力測定を用いるタッチ位置センサ

加えられた力を測定することができかつ電子ディスプレイに役立つタッチセンサが提供される。

タッチ位置画面センサは、タッチ画面ディスプレイの表面に適用された物体(例えば、指、又はスタイラス)の位置、又はタッチ画面ディスプレイの表面の付近に配置された物体の位置を検出する。これらのセンサは、ディスプレイの表面に沿った、例えば、平坦な矩形のディスプレイの平面にある物体の位置を検出する。タッチ画面センサの例としては、静電容量センサ、抵抗センサ、及び投影型静電容量センサが挙げられる。このようなセンサとしては、ディスプレイに重ねる透明導電素子が挙げられる。ディスプレイの近く又はディスプレイと接触している物体の位置を決定するために、電気信号を使用して導電素子を調べることができる電子部品と導電素子を組み合わせることができる。

導電素子は、位置検出に加えて、タッチ画面ディスプレイなどのユーザ入力装置(例えば、コンピュータユーザ入力装置)が、タッチイベントと関連した力の大きさを測定するのに役立つことが多い。力測定を含むタッチ画面ディスプレイセンサ用の幾つかの設計と構造については既に述べられている。力測定を含むタッチ画面ディスプレイセンサの設計と構造には、米国特許第5,541,371号(Ballerら)に開示されたようなひずみゲージを利用した例、米国特許第7,148,882号(Kamrathら)及び同第7,538,760号(Hotellingら)で開示されたような材料と空気を含む誘電材料又は誘電体構造物によって分離された、センサ内の異なる層上にある導電性配線間又は電極間のキャパシタンスの変化を利用した例、米国特許公開第2009/0237374号(Liら)に開示されたような圧電抵抗複合材料によって分離された、センサ内の異なる層上にある導電性配線間の抵抗変化を利用した例、米国特許公開第2009/0309616(Klinghultら)に開示されたような圧電材料によって分離された、センサ内の異なる層上にある導電性配線間の分極発生を利用した例が挙げられる。タッチ力を測定するほとんどのタッチ画面ディスプレイセンサは、特定の不備による制限を受ける。そのような不備には、歪を受けたときに透明導電素子(例えば、インジウムスズ酸化物を主成分とする要素)がひび割れする傾向、装置ユーザと情報ディスプレイとの間に入れことがディスプレイの視認性を実質的に低下させるので不適切であることが明らかな検出素子、及び装置又はベゼルの厚さを望ましくないものにしたり他の装置寸法を大きくしたりする可能性があるかさばった力測定構成要素が挙げられる。

したがって、タッチディスプレイセンサシステムの分野において、導電性材料のひび割れがなく、情報ディスプレイの視認性を低下させることなく、及びかさばる構成要素を使用して製品設計を望ましくないものにすることなく、タッチの位置と力とを測定することができるタッチディスプレイセンサシステムに対する必要性がその分野に存在している。提供される本センサは、これらの不備の一部又は全てを解決する。

一態様では、可視領域を有する電子ディスプレイと、表面を有する透明絶縁性基板と、基板の表面上に配置された少なくとも1つの金属配線微細パターンを有する力検出素子とを有する物品であって、透明絶縁性基板が電子ディスプレイ上に配置され、力検出素子が電子ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分にディスプレイの可視領域を実質的に覆い隠すことなく重なる物品が提供される。物品は、更に、電子ディスプレイ上に配置された透明タッチ位置検出素子を含むことができる。また、基板の表面に金属被覆を配置し、金属を少なくとも部分的にエッチングして、基板上に配置された導電性配線微細パターンを形成することによって、与えられるタッチ画面ディスプレイを作製する方法が提供される。その方法は更に、隆起特徴部を備えたインク付きスタンプを提供する工程と、インク付きスタンプの隆起特徴部を金属被覆に接触させた後で金属を少なくとも部分的にエッチングする工程とを含むことができる。その方法は更に、隆起特徴部を備えたインク付きスタンプを提供する工程を含み、このインク付きスタンプは、自己組織化単分子膜を形成する分子でインク付けされ、このインク付きスタンプの隆起特徴部を金属被覆に接触させた後で金属を部分的にエッチングする工程を含む。

別の態様では、可視領域を有する電子ディスプレイと、電子ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分に配置された透明絶縁性基板と、基板の表面に配置され電子ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分に重なるタッチセンサとを含む物品であって、タッチセンサは力検出素子を含み、その力検出素子は第1組のマイクロメッシュバンドと第2組のマイクロメッシュバンドとを含み、それぞれのマイクロメッシュバンドは金属導体の配線を含み、前記第1組と第2組のマイクロメッシュバンドは平面に対して垂直方向に離間された実質的に平行な平面に置かれ、第1組のマイクロメッシュバンドの少なくとも1つのバンドが、第2組のマイクロメッシュバンドの少なくとも1つのバンドと交差する、物品が提供される。提供される本物品は可視領域を有する電子ディスプレイを更に含むことができ、力検出素子はディスプレイの可視領域を実質的に覆い隠すことなくディスプレイの可視領域の少なくとも一部分の上に重なる。

この開示では、 「導電性配線」は、導電性材料のパターンの幅狭い線形パターン要素を指し、例えば、長さ100マイクロメートルの幅2マイクロメートルの導線であり、 「導電性」とは、約10⁻⁶〜1Ω−cmのバルク電気抵抗率を有する材料を指し、 「力検出素子」は、タッチイベントの力による作用を受け、その作用の程度がタッチイベントの力の大きさと関連付けられ、かつその大きさが力検出素子に取り付けられた電子機器を使用して少なくとも近似的に測定できるようなセンサ又は装置の一部分を指し、本明細書で使用される力検出素子は、力を直接測定するか又は関連特性を測定することができ、 「組み込む」又は「一体化」は、基板の表面に直接、受動回路素子、力検出素子又は静電容量検出素子を配置又は配列させることを指し、一体型受動回路素子は、ディスクリート受動回路素子と対照的に、例えば、基板に接合され、かつ基板に電気的に(例えば、はんだ接合又はワイヤ接合で)接続されなければならないチップ抵抗又はチップキャパシタであり、 「メッシュ」は、例えば互いに直角に延在して長方形(例えば、正方形)格子となる導電性配線の二次元網を指し、 「金属」又は「金属化」は、意図される目的のために好適に導電性である元素金属又は合金等の導電性材料を指す。 「非導電性」及び「絶縁性」は、交換可能に使用され、この用語は、実質的に導電性でない材料、例えば、少なくとも10⁶Ω−cm、好ましくは少なくとも10⁸Ω−cm、より好ましくは少なくとも10¹²Ω−cmのバルク電気抵抗率を有する材料を指し、 導体微細パターン、又は導体微細パターン領域、又は力検出導体微細パターンの少なくとも一部分とタッチ検出微細パターンの少なくとも一部分とを含むセンサの領域の、「開口面積率」(又は、開口面積又は開口面積の割合)は、導体の陰にならない微細パターンの割合であり、開口面積率(又は、開口面積若しくは開口面積の割合)は、分数、分率又はパーセントとして表わすことができ、 「タッチ位置検出素子」は、要素の表面上又はタッチ位置検出素子の上に重なる追加要素の表面に沿った、1つ又は複数のタッチイベント又は近タッチイベントの位置を検出することができる要素を指し、 「実質的に平行」は、何らかの形で近似的に同じ方向に配向されたパターン要素を指し、実質的に平行なパターン要素の例は、同じ方向に配向されて隣接しかつ平面内で離間されたマイクロメッシュバンド(細長いストライプ又はストリップ)であり、幾つかの実質的に平行なパターン要素は、直線性または平行性におけるずれを有することができ、 「自己組織化単分子膜」又は「SAM」は、表面に(例えば、化学結合によって)結合され、その表面に対して好ましい向きで互いに平坦になるように取り込まれた単分子層を指し、 「タッチセンサ又はタッチ検出」又は「タッチ画面」は、1つ又は複数の身体部分(即ち、1本又は複数の指)による物理的接触又は近接(電界の間接的擾乱)によって作動化することができ、タッチイベントの力、タッチイベントの位置又はこれらの両方を検出するセンサ要素を指し、 「可視光透過性」とは、可視光を少なくとも60パーセント透過する透過レベルを指し、この場合、透過パーセントは、入射光の強度に正規化される。

提供される本タッチセンサを含む提供された物品及び方法は、力を測定することができる従来のタッチ画面ディスプレイセンサの欠陥を克服する。提供される本物品は、透明なタッチセンサを含み、また歪みがかかったときのひび割れに耐えかつ下に配置されたディスプレイの視認性の低下を最小にする導電性マイクロメッシュバンドを含む。更に、提供される本物品及び本方法は、かさばる構成要素の使用をなくす。

上記の概要は、本発明の全ての実施のそれぞれの開示される実施形態を説明することを目的としたものではない。「図面の簡単な説明」及びこれに続く「発明を実施するための形態」において、実例となる実施形態をより詳しく例示する。

基板の表面に配置された4個の力検出素子を含む基板の斜視図。

図1aに示された基板上に含まれる1個の力検出素子を示す分解図。

提供されたタッチ画面ディスプレイセンサの一実施形態の一部分の斜視図。

図2の提供されたタッチ画面ディスプレイセンサの一部分(220)の分解図。

提供されたタッチ画面ディスプレイセンサの側面図。自然状態のセンサの図。

提供されたタッチ画面ディスプレイセンサの側面図。例えば指で触れられ押されたときに生じるような局所的な力によって圧縮されたときのセンサの図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供された物品の一実施形態の概略図。

提供されたタッチ画面ディスプレイに有効なタッチセンサの概略図。

以下の説明において、本明細書の説明の一部を構成し幾つかの特定の実施形態が例として示される添付の一連の図面を参照する。本発明の範囲又は趣旨を逸脱せずに、その他の実施形態が考えられ、実施され得ることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

他に指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴部の大きさ、量、及び物理特性を表わす数字は全て、どの場合においても用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。それ故に、そうでないことが示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲で示される数値パラメータは、当業者が本明細書で開示される教示内容を用いて取得しようとする所望の特性に応じて、変化し得る近似値である。終点による数の範囲の使用は、その範囲内(例えば、1〜5は、1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、及び5を含む)の全ての数及びその範囲内の任意の範囲を含む。

可視領域を有する電子ディスプレイを含む物品が提供される。電子ディスプレイは、電子機器の一部であるか電子機器と電気通信する任意の情報可視ディスプレイでよい。電子ディスプレイの例には、例えば、通常はマトリックスディスプレイにおいて可視光放射を生成する、エレクトロルミネセンス(EL)ランプ、発光ダイオード(LED)、有機発光ダイオード(OLED)、又はプラズマ構成要素を含むフラットパネルディスプレイが含まれる。電子ディスプレイの他の例には、反射型又はバックライト型液晶ディスプレイ(LCD)が挙げられる。電子ディスプレイの更に他の例には、電気泳動(EP)ディスプレイ又はエレクトロウェッティングディスプレイなどの反射型ディスプレイが挙げられる。ディスプレイは、例えばハウジングの開口又は枠を通して見ることができるディスプレイの全領域又はディスプレイの一部分を含むことがある可視領域を有する。一般に、電子ディスプレイの可視領域は、画像、図又は文字の形の可変情報を描写する手段を含む領域である。

提供されたセンサは、電子ディスプレイ上に配置された基板を含む。基板は、ガラス、高分子、セラミック、又は可視光を透過する任意の他の基板等の透明絶縁性基板でよい。透明絶縁性基板に有用な高分子の例には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタリン(PEN)、ポリイミド(PI)、及び三酢酸セルロース(TAC)が挙げられる。本明細書で使用するとき、「可視光線透明性」とは、少なくとも1つの偏光状態の可視光線に対して、少なくとも60パーセント透過性である透過率の水準を指し、ここで透過率パーセントは、入射光、場合により偏光の強度に対して正規化される。入射光の少なくとも60%を透過する物品が、局所的に光を80パーセント未満の透過率(例えば、0%)に遮蔽する微細構造部(例えば、最小寸法、例えば、0.5〜10マイクロメートル、又は1〜5マイクロメートルの幅の点、正方形、又は線)を有する不透明材料パターンをその中又はその上に含むことは、可視光線透明性の意味の範囲内であるが、このような場合、微細構造部を含み、微細構造部の最小寸法の1000倍の幅である、およそ等軸の面積に関して、平均透過率は60パーセントを超える。

あるいは、幾つかの用途では、基板は、可視光スペクトルの幾つかの領域で不透明でよいが透明な可視領域を有してもよい。基板は、力検出素子を支持することができる表面を有することができる。したがって、基板自体は、非導電性でよく、また導電性配線を配置することができる表面を有することができる。幾つかの実施形態では、基板と導電性配線パターンとの間に追加層(例えば、1〜3つの追加層)が提供されてもよい。例えば、基板と導電性配線パターンとの間に、基板の表面を滑らかにする不活性化層があってもよい。そのような場合、基板は、導電性でも非道電性でもよいが、導電性配線パターンが直接配置される層は、非導電性でなければならない。

幾つかの実施形態では、提供された物品は、0.5〜20マイクロメートルの最小寸法を有する特徴部を備える金属導体微細パターン(本明細書では、「金属配線微細パターン」と交換可能に使用される)を有する力検出素子を含む。他の実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの特徴部の最小寸法は、1〜5マイクロメートルである。他の実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの特徴部の最小寸法は、1.5〜4マイクロメートルである。最小寸法とは、導体微細パターンを測定することができる最も小さい寸法を意味する。例えば、線形の導電性配線からなる微細パターンの場合、最小寸法は、配線の幅(又は、最も狭い配線の幅)である。幾つかの実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの開口面積率は、80パーセント〜99.75パーセントでよい。他の幾つかの実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの開口面積率は、90〜99.5パーセントである。他の実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの開口面積率は、95〜99パーセントである。幾つかの実施形態では、金属導体微細パターンは、マイクロメートルの単位で約[X+0.5]の導体配線幅と、約[95−X]%〜99.5%(ここで、0≦X≦4.5)の開口面積率を有する。他の幾つかの実施形態では、金属導体微細パターンは、約[98.5−(2.5X÷3.5)]%〜[99.5−(X÷3.5)]%の開口面積率を有し、ここで0≦X≦3.5である。

幾つかの実施形態では、当該技術分野で既知のように、金属導体の微細パターン(例えば、配線)は、例えば金属導体上に暗色材料を付着させることによって、又は金属導体の表面に暗色反応生成物を形成することによって暗色化される。そのような暗色材料又は暗色反応生成物の例には、炭素系材料、金属硫化物又は金属酸化膜が挙げられる。幾つかの実施形態では、金属導体微細パターンは、周期的メッシュを含む。幾つかの実施形態では、当該技術分野で既知のように、周期的メッシュは、下にあるディスプレイの周期的画素パターンに対してバイアス角度で形成される。幾つかの実施形態では、金属導体微細パターンは、ランダム又は疑似ランダムなメッシュを含む。幾つかの実施形態では、微細パターンの金属導体(例えば、微細パターンの導電性金属配線)は、例えば、当該技術分野で知られているような、印刷可能な導電性インクから得られた、金属でなくてよいマトリックス中に金属粒子を含む複合材料、例えば高分子マトリックス中に金属粒子を含む複合材料である。

幾つかの実施形態では、力検出素子の少なくとも一部分は、電子ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分の上にディスプレイの可視領域を実質的に覆い隠すことなく重なる(即ち、上に配置された)少なくとも1つの導電性の金属配線微細パターン(即ち、「力検出素子金属導体微細パターン」)を有する。表示手段の可視領域を実質的に覆い隠さないという意味は、金属導体微細パターンを有する力検出素子を備えて提供された透明絶縁性基板が、電子ディスプレイの可視光透過率を上に開示されたものより減少させず、また電子ディスプレイを介した光の透過が、電子ディスプレイによって表示された情報を実質的に歪められずに、かつ正常な閲覧者(著しい視力喪失がない人)が読むことができるほど十分に透明なことである。ディスプレイの視認性は、金属導体微細パターンを有する力検出素子を備えた透明絶縁性基板の可視光透過率とヘーズの両方により影響を受ける可能性がある。可視光透過率については上述した。当業者は、ヘーズ又は光散乱を容易に測定することができる。明確には、力検出素子を有する提供された基板は、約50パーセント未満、約40パーセント未満、約30パーセント未満、約20パーセント未満、又は約10パーセント未満ものヘーズを有することができる。

ディスプレイの視認性は、金属導体微細パターンを有する力検出素子を備えた透明絶縁性基板が閲覧者と表示要素との間に挿入されたとき、下にある表示要素の画素のサイズと幾何学形状に関連して、微細パターンの特徴部サイズと幾何学形状によって影響を受けることもある。提供された透明絶縁性基板が、力検出素子を有する金属導体微細パターンを備える場合、微細パターンは、金属配線を含むことが好ましく、微細パターンの最小特徴部サイズ(例えば、微細パターンの配線幅)は、下にある画素の幅(配線の幅の方向)の半分未満、より好ましくは下にある画素の幅の10%未満、最も好ましくは下にある画素の幅の5%未満である。

導電性配線の少なくとも1つの微細パターンを形成するのに有用な金属の例には、金、銀、パラジウム、白金、アルミニウム、銅、ニッケル、モリブデン、タングステン、錫、合金、又はこれらの組み合わせが挙げられる。導体は、例えば、5ナノメートル(nm)〜5nm、10nm〜500nm、又は15nm〜250nmの厚さを有してもよい。幾つかの実施形態では、導電体の厚さは1マイクメートル未満である。当該技術分野において既知であるように、導電体の望ましい厚さは、望ましい面積抵抗から始まり、検出パターン形状(及び、ひいては平面の通電断面への影響)、及び導電体のバルク抵抗率を考慮することによって算出され得る。検出パターンの複雑な形状に関し、当該技術分野では計算法、例えば、面積抵抗を算出するのに使用することができる有限差分方法又は有限要素方法が存在し、本明細書においては、検出パターンの特性のモデル化と称される。当該技術分野において既知であるように、面積抵抗は、4点プローブ技術及び非接触渦電流方法などの多数の技術を使用して測定することができる。

導電性金属配線の微細パターンは、任意の適切なパターン形成方法、例えば、エッチングを伴うフォトリソグラフィ、又はめっきを伴うフォトリソグラフィ(例えば、米国特許第5,126,007号(Smulovich)、第5,492,611号(Sugamaら)、第5,512,131号(Kumarら)、及び第6,775,907号(Boykoら)を参照)によって生成することができる。更に、導電性金属配線の微細パターンは、レーザ硬化マスキング(金属薄膜上のマスク層を硬化させ、次にエッチングする)、インクジェット印刷(マスキング材料又は後の金属めっき用のシード材料の)、グラビア印刷(後の金属めっき用のシード材料)、微細複製(基板に微小溝を形成し、次に導電性材料又は後の金属めっきのためのシード材料を充填する)、マイクロコンタクト印刷(基板の表面上に自己組織化単分子膜(SAM)パターンのスタンピング印刷又は輪転印刷)などの他の例示的な方法を利用して作製することができる。高容量で高解像度の印刷方法を利用すると、一般に、導電素子の正確な配置が可能になり、また、市販のディスプレイ画素と適合する規模の導電配線の(擬似ランダムな)変形物が、別の方法では起こる可能性がある光学的異常(例えば、モアレパターン)を制限することができる。

本明細書で説明される幾つかの実施形態は、平坦な面を持つ「ワイヤ様」導電体を利用してもよく、これは、透明導電体を利用する既存のセンサよりも高い光透過率を可能にする。これらの平坦な面を持つ「ワイヤ様」導電体は、幾つかの実施形態では、既存の円形ワイヤ手段で可能であるよりも優れた導電体配置の拡張性及び制御を提供する。本明細書で記載された微小導電体は、10μm以下の最大横断寸法を有する導電体を含む。多くのセンサ用途に典型的な寸法は、3μm未満である。マスキングとエッチングを利用する方法は、典型的には、小さいアスペクト比(厚さ0.05〜0.5μm×幅1μm〜10μm)の微小導体を作製する。微細複製された溝は、1:1より大までのアスペクト比の微小導体を作製することができる。

レーザ硬化マスキングを使用して、紫外線レーザでパターンを選択的に硬化させることによって、導電性配線のパターンを作製することができる。このような方法は、典型的には、フィルム系(例えば、PET)又はガラス系基板のいずれかを用いて稼動する。レーザ硬化マスキング工程は、基板を金属でめっきし(例えば、ガラス又はPETフィルム上に銀又は銅をスパッタ被覆する)、めっきされた基板上に紫外線硬化マスキングインクを均一に被覆し(例えば、スピンコーティング、浸漬コーティング)、タッチセンサのアクティブ領域内で印刷インクの一部分を硬化させて導電性配線を形成し、電極をコネクタパッドと相互接続する線(より幅広い)を硬化させ(レーザのビーム幅がフォトマスクによって減少されてもよい)、未硬化インクを除去し、エッチングによって基板からマスキングインクの下のパターン以外のめっき金属を除去することにより例示される。

インクジェット印刷と種インクのメッキを使用し、比較的幅が広い種インク線(触媒インク)を使用する所望のパターンを印刷し、続いて紫外線レーザによる選択的硬化を行って、前述のレーザ硬化マスキング方法と同様に、微小導電体配線のパターンを作製することができる。この方法のための基板は、フィルム(例えば、PET)又はガラスのいずれかであり得る。インクジェット印刷方法は、使用されるインクの量を最小限にし、したがってインクが高価(例えば、種インク)なときに有効である。インクが比較的安価である場合、インクジェット印刷を基板全体を均一に被覆する別の方法(例えば、スピンコーティング又はディップコーティング)に置き換えることができる。

グラビア印刷は、印刷される画像が、ドラム上で回転する金属プレートに「エッチング」されることを必要とする。ドラムが回転すると、エッチングされた表面にインクが充填され、これは次に、インクを充填されたエッチングプレートと薄膜が互いに接触するときに、印刷されるフィルムの表面上に付着される。種インク(又は触媒インク)は、上記の方法のいずれかによって印刷され得る。印刷及び硬化の後、インクを銅などの金属で無電解めっきして、高伝導度を得ることができる。種インク製造業者としては、Carcloの一部門であり英国ケンブリッジにあるConductive Inkjet Technology及び英国ファーンボロ(Farnborough)のQinetiQ Companyが挙げられる。ニューメキシコ州アルバカーキのCabot Printable Electronics and Displaysはインクジェット印刷可能な銀導電性インクを製造する。

導電性金属配線の微細パターンを形成するために使用することができる更に別の方法は、微細複製法である。微細複製チャネルをシードインクで充填し次にめっきして導電性にすることができる。あるいは、チャネルには、それ自体が導電性であるインクが充填されてもよく、めっきプロセスの必要性を排除できる。第3の代替案は、基板を金属で被覆し、次に溝の(底)の金属部分をマスクし、次に、マスクされていない金属をエッチングすることである(例えば、PCT特許公開番号WO 2010/002679号(Stayら)と同WO 2010/002519(Moranら)を参照)。チャネルの実際の形状が変更されて、断面形状、及び最低水準の光学的干渉を提供する寸法を最適化し、一方で依然として高い伝導度及び高い生産歩留まりを確保することができる。

充填されて微細複製されたチャネルは、(マスキングされた金属薄膜と比較して)高いアスペクト比の断面を有する導電体を提供することができる。したがって、最大伝導度が、最低の光学的可視性(見る方向において小さい断面積)と共に達成できる。微細複製されたチャネルを充填する方法、及び高いアスペクト比を有するチャネルの望ましい形状は、同一出願人による米国特許公開第US 2007/0160811号(Gaides,ら)に記載されている。

導電性配線のパターンを形成するために使用することができる更に別の方法は、マイクロコンタクト印刷である。マイクロコンタクト印刷は、基板表面上の自己組織化単分子膜(SAM)パターンのスタンピング印刷、又は輪転印刷である。この手法は、非常に微細なスケールのパターン(例えば、1マイクロメートルの10分の1の形状サイズ)用に実行することができる、またパターン化された単分子層を金属、セラミックス、及びポリマーに拡張することができる能力を含む、幾つかの技術的に重要な特徴を示す。例示的なマイクロコンタクト印刷法では、基板を金属で被覆し(例えば、銀又は銅をガラス又はPETフィルム上にスパッタ被覆するかめっきする)、自己組織化単分子層マスクをめっき基板にスタンプし、基板上に被覆された金属をマスクの下のパターン以外をエッチングで除去する(即ち、部分エッチング)。当該技術分野において既知であるように、マイクロコンタクト印刷は、金属堆積プロセスと組み合わされて、追加のパターン化プロセス(例えば、無電解めっきを含む)を生じる。

一般に、力検出素子(金属配線の微細パターン)は、印刷法を使用して作製することができる。力検出素子は、マイクロコンタクト印刷法を使用して作製することができる。マイクロコンタクト印刷は、レリーフパターンエラストマスタンプによる基板への自己組織化単分子膜(SAM)のパターン転写である。スタンプの高い浮き彫りのパターンにしたがってSAMを基板に転写することができる。薄膜金属上にマイクロコンタクト印刷されたSAMをエッチレジストとして使用することができる。薄膜金属導体の高解像度マイクロパターン形成は、例えば1マイクロメートル以下の特徴部サイズ(例えば、配線幅)で可能である。マイクロコンタクト印刷とその後のエッチングによる薄膜金属の減法によるマイクロパターン形成は、米国特許第5,512,131号(Kumarら)に記載されている。透明なタッチ画面ディスプレイ上に検出装置の一体型受動回路素子を形成するマイクロコンタクト印刷は、例えば、2010年4月27日に出願された米国特許出願番号12/767,884号(ウィーバーら)に開示されている。

一実施形態では、提供された物品に含まれる力検出素子は、横方向の抵抗ひずみゲージでよい。図1aは、基板の表面に配置された4個の力検出素子を有する基板の斜視図である。図1bは、図1aに示された基板上にある1個の力検出素子を示す分解図である。図1aでは、具体化された物品100の一部分(図示されない可視領域を有する電子ディスプレイを除く)が示される。物品部分100は、表面を有する透明絶縁性基板102を含み、示された実施形態では、透明絶縁性基板102は、ガラス又は透明絶縁高分子のいずれかの厚い透明平板である。物品100は、基板102の表面に配置された4個の力検出素子104を有する。示された実施形態では、基板は、実質的に剛性であるが、タッチイベントの力によって撓むことができる。力検出素子は、電子ディスプレイ装置上に重ねられた(即ち、上に配置された)ときに、電子ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分を覆うがディスプレイの可視領域を実質的に覆い隠さない物品の領域内にある。示された実施形態では、力検出素子104は、ディスプレイの可視部分の角に配置され、また図1bに示され述べたように、その上に配置された電子ディスプレイ装置の視認性を高める前述のような高い開口面積率を有するマイクロメッシュの金属導電性配線から構成される。

幾つかの実施形態では、タッチセンサは、適切な電子機器と組み合わされたとき、タッチ位置検出素子としても働く力検出素子を有する。例えば、図1aでは、複数の力検出素子104が基板102と一体化されたとき、個々の力検出素子の応答の違いを使用して、タッチイベントの位置と、更にタッチイベントの力の大きさを決定することができる。幾つかの実施形態では、タッチセンサは、適切な電子機器と組み合わされたとき、タッチ位置検出素子と別の力検出素子を含む。例えば、力検出素子104は、更に、タッチ位置検出素子(例えば、抵抗型タッチ位置検出素子)と組み合わされてもよく、そのような抵抗型タッチ位置検出素子は、当該技術分野で周知である(例えば、米国特許公開第2005/0076824(Crossらを参照)。1つのそのような手法では、力検出素子104は、基板102上に組み込まれてもよく、基板102は、抵抗型タッチ位置検出素子の一部分を構成する。この手法では、力検出素子104は、基板102(例えば、ポリカーボネート、ポリ(メチルメタクリレート)、又はガラス)としての半剛性ベースシートの一方の表面に組み込まれてもよく、導電性高分子被覆は、反対側表面に配置されてもよく、導電性高分子被覆は、当該技術分野で既知のように、空気ギャップによって離間された抵抗型タッチ位置検出素子の下部(例えば)導電層を構成する。また例えば、力検出素子104は、更に、表面型静電容量方式タッチ位置検出素子と組み合わされてもよく、そのような表面型静電容量方式タッチ位置検出素子は、当該技術分野で周知である(例えば、米国特許第6,549,193号(Huangら)を参照)。最後に、例えば、力検出素子104は更に、投影型静電容量方式タッチ位置検出素子と組み合わされてもよく、そのような投影型静電容量方式タッチ位置検出素子は、当該技術分野で周知である(例えば、米国特許公開第2005/0083307号(Aufderheideら)を参照)。

図1bは、図1aに示された力検出素子のうちの1つの分解図である。力検出素子104は、横方向の抵抗ひずみゲージ検出素子であり、導電性金属配線のU字型格子又はマイクロメッシュを含む金属配線(本明細書では「マイクロメッシュ」と呼ばれる)106の微細パターンを含む。微細パターン106の端は、抵抗測定装置108と電気通信する。力検出素子104の抵抗は、微細パターンがひずみを受けたときに変化する。例えば、力検出素子104の抵抗は、素子がその長軸方向に引き伸ばされたとき(したがって、ひずみゲージとして働くとき)に増大し、これは、素子が撓んだ基板の外側(凸状)面上にあるときに要素の長軸方向に沿った弧がある状態で基板を曲げる(又は撓ませる)ことによって起こる。そのような作用は、力検出素子104が、ユーザに面するタッチ面に対して剛性基板の下側にあるときに作り出すことができる。図1aの実施された物品では、実質的に長方形の基板102の角に配置された4個の力検出素子の組み合わせが、例えばタッチイベントによる基板の撓みを検出し、タッチイベントによる力の量と力の場所を検出することができる。タッチイベントの力の位置と大きさは、4個全ての要素の抵抗変化を測定し、この測定した変化を、既知の位置と関連付けられた抵抗変化、及び較正手順で既に記録されているタッチ力の大きさと比較することによって決定することができる。抵抗の測定は、当業者に既知である。例えば、タッチイベントの位置と複数の検出素子の応答との関係を確立する較正手順は、タッチディスプレイ技術において、例えば、表面型静電容量方式タッチディスプレイ技術、音響パルス認識タッチディスプレイ技術、又は力ベース・タッチディスプレイ技術の業者に知られている。

別の態様では、表面を有する透明絶縁性基板と、透明力検出素子(例えば、タッチ画面電子ディスプレイを構成するためにセンサが電子ディスプレイと組み合わされたときに、電子ディスプレイの可視領域内に配置された力検出素子)とを有するタッチセンサが提供され、その力検出素子は、基板の表面に配置された金属配線の基本微細パターンと、透明であって金属配線の基本微細パターンから離間している対電極と、金属配線の微細パターンと対電極との間に挿入され、かつ実施形態によってはそれらと直接隣接して配置される、感圧材料とを有する(本明細書では「2層力検出タッチセンサ」と呼ばれる)。金属配線の基本微細パターンは、メッシュの幾何学形状を有し、80パーセント〜99.75パーセントの開口面積率を有する。他の幾つかの実施形態では、力検出素子の金属配線の基本微細パターンの開口面積率は、90〜99.5パーセントである。他の実施形態では、力検出素子の金属配線の基本微細パターンの開口面積率は、95〜99パーセントである。幾つかの実施形態では、金属配線の基本微細パターンは、マイクロメートルの単位(μm)で約[X+0.5]の導体配線幅と、約[95−X]%〜99.5%の開口面積率とを有し、ここで、0≦X≦4.5である。他の幾つかの実施形態では、金属配線の基本微細パターンは、約[98.5−(2.5X÷3.5)]%〜[99.5−(X÷3.5)]%の開口面積率を有し、ここで、0≦X≦3.5である。金属配線の基本微細パターンは、0.5〜20μmの最小寸法を有する特徴部を有する。他の実施形態では、力検出素子の金属配線の基本微細パターンの特徴部の最小寸法は、1〜5μmである。

幾つかの実施形態では、力検出素子の金属配線の基本微細パターンの特徴部の最小寸法は、1.5〜4μmである。特徴部の最小寸法とは、金属配線の基本微細パターンの特徴部に関して測定することができる最小寸法を意味する。例えば、線形導電性配線からなる微細パターンの場合、最小寸法は、配線の幅(又は、最も狭い配線の幅)である。対電極は、導電性配線の基本微細パターンに関する前の説明全体に従った補助的な(二次的な)導電性配線微細パターンでよい。あるいは、対電極は、透明導電性酸化物(例えば、インジウムスズ酸化物)を含んでもよく、又は導電性高分子(例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリスチレンスルホナート(PEDOT−PSS))を含んでもよい。感圧材料は、例えば、印加圧力に応じて分極を発生させる圧電材料、印加圧力に応じてバルク導電率の変化を示す圧電抵抗材料、又は例えば局所的一軸圧力が印加された状態で変形しやすい低弾性絶縁材料もしくは圧縮可能な絶縁材料でよい。後者の低弾性又は圧縮可能な材料は、金属配線の基本微細パターンと対電極との間に挿入されたとき、本明細書では、変形可能な誘電体の形の感圧材料と呼ばれる。変形可能な誘電体の例には、連続気泡フォーム、ゲル、及び非架橋又は軽度架橋高分子(例えば、ポリウレタン又はシリコーン)が挙げられる。そのような材料は、10未満MPa、5未満MPa、2未満MPa、更には1未満MPaの弾性係数を示すことがある。幾つかの実施形態では、変形可能な誘電材料は、0.05〜5MPaの弾性係数を示す。幾つかの実施形態では、変形可能な誘電材料は、0.1〜1MPaの弾性係数を示す。他の変形可能な誘電体感圧材料の形の他の例には、空気によって分離されたパターン形成絶縁材料(例えば、インクジェット印刷されたドットパターン)又は空気ポケット(例えば、エンボス加工により形成された波状高分子薄膜)により(例えば、波状にされた)構造化絶縁材料が挙げられる。対電極は、第2の透明絶縁性基板の表面に配置されることが好ましい。典型的には、金属配線の基本微細パターンを有する透明絶縁性基板は、対電極と第2の透明絶縁性基板の位置に対して、タッチセンサ(又は、タッチディスプレイ)ユーザの方に配向されてもよい。この態様では、センサユーザ(本明細書では構造物の最上部と呼ばれる)の方に配向された第1の表面と導電性配線の基本微細パターンが上に配置された第2の表面との2つの主表面を有する平面形状の可撓性の透明絶縁性基板と、メッシュの形(in the form or a mesh)の導電配線の基本微細パターンの下の感圧材料層と、平面形状の対電極(例えば、透明な導電性酸化物材料のメッシュ又は被覆物の形の導電性配線の第2の微細パターン)と、前述の可撓性の透明絶縁性基板より剛性であることが好ましい第2の透明絶縁性基板とを備えるタッチセンサが提供される。可撓性の透明絶縁性基板は、第2の透明絶縁性基板より薄いことが好ましい。典型的には、可撓性の透明絶縁性基板は、厚さ150μm未満、より典型的には厚さ100μm未満である。第2の透明絶縁性基板は、厚さに150μmより大きく、少なくとも厚さ250μm、更には少なくとも厚さ500μm(例えば、1mm、1.5mm、2mm)でよい。可撓性の透明絶縁性基板は、例えば、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、ポリ(エチレンナフタレート)(PEN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、又はポリカーボネートをから構成されるフィルムなどの高分子フィルムでよい。可撓性の透明絶縁性基板は、薄い板ガラス(例えば、厚さ100μm未満)でよい。第2の透明絶縁性基板は、高分子シート又はガラスシート、例えば、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、ポリ(エチレンナフタレート)(PEN)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、ポリカーボネート、又はソーダライムシリカガラスでよい。

2層力検出タッチセンサの幾つかの態様では、タッチ画面ディスプレイセンサ(タッチセンサ)が、可視領域を有する電子ディスプレイとの組み合わせるために提供され、センサは、表面と表面に配置された力検出素子とを有する透明絶縁性基板を含む。力検出素子はマイクロメッシュの微細パターンの2組のバンドを含むことができ、各マイクロメッシュバンドは金属導体の配線を含むことができる。力検出素子とタッチ検出素子は、ディスプレイの可視領域を実質的に覆い隠すことなく、ディスプレイの可視領域の少なくとも一部分を覆うことができる。各マイクロメッシュバンドは透明でもよい。力検出素子は透明でよい。力検出素子は、適切な電子機器と組み合わされた場合、タッチ位置検出素子として働くこともでき、あるいは、力検出素子は、別個のタッチ位置検出素子(例えば、既に述べたような、抵抗型タッチ位置検出素子、表面型静電容量方式タッチ位置検出素子、又は投影型静電容量方式タッチ位置検出素子)と組み合わされてもよい。

提供されたタッチ画面ディスプレイセンサ内の力検出素子は、圧電抵抗素子、圧電素子、静電容量検出素子などの感圧材料素子を含んでもよい。圧電抵抗検出素子は、印加された機械的応力による材料の電気抵抗の変化を測定する。圧電抵抗検出素子は、圧電抵抗材料を含むことができる。圧電抵抗材料の例には、ゲルマニウム、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素、単結晶シリコンなどの半導体材料が挙げられる。幾つかの実施形態では、圧電抵抗材料は、例えば絶縁マトリックスなどのマトリックス中に導電性粒子を含むことができる。導電性粒子は、透明な導体又は半導体を含むことができる。一実施形態では、圧電抵抗材料は、絶縁性で透明で変形可能なマトリックス中に分散されたインジウムスズ酸化物(ITO)、アンチモンドープスズ酸化物(ATO)、アルミニウムドープ亜鉛酸化物(AZO)、又は他の透明な導電性酸化物の粒子を含む。幾つかの実施形態では、マトリックスは、アクリル接着材、シリコーン、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン又はそれと例えばヘキサフルオロプロピレン(HFP)やテトラフロオロエチレン(TFE)との共重合体又は三元重合体のいずれか等のフルオロエラストマなどの高分子材料を含むことができる。2層力検出素子中の感圧材料としての有用な圧電抵抗材料の他の例には、絶縁マトリックスと導電性フィラメント(例えば、カーボンナノチューブ、金属ナノワイヤ(例えば、銀、金))とを含む複合物が挙げられる。有用な金属ナノワイヤ及びこれらから作製された複合物は、米国特許公開第2008/0259262号(Jonesら)に記載されている。そのような複合物は透明であることができ、そのようなフィラメントは肉眼で見ることができない。提供されたタッチ画面ディスプレイ内の力検出素子とタッチ検出素子は、可視領域を持った電子ディスプレイを有する物品について前述した特徴のいずれを有してもよい。

圧電検出素子は、圧電材料を含むことができる。圧電検出材料は、「圧電効果」を使用して、機械的衝撃、機械的振動又は音響的振動を電気的分極又は電気信号に変換する。幾つかの実施形態では、圧電材料は、分極分子又は領域を有し、この分極分子又は分極領域は、それ自体を電界と整列(すなわち、強誘電性)させて材料の寸法を変化させることができる。圧電材料の例には、石英、チタン酸バリウム又はジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が挙げられる。圧電材料の他の例には、ポリフッ化ビニリデン及び関連組成物が挙げられる。幾つかの実施形態では、力検出素子に使用される圧電材料には、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、又はその誘導体(例えば、照射PVDF、又はPVDFと他の単量体(HFP又はTFE)との共重合体)などの高分子が挙げられる。圧電性高分子は、本用途では、その加工し易さ、可撓性及び光学特性(屈折率、透明度、ヘーズ)によって圧電セラミックより好ましい。

2層力検出タッチセンサは、金属配線の基本微細パターンと感圧材料との間、又は対電極と感圧材料との間に挿入された追加材料を含むことができる。金属配線の基本微細パターンの間に追加材料を介在させることは、金属配線の微細パターンと感圧材料との間の任意の好ましくない相互作用を軽減するのに役立つ。好ましくない相互作用の一例は、固い導電性フィラー粒子(例えば、ITO)による金属配線の微細パターンの機械的破損である。金属配線の基本微細パターンと感圧材料との間、又は対電極と感圧材料との間に挿入され得る有用な追加材料の一例は、導電性高分子(例えば、PEDOT−PSS、ポリアニリン又はポリフェニレンビニレン)である。

図2は、提供されたタッチ画面ディスプレイセンサ(タッチセンサ)の一実施形態の一部分の斜視図である。図2は、タッチ画面ディスプレイセンサ200を示す。タッチ画面ディスプレイセンサ200は、透明基板202を含む。透明基板202は、剛性でよく、幾つかの実施形態では、電子ディスプレイ装置の一部でよい。典型的には、透明基板202は、ガラス、又は例えばポリ(メチルメタクリレート)、ポリスチレン、ポリカーボネートなどの透明な高分子厚板でよい。透明な剛性基板202上には、1組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド204が配置される。各マイクロメッシュバンドは、別個の電極206に取り付けられる。第2組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド208は、第1組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド204と実質的に直角に位置合わせされ、これらのバンドはそれぞれ、別個の電極210に取り付けられる。各マイクロメッシュバンドは、大きな比率の広い空きスペースを有する金属配線アレイ(分解図で222に示された)を含む。2組のバンドは、圧電抵抗材料、圧電材料、抵抗材料、又は静電容量方式絶縁材料(感圧材料)のうちの少なくとも1つを含む感圧材料212によって、z方向に分離される。図2に示された一般的構成は、列挙された材料のいずれを含んでもよい。2組のバンドを分離する有効な材料には、例えば、当業者に周知の異方性接着材が挙げられる。

図3aと図3bは、提供されたタッチ画面ディスプレイセンサ300の側面図である。図3aは、自然状態のセンサ(力が印加されていない)の図である。センサ300は、電子機器のディスプレイの最上層であることができる剛性の透明基板302を有する。剛性基板302の上には、第1組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド304が配置される。各バンドは、個別電極(図示せず)に取り付けられる。第1組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド304の上に、圧電抵抗材料層、圧電材料層、抵抗材料層、又は静電容量材料層312が配置される。第2組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド308が、層312によって分離され、かつ第1組の実質的に平行なマイクロメッシュバンド304に対して直角でかつその平面に対して実質的に平行な平面内に配向される。幾つかの実施形態では、第1組からの各マイクロメッシュバンドは、第2組のバンドからの各マイクロメッシュバンドと交差し、z方向に離間され、力検出素子の2次元配列を形成する。可撓性の透明絶縁性基板310は、第2組の実質的に平行なマイクロメッシュバンドの上にある。

図3bは、力(タッチ力など)が可撓性の絶縁性基板310に印加され、2組のバンドの1つ又は複数が交差する材料を圧縮すること以外、図3aに示されたセンサと同じセンサを示す。図3bで分かるように、圧縮の下の領域において、圧縮部分の真下にある第1のマイクロメッシュバンド304と第2のマイクロメッシュバンド308が、変形された抵抗材料、静電容量方式材料、又は他の感圧検出材料を有する。アレイの各力検出素子を電気的に監視することによって、マイクロメッシュバンドによって覆われた領域全体での力の量とその力の量の位置とを測定することができる。したがって、本記述のセンサ(直交する組の光透過性マイクロメッシュバンドの間に挿入された圧電抵抗材料、圧電材料又は変形可能誘電材料又は構造体を有する)は、力の局所的に印加された複数のタッチ(例えば、2回のタッチ、3回のタッチ、4回のタッチ、更には5回、10回又は20回のタッチまでも)に関する力の量とその力の量の位置を測定することができる。即ち、本記述のセンサは、複数タッチ位置センサである。また、全ての点がアドレス可能又は撮像可能なセンサと言うこともできる。

幾つかの実施形態では、タッチ位置検出素子の少なくとも一部分としてある時に使用される金属導体微細パターンの少なくとも一部分は、力検出素子の少なくとも一部として別の時に使用することができる。そのような実施形態では、微細パターンのバンドを使用するタッチ位置検出に必要な測定又はその複数測定を行うことができ、かつ連続して、力検出に必要な測定又はその複数測定を行うことができる電子機器が使用される。他の実施形態では、タッチ位置検出素子の一部として使用することができる金属導体微細パターンの少なくとも一部分は、力検出素子の少なくとも一部分として同時に使用することができる。そのような実施形態では、タッチ位置検出に必要な測定(又は複数測定)と力検出に必要な測定(又は複数測定)を同時に行なうことができる電子機器が使用される。

力検出素子金属導体微細パターンとタッチ位置検出金属導体微細パターンとの位置関係について更に詳しく説明するために、ディスプレイの平面内の(即ち、ディスプレイの平面内に投影された、別の言い方をすると、ディスプレイの平面に対して直角又はほぼ直角にディスプレイを見るディスプレイユーザが見たような)の微細パターンの相対位置についての説明が有用なことがある。力検出微細パターンとタッチ位置検出微細パターンとの間の相対位置の後者の態様は、以下、本明細書では面内相対位置と呼ばれる。幾つかの実施形態では、力検出素子金属導体微細パターンの少なくとも一部分とタッチ位置検出金属導体微細パターンの少なくとも一部分との間の面内相対位置は、力検出素子金属導体微細パターンの一部分とタッチ位置検出金属導体微細パターンの一部分とを含む領域(例えば、領域4mm²、領域10mm²、又は領域100mm²)の開口面積が、0.80〜0.9975(即ち、80パーセント〜99.75パーセント)の開口面積を有するようなものである。幾つかの好ましい実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの開口面積率が、0.90〜0.995である。更に幾つかの好ましい実施形態では、力検出素子の金属導体微細パターンの開口面積率が、0.95〜0.99である。

タッチ位置検出につながる導電性金属微細パターンによる測定は、本明細書で参照した開示に示されている。力検出につながる導体微細パターンによる測定は、例えば、i)導体微細パターンの電気抵抗の変化、ii)1つ又は複数の導体微細パターンの1つ又は複数の部分に隣接した材料又はそれらの間に挿入された材料の電気抵抗の変化、iii)1つ又は複数の導体微細パターンの1つ又は複数の部分の間の環境に対するキャパシタンスの変化(「自己キャパシタンス」又は対電極との間(即ち、相互キャパシタンス))、及びiv)1つ又は複数の導体微細パターンの1つ又は複数の部分との間の対電極に対する分極(電荷)の変化(1つ又は複数の導体微細パターンのうちの1つ又は複数の部分と対電極との間に挿入された圧電材料によって生成されるような)が挙げられる。

センサに印加された力に応じかつ微細パターンの歪み応答(即ち、印加された力が、導体微細パターンを変形させる)を含む導体微細パターンの電気抵抗の変化の測定は、微細パターンの使用を抵抗ひずみゲージとして構成する。好ましい実施形態では、力検出金属導体微細パターンは、透明基板上又は透明基板における導体材料のパターンとして、センサの透明基板上又は透明基板中に組み込まれる。一体化とは、導体材料のパターンが、直接基板面上にあるか基板面と隣接することを意味する(即ち、例えばはんだ又は導電性接着材によって取り付けられた個別ひずみゲージ構成要素の一部分ではない)。金属配線の適切な微細パターンの他の例には、単一の微細配線又はマイクロメッシュのための蛇行した導電体経路が挙げられる。ひずみゲージ抵抗素子として役立つ導電性材料の蛇行経路は、当該技術分野で既知である(例えば、PCT特許公開番号WO94/02921(Young)を参照)。

提供された物品は、電子ディスプレイを覆うのに適した透明なタッチ位置検出素子を更に含むことができる。タッチ検出素子は、1つ又は複数のタッチ又は準タッチ(「接近」)イベントの位置又はその複数位置を決定する手段を含むことができる。1つ又は複数のタッチ又は準タッチイベントの位置を決定する手段は、光学的検出、視覚的検出、電気的検出に基づくことができる。光学的検出手段には、例えば、米国特許公開第2010/0045629号(Nowton)に記載されたようなエッジ取り付け赤外線カメラ(一次元)システムが挙げられる。視覚的検出手段には、米国特許公開第2009/0278799号(Wilson)に記載されたような二次元撮像カメラと画像解析が挙げられる。電気的検出手段には、例えば、米国特許第3,662,105号(Hurastら)に記載されたような抵抗型タッチセンサが挙げられる。電気的検出手段には、例えば米国特許第6,549,193号と第6,781,579号(両方ともHuangら)に記載されたような表面型静電容量方式タッチセンサが挙げられる。典型的には、電気的検出手段には、例えば米国特許公開第2009/0219257号(Freyら)に記載されたような投影型静電容量方式タッチセンサが挙げられる。

本開示によるタッチ画面ディスプレイセンサは、典型的には、マイクロコンタクト印刷法を使用して製造される。マイクロコンタクト印刷は、エラストマスタンプから、機能化分子を例えば自己組織化単分子膜(SAM)の形で結合するように選択された基板への機能化分子の接触転写を含む。マイクロコンタクト印刷法は、米国特許第5,512,131号(Kumarら)に概略的に記載されている。マイクロコンタクト印刷された自己組織化単分子膜は、パターン形成エッチングマスクとして有用である。エッチングマスクが、例えば絶縁性基板(例えば、高分子フィルム、ガラス、又はセラミックの基板)上の薄い金属薄膜に付着されたとき、自己組織化単分子膜は、SAMのパターンによる金属薄膜のエッチングパターン形成を可能にする。本明細書に記載されたセンサの製作は、マイクロコンタクト印刷工程を含むと有利であるが、本明細書に記載されたセンサは、決してそのような製造方法に限定されない。説明したパターン、微細パターン、構成要素、力検出素子又は検出領域を得ることができる任意の製造方法を使用することができる。本開示による有用な導体パターンは、フォトリソグラフィを利用する工程を使用して製造することもできる。必ずしも容易に達成可能ではないが、本開示による有用な導体パターンは、フレキソ印刷、オフセットグラビア印刷、又は例えばPCT特許公開第WO2010/002519(Moranら)、又は同WO2010/002679(Stayら)に記載されたような微細加工基板にはめ込むことによる導体材料のパターン形成に基づく他の方法でもよい。

提供された力センサ及び力センサを含むディスプレイは、既存のタッチディスプレイよりも改善された特性を有するタッチユーザインタフェースを形成するのに役立つ。詳細には、提供された力センサ及び力センサを含むディスプレイは、1つ又は複数のタッチのタッチ位置決定と共に力値を記録する能力を有する(即ち、マルチタッチ力測定センサとマルチタッチ力測定タッチディスプレイ)。従来の抵抗型又は表面型静電容量方式タッチセンサ又はディスプレイ(本質的に単一タッチ)に対して、提供されたセンサ及びディスプレイは、複数のタッチ位置を決定し、またタッチ力の測定を提供することができる。剛性カバー・シート(例えば、ガラス又はポリカーボネート)の下に取り付けられた以前のマトリックス型相互静電容量方式センサに対して、提供されたセンサ及びディスプレイは、位置決定だけでなく、複数のタッチの力の測定を提供する。透明な導電性酸化物(例えば、インジウムスズ酸化物、ITO)電極を利用した以前のマトリックス型相互静電容量方式、圧電抵抗型、又は圧電型力測定タッチセンサに対して、提供されたセンサ及びディスプレイは、使用によるひび割れと性能低下が発生しにくいより頑強な材料構造体を提供する。タッチイベントの位置決定を記録する以前の力測定タッチパネルに対して、提供されたセンサ及びディスプレイは、ディスプレイの可視領域を用いて覆うことができる検出素子の部分として微細パターン形成金属導体を含み、それによりタッチディスプレイを含む装置の全体的サイズを望ましくなく大きいかさばった力センサを可視領域外に配置する必要がなくなる。頑強で耐久性があり、表示を隠さずディスプレイに重ねられたマルチタッチの力測定センサ要素又はその複数センサ要素は、より広い入力データ範囲を有する電子機器の設計と製造を可能にする。前述の機能と特徴が含まれるとき、例えばゲーム装置、産業設備制御装置又はコンピュータグラフィックユーザインタフェースを、よりユーザフレンドリーでより高性能にすることができる。

以下の実施例によって本発明の目的及び利点を更に説明するが、これらの実施例において記載される特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に限定するものとして解釈されるべきではない。 [実施例1](全て理論実施例)

第1のパターン形成基板 厚さ125マイクロメートル(μm)を有するポリエチレンテレフタレート(PET)から作製された第1の可視光線基板が、熱蒸着コーターを使用して100nm銀薄膜で蒸気被覆されて第1の銀金属化フィルムが得られる。PETは、E.I.du Pont de Nemours、Wilmington、DE.から製品番号ST504として入手可能である。銀は、ウィスコンシン州ミルウォーキーのCerac Inc.から、99.99%純度の3mm成形物として入手可能である。

PDMSと呼ばれ3mmの厚さを有するSylgard 184(Dow Chemical Co.Midland、MI)として入手可能な第1のポリ(ジメチルシロキサン)スタンプは、標準フォトリソグラフィ技術を使用して事前にパターン形成された直径10cmのシリコンウェハ(業界では「マスター」と呼ばれるときがある)にモールド成形された。PDMSは、シリコンウェハ上で65℃で2時間にわたって硬化される。その後で、PDMSがウェハから剥離されて、隆起特徴部のパターンを有する2つの異なる低密度区域、第1の連続的な六角形メッシュパターン、及び第2の不連続的な六角形メッシュパターン(メッシュバンド)を有する第1のスタンプを得た。隆起特徴部は、縁部を共有する六角形の縁部を画定する。不連続六角形は、線分において選択的な破断箇所を含む六角形である。選択的な破断箇所は、10μm未満の長さを有する。破断箇所は、約5μmになるように設計される。可視性を低下させるためには、破断箇所が、10μm未満、更には5μm未満、又は1〜5μmであることが好ましい。隆起した六角形外形パターンはそれぞれ、2μmの高さを有し、97%〜99%の開口面積に対応する1%〜3%の被覆面積、及び幅2〜3μmの線分を有する。また、第1のスタンプは、幅500μmの相互接続配線を画定する隆起特徴部を含む。第1のスタンプは、六角形メッシュパターン区域と相互接続配線特徴部を有する第1の構造表面と、反対側の第2の実質的に平坦な表面とを有する。

第1のパターン形成基板は、以下のようにマイクロコンタクト印刷によって作製される。直径2mmのガラスビーズを含むガラスペトリ皿内にスタンプを構造面を上にして配置した。したがって、第2の実質的に平坦な面は、ガラスビーズと直接接触する。ビーズは、スタンプを皿の底から持ち上げる働きをし、それにより下のインク溶液がスタンプの平坦面の殆ど全部と接触することができる。エタノール中の1−オクタデカンエチオール(TCI America,Portland ORから入手可能)の10mMインク溶液を、ペトリ皿内のスタンプの下にピペットで移す。インク溶液は、スタンプの第2の実質的に平坦な面と直接接触する。インクがスタンプに広がる十分なインク付け時間(例えば、3時間)の後、第1のスタンプが、ペトリ皿から取り除かれるインク付きスタンプは、構造化面を上にして加工面上に配置される。手持ち式ローラーを使用して、第1の銀金属化フィルムを、このようにインク付けされたスタンプの構造化表面上に、銀薄膜が構造化表面と直接接触するように押し付けた。金属化薄膜をインク付きスタンプ上に15秒間置いた。次に、第1の金属化薄膜をインク付きスタンプから除去する。除去された薄膜は、(i)0.030モルのチオ尿素(製品番号T8656、Sigma−Aldrich(St.Louis,MO))及び(ii)0.020モルの硝酸第二鉄(製品番号、Sigma−Aldrich)を脱イオン水中に含有する、銀エッチング溶液内に3分間配置された。エッチング工程の後で、得られた第1の基板が、脱イオン水ですすがれ、窒素ガスで乾燥されて第1のパターン表面ができる。インク付きスタンプが第1の金属化基板の銀と接触した場合、エッチング後に銀が残った。このように、インク付きスタンプと銀薄膜との接触がなかった場所から銀が除去される。

図4、図4a及び図4bは、基板の第1の側で複数の第1の不連続領域404の間に交互になっている複数の第1のメッシュバンド402を有する第1のパターン形成基板400を示し、この基板の第1の側は、エッチングされパターン形成された銀金属化膜を含む側である(フィルム基板の前側から見た。即ち、エッチングされパターン形成された銀金属が付着された側から見た)。第1のパターン形成基板は、導電性配線微細パターンを含み、微細パターンは、メッシュバンドと不連続領域を含む。メッシュバンドは、幅3mmであり、3mm離間されている。基板は、実質的に裸のPETフィルムである反対側の第2の面を有する。第1のメッシュバンド402はそれぞれ、対応する幅500μmの導電性相互接続配線406が一端に配置される。図4aは、六角形メッシュ構造を形成する複数の連続線を有するメッシュバンド402の分解図を示す。図4bは、不連続的な六角形メッシュ構造を形成する複数の不連続的な線(各六角形における選択的な断絶部として示される)を有する第1の不連続的な区域404の分解図を示す。メッシュバンド402と不連続領域404の各メッシュ構造は、97%〜99%の開口面積を有する。各線分は、幅が2〜3μmである。

第2のパターン形成基板 第2のパターン形成基板は、マイクロコンタクト印刷により、第1のパターン形成基板と同じように、第2の可視光基板を使用して第2の銀金属化フィルムを作製することにより作製される。第2の不連続六角形メッシュパターンの間に挿入された2つの連続六角形メッシュパターン(メッシュバンド)を有する第2スタンプを作製する。

図5、図5a及び図5bは、第2の基板の第1の側(フィルム基板を介して裏側から見た。即ち、エッチングされパターン形成された銀金属が付着された側の反対側から見た)の複数の第2の不連続領域524の間に交互になっている複数の第2のメッシュバンド522を有する第2のパターン形成基板520を示す。第2のパターン形成基板は、導電性配線微細パターンを含み、微細パターンは、メッシュバンドと不連続領域とを含む。メッシュバンドは、幅5.5mmであり、0.5mmだけ離間される。第2のメッシュバンド522はそれぞれ、対応する幅500μmの第2の導電性相互接続配線526が一端に配置されている。図5aは、六角形メッシュ構造を形成する複数の連続線を有する第2のメッシュバンド522の分解図を示す。図5bは、不連続的な六角形メッシュ構造を形成する複数の不連続的な線(各六角形における選択的な断絶部として示される)を有する1つの第2の不連続的な区域524の分解図を示す。選択的な破断箇所は、10μm未満の長さを有する。破断箇所は、約5μmになるように設計される。可視性を低下させるため、破断箇所は、10μm未満、5μm未満、又は1〜5μmであることが好ましい。メッシュバンド522と各不連続領域524の各メッシュ構造は、97%〜99%の開口面積を有する。各線分は、幅が2μm〜3μmである。

実施例1−圧電抵抗感圧材料を有するタッチセンサを有するディスプレイの形成 以上で作製された第1と第2のパターン形成基板を使用して、圧電抵抗感圧材料を含む2層力検出タッチセンサを以下のように作製する。感圧材料は、第1と第2のパターン形成基板の間に挿入され、各基板のパターン形成面(導電性配線微細パターンを有する)は、感圧材料に面している。感圧材料は、マトリックス中に分散された透明導電性粒子の複合材である。米国特許第5,763,091号(Kawataら)の実施例1の導電性ITOインクから得られた薄膜を感圧材料として使用する。薄膜は、第1のパターン基板の導電性配線微細パターン上に被覆されてもよい。薄膜は、第1のバンドと第1の不連続領域を覆うが図4の相互接続配線406の終端を覆わないように、基板表面に選択的に被覆される。次に、第2のパターン形成基板が、圧力印加により感圧材料の表面に積層されて、図6によるタッチセンサが得られる(検出面積が約40mm×60mm)。第2のパターン形成基板の向きは、導電性配線微細パターンが感圧材料に面するような向きである。導電性ITOインクを使用する薄膜被覆と積層物は、相互接続配線606及び626の終端が薄膜で覆われず、相互接続配線の終端に電気接続を行うことができるような方式で実施される。

前述の2層力検出タッチセンサは、第1のパターン形成基板と第2のパターン形成基板との間の抵抗を調べるように設計された電子機器に(相互接続配線606及び626の終端で)、交差部分630の各領域で連続的に接続することができる。図6は、第1及び第2のパターン形成基板が積層されたタッチ画面センサ要素640の平面図を示す。領域630は、第1のメッシュバンドと第2のメッシュバンドの重なり部分を表わす。領域632は、第1のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表す。領域634は、第2のメッシュバンドと第1の不連続領域の重なり部分を表す。また、領域636は、第1と第2の不連続領域間の重なり部分表す。複数の重複領域が存在するが、説明し易くするため、図にはそれぞれ1つの領域だけを示した。電子機器による抵抗値の測定は、当該技術分野における任意の適切な方法によって行なうことができる。重なり部分630の各領域の抵抗を測定することにより、圧電抵抗材料の形の感圧材料に印加される局所的圧力(即ち。タッチ圧力)によって生じるようなセンサを通した抵抗の変化を検出しマッピングすることができる。したがって、前述のタッチセンサをタッチ位置センサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、挿入された圧電抵抗感圧材料と共に、タッチ位置検出素子の役割を果たす。印加される圧力が高くなるとき、導電性粒子間の接触の増大によって、感圧圧電抵抗材料を通した抵抗が次第に減少する。したがって、前述のタッチセンサを電子機器と組み合わせて力検出タッチセンサシステムを得ることができる。前述のタッチセンサを力タッチセンサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、挿入された圧電抵抗感圧材料と共に、力検出素子の役割を果たす。前述のタッチセンサは、厚さ1mmのポリカーボネートのベースシートに更に積層される。センサは、第2のパターン形成基板の裏側(即ち、導電性配線微細パターンが配置されていない主面)がベースシートに面する状態で積層される。他の適切なベースシートは、ポリ(メチルメタクリレート)又はガラス(例えば、厚さ1mm)である。センサは、3M Company,St.Paul,MinnesotaによるOptically Clear Laminating Adhesive 8172を使用してベースシートに積層され、多層構造体が得られる。ベースシートに積層された前述のタッチセンサは、30mm×41mmの可視領域を有する液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi025TD−LED−KITとして入手可能な電子ディスプレイ)の前面に重ねて取り付けられる。タッチセンサは、そのベースシートがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域の上に重なる(即ち、交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

実施例2−圧電抵抗感圧材料を有するタッチセンサを備えたディスプレイの形成。 以上で作製された第1と第2のパターン形成基板を使用して、圧電抵抗感圧材料を含む2層力検出タッチセンサを以下のように作製することができる。第1と第2のパターン形成基板の間に感圧材料を、各基板のパターン形成面(導電性配線微細パターンを有する)が感圧材料に面する状態で挿入することができる。感圧材料は、i)第1の導電性高分子層、ii)マトリックス中に分散された透明導電性粒子の複合材層、及びiii)第2の導電性高分子層の順の材料構成要素からなる多層構造である。第1の導電性高分子層と第2の導電性高分子層は、同じ組成と厚さを有する。マトリックス中に分散された透明導電性粒子の複合材として、米国特許第5,763,091号(Kawataら)の実施例1の導電性ITOインクから得られた薄膜が使用される。第1と第2の導電性高分子層としては、PEDOT−PSS(H.C.Starck,Newton,Massachusettsから入手可能なClevio PH 1000)の被覆が使用される。第1の導電性高分子層は、第1のパターン基板の導電性配線微細パターン上に被覆される。第1の導電性高分子が、第1のパターン形成基板上に、高分子メーカーの仕様にしたがって、第1のバンドと第1の不連続領域を覆うが図4の相互接続配線406の終端を覆わないように被覆される。次に、第2の導電性高分子層が、第2のパターン形成基板上に、高分子メーカーの仕様にしたがって、第2のバンドと第2の不連続領域を覆うが図5の相互接続配線526の終端を覆わないように被覆される。次に、米国特許第5,763,091号(Kawataら)の実施例1の導電性ITOインクから得られた薄膜が、第1のバンドと第1の不連続領域を覆うが図4の相互接続配線406の終端を覆わないように、第1の導電性高分子層上に被覆される。最後に、第2のパターン形成基板が、圧力の印加により第1のパターン形成基板に積層される。第2の導電性高分子面の露出面は(被覆後)、第1のパターン形成基板上の導電性ITOインクから得られた薄膜の表面と隣接し、図6によるタッチセンサ(検出領域が約40mm×60mm)が得られる。第2のパターン形成基板の向きは、導電性配線微細パターンが感圧材料に面するようなものである。導電性高分子被覆、導電性ITOインクを使用する薄膜被覆、及び積層は、相互接続配線606及び626の終端が覆われないように行われる。

前述の2層力検出タッチセンサを、第1のパターン形成基板と第2のパターン形成基板間の抵抗を調べるように設計された電子機器(相互接続配線606及び626の終端)に、交差部分630の各領域で連続的に接続することができる。図6は、第1と第2のパターン形成基板が積層されたタッチ画面センサ要素640の平面図を示す。領域630は、第1のメッシュバンドと第2のメッシュバンドの重なり部分を表わす。領域632は、第1のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表す。領域634は、第2のメッシュバンドと第1の不連続領域との重なり部分を表し。また、領域636は、第1と第2の不連続領域間の重なり部分を表す。複数のこれらの重複領域が存在するが、説明し易くするため、図にはそれぞれ1つの領域だけ示されている。電子機器による抵抗の測定は、当該技術分野での任意の適切な方法で行なうことができる。重なり部分630の各領域の抵抗を測定することにより、圧電抵抗材料の形の感圧材料に印加される局所的圧力(即ち、タッチ圧力)によって引き起こされるようなセンサを通した抵抗の変化を検出しマッピングすることができる。したがって、前述のタッチセンサをタッチ位置センサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電抵抗感圧材料と共に、タッチ位置検出素子の役割を果たす。印加される圧力が高くなるとき、導電性粒子間の接触の増大により、感圧圧電抵抗材料を通した抵抗が次第に減少する。したがって、前述のタッチセンサを電子機器と組み合わせて、力検出タッチセンサシステムを得ることができる。前述のタッチセンサを力タッチセンサとして使用することができ、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電抵抗感圧材料と共に、力検出素子の役割を果たす。前述のタッチセンサは、更に、厚さ1ミリメートルのポリカーボネートのベースシートに積層される。センサは、第2のパターン形成基板の裏側(即ち、導電性配線微細パターンが配置されていない主面)がベースシートに面するように積層される。他の適切なベースシートは、ポリ(メチルメタクリレート)又はガラス(例えば、厚さ1ミリメートル)である。センサは、3M Company,St.Paul,MinnesotaによるOptically Clear Laminating Adhesive 8172を使用してベースシートに積層されて多層構造体が得られる。ベースシートに積層された前述のタッチセンサは、30mm×41mmの可視領域を有する液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi025TD−LED−KITとして入手可能な電子ディスプレイ)の前面に重ねられ取り付けられる。タッチセンサは、ベースシートがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域の上に重なる(即ち、交差部分630の領域が、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

実施例3−圧電抵抗感圧材料を有するタッチセンサを備えたディスプレイの形成。 以上で作製された第1と第2のパターン形成基板を使用して、圧電抵抗感圧材料を含む2層力検出タッチセンサを以下のように作製することができる。感圧材料は、i)第1の透明導電性接着材層、ii)圧電抵抗層、及びiii)第2の透明導電性接着材層の順の材料構成要素の多層構造に含まれる。第1と第2のパターン形成基板のバンド領域は、最初に、透明導電性接着材が印刷されて、第1と第2の透明導電性接着層が形成される。透明導電性接着材は、米国特許公開第2003/0114560号(Yangら)の実施例24により調製される。透明導電性接着材は、当該技術分野で既知のインクジェット印刷を使用して印刷される。次に、相互接続配線606及び626の終端以外の第1と第2のパターン形成基板の全ての相補的領域(バンド領域と相補的)に、非導電性感圧接着材料が印刷される。非導電性の透明導電性接着材は、帯電防止剤Cの添加がないこと以外、米国特許公開第2003/0114560(Yangら)の実施例24にしたがって作製される。感圧材料は、第1と第2のパターン形成基板の間に、各基板のパターン形成面(導電性配線微細パターンを有する)が感圧材料に面する状態で挿入することができる。次に、米国特許第5,763,091(Kawataら)の実施例1の導電性ITOインクから得られた薄膜を、第1の透明な導電性接着材層上に、第1のバンドと第1の不連続領域を覆うが図4の相互接続配線406の終端を覆わないように被覆する。最後に、第2の透明な導電性接着材を有する第2のパターン形成基板を、ローラーによって第1のパターン形成基板に積層する。第2の透明導電性接着材面の露出面(印刷後)を、第1のパターン形成基板上の導電性ITOインクから得られた薄膜の表面と隣接させ、図6によるタッチセンサ(検出領域が約40mm×60mm)を得る。第2のパターン形成基板の向きは、導電性配線微細パターンが感圧材料に面するようなものである。接着材印刷、導電性ITOインクを使用する薄膜被覆、及び積層は、相互接続配線606及び626の終端が覆われないように行なわれる。

前述の2層力検出タッチセンサは、第1のパターン形成基板と第2のパターン形成基板の間の抵抗を調べるように設計された電子機器に(相互接続配線606及び626の終端で)、交差部分630の各領域で連続的に接続することができる。図6は、第1と第2のパターン形成基板が積層されたタッチ画面センサ要素640の平面図を示す。領域630は、第1のメッシュバンドと第2のメッシュバンドの重なり部分を表わす。領域632は、第1のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表す。領域634は、第2のメッシュバンドと第1の不連続領域の重なり部分を表す。また、領域636は、第1と第2の不連続領域の重なり部分表す。複数のこれらの重複領域が存在するが、説明に易くするため、図にはそれぞれ1つの領域だけが示される。電子機器による抵抗値の測定は、当該技術分野における任意の適切な方法によって行なうことができる。重なり部分630の各領域の抵抗を測定することにより、圧電抵抗材料の形の感圧材料に印加される局所的圧力(即ち、タッチ圧力)によって引き起こされるようなセンサを通した抵抗の変化を検出しマッピングすることができる。したがって、前述のタッチセンサをタッチ位置センサとして使用することができ、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電抵抗感圧材料と共に、タッチ位置検出素子の役割を果たす。印加される圧力が高くなるとき、導電性粒子間の接触の増大により、感圧圧電抵抗材料を通した抵抗が次第に減少する。したがって、前述のタッチセンサを電子機器と組み合わせて、力検出タッチセンサシステムを得ることができる。前述のタッチセンサを力タッチセンサとして使用することができ、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電抵抗感圧材料と共に、力検出素子の役割を果たす。前述のタッチセンサは、更に、厚さ1ミリメートルのポリカーボネートのベースシートに積層される。センサは、第2のパターン形成基板の裏側(即ち、導電性配線微細パターンが配置されていない主面)がベースシートに面するように積層される。他の適切なベースシートは、ポリ(メチルメタクリレート)又はガラス(例えば、厚さ1ミリメートル)である。センサは、3M Company,St.Paul,MinnesotaによるOptically Clear Laminating Adhesive 8172を使用してベースシートに積層されて多層構造体が得られる。ベースシートに積層された前述のタッチセンサは、30mm×41mmの可視領域を有する液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi025TD−LED−KITとして入手可能な電子ディスプレイ)の前面に重ねられ取り付けられる。タッチセンサは、ベースシートがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域の上に重なる(即ち、交差部分630の領域が、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

実施例4−圧電感圧材料を有するタッチセンサを有するディスプレイの形成。 以上で作製された第1と第2のパターン形成基板を使用して、圧電感圧材料を含む2層力検出タッチセンサを以下のように作製することができる。感圧材料は、i)第1の透明導電性接着材層、ii)圧電抵抗層、及びiii)第2の透明導電性接着材層の順の材料構成要素の多層構造に含まれる。第1と第2のパターン形成基板のバンド領域は、最初に、透明導電性接着材が印刷されて、第1と第2の透明導電性接着材層が形成される。透明導電性接着材は、米国特許公開第2003/0114560号(Yangら)の実施例24により作製される。透明導電性接着材は、当該技術分野において既知のようなインクジェット印刷を使用して印刷される。次に、相互接続配線606及び626の終端以外の第1と第2のパターン形成基板の全ての相補的領域(バンド領域に対して相補的)に、非導電性感圧性接着材材料が印刷される。非導電性透明導電性接着材は、帯電防止剤Cの添加のないこと以外、米国特許公開第2003/0114560(Yangら)の実施例24にしたがって作製される。次に、感圧圧電材料は、第1と第2のパターン形成基板の間に、各基板のパターン形成面(導電性配線微細パターンを有する)が感圧材料に面する状態で挿入される。圧電層は、米国特許公開第2010/0068460号(Moriyamaら)の比較例1にしたがって作製されたPVDF薄膜である。圧電層は、米国特許第6,080,487号の実施例4にしたがって各主表面を処理することによって接着材層との接着に好適なものにされる。圧電材料は、第1と第2のパターン形成基板を圧電材料にローラーで積層することによって挿入され、図6に示された2層タッチセンサ(検出領域が約40mm×60mm)が得られる。

前述の2層力検出タッチセンサは、第1のバンドと第2のバンドのそれぞれの電位を調べるように設計された電子機器に(相互接続配線606及び626の終端で)接続することができる。図6は、第1と第2のパターン形成基板が積層されたタッチ画面センサ要素640の平面図を示す。領域630は、第1のメッシュバンドと第2のメッシュバンドの重なり部分を表わす。領域632は、第1のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表す領域634は、第2のメッシュバンドと第1の不連続領域の重なり部分を表す。また、領域636は、第1と第2の不連続領域の重なり部分を表す。これらの重複領域が複数存在したが、例証を容易とするために、それぞれ1つの領域のみが図に示されている。電子機器による電圧の測定は、当該技術分野における任意の適切な方法によって行なうことができる。各バンドの電圧を測定することにより、圧電材料の形の感圧材料に印加される局所的圧力(即ち、タッチ圧力)によって生じるセンサを通した電圧の変化を検出しマッピングすることができる。したがって、前述のタッチセンサをタッチ位置センサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電抵抗感圧材料と共に、タッチ位置検出素子の役割を果たす。印加される圧力が高くなるとき、圧電特性によって示されかつ圧電係数によって定量化されるように、感圧圧電材料を通した電圧の大きさが次第に高くなる。したがって、前述のタッチセンサを電子機器と組み合わせて、力検出タッチセンサシステムを得ることができる。前述のタッチセンサを力タッチセンサとして使用することができ、また導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、圧電気感圧材料と共に、力検出素子の役割を果たす。前述のタッチセンサは、更に、厚さ1mmのポリカーボネートのベースシートに積層される。センサは、第2のパターン形成基板の裏側(即ち、導電性配線微細パターンが配置されていない主面)がベースシートに面する状態で積層される。他の適切なベースシートは、ポリ(メチルメタクリレート)又はガラス(例えば、厚さ1mm)である。センサは、3M Company,St.Paul,MinnesotaによるOptically Clear Laminating Adhesive 8172を使用してベースシートに積層され、多層構造体が得られる。ベースシートに積層された前述のタッチセンサは、30mm×41mmの可視領域を有する液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi025TD−LED−KITとして入手可能な電子ディスプレイ)の前面に重ねられ取り付けられる。タッチセンサは、ベースシートがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域の上に重なる(即ち、交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

実施例5−変形可能な誘電体感圧材料を有するタッチセンサを有するディスプレイの形成。 以上で作製された第1と第2のパターン形成基板を使用して、誘電体感圧材料を含む2層力検出タッチセンサを以下のように作製することができる。感圧材料は、第1と第2のパターン形成基板の間に挿入され、各基板のパターン形成面(導電性配線微細パターンを有する)が感圧材料に面する。感圧材料は、電気絶縁性ばね膜である。米国特許第7,538,760号のタッチパッド1000の接着剤層を有するPETばね膜が、感圧材料として使用される。1枚の感圧材料を第1と第2のパターン形成基板のバンドのアレイのサイズに切断する。感圧材料は、第1のバンドと第1の不連続領域を覆うが図4の相互接続配線606の終端を覆わないように、第1のパターン形成基板表面の導体パターン形成面にローラーによって積層される。次に、第2のパターン形成基板を感圧材料の面にローラーによって積層し、図6によるタッチセンサが得られる(検出領域が約40mm×60mm)。第2のパターン形成基板の向きは、導電性配線微細パターンが感圧材料に面するようなものである。積層は、相互接続配線606及び626の終端が覆われず相互接続配線の終端への電気接触が可能になるように行われる。

前述の2層力検出タッチセンサは、第1のパターン形成基板と第2のパターン形成基板の間のキャパシタンスを調べるように設計された電子機器に(相互接続配線606及び626の終端で)、交差部分630の各領域で連続的に接続することができる(即ち、相互キャパシタンス)。図6は、第1と第2のパターン形成基板が積層されたタッチ画面センサ要素640の平面図を示す。領域630は、第1のメッシュバンドと第2のメッシュバンドの重なり部分を表わす。領域632は、第1のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表す領域634は、第2のメッシュバンドと第2の不連続領域の重なり部分を表すまた、領域636は、第と第2の不連続領域の重なり部分表す。複数のこれらの重複領域が存在するが、説明をし易くするため、図にはそれぞれ1つの領域だけを示した。

透明センサ要素(バンド)の相互キャパシタンス測定を行うために使用される電子回路は、PIC18F87J10(Microchip Technology、Chandler、Arizona)、AD7142(Analog Devices、Norwood、Massachusetts)、及びMM74HC154WM(Fairchild Semiconductor、South Portland、Maine)である。PIC18F87J10は、システムのためのマイクロコントローラである。これは、MM74HC154WMが駆動するセンサバンドの選択を制御する。また、これにより、AD7142が適切な測定を行うように構成される。システムの使用には、当該技術分野で既知の幾つかの較正値の設定が含まれる。これらの較正値は、タッチ画面ごとに変動し得る。このシステムは、16個の異なるバンドを駆動することができ、AD7142は、12個の異なるバンドを測定することができる。AD7142の設定は、変換するチャネルの数、どれだけ正確又は迅速に測定を行うか(静電容量のオフセットが適用されるべき場合)、及びアナログ−デジタル変換器のための接続子の選択を含む。AD7142からの測定値は、透明センサ要素のマトリックスにおける導電バンド間の交差点のキャパシタンスを表す16ビット値である。

AD7142が測定を完了した後で、マイクロコントローラに割り込みで信号を送って、データを収集させる。次に、マイクロコントローラは、SPIポートを介してデータを収集する。データが受信された後で、マイクロコントローラは、MM74HC154WMを次の駆動線に増分し、AD7142における割り込みをクリアして、次のデータセットを取得するように信号を送る。上記からのサンプリングが継続的に行われている間、マイクロコントローラも、シリアルインタフェースによりモニタを備えたコンピュータにデータを送る。このシリアルインタフェースは、当業者には既知のように、単純なコンピュータプログラムがAD7142からの未加工データをレンダリングしてタッチあり及びなしの間で値がどのように変化するかを見ることを可能にする。コンピュータプログラムは、16ビット値の値によりディスプレイ全域で異なる色を描画する。16ビット値が、較正に基づいて特定の値を下回ったとき、ディスプレイ領域は、白色に描画される。較正に基づいてその閾値を超えると、ディスプレイ領域は緑色に描画される。データは、4バイトのヘッダ(0×AAAAAAAA)、1バイトのチャネル(0×00〜0×0F)、24バイトのデータ(静電容量測定値を表す)、及びキャリッジリターン(0×0D)の形式で非同期で送信される。

重なり部分630の各領域の相互キャパシタンスを測定することによって、変形可能な誘電材料の形の感圧材料に印加された局所的圧力(即ち、タッチ圧力)によって引き起こされるようなセンサを通したキャパシタンスの変化を検出しマッピングすることができる。したがって、前述のタッチセンサをタッチ位置センサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、変形可能な誘電体感圧材料と共に、タッチ位置検出素子の役割を果たす。印加される圧力が高くなるとき、第1のバンドと第2のバンド間の離間距離が減少するので、感圧圧電抵抗材料を通したキャパシタンスが次第に増大する。したがって、前述のタッチセンサを電子機器と組み合わせて、力検出タッチセンサシステムを得ることができる。前述のタッチセンサを力タッチセンサとして使用することができ、また、導電性配線微細パターンを有する2つのパターン形成基板は、挿入された変形可能な誘電体感圧材料と共に、力検出素子の役割を果たす。前述のタッチセンサは、更に、厚さ1ミリメートルのポリカーボネートのベースシートに積層される。センサは、第2のパターン形成基板の裏側(即ち、導電性配線微細パターンのない主面)がベースシートに面する状態で積層される。他の適切なベースシートは、ポリ(メチルメタクリレート)又はガラス(例えば、厚さ1mm)である。センサは、3M Company,St.Paul,MinnesotaによるOptically Clear Laminating Adhesive 8172を使用してベースシートに積層され、多層構造体が得られる。ベースシートに積層された前述のタッチセンサは、30mm×41mmの可視領域を有する液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi025TD−LED−KITとして入手可能な電子ディスプレイ)の前面に重ねられ取り付けられる。タッチセンサは、ベースシートがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域の上に重なる(即ち、交差部分630の領域は、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

実施例6−一体型ひずみゲージを有するタッチセンサを備えたディスプレイの形成。 力検出素子を有するタッチセンサを以下の工程で製造する。ベースシート基板が提供される。金属配線の微細パターンを含むひずみゲージ素子(力検出素子)がベースシートの表面に組み込まれる。ひずみゲージは、ひずみゲージを通る電流の抵抗を測定するのに適した電子機器に接続される。

ベースシート上に金属導体配線の微小パターンを含むひずみゲージをマイクロコンタクト印刷とエッチングによって作製する。熱蒸着コーターを使用して、厚さ2mmの寸法のポリカーボネートのベースシートに100nmの銀薄膜を蒸気被覆して、第1の銀金属化薄膜を得る。ポリカーボネートベースシートは、SABIC Innovative Plastics,Riyadh,Saudi ArabiaからLexaとして市販されており、168mm×220mmの寸法である。銀は、ウィスコンシン州ミルウォーキーのCerac Inc.から、99.99%純度の3mmショットとして市販されている。

標準フォトリソグラフィ技術を使用して予めパターン形成された直径10cmのシリコンウェハ(業界では「マスター」と呼ばれることもある)に対して、3mmの厚さを有するPDMSスタンプをモールド成型する。PDMSは、製品Sylgard 184,Dow Chemical Co.,Midland,MIとして入手可能である。PDMSは、シリコンウェハ上で65℃で2時間硬化される。その後で、PDMSをウェハから剥がして、隆起特徴部のパターンを有するスタンプが得られる。スタンプの隆起特徴部は、連続正方形メッシュパターン(メッシュループ)を有する領域と不連続正方形メッシュパターンを有する領域とを有する。連続正方形メッシュパターンは、図1bのメッシュループの形をとる。即ち、隆起特徴部は、連続正方形メッシュループ(図1bに示された連続的で破断のないメッシュループ)を画定する縁を共有する四角形の縁を画定する。不連続正方形メッシュパターンとは、普通なら完全な正方形メッシュパターンを画定する線分に選択的破断を含むものである。PDMSスタンプは、図1bのメッシュループ(図示せず)と相補的な領域に不連続正方形メッシュパターンを含む。破断部分は、約5μmになるように設計される。可視性を低下させるために、破断部分は、10μm未満、より好ましくは5μm未満、例えば1μm〜5μmであることが好ましい。隆起した正方形パターンはそれぞれ、2μmの高さを有し、また98%の開口面積に対応する2%の被覆面積と、幅2μmの線分を有する。正方形メッシュは、200μmのピッチを有する。スタンプは、正方形メッシュパターン領域と相互接続配線特徴部を有する第1の構造化面と、その反対側の第2の実質的に平らな面とを有する。

ひずみゲージ(力検出素子)が組み込まれたベースシートを以下のように作製する。直径2mmのガラスビーズを含むガラスペトリ皿内に、スタンプを構造面を上にして配置する。これにより、第2の実質的に平坦な面が、ガラスビーズと直接接触する。ビーズは、スタンプを皿の底から持ち上げる働きをし、これにより以下のようにインク溶液を実質的にスタンプの平坦面全体と接触させることができる。エタノール中の1−オクタデカンチオール(TCI America、Portland ORから入手可能)の10mMインク溶液を、ペトリ皿内のスタンプの下にピペットで滴下した。インク溶液は、スタンプの第2の実質的に平坦な面と直接接触する。インクがスタンプに広がるのに十分なインク付け時間(例えば、3時間)が経過した後で、第1のスタンプをペトリ皿から取り出す。ベースシートを、加工面上に、金属化面を上にして配置する。スタンプを、金属化ベースシート面上の角から1cm以内に、図1に示したような配向で、ループの端が角の方に向いた状態で配置する。インク付きスタンプを金属化基板と15秒間接触させ、取り外す。前述のスタンピング手順を、ベースシートの他の3つの角に繰り返す。ベースシートを、脱イオン水中の(i)0.030モルのチオ尿素(Sigma−Aldrich,St.Louis,MO)と(ii)0.020Mの硝酸第2鉄(Sigma−Aldrich)を含む銀エッチング溶液に3分間入れる。エッチング処理の後、得られたベースシートを脱イオン水ですすぎ、窒素ガスで乾燥させて、第1のパターン面を得る。インク付きスタンプが第1の金属化ベースシートの銀と接触した場所は、エッチング後も銀が残る。したがって、インク付きスタンプと銀薄膜が接触しなかった場所から銀が除去される。その結果、ポリカーボネートベースシート上の各角に1つずつ、4つのメッシュループ透明ひずみゲージが組み込まれる。

図1は、これにより得られた透明メッシュループひずみゲージを備えたタッチセンサを示し、力検出素子104(金属配線の微細パターンをそれぞれ含む)がポリカーボネートのベースシートに組み込まれ、ひずみゲージは、導電性メッシュループ(図1bに示された)の形をとる。メッシュループひずみゲージは、ベースシートの変形に応じて変化する電気抵抗を示す。具体的には、組み込まれたひずみゲージがタッチ圧力に対して裏側にあるようにベースシートが配向され、ひずみゲージがベースシートの角部に支持されている場合、タッチ圧力が大きくなるとゲージが引き伸ばされ、ゲージの電気抵抗値が上昇する。電気抵抗の変化の程度は、タッチセンサに印加された力にほぼ比例する。したがって、導電性配線微細パターンを含むメッシュループひずみゲージがそれぞれ、力検出素子104を構成する。タッチの位置は、例えば米国特許公開第2009/0243817号(Son)で当該技術分野で知られているように、以下の較正手順によって4つのひずみゲージ(力検出素子)の抵抗の変化を比較することによって決定することができる。導電性配線微細パターンを含む各メッシュループひずみゲージは、タッチ位置検出素子を構成する。前述のタッチセンサは、158mm×210mmの可視領域を液晶ディスプレイ(LCD)(即ち、ANDpSi104EA5S−HB−KIT from Purdy Electronics Corporation,Sunnyvale,CaliforniaからANDpSi104EA5S−HBキットとして入手可能な電子ディスプレイ)に重ねられ取り付けられる。タッチセンサは、その組み込まれたひずみゲージがディスプレイに面する状態で取り付けられる。タッチセンサの組み込まれたひずみゲージ(力検出素子104)は、電子ディスプレイの可視領域に重なる(即ち、力検出素子104は、電子ディスプレイの可視領域内に配置される)。

本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく本発明に様々な変更及び改変を行いうる点は、当業者には明らかであろう。本発明は、本明細書で述べる例示的な実施形態及び実施例によって不要に限定されない点、また、こうした実施例及び実施形態はあくまで例として与えられるものであり、本発明の範囲は、本明細書において以下に記載される「特許請求の範囲」によってのみ限定されるものである点は理解すべきである。本開示に引用される参照文献は全て、その全体を本明細書に援用するものである。