JP6562555B2 - 静電容量式3次元センサ - Google Patents
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Description
また、3次元入力を可能とする位置検出用電極体が透明で且つ光源を備えて、操作面を照光可能な静電容量式3次元センサも提案されている(特許文献2)。このような静電容量式3次元センサは、暗所又は夜間の使用に適している。
静電容量式3次元センサに使用される透明な位置検出用電極体としては、例えば、導電性高分子又は錫ドープ酸化インジウム(ITO)を含む透明導電膜が電極部として基材フィルムの一方の面に形成された電極シートが知られている。
本発明は、透光性を有し、XY方向の位置検出だけでなくZ方向の位置検出も可能であり、しかもZ方向の位置検出の精度を容易に高くできる静電容量式3次元センサを提供することを目的とする。
[1]送信用電極シート、XY方向位置受信用電極シート、Z方向位置受信用電極シート、及び、前記送信用電極シートと前記Z方向位置受信用電極シートとの間に設けられた圧縮変形可能なスペーサシートとを備え、前記送信用電極シートは、前記XY方向位置受信用電極シートと前記Z方向位置受信用電極シートとの間に設けられ、基材フィルムと、該基材フィルムの一方の面に形成された電極部とを有し、前記Z方向位置受信用電極シートは、基材と、該基材の一方の面に形成された電極部とを有し、前記送信用電極シートの電極部及び前記Z方向位置受信用電極シートの電極部は、互いに対向する面が平坦面になっている、静電容量式3次元センサ。
[2]前記送信用電極シートを構成する電極部の、基材フィルムと反対側の表面に、凹凸が形成されており、前記送信用電極シートを構成する基材フィルムが、前記送信用電極シートを構成する電極部よりもZ方向位置受信用電極シート側に配置されている、[1]に記載の静電容量式3次元センサ。
[3]前記送信用電極シートを構成する電極部が、透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された金属細線とから構成されている、[2]に記載の静電容量式3次元センサ。
[4]前記Z方向位置受信用電極シートを構成する基材は基材フィルムからなり、前記Z方向位置受信用電極シートを構成する電極部の、基材フィルムと反対側の表面に、凹凸が形成されており、前記Z方向位置受信用電極シートを構成する基材フィルムが、前記Z方向位置受信用電極シートを構成する電極部よりも送信用電極シート側に配置されている、[1]〜[3]のいずれか一に記載の静電容量式3次元センサ。
[5]前記Z方向位置受信用電極シートを構成する電極部が、透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された金属細線とから構成されている、[4]に記載の静電容量式3次元センサ。
[6]前記Z方向位置受信用電極シートの、前記スペーサシートとは反対側に配置された光源をさらに備える、[1]〜[5]のいずれか一に記載の静電容量式3次元センサ。
[7]前記XY方向位置受信用電極シートの、前記送信用電極シートとは反対側の面に設けられた加飾層をさらに備え、該加飾層には、その厚さ方向に光を透過させる透光部と、光を遮る遮光部とが形成されている、[1]〜[6]のいずれか一に記載の静電容量式3次元センサ。
本発明の静電容量式3次元センサ(以下、「3次元センサ」と略す。)の第1実施形態について説明する。
図1に、本実施形態の3次元センサを示す。なお、図1を含む各図において、透明導電膜及び金属細線については模式的に示しており、特に金属細線については太めに表示している。
本実施形態の3次元センサ1は、送信用電極シート10とXY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30とスペーサシート40と光源50と加飾層60とを備える。また、本実施形態の3次元センサ1は、支持体となる基板80を備えている。
本実施形態では、加飾層60が最表に配置され、加飾層60にXY方向位置受信用電極シート20が隣接し、XY方向位置受信用電極シート20の、加飾層60が接する面とは反対側の面にスペーサシート40が設けられている。また、スペーサシート40の、XY方向位置受信用電極シート20が接する面とは反対側の面に、Z方向位置受信用電極シート30が設けられている。Z方向位置受信用電極シート30には、光源50が隣接している。
この3次元センサ1においては、加飾層60の露出した面が指等を接触させる操作面Aとされ、該操作面Aに発光する部分が形成されるようになっている。また、操作面Aを有する加飾層60側が前面側であり、光源50側が背面側である。光源50を備えた本実施形態の3次元センサ1は照光型の3次元センサである。
送信用電極シート10は、基材フィルム11と、基材フィルム11の前面側の面11a(第1面11a)に形成されたパターン状の透明導電膜12と、透明導電膜12の表面に形成されたパターン状の金属細線13と、絶縁膜14とを有する。透明導電膜12及び金属細線13は電極部となり、送信用電極シート10は、XY方向位置検出及びZ方向位置検出のための送信用の電極として使用される。一般に、電極部が、電気抵抗がやや大きい透明導電膜12のみからなる場合には、検出感度が低くなる傾向にある。特に、電極部が後述する引き回し配線15aから離れる箇所ほど、感度が低下する傾向にある。しかし、本実施形態で使用される送信用電極シート10では、透明導電膜12に加えて、電気抵抗が小さい金属細線13を有するため、指の接触による静電容量変化を高感度で検出することができる。
また、本実施形態では、透明導電膜12よりも金属細線13が、3次元センサ1の前面側に配置されている。透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部は、前面側に凹凸が形成されたものとなり、背面側の面が平坦面となっている。なお、本発明における凹凸は、高低差が0.1μm以上の高さの違いを有する形状である。
本発明において、「導電」とは、電気抵抗値が1MΩ未満であることを意味し、「絶縁」とは、電気抵抗値が1MΩ以上、好ましくは10MΩ以上のことである。
本発明において、「透明」とは、JIS K7105に従って測定した光線透過率が50%以上のことを意味する。
プラスチックフィルムを構成する樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、トリアセチルセルロース、環状ポリオレフィン、アクリル樹脂等を使用することができる。これらの中でも、耐熱性及び寸法安定性が高く、低コストであることから、ポリエチレンテレフタレート又はポリカーボネートが好ましい。
基材フィルム11の厚さは25μm以上75μm以下であることが好ましい。基材フィルム11の厚さが前記下限値以上であれば、加工時に折れにくく、前記上限値以下であれば、3次元センサ1を容易に薄型化できる。
導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン等が挙げられる。導電性高分子のなかでもポリチオフェンが好ましく、特に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)にポリスチレンスルホン酸がドープしたPEDOT/PSSが好ましい。
金属系材料としては、金粒子、銀粒子、銅粒子、ニッケル粒子、アルミニウム粒子、クロム粒子、錫ドープ酸化インジウム等が挙げられる。
金属ナノワイヤーとしては、銀ナノワイヤー、金ナノワイヤー、銅ナノワイヤー等が挙げられる。
カーボンとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノバッド、グラフェン等が挙げられる。
透明導電膜12の厚さは、金属ナノワイヤーを含む膜の場合には、20nm以上1000nm以下であることが好ましく、50nm以上300nm以下であることがより好ましい。
透明導電膜12の厚さは、金属系材料またはカーボンを含む膜の場合には、0.01μm以上25μm以下であることが好ましく、0.1μm以上15μm以下であることがより好ましい。
透明導電膜12の厚さが前記下限値未満であると、ピンホールが形成して断線するおそれがあり、前記上限値を超えると、薄型化が困難になる。
厚さを測定する方法としては、厚さのレンジによって異なる。例えば、μmオーダーの膜厚の場合には、マイクロメーター、デジマティックインジケーターやレーザ変位計測によって厚さを測定することができる。また、μmオーダーよりも薄い膜厚の場合には、走査型電子顕微鏡を用いた断面観察や蛍光X線分析装置によって厚さを測定することができる。
X方向電極12aの幅は2mm以上7mm以下であることが好ましく、3mm以上5mm以下であることがより好ましい。X方向電極12aの幅が前記下限値以上であれば、断線を防止でき、前記上限値以下であれば、位置検出精度を向上させることができる。
隣接するX方向電極12a,12a同士の間隔は0.05mm以上2mm以下であることが好ましく、0.01mm以上1mm以下であることがより好ましい。隣接するX方向電極12a,12a同士の間隔が、前記上限値以下であれば、3次元センサ1の位置検出精度を向上させることができる。しかし、隣接するX方向電極12a,12a同士の間隔を前記下限値未満にすることは困難である。
金属細線13の幅が前記下限値未満であると、位置検出感度が低下する傾向にあり、前記上限値を超えると、光透過性が低下しやすくなる。金属細線13の幅は、1μm以上150μm以下であることが好ましく、1μm以上100μm以下であることがより好ましい。
隣接する金属細線13,13同士の間隔(ピッチ)は、50μm以上2000μm以下であることが好ましく、100μm以上1000μm以下であることがより好ましい。隣接する金属細線13,13同士の間隔が前記下限値以上であれば、位置検出感度がより高くなりやすく、前記上限値以下であれば、光透過性がより高くなる。金属細線13の厚さが前記下限値以上であれば、位置検出感度がより高くなりやすく、前記上限値以下であれば、可撓性が高くなる。
金属細線13の厚さは0.1μm以上20μm以下であることが好ましく、1μm以上15μm以下であることがより好ましい。
金属細線13を構成する金属としては、例えば、銀、銅、金、ニッケル、アルミニウム、クロム等が挙げられる。金属細線13には、必要に応じて、バインダ樹脂が含まれてもよい。
絶縁性樹脂としては、熱硬化型樹脂、可視光線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂または紫外線硬化型樹脂が使用されるが、硬化時の熱収縮が小さい点では、紫外線硬化型樹脂が好ましい。
絶縁膜14は絶縁性を確保できる範囲で薄いことが好ましい。絶縁膜14の形成にスクリーン印刷を適用した場合には、ピンホール形成防止の点から、厚さを5μm以上とすることが好ましい。絶縁膜14の形成にインクジェット印刷を適用した場合には、ピンホール形成防止の点から、厚さを0.5μm以上とすることが好ましい。
引き回し配線15aの幅は20μm以上300μm以下であることが好ましく、20μm以上200μm以下であることがより好ましい。引き回し配線15aの幅が前記下限値以上であれば、引き回し配線15aの断線を防止でき、前記上限値以下であれば、引き回し配線15aに使用する材料を削減できるため、低コスト化できる。
隣接する引き回し配線15a,15a同士の間隔は20μm以上300μm以下であることが好ましく、20μm以上200μm以下であることがより好ましい。隣接する引き回し配線15a,15a同士の間隔が、前記上限値以下であれば、3次元センサ1を容易に小型化できる。しかし、隣接する引き回し配線15a,15a同士の間隔を前記下限値未満にすることは困難である。
外部接続用端子15bは、外部の回路に接続するための端子であり、導電材料からなる。本実施形態における外部接続用端子15bは、矩形状の導電部となっている。
XY方向位置受信用電極シート20は、X方向及びY方向の位置を検出する際に使用される受信用の電極シートであって、送信用電極シート10よりも前面側に設けられている。
本実施形態におけるXY方向位置受信用電極シート20は、基材フィルム21と、基材フィルム21の前面側の面21a(第1面21a)に形成された金属細線23と、絶縁膜24とを有する。金属細線23は受信用の電極部である。
また、本実施形態では、基材フィルム21よりも金属細線23が、3次元センサ1の前面側に配置されている。
本実施形態における金属細線23は、図3に示すように、複数本形成されている。各金属細線23は、Y方向に沿って直線状に形成されている。金属細線23としては、金属細線13と同様のものを使用することができる。ただし、金属細線13と同一のものとする必要はない。
金属細線23の幅は0.03mm以上2mm以下であることが好ましく、0.05mm以上0.2mm以下であることがより好ましい。金属細線23の幅が前記下限値以上であれば、断線を防止でき、前記上限値以下であれば、位置検出精度を向上させることができる。
隣接する金属細線23,23同士の間隔は1mm以上5mm以下であることが好ましく、1.5mm以上3mm以下であることがより好ましい。隣接する金属細線23,23同士の間隔が、前記上限値以下であれば、3次元センサ1の位置検出精度を向上させることができる。しかし、隣接する金属細線23,23同士の間隔を前記下限値未満にすることは困難である。
絶縁膜24は、基材フィルム21及び金属細線23を被覆する膜である。絶縁膜24としては、絶縁膜14と同様のものを使用することができる。ただし、絶縁膜14と同一のものとする必要はない。
引き回し配線25a及び外部接続用端子25bの形成方法としては、基材フィルム21の表側の面に導電性ペーストをスクリーン印刷した後、加熱して硬化させる方法が挙げられる。
Z方向位置受信用電極シート30は、Z方向の位置を検出する際に使用される受信用の電極シートである。
本実施形態におけるZ方向位置受信用電極シート30は、基材フィルム31と、基材フィルム31の前面側の面31a(第1面31a)に形成されたパターン状の金属細線33とを有する電極シートである。金属細線33は受信用の電極部である。
金属細線33としては、金属細線13と同様のものを使用することができる。ただし、本実施形態における金属細線33は、図4に示すように、複数本形成されている。各金属細線33は、Y方向に沿って複数本形成され、且つ、平面視において金属細線23と少なくとも一部が重なるように形成されている。ただし、金属細線33と金属細線23とが重なることは本発明の必須要件ではない。
金属細線33の幅は0.1mm以上2mm以下であることが好ましく、0.2mm以上1mm以下であることがより好ましい。金属細線33の幅が前記下限値以上であれば、断線を防止でき、前記上限値以下であれば、位置検出精度を向上させることができる。
隣接する金属細線33,33同士の間隔は1mm以上5mm以下であることが好ましく、1.5mm以上3mm以下であることがより好ましい。隣接する金属細線33,33同士の間隔が、前記上限値以下であれば、3次元センサ1の位置検出精度を向上させることができる。しかし、隣接する金属細線33,33同士の間隔を前記下限値未満にすることは困難である。
ただし、金属細線33は、XY方向位置受信用電極シート20の金属細線23よりも幅広とされている。金属細線33が金属細線23よりも幅が広いと、金属細線23の位置が少しずれても金属細線33に重なりやすいため、透光性及び感度が高くなる。
絶縁膜34は、基材フィルム31及び金属細線33を被覆する膜である。絶縁膜34としては、絶縁膜34と同様のものを使用することができる。ただし、絶縁膜14と同一のものとする必要はない。
引き回し配線35a及び外部接続用端子35bの形成方法としては、基材フィルム31の第1面31aに導電性ペーストをスクリーン印刷した後、加熱して硬化させる方法が挙げられる。
なお、外部接続用端子15b,25b,35bは、互いに重ならないように配置されている。
スペーサシート40は、XY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30との間に設けられた圧縮変形可能な易変形体である。
本実施形態におけるスペーサシート40は、弾性層用基材フィルム41と、弾性層用基材フィルム41の一方の面に設けられた弾性層42とを備える。本実施形態では、弾性層用基材フィルム41がZ方向位置受信用電極シート30側に配置され、弾性層42がXY方向位置受信用電極シート20側に配置されている。
本実施形態では、弾性層用基材フィルム41が、Z方向位置受信用電極シート30の絶縁膜34に貼合されている。
弾性層42は、厚さを1cmとして測定した際のショアA硬度が85以下であることが好ましい。弾性層42のショアA硬度が85以下であれば、その表面が押圧された際に容易に弾性変形可能となる。ただし、軟らかすぎると、弾性変形後の回復が遅くなるため、弾性層42のショアA硬度は10以上であることが好ましい。
3次元センサ1が弾性層42を備えることによって、加飾層60を押圧していないときには、XY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30とを容易に一定間隔にできる。加飾層60を押圧したときには、弾性層42、特に弾性スペーサ42aを圧縮変形させることができ、XY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30との距離を容易に縮めることができる。
弾性層42を構成する弾性材料としては、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あるいは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、ブタジエン系あるいはフッ素系等の熱可塑性エラストマー;あるいはそれらの複合物等などが挙げられる。本発明では、押圧力と押圧力に応じた電極間距離との関係が一貫して変わらないことが重要であるため、ゴム状弾性体は繰り返しの押圧に対する寸法変化が比較的小さい、すなわち、圧縮永久歪が比較的小さいシリコーンゴムが好適である。
弾性スペーサ42aは弾性層42の一方の面に規則的に配置され、例えば、60度千鳥状、角千鳥状、並列状、格子状に配列される。
隣接する弾性スペーサ42a,42aのピッチは、0.1mm以上2.0mm以下であることが好ましく、0.1mm以上1.0mm以下であることがより好ましい。隣接する弾性スペーサ42a,42aのピッチが前記下限値以上であれば、加飾層60を押圧したときにXY方向位置受信用電極シート20をより容易に撓ませることができる。
光源50としては、液晶表示装置等に使用されるバックライトと同様のものを使用することができ、本実施形態では、導光板51と発光体52とから構成された光源が使用される。
透明材料としては、透明プラスチック、ガラスを使用することができる。透明プラスチックとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、トリアセチルセルロース、環状ポリオレフィン、アクリル樹脂等を使用することができる。これらの中でも、光学特性に優れることから、ポリカーボネート、アクリル樹脂又は環状ポリオレフィンが好ましい。
加飾層60は、その厚さ方向に光を透過させる透光部61と、光を遮る遮光部62とを有する。透光部61に図柄又は文字が形成されるように、遮光部62が形成されている。
本実施形態における加飾層60は、透明シート63と、透明シート63の背面側に設けられた遮光層64とを備える。遮光層64の形成によって遮光部62が形成される。
透明シート63を構成する材料としては、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、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等が挙げられる。
遮光層64は、印刷層でもよいし、着色シートでもよい。本実施形態において、遮光層64は、XY方向位置受信用電極シート20の絶縁膜24に貼合されている。遮光層64の形成パターンは、3次元センサ1の用途に応じて決められる。
本実施形態においては、接着層74によって送信用電極シート10の絶縁膜14とXY方向位置受信用電極シート20の基材フィルム21とが接着されている。
接着層73によって送信用電極シート10の基材フィルム11とスペーサシート40の弾性層42とが接着されている。
接着層72によってスペーサシート40の弾性層用基材フィルム41とZ方向位置受信用電極シート30の絶縁膜34とが接着されている。
接着層71によってZ方向位置受信用電極シート30の基材フィルム31と導光板51とが接着されている。
接着層75によって絶縁膜24と加飾層60とが接着されている。
接着層73においては、スペーサシート40の弾性層42と同種の材料により形成されたものでもよい。柔らかい弾性層42は粘着性を有するから、弾性層42と接着層73とが同種の材料であると、強固に接着できる。
本実施形態において、3次元センサ1が設置される基板80は、支持部材81と、支持部材81の一方の面に形成されたシールド層82とを備える。シールド層82に導光板51が接着されている。
支持部材81としては、例えば、紙エポキシ基板、ガラスエポキシ基板、紙フェノール基板等が挙げられる。
シールド層82は、金属層であり、例えば、銅、アルミニウム、銀等から構成される。シールド層82はパターンを有するものではない。また、シールド層82は、光反射性を有することが好ましいが、光反射性を有さなくてもよい。
支持部材81及びシールド層82を備える基板80として、プリント基板を用いることができる。
上記3次元センサ1の製造方法としては特に制限されず、例えば、送信用電極シート作製工程とXY方向位置受信用電極シート作製工程とZ方向位置受信用電極シート作製工程とスペーサシート作製工程と加飾層作製工程と接合工程と発光体設置工程と基板設置工程とを有する方法が挙げられる。
以下、各工程の一例について説明する。
送信用電極シート作製工程では、基材フィルム11の第1面11aに透明導電膜12と金属細線13と引き回し配線15aと外部接続用端子15bとを形成し、これらの上に絶縁膜14を形成することにより、送信用電極シート10を得る。
具体的には、基材フィルム11の第1面11aの少なくとも一部に、透明導電膜を形成する。透明導電膜の形成方法としては、各種コーター(例えばバーコーター等)を用いた塗工法、各種印刷機(例えばグラビア印刷機等)を用いた印刷法のいずれであってもよい。透明導電膜のパターニング方法としては、例えば、フォトリソグラフィ等のウェットエッチング、レーザ又はプラズマを用いたドライエッチング等が挙げられる。前記透明導電膜は、パターンを有するものでもよいし、パターンのないものでもよい。
次いで、前記透明導電膜の表面に金属細線13を形成する。
金属細線13の形成方法としては、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パターニングする方法等が挙げられる。印刷方法としては、例えば、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷等が挙げられる。金属箔又は金属蒸着膜のパターニング方法としては、例えば、フォトリソグラフィ等のウェットエッチング、レーザ又はプラズマを用いたドライエッチング等が挙げられる。
金属細線13の可撓性を向上させる点では、金属粒子を含むインクを印刷する方法のなかでも、銀ペーストを印刷する方法が好ましい。また、金属細線13の可撓性を向上させる点では、金属箔又は金属蒸着膜をパターニングする方法も好ましい。金属細線又は金属蒸着膜は薄膜化しやすいため、可撓性を向上させやすい。
また、基材フィルム11の第1面11aに、金属細線13の形成方法と同様の方法により引き回し配線15aを形成する。金属細線13の形成と引き回し配線15aの形成は同時であってもよい。
次いで、引き回し配線15aの端部に導電性ペーストをスクリーン印刷した後、硬化させて、外部接続用端子15bを形成する。
次いで、基材フィルム11、透明導電膜12、金属細線13、引き回し配線15a及び外部接続用端子15bを覆うように絶縁膜14を形成して、送信用電極シート10を得る。
絶縁膜14の形成方法としては、スクリーン印刷、インクジェット印刷等の各種印刷方法を適用することができる。
得られた送信用電極シート10は、必要に応じて所定の形状になるように周縁をトリミングしてもよい。
XY方向位置受信用電極シート作製工程では、基材フィルム21の第1面21aに金属細線23と引き回し配線25aと外部接続用端子25bとを形成し、これらを覆うように絶縁膜24を形成することにより、XY方向位置受信用電極シート20を得る。
XY方向位置受信用電極シート20における金属細線23の形成方法は、送信用電極シート10における金属細線13の形成方法と同様である。
XY方向位置受信用電極シート20における引き回し配線25a及び外部接続用端子25bの形成方法は、送信用電極シート10における引き回し配線15a及び外部接続用端子15bの形成方法と同様である。
XY方向位置受信用電極シート20における絶縁膜24の形成方法は、送信用電極シート10の絶縁膜14の形成方法と同様である。
得られたXY方向位置受信用電極シート20は、必要に応じて所定の形状になるように周縁をトリミングしてもよい。
Z方向位置受信用電極シート作製工程では、基材フィルム31の第1面31aに金属細線33と引き回し配線35aと外部接続用端子35bとを形成し、これらの上に絶縁膜34を形成することにより、Z方向位置受信用電極シート30を得る。
Z方向位置受信用電極シート30における金属細線33の形成方法は、送信用電極シート10における金属細線13の形成方法と同様である。
Z方向位置受信用電極シート30における引き回し配線35a及び外部接続用端子35bの形成方法は、送信用電極シート10における引き回し配線15a及び外部接続用端子15bの形成方法と同様である。
Z方向位置受信用電極シート30における絶縁膜34の形成方法は、送信用電極シート10の絶縁膜14の形成方法と同様である。
得られたZ方向位置受信用電極シート30は、必要に応じて所定の形状になるように周縁をトリミングしてもよい。
スペーサシート作製工程は、弾性層42を作製する弾性層作製工程と、該弾性層42を弾性層用基材フィルム41に貼合する貼合工程とを有する。
弾性層作製工程では、金型を使用し、弾性材料を成形して、シートの一方の面に円柱状の弾性スペーサ42aを多数設けた弾性層42を作製する。弾性層42を作製するための弾性材料の成形方法としては、プレス成形法、射出成形法、スクリーン印刷法、注型成形法等を適用することができる。
貼合工程では、弾性層42と弾性層用基材フィルム41とを、接着剤を用いて接着してもよいし、熱溶着してもよい。また、金型内に弾性層用基材フィルム41を予め配置させておき、弾性材料を成形して弾性層42を形成すると同時に、その弾性層42を弾性層用基材フィルム41に貼合してもよい。
加飾層作製工程では、透明シート63の一方の面に遮光層64を形成して加飾層60を形成する。
遮光層64の形成方法としては、例えば、透明シート63の一方の面に、着色剤等の遮光材料を含むインクを印刷する方法、遮光材料を含む着色シートを遮光層64のパターンに打ち抜いた後、透明シートに貼合する方法等が挙げられる。
接合工程では、接着層74を設けて送信用電極シート10の絶縁膜14とXY方向位置受信用電極シート20の基材フィルム21とを接着する。その際、金属細線13が透明導電膜12より前面側に位置するように送信用電極シート10を配置する。
また、接着層73を設けて送信用電極シート10の基材フィルム11とスペーサシート40の弾性層42とを接着する。
また、接着層72を設けてスペーサシート40の弾性層用基材フィルム41とZ方向位置受信用電極シート30の絶縁膜34とを接着する。
また、接着層71を設けてZ方向位置受信用電極シート30の基材フィルム31と導光板51とを接着する。
また、接着層75を設けて絶縁膜24と加飾層60とを接着する。
最終的に、加飾層60とXY方向位置受信用電極シート20と送信用電極シート10とスペーサシート40とZ方向位置受信用電極シート30と導光板51とからなる積層体を得ると共に金属細線13を透明導電膜12より前面側に配置できれば、接着の順序には特に制限はない。
接着方法としては、粘着剤層を備える両面テープを用いる方法、接着剤を用いる方法が挙げられる。
ただし、送信用電極シート10とスペーサシート40との接着においては、スペーサシート40の弾性層42の表面に易接着処理を施し、易接着処理を施した面に送信用電極シート10を圧着する方法を適用することができる。易接着処理としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理等が挙げられる。
発光体設置工程では、導光板51の一側面51aの近傍に発光体52を設置する工程である。発光体52は公知の取り付け用部材を用いて取り付ければよい。
基板設置工程では、導光板51の背面に基板80を設置する工程である。具体的には、導光板51の背面にシールド層82を接触させ、接着剤等により貼り付けることにより、基板80を設置する。
本実施形態の3次元センサ1においては、XYZ方向の位置を検出するための電極部が、透明導電膜12と、遮光箇所が少ない金属細線13,23,33とから形成されているため、光透過性が高く、光源50からの光を透光部から充分な照度で出射させることができる。
操作面Aに接触させた指のXY方向の位置を検出する際には、XY方向位置受信用電極シート20の金属細線23と送信用電極シート10の透明導電膜12及び金属細線13とが使用される。具体的には、操作面Aに指が接触した際の静電容量変化を、金属細線23と透明導電膜12と金属細線13を用いて測定して、XY方向における指接触の位置を検出する。
操作面Aを指で押圧した時のZ方向の位置を検出する際には、送信用電極シート10の透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部と、Z方向位置受信用電極シート30の金属細線33からなる電極部とが使用される。具体的には、操作面Aを指で押圧した際の、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との間の静電容量変化を測定することにより、Z方向の位置を検出する。
本実施形態では、送信用電極シート10において、透明導電膜12よりも金属細線13が、3次元センサ1の前面側に配置されている。すなわち、透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部は、背面側に凹凸が形成されておらず、平坦となっている。そのため、操作面Aの非押圧時において、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、いずれの箇所でも一定である。また、操作面Aを押圧した際、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離の変位量が急激に変わる箇所がないため、検出ばらつきを小さくでき、Z方向の位置検出の精度が高くなる。また、3次元センサ1に取り付けられる位置検出用マイクロコンピュータを、複雑な感度調整をせずとも使用することができる。
本発明の3次元センサの第2実施形態について説明する。
図5に、本実施形態の3次元センサを示す。本実施形態の3次元センサ2は、第1実施形態の3次元センサ1と同様に、送信用電極シート10とXY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30とスペーサシート40と光源50と加飾層60と基板80とを備える。
本実施形態では、送信用電極シート10の電極部が、図6に示すように、透明導電膜12のみからなる。また、本実施形態では、Z方向位置受信用電極シート30の電極部が、図7に示すように、透明導電膜32と透明導電膜32の表面に形成された金属細線33とからなる。透明導電膜32及び金属細線33から構成される電極部は、背面側に凹凸が形成されたものとなる。また、本実施形態では、金属細線33よりも透明導電膜32が3次元センサ2の前面側に位置するように、基材フィルム31がスペーサシート40に接着されている。
これらのこと以外は、第2実施形態の3次元センサ2は、第1実施形態の3次元センサ1と同様である。
この透明導電膜32の背面側に直線状の金属細線33が形成されている。
また、操作面Aに接触させた指のXY方向の位置を検出する際には、XY方向位置受信用電極シート20の金属細線23と送信用電極シート10の透明導電膜12が使用される。具体的には、操作面Aに指が接触した際の静電容量変化を、金属細線23と透明導電膜12とを用いて測定して、XY方向における指接触の位置を検出する。
操作面Aを指で押圧した時のZ方向の位置を検出する際には、送信用電極シート10の透明導電膜12から構成される電極部と、Z方向位置受信用電極シート30の透明導電膜32及び金属細線33からなる電極部とが使用される。具体的には、操作面Aを指で押圧した際の、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との間の静電容量変化を測定することにより、Z方向の位置を検出する。
本実施形態では、Z方向位置受信用電極シート30において、金属細線33よりも透明導電膜32が、3次元センサ2の前面側に配置されている。すなわち、透明導電膜32及び金属細線33から構成される電極部は、前面側に凹凸が形成されておらず、平坦となっている。そのため、操作面Aの非押圧時において、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、いずれの箇所でも一定である。また、操作面Aを押圧した際、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離の変位量が急激に変わる箇所がないため、検出ばらつきを小さくでき、Z方向の位置検出の精度が高くなる。また、3次元センサ2に取り付けられる位置検出用マイクロコンピュータを、複雑な感度調整をせずとも使用することができる。
図8に、本実施形態の3次元センサを示す。本実施形態の3次元センサ3は、第1実施形態の3次元センサ1と同様に、送信用電極シート10とXY方向位置受信用電極シート20とZ方向位置受信用電極シート30とスペーサシート40と光源50と加飾層60と基板80とを備える。
本実施形態では、Z方向位置受信用電極シート30の電極部が、図7に示すように、透明導電膜32と透明導電膜32の表面に形成された金属細線33とからなる。透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部は、前面側に凹凸が形成されたものとなり、透明導電膜32及び金属細線33から構成される電極部は、背面側に凹凸が形成されたものとなる。また、本実施形態では、金属細線33よりも透明導電膜32が3次元センサ3の前面側に配置されている。
これらのこと以外は、第3実施形態の3次元センサ3は、第1実施形態の3次元センサ1と同様である。
また、操作面Aに接触させた指のXY方向の位置を検出する際には、XY方向位置受信用電極シート20の金属細線23と送信用電極シート10の透明導電膜12及び金属細線13が使用される。具体的には、操作面Aに指が接触した際の静電容量変化を、金属細線23と透明導電膜12及び金属細線13とを用いて測定して、XY方向における指接触の位置を検出する。
操作面Aを指で押圧した時のZ方向の位置を検出する際には、送信用電極シート10の透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部と、Z方向位置受信用電極シート30の透明導電膜32及び金属細線33からなる電極部とが使用される。具体的には、操作面Aを指で押圧した際の、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との間の静電容量変化を測定することにより、Z方向の位置を検出する。
本実施形態では、送信用電極シート10において、透明導電膜12よりも金属細線13が、3次元センサ3の前面側に配置されている。すなわち、透明導電膜12及び金属細線13から構成される電極部は、背面側に凹凸が形成されておらず、平坦となっている。また、Z方向位置受信用電極シート30において、金属細線33よりも透明導電膜32が、3次元センサ3の前面側に配置されている。すなわち、透明導電膜32及び金属細線33から構成される電極部は、前面側に凹凸が形成されておらず、平坦となっている。そのため、操作面Aの非押圧時において、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、いずれの箇所でも一定である。また、操作面Aを押圧した際、送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離の変位量が急激に変わる箇所がないため、検出ばらつきを小さくでき、Z方向の位置検出の精度が高くなる。また、3次元センサ3に取り付けられる位置検出用マイクロコンピュータを、複雑な感度調整をせずとも使用することができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されない。
各電極シートにおける金属細線は直線状に形成されている必要はなく、例えば、網目状、ジグザグ状、波線状等に形成されてもよい。
送信用電極シート及びZ方向位置受信用電極シートにおいて、透明導電膜と金属細線の両方を備える場合、透明導電膜の表面に金属細線が形成されている必要はなく、金属細線を覆うように透明導電膜が形成されてもよい。また、透明導電膜と金属細線とが重ならない部分を有してもよい。これらの場合にも、通常は、電極部の表面に凹凸が形成される。
本発明において、送信用電極シートの電極部及びZ方向位置受信用電極シートの電極部の少なくとも一方が、透明導電膜と金属細線の両方を備えて凹凸が形成されることは必須ではない。送信用電極シートの電極部及びZ方向位置受信用電極シートの電極部の少なくとも一方が、一方の面に凹凸が形成された透明導電膜のみ、又は、一方の面に凹凸が形成された金属細線のみからなる場合にも、送信用電極シートの電極部とZ方向位置受信用電極シートの電極部との距離が一定にされる。
また、送信用電極シートの電極部及びZ方向位置受信用電極シートの電極部の少なくとも一方が、透明導電膜と金属膜とから構成されてもよい。この場合、透明導電膜の表面に金属膜が形成されてもよいし、金属膜の表面に透明導電膜が形成されてもよい。ただし、金属膜は不透明であるから、照光させる部分には形成されず、遮光する部分に形成される。
また、透明導電膜又は金属細線の形成の際には、欠陥が生じて意図しない凹凸が形成されることがある。そのため、送信用電極シートにおいて、電極部を基材フィルムより前面側に形成し、Z方向位置受信用電極シートにおいて、電極部を基材フィルムより背面側に形成することで、電極部に意図しない凹凸が形成されても、送信用電極シートの電極部とZ方向位置受信用電極シートの電極部との距離が一定になる。
電極部が導光板側に配置されている第2実施形態及び第3実施形態のZ方向位置受信用電極シートにおいては、基材としてリジッド基板を用いることは適さない。
Z方向位置受信用電極シートは、送信用電極シートよりも前面側に設けてもよい。しかし、XY方向位置検出感度を高くするためには、Z方向位置受信用電極シートを送信用電極シートよりも背面側に設けて、XY方向位置受信用電極シートを送信用電極シートよりも前面側に配置することが好ましい。
各電極シートにおける透明導電膜は1層である必要はなく、2層以上形成されてもよい。各電極シートにおける金属細線は1層である必要はなく、2層以上形成されてもよい。
スペーサシートは、弾性層用基材フィルムを有さなくてもよい。また、圧縮変形しやすいものであれば、弾性層が弾性スペーサを有さなくてもよく、厚さ一定の層でもよい。
光拡散層としては、例えば、少なくとも一方の面に凹凸が形成された透明材料層、光拡散性粒子を含む透明材料層等が挙げられる。透明材料は、透明樹脂でもよいし、ガラスでもよい。
光拡散層は、XY方向位置受信用電極シートの絶縁膜に直接形成されてもよいし、絶縁膜に、光拡散層を備える光拡散性フィルムを貼り付けてもよい。
第1実施形態の3次元センサを作製した。なお、各層は、以下の通りである。
基材フィルム11,21,31,41:厚さ50μmのポリエチレンテレフタレートフィルム
透明導電膜12:ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)にポリスチレンスルホン酸がドープしたPEDOT/PSSを含む厚さ1μmの膜
金属細線13,23,33:銀ペーストの塗布によって形成された厚さ15μmの膜
絶縁膜14,24,34:厚さ20μmのアクリル樹脂の膜
送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、操作面の非押圧時で130μm、操作面の押圧時で100μmとした。
送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との対向面積Sは0.4mm2とした。
送信用電極シート10の電極部とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との間の誘電率εは比誘電率が2の部材が入っているため、2×ε0とした(ε0は電気定数で真空の誘電率を表し、ここでは8.854×10−12F/mとした。)。
操作面Aを押圧していない状態での、電極部(金属細線13が積層しない透明導電膜12)と金属細線33との距離db0及び静電容量Cb0をCb0=εS/db0の式より求めた。
操作面Aを押圧している状態での、電極部(金属細線13が積層する透明導電膜12)と金属細線33との距離da1及び静電容量Ca1をCa1=εS/da1の式より求めた。
操作面Aを押圧している状態での、電極部(金属細線13が積層しない透明導電膜12)と金属細線33との距離db1及び静電容量Cb1をCb1=εS/db1の式より求めた。
また、{|(da1−da0)|/da0}×100の式より、電極部(金属細線13が積層する透明導電膜12)−金属細線33間の距離の変位率Δdaを求め、{|(db1−db0)|/db0}×100の式より、電極部(金属細線13が積層しない透明導電膜12)−金属細線33間の距離の変位率Δdbを求めた。また、{|(Ca1−Ca0)|/Ca0}×100の式の式より静電容量の変位率ΔCaを求め、{|(Cb1−Cb0)|/Cb0}×100の式より静電容量の変位率ΔCbを求めた。
それらの結果を表1に示す。
送信用電極シートにおいて金属細線が透明導電膜よりも背面側に位置するように送信用電極シートの表裏を反対にした以外は実施例と同様にして3次元センサを得た。
送信用電極シート10の金属細線13とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、操作面の非押圧時で100μm、操作面の押圧時で70μmとした。
送信用電極シート10の透明導電膜12とZ方向位置受信用電極シート30の電極部との距離は、操作面の非押圧時で115μm、操作面の押圧時で85μmとした。
実施例と同様に、da0及びdb0、Ca0及びCb0、da1及びdb1、Ca1及びCb1、Δda及びΔdb、ΔCa及びΔCbを求めた。
これに対し、比較例では、Δda及びΔdbが異なり、ΔCa及びΔCbが異なっていた。したがって、比較例では、電極部同士の距離及び静電容量は、金属細線13によって形成される凹凸にZ方向位置の検知結果が影響されるため、Z方向の位置検出の精度が低くなる傾向にある。
10 送信用電極シート
11 基材フィルム
12 透明導電膜
12a X方向電極
13 金属細線
14 絶縁膜
15a,25a,35a 引き回し配線
15b,25b,35b 外部接続用端子
20 XY方向位置受信用電極シート
21 基材フィルム
23 金属細線
24 絶縁膜
30 Z方向位置受信用電極シート
31 基材フィルム
32 透明導電膜
32a Y方向電極
33 金属細線
34 絶縁膜
40 スペーサシート
41 弾性層用基材フィルム
42 弾性層
42a 弾性スペーサ
50 光源
51 導光板
52 発光体
60 加飾層
61 透光部
62 遮光部
63 透明シート
64 遮光層
71,72,73,74,75 接着層
A 操作面
Claims (6)
- 送信用電極シート、XY方向位置受信用電極シート、Z方向位置受信用電極シート、及び、前記送信用電極シートと前記Z方向位置受信用電極シートとの間に設けられた圧縮変形可能なスペーサシートとを備え、
前記送信用電極シートは、前記XY方向位置受信用電極シートと前記Z方向位置受信用電極シートとの間に設けられ、基材フィルムと、該基材フィルムの一方の面に形成された電極部とを有し、
前記Z方向位置受信用電極シートは、基材と、該基材の一方の面に形成された電極部とを有し、
前記送信用電極シートの電極部及び前記Z方向位置受信用電極シートの電極部は、互いに対向する面が平坦面になっており、
前記Z方向位置受信用電極シートを構成する基材は基材フィルムからなり、
前記Z方向位置受信用電極シートを構成する前記電極部の、前記基材フィルムと反対側の表面に、凹凸が形成されており、
前記Z方向位置受信用電極シートを構成する前記基材フィルムが、前記Z方向位置受信用電極シートを構成する前記電極部よりも前記送信用電極シート側に配置されている、静電容量式3次元センサ。 - 前記送信用電極シートを構成する前記電極部の、前記基材フィルムと反対側の表面に、凹凸が形成されており、
前記送信用電極シートを構成する前記基材フィルムが、前記送信用電極シートを構成する前記電極部よりも前記Z方向位置受信用電極シート側に配置されている、請求項1に記載の静電容量式3次元センサ。 - 前記送信用電極シートを構成する前記電極部が、透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された金属細線とから構成されている、請求項2に記載の静電容量式3次元センサ。
- 前記Z方向位置受信用電極シートを構成する前記電極部が、透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された金属細線とから構成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の静電容量式3次元センサ。
- 前記Z方向位置受信用電極シートの、前記スペーサシートとは反対側に配置された光源をさらに備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の静電容量式3次元センサ。
- 前記XY方向位置受信用電極シートの、前記送信用電極シートとは反対側の面に設けられた加飾層をさらに備え、該加飾層には、その厚さ方向に光を透過させる透光部と、光を遮る遮光部とが形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の静電容量式3次元センサ。
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