WO2019021981A1 - 押圧センサ及び電子機器 - Google Patents

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宏明 北田
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株式会社村田製作所
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    • G06F2203/04107—Shielding in digitiser, i.e. guard or shielding arrangements, mostly for capacitive touchscreens, e.g. driven shields, driven grounds

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a press sensor that detects a press and an electronic device using the press sensor.
  • a touch sensor panel By using a fluorine resin, a touch sensor panel has been proposed in which the size of the panel is easily and reliably increased by making the electrode resistance smaller than that of a touch sensor panel using an ITO film (see Patent Document 1). ).
  • the metal used as the electrode has an elastic modulus of 60 GPa or more and is sufficiently high, the thickness is small and there is no rigidity enough to maintain the shape alone. For this reason, when a pressure sensor is incorporated into the touch sensor panel of Patent Document 1, if a material with a low elastic modulus such as a cushion or adhesive is used at the attachment position of the pressure sensor of the device incorporating the pressure sensor, FIG. As shown in FIG. 6, stress relaxation generates an output of the reverse polarity to the user operation. For example, after a positive voltage (maximum positive output value: h1) which is a normal output is detected, a negative voltage (maximum negative output value: h2) generated by stress relaxation is detected. Therefore, there arises a problem that the sensor sensitivity is reduced.
  • a positive voltage maximum positive output value: h1 which is a normal output
  • a negative voltage maximum negative output value: h2
  • an object of an embodiment of the present invention is to provide a pressure sensor and an electronic device in which an output of reverse polarity due to stress relaxation is hard to occur and the sensor sensitivity is improved.
  • a pressure sensor includes a piezoelectric film having a first main surface and a second main surface, a first electrode provided on the first main surface of the piezoelectric film, and the first of the piezoelectric film. And a second electrode provided on the two main surfaces. At least one of the first electrode and the second electrode is formed of a material having an elastic modulus of 60 GPa or more, and the product of the thickness in the stacking direction and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more.
  • the pressure sensor in the pressure sensor, at least one of the first electrode and the second electrode has an elastic modulus of 60 GPa or more, and the product of the thickness in the stacking direction and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more.
  • the pressure sensor has a predetermined rigidity or more, and can easily maintain its shape alone.
  • the pressure sensor is unlikely to generate an output of reverse polarity due to stress relaxation, and sensor sensitivity can be improved.
  • An electronic device includes the pressure sensor and a base having an elastic modulus of 1 MPa or less.
  • the pressure sensor has a predetermined rigidity or more. For this reason, even if it is used in the state which stuck the press sensor on the base material whose elasticity modulus is 1 MPa or less, the press sensor is hard to receive the influence of a base material. Therefore, in the electronic device, an output of reverse polarity due to stress relaxation is hard to occur, and the sensor sensitivity can be improved.
  • FIG. 1A is a perspective view of an electronic device provided with a pressure sensor according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof.
  • FIG. 2A is an exploded perspective view of the pressure sensor according to the first embodiment, and FIG. 2B is a schematic view for explaining the cross section thereof.
  • FIG. 3 is a view for explaining a piezoelectric film according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode and the elastic modulus according to the first embodiment and the sensitivity of the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode and the elastic modulus according to the first embodiment and the stress relaxation of the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9A is an exploded perspective view of a pressure sensor according to a modification
  • FIG. 9B is a schematic view for explaining the cross section thereof.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the influence of stress relaxation on the sensor output voltage in the conventional pressure sensor.
  • FIG. 1A is a perspective view of an electronic device provided with a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view thereof
  • FIG. 2A is an exploded perspective view of the pressure sensor according to the first embodiment
  • FIG. 2B is a schematic view for explaining the cross section thereof
  • FIG. 3 is a view for explaining a piezoelectric film according to the first embodiment.
  • the electronic device illustrated in FIG. 1A is merely an example, and the invention is not limited to this, and can be appropriately changed in accordance with a specification.
  • wiring etc. are abbreviate
  • the electronic device 100 includes a substantially rectangular parallelepiped housing 102 whose upper surface is open.
  • the electronic device 100 includes a flat surface panel 103 disposed to seal the opening of the top surface of the housing 102.
  • the front panel 103 functions as an operation surface on which the user performs a touch operation using a finger or a pen.
  • the width direction (lateral direction) of the housing 102 is taken as the X direction
  • the length direction (longitudinal direction) is taken as the Y direction
  • the thickness direction is taken as the Z direction.
  • the electronic device 100 includes the display unit 104, the cushion material 105, and the pressure sensor 1 inside the housing 102.
  • the pressure sensor 1, the cushion material 105, and the display unit 104 are stacked in this order from the inside to the outside of the housing 102.
  • the display unit 104 is formed on the surface of the front panel 103 inside the housing 102.
  • the cushion material 105 is formed inside the housing 102 and below the display unit 104 in the Z direction.
  • the pressure sensor 1 is formed below the display unit 104 in the Z direction via the cushion material 105.
  • the cushion material 105 corresponds to the “base material” in the present invention.
  • the cushion material 105 has an elastic modulus of 1 MPa or less. For this reason, the cushioning material 105 is easily distorted when receiving an external force.
  • a pressing force is transmitted to the pressing sensor 1 through the cushion material 105.
  • the pressure sensor 1 outputs a potential according to the operation received by the front panel 103.
  • the pressure sensor 1 includes a piezoelectric film 10, a first electrode 11, and a second electrode 12. 2A and 2B, illustration of components other than the piezoelectric film 10, the first electrode 11, and the second electrode 12 is omitted.
  • the piezoelectric film 10 has a first major surface 14 and a second major surface 15.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 are formed in a rectangular shape in the same manner as the piezoelectric film 10 in a plan view.
  • the first electrode 11 is provided on the first major surface 14 of the piezoelectric film 10.
  • the second electrode 12 is provided on the second major surface 15 of the piezoelectric film 10.
  • At least one of the first electrode 11 and the second electrode 12 may be completely overlapped with the piezoelectric film 10 in a top view or may be positioned inward in the surface direction from the piezoelectric film 10. Thereby, the short circuit in the end of the 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 can be controlled.
  • FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric film 10.
  • the piezoelectric film 10 may be a film formed of a chiral polymer.
  • polylactic acid (PLA) particularly L-type polylactic acid (PLLA) is used as the chiral polymer.
  • PLLA consisting of a chiral polymer has a helical structure in the main chain.
  • PLLA is uniaxially stretched to have piezoelectricity when molecules are oriented.
  • the uniaxially stretched PLLA generates a voltage when the flat surface of the piezoelectric film 10 is pressed. At this time, the amount of voltage generated depends on the amount of displacement in which the flat surface is displaced in the direction perpendicular to the flat surface depending on the amount of pressure.
  • the uniaxial stretching direction of the piezoelectric film 10 is a direction forming an angle of 45 degrees with respect to the Y direction and the Z direction as shown by the arrow 901 in FIG. 3.
  • the 45 degrees include an angle including, for example, 45 degrees ⁇ 10 degrees.
  • PLLA does not need to be subjected to poling treatment like other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics, because PLLA produces piezoelectricity by orientation processing of molecules by drawing or the like. That is, the piezoelectricity of PLLA which does not belong to the ferroelectric is not expressed by the polarization of ions as in the case of a ferroelectric such as PVDF or PZT but is derived from a helical structure which is a characteristic structure of a molecule. is there. For this reason, PLLA does not have pyroelectricity that occurs with other ferroelectric piezoelectric materials.
  • the pressure sensor 3 can be formed thin because it is not affected by the temperature or frictional heat of the user's finger. Furthermore, although PVDF and the like show variations in the piezoelectric constant over time, and in some cases the piezoelectric constant may significantly decrease, the piezoelectric constant of PLLA is extremely stable over time. Therefore, displacement due to pressing can be detected with high sensitivity without being affected by the surrounding environment.
  • the piezoelectric film 10 may be made of a film formed of a ferroelectric substance in which ions such as PVDF or PZT subjected to poling treatment are polarized instead of PLLA.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 formed on both main surfaces of the piezoelectric film 10 metal-based electrodes such as aluminum and copper can be used.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 can be made of a highly transparent material such as ITO or PEDOT.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode and the elastic modulus, and the sensitivity of the pressure sensor.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode and the elastic modulus and the stress relaxation of the pressure sensor.
  • the relationship between the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode 11 and the elastic modulus and the sensitivity of the pressure sensor 1 is in direct proportion. That is, as the product of the thickness t1 of the first electrode 11 in the stacking direction and the elastic modulus increases, the sensitivity of the pressure sensor 1 increases.
  • the stress relaxation can be reduced to 6% or less.
  • the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode 11 and the elastic modulus is 4.5 MPa ⁇ m or more, and in this case, the stress relaxation can be reduced to 5% or less. More preferably, by setting the product of the thickness in the laminating direction of the first electrode 11 and the elastic modulus to 5 MPa ⁇ m or more, even if the thickness and the elastic modulus in the laminating direction of the first electrode 11 vary somewhat, stress relaxation The influence of variations can be reduced.
  • the first electrode 11 is formed of a material having an elastic modulus of 60 GPa or more.
  • materials having an elastic modulus of 60 GPa or more include metals such as copper having an elastic modulus of about 100 GPa.
  • the product of the thickness t1 of the first electrode 11 in the stacking direction and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more.
  • the first electrode 11 has a predetermined rigidity or more.
  • the pressure sensor 1 as a whole has a predetermined rigidity or more, and can easily maintain its shape independently, and stress relaxation can be suppressed to a low level.
  • the second electrode 12 is formed of a material having an elastic modulus of 60 GPa or more, and the product of the thickness t2 of the second electrode 12 in the lamination direction and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more It is also good. Also by this, since the press sensor 1 has rigidity more than predetermined as a whole, the same effect is acquired. In addition, both the first electrode 11 and the second electrode 12 may have the same configuration. As a result, since both the first electrode 11 and the second electrode 12 have a predetermined rigidity or more, similar effects can be obtained. That is, at least one of the first electrode 11 or the second electrode 12 may satisfy the above condition, or both the first electrode 11 and the second electrode 12 may satisfy the above condition.
  • the thickness t1 of the first electrode 11 in the stacking direction or the thickness t2 of the second electrode 12 in the stacking direction is preferably 200 ⁇ m or less.
  • the present invention can be applied to cases where downsizing or thinning of the electronic device 100 is required.
  • the front panel 103 When the front panel 103 receives a pressing operation, pressing force is transmitted to the pressing sensor 1 through the cushion material 105. Thereby, the flat surface of the piezoelectric film 10 of the pressure sensor 1 is pressed. The piezoelectric film 10 outputs a potential according to the operation received by the front panel 103.
  • the pressure sensor 1 Although the elastic modulus of the cushioning material 105 is relatively low, the pressure sensor 1 has rigidity higher than a predetermined value, easily maintains its shape alone, and stress relaxation hardly occurs. Therefore, the pressure sensor 1 is unlikely to generate an output of reverse polarity due to stress relaxation. Thus, the sensor sensitivity of the pressure sensor 1 is improved.
  • FIG. 6 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the second embodiment.
  • illustration of wiring etc. is abbreviate
  • the pressure sensor 2 is largely different from the pressure sensor 1 according to the first embodiment in that the pressure sensor 2 further includes a shield electrode 24. Therefore, the pressure sensor 2 will be described in terms of differences from the pressure sensor 1, and the same points will be omitted.
  • the pressure sensor 2 further includes a shield electrode 24 with respect to the pressure sensor 1.
  • the pressure sensor 2 further includes a first resin base 22, a second resin base 23, an adhesive tape 41, and a via electrode 42.
  • the first electrode 11 includes a third major surface 16 facing the piezoelectric film 10 and a fourth major surface 17 opposite to the third major surface 16.
  • the first electrode 11 is bonded to the piezoelectric film 10 with an adhesive tape 41 on the third major surface 16.
  • the shield electrode 24 is disposed to face the fourth major surface 17 of the first electrode 11.
  • the adhesive tape 41 corresponds to the “bonding material” in the present invention.
  • the elastic modulus of the adhesive tape 41 is preferably 10 MPa or more. If the elastic modulus of the adhesive tape 41 is 10 MPa or more, even if the elastic modulus of the adhesive tape 41 changes due to temperature change, the output of the pressure sensor 2 does not change much. Thereby, the temperature characteristic of the pressure sensor 2 can be improved. Further, if the adhesive tape 41 has a high elastic modulus, even if the elastic modulus of the adhesive tape 41 slightly changes due to a temperature change, the change is negligible. For example, when the elastic modulus of the pressure-sensitive adhesive tape 41 is 10 MPa or more, the pressure-sensitive adhesive tape 41 is unlikely to be affected by stress relaxation by the pressure-sensitive adhesive tape 41 itself. Thereby, the stress relaxation characteristic of the pressure sensor 2 is maintained without deterioration.
  • the first resin base material 22 and the second resin base material 23 are formed on both main surfaces of the shield electrode 24 so as to sandwich the shield electrode 24.
  • the first resin base material 22 is disposed in contact with the fourth major surface 17 of the first electrode 11 and the shield electrode 24.
  • the second resin base 23 is formed on the side of the shield electrode 24 where the first resin base 22 is not formed.
  • the via electrode 42 is formed in a part of the first resin base 22 so as to penetrate the first resin base 22.
  • the first resin base 22, the second resin base 23, the shield electrode 24, the via electrode 42, and the first electrode 11 are formed of a printed wiring board. Therefore, the formation of the first resin base material 22, the second resin base material 23, the shield electrode 24, the via electrode 42, and the first electrode 11 is facilitated.
  • the pressure sensor 2 may have a structure without the second resin base 23. In this case, the shield electrode 24, the via electrode 42, and the first electrode 11 are formed on both sides of the first resin base material 22 by a printed wiring board. Thereby, the press sensor 2 can be made thinner.
  • the first resin base 22 and the second resin base 23 contain at least one of epoxy resin, polyimide, and liquid crystal polymer.
  • the shield electrode 24 is formed of a material having an elastic modulus of 60 GPa or more. Thus, when the front panel 103 receives a pressing operation, the shield electrode 24 can be similarly deformed because it has a predetermined rigidity or more.
  • the shield electrode 24 has a product of the thickness t3 in the stacking direction and the elastic modulus of 4 MPa ⁇ m or more.
  • the shield electrode 24 has a predetermined rigidity or more.
  • the pressure sensor 2 as a whole has a predetermined rigidity or more, can easily maintain its shape alone, and stress relaxation can be suppressed low.
  • the thickness t1 of the first electrode 11 in the stacking direction can be formed thin.
  • the first electrode 11 can be formed as a thin line, and a more complicated pattern can be formed. Therefore, it becomes easy to form the receiving circuit or other circuits of the pressure sensor 2 on the same surface as the first electrode 11. Therefore, it is possible to easily form a sensor module provided with the pressure sensor 2 and other circuits, or a module provided with multiple functions.
  • the shield electrode 24 is preferably provided on the display unit 104 side in the electronic device 100. That is, the shield electrode 24 is located between the first electrode 11 and the second electrode 12 and the display unit 104. Thereby, noise from the display unit 104, that is, the outside can be suppressed.
  • FIG. 7 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the third embodiment.
  • illustration of wiring and the like is omitted.
  • the pressure sensor 3 is largely different from the pressure sensor 2 according to the second embodiment in that the shield electrode is formed of a plurality of electrode layers. Therefore, the pressure sensor 3 will be described in terms of differences from the pressure sensor 2, and the same points will be omitted.
  • the pressure sensor 3 includes a shield electrode 24 and a shield electrode 34 as a shield electrode.
  • the pressure sensor 3 further includes a third resin base 32 and a via electrode 43.
  • the shield electrode 34, the third resin base 32, and the via electrode 43 are provided between the shield electrode 24 of the pressure sensor 2 and the second resin base 23. That is, the shield electrode 34 is further stacked on the shield electrode 24. Further, the shield electrode 34 and the via electrode 43 can be easily formed of a printed wiring board, similarly to the shield electrode 24 and the like.
  • the product of the product of the thickness t3 of the shield electrode 24 in the stacking direction and the elastic modulus, and the product of the thickness t4 of the shield electrode 34 in the stacking direction and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more.
  • the pressure sensor 3 as a whole has a predetermined rigidity or more, and can easily maintain its shape independently, and stress relaxation can be suppressed to a low level.
  • the pressure sensor 3 has a plurality of printed wiring board layers. For this reason, the freedom degree of arrangement
  • FIG. 8 is a schematic view for explaining the cross section of the pressure sensor according to the fourth embodiment.
  • illustration of wiring and the like is omitted.
  • the pressure sensor 4 is largely different from the pressure sensor 2 according to the second embodiment in that the second electrode 12 is formed of a conductive tape. Therefore, the pressure sensor 4 will be described in terms of differences from the pressure sensor 2, and the same points will be omitted.
  • the pressure sensor 4 includes a reference electrode pattern 21.
  • the reference electrode pattern 21 is disposed on the same plane as the first electrode 11.
  • the same plane as the first electrode 11 represents a plane perpendicular to the stacking direction.
  • the reference electrode pattern 21 and the first electrode 11 are disposed so as not to be in contact with each other, and are in contact with the first resin base material 22 individually.
  • the reference electrode pattern 21 is formed of a printed wiring board in the same manner as the first electrode 11.
  • the via electrode 42 is formed at a position facing the reference electrode pattern 21 in the first resin base material 22.
  • the via electrode 42 connects the shield electrode 24 and the reference electrode pattern 21.
  • the second electrode 12 is a reference electrode.
  • the second electrode 12 is formed of a conductive tape.
  • the second electrode 12 is connected to the reference electrode pattern 21. That is, in the pressure sensor 4, the first electrode 11 functions as a HOT electrode, and the reference electrode pattern 21 functions as a reference electrode. Thereby, since the second electrode 12 can be easily attached to the reference electrode pattern 21 which is a reference electrode, the manufacturing of the pressure sensor 4 becomes easy. In addition, since both sides of the third major surface 16 and the fourth major surface 17 of the first electrode 11 that is the HOT electrode are covered with the reference electrode, noise from the outside can be suppressed.
  • the second electrode 12 is preferably a double-sided tape. Thereby, another member such as a cushion and a protective film can be further attached to the second electrode 12 side of the pressure sensor 4.
  • the pressure sensor is not limited to the piezoelectric sensor, and may be a strain cage sensor.
  • FIG. 9A is an exploded perspective view of a strain cage sensor according to a modification
  • FIG. 9B is a schematic view for explaining the cross section thereof.
  • the strain cage sensor 9 includes a substrate 90, a first electrode 91, and a second electrode 92. 9A and 9B, illustration of components other than the base material 90, the first electrode 91, and the second electrode 92 is omitted.
  • the strain cage sensor 9 will be described in terms of differences from the pressure sensor 1, and the same points will be omitted.
  • the first electrode 91 is formed in a so-called zigzag shape.
  • the substrate 90 has a first major surface 94 and a second major surface 95.
  • the first electrode 91 is provided on the first major surface 94 of the base material 90.
  • the second electrode 92 is provided on the second major surface 95 of the base material 90.
  • the second electrode 92 is not necessarily provided, providing the second electrode 92 as a shield electrode can suppress external noise.
  • the product of the thickness in the stacking direction of the first electrode 91 and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more, or the product of the thickness in the stacking direction of the second electrode 92 and the elastic modulus is 4 MPa ⁇ m or more. Stress relaxation is low.

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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

押圧センサ及び電子機器
　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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