JP2015521313A - 全反射利用感圧型タッチシステム - Google Patents

Abstract

全反射を利用する感圧型タッチシステムが開示される。タッチシステムは表面を有する透明薄板を備える。少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器が、それぞれ透明薄板を通して光を送るため及び送られた光を検出するために、薄板に対して動作可能な態様で配置される。透明薄板の上面におけるタッチイベントが透明薄板から光を散乱させ、よって検出器において受け取られる光の強さを変える。タッチイベント位置において発生する散乱光の強さはタッチイベントにおける印加圧力の関数であるから、検出器信号の変化は印加圧力の相対的な強さを決定するために用いられる。複数の導波路及びチャネル導波路を、また力センサも、備える実施形態も開示される。

Description

関連出願の説明

本出願は２０１２年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６１/６４０６０５号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記仮特許出願の明細書の内容に依存し、上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。

本発明はタッチ感応型デバイスに関し、特に、光の全反射を利用する感圧型タッチシステムに関する。

非機械的タッチ機能を有するディスプレイ及びその他のデバイス（例えばキーボード）に対する市場は急速に成長している。この結果、ディスプレイ及びその他のデバイスにタッチ機能をもたせるための様々なタッチ感応手法が開発されている。タッチ感応機能は、スマートフォン、ｅ−書籍リーダー、ラップトップコンピュータ及びタブレットコンピュータのような、モバイルデバイス用途での使用が広がっている。

シングルタッチ、マルチタッチ、スワイプ及び異なる圧力を有するタッチのような、様々なタイプのタッチに応答する、タッチスクリーンの形態のタッチシステムが開発されている。

しかし、感圧型タッチスクリーン及びその他のタッチシステムは一般にタッチ圧を検知するために従来の圧力センサに依存し、したがって、比較的複雑であり、製造コストが高い。

本開示の一態様は、タッチイベントの位置における圧力の強さを検知するための、感圧型タッチシステムである。システムは、上面、下面及び、端面を含む、周縁を有する透明薄板を備え、タッチイベントはタッチイベント位置において上面でおこる。システムは、透明薄板に対して動作可能な態様で配置され、全反射によって透明薄板内を進むように透明薄板に結合される光を放射する、少なくとも１つの光源も備える。システムは、透明薄板及び光源に対して動作可能な態様で配された少なくとも１つの検出器も備える。検出器は、透明薄板内を進んでいる光の検出された強さを表す信号強度を有する検出器電気信号を発生し、タッチイベントはタッチイベント位置において印加される圧力の変化に対応する検出光強度の変化を生じさせる。

本開示の別の態様は、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器に動作可能な態様で接続されたコントローラをさらに備える、上述したシステムである。コントローラは、検出器電気信号を受け取り、タッチイベント位置において印加される圧力の変化を決定するように構成される。

本開示の別の態様は、波長変調され、検出器において強度変調光を形成する光源をさらに備える、上述したシステムである。変調強度は多くの異なる光路にかけて進む光の干渉及びタッチイベントに感応するスペックル効果のため、複雑になり得る。タッチイベントは検出器においてスペックルパターンを形成する光路の内のいくつかを妨害し、よってタッチイベント位置における圧力の変化を表す検出器電気信号に変化を生じさせる。

本開示の別の態様は、タッチイベント位置において印加される圧力の変化を表す変調コントラストを決定するために検出器電気信号がコントローラによって処理される、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、透明薄板が赤外（ＩＲ）光に対して実質的に透明であり、少なくとも１つの光源から放射される光がＩＲ光を含み、少なくとも１つの検出器がＩＲ光を検出するように構成される、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、粗化された表面である上面をさらに含む、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、粗化された表面が１００μｍと５００μｍの間の寸法を有する構造を有する、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、透明薄板の上面上に配された層をさらに含み、この層がａ）感圧感度及びｂ）検出可能圧力範囲の内の少なくとも１つを高める、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、透明薄板の上面上及び下面上に第１及び第２の層が配され、第１及び第２の層が透明薄板より大きい屈折率を有し、光源と検出器の間で光を伝える第１及び第２の導波路としてはたらく、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、透明薄板がバルク体を有し、システムが透明層の上面に隣接する透明薄板のバルク体にイオン交換領域をさらに有する、上述したシステムである。イオン交換領域は表面導波路を定め、透明層のバルク体はバルク導波路を定める。表面導波路及びバルク導波路は光源から検出器に光を導く（伝える）ためにはたらく。一例において、表面導波路及びバルク導波路は、光源及び検出器とともに、光干渉計を定める。

本開示の別の態様は、タッチイベントにともなう力の強さを測定するための、透明薄板に対して動作可能な態様で配置された少なくとも１つの力センサを備える、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、少なくとも１つの力センサに動作可能な態様で接続され、測定された力の強さをタッチイベントにともなう圧力に変換するように構成された、コントローラを備える、上述したシステムである。一例において、これは、タッチイベントにともなう光学接触面積を知るか、測定するかまたは推定することによって達成される。

本開示の別の態様は、少なくとも１つの力センサが、感圧抵抗器、圧電効果利用力センサ、電気回路に基づくストレインゲージ、光ストレインゲージ、静電容量型ストレインゲージ及び加速度計利用力センサを含む、力センサの群から選ばれる、上述したシステムである。

本開示の別の態様は、感圧能力を有し、本明細書に説明されるような感圧型タッチシステムを備え、ディスプレイを有するディスプレイを備え、感圧型タッチシステムがディスプレイに隣接して動作可能な態様で配されている、ディスプレイシステムである。得られるディスプレイシステムは、ディスプレイシステムのタッチ位置検出能力とともにはたらくことができる感圧能力を有する。あるいは、感圧型タッチシステムがタッチ位置検出能力を有することができる。

本開示の別の態様は、透明薄板の上面のタッチイベントの位置において用具によって印加される圧力の相対的な大きさを決定する方法である。方法は、少なくとも１つの光源から全反射により透明薄板を通して光を送る工程を含む。方法は少なくとも１つの検出器において光を検出する工程及び第１の検出器電気信号を発生する工程をさらに含み、検出される光は上面における用具の印加圧力の強さに準じて散乱されているかまたは減衰している。方法はタッチイベントの位置において用具によって印加される圧力の強さを第１の検出器電気信号から決定する工程も含む。

本開示の別の態様は、用具が、指、鉛筆、ペンまたはスタイラスである、上述した方法である。

本開示の別の態様は、タッチイベントがない状態における基準検出器電気信号を測定する工程及び、タッチイベントの位置において用具によって印加される圧力の強さを決定するため、第１の検出器電気信号を基準検出器電気信号と比較する工程をさらに含む、上述した方法である。

本開示の別の態様は、光が波長を有し、光の波長を変調する工程、グレーティングに入射する光を第１及び第２の信号ビームに分割するため、波長変調光にグレーティングを通過させる工程、第１の検出器電気信号が強度変調情報を含むように第１及び第２の光ビームを検出する工程及び、タッチイベントの位置において用具によって印加される圧力の相対的な強さを表す変調コントラストを決定するため、第１の検出器電気信号を処理する工程をさらに含む、上述した方法である。一例において、検出器においてスペックル干渉パターンを生じさせるに十分な複数本の第１の光ビーム及び複数本の第２の光ビームがある。

本開示の別の態様は、透明薄板に対して動作可能な態様で配置された１つ以上の力センサを用いてタッチイベント位置において用具によってかけられた力を測定する工程をさらに含む、上述した方法である。

本開示の別の態様は、上面を粗表面として形成する工程をさらに含む、上述した方法である。

本開示の別の態様は、上表面の上に層を設ける工程をさらに含み、この層が検知感度及び／または圧力範囲を高める、上述した方法である。

本開示の別の態様は、透明薄板の同じ側面または同じ表面に少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器を配する工程を含む、上述した方法である。

本開示の別の態様は、透明薄板の異なる側面に少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器を配する工程を含む、上述した方法である。

本開示のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明、特許請求の範囲及び添付図面を含む、本明細書に説明されるように本開示を実施することによって認められるであろう。

特許請求の範囲は、また概要も、以下に述べられる詳細な説明に組み入れられて、詳細な説明の一部をなす。

本明細書に挙げられる、米国特許出願公開第２００１/０１２２０９１号、及び米国仮特許出願第６１/５６４００３号及び第６１/５６４０２４号の各明細書を含む、全ての刊行物、論文、特許明細書、特許出願公開明細書、等は、それぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

図１は本開示にしたがう感圧型タッチシステムの一例の前面図である。 図２は感圧型タッチシステムの透明薄板の断面図である。 図３は複数の光源素子を有する光源の一例の上面図である。 図４Ａは、図１の感圧型タッチシステムの一部の拡大断面図であり、光を透明薄板に結合するために透明薄板に対して光源をどのように配置できるか、及び指からのタッチイベントがタッチイベント位置において光をどのように散乱させるかの実施形態の一例を示す。 図４Ｂは、図１の感圧型タッチシステムの一部の拡大断面図であり、光を透明薄板に結合するために透明薄板に対して光源をどのように配置できるか、及び指からのタッチイベントがタッチイベント位置において光をどのように散乱させるかの実施形態の別の例を示す。 図４Ｃは、図１の感圧型タッチシステムの一部の拡大断面図であり、光を透明薄板に結合するために透明薄板に対して光源をどのように配置できるか、及び指からのタッチイベントがタッチイベント位置において光をどのように散乱させるかの実施形態のまた別の例を示す。 図５は圧力が異なるタッチイベントが検出器カウントにどのように対応する変化をおこさせるか及びタッチイベントについて相対圧力を検知するためにどのように用いることができるかを示す検出器カウントタイ時間（秒）のグラフである。 図６Ａは反射モードで動作する感圧型タッチシステムの一例の斜視図である。 図６Ｂは反射モードで動作する感圧型タッチシステムの一例の斜視図である。 図７Ａは散乱モードで動作する感圧型タッチシステムの一例の斜視図である。 図７Ｂは散乱モードで動作する感圧型タッチシステムの一例の斜視図である。 図８Ａは、左から右に高くなっている指及び消しゴムによる透明薄板への印加圧力を示す、赤色光でとられた指先像（上段）及び消しゴム像（下段）を示し、透明薄板はＴＩＲ（全反射）によって赤色光を伝えている。 図８Ｂは、左から右に圧力を高めながら透明薄板の上面におかれている指の一連の像であり、透明薄板から散乱される光の量が印加圧力の関数として多くなっていることを示す。 図９Ａは圧力を高めながら透明薄板の上面に押し当てられていく指の簡略な断面図を示し、指が透明薄板となす光学接触の大きさ（面積）の増加を示す。 図９Ｂは圧力を高めながら透明薄板の上面に押し当てられていく指の簡略な断面図を示し、指が透明薄板となす光学接触の大きさ（面積）の増加を示す。 図９Ｃは圧力を高めながら透明薄板の上面に押し当てられていく指の簡略な断面図を示し、指が透明薄板となす光学接触の大きさ（面積）の増加を示す。 図１０は透明薄板の上面が粗面である感圧型タッチシステムの一例の一部の拡大断面図である。 図１１は透明薄板の上面が１つ以上の層を有する感圧型タッチシステムの一例の一部の拡大断面図である。 図１２Ａは、タッチイベント位置において印加される圧力の強さの差を決定するために変調検出器信号を用いる、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１２Ｂは、タッチイベント位置において印加される圧力の強さの差を決定するために変調検出器信号を用いる、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１３Ａは、タッチイベント位置において印加される圧力の強さの差を決定するために変調検出器信号を用いる、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１３Ｂは、タッチイベント位置において印加される圧力の強さの差を決定するために変調検出器信号を用いる、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１３Ｃは、透明薄板の上面及び下面の導波路を利用する、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１３Ｄは、透明薄板の上面及び下面の導波路を利用する、感圧型タッチシステムの実施形態例を示す。 図１３Ｅは図１３Ｄに示される導波路構造の上面図であり、層内の光の伝搬方向に直交する方向において、上層内で光がどのように発散するかを示す。 図１３Ｆは、チャネル導波路のアレイが透明薄板の上面に配され、例として、透明薄板上の選ばれた位置に印加される圧力に応答するキーボードとしてシステムが構成されている、感圧型タッチシステムの実施形態例である。 図１４Ａは感圧型タッチシステムの透明薄板の上面に印加されている力の強さを測定するために力センサが用いられる、実施形態の一例を示す。 図１４Ｂは感圧型タッチシステムの透明薄板の上面に印加されている力の強さを測定するために力センサが用いられる実施形態の別の例を示す。 図１５Ａは従来のディスプレイユニットとインターフェースされた感圧型タッチシステムを利用する感圧ディスプレイデバイスの実施形態例を示す。 図１５Ｂは従来のディスプレイユニットとインターフェースされた感圧型タッチシステムを利用する感圧ディスプレイデバイスの実施形態例を示す。 図１５Ｃは従来のディスプレイユニットとインターフェースされた感圧型タッチシステムを利用する感圧ディスプレイデバイスの実施形態例を示す。

本開示のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者にはその説明から、あるいは、特許請求の範囲及び添付図面とともに、本明細書に説明されるように本開示を実施することによって、明らかであろう。

直交座標が参照のために図面のいくつかに示されるが、方向または方位に関する限定は目的とされていない。

図１は、本開示にしたがう、感圧型タッチシステム１０の一例の略図である。感圧型タッチシステム１０は様々な民生用電子製品に、例えば、携帯電話、キーボード、タッチスクリーン及び、無線通信ができる電子デバイス、音楽プレイヤー、ノートブックコンピュータ、モバイルデバイス、ゲームコントローラ、コンピュータ「マウス」、電子書籍リーダー、等のような、その他の電子デバイスのためのディスプレイとともに、用いることができる。

図１の一例の感圧型タッチシステム１０は透明薄板２０を、以下に論じられるように透明薄板の周縁に隣接して配された少なくとも１つの光源１００及び少なくとも１つの検出器とともに、備える。１つの光源１００及び１つの検出器２００が例として示され、光源からの光ビーム（光）１０４の一例が全反射（ＴＩＲ）光路ＯＰを伝って光源から検出器に進んでいる。複数の光ビーム１０４の透明薄板内の進行は、また透明薄板上に動作可能な態様で配置された付加導波路内の進行も、以下でさらに詳細に論じられる。

複数の光源１００を用いることができ（あるいは等価的に、複数の光源素子を有する光源を用いることができ）、１つ以上のタッチイベントの位置が検出される必要がある場合には特に、複数の検出器２００を用いることができる（あるいは等価的に複数の検出器素子を有する検出器を用いることができる）。さらに、１つ以上の光源１００及び１つ以上の検出器２００は、タッチイベントの圧力を検知するために透明薄板の全体（または実質的に全体）が用いられ得ることを保証するように動作可能な態様で配することができる。これは、例えば、タッチイベントに対する可能な位置の全てがカバーされることを保証するように光源１００及び検出器２００の組（例えば、対）の巡回起動を含む。一例において、巡回は、感圧型タッチシステム１０からの応答を引き出すために圧力を印加するタッチイベントの一般的な持続時間よりかなり速いレートで行うことができる。

別の例においては、透明薄板バルク体２１内の光１０４の進行の範囲が限定されているため、透明薄板２０の一部しかタッチイベントを検知するために用いることができない。そのような場合、透明薄板２０は、タッチイベントにともなう圧力を検出することができる、選ばれた領域内にタッチイベントを配するようにユーザに指示する表示を有することができる。

光源１００及び検出器２００は、以下で論じられるように、端面または下面から直接に透明薄板に結合させることができる。あるいは、光源１００及び検出器２００は、透明薄板２０内を進むための光１０４の所望の分布を達成するため、レンズ、プリズム、グレーティング、等のような、光学手段を用いて透明薄板２０に光結合させることができる。光結合を容易にするための光学手段の使用は結合効率を高めるかまたは最適化して感圧型タッチシステム１０の性能を高めるために用いることができる。

検出器２００の例にはフォトダイオード及び様々なタイプの光センサがある。光源１００の例には、ＬＥＤ、レーザダイオード、光ファイバベースレーザ、長延光源、等がある。

本開示の実施形態例において、タッチイベントＴＥにともなう圧力の強さ（例えば、圧力の相対的な強さ）は圧力が印加されているタッチイベント位置にかかわらず検知される。本開示の態様は、タッチイベントの位置及びタッチイベントにともなう圧力の強さのいずれの決定も可能にする、本開示の感圧型タッチシステムの従来の位置検知型タッチシステムとの組合せを含む。本開示の別の態様は、以下に説明されるように、力センサを用いる絶対圧力測定の実施を含む。別の実施形態は、ただ１つの導波路ではなく導波路アレイの使用のような、タッチイベント位置検出のための手段の提供を含む。

一例において、感圧型タッチシステム１０は、観察者（例えば観察者５００、図１５Ｃ）が光源１００及び検出器２００を上方から（すなわち、上面２２を通して）見ることができないように光源１００及び検出器２００を覆うに役立つ、必要に応じて取り付けられるカバー４０を備える。一例に応じて、カバー４０はベゼルの役割を果たす。一例において、カバー４０は、少なくとも可視光を遮断し、感圧型タッチシステム１０のいくらかの部分をユーザに見えるようにしておくように構成されているか、または光のある波長を遮断するが他の波長は透過させる、いずれかのタイプの、光遮断部材、フィルム、塗料、ガラス、コンポーネント、材料、テクスチャ、構造体、等とすることができる。

以下に論じられる実施形態例（例えば図４Ｃを見よ）において、カバー４０は透明薄板２０に対して、視線を光源１００または検出器２００から遮断するに役立つ場所であればどこにでも（例えば、以下で紹介され、論じられるように、下面２４に）付けることができる。カバー４０は連続構造である必要はなく、区分構成またはセグメント構成とすることができる。さらに、カバー４０は、日光の排除のためのような、光源１００からの光１０４以外の光の受光から検出器２００を遮蔽するために用いることができる。したがって、一例において、カバー４０は他の波長（例えば、光源１００からの光１０４に対する赤外波長）において実質的に不透明である。

図１の参照を続ければ、感圧型タッチシステム１０は１つ以上の光源１００及び１つ以上の光源２００に動作可能な態様で（例えば、バス３０１を介して）接続されたコントローラ３００を備える。コントローラ３００は感圧型タッチシステム１０の動作を制御するように構成される。コントローラ３００は、全てが動作可能な態様で配置された、プロセッサ３０２，デバイスドライバ３０４及びインターフェース回路３０６を有する。

一例において、コントローラ３００はコンピュータであるかまたはコンピュータを備え、コンピュータ読出可能媒体、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、磁気光ディスク（ＭＯＤ）、あるいは、ネットワークまたはインターネットのような別のデジタル源から、また未だ開発されていないデジタル手段からも、命令及び／またはデータを読み取るための、デバイス、例えば、（図示されていない）フロッピーディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、ＭＯＤドライブ、あるいは、イーサネットデバイス（図示せず）のようなネットワーク接続デバイスを含む、他のいずれかのデジタルデバイスを備える。コンピュータはファームウエア（図示せず）に格納された命令を実行する。

コンピュータは、感圧型タッチシステムの動作、及び、例えば、圧力の相対的な強さを、また１つのタッチイベントの位置も、あるいは複数の圧力の強さ及び複数のタッチイベントの位置も、測定するために必要ないかなる信号処理も含む、本明細書に説明される機能を実施するためにプログラム可能である。本明細書に用いられるように、術語「コンピュータ」は技術上コンピュータと称されるような集積回路だけに限定されず、広く、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途集積回路及びその他のプログラマブル回路を指し、これらの術語は本明細書において互換で用いられる。

本明細書に開示される感圧機能及び動作を実施するため、ソフトウエアを実装することができ、またはソフトウエアが役立つ。ソフトウエア機能は、実行可能コードを含む、プログラミングを含むことができ、そのような機能は本明細書に開示される方法を実施するために用いることができる。そのようなソフトウエアコードは汎用コンピュータによって、あるいは以下に説明されるプロセッサユニットによって、実行することができる。

動作において、コード及びおそらくは付随するデータレコードは、汎用コンピュータプラットフォーム内に、プロセッサユニット内に、またはローカルメモリに、格納される。しかし、他の状況では、ソフトウエアは別の場所に格納することができ、及び／または適切な汎用コンピュータシステムにロードするために転送することができる。したがって、本明細書に論じられる実施形態は、少なくとも１つのマシン読出可能媒体で運ばれる１つ以上のコードモジュールの形態にある１つ以上のソフトウエア製品を含む。コンピュータシステムのプロセッサによるかまたはプロセッサユニットによるそのようなコードの実行は、基本的に、本明細書に論じられ、示される、実施形態において実行される態様で、プラットフォームによるカタログ及び／またはソフトウエアダウンロード機能の実施を可能にする。

以下で論じられるようなコンピュータ及び／またはそれぞれ、例えば、以下で説明されるように、タッチイベントにともなう圧力の強さの決定を含む、実行のためにプロセッサに命令を与えるに関与するいかなる媒体も指す、コンピュータ読出可能媒体またはマシン読出可能媒体を用いることができる。そのような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体及び通信媒体を含むがこれらには限定されない、多くの形態をとることができる。不揮発性媒体には、例えば、上で論じられる、サーバプラットフォームの１つとして動作するいずれかのコンピュータのいずれかの記憶デバイスのような、光ディスクまたは磁気ディスクがある。揮発性媒体には、そのようなコンピュータプラットフォームのメインメモリのような、ダイナミックメモリがある。物理的通信媒体には、コンピュータシステム内のバスを構成する電線を含む、同軸ケーブル、導線及び光ファイバがある。

したがって、コンピュータ読出可能媒体の普通の形態には、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他のいずれかの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、他のいずれかの光媒体があり、パンチカード、紙テープ、穿孔パターンを有する他のいずれかの物理的媒体のようなそれほど普通には用いられない媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、及びＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、他のいずれかのメモリチップまたはカートリッジ、搬送波伝送データまたは命令、そのような搬送波を伝送するケーブルまたはリンク、あるいはコンピュータがプログラミングコード及び／またはデータをそれから読み出すことができる他のいずれかの媒体がある。コンピュータ読出可能媒体のこれらの形態の多くは、実行のためのプロセッサへの１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスの伝送に関わり得る。

図２は透明薄板２０の断面図である。透明薄板２０は、バルク部またはバルク体２１，上面２２，下面２４及び、周縁２７を定める、少なくとも１つの端面２６を有する。一例の透明薄板２０は一般に長方形であって４つの端面２６を有し、この例の透明薄板が以下の議論において説明例として用いられる。透明薄板２０には、円形のような、他の形状も用いることができる。さらに、透明薄板２０は空間内で３Ｄ形状をつくるように成形することができる。例えば、透明薄板２０は下方に湾曲した端面２６を有することができる。端面２６は、面取りするか、丸めるか、テーパを付けることができ、あるいは別の形状を有することができる。一例において、端面２６の形状は薄板の内部を進む光１０４の反射を減じるかまたは最小限に抑えるように選ばれる。別の例において、端面２６の形状は薄板の内部を進む光１０４の反射を強めるかまたは最大化するように選ばれる。周縁２７は特定の用途に適するいずれかの妥当な形状または形態を有することができる。

一般に、透明薄板２０は、透明薄板２０に光１０４のための導波路としてはたらかせることができるいずれかの妥当な形状を有することができるが、ユーザが感圧型タッチシステム１０から応答を引き出すために圧力を印加することができる場所を提供することもできる。

図１を再び参照すれば、透明薄板２０は実質的に一様な厚さＴＨを有する（すなわち、上面２２と下面２４が実質的に平行である）。一例において、透明薄板２０は長方形であり、Ｘ方向に寸法（長さ）ＬＸ、Ｙ方向に長さＬＹを有し、また４つの端面２６によって定められる４つのコーナーも有する、一般に、透明薄板２０は端面２６が複数のコーナーを定める形状を有することができる。

透明薄板２０は一般に、プラスチック、アクリル樹脂、ガラス、等のような、薄い平板に形成することができ、散乱または吸収による実質的な損失無しにバルク体２１内の光１０４の透過を支援する、いずれか適する透明材料で作製することができる。一実施形態例において、透明薄板２０は、上面２２において局所的に圧力が印加されたときに透明薄板２０が割れずに撓むことを可能にする、厚さＴＨを有する。別の実施形態において、厚さＴＨは、上面２２において局所的に圧力が印加されたときに透明薄板２０が実質的に撓まない厚さに選ばれる。透明薄板２０に対する厚さＴＨの範囲の一例は、５０μｍから５ｍｍである。感圧型タッチシステム１０に対する特定の用途と整合する他の厚さを用いることができる。

一例の実施形態において、透明薄板２０は、ソーダ石灰系ガラスのような、化学的強化ガラスとすることができる。透明薄板２０のためのガラスの一例は、イオン交換によって硬化されたアルカリアルミノケイ酸ガラスである。これらのタイプのガラスは、Ｎａ_２Ｏ（ソーダ）、ＣａＯ（石灰）及びＳｉＯ_２（シリカ）を含むことができるが、ＭｇＯ，Ｌｉ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ，ＺｎＯ及びＺｒＯ_２のような酸化物を含むこともできる。このタイプのガラスは、イオン交換によって硬化されると、ガラスをタッチスクリーン用途に、また他の用途（例えば、カバーガラス）にも、望ましくするいくつかの特性を示す。透明薄板２０としての使用に適するソーダ石灰系ガラスの配合または生産に、あるいはいずれにも、関するさらなる詳細は、２００７年７月３１日に出願された米国特許出願第１１/８８８２１３号、２００９年８月２１日に出願された米国特許出願第１２/５４５４７５号及び２００９年２月２５日に出願された米国特許出願第１２/３９２５７７号の各明細書の内の１つ以上に見ることができる。透明薄板２０のためのガラスの一例は米国ニューヨーク州コーニングのコーニング社(Corning, Inc.)からのＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスである。また、低鉄Ｇｏｒｉｌｌａガラスまたはその他の低鉄イオン交換ガラスのような、ガラス例はＩＲ波長光１０４に対して透明である。

図１を再び参照すれば、透明薄板２０の周縁２７に隣接して、光源１００が動作可能な態様で配される。一実施形態において、光源は、７５０ｎｍと９５０ｎｍの間のような、ＩＲ波長にある光１０４を放射する。以下の議論において、光１０４は、それが適切である場合に、単数または複数の「光線」１０４あるいは単数または複数の「光ビーム」１０４とも称される。

図３を参照すれば、光源１００は、フレキシブル回路基板（フレキシブル回路）１１０上に動作可能な態様で取り付けられた１つ以上の光源素子１０２を含むことができ、フレキシブル回路基板１１０は続いて、透明薄板２０の端面２６に隣接して配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）１１２に取り付けられる。したがって、ここでの議論において、光源１００は１つ以上の光源素子１０２を有する光源を意味することができる。同様に、検出器２００は１つ以上の検出器素子（図示せず）を有する検出器を含むことができる。

一実施形態において、光源１００は端面２６を介するかまたは下面２４を介して透明薄板２０にエッジ結合される。エッジ結合は本明細書において例として論じられる。以下に論じられる別の実施形態において、光源１００及び検出器２００は透明薄板２０の同じ端面２６または同じ面２４に動作可能な態様で配置される。

感圧型タッチシステム１０の一般的動作において、プロセッサ３０２は、光源信号ＳＬによって光源１００の作動を駆動し、検出器２００における光１０４の検出も制御する。検出器２００は光１０４の検出に応答して検出器電気信号ＳＤを発生し、信号ＳＤの強度は検出された光の強度を表す。インターフェース回路３０６のいくつかの部分は検出器２００の近くに配置することができる。例えば、特にプロセッサ３０２が中央に配置されている場合、プロセッサ３０２と検出器２００の間の長い配線に誘起され得る雑音を排除するため、プリアンプ（前置増幅器）及びアナログ−デジタルコンバータ（図示せず）を検出器２００の近くに配置することができる。

一例において、プロセッサ３０２は、例えば、光源素子１０２からの光１０４に特徴（例えば、変調）を与えることによるかまたは、雑音、等を低減するために検出器２００をゲーティングすることによるか、あるいは両者により、光１０４の検出を最適化するように、光放射及び検出プロセスを制御する、
本開示の態様は、指、スタイラスまたは同様の用具によって、透明基板２０の上面２２に印加される圧力の相対的な強さの決定を含む。以下の議論においては、感圧型タッチシステム１０の感圧能力を説明するための非限定的例として、指及び圧縮性末端をもつスタイラスが用いられる。本開示の態様は、以下に論じられるように、感圧型タッチシステム１０が感圧型キーボードの形成に用いられる場合のような、複数のタッチイベントにともなうそれぞれの圧力の検出を含む。ここで、上面２０に印加される圧力は、以下で導入され、論じられる、被覆層２２０のような、上面２２の上に載っている別の層を介することができることに注意されたい。

図４Ａは透明薄板２０の拡大断面図であり、光源１００及び検出器２００が透明薄板にどのように光結合されるかを示している。図４Ａの例において、光源１００及び検出器２００は、例えば、にかわまたは接着剤１０３を用いてそれぞれの端面２６にエッジ結合され、接着剤１０３は一例において反射を避けるかまたは最小限に抑えるために透明薄板に屈折率整合される。

光源１００が作動されると、光源１００は多数の光路を伝って透明薄板２０のバルク体２１内を進む光（光線）１０４を放射する。光１０４の、透明薄板２０の臨界全反射角θ_Ｃ（図５を見よ）をこえる角度を有する部分は、ＴＩＲによって透明薄板２０のバルク２１内に閉じ込められたままであり、透明薄板２０のバルク体２１内を進む。内部反射光１０４が中断されずに進めば、光は検出器２００に到着するであろう。したがって、透明薄板２０は多数の導波モードをサポートする光導波路としてはたらく。すなわち、光線１０４は、臨界全反射角θ_Ｃより大きい、広い範囲の内部反射角θにわたって透明薄板内を進む。

検出器２００は検出された光１０４を上述した、一例においては光電流である、検出器電気信号ＳＤに変換する。検出器電気信号ＳＤは次いで、以下に論じられるように、処理のためにプロセッサ３０２に送られる。そのような処理は、タッチイベントＴＥにともなう、透明薄板２０の上面において印加された圧力の変化に関する情報を引き出すために用いられる。

図４Ｂは図４Ａと同様であり、光源１００が透明薄板２０の下面２４に隣接して配され、透明薄板２０に光結合される、別の実施形態を示す。この表面結合構成はエッジ結合構成に優る、より簡単な製造、面取り不要及び、おそらくは、高められたタッチ感度を含む、いくつかの利点を提供する。光１０４が透明薄板２０内に投射されると、エッジ結合構成に関して上述したように、複数のモードが様々な反射角で伝搬する。エッジ結合構成では浅い反射角にあるモードが発生され易いであろうが、表面結合構成ではより深い反射角にあるモードが発生される。反射角が深い光線１０４は、上面により頻繁に当たり、したがってタッチイベントＴＥと相互作用する機会を大きくするから、高められたタッチ感度を提供する。

光源素子１０２を、ユーザ５００（例えば図１５Ｂを見よ）に、透明薄板２０を通して見えなくしておくため、１つ以上の上述したカバー４０を用いることができる。一例において、カバー４０は少なくとも可視波長において不透明であり、必要に応じてＩＲ波長において透過性である、フィルムの形態にある。カバーのための一例のフィルムは、可視波長及びＩＲ波長を含む広い範囲の波長にわたって光を吸収する、黒色塗料を含む。図４Ｃに示される別の例において、カバーは光源１００と透明薄板２０の下面２４の間に配することができ、この場合、ベゼルは発光素子の波長に対して実質的に透明である必要がある。この場合、光１０４の便宜の良い波長はＩＲ波長である。

モデル計算は、図４Ｂの表面結合を用いると、光源素子１０２によって出力された光１０４の約２８％が透明薄板２０内に閉じ込められ得ることを示し、比較して、図４Ａのエッジ結合構成に対しては約８０％である。

図４Ａ，４Ｂ及び４Ｃの参照を続ければ、人の指Ｆが透明薄板２０の上面２２に触れたときのように、タッチイベントＴＥがおこったときに、タッチイベントＴＥは、透明薄板２０のバルク体２１及び上面２２と下面２４で定められるような導波路のＴＩＲ条件を変える。これは、上面２２が触れられた点において（より正確には、光学接触の領域にわたって）光１０４を散乱させて、散乱光１０４Ｓとして透明薄板２０のバルク体２１から外に出し、よって光ビーム１０４を減衰させて、透明薄板２０のバルク体２１内を伝搬し続ける減衰光ビーム１０４Ａを形成する。指Ｆのような用具で上面２２に触れることはタッチイベントＴＥと呼ばれ、その位置は本明細書においてタッチイベント位置と称される。

検出器２００に到着する減衰光ビーム１０４の強度は検出器電気信号ＳＤに（例えば、本来の光ビーム１０４による基準光電流測定値に比較して）変化した信号強度（例えば。変化した光電流）を生じさせ、タッチイベントＴＥがおこったことを示す。タッチイベントＴＥがおこったか否かを判定するために、測定された検出器電気信号ＳＤに対する閾値Ｔを用いることができる。

本開示は減衰光信号１０４における減衰の大きさの測定及びタッチイベントＴＥにともなう圧力の強さへの減衰測定値の相関付けを含む。図５は、図１に示される感圧型タッチシステムと同様の感圧型タッチシステム１０の構成に対する、カウント数対時間（秒）のグラフであり、タッチイベントＴＥを生じるための用具として消しゴムを用いている。消しゴムを様々な力で上面２２に押し当て、生じた圧力（力/面積）を時間の関数として測定した。異なる力のそれぞれの印加後に表面から消しゴムを持ち上げた。すなわち、タッチイベントＴＥを様々な圧力で反復した。

図５に見ることができるように、検出器２００におけるカウント数は、測定された５.４５ｋＰａ、１０.９ｋＰａ及び１６.３ｋＰａの圧力に対応（相関）する減少を示す。それぞれにタッチイベントの間で基準カウント数が比較的一定の値に戻っていることに注意されたい。すなわち、（例えば、ＡＤＣ検出器によるカウント数として反映される）測定された減衰は、ユーザがタッチイベントＴＥをおこしたときにユーザによって印加されている相対圧力の尺度として用いることができる。指Ｆが触れることで生じる圧力を検出する場合、指から上面２２への油、水分及び塩分の移行によって、基準カウント数が変わり得る。この変化はコントローラ３００で走っているソフトウエアにおいて考慮することができる。

反射モードにおける感圧
図６Ａは、タッチイベントＴＥの感圧を反射モードで行う実施形態の一例を示す、感圧型タッチシステム１０の一例の斜視図である。図６Ａの構成において、光源１００及び検出器２００はいずれも透明薄板２０の同じ端面２６に動作可能な態様で配置される。光源１００は広い角度範囲にわたって全方向に光１０４を放射し、透明薄板の他の３つの端面２６から、また上面２２及び下面２４からも、内部で反射される。一例において、側面２６及び表面２２と２４はいずれも、ＴＩＲ光が多数回反射して、非常に多くの光路にかけて進んでいる光１０４によって透明媒質のバルク体２１を満たすように、研磨されているか、ミラーコートされているかまたは高反射率材料で被覆されている。図６Ａは対向側の端面２６から反射されて検出器２００に受け取られる、光線１０４の一例を示す。

図６Ｂは図１の、ただし指ＦがタッチイベントＴＥを生じさせている感圧状態にある、感圧型タッチシステム１０を示す。上述したように、指Ｆが上面と接触するようなタッチイベントＴＥの表面２２上の位置において、導波光１０４が吸収及び散乱される。検出器２００によって測定されるような信号ＳＤは指Ｆによって印加される圧力の強さに依存し、タッチの結果は初期（未減衰）光ビーム１０４に比較して減少した減衰光ビーム１０４Ａの強度を表す光電流の減少である。

散乱モードにおける感圧
図７Ａ及び７Ｂは図６Ａ及び６Ｂと同様であり、感圧能力が光反射によるのではなく、光散乱によって与えられる、感圧型タッチシステム１０の一例の実施形態を示す。図７Ａを参照すれば、端面２６は実質的に吸収性にされる。光源１００及び検出器がある端面２６を除き、端面２６は光吸収性材料で被覆されているとして示される。

図７Ｂを参照すれば，タッチイベントＴＥがおこると、散乱光１０４Ｓのいくらかが、散乱／減衰光１０４ＳＡとして、検出器２００に向けて散乱される。減衰光１０４Ａは光１０４の本来の光路に沿って進み、端面２６上に入射して、端面２６上に被着された吸収性材料２８によって吸収される。この場合、タッチイベントＴＥの位置において指Ｆの圧力が高まるにつれて、散乱光の量が多くなり、よって散乱／減衰光１０４ＳＡの強度が高まる。次いで検出器２００が散乱／減衰光１０４ＳＡを検出する。このタッチイベントＴＥにおける印加圧力の増加は対応する散乱／減衰光１０４ＳＡの量の増加を生じさせ、この結果、検出器電気信号ＳＤにおける光電流が増加する。検出器電気信号ＳＤは次いで、タッチイベントＴＥの位置における印加圧力の強さを測定するための処理のため、コントローラ３００に送られる。

図８Ａは、赤色光でとられ、ＴＩＲにより赤色光を伝えている透明薄板に印加されている圧力の強さが左から右に増加していることを示す、指（上段）及び消しゴム（下段）の像を示す。圧力の強さの増加の結果、タッチイベントがある透明薄板の上面から散乱される光の量が増加していることが分かる。散乱の大きさの増加は、透明薄板のバルク体内を進んでいる光に、透明薄板の上面に押し当てられている物体と益々強く相互作用させる、光学接触の量（面積）の増加による。

図８Ｂは透明薄板の上面に当てられている指Ｆの一連の斜視像であり、左から右に圧力の強さが増加している。増加する指圧力は、タッチイベント位置における印加圧力の関数としての指の明るさの増加によって示されるように、指に結合される光の量の増加を生じさせる。

図９Ａから９Ｃは、図８Ｂに見られる現象を示す、簡略な断面図である。図９ＡはタッチイベントＴＥにある指紋ＦＰ付きの指Ｆを示す。図示を容易にするため、光１０４，散乱光１０４Ｓ及び減衰光１０４Ａは省略されている。

図９Ａにおいて、指Ｆは矢印ＡＲ１で示されるように第１の大きさの力Ｆ１で上面２２に押し当てられる。指紋ＦＰを定める隆線ＲがＯＣ１からＯＣ５で示される多くの場所で表面２２と光学接触する。これらの光学接触位置のそれぞれはそれぞれにともなういくらかの表面積を有し、その結果光学接触位置ＯＣ１からＯＣ５にともなう表面積で除された力Ｆ１によって定められるような強さの圧力が表面２２に生じる。

図９Ｂは図９Ａと基本的に同じであるが、指Ｆの力が矢印ＡＲ２で示されるように第２の大きさの力Ｆ２に強められている。付加された力により、隆線Ｒはつぶされて、位置ＯＣ１からＯＣ５における光学接触の面積が大きくなる。この結果、タッチイベントＴＥの位置における透明薄板２０のバルク体２１から散乱されて出てくる光が多くなる。

図９Ｃは、タッチイベントＴＥの位置において実質的に指先の全体が光学接触するように隆線Ｒを実質的に平坦にするに十分に大きい、矢印ＡＲ３で示されるような第３の大きさの力Ｆ３が印加される場合を示す。これは、光学接触の面積を実質的に大きくし、タッチイベントＴＥの位置において透明薄板２０のバルク体２１から一層多くの光を散乱するようにはたらく。

表面粗さ
図１０に示される一例の感圧型タッチシステム１０において、上面２２は、挿入拡大図に示されるように、ある大きさの表面粗さを与える。例えば、表面２２がピークＰ及び谷Ｖを有していれば、指またはタッチイベントＴＥをおこすために用いられるその他の素子との光学接触による光結合の可能なレベルの範囲を広げることができる。一例において、表面粗さのスケールは大体指紋のスケールである。すなわち、１００μｍから３００μｍの範囲にある。ここで、粗さスケールはピークと谷の間の間隔または二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さとすることができる。別の例において、粗さは１００ｎｍと１ｍｍの間である。表面２２には、エッチング、機械的研磨、型押、粒子被覆及びその他の既知の手法のような、様々な手法を用いて粗さを与えることができる。表面粗さは、ランダム、疑似ランダムまたは疑似周期的とすることができ、あるいは、ナノ構造化、マイクロ構造化または表面模様化することができる。

積層表面
図１１は、透明薄板２０の表面２２が上面２２２を有する１つ以上の層２２０を含む、一例の実施形態を示す。図示例として単層２２０が示されている。層２２０は有機層または無機層とすることができる。一例において、層２２０は自己組織化単分子膜を含む。一例の層２２０は、表面２２に比較して、強い親水性または親油性を与えるために用いられる。これは続いてタッチイベント中になされ得る圧力依存光学結合の大きさまたは範囲に、したがってタッチイベント位置における圧力依存光学結合の大きさまたは範囲に影響を与え得るであろう。層２２０の他の例には反射防止層及び光波長遮断層がある。

例えば、疎水性タッチ面２２２は、与えられた圧力において表面２２２に当てられている湿った指によってタッチイベントがおこるタッチイベント場所において弱い光学結合を生じさせるであろう。層２２０のための材料の一例は、表面を疎水性にする、フッ素化シランである。コーニング社から入手できる、Ｅ-Ｚクリーン（商標）として知られる材料を、そのような層２２２を形成するために用いることができる。

防指紋性を与えるため、層２２０に他の材料を選ぶことができる。

一例の実施形態において、層２２０はガラスまたは高屈折率エポキシとすることができ、屈折率は、空気界面を有する表面２２にともなう光損失に比較して、実質的な光損失を防ぐように選ばれる。

変調検出器信号
図１２Ａは、タッチイベントにともなう圧力の強さを決定するために変調検出器信号を利用する感圧型タッチシステム１０の一例の実施形態の一部の拡大図である。図１２Ａの感圧型タッチシステム１０は、図示されるように、レーザ光源１００（例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ）、円柱レンズ２４０及び透明薄板２０の端面２６に隣接して配置されたグレーティング２４６を備える。対向する端面２６に隣接して配置されるとして検出器２００が示され、可視周囲光、例えば太陽光のような、不要な光の波長をフィルタ除去するため端面と検出器の間にフィルタ２４８が配されている。

レーザ光源１００は少なくとも一方向に光１０４を放射する。円柱レンズ２４０は光１０４をコリメートするように構成され、よって光１０４はコリメート光としてグレーティング２４６上に入射する。グレーティング２４６は光１０４を２本の光ビーム、すなわち、ゼロ次回折にともなう「ゼロ次」光ビーム１０４-０と一次回折にともなう一次光ビーム１０４-１に分離するように構成される。

光源１００の波長は、コントローラ３００のプロセッサ３０２からの光源制御信号ＳＬ（図１も見よ）によって変調される。光ビーム１０４-０及び１０４-１はいずれも検出器２００に入射し、干渉して、波長変調及び光ビームの異なる光路により、移動正弦関数をつくる。すなわち、この構成は干渉計（例えば、マイケルソン干渉計）を定める。検出器２００は干渉した光ビーム１０４-０及び１０４-１を検出して、検出器信号ＳＤを発生し、検出器信号ＳＤは処理のためにコントローラ３００に送られる。検出器信号ＳＤは、レーザ変調周波数にある光だけが検出されるように、コントローラ３００によって処理（フィルタリング）される。これは、例えば、ロックインアンプによって達成することができる。

図１２Ａのタッチイベントがない状況において、光ビーム１０４-０及び１０４-１はいずれも実質的に同じ強度で、あるいは最低限でも、設定強度差をもって、検出器に到着する。これは、変調コントラストが１に規格化されている、挿入図に示されるように、処理された検出器信号の変調を定める。

図１２Ｂは、ここでは指Ｆが透明薄板２０の表面２２に押し当てられてタッチイベントＴＥをおこしていることを除いて、図１２Ａと同様である。これは、指Ｆとの光学接触による散乱光１０４Ｓを生じさせ、散乱光１０４Ｓは一次光ビーム１０４-１と相互作用して、検出器２００まで進み続ける減衰一次光ビーム１０４-１Ａを形成する。一方、ゼロ次光ビーム１０４-０は減衰されずに検出器２００まで進む。一次光ビーム１０４-１は減衰されて元の光ビーム１０４-１より強度が低い減衰光ビーム１０４-１Ａになっているから、処理された検出器信号ＳＤの変調コントラストは、図１２Ｂの挿入図に示されるように、低くなる。タッチイベントＴＥの位置における散乱光１０４Ｓの強さは印加圧力強度の関数であるから、変調コントラストの測定された低下は印加圧力を表す。

図１３Ａは、透明薄板２０の上面２２上に層２２０を有する、感圧型タッチスクリーン１０の一例の実施形態の一部の拡大図である。一例において、層２２０は、例えば、透明薄板２０のバルク体２１のイオン交換によって形成された、分布屈折率層である。層２２０は定屈折率層とすることもでき、この場合、層２２０の屈折率は、層が導波路層としてはたらくように、バルク体２１の屈折率より高い。したがって、図１３Ａの構成は層２２０にともなう表面導波路及び透明薄板２０のバルク体２１にともなうバルク導波路を含む。一例において、光を層２２０内に及び層２２０外に結合するため、グレーティング２４６あるいはその他の光結合素子または構造がバルク体２１と層２２０の間で光源１００及び検出器２００の近くに配される。

光源１００及び検出器２００は、透明薄板２０の下面２４に隣接して動作可能な態様で配されて示される。光源１００によって放射された光１０４は、２つの主光路をとり、よって、表面導波路内及びバルク導波路内のいずれをも進む光１０４-１と主に層２２０の表面導波路内を進む光１０２-２で表される。透明薄板２０のバルク体にともなうバルク導波路は層２２０にともなう表面導波路より厚いから、光１０４-１は最上面２２面において光１０４-２より少ない反射を受けるであろう。２つの導波路の間の屈折率差は異なる伝搬角を生じさせ、よって光１０４-１及び光１０４-２に異なる光路長を与えるであろう。異なる伝搬長は異なる角度及び屈折率の両者によって生じ得る。図１２Ａ及び１２Ｂに関して上述した実施形態におけるように、光源はレーザであり、光源の波長は光源制御信号ＳＬによって変調される。

光源１００の波長変調並びに光１０４-１及び光１０４-２が進む異なる光路長の結果、検出器２００において干渉がおこり、変調検出器信号ＳＤを生じさせる。変調検出器信号ＳＤは、上述したように、信号の変調コントラストを引き出すためにコントローラ３００によって処理される。タッチイベントがないときに、変調コントラストは最大である。

さらに詳しくは、２つの伝搬波の間の位相差ｄφは、ｄφ＝２πLΔｎ/λで与えられる。ここで、Lは伝搬距離、Δｎはバルク体２０１と層２２０の間の屈折率差、λは光１０４の波長である。この位相差に対する式では、透明薄板２０のバルク体２１をなすガラスのバルクが表面層よりかなり厚く、よってバルクモードはほとんど、表面層と対照したものとしての、バルク内を伝搬するとされている。

例として、０.１ｍの伝搬距離、Δｎ＝０.０１の屈折率コントラスト（差）（この値はカリウムイオン交換を用いて透明薄板に形成されている層２２０において一般的である）を仮定し、（ＩＲ ＤＢＲレーザで発生されるような）約１μｍの公称波長を用いれば、検出点において完全変調信号をつくるに必要な波長変調振幅は約１ｎｍであり、これは十分に、ＤＢＲレーザまたはＤＦＢレーザのような、レーザ光源１００の能力範囲内にある。

検出器電気信号ＳＤから決定される強度Ｉ及び変調コントラストＣは：
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２・(Ｉ１・Ｉ２)^１/２・ｃｏｓ(ｄφ)；
Ｃ＝２・(Ｉ１・Ｉ２)^１/２/(Ｉ１＋Ｉ２)；
で与えられる。

光エネルギーが２つの導波路の間で等しく分配されるとすれば、Ｉ１＝Ｉ２であり、信号のコントラストＣは１００％に近い。

図１３Ｂは、ここでは指Ｆが層２２０の表面２２２に押し当てられてタッチイベントＴＥをおこしていることを除いて、図１３Ａと同じである。これは、指Ｆとの光学接触による散乱光１０４Ｓを生じさせ、散乱光１０４Ｓは第１の光ビーム１０４-１及びと第２の光ビーム１０４-２と相互作用して散乱光１０４Ｓを形成する。表面２２２においては光１０４-１より多くの光１０４-２の反射があるから、指Ｆは光１０４-１よりも多く、光１０４-２と相互作用する。これは光１０４-１及び１０４-２に対する余分の光線によって示されている。詳しくは、減衰されて減衰光線１０４-２Ａを形成している２本の光線１０４-２が示され、一方では、減衰されて減衰光線１０４-１Ａを形成している１本の光線１０４-１だけが示されている。この結果、検出器２００に達する光１０４-２は光１０４-１より少なく、したがって処理された検出器信号ＳＤにおける変調コントラストは低くなるであろう。言い換えれば、２層構造でつくられる干渉計は不平衡になる。タッチイベントＴＥの位置における散乱光１０４Ｓの強さは印加圧力強度の関数であり、変調コントラストにおける測定された低下は印加圧力を表す。

変調コントラストにおける実質的な変化を計算するに十分な、検出器電気信号における変化に対する、光散乱をタッチイベントが生じさせない場合は考察に値する。これは、指が非常に乾いている場合、あるいは手袋を着用しているかまたは柔らかいスタイラスを用いている場合であり得る。

そのような低圧力タッチイベントを検出するための一手法は比較的薄い（例えば、０.７ｍｍ以下の）透明薄板２０を用いることである。これにより、透明薄板が、また比較的薄い層２２０も、局所的圧力を受けたときに変形して、表面近くを伝搬する光１０４に対して透明薄板１０４のバルク第２１内を伝搬している光とは異なる伝搬長を生じさせることが可能になる。これは続いて検出器２００における干渉に影響を与え、したがって検出器電気信号にＳＤはっきり現れる。

一例の実施形態において、上述した変調検出器信号法は、検出器２００における干渉パターンが複雑になってスペックルパターンに似るように、非常に多くの透明薄板のバルク体２１内を進む干渉光ビームについて実行される。非常に多くの干渉ビームのため、得られる検出器２００における干渉／スペックルパターンは透明薄板２０の上面２２におけるタッチイベントによる光１０４の散乱に敏感になるであろう。これにより、続いて、タッチイベントＴＥの位置においてかけられる圧力の強さの検出感度を高めることが可能になる。

図１３Ｃは図１３Ａと同様であり、透明薄板２０の下面２４上に第２の高屈折率層２８０をさらに備える、感圧型タッチシステム１０の別の実施形態例を示す。層２８０は第２の比較的薄い導波路としてはたらく。光１０４を光１０４-１及び１０４-２としてそれぞれ層２２０及び２８０に結合するため、グレーティング２４６または他の光結合素子が光源１００及び検出器２００に対して配される。

上面２２２において局所的圧力を印加するタッチイベントＴＥがおこると、透明薄板及び総２２０と２８０で構成された構造が変形する。これは、続いて、層（導波路）２２０内を進んでいる光１０４-１の光路長に、層（導波路）２８０内を進んでいる光１０４-１の光路長に対する変化を生じさせる。光路長の変化は、（図１３Ｃに影線の指Ｆで示される）タッチイベントＴＥの位置において印加されている圧力を表す態様で、検出器２００における干渉を変化させる。

一例において、図１３Ｃの積層構成は透明薄板２０の上面２２及び下面２４のいずれも介するイオン交換（例えば、銀イオン交換）を用いて形成することができる。銀イオン交換は、適する屈折率変化を与えることができるだけでなく、抗菌特性をもつ構造も与えることができることに注意されたい。別の例において、図１３Ｃの積層構造は、透明薄板２０が層２２０及び２８０より低い屈折率を有し、よって２つの外層が比較的薄い導波路としてはたらく、両面積層ガラス構造を形成する。

上で論じたように、感圧型タッチシステム１０の一例の実施形態において、光源１００は光ビーム１０４の形状を定めるためにはたらく光学素子とともに用いられる。円柱レンズ２４０及びグレーティング２４６を用いるそのような構成の一例が図１２Ａ及び１２Ｂに示されている。

図１３Ｄ及び１３Ｅ（上面図）は図１３Ｃの多層構成に基づく一実施形態例を示し、光ビーム１０４が直交方向に広がり得るように光ビーム１０４をコリメートするために円柱レンズ２４０が用いられている。この構成により、光伝搬方向における導波路２２０及び２８０の単一モードだけの励起が可能になり、光で導波路全体を実質的に満たすための直交方向の光の発散も可能になる。上で論じたように、導波路２２０及び２８０の全体積をそれぞれ光１０４-１及び１０４-２で満たすには、１つ以上の光源１００が必要になり得る。

一例の実施形態において、複数の光源素子１０２を有する光源１００（図３を見よ）を用いるのではなく、一例において光源は、例えば、光拡散性光ファイバを含む、長延光源とすることができる。そのような実施形態において、円柱レンズ２４０は長延光源の長さに沿って延びることができ、長延光源は実質的に円柱レンズの焦点位置に配置される。

一例の実施形態において、単一平板導波路の層２２０ではなく、例としてキーボードデバイスとして構成されて示される、図１３Ｆの感圧型タッチシステム１０の略図に示されるように、（ｘ，ｙ）方向に走る多くのチャネル導波路２２０Ｃを用いることができる。チャネル導波路２２０Ｃは薄膜ベースとするかまたはイオン交換により形成することができる。さらに、この実施形態例において、検出器２００は個々のチャネル導波路から光１０４を受け取るように配置された検出器素子で構成することができる。

そのような構成はタッチイベントの（ｘ，ｙ）位置を、タッチイベントＴＥのタッチ位置において印加されている圧力の強さとともに、決定するために用いることができる。２つ以上の同時タッチイベントＴＥの位置及び圧力を決定することも可能になる。この能力は、図１３Ｆに示されるキーボード用途または同時タッチイベントが用いられ得るその他の用途のような、用途に有用である。チャネル導波路２２０Ｃは特定の用途に整合するように様々な異なる寸法を有することができる。例えば、キーボード用途に対し、キー当たり１本の、またはおそらくいく本かの、導波路が必要となるであろうが、キーストロークに対応するタッチイベント位置において圧力測定値のオーバーサンプリング／リダンダンシーを得るためには、キー当たり数１０本または５０ないし１００本，さらには数１００本の導波路も用いられ得るであろう。

光源
光源１００の例は上に論じ、光源１００の例には、発光ダイオード、レーザダイオード、ファイバレーザを、また、例えば光拡散性光ファイバを含む、長延光源も含めた。

一例の実施形態において、光源１００は、１）単一モード、２）１ｎｍまで可変の波長及び３）比較的安価、の３つの主な特性を有する。

これらの特性を有する光源の一タイプは上述したＤＢＲレーザである。特に適するＤＢＲレーザ光源１００は１０６０ｎｍで動作するＤＢＲレーザである。そのようなレーザは、利得区画、ブラッグ回折格子を含む回折格子区画（ＤＢＲ区画とも称される）及び利得区画と回折格子区画の間の位相区画の３つの主区画を有する。ブラッグ回折格子は波長依存反射率を与え、適切な信号の印加によるレーザの中心波長の選択を可能にする。位相区画は選択されたモードの波長を調節するために用いられる。

したがって、ＤＢＲレーザにおいては、位相区画またはＤＢＲ区画に信号を印加することによって波長を変調することができる。しかし、信号が２つの区画の内の１つだけに印加されると、波長は円滑で連続な波長変化の代わりに急激な波長飛躍を受けるであろう。しかし、ＤＢＲ区画及び位相区画のいずれにも特定の信号を印加することにより、モードホップを含む連続波長調整を得ることができる。したがって、実施形態例において、光源１００は、モードホップをおこさずに波長を連続的に変えることができる、ＤＢＲレーザとして構成される。

感圧較正
本開示の態様は、指、鉛筆、スタイラス、等のような、タッチイベントをおこすために用いられる様々な用具に対する検知、報告及び応答のためのアルゴリズム開発を容易にするための、感圧較正及び力測定の方法を含む。一例の実施形態において、感圧型タッチシステム１０によって記録されるタッチイベントにともなう力または圧力を測定し、必要に応じて、触覚フィードバックを与えるために、歪検知素子または力センサ（例えば、ストレインゲージ、圧電素子）が用いられる。

図１４Ａは、透明薄板２０が力検知デバイスによって懸架され、よって、図示されるようにＺ方向のような、一方向に動きが拘束されるように構成された多数の力センサ２６０を備える感圧型タッチスクリーン１０の一部の平面図である。力センサ２６０は、図１４Ａに示されるように、端面２６に沿って、またはコーナーに、あるいはそのような場所の組合せに、配置することができる。したがって、上述したようにタッチイベントがおきたときに、タッチイベントにともなう力は、一例において、コントローラ３００に電気的に接続され、力検知信号ＳＦを処理のためにコントローラ３００に与える、力センサ２６０によって測定される。そのような電気的接続の１つ及び対応する信号ＳＦが例として示される。

図１４Ｂは図１４Ａと同様であるが、一軸より多くにおける力の検出を可能にするように構成された力センサを有する。この多次元力検知法は、ゲーム、医療用デバイス、工業用デバイス、等のような先進制御用途に有用であり得る。

力センサ２６０は既知の、及び市販の、力センサのいずれかとすることができ、あるいはいずれかを含むことができる。これらには、例えば、ａ）小さく、可撓性であり、したがって感圧型タッチシステム１０に容易に組み込まれる、感圧抵抗器、ｂ）機械的変形を測定可能な電荷に変換する圧電効果利用力検知素子、ｃ）電気回路に基づくストレインゲージ、ｄ）光ファイバ利用ストレインゲージのような、光ストレインゲージ、ｅ）静電容量型ストレインゲージ及びｆ）加速度計利用力センサがある。

本開示の態様は、タッチイベントにおける印加力または印加圧力の強さの絶対測定値を与えるために、１つ以上の力センサを用いる、タッチイベントにおいて印加される力の強さの評価を含む。力測定値情報はコントローラ３００に格納し、次いで、上述した方法に基づいて光検出された力または圧力の強さに基づいて、与えられたタッチイベントの性質を評価するために用いることができる。

感圧型ディスプレイシステム
感圧型タッチシステム１０は、静電容量型または抵抗型の位置感応型ディスプレイシステムのような、従来の位置感応型ディスプレイシステムと組み合わせて用いることができる。

図１５Ａは、液晶ディスプレイのような、従来型ディスプレイユニット４１０に隣接してその上に（例えば上面に）動作可能な態様で配置することで形成された、一例のタッチ感応型ディスプレイ４００の斜視図であり、このディスプレイは従来の位置ベース検知能力を有することができる。

図１５Ｂは、感圧型タッチシステム１０を従来型ディスプレイユニット４１０とどのように統合するかの一例を示している、タッチ感応型ディスプレイ４００の一例の簡略な、部分分解組立断面図である。従来型ディスプレイシステム４１０は、図示されるように全てが配置された、光４１６を放射するバックライトユニット４１４，薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ガラス層４２０，液晶層４３０，上面４５２を有するカラーフィルタガラス層４５０，及び上面４６２を有する上部偏光板層４６０を有する、液晶ディスプレイの形態で示される。カラーフィルタガラス層４５０の縁端を囲んでフレーム４７０が配置される。光源１００は、例として、フレーム４７０内に動作可能な態様で支持されているとして示される。これは、上面４８２を有する一体型ディスプレイアセンブリ４８０を形成する。

図１５Ｃを次に参照すれば、感圧能力を有する完成タッチ感応型ディスプレイ４００を形成するため、透明薄板２０を従来型ディスプレイユニット４１０の一体型ディスプレイアセンブリ４８０の上面４８２上に動作可能な態様で配することにより、透明薄板２０が一体型ディスプレイアセンブリ４８０に付加される。透明薄板２０は、光源１００に隣接して配された、ＩＲには透明であるが可視光には不透明な層の形態の、上述したカバー４０を有する。透明薄板２０の端面からの反射を防止するため、透明薄板２０の端面に吸収層２０を有することもできる。

図１５Ｂ及び１５Ｃのタッチ感応型ディスプレイの実施形態において、光源１００は、上述したＩＲに透明なカバー４０を通して透明薄板２０の下面２４に面結合される。必要次第で、透明薄板２０と上部偏光板層４６０の間に空隙４７４も形成される。一例の実施形態において、空隙４７４は、上部偏光層４６０に接触し得るか、あまたは低屈折率層４７５で置き換えることができ、いずれの表面でも、透明薄板２０はその上に載る必要があり得る。低屈折率層４７５は、透明薄板２０が表面、特に透明薄板より高い屈折率を有する表面に接触して配置される必要がある場合に、透明薄板２０の導波路特性を維持するためにはたらく。一例において、低屈折率層４７５は、透明薄板を下層の表面に接合するために用いられる接合材料でつくられる。

一例において、感圧型タッチシステム１０とのインタラクティブ動作へのユーザ５００の案内のため、透明薄板２０上にまたは透明薄板２０を通して、様々な１つまたは複数の表示（図示せず）がユーザ５００に提示される。例として、表示は、ユーザ選択、ソフトウエア実行、等を示すために、またはユーザがタッチイベントＴＥをおこすべき領域を示すために取り除けられた、透明薄板２０の上面上の領域を含むことができる。

特定の態様及び特徴を参照して実施形態を本明細書に説明したが、これらの実施形態が望ましい原理及び用途の説明に過ぎないことは当然である。したがって、説明のための実施形態に数多くの改変がなされ得ること及び、添付される特許請求項の精神及び範囲を逸脱しない他の構成が案出され得ることは当然である。

１０ 感圧型タッチシステム
２０ 透明薄板
２１ 透明薄板バルク体
２２ 透明薄板上面
２４ 透明薄板下面
２６ 透明薄板端面
２７ 透明薄板周縁
２８ 吸収性材料
４０ カバー
１００ 光源
１０２ 光源素子
１０３ 接着剤
１０４ 光ビーム（光）
１０４Ａ 減衰光ビーム
１０４Ｓ 散乱光
１０４ＳＡ 散乱／減衰光
１１０ フレキシブル回路基板（フレキシブル回路）
１１２ プリント回路基板（ＰＣＢ）
２００ 検出器
２２０，２８０ 高屈折率層
２２０Ｃ チャネル導波路
２２２ 被覆層上面
２４０ 円柱レンズ
２４６ グレーティング
２４８ フィルタ
２６０ 力センサ
３００ コントローラ
３０１ バス
３０２ プロセッサ
３０４ デバイスドライバ
３０６ インターフェース
４００ タッチ感応型ディスプレイ
４１０ 従来型ディスプレイユニット
４１４ バックライトユニット
４１６ 光
４２０ 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ガラス層
４３０ 液晶層
４５０ カラーフィルタガラス層
４５２ カラーフィルタガラス層上面
４６０ 偏光板層
４６２ 偏光板層上面
４７０ フレーム
４７４ 空隙
４７５ 低屈折率層
４８０ 一体型ディスプレイアセンブリ
４８２ 一体型ディスプレイアセンブリ上面
５００ ユーザ（観察者）
Ｆ 指
ＦＰ 指紋
ＯＰ 光路
ＳＤ 検出器電気信号
ＳＦ 力検知信号
ＳＬ 光源制御信号
ＴＥ タッチイベント

Claims (11)

1. タッチイベントの位置における圧力の強さを検知するための感圧型タッチシステムにおいて、
   上面、下面及び、端面を含む、周縁を有する透明薄板であって、前記タッチイベントはタッチイベント位置において前記上面上におこるものである、透明薄板、
   前記透明薄板に対して動作可能な態様で配され、全反射によって進むように前記透明薄板に結合される光を放射する、少なくとも１つの光源、
   前記透明薄板及び前記光源に対して動作可能な態様で配置された、前記透明薄板内を進んでいる光の検出された強度を表す信号強度を有する検出器電気信号を発生するための、少なくとも１つの検出器であって、前記タッチイベントは前記検出された光強度に、前記タッチイベント位置において印加された圧力の変化に対応する、変化を生じさせるものである、検出器、
   及び
   前記少なくとも１つの光源及び前記少なくとも１つの検出器に動作可能な態様で接続され、前記検出器電気信号を受け取って前記タッチイベント位置において印加された前記圧力の前記変化を決定するように構成された、コントローラ、
   を備えることを特徴とする感圧型タッチシステム。
2. 前記検出器において強度変調光を形成するために波長変調されている前記光源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記透明薄板が赤外（ＩＲ）光に対して実質的に透明であり、前記少なくとも１つの光源からの前記放射光がＩＲ光を含み、前記少なくとも１つの検出器が前記ＩＲ光を検出するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記透明薄板がバルク体を有し、前記システムが前記透明薄板の前記上面に隣接する前記透明薄板の前記バルク体にイオン交換領域をさらに有し、前記イオン交換領域が表面導波路を定め、前記透明薄板の前記バルク体がバルク導波路を定め、前記表面導波路及び前記バルク導波路が前記光源から前記検出器に光を導くようにはたらくことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記タッチイベントにともなう力の強さを測定するために、前記透明薄板に対して動作可能な態様で配置された少なくとも１つの力センサをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの力センサが、感圧抵抗器、圧電効果利用力センサ、電気回路に基づくストレインゲージ、光ストレインゲージ、静電容量型ストレインゲージ及び加速度計利用力センサからなる力センサの群から選ばれる力センサであることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 感圧能力を有するディスプレイシステムにおいて、
   請求項１から６のいずれかに記載の前記感圧型タッチシステム、及び
   ディスプレイを有するディスプレイユニット、
   を備え、
   前記感圧型タッチシステムが前記ディスプレイに隣接して動作可能な態様で配置されている、
   ことを特徴とするディスプレイシステム。
8. 透明薄板の上面上のタッチイベントの位置において用具によって印加される圧力の相対的な強さを決定する方法において、
   少なくとも１つの光源から全反射により前記透明薄板を通して光を送る工程、
   少なくとも１つの検出器において前記光を検出し、第１の検出器電気信号を発生する工程であって、検出される光は、前記上面における前記用具の印加圧力の前記強さに準じて散乱されるかまたは減衰されるものである工程、
   及び
   前記タッチイベントの前記位置において前記用具によって印加される圧力の前記強さを前記第１の検出器電気信号から決定する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
9. タッチイベントのない状態において基準検出器電気信号を測定する工程及び、前記タッチイベントの前記位置において前記用具によって印加される圧力の前記強さを決定するため、前記第１の検出器電気信号を前記基準検出器電気信号と比較する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
10. 前記光の前記波長を変調する工程、
    グレーティングに入射する前記波長変調光を第１の光ビーム及び第２の光ビームに分割するため、前記波長変調光に前記グレーティングを通過させる工程、
    前記第１の検出器電気信号が強度変調情報を含むように、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームを検出する工程、及び
    前記タッチイベントの前記位置において前記用具によって印加される圧力の前記相対的な強さを表す変調コントラストを決定するため、前記第１の検出器電気信号を処理する工程、
    をさらに含むことを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. 前記タッチイベント位置において前記用具によってかけられる力を、前記透明薄板に対して動作可能な態様で配置された１つ以上の力センサを用いて測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の方法。