JP6065950B2

JP6065950B2 - タッチセンサ

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Publication number: JP6065950B2
Application number: JP2015145867A
Authority: JP
Inventors: 英和加納; 遠藤　潤; 潤遠藤; 貴文井上; 宏明北田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: CN105593798A; US20170242510A1; CN105593798B; US9690414B2; JP2015212982A; JP5783346B1; JPWO2015050097A1; US20150378493A1; US10101866B2; WO2015050097A1

Description

本発明は、押し込みを検出するタッチセンサに関する。

従来、操作者が操作面に触れたことで操作入力を検出するタッチ式入力装置が各種考案されている。タッチ式入力装置としては、操作面へのタッチ位置と、操作面の押し込みや当該押し込みによる押圧力を検出する装置がある。

例えば、特許文献１に記載のタッチ式入力装置は、平板状の感圧センサ（押圧検出センサ）と平板状の静電式位置検出センサを重ねた構造である。押圧検出センサは押し込みの有無や押圧力を検出し、静電式位置検出センサは操作位置を検出する。

静電式位置検出センサは、誘電体基板と、当該誘電体基板にマトリクス状に配列形成された位置検出用電極とを備える。位置検出用電極は、誘電体基板の対向する両主面に配置されている。押圧検出センサは、圧電体と、当該圧電体が発生する電荷を検出するための圧電検出用電極とを備える。圧電検出用電極は、圧電体の対向する両主面に配置されている。

特開平５−６１５９２号公報

上述の構成では、タッチ式入力装置の厚みは、静電式位置値検出センサと押圧検出センサの各厚みの合計以上となる。すなわち、タッチ式入力装置の厚みは、誘電体基板と、誘電体基板の両主面に配置された位置検出用電極と、圧電体と、圧電体の両主面に配置された圧電検出用電極の各厚みの合計以上となる。

そこで、本発明の目的は、従来構成よりも薄型のタッチセンサを提供することにある。

本発明のタッチセンサは、第１主面及び第２主面を有する圧電フィルムと、前記第１主面に成膜され、絶縁体からなるハードコート層と、前記ハードコート層の表面であって、前記圧電フィルムと反対側の表面に形成された第１圧電検出用電極と、前記第２主面に形成された第２圧電検出用電極と、を備える。

この構成では、圧電フィルムの第１主面への成膜によってハードコート層が形成されるので、ハードコート層と圧電フィルムを接着するための接着層は不要である。従って、本発明は、圧電検出用電極が表面に形成された絶縁性ベースフィルムを圧電フィルムに接着する従来構成に比べて、タッチセンサを薄型化することができる。

また、タッチセンサは、操作面を有するカバー部材であって、前記ハードコート層を基準にして前記圧電フィルムと反対側に配置されるカバー部材、をさらに備えてもよく、前記ハードコート層の剛性は、前記圧電フィルムの剛性より高くてもよい。

この構成では、操作面と圧電フィルムの間に剛性の高いハードコート層が配置される。その結果、操作面の変形の応力は、圧電フィルムに伝達されやすくなる。従って、この構成は、タッチセンサを薄型化しつつ、タッチセンサの感度を向上させることができる。

また、タッチセンサは、外部回路に接続されている外部接続用電極であって、前記第１圧電検出用電極に熱圧着された外部接続用電極、をさらに備えてもよい。

さらに、前記外部接続用電極は、異方性導電膜を介して前記第１圧電検出用電極に熱圧着されたものであってもよい。

また、前記圧電フィルムは、Ｌ型ポリ乳酸を含むものであってもよい。この構成では、圧電フィルムは、透光性を有する。また、Ｌ型ポリ乳酸を含む圧電フィルムは、焦電性がないので、温度が伝わる場合に好適である。

本発明によれば、タッチセンサを薄型化することができる。

本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの構成を示す側面断面図である。本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサを備えるタッチ式入力装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第２の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。本発明の第３の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。

本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサについて、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの構成を示す側面断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサを備えるタッチ式入力装置の構成を示す側面断面図である。なお、図３ではタッチセンサを構成する押圧検出センサおよび位置検出センサの概略形状のみを記載している。

図１、図２に示すように、タッチセンサ１０は、押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０とを備える。押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０は、平面視して矩形の平板形状からなる。押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０は、主面が平行になるように重ねて配置されている。タッチセンサ１０は、カバー部材４０の裏面側に装着されている。カバー部材４０は、ガラス板やアクリル板等の透光性と絶縁性を有する。カバー部材４０は、表面が操作面で且つ表示画像の表示面である。

押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０は、位置検出センサ３０、押圧検出センサ２０の順で、カバー部材４０側から配置されている。カバー部材４０と位置検出センサ３０は透光性の粘着剤１２によって接着され、位置検出センサ３０と押圧検出センサ２０は透光性の粘着剤１１によって接着されている。粘着剤１１，１２は、例えば、アクリル系粘着剤からなる。

このような構成のタッチセンサ１０は、図３に示すように、タッチ式入力装置１の一部として組み込まれる。タッチ式入力装置１は、略直方体形状の筐体５０を備える。筐体５０の表面側は開口している。筐体５０内には、タッチセンサ１０（押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０の積層体）、カバー部材４０、表示パネル６０、および、制御部を実現する演算回路モジュール７０が配置されている。これらは、筐体５０の開口面（操作面、兼、表示面）側から順に、厚さ方向に沿って、カバー部材４０，タッチパネル１０、表示パネル６０、演算回路モジュール７０の順で配置される。表示パネル６０は、液晶パネル、有機ＥＬパネル等の薄型ディスプレイからなる。演算回路モジュール７０は、押圧検出センサ２０および位置検出センサ３０が出力する検出信号から、操作位置および押圧力を算出する。

次に、タッチパネル１０のより具体的な構成について説明する。

タッチパネル１０の押圧検出センサ２０は、圧電フィルム２１、第１圧電検出用電極２２、および第２圧電検出用電極２３を備える。圧電フィルム２１は、矩形であり、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を用いている。ＰＬＬＡは、一軸延伸されている。一軸延伸方向は、矩形を構成する直交する二辺（第１方向の辺および第２方向の辺）に対して、略４５°を成す。なお、一軸延伸方向が成す角度は、適宜調整すればよく、タッチセンサ１０が筐体５０に対して、第１方向の両端のみ、第２方向の両端のみ、もしくは外周に沿って固定されている場合には、４５°であることが最も好ましい。

このようなキラル高分子からなるＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電フィルムの平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧量（押込量）により平板面が当該平板面に直交する方向へ変位する変位量に依存する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。したがって、圧電フィルム２１にＰＬＬＡを用いることで、押圧による変位を高感度に検出することができる。

なお、延伸倍率は３〜８倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えば第１の軸方向に８倍、第１の軸方向に直交する第２の軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそ第１の軸方向に４倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。すなわち、上述の一軸延伸方向とは、圧電フィルムが複数方向に延伸された場合も含めて、最も延伸された方向を意味する。そして、単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。

また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦやＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではない。このため、ＰＬＬＡには、ＰＶＤＦやＰＺＴ等の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

また、ＰＬＬＡは有機圧電材料としては透光性が高い。したがって、圧電フィルム２１の透光性を高くすることができる。

第１圧電検出用電極２２は、圧電フィルム２１の第１主面に配置されている。圧電フィルム２１の第１主面は、圧電フィルム２１の位置検出センサ３０側の面である。より具体的には、圧電フィルム２１の第１主面には、薄膜で透光性の高いハードコート層２１０が成膜されており、当該ハードコート層２１０の表面に第１圧電検出用電極２２が形成されている。ハードコート層２１０は、絶縁性を有するとともに、圧電フィルム２１よりも剛性を有する材料からなる。

第１圧電検出用電極２２は、圧電フィルム２１の第１主面の略全面に亘る形状で形成されている。第１圧電検出用電極２２は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれを用いてもよい。このような材料を用いることで、透光性が高い電極を形成することができる。

また、この構成では、圧電フィルム２１の第１主面にハードコート層２１０が形成されているので、当該ハードコート層２１０の表面に形成された第１圧電検出用電極２２を外部回路に接続する際に、異方性導電膜等の熱圧着による接続を行うことができる。

したがって、従来構成のように、第１圧電検出用電極を耐熱性の絶縁性ベースフィルムに形成して当該絶縁性ベースフィルムを粘着剤で圧電フィルムに接着する構成よりも、透光性を向上させることができる。また、圧電フィルムの第１主面に第１圧電検出用電極を配置する構造を、従来構成よりも薄型にすることができる。

第２圧電検出電極２３は、圧電フィルム２１の第２主面側に配置されている。圧電フィルム２１の第２主面は、圧電フィルム２１の第１主面と反対側の面、すなわち、位置検出センサ３０側と反対側の面である。より具体的には、第２圧電検出用電極２３は、絶縁性ベースフィルム２３０に形成されている。絶縁性ベースフィルム２３０は、透光性を有する材料からなる。絶縁性ベースフィルム２３０は、第２圧電検出用電極２３が形成されている側の面が圧電フィルム２１側となるように、粘着剤２５によって圧電フィルム２１の第２主面に接着されている。

第２圧電検出用電極２３は、圧電フィルム２１の第２主面の略全面に亘る形状で配置されており、具体的な形状および配列パターンは後述するが、図２に示すように、複数の電極非形成部２３１を有する。第２圧電検出用電極２３は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれを用いてもよい。このような材料を用いることで、透光性が高い電極を形成することができる。

このような構成では、カバー部材４０が押し込まれて、圧電フィルム２１に応力が加わると、圧電フィルム２１はひずんで電荷を発生する。第１圧電検出用電極２２と第２圧電検出用電極２３がこの電荷を検出して検出電圧信号を発生することで、押圧力を検出することができる。

位置検出センサ３０は、誘電体基板３１、第１位置検出用電極３２、第２位置検出用電極３３を備える。誘電体基板３１は矩形であり、透光性を有する絶縁性材料からなる。

第１位置検出用電極３２は、長尺状であり、誘電体基板３１の第１主面（本発明の第３主面に相当する）に、誘電体基板３１（タッチセンサ１０）の第１方向と長尺方向とが平行になるように配置されている。誘電体基板３１の第１主面（本発明の第３主面に相当する）は、誘電体基板３１のカバー部材４０側の面である。

第１位置検出用電極３２は複数あり、誘電体基板３１（タッチセンサ１０）の第２方向に沿って間隔をおいて配置されている。第１位置検出用電極３２は、誘電体基板３１の第１主面（本発明の第３主面に相当する）に直接形成されている。

第２位置検出用電極３３は、長尺状であり、誘電体基板３１の第２主面（本発明の第４主面に相当する）に、誘電体基板３１（タッチセンサ１０）の第２方向と長尺方向とが平行になるように配置されている。誘電体基板３１の第２主面（本発明の第４主面に相当する）は、誘電体基板３１の押圧検出センサ２０側の面である。第２位置検出用電極３３は複数あり、誘電体基板３１（タッチセンサ１０）の第１方向に沿って間隔をおいて配置されている。より具体的には、第２位置検出用電極３３は、絶縁性ベースフィルム３３０に形成されている。絶縁性ベースフィルム３３０は、透光性を有する材料からなる。絶縁性ベースフィルム３３０は、第２位置検出用電極３３が形成されている側の面が誘電体基板３１側となるように、粘着剤３５によって誘電体基板３１の第２主面（本発明の第４主面に相当する）に接着されている。

第１、第２位置検出用電極３２，３３は、透光性を有する材料からなり、例えば、ＩＴＯからなる。これにより、透光性を有する位置検出センサ３０を実現できる。

このような構成では、操作面に指が接触もしくは近接した際の静電容量の変化により、第１、第２位置検出用電極３２，３３間の静電容量が変化する。この際、指に最も近い位置の第１、第２位置検出用電極３２，３３が対向する領域の静電容量が最も大きく変化する。したがって、この最も静電容量の変化が大きな第１、第２位置検出用電極３２，３３の組合せを検出することで、操作位置を検出することができる。

このような構成からなる位置検出センサ３０では、第１位置検出電極３２が第２方向に平行に伸長する長尺状であり、第２位置検出用電極３３が第１方向に平行に伸長する長尺状であるので、図１、図２に示すように、タッチセンサ１０を厚み方向に沿って見て、重なる領域が存在する。

第２圧電検出用電極２３に設けられた電極非形成部２３１は、タッチセンサ１０を厚み方向に沿って見て、第１位置検出電極３１と第２位置検出用電極３２が重なる領域（位置検出用電極の重複領域）に、設けられている。

この構成により、位置検出用電極の重複領域では、厚み方向に、第１位置検出用電極３２、第２位置検出用電極３３、第１圧電検出用電極２２が重なるが、第２圧電検出用電極２３は重ならない。すなわち、位置検出用電極の重複領域では、厚み方向に、電極は３層の構造となる。

第１位置検出用電極３２と第２位置検出用電極３３が重ならない領域における第１位置検出電極３２が存在する領域では、厚み方向に、第１位置検出電極３２、第１圧電検出用電極２２、第２圧電検出用電極２３が重なる。

第１位置検出用電極３２と第２位置検出用電極３３が重ならない領域における第２位置検出電極３３が存在する領域では、厚み方向に、第２位置検出電極３３、第１圧電検出用電極２２、第２圧電検出用電極２３が重なる。

このように、第１位置検出電極３２と第２位置検出用電極３３が重ならない領域では、厚み方向に、電極は３層の構造となる。

以上のように、本実施形態の構成を用いれば、タッチセンサ１０の全体で、電極は３層の構造となり、従来構成の４層構造よりも、電極の層数を少なくすることができる。これにより、従来構成よりも透光性が高いタッチセンサを実現することができる。また、位置検出センサ３０における電極が形成されていない領域にも第１、第２圧電検出用電極２２，２３は形成されているので、この領域の電極は２層構造となる。したがって、位置検出センサ３０における電極が形成されていない領域と電極が形成されている領域との間の色の差や透光率の差を小さくすることができる。これにより、従来構成よりも、透光性のバラツキや色目のバラツキが少ないタッチセンサを実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るタッチセンサについて、図を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。本実施形態のタッチセンサは、第１の実施形態に係るタッチセンサ１０に対して、電極非形成部２３２の形状が異なるものであり、他の構成は、第１の実施形態に係るタッチセンサ１０と同じである。したがって、第１の実施形態に係るタッチセンサ１０と異なる箇所のみを具体的に説明する。

本実施形態の第２圧電検出用電極２３に設ける電極非形成部２３２は、タッチセンサの厚み方向に沿って、第２位置検出用電極３３と重なる位置に設けられている。ここで、第２位置検出電極３３は、第１位置検出電極３２よりも低抵抗に形成されている。例えば、第２位置検出用電極３３は、第１位置検出電極３２よりも幅広に形成されていたり、厚膜に形成されている。特に厚膜に形成されている場合、第２位置検出用電極３３は、第１位置検出電極３２よりも透光性が低くなる。

したがって、本実施形態の構成を用いれば、第１位置検出電極３２よりも透光性の低い第２位置検出用電極３３と第２圧電検出用電極２３が重ならない。これにより、第２位置検出用電極３３の形成領域での透光率を向上させることができる。さらに、第１位置検出電極３２と第２圧電検出用電極２３は重なるので、第１位置検出電極３２の形成領域と第２位置検出用電極３３の形成領域とでの透光率の差を小さくでき、透光性のバラツキや色目のバラツキが少ないタッチセンサを実現することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るタッチセンサについて、図を参照して説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。本実施形態のタッチセンサは、第２の実施形態に係るタッチセンサに対して、第１位置検出用電極３２Ａの形状が異なるとともに、第２圧電検出用電極２３における電極非形成部２３２Ａ，２３２Ｂの形状が異なるものであり、他の構成は、第２の実施形態に係るタッチセンサと同じである。したがって、第２の実施形態に係るタッチセンサと異なる箇所のみを具体的に説明する。

本実施形態の第１位置検出用電極３２Ａは、タッチセンサの厚み方向に沿って、第２位置検出用電極３３と重なる領域の幅が、第２位置検出用電極３３と重ならない領域の幅よりも狭い。これにより、第１位置検出用電極３２Ａと第２位置検出用電極３３とが重なる面積を小さくすることができる。これにより、透光率が低くなってしまう領域の面積を小さくすることができる。

また、上述のように、第１位置検出電極３２Ａは第２位置検出用電極３３と比較して高抵抗であってもよいので、このように第１位置検出用電極３２Ａの幅を部分的に狭くしても、位置検出感度は殆ど低下しない。

また、本実施形態の第２圧電検出用電極２３における電極非形成部２３２Ａ，２３２Ｂは、第１位置検出用電極３２Ａにおける第２位置検出用電極３３と重なる領域に接する一部の領域と、タッチセンサの厚み方向に沿って重なる領域にも電極の非形成領域が拡大された形状からなる。このような構成では、第１位置検出用電極３２Ａの一部の領域でも第２圧電検出用電極２３と重ならない。これにより、当該領域での透光率を向上させることができる。

また、隣り合う非形成部２３２Ｂ間には、狭幅ではあるが電極が形成された領域を備えている。これにより、第２圧電検出用電極２３は、他の電極形成領域と導通していない独立の領域が存在しないので、高い透光性を実現しながら、電荷検出のための一つの電極パターンで実現することができる。したがって、独立した電極のための引き回し等を設ける必要が無く、外部出力用の電極パターンを簡素化できる。

なお、上述の各実施形態では、第２圧電検出用電極２３に非形成部を設ける例を示したが、第１圧電検出用電極２２に非形成部を設けることもできる。しかしながら、絶縁性ベースフィルム２３０に形成された第２圧電検出用電極２３に非形成部を設ける方が好ましい。絶縁性ベースフィルム２３０に第２圧電検出用電極２３を形成して、電極非形成部２３１を設けた場合、従来の電極付き樹脂フィルムに対して行うパターニング処理とエッチング処理を用いて、容易に電極非形成部２３１を設けることができるからである。また、圧電フィルム２１に形成する電極にパターニング処理とエッチング処理を行わなくてもよく、圧電フィルム２１の劣化を防止することができるからである。

また、上述の説明では、カバー部材４０側から、位置検出センサ、押圧検出センサの順に配置する例を示したが、逆の配置であってもよい。

また、上述の説明では、圧電フィルムの第１主面側にハードコート層を成膜して第１圧電検出用電極を形成する例を示した。しかしながら、圧電フィルムの第１主面側も第２主面側と同様に、絶縁性ベースフィルムに第１圧電検出用電極を形成し、当該絶縁性ベースフィルムを圧電フィルムに装着する構成であってもよい。

１：タッチ式入力装置
１０：タッチセンサ
１１，１２：粘着剤
２０：押圧検出センサ
２１：圧電フィルム
２２：第１圧電検出用電極
２３：第２圧電検出用電極
２１０：ハードコート層
２３０，３３０：絶縁性ベースフィルム
２３１，２３２，２３２Ａ，２３２Ｂ：電極非形成部
３０：位置検出センサ
３１：誘電体基板
３２，３２Ａ：第１位置検出用電極
３３：第２位置検出用電極
４０：カバー部材
５０：筐体
６０：表示パネル
７０：演算回路モジュール

Claims

第１主面及び第２主面を有する圧電フィルムと、
前記第１主面に成膜され、絶縁体からなるハードコート層と、
前記ハードコート層の表面であって、前記圧電フィルムと反対側の表面に形成された第１圧電検出用電極と、
前記第２主面に形成された第２圧電検出用電極と、
操作面を有するカバー部材であって、前記ハードコート層を基準にして前記圧電フィルムと反対側に配置されるカバー部材と、を備え、
前記ハードコート層の剛性は、前記圧電フィルムの剛性より高い、
タッチセンサ。
第３主面および第４主面を有し、前記圧電フィルムに重ねて配置された誘電体基板と、
前記第３主面に配置された第１位置検出用電極と、
前記第４主面に配置された第２位置検出用電極と、を備え、
平面視して、前記第１位置検出用電極が配置された領域における前記第１位置検出用電極と前記第２位置検出用電極とが重ならない領域では、前記第１圧電検出用電極と前記第２圧電検出用電極とは重なっている、
請求項１に記載のタッチセンサ。
第３主面および第４主面を有し、前記圧電フィルムに重ねて配置された誘電体基板と、
前記第３主面に配置された第１位置検出用電極と、
前記第４主面に配置された第２位置検出用電極と、を備え、
平面視して、前記第２位置検出用電極が配置された領域における前記第１位置検出用電極と前記第２位置検出用電極とが重ならない領域では、前記第１圧電検出用電極と前記第２圧電検出用電極とは重なっている、
請求項１に記載のタッチセンサ。
外部回路に接続されている外部接続用電極であって、前記第１圧電検出用電極に熱圧着された外部接続用電極、をさらに備える、
請求項１〜３のいずれかに記載のタッチセンサ。
前記外部接続用電極は、異方性導電膜を介して前記第１圧電検出用電極に熱圧着された、
請求項４に記載のタッチセンサ。
前記圧電フィルムは、Ｌ型ポリ乳酸を含む、
請求項１〜５のいずれかに記載のタッチセンサ。