CN105378614B - 按压检测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及按压检测传感器。按压检测传感器(1)具备长尺状的压电传感器(11)、矩形的板部件(20)以及安装部件(30)。压电传感器(11)经由安装部件(30)被安装于板部件(20)的长边方向的端部附近。压电传感器(11)被安装于板部件(20)，以便压电传感器(11)的长边方向与板部件(20)的短边方向平行。安装部件(30)由粘着剂形成，更优选由弹性常数为106Pa以下的粘着剂形成。压电传感器(11)具有长宽比在2.5以上的形状。

Description

按压检测传感器
技术领域
本发明涉及检测操作面被压入时的按压力的按压检测传感器。
背景技术
以往，设计出各种检测操作者对操作面进行操作的操作检测传感器。作为操作检测传感器，虽然存在静电容量方式、热电阻方式、压电声学方式、红外线传感器方式等，但是在检测针对操作面的按压力的情况下，有需要设置与这些不同的按压检测传感器。
在专利文献1记载有一种触摸式输入装置，该触摸式输入装置具备：作为操作检测传感器的触摸屏、检测操作面的压入的压敏式传感器。在专利文献1的触摸式输入装置中，压敏式传感器被配置于触摸屏的下侧的面(与操作面相反侧的面)，且具有与触摸屏相等的面积。另外，在专利文献1的触摸式输入装置中，在触摸屏的操作面侧配置有保护层。
在专利文献2记载有一种操作输入装置，该操作输入装置在平板状的压电体的两面形成了矩阵状的电极。
专利文献1：日本特开平5－61592号公报
专利文献2：日本特开2006－163618号公报
然而，在上述的各现有技术的构成中，会产生如以下所述那样的问题。
在专利文献1记载的触摸式输入装置中，由操作者向操作面的压入经由保护膜以及触摸屏被压敏式传感器检测。因此，存在无法可靠地检测按压力的情况。并且，将该触摸式输入装置安装于便携终端时，一般将由玻璃等形成的具有刚性的部件安装于操作面。该情况下，导致更加难以可靠地检测按压力。
另外，在专利文献2记载的操作输入装置中，因为利用由线状电极形成的矩阵状的电极检测因压入而产生的电荷，所以存在无法可靠地检测按压力的情况。并且，将该触摸式输入装置安装于便携终端时，一般将由玻璃等形成的具有规定的刚性的部件安装于操作面。该情况下，与专利文献1记载操作输入装置相同，导致更加难以可靠地检测按压力。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够更可靠地检测按压力的按压检测传感器。
本发明的按压检测传感器以下面的结构为特征。按压检测传感器具备：一主面成为操作面的板部件、平膜状的压电传感器以及安装部件。安装部件由粘着剂形成。平膜状的压电传感器被安装于板部件的另一主面，并具有包含压电膜以及形成于该压电膜的两主面的检测用电极的结构。平膜状的压电传感器通过安装部件被安装于板部件。平膜状的压电传感器是具有长边方向和短边方向的形状，长边方向的长度是短边方向的长度的2.5倍以上。
在该结构中，根据板部件的操作面被压入时所产生的板部件的应变，压电膜有效地发生应变、电荷。此时，通过使用本构成，从而不存在电荷变成0的按压位置，能够可靠地检测因按压使压电膜产生的电荷。
另外，在本发明的按压检测传感器中，优选安装部件的弹性常数在106Pa以下。
在该结构中，能够更可靠地防止电荷变成0。由此，能够更可靠地检测按压力。
另外，在本发明的按压检测传感器中，板部件是具有长边方向和短边方向的形状，优选压电传感器被安装于板部件，以便板部件的短边方向沿着该压电传感器的长边方向。此外，板部件的形状例如是矩形状。另外，优选压电传感器的安装位置是板部件的长边方向的一端附近。
在该结构中，压电传感器被安装在易于感知板部件的操作面被按压时的应变的位置。由此，能够更可靠地检测按压力。
另外，在本发明的按压检测传感器中，用于压电传感器的压电膜优选包含聚乳酸。
在该结构中，根据板部件的操作面被按压时的应变，产生基于聚乳酸的压电应变常数d14的电荷。由于聚乳酸通过面方向的伸缩而产生电荷，所以能够提高来自板部件的应变的按压力的检测精度。
根据本发明，能够可靠地检测向操作面的按压力。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的按压检测传感器的俯视图以及侧面剖视图。
图2是表示在安装部件使用了粘着剂的情况下的应变的传导方式的概念图。
图3是表示在使压电传感器(压电膜)的长边方向的长度变化的情况下的压电传感器发生的应变的大小的变化的图。
图4是表示根据按压位置而导致传感器输出的变化的图。
图5是表示根据压电膜的长宽比而导致传感器输出的变化的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式所涉及的按压检测传感器进行说明。图1是本发明的实施方式涉及的按压检测传感器的俯视图以及侧面剖视图。在图1中，表示如俯视图所示的A－A剖视图。
按压检测传感器1具备压电传感器11、板部件20以及安装部件30。压电传感器11具备压电膜110、检测用电极111、112。
压电膜110由聚乳酸(PLA)形成、更具体而言由L型聚乳酸(PLLA)形成，形成为宽度(短边方向的长度)LSp比长度(长边方向的长度)LLp短的长尺状的平膜。此外，虽然压电膜110是这样的长尺状的矩形，但只要是具有长边方向和短边方向的形状即可。例如，压电膜110也可以是长圆形、椭圆形、将矩形的角部去角那样的构造等多角形、部分带有圆形的形状。
压电膜110的分子的取向方向900相对于压电膜110的长边方向以及短边方向呈45°。换言之，压电膜110的单轴拉伸方向相对于压电膜的长边方向以及短边方向大致呈45°。
此外，由本实施方式的说明例示的压电膜的尺寸为，LLp：60mm、LSp：6mm，板部件的尺寸为，LL：80mm、LS：60mm。
这里，对形成压电膜110的PLLA的特性进行说明。
PLLA由手性高分子形成。对PLLA而言，主链具有螺旋结构。对PLLA而言，分子在被单轴拉伸的方向取向，根据该分子的取向而具有压电性。而且，通过在压电膜110发生应变，被单轴拉伸的PLLA产生电荷。这里，在压电膜110发生的应变是指压电膜110沿规定方向伸长。此时，产生的电荷量由压电膜110的应变量决定。被单轴拉伸的PLLA的压电常数属于在高分子中非常高的种类。例如，通过调整延伸条件、热处理条件、添加物的配合等条件，PLLA的压电应变常数d14可以得到10～20pC/N这样的高数值。
此外，优选压电膜110的延伸比是3～8倍左右。通过在延伸后实施热处理，促进了聚乳酸的延伸链结晶的结晶化，从而压电常数提高。此外，在双轴延伸的情况下，通过使每个轴的延伸比不同，能够得到与单轴拉伸相同的效果。例如对于压电常数来说，将某方向设为X轴，并沿该方向实施8倍的延伸且沿与该轴正交的Y轴方向实施2倍的延伸的情况能够取得与沿X轴方向实施约4倍的单轴拉伸的情况大致相同的效果。由于单纯地单轴拉伸的膜容易沿延伸轴方向破裂，所以通过进行如前所述的双轴延伸，能够增加一些强度。
另外，因为PLLA通过基于延伸等的分子的取向处理而产生压电性，所以不需要像PVDF等其他的聚合物、压电陶瓷那样进行转态处理。即，不属于铁电体的PLLA的压电性不是如PVDF、PZT等铁电体那样通过离子的极化而发现的性质，而是由来于作为分子的特征结构的螺旋结构的性质。因此，对PLLA而言，不产生由其他的铁电性的压电体产生的热电现象。并且，虽然可观察到PVDF等随着时间变化压电常数的变动，有时根据情况压电常数显著地降低，但PLLA的压电常数随着时间变化极其稳定。因此，输出电荷量不受周围环境的影响。
检测用电极111被形成在压电膜110的一方的平板面(主面)的大致整面。检测用电极112被形成在压电膜110的另一方的平板面(主面)的大致整面。优选检测用电极111、112使用以聚噻吩、聚苯胺为主成分的有机电极、ITO、ZnO、银纳米线，碳纳米管、石墨烯等无机电极的任意一种。通过使用这些材料，能够形成透光性高的导体图案。
板部件20形成为正交的一个方向(y方向)的长度为LL、另一个方向(x方向)的长度为LS的矩形状，并具有规定的厚度。板部件20由具有一定程度的刚性的材料形成，例如由玻璃的平板形成。板部件20具备一主面201和另一主面202，板部件20的长度LS方向的一端是端边211，另一端是端边212。板部件20的长度LL方向的一端是端边221，另一端是端边222。此外，虽然板部件20是这样的矩形，但是本申请发明的大致矩形是指包括例如将矩形的角部去角得到的那样的构造等多角形、部分带有圆形的形状。
板部件20借助未图示的框体等，外周围被固定。因此，若作为一主面的操作面由操作者等压入，则以将压入位置作为中心越靠近外周位移量越小的方式，板部件20以压入位置朝与操作面正交的方向位移的形式弯曲。
包含压电膜110的压电传感器11被配置于板部件20的长边方向(图1的y方向)的一端即端边221附近。此时，压电传感器11被配置于板部件20，以便该压电传感器11的长边方向沿着板部件20的短边方向(图1的x方向)。这里，这样被配置为沿着的方式不只是压电传感器11的长边方向与板部件20的短边方向平行的方式，还包含稍微平行的方式。其中，优选压电传感器11的长边方向与板部件20的短边方向平行。另外，压电传感器11被配置成该压电传感器11的平板面与板部件20的主面平行。压电传感器11被配置于板部件20的与操作面相反侧的另一主面。
压电传感器11经由安装部件30被安装于板部件20。更具体而言，压电传感器11的检测用电极111侧的面经由安装部件30被安装于板部件20的另一主面。此时，安装部件30被设置于压电传感器11与板部件20抵接的大致整面。
在这样的结构中，由于压电传感器11被安装于板部件20，所以通过板部件20的操作面被压入，使板部件20如上述那样弯曲，从而该板部件20的弯曲经由安装部件30传导至压电传感器11，压电传感器11的压电膜110沿长边方向以及短边方向伸长。由此，在压电膜110，沿长边方向以及短边方向发生应变，并根据该应变而产生电荷。该电荷通过检测用电极111、112向外部的检测电路(未图示)被取出，并能够作为电压检测。此时，电荷量由上述那样的压电膜110的应变量决定。并且，压电膜110的应变量由经由安装部件30传导的板部件20的弯曲量决定，该弯曲量由操作面的按压力决定。因此，通过测量从压电传感器11的检测用电极111、112得到的电压值，从而能够检测对操作面的按压力。
这里，如上所述那样，在压电膜110的取向方向900相对于长边方向以及短边方向大致呈45°的情况下，基于压电膜110的长边方向的应变与短边方向的应变所产生的电荷的极性相反。因此，也如在背景技术中记载的那样，根据压入位置，长边方向的伸长所产生的电荷与短边方向的伸长所产生的电荷极大地抵消，有时会导致产生的电荷大致变成0。然而，通过使用本实施方式的结构，能够防止根据这样的压入位置而导致产生的电荷大致变成0的情况。
具体而言，将粘着剂使用于安装部件30。更优选地，将弹性常数在106Pa以下的粘着剂使用于安装部件30。
另外，将压电膜110的长宽比、即以短边方向的长度LSp作为基准，长边方向的长度LLp与短边方向的长度LSp的比(LLp/LSp)设为2.5以上。
图2是表示在将粘着剂使用于安装部件的情况下应变的传导方式的概念图。图2(A)是板部件20的短边方向(压电传感器11的长边方向)的侧面图，图2(B)是板部件20的长边方向(压电传感器11的短边方向)的侧面图。此外，在图2中，省略了处于弯曲状态的图示。
若在板部件20的操作面施加按压力，则如图2(A)，(B)所示，板部件20发生包含长边方向应变FXL20以及短边方向应变FXS20的应变。
若板部件20应变，则经由安装部件30安装于板部件20的压电传感器11的压电膜110也应变。根据板部件20的长边方向应变FXL20，在压电膜110发生应变FXL110。由于板部件20的长边方向与压电膜110的长边方向正交，换言之，由于压电膜110的短边方向与板部件20的长边方向平行，所以应变FXL110沿着压电膜110的短边方向发生。
另外，根据板部件20的短边方向应变FXS20，在压电膜110发生应变FXS110。由于板部件20的短边方向与压电膜110的短边方向正交，换言之，压电膜110的长边方向与板部件20的短边方向平行，所以应变FXS110沿着压电膜110的长边方向发生。
虽然各方向的应变经由安装部件30传导，但是由于安装部件30是粘着剂、即弹性常数比较低，所以安装部件30伸长且应变被缓和。因此，在压电膜110发生的应变的大小相比在板部件20产生的应变的大小要小。此时，对作为粘着剂的安装部件30而言，端部越伸长，越容易缓和应变。
因此，对压电膜110的短边方向而言，由于安装部件30的长度也较短，所以端部的缓和效果较大，且极大地缓和板部件20的长边方向应变FXL20。因此，沿着压电膜110的短边方向的应变FXL110变小。例如，图2(B)所示的虚线箭头FXL110R表示将压电传感器11用胶粘剂安装于板部件20的情况、即将压电传感器11坚固地固定于板部件20的情况。如图2(B)所示，通过将粘着剂使用于安装部件30，与将压电传感器11坚固地固定于板部件20的情况相比，能够使在压电膜110发生的应变FXL110大幅地减小。
另一方面，对压电膜110的长边方向而言，由于安装部件30的长度较长，所以端部的缓和效果小，板部件20的短边方向应变FXS20的缓和效果小。因此，沿着压电膜110的长边方向的应变FXS110仅变为比在板部件20产生的短边方向应变FXS20的大小稍小。例如，如图2(A)所示的虚线箭头FXS110R表示将压电传感器11用胶粘剂安装于板部件20的情况、即将压电传感器11坚固地固定于板部件20的情况。如图2(A)所示，虽然将粘着剂使用于安装部件30的情况与将压电传感器11坚固地固定于板部件20的情况相比在压电膜110发生的应变FXL110稍小，但是在压电膜110发生的应变FXL110未极大地衰减。
由此，沿着压电膜110的短边方向的应变FXL110被抑制，由该应变FXL110产生的电荷变得极小。另一方面，由沿着压电膜110的长边方向的应变FXS110产生的电荷几乎不能再小。因此，由应变FXS110产生的电荷未与由应变FXL110产生的电荷抵消。
图3是表示在使压电传感器(压电膜)的长边方向的长度变化的情况下、在压电传感器发生的应变(沿着压电传感器的长边方向(板部件的短边方向)的应变)的大小的图。此外，在图3中，仅表示将图1的O的位置作为x＝0时X轴的正的方向(因为左右对称，所以省略X轴的负的部分)。图3的虚线表示板部件20的应变。随着压电传感器的长度变短，粘着剂的缓和效果而变大，能够确认板部件表面的应变难以传导至压电膜。基于相同的理由，与长边方向相比短边方向的缓和效果更大。
图4是表示基于按压位置的传感器输出的变化的图，图4(A)是说明按压位置的图，图4(B)是表示传感器输出对弹性常数以及按压位置的依赖性的图。在图4(B)中，实线是表示使用了作为本实施方式的构成的粘着剂的情况，更具体而言，表示使用了弹性常数为0.1MPa的粘着剂的情况。虚线表示使用了胶粘剂的情况，更具体而言，表示使用了弹性常数为1.0GPa的胶粘剂的情况。
如图4(A)所示，使按压位置沿着板部件20的长边方向移动。此时，将在长边方向的任何短边方向的中心的位置作为按压位置。如图4(B)所示，在使用了胶粘剂的情况下，若靠近压电传感器11的特性位置变成按压位置，则传感器输出变成0。即，导致压电膜110产生的电荷变成0。而且，若从该点进一步按压压电膜110侧，则传感器输出变成负值，若从该点进一步按压压电膜110的相反侧，则传感器输出变成正值。即，由于按压位置，导致传感器输出正负反转。
另一方面，如图4(B)所示，在使用了如本实施方式的构成那样的粘着剂的情况下，根据按压位置，虽然相比使用了胶粘剂的情况绝对值小，但是传感器输出经常成为正值。
如此，通过将粘着剂使用于本实施方式所示的安装部件30，无需基于按压位置就能得到正值的传感器输出，并能够可靠地检测对板部件20的按压力。
此外，在图4中，虽然仅表示弹性常数为0.1MPa的情况和弹性常数为1.0GPa的情况的特性，但是在弹性常数为0.1MPa～1.0GPa的情况下，也能得到这些特性曲线之间的特性。而且，只要弹性常数在1.0MPa以下，就能得到无需基于按压位置而使传感器输出变成正值的特性。因此，优选弹性常数在1.0×106Pa以下的粘着剂作为粘着剂。
接着，对压电膜的长宽比进行说明。长宽比被赋予以压电膜的短边方向的长度LSp为基准并通过用长边方向的长度LLp除以短边方向的长度LSp而得到的值(LLp/LSp)。图5是表示基于压电膜的长宽比的传感器输出的变化的图，图5(A)是说明压电膜(压电传感器)的长宽比以及按压位置的图，图5(B)是表示传感器输出对长宽比以及按压位置的依赖性的图。图5(B)是使压电传感器的面积相同而变化长宽比时的实验结果，并且将y＝0作为基准，使面积左右对称地配置的情况下的实验结果。
如图5(A)所示，准备变换了压电传感器11的长宽比的样本11r1、11r2。压电传感器11的长宽比是10，样本11r1的长宽比是2.5，样本11r2的长宽比是1。
如图5(B)所示，虽然在压电传感器11以及样本11r1中，无需基于按压位置而得到正值的传感器输出，但是在样本11r2中，根据按压位置，传感器输出变成0，导致传感器输出以该位置为基准而反转。
如此，通过使压电传感器(压电膜)的长宽比在2.5以上，从而无需基于按压位置而得到正值的传感器输出。
如以上那样，通过使用由本实施方式的结构形成的按压检测传感器，能够可靠地检测对操作面的按压力。
此外，在上述的说明中，虽然对在板部件安装1个压电传感器的情况进行表示，但是也可以在板部件配置多个压电传感器。在板部件是矩形的情况下，也可以使用在相同边配置多个压电传感器的方式、在邻接的边配置压电传感器的方式、在对置的边配置压电传感器的方式、在所有的边配置压电传感器的方式的任意一个，根据规格决定适当的配置即可。
另外，在上述的说明中，虽然表示了压电膜110的取向方向900相对于压电膜110的长边方向以及短边方向呈45°的例子，但是该角大致是45°即可。例如，取向方向900与压电膜110的长边方向所呈的角也可以是30°～60°等。其中，通过使取向方向900与压电膜110的长边方向所呈的角是45°，从而能够比其他的角度更灵敏地检测按压力。
另外，虽然更优选压电传感器的安装位置在板部件的长边方向的一端附近，但是也可以是其他的位置。其中，如果是从外部无法视觉确认板部件的端部附近的构造的电子设备，那么通过使压电传感器的安装位置在板部件的长边方向的一端附近，能够使用不具有透光性的压电传感器。
附图标记说明：1...按压检测传感器；11...压电传感器；11r1、11r2...样本；20...板部件；30...安装部件；110...压电膜；111、112...检测用电极；201...一主面；202...另一主面；211、212、221、222...端边；900...取向方向。

Claims (3)

1.一种按压检测传感器，具备：
板部件，该板部件的一主面成为操作面；
平膜状的压电传感器，该平膜状的压电传感器被安装于所述板部件的另一主面，并包含压电膜以及形成于该压电膜的两主面的检测用电极；以及
安装部件，该安装部件将所述平膜状的压电传感器安装于所述板部件，
所述平膜状的压电传感器被安装在所述板部件的端边的附近，
所述安装部件由传感器输出无需基于按压位置而得到正值且弹性常数为1.0MPa以下的粘着材料形成，所述平膜状的压电传感器是具有长边方向和短边方向的形状，长边方向的长度是短边方向的长度的2.5倍以上，
所述压电膜的取向方向与所述压电传感器的长边方向呈30°～60°。
2.根据权利要求1所述的按压检测传感器，其中，
所述安装部件被配置在所述压电传感器的与所述板部件抵接的面的大致整个面。
3.根据权利要求1或2所述的按压检测传感器，其中，
所述板部件是具有长边方向和短边方向的形状，
所述平膜状的压电传感器被安装于所述板部件，以便所述板部件的短边方向沿着该平膜状的压电传感器的长边方向。
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