(57)【要約】操作者によって与えられた変位量を高精度に検出できる変位センサを提供する。変位センサの一種であるタッチセンサ（１００）は、圧電素子（１０）、電圧変換部（１０１）、および検出部（１０２）を備える。圧電素子（１０）からは押圧力（押圧量）に応じた電圧が瞬時的に発生する。電圧変換部（１０１）は、圧電素子（１０）で発生した電圧を、電圧変換部（１０１）の抵抗器（Ｒ３）のインピーダンスとコンデンサ（Ｃ１）および圧電素子（１０）のキャパシタンスで決定される所定の時定数と押圧力とで決定される遷移に比例する電圧に変換して出力する。検出部（１０２）は、電圧変換部（１０１）の出力電圧を積算し、積算値に基づいて押圧力（押圧量）を算出する。
2013111841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、
圧電素子の発生する電荷から、所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、
該電圧変換部から出力される電圧を積算し、積算値から前記変位量を算出する検出部と、を備える変位センサ。
【請求項２】
前記電圧変換部は、
前記圧電素子の少なくとも一端と接続された第１抵抗器と、
前記圧電素子で発生した電荷が前記第１抵抗器を流れることで発生する電圧を入力として検知するアンプ回路と、
を備える請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記電圧変換部は、
前記第１抵抗器は前記圧電素子と並列に接続され、前記第１抵抗器の一端が前記アンプ回路の入力と接続され、前記第１抵抗器の他端は基準電位と接続されている、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記電圧変換部は、
前記圧電素子と前記第１抵抗器と第２抵抗器とが直列接続され、
前記第１抵抗器の一端は前記圧電素子と接続され、前記第１抵抗器の他端は前記第２抵抗器の一端及び前記アンプ回路の入力と接続され、前記第２抵抗器の他端は前記アンプ回路の出力と接続されている、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記第１抵抗器のインピーダンスは、前記圧電素子のインピーダンスよりも低い、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記第１抵抗器と前記第２抵抗器の合成インピーダンスは、前記圧電素子のインピーダンスよりも低い、請求項４に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記検出部は、
前記積算値の変動を測定し、
前記積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると、前記積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、
該差分値が所定閾値未満であれば、前記積算値を初期値にリセットする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項８】
前記圧電素子は、
少なくとも一軸方向に延伸処理を行ったポリ乳酸からなる圧電性フィルムと、
該圧電性フィルムの第１面に形成された第１検出用電極と、
前記圧電性フィルムの第２面に形成された第２検出用電極と、
を備える、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項９】
前記変位センサは、前記圧電素子の所定面が押圧された時の押圧力を検出するタッチセンサである、請求項１乃至請求項８のいずれかに１項に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者によって本体が操作（曲げ、捻れ、押し込み等）された時の変位量を検出する変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、操作者が本体を操作することで、変位量を検出する変位センサが各種考案されている。本体に対する操作としては、本体自体を曲げ、捻ることや、本体の所定面（タッチ面）を押し込む等がある。タッチ面を押し込むものとしては、操作者が指等で平面状の操作面をタッチすることで、タッチ時の押し込み量を検出するタッチセンサが各種考案されている。例えば、特許文献１には、平板状の感圧センサを備えたタッチ入力装置が記載されている。このような感圧センサには、一般的に圧電体を材料とする圧電性シートが用いられている。そして、現在の各種変位センサには、この圧電性シートが多く用いられている。【０００３】
圧電性シートは変位量に応じた電荷を発生するので、圧電性シートの対向する両面に電極を形成して圧電センサを構成し、当該発生電荷による電圧を検出することで、変位量（曲げ量、捻れ量、押し込み量等）を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−６１５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電性シートに用いる圧電体は、変位量に応じた電荷量が発生し、同じ変位量を維持し続けた場合、一定の電荷量が生じた後は新たな電荷が発生することはない。すなわち、圧電センサの出力を一定の入力インピーダンスを有する負荷に接続して電圧として観測した場合、この電圧は、初期の基準電圧から、変位量に応じた電圧値に瞬時で変化し、その後、一定の電圧を保つことなく、基準電圧に戻ってしまう。【０００６】
このような圧電センサの特性により、従来の構成では、圧電センサの発生する電荷に応じた変位量を高精度に検出（計測）することが容易ではなかった。【０００７】
したがって、本発明の目的は、操作者によって与えられた変位量を高精度に検出できる変位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】
【０００８】
この発明の変位センサは、変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、圧電素子の発生する電荷から所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、該電圧変換部から出力される電圧を積算して積算値から変位量を算出する検出部と、を備えている。【０００９】
この構成では、変位量に応じて、時間的な変化が安定した電圧値が得られる。【００１０】
また、この発明の変位センサの電圧変換部は、次の構成により実現することができる。電圧変換部は、圧電素子の少なくとも一端と接続された第１抵抗器と、圧電素子で発生した電荷が第１抵抗器を流れることで発生する電圧を入力として検知するアンプ回路と、を備えることが好ましい。【００１１】
また、この発明の変位センサの電圧変換部は、次の構成により実現することができる。電圧変換部は、第１抵抗器が圧電素子と並列に接続され、第１抵抗器の一端がアンプ回路の入力と接続され、第１抵抗器の他端は基準電位と接続されていることが好ましい。【００１２】
さらに、この発明の変位センサの電圧変換部は、次の構成により実現することができる。電圧変換部は、圧電素子と第１抵抗器と第２抵抗器とが直列接続され、第１抵抗器の一端は圧電素子と接続され、第１抵抗器の他端は第２抵抗器の一端及びアンプ回路の入力と接続され、第２抵抗器の他端はアンプ回路の出力と接続されていることが好ましい。【００１３】
これらの構成では、電圧変換部の具体的な構成例を示している。【００１４】
また、この発明の変位センサの第１抵抗器のインピーダンスは、圧電素子のインピーダンスよりも低いことが好ましい。【００１５】
さらに、この発明の変位センサの第１抵抗器と第２抵抗器の合成インピーダンスは、圧電素子のインピーダンスよりも低いことが好ましい。【００１６】
この構成では、第１抵抗器や第２抵抗器のインピーダンスの具体例を示している。このようなインピーダンス設定を行うことで、より安定した出力電圧を得ることができる。【００１７】
また、この発明の変位センサの検出部は、積算値の変動を測定し、積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、該差分値が所定閾値未満であれば積算値を初期値にリセットすることが好ましい。【００１８】
この構成では、圧電素子の発生電荷のばらつきの影響を抑圧することができる。【００１９】
また、この発明の変位センサの圧電素子は、少なくとも一軸方向に延伸処理を行ったポリ乳酸からなる圧電性フィルムと、該圧電性フィルムの第１面に形成された第１検出用電極と、圧電性フィルムの第２面に形成された第２検出用電極と、を備えることが好ましい。【００２０】
この構成では、圧電フィルムに好適な材料例を示している。一軸延伸したポリ乳酸は、圧電定数が高く、誘電率が低い。したがって、圧電フィルムにポリ乳酸を用いれば、変位量の検出感度が高くなる。さらに、ポリ乳酸は、アクリル樹脂と同様に、透光性が高いので、透光性の高い変位センサも実現できる。そして、ポリ乳酸は、焦電性がないため、指等が変位センサ表面に触れた際に、体温が伝わっても、押し込み量（押圧力）の検出電圧に影響を与えない。したがって、圧電フィルムとしてポリ乳酸を用いた場合、ＰＶＤＦ等の焦電性を有する圧電フィルムを用いた場合と比較すると、体温が伝達されないような複雑な機構を付与する必要が無い。【００２１】
また、この発明では、変位センサは、圧電素子の所定面が押圧された時の押圧力を検出するタッチセンサとして利用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、操作者によって与えられた変位量を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る変位センサ１００の回路ブロック図である。
【図２】圧電素子１０の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子１０の押し込みによる電荷の発生機能を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係るオペアンプＵ１の出力電圧の時間遷移の一例を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る変位センサ１００の演算部１２２の構成を示すブロック図である。
【図６】第１の実施形態に係る演算部１２２で得られる積算値Ｚｏｕｔの時間遷移を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る変位センサ１００の回路ブロック図である。
【図８】第２の実施形態に係るオペアンプＵ１の出力電圧の時間遷移の一例を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る演算部１２２で得られる積算値Ｚｏｕｔの時間遷移を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る変位センサの演算部１２２Ａの回路ブロック図である。
【図１１】実際の測定を起こりえる積算値に生じる一つの遷移を示す図である。
【図１２】第３の実施形態に係る変位センサのリセット機能付き押圧量算出部２０２Ａが実行する押圧量算出フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の第１の実施形態に係る変位センサについて、図を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、変位センサとして押圧力（押し込み量）を検出するタッチセンサを例に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサ１００の回路ブロック図である。
【００２５】
タッチセンサ１００は、圧電素子１０、電圧変換部１０１、および検出部１０２を備える。電圧変換部１０１は、抵抗器Ｒ３（本発明の「第１抵抗器」に相当する。）、コンデンサＣ１、オペアンプＵ１を備える。
【００２６】
圧電素子１０の一方端（例えば後述の第１引き出し電極４１）は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との接続点に接続されている。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とは、駆動電圧印加端子Ｖｄｄとグランドとの間に直列接続されている。圧電素子１０には、抵抗器Ｒ３が並列接続されるとともに、コンデンサＣ１が並列接続されている。圧電素子１０の他方端（例えば後述の第２引き出し電極４２）は、オペアンプＵ１の非反転入力端子に接続されている。
【００２７】
オペアンプＵ１の出力端は、オペアンプＵ１の反転入力端子に接続されている。この構成により、バッファ回路が実現される。オペアンプＵ１には、駆動電圧印加端子Ｖｄｄから駆動電圧が供給されている。オペアンプＵ１の出力端は、検出部１０２に接続されている。
【００２８】
図２は圧電素子１０の概略構成を示す図であり、図２（Ａ）は外観斜視図、図２（Ｂ）は平面図、図２（Ｃ）は側面図である。
【００２９】
圧電素子１０は、圧電性フィルム２０、第１検出用電極３１、第２検出用電極３２を備える。
【００３０】
圧電性フィルム２０は、互いに対向する第１主面と第２主面を備える矩形状の平膜からなる。圧電性フィルム２０は、一軸延伸されたＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）によって形成されている。
【００３１】
ＰＬＬＡは、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸等により分子が配向されると、圧電性を生じる。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。
【００３２】
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。尚、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出来る。
【００３３】
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。
【００３４】
また、ＰＬＬＡは比誘電率が約２．５と非常に低いため、ｄを圧電定数とし、εＴを誘電率とすると、圧電出力定数（＝圧電ｇ定数、ｇ＝ｄ／εＴ）が大きな値となる。
【００３５】
ここで、誘電率ε３３Ｔ＝１３×ε０，圧電定数ｄ３１＝２５ｐＣ／ＮのＰＶＤＦの圧電ｇ定数は、上述の式から、ｇ３１＝０．２１７２Ｖｍ／Ｎとなる。一方、圧電定数ｄ１４＝１０ｐＣ／ＮであるＰＬＬＡの圧電ｇ定数をｇ３１に換算して求めると、ｄ１４＝２×ｄ３１であるので、ｄ３１＝５ｐＣ／Ｎとなり、圧電ｇ定数は、ｇ３１＝０．２２５８Ｖｍ／Ｎとなる。したがって、圧電定数ｄ１４＝１０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡで、ＰＶＤＦと同様の押し込み量の検出感度を十分に得ることができる。そして、本願発明の発明者らは、ｄ１４＝１５〜２０ｐＣ／ＮのＰＬＬＡを実験的に得ており、当該ＰＬＬＡを用いることで、さらに非常に高感度に押し込み量を検出することが可能になる。
【００３６】
このような特性を有するＰＬＬＡからなる圧電性フィルム２０の第１主面には、第１検出用電極３１が形成されている。さらに、圧電性フィルム２０の第２主面には、第２検出用電極３２が形成されている。第１検出用電極３１および第２検出用電極３２は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ポリチオフェンを主成分とする有機電極、ポリアニリンを主成分とする有機電極、銀ナノワイヤ電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い電極を形成できる。尚、透明性が必要とされない場合には銀ペーストにより形成された電極や、蒸着やスパッタ、あるいはメッキなどにより形成された金属系の電極を用いることもできる。
【００３７】
第１検出用電極３１には第１引き出し電極４１が接続されている。第２検出用電極３２には第２引き出し電極４２が接続されている。
【００３８】
このような圧電素子１０の平板面を押し込むと、電荷が発生し、第１検出用電極３１と第２検出用電極３２との間に電位差が生じる。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電素子１０の押し込みによる電荷の発生機能を説明するための図である。図３（Ａ）が押し込み量（押圧力）の係っていない状態を示し、図３（Ｂ）は指による押し込み量（押圧力）の係っている状態を示す。
【００３９】
図３（Ａ）に示すように、圧電素子１０を平板状の弾性体５０の一方主面に、互いの平面が密着するように取り付ける。弾性体５０はガラス、アクリル、ポリカーボネート等で形成されている。弾性体５０はここに記載した材料に限らず、使用条件に応じて適切な材料を選択すればよい。また、圧電素子１０を貼り合わせる面についても使用条件に応じて適切な面を選択すればよい。弾性体５０の対向する両端を支持体５０１で支持する。
【００４０】
図３（Ｂ）に示すように、弾性体５０の表面を指５１０で押すと、太矢印５２０に示すような押圧力が弾性体５０に加わる。この場合、弾性体５０は、圧電素子１０の配設面側へ膨らむように湾曲する。これにより、圧電素子１０の圧電性フィルム２０は長手方向に略沿って伸延され、太矢印５３０に示すような引っ張り応力が発生する。この応力により、圧電性フィルム１００は、第１主面と第２主面とに分極する。この分極電荷によって、第１検出用電極３１と第２検出用電極３２との間に電位差（電圧）が生じる。この際、ＰＬＬＡでは、分極によって発生する電荷量が押圧力に比例する。すなわち、第１検出用電極３１と第２検出用電極３２に発生する電位差（電圧）は押圧力に比例する。
【００４１】
このように、押圧力に応じて発生する電位差（電圧）は、上述のように、変位の生じたタイミングで瞬時的に発生し、経時的に低下してしまう。しかしながら、本願発明の構成を用いれば、このような圧電素子１０から発生する瞬時的な電荷の変化、電圧に基づいて、正確且つ確実に押圧力（押し込み量）を算出することができる。
【００４２】
上述のように、圧電素子１０には、抵抗器Ｒ３とコンデンサＣ１とが並列接続されている。抵抗器Ｒ３の抵抗値（インピーダンス）と、コンデンサＣ１のキャパシタンスは、次の条件を満たすように、適宜設定されている。
【００４３】
（ｉ）抵抗器Ｒ３の抵抗値は、圧電素子１０のインピーダンスよりも低い。
【００４４】
（ｉｉ）押し込みによるオペアンプＵ１の出力電圧の変化が検出部１０２で検出可能である。
【００４５】
（ｉｉｉ）押し込みによるオペアンプＵ１の出力電圧の過渡的な電圧の時間変化が、タッチセンサ１００として離散的にサンプリングする検知の周期に対して十分に短い。
【００４６】
なお、圧電素子１０の基準電圧を与えるための抵抗器Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）≪Ｒ３を満たすように設定されている。
【００４７】
このような構成において、圧電素子１０に押圧力を加えていき、一定時間維持した後に、押圧力を開放していくと、オペアンプＵ１の出力電圧は、次のように変化する。
【００４８】
押圧力が加わり始めると、オペアンプＵ１の出力電圧は、押圧力の加わるタイミングから、最終的な押圧力に応じた電圧まで変位する。その後、抵抗器Ｒ３の抵抗値（インピーダンス）と、コンデンサＣ１のキャパシタンスおよび圧電素子１０のキャパシタンスＣｓによって決まる時定数（Ｒ３×（Ｃ１＋Ｃｓ）に比例する値）に応じて、基準電圧まで低下する。
【００４９】
そして、押圧力を開放され始めると、オペアンプＵ１の出力電圧は、押圧力の開放のタイミングから押圧力に応じた電圧まで変位する。その後、抵抗器Ｒ３の抵抗値（インピーダンス）と、コンデンサＣ１のキャパシタンスおよび圧電素子１０のキャパシタンスＣｓによって決まる時定数（Ｒ３×（Ｃ１＋Ｃｓ）に比例する値）に応じて、基準電圧まで低下する。
【００５０】
この際、押圧力の加わった時の電圧変化と押圧力が開放された時の電圧変化とは、基準電圧に対して逆特性となる。具体的には、電圧変換部１０１のオペアンプＵ１の出力電圧は、図４に示すような時間遷移をたどる。図４は、本実施形態に係るオペアンプＵ１の出力電圧の時間遷移の一例を示す図である。
【００５１】
図４に示すように、時刻０．０ｓｅｃ．〜０．１ｓｅｃ．では圧電素子１０に押圧力が加えられていないので、出力電圧は基準電圧となる。
【００５２】
時刻０．１ｓｅｃ．〜０．２５ｓｅｃ．で圧電素子１０に押圧力が加えられると、加えられた押圧力に応じて、出力電圧は基準電圧よりも上昇する。そして、さらなる押圧力の増加がなくなり、押圧力が一定になると、Ｒ３×（Ｃ１＋Ｃｓ）に基づく時定数で、出力電圧は低下し、基準電圧に戻る。例えば、図４の場合、０．４５ｓｅｃ．で出力電圧は基準電圧となる。その後、押圧力が一定の期間は、出力電圧は、基準電圧のまま一定となる。
【００５３】
時刻０．８ｓｅｃ．〜０．９５ｓｅｃ．で圧電素子１０に加えられていた押圧力が開放されると、開放される押圧力に応じて、出力電圧は基準電圧よりも低下する。そして、押圧力が全て開放されると、Ｒ３×（Ｃ１＋Ｃｓ）に基づく時定数で、出力電圧は上昇し、基準電圧に戻る。例えば、図４の場合、１．１５ｓｅｃ．で出力電圧は基準電圧となる。
【００５４】
圧電素子１０に加えられた押圧力によって、上述のような時間遷移をする出力電圧は、検出部１０２に入力される。
【００５５】
検出部１０２は、Ａ／Ｄ変換部１２１と演算部１２２とを備える。図５は演算部１２２の構成を示すブロック図である。
【００５６】
Ａ／Ｄ変換部１２１は、オペアンプＵ１の出力信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングして、デジタルの出力データに変換する。この際、サンプリング周期は、タッチセンサ１００の仕様に応じて適宜設定すればよく、上述の押圧力による電圧変化を適正に検出できるような周期に設定されている。
【００５７】
演算部１２２は、積算部２０１と押圧量算出部２０２とを備える。積算部２０１は、基準電圧をデジタルサンプリングした基準電圧データと、出力データとの差分値をサンプリングタイミング毎に積算し、積算値Ｚｏｕｔを算出する。図６は第１の実施形態に係る演算部１２２で得られる積算値Ｚｏｕｔの時間遷移を示す図である。図６は図４に示す出力電圧遷移が生じた場合の例を示している。
【００５８】
図６に示すように、積算値Ｚｏｕｔは、略０．０から始まり、押圧力が加わり始めて出力電圧が上昇し、押圧力が一定になって出力電圧が基準電圧に戻るまで上昇し続ける。この際、積算値Ｚｏｕｔの到達する値は、押圧力すなわち押し込み量に依存する。この後、押圧力が開放し始めて出力電圧が低下し、押圧力が開放されて出力電圧が基準電圧に戻るまで低下し続け、略０．０となる。したがって、図６の場合、０．４５ｓｅｃ．までは積算値Ｚｏｕｔが０．０から押圧力に応じた所定値まで上昇し続ける。０．４５ｓｅｃ．〜０．８ｓｅｃ．までは積算値Ｚｏｕｔが一定になる。０．８ｓｅｃ．からは積算値Ｚｏｕｔが所定値から低下し続け、１．１５ｓｅｃ．で０．０となる。
【００５９】
押圧量算出部２０２は、積算値Ｚｏｕｔを検出し、予め設定した積算値Ｚｏｕｔと押圧量との関係から、押圧量を算出する。なお、ここで、押圧力も押圧量も同じように積算値Ｚｏｕｔに依存するので、押圧力を算出することもできる。
【００６０】
このような構成にすることで、押圧量および押圧力を正確且つ確実に検出タッチセンサを実現することができる。
【００６１】
次に、第２の実施形態に係るタッチセンサについて、図を参照して説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係るタッチセンサ１００Ａの回路ブロック図である。本実施形態のタッチセンサ１００Ａは、電圧変換部１０１Ａの構成および圧電素子１０との接続構成が、第１の実施形態の電圧変換部１０１と異なるものである。
【００６２】
電圧変換部１０１Ａは、オペアンプＵ１、抵抗器Ｒ３（本発明の「第１抵抗器」に相当する。）、抵抗器Ｒ４（本発明の「第２抵抗器」に相当する。）、コンデンサＣ１を備える。
【００６３】
オペアンプＵ１の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との接続点に接続されている。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とは、駆動電圧印加端子Ｖｄｄとグランドとの間に直列接続されている。また、オペアンプＵ１には駆動電圧印加端子Ｖｄｄから駆動電圧が供給されている。
【００６４】
オペアンプＵ１の反転入力端子には、抵抗器Ｒ３の一方端が接続されている。抵抗器Ｒ３の他方端は、圧電素子１０の一方端（例えば上述の第１引き出し電極４１）に接続されている。圧電素子１０の他方端（例えば上述の第２引き出し電極４２）は基準電位に接続されている。
【００６５】
オペアンプＵ１の反転入力端子と出力端子との間には、第１コンデンサＣ１が接続されるとともに、抵抗器Ｒ４が接続されている。
【００６６】
このような構成により、電圧変換部１０１Ａは、圧電素子１０に接続する積分回路として機能する。
【００６７】
抵抗器Ｒ３および抵抗器Ｒ４の抵抗値（インピーダンス）と、コンデンサＣ１のキャパシタンスは、次の条件を満たすように、適宜設定されている。
【００６８】
（ｉ）抵抗器Ｒ３の抵抗値と抵抗器Ｒ４との合成抵抗（Ｒ３＋Ｒ４）は、圧電素子１０のインピーダンスよりも低い。
【００６９】
（ｉｉ）押し込みによるオペアンプＵ１の出力電圧の変化が検出部１０２で検出可能である。
【００７０】
（ｉｉｉ）押し込みによるオペアンプＵ１の出力電圧の過渡的な電圧の時間変化が、タッチセンサ１００として離散的にサンプリングする検知の周期に対して十分に短い。
【００７１】
なお、抵抗器Ｒ１，Ｒ２の抵抗値の設定は、第１の実施形態と同じである。
【００７２】
このような構成であっても、オペアンプＵ１の出力電圧は、第１の実施形態と同様の挙動を示す。具体的には、電圧変換部１０１ＡのオペアンプＵ１の出力電圧は、図８に示すような時間遷移をたどる。図８は、本実施形態に係るオペアンプＵ１の出力電圧の時間遷移の一例を示す図である。なお、図８は、時刻０．１ｓｅｃ．〜０．２５ｓｅｃ．では第１の方向に押圧力を加え、その後押圧力を維持して、時刻０．８ｓｅｃ．〜０．９５ｓｅｃ．で押圧力を開放した場合を示している。
【００７３】
図８に示すように、時刻０．０ｓｅｃ．〜０．１ｓｅｃ．では圧電素子１０に押圧力が加えられていないので、出力電圧は基準電圧となる。
【００７４】
時刻０．１ｓｅｃ．〜０．２５ｓｅｃ．で圧電素子１０に押圧力が加えられると、加えられた押圧力に応じて、出力電圧は基準電圧よりも上昇する。そして、さらなる押圧力の増加がなくなり、押圧力が一定になると、Ｒ４×Ｃ１に基づく時定数で、出力電圧は低下し、基準電圧に戻る。例えば、図８の場合、０．６ｓｅｃ．で出力電圧は基準電圧となる。その後、押圧力が一定の期間は、出力電圧は、基準電圧のまま一定となる。
【００７５】
時刻０．８ｓｅｃ．〜０．９５ｓｅｃ．で圧電素子１０に加えられていた押圧力が開放されると、開放される押圧力に応じて、出力電圧は基準電圧よりも低下する。そして、押圧力が全て開放されると、Ｒ４×Ｃ１に基づく時定数で、出力電圧は上昇し、基準電圧に戻る。例えば、図８の場合、１．３ｓｅｃ．で出力電圧は基準電圧となる。
【００７６】
圧電素子１０に加えられた押圧力によって、上述のような時間遷移をする出力電圧は、検出部１０２に入力される。
【００７７】
検出部１０２は、第１の実施形態と同じ構成である。図９は、第２の実施形態に係る演算部１２２で得られる積算値Ｚｏｕｔの時間遷移を示す図である。図９は図８に示す出力電圧遷移が生じた場合の例を示している。
【００７８】
図９に示すように、積算値Ｚｏｕｔは、略０．０から始まり、押圧力が加わり始めて出力電圧が上昇し、押圧力が一定になって出力電圧が基準電圧に戻るまで上昇し続ける。この際、積算値Ｚｏｕｔの到達する値は、押圧力すなわち押し込み量に依存する。この後、押圧力が開放し始めて出力電圧が低下し、押圧力が開放されて出力電圧が基準電圧に戻るまで低下し続け、略０．０となる。したがって、図９の場合、０．６ｓｅｃ．までは積算値Ｚｏｕｔが０．０から押圧力に応じた所定値まで上昇し続ける。０．６ｓｅｃ．〜０．８ｓｅｃ．までは積算値Ｚｏｕｔが一定になる。０．８ｓｅｃ．からは積算値Ｚｏｕｔが所定値から低下し続け、１．３ｓｅｃ．で０．０となる。
【００７９】
このように、本実施形態を用いても、第１の実施形態と同様に、押圧量および押圧力に応じた積算値の遷移が得られる。但し本実施例では電圧変換部１０１Ａが積分特性を有しているため、第１の実施例よりもゆるやかな反応を示すタッチセンサを実現することができる。
【００８０】
次に、第３の実施形態に係るタッチセンサについて、図を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係るタッチセンサの演算部１２２Ａの回路ブロック図である。本実施形態のタッチセンサは、第１の実施形態に示したタッチセンサに対して、演算部１２２Ａの構成が異なるものである。したがって、異なる箇所のみを説明する。
【００８１】
演算部１２２Ａは、積算部２０１、リセット機能付き押圧量算出部２０２Ａを備える。
【００８２】
図１１は実際の測定を起こりえる積算値に生じる一つの遷移を示す図である。実際の測定では、圧電素子１０の電荷発生量のばらつきや、オペアンプＵ１の入力オフセット電圧等により、基準電圧よりも高い領域に発生する電圧（基準電圧よりも正側の電圧）と、基準電圧よりも低い領域に発生する電圧（基準電圧よりも負側の電圧）とが非対称になることがある。この場合、単に押圧して開放するだけでも、図１１に示すように、積算値Ｚｏｕｔが０．０に戻らない可能性もある。
【００８３】
演算部１２２Ａのリセット機能付き押圧量算出部２０２Ａは、図１２に示すフローを用いて押圧量を算出する。図１２は、第３の実施形態に係るリセット機能付き押圧量算出部２０２Ａが実行する押圧量算出フローを示すフローチャートである。
【００８４】
リセット機能付き押圧量算出部２０２Ａ（以下、単に「算出部２０２Ａ」とする。）は、積算部２０１から出力される積算値Ｚｏｕｔを測定し、順次比較する（Ｓ１０１）。算出部２０２Ａは、積算値Ｚｏｕｔに上下動があることを検出するまでは（Ｓ１０２：ＮＯ）、積算値Ｚｏｕｔの測定、比較を継続する。すなわち、図６に示すように、積算値Ｚｏｕｔが上昇して一定値となり、その後低下するまでは、積算値Ｚｏｕｔの測定、比較を継続する。
【００８５】
算出部２０２Ａは、積算値Ｚｏｕｔの上下動を検出すると（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、積算値Ｚｏｕｔの最大値Ｚｍａｘを算出する（Ｓ１０３）。
【００８６】
次に、算出部２０２Ａは、初期の積算値Ｚｏｕｔ（＝０．０）と、測定している最新の積算値Ｚｏｕｔとの差分値ΔＺを算出する（Ｓ１０４）。算出部２０２Ａは、差分値ΔＺが最大値Ｚｍａｘによって決まる所定の閾値（本実施形態では、０．９Ｚｍａｘ）未満でなければ（Ｓ１０５：ＮＯ）、差分値ΔＺの算出、および差分値ΔＺと閾値との比較を継続する。なお、閾値は、ここで示す値に限るものでなく、タッチセンサ１００の圧電素子１０およびオペアンプＵ１の特性のばらつきや、タッチセンサ１００の使用環境等によって適宜設定すればよい。
【００８７】
算出部２０２Ａは、差分値ΔＺが閾値未満であることを検出すると（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、最大値Ｍａｘから押圧量を算出する（Ｓ１０６）。そして、算出部２０２Ａは、積算値Ｚｏｕｔを初期値（＝０．０）にリセットする（Ｓ１０７）。
【００８８】
このような処理を行うことで、積算値の累積誤差を無くすことができる。これにより、継続的に押圧量を検出し続けても、各回で、正確且つ確実に押圧量を検出し続けることができる。
【００８９】
なお、上述の説明では、変位センサとして押圧力（押し込み量）を検出するタッチセンサを例に説明したが、変位センサすなわち圧電素子自体が曲げられたり、捻られたりした時の変位量を検出する他の変位センサにも、上述の構成を適用することができる。これにより、曲げ量や捻れ量等の変位量を正確に且つ確実に検出することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１００，１００Ａ：タッチセンサ、
１０：圧電素子、
２０：圧電性フィルム、
３１：第１検出用電極、
３２：第２検出用電極、
４１：第１引き出し電極、
４２：第２引き出し電極、
５０：弾性体、
１０１，１０１Ａ：電圧変換部、
１０２：検出部、
１２１：Ａ／Ｄ変換部、
１２２，１２２Ａ：演算部、
２０１：積算部、
２０２：押圧量算出部、
２０２Ａ：リセット機能付き押圧量算出部、
５０１：支持体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月3日(2014.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、
圧電素子の発生する電荷から、所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、
該電圧変換部から出力される電圧を積算し、積算値から前記変位量を算出する検出部と、を備え、
前記検出部は、
前記積算値の変動を測定し、
前記積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると、前記積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、
該差分値が所定閾値未満であれば、前記積算値を初期値にリセットする、
変位センサ。
【請求項２】
前記電圧変換部は、
前記圧電素子の少なくとも一端と接続された第１抵抗器と、
前記圧電素子で発生した電荷が前記第１抵抗器を流れることで発生する電圧を入力として検知するアンプ回路と、
を備える請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記電圧変換部は、
前記第１抵抗器は前記圧電素子と並列に接続され、前記第１抵抗器の一端が前記アンプ回路の入力と接続され、前記第１抵抗器の他端は基準電位と接続されている、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記電圧変換部は、
前記圧電素子と前記第１抵抗器と第２抵抗器とが直列接続され、
前記第１抵抗器の一端は前記圧電素子と接続され、前記第１抵抗器の他端は前記第２抵抗器の一端及び前記アンプ回路の入力と接続され、前記第２抵抗器の他端は前記アンプ回路の出力と接続されている、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記第１抵抗器のインピーダンスは、前記圧電素子のインピーダンスよりも低い、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記第１抵抗器と前記第２抵抗器の合成インピーダンスは、前記圧電素子のインピーダンスよりも低い、請求項４に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記圧電素子は、
少なくとも一軸方向に延伸処理を行ったポリ乳酸からなる圧電性フィルムと、
該圧電性フィルムの第１面に形成された第１検出用電極と、
前記圧電性フィルムの第２面に形成された第２検出用電極と、
を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項８】
前記変位センサは、前記圧電素子の所定面が押圧された時の押圧力を検出するタッチセンサである、請求項１乃至請求項７のいずれかに１項に記載の変位センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明の変位センサは、変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、圧電素子の発生する電荷から所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、該電圧変換部から出力される電圧を積算して積算値から変位量を算出する検出部と、を備えている。検出部は、積算値の変動を測定し、積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、該差分値が所定閾値未満であれば積算値を初期値にリセットする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この構成では、変位量に応じて、時間的な変化が安定した電圧値が得られる。この構成では、圧電素子の発生電荷のばらつきの影響を抑圧することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月21日(2014.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、
圧電素子の発生する電荷から、所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、
該電圧変換部から出力される電圧を積算し、積算値から前記変位量を算出する検出部と、を備え、
前記検出部は、
前記積算値の変動を測定し、
前記積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると、前記積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、
該差分値が、前記積算値の最大値に対応する所定閾値未満であれば、前記積算値を初期値にリセットする、
変位センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月2日(2015.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
変位量に応じた電荷を発生する圧電素子と、
圧電素子の発生する電荷から、所定の時定数で変化する電圧を発生する電圧変換部と、
該電圧変換部から出力される電圧を積算し、積算値の最大値から前記変位量を算出する検出部と、を備え、
前記検出部は、
前記積算値の変動を測定し、
前記積算値の変動が増加、減少の一組の挙動を示したことを検出すると、前記積算値の最大値を算出し、前記積算値の初期値と最新の積算値とを差分して差分値を算出し、
該差分値が、前記積算値の最大値に対応する所定閾値未満であれば、前記積算値を初期値にリセットする、
変位センサ。
【国際調査報告】
2013111841.tif 000015
2013111841.tif 000016
2013111841.tif 000017
2013111841.tif 000018