JP2016091089A

JP2016091089A - タッチペン

Info

Publication number: JP2016091089A
Application number: JP2014221247A
Authority: JP
Inventors: 成伸峯; Shigenobu Mine; 中村　仁; Hitoshi Nakamura; 仁中村; 澤　幸儀; Yukinori Sawa; 澤　　幸儀
Original assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】タッチパネルへの接触面積が小さくても、タッチパネルが反応可能な静電容量の変化を生じさせることができ、且つ操作性と作業効率を向上することのできる静電容量式タッチパネル用のタッチペンを提供する。
【解決手段】静電容量方式のタッチパネルにペン先２を接触させて用いるタッチペン１であって、前記ペン先がエピハロヒドリン系ゴム中に所定の配合比でカーボンナノチューブを分散した導電性ゴム材料により形成され、その体積抵抗率が８．４Ω・ｃｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は静電容量式タッチパネル用のタッチペンに関し、特にペン先が接触したタッチパネルとの間にタッチパネルが反応可能な静電容量の変化を生じさせることのできるタッチペンに関する。

近年、急速に普及しているスマートフォンやタブレットＰＣ等の携帯型情報端末においては、マルチタッチ操作の可能な投影型の静電容量方式のタッチパネルが多く用いられている。
この投影型の静電容量方式のタッチパネルの構造について図６（分解図）を用いて簡単に説明する。図６に示す静電容量方式のタッチパネル５０は、例えば透明な絶縁フィルム５３の裏側に、Ｙ方向の座標検出を行うための複数の電極を有する酸化インジウム・スズ膜（以下、ＩＴＯ膜と称する）５１が形成され、表側にＸ方向の座標検出を行うための複数の電極を有するＩＴＯ膜５２が形成される。

前記ＩＴＯ膜５１は、Ｘ方向に連結されて相互に電気的に接続された複数の菱形の電極パッド５４（センサ電極）がＹ方向に複数行設けられており、前記ＩＴＯ膜５２は、Ｙ方向に連結されて相互に電気的に接続された複数の菱形の電極パッド５５（センサ電極）がＸ方向に複数列設けられている。各電極パッド５４，５５は、指示体（指やタッチペンなど）の接触位置を検出可能な静電容量（約１ｐＦ）の変化を発生させるに十分な面積を有しており、例えばその対角線の幅が６ｍｍ程度に形成されている。
前記ＩＴＯ膜５１，５２が形成された絶縁フィルム５３を平面視すると、図７のように各電極パッド５４，５５が所定の隙間を空けて面方向に配置された２次元格子状の構造をなしている。

このタッチパネル５０に対し、カバーガラス（図示せず）を介し、例えばタッチペンを接触させると、Ｘ方向に連結された電極パッド５４のうち、接触位置の電極パッド５４の静電容量が所定値以上に変化する。これによりＹ方向の座標位置が検出される。
また、Ｙ方向に連結された電極パッド５５のうち、接触位置の電極パッド５５の静電容量が所定値以上に変化する。これによりＸ方向の座標位置が検出される。

ところで、前記静電容量方式のタッチパネル５０は、前記のようにタッチペン等による接触箇所に所定以上の静電容量（約１ｐＦ）の変化を発生させなければ、その位置を検出することができない。このため従来から、静電容量方式のタッチパネルに対する入力操作は、電極パッド５４，５５の面積よりも大きい接触面積で接触可能な導電性のタッチペンにより行い、位置検出に必要な静電容量の変化を発生させるようにしている（従来は、接触面積が小さいと、位置検出に必要な静電容量の変化が生じなかった）。
尚、投影型静電容量方式のタッチパネルについての先行技術は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００８−３１０５５１号公報

しかしながら、電極パッド５４，５５の面積よりも大きい接触面積で接触可能なタッチペンを使用する場合、ペン先の直径（太さ）が大きくなるため、視認性が著しく低下し、作業効率が著しく低下するという課題があった。
また、従来広く用いられているシリコン導電ゴム製のペン先を有するタッチペンにおいても、ペン先をパネルに押圧する力で変形させ、反応に必要な接触面積を確保する必要があるため、操作時に大きな摩擦抵抗が生まれ、スムーズな操作性が損なわれるという課題があった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、タッチパネルへの接触面積が小さくても、タッチパネルが反応可能な静電容量の変化を生じさせることができ、且つ操作性と作業効率を向上することのできる静電容量式タッチパネル用のタッチペンを提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係るタッチペンは、静電容量方式のタッチパネルにペン先を接触させて用いるタッチペンであって、前記ペン先がエピハロヒドリン系ゴム中に所定の配合比でカーボンナノチューブを分散した導電性ゴム材料により形成され、その体積抵抗率が８．４Ω・ｃｍ以下であることに特徴を有する。尚、前記ペン先の硬度は５５°以下であることが望ましい。また、前記ペン先は、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを少なくとも４．８％分散した導電性ゴム材料により形成されていることが望ましい。
このようにタッチペンのゴム製のペン先に、カーボンナノチューブが分散されることにより体積抵抗率が低くなり導電性が高くなるため、細いペン先であってもパネル面に対し低荷重で良好な反応性を得ることができる。即ち、視認性と摺動性が向上し、作業効率や操作性を高めることができる。

また、前記ペン先に導電性を有する繊維が植毛されていることが望ましい。また、前記繊維の表面にＡｇメッキ処理が施されていることが望ましい。
このようにペン先に導電性繊維を設けることにより、ペン先とタッチパネルとの接触の際の荷重が小さくても、タッチパネルを反応させるために充分な静電容量の変化をより容易に生じさせることができる。

本発明によれば、タッチパネルへの接触面積が小さくても、タッチパネルが反応可能な静電容量の変化を生じさせることができ、且つ操作性と作業効率を向上することのできる静電容量式タッチパネル用のタッチペンを提供することができる。

図１は、本発明に係るタッチペンの断面図である。図２は、図１のタッチペンが備えるペン先を拡大して示した断面図である。図３は、本発明のタッチペンを使用可能なタッチパネル装置の模式的な断面図である。図４は、本発明のタッチペンを図３のタッチパネル装置の表面に接触させた状態を示す断面図である。図３は、本発明のタッチペンが備えるペン先の変形例を示す断面図である。図６は、従来のタッチパネルの構成を模式的に示す分解図である。図７は、図６のタッチパネルのセンサ電極を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明に係るタッチペンの断面図である。
図１のタッチペン１は、導電性ゴムにより形成されたペン先２と、ペン先２を保持するペン軸本体３とを備える。ペン軸本体３は、人体とペン先２とを電気的に結合するように、前記ペン先２と電気的に接続された導電性材料（例えばアルミニウム合金）により形成されている。或いは、前記ペン軸本体３の表面に、ペン使用者（人体）の手（指）が必ず接触する例えば金属製の導通部（図示せず）を、前記ペン先２と電気的に接続された状態で設けてもよい。
尚、図１においてペン軸本体３は軽量化のために内部が空洞の筒状とし、後端部にキャップ４を嵌めた状態としているが、それに限らず無垢棒からなるペン軸本体３としてもよい。

図２に前記ペン先２の断面図を拡大して示す。前記ペン先２は、接触するパネル表面での摺動性をよくするために先端部２ａが例えばドーム状（半球状）に形成されている。また、ペン先２は、前記のように導電性ゴム材料により形成されており、先端部２ａがパネル面に対して押圧されると、荷重の大きさに応じて接触面積が変化するようになっている。即ち、ペン先２をパネル面に強く押し付けるほど接触面積が大きくなるようになっている。

また、前記ペン先２は、従来の導電性ゴム製（例えば導電性シリコンゴム）のペン先よりも細い径で操作可能とするために、エピハロヒドリン系ゴムの中にカーボンナノチューブが所定の配合で分散されている。即ち、ペン先２の全体形状を形成するゴム材料の中に、（体積抵抗率を低くして）導電性を向上させるために導電材としてカーボンナノチューブが添加されている。
具体的には、ペン先２は、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを４．８％、加硫剤を０．９％、軟化剤を５．０％添加し、硬度を５４°以下、体積抵抗率を８．４Ω・ｃｍ以下としたものにより形成されている。

尚、添加するカーボンナノチューブとしては、炭素原子が網状に結合し、一層グラフェンシートが筒状になったシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、二層が筒状になったダブルウォールカーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴ）、より多層が筒状になったマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）のいずれを用いてもよい。

このような導電性ゴムにより形成されたペン先２の径寸法ｄ１は、ドーム状の先端部２ａがパネル表面に軽く押し付けられた際に、その接触面積が、タッチパネルの反応可能な静電容量の変化が生じる大きさとなるように形成されている。
具体的には、例えば、接触面の径が、後述する図３に示すタッチパネル本体１２の電極パッド１６，１７の対角線の幅よりも小さい５ｍｍ程度となるように、径ｄ１は６ｍｍ程度に形成されている。

また、前記タッチペン１は、図３に示すような一般的な構成のタッチパネル装置１０で使用することができる。図３は、タッチパネル装置１０の模式的な断面図である。タッチパネル装置１０は、液晶表示装置であるＬＣＤユニット１１の上にタッチパネル本体１２が設けられ、その上には、誘電体であるカバーガラス１３を介して、保護フィルム１４が設けられている。尚、保護フィルム１４を前記カバーガラス１３上に取り付けるために、保護フィルム１４は、例えば所定厚さ（例えば約５０μｍ）に形成されたポリエチレンテレフタレートのフィルムからなり、その最下層に少なくとも粘着層（図示せず）を有している。

前記タッチパネル本体１２は、例えば図６に示した構成と同様に、透明な絶縁フィルム１５（図６の絶縁フィルム５３に相当）の表裏面に、ＩＴＯ膜からなるセンサ電極が形成されている。具体的には、絶縁フィルム１５の表側に複数の電極パッド１６（図６の電極パッド５５に相当）が形成され、裏側に複数の電極パッド１７（図６の電極パッド５４に相当）が形成されている。各電極パッド１６，１７は、従来の図６，図７の構成と同様に菱形状に形成され、それにより、（図７の構成と同様に）２次元格子状のセンサ電極を構成している。また、各電極パッド１６，１７の対角線の幅は例えば６ｍｍに形成され、所定の静電容量（例えば約１ｐＦ）の変化により、その電極パッド１６，１７におけるタッチペン１のペン先の接触が検出可能となされている。

このように構成されたタッチペン１のペン先２を、図４に示すようにタッチパネル装置１０のパネル表面に軽く荷重Ｎ（例えばＮ＝５０ｇ）で接触した場合、荷重Ｎが小さいため、ペン先２の接触面は小さいもの（例えば電極パッド１６，１７の対角線の幅より小さい値、直径ｄ２＝５ｍｍ程度）となる。
タッチパネルが反応する静電容量の変化量を１ｐＦとした場合、導電性を有するゴムでは単位面積あたり０．０２６ｐＦ／ｍｍ^２の静電容量変化があれば良いが、体積抵抗率が８．４Ω・ｃｍ以下の高い導電性を有するペン先２では単位面積あたり０．０８０ｐＦ／ｍｍ^２の静電容量変化が得られるため、さらに細い先端径（φ４．０ｍｍ）でもタッチパネルは反応する。また、導電性が高いほど低い荷重で所望の静電容量変化が生じる。
そして、前記ペン先２の接触面を含む所定領域と電極パッド１６との間に生じた静電容量は、タッチペン１を介して人体に微弱な電流（例えば１０μＡ〜２０μＡ）として流れ、それによりタッチペン１のペン先２の接触位置のうち、例えば縦方向の座標位置（図６，図７のＹ方向の位置）が検出される。

また、前記ペン先２の接触位置を含む所定領域と電極パッド１６の場合と同様に、タッチペン１のペン先２の接触位置を含む所定領域と電極パッド１７との間（誘電体である保護フィルム１４、カバーガラス１３）にも、単位面積あたり所定の静電容量の変化（約０．４７〜５．９６ｐＦ／ｍｍ^２）が生じる。
そして、前記ペン先２の接触位置を含む所定領域と電極パッド１７との間に生じた静電容量は、タッチペン１を介して人体に微弱な電流（例えば１０μＡ〜２０μＡ）として流れ、それによりタッチペン１のペン先２の接触位置のうち、例えば横方向の座標位置（図６，図７のＸ方向の位置）が検出される。

以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、タッチペン１のゴム製のペン先２は、カーボンナノチューブが分散されることにより体積抵抗率が低くなり、導電性が高くなるため、細いペン先であってもパネル面に対し低荷重で良好な反応性を得ることができる。その結果、視認性と摺動性が向上し、作業効率や操作性を高めることができる。

尚、前記実施の形態にあっては、ゴム製のペン先２は、その先端部２ａが単にドーム状（半球状）に形成されているものとしたが、本発明にあっては、それに限定されるものではなく、他の形状であってもよい。例えば、先端部２ａがより平坦な形状であってもよい。

また、図５に示すようにドーム状のペン先２の先端部２ａに複数本の導電性繊維６（例えば太さ１．７Ｔ（デシテックス）、長さ０．８ｍｍ）を植毛してもよい。それによりペン先２とタッチパネルとの接触の際の荷重が小さくても、タッチパネルを反応させるために充分な静電容量の変化をより容易に生じさせることができる。

前記導電性繊維６としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、および金属粒子等で全体を形成したものを用いることができる。
或いは、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂などを基材とする繊維に導電性材料を被覆することによって繊維に導電性を持たせたものであってもよい。
その場合、前記導電性材料は、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリイソチアナフテン、ポリアニリンなどの導電性樹脂を分散又は可溶化させた樹脂溶液を前記基材の繊維に塗布後、固化又は加熱硬化させることにより得られる。また、これらの導電性材料を用いる際に、導電性を適宜調整するために、２，３，７，８−テトラシアノ−１，４，６，９−テトラアザナフタレン、ドデシルベンゼンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸などのドーパントを添加した導電性樹脂を使用することができる。

或いは、前記導電性材料の代わりに、基材の繊維の表面に金属メッキ層を設けてもよい。この金属メッキ層の金属としては、経済性、抗菌性等の点から銀（Ａｇ）が好ましいが、その他、金、銅、アルミニウム、亜鉛、白金、パラジウム、ニッケル、イリジウム、ロジウム、コバルト、オスミウム、ルテニウム、鉄等を用いてもよい。

また、前記実施の形態においては、タッチペン１でタッチ操作する対象の表面にポリエチレンテレフタレートからなる保護フィルム１４を用いるものとしたが、それに限らず、保護フィルムとして機能する導電性フィルムをタッチ操作の対象面に用いてもよい。
そのようにすれば、ペン先２が接触した際の静電容量の変化がより大きくなるため、ペン先２の幅をより細くしてもタッチパネルを反応させることができる。

また、前記実施の形態においては、投影型静電容量方式のタッチパネルを例に説明したが、本発明に係るタッチペンは、それに限らず、ペン先の接触による微弱電流の変化を捉えて位置検出を行う静電容量方式のタッチパネルであれば適用することができる。

本発明について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、以下の実験１〜３を行うことにより、本発明の構成要件を特定すると共に、その有効性を確認した。

［実験１］
実験１では、タッチパネル装置としてアップル社製ｉＰｈｏｎｅ５ｓを用い、タッチペンのペン先（厚み２ｍｍ）の接触面の大きさ（直径）を条件にして、その反応荷重（タッチパネルが反応可能な荷重）を測定した。
ペン先の材質は、実施例１として、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを４．８％、加硫剤を０．９％、軟化剤を５．０％添加し、硬度を５４°、体積抵抗率を８．４Ω・ｃｍとしたものを用いた（ＣＮＴ＋ＥＰ系ゴムＡと呼ぶ）。

また、実施例２として、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを９．１％、加硫剤を０．９％、軟化剤を１０．０％添加し、硬度を５５°、体積抵抗率を０．４３Ω・ｃｍとしたものを用いた（ＣＮＴ＋ＥＰ系ゴムＢと呼ぶ）。

また、比較例１として、体積抵抗率を２．３×１０^６Ω・ｃｍとした導電性シリコンゴム製のペン先を用いた（導電性シリコンゴムＡと呼ぶ）。
比較例２として、体積抵抗率を１６０Ω・ｃｍとした導電性シリコンゴム製のペン先を用いた（導電性シリコンゴムＢと呼ぶ）。
比較例３として、体積抵抗率を２０Ω・ｃｍとした導電性シリコンゴム製のペン先を用いた（導電性シリコンゴムＣと呼ぶ）。

また、比較例４として、体積抵抗率を５．４Ω・ｃｍとした導電性シリコンゴム製のペン先を用いた（導電性シリコンゴムＤ）。
尚、タッチパネルとして、パネル最上層にあるガラス板の上に、保護層として厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを貼ったものを使用した。
表１に実験１の結果を示す。尚、表１において、×は反応なしの状態を示す。

実験１の結果、表１に示すように、実施例１、２のＣＮＴ＋ＥＰ系ゴム製のペン先によれば、直径４．０ｍｍの接触面積であってもタッチパネルは反応した。ここで、表２は、前記先端接触面の径（ｍｍ）に対応する面積（ｍｍ^２）と、１ｐＦでタッチパネルが反応するとしたときの単位面積当たりの静電容量の関係を示す表である。即ち、表１、表２から、体積抵抗率が８．４Ω・ｃｍ以下の導電性が高いペン先においては、単位面積あたり０．０８０ｐＦ／ｍｍ^２の静電容量が生じることが確認できる。

［実験２］
実験２では、タッチパネルとして、ガラスプレートの上に保護層として、表面抵抗率が１０^６〜１０^８Ω／ｓｑの導電フィルムを貼付したものを使用した。
また、実施例３としてＣＮＴ＋ＥＰ系ゴムＡ製のペン先（実施例１と同一）を用い、実施例４としてＣＮＴ＋ＥＰ系ゴムＢ製のペン先（実施例２と同一）を用いた。
また、比較例５として導電性シリコンゴムＡ製のペン先（比較例１と同一）を用い、比較例６として導電性シリコンゴムＢ製のペン先（比較例２と同一）を用い、比較例７として導電性シリコンゴムＣ製のペン先（比較例３と同一）を用い、比較例８として導電性シリコンゴムＤ製のペン先（比較例４と同一）を用いた。その他の条件は実験１と同じである。表３に実験２の結果を示す。尚、表３において、×は反応なしを示す。

実験２の結果、表３に示すようにタッチパネル表面が導電フィルムであることにより、実験１の場合よりもさらに接触面積が小さくても低荷重でパネルを反応させることができることを確認した。
特に、実施例３、４では、接触面積が直径２．５ｍｍであっても２５ｇ以下の低荷重でパネルを反応させることができた。これは、パネル表面がガラス板やＰＥＴフィルムの場合と比べ、導電性フィルムに貯まる静電気量が大きくなるためと考えられた。

［実験３］
実験３では、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを４．８％、加硫剤を０．９％、軟化剤を５．０％添加し、硬度を５４°、体積抵抗率を８．４Ω・ｃｍとしたペン先にＡｇメッキを施した繊維を植毛したタッチペンを用い、タッチパネルが反応可能な荷重を求めた。植毛繊維の太さは１．７Ｔ（デシテックス）、長さは０．８ｍｍとした。尚、タッチパネルとしてパネル最上層にあるガラス板の上に、保護層として厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを貼ったものを使用した。表４に実験３の結果を示す。

実験３の結果、表４に示すように接触面の直径が５．０ｍｍの場合であっても荷重１０ｇで反応することを確認した。これは、Ａｇメッキを施した植毛によって、ペン先を押し付けなくてもペン先とフィルム間に充分な静電容量の変化が生じるためと考えられた。

以上の実施例の結果から、本発明に係るタッチペンによれば、ペン先が従来の導電性シリコンゴム製などのものに比べ導電性が高いため、タッチ面における静電容量の変化が大きくなり、ペン先の接触面の径が細い場合も低荷重で反応させることができることを確認することができた。

１タッチペン
２ペン先
２ａ先端部
３ペン軸本体
６繊維
１０タッチパネル装置
１１ＬＣＤユニット
１２タッチパネル本体

Claims

静電容量方式のタッチパネルにペン先を接触させて用いるタッチペンであって、
前記ペン先がエピハロヒドリン系ゴム中に所定の配合比でカーボンナノチューブを分散した導電性ゴム材料により形成され、
その体積抵抗率が８．４Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするタッチペン。
前記ペン先の硬度は５５°以下であることを特徴とする請求項１に記載されたタッチペン。
前記ペン先は、エピハロヒドリン系ゴムに対し、重量比としてカーボンナノチューブを少なくとも４．８％分散した導電性ゴム材料により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたタッチペン。
前記ペン先に導電性を有する繊維が植毛されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたタッチペン。
前記繊維の表面にＡｇメッキ処理が施されていることを特徴とする請求項４に記載されたタッチペン。