JP7006842B2 - 押圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、押圧操作を検知する押圧センサに関する。

特許文献１には、押圧操作を検知する押圧センサが開示されている。

特許文献１には、操作面の全周を筐体に固定した場合、押圧位置によっては操作面の撓みに対して、圧電素子に発生する電位が逆になって、出力が低下または反転する場合がある旨を開示している。特許文献１の発明は、保持部材の横断面の形状と縦断面の形状とが異なることで、逆電位が発生することを抑制する。

特許第６１３２０７６号公報

操作面は、平面視して中心付近を押圧した場合と、端部を押圧した場合とで、撓み方が異なる。したがって、押圧位置によっては、押圧を検出できない場合がある。

本発明は、押圧位置に関わらず、押圧を検出できる押圧センサを提供することを目的とする。

本発明の押圧センサは、圧電フィルムと、検知電極と、を備える。圧電フィルムは、少なくとも一軸方向に延伸されたキラル高分子を有し、第１主面および第２主面を有する。検知電極は、前記第１主面または前記第２主面に配置される。そして、検知電極は、一軸方向を斜めに挟んで向かい合って配置されている第１電極および第２電極を有する。

圧電フィルムは、一軸方向（延伸方向）に対して４５度の方向の伸縮を最も効率よく検知する。また、延伸方向を斜めに挟んで向かい合う箇所では、同じ極性の電位を生じる。本発明の押圧センサは、延伸方向を斜めに挟んで向かい合って配置されている第１電極および第２電極を有するため、高い感度を有する。また、操作面の中心部を押圧した場合も、操作面の端部を押圧した場合にも、延伸方向を斜めに挟んで向かい合う箇所で同じ極性の電位を取得するため、本発明の押圧センサは、押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

この発明によれば、押圧位置に関わらず、押圧を検出できる。

図１は、タッチパネルを備えた表示装置の外観斜視図である。 図２は、表示装置の側面断面図である。 図３は、タッチセンサ２０の電極配置の一例を示す平面図である。 図４（Ａ）は、押圧センサ３０のうち圧電フィルム３２の平面図であり、図４（Ｂ）は、押圧センサ３０の検知電極３１の配置を示す平面図である。 図５は、押圧センサ３０のうちグランド電極３３の配置を示す平面図である。 図６は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合の圧電フィルム３２に生じる電位の分布を示す平面図である。 図７は、表面パネル４０の角部分を押圧した場合の圧電フィルム３２に生じる電位の分布を示す平面図である。 図８は、変形例に係る押圧センサ３０の検知電極３１の配置を示す平面図である。 図９は、押圧センサ３０の検知電極の配置を示す平面図である。 図１０は、押圧センサ３０の検知電極の配置を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明のタッチパネルを備えた表示装置について説明する。図１は、表示装置１の外観斜視図である。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。表示装置１は、例えばスマートフォンまたはタブレット端末等の情報処理装置である。表面パネル４０は、利用者が指または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。

図２は、表示装置１の側面断面図である。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、タッチセンサ２０、押圧センサ３０、および表示パネル６０が配置されている。なお、この例では、タッチセンサ２０が開口部側に配置されているが、押圧センサ３０が開口部側に配置されていてもよい。

タッチセンサ２０、押圧センサ３０、表面パネル４０、および表示パネル６０は、平板状の形状であり、平面視して矩形状である。タッチセンサ２０および押圧センサ３０のそれぞれの主面は、表面パネル４０の主面と対向するように、筐体５０の内部に配置されている。タッチセンサ２０の上側（開口部側）の主面は、表面パネル４０の下側（開口部と反対側）の主面に接続される。タッチセンサ２０の下側の主面は、粘着剤７０で押圧センサ３０に接続される。

筐体５０には、回路基板８０が配置されている。回路基板８０は、不図示のフレキシブルケーブルを介して、タッチセンサ２０、押圧センサ３０、表面パネル４０、または表示パネル６０に接続される。回路基板８０は、フレキシブル基板等の屈曲可能な基板材料を用いて、上記フレキシブルケーブルと一体化してもよいし、メイン基板の一部として形成してもよい。

タッチセンサ２０は、静電容量式のセンサである。タッチセンサ２０は、第１電極２１、絶縁性基板２２、および第２電極２３を備えている。絶縁性基板２２は、透明性を有する材料からなり、例えばＰＭＭＡ（アクリル樹脂）からなる。絶縁性基板２２の表面側の第１主面には、第１電極２１が配置され、裏面側の第２主面には、第２電極２３が配置されている。

第１電極２１および第２電極２３は、全て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）、銀ナノワイヤー、またはポリチオフェンを主成分とする材料からなる。なお、押圧センサ３０は、表示パネル６０の下面側に配置されていてもよい。この場合、第１電極２１および第２電極２３は、透明性を有する必要はない。

図３は、タッチセンサ２０の電極配置の一例を示す平面図である。第１電極２１は、平面視して一方向に長い長方形状であり、長尺方向がＹ方向に平行になるように配置されている。複数の第１電極２１は、Ｘ方向に沿って所定の間隔で配置されている。

また、第２電極２３も、平面視して一方向に長い長方形状である。第２電極２３は、長尺方向がＸ方向に平行になるように配置されている。複数の第２電極２３は、Ｙ方向に沿って所定の間隔で配置されている。

押圧センサ３０は、表面パネル４０側から順に、検知電極３１、圧電フィルム３２、およびグランド電極３３を備えている。図４（Ａ）は、押圧センサ３０のうち圧電フィルム３２の平面図である。図４（Ｂ）は、押圧センサ３０のうち検知電極３１の配置を示す平面図である。図５は、押圧センサ３０のうちグランド電極３３の配置を示す平面図である。検知電極３１およびグランド電極３３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）、銀ナノワイヤー、またはポリチオフェンを主成分とする材料からなる。

圧電フィルム３２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３２は、透明性を有する材料からなり、キラル高分子からなる。より好ましくは、圧電フィルム３２には、少なくとも一軸方向に沿って延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）、さらにはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）である。

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、螺旋分子の分子軸に沿って加わったずり歪み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、押圧量に応じた電荷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、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、発生する電荷量が変化することがない。また、機器の発熱や周囲環境温度によって押圧感度が変わる等の影響を受けることもない。特に、ポリ乳酸は、発熱し易いバッテリと圧電フィルムとを近接配置するようなスマートフォンまたはタブレット端末等の小型電子機器に対して用いることが有効である。さらに、ポリ乳酸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。

表面パネル４０が利用者に押下されたとき、圧電フィルム３２は、水平方向に伸びる、または収縮する。押下操作による伸縮は、螺旋分子の分子軸に対してずり歪みとなるように分子軸を配置することが望ましい。一軸延伸のポリ乳酸フィルムでは、圧電性に寄与する螺旋分子は延伸軸方向に向いている。本実施形態では、圧電フィルム３２は、圧電フィルム３２の辺（Ｘ方向およびＹ方向）に沿って配置されている。なお、延伸方向は、圧電フィルムの辺に対して０±１０度の角度で配置されていればよい。

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できる。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。

圧電フィルム３２の表面側の第１主面には、上述の検知電極３１が配置され、裏面側の第２主面には、グランド電極３３が配置されている。グランド電極は、図５に示す様に、平面視して圧電フィルム３２の略全面を覆う様に配置されている。

検知電極３１は、図４（Ｂ）に示す様に、第１検知電極３１Ａおよび第２検知電極３１Ｂを有する。第１検知電極３１Ａおよび第２検知電極３１Ｂは、同じ形状である。第１検知電極３１Ａおよび第２検知電極３１Ｂは、圧電フィルム３２の延伸方向を斜めに挟んで向かい合って配置されている。この例では、第１検知電極３１Ａは、圧電フィルム３２の角部分に形成されているベタ部３１１Ａおよび延伸方向に沿って延在する延在部３１２Ａを有する。第２検知電極３１Ｂは、圧電フィルム３２の角部分に形成されているベタ部３１１Ｂおよび延伸方向に沿って延在する延在部３１２Ｂを有する。延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、圧電フィルム３２の辺に沿って形成されている。延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、相対的に長い長部と、相対的に短い短部と、を有し、櫛歯状になっている。長部は、圧電フィルム３２の長辺の長さの半分よりも長い箇所となっている。長部および短部は、図３に示した静電容量式のタッチセンサ２０の電極に対応する形状である。長部および短部の幅は、第１電極２１の幅と同じである。また、長部および短部のＹ方向の端は、複数の第２電極２３の境界部分に位置する。また、ベタ部３１１Ａおよびベタ部３１１ＢのＹ方向の端についても、複数の第２電極２３の境界部分に位置する。したがって、押圧センサ３０は、検知電極３１の視認性を低減することができる。

図６は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合の圧電フィルム３２に生じる電位の分布を示す平面図である。図７は、表面パネル４０の角部分を押圧した場合の圧電フィルム３２に生じる電位の分布を示す平面図である。図６および図７において、淡い箇所は正の電位が生じ、濃い箇所は負の電位が生じている。白に近いほど正の電位が高く、黒に近いほど負の電位が高い。図６および図７に示す平面図のうち左上部分を第１領域、右下部分を第２領域、右上部分を第３領域、左下部分を第４領域と称する。

図６に示す様に、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合、圧電フィルム３２は、延伸方向を挟んで斜めの方向に沿って、第１領域および第２領域で正の電位を生じる。圧電フィルム３２は、延伸方向を挟んで斜めの方向に沿って、第３領域および第４領域で負の電位を生じる。また、図７に示す様に、表面パネル４０の角部分を押圧した場合、圧電フィルム３２は、第１領域、第２領域、および第４領域において、押圧箇所を挟む２つの辺にそって、正の電位を生じる。また、圧電フィルム３２は、押圧箇所から延伸方向に対して斜めに沿って負の電位を生じる。

ベタ部３１１Ａおよびベタ部３１１Ｂは、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、正の電位を生じる位置である第１領域および第２領域の角および２つの辺に沿って配置されている。また、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、負の電位を生じる箇所には検知電極が配置されていない。したがって、押圧センサ３０は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、正の電位を検知することができ、押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

また、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂのうち長部は、Ｘ方向の端が最も長く、中心に近い箇所ほど短くなっている。図７に示す様に、表面パネル４０の角部分を押圧した場合、圧電フィルム３２は、押圧箇所を挟む２つの辺にそって正の電位を生じる。延在部３１２Ａは、Ｘ方向の端部である最も長い箇所により、正の電位を高い感度で検知することができる。また、負の電位は、延伸方向に沿って斜めに生じるが、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂのうち長部は、中心に近い箇所ほど短くなっていて、負の電位を検知し難いようになっている。これにより、押圧センサ３０は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、さらに押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

特に、負の電位は、延伸方向に沿って斜めに伸びる長軸を有する楕円状の分布を有する。そこで、延在部３１２Ａの複数の長部のＸ方向の端部である最も長い箇所は、楕円の長軸に平行な直線に沿って並んでいる。これにより、延在部３１２Ａの長部は、負の電位を検知し難い。その結果、押圧センサ３０は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、さらに押圧位置に関わらず、押圧を精度よく検出できることができる。同じ理由により、延在部３１２Ｂの複数の長部のＸ方向の端部である最も長い箇所を結ぶ線は、楕円の長軸に平行な直線に沿って並んでいることが好ましい。

なお、延在部３１２Ａの複数の長部のＸ方向の端部はそれぞれ、楕円の長軸に沿うようにＸ方向に対して傾斜していることが好ましい。これにより、延在部３１２Ａのうち長部は、負の電位をより検知し難い。その結果、押圧センサ３０は、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合でも表面パネル４０の角部分を押圧した場合でも、さらに押圧位置に関わらず、押圧を精度よく検出できることができる。同じ理由により、延在部３１２Ｂの複数の長部のＸ方向の端部はそれぞれ、楕円の長軸に沿うようにＸ方向に対して傾斜していることが好ましい。

図６に示す様に、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、正の電位を生じる第１領域および第２領域から、負の電位を生じる第３領域および第４領域に跨がって配置されている。したがって、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、負の電位も検知する。一方で、表面パネル４０の角部分を押圧した場合、延在部３１２Ａ（または延在部３１２Ｂ）は、正の電位を検知する。

表面パネル４０の中心部分を押圧した場合、表面パネル４０の端部を押圧した場合よりも発生する正の電位は非常に高くなる、したがって、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合と、表面パネル４０の端部を押圧した場合とで、検知される電位の差が大きくなる。しかし、押圧センサ３０は、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂにより負の電位も検知するため、表面パネル４０の端部を押圧した場合に検知する電位を低減する。これにより、押圧センサ３０は、押圧した位置により生じる電位の差を低減することができ、さらに押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

ここで、図６に示すように、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合、負の電位が最も強く生じる位置は、表面パネル４０の長辺を３対１に内分した点付近である。そこで、延在部３１２Ａの長部のＸ方向の端部である最も長い箇所は、表面パネル４０の長辺を３対１に内分した点付近に位置することが好ましい。これにより、押圧センサ３０は、延在部３１２Ａにより負の電位を効率よく検知するため、表面パネル４０の端部を押圧した場合に検知する電位が低減される。その結果、押圧センサ３０は、押圧した位置により生じる電位の差を低減することができ、さらに押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。同じ理由により、延在部３１２Ｂの長部のＸ方向の端部である最も長い箇所は、表面パネル４０の長辺を１対３に内分した点付近に位置することが好ましい。

また、図６に示すように、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合、正の電位が最も強く生じる位置は、表面パネル４０の長辺を１対３に内分した点付近である。ベタ部３１１Ａの内の長辺近傍に位置する部分は、表面パネル４０の長辺を１対３に内分した点付近に位置しないことが好ましい。これにより、ベタ部３１１Ａは、正の電位が強く生じすぎる位置を避けるようになる。その結果、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合に検知される電位と、表面パネル４０の端部を押圧した場合に検知される電位との差が小さくなる。

また、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、櫛歯状を有している。そのため、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂが櫛歯状の導体である場合の延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂの面積は、延在部がベタ状の導体である場合の延在部の面積より小さくなる。これにより、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合に、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂが検知する正の電位が低減される。その結果、表面パネル４０の中心部分を押圧した場合に検知される電位と、表面パネル４０の端部を押圧した場合に検知される電位との差が小さくなる。

また、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、櫛歯状を有している。これにより、第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂは、表面パネル４０の大部分を覆うようになる。第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂの形状は、タッチセンサ２０の形状と近い形状となる。これにより、第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂの有無によって、表面パネル４０の視認性が変動することが抑制される。なお、この効果は、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂが市松模様であっても生じる。

また、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、櫛歯状を有している。そのため、第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂはそれぞれ、一つの電極により構成されている。すなわち、第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂはそれぞれ、電気的に接続されていない分離された部分（いわゆる浮島部分）を含まない。よって、第１検知電極３１Ａ及び第２検知電極３１Ｂへの配線の接続が容易である。なお、この効果は、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂが市松模様であっても生じる。

図８は、変形例に係る押圧センサ３０の検知電極３１の配置を示す平面図である。変形例に係る押圧センサ３０は、グランド電極（またはダミー電極）３５１を有する。その他の構成は、図４（Ｂ）に示した構成と同様である。

グランド電極３５１は、検知電極が配置されていない箇所に配置されている。グランド電極３５１も、全て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）、銀ナノワイヤー、またはポリチオフェンを主成分とする材料からなる。

変形例１の構成によれば、圧電フィルム３２の第２主面には、ベタ電極と同様に、全面にわたって電極が配置される。したがって、さらに電極の視認性を低減することができる。

なお、図８において、グランド電極３５１は、ベタ電極である。しかしながら、グランド電極３５１は、ベタ電極でなくてもよい。グランド電極３５１は、図３のタッチセンサ２０の第１電極２１又は第２電極２３と同じ形状を有していてもよい。すなわち、グランド電極３５１は、複数に分割されていてもよい。

なお、上記実施形態では、検知電極３１（第１検知電極３１Ａおよび第２検知電極３１Ｂ）は、ベタ部および延在部を有していた。しかし、例えば図９に示す様に、第１検知電極３１Ａおよび第２検知電極３１Ｂは、それぞれベタ部のみを有していてもよい。この場合も、図６に示した様に表面パネル４０の中心部分を押圧した場合も、図７に示した様に表面パネル４０の角部分を押圧した場合も、正の電位を検知し、かつ負の電位を検知しない。したがって、押圧センサ３０は、押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

また、延在部は櫛歯状になっている必要はない。例えば、図１０に示す様に、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、ベタ部３１１Ａおよびベタ部３１１Ｂと同様の形状であってもよい。図１０の例でも、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、Ｘ方向の端が最も長く、中心に近い箇所ほど短くなっている。また、延在部３１２Ａおよび延在部３１２Ｂは、正の電位を生じる第１領域および第２領域から、負の電位を生じる第３領域および第４領域に跨がって配置されている。したがって、押圧センサ３０は、押圧位置に関わらず、押圧を検出できることができる。

本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。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、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…表示装置
２０…タッチセンサ
２１…第１電極
２２…絶縁性基板
２３…第２電極
３０…押圧センサ
３１…検知電極
３１Ａ…第１検知電極
３１Ｂ…第２検知電極
３２…圧電フィルム
３３…グランド電極
４０…表面パネル
５０…筐体
７０…粘着剤
８０…回路基板
３１１Ａ…ベタ部
３１１Ｂ…ベタ部
３１２Ａ…延在部
３１２Ｂ…延在部
３５１…グランド電極

Claims (6)

1. 少なくとも一軸方向に延伸されたキラル高分子を有し、第１主面および第２主面を有する圧電フィルムと、
   前記第１主面または前記第２主面に配置される検知電極と、
   を備え、
   前記検知電極は、前記一軸方向を斜めに挟んで向かい合って配置されている第１検知電極および第２検知電極を有し、
   前記第１検知電極は、前記圧電フィルムの角部分に形成されているベタ部および一軸方向に沿って延在する延在部を有する、
   押圧センサ。
2. 前記第２検知電極は、前記一軸方向に沿って延在する延在部を有する、
   請求項１に記載の押圧センサ。
3. 前記延在部は、相対的に長い長部と、相対的に短い短部と、を有する、
   請求項２に記載の押圧センサ。
4. 前記延在部は、前記圧電フィルムの長辺の長さの半分よりも長い箇所を有する、
   請求項２または請求項３に記載の押圧センサ。
5. タッチ操作を検出するタッチセンサを備え、
   前記検知電極の形状は、前記タッチセンサの電極の形状に対応する、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の押圧センサ。
6. 前記圧電フィルムは矩形状であり、
   前記一軸方向は、前記圧電フィルムの辺に対して０±１０度の角度で配置されている、
   請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の押圧センサ。

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