JP5800304B2 - 入力装置 - Google Patents
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入力装置の導電性基板の透明導電層を構成する材料としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO)や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に代表されるπ共役系導電性高分子(有機導電体)が広く知られている。
パターンの形成方法としては、例えば、特許文献1には、透明基材の表面の全面に、塗工により透明導電層を形成した後、CO2レーザやQスイッチを利用したパルス幅100n秒程度のYAGレーザを照射して、絶縁にする部分の透明導電層をアブレーションにより除去する方法が開示されている。
特許文献2、3には、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等の印刷により透明基材の表面に導電部を所定のパターンで形成する方法が開示されている。
特許文献4には、透明基材の表面の全面に、塗工により透明導電層を形成した後、プラズマエッチングにより、絶縁にする部分の透明導電層を除去する方法が開示されている。
特許文献5には、バインダ(樹脂)中に金属ナノワイヤ(金属極細繊維)を分散させ硬化してなる透明導電膜に、レーザを照射して絶縁化し、導電パターンを形成する技術が開示されている。尚、透明導電膜から外部へ突出した金属ナノワイヤはレーザで除去することとしている。
特許文献6には、タッチパネル用ITO蒸着基板に対して紫外線レーザを使用し、ビーム径とレンズの焦点距離を制御し、集光エリア内の加工幅を制御することで10μm程度の微細なアブレーションにより微細パターンを形成する技術が開示されている。
すなわち本発明の入力装置は、絶縁基板、及び、前記絶縁基板上に設けられ、絶縁性を有する透明基体内に分散されて互いに電気的に連結された導電性を有する網状部材を備えた透明導電膜を有する導電性基板が、厚さ方向に積層するように一対設けられた入力部材と、前記透明導電膜に電気的に接続され、入力信号を検出する検出手段と、を備え、前記網状部材は、シリコンナノワイヤ、シリコンナノチューブ、金属酸化物ナノチューブ、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイトフィブリルのいずれかによって構成され、前記透明導電膜には、前記透明基体内に前記網状部材が配置されてなる導電部と、前記透明基体内の前記網状部材の全てが除去されることにより空隙が形成された、透明基体からなる絶縁部と、が設けられていることを特徴とする。
本発明に係る入力装置は、例えば、透明アンテナ、透明電磁波シールド、静電容量方式或いはメンブレン式の透明タッチパネルなどの透明入力装置のように、透明部分に配線パターンを形成する製品に適用することができる。また、本発明の入力装置は、自動車のハンドル等に付随する静電容量入力装置など、3次元成型品、或いは3次元の加飾成型品の表面に設けられる静電容量センサ等に必要な電極を形成する目的で用いることができる。尚、本実施形態でいう「透明」とは、50%以上の光線透過率を有するものを差す。
入力部材1は、LCDなどの画像表示装置(不図示)の入力者側に設置されるものである。図10において、入力部材1は、例えば、行(X)方向に沿う電極100(透明導電膜12の後述する導電部Cに相当)が並列配置された導電性基板10と、この導電性基板10に対向するように画像表示装置側に配置され、行(X)方向に直交する列(Y)方向に沿う電極(透明導電膜22の導電部Cに相当)が並列配置された導電性基板20と、これらの間に設けられた透明なドットスペーサ30とを備えている。入力部材1は、入力操作により、導電性基板10の電極100と導電性基板20の電極とが直流的に接触・導通する構成とされている。
導電性基板20は、透明な絶縁基板21と、絶縁基板21において少なくとも入力者側を向く面に設けられた透明導電膜22と、を備えている。
このように、絶縁部Iにおいては、透明基体2から金属極細繊維4が除去されていることから、該透明基体2における導電部Cと絶縁部Iとでは、互いに化学的組成が異なっている。
本実施形態で説明する導電パターン形成基板(導電性基板)の製造方法では、絶縁基板11(21)の一方の面に形成された透明導電層(導電パターン形成前の透明導電膜)aに極短パルスのレーザ光Lを所定のパターンで照射する方法を用いている。
尚、以下の説明において、レーザ加工前における絶縁基板11(21)と該絶縁基板11(21)の一方の面に形成された透明導電層aとを有する積層体のことを、導電性基板用積層体Aという。
ステージ43は、絶縁基板11(21)が透明でレーザ光Lの出力が1Wを超える場合、ナイロン系若しくはフッ素系の樹脂材料、又は、シリコーンゴム系の高分子材料を用いることが好ましい。
まず、ステージ43の上面に導電性基板用積層体Aを、透明導電層aが絶縁基板11(21)より上に配置されるように載置する。
パルス幅が1p秒未満のレーザ(例えばフェムト秒レーザ)では、エネルギ密度1×1016〜7×1017W/m2、単位面積あたりの照射エネルギは1×105〜1×106J/m2が好ましい。
パルス幅が1〜100n秒のレーザ(YAGレーザ又はYVO4レーザ)では、エネルギ密度1×1017〜7×1018W/m2、単位面積あたりの照射エネルギは1×106〜1×107J/m2が好ましい。
すなわち、エネルギ密度・照射エネルギが上記数値範囲よりも小さな値に設定された場合、絶縁部Iの絶縁が不十分になるおそれがある。また、上記数値範囲よりも大きな値に設定された場合、加工痕が目立つようになり、透明タッチパネルや透明電磁波シールドなどの用途では不適当となる。
また、スポット径面積Sは、下記式により定義される。
S=S0×D/FL
S0:レンズで集光されるレーザのビーム面積
FL:レンズの焦点距離
D:透明導電層aの表面(上面)と焦点との距離
導電性基板用積層体Aの透明導電層aのうち、網状部材3を構成する無機導電体としては、銀、金、ニッケルなどの金属ナノワイヤが挙げられる。また、透明導電層aのうち、透明基体2を構成する絶縁体としては、透明な熱可塑性樹脂(ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、フッ化ビニリデン)、熱や紫外線や電子線や放射線で硬化する透明な硬化性樹脂(メラミンアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル変性シリケートなどのシリコーン樹脂)が挙げられる。
また、絶縁基板11(21)の両面に形成された透明導電層aのうち、片面側の透明導電層aのみを絶縁化する場合には、集光レンズ42として開口数が0.5より大きいものを使用することとしてもよい。
特に、YAGレーザやYVO4レーザの基本波など波長が1000nm近辺のレーザを用いるとともに、上記機能層として、アクリル系高分子素材を使用する場合には、外観特性の観点から、レーザ照射後に機能層を設けることが好ましい。
次に、本発明の第2実施形態に係る入力装置について、図12〜図16を参照して説明する。尚、前述の実施形態と同一部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
詳しくは、図15、図16に示すように、X側電極シート210は、Y側電極シート220の上面(入力者側の面)に、透明な粘着材250を介して積層されるように固着されており、この状態で、双方の電極201a、201b同士が厚さ方向に重なり合わない状態とされている。
また、X側電極シート210の透明導電膜212において、Y方向に隣り合う電極201aの正方形の対向する角部同士の間には、孤立電極202aよりも外形の小さな正方形状とされた小孤立電極203aがそれぞれ形成されている。小孤立電極203aの外周には、レーザ光Lが照射されることにより正方形環状をなす絶縁部Iがそれぞれ形成されている。すなわち、隣接する孤立電極202aと小孤立電極203aとは、互いの絶縁部Iの一部を共有している。
また、Y側電極シート220の透明導電膜222において、X方向に隣り合う電極201bの正方形の対向する角部同士の間には、孤立電極202bよりも外形の小さな正方形状とされた小孤立電極203bがそれぞれ形成されている。小孤立電極203bの外周には、レーザ光Lが照射されることにより正方形環状をなす絶縁部Iがそれぞれ形成されている。すなわち、隣接する孤立電極202bと小孤立電極203bとは、互いの絶縁部Iの一部を共有している。
この入力部材200に、表面(入力者側の表面)に形成された絶縁層240を介して手指などの人体部分H(接触物)が接触すると、接触物Hと各電極の間には容量結合が形成される。この状態で、Y側電極シート220の電極201bの1つに、信号源260を利用して電圧を印加し、X側電極シート210の電極201aの信号(入力信号)を検出手段270により検出することで、接触物Hと入力部材200との接触状況を検出することができる。
すなわち、前述のように接触物Hが接触した際に、Y側電極シート220の電極201bと接触物Hとは、該電極201b上に位置するX側電極シート210の孤立電極202aを介して、容量結合を形成することとなる。これにより、X側電極シート210の電極201aと、Y側電極シート220の電極201bとは、実質的に同一層(透明導電膜212)内に配置された状態とされている。従って、接触物Hの位置を精度よく検出することができる。
また、絶縁化処理を行う領域(絶縁部I)の面積が大幅に削減されることとなり、生産性が向上する。
さらに、電極201a、201b及び孤立電極202a、202bの化学的組成が同一であることから、導電パターンがより認識されにくくなり、外観が良い。
また、小孤立電極203a、203bが形成されていることで、接触物Hの接触時や組立公差による検出精度への影響をより低減できる。
以下、本願発明における参考例を示す。
厚さ100μmの透明なポリエステル(PET)フィルム(絶縁基板11、21)に、Cambrios社のOhm(商品名)インク(金属極細繊維4)を塗布乾燥後、紫外線硬化性のポリエステル樹脂インク(透明基体2)を上塗りして、乾燥・紫外線処理を施すことにより、PETフィルム上に線径50nm程度、長さ15μm程度の銀繊維(金属極細繊維4)からなる導電性の2次元ネットワーク(網状部材3)を有する耐摩擦性の透明導電層aを形成した(図2)。
次いで、この銀ナノワイヤ導電フィルムを、長さ210mm、幅148mmの長方形に切断加工し、銀ナノワイヤ導電フィルム試験片とした。
厚さ100μmの透明なPETフィルムの片面にシリコーンアクリルのハードコート層を設けたものを用意し、このハードコート層とは反対の面に、マグネトロンスパッタ装置により厚さ60nmの酸化亜鉛膜を形成した。次いで、その酸化亜鉛膜の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて、厚さ27nmの銀膜を形成した。さらに、この銀膜の表面に、上記酸化亜鉛膜と同様にして、厚さ60nmの酸化亜鉛膜を形成した(図6)。これにより、PETフィルム上に酸化亜鉛膜及び銀膜からなる導電性の2次元ネットワークを有する透明導電層が形成された。詳しくは、図6に示すように、銀蒸着層(銀膜)は、複数の粒状体が密集して連結されつつも、若干の隙間を設けるようにして形成されている。
次いで、この銀蒸着導電フィルムを、長さ210mm、幅148mmの長方形に切断加工し、銀蒸着導電フィルム試験片とした。
波長750nm、出力10mW、パルス幅130f秒、繰り返し周波数1kHz、ビーム径5mmのフェムト秒レーザ(製造装置40)を用い、焦点距離FL=100mmの集光レンズ42とガルバノミラーを使用して、試験片を厚さ5mmのガラス板上に、前記透明導電層がガラス板とは反対側を向くように載置し、該試験片における前記透明導電層の表面から集光レンズ42側に向かって1.5mm離間した位置にレーザ光Lの焦点Fが設定されるように調整した後、集光点を1mm/秒で試験片の幅方向に横断させるように移動して、直線描画(絶縁パターンの形成)を行った。
レーザ光Lの焦点Fを、前記透明導電層の表面上とした以外は実験例1と同様の条件として、直線描画を行った。
波長1064nm、出力12W、パルス幅20n秒、繰り返し周波数100kHz、ビーム径6.7mmのYVO4レーザ(製造装置40)を用い、焦点距離FL=300mmの集光レンズ42とガルバノミラーを使用して、試験片を厚さ5mmのジュラコン(登録商標)板上に、前記透明導電層がジュラコン(登録商標)板とは反対側を向くように載置し、該試験片における前記透明導電層の表面から集光レンズ42側に向かって3mm離間した位置にレーザ光Lの焦点Fが設定されるように調整した後、集光点を100mm/秒で試験片の幅方向に横断させるように移動して、直線描画を行った。
集光点の移動速度を300mm/秒とした以外は、実験例3と同様の条件として、直線描画を行った。
出力を3.6W、集光点の移動速度を300mm/秒とした以外は、実験例3と同様の条件として、直線描画を行った。
レーザ光Lの焦点Fを、前記透明導電層の表面上とした以外は実験例4と同様の条件として、直線描画を行った。
実験例4と同様の条件として、同一箇所に繰り返し5回の直線描画を行った。
波長10.6μm、出力15Wの炭酸ガスレーザ(連続発振)を用い、焦点距離FL=300mmの集光レンズ42とガルバノミラーを使用して、試験片における前記透明導電層の表面から集光レンズ42側に向かって3mm離間した位置にレーザ光Lの焦点Fが設定されるように調整した後、集光点を300mm/秒で試験片の幅方向に横断させるように移動して、直線描画を行った。
尚、評価の基準(A、B、C、D)は、下記の通りとした。
A:優良。電気抵抗値が10MΩを超えて絶縁が確実になされており、かつ、導電パターンが全く視認できないもの。
B:良。電気抵抗値が10MΩを超えて絶縁が確実になされており、かつ、導電パターンが殆んど視認できないもの(タッチパネルに組み上げた際に、実質的に加工痕が視認できないもの)。
C:可。電気抵抗値が10MΩを超えて絶縁が確実になされているが、導電パターンが視認できるもの(タッチパネルに組み上げた際に、製品(入力装置の入力部材1)として用いることができる程度のレベル)。
D:不可。電気抵抗値が10MΩ以下であり絶縁化が不十分のもの、又は、目視で確認できる程度に焼き焦げや穴あきが形成されたもの。すなわち、製品(入力装置の入力部材1)として使用できないもの。
次に、前述した透明導電膜及び導電性基板を用いた本発明のメンブレン式タッチパネル(配線基板)用の入力部材1の製造例について説明する。
次いで「+」マークを基点に、実験例2の条件でコネクタパターンを横断する形で絶縁パターンを形成し、25mm角の入力エリアを持つタッチパネル用配線基板を得た。尚、このタッチパネル用配線基板は一対用意し、テスタで確認したところ、これらタッチパネル用配線基板は、入力エリア端部における配線パターン間が絶縁状態であった。
このように製造されたタッチパネルの入力部材1は、ドットスペーサ30、配線パターンとも目に付かず、また、キーマトリクスとして機能することが確認された。
予めドットスペーサ30を印刷した導電性基板用積層体Aに、製造例3と同様の条件でパターニングを行ったところ、ドットスペーサ30が黒く変色したものが目視で確認された。
図11に示すように、製造例3で得られた5行5列のメンブレン式タッチパネル用の入力部材1を、インターフェイス回路(検出手段)を使用して行側、列側それぞれ5bitのポート121、122に接続し、押圧箇所に対応する出力が得られることを確認した。 このとき、電源電圧は5V、電流制限抵抗102は3kΩ、プルアップ・プルダウン抵抗103は200Ω、行方向・列方向のトランジスタ104a、104bのhfeは約200のものを使用した。
製造例1の銀ナノワイヤ導電フィルムを、2つ用意した。図13、図14に示すように、各銀ナノワイヤ導電フィルムに、位置決め用のガイドピン孔280を設けた。また、これら銀ナノワイヤ導電フィルムに、スクリーン印刷によりAgペースト(ドータイト(登録商標)FA301CA:藤倉化成株式会社製)を印刷し、これを100℃・15分間乾燥させることで、引き出しパターン281をそれぞれ形成した。
さらに、Ag配線パターン部284で、引き出しパターン281同士の間及び外側をパターンの延在方向に平行に、実験例2の照射条件で照射して絶縁化した(0.1mm間隔)。
詳しくは、絶縁部Iを形成することにより、図13のX側電極シート210となる銀ナノワイヤ導電フィルムには、X方向に沿って延びる電極201a、Y方向に隣り合う電極201a同士に囲まれた孤立電極202a、Y方向に隣り合う電極201aの正方形の対向する角部同士に挟まれた小孤立電極203aを形成した。
また、図14のY側電極シート220となる銀ナノワイヤ導電フィルムには、Y方向に沿って延びる電極201b、X方向に隣り合う電極201b同士に囲まれた孤立電極202b、X方向に隣り合う電極201bの正方形の対向する角部同士に挟まれた小孤立電極203bを形成した。
次いで、X側電極シート210とY側電極シート220とを、電極201a、201bが入力部材200の表面に孤立電極202a、202bを介し市松模様に組み合わされた形で投影されるように、透明粘着シート(粘着材250)で貼り合わせ、静電容量式タッチパネル(入力装置)の入力部材200を得た。
次いで、この入力部材200に、検出手段270として静電容量式タッチパネルインターフェイス(CY8C24094:Cypress社製)を電気的に接続し、手指Hによる操作が良好に行えることを確認した。
2 透明基体
3 網状部材
4 金属極細繊維
5 空隙
10、20 導電性基板
11、21 絶縁基板
12、22、212、222 透明導電膜
100 電極(導電部)
201a、201b 電極(導電部)
202a、202b 孤立電極(導電部)
210 X側電極シート(導電性基板)
220 Y側電極シート(導電性基板)
270 検出手段
C 導電部
I 絶縁部
Claims (10)
- 絶縁基板、及び、前記絶縁基板上に設けられ、絶縁性を有する透明基体内に分散されて互いに電気的に連結された導電性を有する網状部材を備えた透明導電膜を有する導電性基板が、厚さ方向に積層するように一対設けられた入力部材と、
前記透明導電膜に電気的に接続され、入力信号を検出する検出手段と、を備え、
前記網状部材は、シリコンナノワイヤ、シリコンナノチューブ、金属酸化物ナノチューブ、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラファイトフィブリルのいずれかによって構成され、
前記透明導電膜には、前記透明基体内に前記網状部材が配置されてなる導電部と、前記透明基体内の前記網状部材の全てが除去されることにより空隙が形成された、透明基体からなる絶縁部と、が設けられていることを特徴とする入力装置。 - 請求項1に記載の入力装置であって、
前記絶縁部の空隙が、前記網状部材にパルス状レーザを照射して形成されたことを特徴とする入力装置。 - 請求項2に記載の入力装置であって、
前記パルス状レーザは、パルス幅1p秒未満の極短パルスレーザであることを特徴とする入力装置。 - 請求項3に記載の入力装置であって、
レーザのエネルギ密度が1×1016〜7×1017W/m2、単位面積あたりの照射エネルギが1×105〜1×106J/m2にされたことを特徴とする入力装置。 - 請求項2に記載の入力装置であって、
前記パルス状レーザは、YAGレーザ又はYVO4レーザであることを特徴とする入力装置。 - 請求項5に記載の入力装置であって、
レーザのエネルギ密度が1×1017〜7×1018W/m2、単位面積あたりの照射エネルギが1×106〜1×107J/m2にされたことを特徴とする入力装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の入力装置であって、
前記絶縁基板は、透明であることを特徴とする入力装置。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の入力装置であって、
前記入力部材は、一対の前記導電性基板の前記透明導電膜を前記厚さ方向に沿う一方側へ向けてそれぞれ配置しており、
前記検出手段は、静電容量式であることを特徴とする入力装置。 - 請求項8に記載の入力装置であって、
静電容量式タッチパネルとして用いられることを特徴とする入力装置。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の入力装置であって、
前記入力部材は、一対の前記導電性基板の前記透明導電膜同士を接近した状態で間隔をあけ対向配置しており、
入力操作によって、前記透明導電膜の一部同士が直流的に接触可能とされていることを特徴とする入力装置。
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