(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電センサ内で位置検出と荷重検出ができる圧電センサを提供する。【解決手段】圧電センサ１０は、入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層１１と、前記圧電層の第１主面に配置される第１電極１２と、前記圧電層１１の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極１３と、前記第１電極１２に接続される第１共振回路ＲＣ１と、前記第１電極１２に接続される第１検出部２０と、を備えるように構成した。【選択図】図１
2014238268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１検出部と、
を備える圧力検出装置。
【請求項２】
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１マルチプレクサと、
前記第１マルチプレクサに接続される第１検出部と、を備え、
前記第１電極は、前記第１共振回路に接続される第１電極部を複数備え、
前記第１マルチプレクサは、前記第１検出部に対して複数の前記第１電極部を切替えて接続する圧力検出装置。
【請求項３】
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１マルチプレクサと、
前記第１マルチプレクサに接続される第１検出部と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第２電極に接続される第２共振回路と、
前記第２電極と前記第２共振回路に接続される第２マルチプレクサと、
前記第２マルチプレクサに接続される第２検出部と、を備え、
前記第１電極は、前記第１共振回路に接続される第１電極部を複数有し、
前記第１マルチプレクサは、前記第１検出部に対して複数の前記第１電極部を切替えて接続し、
前記第２電極は、前記第２共振回路に接続される第２電極部を複数有し、
前記第２マルチプレクサは、前記第２検出部に対して複数の前記第２電極部を切替えて接続する圧力検出装置。
【請求項４】
前記第１電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第２電極部は、一の方向と交差する方向に配置される請求項３の圧力検出装置。
【請求項５】
前記共振回路がバラクタを備える請求項１〜４の圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５の圧力検出装置とタッチパネルを備えた入力装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重に応じた圧電信号を発生する圧電センサに関し、特に荷重が与えられた位置を検出できる圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
与えられた荷重を検出するため、圧電シートを用いた圧電センサが知られている。例えば、特許文献１には、透明感圧層と、一対の透明導電層からなる透明圧電センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２５５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の透明圧電センサでは、圧電シートから発生する電荷は非常に小さいため、圧電シートから発生した電荷を検出することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００６】
本発明の圧力検出装置は、
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１検出部とを備えるように構成した。
【０００７】
本発明の圧力検出装置は、
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１マルチプレクサと、
前記第１マルチプレクサに接続される第１検出部と、を備え、
前記第１電極は、前記第１共振回路に接続される第１電極部を複数備え、
前記第１マルチプレクサは、前記第１検出部に対して複数の前記第１電極部を切替えて接続するように構成した。
【０００８】
本発明の圧力検出装置は、
入力手段によって押圧されると電荷を発生する圧電層と、
前記圧電層の第１主面に配置される第１電極と、
前記第１電極に接続される第１共振回路と、
前記第１電極と前記第１共振回路に接続される第１マルチプレクサと、
前記第１マルチプレクサに接続される第１検出部と、
前記圧電層の前記第１主面とは反対側の第２主面に配置される第２電極と、
前記第２電極に接続される第２共振回路と、
前記第２電極と前記第２共振回路に接続される第２マルチプレクサと、
前記第２マルチプレクサに接続される第２検出部と、を備え、
前記第１電極は、前記第１共振回路に接続される第１電極部を複数有し、
前記第１マルチプレクサは、前記第１検出部に対して複数の前記第１電極部を切替えて接続し、
前記第２電極は、前記第２共振回路に接続される第２電極部を複数有し、
前記第２マルチプレクサは、前記第２検出部に対して複数の前記第２電極部を切替えて接続するように構成した。
【０００９】
本発明の一態様によれば、
前記第１電極部は、一の方向に平行な方向に配置され、
前記第２電極部は、一の方向に対して垂直な方向に配置されるように構成してもよい。
【００１０】
本発明の一態様によれば、
前記共振回路は、バラクタを備えていてもよい。
【００１１】
本発明の一態様によれば、上記圧力検出装置とタッチパネルを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る圧電センサでは、圧電シートから発生する電荷が非常に小さくても、圧電シートから発生した電荷を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】圧力検出装置の概念図である。
【図２】圧力検出装置の概念図である。
【図３】図２のＡ-Ａ’断面図である。
【図４】圧力検出装置の概念図である。
【図５】圧電センサの変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
下記で、本発明に係る実施形態を図面に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明の実施例に記載した部位や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１５】
１． 第１実施形態
（１）圧力検出装置の全体構造
図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図１は圧力検出装置の概略図である。
【００１６】
圧力検出装置は、与えられた荷重の量と位置を検出する機能を有している。
図１に示すように、圧力検出装置１は、圧電センサ１０と、第１検出部２０と、第１共振回路ＲＣ１を有している。圧電センサ１０は、圧電層１１と、第１電極１２と、第２電極１３からなる。第１電極１２は、圧電層１１の第１主面に配置され、第１共振回路ＲＣ１を介して第１検出部２０と電気的に接続されている。第２電極１３は、圧電シート１１の第１主面とは反対側の第２主面に配置され、アースＥと接続されている。なお、第１電極１２と第２電極１３は、それぞれ圧電層１１の一面にわたって配置されている。以下で、圧力検出装置１の構成を詳細に説明する。
【００１７】
（２）圧電センサ
圧電センサ１０は、与えられた荷重に応じて電荷を発生させる装置である。図１に示すように、圧電センサ１０は、圧電層１１と、第１電極１２と、第２電極１３からなる。
【００１８】
（３）圧電層
圧電層１１を構成する材料としては、無機圧電材料や有機圧電材料が挙げられる。
【００１９】
無機圧電材料としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどが挙げられる。
【００２０】
有機圧電材料としては、フッ化物重合体又はその共重合体、キラリティーを有する高分子材料などが挙げられる。フッ化物重合体又はその共重合体としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体などが挙げられる。キラリティーを有する高分子材料としては、Ｌ型ポリ乳酸や、ＲＣ型ポリ乳酸などが挙げられる。
【００２１】
また、圧力検出装置１を、タッチパネルを備えた表示装置に適用する場合には、圧電シートを透明な材料により構成するか、又は、光が十分に透過できる程度に薄く構成することが好ましい。
【００２２】
（４）電極
このような第１電極１２、第２電極１３は、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、スズ−亜鉛酸化物（Ｔｉｎ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ、ＴＺＯ）などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰｏｌｙｅＴｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙＴｈｉｏｐｈｅｎｅ、ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子、などを用いることができる。この場合、上記の電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて形成できる。
【００２３】
また、導電性を有する材料として、銅、銀などの導電性の金属を用いてもよい。この場合、上記の電極は、蒸着により形成してもよく、銅ペースト、銀ペーストなどの金属ペーストを用いて形成してもよい。
【００２４】
さらに、導電性を有する材料として、バインダー中に、カーボンナノチューブ、金属粒子、 金属ナノファイバーなどの導電材料が分散したものを用いてもよい。
【００２５】
（５）共振回路
第１共振回路ＲＣ１は、外部から加わったエネルギーに反応して振動や共鳴などの現象を生じる電気回路であり、ＲＬＣ回路、ＬＣ回路からなる。なお、第１共振回路ＲＣ１は、バラクタを備えている。
【００２６】
（６）検出部
第１検出部２０は、第１共振回路ＲＣ１における周波数の変化を検出する機器である。すなわち、第１検出部２０は、第１共振回路ＲＣ１の共振周波数の変化を検出するものである。
【００２７】
上記のように、圧力検出装置１が構成されていると、第１電極１２は、第１共振回路ＲＣ１に接続されているため、圧電層１１で発生した電荷は、第１電極１２を経由して第１共振回路ＲＣ１に流れ込む。すると、流れ込んだ電荷によって、バラクタにバイアス電圧が加わり第１共振回路ＲＣ１の周波数は変化する。その結果、圧電層１１が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、第１共振回路ＲＣ１の変化を第１検出部２０で検出すれば、上記電荷を容易に検出できるものとなっている。
【００２８】
２．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。基本的な構造は、第１実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
【００２９】
（１）圧力検出装置の全体構造
図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図２は圧力検出装置１の概略図である。図３は、図２のＡ‐Ａ’断面図である。
【００３０】
図２に示すように、圧力検出装置１は、圧電センサ１０と、第１検出部２０と、第１共振回路ＲＣ１と、第１マルチプレクサＭ１を有している。
【００３１】
図３に示すように、圧電センサ１０は、圧電層１１と、第１電極１２と、第２電極１３を備えている。第１電極１２は圧電層１１の第１主面に配置され、第１電極部１２０を複数備えている。上記第１電極部１２０は、圧電層１１のＹ軸方向に平行に配列され、それぞれ第１共振回路ＲＣ１と接続されている。なお、第１電極１２と第１共振回路ＲＣ１は、第１マルチプレクサＭ１を介して第１検出部２０と接続されている
第２電極１３は、圧電層１１の第１主面とは反対側の第２主面に配置されている。図示しないが、第２電極１３は、第２主面の一面に配置され、アースＥと接続されている。
【００３２】
（２）マルチプレクサ
第１マルチプレクサＭ１は、複数の入力をひとつの信号として出力する装置である。具体的には、複数の第１電極部１２０の中から１つの第１電極部１２０を選択し、選択された第１電極部１２０と第１検出部２０と接続する装置である。
【００３３】
また、第１電極部１２０の切替は、マイコンやカスタムＩＣなどの記憶部に記憶されたプログラムを、ＣＰＵなどに実行させることにより実現してもよい。
【００３４】
上記のように、圧力検出装置１が構成されると、第１電極部１２０は、第１共振回路ＲＣ１に接続されているため、圧電層１１で発生した電荷は、第１電極部１２０を経由して第１共振回路ＲＣ１に流れ込む。すると、流れ込んだ電荷によってバラクタにバイアス電圧が加わり、第１共振回路ＲＣ１の周波数は変化する。その結果、圧電層１１が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、第１共振回路ＲＣ１の変化を第１検出部２０で検出すれば、上記電荷を容易に検出できるものとなっている。
【００３５】
さらに、第１電極部１２０は、Ｙ軸方向に平行に複数配置されている。また、上記第１電極部１２０は、第１マルチプレクサＭ１を介して第１検出部２０と接続されている。
そのため、第１検出部２０で検出された電荷が、複数存在する第１電極部１２０のうち、いずれの第１電極部１２０を経由したかを第１マルチプレクサＭ１で検出することができる。その結果、圧電センサ１０にかけられた荷重について、Ｘ軸方向の荷重位置を特定することができるものとなっている。
【００３６】
３．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について説明する。基本的な構造は、第１〜第２実施形態と同じであるので、相違点について説明する。
【００３７】
（１）圧力検出装置の全体構造
図４を用いて、本発明の第３実施形態に係る圧力検出装置の全体構造を説明する。図４は圧力検出装置の概略図である。
【００３８】
図４に示すように、圧力検出装置１は、圧電センサ１０と、第１検出部２０と、第２検出部２１と、第１共振回路ＲＣ１と、第２共振回路ＲＣ２と、第１マルチプレクサＭ１と、第２マルチプレクサＭ２を有している。
【００３９】
圧電センサ１０は、圧電層１１と、第１電極１２と、第２電極１３を有している。第１電極１２は、圧電層１１の第１主面に配置され、第１電極部１２０を複数有している。複数の第１電極部１２０は、圧電層１１のＹ軸方向に平行に配列され、第１共振回路ＲＣ１にそれぞれ接続されている。なお、第１電極部１２０と第１共振回路ＲＣ１は、第１マルチプレクサＭ１を介して第１検出部２０と接続されている。
【００４０】
第２電極１３は、圧電層１１の第１主面とは反対側の第２主面に配置され、第２電極部１３０を複数備えている。複数の第２電極部１３０は、圧電層１１のＸ軸方向に平行に配列され、第２共振回路ＲＣ２にそれぞれ接続されている。なお、第２電極部１３０と第２共振回路ＲＣ２は、第２マルチプレクサＭ２を介して第２検出部３１と接続されている。
【００４１】
（２）マルチプレクサ
第１マルチプレクサＭ１、第２マルチプレクサＭ２は、複数の入力をひとつの信号として出力する装置である。第１マルチプレクサＭ１は、複数の第１電極部１２０の中から１つの第１電極部１２０を選択し、選択された第１電極部１２０と第１検出部２０と接続する装置である。第２マルチプレクサＭ２は、複数の第２電極部１３０の中から１つの第２電極部１３０を選択し、選択された第２電極部１３０と第２検出部２５と接続する装置である。  
【００４２】
（３）検出部
第１検出部２０と第２検出部２１は、第１共振回路ＲＣ１と第２共振回路ＲＣ２における周波数の変化をそれぞれ検出する機器である。すなわち、第１検出部２０と第２検出部２１は、第１共振回路ＲＣ１や第２共振回路ＲＣ２に流れ込んだとき、第１共振回路ＲＣ１や第２共振回路ＲＣ２の共振周波数の変化を検出するものである
【００４３】
（４）共振回路
第１共振回路ＲＣ１と第２共振回路ＲＣ２は、外部から加わったエネルギーに反応して振動や共鳴などの現象を生じる電気回路であり、ＲＬＣ回路、ＬＣ回路からなる。なお、第１共振回路ＲＣ１と第２共振回路ＲＣ２は、バラクタを備えていることが好ましい。
【００４４】
上記のように、圧力検出装置１が構成されていると、第１電極部１２０は第１共振回路ＲＣ１と接続され、第２電極部１３０は第２共振回路ＲＣ２と接続される。そのため、圧電層１１で発生した電荷は、第１電極部１２０や第２電極部１３０を経由して、第１共振回路ＲＣ１、第２共振回路ＲＣ２に流れ込む。すると、流れ込んだ電荷によって、バラクタにバイアス電圧が加わり第１共振回路ＲＣ１や第２共振回路ＲＣ２の周波数は変化する。
その結果、圧電層１１が押圧されたとき発生する電荷が微弱であっても、上記電荷を容易に検出できるものとなっている。
【００４５】
さらに、第１電極１２は、Ｙ軸方向に平行に配置された第１電極部１２０を複数有し、第１電極部１２０は、第１マルチプレクサＭ１と接続されている。
そのため、第１検出部２０で検出された電荷が、複数存在する第１電極部１２０のうち、いずれの第１電極部１２０を経由したかを第１マルチプレクサＭ１で検出できる。その結果、圧電センサ１０にかけられた荷重について、Ｘ軸方向の荷重位置を特定することができる。
【００４６】
また、第２電極１３は、Ｙ軸方向とは垂直なＸ軸方向に平行に配置された第２電極部１３０を複数有し、第２電極部１３０は、第２マルチプレクサＭ２と接続されている。
そのため、第２検出部２１で検出された電荷が、複数存在する第２電極部１２０のうち、いずれの第２電極部１２０を経由したかを第２マルチプレクサＭ２で検出できる。その結果、圧電センサ１０にかけられた荷重について、Ｙ軸方向の荷重位置を特定することができる。
【００４７】
従って、上記第１マルチプレクサＭ１、第２マルチプレクサＭ２で得られた検出結果を組合せることにより、圧電センサ１０にかけられた荷重位置を検出できるようになっている。なお、荷重のかかった箇所が複数に及んだ場合も同様である。すなわち、上記圧力検出装置１によれば、マルチフォースが可能となっている。
【００４８】
４．第４実施形態
上記では、第１電極１２と第２電極１３に圧電層１１が挟まれた構成について説明してきたが、第１電極１２と第２電極１３の間に基準電極１１４が設けられていてもよい。
【００４９】
図５は、第４実施形態にかかる圧電センサの断面図である。
【００５０】
図５に示すように、第４実施形態の圧電センサ１０は、第１電極１２と第２電極１３の間に基準電極１１４が設けられている。第１電極１２と基準電極１１４の間には第１圧電層１１０が設けられている。第２電極１３と基準電極１１４の間には第２圧電層１１１が設けられている。第１圧電シート１１０と第２圧電シート１１１の材質は、圧電層１１と同じである。基準電極１１４の材質も、第１電極１２や第２電極１３と同じである。
このように、第１電極１２と第２電極１３との間に基準電極４０が設けられると、第１圧電シート１１０や第２圧電シート１１１で発生した電荷を第１電極１２と第２電極１３とで独立して検出できる。その結果、検出回路の設計が簡易になる。
【００５１】
５．その他の実施形態
上記では、与えられた荷重の位置と量を圧電センサ１０で検出する例を示した。しかし、圧電センサ１０の上にタッチパネル５０を積層することで、与えられた荷重の位置と量を検出してもよい。
圧電センサ１０の上にタッチパネル５０を積層することにより、与えられた荷重が圧電センサ１０で検出できないほど小さい場合（フェザータッチの場合）でも、タッチパネル５０を用いて与えられた荷重の位置を検出できる。
【符号の説明】
【００５２】
１：圧力検出装置
１０：圧電センサ
１１：圧電層
１２：第１電極
１３：第２電極
２０：第１検出部
ＲＣ１：第１共振回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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