(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体の一部を構成し、前記筐体の底面と対向するように配置され、押し込みを受け付ける受付板と、
前記受付板と平行になるように配置され、前記押し込みにより歪むひずみ検出用板と、
前記ひずみ検出用板の主面に貼付される圧電フィルムと、
前記受付板と前記ひずみ検出用板との間に配置され、前記受付板から前記ひずみ検出用板にひずみを伝達するひずみ伝達部材と、
前記ひずみ検出用板に対して前記受付板側と反対側に配置され、前記ひずみ検出用板を支持する弾性部材と、を備え、
前記ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、前記弾性部材は、前記ひずみ伝達部材の少なくとも一部と重なり、前記圧電フィルムの全体には重ならず、
前記ひずみ検出用板の両端はそれぞれスペーサで支持され、
前記スペーサは、前記受付板と前記ひずみ検出用板との間および前記ひずみ検出用板と前記筐体の底面との間に形成されている、圧電センサ。
【請求項２】
前記弾性部材は前記ひずみ検出用板に当接するように配置される、請求項１に記載の圧電センサ。
【請求項３】
前記ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、前記弾性部材は前記ひずみ伝達部材内に配置される、請求項１または２に記載の圧電センサ。
【請求項４】
前記ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、前記弾性部材のうち、前記ひずみ伝達部材と重なる部分の面積は、前記ひずみ伝達部材と重ならない部分の面積に比べて大きい、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【請求項５】
前記圧電センサを断面視したとき、前記弾性部材の長さは前記ひずみ伝達部材の長さの１．５倍以下である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【請求項６】
前記圧電フィルムはキラル高分子から形成される、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【請求項７】
前記キラル高分子はポリ乳酸である、請求項６に記載の圧電センサ。
【請求項８】
前記ポリ乳酸はＬ型ポリ乳酸である、請求項７に記載の圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、押圧を検出する圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電センサは、例えば、多機能携帯端末に搭載され、タッチパネルに対する押圧を検出するために使用される。押圧を検出する圧電センサとして、特許文献１に記載の入力装置がある。この入力装置は、矩形平板状のタッチパネルおよびストライプ状の圧電素子を備える。圧電素子は、タッチパネルの短辺に沿って、タッチパネルの背面に設けられている。【０００３】
タッチパネルの操作面が押圧されると、タッチパネルが撓む。タッチパネルに従って圧電素子が撓むことにより、圧電素子に、押圧に応じた電圧が生じる。これにより、タッチパネルに対する押圧を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０３５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の入力装置では、上述のように、圧電素子がタッチパネルの裏面に設けられている。しかし、設計上の問題等から、タッチパネルから離して圧電素子を配置する場合がある。この場合、押圧によるタッチパネルの撓みが圧電素子に上手く伝わらないため、タッチパネルに対する押圧を精度良く検出できないおそれがある。【０００６】
本発明の目的は、押圧を精度良く検出することができる圧電センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の圧電センサは、筐体、受付板、ひずみ検出用板、圧電フィルム、ひずみ伝達部材および弾性部材を備える。受付板は、筐体の一部を構成し、筐体の底面と対向するように配置され、押し込みを受け付ける。ひずみ検出用板は、受付板と平行になるように配置され、押し込みにより歪む。圧電フィルムはひずみ検出用板の主面に貼付される。ひずみ伝達部材は、受付板とひずみ検出用板との間に配置され、受付板からひずみ検出用板にひずみを伝達する。弾性部材は、ひずみ検出用板に対して受付板側と反対側に配置され、ひずみ検出用板を支持する。ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、弾性部材は、ひずみ伝達部材の少なくとも一部と重なり、圧電フィルムの全体には重ならない。ひずみ検出用板の両端はそれぞれスペーサで支持されている。スペーサは、受付板とひずみ検出用板との間およびひずみ検出用板と筐体の底面との間に形成されている。
【０００８】
ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、ひずみ伝達部材に重なる領域を第１領域と称し、弾性部材に重なるがひずみ伝達部材に重ならない領域を第２領域と称する。押し込みの際、第１領域では、ひずみ検出用板は下方向（受付板側と反対側の方向）に凸となり、ひずみ検出用板の上面は縮む。一方、第２領域では、ひずみ検出用板が弾性部材により幾分押し戻されるため、ひずみ検出用板は次のように変形する。ひずみ検出用板は上方向に凸となり、ひずみ検出用板の上面は伸びる。または、ひずみ検出用板は下方向に凸となるが、ひずみ検出用板の上面はあまり縮まない。押し込みの際、ひずみ検出用板に貼付される圧電フィルムも、ひずみ検出用板の上面と同様に変形する。【０００９】
本構成では、第１領域の弾性部材でひずみ検出用板を支持するため、第２領域を狭くすることができる。この場合、押し込みに対する圧電フィルムのひずみ（縮み）が小さくならないので、押し込みの際に圧電フィルムから取り出せる電荷量は低下しない。この結果、押圧（押し込み）を精度良く検出することができる。【００１０】
（２）弾性部材はひずみ検出用板に当接するように配置される。
（３）ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、弾性部材はひずみ伝達部材内に配置される。
【００１１】
この構成では、第２領域が生じないので、押し込みに対する圧電フィルムのひずみが小さくなることを防止できる。【００１２】
（４）ひずみ検出用板の主面に垂直な方向から見て、弾性部材のうち、ひずみ伝達部材と重なる部分の面積は、ひずみ伝達部材と重ならない部分の面積に比べて大きい。
【００１３】
この構成では、第２領域に比べて第１領域が大きくなるので、押し込みに対する圧電フィルムのひずみが小さくなることを抑制できる。【００１４】
（５）圧電センサを断面視したとき、弾性部材の長さはひずみ伝達部材の長さの１．５倍以下である。ここで、弾性部材およびひずみ伝達部材の「長さ」は、押し込みにより圧電フィルムが縮む方向における長さである。
【００１５】
この構成では、弾性部材を配置することによる発生電荷量への影響をほぼ０にすることができる。【００１６】
（６）圧電フィルムはキラル高分子から形成される。
【００１７】
（７）キラル高分子はポリ乳酸である。
【００１８】
（８）ポリ乳酸はＬ型ポリ乳酸である。
【００１９】
例えば、圧電フィルムにＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用いた場合、使用温度の変化が圧電フィルムの圧電特性に影響を及ぼすおそれがある。しかし、この構成では、ポリ乳酸には焦電性がないので、圧電フィルムによる押圧の検出を精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、押圧を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る圧電センサの平面図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧電センサのＡ−Ａ断面図である。
【図３】センサ部１６のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電センサによる押圧検知を説明する断面図である。
【図５】比較例となる圧電センサのＡ−Ａ断面図である。
【図６】比較例の圧電センサにおいて、押圧によりＳＵＳ板１５が撓んだ状態を示す要部断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る圧電センサにおいて、押圧によりＳＵＳ板１５が撓んだ状態を示す要部断面図である。
【図８】クッション長さに対する発生電荷量の変化を示す計算結果である。
【図９】他の実施形態に係るクッションを示すＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《第１の実施形態》
本発明の実施形態に係る圧電センサ１０について説明する。圧電センサ１０は、例えば、多機能携帯端末で利用される。図１は圧電センサ１０の平面図である。図２は圧電センサ１０のＡ−Ａ断面図である。圧電センサ１０は、箱状の裏側筐体部１１、矩形平板状のガラス板１２、スペーサ１４ａ，１４ｂ、ストライプ状のＳＵＳ（ステンレス）板１５、ストライプ状のセンサ部１６、柱状の押し子１７、柱状のクッション２１および回路部（図示せず）を備える。
【００２３】
ガラス板１２は本発明の受付板に相当する。ＳＵＳ板１５は本発明のひずみ検出用板に相当する。押し子１７は本発明のひずみ伝達部材に相当する。クッション２１は本発明の弾性部材に相当する。
【００２４】
裏側筐体部１１は、枠状の側面および矩形状の底面から構成され、矩形状の開口部を有する。裏側筐体部１１の開口部を塞ぐようにガラス板１２が裏側筐体部１１に当接することにより、中空部を有する直方体状の筐体１３が構成される。以下では、筐体１３の主面の長手方向をＸ方向と称し、筐体１３の主面の短手方向をＹ方向と称し、筐体１３の主面に垂直な方向をＺ方向と称することがある。
【００２５】
スペーサ１４ａは筐体１３の側面のうちＸ方向と平行な第１の側面付近に配置されている。スペーサ１４ｂは筐体１３の第２の側面（第１の側面に対向する側面）付近に配置されている。スペーサ１４ａ，１４ｂは筐体１３のＸ方向の略中央部に配置されている。
【００２６】
ＳＵＳ板１５は、その主面がガラス板１２の主面と平行になるように、筐体１３の内部に配置されている。ＳＵＳ板１５は筐体１３のＸ方向の略中央部に配置されている。ＳＵＳ板１５の長手方向はＹ方向に平行になっている。ＳＵＳ板１５の長手方向の両端は、それぞれ、スペーサ１４ａ，１４ｂで支持されている。ＳＵＳ板１５とガラス板１２との間およびＳＵＳ板１５と裏側筐体部１１の底面との間にはスペースが形成されている。
【００２７】
センサ部１６は、その長手方向がＹ方向になるように、ＳＵＳ板１５の主面のうちガラス板１２側の主面に貼付されている。センサ部１６はＳＵＳ板１５の略全面に貼付されている。回路部は、筐体１３の内部に配置され、センサ部１６に電気的に接続されている。
【００２８】
押し子１７は、ガラス板１２とセンサ部１６との間に配置され、ガラス板１２およびセンサ部１６に当接している。押し子１７は、Ｙ方向においてセンサ部１６に比べて短くなっている。押し子１７は、Ｙ方向においてＳＵＳ板１５の略中央部に配置されている。押し子１７はガラス板１２からＳＵＳ板１５にひずみを伝達する。
【００２９】
クッション２１は、裏側筐体部１１の底面とＳＵＳ板１５との間に配置され、裏側筐体部１１の底面およびＳＵＳ板１５に当接している。クッション２１は、Ｙ方向においてセンサ部１６に比べて短くなっている。クッション２１は、Ｙ方向においてＳＵＳ板１５の略中央部に配置されている。クッション２１は、Ｚ方向から見て（平面視して）、押し子１７とほぼ同一の位置に配置され、押し子１７とほぼ同一の形状および大きさを有する。
【００３０】
すなわち、クッション２１は、Ｚ方向（ＳＵＳ板１５の主面に垂直な方向）から見て、押し子１７の一部と重なり、後述の圧電フィルム３１の全体には重ならない。また、Ｚ方向から見て、クッション２１のうち、押し子１７と重なる部分の面積は、押し子１７と重ならない部分の面積に比べて大きい。
【００３１】
クッション２１は、センサ部１６、押し子１７およびガラス板１２が連接するように、センサ部１６を介してＳＵＳ板１５を押し子１７に押し当てる。すなわち、クッション２１はＳＵＳ板１５を支持している。これにより、ガラス板１２にかかる押圧をＳＵＳ板１５に伝えることができる。また、ガラス板１２に押圧がかかるとＳＵＳ板１５が撓むところ、ガラス板１２に押圧がかからなくなったとき、クッション２１はＳＵＳ板１５を押し戻す。これにより、ガラス板１２に押圧がかからなくなったとき、ＳＵＳ板１５を元の平らな状態に戻すことができる。
【００３２】
図３はセンサ部１６のＡ−Ａ断面図である。センサ部１６は、圧電フィルム３１、貼付層３２，３３、平板電極３４，３５および基材層３６，３７を備える。圧電フィルム３１の一方の主面には平板電極３４が貼付層３２により貼付されている。圧電フィルム３１の他方の主面には平板電極３５が貼付層３３により貼付されている。平板電極３４，３５は回路部（図示せず）に電気的に接続されている。平板電極３４の主面のうち圧電フィルム３１側と反対側の主面には、基材層３６が配置されている。平板電極３５の主面のうち圧電フィルム３１側と反対側の主面には、基材層３７が配置されている。センサ部１６は、基材層３６側がＳＵＳ板１５に向くように、貼付層３８によりＳＵＳ板１５の主面に貼付されている。
【００３３】
圧電フィルム３１はＰＬＬＡ（Ｌ型ポリ乳酸）から形成される。ＰＬＬＡは、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸され、分子が配向すると、圧電性を有する。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。
【００３４】
また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや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や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。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。
【００３５】
ＰＬＬＡの延伸方向に３軸をとり、３軸方向に垂直な方向に１軸および２軸をとると、ＰＬＬＡにはｄ１４の圧電定数（ずりの圧電定数）が存在する。１軸方向が厚み方向となり、３軸方向（延伸方向）に対して４５°の角度をなす方向が長手方向となるように、ストライプ状の圧電フィルム３１が切り出される。これにより、圧電フィルム３１が長手方向に伸縮すると、圧電フィルム３１は厚み方向に分極する。
【００３６】
貼付層３２，３３，３８の材料は粘着剤である。粘着剤の特徴は、接着剤が接着時に液体から固体になるのに対して、常に濡れた状態を安定して保っていることである。貼付層３２，３３，３８の材料に粘着剤を用いることにより、接着剤に比べて粘着剤の厚みを容易に制御することができる。平板電極３４，３５は銅箔等の金属膜からなる。基材層３６，３７の材料はポリイミド等の樹脂である。
【００３７】
図４は、圧電センサ１０による押圧（押し込み）検知を説明する断面図である。ガラス板１２が押し込まれると、押し子１７を介して、ＳＵＳ板１５が押し込まれる。ＳＵＳ板１５の端部がスペーサ１４ａ，１４ｂで固定されているため、ＳＵＳ板１５は押し込まれた方向に凸となるように撓む。ＳＵＳ板１５の主面のうちガラス板１２側の主面が長手方向（Ｙ方向）に縮む（歪む）ため、その主面に貼付されているセンサ部１６も長手方向に縮む。センサ部１６を構成する圧電フィルム３１（図３参照）が長手方向に縮むため、上述のように、圧電効果により圧電フィルム３１は厚み方向に分極する。圧電フィルム３１の両主面に発生した電荷により、平板電極３４，３５に電荷が誘起される。平板電極３４，３５に誘起された電荷は、回路部（図示せず）に吸収される。回路部はこの電荷の流れ（電流）を電圧に変換する。このようにして、ガラス板１２にかかる押圧を電圧として検出することができる。
【００３８】
比較例となる圧電センサ４０について説明する。圧電センサ４０の構成は、クッションを除いて、第１の実施形態と同様である。図５は、比較例となる圧電センサ４０のＡ−Ａ断面図である。クッション２２は、裏側筐体部１１の底面とＳＵＳ板１５との間のスペースをほぼ全て埋めるように設けられている。クッション２２は裏側筐体部１１の底面およびＳＵＳ板１５に当接している。クッション２２は、Ｚ方向から見て、センサ部１６および押し子１７を含んでいる。
【００３９】
図６は、比較例の圧電センサ４０において、押圧によりＳＵＳ板１５が撓んだ状態を示す要部断面図である。上述のように、Ｚ方向から見て、押し子１７に重なる領域を第１領域と称し、クッション２２（またはクッション２１）に重なるが押し子１７に重ならない領域を第２領域と称する。
【００４０】
ガラス板１２（図２参照）が押し込まれると、押し子１７によりＳＵＳ板１５の上面（ガラス板１２側の主面）に押圧がかかる一方、クッション２２によりＳＵＳ板１５の下面（上面と反対側の主面）に押圧がかかる。押し子１７による押圧は第１領域のみにかかる。クッション２２による押圧は第１領域および第２領域にかかる。
【００４１】
第１領域では、ＳＵＳ板１５は下方向（ガラス板１２側と反対側の方向）に凸となり、ＳＵＳ板１５の上面は長手方向（Ｙ方向）に縮む。一方、第２領域では、ＳＵＳ板１５がクッション２２により幾分押し戻されるため、ＳＵＳ板１５は次のように変形する。ＳＵＳ板１５は上方向に凸となり、ＳＵＳ板１５の上面は長手方向に伸びる。または、ＳＵＳ板１５は下方向に凸となるが、ＳＵＳ板１５の上面は、クッション２２がない場合に比べて長手方向にあまり縮まない。
【００４２】
ひずみ検出用板に貼付された圧電フィルム３１（図３参照）も、ひずみ検出用板の上面と同様に変形する。このため、圧電フィルム３１は次のように分極する。第２領域での分極は第１領域での分極と反対向きになる。または、第２領域での分極は、第１領域での分極と同一方向になるが、クッション２２がない場合に比べて小さくなる。
【００４３】
上述のように、Ｚ方向から見て、クッション２２はセンサ部１６を含んでいる。このため、圧電フィルム３１のほとんどが第２領域に含まれるので、圧電フィルム３１の分極は小さくなる。この結果、回路部に取り出せる電荷量が低下するので、比較例の圧電センサ４０では押圧を精度良く検出することができない。
【００４４】
図７は、第１の実施形態に係る圧電センサ１０において、押圧によりＳＵＳ板１５が撓んだ状態を示す要部断面図である。上述のように、クッション２１は、Ｚ方向から見て、押し子１７とほぼ同一の位置に配置され、押し子１７とほぼ同一の形状および大きさを有する。すなわち、圧電センサ１０では第２領域がほとんど生じない。このため、圧電フィルム３１（図３参照）は、全ての部分で長手方向に縮み、全ての部分で同一方向に分極する。また、圧電フィルム３１の分極はクッション２１により妨げられない。この結果、圧電フィルム３１の分極は小さくならない。従って、回路部に取り出せる電荷量が低下しないので、第１の実施形態に係る圧電センサ１０では押圧を精度良く検出することができる。
【００４５】
図８は、クッション長さに対する発生電荷量の変化を示す計算結果である。計算結果は、第１の実施形態と同様の構成においてクッションのＹ方向の長さを変化させることにより得られたものである。各部材の寸法については、ＳＵＳ板：６４．３０×７．５５、圧電フィルム（ＰＬＬＡ）：４５．００×５．７５、クッション：〈クッション長さ〉×６．２５、押し子：６．００×６．２５である。各部材の寸法は〈Ｙ方向の長さ〉×〈Ｘ方向の長さ〉により表され、単位はｍｍである。各部材は、平面視で各部材の中心が重なるように積層されている。
【００４６】
クッション長さはクッションのＹ方向の長さである。すなわち、クッション長さは押し込みにより圧電フィルムが縮む方向におけるクッションの長さである。発生電荷量は、押し込みの際に圧電フィルムに発生する電荷量である。クッション長さが９ｍｍ以下の時、すなわち、クッション長さが押し子のＹ方向の長さの１．５倍以下の時の発生電荷量は、クッションが無い時の発生電荷量とほぼ等しい。クッション長さが９ｍｍより長くなるにつれて、発生電荷量が減少する傾向が見られる。この結果からわかるように、クッション長さを押し子のＹ方向の長さの１．５倍以下にすることによって、クッションを配置することによる発生電荷量への影響をほぼ０にすることができる。
【００４７】
上述からわかるように、平面視して、クッションのうち押し子に重ならない部分の面積が小さいほど、本発明の効果は顕著になる。
【００４８】
《他の実施形態》
本発明の他の実施形態に係る圧電センサについて説明する。他の実施形態に係る圧電センサの構成は、クッションを除いて、第１の実施形態と同様である。図９は、他の実施形態に係るクッションを示すＡ−Ａ断面図である。図９（Ａ）に示すように、クッション２３は、Ｚ方向から見て、押し子１７に比べて小さい。クッション２３は、Ｚ方向から見て、押し子１７内に配置されている。図９（Ｂ）に示すように、クッション２４は、Ｚ方向から見て、押し子１７に比べて幾分大きい。クッション２４は、Ｚ方向から見て、押し子１７を含んでいる。図９（Ｃ）に示すように、クッション２５の位置は、Ｚ方向から見て、押し子１７の位置から幾分ずれている。クッション２５の殆どの部分は、Ｚ方向から見て、押し子１７と重なっている。
【００４９】
他の実施形態では、クッション２３〜２５は、Ｚ方向から見て、押し子１７と重ならない部分を全くまたは殆ど有さない。このため、圧電フィルム３１（図３参照）は、全ての部分で長手方向に縮み、全ての部分で同一方向に分極する。また、圧電フィルム３１の分極はクッション２３〜２５により妨げられない。この結果、他の実施形態に係る圧電センサでは、圧電センサ１０と同様に、回路部に取り出せる電荷量が低下しない。
【００５０】
なお、上述の実施形態ではガラス板が押し込まれていたが、本発明の圧電センサはこれに限定されない。ガラス板の代わりに、ガラス板、タッチパネルおよび液晶パネルが層状に重なったパネルを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０，４０…圧電センサ
１１…裏側筐体部
１２…ガラス板（受付板）
１３…筐体
１４ａ，１４ｂ…スペーサ
１５…ＳＵＳ板（ひずみ検出用板）
１６…センサ部
１７…押し子（ひずみ伝達部材）
２１〜２５…クッション（弾性部材）
３１…圧電フィルム
３２，３３，３８…貼付層
３４，３５…平板電極
３６，３７…基材層
【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】
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【図９】
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