WO2020080322A1 - 変位検出センサおよびフレキシブルデバイス - Google Patents

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WO2020080322A1
WO2020080322A1 PCT/JP2019/040365 JP2019040365W WO2020080322A1 WO 2020080322 A1 WO2020080322 A1 WO 2020080322A1 JP 2019040365 W JP2019040365 W JP 2019040365W WO 2020080322 A1 WO2020080322 A1 WO 2020080322A1
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electrode
displacement detection
flexible device
housing
pressing operation
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しおり 長森
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株式会社村田製作所
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    • H04MTELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M2250/00Details of telephonic subscriber devices
    • H04M2250/12Details of telephonic subscriber devices including a sensor for measuring a physical value, e.g. temperature or motion

Definitions

  • the present invention relates to a displacement detection sensor and a flexible device using the same.
  • Patent Document 1 discloses a foldable display and a mobile terminal device.
  • the mobile terminal device described in Patent Document 1 may be operated in a folded state.
  • the mobile terminal device When the mobile terminal device is operated in a folded state, if the mobile terminal device itself is flexible, the amount of force of the displacement operation applied by the user affects the degree of deformation of the mobile terminal device itself.
  • a user's operation mode there are two types of operation modes, a pressing operation for deforming the entire mobile terminal device so as to warp and a pressing operation for pressing only one side as in the conventional case.
  • no distinction is made between these operation modes.
  • an object of the present invention is to provide a displacement detection sensor capable of distinguishing a pressing operation for deforming the entire mobile terminal device so as to warp and a pressing operation for pressing only one side of the housing in a folded state, and a displacement detection sensor for the same. It is to provide the used flexible device.
  • the displacement detection sensor includes a displacement detection film arranged in a housing that can be folded at a folding position so as to straddle the folding position, and a first electrode formed on a first main surface of the displacement detection film. And a second electrode formed on the first main surface of the displacement detection film, the first electrode being provided in a first region of the displacement detection film divided at the folding position of the housing. The second electrode is disposed in a second region of the displacement detection film different from the first region in the housing.
  • the first electrode and the second electrode are formed on the main surface of the displacement detection film with the folding position as a boundary.
  • the first electrode and the second electrode generate outputs according to the deformation of the displacement detection film at the positions where they are arranged.
  • the present invention in the folded state, it is possible to distinguish between a pressing operation for pressing only one side of the housing and a pressing operation for deforming the entire housing so as to warp.
  • FIG. 1A is a perspective view of a flexible device including a pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a perspective view of the folded state.
  • 2A is a cross-sectional view of the flexible device shown in FIG. 1A, and
  • FIG. 2B is a partial cross-sectional view of the folded state.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is an exploded perspective view of the sensor element according to the first embodiment, and FIG. 4B is a plan view thereof.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the piezoelectric film according to the first embodiment.
  • 6 (A) to 6 (C) are schematic cross-sectional views for explaining how the pressure sensor is deformed by the user's pressing operation when the flexible device according to the first embodiment is folded.
  • 7A to 7C are views for explaining the flexible device according to the second embodiment.
  • 8A to 8C are views for explaining the flexible device according to the third embodiment.
  • FIG. 1A is a perspective view of a flexible device including a pressure sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a perspective view of the folded state.
  • the flexible device shown in FIGS. 1A and 1B is merely an example of the present invention, and the present invention is not limited to this, and the shape and the like can be appropriately changed according to specifications.
  • the flexible device 100 includes a casing 102 having a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the housing 102 has flexibility and can be deformed.
  • the flexible device 100 includes a flat surface panel 103 arranged in a housing 102.
  • the front panel 103 functions as an operation surface on which a user performs a touch operation using a finger or a pen.
  • the opposite side of the front panel 103 in the housing 102 is a back surface 105.
  • the flexible device 100 is folded at the folding position L so that the back surface 105 faces inward.
  • the width direction (horizontal direction) of the housing 102 is the X direction
  • the length direction (longitudinal direction) is the Y direction
  • the thickness direction is the Z direction.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the flexible device shown in FIG. 1A taken along the line II shown in FIG. 1A
  • FIG. 2B is a partial cross-sectional view of the folded state. Note that FIGS. 2A and 2B are schematic views, and for convenience of description, the thickness and the like of each component of the pressure sensor are shown largely.
  • the flexible device 100 includes the pressure sensor 1 inside the housing 102.
  • the pressure sensor 1 is formed on the surface of the front panel 103 inside the housing 102.
  • the flexible device 100 includes a display unit 104 inside the housing 102.
  • the front panel 103 and the display unit 104 are laminated and arranged.
  • the pressure sensor 1 can be arranged on the front side of the flexible device 100 with respect to the display unit 104.
  • the pressure sensor 1 includes a piezoelectric film 10, a first electrode 11, and a second electrode 12.
  • the piezoelectric film 10 is arranged in the housing 102 so as to straddle the folding position L of the flexible device 100.
  • the piezoelectric film 10 is divided into a first region 3 and a second region 4 at the folding position L.
  • the first electrode 11 is arranged in the first region 3, and the second electrode 12 is arranged in the second region 4.
  • 2A and 2B illustration of the pressure sensor 1 other than the piezoelectric film 10, the first electrode 11, and the second electrode 12 is omitted.
  • the piezoelectric film 10 is an example of the displacement detection film.
  • the flexible device 100 is entirely made of a flexible material.
  • the flexible device 100 can be folded using the folding position L along the X direction as a bending line. That is, the flexible device 100 can be opened and closed with the folding position L as an axis.
  • the pressing force is transmitted to the pressure sensor 1 via the front panel 103.
  • the pressure sensor 1 outputs a potential according to the magnitude of the pressing force by the pressing operation received by the front panel 103.
  • the flexible device 100 is folded so that the front panel 103 is on the front side; however, the invention is not limited to this, and the flexible device 100 may be folded in the opposite direction. .
  • the back surface 105 of the housing 102 of the flexible device 100 becomes the surface to be operated.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 are overlapped in the Z-axis direction when the flexible device 100 is folded at the folding position L. That is, the first electrode 11 and the second electrode 12 overlap each other in a plan view (XY plane).
  • the flexible device 100 is folded at the folding position L and the pressing operation is performed from either side of the first electrode 11 and the second electrode 12, the flexible device 100 is at the folding position L as a boundary. Similar results are obtained because of the line-symmetric structure.
  • the flexible device 100 receives a pressing operation from the first electrode 11 side, positive charges are generated in the first electrode 11 and negative charges are generated in the second electrode 12. Is generated.
  • a negative charge is generated at the first electrode 11 and a positive charge is generated at the second electrode 12.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the pressure sensor according to the first embodiment.
  • the pressure sensor 1 includes a sensor element 20 and a processing unit 21.
  • the processing unit 21 includes a detection unit 22, a warning unit 23, and a determination unit 24.
  • FIG. 4A is an exploded perspective view of the sensor element according to the first embodiment
  • FIG. 4B is a plan view on the XY plane.
  • the sensor element 20 includes a piezoelectric film 10, a first electrode 11, a second electrode 12, and a reference electrode 13. 4 (A) and 4 (B), illustrations other than the piezoelectric film 10, the first electrode 11, the second electrode 12, and the reference electrode 13 are omitted.
  • the piezoelectric film 10 has a first main surface 14 and a second main surface.
  • the first electrode 11 has a flat film shape, and is formed in a rectangular shape in plan view like the piezoelectric film 10.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 are provided on the first main surface 14 of the piezoelectric film 10.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 are arranged side by side along the Y direction orthogonal to the X direction along the folding position L.
  • the reference electrode 13 is provided on the second main surface of the piezoelectric film 10.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 and the reference electrode 13 completely overlap the piezoelectric film 10 in a top view, or the piezoelectric film 10 It is better to be located inward in the plane direction. Thereby, the sensor element 20 can suppress a short circuit at the end portions of the first electrode 11 and the second electrode 12 and the reference electrode 13.
  • FIG. 5 is a plan view of the piezoelectric film 10.
  • the piezoelectric film 10 may be a film made of a chiral polymer.
  • polylactic acid (PLA) particularly L-type polylactic acid (PLLA)
  • PLLA L-type polylactic acid
  • the main chain of PLLA composed of a chiral polymer has a helical structure.
  • PLLA has piezoelectricity when it is uniaxially stretched and molecules are oriented. Then, the uniaxially stretched PLLA generates an electric charge when the flat plate surface of the piezoelectric film 10 is pressed. At this time, the amount of electric charge generated depends on the amount of displacement by which the flat plate surface is displaced in the direction orthogonal to the flat plate surface by the pressing amount.
  • the uniaxial stretching direction of the piezoelectric film 10 is a direction that forms an angle of 45 degrees with the Y direction and the Z direction, as shown by an arrow 901 in FIG.
  • the 45 degrees includes an angle including, for example, about 45 degrees ⁇ 10 degrees.
  • PLLA does not need to be subjected to poling treatment unlike other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics because PLLA generates piezoelectricity due to molecular orientation treatment such as stretching. That is, the piezoelectricity of PLLA, which does not belong to the ferroelectric substance, does not appear due to the polarization of ions unlike the ferroelectric substance such as PVDF or PZT, but is derived from the helical structure which is the characteristic structure of the molecule. is there. For this reason, the PLLA does not have the pyroelectricity that occurs in other ferroelectric piezoelectric materials. Since there is no pyroelectricity, the temperature of the user's finger and frictional heat do not affect the pressure sensor 1.
  • the pressure sensor 1 can be formed thin. Further, in PVDF and the like, the piezoelectric constant fluctuates with time, and the piezoelectric constant may decrease remarkably in some cases, but the piezoelectric constant of PLLA is extremely stable with time. Therefore, the displacement due to the pressing can be detected with high sensitivity without being affected by the surrounding environment.
  • the first electrode 11, the second electrode 12, and the reference electrode 13 formed on both main surfaces of the piezoelectric film 10 metal electrodes such as aluminum and copper can be used.
  • the first electrode 11, the second electrode 12, and the reference electrode 13 can be made of a highly transparent material such as ITO or PEDOT.
  • the sensor element 20 When the housing 102 receives a pressing operation, the sensor element 20 outputs to the processing unit 21 an electric charge according to the deformation of the piezoelectric film 10 at a position corresponding to the first electrode 11 or the second electrode 12.
  • the detection unit 22 detects whether the absolute value of the output from the first electrode 11 or the second electrode 12 exceeds a predetermined threshold value.
  • the warning unit 23 issues a warning when it detects that both the absolute values of the outputs from the first electrode 11 or the second electrode 12 exceed the first threshold value.
  • the determination unit 24 determines the degree of deformation of the housing itself based on the output from the first electrode 11 or the second electrode 12.
  • FIGS. 6 (A) to 6 (C) are schematic cross-sectional views for explaining how the pressure sensor 1 is deformed by the pressing operation of the user when the flexible device 100 according to the first embodiment is folded.
  • the flexible device 100 is folded in the same manner as in FIG. 2 (B) so that the surface panel 103 is on the front side.
  • the parts other than the piezoelectric film 10, the first electrode 11, and the second electrode 12 are omitted.
  • the user performs a pressing operation on the flexible device 100 from the side where the first electrode 11 is arranged will be described.
  • FIG. 6A shows the deformation of the pressure sensor 1 when the flexible device 100 is pressed by the force F1.
  • the force F1 is relatively weak and is a force that does not deform the entire housing 102.
  • only the piezoelectric film 10 on the side where the first electrode 11 is arranged is deformed.
  • the piezoelectric film 10 bends from the front panel 103 side toward the back surface 105 of the front panel 103 in the flexible device 100.
  • the first electrode 11 By the deformation of the piezoelectric film 10, the first electrode 11 outputs a charge having a polarity according to the deformation direction.
  • the first electrode 11 receives positive charges from the piezoelectric film 10 and outputs them to the processing unit 21.
  • the processing unit 21 converts the received positive charge into a voltage.
  • the piezoelectric film 10 on the second electrode 12 side does not deform. Therefore, there is no output from the second electrode 12 side, and the voltage detected by the processing unit 21 is 0V.
  • the piezoelectric film 10 on the side where the second electrode 12 is arranged moves from the back surface 105 of the flexible device 100 to the front panel 103 side. Turn in the direction.
  • the deformation of the piezoelectric film 10 is opposite between the side where the first electrode 11 is arranged and the side where the second electrode 12 is arranged.
  • the electric charge received by the first electrode 11 from the piezoelectric film 10 and the electric charge received by the second electrode 12 from the piezoelectric film 10 have opposite polarities.
  • the voltages detected by the processing unit 21 have opposite polarities on the first electrode 11 side and the second electrode 12 side.
  • the voltage detected by the processing unit 21 from the first electrode 11 side is 2V
  • the voltage detected by the processing unit 21 from the second electrode 12 side is -1V.
  • the absolute value of the voltage detected from the second electrode 12 side is the absolute value of the voltage detected from the first electrode 11 side. It becomes smaller than the absolute value (2V).
  • the detection unit 22 detects whether the voltage detected from the first electrode 11 side or the second electrode 12 side exceeds the second threshold value, respectively.
  • the detection unit 22 detects that the voltage detected from the first electrode 11 side or the second electrode 12 side is a predetermined threshold value (second threshold value), for example, 3 V or less.
  • the determination unit 24 determines that the housing 102 has received a first pressing operation that is a pressing operation that presses only one side of the housing 102 and that does not deform so that the entire housing 102 warps.
  • FIG. 6B shows the deformation of the pressure sensor 1 when the flexible device 100 is pressed by the force F2. That is, this is a case where the force of the pressing operation is further increased from the state described with reference to FIG.
  • the force F2 is larger than the force F1 and is such a force that the casing 102 is deformed so as to warp but the casing 102 is not destroyed.
  • the piezoelectric films 10 on the side where the first electrode 11 is arranged and the side where the second electrode 12 is arranged are both deformed.
  • the piezoelectric film 10 on the side where the first electrode 11 is arranged bends in the direction from the front panel 103 side to the back surface 105 of the flexible device 100.
  • the degree of deformation of the piezoelectric film 10 due to the deformation of the housing 102 varies depending on the amount of force applied to the pressure sensor 1 by the user.
  • the magnitude of the absolute value of the charges generated from the first electrode 11 and the second electrode 12 increases.
  • the magnitude of the absolute value of the voltage detected by the processing unit 21 from the first electrode 11 side and the second electrode 12 side increases.
  • the voltage detected by the processing unit 21 from the first electrode 11 side is 5V
  • the voltage detected by the processing unit 21 from the second electrode 12 side is -5V.
  • the detection unit 22 detects whether the voltage detected by the first electrode 11 or the second electrode 12 exceeds the second threshold value and the first threshold value, respectively.
  • the detection unit 22 detects that the absolute value of the voltage detected from the first electrode 11 and the second electrode 12 side is larger than a predetermined threshold value (second threshold value), for example, 3V.
  • second threshold value for example, 3V.
  • first threshold value for example, 10 V or less
  • the determination unit 24 causes the housing 102 itself. It is determined that the pressing operation is accepted in a state in which the warp is deformed.
  • the first threshold will be described in detail later. In this way, when the flexible device 100 is folded, it is possible to distinguish between the second pressing operation for deforming the entire housing 102 to warp and the first pressing operation for pressing only one side of the housing 102. .
  • FIG. 6C shows the deformation of the pressure sensor 1 when the flexible device 100 is pressed by the force F3. That is, this is a case where the force of the pressing operation is further increased from the state described with reference to FIG.
  • the force F3 is larger than the force F2, and is a force to some extent that the housing 102 may be destroyed.
  • both the piezoelectric film 10 on the side where the first electrode 11 is arranged and the piezoelectric film 10 on the side where the second electrode 12 is arranged are larger than those in the state described in FIG. 6B. Deform.
  • the piezoelectric film 10 on the side where the first electrode 11 is arranged and the side where the second electrode 12 is arranged are both greatly deformed. Therefore, the absolute value of the charges generated from the first electrode 11 and the second electrode 12 becomes larger. Accordingly, for example, the voltage detected by the processing unit 21 from the first electrode 11 side is 15V, and the voltage detected by the processing unit 21 from the second electrode 12 side is -15V.
  • the detection unit 22 detects that the absolute value of the voltage detected from the first electrode 11 and the second electrode 12 is larger than a predetermined threshold value (first threshold value), for example, 10V.
  • first threshold value for example, 10V.
  • the determining unit 24 determines that the pressing operation for adjusting the force with which the flexible device 100 is destroyed is accepted. In this way, the degree of deformation of the housing 102 itself caused by the pressing operation of the user can be distinguished by the magnitude of the voltage detected from the first electrode 11 and the second electrode 12.
  • the warning unit 23 issues a warning.
  • the user can know that the flexible device 100 is in a state of accepting a pressing operation with an amount of force enough to break it. Accordingly, it is possible to prevent the flexible device 100 from being broken.
  • various methods such as displaying on the display unit 104, an alarm sound, or notifying another device can be adopted as the mode of the warning issued by the warning unit 23.
  • FIG. 7A to 7C are views for explaining the flexible device 200 according to the second embodiment.
  • 7A is a sectional view of the flexible device 200
  • FIG. 7B is a plan view of the sensor element 220 according to the second embodiment
  • FIG. 7C is a partial sectional view of the flexible device 200 in a folded state. It is a figure.
  • the flexible device 200 according to the second embodiment has substantially the same configuration as that of the first embodiment except that the shape and arrangement of the electrodes of the sensor element 220 of the pressure sensor 201 are different. Therefore, in the second embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and the description thereof will be omitted.
  • the flexible device 200 includes a first electrode 71 and a second electrode 72.
  • the first electrode 71 and the second electrode 72 are formed to be shorter in the Y direction than the first electrode 11 and the second electrode 12.
  • the flexible device 200 is folded at the folding position L, the first electrode 71 and the second electrode 72 do not overlap in the Z-axis direction. That is, the first electrode 71 and the second electrode 72 do not overlap in a plan view (XY plane). Therefore, the flexible device 200 can be formed thinner than the flexible device 100.
  • the absolute value of the electric charge output from the first electrode 71 and the second electrode 72 is made to have strength depending on the location on the front panel 103 that receives the pressing operation.
  • the absolute value of the electric charge output from the first electrode 71 becomes small. Therefore, the absolute value of the voltage detected by the processing unit 21 can be varied depending on the location on the front panel 103 that receives the pressing operation.
  • the deformation of the flexible device 200 deforms both the first electrode 71 and the second electrode 72. Therefore, charges are output from both the first electrode 71 and the second electrode 72. Therefore, similarly to the first embodiment, the degree of deformation of the housing 102 itself due to the pressing operation by the user can be distinguished by the magnitude of the voltage detected from the first electrode 71 and the second electrode 72, and the flexible device can be used. The destruction of 200 can be prevented.
  • FIGS. 8A to 8C are diagrams for explaining the flexible device according to the third embodiment.
  • 8A is a sectional view of the flexible device 300
  • FIG. 8B is a plan view of the sensor element 320 according to the third embodiment
  • FIG. 8C is a partial sectional view of the flexible device 300 in a folded state. It is a figure.
  • the flexible device 300 has substantially the same configuration as that of the second embodiment except that the shape and arrangement of the electrodes of the sensor element 320 of the pressure sensor 301 are different. Therefore, in the third embodiment, only the points different from the second embodiment will be described, and the description thereof will be omitted.
  • the flexible device 300 includes a first electrode 81 and a second electrode 82.
  • the first electrode 81 and the second electrode 82 are formed to be shorter in the X direction than the first electrode 11 and the second electrode 12 of the first embodiment. Therefore, when the flexible device 300 is folded at the folding position L, the first electrode 81 and the second electrode 82 do not overlap in a plan view (XY plane). Therefore, in the flexible device 300, the same effect as that of the flexible device 200 of the second embodiment can be obtained.
  • the first electrodes and the second electrodes do not overlap with each other in plan view (XY plane).
  • the shape or the arrangement may be such that only a part thereof overlaps.
  • the first electrode and the second electrode are formed on the first main surface 14 side of the piezoelectric film 10, but the present invention is not limited to this, and the second main surface side that opposes the first main surface 14 is provided. It may be formed in.
  • the front panel 103 may also be formed on the back surface 105 side, and the shape, position, etc. may be changed as appropriate.
  • the pressure sensor is used to detect the displacement of the housing of the flexible device, but the displacement detection sensor may be any sensor that detects the displacement.
  • the displacement is not limited to pressing but may be bending or twisting, and may be, for example, a strain gauge instead of the pressing sensor including the piezoelectric film.
  • the electrical resistance value of the strain gauge changes depending on the strain generated.
  • the displacement of the housing of the flexible device is detected by the electric resistance value of the strain gauge.

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Abstract

折り畳み位置(L)で折り畳み可能な筐体(102)に折り畳み位置(L)を跨ぐように配置された変位検出フィルム(10)と、変位検出フィルム(10)の第1主面(14)に形成された第1電極(11)と、変位検出フィルム(10)の第1主面(14)に形成された第2電極(12)と、を備える。第1電極(11)は、筐体(102)の折り畳み位置(L)で分割された変位検出フィルム(10)の第1領域(3)に配置され、第2電極(12)は、筐体(102)における第1領域(3)とは異なる変位検出フィルム(10)の第2領域(4)に配置されている。

Description

変位検出センサおよびフレキシブルデバイス
 本発明は、変位検出センサ、およびこれを用いたフレキシブルデバイスに関する。
 特許文献1には、折り畳み可能なディスプレイおよび携帯端末機器が開示されている。
特開2018-72663号公報
 特許文献1に記載の携帯端末機器においては、携帯端末機器を折り畳んだ状態で操作をする場合が考えられる。携帯端末機器を折り畳んだ状態で操作をする場合、携帯端末機器自体がフレキシブルであると、ユーザの加える変位操作の力加減が、携帯端末機器自体の変形度合に影響する。例えば、ユーザの操作態様としては、携帯端末機器全体が反るように変形させる押圧操作と、従来と同様の片側だけを押す押圧操作との二種類の操作態様がある。しかしながら、折り畳み可能な携帯端末機器においては、これらの操作態様の違いについては区別されていない。
 そこで、本発明の目的は、折り畳んだ状態において、携帯端末機器全体が反るように変形させる押圧操作と、筐体の片側だけを押す押圧操作と、を区別可能な変位検出センサ、およびこれを用いたフレキシブルデバイスを提供することにある。
 本発明に係る変位検出センサは、折り畳み位置で折り畳み可能な筐体に、前記折り畳み位置を跨ぐように配置された変位検出フィルムと、前記変位検出フィルムの第1主面に形成された第1電極と、前記変位検出フィルムの前記第1主面に形成された第2電極と、を備え、前記第1電極は、前記筐体の前記折り畳み位置で分割された前記変位検出フィルムの第1領域に配置され、前記第2電極は、前記筐体における前記第1領域とは異なる前記変位検出フィルムの第2領域に配置されていることを特徴とする。
 この構成では、第1電極および第2電極は、折り畳み位置を境に変位検出フィルムの主面にそれぞれ形成されている。第1電極および第2電極は、それぞれが配置された位置の変位検出フィルムの変形に応じた出力を発生する。
 筐体が折り畳み位置で折り畳まれた状態において、ユーザが第1電極の配置された側から押圧センサに押圧操作を加えた場合を想定する。ユーザが加える押圧操作の力加減が弱く筐体全体が変形しないとき、第1電極の配置された側の変位検出フィルムのみが変形し、第1電極のみ出力を発生する。ユーザが筐体全体を反るように変形させる押圧操作を加えると、第1電極および第2電極の配置された両側の変位検出フィルムが変形し、第1電極および第2電極が出力を発生する。このように、筐体が折り畳まれた状態において、筐体の片側だけを押す押圧操作と、筐体全体が反るように変形させる押圧操作と、を区別することができる。
 本発明によれば、折り畳んだ状態において、筐体の片側だけを押す押圧操作と、筐体全体が反るように変形させる押圧操作と、を区別することができる。
図1(A)は第一実施形態に係る押圧センサを備えたフレキシブルデバイスの斜視図である。図1(B)はその折り畳んだ状態の斜視図である。 図2(A)は図1(A)に示すフレキシブルデバイスの断面図、図2(B)はその折り畳んだ状態の一部断面図である。 図3は第一実施形態に係る押圧センサを説明するための概念図である。 図4(A)は第一実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図、図4(B)はその平面図である。 図5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6(A)~図6(C)は第一実施形態に係るフレキシブルデバイスが折り畳まれた状態において、ユーザの押圧操作による押圧センサの変形具合を説明するための断面概略図である。 図7(A)~図7(C)は第二実施形態に係るフレキシブルデバイスを説明するための図である。 図8(A)~図8(C)は第三実施形態に係るフレキシブルデバイス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押圧センサおよび押圧センサを備えたフレキシブルデバイスについて、図を参照しながら説明する。なお、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)は第一実施形態に係る押圧センサを備えたフレキシブルデバイスの斜視図である。図1(B)はその折り畳んだ状態の斜視図である。また、図1(A)および図1(B)に示すフレキシブルデバイスはあくまで本願発明の一例であり、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)および図1(B)に示すように、フレキシブルデバイス100は、略直方体形状の筐体102を備える。筐体102は可撓性を有し、変形可能である。フレキシブルデバイス100は、筐体102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、ユーザ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。筐体102における表面パネル103の反対側は、裏面105である。図1(B)においては、フレキシブルデバイス100は、裏面105が内側になるように折り畳み位置Lで折り畳まれている。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2(A)は図1(A)に示すフレキシブルデバイスを図1(A)に示すI-I線における断面図、図2(B)はその折り畳んだ状態の一部断面図である。なお、図2(A)および図2(B)は模式的な図であり、説明の都合上、押圧センサの各部品の厚み等が大きく表されている。
 図2(A)に示すように、フレキシブルデバイス100は、筐体102の内側に押圧センサ1を備える。押圧センサ1は、表面パネル103の筐体102内側の面に形成されている。フレキシブルデバイス100は、筐体102の内側に表示部104を備える。表面パネル103および表示部104とは互いに積層されて配置される。押圧センサ1が透明である場合、押圧センサ1は表示部104よりフレキシブルデバイス100の表側に配置することができる。
 押圧センサ1は、圧電フィルム10、第1電極11、および第2電極12を備える。圧電フィルム10は、フレキシブルデバイス100の折り畳み位置Lを跨ぐように筐体102に配置されている。圧電フィルム10は、折り畳み位置Lで第1領域3と第2領域4とに分割されている。第1電極11は第1領域3に配置され、第2電極12は第2領域4に配置されている。なお、図2(A)および図2(B)では、押圧センサ1のうち圧電フィルム10、第1電極11、および第2電極12以外の図示は省略している。また、本発明において圧電フィルム10は変位検出フィルムの一例である。
 フレキシブルデバイス100は、全体が可撓性を有する材料で形成されている。第一実施形態において、フレキシブルデバイス100は、X方向に沿った折り畳み位置Lを折れ曲がり線として折り畳むことができる。すなわち、フレキシブルデバイス100は、折り畳み位置Lを軸として開閉することができる。
 表面パネル103にユーザが指やペンなどを用いてタッチ操作を行うと、押圧力は表面パネル103を介して押圧センサ1に伝わる。後で詳述するが、押圧センサ1は、表面パネル103で受け付けた押圧操作による押圧力の大きさに応じた電位を出力する。なお、図2(B)においては、表面パネル103が表側になるようにフレキシブルデバイス100が折り畳まれた状態を示したが、これに限らず、フレキシブルデバイス100が逆方向に折り畳まれた状態でもよい。フレキシブルデバイス100が逆方向に折り畳まれた場合、フレキシブルデバイス100の筐体102の裏面105が操作される面となる。
 フレキシブルデバイス100が折り畳み位置Lで折り畳まれた状態において、第1電極11および第2電極12は、Z軸方向に重なっている。すなわち、第1電極11および第2電極12は、平面視(X-Y平面)で重なる。これにより、フレキシブルデバイス100が折り畳み位置Lで折り畳まれた状態において、第1電極11および第2電極12のいずれの側から押圧操作を受けた場合においても、フレキシブルデバイス100が折り畳み位置Lを境に線対称な構造であるため、同様な結果が得られる。同様な結果とは、後に詳細に説明するが、例えば、フレキシブルデバイス100が第1電極11側から押圧操作を受けつけた場合、第1電極11でプラスの電荷が発生し、第2電極12でマイナスの電荷が発生する。フレキシブルデバイス100が第2電極12側から押圧操作を受けつけた場合、第1電極11でマイナスの電荷が発生し、第2電極12でプラスの電荷が発生する。
 図3は第一実施形態に係る押圧センサを説明するための概念図である。図3に示すように、押圧センサ1は、センサ素子20と、処理部21と、を備える。処理部21は、検知部22と、警告部23と、判定部24と、を備える。
 図4(A)は第一実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図、図4(B)はそのX-Y平面における平面図である。図4(A)および図4(B)に示すように、センサ素子20は、圧電フィルム10、第1電極11、第2電極12、および基準電極13を備える。なお、図4(A)および図4(B)では、圧電フィルム10、第1電極11、第2電極12、および基準電極13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および第2主面を有する。第1電極11は平膜状であり、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および第2電極12は、圧電フィルム10の第1主面14に設けられている。第1電極11および第2電極12は、折り畳み位置Lに沿ったX方向と直交するY方向に沿って並んで配置されている。基準電極13は、圧電フィルム10の第2主面に設けられている。
 図4(B)のようにセンサ素子20を平面視した時、第1電極11および第2電極12と、基準電極13とは、上面視で圧電フィルム10と完全に重なるか、または圧電フィルム10より面方向内側に位置していると良い。これにより、センサ素子20は、第1電極11および第2電極12と基準電極13との端部における短絡を抑制できる。
 図5は、圧電フィルム10を平面視した図である。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、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、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5の矢印901に示すように、Y方向および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荷が発生する。
 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または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1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、第2電極12、および基準電極13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、第2電極12、および基準電極13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、第2電極12、および基準電極13を設けることで、圧電フィルム10が発生する電荷を処理部21に出力し、処理部21の不図示の回路において電圧に変換することで、押圧量に応じた電圧値が検出される。
 筐体102が押圧操作を受け付けたとき、センサ素子20は、第1電極11または第2電極12に対応する位置の圧電フィルム10の変形に応じた電荷を処理部21へ出力する。
 検知部22は、第1電極11または第2電極12からの出力の絶対値が所定の閾値をそれぞれ超えるか否かを検知する。警告部23は、第1電極11または第2電極12からの出力の絶対値が共に第1閾値を超えたことを検知すると警告を発する。判定部24は、第1電極11または第2電極12からの出力を基に、筐体自体の変形具合を判定する。以下、フレキシブルデバイス100の筐体102が折り畳まれた状態において、ユーザの押圧操作による筐体102の変形具合に応じた検知部22、警告部23、および判定部24の処理について詳細に説明する。
 図6(A)~図6(C)は第一実施形態に係るフレキシブルデバイス100が折り畳まれた状態において、ユーザの押圧操作による押圧センサ1の変形具合を説明するための断面概略図である。図6(A)~図6(C)の各図において、フレキシブルデバイス100は、表面パネル103が表になるように図2(B)と同様に折り畳まれている。なお、図6(A)~図6(C)においては、圧電フィルム10、第1電極11、および第2電極12以外は省略して示している。以下、ユーザがフレキシブルデバイス100に第1電極11の配置された側から押圧操作を加えた場合について説明する。
 図6(A)は、フレキシブルデバイス100に力F1の大きさの押圧操作を加えた場合の押圧センサ1の変形を示す。力F1は比較的弱く、筐体102全体が変形しない程度の力である。この場合、図6(A)に示すように、第1電極11の配置された側の圧電フィルム10のみが変形する。圧電フィルム10は、表面パネル103側からフレキシブルデバイス100における表面パネル103の裏面105に向かう方向に曲がる。
 圧電フィルム10の変形により、第1電極11は変形方向に応じた極性の電荷を出力する。ここで、圧電フィルム10が表面パネル103側からフレキシブルデバイス100の裏面105に向かう方向に変形される場合、第1電極11は圧電フィルム10から正の電荷を受け付け、処理部21に出力する。処理部21は受け付けた正の電荷を電圧に変換する。
 一方、フレキシブルデバイス100に力F1の大きさの押圧操作を加えた場合、第2電極12側の圧電フィルム10は変形しない。このため、第2電極12側からは出力がなく、処理部21が検出する電圧は0Vである。
 また、力F1がさらに少し大きく、第2電極12側の圧電フィルム10が変形する場合、第2電極12の配置された側の圧電フィルム10は、フレキシブルデバイス100の裏面105から表面パネル103側に向かう方向に曲がる。圧電フィルム10の変形は、第1電極11の配置された側と第2電極12の配置された側とで逆になる。第1電極11が圧電フィルム10から受け付ける電荷と、第2電極12が圧電フィルム10から受け付ける電荷とは逆の極性になる。
 このため、処理部21が検出する電圧は、第1電極11側と第2電極12側とで逆の極性になる。例えば、処理部21が第1電極11側から検出する電圧は2Vであり、処理部21が第2電極12側から検出する電圧は-1Vである。このように、第2電極12側の圧電フィルム10の変形は第1電極11側より小さい場合、第2電極12側から検出される電圧の絶対値は、第1電極11側から検出する電圧の絶対値(2V)より小さくなる。なお、第1電極11側の圧電フィルム10と、第2電極12側の圧電フィルム10とが同様に変形する場合は、検出される電圧の絶対値は同様の大きさになる。
 検知部22は、第1電極11側からまたは第2電極12側から検出される電圧が第2閾値をそれぞれ超えるか否かを検知する。フレキシブルデバイス100が押圧操作を受け付けた場合において、検知部22は、第1電極11側または第2電極12側から検出した電圧が所定の閾値(第2閾値)、例えば3V以下であると検知したとき、判定部24は筐体102が筐体102の片側だけを押す押圧操作であって、筐体102全体が反るように変形しない第1押圧操作を受け付けたと判定する。
 図6(B)は、フレキシブルデバイス100に力F2の大きさの押圧操作を加えた場合の押圧センサ1の変形を示す。すなわち、図6(A)で説明した状態からさらに押圧操作の力加減を強めた場合である。ここで、力F2は力F1より大きく、筐体102自体が反るように変形するが、筐体102が破壊されない程度の力である。この場合、図6(B)に示すように、第1電極11の配置された側および第2電極12の配置された側の圧電フィルム10が共に変形する。
 第1電極11の配置された側の圧電フィルム10は、表面パネル103側からフレキシブルデバイス100の裏面105に向かう方向に曲がる。ユーザが押圧センサ1に加える押圧操作の力加減によって、筐体102の変形による圧電フィルム10の変形具合が異なる。
 筐体102の変形が大きくなるにつれて、第1電極11および第2電極12から発生する電荷の絶対値の大きさが増加する。これに伴い、処理部21が第1電極11側および第2電極12側から検出する電圧の絶対値の大きさが増加する。例えば、処理部21が第1電極11側から検出する電圧は5Vであり、処理部21が第2電極12側から検出する電圧は-5Vである。
 検知部22は、第1電極11または第2電極12で検出した電圧が第2閾値および第1閾値をそれぞれ超えるか否かを検知する。フレキシブルデバイス100が押圧操作を受け付けた場合において、検知部22は第1電極11および第2電極12側から検出した電圧の絶対値が所定の閾値(第2閾値)、例えば3Vより大きいと検知したときであって、且つ第1電極11および第2電極12の両方から検出した電圧が所定の閾値(第1閾値)、例えば10V以下であると検知したとき、判定部24は、筐体102自体が反るように変形した状態で押圧操作を受け付けたと判定する。第1閾値については、後で詳細に説明する。このように、フレキシブルデバイス100を折り畳んだ状態において、筐体102全体が反るように変形させる第2押圧操作と、筐体102の片側だけを押す第1押圧操作と、を区別することができる。
 図6(C)は、フレキシブルデバイス100に力F3の大きさの押圧操作を加えた場合の押圧センサ1の変形を示す。すなわち、図6(B)で説明した状態からさらに押圧操作の力加減を強めた場合である。ここで、力F3は力F2より大きく、筐体102が破壊するおそれがある程度の力である。この場合、図6(C)に示すように、第1電極11の配置された側および第2電極12の配置された側の圧電フィルム10が共に図6(B)で説明した状態よりも大きく変形する。
 第1電極11の配置された側および第2電極12の配置された側の圧電フィルム10は共に大きく変形する。従って、第1電極11および第2電極12から発生する電荷の絶対値がより大きくなる。これに伴い、例えば、処理部21が第1電極11側から検出する電圧は15Vであり、処理部21が第2電極12側から検出する電圧は-15Vである。
 フレキシブルデバイス100が押圧操作を受け付けた場合において、検知部22は第1電極11および第2電極12から検出した電圧の絶対値が所定の閾値(第1閾値)、例えば10Vより大きいと検知したとき、判定部24はフレキシブルデバイス100が破壊する程度の力加減の押圧操作を受け付けたと判定する。このように、ユーザの押圧操作による筐体102自体の変形具合を第1電極11および第2電極12から検出した電圧の大きさにより区別することができる。
 フレキシブルデバイス100が押圧操作を受け付けた場合において、第1電極11および第2電極12から検出した電圧の絶対値が共に第1閾値を超えたことを検知すると、警告部23は警告を発する。ユーザはフレキシブルデバイス100が破壊する程度の力加減の押圧操作を受け付けている状態であることを知ることができる。これにより、フレキシブルデバイス100の破壊を防止することができる。なお、警告部23が発する警告の態様は、表示部104への表示、アラーム音、または他の装置への通知等、種々の方法が採用され得る。
 図7(A)~図7(C)は第二実施形態に係るフレキシブルデバイス200を説明するための図である。図7(A)は、フレキシブルデバイス200の断面図、図7(B)は第二実施形態に係るセンサ素子220の平面図、図7(C)はフレキシブルデバイス200の折り畳んだ状態の一部断面図である。第二実施形態に係るフレキシブルデバイス200は、押圧センサ201のうちセンサ素子220の電極の形状と配置が異なること以外は第一実施形態と概ね同様の構成となっている。従って、第二実施形態においては、第一実施形態と異なるところについてのみ説明を行い、後は省略する。
 図7(A)~図7(C)に示すように、フレキシブルデバイス200は、第1電極71および第2電極72を備える。第1電極71および第2電極72は、第1電極11および第2電極12と比べると、Y方向に短く形成されている。フレキシブルデバイス200が折り畳み位置Lで折り畳まれた状態において、第1電極71および第2電極72は、Z軸方向に重ならない。すなわち、第1電極71および第2電極72は、平面視(X-Y平面)で重ならない。このため、フレキシブルデバイス200は、フレキシブルデバイス100より薄型に形成できる。
 また、フレキシブルデバイス200が折り畳み位置Lで折り畳まれた状態において、表面パネル103上の押圧操作を受け付ける場所によって第1電極71および第2電極72から出力される電荷の絶対値に強弱を持たせることができる。例えば、図7(C)において、左側の第1電極71が形成された部分が押圧操作を受けた場合は、第1電極71から出力される電荷の絶対値が大きく、右側の第1電極71が形成されていない部分が押圧操作を受けた場合は、第1電極71から出力される電荷の絶対値が小さくなる。従って、表面パネル103上の押圧操作を受け付ける場所によって処理部21で検出される電圧の絶対値に強弱を持たせることができる。
 また、フレキシブルデバイス200が変形するほどの押圧操作を受けた場合、フレキシブルデバイス200の変形により第1電極71および第2電極72が共に変形する。このため、第1電極71および第2電極72から共に電荷が出力される。従って、第一実施形態と同様に、ユーザの押圧操作による筐体102自体の変形具合を第1電極71および第2電極72から検出された電圧の大きさにより区別することができ、かつフレキシブルデバイス200の破壊を防止することができる。
 図8(A)~図8(C)は第三実施形態に係るフレキシブルデバイスを説明するための図である。図8(A)は、フレキシブルデバイス300の断面図、図8(B)は第三実施形態に係るセンサ素子320の平面図、図8(C)はフレキシブルデバイス300の折り畳んだ状態の一部断面図である。フレキシブルデバイス300は、押圧センサ301のうちセンサ素子320の電極の形状と配置が異なること以外は第二実施形態と概ね同様の構成となっている。従って、第三実施形態においては、第二実施形態と異なるところについてのみ説明を行い、後は省略する。
 図8(A)~図8(C)に示すように、フレキシブルデバイス300は、第1電極81および第2電極82を備える。第1電極81および第2電極82は、第一実施形態の第1電極11および第2電極12と比べると、X方向に短く形成されている。このため、フレキシブルデバイス300が折り畳み位置Lで折り畳まれた状態において、第1電極81および第2電極82は、平面視(X-Y平面)で重ならない。このため、フレキシブルデバイス300においては、第二実施形態のフレキシブルデバイス200と同様の効果が得られる。
 なお、第二実施形態および第三実施形態において、各フレキシブルデバイスが折り畳み位置Lで折り畳まれた状態のとき、各第1電極および第2電極は、互いに平面視(X-Y平面)で重ならないが、一部のみ重なる形状、または配置としてもよい。
 なお、各実施形態において、各第1電極および第2電極は、圧電フィルム10の第1主面14側に形成されたが、これに限られず第1主面14と対抗する第2主面側に形成されていてもよい。また、表面パネル103は、裏面105側にも形成されていてもよく、形状または位置なども適宜変更し得る。
 なお、各実施形態において、フレキシブルデバイスの筐体の変位を検出するために押圧センサを挙げているが、変位検出センサは、変位を検出するものであれば何でもよい。変位としては、押圧に限らず、曲げまたは捻じれであってもよく、圧電フィルムを備える押圧センサの代わりに、例えば、歪ゲージであってもよい。歪ゲージは、生じた歪によって電気抵抗値が変化する。歪ゲージの電気抵抗値により、フレキシブルデバイスの筐体の変位が検出される。
 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。
1,201,301…押圧センサ
3…第1領域
4…第2領域
10…変位検出フィルム(圧電フィルム)
11,71,81…第1電極
12,72,82…第2電極
14…主面(第1主面)
22…検知部
23…警告部
24…判定部
100,200,300…フレキシブルデバイス
102…筐体
L…折り畳み位置

Claims (8)

  1.  折り畳み位置で折り畳み可能な筐体に、前記折り畳み位置を跨ぐように配置された変位検出フィルムと、
     前記変位検出フィルムの第1主面に形成された第1電極と、
     前記変位検出フィルムの前記第1主面に形成された第2電極と、
     を備え、
     前記第1電極は、前記筐体の前記折り畳み位置で分割された前記変位検出フィルムの第1領域に配置され、前記第2電極は、前記筐体における前記第1領域とは異なる前記変位検出フィルムの第2領域に配置されている、
     変位検出センサ。
  2.  前記筐体が前記折り畳み位置で折り畳まれた状態において、前記第1電極および前記第2電極は、互いに平面視で重なる、
     請求項1に記載の変位検出センサ。
  3.  前記筐体が前記折り畳み位置で折り畳まれた状態において、前記筐体が押圧操作を受け付けたとき、前記第1電極および前記第2電極の出力の絶対値が所定の閾値をそれぞれ超えるか否かを検知する検知部をさらに備えた、
     請求項1または請求項2に記載の変位検出センサ。
  4.  前記検知部は前記第1電極および前記第2電極の出力の絶対値が共に第1閾値を超えたことを検知すると警告を発する警告部をさらに備えた、
     請求項3に記載の変位検出センサ。
  5.  前記筐体が前記折り畳み位置で折り畳まれた状態において、前記筐体が押圧操作を受け付けた場合、
     前記第1電極または前記第2電極の少なくともいずれか一方の出力の絶対値が第2閾値以下であるとき、第1押圧操作を受け付けたと判定し、前記第1電極および前記第2電極の両方の出力の絶対値が前記第2閾値より大きく、且つ前記第1閾値以下であるとき、第2押圧操作を受け付けたと判定する、判定部をさらに備えた、
     請求項4に記載の変位検出センサ。
  6.  前記変位検出フィルムはキラル高分子を含む、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の変位検出センサ。
  7.  前記キラル高分子はポリ乳酸である、請求項6に記載の変位検出センサ。
  8.  請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の変位検出センサを備えるフレキシブルデバイス。
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