(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性部材と、
主面を有し、前記導電性部材が前記主面に形成された熱可塑性樹脂と、
複数の前記熱可塑性樹脂が積層され、熱プレスにより一体形成されてなる積層体と、
前記積層体における前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により構成された伝送線路と、
前記積層体に貼り付けられた圧電フィルムと、
前記圧電フィルムおよび前記積層体における前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により構成された圧電素子と、
を備えた変形検知センサ。
【請求項２】
前記圧電フィルムおよび前記伝送線路は、平面視して重なる位置に配置され、
前記圧電フィルム及び前記伝送線路が重なる方向において、前記圧電フィルムおよび前記伝送線路の間に、前記導電性部材により構成されたグランド導体が配置されている、
請求項１に記載の変形検知センサ。
【請求項３】
前記圧電フィルムおよび前記伝送線路は、平面視して重ならない箇所が存在するように配置されている、
請求項１に記載の変形検知センサ。
【請求項４】
前記変形検知センサを平面視して前記圧電素子と前記伝送線路との間に配置されている前記積層体が屈曲されている、
請求項３に記載の変形検知センサ。
【請求項５】
前記伝送線路および前記圧電素子の信号線は、共通の前記導電性部材により構成されている、
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の変形検知センサ。
【請求項６】
前記導電性部材は、第１導電性部材および第２導電性部材を有し、
前記熱可塑性樹脂は、第１導電性部材および第２導電性部材の間に、該熱可塑性樹脂の一部が除去された除去部を備える、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の変形検知センサ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の変形検知センサと、
前記変形検知センサを収納する筐体と、
を備えた電子機器であって、
前記圧電フィルムの主面は、前記筐体の側面に並行に配置されている、
電子機器。
【請求項８】
導電性部材が主面に形成された熱可塑性樹脂を用意し、
複数の前記熱可塑性樹脂を積層し、
積層した後の複数の前記熱可塑性樹脂を熱プレスにより一体形成して積層体を得て、前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により伝送線路を構成し、
その後、前記積層体に圧電フィルムを貼り付けることにより、該圧電フィルムおよび前記積層体における前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により圧電素子を構成する、
変形検知センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作対象物に対する変形操作を検出する変形検知センサ、該変形検知センサを備えた電子機器、および該変形検知センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン等の携帯電子機器には、多数の電子部品が搭載されている。【０００３】
電子部品の一例として、特許文献１には、可撓性を有する熱可塑性樹脂により形成された伝送線路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０１８９７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、電子部品は、小型化されることが望まれている。一方で、搭載される電子部品の数は増えている。【０００６】
そこで、この発明は、複数の機能を備えた電子部品として、伝送線路の機能も備えた変形検知センサ、該変形検知センサを備えた電子機器、および該変形検知センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
変形検知センサは、導電性部材と、熱可塑性樹脂と、積層体と、伝送線路と、圧電フィルムと、圧電素子と、を備えている。前記熱可塑性樹脂は、主面を有し、前記導電性部材が前記主面に形成されている。前記積層体は、前記熱可塑性樹脂が積層され、熱プレスにより一体形成されてなる。前記伝送線路は、前記積層体における前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により構成されている。前記圧電フィルムは、前記積層体に貼り付けられている。前記圧電素子は、前記圧電フィルムおよび前記積層体における前記導電性部材および前記熱可塑性樹脂により構成されている。【０００８】
単純に伝送線路と変形検知センサを１つの熱可塑性樹脂（ポリイミド、ＰＥＴ、または液晶ポリマー等の可撓性を有する絶縁性基材）に統合すると、製造時に、変形検知センサを構成する圧電フィルムに対して高熱を与えることになる。しかし、本発明の変形検知センサは、熱プレスにより一体形成された積層体に圧電フィルムが貼り付けられる構造であるため、圧電フィルムに高熱を与えることなく、伝送線路の機能を備えた変形検知センサを実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の機能を備えた電子部品として、伝送線路の機能も備えた変形検知センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】変形検知センサを備えた電子機器の平面図である。
【図２】図２（Ａ）は、筐体の裏面側からの透過斜視図であり、図２（Ｂ）は、筐体の裏面の一部拡大図である。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）は、変形検知センサの分解斜視図である。
【図４】図３（Ｃ）に示したＡ−Ａ線の断面図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、変形検知センサの製造工程を示す図である。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）は、変形検知センサの変形例の構造を示した断面図である。
【図７】図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、変形検知センサの筐体に対する配置態様の例を示す図である。
【図８】変形検知センサに屈曲部を設ける場合の断面図である。
【図９】圧電センサと伝送線路を積層する場合の断面図である。
【図１０】導電性薄膜部材が第２グランド導体に接続される例を示す断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）および図１１（Ｄ）は、変形検知センサの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、変形検知センサ１０を備えた電子機器１の平面図である。図１においては主要な構成のみを示し、他の部品等は省略している。
【００１２】
電子機器１は、スマートフォン等の情報処理装置である。図１に示すように、電子機器１は、筐体５０を備えている。筐体５０には、変形検知センサ１０、プリント配線基板１７１、プリント配線基板１８１、およびバッテリモジュール８１が収納されている。
【００１３】
プリント配線基板１７１には、例えば、電子機器１のコントローラ、メモリ、またはカメラモジュール等の各種部品が搭載されている。プリント配線基板１８１には、例えばアンテナ等の部品が搭載されている。プリント配線基板１７１およびプリント配線基板１８１は、変形検知センサ１０を介して接続されている。
【００１４】
変形検知センサ１０は、筐体５０の内面に接していて、筐体５０に対する変形操作を検出する。図２（Ａ）は、筐体の裏面側からの透過斜視図であり、図２（Ｂ）は、筐体の裏面の一部拡大図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、筐体５０の裏面には、「＋」と表示されたボリューム操作部５０１と、「−」と表示されたボリューム操作部５０２とが、配置されている。ボリューム操作部５０１およびボリューム操作部５０２は、筐体５０の表面に印刷等により形成されているが、物理的な操作子ではない。ユーザは、筐体５０のうちボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０２の位置を押圧することで、ボリューム変更操作を行なう。
【００１５】
ユーザがボリューム変更操作を行なうために、筐体５０のボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０１の位置を押圧すると、筐体５０の底面が押圧位置を中心として内面側に撓む。変形検知センサ１０は、筐体５０に接しているため、筐体５０の撓みとともに撓む。変形検知センサ１０には、ボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０２の位置に対応する位置に検知用電極が設けられていて、ボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０２の位置に対応する位置の撓みを検出し、ボリューム変更操作を受け付ける。
【００１６】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）は、変形検知センサ１０の構造を示す分解斜視図である。図４は、図３（Ｃ）におけるＡ−Ａ線の断面図である。
【００１７】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）において、変形検知センサ１０は、第１グランド導体１０１、樹脂基材１０２、樹脂基材１０３、第２グランド導体１０４、信号線導体１０５、第１検知用電極１０７、第２検知用電極１０９、圧電フィルム１５０、および導電性薄膜部材１７０を備えている。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）および図１１（Ｄ）に示すように、樹脂基材１０２のうち、第１検知用電極１０７および第２検知用電極１０９の間には、スリット１０２１が設けられていてもよい。スリット１０２１は、樹脂基材１０２の外辺内側に向かって設けられている。また、スリット１０２１に代えて、貫通孔または溝が設けられていてもよい。すなわち、樹脂基材１０２は、第１検知用電極１０７および第２検知用電極１０９（第１導電性部材および第２導電性部材）の間に、該樹脂基材１０２の一部が除去された除去部を備える。スリット１０２１の長さは、第１検知用電極１０７および第２検知用電極１０９との間に少しでも設けられていればよい。この様な、スリット１０２１は、第１検知用電極１０７が押圧された場合に、樹脂基材１０２の変形が第２検知用電極１０９に伝わることを防止する。同様に、スリット１０２１は、第２検知用電極１０９が押圧された場合に、樹脂基材１０２の変形が第１検知用電極１０７に伝わることを防止する。これにより、隣接した操作部が意図せずに反応することを防止する。
【００１８】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）においては、樹脂基材１０２および樹脂基材１０３は別の構成として記載しているが、図４に示すように、これら樹脂基材１０２および樹脂基材１０３は、同種の熱可塑性樹脂からなり、熱プレスにより一体となる。
【００１９】
熱可塑性樹脂は、可撓性を有する樹脂基材であり、例えば液晶ポリマー樹脂からなる。なお、液晶ポリマー樹脂以外の熱可塑性樹脂の種類としては、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポニフェニレンスルファイド）、ＰＩ（ポリイミド）等があり、液晶ポリマー樹脂に代えてこれらを用いてもよい。なお、液晶ポリマーは耐水性に優れているため、ＰＬＬＡのように湿度の影響を受けやすい圧電フィルムの両面を液晶ポリマーで積層することによって湿度環境下においても安定した押圧感度を実現することができる。
【００２０】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、変形検知センサの製造方法を示す図である。
【００２１】
図５（Ａ）に示すように、変形検知センサ１０を製造するためには、まず、導電性部材が主面に形成された熱可塑性樹脂を用意する。このとき、樹脂基材１０２の上面に形成されている導電性部材は、信号線導体１０５、第１検知用電極１０７、第２検知用電極１０９およびその他の配線がパターニングされる。信号線導体１０５、第１検知用電極１０７、および第２検知用電極１０９は、エッチングなどで一体形成されることで、各電極の間隔を一定にすることができる。樹脂基材１０２の下面に形成されている導電性部材は、第１グランド導体１０１となる。そして、図５（Ｂ）に示すように、複数の熱可塑性樹脂（この例では樹脂基材１０２および樹脂基材１０３）を積層して、熱プレスすることにより、一体形成された積層体が得られる。
【００２２】
このようにして、樹脂基材１０２の下面に形成された第１グランド導体１０１、樹脂基材１０２の上面に形成された信号線導体１０５、および樹脂基材１０３の上面に形成された第２グランド導体１０４からなるトリプレート型の伝送線路が構成される。伝送線路は、図１に示したように、プリント配線基板１７１およびプリント配線基板１８１に接続されることで、高周波信号を伝送する。
【００２３】
その後、図５（Ｃ）に示すように、積層体のうち、第１検知用電極１０７（および第２検知用電極１０９）が形成された樹脂基材１０２の上面に、圧電フィルム１５０が粘着剤等を介して貼り付けられる。
【００２４】
圧電フィルム１５０は、例えばＰＶＤＦまたはキラル高分子が用いられる。キラル高分子を用いる場合には、より好ましくは、一軸延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）、より具体的にはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）が用いられる。ポリ乳酸の一軸延伸方向は、圧電フィルム１５０の長手方向に対して略４５°を成す方向である。略４５°とは、４５°±１０°の範囲のことである。圧電フィルム１５０は、一軸延伸方向が４５±１０°であれば良好な押圧感度を得ることができる。また、一軸延伸方向は、使用目的に応じて±１０°を超える範囲であってもよい。
【００２５】
キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、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。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、ユーザが筐体５０を押圧した時に、仮にユーザの指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。また、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。例えば、ＰＬＬＡの圧電歪み定数ｄ１４は、延伸条件、熱処理条件、添加物の配合等の条件を整えることにより１０〜２０ｐＣ／Ｎという高い値が得られる。さらに、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。
【００２６】
なお、圧電フィルムの延伸倍率は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。なお、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。例えばある方向をＸ軸としてその方向に８倍、その軸に直交するＹ軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそＸ軸方向に４倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸した圧電フィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。
【００２７】
次に、図５（Ｄ）に示すように、圧電フィルム１５０の上面に、導電性薄膜部材１７０が貼り付けられる。導電性薄膜部材１７０は、グランド導体（シールド導体）として機能する。導電性薄膜部材１７０は、例えば導電性不織布に粘着剤が形成されたもの、または樹脂が含浸された銅箔に粘着剤が形成されたものが用いられる。導電性薄膜部材１７０は、圧電フィルム１５０の変形を阻害しないように、第１グランド導体１０１および第２グランド導体１０４よりも剛性が低くなっている。なお、導電性薄膜部材１７０は、図１０に示すように、第２グランド導体１０４に接続されていてもよい。ただし、導電性薄膜部材１７０は、必須の構成ではない。
【００２８】
以上のようにして、積層体に圧電フィルム１５０を貼り付けることにより、樹脂基材１０２の上面に形成された第１検知用電極１０７および第２検知用電極１０９と、圧電フィルム１５０と、により圧電素子が構成される。圧電素子は、各配線を介して不図示の変形検知センサ１０のコントローラ（または電子機器１のコントローラ）に接続される。コントローラは、第１検知用電極１０７および第２検知用電極１０９に生じる電荷を検出することにより、筐体５０のボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０２の位置に対する撓みを検出し、ユーザからボリューム変更操作を受け付ける。
【００２９】
変形検知センサ１０は、熱プレスにより一体形成された積層体に圧電フィルム１５０が貼り付けられた構造となっている。したがって、変形検知センサ１０の製造時に、圧電フィルム１５０に高熱を与えることはない。
【００３０】
また、図３（Ｂ）および図４に示すように、圧電フィルム１５０は、伝送線路側の樹脂基材１０３とは、平面視して異なる位置に配置されている。すなわち、圧電フィルム１５０および伝送線路は、平面視して重ならないように配置されている。よって、ユーザが筐体５０を押圧したときに、圧電フィルム１５０および該圧電フィルム１５０が配置されている側の樹脂基材が撓んだ場合でも、伝送線路側の樹脂基材は大きく変形せず、伝送線路のインピーダンスが大きく変化することがない。
【００３１】
次に、図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、変形例に係る変形検知センサの構造を示した断面図である。
【００３２】
図６（Ａ）の変形検知センサは、樹脂基材１０３が圧電素子側にも配置され、断面形状が長方形となっている。この場合においても、熱プレスにより一体形成された積層体に圧電フィルム１５０が貼り付けられることにより製造されるため、圧電フィルム１５０に高熱を与えることなく、伝送線路の機能を備えた変形検知センサ１０を実現することができる。また、圧電フィルム１５０および伝送線路は、平面視して重ならないように配置されているため、圧電フィルム１５０および該圧電フィルム１５０が配置されている側の樹脂基材が撓んだ場合でも、伝送線路側の樹脂基材は大きく変形せず、伝送線路のインピーダンスが大きく変化することがない。
【００３３】
また、図６（Ｂ）に示すように、樹脂基材１０２が圧電素子側に配置されていない態様においても同様に、圧電フィルム１５０および伝送線路は、平面視して重ならないように配置されているため、圧電フィルム１５０および該圧電フィルム１５０が配置されている側の樹脂基材が撓んだ場合でも、伝送線路側の樹脂基材は大きく変形せず、伝送線路のインピーダンスが大きく変化することがない。
【００３４】
図６（Ｃ）の変形検知センサ１０は、信号線導体１０５、第１検知用電極１０７、および第２検知用電極１０９が、同じ導電性部材により形成されている例である。伝送線路は、数ｋＨｚ以上の周波数信号を伝送する。一方で、圧電フィルム１５０により生じる電荷の変化は、数Ｈｚ〜数１０Ｈｚ程度である。そのため、共通の導電性部材により信号線導体１０５、第１検知用電極１０７、および第２検知用電極１０９が構成された場合においても、第１検知用電極１０７からの信号（圧電信号）と信号線導体１０５の高周波信号はそれぞれ区別することができるため、同一電極で形成することで配線を個別に設ける必要がなく、省スペース化を実現することができる。また、コネクタの極数も減らすことができる。より望ましくは、第１検知用電極１０７および信号線導体１０５は、Ｂｉａｓ−Ｔまたはダイプレクサのような周波数弁別回路で各信号が合成され、同一配線で各信号が伝送される形態である。圧電信号の増幅回路の手前では、同じく周波数弁別回路で第１検知用電極１０７からの信号（圧電信号）と信号線導体１０５の高周波信号を分岐させて、それぞれ所望の回路まで接続させることで、別々の配線を使用した場合と比較して特性が劣化するのを抑制できる。
【００３５】
次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、変形検知センサの筐体５０に対する配置態様の例を示す図である。図７（Ａ）の例は、伝送線路および圧電素子が、筐体５０の側面に配置されている態様である。筐体５０の側面には、ボリューム操作部５０１およびボリューム操作部５０２が配置されている。ユーザは、筐体５０の側面に配置されたボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０１の位置を押圧することで、ボリューム変更操作を行なう。
【００３６】
図７（Ｂ）の例は、伝送線路が筐体５０の底面に配置され、圧電素子が筐体５０の側面に配置されている態様である。筐体５０の側面には、ボリューム操作部５０１およびボリューム操作部５０２が表示されている。ユーザは、筐体５０の側面に配置されたボリューム操作部５０１またはボリューム操作部５０１の位置を押圧することで、ボリューム変更操作を行なう。
【００３７】
この場合、図８に示すように、変形検知センサ１０は、伝送線路側と圧電素子側との間に屈曲部（湾曲部）が存在する。これにより、圧電素子側の撓みが伝送線路側に伝わるのをさらに緩和することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態は、いずれも圧電素子と伝送線路とが平面視して重ならない態様であったが、図９に示すように、圧電素子と伝送線路は、積層されていてもよい。
【００３９】
図９の例では、圧電素子を構成する圧電フィルム１５０、第１検知用電極１０７、および第２検知用電極１０９は、平面視して伝送線路を構成する信号線導体１０５と重なっている。そして、圧電素子の下面側に第２グランド導体１０４が配置されている。第２グランド導体１０４は、伝送線路のシールド導体として機能するとともに、圧電素子のシールド導体としても機能する。
【００４０】
図９の構造では、圧電素子と伝送線路との間に樹脂基材よりも硬い共通シールド導体が存在する。そのたため、圧電素子側が押圧された場合でも、伝送線路側の樹脂基材は大きく変形せず、伝送線路のインピーダンスが大きく変化することがない。この場合、変形検知センサ１０としての占有面積が減少し、狭小スペースに配置することが可能になる。
【００４１】
なお、本実施形態では、変形検知センサは、一例としてボリューム変更操作子に対応する位置の押圧操作を検出することによりボリューム変更操作を受け付ける態様を示したが、他にも例えば電源ボタン、ホームボタン、またはミュートボタン等の各種の操作子に対応する位置の押圧操作を受け付ける態様であってもよい。また、変形検知センサには増幅回路、整合回路、または制御回路等の電子部品を実装していてもよい。変形検知センサは、電子部品を実装することによって、例えば押圧センサからの信号に対して周辺ノイズ等の影響を軽減することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…電子機器
１０…変形検知センサ
５０…筐体
８１…バッテリモジュール
１０１…第１グランド導体
１０２，１０３…樹脂基材
１０４…第２グランド導体
１０５…信号線導体
１０７…第１検知用電極
１０９…第２検知用電極
１５０…圧電フィルム
１７０…導電性薄膜部材
１７１…プリント配線基板
１８１…プリント配線基板
５０１，５０２…ボリューム操作部
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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