(57)【要約】【課題】圧力検出装置において、圧電シートの材料を減らすことでコストを低くする。【解決手段】圧力検出装置１は、ガラス９と、圧電センサ１１とを備えている。圧電センサ１１は、ガラス９の第２主面９ａの外周側部分にのみ設けられている。圧電センサ１１は、圧電シート１３と、圧電シート１３の一面に形成された圧電検出電極１５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の主面の外周側部分にのみ設けられており、圧電シートと、前記圧電シートの少なくとも一面に形成された電極とを有する圧電センサと、
を備えた圧力検出装置。
【請求項２】
前記電極は前記圧電シートに対応して配置されている、請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記圧電センサは、前記基材の互いに対向する二辺に少なくとも形成されている、請求項１又は２に記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記圧電センサは、前記基材の外周縁全体に沿って設けられている、請求項３に記載の圧力検出装置。
【請求項５】
前記電極は、前記圧電シートの内周側と外周側とにそれぞれ並んで配置された第１電極及び前記第２電極を有しており、
前記第１電極からの出力と前記第２電極からの出力との差を算出する減算部をさらに備えている、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出装置。
【請求項６】
前記基材への接触を検出する接触検出部をさらに備えている、請求項１〜５のいずれかに記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、与えられた荷重に応じた圧電信号を発生する圧電シートを用いた、圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルへの押圧量を検出するため、圧電シートを用いた圧力センサが従来知られている。例えば、特許文献１には、透明感圧層と、一対の透明導電膜層と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２００６−１６３５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたような圧電シートを用いた圧力センサにおいては、圧力センサはタッチパネルの全面にわたって配置されている。したがって、圧力センサの材料が多くなり、さらには全体の厚みも増加する。
【０００５】
本発明の課題は、圧力検出装置において、圧電シートの材料を減らすことでコストを低くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
【０００７】
本発明の一見地に係る圧力検出装置は、基材と、圧電センサとを備えている。圧電センサは、基材の主面の外周側部分にのみ設けられている。圧電センサは、圧電シートと、圧電シートの少なくとも一面に形成された電極とを有する。
この装置では、基材に荷重が作用すると、圧電シートにも荷重が作用し、その結果圧電シートに電荷が発生する。
この場合、圧電センサが基材に設けられている位置が基材の主面の外周側部分のみであるので、圧電センサが基材の全面に設けられた構造に比べて、圧電シートの材料を減らすことができ、その結果コストを低くできる。
なお、「外周側部分にのみ設けられている」とは、圧電センサが基材の外周側部分の少なくとも一部には形成されており、基材の外周側部分より内周側つまり中央側部分には形成されていないことを意味する。
また、「基材」とは、外部からの荷重を受けるための部材であればよく、例えば従来のガラス基板及びタッチパネルを含む。
【０００８】
電極は圧電シートに対応して配置されていてもよい。
この装置では、電極の配置が圧電シートに対応しているので、ノイズに強くなったり、コストダウンを実現できたりする。
なお、「圧電シートに対応して配置」とは、電極が圧電シートに対して少なくとも一部が平面視で重なっている状態を意味しており、両者の形状及び位置が完全に一致している場合に限定されない。
【０００９】
圧電センサは、基材の互いに対向する二辺に少なくとも形成されていてもよい。
この装置では、圧電センサは基材からの荷重を少ない材料で受けることができる。
【００１０】
圧電センサは、基材の外周縁全体に沿って設けられていてもよい。
この装置では、圧電センサは基材からの荷重を均等に受けることができる。
【００１１】
電極は、圧電シートの内周側と外周側とにそれぞれ並んで配置された第１電極及び第２電極を有していてもよい。その場合、圧力検出装置は、第１電極からの出力と第２電極からの出力との差を算出する減算部をさらに備えている。
この装置では、減算部が第１電極からの出力と第２電極からの出力との差を算出する。その差を算出することで例えば外部ノイズ又は焦電性の影響が相殺されるので、荷重が正確に検出される。
【００１２】
より詳細に説明すれば、基材に荷重が作用すれば、圧電シートがたわんでシート厚み方向の応力が発生する。ここで、基材がたわむことによって、第１電極に対応する圧電シート部分には圧縮応力が作用するものの、第２電極に対応する圧電シート部分には引っ張り応力が作用する。そのため、押圧荷重によって発生する電荷の極性は第１電極と第２電極とで反対になり、それぞれの電荷同士の差が押圧力に対応する電荷になる。それに対して、外部ノイズ又は焦電性の影響により発生する電荷の極性は第１電極と第２電極とで同じになり、それぞれの電荷同士の差はゼロになる。以上の結果、押圧力によって発生する出力に他の原因で発生する出力が混在していても、第１電極及び第２電極における電荷同士の差分を取ることで、押圧力によって発生する出力のみを検出できる。この結果、押圧力の測定が正確になる。
圧力検出装置は、基材への接触を検出する接触検出部をさらに備えていてもよい。接触検出部は、抵抗膜式や静電容量方式など、従来の各種タッチセンサを採用可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る圧力検出装置では、圧電シートの材料を減らすことでコストを低くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る圧力検出装置の概略図。
【図２】第１実施形態の圧力検出装置の圧電センサの下面図。
【図３】圧電信号検出部の構造を示す概略図。
【図４】圧電信号検出部の他の構造を示す概略図。
【図５】圧電センサの他の配置を示す図。
【図６】圧電センサの他の配置を示す図。
【図７】圧電センサの他の配置を示す図。
【図８】第２実施形態の圧力検出装置の圧力センサの断面図。
【図９】第２実施形態の変形例を示す、圧電センサの上面図。
【図１０Ａ】第３実施形態の圧力検出装置の圧電センサの上面図。
【図１０Ｂ】図１０Ａの圧力検出装置のＡ−Ａ’線にて切断した断面図。
【図１１】第４実施形態の圧電センサの配置を示す図。
【図１２】第４実施形態の圧電センサを押圧したときの模式的断面図。
【図１３】図１２の部分拡大図。
【図１４】圧電信号検出部の構造を示す概略図。
【図１５】２つの出力の差分を取ったグラフ。
【図１６】圧電信号検出部の構造の変形例を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．第１実施形態
（１）圧力検出装置の全体構造
まず、本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置１の全体構造について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置の概略図である。
【００１６】
圧力検出装置１は、押圧荷重を測定する機能を有している。
圧力検出装置１は、圧電部３と、圧電信号検出部５と、制御部７とを有している。圧電部３は、与えられた荷重に応じた圧電信号を発生する部材であり、ガラス９と、圧電センサ１１とを有している。圧電信号検出部５は、圧電部３にて発生した圧電信号を検出する装置である。制御部７は、圧電信号検出部５との間で信号を送受信することで、圧力検出装置１の各種動作を制御する装置である。以下、圧力検出装置１の構成を詳細に説明する。
【００１７】
（２）圧電部
圧電部３は、ガラス９と、圧電センサ１１とを有している。ガラス９は、第１主面９ａと第２主面９ｂとを有する。第２主面９ｂ上には、圧電センサ１１が形成されている。圧電センサ１１は、図１及び図２に示すように、ガラス９の第２主面９ｂの外周部分において枠状に（つまり細長い形状で全体を囲むように延びて）形成されている。つまり、圧電センサ１１は、第２主面９ｂの外周縁全体に沿って形成されている。圧電センサ１１の配置位置は、例えば表示装置が設けられる装置の場合に、表示装置よりも外側にあるいわゆる額縁部分に対応している。なお、図２は、第１実施形態の圧力検出装置の圧電センサの下面図である。
【００１８】
圧電センサ１１は、主に、圧電シート１３と、圧電検出電極１５と、基準電極１７とを有している。圧電検出電極１５は、圧電シート１３のガラス９側の面に形成されている。基準電極１７は、圧電シート１３のガラス９と反対側の面に形成されている。圧電センサ１１では、圧電検出電極１５と基準電極１７との間には、圧電シート１３に与えられた荷重に応じた圧電信号が発生する。なお、圧電検出電極と基準電極は位置が入れ替わっていてもよい。
以上に述べたように圧電検出電極１５と基準電極１７が圧電シート１３に対応して配置されているので、ノイズに強くなったり、コストダウンを実現できたりする
なお、圧力検出装置１は、圧電部３を支持するための筐体１６を有している。具体的には、圧電センサ１１が筐体１６の上面に支持又は固定されている。筐体１６は、剛性が高い部材であることが好ましい。筐体１６には表示装置が装着されていてもよい。
【００１９】
（３）圧電シート
圧電シート１３を構成する材料としては、セラミック圧電材料、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。
セラミック圧電材料としては、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。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、Ｒ型ポリ乳酸などが挙げられる。
【００２０】
また、圧力検出装置１を、表示装置や、タッチパネルを備えた表示装置に適用する場合には、圧電部３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。ただし、圧電センサ１１はガラス９の外周縁部部分にのみ形成されているので、表示装置に重ならない場合があり、その場合には上記の条件は緩和される。
【００２１】
（４）電極
圧電検出電極１５、基準電極１７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。
【００２２】
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。
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。
さらに、筐体１６に接する基準電極１７は、例えば筐体１６側においてガラス又はタッチパネルを支持する金属板（例えば、ＳＵＳ製）によって構成してもよい。
【００２３】
なお、圧力検出装置１を、表示装置や、タッチパネルを備えた表示装置に適用する場合には、圧電部３と同様、圧電検出電極１５、基準電極１７も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。ただし、圧電センサ１１はガラス９の外周縁部部分にのみ形成されているので、表示装置に重ならない場合があり、その場合には上記の条件は緩和される。
【００２４】
（５）圧電信号検出部（簡略説明）
図１に示すように、圧電信号検出部５は、２つの入力を有している。１つの入力は、圧電検出電極１５に接続されている。もう１つの入力は、基準電極１７に接続されている。
以上の構成により、圧電信号検出部５は、圧電シート１３が押圧されたときに、圧電検出電極１５と基準電極１７との間（すなわち、圧電シート１３の両主面間）に発生する圧電信号を検出できる。
なお、圧電信号検出部５の構造は、後に詳しく説明する。
【００２５】
（６）制御部
制御部７は、圧電信号検出部５に接続されている。
制御部７は、圧電信号検出部５において圧電信号を検出不可能にすることと、圧電信号検出部５において圧電信号を検出可能とすることを切り替えるための圧電信号検出指令信号を出力可能である。
【００２６】
制御部７は、例えば、圧力検出装置１のドライブシステムに含めることができる。当該ドライブシステムは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、記憶部、及び圧電センサをドライブするためのインターフェースなどを備えたマイコンであってもよい。又は、当該ドライブシステムは、カスタムＩＣなどにより１つのＩＣに集約されていてもよい。
また、制御部７の上記機能は、上記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やカスタムＩＣなどに実行させることにより実現してもよい。
【００２７】
（７）圧電信号検出部（詳細説明）
圧電信号検出部５の構造について、図３を用いて説明する。図３は、圧電信号検出部の構造を示す概略図である。
圧電信号検出部５は、積分回路３１と、信号制御器３３と、を主に有する。積分回路３１は、２つの入力を有している。１つの入力は圧電センサ１１の圧電検出電極１５と接続され、もう１つの入力は基準電極１７に接続されている。以上の構成により、積分回路３１には、圧電検出電極１５と基準電極１７との間に発生する圧電信号が入力可能となっている。
【００２８】
積分回路３１は、入力した圧電信号を積分して検出する。これにより、圧電シート１３に対する押圧力の変化量に起因して発生する微小な圧電信号から、精度良く圧電センサ１１への押圧力を測定できる。
なお、本実施形態において用いた積分回路３１の構成については、後述する。
【００２９】
信号制御器３３は、積分回路３１と制御部７とに接続されている。なお、信号制御器３３は、積分回路３１のキャパシタンス３９（後述）と並列に接続されている。これにより、信号制御器３３が信号通過状態になったときに、積分回路３１において積算された圧電信号をリセットし、積分回路３１の出力を０にすることができる。
また、信号制御器３３は、制御部７からの圧電信号検出指令信号に基づき、信号制御器３３の信号の通過及び遮断を制御可能となっている。
【００３０】
そして、入力する圧電信号検出指令信号が圧電信号の検出の停止を指令する信号であるとき、信号制御器３３は、信号制御器３３に信号が流れる状態（信号通過状態）となる。このため、積分回路３１に圧電信号（又はノイズなど）が入力されなくなる。一方、入力する圧電信号検出指令信号が圧電信号の検出を指令する信号であるとき、信号制御器３３は、信号制御器３３への信号が遮断される状態（信号遮断状態）となる。このため、積分回路３１に圧電信号が入力されるようになる。
このように信号制御器３３が積分回路３１に接続されることにより、圧電シート１３が押圧されていないときに、圧電シート１３が押圧されたと誤検出されることが無くなる。
【００３１】
信号制御器３３としては、外部信号が入力可能で、当該外部信号に基づき回路の開閉が可能となるスイッチング素子を用いることができる。このようなスイッチング素子としては、電磁スイッチ又は電磁リレー、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）などの半導体素子のスイッチング特性を利用した半導体スイッチ素子、などを用いることができる。
【００３２】
圧電信号検出部５は、さらに、アナログ−デジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＡＤＣ）３５を備えている。アナログ−デジタル変換器３５は、入力が積分回路３１の出力に接続されている。これにより、アナログ−デジタル変換器３５は、積分回路３１からのアナログ出力をデジタル信号に変換できる。
【００３３】
また、積分回路３１の出力とアナログ−デジタル変換器３５の入力との間に、ローパスフィルタ（図示せず）を備えていてもよい。これにより、高周波ノイズなどのノイズを取り除いて、圧電センサ１１への押圧力に応じた信号のみを、積分回路３１から出力できる。
【００３４】
（８）積分回路
（８−１）第１実施例
次に、本実施形態における積分回路３１の構成について、図３を用いて説明する。図３に示すように、積分回路は、オペアンプ３７と、キャパシタンス３９と、を有する。
【００３５】
オペアンプ３７は、２つの入力（図３の「＋」と「−」にて示した入力）を有している。オペアンプ３７の「−」を付した入力は、圧電検出電極１５へ接続されている。一方、オペアンプ３７の「＋」を付した入力は、基準電極１７に接続されている。この場合、圧電検出電極１５と基準電極１７との間に正の電位差を有した圧電信号が入力されると、オペアンプ３７から負の電位差を有する信号が出力される（反転増幅）。
【００３６】
オペアンプ３７は、オペアンプ３７の２つの入力への信号がわずかな電位差しか有していない場合でも、信号の有無を判別可能な程度の信号を出力できる。そのため、オペアンプ３７に圧電信号を入力することにより、微小な圧電信号から、精度良く圧電部３に作用する押圧力を測定できるようになる。
【００３７】
キャパシタンス３９は、その一端が、「−」を付したオペアンプ３７の入力に接続されている。また、キャパシタンス３９の他端が、オペアンプ３７の出力に接続されている。キャパシタンス３９が、オペアンプ３７に対して、上記のように接続されることにより、オペアンプ３７とキャパシタンス３９とが積分回路を構成できる。
【００３８】
このように積分回路を構成することにより、圧電シート１３への押圧力の変化量に起因して発生する圧電信号を積分して、オペアンプ３７から信号を出力できる。さらに、積分された圧電信号が、圧電シート１３への押圧力に応じた信号となるので、圧電信号検出部５から、圧電シート１３への押圧力に応じた信号を出力できる。
【００３９】
なお、オペアンプ３７としては、公知のオペアンプを用いることができる。また、キャパシタンス３９としては、セラミックコンデンサなどのコンデンサを用いることができる。キャパシタンス３９として用いるコンデンサの容量は、圧力検出装置１の処理速度などに応じて、適宜決定できる。
【００４０】
（８−２）第２実施例
なお、オペアンプ３７及びキャパシタンス３９により構成される積分回路３１は、図３に示された構成に限られない。例えば、図４に示すようなオペアンプ３７及びキャパシタンス３９の構成を有する積分回路３１を用いてもよい。図４は、圧電信号検出部の他の構造を示す概略図である。
【００４１】
図４に示す積分回路３１においては、オペアンプ３７の「＋」を付した入力が、圧電センサ１１の圧電検出電極１５に接続されており、「−」を付した入力が、抵抗を介して、基準電極１７に接続されている。この場合、圧電検出電極１５と基準電極１７との間に正の電位差を有した圧電信号が入力されると、オペアンプ３７から正の電位差を有する信号が出力される（非反転増幅）。
【００４２】
また、キャパシタンス３９は、一端がオペアンプ３７の「＋」を付した入力に接続され、他端がグランド電位に接続されている。このようなオペアンプ３７及びキャパシタンス３９との接続によっても、積分回路３１を構成できる。
【００４３】
（９）第１実施形態の変形例
前記実施形態では、圧電センサはガラスの外周縁全体に沿って設けられた一つの構造として形成されていたが、本発明はそれに限定されない。圧電センサはガラスの主面の外周側部分にのみ設けられていればよいので、ガラスの外周縁ほぼ全体に沿って設けられている場合でも部分的に欠落した部分があってもよい。
【００４４】
前記実施形態では、圧電センサはガラスの外周縁全体に沿って設けられていたが、本発明はそれに限定されない。圧電センサはガラスの主面の外周側部分にのみ設けられていればよいので、ガラスの外周縁全体に沿って設けられている必要はない。以下、図５〜図７を用いて、前記実施形態の変形例を説明する。図５〜７は、圧電センサの他の配置を示す図である。
【００４５】
例えば、図５では、圧電部３は、ガラス９の長辺（図の左右辺）に細長い圧電構造４３、４４として形成されている。また、図６では、圧電部３は、ガラス９の短辺（図の上下辺）に、細長い一対の圧電構造４５、４６として形成されている。このように、圧電部３がガラス９の互いに対向する二辺に形成されていることで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図５及び図６では、圧電センサは各辺の全体にわたって形成されていたが、各辺の一部にのみ形成されていてもよい。
【００４６】
例えば、図７では、圧電部３は、ガラスの各辺にそれぞれ部分的に形成されている。短辺に形成された圧電構造４７、４８は、それぞれ角部から辺の中央位置まで延びており、ガラス９の中心に対して点対称の位置にある。また、長辺に形成された圧電構造４９、５０はそれぞれ角部から辺の中央位置まで延びており、ガラス９の中心に対して点対称の位置にある。
なお、圧電部の長さ及び位置は特に限定されないが、押圧荷重を均等に受けるためには、それぞれの圧電部が線対称又は点対称に配置され、さらには角部にも配置されていることが好ましい。
【００４７】
２．第２実施形態
図８を用いて、第２実施形態を説明する。図８は、第２実施形態の圧力検出装置の圧力センサの断面図である。なお、第２実施形態において第１実施形態と同様の構造及び機能については説明を省略する。
【００４８】
圧力検出装置５１は、タッチパネルとしての機能（接触及び接触位置の検出機能）と押圧荷重を測定する機能を有している。
圧力検出装置５１は、接触検出部としてのタッチパネル５３と、圧電センサ５５と、圧電信号検出部（図示せず）と、制御部（図示せず）とを有している。タッチパネル５３は、例えば静電容量式、抵抗膜式等の一般的なタッチパネルである。圧電センサ５５は、与えられた荷重に応じた圧電信号を発生する部材である。
【００４９】
圧電センサ５５は、タッチパネル５３の第２主面５３ｂ上に形成されている。圧電センサ５５は、図８に示すように（図２も参照）、タッチパネル５３の第２主面５３ｂの外周部分において枠状に形成されている。つまり、圧電センサ５５は、第２主面５３ｂの外周縁全体に沿って形成されている。
【００５０】
圧電センサ６５は、主に、圧電シート５７と、圧電検出電極５９と、基準電極６１とを有している。圧電検出電極５９は、圧電シート５７のタッチパネル５３側の面に形成されている。基準電極６１は、圧電シート５７のタッチパネル５３と反対側の面に形成されている。圧電センサ５５では、圧電検出電極５９と基準電極６１との間には、圧電シート５７に与えられた荷重に応じた圧電信号が発生する。
【００５１】
なお、圧力検出装置５１は、タッチパネル５３及び圧電センサ５５を支持するための筐体６３を有している。具体的には、圧電センサ５５が筐体６３の上面に支持又は固定されている。筐体６３は、剛性が高い部材であることが好ましい。筐体６３には表示装置が装着されていてもよい。
上記の圧力検出装置５１では、第１実施形態の圧力検出装置１と同様の効果が得られる。なお、圧電センサの変形例（例えば、図５〜図７を参照）は本実施形態にも当然に適用可能である。
【００５２】
なお、タッチパネルには、通常は、額縁部が形成されている。額縁部とは、タッチパネルのビューエリア以外の部分であり、タッチパネルの外周縁に形成されている。額縁部は、筺体のツバ又は加飾層で構成されている。加飾層は、タッチパネルのいずれかの層に形成されている。また、額縁部は不透明な材料からなる。
図９に示すように、この実施形態では、タッチパネル５３の額縁部６４は、圧電センサ５５を平面視で覆うように配置されている。つまり、額縁部６４によって、圧電センサ５５が見えないようになっている。これにより、圧電センサ５５による見た目の変化がユーザに気づかれることがない。
また、タッチパネル全体が不透明な場合も、前述の効果が得られる。
【００５３】
３．第３実施形態
図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する第３実施形態を説明する。図１０Ａは、第３実施形態に係る圧力検出構造の上面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＡ−Ａ’線における断面図である。なお、第３実施形態において第１実施形態と同様の構造及び機能については説明を省略する。
圧力検出装置７１は、圧力検出構造７３と、圧電信号検出部５と、制御部７とを有している。
【００５４】
圧力検出構造７３では、絶縁層を挟む２つの電極を用いて静電容量を測定する方法により、圧力検出構造７３と接触対象物との接触を検出している。そして、圧力検出構造７３は、タッチパネル電極を、圧電シートと接触対象物との接触を検出する電極としても用いる装置である。すなわち、圧力検出構造７３は、圧電シートとタッチパネルが組み合わされた装置である。
なお、以下の説明において、第１実施形態の圧力検出装置１と同じ構成要素には、同じ参照符号を付している。そして、同じ参照符号を付した同じ構成要素についての説明は省略する。
【００５５】
圧力検出構造７３は、絶縁層７７と、第１タッチ検出電極７９と、第２タッチ検出電極８１と、圧電シート８３と、圧電検出電極８５とを有している。
絶縁層７７は、第１主面７７ａと第２主面７７ｂとを有している。第１主面７７ａには、第２タッチ検出電極８１が形成されている。第２タッチ検出電極８１は、帯形状の電極であり、絶縁層７７の第１主面７７ａ全体にわたり、平行に複数形成されている。
【００５６】
第２主面７７ｂには、第１タッチ検出電極７９が形成されている。第１タッチ検出電極７９は、圧電センサの基準電極としても機能する。第１タッチ検出電極７９は、第２主面７７ｂ全体にわたって複数の帯状に形成され、第２タッチ検出電極８１が伸びる方向とは略垂直に伸びている。
以上の構成において、絶縁層７７と、第１タッチ検出電極７９と、第２タッチ検出電極８１とによって、ガラス９に対する接触を検出する接触検出部としてのタッチパネルが構成されている。
【００５７】
上記のように、第１タッチ検出電極７９がタッチパネルの一方の電極と圧電センサの基準電極との機能を有しているので、圧力検出装置７１は、第１タッチ検出電極７９が、圧電信号検出部５の入力に接続されるか、タッチ検出部１２に接続されるかを選択する、選択スイッチ２７を有している。
このように、第１タッチ検出電極７９を複数の帯状に形成し、第２タッチ検出電極８１を、第１タッチ検出電極７９が伸びる方向とは略垂直に伸びる帯状に複数形成している。したがって、接触対象物が圧力検出構造７３に接触することで、複数の第１タッチ検出電極７９のどの第１タッチ検出電極７９の静電容量が変化したか、及び、複数の第２タッチ検出電極８１のどの第２タッチ検出電極８１の静電容量が変化したかが検出される。その結果、接触対象物が圧力検出構造７３に接触したこと及び接触位置を検出できる。
【００５８】
圧電シート８３は、絶縁層７７の第２主面７７ｂの外周部分において枠状に形成されている。つまり、圧電シート８３は、第２主面７７ｂの外周縁全体に沿って形成されている。圧電検出電極８５は、圧電シート８３の絶縁層７７と反対側の面に形成されている。以上に述べたように、基準電極としての第１タッチ検出電極７９と圧電シート８３と圧電検出電極８５とによって、圧電センサが形成されている。圧電センサでは、基準電極としての第１タッチ検出電極７９と圧電検出電極８５との間には、圧電シート８３に与えられた荷重に応じた圧電信号が発生する。
なお、圧力検出装置７１は、圧力検出構造７３を支持するための筐体８７を有している。具体的には、圧電センサ６５が筐体８７の上面に支持又は固定されている。筐体８７は、剛性が高い部材であることが好ましい。筐体８７には表示装置が装着されていてもよい。
【００５９】
そして、接触対象物が圧力検出構造７３のどの位置に接触したかという情報と、圧力検出構造７３への押圧力の測定結果とを組み合わせて、圧力検出構造７３上の任意の位置の接触対象物による押圧力を測定できる。
上記の圧力検出装置７１では、第１実施形態の圧力検出装置１と同様の効果が得られる。なお、圧電センサの変形例は本実施形態にも当然に適用可能である。
【００６０】
４．第４実施形態
（１）圧力検出装置の全体構成
図１１〜図１５を用いて、第４実施形態の圧力検出装置９１を説明する。なお、図１１は第４実施形態の圧電センサの配置を示す図であり、図１２は第４実施形態の圧電センサを押圧したときの模式的断面図である。
【００６１】
圧力検出装置９１は、図１２に示すように、圧電部９３と、圧電信号検出部９５（図１４）と、制御部（図示せず）とを有している。
圧電部９３は、与えられた荷重に応じた圧電信号を発生する部材である。圧電信号検出部９５は、圧電部９３にて発生した圧電信号を検出する装置である。制御部（図示せず）は、圧電信号検出部９５との間で信号を送受信することで、圧力検出装置９１の各種動作を制御する装置である。以下、圧力検出装置９１の構成を詳細に説明する。
【００６２】
（２）圧電部
圧電部９３は、ガラス９と、圧電センサ９７とを有している。ガラス９は、第１主面９ａと第２主面９ｂとを有する。第２主面９ｂ上には、圧電センサ９７が形成されている。圧電センサ９７は、図１１に示すように、ガラス９の第２主面９ｂの外周部分において枠状に形成されている。つまり、圧電センサ９７は、第２主面９ｂの外周縁全体に沿って形成されている。
【００６３】
圧電センサ９７は、主に、圧電シート１０１と、第１圧電検出電極１０３と、第２圧電検出電極１０５と、基準電極１０７とを有している。第１圧電検出電極１０３及び第２圧電検出電極１０５は、図１１〜図１３に示すように、圧電シート１０１のガラス９と反対側の主面の内周側と外周側とにそれぞれ並んで配置されている。第１圧電検出電極１０３及び第２圧電検出電極１０５は枠状に形成されており、第１圧電検出電極１０３は第２圧電検出電極１０５の内周側に配置されている。第１圧電検出電極１０３と第２圧電検出電極１０５の間にはわずかな隙間が確保されており、それにより両者は絶縁されている。
なお、第１圧電検出電極１０３と第２圧電検出電極１０５は、完全に同じ形状である必要はないが、幅及び面積が同じ程度であることが好ましい。
【００６４】
基準電極１０７は、圧電シート１０１のガラス９側の主面全体に形成されている。その結果、基準電極１０７は、図１３に示すように、第１圧電検出電極１０３及び第２圧電検出電極１０５とそれぞれ圧電シート１０１を挟んで対向している。この構造により、圧電センサ９７の圧電シート１０１では、第１圧電検出電極１０３と基準電極１０７との間である第１部分１０１Ａ、さらには第２圧電検出電極１０５と基準電極１０７との間である第２部分１０１Ｂには、圧電シート１０１に与えられた荷重に応じた圧電信号が発生する。
なお、圧力検出装置９１は、圧電部９３を支持するための筐体１０９を有している。具体的には、圧電センサ９７が筐体１０９の上面に支持又は固定されている。筐体１０９は、剛性が高い部材であることが好ましい。筐体１０９には表示装置が装着されていてもよい。
【００６５】
（３）圧電信号検出部
図１４を用いて、圧電信号検出部９５の構造を説明する。図１４は、圧電信号検出部の構造を示す概略図である。圧電信号検出部９５は２つの圧電検出信号の差を押圧力信号として出力する装置である。
【００６６】
圧電信号検出部９５は、第１検出部１１１と、第２検出部１１３と、減算部１１５とを有している。第１検出部１１１には、第１圧電検出電極１０３が接続されている。第２検出部１１３には、第２圧電検出電極１０５が接続されている。第１検出部１１１及び第２検出部１１３は、各々が、第１実施形態の圧電信号検出部５（図３参照）と同様に、オペアンプと、キャパシタンスと、ＡＤＣとを有している。これら構成及び機能は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６７】
以上の構成により、第１検出部１１１は、圧電シート１０１が押圧されたときに、第１圧電検出電極１０３と基準電極１０７との間である第１部分１０１Ａに発生する圧電信号を検出できる。また、第２検出部１１３は、圧電シート１０１が押圧されたときに、第２圧電検出電極１０５と基準電極１０７との間である第２部分１０１Ｂに発生する圧電信号を検出できる。
減算部１１５は、第１検出部１１１からの出力と第２検出部１１３からの出力の差を求める装置である。減算部１１５は、前述の差分を押圧力測定値として例えば制御部（図示せず）に出力する。なお、減算部１１５には、オペアンプと抵抗とを組み合わせた一般的な減算回路を用いることができる。
【００６８】
（４）検出動作
この装置では、減算部１１５が第１検出部１１１からの出力と第２検出部１１３からの出力との差を算出する。これにより、例えば外部ノイズ又は焦電性の影響が相殺されるので、荷重が正確に検出される。
【００６９】
より詳細に説明すれば、図１２に示すように、ガラス９に荷重が作用すれば、圧電センサ９７がたわんでシート厚み方向の応力が発生する。ここで、ガラス９がたわむことによって、図１３に示すように、第１圧電検出電極１０３に対応する圧電シートの第１部分１０１Ａには圧縮応力が作用するものの、第２圧電検出電極１０５に対応する圧電シートの第２部分１０１Ｂには引っ張り応力が作用する。そのため、押圧荷重によって発生する電荷の極性は第１圧電検出電極１０３と第２圧電検出電極１０５とで反対になり、それぞれの電荷同士の差が押圧力に対応する電荷になる。それに対して、外部ノイズ又は焦電性の影響により発生する電荷の極性は第１圧電検出電極１０３と第２圧電検出電極１０５とで同じになり、それぞれの電荷同士の差はゼロになる。以上の結果、押圧力によって発生する出力に他の原因で発生する出力が混在していても、第１圧電検出電極１０３及び第２圧電検出電極１０５における電荷同士の差分を取ることで、押圧力によって発生する出力のみを検出できる。この結果、押圧力の測定が正確になる。
【００７０】
例えば、図１５では、２つの出力と差分との関係がグラフで示されている。図１５は、２つの出力の差分を取ったグラフである。
例えば、第１検出部１１１の出力が線Ａであり、第２検出部１１３の出力が線Ｂであり、その結果、減算部１１５の出力が線Ｃである。図から明らかなように、線Ａ及び線Ｂは外部ノイズ又は焦電性の影響を受けているが、線Ｃでは押圧荷重のみが検出されている。
【００７１】
（５）圧電検出電極の変形例
なお、前記実施形態では一対の圧電検出電極は基材の外周縁全体にわたって形成されていたが、本発明はそれに限定されない。一対の圧電検出電極は、圧電シートの内周側と外周側とにそれぞれ並んで配置された組み合わせが一部にあればよいので、圧電シートの一部のみに配置されていてもよい。
例えば、図５〜図７のように分離して配置された圧電フィルムにおいて、各圧電フィルム上に一対の圧電検出電極を形成することができる。
【００７２】
（６）圧電信号検出部の変形例
図１６を用いて、圧電信号検出部の構造の変形例を説明する。図１６は、圧電信号検出部の構造を示す概略図である。圧電信号検出部１２１は、２つの圧電検出信号の差を押圧力信号として出力する装置である。
【００７３】
圧電信号検出部１２１は、第１検出部１２３と、第２検出部１２５と、減算部１２７と、アナログ−デジタル変換器１２９とを有している。第１検出部１２３には、第１圧電検出電極（図１３参照）が接続されている。第２検出部１２５には、第２圧電検出電極（図１３参照）が接続されている。第１検出部１２３及び第２検出部１２５は、各々が、オペアンプと、キャパシタンスとを有している。
【００７４】
減算部１２７は、複数のアナログ入力電圧の差を求める差動増幅回路である。減算部１２７は、オペアンプ１３１と、帰還抵抗１３３、その他の抵抗とを有している。オペアンプ１３１は、２つの入力（図１６の「＋」と「−」にて示した入力）を有している。オペアンプ１３１の「−」を付した入力は、第１検出部１２３へ接続されている。一方、オペアンプ１３１の「＋」を付した入力は、第２検出部１２５に接続されている。以上に述べた構造では、減算部１２７は、第１検出部１２３からの入力電圧と第２検出部１２５からの入力電圧の差を算出し、それを出力する。
【００７５】
アナログ−デジタル変換器１２９は、減算部１２７から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して、それを出力する。
以上の構成により、前記実施形態と同様の動作及び効果が得られる。
【００７６】
５．共通内容
各実施形態において、圧力検出装置（例えば、圧力検出装置１、圧力検出装置５１、圧力検出装置７１、圧力検出装置９１）は、基材（例えば、ガラス９、タッチパネル５３、絶縁層７７）と、圧電センサ（例えば、圧電センサ１１、圧電センサ５５、圧電センサ（７９、８３、８５）、圧電センサ９７）とを備えている。圧電センサは、基材の主面の外周側部分にのみ設けられている。圧電センサは、圧電シート（例えば、圧電シート１３、圧電シート５７、圧電シート８３、圧電シート１０１）と、圧電シートの少なくとも一面に形成された電極（例えば、圧電検出電極１５、圧電検出電極５９、圧電検出電極８５、第１圧電検出電極１０３、第２圧電検出電極１０５）とを有する。
この装置では、基材に荷重が作用すると、圧電シートにも荷重が作用し、その結果圧電シートに電荷が発生する。
【００７７】
この場合、圧電センサが基材に設けられている位置が基材の主面の外周側部分のみであるので、圧電センサが基材の全面に設けられた構造に比べて、圧電シートの材料を減らすことができ、その結果コストを低くできる。
【００７８】
６．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、与えられた荷重に応じた圧電信号を発生する圧電シートを用いた、圧力検出装置に広く適用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１        圧力検出装置
３        圧電部
５        圧電信号検出部
７        制御部
９        ガラス
１１      圧電センサ
１２      タッチ検出部
１３      圧電シート
１５      圧電検出電極
１７      基準電極
５１      圧力検出装置
５３      タッチパネル
５５      圧電センサ
５７      圧電シート
５９      圧電検出電極
６１      基準電極
６５      圧電センサ
６７      圧電シート
７１      圧力検出装置
７３      圧力検出構造
７７      絶縁層
７９      第１タッチ検出電極
８１      第２タッチ検出電極
８３      圧電シート
８５      圧電検出電極
９１      圧力検出装置
９３      圧電部
９５      圧電信号検出部
９７      圧電センサ
１０１    圧電シート
１０３    第１圧電検出電極
１０５    第２圧電検出電極
１０７    基準電極
１１１    第１検出部
１１３    第２検出部
１１５    減算部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014202618.tif 000010
【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2014202618.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2014202618.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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