JP6041060B2 - 押圧センサ - Google Patents
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Description
本発明は、操作面に対する押圧を検出する押圧センサに関する。
操作面に対する押圧を検出する押圧センサとして、例えば特許文献1に示すような入力装置がある。特許文献1に示す入力装置は、矩形平板状のタッチパネルおよびストライプ状の圧電素子を備えている。圧電素子は、タッチパネルの下面に設けられている。ユーザが操作面であるタッチパネルを押圧すると、該タッチパネルが撓み、圧電素子が撓むことにより、押圧を検出することができる。
しかし、特許文献1に記載の入力装置のような構造は、タッチパネルと圧電素子とが離れていると、押圧によるタッチパネルの撓みが圧電素子に伝わりにくい場合がある。
そこで、例えば図7(A)に示すような構造が考えられる。図7(A)は、押圧センサ100の断面図である。押圧センサ100は、上面(Z方向の面)が開口した直方体形状の筐体51と、筐体51の開口面を塞ぐように当該筐体51の上面に固定されるガラス板52とを備えている。
ガラス板52の下面側には、板状のセンサ部56が配置されている。ガラス板52の下面とセンサ部56の上面との間には、直方体形状の押し子57が配置されている。押し子57は、ガラス板52の下面およびセンサ部56の上面に当接されている。センサ部56の下面は、SUS板55の上面に貼付けられている。SUS板55は、中央部の下面でクッション71に支持され、端部の下面でスペーサ94Aおよびスペーサ94Bに支持されている。
ユーザがガラス板52を押圧するとガラス板52が撓み、押し子57がセンサ部56およびSUS板55を押圧する。押し子57がセンサ部56およびSUS板55の中央部を押圧すると、図7(B)に示すように、SUS板55が法線方向に撓む。このとき、スペーサ94Aおよびスペーサ94BがSUS板55の中央部に引っ張られ、SUS板55の上面は、長手方向(Y方向)に収縮する。そして、SUS板55の上面に貼付されているセンサ部56も長手方向に縮む。センサ部56に設けられた圧電フィルムは、当該収縮により電荷を発生する。押圧センサ100は、この電荷を検出することでガラス板52に対する押圧を検出することができる。
しかし、上述のような構造では、図7(C)に示すように、押し子57がSUS板55の中央部を押圧したときに、SUS板55の上面が長手方向に伸張するモードが発生する場合がある。この場合、センサ部56も長手方向に伸張することになり、センサとしての出力が反転するため、適切に押圧を検出することができなくなる。
そこで、この発明は、当該出力の反転を防止する圧電センサを提供することを目的とする。
本発明の圧電センサは、操作面と、該操作面に対する押圧操作により法線方向に撓む板状部材と、前記板状部材のうち前記操作面側の主面に貼付けされ、該板状部材とともに法線方向に撓む圧電フィルムと、前記板状部材を支持する支持部材と、を備えた押圧センサであって、前記支持部材は、1.0×107Pa以下の弾性率を有する部材が含まれていることを特徴とする。
このように、本発明の圧電センサは、板状部材を支持する支持部材の弾性率が1.0×107Pa以下となっているため、板状部材が強固に固定されることがない。すなわち、本願発明の構造においては、支持部材の弾性率が1.0×107Paを超えると、押圧操作によりある程度(400〜600μm程度)の押し込み量が発生した場合に出力が反転することが判明している。したがって、板状部材を撓ませたときに長手方向に伸張するモードが発生せず、センサとしての出力が反転することがない。
なお、支持部材は、シリコン粘着剤を含むことが好ましい。シリコン粘着剤は、アクリル粘着剤に比べて温度による弾性率の変化が小さいため、低温時においても出力が反転することがない。
なお、圧電フィルムは、キラル高分子からなることが好ましい。キラル高分子からなる圧電フィルムを備えることで、透明性の高い圧電センサとすることができる。また、キラル高分子は、ポリ乳酸であることがより好ましい。ポリ乳酸は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、PVDF等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。また、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に圧電センサを配置することができる。
この発明によれば、センサ部が伸張するモードの発生を防止し、出力の反転を防止することができる。
図1は、本発明の押圧センサを備えた表示装置1の平面図である。図2は、A−A断面図である。
表示装置1は、外観上、上面(Z方向の面)が開口した直方体形状の筐体11と、筐体11の開口面を塞ぐように当該筐体11の上面に固定されるガラス板12とを備えている。ガラス板12は、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。
筐体11の内部には、静電容量センサ13、表示部30、押し子17、センサ部16、SUS板15、スペーサ14A、スペーサ14Bおよびクッション21が配置されている。操作面であるガラス板12、センサ部16、SUS板15、スペーサ14Aおよびスペーサ14Bにより本発明の押圧センサが構成される。
ガラス板12の下面側には、静電容量センサ13が配置されている。静電容量センサ13は、ガラス板12に対するタッチ操作およびそのタッチ位置を検出するセンサである。表示部30は、例えば液晶表示素子からなる。表示装置1は、静電容量センサ13で検出されたタッチ位置に応じて表示部30の画像を変更する。なお、静電容量センサ13および表示部30は、本発明において必須の構成ではない。
表示部30の下面側には、板状のセンサ部16が配置されている。センサ部16は、Y方向に長く、X方向に短い板状の構造である。センサ部16は、主面がガラス板12の主面と平行になるように筐体11の内部に配置されている。また、センサ部16は、筐体11のうちX方向の中央部付近に配置されている。
センサ部16の下面は、SUS板15の上面に貼付けられている。SUS板15は、Y方向に長く、X方向に短い板状の構造である。SUS板15は、本発明の板状部材に相当する。SUS板15も、主面がガラス板12の主面と平行になるように筐体11の内部に配置されている。ただし、SUS板15のY方向の長さは、センサ部16よりも長い。SUS板15は、中央部の下面で直方体形状のクッション21を介して筐体11に支持されている。また、SUS板15は、端部の下面で直方体形状のスペーサ14Aおよびスペーサ14Bを介して筐体11に支持されている。スペーサ14Aおよびスペーサ14Bは、本発明の支持部材に相当する。スペーサ14Aは、筐体11の側面のうち−Y側の側面付近に配置されている。スペーサ14Bは、筐体11の側面のうちY側の側面付近に配置されている。
表示部30の下面とセンサ部16の上面との間には、直方体形状の押し子17が配置されている。押し子17は、筐体11を平面視してほぼ中心位置に配置され、表示部30の下面およびセンサ部16の上面に当接されている。押し子17は、センサ部16に比べてY方向の長さが短い。押し子17は、ガラス板12が押圧されたときにセンサ部16およびSUS板15を押圧する。
なお、図2においては、スペーサ14Aおよびスペーサ14Bは、SUS板15を挟みこむように、表示部30の下面とSUS板15の上面の間にも配置される例を示しているが、表示部30の下面とSUS板15の上面の間に配置することは必須ではなく、SUS板15の下面と筐体11の上面の間に配置されているだけでもよい。上面側にも部材を配置する場合には、当該部材には、SUS板15の動きを阻害しないもの(例えば1.0×107Pa以下の弾性率を有するもの)を用いることが好ましい。
次に、図3は、センサ部16の断面拡大図である。センサ部16は、上面側(Z側)から順に、基材37、平板電極35、粘着剤33、圧電フィルム31、粘着剤32、平板電極34、基材36、および接着剤38が積層されてなる。
すなわち、圧電フィルム31の一方の主面には、平板電極34が粘着剤32により貼付されている。圧電フィルム31の他方の主面には、平板電極35が粘着剤33により貼付されている。平板電極34および平板電極35は、回路部(図示せず)に電気的に接続され、圧電フィルム31の圧電効果により発生する電荷量が検出される。これら平板電極34および平板電極35は、基材36および基材37で挟み込まれる。基材36および基材37は、例えばポリイミドからなる。基材36は、接着剤38によりSUS板15に貼付けられる。
圧電フィルム31は、透明性の高いキラル高分子を用いることが好ましい。より好ましくは、一軸延伸されたポリ乳酸(PLA)、さらにはL型ポリ乳酸(PLLA)であることが好ましい。キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。そして、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、圧電フィルム31が法線方向へ変位する変位量によって一意的に決定される。
一軸延伸されたPLLAの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。すなわち、押圧操作を高感度に検出し、押圧量に応じた変形検出信号を高精度に出力することができる。
また、キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、PVDF等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に押圧センサを配置し、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。さらに、PLLAの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。本実施形態では、圧電フィルム31は、延伸方向に対して45°の角度をなす方向が長手方向となるように配置されている。これにより、圧電フィルム31が長手方向に伸縮すると、圧電フィルム31は厚み方向に分極するため、高感度に押圧操作を検出できる。
なお、延伸倍率は3〜8倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。また、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えば、ある方向をX軸としてX軸方向に8倍、X軸に直交するY軸方向に2倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそX軸方向に4倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。
なお、圧電フィルム31は、PLLAを用いる態様に限るものではなく、PVDF等の他の材料を用いることが可能である。
次に、図4は、スペーサ14Aの断面拡大図である。ここでは、スペーサ14Aについて説明するが、スペーサ14Bも同じ構造を有する。スペーサ14Aは、上面側(Z側)から順に、粘着剤141、基材142、および粘着剤143が積層されてなる。
基材142は、例えばPET(Polyethylene terephthalate)からなる。粘着剤141および粘着剤143は、例えばシリコン粘着剤からなる。シリコン粘着剤は、弾性率の温度依存性が低いため、アクリル粘着剤などの弾性率の温度依存性が高いものと比べてSUS板15を変形させた際に、SUS板15の動きを阻害しにくいため好適である。基材142は、粘着剤141を介してSUS板15に貼付けられ、粘着剤143を介して筐体11に貼付けられる。これにより、スペーサ14Aは、SUS板15を支持する。ただし、基材142は、本発明において必須ではなく、SUS板15と筐体11とを直接、粘着剤で貼付けるようにしてもよい。粘着剤141および粘着剤143は同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。例えば、粘着剤141および粘着剤143を同じシリコン粘着剤としてもよい。この場合、SUS板15の動きを阻害せずに、かつ基材142の厚みを変えることによって、粘着剤の厚みが同じであっても容易に支持部材全体の高さを変えることができる。また、粘着剤141をシリコン粘着剤とし、粘着剤143をアクリル粘着剤としてもよい。この場合、SUS板15に貼りつける粘着剤をシリコン粘着剤とすることでSUS板15の動きを阻害せずに、かつ粘着剤143にアクリル粘着剤を用いることによって、筺体と強く粘着させることができるため好適である。また、基材142を用いない構造である場合、支持部材全体で弾性率の不連続部が無くなるため、SUS板15を変形させた際に不連続部の剥がれ等が発生し難くなる。
次に、図5を参照して、押圧センサ10による押圧検知について説明する。ユーザは、操作面であるガラス板12の主面を押圧する。すると、ガラス板12、静電容量センサ13および表示部30が法線方向に撓み、押し子17がセンサ部16およびSUS板15の中央部を押圧する。なお、同図においては説明のために撓み量を誇張して記載している。
押し子17がセンサ部16およびSUS板15の中央部を押圧すると、SUS板15が法線方向に撓む。SUS板15は、端部においてスペーサ14Aおよびスペーサ14Bに貼付けられているため、SUS板15の撓みに応じて、スペーサ14Aおよびスペーサ14BがSUS板15の中央部に引っ張られる。これにより、SUS板15の上面は、長手方向(Y方向)に収縮し、SUS板15の下面は、長手方向に伸張する。
そして、SUS板15の上面に貼付されているセンサ部16もSUS板15の収縮に応じて長手方向に収縮する。センサ部16に設けられた圧電フィルム31は、当該収縮による圧電効果により、電荷を発生する。押圧センサ10は、この電荷を検出することでガラス板12に対する押圧の有無、および押圧量を検出することができる。
図6は、センサ部16の押し込み量(Z方向の変位量に相当するもの。)と歪み(長手方向への伸縮量に対応するもの)との関係を示したグラフである。同図においては、異なる弾性率を有する4つの材料をスペーサ14A(およびスペーサ14B)の粘着剤143に用いた場合を示している。歪みは、0ppmを基準として、負の値が長手方向の収縮、正の値が長手方向の伸張を示す。センサ部16が機器に組み込まれて使用される際は、所定の押込み量(0〜1mm程度)を基準にして、微小量の撓み(数μm)を検知することになる。すなわち、このグラフの傾きがセンサ部16の出力に相当する。
図6に示すように、スペーサ14Aの粘着剤143の弾性率が高い場合、例えば1.0×109Paである場合、図中の2点破線に示すように、押し込み量が0μm〜200μm程度までは、押し込み量の増加に対して歪みが減少するものの、200μmよりも押し込み量が多くなった場合に、押し込み量の増加に対して歪みが増加する傾向(傾きが負から正に反転)を示す。また、弾性率が1.0×108Paである場合も、図中の1点破線に示すように、押し込み量が400μm〜600μm程度で、押し込み量の増加に対して歪みが増加する傾向(傾きが負から正へ反転)を示す。これは、図7(C)の従来図においても示したように、スペーサ14Aが硬く、SUS板15が端部において強固に固定されている場合に、SUS板15の上面が長手方向に収縮することができず、逆に長手方向に伸張するモードが発生するためである。この場合、センサ部16も長手方向に伸張することになり、センサとしての出力が反転することになる。したがって、ある程度の押し込み量で押圧操作を行うと、押圧センサ10で検出される押圧量が減少することになる。また、歪みが正の値になる場合もあり、押圧操作を行っていない、またはガラス板12を引っ張っているものとして検出されることになる。
しかし、スペーサ14Aの粘着剤143の弾性率が低い場合、例えば1.0×107Paである場合、図中の点線に示すように、押し込み量0μm〜1000μmの間では歪みが増加することはなく(傾きが正に転じることはなく)、出力が反転することはない。特に、弾性率が1.0×106Paである場合、図中の実線に示すように、押し込み量の増加に比例して歪みが減少する傾向を示し、高精度に押圧量を検出することができる。
以上のことから、スペーサ14Aの粘着剤143の弾性率が1.0×107Pa以下である場合、SUS板15およびセンサ部16は、長手方向に伸張するモードが発生せず、センサとしての出力が反転することがない。
なお、粘着剤143には、シリコン粘着剤を用いることが好ましい。アクリル粘着剤は、室温で1.0×106Pa程度の弾性率を有するものの、温度変化に対する弾性率の変化が大きく、低温環境下(例えば−30℃程度)では、1.0×108Pa以上となる場合がある。しかし、シリコン粘着剤は、室温から低温環境下にかけて1.0×106Pa〜1.0×107Pa程度の弾性率を有する。
なお、図6においては、粘着剤143の弾性率についてのみ示したが、スペーサ14Aおよびスペーサ14Bの全体としての弾性率がある程度低い(例えば1.0×107Pa以下である)場合にも、SUS板15の端部が強固に固定されることがないため、センサ部16は、長手方向に伸張するモードが発生せず、センサとしての出力が反転することがない。
なお、本実施形態においては、表示装置1について説明したが、本発明の押圧センサの応用例はこれに限るものではない。例えば、表示装置1から表示部30を省き、筐体11、ガラス板12、静電容量センサ13、センサ部16、SUS板15、スペーサ14Aおよびスペーサ14Bからなるタッチ式入力装置を構成することも可能であるし、さらに静電容量センサ13を省いた押圧入力装置を構成することも可能である。
10…押圧センサ
11…筐体
12…ガラス板
14A,14B…スペーサ
15…SUS板
16…センサ部
21…クッション
31…圧電フィルム
32,33,38…粘着剤
34,35…平板電極
36,37…基材
141…粘着剤
142…基材
143…粘着剤
11…筐体
12…ガラス板
14A,14B…スペーサ
15…SUS板
16…センサ部
21…クッション
31…圧電フィルム
32,33,38…粘着剤
34,35…平板電極
36,37…基材
141…粘着剤
142…基材
143…粘着剤
Claims (4)
- 操作面と、
該操作面に対する押圧操作により法線方向に撓む板状部材と、
前記板状部材のうち前記操作面側の主面に貼付けされ、該板状部材とともに法線方向に撓む圧電フィルムと、
前記板状部材を支持する支持部材と、
を備えた押圧センサであって、
前記支持部材は、1.0×107Pa以下の弾性率を有する部材が含まれていることを特徴とする押圧センサ。 - 前記支持部材は、シリコン粘着剤を含むことを特徴とする請求項1に記載の押圧センサ。
- 前記圧電フィルムは、キラル高分子からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の押圧センサ。
- 前記キラル高分子は、ポリ乳酸からなることを特徴とする請求項3に記載の押圧センサ。
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