WO2020080324A1 - 変形センサ、タッチパネル、および表示装置 - Google Patents

Abstract

折り畳み位置（Ｌ）で折り畳み可能であり、且つ折り畳まれた状態で屈曲している屈曲部（３）と、屈曲部（３）以外の平面部（４）と、平面部（４）に形成された曲げ部（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ１１，Ｂ１２）と、を有する筐体（１０２）に配置される圧電フィルム（１０）と、圧電フィルム（１０）の第１主面（１４）に形成された第１電極（１１）と、圧電フィルム（１０）の第２主面（１５）に形成された第２電極（１２）と、を備える。

Description

変形センサ、タッチパネル、および表示装置

　本発明は、変形センサ、およびこれを用いたタッチパネル、および表示装置に関する。

　特許文献１には、折り畳み可能なディスプレイおよび携帯端末機器が開示されている。

特開２０１８－７２６６３号公報

　特許文献１に記載の携帯端末機器においては、携帯端末機器全体が柔軟である。ユーザが携帯端末機器を操作する場合、携帯端末機器全体が変形しやすくなる。このため、押圧操作またはタッチ操作の操作性が悪くなる。

　そこで、本発明の目的は、フレキシブルな機器において操作性を向上させた変形センサ、およびこれを用いたタッチパネル、もしくは表示装置を提供することにある。

　本発明に係る変形センサは、折り畳み位置で折り畳み可能であり、且つ折り畳まれた状態で屈曲している屈曲部と、前記屈曲部以外の平面部と、前記平面部に形成された曲げ部と、を有する筐体に配置される圧電フィルムと、前記圧電フィルムの第１主面に形成された第１電極と、前記圧電フィルムの第２主面に形成された第２電極と、を備えていることを特徴とする。

　この構成では、ユーザは曲げ部に沿って筐体を折り曲げることができる。この折り曲げの操作は、従来のタッチ操作や押圧操作とは異なる。折り曲げの操作は筐体の一部のみを曲げる操作であるため、ユーザはフレキシブルな機器においても容易に操作することができる。

　本発明によれば、フレキシブルな機器において操作性を向上することができる。

図１（Ａ）は第一実施形態に係る変形センサを備えたタッチパネルの斜視図である。図１（Ｂ）はその折り畳んだ状態の斜視図である。 図２（Ａ）は図１（Ａ）に示すタッチパネルの断面図、図２（Ｂ）はその折り畳まれた状態の断面図、図２（Ｃ）はその開いた状態の平面図である。 図３（Ａ）は第一実施形態に係る圧電素子の分解斜視図、図３（Ｂ）はその平面図である。 図４（Ａ）は第一実施形態に係る圧電フィルムを説明するための図、図４（Ｂ）は第一実施形態に係るタッチパネルの使用方法を説明するための図である。 図５（Ａ）は第一実施形態の変形例に係るタッチパネルの平面図、図５（Ｂ）はその使用方法を説明するための図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は第二実施形態に係るタッチパネルを説明するための図である。 図７（Ａ）は第三実施形態に係る表示装置を、図７（Ｂ）は第四実施形態に係る表示装置を説明するための図である

　以下、本発明の実施形態に係る変形センサおよび変形センサを備えたタッチパネル、もしくは表示装置について、図を参照しながら説明する。なお、各図面において、説明の都合上、配線などは省略している。

　図１（Ａ）は第一実施形態に係る変形センサを備えたタッチパネルの斜視図である。図１（Ｂ）はその折り畳んだ状態の斜視図である。また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すタッチパネルはあくまで本発明の一例であり、これに限るものではなく、仕様に応じて形状等を適宜変更することができる。

　図２（Ａ）は図１（Ａ）に示すフレキシブルデバイスを図１（Ａ）に示すＩ－Ｉ線における断面図、図２（Ｂ）はその折り畳まれた状態の断面図、図２（Ｃ）はその開いた状態の平面図である。なお、図２（Ａ）および図２（Ｂ）は模式的な図であり、説明の都合上、変形センサの各部品の厚み等が大きく表されている。また、図２（Ｂ）においては、圧電フィルム１０、筐体１０２および表面パネル１０３以外の図示は省略している。

　図１（Ａ）に示すように、タッチパネル１００は、略直方体形状の筐体１０２を備える。タッチパネル１００は、筐体１０２に配置された平板状の表面パネル１０３を備える。表面パネル１０３は、ユーザが指またはペンなどを用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。以下では、筐体１０２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方向として説明する。

　図２（Ｂ）に示すように、タッチパネル１００の筐体１０２は、屈曲部３と、平面部４と、を有する。平面部４は、筐体１０２のうちの屈曲部３以外の部分である。屈曲部３は、可撓性を有する素材で形成されている。なお、平面部４も可撓性を有していてもよいが、屈曲部３より剛直な素材で形成されている。これにより、筐体１０２が折り畳み位置Ｌで折り畳まれたとき、屈曲部３は屈曲している。

　図１（Ｂ）に示すように、第一実施形態において、タッチパネル１００は、Ｘ方向に沿った折り畳み位置Ｌを折れ曲がり線として折り畳むことができる。すなわち、タッチパネル１００は、折り畳み位置Ｌを軸として開閉することができる。なお、タッチパネル１００は、屈曲部３にヒンジまたは蛇腹構造等を設けることにより開閉可能としてもよい。

　筐体１０２における表面パネル１０３の反対側は、裏面１０５である。図１（Ｂ）においては、タッチパネル１００は、裏面１０５が内側になるように、すなわち表面パネル１０３が表側になるように折り畳み位置Ｌで折り畳まれている。なお、図１（Ｂ）においては、表面パネル１０３が表側になるようにタッチパネル１００が折り畳まれた状態を示したが、タッチパネル１００は逆方向に折り畳むことも可能である。

　図２（Ａ）に示すように、タッチパネル１００は、筐体１０２の内側に変形センサ１を備える。変形センサ１は、表面パネル１０３の筐体１０２内側の面に形成されている。表面パネル１０３は透光性を有する。タッチパネル１００は、筐体１０２の内側に表示部１０４を備える。表面パネル１０３および表示部１０４とは互いに積層されて配置される。変形センサ１が透明である場合、変形センサ１は表示部１０４よりタッチパネル１００の表側に配置することができる。

　変形センサ１は、圧電素子２０および不図示の処理部と、を備える。圧電素子２０は、圧電フィルム１０、第１電極１１、および第２電極１２を備える。

　図３（Ａ）は第一実施形態に係る圧電素子の分解斜視図、図３（Ｂ）はそのＸ－Ｙ平面における平面図である。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、圧電フィルム１０、第１電極１１、および第２電極１２以外の図示は省略している。

　図３（Ａ）に示すように、圧電フィルム１０は矩形状に形成されており、第１主面１４および第１主面１４に対向する第２主面１５を有する。第１電極１１および第２電極１２は平膜状であり、平面視で圧電フィルム１０と同様に矩形状に形成されている。なお、圧電フィルム１０、第１電極１１、および第２電極１２の形状は、矩形状に限定されることなく、タッチパネル１００の形状または用途に合わせて適宜変更することができる。

　第１電極１１は、圧電フィルム１０の第１主面１４に配置されている。第２電極１２は、第１主面１４に対向する圧電フィルム１０の第２主面１５に配置されている。第２電極１２は、グランド電極である。従って、圧電素子２０は、グランド電極を基準とした電圧を出力する。なお、本明細書において説明の便宜上、グランド電位を０Ｖとして説明を行う。また、第１電極１１、または第２電極１２のいずれか一方がグランド電極であればよい。

　図３（Ｂ）のように圧電素子２０を平面視した時、第１電極１１および第２電極１２は、上面視で圧電フィルム１０と完全に重なるか、または圧電フィルム１０より面方向内側に位置していると良い。これにより、第１電極１１および第２電極１２との端部における短絡を抑制できる。

　表面パネル１０３にユーザが指またはペンなどを用いてタッチ操作を行うと、押圧力は表面パネル１０３を介して変形センサ１に伝わる。後で詳述するが、変形センサ１は、筐体１０２の曲げまたは、表面パネル１０３で受け付けた押圧操作による圧電フィルム１０の変形により電位を出力する。

　圧電フィルム１０は、屈曲部３と、平面部４とに亘って配置されている。すなわち、圧電フィルム１０は、タッチパネル１００の折り畳み位置Ｌを跨ぐように筐体１０２に配置されている。これにより、圧電フィルム１０が筐体１０２に対して一枚配置させればよいため、製造工程を簡易にできる。

　図２（Ｃ）に示すように、筐体１０２は、曲げ部Ｂ１を有する。曲げ部Ｂ１は、筐体１０２の平面部４に形成されている。筐体１０２において曲げ部Ｂ１に相当する部分は、可撓性を有する素材で形成されている。平面部４が可撓性を有する素材で形成されている場合、平面部４の曲げ部Ｂ１に相当する部分は、平面部４の曲げ部Ｂ１以外の部分より柔らかい素材で形成されている。なお、平面部４の曲げ部Ｂ１に相当する部分は、平面部４の曲げ部Ｂ１以外の部分より薄く形成されていてもよい。また、曲げ部Ｂ１にヒンジ等を設けていてもよい。

　曲げ部Ｂ１は、筐体１０２を平面視した場合の長辺５および短辺６に亘る直線上に形成されている。すなわち、筐体１０２の角に曲げ部Ｂ１が形成されている。このため、ユーザが曲げ部Ｂ１から筐体１０２の角側をつまむように把持しやすく、筐体１０２を曲げ部Ｂ１に沿って曲げる操作性が向上する。

　ユーザが曲げ部Ｂ１より筐体１０２の角側を把持して筐体１０２を曲げ部Ｂ１に沿って折り曲げた場合、曲げ部Ｂ１の折り曲げの影響は屈曲部３に及ばない。従って、ユーザが曲げ部Ｂ１を繰り返し曲げた場合であっても、筐体１０２における屈曲部３の劣化が抑制でき、タッチパネル１００の使用による劣化に対する耐久性が向上する。

　図３（Ｂ）に示すように、ユーザが筐体１０２を曲げ部Ｂ１で曲げた場合、圧電フィルム１０においては、平面視して筐体１０２の曲げ部Ｂ１に対応する位置Ｂ２が曲げられる箇所となる。なお、図３（Ｂ）においては、説明の便宜上、位置Ｂ２は第１電極１１を透過させて示されている。以下、圧電フィルム１０について説明する。

　図４（Ａ）は圧電フィルム１０を説明するための平面図、図４（Ｂ）はタッチパネル１００の使用方法を説明するための図である。

　圧電フィルム１０は、キラル高分子から形成されるフィルムであってもよい。キラル高分子として、第一実施形態では、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を用いている。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と圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電フィルム１０の平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧量により平板面が当該平板面に直交する方向へ変位する変位量に依存する。

　第一実施形態では、圧電フィルム１０（ＰＬＬＡ）の一軸延伸方向は、図４（Ａ）の矢印９０１に示すように、Ｙ方向およびＺ方向に対して４５度の角度を成す方向としている。この４５度には、例えば４５度±１０度程度を含む角度を含む。圧電フィルム１０は、曲げの操作により電荷を発生する。ここで、圧電フィルム１０は、延伸方向（矢印９０１）と平行または垂直の直線に沿って曲げられた場合には、正と負の電荷が同等発生するため互いに打ち消しあい、トータルとして電荷は生じない。また、圧電フィルム１０が押圧されることにより電荷が発生する。

　筐体１０２の曲げ部Ｂ１は、圧電フィルム１０の延伸方向（矢印９０１）と平行または垂直以外の直線に沿って形成される。圧電フィルム１０の位置Ｂ２は、圧電フィルム１０の延伸方向（矢印９０１）と平行または垂直以外の直線に沿って形成される。これにより、圧電フィルム１０が位置Ｂ２に沿って曲げられることにより電荷が発生する。

　ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じるため、ＰＶＤＦ等の他のポリマーまたは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。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦまたはＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。焦電性がないため、ユーザの指の温度または摩擦熱による影響が生じないため、変形センサ１を薄く形成することができる。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。従って、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

　圧電フィルム１０の両主面に形成されている第１電極１１および第２電極１２は、アルミニウムまたは銅等の金属系の電極を用いることができる。また電極に透明性が求められる場合、第１電極１１および第２電極１２は、ＩＴＯまたはＰＥＤＯＴなどの透明性の高い材料を用いることができる。このような第１電極１１および第２電極１２を設けることで、圧電フィルム１０が発生する電荷を不図示の処理部に出力し、処理部の回路において電圧に変換することで、曲げの屈曲量または押圧量に応じた電圧値が検出される。

　図４（Ｂ）に示すように、ユーザが筐体１０２を曲げ部Ｂ１で曲げた場合、圧電フィルム１０は位置Ｂ２に沿って曲げられる。圧電素子２０は、圧電フィルム１０の曲げの屈曲量に応じた電荷を不図示の処理部へ出力する。これにより、ユーザは、押圧操作以外の筐体１０２を曲げる操作で、タッチパネル１００を容易に操作することができる。

　なお、タッチパネル１００においては、筐体１０２を曲げ部Ｂ１で表面パネル１０３が内側になるように曲げる例を示したが、表面パネル１０３が外側になるように逆方向に曲げてもよい。筐体１０２の曲げる方向によって、圧電フィルム１０に生じる電荷の向きが異なる。従って、筐体１０２の曲げる方向によるタッチパネル１００の操作の種類が増える。

　筐体１０２を曲げ部Ｂ１で曲げた場合、曲げ部Ｂ１の長さが長い程、圧電フィルム１０の曲がる位置Ｂ２が長くなる。曲げ部Ｂ１の長さが長い程、圧電フィルム１０から発生する電荷の量が増える。従って、曲げ部Ｂ１の長さによって、圧電フィルム１０から発生する電荷の量を調整することができる。このため、筐体１０２に長さの異なる複数の曲げ部Ｂ１を形成することによって、それぞれの曲げ部Ｂ１に応じたタッチパネル１００の操作の種類を増やすことができる。

　なお、タッチパネル１００においては、曲げ部Ｂ１は筐体１０２の四隅のうちの一か所に形成されているが、これに限らず、例えば筐体１０２の四隅全てに形成されていてもよい。これにより、曲げ部Ｂ１の箇所に応じてタッチパネル１００にユーザが与える指示の選択肢を増やすことができる。

　図５（Ａ）は第一実施形態の変形例に係るタッチパネルの平面図、図５（Ｂ）はその使用方法を説明するための図である。第一実施形態の変形例に係るタッチパネル２００は、曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２の配置が異なること以外は第一実施形態と概ね同様の構成となっている。従って、第一実施形態の変形例においては、第一実施形態と異なるところについてのみ説明を行い、後は省略する。

　図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、タッチパネル２００は、曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２を有する。曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２は、筐体１０２を平面視した場合に対抗する長辺５同士に亘る直線上に形成されている。すなわち、曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２は、筐体１０２の二つの短辺６に平行にそれぞれ形成されている。このため、ユーザが筐体１０２の長手方向（Ｙ方向）の端部をつまむように把持するまたは押すことにより、筐体１０２を曲げ部Ｂ１１または曲げ部Ｂ１２に沿って曲げることができる。

　図５（Ａ）に示すように、ユーザが曲げ部Ｂ１１のみを曲げた場合、タッチパネル２００の圧電フィルム１０においては、曲げ部Ｂ１１の屈曲量に応じた電荷が生じる。同様にユーザが曲げ部Ｂ１２のみを曲げた場合、タッチパネル２００の圧電フィルム１０においては、曲げ部Ｂ１２の屈曲量に応じた電荷が生じる。また、ユーザが曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２を同時に曲げる場合は、タッチパネル２００の圧電フィルム１０においては、曲げ部Ｂ１１および曲げ部Ｂ１２の屈曲量に応じた電荷が生じる。これにより、曲げ部Ｂ１１または曲げ部Ｂ１２の箇所に応じた曲げ操作の選択肢を増やすことができる。

　図６（Ａ）および図６（Ｂ）は第二実施形態に係るタッチパネルを説明するための図である。第二実施形態に係るタッチパネル３００は、圧電フィルム６０にスリットＳ１およびスリットＳ２が形成されていること以外は第一実施形態と概ね同様の構成となっている。従って、第二実施形態においては、第一実施形態と異なるところについてのみ説明を行い、後は省略する。

　図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、タッチパネル３００の筐体１０２は、屈曲部３および平面部４を有する。圧電フィルム６０には、スリットＳ１およびスリットＳ２が形成されている。スリットＳ１およびスリットＳ２は、筐体１０２の平面部４に対応する位置に設けられている。スリットＳ１およびスリットＳ２は、筐体１０２の辺のうち屈曲部３から離れて位置する端辺、すなわち短辺６と屈曲部３との中心Ｃより屈曲部３に近い位置に設けられている。

　タッチパネル３００の筐体１０２を折り畳み位置Ｌで折り畳まれた状態において、屈曲部３における圧電フィルム１０の変形は、スリットＳ１およびスリットＳ２によって遮断される。これにより、筐体１０２を折り畳み位置Ｌで折り畳んだ場合にであっても、筐体１０２の折り畳みの影響は、平面部４側に形成されている曲げ部Ｂ２に影響しない。従って、曲げ部Ｂ２の変形によって生じる出力は、筐体１０２の折り畳みの影響を受けにくくなるため、筐体１０２を折り畳んだ状態においても、筐体１０２を広げた状態と同様に曲げ部Ｂ２の操作による出力が得られる。

　図６（Ｂ）に示すように、ユーザが筐体１０２の平面部４における位置Ｐに押圧操作を加える場合について説明する。圧電フィルム１０にスリットＳ１が形成されていることにより、圧電フィルム１０は位置ＰのスリットＳ１側で固定されていない状態である。ユーザが位置Ｐに押圧操作を加えた場合、位置ＰのスリットＳ１側の圧電フィルム１０の伸びが、短辺７側の圧電フィルム１０の伸びに比べて小さくなる。このため、圧電フィルム１０のＹ方向の伸びは、Ｘ方向の伸びに比べて小さくなる。ここで、ユーザが位置Ｐに押圧操作を加えた場合、Ｘ方向の伸びによって圧電フィルム６０から生じる電荷が正の電荷であり、Ｙ方向の伸びによって圧電フィルム６０から生じる電荷が負の電荷である場合、発生する正の電荷は負の電荷に比べて大きい。従って、圧電フィルム６０から生じる電荷の出力を増加させることができる。

　図７（Ａ）は第三実施形態に係る表示装置を、図７（Ｂ）は第四実施形態に係る表示装置を説明するための図である。図７（Ａ）においては、圧電素子２１の形状および位置が第一実施形態の圧電素子２０と異なること以外は第一実施形態と概ね同様の構成となっている。図７（Ｂ）においては、圧電素子２２、圧電素子２３の形状および位置が第一実施形態の変形例の圧電素子２０と異なること以外は第一実施形態と概ね同様の構成となっている。従って、第三実施形態および第四実施形態においては、第一実施形態または第一実施形態の変形例と異なるところについてのみ説明を行い、後は省略する。なお、図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、表示装置４００および表示装置５００の平面図であるが、圧電素子２１、圧電素子２２および圧電素子２３を透過させて表している。

　図７（Ａ）に示すように、第三実施形態に係る表示装置４００は、圧電素子２１を備える。圧電素子２１は、曲げ部Ｂ１の形成されている箇所に配置されている。圧電素子２１は、第一実施形態の圧電素子２０と比べると小さい。このため、表示装置４００は、より薄型に形成することができる。また、圧電素子２１が、屈曲部３と離れて配置されているため、屈曲部３の筐体１０２の変形による影響を受けにくく耐久性が向上する。

　図７（Ｂ）に示すように、第四実施形態に係る表示装置５００は、圧電素子２２および圧電素子２３を備える。圧電素子２２は、曲げ部Ｂ１１の形成されている箇所に配置されている。圧電素子２３は、曲げ部Ｂ１２の形成されている箇所に配置されている。圧電素子２２および圧電素子２３は、第一実施形態の変形例の圧電素子２０と比べると小さい。このため、表示装置５００は、より薄型に形成することができる。また、圧電素子２２および圧電素子２３が、屈曲部３と離れて配置されているため、屈曲部３の筐体１０２の変形による影響を受けにくく耐久性が向上する。

　なお、各実施形態において、変形センサを備えた例を示したが、これに限らず、さらに静電容量センサを備えていてもよい。例えば、タッチパネル１００は、第１電極１１および第２電極１２とは別に不図示の静電容量検出用の電極を備えていてもよい。静電容量検出用の電極は、圧電フィルム１０で生じる静電容量を出力する。これにより、タッチパネル１００は押圧操作だけでなく、タッチ操作も検知することができる。

　最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。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、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。

１…変形センサ
３…屈曲部
４…平面部
５…長辺（二辺）
６，７…短辺（二辺）
１０，６０…圧電フィルム
１１…第１電極
１２…第２電極
１４…第１主面
１５…第２主面
１００，２００，３００…タッチパネル
４００，５００…表示装置
１０２…筐体
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ１１，Ｂ１２…曲げ部
Ｌ…折り畳み位置
Ｓ１，Ｓ２…スリット

Claims (9)

1. 　折り畳み位置で折り畳み可能であり、且つ折り畳まれた状態で屈曲している屈曲部と、前記屈曲部以外の平面部と、前記平面部に形成された曲げ部と、を有する筐体に配置される圧電フィルムと、
   　前記圧電フィルムの第１主面に形成された第１電極と、
   　前記圧電フィルムの第２主面に形成された第２電極と、
   　を備える、
   　変形センサ。
2. 　前記曲げ部は、前記筐体の二辺に亘る直線上に形成される、
   　請求項１に記載の変形センサ。
3. 　前記圧電フィルムは、前記屈曲部を跨ぐように前記筐体に配置されている、
   　請求項１または請求項２に記載の変形センサ。
4. 　前記圧電フィルムはスリットが設けられ、
   　前記スリットは、前記平面部において前記筐体の辺のうち前記屈曲部から離れて位置する端辺と前記屈曲部との中心より前記屈曲部に近い位置に設けられている、
   　請求項３に記載の変形センサ。
5. 　前記圧電フィルムは、キラル高分子を含む、
   　請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の変形センサ。
6. 　前記キラル高分子はポリ乳酸である、
   　請求項５に記載の変形センサ。
7. 　前記曲げ部は、前記圧電フィルムの延伸方向と平行または垂直以外の直線に沿って形成される、
   　請求項５または６に記載の変形センサ。
8. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の変形センサを備える、
   　タッチパネル。
9. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の変形センサを備える、
   　表示装置。

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