JPWO2017134718A1

JPWO2017134718A1 - タッチセンサ及びそれを備えた入力装置

Info

Publication number: JPWO2017134718A1
Application number: JP2017564976A
Authority: JP
Inventors: 英則北村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-10-18
Also published as: GB201812132D0; DE112016006340T5; US20190018535A1; WO2017134718A1

Abstract

本発明に係るタッチセンサは、互いに所定の間隔を開けて、第１の方向を長手方向にして配置された複数の駆動電極と、互いに所定の間隔を開けて、第１の方向と交差する第２の方向を長手方向にして配置された複数の検出電極とを有し、駆動電極の幅は、検出電極の幅よりも大きくなっており、駆動電極と検出電極との交差部において、駆動電極にのみ開口部が形成されている。

Description

本発明は、静電容量方式のタッチセンサ、及びタッチセンサを有した入力装置に関する。

静電容量方式のタッチセンサは、複数の駆動電極と複数の検出電極とが、絶縁層を挟んで、互いに直交して配置され、駆動電極と検出電極との交差部で静電容量が構成されている。指先等の操作体（以下、単に「操作体」という）が交差部に接近すると、操作体と駆動電極及び検出電極との間に静電結合が生じるため、交差部での静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって、操作体の位置が検出される。

交差部での静電容量が大きいと、操作体の接近による静電容量の変化が小さくなり、位置検出の感度（以下、単に「検出感度」という）が悪くなる。一方、表示パネル等の入力インタフェースとして、操作面にタッチセンサを設けた場合、表示パネル等がノイズの発生源となる。そのため、タッチセンサは、表示パネル等からのノイズの影響を受けやすくなる。そこで、駆動電極の幅を大きくすることによって、表示パネル等からのノイズを遮蔽するとともに、検出電極の幅を小さくすることによって、交差部での静電容量を小さくする電極パターン設計が行われている。

しかしながら、検出電極の幅を小さくすると、検出電極の電極抵抗が大きくなる。そのため、時定数が増加して、検出時間が長くなり、位置検出の応答性（以下、単に「検出応答性」という）が悪くなるという問題がある。

この問題を解決するために、特許文献１には、駆動電極に対面する検出電極にスリットを形成した静電容量方式のタッチセンサが開示されている。駆動電極と検出電極とに電圧を印加したとき、対面する駆動電極と検出電極との間に発生する電界に加えて、スリットを介して、検出電極の側面又は表面に回り込むフリンジ電界（駆動電極の境界から発生する漏れ電界）も生じる。そのため、操作体が交差部に接近すると、操作体によってこのフリンジ電界が遮られるため、静電容量の変化が大きくなる。その結果、検出感度を向上させることができる。また、検出電極のスリットを設けた部分以外の幅を大きくすることによって、検出電極の電極抵抗を維持することができる。これにより、検出応答性の劣化を防止することができる。

特開２０１０−２５０７７０号公報

本発明の主な目的は、より高精度な位置検出を行うために、駆動電極及び検出電極の電極ピッチを小さくしても、検出感度、及び検出応答性に優れたタッチセンサ、およびそれを有した入力装置を提供することにある。

本発明に係る入力装置は、上記タッチセンサを有している。

本発明によれば、検出感度及び検出応答性に優れ、高精度な位置検出を行うことができるタッチセンサ、およびそれを有した入力装置を提供することができる。

本発明の一実施形態におけるタッチセンサの構成を模式的に示した分解斜視図本発明の一実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図駆動電極の電極パターンを模式的に示した平面図検出電極の電極パターンを模式的に示した平面図図２に示した電極パターンにおいて、駆動電極と検出電極との交差部を拡大して示した部分上面図図５ＡのＶｂ−Ｖｂに沿った断面図図５ＡのＶｃ−Ｖｃに沿った断面図本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図図６に示した電極パターンにおいて、駆動電極の電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図図８に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極の電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図図１０に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極の電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図図１２に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極の電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図図１４に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極の電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図

本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来のタッチセンサにおける問題点を簡単に説明する。静電容量方式のタッチセンサにおいて、より高精度な位置検出を行うためには、駆動電極及び検出電極の電極ピッチを小さくする必要がある。しかしながら、電極ピッチを小さくするのに伴い、検出電極の幅も狭くなるため、検出電極にスリットを形成すると、検出電極の電極抵抗が大きくなる。そのため、時定数が増加して、検出時間が長くなり、検出応答性が悪くなるという問題が生じる。また、交差部での検出電極の面積が、スリットの形成によりさらに小さくなるため、操作体が接近したとき、検出電極と操作体との静電容量が小さくなる。その結果、交差部での静電容量の変化が小さくなり、検出感度が低下するという問題が生じる。加えて、検出電極の幅が狭くなると、スリットの幅も狭くなり、スリットを介したフリンジ電界も減少する。そのため、操作体が接近したとき、フリンジ電界の効果により得られる静電容量の変化が小さくなり、その結果、全体の静電容量の変化が小さくなり、検出感度が低下するという問題が生じる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態におけるタッチセンサ１０の構成を模式的に示した分解斜視図である。

図１に示すように、第１の支持体２０に、複数の駆動電極２１がＸ方向を長手方向にして配置され、第２の支持体３０に、複数の検出電極３１がＹ方向を長手方向にして配置されている。第１の支持体２０と第２の支持体３０とは、絶縁層４０を介して接合され、第２の支持体３０の表面は、カバー５０で保護されている。

駆動電極２１には、それぞれ第１の配線２２が接続され、検出電極３１には、それぞれ第２の配線３２が接続されている。そして、制御部（不図示）によって、選択された第１の配線２２を介して駆動電極２１に電圧を印加して、駆動電極２１と検出電極３１との交差部での静電容量の変化を、第２の配線３２を介して検出する。その結果、各静電容量の変化を制御部で演算処理することにより、操作体のタッチ位置が検出される。

図２は、本実施形態におけるタッチセンサ１０の電極パターンを模式的に示した上面図である。なお、図２において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

図２に示すように、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆは、隣り合う電極間に互いに所定の間隔を開けて、Ｘ方向（第１の方向）を長手方向にして配置されている。また、複数の検出電極３１Ａ〜３１Ｆは、隣り合う電極間に互いに所定の間隔を開けて、Ｘ方向と交差するＹ方向（第２の方向）を長手方向にして配置されている。これにより、絶縁層４０を介して対向する駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部は、静電容量を構成する。

図３は、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの電極パターンを模式的に示した平面図である。また、図４は、検出電極３１Ａ〜３１Ｆの電極パターンを模式的に示した平面図である。

図３及び図４に示すように、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの幅Ｗ_１は、検出電極３１Ａ〜３１Ｆの幅Ｗ_２よりも大きくなっている。また、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部において、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにのみ開口部２３が形成されている。また、開口部２３のＸ方向における幅Ａは、検出電極３１Ａ〜３１Ｆの幅Ｗ_２より大きくなっている。なお、隣り合う駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ間の間隔Ｄ_１は、表示パネル等からのノイズを遮蔽するために、互いに電気的絶縁が確保できる程度に、できるだけ狭くなっていることが好ましい。

図５Ａは、図２に示した電極パターンにおいて、駆動電極２１Ｂと、検出電極３１Ｂ〜３１Ｄとの交差部を拡大して示した部分上面図で、図５Ｂは、図５ＡのＶｂ−Ｖｂに沿った断面図で、図５Ｃは、図５ＡのＶｃ−Ｖｃに沿った断面図である。

図５Ｂに示すように、駆動電極２１Ｂに電圧が印加されると、対向する検出電極３１Ｂ〜３１Ｄとの間に電界が生じる。この電界としては、対向する電極間に発生する電界の他に、検出電極３１Ｂ〜３１Ｄの側面や表面に回り込むフリンジ電界も発生する。上部方向に輻射する電界は、検出電極３１Ｂ〜３１Ｄによって遮蔽されるため、指先またはタッチペンの先端等の操作体が接近する際の静電容量変化は小さくなる。

一方、図５Ｃに示すように、駆動電極２１Ｂに開口部２３が形成された部位では、フリンジ電界が発生する。駆動電極２１Ｂに開口部２３が形成されていない場合に比べて、操作体の接近の際、駆動電極２１Ｂと検出電極３１Ｂ〜３１Ｄとの交差部で発生する静電容量の変化が大きくなる。その結果、操作体が交差部に接近したとき、検出感度を高めることができる。

これにより、より高精度な位置検出を行うために、検出電極３１Ａ〜３１Ｆの幅を狭くしても、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆに開口部２３を設けることによって、従来のように、検出電極３１Ａ〜３１Ｆにスリットを形成して検出感度を高める効果と同じ効果を得ることができる。

また、本実施形態では、検出電極３１Ａ〜３１Ｆにスリットを形成する必要がないので、交差部での検出電極の面積の縮小を抑制することができる。これにより、操作体が接近したとき、検出電極３１Ａ〜３１Ｆと操作体との静電容量の低下を抑制することができる。その結果、静電容量の変化が小さくなることによる検出感度の低下を抑制することができる。

さらに、検出電極３１Ａ〜３１Ｆにスリットを形成する必要がないので、検出電極３１Ａ〜３１Ｆの電極抵抗の上昇を抑制することができる。これにより、時定数が増加して検出時間が長くなることによる検出応答性の劣化を、抑制することができる。

加えて、検出電極３１Ａ〜３１Ｆにスリットを形成する必要がないので、交差部での検出電極３１Ａ〜３１Ｆの面積の縮小を抑制することができる。これにより、操作体が接近したとき、検出電極３１Ａ〜３１Ｆと操作体との静電容量の低下を抑制することができる。その結果、静電容量の変化が小さくなることによる検出感度の低下を抑制することができる。

ところで、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆに開口部２３を設けると、表示パネル等の外部からのノイズの影響が大きくなることが懸念される。しかしながら、タッチセンサの検出感度は、検出電極３１Ａ〜３１Ｆから検出される検出信号と、ノイズとの比（ＳＮＲ）で規定される。一方、検出信号は、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの静電容量、操作体と駆動電極２１Ａ〜２１Ｆとの静電容量、及び操作体と検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの静電容量によって決定される。

本実施形態において、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部において、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆに開口部２３を形成することによって、操作体と駆動電極２１Ａ〜２１Ｆとの静電容量、及び操作体と検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの静電容量を大きくすることができる。一方、開口部２３は、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部にのみ形成するため、開口部２３の総面積は、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ全体の総面積に比して非常に小さい。そのため、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆに開口部２３を設けたことによるノイズの増加よりも、検出信号の増加の方を大きくすることができる。その結果、タッチセンサの検出感度を向上させることができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、より高精度な位置検出を行うために、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ及び検出電極３１Ａ〜３１Ｆの電極ピッチを小さくしても、検出感度、及び検出応答性に優れたタッチセンサを実現することができる。

図６は、本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図である。なお、図６において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

図６に示すように、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆは、隣り合う電極間に互いに所定の間隔を開けて、Ｘ方向を長手方向にして配置されている。また、複数の検出電極３１Ａ〜３１Ｆは、隣り合う電極間に互いに所定の間隔を開けて、Ｘ方向と交差するＹ方向を長手方向にして配置されている。これにより、絶縁層４０を介して対向する駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部は、静電容量を構成する。

図７は、図６に示した電極パターンにおいて、駆動電極２１Ａの電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図である。

図７に示すように、駆動電極２１Ａは、交差部において、他の部位（広幅部）５１よりも幅の狭い狭幅部５２を有している。すなわち、本実施形態における駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの電極パターンは、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの幅方向両端部が、交差部において、それぞれ開口部２３側に凹んだ凹部５２ａを有している。

本実施形態によれば、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの交差部に凹部５２ａを形成することによって、開口部２３を介して発生するフリンジ電界に加えて、凹部５２ａを介してもフリンジ電界を発生させることができる。これにより、操作体が交差部に接近すると、操作体によってこのフリンジ電界が遮られるため、静電容量の変化がより大きくなる。その結果、検出感度をより向上させることができる。

図８は、本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図である。なお、図８において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

本実施形態では、開口部２３を、Ｙ方向に間を隔てて複数形成している。これにより、複数の開口部２３を介して、より多くのフリンジ電界を発生させることができる。その結果、操作体が交差部に接近したときの静電容量の変化がより大きくなるため、検出感度をさらに向上させることができる。

図９は、図８に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図である。

図９に示すように、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１は、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの狭幅部５２間の間隔Ｄ_２と等しくなっている。すなわち、各検出電極３１Ａ〜３１Ｆを、それぞれＹ方向に沿って上方から眺めたとき、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆに形成された開口部２３と、隣り合う駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの狭幅部５２間の隙間とが、同じ開口面積を有する部位として一様に配列されている。そのため、当該部位におけるフリンジ電界は、検出位置による静電容量の変化が略一定となり、より均一な検出感度を得ることができる。

図１０は、本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図である。また、図１１は、図１０に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図である。なお、図１０及び図１１において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

本実施形態では、図１１に示すように、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１は、隣り合う開口部２３間の間隔Ｌ_２と等しくなっている。これにより、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆの電極抵抗が低下することによる検出応答性の劣化を抑制することができる。また、開口部２３におけるフリンジ電界により検出位置による静電容量の変化が略一定となり、より均一な検出感度を得ることができる。ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）や導電性高分子のような抵抗が高い材料を電極に用いる際に有効である。

なお、本実施形態では、図７に示したように、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆが、交差部において、他の部位（広幅部）５１よりも幅の狭い狭幅部５２を有する電極パターンを例に説明したが、図３に示したように、狭幅部５２を有さない電極パターンであってもよい。なお、狭幅部５２を有する電極パターンの場合、図１１に示すように、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１は、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの狭幅部５２間の間隔Ｄ_２と等しくなっていることが好ましい。

図１２は、本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図である。また、図１３は、図１２に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図である。なお、図１２及び図１３において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

本実施形態では、図１３に示すように、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂ間の間隔Ｄ_１は、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１と略等しくなっている。開口部２３におけるフリンジ電界により検出位置による静電容量の変化が略一定となり、より均一な検出感度を得ることができる。

図１４は、本発明の他の実施形態におけるタッチセンサの電極パターンを模式的に示した上面図である。また、図１５は、図１４に示した電極パターンにおいて、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂの電極パターンの一部を拡大して示した部分上面図である。なお、図１４及び図１５において、複数の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆにハッチングを施している。

本実施形態では、図１５に示すように、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１は、隣り合う開口部２３間の間隔Ｌ_２と等しくなっている。開口部２３におけるフリンジ電界により、検出位置による静電容量の変化は略一定となり、より均一な検出感度を得ることができる。

なお、図１５に示すように、隣り合う駆動電極２１Ａ、２１Ｂ間の間隔Ｄ_１は、開口部２３のＹ方向における幅Ｌ_１と等しくなっていることが好ましい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

例えば、上記実施形態では、複数の駆動電極２１Ａ〜２１ＦをＸ方向を長手方向にして配置し、複数の検出電極３１Ａ〜３１ＦをＹ方向を長手方向にして配置したが、これに限定されず、互いに任意の方向（第１の方向、及び第２の方向）に交差して配置されていてもよい。

また、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ、及び検出電極３１Ａ〜３１Ｆを構成する材料や本数等は、要求されるタッチセンサの仕様に応じて、適宜選択することができる。例えば、駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ、及び検出電極３１Ａ〜３１Ｆを構成する材料として、ＩＴＯ等を用いることができる。

また、開口部２３の最大幅（例えば図３における開口部２３のＸ方向における幅Ａ）は、タッチセンサ１０を操作するための操作体の最大幅の半分よりも小さいのが好ましい。これにより、操作体に対向する開口部２３は少なくとも２つとなるので、それぞれの開口部２３における静電容量変化が得られ、検出感度を高めることができるとともに、位置の検出精度を高めることができる。なお、操作体は、指先またはタッチペンの先端等の、尖頭形状を有し、タッチセンサ１０の駆動電極２１Ａ〜２１Ｆと検出電極３１Ａ〜３１Ｆとの交差部に対して操作を行うものである。したがって、操作体の最大幅とは、指先の場合は指先の最大幅を、タッチペンの場合は先端部分の直径を、それぞれ示す。

また、本実施形態におけるタッチセンサの駆動電極２１Ａ〜２１Ｆ側に表示パネルを配置することによって、表示装置を構成することができる。

本開示は、検出感度及び検出応答性に優れ、高精度な位置検出を行うことができるタッチセンサ、およびそれを有した入力装置などとして有用である。

１０タッチセンサ
２０第１の支持体
２１駆動電極
２２第１の配線
２３開口部
３０第２の支持体
３１検出電極
３２第２の配線
４０絶縁層
５０カバー
５１広幅部
５２狭幅部
５２ａ凹部

Claims

互いに所定の間隔を開けて、第１の方向を長手方向にして配置された２つ以上の駆動電極と、
互いに所定の間隔を開けて、前記第１の方向と交差する第２の方向を長手方向にして配置された２つ以上の検出電極と
を備えたタッチセンサであって、
前記２つ以上の駆動電極の各々の幅は、前記２つ以上の検出電極の各々の幅よりも大きくなっており、
前記２つ以上の駆動電極と前記２つ以上の検出電極との交差部において、前記２つ以上の駆動電極にのみ開口部が形成されている、タッチセンサ。
前記開口部の前記第１の方向における幅は、前記２つ以上の検出電極の各々の幅より大きくなっている、請求項１に記載のタッチセンサ。
前記開口部は、前記第２の方向に間を隔てて複数形成されている、請求項１に記載のタッチセンサ。
隣り合う前記２つ以上の駆動電極間の間隔は、隣り合う前記開口部間の間隔と等しい、請求項３に記載のタッチセンサ。
前記開口部の各々の前記第２の方向における幅は、隣り合う前記開口部間の間隔と等しい、請求項３に記載のタッチセンサ。
前記２つ以上の駆動電極の各々は、前記交差部において、他の部位よりも幅の狭い狭幅部を有している、請求項１に記載のタッチセンサ。
前記開口部の各々の前記第２の方向における幅は、隣り合う前記２つ以上の駆動電極の狭幅部間の間隔と等しい、請求項６に記載のタッチセンサ。
前記開口部の最大幅は、前記交差部に対して操作を行う尖頭形状の操作体における最大幅の半分よりも小さい、請求項１〜７の何れかに記載のタッチセンサ。
請求項１に記載のタッチセンサを備えた入力装置。