JP6291329B2 - 感圧素子、圧力センサおよび表示デバイス - Google Patents

Description

本発明は、感圧素子、および感圧素子を備える圧力センサやタッチ入力式の表示デバイスに関する。

近年、医療や福祉、ロボット、バーチャルリアリティなどの各分野で触覚センシングの重要性が急拡大している。また、ノート型パソコンやスマートフォン、タブレット型端末などの携帯型電子機器では、ユーザのインターフェイスとしてタッチ式の入力デバイス（タッチ式デバイス）が広く採用されている。触覚センシングやタッチ式デバイスでは、ロボット等の機器やユーザの手指が対象物にタッチしたことの有無を定性的に検知するタッチセンサや、押圧力を定量的に検知する圧力センサが用いられている。

圧力センサは、感圧素子に負荷された押圧力によって変化する種々の物理量を計測し、この計測結果に基づいて押圧力を算出する。計測対象として採用される物理量やその計測方法には種々のものが提案されている。代表的な物理量として、半導体の抵抗率、面状の導体どうしの接触抵抗、導電性ゴムの抵抗率、圧電ポリマーの起電力などを挙げることができる。これらのうち、半導体の抵抗率を計測する半導体センサは、計測精度が優れているが、柔軟性が乏しいため感圧素子を大面積化することが困難である。導電性ゴムを用いた圧力センサは、曲げ変形の柔軟性はあるが、薄型化と耐久性に制約がある。圧電ポリマーの起電力を計測する面状センサは、計測精度が低いため押圧力の強弱を精度よく算出することが困難である。

これに対し、接触抵抗を計測する面状センサは、柔軟性を持ち、大面積化や薄型化が可能であるという利点がある。特に、フレキシブル基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）の技術を応用することで、高密度でありながら柔軟な曲げ変形が可能な面状の圧力センサを安価に提供することができると期待されている。

特許文献１には、感圧センサモジュール構造（感圧素子）を入力検出部として有する表示入力装置が記載されている。この感圧センサモジュール構造は、互いに離間して対向する一対のセンサ電極が接触圧の負荷によって当接し、さらに接触圧の増大に伴ってセンサ電極どうしの接触抵抗が低減していく。一対のセンサ電極には負荷抵抗、駆動電源および比較回路が接続されており、この負荷抵抗に生じる電圧降下を計測することによってセンサ電極どうしの接触抵抗の変動を定量的に検知する。具体的には、特許文献１のセンサ電極は、円柱状にパターン形成された銀電極を、導電粒子を含む流動状の感圧インク（導電性ペースト）のスクリーン印刷によって包み込んだものである。かかる一対のセンサ電極を互いに押しつけることで感圧インクが圧縮され、導電粒子どうしが接近してセンサ電極の抵抗率が低下する。また、接触圧の増大に伴い、対向するセンサ電極どうしの接触状態がより密接になって接触抵抗も低下する。特許文献１では、感圧センサモジュール構造の抵抗範囲であるダイナミックレンジは５０Ωから５００ｋΩであるとされている。

特許文献２には、接触圧に応じて接触抵抗が変化する面状の感圧部を、ベースフィルムに形成されたセンサ電極に対して離間して対向配置した圧力センサ（感圧素子）が記載されている。センサ電極は、銅や銀、アルミニウムなどの金属膜を成膜するほか、銅やナノカーボンなどの粒子を分散させた導電性ペーストを印刷塗工して作成されている。感圧部は、酸化銅や硫化銅などの金属酸化物からなる半導体である。このように、特許文献２の圧力センサでは、導体と半導体との接触抵抗を計測することで数ｋΩから数ＭΩという比較的高い抵抗値の領域にダイナミックレンジが形成されている。

特開２００９−１７６２４５号公報 特開２０１２−２４７３７２号公報

感圧素子を広汎な用途で使用するにあたっては、感圧素子が取り付けられる対象物を視認できることが好ましい。たとえば、タッチ式の携帯型電子機器の入力感度を向上するためには、ディスプレイ表示部の前面側に感圧素子を配置することが好ましい。ディスプレイ表示部は一般に高い曲げ剛性を有するため、タッチ操作した際の押圧力がディスプレイ表示部の内部で拡散して背面側に伝達されるためである。すなわち、感圧素子をディスプレイ表示部の背面側に配置した場合には、押圧力が広く分散して感圧素子に負荷されるため、計測感度が低下することとなる。

また、発光体などの任意の物体の表面に圧力センサ（感圧素子）を装着してタッチ式で入力操作を行う場合には、この物体の視認性や発光量を損なわないことが求められる。しかしながら、特許文献１や特許文献２の圧力センサにおけるセンサ電極は、成膜された金属膜や導電性の微粒子を分散させた導電性ペーストからなるため、光を実質的に透過しないという問題がある。このため、特許文献１では表示部（ディスプレイ表示部）の背面側に感圧センサモジュール構造（感圧素子）を設けて、表示部を介在して押圧力を負荷せざるを得ない。

一方、タッチ式デバイスでは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)などの透明導電材料を蒸着または気相成長させて透明電極や配線をパターン形成した光透過性のタッチセンサが広く用いられている。抵抗膜方式では、タッチ操作により透明電極が押圧されることにより当該位置に生じた電圧またはその変動を検知する。静電容量方式では、透明電極の静電容量の変化を検知する。しかしながら、この種の透明導電材料は高抵抗であるため、電圧や静電容量を精度よく測定することは困難である。このため、従来のタッチセンサは、タッチ入力の有無を定性的に検知するに留まるものであり、タッチした押圧力を圧力センサのように定量的に検知することはできない。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、取り付けられる対象物の視認性を損なうことなくタッチ操作などで負荷された押圧力を定量的に検知することが可能な感圧素子、およびかかる感圧素子を備える圧力センサその他の各種機器を提供するものである。

本発明によれば、透明導電層と、複数の光透過性のセンサ電極がパターン形成され、前記透明導電層に対向して配置された透明絶縁層と、前記センサ電極に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、前記透明絶縁層は、前記センサ電極を収容する開口部を有し、前記透明絶縁層と前記センサ電極における前記透明導電層に対向する表面との間に段差が形成されて前記センサ電極が前記透明導電層と離間しており、前記開口部は、前記センサ電極から前記透明導電層に向って大径に拡大する拡径部を備え、押圧力が負荷されることにより前記透明導電層と前記センサ電極との接触抵抗が変動する光透過性の感圧素子が提供される。

また、本発明によれば、上記の感圧素子と、前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備える圧力センサが提供される。

また、本発明によれば、文字、図形または記号を表示するディスプレイ表示部を備える表示デバイスであって、前記ディスプレイ表示部の前面側に取り付けられた上記の感圧素子と、前記感圧素子の前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備え、前記接触抵抗を示す筆圧情報および前記接触抵抗が変動した前記センサ電極の二次元位置を示すタッチ位置情報を前記検知手段から取得する表示デバイスが提供される。

本発明の感圧素子および圧力センサによれば、センサ電極を含む感圧素子の全体が光透過性であるため、本発明の感圧素子が取り付けられる対象物の視認性を損なうことがない。そして、電圧が印加されたセンサ電極と透明導電層との接触抵抗の変動を、電流値や電圧降下等の種々の物理量の計測に基づいて検知することにより、感圧素子に負荷された押圧力を定量的に知得することができる。また、本発明の感圧素子を備える表示デバイスによれば、ディスプレイ表示部の視認性を損なうことなく押圧力を高い精度で知得できるため、タッチ操作した際の押圧力を筆圧情報として取得することが可能である。

本発明の第一実施形態の感圧素子にかかる断面模式図である。 第一実施形態の感圧素子を備える圧力センサの平面模式図である。 （ａ）は感圧素子を小さな押圧力で押圧した状態を示す断面模式図であり、（ｂ）は感圧素子を大きな押圧力で押圧した状態を示す断面模式図である。 第一実施形態の感圧素子のセンサ電極および引出配線の平面図である。 感圧素子の感圧特性の実験例を示すグラフである。 （ａ）は第一実施形態の感圧素子を備える表示デバイスの一部切欠斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面模式図である。 本発明の第二実施形態の感圧素子にかかる断面模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

なお、以下の説明では上下方向を規定して説明する場合があるが、これは構成要素の相対的な位置関係を説明するために便宜的に規定するものであり、重力方向の上下とは必ずしも一致しない。また、平面や面状とは、断りなき場合、略平坦であることを意味し、幾何学的に完全な平面であることを要するものではない。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態の感圧素子１００にかかる断面模式図である。図２は、本実施形態の感圧素子１００を備える圧力センサ２００の平面模式図である。図２では、透明絶縁層３０および感圧カバー１０を図示省略してセンサ電極２０および引出配線４２が露出した状態を示している。はじめに、本実施形態の感圧素子１００および圧力センサ２００の概要について説明する。

感圧素子１００は、透明導電層１２、透明絶縁層３０および電圧印加部４０を備えている。透明絶縁層３０は、複数の光透過性のセンサ電極２０がパターン形成され、透明導電層１２に対向して配置されている。電圧印加部４０は、センサ電極２０に電圧を印加する部位である。本実施形態の感圧素子１００は光透過性を有し、押圧力が負荷されることにより透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗が変動する。

圧力センサ２００は、感圧素子１００と、電圧印加部４０に電気的に接続されて接触抵抗を定量的に検知する検知部２１０と、を備えている。圧力センサ２００は、原理として接触抵抗変化を利用した抵抗変化型のセンサであり、圧力を連続的に検知できる分布センサである。

本実施形態の感圧素子１００は、計測可能な物理量が外部からの押圧力の負荷によって変動するデバイスである。本実施形態の感圧素子１００は、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗が変動する。接触抵抗の変動量は押圧力と相関しており、接触抵抗を定量的に検知することで押圧力を定量化することができる。なお、押圧力を定量的に検知する、とは、押圧力を連続的に検知することのほか、押圧力を複数段階に離散的に検知することを含む。なお、押圧力は感圧素子１００の主面の単位面積あたりに負荷される荷重であり、圧力の単位（Ｎ／ｍ^２など）で表すことができる。ただし、本実施形態においては、特に断りなき場合、単位面積に換算していない荷重（単位はＮなど）を押圧力と呼称する場合がある。

透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗を計測する方法は特に限定されないが、一例として、センサ電極２０に接続されている電圧印加部４０に所定の電圧を印加し、この電圧印加部４０を流れる電流値を測定して接触抵抗に換算するとよい。本発明において、接触抵抗を定量的に検知するとは、接触抵抗またはその変動量を直接的に計測することのほか、電流値や電圧値など接触抵抗またはその変動量に換算可能な他の物理量を計測することを含む。本実施形態の感圧素子１００は、圧力センサ２００のほか、表示デバイス３００（図６を参照）などの機器においてタッチ入力するためのユーザインターフェイスとして用いることができる。

図２に示すように、本実施形態の圧力センサ２００は、感圧素子１００および検知部２１０で構成される。検知部２１０は、電圧印加部４０に電圧を印加する電源部（不図示）と、押圧力が負荷されたセンサ電極２０および当該押圧力を算出する処理部（不図示）と、を含む。本実施形態のセンサ電極２０は、一対の第一電極２１および第二電極２２の組み合わせからなり、センサ電極２０に押圧力が負荷されることで第一電極２１と第二電極２２とが導通して引出配線４２に電流が流れる。より具体的には、図２に示す感圧素子１００は５対のセンサ電極２０ａ〜２０ｅを備え、これらのセンサ電極２０ａ〜２０ｅには６本の引出配線４２ａ〜４２ｆが接続されている。センサ電極２０ａ〜２０ｅには電圧印加部４０を通じて電源部によって電圧が印加されている。たとえば、センサ電極２０ｅに押圧力が負荷されることで第一電極２１と第二電極２２とが導通し、引出配線４２ｅおよび引出配線４２ｆに電流が流れる。後述するように、センサ電極２０ｅに負荷される押圧力が大きくなるほどセンサ電極２０と透明導電層１２（図１を参照）との接触抵抗は小さくなるため、引出配線４２ｅおよび引出配線４２ｆには大きな電流が流れる。処理部は、かかる電流値に基づいてセンサ電極２０ｅに負荷された押圧力を定量的に算出する。これにより、本実施形態の感圧素子１００を圧力センサ２００として用いることができる。

なお、本実施形態において圧力センサ２００とは、外部から負荷された押圧力を定量的に検知して出力するデバイスである。圧力センサ２００が出力する検知結果の情報は特に限定されず、押圧力もしくは面圧の分布、またはこれらから換算可能な他の物理量とすることができる。たとえば、圧力センサ２００で検知された面圧を、当該圧力センサ２００に衝突する気流や水流の流速に換算して出力してもよい。

次に、感圧素子１００について詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の感圧素子１００は、光透過性のベースシート５０に、開口部３２を持った透明絶縁層３０と光透過性の感圧カバー１０とを積層してなり、全体に光透過性のフレキシブルなシート状に形成されている。透明絶縁層３０の開口部３２にはセンサ電極２０が収容されている。透明絶縁層３０とセンサ電極２０とは少なくとも一部厚さにおいて互いに重複しており、言い換えるとセンサ電極２０は透明絶縁層３０と同層に設けられており、センサ電極２０は透明絶縁層３０にパターン形成されている。感圧カバー１０は、ともに光透過性の透明導電層１２とカバーフィルム１４とを積層してなる。センサ電極２０はベースシート５０の上面に設けられ、透明導電層１２はカバーフィルム１４の下面に設けられており、センサ電極２０と透明導電層１２とは任意で空隙を介在して直接に対面している。

なお、本実施形態においてシートとフィルムとは同義であって互いに区別せず、いわゆる板状やプレート状も含む。

透明導電層１２は、透明絶縁層３０と接触することにより互いに導通し、かつ透明絶縁層３０との接触圧に応じて透明絶縁層３０との接触抵抗が変動する部材である。本実施形態のセンサ電極２０は、互いに離間して配置された一対の第一電極２１および第二電極２２からなり、透明導電層１２が第一電極２１と第二電極２２とに跨って当接することで第一電極２１と第二電極２２とが導通する。感圧素子１００は、複数式のセンサ電極２０を備えている（図２を参照）。図１では、このうち１式のセンサ電極２０のみを図示している。

本実施形態の透明導電層１２はカバーフィルム１４の略全面に一様にベタ形成された導電膜であり、引出配線４２は第一電極２１と第二電極２２にそれぞれ接続して設けられている（図２を参照）。すなわち、センサ電極２０に対向して設けられる透明導電層１２は、複数のセンサ電極２０を包含する広域領域に亘って形成されている。後述するように透明導電層１２の表面抵抗が大きいことで、センサ電極２０と透明導電層１２との接触抵抗の変動幅（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。一方で、透明導電層１２の表面抵抗が大きくても、本実施形態のように透明導電層１２を広域領域に亘って形成することで、透明導電層１２における電圧降下を抑制することができる。そして、透明導電層１２をカバーフィルム１４の略全面にベタ形成することで、いずれのセンサ電極２０にタッチした場合にも、透明導電層１２における電圧降下を均一に抑制することができる。

なお、本実施形態に代えて、透明導電層１２は、第一電極２１および第二電極２２のそれぞれ一部または全部を包含する局所領域にパターン形成された島状の導電領域として形成してもよい。また、後述する第二実施形態のように、センサ電極２０を一個の電極で形成するとともに、センサ電極２０と透明導電層１２に引出配線４２をそれぞれ接続して設けてもよい。すなわち透明導電層１２は、カバーフィルム１４の略全体にベタ形成された導電膜でもよく、またはセンサ電極２０に対応する形状にパターン形成された対向電極でもよい。

透明導電層１２は、成膜された金属酸化物、導電性のナノワイヤー材料を絶縁性の透明樹脂材料に分散させた導電樹脂シート、または導電性ポリマー材料をシート状に成形した導電樹脂シートである。具体的には、金属酸化物としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明酸化物導電体や、透明基材に金属を薄く製膜して最表面を酸化させた酸化被膜つき金属膜を用いることができる。導電性のナノワイヤーとしては、銀ナノワイヤー、銅ナノワイヤーまたはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano-Tube）を例示することができる。このうち、高抵抗で耐久性に優れる観点から、カーボンナノチューブを好適に用いることができる。導電性ポリマー材料としては、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレンおよびポリピロールを例示することができる。

本実施形態の透明導電層１２の表面抵抗率は特に限定されないが、１ｋΩ／ｓｑ以上かつ１ＭΩ／ｓｑ以下が好ましい。このように透明導電層１２を高抵抗とすることで接触抵抗の変動幅が大きくなり、これを利用した圧力センサ２００として感圧素子１００の特性を好適に利用することができる。本実施形態において、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗の上限値は１０ＭΩ以上であり、かつ接触抵抗の下限値は１０ｋΩ以下である。ここで、透明導電層１２などの層状体では、電気はもっぱら層状体の表面を流れるため、厚み寸法を考慮しない単位面積あたりのシート抵抗を単位として層状体の抵抗を定義することができ、具体的にはΩ／□やΩ／ｓｑなどと表記する。

透明導電層１２を支持するカバーフィルム１４には絶縁性の透明フィルムを用いることができる。具体的な材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）などのポリエステル；ポリカーボネート（ＰＣ）；透明ポリイミド（ＰＩ）；液晶ポリマーを使用することができる。上記の材料のうち１種または複数の樹脂材料を混合して用いることができる。

ベースシート５０は、可撓性かつ光透過性を有し、透明導電層１２または透明絶縁層３０を一方面５１側で支持する。本実施形態のベースシート５０は、図１の上面にあたる一方面５１で透明絶縁層３０を支持する基材である。ベースシート５０には、透明導電層１２として選択可能な上記の材料のいずれかを用いることができる。ベースシート５０とカバーフィルム１４とは同種材料でも異種材料でもよい。

感圧カバー１０に押圧力が負荷されると、カバーフィルム１４は透明導電層１２とともに撓んで透明導電層１２がセンサ電極２０に押圧される。このため、カバーフィルム１４はベースシート５０よりも可撓性が高いことが好ましく、カバーフィルム１４の厚み寸法はベースシート５０の厚み寸法よりも小さいことが好ましい。

ベースシート５０の上面には透明絶縁層３０が積層されている。透明絶縁層３０は、センサ電極２０を収容する開口部３２を有している。透明絶縁層３０は、センサ電極２０の形成領域およびその周囲を除き、ベースシート５０および引出配線４２（図２を参照）の略全面を機械的に保護して耐環境性を向上させる。透明絶縁層３０は、透明レジストなどの光硬化性または熱硬化性の光透過性の樹脂材料を、印刷法などにより開口部３２が開口したシート形状にパターニングしたのち、これを硬化させて作成することができる。このほか、透明絶縁層３０の製造方法としては、感圧カバー１０と略同形の光透過性のシート材料を用意し、このシート材料のうち開口部３２に対応する領域を打ち抜いて作成することができる。シート材料は熱可塑性樹脂でも熱または光硬化性樹脂でもよい。

透明絶縁層３０と、センサ電極２０における透明導電層１２に対向する表面２８との間には段差３４が形成されている。図１に示す自然状態で、センサ電極２０は透明導電層１２と離間している。これにより、感圧素子１００を湾曲または屈曲させて感圧カバー１０とセンサ電極２０とが面直方向に近づいたとしても透明導電層１２とセンサ電極２０とが不測に当接することがなく、誤動作を妨げる効果を発揮する。

センサ電極２０のうち、透明導電層１２に対向する表面２８はメッキ処理されている。これにより、センサ電極２０の酸化や劣化を防止し、また透明導電層１２が繰り返して押圧されることによる耐摩耗性を向上させる。メッキ処理は、センサ電極２０の成膜時または成膜後の後工程で行うことができる。具体的なメッキ処理としては、黒ニッケルメッキなど、センサ電極２０を黒色にメッキするとよい。これにより、後述するようにセンサ電極２０をメッシュ電極とするにあたり、センサ電極２０を構成する導電ライン２４、２５（図４を参照）の視認性を低下させることができる。

ベースシート５０の他方面５２側には、任意で粘着層５４が設けられていてもよい。これにより、感圧素子１００をディスプレイ表示部３１０（図６各図を参照）などの対象物に貼り付けて用いることができる。粘着層５４は剥離シート（図示せず）で保護されていてもよい。

透明絶縁層３０の非形成領域である開口部３２は、センサ電極２０から透明導電層１２に向って大径に拡大する拡径部３６を備えている。言い換えると、透明絶縁層３０のうちセンサ電極２０を取り囲む領域には、センサ電極２０に向って薄肉に遷移する傾斜部３８が形成されている。透明絶縁層３０のうち厚み寸法が実質的に均一な均厚部３１において感圧カバー１０と透明絶縁層３０とは接合されている。均厚部３１と傾斜部３８との境界にあたる上端縁３９で囲まれる開口部３２の内側で、感圧カバー１０は透明絶縁層３０と離間している。

図３（ａ）は、感圧素子１００を小さな押圧力Ｆ１で押圧した状態を示す断面模式図である。図３（ｂ）は、感圧素子１００を大きな押圧力Ｆ２で押圧した状態を示す断面模式図である。ベースシート５０は対象物（図示せず）に固定支持され、押圧力Ｆ１および押圧力Ｆ２は感圧カバー１０に負荷される。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）においてはセンサ電極２０の表面２８および粘着層５４は図示省略している。

押圧力Ｆ１が負荷されることで感圧カバー１０は凹状に撓み変形する。図３（ａ）に示すように、押圧力Ｆ１が所定の大きさに達すると感圧カバー１０の透明導電層１２はセンサ電極２０に当接する。そして、押圧力Ｆ１よりも大きな押圧力Ｆ２が負荷されると、図３（ｂ）に示すように透明導電層１２はより大きな接触面積でセンサ電極２０に押圧され、かつ透明導電層１２とセンサ電極２０との接触圧が増大する。押圧力Ｆ２が負荷された状態で、センサ電極２０の略全面に対して透明導電層１２が接触している。

本実施形態の感圧素子１００は、押圧されていない初期状態で、段差３４（図１を参照）をもって透明導電層１２とセンサ電極２０とが非接触に離間している。このため、押圧力が負荷されて透明導電層１２とセンサ電極２０とが接触することで、両者の接触面積を零からセンサ電極２０の全面積まで大幅に変化させることができる。これにより、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗が大きく低下する。透明導電層１２とセンサ電極２０との接触面積の増大量と接触抵抗の低下量とは正の相関をもつ。さらに、押圧力が増大すると、既に接触している部分の接触状態が改善して接触抵抗がより減少していく。すなわち、本実施形態の感圧素子１００においては、接触面積の増大というマクロ要因と、接触状態の改善というミクロ要因とが相俟って相乗的に接触抵抗が低下する。このようにして、押圧力の大小に起因して発生する大きな抵抗変化を利用することで、押圧力を精度よく検知することができる。

透明絶縁層３０の傾斜部３８は、センサ電極２０を取り囲む擂り鉢状に形成されている。図３（ｂ）に示すように、押圧力Ｆ２が負荷された状態で透明導電層１２は透明絶縁層３０の傾斜部３８に当接する。これにより、押圧力Ｆ２よりも大きい過大な押圧力が感圧カバー１０に負荷されても感圧カバー１０はこれ以上変形しないため、不測に大きな押圧力が負荷されても感圧カバー１０の塑性変形を防止することができる。また、透明絶縁層３０の傾斜部３８でセンサ電極２０の近傍までベースシート５０や引出配線４２を広く保護しつつも、上端縁３９をセンサ電極２０から大きく離間させることができる。このため、小さな押圧力Ｆ１で感圧カバー１０を湾曲させることができる。よって、本実施形態の感圧素子１００によれば、個々のセンサ電極２０を個別にタッチするタップ操作のみならず、複数のセンサ電極２０に亘って連続的に小さな押圧力が負荷されるスクロール操作（スワイプ操作、フリック操作、ピンチイン／ピンチアウト操作を含む）も良好に検知することができる。

本実施形態の感圧素子１００は、ベースシート５０、透明絶縁層３０およびセンサ電極２０、ならびに感圧カバー１０を含む厚み方向全体に亘る光透過率が７０％以上である。すなわち、感圧素子１００を構成する、透明導電層１２と、センサ電極２０および透明絶縁層３０と、を複合した光透過率は７０％以上である。なお、本実施形態における感圧素子１００の光透過率とは５５０ｎｍの波長の可視光線の透過率をいう。このように高い光透過率を有するため、本実施形態の感圧素子１００をディスプレイ表示部３１０（図６各図を参照）などの対象物の表面に被着しても、当該対象物の視認性が低下しにくい。

感圧素子１００の光透過率を高くするにあたっては、センサ電極２０および引出配線４２（図２を参照）の光透過率を８０％以上、好ましくは８５％以上にするとよい。このため、本実施形態ではセンサ電極２０をベタ電極ではなくメッシュ電極とし、引出配線４２も同様にメッシュ状に作成することで大きな開口率および光透過率を実現している。

図４は、本実施形態の感圧素子１００のセンサ電極２０および引出配線４２の平面図である。

本実施形態のセンサ電極２０および引出配線４２は金属メッシュ配線により構成されている。センサ電極２０は、金属材料からなり互いに交差する複数本の導電ライン２４、２５で形成されたメッシュ電極である。以下、センサ電極をメッシュ電極と呼称する場合がある。図４では、導電ライン２４、２５の外形を囲む仮想的な矩形領域（二点鎖線で図示）をセンサ電極２０として示している。引出配線４２は、センサ電極２０を構成する導電ライン２４、２５がセンサ電極２０の外部に延在して形成されている。すなわち、導電ライン２４、２５は、センサ電極２０と引出配線４２とに亘って連続的に延在している。これにより、センサ電極２０と引出配線４２との間に接触抵抗は発生せず、電気信号の反射や損失が実質的に生じない。

導電ライン２４の繰り返しピッチＰは、１００μｍ以上かつ５００μｍ以下である。導電ライン２４のライン幅Ｗは、２０μｍ以下である。導電ライン２５の繰り返しピッチＰおよびライン幅Ｗは、導電ライン２４と共通である。これにより、センサ電極（メッシュ電極）２０の開口率を７０％以上とすることができ、センサ電極２０の光透過率を８５％以上とすることができる。

導電ライン２４、２５の交差角度は特に限定されないが、本実施形態では互いに直交するように配置されている。これにより、導電ライン２４、２５が形成されていないメッシュ開口２３は略正方形をなす。メッシュ開口２３からはセンサ電極２０の下地層にあたるベースシート５０が覗いている。

導電ライン２４、２５はエッチングまたは印刷法により形成することができる。センサ電極２０や引出配線４２をベタパターンで形成する場合と比較して、これらを金属メッシュ配線で形成することで配線長が長くなって配線抵抗が比較的大きくなる。しかしながら、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗が１ｋΩ／ｓｑ以上と大きく、センサ電極２０および引出配線４２の配線抵抗はこれよりも十分に小さくすることができるため、金属メッシュ配線による電圧降下に起因して押圧力の計測精度が低下する影響は無視することができる。また、導電ライン２４、２５は低抵抗の金属材料からなり、具体的には銅または銀を使用することができる。

交差する導電ライン２４、２５どうしは同層に形成されている。そして、導電ライン２４と導電ライン２５との交点２６にはフィレット２７が形成されている。導電ライン２４と導電ライン２５とを異層で形成して交点２６で接合する場合と比較して、本実施形態のように導電ライン２４、２５を同層で形成することでセンサ電極２０および引出配線４２の配線抵抗を低減することができる。また、導電ライン２４と導電ライン２５とを異層で形成した場合には交点２６において重なりが生じてセンサ電極２０が局所的に厚くなり、透明導電層１２との接触抵抗が不安定に変動するところ、本実施形態のように導電ライン２４、２５を同層とすることでセンサ電極２０を平坦に作成することができる。これにより、感圧素子１００に負荷される押圧力と、透明導電層１２およびセンサ電極２０との間の接触抵抗と、の相関性が高くなり、接触抵抗の計測結果に基づいて押圧力を高い精度で算出することができる。

上述したように、図２は本実施形態の感圧素子１００の用途である圧力センサ２００を示す。それぞれ一対の第一電極２１および第二電極２２からなる５式のセンサ電極２０（２０ａ〜２０ｅ）がベースシート５０の一方面５１にパターン形成されている。センサ電極２０の数量および形状は一例である。

第一電極２１および第二電極２２にそれぞれ接続された複数本の引出配線４２（４２ａ〜４２ｆ）は電圧印加部４０で終端している。電圧印加部４０にはコネクタ２２０が連結され、フレキシブル配線２３０を介して検知部２１０に接続されている。

隣接するセンサ電極２０どうしの間隔（電極間隔）Ｄは、圧力センサ２００の用途により適宜設定することができる。一例として、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。図２では複数式のセンサ電極２０が一次元的（同図の上下方向）に配列されている状態を例示しているが、本実施形態はこれに限られない。センサ電極２０は二次元的に、格子状または千鳥状に配列して形成してもよく、またはランダム配置されてもよい。

図５は、図１に示した本実施形態の感圧素子１００の感圧特性の実験例を示すグラフである。縦軸は透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗［Ω］を表し、横軸は押圧力［ｇ・ｆ／ｃｍ^２］を表す。縦軸および横軸は対数表示している。

ベースシート５０およびカバーフィルム１４にはＰＥＴを用い、センサ電極２０を構成する導電ライン２４、２５にはライン幅Ｗが１０μｍの銅メッシュを用い、透明絶縁層３０には透明レジスト材料を用いた。透明導電層１２は、カーボンナノチューブを分散させたコーティング液をカバーフィルム１４の全面に塗布して作成した。カーボンナノチューブの分散量をコントロールして透明導電層１２の表面抵抗を１．５ｋΩ／ｓｑに調整した。

図５に示すように、押圧力が実質的に負荷されていない初期状態において、接触抵抗は約２０ＭΩであり、１０ＭΩを超えていた。そして、押圧力を増大させて８から２０ｇ・ｆ／ｃｍ^２の閾値荷重（ＬＴＨ）に至ると、接触抵抗は約２０ｋΩ程度まで急落した。なお、２０ｇ・ｆ／ｃｍ^２は、指先でタッチした場合の押圧力と同等である。閾値荷重（ＬＴＨ）以下の押圧力を負荷しているとき、透明導電層１２とセンサ電極２０とは離間しており非接触状態（ＮＣ）であった。そして、閾値荷重（ＬＴＨ）を超えて押圧力を増大させ、ペン先で押圧した場合の押圧力に相当する８０〜１００ｇ・ｆ／ｃｍ^２の押圧力を負荷すると、接触抵抗は数ｋΩまで、すなわち１０ｋΩ以下まで漸減した。このとき、透明導電層１２とセンサ電極２０とは接触状態（ＣＮＴ）であった。

以上の結果より、本実施形態の感圧素子１００によれば、透明導電層１２とセンサ電極２０とが非接触状態（ＮＣ）から接触状態（ＣＮＴ）に至ることで、接触面積の増大というマクロ要因により接触抵抗が約２０ＭΩから約２０ｋΩまで３桁に亘って低下することがわかった。さらに、接触状態（ＣＮＴ）において押圧力を増大させることで、接触状態の改善というミクロ要因により接触抵抗を数ｋΩまで更に低下させることができた。これにより、非接触状態（ＮＣ）を基準として４桁に亘る広いダイナミックレンジで接触抵抗が応答する特性が得られることが分かった。

図６（ａ）は、本実施形態の感圧素子１００を備える表示デバイス３００の一部切欠斜視図である。感圧素子１００の一部を切り欠いてディスプレイ表示部３１０を露出させて図示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面模式図である。同図の左方は図示を省略している。

本実施形態の表示デバイス３００は、文字、図形または記号を表示するディスプレイ表示部３１０を備えている。
表示デバイス３００は、感圧素子１００および検知部２１０を備えている。感圧素子１００はディスプレイ表示部３１０の前面側に取り付けられている。検知部２１０は、感圧素子１００の電圧印加部４０（図２を参照）に電気的に接続されて、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗を定量的に検知する（図１を参照）。
本実施形態の表示デバイス３００は、定量的に検知された接触抵抗を示す筆圧情報、およびこの接触抵抗が変動したセンサ電極２０の二次元位置を示すタッチ位置情報を、検知部２１０から取得する。

本実施形態の表示デバイス３００によれば、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどのディスプレイ表示部３１０の視認性の低下を抑制しつつ、ディスプレイ表示部３１０の前面側に取り付けられた本実施形態の感圧素子１００を用いて高い計測精度によりタッチ操作を検出することができる。すなわち、特許文献１の表示入力装置のようにディスプレイ表示部の背面側に感圧素子を配置した場合にはタッチ操作の押圧力がディスプレイ表示部で拡散してしまって検知精度が低下する。これに対し、本実施形態では感圧素子１００をディスプレイ表示部３１０の前面側に配置するため、ユーザがタッチ操作した際の押圧力を鋭敏に検知することができる。

感圧素子１００は、感圧カバー１０が最前面に位置し、ベースシート５０がディスプレイ表示部３１０の側を向くようにして表示デバイス３００に取り付けられている。表示デバイス３００は、感圧素子１００およびディスプレイ表示部３１０のほか、回路基板３２０および保護カバー３３０を備えている。保護カバー３３０は、回路基板３２０を支持し、ディスプレイ表示部３１０および感圧素子１００を保護している。

回路基板３２０には、検知部２１０のほか演算制御部３２２および電源部３２４が設けられている。電源部３２４は、検知部２１０および演算制御部３２２に電力を供給する。検知部２１０は、電源部３２４から給電されて感圧素子１００のセンサ電極２０（図２を参照）に電圧を印加し、タッチ操作により接触抵抗が低下したセンサ電極２０を検知するとともに、低下した接触抵抗または接触抵抗から換算可能な物理量（あわせて、接触抵抗という）を定量的に取得する。演算制御部３２２は、検知部２１０が取得した接触抵抗を受信し、予め設定された所定の換算式に基づいて接触抵抗を押圧力に変換し、筆圧情報として取得する。演算制御部３２２はディスプレイ表示部３１０と接続されている。演算制御部３２２は、この筆圧情報の大小に基づいて、ディスプレイ表示部３１０で表示する図柄を拡大したり線を太くしたりするなど表示態様を所定に変化させる。

このように、本実施形態の感圧素子１００を表示デバイス３００に搭載することにより、専用のペン型入力装置を使用せずとも、ユーザが指でタッチ操作する際の押圧力を感圧素子１００で検知して筆圧情報として定量的に取得することができる。

以上説明した本実施形態の感圧素子１００は透明でフレキシブルであることから、従来困難とされていた新規な用途を実現することができる。たとえば、任意の物体表面に感圧素子１００を貼りつけて、内部の視認性を妨げずに、表面に働く圧力を検知する簡易な計測に用いることができる。また、曲面形状や球面のようなディスプレイまたは照明などの表面や下面に装着してタッチ操作に供することができ、さらに押圧力の強弱によって種々の機能を切り替えて実行させることができる。また、従来のタッチパネルのように二次元平面でのタッチ入力ができることに加え、電子黒板や電子ペーパーに応用して三次元入力が可能なユーザインターフェイスとして使用することができる。

＜第二実施形態＞
図７は、本発明の第二実施形態の感圧素子１１０にかかる断面模式図である。第一実施形態の感圧素子１００と重複する説明は適宜省略する。

本実施形態の感圧素子１１０は、押圧力が負荷されていない初期状態でセンサ電極２０と透明導電層１２とが当接している点で第一実施形態の感圧素子１００と相違している。これにより、カバーフィルム１４またはベースシート５０に押圧力を負荷することで、透明導電層１２とセンサ電極２０との接触抵抗は、互いの接触状態の改善というミクロ要因によってもっぱら低下する。

また、透明導電層１２がセンサ電極２０と同形状にパターン形成されている点でも第一実施形態の感圧素子１００と相違している。すなわち、本実施形態の透明導電層１２はセンサ電極２０に対応する位置および形状にパターン形成された対向電極である。

透明導電層１２およびセンサ電極２０には引出配線４２が個別に設けられており、透明導電層１２とセンサ電極２０との間に電圧が印加されている。透明導電層１２およびセンサ電極２０には、図４で示したメッシュ電極を共通して採用することができる。これにより、透明導電層１２とセンサ電極２０を、ともに高い光透過率とすることができる。

図５に接触状態（ＣＮＴ）として示したように、接触状態の改善というミクロ要因による接触抵抗の変動は、押圧力の変化に伴って両対数グラフでほぼ線形に再現性よく変動する。このため、本実施形態の感圧素子１１０のように初期状態で透明導電層１２とセンサ電極２０とを接触させておくことで、ダイナミックレンジは小さくなるものの押圧力の計測精度を高めることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
たとえば、図２に示す圧力センサ２００において、引出配線４２ａ〜４２ｆの配線長の相違に起因する計測誤差を低減するため、センサ電極２０から電圧印加部４０までの配線長が短い引出配線４２ａに比べて、配線長が長い引出配線４２ｆを構成する導電ライン２４、２５（図４を参照）のライン幅Ｗまたは繰り返しピッチＰを小さくしてもよい。

また、表示デバイス３００に感圧素子１００を搭載するにあたり、ディスプレイ表示部３１０の表面に感圧素子１００を被着することに代えて、ディスプレイ表示部３１０の内部に感圧素子１００を作り込んで設置してもよい。

本発明の感圧素子１００、圧力センサ２００および表示デバイス３００の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はない。複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。

上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）透明導電層と、複数の光透過性のセンサ電極がパターン形成され、前記透明導電層に対向して配置された透明絶縁層と、前記センサ電極に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、押圧力が負荷されることにより前記透明導電層と前記センサ電極との接触抵抗が変動する光透過性の感圧素子。
（２）前記センサ電極が、金属材料からなり互いに交差する複数本の導電ラインで形成されたメッシュ電極である上記（１）に記載の感圧素子。
（３）交差する前記導電ラインどうしが同層に形成されている上記（２）に記載の感圧素子。
（４）前記導電ラインの繰り返しピッチが１００μｍ以上かつ５００μｍ以下であり、前記導電ラインのライン幅が２０μｍ以下であり、前記メッシュ電極の開口率が７０％以上であることを特徴とする上記（３）に記載の感圧素子。
（５）前記透明導電層と、前記センサ電極および前記透明絶縁層と、を複合した光透過率が７０％以上である上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（６）前記透明絶縁層は、前記センサ電極を収容する開口部を有し、前記透明絶縁層と前記センサ電極における前記透明導電層に対向する表面との間に段差が形成されて前記センサ電極が前記透明導電層と離間している上記（１）から（５）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（７）前記開口部が、前記センサ電極から前記透明導電層に向って大径に拡大する拡径部を備える上記（６）に記載の感圧素子。
（８）前記センサ電極の前記表面がメッキ処理されている上記（６）または（７）に記載の感圧素子。
（９）前記透明導電層が、複数の前記センサ電極を包含する広域領域に亘って形成されている上記（１）から（８）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（１０）前記透明導電層の表面抵抗率が１ｋΩ／ｓｑ以上かつ１ＭΩ／ｓｑ以下であり、前記接触抵抗の上限値が１０ＭΩ以上かつ前記接触抵抗の下限値が１０ｋΩ以下である上記（９）に記載の感圧素子。
（１１）前記透明導電層が、成膜された金属酸化物、導電性のナノワイヤー材料を絶縁性の透明樹脂材料に分散させた導電樹脂シート、または導電性ポリマー材料をシート状に成形した導電樹脂シートである上記（１０）に記載の感圧素子。
（１２）前記透明導電層または前記透明絶縁層を一方面側で支持する可撓性かつ光透過性のベースシートを備え、前記ベースシートの他方面側に粘着層が設けられていることを特徴とする上記（１）から（１１）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（１３）上記（１）から（１２）のいずれか一項に記載の感圧素子と、前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備える圧力センサ。
（１４）文字、図形または記号を表示するディスプレイ表示部を備える表示デバイスであって、前記ディスプレイ表示部の前面側に取り付けられた上記（１）から（１２）のいずれか一項に記載の感圧素子と、前記感圧素子の前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備え、前記接触抵抗を示す筆圧情報および前記接触抵抗が変動した前記センサ電極の二次元位置を示すタッチ位置情報を前記検知手段から取得する表示デバイス。

１０ 感圧カバー
１２ 透明導電層
１４ カバーフィルム
２０、２０ａ〜２０ｅ センサ電極
２１ 第一電極
２２ 第二電極
２３ メッシュ開口
２４ 導電ライン
２５ 導電ライン
２６ 交点
２７ フィレット
２８ 表面
３０ 透明絶縁層
３１ 均厚部
３２ 開口部
３４ 段差
３６ 拡径部
３８ 傾斜部
３９ 上端縁
４０ 電圧印加部
４２、４２ａ〜４２ｆ 引出配線
５０ ベースシート
５１ 一方面
５２ 他方面
５４ 粘着層
１００、１１０ 感圧素子
２００ 圧力センサ
２１０ 検知部
２２０ コネクタ
２３０ フレキシブル配線
３００ 表示デバイス
３１０ ディスプレイ表示部
３２０ 回路基板
３２２ 演算制御部
３２４ 電源部
３３０ 保護カバー
Ｄ 電極間隔
Ｆ１、Ｆ２ 押圧力
Ｐ 繰り返しピッチ
Ｗ ライン幅

Claims (12)

1. 透明導電層と、
   複数の光透過性のセンサ電極がパターン形成され、前記透明導電層に対向して配置された透明絶縁層と、
   前記センサ電極に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
   前記透明絶縁層は、前記センサ電極を収容する開口部を有し、
   前記透明絶縁層と前記センサ電極における前記透明導電層に対向する表面との間に段差が形成されて前記センサ電極が前記透明導電層と離間しており、
   前記開口部は、前記センサ電極から前記透明導電層に向って大径に拡大する拡径部を備え、
   押圧力が負荷されることにより前記透明導電層と前記センサ電極との接触抵抗が変動する光透過性の感圧素子。
2. 前記センサ電極が、金属材料からなり互いに交差する複数本の導電ラインで形成されたメッシュ電極である請求項１に記載の感圧素子。
3. 交差する前記導電ラインどうしが同層に形成されている請求項２に記載の感圧素子。
4. 前記導電ラインの繰り返しピッチが１００μｍ以上かつ５００μｍ以下であり、前記導電ラインのライン幅が２０μｍ以下であり、前記メッシュ電極の開口率が７０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の感圧素子。
5. 前記透明導電層と、前記センサ電極および前記透明絶縁層と、を複合した光透過率が７０％以上である請求項１から４のいずれか一項に記載の感圧素子。
6. 前記センサ電極の前記表面がメッキ処理されている請求項１に記載の感圧素子。
7. 前記透明導電層が、複数の前記センサ電極を包含する広域領域に亘って形成されている請求項１から６のいずれか一項に記載の感圧素子。
8. 前記透明導電層の表面抵抗率が１ｋΩ／ｓｑ以上かつ１ＭΩ／ｓｑ以下であり、前記接触抵抗の上限値が１０ＭΩ以上かつ前記接触抵抗の下限値が１０ｋΩ以下である請求項７に記載の感圧素子。
9. 前記透明導電層が、成膜された金属酸化物、導電性のナノワイヤー材料を絶縁性の透明樹脂材料に分散させた導電樹脂シート、または導電性ポリマー材料をシート状に成形した導電樹脂シートである請求項８に記載の感圧素子。
10. 前記透明導電層または前記透明絶縁層を一方面側で支持する可撓性かつ光透過性のベースシートを備え、前記ベースシートの他方面側に粘着層が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の感圧素子。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の感圧素子と、
    前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備える圧力センサ。
12. 文字、図形または記号を表示するディスプレイ表示部を備える表示デバイスであって、
    前記ディスプレイ表示部の前面側に取り付けられた請求項１から１０のいずれか一項に記載の感圧素子と、
    前記感圧素子の前記電圧印加部に電気的に接続されて前記接触抵抗を定量的に検知する検知手段と、を備え、
    前記接触抵抗を示す筆圧情報および前記接触抵抗が変動した前記センサ電極の二次元位置を示すタッチ位置情報を前記検知手段から取得する表示デバイス。

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