(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。タッチスクリーン・オーバーレイあるいはタッチスクリーンが載置される支持構造体の屈曲あるいはねじれは、力センサによって検出される無用な力になることがある。これらの無用な力はスクリーン上のタッチ位置の測定を歪ませる恐れがある。タッチ位置の決定に対する撓曲の影響を低減するように力センサを配置する。例えば、回転軸受けあるいは柔軟材料などの回転軟化装置が力センサに含まれていてもよい。
2005502103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチに応答して移動可能な可撓性タッチ部材と、
支持構造体と、
前記タッチ部材の対応する各センサ領域において前記支持構造体と前記タッチ部材との間に結合され、かつ前記センサ領域を通る前記タッチによる力を表わす信号を測定する複数のセンサユニットとを含み、
前記複数のセンサユニットのうちの少なくとも第１のセンサユニットが、前記タッチ部材及び前記支持構造体の一方のねじれによるモーメントを実質的に受けないように構成されている、
タッチスクリーン上のタッチの位置を決定する装置。
【請求項２】
前記第１のセンサユニットが前記支持構造体と前記タッチ部材のタッチ面との間の位置で前記タッチ部材に結合している請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記タッチ部材が前記支持構造体に対して前記第１のセンサユニットに近接した回転軸を中心に回転可能である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記回転軸が前記タッチ部材の下方に位置する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記回転軸が前記タッチ部材のタッチ表面よりも前記第１のセンサユニットの中心に近接して位置する請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記センサユニットが前記タッチ部材と前記支持構造体との間に結合された回転軸受けを含み、前記タッチ部材と前記支持構造体との間の相対的回転を可能にする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記センサユニットが少なくとも１つの受容器をさらに含み、前記回転軸受けの横方向位置を維持する請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記回転軸受けと力感知素子との間に配置された力分散器をさらに含み、前記力感知素子上の回転軸受けを介して受けた力を分散させる請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記センサユニットが狭容部を備えた結合器を有し、該狭容部により、該狭窄部の第１の側の結合器の一部分が、前記狭窄部の第２の側の前記結合器の第２の部分に対して回転可能になる請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記センサユニットが低係数材料の結合器を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記低係数材料の結合器がエラストマーで形成されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記低係数の結合器が発泡体である請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記センサユニットが剪断に応答する感知素子を含み、前記タッチ部材と前記支持構造体との間の力線が前記タッチ部材のタッチ面に実質的に平行である請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記複数のセンサユニットが静電容量式力感知素子を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記静電容量式力感知素子がギャップ分離により電極から離間されたばね部材を含み、前記ギャップ分離の程度が前記センサユニットを介して印加された力の大きさに依存している請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記静電容量式力感知素子が少なくとも一方向に回転自在である軸受けを含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記軸受けが前記静電容量式力感知素子のばね部材の突出部である請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの前記センサユニットを介して前記タッチ部材から前記支持構造体へ力を伝達する力経路に配置された横方向軟化装置をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記タッチ部材の下方に配置され、該タッチ部材を介して画像を表示する表示ユニットをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記表示ユニットを介して情報を表示するとともに前記複数のセンサユニットを介して情報を受け取るように結合された処理ユニットをさらに含む請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記タッチ部材が表示ユニットを含む請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記タッチ表面および支持構造体の一方のねじれモーメントを前記タッチ表面および前記支持構造体の他方から分離しつつ、タッチによりセンサユニットを通る力を表わす信号を測定するステップを含む、可撓性タッチ表面上のタッチの位置を特定する方法。
【請求項２３】
前記ねじれモーメントを分離するステップが、前記ねじれモーメントを回転軸受けで分離するステップを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記回転軸受けの横方向移動を抑制するステップをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記回転軸受けを介して受けた力を横方向に分散するステップをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記ねじれモーメントを分離するステップが、結合器の狭窄部において前記結合器を屈曲するステップを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記ねじれモーメントを分離するステップが、低係数材料で形成された軸受けを変形させるステップを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記低係数材料がエラストマーである請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記低係数材料が発泡体である請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記タッチスクリーンの動きを感知するステップが、前記センサユニット内の感知素子を剪断するステップを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記タッチにより前記センサユニットを通る前記力を表わす信号を測定するステップが、前記ユニット内の感知素子を圧縮するステップを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
前記タッチにより前記センサユニットを通る前記力を表わす信号を測定するステップがコンデンサの第１の導電表面を前記コンデンサの第２の導電表面に対して移動させるステップと、静電容量の変化を測定するステップとを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記タッチ表面を前記センサユニットに対して横方向に移動可能にするステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３４】
前記測定信号が前記センサユニット内の変位から導出される請求項２２に記載の方法。
【請求項３５】
前記可撓性タッチスクリーンを介して画像を表示するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３６】
前記可撓性タッチスクリーンが画像表示装置を含み、該画像表示装置を用いて画像を表示するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３７】
可撓性タッチ部材と、
タッチ力による支持体に対する前記タッチ部材の変位の発生に起因するセンサ領域を通る力を表わす信号を測定する手段と、
前記タッチ部材および前記支持体の一方のセンサ領域におけるねじれモーメントを前記タッチ部材および前記支持体の他方から分離する手段と、
を含むタッチ力の位置を特定するタッチ感応装置。
【請求項３８】
印加された力に応答して移動可能である可撓性タッチ部材と、
支持構造体と、
前記タッチ部材の各センサ領域において前記支持構造体と前記タッチ部材との間に結合され、前記センサ領域を通るタッチによる力を表わす信号を測定する複数のセンサユニットとを含み、前記タッチ部材上の前記タッチの位置に関係なく、内部応力の実質的に同一な相対パターンが前記複数のセンサユニットの第１のセンサユニット内に生じる、タッチの位置を特定するタッチ感応装置。
【請求項３９】
前記第１のセンサユニットが前記支持構造体と前記タッチ部材のタッチ面との間の位置で前記タッチ部材に結合している請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記タッチ部材が前記支持構造体に対して前記第１のセンサユニットに近接した回転軸を中心に回転可能である請求項３８に記載の装置。
【請求項４１】
少なくとも１つの前記センサユニットが前記タッチ部材と前記支持構造体との間に結合された回転軸受けを含み、前記タッチ部材と前記支持構造体との間の相対的回転を可能にする請求項３８に記載の装置。
【請求項４２】
前記少なくとも１つのセンサユニットが少なくとも１つの受容器をさらに含み、前記回転軸受けの横方向位置を維持する請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
少なくとも１つの前記センサユニットが狭窄部を備えた結合器を有し、該狭窄部により、該狭窄部の第１の側の結合器の一部分が、前記狭窄部の第２の側の前記結合器の第２の部分に対して回転可能になる請求項３８に記載の装置。
【請求項４４】
少なくとも１つの前記センサユニットが低係数材料の結合器を含む請求項３８に記載の装置。
【請求項４５】
少なくとも１つの前記センサユニットが、剪断に応答する感知素子を含み、前記タッチ部材と前記支持構造体との間の力線が前記タッチ部材のタッチ面に実質的に平行である請求項３８に記載の装置。
【請求項４６】
少なくとも１つの前記センサユニットが静電容量式力感知素子を含む請求項３８に記載の装置。
【請求項４７】
前記静電容量式力感知素子がギャップ分離により電極から離間されたばね部材を含み、前記ギャップ分離の程度が前記センサユニットを介して印加された力の大きさに依存している請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記ばね部材が突出部を含み回転軸受けを形成している請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記タッチ部材の下方に配置され、該タッチ部材を介して画像を表示する表示ユニットをさらに含む請求項３８に記載の装置。
【請求項５０】
前記表示ユニットを介して情報を表示するとともに前記複数の力センサユニットを介して情報を受け取るように結合された処理ユニットをさらに含む請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記タッチ部材が表示ユニットを含む請求項３８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してタッチスクリーンに関し、特にスクリーンに印加されたタッチ力の測定に基づいてタッチの位置を検出するタッチスクリーンに関する。
【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用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介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、本発明はタッチ位置の決定に対する撓曲の影響を低減する方法に関する。タッチスクリーン・オーバーレイあるいはタッチスクリーンが載置される支持構造体の屈曲あるいはねじれは、力センサに付加されるモーメントを生じ、その後力センサによって検出される無用な力になることがある。これらの無用な力はスクリーン上のタッチ位置の測定を歪ませることがあるため、屈曲あるいはねじれの影響は位置決定のエラーにつながる恐れがある。
【０００６】
本発明によると、タッチスクリーン・オーバーレイあるいは載置支持体が完全に硬質でない場合、モーメントを力センサに付加されることがある。力センサはモーメントから分離されるためモーメントから生じる無用な力はセンサによって検出されない。この方法の利点は他の方法とは異なり、載置支持体とオーバーレイとが完全に硬質である必要はなく、可撓性であることである。このようにオーバーレイと支持体とが軽量且つ薄型であり、タッチ位置の測定のエラーを発生させることはない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特定な一実施形態は、印加された力に応答して移動可能である可撓性タッチ部材と、支持構造体とを有するタッチ感応装置に関する。複数の力センサユニットが前記支持構造体と前記タッチ部材との間に結合されて、前記装置のセンサ領域を通る力を表わすとともに前記印加力から発生する信号を測定する。少なくとも１つの前記センサユニットが、前記タッチ部材及び前記支持構造体の一方のねじれによるモーメントを実質的に受けないように構成されている。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、タッチスクリーン上のタッチから生じるタッチ力の位置を特定する方法に関する。この方法はタッチ表面および支持構造体の一方のねじれモーメントを前記タッチ表面および前記支持構造体の他方から分離しつつ、可撓性タッチ表面から力センサユニットを通る力を表わす信号を測定するステップを含む。
【０００９】
本発明の他の実施形態は、可撓性タッチ部材と、該タッチ部材および支持構造体の一方のねじれモーメントを前記タッチ部材および前記支持構造体の他方から分離しつつ、前記タッチ部材へ印加されたタッチ力によるセンサ領域を通る力を表わす信号を測定する手段とを含むタッチ感応装置に関する。
【００１０】
本発明の他の実施形態は、印加された力に応答して移動可能である可撓性タッチ部材と、支持構造体とを有するタッチ感応装置に関する。センサユニットが前記支持構造体と前記タッチ部材との間に結合されて、センサ領域を通る力を表わすとともに前記印加力から発生する信号を測定する。前記タッチ部材上のタッチ位置に関係なく、内部応力の同一相対パターンが前記センサユニットの第１のセンサユニット内に生じる。
【００１１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明は接触感知技術に適用可能であるとともに、タッチパネル・オーバーレイやタッチパネルが搭載された構造が撓曲する際に生じる悪影響を低減するのに特に有用であると思われる。例えば、本発明の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。本発明はタッチスクリーン上のタッチ位置の決定に関する。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タッチスクリーン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。
【００１５】
特に、本発明はスクリーンに印加された力の測定に基づいてタッチの位置を決定するタッチスクリーンに関する。このようなタッチスクリーン内のスクリーンオーバーレイはユーザにはかなり硬質に映ることもあるが、それらを支えているセンサの剛性に比べてそれでもまだ可撓性がある場合がある。特にオーバーレイはセンサのねじり運動に対して可撓性がある場合がある。すなわちセンサは近接したオーバーレイの曲げを抑制する一方、この抑制に関するモーメントを支持体にまで伝達する。これとは逆にセンサをその通常の垂直配向から僅かにねじろうとする支持体の撓曲により、オーバーレイが局所的に撓曲および追従させられる場合がある。これにもセンサへの大きなモーメントの伝達を伴う場合がある。これらのモーメントは、均衡を維持するためにセンサ内にさらに垂直力がかかるという問題を生じることがある。これによりセンサにより検出される期待垂直タッチ力がひずみ、タッチの位置の誤報になる場合がある。
【００１６】
これらの問題を軽減する従来の方法は剛性オーバーレイおよび／または剛性センサを重用することが多かった。これとは対照的に、本発明はオーバーレイとセンサとの間に「回転的に柔軟な」と称される結合器を利用することに関し、そのため撓曲性オーバーレイに起因するモーメントはセンサに付加されない。これによりモーメントに対するセンサの直接的応答に起因するエラーを低減するとともに、上記の誤った垂直力を低減する。そのためタッチ位置の誤報の問題を軽減することができる。
【００１７】
タッチ表示装置を有する装置１００の基本構成要素が図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。そのため処理ユニット１０６は表示ユニット１０２上に表示された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】
１つの具体的なタイプのタッチ部材１０４はユーザが押圧するオーバーレイと、オーバーレイ上の様々な位置での得られた力を決定するための多数のセンサとを含んでいる。そして感知された力の分析によってタッチ位置を決定することができる。タッチスクリーンが矩形状である場合、印加された力を測定するために各コーナーに１つずつ４つのセンサあることが多い。実施形態の中には力センサが背後にあって、タッチ部材として作用する表示装置自体を支持する場合もある。このような場合には表示パネル自体がオーバーレイに取って代わり、表示パネルが印加された力を力センサに伝える。
【００１９】
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小さくても、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。
【００２０】
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実施形態が、２００１年４月１３日に出願された米国特許出願第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。
【００２１】
タッチ部材２１０すなわちオーバーレイは、構造体すなわち筐体２１５内に配置されている。この構造体すなわち筐体２１５は大きな中央開口を備え、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。
【００２２】
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突起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２５μｍ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。
【００２３】
タッチパネル２１０と第２の導電素子２３５との間に任意の支圧面２７０を介在させてもよい。これにより特にオーバーレイがより軟質材料で形成されている場合、突起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は突起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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、これらを選択して適切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。ところが力によるタッチスクリーン用の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、および／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。
【００２６】
薄いオーバーレイがさらに好ましいが、厚いものよりも可撓性も高い。本発明はオーバーレイが完全に硬質あるいはそれに近いものであることを前提とした以前の方法とは対照的である。オーバーレイの可撓性は単なるサイズと重量以外の理由で好ましい。例えば、タッチスクリーンの下層にある装置が可撓性である場合、その下層にある装置のコーナーからコーナーへのねじりはいずれも表示装置のねじりになる。これにより一組のはす向かいのセンサをオーバーレイに対して押し上げる一方、他方の組を下方に引っ張ることになりなりやすい。可撓性オーバーレイは下層の装置のこのねじれひずみを、緩やかに追従することにより損傷なく悪影響を低減させつつ吸収する。
【００２７】
極端に硬質のオーバーレイのためにこのように屈曲させることができないと、ある問題が生じる場合がある。多数の実用的なセンサ配置に伴う問題があるが、ここでは４端子型コーナーセンサの場合についてのみ考える。ねじれ力が増すと、最初はオーバーレイの剛性によって変位が回避されて、ねじれ力はすべてセンサが測定する垂直成分に重畳されたように見える。これらの力は通常のタッチ力よりも大きいことが多く変動する場合がある。これらの力は力センサをその有効範囲から逸脱させる場合がある。さらにねじれ力が増すと、センサの１つが完全にアンロードして、そのアンロードしたセンサとオーバーレイとの間の間隔が広がる。この間隔は支持構造体またはオーバーレイの縁に対して昇降するベゼルとの関連があるため、封止材、土台、あるいはオーバーレイの縁と周囲の構造体との間の他の任意の種類のアタッチメントを介して大きな寄生力の原因となる場合がある。これらの影響はタッチ位置の誤読になる恐れがある。ここでどのように撓曲がモーメントの伝達につながるのか、どのようにモーメント伝達が測定エラーにつながるのか、さらにいかにして回転軟化によりこの両方を未然に防止できるかの検討に戻ることにする。
【００２８】
下層にある支持体が撓曲する場合、モーメントがセンサに付加される場合がある。これは、例えば実用的な軽量且つ安価な支持構造体上での僅かなタッチ力の印加に起因することがある。下層にある支持構造体は、オーバーレイ表面上での意識的なタッチとは無関係な外力の印加時に撓曲することもある。例えば、ユーザが自分の手をベゼルのコーナーに乗せたり、あるいはタッチスクリーンを有するキオスク装置が撓曲する床に配置されていることがある。オーバーレイ撓曲部からセンサを通るモーメントと同様に、このような支持体撓曲部により生じたモーメントも均衡を維持するために擬似垂直力が必要である。
【００２９】
これらのエラーのほかに、いくつかのセンサはモーメントの付加に直接応答するためさらにエラーが生じる。これはセンサの異なる部分を通る垂直力に対する均一とは言い難い応答に起因する。
【００３０】
回転軟化、換言すればオーバーレイとセンサとの間の回転力の分断、を利用して上述の作用のいずれかに起因する力の誤読を低減することができる。回転軟化により、タッチ部材上でどこにタッチが位置するかにかかわらず、センサ内に内部応力の同一の相対パターンを発生させることが可能になる。
【００３１】
もう一度図２に戻ると、突起２４０が支圧面２７０上のセンサ２２０用の小さい接触領域を示している。さらにディンプル２７０が支圧面２７０に取り付けられず、支圧面２７０が単に突起２４０上に載っているだけの場合には、オーバーレイ２１０がねじれた時にセンサ２２０にモーメントは伝達されない。それでもなおセンサ２２０はオーバーレイがねじれた時には垂直力を感知する。このオーバーレイと力センサとの間の回転分断について以下にさらに説明する。
【００３２】
センサは剪断力の印加にも応答する場合がある。剪断応答性はセンサの感度軸がその搭載面に対して垂直でないということによって表わすことができる。分割力経路のないシステムにおいて、位置エラーは接線力と感度軸がタッチ面に対する垂線から外れたエラー角度の正弦との積に比例する。タッチ面はユーザが触れるオーバーレイあるいはタッチ部材の面である。分割力経路はタッチ面に平行な力および垂直な力を伝達する経路であり、本明細書に引用して援用する、「タッチ位置特定装置における接線力制御」（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｉｎ  Ａ  Ｔｏｕｃｈ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ）と題された米国特許出願第０９／８３５，０４９号明細書を参照されたい。このエラー角度はセンサ自体を搭載する際の、例えば搭載面がタッチ面に平行でない場合や厚さが不均一の接着剤層を用いてセンサが搭載される場合、あらゆるエラーが複合されることがある。
【００３３】
回転軟化はオーバーレイあるいは搭載表面の撓曲に起因するモーメントから被るセンサの影響を低減するだけでなく、剪断に起因する偶発的なセンサモーメントも低減することができる。これは回転軟化の回転中心をセンサ自体の中心に可能な限り近接させることにより達成することができる。
【００３４】
分割力経路の利用は米国特許出願第０９／８３５，０４９号明細書に記載されている。分割力経路はセンサへの接線力の印加を低減する。接線力はタッチ面に平行である。分割力経路が実施され且つセンサを通る接線力が無視できる場合には、センサの上下にある回転軟化中心の周りに作用する接線力からのねじれモーメントもない。このような状況では、回転軟化はタッチパネル・オーバーレイの撓曲のためセンサに直接付加されるモーメントを低減するのに有効である。回転軟化はセンサまたはタッチ面のいずれかに対して任意の好都合な高さで実施することが可能である。横方向軟化が無い場合は、タッチ面内の回転軟化を提供して横方向力の悪影響を低減することが有利である。
【００３５】
モーメントのセンサへのかかり方の一例を、特にセンサ３０２がオーバーレイ３０４よりも回転的に剛性の場合のセンサに生じる力分布を示す図３Ａおよび図３Ｂに関して説明する。図３Ａに見られるように、センサ上に直接印加された力Ｆは均等な応力分布３０６になることができる。図３Ｂでは、力Ｆ’はセンサの横の地点でオーバーレイ３０４に印加されて不均等な応力分布３０８になる。対向センサ(図示せず)はオーバーレイ３０４の他方の縁を支持する。タッチはセンサ３０２からよりもこの対向センサからの方が遠いが、この対向センサをタッチ力Ｆ’の一部が通る場合がある。しかし図示した例では、オーバーレイ３０４の可撓性が対向センサをアンロードする作用を有していたため、センサ３０２を通るタッチ力Ｆ’のほぼすべてを片持ち支持することになる。これがセンサ３０２の近方側３０２ｂ上の圧縮力、およびセンサ３０２の遠方側３０２ａ上の張力になり、これらの力が測定したい力値の平均値の何倍にもなることがある。
【００３６】
厳密に釣り合うべき力分布の部分が測定対象の信号よりも著しく大きいことがあるため、このような力分布３０８を正確に測定することは困難である。センサ表面がオーバーレイ３０４および支持体３１０に固定されていない場合には、張力はないがセンサ３０２の近方側３０２ｂに近い応力分布３０８がより集中する。これによりセンサにおける応答の均一性およびダイナミックレンジに類似した問題が生じる。しかしセンサを通るモーメントを低減する回転軟化がセンサにあればこれらの問題は軽減される。
【００３７】
センサへのモーメントの付加について、２つのセンサアセンブリ４０２および４０３の間に支持されたオーバーレイ４０４を示す図４Ａに関してさらに説明する。オーバーレイ４０４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４０２および４０３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４０２および４０３は力とモーメントとを支持体４１０に伝達する。作業者は力Ｆtotalでオーバーレイ４０４を押圧する。力Ｆ1は第１のセンサアセンブリ４０２を介して支持体４１０へ伝わり、力Ｆ2は第２のセンサアセンブリ４０３を介して支持体４１０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４０２を通り、モーメントｍ2は第２のセンサ４０３を通ることが可能である。
【００３８】
平衡状態において、モーメントおよび力は、
Ｆ1*ｘ1−ｍ1＝Ｆ2*ｘ2−ｍ2    （１）
の条件に適合し、ここでｘ1は第１のセンサ４０２から点Ｐまでの距離であり、ｘ2は第２のセンサ４０３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。
【００３９】
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４０２および４０３により生成された力信号に影響を及ぼす。複雑で実施が困難ではあるが、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用いてもよい。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。
【００４０】
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４Ｂに図示されている。この方法では可撓性オーバーレイ４０４が２つのセンサ４１２および４１３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。
【００４１】
オーバーレイ４０４と各センサ４１２および４１３との間に回転自在軸受け４１４がある。横方向軟化装置４１６も例えば、支持体４１０とセンサ４１２および４１３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４１６を形成することにより、接線力がセンサ４１２および４１３を介して支持体４１０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いる。
【００４２】
ユーザによりオーバーレイ４０４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４１２および４１３を介して支持体４１０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４１２および４１３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）
このようにオーバーレイに大きな可撓性があれば、この単純な関係の適用可能性は回転軟化の利用如何にかかる。
【００４３】
図５Ａおよび５Ｂは式（２）を用いてタッチ位置を計算する様々なシステムの性能を示す。横座標「ｘ」は力センサ間の実際の点Ｐの分数位置として定義される。
ｘ＝ｘ１／（ｘ１＋ｘ２）    （３）
【００４４】
図５Ａにおいて縦座標はシステムによる「ｘ」出力の推定値である。図５Ｂにおいて縦座標は「ｘ」の推定値の分数エラーである。百分率エラーは分数エラーに１００を掛けることにより求められる。
【００４５】
各例において、モデル化されたシステムは簡素化されたものであり、オーバーレイ４０４は２つの支持センサアセンブリの間に延在する部材である。この部材は単一ビームとして処理するのに十分細いものとするとともに、センサアセンブリは単一あるいは固定支持体のいずれかであるものとする。実際のタッチ構造体は、たとえあったとしても動作中にその厚さの半分以上歪曲することは殆どなく、タッチによる歪曲はビーム組織内に留まるものとする。部材はさらにその長さに沿って均一の剛性を有するものとする。そしてこれらの得られたシステムを直ちに評価する。
【００４６】
両端が単に支持されただけの場合の出力にはエラーがなく、図５Ａの細かい破線５０２により示される。算出されたエラーは曲線５１２として図５Ｂに示されている。これは図４Ｂの可撓性オーバーレイ構成に相当する。この応答曲線５０２はまた充分厚く且つ比較的硬質のオーバーレイを有する実際のシステムのものに近い。このようなオーバーレイはセンサ接合部および下層の支持体の回転剛性を抑える。極めて堅いオーバーレイの限界では応答曲線は完全な直線になる。硬質オーバーレイが回転剛性センサを介して若干可撓性のある支持体に接続している場合には、応答曲線がいくぶん傾いて移動することもある。しかし曲線は直線のままであるため、一般的に行われている校正あるいは補正手法によりそのような潜在的エラーを除去してもよい。
【００４７】
しかし僅かに可撓性のあるオーバーレイでは、通常の回転剛性センサおよび土台が大きな非線形性応答を生じる可能性がある。センサ剛性がオーバーレイに比べて高い場合、得られた応答は図５Ａの実線曲線５０４に図示されたものであり、エラーは図５Ｂの実線曲線５１４として図示されている。１つのセンサに近いタッチはそのセンサを介して支持され、飛込力はほとんど飛込板上に支持されるるとともに、他方のセンサにおいて予想される力の僅かな部分はさらにほぼゼロにまで低減される。
【００４８】
センサ近辺での近接したタッチの識別に利用できる感度がほとんどないことが分かる。そのため補正計算での試みはこれらの領域のノイズと精度の問題に直面することになる。
【００４９】
図５Ａの粗い破線曲線５０６は左側のセンサが単純支持である一方、右側のセンサは固定支持を持続するシステムの応答を図示する。これから有用であるには、限定的な回転軟化は適度に均衡を取って提供しなければならないことが分かる。図５Ｂの対応曲線５１６に示されるように、２つのセンサのうちの１つのみを軟化することは、エラーを改善するのではなく大幅に悪化させることになる。
【００５０】
数個のセンサ、例えば４つのセンサに支持された２次元オーバーレイを考えると、回転剛性センサ結合器および可撓性オーバーレイの作用に関して以下の相違点がある。位置エラーはＸおよびＹ位置両方の複雑な関数になる。エラーパターンはタッチ接点の周囲のタッチ表面が若干下方に窪むことによりさらに複雑になる。力の大部分は最も近いセンサを介して伝達されるが、最大のエラーはより低い値で（各）センサにより近い地点に対して発生することがある。モーメントは半径が増加するにつれ面積が増加するオーバーレイ材料の断面を介してセンサから外側に進み、これがセンサから離れたタッチに対して少量の固有回転軟化をもたらす。
【００５１】
タッチ位置を決定する際の他に考えられるエラー原因は、センサ搭載構造体自体が１つ以上のセンサに向かってねじれるように撓曲される場合である。これが図６Ａに概略的に図示されている。タッチスクリーンを収容している装置が外力を受ける場合、例えば装置がユーザの手に堅く握られて、非横方向配向で使用されている、あるいは装置の縁がユーザに押圧されている場合には、構造体６１０がセンサの下でねじれることがある。
【００５２】
図６Ａに図示した実施形態において、センサアセンブリ６０２はオーバーレイ６０４に比べて回転剛性があるものとする。構造体６１０は角度ψ１ねじれており、オーバーレイはほぼψ１と同じ角度ψ２ねじれている。
【００５３】
構造体のψ１の回転は、センサ６０２内に関連する力分布６０６により生じるモーメントの原因となる。このモーメントはセンサ６０２および６０３により感知された力＋Ｆと−Ｆ’とにより均衡が保たれている。これらの力ＦおよびＦ’がタッチの位置特定のエラーを発生させる。センサ信号に土台の回転の変化を予測する情報がない可能性があるため、関連するエラーを補正することができない。
【００５４】
図６Ｂに図示された実施形態において、センサアセンブリ６１２および６１３はオーバーレイ６０４に比べて回転的に柔軟である。センサアセンブリ６１２および６１３はそれぞれ回転軟化装置６１２ａおよび６１３ａを含んでいる。回転軟化装置のさらなる例を以下に挙げる。
【００５５】
構造体６１０が角度ψ１撓曲する場合、その結果オーバーレイ６０４の角度ψ２はψ１よりはるかに小さく、そのため比ψ２／ψ１は小さい。回転軟化装置６１２にいくらか残る剛性によりψ２に対して小さい非ゼロ値を生じる。強制載置回転によるエラーはその後比ψ２／ψ１だけ低減することができる。望ましい構成を得るために、タッチ装置メーカーは使用時に発生するψ１の値を殆ど制御していない。これらの状況においては、自在回転の感知接続が最良である。この場合オーバーレイ６０４の剛性を増加することはエラーを低減せず、実際にはエラーを増加するということに留意することが重要である。
【００５６】
ψ２／ψ１の比較的小さい比が図３に示した種類の様々な比較的小さいタッチ位置エラーに関連していることが理解できよう。このようなエラーが主である場合、ψ２／ψ１がある特定値未満である限り、可撓性オーバーレイは充分なタッチ位置特定精度を提供すると判断できる。
【００５７】
回転的に柔軟なセンサの特定の一例が図２に図示されている。静電容量式力センサ２２０のディンプル２４０はオーバーレイ２１０に取り付けられていないため、オーバーレイ２１０がセンサ２２０にモーメントを付与することなくセンサ２２０に対してねじれることが可能である。
【００５８】
図７Ａ〜７Ｇはタッチセンサに対して回転軟化を提供する異なる方法をいくつか図示している。図７Ａ〜７Ｃは、二重枢動の回転軟化センサユニット７００、７１０、７２０を概略的に図示する。これらのセンサユニットは回転軟化はもちろん横方向軟化を提供することができるるとともに、米国特許出願第０９／８３５，０４９号明細書に記載の横方向防撓材とともに用いることができる。
【００５９】
図７Ａに図示した第１のセンサユニット７００は、オーバーレイ７０４と力分散器７０６との間に枢動素子７０２すなわち回転軸受けを含み、その力分散器７０６はセンサ素子７０８への印加力を分散し、センサ素子７０８は分散器７０６と支持体７０９との間に配置することができる。分散器７０６はまた枢動素子７０２の受容器として作用可能である。
【００６０】
センサユニット７１０はオーバーレイ７１４に取り付けられた第１の分散／受容器７１６ａと、センサ素子７１８に取り付けられた第２の力分散／受容器７１６ｂとを含んでいる。枢動素子７１２はその２つの分散／受容器７１６ａおよび７１６ｂの間に配置されている。センサ素子７１８は支持体７１９に取り付けられている。
【００６１】
センサユニット７２０はセンサ素子７２８に取り付けられた第１の分散／受容器７２６ａを含んでいる。この特定の実施形態において、センサ素子７２８は分散／受容器７２６ａとオーバーレイ７２４との間に配置されている。第２の力分散／受容器７２６ｂは支持体７２９に装着されている。その２つの分散／受容器７２６ａおよび７２６ｂの間に枢動素子７２２が配置されている。
【００６２】
図は徐々に狭くなる枢動素子７０２、７１２、７２２と、徐々に小さくなる接触半径を利用したセンサユニット７００、７１０、７２０を示しているが、これである必要はない。より狭い側面を有する枢動素子はアセンブリによっては小型化が可能であり、より小さい半径は汚染物質が滑らかな動作に影響を与える可能性を低減することができる。
【００６３】
枢動素子７０２、７１２、７２２は、オーバーレイを構造体に保持する圧力下で大きく変形することのない、比較的硬い材料で形成することができる。枢動素子７０２、７１２、７２２は例えば、金属、ガラスあるいは硬質ポリマを用いて形成することができる。同じく、受容器７０６、７１６ａ、７１６ｂ、７２６ａおよび７２６ｂを圧力下で大きく変形することのない材料で形成し、金属、ガラスあるいはポリマで形成することができる。枢動素子あるいは受容器用の材料が圧力下で大きく変形する場合には、接触表面領域が増加することにより回転軟化作用を減少させることになる。
【００６４】
図７Ｄ〜７Ｇは、オーバーレイと載置構造体の両方に固定可能な異なるタイプの回転軟化センサユニットを概略的に図示している。これらのセンサユニットは概して十分な回転追従性を提供するように配置された材料の撓曲を伴う。
【００６５】
図７Ｄに図示されたセンサユニット７３０は、オーバーレイ７３４とセンサ素子７３６との間に配置された材料の結合ブロック７３２を用いている。このセンサ素子７３６は支持体７３８に装着されている。結合ブロック７３２は狭窄側面７３３を有し、これによりオーバーレイ７３４に装着されたブロック７３２の端部がセンサ素子７３６に装着されたブロック７３２の端部に対して回転可能となる。結合ブロック７３２での狭窄の厚さと必要な回転軟化度によっては、比較的高いヤング係数を有する材料でブロック７３２を形成することができる。例えば、結合ブロック７３２は、金属あるいは硬質プラスチックなどの材料の部品でもよく、挟んでくびれ部７３３を形成するか、あるいはねじってくびれ部７３３を形成したものでもよい。
【００６６】
図７Ｅに図示されたセンサユニット７４０は、構造体７４９に装着されたセンサ素子７４６と、オーバーレイ７４４に装着された低係数材料、例えば弾性材料の結合ブロック７４２とを含む。結合ブロック７４２は図７Ｄに図示した結合ブロック７３２よりも小さいアスペクト比を有してもよい。結合ブロック７４２はセンサ素子７４６に直接装着可能、あるいは図示のように力分散器７４８を介してセンサ素子７４６に装着可能である。この特定の実施形態では、センサ素子７４７は支持体７４９に直接装着されている。
【００６７】
図７Ｆに図示されたセンサユニット７５０は、圧縮ではなく剪断で伝わる力に応答するセンサ素子７５６を含む。センサ素子７５６はオーバーレイ７５４に直接取り付けることができる。低係数材料、例えばエラストマーの結合ブロック７５２は支持構造体の側壁７５９に接続可能である。結合ブロック７５２をセンサ素子７５６に直接、あるいは力分散器７５８を介してセンサ素子７５６に取り付けることができる。
【００６８】
センサユニット内の要素の順番は図示のようである必要はないことは理解できよう。例えば、図７Ｅのセンサユニット７４６をオーバーレイ７４４に取り付け、一方結合ブロック７４２を構造体７４９に取り付けてもよい。通常、結合ブロックが小さいほど回転剛性が低く、より細い側面を有し、および／またはより低いヤング係数を有する材料で形成される。
【００６９】
図７Ｇに図示されたセンサユニット７６０は、連続気泡または独立気泡フォームなどの高圧縮性材料の比較的薄い層を用いて、回転軟化結合ブロック７６２として機能を果たす。この結合ブロックはオーバーレイ７６４とセンサ素子７６６とに装着されている。センサ素子７６６は支持体７６９に装着されている。
【００７０】
結合ブロック７６２のフォーム内の空気の圧縮性が、結合ブロック材料が２つの硬質表面間に挟まれた時に生じる１つの問題を回避する。一方の表面が他方に対して回転する時、ブロックの一端の材料が圧縮されて大きな剪断とともに流動しやすい。これは非多孔性、低ヤング係数材料が一般に等積且つポワソン比約０．５を有するためである。ブロックが離間した２つの表面間に引っ張られた緊張状態にある部分の材料にこれとは逆の問題が発生する。最終的な結果は、ブロックが細くなるにつれ剛性が劇的に増加して、ついに追従性が基本的に堆積弾性率のみにより提供されるものになる。
【００７１】
オーバーレイおよび構造体により付加されるモーメントからセンサを分離する他の方法は、対向表面に取り付けられていない微小な接触点を有するセンサを用いることである。例えば、図２において、ディンプル２４０はオーバーレイ２１０に接触しているが取り付けられてはいない。微小な接触点をオーバーレイではなく構造体に接触させてもよいことは理解できよう。
【００７２】
ここで回転軟化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。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を下層支持構造体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。
【００７３】
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。このギャップを形成する方法の１つは、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を形成することである。他の方法では、ばね部材８０６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８１０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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。支持部材８０２は典型的に、アクリルテープ８２２などの横方向軟化材が支持部材８０２と構造体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。
【００７７】
この構造には、構造体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。
【００７８】
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。
【００７９】
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は構造体９２４に載置されている。
【００８０】
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。
【００８１】
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。こうして不均一ギャップを有する静電容量式力センサは、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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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は構造体１１２８に装着されている。
【００８６】
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。
【００８７】
弾性パッド１１１６は横方向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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
上述したように、本発明はタッチセンサに適用可能であるとともに、タッチセンサへの印加力の測定に基づくタッチセンサ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】
【００９１】
【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】タッチセンサが異なる場所でタッチされた時の力センサ上の力分布を概略的に図示する。
【図３Ｂ】タッチセンサが異なる場所でタッチされた時の力センサ上の力分布を概略的に図示する。
【図４Ａ】センサがオーバーレイおよび支持構造体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４Ｂ】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５Ａ】力測定システムからの推定出力および出力のエラーをスクリーン全体に亙る位置の関数として示すグラフをそれぞれ、異なる回転軟化条件に対して表わす。
【図５Ｂ】力測定システムからの推定出力および出力のエラーをスクリーン全体に亙る位置の関数として示すグラフをそれぞれ、異なる回転軟化条件に対して表わす。
【図６Ａ】力センサがオーバーレイと構造体との間に固くクランプされている場合の載置構造体のねじれを概略的に図示する。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、回転軟化が構造体とオーバーレイとの間にある場合の載置構造体のねじれを概略的に図示する。
【図７Ａ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｂ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｃ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｄ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｅ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｆ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図７Ｇ】本発明による回転軟化を含む力センサユニットの異なる実施形態を概略的に図示する。
【図８Ａ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図８Ｂ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図９Ａ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図９Ｂ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１０】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を図示する。
【図１１Ａ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１１Ｂ】本発明による回転軟化を含む静電容量式力センサの他の実施形態を概略的に図示する。
【図１１Ｃ】本発明による回転軟化を含む静電容量式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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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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