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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-13
(45)【発行日】2022-06-21
(54)【発明の名称】変形検出センサ
(51)【国際特許分類】
   G01B 7/16 20060101AFI20220614BHJP
【FI】
G01B7/16 Z
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2022521465
(86)(22)【出願日】2021-07-30
(86)【国際出願番号】 JP2021028283
【審査請求日】2022-04-08
(31)【優先権主張番号】P 2020129282
(32)【優先日】2020-07-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000970
【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原田 真吾
(72)【発明者】
【氏名】加納 英和
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 芽衣
(72)【発明者】
【氏名】北田 宏明
【審査官】飯村 悠斗
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2015/159628(WO,A1)
【文献】国際公開第2019/021981(WO,A1)
【文献】特開2013-178241(JP,A)
【文献】特開2015-18368(JP,A)
【文献】特開2004-118754(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01B 7/16
G06F 3/041
G06F 3/02
G01L 1/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
検出電極と、
第1グランド電極と、
第2グランド電極と、
前記検出電極および前記第1グランド電極で挟まれる圧電フィルムと、
前記検出電極および前記第2グランド電極が形成された基材と、
前記検出電極に接続される配線と、
前記配線および前記検出電極を接合する接合部材と、
を備え、
前記接合部材は、前記基材のうち前記圧電フィルムが配置される第1面側と反対側の第2面側に配置される、
変形検出センサ。
【請求項2】
前記基材を補強し、前記第2グランド電極に接続され、前記基材を補強する補強部材を備えた、
請求項1に記載の変形検出センサ。
【請求項3】
前記検出電極は、前記基材のうち前記第1面側に配置される第1電極と、前記第2面側に配置される第2電極と、からなり、
前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続するビア導体を備える、
請求項1または請求項2に記載の変形検出センサ。
【請求項4】
前記第1グランド電極は、前記圧電フィルムに貼り付けられる導電性部材と、前記基材のうち前記第1面側に配置される第1電極と、からなる、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の変形検出センサ。
【請求項5】
前記配線は、変形検出の対象物に接続される、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の変形検出センサ。
【請求項6】
前記接合部材は平面視して前記第1グランド電極と重なる、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の変形検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、検出対象の変形を検出する変形検出センサに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、圧電フィルムを用いた押圧センサが開示されている。圧電フィルムは、検出電極とグランド電極とで挟まれる。押圧センサは、検出電極とグランド電極で生じる電位差を検出することで、押圧を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第2015/159628号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の様な押圧センサは、センサの信号を演算回路に出力するための配線が必要になる。センサと配線を接続するためには、例えば端子部品等の実装部品が用いられる。しかし、実装部品を用いると厚みが増し、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができない。また、センサ上に端子部品等を実装するための実装部分を確保する必要がある。
【0005】
そこで、本発明は、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができ、センサ上に端子部品等を実装するための実装部分を確保する必要のない変形検出センサ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】
【0006】
本発明の変形検出センサは、検出電極と、第1グランド電極と、第2グランド電極と、前記検出電極および前記第1グランド電極で挟まれる圧電フィルムと、前記検出電極および前記第2グランド電極が形成された基材と、前記検出電極に接続される配線と、前記配線および前記検出電極を接合する接合部材と、を備える。そして、前記接合部材は、平面視して前記第1グランド電極と重なり、前記基材のうち前記圧電フィルムが配置される第1面側と反対側の第2面側に配置される。
【0007】
この様に、本発明の変形検出センサでは、配線および検出電極は、接合部材(例えばはんだや異方性導電樹脂等)で接合される。これにより、本発明の変形検出センサは、端子部品を用いないため、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができる。また、接合される箇所は、圧電フィルムが配置される第1面側と反対側の第2面側であるため、圧電フィルムの面側に実装部分を設ける必要がない。つまり、圧電フィルムの占有面積を大きくすることができ、センサ全体としての面積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、厚みの薄い圧電フィルムの特徴を活かすことができ、センサ上に端子部品等を実装する実装部分を確保する必要のない変形検出センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1図1(A)は押圧センサ10を備えた電子機器1の平面図であり、図1(B)は、電子機器1の側面図である。
図2図2(A)は、押圧センサ10の平面図であり、図2(A)は、A-A線の断面図である。
図3】変形例1の押圧センサ10Aの断面図である。
図4図4(A)は、変形例2に係る押圧センサ10Bの平面図であり、図4(B)は、A-A線の断面図である。
図5】変形例3の押圧センサ10Cの断面図である。
図6】変形例4の押圧センサ10Dの断面図である。
図7】変形例5の押圧センサ10Eの断面図である。
図8】押圧センサ10Fの平面図である。
図9図9(A)は、押圧センサ10Fの斜視図であり、図9(B)は、一部分解斜視図である。
図10図10(A)は、図8に示すA-A線の断面図であり、図10(B)は、図8に示すB-B線の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図1(A)は、押圧センサ10を備えた電子機器1の平面図である。図1(B)は、電子機器1の側面図である。
【0011】
電子機器1は、例えばスマートフォン等の情報処理端末である。電子機器1は、筐体2と表面パネル3および表示装置4を備えている。筐体2には、情報処理端末の各種回路が内蔵されている。
【0012】
表示装置4は、静電容量センサ5および表示部6を備える。静電容量センサ5は、表面パネル3に対するタッチ操作を検出する。表示部6は、LCDまたはOLEDからなり、画像を表示する。
【0013】
表面パネル3は、指等により押圧されると変形する。押圧センサ10は、本発明の変形検出センサの一例である。押圧センサ10は、表面パネル3と一体的に変形する。押圧センサ10は、正面視して長方形状である。
【0014】
図2(A)は、押圧センサ10の平面図であり、図2(A)は、A-A線の断面図である。押圧センサ10は、圧電フィルム15と、基材16と、配線20と、接続部材50と、からなる。
【0015】
圧電フィルム15の第1主面には、第1グランド電極12が配置され、第2主面には検出電極13が配置される。基材16の第1主面には検出電極13が配置され、第2主面には第2グランド電極14が配置される。
【0016】
配線20は、配線基材23と、配線基材23の第1主面に形成されている配線グランド電極22と、配線基材23の第2主面に形成されている配線検出電極21と、を備えている。
【0017】
基材16の検出電極13と配線20の配線検出電極21は、接合部材30で接合される。
【0018】
接続部材50は、表面パネル3等の変形検出の対象物に接続される。これにより、接続部材50が表面パネル3の変形に伴って変形する。接続部材50の上面には、不図示の粘着剤等を介して、第2グランド電極14が貼り付けられる。
【0019】
基材16は、例えばポリイミド等の絶縁性部材からなる。基材16の両主面には、銅箔等の電極が形成されている。この例では、基材16のうち第1グランド電極側の第1主面に形成されている電極が検出電極13となり、反対側の第2主面に形成されている電極が第2グランド電極14となる。
【0020】
検出電極13の上面には、不図示の粘着剤等を介して圧電フィルム15が貼り付けられる。圧電フィルム15の上面には、第1グランド電極12が貼り付けられる。第1グランド電極12は、例えば導電性粘着剤と金属薄膜と、からなる。
【0021】
第1グランド電極12は、圧電フィルム15とほぼ同じ面積か、圧電フィルム15の面積よりも大きく、平面視して圧電フィルム15を覆う。
【0022】
基材16は、平面視して圧電フィルム15の長軸方向に沿って側方に延長されている。当該延長されている部分において、検出電極13の上面には、接合部材30が配置される。接合部材30は、検出電極13および配線検出電極21を電気的に接続し、かつ物理的に接続する。
【0023】
配線基材23は、例えばポリイミド等の絶縁性部材からなる。配線基材23の両主面には、銅箔等の電極が形成されている。この例では、配線基材23のうち第1グランド電極側の第1主面に形成されている電極が配線グランド電極22となり、反対側の第2主面に形成されている電極が配線検出電極21となる。
【0024】
第1グランド電極12および第2グランド電極14は、不図示のビア導体等を介して、配線グランド電極22に接続される。
【0025】
接合部材30は、例えば、はんだや異方性導電樹脂等からなる。異方性導電樹脂は、熱圧着されることで、検出電極13および配線検出電極21を電気的に接続し、かつ物理的に接合する。
【0026】
接合部材30は、平面視して第2グランド電極14および配線グランド電極22に重なっている。したがって、接合部材30におけるシールド性が向上する。また、第2グランド電極14および配線グランド電極22とも、それぞれ基材16および配線基材23に形成された電極からなる。したがって、接合部材30における機械的強度が向上する。
【0027】
本実施形態の押圧センサ10Aは、基材16と配線20の電気的接続に端子部品を用いないため、厚みの薄い圧電フィルム15の特徴を活かすことができる。
【0028】
次に、図3は、変形例1の押圧センサ10Aの断面図である。図2(B)と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【0029】
変形例1の押圧センサ10Aは、接続部材50と第2グランド電極14との間に補強部材70を備えている。補強部材70は、例えばSUS板からなる。補強部材70は、はんだ等の接合部材で、第2グランド電極14および接続部材50に接合される。これにより、変形例1の押圧センサ10Aは、接合部材30におけるシールド性および機械的強度が向上する。
【0030】
次に、図4(A)は、変形例2に係る押圧センサ10Bの平面図であり、図4(B)は、A-A線の断面図である。図2(A)および図2(B)と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【0031】
この例では、基材16の第1主面および第2主面に形成されている電極がパターニングされている。第1主面に形成されている電極は、検出電極13Aとグランド電極13Bに分断されている。検出電極13Aは、圧電フィルム15に対向する位置に配置されている。グランド電極13Bは、圧電フィルム15に対向しない位置で、概ね平面視して基材16および配線20の重なる位置に配置されている。
【0032】
第2主面に形成されている電極は、検出電極14Aとグランド電極14Bに分断されている。図4(A)のハッチングに示す様に、検出電極14Aは、平面視して基材16および配線20の重なる位置と、圧電フィルム15の一部に重なる位置とに形成されている。また、検出電極14Aは、基材16の短軸方向の両端を除く位置に形成されている。グランド電極13Bは、平面視して圧電フィルム15の略全面に重なる位置と、平面視して基材16および配線20の重なる位置と、に形成されている。グランド電極13Bは、平面視して基材16および配線20の重なる位置において短軸方向の両端側に配置されている。
【0033】
検出電極13Aおよび検出電極14Aは、平面視して圧電フィルム15と重なる位置においてビア導体90で電気的に接続される。なお、ビア導体90の位置は、この例に限らない。つまり、この例では、検出電極は、基材16のうち第1面側に配置される第1電極(検出電極13A)と、第2面側に配置される第2電極(検出電極14A)と、からなる。
【0034】
また、配線基材23の第1主面に形成されている電極もパターニングされている。配線基材23の第1主面に形成されている電極は、配線検出電極21Aと配線グランド電極21Bに分断されている。配線検出電極21Aは、平面視して配線基材23の短軸方向の両端を除く位置に形成されている。配線グランド電極21Bは、平面視して配線基材23の短軸方向の両端側に形成されている。
【0035】
配線検出電極21Aおよび検出電極14Aは、接合部材30で接続される。また、配線グランド電極21Bおよびグランド電極14Bは、不図示の別の接合部材で接続される。
【0036】
圧電フィルム15の上面には、第1グランド電極12Aが貼り付けられる。第1グランド電極12Aは、例えば導電性粘着剤と金属薄膜と、からなる。変形例2の押圧センサ10Bでは、第1グランド電極12Aは、圧電フィルム15の上面だけでなく、基材16の全面を覆う様に貼り付けられている。第1グランド電極12Aは、グランド電極13Bにも貼り付けられる。グランド電極13Bは、不図示のビア導体等でグランド電極14Bに接続される。つまり、この例では、第1グランド電極は、圧電フィルム15に貼り付けられる導電性部材の第1グランド電極12Aと、基材16のうち第1面側に配置されるグランド電極13Bと、からなる。
【0037】
変形例2の押圧センサ10Bは、基材16のうち圧電フィルム15の配置されている第1主面側と反対側の第2主面側で、配線20を接合する。これにより、圧電フィルム15の配置されている第1主面側には、配線20を接続するための実装部分を設ける必要がない。つまり、変形例2の押圧センサ10Bは、圧電フィルム15の占有面積を大きくすることができる。言い換えると、同じ圧電フィルム15の面積であってもセンサ全体としての面積を小さくすることができる。
【0038】
図5は、変形例3に係る押圧センサ10Cの断面図である。図4(B)の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【0039】
変形例3に係る押圧センサ10Cでは、圧電フィルム15の面積が、変形例2の押圧センサ10Bに比べて大きくなっている。図5の例では、圧電フィルム15は、平面視して接合部材30と重なる位置においても配置されている。これにより、変形例3の押圧センサ10Cは、圧電フィルム15の占有面積をさらに大きくすることができる。
【0040】
図6は、変形例4に係る押圧センサ10Dの断面図である。図5の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【0041】
図6の例では、変形検出の対象物である表面パネル3に配線20が接続される。図6では、配線20の配線グランド電極22が表面パネル3に接触しているが、実際には、配線20は粘着剤等を介して表面パネル3に貼り付けられて固定される。なお、この例では、表面パネル3が変形検出の対象物であるが、無論、筐体2が変形検出の対象物であってもよい。
【0042】
押圧センサ10Dは、配線20を変形検出の対象物に接続しているため、対象物が変形した場合に、当該対象物の変形によるひずみを、配線20の接続部分を介して圧電フィルム15に伝達することができる。これにより、押圧センサ10Dは、検出感度が向上する。例えば、図5の押圧センサ10Cの出力が0.15Vpp(Vppは、ピークtoピーク電圧である。)である場合に、同条件での図6の押圧センサ10Dの出力は0.22Vppとなり、約1.5倍に向上する。また、圧電フィルム15の面積よりも広い面積の部分におけるひずみを検出することができる。特に、配線20との接続部分に対する押圧の検出感度が顕著に向上する。
【0043】
次に、図7は、変形例5に係る押圧センサ10Eの断面図である。図2(B)の断面図と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【0044】
基材16および接続部材50は、平面視して圧電フィルム15の長軸方向に沿って側方に延長されている。図7では、第2グランド電極14も平面視して圧電フィルム15の長軸方向に沿って側方に延長されているが、第2グランド電極14が側方に延長されることは必須ではない。
【0045】
当該延長されている部分において、基材16および接続部材50は、変形検出の対象物である表面パネル3に接続される。つまり、平面視して圧電フィルム15が配置されていない位置においても、基材16は、変形検出の対象物に接続される。そのため、対象物が変形した場合に、当該対象物の変形によるひずみを、接続部分を介して圧電フィルム15に伝達することができる。これにより、押圧センサ10Eは、検出感度が向上する。また、圧電フィルム15の面積よりも広い面積の部分におけるひずみを検出することができる。特に、側方に延長した部分に対する押圧の検出感度が顕著に向上する。
【0046】
次に、図8は、押圧センサ10Fの全体構造を示す平面図であり、図9(A)は、押圧センサ10Fの斜視図であり、図9(B)は、一部の分解斜視図である。図10(A)は、図8に示すA-A線の断面図である。図10(B)は、図8に示すB-B線の断面図である。
【0047】
この例の押圧センサ10Fは、センサ部80および配線部81を有する。配線部81は、増幅回路等の回路部品39、および出力端子390を有する。センサ部80は、粘着剤200と、セパレータ201と、を有する。図10(A)に示す様に、グランド電極14Bには、粘着剤200が貼り付けられる。粘着剤200は、例えばアクリル系粘着剤で構成される。粘着剤200には、セパレータ201が貼り付けられる。セパレータ201は、粘着剤200の粘着面を保護する。セパレータ201には、該セパレータ201を引き剥がすための離型部を有する。離型部は、セパレータ201のうち粘着剤200に貼り付けられていない部分である。圧電センサ100の利用者(例えば電子機器の製造者)は、離型部をピンセット等で摘まんで引っ張ることで、セパレータ201を引き剥がす。セパレータ201を引き剥がした後の粘着剤200は、電子部品の筐体等に貼り付けられる。なお、回路部品39については必ずしも設けられている必要はない。
【0048】
第1グランド電極12Aは、グランド電極13Bに貼り付けられる。ただし、この例では、第1グランド電極12Aは、平面視して接合部材30に重なっていない。仮に、第1グランド電極12Aとグランド電極13Bの両方が接合部材30に重なり、第1グランド電極12Aの厚みにばらつきが生じた場合に、接合部材30の接合強度にばらつきが生じてしまう可能性がある。また、仮に、第1グランド電極12Aとグランド電極13Bの両方が接合部材30に重なり、第1グランド電極12Aが熱により変形した場合に、第1グランド電極12Aおよびグランド電極13Bの密着性にばらつきが生じる場合もある。この場合、圧電フィルム15に係る応力がばらつき、センサの特性にばらつきが生じる可能性がある。しかし、第1グランド電極12Aは、平面視して接合部材30に重なっていないため、この様な接合強度や密着性のばらつきを防止することができる。
【0049】
一方で、グランド電極13Bは、平面視して基材16および接合部材30に重なる。グランド電極13Bが基材16に重なっていることで、基材16の主面は、平坦な形状に保持し易くなる。仮にグランド電極13Bも平面視して接合部材30に重ならない構成にすると、基材16の主面が配線検出電極21Aの形状の影響により平坦にならない場合があり、接合部材30の接合強度にばらつきが生じてしまう可能性がある。本実施形態では、グランド電極13Bが基材16に重なっていることで、基材16の主面が、平坦な形状に保持され、接合部材30の接合強度のばらつきを防止することができる。
【0050】
また、この例では、図10(B)に示す様に、接合部材30のX方向に沿った長さ(幅)A1は、検出電極14Aの幅A2および配線検出電極21Aの幅A3よりも広い。これにより、接合部材30の幅方向の端部は、接合時に基材16および配線基材23に接触し、接合強度が向上する。また、図10(B)の例では、配線検出電極21Aの幅A3は、検出電極14Aの幅A2よりも広い。ただし、検出電極14Aの幅A2が配線検出電極21Aの幅A3より広くてもよい。つまり、配線検出電極21Aの幅A3と検出電極14Aの幅A2は、いずれか一方の幅が他方の幅よりも広い。これにより、接合時にわずかに位置がずれても、配線検出電極21Aおよび検出電極14Aのいずれか一方の全主面が他方の主面に重なる。したがって、接合部材30を熱圧着して接合する時の安定性が向上する。
【0051】
また、グランド電極13Bの幅A4および配線グランド電極22の幅A4は、検出電極14Aの幅A2および配線検出電極21Aの幅A3より広い。グランド電極13Bおよび配線グランド電極22等のグランド電極は、接合部分を補強する。グランド電極の幅が検出電極の幅よりも広いことで、接合部材30を熱圧着して接合する時の安定性がさらに向上し、局所的に高い熱応力等が生じることを防ぐことができる。
【0052】
また、グランド電極は、検出電極14Aおよび配線検出電極21Aと異なり、接合部分においてはパターニングされていないベタ電極である。この様な幅の広いベタ電極を配置することで、接合部材30には、平面方向に均一に熱と圧力が伝わる。さらに、幅の広いベタ電極を配置することで、配線部38からセンサ部35に伝わる応力のばらつきが低減し、センサの特性バラつきも低減される。
【0053】
また、配線部81は、平面視して幅が短くなっている部分(くびれ部85)を有する。配線部81は、くびれ部85を有することで、可撓性が向上する。これにより、配線部81は、使用時に配線部81の配線基材23に応力が生じた場合でも、くびれ部85により応力を緩和し、センサ部80に当該応力が伝わることを抑制でき、センサの誤動作を防止することができる。なお、センサ部80および配線部81のそれぞれの両主面は、レジスト(不図示)で覆われているが、くびれ部85の周囲については、当該レジスト(不図示)を除去してもよい。配線部81は、くびれ部85の周囲のレジストを除去することでさらに可撓性を向上させることができる。
【0054】
本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0055】
1…電子機器
2…筐体
3…表面パネル
4…表示装置
5…静電容量センサ
6…表示部
10,10A,10B,10C…押圧センサ
12,12A…第1グランド電極
13,13A…検出電極
13B…グランド電極
14…第2グランド電極
14A…検出電極
14B…グランド電極
15…圧電フィルム
16…基材
20…配線
21,21A…配線検出電極
22…配線グランド電極
21B…配線グランド電極
23…配線基材
30…接合部材
50…接続部材
70…補強部材
90…ビア導体
【要約】
変形検出センサ(10)は、検出電極(13)と、第1グランド電極(12)と、前記検出電極(13)および前記第1グランド電極(12)で挟まれる圧電フィルム(15)と、前記検出電極(13)および第2グランド電極(14)が形成された基材(16)と、前記検出電極(13)に接続される配線(20)と、前記配線(20)および前記検出電極(13)を接合する接合部材(30)と、を備える。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10