JP5237196B2 - ハイブリッドタッチパネル - Google Patents
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Description
この発明は、携帯電話やＰＤＡなどの小型の入力デバイスにおけるタッチパネルに関し、とくに磁石を内蔵した入力媒体と磁気センサを使用して磁界の強さの値から入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加されたハイブリッドタッチパネルに関するものである。
従来、発光する位置指示機で指定された位置を検出する位置検出装置としては、特許文献１に示すような静電容量式のタッチパネル、特許文献２に示すような抵抗膜式のタッチパネル、そして本発明者らが発明した光学式のタッチパネルなどがあった。本発明者らが発明した光学式のタッチパネルとは、上面透明層を全反射で伝播する全反射光に指のような入力媒体が接触することによりその反射光が散乱し、その散乱光の一部を下方に導出させて光検出器により検知し、入力媒体の接触した位置を検出する方式のタッチパネルである。
しかし、静電容量式のタッチパネルは、三次元位置検出機能を付加できるものの入力媒体などが人の指などに限定されるため、タッチペンのような入力媒体での入力ができず画面の小さな部分へのタッチがしにくい問題があった。また、抵抗膜式のタッチパネルは、指でもタッチペンのような入力媒体でも入力ができるが、タッチパネルに接触して透明電極に電気的導通を与えないと入力ができず、三次元位置検出機能が付加できない問題があった。また、本発明者らが発明した光学式のタッチパネルは、原則的に指でもタッチペンのような入力媒体でも入力ができるが、タッチペンのような入力媒体の場合に径が細いと反射光を拾いにくく、また三次元位置検出機能を付加できない問題があった。
本発明は、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された静電容量方式のハイブリッドタッチパネルである。
また本発明は、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネルである。
また本発明は、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された光入力方式のハイブリッドタッチパネルである。
そして本発明のハイブリッドタッチパネルは、中央部に窓部を有する透明基材からなり、その透明基材の上面外枠部または下面外枠部に磁気センサを隠蔽するための加飾層が形成され、その透明基材の下面外枠部に磁気センサが設置された構造であるタッチパネルであってもよい。
本発明のハイブリッドタッチパネルは、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加されていることを特徴とする。したがって、指でもタッチペンのような入力媒体でも三次元位置検出が可能な静電容量方式のタッチパネルが得られる効果がある。また、指のような入力媒体でタッチ入力ができ、タッチペンのような入力媒体で三次元位置検出が可能な抵抗膜方式または光入力方式のタッチパネルが得られる効果がある。
また、本発明のハイブリッドタッチパネルは、中央部に窓部を有する透明基材からなり、その透明基材の上面外枠部または下面外枠部に磁気センサを隠蔽するための加飾層が形成され、その透明基材の下面外枠部に磁気センサが設置された構造であることを特徴とする。したがって、従来のタッチパネルと全く変わらない意匠性に優れた外観のタッチパネルが得られる効果がある。
次に、図面を参照しながらこの発明の実施形態について説明する。
本発明の静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００は、センサ部１０５が多数の透明な平行電極５２とその平行電極５２と交差する多数の透明な平行電極５３とが絶縁層１０２を介して積層された構造からなる(図１)。そして、指のような入力媒体８が近づくと、平行電極５２および平行電極５３の静電容量値が変化する。そして、それによって生じた静電容量値の変化を信号検出回路等で読み取り、入力媒体８がハイブリッドタッチパネル１００に近づいた位置を決定するしくみになっている。
また、本発明の抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル２００は、センサ部２０５が多数の透明な平行電極５２とその平行電極５２と交差する多数の透明な平行電極５３とが空気を介して対向して積層された構造からなる(図２)。指のような入力媒体８またはタッチペンのような入力媒体１０がハイブリッドタッチパネル２００に接触すると、その押圧により平行電極５２が変形し、押圧された箇所の平行電極５２が平行電極５３と接触し、両電極の間に電流が流れ導通することになる。そして、それによって生じた抵抗値の変化を信号検出回路等で読み取り、入力媒体８または入力媒体１０がハイブリッドタッチパネル２００に接触した位置を決定するしくみになっている。
また、本発明の光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００は、光検出器３０５が少なくとも透明な無機光導電膜層３０１が多数の透明な平行電極５２とその平行電極５２と交差する多数の透明な平行電極５３とで挟まれた構造からなる(図３)。平行電極５２と平行電極５３との間に電界が印加されている場合、それらの交差部の透明な無機光導電膜層３０１に散乱光３１７が照射されると、散乱光３１７が照射された箇所の平行電極５２と平行電極５３との間に電流が流れ導通することになる。そして、それによって生じた抵抗値の変化を信号検出回路等で読み取り、散乱光３１７が発せられた位置、すなわち入力媒体８がハイブリッドタッチパネル３００の表面の透明層５７に接触した位置を決定するしくみになっている。
そして、上記本発明の静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００、抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル２００、光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００には、磁石１２を内蔵したタッチペンのような入力媒体１０と、磁気センサモジュール５の外枠部に位置しその入力媒体１０の磁石１２から発生する磁界の強さを検知する磁気センサ１６と、その磁気センサと接続され磁界の強さから前記入力媒体１０の位置を算出する計算部１８と、主に長方形などの形態で前記算出された入力媒体１０の位置情報を表示するための位置情報表示画面３が付加されている（図１，２，３参照）。
すなわち、上記本発明の静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００、抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル２００、光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００には、それぞれの方式の位置検出機能とは別に、位置情報表示画面３にタッチペンのような入力媒体１０が近づくと、入力媒体１０に内蔵された磁石１２から発生する磁界の強さおよび方向を磁気センサ１６で検知し、その信号は瞬時に計算部１８に送られ、計算部１８は、その信号である磁界の強さとその方向から磁界が発せられた位置を瞬時に計算し、入力媒体１０の位置を三次元的に決定できる機能が備わっている。
上記磁石１２を内蔵した入力媒体１０から発生する磁界の強さを磁気センサ１６で検知し、その磁界の強さから前記入力媒体１０の位置を算出する三次元位置検出機能が付加されていることにより、静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００は指のような入力媒体８でもタッチペンのような入力媒体１０でも三次元位置検出が可能となる。また、抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル２００または光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００においても、指のような入力媒体８でもタッチペンのような入力媒体１０でもタッチ入力ができ、入力媒体１０では三次元位置検出が可能となる。
平行電極５２および平行電極５３の材質としては、インジウムースズ系酸化物、アルミニウムー亜鉛系酸化物などの透明導電膜等が挙げられ、必要に応じて添加物を含有させてもよい。平行電極５２および平行電極５３の形成方法としては、スパッタリング法により全面に形成した後エッチングによりパターン化する場合のほか、ナノ粒子化した透明導電粒子をバインダーに混ぜ印刷によりパターニングする方法などが挙げられる。平行電極５２および平行電極５３の厚みとしては、数十ｎｍ〜数μｍの範囲が好ましい。これよりも厚みが薄すぎると抵抗値が高くなって検知感度が低くなり、厚すぎると透明性が低下するからである。
静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００の形成方法としては、透明基材７の片面に平行電極５２を形成し、その上に絶縁層１０２を積層し、その上に平行電極５３を積層形成する方法が挙げられる。また、上記平行電極５２、平行電極５３以外にシールド層を別途形成してもよい。
静電容量方式のハイブリッドタッチパネル１００の絶縁層１０２の材質としては、ビニル系、アクリル系、ポリエステル系、ウレタン系、エポキシ系、アルキッド系などの透明な樹脂が挙げられる。絶縁層１０２の形成方法としては、汎用のグラビア、オフセットなどの印刷方法のほか、リバースコーターなどによるコート法、塗装などが挙げられる。なお、平行電極５２と平行電極５３とを同じ向きに積層して、上記透明基材７自体を絶縁層１０２とすることもできる。
また、抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル２００の形成方法としては、透明基材７の片面に平行電極５２を形成したフィルムと透明基材７の片面に平行電極５３を形成したフィルムとを対向して設置し、平行電極５２と平行電極５３との間にスペーサー２０２を形成する方法が挙げられる。スペーサー２０２は、スクリーン印刷などの方法によりドットパターンでビニル系、アクリル系などの透明な樹脂からなるインキ等で形成するとよい。
透明基材７の材質としては、ポリスチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＮ樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂のほか、各種エンジニアリング樹脂を挙げることができる。さらに、ガラス繊維や無機フィラーなどの補強材を添加した複合樹脂であってもよい。また、多少着色されていてもよい。
光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００は、上面に指のような入力媒体８が接触できる透明層３０７と、透明層３０７の側面に位置し透明層３０７内を全反射で伝播する全反射光３１４を発生させる光源３１６とが形成され、その光源３１６から発生した全反射光３１４がその透明層３０７の上面と指３１０との接触部３１２において散乱し、その散乱光３１５の一部が透明層３０７の下方に導出して、その下方に導出された散乱光３１７が光検出器３０５に達するよう形成されている。（図３参照）。
すなわち、光入力方式のハイブリッドタッチパネル３００においては、通常、光源３１６から発せられた光は透明層５７の内部で全反射光３１４として通常は閉じ込められて外部に導出しない状態になっている。ところが、透明層５７の上面のある座標を指のような入力媒体８でタッチすると、それまで全反射していて透明層５７に閉じ込められていた反射光３１４が散乱し、その一部は透明層５７の下方に導出する。導出する光のうち透明層５７の下面とほぼ垂直に導出する散乱光３１７は、透明層５７の下面の界面によって再反射することも屈折することもなく、直進的に光検出器３０５に達するのである（図３参照）。
平行電極５２と平行電極５３とで挟まれた透明な無機光導電膜層３０１は、散乱光３１７の光エネルギーを吸収して励起し、電流を発生する層である。透明な無機光導電膜層３０１の材質としては、インジウムースズ系酸化物、インジウムー亜鉛系酸化物、インジウムーガリウム系酸化物、インジウムーガリウムー亜鉛系酸化物、インジウムーガリウムー亜鉛―マグネシウム系酸化物などの透明酸化物半導体が挙げられ、必要に応じて添加物を含有させてもよい。これらの透明酸化物半導体には、アモルファスシリコンや有機半導体に比べて、１０倍以上の電子移動度を有し、飽和電流、スィッチング速度などのトランジスタ特性が１０倍以上に向上するものがあるからである。
透明な無機光導電膜層３０１の形成方法としては、スパッタリング法のほかプラズマＣＶＤ法などの方法を採用することもできる。透明な無機光導電膜層１の厚みとしては、数十ｎｍ〜数百ｎｍの範囲が好ましい。これよりも厚みが薄すぎるとピンホールが生じやすくなり、厚すぎると検出感度が低下するからである。
光源３１６は、透明層５７の側面に設置できるよう小型で省スペースの発光ダイオード、レーザーダイオードなどが好ましい。光源３１６の光としては、可視光線、紫外線、赤外線などが挙げられ、その中でも無機光導電膜層１を励起させやすく、安価で入手のしやすい波長３３０ｎｍ〜３７０ｎｍの紫外線の光源が好ましい。光源３１６の光量としては、たとえば１μＷ〜１０ｍＷ／ｃｍ↑２が適当である。光量が少なすぎると検出精度が低下し、多すぎるとエネルギーの無駄使いになるからである。
また透明層５７の材質は、光線伝播しやすく光線透過率の高いアクリルなどの成形樹脂やガラスなどの透明な無機物などを採用することができる。透明層５７の形状や厚みは光線伝播できる形状でできるだけ薄い厚みに設定すること以外に特に制約はないが、透明層５７の上面および下面の表面の凹凸は光が全反射しやすくなるよう算術平均粗さＲａ値が１〜２０ｎｍの平滑面にすることが好ましい。
（１）静電容量式のハイブリッドタッチパネル
厚さ３８μｍのポリエステル樹脂フィルムを用い、基体シート上にビニル系樹脂からなる加飾層をグラビア印刷法にて形成し転写シートを得た。次いで、この転写シートを用い、射出成形金型内に加飾層を内側になるようにセットして型締めし、加飾層形成面から溶融した無色透明のアクリル系射出成形樹脂を射出成形金型内に充填し、冷却後、前記射出成形金型を開いて樹脂成形品を取り出し、基体シートを剥離したところ、中央のディスプレイ部分が無色透明で、その外枠部分に加飾層が形成された磁気センサモジュール用加飾成形品が得られた。
厚さ３８μｍのポリエステル樹脂フィルムを用い、基体シート上にビニル系樹脂からなる加飾層をグラビア印刷法にて形成し転写シートを得た。次いで、この転写シートを用い、射出成形金型内に加飾層を内側になるようにセットして型締めし、加飾層形成面から溶融した無色透明のアクリル系射出成形樹脂を射出成形金型内に充填し、冷却後、前記射出成形金型を開いて樹脂成形品を取り出し、基体シートを剥離したところ、中央のディスプレイ部分が無色透明で、その外枠部分に加飾層が形成された磁気センサモジュール用加飾成形品が得られた。
つぎに、透明基材として厚さ５０μｍのポリエステル樹脂フィルムを用い、その片面に亜鉛系酸化物からなる透明導電膜をスパッタリング法で形成し、エッチングによりパターン化してＸ方向の平行電極を形成した。そして、その上に絶縁層として厚さ５０μｍのポリエステル樹脂フィルムを貼合積層し、その上に再度亜鉛系酸化物からなる透明導電膜をスパッタリング法で形成し、エッチングによりパターン化してＹ方向の平行電極を形成した。得られたＸ方向の平行電極、Ｙ方向の平行電極の端部引き回し回路にチップを実装し、静電容量式センサを作製した。
つぎに、上記の静電容量式センサを前記磁気センサモジュール用加飾成形品の中央のディスプレイ部分の裏面に透明接着フィルムを介して貼合するとともに、外枠の加飾層が形成された部分の下面の位置、計四箇所にそれぞれ一個ずつ加飾層にて覆い隠されるような構造になるようにして磁気センサを設置した。そして、静電容量式センサおよび磁気センサをそれぞれの信号処理装置と接続し、ハイブリッド静電容量式タッチパネルを作製した。
得られたハイブリッド静電容量式タッチパネルの位置情報表示画面に、磁石が内蔵されたペンを近づけて、ペンの三次元位置が検知可能か否かテストした。また、位置情報表示画面に指を近づけて、指の三次元位置が検知可能か否かテストした。その結果、ペンを近づけた場合は磁気センサでペンに内蔵された磁石の磁気の強さを検知し、指を近づけた場合は静電容量センサで指の移動による静電容量値の変化を検知した。その結果、このハイブリッド静電容量式タッチパネルは、ペンでも指でも三次元位置を検知し、三次元入力ができる座標入力装置であることが確認できた。
（２）抵抗膜式のハイブリッドタッチパネル
別々の透明基材にＸ方向の平行電極およびＹ方向の平行電極を形成し、それらの平行電極が対向するように設置し、その間にスペーサーをアクリル系樹脂からなる透明インキでスクリーン印刷法によりドットパターンで形成し、積層した他は実施例１と同様にして、ハイブリッド抵抗膜式タッチパネルを作製した。得られたハイブリッド抵抗膜式タッチパネルは、指でタッチ入力ができ、ペンで三次元位置検出が可能できる座標入力装置であることが確認できた。
別々の透明基材にＸ方向の平行電極およびＹ方向の平行電極を形成し、それらの平行電極が対向するように設置し、その間にスペーサーをアクリル系樹脂からなる透明インキでスクリーン印刷法によりドットパターンで形成し、積層した他は実施例１と同様にして、ハイブリッド抵抗膜式タッチパネルを作製した。得られたハイブリッド抵抗膜式タッチパネルは、指でタッチ入力ができ、ペンで三次元位置検出が可能できる座標入力装置であることが確認できた。
（３）光入力方式のハイブリッドタッチパネル
上面および下面の表面の凹凸が算術平均粗さＲａ値８．５ｎｍの平滑面で、厚みが１．５ｍｍ、光線透過率が９２％のアクリル樹脂からなる透明層の側面に波長３７０ｎｍの紫外線を発生でき、光源の強度としては５ｍＷ／ｃｍ↑２の発光ダイオードからなる光源を設置した。そして光源は透明層のある方向を除いて反射板で囲み、反射光が透明層内に導かれるよう設計した。また、透明層の側面に光源とは別に磁気センサを設置し、磁気センサは信号処理装置と接続した。
上面および下面の表面の凹凸が算術平均粗さＲａ値８．５ｎｍの平滑面で、厚みが１．５ｍｍ、光線透過率が９２％のアクリル樹脂からなる透明層の側面に波長３７０ｎｍの紫外線を発生でき、光源の強度としては５ｍＷ／ｃｍ↑２の発光ダイオードからなる光源を設置した。そして光源は透明層のある方向を除いて反射板で囲み、反射光が透明層内に導かれるよう設計した。また、透明層の側面に光源とは別に磁気センサを設置し、磁気センサは信号処理装置と接続した。
つぎに、厚さ１００μｍの二軸延伸ポリエステルフィルム上にレジストをスクリーン印刷で形成し、その上からインジウムスズ酸化物からなる透明導電膜を厚さ１００ｎｍでスパッタリング法にて形成後、有機溶剤でもってエッチングレジストを剥離し、Ｘ方向の平行電極を形成した。ついで、その上にターゲット材料として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）４組成を有する多結晶焼結体をスッパリング加工して無機光導電膜層を形成した。ついで、無機光導電膜層上にレジストをスクリーン印刷で形成し、その上からインジウムスズ酸化物からなる透明導電膜を厚さ１００ｎｍでスパッタリング法にて形成後、有機溶剤でもってレジストを剥離し、Ｙ方向の平行電極を形成した。
上記両平行電極は信号検出回路を介して光電流検出、信号処理、送信等の回路を持つ汎用チップを使用したコントローラと接続させ光検出部とすることにより、光入力方式のハイブリッドタッチパネルを得た。得られた光入力方式のハイブリッドタッチパネルは、指でタッチ入力ができ、ペンで三次元位置検出が可能できる座標入力装置であることが確認できた。
本発明のタッチパネルは、指でもペンでも入力することができ、ペンでは三次元位置検知が可能になるタッチパネルである。したがって、携帯電話やＰＤＡ、ＰＣ、ＴＶなどの入力デバイスとして用いることができる。
３ 位置情報表示画面
５ 磁気センサモジュール
７ 透明基材
８ 指のような入力媒体
１０ タッチペンのような入力媒体
１２ 入力媒体１０に組み込まれた磁石
１６ 磁気センサ
１８ 入力媒体１０の位置を算出する計算部
５０ 加飾層
５２ Ｘ方向の平行電極
５３ 平行電極５２と交差するＹ方向の平行電極
１００ 静電容量方式のハイブリッドタッチパネル
１０２ 絶縁層
１０５ 静電容量方式のハイブリッドタッチパネルのセンサ部
２００ 抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル
２０２ スペーサー
２０５ 抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネルのセンサ部
３００ 光入力方式のハイブリッドタッチパネル
３０１ 透明な無機光導電膜層
３０５ 光検出器
３０７ 透明層
３１２ 透明層７の上面と入力媒体１０との接触部
３１４ 全反射光
３１５ 散乱光
３１６ 光源
３１７ 透明層７の下方に導出した散乱光
５ 磁気センサモジュール
７ 透明基材
８ 指のような入力媒体
１０ タッチペンのような入力媒体
１２ 入力媒体１０に組み込まれた磁石
１６ 磁気センサ
１８ 入力媒体１０の位置を算出する計算部
５０ 加飾層
５２ Ｘ方向の平行電極
５３ 平行電極５２と交差するＹ方向の平行電極
１００ 静電容量方式のハイブリッドタッチパネル
１０２ 絶縁層
１０５ 静電容量方式のハイブリッドタッチパネルのセンサ部
２００ 抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル
２０２ スペーサー
２０５ 抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネルのセンサ部
３００ 光入力方式のハイブリッドタッチパネル
３０１ 透明な無機光導電膜層
３０５ 光検出器
３０７ 透明層
３１２ 透明層７の上面と入力媒体１０との接触部
３１４ 全反射光
３１５ 散乱光
３１６ 光源
３１７ 透明層７の下方に導出した散乱光
Claims (3)
- 中央部に窓部を有する透明基材からなり、その透明部の上面外枠部または下面外枠部に磁気センサを隠蔽するための加飾層が形成され、その透明基材の下面外枠部に磁気センサが設置された構造であって、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された光入力式のハイブリッドタッチパネル。
- 中央部に窓部を有する透明基材からなり、その透明部の上面外枠部または下面外枠部に磁気センサを隠蔽するための加飾層が形成され、その透明基材の下面外枠部に磁気センサが設置された構造であって、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された静電容量方式のハイブリッドタッチパネル。
- 中央部に窓部を有する透明基材からなり、その透明部の上面外枠部または下面外枠部に磁気センサを隠蔽するための加飾層が形成され、その透明基材の下面外枠部に磁気センサが設置された構造であって、磁石を内蔵した入力媒体から発生する磁界の強さを磁気センサで検知し、その磁界の強さから前記入力媒体の位置を算出する三次元位置検出機能が付加された抵抗膜方式のハイブリッドタッチパネル。
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