JP2011150885A - 入力センサスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャがセンサ層の電極パターンに悪影響を及ぼすのを防ぎ、スムーズで的確な操作感を得ることのできる入力センサスイッチを提供する。
【解決手段】キートップが押圧操作される絶縁性の操作層と、操作層の裏面に被覆される静電容量型のセンサ層１０と、操作層のキートップの押圧操作によりスイッチ層のメタルドームを変形させるプランジャ層２０とを備え、センサ層１０とプランジャ層２０に可撓性をそれぞれ付与する。センサ層１０を、操作層に積層される絶縁性の基材１１と、基材１１のＸＹ方向に印刷される導電性の複数の電極パターン１２とから形成し、各電極パターン１２を、間隔をおいて並ぶ複数の電極１４間を導電ライン１５により接続することで形成し、センサ層１０の各電極１４に、プランジャ層２０のプランジャ２１に対向する不導通の損傷回避部５０を形成することで、プランジャ層２０の変形に伴う電極パターン１２の損傷を防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯電話に代表される携帯機器や通信機器、端末機器、家電製品、ゲーム機器等に使用される入力センサスイッチに関するものである。

携帯電話、コンピュータ機器、ゲーム機器等に使用される入力スイッチには、キートップを指で押圧操作するメカニカルタイプ、電極パターンと導電体である指との間にキャパシタを形成してその静電容量の変化を検出する静電容量タイプの他、これらを組み合わせた結合タイプがある（特許文献１、２、３参照）。

このメカニカルタイプと静電容量タイプとを組み合わせた入力スイッチは、図示しないが、例えば押圧操作用のキートップを有する絶縁性の操作層と、この操作層の裏面側に位置するキャパシタ形成用のセンサ層と、操作層のキートップの押圧操作によりスイッチ層をプランジャでＯＮするプランジャ層とを備えて構成されている。
センサ層とプランジャ層とは、厚さ方向に積層され、かつ可撓性がそれぞれ付与されている。また、操作層のキートップ、センサ層の電極パターン、及びプランジャ層から突出してスイッチ層のスイッチを圧接ＯＮするプランジャは、厚さ方向において対向する。

係る構成の入力スイッチは、操作層のキートップが指で押圧操作される場合には、プランジャ層が変形してスイッチ層のスイッチをプランジャでＯＮし、操作層やそのキートップに指が接触したり、スライドする場合には、センサ層の電極パターンと指との間にキャパシタが形成され、静電容量の変化により所定の別の機能を実現する。

特開２００７‐１１５４４０号公報 特開２００６‐５９６４９号公報 特開２００２‐３６６３０４号公報

メカニカルタイプと静電容量タイプとを組み合わせた入力スイッチは、以上のように構成され、キートップを大きくして操作しやすくしたり、メカ的操作感、タッチ寿命、反応速度、分解能力等の性能をバランス良く実現することができる。

しかしながら、操作層のキートップが操作され、プランジャ層が繰り返し変形すると、このプランジャ層のプランジャが対向するセンサ層の電極パターンにストレスを加えて悪影響を及ぼし、電極パターンが損傷して抵抗値を上昇させたり、静電容量の変化を検出することができない事態が予想される。

このような事態を防ぐには、センサ層の電極パターンの配置を変更してプランジャ層のプランジャと電極パターンとの対向関係を解消する方法があげられる。しかし、この方法を採用する場合には、直感的に操作したい箇所に電極パターンが存在しなくなるので、位置ずれにより操作に支障を来たすおそれがあり、スムーズで的確な操作感が妨げられるという事態が新たに予想される。

本発明は上記に鑑みなされたもので、プランジャがセンサ層の電極パターンに悪影響を及ぼすのを防ぎ、スムーズで的確な操作感を得ることのできる入力センサスイッチを提供することを目的としている。

本発明においては上記課題を解決するため、キートップが押圧操作される絶縁性の操作層と、この操作層に被覆される静電容量型のセンサ層と、操作層のキートップの押圧操作によりスイッチ層のスイッチを変形させるプランジャとを備え、センサ層に可撓性を付与したものであって、
センサ層は、操作層の裏面側に配置される絶縁性の基材と、この基材に形成される導電性の電極パターンとを含み、電極パターンを、間隔をおいて並ぶ複数の電極間を導電ラインにより接続することで形成し、
センサ層の電極に、プランジャに対向する不導通の損傷回避部を形成することにより、電極パターンの損傷を防ぐようにしたことを特徴としている。

なお、キートップが押圧操作される絶縁性の操作層と、この操作層に被覆される静電容量型のセンサ層と、操作層のキートップの押圧操作によりスイッチ層のスイッチを変形させるプランジャ層とを備え、センサ層とプランジャ層とに可撓性をそれぞれ付与したものであって、
センサ層は、操作層の裏面側に配置される絶縁性の基材と、この基材に形成される導電性の電極パターンとを含み、電極パターンを、間隔をおいて並ぶ複数の電極間を導電ラインにより接続することで形成し、
プランジャ層は、可撓性の基材から突出してスイッチ層のスイッチに対向するプランジャを備え、
センサ層の電極に、プランジャ層のプランジャに対向する不導通の損傷回避部を形成することにより、プランジャ層の変形に伴う電極パターンの損傷を防ぐようにしたことを特徴とすることができる。

また、光源からの光線を導光して操作層方向に照射する可撓性のライトガイド層を操作層とスイッチ層との間に介在し、操作層の少なくとも一部、センサ層、及びライトガイド層に光透過性をそれぞれ付与することができる。
また、光源からの光線を導光して操作層方向に照射する可撓性のライトガイド層をスイッチ層とプランジャ層との間に介在し、操作層の少なくとも一部、センサ層、及びライトガイド層に光透過性をそれぞれ付与することができる。

また、操作層の裏面にセンサ層を積層することができる。
また、センサ層を、プランジャを備えたプランジャ層とライトガイド層との間に介在することも可能である。
また、損傷回避部を、センサ層の電極に形成される絶縁部、あるいはセンサ層の電極に設けられる孔とすることも可能である。
さらに、センサ層の表面側にプランジャを備えたプランジャ層を配置し、電極の損傷回避部を貫通孔に形成し、この貫通孔にプランジャを嵌め入れることも可能である。

ここで、特許請求の範囲におけるセンサ層は、操作層の裏面に積層されることが好ましいが、プランジャを備えたプランジャ層の裏面に積層されるものでも良い。このセンサ層の基材は、単数複数を特に問うものではない。また、プランジャ層の基材は、操作層と別体でも良いが、操作層と一体でも良いし、操作層自体でも良い。したがって、プランジャは、操作層から突出してスイッチ層のスイッチに対向する場合がある。損傷回避部は、プランジャ層のプランジャに対向する電極の中央部や周縁部のみに形成しても良いが、各電極の中央部や周縁部に形成しても良い。この損傷回避部の孔は、貫通していても良いし、そうでなくても良い。

光源としては、単数複数の発光素子等を適宜用いることができる。さらに、本発明に係る入力センサスイッチは、携帯電話に代表される携帯機器や通信機器、端末機器、コンピュータ機器、家電製品、ゲーム機器やそのコントローラ等に使用される。

本発明によれば、操作層のキートップを押して操作すると、センサ層が変形し、プランジャによりスイッチが変形して所定の機能を実現することができる。この際、プランジャに対向するセンサ層の電極の対向部分が導電部ではなく、電流や信号の流れに寄与しない不導通の損傷回避部なので、例えプランジャが変形しても、電極にストレスを加えて悪影響を及ぼすことが少ない。

本発明によれば、プランジャがセンサ層の電極パターンに悪影響を及ぼすのを防ぎ、しかも、スムーズで的確な操作感を得ることができるという効果がある。

また、光源からの光線を導光して操作層方向に照射する可撓性のライトガイド層を操作層とスイッチ層との間に介在し、操作層の少なくとも一部、センサ層、及びライトガイド層に光透過性をそれぞれ付与すれば、操作層の少なくとも一部を照光して夜間における操作の便宜を図ったり、操作層のデザインや美観の向上等を図ることができる。

さらに、操作層の裏面にセンサ層を積層すれば、操作層の裏面からセンサ層が離れている場合に比べ、比較的高い静電容量を得ることができるので、センサ層の検出感度や分解能を向上させることができる。

本発明に係る入力センサスイッチの実施形態を模式的に示す断面説明図である。 本発明に係る入力センサスイッチの実施形態における複数の電極パターンを模式的に示す平面説明図である。 本発明に係る入力センサスイッチの実施形態におけるセンサ層の電極、プランジャ層、損傷回避部を模式的に示す要部拡大断面図である。 本発明に係る入力センサスイッチの第２の実施形態を模式的に示す要部拡大断面図である。 本発明に係る入力センサスイッチの第３の実施形態を模式的に示す要部拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明すると、本実施形態における入力センサスイッチは、図１ないし図３に示すように、キートップ３が指４で操作される操作層１と、この操作層１に被覆されるセンサ層１０と、操作層１のキートップ３の押圧操作によりスイッチ層３０のメタルドーム３２を座屈変形させるプランジャ層２０と、小型の発光素子４１からの光線を内部に導光して操作層１方向に照射するライトガイド層４０とを備えて携帯電話の筐体に搭載される多層のスイッチで、操作層１の裏面に静電容量型のセンサ層１０を積層し、このセンサ層１０の各電極１４に絶縁性の損傷回避部５０を形成するようにしている。

操作層１、センサ層１０、プランジャ層２０、及びライトガイド層４０は、図１の上下方向、すなわち厚さ方向に積層され、少なくともセンサ層１０、プランジャ層２０、及びライトガイド層４０には、可撓性、弾性、光透過性がそれぞれ付与される。

操作層１は、図１に示すように、絶縁性を有するシート２の表面ＸＹ方向に押圧操作用の複数のキートップ３が配列形成され、シート２や各キートップ３の表面に操作用の模様（例えば、文字、図形、記号等）が適宜スクリーン印刷される。この操作層１は、例えばシート２が弾力や摩擦抵抗に優れるウレタン樹脂等により平面矩形に形成され、各キートップ３が耐衝撃性に優れるポリカーボネート等により平面矩形、多角形、円形、楕円形等に形成される。操作層１の一部、すなわちシート２とキートップ３との境界、キートップ３の表面、模様は、必要に応じ、光線を透過する透明に形成される。

センサ層１０は、図１ないし図３に示すように、優れた検出感度や分解能を得る観点から、操作層１の裏面に積層される絶縁性の基材１１と、この基材１１の表面ＸＹ方向にダイヤモンドパターンに配列形成される導電性の複数の電極パターン１２とを備え、これら基材１１と複数の電極パターン１２とが操作層１の裏面に接着される透明の保護シート１３により被覆される。

基材１１は、例えば光や熱に対して安定で透明のポリエチレンテレフタレート製のシートにより形成される。また、ＸＹ方向に所定の間隔で並ぶ複数の電極パターン１２は、光透過性に優れる導電インクによりスクリーン印刷される。各電極パターン１２は、間隔をおいてＸ方向あるいはＹ方向に並ぶ複数の電極１４を備え、この複数の電極１４の端部間に細長い導電ライン１５が一体的に接続される。

各電極１４は、平面略菱形で透明の薄膜に形成され、キートップ３の直下に対向して位置する。また、ＸＹ方向に並ぶ電極パターン１２の導電ライン１５は、線状で透明の薄膜に形成され、短絡を防止する観点から、一方が他方を僅かな間隙をおいて跨ぐジャンパー構造に形成される。

プランジャ層２０は、図１に示すように、例えば弾力や摩擦抵抗に優れるウレタン樹脂やシリコーンゴム等からなる平面矩形のシートを備え、センサ層１０の裏面に接着層を介して接着されており、下方のスイッチ層３０にライトガイド層４０を介し対向する。このプランジャ層２０の裏面ＸＹ方向には、ライトガイド層４０の表面に接触する複数のプランジャ２１が並べて突出形成され、各プランジャ２１が上方のキートップ３や電極１４に対向する円錐台形に形成される。

スイッチ層３０は、フレキシブルプリント配線板等からなる回路基板３１を備え、この回路基板３１の表面ＸＹ方向に複数のメタルドーム３２が配列形成されており、この複数のメタルドーム３２がライトガイド層４０の裏面に接触する。各メタルドーム３２は、座屈変形可能な断面略逆碗形に湾曲形成されてキートップ３、電極１４、プランジャ２１の直下に位置し、キートップ３の押圧操作時にライトガイド層４０に圧接されることにより座屈変形する。こうしてメタルドーム３２が座屈変形すると、回路基板３１に形成されている２種の導電パターン間が短絡することにより、回路がＯＮされる。

ライトガイド層４０は、例えば耐熱性や耐候性に優れ、使用温度範囲が広い透明のシリコーンゴム等からなるシートにより形成され、スイッチ層３０とプランジャ層２０との間に介在されており、回路基板３１の端部に実装された発光素子４１に周面が僅かな隙間を介して対向する。

ライトガイド層４０の表面ＸＹ方向には、導光された光線（図１の矢印参照）を出射して面発光する複数の光学パターンが配列形成され、この光学パターンから光線がプランジャ層２０とセンサ層１０を通過して操作層１方向に照射され、この操作層１のシート２とキートップ３との境界、キートップ３の表面、模様を均一に照明する。

発光素子４１は、例えば、高輝度で省電力、長寿命のＬＥＤ等からなり、携帯電話の電源投入やキートップ３の押圧操作等に連動して発光し、光線を対向するライトガイド層４０の周面に向けて照射する。この照射により、発光素子４１の光線は、ライトガイド層４０の内部ＸＹ方向に導光される。

損傷回避部５０は、図２や図３に示すように、例えばセンサ層１０の各電極１４の中央部に丸く形成される絶縁部５１からなり、プランジャ層２０のプランジャ２１に上方から対向しており、プランジャ層２０の変形に伴う電極パターン１２の損傷を防止し、電気信号の導通に支障を来たすのを防ぐよう機能する。絶縁部５１は、電極１４のスクリーン印刷の際、プランジャ２１との干渉が予想される電極１４の中央部に導電インクをスクリーン印刷しないことで形成される。

上記構成において、操作層１の複数のキートップ３中、所定のキートップ３を指４で押圧操作すると、センサ層１０、プランジャ層２０、ライトガイド層４０がそれぞれ変形し、ライトガイド層４０が圧下してスイッチ層３０のメタルドーム３２を機械的に座屈変形させ、２種の導電パターン間が短絡することにより、携帯電話の所定の機能が実現される。

この際、プランジャ層２０のプランジャ２１に相対する電極１４の中央部が導電部ではなく、損傷しても支障のない不導通の絶縁部５１なので、例えプランジャ層２０やプランジャ２１が変形して電極１４の中央部に干渉しても、電極１４がストレスで破壊されて導通に悪影響を及ぼすことがない。

また、操作層１やそのキートップ３に指４を接触させたり、前後左右方向等にスライドすると、センサ層１０の電極パターン１２と指４との間にキャパシタが形成され、静電容量の変化により携帯電話の別の機能を実現することができる。
この際、キートップ３を押圧操作しながら前後左右方向等に別の指４をスライドさせたり、回したりしても、静電容量の変化により携帯電話の他の機能を実現することができる。

上記構成によれば、例えプランジャ層２０が繰り返し変形しても、プランジャ層２０のプランジャ２１が対向する電極１４の導電部に悪影響を及ぼすことがなく、検出精度の低下を招くのを抑制防止することができる。したがって、電極１４が損傷して抵抗値を上昇させたり、不導通で静電容量の変化を検出することができない事態を有効に排除することができる。また、電極１４とプランジャ２１との対向関係を解消する必要がないので、直感的に操作したい箇所に電極パターン１２が存在することとなり、スムーズで的確な操作感を得ることができる。

また、プランジャ層２０のプランジャ２１と対向する電極１４のみに損傷回避部５０を形成するのではなく、各電極１４に同じ大きさの損傷回避部５０を形成するので、静電容量の均一化を図ることができる他、センサ層１０の製造の迅速化や容易化を図ることが可能となる。また、操作層１の裏面から離れた箇所にセンサ層１０が位置するのではなく、操作層１の裏面直下にセンサ層１０が近接して積層されるので、必要十分な高い静電容量を得ることができ、センサ層１０の検出感度や分解能を著しく向上させることが可能になる。

また、複数の電極パターン１２が光透過性の低い材料（例えば、銅や銀フィラー含有の材料）で形成されるのではなく、光透過性の導電インク（例えば、カーボンナノワイヤー、銀ナノワイヤー、導電性ポリマー、ＩＴＯインク、金属酸化物、金属薄膜の蒸着形成等）により透明に形成されるので、操作層１やそのキートップ３等の発光に何ら支障を来たすことがない。さらに、面発光タイプのライトガイド層４０を使用するので、操作層１の裏面全域にセンサ層１０を支障なく配置したり、従来よりも発光素子４１の使用数を削減したり、発光素子４１の配置の自由度を高めることが可能になる。

次に、図４は本発明の第２の実施形態を示すもので、この場合には、損傷回避部５０を、センサ層１０の基材１１、保護シート１３、及び各電極１４の中央部に連通して丸く穿孔される不導通の貫通孔５２とするようにしている。その他の部分については、上記実施形態と略同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、簡易な構成で損傷回避部５０の構成の多様化を図ることができ、貫通孔５２により良好なクリック感を得ることもできる。

次に、図５は本発明の第３の実施形態を示すもので、この場合には、操作層１と複数のプランジャ２１とを一体化してプランジャ層２０を省略し、電極１４の損傷回避部５０を複数の貫通孔５２に形成し、各貫通孔５２にプランジャ２１を遊嵌するようにしている。

操作層１は、シート２の裏面ＸＹ方向に複数のプランジャ２１が配列形成され、各プランジャ２１が硬質樹脂により円柱形あるいは円錐台形に形成されてライトガイド層４０の表面に接触する。プランジャ２１の高さは、センサ層１０の厚みとメタルドーム３２のストローク（例えば０．２ｍｍ程度）とを考慮して設定される。センサ層１０は、プランジャ層２０の省略により、ライトガイド層４０の表面に隙間を介して対向する。その他の部分については、上記実施形態と略同様であるので説明を省略する。

本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、貫通孔５２内にプランジャ２１が嵌入するので、貫通孔５２にプランジャ２１をガイドさせてメタルドーム３２を適切に変形させることができるのは明らかである。

なお、上記実施形態ではセンサ層１０の基材１１の表面ＸＹ方向に複数の電極パターン１２を配列形成したが、基材１１の表面Ｘ方向に複数の電極パターン１２を配列形成するとともに、基材１１の裏面Ｙ方向に複数の電極パターン１２を配列形成しても良い。また、基材１１の表面Ｘ方向に複数の電極パターン１２を配列形成するとともに、別の基材１１の表面Ｙ方向に複数の電極パターン１２を配列形成し、この一対の基材１１・１１を対向させて接着しても良い。また、センサ層１０の保護シート１３は省略しても良い。

センサ層１０の電極１４は、平面矩形、多角形、三角形、円形等に形成することができる。また、プランジャ２１は、円柱形や角柱形等に形成することができ、プランジャ層２０のシートと別体でも良い。また、操作層１の照明に支障を来たさなければ、ライトガイド層４０の表面に複数の光学パターンを配列形成するのではなく、ライトガイド層４０の裏面に複数の光学パターンを配列形成することも可能である。さらに、損傷回避部５０の絶縁部５１は、必要に応じ、平面矩形、多角形、楕円形等に形成することもできる。この絶縁部５１は、電極１４の中央部をエッチング等することで形成しても良い。

１ 操作層
３ キートップ
１０ センサ層
１１ 基材
１２ 電極パターン
１４ 電極
１５ 導電ライン
２０ プランジャ層
２１ プランジャ
３０ スイッチ層
３１ 回路基板
３２ メタルドーム（スイッチ）
４０ ライトガイド層
４１ 発光素子（光源）
５０ 損傷回避部
５１ 絶縁部
５２ 貫通孔（孔）

Claims (4)

1. キートップが押圧操作される絶縁性の操作層と、この操作層に被覆される静電容量型のセンサ層と、操作層のキートップの押圧操作によりスイッチ層のスイッチを変形させるプランジャとを備え、センサ層に可撓性を付与した入力センサスイッチであって、
   センサ層は、操作層の裏面側に配置される絶縁性の基材と、この基材に形成される導電性の電極パターンとを含み、電極パターンを、間隔をおいて並ぶ複数の電極間を導電ラインにより接続することで形成し、
   センサ層の電極に、プランジャに対向する不導通の損傷回避部を形成することにより、電極パターンの損傷を防ぐようにしたことを特徴とする入力センサスイッチ。
2. 光源からの光線を導光して操作層方向に照射する可撓性のライトガイド層を操作層とスイッチ層との間に介在し、操作層の少なくとも一部、センサ層、及びライトガイド層に光透過性をそれぞれ付与した請求項１記載の入力センサスイッチ。
3. 操作層の裏面にセンサ層を積層した請求項１又は２記載の入力センサスイッチ。
4. 損傷回避部を、センサ層の電極に形成される絶縁部、あるいはセンサ層の電極に設けられる孔とした請求項１、２、又は３記載の入力センサスイッチ。

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