JP6052437B2 - 圧電センサ - Google Patents

Description

本発明は、押圧を検出する圧電センサに関する。

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。従来の圧電センサとして、例えば、特許文献１に記載の透明圧電シートがある。この透明圧電シートは、圧電膜、貼付層および平板電極を備える。平板電極は貼付層を介して圧電膜の両主面に配置されている。この透明圧電シートに押圧をかけると、圧電膜に、押圧に応じた電圧が生じる。平板電極によりこの電圧を検出回路に伝達することで、押圧を検出することができる。

特開２０１１−２２２６７９号公報

特許文献１に記載の透明圧電シートでは、圧電膜の圧電特性によっては、平板電極により圧電膜の変形が阻害されることで、圧電膜に十分な電圧が生じないおそれがある。この場合、透明圧電シートにかかる押圧を精度良く検出することができない。

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。

（１）本発明の圧電センサは、圧電フィルム、第１および第２の平板電極、第１および第２の貼付層ならびに板部材を備える。圧電フィルムは第１および第２の主面を有する。第１の貼付層は第１の主面に第１の平板電極を貼付する。第２の貼付層は第２の主面に第２の平板電極を貼付する。板部材には、第２の平板電極および第２の貼付層を介して圧電フィルムが貼付される。板部材は押し込みによって歪む。第１の貼付層は第２の貼付層に比べて厚い。

第１の貼付層が薄いと、圧電フィルムに貼りつけられた第１の平板電極により、圧電フィルムの変形が阻害される。第２の貼付層が厚いと、板部材のひずみが、第２の貼付層により緩和される。第１の貼付層を第２の貼付層に比べて厚くすることにより、板部材のひずみが圧電フィルムに伝わりやすくなる。

また、第２の貼付層に比べて第１の貼付層が厚いため、使用温度が高くなると、第２の貼付層が柔らかくなるが、第１の貼付層はさらに柔らかくなる。これにより、第２の貼付層が柔らかくなることによるセンサ出力の低下と、第１の貼付層が柔らかくなることによるセンサ出力の増加とが、互いに相殺する。このため、使用温度によるセンサ出力の変動が抑制される。この結果、圧電センサの温度特性が向上する。
従って、この構成では、押圧を精度良く検出することができる。

（２）第１の貼付層の厚さは４０μｍ以下である。
第１の貼付層が厚くなりすぎると、第１の平板電極と圧電フィルムとの距離が長くなるため、圧電フィルムが歪んだ際、圧電フィルムから取り出すことができる電荷量が減少する。この構成では、圧電フィルムから十分な電荷量を取り出すことができる。

（３）第１の貼付層の弾性率は第２の貼付層の弾性率に比べて小さい。
第１の貼付層の弾性率が大きいと、圧電フィルムに貼りつけられた第１の平板電極により、圧電フィルムの変形が阻害されやすくなる。第２の貼付層の弾性率が小さいと、板部材のひずみが、第２の貼付層により緩和されやすくなる。この構成では、板部材のひずみを圧電フィルムに伝わりやすくすることができる。

（４）第１の貼付層はアクリル系粘着剤を材料とする。
この構成では、第１の貼付層の弾性率を小さくすることができる。

（５）圧電フィルムはキラル高分子から形成される。

（６）キラル高分子はポリ乳酸である。

（７）ポリ乳酸はＬ型ポリ乳酸である。

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。

本発明によれば、押圧を精度良く検出することができる。

第１の実施形態に係る圧電センサの平面図である。 第１の実施形態に係る圧電センサのＡ−Ａ断面図である。 センサ部１３のＡ−Ａ断面図である。 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。 貼付層２２，２３の弾性率に対する発生電荷を示すグラフである。 第２の実施形態に係る圧電センサの平面図である。 第２の実施形態に係る圧電センサのＢ−Ｂ断面図である。 センサ部３３のＢ−Ｂ断面図である。

《第１の実施形態》
本発明の第１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、ストライプ状のセンサ部１３および回路部（図示せず）を備える。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１４が構成される。センサ部１３は、筐体１４の内部に配置されるように、ガラス板１２に粘着剤で貼付されている。センサ部１３は、平面視して、ガラス板１２の長手方向の端部に配置されている。センサ部１３の長手方向はガラス板１２の短手方向に平行になっている。回路部は、筐体１４の内部に配置され、センサ部１３に電気的に接続されている。以下では、筐体１４の主面の長手方向をＸ方向と称し、筐体１４の主面の短手方向をＹ方向と称し、筐体１４の主面に垂直な方向をＺ方向と称することがある。

図３はセンサ部１３のＡ−Ａ断面図である。センサ部１３は、圧電フィルム２１、貼付層２２，２３、平板電極２４，２５および基材層２６，２７を備える。圧電フィルム２１の第１の主面には平板電極２４が貼付層２２を介して配置されている。貼付層２２は平板電極２４を圧電フィルム２１の第１主面に貼付している。圧電フィルム２１の第２の主面には平板電極２５が貼付層２３を介して配置されている。貼付層２３は平板電極２５を圧電フィルム２１の第２主面に貼付している。平板電極２４，２５は回路部（図示せず）に電気的に接続されている。貼付層２２は貼付層２３に比べて厚くなっている。好ましくは、貼付層２２の厚さは３０μｍであり、貼付層２３の厚さは１０μｍである。これにより、後述のように、押圧（押し込み）によるガラス板１２のひずみが圧電フィルム２１に伝わりやすくなる。平板電極２４の主面のうち圧電フィルム２１側と反対側の主面には、基材層２６が配置されている。平板電極２５の主面のうち圧電フィルム２１側と反対側の主面には、基材層２７が配置されている。センサ部１３は、基材層２７側がガラス板１２に向くように、貼付層２８を介してガラス板１２の主面に配置されている。すなわち、貼付層２２は圧電フィルム２１に対してガラス板１２側と反対側に配置され、貼付層２３は圧電フィルム２１に対してガラス板１２側に配置されている。センサ部１３は、貼付層２８によりガラス板１２の主面に貼付されている。例えば、貼付層２８の厚さは３０μｍである。

ガラス板１２は本発明の板部材に相当する。貼付層２２は本発明の第１の貼付層に相当する。貼付層２３は本発明の第２の貼付層に相当する。平板電極２４は本発明の第１の平板電極に相当する。平板電極２５は本発明の第２の平板電極に相当する。

圧電フィルム２１の材料は、ＰＬＬＡ（Ｌ型ポリ乳酸）である。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。

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。

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ｄ_１４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２１が切り出される。これにより、圧電フィルム２１が長手方向に伸縮すると、圧電フィルム２１は厚み方向に分極する。

貼付層２２，２３，２８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２２，２３，２８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。貼付層２２の弾性率は貼付層２３の弾性率に比べて小さい。特に、貼付層２２の材料はアクリル系粘着剤であることが好ましい。貼付層２３，２８の材料は、ゴム、シリコーンまたはポリエチレン粘着剤であることが好ましい。これにより、後述のように、押圧によるガラス板１２のひずみが圧電フィルム２１に伝わりやすくなる。平板電極２４，２５は銅箔等の金属膜からなる。基材層２６，２７の材料はポリイミド等の樹脂である。

図４は、圧電センサ１０による押圧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、ガラス板１２の端部が裏側筐体部１１に固定されているため、ガラス板１２は、押し込まれた方向に凸となるように撓む。ガラス板１２の主面のうち筐体１４の内部側の主面が伸びる（歪む）ため、その主面に貼付されているセンサ部１３は長手方向（Ｙ方向）に伸びる。センサ部１３を構成する圧電フィルム２１（図３参照）が長手方向に伸びるため、上述のように、圧電効果により圧電フィルム２１は厚み方向に分極する。圧電フィルム２１の両主面に発生した電荷により、平板電極２４，２５に電荷が誘起される。平板電極２４，２５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。

次に、貼付層２２，２３（図３参照）の厚さおよび材料と、圧電フィルム２１のひずみ（Ｙ方向の垂直ひずみ）との関係について説明する。貼付層２２が薄いと、圧電フィルム２１に貼りつけられた平板電極２４による拘束を受けやすくなり、圧電フィルム２１の変形が阻害される。このため、押圧によるガラス板１２のひずみが、圧電フィルム２１に伝わりにくくなる。一方、貼付層２３が厚いと、押圧によるガラス板１２のひずみが、貼付層２３により緩和されるため、圧電フィルム２１に伝わりにくくなる。このため、機械的なひずみの観点においては、上述のように、貼付層２２を厚く、貼付層２３を薄くすることにより、圧電フィルム２１を歪みやすくすることができる。

貼付層２２（２３）が厚くなりすぎると、平板電極２４（２５）と圧電フィルム２１との距離が長くなるため、圧電フィルム２１から取り出すことができる電荷量が減少する。また、貼付層２３は原理的には、薄ければ薄いほど好ましいが、実用上１０μｍ以下の厚さの粘着テープの入手性が悪いことと、接着強度が低下して信頼性が低下するという問題が出てくる。

これらの条件を考慮して、上述のように、貼付層２２の厚さは４０μｍ以下に設定される。特に、貼付層２２の厚さは３０μｍに設定され、貼付層２３の厚さは１０μｍに設定されることが好ましい。

図５は、貼付層２２，２３の弾性率に対する発生電荷を示すグラフである。発生電荷は、圧電センサ１０に所定の押圧をかけたときに圧電フィルム２１から取り出される電荷である。図５では、貼付層２２，２３の材料としてアクリル系粘着剤を用いている。構成ＥＳ１では、貼付層２２，２３の厚さがともに１０μｍである。構成ＥＳ２では、貼付層２２の厚さが３０μｍであり、貼付層２３の厚さが１０μｍである。また、図５には、使用温度−３０℃、２５℃、６０℃と貼付層２２，２３の弾性率との対応関係が示されている。使用温度−３０℃は使用温度域の下限の想定値であり、使用温度６０℃は使用温度域の上限の想定値であり、使用温度２５℃は室温の想定値である。

構成ＥＳ１，ＥＳ２ともに、貼付層２２，２３の弾性率が大きくなると（使用温度が低くなると）、発生電荷は大きくなっているが、貼付層２２，２３の弾性率が１０^７以上になると、発生電荷はほぼ一定になっている。貼付層２２，２３の弾性率が大きい場合（使用温度が低い場合）、構成ＥＳ１における発生電荷が構成ＥＳ２における発生電荷に比べて大きくなっている。貼付層２２，２３の弾性率が小さい場合（使用温度が高い場合）、構成ＥＳ２における発生電荷が構成ＥＳ１における発生電荷に比べて大きくなっている。

室温（２５℃）では、構成ＥＳ２における発生電荷が構成ＥＳ１における発生電荷に比べて大きくなっている。すなわち、貼付層２３に比べて貼付層２２を厚くすることで、室温でのセンサ感度を向上させることができる。

また、室温付近において、構成ＥＳ２では、構成ＥＳ１に比べて、発生電荷の温度変化率が小さくなっている。すなわち、貼付層２３に比べて貼付層２２を厚くすることで、使用温度による発生電荷の変動を抑制することができる。

貼付層２２，２３の厚さの関係と同様に、貼付層２２の弾性率が大きいと、圧電フィルム２１に貼りつけられた平板電極２４により、圧電フィルム２１の変形が阻害されやすくなる。貼付層２３の弾性率が小さいと、押圧によるガラス板１２のひずみが、貼付層２３により緩和されやすくなる。このため、上述のように、貼付層２２にアクリル系粘着剤を用い、貼付層２３にゴム、シリコーンまたはポリエチレン系粘着剤等を用いることにより、圧電フィルム２１を歪みやすくすることができる。

また、貼付層２３に比べて貼付層２２が厚いため、使用温度が高くなると、貼付層２３が柔らかくなるが、貼付層２２はさらに柔らかくなる。なお、貼付層の固さは、貼付層の厚さと貼付層の材料の弾性率との積により定められている。これにより、貼付層２３が柔らかくなることによるセンサ出力（電圧）の低下と、貼付層２２が柔らかくなることによるセンサ出力の増加とが、互いに相殺する。このため、図５からもわかるように、使用温度によるセンサ出力の変動が抑制される。この結果、圧電センサ１０において温度特性を向上させることができる。

第１の実施形態では、貼付層２２が貼付層２３に比べて厚い。このため、上述のように、押圧によるガラス板１２のひずみが、圧電フィルム２１に伝わりやすくなる。また、上述のように、圧電センサ１０の温度特性が向上する。この結果、第１の実施形態では、押圧を精度良く検出することができる。

《第２の実施形態》
本発明の第２の実施形態に係る圧電センサ３０について説明する。図６は圧電センサ３０の平面図である。図７は圧電センサ３０のＢ−Ｂ断面図である。図８はセンサ部３３のＢ−Ｂ断面図である。圧電センサ３０は、裏側筐体部１１、ガラス板１２、センサ部３３、スペーサ３５ａ，３５ｂ、ストライプ状のＳＵＳ（ステンレス）板３６、柱状の押し子３７および回路部（図示せず）を備える。ＳＵＳ板３６は本発明の板部材に相当する。

第１の実施形態と同様に、裏側筐体部１１およびガラス板１２から筐体１４が構成されている。スペーサ３５ａ，３５ｂは筐体１４の内部に配置されている。スペーサ３５ａは筐体１４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３５ｂは筐体１４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３５ａ，３５ｂは筐体１４のＸ方向の略中央部に配置されている。

ＳＵＳ板３６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１４の内部に配置されている。ＳＵＳ板３６は筐体１４のＸ方向の略中央部に配置されている。ＳＵＳ板３６の長手方向はＹ方向に平行になっている。ＳＵＳ板３６の長手方向の両端は、それぞれ、スペーサ３５ａ，３５ｂで支持されている。ＳＵＳ板３６とガラス板１２との間およびＳＵＳ板３６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。

センサ部３３は、長手方向がＹ方向になるように、ＳＵＳ板３６の主面のうちガラス板１２側の主面に粘着剤で貼付されている。回路部は、筐体１４の内部に配置され、センサ部３３に電気的に接続されている。貼付層２２（図８参照）は圧電フィルム２１に対してガラス板１２側に配置され、貼付層２３は圧電フィルム２１に対してＳＵＳ板側に配置されている。貼付層２２は貼付層２３に比べて厚くなっている。

押し子３７は、ガラス板１２とセンサ部３３との間に配置され、ガラス板１２およびセンサ部３３に当接している。押し子３７は、Ｙ方向においてセンサ部３３に比べて短くなっている。押し子３７は、Ｙ方向においてＳＵＳ板３６の略中央部に配置されている。
その他の構成は第１の実施形態と同様である。

ガラス板１２が押し込まれると、押し子３７を介して、ＳＵＳ板３６が押し込まれる。ＳＵＳ板３６は押し込まれた方向に凸となるように撓む。ＳＵＳ板３６の主面のうちガラス板１２側の主面が縮むため、その主面に貼付されている圧電フィルム２１は縮む。圧電効果により平板電極２４，２５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。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、貼付層２２が貼付層２３に比べて厚い。このため、押圧によるＳＵＳ板３６のひずみが、圧電フィルム２１に伝わりやすくなる。また、圧電センサ３０の温度特性が向上する。この結果、第２の実施形態では、押圧を精度良く検出することができる。

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。

１０，３０…圧電センサ
１１…裏側筐体部
１２…ガラス板（板部材）
１３，３３…センサ部
１４…筐体
２１…圧電フィルム
２２…貼付層（第１の貼付層）
２３…貼付層（第２の貼付層）
２８…貼付層
２４…平板電極（第１の平板電極）
２５…平板電極（第２の平板電極）
２６，２７…基材層
３５ａ，３５ｂ…スペーサ
３６…ＳＵＳ板（板部材）
３７…押し子

Claims (7)

1. 第１および第２の主面を有する圧電フィルムと、
   第１および第２の平板電極と、
   前記第１の主面に前記第１の平板電極を貼付する第１の貼付層と、
   前記第２の主面に前記第２の平板電極を貼付する第２の貼付層と、
   前記第２の平板電極および前記第２の貼付層を介して前記圧電フィルムが貼付され、押し込みによって歪む板部材と、を備え、
   前記第１の貼付層は前記第２の貼付層に比べて厚い、圧電センサ。
2. 前記第１の貼付層の厚さは４０μｍ以下である、請求項１に記載の圧電センサ。
3. 前記第１の貼付層の弾性率は前記第２の貼付層の弾性率に比べて小さい、請求項１または２に記載の圧電センサ。
4. 前記第１の貼付層はアクリル系粘着剤を材料とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電センサ。
5. 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４のいずれか１項に記載の圧電センサ。
6. 前記キラル高分子はポリ乳酸である、請求項５に記載の圧電センサ。
7. 前記ポリ乳酸はＬ型ポリ乳酸である、請求項６に記載の圧電センサ。

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