(57)【要約】【課題】検出電極部内の信号伝達速度が速く、応答性に優れた静電検出装置を提供する。【解決手段】炭素Ｃを含む第１材料で構成された第１電極１０と、第１電極１０よりも導電性の良い第２材料で構成され、第１電極１０の周囲を囲うように配置された第２電極２０とを有して構成される検出電極部５０と、検出電極部５０と検出対象物との間の容量値を検出する検出部１００と、を備えて静電検出装置１を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含む第１材料で構成された第１電極と、前記第１電極よりも導電性の良い第２材料で構成され、前記第１電極の周囲を囲うように配置された第２電極とを有して構成される検出電極部と、
前記検出電極部と検出対象物との間の静電容量値を検出する検出部と、
を備える静電検出装置。
【請求項２】
前記第２電極は、前記第１電極を囲うように円環状に配置されている、請求項１に記載の静電検出装置。
【請求項３】
前記検出電極部は、前記第１電極と前記第２電極で構成される電極部を複数備えて構成されている、請求項１又は２に記載の静電検出装置。
【請求項４】
前記電極部は、最密充填で配置されている、請求項３に記載の静電検出装置。
【請求項５】
前記第２材料は、銀を含む材料である、請求項１から４のいずれか１項に記載の静電検出装置。
【請求項６】
前記第１電極及び前記第２電極は、スクリーン印刷で形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の静電検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、第１電極、及び第２電極の双方をひし形に形成した静電検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
この静電検出装置は、基板の一方の面に敷設された電極パターンと、基板の他方の面に敷設されたグランドパターンと、を備えた静電容量式入力装置であって、グランドパターンは第１材料からなる第一グランドパターンと第１材料より導電率の高い第２材料からなる第二グランドパターンとを有し、第一グランドパターンが少なくとも電極パターンに平面視で重なる領域に亘って形成されるとともに、第二グランドパターンが第一グランドパターンに接触した状態で電極パターンに平面視で重なる領域を囲むように形成されて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１６０３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の静電検出装置は、電極の形状がひし形であるため、電極中心からの配線までの距離が均一ではなく、電極で検出された信号が配線に到達するまでの速度が遅くなる可能性がある。これにより、静電検出装置の応答性が低下するという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、検出電極部内の信号伝達速度が速く、応答性に優れた静電検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、炭素を含む第１材料で構成された第１電極と、前記第１電極よりも導電性の良い第２材料で構成され、前記第１電極の周囲を囲うように配置された第２電極とを有して構成される検出電極部と、前記検出電極部と検出対象物との間の静電容量値を検出する検出部と、を備える静電検出装置を提供する。
【０００８】
［２］前記第２電極は、前記第１電極を囲うように円環状に配置されている、上記［１］に記載の静電検出装置であってもよい。
【０００９】
［３］また、前記検出電極部は、前記第１電極と前記第２電極で構成される電極部を複数備えて構成されている、上記［１］又は［２］に記載の静電検出装置であってもよい。
【００１０】
［４］また、前記電極部は、最密充填で配置されている、上記［３］に記載の静電検出装置であってもよい。
【００１１】
［５］また、前記第２材料は、銀を含む材料である、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の静電検出装置であってもよい。
【００１２】
［６］また、前記第１電極及び前記第２電極は、スクリーン印刷で形成されている、上記［１］から［５］のいずれか１に記載の静電検出装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の静電検出装置によれば、検出電極部内の信号伝達速度が速く、応答性に優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の静電検出装置の検出電極部、検出部の概略構成を示す構成図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における検出電極部内の信号伝達速度を模式的に矢印で示す説明図である。
【図２】図２は、本発明の静電検出装置の検出電極部の電極形状の変形例を示す電極形状図である。
【図３】図３（ａ）は、第１検出電極を矩形（正方形）とした場合の電極配置図であり、図３（ｂ）は、第１検出電極を円形とした場合の電極配置図であり、図３（ｃ）は、第１検出電極を円形として最密充填で配置した場合の電極配置図であり、図３（ｄ）は、第１検出電極を円形、第２検出電極を円環状で構成した電極部を最密充填で配置した場合の電極配置図である。
【図４】図４は、図３（ｄ）で示した第２検出電極の円環状の外周部が互いに接するように最密充填で配置した場合の電極配置図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の静電検出装置の検出電極部、検出部の概略構成を示す構成図であり、静電容量の検出動作を説明する図である。
【図６】図６は、電極をタッチ操作したときの電圧値の変化を横軸時間で示したもので、検出電極とベタ電極の応答性を比較した図である。
【図７】図７は、第１材料の占有率の計算式、第２材料の占有率を、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の場合について示す図表である。
【図８】図８は、図７の結果に基づいて、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各場合についての第２材料の占有率を縦軸に示す棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本発明の実施の形態）
（静電検出装置１の構成）
本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、炭素Ｃを含む第１材料で構成された第１電極１０と、第１電極１０よりも導電性の良い第２材料で構成され、第１電極１０の周囲を囲うように配置された第２電極２０とを有して構成される検出電極部５０と、検出電極部５０と検出対象物との間の静電容量値を検出する検出部１００と、を備えて構成されている。なお、静電検出装置１は、タッチ（近接を含む）操作の有無を検出する等のタッチセンサ、把持操作の有無を検出する等のグリップセンサ、等に使用できる。また、検出対象物は、例えば、手指、タッチペン等のタッチ操作に使用する誘電体であって、グランドに接地、又は、接地相当の大きな静電容量値を有するものである。
【００１６】
（第１電極１０）
第１電極１０は、炭素Ｃを含む第１材料で構成された電極である。第１電極１０は、例えば、炭素Ｃ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等を高濃度で分散させた溶媒を、基材７０上に塗工・印刷等により形成された電極である。なお、基材７０は、可撓性を有しない板状やシート状の部材であっても良いし、可撓性を有する板状や伸縮性を有するシート状のであっても良い。第１電極１０は、例えば、後述するクリーン印刷により形成される。なお、スクリーン印刷は電極形成の一例であり、めっき、塗装などの他の工法でもよい。
【００１７】
（第２電極２０）
第２電極２０は、第１電極１０よりも導電性のよい第２材料、例えば、銀Ａｇを含む材料で構成された電極である。なお、第２材料は、銀には限られず、アルミ、ニッケル、銅などの炭素よりも導電性のよい良導体であってもよい。第２電極２０は、第１電極１０の周囲を囲うように配置され、第１電極１０と接する境界は電気的に接続された状態で第１電極１０の周囲に配置されている。第２電極２０は、例えば、銀Ａｇを高濃度で分散させた溶媒を、基材７０上に塗工・印刷等により形成された電極である。第２電極１０は、例えば、後述するスクリーン印刷により形成される。なお、スクリーン印刷は電極形成の一例であり、めっき、塗装などの他の工法でもよい。
【００１８】
（電極部３０）
電極部３０は、第１電極１０と第１電極１０の周囲を囲うように配置された第２電極２０とを有して構成されている。図１に示すように、電極部３０は、第１電極１０と第１電極１０の周囲を囲うように円環状に配置された第２電極２０とを有して構成することができる。また、図１に示すように、電極部３０が後述する検出電極部を構成することができる。
【００１９】
変形例としては、図２に示すように、電極部３０は、第１電極１０と第１電極１０の周囲を囲うように配置された第２電極２０とを有し、第１電極１０が矩形（正方形）であってもよい。
【００２０】
（検出電極部５０）
検出電極部５０は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１電極１０を複数備えて構成されていてもよい。また、検出電極部５０は、図３（ｄ）、図４に示すように、第１電極１０と第２電極２０で構成する電極部３０を複数備えて構成されていてもよい。
【００２１】
検出電極部５０は、一例として、スクリーン印刷で形成される。スクリーン印刷は、スクリーン版のオープニングと呼ばれる糸と糸の間の空間からスキージ（ゴムのヘラ、または金属のヘラ）を使って印刷インキを押し出し、画像パターンを形成する印刷法である。このスクリーン印刷は、プリント配線板や電子部品、フラットパネルディスプレイ、自動車メーターなどを製造する工程に用いられる。
【００２２】
本実施の形態に係る検出電極部では、基材７０上に、第１電極１０、第２電極２０の電極パターンを上記の手法により印刷する。炭素Ｃ、銀Ａｇを含む材料で炭素Ｃペースト、銀Ａｇペーストが、印刷インキとして構成され、第１電極１０と第２電極２０は印刷後に互いに接して導通状態になるように印刷される。
【００２３】
図３（ａ）は、検出電極部５０が、矩形（正方形）の第１電極１０を複数備えて構成されている例である。基材７０（図示省略）上に、矩形（正方形）の第１電極１０を複数備え、この第１電極１０の周囲を囲うように第２電極２０が配置されている。
【００２４】
図３（ｂ）は、検出電極部５０が、円形の第１電極１０を複数備えて構成されている例である。基材７０（図示省略）上に、円形の第１電極１０を複数備え、この第１電極１０の周囲を囲うように第２電極２０が配置されている。
【００２５】
図３（ｃ）は、検出電極部５０が、円形の第１電極１０を複数備えて構成されている例である。基材７０（図示省略）上に、円形の第１電極１０相互の間隔がＬで最密充填で配置され、この第１電極１０の周囲を囲うように第２電極２０が配置されている。
【００２６】
ここで、最密充填とは、同じ大きさの剛体球を，空間内に最も密に配置するときにできる構造であり、本実施の形態では、２次元配置における最密充填構造をいう。すなわち、最密充填構造は、第１電極１０が、図３（ｃ）に示すように、均等な６方向に他の第１電極と近接又は接触する配置構造である。あるいは、第１電極１０と第２電極２０で構成される電極部３０が、図３（ｄ）、図４に示すように、中心部から均等な６方向に他の電極部と近接又は接触する配置構造である。
【００２７】
図３（ｄ）は、検出電極部５０が、円形の第１電極１０とこの第１電極１０を囲うように円環状に配置された第２電極２０で構成される電極部３０を複数備えて構成されている例である。基材７０（図示省略）上に、電極部３０において第１電極１０相互の間隔がＬで最密充填で配置され、第２電極２０相互が連結部２５で連結されて配置されている。なお、連結部２５と第２電極２０で囲われた部分１５は第１電極１０と同じ材料で形成されている。
【００２８】
図４は、検出電極部５０が、円形の第１電極１０とこの第１電極１０を囲うように円環状に配置された第２電極２０で構成される電極部３０を複数備えて構成されている例である。基材７０（図示省略）上に、電極部３０において第１電極１０相互の間隔がＬで最密充填で配置され、第２電極２０が互いに接する状態で配置されている。なお、第２電極２０と他の第２電極２０で囲われた部分１５は第１電極１０と同じ材料で形成されている。
【００２９】
ここで、図１（ｂ）に示すように、第１電極１０が円形の場合、第１電極１０の中心部ＣＰから抵抗値が矢印２００で示す全方向に同じであり、全方向の経路が信号伝達に寄与する。また、第２電極２０は、第１電極１０よりも導電性のよい材料、例えば、銀Ａｇを含む第２材料で構成されている。これにより、第１電極１０の中心部ＣＰから全方向の経路で信号伝達した後に第２電極２０を経由して信号伝達するので、全面が第１電極のベタ電極よりも、電極部３０内の信号伝達速度が速くなる。
【００３０】
また、検出電極部５０が、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１電極１０を複数備えて構成されている場合も上記と同様に、第１電極１０の中心部ＣＰから全方向の経路で信号伝達した後に第２電極２０を経由して信号伝達するので、全面が第１電極のベタ電極よりも、検出電極部５０内の信号伝達速度が速くなる。
【００３１】
また、検出電極部５０が、図３（ｄ）、図４に示すように、第１電極１０と第２電極２０で構成する電極部３０を複数備えて構成されている場合においても、第１電極１０の中心部ＣＰから全方向の経路で第２電極２０に信号伝達する。第２電極２０に信号伝達した後は、抵抗値の小さい第２電極２０、連結部２５を経由して信号伝達するので、全面が第１電極のベタ電極よりも、検出電極部５０内の信号伝達速度が速くなる。
【００３２】
これにより、検出電極部５０のタッチ位置、例えば、図１（ａ）で示す中心部ＣＰから電極部３０の信号取り出し位置３０ａまでの抵抗値Ｒが小さくなる。また、電極部３０を複数備えて構成されている場合においては、例えば、中心部ＣＰから、図５（ａ）で示す検出電極部５０の信号取り出し位置５０ａまでの抵抗値Ｒが小さくなる。
【００３３】
（検出部１００）
検出部１００は、検出電極部５０のタッチ時の静電容量値を検出する。静電容量値の検出は、例えば、タッチ時の静電容量値に対応する検出電極部５０の電圧値を検出することにより等価的に検出することができる。検出部１００は、図５に示すように、検出電極部５０の電圧値を検出するための電圧計測部１０１を備えている。また、検出部１００は、電圧計測部１０１をそれぞれ制御するためのものとして、記憶されたプログラムに従って、所定の演算、処理実行等を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)、半導体メモリであるＲＡＭ(Random Access Memory)及びＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータを備える。このＲＯＭには、例えば、検出部１００が動作するためのプログラムと、閾値ＶＴＨ、各種のパラメータ等が格納されている。また、後述する時間を計測するためのカウンタ、タイマ等の計時手段を備えている。また検出部１００は、種々の機器との入出力をするためのインターフェース部等を備えている。
【００３４】
（電圧計測部１０１）
検出電極部５０の信号取り出し位置５０ａは、出力導線部１１０に接続され、図５に示すように、電圧計測部１０１の端子１０１ａに電気的に接続されている。
【００３５】
検出電極部５０は、検出対象物である例えば、手指３００の近接または接触により、検出電極部５０と手指３００とでコンデンサを形成する。この形成されるコンデンサの対向面積と誘電率で規定される静電容量値をＣ、検出電極部５０から検出部１００（端子１０１ａ）までの抵抗値をＲとすると、時定数はＣＲとなる。電圧計測部１０１の電圧印加による検出電極部５０へのチャージ（電荷供給）、電圧測定は、時定数ＣＲにより規定される過渡特性により影響される。
【００３６】
以下、図５（ａ）、（ｂ）に基づいて、検出電極部５０への電圧印加と電圧計測、及び電圧値の過渡特性に基づいて、検出電極部５０へのタッチ操作時の電圧検出、静電容量値の検出方法を説明する。
【００３７】
（電圧計測部１０１）
電圧計測部１０１は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１１を有する。電圧計測部１０１の端子１０１ａは、検出電極部５０の出力導線部１１０に接続されると共に、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１、及び電圧測定端子ＶＳ１１に接続されている。スイッチＳＷ１１の端子ａ１２は、電源部Ｖ０に接続されている。また、スイッチＳＷ１１の端子ａ１３は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。スイッチＳＷ１１の端子ａ１１は、端子ａ１２又は端子ａ１３のいずれかの端子と接続されるように検出部１００によってスイッチ制御される。スイッチＳＷ１１は、図示しない信号により切り替え制御される、例えば、アナログスイッチである。
【００３８】
電圧測定端子ＶＳ１１は、端子１０１ａの電圧値を検出する。なお、端子１０１ａ側からみた電圧測定端子ＶＳ１１の入力インピーダンスを十分大きく設定しているので、電圧測定端子ＶＳ１１は、端子１０１ａ、検出電極部５０の出力導線部１１０に直結させている。
【００３９】
（タッチ動作による静電容量値の検出）
図６は、検出電極部５０へのタッチ時（ｔ＝ｔ０）から端子１０１ａの電圧変化を示す過渡特性を示す信号図である。
【００４０】
検出部１００は、まず、図５（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１が端子ａ１３に接続するようにスイッチ制御する。これにより、検出電極部５０は、ＧＮＤに接続され、検出電極部５０にある電荷がゼロになって初期化される。
【００４１】
次に、検出部１００は、図５（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１１の端子ａ１１が端子ａ１２に接続するようにスイッチ制御する。この状態で、電源部Ｖ０から検出電極部５０にステップ電圧を印加する。このステップ電圧は、図６に示すように、時間ｔ０において電圧がゼロから一定電圧Ｖ０に立上るステップ状の電圧である。このステップ電圧により、検出電極部５０にそれぞれ電荷が供給される。
【００４２】
図５で示す手指３００で検出電極部５０にタッチ操作した場合、手指３００と検出電極部５０で形成されるコンデンサに、図６に示すように、電荷がチャージされる。閾値ＶＴＨまで電圧が上昇するまでの時間ｔ１を計測することにより、検出電極部５０へのタッチ操作を検出することができる。予め、所与の時定数ＣＲに対応する電荷量（静電容量値）と時間ｔの対応テーブルを検出部１００内のＲＯＭに記憶しておき、電圧値がＶＴＨとなる時間ｔ１を計測することにより、タッチ操作の有無を検出することができる。また、検出された電圧値から、対応テーブルを参照することにより、静電容量値（電荷量）を算出することもできる。
【００４３】
また、図６に示すように、比較例としての炭素を含む材料でベタ電極として形成された電極の場合は、時定数ＣＲが大きいため、電圧値がＶＴＨとなるまでの時間ｔ２が大きくなり、応答速度が遅い。これに対して、本実施の形態では、前述したように、抵抗値Ｒがベタ電極よりも小さく、また、タッチ操作時に形成されるコンデンサの対向面積が略一定であるとすると、タッチ操作を検出する応答性は、時定数ＣＲに反比例する。すなわち、抵抗値Ｒが小さいほど応答速度が速くなり、本実施の形態で示すように、応答性に優れたタッチセンサを構成することができる。
【００４４】
（第１材料、第２材料の占有率）
図７に示すように、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の場合についての第１材料の占有率の計算式は、表のようになる。ここで、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すＳ、Ｌ、Ｗをそれぞれ、Ｓ＝５、Ｌ＝５、Ｗ＝１  ｍｍとして計算した。なお、図３（ａ）〜図３（ｄ）において、破線で示す領域、５１、５２、５３、５４は、第１材料の占有率を算出する領域の一例を示すものである。
【００４５】
第１電極１０が円形の場合において、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）となるにしたがって、第１材料の占有率は上昇する。逆に、図８に示すように、第２材料の占有率は減少する。この結果から、図３（ｃ）、（ｄ）で示すように、第１電極１０、あるいは、電極部３０を最密充填により配置する構成により、第１材料の占有率を上昇させ、第２材料の占有率を減少させることができる。したがって、最密充填により配置する構成が、高価な第２材料の使用量を低減させ、かつ、応答速度が速いという効果を有することがわかる。
【００４６】
（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、以下のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る静電検出装置１は、炭素Ｃを含む第１材料で構成された第１電極１０と、第１電極１０よりも導電性の良い第２材料で構成され、第１電極１０の周囲を囲うように配置された第２電極２０とを有して構成される検出電極部５０と、検出電極部５０と検出対象物との間の静電容量値を検出する検出部１００と、を備えて構成されている。第１電極１０を炭素Ｃを含む材料、第２電極２０を第１電極１０よりも導電性の良い、例えば、銀Ａｇを含む第２材料で構成するので、炭素Ｃを含む第１材料でのみ電極を構成するよりも応答速度が速くなる。
（２）また、第１電極１０と第２電極２０を使用することにより、銀Ａｇを含む第２材料でのみ電極を構成するよりも、高価な第２材料の使用量を低減することができる。これにより、高価な第２材料のみで電極を構成する場合に比較して、応答速度の低下を抑制し、かつ、高価な第２材料の使用量を低減することができるという効果を有する。
（３）特に、第１電極１０、あるいは、電極部３０を最密充填により配置する構成が、高価な第２材料の使用量を低減させ、かつ、応答速度が速いという効果を有する。
（４）また、第１電極１０を円形状にすることで、エッジ部を無くし、良好な印刷性を確保できる。また、電極部３０、検出電極部５０の伸縮時に、エッジへの応力集中を回避できるという効果も有する。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態およびその変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態およびその変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１…静電検出装置、１０…第１検出電極、１５…部分、２０…第２電極、２５…連結部、３０…電極部、３０ａ…信号取り出し位置、５０…検出電極部、５０ａ…信号取り出し位置、７０…基材、１００…検出部、１０１…電圧計測部、１０１ａ…端子、１１０…出力導線部、２００…矢印、３００…手指、ＣＰ…中心部、ＣＲ…時定数、Ｒ…抵抗値、Ｖ０…電源部、一定電圧、ＶＴＨ…閾値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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