JP2010503113A - 統合感圧レンズ組立品 - Google Patents

Abstract

携帯電話、ＰＤＡ等の電子装置用のタッチスクリーン組立品に関する。タッチスクリーン組立品は、一般に表示器上に吊り下げられた浮動レンズと１自由度を有する任意的なキーパッドを含む。可撓性フィルム等の薄い下部接続層が浮動レンズ下に取り付けられ、複数個（例えば４個）の差動搭載圧力検知器が浮動レンズ下に搭載され、可撓性フィルムで電子装置に電気接続される。圧力検知器はｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置し各４位置でレンズへの接触から圧力ｚを登録し４個のデータ集合（ｘ_１−４，ｙ_１−４，ｚ_１−４）を生じる。そして制御用ソフトウエアが４個のデータ集合から正確な接触座標を解釈し制御信号を発生する。また任意的な触覚応答発生器又は運動検知器も考慮されている。携帯電話、ＰＤＡ等の小型電子装置に用いる場合、本発明のタッチスクリーン検知器技術は、大幅な薄型化と事実上「スナップイン」構造のモジュール式組立を可能とする。

Description

本発明は、電子機器用入力装置に関し、具体的には携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）での使用に特に適した小型のタッチセンサ式入力パネルないし表示器、ＰＣタブレットやラップトップ、ＰＣ、事務機器、医療機器又はタッチセンサ式表示器ないしパネルを使用する他の任意の装置に関する。

近年、タッチスクリーンが多くの製品に搭載されてきた。

指や他の受動物体の当接を検知するタッチセンサ式スクリーンの実現に使用される技術には、幾つかの形式がある。

例えば、抵抗性パッドは、相互に押しつけられた２枚の導電板を含んでいる。抵抗性パッドの欠点は、２枚の導電板を接触させるため指による所定の圧力を必要とすることである。このことは、タッチスクリーンの感度を不使用時に合わせるため、使用者の疲労をもたらすことになる。また、抵抗性薄膜は、摩耗し、初期には明瞭さが悪くなり、その後は死点が生じる。

容量性タッチパッドは、受動物体と接地の間における容量測定により、又は異なる検知器間でのトランスキャパシタンス変化測定により動作する。容量性タッチパッドの例は、ミラー（Miller）の米国特許第５４９５０７７号に記載されている。容量性パッドは、製造費用が比較的高く、十分な容量を有する物体しか検知できない。通常の針やペンの端部のような小物体は、接地に対する容量又はトランスキャパシタンスを十分に有しておらず、容量性タッチパッドでは検出されない。

表面弾性波素子は、パッド表面に音響を送出し、受動物体と音響との相互作用を測定することにより動作する。この装置は、良好に動作するが、一般的用途には概して高価過ぎる。

最後に、受動物体がタッチパッドに及ぼす力の位置及び大きさを測定する力検知器を使用した装置がある。力検知タッチパッドは、物体の導電性や組成には関係なく、任意の受動物体が及ぼす力を検知する。このような装置は、元々はペロノー（Peronneau）他の米国特許第３６５７４７５号及びローバー（Roeber）の米国特許第４１２１０４９号に記載されていた。この装置は、タッチパッドから固定枠の複数の点、パッドの隅等に伝えられた力を測定する。ローバーは、複数点で測定された力から受動物体によって加えられた力の位置及び大きさを得る数式を開示している。

例えば、１９８５年４月１６日に発行されたガーウィン（Garwin）他の米国特許第４５１１７６０号は、圧力の除去に応答する力検知データ入力装置を開示している。入力面には、力検知用圧電変換器上に搭載された透明板が備えられている。好ましくは、４個の圧電変換器が、枠中に形成された矩形開口の各隅に１つずつ備えられる。力を入力面に加えた位置を決定するため、まず４個の変換器の出力の和を取る。この和は、有効なデータ入力操作となるために使用者が入力面を押している間に第１のしきい値を越えなければならない。使用者が指を離すと和のピークが検出され、これは、押下方向での和の極性とは反対極性である。和がピークになる時点における４個の検知器からの個々の出力は、力を加えた点の計算に使用される。

２００３年５月８日に発行されたルー（Lu）の米国特許出願第２００３００８５８８２号は、行列配置された複数のひずみゲージを有する支持層を持つタッチパッド装置を開示している。タッチ層は、ひずみゲージ行列の上に配置され、ひずみゲージ行列の上に結合されている。検知線は、同時多数タッチの位置及び圧力を計測するアルゴリズムでプログラムされたプロセッサにひずみゲージを接続している。

ホシノ（Hoshino）他の米国特許出願第２００４０１０８９９５号及び第２００４００２１６４３号は、共にタッチパネルが差動搭載検知器４個で表示器上に搭載された表示器ユニットを開示している。圧力検知器は、指等の位置指示手段がパネル面を押す力を実時間で検出する。指等の位置指示手段がパネル面を押す力Ｐは、指示位置に関係なく、次の式、Ｐ＝ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ−ａ０＋ｂ０＋ｃ０＋ｄ０で表され、この式ではカーソルのドラッグを検出する。

２００５年７月２１日に発行されたマー（Ma）他の米国特許出願第２００５０１５６９０１号は、表示スクリーンとその上のタッチ面とを有するタッチスクリーン表示システムを開示している。画像システムが、タッチ面に接触する物体のタッチ面上の角度位置を決定する。

ローゼンバーグ（Rosenberg）による米国特許出願第２００６０１１９５８９号は、触覚フィードバック特性とその他の接触制御とを開示しており、少なくとも１つのアクチュエータがタッチ入力装置に接続され、タッチ面に接触する使用者に接触感覚を生じるための力を出力する。タッチ入力装置に出力される接触感覚は、脈動、振動及び空間的触感を含む。その特許請求の範囲は、サスペンションに搭載されたタッチパネルと、触覚フィードバック増幅に適合したサスペンション触覚フィードバックを出力するよう構成されたアクチュエータとを請求している。

２００６年１月２６日に発行されたチャン（Chang）の米国特許出願第２００６００１６２７２号は、圧力印加位置における印加圧力と表面積の双方に比例した電気信号を発生する対向検知要素を有する薄膜タッチパッドを開示している。相補的方向と検知要素重畳の結果、第１及び第２の検知要素は、印加圧力の位置と大きさを一意的に定める一対の非対称信号を発生する。

２００５年４月１２日に発行されたチャン（Chan）他の米国特許第６８７９３１８号は、液晶表示パネルＬＣＤ用のタッチスクリーン搭載組立品を開示しており、下部枠、該枠内に位置しその上に複数の感圧変換器を持つバックライトパネル、液晶表示パネル、及び使用者が接触又は密着するとき複数の圧縮可能ばねがＬＣＤパネルを下部枠に向けて付勢するよう下部枠搭載時に圧力を及ぼす上部枠を含む。その特許請求の範囲は、ばね上に搭載されたバックライトパネルを有する上下枠組立品とその上のＬＣＤパネルとを請求している。

上述のものに関わらず、商業的に実現可能で電算機等の消費者用機器に用いられる力用タッチセンサは、安価かつ正確でなければならない。このような装置に要求される精度は、約１グラムから３００グラム以上の圧力範囲で指とペンの双方を検知する能力であり、位置精度はこの範囲に関して９ビットである。この精度水準には、１４ビットのノイズフロアで約０．０１〜０．１ｍｍ（mils）までの典型的変位を測定できる検知器が必要である。また、小さな電子装置に用いる場合、検知器は、薄く、典型的には約２ｍｍより薄く、或る製品の場合には最大厚さが０．５０８ｍｍ（20 mils）までであり、事実上「スナップイン」構造のモジュール組み立てとすることも可能である。今日の電子産業では、感圧タッチセンサ式表示器の解決法を用いる電子装置の製造者は、表示器供給者が全体的製品設計に簡単に統合できる完全な解決法を提供することを期待している。上述の既存検知技術を利用することは可能であるが、従来技術は、十分な正確性と形状因子（form factor）を持つ低価格の検知器組立品を提供することができなかった。

したがって、従来技術の幾つかの欠点を克服する力検知技術を提供することは、大いに有利である。

それ故、本発明の目的は、携帯電話やＰＤＡのような携帯電子装置の製造者に適した安価な感圧タッチセンサ式表示器の解決法を提供することである。

他の目的は、製造者に対して完成品型の解決法であり、電子装置の既存の費用や形状因子（form factor）を損なうことなく製品の全体設計に容易に統合できる上記のような感圧タッチセンサ式表示器を提供することである。

ここで、これらの目的や他の目的は、表示器とキーパッドの少なくとも一方を持つ電子装置用のタッチスクリーン組立品によって達成される。タッチスクリーン組立品は、一般的には表示器上に吊り下げられた浮動レンズ又は代替案としての浮動表示器モジュールと、随意の１自由度キーパッドを含む。下層の薄い可撓性フイルムは、浮動レンズの下に取り付けられており、複数（ｎ＝１・・・ｍ）個の差動搭載圧力検知器は、浮動レンズの下に搭載されており、可撓性フィルムで電子装置に電気接続される。圧力検知器は、ｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置し、各位置におけるレンズの接触から圧力ｚを登録し、対応する複数のデータ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，ｚ_１−ｍ）を生じる。そして、制御用ソフトウエアは、複数のデータ集合から正確な接触座標を解釈し、接触座標にしたがって制御信号を発生する。レンズに対する圧力が登録された場合に振動バーストを発生するために任意的な触覚応答発生器をレンズに結合してもよい。加えて、位置、方向及び運動に応答するために可撓性フィルムを介して運動検知器を接続してもよい。携帯電話やＰＤＡのような小型電子装置に使用する場合、本発明のタッチスクリーン検知器技術では、大幅な薄型化をし、典型的には最大厚さで０ｍｍから３ｍｍ（mils）を付加する。複写機のような大型装置では、厚さは最大２０ｍｍになるが、通常は１０ｍｍに満たない。その上、装置は、事実上「スナップイン」構造のためにモジュール組み立てが可能である。他の変形や効果は、以下の詳細な記述で説明する。

本発明の他の目的、特徴及び効果は、好適な実施形態とその幾つかの改良に関する以下の詳細な記述を添付図面と共に考慮すれば更に明らかとなる。
図１は、ＰＤＡや携帯電話のような電子装置１の高水準表現であり、本発明の１つの実施形態によるタッチスクリーン組立品２を持っている。 図２は、図１と同様のタッチスクリーン組立品２を有する装置１の側面斜視図である。 図３は、図１及び２に示されているようなタッチセンサ式表示器又はタッチパッド実装のためのタッチスクリーン組立品２の断面図であり、ＰＳＬ３が電子装置１の機械的全体カバー２０内に収容される様子を示している。 図４は、個々のＦＳＲ検知器７の概略図である。 図５は、力（ｇ）の関数としての検知器７の抵抗（キロオーム）を示している。 図６は、検知器７が主装置ＰＣＢ板３０に搭載される様子を示している。 図７は、伝統的なピエゾ抵抗機械式圧力検知器１７０と共に用いる機械的組立品の例である。 図８は、組立品の動作を示す流れ図である。 図９は、タッチセンサ式表示器又はタッチパッド実装のための感圧レンズ組立品２の断面図である。 図１０は、機械的筐体２０を外した図９のタッチ組立品２を上から見た平面図である。 図１１は、２次元又は３次元の運動検知器を追加した上記タッチ組立品２を示している。 図１２は、表示器５１が共有可撓性フィルム５３を介して同様に接続される、更に他の実施形態を示している。

本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、卓上電話、タブレット、複写機、タッチセンサ式表示器、他の任意のパネル使用装置等の電子装置に用いるタッチセンサ式表示器に関し、ＬＣＤ又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の表示スクリーンを含む。

本発明は、一般に複数個（例えば４個）の差動的に搭載された圧力検知器を含み、１次タッチ面に与えられた力を検知する。２つの基本的な機械的実施形態を開示する。１つの実施形態では、検知器が表示モジュール自体の下に実装される。最も普通の表示スクリーン（ＬＣＤ他）は、接着保護レンズで強化されている。このレンズは、典型的には０．７０ｍｍから１．２ｍｍの処理ガラスであり、ＬＣＤの割れ、引っ掻きを防止し、防眩被覆にもなる。既存のガラスレンズは、１次タッチ面として機能し、１次タッチ面に与えられた力は、表示モジュールに伝達され、表示モジュールの下にある差動搭載圧力検知器で検知される。

その替わりに、以下で説明するように、独立して自由に浮動するレンズを表示モジュール上に用いる（その上で独立懸架する）ことができる。自由浮動レンズは、表示モジュールにまたがり、差動搭載された圧力検知器に直接対向するように位置する。

全ての実施形態において、触覚フィードバック要素をＬＣＤモジュールの下に実装して触覚フィードバックを生じるようにしてもよい。必要な電気部品は、全てレンズ下の薄い可撓性フィルム（又は、その替わりに、電線、印刷回路基板若しくはこれらの組合わせ）で接続され、抵抗や増幅器のような周辺部品は、全てこの可撓性フィルム上に同様に搭載される。可撓性フィルムは、電子装置の印刷回路基板に直接接続される可撓性フィルムコネクタで終端している。構造的にはモジュール式であり、既存の電子装置に容易に統合できる。所望なら、可撓性フィルム配線を表示モジュール自体まで延ばすことができ、組立品全体を１つの可撓性フィルム接続で接続することができる（ＰＣＢ装置の制御・電力用、スクリーンへの表示信号用、及びタッチないし触覚のフィードバック用）。

また、ソフトウエア部品が提供され、ソフトウエアは、力検知器データを解釈するためにドライバと位置決めアルゴリズムを含んでいる。ソフトウエアは電子装置の主プロセッサに常駐できるが、その替わりにタッチセンサ式表示器組立品の一部として可撓性フィルムに搭載された小型制御ユニットに常駐してもよい。タッチセンサ式表示器組立品とその変形の更なる詳細は、以下の通りである。

図１は、ＰＤＡや携帯電話のような電子装置１の高水準表現であり、本発明の１つの実施形態によるタッチスクリーン組立品２を持っており、また図２は、側面斜視図である。当業者であれば理解できるように、タッチスクリーン組立品２は、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ＰＣタブレットやラップトップ、ＰＣ、事務機器、医療機器又はタッチセンサ式表示器若しくは他の任意のパネル使用装置に組み込むことができる。

タッチスクリーン組立品２は、下側のＬＣＤ又はＯＬＥＤモジュール５の上の（好ましくは接着された）感圧レンズ（ＰＳＬ）３を含むタッチ面を用いている。ＰＳＬ３は、ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５を被覆し、更に図１に示されているようにキーパッド４上の静的なキーを被覆する。以下で説明するように、ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５は、複数個（例えば４個等）の差動搭載検知器７を持ち、その全てが電子装置１のプロセッサに接続されている。このようにして、使用者がＰＳＬ３に触れると、接触圧がＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５を介して検知器７に伝達され、記憶と処理が行われ、正確な「タッチ座標」が計算され、タッチ座標が解釈され、適切な制御信号が発生される。

注目すべきは、タッチセンサ領域が表示モジュール５の表示領域を越えて延び得ることである。例えば図１の例では、ＰＳＬ３も、静的な印刷キーパッド領域４の上へ延びている。使用者が静的キーパッド領域４のキーを押すかＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５領域の一部を押すかに関わらず、正確に同一の動作が行われる。正確な「タッチ座標」が計算され、タッチ座標が解釈され、適切な制御信号が発生される。例えば、使用者が左向き矢印コマンドキーを押すと、対応する左向き矢印コマンドが発生される。後述するように、タッチスクリーン組立品２は、検知器７と共に圧電素子や磁気誘導コイルのような触覚応答発生器１２を備えることも任意にできる。この場合、ＰＳＬ３が押し下げられると、短期間の振動バーストが触覚要素１２で発生され、使用者はあたかも「キー」を押したように感じる。

図３は、図１及び２に示されているようなタッチセンサ式表示器又はタッチパッド実装用のタッチスクリーン組立品２の断面図であり、ＰＳＬ３が電子装置の機械的全体カバー２０内に収容される様子を示している。この実施形態では、レンズ３には装置の機械的筐体２０の下へ突出する舌部及び溝縁部２１が形成される。これは、ＰＳＬレンズ３の脱落を防止し、押し下げられたとき下方へ自由に移動できるようにする。筐体２０とレンズ３との間の領域にはゴム製の詰め物９が有り、レンズ３の移動を制限し、衝撃や振動を緩和し、ゴミやチリに対して装置を密封する。ＰＳＬ３は、下方に延びて主装置回路基板３０との間に検知器７を挟む側部フランジを含んでいる。印加圧力０から印加圧力最大値までの移動量については、ゴム製詰め物９で可能な最大可能移動量は、典型的には０．０１〜０．１ｍｍである。

装置が逆さまにされた場合でもタッチスクリーン組立品２が完全に機能するように、検知器７は、予め負荷がかけられている。これは、検知器７がＰＳＬ３の重量より大きく均等な力でＰＳＬ３と予め係合することを伴い、４個の検知器を常に係合させる。ＦＳＲ検知器の場合、これは特に重要である。各ＦＳＲ検知器７に予め所定の負荷をかけることにより、常に係合が保たれ、極く小さな印加力でも制御された反復可能な検知器出力を生じ、タッチ座標が容易に決定できるようにする。

加えて、長さが調整された支柱（pylons）１３を用い、レンズ３の下方に延ばし、許容可能な最大移動量を制限し、検知器７の過圧縮を防止するための留め具として機能させる。この支柱１３は、ＦＳＲ検知器７の場合には任意であるが、伝統的なピエゾ抵抗検知器を使用する場合には必須である。

検知器７は、携帯電話又は他の電子装置の主回路基板と直接に結合するコネクタ１８に接続する可撓性フィルム１４で接続されており、所望であれば周辺部品４０を可撓性フィルム１４の上に搭載することができる。差動搭載される４個の圧力検知器７は、装置の印刷回路基板３０の上、又はＬＣＤ若しくはＯＬＥＤモジュールの下に直接実装することができ、両者については以下で説明する。当業者には明らかなように、より伝統的な電線、多数の印刷回路基板又はこれらの組合わせを可撓性フィルム１４とコネクタ１８に代えて使用できる。

各圧力検知器７は、典型的には金属導電部ないし配線上に高分子を付けたものである力検知抵抗（ＦＳＲ）を含むことが好ましい。ＦＳＲ検知器は、検知器７に加えられる力を測定するために電気的抵抗特性を利用する。複数個（例えば４個等）の差動搭載された検知器７があると、各検知器は、レンズ２平面に沿った２次元（ｘ、ｙ）座標の関数として異なる力を登録する。隅の差動的な圧力を計算し、実際にタッチされた正確な座標を計算できる。

図４は、個々のＦＳＲ検知器７の概略図を示しており、公知のインキないし高分子である感圧可変抵抗材料７６に印刷された一対の導電性配線７２、７４を含む。抵抗材料７６は、２つの配線７２、７４間に可変の電気的経路を生成する。検知器７に力が加えられると、材料７６の抵抗が減少する。

図５は、力（ｇ）の関数としての検知器７の抵抗（キロオーム）を示す。検知器動作の３区域に留意することが重要である。第１は、力が１０ないし１００ｇの圧力範囲内で起こる急激な変化である。これより上では、力が飽和までほぼ比例し、飽和点では力を増しても抵抗値が減少しない。統合ＦＳＲ検知器を用いることの効果は、電圧出力が、典型的には、ピエゾ抵抗力検知器の電圧出力の１０倍になることである。この高い電圧のためにアナログ信号増幅器を追加する必要がなくなり、これによって必要な基板の大きさと部品費用の双方を更に削減することとなる。ＦＳＲ検知器を使用することにより機械的な設計が更に単純化されるが、これは、これらの検知器が典型的なピエゾ抵抗検知器と異なり過大圧力に対して保護する必要がないためである。上記のように、装置が逆さまにされた場合でもタッチスクリーン組立品２が完全に機能するように、各検知器７には予め制御された負荷がかけられている。図５に示されているように、印加される初期の力は、何らの電圧出力も極めて不規則な出力も生じない。各ＦＳＲ検知器７に予め極めて制御された負荷をかけることにより、ＦＳＲ検知器７は、常に係合が保たれ、極く小さな印加力でも制御された反復可能な検知器出力を生じ、タッチ座標を容易に決定できるようにする。

図２の挿入図に戻ると、検知器７は、装置の印刷回路基板３０の上というより、むしろＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５の下に取り付けられている。これは、ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５の下に導電材料層８２を加えることにより達成される。そこで、必要なら間隔片８４とＦＳＲ抵抗性高分子８５が導電材料８２に接するように付加される。機能向上のために、ポロン（Poron 、商標）のような或る種の裏打ち材料が検知器７に加えられる。導電性配線は、導電材料８２に沿って走り、汎用ＦＳＲ設計毎に（４個の検知器毎に）可撓性フィルム６に接続されるか、又は別の可撓性フィルムコネクタによって主装置回路基板３０に接続される。そして、この構成により、ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５に予めユニットとして統合された４個のＦＳＲ検知器７全てを設けることができる。

検知器７をＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５へ統合することの代替案として、図６は、検知器７を主装置ＰＣＢ板３０に搭載する方法を示している。ここでは、導電材料層８２は、下のＰＣＢ３０に接着されるか、又はＰＣＢ３０に直接エッチングされる。ＰＣＢ３０は、２つの指状導電配線（図４の７２、７４）として設計されている。この配線領域の上に搭載されているのは間隔片９８（挿入図参照）と感圧可変抵抗材料７６であり、更にＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５の下側に実装されている。加えて、この実装では、ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５は、僅かに出っ張った筒状脚部１００を所謂「活性剤」（ＦＳＲ検知器の表面がシリコーンで被覆され、軸方向圧縮時にＦＳＲを活性化することは、一般に知られている。）として備えている。「活性剤」は、ＦＳＲ検知器材料をより長い距離で圧縮することを可能とし、解像度を上げ、検知器のダイナミックレンジを大きくすることを保証する。可撓性フィルム１４は、携帯電話や他の電子装置の主回路板と直接結合する可撓性フィルムコネクタ１８まで延び、所望であれば周辺部品４０を可撓性フィルム１４上に搭載できる。

留意すべきは、図２（挿入図）及び図６に示された統合手法のいずれでも、装置全体の積み重ねの高さが増加していないことである。なぜなら、携帯電話のような装置ではＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５がＰＳＬレンズ３で保護されているからである。ＬＣＤないしＯＬＥＤモジュール５とその下のＰＣＢ３０との間の高さでＦＳＲ７によって増加する高さは、使用材料に応じて約０．３０から０．８０ｍｍである。しかしながら、典型的な携帯電話設計では、この間隔９５は、薄型部品の配置を可能とするよう一般に高さ１．２５ｍｍに設計されている。結果的に、現在の組立品の高さの増加は、それ故皆無である。

ＦＳＲ検知器の代替手段として、より伝統的な圧力検知器、例えばピエゾ抵抗力検知器を用いることもできる。これらは、一般に機械部品と変換器を含む。複数個（例えば４個等）の商業的に利用可能な微小力検知器は、検知器７として役立つ。これらは、１Ｎ未満の力を検知できる、７．０×５．２×２．９ｍｍのセラミックパッケージで利用可能である。これらは、圧力変化に応答して撓むシリコン素子に頼っており、内部ブリッジ回路を介して比例出力信号を生成する。

図７は、伝統的な圧力検知器１７０に使用される機械的組立品の例であり、柱１７３のさやに閉じこめられている金属小球１７１と係合する機械的変換器１７２を含む。球１７１は、主ＰＣＢ３０又は装置の任意の機械部品である下側の面に当たり、レンズ組立品２の上部にあるＰＳＬ３に圧力が加えられたとき変換器１７２に押しつけられる。表示器がタッチされていないとき、特に感度の高い圧力検知器が用いられている場合に力を登録しないよう、レンズ組立品２は、柱１７３のさや内等のレンズ組立品２内に統合された通常の螺旋ばねで、又は他のばねシステム若しくはゴムや発泡体のような緩衝材で、ばね負荷がかけられる。好ましくは、レンズ組立品２の運動は、損傷を防止するため部品１６底部で制限される。

図８は、組立品の動作を示す流れ図である。本装置の周辺電子部品は、各圧力検知器７、１７０に接続された増幅器、例えばアナログデバイセズ社のＡＤ６２３、及びアナログデバイセズ社のＡＤ７８８８のような増幅器に接続されたＡ／Ｄ変換器を含む。これら全ての周辺的な抵抗、電源等は、要望に応じて主装置ＰＣＢ３０又は可撓性ＰＣＢ６、１４に搭載できる。

各圧力検知器７、１７０の出力は、電圧出力が小さい場合には増幅され、ステップ７２でデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）され、装置のホストプロセッサ又は専用マイクロプロセッサに常駐しているソフトウエアの力検知器ドライバ７４に渡される。ソフトウエア力検知器ドライバ７４は、不適切な入力を除去するために選別を行い、力データの正確性を最大化する。例えば使用者が装置を持って歩いている場合、衝撃によりレンズ３が検知器７を押すことがある。この種のジッターは、キー押下とは異なる「指紋」を持ち、除去される。差動搭載された全検知器７からのデータは、結合され、較正調整（起動時に実行される独立した使用者較正用アプリケーションにより予め記録されている。）によって補正され、ｘ、ｙ座標が計算される。計算は、より正確性を高めるために時間に基いている。この結果、データ点の時間的系列が各キー押下により得られる。力の小さな値すなわち時間的系列の初期における値及び終期における大きな力の値は除去され、残ったデータ点が最終的なｘ、ｙ座標平均の計算に使用される。代替的には、ピークの力を有するデータ標本だけを座標計算に用いることができ、又は力の合計を平均計算におけるｘ、ｙ値の重み付けに用いることができる。所望なら、力の実際の値又は平均値を後で利用するために記録することもできる。

上記のように検知器７に予め負荷がかけられる場合、予めかける負荷力に対する調整が行われる。例えば、所与の複数個ｎ＝１・・・ｍ個の圧力検知器がＰＳＬ３の下に実装され、ｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置し、各圧力検知器が予めかける負荷力ｐ_１−ｍで圧縮されているとすると、ｘ軸とｙ軸に沿った任意の位置での接触による補償圧力Ｐｃ_１−ｍは、Ｐｃ_１−ｍ＝ｚ_１−ｍ−ｐ_１−ｍとなる。これは、データ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，Ｐｃ_１−ｍ）の時間的系列となる。

ソフトウエア力検知器ドライバ７４の出力は、ｘ、ｙ座標であり、その後ホストプロセッサに常駐するマウスイベント列８０に入力され、任意的であるが、触覚ソフトウエアドライバ８２に送られ、表示器が押下されたとき使用者触覚フィードバックを発生するために触覚装置１２（図２）に送られる。

図９は、タッチセンサ式表示器又はタッチパッド実装用の感圧レンズ組立品２の断面図である。ＰＳＬ組立品２は、例えば．０３０ポリカーボネート又は熱安定ポリエステルで形成された上部透明レンズ３を含む。レンズ３は、必要な電子部品と機械的部品の全てをその下面や周辺に持っており、好ましくは全ての面実装用回路部品が裏面で薄膜可撓性フイルムＰＣＢに搭載され、電気配線が可撓性フィルム１４を介して４個の差動搭載圧力検知器１７５に接続されている。当業者であれば容易に理解できることであるが、より伝統的な電線、印刷回路基板又はその組合わせを可撓性フィルムとコネクタの替わりに使用することができる。ここで、可撓性フィルム１４は、携帯電話又は他の電子装置の主回路基板と直接に結合する可撓性フィルムコネクタ１８まで延びている。留意すべきは、圧力検知器１７５が直交して透明レンズ３から後方に搭載された内蔵型装置となっていることである。各圧力検知器１７５は、上記のように機械部品と変換器を含む。更に、複数個（例えば４個等）の商業的に利用可能な微小力検知器は、変換器として役立つ。圧力検知器の変換器は、柱内に閉じこめた金属小球に連動する。圧力がＰＳＬレンズ３の頂部に加えられたとき、球は、主ＰＣＢ又は装置の任意の機械部品である下部の面３０に当接し、変換器上に押しつけられる。複数個（例えば４個等）の差動搭載検知器１７５を考えると、各検知器は、レンズ３の面に沿った２次元（ｘ，ｙ）座標の関数として異なる力を登録する。隅の差動的圧力を計算することにより、実際の接触の正確な座標を計算できる。表示器が触れられていないとき、特に感度の高い圧力検知器が用いられている場合に力が登録されないようにするために、レンズ組立品２は、上記のように、ばね負荷がかけられている。

図１０では、機械的筐体２０が無いタッチ組立品２を上から見ている。下側にある表示器５は、組立品のレンズ３を通して見ることができる。電気コネクタ１４は、可撓性フィルムレンズ３上に形成され、通常は外部構造で覆われている領域へ、ここでは表示器５に沿って通る。この実施形態では、複数の圧力検知器１７５は、可撓性フィルム配線コネクタ１４を介して、また増幅器等の周辺電気部品を介して下方のホストプロセッサＰＣＢに接続される。前記実施形態のレンズ３が機械的筐体２０に固定されていないという事実から、機械的筐体２０から独立して振動させることが可能となる。これにより、現在の構成が触覚フィードバック用圧電素子追加に特に適したものとなる。また、圧電素子１２は、可撓性フィルム１４を介して接続され、組立品中に含まれる。統合圧電素子１２は、使用者に対するフィードバック、触覚フィードバックないし音響フィードバックを生じることができる。使用者がレンズに触れると、制御ユニットは、接触を検知し、以後の処理のために座標を送信する。同時に、圧電素子１２は、５ないし５０ミリ秒等の短期間振動するよう指令される。レンズ組立品２は装置筐体２０に極く緩く結合されているだけであるので、比較的容易に振動することができ、使用者は、タッチ指令の効果を見ることはできないが、実際にキーが押下されキー押下が登録されたことのフィードバックを指への振動の形態で即座に得る。当業者であれば理解できるように、他の種類の部品（圧電以外）、例えば、ダーフォン・エレクトロニクス・コープ（Darfon Electronics Corp.）のＳＭＤ誘導コイルのような、磁気素子を振動させるように接続された誘導磁気コイル等を用いることができる。触覚素子に加えて、デジタルアナログ変換器や増幅器のような付加的な電子部品を可撓性フィルム１４に搭載することもできる。コイルでなく圧電素子を使用する効果は、圧電素子が触覚発生器とスピーカの二役を果たすことである。触覚素子の２形態であるコイルと圧電素子は、携帯電話の着信報知振動用の独立した振動器に代わることができる。

図１１は、上記ＰＳＬ２に２次元又は３次元の運動検知器４０を加えたものを示している。運動検知器４０は、レンズ組立品の可撓性フィルム１４を介してホストＰＣＢ４２に同様に接続されている。運動検知器４０は、好ましくは商業的に利用可能なＭＥＭｓ運動検知器、アナログ・デバイセズ社（Analog Device's、商標）の３軸ｉＭＥＭＳ（統合ＭＥＭＳ）運動信号処理検知器等であり、単一の低電力チップで超小型低電力３軸（ｘ−ｙ−ｚ）検知を可能とする。これにより携帯装置は、位置、方向及び運動に対して知的に応答することが可能となる。より具体的にいうと、装置使用者の運動を登録でき、装置制御における入力として用いることができる。例えば、使用者は、キー押下ではなく運動により、大きな仮想表示器上で大きくスクロールしたり、拡大縮小したりできる。この種の運動によるユーザーインターフェース制御の原理は、ＰＣＴ公報のＷＯ０１２７７３５号に記載されており、この参照によってここに組み込まれる。

図１２は、更に他の実施形態を示しており、表示器５１が共有可撓性フィルム５３を介して同様に接続され、表示器５１とＰＳＬ２の双方が１以上の可撓性フィルムコネクタ５２を介して共にＰＣＢ５０に接続されている。この結果、表示器５１からの可撓性フィルム５３は、可撓性フィルムで組立品全体に接続されている。また、本実施形態は表示器５１のバックライトを含み、表示器バックライトの電源用に専用電源５４が可撓性フィルム５３上に搭載されている。バックライトは、独立部品として表示器背後に搭載されてもよく、また表示器又はＰＳＬ組立品２に統合されていてもよく、この場合にはバックライトは、レンズの下に滑り込まされている。

当業者であれば理解できるように、上記実施形態の統合感圧レンズ組立品は、統合のために単純化し、これによって最終製品化のための実装費用と時間を低下させ、また組立品を使用した製品を市場に出す時間を短縮するという観点で更に最適化することができる。これは、ホストプロセッサ搭載の上記ソフトウエアを、統合メモリ（又は独立部品メモリ）を有しレンズ組立品の可撓性フイルム１４（図７参照）上に直接載置された単体型プロセッサに実装することにより可能である。この場合、上述の位置計算は、装置のホストプロセッサより寧ろ単体型プロセッサによって実行される。この場合の効果は、ソフトウエア統合の必要性が大幅に減少し、部分組立品と装置の他部分との通信がホストプロセッサ上で動く単純な通信用アプレットで行い得ることである。この場合の通信内容は、「ｘ」座標と「ｙ」座標、表示器からの割り込みや「目覚まし」コール、及び力の大きさを示す「ｚ」値である。

図２に示されているように、レンズは、機構的な積み重ねの基礎を形成しており、可撓性フィルムと部品を加えることができる。機械的な制約が携帯電話ほど厳しくない、例えばラップトップＰＣ又はタブレットＰＣ用の実装では、組立は完全にモジュール化され、設計と組立が単純化されている。

ここで、上述の発明の各実施形態が携帯電話やＰＤＡ等の携帯電子装置の製造に適した低価格感圧タッチセンサー式表示器の解決法を提供していることは明らかである。本装置は、完成品形式の解決法であるので、既存電子装置の費用や形状因子を損なうことなく製品の全体設計に取り込むことができる。

本発明の好適な実施形態と特定の変更について既に十分に説明したが、当業者であれば、この基本概念を知悉することにより、これに対する幾つかの変形や変更と共に他の種々の実施形態に容易に想到することができる。したがって、当然のことながら、本発明は、ここに具体的に説明したもの以外の態様で実施することもできる。

タッチスクリーンは、ますます多くの製品で採用されてきており、数種の技術系列が用いられている。製品の大きさが縮小し続けるにつれて、安価で、薄型で正確なタッチスクリーンに対する要望が増加している。実際に小型電子装置に使用する場合、検知器は、薄型で、すなわち最大厚さが約０．５０８ｍｍ（20 mils）より薄くなければならず、また、事実上「スナップイン」構造としてモジュール組み立て可能とすべきである。今日の電子産業では、感圧タッチセンサ式表示器の解決法を用いる電子装置の製造者は、製品の全体設計に容易に統合できる完全な解決法を表示器供給者に求める。ここに挙げた既存検知技術の有用性にも関わらず、従来技術は、十分な感度、表面堅牢性、精度及び形状因子を持つ安価な検知器組立品を提供することができなかった。したがって、従来技術の幾つかの欠点を克服した力検知技術を提供する本発明には、重要な産業上の利用可能性が存する。

Claims (22)

1. ＬＣＤ又はＯＬＥＤ表示器モジュールを持つ電子装置用タッチスクリーン組立品であって、
   前記表示器モジュール上のレンズ、
   前記表示器モジュールの下に搭載され、ｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置する複数個ｎ＝１・・・ｍ個の差動搭載圧力検知器であって、電子装置に電気接続され、前記ｘ軸とｙ軸に沿った任意の位置における前記レンズの接触から圧力ｚを登録し、アナログ差動圧力信号を生じる圧力検知器、
   前記アナログ差動圧力信号をデータ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，ｚ_１−ｍ）の時間的系列に変換する回路、及び
   前記データ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，ｚ_１−ｍ）の時間的系列を解釈かつ選別して正確な接触座標を生じ、前記接触座標にしたがって制御信号を発生する制御用ソフトウエア
   を含む電子装置用タッチスクリーン組立品。
2. 更に、前記差動搭載圧力検知器がＦＳＲ検知器を含む、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
3. 前記差動搭載ＦＳＲ検知器が４個のＦＳＲ検知器を含む、請求項２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
4. 更に、前記レンズに対する圧力が登録されたとき振動バーストを発生するために前記レンズに結合された触覚応答発生器を含む、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
5. 前記レンズが前記表示器モジュール上の浮動レンズである、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
6. 前記浮動レンズが前記装置のキーパッド上に延びている、請求項５記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
7. 前記圧力検知器の各々がレンズに直交して搭載されたピエゾ抵抗力検知器を含む、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
8. 前記制御用ソフトウエアが不適切な入力を除去するために連続するデータ集合を選別する、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
9. 更に、位置、方向及び運動に応答するために前記接続の層で接続された運動検知器を含む、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
10. 前記制御用ソフトウエアが前記電子装置のホストプロセッサに常駐している、請求項１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
11. 前記電子装置が開口を有する筐体を含み、前記浮動レンズが前記電子装置筐体に係合するための舌部と溝周辺を含み下向き自由度を有する、請求項５記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
12. 表示器を持つ電子装置用タッチスクリーン組立品であって、
    前記表示器上で１自由度を有する浮動レンズ、
    前記浮動レンズの少なくとも一部の下に取り付けられた下部可撓性フィルム接続層、
    前記浮動レンズの下に搭載され、ｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置する４個の差動搭載圧力検知器であって、前記接続層で電子装置に電気接続され、前記４位置の各々における前記レンズの接触から圧力ｚを登録し、４個のデータ集合（ｘ_１−４，ｙ_１−４，ｚ_１−４）を生じる圧力検知器、
    前記４個のデータ集合から正確な接触座標を解釈し、前記接触座標にしたがって制御信号を発生する制御用ソフトウエア
    を含む電子装置用タッチスクリーン組立品。
13. 更に、前記レンズに対する圧力が登録されたとき振動バーストを発生するために前記レンズに結合された触覚応答発生器を含む、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
14. 前記浮動レンズが前記表示器とキーパッドの双方の上に延びている、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
15. 前記圧力検知器の各々がＦＳＲ検知器を含む、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
16. 前記圧力検知器の各々が透明レンズに直交して搭載されたピエゾ抵抗力検知器を含む、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
17. 前記浮動レンズ組立品がばねで付勢されている、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
18. 前記ソフトウエア部品が各キー押下の間に多数のデータ点を時間に関して記録する、請求項１２記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
19. ＬＣＤ又はＯＬＥＤ表示器モジュールを持つ電子装置用タッチスクリーン組立品であって、
    前記表示器モジュール上のレンズ、
    前記レンズの下に搭載され、ｘ軸とｙ軸に沿って差動的に位置する複数個ｎ＝１・・・ｍ個の圧力検知器であって、各々が予めかける負荷力ｐ_１−ｍで圧縮され、電子装置に電気接続され、前記ｘ軸とｙ軸に沿った任意の位置における前記レンズの接触から、補償圧力Ｐｃ_１−ｍ＝ｚ_１−ｍ−ｐ_１−ｍを登録し、アナログ差動圧力信号を生じる圧力検知器、
    前記アナログ差動圧力信号をデータ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，Ｐｃ_１−ｍ）の時間的系列に変換する回路、及び
    前記データ集合（ｘ_１−ｍ，ｙ_１−ｍ，Ｐｃ_１−ｍ）の時間的系列を解釈かつ選別して正確な接触座標を生じ、前記接触座標にしたがって制御信号を発生する制御用ソフトウエア
    を含む電子装置用タッチスクリーン組立品。
20. 更に、前記差動搭載圧力検知器が４個のＦＳＲ検知器を含む、請求項１９記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
21. 更に、前記レンズに対する圧力が登録されたとき振動バーストを発生するために前記レンズに結合された触覚応答発生器を含む、請求項１９記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。
22. 前記圧力検知器の各々がレンズに直交して搭載されたピエゾ抵抗力検知器を含む、請求項２１記載の電子装置用タッチスクリーン組立品。

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