(57)【要約】  本発明は、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出するように構成された、新規な容量性デバイスを提供する。このデバイスは、停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れている第１および第２の電極を含む。第１の電極と第２の電極との間には測定可能な容量が存在する。第１の電極と第２の電極との間の所定の距離を制御するために、所定の最大寸法を有する構造化素子がデバイス内に配置される。デバイスへの印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
2007503003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出するように構成された容量性デバイスであって、
停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れていて、互いの間に測定可能な容量が存在する、第１および第２の電極と、
前記所定の距離を制御するために前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された、所定の最大寸法を有する構造化素子とを備え、
前記印加力により、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が変化し、前記容量の関連する変化を測定することによって、前記印加力に関連する情報を特定することが可能である容量性デバイス。
【請求項２】
前記第１および第２の電極が基板にマウントされている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極が、第１および第２の端部を有する矩形のプレートを含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記構造化素子が、前記第１の電極と、前記第１の電極の前記第１および第２の端部に近接する前記基板との間に配置されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記構造化素子が、導電性硬化材料によって所定の位置に保持されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
第３の電極をさらに備え、前記導電性硬化材料が前記第１の電極と前記第３の電極とを電気的に接続している、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２および第３の電極が基板にマウントされている、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記構造化素子が、前記第１の電極と前記第３の電極とを電気的に接続している、請求項５に記載のデバイス。
【請求項９】
前記構造化素子が球形であり、前記所定の最大寸法が直径である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記構造化素子が中空の球体である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記構造化素子が中実の球体である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記構造化素子が、デバイスの動作中に、予想される範囲の印加力に対して永続的に変形しない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記構造化素子がガラス材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記構造化素子がセラミック材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記構造化素子が、前記導電性硬化材料の処理温度に反応しない材料を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記構造化素子の硬度が、前記電極の硬度より高い、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記構造化素子が導電性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記電極が、前記構造化素子を介して電気的に接続されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第１の電極が、前記基板と前記第２の電極との間に配置されていて、前記第１の電極の、前記第１の端部に近接して配置された前記構造化素子と前記第２の端部に近接して配置された前記構造化素子との間の中心に置かれている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記構造化素子が、接着剤によって所定の位置に保持されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能であり、停止状態において所定の距離だけ間隔をおいて離れて対向する第１および第２の電極を含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間の相対的な間隔によって制御される容量を有する容量性デバイスの製造方法であって、
所定の最大寸法を有する構造化素子によって、前記第１の電極と前記第２の電極とを前記所定の距離だけ間隔をおいて離すステップを含み、
前記印加力により、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が変化し、前記容量の関連する変化を測定することによって、前記印加力に関連する情報を特定することが可能である、容量性デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記第１および第２の電極が基板にマウントされ、前記第１の電極が結合材料によって前記基板にマウントされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記結合材料が前記構造化素子を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記構造化素子が、フラックスを含む材料に混合されてから、前記結合材料と合せられる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記基板上に第３の電極が形成され、前記結合材料が、前記第１の電極と前記第３の電極との間に電気的接続を生成する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記構造化素子が、前記結合材料の約１〜１０体積％含量を占める、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記構造化素子が、前記結合材料の約２体積％含量を占める、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記構造化素子の前記最大寸法が、構造化素子のサンプルを選別して、所定の寸法より大きな寸法を有する構造化素子をすべて除外することによって決まる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記構造化素子の選別によって、約２５ミクロンより大きな寸法を有する構造化素子が除外される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記所定の寸法が約２０〜８０ミクロンである、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の電極が、前記基板の、２つの別々の場所にマウントされる、請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の電極が、前記基板の１つの場所にマウントされる、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１または第２の電極を定電圧源に電気的に接続するステップと、前記定電圧源に電気的に接続されていない前記第１または第２の電極を増幅器に接続するステップとをさらに含み、容量の前記変化が、前記定電圧源から前記増幅器に流れる電流の変化に関連する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板が、その表面に電気的トレースが形成されたプリント回路基板であり、前記第１および第２の電極を別々のトレースに電気的に接続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３５】
前記第１の電極の表面にディンプルを形成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
力ベースの容量性接触センサ・アセンブリであって、
フレームと、
接触感知表面と、
接触入力による前記接触感知表面への印加力を検出するためのものであって、前記接触感知表面と前記フレームとの間に配置された複数の力活性化デバイスとを含み、
前記力活性化デバイスが、それぞれ、
停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れていて、互いの間に測定可能な容量が存在する、第１および第２の電極と、
前記所定の距離を制御するために前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された、所定の最大寸法を有する構造化素子とを含み、
前記印加力により、前記第１の電極と前記第２の電極との間の方向が変化し、関連して前記容量が変化し、各デバイスの容量の前記変化を測定することによって、前記接触感知表面への接触入力の位置に関連する情報を特定することが可能である、センサ・アセンブリ。
【請求項３７】
前記フレームと前記接触感知表面との間にシールを形成するシール膜をさらに含み、内蔵ユニットとして作動する、請求項３６に記載のセンサ・アセンブリ。
【請求項３８】
各力活性化デバイスに力がプリロードされていて、前記接触感知表面への接触入力によって前記デバイスがアンロードされる、請求項３６に記載のセンサ・アセンブリ。
【請求項３９】
力ベースの接触機能を有するモニタであって、
スクリーンと、
前記スクリーンに近接して配置され、前記スクリーンへの印加力を検出する力活性化デバイスを備え、前記デバイスが、
停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れていて、互いの間に測定可能な容量が存在する、第１および第２の電極と、
前記所定の距離を制御するために前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された、所定の最大寸法を有する構造化素子とを含み、
前記印加力により、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が変化し、前記容量の関連する変化を測定することによって、前記印加力に関連する情報を特定することが可能である、モニタ。
【請求項４０】
ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能であり、基板にマウントされ、停止状態において所定の距離だけ間隔をおいて離れて対向する第１および第２の電極を含む容量性デバイスに用いられる結合材料であって、
前記センサが、前記第１の電極と前記第２の電極との間の相対的な間隔によって制御される容量を有し、
前記結合材料が、
硬化材料と、
所定の直径を有し、前記硬化材料と混合された構造化素子とを含み、
前記第１の電極を前記基板にマウントして、前記構造化素子とともに前記所定の距離を制御するために用いられる、結合材料。
【請求項４１】
前記硬化材料が導電性はんだ材料を含む、請求項４０に記載の結合材料。
【請求項４２】
フラックス材料をさらに含み、前記構造化素子が、前記フラックスに混合されてから前記硬化材料と合せられる、請求項４０に記載の結合材料。
【請求項４３】
前記構造化素子が約１体積％以上の含量を占める、請求項４０に記載の結合材料。
【請求項４４】
前記構造化素子が球形である、請求項４０に記載の結合材料。
【請求項４５】
前記硬化材料が接着剤である、請求項４０に記載の結合材料。
【請求項４６】
前記構造化素子が導電性材料を含む、請求項４０に記載の結合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力ベースの接触センサ（タッチセンサ）に関し、特に、力ベースの接触センサの電極間の間隔を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの表面に対して行われた接触の力および／または位置を感知および計測できることは、様々な状況において有用である。したがって、表面（本明細書では「接触表面（ｔｏｕｃｈ  ｓｕｒｆａｃｅ）」と称する）に印加された力（本明細書では「接触力（ｔｏｕｃｈ  ｆｏｒｃｅ）」または「印加力（ａｐｐｌｉｅｄ  ｆｏｒｃｅ）」と称する）の特性を測定するために力センサを用いる様々なシステムが開発されている。一般に、力センサは、印加力に反応して、たとえば、接触表面上の印加力の位置を特定するために用いられることが可能な信号を発生させる。
【０００３】
接触表面への印加力の位置を特定することは、接触表面がコンピュータ・ディスプレイの表面やコンピュータ・ディスプレイの前方の透過オーバーレイの表面である場合に特に注目される。さらに、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）などのモバイル機器やハンドへルド機器の普及によって、接触位置を特定することが可能な、小型軽量で安価なデバイスの必要性が高まりつつある。この機能を実施する接触スクリーンは、いくつかの実現可能な技術によって構築可能である。これまで用いられてきた技術には、上述の力の原理のほかに、容量性（キャパシティ）、抵抗、音響、赤外線などの技術もある。
【０００４】
力の原理は、競合する技術に対して、いくつかの潜在的な優位性を有する。力技術は、どのようなオーバーレイ材料にも、さらにはディスプレイ本体そのものにも適用可能なので、耐久性の低い、あるいは光特性が弱い材料や被膜を間に置く必要がない。さらに、接触入力を認知する基本原理が接触力なので、力ベースのデバイスの感度はユーザにとって予測可能である。たとえば、静電容量の測定を用いる場合は、接触のしきい値が、ユーザの肌の状態や、介在する物質（たとえば、手袋）によって変動する。スタイラスで接触しても、通常は反応がない。抵抗の測定を用いる場合は、力のしきい値が接触領域の大きさに依存し、スタイラスと指とで大きく異なる。音響の測定は、接触する材料の吸収特性に依存し、赤外線を用いる場合は、接触していないのに接触したと認識される可能性がある。
【０００５】
力ベースの技術に優位性があるにもかかわらず、接触スクリーン市場では、抵抗性ベースの技術と容量性ベースの技術とがここまで支配的である。これは周知の力技術にある難点が反映された結果であり、力技術の可能性を実現するためには、それらの難点を克服しなければならない。
【０００６】
とりわけ、力センサのサイズ、特にセンサの幅と厚さが大きすぎるのが難点である。非常に薄いデバイス、または非常に小さいデバイスの中で実際に使用できるサイズの力センサを製造することは、非常に困難であることがわかっている。横方向の力に対する感度が高すぎて正確さが損なわれることも、力センサにおいて克服されるべき課題になっている。力センサのコストと複雑さもまた、課題の１つになっている。力センサの複雑さの一部は、力センサを所望の力センサ用途に合うように小さくしようとしたときに、さらに問題となる。
【０００７】
現代の接触用途では、接触力の位置特定および／または測定に対応するために、接触機能を備えたデバイスのサイズが大きくなったり、外観に影響したりしないことが望ましい。このことは特に、可搬用途およびハンドヘルド用途に当てはまる。求められるタイプの従来の力センサは、一般に、抵抗性被膜や容量性被膜よりかなり厚みがあり、それによって、そのような力センサを組み込んだデバイスの厚みが、抵抗性センサや容量性センサを組み込んだデバイスより大きくなる可能性がある。求められるタイプの従来の力センサは、簡単に透明にすることができないので、有効な表示領域の前方に配置することができない。結果として、そのような従来の力センサを含むデバイスを製造しようとすると、力センサを収容するために、抵抗性ベースや容量性ベースのデバイスより幅広になってしまうのが普通である。したがって、力ベースの接触技術は、デバイス全体の厚みと幅に関しては、他の接触センサ技術と比較して潜在的に不利である。
【０００８】
ほとんどの力ベース技術は、印加力に敏感な、ある種のトランスデューサを含む。周知の力センサの一例が、米国特許第６，５３１，９５１号明細書（セルバン（Ｓｅｒｂａｎ）ら）によって開示されている。セルバン（Ｓｅｒｂａｎ）は、接触素子から間隔をおいて配置された電極を少なくとも１つ含む力センサを開示している。接触素子に十分な力が印加されると、接触素子と電極とが互いに接触して「オン」信号が生成される。接触素子に印加される接触力が不十分な場合、力センサは「オフ」状態のままである。セルバン（Ｓｅｒｂａｎ）は、停止状態では接触素子と電極との間に間隔をおくように配置されたセパレータ構造を開示している。セパレータ粒子のサイズによって、接触素子が、停止状態と電極に接触する位置との間を移動する距離が決まる。したがって、セパレータ構造によって決まる距離は、力センサ内で「オン」信号を発生させるのに必要な力の大きさに関連する。
【０００９】
先行技術においては、特定の力ベース用途に対してサイズ制限が課された状況で、非常に軽い印加力から、多くの接触用途で必要なレベルの正確さを有する衝撃力までの範囲の様々な印加力を検出できる力センサが開示されていない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一面では、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出するように構成された、新規な容量性デバイスを提供する。このデバイスは、停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れている第１および第２の電極を含む。第１の電極と第２の電極との間には測定可能な容量が存在する。第１の電極と第２の電極との間の所定の距離を制御するために、所定の最大寸法を有する構造化素子がデバイス内に配置されている。デバイスへの印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
【００１１】
本発明の別の面では、力ベースの容量性接触センサ・アセンブリが、フレームと、接触感知表面と、接触感知表面とフレームとの間に配置された複数の力活性化デバイスとを含む。これらの力活性化デバイスは、接触入力による、接触感知表面への印加力を検出する。各力活性化デバイスは、停止状態において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れている第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間に測定可能な容量が存在する。所定の距離を制御するために、第１の電極と第２の電極との間に、所定の最大寸法を有する構造化素子が配置されている。接触感知表面への印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。各デバイスの容量の変化を測定することにより、接触感知表面への接触入力の位置に関連する情報を特定することが可能である。
【００１２】
本発明のさらに別の面では、力ベースの接触機能を有するモニタが、スクリーンと、スクリーンへの印加力を検出するためにスクリーンに近接して配置された力活性化デバイスとを含む。力活性化デバイスは、停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れている第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間に測定可能な容量が存在する。所定の距離を制御するために、第１の電極と第２の電極との間に、所定の最大寸法を有する構造化素子が配置されている。スクリーンへの印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
【００１３】
本発明のさらに別の面では、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能な容量性デバイスの製造方法を提供する。このデバイスは、停止状態において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れて対向する第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間の相対的な間隔によってセンサの容量が制御される。この方法は、所定の最大寸法を有する構造化素子によって、第１の電極と第２の電極とを所定の距離だけ間隔をおいて離すことを含む。容量性デバイスへの印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
【００１４】
本発明のさらに別の面は、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能な容量性デバイスに用いられる結合材料に関する。このデバイスは、停止状態において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れて基板にマウントされた、対向する第１および第２の電極を含むことが可能である。センサの容量は、第１の電極と第２の電極との間の相対的な間隔によって制御されることが可能である。結合材料は、硬化材料と、硬化材料の中で混合された構造化素子とを含む。構造化素子は所定の寸法を有し、結合材料は、第１の電極を基板にマウントして構造化素子による所定の距離を制御するために用いられる。
【００１５】
本発明の各種実施形態の他の特徴および利点は、この後の説明と特許請求の範囲とから明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、一面では、新規な容量性力感知デバイスを提供する。後で詳述するように、本発明のデバイスは、デバイスに入力された力の特徴付けを、より高い信頼性で、より高い感度で、より正確に行うことが可能である。これらの改良された、デバイスの特性は、デバイスが高い接触感度および／または力感度を要する、コンピュータモニタやその他の用途のような、大型の用途で用いられる場合のほか、特に、モバイル機器やハンドへルド機器などの小型用途で用いられる場合に有利であろう。本発明は、力入力が、たとえば、力入力の振幅、継続時間、または加速度または速度で特徴づけられる任意の用途に広く適用可能になりうると考えられる。
【００１７】
本発明の一面は、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出するように構成された容量性デバイスに関する。このデバイスは、停止位置において互いに所定の距離だけ間隔をおいて離れている第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間に測定可能な容量が存在する。第１の電極と第２の電極との間の所定の距離を制御するために、所定の最大寸法を有する構造化素子がデバイス内に配置されている。デバイスへの印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
【００１８】
本発明の原理を含む、力ベースのセンサ・アセンブリ１００を、図１に示す。センサ・アセンブリ１００は、第１および第２の入力表面１０１、１０３を有する入力構造物１０２と、入力構造物１０２の周囲の様々な場所に、第２の表面１０３に近接して配置された第１、第２、第３、および第４のトランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６とを含む。トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６は、制御モジュール（図示せず）に電気的に接続され、第１の表面１０１への接触入力の位置を検出するように構成および配置されている。たとえば、物体１０４が軸１０６に沿って力を印加し、それによって、入力表面１０１に垂直な方向１０８に発生した力が、トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６によって検出されることが可能である。トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６のそれぞれによって検出された力の量は、各トランスデューサ・アセンブリによって検出された印加力を制御モジュール（図示せず）によって、物体１０４による印加力の位置特定情報に変換されるために用いられることが可能である。
【００１９】
トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６は、印加力による押しのけ量とトランスデューサ・アセンブリの容量特性とを利用してシステム内での変化を求め、その変化から、印加力の位置が特定される。したがって、トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６は、力を実際に直接測定するのではなく、各トランスデューサ・アセンブリにおける容量の変化に主に依拠して印加力の位置を特定する。
【００２０】
図２に示した容量性デバイス２００は、図１に示したトランスデューサ・アセンブリの１つとして用いられることが可能である。容量性デバイス２００は、第１および第２の電極２１０、２５０を含み、この各電極は直接または間接に基板２０２にマウントされている。第１の電極２１０は、第１および第２の表面２１２、２１４と、第１および第２の側部２１６、２１８と、中央部２２０とを含む。第２の電極２５０は、第１および第２の表面２５２、２５４を含む。第１の電極２１０の第１の表面２１２の中央部２２０の、第２の電極２５０の位置とちょうど並ぶ場所に、ディンプル２０４を配置することが可能である。ディンプル２０４の目的は、図１に示したプレート形状の入力構造物１０２などの物体からの印加力を、ディンプルの点接触を通して、物体によって容量性デバイス２００に印加された垂直方向の力に変換することである。別の実施形態では、図２に示した半球形状のディンプル２０４と異なる形状のディンプルを用いることが可能である。このディンプルは、デバイスと、デバイス２００に印加力を入力する物体との間に点接触を与える構造を有することが好ましい。
【００２１】
第１の電極２１０は、第１の電極２００の第２の表面２１４の第１および第２の側部２１６、２１８のそれぞれと基板２０２との間に配置された結合材料２３０、２４０によって基板２０２に間接的に固定されている。結合材料２３０、２４０は、硬化材料２３２、２４２と構造化素子２３４、２４４とを含むことが好ましい。構造化素子２３４、２４４は、たとえば、円形の構造化素子２３４、２４４の直径によって決まる所定の距離を有し、この距離が、第１の電極２１０と第２の電極２５０との間の所定の間隔を与える。容量性デバイス２００に用いることに適用可能となりうる構造化素子および結合材料については、後でさらに詳述する。したがって、第１の電極２１０と第２の電極２５０との間の所定の距離は、硬化材料２３２、２３４の硬化状態または未硬化状態の特性に関係なく、構造化素子２３４、２４４の所定の最大寸法によって決まる。
【００２２】
実施形態によっては、第１の電極２１０が、結合材料２３０、２４０を用いて基板２０２に直接マウントされることも可能である。別の実施形態では、電極２６０、２６２として表される第３の電極を基板２０２のマウント面上に形成して、第１の電極２１０と、基板２０２に関連する他の部品との間に電気的接続を与えることが可能である。たとえば、基板２０２はプリント回路基板であることが可能であり、第３の電極２６０、２６２は、高精度な技術によってプリント回路基板上に形成されることが可能である。第１の電極２１０と第３の電極２６０、２６２との間に電気的接続を与えるために、硬化材料２３２、２４２または構造化素子２３４、２４４は導電性材料を含まなければならない。一例では、硬化材料２３２、２４２が、はんだなどの導電性硬化材料を含み、構造化素子２３４、２４４が、ガラスなどの非導電性材料を含む。別の例では、硬化材料２３２、２４２は非導電性の接着剤であってよく、構造化素子２３４、２４４が導電性材料を含む。したがって、容量性デバイス２００は、第１の電極２１０をマウントする構成によって、第１の電極２１０と基板２０２との間に電気的接続を与える構造になっており、電極だけを回路基板にマウントしてから、それらの電極を、回路基板に関連する他の複合物に接続する必要がない。
【００２３】
第２の電極２５０も同様に、基板２０２に直接マウントされたり、第２の電極２５０と、基板２０２に関連する他の電気部品（図示せず）との間に電気的接続を与えるように、第４の電極（図示せず）にマウントされたりすることが可能である。図２に示した実施形態では、第２の電極２５０は、基板２０２の表面に形成されたトレースであることが可能であり、基板２０２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）であるので、第２の電極２５０と他の電気部品との間に必要な電気的接続を与えるための電極を独立に設ける必要はない。
【００２４】
第２の例としての容量性デバイス３００を図３に示す。容量性デバイス３００は、基板３０２にマウントされた第１および第２の電極３１０、３５０を含む。第１の電極３１０は、第１および第２の表面３１２、３１４と、第１および第２の側部３１６、３１８とを含む。第２の電極３５０はさらに、第１および第２の表面３５２、３５４を含む。第１の側部３１６の第１の表面３１２上に、ディンプル機能３０４が、基板３０２上の第２の電極３５０と並ぶように形成されることが好ましい。
【００２５】
第１の電極３１０は、第２の側部３１８において、結合材料３３０を用いて基板３０２にマウントされる。結合材料３３０は、硬化材料３３２と構造化素子３３４とを含むことが可能である。実施形態によっては、第１の電極３１０が、結合材料３３０を用いて基板３０２に直接マウントされることも可能である。そのような構成では、第１の電極３１０と他の電気部品との間に、たとえば、ワイヤまたはフレキシブル回路による独立した電気的接続が必要になる可能性がある。図３に示した容量性デバイス３００では、第１の電極３１０が、結合材料３３０を介して第３の電極３６０にマウントされている。第３の電極３６０は、第１の電極３１０と、関連する電気部品との間の必要な電気的接続を与えることが可能である。結合材料３３０および第３の電極３６０は、容量性デバイス２００の結合材料２３０および第３の電極２６０、２６２に関して前述したケースと同じか、非常によく似た特性を有することが可能である。同様に、第２の電極３５０は、容量性デバイス２００の第２の電極２５０に関して前述したケースと同じか、非常によく似た方法でマウントされることが可能である。
【００２６】
上述の各例において、容量性デバイスの共通の特徴は、第１の電極と第２の電極との間に容量が存在することである。所与の周波数（たとえば、１００ｋＨｚ）において、第１の電極または第２の電極のいずれかに一定の電圧が印加されていることが好ましい。電圧源に接続されていないほうの電極には、増幅器または同等のデバイス（オペアンプなど）が電気的に接続されている。この構成により、増幅器が、第１の電極と第２の電極との間を流れる電流の量を測定することが可能であり、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化すると、その電流量も変化する。
【００２７】
一構成例では、定電圧源が第１の電極に電気的に接続され、増幅器が第２の電極に電気的に接続されている。ディンプルを介して、あるいは、第１の電極と第２の電極との間の距離を短くする別の手段を介して容量性デバイスに印加力が入力されると、第１の電極と第２の電極との間の容量が増え、増幅器内の信号が大きくなる。したがって、動作時には、容量性デバイスが停止状態にあるときの、増幅器で測定される電流をゼロ（または別の基準値）に設定して、電流の変化とそれに関連する容量の変化とを、増幅器で、所与の感度範囲で測定することが可能である。結果として、本発明の容量性デバイスは、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能である。
【００２８】
さらに、前述のとおり、容量の変化は、印加力に関連する他の情報を表すことが可能である。たとえば、ある所定の時間にわたって容量性デバイスに印加された力の印加のされ方に関連する情報は、印加力が衝撃力かどうか、力を印加する加速度、力の大きさなど、容量性デバイスが組み込まれているシステムの機能に応じて、力の特性を特定するために用いられることが可能である。
【００２９】
本発明の容量性デバイスの好ましい一実施形態は、コンピュータモニタでの使用に好適であろう。そのような実施形態は、厚さ約０．２ｍｍの平らなシート素材の中に、スプリングテンパー加工されたリン青銅を含む、第１の電極を有することが可能である。第１の電極は、放電加工などの精密加工技術を用いて約３．０５ｍｍ×５．８４ｍｍの寸法の矩形に切り込まれることが可能である。高さ約０．２ｍｍのディンプルを生成できる特製の染料を用いて、電極にディンプルを形成することが可能である。第１の電極は、電極として適切な厚みを有するように、たとえば、３０ミクロンのダイヤモンド・フィルムで約１０回ラッピングされることが可能である。ラッピングに好適なダイヤモンド・フィルムの例として、たとえば、３Ｍ製のインペリアル・ダイヤモンド・フィルムがある。その後、第１の電極は、水洗いされ、かつ／またはアセトン基剤中で超音波処理された後、乾燥されることが可能である。
【００３０】
容量性デバイスの基板は、４オンスの銅を有し、白すずメッキされた厚さ約０．７９ｍｍのプリント回路基板（ＰＣＢ）（たとえば、イリノイ州ホフマンエステートのオンタイムサーキット社（ＯｎＴｉｍｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｉｎｃ．，Ｈｏｆｆｍａｎ  Ｅｓｔａｔｅｓ，ＩＬ）から供給されるＰＣＢ）であることが可能である。ＰＣＢは、使用前に、平らになり、すず層が完全に除去されるまで、たとえば、３０ミクロンのダイヤモンド・フィルムでラッピングされることが可能である。この方法でラッピングされたＰＣＢは、±約１ミクロン以内の平坦さを有するように測定されている。多くの用途では、ここまでのレベルのラッピングを行わなくても所望の結果が得られるかもしれない。ラッピングされたＰＣＢは、水洗いされ、かつ／またはアセトン中で超音波処理された後、乾燥されることが可能である。
【００３１】
結合材料は、はんだベース（ペンシルベニア州ウエストコンショホッケンのヘレウス社（Ｈｅｒａｅｕｓ，Ｉｎｃ．，Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）から供給されるＦ５４１シリーズ製品など）を含むことが可能である。このペーストに用いられるはんだボールは、タイプ４（−４００／＋５００メッシュ）であり、６３ＳＮ／３７ＰＢ合金から作られる。このはんだペーストに用いられるフラックスの量は、体積比でペーストの約１０％以下であることが好ましい。
【００３２】
結合材料に用いられる構造化素子は、様々に異なる形状およびサイズであることが可能である。たとえば、構造化素子は、球形または角錐形状であることが可能である。構造化素子は、構造化素子の所定の最大寸法によって２つの物体間の間隔が決まるように、着床位置が予測可能であることが好ましい。
【００３３】
前述の電極およびプリント回路基板を用いる容量性デバイスに特に好適な構造化素子の一例は、球形のジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）（３Ｍ製）である。構造化素子の所定の最大寸法は、約２０〜８０ミクロンであることが好ましく、約２５ミクロンであることが最も好ましい。また、結合材料内に存在する構造化素子の量は、約１〜１０体積％であり、約２体積％であることが最も好ましい。特定の一実施形態では、結合材料中に構造化素子を次のように混合することが可能である。
【００３４】
・２ドラムのバイアルびんに０．０９６グラムのＧ−４００  ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）を加える。
【００３５】
・このバイアルびんに、１０滴（約０．１５グラム）のインジウム・フラックスＮｏ．４（ニューヨーク州ユーティカのインジウムコーポレーションオブアメリカ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ，Ｕｔｉｃａ，ＮＹ））を加える。はんだペースト中のジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）の拡散を助けるために、必要なだけ、フラックスを追加する。
【００３６】
・バイアルびんのフタを閉めて、バイアルびんを振り、その後、ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）を拡散させるために、所定の時間（通常は約５分）、バイアルびんを超音波処理漕内に置く。一般に、超音波処理を行うと、ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）とフラックスとを混合したものの粘性が高まる。
【００３７】
・ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）とフラックスとを混合したものに、（ペンシルベニア州ウエストコンショホッケンのヘレウス社（Ｈｅｒａｅｕｓ，Ｉｎｃ．，Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）から供給される）Ｆ５４１ＳＮ６３−９０Ｍ４はんだペーストを約１９．２グラム加える。
【００３８】
・ペーストとジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）とフラックスとを混合したものを、均質になるまで混ぜる。
【００３９】
・使用しないときは、バイアルびんのフタを閉め、冷所（冷蔵庫など）に保管する。
【００４０】
上述の例で記載したものと異なる特性を有する代替材料を用いて、別の結合材料を作ることも可能である。
【００４１】
前述のように、容量性デバイスの第２および第３の電極は、単純に、プリント回路基板上に形成されたトレースであることが可能である。ただし、実施形態によっては、第２および第３の電極が、プリント回路基板にマウントされた別々の材料部品であって、個別に電気的に接続されることも可能である。
【００４２】
本発明の方法による、容量性デバイスの組み立ては、いくつかのステップを含むことが可能である。概して、ゼロの力を含む連続的な範囲の印加力に対して印加力の差を検出することが可能な容量性デバイスの製造方法は、停止状態において所定の距離だけ間隔をおいて離れて対向する第１および第２の電極を含むデバイスを必要とするであろう。このデバイスは、第１の電極と第２の電極との間の相対的な間隔によって制御される容量性を含む。この方法は、所定の最大寸法を有する構造化素子を用いて、第１の電極と第２の電極とを所定の距離だけ間隔をおいて離すステップを含むことが可能である。この所定の間隔の結果として、印加力により、第１の電極と第２の電極との間の距離が変化し、関連して容量が変化する。この容量の変化を測定することによって、印加力に関連した情報を特定することが可能である。
【００４３】
本発明の容量性デバイスの組み立て方法または製造方法は、はんだペーストなどの結合材料を基板または第１の電極に塗布することを含むことが可能である。この方法は、第２の電極が基板上にあらかじめ形成されているか、あらかじめマウントされていることを前提とする。一実施形態では、はんだペーストを、ステンシル（４ミルのステンシルなど）によって基板に塗布することが可能である。ステンシルを基板上に位置決めし、ステンシルのトップにはんだペーストを塗布し、ステンシルの全体にわたってブレードではんだペーストをふき取る。次に、ステンシルを基板から取り外すと、基板上の指定の位置にはんだペーストが残る。
【００４４】
第１の電極の配置は、特別設計の配置ベンチを利用して行われることが可能である。場合によっては、第１の電極が結合材料に対して適正に位置決めされるように、専用の真空チャックを用いて、第１の電極を基板上に位置決めおよび配置することが可能である。場合によっては、第１の電極が所定の位置に設置されるように、第１の電極を結合材料に接触させるときに第１の電極に力（たとえば、８５グラムの力）を印可することが有利である。第１の電極は、基板上に形成またはマウントされた第２の電極から間隔をおいて第２の電極に近接するように、適正に位置決めされることが好ましい。第１の電極を所定の位置に設置した後は、他の、容量性デバイスの適正な機能に必要な所望の電気部品（コンデンサ、抵抗、およびオペアンプ）を基板に装着することが可能である。
【００４５】
次に、第１および第２の電極を含む基板と、基板にマウントされた電気部品とを、蒸気電子流体（３Ｍ製フルオリナート（Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）（登録商標）電子流体ＦＣ−７０など）に浸けることが可能である。蒸気電子流体からの蒸気が基板上で凝結して、結合材料のリフローが行われる。リフロー後、基板とそのマウント部品との冷却が可能である。次に、他の部品を基板に追加することが可能である。それらの部品は、（結合材料を介して）第１の電極に接続されるリードと、第２の電極などである（たとえば、第２の電極が、基板上に形成されるリードである場合）。
【００４６】
容量性デバイスの組み立てにおけるさらなるステップは、デバイスのクリーニングである。デバイスのクリーニングは、温水またはアセトンによるデバイスの洗浄、アセトンによるデバイスの超音波処理、次いで、完成した容量性デバイスの乾燥を含むことが可能である。
【００４７】
ここまで開示した材料および組み立てステップにより本発明の実施形態をテストした結果、高レベルの感度および信頼性を保持する、非常に頑丈で耐久性のある容量性デバイスが得られることがわかった。
【００４８】
本発明の容量性デバイスの構造化素子および他の部品の構造および材料特性は、デバイスの性能にとって重要であると考えられる。構造化素子の硬度は、容量性デバイスの電極に用いられる材料の硬度より高いことが好ましい。具体的には、構造化素子の測定可能な変形が少しでも起こるより早く、かつ、構造化素子が破壊されるよりもずっと早く電極の変形が起こるように、構造化素子の硬度が十分でなければならない。前述のジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）Ｇ−４００シリーズは、４，２００ｋｇ／ｃｍ2未満の破壊強度を有し、これは一般に、使用されると予想される電極の弾性変形点を十分上回る。さらに、前述のジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）Ｇ−４００シリーズは、モース尺度７の硬度を有する。
【００４９】
構造化素子を選択する上で考慮しなければならない別の重要な特性として、構造化素子材料の軟化点がある。構造化素子の軟化点は、硬化材料（前述のはんだ（導電性硬化材料）など）の融解温度およびリフロー温度よりずっと高い温度でなければならない。ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）は、軟化点が約１，０２０℃であり、これは、本発明で使用されることが予想されるどの硬化材料の融解温度およびリフロー温度も十分上回る。
【００５０】
構造化素子の別の重要な特性として、使用される構造化素子のサンプルの平均サイズがある。構造化素子の所与のサンプルのサイズは、平均値のまわりに分布する。構造化素子の所定の最大寸法を一定にするために、構造化素子の選別を実施して、特定の値より大きなサイズの構造化素子を取り除くことが可能である。たとえば、ジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）のＧ−４００シリーズは、平均値が６ミクロンであるが、１４ミクロンの９０％、１９ミクロンの９５％でもある。したがって、容量性デバイスに必要な所望の最大寸法が６ミクロンの場合は、平均値が６ミクロンであっても、直径が６ミクロンを超えるジーオスフィア（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ）（登録商標）をすべて取り除く必要がある。
【００５１】
構造化素子に関して考慮すべき別の重要な点は、結合材料内の構造化素子の体積含有率である。理論上は、第１の電極の面を確立するために、構造化素子が３個あればよい。しかしながら、任意のサンプル内の構造化素子のサイズが不確定であるため、所与の容量性デバイスに対して、高い確率で、所定の最大寸法を有する構造化素子が少なくとも３個含まれるように、第１の電極と基板との各結合点において最低限の数の構造化素子が含まれなければならない。結合材料内の体積含有率約１〜１０体積％の構造化素子が、必要な間隔を有するようにすることが好ましい。これまでのところ、構造化素子の含量が約１０体積％を超えると、結合材料がもろくなるか、硬化材料の特性が悪い方向に変化する可能性があることがわかっている。しかしながら、別のタイプの硬化材料およびフラックスを特定の構造化素子とともに用いると、結合材料内の構造化素子の体積比を大きくすることが可能である。
【００５２】
所定の最大寸法の構造化素子を用いることの利点の１つは、同じ製造方法と材料とで作られた任意の容量性デバイスの、結果としての性能が予測可能であることである。このように予測可能であることの結果として、単一のデバイス（コンピュータ・モニタ用の力ベースの接触センサなど）においてそのような容量性デバイスを複数使用した場合に、力センサの感度がより高くなることが可能であり、センサへの接触入力の位置特定がより正確になることが可能である。さらに、所定の最大寸法を有する構造化素子を用いることによって、接触入力に関する他の重要な情報の結果がより向上して特定することが可能である。この原理は、図１に示した、力ベースのセンサ・アセンブリ１００に直接適用可能である。トランスデューサ・アセンブリ１１０、１１２、１１４、１１６のそれぞれが、第１の電極と第２の電極との間に、その電極間に配置された構造化素子の所定の最大寸法で定義される間隔を有する場合、アセンブリ１００の感度および精度は、既知の、力ベースの接触センサ・アセンブリに対して大幅に改善されることが可能である。
【００５３】
用途によっては、本発明の特徴を用いた、複数のタイプの容量性デバイスを用いることが可能である。たとえば、意図された印加力の位置を特定するために、力ベースのセンサ・アセンブリ（アセンブリ１００など）において容量性デバイス２００を用いることが可能である。これに加えて、アセンブリ１００への意図されていない印加力を識別するために、容量性デバイス３００と同様の構造を有する加速度計を、デバイス１１０、１１２、１１４、１１６のそれぞれに近接して配置することによって、意図された印加力の位置を特定する際に、それらの意図されていない印加力が識別および排除されるようにすることが可能である。本発明の容量性デバイスは、検査機器や分析機器など、他の様々な用途でも用いられることが可能であり、または、国際公開第０２／９８４５８０号パンフレット、同第０２／０８４５７９号パンフレット、同第０２／０８４５７８号パンフレット、および同第０２／０８４２４４号パンフレットで開示されているような、力感知接触パネルで用いられることも可能である。
【００５４】
容量性デバイス３００の構成は、特に加速度計として有用であろう。このタイプの構成は、単一の方向または面においてのみ加速度を測定する場合に最も有用であると考えられるが、その理由は、第２の電極に対する第１の電極の方向である。一実施形態では、デバイス３００と同様の構成を有する加速度計は、容量性デバイス２００と同様の、力ベースの容量性デバイスも含むシステムで用いられることが可能である。そのようなシステムでは、システムに作用する力を識別できるように、システム全体にわたり、複数の加速度計を様々な方向で配置することが有効であろう。たとえば、力感知接触スクリーンは、実際の接触位置を特定する際に、接触入力に関連しない力を除去できるように、加速度計を用いて、接触入力に関連しない力を検出することが可能である。実施形態によっては、システム内のすべての加速度計（デバイス３００など）と力ベースのデバイス（デバイス２００など）とが同じ構造化素子を用いるようにすることも有効であろう。
【００５５】
以上の明細書及び実施例の記載、およびデータは、本発明の構成物の製造および使用についての完結した説明を与える。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく本発明の様々な形態が実施可能なので、本発明は、添付の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の原理による、力ベースの接触センサ・アセンブリの一例の略示斜視図である。
【図２】本発明の原理による容量性力感知デバイスの一例の略示側面図である。
【図３】本発明の原理による容量性力感知デバイスの別の例の略示側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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