(57)【要約】タッチセンサは１つ以上の力センサを用いてスクリーン上のタッチの位置を決定する。力センサは正確に決定された感度方向を有するため、スクリーンに非垂直な力に対しては低下感度を有する。このセンサはアクティブ力感知素子の面積に対して薄いため、薄型力タッチスクリーンはこれまで達成されたものより良好な機械的一体性、精度、感度および高信号対ノイズ比の組合せを有することが可能になる。このセンサはまた回転に関して柔軟であるため、オーバーレイあるいは支持表面のねじれが感知された力に影響を及ぼすことを防ぐのに有効である。
2005508533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチ部材と、
基礎支持体と、
前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に結合する結合ユニットであって、周辺部において各ビーム部材支持体に接続されたビーム部材を含み、前記ビーム部材の中心部は前記周辺部に対して実質的に支持されず、力経路が前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に力を通し、前記力経路が前記ビーム部材の前記中心部と前記ビーム部材の前記周辺部との間に延在している結合ユニットと、
タッチスクリーンに印加された力に起因する前記ビーム部材の位置における力を表わす信号を測定するように配置された少なくとも１つのセンサ素子と、
を含むタッチスクリーンに印加された力の位置を決定する装置。
【請求項２】
前記結合ユニットが前記少なくとも１つのセンサ素子を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ビーム部材が第１の方向に延び、延びた該ビーム部材がその周辺部に各第１および第２の端部を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ビーム部材が実質的に円板外周を有する円板形状であり、前記周辺部が前記円板外周の部分を含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ビーム部材の第１の表面上に配置された回転軟化装置をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記回転軟化装置が前記ビーム部材の前記第１の表面の突出部を含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記回転軟化装置が前記ビーム部材の前記第１の表面上の弾性材料の部分を含む請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記ビーム部材が前記タッチ部材と前記ビーム部材支持体との間に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ビーム部材支持体が前記基礎支持体と一体形成されている請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ビーム部材支持体が前記タッチ部材と前記ビーム部材との間に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ビーム部材支持体が前記タッチ部材と一体形成されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのセンサ素子が、力感応材料で形成された少なくとも１つの前記ビーム部材支持体を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのセンサ素子が、前記ビーム部材と前記基礎支持体上の電極との間に形成されたコンデンサを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ビーム部材が少なくとも金属表面を含み、前記基礎支持体上の前記電極に対して移動可能な前記コンデンサの第１のプレートを形成する請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ビーム部材が金属で形成されている請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記ビーム部材が、前記金属表面が上に配置されている非導電材料で形成されている請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に配置された横方向軟化装置をさらに含み、前記少なくとも１つのセンサに対するタッチパネルの横方向移動が可能である請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ビーム部材が前記タッチ部材から受けた力を、前記ビーム部材の厚さよりも大きい間隔で前記周辺部全体に分散する請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
タッチ部材の第１の側に印加された力の少なくとも一部を、ｉ）前記タッチ部材の第２の側に配置された実質的に支持されていない力分散器の中心部と、ｉｉ）前記力分散器の周辺部とのいずれか一方に伝えるステップと、
前記印加された力の前記一部を、ｉ）前記力分散器の前記中心部とｉｉ）前記力分散器の前記周辺部の一方から、ｉ）前記力分散器の前記中心部とｉｉ）前記力分散器の前記周辺部の他方へ分散するステップと、
前記力分散器へ伝えられた前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定するステップと、
を含むタッチ部材を有するタッチスクリーン上のタッチの位置を検出する方法。
【請求項２０】
前記測定ステップで測定された信号から前記タッチ部材上の前記タッチの位置を決定するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定するステップが、前記印加された力に起因する変位を感知するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記測定ステップで測定された前記信号に基づいて前記タッチ部材へ印加された前記タッチの位置を決定するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記タッチ部材及び下層の支持表面の一方のねじれモーメントを、前記タッチ部材及び前記下層の支持表面の他方から分離するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記ねじれモーメントを分離するステップが、前記タッチ部材と前記下層の支持表面との間に配置された回転軸受けを回転させるステップを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ねじれモーメントを分離するステップが、前記タッチ部材と前記下層の支持表面との間に配置された弾性軸受けを回転させるステップを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記印加された力の前記一部を分散するステップが、前記印加された力の前記一部を前記力分散器の厚さよりも大きい間隔で前記周辺部全体に分散させるステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定するステップが、力感応性材料を圧縮するステップと、その結果得られる前記力感応性材料の特性の変化を検出するステップとを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定するステップが、コンデンサの静電容量を変化させるステップと、その静電容量の変化を測定するステップとを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記力分散器が前記コンデンサの１つの導電性表面を形成し、前記コンデンサの静電容量を変化させるステップが、前記コンデンサの第２の導電性表面に対して前記力分散器を移動させるステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記力分散器を前記タッチ部材に印加された接線力から分離するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記力分散器を接線力から分離するステップが、前記タッチ部材と下層の支持表面との間に横方向軟化装置を配置するステップを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記タッチ部材を介してユーザに画像を表示するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
前記タッチスクリーン上のタッチの位置を決定するステップと、前記タッチの決定位置に応答して前記画像を変化させるステップとをさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記タッチスクリーンを介して前記画像を表示するステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記タッチスクリーン上に画像表示装置からの前記画像を表示するステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
タッチ部材の第１の側に印加された力の位置を検出するためのシステムであって、
前記タッチ部材の第１の側に印加された力の少なくとも一部を、前記タッチ部材の第２の側に配置された前記印加された力の一部を伝える力分散手段の中心部に伝える手段であって、前記力分散手段の前記中心部は実質的に支持されず、前記力分散手段は前記印加された力の前記一部を前記力分散手段の前記中心部と前記周辺部との間に伝える、手段と、
前記力分散手段へ伝えられた前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定する手段と、
を含むシステム。
【請求項３７】
基礎支持体と、
結合ユニットを介して前記基礎支持体に結合されたタッチ部材であって、少なくとも１つの前記結合ユニットが前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に結合し、該結合ユニットが、周辺部において各ビーム部材支持体に接続されたビーム部材を含み、前記ビーム部材の中心部は前記周辺部に対して実質的に支持されず、力経路が前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に力を伝え、前記力経路が前記ビーム部材の前記中心部と前記ビーム部材の前記周辺部との間を通る、タッチ部材と、
前記ビーム部材の位置における力を表わす信号を測定するように配置された少なくとも１つのセンサ素子と、
前記少なくとも１つのセンサ素子から信号を受け取るとともに前記タッチパネル上のタッチの位置を決定するように結合されたタッチパネル制御装置と、
を含む、タッチパネル上のタッチの位置を決定するタッチパネルシステム。
【請求項３８】
ユーザに画像を表示するように配置された表示ユニットと、該表示ユニットに結合されて前記画像を制御する表示制御装置とをさらに含む請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記表示ユニットが前記タッチパネルの下方に配置されるとともに、前記タッチ部材を介して前記ユーザに前記画像を表示する請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記タッチパネルが前記表示ユニットを含む請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記タッチパネル制御装置と前記表示制御装置とに結合されて前記表示ユニット上に表示された情報と前記タッチパネル制御装置から受け取った情報とを処理する処理ユニットをさらに含む請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
タッチスクリーン上のタッチの位置を特定する装置であって、
タッチ部材と、
受容構造体と、
力分散部材と、
前記力分散部材を通る力を表わす信号を検出するように配置された感知素子と、を含み、
前記力分散部材は、前記タッチ部材から前記力分散部材内に伝わる力を受けるように結合された集中力受容領域と、前記力を前記力分散部材から前記受容構造体へ伝えるための力分布領域とを有し、前記力分布領域が前記力受容領域より大きい面積を有し、前記力が測定範囲内に留まる限り、前記力から生じる前記力分散部材の曲率の変化が前記力分散部材を介して分散する力の負荷を維持するように前記受容構造体および力分散部材が配置されて、それにより前記分散部材内の前記力が実質的に前記分布領域全体に分散する、
装置。
【請求項４３】
前記力受容領域が前記力分散部材の第１の側にあるとともに、前記力分散領域が前記第１の側と反対側の前記力分散部材の第２の側にある請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記力分散部材を通る前記力の少なくとも一部が前記第１および第２の表面に垂直な方向に伝わる請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記力が前記力測定範囲内にある場合、前記受容構造体が前記力受容領域に隣接した前記力分散部材との接触を回避するように配置されている請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
前記感知素子が前記力により生じる変位を感知する請求項４２に記載の装置。
【請求項４７】
前記感知素子が前記力分散部材の撓曲に応答する請求項４２に記載の装置。
【請求項４８】
前記受容構造体が前記力受容領域に隣接した前記力分散部材に接する低係数の緩衝材を含む請求項４２に記載の装置。
【請求項４９】
前記受容構造体が前記力感知素子を含み、該力感知素子が前記力分散部材の前記分布領域から前記低係数材料の緩衝材に力を伝える請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記感知素子から信号を受け取るとともに前記タッチパネル上のタッチの位置を決定するように結合されたタッチ制御装置をさらに含む請求項４２に記載の装置。
【請求項５１】
前記タッチ制御装置から位置情報を受け取るように接続されたプロセッサと、該プロセッサから表示情報を受け取るように接続された表示装置とをさらに含む請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記表示装置が前記タッチパネルの下方に配置され、前記タッチパネルを介して観察者に前記情報を表示する請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記タッチパネルが前記表示装置を含む請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
タッチスクリーン上のタッチの位置を特定するシステムであって、
タッチ部材と、
基礎支持体と、
前記タッチ部材の結合領域と前記基礎支持体との間に結合され、前記タッチ部材と前記基礎支持体の一方に対して回転に関して制約されず、主要面を有するビーム部材を含む結合アセンブリと、
前記主要面に垂直な力に応答するセンサ素子と、を含み、
前記ビーム部材は前記タッチ部材から力を受けるように結合された第１の領域を含み、さらに少なくとも１つの第２の領域を含み、前記主要面に垂直な方向の前記力を受けるとともに前記力を前記少なくとも１つの第２の領域に横方向に伝え、前記力が前記ビーム部材から前記少なくとも１つの第２の領域を介して前記結合アセンブリのビーム部材支持体に向かって伝わる、
システム。
【請求項５５】
前記センサ素子が前記ビーム部材支持体の一部を形成するとともに、前記ビーム部材と前記基礎支持体との間に配置されて前記少なくとも１つの第２の領域から力を受ける請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項５６】
前記センサ素子が前記ビーム部材支持体の一部を形成するとともに、前記タッチ部材と前記ビーム部材との間に配置されて前記タッチ部材から力を受ける請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項５７】
センサ素子が前記ビーム部材の撓曲に応答して検出信号を生成する請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項５８】
前記タッチ部材と前記ビーム部材の前記第１の領域との間に配置されたピボットをさらに含む請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項５９】
前記タッチ部材と前記ビーム部材の前記第１の領域との間に配置された比較的低いヤング係数材料の結合ブロックをさらに含む請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項６０】
前記力感知素子から信号を受け取るとともに前記タッチパネル上のタッチの位置を決定するように結合されたタッチ制御装置をさらに含む請求項５４に記載のアセンブリ。
【請求項６１】
前記タッチ制御装置から位置情報を受け取るように接続されたプロセッサと、該プロセッサから表示情報を受け取るように接続された表示装置とをさらに含む請求項６０に記載のアセンブリ。
【請求項６２】
前記表示装置が前記タッチ部材の下方に配置されて、前記タッチ部材を介して観察者に前記情報を表示する請求項６１に記載のアセンブリ。
【請求項６３】
前記タッチ部材が前記表示装置を含む請求項６１に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力センサに関し、特にタッチ感応表示装置のタッチパネルに印加された力を決定するのに有用な力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチスクリーンはコンピュータや他のデータ処理装置への単純且つ直感的なインターフェースを提供する。ユーザはデータ入力用キーボードを使用するのではなく、スクリーン上でアイコンにタッチしたり文字や図を描いたりすることによりタッチスクリーンを介して情報を伝達することができる。タッチスクリーンは様々な情報処理用途に用いられている。透明なタッチスクリーンは液晶表示装置（ＬＣＤ）や冷陰極管（ＣＲＴ）などの情報表示装置上で用いられているが、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）およびハンドヘルドあるいはラップトップ型コンピュータなどの用途に特に有用である。
【０００３】
タッチ位置を決定するために静電容量方式、抵抗膜方式、音響方式および赤外線方式手法を始めとして様々な方法が用いられてきた。タッチ位置はタッチ表面に結合された力センサを使用してタッチ力を感知することによっても決定することができる。タッチ力を感知することにより動作するタッチスクリーンには上記の他の技術に勝る優位な点がいくつかある。抵抗膜方式および静電容量方式などの電気的方法には、スクリーンの良好な光学的透過性を維持しつつスクリーン全体の良好な電気的性能も確保するために特殊な材料と多層とを用いた複雑なタッチ表面オーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）が必要である。一方力によるタッチスクリーンのオーバーレイは単純な単層の材料で形成することができる。さらに力センサは静電容量式タッチスクリーンが必要とするような損失の多い電気的接地に依存せず、指によるタッチ、手袋をした手、指の爪、あるいは他の非導電タッチ具で動作させることができる。表面弾性波技術と異なり力センサはタッチ表面上のごみ、埃あるいは液体の堆積に比較的強い。つまり力センサは、赤外線方式および静電容量方式タッチスクリーンに共通の問題であり得る現在のタッチのような近接遭遇を検出することはあまりない。
【０００４】
タッチスクリーン力センサにより検出された力はタッチ力に加えて様々な静的および動的要因を反映する。これらの要因はタッチ信号に対するノイズ源であると考えられる。ノイズはタッチスクリーン電子回路により発生することもあり、あるいは事実上機械的なものである場合もある。電気的ノイズは例えば、センサ、増幅器、データ変換あるいは信号処理段階で発生することがある。機械的ノイズは振動、撓曲、移動およびタッチスクリーンに対して非垂直方向の力の印加などの様々な機械的作用により発生することがある。加えて、タッチスクリーン力センサはタッチ表面の重量および製造中に力センサに印加される力をプレロードすることにより影響を受けることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般には、本発明はより正確に決定された感度方向を有するため、タッチスクリーンに非垂直な力に対しては低下感度を有するタイプの力センサに関する。さらにこのセンサはアクティブ力感知素子の面積に対して薄いため、薄型力タッチスクリーンはこれまで達成されたものより良好な機械的一体性、精度、感度および高信号対ノイズ比の組合せを有することが可能になる。このセンサはまた回転に関して柔軟であるため、オーバーレイあるいは支持表面のねじれが感知された力に影響を及ぼすことを防ぐのに有効である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特定な一実施形態において、本発明はタッチスクリーンに印加された力の位置を決定する装置に関する。この装置はタッチ部材と、基礎支持体と、前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に結合する結合ユニットとを含む。結合ユニットは周辺部において各ビーム部材支持体に接続されたビーム部材を含む。前記ビーム部材の中心部は前記周辺部に対して実質的に支持されていない。力経路が前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に力を通す。前記力経路は前記ビーム部材の前記中心部と前記ビーム部材の前記周辺部との間を通る。タッチ力に起因する前記ビーム部材の位置における力を表わす信号を測定する少なくとも１つのセンサ素子がある。
【０００７】
本発明の他の実施形態は、タッチ部材を有するタッチスクリーン上のタッチの位置を検出する方法に関する。この方法はタッチ部材の第１の側に印加された力の少なくとも一部を、ｉ）前記タッチ部材の第２の側に配置された実質的に支持されていない力分散器の中心部とｉｉ）前記力分散器の周辺部の一方に伝えるステップを含む。この方法はまた前記印加された力の前記一部を、ｉ）前記力分散器の前記中心部とｉｉ）前記力分散器の前記周辺部の前記一方から、ｉ）前記力分散器の前記中心部とｉｉ）前記力分散器の前記周辺部の他方へ分散するステップも含む。前記力分散器へ伝えられた前記印加された力の前記一部を表わす信号が感知される。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、タッチ部材の第１の側に印加された力の位置を検出するシステムに関する。このシステムはタッチ部材の第１の側に印加された力の少なくとも一部を、前記タッチ部材の第２の側に配置された前記印加された力の一部を分散する力分散手段の中心部に伝える手段を含む。前記力分散手段の前記中心部は実質的に支持されていない。前記力分散手段は前記印加された力の前記一部を前記力分散手段の前記中心部と前記周辺部との間に通す。前記力分散手段へ伝えられた前記印加された力の前記一部を表わす信号を測定する手段もある。
【０００９】
本発明の他の実施形態は、タッチパネル上のタッチの位置を決定するタッチパネルシステムに関する。このシステムは基礎支持体と、結合ユニットを介して前記基礎支持体に結合されたタッチ部材とを含む。少なくとも１つの前記結合ユニットが周辺部において各ビーム部材支持体に接続されたビーム部材を含む。前記ビーム部材の中心部は前記周辺部に対して実質的に支持されていない。力経路が前記タッチ部材と前記基礎支持体との間に力を通す。前記力経路は前記ビーム部材の前記中心部と前記ビーム部材の前記周辺部との間を通る。タッチに起因する前記ビーム部材の位置を通る力を表わす信号を測定するように配置された少なくとも１つのセンサ素子がある。前記複数の力センサユニットから信号を受け取るとともに前記タッチパネル上のタッチの位置を決定するようにタッチパネル制御装置が結合されている。
【００１０】
本発明の他の実施形態は、タッチスクリーン上のタッチの位置を特定する装置に関する。この装置はタッチ部材と、受容構造体と、力分散部材とを含む。力分散部材は前記タッチ部材から前記力分散部材内に伝わる力を受けるように結合された集中力受容領域を有する。力分散部材はまた前記力を前記力分散部材から前記受容構造体へ伝えるための力分布領域も有する。前記力分布領域は前記力受容領域より大きい面積を有する。前記力が測定範囲内に留まる限り、前記力から生じる前記力分散部材の曲率の変化が前記力分散部材を介して分散する力の負荷を維持するように前記受容構造体および力分散部材が配置されて、前記分散部材内の前記力を実質的に前記分布領域全体に分散させる。前記力分散部材を通る前記力を検出するように感知素子が配置されている。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、タッチスクリーン上のタッチの位置を特定するシステムに関する。このシステムはタッチ部材と、基礎支持体と、前記タッチ部材の結合領域と前記基礎支持体との間に結合された結合アセンブリとを含む。結合アセンブリは前記タッチ部材と前記基礎支持体の一方に対して回転に関して制約されない。結合アセンブリは主要面を有するビーム部材を含む。前記ビーム部材は前記タッチ部材から力を受けるように結合された第１の領域を含む。前記ビーム部材はまた少なくとも１つの第２の領域を含む。前記ビーム部材は前記主要面に垂直な方向の前記力を受けるとともに前記力を前記少なくとも１つの第２の領域に横方向に伝える。前記力が前記ビーム部材から前記少なくとも１つの第２の領域を介して前記結合アセンブリのビーム部材支持体に向かって伝わる。センサ素子は前記主要面に垂直な力に応答する。
【００１２】
上記の本発明の概要は本発明の各例示的実施形態あるいは各実施の説明を意図するものではない。以下の図面と詳細な説明とはこれらの実施形態をさらに具体的に例証するものである。
【００１３】
本発明は、添付の図とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することによりさらに完全に理解されよう。
【００１４】
本発明はその様々な変更例および代替形状に適用可能であるが、その特定例を一例として図に示して、詳細に説明する。しかし本発明を説明した特定の実施形態に限定しようとするものでないことは理解されよう。逆に添付の請求項により既定される本発明の精神と範囲内にある変更例、同等物および代替物をすべて網羅することを意図するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明はタッチ感知技術に適用可能であるとともに、タッチ位置の誤読につながる恐れのある接線力に対して感度の低い力センサを作製するのに特に有用であると思われる。さらに本発明は、正確で薄型のタッチ感知装置の構成に役立つ、力感知素子のアクティブ領域に対して薄い力センサをもたらすと思われる。
【００１６】
本発明の力センサを用いたタッチスクリーンは、デスクトップ、ハンドヘルドあるいはラップトップ型コンピュータシステム、販売時点管理（ｐｏｉｎｔ−ｏｆ−ｓａｌｅ）端末装置、携帯情報端末（ＰＤＡ）あるいは携帯電話に用いることができる。マイクロプロセッサ型システムとの組合せで説明するが、本発明のタッチスクリーン装置は必要に応じて任意の論理型システムと組み合わせることが可能である。タッチスクリーン上のタッチの位置を決定する際、タッチスクリーン上に作用するタッチの力を表わすタッチ信号は、タッチスクリーンのタッチ表面に近接して配置された１つ以上のタッチセンサによって生成される。タッチスクリーンが矩形状である場合、概して４つのセンサがタッチスクリーンの４つのコーナーに１つずつ配置されている。タッチ信号は１つのセンサから、または２つ以上の力センサからのコンポーネントタッチ信号を組み合わせることにより得ることができる。タッチ位置の決定には異なる力センサによって生成されるコンポーネント力信号の分析が必要である。
【００１７】
タッチ表示装置のいくつかの基本構成要素を含む装置１００が図１に示されている。表示ユニット１０２は例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）または冷陰極管（ＣＲＴ）であり、タッチ部材１０４の下方に配置されている。表示ユニット１０２は処理ユニット１０６に結合されて、表示制御装置１０８を介して処理ユニット１０６から受け取った情報を表示する。表示制御装置１０８は処理ユニット１０６の一部であってもよい。タッチ部材１０４上のタッチ位置は、処理ユニット１０６の一部であるタッチスクリーン制御装置１１０によって決定される。このタッチスクリーン制御装置１１０は異なる力センサにより感知されたコンポーネント力に関する信号を受け取る。その後これらの信号が分析されて異なる力センサの位置に対するタッチ位置を決定する。そのため処理ユニット１０６は表示ユニット１０２上に表示される画像に対するタッチ部材１０４上のタッチ位置を決定、およびユーザの入力目的を決定可能に構成されている。処理ユニット１０６がユーザからの所望の情報を確実に受け取るために必要とされる程度にエラーが少ない状態でタッチ部材１０４上のタッチ位置を決定することが重要である。
【００１８】
一般に力センサは印加された力に応じて発生するある動きを検出する。例えば、歪みゲージの素子は力が印加されて延びるが、そのセンサ素子が圧縮あるいは伸長されたときに圧電または圧電抵抗センサの電気的特性が変化する。さらにまた静電容量式センサ素子において、力の印加時に１つのコンデンサプレートが他のコンデンサプレートに対して動く。そのためセンサを変位センサと称することができるが、変位自体の大きさが微小でも、変位測定を利用して測定変位の原因となった印加力を推定することができるため好適である。
【００１９】
タッチスクリーン用途に用いるのに適した力センサの一つの特有な実施形態が、２００１年４月１３日に出願された、「力によるタッチ入力のための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｃｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｔｏｕｃｈ  Ｉｎｐｕｔ）」と称される米国特許出願第０９／８３５，０４０号明細書に記載されており、これを本明細書に引用して援用する。この力センサは液晶表示装置（ＬＣＤ）、冷陰極管（ＣＲＴ）あるいは他の透明表示装置とともに用いるのに適しており、図２に概略的に図示されている。この実施形態においては、センサは容量素子の静電容量の変化に基づいて印加力を測定する。
【００２０】
タッチパネル２１０すなわちオーバーレイは、フレームすなわち筐体２１５内に配置されている。これは大きな中央開口（図示せず）を備え、その開口を介して表示装置が見える。さらにオーバーレイ２１０は透明であるためそのような視認を可能にする。必要に応じて筐体２１５の下面をアクティブ領域を囲む境界全体に亙ってこのような表示装置の表面に直接取り付けてもよい。上述したように他の実施形態ではＬＣＤなどの表示ユニットを含む構造体がこのオーバーレイに取って替わることができる。
【００２１】
オーバーレイ２１０と筐体２１５との間に静電容量式センサ２２０を配置することができる。配線２２５は取り付け端子領域２３３とともに、はんだ付け、接合あるいは他の周知の方法によって筐体２１５に結合可能である。導電領域は配線２２５上に第１の導電素子２３４を形成している。例えばディンプルなどの中央ディンプル２４０を有する第２の導電素子２３５は、例えばはんだ付けによって配線２２５の端子領域２３３に結合可能である。第２の導電素子２３５の形状または第２の導電素子２３５を配線２２５に取り付けるプロセスのいずれかによって、第１の導電素子２３４と第２の導電素子２３５との間に狭いギャップ２８０を形成する。ギャップ２８０の幅は、例えば約０．０２５ｍｍである。ギャップ２８０により離間された導電素子２３４、２３５によりコンデンサが形成される。
【００２２】
タッチパネル２１０と第２の導電素子２３５との間に支圧面２７０を介在させてもよい。これにより特にオーバーレイ２１０がより軟質の材料で形成されている場合、ディンプル２４０によるへこみあるいは損傷からオーバーレイ２１０を保護することができる。支圧面２７０はエラストマーあるいは高柔軟性接着剤の薄膜（図示せず）を介してオーバーレイ２１０に装着することにより、横方向軟化機能を発揮することができる。通常の動作ではオーバーレイ２１０または支圧面２７０はディンプル２４０に接しているが、図では単に明確にするためにこれらの素子は離間して示されている。
【００２３】
第２の導電素子２３５は、ばねとコンデンサプレートの機能を兼ね備えている。タッチパネル２１０の表面に垂直力が加わると、第２の導電素子２３５が撓曲してギャップ２８０の幅を減少させるとともにセンサ２２０の静電容量を増加させる。この静電容量の変化は測定可能であり、且つタッチパネル２１０に印加された力に相関している。静電容量式力センサを用いたタッチスクリーンについて説明したが、例えば圧電センサや歪みゲージセンサを始めとする他のタイプの力センサも同様に用いることができる。
【００２４】
力によるタッチスクリーンの利点の１つは、表示ユニットとユーザとの間に位置する光学的に異質層の数が少ないことである。一般に表示ユニットの上方に位置するオーバーレイはガラスまたは例えばポリカーボネート等の比較的硬質ポリマの単層であり、これらを選択して最適な光学的品質を得ることができる。このことは表示ユニットの上方に光学的損失の多い層を数層必要とすることもある抵抗膜式あるいは静電容量式タッチスクリーンなどの他のタイプのタッチスクリーンとは対照的である。抵抗膜式あるいは静電容量式タッチスクリーンで必要な電気的導電薄膜は一般には高屈折率を有しているため、インターフェースにおける反射損失を増加させることになる。これが、導電層同士が物理的に接触可能でなければならないために、さらに固体／気体インターフェースがあり且つ反射防止コーティングがあまり有効でない抵抗膜式スクリーンに特有の課題である。ところが力スクリーンオーバーレイは上下面しかなく、これらは反射損失を低減し且つぎらつきを低減するように処理されている。例えば、このオーバーレイにつや消し表面を設けることにより鏡面反射を低減し、または反射防止コーティングを設けることにより反射損失を低減することができる。
【００２５】
オーバーレイ２１０自体は表示装置を覆うのではなく、画像生成スクリーン、例えば、液晶表示装置を含んでもよい。このような表示装置は、ともにオーバーレイ２１０を形成する多層を備えている。このような場合、ユーザがスクリーンそのものを押圧すると、その結果異なる力センサに印加されるコンポーネント力が検出および分析されてタッチスクリーン上のタッチ位置を決定する。
【００２６】
「回転軟化」という用語は、オーバーレイあるいは支持体のねじれ動作に対してセンサーが無感応であることに関連する。少なくともオーバーレイと下層の支持体の一方が可撓性を有する場合、回転軟化は力センサが有する特に重要な特性である。これに対して、オーバーレイおよび下層の支持体の両方が非常に硬質である場合は、回転軟化はあまり重要ではない。また一方剛性は大量の材料の使用に起因するため剛構造は大型且つ重い。他方、タッチ表示装置が軽量且つ小型であることが望ましいため、タッチスクリーン構造の可撓性が増加することにより生じる効果を明らかにできることは重要である。従って回転軟化を含む力センサの使用によりタッチ表示装置を薄型化および軽量化できる。「回転非制約」という用語を用いて、基礎支持体およびオーバーレイが少なくとも動作角度範囲にわたって互いに回転可能であることを示すことができる。
【００２７】
ねじれ動作に起因するモーメントの力センサへの付加について示す図３Ａおよび３Ｂを参照して、表示装置の撓曲およびタッチ位置の決定に及ぶ恐れのある悪影響を低減するための回転軟化の重要性をさらに説明する。
【００２８】
図３Ａの概略図にあるように、２つのセンサアセンブリ３０２および３０３の間にオーバーレイ３０４が支持されている。オーバーレイ３０４は完全に硬質ではなく印加力、特に支持体から遠い地点で印加された力に応答して撓曲可能である点で柔軟である。センサアセンブリ３０２および３０３は硬質であり、これらのセンサアセンブリは例えば圧電素子を用いて形成できる。センサアセンブリ３０２および３０３は力とモーメントとを支持体３１０に伝達する。作業者は力Ｆtotalでオーバーレイ３０４を押圧する。力Ｆ1は第１のセンサアセンブリ３０２を介して支持体３１０へ伝わり、力Ｆ2は第２のセンサアセンブリ３０３を介して支持体３１０へ伝わる。平衡状態では、Ｆtotal＝Ｆ1＋Ｆ2である。反力Ｆ1’（＝−Ｆ1）およびＦ2’（＝−Ｆ2）が力が印加された点Ｐを中心にモーメントを発生する。センサの回転剛性のため、モーメントｍ1は第１のセンサ３０２を通り、モーメントｍ2は第２のセンサ３０３を通ることが可能である。
【００２９】
平衡状態において、モーメントおよび力は、
Ｆ1ｘ1−ｍ1＝Ｆ2ｘ2−ｍ2  （１）
の条件に適合し、ここでｘ1は第１のセンサ３０２から点Ｐまでの距離であり、ｘ2は第２のセンサ３０３から点Ｐまでの距離である。なお、他の符号規約が可能ではあるものの、本明細書に示す式において変数はその絶対値により表わされるものである。
【００３０】
単純な力感知タッチ位置特定装置はｍ1またはｍ2を直接表わす信号を生成することはないが、これらのモーメントはセンサ３０２および３０３により生成された力信号に影響を及ぼす。これらのモーメントの推定あるいは補正を図る間接的な方法を実施してもよい。しかしこのような方法を実施しないと、位置算出は重大なエラーを被る恐れがある。
【００３１】
回転軟化を含むタッチ位置を測定する他の方法が概略的に図３Ｂに図示されている。この方法では可撓性オーバーレイ３０４が２つのセンサ３１２および３１３の間に支持されている。これらのセンサは印加された力を検出する任意のタイプのセンサ、例えば、圧電センサ、静電容量式変位センサ、圧電抵抗センサあるいは歪みゲージセンサ等でもよい。オーバーレイ３０４と各センサ３１２および３１３との間に回転自在軸受け３１４がある。横方向軟化装置３１６も例えば、支持体３１０とセンサ３１２および３１３との間にある。容易に横方向伸縮動作を可能にする材料で横方向軟化装置３１６を形成することにより、接線力がセンサ３１２および３１３を介して支持体３１０に伝達されないようにすることができる。横方向軟化装置については米国特許出願第０９／８３５，０４９号明細書にさらに記載されており、本明細書に引用して援用する。
【００３２】
ユーザによりオーバーレイ３０４上の点ＰでＦtotalが印加されると、力Ｆ1およびＦ2がそれぞれセンサ３１２および３１３を介して支持体３１０に印加されることになる。反力Ｆ1’＝−Ｆ1およびＦ2’＝−Ｆ2は点Ｐを中心にモーメントを発生させる。回転軟化センサアセンブリ３１２および３１３がモーメントを直接通さないため、Ｐに関してＦ1’およびＦ2’により発生したモーメントはＰに関して総モーメントになるはずであり、平衡状態ではこれはゼロである。こうして式を立てることができる。
Ｆ1ｘ1＝Ｆ2ｘ2  （２）
そのため測定力の組合せの適切な比を算出することによりタッチの位置を見つけることができる。しかしオーバーレイ、あるいは他の支持表示装置または構造体に高可撓性があるとすると、この単純な関係の適用可能性は回転軟化に利用如何にかかっている。回転軟化はピボット、回転軸受け等を用いることにより実施され、センサの軸を少なくともオーバーレイと支持体の一方に対して回転可能にする。回転軟化についてはＪ．ロバーツ（Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ）による、本明細書と同日出願された米国特許出願第ＺＺ／ＺＺＺ，ＺＺＺ号明細書、「回転分離された力センサを備えたタッチスクリーン（ＴＯＵＣＨ  ＳＣＲＥＥＮ  ＷＩＴＨ  ＲＯＴＡＴＩＯＮＡＬＬＹ  ＩＳＯＬＡＴＥＤ  ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＳＥＮＳＯＲ）」にさらに記載されており、同明細書はこの引用をもって本明細書への記載に変える。
【００３３】
回転軟化には支持点などの非常に狭い領域を介して力センサに力を通すことが必要となることがある。このような力を再度分散して力感知材料あるいは構造体の広い領域を通す必要性があることがある。この必要性は力感知アセンブリの他の所望の性能と両立させることは難しい場合がある。
ａ）力感知アセンブリは可能な限り薄いことが望ましい場合がある。小型のハンドヘルド型装置において、例えば、厚さ２０ｍｉｌ（０．５ｍｍ）を超える力感知アセンブリが製品全体に対して追加する厚さは許容できない場合がある。
ｂ）力感知アセンブリは製造および管理が容易にできる十分な面積を有し、過剰な応力なく作用力を伝えることが望ましい場合がある。厚さ以外の好適な最小寸法は例えば、０．１２５”（３ｍｍ）程度である。
ｃ）正確なタッチ位置を保持するために力感知アセンブリは通過する力の垂直成分のみに応答することが望ましい場合がある。
【００３４】
ポテンシャル力感知領域を通る垂直力は関連応力パターンを有する。このパターンは高均一である必要はないが、損傷、過負荷あるいは感度不足を回避するためにポテンシャル力感知領域内の十分広い領域に分布することが必要である。印加された垂直力成分に対して応力が直線的対応することが望ましいが、相関且つ再現可能な関係を有することが重要である。これは全体のセンサ出力において感知領域の異なる部分からの寄与が不均等に片寄っていても達成可能である。また一方感知された応力のパターンが接線力成分と共に変動しないことが必要である。このような変動には感知領域の異なる部分からの対向作用が厳密に釣り合うこと、つまり極めて均等な加重以外は相容れない要件を必要とする。
【００３５】
センサアセンブリ４００の１つのタイプが図４Ａに概略的に図示されている。この場合、回転軟化はオーバーレイ４０４に接するピボット４０２によるものである。力分散器４０６は力をオーバーレイ４０４から力センサ素子４０８を介して支持表面４１０に伝える。センサ素子４０８は例えば、圧電センサであってもよい。作用線４１４に沿って垂直方向に印加される力４１２はセンサ素子４０８内に均一な圧縮応力分布４１６を生成する。ピボット４０２からセンサ素子４０８の縁部４０８ａへの線は、支持表面４１０と角度θをなす。力分散器４０６は対称であるものとするため、ピボット４０２からセンサ素子４０８の他の縁部４０８ｂへの線も支持表面４１０と角度θをなす。さらに一般的にいうと、大部分の力が通るポテンシャル力感知領域のみを囲むように有効角度θを描くことができる。この例ではそれは基本的には縁部４０８ａあるいは４０８ｂから描かれた角度である。
【００３６】
図４Ｂに図示された力センサアセンブリ４２０の実施形態において、力分散器４０６は図４Ａのものよりも薄い側面を有する。力分散器４０６が力感知素子４０８よりも大幅に高い係数を有する材料で形成されている場合であって且つ力感知素子４０８がその幅に比べて厚い場合には、この力分散器でも垂直印加力４１２に対して均等な力分布４１６を生じることができる。実際には力分散器４０６あるいはセンサ４０８のいずれかが厚くなくてはならないため、力分布４１６がほぼ均等になるような場合には角度θはかなり大きい。この両方が共に薄くなると、力はますます中心に集中することになりセンサ領域の狭い部分のみを通る可能性がある。
【００３７】
図５Ａは印加された力５１２が垂線から約３０°であり、作用線５１４が力センサ素子４０８の縁部４０８ａを通る場合を概略的に図示する。このような状況下では、センサ素子４０８が下層の支持表面４１０に固定されていない場合には、センサ素子４０８の他の縁部４０８ｂは支持表面４１０を持ち上げる恐れがある。これは位置４０８ａでの衝撃になる力分布を生じることになる。
【００３８】
図示のようにセンサ素子４０８が支持表面４１０に固定されている場合は、力分散器４０６の存在とその結果生じる一連の変形とが力分布５１６を形成する。力は支持表面４１０に対してすべてが垂直ではないため、力分布５１６は一定の横方向剪断成分を含む。この剪断成分は、図５Ｂに図示された力分布５２６から省略されているが、その他は図５Ａと同様に示す。センサ素子が垂直力のみに応答することが前提であるため、力分布は剪断成分を除外して考えてもよい。力分布５２６によれば、縁部４０８ａに関する力成分５２６ａのモーメントは張力５２６ｂによって釣り合っている。その結果力分布５２６は非常に不均等である。
【００３９】
予想不能な接線力成分がこのような極端な分布を可変的に発生させる場合は正味の力に対して正確に応答することは困難である。実用的な応答均一性および／または実用的な電気的接続の結合均一性を有するセンサを用いる場合には、所定レベルの精度を達成するために変動レベルを低減する必要がある。高さを十分低くすることを目的として図４および５のセンサの全体の寸法を削減することができる。しかし結果物が小さすぎて製造および正確に載置できず、さらに破損しやすくて動作条件を克服できないため、これは実用的ではない。このような全体的な小型化によりθとそのためポテンシャル接線力の感度とが変化することもない。
【００４０】
センサ負荷分布の変動が角度θに大きく依存しているため、他の方法を用いてこの角度θを減少させてもよい。
【００４１】
薄型力分散器および薄型センサ素子を用いることは満足する解決には至らない。この方法に伴う問題は薄型力分散器は集中的に印加された力を薄型感知層全体に横方向に伝えることができないことである。このようにするとこの薄型力分散器は伝達された力のモーメントに応答して撓曲することになるが、このような撓曲は下層材料の逃げ場所がないということから阻止される。この結果力分布は集中して、センサ素子の幅全体に広がることはない。印加力の角度を変えるとこの分布は絶対項で以前より移動しなくなるが、それでもなおその幅に比較して大幅に移動する。こうして応答均一性問題は解決されないままである。
【００４２】
この問題は図１２Ａおよび１２ｂを参照するとさらによく理解できる。図１２Ａにおいて力センサ１２００は力分散器１２０６およびセンサ素子１２０８を有する。力１２１２ａの印加により圧縮応力分布１２１６ａが生じる。応力分布１２１６ａは分散器１２０６と素子１２０８の薄い側面のため中央に集中する。結局有効角度θはまだかなり大きい。
【００４３】
接線力が素子１２０８の中心の上方にピボット点１２２２の高さに比例したモーメントを作用させるが、このモーメントは力分布が到達する限界に近くに離れて生じるような一対の対向垂直力により釣り合うことになる。このため接線力に対するこれらの不均等な力の比は、この横方向距離すなわちθの接線に対するピボット点１２２２の高さの比に比例する。
【００４４】
ここでθの高い値は変動分布に伴う問題の未解決を示していることが図１２Ｂで確認される。印加された斜めの力１２１２ｂは力分布１２１６ｂを生じる。これは絶対項で僅かに移行しただけであるが、分布１２１６ａと比較すると、各点毎に力の大きな相対変化が実際に起こったことが明らかである。
【００４５】
接線力に対してポテンシャル感度が高いままであることに加えて、集中分布１２１６ａおよび１２１６ｂのためセンサ素子１２０８が効率的に利用できず、また局所的に過負荷を与える恐れがある。
【００４６】
一時的に図４Ｂに戻ると、力感知素子４０８はまた低係数と低アスペクト比とを有している。だがこれは機能的には、緩衝材として機能する低係数材料のさらに厚いブロックの上あるいは下に積み重ねられた薄型高係数感知素子と同等である。力分散器と感知素子との間に緩衝材を配置することはセンサ材料の選択肢を広げるようには見えない。一方、力分散器と緩衝材との間に感知素子を配置すると、θの有効値を大幅に低減することができる。
【００４７】
図１３において、力感知アセンブリ１３００の実施形態は緩衝材１３３０を含む。印加されたタッチ力は、タッチ部材１３０４からピボット素子１３３１へ、例えば感圧アクリル接着剤を含む高柔軟性低係数層１３３２を介して伝わる。タッチ力はその後ピボット点１３２２から順に分散器１３０６、力感知素子１３０８、低係数緩衝材１３３０および支持体１３１０へと伝わる。素子１３０８と緩衝材１３３０には必要に応じて穴またはキャビティ１３３３が設けられて分散器１３０６内の中央凹部に間隙を提供している。この凹部によりピボット１３３２は感知素子１３０８の中立面１３３４内に位置することが可能になり、これによってθの期待値はほぼゼロに近づく。柔軟層１３３２はピボット素子１３３１にセルフセンタリング機能を付与し、組立てに役立ち、支持体１３１０上方のタッチ部材１３０４の位置に影響する若干の熱的変化時に位置決めの維持を可能にする。層１３３２はまた、米国特許出願第０９／８３５，０４９号明細書にさらに記載されているように横方向軟化機能も与える。これは他の経路に沿って接線力の大部分を迂回させることにより接線タッチ力に対するセンサ反応の問題をさらに低減する。
【００４８】
力センサ１３００の他の変形例において、分散器１３０６を分散器１２０６と類似した分散器と置き換えることが可能である。ピボット素子１３３１、層１３３２、キャビティ１３３３および感知素子１３０８内の任意の穴をすべて省略することが可能である。その結果得られたθ値は通常ゼロではないものの、それでも小さいことは理解できよう。
【００４９】
センサ１３００では、素子１３０８全体に対する力の有効な分布が緩衝材１３３０の存在に依存しており、そのためセンサアセンブリ全体はまだかなり厚いことが分かる。緩衝材が極端に薄いあるいは単にない場合には、力は結局感知素子１３０８内の穴にごく近い周囲の許容しがたいほど狭い領域に集中する。しかしこれに対して穴が可能な限り大きく形成されている場合には、適正な負荷感知領域を維持することができる。
【００５０】
こうして本発明による方法は、力を下方の任意の構造体に伝える前に力を薄いビーム部材内で横方向に伝達することにより、過剰な厚さ問題および応答均一性の欠如の問題の両方を解決する。このようなセンサユニット６００の特定の一実施形態が図６に概略的に図示されている。センサユニット６００はオーバーレイ６０４と支持表面６１０との間に配置されている。力６１２は作用線６１４に沿ってオーバーレイ６０４に印加される。
【００５１】
薄型力分散部材６２０はオーバーレイ６０４に接触して横方向軟化を提供する旋回部６２２を有しており、中央で受けた力を力分散部材６２０の周辺領域に配置された力感知材料６２４に伝える。力分散部材６２０がビーム状である場合には、力感知材料をビームの端部に配置することができる。力分散部材６２０が薄型円板状である場合には、力感知材料はその円板の外周を取り囲む環状であっても、あるいは円板の外周の部分にあってもよい。力分散部材６２０は以下ではビームと称するが、他の平坦な形状、例えば円板形状あるいは十文字などの一部が除去された円板のような形状や他の形状を取ることが可能であることは理解されよう。力感知材料６２４は圧電材料、圧電抵抗材料、あるいは測定可能力応答特性を有する他の材料または装置であってもよい。センサ材料６２４の幅はセンサ断面に見られるほど広くはないが、材料６２４は分散部材６２０の外周全体あるいは外周の大部分の周りに延在可能である。そのため全体で適正な領域の感知材料上に力を分配することができる。
【００５２】
力感知材料６２４はその電気的接続により一体化されて１つのセンサの役目を果たす。例えば図４および５に図示された構成に比べて非常に小さい有効値が角度θに対して達成されるため、センサ負荷は接線力ではなくほぼ全面的に法線力による。なおセンサ材料６２４の厚さおよび剛性ならびにその上下への取り付け方法によっては、ビームの固定支持体に向う傾向によりモーメントがあるため、センサ材料６２４内の力分布は均等である場合もない場合もある。力分布の実際の形状に関係ないが、力分布は形状および位置が基本的に一定で、印加された法線力と直線的に上昇および下降し、接線方向に印加された力に応答して形状や位置が変化することはない。
【００５３】
力分散ビーム自体を力感知機構の一部として用いることにより、角度θをさらに低減させることができる。感知機構の一部として力分散ビーム７２０を用いた力センサユニット７００の実施形態が図７に概略的に図示されている。ビーム７２０はその端部において、支持表面７１０に通常に取り付けられた支持体７２４に支持されている。力７１２、Ｆでオーバーレイ７０４を押圧すると、ビーム７２０のひずみ、撓曲および／または歪曲を生じ、そのいずれかが感知されてセンサを通る垂直力成分を表わす信号を供給する。
【００５４】
印加された力７１２の角度に関係なく、ビーム７２０のひずみ、撓曲および歪曲が印加された力７１２、Ｆの垂直成分によりほぼ全体的に支配されることは理解されよう。ビーム７２０のとき中立面７３０をビーム７２０のために定義することができる。線７１１はピボット点７２２から、支持体７２４上方の中立面７３０内の点７２０ａを通る。線７１１は、上記で既定されたθの値に類似する小さい角度θを既定する。ピボット点７２２における接線力は、ビーム７２０の中心近くの表面を僅かに傾けるような中立面７３０に対する僅かなモーメントを生じる。ビームの歪曲が感知された場合には、例えば図２について静電容量的に上述したように、ビーム７２０と下層の電極との間のギャップが対称的に離間していない場合には、僅かなエラーが生じる恐れがある。しかし所定の力角度での所定の精度を維持するのに必要な相対的均一性は、他の方法で必要とされるよりも遥かに低い。
【００５５】
ここで図８Ａ、８Ｂ，９Ａ，９Ｂ，１０および１１Ａ〜１１Ｃを参照して、非垂直力に対する低下感度、増加感度およびより高い信号対ノイズ比、ならびに回転軟化の利点を提供する静電容量式力センサの他の実施形態について説明する。
【００５６】
まず図８Ａおよび８Ｂを参照すると、力センサ８００の特定の一実施形態が、ほぼ平坦な支持部材８０２で形成されている。ばね部材８０６に接続する１つ以上の第１の電極８０４と、少なくとも１つの第２の電極８０８とを含む電極パターンが支持部材８０２上に形成されている。ばね部材８０６は機械的に弾性があり且つ電気的に導電性であることが好ましい。例えば、ばね部材は金属あるいは導電被覆されたプラスチックなどの絶縁体で形成することができる。任意の適当な方法を用いて支持部材８０２を下層支持表面８２０に装着することができる。例えば、横方向軟化および撓曲分離を提供するために、アクリルテープ８２２を用いて支持部材８０２を装着してもよい。
【００５７】
ばね部材８０６と第２の電極８０８との間に容量ギャップ８１０が形成されている。図示したように各端部に若干のオフセットを有するばね部材８０６を成形することによってギャップ８１０を形成することができる。異なる方法では、ばね部材にこのようなオフセットを形成せず、シムで一時的にばね部材８０６を第２の電極８０８から離間させ、その後はんだを用いて第１の電極８０４とばね部材８０６との間の接続部をリフローすることによりギャップを達成することができる。他の方法では、ばね部材８０６を第１の電極８０４から離間させるような粒径の粒子を含むはんだを用いてギャップ８１０を形成することができる。
【００５８】
ばね部材８０６がオーバーレイ８１２への力で押し下げられると、ギャップ８１０の幅が狭くなり、第１および第２の電極８０４および８０８の間で測定される静電容量を変化させる。個別配線８１４はタッチ制御回路と電極８０４および８０８との間の電気的接続を提供してセンサ８００の静電容量の測定を可能にする。ばね部材には尾根状の枢動力軸受け８１６が設けられている。この構造は極端な過負荷に対して良好な強度を提供するため有利である。
【００５９】
特定の一例では、ばね部材８０６をばね鋼で形成することが可能であり、厚さおよそ２５０μｍ（１０ｍｉｌ）、幅約６ｍｍ（０．２５インチ）である。ばね部材は長さ約１７ｍｍ（０．７５インチ）で金型でプレスされて形作られる。容量ギャップ８１０は約１２５μｍ（５ｍｉｌ）である。支持部材８０２は、エポキシガラスＰＣ基板などの任意の適当な材料で形成することができる。ＰＣボード８０２は概して、アクリルテープ８２２などの横方向軟化材が支持部材８０２と表面８２０との間に配置可能である十分な剛性を有している。このような構造体の無負荷の静電容量は約３ｐＦであり、底入力（ｂｏｔｔｏｍｉｎｇ−ｏｕｔ  ｆｏｒｃｅ）は通常約４〜５ポンドの間である。この寸法と特定の材料は例示に過ぎず、何ら限定するものではないことは理解できよう。センサ部品の寸法は構成された特定のタッチ装置の特性に基づいて選択されるものである。
【００６０】
この構造には、表面８２０が撓曲してもその結果得られる湾曲は支持部材８０２に殆ど伝達されないため、閉じ込められた力の測定力に及ぼす影響を低減するという利点がある。
【００６１】
ここで図９Ａおよび９Ｂを参照すると、静電容量式センサの他の実施形態９００が、外側に突出したディンプル９１６が形成されたばね部材９０６を含んでいる。図９Ａがセンサ９００を原位置で概略的に図示する一方、図９Ｂはセンサ９００の展開図を提供している。
【００６２】
ばね部材９０６は、１つ以上の第１の電極９０４と１つの第２の電極９０８を含む電極パターンが設けられた支持体９０２に載置されている。ばね部材９０６は、例えばセンサ８００に関して上述したうちの１つと同様の技術を用いて第１の電極に対して接続且つ離間されている。ばね部材９０６と第２の電極９０８との間に容量ギャップ９１０が形成されている。ディンプル９１６とオーバーレイ９２２との間に横方向軟化装置９２０が配置されて横方向軟化を提供する。支持部材９０２は表面９２４に載置されている。
【００６３】
センサ９００の特定の一例において、ばね部材９０６が厚さ１５０μｍ（６ｍｉｌ）、長さほぼ６ｍｍ（２３０ｍｉｌ）、幅約３ｍｍ（１２０ｍｉｌ）のばね鋼で形成されている。ばね部材９０６は、他の材料および異なる厚さで形成してもよい。例えば、ばね部材９０６を厚さ２００μｍ（８ｍｉｌ）のリン青銅で形成してもよい。容量ギャップ９１０は高さ２５μｍ（１ｍｉｌ）でもよい。ばね部材９０６を、例えばアルミニウムなどの比較的変形可能な裏層に押し付けつつ、ばね式センターパンチを用いて軸受けディンプル９１６を形成してもよい。ばね部材の自由全長は約３.７５ｍｍ（１５０ｍｉｌ）であり、その中心部の２．１５ｍｍ（８６ｍｉｌ）は第２の電極９０８と対向している。センサ９００の無負荷の静電容量は約３ｐＦであり、底入力は約３〜４ポンドの間である。
【００６４】
静電容量式力センサは印加力の変化の関数として容量性リアクタンスの変化を示す。センサ８００および９００に対して、この変化は比較的小さい力に対してはほぼ線形であり、ここで相対ギャップ変化は小さい。しかし比較的大きい力では、縁部はさらに幅広く離間した状態で容量領域の中心部が閉じ、これが線形より急激なリアクタンスの非線形降下につながる。この非線形応答性はセンサ信号の処理において補償可能である。他の方法では本来的により広い線形リアクタンス変化範囲を有する静電容量式センサの様々な実施形態を提供することができる。従って、本発明の別の態様は、不均一ギャップの静電容量式力センサが、印加力に応答して１つ以上のコンデンサプレートが撓曲しつつある場合でも、信号の簡単な処理により測定の線形性を改善することができるということである。
【００６５】
広い線形性応答範囲を有する静電容量式センサの特定の一実施形態が図１０に概略的に図示されている。センサ１０００を明瞭に図示するために図において垂直方向の寸法が誇張されている。センサ１０００は僅かな屈曲を有する制御形状を備えたばね部材１００６を有する。この屈曲により、中心部１００６ｃが第２の電極１００８に対して最大の容量ギャップ１０１０を提供しつつ、ばね部材１００６の端部１００６ａおよび１００６ｂを最小限のはんだ膜で第１の電極１００４に取り付けることができる。第１および第２の電極１００４および１００８は支持体１００２上に形成されている。最初にばね部材１００６を第２の電極１００８と接触させるのに過不足ない結合器１０１４に印加可能な力のレベルがある。ばね部材１００６と第２の電極１００８との間の容量ギャップ１０１０のテーパを、第２の電極１００８に沿った多数の点において同時に接触が生じやすい形状にすることができる。これがセンサの応答の非線形性を低減する。このようなセンサは、米国特許出願第０９／８３５,０４０号明細書にさらに詳細に記載されている。
【００６６】
静電容量式センサのばね部材は図８Ｂおよび９Ｂに図示するような矩形である必要はなく、均一の厚さで形成する必要もない。例えば、コンデンサプレートとしての役目をしない特に所望の領域に撓曲が集中するようにばね部材を形成してもよい。これにより容量領域の撓曲が低減するため、リアクタンス変化の線形性が増す。このばね部材のさらなる形状および形態が米国特許出願第０９／８３５,０４０号明細書にさらに記載されている。
【００６７】
一定の領域が導電被覆された絶縁材料でできたばね部材を用いて静電容量式センサを形成することができる。このようなセンサ１１００の特定の一例が図１１Ａ〜１１Ｃに関して記載されている。材料領域１１０２、例えばエポキシガラスＰＣ基板は主要素子１１０６を形成する。主要素子１１０６は端子領域１１０７および１１０８、ならびに容量ギャップの変化に関連した大きな弾性エネルギを蓄積するようなエポキシガラス基板部分を含む。
【００６８】
図１１Ｂに示された概略断面図からさらに明確に分かるように、既定の経路がオーバーレイ１１１４から印加された力を力結合弾性パッド１１１６、上部コンデンサプレート１１１８、および離間／接続はんだ膜１１２０とを介して主要素子１１０６の中央領域１１２２へ伝達する。中央領域１１２２はＰＣ基板内の撓曲の増大化および相対的な局所化の両方に役立つ溝１１２４が両側に並んでいる。溝１１２４の端部を通り抜けるおよび端部を回る力は両方とも最終的には支持体１１２６に到達する。力が容量領域および溝１１２４の近辺から抜け出ると、いかなる追加撓曲も容量ギャップ内の力により誘発される変化に関係しなるため力センサを通らなくなる。支持体１１２６は表面１１２８に装着されている。
【００６９】
あるとすれば、センサに近接して配置された支持体１１２６が応答の感度および対象性にある影響を有する。このような近接支持に、図示したような中央領域１１２２に過度に近接しない対象性を与えてもよい。支持体同士をさらに離して任意の所望のパターンで配置してもよい。
【００７０】
弾性パッド１１１６は横方向軟化および回転軟化の両方を提供する。このようにパッド１１１６はディンプル９１４および横方向軟化装置９２０の機能を提供することができる。パッド１１１６はコンデンサプレート１１１８に、その上ではなく下に接着してもよい。オーバーレイ１１２６などのセンサ１１００の上方の構造は、その後位置合わせしてプレロードすることができる。他の方法では、パッド１１１６により位置合わせを維持するとともに、上方および下方の両方の接着による組立てを可能になる。
【００７１】
図１５Ｃに概略的に図示された他の実施形態１１５０は、上部コンデンサプレート１１１８の長さに亙って通る代替力経路を示す。この上部プレート１１１８はここでは容量ギャップに関連した弾性エネルギの蓄積に大いに寄与可能であるため、この場合上部プレート１１１８を、下部主要素子１１０６すなわちばね部材と協働する追加ばね部材１１０６ａとして見るのが適切である。ばね部材１１０６ａからはんだ１１３０を介して下部ばね素子１１０６へ伝わる力は溝１１２４の周囲、中央領域１１２２内、そこから支持体１１５２へ進行する。
【００７２】
本発明の静電容量式力センサには多くの変形例が可能であることは理解できよう。これらは米国特許出願第０９／８３５,０４０号明細書にさらに記載されている。本明細書で述べた実施形態の一変形例は枢動点が力センサのばね部材ではなく、オーバーレイの下側に取り付けられているものである。他の変形例ではピボットが支持表面に接した状態でセンサをオーバーレイの下側に装着可能である。
【００７３】
上述したように、本発明はタッチスクリーンに適用可能であるとともに、接線力における、力によるタッチセンサの感度を減らすのに特に有用であると思われる。本発明は上述した特定の例に限定して考えることなく、むしろ添付の請求項に明確に述べるように本発明の態様をすべて網羅すると理解されるべきものである。本発明を適用可能な多数の構造に加えて様々な変更例、同等のプロセスは、本明細書を検討することにより本発明に関係する当業者には容易に明らかになるであろう。請求項はこのような変更例および考案物を網羅することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態による表示装置の概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態による力によるタッチセンサを介した部分断面図を概略的に図示する。
【図３Ａ】フレームに固着されている場合の力センサへの力の印加を概略的に図示する。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、可撓性オーバーレイへ力を印加する場合の回転軟化の作用を概略的に図示する。
【図４Ａ】タッチ表面に垂直な方向に力が印加される場合の従来の力分散器を用いることにより生じる力の分布を概略的に図示する。
【図４Ｂ】タッチ表面に垂直な方向に力が印加される場合の従来の力分散器を用いることにより生じる力の分布を概略的に図示する。
【図５Ａ】タッチ表面に非垂直な方向に力が印加される場合の従来の力分散器を用いることにより生じる力の分布を概略的に図示する。
【図５Ｂ】タッチ表面に非垂直な方向に力が印加される場合の従来の力分散器を用いることにより生じる力の分布を概略的に図示する。
【図６】本発明の実施形態による周辺搭載力センサを概略的に図示する。
【図７】本発明の他の実施形態によるビーム搭載力センサを概略的に図示する。
【図８Ａ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの実施形態を概略的に図示する。
【図８Ｂ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの実施形態を概略的に図示する。
【図９Ａ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図９Ｂ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１０】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１１Ａ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１１Ｂ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１１Ｃ】本発明による静電容量タイプのビーム搭載力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１２Ａ】異なる角度で力を印加した時の薄型力センサの負荷分布を概略的に図示する。
【図１２Ｂ】異なる角度で力を印加した時の薄型力センサの負荷分布を概略的に図示する。
【図１３】力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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