WO2023153430A1

WO2023153430A1 - センサ

Info

Publication number: WO2023153430A1
Application number: PCT/JP2023/004160
Authority: WO
Inventors: 宏明北田
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2023-02-08
Publication date: 2023-08-17

Abstract

本発明に係るセンサは、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している圧電フィルムと、圧電フィルムの下主面に設けられている下電極と、上電極を含む電極部材と、電極部材を圧電フィルムの上主面に固定している接着部材と、を備えている。接着部材のヤング率が、０ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。

Description

センサ

　本発明は、押圧力を検知するセンサに関する。

　従来の電子機器に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の押圧センサが知られている。この押圧センサは、操作面、板状部材及び圧電フィルムを備えている。利用者は、操作面に触れることにより押圧操作を行う。板状部材は、押圧操作により撓む。圧電フィルムは、板状部材に貼り付けられることにより、板状部材と共に撓む。これにより、圧電フィルムの出力により、押圧力が検知される。

国際公開第２０１５／０８３６７８号

　ところで、特許文献１に記載の押圧センサにおいて、ユーザが操作面を押す力の大きさを精度よく検知したいという要望がある。

　そこで、本発明の目的は、ユーザが操作パネルを押す力の大きさを精度良く検知できる電子機器を提供することである。

　本発明の一形態に係るセンサは、
　上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している圧電フィルムと、
　前記圧電フィルムの前記下主面に設けられている下電極と、
　上電極を含む電極部材と、
　前記電極部材を前記圧電フィルムの前記上主面に固定している接着部材と、
　を備えており、
　前記接着部材のヤング率が、０ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。

　本発明に係るセンサによれば、ユーザが操作パネルを押す力の大きさを精度良く検知できる。

図１は、電子機器１の分解斜視図である。図２は、電子機器１のＡ－Ａにおける断面図である。図３は、センサ６の底面図及び断面図である。図４は、比較例に係る電子機器の圧電フィルム１４の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図５は、比較例に係る電子機器の圧電フィルム１４の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図６は、比較例に係る電子機器において、ユーザの押圧位置と圧電フィルム１４が発生する電荷量との関係を示したグラフである。図７は、ヤング率と差との関係を示したグラフである。図８は、圧電フィルム１４の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図９は、圧電フィルム１４の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図１０は、センサ６ａの断面図である。

（実施形態）
　以下に、本発明の一実施形態に係るセンサ６を備える電子機器１の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、電子機器１の分解斜視図である。図２は、電子機器１のＡ－Ａにおける断面図である。図３は、センサ６の底面図及び断面図である。

　また、本明細書において、方向を以下の様に定義する。電子機器１において、操作パネル２の上主面及び下主面が並ぶ方向を上下方向と定義する。また、上下方向に見て、電子機器１の操作パネル２の長辺が延びる方向を前後方向と定義する。上下方向に見て、電子機器１の操作パネル２の短辺が延びる方向を左右方向と定義する。上下方向、左右方向及び前後方向は、互いに直交している。なお、本明細書における方向の定義は、一例である。従って、電子機器１の実使用時における方向と本明細書における方向とが一致している必要はない。また、図１において上下方向が反転してもよい。図１において左右方向が反転してもよい。図１において前後方向が反転してもよい。

　電子機器１は、スマートフォンやタブレット型コンピュータ等の携帯型電子端末である。電子機器１は、図１及び図２に示すように、操作パネル２、筐体３、表示パネル４、接着部材５、センサ６及び板状部材７を備えている。

　操作パネル２は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している。操作パネル２は、上下方向に見て、前後方向に延びる２本の長辺及び左右方向に延びる２本の短辺を有する矩形状を有している。ユーザの身体の一部又は操作部材が、操作パネル２の上主面に接触する。操作パネル２は、透明板である。操作パネル２は、例えば、ガラス板である。

　表示パネル４は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している。表示パネル４は、上下方向に見て、前後方向に延びる２本の長辺及び左右方向に延びる２本の短辺を有する矩形状を有している。表示パネル４は、操作パネル２の下主面に固定されている。表示パネル４は、接着剤や両面テープ等により操作パネル２に固定されている。表示パネル４の全体は、上下方向に見て、操作パネル２と重なっている。従って、表示パネル４は、上下方向に見て、操作パネル２の外縁からはみ出していない。表示パネル４は、例えば、有機ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイである。また、表示パネル４は、ユーザが操作パネル２に触れた位置を検知するためのタッチパネルを含んでいてもよい。ただし、タッチパネルは、操作パネル２に含まれていてもよい。

　板状部材７は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している。板状部材７は、上下方向に見て、前後方向に延びる２本の長辺及び左右方向に延びる２本の短辺を有する矩形状を有している。板状部材７は、表示パネル４の下主面に固定されている。板状部材７は、接着剤や両面テープ等により表示パネル４に固定されている。板状部材７の全体は、上下方向に見て、表示パネル４と重なっている。従って、板状部材７は、上下方向に見て、表示パネル４の外縁からはみ出していない。板状部材７の剛性は、後述するセンサ６の剛性よりも高い。このような板状部材７の材料は、例えば、ＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｕｓｅｄ　Ｓｔｅｅｌ）等の金属である。ただし、板状部材７の材料は、金属以外の材料であってもよい。金属以外の材料は、例えば、樹脂である。

　筐体３は、操作パネル２より下に位置している。筐体３は、箱である。筐体３は、上下方向に見て、矩形状を有している。筐体３の長辺は、前後方向に延びている。筐体３の短辺は、左右方向に延びている。上下方向に見た筐体３の外縁は、上下方向に見た操作パネル２の外縁と一致する。ただし、筐体３の上面は、開口している。筐体３の開口Ｏｐは、上下方向に見て、矩形状を有している。

　接着部材５は、操作パネル２の下主面の一部分を筐体３に固定している。より詳細には、接着部材５は、筐体３の開口Ｏｐの周囲と操作パネル２の外縁近傍とを固定している。そこで、接着部材５は、上下方向に見て、表示パネル４を囲む矩形状の枠形状を有している。従って、接着部材５は、上下方向に見て、表示パネル４と重なっていない。以上のような接着部材５は、防水性を有している。

　センサ６は、操作パネル２の変形を検知する。センサ６は、図１に示すように、板状部材７の下主面に固定されている。より詳細には、センサ６は、上下方向に見て、矩形状を有している。センサ６は、左右方向に延びる長手方向を有している。そして、センサ６は、上下方向に見て、板状部材７の前後方向の中央に位置している。

　ユーザが操作パネル２を押すことによって操作パネル２が下方向に撓むと、表示パネル４及び板状部材７も下方向に撓む。そして、センサ６は、板状部材７と共に下方向に撓む。これにより、センサ６は、ユーザが操作パネル２を押すことにより操作パネル２に生じる変形に応じた検知信号を出力する。以下に、図３を参照しながら、センサ６の詳細について説明する。

　センサ６は、電極部材１３、圧電フィルム１４、下電極１５ｂ、基材１６、接着部材１７及び接着層１８，２０を備えている。圧電フィルム１４は、シート形状を有している。従って、圧電フィルム１４は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している。圧電フィルム１４の左右方向の長さは、圧電フィルム１４の前後方向の長さより長い。本実施形態では、圧電フィルム１４は、上下方向に見て、左右方向に延びる長辺を有する矩形状を有している。圧電フィルム１４は、圧電フィルム１４の変形量に応じた電荷を発生する。本実施形態では、圧電フィルム１４は、ＰＬＡフィルムである。以下に、圧電フィルム１４についてより詳細に説明する。

　圧電フィルム１４は、圧電フィルム１４が左右方向に伸張されたときに発生する電荷の極性が、圧電フィルム１４が前後方向に伸張されたときに発生する電荷の極性と逆となる特性を有している。具体的には、圧電フィルム１４は、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子とは、例えば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）である。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圧電性を有する。圧電フィルム１４は、ｄ１４の圧電定数を有している。圧電フィルム１４の一軸延伸方向（配向方向）は、前後方向及び左右方向のそれぞれに対して４５度の角度を形成している。この４５度は、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１４は、圧電フィルム１４が左右方向に伸張されること又は前後方向に伸張されることにより、電荷を発生する。圧電フィルム１４が左右方向に伸張されたときに圧電フィルム１４が発生する電荷の極性は、圧電フィルム１４が前後方向に伸張されたときに圧電フィルム１４が発生する電荷の極性と異なる。圧電フィルム１４は、例えば、左右方向に伸張されると正の電荷を発生する。圧電フィルム１４は、例えば、前後方向に伸張されると負の電荷を発生する。電荷の大きさは、伸張又は圧縮による圧電フィルム１４の変形量に依存する。より正確には、電荷の大きさは、伸張又は圧縮による圧電フィルム１４の変形量の微分値に比例する。

　圧電フィルム１４は、主に左右方向の伸縮により電荷を発生する。よって、例えば、センサ６の前後方向（短手方向）の長さは１０ｍｍ以下であり、センサ６の左右方向（長手方向）の長さと前後方向（短手方向）の長さとの比（アスペクト比）は３以上１０以下である。

　下電極１５ｂは、グランド電極である。下電極１５ｂは、グランド電位に接続される。下電極１５ｂは、圧電フィルム１４の下主面に設けられている。下電極１５ｂは、圧電フィルム１４の下主面の全体を覆っている。下電極１５ｂは、図示しない粘着層を含んでいる。そして、この粘着層により、下電極１５ｂが圧電フィルム１４の下主面に固定されている。

　電極部材１３は、圧電フィルム１４の上に位置している。電極部材１３は、上電極１５ａ及びフレキシブルプリント基板１９を含んでいる。フレキシブルプリント基板１９は、可撓性を有する回路基板である。フレキシブルプリント基板１９は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している。フレキシブルプリント基板１９は、信号線、グランド線及び複数の絶縁体層を含んでいる。複数の絶縁体層は、上下方向に積層されている。信号線及びグランド線は、絶縁体層に設けられている導体層である。信号線は、上電極１５ａに電気的に接続されている。信号線には、上電極１５ａの検知信号が伝送される。グランド線は、下電極１５ｂに電気的に接続されている。グランド線は、グランド電位に接続されている。

　上電極１５ａは、信号電極である。上電極１５ａからは、検知信号が出力される。本実施形態では、上電極１５ａは、フレキシブルプリント基板１９の下主面に設けられている。すなわち、上電極１５ａは、フレキシブルプリント基板１９の複数の絶縁体層の内の最も下に位置する絶縁体層の下主面に設けられている導体層である。

　接着部材１７は、上電極１５ａと圧電フィルム１４との間に位置している。接着部材１７は、上電極１５ａを圧電フィルム１４の上主面に固定している。接着部材１７の材料は、熱可塑性樹脂である。接着部材１７の材料は、例えば、ポリエステル、ポリウレタン、ポリオレフィンである。

　基材１６は、電極部材１３の上に設けられている。基材１６は、圧電フィルム１４、上電極１５ａ及び下電極１５ｂを保持することにより、圧電フィルム１４と共に変形する。基材１６は、シート形状を有している。基材１６は、上主面及び下主面を有している。基材１６の左右方向の長さは、基材１６の前後方向の長さより長い。本実施形態では、基材１６は、上下方向に見て、左右方向に延びる長辺を有する矩形状を有している。基材１６の長辺は、圧電フィルム１４の長辺、上電極１５ａの長辺及び下電極１５ｂの長辺より長い。基材１６の短辺は、圧電フィルム１４の短辺、上電極１５ａの短辺及び下電極１５ｂの短辺より長い。圧電フィルム１４、上電極１５ａ及び下電極１５ｂは、上下方向に見て、基材１６の外縁に囲まれた領域内に配置されている。基材１６の材料は、例えば、ポリウレタン、ＰＥＴである。

　接着層１８は、圧電フィルム１４、上電極１５ａ、下電極１５ｂ及びフレキシブルプリント基板１９を基材１６に固定する。より詳細には、接着層１８は、基材１６の下主面に設けられている。接着層１８は、基材１６の下主面の一部分を覆っている。また、接着層１８は、フレキシブルプリント基板１９の上主面の全体を覆っている。接着層１８の外縁は、上下方向に見て、基材１６の外縁に囲まれている。接着層１８は、フレキシブルプリント基板１９と基材１６とを接着している。その結果、基材１６の変形は、接着層１８及び電極部材１３を介して、圧電フィルム１４に伝達される。接着層１８の材料は、例えば、両面テープ、熱硬化接着剤、熱可塑性接着剤である。

　接着層２０は、基材１６の上主面に設けられている。接着層２０は、基材１６を板状部材７の下主面に固定している。接着層２０の材料は、例えば、両面テープ、熱硬化接着剤、熱可塑性接着剤である。

　ところで、電子機器１は、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知できる構造を有している。以下にこの構造について説明する。図４及び図５は、比較例に係る電子機器のセンサ６の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図４では、ユーザは、図１の位置Ｐ０を下方向に押した。図５では、ユーザは、図１の位置Ｐ１又は位置Ｐ２を下方向に押した。図６は、比較例に係る電子機器において、ユーザの押圧位置と圧電フィルム１４が発生する電荷量との関係を示したグラフである。縦軸は、電荷量を示す。横軸は、位置を示す。位置では、位置Ｐ０から見て前方向を正方向とし、位置Ｐ０から見て後方向を負方向とする。なお、図４ないし図６は、コンピュータシミュレーションの結果である。

　まず、比較例に係る電子機器と電子機器１とについて説明する。比較例に係る電子機器では、接着部材１７のヤング率が１０ＭＰａより大きい。比較例に係る電子機器の接着部材１７のヤング率は、１００ＭＰａである。一方、電子機器１では、接着部材１７のヤング率が、０ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。電子機器１の接着部材１７のヤング率は、１０ＭＰａである。

　次に、比較例に係る電子機器の問題点について説明する。比較例に係る電子機器では、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知することが難しい。ユーザがセンサ６の真上（図１の位置Ｐ０）を下方向に押すと、操作パネル２の位置Ｐ０が下方向に変形する。このとき、操作パネル２の位置Ｐ０は、前後方向及び左右方向に延びる。そして、圧電フィルム１４は、図４に示すように、前後方向及び左右方向に延びる。

　ここで、圧電フィルム１４は、例えば、左右方向に伸張されると正の電荷を発生する。圧電フィルム１４は、例えば、前後方向に伸張されると負の電荷を発生する。従って、操作パネル２の位置Ｐ０が下方向に押されると、圧電フィルム１４が左右方向に伸張されることにより発生する電荷と、圧電フィルム１４が前後方向に伸張されることにより発生する電荷とが打ち消し合う。そのため、圧電フィルム１４が大きな電荷を発生しにくい。

　一方、ユーザがセンサ６の真上から前又は後にずれた位置（図１の位置Ｐ１，Ｐ２）を下方向に押すと、操作パネル２の位置Ｐ１又は位置Ｐ２が下方向に変形する。このとき、操作パネル２の位置Ｐ０は、左右方向に大きく延び、前後方向には大きく伸びない。従って、圧電フィルム１４は、図５に示すように、左右方向に大きく延び、前後方向には大きく伸びない。この場合、圧電フィルム１４が左右方向に伸張されることにより発生する電荷と、圧電フィルム１４が前後方向に伸張されることにより発生する電荷とが打ち消し合いにくい。そのため、圧電フィルム１４が大きな電荷を発生しやすい。

　以上より、図６に示すように、位置Ｐ０が押されたときに圧電フィルム１４が発生する電荷量は、位置Ｐ１，Ｐ２が押されたときに圧電フィルムが発生する電荷量より小さくなる。よって、比較例に係る電子機器では、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知することが難しい。

　そこで、本願発明者は、検討の結果、接着部材１７を柔らかくすればよいと考えた。この検討結果を確認するために、本願発明者は、以下に示すコンピュータシミュレーションを行った。

　本願発明者は、接着部材１７のヤング率を変化させたときの差（％）を計算した。差は、図６の位置Ｐ１を押したときの電荷量と位置Ｐ０を押したときの電荷量との差を、位置Ｐ０を押したときの電荷量で割った値に１００を掛けた値である。図７は、ヤング率と差との関係を示したグラフである。縦軸は、差を示す。横軸は、ヤング率を示す。図８及び図９は、圧電フィルム１４の左右方向の伸び量及び前後方向の伸び量を示した図である。図８では、ユーザは、図１の位置Ｐ０を下方向に押した。図９では、ユーザは、図１の位置Ｐ１又は位置Ｐ２を下方向に押した。

　差は、１０％以下であればよい。従って、図７によれば、接着部材１７のヤング率は、０ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であればよいことが分かる。また、ヤング率が０ＭＰａ以上２ＭＰａ以下であれば、差は０％となる。そして、図８に示すように、接着部材１７のヤング率を１０ＭＰａとすれば、圧電フィルム１４の前後方向の伸び量が低減されていることが分かる。一方、図９に示すように、接着部材１７のヤング率を１０ＭＰａとしても、圧電フィルム１４の左右方向の伸び量が十分に大きいことが分かる。このように、接着部材１７を柔らかくすれば、位置Ｐ０が押されても、圧電フィルム１４が十分な電荷を発生できる。その結果、センサ６によれば、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知できる。

　ここで、本願発明者は、センサ６において、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知できる理由について以下の様に考えた。比較例に係る電子機器では、圧電フィルム１４が左右方向に引っ張られると、圧電フィルム１４は上下方向に縮もうとする。ただし、接着部材１７のヤング率が高いと、圧電フィルム１４の変形が板状部材７により阻害される。これにより、圧電フィルム１４は、上下方向に縮むことができず、板状部材７と共に上下方向に伸ばされる。これにより、比較例に係る電子機器では、圧電フィルム１４が発生する電荷量が低下していた。

　一方、センサ６のように、接着部材１７のヤング率を下げると、圧電フィルム１４の変形が板状部材７により阻害されにくくなる。そのため、圧電フィルム１４は、上下方向に縮むことができる。その結果、圧電フィルム１４が発生する電荷量が大きくなる。これにより、図６の差が小さくなる。以上より、センサ６において、ユーザが操作パネル２を押す力の大きさを精度良く検知できる。

（変形例）
　以下に、変形例に係るセンサ６ａについて説明する。図１０は、センサ６ａの断面図である。

　センサ６ａは、上電極１５ａの位置においてセンサ６と相違する。より詳細には、上電極１５ａは、フレキシブルプリント基板１９の上主面と下主面との間に設けられている。すなわち、上電極１５ａは、フレキシブルプリント基板１９内に位置している。そして、接着部材１７は、フレキシブルプリント基板１９を圧電フィルム１４の上主面に固定している。センサ６ａのその他の構造は、センサ６と同じであるので説明を省略する。また、センサ６ａは、センサ６と同じ作用効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
　本発明に係るセンサは、センサ６，６ａに限らず、その要旨の範囲において変更可能である。

　なお、電子機器１において、圧電フィルム１４は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フィルムであってもよい。また、圧電フィルム１４は、圧電セラミックであってもよい。また、圧電フィルム１４は、歪センサであってもよい。

　なお、センサ６，６ａにおいて、フレキシブルプリント基板１９は、必須の構成要件ではない。

　なお、接着部材５は、防水性を有していなくてもよい。

　なお、前後方向に延びる２本の辺が短辺であり、左右方向に延びる２本の辺が長辺であってもよい。

　なお、センサ６は、上下方向に見て、板状部材７の前後方向の中央以外の位置に設けられていてもよい。

　なお、操作パネル２は、樹脂板であってもよい。

　なお、センサ６は、左右方向に延びる長手方向を有していなくてもよい。センサ６は、前後方向に延びる長手方向を有していてもよい。

　なお、電子機器１は、タッチパネルを備えているとしたが、タッチパッドであってもよい。この場合、表示パネル４は不要である。また、操作パネル２は、透明な部材でなくてもよい。

１：電子機器
２：操作パネル
３：筐体
４：表示パネル
５：接着部材
６，６ａ：センサ
７：板状部材
１３：電極部材
１４：圧電フィルム
１５ａ：上電極
１５ｂ：下電極
１６：基材
１７：接着部材
１８，２０：接着層
１９：フレキシブルプリント基板

Claims

　上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有している圧電フィルムと、
　前記圧電フィルムの前記下主面に設けられている下電極と、
　上電極を含む電極部材と、
　前記電極部材を前記圧電フィルムの前記上主面に固定している接着部材と、
　を備えており、
　前記接着部材のヤング率が、０ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である、
　センサ。
　前記電極部材は、フレキシブルプリント基板を更に含んでいる、
　請求項１に記載のセンサ。
　前記フレキシブルプリント基板は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有しており、
　前記上電極は、前記フレキシブルプリント基板の前記下主面に設けられており、
　前記接着部材は、前記上電極を前記圧電フィルムの上主面に固定している、
　請求項２に記載のセンサ。
　前記フレキシブルプリント基板は、上下方向に並ぶ上主面及び下主面を有しており、
　前記上電極は、前記フレキシブルプリント基板の前記上主面と前記下主面との間に設けられており、
　前記接着部材は、前記フレキシブルプリント基板を前記圧電フィルムの上主面に固定している、
　請求項２に記載のセンサ。
　前記圧電フィルムが左右方向に伸張されたときに前記圧電フィルムが発生する電荷の極性は、前記圧電フィルムが前後方向に伸張されたときに前記圧電フィルムが発生する電荷の極性と異なる、
　請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセンサ。