ЕМКОСТНЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЕМКОСТНОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ
CAPACITANCE SENSOR ELEMENT, METHOD OF ITS MANUFACTURING AND CAPACITANCE DEVICE OF CONTACT DETECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к емкостному сенсорному элементу, который является гибким или имеет пространственную форму, к способу его изготовления и емкостному устройству обнаружения прикосновения, содержащему емкостной сенсорный элемент.
Уровень техники
Сенсорные панели используются в различных областях в качестве устройств ввода для электронного оборудования. Сенсорная панель состоит из сенсорного элемента, который содержит поверхность касания, к которой приближается или которой касается контактирующий объект, такой как часть человеческого тела, например, палец, или кончик ручки, схемы управления, которая генерирует электрический сигнал, соответствующий позиции прикосновения на поверхности касания, при этом указанная позиция определяется приближением или прикосновением, и подобных элементов. Во многих случаях сенсорная панель выполнена таким образом, чтобы сенсорный элемент был расположен перед устройством отображения изображения, и пользователь определяет позицию касания на основе визуального изображения, прошедшего через поверхность касания. В этом случае сенсорный элемент должен быть светопропускающим, так чтобы через него проходило визуальное изображение от устройства отображения изображений.
Были разработаны различные системы, применяемые в качестве сенсорных панелей. Одной из них является емкостная сенсорная панель, которая состоит из сенсорного элемента, содержащего электрод обнаружения, который обнаруживает приближение контактирующего объекта, такого как часть человеческого тела, например палец, к поверхности касания или контакт контактирующего объекта с поверхностью касания, схемы обнаружения, которая обнаруживает изменение емкости между контактирующим объектом и электродом обнаружения, вызванное указанным приближением или контактом, и генерирует электрический сигнал, соответствующий позиции касания, и подобных элементов. Как описано выше, в случае, когда сенсорный элемент расположен перед устройством воспроизведения изображений, электрод обнаружения должен пропускать свет.
Емкостная сенсорная панель обладает отличными свойствами: с точки зрения уменьшения веса и улучшения пропускания света (благодаря простой структуре сенсорного элемента), высокой долговечностью (благодаря отсутствию движущихся частей), способностью ввода нескольких точек и подобными свойствами. Поэтому считается, что в дальнейшем емкостная сенсорная панель получит более широкое распространение.
Используемые в настоящее время сенсорные панели по существу являются плоскими панелями с плоской поверхностью касания. Тем не менее, в устройстве воспроизведения трехмерных изображений, электронном оборудовании автомобиля, игровом оборудовании или в подобных устройствах для улучшения эксплуатационных характеристик оборудования требуются сенсорные панели с изогнутой поверхностью касания (далее называются изогнутыми сенсорными панелями). В этой связи в патентном документе 1, описанном ниже, предложено устройство воспроизведения, содержащее емкостную сенсорную панель с изогнутой поверхностью касания и блоком проецирования изображений, который проецирует изображение на заднюю поверхностью сенсорной панели.
На фиг.11(а) показан вид в изометрии, иллюстрирующий структуру устройства 100 воспроизведения, снабженного сенсорной панелью, описанной в патентном документе 1. Устройство 100 воспроизведения содержит светоизлучающий диод 101 (СИД), жидкокристаллическую панель 102 и изогнутую сенсорную панель 103. Жидкокристаллическая панель 102 является пропускающей жидкокристаллической панелью и свет, излученный из СИД 101, проходит через жидкокристаллическую панель 102 и достигает изогнутой сенсорной панели 103. СИД 101 и жидкокристаллическая панель 102 выполнены в виде блока проецирования изображений, который проецирует изображение на заднюю поверхность изогнутой сенсорной панели 103, исходя из видеосигнала, подаваемого от схемы формирователя (не показана). На задней поверхности изогнутой сенсорной панели 103 расположен слой рассеивания света и свет, который достиг слоя рассеивания света, рассеивается таким образом, что на задней поверхности изогнутой сенсорной панели 103 формируется изображение.
На фиг.11(b) показан поперечный разрез, иллюстрирующий структуру емкостного сенсорного элемента 110 изогнутой сенсорной панели 103 (ясно, что не показан слой рассеивания света, расположенный на задней поверхности). Сенсорный элемент 110 выполнен путем наслаивания на изогнутую подложку 111, которая имеет изогнутую форму, прозрачной проводящей пленки 112 и защитной пленки 113 в заданном порядке. Изогнутая подложка 111 является, например, стеклянной подложкой или прозрачной пластиковой подложкой, толщина которой составляет примерно от 1 до 2 мм. Прозрачная проводящая пленка 112 выполнена, например, из оксида индия и олова (ОИО) и сформирована на изогнутой подложке 111 с помощью напыления или подобного способа. Защитная пленка 113 выполнена, например, из изолирующего материала, такого как оксид кремния, нитрид кремния или прозрачного пластика, и сформирована на прозрачной проводящей пленке 112 с помощью напыления, способа ХПО (химического осаждения из паровой фазы), способа нанесения покрытий или подобного способа. В сенсорном элементе 110 поверхность защитной пленки 113, наслоенная на прозрачную проводящую пленку 112, используется в качестве поверхности 114 касания. Слой рассеивания света (не показан) расположен на поверхности 115 (задняя поверхность) изогнутой подложки 111, при этом поверхность 115 находится на противоположной стороне относительно поверхности 114 касания.
Изогнутая сенсорная панель 103 состоит из емкостной сенсорной панели и прозрачной проводящей пленки 112, функционирующей в качестве электрода обнаружения. Хотя это не показано на фиг., прозрачная проводящая пленка 112 соединена со схемой обнаружения с помощью нескольких выводных проводов. Когда контактирующий объект, такой как палец, приближается к поверхности 114 касания сенсорного элемента 110 или контактирует с указанной поверхностью, ток, текущий в выводных проводах, изменяется из-за емкости, создаваемой между контактирующим объектом и прозрачной проводящей пленкой 112. Исходя из этого тока, схема обнаружения вычисляет двухмерную позицию касания на поверхности 114 касания и подает на выход электрический сигнал, соответствующий позиции касания. Для точного вычисления двухмерной позиции касания нужно, чтобы на внешней части прозрачной проводящей пленки 112 были расположены три или больше выводных провода.
В патентном документе 1 описано, что помимо емкостной системы сенсорная панель может соответствовать резистивной системе, системе электромагнитной индукции, оптической системе, ультразвуковой системе и подобным системам, но системы, отличные от емкостной системы, не подходят для изогнутой сенсорной панели. Приводятся следующие причины.
В резистивной системе необходимо иметь две подложки, на которых сформированы резистивные пленки и которые расположены с небольшим зазором друг относительно друга. В случае, когда форма подложки представляет собой сферическую поверхность или произвольную изогнутую поверхность, чрезвычайно трудно с высокой точностью удерживать зазор между двумя подложками равным нужному значению. В системе электромагнитной индукции на задней поверхности элемента воспроизведения нужно расположить непрозрачную сенсорную подложку. Когда сенсорная подложка расположена в описанной выше позиции, чувствительность сенсора снижается. Кроме того, на основе степени приближения ручки трудно определить было ли касание. В оптической системе принципиально невозможно определить касание вдоль изогнутой поверхности, что объясняется тем, что свет распространяется по прямой линии. В ультразвуковой системе с точки зрения изготовления трудно сформировать маленький ультразвуковой преобразователь (передающий/приемный элемент) на изогнутой поверхности. В отличие от этих четырех систем в емкостной системе, даже в случае изогнутой формы подложки 111, возникает меньшее количество проблем с изготовлением.
Далее в описанном ниже патентном документе 2 предложена резистивная сенсорная панель, отличающаяся тем, что поверхность касания имеет изогнутую форму. Сенсорная панель состоит из верхней пленочной подложки и нижней пленочной подложки, при этом каждая пленочная подложка выполнена из прозрачной пластиковой пленки, на которой сформированы прозрачная полимерная проводящая пленка, электрод и шаблон проводов.
Далее в описанном ниже патентном документе 3 предложена органическая проводящая полимерная композиция, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, производный полимер политиофенов, растворимое в воде органическое соединение (за исключением органического соединения, содержащего азот) и добавку, прозрачный проводник, выполненный с использованием указанной композиции, и устройство ввода, содержащее прозрачный проводник. Описано, что устройство ввода может являться устройством ввода с резистивной сенсорной панелью, в котором прозрачный проводник имеет изогнутую форму.
Теперь в качестве светопропускающего проводящего материала, содержащегося в сенсорной панели, помимо прозрачного проводящего материала на основе оксида, такого как ОИО или описанного выше проводящего полимера предложено использовать углеродную нанотрубку. Например, в описанном ниже патентном документе 4 предложен способ изготовления проводящей пленки, в которой углеродные нанотрубки распределены или встроены в виде слоев только в поверхностной части пластиковой пленки, что делается путем роста углеродных нанотрубок на поверхности подложки, осаждения, распределения или литья дисперсионной жидкости с углеродными нанотрубками, формирования на подложке пластиковой пленки и последующего отделения сформированной пластиковой пленки и также предложена гибкая резистивная сенсорная панель, в которой использована проводящая пленка.
Далее в описанном ниже патентном документе 5 предложена прозрачная проводящая пленка, причем 50% или более площади, по меньшей мере, одной поверхности прозрачного материала основы покрыто углеродными нанотрубками, что сделано путем нанесения дисперсионной жидкости с углеродными нанотрубками, с помощью способа нанесения покрытий, такого как нанесение с помощью валков, при этом указанная пленка удовлетворяет следующему условию прозрачности по отношению к свету с длиной волны, равной 550 нанометров:
Светопропускание прозрачной проводящей пленки/светопропускание прозрачного материала основы >0,85.
Приведено описание того, как указанная пленка может быть использована в качестве прозрачной проводящей пленки для сенсорной панели или подобного устройства.
С другой стороны, в отличие от сенсорной панели, в описанном ниже патентном документе 6 показан пример емкостного датчика прикосновения, который обнаруживает приближение или контакт контактирующего объекта, такого как тело человека. На фиг.12(а) показан вид в изометрии, иллюстрирующий пример расположения датчика 200 прикосновения, описанного в патентном документе 6, а на фиг.12(b) показан разрез 12b-12b соответствующего вида (а).
Как показано на фиг.12(а), датчик 200 прикосновения расположен, например, в электронном оборудовании, таком как игрушка 210 в виде куклы, в передней части головы и доходит до задней части верха головы. Как показано на фиг.12(b) датчик 200 прикосновения состоит из материала 201 основы, электродов 202 обнаружения, сформированных в электродной части 201 а материала основы, проводов (не показаны), сформированных в расширенной части 201b материала основы, и схемы 203 обнаружения.
Материал 201 основы представляет собой изолирующий лист или подобный элемент, который выполнен из гибкого пластикового материала. Материал 201 основы состоит из электродной части 201 а материала основы, которая имеет заранее заданные размеры, и расширенной части 201b материала основы, расположенной от конечной части электродной части 210а до схемы 203 обнаружения, и на поверхностях материала основы расположены электроды 202 и провода. Электроды 202 обнаружения и провода сформированы, например, из проводящего материала, такого как медь, и сформированы, например, с помощью известного способа, такого как способ осаждения из паровой фазы или способа осаждения. В качестве альтернативы для формирования может быть использован известный способ напыления проводящего покрытия, такого как серебряная масса. Схема 203 обнаружения представляет собой средство обработки сигналов, предназначенное для обнаружения изменения емкости между контактирующим объектом и электродом 202 обнаружения.
Датчик 200 прикосновения прикреплен к внутренней изогнутой поверхности оболочки 211, образующей внешнюю форму игрушки 210 в виде куклы. Предпочтительно, чтобы оболочка 211 была выполнена из материала, который не является металлом и который обладает большой диэлектрической проницаемостью, например, из синтетического полимера. Описано, что помимо игрушки 210 в виде куклы электронное оборудование, содержащее датчик 200 прикосновения, может являться, например, ПЦП (персональным цифровым помощником), сотовым телефоном или видеокамерой.
Заметим, что в патентном документе 2 описано, что электрод 202 не виден снаружи и, следовательно, когда вогнутая часть 212 расположена в месте оболочки 211, которое находится на противоположной стороне относительно электрода 202, при этом вогнутая часть 212 предназначена для уточнения позиции электрода 202, может быть легко предотвращен нежелательный контакт тела пользователя или другого контактирующего объекта и может быть уменьшена вероятность неправильной работы, что является достоинством изобретения.
Патентный документ 1: открытая заявка на японский патент №2007-279819 (страницы 4 и 5, фиг.1 и 3).
Патентный документ 2: открытая заявка на японский патент №2008-47026 (страницы 4 и 5, фиг.1 и 2).
Патентный документ 3: WO 2004/106404 (страницы 6-11, фиг.1)
Патентный документ 4: WO 2006/030981 (пункты 1, 2, 22 и 23 формулы изобретения, страницы 6-9 и 11, фиг.14).
Патентный документ 5: открытая заявка на японский патент №2008-177143 (пункты 7 и 9-14 формулы изобретения, страницы 9, 11-13, 15 и 16, фиг.1).
Патентный документ 6: открытая заявка на японский патент №2005-339856 (страницы 4-6 и 8, фиг.1 и 5).
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая в изобретении
Как описано выше, при рассмотрении случая, когда сенсорный элемент расположен перед устройством воспроизведения изображений, желательно, чтобы электрод обнаружения, из которого состоит емкостная сенсорная панель, пропускал свет.
В настоящее время широко используемым прозрачным проводящим материалом является оксид индия и олова (ОИО), оксид олова, легированный фтором (ООЛФ) или подобные вещества. Эти прозрачные проводящие материалы на основе оксида, в общем, сформированы на пропускающем свет основании, выполненном из стекла, полиэтилентерефталата (ПЭТ) или подобных веществ, с помощью способа физического осаждения из паровой фазы (ФОПФ), такого как способ вакуумного осаждения из паровой фазы или способ распыления. При ФОПФ осаждение на гладкую поверхность осуществить легко, но чрезвычайно тяжело добиться равномерного нанесения на пространственный объект, такой как изогнутая поверхность. В последнее время стало возможным формировать прозрачный проводящий материал на изогнутой подложке с помощью способа плазменного осаждения из паровой фазы (смотри документ WO 2006/033268). Этот способ требует громоздкого устройства, предназначенного для создания плазмы и управления условиями. Далее прозрачный проводящий материал на основе оксида, такой как ОИО или ООЛФ, является хрупким и при приложении напряжения формируются микротрещины и резко снижается проводимость (см. выложенная заявка на японский патент №2008-36902). Следовательно, после осаждения не может быть осуществлена обработка, направленная на придание формы, например, изгибание.
В патентных документах 2 и 3 в качестве прозрачного проводящего материала используют проводящий полимер. Проводящий полимер обладает отличной пригодностью к формованию, но не соответствует ОИО или подобным веществам с точки зрения проводимости и прозрачности и, следовательно, не может получиться заранее заданной проводимости, что может вызвать неправильную работу сенсорной панели. Далее проводящий полимер также обладает низким качеством с точки зрения прочности и имеет проблемы с эксплуатационными характеристиками в среде с высокой температурой, в частности в автомобиле. Кроме того, сенсорные панели, описанные в патентных документах 2 и 3, являются резистивными сенсорными панелями. Как описано выше, в резистивной сенсорной панели необходимо располагать два материала основы, на которых сформированы резистивные пленки, с небольшим зазором друг относительно друга. В случае, когда материал основы представляет собой сферическую поверхность или произвольную изогнутую поверхность, чрезвычайно трудно с высокой точностью поддерживать зазор между двумя материалами основы равным нужному значению.
В документах 4 и 5 в качестве прозрачного проводящего материала используют углеродную нанотрубку. Тем не менее, аналогично патентным документам 2 и 3 сенсорные панели, описанные в патентных документах 4 и 5, являются резистивными сенсорными панелями и в случае, когда материал основы представляет собой сферическую поверхность или произвольную изогнутую поверхность, чрезвычайно трудно с высокой точностью поддерживать зазор между двумя материалами основы равным нужному значению.
По описанным выше причинам используемые в настоящее время на практике сенсорные панели по существу являются исключительно плоскими панелями с плоской поверхностью касания.
С другой стороны, в датчике прикосновения, предложенном в патентном документе 6, электрод 202 обнаружения расположен на внутренней стенке оболочки 211. Соответственно, электрод 202 обнаружения не обязательно должен пропускать свет, но он должен быть гибким. Кроме того, если электрод обнаружения является прозрачным, то он может быть расположен на внешней стенке оболочки 211, не ухудшая внешний вид. В этом случае, по сравнению со случаем расположения внутри оболочки 211, электрод обнаружения гораздо легче расположить. Далее, для многих изделий, в которые трудно встроить электрод 202 обнаружения, электрод обнаружения также может быть предусмотрен с целью выполнения функции датчика прикосновения.
С точки зрения описанных выше обстоятельств, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить емкостной сенсорный элемент гибкой или пространственной формы, содержащий светопропускающий электрод обнаружения, способ изготовления указанного элемента и емкостное устройство обнаружения прикосновения, содержащее емкостной сенсорный элемент.
Средство решения задачи
Другими словами, настоящее изобретение касается первого емкостного сенсорного элемента, содержащего:
похожее на пленку или пластину основание, которое сформировано из изолирующего материала и которое обладает гибкой или пространственной формой;
электрод обнаружения, который расположен, по меньшей мере, на части одной поверхности основания и который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру; и
выводной провод, который ведет от электрода обнаружения, при этом
поверхность основания, которая находится на противоположной стороне относительно поверхности, на которой расположен электрод обнаружения, используют в качестве поверхности касания, и приближение контактирующего объекта к поверхности касания или контакт поверхности касания с контактирующим объектом обнаруживают как изменение емкости между контактирующим объектом и электродом обнаружения.
Далее настоящее изобретение касается второго емкостного сенсорного элемента, содержащего:
похожее на пленку или пластину основание, которое сформировано из изолирующего материала и которое обладает гибкой или пространственной формой;
электрод обнаружения, который расположен, по меньшей мере, на части одной поверхности основания и который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру;
защитную пленку, предназначенную для покрытия электрода обнаружения; и
выводной провод, который ведет от электрода обнаружения, при этом
поверхность защитной пленки используют в качестве поверхности касания, и приближение контактирующего объекта к поверхности касания или контакт поверхности касания с контактирующим объектом обнаруживают как изменение емкости между контактирующим объектом и электродом обнаружения.
Далее настоящее изобретение касается третьего емкостного сенсорного элемента, содержащего:
похожее на пленку или пластину основание, которое сформировано из изолирующего материала и которое обладает гибкой или пространственной формой;
первый электрод обнаружения, который расположен, по меньшей мере, на части одной поверхности основания и который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру;
первую защитную пленку, предназначенную для покрытия электрода обнаружения;
второй электрод обнаружения, который расположен, по меньшей мере, на части поверхности, находящейся на противоположной стороне относительно упомянутой поверхности основания, и который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру;
вторую защитную пленку, предназначенную для покрытия электрода обнаружения; и
выводные провода, которые ведут от первого электрода обнаружения и второго электрода обнаружения, при этом
поверхность первой защитной пленки и/или второй защитной пленки используют в качестве поверхности касания, и приближение контактирующего объекта к поверхности касания или контакт поверхности касания с контактирующим объектом обнаруживают как изменение емкости между контактирующим объектом и первым электродом обнаружения и/или вторым электродом обнаружения.
Далее настоящее изобретение касается четвертого емкостного сенсорного элемента, содержащего:
электрод обнаружения, который расположен, по меньшей мере, на части поверхности изделия и который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру;
защитную пленку, предназначенную для покрытия электрода обнаружения; и
выводной провод, который ведет от электрода обнаружения, при этом
поверхность защитной пленки используют в качестве поверхности касания, и приближение контактирующего объекта к поверхности касания или контакт поверхности касания с контактирующим объектом обнаруживают как изменение емкости между контактирующим объектом и электродом обнаружения.
Далее настоящее изобретение касается емкостного устройства обнаружения прикосновения, содержащего:
любой из емкостных сенсорных элементов с номерами от первого до четвертого;
схему обнаружения, которая электрически соединена с электродом обнаружения по выводному проводу и которая определяет изменение емкости, имеющее место из-за приближения контактирующего объекта к поверхности касания или касания контактирующего объекта поверхности касания.
Далее настоящее изобретение касается способа изготовления емкостного сенсорного элемента, который включает в себя следующее:
подготавливают дисперсионную жидкость, полученную путем распределения углеродных линейных наноструктур в дисперсионном растворителе, который содержит диспергирующее вещество;
осуществляют заранее заданное количество раз набор из следующих этапов:
делают так, чтобы дисперсионная жидкость прилипала к поверхности похожего на пленку или пластину основания, которое сформировано из изолирующего материала и которое обладает гибкой или пространственной формой, или к поверхности изделия, которое снабжают сенсорным элементом,
выпаривают дисперсионный растворитель и надежно прикрепляют углеродную линейную наноструктуру к поверхности основания или поверхности изделия,
промывают поверхность основания или поверхность изделия с помощью растворителя для промывки и удаляют диспергирующее вещество, и
выпаривают растворитель для промывки, и
формируют электрод обнаружения, выполненный из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродные линейные, на поверхности основания или поверхности изделия; и
предусматривают выводной провод, ведущий к электроду обнаружения.
Заметим, что в настоящем изобретении углеродной линейной наноструктурой обычно является однослойная углеродная нанотрубка или многослойная углеродная нанотрубка с двумя или более слоями, но предполагается, что указанная наноструктура содержит материал, обладающей степенью кристаллизации (регулярность расположения атомов), которая не так высока, как у углеродной нанотрубки. Другими словами углеродной линейной наноструктурой может быть любая структура, которая сформирована из материала на основе углерода, содержащего в качестве проводящей области только свернутую в цилиндр структуру из листа графена или помимо прочего содержащего свернутую в цилиндр структуру из листа графена, внешняя форма структуры из листа графена представляет собой чрезвычайно тонкую линию, размер в поперечном сечении которой составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров, в которой перемещение электронов в направлении поперечного сечения ограничено нанометровой областью и в которой в макромасштабе разрешено только перемещение электронов в продольном направлении (осевое направление). Внешняя форма наноструктуры может быть линейной или изогнутой и содержать ответвления или соединения. Более конкретно, помимо цилиндрической углеродной нанотрубки возможны углеродные нанотрубки в виде пачки чашек, углеродные нанорожки, углеродный нанотростник, выращенные из паровой фазы углеродные нановолокна (например нановолокна VGCF, изготавливаемые компанией SHOWA DENKO К.К.), углеродные нанопроволоки или подобные структуры.
Эффект от изобретения
Основное свойство емкостного сенсорного элемента и емкостного устройства обнаружения прикосновения, которые соответствуют настоящему изобретению, заключается в том, что впервые предложено реализуемое на практике устройство обнаружения прикосновения с гибкой или пространственной формой, что стало возможно благодаря использованию светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру в качестве электрода обнаружения, и благодаря совмещению светопропускающего проводящего слоя со способом емкостного обнаружения прикосновения.
Диаметр углеродной линейной наноструктуры гораздо меньше длины волны видимого света, благодаря чему видимый свет хорошо проходит через указанную наноструктуру. Кроме того, некоторые углеродные линейные наноструктуры обладают чрезвычайно высокой электропроводностью, например металлические углеродные нанотрубки, и отличаются достаточной электропроводностью при небольшой поверхностной плотности. Кроме того, в отличие от прозрачных проводящих материалов на основе оксида, таких как ОИО, углеродные нанотрубки обладают такими механическими характеристиками, как гибкость и прочность. Далее углеродные нанотрубки химически стабильны. Как описано выше светопропускающий проводящий слой, содержащий углеродную линейную наноструктуру, обладает наилучшими характеристиками в качестве электрода обнаружения, используемого в сенсорном элементе гибкой или пространственной формы.
Как описано со ссылками на фиг.11 и 12, в способе емкостного обнаружения прикосновения, в качестве сенсорного элемента может функционировать один электрод обнаружения, что чрезвычайно упрощает структуру сенсорного элемента. Это является чрезвычайно большим преимуществом по сравнению с резистивной сенсорной панелью, в которой необходимо иметь два материала основы, на которых сформированы резистивные пленки и которые расположены с небольшим зазором друг относительно друга. Настоящее изобретение основано на глубокой уверенности, что способ емкостного обнаружения прикосновения является единственной системой, при которой может быть получено применимое на практике устройство обнаружения прикосновения с гибкой или пространственной формой.
Способ изготовления емкостного сенсорного элемента, соответствующий настоящему изобретению, включает в себя следующее:
осуществляют заданное количество раз последовательность следующих этапов:
делают так, чтобы дисперсионная жидкость прилипала к поверхности похожего на пленку или пластину основания, которое сформировано из изолирующего материала и которое обладает гибкой или пространственной формой, или к поверхности изделия, которое снабжают сенсорным элементом,
выпаривают дисперсионный растворитель и прочно прикрепляют углеродную линейную наноструктуру к поверхности основания или поверхности изделия,
промывают поверхность основания или поверхность изделия с помощью растворителя для промывки и удаляют диспергирующее вещество, и
выпаривают растворитель для промывки, и
формируют электрод обнаружения, выполненный из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродные линейные наноструктуры, на поверхности основания или поверхности изделия.
Основное свойство способа изготовления состоит в том, что после выпаривания дисперсионного растворителя и надежного прикрепления углеродных линейных наноструктур к поверхности основания или поверхности изделия, поверхность основания или поверхность изделия промывают растворителем для промывки, удаляют диспергирующее вещество и далее выпаривают растворитель для промывки. Так как в ходе процесса промывки с помощью растворителя для промывки удаляют диспергирующее вещество, расположенное между углеродными линейными наноструктурами, улучшается прилипание между углеродными линейными наноструктурами и улучшается проводимость. Так как большая часть углеродных линейных наноструктур надежно прикрепляется к поверхности основания или поверхности изделия в ходе предыдущего процесса выпаривания растворителя для промывки, эти углеродные линейные наноструктуры не удаляются в ходе процесса промывки. Далее небольшое количество плохо прикрепленных углеродных линейных наноструктур удаляются в ходе процесса промывки. Оставшиеся углеродные линейные наноструктуры надежнее прикрепляются к поверхности основания или поверхности изделия в процессе выпаривания растворителя для промывки. Как описано выше, улучшается качество прозрачного проводящего слоя.
Далее в этом способе изготовления, описанный выше набор процессов осаждения от прилипания дисперсионной жидкости до выпаривания растворителя для промывки осуществляют несколько раз до тех пор, пока осажденный слой углеродных линейных наноструктур не достигнет заранее заданной толщины и не будет получена нужная проводимость. Таким образом, концентрация углеродных нанотрубок в дисперсионной жидкости может быть уменьшена по сравнению со способом формирования осажденного слоя заранее заданной толщины в ходе однократного применения процесса осаждения. В результате может быть сформирован осажденный слой, отличающийся высокой равномерностью, и может быть получен проводящий слой равномерной проводимости.
Как описано выше, в способе изготовления емкостного сенсорного элемента, который соответствует настоящему изобретению, возможно сформировать осажденный слой, содержащий небольшое количество диспергирующего вещества или примесей, обладающий равномерным распределением углеродных линейных наноструктур и высокой гладкостью с помощью простого и легко масштабируемого способа, и изготовить светопропускающий проводящий слой, на который можно надавливать без ухудшения пропускания света, характеристик электропроводности и механических характеристик углеродных линейных наноструктур, таких как нанотрубки. В этом способе изготовления, светопропускающий проводящий слой может быть сформирован путем простого нанесения дисперсионной жидкости с углеродными нанотрубками и в процессе изготовления не нужно подвергать основание воздействию высоких температур или вакуума. Соответственно, может быть использовано основание, на которое высокая температура оказывает негативное воздействие, основание, которое разрушается или модифицируется в вакууме, или основание, которое слишком велико, чтобы поместиться в вакуумный контейнер, и на поверхности такого основания можно сформировать прозрачный проводящий слой. Как описано выше, если используется способ изготовления емкостного сенсорного элемента, соответствующий настоящему изобретению, возможно расположить емкостной сенсорный элемент на поверхности основание свободной формы без изменения этой формы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид (а) в изометрии и разрезы (b) и (с), каждый из которых показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - поперечные разрезы, каждый из которых показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего другому примеру варианта 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - вид (а) в изометрии и разрез (b), каждый из которых показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего еще одному примеру варианта 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - виды в изометрии, показывающие примеры пространственной формы светопропускающего основания, соответствующего варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - разрезы, каждый из которых показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 2 осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 - разрез, который показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 3 осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 - разрез, который показывает структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.8 - виды сверху (слева) и виды сбоку (справа), показывающие примеры шаблона разделения на сегменты для емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 - вид (а) в изометрии, показывающий структуру емкостного сенсорного элемента, и разрез (b) в горизонтальном направлении, соответствующий другому примеру варианта 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.10 - виды в изометрии, предназначенные для пояснения способа использования емкостного сенсорного элемента, соответствующего варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.11 - вид (а) в изометрии, показывающий структуру устройства воспроизведения, снабженного сенсорной панелью, показанной в патентном документе 1, и разрез (b), показывающий структуру сенсорного элемента;
фиг.12 - вид (а) и разрез (b), каждый из которых показывает пример расположения датчика прикосновения, описанного в патентном документе 6.
Варианты осуществления изобретения
В первом емкостном сенсорном элементе, который соответствует настоящему изобретению, предпочтительно покрывать электрод обнаружения покрывающим слоем.
В четвертом емкостном сенсорном элементе, который соответствует настоящему изобретению, предпочтительно предусмотреть подстилающий слой, расположенный между поверхностью изделия и пропускающим свет проводящим слоем.
В емкостных сенсорных элементах с номерами от первого до четвертого, соответствующих настоящему изобретению, предпочтительно предусмотреть несколько электродов обнаружения, отделенных с целью разбиения позиций на поверхности касания, причем указанные электроды обнаружения предусмотрены вместе с выводными проводами и каждый электрод снабжен своим выводным проводом, и предпочтительно иметь возможность распознавать в блоке разбиения различие в позиции касания, которая находится на поверхности касания и к которой приближается контактирующий объект или с которой контактирует контактирующий объект.
В емкостных сенсорных элементах с номерами от первого до четвертого, соответствующих настоящему изобретению, предпочтительно, чтобы светопропускающий проводящий слой был сформирован из совокупности углеродной линейной наноструктуры и проводящего пластикового материала. Так как углеродная линейная наноструктура чрезвычайно тонка и имеет большую площадь поверхности (удельная площадь поверхности) на единицу массы, то не требуется вспомогательного материала, а если он требуется, то предпочтительно, чтобы в качестве проводящего полимера с высокой прозрачностью использовался поли-(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT; торговое название - Baytron) или подобное вещество. Далее предпочтительно, чтобы углеродная линейная наноструктура являлась углеродной нанотрубкой. Металлическая углеродная нанотрубка является однослойной углеродной нанотрубкой и обладает чрезвычайно высокой электропроводностью. Далее некоторые двухслойные углеродные нанотрубки или многослойные углеродные нанотрубки обладают чрезвычайно высокой электропроводностью. Кроме того, в отличие от прозрачного проводящего материала на основе оксида, такого как ОИО, углеродная нанотрубка обладает такими механическими характеристиками, как гибкость и прочность.
В емкостных сенсорных элементах с номерами от первого до третьего, соответствующих настоящему изобретению, существует случай, когда предпочтительно, чтобы для различных областей применения основание пропускало свет. Аналогично существует случай, когда предпочтительно, чтобы защитная пленка пропускала свет. Одним примером этих случаев, когда сенсорному элементу нужно пропускать свет, является случай сенсорной панели, в которой сенсорный элемент расположен перед устройством отображения изображений.
Далее пространственная форма основания может быть сформирована из одной изогнутой поверхности, комбинации изогнутых поверхностей, комбинации из изогнутой поверхности и плоской поверхности или комбинации плоских поверхностей. Например, предпочтительно, чтобы пространственная форма основания была изогнутой и в качестве поверхности касания использовалась или внешняя поверхность выпуклой формы или внутренняя поверхность вогнутой формы. Далее возможно изготавливать емкостной сенсорный элемент с поверхностью касания, обладающей пространственной закрытой формой, путем соединения нескольких поверхностей касания.
Предпочтительно, чтобы емкостное устройство обнаружения прикосновения, соответствующее настоящему изобретению, использовалось вместе с другим электронным оборудованием и представляло собой сенсорный переключатель, который подает электрический сигнал на другое электронное оборудование в соответствии с приближением контактирующего объекта к поверхности касания или контактом контактирующего объекта с поверхностью касания. Например, предпочтительно, чтобы другое электронное оборудование являлось устройством обработки информации и емкостное устройство обнаружения прикосновения, представляло собой сенсорную панель, которая подает на устройство обработки информации входной сигнал, соответствующий принадлежащей поверхности касания позиции касания, к которой приближается контактирующий объект или которой касается контактирующий объект.
Предпочтительно, чтобы способ изготовления емкостного сенсорного элемента включал в себя следующее: формируют защитную пленку, которая покрывает электрод обнаружения и которая содержит поверхность, используемую в качестве поверхности касания.
Далее предпочтительно, чтобы дисперсионная жидкость прилипала к основанию в результате выполнения следующих методов: нанесения покрытия, окунания или печати.
Далее со ссылками на чертежи будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Вариант 1 осуществления изобретения
Далее будут описаны емкостной сенсорный элемент, емкостное устройство обнаружения прикосновения и способ изготовления емкостного сенсорного элемента в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения. В этом случае в качестве углеродной линейной наноструктуры используют углеродную нанотрубку.
На фиг.1(а) показан вид в изометрии, который иллюстрирует структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 1 осуществления настоящего изобретения, а на фиг.1(b) показан разрез указанного устройства. Емкостное устройство обнаружения прикосновения состоит из емкостного сенсорного элемента 10, основанного на первом емкостном сенсорном элементе, который соответствует настоящему изобретению, и схемы 60 обнаружения изменения емкости.
Емкостной сенсорный элемент 10 состоит из основания 1 в виде пленки или пластины, выполненного из изолирующего материала и имеющего пространственную форму, электрода 2 обнаружения, который выполнен из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру, и который расположен по меньшей мере на части одной поверхности основания 1, и выводного провода 3, который ведет от электрода 2 обнаружения.
В емкостном сенсорном элементе 10 поверхность основания 1, которая находится на противоположной стороне относительно поверхности, на которой расположен электрод 2 обнаружения, используется в качестве поверхности 4 касания. Другими словами, когда контактирующий объект, такой как часть человеческого тела, например палец, приближается к поверхности 4 контакта или контактирует с поверхностью 4 контакта, изменяется емкость между контактирующим объектом и электродом 2 обнаружения. Это изменение передается в схему 60 обнаружения изменения емкости через выводной провод 3, преобразуется в электрический сигнал и измеряется. В качестве схемы 60 обнаружения изменения емкости может быть использовано имеющееся на рынке обычное устройство измерения емкости, например, устройство серии CapSense (торговая марка) компании Cypress Semiconductor Corporation или подобное устройство.
В способе емкостного обнаружения прикосновения с электродом 2 обнаружения и изолирующим (диэлектрическим) материалом, который отделяет электрод 2 обнаружения и поверхность 4 касания, сенсорный элемент может быть легко спроектирован. Как показано на фиг.1(b), основание 1, выполненное из изолирующего материала, и электрод 2 обнаружения, который выполнен из прозрачного проводящего слоя, сформированного на основании 1, отвечают условиям, накладываемым на конфигурацию, и могут быть использованы в качестве емкостного сенсорного элемента 10. В этом случае чрезвычайно важно, что способ обнаружения прикосновения используют в емкостной системе. Как описано выше, в резистивной сенсорной панели необходимо удерживать два материала основы, на которых сформированы резистивные пленки, с небольшим зазором друг относительно друга и невозможно легко сформировать сенсорный элемент.
На материал основания 1 накладывается только одно ограничение: он должен быть изолирующим материалом. Тем не менее, в случае, когда сенсорный элемент расположен перед устройством отображения изображений, материал основания 1 должен пропускать свет. В качестве светопропускающего основания 1 может быть использована стеклянная пластина или пропускающая свет полимерная пластина. Примерами материала для пропускающей свет полимерной пластины являются полиэтилентерефталат (ПЭТ), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), полиэфирсульфон (ПЭС), полиимид (ПИ) и эпоксидный полимер. Предпочтительно, чтобы материал обладал высокой прозрачностью и имел высокое термическое и химическое сопротивление. Примером такого материала является ПЭТ.
Так как электрод 2 обнаружения расположен на поверхности, находящейся на противоположной стороне относительно поверхности 4 касания, и емкость образуется между контактирующим объектом, который приближается к поверхности 4 касания или контактирует с поверхностью 4 касания, и электродом 2 обнаружения, важно, чтобы толщина основания 1 не была слишком большой. Следовательно, предпочтительно, чтобы толщина основания 1 составляла, например, от 0,001 до 3 мм, обычно примерно от 0,1 до 0,5 мм и чтобы основание 1 было гибким и похожим на ленту, пленку или лист. В этом случае основание 1 может быть использовано как основание, прикрепленное к изделию произвольной пространственной формы. Как показано на фиг.1, предпочтительно, чтобы основание 1, в виде пленки, листа или пластины, имело пространственную форму, например, такую как полая полусфера. Желательно, чтобы форма была частично открыта, чтобы могла втекать дисперсионная жидкость с углеродными нанотрубками. Таким образом, емкостной элемент обнаружения прикосновения без изменения своей формы может быть выполнен на основании 1 пространственной формы, при этом на указанную форму имеются некоторые ограничения.
Электрод 2 обнаружения выполнен из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную нанотрубку. На тип углеродной нанотрубки не накладывают ограничений. Предпочтительно, чтобы углеродная нанотрубка представляла собой один слой, содержала мало примесей, обладала высокой степенью кристаллизации самой углеродной нанотрубки и большим диаметром и была насколько возможно длинной. Диаметр углеродной нанотрубки намного меньше длины волны видимого света и, следовательно, это приводит к тому, что видимый свет хорошо проходит через углеродную нанотрубку. Кроме того, некоторые углеродные нанотрубки обладают чрезвычайно высокой электропроводностью, такие как металлическая углеродная нанотрубка, и обладают значительной электропроводностью при небольшой поверхностной плотности. Кроме того, в отличие от прозрачного проводящего материала на основе оксида, такого как ОИО, углеродная нанотрубка обладает такими механическими характеристиками, как гибкость и прочность. Далее углеродная нанотрубка химически стабильна. Как описано выше, светопропускающий проводящий слой, содержащий углеродную нанотрубку, обладает наилучшими характеристиками в качестве электрода обнаружения, используемого для сенсорного элемента с гибкой или пространственной формой.
Основное свойство емкостного сенсорного элемента и емкостного устройства обнаружения прикосновения, которые соответствуют настоящему изобретению, заключается в том, что впервые "можно изготовить реализуемое на практике устройство обнаружения прикосновения гибкой или пространственной формы с использованием светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную нанотрубку, в качестве электрода обнаружения и с помощью совмещения светопропускающего проводящего слоя и емкостного способа обнаружения прикосновения.
В варианте 1 осуществления изобретения поверхность основания 1, находящаяся на противоположной стороне относительно электрода 2 обнаружения, используется в качестве поверхности 4 касания. При этом емкостной сенсорный элемент 10 может быть выполнен наиболее простым образом. Следовательно, можно изготовить емкостной сенсорный элемент 10 с наименьшими затратами и хорошей производительностью.
На фиг.1(с) показан разрез, иллюстрирующий пример емкостного сенсорного элемента, в котором электрод 2 обнаружения содержит покрывающий слой 5. Покрывающий слой 5 улучшает прилипание углеродной нанотрубки и пропускание света. Материал, из которого состоит покрывающий слой 5, должен обладать хорошими оптическими характеристиками (высокая прозрачность, низкая отражаемость, малый блеск), хорошей способностью к изменению формы и хорошими электроизолирующими свойствами. Предпочтителен полимерный материал и известно, что использование полимера с сульфонной группой -S03H стабилизирует проводимость углеродной нанотрубки (см. выложенную заявку на японский патент №2008-251271). Среди перечисленного выше в качестве материала, из которого состоит покрывающий слой 5, особенно подходит материал Nation (зарегистрированная торговая марка компании Du Font) и, кроме того, могут быть использованы полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, поликарбонат, силикон, сополимер стирола и акрилонитрила (ССА), ТРХ (кристаллический олефиновый полимер, в основном сформированный из 4-метил пентен-1) или подобные вещества. Примерами способа формирования покрывающего слоя 5 являются способ растворения компонента материала в соответствующим растворителе и дальнейшее нанесение раствора путем окунания, распыления или подобных методов.
На фиг.2(а) показан разрез, иллюстрирующий структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, которое соответствует другому примеру варианта 1 осуществления изобретения. В емкостном сенсорном элементе 10, показанном на фиг.1, электрод 2 обнаружения расположен на внутренней поверхности (вогнутой поверхности) полусферического основания 1, а внешнюю поверхность (выпуклой поверхности) используют в качестве поверхности 4 касания. С другой стороны в емкостном сенсорном элементе 11, показанном на фиг.2(а), электрод 6 обнаружения расположен на внешней поверхности (выпуклой поверхности) полусферического основания 1, а внутреннюю поверхность (вогнутую поверхность) используют в качестве поверхности 8 касания. Таким образом, поверхность, на которой расположен электрод обнаружения, отличается и в результате поверхность касания становится расположенной на противоположной стороне, что приводит к большой разнице в использовании. Тем не менее, не существует значительного отличия в механизме обнаружения прикосновения. На фиг.2(b) показан пример, в котором электрод 6 обнаружения содержит покрывающий слой 9, аналогичный слою с фиг.1(с).
На фиг.3 показаны вид (а) в изометрии и разрез (b), каждый из которых иллюстрирует структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего еще одному примеру варианта 1 осуществления настоящего изобретения. Емкостной сенсорный элемент 12, показанный на фиг.3, является примером емкостного сенсорного элемента, имеющего закрытую сферическую поверхность касания, состоящую из поверхности 4а касания и поверхности 4b касания, емкостной сенсорный элемент изготавливают путем соединения двух полусферических емкостных сенсорных элементов 10, то есть емкостного сенсорного элемента 10а, состоящего из полусферического основания 1а, электрода 2а обнаружения и выводного провода За, и емкостного сенсорного элемента 10b, аналогично состоящего из полусферического основания 1b, электрода 2b обнаружения и выводного провода 3b.
На фиг.4 показаны виды в изометрии, иллюстрирующие примеры пространственной формы светопропускающего основания. Указанные формы включают в себя различные столбцы, конусы, сферы, овальные сферы и подобные формы и основание может являться частью этих сплошных элементов или может являться произвольным сплошным элементом, полученным объединением указанных элементов. В целом основание может иметь произвольную пространственную форму, сформированную из одной изогнутой поверхности, сформированную объединением изогнутых поверхностей, объединением изогнутой поверхности и плоской поверхности или объединением плоских поверхностей. В этом варианте осуществления изобретения емкостной сенсорный элемент может быть сформирован на каждом из этих оснований без изменения формы.
В емкостном элементе обнаружения прикосновения с гибкой или пространственной формой, изменение формы может обеспечить пригодность или ощущение, которого нельзя добиться для элемента, форму которого нельзя изменить. Например, когда емкостной сенсорный элемент изготавливают с использованием основания, имеющего гибкую пространственную форму, указанный сенсорный элемент можно использовать в качестве устройства ввода, которое вдавливается или изгибается при прикосновении, что может быть использовано в качестве нестандартного интерфейса.
В емкостном сенсорном элементе с пространственной формой чувствительность обнаружения прикосновения может быть улучшена по сравнению со случаем плоской формы. В пространственном электроде обнаружения, так как и передняя и задняя поверхность электрода обнаружения могут являться воздушными слоями, возможно уменьшить шум от задней подложки, что проблематично в обычном плоском емкостном устройстве обнаружения прикосновения, или может быть уменьшена вероятность неправильной работы или вероятность уменьшения чувствительности из-за паразитной емкости с поверхностью земли или подобные моменты. Соответственно в емкостном устройстве обнаружения прикосновения, имеющем пространственную форму, значительно улучшена чувствительность/точность обнаружения прикосновения.
Емкостное устройство обнаружения прикосновения, соответствующее настоящему изобретению, может являться емкостным устройством обнаружения прикосновения, в котором обеспечивается разбиение на сегменты или обеспечивается текстура основания 1. Емкостное устройство обнаружения прикосновения может быть изготовлено с использованием светопропускающего основания и, в случае использования для покрытия другого изделия, при получении емкостного элемента обнаружения прикосновения, внешний вид или дизайн изделия используются в неизменном виде.
Помимо отмеченного выше, пространственное емкостное устройство обнаружения прикосновения с углеродной нанотрубкой в качестве проводящего слоя обладает высокой степенью свободы в плане формы и может обладать высокой прозрачностью. Следовательно, так как пространственное емкостное устройство обнаружения прикосновения не оказывает никакого влияния на операции, даже когда расположено на дисплее, элементе, испускающем свет, на фотоэлектрическом преобразователе или подобных элементах, пространственное емкостное устройство обнаружения прикосновения может быть встроено в электронное оборудование.
Далее будет в основном описан способ изготовления емкостного сенсорного элемента 10 и будет добавлено описание емкостного сенсорного элемента 10.
Сначала готовят дисперсионную жидкость, полученную путем распределения углеродных нанотрубок в дисперсионном растворителе, содержащем диспергирующее вещество. Предпочтительно, чтобы дисперсионным растворителем являлась вода и предпочтительно, чтобы диспергирующим веществом было поверхностно-активное вещество. Углеродные нанотрубки добавляют в воду, в которой растворено поверхностно-активное вещество, смешивают с помощью сверхзвуковых волн и равномерно распределяют. После этого с помощью центрифугирования удаляют низкодисперсный осадок.
Предпочтительно установить концентрацию углеродных нанотрубок равной от 0,1 до 0,5 мг/мл, со средним значением, составляющим 0,2 мг/мл. Низкая концентрация углеродных нанотрубок позволяет формировать осаждаемый слой с высокой равномерностью, что позволяет получить проводящий слой с равномерной проводимостью. Тем не менее, если концентрация слишком мала, количество повторений процесса осаждения углеродных нанотрубок, который будет описан ниже, до получения достаточной проводимости станет слишком большим. Если концентрация углеродных нанотрубок слишком велика, уменьшается количество повторений процесса осаждения, но с большой вероятностью проводимость становится неравномерной.
Что касается типа поверхностно-активного вещества, могут быть использованы алкилсульфат натрия, линейный алкилбенозолсульфонат натрия, альфа-олефинсульфонат натрия, алкилэфирсульфонат натрия, алканоламид жирной кислоты, алкиламин оксид или подобные вещества, также могут быть использованы их комбинации. Предпочтительно, чтобы концентрация поверхностно-активного вещества составляла от 0,1 до 4%, при этом средним значением является величина 0,4%. Если концентрация поверхностно-активного вещества слишком мала, степень дисперсности углеродных нанотрубок будет недостаточной, что приведет к снижению прозрачности и проводимости. Если концентрация поверхностно-активного вещества слишком велика, снижается способность углеродных нанотрубок прилипать к поверхности основания 1 (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения, который будет описан ниже), в результате чего почти все размещенные углеродные нанотрубки будут смываться при промывке водой.
Далее, в результате осуществления методов нанесения, окунания или печати дисперсионная жидкость прилипает к одной поверхности основания 1, которое выполнено из изолирующего материала, такого как пленка из ПЭТ, и имеет пространственную форму (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения). Например, в случае емкостного сенсорного элемента 10 дисперсионную жидкость наливают в полусферическое основание 1, на вогнутую поверхность и она растекается по поверхности. Когда сливают лишнюю дисперсионную жидкость с углеродными нанотрубками, вся вогнутая поверхность основания 1 смочена дисперсионной жидкостью с углеродными нанотрубками.
Далее выпаривают дисперсионный растворитель и углеродные нанотрубки надежно прикрепляются к поверхности основания 1 (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения). В этом случае предпочтительно использовать сушильное устройство, предназначенное для осушения путем нагревания горячим воздухом. Предпочтительно осуществлять выпаривание до тех пор, пока вся поверхность не будет достаточно высушенной. Время, требуемое для завершения выпаривания, составляет примерно 30 секунд. Предпочтительно, чтобы температура горячего воздуха была большой, так как это уменьшает промежуток времени, требующийся для высушивания. Тем не менее, в случае, когда основание 1 выполнено из пластика, существует опасность, что основание 1 деформируется, если температура будет слишком высокой. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура составляла примерно 100°С. В этом случае предпочтительно осуществлять высушивание с постоянным перемещением основания 1 с целью предотвращения несбалансированности толщины дисперсионной жидкости и концентрации и высушивания углеродных нанотрубок на одной части.
Далее в качестве важного этапа способа изготовления, соответствующего настоящему изобретению, поверхность основания 1, на которой осаждаются углеродные нанотрубки (поверхность изделия в варианте 5 осуществления изобретения), промывают растворителем для промывки, диспергирующий агент удаляют и далее выпаривают растворитель для промывки. Например, в случае емкостного сенсорного элемента 10, основание 1 погружают в воду и смывают оставшееся диспергирующее вещество. Затем этот процесс повторяют несколько раз, при этом для полного высушивания основания 1 используют горячий воздух. Так как в процессе промывки с использованием растворителя для промывки удаляют диспергирующее вещество, расположенное между углеродными нанотрубками, это улучшает прилипание углеродных нанотрубок и улучшает проводимость. Предпочтительно в качестве растворителя для промывки использовать медленно текущую воду или собранную воду. Предпочтительно, чтобы время, нужное для погружения в воду, составляло примерно пять секунд, а количество промывок равнялось примерно трем. Так как в ходе предыдущего процесса выпаривания дисперсионного растворителя большее количество углеродных нанотрубок надежно прикрепляются к поверхности основания 1 (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения), эти углеродные нанотрубки не удаляют в ходе этого процесса. Далее небольшое количество плохо прикрепленных углеродных нанотрубок удаляют в ходе процесса промывки. Оставшиеся углеродные нанотрубки надежнее прикрепляются к поверхности основания 1 (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения) в процессе выпаривания растворителя для промывки. Как описано выше, улучшается качество осажденного слоя углеродных нанотрубок.
Описанная выше последовательность процессов, от прилипания дисперсионной жидкости до выпаривания растворителя для промывки, выполняется несколько раз до тех пор, пока осажденный слой углеродных нанотрубок не достигнет заранее заданной толщины и не будет получена нужная проводимость, таким образом получается структура из нескольких слоев углеродных нанотрубок. Следовательно, на поверхности основания 1 (поверхности изделия в варианте 5 осуществления изобретения) формируется светопропускающий проводящий слой, содержащий углеродные нанотрубки. Как описано выше, концентрация углеродных нанотрубок в дисперсионной жидкости может быть уменьшена по сравнению со способом формирования осажденного слоя заранее заданной толщины, в ходе которого процесс осаждения выполняется один раз. В результате может быть сформирован осажденный слой, отличающийся высокой равномерностью, и может быть получен проводящий слой равномерной проводимости.
Как описано выше, в способе изготовления емкостного сенсорного элемента, который соответствует рассматриваемому варианту осуществления изобретения, возможно сформировать осажденный слой с небольшим количеством диспергирующего вещества или примесей, обладающего равномерным распределением углеродных нанотрубок и высокой гладкостью с помощью простого и легко масштабируемого способа, и изготовить светопропускающий проводящий слой, на который можно надавливать без ухудшения пропускания света, характеристик электропроводности и механических характеристик углеродных нанотрубок. В этом способе изготовления светопропускающий проводящий слой может быть сформирован путем простого нанесения дисперсионной жидкости с углеродными нанотрубками и в процессе изготовления не нужно подвергать основание воздействию высоких температур или вакуума. Соответственно, светопропускающий проводящий слой может быть сформирован даже на поверхности основания, на которое высокая температура оказывает негативное воздействие (изделия в варианте 5 осуществления изобретения), основания, которое разрушается или модифицируется в вакууме, или основания, которое слишком велико, чтобы поместиться в вакуумный контейнер (изделие в варианте 5 осуществления изобретения).
После этого, если необходимо, на электрод 2 обнаружения наносят дисперсионную жидкость с полимером, после чего выпаривают растворитель с целью формирования покрывающего слоя 5.
Затем электрод 2 обнаружения снабжают выводным проводом 3. Например, выводной провод 3 присоединяют к электроду 2 обнаружения с использованием проводящего клеящего материала.
Помимо указанных выше процессов, в вариантах 2, 3 и 5 осуществления изобретения осуществляют процесс формирования на электроде обнаружения защитной пленки, который будет описан ниже. Далее в описываемом ниже варианте 4 осуществления изобретения осуществляют процесс травления части светопропускающего проводящего слоя с целью удаления и разделения светопропускающего проводящего слоя на сегменты в виде нескольких отдельных электродов 42а-42f обнаружения. Разделение на электроды 42а-42f обнаружения может быть осуществлено с помощью нанесения покрытия методом обратной литографии, перед этим наносится слой маски на поверхность основания 1, отличающуюся от области, в которой формируются электроды 42а-42f обнаружения. При этом формируют светопропускающий проводящий слой на всей поверхности основания 1 и далее растворяют светопропускающий проводящий слой, нанесенный на область, отличающуюся от электродов 42а-42f обнаружения, для удаления этого слоя вместе со слоем маски. Разделение на электроды 42а-42f обнаружения может быть осуществлено с помощью печати, при этом дисперсионная жидкость с углеродными нанотрубками прилипает только в области, в которой формируются электроды 42а-42f обнаружения.
В способе изготовления емкостного сенсорного элемента, который соответствует варианту осуществления изобретения, электрод обнаружения, сформированный из светопропускающего проводящего слоя, также может быть сформирован на поверхности основания любой формы, если основание имеет частично открытую форму, в результате чего может быть изготовлен емкостной сенсорный элемент. Емкостной сенсорный элемент, изготовленный так, как описано выше, может иметь пространственную форму, подогнанную к форме устройства, в котором должно быть расположено устройство обнаружения прикосновения. Следовательно, емкостной сенсорный элемент также может быть выполнен в устройстве, в котором устройство обнаружения прикосновения не может быть расположено обычным образом, и устройство может быть использовано в качестве устройства обнаружения прикосновения с сенсорной панелью нового типа с привлекательным дизайном и внешним видом. Поскольку с помощью метода печати дисперсионную жидкость с углеродными нанотрубками можно наносить только на область, в которой формируют электроды обнаружения, отдельные электроды обнаружения могут быть получены без выполнения травления, таким образом, процесс изготовления значительным образом упрощается и может быть достигнуто уменьшение затрат.
Вариант 2 осуществления изобретения
Далее будет описан емкостной сенсорный элемент, соответствующий варианту 2 осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показаны разрезы, каждый из которых иллюстрирует структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 2 осуществления изобретения. Емкостное устройство обнаружения прикосновения состоит из емкостного сенсорного элемента 20, основанного на втором емкостном сенсорном элементе, соответствующем настоящему изобретению, и схемы 60 обнаружения изменения емкости.
В емкостном сенсорном элементе 20, показанном на фиг.5 (а), электрод 6 обнаружения расположен на внешней поверхности (выпуклой поверхности) полусферического основания 1, а защитная пленка 22, которая покрывает электрод 6 обнаружения, расположена на электроде 6 обнаружения, так что поверхность защитной пленки 22 используют в качестве поверхности 23 касания. Далее в емкостном сенсорном элементе 24, показанном на фиг.5(b), электрод 2 обнаружения расположен на внутренней поверхности (вогнутой поверхности) полусферического основания 1, а защитная пленка 25, которая покрывает электрод 2 обнаружения, расположена на электроде 2 обнаружения, так что поверхность защитной пленки 25 используют в качестве поверхности 26 касания.
Как описано выше, в варианте 2 осуществления изобретения поверхность 4 основания 1, которая находится на противоположной стороне относительно электрода 2 обнаружения, не используют в качестве поверхности касания, а поверхность защитной пленки 22 (или 25), расположенную слоем на электроде 6 (или 2) обнаружения, используют в качестве поверхности 23 (или 26) касания, что отличается от варианта 1 осуществления изобретения. Защитная пленка 22 (или 25) нужна для прилипания, благодаря чему при контакте пальца или подобного элемента не происходит отслаивания, или для свойства предохранения от загрязнения, благодаря которому отпечатки пальца или почвы с трудом прилипают к поверхности. Следовательно, защитная пленка 22 (или 25) должна обладать отличной стойкостью к механическим и химическим воздействиям, помимо описанных выше характеристик, нужных для покрывающего слоя 5 (или 9). Далее предпочтительно, чтобы толщина была настолько маленькой, насколько возможно, что нужно для повышения чувствительности обнаружения прикосновения. Материал компонентов и способ изготовления защитной пленки 22 (или 25) соответствуют материалу компонентов и способ изготовления для покрывающего слоя 5 (или 9), описанного выше.
С учетом сказанного, ограничение, состоящее в том, что толщина основания 1 не слишком велика, а его форма похожа на ленту, пленку, лист или пластину, что описано в варианте 1 осуществления изобретения, становится не нужным и основание 1, используемое в варианте 2 осуществления изобретения, может иметь произвольную форму. Далее, в соответствии с настоящим изобретением, возможно формировать электрод 6 (или 2) обнаружения на поверхности основания, которое имеет любую форму, и предложить емкостное устройство обнаружения прикосновения. Далее, так как толщина защитной пленки 22 (или 25) может быть уменьшена по сравнению со случаем основания 1, емкость между контактирующим объектом и электродом 6 (или 2) обнаружения увеличивается и улучшается чувствительность обнаружения прикосновения контактирующего объекта. Так как вариант 2 осуществления изобретения совпадает с вариантом 1 осуществления изобретения, за исключением описанного выше различия, его описание будет опущено, чтобы избежать повторений.
Вариант 3 осуществления изобретения
Далее будет описан емкостной сенсорный элемент, соответствующий варианту 3 осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 показан разрез, который иллюстрирует структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 3 осуществления изобретения. Емкостное устройство обнаружения прикосновения состоит из емкостного сенсорного элемента 30, основанного на третьем емкостном сенсорном элементе, соответствующем настоящему изобретению, и схемы 60 обнаружения изменения емкости.
В емкостном сенсорном элементе 30, показанном на фиг.6, электрод 6 обнаружения расположен на внешней поверхности (выпуклой поверхности) полусферического основания 1, а защитная пленка 22, которая покрывает электрод 6 обнаружения, расположена на электроде 6 обнаружения, так что поверхность защитной пленки 22 используют в качестве поверхности 23 касания. Кроме того, электрод 2 обнаружения также расположен на внутренней поверхности (вогнутой поверхности) полусферического основания 1, а защитная пленка 2 5, которая покрывает электрод 2 обнаружения, расположена на электроде 2 обнаружения, так что поверхность защитной пленки 25 используют в качестве поверхности 26 касания. Здесь электрод 6 обнаружения и электрод 2 обнаружения представляют собой первый электрод обнаружения и второй электрод обнаружения соответственно и защитная пленка 22 и защитная пленка 25 представляют собой первую защитную пленку и вторую защитную пленку соответственно. Выводные провода 7 и 3, которые ведут от электродов 6 и 2 обнаружения, соединены с входными клеммами схемы 60 обнаружения изменения емкости.
В емкостном сенсорном элементе 30 как электрод 6 обнаружения, так и электрод 2 обнаружения могут быть использованы в качестве электродов обнаружения и как поверхность 23 касания, так и поверхность 26 касания могут быть одновременно использованы в качестве поверхностей касания. В качестве альтернативы, например, только электрод 6 обнаружения 6 может быть использован в качестве электрода обнаружения, а электрод 2 обнаружения может быть заземлен с целью улучшения характеристик помехозащищенности. Схема 60 обнаружения изменения емкости может быть легко переключена между состоянием, когда в качестве электрода обнаружения используют электрод 6 обнаружения, и состоянием, когда в качестве электрода обнаружения используют электрод 2 обнаружения, и соответственно, между состоянием, когда в качестве поверхности касания используют поверхность 23 касания, и состоянием, когда в качестве поверхности касания используют поверхность 26 касания. Так как вариант 3 осуществления изобретения совпадает с вариантом 2 осуществления изобретения, за исключением описанного выше различия, его описание будет опущено, чтобы избежать повторений.
Вариант 4 осуществления изобретения
Далее будет описан емкостной сенсорный элемент и емкостное устройство обнаружения прикосновения, соответствующие варианту 4 осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7 показан разрез, который иллюстрирует структуру емкостного устройства обнаружения прикосновения, соответствующего варианту 4 осуществления изобретения. Емкостное устройство обнаружения прикосновения состоит из емкостного сенсорного элемента 40 и схемы 60 обнаружения изменения емкости.
Емкостной сенсорный элемент 40 состоит из похожего на пленку или на пластину основания 1, выполненного из изолирующего материала и имеющего пространственную форму, электрода 42 обнаружения, который выполнен из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру, и который расположен, по меньшей мере, на части одной поверхности основания 1, и выводного провода 43, который ведет от электрода 42 обнаружения.
Отличие от варианта 1 осуществления изобретения состоит в том, что несколько электродов 42а-42f обнаружения, отделенных с целью разбиения позиций на поверхности 4 касания, расположены в соответствии с различиями в позициях касания, к которым приближается или которых касается контактирующий объект вместе с выводными проводами 43а-43 f, причем каждый электрод снабжен своим выводным проводом, и различие в позиции касания может быть распознано в блоке разбиения. Электроды 42а-42f обнаружения выбирают циклически с помощью разделения во времени и схемы 59 переключения между электродами обнаружения. Другими словами электроды 42а-42f обнаружения по очереди соединяют со схемой 60 обнаружения изменения емкости на определенный промежуток времени в ходе одного цикла и этот цикл повторяется с большой скоростью через короткий промежуток времени.
Например, когда контактирующий объект, такой как часть человеческого тела, например палец, приближается или контактирует с некоторой позицией на поверхности 4 касания, которая находится на противоположной стороне относительно электрода 42а обнаружения, изменяется емкость между контактирующим объектом и электродом 42а обнаружения. Это изменение емкости передают в схему 60 обнаружения изменения емкости по выводному проводу 43 а, преобразуют в электрический сигнал и измеряют.
Слой углеродных нанотрубок, из которого состоят электроды 42а-42f обнаружения емкостного сенсорного элемента 40, может быть разделен на сегменты путем удаления ненужных частей, что делается с помощью травления после формирования пленки или маскированием части поверхности основания 1 до формирования пленки, что дополнительно описано в варианте 1 осуществления изобретения. В качестве альтернативы может быть использован метод печати. Травление может быть осуществлено, например, путем механического удаления частей или лазерного травления.
На фиг.8 показаны виды сверху (слева) и виды сбоку (справа), иллюстрирующие шаблоны разделения на сегменты для емкостного сенсорного элемента 40. Шаблон, показанный на фиг.8(а), представляет собой деление с помощью меридианов и различие в позиции касания на сферической поверхности может быть определено на основе различия в градусе меридиана. Шаблон, показанный на фиг.8(b), является более сложным и различие в позиции касания на сферической поверхности может быть определено более детально в дополнение к различию в градусе меридиана. Далее, прозрачный проводящий. слой, сформированный на основании с произвольной пространственной формой, показанной на фиг.4, также может быть разделен на сегменты аналогично фиг.7 или фиг.8.
На фиг.9(а) показан вид в изометрии, иллюстрирующий шаблон разделения на сегменты для емкостного устройства 50 обнаружения прикосновения, соответствующего другому примеру варианта 4 осуществления изобретения. На фиг.9(b) показан разрез в горизонтальном направлении по линии 9b-9b с фиг.9(а). В емкостном устройстве 50 обнаружения прикосновения на внутренней стенке основания 51 цилиндрической формы расположено большое количество секционированных электродов 52 обнаружения. На фиг.9(b) показано состояние, когда устройство 70 воспроизведения изображений с цилиндрическим экраном для воспроизведения находится внутри.
На фиг.10 показаны виды в изометрии, предназначенные для объяснения способа использования емкостного сенсорного элемента 50. В примере, показанном на фиг.10(а), емкостной сенсорный элемент 50 расположен на наиболее удаленной от центра поверхности устройства 70 воспроизведения изображений с цилиндрическим экраном для воспроизведения и между ними расположено средство связи, в котором используется выводной провод 53. В результате, так как на цилиндрический экран для воспроизведения устройства 70 воспроизведения изображений можно смотреть через поверхность касания емкостного сенсорного элемента 50, устройством 70 воспроизведения изображений можно управлять интуитивно с помощью прикосновений к поверхности касания при одновременном просмотре изображений. Пример устройства 70 воспроизведения изображений с цилиндрическим экраном для воспроизведения показан в сообщении для печати компании Sony Corporation от 24 мая 2007 года, http://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/200705/07-053/index.html, или в подобных документах.
В примере, показанном на фиг.10(b), емкостной сенсорный элемент 50 расположен сверху устройства 80 формирования изображений, которое формирует трехмерное стереоскопическое изображение 81 сверху и между ними расположено средство связи, в котором используется выводной провод 53. В результате, так как трехмерное стереоскопическое изображение 81, сформированное устройством 80 формирования изображений, можно видеть через поверхность касания емкостного сенсорного элемента 50, устройством 80 формирования изображений можно управлять интуитивно с помощью прикосновений к поверхности касания при одновременном просмотре стереоскопического изображения 81. Пример устройства 80 формирования изображений, предназначенного для формирования трехмерного стереоскопического изображения 81, показан в информационном выпуске компании Hitachi, LTD от 24 февраля 2004 года, http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/040224a.html, и сообщении для печати Японского национального научно-технологического института (The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) от 10 июля 2007 года, http://www.aist.go.jp/aistJ/pressJ-elease/pr2007/pr20070710/pr20070710.html, или подобных документах.
Вариант 5 осуществления изобретения
Далее будет описан четвертый емкостной сенсорный элемент, соответствующий варианту 5 осуществления настоящего изобретения. Хотя этот вариант не показан на чертежах, емкостное устройство обнаружения прикосновения, соответствующее варианту 5 осуществления настоящего изобретения, состоит из четвертого емкостного сенсорного элемента, содержащего электрод обнаружения, который сформирован из светопропускающего проводящего слоя, содержащего углеродную линейную наноструктуру, и который расположен, по меньшей мере, частично на поверхности изделия, которое предполагается снабдить функцией обнаружения прикосновения, содержащего пропускающую свет защитную пленку, которая покрывает электрод обнаружения, и выводной провод, который ведет от электрода обнаружения, и схему 60 обнаружения изменения емкости. В емкостном сенсорном элементе поверхность пропускающей свет защитной пленки используют в качестве поверхности касания и приближение контактирующего объекта, такого как человеческое тело, например палец, к поверхности касания или контакт контактирующего объекта с поверхностью касания обнаруживается в виде изменения емкости между контактирующим объектом и электродом обнаружения.
Предпочтительно, чтобы изделие, которое снабжается емкостным сенсорным элементом, являлось изделием, на котором возможно расположить светопропускающий проводящий слой, содержащий углеродную линейную наноструктуру (без других ограничений). Например, возможны такие изделия, как игрушка 210 в виде куклы, показанная в патентном документе 2 или подобные изделия. Также возможны такие изделия, как оболочка электронного оборудования, такого как ПЦП (персональный цифровой помощник), сотового телефона, переносного персонального компьютера, переносного игрового устройства или видеокамеры, и оболочка с изогнутой формой поверхности. Далее также возможны предметы обстановки, такие как ручка двери или предметы первой необходимости. Так как емкостной сенсорный элемент является тонким и пропускающим свет, то его расположение на изделии не окажет отрицательное воздействие на внешний вид изделия.
Итак, настоящее изобретение было описано в соответствии с вариантами его осуществления, но настоящее изобретение не ограничено этими примерами и может быть модифицировано при необходимости без отступления от сути настоящего изобретения.
Применимость в промышленности
В соответствии с настоящим изобретением ожидается, что значительно увеличится степень свободы в плане формы емкостного устройства обнаружения прикосновения, такого как сенсорная панель, и улучшится производительность и расширится диапазон продуктов, которые могут быть реализованы.
Список ссылочных позиций
1, 1a, 1b основание
2, 2а, 2b, 6 электрод обнаружения (светопропускающий проводящий слой, содержащий углеродные нанотрубки)
3, 7 выводной провод
4, 4а, 4b, 8 поверхность касания
5, 9 покрывающий слой
10-12 емкостной сенсорный элемент
20, 24 емкостной сенсорный элемент
22, 25 защитная пленка
23, 26 поверхность касания
30 емкостной сенсорный элемент
40 емкостной сенсорный элемент
42а-42f электрод обнаружения
43а-43f выводной провод
50 емкостной сенсорный элемент
51 основание
52 секционированный электрод обнаружения
53 выводной провод
59 схема переключения между электродами обнаружения
60 схема обнаружения изменения емкости
70 устройство воспроизведения изображений, содержащее экран воспроизведения цилиндрической формы
80 устройство формирования изображений, предназначенное для формирования трехмерного стереоскопического изображения
81 трехмерное стереоскопическое изображение
100 устройство воспроизведения с сенсорной панелью
101 светоизлучающий диод (СИД)
102  жидкокристаллическая панель
103 изогнутая сенсорная панель
110 сенсорный элемент
111 изогнутая подложка
112 прозрачная проводящая пленка
113 защитная пленка
114 поверхность касания
200 емкостной сенсорный элемент
201 материал основы
201а электродная часть
201b расширенная часть
202 электрод обнаружения
203 схема обнаружения
211 оболочка
210 игрушка в виде куклы
212 вогнутая часть