JP2017215867A - 入力素子及び入力装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境条件の制約を緩和してスマートフォン等の電子機器の使用性の向上に寄与する入力素子を提供する。【解決手段】入力素子1Aは、互いに対向する第1の電極2及び第2の電極3と、第1及び第2の電極間に配置され、シロキサンを含有するゴムまたはゴム組成物で形成された中間層4と、中間層4と第2の電極3との間に配置された耐熱層19とを有している。耐熱層19は熱硬化性材料または熱可塑性材料で形成され、接着層としての機能を有している。耐熱層19は中間層4と熱特性が同一又は同等の材料で形成されている。【選択図】図7

Description

本発明は、入力素子及び入力装置に関する。
パーソナルコンピュータやタブレット型表示装置、スマートフォン等の電子機器に入力する入力素子として、指やペン等によるタッチ(接触)で位置検出を行う入力素子が知られている。
例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やフッ化ビニリデン/テトラフルオロエチレン共重合体(PVDF−TFE)などの圧電体を一対の導電層で挟み、押圧箇所から発生した電流や電圧を検知して位置と圧力とを検知する技術が提案されている(例えば特許文献1、特許文献2)。
スマートフォン等の電子機器は一般的に熱に弱い。例えば、炎天下で放置された車中のダッシュボードは80℃程度の高温になる場合がある。スマートフォンをこのような条件下のダッシュボード上に忘れた場合、熱的ダメージを受けて機能が損なわれる懸念がある。
PVDFやPVDF−TFEなどの圧電素子を用いた入力素子は、高温に曝された場合、圧電性が著しく低下してしまう。そのため、環境条件に対する十分な注意が必要であった。
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、環境条件の制約を緩和してスマートフォン等の電子機器の使用性の向上に寄与する入力素子の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の入力素子は、互いに対向する第1及び第2の電極と、第1及び第2の電極間に配置され、シロキサンを含有するゴムまたはゴム組成物で形成された中間層と、第1及び第2の電極の少なくとも一方と前記中間層との間、あるいは第1及び第2の電極の少なくとも一方の前記中間層と反対側に配置される耐熱層と、を備えている。
本発明によれば、環境条件の制約を緩和してスマートフォン等の電子機器の使用性の向上に寄与する入力素子を提供できる。
本発明を適用可能な入力素子の基本構成の一例を示す模式断面図である。 表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層(シリコーンゴム)のXPS測定結果を示す特性図である。 図2で測定した中間層のSi2p結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 未処理の中間層(シリコーンゴム)のXPS測定結果を示す特性図である。 図4で測定した中間層のSi2p結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層を有する上記基本構成に係る入力素子の特性を説明するための模式断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る入力素子の一例を示す模式断面図である。 第1の実施形態に係る入力素子の変形例を示す模式断面図である。 第1の実施形態に係る入力素子の他の変形例を示す模式断面図である。 第2の実施形態に係る入力装置の一例を示す模式断面図である。 第2の実施形態に係る入力装置の分解斜視図である。 第2の実施形態に係る入力装置の制御構成の一例を示す図である。 第2の実施形態に係る入力装置の変形例の分解斜視図である。 図13で示した変形例の制御構成の一例を示す図である。 本発明の表示素子の一例を示す模式断面図である。 本発明の入力装置の他の構成(入力素子外付けタイプのタッチパネル)の一例を示す模式断面図である。 本発明の入力素子の他の構成(入力素子内蔵タイプのタッチパネル)の一例を示す模式断面図である。 本発明の入力装置の他の構成(タッチパッド)の一例を示す模式断面図である。 検出感度評価用の入力素子の構成を示す断面図である。 入力素子の検出感度の評価構成を示すブロック図である。 信号出力開始時間の比較実験における実験データのグラフである。 図21における信号出力開始部位の拡大図である。 比較例の入力素子の構成を示す模式断面図である。
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図1乃至図6に基づいて本発明を適用可能な入力素子の基本構成及び特性について説明する。
『概要』
図1は、本発明を適用可能な入力素子の基本構成を示す模式断面図である。入力素子1は、互いに対向する第1の電極2及び第2の電極3と、第1及び第2の電極間に配置され、シロキサンを含有するゴムまたはゴム組成物で形成された中間層4とを有している。
『詳細』
[第1の電極、及び第2の電極]
第1の電極、及び第2の電極としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、中でも、タッチに伴って変形できるものが好ましい。
第1の電極、及び第2の電極の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物、導電性高分子、酸化物などが挙げられる。
金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。炭素系導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、ポリピロール、ポリアニリンなどが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム・酸化亜鉛(IZO)、酸化亜鉛などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー(CF)、カーボンナノファイバー(CNF)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェンなど)、金属フィラー(金、銀、白金、銅、アルミニウム、ニッケルなど)、導電性高分子材料(ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど)、イオン液体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、フロロシリコーンゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
素子に透明性が要求される場合は、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム・酸化亜鉛(IZO)、酸化亜鉛、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)などの透明電極を選択することが好ましい。
第1の電極の材質、及び第2の電極の材質は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第1の電極のパターン、及び第2の電極のパターンは、一様であってもよいし、分割されていてもよい。電極が分割されている場合は、線状パターン、格子状パターン、ダイヤモンド状パターンなどを複数配置することが好ましい(特許文献3の図7〜9参照)。
電極配置としては、面内一方向に沿って延びる線状のパターンが複数配列しており、第1の電極パターン方向は、第2の電極パターンの方向とは非平行になっている状態が好ましい。特にこれらが直交するのがより好ましい。
線状パターンの幅は、実用上の現実性から、0.5mm〜20mmが好ましく、1mm〜10mmがより好ましい。前記幅が1mmより狭いと、ペン先のような細い物での入力においても複数の電極が反応することになり不必要な信号処理を増やしてしまい非効率である。
一方、10mmを越えると、指先のタッチや移動による入力に対する滑らかな追従が難しく、入力の位置精度が低下する。
第1の電極、及び第2の電極の形成方法としては、蒸着、スパッタ、メッキ、箔の張り合わせ、スクリーン印刷、ブレード塗布などが適用可能である。
第1及び第2の電極の平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性及び変形追従性の点から、0.01μm〜200μmが好ましく、0.1μm〜50μmがより好ましい。前記平均厚みが、0.01μm以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、前記平均厚みが、200μm以下であると、素子が変形可能であり、押圧操作した位置情報及び/又は押圧情報を高感度で高精度に検出できる。
[中間層]
中間層は、可撓性を有することが好ましい。
中間層においては、以下の条件(1)及び条件(2)の少なくともいずれかを満たすことが好ましい。
条件(1):中間層の面に対して直交する方向から中間層が加圧された際に、中間層における第1の電極側(一方側)の変形量と、中間層における第2の電極側(他方側)の変形量とが、異なる。
条件(2):中間層の第1の電極側における10μm押し込み時のユニバーサル硬度(H1)と、中間層の第2の電極側における10μm押し込み時のユニバーサル硬度(H2)とが、異なる。
中間層においては、以上のように、両面での変形量、又は硬度が異なることにより、大きな電気信号を得ることができる。ここで、電気信号とは、電圧、電流を意味する。
本発明において、変形量とは、以下の条件で中間層を押し付けた際の、圧子の最大押し込み深さである。
{測定条件}
測定機:フィッシャー社製、超微小硬度計WIN−HUD
圧子:対面角度136°の四角錐ダイヤモンド圧子
初期荷重:0.02mN
最大荷重:1mN
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間:10秒間
ユニバーサル硬度は、以下の方法により求められる。
{測定条件}
測定機:フィッシャー社製、超微小硬度計WIN−HUD
圧子:対面角度136°の四角錐ダイヤモンド圧子
押し込み深さ:10μm
初期荷重:0.02mN
最大荷重:100mN
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間:50秒間
ユニバーサル硬度(H1)と、ユニバーサル硬度(H2)との比(H1/H2)としては、1.01以上が好ましく、1.07以上がより好ましく、1.13以上が特に好ましい。比(H1/H2)の上限値としては、特に制限はなく、例えば、使用状態において要求される可撓性の程度、使用状態における負荷等により適宜選択されるが、1.70以下が好ましい。ここで、H1は、相対的に硬い面のユニバーサル硬度であり、H2は、相対的に柔らかい面のユニバーサル硬度である。
中間層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゴム、ゴム組成物などが挙げられる。ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、フロロシリコーンゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、シリコーンゴムは大きな電気信号を得られるため好ましい。また、高温に曝された場合でも検出感度が低下しにくいため好ましい。
前記シリコーンゴムとしては、シロキサン結合を有するゴムであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記シリコーンゴムとしては、例えば、ジメチルシリコーンゴム、メチルフェニルシリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、変性シリコーンゴム(例えば、アクリル変性、アルキッド変性、エステル変性、エポキシ変性)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ゴム組成物としては、例えば、フィラーと前記ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。これらの中でも、前記シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物は大きな電気信号を得られるため好ましい。また、高温に曝された場合でも検出感度が低下しにくいため好ましい。
前記フィラーとしては、例えば、有機フィラー、無機フィラー、有機無機複合フィラーなどが挙げられる。前記有機フィラーとしては、有機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記有機フィラーとしては、例えば、アクリル微粒子、ポリスチレン微粒子、メラミン微粒子、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂微粒子、シリコーンパウダー(シリコーンレジンパウダー、シリコーンゴムパウダー、シリコーン複合パウダー)、ゴム粉末、木粉、パルプ、デンプンなどが挙げられる。前記無機フィラーとしては、無機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記無機フィラーとしては、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、窒化物、炭素類、金属、又はその他の化合物などが挙げられる。
前記酸化物としては、例えば、シリカ、珪藻土、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記水酸化物としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、ハイドロタルサイトなどが挙げられる。
前記硫酸塩としては、例えば、硫酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。
前記ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸カルシウム(ウォラストナイト、ゾノトライト)、ケイ酸ジルコン、カオリン、タルク、マイカ、ゼオライト、パーライト、ベントナイト、モンモロナイト、セリサイト、活性白土、ガラス、中空ガラスビーズなどが挙げられる。
前記窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが挙げられる。
前記炭素類としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン(誘導体を含む)、グラフェンなどが挙げられる。
前記金属としては、例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。
前記その他の化合物としては、例えば、チタン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、炭化ケイ素、硫化モリブテン、などが挙げられる。なお、前記無機フィラーは、表面処理をしていてもよい。
前記有機無機複合フィラーとしては、有機化合物と無機化合物とを分子レベルで組み合わせた化合物であれば特に制限されずに用いることができる。
前記有機無機複合フィラーとしては、例えば、シリカ・アクリル複合微粒子、シルセスキオキサンなどが挙げられる。
前記フィラーの平均粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.01μm〜30μmが好ましく、0.1μm〜10μmがより好ましい。前記平均粒径が、0.01μm以上であると、電気信号が大きくなることがある。また、前記平均粒径が、30μm以下であると、中間層が変形可能であり、押圧操作した位置情報及び/又は押圧情報を高感度で高精度に検出できる。
前記平均粒径は、公知の粒度分布測定装置、例えば、マイクロトラックHRA(日機装株式会社製)などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
前記フィラーの含有量は、ゴム100質量部に対して、0.1質量部〜100質量部が好ましく、1質量部〜50質量部がより好ましい。前記含有量が、0.1質量部以上であると、電気信号が大きくなることがある。また、前記含有量が、100質量部以下であると、中間層が変形可能であり、押圧操作した位置情報及び/又は押圧情報を高感度で高精度に検出できる。
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば添加剤などが挙げられる。前記その他の成分の含有量は、本発明の目的を損なわない程度で適宜選定することができる。
前記添加剤としては、例えば、架橋剤、反応制御剤、充填剤、補強材、老化防止剤、導電性制御剤、着色剤、可塑剤、加工助剤、難燃剤、紫外線吸収剤、粘着付与剤、チクソ性付与剤などが挙げられる。
前記中間層を構成する材料の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の調製方法としては、前記ゴム及び前記フィラー、更に必要に応じて前記その他の成分を混合し、混錬分散することにより調製することができる。
前記中間層の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の薄膜の形成方法としては、前記ゴム組成物を、基材上にブレード塗装、ダイ塗装、ディップ塗装などで塗布し、その後、熱や電子線などで硬化する方法が挙げられる。
中間層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、1μm〜500μmが好ましく、20μm〜200μmがより好ましい。平均厚みが、好ましい範囲内であると、成膜性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、押圧操作した位置情報及び/又は押圧情報を高感度で高精度に検出できる。
中間層は、絶縁性であることが好ましい。絶縁性としては、10Ωcm以上の体積抵抗率を持つことが好ましく、1010Ωcm以上の体積抵抗率を持つことがより好ましい。中間層は、複層構造であってもよい。
(表面改質処理、及び不活性化処理)
中間層において、両面での変形量、又は硬度を異ならせる方法としては、例えば、表面改質処理、不活性化処理などが挙げられる。これらの処理は、両方を行ってもよいし、片方のみを行ってもよい。
<表面改質処理>
表面改質処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン処理、放射線(X線、α線、β線、γ線、中性子線)照射処理などが挙げられる。これらの処理の中でも、処理スピードの点から、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理が好ましいが、ある程度の照射エネルギーを有し、材料を改質しうるものであれば、これらに限定されない。
《プラズマ処理》
プラズマ処理の場合、プラズマ発生装置としては、例えば、平行平板型、容量結合型、誘導結合型のほか、大気圧プラズマ装置でも可能である。耐久性の観点から、減圧プラズマ処理が好ましい。
プラズマ処理における反応圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.05Pa〜100Paが好ましく、1Pa〜20Paがより好ましい。
プラズマ処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性ガス、希ガス、酸素などのガスが有効であるが、効果の持続性においてアルゴンが好ましい。
その際、酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
プラズマ処理における照射電力量は、(出力×照射時間)により規定される。前記照射電力量としては、5Wh〜200Whが好ましく、10Wh〜50Whがより好ましい。照射電力量が、好ましい範囲内であると、中間層に電気信号を発生させる機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
《コロナ放電処理》
コロナ放電処理における印加エネルギー(積算エネルギー)としては、6J/cm〜300J/cmが好ましく、12J/cm〜60J/cmがより好ましい。印加エネルギーが、好ましい範囲内であると、中間層に電気信号を発生させる機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
《電子線照射処理》
電子線照射処理における照射量としては、1kGy以上が好ましく、300kGy〜10MGyがより好ましい。照射量が、好ましい範囲内であると、中間層に電気信号を発生させる機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
電子線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
《紫外線照射処理》
紫外線照射処理における紫外線としては、波長365nm以下で200nm以上が好ましく、波長320nm以下で240nm以上がより好ましい。
紫外線照射処理における積算光量としては、5J/cm〜500J/cmが好ましく、50J/cm〜400J/cmがより好ましい。積算光量が、好ましい範囲内であると、中間層に電気信号を発生させる機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
紫外線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
従来技術として、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などにより励起又は酸化させることで活性基を形成し、層間接着力を高めることが提案されている。しかし、その技術は、層間への適用に限定され、最表面への適用はむしろ離型性を低下させるため好ましくないことがわかっている。また、反応を酸素リッチな状態下で行い、効果的に反応活性基(水酸基)を導入している。そのため、そのような従来技術は、本発明の前記表面改質処理とは本質が異なる。
本発明の前記表面改質処理は、酸素が少なく減圧された反応環境による処理(例えば、プラズマ処理)のため、表面の再架橋及び結合を促し、例えば、「結合エネルギーの高いSi−O結合の増加」に起因して耐久性が向上する。
さらに加えて「架橋密度向上による緻密化」に起因して離型性が向上すると考えられる。なお、本発明においても一部活性基は形成されてしまうが、後述するカップリング剤や風乾処理にて、活性基を不活性化させている。
<不活性化処理>
中間層の表面は、各種材料を用いて、適宜不活性化処理が施されてもよい。
不活性化処理としては、中間層の表面を不活性化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性化剤を前記中間層の表面に付与する処理が挙げられる。不活性化とは、中間層の表面を、化学反応を起こしにくい性質に変化させることを意味する。この変化は、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などによる励起又は酸化によって発生した活性基(例えば、−OHなど)を不活性化剤と反応させて、中間層の表面の活性度を下げることで得られる。
不活性化剤としては、例えば、非晶質樹脂、カップリング剤などが挙げられる。非晶質樹脂としては、例えば、主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂などが挙げられる。
カップリング剤としては、例えば、金属アルコキシド、金属アルコキシドを含む溶液などが挙げられる。
金属アルコキシドとしては、例えば、下記一般式(1)で表される化合物や、重合度2〜10程度のそれらの部分加水分解重縮合物又はそれらの混合物などが挙げられる。
(4−n)Si(OR・・・一般式(1)
ただし、一般式(1)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数1〜10の直鎖状又は分枝状のアルキル基、アルキルポリエーテル鎖、及びアリール基のいずれかを表す。nは、2〜4の整数を表す。
不活性化処理は、例えば、ゴムなどの中間層前駆体に前記表面改質処理を行った後に、中間層前駆体の表面に不活性化剤を塗布又はディッピング等により含浸させることによって行うことができる。
中間層前駆体としてシリコーンゴムを用いた場合は、前記表面改質処理を行った後に、空気中に静置して風乾することにより、失活させてもよい。
中間層の厚み方向における酸素濃度のプロファイルは、極大値を有することが好ましい。中間層の厚み方向における炭素濃度のプロファイルは、極小値を有することが好ましい。
中間層において、酸素濃度のプロファイルが極大値を示す位置と、炭素濃度のプロファイルが極小値を示す位置とは、一致することがより好ましい。
酸素濃度のプロファイル、及び炭素濃度のプロファイルは、X線光電子分光分析法(XPS)によって求めることができる。
測定方法は、例えば、以下の方法が挙げられる。
{測定方法}
測定装置:Ulvac−PHI QuanteraSXM、アルバック・ファイ株式会社製
測定光源:Al(mono)
測定出力:100μmφ、25.1W
測定領域:500μm×300μm
パスエネルギー:55eV(narrow scan)
エネルギーstep:0.1eV(narrow scan)
相対感度係数:PHIの相対感度係数を使用
スパッタ源:C60クラスターイオン
Ion Gun 出力:10 kV、10 nA
Raster Control:(X=0.5,Y=2.0)mm
スパッタレート:0.9nm/min(SiO換算)
XPSでは、光電子効果により飛び出す電子を捕捉することにより、測定対象物中の原子の存在濃度比や結合状態を知ることができる。
シリコーンゴムは、シロキサン結合を有し、主成分がSi、O、及びCである。そのため、中間層において、その材質としてシリコーンゴムを用いた場合、XPSのワイドスキャンスペクトルを測定し、各元素の相対ピーク強度比から、表層から内部に存在する各原子の深さ方向の存在濃度比を求めることができる。その一例を図2に示す。ここで、各原子はSi、O、及びCであり、存在濃度比は(atomic%)である。
図2は、シリコーンゴムを用い、更に前記表面改質処理(プラズマ処理)及び前記不活性処理を行って得られた中間層のサンプルである。図2において、横軸は表面から内部方向への分析深さであり、縦軸は存在濃度比である。
更に、シリコーンゴムの場合、Siの2p軌道の電子が飛び出すエネルギーを測定することにより、ケイ素に結合している元素及び結合状態を知ることができる。そこで、Siの結合状態を示すSi2p軌道におけるナロースキャンスペクトルからピーク分離を行い、化学結合状態を求めた。
その結果を図3示す。図3の測定対象は、図2の測定に用いたサンプルである。図3において、横軸は結合エネルギーであり、縦軸は強度比である。また、下から上に向かっては深さ方向での測定スペクトルを示している。
一般に、ピークシフトの量は結合状態に依存することが知られており、本件に関するシリコーンゴムの場合、Si2p軌道において高エネルギー側にピークがシフトするということは、Siに結合している酸素の数が増えていることを示す。
これによれば、シリコーンゴムにおいて、表面改質処理及び不活性化処理を行うと、表層から内部に向かって酸素が多くなり極大値を持ち、また炭素が減少し極小値を持つ。さらに深さ方向に分析をすすめると酸素が減少して炭素が増加し、ほぼ未処理のシリコーンゴムと同等の原子存在濃度となる。
さらに図2のαの位置で検出された酸素の極大値は、Si2p結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトすることと一致(図3のαの位置)しており、酸素増加がSiに結合した酸素の数に起因することが示されている。
未処理のシリコーンゴムについて同様の分析をした結果を、図4及び図5に示す。
図4には、図2にみられたような酸素濃度の極大値、及び炭素濃度の極小値は見られない。更に、図5より、Si2p結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトする様子もみられないことから、Siに結合した酸素の数も変化していないことが確認された。
以上のように、カップリング剤等の不活性化剤を中間層の表面に塗布又はディッピングして浸透させることにより、不活性化剤が中間層に染み込んでいく。カップリング剤が、一般式(1)で表される化合物などの場合、中間層においては、シロキサンが濃度分布をもって存在するようになり、この分布はシロキサンに含まれる酸素原子が深さ方向に極大値を有するような分布となる。
結果として、中間層は、3つ〜4つの酸素原子と結合したケイ素原子を有するシロキサンを含有することとなる。
なお、不活性化処理の方法としては、ディッピング工法に限らない。例えば、シロキサンに含まれる酸素原子が、中間層の深さ方向(厚み方向)に極大値を有するような分布を実現できればよく、プラズマCVD、PVD、スパッタリング、真空蒸着、燃焼化学気相蒸着などの方法でもよい。
中間層は、静置状態において初期表面電位を持つ必要はない。なお、静置状態における初期表面電位は、以下の測定条件で測定できる。ここで、初期表面電位を持たないとは、下記測定条件で測定した際に、±10V以下を意味する。
{測定条件}
前処理:温度30℃相対湿度40%雰囲気に24h静置後、除電を60sec(Keyence製のSJ−F300を使用)
装置:Treck Model344
測定プローブ:6000B−7C
測定距離:2mm
測定スポット径:直径10mm
本発明の素子においては、摩擦帯電に似たメカニズムでの帯電と、内部電荷留保による表面電位差の発生とが、中間層の両面の硬度差に基づく変形量の差に起因して静電容量の偏りを生み出すことにより、電荷が移動して電気信号が発生すると推測される。
素子は、中間層と、第1及び第2の電極の少なくとも一方は、互いに接着されていないことが好ましい。更には、中間層と、第1の電極及び第2の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有することが好ましい。そうすることにより、摩擦ないし剥離帯電の機会が増え、電気信号を大きくすることができる。
前記空間を設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、中間層と、第1の電極及び第2の電極の少なくともいずれかとの間にスペーサを配置する方法などが挙げられる。
前記スペーサとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記スペーサの材質としては、例えば、高分子材料、無機材料、有機無機複合材料、ゴム、金属、導電性高分子材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、フロロシリコーンゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
前記無機材料としては、シリカ、酸化亜鉛、酸化チタン、水酸化アルミニウム等が挙げられる。前記高分子材料と無機材料との複合材料を用いても良い。
前記金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。前記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどが挙げられる。前記導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーとゴムとを含有する組成物などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェンなど)、金属(例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなど、導電性高分子材料(例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど)、イオン液体などが挙げられる。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、変性シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、フロロシリコーンゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
前記スペーサの形態としては、例えばシート、フィルム、メッシュ、ドットなどが挙げられる。ドットの形状は例えば、球状、円柱状、角柱状などを用いる事ができる。前記スペーサの形状、大きさ、設置場所などは、素子の構造に応じて選択する。初期状態では中間層、と第一の電極と第二の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有し、押圧が加わったときに中間層が撓むあるいはスペーサが中間層にめり込むことによって電極と中間層が局所的に接触する状態を実現できるような、形状、大きさ、設置場所などを設定する。
図6に示すように、第1の電極をa、中間層をb、第2の電極をcと表示すると、中間層bの第1の電極a側に上記表面改質処理又は不活性化処理を行った場合、中間層bの第1の電極a側が第2の電極c側よりも硬くなる。従って、ユニバーサル硬度についてH1>H2となる。
これにより、同じ変形付与力である加圧力Fが第1の電極a側と第2の電極c側に作用した場合、中間層bの第1の電極a側の変形の度合いが、第2の電極c側よりも小さくなる。
図7に本発明の第1の実施形態を示す。図1で示した基本構成と同一部分は同一符号で示す。
図7に示すように、本実施形態に係る入力素子1Aは、中間層4と第2の電極3との間に耐熱層19を有している。中間層4は前記濃度プロファイルを第1の電極2側(一方側)のみに有し、他方側とこれに対向する第2の電極3との間が接着層としての機能を有する耐熱層19を介して加熱接着されている。
[耐熱層]
耐熱層としては、接着性を有するものが好ましく、特に加熱により接着可能になるものが好ましい。加熱により接着可能になる耐熱層は耐熱性が高いものが多く、高温環境において高い信頼性が要求される素子に適している。加熱接着方式は、UV(紫外線)硬化のように、接着したい部材の色の制約を受けないため、素子の部材の色によらずに接着可能である。また、素子の製造工程において加熱圧着できるため、部材同士を強固に接着できる。
中間層4の前記濃度プロファイルを有しない側、換言すれば、表面改質処理がなされていない側とこれに対向する第2の電極3との間は位置ずれしないように接着した方が望ましい。非接着状態では、位相ずれによる信号相殺に起因する出力低下の問題が生じるからである。
接着層を兼ねる耐熱層の材質としては、例えば、熱硬化性材料、熱可塑性材料などが挙げられる。
熱硬化性材料としては、例えば、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、シリコーン系、変成シリコーン系、フェノール樹脂系などが挙げられる。熱可塑性材料としては、例えば、エチレン−酢酸ビニル樹脂系、ポリアミド樹脂系、熱可塑性ポリウレタン樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
耐熱層19は、中間層4と熱特性が同一又は同等の材料で形成されるのが望ましい。環境変化による熱膨張率の違いに基づく界面剥離や位相ずれによる上記問題を抑制できるからである。本実施形態では中間層4としてシリコーンを用いているので、耐熱層19も材質特性上親和性の高いシリコーン系、変成シリコーン系が望ましい。
耐熱層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、1μm〜500μmが好ましく、10μm〜300μmがより好ましい。平均厚みが、好ましい範囲内であると、接着性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、押圧操作した位置情報及び/又は押圧情報を高感度で高精度に検出できる。
耐熱層が電極と中間層との間に設けられる場合、耐熱層は導電性であることが好ましい。導電性としては、10Ω・cm以下の体積抵抗率を持つことが好ましい。
耐熱層は、接着したい部材同士の間の全面に設けられてもよいし、一部に設けられてもよい。
なお、耐熱層としては、耐熱性を有するものであれば粘着テープも使用できる。
図8に、耐熱層を有する入力素子1Aの変形例を示す。
図8(a)に示す入力素子1Aは、第1の電極2と中間層4とが耐熱層19を介して全面が接着されており、且つ、中間層4と第2の電極3とが耐熱層19を介して全面が接着されている。
図8(b)に示す入力素子1Aは、第1の電極2と中間層4とが耐熱層19を介してその一部が接着されており、且つ、中間層4と第2の電極3とが耐熱層19を介して全面が接着されている。
図8(c)に示す入力素子1Aは、第1の電極2と中間層4とが耐熱層19を介してその一部が接着されており、且つ、中間層4と第2の電極3とが耐熱層19を介してその一部が接着されている。
図8(d)に示す入力素子1Aは、第1の電極2の上面を覆う保護層7と第1の電極2と中間層4とが耐熱層19を介して全面またはその一部が接着されており、且つ、中間層4と第2の電極3とが耐熱層19を介して全面が接着されている。
図8(a)〜(d)に示す入力素子1Aは、素子を構成する部材同士が耐熱層19を介して全面またはその一部が接着されていることにより、極端な高温(例えば150℃)に曝された場合でも検出感度が低下しにくい構成となっている。
また、図8(b)〜(d)に示す入力素子1Aは、中間層4と第1及び第2の電極の少なくとも一方とは互いに接着されていない部分を有することとなり、上記のように摩擦ないし剥離帯電の機会が増えて電気信号(出力電圧)を大きくすることができる。なお、第1及び第2の電極の形状はストライプ状でも面でもよい。
図9に、耐熱層を有する入力素子1Aの変形例(スペーサを有するタイプ)を示す。
図9(a)に示す入力素子1Aは、中間層4の表面改質処理がなされた側に対向する第1の電極2と中間層4との間にスペーサ20を有している。
図9(b)に示す入力素子1Aは、図9(a)の構成において、第1の電極2とスペーサ20との間を耐熱層19で接着した構成となっている。
図9(c)に示す入力素子1Aは、さらに、スペーサ20と中間層4との間を耐熱層19で接着した構成となっている。
図9(d)に示す入力素子1Aは、第1の電極2の中間層4と反対側において、第1の電極2及びスペーサ20と保護層7との間を耐熱層19で接着した構成となっている。
スペーサ20を設けることにより、中間層4と第1の電極2とは互いに接着されていない部分を有することとなり、上記のように摩擦ないし剥離帯電の機会が増えて電気信号(出力電圧)を更に大きくすることができる。また、素子を構成する部材同士が耐熱層19を介してその一部が接着されていることにより、極端な高温に曝された場合でも検出感度が低下しにくい構成となっている。なお、第1及び第2の電極の形状はストライプ状でも面でもよい。
[入力装置]
図10乃至図12に基づいて、上記入力素子1Aを用いた入力装置(第2の実施形態)を説明する。
図10に示すように、入力装置5は、入力素子1Aと、表示素子6と、入力操作面側(視認面側)である第1の電極2の上面を覆う保護層7と、中間層4が押圧されることで発生する電気信号を処理する信号処理部8(図11参照)とを備えている。
図10に示す入力装置5は、入力素子1Aが表示素子6の表面側(入力操作面側)に設けられた、いわゆる外付けタイプのタッチパネル(タッチスクリーン)として好適に使うことができる。
図11に示すように、入力素子1Aの第1の電極2は、第1の方向(X方向)に沿ってストライプ状に配列した複数の電極2xからなる。第2の電極3は第1の方向と直交する第2の方向(Y方向)に沿ってストライプ状に配列した複数の電極3yからなる。
第1の電極2、第2の電極3、中間層4は、中間層4の厚み方向(Z方向)の両側を第1の電極2と第2の電極3とで挟むように積層されている。なお、耐熱層19は省略している。
第1の電極2の各電極2xは配線13を介して、第2の電極3の各電極3yは配線14を介して、それぞれ信号処理部8に電気的に接続されている。
図12に示すように、信号処理部8は、押圧位置を検出する位置検出部8Aと、押圧力を検出する圧力検出部8Bとを有している。
押圧により中間層4から発せられる電気信号は、押圧位置に応じた部位の電極を通って信号処理部8に入力される。信号が発生した第1の電極2と第2の電極3との組み合わせによるマトリクス状の位置座標から、位置検出部8Aにおいて押圧位置が検出(特定)される。同時に、信号波形の電圧値から、圧力検出部8Bにおいて押圧力の大きさが検出される。
押圧力の検出においては、発生した電圧信号のピーク値を利用してもよく、電圧の時間積分値を利用してもよい。想定する用途によって適切な処理をすることが望ましい。
保護層7は、繰り返される入力操作に対する保護を担っている。保護層7の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。保護層7としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプリピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ガラス板などが挙げられる。保護層7の表面には反射防止膜、傷や汚れ防止のハードコート層などが形成されていてもよい。
図13及び図14に、入力装置5の変形例を示す。
図13に示すように、第1の電極2の電極2xと交互に接地電極15xがX方向に配置され、圧力測定に使用する圧力測定電極16yがY方向に配置されている。なお、耐熱層19は省略している。
圧力を検知する電極と位置を検知する電極とを別々にし、接地することで信号電圧の値をより正確に取得することができる。
図11に示した構成の場合と同様に、押圧により電気信号が発生した第1と第2の電極の組合せによるマトリクス状の位置座標から、位置検出部8Aにおいて押圧位置が検出される。
図14に示すように、圧力測定電極16yは不図示の抵抗を介してキャパシタ17と電圧検出器18とに接続されている。接地電極15xは接地されている。押圧により中間層4に生じ、圧力測定電極16yで検出される電荷は、キャパシタ17の電圧信号として測定される。
この測定電圧値は押圧力を示す値であり、圧力がかかり続けている間はキャパシタ17に保持されているので、静圧を検知することができる。このようにして押圧位置と押圧力それぞれの値を単一の中間層4から取得するとともに静圧を検知することができる。
図15は、表示素子の構成を示す模式断面図である。
図15に示すように、表示素子6は、液晶9と、TFT(薄膜トランジスタ)10と、一対の基板11と、一対の偏光板12とを有している。
表示素子6の基板11の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。基板11としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ガラス板などが挙げられる。
図15に示す表示素子6は、いわゆる液晶ディスプレイであるが、本発明の入力素子を表示素子の表示部分に重ねてタッチパネルとして使用する場合、表示素子としては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。表示素子としては、例えば、有機ELディスプレイ、プラズマディスプレイ、電子ペーパーなどが挙げられる。
図16は、本発明の入力装置の他の構成を示す模式断面図である。
図16に示す入力装置21は、入力素子1Aが押圧する側からみて表示素子6の背面側に配置された外付けタイプのタッチパネル(タッチスクリーン)である。本発明の入力素子は、後述するように、押圧に対する感度がPVDFに比べて格段に高いため、入力素子の配置を任意に設定できる。これにより、入力素子を備えた電子機器の設計の自由度を向上させることができる。
図17は、本発明の入力装置の他の構成を示す模式断面図である。
図17に示す入力装置22は、入力素子1Aが内蔵されたタイプのタッチパネル(タッチスクリーン)である。本発明の入力素子は、押圧に対する感度が高いため、入力素子の配置を任意に設定できる。これにより、入力素子を備えた電子機器の設計の自由度を向上させることができる。
図18は、本発明の入力装置の他の構成を示す模式断面図である。
図18に示すように、入力装置23は、入力素子1と、絶縁性のカバーシート24と、絶縁層25とを備えている。
図18に示す入力装置23は、いわゆるタッチパッドとして好適に使うことができる。
カバーシート24、絶縁層25の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、上記した保護層7と同じものが使える。
タッチパッドとして使用する場合は、組み合わせる表示素子付き電子デバイスとしては特に制限は無く、ノート型のパーソナルコンピュータに付属のタッチパッドをはじめ、描画・作図装置に付属のペンタブレット、ゲーム機器類に付属の入力コントローラー等に用いることができる。
[実施例]
(実施例1)
<入力素子の作製>
図19に示す断面構成を有する評価用の入力素子1Aを、以下の手順で作製した。なお、入力素子1Aの断面構成は図9(b)とし、入力素子1Aの外面はカバーシート24で覆われている構成とした。すなわち、評価対象の入力素子は全てカバーシート24でパッケージングされている。
PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に、シリコーンゴム(信越化学工業株式会社製、KE−1935)を塗布し、120℃で30分間加熱硬化させて、厚み100μmの中間層前駆体を形成した。更に、上記中間層前駆体に表面改質処理及び不活性化処理を施して、PETフィルムから剥がし、中間層を得た。
(表面改質処理)
表面改質処理として、以下の条件でプラズマ処理(処理条件;ヤマト科学株式会社製、PR−500、出力100W、処理時間3分間、反応雰囲気:アルゴン99.999%、反応圧力10Pa)を施した。
(不活性化処理)
表面改質処理後、中間層前駆体の処理面に、フッ素系炭素化合物(ダイキン工業株式会社製、オプツールDSX)をパーフルオロヘキサンで希釈した0.1%溶液を、引き上げ速度10mm/minのディッピング工法にて塗布した。その後、相対湿度90%、温度60℃の環境で30分間以上保持し、50℃で10分間乾燥させて、不活性化処理を施した。
次に、40mm×40mmに切り出したPET基板上に、L/S(幅/間隔)=8mm/2mmのストライプ状にITO電極を形成したものを二枚準備した。
第一の基板の電極面に、フィルムスペーサ(東レ株式会社製、U34ルミラー#50、厚み50μm)をL/S=1mm/9mmのストライプ状になるように、両面テープ(太陽金網式会社製、TRAN−SIL NT−1001、厚さ50μm)で固定した。
第二の基板の電極面に、導電性両面テープ(太陽金網株式会社製、CHO−FOIL CCD、厚さ112μm)、前記中間層の順に重ねて貼り付けた。
第一および第二の基板にある各電極それぞれを引き出し電極に接続した。
前記二枚の基板を、第一の基板の電極面と第二の基板上の中間層が対向し、かつ電極のストライプ方向(長手方向)が直交するように重ね合わせ、両面テープ(太陽金網株式会社製、TRAN−SIL NT−1001、厚さ50μm)で固定して、実施例1の入力素子を作製した。
<評価>
作製した入力素子の押圧に対する検出感度を評価した。評価は以下の手順で実施した。結果を表1に示す。表1の入力素子の欄における「図19/図9(b)」は、図9(b)の断面構成を有する入力素子が図19に示すようにパッケージングされていることを示している。実施例6における入力素子の断面構成は図7に示すものであり、実施例7、8における入力素子の断面構成は図9(a)に示すものである。
実施例9における入力素子の断面構成は図8(b)に示すものである。
比較例5は、図1に示した耐熱層を有しない本発明の基本構成をパッケージングした構成を有している。
表1から明らかなように、実施例1の入力素子は比較例1に比べて、高温負荷がかからない状態で検出感度が高いことがわかる。
(評価手順)
(1)図20に示すように、検出感度評価用の入力素子26を測定装置27のステージ28上に固定し、オシロスコープ29に接続する。
(2)プローブ30の先端にスポンジ31を取り付け、これを第一及び第二の電極の交点と中心が一致する位置に押し付ける。
(3)オシロスコープ29に表示された出力電圧を記録する。出力電圧は5回測定した平均値とする。
(4)後述する比較例1に対する出力電圧倍率を求め、検出感度をランク判定する。
{出力電圧の測定条件}
測定装置:定着シミュレータFSR−1000(レスカ製)
測定パターン:荷重制御
押し付け速度:5mm/sec
押し付け荷重:300gf
押し付け保持時間:1sec
引き上げ速度:5mm/sec
プローブ径:直径10mm
スポンジ:シリコーンスポンジ、硬さ15、直径10mm、厚さ5mm
オシロスコープ:WaveAce1001(LeCroy製)
入力素子の上面に、接地されたアルミニウム製のテープを配置して不要な電荷によるノイズの発生を抑制した。比較対象のPVDFを用いた入力素子の測定においても同様とした。
比較結果を図21及びその部分拡大図である図22に示す。ゴム組成物からなる中間層4を有する本実施形態の入力素子では、電圧信号の出力が、プローブ30に取り付けられたスポンジ31が入力素子に接触してから約0.01sec(10msec)後に開始している。
これに対し、PVDFを用いた入力素子では、約0.04sec(40msec)後に開始している。すなわち、本実施形態に係る入力素子に対して、約0.03sec(30msec)の遅延を生じている。
入力素子の感度において、この大きな遅延が生じる理由は、PVDFは中間層4に比べてヤング率が大きく固いため、電圧信号の出力が開始する変形が生じるまで時間がかかるためである。
電圧信号の出力開始時間の原点は、測定装置27のプローブ30の根元に設置された圧力センサで検知された時間としている。
{検出感度の判定基準}
ランクA:比較例1に対して出力電圧が5倍以上
ランクB:比較例1に対して出力電圧が3倍以上
ランクC:比較例1に対して出力電圧が1倍以上
ランクD:比較例1に対して出力電圧が1倍未満
(実施例2)
<入力素子の作製>
実施例1の入力素子において、中間層に高温負荷を加えたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2の入力素子を作製した。すなわち、図19/図9(b)に示す断面構成を有する入力素子とした。
(高温負荷)
中間層を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に24時間保持して、高温負荷を加えた。その後、中間層を取り出して、24℃、40RH%の条件下で24時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例2の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例2の中間層は高温負荷後に検出感度が低下するものの、比較例1に比べて検出感度が高く、十分な耐熱性を有していることがわかる。
すなわち、比較例1の入力素子では高温負荷後に検出感度が8割も低下しているのに対し、実施例2の入力素子では3割弱しか低下していない。このことは、炎天下での車中の温度上昇等の環境変動に十分に耐えることができ(ランクA、Bを維持)、スマートフォン等の電子機器の使用性の向上に寄与することを意味する。
(実施例3)
<入力素子の作製>
実施例1の入力素子において、第二の基板にある電極面と中間層とを導電性接着剤(スリーボンド製、TB3303B、厚さ50μm、接着条件150℃で1時間)で加熱接着したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例3の入力素子を作製した。すなわち、図19/図9(b)に示す断面構成を有する入力素子とした。
<評価>
作製した実施例3の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例3の中間層は高温負荷後に検出感度が低下するものの、比較例1に比べて検出感度が高く、十分な耐熱性を有していることがわかる。これにより、入力素子の製造工程において、加熱接着を利用できる。製造段階で加熱接着できることにより、高信頼性につながる製造精度の向上を得ることができるとともに、製品化後の位相ずれによる信号相殺に起因する出力低下等の問題を抑制できる。
(実施例4)
<入力素子の作製>
実施例1の入力素子に高温負荷を加えて、実施例4の入力素子とした。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例4の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例4の入力素子は高温負荷後に検出感度が低下するものの、比較例1に比べて検出感度が高く、十分な耐熱性を有していることがわかる。これにより、本発明の入力素子は高温環境においても使用できる。
(実施例5)
<入力素子の作製>
実施例3の入力素子に高温負荷を加えて、実施例5の入力素子とした。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例5の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例5の入力素子は高温負荷後も高い検出感度を維持しており、十分な耐熱性を有していることがわかる。これにより、本発明の入力素子は高温環境においても使用できる。
(実施例6)
<入力素子の作製>
実施例3の入力素子において、第一の基板にある電極面に接着層とスペーサを設けなかったこと以外は、実施例3と同様にして、実施例6の入力素子を作製した。すなわち、図19/図7に示す断面構成を有する入力素子とした。更に、入力素子に高温負荷を加えた。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例6の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例6の入力素子はスペーサを有する入力素子に比べて検出感度が低いものの、比較例1に比べると検出感度は高いことがわかる。換言すれば、電極と中間層との間に隙間を設け、あるいは非接着状態とすることにより、摩擦ないし剥離帯電を増加させ、大きな電気信号を得ることができる。
実施例6の入力素子は、表1から明らかなように、中間層と電極とを加熱接着した後にさらにパッケージング後の入力素子を加熱している。すなわち、製造精度を向上させた上で高温負荷に晒している。出力電圧倍率は4で他の実施例よりも低い値となっているが、耐熱層を有しない場合(比較例5)と比べると、それでも検出感度は2倍と高い。
(実施例7)
<入力素子の作製>
図19に示す断面構成を有する評価用の入力素子を、以下の手順で作製した。なお、入力素子1Aの断面構成は図9(a)とし、入力素子1の外面はカバーシート24で覆われている構成とした。
PETフィルム上に、シリコーンゴム(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製、TSE3033)100質量部、及びシリカ(日本アエロジル株式会社製、R972)10質量部とからなるシリコーンゴム組成物を塗布し、120℃で30分間加熱硬化させて、厚み100μmの中間層前駆体を形成した。更に、上記中間層前駆体に表面改質処理を施して、PETフィルムから剥がし、中間層を得た。
(表面改質処理)
表面改質処理として、以下の条件でコロナ放電処理(処理条件;印加電圧100V、積算エネルギー:60J/cm、反応雰囲気:空気)を施した。
次に、40mm×40mmに切り出したPET基板上に、L/S=8mm/2mmのストライプ状にITO電極を形成したものを二枚準備した。
第一の基板の電極面に、スペーサとして直径10μmの球状シリカをイソプロピルアルコール中に分散させたスペーサ散布液を、スピンコート機にて散布した。その後、乾燥させて、第一の基板の電極面にスペーサを設けた。
第二の基板の電極面に、導電性接着剤(スリーボンド製、TB3303B、厚さ50μm)、前記中間層の順に重ね、150℃で1時間加熱接着した。
第一および第二の基板にある各電極それぞれを引き出し電極に接続した。
前記二枚の基板を、第一の基板の電極面と第二の基板上の中間層が対向し、かつ電極のストライプ方向(長手方向)が直交するように重ね合わせ、両面テープ(太陽金網株式会社製、TRAN−SIL NT−1001、厚さ50μm)で固定して、実施例7の入力素子を作製した。更に、入力素子に高温負荷を加えた。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例7の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例7の入力素子は高温負荷後も高い検出感度を示すことがわかる。
(実施例8)
<入力素子の作製>
図19に示す断面構成を有する評価用の入力素子を、以下の手順で作製した。なお、入力素子1の断面構成は図9(a)とし、入力素子1の外面はカバーシート24で覆われている構成とした。
PETフィルム上に、フロロシリコーンゴム(信越化学工業株式会社製、X36−420U)、及びチタン酸バリウム(ALDRICH社製、208108)30質量部とからなるシリコーンゴム組成物を塗布し、120℃で30分間加熱硬化させて、厚み100μmの中間層前駆体を形成した。更に、上記中間層前駆体に表面改質処理を施して、PETフィルムから剥がし、中間層を得た。
(表面改質処理)
表面改質処理として、以下の条件でUV照射処理(処理条件;ヴィルバー・ルーマット社製、VL−215.C、波長254nm、積算光量300J/cm、反応雰囲気:窒素、酸素分圧5,000ppm以下)を施した。
次に、40mm×40mmに切り出したPET基板上に、L/S=8mm/2mmのストライプ状にITO電極を形成したものを二枚準備した。
第一の基板の電極面に、スペーサとして直径10μmの球状シリカをイソプロピルアルコール中に分散させたスペーサ散布液を、スピンコート機にて散布した。その後、乾燥させて、第一の基板の電極面にスペーサを設けた。
第二の基板の電極面に、導電性接着剤(スリーボンド製、TB3303B、厚さ50μm)、前記中間層の順に重ね、150℃で1時間加熱接着した。
第一および第二の基板にある各電極それぞれを引き出し電極に接続した。
前記二枚の基板を、第一の基板の電極面と第二の基板上の中間層が対向し、かつ電極のストライプ方向(長手方向)が直交するように重ね合わせ、両面テープ(太陽金網株式会社製、TRAN−SIL NT−1001、厚さ50μm)で固定して、実施例8の入力素子を作製した。更に、入力素子に高温負荷を加えた。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例8の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例8の入力素子は高温負荷後も高い検出感度を示すことがわかる。
(実施例9)
<入力素子の作製>
図19に示す断面構成を有する評価用の入力素子を、以下の手順で作製した。なお、入力素子1の断面構成は図8(b)とし、入力素子1の外面はカバーシート24で覆われている構成とした。
PETフィルム上に、シリコーンゴム(信越化学工業株式会社製、KE−1935)、及びチタン酸バリウム(ALDRICH社製、208108)50質量部とからなるシリコーンゴム組成物を塗布し、120℃で30分間加熱硬化させて、厚み100μmの中間層前駆体を形成した。更に、上記中間層前駆体に表面改質処理を施して、PETフィルムから剥がし、中間層を得た。
(表面改質処理)
表面改質処理として、以下の条件で電子線照射処理(処理条件;浜松ホトニクス株式会社製、ライン照射型低エネルギー電子線照射源、照射量1MGy、反応雰囲気:窒素、酸素分圧5000ppm以下)を施した。
次に、40mm×40mmに切り出したPET基板上に、L/S=8mm/2mmのストライプ状にITO電極を形成したものを二枚準備した。
第二の基板の電極面に、導電性接着剤(Alpha Advanced Materials製、STAYSTIK571、厚さ76μm)、前記中間層、接着剤(Alpha Advanced Materials製、STAYSTIK472、厚さ76μm)、第一の基板の電極面の順に重ね、160℃で10分間加熱接着した。なお、第一の基板の電極面と第二の基板上の中間層が対向し、かつ電極のストライプ方向(長手方向)が直交するように重ね合わせた。
第一および第二の基板にある各電極それぞれを引き出し電極に接続した。
上記にようにして、実施例9の入力素子を作製した。更に、入力素子に高温負荷を加えた。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した実施例9の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例9の入力素子は高温負荷後も高い検出感度を示すことがわかる。
(比較例1)
<入力素子の作製>
実施例1の入力素子において、中間層をPVDF(東京センサ株式会社製、厚み110μm)に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1の入力素子を作製した。すなわち、図19/図9(b)に示す断面構成を有する入力素子とした。
<評価>
作製した比較例1の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例1の入力素子は高温負荷がかからない状態での比較においても本発明の入力素子に比べて検出感度が低いことがわかる。
(比較例2)
<入力素子の作製>
比較例1の入力素子において、中間層に高温負荷を加えたこと以外は、比較例1と同様にして、比較例2の入力素子を作製した。すなわち、図19/図9(b)に示す断面構成を有する入力素子とした。
(高温負荷)
中間層を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に24時間保持して、高温負荷を加えた。その後、中間層を取り出して、24℃、40RH%の条件下で24時間静置保管した。
<評価>
作製した比較例2の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例2の中間層は高温負荷後に検出感度が著しく低下することがわかる。このことは、炎天下での車中の温度上昇等の環境変動に十分に耐えることができず、場合によっては使用不可となり得ることを意味する。
(比較例3)
<入力素子の作製>
比較例1の入力素子において、第二の基板にある電極面と中間層とを導電性接着剤(スリーボンド製、TB3303B、厚さ50μm、接着条件150℃で1時間)で加熱接着したこと以外は、比較例1と同様にして、比較例3の入力素子を作製した。すなわち、図19/図9(b)に示す断面構成を有する入力素子とした。
<評価>
作製した比較例3の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例3の中間層は高温負荷後に検出感度が著しく低下することがわかる。
(比較例4)
<入力素子の作製>
比較例1の入力素子に高温負荷を加えて、比較例4の入力素子とした。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した比較例4の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例4の入力素子は高温負荷後に検出感度が著しく低下することがわかる。
(比較例5)
<入力素子の作製>
図23に示す断面構成を有する評価用の入力素子を、以下の手順で作製した。すなわち、図1で示した基本構成の入力素子をカバーシート24でパッケージングしたものである。
PETフィルム上に、シリコーンゴム(信越化学工業株式会社製、KE−1935)を塗布し、120℃で30分間加熱硬化させて、厚み100μmの中間層前駆体を形成した。更に、上記中間層前駆体に表面改質処理及び不活性化処理を施して、PETフィルムから剥がし、中間層を得た。
(表面改質処理)
表面改質処理として、以下の条件でプラズマ処理(処理条件;ヤマト科学株式会社製、PR−500、出力100W、処理時間3分間、反応雰囲気:アルゴン99.999%、反応圧力10Pa)を施した。
(不活性化処理)
表面改質処理後、中間層前駆体の処理面に、フッ素系炭素化合物(ダイキン工業株式会社製、オプツールDSX)をパーフルオロヘキサンで希釈した0.1%溶液を、引き上げ速度10mm/minのディッピング工法にて塗布した。その後、相対湿度90%、温度60℃の環境で30分間以上保持し、50℃で10分間乾燥させて、不活性化処理を施した。
次に、40mm×40mmに切り出したPET基板上に、L/S=8mm/2mmのストライプ状にITO電極を形成したものを二枚準備した。
第二の基板の電極面に、前記中間層、第一の基板の電極面の順に重ね、両面テープ(太陽金網式会社製、TRAN−SIL NT−1001、厚さ50μm)で固定した。なお、第一の基板の電極面と第二の基板上の中間層が対向し、かつ電極のストライプ方向(長手方向)が直交するように重ね合わせた。
第一および第二の基板にある各電極それぞれを引き出し電極に接続した。
上記にようにして、比較例5の入力素子を作製した。更に、入力素子に高温負荷を加えた。
(高温負荷)
入力素子を温度150℃の恒温器(ヤマト科学株式会社製、DN410H)に1時間保持して、高温負荷を加えた。その後、入力素子を取り出して、24℃、40RH%の条件下で1時間静置保管した。
<評価>
作製した比較例5の入力素子について、実施例1と同様にして、押圧に対する検出感度を評価した。結果を表1に示す。
表1から明らかなように、比較例5の入力素子は本発明の実施形態に係る耐熱層を有する入力素子に比べて、高温負荷後に検出感度が低下することがわかる。ただし、本発明の中間層を有するので、比較例4に比べるとそれでも検出感度は10倍と高い。
Figure 2017215867
表1の耐熱層の配置位置及び材料の詳細を表2に示す。
Figure 2017215867
表2に示すように、実施例4では、中間層4と第2の電極3との間が導電性アクリル系の両面テープで接着されており、入力素子全体を加熱している。
実施例5では、中間層4と第2の電極3との間が導電性シリコーン系の熱硬化性材料で加熱接着されており、入力素子全体を加熱している。
実施例5では加熱負荷が多いにも拘わらず、加熱負荷の少ない実施例4よりも出力電圧の倍率が高い。このことは、中間層4の材質(シリコーン)と、耐熱層19の材質とが実施例5では熱特性が同一又は同等のものとなっていることも一因と考えられる。
すなわち、高温負荷による熱膨張率の違いに基づく界面剥離や位相ずれによる信号相殺等が高精度に抑制されるからであると考えられる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
1A 入力素子
2 第1の電極
3 第2の電極
4 中間層
5 入力装置
6 表示素子
8 信号処理部
8A 位置検出部
8B 圧力検出部
19 耐熱層
20 スペーサ
特許第4784041号公報 特開2015−097220号公報 特許第5855604号公報

Claims (10)

  1. 互いに対向する第1及び第2の電極と、
    第1及び第2の電極間に配置され、シロキサンを含有するゴムまたはゴム組成物で形成された中間層と、
    第1及び第2の電極の少なくとも一方と前記中間層との間、あるいは第1及び第2の電極の少なくとも一方の前記中間層と反対側に配置される耐熱層と、
    を備えている入力素子。
  2. 請求項1に記載の入力素子において、
    前記耐熱層が熱硬化性材料または熱可塑性材料で形成され、接着層としての機能を有している入力素子。
  3. 請求項2に記載の入力素子において、
    前記耐熱層は前記中間層と熱特性が同一又は同等の材料で形成されている入力素子。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の入力素子において、
    前記中間層は、その厚み方向の一方側から他方側へ向かって酸素が増加して極大値を持ち、且つ、前記一方側から他方側へ向かって炭素が減少して極小値を持つ濃度プロファイルを有する入力素子。
  5. 請求項4に記載の入力素子において、
    前記中間層は前記濃度プロファイルを前記一方側のみに有し、前記他方側とこれに対向する第1又は第2の電極との間が前記耐熱層を介して加熱接着されている入力素子。
  6. 請求項5に記載の入力素子において、
    前記中間層の前記一方側と、該一方側に対向する第1又は第2の電極との間にスペーサを有する入力素子。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載の入力素子において、
    第1の電極は第1の方向に沿って配列した複数の電極からなり、第2の電極は第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列した複数の電極からなる入力素子。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載の入力素子と、
    前記中間層が押圧されることで発生する電気信号を処理する信号処理部と、
    を備えた入力装置。
  9. 請求項8に記載の入力装置において、
    前記信号処理部は、押圧位置を検出する位置検出部と、押圧力を検出する圧力検出部とを有している入力装置。
  10. 請求項8又は9に記載の入力装置において、
    表示素子を有する入力装置。
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