JP2018165962A - １枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性およびタッチ特性に優れ、並びに少ない工数で生産できる１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｘ方向およびＹ方向に広がるタッチ面におけるタッチ位置を検出する１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルは、ガラス基板２と、このガラス基板上に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＸ方向パターン電極３と、このＸ方向パターン電極の上面３dおよび側面３ｃに形成された金属薄膜の酸化物層３’と、この酸化物層上であって、Ｘ方向パターン電極３と直交する方向に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、タッチ面（ＸＹ平面）の任意の位置にユーザーの指などが接近したことを静電容量の変化により検出する投影型タッチスイッチパネルに関し、特に１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルおよびその製造方法に関する。

家電機器、ＡＶ機器、ＰＣ／ＯＡ機器、産業機械、その他の電子デバイスにおいて、各機器への入力手段の１つとして投影型静電容量方式のタッチスイッチパネルが使用されている。投影型静電容量方式は、Ｘ方向とＹ方向にグリッド状に配列された複数のセンサー電極を有している。投影型静電容量タッチスイッチパネルは、一般的には、インジウム錫オキサイド（以下、ＩＴＯと記す）で形成されるＸ方向用およびＹ方向用の透明センサー電極層、該電極への配線層、透明電極間に設ける絶縁層（誘電体層）、表面保護層などから構成され、外部にコントロール部を有する。パネル表面を指で触れると、各センサー電極と指との間で静電結合が起きて各センサー電極の静電容量が変化する。コントロール部では、各センサー電極における静電容量の変化量を数値化し、その数値が予め決められた閾値をこえるときに指が接触したと判定する。これによりコントロール部では、指がタッチスイッチのどの位置（平面ＸＹ座標）に触れたかを検出できる。

アルミニウムメッシュ透明導電膜を使用したＸ−Ｙ２枚の電極を透明絶縁樹脂で貼り合わせる投影型タッチパネルは既に知られている（特許文献１）。特許文献１に開示されている投影型静電容量タッチスイッチパネルを図６に示す。図６（ａ）は正面図であり、図６（ｂ）はその側面図である。図６（ｂ）に示すように、投影型静電容量タッチスイッチパネル１０は、Ｘ方向検知用のセンサー部１２を有する透光性の第１のガラス基板１１と、Ｙ方向検知用のセンサー部１４を有する透光性の第２のガラス基板１３とを備え、ガラス基板１１およびガラス基板１３とが貼り合わされた積層構造を有する。ガラス基板１１の表面がタッチ面１１ａとなり、このタッチ面１１ａの反対面１１ｂにセンサー部１２が設けられている。また、ガラス基板１３の片面にセンサー部１４が設けられている。センサー部１２およびセンサー部１４は、２つのガラス基板間において対向して挟み込まれている。図６（ａ）に示すように、Ｘ方向検知用のセンサー部１２とＹ方向検知用のセンサー部１４とは、菱形を縦（Ｙ）横（Ｘ）に並べた形状にパターニングされている。２つのセンサー電極間にガラス基板を介在させない構造であるため、介在させる場合と比較してセンサー電極間のギャップが大幅に少なくなる。また、各センサー部のセンサー電極と配線１５で接続された外部接続端子１６にフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）１７が接続されている。ＦＰＣ１７を介してタッチ検出を行なうコントロール部（図示省略）が接続される。この投影型静電容量タッチスイッチパネルは、センサー電極と指との間で静電結合が起きて電極の静電容量が変化することを利用するものである。

しかし、２枚の電極を貼り合わせる投影型タッチパネルは、貼り合わせ工程が必要であり、工数減が望まれている。また、２枚のガラスを貼り合わせるため、薄型パネルが望まれる状況下でタッチパネルの薄型化に限界がある。このため、１枚基板も各種提案されている（特許文献２、特許文献３）。しかし、いずれも透明導電膜がＩＴＯであり、抵抗値が高く、タッチ特性が不十分である。
また、１枚基板で透明絶縁膜を介して積層する方法も提案されている（特許文献４）。しかしながら、透明導電膜がＩＴＯであり、上記と同じ問題があり、またＩＴＯのフォトリソグラフィ時のエッチング液が透明絶縁膜のＳｉＯ₂を腐食してしまうため、ＸパターンとＹパターンとの絶縁が困難であった。

ＷＯ２０１５／１３７４７７ 特開２０１１−０９０４８３号公報 特開２０１３−００３９１５号公報 特開２００６−０５０４０３号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、１枚のガラス基板上に形成された金属薄膜電極の表面および側面に、優れた絶縁耐力を有する陽極酸化膜を形成することで、絶縁性およびタッチ特性に優れ、並びに少ない工数で生産できる１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の投影型タッチスイッチパネルは、Ｘ方向およびＹ方向に広がるタッチ面におけるタッチ位置を検出する１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルである。
この１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルは、ガラス基板と、このガラス基板上に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＸ方向パターン電極と、このＸ方向パターン電極の上面および側面に形成された上記金属薄膜の酸化物層と、この酸化物層上であって、上記Ｘ方向パターン電極と直交する方向に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極とを備えることを特徴とする。
また、上記Ｘ方向パターン電極およびＹ方向パターン電極の上面に形成された透光性保護膜を有することを特徴とする。
また、上記金属薄膜がアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜であることを特徴とする。

本発明の１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルの製造方法は、
ガラス基板上に金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成し、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングしＸ方向パターン電極を形成する工程と、
上記Ｘ方向パターン電極の上面および側面に上記金属膜の陽極酸化膜を形成する工程と、
この陽極酸化膜上に金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成し、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングし、上記Ｘ方向パターン電極と直交する方向に金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。
特に、上記金属薄膜がアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜であり、上記陽極酸化が酸性浴、好ましくは硫酸浴で陽極酸化をした後に、中性塩浴、好ましくはホウ酸およびホウ酸塩浴で陽極酸化をし、その後４００℃〜５５０℃で大気中で熱処理を行なう工程であることを特徴とする。

本発明の投影型タッチスイッチパネルは、１枚のガラス基板上に金属薄膜からなるＸ方向パターン電極とＹ方向パターン電極とを備えるので、２枚のガラス基板を貼り合わせるタッチスイッチパネルに比較して、薄くすることができる。また、Ｘ方向パターン電極の上面および側面を金属薄膜の酸化物層とするので、Ｙ方向パターン電極に対して電気絶縁性に優れたタッチスイッチパネルが得られる。また、上記Ｘ方向パターン電極およびＹ方向パターン電極の上面に形成された透光性保護膜を有するので、１枚のガラス基板でタッチスイッチパネルを完成させることができる。

本発明の投影型タッチスイッチパネルの製造方法は、１枚のガラス基板上に金属薄膜からなるＸ方向パターン電極とＹ方向パターン電極とを順に形成するので、貼り合わせ工程がなくなり、製造工数が削減できる。
特に、金属薄膜がアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜であり、上記陽極酸化が硫酸浴で陽極酸化をした後に、ホウ酸およびホウ酸塩浴で陽極酸化をし、その後４００℃〜５５０℃で大気中で熱処理を行なうので、絶縁耐力に優れた陽極酸化膜を製造できる。また、アルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜なので、ＩＴＯ薄膜に比較して、導電性に優れているため、タッチ特性に優れた投影型タッチスイッチパネルが得られる。

投影型タッチスイッチパネルの一例を示す図である。 メッシュ状のＸ方向およびＹ方向パターンの拡大図である。 交点７の拡大切り欠き斜視図である。 実施例のＡｌ−Ｏ組成比の加速電圧依存性を示す図である。 比較例のＡｌ−Ｏ組成比の加速電圧依存性を示す図である。 特許文献１の投影型静電容量タッチスイッチパネルを示す図である。

本発明の投影型タッチスイッチパネルの一例を図１により説明する。図１（ａ）はタッチスイッチパネルを示す正面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。
投影型タッチスイッチパネル１は、ガラス基板２のＸ方向およびＹ方向に広がるタッチ面２ａにおける任意のタッチ位置を検出できる１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルである。ガラス基板２の表面がタッチ面２ａとなり、このタッチ面２ａの反対面２ｂに金属薄膜からなるメッシュ状のＸ方向パターン電極３と、金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極４とが形成されている。投影型タッチスイッチパネル１は、パターン電極３および４と接続された接続端子５を有し、接続端子５にフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）６が接続され、ＦＰＣ６を介して図示を省略したコントロール部が接続される。コントロール部は、ＰＣＢ上にタッチ検出等を行なうコントロール回路が実装されたものである。なお、コントロール部はガラス基板の２ｂ面に直接実装することができる。

図２はタッチスイッチパネルのメッシュ状のＸ方向およびＹ方向パターンの拡大図である。図２（ａ）は図１に示すＡ部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＢ部拡大図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）に示すＣ部拡大図である。
ガラス基板２上に金属薄膜からなるメッシュ状のＸ方向パターン電極３が形成されている。ガラス基板２は、透光性の絶縁基板であり、ソーダライムガラス、石英ガラス、硼珪酸ガラス、アルカリ成分を含まない無アルカリガラスなどを採用できる。高い透過率を有し、かつ、一般建材の窓ガラスに使用され非常に安価であることから、ソーダライムガラスを用いることが好ましい。 また、ガラス基板２の厚みは、０．５〜５ｍｍ程度、好ましくは０．５〜３．０ｍｍ程度である。

ガラス基板２のタッチ面２ａの反対面２ｂ全面に金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成する。均一な膜の形成が可能であることからスパッタリングを採用することが好ましい。スパッタリングは、固体ターゲットに加速したアルゴンイオンを衝突させて、ターゲット表面から飛び出した原子または分子をガラス基板上に付着させて形成する方法である。その後、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングしＸ方向パターン電極３を形成する。微細格子部分を精度よく形成可能であることから、例えば、エッチングパターンのマスク層をレジスト材料を用いてスクリーン印刷により形成し、所定のエッチング液を用いて湿式エッチングにより微細配線パターンを形成することが好ましい。

金属薄膜としては、導電性金属薄膜であれば使用することができる。導電性、耐蝕性、陽極酸化特性、および製造コスト等に優れることからアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。メッシュ状のＸ方向パターン電極３とすることにより、Ｘパターンの内部３ａは一見して目視で透明に見える透光部となる。Ｘ方向パターン電極３はメッシュ状の主パターンが連結部３ｂで接続された繰り返しパターンとして形成される。Ｘ方向パターン電極３は、連続した細線を用いた形状であれば、六角や縦長の長方形ひし形、台形等の任意の形状にできる。

Ｘ方向パターン電極３を構成する金属薄膜は、膜厚が０．１〜３μｍ、好ましくは０．３〜１．０μｍであり、線幅ｔ₁が１．５〜１５μｍ、好ましくは３〜１０μｍであり、線ピッチｔ₂が１００〜１０００μｍ、好ましくは３００〜７００μｍである。

Ｘ方向パターン電極３の上面および側面に金属薄膜の酸化物層が形成されている。この酸化物層は電気絶縁膜およびＹ方向パターン電極４形成時の耐エッチング性膜となる。
上面および側面に金属薄膜の酸化物層が形成されたＸ方向パターン電極３上に、金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成した後、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングし、Ｙパターンの内部４ａが一見して目視で透明に見える透光部を有するＹ方向パターン電極４を形成する。Ｘ方向パターン電極３の連結部３ｂとＹ方向パターン電極４の連結部３ｂは交点７で直交し、それぞれのパターンは交点７以外では交わらない。Ｙ方向パターン電極４を構成する金属薄膜のパターン形状、膜厚、線幅、および線ピッチはＸ方向パターン電極３のそれらと同じであり、パターン形状がＸ方向パターンを角度９０°回転した形状であることが好ましい。

図３は交点７の拡大切り欠き斜視図である。ガラス基板２上に形成された交点７部におけるＸ方向パターン電極３およびＹ方向パターン電極４を示している。Ｘ方向パターン電極３の上面３ｄおよび側面３ｃには酸化物層３’が形成され、この酸化物層３’上にＹ方向パターン電極４が形成されている。
金属薄膜としてアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜を用いた場合、酸化物層は陽極酸化により形成できる。この陽極酸化膜は、耐電気絶縁性および耐エッチング性に優れた膜であることが必要になる。具体的には、以下の特性を有する陽極酸化膜であることが必要になる。（１）絶縁耐力が２．０×１０⁶Ｖ／ｍｍ以上あること、（２）耐酸性が５５℃の混酸（リン酸４８％、硝酸１８％）に３分間浸漬して、陽極酸化膜に発泡、溶解などの変化が見られないこと。

上記特性を有する陽極酸化膜は、アルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜で形成されたＸ方向パターン電極３上に、以下の方法で形成できる。
（１）酸性浴で陽極酸化する。
酸性浴としては、硫酸浴、シュウ酸浴等が挙げられる。膜厚さが厚い陽極酸化膜が形成しやすいことから硫酸浴が好ましい。陽極酸化の条件としては、硫酸濃度０．５〜２．０モル％、電流密度１．０〜１００ｍＡ／ｃｍ²、処理時間０．５〜２．０分である。対向電極はカーボン板を用いることができる。
（２）中性塩浴で陽極酸化する。
中性塩浴としては、いわゆるバリヤー型酸化被膜を形成できる中性塩浴であれば使用できる。本発明は緻密な酸化膜が生成しやすいホウ酸およびホウ酸塩の混合浴であることが好ましい。陽極酸化の条件としては、ホウ酸濃度０．１〜１．０モル％、ホウ酸塩濃度０．０１〜０．１モル％、電流密度０．１〜５．０ｍＡ／ｃｍ²、処理時間０．５〜２．０分である。対向電極はカーボン板を用いることができる。
（３）封孔処理をする。
封孔処理をすることにより、Ｘ方向パターン電極３と直交するＹ方向パターン電極４との絶縁特性が良好になり、またＹ方向パターン電極４のフォトリソグラフィ時に行なわれるパターン電極４のエッチング時にＸ方向パターン電極３がエッチングされることはない。封孔処理の条件としては、４００℃〜５５０℃で大気中で熱処理を行なうことが好ましい。

本発明の投影型タッチスイッチパネルは、Ｙ方向パターン電極４を形成後、Ｙ方向パターン電極４の上から全面に保護膜を形成することが好ましい。保護膜を形成することにより、ＸおよびＹ方向パターン電極が保護される。保護膜としては、ＳｉＯ₂のスパッタ層が挙げられる。

本発明の投影型タッチスイッチパネルは、１枚ガラス基板で薄型であるので、家電機器、ＡＶ機器、ＰＣ／ＯＡ機器、産業機械、その他の電子デバイス等における各機器への入力手段として好適に利用できる。また、薄型になるので、小型軽量化が要求される機器への入力手段としても好適に利用できる。

実施例
０．７ｔソーダライムガラス（厚さ０．７ｍｍ）上に純度９９％のアルミニウムをスパッタリングで厚さ１μｍを全面に形成した。しかる後にフォトリソグラフィで線幅ｔ₁１０μｍ、線ピッチｔ₂３００μｍの図２に示す形状のＸ方向パターン電極を形成した。このＸ方向パターン電極を陽極酸化した。陽極酸化は、１．６Ｍ硫酸浴で４０ｍＡ／ｃｍ²で２分間電解した。さらに、０．５Ｍ Ｈ₃ＢＯ₃と０．０５Ｍ Ｎａ₂Ｂ₄Ｏ₇の混合溶液で１ｍＡ／ｃｍ²定電流で電解した。最終的に電圧は、３５０Ｖまで上昇させた。次に５００℃の大気中で１時間酸化処理を行ない、封孔処理を行なった。陽極酸化深さは約２００ｎｍであった。Ｘ方向パターン電極上に形成された陽極酸化膜は、絶縁耐力が１．０×１０⁶Ｖ／ｍｍであり、５５℃の混酸（リン酸４８％、硝酸１８％）に３分間浸漬しても発泡、溶解などの変化が見られなかった。また、陽極酸化膜をＳＥＭ−ＥＤＸ法により、Ａｌ−Ｏ組成比の加速電圧依存性を測定した。結果を図４に示す。図４（ａ）はＡｌ−Ｏ組成比を示す図であり、図４（ｂ）は陽極酸化膜表面のＳＥＭ像である。図４（ａ）において加速電圧が小さい程、表面に近い側の情報を表し、図４（ｂ）でみられる表面状態と合わせて、表面側に緻密な酸化膜が生成していることが分かる。なお、Ｓｉは下地のガラス基板に由来する。

陽極酸化されたＸ電極パターン上に純度９９％のアルミニウムをスパッタリングで厚さ１μｍを全面に形成した。しかる後にＸ方向パターン電極と同様の方法を用いて、フォトリソグラフィで線幅１０μｍ、ピッチ３００μｍの図２に示す形状のＹ方向パターン電極をＸ方向パターン電極と直交する形状に形成した。その後、保護膜としてのＳｉＯ₂をスパッタリングで５０ｎｍの厚さで全面コーティングした。最後に異方性導電フィルムを使用してＦＰＣでＸ、Ｙ外部接続電極と接続して１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルを得た。

比較例
０．７ｔソーダライムガラス（厚さ０．７ｍｍ）上に純度９９％のアルミニウムをスパッタリングで厚さ１μｍを全面に形成した。しかる後にフォトリソグラフィで線幅１０μｍ、ピッチ３００μｍのＸ方向パターン電極を形成した。この上に保護膜としてのＳｉＯ₂をスパッタリングで５０ｎｍの厚さで全面コーティングした。更に異方性導電フィルムを使用してＦＰＣでＸ外部接続電極と接続した。保護膜としてのＳｉＯ₂膜を形成する前のＸ方向パターン電極について、ＳＥＭ−ＥＤＸ法により、Ａｌ−Ｏ組成比の加速電圧依存性を測定した。結果を図５に示す。図５において加速電圧の小さい方が表面側であり、表面側は酸化膜が生成しておらずアルミニウム膜であることが分かる。なお、Ｓｉは下地のガラス基板に由来する。

別の０．７ｔソーダライムガラス（厚さ０．７ｍｍ）上にＸパターン電極形成と同様の方法でＹパターン電極を形成しＦＰＣでＹ外部接続電極と接続した。ただし、Ｘ基板とＹ基板は対向させて組合せるため、膜構成は反対となる。これらＸ基板とＹ基板とをアルミニウム面を内側に対向させて１５０μｍのスペースを設け絶縁樹脂を流し込んだ。次に紫外線硬化を行ない樹脂を硬化させた。最後に８５℃の温度、０．１ＭＰａの圧力で１時間のオートクレーブ処理を行ない脱泡処理を行なって、２枚のガラス基板を貼り合わせる従来型の投影型タッチスイッチパネルを得た。

実施例および比較例で得られたタッチスイッチパネルを比較すると、実施例のタッチスイッチパネルは、比較例のタッチスイッチパネルに比較して、厚みが１／２になり、製造作業時間は１／５に短縮できた。

本発明の投影型タッチスイッチパネルは、１枚ガラス基板で薄型であるので、小型軽量化が要求される各電子機器への入力手段としても好適に利用できる。

１ 投影型タッチスイッチパネル
２ ガラス基板
３ Ｘ方向パターン電極
４ Ｙ方向パターン電極
５ 接続端子
６ フレキシブルプリント配線板
７ 交点
１０ 従来例の投影型静電容量タッチスイッチパネル
１１ 従来例の第１のガラス基板
１２ 従来例のＸ方向検知用のセンサー部
１３ 従来例の第２のガラス基板
１４ 従来例のＹ方向検知用のセンサー部
１５ 従来例の配線
１６ 従来例の外部接続端子
１７ 従来例のフレキシブルプリント配線板

Claims (6)

1. Ｘ方向およびＹ方向に広がるタッチ面におけるタッチ位置を検出する１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルであって、
   ガラス基板と、
   このガラス基板上に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＸ方向パターン電極と、
   このＸ方向パターン電極の上面および側面に形成された前記金属薄膜の酸化物層と、
   この酸化物層上であって、前記Ｘ方向パターン電極と直交する方向に形成された金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極とを備えることを特徴とする１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネル。
2. 前記Ｘ方向パターン電極およびＹ方向パターン電極の上面に形成された透光性保護膜を有することを特徴とする請求項１記載の１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネル。
3. 前記金属薄膜がアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネル。
4. １枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルの製造方法であって、
   ガラス基板上に金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成し、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングしＸ方向パターン電極を形成する工程と、
   前記Ｘ方向パターン電極の上面および側面に前記金属膜の陽極酸化膜を形成する工程と、
   この陽極酸化膜上に金属薄膜をスパッタリングまたは蒸着で形成し、フォトリソグラフィでメッシュ状にエッチングし、前記Ｘ方向パターン電極と直交する方向に金属薄膜からなるメッシュ状のＹ方向パターン電極を形成する工程とを備えることを特徴とする１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルの製造方法。
5. 前記金属薄膜がアルミニウム薄膜またはアルミニウム合金薄膜であり、前記陽極酸化が酸性浴で陽極酸化をした後に、中性塩浴で陽極酸化をし、その後４００℃〜５５０℃で大気中で熱処理を行なう工程であることを特徴とする請求項４記載の１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルの製造方法。
6. 前記酸性浴が硫酸浴であり、前記中性塩浴がホウ酸塩浴であることを特徴とする請求項５記載の１枚ガラス基板投影型タッチスイッチパネルの製造方法。