JP4064234B2 - 積層基板を有する弾性波タッチ・センサー - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、米国仮特許出願第６０／２４２０４８号（２０００年１０月２０日提出）の優先権の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、弾性波タッチスクリーン基板に関する。特に、本発明は、ラブ波および擬似レイリー波の双方をサポート（または伝搬、ｓｕｐｐｏｒｔ）する多層（または複数層）タッチスクリーン基板に関する。
【０００３】
発明の背景
本明細書で用いるように、タッチ・センサーを含むタッチスクリーンは、コンピューターおよび他の電子システムのための透明または不透明な入力デバイスである。透明なタッチスクリーンは、陰極線管モニターおよび液晶ディスプレイ等のディスプレイ・デバイス上に一般的に配置される。このようにタッチ・ディスプレイ・システムは作製されており、レストランのオーダー・エントリー・システム、工業的なプロセス制御の用途、双方向ミュージアムの展示、公共の情報提供所（ｐｕｂｌｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｋｉｏｓｋ）、ポケットベル、携帯電話およびパーソナル携帯情報機器（ＰＤＡ）を含む商業用途にますます用いられている。
【０００４】
現在、主要なタッチ技術は、抵抗方式、容量方式、赤外線方式および弾性波方式である。かかるタッチスクリーンは、コスト的に競争力のある価格で高水準の性能をもたらす。「超音波」タッチスクリーンとしても知られる弾性波タッチスクリーンは、他のタッチ技術と有効に対抗し得るものである。これは、弾性波タッチスクリーンが、耐久性のあるタッチ表面を供しつつ、高い透明度および高い解像度のタッチ性能を有する必要がある用途にて取り扱うことができることに主に起因する。弾性波タッチスクリーン技術の開発は続けられており、キーとなる販売目玉にするため、また製品に対する要求事項を維持するために、耐久性のあるタッチ表面が望まれている。
【０００５】
弾性波を使用することに基づいているタッチスクリーンは、タッチに対して感度を有する基板であって、弾性波が基板を伝搬しており、基板上の或る位置のタッチによって基板中を伝搬する波の少なくとも一部が吸収される。タッチ位置は、電子回路を用いて、ＸＹ座標系の吸収位置を突き止めることによって決められる。一般的な種類の弾性波タッチスクリーンは、本明細書で用いるように、擬似レイリー波を含むレイリー波タイプの弾性波を用いている。レイリー波タッチスクリーンに関連する例示的な開示には、米国特許第４６４２４２３号；同４６４５８７０号；同４７００１７６号；同４７４６９１４号；同４７９１４１６号；再発行特許第３３１５１号；同４８２５２１２号；同４８５９９９６号；同４８８０６６５号；同４６４４１００号；同５７３９４７９号；同５７０８４６１号；同５８５４４５０号；同５９８６２２４号；同６０９１４０６号；同６２２５９８５号および同６２３６６９１号が含まれる。また、ラム波もしくはせん断波（またはシャーウェーブ）等の他の種類の弾性波、または種々の弾性波の組合わせ（レイリー波を含んだ組合せを含む）を用いた弾性波タッチスクリーンも既知であり、例えば、米国特許第５５９１９４５号；同５８５４４５０号；同５０７２４２７号；同５１６２６１８号；同５１７７３２７号；同５３２９０７０号；同５５７３０７７号；同６０８７５９９号；同５２６０５２１号および同５８５６８２０号にて開示される弾性波タッチスクリーンがある。上述の引用する全ての特許は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
【０００６】
レイリー波の吸収によってタッチを検知するエロ・タッチシステムズ・インコーポレイテッド（Ｅｌｏ ＴｏｕｃｈＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．）のインテリタッチ（ＩｎｔｅｌｌｉＴｏｕｃｈ（登録商標））製品を含む弾性波タッチスクリーンは、商業的に成功していることが判っている。レイリー波を用いた製品の成功は、次のレイリー波の２つの特性に主に起因する。まず第１に、レイリー波が、他の弾性波よりも高いタッチに対する感度を有しているからである。そして、第２に、レイリー波が、シンプルなホモジニアスなガラス基板の表面を伝搬できる表面波であるからである。
【０００７】
しかしながら、レイリー波は欠点も有している。例えば、レイリー波がタッチスクリーン基板を伝搬するには、一般的に、基板は、基板に供される波の波長よりも３〜４倍厚くなければならない。それゆえ、レイリー波は、タッチスクリーンを有するポータブルな電子デバイスを含む種々の用途に対して、導電性がない比較的厚みを有した重い基板を必要とする。
【０００８】
更に、レイリー波は、基板の表面またはその付近に束縛（または拘束）されるので、レイリー波タッチスクリーンは、オイルおよび水等の液体汚染物ならびにシーラント等のタッチスクリーン表面に当接する他の材料に対して増加した感度を有する。汚染物または他の当接する材料は、伝搬する波から生じるエネルギーを吸収し、汚染物に交差する基材の軸に沿って弾性波シャドウ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｈａｄｏｗ）またはブラインド・スポットを引き起こすことになる。その結果、タッチスクリーン基板は、ブラインド軸に沿うタッチを検知することができない。従って、レイリー波タッチスクリーンが水に曝されることに対して、また、露出するタッチ表面とタッチスクリーン基板の包囲される領域との間にシールを設計することに特に注意が必要である。高レベルの液体汚染物の影響を受ける用途に対しては、レイリー波の使用は困難となる。
【０００９】
レイリー波タッチスクリーンの性能を最適化することは、タッチ感度および最小限度のタッチパネル厚さを独立して選択できない点で制限されている。厚さが減少したタッチスクリーンでレイリー波をサポートするためには、その他のディメンションはそのままにして、周波数または波長を減少させて弾性波の単一表面への束縛を維持することが必要である。レイリー波の特徴は、レイリー波の束縛深さが波長と関係し、波長が減少するにつれ、束縛深さが減少することである。その結果、波が、表面近くのより浅い領域に束縛され、所定の吸収媒体によって吸収される波エネルギーの割合が増加する。実験的には、これは、波長の２乗に反比例して変化することが判っている。上述のように、レイリー波を用いるタッチスクリーンは、或る用途に対して（比較的厚いパネルに対してであっても）不必要なほど敏感であると考えることができ、従って、タッチパネルの厚さが減じられる効果によって、タッチスクリーンは表面汚染物および他の当接する材料に対して極めて敏感となってしまう。その逆に、擬似レイリー波の波長を増加させることによって感度を減少させると、パネルの厚さおよび重量が増加することになる。最後に、タッチスクリーンの大量生産に関する商業的な経済的側面は、同様な電子機器が同様な動作周波数で幅広いラインのタッチスクリーンに対して使用されることをしばしば助力する。従って、波の波長を変えることなく、感度、最小限厚さおよび重量を変えることができるレイリー波タッチスクリーンが必要とされる。
【００１０】
また、せん断波モードのタッチスクリーンが当該技術において既知である。これらのシステムは、基板で分散性のないゼロ次の水平偏波のせん断波（ＺＯＨＰＳ）を励起することによって作動する。かかるタッチスクリーンは、ノールズ（Ｋｎｏｗｌｅｓ）の米国特許第５１７７３２７号および同５３２９０７０号にて説明および例示されており、シュアタッチ（ＳｕｒｅＴｏｕｃｈ（登録商標））の名称でエグゼック・インコーポレイテッド（Ｅｘｚｅｃ Ｉｎｃ．）およびキャロル・タッチ・インコーポレイテッド（Ｃａｒｒｏｌｌ Ｔｏｕｃｈ Ｉｎｃ．）より市販されていた。
【００１１】
水平偏波のせん断波（なお、本明細書では「せん断波」と呼ぶ）をタッチスクリーンに用いる場合、レイリー波タッチスクリーンの欠点の幾つかを回避することができる。例えば、任意の薄い基板でせん断波をサポートすることができる。実際には、より高次の波モードおよびオーバートーン（ｏｖｅｒｔｏｎｅ）を抑えるために、約２波長よりも小さい厚さに基板を維持する必要がある。従って、せん断波タッチスクリーンは、タッチスクリーンの重量を最小限度にする必要のある用途に非常に適している。
【００１２】
しかしながら、せん断波タッチスクリーンに当初より用いられている１ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラス等の非常に薄い基板は、耐久性がない。厚さを増加させて１ｍｍのガラス基板の耐久性を上げるために、せん断波が結合しない接着剤を用いて、せん断波が伝搬する基板を背面プレートに積層させていた。基板を背面プレートに接合させるのために用いる適当な接着剤は、硬化後でも液体状態が維持されるシリコーン・ゴム接着剤である。
【００１３】
ウェイジャーズ（Ｗｅｉｇｅｒｓ）らの米国特許第５８５６８２０号には、せん断波をサポートするシュアタッチ（登録商標）基板を積層するのに用いるプロセスが開示されている。しかしながら、積層したシュアタッチ（登録商標）基板は、米国特許第５６４８６４３号に開示されているように化学的にエッチングされ、そして埋め込まれる（またはインレイされる）反射アレイ処理には耐えることができない。例えば、シリコーン・ゴムは、特許で開示されている銀フリットの埋込み用材料を硬化させるのに必要な高い燒結温度では存在し得ない。それゆえ、開示されている積層プロセスは、１ｍｍ厚さの弾性波基板に反射アレイを作製した後に行なわれる下流の製造プロセスである。下流の積層プロセスの費用は、製造プロセスのコストを相当に増加させる。耐水性を有した耐久性のあるせん断波サポート・タッチスクリーン基板であって、下流の積層プロセスに費用をかけずに製造することができるせん断波サポート・タッチスクリーン基板を供する必要性は依然残されたままである。
【００１４】
ケント（Ｋｅｎｔ）の米国特許第５５９１９４５号には、２．３ｍｍ厚さのガラス基板から構成されるせん断波タッチスクリーンが開示されている。このタッチスクリーンは、タッチを感知するために、より高次の水平偏波のせん断波（ＨＯＨＰＳ）を用いている。本特許で説明されるように、レイリー波は、アレイに沿って伝搬し、４５°に置かれていない反射体によって、ｎ＝４のＨＯＨＰＳ波に変換されるモードである。
【００１５】
多くの用途に対して、２．３ｍｍ厚さのガラス基板は、積層基板の必要性を排除するのに十分な構造強度を有している。しかしながら、かかるＨＯＨＰＳをサポートするタッチスクリーンも欠点を有する。例えば、２．３ｍｍ厚さのガラスのＨＯＨＰＳサポート基板は、他の次元のＨＯＨＰＳ波、ＺＯＨＰＳ波、レイリー波および多くのラム波を含む多くの他の追加的な弾性波モードをもサポートする。かかる付加的な弾性波モードによって、望ましくない寄生弾性波信号がもたらされることになる。ＨＯＨＰＳ波に基づいた弾性波タッチスクリーンは、未だ市場に出ていない。従って、低コストであるが、耐久性のあるタッチスクリーン基板であって、他の関係のない弾性波モードを最小限度にサポートしつつ所望の耐水性のせん断波をサポートするタッチスクリーン基板を提供する必要性は、未だ満たされないままである。
【００１６】
レイリー波タッチスクリーンとは違って、せん断波タッチスクリーンは、高レベルの表面汚染物が存在する場合であっても、タッチ位置を適切に再構築できる。動作は、水中にタッチ表面を完全に浸漬させた場合であっても継続する。水平偏波のせん断波による水または他の汚染物に対するある程度の無感受性（無感度性、ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）の物理的機構は、以下のように説明される。レイリー波と比べて、せん断波は、基板で単一の水平方向のモーションを生じ、タッチスクリーン基板の表面にて垂直方向のモーションを有していない。その結果、レイリー波とせん断とは、対照的なタッチ検知特性を有している。レイリー波に関する基板表面の垂直方向のモーションは、圧力波の接触媒体への放射を介して吸収が生じる。指のタッチによる吸収と、同じ接触領域での水滴による吸収とは同様である。しかしながら、せん断波は、圧力波を接触媒体へと放射せず、むしろ粘性減衰によって主に吸収される。水は指の肉よりも粘性が相当に低いので、せん断波は、指のタッチよりも水滴にほとんど反応することはない。水平偏波のせん断波は、水または他の液体から相当に汚染を受けることになる弾性波タッチスクリーン用途に対して、レイリー波を使用することよりも多くの利点を供する。
【００１７】
せん断波は、水および他の汚染物に対して減少した感度を有するが、せん断波は、レイリー波よりもタッチに対する感度が相当に低い傾向を有する。実際のタッチスクリーン基板厚さにおいて、所定のタッチにより吸収されるインターセプトされるエネルギーの割合は、レイリー波の場合の方が対抗するＺＯＨＰＳせん断波の場合よりも約５倍大きい。基本的な弾性波感度のこのような相違を補償するために、特別なコントローラーがＺＯＨＰＳ波を用いるタッチスクリーンに必要とされる。このようなコントローラーは、レイリー波タッチスクリーンに対して必要とされるコントローラーよりも複雑であり、それゆえ、コントローラーの設計に対するコストが増加する。従って、生のタッチ信号強度の相当する減少がなく、従って、あまり複雑かつ高価ではないコントローラーを用いることができるという利点をせん断波タッチスクリーンが有することが望ましい。
【００１８】
ラブ波タッチスクリーンも当該技術において既知であるが、まだ商業的に開発されていない。一般的に、ラブ波は、基板の一方の表面に波エネルギーを有しており、反対側の表面で実質的により小さいエネルギーを有する水平偏波のせん断波である。レイリー波と同じように、ラブ波は、タッチ表面に束縛されており、深さと共に指数関数的に減衰する。レイリー波とは異なり、ラブ波は、ホモジニアスな媒体には存在しない。数学的には、ラブ波をサポートする最も簡単な基板は、より速いバルクせん断波速度を呈する下方の半無限媒体に接合する有限の厚さの上層である。実際的には、下方の媒体が波の振幅の指数関数的な減衰長さを多く含む程に十分に厚い場合、下方の媒体は有限の厚さの層であってよい。また、複数の層を有したより複雑な構造は、ラブ波をサポートし得る。
【００１９】
ラブ波を低粘度流体の存在下で機能できる手段として使用することは、弾性波化学センサーの分野で既知である。例えば、ジゼリ（Ｇｉｚｅｌｉ）らの「ポリマー・オーバーレイを利用する新規なラブ波プレートの弾性波センサー（Ｎｏｖｅｌ Ｌｏｖｅ−ｐｌａｔｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｏｖｅｒｌａｙｓ）」（ＵＦＦＣ会報（１９９２年９月）の第６５７頁）、ジャコビー（Ｊａｋｏｂｙ）およびベレコープ（Ｖｅｌｌｅｋｏｏｐ）の「ラブ波センサーの解析および最適化（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｖｅ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」（ＵＦＦＣ会報（１９９８年９月）の第１２９３頁）、ジャコビーとベレコープとの「ラブ波センサーの化学界面層の粘性損失の解析（Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｌａｙｅｒ ｏｆ Ｌｏｖｅ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」（ＵＦＦＣ会報（２０００年５月）の第６９６頁）を参照のこと。これらの開示は、基本原理を示しているが、実際の工業的な感覚においてタッチスクリーン技術からむしろ隔たりがある。化学センサーのアクティブ領域は、典型的には非常に小さいものであり、例えば、平方インチのフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）と透明性とは関連性はない。化学センサーに対するラブ波基板は、インターデジタル・トランスデューサー（またはインターデジタル変換器）の使用を可能とするために、典型的には圧電性を有している。それとは対照的に、タッチスクリーンでは、エリアが数１０平方インチ〜数１００平方インチであるのが一般的である。経済的な理由により、商業的な弾性波タッチスクリーンは、圧電材料から形成されていない。また、多くの用途に対して透明性が不可欠である。従って、従来技術の化学センサーによって、弾性波タッチスクリーンに対するラブ波基板をコスト的に効率よく設計および製造する手がかりが与えられることになる。
【００２０】
従来技術において、ラブ波タッチスクリーンが黙示的または明示的に開示されている。例えば、ノールズの米国特許第５３２９００７０号には、ラブ波基板が開示されていると考えられ得、より遅いせん断波速度の媒体が、より速いせん断波速度の背面プレートに接合している。ケント（Ｋｅｎｔ）の米国特許第５５９１９４５号には、３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラスに接合した２ｍｍまたは３ｍｍ厚さの硼珪酸ガラスを有して成るラブ波サポート基板の使用が開示されている。更に、ケントの米国特許第５８５４４５０号は、ラブ波基板が２層よりも多くの積層を含むことができることを開示している。米国特許第５８５４４５０号には、２ｍｍ厚さのガラス上に１００ミクロンの鉛ベースのフリット層、アルミニウム上にエナメル、そしてセラミック上にグレーズ(ｇｌａｚｅ）を含む、考えられ得るラブ波基板の構成が開示されている。
【００２１】
ディスプレイ・デバイスの前面に配置されるタッチスクリーンのための基板は、透明である必要がある。タッチ・ディスプレイ・システムでは、ユーザーが見ることになる表示される画像の質への衝撃を最小限にしたタッチ入力機能を提供することが望ましい。しかしながら、或る用途に対しては、タッチ入力デバイスが透明である必要はない。例えば、トラック・パッドを考えてみると、ユーザーは、マウスのように、カーソルを制御できる。或る市場の用途では、弾性波基板が不透明であっても、弾性波基板の設計を改良する余地が残されている場合がある。
【００２２】
米国特許第５８５４４５０号で説明されているように、弾性波センサーは、種々の用途に対して種々の形状で設計することができ、コンピューターをベースにしたシステムのユーザー制御を超えた用途を有し得る。例えば、米国特許第５８５４４５０号の図１９に示される円筒形状センサーは、ロボットのアームの金属シェルの一部であり得る。従って、多くの露出される領域は、タッチを感知しやすく、衝突検出に用いられる。ロボット・システムでは、ロボットのアームの動きを停止または変化させる時を決定するために、センサー情報を用いることができる。水による汚染に起因して誤った衝突情報を拒絶しなければならない用途では、せん断波モードを使用することが有利である。これは、改良されたタッチ基板から得ることができるもう１つのタッチセンサーの用途である。
【００２３】
従って、レイリー波およびラブ波をサポートする改良した弾性波タッチスクリーン基板であって、耐久性およびタッチに対する増加した感度を有するが、水および他の汚染物に対しては依然比較的感度が鈍い改良した弾性波タッチスクリーン基板が必要であると考えられる。更に、低コストで容易に製造できるタッチスクリーン基板が必要であると考えられる。
【００２４】
発明の簡単な要旨
本発明では、従来技術の積層化した弾性波タッチスクリーン基板の欠点を克服している。本発明の積層化（またはラミネート）したタッチスクリーン基板は、マイクロシート（タッチ表面）、プレート、およびプレートとマイクロシートとの間に配置されるポリマー・シートを含んでいる。マイクロシート、ポリマー・シートおよびプレートは、全て、バルクせん断波を個々にサポートする。従って、本発明の基板は、ラブ波−ラブ波−ラブ波タッチスクリーン、レイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーン、およびレイリー波−ラブ波−レイリー波タッチスクリーンに用いることができる。本明細書で説明するレイリー波および擬似レイリー波は、垂直モーションおよび長手方向モーションを有するいずれの表面束縛波（または表面に拘束された波）を含む。
【００２５】
１つの態様において、マイクロシート、プレート、ガラスおよびポリマーは、高い透明度を有しており、ディスプレイ等の透明性を要する用途に使用するのに適当なガラス／ポリマー／ガラス基板を構成する。もう１つの態様において、マイクロシートおよびプレートは、金属であってよく、従って、キーパッド、トラック・パッドおよびロボット・シェル・センサー等の不透明性を要する用途に適当な金属／ポリマー／金属基板を形成する。
【００２６】
ポリマー・シートを本発明の基板に用いることによって、多くの利点が供される。ラブ波−ラブ波−ラブ波基板において、ポリマー・シートは、プレートのエバネッセント波の振幅を減少させる点で必須なかつ重要な役割を果たし、従って、水および他の汚染物に対する基板の無感受性を減少させることなく、基板の感度を増加させる。
【００２７】
更に、ポリマー・シートによって、厚さが減じられたレイリー波−レイリー波−レイリー波基板を作ることができ、従って、重量が減少することになる。特に、本発明では、プレートの厚さを１／３減少させることができるので、総計で１ｍｍよりも小さい厚さを有するレイリー波−レイリー波−レイリー波基板が可能となる。このことによって、高感度のレイリー波−レイリー波−レイリー波基板をポータブルなタッチスクリーン用途に用いることができる。
【００２８】
更に、本発明のタッチスクリーン基板は、ポリマー層をマイクロシートによって保護するので、従来技術のポリマー／プレートの２層基板よりも耐久性が増加する。
【００２９】
最後に、本発明の基板のもう１つの利点は、非常にコスト的に効率よく、容易に製造できることである。
【００３０】
本発明のこのようなまたは他の目的、利点および新規な特徴は、図面および明細書からより十分に理解されよう。
【００３１】
発明の詳細な説明
図１を参照すると、本発明のタッチスクリーン基板１は、タッチ表面としての上側マイクロシート３、中間ポリマー・シート５、および底プレート７を有する。マイクロシート３は、上側面９および下側面１１を有しており、一般的に、せん断波をサポートし、硬質であって、更に耐引掻性を有する材料であり、基板全体にわたって表面強度および耐久性を供する材料である。しかしながら、プレート７が、その平坦度に偏りを有する場合、積層プロセスの間でプレート７に適合できるように、マイクロシート３は多少可撓性を維持する程に十分に薄い必要がある。また、薄いマイクロシートは、それによって望ましい弾性波特性（または弾性特性）が供され、より低いコストにてタッチスクリーン基板を製造することができる点で有利である。
【００３２】
マイクロシートは、ガラス、金属、セラミック、および同様の弾性波特性を有する（または弾性波をサポートする）他の材料ならびにそれら複合材であってよい。好ましい態様において、マイクロシートの厚さは、約３００ミクロンよりも小さい。タッチスクリーンをディスプレイの前に置く用途に対して、マイクロシートは透明性を有する必要があり、ガラスから形成され得る。マイクロシートを形成するのに適当なガラスとしては、ソーダ石灰ガラス、クラウンガラス、ホウ珪酸ガラス、ならびにバリウム、ストロンチウムおよび鉛を含有するガラスが含まれる。キーパッド、トラック・パッドおよび水中ロボット・シェル等のタッチスクリーン用途に対して、マイクロシートは、限定するわけではないが、アルミニウムおよびスチールを含む金属等の不透明材料であってよい。本発明に使用するのに適当な好ましいマイクロシートの例を表１に記載する。
【００３３】
【表１】
表１

【００３４】
２２０ミクロン厚さのコーニング０２１１を含む、表１の全てのマイクロシート厚さに対して、マイクロシートは、圧力および温度による接合プロセスの間、その下に存在するガラス・プレートの形状に適合するのに必要な可撓性を有していた。マイクロシートの硬さは、厚さの３乗に比例するので、２２０ミクロン厚さのガラス・マイクロシート２２０は、１ｍｍ厚さのガラス・シートよりも約１００倍大きい可撓性を有する。１００ミクロン厚さのガラス・マイクロシートは、２２０ミクロン厚さのガラス・シートよりも１０倍大きい可撓性を有する。従って、約３００ミクロンよりも小さい厚さを有するガラス・マイクロシートは、積層プロセスをサポートする可撓性を有するものと考えられるが、１ｍｍ厚さのガラスのシートは、その下に存在するガラス・プレートに適合するのに十分な可撓性を有していないものと考えられる。
【００３５】
底プレート７は、タッチスクリーン基板の主な構造を有する層であり、上側面１３および下側面１５を有する。また、マイクロシート３のように、プレート７は、せん断波をサポートする材料である。更に、プレート７は、好ましくは、比較的低い弾性波減衰効果を有する。透明タッチスクリーン用途に基板１を用いる場合、マイクロシート３に関して説明したような種々のガラスからプレート７を形成してよい。好ましくは、コストが安いので、ソーダ石灰ガラスからプレート７を形成する。ソーダ石灰ガラス・プレートは、公称的にはフラットであるが、下流でガラスの研削または研磨を行なわないと、理想的な平坦度から僅かにずれている。キーパッド、ロボット・シェル・センサー等の不透明なタッチスクリーン用途に対して、プレート７は、アルミニウム、スチールもしくはそれらの組合せおよびセラミック等、許容できる弾性波損失を有する金属から形成してよい。
【００３６】
プレート７が、ガラス、金属または他の材料であるか否かにかかわらず、プレート７は、タッチスクリーン基板全体にわたって剛性を与える程に十分に厚い必要がある。プレートがガラスである場合、プレートは、必要な剛性を供すべく、約２ｍｍよりも大きい厚さを有し得る。好ましい態様において、プレートは、３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラスのシートである。プレートが金属である場合、望ましい機械的な剛性を供するのに必要な厚さをプレートは有し得る。好ましい態様において、プレートは３ｍｍ厚さのアルミニウムまたはスチールのシートである。
【００３７】
マイクロシート３およびプレート７は、相互に直接的に接合するのではなく、中間のポリマー・シート５に接合してマルチレイヤーのタッチスクリーン基板１（または複数（もしくは多数）の層から成るタッチスクリーン基板）を構成する。ポリマー・シート５は、上側面１７および下側面１９を有しており、絶縁状態でバルクせん断波をサポートするものであり、「せん断波サポート」シートである。好ましくは、ポリマー・シートに用いるポリマーは、高い透明性を有し、少なくとも２６０Ｋのガラス転移温度（またはガラス転移点）を有し、また、低い弾性波減衰効果を有する。更に、ポリマーは、湿気の吸収が少なく，環境的に安定性を有する点で有利である。かかるポリマーには、結晶性またはガラス性ポリマーが含まれる。
【００３８】
従来技術のポリマー／ガラスの２層タッチスクリーン基板と比べて、ガラス／ポリマー／ガラスの３層基板では、ポリマー・シートが「埋設」される長所があるので、より脆くて耐衝撃性のより低いポリマーを使用することができる。更に、マイクロシート３とプレート７との間に配置されるポリマーでは、ポリマーの耐引掻性をもはや懸念する必要がない。その結果、ポリマー・シート５に使用できるポリマーの種類をより自由に選択することができる。
【００３９】
ポリマー・シート５に適当なポリマーには、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリエーテルスルホン、ポリ環状オレフィンおよびそれらの組合せが含まれる。シリコーン・ゴムは、せん断波と結合しない材料であって、それゆえ、本発明の中間シートとして使用することができないことに留意されたい。一様な厚さを有する薄いポリマー・シートは低価格で市販されている。適当なポリマー・シートには、ダウ（Ｄｏｗ）によって製造され、スチロン（Ｓｔｙｒｏｎ（登録商標））の名称で市販されているポリスチレン・フィルムが含まれる。好ましい態様において、ポリマー・シートは、約３００ミクロンよりも小さい厚さを有し、プレート内で生じ得るいずれのずれにも適合すべく十分な可撓性をポリマー・シートが有することを確保している。もう１つの好ましい態様において、ポリマーは、ゴム領域を含んだ耐衝撃性ポリスチレンとは異なる、汎用ポリスチレンである。汎用ポリスチレンは、安価であり、弾性波の減衰効果をほとんど有しておらず、また、１１５０ｍ／ｓの範囲の適当な波速度を許容できる点で特に適当である。本発明に使用するのに好ましいポリマー・シートは、カマ・インコーポレイテッド（Ｋａｍａ、Ｉｎｃ．）により製造され、カリフォルニア州のサンタ・フェ・スプリングス（Ｓａｎｔａ Ｆｅ Ｓｐｒｉｎｇｓ）のマルチプラスチックス（ＭｕｌｔｉＰｌａｓｔｉｃｓ）により市販されている３２ミクロン厚さのポリスチレン・シートである。市販の予め成形されたポリマー・シートに加えて、ポリマー・シート５は、以下の実施例３で詳細に説明するように、ｉｎ ｓｉｔｕ重合によって形成することができると考えられている。
【００４０】
一様な弾性波特性を供すために、中間ポリマー・シート５は、プレート７の平坦度のずれにかかわらず一様な厚さであることが好ましい。この理由により、ポリマー・シート５は、積層プロセスの間でプレートに適合すべく、可撓性を有する必要がある。ポリマーのガラス転移温度よりも高く、ポリマーの溶融温度よりも低い積層化温度を選択することによって、ポリマー・シート５の可撓性が容易に増加する。更に、ポリマーの溶融温度よりも高い温度を選択し、非常に高い粘性の溶融体を使用することによって、ポリマーの可撓性が相当に増加するので、プレート７の変化に適合して実質的に一様な厚さが維持される。
【００４１】
マイクロシート３、ポリマー・シート５およびプレート７が一体的に積層してタッチスクリーン基板が形成される。基板は、温度、湿度および使用中の種々の機械的な力の変化を受ける場合があるので、マイクロシート３とポリマー・シート５とプレート７との間に強固な接合が供されることが重要である。マイクロシート、ポリマー・シートおよびプレートの物理的な積層は、限定するわけではないが、圧力、熱と圧力、またはカップリング剤を用いた熱と圧力を用いることを含む当該技術で既知の方法によって達成することができる。
【００４２】
ポリマー・シート５とマイクロシート３とプレート７との間の界面における共有結合は、多くのタッチスクリーン用途に特に適当である。カップリング剤を使用することによって、強い共有結合を形成することができる。ポリマーをガラスまたは金属の基板に接合させるのに適当なカップリング剤は、当該技術において既知であり、ペンシルベニア州のチュリータウン（Ｔｕｌｌｙｔｏｗｎ）のゲレスト・インコーポレイテッド（Ｇｅｌｅｓｔ、Ｉｎｃ．）を含む種々の化学会社から広く市販されている。好ましい態様において、ポリマー・シート５の上側面１７とマイクロシート３の下側面１１との間およびポリマー・シートの下側面１９とプレート７の上側面１３との間で所望の共有結合を形成するために、シラン・カップリング剤が用いられる。弾性波をよく吸収する典型的な触圧接着剤と違って、薄いシリコーン・コーティングは弾性波の伝搬に影響を与えないので、シラン化学の共有結合系を使用することは有利である。更に、シラン化学は、低コストなタッチスクリーン基板の積層プロセスにおいてマイルドな温度および圧力を使用することを助力する。
【００４３】
実施例１
図１に示す本発明の３層タッチスクリーン基板は、表１の３つのマイクロシートの全て、プレート７のための３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラスのシートおよび３２ミクロン厚さのポリスチレンのシートを用いることによって構成した。マイクロシート３の一方の側面およびプレート７の一方の側面を、０．１％のアジド・スルフォネート・シラン・メチルエチルケトン（ａｚｉｄｏ ｓｕｌｆｏｎａｔｅ ｓｉｌａｎｅ ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｙｌ ｋｅｔｏｎｅ（ＭＥＫ））のコーティング溶液（または被覆剤溶液）に各々浸漬させた。別法においては、ポリマー・シートの全体はシラン・コーティング溶液に浸漬させることができると考えられる。その後、マイクロシートおよびプレートを空気乾燥させ、ガラス・マイクロシートおよびプレートにシラン分子を共有結合させるのに十分な時間、１１０℃にてオーブンで硬化させた。乾燥プロセスの間、コーティング溶液の溶媒は蒸発し、マイクロシートおよびプレート上に数分子の厚さのシラン・コーティング（またはシランの被膜）が形成される。シラン・コーティングの厚さは無視することができるので、基板の厚さは増加することはない。続いて、マイクロシート３のシランでコートされた側面とプレート７のシランでコートされた側面との間にポリマー・シート５が配置されるように、タッチスクリーン基板の層を積層させた。その後、マイクロシートの上側面９およびプレート７の下側面１５にテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））シートを配置した。その後、テフロン（登録商標）シートと共に積層した基板を、シリコーンゴム・シートの間に配置し、５分間２００℃、１００００ポンドにてホット・プレスで２枚のスチール・プレートの間に挿入させることによって、タッチスクリーン基板の層をしっかりと接合させた。その後、接合した基板を５０００ポンドにて３分間冷却した。ギャップおよびバブルのない満足のいく基板の積層は、積層プロセスの間でガラス・マイクロシートが撓んでガラス・プレートの形状に適合したことを示すものである。
【００４４】
実施例１に従って作成した基板を試験するために、５．５３ＭＨｚ（エロ・タッチシステムズ・インコーポレイテッドのレイリー波のインテリタッチ（登録商標）弾性波タッチスクリーンの標準的な動作周波数）にてラブ波を励起および検出するようにトランスデューサーを構成した。トランスデューサー・アッセンブリは、７．４ｍｍ長さの幅の狭いスチール製エッジを介して、基板と接触させた。送信モードにおいて、幅の狭いエッジはエッジと平行なせん断モーションに励起され、エッジに垂直に伝搬するせん断波が発生した。送信用／受信用の対を成すトランスデューサーを種々の距離離して配置することによって、フライト時間（または伝搬時間）および減衰距離に関する実験を行なった。上述の表１に記載した３種類のマイクロシートに対応した各々の基板において、ラブ波を実際に観察した。
【００４５】
特定の或るサンプルは、興味深い弾性波特性でもってラブ波をサポートした。このサンプルに対する弾性波特性は、以下の表２に示す。
【００４６】
【表２】
表ＩＩ

【００４７】
この好ましい態様において、ラブ波のエネルギーは、マイクロシートのタッチ表面にかなり集中しており、水平偏波のせん断波で典型的に観察されるタッチ感度よりもかなり大きいタッチ感度がもたらされる。有限厚さのポリマー層の存在は、プレートのエバネッセント波の振幅を大幅に減少させることによって感度が増加するという点で欠くことのできない弾性的な役割を果たす。実際、表ＩＩの基板のタッチ感度は、従来技術のレイリー波基板の感度に匹敵するものである。基板の感度の増加にもかかわらず、基板は、せん断モードの波を用いる従来技術の２層基板における場合のように、水または他の汚染物の存在によって実質的に影響を受けないことが維持される。
【００４８】
本発明のせん断モードの波に対して驚くべき程に高いタッチ感度をもたらすメカニズムをより良く理解するために、本発明の異なる３層基板に対して、ラブ波の振幅対深さプロファイルを数学（または数値）的にコンピューター計算した。計算では、サンプルが、高いタッチ感度（即ち、１ｍｍの厚さのソーダ石灰ガラス基板におけるＺＯＰＨＳ波の感度の８．４倍の感度）を有するものであることが確認された。以下の表ＩＩＩでは、実験的な観察と理論的な予測とを比較している。
【００４９】
【表３】
表ＩＩＩ

【００５０】
理論計算に用いるパラメーターが正確でないと仮定すると、コンピューター計算された位相および群速度と測定された位相および群速度との間の一致はすばらしいものである。更に、周波数による群速度の変動がないことが観察されたことがまず驚くべきことであるが、理論計算で群速度が周波数の関数として最小値にあることが示された後では意味を成すものであった。実験的観察と理論計算とを組み合せることによって、基礎的なメカニズムがより理解され、次の見識が得られた。
【００５１】
マイクロシートにおけるバルクせん断波速度が、ガラス・プレートにおけるバルクせん断波速度よりも相当に小さい場合、弾性波エネルギーは、薄いマイクロシート層に相当に集中することになり、その結果、高いタッチ感度が観察される。表ＩＩに記載の基板に対して、マイクロシート層に弾性波エネルギーの８３％が含まれ、ポリスチレン層に弾性エネルギーの６％が含まれ、また、ソーダ石灰ガラスに弾性波エネルギーの１１％が含まれることがコンピューターによって示される。ラブ波タッチスクリーン基板を用いる好ましい態様において、マイクロシートのせん断波速度は、ガラス・プレートのせん断波速度よりも少なくとも５％小さいものである。
【００５２】
興味深いことに、上述のタッチ感度は、２層のラブ波基板で可能となる感度を相当に超えるものである。ソーダ石灰ガラス・プレートに直接的に接合されるＡＦ−４５マイクロシートの仮想的な２層構造に対して計算を行なった。タッチ感度は、１ｍｍのガラス基板のＺＯＰＨＳ波の感度の３．６４３倍の感度にまで減少した。これは、ポリマーが重要な役割を果たしていることを示すものである。ポリマー・シートは、比較的軟らかいので、波は、プレートに到達する前に、波の振幅を急激に減少する場合がある。そして、最大限のタッチ感度（表面における弾性波エネルギーの密度）が判るまで、（仮想的な）マイクロシートの厚さを変化させた。１７０ミクロンの厚さにおいて、タッチ感度は、１ｍｍ厚さのガラス基板のＺＯＰＨＳ波のタッチ感度の約４．０倍であった。これは、表２の３層ラブ波基板を用いて達成される感度の１／２よりも依然小さいものである。ポリマー層は、製造プロセスで重要な役割を果たすだけでなく、タッチ感度を高める波ガイド効果を高めることに明らかに寄与する。
【００５３】
上述のように、比較的小さい割合であるが、ラブ波の弾性エネルギーの６％が、ポリスチレン層を伝搬する。ポリマーは、ガラスよりも相当に弾性的な吸収性を有する傾向がある。しかしながら、ポリマーが、バルクせん断波をガラスの割合の数倍程度吸収する場合であっても、その効果は６％と評価される。それゆえ、上述のように、ポリアクリレート等のポリマー材料は、別の点ではタッチスクリーン基板に使用するには弾性的な吸収性を過度に有するものと考えられるが、本発明に用いることができる。
【００５４】
実施例２
実施例１で説明したプロセスに基づいて作成したタッチスクリーン基板に対して、破壊衝撃強度テストを実施した。タッチスクリーン基板は、１００ミクロン厚さのショット（Ｓｃｈｏｔｔ）Ｄ−２６３マイクロシート、３２ミクロン厚さのポリスチレン・シート、および３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラス・プレートから作成した。ソーダ石灰ガラス・プレートは、およそ１９ｃｍ×２４ｃｍのディメンションを有しており、マイクロシートおよびポリスチレン・シートは、プレートよりも僅かに小さいものであった。高さを増加させて５ｃｍの直径のスチール・ボール（または鋼球）を２つのサンプルの各々に落とした。落下高さは、１５ｃｍから開始し、その後、５ｃｍずつ増加させた。落下高さが４０ｃｍに達するまでは、双方のサンプルは、目視できる影響なく、スチール・ボールの落下の衝撃に耐えた。双方のサンプルは４０ｃｍで破砕（または破損）した。興味深いことに、破砕は１００ミクロン厚さのガラス・マイクロシートで見られず、３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラス・プレートで見られた。３ｍｍ厚さのガラス・プレートの破砕した断片は、ポリスチレン・シート（破砕しなかったマイクロシートに接合した状態にある）に接合したままであった。３ｍｍ厚さのソーダ石灰ガラス・プレートが破砕する場合のみ、積層が壊された。従って、ガラス・プレートの厚さが増加すると、本発明のタッチスクリーン基板の耐衝撃性は更に増加することになる。
【００５５】
本発明の３層タッチスクリーン基板の前表面（または正面）の衝撃強度に対して実験的に示された証拠は、驚くべきものである。タッチスクリーン基板をアッセンブルし、または積層させる前では、ガラス・マイクロシートは、非常に脆く、注意して取り扱わなければならない。しかしながら、積層させた後では、マイクロシート層は良好にサポートまたは閉じ込められ、ガラス・マイクロシートに破砕をもたらすタイト（ｔｉｇｈｔ）な半径方向の曲げが回避される。
【００５６】
実施例３
図２は、本発明のタッチスクリーン基板の別の態様を示す。基板２１は、図１に示すように、マイクロシート３およびプレート７を有して成る。しかしながら、中間シート２３は、実施例１で説明したような別個の可撓性ポリマー・シートではない。むしろ、中間ポリマー・シート２３は、ｉｎ ｓｉｔｕ重合により形成されるものである。
【００５７】
未硬化ポリマー系材料をポリマー前駆体にする。ポリマー前駆体は、限定するわけではないが、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリエーテルスルホン、ポリ環状オレフィンまたはそれらの組合せを含んで成り、液体またはフィラーを有した液体であってよい。好ましい態様において、ポリマー前駆体は、ポリアクリレート系液体系である。かかるポリアクリレート系は、良好な接合特性を有し、安価であり、更に、高い環境抵抗および高い光透明性を有する。更に、アクリル系を用いて基板の層の接合を達成するのに別個のカップリング剤は必要とされない。
【００５８】
ｉｎ ｓｉｔｕ形成されるポリマー・シートが、一様な厚さを有するために、従って、上部マイクロシート３をプレート７に存在する変化に適合させることを確保するために、ポリマー前駆体に小さいスペーサー粒子２５を加えてもよい。スペーサー粒子２５の直径によって、ポリマー・シートの実際の厚さが決められ、従って、必要に応じてより小さいまたはより大きいスペーサー粒子を用いることによって、ポリマー・シートの厚さを変更することができる。スペーサー粒子は、ｉｎ ｓｉｔｕ重合プロセスのピーク温度よりも高い融点を有したガラス・ビーズまたはポリマー・ビーズであってよい。好ましい態様において、スペーサー粒子２５は、ポリマーと同じまたは同様の弾性波特性を有する。透明なラブ波タッチスクリーン基板が望ましい場合、スペーサー粒子２５は好ましくは透明であって、硬化したポリマーの屈折率と同様の屈折率を有することが好ましい。
【００５９】
マイクロシート３またはプレート７上にポリマー前駆体を一様な層になるようにスピンコートしてもよく、また、ドクター・ブレード等のナイフによって、ポリマー前駆体をマイクロシート３またはプレート７上に一様な層になるように広げてもよい。従って、ポリマー前駆体層の露出表面がカバーされるように、基板層を積み重ねる。その後、積み重ねた基板は、層を貼り合わせる（またはラミネートさせる）ために、実施例１で説明したようなホット・プレスに置かれる。そして、以下の方法のいずれかによってポリマー前駆体のｉｎ ｓｉｔｕ重合が実施され得る。例えば、プレートおよび前駆体をＵＶ照射に付して、前駆体を重合させるために、ＵＶ活性剤をポリマー前駆体に添加してもよい。別法では、温度サイクルによって活性化させる単一成分または多成分（もしくは複数成分）の熱硬化樹脂（または熱硬化プラスチック）の重合系を用いてもよい。更に、周囲温度で反応成分を混合させることによって、または、プレートの表面上の周囲の湿気と共にもしくは空気中でポリマー前駆体を反応させることによって、重合を達成することができる。別法では、周囲の空気との接触を阻止するラミネーションによって重合を達成してもよい。ポリアクリレート系ポリマー系を用いる場合、積層基板をＵＶ硬化に付して重合を行なってもよい。別法では、ラミネーション（または貼合わせ作用）に影響を与えるために、一対の加熱されたニップロールに基板を送ることができ、その後ＵＶ硬化を実施できる。
【００６０】
ポリマー・シートをｉｎ ｓｉｔｕ形成する場合、もはや積層プロセスで「可撓性」が必要とされない。それにもかかわらず、ｉｎ ｓｉｔｕ形成したポリマー・シートは、可撓性を有する程に十分に薄く、望ましい弾性波特性および製造上の利点が供される。
【００６１】
実施例４
図３は、強度が増し、破砕メカニズムがより安全な本発明の５層タッチスクリーン基板を示す。このようなタッチスクリーン基板は、管理下にない場所の屋外の案内所（ｏｕｔｄｏｏｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）またはチケット用キオスク（ｔｉｃｋｅｔｉｎｇ ｋｉｏｓｋ）等の水に対して不感受性を要し、増加した強度が必要とされる用途に特に有用である。
【００６２】
タッチスクリーン基板２７は、マイクロシート３、ポリマー・シート５およびプレート７を有して成り、図１に示すようなタッチスクリーン基板と同様である。しかしながら、タッチスクリーン２７は、上側面３１を有した接着剤層２９（一般的にせん断波が結合しない材料である）および第２プレート３３を更に有して成る。接着剤層２９は、いずれの種類の触圧接着剤であってよい。１つの態様において、接着剤は、安全なガラス接着剤として一般に知られるポリビニルブチレート系接着剤である。第１プレート７での波のエバネッセント・テール（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｔａｉｌ）は、プレート７の下側面１５と接着剤層の上側面３１との間の界面で実質的にゼロの振幅を有する。従って、接着剤層２９は、弾性波を基板の上部３層を通るように伝搬させる効果を有していない。しかしながら、接着剤層２９によって、プレート７での所望な波に加えて、励起され得る関係のないプレート波を減衰させる弾性的な利点が供される。第２プレート３３は、プレート７の材料と同様な材料または異なる材料から形成してよく、ガラス、金属、セラミック、ポリマーまたは所望の機械的もしくは光学的な性質を有する固体材料から形成してもよい。第２プレート３３の厚さは、プレート７と同様または異なっていてもよく、好ましい態様では、約１〜１２ｍｍの間である。しかしながら、プレート３３の構造および厚さは、所望の用途に主に依存するものである。
【００６３】
実施例５
また、水中ロボットに使用される不透明なタッチ・センサーも本発明が意図するところである。水は強い放射減衰効果を有しているので、レイリー波センサーを用いることができない。それとは対照的に、ラブ波等の水平偏波のせん断波は水に不感受性であるため、本発明のタッチ基板は水中での用途に良く適している。
【００６４】
海中ロボット・センサーに適当な３層タッチスクリーン基板は、薄い金属のマイクロシート、薄いポリマー・シートおよび金属プレートから形成され得る。本実施例において、ポリマー・シートは、実施例１で説明した３２ミクロン厚さのポリスチレン・シートである。塩水に曝される海水ロボット・シェルのために、マイクロシートは、耐腐食性があって丈夫な材料を必要とする。１つのかかる金属は、モネル４００（Ｍｏｎｅｌ（登録商標）４００）の商標名でスペシャル・メタルズ・コーポレーション（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されているニッケル−銅アロイである。モネル（登録商標）４００のバルクせん断波速度は、２．７ｍｍ／マイクロ秒であり、実施例１のスコット（Ｓｃｈｏｔｔ）ＡＦ−４５ガラス・マイクロシートのバルクせん断波速度に非常に近い。金属プレートは、３．１ｍｍ／マイクロ秒のバルクせん断波速度を有する３ｍｍ厚さのステンレス鋼シートであってよい。同様に、ステンレス鋼プレートのバルクせん断波速度は、実施例１のタッチスクリーン基板のソーダ石灰ガラス・プレートのバルクせん断波速度と同様である。従って、マイクロシートのせん断波速度とこの海中用タッチスクリーン基板のプレートせん断波速度との比は、実施例１のタッチスクリーン基板の場合と同様であり、従って、ラブ波がサポートされることになる。
【００６５】
実施例６
図４は、１５インチの液晶ディスプレイに使用することを意図したラブ波タッチスクリーン３４を示している。タッチスクリーンは、実施例１の基板を用いて構成されており、弾性波パスのあらゆる部分にラブ波モードを用いて構成されている。これは、「ラブ波−ラブ波−ラブ波」センサーの例である。
【００６６】
特に、タッチスクリーン３４は、基板３５、Ｘ送信トランスデューサー３７およびＹ送信トランスデューサー３９、Ｘ受信トランスデューサー４１およびＹ受信トランスデューサー４３ならびに４つの反射アレイ４５、４７、４９および５１から構成されている。マイクロプロセッサー等が含まれ得るホスト・コンピューター（図示せず）と通信するタッチスクリーン・コントローラーによって、タッチスクリーンのスキャン・サイクルが開始される。そして、コントローラーは、Ｘドライバー（図示せず）を介してドライブ信号をＸ送信トランスデューサー３７に適用させる。トランスデューサー３７に適用されるドライブ信号は、ラブ波のパルスを発生させるバースト・ドライブ信号である。ラブ波は、Ｘ送信アレイ４７に沿って進行し、４５°反射体５３によって９０°に反射する。ラブ波が基板表面３６を横切って伝搬した後、受信アレイ５１が、４５°反射体５５を用いてラブ波を９０°に再度散乱させる。そして、受信トランスデューサー４１は、入射するラブ波をタッチ情報が含まれる電気信号へと変更する。
【００６７】
矢印５７、５９および６１は、Ｘ信号に対する典型的な弾性波パスを表す。矢印６３、６５および６７は、タッチスクリーンの最も長い弾性波パスを表す。約３〜４の標準的なビデオの矩形アスペクト比を有する１５インチのタッチスクリーンに対しては、この最大限の弾性波パス長さは、Ｘ送信アレイ４７に沿った略１２インチの長さ、基板表面３６を横切る略９インチの長さ、および受信アレイ５１に沿ったもう１つの略１２インチの長さを有しており、総計で約３３インチまたは約８４０ｍｍである。これは、本実施例のセンサーにおいてラブ波が伝搬する最大限の距離である。
【００６８】
ラブ波を伝搬させる超音波トランスデューサーが種々知られている。トランスデューサーは、一方の形態から他方の形態へとエネルギーを変換する物理的な要素または一組の要素である。これは、弾性波モード間の変換および電気エネルギーと弾性波エネルギーとの間の変換を含む。本発明に使用するトランスデューサーは、図５に示すようなウェッジ状（またはくさび型）ラブ波トランスデューサーであってよい。別法では、せん断波モードの圧電要素を用いる格子状トランスデューサー（ｇｒａｔｉｎｇ ｔｒａｎｃｅｄｕｃｅｒ）およびエッジ状トランスデューサー（ｅｄｇｅ ｔｒａｎｃｅｄｕｃｅｒ）を含む、他の既知の種類の超音波トランスデューサーを用いてもよい。
【００６９】
図５に示すように、典型的なウェッジ状トランスデューサー６９は、斜辺７３を有するプラスチック・ウェッジ７１、側部７５（図示せず）、およびウェッジの側部７５に取り付けられた圧電要素７７から成る。ウェッジの斜辺７３は、基板３５に取り付けられている。圧電要素７７は、モーションが水平方向にあるせん断波モード要素である。圧電要素は、ニオブ酸リチウム、ＰＺＴ等の圧電性セラミック、またはポリマーの圧電材料であってよい。送信モードにおいて、圧電要素７７は、バルクせん断波をウェッジ材料に送る。ウェッジ角θは、ウェッジ材料のバルクせん断（即ち、横断）波速度Ｖ_Ｔとラブ波の位相速度Ｖ_Ｐとに関係し、標準的にはｃｏｓθ＝Ｖ_Ｔ／Ｖ_Ｐである。実施例１の３層基板に対しては、５．５３ＭＨｚにてラブ波の位相速度が３．１３ｍｍ／マイクロ秒とコンピューター計算される。ウェッジ材料におけるバルクせん断波速度は、この値よりも小さい必要があり、ポリスチレン等のポリマー材料、ガラスおよび真鍮等の金属における場合と同様である。例えば、ダウ・プラスチックス（Ｄｏｗ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製のスチロン６６６（Ｓｔｙｒｏｎ（登録商標）６６６）から形成されるウェッジは、１．１５ｍｍ／マイクロ秒のせん断波速度を有し、従って、約６８°のウェッジ角が示唆される。
【００７０】
４５°反射体４５、４７、４９および５１のアレイは、限定するわけではないが、ガラス・フリットのような高温硬化材料のスクリーン印刷、リンデ（Ｒｉｎｄｅ）らの米国特許第５８８３４５７号（引用することにより本明細書に組み込まれている）に開示されているような複合ポリマー・インクのスクリーン印刷、ノールズ（Ｋｎｏｗｌｅｓ）らの米国特許第５６４８６４３号（引用することにより本明細書に組み込まれている）に開示されているような化学エッチング、およびレーザアブレーションを含む種々の方法のうちの１つから作ることができる。考慮すべきファクターは、せん断波を９０°に散乱させる反射体の性能だけでなく、製造工程の順序もある。好ましい態様において、アレイ４５、４７、４９および５１は化学的にエッチングされる。化学的なエッチングは、本発明の基板を積層させる前または後において、ガラス・マイクロシートに反射体を形成できる低温プロセスである。化学的にエッチングされた反射体は、せん断波の弾性波タッチスクリーンに従来より用いられており、せん断波を効果的に９０°反射させるものとして知られている。
【００７１】
本実施例のタッチスクリーンは、以下の２つの理由により、エロ・タッチシステムズ・インコーポレイテッドの２５００シリーズのインテリタッチ（登録商標）コントローラー等の標準的なタッチスクリーン・コントローラー製品と適合する。第１に、せん断波がレイリー波と比べて相当に減じられた感度を有する傾向があるのにもかかわらず、タッチスクリーンが高いタッチ感度を有するからである。第２に、本発明のタッチスクリーン基板は、低い分散特性を有するからである。
【００７２】
ホモジニアスな基板におけるレイリー波は、非分散性であり、それゆえ、レイリー波のパルス形状は、波が伝搬するにつれ安定する。それとは対照的に、ラブ波基板は、本質的には分散性であり、即ち、パルスの種々の周波数成分が種々の速度で伝搬するので、パルスの形状が歪められることになる。実施例１の基板に関して驚くべき発見があった。動作周波数の近傍、例えば、コントローラーの電子機器のバンド幅内においては、ラブ波の群速度が周波数から実質的に独立するように基板を構成することができるので、弾性波パルス形状は安定である。この発見は、表ＩＩに示す実験値および理論値の双方によって裏付けられている。本発明の基板を用いると、低い分散特性を有するラブ波−ラブ波−ラブ波センサーが可能である。
【００７３】
本発明のタッチスクリーンの分散効果を以下にて詳細に説明する。弾性波パルスが距離Ｌ伝搬した後の初期長さΔｘの弾性パルスを考察することにする。分散の広がりとΔｘとの比によって、分散効果の強度が測定される。Δｆを弾性パルスのバンド幅とする。初期パルスの継続時間Δｔは、Δｆに反比例し、従って、ΔｘはＶｇ／Δｆに比例する。更に、有限なバンド幅Δｆに起因して、群速度は、量を変化させる（ΔＶｇ＝Δｆ^＊∂Ｖｇ／∂ｆ）。距離Ｌの後、パルスは、およそＬ^＊（ΔＶｇ／Ｖｇ）＝Ｌ^＊（Δｆ／Ｖｇ）^＊∂Ｖｇ／∂ｆの分だけ、広がることになる。従って、パルス広がりと初期パルス長さΔｘとの比によって、分散パラメーターＤが次のように示唆されることになる。
【００７４】
【数１】
Ｄ∝Ｌ^＊（Δｆ／Ｖｇ）^２＊∂Ｖｇ／∂ｆ
【００７５】
弾性波パルスの周波数スペクトル内の位相−誤差歪みのより厳密な理論的な解析（本明細書には示さず）に基づいて、我々は、次の分散パラメーターを定義する。
【００７６】
【数２】
Ｄ≡πＬ（Δｆ／Ｖｇ）^２∂Ｖｇ／∂ｆ
【００７７】
この分散パラメーターＤは、公称動作周波数から±Δｆ分だけ変化する周波数成分の位相誤差（ラジアン単位）である。Ｄが１と比較して小さいと、分散効果は小さくなる。Ｄが１と比較して大きいと、コントローラーの電子機器によって見られるタッチに起因して落ち込む形状（ｔｏｕｃｈ ｄｉｐ ｓｈａｐｅ）が相当に歪められることになる。
【００７８】
タッチスクリーンの設計に対して、最大限の弾性波パス長さは、上述の分散パラメーター式において使用されるＬの適当な値を供する。上述したように、本実施例の１５インチ（対角）タッチスクリーンに対する最大限の弾性波パス長さは約８４０ｍｍである。
【００７９】
Δｆの適当な値は、コントローラーのバンド幅によって主に決定され、従って、受信回路のバンド幅およびバースト回路のパワースペクトルに関係している。本実施例では、我々は、Δｆ／ｆ＝２．７％の場合を考慮する。このバンド幅は、現在市販されているタッチスクリーン・コントローラー製品で典型的な範囲内にある。
【００８０】
上述したように、分散パラメーターＤは、基本的な基板設計の関数のみならず、センサーおよび電子機器バンド幅のサイズの関数である。このことは、無次元分散パラメーターＤ’と工学的な選択に依存するファクター（基板の基礎構造に関係しない）とに上述の分散パラメーターを因数分解する動機付けとなる。
【００８１】
我々は、無次元分散パラメーターＤ’を次のように定義する。
【００８２】
【数３】
Ｄ’≡π（Ｖ_Ｔ０／Ｖｇ）（ｆ／Ｖｇ）∂Ｖｇ／∂ｆ
【００８３】
ここで、ｆは動作周波数であり、Ｖ_Ｔ０は、相当なラブ波エネルギーを含む最も深い層（即ち、本実施例ではソーダ石灰ガラス・プレートのプレート）におけるバルクせん断波速度である。
Ｄ’およびＤは、次のような関係を有している。
【００８４】
【数４】
Ｄ≡（Ｌ／λ_Ｔ０）（Δｆ／ｆ）^２Ｄ’
【００８５】
ここで、λ_Ｔ０は、最も深い層のバルクせん断波の波長であり、式λ_Ｔ０＝Ｖ_Ｔ０／ｆによって、周波数ｆおよびせん断波速度Ｖ_Ｔ０に関係している。ソーダ石灰ガラス・プレートおよび５．５３ＭＨｚの動作周波数の本実施例に対して、Ｖ_Ｔ０およびλ_Ｔ０の数値は、それぞれ３．４０ｍｍ／マイクロ秒および０．６１５ｍｍである。
【００８６】
Ｌ＝８４０ｍｍ、λ_Ｔ０＝３．４０ｍｍ／マイクロ秒、およびΔｆ／ｆ＝２．７％の本実施例に対して、ファクター（Ｌ／λ_Ｔ０）（Δｆ／ｆ）^２は、１に等しい。従って、ＤとＤ’とは本実施例では数値的に等しいものである。同様な基板構造に基づくと、スケールファクター（Ｌ／λ_Ｔ０）（Δｆ／ｆ）^２によって、他のセンサーおよびコントローラーの設計に対して、ＤをＤ’から容易にコンピューター計算できる。
【００８７】
図６のグラフでは、実施例１の基板に対して周波数を関数としたコンピューター計算された群速度をプロットしている（なお、ポリマー層厚さｔ_１を変えてプロットしている）。５ＭＨｚ〜６ＭＨｚの間にて、３０ミクロン厚さおよび４０ミクロン厚さのポリスチレンに対するグラフ曲線は驚くべき程にフラットである。５．５３ＭＨｚの動作周波数および３２ミクロンのポリスチレン厚さでは、実施例１の基板は、この低い分散領域にある。コンピューター計算されたＤの値は０．１よりも小さく、実際は、１と比較して小さいものである。図６に示すように、実施例１のラブ波サポート基板を２０ミクロン厚さのポリスチレン層を有するように変更し、それを８ＭＨｚで動作する低分散ラブ波タッチスクリーンを構成するのに用いてもよい。
【００８８】
より一般的には、本発明の３層基板の構成に使用する材料を選択することによって、層厚さの異なる選択に対して、群速度と周波数とのプロットがコンピューター計算され得る。かかるプロットから、小さい群速度の分散領域を確認することができる。望ましい周波数にて小さい（または低い）分散を供する基板厚さの組み合せが判る場合、設計に関する小さい分散特性を定量化するために分散パラメーターＤを用いる。この方法によって、種々の小さい分散性を有するラブ波−ラブ波−ラブ波センサーを設計することができる。
【００８９】
実施例７
実施例１の基板等のタッチスクリーン基板は、ラブ波だけでなく、長手方向および垂直方向のせん断波成分のモーションを有する擬似レイリー波モードもまたサポートする。実施例６のラブ波−ラブ波−ラブ波センサーでは、擬似レイリー波モードが有用な目的を果たさず、望ましくない寄生弾性波信号パスをもたらす場合がある。ラブ波基板を設計するには擬似レイリー波モードの特性を理解および制御することが必要である。
【００９０】
特に厄介なことは、寄生弾性波パスであり、水に敏感な擬似レイリー波モードがタッチ領域を横断している。送信トランスデューサーからのラブ波を散乱させることは可能であり、また、モードをタッチ領域を横断する擬似レイリー波モードに変換することが可能である。従って、このような寄生擬似レイリー波モードを受信アレイによりラブ波へと戻すように変換することができ、それを受信トランスデューサーによって検出することができる。別法において、ラブ波トランスデューサーは、ラブ波のみならず擬似レイリー波モードと結合することが可能であり、かかる場合、全てのレイリー波の寄生弾性波パスが送信トランスデューサーと受信トランスデューサーとの間に存在する。かかる寄生弾性波信号は、ラブ波よりも強い擬似レイリー波を吸収する弾性波ダンパー（または弾性波の制動子）を適当に配置することによって抑えることができる。しかしながら、まず第一に、寄生弾性波信号の発生を抑えることが最もコスト的に効率が良い。かかる寄生信号が存在し、コントローラー電子機器による受信に際して目的とするラブ波信号と干渉する場合、また、擬似レイリー波モードが水に敏感である場合、受信されたタッチスクリーン信号は水に敏感と成り得、ラブ波基板の水不感受性の利点が損なわれることになる。
【００９１】
反射アレイの設計は、所望のモードを干渉により散乱させ、望ましくないモードを抑えるように調整される。しばしば、モードの選択機構は、位相速度の差に依存する。反射体の間隔によって、アレイの軸に沿うように進行するモードの所望の位相速度が選択される。反射体の角度によって、９０°でタッチ領域へと散乱するモードおよび９０°でタッチ領域から散乱するモードの位相速度が選択される。寄生モードが所望モードの位相速度に近い位相速度を有する場合、寄生モードを抑えることがより困難となる。
【００９２】
上述で説明したことを仮定すると、ラブ波−ラブ波−ラブ波タッチスクリーン基板では、関係のない擬似レイリー波モードが最小になることが好ましく、擬似レイリー波モードが、ラブ波の位相速度とは相当に異なる位相速度を有することが維持されることが好ましい。図７に示すように、実施例１の基板に対してコンピューター計算した位相速度を、ラブ波の弾性モードの周波数および２つの最も低い擬似レイリー波の弾性波モードの周波数に対してプロットする。
【００９３】
上述の実施例６のラブ波−ラブ波−ラブ波基板に対しては、動作周波数は５．５３ＭＨｚであり、２つの擬似レイリー波モードが存在する。ラブ波の位相速度は、第１擬似レイリー波モードよりも第２擬似レイリー波モードにかなり近いものである。本実施例では、動作周波数を５．５３ＭＨｚから４．５ＭＨｚと下げることによって、第２擬似レイリー波モードが除かれ、位相速度の点でラブ波から十分に分離している擬似レイリー波モードだけを有したクリーン（ｃｌｅａｎ）なシステムが残されることになる。最も低い擬似レイリー波モードは、ゼロの遮断周波数であり、常に存在するものである。本実施例は、関係のない表面束縛弾性波モードの最小の数字、即ち１を表している。このように動作周波数を変化させる増加したラブ波分散の処理方法の詳細な説明を以下の実施例８で説明する。
【００９４】
上述の数学的な解析の結果、一般的なスケーリング則が発見された。所定のファクターによって層厚さを増加させることは、同じファクターによって動作周波数を減少させたのと同様のモード速度の効果を有する。例えば、４．５ＭＨｚの本実施例は、５．５３ＭＨｚで動作するセンサーと同様のモードおよびモード速度を有しており、減じられたガラス・マイクロシートおよびポリマーの厚さは、それぞれ８１ミクロンおよび２６ミクロンである。
【００９５】
実施例１の基板が、実施例４における場合のような安全なガラスの積層部分を成している場合では、安全なガラス接着剤によって、ガラス・プレートにおけるプレート波が弱められることになる。この場合、４．５ＭＨｚの動作によって、いずれかの種類の１つの寄生モードだけが供される。実際の工学的な観点においては、１つの表面束縛寄生モードだけを有するこの種類の基板の設計を一般化することができる。以下に示す理由により、周波数がその遮断周波数に近づくほど、寄生モードはあまり重要とはならない。従って、実施例６の５．５３ＭＨｚのセンサーであっても、１つの寄生表面束縛モードだけを有するセンサーに近づくことになる。
【００９６】
周波数が、上方から遮断周波数に近づくにつれ、第２モードの周波数が、ガラス・プレートのバルクせん断波速度に近づき、モードの侵入深さは無限となる。これは、表面束縛寄生モードとしてモードのインポータンス（ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ）を減少させる２つの効果を有している。深く侵入するモードは、相対的に表面に出力密度をほとんど有していない。低い表面出力密度によって、表面の反射アレイおよびトランスデューサー構造物への結合が弱められる。更に、実際には、実施例４の安全なガラスの積層の場合、深く侵入するモードは、安全なガラス接着剤によって弱められることになる。
【００９７】
所定の積層基板の設計に対して、第２擬似レイリー波モードに対する遮断周波数は、複雑なコンピューター・コードを用いた数値計算によって決定され得る。しかしながら、以下にて説明するように、我々は、それほど労なく、遮断周波数を合理的な正確さで見積もることができることが判った。
【００９８】
周波数が、上方から遮断周波数に近づくにつれ、第２擬似レイリー波モードは、基板の平面の座標から実質的に独立するようになり、モーションが表面に対して垂直な方向にて１次元になる。ガラス・マイクロシートおよびポリマー層は、簡易な質点−バネ・オシレーターにかなり近づくことになる。ユニット領域につき、密度ρ_２および厚さｔ_２のガラス・マイクロシートは、質量ｍ（ｍ＝ρ_２ｔ_２）を有する。厚さｔ_１、密度ρ_１および圧力波速度Ｖ_Ｌ１のポリマー層は、バネ定数ｋ＝ρ_１Ｖ_Ｌ１ ^２／ｔ_１を有するバネに近づく。基本的な物理法則に従って、対応する共振周波数、従って第２モードの遮断周波数に対する見積もりは、次のように決定することができる。
【００９９】
【数５】

【０１００】
この見積もりによって、ガラス・プレートは動かない「レンガ状の壁」であると想定される。実際、遮断周波数近くでは、第２レイリー波モードは、ガラス・マイクロシートのモーションから１８０°位相がずれたガラス・プレートの上部のモーションに関係し、ポリマー・シート内にゼロのモーションのノード面が存在する。質点−バネの計算に対してモーションのない「レンガ状の壁」に最も近づくのはノード面であり、従って、ノード面の上方のポリマーの厚さは、ｔ_１よりも大きくなく、上記の式に適当に属するものである。このような理由により、上記の見積もりは、下限値である。実施例１の基板に対しては、この式によって、上記のプロットで見られる約５．０ＭＨｚの遮断周波数に近いが、若干それよりも小さい４．２ＭＨｚの遮断周波数が見積もられる。
【０１０１】
バネによって接続される２つの質量（または質点）として系をモデル化する場合（第２質量Ｍはガラス・プレートの有効質量である）、上述の共振の見積もりを著しく向上させることができる。ガラス・プレートの有効質量の合理的な見積もりは、共振周波数における圧力波の１／４波長に等しい深さまでの質量である（即ち、Ｍ＝（１／４）ρ_０（Ｖ_１．０／ｆ）である）。共振振動に関係するガラス・プレートの質量のこのような見積もりを用いることによって、実施例１の基板に対する遮断周波数は、４．９７ＭＨｚであるとコンピューター計算される。遮断周波数を見積もるためのこのようなより改良された方法は、精密な数値シミュレーションと一致し、多くの種々な基板設計に対するよりも１０％向上することが判った。
【０１０２】
実施例８
実施例７における場合のように、本発明の層状基板で伝搬する擬似レイリー波を再度考察する。しかしながら、本実施例において、擬似レイリー波がタッチ検出に所望な波となっているタッチ・センサーを我々は考察する。つまり、本発明の層状基板からレイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンを構成する。
【０１０３】
一見すると、かかるレイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンは価値が殆どないように思える場合がある。ラブ波−ラブ波−ラブ波タッチスクリーンとは対照的に、水不感受性のラブ波モードを利用することができない。更に、ホモジニアスな基板を用いることによって、商業的に受け入れることができるレイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンをより簡単に構成することができる。しかしながら、或る用途に対しては、層状基板におけるレイリー波の変更した特性を利用することが有用となる。
【０１０４】
図８ａおよび図８ｂは、２種類の基板のレイリー波に対する粒子モーションの深さプロファイルを示す。図８ａは、ホモジニアスな基板における標準的なレイリー波の深さプロファイルを示す。これは、従来技術の弾性波タッチスクリーンに最も一般的に使用される弾性波モードである。図８ｂは、実施例１の好ましい基板での最も低い次元の擬似レイリー波モードに対する深さプロファイルを示す。垂直軸は、タッチ表面に垂直な座標である。原点（または基点）は、１３２ミクロンの深さ、即ち、層状基板に対するガラス・プレートの上部に規定される。水平な軸は、粒子速度を示す。粒子速度の垂直成分および長手方向成分は、それぞれ大きな曲線および小さな曲線に対応する。表面での粒子速度の垂直成分は１に正規化される。本発明の基板における擬似レイリー波のエネルギーは、標準的な基板におけるレイリー波よりもタッチ表面近くにより多く集中したものとなっており、これによって、或る用途に対して利点が供される。
【０１０５】
本実施例では、実施例１の基板を変更したものを用いることによって、５．５３ＭＨｚで動作する１５インチのタッチスクリーンを構成した。ガラス・プレートの厚さを３ｍｍから０．７ｍｍへと減少させることによって、形成する基板の厚さを１ｍｍよりも小さくする。実施例６で説明したように、種々の方法によって、反射体アレイおよびトランスデューサーを供してよい。かかるタッチスクリーン基板は、従来技術のレイリー波の弾性波タッチスクリーンと比較して多くの利点を有する。
【０１０６】
従来技術のレイリー波タッチスクリーンに用いられるホモジニアスな基板は、レイリー波を完全に（ｃｌｅａｎｌｙ）伝搬させるべく、最小限約２ｍｍ厚さ（３〜４レイリー波長）となる必要がある。５．５３ＭＨｚの動作に対して、深さを有して最もゆっくりと減衰するレイリー波の成分は、約２３０ミクロンの指数的な減衰長さを有する。大抵の減衰長さでは、ガラス・プレートの上側面と底表面とを減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）させる必要がある。実施例１の複数層の基板に対しては、この指数的な減衰長さは、７８ミクロンへと縮まり、従って、ガラス・プレートの厚さが１／３に減少し得る。深さプロファイルのかかる違いは、図８ａおよび図８ｂではっきりと見ることができる。従って、本実施例によって、厚さが相当に減少したレイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンが供される。また、厚さが減少する結果、レイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンは、重量が減少することになる。本発明によって、レイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーン基板の重量が１／２またはそれ以上減少することになり、手持ち式コンピューター用途に特に有益となる。最終的に、厚さの減少は、レイリー波の弾性波エネルギーの深さプロファイルがより浅いことに起因して、感度を増加させる。従って、本発明では、動作周波数を変更することなく、擬似レイリー波モードの感度を増加させる手段が供される。
【０１０７】
あいにく、この特定のレイリー波−レイリー波−レイリー波タッチスクリーンに対する分散パラメーターは、やや大きく約３である。しかしながら、分散パラメーターのこのような大きい値を取り扱うための方法が幾つか存在している。分散によって、受信された信号のタッチによる落込み形状が歪められる。これによって、タッチ情報の抽出が複雑になるが、タッチ情報は受信された信号中に依然含まれている。この受信された信号が、５．５３ＭＨｚの動作周波数よりも速いサンプリング速度でデジタル化される場合、受信された信号の全ての情報内容は保持される。そして、デジタル方式の電子機器を用いた十分に精密な数学的処理によって、タッチ情報を抽出することができる。本実施例のタッチスクリーンは、かかるデジタル化性能およびデジタル信号処理性能を有した電子機器と共に機能する。
【０１０８】
別の対処法は、基板を再設計して、分散パラメーターの値を減少させることである。ラブ波モードに対する図６のプロットと同様の図９に示すように、周波数を関数として群速度がプロットされている。なお、種々のグラフ曲線は、ポリマー層のそれぞれの厚さに対応している。垂直方向のスケール変化は、レイリー波の群速度の激しい変化に対応する。分散パラメーターは、最小値ではゼロである。ポリマー厚さが減少するにつれ、最小値は、より高い周波数側に移動する。ポリマー層厚さが１０ミクロンよりも僅かに小さい場合、群速度の最小値は、５．５３ＭＨｚへと移動する。別法にて、マイクロシートの厚さおよび種々の層の弾性波特性等の他の設計パラメーターを用いることによって、分散パラメーターの値を所望の動作周波数にてゼロとなるように調整することができる。
【０１０９】
更に、動作周波数または動作周波数と基板の設計パラメーターとの組合せを調整することによって、分散パラメーターを任意に調整することができる。実施例１の基板に対しては、略３．５ＭＨｚ近くに動作周波数を下げることによって、群速度の最小値を調整することができる。別法にて、動作周波数を４．０ＭＨｚにまで減少させることによって、また、ポリマー層厚さを約２０ミクロンにまで減少させることによって、分散パラメーターをゼロにすることができる。
【０１１０】
製品設計の目的、利用できる材料および製造プロセスに応じて、タッチスクリーンのエンジニアは、分散の効果を制御するために、種々の設計アプローチを探ることができる。例えば、図１０に示すように、実施例１の基板に基づいている基板９０は、付加的なマイクロシート９１および付加的なポリマー・シート９３を含み得る。これによって、タッチスクリーンの設計エンジニアが利用できる調整可能な基板設計パラメーターの数が増加する。１つの態様において、基板は、２０ミクロン厚さの第１マイクロシート、２５ミクロン厚さの第１ポリスチレン・シート、９０ミクロン厚さの第２マイクロシート、１０ミクロン厚さの第２ポリスチレン・シート、およびガラス・プレートを含む。
【０１１１】
図１１は、この基板に対する周波数を関数とした擬似レイリー波の群速度のプロットであり、基板の各々の層が、表ＩＩで説明したのと同様の弾性波特性を有するとの仮定に基づいている。群速度は、５ＭＨｚ〜６ＭＨｚの間で実質的に一定であり、この周波数範囲では１つの擬似レイリー波モードだけが存在する。それゆえ、図１１に示すように、５．５３ＭＨｚで動作するかかるこの基板から組み立てられる擬似レイリー波タッチスクリーンは、非常に低い分散を有している。
【０１１２】
実施例９
本実施例では、実施例６におけるタッチスクリーンと同様なタッチスクリーンを考察する。１５インチの透明タッチスクリーンは、実施例１の基板から構成されており、タッチは水不感受性のラブ波を用いて検出される。しかしながら、図１２に示すように、タッチスクリーン７９は、ラブ波−ラブ波−ラブ波センサーよりもむしろレイリー波−ラブ波−レイリー波である。
【０１１３】
タッチはラブ波を用いて検出されており、トランスデューサー８１および８３は、擬似レイリー波を送信および受信するように設計されている。最も低い擬似レイリー波は、アレイ８５および８７に沿う２１２４ｍ／秒とコンピューター計算される位相速度を有する。ラブ波は、５．５３ＭＨｚで３１３４ｍ／秒とコンピューター計算されるかなり異なった位相速度を有する。モードの変換が望ましいので、反射体の角度は、４５°ではなく、むしろ位相速度の比率の逆正接（即ち、ａｒｃｔａｎ（３１３４／２１２４）または略５６°）に等しくなるように設定される。
【０１１４】
タッチスクリーン７９のタッチ領域８９における基本的な水不感受性の利点は、実施例６のラブ波−ラブ波−ラブ波タッチスクリーンおよびこのレイリー波−ラブ波−レイリー波の実施例の双方によって供される。このような２つ方法の間での最適な選択は、製造プロセスの細部および製品デザインの所望の特徴に依存する。従って、本発明では双方の選択を意図している。
【０１１５】
好ましい態様において、５．５３ＭＨｚの動作周波数にて実施例１の基板を用いる。しかしながら、実施例７で説明したように、ラブ波モードおよび最も低いレイリー波モードを除いて、全ての表面束縛弾性波モードを排除することが望ましい場合がある。これは、動作周波数を減少させることまたは積層基板を再設計することによって行なうことができる。
【０１１６】
もう１つの設計上の考慮事項は、分散である。上述の実施例で考慮される全ての選択が関連する。これには、分散効果を補正する高性能な電子機器、動作周波数の変更および基板の再設計が含まれる。
【０１１７】
レイリー波−ラブ波−レイリー波タッチスクリーン基板に対しては、ラブ波および擬似レイリー波の双方に対する分散パラメーターが関連する。理論的な研究では、分散パラメーターが、双方のモードに対して所望の周波数でゼロとなる３層基板の設計が数学的に可能であることが示された。適宜利用できる材料の弾性波特性の範囲に関した所定の現実的な制限に対して、かかる設計の実施可能性を評価することができる。所定の適宜利用できる材料に対しては、図１０に示すような付加的な層によって、付加的な選択が供される。ラブ波−ラブ波−ラブ波設計とレイリー波−ラブ波−レイリー波設計との間の最適な選択は、双方のモードに対して低い分散を容易に同時に達成するか、または、困難を伴って同時に達成するかによって影響を及ぼされる。最後に、２つのモードに対する分散パラメーターがゼロでなく、反対の代数符号を有するレイリー波−ラブ波−レイリー波センサーの場合、２つのモードの分散効果が相殺される傾向がある。
【０１１８】
上述の説明は、本発明の好ましい態様を構成しているが、特許請求の範囲の適切な範囲および正当な意味内容から逸脱することなく、本発明を変更、変形および変化させる余地が残されていることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明のタッチスクリーン基板の第１態様の断面図である。
【図２】 図２は、本発明のタッチスクリーン基板の第２態様の断面図である。
【図３】 図３は、本発明のタッチスクリーン基板の第３態様の断面図である。
【図４】 図４は、図１の基板を用いたラブ波−ラブ波−ラブ波タッチスクリーンの上面図であり、基板上にトランスデューサーおよび反射体が配置されている。
【図５】 図５は、図１の基板の斜視図であり、基板上にくさび型トランスデューサーが配置されている。
【図６】 図６は、図１のポリマー・シートの厚さを変化させた場合の周波数を関数としたラブ波−ラブ波−ラブ波基板の計算された群速度のプロットである。
【図７】 図７は、ラブ波および擬似レイリー波に対する、本発明の基板の計算された位相速度対周波数のプロットである。
【図８Ａ】 図８Ａは、ホモジニアスな基板における標準的なレイリー波に対する深さプロファイルである。
【図８Ｂ】 図８Ｂは、図１の基板における最も低い次元の擬似レイリー波に対する深さプロファイルである。
【図９】 図９は、ポリマー・シートの厚さを変えることによって図１の基板を変更した場合の周波数を関数とした擬似レイリー波の群速度のプロットである。
【図１０】 図１０は、本発明のタッチスクリーン基板の第４態様の断面図である。
【図１１】 図１１は、図１０に示す基板の１つの態様の周波数を関数とした擬似レイリー波の群速度のプロットである。
【図１２】 図１２は、図１の基板を用いたレイリー波−ラブ波−レイリー波タッチスクリーンの上面図であり、基板上にトランスデューサーおよび反射体が配置されている。

Claims (37)

1. タッチ表面を有する上側面および下側面を有して成る第１せん断波伝搬シート、
   せん断波伝搬プレート、ならびに
   該第１シートと該プレートとの間に配置されたせん断波を伝搬するポリマーを含んで成る第２可撓性シート
   を有して成る弾性波タッチセンサー基板。
2. 前記基板は、ラブ波および擬似レイリー波を伝搬する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
3. 前記第１シートの厚さは、約３００ミクロンよりも小さい、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
4. 前記第１シートの厚さは、約５０〜２００ミクロンである、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
5. 前記第２可撓性シートの厚さは、約１０〜１００ミクロンである、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
6. 前記基板は、２ミリメートルよりも小さい総厚さを有する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
7. 前記せん断波を伝搬するポリマーは、約２６０Ｋよりも高いガラス転移温度を有する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
8. 前記せん断波を伝搬するポリマーは、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリ環状オレフィン、ポリエーテルスルホンおよびそれらの混合物から成る群から選択される、請求項７に記載の弾性波タッチセンサー基板。
9. 前記第１シート、前記第２可撓性シートおよび前記プレートは、実質的に透明である、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
10. 前記第１シートおよび前記プレートは、ガラスを含んで成る、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
11. 前記プレートは、ポリマー・シートに隣接する上側面および該上側面に対向する下側面を更に有して成り、第２プレートが、前記プレートの下側面に接着されている、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
12. 前記第１シートおよび前記プレートは金属を含んで成る、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
13. 前記第１シートおよびプレートは、バルクせん断波速度を有し、シートのバルクせん断波速度は、プレートのバルクせん断波速度よりも遅い、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
14. 前記第１シートのバルクせん断波速度は、前記プレートにおけるバルクせん断波速度よりも約５％遅い、請求項１３に記載の弾性波タッチセンサー基板。
15. 前記第１シートおよび前記プレートは、カップリング剤でもって前記第２可撓性シートに積層されている、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
16. カップリング剤は、シランを含んで成る、請求項１５に記載の弾性波タッチセンサー基板。
17. 前記第２可撓性シートは、スペーサー粒子を含んで成る、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
18. 前記第１シートは、約１００ミクロンの厚さを有するガラスを含んで成り、前記第２可撓性シートは、約３２ミクロンの厚さを有するポリスチレンを含んで成り、また、前記プレートは、約０．５ｍｍよりも大きい厚さを有するガラスを含んで成る、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
19. 前記基板は、約１よりも小さい分散パラメーターを有する周波数で動作するラブ波を伝搬する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
20. 前記動作周波数は、約１〜１０ＭＨｚの間である、請求項１９に記載の弾性波タッチセンサー基板。
21. 前記基板は、約１よりも小さい分散パラメーターを有する周波数で動作する擬似レイリー波を伝搬する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
22. 前記動作周波数は、約１〜１０ＭＨｚである、請求項２１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
23. 前記基板は、約１よりも小さい分散パラメーターを有する周波数で動作する擬似レイリー波およびラブ波を伝搬する、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
24. 前記動作周波数は、約１〜１０ＭＨｚである、請求項２３に記載の弾性波タッチセンサー基板。
25. せん断波を伝搬する第３シートおよびポリマーを含んで成る第４シートを更に有して成る、請求項１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
26. タッチ表面を有する第１可撓性シート、
    背面プレート、および
    該第１シートと該プレートとの間に配置されている弾性波を伝搬するポリマーを含んで成る可撓性シート
    を有して成る弾性波タッチセンサー基板。
27. タッチ表面を有するせん断波伝搬可撓性マイクロシート、
    せん断波伝搬背面プレート、および
    該第１シートと該プレートとの間に配置されているせん断波を伝搬するポリマーを含んで成る可撓性シート
    を有して成る弾性波タッチセンサー基板。
28. 約３００ミクロンよりも小さい厚さを有する第１せん断波伝搬シート、
    約１２ｍｍよりも小さい厚さを有するせん断波伝搬プレート、および
    該第１シートと該プレートとの間に配置されているせん断波を伝搬するポリマーを含んで成る約１００ミクロンよりも小さい厚さの第２シート
    を有して成る弾性波タッチセンサー基板。
29. せん断波を伝搬するタッチ表面を有する第１シート、
    せん断波伝搬プレート、および
    該第１シートと該プレートとの間に配置されているせん断波を伝搬するポリマーを含んで成る第２可撓性シート
    を有して成るタッチ基板、ならびに
    分散効果を補正する電子回路
    を有して成る弾性波タッチ・システム。
30. 電子回路は、デジタル信号処理でもって、分散効果を補正する、請求項２８に記載の弾性波タッチ・システム。
31. 表面に束縛される擬似レイリー波だけが、所望の動作周波数で存在する、請求項２１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
32. 動作周波数は、第２擬似レイリー波の遮断周波数の約３０％以内にある、請求項２１に記載の弾性波タッチセンサー基板。
33. 上側面および下側面を有するマイクロシート、
    上側面および下側面を有するプレート、
    マイクロシートの下側面とプレートの上側面との間に配置されているせん断波を伝搬するポリマー・シート、
    該マイクロシート上に配置されている少なくとも１つのトランスデューサー要素、ならびに
    該マイクロシート上に配置されている少なくとも１つの反射アレイ
    を有して成る、タッチ・システムに使用される弾性波タッチセンサー基板。
34. 基板に少なくとも１つのタッチ表面を供すること、
    基板の第１軸に沿う伝搬方向を有する第１表面束縛弾性波を生じさせること、
    第１表面束縛波の一部を第２表面束縛弾性波として反射させること、
    該表面の近傍にて、オブジェクトを置くことによって、該第２弾性波に摂動を与えること、
    摂動が与えられた第２弾性波信号を検出すること、
    を含んで成るオブジェクトの検出方法であって、
    該基板は、
    可撓性マイクロシート、
    プレート、および
    マイクロシートとプレートとの間に配置されているせん断波を伝搬するポリマー・シートを有して成り、
    該基板は、擬似レイリー波およびラブ波を伝搬し、また、
    該第２表面束縛波は、第１軸とは異なって、該表面と平行である、基板の第２軸に沿うように向けられる、オブジェクトの検出方法。
35. 第１弾性波および第２弾性波は、ラブ波である、請求項３４に記載の方法。
36. 前記第１弾性波および前記第２弾性波は、擬似レイリー波である、請求項３４に記載の方法。
37. 第１弾性波は擬似レイリー波であり、第２弾性波はラブ波である、請求項３４に記載の方法。

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