As a pressure sensor for detecting a pressure on the operation surface, for example, there is a touch input device as shown in Patent Document 1.
  • the touch input device shown in Patent Document 1 has a structure in which a flat plate-like pressure sensitive sensor and a flat plate-like capacitance sensor are stacked.
  • an input device as shown in Patent Document 2 is also known.
  • the input device shown in Patent Document 2 includes a rectangular flat operation surface.
  • a piezoelectric element is provided on the lower surface of the operation surface. When the user presses the operation surface, the operation surface is bent, and the piezoelectric element is bent, so that the press can be detected.
  • the potential generated in the piezoelectric element may be reversed with respect to the bending of the operation surface depending on the pressed position, and the output may be reduced or reversed.
  • the shape of the operation surface in plan view is a square shape
  • the polylactic acid stretched uniaxially as a piezoelectric element is arranged along the diagonal of the square, pressing the center position of the square
  • the same potential (positive potential) is generated in the vicinity of two sides facing each other, but the opposite potential (negative potential) of the same magnitude is generated in the vicinity of the other two sides.
  • the positive potential and the negative potential cancel each other, and the output becomes zero.
  • an object of the present invention is to provide a press detection touch panel that suppresses occurrence of a reverse potential and prevents a decrease in output or an inversion of output.
  • the press detection touch panel of the present invention includes a housing having an opening, a piezoelectric film, and a holding member that holds the piezoelectric film. And the holding member is characterized in that the entire circumference is fixed to the casing so as to bend in the normal direction, and the shape of the transverse section and the shape of the longitudinal section are different.
  • the amount of bending of the holding member along the vertical direction is different from the amount of bending of the holding member along the horizontal direction.
  • the positive potential is The absolute value of the potential is different between the vicinity of the two sides where it is generated and the vicinity of the two sides where the negative potential is generated. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a reverse potential, and to prevent a decrease in output or an inversion of output.
  • the thickness of the cross section of the holding member is different from the shape of the vertical cross section
  • a mode in which the thickness is not constant can be considered.
  • the thickness changes along at least one direction (for example, the vertical direction) in the main surface of the holding member since the bending near the two sides at the end in the horizontal direction is reduced, the negative potential is further increased. Can be suppressed.
  • the amount by which the holding member bends along the vertical direction and the amount by which the holding member bends along the horizontal direction Will be different.
  • the holding member is convex on the touch surface side and flat on the housing side in order to facilitate fixing to the housing.
  • the example in which the shape in plan view is a square shape is shown.
  • a rectangular shape for example, even if the center position is pressed, the overall output does not become 0, but the reverse potential is still applied. Since there is a portion where the above occurs, the same problem occurs even in a rectangular shape. Accordingly, even in the case of a rectangular shape, if a holding member having a non-constant thickness is used or a holding member formed by laminating members having different aspect ratios is used, an effect of suppressing a decrease in output is produced. Further, the same problem occurs even when the shape in plan view is circular.
  • the piezoelectric film is preferably made of a chiral polymer.
  • a piezoelectric film made of a chiral polymer By providing a piezoelectric film made of a chiral polymer, a highly transparent piezoelectric sensor can be obtained.
  • the chiral polymer is more preferably polylactic acid. Since polylactic acid generates piezoelectricity by molecular orientation treatment such as stretching, it is not necessary to perform poling treatment unlike other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics. Further, since polylactic acid does not have pyroelectricity, a piezoelectric sensor can be disposed at a position close to the touch surface.
  • FIG. 1A is an external perspective view of the pressure detection touch panel of the present invention.
  • FIG. 1B is a perspective view showing the structure of the panel 40.
  • 2A is a cross-sectional view taken along the line AA
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB.
  • the press detection touch panel 1 includes a rectangular parallelepiped casing 50 having a thin thickness and a planar panel disposed in an opening on the upper surface of the casing 50. 40.
  • the panel 40 corresponds to a holding member of the present invention, and functions as a touch surface on which a user performs a touch operation using a finger, a pen, or the like.
  • the panel 40 is made of, for example, glass, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), or an acrylic flat plate.
  • the width direction (lateral direction) of the casing 50 is the X direction
  • the length direction (vertical direction) is the Y direction
  • the thickness direction is the Z direction.
  • the thickness of each component is exaggerated for the sake of explanation.
  • the capacitance sensor 11 ⁇ / b> D, the pressure sensor 11 ⁇ / b> P, the display unit 30, and the control circuit module 52 are arranged in the housing 50 in the Z direction in order from the opening (panel 40) side. Has been placed.
  • the housing 50 is provided with a pedestal portion for placing the panel 40 on the outer peripheral portion of the opening.
  • the panel 40 is placed on this pedestal portion, and the entire periphery is fixed to the housing 50 with double-sided tape or the like.
  • the capacitance sensor 11D, the pressure sensor 11P, and the display unit 30 have a flat plate shape and are arranged inside the housing 50 so as to be parallel to the opening of the housing 50 (the lower surface of the panel 40). Yes.
  • the capacitance sensor 11D is affixed to the lower surface of the panel 40 via an adhesive.
  • a pressure sensor 11P is attached to the lower surface of the capacitance sensor 11D via an adhesive.
  • the display part 30 is affixed on the lower surface of the press sensor 11P via an adhesive.
  • the press sensor 11P may be affixed on the lower surface of the display part 30.
  • a circuit board (not shown) is disposed between the bottom surface of the housing 50 and the display unit 30, and a control circuit module 52 is mounted on the circuit board.
  • the control circuit module 52 is a module that processes detection values of various sensors. For example, the control circuit module 52 controls the display unit 30 to display an image and determines the operation input content according to the touch operation received via the capacitance sensor 11D and the press sensor 11P.
  • the display unit 30 includes a liquid crystal display element, for example.
  • the display unit 30 includes a liquid crystal panel 301, a front polarizing plate 302, a back polarizing plate 303, and a backlight 304.
  • the front polarizing plate 302 and the back polarizing plate 303 are arranged so as to sandwich the liquid crystal panel 301 therebetween.
  • the backlight 304 is disposed on the opposite side of the liquid crystal panel 301 with the back polarizing plate 303 interposed therebetween.
  • the light output from the backlight 304 is polarized by the back polarizing plate 303 and reaches the front polarizing plate 302 through the liquid crystal panel 301.
  • the liquid crystal panel 301 changes the polarization state for each pixel under the control of the control circuit module 52, and changes the amount of light passing through the surface polarizing plate 302.
  • the light output from the front polarizing plate 302 is output to the panel 40 via the pressure sensor 11P and the capacitance sensor 11D. As a result, various images are displayed on the panel 40.
  • the electrostatic capacitance sensor 11D includes an electrostatic capacitance detection electrode 11D2 on the upper surface side and an electrostatic capacitance detection electrode 11D3 on the lower surface side with the flat insulating substrate 11D1 interposed therebetween.
  • the insulating substrate 11D1 is made of a transparent material, for example, PMMA (acrylic resin) or PET film.
  • a plurality of capacitance detection electrodes 11D2 are formed on one main surface of the insulating substrate 11D1.
  • the plurality of capacitance detection electrodes 11D2 have a rectangular shape that is long in one direction in plan view, and are arranged so that the long direction is parallel to the Y direction. ing.
  • Such a plurality of capacitance detection electrodes 11D2 are arranged at predetermined intervals along the X direction.
  • a plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are formed on the other main surface of the insulating substrate 11D1.
  • the plurality of capacitance detection electrodes 11D3 also have a rectangular shape that is long in one direction in plan view.
  • the plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are arranged so that the longitudinal direction is parallel to the X direction.
  • Such a plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are arranged at predetermined intervals along the Y direction.
  • the plurality of capacitance detection electrodes 11D2 and the plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are all made of a material having transparency, and have, for example, indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or polythiophene as a main component. Use materials.
  • ITO indium tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • polythiophene polythiophene
  • the capacitance of the capacitance sensor 11D varies depending on whether or not a touch operation is performed on the panel 40 which is a touch surface.
  • the position where the touch operation is performed is detected by a combination of the capacitance detection electrode 11D2 and the capacitance detection electrode 11D3 from which the change in capacitance is detected.
  • the press sensor 11P includes a flat film-like piezoelectric film 11P1.
  • a pressure detection electrode 11P2 is formed on one main surface of the piezoelectric film 11P1, and a pressure detection electrode 11P3 is formed on the other main surface. As shown in FIG. 3B, the press detection electrode 11P2 and the press detection electrode 11P3 are formed on substantially the entire main surface of the piezoelectric film 11P1.
  • the pressure detection electrode 11P2 and the pressure detection electrode 11P3 are all made of a transparent material, and for example, a material mainly composed of indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or polythiophene is used.
  • a highly conductive material such as aluminum or copper is used.
  • the pressure detection electrode 11P2 and the pressure detection electrode 11P3 may be directly formed on both main surfaces of the piezoelectric film 11P1, or a structure in which an electrode formed on PET or COP is bonded with an adhesive. May be.
  • the capacitance detection electrode and the pressure detection electrode are separated and formed in different layers.
  • the capacitance detection electrode 11D3 and the pressure detection electrode 11P2 are formed. And it is good also as a touchscreen of the composite electrode structure which has been arrange
  • the press detection electrode 11P2 is divided into a plurality of parts and disposed between the plurality of capacitance detection electrodes 11D3. Note that the pressure detection electrode divided into a plurality of parts can also detect a signal independently from each electrode.
  • the plurality of press detection electrodes are preferably arranged in the same longitudinal direction as the direction in which the thickness of the panel 40 changes (Y direction in this example). If there is an electrode that generates a reverse potential (for example, pressure detection electrodes formed at both ends in the X-axis direction), for example, signals from the pressure detection electrodes formed at both ends in the X-axis direction are not used.
  • the output level can be increased by using only the signals of the pressure detection electrodes near the center in the axial direction or by inverting the polarity of the signals of the pressure detection electrodes at both ends.
  • the piezoelectric film 11P1 is bent in the normal direction when the operator presses the panel 40 with an object such as a finger or a pen, and generates an electric charge.
  • the generated charge is detected by the pressure detection electrode 11P2 and the pressure detection electrode 11P3.
  • the chiral polymer is used for the piezoelectric film 11P1.
  • the chiral polymer has high transparency and is suitable for use with the display unit 30. More preferably, it is uniaxially stretched polylactic acid (PLA), more preferably L-type polylactic acid (PLLA).
  • PLA uniaxially stretched polylactic acid
  • PLLA L-type polylactic acid
  • Other chiral polymers include poly- ⁇ -methyl L-glutamate, cellulose, or collagen.
  • Chiral polymers have a helical structure in the main chain and have piezoelectricity when the molecules are oriented uniaxially. Since chiral polymers generate piezoelectricity by molecular orientation treatment such as stretching, it is not necessary to perform poling treatment unlike other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics. In particular, polylactic acid does not have pyroelectricity, and therefore, even when a pressure sensor is disposed near the touch surface and heat from a user's finger or the like is transmitted, the amount of charge detected may change. Absent.
  • the piezoelectric constant of uniaxially stretched PLLA belongs to a very high class among polymers. Furthermore, the piezoelectric constant of PLLA does not vary with time and is extremely stable.
  • the piezoelectric film 11P1 is arranged such that the uniaxial stretching direction 900 forms an angle of about 45 ° with respect to the X direction and the Y direction. By performing such an arrangement, an electric charge is generated when the piezoelectric film 11P1 is bent in the normal direction.
  • the panel 40 shown in the present embodiment has a cross-sectional shape viewed from the side surface (X direction) on the touch surface. It swells in an arc shape toward the touch surface (convex to the touch surface side). Thereby, the press detection touch panel 1 of this embodiment suppresses the cancellation of electric charges by breaking the balance between the amount of bending in the vertical direction and the amount of bending in the horizontal direction when the touch surface is pressed.
  • FIG. 4 (A) is a diagram showing a simulation result of a potential distribution generated when a pressing force is applied to the center of a panel having a uniform thickness by a finite element method.
  • the finite element method simulation calculation is performed without forming electrodes, and the potential of the material surface is calculated from a piezoelectric equation or the like. Since the potential of each calculation element is related to the electric field based on the internal polarization, the distribution of this potential almost coincides with the distribution of charges.
  • FIG. 4B shows calculation results of voltages when the positions of nine points (1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, and 3C) shown in FIG. 5 are pressed.
  • the piezoelectric film 11P1 is arranged so that the uniaxial stretching direction 900 forms an angle of about 45 ° with respect to the X direction and the Y direction, and therefore the center position of the square panel is pressed. No potential is generated on a diagonal line that coincides with (or is orthogonal to) the stretching direction.
  • the piezoelectric film 11P1 generates the same potential (positive potential) in the vicinity of two sides (vertical end sides) facing each other in plan view, but has the same magnitude in the vicinity of the other two sides (lateral end sides).
  • a reverse potential (negative potential) is generated. Therefore, as shown in FIG. 4B, when the diagonal line including the center position is pressed, the positive potential and the negative potential cancel each other, and the output becomes zero. Also, for example, when the vicinity of the lateral edge is pressed, the deflection near the lateral edge is greater than the deflection near the longitudinal edge, and the negative potential is greater than the positive potential. The output is inverted.
  • FIG. 6 (A) is a diagram showing a result of simulating a potential distribution generated when a pressing force is applied to the center of the panel 40 according to the present embodiment by a finite element method.
  • FIG. 6B shows calculation results of voltages when the positions of nine points (1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, and 3C) shown in FIG. 5 are pressed.
  • the panel 40 according to the present embodiment has a shape in which the thickness changes along the Y direction, so that the deflection near the lateral edge is the deflection near the longitudinal edge. Smaller than. That is, even when the center position is pressed, the absolute value of the potential differs between the vicinity of the vertical edge where a positive potential occurs and the lateral edge where a negative potential occurs, The region where the positive potential is generated increases and the region where the negative potential is generated decreases. Therefore, as shown in FIG. 6B, even when the panel 40 is pressed on the diagonal line including the center position, the positive potential and the negative potential do not cancel each other, and the positive potential is always maintained. It is to be detected. For example, even when the vicinity of the lateral edge is pressed, the deflection near the lateral edge is smaller than that near the longitudinal edge, so that a positive potential is always detected. It has become.
  • the pressing operation and the pressing amount can be performed regardless of the pressing position. Detection is possible.
  • the panel 40 according to the present embodiment has a quadrangular shape in plan view, but is not necessarily limited to a quadrangular shape, and may be a substantially rectangular shape with chamfered corners, for example.
  • the panel 40 has a structure that swells in an arc shape toward the touch surface (convex to the touch surface side), but the bottom surface is convex and the touch surface side is flat. Also good. However, since the flat surface is arranged on the housing 50 side by making the touch surface side convex, it can be easily fixed to the housing.
  • the panel 40 has a very small arc-shaped bulge (for example, the height of the bulge is about 1 mm with respect to the vertical and horizontal lengths of 100 mm), even if the touch surface side is convex. Appearance is flat.
  • the top surface can be flattened compared to the above example.
  • the second panel 400A has an elastic modulus different from that of the panel 40, has an upper surface that is flat, and a lower surface that is concave.
  • the second panel 400 ⁇ / b> A is configured such that the concave portion on the lower surface is fitted into the convex shape of the panel 40.
  • the upper surface of the second panel 400A may be a convex shape shallower than the upper surface of the panel 40, even if it is not completely flat. Moreover, you may arrange
  • FIG. 7 is a diagram showing the structure of the press detection touch panel according to the first modification.
  • the components common to the pressure detection touch panel 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • 7A is a perspective view of the panel 40A and the panel 40B
  • FIG. 7B is a cross-sectional view (transverse cross-sectional view) of the pressure detection touch panel 1A
  • FIG. It is the figure which looked at the panel 40B from the lower surface side.
  • the pressure detection touch panel 1A according to Modification 1 includes a panel 40A and a panel 40B having a uniform thickness instead of the panel 40.
  • the panel 40 is placed on a pedestal portion of the housing 50, and the entire periphery is fixed to the housing 50 with a double-sided tape or the like.
  • Panel 40B is attached to the lower surface of panel 40A via an adhesive or the like.
  • the panel 40B has a smaller area in plan view than the panel 40A, and is particularly shorter in the Y direction (longitudinal direction). That is, the panel 40A and the panel 40B have different aspect ratios.
  • the deflection near the lateral edge is smaller than the deflection near the longitudinal edge. That is, even in this example, even when the center position is pressed, the potential of the potential near the vertical edge where the positive potential is generated and the horizontal edge where the negative potential is generated are The absolute values are different, and the number of areas where a positive potential is generated is increased, and the number of areas where a negative potential is generated is decreased.
  • the press operation touch panel 1A can detect the press operation and the press amount regardless of the press position.
  • the process of bonding two panels as shown in FIG. 7 is easier to manufacture than the shape of the panel 40 as shown in FIG.
  • the shape of the panel 40 as shown in FIG. 1 (B) is improved in output sensitivity as compared with the shape in which the panel 40A and the panel 40B are bonded together because the thickness of the panel continuously changes. Can do.
  • the shape formed by laminating two panels having different aspect ratios is shown, even if the panels having the same shape are laminated, if the mode is affixed by shifting the position in plan view, the horizontal direction Therefore, the amount of bending along the vertical direction and the amount of bending along the vertical direction are different, and the pressing operation and the pressing amount can be detected regardless of the pressing position.
  • the panel 40B is attached to the upper surface of the panel 40A, similarly, the amount of bending along the horizontal direction and the amount of bending along the vertical direction are different. The pressing operation and the pressing amount can be detected. That is, any panel having a different cross-sectional shape and vertical cross-sectional shape belongs to the technical scope of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a structure of a press detection touch panel according to the second modification.
  • the components common to the pressure detection touch panel 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • 8A is a perspective view of the panel 40C
  • FIG. 8B is a cross-sectional view (transverse cross-sectional view) of the pressure detection touch panel 1B
  • FIG. 8C is a plan view of the panel 40C. is there.
  • the press detection touch panel 1B according to the second modification includes a panel 40C having a circular shape in plan view, instead of the panel 40.
  • the shape of the opening of the housing 50 is also circular in plan view.
  • the shape of the housing 50 may be a rectangular parallelepiped shape with a small thickness or a thin cylindrical shape.
  • the panel 40C is not necessarily limited to a circle, and may be a polygonal shape such as a regular octagonal shape. Further, the panel 40C may have a shape in which a plurality of panels are bonded together as shown in FIG.
  • the panel 40C is placed on a pedestal provided in the opening of the housing 50, and the entire periphery is fixed to the housing 50 with a double-sided tape or the like.
  • the panel 40C has a shape that changes in thickness along the Y direction (vertical direction) but does not change along the X direction (horizontal direction).
  • the bending near the side edge in the horizontal direction is smaller than the bending near the side edge in the vertical direction. That is, even in this example, even when the center position is pressed, the potential of the potential near the vertical edge where the positive potential is generated and the horizontal edge where the negative potential is generated are The absolute values are different, and the number of areas where a positive potential is generated is increased, and the number of areas where a negative potential is generated is decreased.
  • the pressing operation touch panel 1C including the panel 40C having a circular shape in plan view can detect the pressing operation and the pressing amount regardless of the pressing position, similarly to the pressing detection touch panel 1.
  • the overall output will not be zero even if the center position is pressed, but it is also rectangular because there is a portion where reverse potential is generated.
  • the same problem occurs. Therefore, even in the case of a rectangular shape, the effect of the configuration of the present invention is produced even when a panel having a non-constant thickness is used or a plurality of panels having different aspect ratios are stacked.
  • the display unit 30 may be omitted or the capacitance sensor may be omitted.

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Abstract

　パネル（４０）は、縦方向に沿って厚みが変化する。この場合、パネル（４０）は、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなる。すなわち、中心位置を押圧した場合であっても、正の電位が発生する縦方向の端辺付近と、負の電位が発生する横方向の端辺付近と、では、電位の絶対値が異なり、正の電位が発生する領域が増え、負の電位が発生する領域が減ることになる。よって、パネル（４０）では、中心位置を含む対角線上を押圧した場合であっても、正の電位と負の電位が打ち消し合うことがなく、常に正の電位が検出されるようになっている。また、横方向の端辺付近を押圧した場合でも、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなるため、常に正の電位が検出されるようになる。

Description

押圧検知タッチパネルおよび表示装置
　本発明は、操作面に対する押圧を検出する押圧検知タッチパネルに関する。
　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に示すようなタッチ式入力装置がある。特許文献１に示すタッチ入力装置は、平板状の感圧センサと、平板状の静電容量センサと、を重ねた構造を有する。
　また、例えば特許文献２に示すような入力装置も知られている。特許文献２に示す入力装置は、矩形平板状の操作面を備えている。当該操作面の下面には、圧電素子が設けられている。ユーザが操作面を押圧すると、該操作面が撓み、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。
特開平５－６１５９２号公報 特開２０１２－２０３５５２号公報
　しかし、操作面の全周を筐体に固定した場合、押圧位置によっては操作面の撓みに対して、圧電素子に発生する電位が逆になって、出力が低下または反転する場合がある。
　例えば、操作面を平面視した形状が正方形状であり、圧電素子として一軸延伸されたポリ乳酸の延伸方向を当該正方形の対角線に沿って配置した場合において、当該正方形の中心位置を押圧すると、平面視して向かい合う２辺付近では同じ電位（正の電位）が発生するが、他の２辺付近では同じ大きさの逆電位（負の電位）が発生する。この場合、正の電位と負の電位が打ち消し合い、出力が０になってしまう。
　そこで、この発明は、逆電位が発生することを抑制し、出力の低下または出力の反転を防止する押圧検知タッチパネルを提供することを目的とする。
　本発明の押圧検知タッチパネルは、開口部を有する筐体と、圧電フィルムと、前記圧電フィルムを保持する保持部材と、を備えている。そして、保持部材は、法線方向に撓むように全周が前記筐体に固定され、横断面の形状と縦断面の形状とが異なることを特徴とする。
　このように、保持部材の横断面の形状と縦断面の形状とが異なる場合、保持部材が縦方向に沿って撓む量と、横方向に沿って撓む量とは異なるものとなる。これにより、例えば、保持部材を平面視した形状が正方形状であり、圧電フィルムとして一軸延伸されたポリ乳酸の延伸方向を当該正方形の対角線に沿って配置した場合であっても、正の電位が発生する２辺付近と、負の電位が発生する２辺付近と、では電位の絶対値が異なることになる。したがって、逆電位が発生することを抑制し、出力の低下または出力の反転を防止することができる。
　保持部材の横断面の形状と縦断面の形状とが異なる例としては、厚みが一定ではない態様が考えられる。特に、該保持部材の主面内の少なくともの１つの方向（例えば縦方向）に沿って厚みが変化する場合、横方向の端部における２辺付近の撓みが小さくなるため、負の電位をより抑えることができる。
　また、複数の部材が積層されてなり、各部材を平面視した縦横比（アスペクト比）が異なる場合も、保持部材が縦方向に沿って撓む量と、横方向に沿って撓む量とは異なるものとなる。
　また、保持部材は、筐体への固定を容易とするために、タッチ面側が凸になっていて、筐体側が平坦であることが好ましい。
　なお、上述の例では、平面視した形状が正方形状である例を示したが、例えば長方形状の場合、中心位置を押圧しても全体の出力が０になることはないが、やはり逆電位が発生する部分が存在するため、長方形状であっても同様の課題が発生する。したがって、長方形状の場合にも、厚みが一定ではない保持部材を用いたり、アスペクト比が異なる部材を積層してなる保持部材を用いたりすれば、出力の低下を抑制する効果が生じる。また、平面視した形状が円形状であっても同様の課題が発生する。
　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、タッチ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、逆電位が発生することを抑制し、出力の低下または出力の反転を防止することができる。
押圧検知タッチパネルの外観斜視図およびパネルの斜視図である。 押圧検知タッチパネルの断面図である。 押圧検知タッチパネルの平面図である。 従来のパネルにおいて発生する電位分布の計算結果を示す図である。 押圧位置を示す図である。 本実施形態のパネルにおいて発生する電位分布の計算結果を示す図である。 変形例１に係る押圧検知タッチパネルの構造を示す図である。 変形例２に係る押圧検知タッチパネルの構造を示す図である。 押圧検知タッチパネルの断面図である。
　図１（Ａ）は、本発明の押圧検知タッチパネルの外観斜視図である。図１（Ｂ）は、パネル４０の構造を示した斜視図である。図２（Ａ）は、Ａ－Ａ断面図であり、図２（Ｂ）は、Ｂ－Ｂ断面図である。
　図１（Ａ）の外観斜視図に示すように、押圧検知タッチパネル１は、外観上、厚みの薄い直方体形状の筐体５０と、筐体５０の上面の開口部に配置された平面状のパネル４０と、を備えている。パネル４０は、本発明の保持部材に相当し、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行うタッチ面として機能する。パネル４０は、例えば、ガラスやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリルの平板によって形成されている。
　なお、本実施形態では、筐体５０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方向とする。また、本実施形態では、説明のために各構成の厚みを誇張して記載している。
　図２に示すように、筐体５０の内部には、開口部（パネル４０）側から順にＺ方向に沿って、静電容量センサ１１Ｄ、押圧センサ１１Ｐ、表示部３０、および制御回路モジュール５２が配置されている。
　筐体５０には、開口部の外周部分にパネル４０を載せるための台座部分が設けられている。パネル４０は、この台座部分に載せられ、全周が両面テープ等で筐体５０に固定される。
　静電容量センサ１１Ｄ、押圧センサ１１Ｐ、および表示部３０は、平板状であり、それぞれ筐体５０の開口部（パネル４０の下面）と平行になるように、筐体５０の内部に配置されている。
　静電容量センサ１１Ｄは、粘着剤を介してパネル４０の下面に貼り付けられる。静電容量センサ１１Ｄの下面には、粘着剤を介して押圧センサ１１Ｐが貼り付けられる。さらに、押圧センサ１１Ｐの下面には、粘着剤を介して表示部３０が貼り付けられる。なお、図２では押圧センサ１１Ｐの下面に表示部３０が貼り付けられている例を示したが、表示部３０の下面に押圧センサ１１Ｐが貼り付けられていても構わない。
　筐体５０の底面と表示部３０との間には、回路基板（不図示）が配置されており、当該回路基板に制御回路モジュール５２が実装されている。制御回路モジュール５２は、各種センサの検出値を処理するモジュールである。例えば、制御回路モジュール５２は、表示部３０を制御して画像を表示させるとともに、静電容量センサ１１Ｄおよび押圧センサ１１Ｐを介して受け付けたタッチ操作に応じて操作入力内容を決定する。
　表示部３０は、例えば液晶表示素子からなる。この例では、表示部３０は、液晶パネル３０１、表面偏光板３０２、裏面偏光板３０３、およびバックライト３０４を備えている。
　表面偏光板３０２および裏面偏光板３０３は、液晶パネル３０１を挟むように配置されている。バックライト３０４は、裏面偏光板３０３を挟んで、液晶パネル３０１と反対側に配置されている。
　バックライト３０４から出力された光は、裏面偏光板３０３で偏光され、液晶パネル３０１を経て表面偏光板３０２に達する。液晶パネル３０１は、制御回路モジュール５２の制御に応じて画素毎に偏光状態を変化させ、表面偏光板３０２を通過する光量を変化させる。表面偏光板３０２から出力された光は、押圧センサ１１Ｐおよび静電容量センサ１１Ｄを経てパネル４０に出力される。これにより、パネル４０に各種画像が表示される。
　静電容量センサ１１Ｄは、平板状の絶縁性基板１１Ｄ１を挟んで、上面側に静電容量検出用電極１１Ｄ２および下面側に静電容量検出用電極１１Ｄ３を備えている。絶縁性基板１１Ｄ１は、透明性を有する材料からなり、例えばＰＭＭＡ（アクリル樹脂）またはＰＥＴフィルムからなる。
　絶縁性基板１１Ｄ１の一方の主面には、複数の静電容量検出用電極１１Ｄ２が形成されている。例えば、図３（Ａ）に示すように、複数の静電容量検出用電極１１Ｄ２は、平面視して一方向に長い長方形状であり、長尺方向がＹ方向に平行になるように配置されている。このような複数の静電容量検出用電極１１Ｄ２は、Ｘ方向に沿って所定の間隔で配置されている。
　また、絶縁性基板１１Ｄ１の他方の主面には、複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３が形成されている。例えば、図３（Ａ）に示すように、複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３も、平面視して一方向に長い長方形状である。複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３は、長尺方向がＸ方向に平行になるように配置されている。このような複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３は、Ｙ方向に沿って所定の間隔で配置されている。
　複数の静電容量検出用電極１１Ｄ２および複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。
　静電容量センサ１１Ｄの静電容量は、タッチ面であるパネル４０に対するタッチ操作の有無によって変化する。静電容量の変化が検出された静電容量検出用電極１１Ｄ２および静電容量検出用電極１１Ｄ３の組み合わせにより、タッチ操作がなされた位置を検出する。
　押圧センサ１１Ｐは、平膜状の圧電フィルム１１Ｐ１を備える。圧電フィルム１１Ｐ１の一方の主面には、押圧検出電極１１Ｐ２が形成され、他方の主面には、押圧検出電極１１Ｐ３が形成されている。図３（Ｂ）に示すように、押圧検出電極１１Ｐ２および押圧検出電極１１Ｐ３は、圧電フィルム１１Ｐ１の主面の略全面に形成されている。
　押圧検出電極１１Ｐ２および押圧検出電極１１Ｐ３は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。なお、押圧センサ１１Ｐが表示部３０の下面に貼り付けられている場合は、アルミまたは銅等の導電性の高い材料を用いる。
　押圧検出電極１１Ｐ２および押圧検出電極１１Ｐ３は、圧電フィルム１１Ｐ１の両主面に直接形成されていてもよいし、ＰＥＴまたはＣＯＰ等に電極を形成したものを粘着剤で貼り合わせるようにした構造であってもよい。また、この例では静電容量検出用の電極と、押圧検出用の電極と、を分離して別の層に形成する例を示したが、静電容量検出用電極１１Ｄ３と、押圧検出電極１１Ｐ２と、兼用して同じ層に配置した複合電極構造のタッチパネルとしてもよい。この場合、押圧検出電極１１Ｐ２は、複数に分割され、複数の静電容量検出用電極１１Ｄ３の間に配置される。なお、複数に分割された押圧検出電極は、それぞれの電極から独立して信号を検出することも可能である。この場合、複数の押圧検出電極は、それぞれ長手方向がパネル４０の厚みが変化している方向（この例ではＹ方向）と同一に配置されることが好ましい。仮に逆電位が発生する電極が存在する場合（例えばＸ軸方向の両端部に形成される押圧検出電極）、例えばＸ軸方向の両端部に形成される押圧検出電極の信号は使用せず、Ｘ軸方向の中央付近の押圧検出電極の信号のみを使ったり、両端部の押圧検出電極の信号は極性を反転させたりすることで、出力レベルを高くすることができる。
　このような構造により、圧電フィルム１１Ｐ１は、操作者が指やペン等の対象物でパネル４０を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。発生する電荷は、押圧検出電極１１Ｐ２および押圧検出電極１１Ｐ３で検出される。
　圧電フィルム１１Ｐ１は、キラル高分子が用いられる。キラル高分子は、透明性が高く、表示部３０とともに用いる場合に好適である。また、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。なお、キラル高分子としては、他にもポリ－γ－メチルＬ－グルタメート、セルロース、またはコラーゲン等がある。
　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。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、タッチ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。また、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。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、図３（Ｂ）に示すように、圧電フィルム１１Ｐ１は、Ｘ方向およびＹ方向に対して、一軸延伸方向９００が略４５°の角度を成すように配置されている。このような配置を行うことで、圧電フィルム１１Ｐ１が法線方向に撓んだ場合に電荷を発生する。
　ここで、本実施形態に示すパネル４０は、図１（Ｂ）、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、側面側（Ｘ方向）から見た断面形状が、タッチ面に向かって円弧状に膨らんでいる（タッチ面側に凸になっている）。これにより、本実施形態の押圧検知タッチパネル１は、タッチ面を押圧したときの縦方向の撓み量と横方向の撓み量のバランスを崩して、電荷の相殺を抑えるものである。
　図４（Ａ）は、厚みが均一であるパネルの中央に押圧力を加えた時に発生する電位分布を有限要素法によってシミュレーションした結果を示す図である。なお、有限要素法シミュレーションでは電極を形成せずに計算を行い、圧電方程式等から物質表面の電位が計算される。各計算要素の電位は内部の分極を根拠とする電場と関連づけられるため、この電位の分布は電荷の分布とほぼ一致する。図４（Ｂ）は、図５に示す９点（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、３Ｂ、および３Ｃ）の位置をそれぞれ押圧した場合の電圧の計算結果である。
　上述したように、圧電フィルム１１Ｐ１は、Ｘ方向およびＹ方向に対して、一軸延伸方向９００が略４５°の角度を成すように配置されているため、正方形状のパネルの中心位置を押圧した場合、延伸方向に一致する（または直交する）対角線上では電位が発生しない。また、圧電フィルム１１Ｐ１は、平面視して向かい合う２辺付近（縦方向の端辺）では同じ電位（正の電位）が発生するが、他の２辺付近（横方向の端辺）では同じ大きさの逆電位（負の電位）が発生する。したがって、図４（Ｂ）に示すように、中心位置を含む対角線上を押圧した場合には、正の電位と負の電位が打ち消し合い、出力が０になってしまう。また、例えば、横方向の端辺付近を押圧した場合には、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも大きくなり、負の電位が正の電位よりも大きくなって、出力が反転してしまう。
　一方、図６（Ａ）は、本実施形態に係るパネル４０の中央に押圧力を加えた時に発生する電位分布を有限要素法によってシミュレーションした結果を示す図である。図６（Ｂ）は、図５に示した９点（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、３Ｂ、および３Ｃ）の位置をそれぞれ押圧した場合の電圧の計算結果である。
　図６（Ａ）に示すように、本実施形態に係るパネル４０は、厚みがＹ方向に沿って変化する形状であるため、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなる。すなわち、中心位置を押圧した場合であっても、正の電位が発生する縦方向の端辺付近と、負の電位が発生する横方向の端辺付近と、では、電位の絶対値が異なり、正の電位が発生する領域が増え、負の電位が発生する領域が減ることになる。よって、図６（Ｂ）に示すように、パネル４０では、中心位置を含む対角線上を押圧した場合であっても、正の電位と負の電位が打ち消し合うことがなく、常に正の電位が検出されるようになっている。また、例えば、横方向の端辺付近を押圧した場合でも、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなっているため、常に正の電位が検出されるようになっている。
　したがって、本実施形態に係るパネル４０のように、縦方向に沿って厚みが変化し、横方向に沿っては厚みが変化しない形状である場合、押圧位置に関わらず、押圧操作および押圧量の検知が可能になる。
　なお、本実施形態に係るパネル４０は、平面視して四角形状となっているが、必ずしも四角形状に限るものではなく、例えば角部を面取りしたような略矩形であってもよい。なお、パネル４０は、タッチ面に向かって円弧状に膨らんでいる（タッチ面側に凸になっている）構造を示したが、下面側が凸になっていて、タッチ面側が平坦になっていてもよい。ただし、タッチ面側を凸にすることで、平坦面が筐体５０側に配置されるため、筐体への固定を容易とすることができる。また、パネル４０は、円弧状の膨らみは極わずか（例えば縦および横の長さが１００ｍｍであるのに対して膨らみの高さが１ｍｍ程度）であるため、タッチ面側が凸になっていても外観上は平坦に見えるようになっている。
　なお、図９（Ａ）に示すように、下面が凹形状となっている第２パネル４００Ａを配置することで、上述の例よりも上面を平坦化することができる。第２パネル４００Ａは、パネル４０の弾性率と異なる弾性率を有し、上面が平坦になっていて、下面が凹形状となっている。第２パネル４００Ａは、下面の凹形状部分がパネル４０の凸形状にはめ込まれるようになっている。
　また、第２パネル４００Ａの上面は、完全に平坦でなくとも、パネル４０の上面よりも浅い凸形状になっていてもよい。また、第２保持部材のフラット面が電極に対向するように配置してもよい。また、パネル４０は、上面の全てに曲率がある態様に限らず、例えば図９（Ｂ）に示すように、端辺付近のみに曲率があるような厚みの変化の仕方でもよい。
　次に、図７は、変形例１に係る押圧検知タッチパネルの構造を示す図である。押圧検知タッチパネル１と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図７（Ａ）は、パネル４０Ａおよびパネル４０Ｂの斜視図であり、図７（Ｂ）は、押圧検知タッチパネル１Ａの断面図（横断面図）であり、図７（Ｃ）は、パネル４０Ａおよびパネル４０Ｂを下面側から見た図である。
　変形例１に係る押圧検知タッチパネル１Ａは、パネル４０に変えて、厚みが一様であるパネル４０Ａおよびパネル４０Ｂを備えている。パネル４０は、筐体５０の台座部分に載せられ、全周が両面テープ等で筐体５０に固定される。
　パネル４０Ｂは、パネル４０Ａの下面に粘着剤等を介して貼り付けられている。パネル４０Ｂは、パネル４０Ａよりも平面視して面積が小さく、特にＹ方向（縦方向）の長さが短くなっている。すなわち、パネル４０Ａとパネル４０Ｂは、それぞれ縦横比（アスペクト比）が異なる。
　この例では、縦方向の端辺付近は、パネル４０Ｂがなく、横方向の端辺付近はパネル４０Ａおよびパネル４０Ｂの両方が存在する。したがって、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなる。すなわち、この例においても、中心位置を押圧した場合であっても、正の電位が発生する縦方向の端辺付近と、負の電位が発生する横方向の端辺付近と、では、電位の絶対値が異なり、正の電位が発生する領域が増え、負の電位が発生する領域が減ることになる。
　したがって、押圧検知タッチパネル１Ａについても、押圧検知タッチパネル１と同様に、押圧位置に関わらず、押圧操作および押圧量の検知が可能になる。図７に示すような２つのパネルを貼り合わせる工程は、図１（Ｂ）に示したようなパネル４０の形状に比べて、製造が容易である。一方で、図１（Ｂ）に示したようなパネル４０の形状は、パネルの厚みが連続的に変化するため、パネル４０Ａとパネル４０Ｂとを貼り合わせた形状に比べて出力感度を良くすることができる。
　なお、アスペクト比が異なる２つのパネルを積層してなる形状を示したが、同じ形状のパネルを積層する場合であっても、平面視して位置をずらして貼り付ける態様とすれば、横方向に沿って撓む量と縦方向に沿って撓む量とは異なるものとなり、押圧位置に関わらず、押圧操作および押圧量の検知が可能になる。また、パネル４０Ａの上面にパネル４０Ｂを貼り付けた構造とした場合も同様に、横方向に沿って撓む量と縦方向に沿って撓む量とは異なるものとなり、押圧位置に関わらず、押圧操作および押圧量の検知が可能になる。すなわち、横断面の形状と縦断面の形状とが異なっているパネルであれば、全て本発明の技術的範囲に属するものとなる。
　次に、図８は、変形例２に係る押圧検知タッチパネルの構造を示す図である。押圧検知タッチパネル１と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図８（Ａ）は、パネル４０Ｃの斜視図であり、図８（Ｂ）は、押圧検知タッチパネル１Ｂの断面図（横断面図）であり、図８（Ｃ）は、パネル４０Ｃの平面図である。
　変形例２に係る押圧検知タッチパネル１Ｂは、パネル４０に変えて、平面視した形状が円形であるパネル４０Ｃを備えている。この場合、筐体５０の開口部の形状も平面視して円形状になっている。筐体５０の形状は厚みの薄い直方体形状であってもよいし、厚みの薄い円柱形状であってもよい。また、パネル４０Ｃは、必ずしも円形に限るものではなく、例えば正八角形状等の多角形状であってもよい。また、パネル４０Ｃは、図７（Ａ）に示したように、複数のパネルを貼り合わせた形状であってもよい。
　パネル４０Ｃは、筐体５０の開口部に設けられている台座部分に載せられ、全周が両面テープ等で筐体５０に固定される。パネル４０Ｃは、Ｙ方向（縦方向）に沿っては厚みが変化するが、Ｘ方向（横方向）に沿っては厚みが変化しない形状となっている。
　したがって、パネル４０についても、押圧操作があった場合に、横方向の端辺付近の撓みが縦方向の端辺付近の撓みよりも小さくなる。すなわち、この例においても、中心位置を押圧した場合であっても、正の電位が発生する縦方向の端辺付近と、負の電位が発生する横方向の端辺付近と、では、電位の絶対値が異なり、正の電位が発生する領域が増え、負の電位が発生する領域が減ることになる。
　したがって、平面視した形状が円形であるパネル４０Ｃを備えた押圧検知タッチパネル１Ｃについても、押圧検知タッチパネル１と同様に、押圧位置に関わらず、押圧操作および押圧量の検知が可能になる。
　また、例えばパネルを平面視した形状が長方形状の場合、中心位置を押圧しても全体の出力が０になることはないが、やはり逆電位が発生する部分が存在するため、長方形状であっても同様の課題が発生する。したがって、長方形状の場合にも、厚みが一定ではないパネルを用いたり、アスペクト比が異なるパネルを複数積層した場合であっても、本発明の構成による作用効果が生じる。
　また、本実施形態においては、静電容量センサおよび表示部を備えたものについて説明したが、本発明の押圧検知タッチパネルの応用例はこれに限るものではない。例えば、表示部３０を省いてもよいし、静電容量センサを省いてもよい。
１，１Ａ，１Ｃ，１Ｂ…押圧検知タッチパネル
１１Ｐ…押圧センサ
１１Ｐ１…圧電フィルム
１１Ｐ２…押圧検出電極
１１Ｐ３…押圧検出電極
３０…表示部
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ…パネル
５０…筐体
５２…制御回路モジュール

Claims (7)

  1. 　開口部を有する筐体と、
    　少なくとも一軸方向に延伸されたキラル高分子からなる圧電フィルムと、
    　前記圧電フィルムを保持する保持部材と、
    　を備えた押圧検知タッチパネルであって、
    　前記保持部材は、法線方向に撓むように全周が前記筐体に固定され、
    　横断面の形状と縦断面の形状とが異なっていることを特徴とする押圧検知タッチパネル。
  2. 　前記保持部材は、厚みが一定ではないことを特徴とする請求項１に記載の押圧検知タッチパネル。
  3. 　前記保持部材は、該保持部材の主面内の少なくともの１つの方向に沿って厚みが変化する請求項２に記載の押圧検知タッチパネル。
  4. 　前記保持部材は、複数の部材が積層されてなり、各部材は、平面視して縦横比が異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検知タッチパネル。
  5. 　前記保持部材は、タッチ面側が凸になっている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の押圧検知タッチパネル。
  6. 　前記保持部材は、平面視した形状が正方形状である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の押圧検知タッチパネル。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の押圧検知タッチパネルと、
    　表示部と、
    　を備えた表示装置。
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