(57)【要約】【課題】  曲げモーメントによる出力電圧のバラツキを抑えることができる圧電式触覚センサとこの圧電式触覚センサを用いるキーボード装置を提供することを課題とする。【解決手段】  実施形態の圧電式触覚センサは、支持体と、ダイアフラムと、圧電膜と、２つの電極と、を具備する。前記支持体は、平面内に圧力検出用の開口部を有する。前記ダイアフラムは、前記開口部を閉塞する状態で前記支持体の前記平面上に配置される。前記圧電膜は、前記ダイアフラムの前記支持体と反対の面側に形成した。前記２つの電極は、前記圧電体を挟設する。そして、前記ダイアフラムが撓むことで前記２つの電極から出力される電圧を用いて所定の物理量を検出する。前記支持体における前記開口部の内部に前記圧電膜が配置されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面内に圧力検出用の開口部を有する支持体と、
前記開口部を閉塞する状態で前記支持体の前記平面上に配置されるダイアフラムと、
前記ダイアフラムの前記支持体と反対の面側に形成した圧電膜と、
前記圧電膜を挟設する２つの電極と、を具備し、
前記ダイアフラムが撓むことで前記２つの電極から出力される電圧を用いて所定の物理量を検出する圧電式触覚センサであって、
前記支持体における前記開口部の内部に前記圧電膜が配置されている圧電式触覚センサ。
【請求項２】
平面内に圧力検出用の開口部を有する支持体と、
前記開口部を閉塞する状態で前記支持体の前記平面上に配置されるダイアフラムと、
前記ダイアフラムの前記支持体と反対の面側に形成した圧電膜と、
前記圧電膜の表面上に対向配置された２つの電極と、を具備し、
前記ダイアフラムが撓むことで前記２つの電極から出力される電圧を用いて所定の物理量を検出する圧電式触覚センサであって、
前記支持体における前記開口部の内部に前記圧電膜が配置されている圧電式触覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載された圧電式触覚センサは、前記圧電膜と、前記２つの電極とを積層させた積層体を有する複数のセンサ素子を具備し、
複数の前記センサ素子のそれぞれの前記２つの電極のいずれか一方が個別の電圧発生素子を分ける多配線端子の接続部を有する圧電式触覚センサ。
【請求項４】
前記圧電膜と、前記２つの電極とを積層させた積層体の外周部に前記電極に接続される引出配線部の断線を抑えるテーパー面が形成されている
請求項１乃至３のいずれかに記載された圧電式触覚センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の前記圧電式触覚センサを用いるキーボード装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、圧電式触覚センサとこの圧電式触覚センサを用いるキーボード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体とは、応力を加えると応力に比例した電荷（電圧）が現れる正圧電効果と、逆に電界を印加すると物質が変形する逆圧電効果を持つ物質をいう。従来から正圧電効果の現象に基づいて振動を検出できるダイアフラム型の圧電式超音波センサ素子が知られている。従来の圧電式超音波センサ素子では、開口部を有する基板と、この基板の上に装着され、開口部を塞ぐ状態で積層されるダイアフラムと、を備える。
【０００３】
圧電式超音波センサ素子の製造時には、ダイアフラムの一面側に圧電体を形成し、２つの電極（上部電極と下部電極）で圧電体を挟設することで振動検出部が形成される。超音波センサ素子の動作時には、空気などの媒体を伝搬する超音波を受けたダイアフラムが基板の開口部の部分で撓み、その撓みに応じて圧電体が面方向に伸縮する。このとき圧電体の変形により発生する電圧を２つの電極を通して検出する。
【０００４】
この超音波センサ素子は、一般的に、圧力センサや触覚センサにも適用できる。例えば、ダイアフラムに面方向と直交する方向に圧力を加えると、ダイアフラムが同方向に沿って撓む。これに伴って圧電体が面方向に伸縮し、電圧が２つの電極を通して出力されて微小な力の変化を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３７００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のダイアフラム型の圧電式超音波センサ素子では、上部電極と下部電極をダイアフラムの外側に引き出すため、上部電極と下部電極との間に配置されている圧電体が基板の開口部の外側まで延設されている。そのため、圧電体は、開口部の外側まで延設される延出部の部分で片持ち梁構造となるため、ダイアフラムの撓みに応じて圧電体の延出部の部分に曲げモーメントによる応力が発生する。このとき圧電体に発生する曲げモーメントによる応力がダイアフラムの変形に影響を与えるので、経時的に超音波センサ素子の出力電圧にバラツキが出てしまう。
【０００７】
本実施形態は、出力電圧のバラツキを抑えることができ、長期信頼性が向上される圧電式触覚センサとこの圧電式触覚センサを用いるキーボード装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の圧電式触覚センサは、支持体と、ダイアフラムと、圧電膜と、２つの電極と、を具備する。前記支持体は、平面内に圧力検出用の開口部を有する。前記ダイアフラムは、前記開口部を閉塞する状態で前記支持体の前記平面上に配置される。前記圧電膜は、前記ダイアフラムの前記支持体と反対の面側に形成した。前記２つの電極は、前記圧電体を挟設する。そして、前記ダイアフラムが撓むことで前記２つの電極から出力される電圧を用いて所定の物理量を検出する。前記支持体における前記開口部の内部に前記圧電膜が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態の圧電式触覚センサの要部構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図４は、第２の実施形態の圧電式触覚センサの要部構成を示す平面図である。
【図５】図５は、第３の実施形態の圧電式触覚センサの要部構成を示す平面図である。
【図６】図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の圧電式触覚センサの応用例におけるキーボード装置の構成例を示す分解斜視図である。
【図８】図８は、図７の応用例における発生電圧の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、第１の実施形態の圧電式触覚センサの構成について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の圧電式触覚センサの要部構成を示す平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００１１】
図１に示すように第１の実施形態の圧電式触覚センサ１０１は、センサ素子アレイ１０２を有する。このセンサ素子アレイ１０２は、支持体である基板１の上に複数、例えば９個の円形状のセンサ素子２が３×３列に配列されている。
【００１２】
基板１は、一例として例えば厚み５００μｍの単結晶シリコンウエハで形成されている。基板１の内部には、圧力検出用の円孔の開口部３が形成されている。本実施形態では、開口部３は、センサ素子２と同数の９個が形成されている。図２に示すように開口部３の直径Ｄ１は、一例として２００μｍとした。開口部３は、基板１の下面からドライエッチングで穴を開けることにより形成した。基板１の隣接する開口部３の中心間距離は、例えば２５０μｍとする。
【００１３】
また、図２、図３は、１個のセンサ素子２の断面構造を示す。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。センサ素子２は、ダイアフラム１１、第１電極１２（下部電極とも称する）、圧電膜１３、第２電極１４（上部電極とも称する）、絶縁層１５、保護層１６で主に構成されている。
【００１４】
ダイアフラム１１は、開口部３の上面を覆うように、基板１と一体に形成されている。ダイアフラム１１は、開口部３の形成前に、基板１を高温で加熱することにより、基板１のシリコンウエハの表面に形成される二酸化シリコンによって形成した。ダイアフラム１１の膜厚は、１〜５０μｍの範囲が好ましく、一例として４μｍとした。
【００１５】
なお、本実施形態において、ダイアフラム１１によって塞がれる基板１の開口部３がＺ方向（図２中で上下方向）の一方である下向きに配される姿勢を基準として方向の説明を記載するが、これに限られるものではない。
【００１６】
ダイアフラム１１の上面には、第１電極１２と、圧電膜１３と、第２電極１４と、が積層して形成される。第１電極１２、圧電膜１３、第２電極１４は、一例として、各々、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛（Lead Zirconate Titanate））、白金をスパッタ法で成膜した。第１電極１２と第２電極１４の厚みは、一例として０．１〜０．２μｍである。圧電膜１３の厚みは、一例として２μｍとした。圧電膜１３のＰＺＴは、スピンコート法などにより成膜しても良い。
【００１７】
結晶配向性が高い圧電膜１３を得るため、強い配向を持った多結晶の第１電極１２の上に圧電膜１３が形成される。圧電膜１３は、成膜の時点で決まった配向方向（分極方向）を持ち、厚み方向に分極を発生させる。スパッタ法により第１電極１２の上に圧電膜１３を成膜するので、当該圧電膜１３の分極方向は第１電極１２から第２電極１４に向かう方向に揃えられる。
【００１８】
なお、実質的に分極方向と逆方向に圧力を加えることにより、ダイアフラム１１は、開口部３の方向（図２中で下向き）に撓み、圧電膜１３が膜厚に対して直交する方向（面方向）に伸長する。ここで、基板１には、開口部３の周囲の壁部によってダイアフラム１１を支持する枠部１７が形成されている。この枠部１７の部分まで圧電膜１３が延設されている場合には、圧電膜１３の延設部分の端部固定構造によりダイアフラム１１が撓みにくくなる。
【００１９】
本実施形態では、第１電極１２、圧電膜１３、第２電極１４は、円孔の開口部３の中心Ｏと同心となる円形状に形成されている。これら第１電極１２、圧電膜１３、第２電極１４の円形状の外径は、開口部３の直径Ｄ１＝２００μｍより小さい。ここでは、圧電膜１３の外径Ｄ２は、一例として１４０μｍとした。
【００２０】
さらに、図１に示すようにセンサ素子アレイ１０２には、ダイアフラム１１の上面に第１電極端子部１２ａと、第１電極引出配線部１２ｂと、第２電極端子部１４ａと、第２電極引出配線部１４ｂとが形成されている。基板１の端部には、第１電極端子部１２ａと、第２電極端子部１４ａとが配設されている。第１電極端子部１２ａには、第１電極引出配線部１２ｂの一端が接続されている。この第１電極引出配線部１２ｂの他端は、９個のセンサ素子２の第１電極１２にそれぞれ接続されている。同様に、第２電極端子部１４ａには、第２電極引出配線部１４ｂの一端が接続されている。この第２電極引出配線部１４ｂの他端は、９個のセンサ素子２の第２電極１４にそれぞれ接続されている。
【００２１】
図３に示すように第１電極１２は、外周部の一部に径方向外側（図３中で左側）に延出される第１電極延出部１２ｃが形成されている。この第１電極延出部１２ｃは、開口部３の外周面と対応する位置よりも外側に延出されている。この第１電極延出部１２ｃの先端に第１電極引出配線部１２ｂの他端が接続されている。
【００２２】
また、圧電膜１３の外周部の一部には、第２電極引出配線部１４ｂと対応する位置に絶縁層１５が形成されている。絶縁層１５は、圧電膜１３の外周部において、第２電極引出配線部１４ｂと第１電極１２とが電気的に接触するのを防止している。絶縁層１５は、一例としてＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により二酸化シリコンを成膜して形成した。絶縁層１５の厚みは一例として０．５μｍとした。
【００２３】
絶縁層１５の上には、第１電極引出配線部１２ｂと第２電極引出配線部１４ｂが形成されている。第１電極引出配線部１２ｂは第１電極１２の第１電極延出部１２ｃに、第２電極引出配線部１４ｂは第２電極１４に接続されている。第１電極引出配線部１２ｂと第２電極引出配線部１４ｂは、一例としてスパッタ法により金を成膜して形成した。厚みは、一例として０．１μｍないし０．５μｍである。
【００２４】
また、図２に示すようにセンサ素子２の第１電極１２と、圧電膜１３と、第２電極１４との積層体の外周部には、図２中で下側から上側に向けて径が徐々に小さくなるテーパー面２ｔが形成されている。このテーパー面２ｔのテーパー角θは、θ＞９０°である。このテーパー角θを緩く加工し、表面面積の大きさが第１電極１２≧圧電膜１３≧第２電極１４とすることが好ましい。これにより、第２電極１４と繋がる第２電極引出配線部１４ｂがほぼ直角に屈曲されることが防止されるので、第２電極引出配線部１４ｂの断線を抑えることができる。
【００２５】
第１電極引出配線部１２ｂと第２電極引出配線部１４ｂの上には、保護層１６が形成されている。保護層１６は、一例として感光性ポリイミド材料をスピンコート法により成膜した。厚みは、一例として４μｍである。
【００２６】
次に、上記構成の作用・効果について説明する。本実施形態の圧電式触覚センサ１０１は、基板１の開口部３よりも小さい領域に圧電膜１３が配置されている。そして、圧電式触覚センサ１０１は、微小な力や振動により、ダイアフラム１１が撓む際にこのダイアフラム１１とともに圧電膜１３が撓むことで２つの電極（第１電極１２と第２電極１４）から出力される電圧を用いて所定の物理量を検出する。このとき、圧電膜１３のすべてが開口部３の内側の領域に配置されているので、開口部３の周囲の壁部の枠部１７まで圧電膜１３が延出されている部分はない。そのため、圧電膜１３は、すべての方向で自由端構造になっているので、圧電膜１３に片持ち梁構造の支持部分はない。したがって、圧電膜１３は、すべての方向で曲げモーメントを作用させないよう伸縮できるので、出力電圧のバラツキを抑えて長期信頼性を向上させることができる。
【００２７】
また、上記第１の実施形態においては、絶縁層１５がセンサ素子２の外周部にある一部の領域しか置かれていないが、絶縁層１５がセンサ素子２の全面を覆う構成にしてもよい。この場合は、絶縁層１５には、第２電極１４を引き出すコンタクトホールを備える構成としてもよい。
【００２８】
図４は、第２の実施形態の圧電式触覚センサ２０１の要部構成を示す平面図である。なお、図４中で図１乃至図３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態の圧電式触覚センサ２０１は、センサ素子アレイ１０２に配置された９個のセンサ素子２のそれぞれに個別に対応する複数、ここでは９個の第１電極端子部１２ａ１〜１２ａ９を設けたものである。９個の第１電極端子部１２ａ１〜１２ａ９は、それぞれ個別の第１電極引出配線部１２ｂ１〜１２ｂ９を介して９個のセンサ素子２のそれぞれの第１電極１２に個別に接続されている。また、９個のセンサ素子２のそれぞれの第２電極１４は、共有の第２電極引出配線部１４ｂを介して１つの共有の第２電極端子部１４ａに共通に接続されている。
【００２９】
そして、本実施形態では、９個のセンサ素子２のそれぞれから出力する電圧を個別に検出可能になる。
【００３０】
図５および図６は、第３の実施形態を示す。図５は、第３の実施形態の圧電式触覚センサ３０１の要部構成を示す平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。なお、図５および図６中で図１乃至図３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
第１の実施形態においては、センサ素子２を円形状で形成した例を示したが、これに限られるものではない。本実施形態の圧電式触覚センサ３０１は、図５に示すように四角形のセンサ素子３０２を設けたものである。
【００３２】
本実施形態の圧電式触覚センサ３０１のセンサ素子アレイ３０３は、支持体である基板１の上に複数、例えば９個の四角形のセンサ素子３０２が３×３列に配列されている。基板１の内部には、圧力検出用の９個の四角形の開口部３０４が形成されている。
【００３３】
図６は、１個のセンサ素子３０２の断面構造を示す。ダイアフラム１１は、開口部３０４の上面を覆うように、基板１と一体に形成されている。ダイアフラム１１の上面には、圧電膜１３が形成される。ダイアフラム１１、圧電膜１３は、一例として、各々、膜厚４μｍの二酸化シリコン、膜厚２μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛（Lead Zirconate Titanate）である。
【００３４】
結晶性や配向性がよい圧電膜１３を形成するため、圧電膜１３を形成する前に基板１にバッファ層１８を導入して積層する。バッファ層１８は、例えば膜厚０．１〜０．２μｍの白金などの単層材料層、もしくはＳｒＴｉＯ３／ＭｇＯ／ＴｉＮなどの多膜層材料層により成膜しても良い。開口部３０４は、一例として、一辺の長さが２００μｍで、面積は、２００×２００μｍ２である。圧電膜１３は、一例として、一辺の長さが１００μｍで、面積は、１００×１００μｍ２である。
【００３５】
第１の実施形態では、圧電膜１３を挟んで存在する第１電極１２と第２電極１４は、上下に対向配置されている。これに対し、本実施形態では、第１電極３１２と第２電極３１４は、圧電膜１３の上面に横並びの状態で形成されている。
【００３６】
また、バッファ層１８が導電材である場合、第１電極３１２と、第２電極３１４がバッファ層１８と電気的に接していないため、絶縁層１５がセンサ素子３０２の一部の外周部に配置される。絶縁層１５の厚みは一例として０．５μｍとした。
【００３７】
第１電極３１２と第２電極３１４を引き出すため、第１電極引出配線部３１２ｂ、第２電極引出配線部３１４ｂがそれぞれ形成され、第１電極３１２と第２電極３１４にそれぞれ接続されている。第１電極引出配線部３１２ｂ、第２電極引出配線部３１４ｂは、一例としてスパッタ法により金を成膜して形成した。厚みは、一例として０．１μｍないし０．５μｍである。
【００３８】
第１電極引出配線部３１２ｂと第２電極引出配線部３１４ｂの上には、保護層１６が形成されている。保護層１６は、一例として感光性ポリイミド材料をスピンコート法により成膜した。厚みは一例として４μｍである。
【００３９】
第１の実施形態では、第１電極１２と第２電極１４の配置により、圧電膜１３の面方向と直交する方向に電圧（電位差）を発生するが、本実施形態では、第１電極３１２と第２電極３１４の配置により、圧電膜１３の面方向と同方向に電圧（電位差）を発生することになる。
【００４０】
したがって、前記各実施形態では、出力電圧のバラツキを抑えることができ、長期信頼性が向上される圧電式触覚センサを提供することができる。
【００４１】
次に、図７および図８を参照して第１の実施形態の圧電式触覚センサ１０１の応用例を説明する。図７は、第１の実施形態の圧電式触覚センサ１０１の応用例におけるキーボード装置の構成例を示す分解斜視図である。図８は、図７の応用例における発生電圧の一例を示す特性図である。なお、図７中で図１乃至図３と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
本応用例におけるキーボード装置は、センサ素子アレイ１０２を備える基板１の上に樹脂キー１１０が配置される。本実施形態では、樹脂キー１１０を押すと、センサ素子アレイ１０２が押圧される構成になっている。
【００４３】
初期状態（樹脂キー１１０を押していない状態）では、ダイアフラム１１が撓んでいない。この状態では、電圧が発生していない（図８中で（ａ）の状態）。その後、ｔ１の時点でキー１１０を押すと、ダイアフラム１１が基板１の面方向と直交する方向に沿って開口部３側に向けて撓む。これに伴って圧電膜１３が面方向に伸長し、正電圧を発生する（図８中で（ｂ）の状態）。
【００４４】
キー１１０をこのまま押している場合、圧電膜１３の圧電歪が変わっていないため、電圧が発生していない（図８中で（ｃ）の状態）。その後は、ｔ２の時点でキー１１０を離すと、ダイアフラム１１が図８中で（ｂ）と逆の方向に撓んで、圧電膜１３が面方向に収縮し、負電圧を発生する（図８中で（ｄ）の状態）。キー１１０が初期状態の位置に戻った後は、圧電膜１３の圧電歪が変わっていないため、電圧が発生していない状態になる（図８中で（ｅ）の状態）。
【００４５】
本応用例におけるキーボード装置の利用シーンとしては、発生電圧のトラッキングを精細に行うことで、使用者毎のキーボード装置のタイピング時の波形の違いを解析することが可能になる。これにより、生体認証の一つとして、パソコンのキーボード装置のキー１１０の打ち方は使用者によって全く異なるという行動的特徴を利用した認証技術に適用できる。
【００４６】
例えば、予め使用者の波形パターン（キー１１０を押してから離すまでの時間、ある文字から別の文字を打つまでの間隔など）をシステムに登録しておくことで、認証用のオリジナルの通信プロトコルを送信し、認証できる。このタイピング認証によれば、第三者が不正操作を試みた際に感知するという、指紋読み取り装置やＩＣカードといった特別な機器を必要としない低コストのセキュリティシステムを構築することができる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１…基板（支持体）、２…センサ素子、３…開口部、１１…ダイアフラム、１２…第１電極、１３…圧電膜、１４…第２電極、１０１…圧電式触覚センサ、２０１…圧電式触覚センサ、３０１…圧電式触覚センサ、３０２…センサ素子、３０４…開口部、３１２…第１電極、３１４…第２電極。
【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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