JP2015190863A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイモルフと、押圧面としてのガラス又は他の部材を有する圧力検出装置において、検出感度を高める。【解決手段】圧力検出器１１０では、支持基板１は、圧力が作用する入力面１ａと、縁部が支持される背面１ｂとを有する。第１圧電シート３ａは、支持基板１の背面１ｂの中央部に配置されている。第２圧電シート３ｂは、第１圧電シート３ａの支持基板１と反対側において、第１圧電シート３ａに対向して配置されている。第１検出電極４ａは、第１圧電シート３ａの第２圧電シート３ｂと反対側に配置されている。第２検出電極４ｂは、第２圧電シート３ｂの第１圧電シート３ａの反対側に配置されている。中間接着層８は、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂとの間に配置されている。中間接着層８は、弾性係数が１０ＭＰａ未満である。【選択図】図４

Description

本発明は、圧力検出装置、特に、２枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフを用いた圧力検出装置に関する。

タッチパネルへの押圧量を検出するための装置として、圧電シートを用いた圧力センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に示すタッチ入力装置では、感圧センサが、可撓性を有するタッチパネルの平面上に互いに密着するように重ねられている。

特開平０５−６１５９２号公報

圧電シートに用いられる圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とその重合体がある。しかし、それら代表的な圧電材料は、焦電性を有するので、正確な押圧力の検出が難しかった。
そこで、本願の発明者は、この問題を改善するために、２枚の圧電シートを互いに分極方向を逆に貼り合せた、いわゆるバイモルフ構造を採用することに着目した。バイモルフ構造は、主に、上下２枚の圧電素子からなる長方形又は円形状のバイモルフを有している。圧電素子の両側には、検出電極が設けられている。バイモルフ構造は、さらに、バイモルフの下面の周囲に取り付けられた枠状の支持部材を有する。バイモルフ構造は、さらに、バイモルフの上面に、圧電素子の強度向上（傷防止、割れ防止）のために、保護材としてのガラス又は他の部材を有することがある。

以下、バイモルフ構造による押圧力検出のメカニズムを説明する。中央部に作用する押圧力で上下２枚の圧電素子が撓むと、上下２枚の圧電素子に押圧力に比例した応力σ_ｕと応力σ_ｌがそれぞれの圧電素子に発生する。
ガラスが設けられていないバイモルフ構造では、応力σ_ｕは圧縮応力であるため負の値となり、応力σ_ｌは引張応力であるため正の値となる。その場合、検出電極間に現れる電位差は、応力σ_ｕと応力σ_ｌの差に比例する。
一方、ガラスを取り付けたバイモルフ構造では、応力σ_ｕと応力σ_ｌはどちらも引張応力となる。この場合、応力σ_ｕより応力σ_ｌの方が大きくなるため、その差に応じた電位差が現れる。

本願の発明者は、上述のように、ガラスを設けたバイモルフ構造では、引張応力σ_ｕと引張応力σ_ｌとの差が小さいことに起因して検出電極間の電位差が小さくなる（つまり、検出感度が低い）問題に着目し、これを解決するための手段を発明した。

本発明の課題は、バイモルフと、押圧面としてのガラス又は他の部材とを有する圧力検出装置において、検出感度を高めることにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。

本発明の一見地に係る圧力検出装置は、外部から加えられた圧力によって発生する２枚の圧電シート間の電位差に基づいて圧力を検出するための圧力検出装置である。圧力検出装置は、シート部材と、第１圧電シートと、第２圧電シートと、第１検出電極と、第２検出電極と、弾性体と、を備えている。
シート部材は、圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有する。
第１圧電シートは、シート部材の第２面の中央部に配置されている。
第２圧電シートは、第１圧電シートのシート部材と反対側において、第１圧電シートに対向して配置されている。
第１検出電極は、第１圧電シートの第２圧電シートと反対側に配置されている。
第２検出電極は、第２圧電シートの第１圧電シートの反対側に配置されている。
弾性体は、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置されている。弾性体は、弾性係数が１０ＭＰａ未満である。

この装置では、シート部材の第１面の中央部が押されると、シート部材は縁部が他の部材に支持されながらたわむ。その結果、第１圧電シート及び第２圧電シートもたわむ。このときに、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置された弾性体の弾性係数が１０ＭＰａ未満であるので、第２圧電シートの引張応力が第１圧電シートの引張応力より小さくなる。これにより、第１検出電極で発生する電荷量が第２検出電極で発生する電荷量より大きくなり、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差が充分に大きくなる。この結果、圧力検出装置の押圧検出感度が高くなる。

弾性体の弾性係数は１ＭＰａ以下であってもよい。
この装置では、弾性体の弾性係数は１ＭＰａ以下なので、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差が充分に大きくなる。

弾性体の厚みは、５μｍ以上であってもよい。
この装置では、充分に広い厚み範囲であるので、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差が充分に大きくなる。

弾性体の厚みは、２５〜１００μｍであってもよい。
この装置では、弾性体の厚みを大きく設定しているので、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差がさらに大きくなる。

弾性体は、第１圧電シートと第２圧電シートを接着する接着剤であってもよい。
この装置では、接着剤の種類選択によって、上記の効果を得られる。

圧力検出装置は、第２シート部材をさらに備えていてもよい。第２シート部材は、第２圧電シートのシート部材と反対側に配置され、弾性係数が１０ＧＰａ以上である。
この装置では、第２シート部材として弾性係数が高い部材を適用することで、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差がさらに大きくなる。この結果、圧力検出装置の押圧検出感度がさらに高くなる。

圧力検出装置は、接着層をさらに備えていてもよい。接着層は、シート部材と第１圧電シート及び第２圧電シートとの間に配置されている。接着層は、弾性体の弾性係数の１０倍以上の弾性係数を有する。
この装置では、接着層の弾性係数を大きく設定することで、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差がさらに大きくなる。この結果、圧力検出装置の押圧検出感度がさらに高くなる。

本発明に係る圧力検出装置では、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置された弾性体の弾性係数が１０ＭＰａ未満であるので、第２圧電シートの引張応力が第１圧電シートの引張応力より小さくなる。これにより、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差が大きくなる。この結果、圧力検出装置の押圧検出感度が高くなる。

電子機器の斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。 圧力検出器の断面図である。 圧力検出器の断面図である。 圧力検出器の断面図である（第２実施形態）。 圧力検出器の断面図である（第３実施形態）。 タッチパネルの断面図である（第４実施形態）。 電極の展開図である（第４実施形態）。

１．第１実施形態
（１）圧力検出器の概要
図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態としての圧力検出器１００を説明する。図１は、電子機器の斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。
圧力検出器１００は、指又はペンによって押された場合の押圧力（荷重）の大きさを測定するための装置である。なお、以下の説明では、使用時にユーザから見て手前側（図２の上側）を圧力検出器１００の「入力面側」といい、ユーザから見て奥側（図２の下側）を圧力検出器１００の「奥側」という。

図１に示すように、電子機器１１０は、主に、筐体６と、圧力検出器１００とを備えている。筐体６は、矩形枠状であり、合成樹脂製である。圧力検出器１００は、筐体６内に収容されている。

さらに詳細には、筐体６は、入力面側に向かって矩形状に開口する凹部６ａを有している。凹部６ａは、段差を有するように形成されており、この段差部分が支持部６ｂとなっている。支持部６ｂは、凹部６ａの形状に対応しており、つまり矩形枠状に形成されている。支持部６ｂは、後述する支持基板１の背面１ｂの縁部に対応しており、支持基板１に作用する圧力を支持するための構造である。凹部６ａにおいて、支持部６ｂよりも入力面側の第１領域には後述の支持基板１が収納され、背面側の第２領域には圧力検出器１００が収納されている。
凹部６ａにおいて、第１領域の側面は支持基板１とわずかな隙間を空けて接し、第２領域の側面は圧力検出器１００にわずかな隙間を空けて接している。また、筐体６の底面と圧力検出器１００との間には、空間部７が設けられている。

圧力検出器１００は、主に、支持基板１と、圧電シート３と、検出電極４と備えている。圧力検出器１００の基本動作として、支持基板１が押されると圧力検出器１００がたわみ、圧電シート３には引張応力が加わるとともに、電荷が発生する。そして、２枚の検出電極４がその電荷を検出することで、圧力検出器１００に加えられた押圧力を検出できる。
より詳細には、圧力検出器１００は、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、接着層２、第１検出電極４ａ、第１圧電シート３ａ、中間接着層８、第２圧電シート３ｂ、第２検出電極４ｂを有している。以下、各構成を説明する。なお、図２等の断面図は、説明の便宜のために、各層の位置及び厚みを適宜調整している。

（２）支持基板
支持基板１（シート部材の一例）は、シート状の部材であり、筐体６の支持部６ｂに配置される。圧力検出器１００の入力面１ａ（第１面）を有している。支持基板１は、入力面１ａと反対側に背面１ｂ（第２面）を有している。支持基板１の背面１ｂの縁部は支持部６ｂに支持されるように固定されている。
支持基板１は、保護板として、透明性、耐傷性、及び防汚性等を具備していることが好ましい。支持基板１の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやアクリル系樹脂等の汎用樹脂、ポリアセタール系樹脂やポリカーボネート系樹脂等の汎用エンジニアリング樹脂、ポリスルホン系樹脂やポリフェニレサルファイド系樹脂等のスーパーエンジニアリング樹脂、ガラスがある。
なお、支持基板１の厚みは、例えば０．４ｍｍ〜１．０ｍｍである。
支持基板１は、後述する他の部材に比べて剛性が高い。

（３）圧電シート
圧電シート３は、接着層２を介して、支持基板１の背面１ｂに固定されている。なお、圧電シート３は、支持基板１の背面１ｂの中央部に配置されている。
接着層２は例えば透明光学接着剤が用いられる。そのような例としては、感圧接着剤（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ、以後「ＰＳＡ」という）がある。接着層２のＡの厚みは、５μｍ〜３００μｍである。
接着層２の弾性係数は、限定されるものではないが、１０ＭＰａ程度であり、好ましくは１０ＭＰａ以上、１ＧＰａ程度である。なお、接着層２の材料は、例えば、アクリル系やシリコーン系、エポキシ系接着剤である。接着層２は、上記接着剤を接着後にＵＶ硬化又は熱硬化によって硬化されることが好ましい。

圧電シート３は、押圧力が加えられたわみが発生すると、両面に加えられた押圧力に応じた電位差を発生するシートである。圧電シート３は、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂとから構成されている。両シートは同じ形状であり、互いに対向している。第１圧電シート３ａは支持基板１の背面１ｂ側に配置され、第２圧電シート３ｂは第１圧電シート３ａの背面側（第１圧電シート３ａの支持基板１と反対側）に配置されている。第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは、ＰＳＡからなる中間接着層８を介して互いに接着されている。中間接着層８については後述する。

（４）検出電極
検出電極４は、第１検出電極４ａと、第２検出電極４ｂとからなる。第１検出電極４ａは支持基板１（具体的には、接着層２）と第１圧電シート３ａの間（つまり、第１圧電シート３ａの第２圧電シート３ｂと反対側）に配置され、第２検出電極４ｂは第１圧電シート３ａの背面側（つまり、第２圧電シート３ｂの第１圧電シート３ａと反対側）に配置される。
なお、第１検出電極４ａ及び第２検出電極４ｂは、導電性を有する材料により構成される。導電性を有する材料としては、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、スズ−亜鉛酸化物（Ｔｉｎ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ、ＴＺＯ）などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子、などを用いることができる。この実施形態では、検出電極４は、例えば、蒸着やスクリーン印刷などを用いて圧電シート３の面に直接形成されている。
なお、検出電極４の厚みは、例えば１ｎｍ〜３０，０００ｎｍとすることができる。

また、導電性を有する材料として、銅、銀などの導電性の金属を用いてもよい。この場合、上記の検出電極は、蒸着により圧電シートに形成してもよく、銅ペースト、銀ペーストなどの金属ペーストを用いて形成してもよい。なお、金属からなる検出電極は、透光性を向上させるために、メッシュ構造であってもよい。
なお、検出電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて樹脂フィルムなどの表面に形成したものを、支持基板や圧電シートに接着剤で固着してもよい（例えば、第３実施形態）。

さらに、導電性を有する材料として、バインダー中に、カーボンナノチューブ、金属粒子、金属ナノファイバーなどの導電材料が分散したものを用いてもよい。

（５）検出器
検出器（図示せず）は、検出電極が検出した電圧信号から押圧量を検出する装置である。検出器はオペアンプを用いたチャージアンプなどから構成される。

（６）押圧手段
なお、圧力検出器１００に押圧を加える押圧手段としては、押圧を加えることができるものであれば、特に限定されない。押圧手段としては、例えば指やスタイラスベンなどを挙げることができる。

（７）圧電シートの詳細説明
第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの材料は、強誘電体材料をシート状に成形したのちに厚み方向に分極させたシートを用いることができる。強誘電体材料としては、ＰＶＤＦや、ＰＶＤＦとＴｒＦＥやＥＴＦＥなどの共重合体、ＰＺＴがある。第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは互いに分極方向が上下逆になるように積層される。
第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの材料の組み合わせは特に限定されない。ただし、両シートは同じ特性を有する材料が用いられることが好ましい。温度変化による熱応力と焦電効果によって生じる圧電シートからの出力をキャンセルできるからである。

図３を用いて、圧電シートにおける焦電効果に起因する出力をキャンセルするメカニズムを説明する。図３は、圧力検出器の断面図である。

第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂが強誘電体から構成される場合、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは、無押庄状態での分極方向が互いに逆方向になるよう構成されていることが好ましい。上記のように構成されていると、圧力検出器１００内で温度変化が生じて、圧電シート３内に焦電効果が発生した場合に、図３に示すように、第１圧電シート３ａの入力面側と第２圧電シート３ｂの背面側で正負同じ電荷が生じる。
第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂは、厚みが十分薄く（例えば、５μｍ〜５０μｍ）、かつ、同じ特性を有する材料から構成すると、第１圧電シート３ａの背面側の面と第２圧電シート３ｂの入力面側の面との間で、電位同士がほぼ等しくなり、その結果、第１圧電シート３ａの入力面側の面と第２圧電シート３ｂの背面側の面との間で、電位同士が等しくなることが導き出される。

したがって、上記のように構成すると、圧電シート３が焦電効果の影響を受けた場合、焦電効果に起因して発生する第１圧電シート３ａの入力面側の面の電位と第２圧電シート３ｂの背面側の面の電位はほぼ等しくなる。すると、圧力検出器１００において、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂが焦電効果の影響を受けた場合に、検出電極４によって検出される圧電シート３として焦電効果に起因する電位差は、ほぼ「０」となる。したがって、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂに焦電効果が発生しても、圧電シート３全体としては焦電効果に起因する電位差がほとんど検出されない。すなわち、圧電シート３（第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂ）が、強誘電体から構成される場合、圧電シート３と検出電極４が上記のように構成されることにより、温度変化に伴う誤動作（特に、焦電効果に起因した誤動作）がほとんど生じない。

（８）中間接着層
前述したように、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間には、中間接着層８が配置されている。中間接着層８には、例えばＰＳＡが用いられる。

中間接着層８は、従来に比べて軟らかい材料からなり、弾性係数が１０ＭＰａ未満である。中間接着層８の弾性係数は、好ましくは、１ＭＰａ以下である。さらに具体的には、中間接着層８の弾性係数は、０．０５ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲が好ましく、より好ましくは０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａの範囲である。以上より、この実施形態では、中間接着層８は、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間で、比較的弾性係数が低い弾性体として機能している。
中間接着層８は、上記の弾性係数を実現すればよく、材料の種類は特に限定されない。ただし、中間接着層８は、例えば、アクリル系粘着剤やシリコーン系粘着剤からなる。いずれの粘着剤も、分子量を小さく架橋密度が小さいため、弾性係数が小さいからである。

中間接着層８の厚みは、５μｍ以上である。より好ましくは、中間接着層８の厚みは、２５〜１００μｍの範囲である。

図４を用いて、圧力検出器１００に押圧を加えた場合の電荷発生メカニズムを説明する。図４は、圧力検出器の断面図である。
図４に示すように、圧力検出器１００に押圧を加えたとき、支持基板１は圧電シート３や検出電極４に比べて高い剛性を有しているため、圧電シート３（第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂ）には引張応力が生じる。このとき、第１圧電シート３ａには引張応力σ_ｕが生じ、第２圧電シート３ｂには引張応力σ_ｌが生じる。その結果、第１圧電シート３ａと第２圧電シート３ｂの入力面側の面と背面側の面には、上記引張応力に応じた電荷がそれぞれ発生する。そして、発生した電荷によって、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂのそれぞれの入力面側と背面側の面との間には電位差が発生する。第１圧電シート３ａの間で発生する電位差Ｖ_１’は、第１圧電シート３ａ入力面側の電位と背面側の電位との差であり、電位差Ｖ_１’は引張応力σ_ｕの大きさに比例している。第２圧電シート３ｂの間で発生する電位差Ｖ_２’は、第２圧電シート３ｂの入力面側の電位と背面側の電位との差であり、電位差Ｖ_２’は引張応力σ_ｌの大きさに比例している。

この実施形態では、引張応力σ_ｌが引張応力σ_ｕより小さくなっており、それにより電位差Ｖ_２の絶対値が電位差Ｖ_１の絶対値より小さくなっている。したがって、圧力検出器１００の検出感度が高くなっている。このような効果が得られたのは、上記の特性を有する中間接着層８を新たに設けたからである。

上記の構成に加え、中間接着層８の厚みが５μｍを超えている場合は、前記の効果がさらに高くなる。なお、中間接着層８の厚みは２５μｍ程度あることが好ましい。
上記の構成に加え、接着層２の弾性係数が中間接着層８の弾性係数の１０倍以上である場合は、前記の効果がさらに高くなる。具体的には、接着層２の弾性係数は１０ＭＰａ以上であり、１ＧＰａ程度あることが好ましい。この場合、接着層２の弾性係数が、中間接着層の弾性係数の１０倍以上であることが好ましい。

前記第１実施形態では、第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂの間に配置されていたのは中間接着層８だけであった。しかし、上記の特性を満たす弾性体であれば接着層のみの構成には限定されない。例えば、弾性体はコアシート及び両面の接着剤から構成されていてもよい。また、弾性体の一部に光学的特性を実現するシートが用いられてもよい。

以下に第１実施形態の原理と効果を示すためにおこなったシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、上記実施形態と同様の構造であり、ガラス（支持基板１に相当）にバイモルフ（圧電シート３に相当）を貼合わせ、四辺を土台（電子機器１１０の筐体６に相当）に両面テープで固定した圧力検出器（圧力検出器１００に相当）を想定した。この圧力検出器において、ガラスの中央部に１Ｎの力を加えるという条件を採用した。圧電シートは、フィルム状のＰＶＤＦの共重合体を想定した。ガラスサイズは、例えば、１２０ｍｍ×６０ｍｍであり、厚みは例えば０．５５ｍｍである。シミュレーションには、ＦＥＭシミュレーションソフトを用いた。

表１において、２枚の圧電シート（第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂに相当）を弾性体（中間接着層８に相当）によって接着してなるバイモルフを、接着剤（接着層２に相当）でガラスに貼り合せた場合のシミュレーション結果である。Ｘ方向とＹ方向はそれぞれ上面図の長辺方向と短辺方向であり、上側の第１圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｕ）と下側の第２圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｌ）からなる圧電シートに加わる応力をＸとＹ方向について算出した。

シミュレーションＮｏ．Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ１０、Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４が本実施形態の最低限の条件を満たした実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ａ１、Ａ２、Ａ８、Ａ９が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。なお、Ａ１〜Ａ７はガラスと圧電シートとの間の弾性体の弾性係数を低くした場合（１０ＭＰａ）であり、Ａ８〜Ａ１４はと、ガラスと圧電シートとの間の弾性体の弾性係数を高くした場合（１ＧＰａ）である。

参考例Ａ１のように弾性体が存在しない場合、つまり極薄くて非常に硬い接着剤で貼合せている場合は、第２圧電シートで発生する引張応力が第１圧電シートで発生する引張応力より大きくなっており、しかもその差（σｕｘ−σｌｘ、σｕｙ−σｌｙ）はあまり大きくない。逆に、実施例Ａ４のように、軟らかい弾性体を介している（弾性係数１ＭＰａ）場合は、弾性体が存在しない場合と逆に、第２圧電シートで発生する引張応力が第１圧電シートで発生する引張応力より小さくなっており、しかもその差（σｕｘ−σｌｘ、σｕｙ−σｌｙ）が参考例Ａ１より大きくなっている。

さらに弾性体を軟らかくする又は厚くすると、第２圧電シートで発生する引張応力と第１圧電シートで発生する引張応力の差（σｕｘ−σｌｘ、σｕｙ−σｌｙ）が大きくなっていく。実施例Ａ４をより弾性係数を小さくした例が実施例Ａ５、Ａ６、Ａ７である。実施例Ａ５と弾性係数は同じであるが厚みを大きくした例が実施例Ａ６である。いずれの場合もより好ましい結果が得られている。
実施例Ａ３と実施例Ａ４は弾性体の弾性係数は同じであるが、実施例Ａ４の厚みが大きくなっている。その結果、実施例Ａ４において発生する引張応力の差は実施例Ａ３に比べて大きくなっている。実施例Ａ５と実施例Ａ６との関係、実施例Ａ１０と実施例Ａ１１との関係、実施例Ａ１２と実施例Ａ１３との関係も同様である。
以上のように、圧電シート間に弾性体を形成し、より軟らかく、又はより厚くすることで圧力検出器の押圧検出感度を上げられることが分かる。

実施例Ａ３〜Ａ７（ガラスと圧電シートとの間の接着層が軟らかい）と実施例Ａ１０〜Ａ１４（ガラスと圧電シートとの間の接着層が硬い）とをそれぞれ比較すると、後者の方がより大きな引張応力の差が得られていることが分かる。このことより、ガラスとバイモルフを接着している接着剤を硬くすると、第２圧電シートで発生する引張応力が第１圧電シートで発生する引張応力よりさらに小さくなり、圧力検出器の押圧検出感度を上げられることが分かる。

２．第２実施形態
図５を用いて、第２実施形態の圧力検出器１００Ａを説明する。
圧力検出器１００Ａの基本的な構造は、第１実施形態の圧力検出器１００と同じである。したがって、ここでは異なる点のみを説明する。

圧力検出器１００Ａは、第１実施形態の構造に加えて、ディスプレイ装置５（第２シート部材の一例）を有している。ディスプレイ装置５は、接着層９を介して、第２検出電極４ｂの背面側に固定されている。なお、ディスプレイ装置５はＬＣＤや有機ＥＬから構成されている。ディスプレイ装置５は、圧電シート３に比べて剛性が高い。
このようにして、圧力検出器１００Ａは、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、接着層２、第１検出電極４ａ、第１圧電シート３ａ、中間接着層８、第２圧電シート３ｂ、第２検出電極４ｂ、接着層９、ディスプレイ装置５を有している。

この実施形態でも、中間接着層８の弾性係数を低くすることで、引張応力σ_ｌが引張応力σ_ｕより小さくなっており、それにより電位差Ｖ_１が電位差Ｖ_２より大きくなっている。したがって、圧力検出器１００Ｂの検出感度が高くなっている。
また、ディスプレイ装置５を圧電シート３の背面側に設けることによって、第１実施形態に比べて、第２圧電シートで発生する引張応力が第１圧電シートで発生する引張応力よりさらに小さくなっており、圧力検出器の押圧検出感度を上げられる。

また、この条件で弾性体をさらに柔らかく又は厚みを大きくすると、第２圧電シート３ｂで発生する引張応力がマイナスになる（つまり、圧縮応力が発生する）。この結果、圧力検出器の押圧検出感度をさらに上げられる。
また、ディスプレイ装置５を設けることで、圧力検出器１００Ａの曲げ剛性も向上している。つまり、押圧を加えてもたわみの少ない圧力検出器となる。
なお、ディスプレイ装置の代わりにガラスのような硬い材料を別に設けても同じ効果がある。ただし、いずれの場合も圧力検出器の最下面に貼られる部材の弾性係数は１０ＧＰａ以上であることが好ましい。

以下に第２実施形態の原理と効果を示すためにおこなったシミュレーション結果を説明する。

表２において、２枚の圧電シート（第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂに相当）を弾性体（中間接着層８に相当）によって接着してなるバイモルフ（圧電シート３に相当）を、接着剤（接着層２に相当）でガラス（支持基板１に相当）に貼り合せ、さらにガラス（ディスプレイ装置５に相当）を圧電シートの背面側に設けた場合のシミュレーション結果である。Ｘ方向とＹ方向はそれぞれ上面図の長辺方向と短辺方向であり、上側の第１圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｕ）と下側の第２圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｌ）からなる圧電シートに加わる応力をＸ方向とＹ方向について算出した。

シミュレーションＮｏ．Ｂ３〜Ｂ７が本実施形態の最低限の条件を満たした実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ｂ１〜Ｂ２が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。
実施例Ｂ３〜Ｂ７と、弾性体の弾性係数及び厚みの条件が同じである第１実施形態の実施例Ａ３〜Ａ７とを比較すると、実施例Ｂ３〜Ｂ７の方が、実施例Ａ３〜Ａ７に比べて、発生する引張応力同士の差はそれぞれ大きくなっている。以上より、剛性が高いシートを圧電シートの背面側に固定すると、圧力検出器の検出感度をさらに高められることが分かる。

３．第３実施形態
図６を用いて、第３実施形態としての圧力検出器１００Ｂを説明する。図６は、圧力検出器の断面図である。
圧力検出器１００Ｂは、第１実施形態と基本構造が同じである。したがって、ここでは、異なる点のみを説明する。

この実施形態では、検出電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて樹脂フィルムの表面に形成されている。具体的には、第１検出電極４ａは、樹脂フィルム１１の背面に形成されている。樹脂フィルム１１は、接着層１２を介して圧電シート３に固定されている。また、樹脂フィルム１１は、接着層２を介して支持基板１に固定されている。第２検出電極４ｂは、樹脂フィルム１３の入力側面に形成されている。樹脂フィルム１３は、接着層１４を介して圧電シート３の背面に固定されている。

このようにして、圧力検出器１００Ｂは、入力面側から背面側に向かって、支持基板１、接着層２、樹脂フィルム１１（第１検出電極４ａを含む）、接着層１２、第１圧電シート３ａ、中間接着層８、第２圧電シート３ｂ、接着層１４、樹脂フィルム１３（第２検出電極４ｂを含む）を有している。
この実施形態でも、中間接着層８の弾性係数を低くすることで、引張応力σ_ｌが引張応力σ_ｕより小さくなっており、それにより電位差Ｖ_１が電位差Ｖ_２より大きくなっている。したがって、圧力検出器１００Ｂの検出感度が高くなっている。
さらに、中間接着層８の厚みを増加することで、さらに上記の効果を高めることができる。

さらに、中間接着層８以外の接着層である接着層２、接着層１２、及び接着層１４の弾性係数が中間接着層８の弾性係数の１０倍以上である場合は、前記の効果がさらに高くなる。具体的には、これら接着層の弾性係数は１０ＭＰａ以上であり、１ＧＰａ程度あることが好ましい。

以下に第３実施形態の原理と効果を示すために行ったシミュレーション結果を説明する。

表３は、２枚の圧電シート（第１圧電シート３ａ及び第２圧電シート３ｂに相当）を弾性体（中間接着層８に相当）によって接着してバイモルフ（圧電シート３に相当）とし、第１検出電極（第１検出電極４ａに相当）を形成した樹脂フィルム（樹脂フィルム１１に相当）及び第２検出電極（第２検出電極４ｂに相当）を形成した樹脂フィルム（樹脂フィルム１３に相当）をバイモルフに固定し、さらに接着剤（接着層２に相当）でガラス（支持基板１に相当）に貼り合わせた場合のシミュレーション結果である。Ｘ方向とＹ方向はそれぞれ上面図の長辺方向と短辺方向であり、上側の第１圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｕ）と下側の第２圧電シート（ＰＩＥＺＯ Ｌ）からなる圧電シートに加わる応力をＸ方向とＹ方向について算出した。

シミュレーションＮｏ．Ｃ３〜Ｃ７及びＣ１０〜Ｃ１４が本実施形態の最低限の条件を満たした実施例であり、シミュレーションＮｏ．Ｃ１〜Ｃ２及びＣ８〜Ｃ９が本実施形態の最低限の条件を満たしていない参考例である。

実施例Ｃ３〜Ｃ７（ガラスと圧電シートとの間の接着層、及び各樹脂フィルムと圧電シートとの間の接着層が軟らかい）と実施例Ｃ１０〜Ｃ１４（ガラスと圧電シートとの間の接着層、及び各樹脂フィルムと圧電シートとの間の接着層が硬い）とをそれぞれ比較すると、後者の方がより大きな引張応力の差が得られていることが分かる。このことより、弾性体以外の接着剤の弾性係数を高くすると、第２圧電シートで発生する引張応力と第１圧電シートで発生する引張応力との差がさらに大きく、それにより圧力検出器の押圧検出感度を上げられることが分かる。

次に、表４を用いて、実際に試作した圧力検出器の出力を測定した結果を以下に示す。圧力検出器の層構成は第３実施形態と同じである。バイモルフ（圧電シート３に相当）の圧電シート（第１圧電シート３ａ、第２圧電シート３ｂに相当）同士の間に軟らかい接着層であるＰＳＡｍｉｄ（中間接着層８に相当）を設けた。また、バイモルフ（圧電シート３に相当）をＩＴＯフィルム（樹脂フィルム１１、樹脂フィルム１３に相当）で両側から挟んでさらに、ガラス（支持基板１に相当）にＰＳＡ１（接着層２に相当）を介して貼り付けた構造の圧力検出器（圧力検出器１００ｂに相当）を試作した。ＩＴＯフィルムは、ＰＳＡ２（接着層１２に相当）及びＰＳＡ３（接着層１４に相当）を介してバイモルフに貼り付けられた。そして、押圧を加えて出てくる電力を電荷として、チャージアンプ（図示せず）で検出した。

参考例としてのセンサ１では、ＰＳＡ１，ＰＳＡ２、ＰＳＡ３及びＰＳＡｍｉｄ（中間接着層８に相当）に薄くて硬いものを採用した。この場合、各ＰＳＡは、貼合せを行った後、ＵＶ硬化させており、硬化後の弾性係数は約３ＧＰａであった。この場合、５００ｇの加圧で０．５２ｎＣの電荷出力が観察された。

実施例としてのセンサ２では、ＰＳＡ１，ＰＳＡ２及びＰＳＡ３に薄くて硬いものを採用したが、ＰＳＡｍｉｄ（中間接着層８に相当）に軟らかい通常のＰＳＡを採用した。ＰＳＡｍｉｄにおける通常のＰＳＡの弾性係数は、約０．１ＭＰａであった。センサ１とは逆の符号の電荷が検出され、その量はセンサ１の三倍の１．５５ｎＣであり、効果が見られた。

４．第４実施形態
第１〜第３実施形態では、圧力検出器のバイモルフは支持基板１に固定されていたが、本発明はそれら実施形態に限定されない。圧力検出器のバイモルフはタッチパネルの背面に固定されてもよい。その場合、押圧力だけでなく、押圧の位置も検出できる。
タッチパネルとしては、静電容量方式、抵抗膜方式、光学方式が挙げられる。以下に、静電容量方式の場合について説明する。

以下、図７及び図８を用いて、タッチパネル１１０Ｃを説明する。図７は、タッチパネルの断面図である。図８は、電極の展開図である。
タッチパネル１１０Ｃに含まれる圧力検出器１００Ｃの基本的な構造は、第１〜第３実施形態と同様である。したがって、共通部分の説明を省略する。ただし、圧力検出器１００Ｃは、第２実施形態のようにディスプレイ装置５を最背面側に有している。また、圧力検出器１００は、第３実施形態のように第１検出電極４ａ及び第２検出電極４ｂがそれぞれ樹脂フィルム１１及び樹脂フィルム１３に形成されている。

図７及び図８に示すように、タッチパネル１１０Ｃは、圧力検出器１００Ｃに加えて、タッチセンサ５１を有している。タッチセンサ５１は、主に、上部電極５３と、下部電極５５とを有している。

上部電極５３は、樹脂フィルム１１の入力側面に複数形成されている。複数の上部電極５３は、Ｙ軸方向に所定間隔を隔てて並ぶように互いに平行に配置されている。本実施形態では、上部電極５３は、ストライプ状（一定幅を有する直線状）に形成されている。なお、上部電極５３は、例えば波状やジグザグ状に形成されてもよい。いずれにしても、上部電極５３のそれぞれは、全体として、Ｘ軸方向に沿って延在するように形成されている。

また、上部電極５３は、透明性に優れた材料を用いて構成されていることが好ましい。このような要求を満足する材料としては、例えば酸化スズ、酸化インジウム、酸化アンチモン、酸化亜鉛、酸化カドミウム、及びＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の金属酸化物、銀ナノワイヤ一、カーボンナノチューブ、導電性ポリマ一等が例示される。上部電極５３はこれらの材料を用いて構成された透明導電膜であり、その厚みは、例えば５ｎｍ〜５０００ｎｍとすることができる。本実施形態では、ＩＴＯ薄膜により上部電極５３が構成されている。この場合、上部電極５３は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて樹脂フィルム１１の入力側面に形成されて、支持基板１に接着層２で固着されている。なお、上部電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて支持基板１の背面に直接形成されてもよい。なお、上部電極５３の厚みは、例えば、ｌｎｍ〜２０μｍである。

下部電極５５は、本実施形態では、上部電極５３の背面側に複数形成されている。複数の下部電極５５は、Ｘ軸方向に所定間隔を隔てて並ぶように互いに平行に配置されている。本実施形態では、下部電極５５は、ストライプ状（一定幅を有する直線状）に形成されている。なお、下部電極５５は、例えば波状やジグザグ状に形成されてもよい。いずれにしても、下部電極５５のそれぞれは、全体として、Ｙ軸方向に沿って延在するように形成されている。これにより、上部電極５３と下部電極５５とは、平面視で互いに交差（本例では直交）するように配置されている。下部電極５５は、上部電極５３と同様、透明性に優れた材料を用いて構成されていることが好ましい。下部電極５５を構成する材料や厚みに関しては、上部電極５３と同様である。また、下部電極５５の形成方法に関しても、上部電極５３と同様である。
この実施形態では、下部電極５５は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて樹脂フィルム１３の表面に形成されて、第１圧電シート３ａに接着層１２を介して固着されている。
なお、上部電極５３及び下部電極５５は、検出電極と同様に、銀、銅などの導電性の金属からなるメッシュ構造であってもよい。

複数の上部電極５３は、それぞれ引き回し配線を介して、検出回路（図示せず）に接続されている。また、複数の下部電極５５も、それぞれ引き回し配線を介して、検出回路に接続されている。なお、引き回し配線は、金、銀、銅、及びニッケル等の金属、又はカーボン等の導電ベーストを用いて構成される。

この実施形態では、下部電極５５は、圧力検出器１００Ｃの第１検出電極４ａと兼用されている。そのため、両電極を絶縁するための別の層が不要になり、したがって、装置が軽量化及び薄型化される。また、電極材料が低減される。

タッチパネル１１０Ｃには、ＣＰＵ等の演算処理装置を含む制御部（図示せず）が備えられており、この制御部が位置検出演算及び押圧力検出演算を行うように構成されている。具体的には、タッチパネル１１０Ｃ（入力面１ａ）に対してユーザの指等がタッチされると上部電極５３とユーザの指等との問の静電容量や下部電極５５とユーザの指等との間の静電容量が変化する。制御部は、検出器から得られた静電容量の変化に基づいて、入力面１ａにおけるＸ−Ｙ座標系での押圧位置を決定することができる。また、タッチパネル１１０Ｃに対してユーザの指等がタッチされると、上述したように圧電シート３間における電位差は、加えられた押圧力の大きさに応じて変化する。制御部は、圧電シート３の電位差変化を検出することにより、入力面１ａと直交する方向（Ｚ方向）に加えられた押圧力の大きさを決定できる。

なお、圧力検出器とタッチパネルを組み合わせ使う場合に、電極の共通化は必ずしもしなくてよい。
また、上記の装置の層構成は一実施形態であって、本発明はこれに限定されない。

５．実施形態の共通事項
上記第１〜第５実施形態は、下記の構成及び機能を共通に有している。
圧力検出装置（例えば、圧力検出器１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）は、外部から加えられた圧力によって発生する２枚の圧電シート間の電位差に基づいて圧力を検出するための圧力検出装置である。圧力検出装置は、シート部材と、第１圧電シートと、第２圧電シートと、第１検出電極と、第２検出電極と、弾性体と、を備えている。
シート部材（例えば、支持基板１、タッチパネル）は、圧力が作用する第１面（例えば、入力面１ａ）と、縁部が支持される第２面（例えば、背面１ｂ）を有する。
第１圧電シート（例えば、第１圧電シート３ａ）は、シート部材の第２面の中央部に配置されている。
第２圧電シート（例えば、第２圧電シート３ｂ）は、第１圧電シートのシート部材と反対側において、第１圧電シートに対向して配置されている。
第１検出電極（例えば、第１検出電極４ａ）は、第１圧電シートの第２圧電シートと反対側に配置されている。
第２検出電極（例えば、第２検出電極４ｂ）は、第２圧電シートの第１圧電シートの反対側に配置されている。
弾性体（例えば、中間接着層８）は、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置されている。弾性体は、弾性係数が１０ＭＰａ未満である。

この装置では、シート部材の第１面の中央部が押されると、シート部材は縁部が支持部に支持されながらたわむ（図４参照）。その結果、第１圧電シート及び第２圧電シートもたわむ。このときに、第１圧電シートと第２圧電シートとの間に配置された弾性体の弾性係数が１０ＭＰａ未満であるので、第２圧電シートの引張応力（例えば、σ_ｌ）が第１圧電シートの引張応力（例えば、σ_ｕ）より小さくなる。これにより、第１検出電極で発生する電荷量が第２検出電極で発生する電荷量より大きくなり、第１検出電極及び第２検出電極の間の電位差が充分に大きくなる。この結果、圧力検出装置の押圧検出感度が高くなる。

６．他の実施形態
以上、本発明の複数の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。

本発明は、圧力検出装置、特に、２枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフを用いた圧力検出装置に広く適用できる。

１ ：支持基板
１ａ ：入力面
２ ：接着層
３ ：圧電シート
３ａ ：第１圧電シート
３ｂ ：第２圧電シート
４ ：検出電極
４ａ ：第１検出電極
４ｂ ：第２検出電極
５ ：ディスプレイ装置
６ ：筐体
６ａ ：凹部
６ｂ ：支持部
７ ：空間
８ ：中間接着層
９ ：接着層
１１ ：樹脂フィルム
１２ ：接着層
１３ ：樹脂フィルム
１４ ：接着層
１００ ：圧力検出器
１００Ａ ：圧力検出器
１００Ｂ ：圧力検出器
１１０ ：電子機器
１１０Ｃ ：タッチパネル
σｕ ：引張応力
σｌ ：引張応力
Ｖ_１ ：電位差
Ｖ_２ ：電位差

Claims (7)

1. 外部から加えられた圧力によって発生する２枚の圧電シート間の電位差に基づいて前記圧力を検出するための圧力検出装置であって、
   前記圧力が作用する第１面と、縁部が支持される第２面とを有するシート部材と、
   前記シート部材の第２面の中央部に配置された第１圧電シートと、
   前記第１圧電シートの前記シート部材と反対側において、前記第１圧電シートに対向して配置された第２圧電シートと、
   前記第１圧電シートの前記第２圧電シートと反対側に配置された第１検出電極と、
   前記第２圧電シートの前記第１圧電シートの反対側に配置された第２検出電極と、
   前記第１圧電シートと前記第２圧電シートとの間に配置された、弾性係数が１０ＭＰａ未満の弾性体と、
   を備えた圧力検出装置。
2. 前記弾性体の弾性係数は１ＭＰａ以下である、請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記弾性体の厚みは、５μｍ以上である、請求項１又は２に記載の圧力検出装置。
4. 前記弾性体の厚みは、２５〜１００μｍである、請求項３に記載の圧力検出装置。
5. 前記弾性体は、前記第１圧電シートと前記第２圧電シートを接着する接着剤である、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出装置。
6. 前記第２圧電シートの前記シート部材と反対側に配置され、弾性係数が１０ＧＰａ以上である第２シート部材をさらに備えている、請求項１〜５のいずれかに記載の圧力検出装置。
7. 前記シート部材と前記第１圧電シート及び前記第２圧電シートとの間に配置された、前記弾性体の弾性係数の１０倍以上の弾性係数を有する接着層をさらに備えている、請求項１〜６のいずれかに記載の圧力検出装置。

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