JP2005528740A - 圧力作動スイッチおよびタッチパネル - Google Patents

Abstract

本発明は切替可能な圧力作動電子装置を提供する。この切替可能な電子装置は２つの導体間に配置された複合材料を含む。複合材料は２つの導体間に圧力が印加されるとそれらを電気的に接続し、２つの導体間に圧力が印加されない時にはそれらを電気的に絶縁する。複合材料は少なくとも部分的に絶縁材料に埋め込まれた導電性粒子を含む。導電性粒子は第１および第２の導体間に行われる実質的にすべての電気的接続が単粒子を介するように配置されている。

Description

本発明は広くは圧力作動スイッチ装置およびタッチパネル装置に関し、さらに圧力の印加または停止によりこのような装置内で電気的接続を開閉するのに有用な材料に関する。

タッチスクリーンおよび薄膜スイッチは、指、スタイラス、または他の適当な物体により作動可能な便利なユーザインターフェース装置を提供する。多数の用途においてこれらの装置は、本来離間した導電膜、電極または回路をユーザによる圧力印加で接合させたときに信号を検出することにより機能する。

本発明は、第２の導体の方向に移動可能な第１の導体と、上記第１の導体と第２の導体との間に配置されて、その間の十分な圧力の付与により上記第１および第２の導体を電気的に接続するとともに、そのような十分な圧力が無い時には上記第１および第２の導体を電気的に絶縁するための複合材料とを含む切替可能な圧力作動電子装置を提供する。上記複合材料は、少なくとも部分的に電気的絶縁層に埋め込まれた複数の導電性粒子を含む。上記複数の導電性粒子は、意図的な相対配向を有さず、上記第１および第２の導体間で行われる実質的にすべての電気的接続が単粒子を介するように配置されている。

本発明はさらに、実質的にどの上記導電性粒子も相互に物理的接触しないように配置された複数の実質的に球状の導電性粒子を含む複合層を含み、上記複合層が２つの導体間に配置されるとともに、上記導体間に加えられる十分な力の付与時および停止時に可逆的に減少する厚さを有して、十分な力の付与中に１つ以上の上記導電性粒子を介して上記導体の電気的接続を可能にするとともに、十分な力の停止中に上記導体の電気的絶縁を可能にする切替可能な圧力作動電子装置を提供する。

また本発明は、第１の導体と、第２の導体と、十分な圧力の付与時に上記第１の導体を上記第２の導体に電気的に接続する手段と、十分な圧力の停止時に上記第１の導体を上記第２の導体から電気的に絶縁する手段とを含む切替可能な圧力作動電子装置を提供する。

またさらに本発明は、複数の導電性粒子を分散させるステップと、上記導電性粒子を絶縁材料の層内に少なくとも部分的に埋め込むステップと、上記絶縁材料および導電性粒子の層を第１の導体と第２の導体との間に配置するステップとを含み、十分な圧力の付与時に上記第１と第２の導体が１つ以上の単粒子接触を介して電気的に接続されるとともに、十分な圧力の停止時に上記第１と第２の導体が電気的に絶縁される切替可能な圧力作動電子装置を作製する方法を提供する。

さらに本発明は、圧力と共に可逆的に減少する厚さを有し、該層内に少なくとも部分的に埋め込まれた複数の不規則に位置付けされた導電性粒子を含む、電子スイッチにおいて使用する膜を提供する。上記粒子は上記層にわたる実質的にすべての位置に対して、上記層の厚さ内に多くても１つの単粒子がある。

さらにまた本発明は、第２の導体の方向に移動可能な第１の導体と、上記第１の導体と第２の導体との間に配置された複数の実質的に不規則に位置付けされた導電性粒子とを含み、上記導体間に十分な圧力が無い時には上記第１の導体が上記第２の導体から電気的に絶縁され、上記導体間に十分な圧力が付与されると上記第１の導体が上記第２の導体と１つ以上の単粒子接続を介して電気的に接触する電子スイッチを提供する。

本発明の電子スイッチを介して視認可能なディスプレイを含むディスプレイシステムも提供する。

上記の課題を解決するための手段は本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。以下の図面および詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例証する。

本発明は添付の図面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鑑みてより完全に理解されよう。

本発明は様々な変更例および代替形状に適用可能であるが、その詳細は図面内に例として示されているとともにさらに詳細に説明される。しかしその意図するものは本発明を記載の特定の実施形態に限定するものではないことは理解されよう。反対にその意図は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である。

本発明は、薄膜スイッチおよびタッチセンサなどの切替可能な圧力作動電子装置に関する。切替可能な圧力作動電子装置は十分な圧力の付与および停止を繰り返すことにより可逆的に作動可能な装置である。本発明の装置において十分な圧力とは、導体間に付与された場合にその導体間に電気接触を生じ、その電気接触により装置が信号を測定できる圧力である。電気接触には対象の導体要素間の直接的な物理的接触と、物理的接触がなされたか否かに関係ない対象の導体要素間の電子的結合（例えば容量結合によるもの）とがある。

導体間の電気的接続を行うために、本発明は導体間に分布させた導電性粒子を用いて、ほぼすべての電気接触を１つ以上の単粒子を介して行う、つまり両方の導体が同じ１つまたは複数の粒子と同時に接触するようにする。導電性粒子は絶縁材料に少なくとも部分的に埋め込まれており、導体間の十分な圧力がなくなったときに電気的接続を遮断することができる。例えば絶縁材料は圧力の付与時に変形することにより電気接触を行うことができ、圧力が付与されないと導体を元の離れた位置に戻す弾性材料でもよい。

導電性粒子を分布させて１つ以上の単粒子を介して電気接触を行うようにすることにはいくつかの利点がある。導体は単粒子を介して電気接触をしているため、各粒子接触に対する接触抵抗に寄与する接点は最大でも２箇所だけであり（導電性粒子が上部導体に接触するのが１つの接点であり、同じ導電性粒子が下部導体に接触するのが他の接点である）、この数の接触点は特定の装置の各作動に対して一貫している。これにより装置が作動される度に比較的低い接触抵抗およびより一貫した信頼性の高い再現可能な信号を生じる。接触抵抗が低いと信号損失が少なくなり、結局信号対ノイズ比が高くなるため、例えばタッチセンサ装置においてより正確な位置確定につながる。接触が一連の多数の粒子を介して行われると、接触が行われる粒子が完全に垂直に配列（すなわち装置の厚さ方向に配列）していない場合に、上部電極との電気接触が行われる横方向の位置が下部電極との電気接触が行われる横方向の位置からずれてしまう可能性がある。これが位置の不正確さおよび解像度の損失につながる恐れがある。

本発明で説明するような単粒子電気接触の他の利点は、粒子の配列要件および好適な粒子毎の配向がないことである。例えば粒子を配向および配列させするために製造中に磁界を印加する必要がないため、製造が容易になるとともに低コストになる。さらに磁気配列を利用する場合、導電性粒子が得られる膜の厚さ全体に及ぶため、他の絶縁層を適用して圧力のない時には構造全体が導電性でないようにしなければならない。粒子配列要件がないことにより、繰返し作動および／または比較的強い力の印加時に歪曲および破損する恐れのある装置の厚さ方向に垂直配向した配列ワイヤまたは細長いロッドを採用する装置に比べて耐久性も改善することができる。粒子配列および配向要件が無いため本発明の装置は、装置が湾曲、凸凹、または非平坦構成に搭載される用途に特に適する。

本発明の装置は、静止状態の（外的印加圧力の無い）導体間の間隙が導体間に配置されている最大導電性粒子よりも若干大きいだけでよいため非常に薄く作製することも可能である。そのようなものとして、信頼性が高く十分な解像度を維持しつつ比較的少ない粒子使用量とすることができる（例えば導体がパターン化されている場合）。薄い構成および低粒子密度は、ディスプレイまたは他の物体が装置を介して視認可能であるように作られる用途において重要となり得る。作動力（装置を作動させるのに必要な力）が装置の表面にわたって均一になるように、および／または外観が装置全体で比較的均一になるように粒子を分布させることもできる。低粒子密度を利用可能であることも、使用する粒子が少ないためコスト有利性がある。

導体間の間隙に導電性粒子と絶縁材料との複合材を充填して実質的に空隙がないようにすることにより、本発明の装置の光学特性を改善することができる。光が装置を透過する用途において、空隙がないことで光透過を改善することができる。粒子の不規則分布と好適な配向のないこととが製造の容易性と光学的効果に望ましいことがある。例えば垂直配列粒子スタックおよび垂直配列ワイヤは高角度で見た場合に装置の下のディスプレイまたは他の物質の視認性を減じる恐れがある。

図１は圧力作動電子装置を示しており、導電層１１０の形状の第１の導体と、第２の導電層１２０の形状の第２の導体と、第１および第２の導電層間のギャップ１３０とを含んでいる。導電層１１０および１２０の少なくとも一方は他方の導電層に対して、例えばユーザが外的圧力をかけることにより移動可能である。ギャップ１３０は絶縁材料内に全体または部分的に埋め込まれた導電性粒子を有する複合材料を含んでいる。絶縁することにより、材料が粒子および導体よりも十分に導電性が低くなるようにして、印加圧力を解除した時に圧力の印加時に行われた電気的接続が維持されないようになっている。

導電層１１０及び１２０はいずれも、連続したまたはパターン化された（例えば一連の線、バー、またはパッド等のような回路状）導電性シート、箔、またはコーティングであってもよい。導電層の材料には、金属、半導体、ドープ半導体、半金属、金属酸化物、有機導体および導電性高分子などの任意の適当な導電性材料が含まれる。代表的な無機材料には、電子装置で一般に用いられる銅、金および他の金属または金属合金、ならびに透明な導電性酸化物、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（ＡＴＯ）等などの透明な導電性材料が含まれる。代表的な有機材料には、導電有機金属化合物や、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、およびポリチオフェンなどの導電性高分子、ならびに欧州特許公開第１−１７２−８３１−Ａ２号明細書に開示された材料が含まれる。これらの導体は自立可能または基板上に設けることが可能である（図１には図示せず）。適当な基板は、例えば硬質プラスチック、ガラス、金属または半導体のような硬質であってもよいし、あるいは、例えば可撓性プラスチックフィルム、可撓性箔、または薄いガラスのような可撓性であってもよい。適当な基板は、用途に応じて透明でも不透明でもよい。

導体間に配置された複合材料は、絶縁材料に少なくとも部分的に埋め込まれた導電性粒子を含む。導電性粒子は圧力が装置に付与されて一方の導体を他方に対して移動させると、導体の両方に接触する単粒子を介して電気的接続を行うことができるように配置されている。そのようなものとして絶縁材料は、圧力の付与時に電気接触を行い、圧力が解除されるとその電気接触を遮断することができる変形性および弾力性を有することが好ましい。図２（ａ）は、絶縁層２５０に部分的に埋め込まれた導電性粒子２４０を含む複合材料２３０の一例を示す。図２（ｂ）は、絶縁層２５１に完全に埋め込まれた導電性粒子２４１を含む他の複合材料２３１の一例を示す。図２（ａ）および（ｂ）は本発明で有用な複合材料の実施形態を説明するのに役立つが、導電性粒子が絶縁層または材料の任意の特定な表面に対して任意の適当な位置に任意の適当な比率で完全にまたは部分的に埋め込まれた任意の適当な配置を用いることができる。本発明は導電性粒子が装置の厚さ方向に重なっている別例を有する複合材料を排除するものではない。

最も大きい導電性粒子は、少なくとも複合物の厚さ方向で粒度を測定した場合、絶縁材料の層の厚さより少なくともいくらかは小さいことが好ましい。これが装置の短絡の防止に役立ち得る。

代表的な導電性粒子には、連続導電性粒子外面を有する任意の適当な粒子が含まれる。例えば、導電性粒子は中実導電性粒子（例えば金属球）、導電性材料で被覆された中実粒子、導電性外殻を有する中空粒子、または導電性材料で被覆された中空粒子であってもよい。導電性材料は金属、導電性金属酸化物、有機導体および導電性高分子、半導体等であってもよい。被覆粒子の核は中実または中空のガラスもしくはプラスチックビーズ、セラミック粒子、カーボン粒子、金属粒子等であってもよい。導電性粒子は透明、半透明、着色または不透明であってもよく、表面が粗くても滑らかでもよく、さらに硬質でも変形可能でもよい。

用語「粒子」には、球体ビーズ、細長いビーズ、面取りファイバ、異形粒子等が含まれる。一般に粒子には、用途によって１：１〜約１：２０のアスペクト比を有するとともに、約１〜５００ミクロンの範囲の特有寸法を有する粒子状物質が含まれる。本発明では、導電性粒子を好適な配向または配列なしに複合材料内に分散している。

代表的な絶縁材料には、本発明の圧力作動装置の導体間に十分な電気的分離を維持できるとともに、絶縁材料を圧縮して１つ以上の単粒子接触を介して導体の電気接触を可能にするとともに導体間に十分な圧力が印加されなくなった時に導体を電気的に分離状態に戻すことができる変形性および弾力性を有する材料が含まれる。装置の応答時間（十分な圧力の印加時に装置を作動させるのにかかる時間）および装置の弛緩時間（十分な圧力の停止時に開回路を復元するのにかかる時間）の両方が十分に素早く特定の用途に与えられて、所望時間内に同じ箇所に他の入力が登録されることが好ましい。ある用途では迅速な繰返しタッチによる入力を可能にすることが望ましい。他の用途においては短時間の同じ箇所における他の入力を防止することが望ましい場合がある。エラストマー配合物は適当な絶縁材料特性を提供することができる。代表的な絶縁材料には、シリコーン類、ポリシロキサン類、ポリウレタン、ポリシリコーン−ポリウレタン類、ゴム、エチレン−ビニルアセテート共重合体類、フェノールニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリエーテル−ブロック−アミド類、およびポリオレフィン類、ならびに様々なゲルおよび他の材料が含まれる。例えば、特に装置が透明でない用途では、米国特許第５，６８６，７０５号明細書に開示されたようなゲル材料を用いることができる。

絶縁材料および複合材層の特性を選択することにより、本発明のスイッチ装置の様々な特性を創出、強化または調整することができる。例えば、エラストマー絶縁材料の柔軟性および／または粒子のサイズに対する絶縁層の厚さを調節することにより、装置の作動力を調整することができる。高い作動力は、手を拒絶する（すなわち例えば装置上に置いたユーザの手からのタッチ入力を記録しない）際に有用であり得る。低い作動力は、低力タッチ入力を検出することが望ましい場合に有用であり得る。

ある実施形態では、ディスプレイなどの物体が本発明の圧力作動装置を介して視認可能であることが望ましい場合がある。そのため可視光透過性基板、導体、および複合材料を提供することが好ましい場合がある。可視光透過性複合材料には実質的に透明または透過性のある絶縁材料および、可視光透過性または装置を介してかなりの量の光を透過可能な装填密度で設けられた導電性粒子がある。装置を介して物体が見ることが望ましい用途においても、装置を通して均一な外観の方が光透過率を最大限にすることより重要である場合がある。

より高い光透過率が望ましい場合、殆ど空隙がないように導体間のギャップを複合材料で充填するとともに、可視光の透過性をより大きくできるようにそれぞれの屈折率に十分に一致するように絶縁材料、導電性粒子の導電性コーティングまたは他の材料、および／または導体の材料用の材料を選択することにより、光透過率の大幅な改善を達成することができる。例えば透過性の導電性酸化物または導電性高分子で被覆された高分子ビーズを透明なエラストマーに配置して、本発明の装置上に包含用複合材料を形成することが可能であり、装置の複合材料の各要素ならびに導体および他の層の屈折率および光学特性を選択することにより、高透過性などの所望の光学特性を提供できる。

高透過率を必要とする用途に対しては、複合材料が透明な導体に対して浸潤することが好ましい。これが生じるためにはビーズがエラストマー材料内に完全に埋め込まれて滑らかな表面を形成することが有利であり得る。さらに切替可能な圧力作動装置の寿命時間を通して光学的透明度を維持するために、弾性絶縁材料は、粒子が電気的接続を行うために貫通する突抜点が見えなくなるような「セルフシール」特性を有することが好ましい。

複合材料は任意の適当な手法で提供することができる。一般に複合材料の作製または提供には、導電性粒子を分布させることおよび、導電性粒子を絶縁材料内に少なくとも部分的に埋め込むことが含まれる。例えば、まず粒子を表面上に分布させて、絶縁材料を粒子の層に被覆する、圧着させる、または積層してもよい。粒子が分布した表面は装置の一層、例えば導体の一方または粒子が絶縁材料内に埋め込まれた後除去されるキャリア基板でもよい。他の例として、粒子を絶縁材料内に分散させて、得られた複合物を塗布して複合材料を形成してもよい。さらに他の例として、絶縁材料を例えば塗布することにより層として設け、その後導電性粒子をその絶縁材料の層上に分布させてもよい。絶縁材料層内への粒子の埋め込みは、絶縁材料の任意加熱によって絶縁材料を軟化させた状態で粒子を絶縁材料の層内に押し込み、または絶縁材料が未硬化あるいは軟化状態にあるときに粒子を絶縁材料層上に分布させて選択的に押し込み、続いて絶縁材料を硬化、冷却等によって固化させることにより行うことができる。

代表的な導電性粒子の分散方法には、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／００８，４６８号明細書に開示されたものがある。概説すると、粒子が層上に不規則に位置するように粒子の分布を助ける電界が存在する中で、粒子を絶縁材料の層上に分配することができる。粒子は静電気を帯びて互いに反発するようになるため、横方向の電気的接続および粒子の凝集はほぼ避けられる。また電界を用いて粒子を膜に引きつけることもできる。このような方法は導電性粒子の不規則な、非集合分布を生じることができる。粒子を比較的均一な（単位面積当たりの粒子の数）分子の分布状態の所定の密度で適用することができる。またウェブをバフ研磨することにより粒子の分布をさらに良好にすることができる。

他の導電性粒子の分散方法を用いることもできる。例えば粒子を、国際公開第００／００５６３号パンフレットに開示されているような超小型複製剥離裏地のポケットに堆積させてもよい。その後絶縁材料を、この粒子充填裏地上に塗布または押し付けることもできる。圧力作動装置の導体間に行われる電気接触が実質的にすべて１つ以上の単粒子接触を介するように粒子を複合材料内に分布させているものであれば、いかなる他の粒子の分布または分散方法も用いることができる。この場合、複合材内の積層粒子すなわち複合材の厚さ方向に重複して配置された２つ以上の粒子の発生を低減または排除するように注意しなければならない。粒子を絶縁材料に導入する方法に対しては、気泡の含有または形成を低減または排除するように注意することが好ましい。

粒子を媒体上に配置するのに用いられる方法は、面内（ｘ−ｙ）方向の粒子間の接触を最小限に抑えるべきである。３つ以上の粒子が接触しないことが好ましく、２つの粒子が互いに接していないことがさらに好ましい。これは粒子接触による面内方向の短絡を防止することができるとともに、用途が多数の近接間隔電極を必要とする場合に特に好ましい。

図３（ａ）および３（ｂ）は、１つ以上の単粒子を介する物理的な接触により電気接触が達成される代表的な薄膜スイッチにおける本発明の装置の使用を図示している。薄膜スイッチ３００は第１の導体３１０と、第２の導体３２０と、導体間に配置された絶縁性マトリックス３５０内の導電性粒子３４０とを含む。図３（ａ）に示したように、導体間に圧力が印加されていない場合は、導体は絶縁材料により電気的に絶縁している。図３（ｂ）に示したように十分な圧力Ｐが第１の導体３１０に印加されると、単粒子接触を介して第１および第２の導体間の電気接触が生じる。単粒子接触とは、１つ以上の導電性単粒子が個別に第１および第２の導体の両方に接触する第１および第２の導体間の電気接触である。

導電性粒子は粒子がサイズ（または形状）が全く同じにならないようなサイズ分布を有している。これらの状況において、より大きい導電性粒子は電気接触を、より小さい隣接粒子より先に、あるいは小さい隣接粒子には電気接触をさせずに、行うことができる。このことの発生の有無および程度は、粒子のサイズおよび形状分布、粒子の凝集の有無、粒子の装填密度、可動導体（または可動導体／基板の組み合わせ）の局所的変化に対して撓曲して適合する能力、粒子の変形性、粒子が埋め込まれている絶縁媒体の変形性等による。このようなものとして、これらおよび他の特性を調節して、十分な圧力が第１および第２の導体間に印加された時に単位面積当たり所望の数の単粒子電気接触を行うことができるようにする。例えば導体がパターン化されている場合（例えば導体が個別の線を表わす場合）、それぞれの導体パターンが重なる部分間に少なくとも１つ好ましくは１つより多い単粒子接触を行うことができるように、十分な圧力の印加時の単粒子接触の平均間隔は回路間隔寸法よりも少なくともいくらかは小さいことが望ましい。

いくつかの実施形態において粒度分布が比較的狭いことが好ましく、状況によっては粒子すべてがほぼ同じサイズであることが好ましい場合がある。いくつかの実施形態において二峰性の粒度分布を有することが望ましい場合がある。例えば複合材料中に分散した２つの異なるタイプの粒子、より大きな粒子とより小さな粒子を有することが望ましい場合がある。二峰性の粒子分散を含む一実施形態において、より大きな粒子が低導電率を有し、より小さな粒子が高導電率を有することが可能であり、これらの粒子は低力タッチがより大きな粒子を介して電気接触を生じ、高力タッチがより小さな粒子を介してさらに電気接触を生じるように分布している。低力タッチからの信号はこうして高力タッチにより生成される信号から区別される。このような二峰性の粒子分布を有する複合材料を使用するタッチセンサを用いて、例えば低タッチ力でアイコンを反転表示することができるとともに、同じ箇所で高タッチ力を印加することによりアイコンにより表示されるプログラムを開くことにより、同じ箇所に単にさらに力を印加するだけで一種のダブルクリック操作を行うこともできる。

図４（ａ）および４（ｂ）は、代表的な抵抗タッチパネル４００における本発明の装置の使用を図示している。タッチパネル４００は可撓性基板４１２上の第１の導電層４１０と、基板４２２上の第２の導電層４２０と、導電層間に配置された複合材料と含み、複合材料は絶縁性マトリックス４５０内に導電性粒子４４０を含む。図４（ａ）に示したように、圧力が印加されていない場合は、導電層同士は電気的に分離している。図４（ｂ）に示したように指Ｆ（もしくはスタイラスまたは他の物体）からのタッチ力の付与により可撓性制基板４１２上に局所的圧力が生じ、その圧力により基板４１２および導電層４１０は導電層４２０の方向に局所的に移動することができる。十分な力を加えると、導電層４１０および４２０間の電気接触が１つ以上の単粒子接触を介して達成できる。図示のように電気接触は導電層間で粒子４４０Ａおよび４４０Ｂとの単粒子接触を介して行われる。指または他の物体を外すと、基板４１２および導電層４１０は導電層が再び電気的に絶縁した位置に戻ることができる。

図５（ａ）および５（ｂ）は、単粒子電気的接続が導体の容量結合を介して行われる一実施形態を図示している。図５（ａ）は下部導体５２０と、上部絶縁基板５１２と、導体５２０と基板５１２の間の絶縁材料５５０内に配置された導電性粒子５４０とを含む切替可能な圧力作動装置５００を示す。上部導体５１０は、圧力を加えて装置を作動させるのに用いられる物体であり、電気を伝えることができる任意の物体、例えば装置に繋留された導電性スタイラス、ユーザの手に保持された非繋留導電性スタイラス、指、または他の類似の物体でよい。図５（ｂ）に図示したように導電性タッチ器具５１０から圧力を印加することで導電性粒子を導体５２０に接触させるとともに、導電性タッチ器具５１０と導電性粒子５４０の間の距離を十分に減少させるため、容量結合を行って装置内に信号を生成することができるようになっている。

図６はディスプレイ要素６０１と共に使用するのに適合した圧力作動電子装置６００を示す。圧力作動電子装置６００は、絶縁材料内に少なくとも部分的に埋め込まれた導電性粒子を有する複合材料を含み、この導電性粒子および絶縁材料は、可視光透過性であるとともに、視認者Ｖが装置６００を介してディスプレイ要素６０１を視認できるように十分な屈折率を有する。ディスプレイ６０１は恒久的または交換可能なグラフィックス（例えばピクチャ、マップ、アイコン等）ならびに液晶ディスプレイ、冷陰極管、プラズマディスプレイ、エレクトロルミネセントディスプレイ、有機エレクトロルミネセントディスプレイ、電気泳動ディスプレイ等などの電子ディスプレイを含む。

他の実施形態ではディスプレイ要素またはグラフィックスを切替可能な装置上に配置することが可能であり、装置は透過性でなくてもよい。切替可能な装置上に配置する場合、ディスプレイ要素は恒久的（印刷グラフィックスまたは他の標識など）でもよいし交換可能（例えば取り外し可能オーバーレイ）でもよい。

大多数の抵抗タッチスクリーンは、透明導電層の間に配置された空隙とスペーサドットとを含む。この空隙を充填材で充填することによりタッチスクリーンの外観を改善できる。透明な導電層は一般にＩＴＯまたは他の透過性導電性酸化物で作製され、これらの材料は高屈折率を有するため導体間に空隙を有するタッチスクリーンにおいて高い反射量をもたらす。空隙を材料で充填することを利用して空隙を排除し、より良好な装置透過性を提供することができる。空隙を充填することにより、装置の寿命を減少させる亀裂や剥離しやすい透過性導電層に対して充填材がもたらす保護による耐久性の増加などの、他の利点を提供できる。

図７はタッチパネル用途において用いる本発明の電子装置の他の実施形態を示す。タッチパネル７００は上部基板７１２と、上部基板７１２上に配置された一連の並行導電性バー７１０にパターン化された導電層と、バー７１０に直交して配向された一連の並行導電性バー７２０を有する下部基板７２２と、基板と導電性バーとの間に配置された複合材料とを含み、複合材料は絶縁材料７５０と導電性粒子７４０とを含む。導電性粒子は、分布するとともに、指、スタイラス、または他の適当な物体からの十分なタッチ力の付与が１つ以上の単粒子接触を介して上部導電性バー７１０のうちの１つを下部導電性バー７２０のうちの１つと電気的接続できるようなサイズおよび局所的密度を有する。接続されたバー間の電流を検出することにより、このシステムは印加タッチの箇所を判断できる。タッチパネル７００は透明または不透明に作製可能である。

図７に図示した装置は、薄膜スイッチのアレイまたはアセンブリとして同様に用いることができる。そのようなものとして、スイッチの位置を規定するためのダイカットスペーサ層などの別の要素を必要とせずに任意の所望分布で配置した複数のスイッチを作製することができる。さらにスイッチ用の上部および下部電極を位置合わせするための配列要件が緩和できる。このため本発明は薄膜スイッチを設計および配置する際のさらなる自由度を提供する。

図８は本発明による装置の他の実施形態を示す。切替可能装置８００は基板８１２上に配置された導体８１０と、基板８２２上に配置された他の導体８２０とを含む。導体８１０または導体８２０のいずれかは他方の導体の方向に移動可能である。導体８１０と８２０の間に配置されているのが導電性粒子８４０であり、弾性のある変形可能な絶縁材料８５０に部分的に埋め込まれるとともに、硬質絶縁層６８０に部分的に埋め込まれて固定されている。硬質層８６０を用いて導電性粒子の位置を固定して移行時間を削減するため、より一貫した再生可能な電気接触を、そのためより再生可能な信号をもたらすことができる。図８に図示した装置は、導電性粒子を各粒子の少なくとも一部が硬質材料の各側に露出するような状態で硬質材料の層に部分的に埋め込まれるように変更することができる。この場合、弾性のある変形可能な絶縁材料を、下部導体と強固に固定された導電性粒子との間および上部導体と強固に固定された導電性粒子との間に配置することができる。

実施例１
米国特許出願第１０／００８，４６８号明細書に開示されているプロセスを用いて薄膜スイッチを構成して熱い溶融接着剤の厚さ５０ミクロンの層上に銀被覆ガラスビーズを分布させた。銀被覆ガラスビーズは、コンダクト−Ｏ−フィル（Ｃｏｎｄｕｃｔ−Ｏ−Ｆｉｌｌ）^TMＳ−３０００−Ｓ３Ｐという商標名で、ペンシルバニア州ヴァリフォージのポターズ・インダストリーズ（Ｐｏｔｔｅｒｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（Ｖａｌｌｅｙ Ｆｏｒｇｅ，ＰＡ））から市販されているものであった。銀被覆ガラスビーズは４３ミクロンの平均径を有していた。熱い溶融接着剤は、ペバックス（Ｐｅｂａｘ）３５３３という商標名でペンシルバニア州フィラデルフィアのエルフ・アトケム（Ｅｌｆ Ａｔｏｃｈｅｍ（Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，ＰＡ））から入手可能な樹脂と、ニレズ（Ｎｉｒｅｚ）２０４０という商標名でフロリダ州パナマシティのアリゾナ・ケミカル（Ａｒｉｚｏｎａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｐａｎａｍａ Ｃｉｔｙ，ＦＬ））から入手可能な粘着付与剤樹脂との５０：５０の混合物であった。この混合物を厚さ５０ミクロンに熱押出しして、銀被覆ガラスビーズをその上に分布させて複合材料を形成した。分布ビーズの平均密度は平方ミリメートル当たり約１４０であった。

そして複合材料を各々厚さ１００ミクロンの２つの銅箔間に挟持した。そしてこの構成物をスライドガラスに接着して機械的に支持した。組立後に導電層の両方に接触する粒子による短絡は見られなかった。

２つの銅箔をオーム計に接続して、上部の銅箔を指で押圧する際のそれらの間の抵抗を監視した。力を加えない時の「オフ」状態のスイッチの抵抗は２００ＭΩより大きく、指で押圧した時の「オン」状態のスイッチの抵抗は１Ωより小さかった。このスイッチサイクルを５００を超える回数繰り返したがスイッチはなお機能可能であった。

実施例２
銀被覆ビーズを厚さ５０ミクロンの、シリコーン（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）７３４という商標名でミネソタ州ミッドランドのダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（Ｍｉｄｌａｎｄ，ＭＩ））から市販されているシリコーン材料のナイフ塗布層上に分配したことを除いて実施例１と同様に薄膜スイッチを構成した。その層が剥離裏地上に塗布された直後にシリコーン層状にビーズを分配した。分配ビーズの平均密度は平方ミリメートル当たり約１４０であった。シリコーンおよびビーズを６０℃の炉内に約２時間配置することによりシリコーンを硬化させるとともにビーズをシリコーン層内に沈めることができた。硬化後、複合材を裏地から剥離して実施例１と同様に２つの１００ミクロン厚さの銅箔間に挟持した。組立後に導電層の両方に接触する粒子による短絡は見られなかった。

機械的点接触作動装置を構成して薄膜スイッチの繰返しテストを行った。ＤＣモータ駆動プランジャに、バンポン（Ｂｕｍｐｏｎ）^TMという商品名でミネソタ州セントポールの３Ｍカンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ，Ｐａｕｌ，ＭＮ））から市販されている１１ｍｍの直径を有する環状シリコーンゴムパッドを取り付けた。このプランジャを用いてスイッチを作動させたが、シリコーンゴムパッドは上部銅箔に接触していた。このプランジャおよびパッドの重量は１０４グラムであった。モータをセットして、プランジャをスイッチから僅かな距離上昇させてその後解放することによってスイッチを毎秒４回作動させることにより、プランジャの重量でスイッチ上に圧力を加えて作動させることができた。

「オン」状態のスイッチの抵抗は約１Ωであり、「オフ」状態のスイッチの抵抗は２０ＭΩより大きかった。このスイッチを１２６万６，０００サイクルを超える回数繰り返したが性能の顕著な劣化はなかった。

実施例３
シリコーン層の厚さが約３５ミクロンであることを除いて実施例２で作製したものと同一の薄膜スイッチを構成した。組立後に導電層の両方に接触する粒子による短絡は見られなかった。このスイッチを非常に軽い指タッチにより作動させた。７８ｍｍ²の設置面積を有する２５グラムの重量を有するスイッチが作動したことが認められた。「オン」状態のスイッチの抵抗は約１Ωであり、「オフ」状態のスイッチの抵抗は２０ＭΩより大きかった。

実施例４
３Ｍスコッチ−ウェルド・ボンディング・フィルム（Ｓｃｏｔｃｈ−Ｗｅｌｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｆｉｌｍ）５３８という商標名でミネソタ州セントポールの３Ｍカンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ，Ｐａｕｌ，ＭＮ））から市販されている厚さ５０ミクロンのニトリルゴム膜をシリコーン材料の代わりに用いたことを除いて、実施例２で作製したものと同一の薄膜スイッチを構成した。得られたスイッチは作動のために１平方センチメートル程度の面積に対して約５００グラムを要した。「オン」状態のスイッチの抵抗は約１Ωであり、「オフ」状態のスイッチの抵抗は２０ＭΩより大きかった。

実施例５
透明なタッチセンサ装置を作製した。まず４３ミクロン径の銀被覆ガラスビーズを、ＲＴＶ７３４クリア（Ｃｌｅａｒ）という商標名でミネソタ州ミッドランドのダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（Ｍｉｄｌａｎｄ，ＭＩ））から市販されている透明なシリコーン材料の厚さ５０ミクロンの層上に分布させた。これらのビーズは実施例１と同様に分布させた。その後このシリコーン層を硬化させた。そしてこの複合材をＩＴＯで被覆した厚さ約２５ミクロンのＰＥＴの２枚のシート間に、シートのＩＴＯ層を対向させて配置した。またＰＥＴシートは、例えばコントローラに対する電気的接続を行うために銀線を有していた。比較のために装置の小さな区域を開けておいた（すなわちＩＴＯ層間の複合材料が無い）。

デジタルボルトメータを構成物の各側の銀線に取り付けた。パーム（Ｐａｌｍ）^TMという商標名でカナダ、サンタクララのパーム・インコーポレイテッド（Ｐａｌｍ，Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ））から入手可能なスタイラスのような、ハンドヘルドコンピュータと共に用いるものなどの一般に入手可能なスタイラスを用いてこの構成物にタッチ力を加えた。このスタイラスから「開放」区域にタッチ力を加えて直接ＩＴＯ−ＩＴＯ接触を行ったところ、約２０００〜８０００Ωの抵抗を生じた。複合材料を有する区域でこのスタイラスからタッチ力を加えて１つ以上の単粒子接触を介してＩＴＯ−ＩＴＯ接触を行っても約２０００〜８０００Ωの抵抗を生じた。この装置を３０回以上タッチしたが、複合材料は絶縁（「オフ」状態）および導電（「オン」状態）の間で可逆的にスイッチングを生じた。

このタッチセンサも、マサチューセッツ州メシューエンの３Ｍタッチ・システムズ・インコーポレイテッド（３Ｍ Ｔｏｕｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．（Ｍｅｔｈｕｅｎ，ＭＡ））から市販されている抵抗タッチセンサコントローラに接続することによりテストした。スタイラスを用いてＩＴＯコーティング間に複合材料を有する区域内でセンサにタッチすると、コントローラはタッチを登録することができた。

実施例６
導電性粒子が分散された上記の実施例に使用された透明なシリコーンの自立膜を作製して、本発明で有用な複合材料に対して達成可能な透明度をテストした。

６３ミクロンの平均直径（Ｄ）を有するＩＴＯ被覆ガラスビーズを透明なシリコーン内に分散させる（平方ミリメートル当たり１５粒子の平均粒子密度）とともに、約７８ミクロンの厚さ（ｄ）を有する自立複合膜を作製した。他の自立複合膜を、透明なシリコーンを用いて上記の実施例で使用した銀被覆ガラスビーズを含み（４３ミクロンの平均直径（Ｄ）、平方ミリメートル当たり１４０粒子の粒子密度）、膜厚（ｄ）が約６０ミクロンで作製した。第３の自立複合膜を、透明なシリコーンを用いて上記の実施例で使用した銀被覆ガラスビーズを含み（２３ミクロンの平均直径（Ｄ）、平方ミリメートル当たり８０粒子の粒子密度）、膜厚（ｄ）が約３７ミクロンで作製した。そしてこれらの膜を測定して、可視光の全透過率（Ｔ_T）（４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲に対する平均透過率）、および可視光の全反射率（Ｒ_T）（４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲に対する平均反射率）を求めた。その結果が表Ｉに報告されている。

実験誤差により、報告透過率および反射率は２％以内の精度である。この結果は高透過性複合材料を作製可能であるとともに、僅かな光吸収しかないということを示している。

本発明は上記の特定の実施例に限定されるものと考えるのではなく、添付の請求項に公正に記載されているように本発明の態様のすべてを網羅するものと考えなければならない。現明細書を検討することにより本発明が対象とする当業者には様々な変更例、同等のプロセス、ならびに本発明が適用可能な多数の構造が容易に明らかになるであろう。

感圧電子装置の概略側面図である。 本発明の感圧電子装置で有用な複合材料の概略側面図である。 本発明の感圧電子装置で有用な複合材料の概略側面図である。 本発明の感圧電子装置を組み込んだ薄膜スイッチの概略側面図である。 本発明の感圧電子装置を組み込んだ薄膜スイッチの概略側面図である。 本発明の感圧電子装置を組み込んだタッチパネルの概略側面図である。 本発明の感圧電子装置を組み込んだタッチパネルの概略側面図である。 本発明による切替可能な圧力作動装置の他の実施形態の概略側面図である。 本発明による切替可能な圧力作動装置の他の実施形態の概略側面図である。 ディスプレイ要素に関連する感圧電子装置の概略側面図である。 本発明の感圧電子装置を組み込んだタッチパネルの概略側面図である。 本発明による切替可能な圧力作動装置の他の実施形態の概略側面図である。

Claims (48)

1. 第２の導体の方向に移動可能な第１の導体と、
   前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されて、その間の十分な圧力の付与により前記第１および第２の導体を電気的に接続するとともに、前記十分な圧力が無い時には前記第１および第２の導体を電気的に絶縁するための複合材料と、
   を含む、切替可能な圧力作動電子装置であって、
   前記複合材料は、少なくとも部分的に電気的絶縁層に埋め込まれた複数の導電性粒子を含み、
   前記複数の導電性粒子は、意図的な相対配向を有さず、前記第１の導体と前記第２の導体との間で行われる実質的にすべての電気的接続が単粒子を介するように配置されている、切替可能な圧力作動電子装置。
2. 薄膜スイッチを含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
3. 薄膜スイッチのアレイを含み、前記薄膜スイッチの各々が個別に作動可能である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
4. タッチセンサを含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
5. 前記第１および第２の導体が導電性材料のシートまたはコーティングを含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
6. 前記第１および第２の導体がそれぞれ第１および第２の基板上に配置されている、請求項５に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
7. 前記第１および第２の基板の少なくとも一方が可撓性である、請求項６に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
8. 前記第１および第２の基板の少なくとも一方が硬質である、請求項６に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
9. 前記第１および第２の基板の少なくとも一方が透明である、請求項６に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
10. 前記第１および第２の導体が透明である、請求項５に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
11. 前記第１および第２の導体の少なくとも一方が透明な導電性酸化物を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
12. 前記第１および第２の導体の少なくとも一方が金属を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
13. 前記第１および第２の導体の少なくとも一方が有機導体を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
14. 前記第１および第２の導体の少なくとも一方がパターン化されている、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
15. 前記第１および第２の導体の少なくとも一方が回路を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
16. 前記複合材料が、前記第１と第２の導体間に実質的に空隙が存在しないように前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されている、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
17. 前記電気的絶縁層が可視光に対して透過性を有する、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
18. 前記電気的絶縁層がエラストマー材料を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
19. 前記電気的絶縁層がシリコーン材料を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
20. 前記導電性粒子が実質的に球状である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
21. 前記導電性粒子が金属を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
22. 前記導電性粒子が導電性コーティングを有するコア粒子を含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
23. 前記導電性コーティングが金属を含む、請求項２２に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
24. 前記導電性コーティングが透明な導電性酸化物を含む、請求項２２に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
25. 前記導電性コーティングが有機導体を含む、請求項２２に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
26. 前記コア粒子がガラス粒子を含む、請求項２２に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
27. 前記コア粒子が中空粒子を含む、請求項２２に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
28. 前記導電性粒子が透明である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
29. 前記導電性粒子が半透明である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
30. 前記導電性粒子が着色されている、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
31. 前記導電性粒子が不透明である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
32. 前記導電性粒子が変形可能である、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
33. 前記導電性粒子が実質的に同一サイズである、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
34. 前記導電性粒子が二峰性のサイズ分布を呈する、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
35. 前記第１の導体が導電性スタイラスを含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
36. グラフィックスまたは印をさらに含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
37. 前記導体および複合材料を介して視認可能なディスプレイ要素をさらに含む、請求項１に記載の切替可能な圧力作動電子装置。
38. 実質的にどの導電性粒子も相互に物理的接触しないように配置された複数の実質的に球状の導電性粒子を含む複合層を含む、切替可能な圧力作動電子装置であって、
    前記複合層にわたる実質的にすべての位置に対して、前記層の厚さ内に多くても１つの単粒子があり、
    前記複合層が２つの導体間に配置されるとともに、前記導体間に加えられる十分な力の付与時および停止時に可逆的に減少する厚さを有して、十分な力の付与中は１つ以上の前記導電性粒子を介して前記導体の電気的接続を可能にするとともに、十分な力の停止中は前記導体の電気的絶縁を可能にする、切替可能な圧力作動電子装置。
39. 切替可能な圧力作動電子装置を作製する方法であって、
    複数の導電性粒子を分散させることと、
    前記導電性粒子を絶縁材料の層内に少なくとも部分的に埋め込むことと、
    十分な圧力の付与時に第１および第２の導体が１つ以上の単粒子接触を介して電気的に接続されるとともに、十分な圧力の停止時に前記第１および第２の導体が電気的に絶縁されるように、前記絶縁材料および導電性粒子の層を前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置することと、
    を含む方法。
40. 前記複数の導電性粒子を分散させることが、前記粒子が相互に反発するように前記粒子を帯電させることと、前記粒子を表面に分配することとを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記表面が前記絶縁材料の層の表面である、請求項４０に記載の方法。
42. 前記導電性粒子を前記絶縁材料の層内に少なくとも部分的に埋め込むことが、前記導電性粒子を前記絶縁材料の層内に押し込むことを含む、請求項３９に記載の方法。
43. 前記導電性粒子を前記絶縁材料の層内に少なくとも部分的に埋め込むことが、前記絶縁材料の層を加熱して前記導電性粒子が前記絶縁材料の層の表面内に沈むようにすることを含む、請求項３９に記載の方法。
44. 前記導電性粒子を分散させることと前記導電性粒子を前記絶縁材料の層内に埋め込むこととが、前記導電性粒子を前記絶縁材料の液体前駆体内に分散して塗布可能複合材を形成することと、前記塗布可能複合材を塗布して複合層を形成することと、前記液体前駆体を固化してその内部に分散された前記導電性粒子を有する前記絶縁層を形成することと、を含む、請求項３９に記載の方法。
45. 電子スイッチにおいて使用する膜であって、
    圧力と共に可逆的に減少する厚さを有する層と、該層内に少なくとも部分的に埋め込まれた複数の不規則に配置された導電性粒子と、を含み、前記層にわたる実質的にすべての位置に対して、前記層の厚さ方向に多くても１つの単粒子がある、膜。
46. 第２の導体の方向に移動可能な第１の導体と、
    前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置された複数の実質的に不規則に配置された導電性粒子と、
    を含み、
    前記導体間に十分な圧力が無い時には前記第１の導体が前記第２の導体から電気的に絶縁され、前記導体間に十分な圧力が付与されたときは前記第１の導体が前記第２の導体と１つ以上の単粒子接続を介して電気的に接触する、電子スイッチ。
47. 第２の導体の方向に移動可能な第１の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置された複数の実質的に不規則に配置された導電性粒子とを含む電子スイッチを介して視認可能なディスプレイを含むディスプレイシステムであって、前記導体間に十分な圧力が無い時には前記第１の導体が前記第２の導体から電気的に絶縁され、前記導体間に十分な圧力が付与されたときは前記第１の導体が前記第２の導体と１つ以上の単粒子接続を介して電気的に接続される、ディスプレイシステム。
48. 第１の導体と、
    第２の導体と、
    十分な圧力の付与時に前記第１の導体を前記第２の導体に電気的に接続する手段と、
    十分な圧力の停止時に前記第１の導体を前記第２の導体から電気的に絶縁する手段と、
    を含む、切替可能な圧力作動電子装置。

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