JP2007299409A - タッチスクリーン要素 - Google Patents

Abstract

【課題】３組の交互配置電極が含まれる静電容量式二次元（２Ｄ）タッチパネル（１００）を提供する。
【解決手段】第１組の電極（１０２）は、ｙ方向に沿って離間配置され、これらは、いずれかの一端が接続ライン（１０７、１０８）に接続された抵抗片（１０５）によって、互いに電気的に接続される。また、第２組の電極（１０３）は、ｙ方向に沿って配列され、これらは、仮想的非抵抗性第１接続（１１１）を介して、互いに電気的に接続される。また、第３組の電極（１０４）は、ｙ方向に沿って配列され、これらは、仮想的非抵抗性第２接続（１１２）を介して、互いに電気的に接続される。第２及び第３組の電極は、電気的に相互導通せずに交互配置され、ｘ方向に沿って勾配を提供して、ｘ方向のタッチ位置を決定する。第１組の電極は、ｙ方向に沿うタッチ位置を決定する。受動又は能動静電容量式検出手法を用いて、２Ｄタッチパネルから位置情報を取得し得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、人間の指又はスタイラスによって動作可能な二次元タッチ検出面に関する。

デバイス例として、特に、ＬＣＤ、ＣＲＴ及び他の種類のディスプレイ上のタッチスクリーンやタッチパッド、もしくはペン入力タブレット、又はフィードバック制御目的用の機械に用いられるエンコーダが挙げられる。特に本発明は、検出層が、パネル又はレンズ表面の背面に配置され、特に、例えば、携帯電話又は手持ち式メディアプレーヤ等の携帯デバイスにおいて、スクリーンの縁端に沿ってスペースの制約がある小型のタッチスクリーンに用いるために構築された二次元静電容量式タッチ検出面に関する。更に、本発明は、容量性の手影（ｈａｎｄ＿ｓｈａｄｏｗ）の影響を低減するニーズに対処する。

本出願人による先行同時係属出願中の米国特許出願１０／９１６，７５９号（米国特許出願公開２００５／００４１０１８号として公告）には、複数方向の電流の流れを防止する導電性ストライプを用いたために、又は可能性として、パターン化されていない特別な異方性導電性材料を利用することで、検出領域内において異方性の電気的特性を有する或るパターンの電気的に結合された導体配線がある。少なくとも４つの接続が、検出層の四隅の各々に１つずつ、指タッチに関連する信号を検出する静電容量検出回路に対して行われる。プロセッサが、比率方法を用いて、領域内におけるタッチの図心箇所を数学的に演算する。簡単な２次方程式又は他の方法によって、検出領域の二面だけに出現するピン・クッション歪みが補正される。

本出願人による米国特許仮出願６０／７４５，５８３号及びこれから派生した同時係属出願中の米国特許出願１１／７３４，８１３号（公告未了）には、第１軸に沿って電気的に接続され、第２軸に沿って電気的に絶縁された複合パターンの電極であって、一方の軸上で抵抗的に生じた電場分布と、他方の軸上で静電容量的に生じた電場の分布と、を有する複合パターンの電極が記載されている。複数の接続部があり、それらの間には、抵抗性導電経路が、タッチ領域の二面各々に備えられ、デバイスへの少なくとも合計４つの検出回路接続部がある。１つの改善には、容量性手影の影響を低減するために、また、抵抗性要素の軸に沿って空間解像度を改善するために、各抵抗性経路に沿って３つ以上の接続を用いることが挙げられる。数学的な補正を必要とし得る検出領域の電気的な応答には、固有の歪みはない。第１比率演算は、一方の軸上での位置を演算するために用いられ、第２比率演算は、他方の軸上でのタッチ位置を導くために用いられる。

用語「二次元静電容量式変換器」又は「２ＤＣＰ」は、タッチスクリーン、タッチ検出パッド、近接検出領域、ＬＣＤ、プラズマ、又はＣＲＴスクリーン等のディスプレイ重ね合わせタッチスクリーン、機械的な装置又はフィードバックシステムのための位置検出、又は、特に限定しないが、容量検出メカニズムによって、物体又は人体部位の位置に関連して、少なくとも二次元座標、デカルト座標もしくはそれら以外のものについて報告可能な表面や容積を有する他の種類の制御面を指すために全体を通して用いられる。

用語「二次元抵抗式変換器」又は「２ＤＲＴ」は、純粋に電気的な原理に基づく、業界では、一般的に「抵抗式タッチスクリーン」として知られているタッチスクリーン又はペン入力デバイスを意味する。用語「２ＤｘＴ」は、２ＤＣＴ又は２ＤＲＴタイプいずれかの要素を意味する。

用語「タッチ」は、全体を通して、人体部位による又は所望の出力を生成するのに充分な静電容量信号強度の機械的な構成要素によるタッチ又は近接を意味する。「近接」の意味では、タッチも、物理的接触のない２ＤＣＴを「指差す」ことを意味し得るが、この場合、２ＤＣＴは、所望の作用で反応するのに充分な物体の近接による容量に応答する。

特に指定しない限り、用語「電極」は、検出面の活性領域内における静電容量式電界放出検出構造又は要素を意味する。用語「接続」は、検出電極と検出回路との間の電気的な接触を意味する。用語「物体」及び「指」は、ワイパ、ポインタもしくはスタイラス等の無生物又はその他の人間の指もしくは他の付属器官のいずれかを参照する際、同義的に用いられるが、この場合、そのいずれかが要素に隣接して存在することによって、電気的であるかそうでないかに関わらず、任意の回路の経路を介して、要素の一領域から回路系への局所的静電容量結合を生成する。「誘電体」は、特に、電極と、カバーパネル又は膜又はレンズ等の物体との間に介在された層を参照する際、プラスチック、ガラス、鉱物、木材又は他の物質等、任意の実質的に非導電性の材料を意味する。用語「タッチ」は、物体と電極との間の任意の静電容量的又は電気的な結合を意味し、また、物体と検出電極との間の直接的な物理的な接触、又は物体と物体／検出電極間に存在する誘電体との間の物理的な接触、又は物体と電極との間に誘電体の仲介層を含む場合もそうでない場合もある検出電極への非接触結合、のいずれかが含まれる。回路又はアルゴリズムに対して変更せずに又はわずかに変更して、広範なパラメータが可能であることから、特定の回路パラメータ又は方位の言及は、本発明に対して限定的であると解釈してはならず、特定のパラメータ及び方位は、説明の目的のためだけに言及する。

多くの種類の２ＤＣＴは、ピン・クッションとして知られている幾何学的な歪みを被ることが知られており、これによって、報告されるタッチ座標は、検出面への電気的な作用のために誤りがある。これらの作用については、様々な他の特許に、例えば、ペッパー（Ｐｅｐｐｅｒ）による米国特許４，１９８，５３９号において、更に詳細に述べられている。幾何学的な歪みに対する原因、解決策、及び解決策の問題点の優れた概要は、米国特許５，９４０，０６５号及び米国特許６，５０６，９８３号において、バッブ（Ｂａｂｂ）らによる解釈に見出し得る。米国特許５，９４０，０６５号は、２つの主要な補正クラス、即ち、１）検出電極（１つ又は複数）又はその接続の設計又はそれに対する修正を伴う電気機械的方法、２）歪みを補正する数学的な公式の用途、について簡潔に記述している。

構造化検出電極を用いて、検出要素及び駆動電子回路の複雑さを犠牲にして、歪みを抑制するタッチスクリーン設計が存在する。１つの例は、ｘ−ｙ配置の細い配線電極を開示するビンステッド（Ｂｉｎｓｔｅａｄ）による米国特許５，８４４，５０６号である。もう１つは、多重接続を備えた単方向棒の配列を開示するレッドメイン（Ｒｅｄｍａｙｎｅ）による米国特許５，６５０，５９７号である。ケント（Ｋｅｎｔ）らによる米国特許６，２９７，８１１号は、個々の検出チャネルに各々接続された三角形の外形の用途について記述する。マブス（Ｍａｂｕｓｔｈ）による米国特許４，５５０，２２１号は、行列手法の例であり、この場合、ｘ及びｙ方向の電極は、互いに交差しなければならず、電極構造は、強制的に２つ以上の層を占有し、これによって、かなりの費用が追加され、また、ＬＣＤタッチスクリーンの場合、透明度が低下する。同時係属出願中の米国特許仮出願６０／６９７，６１３号（ＧＢ２４２８３０６号として公告）は、更に、歪みがほとんどない又は全くない検出領域において交差を回避する電極を構成するための方法について記述するが、この方法は、依然として、相対的に極めて多くの接続を必要とする。これらの方法は、全て、良好な解像度を提供し得るが、極めて多くの接続を必要とし、従って、実現するには、多大の費用を要する。また、接続数が多いため、接続部への多数の配線を可能にするための検出領域周辺のスペースがほとんどない小型のタッチスクリーンへの用途が制限される。

また、米国特許４，１９８，５３９号（ペッパー）又は米国特許５，６５０，５９７号（レッドメイン）等の行列又は電極対電極結合手法を用いる２ＤＣＴデバイスは、厚い材料を通して電界を投射する能力、又は、それらの電界をわずかに自由空間に投射して、「点スクリーン」を生成する能力が限定されている。米国特許４，１９８，５３９号（ペッパー）の場合、個々の電極は、極めて狭く、その結果、厚い誘電体を通して電界を投射するのに不可欠な表面積が限られ、その結果、そのような設計は、通常、薄い張り板が電極上にあるノート型コンピュータ等用のトラックパッドへの応用に限定される。米国特許５，６５０，５９７号（レッドメイン）の場合、電界は、隣接する電極ストライプ間で閉じられ、力線が短い経路に制限され、誘電体から出てくる残りの電界は、ほとんどない。そのような制限によって、タッチ信号強度が低下し、厚い誘電体層を備えた電極の利用が妨げられる。

本出願人による同時係属出願中の米国特許出願１０／９１６，７５９号（米国特許出願公開２００５／００４１０１８号として公告）又は米国特許４，１９８，５３９号及び米国特許５，６５０，５９７号等の、電極の抵抗に依存する電極を用いる２ＤＣＴデバイスは、較正プロセスによる補正が必要な非線形性又は装置間の不整合性の影響を受けやすい。そのような較正プロセスは、検出要素のコストを増大させ、また、時間の経過や、温度又は湿度又は光への露出等の環境条件により較正が簡単にずれることがあり、これによって、時間の経過に伴い電極の抵抗が変わることがある。検出要素の再較正の必要性は、市販上の深刻な不利な点である。

本出願人の先行特許及び特許出願、即ち、米国特許５，７３０，１６５号、米国特許６，２８８，７０７号、米国特許６，４６６，０３６号、米国特許６，５３５，２００号、米国特許６，４５２，５１４号、及び同時係属出願中の米国特許出願１０／６９７，１３３号（米国特許出願公開２００４／１０４８２６号として公告され、米国特許７，１４８，７０４号として付与）及び米国特許出願１０／９１６，７５９号（米国特許出願公開２００５／００４１０１８号として公告）に記述された電子検出回路及び方法は、本明細書で述べる本発明と共に用い得るが、これらの回路及び方法は、限定するものとして解釈すべきでないことに留意されたい。様々な静電容量検出回路及解釈的論理を本発明と共に用いて、電極を駆動し、また、要求される出力を生成し得る。

本出願人による同時係属出願中の米国特許出願１０／６９７，１３３号（米国特許出願公開２００４／１０４８２６号として公告され、米国特許７，１４８，７０４号として付与）には、図１２と共に、個々の抵抗性ＩＤストライプを用いて、タッチスクリーンを生成する方法が記述されている。これらのストライプは、これらのストライプへの接続が互いに独立していることから、並列に又は順次のいずれでも読み出し得る。更に、図６に関連して、隣接要素と指等の物体との間における挿入結合が記述されている。米国特許出願１０／６９７，１３３号（米国特許出願公開２００４／１０４８２６号として公告、また、米国特許７，１４８，７０４号として付与）は、本明細書において引用・参照する。

本発明は、本出願人による米国特許６，２８８，７０７号の図４と同様である。この構成には、第１軸上の位置を決定する交互配置された三角形電極と、第２軸上の位置を決定する目盛り付きの棒電極とがある。米国特許６，２８８，７０７号において、三角形は、２つの対向する組で配線接続され、また、組当り１つの検出チャネルに接続される。また、矩形の棒は、２つの組で配線接続され、棒の幅の比は、第２軸に沿う固定された合計の高さ比と共に変動する。４つの接続が、この構成に必要である。

従来、三角形状の電極を用いて電場勾配を生成することが知られており、例えば、ペン入力デバイスであるディム（Ｄｙｍ）らによる米国特許４，０８７，６２５号は、繰り返し形態の組の三角形電極１４ａ、１４ｂを用いて、静電容量電界を生成する。抵抗分圧器２７、３２は、一方の軸上で電場勾配を生成し、三角形は、他方の軸上で勾配を生成する。本開示は、電極配列それ自体における静電容量検出機能の利用方法については教示しないが、その代わり、ペンに依拠して、電場を捕らえる。本装置は、従って、人間のタッチを検出し得ない。

ランドマイア（Ｌａｎｄｍｅｉｅｒ）による米国特許４，６５９，８７４号は、１つの軸に沿って寸法が変わる同様な三角形パターンの組を有するペン入力デバイスを開示する。ｘ寸法は、三角形状によって生成される電場勾配によって決定され、他方、ｙ寸法は、ｙ軸に沿って、三角形の底辺幅を変えることによって決定される。本発明は、能動ペンを用いて、信号を検出配列に注入する必要があり、また、人間のタッチに応答しない。この設計によって生成されるｙ軸電場勾配の１つの不利な点は、垂直軸に沿う利得が、フルスケールの読み取り値を提供するのに不充分であり、従って、これに伴い出力を適正な規模に直す必要があることである。また、所望の勾配効果をｙ軸に及ぼすには、パターンが、かなり大きくなることがあるため、応答が粗くなるのを防止することは、かなり困難である。

また、パーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）による米国特許４，９９９，４６２号は、ペン入力デバイスによる三角形と、マイクロコンピュータから個々の各三角形への配線を用いる方法を開示するが、本方法では、ペンは、三角形の電極からの電界を捕らえる。このシステムも、人間のタッチを検出することが不可能である。

ダーワン（Ｄｈａｗａｎ）による米国特許４，７０５，９１９号及びパーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）による米国特許４，９５２，７５７号は、三角形を用いるペン入力デバイスを更に開示する。

３つの独特な組の交互配置電極を用いる静電容量式２Ｄペンレス検出要素を提供する。

本発明は、３つの独特な組の交互配置電極を用いる静電容量式２Ｄペンレス検出要素である。第１（ｙ）軸に沿う第１組の電極は、故意の抵抗片を介して、互いに電気的に接続され、前記第１軸に沿って配列された第２組の電極は、第１軸の第１側に沿う仮想的非抵抗性第１接続部を介して、互いに電気的に接続され、前記第１軸に沿う第３組の電極は、第１軸の第２側に沿う仮想的非抵抗性第２接続部を介して、互いに電気的に接続される。第２及び第３組の電極は、電気的に相互導通せずに交互配置され、第２（ｘ）軸に沿って勾配を提供し、それ上のタッチ位置を決定する。第１組の電極は、第１（ｙ）軸に沿うタッチ位置を決定する。

幾つかの実施形態において、電極は、少なくとも４つの検出チャネルを有し、４つの全チャネルにおいて位相同期サンプリングを行う容量測定手段に接続される。検出チャネルの数は、能動検出が用いられる他の実施形態では、最小２つに低減され、位相同期サンプリングを少なくとも２つのチャネル上で行い得る。

本発明の静電容量式タッチスクリーンは、特に、タッチスクリーンのサイズが重要な用途、即ち、小型のタッチスクリーン及び、例えば、マウストラックパッドに有用である。
一態様において、本発明は、タッチ又は近接を検出するためのペンレス２ＤＣＴを提供し、第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置された複数の棒から構成された第１電極組であって、電極が、作為的抵抗性電気経路を介して、互いに接続され、第１棒上に第１接続部を有し、第２棒上に第２接続部を有し、第１及び第２棒が、該組の終端棒である第１電極組と、第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置された複数の勾配電場生成形状から構成された第２電極組であって、電気的に互いに接続され、また、該組の１つの接続部を有する第２電極組と、第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置された複数の勾配電場生成形状から構成された第３電極組であって、電気的に互いに接続され、また、該組の１つの接続部を有する前記第３電極組と、が含まれ、第２及び第３電極組は、それらの容量が比率的に解析されると、第２軸に沿うタッチ位置を決定し、第１電極組は、該組に沿う少なくとも２つの点からの静電容量測定値が解析されると、第１軸に沿う位置を決定する。

追加の接続は、第１と第２接続部との間の点において、第１電極組に対して成し得る。複数のそのような追加の接続があってよい。
幾つかの実施形態において、前記接続は、全ての接続を位相同期して動作させる静電容量検出手段のチャネルに対して有線配線し得る。静電容量検出手段には、実質的に一斉に切り換えられる電荷移動検出回路を含み得る。

棒及び三角形の繰り返しパターンの寸法は、好適には、人間の指タッチの寸法以下であるように縮尺される。
本発明の１つの目的は、構造化電極を用いることによって、検出面における応答歪みを解消することにある。

本発明の他の目的は、駆動電子回路への低減された数の配線導体を有することによって、検出面周辺のスペースが限定された小さい形状係数のディスプレイに本発明を用い得るように、構造化電極に関連する接続数を低減することにある。

本発明の他の目的は、特に、透明検出電極の場合、電極材料の抵抗への検出面の依存を低減することにある。
本発明の他の目的は、工場又は現場での較正の必要性を低減又は解消するように、自動較正機能を提供することにある。

本発明の他の目的は、誘電体パネルの背面上の電極に充分な信号強度を提供して、タッチによる箇所を正確に決定することにある。
本発明の他の目的は、能動検出領域において交差のない単一層の電極だけを用いて、コストを低減し、透明タッチスクリーン用途の場合、透明性を改善することにある。

本発明の他の目的は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化アンチモン錫（ＡＴＯ）、粉末状錫酸化物（ＦＴＯ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ベースの膜等の互換透明導電性材料、又はアグファ・オーガコン（Ａｇｆａ＿Ｏｒｇａｃｏｎ）等の導電性ポリマを提供することにある（以下、全てのそのような透明導電性材料は、便宜上、「ＩＴＯ」と称する）。

本発明の他の目的は、例えば、デバイスがゆっくりとサンプリングを行う又はサンプリングを全く行わずほとんどスリープするスリープモードと、ウェーク機能とを用い、これによって、タッチされた時、デバイスが、スピードを上げて、適切な応答速度を提供することによって、平均電力が小さい駆動回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、検出面が、非タッチに反応するように、近接検出を提供して、例えば、それがインターフェイス接続されている製品に対してウェークアップ機能を提供し、それを低電力スリープ状態から離脱させることにある。

本発明の他の目的は、極めて少ない数の構成要素を有し、また、マイクロコントローラ等のインテリジェント論理回路によって駆動される単純な駆動回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、タッチに応じて、顕著な局所的非線形性を生成しない電極を提供することにある。
本発明の他の目的は、タッチされる点以外の箇所において検出領域と重なり合う人間の手又は物体による手影の影響が低減された検出要素及び回路を提供することにある。

本発明の更なる目的は、単一層上に全ての検出電極を有する、ユーザパネル又はレンズの下面に付着し得る本発明の電極及び配線を組み込んだ柔軟な検出層を提供することにある。

本発明のより良い理解のために、また、本発明を以下に作用させるかを示すために、一例として、添付図面を参照する。
図面を参照して、本発明の第１実施形態を図１に示す。図１は、（点線の外郭線として示す）使用可能なタッチ領域１０１を有する静電容量式タッチ検出配列１００を平面図で示す。電極１０２ａ乃至ｇは、（ｙとして示す）第１軸を決定し、一方、電極１０３ａ乃至ｆ及び１０４ａ乃至ｆは、（ｘとして示す）第２軸を決定する。実際には、本構成は、幾つかの用途において、ｘ及びｙについて逆にできる。ｘ軸は、当分野において知られているように、三角形状によって生成される電場勾配によって決定される。左側及び右側接続１１１及び１１２は、これら電極上の静電容量負荷を検出し、ｘ軸に沿うタッチ箇所の比率測定値を取得する回路（図示せず）にそれぞれ配線接続される。

ｙ軸は、電極の一方側に沿って走り、また、電極１０２ａ乃至ｇに接続する抵抗性要素１０５を用いることによって決定される。この軸上の電場勾配は、本出願人による同時係属出願中の米国特許出願１０／６９７，１３３号（米国特許出願公開２００４／１０４８２６号として公告、また、米国特許７，１４８，７０４号として付与）に基づく既知の方法で、１０５によって生成される。２つの主配線接続は、この抵抗性要素、即ち、頂部及び底部ｙ検出接続１０７及び１０８に対してそれぞれ行われる。１つ又は複数の追加の配線接続は、オプションとして、終端棒１０２ａと１０２ｇとの間において行われる。図１に示すのは、２つのそのような接続、即ち、中央下部接続１０９及び中央上部接続１１０であり、そのような接続（１つ又は複数）の理由は、合計５、６、又は、それ以上の合計の可能な接続について、次に説明する。抵抗性要素１０５は、１Ｋオームと１０Ｍオームとの間の終端間抵抗を有するが、最適な性能は、ほとんどの実用的な設計において、２０Ｋと１Ｍオームとの間の値で達成される。全体的な配列を薄くするには、要素１０５は、抵抗性膜から形成するのが最も良く、１０５用の材料には、厚膜抵抗器、ＩＴＯ、導電性ポリマ等を含み得る。この膜は、ＩＴＯ又は金属ベースの電極組の場合、電極１０２を重ね合わせるように成膜される。幾つかの用途では、例えば、スペースが問題ではない場合、一続きの個別抵抗器を用いることも可能である。

左側配線導体１１１と電極１０２との間の交差は、左側接続１１１用の導体配線の成膜に先立って電極１０２上に成膜された薄膜誘電体領域１０６の助けを借りて決定される。通常、検出要素１００は、１つの縁端上に配置されたコネクタ又は検出チップに配線接続されることから、配線１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、及び１１２は、それらがコネクタ又はセンサチップに配線接続し得る（底部として示す）１つの縁端に導かれる。

誘電体の背後に搭載された場合の静電容量式タッチスクリーンに関する１つの既知の問題、特に、低イプシロン及び／又は多大な厚さ及び全体サイズの問題は、本出願人による米国特許出願１０／３４１，９４８号（米国特許出願公開２００３／１３２９２２号として公告）に更に一般的に説明された「手影」の現象である。手影の問題は、特に、本発明でのように、用いられる電極接続の数が少なくなると、大きくなる。電極の数が多くなり接続が多くなると、必然的に、指タッチの点に対する応答を局所化することによって、その影響が低下する。しかしながら、多くの用途の場合、このことは、表示装置領域の両側に沿って狭い配線チャネル１２０、１２１が必要であるため、非実用的である。

棒及び三角形の繰り返しパターンの寸法は、人間の指タッチ１２５の寸法以下であるように縮尺しなければならない。（図示するように）垂直の寸法におけるパターンスケールが、タッチ接触領域１２５より大きい場合、指がタッチ表面上でドラッグされる際、位置応答の非線形コギングが生じ得る。

手影の１つの属性は、それが、本来、垂直視軸上において、これが人間の手の提示の同じ軸であるため、起こることである。従って、この軸に沿う３つ以上の接続を用いるだけで、手影の低減又は実際的な排除を支援し得る。従って、一方の軸は、他方の軸より多い接続を有すべきであり、また、接続数が多い軸は、手影の影響を最も被る軸、即ち、垂直（ｙ）軸であるべきである。そのような構成は、非対称接続電極（ＡＣＥ）と称する。

従って、ｙ軸における電界の局所化を支援する中央接続１０９及び１１０を提供し得る。これらの追加接続は、約２インチ（５０ｍｍ）対角のタッチスクリーンでは不要であるが、３インチ（７５ｍｍ）対角以上では、特に、低イプシロンを有し、電極配列への静電容量性指先結合を低下させるプラスチックの背後に検出配列１００が配置される場合、手影低減に対して明らかに必要であることが実験的に分かった。中央接続１０９及び１１０は、ｙ軸の約１／３の点において接続する。様々なＡＣＥ構成では、手影の程度に依存して、１、２、３以上の追加の「中央」電極が存在し得る。一般的に、ｙ軸が長くなれば、必要な中央電極の数が多くなる。

次に、図２には、わずかに異なる構成の電極配列１００を備えた第２実施形態を示す。この構成において、抵抗片１０５は、電極に用いられるものと同じ導電性材料によって置き換えられる。ＩＴＯの場合、シート抵抗の通常の値は、３００オーム／□である。ＩＴＯそれ自体を抵抗性要素として用いるために、必要な終端間抵抗の相対的に高い値を達成する場合、経路長は、何らかの方法で大きくしなければならない。図２において、このことは、棒内における切り抜き部２０１により、電流を流すための追加経路として棒１０２を用いることによって達成される。また、棒対棒配線２０２は、電極材料から形成され、これにより、電極１０２、１０３、１０４及び配線２０２から構成される全構造は、同じ層上において１つのステップで作製される。誘電体１０６は、電極導体を左側ｘ接続１１１から分離して、短絡を防止する。

次に、図３において、電極配列１００の更に他の構成であって、これによって、図１において１０５として示す必要な抵抗片が、ｙ決定棒１０２自体に組み込まれる構成を備えた第３実施形態を示す。抵抗用の経路は、（図示するように）頂部から底部へ蛇行しており、抵抗性の経路２０２が、各棒を次の棒に接続している。電極パターンの頂部及び底部にある終端棒３１０、３１１は、抵抗性経路に加わらず、その結果、それらは、それらの接続配線１０７及び１０８に対して等電位である。右側ｘ接続１１２は、依然として、右側三角形１０４に接続する必要があることから、追加の薄膜交差誘電体３０１が、三角形１０４と接続１１２の各々との間に必要である。

点線の外郭線３２０及び３２５は、指接触及び手影の領域をそれぞれ示すが、これについては、更に以下に述べる。
図４は、タッチスクリーン電極組１００を動作するためのＡＣＥ機能回路４００を示す。図示するように、各スイッチ組４０４、４０５及び４０６にスイッチ制御信号Ａ、Ｂ、Ｃを送る単一のコントローラ４０１によって動作する６つの検出チャネルがある。電圧比較器４０３は、それぞれのカウンタ４０２の計数終了点を決定するために用いられる。生信号出力４１０乃至４１５は、後述する信号処理ブロックに導かれる。この回路は、本出願人による米国特許６，４６６，０３６号に基づき動作する。好適には、回路４００全体は、ファームウェア制御の下で動作可能なマイクロコントローラに含まれる。

図５は、生の信号４１０乃至４１５を使用可能な結果、即ち、最小ｘ及びｙ座標＋タッチ検出論理確認信号５０３に処理するために用いられる信号処理ブロック５０１を示す。更に、人間の手等、物体の近接の接近に反応する近接検出論理出力５０４を設け得る。座標出力５０２には、更に、信号強度に比例するＺ軸結果を含み得るが、このことは、物体近接の決定を支援し、また、タッチ圧力の決定を支援し得る。

ｘ及びｙ結果用の信号処理は、本出願人自身による米国特許出願１０／６９７，１３３号（米国特許出願公開２００４／１０４８２６号として公告、米国特許７，１４８，７０４号として付与）を含む数多くの他の特許に述べられたように、比率法により実施される。信号強度、近接検出及びタッチ検出等のＺ軸結果は、単純に、全ての検出チャネルからの信号の和の変化から導出される。この和の変化が、第１量を超過するならば、近接が宣言される。この和の変化が、第２のより大きな量を超過するならば、タッチが宣言される。和の変化それ自体は、Ｚ軸信号結果である。

ＡＣＥ構成でのｙ軸決定は、図心計算、又は当分野において公知の電極接続点間の単純な線形補間を介して、のいずれかにより実施される。他の手段もまた用い得る。手影による信号分散は、本来、スクリーンの上部がタッチされる３２０が、ユーザの手のひら部分が下部を覆ってさまよい、３２０における結合より弱い容量性「影」作用３２５を生じる場合、出現する。結合３２５は、可変誤差項であり、予測できないやり方で、３２０の報告された位置を下方にオフセットさせ得る。従って、ｙ軸演算では、下部電極接続１０８及び１０９から到着する信号は、上部領域がタッチされる場合（及びその逆の場合も）、相対的に抑制されなければならない。左側及び右側接続１１１及び１１２は、ｘ軸だけを決定し、手影によるオフセット誤差項は、ほとんどない。

また、図示したスリープタイマ５０６及びゲート制御発振器５０７は、低電力モードを可能にするために用いられ、特に、「スリープ状態にする」及び「タッチしてスリープからウェークする」モードにするために用いられる。主コントローラ（図示せず）は、信号送信経路５０９を介して、デバイスを１つ又は複数の低電力又はスリープモードにするモード命令をプロセッサ５０１に送り得る。また、ホストは、スリープ命令５０５を介して、デバイス全体をスリープ状態にし得る。５０５に応答して、スリープタイマ５０６は、同様に繰り返し可能な特定のウェークアップ遅延用に設定し得る。そのような遅延の後、５０６は、ゲート制御発振器５０７をイネーブル状態にし、出力４０８が、図４及び５の全回路を起動し得る。オプションとして、信号プロセッサ５０１は、近接又はタッチのいずれかを検出すると、５０６を「ウェーク」して、高速のタイマモード、即ち、信号５０８による発振器イネーブル間の遅延が小さい方のモードにし得る。高速モードは、近接又はタッチの全セッションの間、持続し、そして、低電力断続ウェークモード又は完全なスリープモードに戻し得る。モード信号５０９を用いて、スリープ間隔を決定し得る。クロック出力信号４０８と共に、制御信号５１０も、スイッチコントローラ４０１に導かれ、取り込み論理の動作を制御する。

図６には、図４及び５の双方が含まれる完全な実際の具体例を示す。双方の図の論理、即ち、４００及び５００は、外部取り込みサンプリングコンデンサＣｓ１乃至Ｃｓ６、４０７ａ乃至ｆ及び電極配列１００への接続だけを用いる自己完結型のマイクロコントローラ６０１内において実現される。ほとんどの標準マイクロコントローラは、それらの内部に、上述した機能及び動作を実行するために必要な全ての論理回路を含む。ＥＳＤ抑制及び電磁気的適合のために、抵抗器６０３は、検出要素から何らかの減結合を提供するために用いられる。

図１、２及び３に示した電極設計品は、ガラス等の誘電体パネルの背面に直接成膜し得る。ＩＴＯを用いて、検出領域を透明にして、ＬＣＤ又は他のディスプレイ上で用い得る。

他の一実施形態において、三角形電極は、電場勾配を生成し得る交互配置されたパターンを形成し得る。
図７は、そのような他の実施形態、即ち、第４実施形態による電極及び配線のパターンを概略的に示す。前述の実施形態の特徴に対応するものは、同じ参照数字でラベル表示されている。使用可能なタッチ領域１０１（点線の外郭線として示す）を備えた静電容量式タッチ検出配列１００は、明らかに分かる。棒電極１０２ａ乃至ｅは、（ｙとして示す）第１軸を決定し、他方、電極１０３ａ乃至ｄ及び１０４ａ乃至ｄは、（ｘとして示す）第２軸を決定する。本実施形態は、比率信号提供電極１０３ａ乃至ｄ及び１０４ａ乃至ｄの形状を除き、第１実施形態と同じである。共延在の領域を形成する円滑な三角形のテーパの代わりに、ｘ電極は、鋸歯形状を有し、この場合、ｘ電極グループ１０３ａ乃至ｄと１０４ａ乃至ｄとの間の共延在は、ｙ方向の鉗合により形成され、これによって、共延在電極対からの隣接ブロックは、ｘ位置に特有の領域の確定比率を有する。

共延在対のｘ電極から導出された比率信号における所望のｘ依存の変化は、依然として、作動領域、例えば、指接触領域が、適切なサイズであれば、鉗合形状によってｙ方向に提供された領域比率の点において達成される。鉗合構成は、それが、図において「ｗ」として示された各鉗合単位の幅に対応するｘ位置情報の段階的な変化を提供することから、ボタン配列に主に用いられるセンサ領域にとって好適であり得る。このように、ｘ及びｙ双方の位置情報には、ボタン配列の好適な具体例である段階的な感度を与え得る。

第１実施形態と同様に、左側及び右側ｘ検出接続１１１及び１１２は、これら電極への静電容量負荷を検出し、また、ｘ軸に沿うタッチ箇所の比率測定値を得る回路（図示せず）に配線接続される。ｙ軸は、電極の一方側に沿って走り、また、電極１０２ａ乃至ｅに接続する抵抗性要素１０５を用いることによって決定される。この軸の電場勾配は、第１実施形態のように、（細かく刻んだ線で示す）抵抗性要素１０５によって生成される。２つの主配線接続が、この抵抗性要素に対して行われる、即ち、接続１０７が頂部電極棒１０２ｅに、また、接続１０８が底部電極棒１０２ａに接続される。１つ又は複数の追加の配線接続は、オプションとして、第１実施形態のように、終端棒間で行い得るが、図には示していない。抵抗性要素１０５は、１Ｋオームと１０Ｍオームとの間の終端間抵抗を有するが、最適な性能は、ほとんどの実用的な設計において、２０Ｋと１Ｍオームとの間の値で達成される。左側ｘ導体配線１１１は、第１実施形態のように、薄い誘電体領域１０６によって棒１０２ａ乃至ｅから絶縁される。

各電極は、４つを示すが、任意の所望の数の鋸歯ユニットを有し得ることを認識されるであろう。携帯電話又は計算器用のキーパッド等、ボタン配列用途の場合、ユニットの数は、図示するように、相対的に少なく、例えば、３乃至８の範囲内である。他方、擬似連続比率検出が要求される場合、鋸歯の数は、相対的に多く、例えば、１０乃至５０の範囲内である。同様に、ｙ検出用の棒電極の数は、ボタン配列に適する粗い検出を提供するために、相対的に少なく、例えば、３乃至８の範囲内であり、又はｙ方向の擬似連続感度のために相対的に多く、例えば、１０乃至５０である。ｙ検出棒電極が多い場合、中間接続１０９（図示せず）を設けると都合が良い。

第４実施形態の静電容量式タッチ検出配列は、図４乃至６に関連して、第１乃至第３実施形態に対して上述したように実現でき、米国特許６，４６６，０３６号の教示内容に従うことを更に認識されるであろう。これは、システム基準電位（接地）に対する検出電極の容量の測定に依拠する受動静電容量式検出法である。既知の他の静電容量式検出法は、（単一検出電極とシステム接地との間よりもむしろ）２つの電極間の静電容量結合の測定に基づく能動検出である。２ＤＣＴに適用される能動静電容量式検出手法の根底にある原理については、本出願人による米国特許６，４５２，５１４号に述べられている。米国特許５，６４８，６４２号（シナプティクス（Ｓｙｎａｐｔｉｃｓ）社）もまた、２ＤＣＴにおける能動静電容量検出について述べている。

完全にするために、次に、能動検出での第４実施形態の電極パターンの動作について述べる。第１乃至第３実施形態の電極パターンも能動検出で同様に駆動し得ることを認識されるであろう。即ち、第４実施形態のブロック電極１０２及び１０３は、円滑なテーパの電極と交換してよく、また、上述した第１乃至第３実施形態のオプションは、棒電極１０２間に抵抗性の相互接続を形成するために利用可能である。

図７を参照すると、能動検出回路は、棒電極１０２を駆動電極として、また、鋸歯電極１０３及び１０４を検出電極として用いる。棒電極１０２を相互接続する抵抗性経路は、分圧器を形成して、頂部棒電極１０２ｅが、レール電圧になり、底部棒電極１０２ａが、接地電圧になり、中間棒電極１０２ｂ乃至ｄが、ほぼ等しく離れた中間電圧になる。

人体は、駆動電極と検出電極対との間の電場の一部を伝えて取り去ることから、２ＤＣＴに適用される能動検出の基本的な原理は、駆動電極と検出電極対との間の電場結合が、指タッチによって減衰されることである。駆動電極と検出電極との間で移動した電荷は、従って、タッチの結果、減少し、電荷蓄積のこの減少が、サンプリングコンデンサにおいて検出可能である。本回路に戻ると、電圧はしごが抵抗性経路１０５によって提供された状態では、サンプリングコンデンサでの蓄積電荷の減少の大きさは、駆動電極の駆動電圧と比例して変わることを認識されるであろう。その結果、検出信号の低下の大きさは、指タッチによってどの電極棒が影響を受けているか示す。このように、２ＤＣＴのｙ方向における垂直の解像度が提供される。従って、能動検出の具体例における抵抗性経路１０５は、受動検出具体例と異なる役割を有する。前者の場合、それは、分圧器としての役割を果たし、これに対して、後者の場合、それは、電流経路として機能する。

ｘ方向における水平解像度の場合、そのメカニズムは、概念的に、電極１０３及び１０４の対になったものによって得られた相対的な信号強度間において、即ち、１０３ａと１０４ａとの間及び１０３ｂと１０４ｂとの間などにおいて、比率解析が実施されるという点で受動検出具体例と同様である。これは、電荷移動の減衰の大きさが、指接触の下にある対になった検出電極１０３及び１０４の相対的な領域によって変わるためである。

図８は、図７の第４実施形態の、又は実際、第１乃至第３実施形態の電極パターン及び配線構成に用いるための能動検出回路を示す。図の上部は、パネル左側のタッチパネルを通る概略縦断面であり、ここでは、電極１０３は、電極１０４より更に垂直方向に延在する。タッチパネルは、指８１３によってタッチするための上部表面８１１と、電極パターン及びコンタクトが従来のように構成されている下部表面８１２と、を有する誘電体パネル８１０から形成される。誘電体パネルは、当分野において知られているように、ガラス等の任意の適切な材料から、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス、マイラー、テフロン（登録商標）、プラスチック化合物で作製し得る。好適なプラスチック化合物の例を、一例としてのみ、市販例として挙げられる幾つかの例で下表にリスト化する。

図の下及び右部分は、適切な相互接続及び個別構成要素を備えた制御回路を概略的に示す。そのような制御回路は、ＱＲＧ社から一緒に入手可能なファームウェア制御下で動作されるＱＭａｔｒｉｘ（登録商標）マイクロコントローラチップ等の従来の集積回路８００によって提供される。

図７から分かる電極１０２ａ乃至ｅ、１０３ａ乃至ｄ、及び１０４ａ乃至ｄは、パネル下表面８１２上に配置されている。電極１０２は、駆動チャネル又はＸチャネルと称する駆動電極であり、接続１０８を介して、制御チップ８００のピン８０３からチップ内部の適切な駆動バッファ８０１を通って、（概略的に示す）駆動パルスが供給される。駆動電極１０２ａ乃至ｅを相互接続する抵抗性経路１０５は、隣接する駆動電極間に介在された個別抵抗器１０５ａ乃至ｄを含むものとして示す。これは、上述した実施形態のいずれにでも利用可能な更なる設計オプションである。これらは、上述した必要な分圧機能を提供する。帰路が、駆動信号用に必要であり、これは、チップ８００上の接地（アース）ピン８０２に接続されるライン１０７によって提供される。

Ｙｌ及びＹ２検出チャネルと称する２つのグループの検出電極１０３及び１０４は、各々、共通にそれぞれライン１１１及び１１２に接続される。これら各ラインは、パネルからそれぞれのサンプリングコンデンサに転送される電荷を運ぶ。サンプリングコンデンサＣＳＹ１は、配線１１１によって伝達されるＹｌチャネルに電荷を蓄積する。サンプリングコンデンサＣＳＹ２は、配線１１２によって伝達されるＹ２チャネルに電荷を蓄積する。２つの独立した同じ検出回路が、この２つの検出チャネルに提供される。これらは、設計上の慣例であり、また、その内容を本明細書において引用・参照する本出願人による米国特許６，４５２，５１４号に開示された原理に従う。サンプリングコンデンサＣＳＹ１には、２つのスイッチ８１１及び８１２が跨るが、これらのスイッチは、適切に作動させると、測定に先立って、サンプリングコンデンサをリセットするために、また、サンプリングコンデンサに蓄積された電荷を、Ａ／Ｄ変換器、増幅器、又はＹ１チャネルの信号強度を示す電圧レベルを捕捉する他の適切な回路要素等、適切な測定回路８１４に読み出すために用い得る。Ｙ２チャネル回路は、厳密に同じであり、サンプリングコンデンサＣＳＹ２、スイッチ８２１及び８２２、及び測定回路８２４を備える。次に、測定回路８１４及び８２４によって取り込まれたデータは、垂直及び水平方向の位置情報を得るのに必要な比率解析を実施するために、数値処理によって組み合わせられる。この解析機能は、集積回路８００に組み込んだり、又は外部的に実施したりし得る。上述したように、集積回路は、ＱＲＧから入手可能なＱＭａｔｒｉｘチップに実装し得る。ＱＭａｔｒｉｘチップの動作原理については、米国特許６，４５２，５１４号に述べてあり、その内容は、特に、サンプリングコンデンサから信号を読み出すために用い得るスイッチング構成及びそれらの駆動シーケンスに関する詳細な情報に関連して、本明細書において引用・参照する。

駆動及び検出電極は、誘電体パネル８１０の直ぐ隣に示してあるが、通常、これらは、接着材接合又は留め具によるなどの適切な手段によって誘電体パネル８１０の下部表面８１２に貼り付け得る適切なプラスチック材料からなる薄いフレキシブルシート等の共通基板上に支持されることを認識されるであろう。

図８において、この能動検出の具体例は、全ての駆動電極が、制御チップの２つのピン８０２、８０３だけから共通に駆動され、また、２つの組の検出電極が、各々、それぞれの検出チャネルに共通に接続されていることから、極めて少ないピン数を提供することは、明らかである。

要約すると、本明細書において述べたのは、接続及び信号処理を簡素化するために、各々、他とは独立に決定し得るように、互いに電気的に分離された別個のｘ及びｙ決定要素を用いる静電容量式タッチスクリーン又はマウストラックパッド検出要素である。

本発明の第１実施形態による電極のパターン及び配線を概略的に示す図。 更に小型に構築された本発明の第２実施形態による電極のパターン及び配線を概略的に示す図。 更に小型に構築され対称な本発明の第３実施形態による電極のパターン及び配線を概略的に示し、また、タッチ及び手影の領域を示す図。 本発明の電極を駆動するために便宜的に用い得る１つの形態の駆動回路を概略的に示す図。 本発明の信号を処理するために用いられるマイクロコントローラ等の信号プロセッサのブロック図を概略的に示す図。 図５の回路を実装するマイクロコントローラへの電極からの接続を示す図。 本発明の第４実施形態による電極のパターン及び配線を概略的に示す図。 図７の第４実施形態の、又は実際、第１乃至第３実施形態のいずれかの電極パターン及び配線構成に用いるための能動検出回路を示す図。

Claims (13)

1. タッチ又は近接を検出するためのペンレス二次元静電容量式変換器であって、
   第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置された複数の電極から構成された第１電極組であって、前記電極は、抵抗性経路を介して互いに接続され、また、前記電極の内の第１電極上に第１接続部及び前記電極の内の第２電極上に第２接続部を有する前記第１電極組と、
   第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置され、また、第１軸と交差する第２軸に沿って各々延在する複数の勾配電場生成用成形電極から構成された第２電極組であって、第２電極組の電極は、電気的に互いに接続され、また、１つの接続部を有する前記第２電極組と、
   第１軸に沿ってほぼ平行な配列で配置され、また、各々第２軸に沿って延在する複数の勾配電場生成用成形電極から構成された第３電極組であって、第３電極組の電極は、電気的に互いに接続され、また、１つの接続部を有する前記第３電極組と、
   を備え、第２及び第３電極組の電極は、共延在対で配置され、比率静電容量信号を提供し、
   第２及び第３電極組の電極は、それぞれの静電容量信号の比率解析によって第２軸に沿うタッチ位置を決定させるそれぞれの静電容量信号を提供するように成形・寸法決定され、
   第１電極組の電極を相互接続する抵抗性経路は、第１軸に沿うタッチ位置を決定させる静電容量信号を提供するように配置される、変換器。
2. 請求項１に記載の変換器において、追加の接続が、第１と第２電極との間の電極において第１電極組に対して行われる、変換器。
3. 請求項２に記載の変換器において、前記追加接続が複数存在する、変換器。
4. 請求項３に記載の変換器において、前記接続は、静電容量式検出装置のチャネルに配線接続され、前記静電容量式検出装置は、全ての接続を位相同期して動作させるように構成される、変換器。
5. 請求項４に記載の変換器において、静電容量式検出装置には、ほぼ一斉に切り換えられるように構成された電荷移動検出回路が含まれる、変換器。
6. 前述の請求項のいずれかに記載の変換器において、第１、第２、及び第３電極組を形成する電極の平行配列は、人間の指タッチ以下であるように縮尺された繰り返し寸法を有する、変換器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の変換器において、第２及び第３電極組の電極は、それらの共延在距離上で相補的テーパを備えた共延在対で配置される、変換器。
8. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の変換器において、第２及び第３電極組の電極は、それらの共延在距離上で変動面積の隣接ブロックを備えた共延在対で配置される、変換器。
9. 前述の請求項のいずれかに記載の変換器において、第１電極組の第１及び第２電極は、第１電極組の末端電極である、変換器。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の変換器において、抵抗性経路には、第１電極組の電極上に延在する抵抗片が含まれる、変換器。
11. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の変換器において、
    抵抗性経路及び第１電極組の電極は、単一材料層に形成され、抵抗性経路には、第１電極組の隣接電極端を相互接続する複数の部位が含まれる、変換器。
12. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の変換器において、
    抵抗性経路には、抵抗性経路の電極及び相互接続部位が蛇行形状を形成するように、第１電極組の隣接電極を交互端において相互接続する複数の部位が含まれる、変換器。
13. 前述の請求項のいずれかに記載の変換器であって、更に、
    第１電極組の電極に接続された出力を有し、また、電圧パルスが含まれる共通駆動信号を第１電極組に供給するように動作可能な駆動回路であって、抵抗性経路が、分圧器を形成し、電極毎に電圧パルスの電圧を段階的に推移させる前記駆動回路と、
    それぞれの入力が第２及び第３電極組の電極にそれぞれ接続された第１及び第２検出回路であって、各検出回路には、前記電極組から転送された電荷の蓄積用サンプリングコンデンサと、サンプリングコンデンサに蓄積された電荷を検出するように配置された測定回路と、を含む前記第１及び第２検出回路と、
    を備える変換器。

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