JP2015222457A

JP2015222457A - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP2015222457A
Application number: JP2012205876A
Authority: JP
Inventors: 由勝山▲崎▼; Yoshikatsu Yamazaki; 萩原　康嗣; Yasutsugu Hagiwara; 康嗣萩原
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2015-12-10
Also published as: WO2014045541A1

Abstract

【課題】被検出体の誤検出を防ぐと共に、製造コストを抑制し、歩留まりや生産性を向上可能な静電容量式センサを提供すること。
【解決手段】被検出体が近接することで静電容量の変化する複数の導電部（１１２ａ）と、複数の導電部を相互に絶縁する絶縁部（１１２ｂ）と、複数の導電部の静電容量の変化を検出する検出回路（１３）と複数の導電部とを接続する複数の引き回し用配線（１１４）と、引き回し用配線と重なるように設けられ、被検出体の近接による引き回し用配線の静電容量の変化を抑制する導電性のシールド部（１１２ｃ）と、を備え、導電部、絶縁部、及びシールド部は、単一の機能膜（１１２）により構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極の静電容量変化に基づいて被検出体の位置検出を行う静電容量式センサに関する。

電極の静電容量変化に基づいて、指先などの被検出体の近接位置を２次元的に検出する静電容量式センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この静電容量式センサは、Ｘ方向に配列されるＸ電極と、Ｘ電極と交差するＹ電極とを備えている。このＸ電極及びＹ電極に被検出体が近接すると、静電容量は変化するので、静電容量の変化したＸ電極とＹ電極との組を検出することで、被検出体の近接位置を特定できる。

特開２００５−３３７７７３号公報

上述の静電容量式センサにおいて、複数のＸ電極及びＹ電極は、引き回し用配線を通じて容量変化を検出するための検出用ＩＣなどに接続されている。この引き回し用配線に被検出体が近接すると、引き回し用配線の静電容量が変化し、被検出体の近接位置は誤検出される恐れがある。そこで、特許文献１の静電容量式センサでは、引き回し用配線の配置される領域に静電防護手段としてのシールド部材を設け、引き回し用配線の静電容量の変化を最小限に抑えている。

しかしながら、上述のようなシールド部材を設ける場合、製造工程が煩雑になり静電容量式センサの製造コストが増大してしまう。また、シールド部材によって段差が大きくなると、製造工程においてピーリングなどが生じ易くなり、静電容量式センサの歩留まりや生産性が低下してしまう恐れもある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被検出体の誤検出を防ぐと共に、製造コストを抑制し、歩留まりや生産性を向上可能な静電容量式センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、被検出体が近接することで静電容量の変化する複数の導電部と、前記複数の導電部を相互に絶縁する絶縁部と、前記複数の導電部の静電容量の変化を検出する検出回路と前記複数の導電部とを接続する複数の引き回し用配線と、前記引き回し用配線と重なるように設けられ、前記被検出体の近接による前記引き回し用配線の静電容量の変化を抑制する導電性のシールド部と、を備え、前記導電部、前記絶縁部、及び前記シールド部は、単一の機能膜で形成されたことを特徴とする。

この構成によれば、引き回し用配線と重なるように導電性のシールド部が形成されるので、引き回し用配線への被検出体の近接による誤検出を防止できる。また、導電部とシールド部とが同時に形成されるので、製造工程を簡略化して静電容量式センサの製造コストを抑制できる。また、導電部、絶縁部、及びシールド部を単一の機能膜で実現しているので、導電部、絶縁部、及びシールド部には段差が生じない。よって、製造工程でのピーリングを防止でき、静電容量式センサの歩留まりや生産性を向上可能である。また、センサをフレキブルな材料で構成した場合でも、変形に伴うピーリングを防止できる。

本発明の静電容量式センサにおいて、前記絶縁部は、導電性を有する前記機能膜の一部の領域の導電性を失わせることで形成されても良い。また、前記機能膜は、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）を含んでいても良い。この構成によれば、導電部、絶縁部、及びシールド部を、単一の機能膜により適切に形成できる。

本発明によれば、被検出体の誤検出を防ぐと共に、製造コストを抑制し、歩留まりや生産性を向上可能な静電容量式センサを提供できる。

本実施の形態に係る静電容量式センサの外形を示す模式図である。本実施の形態に係る静電容量式センサの電極構成を示す平面模式図である。本実施の形態に係る静電容量式センサの回路ブロック図である。本実施の形態に係る静電容量式センサの製造方法を示す図である。図４Ａ及び図４Ｂは、静電容量式センサの製造に用いられる基板を示し、図４Ｃ及び図４Ｄは、基板に機能膜が形成された様子を示し、図４Ｅ及び図４Ｆは、導電部、絶縁部、及びシールド部が形成された様子を示す。本実施の形態に係る静電容量式センサの製造方法を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂは、絶縁膜が形成された様子を示し、図５Ｃ及び図５Ｄは、引き回し用配線が形成された様子を示し、図５Ｅは、基板に加飾パターンが追加された様子を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの構成について説明する。なお、本実施の形態では説明の便宜上、簡略化された静電容量式センサについて説明するが、静電容量式センサに必要な構成は不足なく備えるものとする。また、各図においては、電極などの透明な構成を不透明に表現する場合がある。

図１は、本実施の形態に係る静電容量式センサの外形を示す模式図であり、図２は、本実施の形態に係る静電容量式センサの電極構成を示す平面模式図であり、図３は、本実施の形態に係る静電容量式センサの回路ブロック図である。図１に示すように、静電容量式センサ１は、センサ本体１１と、センサ本体１１の外周部に接続されたフレキシブルプリント基板１２とを有している。

図１及び図２に示すように、センサ本体１１は、センサ本体１１の外形を構成する基板１１１を備えている。基板１１１は、透光性を有する樹脂で形成されており、曲面形状に湾曲されている（図１）。基板１１１の片側主面（図１における基板１１１の裏側の表面）１１１ａには、静電容量式センサ１の検出用電極として機能する複数の導電部１１２ａがストライプ状に配列されている。

複数の導電部１１２ａは、いずれも平面形状が略長方形となるように形成されており、隣接する導電部１１２ａとの間隔が一定となるように互いに略平行に配列されている。各導電部１１２ａは、導電性を有し、絶縁部１１２ｂによって相互に絶縁されている。また、導電部１１２ａ及び絶縁部１１２ｂは透光性を有し、静電容量式センサ１と重ねて使用される表示デバイス（不図示）の表示を視認できるようになっている。この導電部１１２ａに指先などの被検出体（不図示）が近接すると、導電部１１２ａの静電容量は変化する。これを利用して、被検出体の近接位置を特定できる。

複数の導電部１１２ａの周辺の領域には、導電性を有するシールド部１１２ｃが形成されている。シールド部１１２ｃと重なる領域には、シールド部１１２ｃを覆う絶縁膜１１４が設けられており、絶縁膜１１４の表面には、複数の引き回し用配線１１５が形成されている。つまり、シールド部１１２ｃと引き回し用配線１１５とは重なるように設けられている。引き回し用配線１１５の一端部は、導電部１１２ａの両端部のいずれかと接続されており、引き回し用配線１１５の他端部は、フレキシブルプリント基板１２に設けられた配線（不図示）と接続されている。このシールド部１１２ｃには、被検出体の近接による引き回し用配線１１５の静電容量の変化を抑制する静電防護手段としての機能がある。

本実施の形態の静電容量式センサ１において、複数の導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃは、単一の機能膜１１２で構成されている。このように、静電容量式センサ１の電極となる複数の導電部１１２ａと、引き回し用配線１１５の静電容量の変化を抑制するシールド部１１２ｃと、複数の導電部１１２ａ及びシールド部１１２ｃを相互に絶縁する絶縁部１１２ｂとを単一の機能膜１１２で実現することにより、導電部１１２ａやシールド部１１２ｃのエッジ部分に段差が生じることはなくなる。このため、エッチングでパターン加工する場合のように、導電部１１２ａの透過率が大幅に低下することはなく、また、導電部１１２ａやシールド部１１２ｃのエッジ部分からのピーリングも防止できる。

機能膜１１２は、例えば、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）などの導電性を有する透明樹脂を用いて形成される。ＰＥＤＯＴは、過酸化処理されると絶縁化されるという特徴を有している。このため、ＰＥＤＯＴを含有する機能膜１１２を部分的に過酸化することで、エッチングなどの方法を用いることなく、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃを作り分けることができる。

上述のように、各導電部１１２ａの両端部は、引き回し用配線１１５を介してフレキシブルプリント基板１２に設けられた配線と接続されている。フレキシブルプリント基板１２には、導電部１１２ａの静電容量の変化を検出する検出用ＩＣ（検出回路）１３、及び検出用ＩＣ１３から出力される検出信号を処理するマイクロプロセッサ１４が搭載されている。

図３に示すように、導電部１１２ａの静電容量の変化は、検出用ＩＣ１３で電気信号として検出される。検出用ＩＣ１３の検出結果は、マイクロプロセッサ１４に入力されて信号処理される。マイクロプロセッサ１４で処理された信号は、後段の外部装置２に入力される。

この静電容量式センサ１のセンサ本体１１に、指先などの被検出体が近接すると、導電部１１２ａの静電容量は変化する。静電容量の変化は、導電部１１２ａの配列方向（導電部１１２ａの長手方向に垂直な方向）において、被検出体に最も近い導電部１１２ａで最大となる。このため、複数の導電部１１２ａの静電容量の変化を検出用ＩＣ１３で検出し、マイクロプロセッサ１４で比較することにより、導電部１１２ａの配列方向における被検出体の位置を特定できる。例えば、隣接する２本の導電部１１２ａの間に被検出体が位置付けられる場合には、隣接する２本の導電部１１２ａの静電容量の変化の比から被検出体の位置を特定できる。

一方、導電部１１２ａの長手方向における被検出体の位置は、導電部１１２ａの電気抵抗を利用して特定される。導電部１１２ａの両端部には、それぞれ、引き回し用配線１１５が接続されており、導電部１１２ａの静電容量は、両端部のいずれからも検出できるようになっている。導電部１１２ａは所定の電気抵抗を有しているので、導電部１１２ａの両端部でそれぞれ検出される検出量の比は、被検出体の位置に応じて変化する。このため、導電部１１２ａの両端部で検出される検出量の比に基づいて、被検出体の位置を特定できる。マイクロプロセッサ１４から出力される被検出体の位置情報を含む信号は、後段の外部装置２で任意に利用される。

なお、本実施の形態の静電容量式センサ１は、引き回し用配線１１５より基板１１１側に、引き回し用配線１１５と重なるシールド部１１２ｃを有している。このため、被検出体が基板１１１の表側（図１における基板１１１の表側、片側主面１１１ａと反対の主面側）から引き回し用配線１１５に近接されても、被検出体の影響はシールド部１１２ｃでシールドされて引き回し用配線１１５には及ばない。よって、被検出体の近接による引き回し用配線１１５の静電容量変化を抑制して、誤検出を防止できる。

図４及び図５を参照して、本実施の形態に係る静電容量式センサ１の製造方法を説明する。図４Ａは、静電容量式センサ１の製造に用いられる基板１１１を示す平面模式図であり、図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ矢視断面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施の形態に係る静電容量式センサの製造方法では、まず、センサ本体１１の外形を構成する基板１１１を用意する。基板１１１は、例えば、ＰＥＴ、アクリル、ポリカーボネートなどの透光性を有する樹脂によって形成されており、曲面形状に湾曲可能となっている。

この基板１１１の片側主面１１１ａに、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃとなる機能膜１１２を形成する。図４Ｃは、基板１１１に機能膜１１２が形成された様子を示す平面模式図であり、図４Ｄは、図４ＣのＩＶＤ−ＩＶＤ矢視断面図である。機能膜１１２は、例えば、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸）の水溶液を塗布することで形成される。このようにして形成されるＰＥＤＯＴを含有する機能膜１１２は、導電性と透光性とを併せ備えている。

ここで、機能膜１１２に含有されるＰＥＤＯＴは、下記式（１）で表される。

このＰＥＤＯＴを過酸化すると、下記式（２）のようなチオフェン環の開環反応が生じて絶縁化される。このため、ＰＥＤＯＴを含有する機能膜１１２を過酸化することにより、機能膜１１２を絶縁化できる。

図４Ｅは、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃが形成された様子を示す平面模式図であり、図４Ｆは、図４ＥのＩＶＦ−ＩＶＦ矢視断面図である。基板１１１の片側主面１１１ａに機能膜１１２が形成された後には、機能膜１１２の所望領域を、例えば、マスク配置により選択的に過酸化させ、複数の導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ及びシールド部１１２ｃを形成する。これにより、基板１１１は、複数の導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃを有する単一の機能層１１２が片側主面１１１ａに設けられた状態となる。

機能層１１２にシールド部１１２ｃを形成した後には、シールド部１１２ｃを覆う絶縁膜１１４を形成する。図５Ａは、絶縁膜１１４が形成された様子を示す平面模式図であり、図５Ｂは、図５ＡのＶＢ−ＶＢ矢視断面図である。絶縁膜１１４は、例えば、絶縁性の無機材料や有機材料を用いて形成された絶縁膜（不図示）を、エッチングなどの方法でパターン加工することにより形成される。この絶縁膜１１４で少なくともシールド部１１２ｃの表面は覆われるが、導電部１１２ａは露出された状態に維持される。

次に、導電部１１２ａと接続される引き回し用配線１１５を形成する。図５Ｃは、引き回し用配線１１５が形成された様子を示す平面模式図であり、図５Ｄは、図５ＣのＶＤ−ＶＤ矢視断面図である。引き回し用配線１１５は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、モリブデン、カーボンなどの材料を用いて、スクリーン印刷、蒸着などの方法で形成される。また、引き回し用配線１１５は、一端が導電部１１２ａと接触し、残りの大部分は絶縁膜１１４と重なるように形成される。つまり、引き回し用配線１１５の一部は、基板１１１の片側主面１１１ａに垂直な方向においてシールド部１１２ｃと重なる。

各導電部１１２ａには、導電部１１２ａの長手方向の両端部に対応して、それぞれ２本の引き回し用配線１１５が設けられる。各導電部１１２ａの両端部に接続される２本の引き回し用配線１１５は、複数の導電部１１２ａの長手方向の中心を結ぶ直線に対して略対称となるように形成される。つまり、２本の引き回し用配線１１５は、互いに略線対称となるように形成される。その結果、１本の導電部１１２ａに接続される２本の引き回し用配線１１５のインピーダンスは略等しくなり、１本の導電部１１２ａの両端部から同じ条件で静電容量を検出できる。なお、引き回し用配線１１５が非対称であっても、導電部１１２ａや引き回し用配線１１５の導電性に差を設けることで、静電容量を検出する際の非対称の影響を小さくできる。

その後、基板１１１の引き回し用配線１１５が形成された領域を加飾する。図５Ｅは、基板１１１に加飾パターン１１６が追加された様子を示す平面模式図である。この工程では、スクリーン印刷などの方法で基板１１１に加飾パターン１１６が形成される。加飾パターン１１６により、基板１１１に形成された引き回し用配線１１５は覆い隠される。以上により、基板１１１の表面の加工が終了する。

基板１１１の表面の加工が終了すると、次に、インサート成形などの方法で基板１１１の外形を変形させる。これにより、曲面状に湾曲された外形形状を有するセンサ本体１１が実現される（図１参照）。機能膜１１２や引き回し用配線１１５などの各構成は、基板１１１と共に湾曲される。

センサ本体１１の外形形状が形成された後には、ＨＣ塗工や外形加工など経て、センサ本体１１にフレキシブルプリント基板１２が接続される（図１参照）。以上の工程により、複数の導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃを有する単一の機能膜１１２を備えた静電容量式センサ１が製造される。

本実施の形態に係る静電容量式センサ１では、引き回し用配線１１５と重なるように導電性のシールド部１１２ｃが設けられているので、引き回し用配線１１５への被検出体の近接による誤検出を防止できる。また、導電部１１２ａとシールド部１１２ｃとが同時に形成されるので、製造工程を簡略化して静電容量式センサ１の製造コストを抑制できる。また、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃを単一の機能膜で実現しているので、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃには段差が生じない。よって、製造工程でのピーリングを防止でき、歩留まりや生産性を向上可能である。また、センサをフレキブルな材料で構成した場合でも、変形に伴うピーリングを防止できる。

また、本実施の形態に係る静電容量式センサ１において、絶縁部１１２ｂは、導電性を有する機能膜１１２の一部の領域の導電性を失わせることで形成されている。具体的には、機能膜１１２は、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）を含んでいる。このため、導電部１１２ａ、絶縁部１１２ｂ、及びシールド部１１２ｃを、単一の機能膜１１２により適切に形成できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、その効果が発揮される態様で適宜変更して実施できる。例えば、上記実施の形態においては、導電部がストライプ状に配列された静電容量式センサを示したが、導電部の構成は特に限定されない。例えば、絶縁膜を間に挟むように２層の機能膜を設け、各機能膜に形成される導電部の長手方向が交差するようにしても良い。

また、上記実施の形態においては、湾曲された外形形状を有する静電容量式センサを示しているが、静電容量式センサは平坦な外形を有していても良い。この場合、基板の外形を変形させる工程は不要となる。また、上記実施の形態においては、フレキシブルプリント基板に検出用ＩＣ及びマイクロプロセッサが搭載された静電容量式センサを示しているが、検出用ＩＣ及びマイクロプロセッサはセンサ本体に実装されても良いし、静電容量式センサの外部に設けられても良い。

本発明の静電容量式センサは、例えば、指先などの接触位置に基づいて各種入力を行う入力デバイスとして有用である。

１静電容量式センサ
２外部装置
１１センサ本体
１２フレキシブルプリント基板
１３検出用ＩＣ（検出回路）
１４マイクロプロセッサ
１１１基板
１１１ａ片側主面
１１２機能膜
１１２ａ導電部
１１２ｂ絶縁部
１１２ｃシールド部
１１４絶縁膜
１１５引き回し用配線
１１６加飾パターン

Claims

被検出体が近接することで静電容量の変化する複数の導電部と、
前記複数の導電部を相互に絶縁する絶縁部と、
前記複数の導電部の静電容量の変化を検出する検出回路と前記複数の導電部とを接続する複数の引き回し用配線と、
前記引き回し用配線と重なるように設けられ、前記被検出体の近接による前記引き回し用配線の静電容量の変化を抑制する導電性のシールド部と、を備え、
前記導電部、前記絶縁部、及び前記シールド部は、単一の機能膜で形成されたことを特徴とする静電容量式センサ。
前記絶縁部は、導電性を有する前記機能膜の一部の領域の導電性を失わせることで形成されたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
前記機能膜は、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）を含むことを特徴とする請求項２記載の静電容量式センサ。