JP6996143B2

JP6996143B2 - 圧電センサ、タッチパネル、タッチ式入力装置および表示装置

Info

Publication number: JP6996143B2
Application number: JP2017139564A
Authority: JP
Inventors: 健一森
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: JP2019021077A

Description

本発明は、圧電センサ、当該圧電センサを備えたタッチパネル、タッチ式入力装置、および表示装置に関する。

特許文献１には、一軸延伸されたポリ乳酸からなる圧電フィルムを用いて押圧検出を行う表示装置が開示されている。

ポリ乳酸からなる圧電フィルムは、延伸方向が圧電フィルムの長軸または短軸方向に対して４５度である場合に、押圧検知の感度が最も高くなる。

特開２０１５－０９５６９６号公報

しかし、延伸方向を４５度にした場合、圧電フィルムのマザーシートから個別に切り出す場合に、収率が低下する。

そこで、延伸方向を可能な限り０度（または９０度）に近づけることで、圧電フィルムのマザーシートからの収率を上げることができる。

しかし、圧電フィルムと他の材料との線膨張係数に差があり、急激な温度変化が発生した場合には、内部応力が生じ、圧電フィルムにクラックが生じる可能性がある。

そこで、本発明では、収率の低下を防止し、かつクラックの発生を抑制する圧電センサ、タッチパネル、タッチ式入力装置、および表示装置を提供する。

本発明の圧電センサは、一軸方向に延伸されたキラル高分子を含む圧電フィルムを備え、前記圧電フィルムの長辺の長さをＬ１、短辺の長さをＬ２、前記短辺に対する延伸方向の角度をθとした場合に、以下の関係を満たすことを特徴とする。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝ａ・ｘ＋ｂ
圧電フィルムと他の材料との線膨張係数の差に起因する内部応力は、延伸方向が０度または９０度に近づくと、圧電フィルムの延伸方向に対して垂直な方向に働く成分が大きくなる。圧電フィルムの延伸方向に対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ以上になると、クラックが生じる可能性が高い。また、押圧センサのサイズが大きくなると内部応力も大きくなり、クラックが発生しやすくなる。

本願の発明者は、センサの辺の長さと、応力が１５ＭＰａとなる時の延伸方向の角度（短辺に対する延伸方向の角度θ）との関係が直線近似で表されることを確認した。そこで、本発明の圧電センサは、押圧センサのサイズを規定する長辺長Ｌ１と短辺長Ｌ２とした場合に、以下の関係を満たすように、延伸方向の角度θを設定することで、収率の低下を防止し、かつクラックの発生を抑制することができる。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝ａ・ｘ＋ｂ

この発明によれば、収率の低下を防止し、かつクラックの発生を抑制することができる。

表示装置の外観斜視図である。表示装置の側面断面図である。表示装置のブロック図である。圧電フィルムの平面図である。角度θと延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分の関係を示したグラフである。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）は、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が１５ＭＰａとなる時の、圧電フィルムの辺の長さと角度θとの関係を示したグラフである。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、圧電フィルムの平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の圧電センサを備えた表示装置について説明する。

図１の外観斜視図に示すように、表示装置１は、外観上、直方体形状の筐体５０と、筐体５０の上面の開口部に配置された平面状の表面パネル４０と、を備えている。表面パネル４０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。

なお、本実施形態では、筐体５０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方向とする。

図２に示すように、筐体５０の内部には、筐体５０の開口部（表面パネル４０）側から順にＺ方向に沿って、圧電センサ１１および表示パネル３０が配置されている。表面パネル４０および圧電センサ１１によりタッチパネルが構成される。

圧電センサ１１および表示パネル３０は、平板状であり、それぞれ筐体５０の開口部（表面パネル４０）と平行になるように、筐体５０の内部に配置されている。

筐体５０の底面と表示パネル３０との間には、回路基板（不図示）が配置されている。当該回路基板には、図３に示す検出部２０を構成する回路モジュールが設けられている。

図３に示すように、検出部２０には、圧電センサ１１および処理部２２が接続される。処理部２２には、検出部２０、プログラム記憶部２３、および表示パネル３０が接続される。

表示装置１は、タッチ式入力装置４５および処理装置４７からなる。圧電センサ１１および検出部２０は、タッチ式入力装置４５を構成する。処理部２２、プログラム記憶部２３、および表示パネル３０は、処理装置４７を構成する。

処理部２２は、ＣＰＵを含み、処理装置４７を統括的に制御する。すなわち、処理部２２は、プログラム記憶部２３に記憶されている動作用プログラムを読み出して各種処理を行う。例えば、処理部２２は、表示パネル３０を制御して画像を表示させるとともに、検出部２０から入力された検出信号に応じて操作入力内容を決定し、表示されている画像を変更する。

圧電センサ１１は、操作面である表面パネル４０に対する押圧操作に応じた電荷を発生する。検出部２０は、圧電センサ１１で発生した電荷を検出し、検出信号として処理部２２に出力する。

表示パネル３０は、例えば液晶表示素子またはＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）からなる。

圧電センサ１１は、表面側から順に、第１電極用フィルム１１１、第１電極１１２、圧電フィルム１１３、第２電極１１４、および第２電極用フィルム１１５を備えている。第１電極１１２および第２電極１１４は、圧電フィルム１１３の主面の略全面を覆うように配置されている。

第１電極１１２および第２電極１１４は、透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。第１電極１１２および第２電極１１４は、それぞれ第１電極用フィルム１１１および第２電極用フィルム１１５主面に、蒸着等により予め形成されている。

圧電フィルム１１３は、一方の主面（表面側の主面）が表面パネル４０に貼り付けられている。圧電フィルム１１３は、利用者が表面パネル４０を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。圧電フィルム１１３は、透明性の高いキラル高分子が用いられる。より好ましくは、圧電フィルム１１３には、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、表面パネル４０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、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圧電センサを配置し、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。

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、第１方向に８倍、該第１方向に直交する第２方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関しては第１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。

そして、本実施形態では、図４に示すように、圧電フィルム１１３は、短辺（Ｘ方向）に対して、一軸延伸方向ＭＤが所定の角度θを成すように配置されている。

角度θは、４５度である場合に押圧検知の感度が最も高くなる。しかし、角度θが４５度である場合には、マザーシートから各圧電フィルムを個別に切り出す場合に最も収率が低くなる。角度θは、０度（または９０度）に近づくほど、マザーシートからの収率を向上させることができる。

しかし、圧電フィルム１１３には、他の材料（表面パネル４０のガラス、第１電極用フィルム１１１および第２電極用フィルム１１５のＰＥＴ）との線膨張係数の差に起因する応力が生じる。延伸方向ＭＤが０度または９０度に近づくと、該延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が大きくなる。延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分がある値以上になると、圧電フィルム１１３は、延伸方向ＭＤに沿ってクラックが生じる。

例えば、表面パネル４０のガラス（厚さ０．５５ｍｍ）の線膨張係数が、８．７×１０^－６、第１電極用フィルム１１１および第２電極用フィルム１１５のＰＥＴ（厚さ５０μｍ）の線膨張係数が１．７×１０^－４、圧電フィルム１１３の延伸方向の線膨張係数が９．６×１０^－５、圧電フィルム１１３の延伸方向に垂直な方向の線膨張係数が１．２×１０^－４、として、温度を８５度から－４０度に変化させた場合、圧電フィルム１１３の延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が、約１５ＭＰａでクラックが生じることが確認されている。ただし、この場合、圧電フィルム１１３の長辺長Ｌ１＝１００ｍｍ、短辺長Ｌ２＝５０ｍｍ、厚さ５０μｍであり、表面パネル４０のガラスの長辺長は、１２３．５ｍｍ、表面パネル４０のガラスの短辺長は、６６．５ｍｍである。

図５は、角度θと延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分の関係を示したグラフである。図５においては、圧電フィルム１１３の短辺の長さＬ２が３００ｍｍ、４００ｍｍ、および５００ｍｍについて、角度θと応力との関係を示す。

図５に示す様に、角度θは、０度に近づくほど、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が大きくなる。また、短辺の長さＬ２が大きくなるほど応力が大きくなることが分かる。図５に示す様に、角度θは、１５度から３０度の間で、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が１５ＭＰａ以上となる。なお、図示はしないが、短辺の長さＬ２が２００ｍｍより短い場合には、角度θに依らず、応力が１５ＭＰａ未満となる。

なお、図５では、角度θが０度から４５度の範囲を示しているが、４５度以上は、該４５度を軸とする（０度とみなす）場合に、０度から４５度の範囲と同じ傾向を示す、例えば、角度θが６０度の場合、角度θが３０度の場合と同じ応力を示す。

上述の様に、圧電フィルム１１３は、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ以上になると、クラックが生じる可能性が高くなる。また、圧電フィルム１１３のサイズが大きくなると内部応力も大きくなり、クラックが発生しやすくなる。

そこで、本実施形態では、マザーシートからの収率を向上させながらも、かつ圧電フィルム１１３の延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となるように、角度θを０度（または９０度）にできる限り近くすることが特徴である。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）は、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が１５ＭＰａとなる時の、圧電フィルムの辺の長さと角度θとの関係を示したグラフである。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）に示す様に、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力の成分が１５ＭＰａとなる時の、圧電フィルムの辺の長さと角度θとの関係は、１次式で表すことができる。

例えば、図７（Ａ）に示す様に、角度θが４５度未満である場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力は、長辺長Ｌ１に応じて変化する。図６（Ａ）に示すグラフの場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる条件式は、
０．０４・Ｌ１＋８．７≦θ 式１
となることがわかる。

図７（Ｂ）に示す様に、角度θが４５度より大きい場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力は、短辺長Ｌ２に応じて変化する。図６（Ａ）に示すグラフの場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる条件式は、
０．０４・Ｌ２＋８．７≦９０°－θ 式２
となることがわかる。したがって、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる条件式は、以下のようになる。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝０．０４・ｘ＋８．７
また、図６（Ｂ）に示すグラフの場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる条件式は、以下のようになる。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝０．０３・ｘ＋１０．７
また、図６（Ｃ）に示すグラフの場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる条件式は、以下のようになる。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝０．０５・ｘ＋６．７
図６（Ａ）に示した例において、仮に、長辺長Ｌ１が３０２ｍｍ、短辺長Ｌ２が２５１ｍｍである場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる角度θの範囲は、
２０．８°≦θ≦７２．７°
となる。したがって、角度θは、４５°より大きい値、例えば角度θ＝７２°とすると、角度θが４５°未満である場合よりも、マザーシートからの収率が最も高いθ＝０°またはθ＝９０°に近くなるため、収率を向上させることができる。また、角度θ＝７２°であれば、圧電フィルム１１３の延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる。

なお、上述したように、短辺長Ｌ２が２００ｍｍより短い場合には、角度θに依らず、応力が１５ＭＰａ未満となる。すなわち、短辺長Ｌ２が２００ｍｍより短い場合、延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満となる角度θの範囲は、
２０．８°≦θ≦９０°
となる。したがって、この場合、角度θ＝９０°として、マザーシートからの収率を最も高くすることができ、かつ圧電フィルム１１３の延伸方向ＭＤに対して垂直な方向に働く応力が１５ＭＰａ未満とすることができる。なお、角度θは、４５度である場合に押圧検知の感度が最も高くなり、０度または９０度の場合に最も押圧検知の感度が低くなる。したがって、角度θは、求められる収率と、求められる押圧検知の感度と、に応じて適宜設定することが好ましい。

以上の本実施形態の技術的思想をまとめると、以下の様になる。

（１）一軸方向に延伸されたキラル高分子を含む圧電フィルムを備え、
前記圧電フィルムの長辺の長さをＬ１、短辺の長さをＬ２、前記短辺に対する前記延伸方向の角度をθとした場合に、以下の関係を満たす、圧電センサ。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝ａ・ｘ＋ｂ
（２）ａ＝０．０４±０．０１である。

（３）ｂ＝８．７±２．０である。

（４）Ｌ２は、２００ｍｍ以上である。

（５）Ｌ２が２００ｍｍ以未満である場合、角度θは、９０度とすることができる。

（６）角度θは、４５度より大きい値とすることで、角度θが４５°未満である場合よりも、マザーシートからの収率を高くする。

なお、本実施形態では、表面パネル４０に対する利用者のタッチ操作およびタッチ位置を検知する静電容量センサをさらに備えていてもよい。

１…表示装置
１１…圧電センサ
２０…検出部
２２…処理部
２３…プログラム記憶部
３０…表示パネル
４０…表面パネル
４５…タッチ式入力装置
４７…処理装置
５０…筐体
１１１…第１電極用フィルム
１１２…第１電極
１１３…圧電フィルム
１１４…第２電極
１１５…第２電極用フィルム

Claims

一軸方向に延伸されたキラル高分子を含む圧電フィルムを備え、
前記圧電フィルムの長辺の長さをＬ１、短辺の長さをＬ２（ただし該Ｌ２は２００ｍｍ以上である。）、前記短辺に対する延伸方向の角度をθ（ただし該θは、４５度より大きく９０度未満である。）とした場合に、以下の関係を満たす、圧電センサ。
ｆ（Ｌ１）≦θ≦９０－ｆ（Ｌ２）
ただし、ｆ（ｘ）＝ａ・ｘ＋ｂ
ａ＝０．０４±０．０１
ｂ＝８．７±２．０
前記θは５５度より大きい、請求項１に記載の圧電センサ。
請求項１または請求項２に記載の圧電センサと、
操作面と、
を備えたタッチパネル。
請求項３に記載のタッチパネルと、
前記操作面に対する押圧操作により、前記圧電センサに発生する電荷を検出する検出部と、
を備えたタッチ式入力装置。
請求項３に記載のタッチパネルと、
表示パネルと、
を備えた表示装置。