JP2012181837A - 静電容量式タッチパネル及び静電容量式タッチパネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチパネルの全体構造を簡素化し、製造ステップを削減し、製造スピードを加速するとともに、製造コストを削減し、製造歩留まりを改善すること。
【解決手段】本実施の形態に係る静電容量式タッチパネルは、基板と、前記基板の一方の面上に、第１軸と第２軸からのセンス信号を生成するセンシングマトリックスを形成するように配置された複数の導電素子を有するタッチセンサとを備える。これにより、本開示は、静電容量式タッチパネルの構造の簡素化を達成し得る。
【選択図】図３

Description

本開示は、タッチパネルに関する。特に、本開示は、静電容量式タッチパネル及び静電容量式タッチパネルの製造方法に関する。

近年、タッチセンシング技術が広く用いられてきている。例えば、タッチセンシング技術の応用において、徐々に、タッチ入力インターフェースが情報を入力するために人によって用いられる一般的なヒューマン−マシンインターフェースとなってきている。さらに、現在では、静電容量式タッチセンシング技術が、様々なタッチセンシング技術間の複数のタッチ機能を実現するための主流となっている。

静電容量式タッチパネルの構造は、主に、２つのモードに分類されうる。第１のモードは、図１に、従来技術による２層静電容量式タッチパネルの模式的な断面図として示される。複数の第１軸（例えばＹ軸）検出電極８１、複数の第２軸（例えばＸ軸）検出電極８２は、基板８０の両面にそれぞれ形成されている。第１軸検出電極８１及び第２軸検出電極８２は基板８０により分離されており、基板８０は第１軸検出電極８１と第２軸検出電極８２が交わらないようにする。タッチポイントは、静電容量式タッチパネルがタッチされる前後の第１軸検出電極８１と第２軸検出電極８２間の結合電荷を処理することにより決定される。

第２のモードは、図２に、従来技術による単層の静電容量式タッチパネルの模式的な断面図として示される。複数の第１軸（例えばＹ軸）検出電極（不図示）と複数の第２軸（例えばＸ軸）検出電極９２は、基板９０の同じ面上に形成されている。夫々の第１軸検出電極は、複数の第１軸導電素子（不図示）からなり、隣接する第１軸導電素子は、第１軸配線９１２により接続されている。同様に、夫々の第２軸検出電極９２は、複数の第２軸導電素子９２１からなり、隣接する第２軸導電素子９２１は、第２軸配線９２２により接続されている。さらに、絶縁材料９３が夫々の第１軸配線９１２と対応する第２軸配線９２２との間に設けられており、第２軸配線９２２はジャンパーを形成している。タッチポイントは、静電容量式タッチパネルがタッチされる前後の第１軸検出電極と第２軸検出電極９２間の結合電荷を処理することにより決定される。

台湾特許出願公開第２０１０３２１１１号明細書 中国特許出願公開第１０１２６１５６１号明細書

しかしながら、上述の従来の静電容量式タッチパネルの構造及び対応する製造プロセスは複雑であり、簡易でより効率的な新しい静電容量式タッチパネルデザインへの要求が存在する。

上記の技術的問題を解決するために、本開示中で、静電容量式タッチパネルのタッチセンサ構造は、センシングマトリックスの検出軸の信号変化を得るために、タッチパネルの基板の一表面上に単層の平面センシングマトリックスを形成することにより改良される。

本開示の一態様によれば、静電容量式タッチパネルは、基板と、第１軸と第２軸からのセンス信号を生成するセンシングマトリックスを形成するように、前記基板の一方の面上に配置された複数の導電素子を有するタッチセンサとを備える。

本開示の他の態様によれば、静電容量式タッチパネルの製造方法は、基板の表面上に複数の導電素子を配置することによりセンシングマトリックスを形成し、インプットバスを前記センシングマトリックスの第１軸の一端に電気的に接続し、アウトプットバスを前記センシングマトリックスの第２軸の一端に電気的に接続するステップからなる。

これにより、本開示が達成しうる効果は、製造ステップを削減し、製造スピードを加速するためにタッチパネルの全体構造を簡素化するだけでなく、大幅に製造コストを削減し、製造歩留まりを改善することである。

上述の要約、後述の詳細な説明及び図面は、開示の本目的を達成するために採用されたモード、手段及び効果をさらに説明するために作成される。本開示の他の目的及び利点は、後の記述及び図面で説明される。

従来技術による二層静電容量式タッチパネルの模式的な断面図である。 従来技術による単層静電容量式タッチパネルの模式的な断面図である。 本開示の態様による静電容量タッチパネルの模式図である。 本開示の態様による静電容量タッチパネルの模式的な断面図である。 本開示の態様によるタッチセンサの寄生容量のセットの等価回路図である。 本開示の態様によるタッチセンサの信号変化の模式図である。 本開示の第１の態様による静電容量式タッチパネルの製造方法のフローチャートである。 本開示の第２の態様による静電容量式タッチパネルの製造方法のフローチャートである。

本開示は、タッチパネルの基板の一方の表面上に直接単層の平面センシングマトリックスを形成することにより、静電容量式タッチパネルのタッチセンサ構造を改良する。これにより、センシングマトリックスの検出軸の信号変化は、直接指定された単層平面センシングマトリックスを通して得られる。また、ユーザによってタッチされた静電容量タッチパネル上のタッチポイントは、本開示に基づいて検出されうる。

本開示のタッチセンサ構造は、以下の駆動−検出オペレーションに適用されうる。
１．他軸（例えばＹ軸）の検出中に、単軸（例えばＸ軸）を駆動
２．両方の異なる軸（Ｘ軸及びＹ軸）の検出中に、単軸（例えばＸ軸）を駆動
３．両方の異なる軸（Ｘ軸及びＹ軸）の検出中に、両方の異なる軸（Ｘ軸及びＹ軸）を駆動

実施の形態において、第１の駆動−検出オペレーションはセンシングマトリックスの一方の軸を駆動し、他の軸を検出する。実際の適用では、より正確にタッチポイントの位置を検出するために、第２又は第３の駆動−検出オペレーションが異なる２つの軸を検出することによりタッチポイントの位置の検出に採用されうる。以下の実施の形態は、第２の駆動−検出オペレーションに基づいて記述され、説明される。

図３は、本開示の実施の形態による静電容量式タッチパネルの模式図を示す。図に示されるように、本実施の形態は、基板１０、タッチセンサ１１、コントロールユニット１２を備える静電容量式タッチパネル１である。基板１０は、静電容量式タッチパネル１の支持ベースとして機能し、ガラスやプラスチックのような透明材料により形成することができる。

タッチセンサ１１は、基板１０上に設けられている。実際の設計では、タッチセンサ１１は、基板１０の上面又は下面に設けられうるが、これに限定されない。さらに、本実施の形態における基板１０の「上」、「下」の位置は、対応する位置関係を表わすのみである。本明細書の図面では、基板１０の上面はユーザに近い方であり、下面はユーザから遠い方である。さらに、タッチセンサ１１の構造は、さらに複数の導電素子１１０、インプットバス１１１、アウトプットバス１１２を備えている。

導電素子１１０は、基板１０の同じ面上にセンシングマトリックスを形成するように配置されている。電気的特性の原理によれば、物理的な容量ではない寄生容量が２つの一般的な導体間に形成されうる。このため、本実施の形態のセンシングマトリックスでは、夫々の２つの隣接する導電素子１１０は、センシングマトリックスの第１軸と第２軸の間に第１寄生容量１１３を誘導する。これにより、最初互いに独立の導電素子１１０は、第１寄生容量１１３の効果により、接続された網状のモード（a connected reticular mode）を形成する。一方、夫々の導電素子１１０は、さらにグランドと第２寄生容量１１４を誘導する。

さらに、導電素子１１０の材料は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化ガリウム亜鉛（ＧＺＯ）、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ薄膜（ＣＮＴ）、ＩＴＯナノパーティクル、ナノワイヤ、Ｍｇ（ＯＨ）_２：Ｃ、グラフェン、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含みうる。さらに、本実施の形態の導電素子１１０の形状はひし形としてデザインされる。円形、楕円形、多角形、又は十字形もまた採用されうる。導電素子１１０の材料又は形状は、本開示に限定されない。

インプットバス１１１は、センシングマトリックスの第１軸（例えばＸ軸）の一端に電気的に接続されている。アウトプットバス１１２は、センシングマトリックスの第１軸の他端に電気的に接続されており、センシングマトリックスの第２軸（例えばＹ軸）の一端に電気的に接続されている。このため、実施の形態のセンシングマトリックスは、第２の駆動−検出オペレーションに適用されうる。図３を参照すると、本実施の形態のセンシングマトリックスは、５×４マトリックスに簡素化されている。言い換えると、インプットバス１１１は、導電素子１１０の接続によって形成される第１軸上の４つの導電素子グループの一端に夫々電気的に接続される４本の配線チャネルからなる。アウトプットバス１１２は、導電素子１１０の接続により形成される第１軸上の４つの導電素子グループの他端、及び、導電素子１１０の接続により形成される第２軸上の５つの導電素子グループの一端に夫々電気的に接続される９本の配線チャネルからなる。

他の実施の形態では、インプットバス１１１は、またさらにセンシングマトリックスの第２軸の他端に電気的に接続されうる。これにより、センシングマトリックスを第３の駆動−検出オペレーションに適用できる。

コントロールユニット１２は、インプットバス１１１及びアウトプットバス１１２に電気的に接続されている。コントロールユニット１２は、インプットバス１１１への駆動信号Drive_Sigを生成し、アウトプットバス１１２を介して少なくとも１つの検出信号Sense_Sigを受信するために用いられる。より具体的には、コントロールユニット１２は、少なくとも２つのマルチプレクサ１２１、１２２からなる。マルチプレクサ１２１はインプットバス１１１に電気的に接続され、インプットバス１１１の異なる配線チャネルに駆動信号Drive_Sigを順に切り替え、出力する。他のマルチプレクサ１２２はアウトプットバス１１２に電気的に接続され、アウトプットバス１１２の異なる配線チャネルによって伝送される検出信号Sense_Sigを順に切り替え、受信する。

図４は、本開示の実施の形態による静電容量式タッチパネルの模式的な断面図である。図４はさらに、基板１０と導電素子１１０間の積層関係を示している。図４に示すように、導電素子１１０により配列され、形成されるセンシングマトリックスは、基板１０の上面の同一平面状に直接設けられている。このため、静電容量式タッチパネル１の簡易化した構造下では、本実施の形態は、単層センシングマトリックスを介して第１軸、第２軸上の信号変化を得られる。

次に、本実施の形態によるタッチセンサ１１のオペレーションを説明するために、図３の構造に基づいた図５を参照する。図５は、本開示の実施の形態によるタッチセンサの寄生容量セットの等価回路を示す。図５に示すように、センシングマトリックスに形成される夫々の第１寄生容量１１３はＲＣ直列回路と等価であり、第２寄生容量１１４はＲＣ並列回路と等価である。

他の実施の形態では、コントロールユニット１２はインプットバス１１１への１０ＭＨｚの駆動信号Drive_Sigを生成し、タッチセンサ１１は１０ＭＨｚの動作周波数下で動作する。駆動信号Drive_Sigの周波数は、信号の浸透能力（penetration capability）を決定する。これは、実際の適用に応じて制限なく設計されうる。

タッチポイントが存在しない場合、第１寄生容量１１３と等価のＲＣ直列回路は、例えば、１ｐＦのキャパシタに直列的に接続された５０Ωのレジスタでありうる。第２寄生容量１１４と等価のＲＣ並列回路は、例えば、１ｐＦのキャパシタに並列的に接続された１００ＭΩのレジスタでありうる。ユーザがタッチ操作を実行し、少なくとも１つのタッチポイントが生成されると、タッチポイントに対応する第１寄生容量１１３と第２寄生容量１１４、及びその周囲の電荷は吸収され、等価静電容量の値は減少する。シミュレートデータによれば、タッチポイントに対応する第１寄生容量１１３及び第２寄生容量１１４の等価静電容量値は、およそ１ｐＦから０．８ｐＦへと減少する。タッチポイントから距離が離れるに従い、電荷は吸収されず、等価静電容量値の減少が少なくなる。環境要因の影響によって、実際の容量値の変化が誤りと成りえることが理解される。上述によれば、タッチ前後のセンシングマトリックスの全ての行及び列の電圧変化を検出することによって、最大の電圧変化を有する少なくとも１つの行と１つの列が得られる。これにより、タッチポイントは、最大の変化の行及び列の交点を算出することによって検出されうる。

図６は、本開示の実施の形態によるタッチセンサの信号変化の模式図である。図示されるように、本実施の形態のＸ軸（行）上のセンシングマトリックスの一端は、駆動信号Drive_Sigを受信するのに用いられる。Ｙ軸（行）上のセンシングマトリックスの一端及びＸ軸上のセンシングマトリックスの他端は、それぞれ検出信号Sense_Sig1及びSense_Sig2を出力するのに用いられる。さらに、実施の形態は、第１検出行Ｃｏｌ１、第２検出行Ｃｏｌ２、第３検出行Ｃｏｌ３、第１検出列Ｒｏｗ１、第２検出列Ｒｏｗ２、第３検出列Ｒｏｗ３を有するＭ×Ｎセンシングマトリックスを用いる条件の元で信号変化の違いを説明する。

最初に、以下の表１に示されるように、異なる列間の検出信号Sense_Sig1を比較することにより説明がなされる。本実施の形態の駆動信号Drive_Sigは、図６の左側からセンシングマトリックスに入力され、信号減衰の電気原理に基づいて、第１検出行Ｃｏｌ１、第２検出行Ｃｏｌ２、第３検出行Ｃｏｌ３の信号減衰量は徐々に大きくなる。タッチポイントが生成されていない場合、測定された信号量は、−３２ｄＢｍ、−３６ｄＢｍ、−４１ｄＢｍとなる。あるタッチポイントが生成された場合、第１検出行Ｃｏｌ１、第２検出行Ｃｏｌ２、第３検出行Ｃｏｌ３で検出された信号量は、夫々−３３ｄＢｍ、−４４ｄＢｍ、−４４ｄＢｍに減衰する。この結果、タッチポイントが生成される前後の第１検出行Ｃｏｌ１、第２検出行Ｃｏｌ２、第３検出行Ｃｏｌ３の信号変化（減衰量）得られ、第２検出行Ｃｏｌ２の信号変化が最も大きいこととなる。

一方、異なる行間の検出信号Sense_Sig2を比較することにより、説明がなされる。同様に、駆動信号Drive_Sigは、図６のセンシングマトリックスの左側から入力される。以下の表２に示されるように、理論的に、第１検出列Ｒｏｗ１、第２検出列Ｒｏｗ２、第３検出列Ｒｏｗ３で検出される信号量は、タッチポイントが生成されていない場合等しく、その量は−３４ｄＢｍとなる。タッチポイントが生成された場合、第１検出列Ｒｏｗ１、第２検出列Ｒｏｗ２、第３検出列Ｒｏｗ３で検出された新語量は、夫々−４０ｄＢｍ、−４５ｄＢｍ、−４０ｄＢｍに減衰する。この結果、タッチポイントが生成される前後の第第１検出列Ｒｏｗ１、第２検出列Ｒｏｗ２、第３検出列Ｒｏｗ３の信号変化が得られ、第２検出列Ｒｏｗ２の信号変化が最も大きいこととなる。

これにより、得られた全ての行及び列の信号変化を用いて、実際のタッチポイントの位置（図６中、破線の円で示す）が、最大の変化を示す第２検出列Ｃｏｌ２、第２検出行Ｒｏｗ２の交点を算出することにより検出される。

図７は、本開示の第１の実施の形態による静電容量式タッチパネルの製造方法のフローチャートである。図に示すように、本実施の形態の静電容量式タッチパネルの製造方法は、以下のステップからなる。後に続くステップの支持ベースとして用いられる基板を準備する（Ｓ７０１）。基板の表面を導電膜で覆う（Ｓ７０３）。基板の上面、下面のいずれを覆うかは、実際のデザインにより制限なく決定される。導電膜の材料は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化ガリウム亜鉛（ＧＺＯ）、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ薄膜（ＣＮＴ）、ＩＴＯナノパーティクル、ナノワイヤ、Ｍｇ（ＯＨ）_２：Ｃ、グラフェン、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）から選択できる。

次に、上記方法は、さらに、複数の導電素子を配置することによりセンシングマトリックスを形成するため、導電膜のパターニングを含む。当業者であれば、導電膜のパターニングプロセスが、だいたい、焼成、フォトマスクの位置合わせ、露光、現像、エッチング等からなることは知られている。これらはフォトプロセスと呼ばれており、ここではこれ以上詳細には説明しない。本開示では、単層導電膜にパターニングプロセスを１回行い、所望のセンシングマトリックスの構造を得る。

その後、これに続く金属配線プロセスが、センシングマトリックスの第１軸の一端に電気的に接続されるインプットバスを配置し（Ｓ７０７）、センシングマトリックスの第１軸の他端及びセンシングマトリックスの第２軸の一端に電気的に接続されるアウトプットバスを配置する（Ｓ７０９）ことにより続けられる。ステップＳ７０7とＳ７０９の順序はこの開示に限定されず、プロセスの実際の要求に従って変更、調整が可能である。

また、ステップＳ７０３からステップＳ７０９は、基板上にタッチセンサを形成する手順を説明する。

最後に、上記方法は、さらに、インプットバス及びアウトプットバスに電気的に接続されるコントロールユニットの配置を含む（Ｓ７１１）。コントロールユニットは、例えば、プリント回路基板又はフレキシブル回路基板上に形成され、インプットバス及びアウトプットバスに電気的に接続される。これにより、本実施の形態による静電容量式タッチパネルの製造が完了しうる。

図８は、本開示の第２の実施の形態による静電容量式タッチパネルの製造方法のフローチャートである。本実施の形態のフローチャートと第１の実施の形態のフローチャートとの違いは、基板を準備した後（Ｓ８０１）、導電素子を配置することによりセンシングマトリックスを形成するために、プリント技術を用い、基板の表面（上面又は下面）上に導電素子が直接プリントされる（Ｓ８０３）点にある。これにより、本実施の形態で要求されるプロセスは第１の実施の形態よりもさらに簡略化される。

これに続くステップＳ８５０からＳ８０９は、インプットバス、アウトプットバスを配置する金属配線プロセスステップ、コントロールユニットを配置するプロセスであり、ここではこれ以上詳細に説明しない。

結論として、本開示では、タッチセンサの構造として、センシングマトリックスの平面マトリックスモードを考案した。これは、製造プロセスを減少させ、製造速度を加速するために、タッチパネル全体の構造を効果的に簡素化するだけでなく、材料の消費量及び製造プロセスの複雑さを少なくし、製造コストを著しく減少させ、製造歩留まりを促進させることができる。さらに、本開示の静電容量式タッチパネルは、実際の製品において、様々なタイプのディスプレイスクリーンに簡単に適用可能である。

実施の形態及び本開示を実現する最良の形態を参照して本開示を説明したが、当業者であれば、本開示のスコープから外れることなく、添付の特許請求の範囲によって規定される様々な改良、変更が可能である。

１ 静電容量式タッチパネル
１０ 基板
１１ タッチセンサ
１２ コントロールユニット
１１０ 導電素子
１１１ インプットバス
１１２ アウトプットバス
１１３ 第１寄生容量
１１４ 第２寄生容量
１２１ マルチプレクサ
１２２ マルチプレクサ

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面上に、第１軸と第２軸からのセンス信号を生成するセンシングマトリックスを形成するように配置された複数の導電素子を有するタッチセンサと、
   を備える、
   静電容量式タッチパネル。
2. 隣接する前記導電素子は、それらの間の前記センシングマトリックスの前記第１軸又は前記第２軸上に第１寄生容量を誘導し、
   それぞれの前記導電素子は、グランドとの間に第２寄生容量を誘導する、
   請求項１に記載の静電容量式タッチパネル。
3. 前記タッチセンサは、
   前記センシングマトリックスの前記第１軸の一端に電気的に接続されたインプットバスと、
   前記センシングマトリックスの前記第２軸の一端に電気的に接続されたアウトプットバスと、
   をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の静電容量式タッチパネル。
4. 前記アウトプットバスは、前記センシングマトリックスの前記第１軸の他端に電気的に接続されている請求項３に記載の静電容量式タッチパネル。
5. 前記インプットバスは、前記センシングマトリックスの前記第２軸の他端に電気的に接続されている請求項４に記載の静電容量式タッチパネル。
6. 前記インプットバス及び前記アウトプットバスに電気的に接続され、前記インプットバスへの駆動信号を生成し、前記アウトプットバスからの検出信号を受信するコントロールユニットをさらに備える請求項３、４又は５に記載の静電容量式タッチパネル。
7. 基板の表面上に複数の導電素子を配列することによりセンシングマトリックスを形成し、
   前記センシングマトリックスの第１軸に一端に接続されるインプットバスを配置し、
   前記センシングマトリックスの第２軸の一端に接続されるアウトプットバスを配置する、
   静電容量式タッチパネルの製造方法。
8. 前記アウトプットバスは、さらに前記センシングマトリックスの前記第１軸の他端に電気的に接続されている請求項７に記載の静電容量式タッチパネルの製造方法。
9. 前記インプットバスは、さらに前記センシングマトリックスの前記第２軸の他端に電気的に接続されている請求項８に記載の静電容量式タッチパネルの製造方法。
10. 前記インプットバス及び前記アウトプットバスに電気的に接続されるコントロールユニットを配置する請求項７、８又は９に記載の静電容量式タッチパネルの製造方法。
11. 前記センシングマトリックスの形成ステップでは、
    前記基板上に導電膜をコーティングし、
    前記導電膜をパターニングするステップを含む
    請求項７〜１０のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネルの製造方法。
12. 前記センシングマトリックスの形成ステップでは、
    印刷技術により前記基板の表面上に前記導電素子をプリントするステップを含む請求項７〜１０のいずれか１項に記載の静電容量式タッチパネルの製造方法。

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