JP4456508B2

JP4456508B2 - センサ

Info

Publication number: JP4456508B2
Application number: JP2005081059A
Authority: JP
Inventors: 喜幸浅部; 邦生佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006266695A

Description

本発明は、透明電極を用いたタッチ式のセンサに係り、特に、透明度を維持でき、かつ高い検出感度を維持できるセンサに関する。

図６は、従来の透明電極を用いた静電容量方式のタッチセンサを示す平面図である。
このセンサ１００は、透明基板の表面に所定の厚さおよび所定の面積の透明電極１１２が形成され、この透明電極１１２が保護フィルムなどで保護される。透明電極１１２に信号印加部１１４が設けられており、制御部（図示せず）から信号印加部１１４に所定の周期で検出信号としての所定の電圧が印加される。

例えば人の指のように、一端が接地電位とされている導電体が、前記保護フィルムのうち、透明電極１１２が形成されている領域内に触れると、透明電極１１２と前記接地電位との間の静電容量が変化し、前記検出信号の波形が変化する。前記制御部は、この検出信号の波形を検出することにより、透明電極１１２が形成されている領域が指で触れられたか否かの検出が可能になる。

例えば、前記透明基板の下側で且つ透明電極１１２が形成されている領域内に照光部が設けられ、前記制御部で指が触れことを認識したときに、前記照光部が点灯される。または、透明電極１１２が形成されている領域の下に液晶パネルなどの表示デバイスを配置することも可能である。

下記の特許文献１には従来の透明タッチパネルが開示されている。
図７は、前記透明タッチパネルの要部断面図である。なお、図７は、特許文献１の図３と同じ図を用いている。

図７に示す透明タッチパネル２００では、透明タッチパネル用基板２０１と樹脂板２０２が、金属酸化物透明導電膜（透明電極）２０３と透明導電膜（透明電極）２０４とが対向するように配置され、樹脂板２０２と透明タッチパネル用基板２０１が、その間をガラススペーサ２０５により所定の間隔をあけて固定されている。

指で樹脂板２０２を下方（図示Ｚ２方向）に押圧すると、樹脂板２０２が下方に変形し、透明導電膜２０４と金属酸化物透明導電膜２０３が接触してＯＮ状態になり、両電極間に電流が流れる。指を樹脂板２０２から離すと、樹脂板２０２の形状は初期の位置に戻り、ＯＦＦ状態になる。

下記の特許文献２には従来の、透明導電積層体を利用したタッチパネルが開示されている。

図８は、前記タッチパネルの概略を示す斜視図である。なお、図８は、特許文献２の図１と同じ図を用いている。

タッチパネル３００は、透明電極基板３０１と透明電極基板３０２とを、透明電極膜（透明導電膜）３０３，３０４が互いに対向し、かつ、電極端子３０５ａ，３０５ｂを結ぶ方向と電極端子３０６ａ，３０６ｂを結ぶ方向とが直交するようにして貼り合わせて形成されている。そして、ＳｉＯ₂からなる球状のスペーサー（図示せず）を用いて、透明電極膜（透明導電膜）３０３，３０４間の距離が所定の距離になるようにされている。

入力ペン３０７で透明電極基板３０１を下方（図示Ｚ２方向）へ押圧すると、透明電極膜（透明導電膜）３０３と透明電極膜（透明導電膜）３０４が接触し、抵抗値の変化に基づいて、入力ペン３０７が押圧した箇所の座標が検出される。
特開２００１−３０６２５８号公報特開平１０−６３４２９号公報

図６に示すタッチセンサ１００では、検出用の電極として透明電極１１２が設けられている。透明電極はＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホン酸）などの透明電極材料で形成されるが、前記透明電極材材料を用いてスクリーン印刷などで所定のパターンの透明電極を形成する場合、その透明度を高くするには膜厚を薄くすることが必要であり、透明度を高めるにしたがって透明電極の電気抵抗値（面積抵抗）が高くなる。

図６に示す透明電極１１２の電気抵抗値が高くなると、透明電極１１２が形成されている領域内において信号印加部１１４に近い位置に指を触れたときの検出感度は比較的良好であるが、信号印加部１１４から離れた位置に指を触れた場合には、信号印加部１１４から指を触れた位置までの直流抵抗値が高くなるため、静電容量の変化に基づく前記検出信号の波形の変化率が低くなり、検出感度が鈍くなる。よって、信号印加部１１４の近くを指で触れたときには前記制御部が敏感に反応するが、信号印加部１１４から離れた位置を指で触れたときには前記制御部の反応が鈍くなるという問題が生じる。

そのため、従来は、透明電極１１２を厚く形成して抵抗値を低くしているが、この場合、透明電極１１２が曇った状態となり、その下に位置する前記照光部などからの光が着色されたように表示されることになり好ましくない。また、透明電極１１２の面積を小さくすることで指を接触させる位置の変動に起因する抵抗値の変化を抑制することも可能であるが、この場合には、指を接触させる領域が狭くなりすぎ、操作性が低下する。

前記特許文献１に記載の発明は、金属酸化物透明導電膜２０３の面積抵抗を中程度の抵抗値とすることにより、ＯＮ状態で両電極間に流れる電流を小さくして省電力化を図り、かつＯＮ−ＯＦＦスイッチング動作を確実安定にした発明である。

前記特許文献２に記載の発明は、透明電極膜（透明導電膜）３０３，３０４のシート抵抗を高くして入力精度を高める発明である。

前記特許文献１および２に記載の発明は、本願のような、透明度を維持でき、かつ検出感度が操作する場所に応じて変化することを防止する発明ではない。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、透明電極を用いたセンサであって、透明度を維持でき、あるいは操作面積を広く設定でき、かつ検出感度が操作する場所に応じて変化することを防止できるセンサを提供することを目的としている。

本発明は、透明基板に、透明電極と、前記透明電極に検出信号を与える１系統の信号ラインとが設けられ、前記透明電極が形成されている領域を覆う保護層に導電体が触れたときに、前記透明電極と前記導電体との間の静電容量に起因する検出信号の変化を検出して前記保護層に導電体が触れたか否かを判別する制御部が設けられ、
前記透明電極の外周の少なくとも一部に、前記透明電極よりも電気抵抗の低い補助電極が設けられ、この補助電極が前記信号ラインに導通されていることを特徴とするものである。

本発明のセンサは、透明電極の外周の一部に抵抗値の低い補助電極が設けられ、この補助電極に検出信号が与えられるため、指などの導電体が接触する位置の変化による抵抗値の変化量を低減することができる。したがって、透明電極の抵抗値が比較的高くても、導電体が触れる場所によって検出感度が大きく変化することを抑制できる。または、透明電極を広くして、指などが接触したときに検出反応できる領域を広く設定することも可能になる。

本発明は、例えば前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の１辺のみに沿って形成され、この補助電極の一部が前記信号印加部とされているものである。

この場合に、補助電極は、透明電極の少なくとも１辺の全長に渡って形成されていることが好ましいが、透明電極のいずれか１辺の１／２以上に設けられているものであってもよい。

さらに本発明は、前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の１辺からこの１辺に直交する他の辺まで延びて形成されており、この補助電極の一部が前記信号印加部とされていることが好ましい。

例えば、補助電極が透明電極の２辺または３辺に沿って設けられていると、透明電極のいずれの箇所に指が触れたときでもその接触位置で抵抗値が増大することを抑制できる。または、補助電極が透明電極の４辺の全てに連続して形成されているものが好ましい。

さらに、本発明は、前記透明電極の縁部から前記透明基板の面方向に離れた位置に、基準電位に設定された基準電極が設けられているものが好ましい。

基準電極が設けられていると、透明電極と接地電位との静電容量を安定して設定でき、検出信号の波形の変化を低ノイズで検出できるようになる。

本発明のセンサでは、操作する場所に応じて検出感度が変化することを防止できる。よって、透明電極として電気的な比抵抗の大きい材料を使用することができ、または透明電極の面積を広くしても検出感度の低下を抑制できる。

図１は本発明の第１の実施の形態のセンサを示す平面図、図２は図１の２−２線での切断断面図、図３は電圧印加部、透明電極および波形検出部間の等価回路図、図４は透明電極に対応する位置に指などの導電体が触れたときの、透明電極から出力される検出信号の波形の変化を示す説明図である。

本実施の形態のセンサ１０は、例えば炊飯器や冷蔵庫などの家庭用電子機器等に搭載される。センサ１０の裏側（図示Ｚ２側）には、ＬＥＤやエレクトロルミネッセンス素子などの照光部、または液晶表示装置などの表示パネル部Ｔ（図示せず）が設けられている。センサ１０に指など導電体が触れると、その接触状態が検出されて、電子機器の所定の制御動作が行われるとともに、前記ＬＥＤなどが点灯し、操作者はセンサ１０を介してその点灯を認識することで、制御動作が行われていることを確認できる。

センサ１０は、図１に示すように、透明基板１１（ガラス基板などの剛性を有する透明基板または透明なフィルム基板）の表面（図示Ｚ１方向の面）に、所定の厚さ（膜厚）（図示Ｚ１−Ｚ２方向の長さ）および所定の面積（ＸＹ平面における広さ）で、複数の透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成されている。また、透明基板１１の表面には、各透明電極１２Ａ〜１２Ｃの外周の全長に沿って所定の厚さを有する補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが設けられている。

透明電極は、図１のように３つであることには限定されず、３つ未満あるいは３つよりも多く形成されていてもよい。

透明電極１２Ａ〜１２Ｃは、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）の粉末をバインダー樹脂内に含有させたペーストやＰＥＤＴ／ＰＳＳ（ポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホン酸）などの導電性ポリマーをバインダー樹脂内に含有させたペーストを、透明基板１１の表面にスクリーン印刷することによって、均一な膜厚で四角形パターンで形成されている。あるいは、透明電極１２Ａ〜１２Ｃは、ＩＴＯを原料としてスパッタリング法によっても形成することもできる。ただし、スクリーン印刷によって形成すると、スパッタリング法によって形成する場合と比べて、製造コストを低減させることができ、且つ容易に透明電極１２Ａ〜１２Ｃを形成することができる。

透明電極１２Ａ〜１２Ｃの形状は、図１のような四角形には限定されず、三角形や円形などであってもよい。

補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃよりも比抵抗の小さいものであり、銅、銀、金などの低抵抗の導電性金属材料を含む導電性ペーストによってスクリーン印刷されており、または前記導電性金属材料がスパッタリングされて形成されている。透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれの周縁部全域において、補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃとがその境界線において導通されている。

補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのうちの透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの短辺に沿って形成されている部分の一部が信号印加部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃであり、それぞれの信号印加部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃと外部に設けられた制御部（図示せず）との間に所定の太さを有する信号ライン１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが延びている。すなわち、信号ライン１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃは、前記所定の太さで補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに接続されている。信号ライン１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃは、透明基板１１に、銅、銀、金などの低抵抗の導電性金属層を設けることで形成されている。なお、本発明では、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとの境界線（この境界線を介して透明電極と補助電極とが導通されている）の長さが、信号印加部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃにおいて、補助電極と信号ラインとが接続されている部分の、信号ラインの太さに相当する長さ寸法よりも大きくなっていることが必要である。

透明基板１１では、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃおよび補助電極１３，１３Ｂ，１３Ｃが形成されているのと同じ表面に基準電極１５が形成されている。この基準電極１５は接地電位などの基準電位に設定されている。基準電極１５は、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの外辺（図１の実施の形態では補助電極１３Ａ〜１３Ｃが全周に形成されているため、これら補助電極１３Ａ〜１３Ｃの外辺）と平行であり、前記外辺と透明基板１１の面方向に均一な間隔ｄ０をあけて形成されている。図１に示す実施の形態では、基準電極１５が透明電極１２Ａ〜１２Ｃの外周で、且つ隣り合う透明電極の間の領域を除く領域に形成されている。なお、基準電極１５は、隣り合う透明電極の間に配置されていてもよい。

透明基板１１の表面には、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃおよび補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの全域を覆う保護層が設けられている。この保護層は、保護フィルムや薄い合成樹脂板などであり、非導電性で、所定の誘電率を有する誘電体である。

図１に示すように、前記保護層は、透明電極１２Ａ〜１２Ｃの露出部１２Ａ１〜１２Ｃ１に対応する部分のみが透明であり、その他の部分は非透明である。透明基板１１および透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、露出部１２Ａ１〜１２Ｃ１においてのみ外部から目視可能である。透明基板１１の裏側に設けられたＬＥＤやエレクトロルミネッセンス素子などの照光部が点灯すると、その光が前記保護層の露出部１２Ａ１〜１２Ｃ１に対応する位置から目視可能となる。よって、露出部１２Ａ１〜１２Ｃ１を数字または図形などの表示形状にしておくと、これら数字または図形が点灯するようになる。または、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの全域において前記保護層を透明にしておき、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成されている領域において透明基板１１の裏側に液晶表示装置などの表示装置を設けておけば、この表示装置の表示内容を前記保護層の外面から目視可能になる。

次に、センサ１０の動作原理を説明する。
図３は、センサ１０の動作原理を示す等価回路である。

個々の透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、所定の比抵抗および面積抵抗を有しているため、膜厚と面積に応じた抵抗体Ｒとなる。また、抵抗体Ｒと接地電位との間には所定量の静電容量Ｃを有している。それ自体が導電体である人が、透明電極が形成されている領域において指で前記保護層に触れると、電荷が指を介して人に向けて移動するために静電容量Ｃが低下する。

それぞれの信号印加部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃに所定の検出電圧（検出信号）Ｖｉｎを所定のデューティー比で与えると、指が触れていないときには、静電容量Ｃが大きく変化しないため、検出電圧は、図４において破線で示すＶｉｎと同様の波形となる。指が触れ、静電容量Ｃが低下すると、抵抗体Ｒと静電容量Ｃの時定数ＣＲ（ＣとＲの積）が低下し、図４において実線で示すように、検出信号になまりが生じる（Ｖｏｕｔ）。制御部では、検出信号が図４に示すＶｏｕｔのように変化していると検出できたときに、指が前記保護層に触れたと認識する。例えば検出電圧を平滑化し、平滑化電圧をスレッショルドレベルと比較することで前記検出が可能になる。

図６に示す従来例では、透明電極が形成されている領域で保護層を介して指を触れたときに、その指の接触箇所と信号印加部１１４との距離に応じて抵抗体Ｒの抵抗値が大きく変動する。抵抗値が大きくなると、静電容量Ｃが増大しても時定数ＣＲの低下が鈍くなり、検出信号（Ｖｏｕｔ）の変化が鈍くなって検出感度が悪くなる。しかし、本実施の形態では、信号印加部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃとほぼ同電位の補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの全域に位置しているため、指が触れた位置が１つの透明電極上で変化しても、接触位置での抵抗体Ｒの抵抗値がさほど増大しないため、検出感度を良好にできる。

なお、図１に示すように、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃおよび補助電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの外周に接地電位の基準電極１５が設けられていると、透明電極と接地電位の間の静電容量を安定させることができ、外部ノイズによる検出誤動作の発生を防止できる。

図５は本発明の第２の実施の形態のセンサ１０Ａを示す平面図である。本実施の形態のセンサ１０Ａは、補助電極１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃのみが第１の実施の形態と相違し、その他の構造は第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態のセンサ１０Ａでは、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれの１つの短辺にのみ且つその１つの短辺の全長に沿って補助電極１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃが形成され、この補助電極１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃに信号印加部１１７Ａ，１１７Ｂ，１７Ｃが形成されている。

本実施の形態においても、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの短辺の全長に沿って補助電極１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃが接続されているため、前記保護層を介していずれかの透明電極の領域に指が触れたときに、指が触れた位置の変化による抵抗体Ｒの抵抗値の変化を抑制することができる。なお、上記においては、補助電極が、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれの１つの短辺にのみ且つその１つの短辺の一部にのみ、例えばその１つの短辺の１／２以上に形成されていてもよい。

また、本発明では、補助電極が、透明電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの長辺の１辺にのみ且つその１つの長辺の全長に沿って、または、長辺の１辺にのみ且つその１つの長辺の一部にのみ、例えばその１つの長辺の１／２以上に形成されていてもよい。

あるいは、補助電極は、透明電極の１つの短辺または長辺から、その１つの短辺または長辺に直交する長辺または短辺にまで延びて、すなわち前記１つの短辺または長辺と、その１つの短辺または長辺に直交する長辺または短辺と、の双方に形成されていてもよい。この場合には、補助電極が透明電極の例えば２辺または３辺に沿って設けられるため、透明電極のいずれの箇所に指が触れたときでもその接触位置で抵抗値が増大することを抑制できる。

以上のように、各実施の形態では、透明電極の抵抗値による検出感度の低下が起こりにくいため、透明電極の透明度を高めることが可能であり、また広い面積の透明電極を使用して、タッチセンサとしての検出領域を広げることも可能である。

図５に示すように、透明電極の短辺に補助電極を形成した実施例と補助電極を設けない比較例とを作成した。実施例１ないし実施例３と、比較例１および比較例２の透明電極の材料および面積抵抗（１ｃｍ^２あたりの抵抗値）は表１に記載の通りである。また、光線透過率が９３％の透明基板を使用しており、透明基板に透明電極を形成したときの全光線透過率も表１に記載の通りである。

表１によれば、透明電極の全光線透過率が高く、その結果面積抵抗が大きくなっても、補助電極を形成することにより、センサー感度が良好（評価○）であることが確認できる。

本発明の第１の実施の形態のセンサを示す平面図、図１の２−２線での切断断面図、電圧印加部、透明電極および波形検出部間の等価回路図、透明電極に対応する位置に指などの導電体が触れたときの、透明電極から出力される検出信号の波形の変化を示す説明図、本発明の第２の実施の形態のセンサを示す平面図、従来の透明電極を用いた静電容量方式のタッチセンサを示す平面図、従来の透明タッチパネルの要部断面図、従来のタッチパネルの概略を示す斜視図

符号の説明

１０，１０Ａセンサ
１１透明基板
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ透明電極
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ補助電極
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ信号ライン
１５基準電極
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１１７Ａ，１１７Ｂ，１１７Ｃ信号印加部

Claims

透明基板に、透明電極と、前記透明電極に検出信号を与える１系統の信号ラインとが設けられ、前記透明電極が形成されている領域を覆う保護層に導電体が触れたときに、前記透明電極と前記導電体との間の静電容量に起因する検出信号の変化を検出して前記保護層に導電体が触れたか否かを判別する制御部が設けられ、
前記透明電極の外周の少なくとも一部に、前記透明電極よりも電気抵抗の低い補助電極が設けられ、この補助電極が前記信号ラインに導通されていることを特徴とするセンサ。
前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の１辺のみに沿って形成されている請求項１記載のセンサ。
前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の１辺からこの１辺に直交する他の辺まで延びて形成されている請求項１記載のセンサ。
前記透明電極は四辺形であり、前記補助電極は前記透明電極の全周囲にわたって形成されている請求項１記載のセンサ。