(57)【要約】  複数の制御電極を含む下層と、複数のハプティック電極を含む上層と、下層と上層との間にある中間層とを含み、ハプティック電極は制御電極に導電接続されない、ハプティックタッチスクリーン。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハプティックタッチスクリーンであって、
複数の制御電極を含む下層と、
複数のハプティック電極を含む上層と、
前記下層と前記上層との間にある中間層と、
を含み、
前記ハプティック電極は制御電極に導電接続されない、ハプティックタッチスクリーン。
【請求項２】
前記ハプティック電極は互いに電気連通していない、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項３】
各ハプティック電極は、制御電極に酷似している、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項４】
各ハプティック電極の幅は、指先の皮膚上の凹凸間の特性距離より大きい、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項５】
各ハプティック電極はダイヤモンド形であり、対応するダイヤモンド形制御電極と位置合わせされる、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項６】
前記各ハプティック電極は少なくとも１つのハプティック電極と相互接続する、請求項５に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項７】
各ハプティック電極はダンベル形である、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項８】
各ハプティック電極は、各制御電極のピッチより狭いピッチを有する、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項９】
各制御電極の前記ピッチは約５ｍｍであり、各ハプティック電極は差し渡し５ｍｍである、請求項８に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項１０】
前記ハプティック電極はグループ化され、ハプティック電極の各グループは異なる電荷を有する、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項１１】
ハプティックタッチスクリーンを作製する方法であって、該方法は、
複数のハプティック電極を含む上層を形成することと、
複数の制御電極を含む下層を形成することと、
前記下層と前記上層との間に中間層を形成することと、
を含み、
前記ハプティック電極は制御電極に導電接続されない、方法。
【請求項１２】
前記ハプティック電極は互いに電気連通していない、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各ハプティック電極は、制御電極に酷似している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
各ハプティック電極の幅は、指先の皮膚上の凹凸間の特性距離より大きい、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
各ハプティック電極はダイヤモンド形であり、対応するダイヤモンド形制御電極と位置合わせされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記各ハプティック電極は少なくとも１つのハプティック電極と相互接続する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
各ハプティック電極はダンベル形である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
各ハプティック電極は、各制御電極のピッチより狭いピッチを有する、請求項１に記載のハプティックタッチスクリーン。
【請求項１９】
各制御電極の前記ピッチは約５ｍｍであり、各ハプティック電極は差し渡し５ｍｍである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ハプティック電極はグループ化され、ハプティック電極の各グループは異なる電荷を有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権主張］
本開示は、２０１６年５月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／３４２，５９４号及び２０１７年５月２６日に出願された通常の米国特許出願第１５／６０６，４４０号の恩典及び優先権を主張するＰＣＴ特許出願である。これらの出願は、引用することにより、その全体が本明細書の一部をなす。
【背景技術】
【０００２】
ハプティックス（haptics）の語源はギリシャ語の「haptikos」であり、この語は、つかむことができる、又は感知することができることを意味する。従来のタッチスクリーンは、タッチスクリーン上に表示される物体の触感を伝える能力を欠いている。音波及び電気信号を利用する、接触を伝える数多くの方法が提示されてきた。しかしながら、これらの方法はそれぞれ、音響信号又は電気信号を生成するデバイス、そして、ハプティック信号を送信するデバイスの追加を必要とする。これらのデバイスは、コストを追加するだけでなく、タッチスクリーンを複雑にする。
【０００３】
セルラーデバイスは、そのコンパクトなサイズ及び薄さに起因して、特有の問題を提起する。従来のハプティック機構を追加することは、セルラーデバイスの厚さ及び重さを増すことになり、それはセルラーデバイスの価値及び有用性を低下させる。さらに、音響を利用するハプティックデバイスは、セルラーデバイスのユーザーに望まれない共鳴雑音を発生させる場合がある。それゆえ、タッチスクリーンの重みを増す付加的な構成要素を追加することなく、ハプティックタッチをタッチスクリーンに追加できるようにすることが必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の１つの実施形態は、
ハプティックタッチスクリーンであって、
複数の制御電極を含む下層と、
複数のハプティック電極を含む上層と、
前記下層と前記上層との間にある中間層と、
を含むことができ、
前記ハプティック電極は制御電極に導電接続されない、ハプティックタッチスクリーンを含む。
【０００５】
別の実施形態において、前記ハプティック電極は互いに電気連通していなくてもよい。
【０００６】
別の実施形態において、各ハプティック電極は、制御電極に酷似している場合がある。
【０００７】
別の実施形態において、各ハプティック電極の幅は、指先の皮膚上の凹凸間の特性距離より大きいものとすることできる。
【０００８】
別の実施形態において、各ハプティック電極はダイヤモンド形とすることができ、対応するダイヤモンド形制御電極と位置合わせすることができる。
【０００９】
別の実施形態において、前記各ハプティック電極は少なくとも１つのハプティック電極と相互接続することができる。
【００１０】
別の実施形態において、各ハプティック電極はダンベル形とすることができる。
【００１１】
別の実施形態において、各ハプティック電極は、各制御電極のピッチより狭いピッチを有することができる。
【００１２】
別の実施形態において、各制御電極の前記ピッチは約５ｍｍとすることができ、各ハプティック電極は差し渡し５ｍｍとすることができる。
【００１３】
別の実施形態において、前記ハプティック電極はグループ化することができ、ハプティック電極の各グループは異なる電荷を有する。
【００１４】
本開示の別の実施形態は、
ハプティックタッチスクリーンを作製する方法であって、該方法は、
複数のハプティック電極を含む上層を形成することと、
複数の制御電極を含む下層を形成することと、
前記下層と前記上層との間に中間層を形成することと、
を含み、
前記ハプティック電極は制御電極に導電接続されない、方法を含む。
【００１５】
別の実施形態において、前記ハプティック電極は互いに電気連通していなくてもよい。
【００１６】
別の実施形態において、各ハプティック電極は、制御電極に酷似している場合がある。
【００１７】
別の実施形態において、各ハプティック電極の幅は、指先の皮膚上の凹凸間の特性距離より大きいものとすることができる。
【００１８】
別の実施形態において、各ハプティック電極はダイヤモンド形とすることができ、対応するダイヤモンド形制御電極と位置合わせすることができる。
【００１９】
別の実施形態において、前記各ハプティック電極は少なくとも１つのハプティック電極と相互接続することができる。
【００２０】
別の実施形態において、各ハプティック電極はダンベル形とすることができる。
【００２１】
別の実施形態において、各ハプティック電極は、各制御電極のピッチより狭いピッチを有することができる。
【００２２】
別の実施形態において、各制御電極の前記ピッチは約５ｍｍとすることができ、各ハプティック電極は差し渡し５ｍｍとすることができる。
【００２３】
別の実施形態において、前記ハプティック電極はグループ化することができ、ハプティック電極の各グループは異なる電荷を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】下層内の制御電極の配置を示す図である。
【図２】最上層内の「小型の」浮遊電極の配置を示す図である。
【図３】最上層内の電極の１つの配置を示す概略図である。
【図４Ａ】「ダンベル形」浮遊電極を示し、最上層をタイル張りするためにその電極をいかに使用できるかを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａからの浮遊電極の配置を示す図である。
【図５Ａ】「星形」浮遊電極を示し、最上層をタイル張りするためにその電極をいかに使用できるかを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａからの浮遊電極の配置を示す図である。
【図６Ａ】「４×４」浮遊電極を示し、最上層をタイル張りするためにその電極をいかに使用できるかを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａからの浮遊電極の配置を示す図である。
【図７Ａ】「５×５」浮遊電極を示し、最上層をタイル張りするためにその電極をいかに使用できるかを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａからの浮遊電極の配置を示す図である。
【図８】電極パターンの別の実施形態を示し、最上層又は最下層のいずれかをタイル張りするためにその電極をいかに使用できるかを示す図である。
【図９】電極を電気的に接続するための方法を示す図である。
【図１０】図９の電極アーキテクチャを使用するハプティックタッチスクリーンの断面図である。
【図１１】ハプティックタッチシステムを製造するプロセスを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示は、ハプティック信号を直接受信することなく、ハプティック効果を生み出す電極の層を有するハプティックデバイスに関する。これらの電極は、信号源に、又は接地若しくはデバイスグラウンドに導電接続されないので、「浮遊している」と言われる。電極のこの「上層」は、タッチスクリーンアセンブリのカバーレンズ等の基材のタッチ面上に設けられる。通常、上層はカバー層によって覆われ、カバー層は透明とすることができる。カバー層は、サファイア様ガラス（sapphire like glass）等の硬質で透明なコーティングとすることができ、多層コーティングとすることができ、その場合、いくつかの層が、当該技術分野において既知であるような、屈折率整合、反射防止、防眩、疎油性、引っかき抵抗性、又は抗菌機能を提供する。カバー層は、上層内のハプティック電極を覆う平滑面を有することができるか、又は光学特性若しくは触覚特性を改善するために或る質感を有することができる。一実施形態において、カバー層、上層及び上層の下方に位置する誘電体層が、タッチスクリーンの最上面に取り付けられる。
【００２６】
人の指又は他の付属物が上層上の１つ以上の電極の上方に置かれ、指の真下にある上層内の少なくとも１つであるが、潜在的には複数の電極の電位が指の電位とは異なるときに、ハプティック効果が生み出される。この状況において、指とタッチ面との間に引力が生成され、引力は、タッチ面により密着するように指を引き寄せる傾向があり、それにより摩擦を変更する。この摩擦の変化は、時間、又は指位置、又は他の変数の関数として変調される場合があり、ハプティック効果として経験される。
【００２７】
本発明において、上層内の電極は、互いに、又は制御電子回路に導電接続されない。しかしながら、制御電子回路に導電接続される制御電極の「下層」も設けられる。本発明において、タッチ検知だけでなく、ハプティックスも与えるための電気信号が下層上の電極を介して導入される。上層及び下層は中間層によって分離され、中間層は透明とすることができる。中間層は通常、下層に機械的保護を与えるほど十分に厚い。一実施形態において、中間層は１０μｍ〜１０ｍｍの厚さを有する。
【００２８】
図１は、ハプティックデバイスの下位レベル内の制御電極の通常の配置を示す。この配置は、当該技術分野において既知であり、２つの電極軸からなる。電極１０２は、第１の軸に沿って配向され、第１の信号線１０６を介して接続され、電極１０４は、第２の、通常、直交する軸に沿って配向され、第２の信号線１０８によって接続される。（電極のいかなる上層も存在しない）この配置は、タッチ位置を検知するために多くの場合に使用される。
【００２９】
タッチデバイス内の位置は、２つの手法、自己キャパシタンス及び相互キャパシタンスを用いて検出される。自己キャパシタンス手法は、個々のラインの電圧を所与の量だけ変更するために必要とされる電流又は電荷の一連の測定からなる。電極付近に指が置かれる場合、指は電流又は電荷測定値を変更し、信号を与える。両方の軸上のこれらの信号を調べることによって、タッチ位置を推測することができる。相互キャパシタンス手法は、送信側として取り扱われる一方の電極軸と、受信側として取り扱われる第２の電極軸とを必要とする。送信電極に電圧を印加することができ、結果として生成される信号、通常、電荷又は電流を各受信側電極において測定することができる。指が第１の軸上の或る電極と第２の軸上の別の電極とが交差する場所付近に置かれる場合には、指は受信側電極上の信号を変更することになる。重要なことに、電極の上層の存在が、その実施態様の細部を変更する場合があるが、いずれの検知方策も本発明とともに使用することができる。
【００３０】
制御電極１０２及び１０４を更に用いて、ハプティック信号を導入することができる。例えば、１つの制御電極に印加される電圧が、容量性結合を介して、上層内の浮遊電極のそれぞれの電位を変更することになる。この電位の変化は、人の指に対する電位差を引き起こすことがあり、結果として、上記のような摩擦の変化が生じる。（接地又はタッチデバイスの局所的なグラウンドのような何らかのグラウンドに対する）単一の制御電圧の使用は、「単極」動作と呼ばれる。また、ハプティック効果は双極にすることもでき、その場合、ハプティック効果は、別々の制御電極１０２及び１０４上で（接地又はタッチデバイスの局所的なグラウンドのような何らかのグラウンドに対する）正の電圧及び負の電圧を同時に使用することによって引き起こされる。例えば、信号線１０６を介して第１の軸上の制御電極１０２に正の電圧を印加することができ、信号線１０８を介して第２の軸上の制御電極１０４に負の電圧を印加することができる。上層がない場合、両方の電極１０２及び１０４の上方にあり、両方の電極が交差する場所に近い、タッチ面上に置かれた指が、指又は体の電位にかかわらず、ハプティック効果を受けることになる。しかしながら、この効果の強さは、中間層の厚さによって決まり、中間層が厚くなるほど減少する。この同じ方策が本発明でも（より厚い中間層の場合にも）実施される場合があるが、上層上の浮遊電極が互いに異なる電位を採用できるように、下層から上層への容量性結合が構成されるのを確実にすることが重要である。以下において、適切な電極構成を教示する。
【００３１】
一実施形態において、浮遊電極の構成は、制御電極の構成（例えば、図１に示される）と同一である。唯一の違いは、浮遊電極を制御電子回路に接続する信号線１０６、１０８が存在しなくなることである。言い換えると、浮遊電極は、互いに電気連通していなくてもよい。さらに、各浮遊電極が対応する制御電極の真上に存在するように２つの層を位置合わせすることができる。この「鏡像」配置は、制御電極に印加される信号が主に浮遊電極に伝えられるように、各制御電極からその対応する浮遊電極への強い容量性結合を確立する。この手法の利点は、浮遊電極を制御電極の延長部分と考えることができ、検知及びハプティックスの両方に関する（並びに検知及びハプティックスを同時に行うための）既知の技法を、変更することなく使用できることである。別の実施形態において、浮遊電極の構成は、制御電極の構成とは異なる。
【００３２】
「鏡像」手法の不利な点は、一方の軸を他方の軸の上方で交差させる必要があることに起因して、浮遊電極を導電性材料の単層から製造できないことである。近接した２つのサブ層、又は導電性ブリッジ等の既知の技法を使用できるが、これらはコスト及び複雑性を増加させる。さらに、ブリッジ等の或る特定の技法は、前面に実装するには脆弱すぎる場合がある。これらの理由から、ブリッジを用いることなく、導電性材料の単層から浮遊電極を形成することが好ましい。
【００３３】
図２は、単層の浮遊電極の組の一実施形態を示す。ここで、浮遊電極２０２は実質的に任意の形状を有することができるが、制御電極２０４のピッチよりかなり小さい。例えば、制御電極２０４のピッチが５ｍｍである場合には、浮遊電極２０２はそれぞれ、差し渡しで約０．５ｍｍとすることができる。浮遊電極２０２の小さいサイズは、浮遊電極が、その表面にわたって横方向に、検知を妨げるほど大量に電荷を搬送しないことを意味する。それでも、浮遊電極２０２の幅が、指先の皮膚上の凹凸間の特性距離より大きい限り、皮膚と表面とが最も密着している位置まで横方向に電荷が搬送されることになる。これらの位置において、浮遊電極２０２が全く存在しない状況と比べて、強い垂直抗力が生成されることになる。このようにして、非常に小さい浮遊電極２０２であっても、ハプティック効果の強さを増すという利点を有することになる。
【００３４】
小さい浮遊電極２０２は何らかの利点を提供するが、サイズが大きくなると、下層上の制御電極への容量性結合が増すので、浮遊電極が大きいほど、より大きな利点が生じる。図３は、各電極３０３のサイズを大きくした、単層の浮遊電極３０３の組の別の実施形態を示す。ここで、各浮遊電極３０２は、下層の制御電極１０２又は１０４のダイヤモンド形と位置合わせされる、単一のダイヤモンド形パッチである。この実施形態は、単純である、製造コストが低い、及び丈夫であるという利点を有する。上記の実施形態の場合と同様に、これらの浮遊電極３０２は、検知方策を妨げない。さらに、浮遊電極３０２が大きいほど、下層に対してより強い容量性結合を与える。制御電極１０２又は１０４から各浮遊電極３０２への接続の強さは重なる面積によって決まることに留意されたい。この実施形態において、重なる面積は単一のダイヤモンドのサイズである。これは、先行する実施形態において見られる面積よりずっと大きいが、それでも、「鏡像」手法の場合のような、ダイヤモンドの行又は列全体に関連付けられる重なる面積よりずっと小さい。
【００３５】
重なる面積を更に大きくする１つの方法は、浮遊電極３０２のためにより大きいダイヤモンド形を利用することである。例えば、ダイヤモンドの幅を２倍にし、４倍の面積を与えることができる。この場合、浮遊するダイヤモンドは、第１の軸上の１つの制御電極１０２と第２の軸上の１つの制御電極１０４とが交差する場所に位置合わせされることになる。強いハプティック信号を生成するために、２つの制御電極１０２及び１０４のそれぞれに同じ電圧が印加されることになる。しかしながら、この手法の場合に難しいことは、指が、２つ以上のそのような大きいダイヤモンド電極の上方に存在するほど大きくない場合があることである。上記のように、指は、異なる電位を有する少なくとも２つの電極の上方に存在することが好ましい。
【００３６】
それゆえ、代替の実施形態は、図４〜図７に示されるように「タイル張りされた」パッチからなる。ここで、各浮遊電極は、２つ以上のダイヤモンドの相互接続によって形成されるタイルであり、ダイヤモンドは、下層の制御電極のダイヤモンド形と位置合わせされる。さらに、所与のタイル上の全てのダイヤモンドが、単一の電極軸上の下層のダイヤモンドと位置合わせされる。このようにして、図１に示されるような、下層電極の「格子縞」パターンが、それらのタイルにおいても見られる。タイルは、一群の異なるサイズにおいて作製される場合がある。
【００３７】
この浮遊電極群内の最も小さいタイルはそれぞれ、図４Ａに示されるように、「ダンベル」形に接続される２つのダイヤモンドからなる。２つのダイヤモンド４０２及び４０４はトレース４０６を介して接続され、実質的に「ダンベル」形を形成する。各ダンベルは、個々の制御電極１０２又は１０４上の２つのダイヤモンドと位置合わせされる場合があるか、又は２つの隣接する制御電極１０２又は１０４上の２つのダイヤモンドと位置合わせされる場合がある。いずれの場合も、下層のダイヤモンドは、可能な限り最も強いハプティック効果を生み出すために、実質的に同じ電圧に制御されるべきである。さらに、２つの異なる軸上の制御電極１０２及び１０４と位置合わせされるダンベルは、異なる電位に導かれる場合がある。
【００３８】
図４Ｂは、第１の組のダンベル４０８が、第２の組のダンベル４１０と逆の電荷を有するダンベルの配置を示す。例示として、第１の組のダンベル４０８は正の電荷を有することができ、一方、第２の組のダンベル４１０は負の電荷を有することができる。隣接する組の第１の組のダンベル４０８は、第２の組のダンベル４１０内の電極を接合するトレース４０６によって分離される。
【００３９】
図５Ａは、同じ群内により大きいタイルを有するグループ浮遊電極５０２の一実施形態を示す。ここで、タイルは３×３の格子縞パターンの対角線上に存在するダイヤモンドからなる。これらのタイルで平面をタイル張りすることが依然として可能であり、各タイルを単一の軸上の下層の電極と位置合わせすることが依然として可能であることに留意されたい。この、より大きいタイルパターンは、下層の電極と重なる面積がより大きいという利点を有する。この実施形態でも同様に、中央の電極５０４が、トレース５０８を介して、少なくとも４つの放射状電極５０６に接続される。一実施形態において、各放射状電極５０６間の角度は実質的に同じである。別の実施形態において、各放射状電極５０６間の角度は、放射状電極５０６ごとに異なる。
【００４０】
一実施形態において、制御電極１０２及び１０４並びに浮遊電極５０２は実質的に同じサイズ及び形状を有する。別の実施形態において、制御電極１０２及び１０４並びに浮遊電極５０２は異なるサイズ及び形状を有する。別の実施形態において、上層は１つの浮遊電極を含む。別の実施形態において、上層は複数の浮遊電極を含む。
【００４１】
図５Ｂは、浮遊電極５０２のグループの配置の一実施形態を示す。浮遊電極５０２の各グループは、浮遊電極５０２の隣接するグループとは異なる電荷を有する。浮遊電極５０２の隣接するグループ上の更なる放射状電極５０６はトレース５０８によって分離される。一実施形態において、浮遊電極５０２によって生成されるハプティック信号は単極である。別の実施形態において、浮遊電極によって生成されるハプティック信号は双極である。
【００４２】
図６及び図７はそれぞれ、４×４及び５×５の格子縞からもたらされる、この群内の次に大きい２つのタイルパターンを示す。同じ基本的な「分岐スポーク（branched spoke）」パターンに従って、更に大きいパターンも可能である。パターンが大きいほど、下層の制御電極からの容量性結合が増すという利点があるが、検知がより難しくなる場合がある。すなわち、浮遊電極のサイズに起因して、それらの電極は、指を制御電極の組全体により強く結合することになり、位置情報を確定しにくくなる。
【００４３】
図８及び図９は、大きい浮遊電極の利点と、高分解能センシングの必要性とを組み合わせた電極配置の別の実施形態を示す。この手法はダイヤモンド形を完全になくし、代わりに、忠実に複製されたタイルを使用し、それにより、両方の層上のタイルが同じ形状を有し、位置合わせされる。さらに、電極は下層から上層への強い容量性結合を与えるほどのサイズを有し、タイルは、タッチ面を覆うために必要とされる全数が相応である（例えば、ｘ電極及びｙ電極を使用する従来のパターンによって使用される全電極数に相当する）ほど十分に大きく、タイルはそれぞれ、指がいつも複数の電極と接触しており、測定された信号から唯一の指位置をいつも計算できるような方法でかみ合わされる。
【００４４】
図８は、制御電極及び浮遊電極のために使用することができる電極形状の例示である。各電極８００は、第１の電極８０２及び第２の電極８０４からなるパターンを含む。第１の電極８０２は実質的に星形であり、第２の電極８０４は、星形と絡み合う形状を有する。一実施形態において、第２の電極は、「フロレット（florets）」のような形状を有する。一実施形態において、第２の電極８０４は大きく、互いにかみ合う分岐した形状である。とりわけ、フロレットの空間的な広がりは、その間隔よりずっと大きい。例えば、図８に示されるように、水平軸に沿った第２の電極８０４の幅は、第２の電極８０４の水平方向のピッチのほぼ２倍の大きさである。別の実施形態において、第２の電極８０４の水平方向及び垂直方向のピッチは２０ｍｍとすることができ、単一の第２の電極８０４によって覆われる面積は約３８０ｍｍ２とすることができる。逆に、図１に示されるような、ダイヤモンドパターンは、５ｍｍの対角線を有することができ、各ダイヤモンドは１２．５ｍｍ２の面積を有することができる。したがって、１つの第２の電極８０４は約３０個のダイヤモンドと同じ面積を有するか、又は１つの電極の長さが１５０ｍｍである。第１の電極８０２は第２の電極８０４よりずっと小さく、かみ合うのではなく、正確なタッチ位置を計算するために使用することができる付加信号を与える。一実施形態において、最下層上の各第２の電極８０４は個々に制御されるが、第１の電極８０２はグループ単位で制御される場合がある。例えば、１つの可能性は第１の電極８０２の４つのグループを有することである。各水平行に沿って、交互の第１の電極８０２が同じグループ内で制御されることになり、各垂直列に沿って、交互の第２の電極が同じグループ内で制御されることになる。第１の電極８０２をグループ化することによって、第１の電極８０２を制御するために必要とされる制御チャネルの数が削減される。通常動作中に、第１の電極８０２が指又は他の付属物によって係合されるとき、第１の電極８０２からの信号と、１つ以上の第２の電極８０４からの信号との組み合わせを用いて、タッチの正確な位置が特定されることになる。
【００４５】
最上面上のどこに一本の指が置かれようとも、この指は、いくつかの第２の電極８０４と、同様に、おそらく１つの第１の電極８０２とに極めて近接することになる。重要なことに、取り得る各指位置からの信号は一意的であり、電極から得られた信号に基づいて指位置を計算できるようにする。信号からタッチ座標が抽出される、この「逆」計算を実行する複数の方法がある。例えば、１つの手法は、タッチ位置ごとの信号の組を記憶し、その後、これらの記憶された信号を、タッチ座標を返すルックアップテーブルとして使用することである。タッチ位置ごとの勾配の組を記憶することが更に有利である。勾配情報は、位置特有のヤコビ行列として表すことができる。
【数１】
2019521423.tif 000003
ここで、［δｓ］は、位置（ｘ，ｙ）付近の指位置［δｘ，δｙ］Ｔのわずかな変化から予想することができる信号の増分を表し、Ｊ（ｘ，ｙ）はヤコビ行列である。測定が行われるとき、ルックアップテーブル内に設定される最も近い信号を見つけることによっておおよそのｘｙ位置を見つけることができ、その後、上記の方程式の擬似逆行列を計算し、それを被測定信号と探索された信号との間の差と乗算し、その結果を探索されたｘｙ位置に加算することによって、そのおおよその位置を精緻化することができる。擬似逆行列はあらかじめ計算し、ルックアップテーブルの一部としてメモリに記憶できることに留意されたい。当然、タッチ位置を推定する他の方法を使用することもできる。例えば、ニューラルネットワークを使用する場合がある。
【００４６】
指位置に基づいて、ハプティックスを駆動するための電極を選択することができる。例示として、上記のように、制御電極を用いて、タッチ面と付属物とが係合する位置を特定することができ、制御電極から分離された層上にあり、制御電極と相互に導電作用する浮遊電極が、上記で論じられたように、ハプティック機能を果たすことができる。一般的に言うと、指の真下にある面積の約半分を一方の極性に帯電させ、その面積の約半分を逆の極性に帯電させることが好ましい。また、同じ極性の電極間の相互キャパシタンスが信号強度を強めるように、それらの電極をグループ化することも好ましい。
【００４７】
種々の電極への電気的接続は、図９及び図１０に示されるように行うことができる。最初に図１０を参照すると、タッチパネルが最下層１００２と、絶縁層１００４と、相互接続層１００６と、中間層１００８と、上層１０１０と、カバー層１０１２とを含む。最下層１００２は、当該技術分野において既知であるいくつかの材料及びプロセスのいずれかを用いて、絶縁層１００４でコーティングすることができる。例えば、絶縁層１００４は透明ポリマーから形成することができる。絶縁層１００４は、最下層上の各電極に近づくことができる開口部を残すために、スクリーン印刷することができるか、フォトリソグラフィによりエッチングすることができるか、又は別の方法でパターニングすることができる。相互接続層１００６は、絶縁層１００４の表面に塗布し、その後、各電極への電気的接続を形成するようにパターニングすることができる。代替的には、裸眼では容易に視認できない銀ナノワイヤ又は他の導体を用いて、電気的接続を形成することができる。パッシベーション、相互接続の保護、屈折率整合、及び電気的雑音からの隔離（図示せず）のための付加層を塗布することもできる。
【００４８】
図９は、相互接続層１００６上の電気的接続のパターンの一実施形態を示す。第１の接続線９０２が、１つの行内の交互の第１の電極８０２を接続し、第２の接続線９０４が、第１の接続線９０２に接続されない第１の電極８０２を接続する。各接続線９０２及び９０４は透明導体から形成される。更なる接続線９０６、９０８、９１０及び９１２がそれぞれ、１つの第２の電極８０４に接続する。さらに、これらの導体間には広い間隙ではなく、通常、細い消去線（deletion line）が存在する。好ましい実施形態において、消去線は、幅１００ミクロンであるが、それより細い線又は太い線が使用される場合もある。また、消去線は、視覚的に検出するのをより難しくするために、示すように完全に真っすぐではなく、幾分不規則な形状とすることもできる。図９内の半円形又は円形エリアは、相互接続電極が絶縁層を通り抜け、最下層の電極との接続を行う位置を示す。
【００４９】
図９に示されるように、所望により、全ての電気的接続を一方のエッジに持って行くことができる。代替的には、電気的接続は複数のエッジに沿って行うことができる。また、図９は、４つのグループに分けられる、第１の電極８０２のグループ化を示す。各グループにはバスバー９１４、９１６、９１８又は９２０が関連付けられ、それは最下層の一部とすることができる。他の実施形態では、限定はしないが、フレックスケーブル、又は制御盤上若しくはチップ上、等の他の方法を用いてグループ化するために、必要に応じて第１の電極８０２の相互接続が実行される。
【００５０】
上層の浮遊電極を形成するために、数多くの他のパターンも使用することができる。例えば、第１の電極８０２をなくし、第２の電極８０４のみを使用することができる。第２の電極８０４のフロレットは、表面をタイル張りする実質的に任意の形状をとることができる。重要なのは、それらの電極が、必要なハプティック信号及び検知信号を生成するほど十分に下層電極に容量性結合することだけである。
【００５１】
本明細書において提示される浮遊上層１０１０及び被制御下層１０１２アーキテクチャの重要な利点は、かき傷等の、タッチスクリーンへの典型的な形態の損傷に耐性があることである。これは、第一には、相対的に厚い中間透明層１００８によって下層電極１００２が保護されるためであり、第二には、上層電極１０１０が、制御電子回路との導電結合ではなく、下層電極１００２との容量性結合を介して信号を得るためである。導電結合が、電極を横断するかき傷によって損なわれるのに対して、容量性結合は損なわれない。本発明の場合、上層電極１０１０の損傷の結果として、何らかの性能（例えば、ハプティック効果の強さ）の損失が生じる場合があるが、タッチ検知又はハプティック出力が全く機能しなくなることはないはずである。かき傷からの保護に加えて、本発明は同様に、擦り傷、水分、化学薬品、静電放電、更にはカバーレンズの完全な破損（下層がカバーレンズとは別の構成要素である場合）等の他の形態の損傷からの保護も与える。
【００５２】
図１１は、ハプティックデバイスを製造するために使用されるプロセスの概略図を示す。ステップ１１０２において、中間層１００８の最上面が上層の電極層１０１０でコーティングされる。ステップ１１０４において、上層１０１０から浮遊電極がパターニングされる。浮遊電極は、単一の部品、マルチアップ（multi-up）（マザーシート）、又はハイブリッドプロセス（最初にシートの形で開始し、プロセスの或る段階において個々のセンサーに切り分け、単一の部品として処理し続ける）において処理することができる。浮遊電極は、本明細書において説明される方法のいずれかを用いて形成することができる。ステップ１１０６において、最上層１０１０内の浮遊電極の上方にカバー層１０１２が塗布される。カバー層１０１２は、疎油性、サファイア様ガラス、屈折率整合、抗菌コーティング及び当該技術分野において既知である他のコーティング等の膜を含むことができる。ステップ１１０８において、中間層１００８の反対側に標準的なＰ−ｃａｐセンサー（図１に示される）が形成される（代替的には、ガラスの反対側に標準的なＰ−ｃａｐセンサーを張り付けることができる；また、代替的には、或る特定の実施形態の場合に、最下層上に鏡像電極を形成することができる）。
【００５３】
ガラス上にＰ−ｃａｐセンサー層が存在する前に硬質のオーバーコートが加工されるので、オーバーコートの堆積又は焼き鈍しにおいてより高い加工温度を使用することができ、結果として、性能がより良好になり、材料の選択の幅が広がる。
【００５４】
Ｐ−ｃａｐセンサーを張り付け、ハプティック電極を含むカバーシートを使用することが、本発明を実施する別の方法である。既存のＰ−ｃａｐセンサーにカバーシート／レンズを追加することが、コスト効率を高め、既に当該分野にあるセンサーにハプティックを追加するのを容易にする。この場合、ハプティック信号を高める特別な回路が、電子回路に追加される必要がある。代替的には、標準的なＰ−ｃａｐタッチスクリーンから開始して、反対（タッチ）面をハプティック電極及び任意選択のオーバーコートでコーティングすることができる。
【００５５】
中間層厚は、５ミクロン〜６ｍｍに及ぶことがあるが、好ましい厚さは１００ミクロン〜５００ミクロンである。その厚さは、必要とされる機械的強度、処理機能、要求されるハプティック信号強度、最大印加電圧、光学特性等によって決まる。
【００５６】
当業者であれば認識するように、本開示は、種々の静電デバイス上で、駆動電圧を下げても、同じ所望のハプティック効果を維持するように実施することができる。そのようなデバイスの例は静電チャック、電気吸着を利用するデバイス（ロボット、マテリアルハンドリング等）である。一実施形態において、タッチ面は硬質面である。別の実施形態において、タッチ面は、平面、曲面、湾曲、モーフィング又は他の可撓性表面を含む、可撓性表面である。さらに、ハプティック電極がハプティック信号に直接接続される必要がないので、底部電極と最も外側にある電極との間の極めて大きい分離を達成するために、電極／非導電性基板を何度も積重することができる。
【００５７】
本開示では、数量を特定しない語は、単数のもの及び複数のものの両方を含むように解釈されるべきである。逆に、複数の要素に対するいかなる言及も、適切である場合は、単数のものを含むものとする。
【００５８】
本明細書に開示される、本発明における好ましい実施形態に対する様々な変更及び修正は、当業者には明らかであろうと理解されるべきである。そのような変更及び修正は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、かつその意図された利点を損なうことなく行われ得る。したがって、そのような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に含まれるものと意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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