JP4456508B2 - センサ - Google Patents

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本発明は、透明電極を用いたタッチ式のセンサに係り、特に、透明度を維持でき、かつ高い検出感度を維持できるセンサに関する。
図6は、従来の透明電極を用いた静電容量方式のタッチセンサを示す平面図である。
このセンサ100は、透明基板の表面に所定の厚さおよび所定の面積の透明電極112が形成され、この透明電極112が保護フィルムなどで保護される。透明電極112に信号印加部114が設けられており、制御部(図示せず)から信号印加部114に所定の周期で検出信号としての所定の電圧が印加される。
例えば人の指のように、一端が接地電位とされている導電体が、前記保護フィルムのうち、透明電極112が形成されている領域内に触れると、透明電極112と前記接地電位との間の静電容量が変化し、前記検出信号の波形が変化する。前記制御部は、この検出信号の波形を検出することにより、透明電極112が形成されている領域が指で触れられたか否かの検出が可能になる。
例えば、前記透明基板の下側で且つ透明電極112が形成されている領域内に照光部が設けられ、前記制御部で指が触れことを認識したときに、前記照光部が点灯される。または、透明電極112が形成されている領域の下に液晶パネルなどの表示デバイスを配置することも可能である。
下記の特許文献1には従来の透明タッチパネルが開示されている。
図7は、前記透明タッチパネルの要部断面図である。なお、図7は、特許文献1の図3と同じ図を用いている。
図7に示す透明タッチパネル200では、透明タッチパネル用基板201と樹脂板202が、金属酸化物透明導電膜(透明電極)203と透明導電膜(透明電極)204とが対向するように配置され、樹脂板202と透明タッチパネル用基板201が、その間をガラススペーサ205により所定の間隔をあけて固定されている。
指で樹脂板202を下方(図示Z2方向)に押圧すると、樹脂板202が下方に変形し、透明導電膜204と金属酸化物透明導電膜203が接触してON状態になり、両電極間に電流が流れる。指を樹脂板202から離すと、樹脂板202の形状は初期の位置に戻り、OFF状態になる。
下記の特許文献2には従来の、透明導電積層体を利用したタッチパネルが開示されている。
図8は、前記タッチパネルの概略を示す斜視図である。なお、図8は、特許文献2の図1と同じ図を用いている。
タッチパネル300は、透明電極基板301と透明電極基板302とを、透明電極膜(透明導電膜)303,304が互いに対向し、かつ、電極端子305a,305bを結ぶ方向と電極端子306a,306bを結ぶ方向とが直交するようにして貼り合わせて形成されている。そして、SiO2からなる球状のスペーサー(図示せず)を用いて、透明電極膜(透明導電膜)303,304間の距離が所定の距離になるようにされている。
入力ペン307で透明電極基板301を下方(図示Z2方向)へ押圧すると、透明電極膜(透明導電膜)303と透明電極膜(透明導電膜)304が接触し、抵抗値の変化に基づいて、入力ペン307が押圧した箇所の座標が検出される。
特開2001−306258号公報 特開平10−63429号公報
図6に示すタッチセンサ100では、検出用の電極として透明電極112が設けられている。透明電極はITO(インジウム錫酸化物)やPEDOT/PSS(ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸)などの透明電極材料で形成されるが、前記透明電極材材料を用いてスクリーン印刷などで所定のパターンの透明電極を形成する場合、その透明度を高くするには膜厚を薄くすることが必要であり、透明度を高めるにしたがって透明電極の電気抵抗値(面積抵抗)が高くなる。
図6に示す透明電極112の電気抵抗値が高くなると、透明電極112が形成されている領域内において信号印加部114に近い位置に指を触れたときの検出感度は比較的良好であるが、信号印加部114から離れた位置に指を触れた場合には、信号印加部114から指を触れた位置までの直流抵抗値が高くなるため、静電容量の変化に基づく前記検出信号の波形の変化率が低くなり、検出感度が鈍くなる。よって、信号印加部114の近くを指で触れたときには前記制御部が敏感に反応するが、信号印加部114から離れた位置を指で触れたときには前記制御部の反応が鈍くなるという問題が生じる。
そのため、従来は、透明電極112を厚く形成して抵抗値を低くしているが、この場合、透明電極112が曇った状態となり、その下に位置する前記照光部などからの光が着色されたように表示されることになり好ましくない。また、透明電極112の面積を小さくすることで指を接触させる位置の変動に起因する抵抗値の変化を抑制することも可能であるが、この場合には、指を接触させる領域が狭くなりすぎ、操作性が低下する。
前記特許文献1に記載の発明は、金属酸化物透明導電膜203の面積抵抗を中程度の抵抗値とすることにより、ON状態で両電極間に流れる電流を小さくして省電力化を図り、かつON−OFFスイッチング動作を確実安定にした発明である。
前記特許文献2に記載の発明は、透明電極膜(透明導電膜)303,304のシート抵抗を高くして入力精度を高める発明である。
前記特許文献1および2に記載の発明は、本願のような、透明度を維持でき、かつ検出感度が操作する場所に応じて変化することを防止する発明ではない。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、透明電極を用いたセンサであって、透明度を維持でき、あるいは操作面積を広く設定でき、かつ検出感度が操作する場所に応じて変化することを防止できるセンサを提供することを目的としている。
本発明は、透明基板に、透明電極と、前記透明電極に検出信号を与える1系統の信号ラインが設けられ、前記透明電極が形成されている領域を覆う保護層に導電体が触れたときに、前記透明電極と前記導電体との間の静電容量に起因する検出信号の変化を検出して前記保護層に導電体が触れたか否かを判別する制御部が設けられ、
前記透明電極の外周の少なくとも一部に、前記透明電極よりも電気抵抗の低い補助電極が設けられ、この補助電極が前記信号ラインに導通されていることを特徴とするものである。
本発明のセンサは、透明電極の外周の一部に抵抗値の低い補助電極が設けられ、この補助電極に検出信号が与えられるため、指などの導電体が接触する位置の変化による抵抗値の変化量を低減することができる。したがって、透明電極の抵抗値が比較的高くても、導電体が触れる場所によって検出感度が大きく変化することを抑制できる。または、透明電極を広くして、指などが接触したときに検出反応できる領域を広く設定することも可能になる。
本発明は、例えば前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の1辺のみに沿って形成され、この補助電極の一部が前記信号印加部とされているものである。
この場合に、補助電極は、透明電極の少なくとも1辺の全長に渡って形成されていることが好ましいが、透明電極のいずれか1辺の1/2以上に設けられているものであってもよい。
さらに本発明は、前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の1辺からこの1辺に直交する他の辺まで延びて形成されており、この補助電極の一部が前記信号印加部とされていることが好ましい。
例えば、補助電極が透明電極の2辺または3辺に沿って設けられていると、透明電極のいずれの箇所に指が触れたときでもその接触位置で抵抗値が増大することを抑制できる。または、補助電極が透明電極の4辺の全てに連続して形成されているものが好ましい。
さらに、本発明は、前記透明電極の縁部から前記透明基板の面方向に離れた位置に、基準電位に設定された基準電極が設けられているものが好ましい。
基準電極が設けられていると、透明電極と接地電位との静電容量を安定して設定でき、検出信号の波形の変化を低ノイズで検出できるようになる。
本発明のセンサでは、操作する場所に応じて検出感度が変化することを防止できる。よって、透明電極として電気的な比抵抗の大きい材料を使用することができ、または透明電極の面積を広くしても検出感度の低下を抑制できる。
図1は本発明の第1の実施の形態のセンサを示す平面図、図2は図1の2−2線での切断断面図、図3は電圧印加部、透明電極および波形検出部間の等価回路図、図4は透明電極に対応する位置に指などの導電体が触れたときの、透明電極から出力される検出信号の波形の変化を示す説明図である。
本実施の形態のセンサ10は、例えば炊飯器や冷蔵庫などの家庭用電子機器等に搭載される。センサ10の裏側(図示Z2側)には、LEDやエレクトロルミネッセンス素子などの照光部、または液晶表示装置などの表示パネル部T(図示せず)が設けられている。センサ10に指など導電体が触れると、その接触状態が検出されて、電子機器の所定の制御動作が行われるとともに、前記LEDなどが点灯し、操作者はセンサ10を介してその点灯を認識することで、制御動作が行われていることを確認できる。
センサ10は、図1に示すように、透明基板11(ガラス基板などの剛性を有する透明基板または透明なフィルム基板)の表面(図示Z1方向の面)に、所定の厚さ(膜厚)(図示Z1−Z2方向の長さ)および所定の面積(XY平面における広さ)で、複数の透明電極12A,12B,12Cが形成されている。また、透明基板11の表面には、各透明電極12A〜12Cの外周の全長に沿って所定の厚さを有する補助電極13A,13B,13Cが設けられている。
透明電極は、図1のように3つであることには限定されず、3つ未満あるいは3つよりも多く形成されていてもよい。
透明電極12A〜12Cは、ITO(インジウム錫酸化物)の粉末をバインダー樹脂内に含有させたペーストやPEDT/PSS(ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸)などの導電性ポリマーをバインダー樹脂内に含有させたペーストを、透明基板11の表面にスクリーン印刷することによって、均一な膜厚で四角形パターンで形成されている。あるいは、透明電極12A〜12Cは、ITOを原料としてスパッタリング法によっても形成することもできる。ただし、スクリーン印刷によって形成すると、スパッタリング法によって形成する場合と比べて、製造コストを低減させることができ、且つ容易に透明電極12A〜12Cを形成することができる。
透明電極12A〜12Cの形状は、図1のような四角形には限定されず、三角形や円形などであってもよい。
補助電極13A,13B,13Cは、透明電極12A,12B,12Cよりも比抵抗の小さいものであり、銅、銀、金などの低抵抗の導電性金属材料を含む導電性ペーストによってスクリーン印刷されており、または前記導電性金属材料がスパッタリングされて形成されている。透明電極12A,12B,12Cのそれぞれの周縁部全域において、補助電極13A,13B,13Cと透明電極12A,12B,12Cとがその境界線において導通されている。
補助電極13A,13B,13Cのうちの透明電極12A,12B,12Cの短辺に沿って形成されている部分の一部が信号印加部17A,17B,17Cであり、それぞれの信号印加部17A,17B,17Cと外部に設けられた制御部(図示せず)との間に所定の太さを有する信号ライン14A,14B,14Cが延びている。すなわち、信号ライン14A,14B,14Cは、前記所定の太さで補助電極13A,13B,13Cに接続されている。信号ライン14A,14B,14Cは、透明基板11に、銅、銀、金などの低抵抗の導電性金属層を設けることで形成されている。なお、本発明では、透明電極12A,12B,12Cと補助電極13A,13B,13Cとの境界線(この境界線を介して透明電極と補助電極とが導通されている)の長さが、信号印加部17A,17B,17Cにおいて、補助電極と信号ラインとが接続されている部分の、信号ラインの太さに相当する長さ寸法よりも大きくなっていることが必要である。
透明基板11では、透明電極12A,12B,12Cおよび補助電極13,13B,13Cが形成されているのと同じ表面に基準電極15が形成されている。この基準電極15は接地電位などの基準電位に設定されている。基準電極15は、透明電極12A,12B,12Cの外辺(図1の実施の形態では補助電極13A〜13Cが全周に形成されているため、これら補助電極13A〜13Cの外辺)と平行であり、前記外辺と透明基板11の面方向に均一な間隔d0をあけて形成されている。図1に示す実施の形態では、基準電極15が透明電極12A〜12Cの外周で、且つ隣り合う透明電極の間の領域を除く領域に形成されている。なお、基準電極15は、隣り合う透明電極の間に配置されていてもよい。
透明基板11の表面には、透明電極12A,12B,12Cおよび補助電極13A,13B,13Cの全域を覆う保護層が設けられている。この保護層は、保護フィルムや薄い合成樹脂板などであり、非導電性で、所定の誘電率を有する誘電体である。
図1に示すように、前記保護層は、透明電極12A〜12Cの露出部12A1〜12C1に対応する部分のみが透明であり、その他の部分は非透明である。透明基板11および透明電極12A,12B,12Cは、露出部12A1〜12C1においてのみ外部から目視可能である。透明基板11の裏側に設けられたLEDやエレクトロルミネッセンス素子などの照光部が点灯すると、その光が前記保護層の露出部12A1〜12C1に対応する位置から目視可能となる。よって、露出部12A1〜12C1を数字または図形などの表示形状にしておくと、これら数字または図形が点灯するようになる。または、透明電極12A,12B,12Cの全域において前記保護層を透明にしておき、透明電極12A,12B,12Cが形成されている領域において透明基板11の裏側に液晶表示装置などの表示装置を設けておけば、この表示装置の表示内容を前記保護層の外面から目視可能になる。
次に、センサ10の動作原理を説明する。
図3は、センサ10の動作原理を示す等価回路である。
個々の透明電極12A,12B,12Cは、所定の比抵抗および面積抵抗を有しているため、膜厚と面積に応じた抵抗体Rとなる。また、抵抗体Rと接地電位との間には所定量の静電容量Cを有している。それ自体が導電体である人が、透明電極が形成されている領域において指で前記保護層に触れると、電荷が指を介して人に向けて移動するために静電容量Cが低下する。
それぞれの信号印加部17A,17B,17Cに所定の検出電圧(検出信号)Vinを所定のデューティー比で与えると、指が触れていないときには、静電容量Cが大きく変化しないため、検出電圧は、図4において破線で示すVinと同様の波形となる。指が触れ、静電容量Cが低下すると、抵抗体Rと静電容量Cの時定数CR(CとRの積)が低下し、図4において実線で示すように、検出信号になまりが生じる(Vout)。制御部では、検出信号が図4に示すVoutのように変化していると検出できたときに、指が前記保護層に触れたと認識する。例えば検出電圧を平滑化し、平滑化電圧をスレッショルドレベルと比較することで前記検出が可能になる。
図6に示す従来例では、透明電極が形成されている領域で保護層を介して指を触れたときに、その指の接触箇所と信号印加部114との距離に応じて抵抗体Rの抵抗値が大きく変動する。抵抗値が大きくなると、静電容量Cが増大しても時定数CRの低下が鈍くなり、検出信号(Vout)の変化が鈍くなって検出感度が悪くなる。しかし、本実施の形態では、信号印加部17A,17B,17Cとほぼ同電位の補助電極13A,13B,13Cが透明電極12A,12B,12Cの全域に位置しているため、指が触れた位置が1つの透明電極上で変化しても、接触位置での抵抗体Rの抵抗値がさほど増大しないため、検出感度を良好にできる。
なお、図1に示すように、透明電極12A,12B,12Cおよび補助電極13A,13B,13Cの外周に接地電位の基準電極15が設けられていると、透明電極と接地電位の間の静電容量を安定させることができ、外部ノイズによる検出誤動作の発生を防止できる。
図5は本発明の第2の実施の形態のセンサ10Aを示す平面図である。本実施の形態のセンサ10Aは、補助電極113A,113B,113Cのみが第1の実施の形態と相違し、その他の構造は第1の実施の形態と同じである。
本実施の形態のセンサ10Aでは、透明電極12A,12B,12Cのそれぞれの1つの短辺にのみ且つその1つの短辺の全長に沿って補助電極113A,113B,113Cが形成され、この補助電極113A,113B,113Cに信号印加部117A,117B,17Cが形成されている。
本実施の形態においても、透明電極12A,12B,12Cの短辺の全長に沿って補助電極113A,113B,113Cが接続されているため、前記保護層を介していずれかの透明電極の領域に指が触れたときに、指が触れた位置の変化による抵抗体Rの抵抗値の変化を抑制することができる。なお、上記においては、補助電極が、透明電極12A,12B,12Cのそれぞれの1つの短辺にのみ且つその1つの短辺の一部にのみ、例えばその1つの短辺の1/2以上に形成されていてもよい。
また、本発明では、補助電極が、透明電極12A,12B,12Cの長辺の1辺にのみ且つその1つの長辺の全長に沿って、または、長辺の1辺にのみ且つその1つの長辺の一部にのみ、例えばその1つの長辺の1/2以上に形成されていてもよい。
あるいは、補助電極は、透明電極の1つの短辺または長辺から、その1つの短辺または長辺に直交する長辺または短辺にまで延びて、すなわち前記1つの短辺または長辺と、その1つの短辺または長辺に直交する長辺または短辺と、の双方に形成されていてもよい。この場合には、補助電極が透明電極の例えば2辺または3辺に沿って設けられるため、透明電極のいずれの箇所に指が触れたときでもその接触位置で抵抗値が増大することを抑制できる。
以上のように、各実施の形態では、透明電極の抵抗値による検出感度の低下が起こりにくいため、透明電極の透明度を高めることが可能であり、また広い面積の透明電極を使用して、タッチセンサとしての検出領域を広げることも可能である。
図5に示すように、透明電極の短辺に補助電極を形成した実施例と補助電極を設けない比較例とを作成した。実施例1ないし実施例3と、比較例1および比較例2の透明電極の材料および面積抵抗(1cmあたりの抵抗値)は表1に記載の通りである。また、光線透過率が93%の透明基板を使用しており、透明基板に透明電極を形成したときの全光線透過率も表1に記載の通りである。
表1によれば、透明電極の全光線透過率が高く、その結果面積抵抗が大きくなっても、補助電極を形成することにより、センサー感度が良好(評価○)であることが確認できる。
Figure 0004456508
本発明の第1の実施の形態のセンサを示す平面図、 図1の2−2線での切断断面図、 電圧印加部、透明電極および波形検出部間の等価回路図、 透明電極に対応する位置に指などの導電体が触れたときの、透明電極から出力される検出信号の波形の変化を示す説明図、 本発明の第2の実施の形態のセンサを示す平面図、 従来の透明電極を用いた静電容量方式のタッチセンサを示す平面図、 従来の透明タッチパネルの要部断面図、 従来のタッチパネルの概略を示す斜視図
符号の説明
10,10A センサ
11 透明基板
12A,12B,12C 透明電極
13A,13B,13C,113A,113B,113C 補助電極
14A,14B,14C 信号ライン
15 基準電極
17A,17B,17C,117A,117B,117C 信号印加部

Claims (4)

  1. 透明基板に、透明電極と、前記透明電極に検出信号を与える1系統の信号ラインが設けられ、前記透明電極が形成されている領域を覆う保護層に導電体が触れたときに、前記透明電極と前記導電体との間の静電容量に起因する検出信号の変化を検出して前記保護層に導電体が触れたか否かを判別する制御部が設けられ、
    前記透明電極の外周の少なくとも一部に、前記透明電極よりも電気抵抗の低い補助電極が設けられ、この補助電極が前記信号ラインに導通されていることを特徴とするセンサ。
  2. 前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の1辺のみに沿って形成されている請求項1記載のセンサ。
  3. 前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の1辺からこの1辺に直交する他の辺まで延びて形成されている請求項1記載のセンサ。
  4. 前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の全周囲にわたって形成されている請求項1記載のセンサ。
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