JP2011023525A - 静電センサ、フレキシブルプリント配線板、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸湿環境または日常環境で、高い信頼性を維持することができる静電容量センサ、それを用いたフレキシブルプリント配線板、および電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の静電容量センサは、指のなぞりによる静電容量の変化を検知する静電容量センサ１５であって、誘電体層３と、誘電体層３の、指の側の面に位置する第１の電極層１１と、誘電体層３の、指の側と反対側の面に位置する第２の電極層１２とを備え、誘電体層の吸湿率が、ポリイミドよりも小さいことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、静電センサ、フレキシブルプリント配線板、および電子機器に関し、より具体的には、指でなぞることによって静電容量の変化を生じる静電センサ、それを含む、フレキシブルプリント配線板および電子機器に関するものである。

携帯電話機もしくは音楽配信端末などの携帯情報端末、ノートパソコン、電子機器等において、薄型化、高機能化、使い易さの追求などの動きが急ピッチで進んでいる。これらの装置において入力キーは必須の部品であり、情報の発信および受信に不可欠である。装置の薄型化、耐久性などを実現できるため、従来のドームスイッチに代えて静電容量センサの利用が拡大している。
たとえば、電子マウス等を構成するタッチパッドに、静電容量センサを埋設したプリント回路基板が提案されている（特許文献１）。このタッチパッドには、絶縁膜（誘電膜）を挟んで、上下に銅線を縦横に交差させて交差位置に容量を形成することで、指のタッチする位置に生じる静電容量変化によって検出する。位置の検出には、位置走査システム等の制御回路が必要である。

特表平９−５１１０８６号公報

上記の静電容量センサを、フレキシブルプリント配線板に形成する場合、静電容量を構成する導体間の層には、ポリイミド樹脂が用いられる。すなわち、静電容量センサ付きフレキシブルプリント配線板では、カバーレイ／銅箔（電極）／ポリイミド樹脂層／銅箔（電極）／カバーレイ、の積層構造となる。カバーレイを形成する樹脂についてもポリイミド樹脂が用いられる場合が多い。
ポリイミド樹脂は、高い強度と耐熱性とを備えるため、熱圧着工程などを経て製造されるフレキシブルプリント配線板には、大きな比重を占める樹脂となっている。しかしながら、ポリイミド樹脂の欠点として、吸湿率が高いことがあり、吸湿すると、誘電率が低下して、静電容量センサの検出精度を低下させ、所定の場合、誤動作を生じる。このため、高い強度および耐熱性を有した上で、吸湿率の低い樹脂材料を用いたフレキシブルプリント配線板の開発が求められていた。
本発明は、吸湿環境または日常環境で、高い信頼性を維持することができる静電容量センサ、それを用いたフレキシブルプリント配線板、および電子機器を提供することを目的とする。

本発明の静電容量センサは、運動体の運動による静電容量の変化を検知する静電容量センサであって、誘電体層と、誘電体層の、運動体の側の面に位置する第１の電極層と、誘電体層の、運動体の側と反対側の面に位置する第２の電極層とを備え、誘電体層の吸湿率が、ポリイミドよりも小さいことを特徴とする。

上記の構成によって、通常の日常環境または吸湿環境で、誘電体層全体にわたって、長期間、誘電率を一定に保つことができ、静電容量センサの誤動作を防止することが可能になる。このため電子機器の薄型化や軽量化に寄与することができる。
吸湿率は、２３℃±０．５℃の蒸留水中に、直径５０ｍｍ、厚み３ｍｍ±０．２ｍｍの試験片を２４時間浸漬した後の試験片の重量増加の割合（百分率）Ａをいい、Ａ＝（Ｗ_２−Ｗ_１）／Ｗ_１ ×１００（％）である。Ｗ_１が蒸留水に浸漬する前の試験片の重量、Ｗ_２が２４時間蒸留水に浸漬した後の重量である。重量を質量としても同じである。
ポリイミドは、上記の吸湿率が０．３２％であり、日常環境での使用によって吸湿して誘電率に変化を生じ、誤動作の原因になる場合がある。
なお、運動体は、ヒトの指、ポインティング装置たとえばマウス中のボールなど、静電容量変化を生じやすい導電体を前提としている。

誘電体層を形成する樹脂を、強度がポリイミドと同等以上であり、可撓性があるものとすることができる。これによって、ポリイミドに代えて、より吸湿率の低い樹脂を用いてフレキシブルプリント配線板を製造することができる。

上記の誘電体層を液晶ポリマーとすることができる。液晶ポリマーは、吸湿率は０．０３％程度であり、ポリイミドより１オーダー低い。また、強度はポリイミドより高く、可撓性も高い。このため、誘電率が一定の誘電体層を形成することができ、耐久性に優れ、信頼性の高い静電容量センサを内蔵したフレキシブルプリント配線板を得ることができる。
さらに、液晶ポリマーは厚みをポリイミドより容易に、均一に薄くすることができるので、静電容量を厚みを通して増大させることができる。このため、静電容量センサの面積を小さくできる利点を有する。この結果、同じ感度を備えながらより小さい静電容量センサを作製することができる。

第１の電極層では、電極が格子の桟のように連続しており、第２の電極層における複数の電極は間隙をもって密に配置され、その各電極のサイズは、第１の電極層における格子のサイズよりも大きい構成をとることができる。これによれば、第１の電極層の格子上に指が位置すると第１の電極層における電極の面積が増大し、その位置の静電容量が増大する。第１の電極層の格子のピッチを細かくすることで運動体の位置の精度を高めながら、第２の電極層の電極サイズを大きくすることで検知する基本単位の静電容量を大きくして静電容量変化の絶対値を大きくすることができる。第２の電極層における各電極のサイズは、ヒトの指の爪の平均的なサイズに関連させると、たとえば１／１０〜２の範囲とすることができる。

運動体は、所定の層をなぞるように移動するものであり、当該所定の層を第１の電極層をカバーする層であるカバーレイの上に位置する表示マーク等が記された表示層とすることができる。これによって、静電容量を構成する電極に運動体を、非常に近づけることができるので、大きな静電容量変化を起こすことができる。また、このため、基本単位となる静電容量を小さくすることができ、小型化を実現することができる。

カバーレイを、ポリイミドまたは液晶ポリマーとすることができる。これによって、これまで製造ラインで製造実績を蓄積した材料によってカバーレイを積層することができ、製造歩留まりの向上などを得ることができる。

本発明のフレキシブルプリント配線板は、上記のいずれかの静電容量センサを備えることを特徴とする。これによって、信頼性の高い静電容量センサを内蔵したフレキシブルプリント配線板を得ることができる。

本発明の電子機器は、上記のいずれかの静電容量センサ、またはフレキシブルプリント配線板を備えることを特徴とする。これによって、信頼性が高い静電容量センサを用いて、薄肉化、小型化、軽量化等を推進することができる。

本発明によれば、吸湿環境または日常環境で、高い信頼性を維持することができる静電容量センサ、それを用いたフレキシブルプリント配線板、および電子機器を得ることができる。

本発明の実施の形態における電子機器の音楽受信装置を示す図である。 図１の電子機器におけるスイッチ部のフレキシブルプリント配線板の断面図である。 図１のスイッチ部のフレキシブルプリント配線板の、（ａ）上面図、および（ｂ）裏面図である。

図１は、本発明の実施の形態における音楽受信装置５０を示す図である。この音楽受信装置５０では、静電容量センサを含み、ドームスイッチ３１が形成されたフレキシブルプリント配線板１０が用いられている。フレキシブルプリント配線板１０は、ドームスイッチを含む環状の部分と、その環状部の中に位置するドームスイッチ３１とを含んでいる。環状部のドームスイッチ３１以外の部分に静電容量センサ１５（１１，１２，３）が形成されている。静電容量センサ１５は、ヒトの指が静電容量センサが形成された部分をなぞると、導体である指が電極面積の増大による静電容量増大（変化）を生じる。指をなぞって動かすと、容量増大部の位置が所定の方向に移動する。この静電容量が増大する位置の変化は、図示しない、音楽受信装置に内蔵の、論理回路を含む制御部またはＩＣチップにより解析されて、表示画面３５における選択部３６を移動させる。選択候補ＡＢＣＤ，ａｂｃｄなどの上を選択部３６は移動するが、使用者は、選択部３６が意図した選択肢ａｂｃｄをカバーしたとき、選択承諾のドームスイッチ、たとえば環状部の中心に位置するドームスイッチ３１を押すことができる。
ドームスイッチ３１は、数種類あるのが普通である。他のドームスイッチ３１は、一度押しで音楽の進行を一時止め（二度押しで再び進行させる）、その音楽はやめにする、電源をオフする、などの機能を持つスイッチである。

図２は、図１に示すフレキシブルプリント配線板１０における静電容量センサ１５の部分を示す断面図である。この図において、第１の電極層の電極（第１電極）１１は、断面上、離散的に位置している。第２の電極層における電極（第２電極）１２も複数の電極が分かれて位置している。第１電極１１と第２電極１２との間には、誘電体層３が挟まれている。この誘電体層は、本実施の形態では、液晶ポリマーで形成されている。液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer）は、液晶プラスチックと言い換えてもよい。
液晶ポリマーは、吸湿率が０．０３％であり、従来の誘電体層を形成していたポリイミドの吸湿率０．３２％と比べると１オーダー小さい。このため、長期間使用しても、吸湿が生じにくく、誘電率の変化に起因する誤動作を防止して、高い耐久性を確保することができる。また、強度的にも、液晶ポリマーの弾性率（ヤング率）は２〜５ＧＰａであり、ポリイミドの５〜８ＧＰａよりも高く、強度的にも優れている。

カバーレイ７，８には、ポリイミドを用いるのが普通であるが、カバーレイ７，８に液晶ポリマーを用いてもよい。カバーレイ７，８は、エポキシ樹脂などの接着剤層２１，２２により電極間隙を充填しながら各電極層に接着される。誘電体層３の厚みは２５μｍ程度、第１および第２電極層を形成する銅箔の厚みは１２μｍ〜１８μｍ程度である。カバーレイ７，８は１２．５μｍおよび２５μｍである。上記のエポキシ樹脂などの接着剤層２１，２２は、接着前の状態で、厚み２５μｍ程度である。接着後は、電極間隙を埋めるので、変化する。

図３（ａ）は、図１の音楽受信装置５０のスイッチ部３０における表示シールを除いた後の、フレキシブルプリント配線板１０の上面図であり、図３（ｂ）は、裏面図である。図３（ａ）の上面図において、カバーレイ７は、メッシュ状または格子の桟状に形成されていて、桟の下に第１電極１１が位置している。桟に囲まれた凹部の底面には、接着剤層２１または誘電体層（液晶ポリマー）３が位置している。ヒトの指が、表示シールをなぞるとき、指は第１電極１１の間において、電極を形成する。このため指のなぞりに沿って静電容量の増大部が移動してゆく。この静電容量の増大部の移動を追うことで、使用者の表示画面３５上の選択部３６の移動方向を察知することができる。

図３（ｂ）は、上記のスイッチ部３０の裏面図である。第１電極１１と異なり、第２電極１２は、サイズが大きく、小さい間隙をあけて敷き詰められている。敷き詰められている各第２電極は、それぞれが、メッシュ状の大きな一つの第１電極に対するコンデンサを形成している。第２電極１２は、指の移動方向を検知する基本となる電極であり、個々の第２電極について静電容量の変化を検知する。メッシュ状の第１電極上の指の移動によって、所定の位置の第２電極における静電容量値の変化を検知することができる。ある一つの第２電極１２に着目したとき、指が遠くに離れた位置の第１電極をなぞっていても、その着目した第２電極についての静電容量は大きく変化しない。その着目した第２電極の静電容量は、指が真上の第１電極にさしかかるとき、大きな変化を生じる。第２電極のサイズが、長さでみて（一次元的に）、指の半分程度であれば、指が触っている瞬間の電極、その隣の第２電極、およびさららにその隣の電極等、は、指の動きにつれて静電容量の増大の移動を把握することができる。第２電極のサイズは、ヒトの指の平均的なサイズの、１／１０〜２の範囲にするのがよい。
上記のように、格子状の桟の下に第１電極を連続して配置することで、配線を非常に簡単化することができる、上記の第１電極は、格子の桟の下ではなく、格子の桟の中に位置するようにしてもよいが、静電容量を構成するコンデンサの配線が複雑になり、また、論理回路の構成も複雑になる。

上記の各第２電極の静電容量の変化をキャッチして、使用者はどの方向に選択部３６（またはポインタ）を動かそうとしているのかを、論理的に割り出す論理回路等は、半導体チップに形成されている。これら論理回路等を含む半導体チップは、音楽受信装置等の電子機器に内蔵されている。選択部３６を意図した選択肢、たとえばａｂｃｄをカバーしたとき、使用者は決定のスイッチを押す。それが、たとえばスイッチ部３０の中央部に位置するドームスイッチ３１である。ドームスイッチ３１のクリック感により、使用者は意思表示を明確に実感することができる。制御部は、ドームスイッチ３１の決定を受けて、その選択肢のアクションを起こさせる。

静電容量センサ１５を含むフレキシブルプリント配線板１０の製造方法は、既存の常用されている方法により製造することができる。まず、液晶ポリマー３の両面に銅箔が貼着された両面基板を購入する。銅箔は、レジストパターンの形成、エッチングなどの工程を経て、第１電極１１および第２電極１２のパターンに形成される。このあと、１８０℃に保った加熱炉で加熱した後、カバーレイ７，８を、熱プレスにより圧着すればよい。

上記のフレキシブルプリント配線板１０では、誘電体層３を構成する液晶ポリマーは、吸湿率が０．０３％と非常に低い。このため、従来の誘電体層を形成していたポリイミドよりも吸湿による誘電率の変化を受けにくく、したがって誤動作を生じにくく、信頼性を高めることができる。
さらに、液晶ポリマーは厚みをポリイミドより容易に、均一に薄くすることができるので、電極面積当たりの静電容量を増大させることができる。このため、静電容量センサの面積を小さくできる利点を有する。この結果、同じ感度を備えながらより小さい静電容量センサを作製することができる。

（その他の実施の形態）
１．本発明の静電容量センサを含むフレキシブルプリント配線板を用いた電子機器としては、音楽受信装置のみを説明したが、その他、パソコンに用いるマウス、ポインティング装置等にも用いることができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のフレキシブルプリント配線板等によれば、誘電体層３を構成する液晶ポリマーは、吸湿率が０．０３％と非常に低いため、従来の誘電体層を形成していたポリイミドよりも吸湿による誘電率の変化を受けにくく、したがって誤動作を生じにくく、信頼性を高めることができる。さらに、液晶ポリマーは厚みをポリイミドより容易に、均一に薄くすることができるので、電極面積当たりの静電容量を増大させて、静電容量センサの面積を小さくできる利点を有する。この結果、同じ感度を備えながらより小さい静電容量センサを得ることができる。

３ 誘電体層、７，８ カバーレイ、１０ フレキシブルプリント配線板、１１ 第１の電極層の第１電極、１２ 第２の電極層の第２電極、１５ 静電容量センサ、２１，２２ 接着剤層、３０ スイッチ部、３１ ドームスイッチ、３５ 表示画面、５０ 音楽受信装置。

Claims (7)

1. 運動体の運動による静電容量の変化を検知する静電容量センサであって、
   誘電体層と、
   前記誘電体層の、前記運動体の側の面に位置する第１の電極層と、
   前記誘電体層の、前記運動体の側と反対側の面に位置する第２の電極層とを備え、
   前記誘電体層の吸湿率が、ポリイミドよりも小さいことを特徴とする、静電容量センサ。
2. 前記誘電体層を形成する樹脂は、強度がポリイミドと同等以上であり、可撓性があることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量センサ。
3. 前記誘電体層が液晶ポリマーであることを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量センサ。
4. 前記第１の電極層では、電極が格子の桟のように連続しており、前記第２の電極層における複数の電極は間隙をもって密に配置され、その各電極のサイズは、第１の電極層における格子のサイズよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
5. 前記第１の電極層および第２の電極層を被覆するカバーレイが、ポリイミドまたは液晶ポリマーであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電容量センサを備えることを特徴とする、フレキシブルプリント配線板。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電容量センサ、または請求項６に記載のフレキシブルプリント配線板を備えることを特徴とする、電子機器。
   
   
   

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