KR20030051727A - 적층 기판을 갖는 음파 터치 센서 - Google Patents

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KR20030051727A
KR20030051727A KR10-2003-7005508A KR20037005508A KR20030051727A KR 20030051727 A KR20030051727 A KR 20030051727A KR 20037005508 A KR20037005508 A KR 20037005508A KR 20030051727 A KR20030051727 A KR 20030051727A
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KR
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wave
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touch sensor
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KR10-2003-7005508A
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켄트조엘
아들러로버트
아드리아니폴엠.
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엘로 터치시스템즈, 인크.
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Publication date
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Abstract

본 발명은 터치 스크린 및 터치 센서에 사용을 위한 다층 기판에 관한 것이다. 마이크로 시트를 포함하는 기판, 폴리머 시트 및 판은 러브파 및 레일리형파를 포함하는 음파의 전파를 지지한다. 마이크로 시트 및 판은 유리, 금속 또는 터치 스크린용의 원하는 어플리케이션에 따른 다른 적당한 물질로 제조될 수도 있다. 폴리머 시트는 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리에터르 설폰 또는 폴리시클릭 올레핀으로 제조될 수도 있다. 상기 개시된 터치 스크린 기판은 얇지만 내구성있고 물 및 다른 표면 오염물에 대해 감도가 감소되지 않고 터치 감도를 증가시킨다.

Description

적층 기판을 갖는 음파 터치 센서 {ACOUSTIC TOUCH SENSOR WITH LAMINATED SUBSTRATE}
터치 센서를 포함하여 여기에서 사용되는 터치 스크린은 컴퓨터나 전자 시스템용의 투명하거나 불투명한 입력 장치이다. 투명한 터치 스크린은 음극선 튜브 모니터 및 액정 디스플레이와 같은 디스플레이 장치 상에 일반적으로 위치된다. 이러한 방법으로, 레스토랑 주문 입력 시스템, 공업 공정 제어 어플리케이션, 상호 대화식 박물관 전시회, 공중 전화 박스, 무선 호출기 및 PDA(Personal Digital Assistants)를 포함한 상업적 어플리케이션에 사용이 증가되는 터치 디스플레이 시스템이 생산된다.
현재, 지배적인 터치 스크린 기술은 저항식, 전기 용량식, 적외선식 및 음파식이 있다. 이러한 터치 스크린은 가격 경쟁력이 뛰어난 높은 표준의 성능을 제공한다. 또한, 음파 터치 스크린은 "초음파" 터치 스크린으로서 알려진 바와 같이,다른 터치 기술과 효과적으로 경쟁할 수 있다. 이것은 내구성 터치 표면을 제공하면서, 고투명성, 고해상도 터치 성능을 갖는 것이 요구되는 어플리케이션을 취급하는 대부분의 분야에서 음파 터치 스크린의 가능성 때문이다. 음파 터치 스크린 기술은 계속 발전하기 때문에, 내구성 터치 표면은 판매 특징 키포인트 및 생산 요구 조건으로 남을 것으로 예상된다.
음파의 사용에 기초한 터치 스크린은 음파가 기판 내로 전파된 터치 감도 기판이고, 기판 상의 위치에서 터치는 기판 내로 전파된 적어도 일부의 파를 흡수한다. 터치 위치는 XY 좌표 시스템 내에 흡수 위치를 위치 설정하도록 전자 회로를 사용함으로써 결정된다. 음파 터치 스크린의 일반적인 형태는 여기에서 사용되는 바와 같이 준 레일리파를 포함하는 레일리형 음파를 채용한다. 레일리파 터치 스크린에 관련된 자세한 개시는 미국 특허 제4,642,432호, 제4,645,870호, 제4,700,176호, 제4,746, 914호, 제4,791,416호, 제Re33,151호, 제4,825,212호, 제4,859,996호, 제4,880,665호, 제4,644100호, 제5,739,479호, 제5,708,461호, 제5,854,450호, 제5,986,224호, 제6,091,406호, 제6,225,985호 및 제6,236,691호에 포함된다. 또한 램 또는 전단파와 같은 다른 형태의 음파 또는 다른 형태의 음파 조합(레일리파를 포함한 조합)을 채용한 터치 음파 스크린이 알려져 있고 자세한 개시는 미국 특허 제5,591,945호, 제5,854,450호, 제5,072,427호, 제5,162,618호, 제5,177,327호, 제5,329,070호, 제5,573,077호, 제6,087,599호, 제5,260,521호 및 제5,856,820호를 포함하여 자세한 설명이 알려져 있다. 상기 인용된 모든 특허는 여기에서 참조로서 설명된다.
레일리파의 흡수를 통해 감지하는 Elo TouchSystems, Inc. Intellitouch 제품을 포함하여 음파 터치 스크린은 상업적으로 성공한 것이 증명되었다. 레일리파를 사용한 상품의 성공은 대부분의 분야에서 레일리파의 다음의 두 특성 때문이다. 첫째로, 레일리파는 다른 음파보다 터치에 대해 보다 높은 감도를 갖는다. 두 번째로, 레일리파는 임의의 단일하고 균일한 유리 기판의 표면상에 전파할 수 있는 표면파이다.
그러나, 또한 레일리파는 단점이 있다. 예를 들면, 레일리파가 터치 스크린 기판 내로 전파되기 위해, 기판은 기판 내로 전달되는 파의 파장보다 일반적으로 3 내지 4배 길어야 한다. 그러므로, 레일리파는 터치 스크린을 갖는 휴대용 전자 장치를 포함하여 다양한 어플리케이션에 대해 전도성이 없는 상대적으로 두껍고 무거운 기판이 요구되었다.
또한, 레일리파는 기판의 표면에서 또는 근처에서 형성되므로, 레일리파 터치 스크린은 기름 및 물과 같은 액체 오염물 및 밀봉제와 같은 터치 스크린에 접촉하는 다른 물질에 대해 감도를 증가시킨다. 오염물 또는 다른 접촉한 물질은 전파하는 파로부터 에너지를 흡수하고, 오염물을 가로지르고 기판의 축을 따라 연장하는 음파 음영 및 맹점을 일으킬 수도 있다. 그 결과, 터치 스크린 기판은 맹축을 따라 터치를 감지할 수 없다. 그러므로, 레일리파 터치 스크린을 물에 노출시키는 터치 스크린 기판의 노출된 터치 표면과 폐쇄된 영역 사이에 밀봉을 설계하는 데 특별한 주의가 필요하다. 높은 레벨 액체 오염물에 영향을 받기 쉬운 어플리케이션에 대해, 레일리파의 사용은 문제의 여지가 있다.
레일리파 터치 스크린의 성능을 최적화하기 위한 가능성은 터치 감도 및 최소 터치 패널 두께가 독립적으로 선택되지 않기 때문에 제한된다. 감소된 두께의 터치 스크린 내에서 레일리파를 지원하기 위해, 그 다른 치수는 동일하게 남지만, 파장 또는 주파수는 음파의 단일 표면 한정을 유지하기 위해 감소되어야 한다. 그 한정 깊이가 파장에 관계되는 것이 레일리파의 특성이고, 파장이 감소될 때 한정 깊이도 감소된다. 그 결과, 파는 표면에 의해 구속된 보다 얕은 영역에 한정되고, 주어진 흡수 매체에 의해 흡수된 파의 에너지 비율은 증가한다. 실험적으로, 이것은 거의 파장의 역제곱에 의해 변화하는 것이 알려졌다. 앞서 설명한 바와 같이, 레일리파를 사용한 터치 스크린은 상대적으로 두꺼운 패널에도 불구하고, 임의의 어플리케이션에 대해 매우 민감하다고 여겨질 수 있다. 그러므로, 터치 스크린 패널 두께 감소의 효과는 표면 오염물 및 다른 접촉 물질에 대해 보다 민감한 터치 스크린을 만든다. 역으로, 준 레일리 파장을 증가시킴으로써 감도를 감소시키는 것은 패널 두께 및 중량을 증가시킨다. 결국, 터치 스크린 대량 생산의 상업적 경제성은 종종 터치 스크린의 폭넓은 라인에 대해 동일한 작동 주파수에서 동일한 전자 장치의 사용에 뒷받침된다. 그러므로, 감도, 최소 두께 및 중량이 파의 파장 변화없이 변경될 수 있는 레일리파 터치 스크린에 대한 필요가 있다.
또한 전단파 모드 터치 스크린은 본 기술 분야에 매우 잘 알려져 있다. 이러한 시스템은 기판 내에서 비분산성 0차원 수평 편광 전단파(ZOHPS)를 여기시킴으로써 작동된다. 이러한 터치 스크린은 Knowles에게 허여된 미국 특허 제5,177,327호 및 제5,329,070호 모두에 도시되고 설명되고, SureTouch라는 상품명으로 ExzecInc. 및 Carroll Touch Inc.에 의해 상업적으로 판매된다.
또한 레일리파 터치 스크린의 다른 단점은 여기서 "전단파"로서 언급할 수도 있는 수평 편광 전단파가 터치 스크린에서 사용되면 회피될 수 있다. 예를 들면, 전단파는 임의의 얇은 기판 내에서 지원될 수 있고, 실제적으로 기판은 보다 고차원파 모드 및 배진동을 가압하도록 약 두 파장보다 얇은 두께에서 유지되야 한다. 그러므로, 전단파 터치 스크린은 터치 스크린의 중량이 최소화되야 하는 어플리케이션에 매우 적합하다.
그러나, 전단파 터치 스크린에 독창적으로 사용되는 1 mm 두께의 소다 석회 유리와 같은 매우 얇은 기판은 내구성이 없다. 두께를 증가시킴으로써 1 mm 유리 기판의 내구성을 증가시키기 위해, 전단파가 전파되는 기판은 비 전단파 결합 접착제를 사용하여 배면판에 적층된다. 배면판에 기판을 결합하기 위해 사용되는 적당한 접착제는 경화 후 액체와 같이 남는 실리콘 고무 접착제이다.
Weigers 등에게 허여된 미국 특허 제5,856,820호는 SureTouch 상표의 기판을 지원하는 전단파의 적층을 위해 사용된 공정을 개시한다. 그러나, 또한 적층된 SureTouch 상표의 기판은 미국 특허 제5,648,643호에 개시된 화학적으로 에칭되고 및 상감된 반사 어레이 공정을 이겨낼 수 없다. 예를 들면, 실리콘 고무는 본 특허에 개시된 실버 프릿 상감 물질을 경화시키는데 필요한 고연소 온도에 견딜 수 없다. 그러므로, 개시된 적층 공정은 1 mm의 두께의 음파 기판 반사 어레이를 제작한 후 생기는 하류(downstream) 제조 공정이다. 하류 적층 공정의 비용은 제조 공정에 비용을 상당히 증대시킨다. 방수이지만, 하류 적층 공정의 비용을 증가시키지 않고 제조될 수 있는 터치 스크린 기판을 지원하는 내구성 전단파를 제공할 필요가 남는다.
Kent에 의한 미국 특허 제5,591,945호는 2.3 mm 두께의 유리 기판으로 구성된 전단파 터치 스크린을 개시한다. 이 터치 스크린은 터치를 감지하도록 고차원 수평 편광 전단파(HOHPS)를 사용한다. 본 특허에 개시된 바와 같이, 레일리파는 어레이를 따라 전파하고 45도가 아닌 반사에 의해 n=4HOHPS로 변환된 모드이다.
많은 어플리케이션에 대해, 2.3 mm 두께의 유리 기판은 적층 기판에 대한 요구를 없앨 만큼 구조적으로 충분히 강하다. 그러나, 터치 스크린을 지원하는 이러한 HOHPS는 또한 단점을 갖는다. 예를 들면, 또한 기판을 지원하는 2.3 mm 두께의 유리 HOHPS는 다른 차원의 HOHPS파, ZOHP파, 레일리파 및 많은 수의 램파를 포함하는 다양한 부가적인 음파 모드를 지원한다. 이러한 부가적인 음파 모드는 원치 않는 기생 음파 신호를 이끌어 낼 수 있다. 음파 터치 스크린에 기초한 HOHPS는 시장에서 아직 증명을 받지 못했다. 따라서, 다른 외부 음파 모드의 최소화를 지원하면서, 원하는 방수 전단파를 지원하고 낮은 비용이지만 내구성이 있는 터치 스크린 기판을 제공할 필요는 충족되지 못한 채 남아있다.
레일리파 터치 스크린과 달리, 전단파 터치 스크린은 고레벨의 표면 오염물의 존재에도 불구하고 터치 위치를 적절히 재구성한다. 작동은 수중에서 터치 표면의 완전한 침수에도 불구하고 계속된다. 수평 편광 전단파에 의해 물 및 다른 오염물에 상대적으로 비감도용 물리적 매카니즘은 아래에 설명된다. 레일리파와 대조하여, 전단파는 기판 내에서 단지 수평 운동을 유도하고, 터치 스크린 기판의표면에서 수평 운동은 없다. 그 결과로서, 레일리파 및 전단파는 대조된 터치 감지 특성을 갖는다. 레일리파와 관련한 기판 표면의 수직 운동은 압력파의 방사를 거쳐 접촉 매체 내부로 흡수를 일으킨다. 동일한 접촉 영역의 손가락 터치 및 물방물에 의한 흡수는 동일하다. 그러나, 전단파는 압력파를 접촉 매체 내부로 방사하지 않고, 오히려 점성 댐핑에 의해 주로 흡수된다. 물이 손가락 피부보다 점성이 매우 작으므로, 전단파는 손가락 터치보다 물방울에 덜 반응할 것이다. 물 또는 다른 액체로부터의 심각한 오염물에 영향받기 쉬운 음파 터치 스크린 어플리케이션에 대해, 수평 편광 전단파는 레일리파의 사용에 대해 매우 큰 장점을 제공한다.
전단파가 물 및 다른 오염물에 대해 감도를 감소시킴에도 불구하고, 전단파는 레일리파보다 터치에 대해 감도가 떨어지는 경향이 있다. 주어진 터치에 의해 흡수된 교차 에너지의 퍼센트는 실제적인 터치 스크린 기판의 두께에 대해 비교 가능한 ZOHPS 전단파에서보다 레일리파에 대해서가 약 5배 많다. 기초적인 음파 감도에서 이러한 차이를 보완하도록 특별한 제어기가 ZOHPS파를 사용한 터치 스크린에 대해 요구된다. 이러한 제어기는 레일리파 터치 스크린에 대해서 필요한 것보다 훨씬 복잡하다. 그로 인해, 제어기 설계에서의 비용을 상승시킨다. 그러므로, 덜 복잡하고 저비용 제어기가 사용될 수도 있도록 거친 터치 신호 강도에 상응하는 감소없이 전단파 터치 스크린의 이점을 갖는 것이 바람직하다.
또한 러브파 터치 스크린은 본 기술 분야에 알려져 있지만, 아직 상업적으로 개발되지 않았다. 일반적으로, 러브파는 기판의 한 표면에서 파 에너지를 갖고 대향 표면상에 실질적으로 적은 에너지를 갖는 수평 편향 전단파이다. 레일리파와 같이, 러브파는 터치 표면에서 구속되고 깊이를 갖는 지수 함수 형태로 쇄퇴한다. 레일리파와 달리, 러브파는 동일 매체 내에 존재하지 않는다. 수학적으로, 러브파의 지원을 받는 가장 간단한 기판은 보다 빠른 벌크 전단파 속도를 나타내는 하부 반 무한 매체에 결합된 유한 두께의 상부층이다. 실제적으로 말하면, 하부 매체가 많은 수의 지수 함수 쇄퇴 구간의 진폭을 포함하도록 충분히 두껍다면, 유한 두께의 층일 수도 있다. 또한 다층을 갖는 보다 복잡한 구조가 러브파를 지원할 수도 있다.
낮은 점성 유체로 작동을 허용하는 방법으로서 러브파의 사용은 음파 화학 센서의 분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들면 Gizeli 등에 의한 "다층 폴리머를 사용한 노벨 러브판 음파 센서"의 1992년 9월의 UFFC 논문의 657페이지, Jakoby 및 Vellekoop에 의한 "러브파 센서의 분석 및 최적화"의 1998년 9월 UFFC 논문 1293페이지, Jakoby 및 Vellekoop에 의한 "러브파 센서의 화학적 인터페이스 층 내에 점도 손실 분석"의 2000년 4월 논문 696페이지를 참조하라. 이러한 개시는 기초 법칙을 설명하였지만, 그것은 실제적인 공학적 의미에서 터치 스크린 기술과 오히려 거리가 있다. 화학적 센서의 활동 영역은 일반적으로 매우 좁고, 예를 들면 평방 인치이고, 투명성은 관계가 없다. 화학적 센서를 위한 러브파 기판은 내부 디지털 변환의 사용이 가능하도록 일반적으로 압전식이다. 역으로, 터치 스크린은 영역에서 일반적으로 100분의 수십 평방 인치이다. 경제적인 이유로, 화학적 음파 터치 스크린용 기판은 압전식 물질로 만들어지지 않고, 투명성은 많은 어플리케이션에대해 필수적이다. 그러므로, 화학적 센서의 종래 기술은 음파 터치 스크린을 위한 가격 효율 설계 및 러브파 기판 제조 방법에 대해 약간의 정보를 준다.
러브파 터치 스크린은 종래 기술에서 절대적이고 명료하게 개시된다. 예를 들면 Knowles에게 허여된 미국 특허 제5,329,070호는 보다 느린 전단 속도 매체가 보다 빠른 전단 속도의 배면판 상에 결합된 러브파 기판을 개시한 것으로 해석될 수 있다. Kent에게 허여된 미국 특허 제5,591,945호는 3 mm 두께 소다 석회 유리에 결합된 2 mm 또는 3 mm 두께의 붕규산 유리를 포함하는 러브파 지원 기판의 사용을 개시한다. 또한, Kent에게 허여된 미국 특허 제5,854,450호는 러브파 기판이 두층 이상의 적층을 포함할 수 있다는 것을 개시한다. 미국 특허 제5,854,450호는 2 mm 두께 유리 상에 100 미크론의 납기초 프릿층, 알루미늄 상에 에나멜 및 세라믹 상에 글래이즈를 포함 가능한 러브파 기판 구성을 개시한다.
디스플레이 장치 전방에 위치된 터치 스크린을 위한 기판은 투명해야 한다. 터치 디스플레이 시스템에서, 사용자에 의해 보여질 때 디스플레이된 화질에 최소 충격으로 터치 입력 함수를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 약간의 어플리케이션에 대해, 터치 입력 장치는 투명할 필요가 없다. 예를 들면, 마우스와 같은 트랙 패드는 사용자가 커서를 컨트롤하도록 한다. 어떠한 시장 어플리케이션에 대해, 반투명이면 향상된 음파 기판 설계를 위한 적절한 기회일 수도 있다.
미국 특허 제5,854,540호에 개시된 바와 같이, 음파 센서는 다양한 어플리케이션을 위해 다양한 형태로 설계될 수 있고, 컴퓨터 기초 시스템의 사용자 제어를 넘는 어플리케이션을 가질 수도 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,854,450호의도19에 도시된 실린더형 센서는 로봇 아암의 부분적인 금속 쉘일 수 있다. 그러므로, 다량 노출된 영역은 터치 감도를 측정하고 충돌 탐지를 위해 사용될 수 있다. 센서 정보는 로봇 아암의 운동을 취소 또는 변경할 때를 결정하도록 로봇 시스템 내에서 사용될 수 있다. 또한 어플리케이션이 물 오염으로 인해 잘못된 충돌 정보의 거부를 요구한다면, 전단파 모드를 사용하는 것이 유리하다. 이것은 개선된 터지 기판으로부터 이점을 얻을 수도 있는 다른 터치 센서 어플리케이션이다.
따라서, 내구성을 갖고 터치에 개선된 감도를 갖지만, 물 및 다른 오염물에 여전히 상대적으로 비감도인 레일리파 및 러브파를 지원하는 개선된 음파 터치 스크린 기판에 대한 필요가 있다고 여겨진다. 또한 저비용으로 용이하게 제조될 수 있는 그러한 터치 스크린 기판에 대한 필요가 있다고 여겨진다.
본 발명은 음파 터치 스크린 기판에 관한 것이고, 구체적으로, 본 발명은 러브파 및 레일리파류 모두를 지원하는 다층 터치 스크린 기판에 관한 것이다.
본 출원은 2000년 10월 20일에 제출된 미국 가출원 제60/242,048호에 의해 우선권을 주장한다.
도1은 본 발명의 터치 스크린 기판의 제1 실시예의 단면도이다.
도2는 본 발명의 터치 스크린 기판의 제2 실시예의 단면도이다.
도3은 본 발명의 터치 스크린 기판의 제3 실시예의 단면도이다.
도4는 도1의 기판을 사용하고 그 위에 변환기 및 반사기를 갖는 러브-러브-러브 터치 스크린의 평면도이다.
도5는 그 위에 배치된 웨지형 변환기를 갖는 도1의 기판의 사시도이다.
도6은 도1의 폴리머 시트의 두께의 변화에 대한 진동 함수로서 러브-러브-러브 기판에 대해 계산된 그룹 속도 선도이다.
도7은 본 발명의 기판에 대한 계산된 상 속도 대 러브파 및 레일리파에 대한 주파수 선도이다.
도8a는 동일한 기판에서 표준 레일리파에 대한 깊이 프로필이다.
도8b는 도1의 기판에 최저 차원의 레일리형파의 깊이 프로필이다.
도9는 폴리머 시트 두께 변화를 갖는 도1의 기판의 수정판에 대한 주파수의 함수로서 레일형파 그룹 속도의 프로필이다.
도10은 본 발명의 터치 스크린 기판의 제4 실시예의 단면도이다.
도11은 도10에 도시된 기판의 일 실시예에 대한 주파수의 함수로서 레일리형파 그룹 속도의 프로필이다.
도12는 도1의 기판을 사용하고 그 위에 배치된 변환기 및 반사기를 갖는 레일리-러브-레일리의 평면도이다.
본 발명에 따르면, 종래 기술의 적층 음파 터치 스크린 기판의 단점이 극복된다. 본 발명의 적층된 터치 스크린 기판은 마이크로 시트(터치 표면), 판 및 판과 마이크로 시트 사이에 위치된 폴리머 시트를 포함한다. 마이크로 시트, 폴리머 및 판은 각각 벌크 전단파 모두를 지원한다. 그러므로, 본 발명의 기판은 러브-러브-러브, 레일리-레일리-레일리 및 레일리-러브-레일리 터치 스크린에 사용될 수 있다. 여기에서 설명된 바와 같이 레일리파 및 레일리형파는 수직 및 종방향 운동을 갖는 임의의 표면 구속파를 포함한다.
일 실시예에서, 마이크로시트 및 판은 유리이고 폴리머는 고투명성을 갖고, 디스플레이와 같은 투명한 어플리케이션에 사용되기에 적합한 유리/폴리머/유리 기판을 형성한다. 다른 실시예에서, 마이크로시트 및 판은 금속일 수도 있고, 그로 인해 키 패드, 트랙 패드 및 로봇 쉘 센서와 같은 반투명 어플리케이션에 적합한 금속/폴리머/금속 기판을 형성한다.
본 발명의 기판에서 폴리머 시트의 사용은 수많은 장점을 제공한다. 러브-러브-러브 기판에서, 폴리머 시트는 물 및 다른 오염물에 대해 기판의 비감도를 감소시키지 않고, 기판의 감도를 차례로 증가시키는 판 내에서 소실파의 진폭을 감소시킴으로써 필수적이고 중요한 역할을 한다.
또한, 폴리머 시트는 감소된 두께 및 그로 인해 감소된 중량의 레일리-레일리-레일리 기판의 생성하게 한다. 구체적으로, 본 발명은 판의 두께가 3개의 요소에 의해 감소되게 하기 때문에 1 mm이하의 총 두께를 갖는 레일리-레일리-레일리 기판이 가능하다. 이것은 고감도를 갖는 레일리-레일리-레일리 기판이 휴대 가능한 터치 스크린 어플리케이션용으로 사용되도록 한다.
또한, 본 발명의 터치 스크린 기판은 폴리머층이 마이크로 시트에 의해 보호되기 때문에 종래 기술의 두층 폴리머/판 기판 이상의 증가된 내구성을 갖는다.
결국, 본 발명 기판의 다른 장점은 매우 효과적인 가격으로 용이하게 제조할 수도 있다는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 새로운 특징은 다음의 도면 및 설명으로부터 완전히 이해될 것이다.
지금부터 도1을 참조하면, 본 발명의 터치 스크린 기판(1)은 터치 표면, 매개 폴리머 시트(5) 및 바닥판(7)으로서 상부 마이크로 시트(3)를 갖는다. 마이크로 시트(3)는 상부 표면(9) 및 하부 표면(11)을 갖고 일반적으로 전단파를 지원하는 단단한 긁힘 저항 물질이고 전체 기판에 표면 강도 및 내구성을 제공한다. 그러나, 판(7)이 그 평평도에 편차를 갖는다면 마이크로 시트(3)는 적층 공정 중 판(7)에 따르도록 다소 가요성이 남게 충분히 얇아야 한다. 또한 얇은 마이크로 시트는 바람직한 음파 특성을 제공하고 낮은 비용의 터치 스크린 기판의 제조를 허용하므로 장점을 갖는다.
마이크로 시트는 유리, 금속, 세라믹, 그 구성뿐만 아니라 유사한 음파 특성을 갖는 임의의 다른 물질일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 마이크로 시트의 두께는 300 미크론보다 작다. 터치 스크린이 디스플레이의 전방에 위치된 어플리케이션에 대해, 마이크로 시트는 투명해야하고 유리로 만들어질 수도 있다. 마이크로 시트를 형성하기 위해 적당한 유리는 소다 석회 유리, 크라운 유리, 붕규산 유리 및 바륨, 스트론튬 및 납 함유 유리를 포함한다. 키패드, 트랙 패드 및 수중 로봇 쉘과 같은 터치 스크린 어플리케이션에 대해, 마이크로 시트는 알루미늄 및 철을 포함하지만 그에 한정되진 않는 금속과 같은 반투명 물질일 수도 있다. 본 발명에 사용되기에 적합한 바람직한 마이크로 시트의 실시예는 아래의 표Ⅰ에 나타낸다.
표Ⅰ
220 미크론 두께의 Corning 0211을 포함하는 표Ⅰ에의 모든 마이크로 시트의 두께에 대해, 마이크로 시트는 압력 온도 결합 공정 중 하층 유리 기판의 형태에 따르는 필수적인 가요성을 갖는다. 마이크로 시트의 강성이 입방체 두께에 비례하므로, 220 미크론 두께의 유리 마이크로 시트는 1 mm 두께 유리 시트보다 100배 이상의 가요성이 있다. 100 미크론 두께의 유리 마이크로 시트는 220 미크론 두께의 유리 시트 보다 10배 이상의 가요성이 있다. 따라서, 약 300 미크론보다 얇은 두께를 갖는 유리 마이크로 시트는 적층 공정을 지원하는 가요성을 갖지만, 1 mm 두께 시트의 유리는 하층 유리 기판에 따르는 충분한 가요성이 없다고 여겨진다.
바닥판(7)은 터치 스크린 기판의 주 구조 층이고 상부 표면(13) 및 하부 표면(15)을 갖는다. 마이크로 시트(3)와 같이, 또한 판(7)은 전단파 지원 물질이다. 또한, 판(7)은 상대적으로 낮은 음파 감쇄를 갖는 것이 바람직하다. 판(1)이 투명한 터치 스크린 어플리케이션에 사용될 때, 판(7)은 마이크로 시트(3)에 대해 설명한 것을 포함한 다양한 유리로 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 판(7)은 낮은 비용 때문에 소다 석회 유리로 형성된다. 소다 석회 유리판이 공칭적으로 평평한 반면, 유리의 하류 연삭 및 폴리싱이 없을 경우 이상 평평도로부터 약간 이탈한다. 키 패드, 로봇 쉘 센서 등과 같은 반투명 터치 스크린 어플리케이션에 대해, 판(7)은 세라믹 뿐만 아니라 알루미늄, 강철 또는 그 조합과 같이 수용 가능한 음파 손실을 갖는 금속으로 형성될 수도 있다.
판(7)이 유리, 금속 또는 다른 물질인지와 관계없이, 판(7)은 전체 터치 스크린 기판에 강성을 주도록 충분히 두꺼워야 한다. 판이 유리라면, 판은 필수적인 강성을 제공하도록 약 2 mm보다 두꺼운 두께를 가질 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 판은 3 mm 두께 시트의 소다 석회 유리이다. 판이 금속이라면, 판은 원하는 기계적 강도를 제공할 정도의 필수적인 두께일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 판은 3 mm 두께의 알루미늄 또는 강철이다.
마이크로 시트(3) 및 판(7)은 서로 직접 결합되지 않고, 오히려 다층 터치 스크린 기판(1)을 형성하도록 매개 폴리머 시트(5)에 결합된다. 폴리머 시트(5)는 상부 표면(17) 및 하부 표면(19)을 갖고, 독립적으로, 벌크 전단파를 지원하거나 "전단 지원"한다. 바람직하게는, 폴리머 시트에 사용되는 폴리머는 고투명성을 갖고, 적어도 -13 ℃(260 °K)의 유리 전이 온도를 갖고, 낮은 음파 감쇄를 갖는다. 또한, 폴리머가 낮은 습도 흡수를 갖고 환경적으로 안정적이라면 이점을 갖는다. 이러한 폴리머는 결정 및 유리 형태의 폴리머를 포함한다.
종래 기술의 두층 폴리머/유리 터치 스크린 기판에 비교해서, 3층 유리/폴리머 기판은 폴리머 시트 "매설"의 이점을 갖고, 그로 인해, 보다 취성이고 보다 적은 충격 저항 폴리머의 사용을 허용한다. 또한, 폴리머가 마이크로 시트(3) 및 판(7)사이에 위치됨으로써, 폴리머의 긁힘 저항은 우려하지 않아도 된다. 그 결과로써, 폴리머 시트(5)용으로 사용될 수도 있는 폴리머 형태가 보다 자유롭게 선택된다.
폴리머 시트(5)용으로 적절한 폴리머는 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르 설폰네스, 폴리시클릭 올레핀스 및 그 조합으로 구성된다. 실리콘 고무는 비전단파 결합 물질이고, 그로 인해 본 발명에서 매개 시트로서 사용될 수 없다는 것을 알아야만 한다. 균일한 두께를 갖는 얇은 폴리머 시트는 낮은 비용으로 상업적 이용이 가능하다. 적절한 폴리머 시트는 DOW에 의해 제조되고 Styron사의 상표로 판매되는 폴리스티렌막을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 폴리머 시트가 판내에서 일어날 수도 있는 임의의 편차를 따르도록 충분히 휘어지는 것을 보장하는 폴리머 시트는 약 300 미크론보다 작은 두께를 갖는다. 다른 바람직한 실시예에서, 폴리머는 고무 영역을 포함하는 고충격 폴리스티렌과 상반되는 것으로서 일반적 용도의 폴리스티렌이다. 비싸지 않으므로 특히 적합한 일반적인 목적의 폴리스티렌은, 음파에 댐핑 영향을 거의 주지 않고, 1150 m/s의 범위로 적절한 파속을 허용한다. 본 발명에 사용되는 바람직한 폴리머 시트는 Kama Inc.에 의해 제조되고 Santa Fe Spring, California에 MultiPlastic으로부터 입수 가능한 32 미크론 두께의 폴리스티렌 시트이다. 상업적으로 입수 가능한 형성 전 폴리머 시트 뿐만 아니라, 폴리머 시트(5)는 아래의 제3실시예에서 상세하게 설명된 바와 같이 원위치 폴리머라이징에 의해 형성될 수도 있다는 것이 고려된다.
균일한 음파 특성을 제공하도록, 매개 폴리머 시트(5)는 판(7)의 평평도에서의 편차에도 불구하고 균일한 두께인 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 폴리머 시트(5)는 적층 공정 중 판에 따르도록 가요성이 있어야 한다. 폴리머 시트(5)의 가요성은 폴리머 유리 천이 온도보다 높고 폴리머 용해 온도보다 낮은 적층 온도를 선택함으로써 쉽게 증가된다. 또한, 폴리머의 가요성은 폴리머 용해 온도 이상의 온도를 선택하고 판(7)의 변화를 따르는 동안 실질적으로 균일한 두께를 유지하도록 고점성 용해를 사용함으로써 크게 증가된다.
마이크로 시트(3), 폴리머 시트(5) 및 판(7)은 터치 스크린 기판을 형성하도록 함께 적층된다. 기판은 온도, 습도 및 시용에서 다양한 기계적 힘의 변화에 영향을 받기 쉬우므로, 마이크로 시트(3), 폴리머 시트(5) 및 판(7) 사이에서 강한 결합을 제공하는 것이 중요하다. 마이크로 시트, 폴리머 시트 및 판의 물리적 적층은 압력, 열 및 압력, 또는 결합제와 함께 열 및 압력의 사용을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 본 기술 분야에서 알려진 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다.
폴리머 시트(5)와 마이크로 시트(3)와 판(7)사이의 결합면에서 공유 결합은 많은 터치 스크린 어플리케이션에 대해 특히 적합하다. 강한 공유 결합은 결합제의 사용으로 형성될 수 있다. 폴리머를 유리 또는 금속 기판에 결합시키기 위한 강력한 공유 결합제는 본 기술 분야에 알려져 있고 Tullytown, Pad에 Gelest Inc.를 포함한 다양한 화학 회사로부터 폭넓게 입수 가능하다. 바람직한 실시예에서 시레인 결합제는 폴리머 시트(5)의 상부 표면(17)과 마이크로 시트(3)의 하부표면(11) 및 폴리머 시트의 하부 표면(19)과 판(7)의 상부 표면사이에서 원하는 공유 결합을 형성하도록 사용된다. 시레인 화학 공유 결합 시스템은 음파를 고흡수하는 일반적인 접착제와 달리, 얇은 시레인 코팅은 음파의 전파에 영향을 주지 않기 때문에 유리하다. 또한, 시레인 화학 지원물은 낮은 비용의 터치 스크린 기판 적층 공정에서 유화 온도 및 압력의 사용을 지원한다.
제1 실시예
도1에 도시된 본 발명의 3층 터치 스크린 기판은 표Ⅰ 내의 모두 3개의 마이크로 시트, 판(7)용 3 mm 두께의 소다 석회 유리 시트 및 32 미크론 두께의 폴리스티렌 시트를 사용하여 구성되었다. 마이크로 시트(3)의 일 측면 및 판(7)의 일 측면은 각각 0.1 %의 아지드 설폰 시레인 메틸 에틸 케톤[azido sulfonate silane methyl ethyl ketone(MEK)] 코팅 용액에 담겨졌다. 다르게는, 전체 폴리머 시트가 시레인 코팅 용액 내에 담겨지는 것이 고려된다. 그 후 마이크로 시트 및 판은 자연 건조되고 시레인 분자를 유리 마이크로 시트 및 판에 공유 결합시키도록 충분한 시간 동안 110 ℃의 오븐에서 경화되었다. 이러한 건조 공정 중에, 코팅 용액 내의 용매는 증발되어 없어져서 마이크로 시트 및 판 상에 분자 몇 개 정도의 두께의 시레인 코팅을 남긴다. 시레인 코팅의 두께는 무시할 정도이어서, 기판의 두께를 증가시키지는 않는다. 결과적으로, 터치 스크린 기판 층들은 폴리머 시트(5)가 마이크로 시트(3) 및 판(7)의 시레인 코팅 측면 사이에 위치하도록 적층된다. 이어서 상표명이 Teflon인 시트가 마이크로 시트의 상부면(9) 및 판(7)의 하부면(15) 상에 위치되었다. 이어서 테플론 시트를 갖춘 적층된 기판은 실리콘 고무 시트 사이에 위치되었고 터치 스크린 기판의 층을 견고하게 접합시키도록 200 ℃ 및 10,000 파운드의 열간 프레스 내의 두 개의 철강 판 사이에 5분 동안 삽입되었다. 이어서 접합된 기판은 5000 파운드 하에서 3분 동안 냉각되었다. 갭 또는 기포가 없는 성공적인 기판의 적층은 유리 마이크로 시트가 적층 공정 중에 유리판의 형상에 따라 휘어져서 순응하였음을 의미한다.
제1 실시예에 따라 제조된 기판을 실험하기 위해서, 변환기가 5.53 MHz (Elo TouchSystems, Inc.의 상표명이 IntelliTouch인 음파 터치 스크린의 표준 작동 주파수)에서 러브파를 여기시켜서 검출하도록 구성되었다. 제조된 변환기 조립체는 7.4 mm 길이의 좁은 철강 에지를 통해 기판과 접촉한다. 송신 모드에 있어서, 좁은 에지는 에지에 평행한 전단 운동 중에 여기되었고, 에지에 직각으로 전파되는 전단파를 생성시켰다. 비상 및 감쇄 길이의 주기 실험이 변환기의 송신/수신 쌍을 다양한 분리된 거리에 위치시킴으로써 수행되었다. 러브파는 앞선 표Ⅰ에 열거된 마이크로 시트의 3개의 형식에 대응하는 각각의 기판에서 관찰되었다.
일 샘플이 흥미로운 음파 특성을 가진 러브파를 지원하였다. 이러한 샘플의 음파 특성이 아래 표Ⅱ에서 설명된다.
표Ⅱ
이러한 양호한 실시예에 있어서, 러브파의 에너지는 접촉 표면에서 마이크로 시트 내에 집중되어서, 보통 수평으로 극성화된 전단파에 대해 관찰되는 것보다 훨씬 더 큰 접촉 감도를 낳는다. 유한 두께의 폴리머 층의 존재는 판 내의 소실파의 진폭을 크게 감소시킴으로써 감도를 증가시키는 데 있어 기본적인 음파 역할을 행한다. 사실, 표Ⅱ의 기판의 접촉 감도는 종래 기술인 레일리파 기판의 것에 필적한다. 증가된 감도에도 불구하고, 기판은 전단 모드파를 사용하는 종래 기술의 2층 기판의 경우에서와 같이 물 또는 다른 오염 물질의 존재에 의해 실질적으로 영향을 받지 않은 채로 유지되었다.
본 발명의 전단 모드파에 대한 놀랄 만큼 높은 접촉 감도를 이끌어내는 기구를 좀 더 잘 이해하기 위해서, 깊이 분포에 대한 러브파의 진폭은 본 발명의 다양한 3층 기판에 대해 수학적으로 계산되었다. 계산 결과는 샘플이 1mm 두께의 소다 석회 유리 기판에서 ZOPHS파의 감도에 8.4배인 높은 접촉 감도를 가지는 것을 확인시켰다. 아래 표Ⅲ은 이론적인 예상과 실험적 관찰을 비교한다.
표Ⅲ
이론적 계산에 사용된 변수가 정확하지 않다면, 계산되고 측정된 위상 및 그룹 속도 사이의 일치는 우수하다. 또한, 관찰되는 주파수에 대한 그룹 속도의 변화 부족이 처음에는 놀라웠지만, 그룹 속도가 주파수 함수로서 최소인 것을 보여주는 이론적인 계산 후에는 이해가 되었다. 실험적 관찰 및 이론적 계산의 조합은 본 기구의 더 자세한 이해를 제공하였고 이어지는 통찰 결과를 낳았다.
마이크로 시트 내의 벌크(bulk) 전단 속도가 유리 판 내의 벌크 전단 속도보다 현저하게 낮을 때, 음파 에너지는 얇은 마이크로 시트 층 내에 매우 집중되어서 관찰되고 높은 접촉 감도를 낳았다. 표Ⅱ에서 설명된 기판에 대해서, 계산 결과는 음파 파워 중 83 %가 마이크로 시트 층에, 음파 에너지의 6 %가 폴리스티렌 층 내에, 그리고 11 %가 소다 석회 유리에 내장되는 것을 보여준다. 러브파 터치 스크린 기판을 사용하는 양호한 실시예에 있어서, 마이크로 시트 전단 속도는 유리 판 전단 속도 보다 적어도 5% 낮다.
흥미롭게도, 상기 접촉 감도는 2층 러브파 기판으로 가능한 수치를 훨씬 초과한다. 계산은 소다 석회 유리판에 직접 접합된 AF-45 마이크로 시트의 가상 2층 구조물에 대해 수행되었다. 접촉 감도는 1mm 유리 기판에서의 ZOPHS파의 감도의 3.643배로 감소되었다. 이는 폴리머가 중요한 역할을 하는 것을 암시한다. 폴리머 시트는 비교적 연성이기 때문에, 파가 판에 이르기 전에 진폭에 있어 급격히 감소하는 것을 허용한다. (가상)마이크로 시트의 두께는 최대 접촉 감도(표면에서의 음파 파워 밀도)가 나타날 때까지 변화되었다. 170 미크론의 두께에서, 접촉 감도는 1mm 두께의 유리 기판에서 ZOPHS파의 4.0배 정도였다. 이는 여전히 표Ⅱ의 3층 러브파 기판으로 이루어지는 것보다 2 인자가 적다. 폴리머 층은 제조 공정에서 기본적인 역할을 수행할 뿐 아니라, 접촉 감도를 향상시키는 향상된 파 안내 효과에도 현저한 공헌을 한다.
앞에서 지목된 바와 같이, 러브파의 음파 파워 중 비교적 작은 퍼센트인 6%만이 폴리스티렌 층 내에서 전파한다. 폴리머는 유리보다 훨씬 더 음파적으로 흡수성이 강한 경향이 있다. 그러나, 폴리머가 유리의 수배의 비율로 벌크 전단파를 흡수하더라도, 이러한 효과는 6 %에 불과하다. 따라서, 전술된 바와 같이, 터치 스크린 기판에 사용하기엔 흡수성이 음파적으로 너무 강한 것으로 여겨지는 폴리 아크릴과 같은 폴리머 물질의 사용이 본 발명에서는 사용될 수도 있다.
제2 실시예
파괴 충격 강도 실험이 제1 실시예에서 설명된 공정에 따라 제조된 터치 스크린 기판 상에서 이루어졌다. 터치스트린 기판은 100 미크론 두께의 Schott D-263 마이크로 시트, 32 미크론 두께의 폴리스티렌 시트 및 3 mm 두께의 소다 석회 유리 판로부터 제조되었다. 소다 석회 유리판은 약 19 cm x 24 cm 정도의 면적을 가지고 마이크로 시트 및 폴리스티렌 시트는 판보다 약간 더 작다. 5 cm 직경의 철강 볼이 두 개의 샘플 각각 위에서 증가하는 높이로부터 낙하되었다. 15 cm에서 시작된 낙하 높이는 5 cm의 증가 분으로 증가되었다. 양 샘플은 40 cm의 낙하 높이에 도달될 때까지 아무런 가시 효과 없이 떨어지는 철강 볼의 충격에 견디었다. 양 샘플 모두 40 cm에서 파손되었다. 흥미롭게도 파손은 100 미크론 두께의 유리 마이크로 시트에서가 아닌 3 mm 두께의 소다 석회 유리판에서 나타났다. 3 mm 두께의 유리판의 깨어진 파편들은 깨어지지 않은 마이크로 시트에 접합되어 잔류하는 폴리스티렌 시트에 접합되어 잔류하였다. 적층은 3 mm 두께의 소다 석회 유리판이 파손될 때에만 파손되는 것으로 나타났다. 따라서, 유리판의 두께를 증가시키는 것이 본 발명의 터치 스크린 기판의 내충격성을 더욱 증가시키는 것으로 기대된다.
본 발명의 3층 터치 스크린 기판의 전면의 충격 강도에 대한 이러한 실험적 증명은 놀라운 것이다. 터치 스크린 기판을 조립 및 적층시키기 전에, 유리 마이크로 시트는 매우 취성이 강해서 상당한 주의와 함께 취급되어야만 한다. 그러나, 적층 후, 마이크로 시트 층은 유리 마이크로 시트 내의 파손을 야기하는 밀착 반경 방향 절곡을 피하도록 지지 및 구속된다.
제3 실시예
도2는 본 발명의 터치 스크린 기판의 다른 실시예를 도시한다. 기판(21)은 도1에 도시된 바와 같이 마이크로 시트(3) 및 판(7)을 포함한다. 그러나, 매개 시트(23)는 제1 실시예에서 설명된 바와 같은 분리식 가요성 폴리머 시트가 아니다. 또한 매개 폴리머 시트(23)는 제 위치 중합 반응에 의해 형성된다.
경화되지 않은 폴리머계 물질이 폴리머 전구체로 형성된다. 폴리머 전구체로는 이에 제한되지는 않지만 폴리스티렌, 폴리아크릴, 폴리에테르 설폰, 폴리클릭 올레핀 또는 조합을 포함하고 액체 또는 충전재를 함유하는 액체일 수도 있다. 양호한 실시예에 있어서, 폴리머 전구체는 폴리아크릴계 액체 시스템이다. 이러한 폴리아크릴 시스템은 양질의 접합성을 가지고, 저가이고, 높은 내환경성을 가지며 높은 광투과성을 가진다. 또한, 별도의 결합제가 아크릴계 시스템과의 기판 층의 접합을 이루기 위해 필요로 하지 않는다.
제 위치로 형성된 폴리머 시트가 균일한 두께를 가짐으로써 상부 마이크로 시트(3)가 판(7)의 어떠한 변화에도 순응하는 것을 보장하기 위해서, 작은 스페이서 입자(25)가 폴리머 전구체에 첨가될 수도 있다. 스페이서 입자(25)의 직경은 폴리머 시트의 실질적인 두께를 결정하고, 따라서 폴리머 시트의 두께는 필요에 따라 더 작거나 더 큰 스페이서 입자를 사용함으로써 변경될 수도 있다. 스페이서 입자는 제 위치 중합 반응의 최고 온도보다 더 높은 녹는점을 가지는 유리 비드 또는 폴리머 비드일 수도 있다. 양호한 실시예에 있어서, 스페이서 입자(25)는 폴리머와 동일 또는 유사한 음파 특성을 가진다. 투명한 러브파 터치 스크린 기판이 요구되는 경우, 스페이서 입자(25)는 양호하게는 투명하고 경화 폴리머의 굴절율과 유사한 굴절율을 가진다.
폴리머 전구체는 마이크로 시트(3) 또는 판(7) 상에서 균일 층으로 스핀 코팅되거나 마이크로 시트(3) 또는 판(7) 상에서 닥터 블레이드(doctor balde)와 같은 나이프를 가진 균일 층으로 도포될 수도 있다. 따라서, 기판 층은 폴리머 전구체 층의 노출된 표면이 덮여지도록 적층된다. 이어서 적층된 기판은 층들을 적층시키도록 제1 실시예에서 설명된 열간 프레스 내에 놓여진다. 폴리머 전구체의 제 위치 중합 반응은 다음 방법 중 하나에 의해 이루어진다. 예를 들면, 자외선 활성제는 판 및 전구체의 자외선 복사로의 어플리케이션이 전구체를 중합시키도록 폴리머 전구체에 첨가될 수도 있다. 다르게는, 온도 사이클에 의해 활성화되는 단일 또는 복합 성분의 열경화성 중합 시스템이 사용될 수도 있다. 추가로, 중합 반응은 대기 온도에서 반응 성분을 혼합시키거나 폴리머 전구체를 판의 표면 또는 공기 중에서 대기 수분과 반응시킴으로써 이루어질 수 있다. 다르게는 중합 반응은 대기와의 접촉을 차단시키는 임의의 적층에 의해 이루어질 수도 있다. 폴리아크릴계 폴리머 시스템이 사용되는 경우, 적층식 기판은 중합 반응을 이루기 위해 자외선 경화가 적용될 수도 있다. 다르게는 기판은 적층을 수행하도록 한 쌍의 가열된 딥 롤러를 통해 이동되고, 그 후 자외선 경화가 될 수도 있다.
폴리머 시트가 제 위치로 형성되는 경우, "가요성"은 더 이상 적층 공정에 있어 요구 사항이 아니다. 그러나, 가요성이 충분할 정도로 얇은 제 위치로 형성된 폴리머 시트는 양호한 음파 특성 및 제조상 장점을 제공한다.
제4 실시예
도3은 강도 및 안전한 파괴 기구가 부가된 본 발명의 5층 터치 스크린 기판을 도시한다. 이들 터치 스크린 기판은 감시가 없는 위치에서 실외 정보 또는 티켓팅 창구 등과 같이 방수성이나 증가된 강도를 요구하는 어플리케이션에서 특히 유용하다.
터치 스크린 기판(27)은 도1에 도시된 바와 같은 마이크로 시트(3), 폴리머 시트(5) 및 판(7)을 포함한다. 그러나, 터치 스크린 기판(27)은 대체로 비전단파 결합 물질인 상부 표면(31)을 가진 접착층(29) 및 제2 판(33)을 더 포함한다. 접착층(29)은 임의의 형태의 접촉 접착제일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 접착제는 안전 유리 접착제로 알려진 폴리비닐 뷰티레이트계 접착제이다. 제1 판(7) 내의 파의 사라져가는 테일부는 판(7)의 하부면(15)과 접착층의 상부면(31) 사이의 구속에서 기본적으로 0의 진폭을 가진다. 따라서, 접착제층(29)은 기판의 상위 3 개층을 통한 음파의 전파에 아무런 영향을 끼치지 않는다. 그러나, 접착층(29)은 판(7) 내에서의 원하는 파에 추가하여 여기될 수도 있는 임의의 외부의 판 파를 댐핑시키는 음파적 이득을 제공한다. 제2 판(33)은 판(7)의 물질과 동일하거나 다른 물질로 구성되고, 원하는 기계적 및 광학적 특성을 가진 유리, 금속, 세라믹, 폴리머 또는 임의의 고형 물질로 구성될 수도 있다. 제2 판(33)의 두께는 판(7)과 동일하거나 다를 수도 있고, 양호한 실시예는 1 mm 내지 12 mm 사이이다. 그러나, 판(33)의 구성 및 두께는 주로 원하는 어플리케이션에 따른다.
제5 실시예
수중 로봇에 사용하기 위한 불투명 접촉 센서 역시 본 발명에 의해 고려되어 진다. 레일리파 센서는 물이 강한 방사 댐핑 효과를 가지기 때문에 사용될 수 없다. 반면에, 본 발명의 접촉 기판은 러브파와 같은 수평으로 극성화된 전단파의방수성 때문에 수중 어플리케이션에 매우 적합하다.
수중 로봇 센서용으로 적절한 3층 터치 스크린 기판은 얇은 금속 마이크로 시트, 얇은 폴리머 시트 및 금속판을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 폴리머 시트는 제1 실시예에서 설명된 바와 같은 32 미크론 두께의 폴리스티렌 시트인 것이 고려된다. 소금물에 노출되는 수중 로봇 쉘에 있어서, 내부식성 및 내한성 물질이 마이크로 시트용에 요구된다. 이러한 일 금속으로는 스페셜 메탈즈 코포레이션(Special Metals Corporation)으로부터 모넬(Monel) 400이란 상표명으로 상용으로 입수 가능한 니켈-구리 합금이다. 모넬 400의 벌크 전단파 속도는 제1 실시예에서의 Schott AF-45 유리 마이크로 시트의 벌크 전단파 속도에 매우 근접한 2.7 mm/microsecond이다. 금속판은 3.1 mm/microsecond의 벌크 전단파 속도를 갖는 3 mm 두께의 스테인레스강 시트일 수도 있다. 유사하게, 스테인레스강판의 벌크 전단파 속도는 제1 실시예에서의 터치 스크린 기판의 소다 석회 유리판의 것과 유사하다. 따라서, 이러한 수중 터치 스크린 기판용의 판 전단파 속도에 대한 마이크로 시트 전단파 속도의 비는 제1 실시예의 터치 스크린 기판의 것과 유사하고, 따라서, 러브파가 지원되어야 한다.
제6 실시예
도4는 15인치 액정 디스플레이용으로 의도된 러브파 터치 스크린(34)을 도시한다. 터치 스크린은 제1 실시예의 기판을 사용하고 음파 경로의 모든 부분에 대해 러브파 모드를 사용하여 구성된다. 이는 "러브-러브-러브" 센서의 일예이다.
구체적으로, 터치 스크린(34)은 기판(35), X 및 Y 송신 변환기(37, 39), X및 Y 수신 변환기(41, 43) 및 4개의 반사 어레이(45, 47, 49, 51)를 포함한다. 마이크로 프로세서 등을 포함할 수도 있는 도시 생략된 컴퓨터와 통신하는 터치 스크린 제어기가 터치 스크린의 스캔 사이클을 시작시킨다. 이어서 제어기는 구동 신호를 도시 생략된 X 드라이버를 통해 X 송신 변환기(37)에 적용시킨다. 변환기(37)에 가해진 구동 신호는 러브파 펄스를 생성시키는 파열 구동 신호이다. 러브파는 45°반사기(53)에 의해 90°로 반사될 때까지 X 송신 어레이(47)를 따라 이동한다. 기판 표면(36)을 가로지르는 전파 후에, 수신 어레이(51)는 45°반사기(55)를 사용하여 러브파를 90°로 분산시킨다. 이어서 수신 변환기(41)는 그 순간의 러브파를 접촉 정보를 함유한 전기적 신호로 변환시킨다.
화살표(57, 59, 61)는 전형적인 X 신호용 음파 경로를 나타낸다. 화살표(63, 65, 67)는 터치 스크린의 최장 음파 경로를 나타낸다. 3 대 4정도의 표준 비디오 직사각형 측면비를 가진 15인치 터치 스크린에 대해서, 이러한 최대 음파 경로 길이는 33인치 또는 840 mm 정도로 전체에 대해 X 송신 어레이(47)를 따른 약 12 인치 길이, 기판 표면(36)을 가로지르는 약 9인치 길이, 수신 어레이(51)를 따른 다른 약 12 인치의 길이를 포함한다. 이는 러브파가 이러한 실시예의 센서 내에서 전파하는 최대 거리이다.
다양한 형태의 러브파를 전파시키는 초음파 변환기가 알려져 있다. 변환기는 에너지를 하나의 형태로부터 다른 형태로 변환시키는 물리적 요소 또는 일세트의 요소이다. 이는 음파 모드 사이를 변화시키는 것과 전기 및 음파 에너지 사이를 변화시키는 것을 포함한다. 본 발명에 사용되는 변환기는 도5에 도시된 바와같은 웨지식 러브파 변환기일 수도 있다. 다르게는, 전단 모드 압전 요소를 사용하는 에지 변환기 및 격자 변환기를 포함하는 초음파 변환기의 다른 알려진 형태가 사용될 수도 있다.
도5에 도시된 바와 같이, 전형적인 웨지 변환기(69)는 사변(73), 도시 생략된 측면(75) 및 웨지의 측면(75)에 장착되는 압전 요소(77)를 갖춘 플라스틱 웨지(71)를 포함한다. 웨지의 사변(73)은 기판(35)에 부착된다. 압전 요소(77)는 운동이 수평 방향인 전단파 모드 요소이다. 압전 요소는 리듐 니오베이트(lithum niobate), PZT와 같은 압전 세라믹 또는 폴리머 압전 물질일 수도 있다. 송신 모드에 있어서, 압전 요소(77)는 웨지 물질에 벌크 전단파를 보낸다. 웨지각(θ)은 cosθ= VT/VP인 표준 방식에 있어 웨지 물질의 벌크 전단(예를 들면, 횡단)파 속도(VT) 및 러브파 위상 속도(VP)에 관계된다. 제1 실시예의 3층 기판에 대해서, 5.53 MHz에서의 러브파 위상 속도는 3.13 mm/microsec로 계산된다. 웨지 물질의 벌크 전단파 속도는 폴리스티렌, 몇몇 유리 및 황동과 같고 몇몇 금속과 같은 폴리머 물질용의 경우에서와 같이 상기 값 미만이어야만 한다. 예를 들면, Dow Plastics에 의해 제조된 Styron 666 폴리스티렌으로 구성된 웨지는 1.15 mm/microsec의 전단파 속도를 가지고, 따라서 이는 68°정도의 웨지각을 암시한다.
45°반사기의 어레이(45, 47, 49, 51)는 이에 제한되지는 않지만 유리 프릿같은 고온 경화 물질의 스크린 인쇄, 본원 명세서에서 참조되는 Rinde 등에게 허여된 미국 특허 제5,883,457호에 개시된 바와 같은 복합 폴리머 잉크의 스크린 인쇄,본원 명세서에서 참조되는 Knowles 등에게 허여된 미국 특허 제5,648,643호에 개시된 바와 같은 화학적 에칭 및 레이저 제거를 포함하는 다양한 방법 중 하나에 의해 제조될 수도 있다. 고려할 인자는 제조 단계의 순서에 따라 전단파를 90°로 분산시키는 반사기의 능력이다. 양호한 실시예에 있어서, 어레이(45, 47, 49, 51)는 화학적으로 에칭된다. 화학적 에칭은 반사기가 본 발명의 기판의 적층 전 또는 후에 유리 마이크로 시트 내에 형성되는 것을 허용하는 저온 공정이다. 화학적으로 에칭된 반사기는 이미 전단파 음파 터치 스크린에서 사용되었고 효과적으로 전단파를 90°반사시키는 것으로 알려져 있다.
본 실시예에서의 터치 스크린은 두 가지 이유 때문에 Elo TouchSystems, Inc의 2500 시리즈 InteliTouch 제어기와 같은 표준 터치 스크린 제어기 제품과 조화 가능하다. 먼저, 레일리파에 비해 현저하게 감소된 감도를 가지는 전단파의 경향에도 불구하고 높은 접촉 감도를 가진다. 둘째, 본 발명의 터치 스크린 기판은 낮은 분산 특성을 가진다.
균일 기판 내의 레일리파는 비 분산적이고, 따라서 레일리파 펄스 형상은 파가 전파됨에 따라 안정적이다. 반대로, 러브파 기판은 본래 분산적이고, 즉, 펄스의 다른 주파수 성분이 다른 속도로 전파하고 이는 왜곡된 펄스 형상을 야기한다. 제1 실시예의 기판에 대해 놀랄만한 것이 발견되었다. 작동 주파수 주변, 예를 들면 제어기 전자 제품의 대역폭 내에서, 러브파의 그룹 속도가 기본적으로 주파수와 무관해서, 음파 펄스 형상이 안정적인 기판을 구성하는 것이 가능하다. 이러한 발견은 표Ⅱ의 실험 및 이론 값에 의해 지지된다. 저분산 러브-러브-러브 센서는 본발명의 기판으로 가능하다.
본 발명의 터치 스크린의 분산 효과는 이하에서 상세히 설명된다. 일정 거리(L) 만큼 전파한 후에 초기 길이(△x)의 음파 펄스를 고려해보자. 초기 길이(△x)에 대한 분산 폭의 비는 분산 효과의 강도 측정을 제공한다. △f를 음파 펄스의 대역폭으로 하자. 초기 펄스(△t)의 존속 기간은 △f에 반비례하고, 따라서 초기 길이(△x)는 Vg/△f에 비례한다. 또한, 유한 대역폭(△f)에 기인하여, 그룹 속도는의 양만큼 변화할 것이다. 거리(L) 이후에, 펄스는 약만큼 퍼진다. 따라서 초기 펄스 길이(△x)에 대한 펄스 폭 비는 다음과 같은 분산 변수를 제시한다.
음파 펄스의 주파수 스펙트럼 내부의 위상-에러 왜곡의 정밀한 이론적 분석(명세서에 제시되지 않음)에 기초하여, 다음과 같이 분산 변수를 정의한다.
이러한 분산 변수(D)는 공칭 작동 주파수로부터 ±△f 만큼 변화하는 주파수 성분의 라디안 위상 에러이다. D가 하나와 비교하여 작은 경우, 분산 효과는 적다. D가 하나와 비교하여 큰 경우, 제어기 전자 제품에 의해 보여지는 접촉 딥 형상은 심하게 왜곡될 것이다.
터치 스크린 설계에 있어서, 최대 음파 경로 길이는 앞선 분산 변수 공식에 사용하기에 적절한 L 값을 제공한다. 앞서 주목된 바와 같이, 본 실시예의 15인치대각선 터치 스크린용 최대 음파 경로는 840 mm 정도이다.
△f의 적정값은 주로 교대로 수신 회로의 대역폭 및 파열 회로의 파워 스펙트럼에 관계되는 제어기의 대역폭에 의해 결정된다. 이러한 실시예에 있어서, △f/f = 2.7 %인 경우를 고려한다. 대역폭은 현존하는 상업용 터치 스크린 제어기 제품의 전형적인 범위 내에 있다.
전술된 바와 같이, 분산 변수(D)는 기본 기판 구조뿐만 아니라 전자 대역폭과 함께 센서 크기의 함수이다. 이는 앞선 분산 변수를 기판의 기본 구성에 관계되지 않는 기술자의 선택에 따라 무단위 분산 변수(D') 플러스 인자로 인자화시키는 것을 도모한다.
무단위 분산 변수(D')를 다음과 같이 정의한다.
여기서 f는 작동 주파수이고 VT0은 상당한 러브파 파워를 가지는 가장 깊은 층 즉, 본 실시예에 있어서 소다 석회 유리 판 내의 벌크 전단파 속도이다. D' 및 D의 관계는 다음과 같다.
λT0은 가장 깊은 층의 벌크 전단파 파장이고 방정식 λT0= VT0/f에 의한 전단파 속도(VT0) 및 주파수(f)에 관계된다. 본 실시예의 소다 석회 유리 판 및 5.53 MHz의 작동 주파수에 대해서, VT0및 λT0의 수치는 각각 3.40 mm/microsec 및 0.615mm 이다.
본 실시예의 L = 840 mm, λT0= 3.40 mm/microsec 및 △f/f =2.7 %에 대해서, 인자 (L/λT0)(△f/f)2의 값은 일이다. 따라서 본 실시예의 D 및 D'에 있어서 수치적으로 동일하다. 다른 센서 및 제어기 구조에 있어서, 동일한 기판 구성에 기초하여, 스케일링 인자 (L/λT0)(△f/f)2는 D값이 D'로부터 쉽게 계산되게 한다.
도6의 프로필은 폴리머 층 두께(t1)가 변화하는 것을 배제하고 제1 실시예의 기판에 대한 주파수 함수로서의 계산된 그룹 속도를 도시한다. 5 내지 6 MHz 사이에서, 30 및 40미크론 두께의 폴리스티렌에 대한 곡선은 놀랄 정도로 평평하다. 5.53 MHz의 작동 주파수 및 32미크론의 폴리스티렌 두께에 대해서, 제1 실시예의 기판은 이러한 저 분산 영역 내에 있다. 계산값 D는 0.1 미만이고 일에 비교하여 적다. 도6에 도시된 바와 같이, 20 미크론 두께의 폴리스티렌층을 가지도록 변경된 제1 실시예와 같은 러브파 지원 기판은 8 MHz에서 작동되는 저분산 러브파 터치 스크린을 구성하는데 사용될 수도 있다.
더 구체적으로, 본 발명의 3층 기판을 구성하는데 사용되는 물질이 선택되면, 주파수에 대한 그룹 속도의 선도는 층 두께의 다른 선택에 대해 계산될 수도 있다. 이러한 선도로부터, 낮은 그룹 속도 분산 영역이 식별될 수 있다. 원하는 주파수에서 낮은 분산을 제공하는 기판 두께의 조합이 발견될 때, 분산 변수(D)는 설계에 있어 저분산 특성의 양을 결정하는 데 사용된다. 이러한 방식으로, 다양한저분산 러브-러브-러브 센서가 설계될 수도 있다.
제7 실시예
제1 실시예의 기판과 같은 터치 스크린 기판은 러브파를 지원할 뿐만 아니라 또한 운동의 종방향 및 수직 방향 전단 성분을 갖는 레일리형 모드를 지원한다. 제6 실시예의 러브-러브-러브 센서에서 레일리형 모드는 유용한 용도를 제공하지 못하며, 바람직하지 못한 기생 음파 신호 경로를 유발할 수 있다. 레일리형 모드의 특성을 이해하고 제어하는 것이 러브파 기판의 설계에 필요하다.
물에 민감한 레일리형 모드가 터치 구역을 횡단하는 기생 음파 경로는 특히 문제가 된다. 송신 변환기로부터의 러브파가 분산되고 레일리형 모드로 변환된 모드가 터치 구역을 횡단할 수 있다. 이들 기생 레일리형 모드는 수신 어레이에 의해 다시 러브파로 전환되어 수신 변환기에 의해 검출된다. 다르게는, 러브파 변환기가 러브파뿐만 아니라 레일리형 모드에 약간의 결합을 갖는 것이 가능하고, 이 경우 송신 및 수신 변환기들 사이에는 모든 레일리 기생 음파 경로가 있다. 이러한 기생 음파 신호는 러브파보다 레일리형 파를 더욱 강하게 흡수하는 음파 댐퍼의 적절한 위치에 의해 억제될 수 있다. 그러나, 우선 기생 음파 신호의 발생을 제한하는 것이 더욱 비용면에서 효율적이다. 만일 이러한 기생 신호가 존재하여 제어기 전자 부품에 수신됨에 따라서 의도된 러브파 신호를 간섭하고, 만일 레일리형 모드가 물에 민감하다면, 수신된 터치 스크린 신호는 물에 민감하게 될 것이다. 러브파의 물에 영향을 받지 않는 이점을 사라질 수 있다.
반사성 어레이 구성은 원하는 모드를 간섭성으로 분산시키고 원하지 않는 모드는 억제하도록 맞춰질 것이다. 모드 선택 기구는 종종 위상 속도 차이에 의존한다. 반사기 간격은 어레이의 축을 따라 이동하는 모드의 원하는 위상 속도를 선택한다. 반사기 각도는 터치 구역으로 그리고 이로부터 90°로 분산되는 모드의 위상 속도를 선택한다. 기생 모드 억제는 기생 모드가 원하는 모드의 것에 가까운 위상 속도를 가질 때 더욱 어렵다.
전술한 설명에서, 러브-러브-러브 터치 스크린 기판에서 최소 수의 이질적인 레일리형 모드를 가지고 나머지 레일리형 모드는 러브파 위상 속도와는 아주 상이한 위상 속도를 갖는 것이 바람직하다. 도7에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 기판에 대해 계산된 위상 속도는 주파수에 대하여 2개의 최저 레일리형 음파 모드뿐만 아니라 러브파를 비교하여 표시되어 있다.
전술된 제6 실시예의 러브-러브-러브 기판에 대해, 작동 주파수는 5.53 ㎒이고 2개의 레일리형 모드가 존재한다. 러브파 위상 속도는 제1 레일리형 모드보다 제2 레일리형 모드가 훨씬 가깝다. 현재의 실시예에서, 제2 레일리형 모드는 작동 주파수를 5.53 ㎒ 에서 4.5 ㎒로 떨어뜨림으로써 제거되고, 이는 위상 속도에서 러브파로부터 잘 분리된 오직 하나의 레일리형 모드를 갖는 깨끗한 시스템을 남긴다. 최저 레일리형 모드는 영(0)의 컷-오프 주파수를 가지고, 항상 존재한다. 이 실시예는 최소 수 즉 하나의 이질적인 표면 구속 음파 모드를 나타낸다. 작동 주파수의 이 변경을 초래하는 증가된 러브파 분산을 처리하는 방법의 상세한 설명이 아래의 제8 실시예에서 설명된다.
일반적인 스케일링 법칙이 상기 수학적인 해석의 결과로서 발견되었다. 주어진 인자로서 층 두께를 증가시키는 것은 모드 속도에 대해 동일한 인자에 의해서 작동 주파수를 감소시키는 것과 동일한 효과를 갖는다. 예를 들면, 현재 4.5 ㎒의 예는 5.53 ㎒에서 작동하고 18 및 26 미크론의 감소된 유리 마이크로 시트 및 폴리머 두께를 갖는 센서와 동일한 모드 및 모드 속도를 갖는다.
제1 실시예의 기판이 제4 실시예에서와 같은 안전 유리 적층체의 일부를 형성하는 경우, 안전 유리 접착제는 유리 판 내의 임의의 판 파를 약하게 한다. 이 경우, 4.5 ㎒ 작동은 임의 형태의 오직 하나의 기생 모드를 제공한다. 실제적인 공학 용어로, 오직 하나의 표면 구속 기생 모드(surface-bound parasitic mode)를 갖는 기판 설계의 이 등급은 일반화될 수 있다. 아래에서 제시되는 이유 때문에, 기생 모드는 이의 컷-오프 주파수로 접근해감에 따라서 덜 중요해진다. 따라서, 비록 제6 실시예의 5.53 ㎒ 센서일지라도 오직 하나의 기생 표면 구속 모드를 갖는 센서로 근접한다.
위에서와 같이 컷-오프 주파수로 접근함에 따라, 제2 모드 주파수는 유리 판 벌크(bulk) 전단 속도에 접근하고 모드의 관통 깊이는 무한으로 된다. 이는 표면 구속 기생 모드와 같은 모드 중요성을 감소시키는 두 가지 효과를 갖는다. 깊게 관통하는 모드는 표면에서 비교적 적은 파워 밀도를 가진다. 낮은 표면 파워 밀도는 표면상의 변환기 구조물과 반사성 어레이로의 약한 결합을 유발한다. 더욱이, 제4 실시예의 안전 유리 적층체의 경우에 대한 실시에서, 깊게 관통하는 모드는 안전 유리 접착제에 의해 감쇄될 것이다.
주어진 층상 기판 설계에 대해, 제2 레일리형 모드를 위한 컷-오프 주파수는정교한 컴퓨터 코드를 사용하는 수치 계산에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 아래에서 설명되는 바와 같이, 훨씬 더 적은 노력으로 컷-오프 주파수를 적합한 정확도까지 산출하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
위로부터 컷-오프 주파수에 접근함에 따라서, 제2 레일리형 모드는 기판의 평면에서 좌표에 실질적으로 독립적으로 되고 운동은 표면에 직각인 방향으로 일차원적이 된다. 유리 마이크로 시트 및 폴리머층은 단순한 질량 온 스프링(mass-on-spring) 진동자에 아주 근접해진다. 단위 면적당, 밀도 ρ2및 두께 t2인 유리 마이크로 시트는 질량 m =ρ2t2을 갖는다. 두께 t1밀도 ρ1및 압력파 속도(VL1)인 폴리머층은 스프링 상수 k = ρ1VL1 2/ t1를 갖는 스프링에 근접한다. 기본적인 물리 법칙에 따라, 대응 공진 주파수 및 이에 따른 제2 모드 컷-오프 주파수를 위한 예측값은 다음과 같이 결정될 수 있다.
이 예측값은 유리판이 움직이지 않는 "벽돌 벽"이라는 것을 가정한다. 사실, 컷-오프 주파수에 근접한 제2 레일리 모드는 유리 마이크로 시트의 운동으로부터 위상으로부터 180°인 유리판의 상부에서의 운동을 포함하고, 폴리머 시트의 내부에는 제로 운동(zero motion)의 노드 평면(node plane)이 있다. 질량 온 스프링 계산을 위한 정지한 "벽돌 벽"에 가장 비슷한 것이 이 노드 평면이고, 따라서, 노드 평면 위의 폴리머의 두께이며, 상기 방정식에 적절하게 속하는 더 큰 양(t1)은아니다. 이 이유 때문에, 상기 산출값은 하한값이다. 도1의 기판에 대해, 이 식은 상기 도표에서 도시된 약 5.0 ㎒의 컷 오프 주파수에 아주 근접한, 그러나 다소 낮은 4.2 ㎒의 컷 오프 주파수를 산출한다.
상기 공진 산출값은 제2 질량(M)이 유리 판의 실제 질량인 하나의 스프링으로 연결된 두 개의 질량으로 시스템을 모델링함으로써 더욱 개선될 수 있다. 유리 판의 실제 질량의 합당한 산출값은 공진 주파수에서 압력파의 4분파장과 같은 깊이까지의 질량, 즉 M=(1/4)ρ0(V1.0/f) 이다. 공진 진동에 참여하는 유리판의 질량의 이 산출값을 사용하여, 제1 실시예의 기판에 대한 컷 오프 주파수는 4.97 ㎒ 로 계산된다. 컷 오프 주파수를 산출하는 보다 정교한 방법은 다수의 상이한 기판 설계에 대해 상세한 수치 시뮬레이션에 10％ 이상 더 잘 일치하는 것이 발견되었다.
제8 실시예
제7 실시예에서, 본 발명의 층상 기판들에서 전파되는 레일리형 파가 다시 고려된다. 그러나, 이 실시예에서, 우리는 레일리파가 터치 감지를 위한 원하는 파들인 터치 센서를 고려한다. 즉, 레일리-레일리-레일리-터치 스크린이 본 발명의 층상 기판으로부터 구성된다.
얼핏봐서, 이러한 레일리-레일리-레일리 터치 스크린에 작은 값들이 보일 수 있다. 러브-러브-러브 터치 스크린과는 반대로, 물에 영향을 받지 않는(water-immune) 러브파 모드가 사용되지 않는다. 더욱이, 상업적으로 유리한 레일리-레일리-레일리 터치 스크린이 균질한 기판을 사용하여 보다 간단하게 구성될 수 있다.그러나, 일부 어플리케이션에서는, 층상 기판 내에 레일리파의 변형된 특성을 이용하는 것이 유리하다.
도8a 및 도8b는 두개의 상이한 기판에서 레일리파를 위한 입자 운동의 깊이 프로필을 도시한다. 도8a는 균질한 기판에서 표준적인 레일리파의 깊이 프로필을 도시한다. 이는 종래 기술의 음파 터치 스크린에서 가장 일반적으로 이용되는 음파 모드이다. 도8b는 제1 실시예의 바람직한 기판에서 최저차수 레일리형 모드에 대한 깊이 프로필이다. 세로축은 터치 표면에 직각인 좌표이다. 원점은 132 미크론의 깊이 즉, 층상 기판용 유리 기판의 상부에 있는 것으로 정의된다. 가로축은 입자 속도이다. 입자 속도의 세로 및 길이 방향 요소는 두꺼운 및 가는 곡선에 각각 대응한다. 표면에서 입자 속도의 세로 성분은 일(one)에 대해 표준화되어 있다. 본 발명의 기판에서 레일리형 파의 파워는 표준적인 기판에서 레일리파보다 터치 표면 근처에 더욱 집중되어 있어, 일부 어플리케이션에 대해서는 장점을 제공한다.
이 실시예에서, 5.53 ㎒로 작동하는 15인치 터치 스크린은 제1 실시예의 기판의 변형 버전을 사용하여 구성된다. 유리판의 두께는 3 ㎜에서 0.7 ㎜로 감소되어 최종 기판의 두께를 1 ㎜ 미만으로 만든다. 제6 실시예에서 설명된 바와 같이 반사기 어레이 및 변환기는 다양한 방법들로 제공될 수 있다. 이러한 터치 스크린 기판은 종래 기술의 레일리파 음파 터치 스크린에 비해 다수의 장점을 제공한다.
종래 기술의 레일리파 터치 스크린에 사용되는 균질의 기판은 레일리파를 완전하게 전파하기 위해 최소 약 2 ㎜의 두께(3 내지 4 레일리 파장)를 필요로 한다.5.53 ㎒ 작동에 대해, 깊이에 따라 가장 늦게 감쇄되는 레일리파의 성분은 약 230 미크론의 지수의 감쇄 길이를 갖는다. 많은 감쇄 길이가 유리판의 상부 및 하부 표면을 분리하기 위해서 필요하다. 제1 실시예의 다층 기판에 대해, 이 지수의 감쇄 길이는 78 미크론으로 줄어들어, 따라서 유리 판 두께는 3의 인자에 의해 감소될 수 있다. 깊이 프로필의 이러한 차이는 도8a 및 도8b에 명확하게 나타난다. 따라서, 이 실시예는 대폭 감소된 두께를 가진 레일리-레일리-레일리 터치 스크린을 제공한다. 감소된 두께의 결과로서, 레일리-레일리-레일리 터치 스크린은 또한 감소된 중량을 갖는다. 본 발명은 레일리-레일리-레일리 터치 스크린 기판의 중량이 2 이상의 인자에 의해 감소되는 것을 가능하게 하고, 이는 휴대용 컴퓨터 어플리케이션에 특히 유리하다. 결과적으로, 레일리파 음파 파워의 더 얕은 깊이 프로필 덕분에 감소된 두께는 감도를 증가시킨다. 따라서, 본 발명은 작동 주파수의 변경 없이 레일리형 모드의 감도를 증가시키는 수단을 제공한다.
불행하게도, 이런 특정 레일리-레일리-레일리 터치 스크린에 대한 분산 변수는 다소 강한 약 3이다. 그러나, 분산 변수의 이 큰 값을 처리하기 위한 몇 가지 방법이 있다. 분산은 수신된 신호에서 터치 딥(dips)의 형상을 변형시킨다. 이것이 터치 정보의 추출을 어렵게 만드는 동안에도, 터치 정보는 수신된 신호 내에 여전히 포함되어 있다. 만일 이 수신된 신호가 5.53 ㎒의 작동 주파수에 비해 빠른 샘플링 비율로 디지털화된다면, 수신된 신호의 완전한 정보 내용이 보유될 것이다. 터치 정보는 그런 후 디지털 전자 장치를 이용한 충분히 정교한 수학적인 처리를 통해 추출될 수 있다. 이 실시예의 터치 스크린은 이러한 디지털화 및 디지털 신호 처리 능력을 갖춘 전자 부품으로 작동된다.
다른 접근법은 분산 변수의 값을 감소시키기 위해 기판을 재설계하는 것이다. 러브파 모드에 대한 도6의 도표와 유사한 도9에 도시된 바와 같이, 그룹 속도가 주파수의 함수로서 표시된다. 다시, 상이한 곡선은 폴리머층의 상이한 두께에 대응한다. 수직 눈금 변경은 레일리파 그룹 속도의 강한 변동을 수용하기 위한 것이다. 분산 변수가 최소에서 영(zero)이다. 폴리머 두께가 감소함에 따라, 최소는 더 높은 주파수를 향해 이동한다. 폴리머층 두께가 10 미크론 미만 정도이면, 그룹 속도의 최소치는 5.53 ㎒로 이동한다. 다르게는, 마이크로 시트 두께 및 다양한 층들의 음파 특성과 같은 다른 설계 변수가 원하는 작동 주파수에서 영이 되도록 분산 변수의 값을 맞추는 데 사용될 수 있다.
더욱이, 작동 주파수 또는 작동 주파수와 기판 설계 변수의 조합을 조절함에 따라 분산 변수를 맞추는 것은 선택 사항이다. 제1 실시예의 기판에 대해, 작동 주파수를 3.5 ㎒ 부근으로 떨어뜨림으로써 최소의 그룹 속도가 맞춰질 수 있다. 다르게는, 분산 변수는 작동 주파수를 4.0 ㎒로 떨어뜨리고 폴리머층의 두께를 약 20 미크론으로 감소시킴으로써 영으로 될 수 있다.
제품 설계 목표, 사용 가능한 물질 및 제작 공정에 따라서, 터치 스크린 기술자는 분산의 효과를 제어하기 위한 다양한 설계 접근법을 조사하였을 것이다. 예를 들면, 도10에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 기판에 기초한 기판(90)은 부가적인 마이크로 시트(91) 및 부가적인 폴리머 시트(93)를 포함할 수 있다. 이는 터치 스크린 설계 기술자에게 이용 가능한 조정 가능한 기판 설계 변수의 수를 증가시킨다. 일 실시예에서, 기판은 20 미크론 두께의 제1 마이크로 시트, 25 미크론 두께의 제1 폴리스티렌 시트(25), 90 미크론 두께의 제2 마이크로 시트(90), 10 미크론 두께의 제2 폴리스티렌 시트(10) 및 유리판을 포함한다.
도11은 표Ⅱ에서 설명된 바와 같이 기판의 각각의 층이 동일한 음파 특성을 갖는다는 가정 하에 이 기판에 대한 주파수의 함수로서의 레일리형 파 그룹 속도의 도표이다. 그룹 속도는 본질적으로 5 내지 6 ㎒ 사이의 상수이고 이 주파수 범위에는 오직 하나의 레일리형 모드가 있다. 따라서, 도11에 도시된 바와 같이, 레일리형 파 터치 스크린은 5.53 ㎒에서 작동하는 이러한 기판으로 구성되고, 아주 낮은 분산을 가진다.
제9 실시예
이 실시예에서, 제6 실시예에서의 것과 유사한 터치 스크린이 고려된다. 15인치 투명 터치 스크린은 제1 실시예의 기판으로 구성되고 터치는 물에 영향을 받지 않는 러브파를 사용하여 검출된다. 그러나, 도12에서 도시된 바와 같이, 터치 스크린(79)은 러브-러브-러브 센서가 아닌 레일리-러브-레일리 센서이다.
터치는 러브파를 이용하여 검출되지만, 변환기(81, 83)는 레일리형 파들을 송신 및 수신하도록 설계된다. 최저 레일리형 파는 어레이(85, 87)를 따라 2124 m/sec의 계산된 위상 속도를 갖는다. 러브파는 3134 m/sec의 5.53 ㎒의 아주 상이한 계산된 위상 속도를 갖는다. 모든 변환이 요구되기 때문에, 반사기 각도는 45°가 아니라 위상 속도들의 비율의 역탄젠트값, 즉 arctan(3134/2124) 또는 약 56°와 동일하게 설정된다.
터치 스크린(79)의 터치 영역(89)에서 기본적인 물에 반응하지 않는 이점은 제6 실시예의 러브-러브-러브 터치 스크린 및 레일리-러브-레일리 실시예의 양자 모두에 의해 제공된다. 이들 두 개의 접근법 중 최적의 선택은 제조 공정 및 제품 설계의 원하는 특징에 따른다. 따라서, 두 개의 선택 사항은 모두 본 발명에 의해 예상될 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 5.53 ㎒의 작동 주파수에서 제1 실시예의 기판이 사용된다. 그러나, 제7 실시예에서 설명한 바와 같이, 러브 모드 및 최저 레일리 모드를 제외한 모든 표면 구속 음파 모드를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 작동 주파수를 감소시키거나 또는 층상 기판을 재설계하는 것으로 이뤄질 수 있다.
다른 설계 고려 사항은 분산이다. 앞선 예들에서 고려된 모든 선택 사항이 관련된다. 이는 분산 효과를 보정할 수 있는 스마트한 전자 부품, 작동 주파수의 변형 및 기판의 재설계를 포함한다.
레일리-러브-레일리 터치 스크린 기판에 대해, 러브파 및 레일리형 파 양자에 대한 분산 변수가 관련된다. 양 모드에 대해 원하는 주파수에서 분산 변수가 영인 3층 기판을 설계하는 것이 수학적으로 가능하다는 이론적인 연구는 증명되었다. 이러한 설계의 가능성은 쉽게 입수할 수 있는 물질의 음파 특성의 범위에 주어진 실제적인 임의의 일련의 제한들에 대해 평가될 수 있다. 일련의 주어진 쉽게 입수할 수 있는 물질에 대해, 부가적인 선택 사항이 도10에 도시된 것과 같은 부가적인 층들에 의해 제공될 수 있다. 러브-러브-러브 및 레일리-러브-레일리 설계들 사이의 최적의 선택은 양 모드들에 대한 낮은 분산을 동시에 달성하는 용이성 또는곤란성에 의해 영향을 받는다. 최종적으로, 두 개의 모드에 대한 분산 변수가 영이 아니고 반대의 대수 기호를 갖는 레일리-러브-레일리 센서의 경우에서는 두 개의 모드의 분산 효과는 상쇄되는 경향이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 적절한 범위 및 올바른 의미를 벗어나지 않고 변경, 변동 및 수정될 수 있다.

Claims (37)

  1. 상부 표면과 하부 표면을 구비하고 상기 상부 표면이 터치 표면을 포함하는 제1 전단 지원 시트와,
    전단 지원 판과,
    상기 제1 시트와 상기 판 사이에 위치 설정된 전단 지원 폴리머를 포함하는 제2 가요성 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 러브파 및 레일리형 파를 지원하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트의 두께는 약 300 미크론 미만인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트의 두께는 약 50 내지 200 미크론인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 가요성 시트의 두께는 약 10 내지 100 미크론인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판은 2 밀리미터 미만의 전체 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전단 지원 폴리머는 약 -13 ℃ (260 °K) 보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전단 지원 폴리머는 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리시클릭 올레핀, 폴리에테르 설폰 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트, 제2 가요성 시트 및 판은 실질적으로 투명한 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트 및 상기 판은 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  11. 제1항에 있어서, 상기 판은 폴리머 시트에 인접한 상부 표면과 상기 상부 표면에 대향되는 하부 표면을 더 포함하고, 제2 판은 상기 판의 하부 표면에 접착된 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트 및 상기 판은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트 및 판은 벌크 전단파 속도를 갖고, 시트의 벌크 전단파 속도는 판의 벌크 전단파 속도보다 느린 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 시트의 벌크 전단파 속도는 상기 판에서 벌크 전단파 속도보다 약 5％ 이상 느린 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트 및 상기 판은 결합제로 상기 제2 가요성 시트에 적층된 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  16. 제15항에 있어서, 상기 결합제는 시레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제2 가요성 시트는 스페이서 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1 시트는 약 100 미크론의 두께를 갖는 유리를 포함하고, 상기 제2 가요성 시트는 약 32 미크론의 두께를 갖는 폴리스티렌을 포함하고, 상기 판은 약 0.5 ㎜보다 큰 두께를 갖는 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  19. 제1항에 있어서, 상기 기판은 약 일(one)보다 적은 분산 변수를 갖는 주파수에서 작동하는 러브파를 지원하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  20. 제19항에 있어서, 상기 작동 주파수는 약 1 내지 10 ㎒ 사이인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  21. 제1항에 있어서, 상기 기판은 약 일(one)보다 적은 분산 변수를 갖는 주파수에서 작동하는 레일리형 파를 지원하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  22. 제21항에 있어서, 상기 작동 주파수는 약 1 내지 10 ㎒인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  23. 제1항에 있어서, 상기 기판은 약 일(one)보다 적은 분산 변수를 갖는 주파수에서 작동하는 러브파 및 레일리형 파를 지원하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  24. 제23항에 있어서, 상기 작동 주파수는 약 1 내지 10 ㎒인 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  25. 제1항에 있어서, 제3 시트 전단 지원 시트 및 폴리머를 포함하는 제4 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  26. 터치 표면을 갖는 제1 가요성 시트와,
    배면판과,
    상기 제1 시트와 판 사이에 위치 설정된 음파 지원 폴리머를 포함하는 가요성 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  27. 터치 표면을 갖는 전단 지원 가요성 마이크로 시트와,
    전단 지원 배면판과,
    상기 제1 시트와 판 사이에 위치 설정된 전단 지원 폴리머를 구비하는 가요성 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  28. 약 300 미크론 미만의 두께를 갖는 제1 전단 지원 시트와,
    약 12 ㎜ 미만의 두께를 갖춘 전단 지원 판과,
    상기 제1 시트와 판 사이에 배치된 전단 지원 폴리머를 포함하는 제2 시트를 포함하고,
    상기 제2 시트는 약 100 미크론 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  29. 전단 지원 터치 표면을 갖는 제1 시트와, 전단 지원 판과, 상기 제1 시트와 판 사이에 위치 설정된 전단 지원 폴리머를 갖는 제2 가요성 시트를 구비하는 터치 기판과,
    분산 효과에 대하여 보정을 하는 전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 시스템.
  30. 제28항에 있어서, 전자 회로는 디지털 신호 처리에 의해 분산 효과를 보정하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 시스템.
  31. 제21항에 있어서, 단지 하나의 표면 구속 레일리형이 원하는 작동 주파수에 존재하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  32. 제21항에 있어서, 작동 주파수는 제2 레일리형 파의 컷-오프 주파수의 약 30 ％ 이내의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  33. 터치 시스템에 사용하기 위한 음파 터치 센서 기판이며,
    상부 표면과 하부 표면을 갖는 마이크로 시트와,
    상부 표면과 하부 표면을 갖는 판과,
    마이크로 시트의 하부 표면과 판의 상부 표면 사이에 위치 설정된 전단파 지원 폴리머 시트와,
    상기 마이크로 시트 상에 배치된 변환기의 하나 이상의 부품과,
    상기 마이크로 시트 상에 배치된 하나 이상의 반사성 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파 터치 센서 기판.
  34. 물체를 검출하기 위한 방법이며,
    하나 이상의 터치 표면을 갖고, 가요성 마이크로 시트, 판 및 상기 마이크로 시트와 판 사이에 위치 설정된 전단 지원 폴리머 시트를 포함하고, 레일리형 파 및 러브파를 지원하는 기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판 내로 제1 축에 따라 전파 방향을 갖는 제1 표면 구속 음파를 유도하는 단계와,
    상기 표면에 평행하고 제1 축과는 다른, 기판 내의 제2 축을 따라 안내되는 제2 표면 구속 음파로서 제1 표면 구속파의 일부를 반사하는 단계와,
    상기 표면에 근접하여 물체를 위치시킴으로써 상기 제2 음파를 교란하는 단계와,
    교란된 제2 음파 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제1 음파 및 제2 음파는 러브파인 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 제1 음파 및 상기 제2 음파는 레일리형 파인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제34항에 있어서, 제1 음파는 레일리형 파이고, 제2 음파는 러브파인 것을 특징으로 하는 방법.
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