(57)【要約】ユーザからのタッチ式の入力を受け取りかつ電子機器を制御するために、摩擦帯電式センサを用いることができる。該摩擦帯電式センサは、該センサに結合された回路を動作させるために十分な電力を供給することもでき、該回路は、該入力の処理と、コマンドを送信して電子機器を無線で制御するための無線信号の生成とを実施する。該摩擦帯電式センサは、ベンゼン中でのフリーラジカル重合によって製造されたポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)などのパーフルオロ化コポリマーから作製された活性層を備えることができる。2019533845.tif 000006
2019533845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つまたは複数の薄膜を含む摩擦帯電式センサを形成する工程
を含む、方法であって、
該1つまたは複数の薄膜のうちの1つが、パーフルオロ化コポリマーを含む摩擦帯電薄膜を含む、方法。
【請求項２】
前記パーフルオロ化コポリマーが、ベンゼン中でのフリーラジカル重合によって合成された統計コポリマーである、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記パーフルオロ化コポリマーが、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
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を含む反応による不活性雰囲気条件下でのフリーラジカル重合を介した合成によって、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)を合成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記パーフルオロ化コポリマーが、約10,000〜50,000の分子量および約1.5〜2.5の多分散指数(PDI)を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記パーフルオロ化コポリマーが、約50パーセント超の重量割合で支配的パーフルオロセグメントを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記パーフルオロ化コポリマーを別のコポリマーと混合する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が
基板上に導電性薄膜を形成すること；および
該導電性薄膜上に前記摩擦帯電薄膜を形成すること
を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、前記摩擦帯電薄膜上に第2の摩擦帯電薄膜を形成することを含む、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、前記摩擦帯電薄膜の表面を改変することを含む、請求項8に記載の方法。
【請求項１１】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、導電性薄膜上に前記摩擦帯電薄膜を形成することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、前記導電性薄膜に結合された薄膜抵抗体を形成することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記薄膜抵抗体を形成する工程が、窒化タンタル、シリコンクロム合金、ニッケルクロム合金、および透明導電性材料のうちの少なくとも1つから抵抗体を形成することを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記摩擦帯電式センサに結合された集積回路を形成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
前記集積回路を形成する工程が、無線周波数(RF)アンテナを形成することを含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記集積回路を形成する工程が、アルミニウム、銅、銀、酸化インジウム錫(ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、PEDOT:PSS、または任意の他の導電性材料のうちの1つまたは複数から作製された電極、相互配線、および/またはアンテナを形成することを含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、PET、PEN、PC、PMMA、ポリイミド、または他の熱可塑性材料のうちの少なくとも1つを含む基板上に該摩擦帯電式センサを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
前記摩擦帯電式センサを形成する工程が、フレキシブル基板上に該摩擦帯電式センサを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、全体として参照により本明細書に組み入れられる、2016年6月30日に出願の米国仮特許出願第62/356,694号の優先権の恩典を主張する。
【０００２】
開示の分野
本開示はユーザ入力機器に関する。より具体的には、本開示は摩擦帯電センサ搭載のユーザ入力機器に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
電子機器、特に家庭用電化製品は、ユーザから入力を受け取ってユーザに出力を提供することによって機器のユーザとやりとりしなければならない。古典的な入力形態は、キーボードおよびマウス機器を含むが、より新しくはタッチスクリーン機器も含む。しかしながら、これらの旧来の技術は、特定の用途には好適であるが、低コスト、低電力、および/またはサイズの小さいフォームファクタという点では不十分である。つまり、キーボードおよびマウスは大きなスペースを占めるかなり大型の機器である。引き換えにそれらはかなり複雑な入力に対処する能力がある。タッチスクリーン機器は電力を大量に消費するが、引き換えに大量の情報を表示することまたは複雑な画面を表示することができる。照明スイッチまたは電源ボタンに用いられる単純なスイッチなどのより単純な機器は、低コストかつ小型であるが、一般的にオン/オフコマンドなどのユーザからの非常に単純な入力を受け取ることしかできない。さらに、これらのスイッチは受動機器でありかつ外部電源を必要とする。
【０００４】
従来の電子機器ならびにそれら機器への入力および出力の欠点の一部のみを上に記載しているが、これらの欠点は、照明スイッチまたは家庭用スマートフォンなどの電子機器がユーザとやりとりする能力を向上させるに、ユーザ入力およびユーザフィードバックにおいてさらなる向上が必要であることを表している。
【発明の概要】
【０００５】
概要
より良好に人とやりとりするために、次世代の電子機器は摩擦帯電センサを用いて人の触覚器官とやりとりすることができる。摩擦帯電センサは、ユーザが手または指などによってセンサに加えた力の量を判断し、加えられた力を電気信号に変え得る。ユーザがリモート機器へ入力し得るように、その電気信号は処理され別の機器に無線で送信され得る。いくつかの態様では、摩擦帯電センサは摩擦帯電センサに結合されたコンポーネントに電力を供給するようにも構成され得る。よって、摩擦帯電センサを含む電子機器用の外部電源は任意で含まれてもまたは含まれなくてもよい。外部電源なしで電子機器に動作させることは電子機器の汎用性を向上し、電子機器にとって可能な用途の数を増加させる。
【０００６】
摩擦帯電センサを備えた電子機器の一例は部屋用の照明スイッチであり得る。従来の照明スイッチは、照明器具と外部電源との間において照明器具に配線されなければならない。壁スイッチからは部屋の反対側に照明がある広い部屋では、スイッチを照明器具に接続するために大量の配線が用いられる。配線は、アクセスが困難である壁空間または天井空間を通過しなければならないことが多く、かつ/または設置中に損傷したり修理に時間および材料が必要になったりすることがある。摩擦帯電センサを備えた電子機器は、スイッチを器具に配線することなく照明器具用の壁スイッチとして用い得る。それどころか、摩擦帯電式壁スイッチを単に所望の位置で壁に取り付けることができる。摩擦帯電式壁スイッチ用の外部電源は必要ないので壁スイッチは色々な場所に設置が可能であるが、従来の壁スイッチは新たな配線が届く場所に設置されなければならない。ユーザが摩擦帯電式壁スイッチに力を加えると、照明器具がオンまたはオフになり得、照明器具が所望の明るさに設定され得、かつ/または照明器具が所望の色に設定され得る。
【０００７】
壁スイッチは、本明細書において記載の発明の態様に関する1つの用途として記載されているが、別の用途も可能である。例えば、摩擦帯電センサを備えた電子機器はモバイル機器、電源スイッチ、音量調節、または他の入力機器などの家庭用電子機器に組み込まれ得る。さらに、照明器具がレシーバとして記載されているが、無線周波数(RF)通信によって力感知機器が、電球に直接接続された好適なRFリーダ、またはRF対応機器に問合せ可能なオートメーションシステム、照明管理システム、パーソナルコンピュータもしくはモバイル機器などの任意の他の処理ユニットにタッチイベントを通信し得る。用途は照明スイッチに限定されず、任意の機械的スイッチングシステムの代替物または補機として用いることができる。これらのスイッチは、セントラルユニットへの配線を必要としなくてもよく、設置がより簡単である。例えば、車内のメカニカルスイッチ（例を挙げると、エンジン始動、ドア、窓、座席など）を発明の態様に従って無線で制御することができる。
【０００８】
1つの態様によれば、装置は、摩擦帯電式センサと、摩擦帯電式センサに結合した薄膜抵抗体と、薄膜抵抗体を介して摩擦帯電式センサに結合した無線周波数(RF)通信機器とを備えることができる。装置は、摩擦帯電センサから電力を受け取りかつ/または摩擦帯電センサからの電力の受け取りに応答して受信機器に無線信号を送信するように構成され得、該無線信号は摩擦帯電式信号において受け取った入力を表す。いくつかの態様では、RF通信機器は、摩擦帯電式センサから電力および/またはデータを受け取るようにならびに受け取った電力および/またはデータに基づいて無線信号を送信するように構成され得る。いくつかの態様では、摩擦帯電センサからの電力の受け取りはそれ自体が、摩擦帯電センサにおいて受け取ったユーザ入力に応答して電力が発生したというデータに相当し得る。
【０００９】
そのような装置は、基板上に摩擦帯電式センサを形成する工程、基板上に薄膜抵抗体を形成する工程、基板上に無線周波数(RF)通信機器を形成する工程、および/または、薄膜抵抗体を介して無線周波数(RF)通信機器を読出回路および摩擦帯電式センサに結合する工程を含む例示的な方法などによって、作製され得る。摩擦帯電式センサは、少なくとも1つの摩擦帯電薄膜層を伴って導電層上に形成され得る。摩擦帯電薄膜層は、パーフルオロ化コポリマー、PVDF、PVDFのコポリマー、PDMS、PMMA、テフロン、ポリマーフォーム、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)、フッ素化ポリマー、および電気陰性ポリマーのうちの少なくとも1つを含み得る。摩擦帯電薄膜は、薄膜上に大きさが同様のまたは異なる複数のピラーを形成することなどによって、摩擦係数を増加させるよう改変され得る。
【００１０】
摩擦帯電式センサおよび他の部分、または摩擦帯電式センサの全体は、可撓性であり得る。例えば、センサまたは装置は、PET、PEN、PC、PMMA、ポリイミド、および熱可塑性材料のうちの少なくとも1つの上に形成され得る。いくつかの態様では、基板はまた透明であり得る。
【００１１】
摩擦帯電式センサ用の摩擦帯電薄膜は、現在のまたは今後開発される製造プロセスによって製造され得る。いくつかの態様では、摩擦帯電薄膜は、ベンゼン中でのフリーラジカル重合によって合成されたパーフルオロ化コポリマーまたは他の統計コポリマーであり得る。1つの態様では、パーフルオロ化コポリマーは、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)を含み得、これは、以下の反応によって、不活性雰囲気条件下でフリーラジカル重合を介して合成され得る。
2019533845.tif 000003
【００１２】
いくつかの態様では、パーフルオロ化コポリマーは、約10,000〜50,000の分子量および約1.5〜2.5の分散比を有する。いくつかの態様では、パーフルオロ化コポリマーは、約50パーセント超の重量割合で支配的パーフルオロセグメントを有する。
【００１３】
摩擦帯電式センサまたは装置は、摩擦帯電式センサにおいて受け取ったユーザ入力の処理および送信を容易にするための工程を実行し得る。プロセッサまたは他の論理回路は、加えられた力をタッチ機器の摩擦帯電式センサにおいて受け取ること、加えられた力をタッチ機器の摩擦帯電式センサにおいて電気信号に変換すること、タッチ機器の薄膜抵抗体を介してタッチ機器の無線周波数(RF)通信機器に電気信号をタッチ機器の摩擦帯電式センサによって加えること、電気信号をタッチ機器の無線周波数(RF)通信機器によって無線信号に変換すること、および/または無線信号をタッチ機器の無線周波数(RF)通信機器によって受信機器に送信することを含む工程を実行するようにハードウェア、ソフトウェア、および/またはファームウェアを通して構成され得る。
【００１４】
上記は、以下の詳細な説明がよりよく理解されるよう本発明の態様の一定の特徴および技術的利点をある程度広く概説したものである。発明のクレームの主題を形成するさらなる特徴および利点を下に記載する。当業者であれば、同じまたは同様の目的を果たすために改変するためまたは他の構造を設計するための基礎として、開示される概念および特定の態様を容易に用い得ることを認識されたい。添付のクレームに記される発明の精神および範囲からそのような均等な構成が逸脱しないことも当業者であれば承知されたい。添付の図面に関連して検討した場合にさらなる特徴が以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかしながら、各図面は例示および説明のみを目的として提供されており、本発明を限定することを意図していないことを明確に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
開示されるシステムおよび方法のより完全な理解のために、添付の図面と共に以下の説明を参照する。
【図１】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサを備えた装置を示すブロック図である。
【図２】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサの動作方法を示すブロック図である。
【図３】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサの平面図である。
【図４】図4Aは、本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサの断面図である。図4Bは、本開示の1つの態様に係る2つの摩擦帯電層を備えた摩擦帯電式センサの断面図である。図4Cは、本開示の1つの態様に係る、摩擦抵抗を高めるためのピラーのアレイを備えた摩擦帯電式センサの断面図である。
【図５】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサからの信号を処理するための集積回路を示すブロック図である。
【図６】本開示の1つの態様に係る、無線制御信号を生成するための摩擦帯電式センサを用いるための例示的な方法を示すフローチャートである。
【図７】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサのアレイを備えた装置を示すブロック図である。
【図８】本開示の1つの態様に係る例示的な摩擦帯電式センサ応答を示すグラフである。
【図９】本開示の1つの態様に係る、動的刺激に対する例示的な摩擦帯電式センサ応答を示すグラフである。
【図１０】本開示のいくつかの態様に係る、様々な抵抗値についての摩擦帯電式センサの例示的な負荷依存性を示すグラフである。
【図１１】本開示のいくつかの態様に係る、様々な抵抗値についての摩擦帯電式センサの例示的な電力出力を示すグラフである。
【図１２】本開示のいくつかの態様に係る、活性層が異なる2つの摩擦帯電式センサの例示的な応答を示すグラフである。
【図１３】本開示のいくつかの態様に係る、ポリマー層が異なる2つの摩擦帯電式センサに対する例示的な応答を示すグラフである。
【図１４】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式照明スイッチを備えた部屋の図面である。
【図１５】本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式力センサのアレイを備えた摩擦帯電式照明スイッチを備えた部屋の図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
詳細な説明
図1は本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサを備えた装置を示すブロック図である。装置100は、基板102上に力センサ110と、集積回路(IC)120と、無線周波数(RF)アンテナ130とを含み得る。基板102はPET、PEN、PC、PMMA、ポリイミド、または他の熱可塑性材料、または可撓性基板材料もしくは非可撓性基板材料のうちの1つであり得る。
【００１７】
力センサ110は、力センサ110に加えられた力の量に比例した出力信号を生成するように構成された摩擦帯電層を含み得る。摩擦帯電層は、PVDFおよびそのコポリマー(例を挙げると、PVDF-TrFE、PVDF-TrFE CFE、およびPVDF-HFP)、PDMS、PMMA、テフロン、ポリマーフォーム、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)、または他の電気陰性ポリマーのうちの1つを含み得る。力センサ110は窒化タンタル、シリコンクロム合金、ニッケルクロム合金、透明導電性材料(例を挙げると、ITO)、および/または他の抵抗材料のうちの1つまたは複数から作製され得る抵抗体も含み得る。
【００１８】
IC120は、力センサ110の出力信号を読み出すために、力センサ110に結合され得る。IC120は、力センサ110に加えられた力の量を判断するために、力センサ110から受信した出力信号を処理し得る。例えば、IC120は、力センサ110からの出力信号を相対的または絶対的な力値に変えるために、ルックアップテーブル、方程式、アルゴリズム、または機械学習を用い得る。いくつかの態様では、力値はユーザが力センサ110に触れたかどうかを判断するために用いられ得る。いくつかのタッチセンサ態様では、IC120は、力センサ110に加えられた力が、力センサ110への意図的な接触を指し示す閾値量を超過するかどうかを判断し得る。この二値的な判断を、例えば、機器をオンまたはオフにするために用い得る。IC120はアルミニウム、銅、銀、酸化インジウム錫(ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、PEDOT:PSS、または任意の他の導電性材料のうちの1つまたは複数から作製された電極、相互配線、および/またはアンテナを含み得る。
【００１９】
IC120は、判断した加えられた力、または加えられた力から導き出された別の値をRFアンテナ130を通して送信し得る。例えば、0から100の間のスケーリングされたアナログ値が力センサ110の出力信号に基づいてIC120によって生成され得、そのスケーリングされたアナログ値はRFアンテナ130を通して送信され得る。別の例では、力センサ110の出力信号が閾値より高いかまたは低いかに基づいてIC120によって真または偽の二値が生成され得、その二値はRFアンテナ130を通して送信され得る。IC120は任意の無線通信技術用いてRFアンテナ130を用いて通信し得る。いくつかの態様では、IC120は、ブルートゥース(商標)機能を含み、ブルートゥース(商標)規格に従ってRFアンテナ130を動作させ得る。いくつかの態様では、IC120はWiFi機能を含み、IEEE802.11規格に従ってRFアンテナ130を動作させ得る。いくつかの態様では、IC120は、RFアンテナ130を通して信号を送信するための周波数変調(FM)または振幅変調(AM)回路を含み得る。
【００２０】
図1の装置などによる摩擦帯電式センサの例示的な動作を、図2を参照してより詳細に説明する。図2は、本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサの動作方法を示すブロック図である。摩擦帯電式センサの動作についてのデータフローは、摩擦帯電式力センサから力入力信号を受信する集積回路備えたブロック202で開始し得る。次いで、ブロック204では、集積回路はブロック202の力センサから受信した入力に基づく信号調整および/または他の数学的決定もしくは論理的判断を含み得る信号処理を実施し得る。次に、ブロック206では、集積回路は、ブロック202において力センサから受信されかつブロック204において処理された信号に少なくとも部分的に基づいて信号を送信することなどによって、別の装置と無線通信し得る。
【００２１】
力センサ110は、図3に示す例示的なセンサなどの摩擦帯電式力センサであり得る。図3は本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサの平面図である。力センサ110は摩擦帯電層312を備えた感知領域310を含み得る。摩擦帯電層312は抵抗体（レジスタ）320の電極322に結合され得る。電極322は抵抗体320の電極324に抵抗材料326を介して結合され得る。抵抗体320は集積回路120などの別の回路に結合され得る接触パッド330に結合され得る。感知領域310に加えられた力は、感知領域310に加えられた力に比例する信号を接触パッド330において発生させることができ、この信号は、例えば、集積回路120によって処理されかつ送信されることができる。いくつかの態様では、力センサ110は図4A、図4B、および図4Cに示されるものなどの薄膜機器であり得る。
【００２２】
薄膜摩擦帯電力センサの一例を図4Aに示す。図4Aは本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式センサの断面図である。薄膜力センサ450は、抵抗体326用の電極としての役割を果たすために基板102に積層された導電層322を備えた基板102を含み得る。摩擦帯電層312が導電層322に積層され、力センサにおいて加えられた力を抵抗体326を通して信号に変えるように構成され得る。いくつかの態様では、力センサで加えられた力は、ユーザが力センサに触れると提供されるユーザ入力であり得る。
【００２３】
図4Aの薄膜センサは抵抗体326によって電気信号に変換される電荷を発生させるための摩擦帯電層を用いて動作し、それら電気信号は接触パッドを通して集積回路へ送られる。逆の電気親和性を有する材料と接触すると摩擦帯電層に電荷が発生する。例えば、人の指が摩擦帯電層に触れると接触帯電(例を挙げると摩擦帯電)の原理の結果として電荷が発生する。センサの電力出力はシステムの負荷(例を挙げると、抵抗)に依存し得る。薄膜センサのいくつかの態様では、抵抗体は薄膜の形態で作製される。摩擦帯電式力センサによって生成される信号は、モバイル機器の中央処理装置(CPU)または任意の他の適切なリーダなどの受信機器へ近距離無線周波数通信を介して通信される前に、調整および前処理のために薄膜集積回路へ送られ得る。
【００２４】
薄膜センサは本開示の1つの態様に係る摩擦帯電材料の複数の層を含み得る。図4Bは本開示の1つの態様に係る2つの摩擦帯電層を備えた摩擦帯電式センサの断面図である。薄膜力センサ452はバッファ層414によって仕切られ得る摩擦帯電層312Aおよび312Bを含み得る。センサ452で示されるような複数の摩擦帯電層は摩擦帯電効果を増強し、よってセンサ452に結合された集積回路による処理のためのより大きな信号を生じ得る。
【００２５】
薄膜センサは、接触する層間の接触表面積および/または摩擦係数を向上するように改変された表面を含み得る。1つの態様では、改変表面はピラーのアレイが形成された表面を含み得るが、別の態様では別の表面改変が用いられ得る。図4Cは、本開示の1つの態様に係る、摩擦抵抗を高めるためのピラーのアレイを備えた摩擦帯電式センサの断面図である。薄膜力センサ456はピラー416のアレイを含むように表面が改変された摩擦帯電層312を含み得る。ピラー416はセンサ456の一部または全体にわたって延在し得る。ピラーはほぼ均一な形状および大きさであり得るか、またはピラーは異なる形状および大きさを有し得る。
【００２６】
再び図1を参照すると、上に記載のあらゆるセンサ構成、または摩擦帯電層を組み込んだ他のセンサ構成は、センサによって生成された出力信号を読み出し、処理し、かつ送信するための集積回路120に結合され得る。そのような集積回路120の一例を図5に示す。図5は、本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサからの信号を処理するための集積回路を示すブロック図である。IC120は、センサ110内の薄膜抵抗体に結合された場合などに、センサ111から信号を受信するための入力ノードを含み得る。受信された信号はセンサ読出モジュール512によって受信され得る。読み出されたものは前処理モジュール514に提供され得、これはセンサ110から読み出されたものに対しておよび/または読み出されたものに関連した動作を実施し得る。処理された信号はRF処理モジュール516に提供され得、これは、アンテナ130への出力のための物理的な信号を生成することまたはアンテナ130への出力のためにデータをフレームにパッケージングすることなどによる、データを別の機器に送信するための動作を実施し得る。
【００２７】
いくつかの態様では、IC120は電力モジュール502を含み得、これもセンサ110に結合され得る。電力モジュール502はセンサ信号を受信し、電力をモジュール512、514、および516に分配し得る。電力モジュール502は、受信したセンサ信号をモジュール512、514、および516を動作させるための定常状態DC電源に変換するための電力変換器、DC/DC変換器、チャージポンプなどの回路を含み得る。例えば、センサ信号はモジュール512、514、および516を動作させるための1.8ボルトのDC電源に変換され得る。
【００２８】
モジュール512、514、および/または516は本明細書において記載の動作を実施するように構成された回路を含み得る。IC120が汎用プロセッサである場合などのいくつかの態様では、モジュール512、514、および/または516は、汎用プロセッサによって実行されると本明細書において記載の動作をプロセッサに実施させるソフトウェアコードを含み得る。いくつかの態様では、モジュール512、514、および/または516は一定の機能を実施するように構成された回路または他のハードウェアを含み得る。いくつかの態様では、回路または他のハードウェアはファームウェアを用いて構成され得る。センサ110と連携してモジュール512、514、および/または516によって実行するための方法の一例を図6を参照して説明する。
【００２９】
図6は、本開示の1つの態様に係る、無線制御信号を生成するための摩擦帯電式センサを用いるための例示的な方法を示すフローチャートである。方法600は、加えられた力を摩擦帯電式センサにおいて受け取るとブロック602において開始し得る。ブロック604では、摩擦帯電式センサにおいて加えられた力が電気信号に変換され得る。例えば、ユーザの指が、接触帯電の原理の結果として摩擦帯電層内に電荷を発生させる、図3の感知領域310に力を加え得る。ユーザが加えた力は入力信号に対応し得る。例えば、感知領域310をタップすることは、照明機器などの機器をオンまたはオフにするということを意味し得る。別の例として、感知領域310をタップすることは、通話または他の通信セッションを開始または終了するということを意味し得る。ブロック606では、摩擦帯電式センサからの電気信号は無線周波数(RF)通信装置に加えられ得る。RF通信機器は図1または図5の集積回路120などの集積回路および図1のRFアンテナ130を含み得る。集積回路120は、例えば、ブロック606において摩擦帯電式センサから電気信号を受信するように構成されたセンサ読出モジュール512を含み得る。
【００３０】
RF通信装置は次いで、力センサの出力を送信用に準備する工程、次いで力センサの出力に対応する信号を送信する工程を実施し得る。ブロック608では、電気信号はRF通信機器によって無線信号に変換され得る。1つの態様では、ブロック608の変換は図5の前処理モジュール514および/またはRF処理モジュール516によって実施され得る。例えば、電気信号は、近距離RF通信用の無線信号を生成するように処理されかつ用いられ得る。ブロック610では、無線信号はRFアンテナ130などを通してRF通信機器によって受信機器まで送信され得る。1つの態様では、ブロック610の送信はRF処理モジュール516および/またはRFアンテナ130によって実施され得る。受信機器はランプまたは通信対応LED式電球などの照明機器であり得る。受信機器は代替的には携帯電話、タブレット、ラップトップコンピュータ、またはデスクトップコンピュータなどのコンピューティング機器であり得る。
【００３１】
上に記載の例示的な態様は単一の摩擦帯電式センサを含むが、いくつかの態様では複数のセンサがアレイに編成され得る。図7は、本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式タッチセンサのアレイを備えた装置を示すブロック図である。電子機器700は摩擦帯電式センサのアレイ710を含み得る。摩擦帯電式センサ710A〜Nのそれぞれは摩擦帯電活性層を有する薄膜センサ712A〜Nと薄膜抵抗体714A〜Nとを含み得る。アレイ710のセンサ710A〜Nのそれぞれはセンサ710A〜Nによって生成される信号を処理するための集積回路(IC)720に結合され得る。IC720は、センサ710A〜Nのそれぞれから入力信号を受信しかつ結果として生じる出力をデコードするように構成された読出およびデコーダモジュール722を含み得る。例えば、モジュール722はセンサ710A〜Nのどれがタッチされたか判断するために信号をデコードすることが可能であり得る。別の例では、モジュール722は、様々な領域に加えられた圧力が様々な入力値を示す場合などに、入力値を確定するために信号をデコードすることが可能であり得る。読み出されかつ/またはデコードされたデータは、図5の前処理モジュール514と同様の動作を実施するために前処理モジュール724に送られ、次いで図5のRF処理モジュール516と同様の動作を実施するためにRF処理モジュール726に送られ得る。
【００３２】
いくつかの態様では、薄膜センサアレイ710および/またはIC720は、機器に異なるフォームファクタを持たせる可撓性で可塑性の基板上に構築され得る。例えば、機器は平たい基板上に作製され得、適切な封止後に機器は、電球と直接接続された読取ユニットと接続する遠隔照明スイッチとして用いられ得る。異なる強度に対してマッピングされておりかつモジュール722によってデコードされ得るセンサアレイの様々な領域をタッチすることによって光強度を制御するために、複数のセンサを備えた機器を用いることができる。1つのマッピングでは、連続するカラムがタッチされると光強度を増加させることがユーザによって指示され得る。
【００３３】
様々な態様に係る薄膜摩擦帯電センサについての例示的な出力を図8、図9、図10、図11、図12、および図13に示す。図8は、厚さが36.6マイクロメートルのPVDF-TrFE摩擦帯電活性層と500メガオームの薄膜抵抗体とを有する、本開示の1つの態様に係る、例示的な摩擦帯電式センサ応答を示すグラフである。図8はタッチイベントで刺激された場合の摩擦帯電センサの応答を示す。時間802で接触した際に正の電圧が発生し、時間804で接触が解除された後に負のパルスが記録される。図9は、厚さが36.6マイクロメートルのPVDF-TrFE摩擦帯電活性層と500メガオームの薄膜抵抗体とを有する、本開示の1つの態様に係る、動的刺激に対する例示的な摩擦帯電式センサ応答を示すグラフである。図9は動的入力が加えられた場合の摩擦帯電センサの応答を示す。動的入力は所与の頻度でセンサを押圧するストローク制御リニアモーターによって再現される。センサが複数のタッチイベントにわたって同様の出力(例を挙げると、ピーク電圧またはピーク間電圧)を発生することが可能なことを示す均一な応答を観察することができる。図10は、厚さが36.6マイクロメートルのPVDF-TrFE摩擦帯電活性層を有する、本開示のいくつかの態様に係る様々な抵抗値についての摩擦帯電式センサの例示的な負荷依存性を示すグラフである。図10は1キロオーム〜500メガオームまでの抵抗範囲におけるセンサの負荷依存応答を示す。センサの電力出力はセンサに接続される負荷(例を挙げると、負荷の抵抗)によって制御され得る。図11は、厚さが36.6マイクロメートルのPVDF-TrFE摩擦帯電活性層を有する、本開示のいくつかの態様に係る、様々な抵抗値についての摩擦帯電式センサの例示的な電力出力を示すグラフである。図11は、結合された抵抗の関数として発生した最大電力を図示する。
【００３４】
図12は、本開示のいくつかの態様に係る、活性層が異なる2つの摩擦帯電式センサの例示的な応答を示すグラフである。図12は、形状は類似しているが活物質が異なりかつ厚さが異なる2つの摩擦帯電センサによって生成された出力信号の比較を示す。ポリマー1は200マイクロメートルのPDMSであり、ポリマー2は36.6マイクロメートルのPVDF-TrFE層である。各ポリマーは500メガオームの抵抗体を備えた大きさが1インチ×1インチのセンサで用いられる。PDMSと比べて、より薄いPVDF-TrFE層はより高い出力電圧を呈し得る。PVDF-TrFE層のより高い電気陰性度が、観測された挙動の背後にある理由となり得る。フッ素化ポリマーのより高い電気陰性度が、より薄い層の使用でもより良好な応答をもたらし得る。発生電圧が高いほど、センサのタッチおよび力の分解能が高くなる。すなわち、所与の力での電圧応答がより高いセンサは、より低い強度の刺激を検出することが可能であり得、よってより高い力分解能が達成され得る。
【００３５】
図13は、本開示のいくつかの態様に係る、ポリマー層が異なる2つの摩擦帯電式センサに対する例示的な応答を示すグラフである。図13は、前述と同じ機器形状を有するが、摩擦帯電層として厚さが1.6umのポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)を用いた摩擦帯電センサの出力応答を示す。図13は、図13のグラフ上ではポリマー1[ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)) 1:1]およびポリマー2[ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル) 1:2]として示される、重合反応における(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)モノマーの公称量を増加させたポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)の性能を示す。図13は、観察された出力電圧に基づき活性摩擦帯電層としてのポリマー2の使用に一定の利点を示す。ポリマー1(1:1)は最高出力電圧が2V前後であるが、ポリマー2(1:2)では12Vという高い出力電圧が観察される。ポリマー2で観察された、より良好な性能は、ポリマー中のフッ素含有量がより多いためであり得、これは翻って材料の電気親和性を増大させる。摩擦帯電応答は接触する表面の電気親和性の差に正比例する。図13のポリマー2の出力電圧は、図12に示すように厚さが36.6umのPVDF-TrFE層を用いると観察される出力電圧と同様であるが、はるかに薄いポリマー2の層を備えている(例を挙げると、1.6マイクロメートル)。所望の出力信号を達成するために用いられる材料が少ないため、ポリマー2の使用が有利であり得る。
【００３６】
いくつかの態様に係る薄膜摩擦帯電センサは、パーフルオロ化コポリマーをベースにした摩擦帯電層を有し得る。パーフルオロ化コポリマーは、例えば、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)であり得る。パーフルオロ化コポリマーはベンゼン中でのフリーラジカル重合によって製造され得る。いくつかの態様では、パーフルオロ化コポリマーは約50パーセント超の重量割合で支配的パーフルオロセグメントを有し得る。摩擦帯電薄膜についての合成の特定の態様を下に記載するが、上に記載のものなどの他のコポリマーを異なる技術によって製造し得る。1つの態様では、ベンゾフェノンラジカルアニオンの特徴的な青色が現れるまでベンゾフェノンの存在下でナトリウム/カリウム合金でベンゼンを還流させることによって合成を実施し、次いで蒸留する。アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)をメタノールから再結晶化し、真空中で乾燥させた。使用前にメタクリル酸メチルをN2雰囲気下で新たに蒸留した。塩基性アルミナカラムにメタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチルを通過させることにより精製し、Na2SO4で乾燥させた。
【００３７】
ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)の合成は、窒素注入口と還流冷却器とを備えた三つ口丸底フラスコにおいて30mlの脱水ベンゼンと共に開始し得る。ベンゼンに窒素ガスを約1.5時間送った後、1.0g(10mmol)のメタクリル酸メチル(1)および1.0g(2.1mmol)のメタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル(2)を加え、混合物を撹拌して試薬を溶解させる。次いで20mgの2,2'-アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を加え、撹拌しながら摂氏80度で反応混合物を12時間反応させる。得られた粘性の溶液を250mlのメタノールを加えて析出させる。単離したポリマーをその後クロロホルムからメタノールへ2回析出させてさらに精製し、白色のポリマーを真空中で乾燥させ得る。得られるコポリマーは5,000〜50,000の間またはより具体的には8,700の分子量と、1.5〜2.5またはより具体的には2.01のDPIとを有し得る。1つの態様によれば、ポリ(メタクリル酸メチル)-co-ポリ(メタクリル酸1H-1H-パーフルオロオクチル)を合成するための反応は下に示す反応である。
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【００３８】
摩擦帯電センサを製造するための方法の一例をここで記載するが、発明の異なる態様では別の技術および材料が用いられ得る。まず、100nmのPET基板に対して基板処理および洗浄を行う。アセトン、イソプロパノール(IPA)、および脱イオン水を用いた超音波洗浄機において各溶媒で5分間基板を洗浄した後、基板を高純度の窒素でブロー乾燥する。次いで、フォトリソグラフィおよび電子ビーム蒸着を用いて50nmのチタン/100nmの金電極を形成することなどによって電極の積層およびパターニングを実施し得る。厚さが4マイクロメートルのAZ EC3027ポジ型フォトレジスト(PR)を基板にスピンコーティングする。次いでフォトマスクを通してPR層を200mJcm-2の線量の広帯域UV光源で露光して所望のフィーチャを転写する。次いでAZ 726 MIF現像液を用いてPRを現像する。次いで真空を途切れさせずに電子ビームエバポレータを用いてTi/Au電極を積層する。次いでアセトンを用いたリフトオフを実施して不要な領域を除去し、パターニングプロセスを完了する。次いで、ジメチルホルムアミド(DMF)中にP(VDF-TrFE)コポリマー(75/25mol%)を8時間溶解させて20重量％溶液を得る工程を含み得る、摩擦帯電層の積層を実施する。次いで溶液をPETフィルム(その上に電極を備える)に1000rpmの速度でスピンコーティングして12.2umのPVDF-TrFE層を形成する。36.6μm前後の最終厚を得るために3回、または別の厚さを得るために異なるスピン速度で異なる回数このプロセスを繰り返し得る。各層を摂氏50度のホットプレート中で10分間ソフトベークし得る。プロセス全体を終了した後、摂氏135度の通常のオーブン中で4時間真空下でフィルムをアニーリングし得る。1mmおよび5mmのタッチ解像度を備えた実際の機器を作製したが、異なる解像度が可能である。50nmのチタン/100nmの金電極および厚さが36.6umのPVDF-TrFE摩擦帯電活性層を備えた厚さが100umのPETフィルムをフレキシブル基板として用いて機器が作製される。
【００３９】
摩擦帯電センサを備えた電子機器についての1つの例示的な用途は、照明器具を操作するための壁スイッチである。図14は本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式照明スイッチを備えた部屋の図面である。部屋1400は照明器具1402および1404を含み得る。壁スイッチ1406などの電子機器は摩擦帯電センサ1406Aを含み得る。摩擦帯電センサ1406Aに圧力が加えられると、センサ1406AはRF通信機器に送られる電気信号を生成し得る。RF通信機器内の集積回路は、信号を受信し、信号を処理し、かつRFアンテナへの印加用のRF信号を生成し得る。よってRF通信機器は、センサ1406Aに加えられた力に基づいて制御信号を生成および/または送信し得る。制御信号は、器具1402および1404をオンもしくはオフにするかまたはセンサ1406Aに加えられた力によって指示されるレベルまで器具1402および1404を暗くするために、照明器具1402および1404に送信され得る。壁照明器具1402および1404が図14に示されているが、壁スイッチ1406は、電源コンセント、ステレオ装置、テレビ、エアコン、ヒーター、モバイル機器、ホームオートメーションシステムなどを含む室内の任意の機器を制御し得る。
【００４０】
図15に示すように、摩擦帯電センサのアレイは照明器具を操作するための壁スイッチに用いられ得る。図15は、本開示の1つの態様に係る摩擦帯電式力センサのアレイを備えた摩擦帯電式照明スイッチを備えた部屋の図面である。部屋1500は照明器具1502および1504ならびに壁スイッチ1506を含み得る。スイッチ1506は摩擦帯電センサ1506A〜Iを含み得る。スイッチ1506はスイッチ1406と同様に動作し得るが、複数の機器に異なる信号または複数の信号を送信し得る。例えば、1つのセンサ1506Aは照明器具1502を制御するために用いられ得、第2のセンサ1506Bは照明器具1504を制御するために用いられ得る。別の例では、センサ1506A〜Iは、センサ1506A〜Cの一列が器具1502の強度を多様にし、別の列のセンサ1506D〜Fが器具1504の強度を多様にする場合など、各器具1502〜1504の強度を制御するために用いられ得る。さらなる例では、センサ1506A〜Iは、センサ1506A〜Cの一列が照明器具1502および1504からの放出される赤色光の強度を多様にし、第2の列のセンサ1506D〜Fが放出される緑色光の強度を多様にし、第3の列のセンサ1506G〜Iが放出される青色光の強度を多様にする場合など、器具1502および1504の色を制御するために用いられ得る。
【００４１】
ファームウェアおよび/またはソフトウェアに実装される場合、図2および図6のフローチャートに関してなど、上に記載の機能は、コンピュータ可読媒体に1つまたは複数の命令またはコードとして記憶され得る。例は、データ構造でコードされた非一過性のコンピュータ可読媒体およびコンピュータプログラムでコードされたコンピュータ可読媒体を含む。コンピュータ可読媒体は物理的なコンピュータ記憶媒体を含む。記憶媒体はコンピュータによってアクセスすることができる任意の使用可能な媒体であり得る。非限定的な例としては、そのようなコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM)、コンパクトディスク読み取り専用メモリ(CD-ROM)もしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶装置、または命令もしくはデータ構造の形で所望のプログラムコードを記憶するために用いることができかつコンピュータによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含むことができる。ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピーディスク、およびブルーレイディスクを含む。一般的に、ディスク(disk)はデータを磁気的に複製し、ディスク(disc)はデータを光学的に複製する。上のものの組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。
【００４２】
コンピュータ可読媒体上の記憶に加えて、命令および/またはデータは通信装置に含まれる送信媒体上の信号として提供され得る。例えば、通信装置は命令およびデータを示す信号を有するトランシーバを含み得る。命令およびデータは請求項に概説する機能を1つまたは複数のプロセッサに実行させるように構成される。
【００４３】
本開示および一定の代表的な利点を詳細に説明したが、添付のクレームによって規定される本開示の精神および範囲から逸脱することなく様々な変化、置き換え、および変更が本明細書においては可能であることを理解されたい。さらに、本願の範囲は明細書において記載のプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、および工程の特定の態様に限定されることを意図していない。当業者であれば本開示から容易に認識するように、本明細書において記載の対応する態様と実質的に同じ機能を行うかまたは実質的に同じ結果を達成する現存するかまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、または工程が用いられ得る。したがって、添付のクレームはそれらの範囲にそのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、または工程を含むことを意図している。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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