Electronic pressure sensitive transducer device and a method of manufacturing the same

【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力を感知するための変換器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
感圧変換器は、可撓性の膜に付加された圧力の量を示す信号を発生する。 そのような変換器はまた、可撓性の膜に付加された圧力の位置に基づいて信号を発生することができる。 そのような感圧変換器は、遠隔制御、ゲームコントローラ、マウスパッド、及び、触覚センサなどのような多様な用途のための入力を提供する。 感圧変換器は、一般的に、圧力信号を調整して増幅する電子機器に接続される。
【０００３】
感圧変換器に対する様々な構成が可能である。 １つの種類には、１つ又はそれ以上の力感知抵抗器（「ＦＳＲ」）が含まれる。 本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる、本出願人に譲渡された米国特許第４，３１４，２２７号、第４，３１４，２２８号、及び、第４，４８９，３０２号に説明されているものなどの様々な「ＦＳＲ」が開示されてきた。 一般的に、「ＦＳＲ」は、剛性のベース、スペーサ、及び、抵抗膜の３つの部分で構成される。 導電トレースが、一般的に、互いに入り込んだ別々の組の形でベース上に配置される。 これらのトレースは、単一区域又は多重区域として構成することができ、例えば、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる、本出願人に譲渡された米国特許第５，６５９，３３４号、及び、第５，８２８，３６３号に説明されているようなポインティング・デバイスを可能にする。 可撓性の抵抗膜は、一般的に、導電トレース外縁の周りの材料リングであるスペーサにより、ベース層から間隔を置いて配置される。 このスペーサはまた、一般的に、装置を互いに保持するために接着剤でコーティングされる。 可撓性の上部膜は、半導体又は抵抗性のインクで内面がコーティングされたポリマーで作ることができ、「ＦＳＲ」に力感知特性を付与する。 このインクは、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる、本出願人所有の米国特許第５，２９６，８３７号、及び、第５，３０２，９３６号に説明されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ほとんどの実際の応用において、「ＦＳＲ」は、効果的に作動するために感知及び調整電子機器に接続されるべきである。 これを達成できる１つの方法は、多導体ケーブルを使用して、電子素子を包含するプリント基板に「ＦＳＲ」を接続することによるものである。 支援電子機器に「ＦＳＲ」を接続する別の方法は、電子回路を包含する回路基板に対して「ＦＳＲ」ベースを直接的に接着することである。 「ＦＳＲ」上のトレースとプリント基板上の対応するトレースとの間の電気的接続は、ｚ−テープを使用して行うことができるが、これは、テープ表面に垂直な方向にのみ導通させる。 いずれの方法も効果的であるが、両者は不要な製造段階を有して不要な構成部品を要求し、従って、感圧変換器システムの費用を増大させると共に、システム故障の可能性を増大させる。 必要とされるのは、変換器の性能を犠牲にすることなく、必要な構成部品及び製造段階がより少ない感圧変換器及びそのような変換器を製造する方法である。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４，３１４，２２７号【特許文献２】
米国特許第４，３１４，２２８号【特許文献３】
米国特許第４，４８９，３０２号【特許文献４】
米国特許第５，６５９，３３４号【特許文献５】
米国特許第５，８２８，３６３号【特許文献６】
米国特許第５，２９６，８３７号【特許文献７】
米国特許第５，３０２，９３６号【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電子感圧変換器を支援電子素子を包含するプリント基板上に直接組み立てることにより、そのような変換器の費用及び複雑性を減少させる。
付加された圧力を示す電気信号を発生する電子感圧変換器が提供される。 この変換器は、変換器の電気信号を処理するための複数の電子素子を収容するプリント基板を含む。 導電トレースがプリント基板上に形成され、接触領域を形成する。 内側表面を有する可撓性基板が、その接触領域を覆って配置される。 接着性スペーサは、その接触領域を実質的に取り囲む。 この接着性スペーサは、可撓性基板をプリント基板に取り付ける。 少なくとも１つの抵抗層が、可撓性基板の内側表面に堆積される。 この抵抗層は、可撓性基板に付加された圧力に応答してトレースのうちの少なくとも２つに接触し、付加された圧力を示す電気信号を発生する。
本発明の実施形態においては、少なくとも１つの抵抗層は、抵抗性インクで作られる。
【０００７】
本発明の別の実施形態においては、プリント基板上の実質的に接触領域の周囲にペデスタルが形成される。 このペデスタルは、可撓性基板を取り付けるための接着性スペーサを受け止める。 また、このペデスタルは、基板上の抵抗層とプリント基板上の導電トレースとの間の空間を増大させる。 ペデスタルは、半田マスクのような非導電材料を用いて、プリント基板上のトレースをコーティングすることにより形成することができる。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態において、導電トレースは、複数組のトレースを含む。 トレースの各組は、接触領域の区域内で相互に接続される。 １つの相互接続された組のトレースは、各区域の中に延びる。 この相互接続された組のトレースのうちの少なくとも１つは、プリント基板の貫通孔を通じて、変換器信号を処理する電子素子に接続することができる。 この貫通孔は、接触領域内にあってもよい。
【０００９】
本発明の更に別の実施形態においては、導電トレースは、相互に接続されたトレースの組で配置される。 少なくとも２つのトレースの組は、互に入り込んでいる。
本発明の更に別の実施形態においては、導電トレースは、酸化防止導電材料で覆われた銅のトレースを含む。
本発明の更に別の実施形態においては、導電トレースは、スクリーン印刷されたカーボンインクを含む。
【００１０】
また、電子感圧変換器をプリント基板上に形成する方法が提供される。 プリント基板は、感圧変換器により発生された信号を作り出すための電子構成部品を収容する。 複数の導電トレースは、プリント基板上に形成されて接触領域を形成する。 少なくとも１つの抵抗層が、可撓性基板の内側面に堆積される。 この可撓性基板は、可撓性基板の抵抗層がプリント基板の導電トレースに面するようにプリント基板上に組み立てられる。 可撓性基板は、接触領域の少なくとも一部分を実質的に取り囲む接着剤によりプリント基板に保持される。
【００１１】
また、変換器システムも提供される。 本システムは、複数の導電トレースを有するプリント基板を含む。 これらのトレースのうちの少なくとも２つは、接触領域を形成する。 プリント基板は、複数の変換器により発生された電気信号を処理するための電子素子を収容するように構成される。 これらの信号の各々は、変換器のうちの少なくとも１つに付加された圧力を指示する。 本システムはまた、各接触領域に向いた内側表面を有する可撓性基板を少なくとも１つ含む。 少なくとも１つの接着性スペーサは、各接触層を実質的に取り囲み、少なくとも１つの可撓性基板をプリント基板に取り付ける。 少なくとも１つの抵抗層が、可撓性基板の内側表面に堆積される。 各抵抗層は、可撓性基板に付加された圧力に応答してトレースのうちの少なくとも２つに接触し、付加された圧力を示す電気信号を発生する。 この接触領域、少なくとも１つの可撓性基板、少なくとも１つの接着性スペーサ、及び、少なくとも１つの抵抗層は、プリント基板上にそれぞれ組み立てられた複数の変換器を形成する。
【００１２】
また、電子素子を支持するプリント基板上に電子感圧変換器を形成する方法が提供される。 プリント基板上の導電材料の一部分が選択的に除去され、電子素子を接触領域に接続するトレースを接触領域に形成し、また、ペデスタルの少なくとも一部分を形成する。
本発明の上記及び他の目的、特徴、及び、利点は、添付図面に関連させた本発明を実行する最良の態様に関する以下の詳細説明から直ちに明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照すると、本発明の実施形態による概念的感圧変換器を説明する分解断面図が示されている。 全体的に２０で示す電子感圧変換器は、付加された圧力を示す電気信号を発生する。 圧力変換器２０は、明確にするために示していない変換器電気信号を処理する複数の電子素子を収容するプリント基板２２を含む。 導電トレース２４は、プリント基板２２上に形成されて接触領域２６を形成する。 可撓性基板２８は、圧力変換器２０が組み立てられた時に接触領域２６に面する内側表面３０を有する。 少なくとも１つの抵抗層３２が、内側表面３０上に堆積される。 接着性スペーサ３４は、接触領域２６を実質的に取り囲み、可撓性基板２８をプリント基板２２に取り付ける。 組み立てられた時、抵抗層３２は、可撓性基板２８に付加された圧力に応答して少なくとも２つのトレース２４に接触し、付加された圧力を示す電気信号を発生する。
【００１４】
抵抗層３２を有する可撓性基板２８は、プリント基板２２上のトレース２４と協働して、全体的に３６で示す力感知抵抗器（ＦＳＲ）を実装する。 プリント基板２２上に「ＦＳＲ」３６を直接一体化することにより、「基板上のセンサ」（ＳＯＢ）と呼ばれることもある圧力センサ変換器が作り出される。 そのような構成は、感圧変換器を製造する上で以前は必要とされた材料及び製造段階の幾つかを排除する。
【００１５】
事実上全てのプリント基板２２は、「ＦＳＲ」３６にとって十分な表面空間が得られる限り、本発明による「ＦＳＲ」３６を収容するように適応させることができる。 これには、剛性及び可撓性回路基板の両方が含まれる。 プリント基板２２上の導電トレース２４は、当業技術で公知の任意の適切な手段で形成することができる。 例えば、トレース２４は、プリント基板２２上に導電材料を堆積し、次にトレース２４を形成するために導電材料の一部分を選択的に除去することにより形成することができる。 導電トレース２４の寸法は、「ＦＳＲ」３６の寸法、可撓性基板２８の材料及び構成、及び、抵抗層３２の材料及び構成などに依存する。 導電トレース２４の典型的な線の厚みは、０．０１０インチ（０．２５ミリメートル）から０．０６０インチ（１．５ミリメートル）の範囲である。 導電トレース２４間の典型的な線の間隔は、０．０１０インチ（０．２５ミリメートル）から０．０６０インチ（１．５ミリメートル）の範囲である。 プリント基板２２上の「ＦＳＲ」３６の位置決めの公差も同様に変動するが、典型的には、±０.０１５インチ（±０．４ミリメートル）である。
【００１６】
接触領域２６内に単一の区域を形成するのに、二組の相互に接続されたトレース２４を使用することができる。 接触領域２６内の多重区域は、可撓性基板２８上の圧力の位置を判断することを可能にする。 多重区域は、複数組の相互接続されたトレース２４と、各区域の中に延びる相互接続された一組の共通トレース２４とを使用することにより得ることができる。 代替的に、各区域は、２つ又はそれ以上の別々の組のトレース２４により形成することができる。 各区域のトレース２４の組は、互いに入り込んでいることが好ましい。
可撓性基板２８は、例えば「マイラー」のような任意の適切な可撓性材料で構成することができる。 基板２８の厚みは、「ＦＳＲ」３６の用途及び寸法により変化する。 抵抗層３２のための基板２８の準備には、基板２８の材料を切断して、印刷又は抵抗層３２を堆積させる他の方法に適するシート又は他の形状にする段階が必要である。
【００１７】
１つ又はそれ以上の抵抗層３２は、例えば、抵抗性インクを基板２８上にスクリーン印刷するなどにより、従来の手段で基板２８に堆積される。 抵抗層３２は、基板２８全体の上に、又は、プリント基板２２の作動的トレース２４を覆うことになる部分の上のみに印刷することができる。 抵抗層３２はまた、プリント基板２２の作動的トレース２４を覆うことになる基板２８の部分の上に幾つかの別個の領域が形成されるように堆積されてもよい。
【００１８】
可撓性基板２８をプリント基板２２に取り付けるのに、接着剤３４が使用される。 接着剤３４はまた、基板２８上の抵抗層３２とプリント基板２２上のトレース２４との間に間隔を形成する。 接着剤３４は、「ＦＳＲ」３６の製造可能性に適するように、プリント基板２２、可撓性基板２８、又は、その両方に対して付加することができる。 接着剤３４は、例えば、接着剤３４のビーズを接触領域２６周囲の一部又は全部の周りに堆積させるなどにより、いずれの表面に対しても従来の方法で付加することができる。 好ましい実施形態においては、接着層３４は、基板２８上にスクリーン印刷された接着性インクを含む。 使用できる接着性インクには、３Ｍ製の製品番号ＳＰ−７５３３、又は、米国ミシガン州ポート・ヒューロン所在のアチソン・インダストリーズ・インコーポレーテッド製の製品番号ＭＬ２５１８４が含まれる。
【００１９】
接着剤３４が最終組立ての前に基板２８に付加される場合、保護用の剥離ライナは、切断されてもよいし、又は、他の表面又は空気中の物質への不慮の接着を防止するために接着剤３４を覆って配置されてもよい。
基板２８は、ストリップに形成され、キス・カットつまり部分的に切断されて、目標とする最終形状に形成することができる。 個々の基板２８は、次に、手又は機械により、プリント基板２２上への組立て直前に簡単に分離することができる。 好ましくは、この最終組立て段階は、半田付け作業からの熱による基板２８の損傷を防止するために、電子構成部品がプリント基板２２に装着された後に行われる。
【００２０】
プリント基板２２と基板２８との間に付加的な空間が必要な場合には、プリント基板２２上の基板２８がプリント基板２２に接着される領域に、全体的に３８で示すペデスタルを形成することができる。 ペデスタル３８は、抵抗層３２とプリント基板２２上のトレース２４との間の接触の前に基板２８が押圧されるべき距離を増大させる。 ペデスタル３８は、様々な方法で形成することができる。 第１に、プリント基板２２は、ペデスタル３８を形成するための付加的な厚みを持たせて製造することができる。 第２に、ペデスタル３８を形成するために、導電トレース４０の１つ又はそれ以上の層をプリント基板２２上に構築することができる。 ペデスタル３８は、その後、トレース４０と抵抗層３２との間の不慮の短絡を防止するために、半田マスクのような非導電材料４２で覆われる。 第３に、ペデスタル３８を形成するために、ポリマーの厚いフィルムをプリント基板２２上に堆積させることができる。 第４に、ペデスタル３８を形成するために、材料のシートをプリント基板２２に接着することができる。 当業者により認識されるように、ペデスタル３８に対する多くの構成が可能である。
【００２１】
ここで図２を参照すると、本発明の実施形態による四区域接触領域を説明するプリント基板の上面図が示されている。 プリント基板２２は、全体的に５０で各々示された４つの区域を形成する接触領域２６内にトレース２４を含む。 各区域５０は、接触領域２６から貫通孔５４まで延びる線５２により相互接続された一組のトレース２４を含む。 貫通孔５４は、当業技術で公知の半田付け処理により、回路基板２２の底面側に装着された電子素子にトレース２４を接続させる。 トレース５２はまた、トレース２４と同じ側のプリント基板２２の電子素子にトレース２４を接続することができる。 各区域５０はまた、接触領域２６の中心の貫通孔５６を通じて回路基板２２の背面側の電子素子に接合された相互接続トレースの共通の組を共有することができる。
【００２２】
トレース２４は、導電表面を抵抗層３２に向けた任意の手段により形成することができる。 一般にプリント基板２２と可撓性基板２８との間の空隙を空気が埋めるので、トレース２４は、腐食に対して抵抗する必要がある。 トレース２４は、例えば、金、銀、半田、及び、カーボンインクなどのような酸化防止導電材料を用いて銅トレースをめっき又はコーティングすることにより組み立てることができる。 代替的に、トレース２４は、カーボン、銀、又は、他の導電性インクをプリント基板２２上にスクリーン印刷することにより組み立てることができる。
【００２３】
トレース２４と少なくともペデスタル３８の一部分とは、同時に、かつ同じ材料で製作することができる。 これは、トレース２４とペデスタル３８のベースとが、基板２２上方の同じ高さに延びる結果をもたらすであろう。 ペデスタル３８の高さは、半田マスク又は類似の材料と接着性スペーサ３４とを追加することにより増加させることができる。 これは、一般的に、抵抗層３２と導電トレース２４との間の不慮の接触を防止するのに十分な距離をトレース２４と可撓性基板２８との間にもたらすことになる。 ペデスタル３８及びトレース２４を回路基板２２の残りの部分と共に同時に相互製作することは、回路基板２２に対する非常に低い増分費用をもたらす。
【００２４】
ここで図３を参照すると、本発明の実施形態によるカーボンインクのトレースを有するプリント基板の上面図が示されている。 プリント基板２２は、４つの区域５０を形成する接触領域２６内に、スクリーン印刷されたカーボンインクトレース２４を含む。 スクリーン印刷されたカーボンインクの高い抵抗率のために、トレース２４は、接触領域２６のすぐ外側に位置する銅パッド６０を覆って印刷される。 銅トレース６２は、貫通孔５４、又は、プリント基板２２のトレース２４と同じ側の電気構成部品にパッド６０を接続する。
ここで図４を参照すると、本発明の実施形態により図２又は図３のプリント基板を使用して組み立てられた感圧変換器の上面図が示されている。 可撓性基板２８は、プリント基板２２上のペデスタル３８に接着されて示されている。 この結果、「ＦＳＲ」３６がプリント基板２２上に直接組み立てられる。
【００２５】
ここで図５を参照すると、本発明の実施形態による感圧変換器内の多重の単一区域「ＦＳＲ」を説明する分解図が示されている。 ６つの「ＦＳＲ」が示されている。 各接触領域２６は、二組の互いに入り込んだ接触部２４を含む。 この例では両側が接着剤でコーティングされた薄いプラスチックシートであるスペーサ３８が、プリント基板２２に接着される。 スペーサ３８は、各接触領域２６に対する開口部を含む。 可撓性基板２８が、次にスペーサ３８に接着される。 可撓性基板２８の内側表面３０全体は、１つ又はそれ以上の抵抗層３２でコーティングすることができる。 代替的に、各接触領域２６に対応する別々の切り離された抵抗層３２を可撓性基板２８上に形成することができる。
【００２６】
ここで図６を参照すると、本発明の実施形態により感圧変換器に多重の単一区域「ＦＳＲ」を実装するプリント基板の上面図が示されている。 プリント基板２２は、カーボンインクをプリント基板２２上にスクリーン印刷することにより形成されたトレース２４を有する６つの接触領域２６を含む。 銅ペデスタル３８は、接触領域２６を取り囲む。 ペデスタル３８は、多様な形状を有してもよいが、典型的には、明確にするために示されていないが可撓性基板２８の外形に酷似する。 半田マスク４２は、回路基板２２の多くを覆う一方で、接触領域２６を可撓性基板２８上の接触抵抗層３２に対して露出したままにする。 プリント基板２２はまた、「ＦＳＲ」に付加された圧力を指示するトレース２４からの電気信号を受信するための、プリント基板２２に半田付けされた全体的に７０で示す電子構成部品を包含する。
本発明の実施形態が図解及び説明されたが、これらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を図解及び説明するようには意図されていない。 逆に、本明細書で使用された言葉は、限定ではなく説明のための言葉であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を為し得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態による概念的感圧変換器を示す分解断面図である。
【図２】本発明の実施形態による四区域接触領域を示すプリント基板の上面図である。
【図３】本発明の実施形態によるカーボントレースを示すプリント基板の上面図である。
【図４】本発明の実施形態により図２又は図３のプリント基板を使用して構成された感圧変換器の上面図である。
【図５】本発明の実施形態による感圧変換器内の概念的な多重の単一区域「ＦＳＲ」を示す分解図である。
【図６】本発明の実施形態により感圧変換器に多重の単一区域「ＦＳＲ」を実装するプリント基板の上面図である。
【符号の説明】
【００２８】
２０ 電子感圧変換器２２ プリント基板２４ 導電トレース２６ 接触領域２８ 可撓性基板３０ 内側表面３２ 抵抗層３４ 接着性スペーサ３６ 力感知抵抗器（ＦＳＲ）
３８ ペデスタル４０ 導電トレース４２ 半田マスク