JP2016509246A - 改質サファイアを含有してなる携帯用電子機器 - Google Patents

Abstract

カバープレートを含有してなる電子機器が開示される。該カバープレートは、サファイアの誘電率より高い誘電率を有する改質サファイアの少なくとも１つの層を含有してなる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年１２月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／７３５，７６１号の優先権を主張し、その教示は参照により本明細書に取り込まれる。

（技術分野）
本発明は、サファイアカバープレート、特に、サファイアの誘電率より大きい誘電率を有する改質サファイアを含有してなるカバープレート、を含有してなる携帯用電子機器に関する。

少なくとも部分的に透明なディスプレーウィンドーアセンブリを含む、現在入手可能な多くの種類の携帯用電子機器がある。これらは、例えば、メディアプレーヤー、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡｓ）、ポケットベル、タブレットのようなコンパクトな電子機器、ラップトップコンピュータ、及びノートパソコンを包含する。ディスプレースクリーンアセンブリは、例えば、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）のような画像表示層、ユーザー入力用のタッチセンサー層、及び画像表示層を保護するために用いられる少なくとも１つの外部カバー層などの、複数の部品の層を含むことができる。これらの各層は、通常、互いに圧縮成形されるか又は結合されている。

タッチセンサースクリーンアプリケーションは、すり減って機能しなくなる機械的な押しボタン部品を排除するため、そして視覚的により魅力的な電子機器のフォームファクターに組み込むことができるため、多くの携帯用電子機器で非常によく用いられている。このようなタッチスクリーンの大部分は電子回路内の静電容量の検出に依存しており、該電子回路はウィンドーアセンブリのすぐ近くに取り付けられているか又はその上に構築されている。これらの静電容量検出タッチスクリーンは、可動部分を持たず、作動のための圧力又は屈曲に依存せず、すり減ることがなく有効な寿命が延長されるという、他の技術を超えた利点を有している。

これらのタッチスクリーンにおける静電容量検出電子装置は、スクリーンに対して、ユーザーの指などのプローブの位置を決定するために用いられる。プローブが電子回路に接近すると、これら回路の固有の静電容量がプローブ周辺の電場によってもたらされる追加の静電容量によって変化する。この現象を投影型静電容量（projected capacitance）という。

タッチスクリーン電子装置の静電容量検出部品は、水平面上のいくつかの格子に沿って分布している。電子回路は、接近するプローブの電場によって最も強く影響を受けるこれらの部品のｘ座標及びｙ座標の位置を決定するように設計され、タッチスクリーン座標に対してプローブの位置を決定する。これらのタッチスクリーン電子回路は、これらの座標を検出する精度を最大にするように設計される。より高い精度は、タッチスクリーンによってもたらされるユーザーインターフェースの機能性及び使いやすさを改善する。これらの回路のプローブ周辺の電場に対する感度は、その誘電率などのタッチスクリーンを製造するために用いられた材料の電気的性質によって直接影響を受ける。

また、タッチスクリーン材料の機械的性質も重要である。現在用いられている携帯用電子機器の多くは、過度な機械的及び／又は化学的損傷、特に、不注意な取り扱い及び／又は落下によって、使用者のポケットやハンドバッグの中にある鍵などと画面との接触によって、或いは頻繁なタッチスクリーンの使用によって、損傷を受けている。例えば、スマートフォンやＰＤＡｓのタッチスクリーン表面及びインターフェースは、物質的なユーザーインターフェースを引っかいたりへこませたりという摩耗によって損傷を受けるかもしれず、そして、これらの傷は、機械的又はその他の衝撃を受けた場合にスクリーン及び／又は下層の部品をより破壊させ易くする圧力の集中部位として作用するかもしれない。また、使用者の皮膚の油又はその他の汚れが表面を覆うこともあり、機器の劣化をさらに促進するかもしれない。このような摩耗及び化学的な作用は下層の電子表示部品の画像の鮮明さを減少する原因になるかもしれず、機器の使用やその性能を享受することを潜在的に妨げ、機器の寿命を制限する。

携帯用電子機器のディスプレーウィンドーの耐久性を増大するために、種々の方法及び材料が用いられてきた。例えば、高分子コーティング又は高分子層を、劣化からの保護を与えるためにタッチスクリーン表面に適用し得る。しかしながら、このような層は、タッチスクリーンの感度を低下させるだけでなく、下層の電子表示の画像の鮮明さも妨げる可能性がある。さらに、コーティング物質もまた多くの場合へこみやすい材質であるので、コーティング物質それ自体が容易に損傷を受ける可能性があり、定期的な交換を必要とするか、或いは機器の寿命を制限する。

別の一般的なアプローチは、より高度に化学的にそして引っかきにも耐性な物質をディスプレーウィンドーの外部表面として使用することである。例えば、いくつかの携帯用機器のタッチセンサースクリーンは、Corning 社から入手可能なGorilla（登録商標）ガラスと呼ばれる物質のような、強度を増大するためにナトリウムイオンをカリウムイオンで置換した、化学的に強化されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの層を含むようである。しかしながら、この種のガラスであっても、金属の鍵、砂、及び小石を含む多くのより硬い物質によって引っかき傷を付けられることもあり、さらに、ガラスであるが故に、脆性破壊する傾向があり粉砕することもある。サファイアも、ディスプレーアセンブリの外層用の物質として又はディスプレーウィンドーの表面に適用される別個の防護シートとして提案され使用されてきた。しかしながら、サファイアは、現在入手できる厚さでは他と比較して特に高価である。

このように、携帯用電子機器のディスプレーに、損傷に対する相対的な耐性を与えることができるいくつかの物質が入手可能であるものの、特にタッチセンサースクリーンアプリケーションに関して、電場の伝搬を低下させることなく改良された機械的靱性及び引っかきに対する耐性を提供する物質への要求が当業界には依然として残っている。

本発明は、少なくとも１つの透明なディスプレー領域を有するカバープレートを含有してなる電子機器に関する。該カバープレートは、サファイアの誘電率より大きい誘電率を有する、少なくとも１つの改質サファイアの層を含有してなる。好ましくは、改質サファイアは、同じ条件下で測定したときに、サファイアの誘電率より０．１％及び０．５％大きいものを含む少なくとも約０．０５％大きい誘電率を有する。電子機器はさらに、ディスプレー表面を有する少なくとも１つのディスプレー要素を含有してなり、カバープレートは該ディスプレー表面に貼り付けるか、或いは保護層として着脱可能にディスプレー表面の上に配置することができる。

上記の概要の説明及び以下の詳細な説明はいずれも、単なる例示及び説明であり、特許請求の範囲に記載される本発明のさらなる説明の提供を意図していると、理解すべきである。

本発明は、カバープレートを含有してなる電子機器に関し、該カバープレートはサファイアより大きい誘電率を有する改質サファイアを含有してなる。

本発明の電子機器は、少なくとも１つの透明なディスプレー領域を有するカバープレートを含有してなり、例えばその上にカバープレートが置かれたディスプレー要素からの画像を、該透明なディスプレー領域を通して表示できる。非透明な領域が存在してもよく、特に、境界線のような装飾的要素として、或いはディスプレーの各種機能部分を表現する要素として、存在してもよい。電子機器は、ディスプレー又はディスプレー要素を含有してなる当該技術分野で公知のいかなるものでもよく、例えば、これらに限定されないが、ｍｐ３プレーヤーのような音楽及び／又はビデオのための電子メディアプレーヤー、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡｓ）、ポケットベル、ラップトップコンピュータ、電子手帳、又はタブレットを含む、動かせる又は持ち運べる電子機器などが挙げられる。それらの機器のディスプレー要素は、複数の部品の層を含有してもよく、例えば、ＬＣＤのような画像表示層、及びタッチスクリーンアプリケーションの一部としてのタッチセンサー層を含む。カバープレートは、機器のディスプレー要素のディスプレー表面に貼り付けることができ、或いは、カバープレートは別個の保護層であってもよく、保護層はディスプレー要素の上部に取り付けるか又はその上に配置することができ、所望により後に取り外すことができる。

本発明の電子機器のカバープレートは、以下により詳細に記載するように、サファイアより大きい誘電率を有する改質サファイア層を含有してなる。該カバープレートは、単一の独立した改質サファイア層であってもよく、或いは、さらなるサファイア層、改質サファイア層、又は硬度又は亀裂に対する耐性を含む改良された機械的特性又は表面特性などのさらに有益な特性をもたらすことができるその他の材質の層を含む、追加の層を含有してもよい。例えば、カバープレートは、典型的には約０．００１ミクロン〜約１．５ミクロンの厚さを有する反射防止コーティング及び／又は油分をはじくコーティングを含有していてもよい。従って、カバープレートは、サファイアより大きい誘電率を有する改質サファイアの少なくとも１つの層を含有してなる多層複合体であってもよい。特に費用の面で、カバープレートは改質サファイアの単一層を含有してなることが好ましい。

本発明の電子機器のカバープレート全体の厚さは、例えば、層の数、及び電子機器の望ましい大きさ及び重量を含む、多数の因子に応じて変えることもできる。一般に、カバープレートは約５ｍｍ未満である厚さを有し、好ましくは約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍの厚さを有する。しかしながら、本発明のカバープレートは、改良された誘電特性を有する少なくとも１つの改質サファイアの層を含んでいるので、本カバープレートは、ガラスを含有してなるカバープレートはもちろん改質されていない（標準の）サファイアを含有してなるカバープレートよりも薄くすることができる上に、同時にタッチセンサースクリーンの感度、硬度及び強度などの望ましい特性を同じレベルで達成することができる。従って、例えば、カバープレートはより好ましくは約０．４ｍｍ〜約２．５ｍｍの厚さを有し、さらにより好ましくは約０．５ｍｍ〜約２．０ｍｍ、そして最も好ましくは約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍの厚さを有する。

上記のように、多くの電子機器のタッチスクリーンは、ディスプレー要素に非常に近接して設置された又はその上に構築された電子回路内の静電容量を検出することに依存している。ユーザーの指などのプローブが電子回路に近づくと、これら回路の固有の静電容量がプローブ周辺の電場によってもたらされる追加の静電容量によって変化する。タッチスクリーンの電子回路はプローブの位置を検出する精度を最大にするように設計され、これら回路のプローブ周辺の電場に対する感度は、タッチスクリーンの材料の誘電率、すなわち電場がその材料を越えて伝播する容易さの量であるが、これによって直接影響を受ける。

本発明の電子機器のカバープレートのための層として用いられる改質サファイアは、高い誘電率を有し、より具体的には、物質の誘電率はそれが測定された周波数及び温度などの条件に応じて変化することが知られているので、同じ条件下で測定された非改質のサファイアより高い誘電率を有する。サファイアについては、誘電率は結晶方向によっても変化することが知られている。例えば、Ｃ軸と平行では１０３〜１０９Ｈｚ及び２５℃の条件下で１１．５の誘電率が、そしてＣ軸と直交では同じ条件下で９．３の誘電率が報告されている。一般に、サファイアの誘電率は１０であると考えられる。従って、本発明の電子機器のカバープレートの改質サファイアは、これらの値より高い誘電率を有する。

好ましくは、改質サファイアは、同じ条件下で測定されたときに、サファイアの誘電率より約０．１％及び約０．５％大きいものを含む少なくとも約０．０５％大きい誘電率を有する。サファイアと比べて少なくとも約０．０５％大きい値を有しない改質サファイアは、電子機器のためのカバープレートとしての性能に十分な著しい改善をもたらすことが期待されないのに対して、これより大きな値を有する改質サファイアは、硬度、亀裂耐性又は透明度などのより低い機械的、物理学的、又は光学的特性を示すだろう。サファイアの誘電率を増大することは一般に非常に困難であると考えられ、その結果より高い誘電率を有するサファイアは一般に知られていないので、このような増大は意義がある。例えば、材料のバルク電気特性を改質する典型的な方法は、材料をドーパントと結合させることである。しかしながら、サファイアに関しては、結晶材料を形成するのに必要な極めて高い温度条件に加え、一部はその結晶化度のために、ドーパントは、容易に或いは意味のある濃度で組み込ませることができない。このことは、方向性固化によってアルミナ溶融物から形成されたサファイアに特に当てはまる。従って、サファイアの誘電率の僅かな変化であっても意味があると考えられ、これらは電子機器のカバープレートに改善された性能特性をもたらすことが期待される。

本発明の電子機器のカバープレートは、一般に知られるカバープレートの材料と比べてより高い誘電率を有する改質サファイア材料を含むため、プローブ周辺の電場のより多くが高い誘電率を有する改質サファイアを通って伝搬すると期待でき、投影型静電容量（projected capacitance）の効果が静電容量検出部品上でより強くなるだろう。このことは結果的にウィンドーの既定の厚さに対してプローブの位置の決定をより正確なものとし、及び／又はより大きい強度のためにより厚いウィンドーの使用を可能にする。この改良は、機器の強度、耐久性、機能性又は美観を改善するために用いられる、接着剤、のり、反射防止コーティング、カラーフィルターなどの、プローブと電子装置の間に設置された別の材料の層によって失われた伝搬を埋め合わせるためにも用いることができる。選択はアプリケーションの要求によって決定されるだろう。従って、改質サファイアのより高い誘電率は、改善された設計の融通性をもたらすと共に、性能を劇的に高めることが期待されるだろう。

改質サファイアは種々の異なった方法を用いて製造できる。例えば、本発明の一実施態様では、改質サファイアは少なくとも１つのドープ剤を含むサファイア溶融物から固化され、改質サファイアの層は得られた改質サファイアの塊から切り出され又は切断される。サファイア溶融物は、例えば、結晶成長装置などの当該技術分野で公知のいずれかの装置を用いて形成できるが、この装置は、アルミナのような固体原料を通常約１０００℃を超える温度の坩堝内で加熱溶融し、次いで、サファイアブールのような結晶性物質を形成するために、得られた原料物質の溶融物の再凝固を促進できる、高温の炉である。具体的な例としては、改質サファイアは、アルミナ原料と少なくとも１つのドープ剤を結晶成長装置の高温領域に備えられた坩堝に入れること、原料とドープ剤を加熱して溶融物を形成すること、そして続いて再固化して改質サファイアの塊を形成することによって製造できる。この実施態様に関して、好ましくは改質サファイアは、熱交換法結晶成長炉の中で製造され、炉内では、アルミナなどの原料及びサファイア種などの少なくとも１つの単一結晶種を含む坩堝が、結晶種を実質的に溶融させることなく原料を溶融するように原料の融点以上に加熱され、その後、熱は、結晶種の下に置かれ坩堝の底面で熱的に連通して提供されるヘリウム冷却熱交換器などの熱交換器を用いて、坩堝から除去される。この方法は、大きくて高品質のサファイアブールを製造できることが示されている。改質サファイアの塊が形成されると、それから改質サファイアの層を取り出すことができる。

この実施態様に関して、ドープ剤は、その全般的な特性に悪影響を及ぼさずにサファイアの結晶化を改質でき、通常、得られた結晶の格子内に取り込まれることのできる物質であれば如何なるものでもよい。例えば、ドープ剤は、塩化カルシウム、塩化アルミニウム又は塩化モリブデンなどの塩化物であってもよい。これらはアルミナを溶融及び再固化して改質サファイアを形成するのに必要な条件下で相対的に安定性な状態を維持することが期待される。別の種類のドープ剤は、例えば、硫化物又は硫酸塩（硫化アルミニウム、硫酸アルミニウム又は硫酸カルシウムなど）及びアルミン酸塩（アルミン酸ナトリウム又はアルミン酸リチウムなど）を包含する。また、ドープ剤は、金属イオン含有化合物、特に、鉄、チタン、クロム、マグネシウム、ガリウム、又はカルシウムを含む化合物であってもよい。これらの物質は、酸化物又はアルミン酸塩であってもよく、これらの金属元素を得られる結晶格子の一部として含む改質サファイアを製造することが期待される。

ドープ剤は、上記のように、所望の増大した誘電率を有する改質サファイアを製造するのに十分な量で添加される。特定のドープ剤の量は、ドープ剤のそれぞれの種類によって異なってもよく、一般に、原料の化学的安定性、特にアルミナ原料を溶融して再固化するのに必要な高温炉条件に対する安定性によって決まるだろう。このような条件下で分解及び／又は蒸発しやすいものについては比較的多くの量が必要であるのに対して、化学的により安定なドープ剤については比較的少ない量が必要とされる。特定のドープ剤の具体的な量は、当業者による日常的な実験によって決定することができる。

また、ドープ剤は、サファイアが製造されるアルミナと反応するかもしれず、改質サファイア結晶内で実質的に分解する化合物を形成し、空孔を生じるかもしれない。例えば、ドープ剤は、重量で約０．０１％〜約１．０％などのレベルでアルミナ原料に添加することができる炭素であってもよい。炭素は、溶融及び再固化の間にアルミナと反応して、結晶格子内に取り込まれることによって酸素の空孔を生じる中間体を形成することが期待される。これらの酸素空孔は、電子のトラップになることができ、分極率を修正し材料の誘電率を修正できる。これらの酸素空孔を有し結果的に改質されたサファイアは、サファイアより著しく高い誘電率を有することが期待される。例えば、炭素で改質したサファイアは、同じ条件下で測定して、非改質サファイアの誘電率の２倍（すなわち、１００％高い）の誘電率を有することができる。

あるいは、本発明の別の実施態様では、改質サファイアは照射によって製造される。例えば、サファイアの塊は、上記の方向性固化方法の何れかなどの当該技術分野で公知の任意の方法を用いて製造できる。次いで、得られた物質を、硬Ｘ線又はガンマ線などの高エネルギー放射で照射できる。照射は、サファイアの塊全体に、又は、例えばサファイアから切り出し又は切断したサファイア層などの成長したサファイアから取り出した部分に対して行うことができる。高エネルギー照射は、アルミニウム及び／又は酸素空孔を生じるなどによって、結晶格子に化学変化を誘導することが期待され、これにより、改質体が製造される元となったサファイアより高い誘電率を有する改質サファイアが製造されると思われる。或いは、照射を改質サファイア又はドープサファイアに適用して、電子がドーピングによって作られた酸素空孔を占拠することを促進し、ドープされた物質の誘電率を増大させることも可能である。

上記の改質サファイアはサファイアより高い誘電率を有する一方、サファイア原体と類似した機械的、物理的及び／又は光学的特性も有することが好ましい。例えば室温で、改質サファイアの層は、好ましくは、約８００〜１０００ＭＰａを含む少なくとも約７００ＭＰＡの曲げ強度、約２〜５ＭＰａを含む１ＭＰａより大きい破壊靱性（すなわち、亀裂や引っかきを含む物質の破砕に抵抗する能力）、約１７〜約２０ＧＰａを含む約１５ＧＰａより大きいヌープ硬度、及び／又は約２０００〜３０００ｋｇ／ｍを含む約１０００ｋｇ／ｍより大きいビッカース硬度を有する。ヤング率のような係数は、典型的には約３００〜４００ＧＰａであるサファイア原体の係数に類似するが、カバープレートの所望の特性（例えば、タッチ感度）に応じて変えることもできる。従って、誘電率を増大する改質は、サファイアの全体的な特性を著しく変えることはない。これを確実にするために、改質サファイアが、サファイアの誘電率に比べて、最大で約５０％高い、及び最大で約１００％高いものを含む、最大で約２００％高い誘電率を有することが好ましい。

本発明の好ましい実施態様に関する上記の記載は、例示と説明の目的で提示されている。上記の記載は、包括的であること、又は本発明を開示されたとおりの形に限定することを意図されていない。修正及び変更は、上記の教示を考慮すると可能であり、又は発明の実施によりなされるかもしれない。上記の実施態様は、当業者が種々の実施態様で、さらに予定される特定の使用法に適合させるための種々の修正を伴って発明を利用できるようにするために、本発明の本質及び実際の適用を説明する目的で選択され記載された。本発明の範囲は、本明細書に添付されている特許請求の範囲及びその均等物によって定義されることが、意図されている。

Claims (24)

1. カバープレートが、サファイアの誘電率より大きい誘電率を有する改質サファイアの少なくとも１つの層を含有してなる、少なくとも１つの透明なディスプレー領域を有するカバープレートを含有してなる電子機器。
2. 改質サファイアの誘電率が、サファイアの誘電率より少なくとも約０．０５％大きい、請求項１に記載の電子機器。
3. 改質サファイアの誘電率が、サファイアの誘電率より少なくとも約０．１％大きい、請求項１に記載の電子機器。
4. 改質サファイアの誘電率が、サファイアの誘電率より少なくとも０．５％大きい、請求項１に記載の電子機器。
5. 改質サファイアが、少なくとも１つのドープ剤を含有するサファイア溶融物から固化される、請求項１に記載の電子機器。
6. ドープ剤が、塩化物である、請求項５に記載の電子機器。
7. ドープ剤が、塩化カルシウム、塩化アルミニウム、又は塩化モリブデンである、請求項６に記載の電子機器。
8. ドープ剤が、硫化物又は硫酸塩である、請求項５に記載の電子機器。
9. ドープ剤が、硫化アルミニウム、硫酸アルミニウム、又は硫酸カルシウムである、請求項８に記載の電子機器。
10. ドープ剤が、アルミン酸塩である、請求項５に記載の電子機器。
11. ドープ剤が、アルミン酸ナトリウム又はアルミン酸リチウムである、請求項１０に記載の電子機器。
12. ドープ剤が、鉄、チタン、クロム、マグネシウム、ガリウム、又はカルシウムを含有してなる、請求項５に記載の電子機器。
13. 改質サファイアが、鉄、チタン、クロム、マグネシウム、ガリウム、又はカルシウムを含有してなる、請求項１２に記載の電子機器。
14. ドープ剤が、炭素である、請求項５に記載の電子機器。
15. 改質サファイアが、硬Ｘ線又はガンマ線を照射されたサファイアである、請求項１に記載の電子機器。
16. カバープレートが、約０．３〜３．０の厚さを有する、請求項１に記載の電子機器。
17. カバープレートが、約０．４〜２．５の厚さを有する、請求項１に記載の電子機器。
18. カバープレートが、約０．５〜１．０の厚さを有する、請求項１に記載の電子機器。
19. 電子機器がさらに、ディスプレー表面を有する少なくとも１つのディスプレー要素を含有してなり、カバープレートが該ディスプレー表面に貼り付けられる、請求項１に記載の電子機器。
20. 電子機器がさらに、ディスプレー表面を有する少なくとも１つのディスプレー要素を含有してなり、カバープレートが該ディスプレー表面の上に着脱可能に配置された保護層である、請求項１に記載の電子機器。
21. カバープレートがさらに、外部の反射防止層を含有してなる、請求項１に記載の電子機器。
22. 電子機器が、電子メディアプレーヤー、携帯電話、携帯情報端末、ポケットベル、タブレット、ラップトップコンピュータ、又は電子手帳である、請求項１に記載の電子機器。
23. 改質サファイアが結晶成長炉内で固化される、請求項５に記載の電子機器。
24. 結晶成長炉が熱交換方式の炉である、請求項２３に記載の電子機器。