(57)【要約】【課題】長期にわたって面圧分布の正確で安定した検出が可能であり、かつ、簡単な構成でローコストに製造が可能な面圧分布センサを提供する。【解決手段】面圧分布センサ１０は、スペーサ１８を介して一定間隔の隙間を開けて対向配置された行配線部１１と列配線部１２とを備えている。行配線部１１は、ガラス基板１３と、このガラス基板１３上を第１方向に多数平行に配列された行配線１４と、この行配線１４を覆う絶縁膜１５とからなる。列配線部１２は、可撓性フィルム１６と、この可撓性フィルム１６上を第２方向に多数平行に配列された列配線１７とからなる。【選択図】        図２
2004317403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線と、前記行配線および前記列配線が表面にそれぞれ形成された基板とを有する面圧分布センサであって、
前記基板の少なくとも一方は可撓性フィルム基板からなり、前記行配線および前記列配線の交差部の静電容量の変化に基づいて面圧の分布を検出することを特徴とする面圧分布センサ。
【請求項２】
前記可撓性フィルム基板は前記第１方向と第２方向とで熱収縮率の異なる樹脂からなり、前記行配線または前記列配線から生じる膜応力が引っ張り応力を成す場合、熱収縮率の大きい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成され、前記膜応力が圧縮応力を成す場合、熱収縮率の小さい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面圧分布センサ。
【請求項３】
前記行配線および前記列配線は、互いに独立した第１と第２の基板にそれぞれ形成され、前記第１と第２の基板を重ねることにより、前記行配線および前記列配線が交差することを特徴とする請求項１または２に記載の面圧分布センサ。
【請求項４】
前記基板は単一の可撓性フィルム基板からなり、前記可撓性フィルム基板上に前記行配線および前記列配線が形成され、前記可撓性フィルム基板を所定位置で屈折することによって前記行配線および前記列配線が交差することを特徴とする請求項１に記載の面圧分布センサ。
【請求項５】
前記行配線および前記列配線のうち、少なくともいずれか一方は絶縁膜で覆われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面圧分布センサ。
【請求項６】
前記可撓性フィルム基板は前記第１方向と第２方向とで熱収縮率の異なる樹脂からなり、前記行配線または前記列配線と前記絶縁膜から生じる膜応力が引っ張り応力を成す場合、熱収縮率の大きい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成され、前記膜応力が圧縮応力を成す場合、熱収縮率の小さい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の面圧分布センサ。
【請求項７】
前記行配線および前記列配線は前記可撓性フィルム基板上で同一方向に延びるように形成され、前記可撓性フィルム基板を屈曲させて前記前記行配線および前記列配線を互いに交差させることを特徴とする請求項４に記載の面圧分布センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の微細な凹凸などを測定する面圧分布センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
検出面に押し付けられた被測定物の表面の微細な凹凸を押圧力の分布として検出する面圧分布センサは、粗面の表面形状をデータ化するセンサとして知られている（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−５８２３４号公報
【０００４】
こうした面圧分布センサは、例えば図１１に示すように、半導体スイッチング素子１０１をマトリクス状に配置し、この半導体スイッチング素子１０１の一方の端子側に繋がる電極１０２が形成されている。半導体基板の対向面側には導電膜を有する可撓性フィルムを電極側に対して一定の間隔を開けて電極と向き合うように配置している。この導電膜には一定の電圧が印加されており、可撓性フィルムに例えば表面に微細な凹凸を備えた被測定物が押し付けられると、この可撓性フィルムは被測定物の凹凸に倣って撓む。こうして撓んだ部分の導電膜と半導体基板の電極とが接触することによって、その部分の半導体スイッチング素子のマトリクスを順次起動して読み取るようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の面圧分布センサは半導体基板を使用しているが、こういった半導体基板は一般的に高価である。特に、面圧分布センサを指紋検出センサとして用いた場合、指を十分に押し付ける広い表面積が必要になり、こうした広い表面積の半導体基板を用いる限りローコストに製造することは難しい。また、表面の微細な凹凸を検出するために、半導体スイッチング素子の露呈部と導電膜とは長期にわたって小さな押圧力でも安定して接触が保たれるようにしなければならないが、従来の面圧分布センサでは、半導体スイッチング素子の露呈部と導電膜との接触部分の長期にわたる清浄性を保つことも困難であった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、長期にわたって面圧分布の正確で安定した検出が可能であり、かつ、簡単な構成でローコストに製造が可能な面圧分布センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線と、前記行配線および前記列配線が表面にそれぞれ形成された基板とを有する面圧分布センサであって、前記基板の少なくとも一方は可撓性フィルム基板からなり、前記行配線および前記列配線の交差部の静電容量の変化に基づいて面圧の分布を検出することを特徴とする面圧分布センサが提供される。
【０００８】
このような面圧分布センサによれば、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。これは、行配線と列配線との交差部における凹凸形状に応じた離間距離の変化に起因する静電容量の変化を検出していることによる。そして、簡単な構成でローコストに面圧分布センサを製造することが可能になる。
【０００９】
前記可撓性フィルム基板は前記第１方向と第２方向とで熱収縮率の異なる樹脂からなり、前記行配線または前記列配線から生じる膜応力が引っ張り応力を成す場合、熱収縮率の大きい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成され、前記膜応力が圧縮応力を成す場合、熱収縮率の小さい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成されていればよい。
【００１０】
また、前記行配線および前記列配線は、互いに独立した第１と第２の基板にそれぞれ形成され、前記第１と第２の基板を重ねることにより、前記行配線および前記列配線が交差するようにすればよい。この際、行配線と列配線とが交差部で静電容量を形成するように離間して対向配置されていることは言うまでもない。また、前記基板は単一の可撓性フィルム基板からなり、前記可撓性フィルム基板上に前記行配線および前記列配線が形成され、前記可撓性フィルム基板を所定位置で屈折することによって前記行配線および前記列配線が交差するようにしてもよい。これによって、更に、簡単な構成でローコストに面圧分布センサを製造することが可能になる。また、前記行配線および前記列配線のうち、少なくともいずれか一方は絶縁膜で覆われていれば、行配線と列配線とが交差部で確実に静電容量を形成することが可能となり好適である。
【００１１】
前記可撓性フィルム基板は前記第１方向と第２方向とで熱収縮率の異なる樹脂からなり、前記行配線または前記列配線と前記絶縁膜から生じる膜応力が引っ張り応力を成す場合、熱収縮率の大きい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成され、前記膜応力が圧縮応力を成す場合、熱収縮率の小さい方向に延びるように前記行配線および前記列配線が形成されていればよい。これにより、可撓性フィルム基板の応力によって前記行配線および前記列配線が断線することを防止できる。
【００１２】
前記行配線および前記列配線は前記可撓性フィルム基板上で同一方向に延びるように形成され、前記可撓性フィルム基板を屈曲させて前記行配線および前記列配線を互いに交差させてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の代表的な実施形態を説明する。図１は、本発明の面圧分布センサの等価回路を示す説明図であり、図２は本発明の面圧分布センサの要部拡大断面図である。面圧分布センサ１０は、スペーサ１８を介して一定間隔の隙間を開けて対向配置された行配線部１１と列配線部１２とを備えている。
【００１４】
行配線部１１は、ガラス基板１３と、このガラス基板１３上を第１方向Ｘに多数平行に配列された行配線１４と、この行配線１４を覆う絶縁膜１５とからなる。行配線１４は、例えば０．１μｍ厚のＡｌ膜から構成され、ガラス基板１３上に例えば５０μｍピッチで２００本形成されれば良い。絶縁膜１５は、例えばＳｉ３  Ｎ４  を積層させたものであればよい。それぞれの行配線１４は、静電容量を検出する容量検出回路２２に接続されている。
【００１５】
列配線部１２は、可撓性フィルム（可撓性フィルム基板）１６と、この可撓性フィルム１６上を第２方向Ｙに多数平行に配列された列配線１７とからなる。可撓性フィルム１６は、表面に数μｍ程度の凹凸面が押し付けられた際に、この凹凸形状に倣って撓む程度の柔軟性があればよく、例えば、厚みが１〜３０μｍ程度のポリエステルフィルムが好適に用いられる。列配線１７は、例えば０．１μｍ厚のＡｌ膜から構成され、可撓性フィルム１６上に例えば５０μｍピッチで２００本形成されれば良い。それぞれの列配線１７は、列選択回路２３に接続されている。こうした列選択回路２３は、静電容量の測定時に選択された列配線１７以外を全てグランド側に接続する。
【００１６】
スペーサ１８は、こうした行配線部１１と列配線部１２の周縁を巡るように形成され、対向する行配線部１１と列配線部１２との隙間の空気を密封して空気層１９を形成する。こうした空気層１９は、可撓性フィルム１６の表面に微細な凹凸面が押し付けられた際に、密閉された空気によって可撓性フィルム１６を凹凸面に倣って撓ませる役割を果たす。なお、行配線部１１と列配線部１２との隙間の空気層は密閉されなくても良く、列配線１７が絶縁膜１５に密着するまで押し付けられることによって、凹凸の間に空気が密閉されることになり、空気層を密閉した場合と同等の役割を果たす。
【００１７】
本発明の面圧分布センサ１０は、上述したような構成によって、図１に示す等価回路に示すように、行配線１４と列配線１７とが交差している交差部２１の離間距離の変化に応じた静電容量の変化を容量検出回路２２で検出することができる。こうして、可撓性フィルム１６の表面に微細な凹凸面が押し付けられた際に発生する、多数の交差部２１の静電容量の変化を検出することによって、被測定物の凹凸面の形状を信号データとして出力することが可能になる。
【００１８】
容量検出回路２２は、例えば、図３に示すような回路が用いられ、測定時には列選択回路２３で選択されている列配線１７以外は全てグランド側に接続されるとともに、同一の行配線１４上の測定対象外の静電容量は全て寄生容量として測定系に並列に入力されるが、寄生容量の反対側の電極がグランド側に接続されていることにより、キャンセルすることが可能になっている。こうした構成によって、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。
【００１９】
なお、本実施形態では、可撓性フィルム１６に列配線１７を形成しているが、可撓性フィルム１６に行配線１４を形成しても良い。しかし、静電気の影響を受けにくいという関係から低出力インピーダンスである列選択回路２３と接続している列配線１７を可撓性フィルム１６側に形成するほうがより好ましい。
【００２０】
このような面圧分布センサ１０は用途を限定するものではないが、例えば、図４に示すように指紋センサーとしても用いることができる。可撓性フィルム１６の表面に指紋などの微細な凹凸２５が押し付けられた際に発生する行配線１４と列配線１７との交差部２１での離間距離の変化に応じた静電容量の変化を検出することによって、指紋などの微細な凹凸２５の形状を正確に検出して信号データとして出力することが可能になる。
【００２１】
面圧分布センサ１０を例えば指紋センサーに適用した例として、図５に示すように、例えば携帯電話２６の持ち主認証システムなどに適用することができる。近年は携帯電話２６などで決済などを行うことが考えられているが、携帯電話２６に面圧分布センサ１０を形成することによって、面圧分布センサ１０に押し付けられた指紋を正確に検出して、予め登録された指紋データと照合することで持ち主を正しく認証することができる。
【００２２】
図６は、本発明の第２実施形態の面圧分布センサを示す拡大断面図である。この第２実施形態の面圧分布センサ３０では、列配線３１と行配線３２を１枚の可撓性フィルム３３に形成している。即ち、図７ａに示すように、１枚の可撓性フィルム３３に、互いに直行する方向に延びる多数の列配線３１と行配線３２とを隣接して形成し、更にこの列配線３１と行配線３２とを覆うように絶縁膜３４を形成する。そして、この列配線３１と行配線３２との境界付近の折り曲げ線Ｌに沿って矢印Ｐ方向に屈曲させ、列配線３１と行配線３２とが絶縁膜３４を介して対面するように形成すれば良い（図７ｂ参照）。
【００２３】
なお、図６に示すように、１枚の可撓性フィルム３３を屈曲させた後、絶縁膜３４を介して対面する列配線３１と行配線３２との間に一定の間隔を保つスペーサ３５を形成するのが好ましい。また、可撓性フィルム３３の行配線３２側は、補強板３６、例えばＳＵＳ板に接着されればよい。
【００２４】
更に、可撓性フィルム３３の列配線３１側にも周縁を巡らすように矩形の補強版３７が形成されても良い。こうした補強版３７は、面圧分布センサ３０を例えば指紋センサに用いる場合には、検出対称の指を面圧分布センサ３０に誘導する区切り壁としての役割も果たすことができる。また、補強板３６、３７の板厚を調整することによって屈曲性を持たせ、面圧分布センサ３０を湾曲面に密着して設けることも可能になる。
【００２５】
行配線と列配線とを１枚の可撓性フィルムに形成する場合、例えば、図８ａに示すように、列配線４１と行配線４２とを１枚の可撓性フィルム４０上で同じ方向に延びるように形成しても良い。列配線４１と行配線４２とを同じ方向に延びるように形成した可撓性フィルム４０を、まず、斜めの折り曲げ線Ａに沿って行配線４２部分を左上方向Ｇ１に向けて折り曲げる。
【００２６】
次に、折り曲げ線Ｂに沿って行配線４２部分を右方向Ｇ２に向けて折り返して、行配線４２を横方向に延びるようにする。そして、折り曲げ線Ｃに沿って列配線４１部分を下方向Ｇ３に向けて折り曲げて、行配線４２に列配線４１が直交するように重ねる。これによって、図８ｂに示すように、列配線４１と行配線４２とを直交させることができる。
【００２７】
このように、列配線４１と行配線４２とを１枚の可撓性フィルム４０上で同じ方向に延びるように形成すれば、センシング部分に配線を巡らす必要がなくなり、端子部分まで引き回すことができ、可撓性フィルム４０の余分な余白を最小限にすることができる。
【００２８】
面圧分布センサを表示装置と一体に形成することもできる。図９に示すように、透明な可撓性フィルム５０上にＩＴＯなどの透明導電材で列配線５２を形成する。また、例えば透明ポリエステル板などから構成した透明基板５５上にＩＴＯなどの透明導電材で行配線５１を形成し、こうした透明な行配線５１と列配線５２を透明な絶縁膜５３で覆う。そして、透明基板５５の下部に液晶ディスプレイ５６などを形成すれば、ポインティング機能を備えた表示装置５７を実現することができる。こうした表示装置５７を、例えば携帯電話の表示部に適用すれば、ポインティング機能を備えた携帯電話を省スペースで実現することができる。
【００２９】
本発明の面圧分布センサは、例えば印鑑の陰影を取り込むためのセンサとして用いることもできる。図１０に示すように、印鑑６２に形成された陰影６２ａの凹凸を面圧分布センサ６１に押し付け、パソコン６３等でこの陰影６２ａのデータを取り込むことによって、各種認証や実印の登録等に利用することができる。
【００３０】
なお、上述した各実施形態における可撓性フィルムに、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）を用いても良い。こうした可撓性フィルムは製造時の延伸工程によって、面方向により熱収縮率が異なる。一方、可撓性フィルム上に形成したＡｌ薄膜などは製造条件により引っ張り応力、または圧縮応力を生じるが、これらの応力は断線を誘発する原因になる。面方向により熱収縮率が異なることを利用し、可撓性フィルム上に形成したＡｌ薄膜などを形成後、熱処理を施すことで、引っ張り応力の場合、可撓性フィルムの熱収縮が大きい方向に配線を延ばすことにより、配線の断線を軽減することができる。また、可撓性フィルム上に形成したＡｌ薄膜などが圧縮応力の場合、可撓性フィルムの熱収縮が小さい方向に配線を延ばすことにより、配線の断線を軽減することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の面圧分布センサでは、複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と直交する第２方向に延びる列配線と、前記行配線および前記列配線が表面にそれぞれ形成された基板とを有する面圧分布センサであって、前記基板の少なくとも一方は可撓性フィルム基板からなり、前記行配線および前記列配線の交差部の静電容量の変化に基づいて面圧の分布を検出することにより、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。そして、簡単な構成でローコストに面圧分布センサを製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の面圧分布センサの等価回路を示す説明図である。
【図２】図２は、本発明の面圧分布センサの要部拡大断面図である。
【図３】図３は、容量検出回路の一例を示す等価回路図である。
【図４】図４は、本発明の面圧分布センサの凹凸検出時の様子を示す説明図である。
【図５】図５は、本発明の面圧分布センサを備えた携帯電話を示す外観斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態を示す拡大断面図である。
【図７】図７は、図６の可撓性フィルム基板を示す説明図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態を示す説明図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態を示す説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５実施形態を示す説明図である。
【図１１】図１１は、従来の面圧分布センサを示す等価回路図である。
【符号の説明】
１０  面圧分布センサ
１４  行配線
１５  絶縁膜
１６  可撓性フィルム（可撓性フィルム基板）
１７  列配線
【図１】
2004317403.tif 000003
【図２】
2004317403.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004317403.tif 000006
【図５】
2004317403.tif 000007
【図６】
2004317403.tif 000008
【図７】
2004317403.tif 000009
【図８】
2004317403.tif 000010
【図９】
2004317403.tif 000011
【図１０】
2004317403.tif 000012
【図１１】
2004317403.tif 000013