JP5439318B2

JP5439318B2 - 静電容量式センサ用部材およびこれを用いた静電容量式センサ

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Publication number: JP5439318B2
Application number: JP2010195980A
Authority: JP
Inventors: 利行川口; 博登小松
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: WO2012029801A1; JP2012054109A; US20130153392A1; US9184747B2

Description

本発明は、指等の入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に静電容量の変化を発生させ得る静電容量式センサ用部材、および指等の入力体による接近操作または接触操作を検出する静電容量式センサに関する。

使用者の指等の入力体による接近操作または接触操作（摺動操作を含む。）をセンサによって検出し、該操作に基づく情報を電子機器等に入力する入力装置（表示パネル（液晶表示パネル等）の前面に設けられる透明タッチパネル、各種装置（家電製品、携帯電話、パソコン、自動車等）の操作用のボタン、スイッチ、キー、パッド等が配置された操作パネル等）が知られている。

入力体の接近操作または接触操作を検出するセンサとしては、基体と、該基体の表面に設けられた電極と、該電極を保護する保護層と、前記電極に接続された外部の制御部とを有し、導電体（使用者の指、可動電極等）からなる入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に発生した静電容量の変化を制御部にて検出する静電容量式センサが知られている（特許文献１）。

ところで、機械式のボタン、スイッチ等が配置された通常の操作パネルには、意匠性を付与するために、表面から視認できる加飾層が設けられることがある。該加飾層としては、例えば、金属メッキ等が挙げられる。
しかし、静電容量式センサを備えた操作パネルにおいて、静電容量式センサに金属メッキからなる加飾層を設けた場合、加飾層が導電性を有するため、入力体と電極との間の静電容量の変化量が低下し、接近操作または接触操作の検出精度が低下する。

そこで、加飾層を、インジウム、スズ、アルミニウム等の微細金属の不連続な島状構造で構成することが提案されている（特許文献２）。加飾層を不連続な島状構造で構成することによって、加飾層の導電性が低下するため、入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に発生する静電容量の変化量の低下が抑えられる。
しかし、不連続な島状構造からなる加飾層においては、製造工程中のハンドリングによる擦傷、圧縮応力等によって、島同士が部分的に連結し、良導体となるネットワークが形成されるため、導電性が高くなりやすい。そのため、全数に渡り動作確認を行う必要があり、手間がかかる。また、スズやアルミニウムは、酸化、塩化等を起こしやすく、経時的に金属光沢が失われる。一方、インジウムは、供給不安があり、かつ高価である。

特許第４４５６５０８号公報特開２００８−２６９９５０号公報

本発明は、安定した金属調光沢の外観を有しているにもかかわらず、入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に発生する静電容量の変化量の低下が抑えられ、しかも安価で生産性のよい静電容量式センサ用部材、および安定した金属調光沢の外観を有しているにもかかわらず、入力体の接近操作または接触操作の検出精度の低下が抑えられた静電容量式センサを提供する。

本発明の静電容量式センサ用部材は、入力体による接近操作または接触操作が行われる操作面を有するシート部材と、前記シート部材を挟んで前記操作面の反対側に配置された電極とを有する静電容量式センサ用部材であって、前記シート部材が、金属調光沢を有する加飾層を有し、前記加飾層が、シリコンまたはシリコンと金属との合金からなる連続した膜であることを特徴とする。

前記シート部材は、前記加飾層の表面に設けられた保護層をさらに有することが好ましい。
前記シート部材は、前記加飾層の前記電極側に設けられた反射層をさらに有することが好ましい。
前記シート部材と前記電極とは接していることが好ましい。

本発明の静電容量式センサは、本発明の静電容量式センサ用部材と、前記操作面に対して前記入力体による接近操作または接触操作が行われた際の前記入力体と前記電極との間の静電容量の変化を検出する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の静電容量式センサ用部材は、安定した金属調光沢の外観を有しているにもかかわらず、入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に発生する静電容量の変化量の低下が抑えられ、しかも安価で生産性がよい。
本発明の静電容量式センサは、安定した金属調光沢の外観を有しているにもかかわらず、入力体の接近操作または接触操作の検出精度の低下が抑えられる。

本発明の静電容量式センサ用部材の一例を示す断面図である。本発明の静電容量式センサ用部材の他の例を示す断面図である。従来の静電容量式センサ用部材の一例を示す断面図である。

＜静電容量式センサ用部材＞
図１は、本発明の静電容量式センサ用部材の一例を示す断面図である。静電容量式センサ用部材１は、入力体（図示略）による接近操作または接触操作が行われる操作面Ｓを有するシート部材１０と、シート部材１０の操作面Ｓの反対側の表面に形成された電極２０および電極２０を外部の制御部（図示略）に接続するための配線ライン（図示略）と、粘着剤（図示略）を介してシート部材１０の操作面Ｓの反対側の表面および電極２０に貼着された基体３０とを有するシート状、板状等の部材である。

（シート部材）
シート部材１０は、電極２０側から順に、絶縁層１２、加飾層１４および保護層１６を有する積層シートであり、保護層１６の最表面が、操作面Ｓとなる。

（絶縁層）
絶縁層１２は、絶縁性および可撓性を有する薄いフィルムからなる層である。
絶縁層１２の材料としては、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等）、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂（ポリメチルメタクリレート等）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンテレフタレート等）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフッ化ビニリデン、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂等が挙げられる。

絶縁層１２の材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて共重合体、ブレンド、ポリマーアロイ等として用いてもよい。
絶縁層１２の材料としては、透明性、強度、湿度透過性の点から、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ポリスチレン、環状ポリオレフィン類、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、これらの変性物、共重合物等が好ましい。
絶縁層１２の厚さは、１０〜２００μｍが好ましく、接近操作または接触操作の検出精度の点から、１０〜５０μｍがより好ましい。

（加飾層）
加飾層１４は、シリコンまたはシリコンと金属との合金からなる連続した膜（均質膜）であり、従来のインジウム等からなる不連続な島状構造とは異なる。また、加飾層１４は、従来の不連続な島状構造とは異なり、表面積が小さく、耐食性の高い材料からなっているため、化学的劣化が抑えられている。

シリコンは、後述の金属とは異なり、半導体物質である。シリコンは、下記の特徴を有しており、他の半導体物質に比べ好ましい。
（ｉ）他の半導体物質に比べ反射率が高く明るい。
（ii）導電率が小さいことから、合金中の金属の割合を多くでき、明るく、内部応力を低減できる。
（iii）入手しやすい、等。

シリコンは、加飾層１４の表面抵抗率を高く維持できる限りは、ドーパントとならない不純物を含んでいてもよい。
シリコンは、ドーパント（ボロン、リン、砒素、アンチモン等）をできるだけ含まないことが好ましい。ドーパントの量は１ｐｐｍ以下が好ましく、１０ｐｐｂ以下がより好ましい。

加飾層１４の材料としては、下記の点から、シリコンと金属との合金が好ましい。
（ｉ）シリコン単独に比べて反射率および明度が高く、明るい加飾層１４が得られる。
（ii）シリコン単独に比べ軟質であるため、加飾層１４の内部応力が低下し、絶縁層１２との密着性が向上し、クラックの発生が抑制される。

金属としては、反射率が５０％以上の金属が好ましい。該金属としては、金、銀、銅、アルミニウム、白金、鉄、ニッケル、クロム等が挙げられ、反射率およびコストの点から、アルミニウム、銀が好ましく、アルミニウムがより好ましい。
反射率は、ＪＩＳＺ８７２２の条件ｄ（ｎ−Ｄ）による、正反射率を含めた拡散反射率であり、短波長側が３６０ｎｍ〜４００ｎｍ、長波長側が７６０ｎｍ〜８３０ｎｍである可視光線領域の平均値であって、積分球を用い光沢成分の正反射光を含めて測定する。

金属の割合は、合金（１００体積％）のうち、０．１〜７０体積％が好ましく、４０〜７０体積％がより好ましい。金属の割合が０．１体積％以上であれば、加飾層１４の明度が向上し、また、加飾層１４の内部応力が低下する。金属の割合が７０体積％以下であれば、絶縁性がさらに向上する。
合金は、加飾層１４の表面抵抗率および金属調光沢を高く維持できる限りは、シリコンおよび金属を除く不純物を含んでいてもよい。

加飾層１４の厚さは、１０〜５００ｎｍが好ましく、５０〜２００ｎｍがより好ましい。加飾層１４の厚さが１０ｎｍ以上であれば、光を透過しにくくなり、金属調光沢が十分に得られる。加飾層１４の厚さが５００ｎｍ以下であれば、導電性の上昇が抑えられる。また、内部応力の上昇が抑えられ、反り、変形、クラック、剥離等が抑えられる。
加飾層１４が薄い場合は、光が透過してしまい、反射率が低下するため、暗い金属調光沢を得ることができる。よって、金属調光沢の明度調整を、加飾層１４の厚さを変えることにより調整できる。
加飾層１４の厚さは、加飾層１４の断面の高分解能顕微鏡像から測定できる。

加飾層１４の表面抵抗率は、１０^３Ω以上が好ましく、１０^６Ω以上がより好ましい。加飾層１４の表面抵抗率が１０^３Ω以上であれば、入力体と電極２０との間の静電容量の変化量の低下がさらに抑えられる。
加飾層１４の表面抵抗率は、ＪＩＳＫ７１９４に記載の４探針法により測定する。

加飾層１４の平均表面粗さは、０．０５μｍ以下が好ましい。加飾層１４の平均表面粗さが０．０５μｍ以下であれば、乱反射が抑えられ、十分な金属調光沢が得られる。
加飾層１４の平均表面粗さの下限は、研磨加工で実現可能な０．１ｎｍとする。
加飾層１４の平均表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−２００１の算術平均粗さＲａである。具体的には、表面粗さ測定機により表面形状を測定し、平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値（算術平均粗さＲａ）を求める。

加飾層１４の平均表面粗さは、絶縁層１２の平均表面粗さに影響される。よって、絶縁層１２の平均表面粗さは、０．５μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下がより好ましい。平均表面粗さが０．５μｍ以下であれば、加飾層１４を薄くしても、加飾層１４が絶縁層１２の表面に追従するため、鏡面のような金属調光沢が十分に得られる。
絶縁層１２の平均表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に規定される算術平均粗さＲａである。

加飾層１４は、シリコンまたはシリコンと金属との合金の物理的蒸着によって形成される。
物理的蒸着法は、真空にした容器の中で蒸発材料（シリコンまたはその合金）を気化させ、気化した蒸発材料を近傍に置いた下地上に堆積させて薄膜を形成する方法であり、蒸発材料の気化方法の違いで、蒸発系とスパッタリング系とに分けられる。蒸発系としては、ＥＢ蒸着、イオンプレーティング、パルスレーザー蒸着等が挙げられ、スパッタリング系としては、ＲＦ（高周波）スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、対向ターゲット型マグネトロンスパッタリング、ＥＣＲスパッタリング等が挙げられる。

ＥＢ蒸着法は、膜がポーラスになりやすく膜強度が不足する傾向があるが、下地のダメージが少ないという特徴がある。イオンプレーティグによれば、付着力の強い膜を得ることができるので好ましい。ＤＣマグネトロンスパッタリングは、膜の成長速度が速く、対向ターゲット型マグネトロンスパッタリングは、下地にプラズマダメージを与えることなく薄膜を生成することができ、ＲＦスパッタリングでは抵抗の高いターゲット（蒸発材料）を用いることができるので好ましい。

（保護層）
保護層１６は、加飾層１４を保護する層であり、加飾機能を失わないように、透明であることが必要である。よって、保護層１６の可視光線透過率は、８０％以上が好ましい。
保護層１６としては、絶縁層１２と同様のフィルムを貼着してなる層；加飾層１４の表面に透明塗料を塗布して形成された塗膜等が挙げられる。

保護層１６を形成する前に、加飾層１４の表層に接着促進処理（プラズマ処理、プライマー処理等）を施してもよい。
また、保護層１６の表面に、無機物（シリカ、チタネート、シラザン等）による処理、または無機−有機ハイブリッド処理を施してもよい。

（電極）
電極２０は、絶縁層１２（または基体３０）の表面に下記の方法によって形成される層である。
（ｉ）絶縁層１２（または基体３０）の表面に貼着された金属薄膜（アルミ箔、銅箔等）のエッチングによって所望の形状にパターニングする方法。
（ii）絶縁層１２（または基体３０）の表面に、導電ペーストや導電性ポリマーを用いたスクリーン印刷によって所望の形状にパターニングする方法。

導電ペーストは、樹脂にカーボン粒子や金属粒子を分散させることにより調製される。
電極２０の形状は、特に限定されないが、入力体の接近操作または接触操作による静電容量の変化を外部の制御部にて検出できる程度の大きさが必要である。

電極２０は、安定した静電容量を得る点から、隙間ができ、空気、水などが入らない様に、シート部材１０と接していることが好ましい。
配線ライン（図示略）は、電極２０と同様の方法によって形成できる。

（基体）
基体３０は、シート部材１０および電極２０を支持するものであり、機械的強度のあるシート状、板状等の成形体からなる。

（他の形態）
本発明の静電容量式センサ用部材は、図１のものに限定はされない。
図２は、本発明の静電容量式センサ用部材の他の例を示す断面図である。静電容量式センサ用部材２は、加飾層１４の電極２０側に反射層１８を設けたものである。加飾層１４の厚さが薄い場合には光が透過するため、反射層１８に着色を施せば加飾層１４の調色を行うことができる。また、反射層１８に白色顔料（酸化マグネシウム、酸化チタン等）を含ませれば、加飾層１４の反射率を補うことも可能である。
また、電極２０の数は、必要な入力点数に合わせ、図２に示すように複数であってもよい。
また、基体３０は、シート状または板状に限定されず、任意の形状を有していてもよい。また、基体３０を設けなくてもよい。
また、加飾層１４と保護層１６との間に、文字、絵柄等を表示するための印刷層を設けてもよい。

（作用効果）
以上説明した本発明の静電容量式センサ用部材にあっては、金属調光沢を有する加飾層がシリコンまたはシリコンと金属との合金からなる連続した膜であるため、導電性が低い。そのため、入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に発生する静電容量の変化量の低下が抑えられ、電極に接続された外部の制御部によって静電容量の変化を十分に検出できる。
また、加飾層の材料が従来のスズ、アルミニウム等に比べ化学的安定性が高いため、金属調光沢が安定する。
また、加飾層の材料が従来のインジウム等に比べ安価であり、かつ供給不安がないため、安価に、かつ安定して生産できる。
また、加飾層が従来のような不連続な島状構造ではないため、製造工程中に導電性が変化することがない。そのため、機能検査を全数行う必要がなく、生産性がよい。

＜静電容量式センサ＞
本発明の静電容量式センサは、本発明の静電容量式センサ用部材と、静電容量式センサ用部材の電極に配線ラインを介して接続された制御部とを有する。

制御部は、電極に所定の周期で検出信号としての所定の電圧を印加しつつ、操作面に対して入力体による接近操作または接触操作が行われた際の入力体と電極との間の静電容量の変化を、検出信号の波形の変化として検出する検出回路を有するものである。

以上説明した本発明の静電容量式センサにあっては、本発明の静電容量式センサ用部材を有するため、安定した金属調光沢の外観を有しているにもかかわらず、入力体の接近操作または接触操作の検出精度の低下が抑えられる。

＜入力装置＞
本発明の静電容量式センサは、入力装置（家電製品、携帯電話、パソコン、自動車等の操作用のボタン、スイッチ、キー、パッド等が配置された操作パネル等）において、指等の入力体による接近操作または接触操作を検出するセンサとして用いることができる。
入力装置における本発明の静電容量式センサの制御部は、検出回路に加え、検出回路の検出結果に基づく情報（すなわち、入力体による接近操作または接触操作に基づく情報）を電子機器等に送るインターフェイス部を有する。

以下、実施例について説明する。

〔実施例１〕
厚さ５０μｍ、平均表面粗さ０．０４６μｍ（小坂研究所社製、サーフコーダＳＥ５００）のポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の面に、シリコン（５０体積％）とアルミニウム（５０体積％）のターゲットを用いたスパッタリングを行い、厚さ８０ｎｍ、反射率６０％、表面抵抗率１．２×１０^４Ω、平均表面粗さ０．０４０μｍの均質な加飾層を形成した。フィルムの他方の面には、銀ペーストにより直径３０ｍｍの電極およびそれに繋がる配線ラインを形成した。

ついで、加飾層の表面に、透明なアクリルウレタン塗料を塗り、加熱乾燥した後、紫外線によって硬化させ、厚さ３０μｍの保護層を形成し、シート部材を得た。
シート部材を厚さ１０ｍｍのＡＢＳ樹脂からなる成形体に貼着し、図１に示すような静電容量式センサ用部材１を３０個作製した。加飾層は、クロムメッキ調の光沢を有するものであった。

静電容量式センサ用部材の電極を、配線ラインを介して外部の制御部に接続し、電極の上部の保護層に指を接触させ、前後の静電容量の変化を確認したところ、得られた３０個の静電容量式センサ用部材の全てについて、電極の位置によらず、安定して接触操作を検出できることを確認した。

〔実施例２〕
厚さ２５μｍ、平均表面粗さ０．０４６μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の面に、酸化チタンを含有する白色塗料を、乾燥後の厚さが１０μｍになるように塗布し、硬化させ、反射層を形成した。
ついで、反射層の表面に、実施例１と同様のターゲットを用いたスパッタリングを行い、厚さ５０ｎｍ、反射率５８％、表面抵抗率２．４×１０^４Ω、平均表面粗さ０．１１４μｍの均質な加飾層を形成した。フィルムの他方の面には、銀ペーストにより直径３０ｍｍの電極およびそれに繋がる配線ラインを形成した。

ついで、加飾層の表面に、厚さ２５μｍの透明なアクリルフィルムを保護層として貼着し、シート部材を得た。
シート部材を厚さ１０ｍｍのＡＢＳ樹脂からなる成形体に貼着し、図２に示すような静電容量式センサ用部材２を３０個作製した。加飾層は、クロムメッキ調の光沢を有するものであった。

〔比較例１〕
加飾層として、蒸着によって厚さ１００ｎｍのインジウムの不連続な島状構造を形成した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すような、電極２０側から順に、絶縁層１２、不連続な島状構造からなる加飾層１９および保護層１６からなるシート部材１１を有する静電容量式センサ用部材３を３０個作製した。

静電容量式センサ用部材の電極を、配線ラインを介して外部の制御部に接続し、電極の上部の保護層に指を接触させ、前後の静電容量の変化を確認したところ、電極の位置によっては接触操作を検出できないものが見つかった。

本発明の静電容量式センサ用部材は、入力装置（家電製品、携帯電話、パソコン、自動車等の操作用のボタン、スイッチ、キー、パッド等が配置された操作パネル等）に設けられる静電容量式センサにおける、指等の入力体による接近操作または接触操作によって入力体と電極との間に静電容量の変化を発生させ得る部材として有用である。

１静電容量式センサ用部材
２静電容量式センサ用部材
１０シート部材
１２絶縁層
１４加飾層
１６保護層
１８反射層
２０電極
３０基体
Ｓ操作面

Claims

入力体による接近操作または接触操作が行われる操作面を有するシート部材と、
前記シート部材を挟んで前記操作面の反対側に配置された電極とを有する静電容量式センサ用部材であって、
前記シート部材が、金属調光沢を有する加飾層を有し、
前記加飾層が、シリコンまたはシリコンと金属との合金からなる連続した膜である、静電容量式センサ用部材。
前記シート部材が、前記加飾層の表面に設けられた保護層をさらに有する、請求項１に記載の静電容量式センサ用部材。
前記シート部材が、前記加飾層の前記電極側に設けられた反射層をさらに有する、請求項１または２に記載の静電容量式センサ用部材。
前記シート部材と前記電極とが接している、請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量式センサ用部材。
請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量式センサ用部材と、
前記操作面に対して前記入力体による接近操作または接触操作が行われた際の前記入力体と前記電極との間の静電容量の変化を検出する制御部と
を有する、静電容量式センサ。