JP7118054B2 - 可撓性センサ - Google Patents
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Description
本出願は、2016年10月1日に出願された英国特許出願番号1616751.2に基づく優先権を主張するものであり、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、可撓性センサおよび可撓性センサの製造方法に関する。
センサは、さまざまな用途や産業で使用されることが知られている。特に、圧力などの機械的相互作用に応答して接触機能を提供するセンサは、しばしばタッチスクリーンやボタンなどを備える電子機器などの用途に使用される。標準的なマトリックスセンサは、通常、互いに関して基板の移動を防止するように拘束された状態で力または位置の値を示すために、導電性材料を含む分離した2つの基板を有する。
さらに、比較的薄い基板の場合、内側表面に圧縮および外側表面に伸びが生じることなく、基板に内側表面の周りで座屈が起きる。同様に、座屈によって、基板が接触するところに、センサに始動抵抗と対応する応力をもたらす圧力点が生じる。
本発明の一態様によれば、第1の導電層と第2の導電層を備え、前記第1の導電層および前記第2の導電層が機械的相互作用を持定するための検知領域を規定し、前記第1の導電層が、その上に印刷された複数の導電性の行を有する第1の基板を含み、前記第2の導電層が、その上に印刷された複数の導電性の列を有する第2の基板を含み、前記第1の導電層と前記第2の導電層は、前記第1の導電層と前記第2の導電層を一緒に保持するように、当該可撓性センサの縁部に沿って拘束手段によって拘束され、そして、前記拘束手段は、前記検知領域内で前記第1の導電層と前記第2の導電層が互いに垂直に動くことを可能にするように、前記検知領域の外に設置され、そして更に、前記第1の基板および前記第2の基板の少なくとも1つが可変抵抗率を示す物質を含み、該抵抗率が前記第2の導電層に加えられる圧力に依存する可撓性センサが提供される。
(図1)
図1は、典型的な環境における可撓性センサの使用を示す例示的な一実施形態を示す。ユーザ101がテレビ102を見ているところを示す。
テレビ102は実質的に湾曲しており、ユーザ101の視聴体験を向上させるために動き回ることができる、ヒンジ部材103のようなヒンジ部材を備えている。さらに、テレビ102はスクリーン104を有し、該スクリーンは、ユーザ101がスクリーン104を押すことによって指示を与えたりデータを選択したりすることによって対話することができるように接触機能を有する可撓性センサを備えている。
図2は、本発明の一態様による可撓性センサ201の部分分解図を示す。可撓性センサ201は、第1の導電層202と第2の導電層203を備える。この概略図において、第1の導電層202と第2の導電層203は、それらの間に隙間204があるように分解組立図で示す。実際には、第1の導電層202と第2の導電層203は図示よりも互いに接近して配置され、いくつかの実施形態では、隙間204は無視できるほど小さいことが理解できる。
組み合わせると、導電層202と導電層203は結合し、相互作用を持定するために使用される検知領域205を規定する。一実施形態では、この相互作用は、指または針圧によって加えられる力または圧力のような機械的相互作用である。別の実施形態では、相互作用は、化学的、電磁気的、または電離放射線によるものであり得る。
同様に、導電層203は基板208を備え、その上に複数の導電性の列209が印刷されている。導電性の行および列は、図3でさらに説明するように、マトリックスセンサの方法で協働するように構成されている。
この例では、基板206および208はポリエチレンテレフタレート(PET)で作られている。各PET基板は、典型的には100ミクロン(100μm)の厚さである。しかしながら、代替の実施形態では、基板206および208はポリイミドで製造され、一実施形態では、典型的には約12ミクロン(12μm)の厚さである。
図3は、検知領域の配置205を概略的に示す。検知領域205は、導電層202と導電層203とによって画定され、そのうちの一部を図3に示す。
導電層202は複数の導電性の行207を有し、導電層203は複数の導電性の列209を有する。各行は他から電気的に絶縁され、同様に各列は他から電気的に絶縁されている。
この例では、検知領域205は、R1からR8として表示された8行と、C1からC8によって表示された8列のマトリックスによって提供される。この種のマトリックスセンサは、機械的相互作用を検出し、そしてその機械的相互作用の位置および範囲特性を持定するために利用できる。他の実施形態では、化学的、電磁気的または電離放射線手段によって相互作用が行われてもよく、適切な検知領域が配置されることが理解できる。
位置特性を持定するために、各行は、行のいずれか1つの端部にある第1の端子と行の反対側の端部にある第2の端子の間に電位勾配がそれに沿って作られるように構成される。例えば、電位勾配は、端部301と端部302との間でR4行に沿って作られる。同様に、各列は、C3列の第1の端部303と第2の端部304のような列の第1の端部と第2の端部の間に電位勾配が作られるように構成される。位置特性、例えばX点における、は、次に、実質的に従来の方法で持定することができる。
図4の実施形態では、導電性の行207と導電性の列209が組み合わさって検知領域205を画定し、該検知領域205は、機械的相互作用の位置特性および/または範囲特性を持定するように、電気回路への接続を介して機械的相互作用を特定するために使用される。これは、これから説明するように基板に塗布した導電性材料を用いて計算される。
図4は、導電層202および導電層203の概略断面分解図を示す。導電層202は、複数の導電性の行207が重ね刷りされた基材206を有する。導電性の行207は、銀添加インク401の層と炭素添加インク402の層を含む。製造に際して、PET基材206には、導電性炭素402が重ね刷りされる前に、銀インク401が最初に印刷される。
量子トンネル材料405が導電性炭素インク404上に重ね刷りされ、銀403、炭素404、および量子トンネル材料405の各導電層が組み合わさって複数の導電性カラム209を形成する。
銀インクは高い導電性を有し、典型的には、ほぼ零点4オーム(0.4Ω)のシート抵抗を有し得る。対照的に、炭素インクは、400オーム(400Ω)の範囲のシート抵抗を提供するが、比較的滑らかな表面として印刷されるので、層間の接触を改善する。
図5は、分離した可撓性センサ501の平面図であり、導電層202が導電層203の上に重なっている。導電層202および203は、ここで実質的に非常に近接して配置され、実質的に薄い可撓性センサー501を形成している。導電層202と導電層203は、相互作用、この実施例では付与された力による機械的相互作用、を持定するために検知領域205を規定する。 検知領域205は、それぞれ導電層202および導電層203の複数の行207および複数の列209を含む。
ここで例示された実施形態では、拘束手段505は、基板206上の複数のピンおよび基板208上の複数の対応するスロットを備える。このように、基板206および208は緩く接続されているので、層の動きが制限されることなく、導電層202と導電層203は一緒に保持されている。図6で、拘束手段505の構造をさらに説明する。
図6A、図6Bおよび図6Cは、拘束手段505の構造をより詳細に示す。図6Aは、基板206を含む導電層202の一部を示す。基板206内に刻み目が付けられた側面T字形形状のピン601が、縁部507と複数の行207の間に配置されている。側面T字形状602は基板206を通って切断されるが、基板が切断されていないところである線603でヒンジを提供する。このことによって、側面T字形形状602がヒンジ603の周りに動き、基板206の主要部分から離される。
したがって、基板206および208を組み合わさって近接して配置すると、ピン601とスロット604を図6Cの方法で組み合わせることができる。したがって、図6Cでは、T字形形状602はヒンジで固定され、スロット604を通って押し込まれて、基板206および208が互いに拘束される。図5の実施形態では、エッジ507に沿って複数のスロットおよびピンが利用されることが理解できる。
したがって、この実施例では、拘束手段が層を通過し、それによって第1および第2の方向、すなわち図5および図6に平行な2つの平面方向での基板の移動を制限するが、これらの図の平面に対して垂直な第3の方向には制限しない。したがって、導電層202および導電層203は、この方向に互いに独立して動くことができる。このように、導電層202および203は、検知領域205内でセンサ501が曲がりまたは屈曲したときに互いに滑動することができるように構成される。 これについては、図7で詳しく説明する。
図7Aおよび7Bは、導電層202および203を示す概略図である。
図7Aは、不活性構造にある可撓性センサ501を示す。ここで、導電層202は、その間に比較的小さな空隙を伴って導電層203と実質的に平行に配置されている。しかしながら、図6Aではその間に空隙を有する2つの導電層を示すが、代替実施形態では、導電層202と導電層203は接触していてもよい。しかし、図7Aの構造に関して、この非活性構造の層間では導電が許容さないことを理解すべきである。
図8Aおよび図8Bは、図7Aおよび図7Bと同様の向きのセンサ501をさらに示す。図8Aは、機械的相互作用、この場合、指801によって加えられた力、が作用したときの導電層202および導電層203を示す。この構造において力が加えられると、導電層202および203は層を通して互いに導電を強いられる。
同様に、図8Bの湾曲した向きにおいて、力が指802によって加えられると、導電層202と導電層203は、導電層202および203が接触するところ803で機械的相互作用点を提供するべく一緒に強制されるので、層を通して導電する。
このように、指801と指802によって加えられる所定の力が実質的に等しい場合、センサ201からの読み取り値は、図8Aの構造と図8Bの構造の両方で実質的に同じである。
図9は、本発明の一態様による代替の可撓性センサ901を示す。可撓性センサ901は、動作および構造において実質的に上述の可撓性センサ201および501と同様である。可撓性センサ901は、機械的相互作用を判定するための検知領域を規定する第1の導電層902および第2の導電層903を有する。導電層902および導電層903は、センサ901が曲がった、または湾曲したときセンサが導電層の基板に誤ってトリガを起こしたり、応力を誘発したりしないように、検知領域904内で互いに独立して動くように構成されている。
上述のような可撓性センサを利用する用途は、タブレットコンピュータを提供するときであり得る。タブレットコンピュータは、可撓性センサ201などの可撓性センサを利用するタッチスクリーンを有する。ユーザは、タッチスクリーンの可撓性センサが図7Aおよび図8Aに先に示したものと同様の構成にあるようにタブレットコンピュータを使用することができ、可撓性センサは実質的に平坦な構成にある。しかしながら、タブレットコンピュータは、ユーザが、例えばタッチスクリーンの角度を調整したい場合には曲がりやすいように構成され、これはセンサの接触機能を損なうことなく行うことができる。このように、ユーザは、可撓性センサの機能を失うことなく、望み通りにタッチスクリーン角度を自由に繰り返し調整することができる。
図12は、本明細書で上述した可撓性センサのさらなる実施形態の側面断面図を示す。可撓性センサ1101は、第1の導電層1102および第2の導電層1103を備える。本実施形態では、第1の導電層1102および第2の導電層1103は囲い1104内に収容され、囲い1104内で自由に浮動できる構成で懸架されている。導電層1102および1103は、先に図2および3で説明したものと実質的に同様であり、一緒に指圧、または付加した力のような機械的相互作用に応答して位置および/または範囲の特性を持定するために検知領域を提供する。
囲い1104は、感圧接着剤1107によって電子機器1106に拘束されている保護層1105を備える。
図12では、電子機器1106は、実質的に平坦な構成で示されている。このため、可撓性センサ1101は、導電層1102と導電層1103間に導電がない不活性構造にある。しかしながら、電子機器1106は、図13でさらに示し、説明するように弓状構造を形成するように曲げることができる。
図13は、電子機器1106に取り付けられたときに弓状構造である可撓性センサ1101を示す。電子機器1106は、図1のテレビ102のように電子機器1206の前面1201が曲面を形成するように湾曲している。力1202が前面1201に付加されると、導電層1102と1103は、図8Aと図8Bを参照して上述したのと同様の方法で一緒に作動する。したがって、力が加えられていないとき、導電層1102および1103は撓むが、不活性であるので、導電層1102および1103の間での導電は生じない。しかしながら、前面1301に力1302が加えられると、導電層1103と1102との間に伝導が生じるように湾曲した導電層1102と1103とが一緒に作動するので、導電層1103と1102との間に導電が生じるようになる。
かくして、本発明は、望ましくない座屈および誤ったトリガをもたらす導電層の内側での圧縮を回避することによって、曲げることができる、または湾曲したセンサが被った上述の問題に対する解決策を提供する。
Claims (14)
- 第1の導電層と第2の導電層を備え、
前記第1の導電層および前記第2の導電層が機械的相互作用を持定するための検知領域を規定し、
前記第1の導電層が、その上に印刷された複数の導電性の行を有する第1の基板を含み、
前記第2の導電層が、その上に印刷された複数の導電性の列を有する第2の基板を含み、
前記第1の導電層と前記第2の導電層は、前記第1の導電層と前記第2の導電層を一緒に保持するように、当該可撓性センサの縁部に沿って拘束手段によって拘束され、そして
前記拘束手段は、前記検知領域内で前記第1の導電層と前記第2の導電層が互いに垂直に動くことを可能にするように、前記検知領域の外に設置され、そして更に
前記第1の基板および前記第2の基板の少なくとも1つが可変抵抗率を示す物質を含み、該抵抗率が前記第2の導電層に加えられる圧力に依存する
可撓性センサ。 - 前記第1の導電層および前記第2の導電層が前記拘束手段によって、前記第1の導電層および前記第2の導電層とそれぞれ平行な第1の方向および第2の方向に拘束される請求項1記載の可撓性センサ。
- 前記物質が量子トンネル複合材料である請求項1記載の可撓性センサ。
- 前記導電性の行がそれぞれ銀添加インクまたは炭素添加インクの少なくとも1つを含む請求項1記載の可撓性センサ。
- 前記各導電性の列がそれぞれ銀添加インクまたは炭素添加インクの少なくとも1つを含む請求項1記載の可撓性センサ。
- 前記拘束手段が、前記第1の導電層の前記第1の基板および前記第2の導電層の前記第2の基板の1つの中に複数のスロットを含み、前記第1の導電層の前記第1の基板および前記第2の導電層の前記第2の基板の他の1つの中に刻み込まれた複数の対応するピンを含む請求項1記載の可撓性センサ。
- 前記第1の導電層および前記第2の導電層が囲い内に収容されている請求項1に記載の可撓性センサ。
- 前記囲いが電子機器に取り付けられる請求項7記載の可撓性センサ。
- 前記電子機器が表示部である請求項8記載の可撓性センサ。
- 前記電子機器が実質的に湾曲している請求項8記載の可撓性センサ。
- 第1の導電層および第2の導電層を設け、前記第1の導電層および前記第2の導電層が機械的相互作用を持定するための検知領域を規定し、前記第1の導電層が前記第1の基板を含み、そして、前記第2の導電層が第2の基板を含み、
前記第1の基板上に複数の導電性の行を印刷し、
前記第2の基板上に複数の導電性の列を印刷し、
前記第1の基板上に可変抵抗率を示す物質を印刷し、
前記第1の導電層と前記第2の導電層を一緒に保持するように、当該可撓性センサの縁部に沿って拘束手段によって前記第1の導電層および前記第2の導電層を拘束し、そして
前記検知領域内で前記第1の導電層と前記第2の導電層が互いに垂直に動くことを可能にするように、前記拘束手段を前記検知領域の外に設置する、
上記ステップを含む可撓性センサの製造方法。 - 前記第1の導電層および前記第2の導電層が囲いの中に収容され、当該方法が前記囲いを電子機器に取り付けるステップを更に含む請求項11記載の方法
- 前記第1の導電層および前記第2の導電層にそれぞれ平行な第1の方向および第2の方向に、前記拘束手段によって前記第1の導電層および前記第2の導電層を拘束するステップをさらに含む請求項11記載の方法。
- 前記物質が量子トンネルインクである請求項11記載の方法。
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