JP6875982B2 - 感圧静電スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量式の感圧静電スイッチに関する。

感圧式スイッチとして使用される静電容量式センサ装置として、例えば、特許文献１が開示されている。このセンサ装置は、相互に対向する第一の面及び第二の面と、前記第一の面と前記第二の面との間に部分的に配置され第一の高さを有する第一の構造体と、前記第一の面と前記第二の面との間に形成された空間部と、を有する支持層と、前記第一の面及び前記第二の面のいずれか一方に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置された第二の電極とを有し、前記空間部を介して対向する前記第一の面と前記第二の面との間の距離の変化に応じて前記第一の電極と前記第二の電極との間の静電容量の変化が生じるように構成された容量素子とを具備する。

特許文献１のセンサ装置では、その感圧面（被押圧面）に押圧力が加わると、空間部を支持する第一の構造体が圧縮変形し、第一基板の第一の面と、第二基板の第二の面の距離が縮まり、更には互いの面が接触するに至る。空間部に面する第一の面又は第二の面には電極が形成されており、前記接触が繰り返して起こると電極が破損する恐れがある。これを防ぐために、特許文献１では、電極を覆う第二の構造体が設けられている。

国際公開第２０１３／１３２７３６号

しかし、特許文献１のセンサ装置では、第二の構造体が第一の面によって押圧されるので、第二の構造体に覆われた電極に押圧力が加わることが避けられず、むしろ押圧力が集中する場合もあり、依然として電極の破損の恐れがある。

本発明は、電極に対する押圧力が低減され、耐久性に優れた感圧静電スイッチの提供を目的とする。

［１］ 被押圧面に対する押圧を検知する感圧静電スイッチであって、前記被押圧面側から順に、少なくとも、第一基板と、第一導電層と、弾性層と、第二導電層と、第二基板とが積層されており、さらに前記第一導電層と前記弾性層の間、及び前記弾性層と前記第二導電層の間のうち少なくとも一方に、樹脂層を備え、前記弾性層は、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分と前記第二部分は、前記被押圧面の面方向に互いに離間して位置し、前記積層の方向に見て、前記第一部分は前記第二部分よりも高く、前記第一部分は、前記押圧の無い状態で前記第一基板と前記第二基板の離間距離を維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形され、前記離間距離の変化に応じて、前記第一導電層及び前記第二導電層のうち少なくとも一方の静電容量が変化する、感圧静電スイッチ。
［２］ 前記積層の方向に見て、前記第一部分の高さを１００％としたとき、前記第二部分の高さが８０％以下である、［１］に記載の感圧静電スイッチ。
［３］ 前記第一部分の形状が柱状である、［１］又は［２］に記載の感圧静電スイッチ。
［４］ 前記弾性層を平面視して、前記第二部分が前記弾性層の外縁に沿って、前記第一部分よりも外側に形成されている、［１］〜［３］の何れか一項に記載の感圧静電スイッチ。
［５］ 前記弾性層を平面視して、前記第一部分が前記弾性層の外縁に沿って、前記第二部分よりも外側に形成されている、［１］〜［３］の何れか一項に記載の感圧静電スイッチ。
［６］ 前記弾性層を平面視して、前記第二部分が格子状に形成されており、前記第一部分が前記格子状の第二部分の仕切り内に形成されている、［１］〜［３］の何れか一項に記載の感圧静電スイッチ。

本発明の感圧静電スイッチは、電極に対する押圧力が低減され、耐久性に優れる。

本発明の第一実施形態の高さ方向に沿う、非押圧時の断面図である。 本発明の第一実施形態の部分分解斜視図である。 本発明の第一実施形態の高さ方向に沿う、押圧時の断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線で弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の第一実施形態の変形例における、弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の第一実施形態の別の変形例における、弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の第一実施形態の別の変形例における、弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の第二実施形態の高さ方向に沿う、非押圧時の断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線で弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の第二実施形態の変形例の高さ方向に沿う、非押圧時の断面図である。 本発明の第三実施形態の弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。 本発明の感圧静電スイッチの使用例を示す部分分解斜視図である。 本発明の感圧静電スイッチの別の使用例を示す上面図である。 本発明の弾性層の第一部分の高さの違いによる圧縮特性の変化を示すグラフである。

本明細書において、次の用語の意味は明細書全体にわたって適用される。
「被押圧面」は、操作者の直接又は間接の操作によって押圧される面を意味する。
「平面視」は、感圧静電スイッチの被押圧面を見下ろす方向で見ることを意味する。
「高さ」は、感圧静電スイッチの積層方向に沿う長さを意味する。
数値範囲を表す「〜」は、その下限値以上、上限値以下を意味する。

本発明の第一態様は、被押圧面に対する押圧を検知する感圧静電スイッチであって、前記被押圧面側から順に、少なくとも、第一基板と、第一導電層と、弾性層と、第二導電層と、第二基板とが積層されており、さらに前記第一導電層と前記弾性層の間、及び前記弾性層と前記第二導電層の間のうち少なくとも一方に、樹脂層を備え、前記弾性層は、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分と前記第二部分は、前記被押圧面の面方向に互いに離間して位置し、前記積層の方向に見て、前記第一部分は前記第二部分よりも高く、前記第一部分は、前記押圧の無い状態で前記第一基板と前記第二基板の離間距離を維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形され、前記離間距離の変化に応じて、前記第一導電層及び前記第二導電層のうち少なくとも一方の静電容量が変化する、感圧静電スイッチである。

本発明の第一実施形態の感圧静電スイッチ１は、図１の断面図に示すように、被押圧面１０ａに対する押圧を第一導電層１１と第二導電層２１との間の静電容量の変化によって検知する。静電容量の変化は、互いに対向する第一導電層１１と第二導電層２１との間の距離の変化に応じて生じる。距離の変化は押圧の程度によって生じる。

感圧静電スイッチ１は、第一導電層１１が裏面に形成された第一基板１０と、第二導電層２１が表面（おもて面）に形成された第二基板２０と、第一基板１０と第二基板２０の間に挟まれた弾性層３０とを備えている。さらに第一基板１０と弾性層３０の間に第一樹脂層４１及び第一接着層４３を備え、第二基板２０と弾性層３０の間に第二樹脂層４２及び第二接着層４４を備えている。

弾性層３０は、被押圧面１０ａに対する押圧の無い状態で第一基板１０と第二基板２０の離間距離Ｌを維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形される第一部分３１を有する。また、前記押圧の無い状態では第一基板１０と第二基板２０の間に空隙３２を形成し、前記押圧によって前記離間距離が所定に縮まった際に空隙３２が無くなり、更に前記離間距離が前記所定を超えて縮まることを抑制する第二部分３３を有する。
平面視で第一部分３１と第二部分３３は互いに重ならず、互いに離間して位置する。

被押圧面１０ａの平面視の形状は特に限定されず、用途に応じて適宜設計され、例えば、正方形、矩形、円形、楕円形、その他の多角形等の形状が挙げられる。
被押圧面１０ａサイズは、特に限定されず、例えば、縦×横＝１ｃｍ〜１０ｃｍ×１ｃｍ〜１０ｃｍが挙げられる。

図２は、図１のＩＶ−ＩＶ線で切断した部分分解斜視図である。図２において、弾性体からなる弾性層３０は４つの部分に分けて描かれているが、実際には、弾性層３０の各部分は単一の弾性体によって一体化されている。４つの部分は、それぞれ、第一樹脂層４１の第二基板２０側の表面を覆う第一被覆層３０ａと、第二樹脂層４２の第一基板１０側の表面を覆う第二被覆層３０ｂと、アレイ状に配列された複数の円柱状の第一部分３１と、平面視で第二樹脂層４２の外周を囲むように土手を形成している第二部分３３とである。

第一被覆層３０ａと第二被覆層３０ｂの間で、第一部分３１及び第二部分３３以外の領域は空間になっている。その空間のうち、第二部分３３とその真上の第一被覆層３０ａの間の空間を空隙３２と呼ぶ。

弾性層３０の高さ方向、すなわち第一基板１０から第二基板２０の方向（Ｚ軸に沿う方向）に見て、第二部分３３の高さは第一部分３１の高さよりも低い。第一部分３１の高さと第二部分３３の高さの差分が、第一基板１０と第二基板２０の離間距離Ｌに関する非押圧時と押圧時の変化量の許容値である。この差分（許容値）が前述の所定である。

図３は、図１と同様に感圧静電スイッチ１のＸＺ面を切り出した断面図である。矢印が指す方向へ被押圧面１０ａに押圧力が加わると、第一部分３１が圧縮変形し、第一基板１０と第二基板２０の離間距離Ｌが短くなる。通常の使用においては、押圧力の検知精度を高める観点から、第一被覆層３０ａと第二部分３３の間の空隙３２が無くならない範囲で、つまり第一被覆層３０ａが第二部分３３の上面に接触しない範囲で使用されることが好ましい。しかし、図３に示すように、矢印が指す方向の押圧力が過度であり、空隙３２が無くなると、土手形状の第二部分３３が第一被覆層３０ａの更なる押し込みに対抗し、第一基板１０と第二基板２０の離間距離Ｌが更に縮まることを抑制する。この結果、第一部分３１が極度に圧縮されて、第一部分３１に圧縮永久歪が蓄積されることを低減することができる。

感圧静電スイッチ１は、第一基板１０の裏面に形成された第一導電層１１と弾性層３０の間に第一樹脂層４１を備えている。この構成であると、第一樹脂層４１と弾性層３０の界面が平坦化されるので、第一基板１０が弾性層３０を押し込んで圧縮する力を前記界面で均一化することができる。この結果、弾性層３０を均一に押し込むことが可能となり、弾性層３０の外枠部分に位置する第二部分３３の高さによって、押し込みの程度を容易に制御することができる。さらに、第一導電層１１が弾性層３０から受ける応力を第一樹脂層４１が前記界面で均一化するので、第一導電層１１が局所的に応力を受けて破損することを防止することができる。

感圧静電スイッチ１は、第二基板２０の表面に形成された第二導電層２１と弾性層３０の間に第二樹脂層４２を備えている。したがって、上述の第一樹脂層４１と同様に、第二基板２０が第二樹脂層４２を介して第一基板１０及び弾性層３０からの押し込みを均一に受け止めることが可能となり、第二部分３３の高さによって、押し込みの程度を容易に制御することができる。さらに、第二導電層２１が弾性層３０から受ける応力を第二樹脂層４２が均一化するので、第二導電層２１が局所的に応力を受けて破損することを防止することができる。

感圧静電スイッチ１は、押圧によるＺ方向の入力のみを検知してもよいし、Ｚ方向の入力に加えて、ＸＹ方向の位置で表される平面方向の入力を検知してもよい。
検知方式として、例えば、公知の自己容量方式、相互容量方式が挙げられる。具体例を次に挙げる。第一導電層１１が検出電極を構成し、第二導電層２１がグランド電極（ＧＮＤ）を構成することにより、Ｚ方向の入力を検知する自己容量式の感圧静電スイッチとなる。第一導電層１１が受信電極（Ｒｘ）を構成し、第二導電層２１が送信電極（Ｔｘ）を構成することにより、Ｚ方向の入力に加えてＸＹ方向の入力を検知する相互容量式の感圧静電スイッチとなる。第一導電層１１がＲｘ及びＴｘの両方を構成し、第二導電層２１がＧＮＤを構成することにより、Ｚ方向の入力に加えてＸＹ方向の入力を検知する相互容量式の感圧静電スイッチとなる。ここで例示した第一導電層１１と第二導電層２１の電極種類の組み合わせは、逆であってもよい。各導電層の静電容量の変化は、図示しない集積回路によって入力信号として処理される。

以下、各層の詳細について順に説明する。
［カバー層、加飾層］
感圧静電スイッチ１の被押圧面は第一基板１０の表面である。第一基板１０の表面にはカバー層や加飾層が設けられていてもよく、カバー層又は加飾層が被押圧面であってもよい。
カバー層は第一基板１０の表面側を覆う部材である。カバー層は、光源からの光線を平面方向に導くライトガイド層を兼ねる層であってもよい。
加飾層は装飾、文字、図形、記号、絵柄、これらの組み合わせ、あるいはこれらと色彩との組み合わせによる任意の装飾が施された層である。加飾層は、例えば、カバー層に印刷を施すことにより形成できる。

カバー層の材料としては、例えば、樹脂、ガラス板等が挙げられる。樹脂としては、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等が挙げられる。これらの樹脂は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

カバー層の厚さは、例えば、０．０１ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍがより好ましい。カバー層の厚さが前記範囲の下限値以上であれば、充分な剛性が得られやすい。カバー層の厚さが前記範囲の上限値以下であれば、感圧静電スイッチ１が過度に厚くなることを抑制しやすく、良好な検知精度が得られやすい。

［第一基板１０、第二基板２０］
第一基板１０及び第二基板２０としては、それぞれ独立に、例えば、プリント基板、フレキシブルプリント基板、フィルム基板等が挙げられる。丈夫で高剛性とする観点ではプリント基板が好ましく、柔軟で高感度とする観点ではフレキシブルプリント基板、フィルム基板が好ましい。

第一基板１０及び第二基板２０の厚さは、それぞれ独立に、例えば０．０５ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、０．１ｍｍ〜２ｍｍがより好ましい。基板の厚さが前記範囲の下限値以上であれば、充分な剛性が得られやすい。基板の厚さが前記範囲の上限値以下であれば、感圧静電スイッチ１が過度に厚くなることを抑制しやすく、感度を高めやすい。
充分な剛性が得られやすい観点から、カバー層と第一基板１０の厚さの合計が１ｍｍ以上であることが好ましい。
剛性を付与するために、第二基板２０の第一基板１０と反対側の面に別の支持部材を設けてもよい。

第一基板１０及び第二基板２０の平面視形状は矩形状には限定されず、被押圧面１０ａの形状やサイズに応じて適宜設定すればよい。第一基板１０と第二基板２０の平面視形状は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

［第一導電層１１、第二導電層２１］
第一導電層１１、第二導電層２１は被押圧面１０ａに対する入力を検知するセンサを構成する。第一導電層１１及び第二導電層２１は、それぞれ独立に、例えば、第一基板１０の裏面、第二基板２０の表面における、基板の周縁部を除く矩形状の領域に設けられる。第一導電層１１及び第二導電層２１の平面視形状は、それぞれ独立に、例えば、ベタ電極層であってもよいし、櫛歯型又はダイヤモンド型等のパターン電極層であってもよい。
各導電層の導電性材料としては、それぞれ独立に、例えば、銅、銀、金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ、カーボンペースト等が挙げられる。ＩＴＯは透明な導電層を形成するうえで有利である。また、金属の極細の配線（ナノワイヤ）からなる導電層も透明性が高い。

［第一接着層４３、第二接着層４４］
第一接着層４３は、第一導電層１１が形成された第一基板１０の裏面と第一樹脂層４１とを密着させ、互いを固定する層である。第一接着層４３は、第一基板１０と第一樹脂層４１の密着面の一部のみに設けられていてもよいし、密着面の全部（全面）に設けられていてもよい。第一基板１０の押圧を弾性層３０に対して均一に加える観点から、前記密着面の全体に第一接着層４３が設けられていることが好ましい。

第二接着層４４は、第二導電層２１が形成された第二基板２０の表面と第二樹脂層４２とを密着させ、互いを固定する層である。第二接着層４４は、第二基板２０と第二樹脂層４２の密着面の一部のみに設けられていてもよいし、密着面の全部（全面）に設けられていてもよい。第一基板１０及び弾性層３０からの押圧を均一に受け止める観点から、前記密着面の全体に第二接着層４４が設けられていることが好ましい。

各接着層の材料として、それぞれ独立に、例えば、公知の硬化型接着剤（接着前は液状の接着剤）又は粘着剤（接着前はゲル状の感圧性接着剤）が挙げられる。また、各接着層は、基材層の両面に接着剤又は粘着剤が配置された基材型接着層であってもよい。基材型接着層としては、例えば公知の両面テープが挙げられる。
前記接着剤、粘着剤としては、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル共重合体等が挙げられる。前記硬化型接着剤は硬化時に揮発する溶剤を含む溶剤型であってもよいし、ホットメルト型であってもよい。

第一接着層４３及び第二接着層４４の厚みとしては、それぞれ独立に、例えば１μｍ〜７５μｍが挙げられる。前記硬化型接着剤を用いた接着層の厚みは、１μｍ〜２０μｍが好ましい。前記粘着剤を用いた接着層の厚みは、１０μｍ〜７５μｍが好ましい。

［第一樹脂層４１、第二樹脂層４２］
第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２は、それぞれ弾性層３０の第一被覆層３０ａの表面と第二被覆層３０ｂの裏面とに接着されている。これらは不図示の接着剤層によって接着されていてもよいし、公知の表面処理又は加熱処理によって直に接着されていてもよい。第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２の表面（接着面）には、接着力を向上させる目的で、物理的又は化学的な公知の表面処理が施されていてもよい。

第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２は、被押圧面１０ａに加えられた押圧力が弾性層３０に均一に伝達されるために、弾性層３０に対する平滑な表面を有する。仮に、第一樹脂層４１又は第二樹脂層４２が存在しないと、第一基板１０又は第二基板２０の弾性層３０に面する側に設けられた第一導電層１１又は第二導電層２１のパターンの凹凸が弾性層３０に対する押圧を不均一にすることがある。本実施形態では第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２が備えられているので、第一導電層１１及び第二導電層２１の凹凸が弾性層３０の押圧の不均一さに影響することが防止されている。また、逆に、第一導電層１１及び第二導電層２１が、局所的に弾性層３０の第一部分３１からの応力を受けて損傷することが防止されている。

第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２の樹脂材料は絶縁性であり、それぞれ独立に、例えば、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＶＣ、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ウレタン等が挙げられる。これらの樹脂は、１種が単独で用いられてもよく、２種以上が併用されていてもよい。

第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２の厚みとしては、それぞれ独立に、例えば、１０μｍ〜２００μｍが挙げられる。前述の樹脂材料を用いる場合、その厚みは、１０μｍ〜２００μｍが好ましく、２５μｍ〜１５０μｍがより好ましく、２５μｍ〜１００μｍがさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、弾性層３０に対する押圧力を面方向に均一化することが容易である。上記範囲の上限値以下であると、被押圧面１０ａに対する入力の検知精度を高めることができる。

［弾性層３０］
弾性層３０は、例えば、第一被覆層３０ａを構成する弾性フィルムと、第一部分３１、第二部分３３及び第二被覆層３０ｂを構成する弾性基材シートとによって形成されている。弾性フィルムは、第一部分３１の天面に接着され、弾性基材シートと一体化される。
弾性フィルムの弾性材料と、弾性基材シートの弾性材料は、同じあってもよいし、異なっていてもよい。第一部分３１と第二部分３３の構成材料は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

弾性層３０のうち、弾性体からなる弾性材料によって構成されている必要があるのは、圧縮変形する第一部分３１のみであり、第二部分３３、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂは、弾性材料によって形成されていてもよいし、非弾性の硬質材料によって形成されていても構わない。硬質材料としては、例えば、エラストマー以外の樹脂、ガラス、金属、セラミックス、木材等が挙げられる。

弾性層３０がＺ方向に押圧されると、第一部分３１がＺ方向に圧縮されて変形する。この圧縮変形の程度が適当であり、押し心地が良好である観点から、前記弾性材料としては、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、シリコーンゴム等の熱硬化性エラストマー；ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系又はフッ素系等の熱可塑性エラストマー；或いはそれらの複合物等が挙げられる。これらの中でも、繰り返しの押圧に対する寸法変化が小さい、即ち圧縮永久歪が小さい、シリコーンゴムが好ましい。前記弾性材料は、内部に気泡を含む発泡材料でもよいし、実質的な気泡を含まない非発泡材料でもよい。

前記弾性材料の厚み（高さ）を１ｃｍとして測定した際のショアＡ硬度は８５以下であることが好ましい。上記ショアＡ硬度が８５以下であれば、押圧された際に容易に弾性変形することができる。ただし、過度に軟らかいと、弾性変形後の回復が遅くなるため、上記のショアＡ硬度は１０以上であることが好ましい。

第一被覆層３０ａの厚さは、５μｍ〜１００μｍが好ましく、１０μｍ〜５０μｍがより好ましい。第一被覆層３０ａの厚さが前記範囲の下限値以上であれば、第一部分３１との接合強度を強くすることができる。第一被覆層３０ａの厚さが前記範囲の上限値以下であれば、被押圧面１０ａを押圧していない状態における第一導電層１１と第二導電層２１との距離を近づけやすく、押圧力の検知精度をより高くすることができる。
第二被覆層３０ｂの厚さの好ましい範囲は、第一被覆層３０ａの厚さの好ましい範囲と同じである。第一被覆層３０ａの厚さと第二被覆層３０ｂの厚さは、同じであってもよく、異なっていてもよい。

第一部分３１の形状は、特に限定されず、例えば、円柱状、円錐台状、角柱状等の柱状が挙げられる。なかでも、耐久性に優れる点から、円柱状、円錐台状が好ましい。複数の第一部分３１の形状は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

単一の第一部分３１のＸＹ方向の断面積は特に限定されず、例えば、柱状の断面積として、０．００５ｍｍ^２〜４ｍｍ^２が挙げられ、０．０２ｍｍ^２〜０．８ｍｍ^２が好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、押圧力が加わった際に高さ方向に圧縮変形することが容易になり、第一部分３１が圧縮せずに屈曲することを防止できる。上記範囲の上限値以下であると、指で押す程度の適度な押圧力で容易に圧縮変形させることができる。
ここで、柱状の断面積は、柱状の１／２の高さの位置で高さ方向に直交する断面をいう。柱状の断面積は、光学顕微鏡測定機等の公知の微細構造観察手段により測定できる。

弾性層３０が有する全ての第一部分３１の合計の断面積は、弾性材料の物性と設定する押し心地に応じて適宜設定され、第一被覆層３０ａ又は第二被覆層３０ｂの面積を１００％としたとき、前記合計の断面積は、例えば、０．１〜３０％が好ましく、０．５〜２０％がより好ましく、１〜１０％がさらに好ましい。
上記範囲であると、指で押す程度の適度な押圧力で容易に圧縮変形させることができる。
具体的には、例えば、前記合計の断面積を１〜１００ｍｍ^２とすることができる。

第一部分３１を形成する弾性体の圧縮特性は、図１４に示すように、高さの圧縮される量である変位（単位：ｍｍ）を横軸にとり、圧縮に要する荷重（単位：Ｎ）を縦軸にとったグラフで表される。このグラフでは、第一部分３１の非圧縮時の高さが５０μｍ（実線）、２００μｍ（１点鎖線）、又は５００μｍ（２点鎖線）である場合の圧縮特性を示している。第一部分３１の高さが高い程、荷重に対する変位量が線形である領域が広い。非圧縮時の高さが５０μｍの第一部分３１の圧縮特性は、荷重０〜１Ｎの領域では概ね線形であるが、荷重が１Ｎを超えると急激に変位量が小さくなり、非線形となる。同様に、高さ２００μｍの第一部分３１の圧縮特性は、荷重０〜２Ｎの領域では概ね線形であるが、荷重が２Ｎを超えると急激に変位量が小さくなり、非線形となる。高さ５００μｍの第一部分３１の圧縮特性は、荷重０〜１０Ｎの領域では概ね線形であるが、その後、図示しない領域で急激に変位量が小さくなり、非線形となる。

感圧静電スイッチ１の使用において、非押圧時の待機中に加わる荷重は０Ｎでもよいし、任意の荷重（例えば０．５〜１．５Ｎ程度）を定常的に加えたプリロード状態を待機状態として設定してもよい。感圧静電スイッチ１を任意の筐体に嵌め込んで使用する際、プリロード状態で設置することにより、被押圧面１０ａのぐらつきを抑制することができる。ここで図１４のグラフから理解されるように、１Ｎの荷重をプリロード状態として設置する場合、押した力に比例して圧縮される線形領域を利用するためには、第一部分３１の高さは高いほど好ましい。一方、第一部分３１の高さが高くなるほど、第一導電層１１と第二導電層２１の離間距離は広がるので、静電容量の変化を検知する精度が低下する傾向がある。

つまり、第一部分３１の圧縮特性が良好な線形領域の利用と、感圧静電スイッチ１の検知精度とは互いにトレードオフの関係にある。このバランスを勘案して、第一部分３１の好適な高さとしては、例えば、１μｍ〜３０００μｍが好ましく、５０μｍ〜２０００μｍがより好ましく、２００μｍ〜１０００μｍがより好ましく、３００μｍ〜１０００μｍがさらに好ましい。第一部分３１の高さが前記範囲の下限値以上であれば、押圧力の検知範囲を広くとることができる。第一部分３１の高さが前記範囲の上限値以下であれば、被押圧面１０ａを押圧していない状態における第一導電層１１と第二導電層２１との距離を近づけやすく、押圧力の検知精度をより高くすることができる。また、被押圧面１０ａを押圧した際に被押圧面がへこむ感覚が抑制されやすく、通常のタッチパネルのように硬い面に触れているのと同じ感覚で操作しやすくなる。
ここで、第一部分３１の高さには、第一被覆層３０ａの厚さ及び第二被覆層３０ｂの厚さは含まれない。第一部分３１の高さは、光学顕微鏡測定機等の公知の微細構造観察手段により測定できる。

第一部分３１は第一被覆層３０ａと第二被覆層３０ｂに接続し、弾性層３０の厚み（Ｚ方向の長さ）を支える部材である。弾性層３０の厚みが部位によらず同じであれば、複数の第一部分３１の高さは実質的に同じである。

複数の第一部分３１の配置パターンは、特に限定されず、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂのＸ方向及びＹ方向に整列したパターン、千鳥状に配列したパターン等が挙げられる。図４に、図１のＩＶ−ＩＶ線で感圧静電スイッチ１を切断した平面図を示す。本実施形態では、Ｘ方向に４個、Ｙ方向に５個、合計２０個の第一部分３１が整列している。

弾性層３０が有する第一部分の個数は、複数でもよいし、１個でもよい。本実施形態の変形例として、図５に示すように、平面視で第二被覆層３０ｂの中央領域に形成された平面視矩形の第一部分３１を１個のみ備えた形態が挙げられる。この形態の場合、第一部分３１の弾性材料は内部に気泡を含む発泡材料であることが好ましい。

第一部分３１の個数は、例えば、１〜１０００個が好ましく、３〜１００個がより好ましく、４〜５０個がさらに好ましい。前記個数が前記範囲の下限値以上であれば、被押圧面１０ａを指で押す程度の適度な押圧力で弾性層３０を圧縮変形させることができる。前記個数が前記範囲の上限値以下であれば、指で押す程度の押圧力の検出精度を向上させることができる。

隣接する第一部分３１同士のピッチは、特に限定されず、０．１ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、０．５ｍｍ〜３ｍｍがより好ましい。前記ピッチが前記範囲の下限値以上であれば、被押圧面１０ａを指で押す程度の適度な押圧力で弾性層３０を圧縮変形させることができる。前記ピッチが前記範囲の上限値以下であれば、指で押す程度の押圧力の検出精度を向上させることができる。

弾性層３０が有する第二部分の個数は特に限定されず、１個であってもよいし、２個以上であってもよい。

図４、図５で例示した第二部分３３の形状は、平面視で第二被覆層３０ｂの外周を囲む土手形状である。第二部分３３の形状は、第二被覆層３０ｂから突出し、第一部分３１の高さよりも低く、平面視で第一部分３１と離間しており、上述のように過度な押圧に対抗できる形状であれば、土手形状以外の任意の形状を採用することができる。例えば、図６に示すように平面視で第二被覆層３０ｂの外周に複数のブロック状の第二部分３３が点在する形態であってもよい。ブロック状の第二部分３３の平面視の形状は、図６に示すように矩形であってもよいし、図７に示すように円形であってもよく、その他の任意の形状も採用できる。

第二部分３３の高さは、第一部分３１の高さに応じて相対的に薄くなるように設定される。第一部分３１の高さを１００％として、第二部分３３の高さは、８０％以下が好ましい。被押圧面１０ａの押し込みの程度を大きく設定する場合には、例えば、５０％以下でもよく、３０％以下でもよい。
第一部分３１の圧縮永久歪を低減する観点から、第二部分３３の高さは、前記１００％に対して１０％以上が好ましく、２０％以上がより好ましく、３０％以上がさらに好ましく、５０％以上が特に好ましい。第一部分３１の圧縮に関する性質（圧縮特性）の線形性が良好な圧縮初期の領域を利用する観点から、第二部分３３の高さは、前記１００％に対して３０％以上が好ましく、５０％以上がより好ましい。第二部分３３の高さが高い程、第一部分３１の圧縮初期の領域を利用して前記の離間距離Ｌを制御することができる。
第二部分３３の高さは、前記１００％に対して、例えば１０〜８０％の範囲、２０〜７０％の範囲、３０〜６０％の範囲、１０〜５０％の範囲、２０〜５０％の範囲、３０〜５０％の範囲等に設定することができる。
具体例として、第一部分３１の高さが２００μｍ超である場合、比較的高い場合に該当するので、第二部分３３の高さは第一部分３１の高さ（１００％）に対して、例えば８０％であれば、押し込みの可動範囲（許容範囲）は４０μｍ超になる。４０μｍ超の可動範囲があれば充分に押し込みが可能である。
ここで、第二部分３３の高さには、第二被覆層３０ｂの厚さは含まれない。第二部分３３の高さは、光学顕微鏡測定機等の公知の微細構造観察手段により測定できる。

弾性層３０が有する全ての第二部分３３の天面（第一基板１０側に露出する表面）の合計の面積は、第一部分３１の過度な押し込みを抑制できるように適宜調整される。第一被覆層３０ａ又は第二被覆層３０ｂの面積を１００％としたとき、前記合計の面積は、例えば、１〜７０％が好ましく、６〜６０％がより好ましく、８〜５０％がさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、被押圧面１０ａが過度に押し込まれた場合に、第一被覆層３０ａに接触した第二部分３３の天面が、押圧力に対して対抗し、それ以上の押し込みを容易に抑制することができる。
上記範囲の上限値以下であると、弾性層３０の弾性力を決定する主体である第一部分３１の設置領域を充分に確保することができる。さらに、上記範囲の上限値以下であると、第一被覆層３０ａと第二部分３３の接触面積が過度に大きくなり、その接触面において第一被覆層３０ａと第二部分３３とが互いに吸着することを防止できる。第一被覆層３０ａ及び第二部分３３を構成する材料がタック性を呈する場合、上記の吸着を防止することは、押圧の繰り返し操作を円滑に行う観点から重要である。
具体的には、例えば、前記合計の断面積を０．１〜１０ｍｍ^２とすることができる。

弾性層３０において、全ての第一部分３１の前記断面の合計面積Ｓ１に対する、全ての第二部分３３の天面の合計面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）は、０．１以上が好ましく、１以上がより好ましい。Ｓ２／Ｓ１の比の上限値の目安は、例えば、５０程度が挙げられる。
上記範囲の下限値以上であると、被押圧面１０ａが過度に押し込まれた場合に、第一被覆層３０ａに接触した第二部分３３の天面が、押圧力に対して充分に対抗し、それ以上の押し込みを容易に抑制することができる。
上記範囲の上限値以下であると、弾性層３０の弾性力を決定する主体である第一部分３１の設置領域を充分に確保することができる。
弾性層３０において、前記合計面積Ｓ２＞前記合計面積Ｓ１の関係であることが好ましい。この関係であると、過度な押し込みに対して充分に対抗することができ、第一部分３１の圧縮永久歪を低減することがより容易になる。

本実施形態では、第二部分３３が第二被覆層３０ｂの第一基板１０側の面に形成されている場合を説明した。本発明の感圧静電スイッチが有する第二部分３３は第一被覆層３０ａの第二基板２０側の面に形成されていてもよい。

本実施形態では、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂの両方がある場合を説明した。感圧静電スイッチ１の弾性層３０において、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂの両方が無くても構わない。しかし、第一部分３１及び第二部分３３を一体的に構成して、これらの相対的な位置関係を保持することが容易である観点から、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂの何れか一方があることが好ましく、両方が有ることがより好ましい。
例えば、第一被覆層３０ａが無い場合、第二被覆層３０ｂに一体化された第一部分３１の天面が第一樹脂層４１の裏面に接着されていてもよい。また、第二被覆層３０ｂが無い場合、第一被覆層３０ａに一体化された第一部分３１の底面が第二樹脂層４２の表面に接着され、第二部分３３は第一被覆層３０ａに一体化されていてもよい。また、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂの両方が無い場合、第一部分３１の天面及び底面はそれぞれ第一樹脂層４１の裏面及び第二樹脂層４２の表面に接着され、第二部分３３の底面は第一樹脂層４１の裏面又は第二樹脂層４２の表面に接着されていてもよい。

以上で説明した第一実施形態では、弾性層３０の平面視において、第一部分３１は第二部分３３の内側にあり、第一部分３１は第二部分３３に囲まれている。第二部分３３の設置領域は、図４〜図７に示すように平面視で第二被覆層３０ｂの外縁に沿い、第二被覆層３０ｂの外周領域である。本発明における第二部分は図面で例示した以外の箇所にも設置可能であり、例えば、図７における第二部分３３の設置領域は、平面視で第二被覆層３０ｂの外縁に沿った第二被覆層３０ｂの外周領域でなくてもよく、第一部分３１と同様に中央領域に設置されてもよい。
以下に、弾性層３０の平面視において、第一部分３１が第二部分３３の外側にあり、第一部分３１が第二部分３３を囲む第二実施形態と、第一部分３１と第二部分３３とが混在する第三実施形態を説明する。

＜第二実施形態＞
図８は感圧静電スイッチ２のＸＺ平面に沿う断面図であり、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線で弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３をＸＹ平面で切断した上面図である。感圧静電スイッチ２の弾性層３０以外の構成は、第一実施形態と同じであり、共通する部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。

感圧静電スイッチ２では、弾性層３０の平面視において、複数の円形状の第一部分３１は第二部分３３の外側にあり、単一の正方形状の第二部分３３は複数の第一部分３１に囲まれている。第二部分３３の設置領域は、図示するように平面視で第二被覆層３０ｂの中央領域である。複数の円柱状の第一部分３１は、第二被覆層３０ｂの外縁に沿って、第二被覆層３０ｂの外周領域でほぼ等間隔に配置されている。

本実施形態のように、平面視で弾性層３０の中央領域に、第一部分３１よりも高さの低い第二部分３３が配置されていることによって、中央領域における積層方向（厚み方向）への光の透過性が優れる。したがって、図１０に示すように、第二基板２０側の光源から第一基板１０へ向けて光を照射すると、感圧静電スイッチ２の中央領域を光が容易に透過して、被押圧面１０ａの中央領域を内部から均一に照らすことができる。

図１０に示す感圧静電スイッチ２では、第一基板１０の被押圧面１０ａに加飾層５０が設けられており、第二基板２０の裏面に第二基板２０を支持する支持板５１が設けられ、支持板５１の第二基板２０の反対側に光源５２とその基材５３が設置されている。光源５２は例えばＬＥＤであり、基材５３は例えば光源５２に電流を供給する電源基板であり、支持板５１は例えば透明なアクリル基板であり、加飾層５０は例えば照光用に文字抜きされた樹脂フィルムである。図１０に示す感圧静電スイッチ２の各層は透明材料によって構成されているので、光源５２から出射された光は、各層の中央領域を透過して、加飾層５０の表面から出射することができる。

本発明の感圧静電スイッチには、第二実施形態で説明したように、第二基板を支持する支持板、光源、光源用の基材等の任意の部材が備えられていてもよい。

＜第三実施形態＞
図１１は感圧静電スイッチ３の弾性層３０の第一部分３１及び第二部分３３を、図９と同様にＸＹ平面で切断した上面図である。感圧静電スイッチ３の弾性層３０以外の構成は、第一実施形態と同じであり、共通する部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。

第三実施形態の感圧静電スイッチ３では、弾性層３０の平面視において、複数の円形状の第一部分３１は一定のピッチでＸ方向及びＹ方向に整列しており、第二部分３３は第一部分３１の間を縫うようにＸＹ方向の格子状に配置されている。個々の第一部分３１は、第二部分３３が形成する仕切り（格子の個々の部屋）内に１つずつ配置されている。

本実施形態のように、平面視で弾性層３０の全領域の分散された位置に、第一部分３１及び第二部分３３が設置されていることによって、第一基板１０の被押圧面１０ａの中心と弾性層３０の中心との位置合わせをする必要が無いので、感圧静電スイッチ３を容易に製造することができる。つまり、大面積の前記弾性基材シートを予め準備しておき、感圧静電スイッチ３の組み立て時に必要なサイズで前記弾性基材シートの任意の部分を切り出して弾性層３０を形成することができる。この際、前記大面積の弾性基材シートには中心が存在しないので、製造する感圧静電スイッチ３の平面視の面積に合わせて任意のサイズで容易に切り出すことができる。

＜感圧静電スイッチの製造方法＞
本発明の感圧静電スイッチの製造方法は、従来の静電容量式の感圧スイッチやタッチセンサの製造方法と同様でよい。
第一導電層１１の形成方法としては、例えば、第一基板１０となる基板等に対して、導電性ペーストを印刷した後に加熱して硬化させる方法、金属粒子を含むインクを印刷する方法、金属箔又は金属蒸着膜を形成する方法が挙げられる。第一導電層１１には、エッチング等の公知方法によってパターンや配線を形成することができる。
第二導電層２１も第一導電層１１と同様に形成することができる。

弾性層３０は、例えば次の方法で製造することができる。まず、第二樹脂層４２の表面に金型を用いたプレス成形により第一部分３１及び第二部分３３を有する第二被覆層３０ｂを一体的に形成する。又は、第二樹脂層４２の表面に第二被覆層３０ｂを形成した後、第二被覆層３０ｂの表面に別途形成した第一部分３１及び第二部分３３を配置して、接着剤や表面処理等の公知方法により接着する。
また、第一樹脂層４１の裏面に第一被覆層３０ａを形成する。
次いで、第一被覆層３０ａと第二被覆層３０ｂとを向い合せて、第一被覆層３０ａの向かい合う面と、第二被覆層３０ｂ上の第一部分３１の天面とを密着させ、公知方法により接着する。これにより第一樹脂層４１及び第二樹脂層４２に挟持された弾性層３０を形成することができる。
或いは、第一樹脂層４１の表面に第一部分３１及び第二部分３３をそれぞれ所望の位置で接着し、第二樹脂層４２を第一樹脂層４１に向い合せ、第一部分３１を挟んで接着する方法によって、第一被覆層３０ａ及び第二被覆層３０ｂを有しない弾性層３０を形成することができる。

カバー層と第一基板１０の接着、第一基板１０と第一樹脂層４１の接着、及び第二樹脂層４２と第二基板２０の接着は、例えば、接着剤や両面テープ等により行うことができる。
以上のように各層を積層することによって本発明の感圧静電スイッチを製造することができる。

以上説明したように、本発明の感圧静電スイッチにおいては、弾性層の第二部分によって第一部分の過度の圧縮変形が抑制されている。これにより、第一部分の圧縮永久歪を低減できるので、感圧静電スイッチの耐久性が優れる。また、第一樹脂層及び第二樹脂層の少なくとも一方が弾性層に接する平坦面を有するので、弾性層が平面方向で均一に圧縮されやすく、第一部分の過度の圧縮変形を第二部分によって容易に抑制することができる。さらに、被押圧面の押圧によって生じる弾性層からの応力（反発力）が第一導電層、第二導電層に、直に、局所的に加わることを防止できるので、第一導電層、第二導電層の破損を防止することができる。

＜感圧静電スイッチの使用例＞
本発明の感圧静電スイッチは、単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
単一の感圧静電スイッチ１を単独で使用する方法としては、例えば、図１２に示すように、第一実施形態の感圧静電スイッチ１の第一基板１０の表面１０ａに更にカバー層６０を積層した構成が挙げられる。操作者は指などでカバー層６０の表面６０ａを押圧することができる。ここで図示した例によれば、単一の感圧静電スイッチ１を単一のスイッチとして機能させることができる。

複数の感圧静電スイッチ１を組み合わせて使用する方法としては、例えば、図１３に示すように、複数の感圧静電スイッチ１が単一のカバー層６０を共有する構成が挙げられる。ここで図示した例では、カバー層６０の４角に１つずつ感圧静電スイッチ１が備えられている。各感圧静電スイッチ１の第一基板１０の表面１０ａがカバー層６０の裏面に接着されている。この構成であると、例えば、カバー層６０の表面６０ａの中央付近を押すと、４つの感圧静電スイッチ１が一斉に押圧され、カバー層６０の表面６０ａの４角のうち何れかを押すと、押圧した箇所の直下の単一の感圧静電スイッチ１のみが押圧され、カバー層６０の表面６０ａの４角のうち任意の２角を結ぶ辺の近傍を押すと、その２角直下の２つの感圧静電スイッチ１が同時に押圧される、等の押し方ができる。各押し方に個別のスイッチ機能を付与することができる。
カバー層６０の中央付近の裏面側には、押圧箇所のＸＹ座標を検知する公知の二次元又は三次元のタッチセンサ６５等を更に設置してもよい。また、タッチセンサ６５の裏面側に本発明の感圧静電スイッチを配置してもよい。

本発明の感圧静電スイッチは、乗り物や家電等の操作パネル、ノートパソコンのタッチパッド等のスイッチ分野、センサ分野に広く利用される。

１，２，３…感圧静電スイッチ、１０…第一基板、１０ａ…被押圧面、１１…第一導電層、２０…第二基板、２１…第二導電層、３０…弾性層、３０ａ…第一被覆層、３０ｂ…第二被覆層、３１…第一部分、３２…空隙、３３…第二部分、４１…第一樹脂層、４２…第二樹脂層、４３…第一接着層、４４…第二接着層、５０…加飾層、５１…支持板、５２…光源、５３…基材、６０…カバー層、６５…タッチセンサ

Claims (5)

1. 被押圧面に対する押圧を検知する感圧静電スイッチであって、
   前記被押圧面側から順に、少なくとも、第一基板と、第一導電層と、弾性層と、第二導電層と、第二基板とが積層されており、さらに前記第一導電層と前記弾性層の間、及び前記弾性層と前記第二導電層の間のうち少なくとも一方に、樹脂層を備え、
   前記弾性層は、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分と前記第二部分は、前記被押圧面の面方向に互いに離間して位置し、
   前記積層の方向に見て、前記第一部分は前記第二部分よりも高く、
   前記第一部分は、前記押圧の無い状態で前記第一基板と前記第二基板の離間距離を維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形され、
   前記離間距離の変化に応じて、前記第一導電層及び前記第二導電層のうち少なくとも一方の静電容量が変化し、
   前記弾性層を平面視して、前記第二部分が前記弾性層の外縁に沿って、前記第一部分よりも外側に形成されている、感圧静電スイッチ。
2. 被押圧面に対する押圧を検知する感圧静電スイッチであって、
   前記被押圧面側から順に、少なくとも、第一基板と、第一導電層と、弾性層と、第二導電層と、第二基板とが積層されており、さらに前記第一導電層と前記弾性層の間、及び前記弾性層と前記第二導電層の間のうち少なくとも一方に、樹脂層を備え、
   前記弾性層は、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分と前記第二部分は、前記被押圧面の面方向に互いに離間して位置し、
   前記積層の方向に見て、前記第一部分は前記第二部分よりも高く、
   前記第一部分は、前記押圧の無い状態で前記第一基板と前記第二基板の離間距離を維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形され、
   前記離間距離の変化に応じて、前記第一導電層及び前記第二導電層のうち少なくとも一方の静電容量が変化し、
   前記弾性層を平面視して、前記第一部分が前記弾性層の外縁に沿って、前記第二部分よりも外側に形成されている、感圧静電スイッチ。
3. 被押圧面に対する押圧を検知する感圧静電スイッチであって、
   前記被押圧面側から順に、少なくとも、第一基板と、第一導電層と、弾性層と、第二導電層と、第二基板とが積層されており、さらに前記第一導電層と前記弾性層の間、及び前記弾性層と前記第二導電層の間のうち少なくとも一方に、樹脂層を備え、
   前記弾性層は、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分と前記第二部分は、前記被押圧面の面方向に互いに離間して位置し、
   前記積層の方向に見て、前記第一部分は前記第二部分よりも高く、
   前記第一部分は、前記押圧の無い状態で前記第一基板と前記第二基板の離間距離を維持し、前記押圧によって前記離間距離が縮まる際に圧縮変形され、
   前記離間距離の変化に応じて、前記第一導電層及び前記第二導電層のうち少なくとも一方の静電容量が変化し、
   前記弾性層を平面視して、前記第二部分が格子状に形成されており、前記第一部分が前記格子状の第二部分の仕切り内に形成されている、感圧静電スイッチ。
4. 前記積層の方向に見て、前記第一部分の高さを１００％としたとき、前記第二部分の高さが８０％以下である、請求項１〜３の何れか一項に記載の感圧静電スイッチ。
5. 前記第一部分の形状が柱状である、請求項１〜４の何れか一項に記載の感圧静電スイッチ。

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