JP2014194691A - Pressing detection sensor and operation input device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、操作部の押圧を検出する押圧検出センサおよびこの押圧検出センサを備える操作入力装置に関する。 The present invention relates to a pressure detection sensor for detecting pressure on an operation unit and an operation input device including the pressure detection sensor.
従来、押圧を検出する押圧検出センサが各種考案されており、特許文献1には、圧電薄膜を用いた押圧検出センサが記載されている。
Conventionally, various pressure detection sensors for detecting pressure have been devised, and
特許文献1に記載の押圧検出センサは、両主面に電極が形成された平板状の圧電薄膜を備える。圧電薄膜の各角部には、支持柱が配設されており、圧電薄膜は、当該支持柱により、平板状の支持基板に対して平行且つ間隔を空けて設置されている。この圧電薄膜の主面に押圧力を加えると、押圧力に応じた電荷が発生する。この電荷によって両主面の電極間に生じる電圧は、押圧力に依存している。しがって、特許文献1に記載の押圧検出センサの後段に検出回路を接続し、当該検出回路で電圧を検出することにより、押圧力を検出している。
The press detection sensor described in
上述の特許文献1に記載の押圧検出センサでは、押圧力を検出することはできるが、面内での押圧位置を検出することはできない。したがって、当該押圧検出センサを備える電子機器において、複数の押圧位置を検出するためには、位置検出を行いたい箇所毎に当該押圧検出センサを配置しなければならない。すなわち、検出位置分の数の押圧検出センサを、電子機器に配置しなければならない。この場合、押圧検出センサ毎に検出回路を必要とする。したがって、押圧力と押圧位置を検出する構造体が複雑且つ大きなものになってしまう。
The above-described press detection sensor described in
また、圧電薄膜の主面に、検出位置毎で個別の電極パターンを形成することで、押圧検出センサを複数配置しない構成を実現できるが、検出回路は電極パターン分だけ必要となり、この構成であっても、構造の簡素化および小型化を容易に実現できない。さらに、この構成では、電極パターンが複雑化することがあり、圧電薄膜上に容易に電極パターンを形成しにくい。特に、樹脂系の圧電薄膜を用いる場合には、電極をパターニングして形成することが難しい。 In addition, by forming individual electrode patterns for each detection position on the main surface of the piezoelectric thin film, it is possible to realize a configuration in which a plurality of press detection sensors are not arranged, but only a detection circuit is required for the electrode pattern. However, simplification and downsizing of the structure cannot be easily realized. Further, in this configuration, the electrode pattern may be complicated, and it is difficult to easily form the electrode pattern on the piezoelectric thin film. In particular, when a resin-based piezoelectric thin film is used, it is difficult to pattern and form electrodes.
したがって、本発明の目的は、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能であって、構造が簡素で且つ後段回路も含めた操作入力装置全体を小型化できる押圧検出センサを実現することにある。 Therefore, an object of the present invention is to realize a pressure detection sensor that can detect a plurality of pressure positions and can detect a pressure force, has a simple structure, and can downsize the entire operation input device including a subsequent circuit. There is.
この発明の押圧検出センサは、絶縁性基板、複数組のスイッチ用導体、スイッチ接続導体、操作受付基板、圧電性フィルム、第1押圧検出導体、および第2押圧検出導体を備える。絶縁性基板は、操作面に平行な主面を有する。複数組のスイッチ用導体は、絶縁性基板の操作面側の主面のそれぞれ異なる位置に配置されている。スイッチ接続導体は、複数組のスイッチ用導体に対向し、操作面に直交する方向に見て各組のスイッチ用導体に重なる領域に形成されている。操作受付基板は、スイッチ接続導体を備え、該スイッチ接続導体の配置面と反対側の面が操作面となる。圧電性フィルムは、絶縁積基板における操作面側の主面と反対側の面に配置されている。第1押圧検出導体は、絶縁性基板と圧電性フィルムとの間に配置され、複数のスイッチ用導体に接続する。第2押圧検出導体は、平膜状からなり、絶縁性基板とともに圧電性フィルムを挟持する。 The press detection sensor of the present invention includes an insulating substrate, a plurality of sets of switch conductors, a switch connection conductor, an operation receiving substrate, a piezoelectric film, a first press detection conductor, and a second press detection conductor. The insulating substrate has a main surface parallel to the operation surface. The plurality of sets of switch conductors are arranged at different positions on the main surface on the operation surface side of the insulating substrate. The switch connection conductors are formed in regions facing the plurality of sets of switch conductors and overlapping each set of switch conductors when viewed in a direction orthogonal to the operation surface. The operation reception board includes a switch connection conductor, and a surface opposite to the arrangement surface of the switch connection conductor is an operation surface. The piezoelectric film is disposed on the surface opposite to the main surface on the operation surface side of the insulating substrate. The first press detection conductor is disposed between the insulating substrate and the piezoelectric film, and is connected to the plurality of switch conductors. The second press detection conductor has a flat film shape and sandwiches the piezoelectric film together with the insulating substrate.
この構成では、操作受付基板におけるいずれかのスイッチ用導体の領域が押し込まれると、操作受付基板は湾曲し、押し込んだ領域のスイッチ接続導体がスイッチ用導体を導通する。この導通により、圧電性フィルムを挟む第1押圧検出導体と第2押圧検出導体間に押圧力検出のためのバイアス電圧が印加される。 In this configuration, when one of the switch conductor regions on the operation reception board is pushed in, the operation reception board is bent, and the switch connection conductor in the pushed-in area conducts the switch conductor. By this conduction, a bias voltage for detecting the pressing force is applied between the first pressing detection conductor and the second pressing detection conductor that sandwich the piezoelectric film.
また、スイッチ接続導体がスイッチ用導体に接触することで、絶縁性基板および圧電性フィルムが押し込まれて変位する。これにより、押圧力に応じた電荷が圧電性フィルムから発生し、バイアス電圧に重畳され、検出用電圧として検出可能になる。 Further, when the switch connection conductor comes into contact with the switch conductor, the insulating substrate and the piezoelectric film are pushed and displaced. As a result, a charge corresponding to the pressing force is generated from the piezoelectric film, superimposed on the bias voltage, and can be detected as a detection voltage.
したがって、上述の構成とすることで、押圧力が検出できるとともに、導通したスイッチ用導体を検出することで押圧位置も検出することができる。これにより、1枚の圧電性フィルムにより、押圧力と押圧位置とを検出できる。また、圧電性フィルムに複雑な電極パターンを形成することなく、押圧力と押圧位置とを検出できる。さらに、圧電性フィルムを第1押圧検出導体と第2押圧検出導体で挟持する構造であるので、第1押圧検出導体と第2押圧検出導体を外部回路に接続する際にも、圧電性フィルムに高熱が加わらず、当該圧電性フィルムの変形や特性劣化が生じない。また、押圧位置に関係なく、圧電性フィルムの変位による電荷から得られる検出電圧が一組の第1押圧検出導体と第2押圧検出導体から出力されるので、後段の検出回路を一つ設ければよい。これにより、複数位置に対する押圧力検出と押圧位置検出の検出回路を簡素化できる。 Therefore, with the above-described configuration, the pressing force can be detected, and the pressing position can also be detected by detecting the conductive switch conductor. Thereby, a pressing force and a pressing position can be detected by one piezoelectric film. Further, the pressing force and the pressing position can be detected without forming a complicated electrode pattern on the piezoelectric film. Further, since the piezoelectric film is sandwiched between the first press detection conductor and the second press detection conductor, the piezoelectric film can be connected to the external circuit even when the first press detection conductor and the second press detection conductor are connected to an external circuit. No high heat is applied, and the piezoelectric film is not deformed or deteriorated. In addition, the detection voltage obtained from the electric charge due to the displacement of the piezoelectric film is output from the pair of the first press detection conductor and the second press detection conductor regardless of the pressing position, so that one detection circuit in the subsequent stage is provided. That's fine. Thereby, it is possible to simplify the detection circuit for detecting the pressing force and detecting the pressing position for a plurality of positions.
また、この発明の押圧検出センサの第2押圧検出導体は、対向する2辺のみで絶縁性基板に固定されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the 2nd press detection conductor of the press detection sensor of this invention is being fixed to the insulating board | substrate only by two opposing sides.
この構成では、押圧位置によって圧電性フィルム内で生じる発生電荷の相殺が抑制される。これにより、押圧位置に起因する圧電性フィルムから発生する電荷量の位置ムラを抑圧することができる。 In this configuration, cancellation of generated charges generated in the piezoelectric film due to the pressing position is suppressed. Thereby, the position nonuniformity of the charge amount generated from the piezoelectric film due to the pressing position can be suppressed.
また、この発明の押圧検出センサの第2押圧検出導体は、操作面に直交する方向から見て、対向する2辺が辺に沿った両端から中央に向かって圧電性フィルムから離間するように湾曲した形状からなることが好ましい。 Further, the second press detection conductor of the press detection sensor of the present invention is curved so that the two opposing sides are separated from the piezoelectric film from both ends along the side toward the center when viewed from the direction orthogonal to the operation surface. It is preferable to consist of the shape.
この構成では、押圧力に対する変位量の押圧位置による相違が抑制される。これにより、押圧位置に起因する圧電性フィルムから発生する電荷量の位置ムラを、さらに抑圧することができる。 In this structure, the difference by the pressing position of the displacement amount with respect to pressing force is suppressed. Thereby, the position unevenness of the charge amount generated from the piezoelectric film due to the pressed position can be further suppressed.
また、この発明の押圧検出センサでは、圧電性フィルムはポリ乳酸からなることが好ましい。 Moreover, in the press detection sensor of this invention, it is preferable that a piezoelectric film consists of polylactic acid.
この構成では、変位量に対する電荷発生量を向上させることができる。これにより、押圧力の検出感度を向上させることができる。 In this configuration, the charge generation amount with respect to the displacement amount can be improved. Thereby, the detection sensitivity of pressing force can be improved.
また、この発明の押圧検出センサでは、操作受付基板は、スイッチ接続導体の形成面に、該スイッチ接続導体よりも高い突起部を備えることが好ましい。 Moreover, in the press detection sensor of this invention, it is preferable that an operation reception board | substrate is provided with a projection part higher than this switch connection conductor in the formation surface of a switch connection conductor.
この構成では、押圧力が強くても、突起部によって操作受付基板が絶縁性基板に近づく距離を規制できる。したがって、複数のスイッチ用導体が同時に導通することを抑制でき、押圧位置の検出精度を向上させることができる。 In this configuration, even if the pressing force is strong, the distance at which the operation receiving substrate approaches the insulating substrate can be regulated by the protrusion. Therefore, it can suppress that the several conductor for switches turns on simultaneously, and can improve the detection precision of a press position.
また、この発明の押圧検出センサでは、複数組のスイッチ用導体は、操作面に直交する方向に見て、円周上に沿って配列して配置されている。 In the press detection sensor of the present invention, the plurality of sets of switch conductors are arranged along the circumference as viewed in the direction orthogonal to the operation surface.
この構成では、各スイッチ用導体の組の間隔を広げやすく配置することができる。これにより、複数のスイッチ用導体が同時に導通するように押圧することを抑制でき、押圧位置の検出精度を向上させることができる。 In this configuration, it is possible to arrange the gaps between the sets of switch conductors so as to be easily widened. Thereby, it can suppress that the several conductor for a switch presses simultaneously, and can improve the detection accuracy of a press position.
また、この発明の操作入力装置は、上述のいずれかに記載の押圧検出センサと、圧電性フィルムで発生する電荷を電圧変換する電圧変換回路と、電圧変換回路の出力電圧から押圧力を検出し、複数組のスイッチ用導体から導通したスイッチ用導体の組を検出する検出回路と、を備える。 The operation input device of the present invention also detects a pressing force from the pressure detection sensor according to any one of the above, a voltage conversion circuit that converts voltage generated in the piezoelectric film into a voltage, and an output voltage of the voltage conversion circuit. And a detection circuit for detecting a set of switch conductors conducted from a plurality of sets of switch conductors.
この構成では、押圧検出センサを備えることで、検出回路が一つであっても複数の押圧位置を検出できる。これにより、操作入力装置を簡素な構成で小型に構成することができる。 In this configuration, a plurality of pressing positions can be detected even if the number of detection circuits is one by providing the pressing detection sensor. Thereby, the operation input device can be configured in a small size with a simple configuration.
この発明によれば、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能な押圧検出センサを簡素な構造で且つ容易に形成することができる。また、この発明によれば、押圧検出センサの後段の検出回路を簡素化できる。これにより、小型化のタッチ式入力装置を実現することができる。 According to this invention, it is possible to easily form a press detection sensor that can detect a plurality of pressing positions and can detect a pressing force with a simple structure. Moreover, according to this invention, the detection circuit of the back | latter stage of a press detection sensor can be simplified. Thereby, a miniaturized touch input device can be realized.
本発明の第1の実施形態に係る押圧検出センサおよびタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る押圧検出センサの構成を示す側面断面図である。図2は本発明の第1の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。 A press detection sensor and a touch input device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a press detection sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the position detection surface of the pressure detection sensor according to the first embodiment of the present invention.
押圧検出センサ1は、圧電センサ10、スイッチ用導体21A,21B,21C,21D,21E,21F,21G,21H,21I,21J,21K,21L,21M,21N(以下、単にこれらの集まりを表す場合は21A〜21Nと称する),21P,21Q、スイッチ接続導体24、筐体30、絶縁性基板40、操作受付基板50を備える。
The
筐体30は、表面側が開口する内部空間31を備える。内部空間31内には、筐体30の底壁から立設する支持柱32が形成されている。
The housing | casing 30 is provided with the
絶縁性基板40は、矩形の平板からなり、その外周端辺が裏面側から支持柱32によって支持されている。すなわち、絶縁性基板40は、裏面側の外周辺部を除いて筐体30に接しないよう、筐体30の内部空間31に配置されている。絶縁性基板40は、比較的高い弾性を有する材料からなり、例えばガラスエポキシ樹脂からなる。
The insulating
絶縁性基板40の操作面側の面(表面)には、スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qが形成されている。スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qは、複数の導体パターンからなる。なお、図2では、スイッチ導体21A,21Iと除き、具体的な記号の記載を省略しているが、スイッチ用導体21A,21Iと同じ構造からなる。また、本実施形態では、16個のスイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qを備える例を示したが、押圧検出位置の必要数や分解能に応じて、個数は適宜設定すればよい。
Switch conductors 21 </ b> A to 21 </ b> N, 21 </ b> P, and 21 </ b> Q are formed on a surface (front surface) on the operation surface side of the insulating
スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qは、絶縁性基板40の表面の所定位置POを中心とし、所定の半径となる円の円周上に沿って配置されている。スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qは、所定の角度間隔、例えば本実施形態では、22.5°間隔で配置されている。なお、ここでは、複数のスイッチ用導体を等角度間隔で配置しているが、この間隔を不均一にしてもよい。
The switch conductors 21 </ b> A to 21 </ b> N, 21 </ b> P, and 21 </ b> Q are arranged along the circumference of a circle having a predetermined radius with the predetermined position PO on the surface of the insulating
スイッチ用導体21Aは、個別導体22A,23Aからなる。個別導体22A,23Aは分離されている。個別導体22A,23Aは、長尺状の導体であり、互いの長尺方向が一致するように平行に配置されている。個別導体22A,23Aは、長尺方向が、円の接線に直交し、当該円の中心PO側と逆の外方に放射するように配置されている。個別導体23Aは二本であり、長尺方向に直交する方向において個別導体22Aを挟むように、所定の間隔を空けて配置されている。二本の個別導体23Aは、個別導体22Aにおける円の中心PO側の端部よりも中心PO側に形成された共通導体230によって接続されている。
The
スイッチ用導体21B,21C,21D,21E,21F,21G,21H,21I,21J,21K,21L,21M,21N,21P,21Qも、スイッチ用導体21Aと同様に、放射状に形成されている。そして、全てのスイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qの個別導体23A〜23N,23P,23Qが、共通導体230によって接続されている。この共通導体230は、絶縁性基板40に形成された導体パターン(例えば、導電性ビア導体)によって、後述する圧電センサ10の第1押圧検出導体12に接続されている。
Similarly to the
絶縁性基板40の表面側(操作面側)には、当該絶縁性基板40から所定距離離間して、操作受付基板50が配置されている。操作受付基板50は、平板状であり、筐体30の開口面に配置されている。操作受付基板50は、その外周端辺が筐体30の側壁によって支持されている。言い換えれば、操作受付基板50により、筐体30の開口が閉じられている。操作受付基板50は、可撓性を有する材料からなり、例えば、PETフィルム等からなる。操作受付基板50は、平板面に対して外部から外力を加えない状態では、湾曲しない程度の強度を有するように形成されている。
On the front surface side (operation surface side) of the insulating
操作受付基板50の絶縁性基板40側の面(裏面)には、スイッチ接続導体24が形成されている。スイッチ接続導体24は、操作受付基板50の裏面に対して部分的に隆起する形状からなる台座51上に形成されている。
A
スイッチ接続導体24および台座51は、操作面に直交する方向から見て、円環形状に形成されている。スイッチ接続導体24は、に直交する方向から見て、スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qと重なるように、配置されている。
The
このような構成により、操作受付基板50の操作面の所定位置に外部から押圧力を加えると、当該押圧位置を中心として、操作受付基板50が筐体30の内側に湾曲する。これにより、スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qの内の押圧位置の最も近いスイッチ用導体21を構成する個別導体22,23とスイッチ接続導体24とが接触する。このため、個別導体22,23が導通し、スイッチが導通状態となる。例えば、操作面におけるスイッチ用導体21A近傍の領域に押圧力が加わった場合、個別導体22A,23Aが、スイッチ接続導体24に接触して導通する。また、操作面におけるスイッチ用導体21I近傍の領域に押圧力が加わった場合、個別導体22I,23Iが、スイッチ接続導体24に接触して導通する。したがって、導通したスイッチを検出することで、押圧位置を検出することができる。
With such a configuration, when a pressing force is applied from the outside to a predetermined position on the operation surface of the
なお、操作受付基板50の絶縁性基板40と反対側の面(表面)には、キートップ500が配置されている。キートップ50は、所定の硬さを有する平板からなる。このキートップ50が形成された操作受付基板50の表面が、押圧検出センサ1の操作面となる。このようなキートップ50は、省略することもできるが、所定の硬さを有するキートップ50を備えることで、操作者が操作面を押圧する際の操作性を向上させることができる。
A
また、操作受付基板50の裏面には、当該裏面から突起する突起部52が形成されている。突起部52は、スイッチ接続導体24よりも外周辺側に配置されている。この際、突起部52は、操作面に直交する方向に見て、スイッチ接続導体24の形成領域を、内包するように、全周に亘って形成するとよい。
In addition, a
突起部52の高さは、台座51とスイッチ接続導体24の高さ(厚み)よりも高い。この高さは、操作受付基板50の操作面に押圧を加えたことにより操作受付基板50が絶縁性基板40に近づくように湾曲しても、一つのスイッチ用導体21とスイッチ接続導体24とが当接し、他のスイッチ用導体とスイッチ接続導体24が接続しないような高さに設定されている。すなわち、この突起部52の高さは、仕様や押圧位置の検出分解能、操作受付基板50の可撓性等に基づいて、適宜設定すればよい。このような高さにすることで、押圧力によって押圧位置の検出分解能が低下することを抑制できる。言い換えれば、操作面を必要以上に強く押しても、検出分解能が低下せず、押圧位置を精度良く検出することができる。
The height of the
また、突起部52は、操作面に直交する方向に見て、支持柱32と重なるようにするとよい。これにより、突起部52が絶縁性基板40に接触しても、絶縁性基板40が湾曲しないので、突起部52が絶縁性基板40に接触しても、圧電センサ10に外部応力が加わらない。したがって、突起部52が絶縁性基板40に接触しても、圧電センサ10で発生する電荷に影響を与えない。
Further, the
絶縁性基板40の裏面には、平膜状の圧電センサ10が配置されている。この際、絶縁性基板40の裏面と圧電センサ10の平膜面とが平行になるように配置されている。
On the back surface of the insulating
圧電センサ10は、圧電性フィルム11、第1押圧検出導体12、第2押圧検出導体13を備える。圧電性フィルム11は矩形の平膜からなる。圧電性フィルム11は、図2に示すように、操作面に直交する方向に見て、スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qの形成領域を含むように、配置されている。
The
第1押圧検出導体12は、圧電性フィルム11における絶縁性基板40側の面(表面)に配置されている。第2押圧検出導体13は、圧電性フィルム11における絶縁性基板40と反対側の面(裏面)に配置されている。第2押圧検出導体13は、圧電性フィルム11よりも広い面積からなり、操作面に直交する方向に見て、圧電性フィルム11と重ならない領域を有する。第2押圧検出導体13における圧電性フィルム11と重ならない領域の四側辺は、導電性接着材等の導電性接続部材14によって、絶縁性基板40の裏面の導体パターンに所定幅で固定されている。これにより、絶縁性基板40と第2押圧検出導体13とにより、第1押圧検出導体12と圧電性フィルム11との積層膜を挟持する構造が実現される。このような構造とすることで、絶縁性基板40の裏面に平膜状の圧電センサ10が装着された構成を実現ができる。
The first
そして、この構成では、圧電センサ10は、後段回路や電源供給部に対して、絶縁性基板40に配設された導体パターンによって接続される。これにより、従来のように、圧電性フィルム11に高熱の熱履歴を加えることなく、圧電センサ10を後段回路や電源供給部に接続することができる。したがって、圧電性フィルム11の変形や特性劣化を防止でき、圧電センサ10の特性劣化を防止できる。
In this configuration, the
なお、この構成では、圧電性フィルム11と第1押圧検出導体12との間、第1押圧検出導体12と絶縁性基板40との間、圧電性フィルム11と第2押圧検出導体13との間に、導電性接着材等を用いてもよい。しかしながら、圧電性フィルム11と第1押圧検出導体12は、絶縁性基板40と第2押圧検出導体13間に挟持されているので、導電性接着材等を用いなくても、これらの部材を固定することができる。そして、導電性接着を用いないことで、押圧検出センサ1の構成要素を少なくでき、製造が容易であり、安価に押圧検出センサ1を実現することができる。
In this configuration, between the
なお、圧電センサ10の圧電性フィルム11は、次の構成であることが好ましい。
Note that the
圧電性フィルム11は、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸(PLA)、特にL型ポリ乳酸(PLLA)を用いている。PLLAは、一軸延伸されている。
The
圧電性フィルム11の一軸延伸方向は、例えば、矩形を構成する直交二軸のいずれかに略平行である。なお、この角度は一例であり、設計に応じて定める設計事項であるが、平板面が押圧された時に生じる主たる応力の方向に対して45°となるようにすることが好ましい。
The uniaxial stretching direction of the
このようなキラル高分子からなるPLLAは、主鎖が螺旋構造を有する。PLLAは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたPLLAは、圧電性フィルムの平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧により平板面が、当該平板面に直交する方向へ変位する変位量によって一意的に決定される。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。したがって、押圧による変位を高感度に検出することができる。 PLLA made of such a chiral polymer has a helical structure in the main chain. PLLA has piezoelectricity when uniaxially stretched and molecules are oriented. The uniaxially stretched PLLA generates an electric charge when the flat plate surface of the piezoelectric film is pressed. At this time, the amount of generated charge is uniquely determined by the amount of displacement by which the flat plate surface is displaced in the direction orthogonal to the flat plate surface by pressing. The piezoelectric constant of uniaxially stretched PLLA belongs to a very high class among polymers. Therefore, displacement due to pressing can be detected with high sensitivity.
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。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。 The draw ratio is preferably about 3 to 8 times. By performing a heat treatment after stretching, crystallization of the extended chain crystal of polylactic acid is promoted and the piezoelectric constant is improved. In the case of biaxial stretching, the same effect as that of uniaxial stretching can be obtained by varying the stretching ratio of each axis. For example, when a certain direction is taken as an X-axis, 8 times in that direction, and 2 times in the Y-axis direction perpendicular to that axis, the piezoelectric constant is about 4 times in the X-axis direction, Almost the same effect can be obtained. A film that is simply uniaxially stretched easily tears along the direction of the stretch axis, and thus the strength can be increased somewhat by performing biaxial stretching as described above.
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。したがって、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。 In addition, PLLA generates piezoelectricity by molecular orientation treatment such as stretching, and does not need to be polled like other polymers such as PVDF or piezoelectric ceramics. That is, the piezoelectricity of PLLA that does not belong to ferroelectrics is not expressed by the polarization of ions like ferroelectrics such as PVDF and PZT, but is derived from a helical structure that is a characteristic structure of molecules. is there. For this reason, the pyroelectricity generated in other ferroelectric piezoelectric materials does not occur in PLLA. Further, PVDF or the like shows a change in piezoelectric constant over time, and in some cases, the piezoelectric constant may be significantly reduced, but the piezoelectric constant of PLLA is extremely stable over time. Therefore, it is possible to detect displacement due to pressing with high sensitivity without being affected by the surrounding environment.
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。ここで、誘電率ε33 T=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と同様の押圧力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圧力を検出することが可能になる。 Since PLLA has a very low relative dielectric constant of about 2.5, the piezoelectric output constant (= piezoelectric g constant, g = d / ε T ) is large when d is a piezoelectric constant and ε T is a dielectric constant. Value. Here, the piezoelectric g constant of PVDF having a dielectric constant ε 33 T = 13 × ε 0 and a piezoelectric constant d 31 = 25 pC / N is g 31 = 0.2172 Vm / N from the above formula. On the other hand, when the piezoelectric g constant of PLLA having a piezoelectric constant d 14 = 10 pC / N is converted to g 31 , d 14 = 2 × d 31 , so d 31 = 5 pC / N, and the piezoelectric g constant , G 31 = 0.2258 Vm / N. Therefore, the detection sensitivity of the pressing force similar to that of PVDF can be sufficiently obtained with PLLA having a piezoelectric constant d 14 = 10 pC / N. The inventors of the present invention have experimentally obtained PLLA with d 14 = 15 to 20 pC / N, and by using the PLLA, it is possible to detect the pressing force with extremely high sensitivity. Become.
以上のように、圧電性フィルム11にPLLAを用いることで、押圧力に対して高感度で、且つ信頼性の高い圧電センサ10を実現することができる。
As described above, by using PLLA for the
このような構成からなる押圧検出センサ1に対して、図3の回路ブロック図に示すような回路構成で操作入力装置100が実現できる。図3は本発明の第1の実施形態に係る操作入力装置の回路ブロック図である。
For the
操作入力装置100は、圧電センサ10、スイッチ部20、電圧変換部101、および検出部102を備える。スイッチ部20は、上述のスイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qとスイッチ接続導体24とから構成される複数のスイッチが並列接続してなる。電圧変換部101は、コンデンサC1、オペアンプU1を備える。
The
圧電センサ10の一方端(第1押圧検出導体12)は、スイッチ部20を介して抵抗器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。圧電センサ10には、コンデンサC1が並列接続されている。圧電センサ10の他方端(第2押圧検出導体13)は、オペアンプU1の非反転入力端子に接続されている。
One end (first press detection conductor 12) of the
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。
The output terminal of the operational amplifier U1 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier U1. With this configuration, a buffer circuit is realized. A driving voltage is supplied from the driving voltage application terminal Vdd to the operational amplifier U1. The output terminal of the operational amplifier U1 is connected to the
このような構成では、スイッチ部20における導通したスイッチを介して、圧電センサ10にバイアス電圧が印加される。圧電センサ10の圧電性フィルム11は変位量に応じた電荷を発生する。したがって、圧電性フィルム11に変位が生じた場合、その変位量に応じてオペアンプU1の入力電位が変化する。この際、コンデンサC1を圧電センサ10に並列に接続することで、変位による発生した電荷の消滅時間を長くすることができる。オペアンプU1は、この圧電センサ10からの出力電位(オペアンプU1の入力電位)と基準電位との差からなる電圧信号をバッファリングして出力する。
In such a configuration, a bias voltage is applied to the
検出部102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して、所定時間積算する。検出部102は、積算した出力データから押圧力を検出する。
The
また、検出部102は、スイッチ部20に接続されている。検出部102は、スイッチ回路20における導通したスイッチを検出する。導通したスイッチは、例えば、導通したスイッチと導通していないスイッチとの電気特性の差から検出することができる。
The
このような構成とすることで、押圧力と押圧位置とを検出することができる。 With such a configuration, it is possible to detect the pressing force and the pressing position.
次に、より具体的な操作例を用いて、押圧位置と押圧力の検出方法を説明する。図4は本発明の第1の実施形態に係る押圧検出センサの押圧操作状態を示す側面断面図である。図5は本発明の第1の実施形態に係る操作入力装置の押圧操作状態での回路ブロック図である。なお、図4、図5では、スイッチ用導体21Aの領域を押圧した場合を示すが、他のスイッチ用導体の領域においても、同様の挙動により、押圧位置と押圧力を検出できる。
Next, a method for detecting the pressing position and the pressing force will be described using a more specific operation example. FIG. 4 is a side sectional view showing a pressing operation state of the pressing detection sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a circuit block diagram in the pressing operation state of the operation input device according to the first embodiment of the present invention. 4 and 5 show the case where the region of the
図4に示すように、操作者が操作受付基板50の表面におけるスイッチ用導体21Aの領域を押圧する。操作受付基板50の外周端辺は筐体30に固定されているので、この押圧動作によって、操作受付基板50は、図3に示すように、押圧位置を中心として平面状に裏面側へ押し込まれるようにして凹む。言い換えれば、操作受付基板50の裏面は、押圧位置が絶縁性基板40に最も近くなるように変形する。これにより、スイッチ接続導体24におけるスイッチ用導体21Aに対向する領域が、スイッチ用導体21Aの個別導体22A,23Aに近接していく。そして、所定の押圧力以上になると、スイッチ接続導体24が個別導体22A,23Aの表面に当接する。これにより、個別導体22A,23Aが導通し、スイッチが導通状態となる。スイッチが導通状態となることで、図5に示すように、バイアス電圧を印加する駆動電圧印加端子Vddと圧電センサ10とがスイッチ21Aを介して接続し、圧電センサ10にバイアス電圧が印加される。
As shown in FIG. 4, the operator presses the region of the switch conductor 21 </ b> A on the surface of the
そして、操作受付基板50のスイッチ接続導体24と絶縁性基板40のスイッチ用導体21Aとが接触した状態で、さらに押圧力が加わると、絶縁性基板40が裏面側に押し込まれ、湾曲する。この絶縁性基板40の湾曲にしたがって、絶縁性基板40の裏面に当接する圧電センサ10も湾曲する。すなわち、圧電性フィルム11が湾曲して、変位する。この変位により、圧電性フィルム11は電荷を発生する。圧電性フィルム11の発生する電荷量は変位量に依存する。圧電性フィルム11の発生した電荷は、第1押圧検出導体12、第2押圧検出導体13によって取得され、圧電センサ10の出力端(上述のオペアンプU1に接続する端子)の電位が変化する。この電位の変化により、オペアンプU1の出力信号の電圧は変化し、当該変化量から検出部102で押圧力を検出することができる。
When the pressing force is further applied in a state where the
このように、本実施形態の構成を用いることで、複数の押圧位置を検出可能で且つ押圧力を検出可能な押圧検出センサを、1枚の圧電性フィルムのみを用いて実現することができる。これにより、押圧検出センサを簡素な構造で且つ容易に形成することができる。また、複数の押圧位置の検出に1枚の圧電性フィルムのみを用いるため、複数の位置のそれぞれに圧電性フィルムを備える圧電センサを配置する場合に生じる、センサ間のクロストークを防止することができる。これにより、検出精度を向上させることができる。 As described above, by using the configuration of the present embodiment, it is possible to realize a press detection sensor that can detect a plurality of pressing positions and detect a pressing force by using only one piezoelectric film. Thereby, a press detection sensor can be easily formed with a simple structure. In addition, since only one piezoelectric film is used to detect a plurality of pressing positions, crosstalk between sensors that occurs when a piezoelectric sensor including a piezoelectric film is disposed at each of the plurality of positions can be prevented. it can. Thereby, detection accuracy can be improved.
また、本実施形態の構成を用いることで、押圧位置を検出するスイッチが導通することで、圧電センサ10に電圧供給されるので、消費電力を低減することができる。圧電センサ10に通電する時間を短くできるので、経時通電による圧電センサ10の特性劣化を抑制することができる。
In addition, by using the configuration of the present embodiment, since the switch for detecting the pressed position is turned on, voltage is supplied to the
さらに、本実施形態の構成を用いることで、複数の押圧位置を検出する態様であっても押圧検出センサの出力端子は一つでよいので、押圧検出センサの後段の検出回路も一つで済み、検出回路を簡素化できる。これにより、操作入力装置を小型に形成することができる。 Furthermore, by using the configuration of the present embodiment, even if it is an aspect of detecting a plurality of pressing positions, only one output terminal of the pressing detection sensor is required, so only one detection circuit subsequent to the pressing detection sensor is required. The detection circuit can be simplified. Thereby, an operation input device can be formed small.
さらに、本実施形態の構成を用いることで、圧電性フィルム11を、剛性を有する絶縁性基板40に貼り付ける構造となることで、圧電性フィルムの寿命を長くすることができる。また、この絶縁性基板40に導体パターンを形成して、上述のオペアンプU1やコンデンサC1、検出回路102を実装することができ、操作入力装置100を小型に形成することができる。
Furthermore, by using the configuration of the present embodiment, the
さらに、本実施形態の構成を用いることで、スイッチ用導体21A〜21N,21P,21Qが円周上に配置され、限られた領域内において隣り合うスイッチ用導体の間隔を広くすることができる。これにより、押圧位置の検出分解能を向上させることができる。
Furthermore, by using the configuration of the present embodiment, the
なお、上述の構成では、スイッチ回路20を圧電センサ10の駆動電圧印加端子Vdd側に接続する例を示したが、スイッチ回路20を圧電センサ10とオペアンプU1との間に接続してもよい。ただし、スイッチ回路20の損失を考慮すると、スイッチ回路20を圧電センサ10の駆動電圧印加端子Vdd側に接続した方が好ましい。また、駆動電圧印加端子Vddと抵抗R1およびオペアンプU1との接続点に、スイッチ回路20を配置してもよい。この場合、オペアンプU1での消費電力も低減することができる。
In the above configuration, the
次に、本発明の第2の実施形態に係る押圧検出センサについて、図を参照して説明する。図6は、本発明の第2の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。図6におけるハッチング部は、第2押圧検出導体13Aが絶縁性基板40に当接して固定されている領域である。
Next, a press detection sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a plan view of the position detection surface of the press detection sensor according to the second embodiment of the present invention. The hatched portion in FIG. 6 is a region where the second
本実施形態に係る押圧検出センサ10Aは、第1の実施形態に係る押圧検出センサ10に対して、第2押圧検出導体13Aの絶縁性基板40に対する固定構造が異なるものである。また、この構成により、圧電性フィルム11の一軸延伸方向が異なる。その他の構成については、第1の実施形態に係る押圧検出センサ10と同じであり、説明は省略する。
The
第2押圧検出導体13は、対向する二側辺のみが絶縁性基板40に固定されている。このような構成では、固定されていない二側辺が伸長および変位に対して自由端となる。したがって、操作面が押圧されると、圧電性フィルム11は、固定される二側辺を結ぶ方向を主として伸長する。これは、押圧位置に依存することなく同じである。
Only the opposite two sides of the second
このような構成とすることで、圧電性フィルム11が発生する電荷は、押圧位置によることなく同符号となる。これにより、圧電性フィルム11で発生する電荷は、圧電性フィルム11内で相殺されない。したがって、押圧力に対する検出感度を向上させることができる。
By setting it as such a structure, the electric charge which the
さらに、圧電性フィルム11を、固定された二側辺に対して45°を成す方向が一軸延伸方向となるように配置する。これにより、押圧力に対する検出感度をさらに向上させることができる。
Furthermore, the
次に、本発明の第3の実施形態に係る押圧検出センサについて、図を参照して説明する。図7は、本発明の第3の実施形態に係る押圧検出センサの位置検出面を見た平面図である。図7におけるハッチング部は、第2押圧検出導体13Bが絶縁性基板40に当接して固定されている領域である。
Next, a press detection sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a plan view of the position detection surface of the press detection sensor according to the third embodiment of the present invention. The hatched portion in FIG. 7 is a region where the second
本実施形態に係る押圧検出センサ10Bは、第2の実施形態に係る押圧検出センサ10Aに対して、第2押圧検出導体13Bの形状が異なるものである。その他の構成については、第2の実施形態に係る押圧検出センサ10Aと同じであり、説明は省略する。
The
第2押圧検出導体13Bは、対向する二側辺のみが絶縁性基板40に固定されている。第2押圧検出導体13Bは、この固定される二側辺が、操作面に直交する方向から見て湾曲する形状で形成されている。より具体的には、固定される二側辺の中央部における二側辺間の距離Lcが当該二側辺の両端部における二側辺間の距離Leよりも長くなるように(Lc>Le)、第2押圧検出導体13Bは形成され、絶縁性基板40に固定されている。
Only the two opposite sides of the second
このような構成では、固定されていない二側辺が伸長および変位に対して自由端となる。さらに、第2押圧検出導体13Bに固定される圧電性フィルム11における押圧位置による変位量の差が小さくなる。したがって、押圧位置の違いによる押圧力に対する検出感度の差を小さくできる。これにより、押圧位置に依存することなく、同じ検出感度で押圧力を検出することができる。
In such a configuration, the two unfixed sides are free ends with respect to extension and displacement. Furthermore, the difference in the displacement amount due to the pressing position in the
さらに、圧電性フィルム11を、固定された二側辺に対して45°を成す方向が一軸延伸方向となるように配置する。これにより、押圧力に対する検出感度をさらに向上させることができる。
Furthermore, the
1:押圧検出センサ、
10,10A,10B:圧電センサ、
11:圧電性フィルム、
12:第1押圧検出導体、
13,13B:第2押圧検出導体、
20:スイッチ部、
21A,21B,21C,21D,21E,21F,21G,21H,21I,21J,21K,21L,21M,21N,21P,21Q:スイッチ用導体、
22A,23A,22I,23I:個別導体、
24:スイッチ接続導体、
30:筐体、
31:内部空間、
32:支持柱、
40:絶縁性基板、
50:操作受付基板、
51:台座、
52:突起部、
100:操作入力装置、
101:電圧変換部、
102:検出部、
500:キートップ、
C1:コンデンサ、
U1:オペアンプ
1: Press detection sensor,
10, 10A, 10B: Piezoelectric sensor,
11: Piezoelectric film,
12: 1st press detection conductor,
13, 13B: second press detection conductor,
20: Switch part,
21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 21F, 21G, 21H, 21I, 21J, 21K, 21L, 21M, 21N, 21P, 21Q: switch conductors,
22A, 23A, 22I, 23I: individual conductors,
24: Switch connection conductor,
30: housing,
31: Internal space,
32: Support pillar,
40: Insulating substrate,
50: Operation reception board,
51: Pedestal,
52: protrusion,
100: operation input device,
101: Voltage converter
102: detection unit,
500: Key top,
C1: capacitor,
U1: Operational amplifier
Claims (7)
該絶縁性基板の操作面側の主面のそれぞれ異なる位置に配置された複数組のスイッチ用導体と、
該複数組のスイッチ用導体に対向し、前記操作面に直交する方向に見て各組のスイッチ用導体に重なる領域に形成されたスイッチ接続導体と、
該スイッチ接続導体を備え、該スイッチ接続導体の配置面と反対側の面が前記操作面となる操作受付基板と、
前記絶縁積基板における前記操作面側の主面と反対側の面に配置された圧電性フィルムと、
前記絶縁性基板と前記圧電性フィルムとの間に配置され、前記複数のスイッチ用導体に接続する第1押圧検出導体と、
前記絶縁性基板とともに前記圧電性フィルムを挟持する平膜状の第2押圧検出導体と、
を備えた、押圧検出センサ。 An insulating substrate having a main surface parallel to the operation surface;
A plurality of sets of switch conductors arranged at different positions on the main surface on the operation surface side of the insulating substrate;
A switch connection conductor formed in a region facing the plurality of sets of switch conductors and overlapping each set of switch conductors when viewed in a direction perpendicular to the operation surface;
An operation receiving board comprising the switch connection conductor, wherein the surface opposite to the arrangement surface of the switch connection conductor is the operation surface;
A piezoelectric film disposed on a surface opposite to the main surface on the operation surface side of the insulating product substrate;
A first press detection conductor disposed between the insulating substrate and the piezoelectric film and connected to the plurality of switch conductors;
A flat film-like second press detection conductor that sandwiches the piezoelectric film together with the insulating substrate;
A pressure detection sensor.
請求項1に記載の押圧検出センサ。 The second press detection conductor is fixed to the insulating substrate only at two opposite sides.
The pressure detection sensor according to claim 1.
請求項2に記載の押圧検出センサ。 The second pressing detection conductor has a curved shape so that the two opposite sides are separated from the piezoelectric film from both ends along the side toward the center when viewed from a direction orthogonal to the operation surface.
The pressure detection sensor according to claim 2.
前記圧電性フィルムで発生する電荷を電圧変換する電圧変換回路と、
前記電圧変換回路の出力電圧から押圧力を検出し、前記複数組のスイッチ用導体から導通したスイッチ用導体の組を検出する検出回路と、を備えた操作入力装置。 A pressure detection sensor according to any one of claims 1 to 6,
A voltage conversion circuit that converts voltage generated in the piezoelectric film into a voltage;
An operation input device comprising: a detection circuit that detects a pressing force from an output voltage of the voltage conversion circuit and detects a set of switch conductors that are conducted from the plurality of sets of switch conductors.
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