JP2009503649A - タッチセンサと直接実装式電子コンポーネントの一体化 - Google Patents

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Abstract

タッチセンサオーバーレイと、フレームによって所定の位置に保持されている1つ以上の回路基板とを含むタッチセンサアセンブリを開示する。前記タッチセンサオーバーレイには、複数個のタッチ感応性素子と、タッチセンサの外辺部に配置されている前記タッチ感応性素子に接続している複数個の導体とを含む。前記1つ以上の回路基板は、タッチセンサの外辺部で複数個の導体に電気接続している。前記回路基板には、タッチセンサオーバーレイ上に触れることによって前記タッチ感応性素子から送られる信号を調節するための回路が包含されている。また、回路基板をタッチセンサオーバーレイに結合する方法も開示する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2005年7月21日に出願された米国特許仮出願番号60/701,283号の利益を主張するものである。
本出願は、一体型電子コンポーネントが組み込まれているタッチセンサオーバーレイ、及び、電子コンポーネントをタッチセンサオーバーレイと一体化させる方法に関するものである。
タッチセンサは、コンピュータシステム、とりわけディスプレイが含まれているコンピュータシステムとやりとりを行うための有用かつ直感的な方法をもたらすことが可能である。多くの特許出願において、タッチセンサは、ディスプレイ上に配置されている透明なオーバーレイの形状で提供されている。タッチセンサオーバーレイには典型的に、タッチセンサのタッチ感応性素子によって取得された信号を制御用電子素子に送る信号線がある。前記制御用電子素子が、前記信号を用いてタッチ位置などのタッチ事象に関する情報を割り出す。
本発明は、タッチセンサオーバーレイと、フレームによって所定の位置に保持されている1つ以上の回路基板とを含むタッチセンサアセンブリを提供する。本タッチセンサオーバーレイには、複数個のタッチ感応性素子と、タッチセンサの外辺部に配置されている前記タッチ感応性素子に接続している複数個の導体とを含む。前記1つ以上の回路基板は、タッチセンサの外辺部で複数個の導体に電気接続している。前記回路基板には、タッチセンサオーバーレイに触れることによって前記タッチ感応性素子から送られる信号を調節するための回路が包含されている。
一部の実施形態では、硬質基材にラミネートされている1つ以上の軟質フィルムを、タッチセンサオーバーレイの構造に含むことが可能である。この場合、軟質フィルム上には、複数個のタッチ感応性素子及び複数個の導体が形成されている。特定の実施形態では、例えば、前記1つ以上の軟質フィルムと硬質基材の熱膨張係数を限界値とする範囲内に熱膨張係数が収まっているフレームを用意することによって、フレームの熱膨張係数をタッチセンサの材料と一致させるのが望ましい場合がある。一部の実施形態では、フレームに、例えばフレームとタッチセンサの一部との間、フレームと1つ以上の回路基板との間、及び/又は、1つ以上の回路基板とタッチセンサの一部との間の間隔を制御するための自己固定機能を搭載することができる。
また本発明は、電子素子をタッチセンサオーバーレイに結合する方法も提供する。前記方法では、複数個のタッチ感応性素子と、タッチセンサの外辺部に配置されているタッチ感応性素子に接続している複数個の導体とを含むタッチセンサを用意する。更には、タッチセンサ上に触れることによって前記タッチ感応性素子から送られる信号を調節するための回路が包含されている1つ以上の回路基板も用意する。前記回路基板の各々には、複数個の導電接触区域がある。前記方法には、タッチセンサの外辺部に絶縁性接着剤を施しかつ前記接着剤に開口を形成して、タッチセンサ上に複数個の導体を個々に露出させることが含まれている。導電材を前記複数個の導体上に配置し、1つ以上の回路基板をタッチセンサの外辺部に位置決めして、前記導電材によって、導電接触区域の各々が複数個の導体のうちの1つに電気接続されるとともに、前記接着剤によって回路基板がタッチセンサに結合されるようにする。
一部の実施形態において、前記方法には、1つ以上の回路基板を位置決めするのを補助する目的で、及び/又は、フレームとセンサとの間、回路基板とセンサとの間、若しくは、フレームと回路基板との間の間隔を制御する目的で、フレームを用いることを含むことができる。
上記の概要は、本開示の各実施形態、又は、すべての実施法について記載することは意図していない。利点及び功績、並びに、本発明に対する更に徹底的な理解は、以下の「発明を実施するための最良の形態」及び請求項を添付図面と併せて参照すれば、明確化且つ評価されることになるだろう。
本発明は、添付図面と併せて、本発明の様々な実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、更に完全に理解されることになるだろう。
本開示は、タッチセンサ、及び、タッチセンサ上に直接実装されている電子コンポーネントを備えている一体型タッチセンサアセンブリに関するものである。このようなタッチセンサアセンブリは、制御用電子素子との通信前にタッチ信号を調節する回路を用いるのが望ましい用途で、とりわけ有用であろう。
大半の用途で用いられているタッチスクリーンでは、センサ上のトレースと回路基板とに接続している軟質の尾部が採用されている。このアプローチは、接続数が4、5、更には、8本のリード線に制限されているものの、50〜100本、又はそれ以上に近いリード線の数が考えられるグリッド構成では管理不能になる用途では有効に働く。リード線の数の多さは、例えば複数個の導電性検出素子が用いられているマトリクス型タッチセンサで見られる場合がある。前記タッチセンサの設計では、検出素子のリード線に対する比率が低いこと(例えば1対1)が求められる。このようなタッチセンサは、静電容量式タッチシステム、誘導式ペンタッチシステム、及び、これらに類似のシステム、例えばタブレットPCのように高分解能のペン及び/又はタッチ入力を必要とする用途で用いられているか、又は用いることが想定されているシステムで用いるのが好適と思われる。例としては、米国特許公開第2004/0155871号、同2004/0095333号、及び、同2005/0083307号で開示されているものが挙げられ、これらの文献は参照することにより本明細書に組み込まれる。
リード線の数の多さの問題を解決する1つの方法は、センサの1つ以上の縁部に沿って1つ以上の回路基板を実装することであり、前記回路基板としては、信号を調節するとともにトレース数を減らす電子素子が挙げられる。本発明は、これらの電子素子、例えば、以下に示す電子素子を取り付ける際の技術的問題を解決するための方法と材料を提供する。
成形フレームは、回路基板、コイル、及び、尾部をそれぞれに対して固定する目的で用いることができる。続いて、前記部材のプレハブアセンブリを一体型サブアセンブリとしてセンサに結合することができる。前記サブアセンブリは、サブアセンブリ自体の付属品としての機能を果たすことができ、第2の固定作業の必要性がなくなる。このようなサブアセンブリによってセンサと電子素子を一体化することによって、センサ操作数の低減も可能にすることができ、破損及び汚染の可能性が減る。
前記フレームは、センサ構造の材料の1つ以上、典型的にはガラス、及び、より軟質なフィルム層、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)と熱膨張係数(CTE)が一致、又は、ほぼ一致している材料で作製することができる。CTEを一致させることによって、センサの保管時、輸送時、及び、使用時に見られる温度サイクリング中に電気及び誘電体接続部に応力亀裂を起こす可能性の減少を促すことができる。ガラスにラミネートされている1つ以上のPETフィルムが用いられているセンサでは、代表的なフレーム材のCTEは、ガラスのCTE(約0.46×10/°F)とPETのCTE(約1.0×10/°F)との間である。材料の候補としては、ガラス充填度が約20%〜40%の液晶ポリマー(LCP)、及び、ガラス充填度が約30%〜50%のポリカーボネート(PC)が挙げられる。ガラスとPETとの間という所望のCTEを実現させるためには、ガラス充填LCPのガラス充填量は比較的少なくする必要があり、また、成形状態における粘度を十分に低くして、他の材料では実現が困難な精度と薄い壁厚を所望どおりに創出できるようにする。
現行の一体化プロセスには、銀エポキシを施すこと、回路基板の取り付け、前記エポキシの硬化、誘電体を施すこと及び硬化が必要である。本発明は、導電ペーストを施すこと、回路基板の取り付け、誘電体を施してから、銀と誘電体の双方を同時に硬化させることをもたらす。このアプローチは、硬化時間と処理工程数を大きく低減させることができる。これを実現させるために、導電ペーストと誘電体は、それらの境界線における前記材料の融合が制限されるように選択するのが好ましい。代替的な実施形態では、別々の導電ペーストと誘電体を用いる代わりに、z軸導電接着剤を用いることができる。
本発明の別の実施形態では、施す誘導体接着剤は、切断及びラミネート式の実装用接着剤、例えば感圧接着剤(PSA)に置き換えることができる。利点としては、誘電体接着剤が硬化している間、サブアセンブリを固定するための固定具の必要性がなくなること、接着剤を施す必要がなくなることが挙げられる。その施す必要がなくなることによって、組立時間、及び、流出による汚染の可能性を低減することができる。
別の実施形態では、センサリード線を回路基板と電気接続させるために、非硬化性銀ペーストを用いることができる。この解決策は、硬化工程を省き、銀化合物の利用度を高め(すなわち、ディスペンサ内に用意したエポキシのうち、未使用且つ破棄する必要のあるエポキシが全くない)、処理中又は最終使用中における熱又は機械的応力を原因とする結合不全の可能性をなくすことができる。
図1は、本発明のある1つの実施形態による一体構造の一部の概略的な断面図を示している。一体構造100には、光学接着剤109を用いてセンサ基材106に結合させたガラス製裏パネル104が備わっている。射出成形フレーム101と事前組立済みプリント基板(PCB)103が感圧接着剤107によってセンサ基材106に取り付けられている。接着剤107の中に配置されている導電材108によって、センサ上の導体とPCB上の導体との間で電気接触が形成されるように、接着剤107内に開口が形成されている。あるいは、z軸導電接着剤を用いて、例えばz軸導電接着剤で結合区域全体を覆うことができる。これによって、隣接するセンサ又はPCB導体間の電気絶縁性を維持させながら、配列済みのセンサとPCB導体の間の電気接続を確保できる。
図2a及び図2bは、本発明のある1つの実施形態による一体構造の一部の概略的な平面図を示している。PCBとフレームサブアセンブリ(図示なし)を組み立てる前のセンサ200のある1つの特定の縁部を示してある。ガラス基材204がセンサ基材206に取り付けられている。センサ基材には導電性結合区域213が備わっており、前記区域は、いずれかの好適な導電材、例えばインジウムスズ酸化物(ITO)、若しくは、その他の透明な導電酸化物、銀若しくはカーボン充填ポリマーの軟質フィルムインク、又は、これらの類似物から作製してよい。導電材211は、導電性結合区域213の各々に施すこと、印刷、又は、その他のいずれかの好適な方法を用いることによって、パターン化させるか、又は、別の形で直接配置することができる。誘電体接着性物質212は、図2aに示されているようなパターンで、好ましくは接着剤が、結果として生じるPCB及びフレームサブアセンブリとの機械的結合をもたらすのに加え、接着剤が導電材の位置の間で絶縁体として機能するように、基材の外辺部にパターン化させるか、又は、施すことができる。
図2bは、組み立て時に、PCB及びサブアセンブリ(図示なし)とともに誘導体接着剤212と導電材211が広がった後の図2aの構造を示している。性質上は実質的に液体であるものの、実質的に適切な位置に留まるほど十分に粘度が高いこれらの材料は、センサ206の外辺部の所定位置中に配置する時、PCBとサブアセンブリとの圧力によって広がることになる。一連のスタンドオフ又はフレームからの突出部を用いて、回路基板とセンサの間にある隔離した間隙を定め、種々のコンポーネントの間にある誘電体接着剤と導電材の適切な厚みを調節することができる。材料211と212の容量、及び、誘電体接着剤212を施すパターンは、PCB及びフレームサブアセンブリとセンサ206との間の制御間隙によって前記材料がセンサの外辺部区域の実質的に全体上で広がるとともに、センサ200の縁部を超える流体がわずかであるか、又は、全くないように選択することができる。材料211と212は、実質的に混合に耐え、それによってセンサとPCB間の導電接続の信頼性を高めるとともに、隣接する結合区域間の電気絶縁性をもたらすように選択するのが好ましい。
図3は、デジタイザアセンブリの縁部に沿って切った概略的な断面図を示しており、センサ基材306に組み立てられているプラスチックフレーム301、及び、PCB303が示されている。PCBには、センサ上の複数個の孤立導電接触区域310に直接電気接続することになる複数個の孤立導電接触区域313が備わっている。前記導電接触区域間の電気接続は、組み立て前に複数個の場所の各々に配置される導電材311を用いて実現させる。複数個の導電接触区域の各々の間に配置されている接着剤312は、構造をつなぎ合わせる機械的結合剤としての役割を果たす。この接着剤312は、絶縁を確保するために導電接触区域間の電気絶縁体としての役割も果たす。接着剤312は、いずれかの好適な物質、例えば、感圧フィルム接着剤、エポキシ、ウレタン、又はその他のいずれかの好適な液体若しくはフィルム接着剤にすることができる。
本発明には、センサとPCBの間の結合区域に加わる応力を低減させることが含まれている。これは、フレーム材の選択によって実現させることができる。全体的な構造内で用いられる材料、例えば、センサ基材用のPET、ガラス、及び、FR4回路基板材などの熱膨張係数はすべて異なっており、フレーム材を選択する時には前記係数を考慮に入れるのが好ましい。表1に、センサ構造用として典型的である種々の材料、及び、種々の候補フレーム材のCTE値を示す。
Figure 2009503649
表1から分かるように、結合対象の材料、すなわちPETセンサ基材とFR4 PCBのCTEはいずれもほぼ同じである。線形応力を低減するためには、種々の材料のCTEを一致させるのが有用である。この見地から、PETセンサとFR4 PCBのものに近いフレーム用にプラスチックを選択することによって、熱膨張と収縮応力を低減することができる。とりわけ、この構造用としては、ガラス充填ポリカーボネートと、適切に選択した配合の充填LCPが好適な材料となる可能性がある。LCP材のCTEは、ガラス充填量を変えることによって特定の値に調整することができる。好適なLCP材としては、液晶ポリエステル、及び、グッドフェロー社(Goodfellow Corporation)からベクトラ(Vectra)B(登録商標)の商品名で市販されているアミドコポリマーが挙げられる。
図4は、プラスチック射出成形フレーム401、及び、ガラスバッカ404とセンサ基材406を備えているセンササブアセンブリの概略的な組立分解等角図を示している。また、フレームがアセンブリ固定具として機能して、この組立工程を成し遂げるための余分な製造固定作業の必要性がなくなるように、フレーム及びPCBサブアセンブリをセンササブアセンブリに位置合わせするために用いる位置合わせタブ414も描かれている。このタブ414は、完成アセンブリ上の左に位置させることができ、又は、アセンブリが完成した後に破断させることによって簡単に取り外せるよう構築することができる。前記タブは、取り外しを円滑にする破断点が得られるような形で成形してもよい。
図5aは、プラスチックフレーム501上の位置合わせタブ514の概略的な拡大等角図を示している。プラスチックタブ514は、プラスチックフレーム501の平面を越えて伸びて、センササブアセンブリのPET基材の縁部用の縁部位置合わせ抑制装置の機能を果たしている。図5bは、フレーム501の断面を概略的に示しており、位置合わせタブ514の1つが描かれている。前記タブは底面の下に伸びているとともに、PET基材を前記フレームに位置合わせするためのPET基材用縁部抑制装置として利用することができる。
フレーム501には、例えば図5b及び図5cに示したようなアセンブリの種々の素子位置及び間隔を事前に定める自己固定機能を含むことができる。図5bは、センサの外辺部に沿ってセンサに対してフレーム・基板サブアセンブリを配置するための分離タブ又はピン514を示している(図示されていないセンサについては図1を参照)。図5cに示したように、ピン502は、回路基板505の前面から先に突き出て回路基板505とセンサ表面(図示されていないが、ピン502を嵌合させるよう位置決めしてよい)との間に制御間隙が形成されるように搭載することができる。前記制御間隙によって、回路基板用のスペースをもたらすとともに、実装用接着剤及び前記接着剤の中に配置されている導電材の適切な厚みを確保することもできる。外壁503を用いて、捕捉しなければセンサから流出する場合のある、施された材料を捕捉することができ、また、外壁503には、回路基板505を支持するのを補助する目的で、突出部504を搭載することができる。ピン502のようなピンの搭載は、フレーム501とセンサとの間の所定の間隙を保って、回路基板が存在していない区域において、すでに施された実装用接着剤の厚みを制御する目的で用いることもできる。ピン502の底部に設けられている段部506は、突出部504と連動して機能して、フレーム501の本体と回路基板505の間の間隙を確保して、前記基板上に実装されているコンポーネントを保護することができる。フレーム501内の突出部507を設けて、フレームの内縁部とセンサガラスの外縁部の間に制御間隙を形成することもできる(図1参照)。
本発明で有用なセンサとしては、米国特許公開第2005/0083307号で開示されているものが挙げられ、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。好適なセンサには、センサのアクティブ区域全体にわたって配置されている複数個の抵抗又は導電素子が、例えばトレース又はワイヤの形状で備わっている。代表的なマトリクス型センサが図6a及び図6bに概略的に示されている。図6aは、1方向を向いているとともに基材606Aの頂部に配置されている複数個のセンサバー620A、及び、直交する方向を向いているとともに基材606Aの底部に配置されている別の複数個のセンサバー620Bが備わっているセンサ600を示している。一連のリード線613Aはバー620Aの少なくとも1つの末端部に接続しており、一連のリード線613Bはバー620Bの少なくとも1つの末端部に接続している。図6bは、線分6b−6bに沿って切断したセンサ600の断面を示している。図示されているこの特定の実施形態では、センサバー620Bは第2の基材606B上に配置されており、基材606Bは、接着剤622、例えば光学接着剤によって基材606Aにラミネートされている。代替的な実施形態において、センサバー620Bは、基材606Aの裏側でパターン化させることができる。センサ600は、硬質基材、例えばガラスにラミネートすることができ、あるいは、ディスプレイ表面に直接ラミネートするか、別の方法で好適な表面上に配置することができる。
センサと電子素子を一体化するのが望ましいうえに、本発明の方法及び材料が好ましいと思われる代表的な用途としては、米国特許公開第2004/0155871号、同2004/0095333号、及び、同2005/0083307号に開示されているものが挙げられ、これらの文献は参照することにより既に組み込まれている。
本発明は、上に記載した特定の実施例に限られるとみなすべきではなく、添付の請求項で明確に提示されているとおり、本発明のあらゆる態様を網羅していると理解すべきである。本発明が対象とする技術分野の熟練者であれば、本発明の明細書を検討することにより、様々な修正、同等の方法、並びに、本発明を適用可能と思われる多くの構造は容易に明らかになるであろう。
本発明による直接実装式電子コンポーネントを備えているタッチセンサの概略的な部分側面図である。 すでに施された接着剤と導電材を備えているタッチセンサであって、電子コンポーネントを配置する前のタッチセンサの概略的な部分平面図である。 すでに施された接着剤と導電材を備えているタッチセンサであって、電子コンポーネントとフレーム(図示されていない)を結合した後のタッチセンサの概略的な部分平面図である。 本開示によるタッチセンサに結合される回路基板の概略的な部分側面図である。 本発明の実施形態で有用なタッチセンサとフレームの概略的な分解図である。 図4に示したようなフレームの一部の概略的な拡大図である。 図5aに示したフレームの概略的な断面図である。 図5aに示したようなフレームに搭載される場合のあるコンポーネントの概略的な断面斜視図である。 本発明の一部の実施形態で有用なタッチセンサ構造の概略的な平面図である。 図6aに示したタッチセンサ構造の概略的な側面図である。

Claims (16)

  1. 複数のタッチ感応性素子と、タッチセンサの外辺部に配置されている前記タッチ感応性素子に接続している複数個の導体とを含むタッチセンサオーバーレイ、及び、
    前記タッチセンサの外辺部に取り付けられているフレームサブアセンブリであって、フレームと、前記フレームによって所定の位置に保持されている1つ以上の回路基板とを含み、前記1つ以上の回路基板が複数個の導体に電気接続しているフレームサブアセンブリ
    を備えているタッチセンサアセンブリであって、
    前記回路基板に、タッチセンサオーバーレイに触れることによって前記タッチ感応性素子から送られる信号を調節するための回路が包含されているタッチセンサアセンブリ。
  2. 前記タッチセンサオーバーレイが、硬質基材にラミネートされている1つ以上の軟質フィルム、複数個のタッチ感応性素子及び前記軟質フィルム上に形成されている複数個の導体を備えている、請求項1に記載のタッチセンサアセンブリ。
  3. 前記フレームの熱膨張係数が、前記1つ以上の軟質フィルムと硬質基材の熱膨張係数を限界値とする範囲内にある、請求項2に記載のタッチセンサアセンブリ。
  4. 前記フレームが、ガラス充填液晶ポリマー又はガラス充填ポリカーボネートを含んでいる、請求項1に記載のタッチセンサアセンブリ。
  5. 前記フレームサブアセンブリは、感圧接着剤によって前記タッチセンサに取り付けられており、前記感圧接着剤に開口が備わっており、前記開口の各々に、1つ以上の回路基板を前記複数個の導体に電気接続させる目的で導電材が配置されている、請求項1に記載のタッチセンサアセンブリ。
  6. 前記フレームサブアセンブリは、1つ以上の回路基板を前記複数個の導体に電気接続させる役割を果たすz軸導電接着剤によって前記タッチセンサに取り付けられている、請求項1に記載のタッチセンサアセンブリ。
  7. 前記フレームサブアセンブリに更に、自己固定機能が備わっている、請求項1に記載のタッチセンサアセンブリ。
  8. 前記自己固定機能は、前記フレームの面から伸びている位置合わせタブを包含する、請求項7に記載のタッチセンサアセンブリ。
  9. 自己固定機能によって、1つ以上の前記フレームと前記タッチセンサの一部との間、前記フレームと前記1つ以上の回路基板との間、及び、前記1つ以上の回路基板と前記タッチセンサの一部との間の間隔が決定される、請求項7に記載のタッチセンサアセンブリ。
  10. 電子素子をタッチ感応性オーバーレイに結合する方法であって、
    複数個のタッチ感応性素子と、タッチセンサの外辺部に配置されている前記タッチ感応性素子に接続している複数個の導体とが備わっているタッチセンサを用意する工程、
    前記タッチセンサに触れることによって前記タッチ感応性素子から送られる信号を調節するための回路が備わっている1つ以上の、各回路基板には複数個の導電接触区域がある回路基板を用意する工程、
    前記タッチセンサの外辺部に絶縁性接着剤を施しかつ前記接着剤に開口を形成して、タッチセンサ上の複数個の導体を個々に露出させる工程、
    前記複数個の導体上に導電材を配置する工程、及び、
    前記タッチセンサの外辺部上に前記1つ以上の回路基板を位置決めして、前記導電材によって、前記導電接触区域の各々が前記複数個の導体のうちの1つに電気接続するようにするとともに、前記接着剤によって、前記回路基板を前記タッチセンサに結合する工程
    を含む方法。
  11. 前記1つ以上の回路基板を位置決めするのを補助する目的でフレームを用いる工程を更に含む、請求項10に記載の方法。
  12. a.前記1つ以上の回路基板と前記タッチセンサの一部、
    b.前記フレームと前記タッチセンサの一部、及び、
    c.前記フレームと前記1つ以上の回路基板
    のうちの1つ以上の間隔を制御する目的で、前記フレーム上に自己固定機能を盛り込む工程をさらに含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記フレームの熱膨張係数が、前記タッチセンサ材の熱膨張係数とほぼ一致している、請求項11に記載の方法。
  14. 前記複数個の導体上に前記導電材を配置する前に、前記接着剤を施しかつ前記接着剤に開口を形成する工程を行う、請求項10に記載の方法。
  15. 前記接着剤を施しかつ前記接着剤に開口を形成する前に、前記複数個の導体上に前記導電材を配置する工程を行う、請求項10に記載の方法。
  16. 前記接着剤を施しかつ前記接着剤に開口を形成する工程が、感圧接着剤層に開口を形成しかつ前記感圧接着剤層を前記タッチセンサの外辺部に結合させることを含む、請求項10に記載の方法。
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