JP2013258126A - タッチパネルスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ検出の精度を高めることを可能としたタッチパネルスイッチを提供する。
【解決手段】パネル基材２には、平坦な平面部２ａと、その平面部２ａの表面から上方へ向けて所要の高さだけ隆起したリブ状の隆起部２ｂとを有する操作面が形成されている。パネル基材２の両面のそれぞれには、メイン電極３とサブ電極４とが形成されている。メイン電極３は、検出回路側の電極として構成されており、パネル基材２の裏面に所要の導電パターンで形成されている。サブ電極４は、保護基材５に導電体を形成した電極フィルム６として構成されており、パネル基材２の平面部２ａ及び隆起部２ｂを含む操作面の下部に沿って接合一体化されている。電極フィルム６には、パネル基材２の隆起部２ｂに対応して、凹部６ａ及び凸部６ｂからなる凹凸部が湾曲して形成されている。凸部６ｂは操作突起として構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タッチパネルスイッチに係わり、特に、三次元形状の外観を有する静電容量型のタッチパネルスイッチに関する。

静電容量型のタッチパネルスイッチは、例えば車載用や携帯機用などの各種の電気機器に多用されている。この種の従来のタッチパネルスイッチの一例としては、例えば特許文献１に記載されたパネルスイッチが提案されている。

上記特許文献１記載の従来のパネルスイッチは、銀ペースト印刷によりＰＥＴフィルムにスイッチ電極とＧＮＤ電極とを形成した電極シートを、ガラス板又はアクリル板からなるパネルの裏面に接着剤により貼り付けた積層構造からなる。

特開２００７−２０７５３１号公報

この種のパネルスイッチの静電容量は、パネル裏面に配置された電極と、パネル表面をタッチ操作する操作者の指先との間に形成される。上記特許文献１記載の従来のパネルスイッチにおいては、仮にパネル表面が操作者の指先に対する密着を妨げるような凸部を有する三次元形状に形成されると、その凸部に対して操作者の指先を充分に密着させることは困難となる。その結果、パネル表面の凸部にタッチ操作した操作者の指先と電極との間に形成される静電容量は小さくなり、タッチ検出を精度よく行うことが困難になる。

また、パネル表面の操作面が平坦な平面部により形成されていても、パネル表面の操作面とパネル裏面の電極との間の距離が大きくなると、その操作面にタッチ操作した操作者の指先とパネル裏面の電極との間に形成される静電容量は小さくなり、タッチ検出を精度よく行うことが困難になる。

従って、本発明の目的は、タッチ検出の精度を高めることを可能としたタッチパネルスイッチを提供することにある。

［１］本発明は、表面に操作面を有するパネル基材と、前記パネル基材の裏面に配置された第１の電極と、前記操作面に沿って形成された第２の電極と、を備えたことを特徴とするタッチパネルスイッチにある。

［２］上記［１］記載の前記第２の電極の電極面積は、前記第１の電極の電極面積よりも小さく、かつ、前記操作面に接触した被検出物体の接触面積よりも大きく設定されたことを特徴とする。

［３］上記［１］又は［２］記載の前記第２の電極は、前記操作面の上部又は下部に沿って形成されたことを特徴とする。

［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の前記操作面に接触した被検出物体と前記第２の電極との間の距離は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも小さく設定されたことを特徴とする。

［５］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の前記操作面は、隆起部を有することを特徴とする。

本発明によれば、操作面の外観形状に影響されることなく、静電感度の測定精度を高めることができる。

本発明の好適な第１の実施の形態に係るタッチパネルスイッチを説明するための図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は平面図である。 タッチパネルスイッチに操作者の指先が触れた場合の静電容量のメカニズムを説明するための断面模式図であり、（ａ）は第１の実施の形態に係るタッチパネルスイッチの一例を示す図であり、（ｂ）は比較例に係るタッチパネルスイッチの一例を示す図である。 第２の実施の形態に係るタッチパネルスイッチを説明するための断面模式図である。 第３の実施の形態に係るタッチパネルスイッチを説明するための断面模式図である。 第４の実施の形態に係るタッチパネルスイッチを説明するための断面模式図である。 第５の実施の形態に係るタッチパネルスイッチを説明するための断面模式図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、この実施の形態に係る図においては、本発明の特徴を理解しやすくするため、タッチパネルスイッチを構成する部分の比率は実際のものとは異なり、誇張して示している。

［第１の実施の形態］
（タッチパッドの全体構成）
図１（ａ）及び（ｂ）において、全体を示す符号１は、この第１の実施の形態に係る典型的なタッチパネルスイッチの一例を示している。このタッチパネルスイッチ１は、例えば操作者の手指などの被検出物体が操作面をタッチ操作した際の静電容量の変化を電圧の変化として検出するタッチパッド（タッチパネル）として用いられる。

このタッチパネルスイッチ１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、誘電体であるパネル基材２を備えている。このパネル基材２には、平坦な平面部２ａと、その平面部２ａの表面から上方へ向けて所要の高さだけ隆起したリブ状の隆起部２ｂとを有する操作面が形成されている。この隆起部２ｂとしては、特に規定するものではなく、例えば凸状、段差状や半球状などの外観形状に形成されていても構わない。

このパネル基材２の両面のそれぞれには、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の電極であるメイン電極３と、第２の電極であるサブ電極４とが形成されている。このメイン電極３は、検出回路側の電極として構成されており、パネル基材２の裏面に所要の導電パターンで形成されている。一方のサブ電極４は、保護基材５に導電体を形成した電極フィルム６として構成されており、パネル基材２の平面部２ａ及び隆起部２ｂを含む操作面の下部に沿って接合一体化されている。

この電極フィルム６には、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、パネル基材２の隆起部２ｂに対応して、凹部６ａ及び凸部６ｂからなる凹凸部が湾曲して形成されている。この凸部６ｂは操作突起として構成されている。

このパネル基材２及び保護基材５としては、同じ材料により形成されていてもよく、例えばポリエステル系樹脂あるいはポリカーボネート系樹脂などのフィルム状、シート状又は板状の一般的な素材が用いられる。

このメイン電極３及びサブ電極４にあっても、同じ材料により形成されていてもよく、例えば金、銀、銅、アルミニウム等の金属、又は透明なＩＴＯ（酸化インジウム）等の導電性金属酸化物などの一般的な導電性材料が用いられており、金属めっきや導電性ペーストなどによる導電膜を所要の形状に塗布又は印刷することで導電パターンが形成される。蒸着やスパッタ等により導電パターンを形成することも可能である。

この電極フィルム６をインサート品として、凹部６ａを含む金型の成形空間内にパネル基材２となる溶融樹脂を射出成形することで、パネル基材２と電極フィルム６とを積層一体化することができる。これにより、電極フィルム６にパネル基材２が一体成形されたタッチパネルスイッチ１が製作される。

（電極部の構造）
図２（ｂ）を参照すると、同図には、比較例に係るタッチパネルスイッチ２０の静電容量のメカニズムが例示されている。

比較例によるタッチパネルスイッチ２０の静電容量Ｃは、図２（ｂ）に示すように、メイン電極３と、パネル基材２の操作面をタッチ操作する操作者の指先３０との間に形成されており、パネル基材２と操作者の指先３０とが形成する接触面積と、パネル基材２の厚みと、誘電率とにより決まるという特性を有する。

ここで、空気層の誘電率をε_０とし、パネル基材２の比誘電率をε_ｒとし、パネル基材２の隆起部２ｂに接触する操作者の指先３０の接触面積をＳとし、メイン電極３と操作者の指先３０との間の距離をＤとしたとき、メイン電極３と操作者の指先３０との間にエアギャップが存在しないとすれば、平板コンデンサモデルで計算すると、操作者の指先３０により生じる静電容量Ｃは、Ｃ＝（ε_ｒ×Ｓ）／Ｄの関係式で表せる。

この特性から、図２（ｂ）に示す比較例によるタッチパネルスイッチ２０においては、メイン電極３と操作者の指先３０との間に形成される静電容量Ｃ_Ｔ１は、操作者の指先３０の接触面積Ｓに比例して小さくなるといえる。

よって、パネル基材２の操作面が隆起部２ｂを有する三次元形状に形成されることで、その隆起部２ｂに対して操作者の指先３０の密着を妨げる場合は、静電容量Ｃ_Ｔ１が指先３０でタッチされた接触面積Ｓに比例して小さくなる。その結果、接触面積が小さい隆起部２ｂのタッチ検出が困難となる。

一方、静電容量の上記特性から、メイン電極３と操作者の指先３０との間に形成される静電容量Ｃは、メイン電極３と操作者の指先３０との間の距離Ｄが大きくなればなるほど小さくなるといえる。

従って、この第１の実施の形態に係るタッチパネルスイッチ１は、パネル基材２の平面部２ａ及び隆起部２ｂをタッチ操作する操作者の指先３０により生じる静電容量を増加させる電極構造に最も主要な構成を有している。なお、以下にパネル基材２の隆起部２ｂにおける電極構造を中心として説明するが、これに限定されるものではなく、パネル基材２の平面部２ａにおける電極構造についても同様の作用効果が得られることは勿論である。

この第１の実施の形態によれば、パネル基材２の表面に沿って配置された電極フィルム６のサブ電極４は、図２（ａ）に示すように、保護基材５の操作面とは反対側の裏面に形成されており、保護基材５の裏面とパネル基材２との間に配置されている。このサブ電極４は、パネル基材２の検出回路側におけるメイン電極３、あるいは検出回路からの配線を排除しており、他の導体部分とは導通しない導電体からなる電極として構成されている。

このパネル基材２の操作面に接触した操作者の指先３０とサブ電極４との間の距離は、メイン電極３とサブ電極４との間の距離よりも小さく設定されていることが肝要である。この電極フィルム６の凸部６ｂをタッチ操作する操作者の指先３０とサブ電極４との間に形成される静電容量Ｃ_Ｆは、メイン電極３とサブ電極４との間に形成される静電容量Ｃ_ＥＬよりも大きく設定されており、電極フィルム６の凸部６ｂの突出高さＨは、パネル基材２の厚さＷ_１よりも小さく設定されている。

このサブ電極４の電極面積は、図２（ａ）に示すように、メイン電極３の有効面積を十分に確保するためにメイン電極３の電極面積と等しく設定されており、パネル基材２の操作面に接触した操作者の指先３０の接触面積よりも大きく設定されている。

代表的な実施例に係るタッチパネルスイッチ１と、比較例に係るタッチパネルスイッチ２０とにおける静電容量の変化を下記の表１に示す。

実施例及び比較例におけるそれぞれのタッチパネルスイッチ１，２０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、パネル基材２の比誘電率ε_ｒと、メイン電極３の電極面積Ｓ_１と、パネル基材２の隆起部２ｂに接触する操作者の指先３０の接触面積Ｓ_２と、パネル基材２の隆起部２ｂの突出高さＨと、パネル基材２の厚さＷ_１と、電極フィルム６の厚さＷ_２とを同一の寸法としている。

ここでは、メイン電極３の電極面積Ｓ_１＝８４．５ｍｍ^２とし、指先３０の接触面積Ｓ_２＝２０ｍｍ^２とし、隆起部２ｂの突出高さＨ＝０．５ｍｍとし、パネル基材２の厚さＷ_１＝３ｍｍとし、電極フィルム６の保護基材５の厚さＷ_２＝０．２ｍｍとしている。なお、図２（ａ）及び（ｂ）に示す寸法Ｈ、Ｗ_１及びＷ_２は、タッチパネルスイッチ１の測定箇所を説明するためのものであり、上記数値の通りの寸法関係に描いていない。

上記表１から明らかなように、実施例に係るタッチパネルスイッチ１は、比較例に係るタッチパネルスイッチ２０の静電容量Ｃ_Ｔ１と比較して、メイン電極３とサブ電極４との間に形成される静電容量Ｃ_ＥＬと、電極フィルム６の凸部６ｂをタッチ操作する操作者の指先３０及びサブ電極４の間に形成される静電容量Ｃ_Ｆとの合成静電容量Ｃ_Ｔ２を増加させることができるということが分かる。このパネル基材２の操作面が平面部２ａだけで形成されている場合、あるいは平面部２ａ及び隆起部２ｂ以外の曲面形状や凹凸形状等に形成されている場合でも、静電容量の変化を検出することが可能となる。

（第１の実施の形態の効果）
以上のように構成されたタッチパネルスイッチ１を採用することで、上記効果に加えて以下の様々な効果が得られる。

（１）パネル基材２の表面側に他の導体部分とは導通しないサブ電極４を追加することで、電極フィルム６の凸部６ｂ及び凸部６ｂ以外の部分の静電容量を増大させることが可能となり、タッチパネルスイッチ１の感度のばらつきを抑えることができる。
（２）パネル基材２の平面部２ａ及び隆起部２ｂに配置されたサブ電極４には、パネル基材２の検出回路側におけるメイン電極３や検出回路から配線する必要がないので、構造上の制約を少なくすることができる。
（３）三次元形状を有する操作面においても、静電容量の変化を正常に検出することができるので、タッチ入力装置の感度を確保することができる。
（４）サブ電極４により静電容量を高めることが可能であり、通常では検出不能な接触面積や対向距離のタッチ入力を検出することができる。

［第２の実施の形態］
図３を参照すると、同図には、第２の実施の形態に係るタッチパネルスイッチの一構成例が示されている。上記第１の実施の形態では、パネル基材２の表面に電極フィルム６を形成した構成であったものを、この第２の実施の形態にあっては、電極フィルム６の保護基材５を排除して、サブ電極４だけがパネル基材２の操作面の上部に沿って形成された点で上記第１の実施の形態とは異なっている。

このパネル基材２の表面に形成された電極構造以外における他の構成は、上記第１の実施の形態の場合と同様の構成となっている。従って、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付しており、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。

図３において、パネル基材２の平面部２ａ及び隆起部２ｂの表面には、金属めっきや導電性ペーストなどによる電極膜を塗布又は印刷することでサブ電極４が形成されている。このサブ電極４は、例えば銅等の金属あるいは透明なＩＴＯ等の導電性金属酸化物などの一般的な導電性材料を用い、例えば金属めっき、蒸着やスパッタ等により形成することも可能である。

（第２の実施の形態の効果）
上記のように構成された第２の実施の形態にあっても、上記第１の実施の形態の効果と同様の効果が得られる。

［第３の実施の形態］
図４を参照すると、同図には、第３の実施の形態に係るタッチパネルスイッチの一構成例が示されている。この第３の実施の形態にあっては、メイン電極３をフレキシブル配線基板７に形成した構成以外における他の構成は、上記第１の実施の形態の場合と同様の構成となっている。従って、同図において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材に関する詳細な説明は省略する。

図４において、符号７は、メイン電極３が形成されたフレキシブル配線基板（以下、「ＦＰＣ」という。）を示している。このＦＰＣ７は、電極フィルム６の保護基材５と同じ材料により形成されていてもよく、例えばポリエステル系樹脂あるいはポリカーボネート系樹脂などのフィルム状、シート状又は板状の一般的な素材が用いられる。メイン電極３は、上記第２の実施の形態と同様に一般的な導電性材料を用いる。

このメイン電極３は、ＦＰＣ７に所要の導電パターンで導電性材料を印刷することで電極フィルムとして構成されており、パネル基材２の裏面に両面テープ、粘着層又は接着層などの図示しない接合剤層を介して積層一体化されている。このＦＰＣ７には、タッチパネルスイッチ１を動作させるための図示しない駆動部及び制御部などを構成する部品が搭載される。

（第３の実施の形態の効果）
以上のように構成されたタッチパネルスイッチ１を採用することで、上記第１の実施の形態と同様の効果に加えて、ＦＰＣ７にタッチパネルスイッチ１を動作させる構成部品を形成することが可能となる。

［第４の実施の形態］
図５を参照すると、同図には第４の実施の形態に係るタッチパネルスイッチの一構成例が示されている。上記第３の実施の形態では、ＦＰＣ７にメイン電極３を形成した構成であったものを、この第４の実施の形態にあっては、リジッド板からなる硬質配線基板８にメイン電極３を形成した点で異なっている。従って、同図において、上記第３の実施の形態と実質的に同じ部材に関する詳細な説明は省略する。

図５において、符号８は、リジッド板からなる硬質配線基板（以下、「ＨＰＣ」という。）を示している。このＨＰＣ８には、固定孔８ａが貫通して形成されている。パネル基材２の側壁には、ＨＰＣ８を固定支持するための固定爪部２ｃが形成されている。この固定爪部２ｃを固定孔８ａ内に嵌め込み固定することで、パネル基材２とＨＰＣ８とが密に一体化されている。このＨＰＣ８に対する固定手段としては、固定爪部２ｃに代えて、例えばネジなどの他の固定具を使用することができる。

このＨＰＣ８には、金属めっきや導電性ペーストなどによる電極膜を所定の形状に塗布又は印刷することでメイン電極３が形成されている。このメイン電極３は、例えば銅等の金属あるいは透明なＩＴＯ等の導電性金属酸化物などの一般的な導電性材料を用い、例えば蒸着やスパッタ等により導電パターンを形成してもよい。ＨＰＣ８の材質としては、例えばエポキシ系樹脂などが用いられる。

（第４の実施の形態の効果）
以上のように構成されたタッチパネルスイッチ１を採用することで、上記第１の実施の形態と同様の効果に加えて、このＨＰＣ８には、タッチパネルスイッチ１を動作させるための図示しない駆動部及び制御部などを構成する部品を搭載することが可能となる。

［第５の実施の形態］
図６を参照すると、同図には第５の実施の形態に係るタッチパネルスイッチの一構成例が示されている。なお、同図において、上記第１〜４の各実施の形態と実質的に同じ部材に関する詳細な説明は省略する。

上記第１〜４の各実施の形態では、サブ電極４の電極面積をメイン電極３の電極面積と等しく、かつ、操作者の指先３０の接触面積よりも大きく設定した構成であったものを、この第５の実施の形態にあっては、サブ電極４の電極面積がメイン電極３よりも小さい電極面積に設定された点で異なっている。図示例では、サブ電極４に対する接触面積が小さい被検出物体の一例として、操作者の爪先を例示している。

パネル基材２の両面のそれぞれには、図６に示すように、メイン電極３とサブ電極４とが形成されている。このサブ電極４は、メイン電極３よりも小さい電極面積に形成することで、パネル基材２の平面部２ａに沿って接合一体化されている。このサブ電極４の電極面積をメイン電極３の電極面積よりも小さく設定するとともに、被検出物体の接触面積よりも大きく設定することで、メイン電極３の有効面積が増大されている。

（第５の実施の形態の効果）
以上のように構成されたタッチパネルスイッチ１を採用することで、上記効果に加えて、サブ電極４の電極面積がメイン電極３よりも小さい電極面積であっても、メイン電極３の電極面積を有効に使用するとともに、被検出物体のサイズにかかわらず、操作者の指先がわずかでも触れていれば、タッチ容量を検出することが可能となる。なお、パネル基材２の隆起部２ｂに対応するサブ電極４にも適用することができることは勿論である。

［変形例］
上記各実施の形態にあっては、例えば次に示すような変形例も可能である。

（１）パネル基材２の形状や大きさ等については、使用目的、使用箇所や使用用途等に応じて適宜設定することができることは勿論であり、例えば平面、曲面と平面との組み合わせや平面同士の組み合わせなどの各種の外形形状に形成された部材であってもよい。
（２）パネル基材２の隆起部２ｂの形状、大きさ、配置位置や設置個数等にあっても、使用目的、使用箇所や使用用途等に応じて適宜設定することができることは勿論である。
（３）車両の三次元形状を有するインストルメントパネル、ステアリングホイールや運転席と助手席の間のセンターコンソールなどの各種の内装品に装着することができる。
（４）タッチパネルスイッチ１は、車載機器を遠隔操作するための入力装置、携帯電話機やカメラなどの各種の携帯情報端末装置の入力デバイスとして効果的に用いることができることは勿論である。

以上の説明からも明らかなように、本発明のタッチパネルスイッチ１を上記各実施の形態、変形例、及び図示例に基づいて説明したが、本発明は上記各実施の形態、変形例、及び図示例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

本発明にあっては更に、上記各実施の形態、変形例、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが本発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１，２０…タッチパネルスイッチ、２…パネル基材、２ａ…平面部、２ｂ…隆起部、２ｃ…固定爪部、３…メイン電極、４…サブ電極、５…保護基材、６…電極フィルム、６ａ…凹部、６ｂ…凸部、７…フレキシブル配線基板、８…硬質配線基板、８ａ…固定孔、３０…操作者の指先

Claims (5)

1. 表面に操作面を有するパネル基材と、
   前記パネル基材の裏面に配置された第１の電極と、
   前記操作面に沿って形成された第２の電極と、
   を備えたことを特徴とするタッチパネルスイッチ。
2. 前記第２の電極の電極面積は、前記第１の電極の電極面積よりも小さく、かつ、前記操作面に接触した被検出物体の接触面積よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１記載のタッチパネルスイッチ。
3. 前記第２の電極は、前記操作面の上部又は下部に沿って形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のタッチパネルスイッチ。
4. 前記操作面に接触した被検出物体と前記第２の電極との間の距離は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離よりも小さく設定されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタッチパネルスイッチ。
5. 前記操作面は、隆起部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のタッチパネルスイッチ。

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