JP2008515153A - Contactless multi-position switch using capacitive touch sensor - Google Patents
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Abstract
人体部位などの物体の存在を検出するタッチ・スイッチ装置であって、タッチ・パッド、タッチ・パッド付近に生成される電界および、被制御装置に接続され、タッチ・パッドに接続された、好ましくは、集積化されたローカルな制御回路を有するタッチ・スイッチ装置。タッチ・スイッチ装置の実用的応用には、他の構造、特に、機械式スイッチをエミュレートする多位置無接触スイッチと一緒にタッチ・スイッチ装置を使用するものが含まれる。 A touch switch device for detecting the presence of an object such as a human body part, wherein the touch pad, an electric field generated in the vicinity of the touch pad, and a controlled device connected to the touch pad, preferably Touch switch device with integrated local control circuit. Practical applications of touch switch devices include other structures, particularly those that use touch switch devices with multi-position contactless switches that emulate mechanical switches.
Description
(関連出願へのクロスリファレンス)
本出願は、2004年9月24日付けの米国暫定特許出願第60/613,073号の利益を主張するものであり、また2002年10月15日付けの米国特許出願第10/272,377号の一部継続出願である。後者の出願は、2001年11月20日付けの米国暫定特許出願第60/334,040号、いずれも2001年12月18日付けである米国暫定特許出願第60/341,350号、第60/341,550号および60/341,551号ならびに2002年6月13日付けの米国暫定特許出願第60/388,245号の利益を主張するものであり、また現在は、米国特許第6,320,282号となっている1999年1月19日付けの米国特許出願第09/234,150号の継続出願であり、現在は、米国特許第6,713,897号となっている2001年10月25日付けの現在係属中の米国特許出願第10/027,884号の一部係属出願である。これらの引用文献の開示は、参照によってここに取り込まれる。
(Cross-reference to related applications)
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 613,073 dated September 24, 2004, and US Patent Application No. 10 / 272,377 dated October 15, 2002. Is a continuation-in-part application. The latter application is US Provisional Patent Application No. 60 / 334,040, dated November 20, 2001, US Provisional Patent Application Nos. 60 / 341,350, No. 60, both dated December 18, 2001. / 341,550 and 60 / 341,551 and US Provisional Patent Application No. 60 / 388,245 dated June 13, 2002, and currently claims US Pat. No. 320,282, which is a continuation of US Patent Application No. 09 / 234,150 dated January 19, 1999 and is now US Pat. No. 6,713,897 This is a partially pending application of currently pending US patent application Ser. No. 10 / 027,884 dated Oct. 25. The disclosures of these references are hereby incorporated by reference.
(発明の分野)
本発明は、タッチ・スイッチ(すなわち、例えば、指でタッチ・パッド又はその周辺に触れることによって作動するスイッチであり、ここでは、タッチ・センサや電界効果センサとも呼ばれる)および関連する制御回路と、それらの実用的な応用に関する。
(Field of Invention)
The present invention includes a touch switch (ie, a switch that operates by touching the touch pad or its periphery with a finger, for example, also referred to herein as a touch sensor or field effect sensor) and associated control circuitry; It relates to their practical application.
(発明の背景)
家庭電化製品、電動工具、自動車および関連システムのほかすべての種類のその他の家庭用道具および工業用機器を含むあらゆるタイプの制御装置に機械式スイッチが使用されてきた。機械式スイッチは、一般に基板の上に搭載され、基板を貫通する何らかの構造を必要とする。そのような貫通構造は、スイッチ自体のなかの貫通構造とともに、埃、水およびその他の汚染物質が基板を通過し、スイッチ内部の溜まる原因となり、それが電気的短絡やその他の誤動作を引き起こすことにつながる。
(Background of the Invention)
Mechanical switches have been used in all types of control devices, including home appliances, power tools, automobiles and related systems, as well as all types of other household tools and industrial equipment. Mechanical switches are generally mounted on a substrate and require some structure that penetrates the substrate. Such a penetrating structure, along with the penetrating structure within the switch itself, can cause dust, water and other contaminants to pass through the board and accumulate inside the switch, which can cause electrical shorts and other malfunctions. Connected.
タッチ・スイッチがしばしば従来の機械式スイッチの代わりに使用されている。機械式スイッチと違って、タッチ・スイッチは、破損や消耗する可動部分を含まない。それに加えて、タッチ・スイッチは、基板に開口部を必要とせずに、連続的な基板シート、すなわちスイッチ・パネル上に搭載もしくは、形成することができる。機械式スイッチに代わるタッチ・スイッチの使用は、従って、汚染物質が存在しがちな環境で特に有利である。タッチ・スイッチ・パネルは、また、基板中に汚染物質の侵入を許容する開口部を必要とせずに作製することができるので、機械式スイッチのパネルよりも掃除が容易である。 Touch switches are often used in place of conventional mechanical switches. Unlike mechanical switches, touch switches do not contain moving parts that are damaged or worn out. In addition, touch switches can be mounted or formed on a continuous substrate sheet, i.e., switch panel, without the need for openings in the substrate. The use of touch switches instead of mechanical switches is therefore particularly advantageous in environments where contaminants tend to be present. Touch switch panels are also easier to clean than mechanical switch panels because they can be made without the need for openings in the substrate that allow entry of contaminants.
既存のタッチ・スイッチは、一般に1又は複数個の電極を有するタッチ・パッドを含む。タッチ・パッドは、制御又はインタフェース回路と交信するが、それは、複雑でタッチ・パッドから離れていることが多い。タッチ・パッドを含む1又は複数の電極に対して信号が供給されて、影響を受ける電極周辺に電界を発生するのが普通である。制御/インタフェース回路は、電界に対する擾乱を検出して、被制御装置が使用する応答を発生させる。 Existing touch switches typically include a touch pad having one or more electrodes. The touch pad communicates with control or interface circuitry, which is often complex and remote from the touch pad. Typically, a signal is supplied to one or more electrodes, including the touch pad, to generate an electric field around the affected electrode. The control / interface circuit detects disturbances to the electric field and generates a response for use by the controlled device.
タッチ・スイッチは、機械式スイッチに付随する多くの問題を解決するが、既存のタッチ・スイッチのデザインは、完璧でない。例えば、多くの既存のタッチ・スイッチは、水やその他の液体のような汚染物質が基板上に存在するときに、誤作動を起こす。汚染物質は、タッチ・パッド周辺に生成される電界に対して導体として働き、意図しないスイッチ駆動を引き起こす。これは、そのような汚染物質が普通に見られる台所や特定の工場環境の領域で問題となる。 Touch switches solve many of the problems associated with mechanical switches, but existing touch switch designs are not perfect. For example, many existing touch switches malfunction when contaminants such as water or other liquids are present on the substrate. The contaminant acts as a conductor against the electric field generated around the touch pad, causing unintended switch drive. This is a problem in the areas of kitchens and certain factory environments where such contaminants are commonly found.
既存のタッチ・スイッチ・デザインは、これ以外にもクロストーク、すなわち、隣接するタッチ・パッド周辺の電界相互の干渉に関連する問題に苦しむ。クロストークは、間違ったタッチ・スイッチを駆動したり、1つのタッチ・パッドに近接する1回のタッチによって2つのスイッチを同時に駆動したりする。 Existing touch switch designs suffer from other problems related to crosstalk, ie, interference between electric fields around adjacent touch pads. Crosstalk drives the wrong touch switch or drives two switches simultaneously with a single touch close to one touch pad.
多くの既存のタッチ・スイッチ・デザインは、またタッチ・パッドそれ自体やタッチ・パッドからそれに関連する制御回路に延びるリードに影響を及ぼす電気的雑音やその他の相互干渉によって意図しない駆動を起こすことがある。この問題は、従来のタッチ・スイッチ・デザインで見られるようなタッチ・パッドが制御回路から比較的遠く離れているような応用で更に悪化する。 Many existing touch switch designs can also cause unintended drive due to electrical noise and other mutual interference affecting the touch pad itself or leads extending from the touch pad to its associated control circuitry. is there. This problem is exacerbated in applications where the touch pad, such as found in conventional touch switch designs, is relatively far from the control circuitry.
既存のタッチ・スイッチ・デザインは、それらが制御する装置とのインタフェースとするために複雑な制御回路を必要とするのが普通である。それらの制御回路は、回路基板上にかなり広いスペースを占有する多数の個別部品を含むことが多い。それらの物理的サイズのせいで、制御回路は、一般にタッチ・パッドそのものから長距離離して配置される。制御/インタフェース回路の物理的サイズと、それらがタッチ・パッドから離れていることのせいで、上述の問題、例えば、クロストーク、電気的雑音および相互干渉に対する感受性が更に悪化する。サイズと遠隔性とがタッチ・スイッチ・パネルの全体的な設計を複雑化し、その結果、生産コストおよび複雑度を更に増している。 Existing touch switch designs typically require complex control circuitry to interface with the devices they control. These control circuits often include a large number of individual components that occupy a fairly large space on the circuit board. Due to their physical size, the control circuitry is generally located a long distance away from the touch pad itself. The physical size of the control / interface circuits and their distance from the touch pad further exacerbates the above-mentioned problems, such as crosstalk, electrical noise and mutual interference. Size and remoteness complicate the overall design of the touch switch panel, which further increases production costs and complexity.
いくつかの既存のタッチ・スイッチのデザインは、タッチ・パッドからインタフェース/制御回路又は被制御装置までに別のアース・リードを必要とする。従来の機械式スイッチを採用する特定の装置は、そのようなアース・リードを必要としないし、それを組み込むことは、容易でない。そのような装置をそのようなタッチ・スイッチと一緒に使用できるようにするためには、特殊なアース構造を追加する必要があり、設計および生産のための時間、複雑度およびコストが増す。このようなアース・リードの必要性は、従来の機械式スイッチ・パネルをタッチ・スイッチ・パネルで単純かつ直接的に置き換えることを妨げる。 Some existing touch switch designs require a separate ground lead from the touch pad to the interface / control circuit or controlled device. Certain devices that employ conventional mechanical switches do not require such ground leads and are not easy to incorporate. In order to be able to use such a device with such a touch switch, a special grounding structure needs to be added, increasing the time, complexity and cost for design and production. The need for such a ground lead prevents the simple and direct replacement of a conventional mechanical switch panel with a touch switch panel.
タッチ・スイッチ・デザインの最近の進歩には、タッチ・スイッチ自体の入力および出力インピーダンスを下げて、汚染物質や外的雑音源による偽の駆動に対する高い耐性を付与する技術が含まれる。米国特許第5,594,222号は、多くの過去のデザインよりも汚染物質や電気的雑音の存在下での誤作動に対し、感受性の低い低インピーダンスのタッチ・スイッチ・デザインについて述べている。この方式は、従来技術と比べていくつかの利点を有するものの、それの応用を制限するいくつかの属性が存在する。例えば、作製されるタッチ・スイッチは、温度変化に敏感となる。出力における温度変化が本当の信号変化と比べて小さく、トランジスタの変動によって誘起される信号変化と比べて小さい限り、単一トランジスタ又はその他の増幅デバイスで十分である。しかし、この技術は、被制御装置とのインタフェースのために付加的な回路を必要とし、そのため、全体的なタッチ・スイッチ・デザインに対するコストおよび複雑度を増す。補償を許容するダイナミック・レンジが十分でない場合や温度変化が本当の信号変化と比べて大きい場合のような応用では、異なる方式のほうが温度の効果をより良く解消又は低減することができよう。 Recent advances in touch switch design include techniques that lower the input and output impedance of the touch switch itself to provide greater resistance to false drive by contaminants and external noise sources. US Pat. No. 5,594,222 describes a low impedance touch switch design that is less sensitive to malfunctioning in the presence of contaminants and electrical noise than many previous designs. Although this scheme has several advantages over the prior art, there are several attributes that limit its application. For example, the manufactured touch switch is sensitive to temperature changes. As long as the temperature change in the output is small compared to the true signal change and small compared to the signal change induced by transistor variations, a single transistor or other amplification device is sufficient. However, this technique requires additional circuitry for interfacing with the controlled device, thus increasing cost and complexity for the overall touch switch design. In applications such as when the dynamic range that allows compensation is not sufficient or when the temperature change is large compared to the true signal change, the different methods may better eliminate or reduce the temperature effect.
更に、この技術の低インピーダンス方式は、或る有限なインピーダンスを持つ汚染物質と或る有限なインピーダンスを持つ人の接触との間の区別が可能であるものの、この技術は、極端に低いインピーダンス・レベル間の区別をするには、不十分である。そのような状況は、タッチ・スイッチ全体(すなわち、内側電極と外側電極の両方)が大量の汚染物質で覆われたときに出現する。類似な、本質的にゼロ・インピーダンスの状況は、金属製なべのような導電性材料がタッチ・スイッチを全体的に覆ったときに出現する。 In addition, while this technology's low-impedance scheme can distinguish between contaminants with a certain finite impedance and human contact with a certain finite impedance, this technology is extremely low impedance It is not enough to distinguish between levels. Such a situation appears when the entire touch switch (ie both the inner and outer electrodes) is covered with a large amount of contaminants. A similar, essentially zero impedance situation appears when a conductive material such as a metal pan totally covers the touch switch.
本出願と同一の譲受人に譲渡され、ここに参照によって取り込まれる米国特許第6,310,611号は、タッチ・スイッチに影響する共通モード擾乱に関連する問題の多くに対処する差動測定回路を有するタッチ・スイッチ装置を開示している。例えば、2電極のタッチ・パッドを有するタッチ・スイッチは、各電極付近に電界を生成するように構成できる。両電極を本質的に覆う汚染物質のような共通モード擾乱は、各電極付近の電界に対して本質的に同じように影響するものと考えられる。各電極は、擾乱に比例した信号を差動測定回路に供給する。そのため、電極からの信号が本質的に等しいものと想定されるので、差動測定回路は、差分を感知せず、共通モードの擾乱に応答しない。他方で、電極の1個の付近の電界のみが擾乱されるときは、その電極によって差動測定回路に供給される信号は、他の、影響されていない電極によって供給されるものと本質的に異なるはずである。差動回路は、第1と第2の電極における刺激の程度の差に基づいて出力を供給することによって応答でき、それにより、電極の特別な刺激状態に基づくスイッチ駆動を引き起こすか、あるいは、電極における多くの刺激状態に基づいて情報を提供することができる。 US Pat. No. 6,310,611, assigned to the same assignee as the present application and incorporated herein by reference, is a differential measurement circuit that addresses many of the problems associated with common mode disturbances affecting touch switches. A touch switch device is disclosed. For example, a touch switch having a two-electrode touch pad can be configured to generate an electric field near each electrode. It is believed that common mode disturbances, such as contaminants that essentially cover both electrodes, have essentially the same effect on the electric field near each electrode. Each electrode supplies a signal proportional to the disturbance to the differential measurement circuit. Therefore, since the signals from the electrodes are assumed to be essentially equal, the differential measurement circuit does not sense the difference and does not respond to common mode disturbances. On the other hand, when only the electric field in the vicinity of one of the electrodes is disturbed, the signal supplied to the differential measurement circuit by that electrode is essentially the same as that supplied by the other, unaffected electrode. Should be different. The differential circuit can respond by providing an output based on the difference in the degree of stimulation at the first and second electrodes, thereby causing a switch drive based on the particular stimulation state of the electrode, or Information can be provided based on a number of stimulus states.
差動測定回路方式は、従来技術で既知の多くの問題に対処できるものの、それは、比較的複雑で、設計および製造のコストが嵩む。差動測定回路は、一般により従来の制御回路と比較して多くの部品を含んでいる。付加的な部品は、タッチ・スイッチ・パネル上により多くのスペースを占有する。従って、制御回路は、非差動的回路設計の場合よりもタッチ・パッドからより遠ざかることになり、そのために、タッチ・パッドとそれの制御回路との間に長いリードを必要とする。これは、電気的干渉に関連する問題を実際に悪化させる。更に、差動測定回路を構築するとき、部品の整合が重要となる。適正な部品整合のために、付加的な製造負荷が生じ、コストも嵩むであろう。更に、差動感知技術を使用するとき、特に低インピーダンス応用では、結果の信号は、電極の絶対的信号変化のダイナミック・レンジと比べて相対的に小さい。従って、結果の信号は、雑音およびその他の環境効果によって影響される。差分信号の適正なバッファリングのためには、スイッチ又はバッファを構築する付加的な部品が必要である。更に、パルス信号などの刺激が遠隔制御回路から供給されるとき、パルス信号は、影響を受ける。パルス発生回路のような刺激発生回路は、一般に部品を必要とし、物理的スペースを占有するが、それらが感知電極と干渉するかもしれない。従って、信号発生回路は、それらが感知電極に悪影響するか又はバイアスする物理的空間を占有して、センサの信号対雑音比の特性を等価的に低減する場合、感知電極から物理的に遠ざける必要がある。 While differential measurement circuitry can address many of the problems known in the prior art, it is relatively complex and expensive to design and manufacture. A differential measurement circuit generally includes more components than a conventional control circuit. The additional components occupy more space on the touch switch panel. Thus, the control circuit will be farther away from the touch pad than in the case of non-differential circuit designs, thus requiring long leads between the touch pad and its control circuit. This actually exacerbates the problems associated with electrical interference. In addition, when building a differential measurement circuit, component matching is important. Proper part alignment will create additional manufacturing burden and cost. Furthermore, when using differential sensing techniques, especially in low impedance applications, the resulting signal is relatively small compared to the dynamic range of the absolute signal change of the electrode. The resulting signal is thus affected by noise and other environmental effects. For proper buffering of the differential signal, additional components that build a switch or buffer are required. Furthermore, when a stimulus such as a pulse signal is supplied from a remote control circuit, the pulse signal is affected. Stimulus generation circuits, such as pulse generation circuits, generally require components and occupy physical space, but they may interfere with the sensing electrodes. Thus, signal generation circuits need to be physically away from the sensing electrodes if they occupy the physical space that adversely affects or biases the sensing electrodes and equivalently reduces the signal to noise ratio characteristics of the sensors. There is.
上述の改善点は、スイッチ間のクロストークおよびそれらの制御回路に対する電気的干渉効果の結果としての意図しないスイッチ駆動を低減させるものの、それらの問題を完全に解消するものでない。更に、それらは、特定のタッチ・スイッチ応用において別になったアース回路の必要性に関する問題に対処するものでなく、またそれに関連する問題を解決するものでもない。更に、上述の特徴を可能な限り小型の物理的構造体を用いて実現できることが望ましい。 Although the improvements described above reduce unintentional switch drive as a result of crosstalk between switches and electrical interference effects on their control circuits, they do not completely eliminate these problems. Furthermore, they do not address and solve the problems associated with the need for a separate ground circuit in a particular touch switch application. Furthermore, it is desirable that the above features can be realized using as small a physical structure as possible.
一般に電界効果センサの駆動のために、例えば機械式押しボタン、トグル又はロータリ・スイッチの場合のようにユーザによる力の印加や構造体の物理的移動をさせる必要がない。これは、多くの応用で望ましい属性であるが、他の応用では、ユーザが力を加えたり、スイッチ構造体を物理的に移動させたりして、スイッチが状態を変化させたという物理的認識をユーザに与えることが望ましいこともある。特定の応用では、従来の機械式スイッチの機械的感覚を保ったまま、電界効果センサによって提供される利点を有するスイッチング機構を提供することが望まれることもある。 In general, driving a field effect sensor does not require application of force or physical movement of the structure by the user, as in, for example, mechanical push buttons, toggles, or rotary switches. This is a desirable attribute for many applications, but in other applications the physical recognition that the switch has changed state, such as when the user applies force or physically moves the switch structure. It may be desirable to give to the user. In certain applications, it may be desirable to provide a switching mechanism that has the advantages provided by field effect sensors while preserving the mechanical feel of conventional mechanical switches.
(発明の概要)
本発明は、タッチ・パッドとタッチ・パッドの近くに位置する制御回路とを含むタッチ・スイッチ装置を提供する。タッチ・パッドおよび制御回路は、誘電体基板上に搭載される。制御回路は、装置全体のサイズと比べて小型である。好適な実施の形態で、制御回路は、本質的に1又は複数個の集積回路に減らされる。制御回路を集積回路化した物理的にコンパクトな実施の形態は、共通モードの干渉と、隣接するタッチ・スイッチ間のクロストークおよび干渉とに対するタッチ・スイッチの感受性を低減する。集積回路方式は、また制御回路部品のより優れた整合性とバランスを提供する。
(Summary of Invention)
The present invention provides a touch switch device that includes a touch pad and a control circuit located near the touch pad. The touch pad and control circuit are mounted on a dielectric substrate. The control circuit is small compared to the overall size of the device. In a preferred embodiment, the control circuit is essentially reduced to one or more integrated circuits. A physically compact embodiment with integrated control circuitry reduces the sensitivity of the touch switch to common mode interference and crosstalk and interference between adjacent touch switches. The integrated circuit scheme also provides better consistency and balance of control circuit components.
本発明のタッチ・スイッチは、多様な好適な実施の形態として構成できる。いくつかの実施の形態で、タッチ・スイッチは、従来の接触を保持するタイプの機械式スイッチをエミュレートすることができる。他の実施の形態では、タッチ・スイッチは、瞬間的に接触するタイプの機械式スイッチをエミュレートすることができる。更に、他の実施の形態で、タッチ・スイッチは、感知電極における感知に相対的な多重出力を提供できる。 The touch switch of the present invention can be configured as various preferred embodiments. In some embodiments, the touch switch can emulate a type of mechanical switch that retains conventional contact. In other embodiments, the touch switch can emulate a mechanical switch of the type that touches momentarily. Furthermore, in other embodiments, the touch switch can provide multiple outputs relative to sensing at the sensing electrodes.
好適な実施の形態で、タッチ・パッドは、第1の電極と、第1の電極に近接する第2の電極とを有する。少なくとも電極の一方は、ローカルな制御回路に電気的に接続される。第1および第2の電極と、ローカル制御回路とは、基板の同じ面に配置されるのが普通であり、基板の反対側の面は、タッチ面として利用される。しかし、それらは、同一面である必要はなく、基板の両側に配置することもできる。 In a preferred embodiment, the touch pad has a first electrode and a second electrode proximate to the first electrode. At least one of the electrodes is electrically connected to a local control circuit. The first and second electrodes and the local control circuit are usually arranged on the same surface of the substrate, and the opposite surface of the substrate is used as a touch surface. However, they do not have to be coplanar and can be arranged on both sides of the substrate.
代替的実施の形態で、タッチ・パッドは、ローカル制御回路に電気的に接続された単一の電極を有する。他の代替的実施の形態で、タッチ・パッドは、3個以上の電極を有する。 In an alternative embodiment, the touch pad has a single electrode that is electrically connected to the local control circuit. In other alternative embodiments, the touch pad has more than two electrodes.
好適な実施の形態で、制御回路は、信号を生成し、それをタッチ・パッドに供給してタッチ・パッドを含む1又は複数の電極付近に1つの電界を発生させる手段を含む。あるいは、そのような信号を他の場所で発生させて、1又は複数の電極に供給してその付近に1又は複数の電界を発生させることもできる。制御回路は、ユーザの指先がタッチ・スイッチに隣接する基板に接触又は接近するなど、電界に対する刺激に応答した電界に対する擾乱を検出する。制御回路は、そのような電界の擾乱に対して被制御装置、例えば、家庭用電化製品や工業用機械が利用するための制御信号を発生することによって選択的に応答する。 In a preferred embodiment, the control circuit includes means for generating a signal and supplying it to the touch pad to generate an electric field near one or more electrodes including the touch pad. Alternatively, such a signal can be generated elsewhere and supplied to one or more electrodes to generate one or more electric fields in the vicinity thereof. The control circuit detects a disturbance to the electric field in response to a stimulus to the electric field, such as a user's fingertip touching or approaching a substrate adjacent to the touch switch. The control circuit responds selectively to such electric field disturbances by generating control signals for use by controlled devices, such as household appliances and industrial machinery.
好適な実施の形態で、制御回路は、第1の電極又は第2の電極のいずれか又は両者の近傍に刺激が与えられることに応じて、第1の電極と第2の電極との間の電位差を検出し、それに応答する。そのような差動測定回路は、温度、電気的雑音、電源の変動およびその他の入力のような共通モード信号(すなわち、両方の電極に対してほとんど同等に影響する傾向を持つ信号)の排除機能を提供する。差動測定回路は、またタッチ・スイッチに隣接する基板に汚染物質が付着することで生ずる共通モード信号の排除機能も提供する。 In a preferred embodiment, the control circuit is configured between the first electrode and the second electrode in response to a stimulus being applied in the vicinity of either the first electrode or the second electrode or both. Detect and respond to potential differences. Such differential measurement circuitry eliminates common mode signals such as temperature, electrical noise, power supply fluctuations and other inputs (ie signals that tend to affect almost equally on both electrodes). I will provide a. The differential measurement circuit also provides the ability to eliminate common mode signals caused by contaminants on the substrate adjacent to the touch switch.
好適な実施の形態で、信号は、第1の電極と第2の電極とに供給される。信号は、制御回路の内部から、あるいは、他の場所から生成される。各電極の場所に電位が生じ、従って、電極の各々の周辺に電界が発生する。差動測定回路には、2つの整合したトランジスタが配置され、第1のトランジスタが第1の電極に、また第2のトランジスタが第2の電極に接続される。各トランジスタの出力は、ピーク検出回路に接続され、各ピーク検出回路の出力は、次に決定回路に供給される。 In a preferred embodiment, the signal is supplied to the first electrode and the second electrode. The signal is generated from within the control circuit or from elsewhere. An electric potential is generated at the location of each electrode, and thus an electric field is generated around each of the electrodes. In the differential measurement circuit, two matched transistors are arranged, the first transistor being connected to the first electrode and the second transistor being connected to the second electrode. The output of each transistor is connected to a peak detection circuit, and the output of each peak detection circuit is then supplied to a decision circuit.
各トランジスタの出力は、それが対応する電極周辺の電界が変化するとき、すなわち、電極にユーザが接触したり接近したりするときに変化を生ずる。ピーク検出回路は、トランジスタの出力の変化に応答して、トランジスタからのピーク電位に対応する信号を決定回路に供給する。決定回路は、ピーク電位を予め決められたやり方で使用して、制御回路の他の部分が使用する出力を供給する。 The output of each transistor changes when the electric field around the electrode to which it corresponds changes, that is, when a user touches or approaches the electrode. The peak detection circuit supplies a signal corresponding to the peak potential from the transistor to the determination circuit in response to a change in the output of the transistor. The decision circuit uses the peak potential in a predetermined manner to provide an output for use by other parts of the control circuit.
好適な実施の形態で、内側電極および外側電極は、決定回路の入力と関連付けられて機能し、第1の電極周辺の電界に対する擾乱が第2の電極周辺の電界に対する擾乱の程度よりも大きいときに、決定回路が高レベル出力を発生するようにする。逆に、決定回路は、第2の電極周辺の電界に対する擾乱が第1の電極周辺の電界に対する擾乱の程度よりも大きいときには、低レベル出力を発生する。両方の電極周辺の電界がほぼ同程度に擾乱されたときは、決定回路は、低レベル出力を発生する。 In a preferred embodiment, the inner and outer electrodes function in conjunction with the input of the decision circuit and when the disturbance to the electric field around the first electrode is greater than the degree of disturbance to the electric field around the second electrode In addition, the decision circuit generates a high level output. Conversely, the decision circuit produces a low level output when the disturbance to the electric field around the second electrode is greater than the degree of disturbance to the electric field around the first electrode. When the electric field around both electrodes is disturbed to approximately the same level, the decision circuit produces a low level output.
第1の状態は、例えば、指先が本質的に第1の電極を覆うが第2の電極を覆わないときに現れる。第2の状態は、例えば、指先や汚染物質が本質的に第2の電極を覆うが第1の電極を覆わないときに現れる。第3の状態は、例えば、汚染物質や金属製なべなどの物体が第1と第2の両電極を覆うときに現れる。 The first state appears, for example, when the fingertip essentially covers the first electrode but not the second electrode. The second state appears, for example, when fingertips or contaminants essentially cover the second electrode but not the first electrode. The third state appears when an object such as a contaminant or a metal pan covers both the first and second electrodes, for example.
決定回路出力は、電気的ラッチなどのその他の回路部品に供給され、後者は、決定回路出力の状態に依存して、選択的に制御回路から制御信号を出力させる。好適な実施の形態で、決定回路からの高レベル出力は、最終的に制御回路から制御信号を出力させるが、低レベル出力のときは、制御信号を出力させない。代替的実施の形態では、決定回路からの低レベル出力が制御回路から制御信号を出力させ、高レベル出力のときには、制御信号を出力させない。 The decision circuit output is supplied to other circuit components such as an electrical latch, and the latter selectively outputs a control signal from the control circuit depending on the state of the decision circuit output. In a preferred embodiment, a high level output from the decision circuit will eventually cause a control signal to be output from the control circuit, but no control signal will be output when it is a low level output. In an alternative embodiment, a low level output from the decision circuit causes a control signal to be output from the control circuit, and no control signal is output when it is a high level output.
装置のターン・オンおよびオフ、温度調節又はクロックやタイマーの設定など機械式スイッチによって実行できるほとんどすべての機能は、本発明のタッチ・スイッチ装置を用いて実行できる。それは、既存のタッチ・スイッチに置き換わり、それに関連する問題を解決することができる。それは、また機械式、メンブレン式スイッチに直接置き換わることができる。本発明のタッチ・スイッチ装置は、温度変化が極端に大きい場所、多量の汚染物質が存在する場所、あるいは、タッチ・パッドの上に金属物体が置かれている場所などの環境で使用するのに特に適している。 Almost all functions that can be performed by mechanical switches such as device turn on and off, temperature adjustment or clock and timer settings can be performed using the touch switch device of the present invention. It can replace existing touch switches and solve problems associated with it. It can also be directly replaced by a mechanical or membrane switch. The touch switch device of the present invention can be used in an environment where the temperature change is extremely large, where there is a large amount of contaminants, or where a metal object is placed on the touch pad. Especially suitable.
本発明は、タッチ・パッド電極と論理および決定回路との間で信号をより効率的に交信するための入力回路部を提供する。好適な実施の形態で、制御回路のこれら入力部は、高周波の過渡的パルスをDC信号に変換するように構成された各種構造のピーク検出回路および能動デバイスを含む。これらの実施の形態は、もっと複雑なAC処理回路を必要とせず、DC処理回路の使用ですむため、タッチ・スイッチ・アセンブリの集積回路のサイズおよびコストを削減することができる。更に、これらの好適な実施の形態は、入力電極の場所の電界に対応するピーク検出回路に付随する電界を放電させることができる。 The present invention provides an input circuit section for more efficiently communicating signals between touch pad electrodes and logic and decision circuits. In a preferred embodiment, these inputs of the control circuit include various structures of peak detection circuits and active devices configured to convert high frequency transient pulses into DC signals. These embodiments do not require more complex AC processing circuitry and only use DC processing circuitry, thus reducing the size and cost of the integrated circuit of the touch switch assembly. Furthermore, these preferred embodiments can discharge the electric field associated with the peak detection circuit corresponding to the electric field at the location of the input electrode.
他の好適な実施の形態で、ボンディング・パッドおよびワイヤ・ボンディング構成によって生ずる浮遊容量の負の効果は、上述の制御回路の入力部にスワンピング容量(swamping capacitance)を採用することによって補償される。本発明のこれらの実施の形態に従うスワンピングは、浮遊容量によって差動測定回路にもたらされる不均衡を解消させることができ、従ってより一貫性のある電気的情報が決定回路に伝わるようにする。 In another preferred embodiment, the negative effect of stray capacitance caused by the bonding pad and wire bonding configuration is compensated by employing a swamping capacitance at the input of the control circuit described above. . Swamping according to these embodiments of the present invention can eliminate the imbalance introduced by the stray capacitance to the differential measurement circuit, thus allowing more consistent electrical information to be transmitted to the decision circuit.
他の好適な実施の形態で、浮遊電流およびしばしばタッチ・パッドの入力電極の静電的高電位によって引き起こされる損傷からの制御回路の保護が制御回路の入力部に能動的阻止デバイス構造を設けることによって提供される。 In another preferred embodiment, the protection of the control circuit from damage caused by stray currents and often electrostatic high potentials on the input electrodes of the touch pad provides an active blocking device structure at the input of the control circuit. Provided by.
他の好適な実施の形態は、雑音の多い環境およびその他の環境における統計的フィルタリングおよびサンプリングを提供する。更に、他の好適な実施の形態は、差動測定技術を用いて決定回路に送られる入力信号の線形化を提供する。 Other preferred embodiments provide statistical filtering and sampling in noisy and other environments. Furthermore, other preferred embodiments provide for linearization of the input signal sent to the decision circuit using differential measurement techniques.
本発明は、更に、デュアル接続のラッチ回路を提供し、それは、メンブレン式およびその他の機械式スイッチをタッチ・センサ・スイッチで直接置き換えることを容易にする。好適な実施の形態で、このラッチ回路構成は、タッチ・スイッチ・アセンブリの制御および集積回路を作製するために使用されるドープされた基板から発生する固有的なリーク電流経路からの分離を提供する。本発明の1つの目的は、本発明によって利用される回路の入力構成の特徴を生かすアナログ出力を提供することである。本発明の別の1つの目的は、容量性入力を感知する方法を提供することである。 The present invention further provides a dual-connected latch circuit that facilitates the direct replacement of membrane and other mechanical switches with touch sensor switches. In a preferred embodiment, this latch circuit arrangement provides control of the touch switch assembly and isolation from the inherent leakage current path originating from the doped substrate used to make the integrated circuit. . One object of the present invention is to provide an analog output that takes advantage of the input configuration characteristics of the circuit utilized by the present invention. Another object of the present invention is to provide a method for sensing capacitive inputs.
本発明は、またタッチ・スイッチの実用的応用を目指している。ここに述べたタッチ・スイッチがここで述べた応用の多くと一緒に使用するのに特に適しているものの、他のタッチ・スイッチおよびセンサ、例えば、参照によってここに取り込まれる米国特許第5,594,222号および第6,310,611号に開示されたような容量性センサおよび電界効果センサをそのような応用に使用することも同様に可能である。 The present invention is also aimed at practical applications of touch switches. While the touch switches described herein are particularly suitable for use with many of the applications described herein, other touch switches and sensors, such as US Pat. No. 5,594, incorporated herein by reference. , 222 and 6,310,611 can be used in such applications as well as capacitive and field effect sensors.
本発明の各種の特徴、利点およびその他の利用は、以下の詳細な説明および図面を参照することでより明らかとなろう。 Various features, advantages and other uses of the present invention will become more apparent with reference to the following detailed description and drawings.
(図面の詳細な説明)
米国特許第5,594,222号、第5,856,646号、第6,310,611号、第6,320,282号、第6,713,897号および第6,897,390号、ならびにいずれも2002年10月15日付で出願され、本発明の譲受人に譲渡された知的シェルビング・システム(Intelligent Shelving System)と題する米国特許出願第10/271,933号、デコレーション集積化タッチ・センサ(Touch Sensor with Integrated Decoration)と題する第10/272,047号、集積化タッチ・センサおよび光装置(Integrated Touch Sensor and Light Apparatus)と題する第10/850,272号の開示を参照によってここに取り込む。
(Detailed description of the drawings)
U.S. Pat.Nos. 5,594,222, 5,856,646, 6,310,611, 6,320,282, 6,713,897 and 6,897,390, US patent application Ser. No. 10 / 271,933, filed Oct. 15, 2002 and entitled Intellectual Shelving System, assigned to the assignee of the present invention. See disclosure of 10 / 272,047 entitled Sensor (With Touch Sensor Integrated Integration), 10 / 850,272 entitled Integrated Touch Sensor and Light Apparatus (Integrated Touch Sensor and Light Apparatus). Therefore, it incorporated herein.
発明は、1又は複数の電極と1つの制御回路とを有するタッチ・パッドを含むタッチ・スイッチ装置に関する。制御回路を図示する図面の多くが分かり易くするために、タッチ・パッドと比べて回路を大きく描いている。しかし、典型的な応用において、制御回路は、タッチ・パッドと比べて小さく、好ましくは、1又は複数の集積回路チップの形になっている。 The present invention relates to a touch switch device including a touch pad having one or a plurality of electrodes and one control circuit. To facilitate understanding of many of the drawings illustrating the control circuit, the circuit is drawn larger than the touch pad. However, in a typical application, the control circuit is small compared to the touch pad and is preferably in the form of one or more integrated circuit chips.
図1は、本発明のタッチ・スイッチ装置20の1つの好適な実施の形態の斜視図である。タッチ・スイッチ装置20は、タッチ・パッド22と、8つの出力端子PIN1−PIN8と第1および第2の抵抗R1およびR2とを有する集積回路(IC)チップ26を含む制御回路24とを含む。図示された実施の形態で、タッチ・パッド22は、第1の電極E1と第2の電極E2とを含むが、タッチ・パッドは、2つよりも多い又は少ない電極を含むことも可能である。制御回路24を個別電子部品を用いて作製することも可能であるが、ICチップ26のような集積回路チップの中に制御回路を具体化することが望ましい。
FIG. 1 is a perspective view of one preferred embodiment of a
制御回路24は、ICチップ26の端子PIN1−PIN8を介して第1および第2の抵抗R1およびR2、第1および第2の電極E1およびE2、そして遠隔装置(図示されていない)からの制御および/又は電力信号を供給するように構成された入力ライン30に接続され、それらと交信する。制御回路24は、また第1の出力ライン32を使用して遠隔装置(図示されていない)と交信する。いくつかの実施の形態では、遠隔装置(図示されていない)との交信のために第2の出力ライン34も使用される。
The
図2は、本発明の典型的なタッチ・スイッチ20の部分的断面図であり、タッチ・スイッチ装置20を含む部品が前面36と対向する裏面37とを有する誘電体基板35上に搭載される。図示された実施の形態で、第1および第2の電極E1およびE2は、基板35の裏面37に搭載されている。ICチップ26もまた、基板35の裏面37に、第1および第2の電極E1およびE2に接近して搭載されている。図1および2から分かるように、好適な実施の形態で、制御回路24を含むICチップ26がタッチ・パッド22に接近して搭載されていることが想定されている。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of an
基板35は、典型的には、ガラス、プラスティック、セラミック又は任意の適当な誘電材料のような比較的丈夫な誘電材料を含んでいる。しかし、基板35は、柔軟材料を含む他の任意の誘電材料を含むこともできる。適当な柔軟な基板の一例は、Consolidated GraphicsのNo.HS−500、タイプ561、レベル2の0.127mm(0.005インチ)厚のポリエステル材料である。タッチ・スイッチ装置の部品が柔軟な基板上に搭載された実施の形態では、柔軟な担体を後で一般により丈夫な別の基板に張り合わされることがしばしば行われる。
The
好適な実施の形態で、基板35は、約3mmの均一な厚さを有するガラスを含む。他の実施の形態では、基板35の厚さは、使用される材料の種類、それの機械的および電気的特性および特定の応用で要求される物理的強度および電気的感度に依存して変化する。ガラスおよびプラスティック基板についての最大の機能的厚さは、数cm(数インチ)のオーダである。しかし、最も実用的な応用では、ガラス基板の厚さは、約1.1mmから約5mmの範囲にあり、他方、プラスティック基板は、もっと薄い。
In a preferred embodiment, the
好適な実施の形態では、図1および2に示すように、第2の電極E2が第1の電極E1を本質的に取り囲む。第1の電極E1と第2の電極E2との間に間隔28が設けられる。第1の電極E1の大きさは、ユーザが基板35の前面36の対応する部分に接するときに、ユーザの指先又は他の人間の部位によって「覆われる」サイズとされる。1つの好適な実施の形態で、第1の電極E1は、矩形であり、第2の電極E2は、第1の電極E1の形状に相似的でその周囲を囲む矩形パターンとされる。
In a preferred embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the second electrode E2 essentially surrounds the first electrode E1. A
図1および2に示されたタッチ・パッドの形状は、第1および第2の電極E1およびE2の好適な配置を表しているが、この電極形状は、幅広い多様な応用に応えるように拡張的に変形することができることが理解される。例えば、電極のサイズ、形状および配置は、タッチ・スイッチ20を駆動するために想定される部位又はその他の刺激の大きさに合わせて変化させることができる。例えば、特殊な応用では、タッチ・スイッチ20を刺激又は駆動するのに指でなくて手が要求されるかもしれない。そのような応用では、第1および第2の電極E1およびE2は、ずっと大きく間隔も大きい。
The shape of the touch pad shown in FIGS. 1 and 2 represents a preferred arrangement of the first and second electrodes E1 and E2, but this electrode shape is extensible to meet a wide variety of applications. It can be understood that it can be deformed. For example, the size, shape, and placement of the electrodes can be varied to accommodate the size of the site or other stimulus envisioned for driving the
第1の電極E1は、長方形、台形、円形、楕円形、三角形、六角形および八角形を含む複数の任意の幾何学的形状を取ることができるが、これらに限定されることもない。第1の電極E1の形状の如何に関わらず、第2の電極E2は、間隔を置いて第1の電極E1を少なくとも部分的に取り囲むように構成される。しかし、発明の利益を得るために、第2の電極E1は、部分的でさえも第1の電極を取り囲む必要がない。例えば、第1および第2の電極E1およびE2を図3に示すように互いに隣接させることもできる。代替的実施の形態では、第2の電極E2が省略される。 The first electrode E1 can take a plurality of arbitrary geometric shapes including, but not limited to, rectangular, trapezoidal, circular, elliptical, triangular, hexagonal and octagonal. Regardless of the shape of the first electrode E1, the second electrode E2 is configured to at least partially surround the first electrode E1 at an interval. However, in order to obtain the benefits of the invention, the second electrode E1 need not even partially surround the first electrode. For example, the first and second electrodes E1 and E2 can be adjacent to each other as shown in FIG. In an alternative embodiment, the second electrode E2 is omitted.
更に、電極形状は、必ずしも同一平面になくてもよく、球体、立方体、又はその他の幾何学的形状に適合する三次元的形状であってよい。この設計の柔軟性は、多様な形状および成分の基板でもって発明を多様な応用で使用できるようにする。いくつかの応用では、タッチ・パッド22および制御回路24がその上又は内部に位置するタッチ基板35に実際に触れなくてもよい。例えば、図8は、タッチ・スイッチ装置20を示しているが、そこで、第1および第2の電極E1およびE2がサーモペイン・ウインドウ110の第1の枠111の外側表面113上に搭載されており、それは、ユーザがウインドウの反対側の枠112の外側表面114近くに適当な刺激115をもたらすことによって駆動できる。
Further, the electrode shapes need not be coplanar, but may be spheres, cubes, or three-dimensional shapes that conform to other geometric shapes. This design flexibility allows the invention to be used in a variety of applications with substrates of various shapes and components. In some applications, the
上で述べたように、第1および第2の電極E1およびE2が同一面にある必要もなくて、それらを基板の両側又は両面、あるいは、一緒に異なる基板上に搭載することもできる。例えば、図9は、第1の電極E1が基板35の第1の表面36の上に、また第2の電極E2およびICチップ26が基板35の第2の、反対側の表面37上にそれぞれ搭載されたタッチ・スイッチ装置20を示している。第1および第2の電極E1およびE2が1つの基板の同じ側に搭載された応用では、ICチップ26を基板の電極と同じ側又は基板の別の側に搭載できる。第1および第2の電極が1つの基板の異なる表面に搭載されるか、あるいは、一緒に異なる基板に搭載される場合、ICチップ26は、電極のいずれかと同じ表面上、又は一緒に異なる表面又は基板上に搭載することができる。しかし、ICチップ26は、電極に接近して搭載することが望ましい。
As mentioned above, the first and second electrodes E1 and E2 do not have to be on the same plane, and they can be mounted on both sides or both sides of the substrate, or together on different substrates. For example, FIG. 9 shows that the first electrode E1 is on the
第1の電極E1は、固体の導体であることが望ましい。しかし、第1の電極E1は、複数の開口部を有するか、あるいは、メッシュ又はグリッド・パターンを有することができる。いくつかの実施の形態で、第2の電極E2は、第1の電極E1を部分的に取り囲む狭いリボン状の形状を有する。第1および第2の電極E1およびE2が単に互いに隣接するだけの他の実施の形態では、第2の電極E2も固体の導体であるか、あるいは、メッシュ又はグリッド・パターンを有する。 The first electrode E1 is preferably a solid conductor. However, the first electrode E1 may have a plurality of openings or may have a mesh or grid pattern. In some embodiments, the second electrode E2 has a narrow ribbon shape that partially surrounds the first electrode E1. In other embodiments in which the first and second electrodes E1 and E2 are simply adjacent to each other, the second electrode E2 is also a solid conductor or has a mesh or grid pattern.
制御回路24は、多くの異なるやり方で設計することが可能であり、AC、周期的に変動するDC(例えば、矩形波)、連続的なDC又はその他のような多様な電源と一緒に使用できる。図4−7は、多様な動作モードにおいて、多様な電源と一緒に使用するように容易に適応させることができる好適な制御回路デザインを示している。図4の実施の形態は、差動入力のストローブ動作モードで矩形波DC電力を使用する。図5の実施の形態は、差動入力の連続DCモードで連続的なDC電力を使用する。図6の実施の形態は、シングル・エンド入力のストローブ・モードで矩形波DC電力を使用する。そして、図7の実施の形態は、シングル・エンド入力の連続DCモードで連続的なDC電力を使用している。
The
図4−7から明らかなように、制御回路24は、各種の異なる動作モードに容易に適応させることができる。上述の4つのモードについては、本発明によって可能となる設計の柔軟性を実証するために詳しく説明する。しかし、発明は、それらの4つの動作モードに決して限定されないことを認識すべきである。特定の応用に使用される特別な動作モードおよび電源は、主として被制御装置側の要求および仕様に依存する。
As is apparent from FIGS. 4-7, the
図4−7の囲った領域B1およびB2は、それぞれ電極E1およびE2、抵抗R1およびR2、被制御装置(図示されていない)および入力ライン30および出力ライン32のように、ICチップ26上に位置することが想定される部品とICチップ26から外れて位置する部品との間の区別を示している。図4−7の囲った領域B1およびB2以外の部分は、ICチップ26上に位置すると想定され、ここに示した4つの図面および動作モードのすべてについて同一である。囲った領域B6は、制御回路の入力部を含む。囲った領域B6に含まれる入力部の各種構成については、以下に図11A−18Eを参照しながら説明する。
Enclosed regions B1 and B2 in FIGS. 4-7 are on the
図4−7は、起動およびバイアス・セクション40、パルス発生器および論理セクション50、決定回路セクション60および自己保持ラッチ・セクション70を含む制御回路24を示しており、それらの機能については、以下で説明する。上記の回路セクション40、50、60および70の各々は、電子集積回路デザイン分野の当業者に既知のような複数の異なるやり方で設計できる。
FIGS. 4-7 show the
制御回路24は、また第1、第2および第3のトランジスタP1、P2およびP3を含む。ここで説明する実施の形態では、トランジスタP1−P3がP−MOSデバイスであるが、N−MOSデバイス、バイポーラ・デバイス又はその他のトランジスタ・タイプを使用することもできる。制御回路24は、更にインバータI1、第1、第2および第3のダイオードD1−D3、第1および第2のコンデンサC1およびC2、第1、第2、第3および第4のトランジスタ・スイッチSW1−SW4および第3および第4の抵抗R3およびR4を含む。第3および第4の抵抗R3およびR4が電流源又は能動的負荷で置き換えられることが認識される。
図4−7に示された各実施の形態で、第3のトランジスタP3のソース端子77と、起動およびバイアス・セクション40、パルス発生器および論理セクション50、決定回路60および自己保持ラッチ・セクション70のそれぞれの電源入力端子41、51、61および71は、ICチップ26の端子PIN8に電気的に接続される。端子PIN8は、次に制御回路24の電力入力ライン30に電気的に接続され、後者は、次に電源25に電気的に接続される。典型的には、電源25は、被制御装置(図示されていない)の場所に位置する。
In each embodiment shown in FIGS. 4-7, the
起動およびバイアス・セクション40からのバイアス出力端子43は、第2および第4のトランジスタ・スイッチSW2およびSW4のそれぞれゲート端子G2およびG4に電気的に接続される。好適な実施の形態で、図4−7に関してここで説明したように、第1から第4のトランジスタ・スイッチSW1−SW4は、N−MOSデバイスであるが、図11A−18Eに示すように他のタイプのトランジスタおよび組合せも同様に使用できる。
The
起動およびバイアス・セクション40からの電源投入時リセット出力44は、パルス発生器および論理セクション50の電源投入時リセット入力54に電気的に接続される。起動およびバイアス・セクション40からの電源投入時リセット出力44は、また第1および第3のトランジスタ・スイッチSW1およびSW3のゲート端子G1およびG3にも電気的に接続される。
The power-on
起動およびバイアス・セクション40からの内部アース基準出力42は、第1および第2のコンデンサC1およびC2の低電位プレート102および103、第1から第4トランジスタ・スイッチSW1−SW4のソース端子S1、S2、S3およびS4、パルス発生器および論理セクション50の内部アース基準出力52、決定回路60の内部アース基準出力62、第3のダイオードD3のアノード98、第3および第4の抵抗R3およびR4の低電位エンド96および97およびICチップ26の端子PIN6に電気的に接続される。ここに挙げたノードは、これ以降に内部アース基準CHIP VSSとしてしばしば引用することになろう。
The internal
パルス発生器および論理セクション出力50からのパルス出力53は、第1および第2のトランジスタP1およびP2のそれぞれソース端子80および81と、IC26の端子PIN2に電気的に接続される。第1のトランジスタP1のゲート端子82は、IC26の端子PIN1に電気的に接続される。第2のトランジスタP2のゲート端子83は、IC26の端子PIN3に電気的に接続される。
The
第1のトランジスタP1のドレイン端子84は、第1のダイオードD1のアノード90と第3の抵抗R3の高電位エンド94に電気的に接続される。第2のトランジスタP2のドレイン端子85は、第2のダイオードD2のアノード91と第4の抵抗R4の高電位エンド95に電気的に接続される。
The
第1のダイオードD1のカソード92は、決定回路60のPLUS入力端子64と、第1および第2のトランジスタ・スイッチSW1およびSW2のドレイン端子86および87と、第1のコンデンサC1の高電位プレート100に電気的に接続される。第2のダイオードD2のカソード93は、決定回路60のMINUS入力端子66、第3および第4のトランジスタ・スイッチSW3およびSW4のドレイン端子88および89および第2のコンデンサC2の高電位プレート101に電気的に接続される。
The
決定回路60の論理出力63は、インバータI1の入力75と、自己保持ラッチ・セクション70のラッチ・トリガ入力73に電気的に接続される。自己保持ラッチ・セクション70の出力72は、IC26の端子PIN4に電気的に接続される。
The
例示した実施の形態で、決定回路セクション60は、それのPLUSおよびMINUS入力64および66がそれぞれ本質的に等しい電位にあるか、あるいは、MINUS入力66がPLUS入力64よりも本質的に高電位にあるときに、それの出力63が低電位になるように設計される。決定回路セクション60の出力63は、PLUS入力64がMINUS入力66よりも本質的に高電位にあるときだけ高電位になる。
In the illustrated embodiment,
自己保持ラッチ・セクション70は、決定回路セクション60の論理出力63が低電位のときに、ラッチ・セクション70を通って制御回路24の電源25から内部アース基準CHIP VSSへ、そして第3のダイオードD3を通って電流が流れないように設計される。しかし、決定回路60セクションの論理出力63が高電位にあるときは、ラッチ・トリガ入力73は、高電位にあって、ラッチ回路70をトリガし、ラッチ・セクション70を通って制御回路24の電源25から内部アース基準CHIP VSSへ、そして第3のダイオードD3を通って、ラッチ70の電源入力およびそれぞれ出力端子71および72によって電流が流れるようにする。一旦ラッチ70がトリガされると、それは、制御回路24から電力が取り除かれるまでトリガされた状態に留まるか、あるいは、封じ込められる。このように動作するラッチ・セクションの設計および構築は、当業者に既知であり、ここで詳細に説明する必要がない。
The self-holding
インバータI1の出力端子76は、第3のトランジスタP3のゲート端子78に電気的に接続される。第3のトランジスタP3のドレイン端子79は、IC26の端子PIN7に電気的に接続される。
The
第3のダイオードD3は、タッチ・スイッチ装置20が多重化応用で使用されるときに、制御回路24の逆バイアスを阻止するために設けられる。単一のタッチ・パッド22だけが使用される応用、あるいは、多重タッチ・パッド22が使用されていても多重化されていない応用では、それを省くことができる。
A third diode D3 is provided to prevent reverse bias of the
制御回路24の基本設計の上述の説明は、図4−7に示した4つの動作モードの各々について同じである。4つの動作モードの間で全体的な装置構成の区別は、主として、以下で詳細に説明するように、IC26の外部端子接続に存在する。図4は、以下で説明する差動入力ストローブ・モードで動作するように構成されたタッチ・スイッチ装置20を示す。このモードで動作する制御回路24は、一般に図4−7に関連して上で説明したように構成される。IC26の端子PIN2は、第1および第2の抵抗R1およびR2のそれぞれ高電位エンド104および105に電気的に接続される。IC26の端子PIN1は、第1の抵抗R1の低電位エンド106と第1の電極E1の両方に電気的に接続される。IC26の端子PIN3は、第2の抵抗R2の低電位エンド107と第2の電極E2の両方に電気的に接続される。
The above description of the basic design of the
図4−7にC3およびC4として表された回路要素は、個別電気部品ではない。むしろ参照記号C3およびC4は、それぞれ第1および第2の電極E1およびE2のアースとの間の容量を表す。 The circuit elements represented as C3 and C4 in FIGS. 4-7 are not individual electrical components. Rather, the reference symbols C3 and C4 represent the capacitance between ground of the first and second electrodes E1 and E2, respectively.
IC26の端子PIN8は、入力ライン30に電気的に接続される。後者は、次に例えば、被制御装置(図示されていない)における電力信号源25に電気的に接続される。IC26の端子PIN4は、IC26の端子PIN6に電気的に接続されることによって、ラッチ70の出力端子72を第3のダイオードD3のアノード98および内部アース基準CHIP VSSに電気的に接続することになる。ICチップ26の端子PIN7は、この実施の形態では、外部で終端されない。IC26の端子PIN5は、出力ライン32に電気的に接続される。後者は、次に第5の抵抗R5の高電位エンド108と出力ライン120に電気的に接続されて、後者は、直接的又はプロセッサ又はその他の中間装置(図示されていない)を介して被制御装置(図示されていない)に接続される。抵抗R5の低電位エンド109は、システムのアースに電気的に接続される。典型的な応用で、抵抗R5は、タッチ・スイッチ装置20を含む他の部品からかなりの距離を置いて配置される。すなわち、好適な実施の形態で、抵抗R5は、タッチ・パッド22および制御回路24の近傍にあると想定されていない。
The terminal PIN8 of the
図5は、以下で説明するように、差動入力の連続DCモードで動作するように構成された典型的なタッチ・スイッチ制御回路24を示す。制御回路および装置の全体は、上で図4に関して説明したものと同じであるが、異なる箇所が3つある。第1に、図5の実施の形態で、IC26の端子PIN7は、抵抗R5の高電位エンド108と出力ライン120に電気的に接続されて、後者は、直接的又はプロセッサやその他の中間装置(図示されていない)を介して被制御装置(図示されていない)に接続されるが、端子PIN7は、図4の実施の形態では、外部で終端されていない。第2に、図5の実施の形態で、IC26の端子PIN4およびPIN6は、互いに電気的に接続されることもないし、外部で終端されることもないが、図4の実施の形態では、そうなっている。第3に、図5の実施の形態で、IC26の端子PIN5は、抵抗R5の低電位エンド109に電気的に接続されているが、図4の実施の形態では、IC26の端子PIN5は、第5の抵抗の高電位エンド109と被制御装置(図示されていない)に電気的に接続されている。図4の実施の形態のように、第5の抵抗R5は、典型的な場合、タッチ・スイッチ装置20を含む他の部品からかなりの距離を離されている。
FIG. 5 illustrates an exemplary touch
図6は、以下で説明するように、シングル・エンド入力のストローブ・モードで動作するように構成された典型的なタッチ・スイッチ制御回路を示している。制御回路24は、一般に図4−7に関して上で説明したように構成される。IC26の端子PIN2は、それぞれ第1および第2の抵抗R1およびR2の高電位エンド104および105に電気的に接続される。IC26の端子PIN1は、第1の抵抗R1の低電位エンド106と第1の電極E1の両方に電気的に接続される。IC26の端子PIN3は、第2の抵抗R2の低電位エンド107と第6の抵抗電極R6の高電位エンド110の両方に電気的に接続されて、第2の抵抗R2と第6の抵抗R6とで電圧分割器を形成するようになっている。第6の抵抗R6の低電位エンド111は、典型的には、IC26の端子PIN5に近接した地点において内部アース基準CHIP VSSに電気的に接続される。図6で、第6の抵抗R6の内部アース基準CHIP VSSへの電気的接続は、分かり易いように、破線「A−A」によって表されている。
FIG. 6 illustrates an exemplary touch switch control circuit configured to operate in a single-ended input strobe mode, as described below. The
IC26の端子PIN8は、入力ライン30に電気的に接続され、後者は、次に電力信号源25に電気的に接続される。IC26の端子PIN5は、出力ライン32に電気的に接続されて、後者は、次に第5の抵抗R5の高電位エンド108と出力ライン120に電気的に接続される。出力ライン120は、直接的又はプロセッサやその他の中間装置を介して被制御装置(図示されていない)に電気的に接続される。IC26の端子PIN4は、IC26の端子PIN6に電気的に接続される。IC26の端子PIN7は、この実施の形態では、外部で終端されない。典型的な応用で、第5の抵抗R5は、タッチ・スイッチ装置20を含む他の部品からかなりの距離を離される。
The terminal PIN8 of the
図7は、以下で説明するように、シングル・エンド入力の連続DCモードで動作するように構成された典型的なタッチ・スイッチ制御回路を示す。制御回路24は、一般に図4−7に関連して上で説明したように構成される。制御回路および装置の全体は、図6に関して上で説明したのと同じであるが、異なる点が3つある。第1に、図7の実施の形態で、IC26の端子PIN7は、第5の抵抗R5の高電位エンド108と出力ライン120に電気的に接続され、後者は、次に典型的には、プロセッサやその他のコントローラ(図示されていない)を介して被制御装置(図示されていない)に接続される。IC26の端子PIN7は、図6の実施の形態では、外部で終端されていない。第2に、図7の実施の形態では、IC26の端子PIN4およびPIN6は、互いに電気的に接続されることもないし、外部で終端されることもないが、図6の実施の形態では、そうなっている。第3に、図7の実施の形態で、IC26の端子PIN5は、抵抗R5の低電位エンド109に電気的に接続されているが、図6の実施の形態では、IC26の端子PIN5は、第5の抵抗の高電位エンド108と、出力ライン120に電気的に接続されている。典型的な応用で、第5の抵抗R5は、タッチ・スイッチ装置20を含む他の部品からかなりの距離を離されている。図7で、第6の抵抗R6の内部アース基準CHIP VSSへの電気的接続を分かり易くするために、破線「A−A」で表している。
FIG. 7 illustrates an exemplary touch switch control circuit configured to operate in a single-ended input continuous DC mode, as described below. The
差動入力のストローブ・モードで動作するように構成されたタッチ・スイッチ装置20は、次のように動作する。図4を参照すると、電力/制御信号25がIC26の端子PIN8に供給され、次に起動およびバイアス・セクション40、パルス発生器および論理セクション50、決定回路セクション60および自己保持ラッチ・セクション70のそれぞれ電源入力端子41、51、61および71に電気的に接続される。
The
電源投入され、安定化のための適当な遅延時間(約25マイクロ秒あれば十分であるが、応用に依存してそれよりも短かったり長かったりする)の後、起動およびバイアス・セクション40は、出力端子44から第1のトランジスタ・スイッチSW1および第3のトランジスタ・スイッチSW3のゲート端子G1およびG3にそれぞれ短いパルス長の電源投入リセット信号を出力して、第1および第3のトランジスタ・スイッチSW1およびSW3をターン・オンさせ、そうすることによって第1および第2のコンデンサC1およびC2のそれぞれ高電位プレート100および101から内部アース基準CHIP VSSへの電流経路を提供する。電源投入リセット信号の時間長は、第1および第2のコンデンサC1およびC2上に存在するすべての電荷が本質的に完全に内部アース基準CHIP VSSに放電するのに十分な長さである。このようにして、決定回路セクション60へのPLUSおよびMINUS入力64および66は、初期の低電位状態に戻る。
After power-up and a suitable delay time for stabilization (approximately 25 microseconds is sufficient, but may be shorter or longer depending on the application), the start-up and
本質的に同時に、起動およびバイアス回路40は、出力44からパルス発生器および論理セクション50の入力54に電源投入時リセット信号を送ってそれを初期化する。パルス発生器および論理セクション50が安定するための適当な遅延の後、パルス発生器および論理セクション50は、パルスを発生させて、それをパルス出力端子53から、第1および第2の抵抗R1およびR2を介して第1および第2の電極E1およびE2に出力し、また第1および第2のトランジスタP1およびP2のソース端子80および81にもそれぞれ出力する。パルスは、矩形波パルスのような任意の適当な波形でよい。
Essentially simultaneously, start-up and
起動およびバイアス回路40は、またバイアス出力43から第2および第4のトランジスタ・スイッチSW2およびSW4のゲート端子G2およびG4にそれぞれバイアス電圧を出力する。バイアス電圧は、第1および第2の電極に対するパルス出力と位相が異なる。すなわち、パルス出力が高い状態にあるとき、バイアス電圧出力は、低い状態にあり、また、パルス出力が低い状態にあるとき、バイアス電圧出力は、高い状態にある。
The start-up and
第1および第2の抵抗R1およびR2を介してそれぞれ第1および第2の電極E1およびE2にパルスが供給されるとき、第1および第2のトランジスタP1およびP2のゲート端子82および83における電圧は、初期には、第1および第2のトランジスタP1およびP2のそれぞれソース端子80および81における電圧よりも低いため、第1および第2のトランジスタP1およびP2をターン・オンするようにバイアスする。第1および第2のトランジスタP1およびP2がターン・オンすると、第3および第4の抵抗R3およびR4を通って電流が流れて、第1および第2のダイオードD1およびD2のアノード端子90および91にピーク電位を生ずる。
The voltages at the
第1および第2のダイオードD1およびD2のアノード端子90および91におけるピーク電位が第1および第2のコンデンサC1およびC2の両端の電位よりも高いとき、第1および第2のダイオードD1およびD2を通るピーク電流が発生して第1および第2のコンデンサC1およびC2を充電し、決定回路セクション60へのPLUSおよびMINUS入力64および66の各々においてピーク電位を発生させる。この状況は、例えば制御回路24が初期化された後の第1のパルスに続いて発生する。それは、上で説明したように、第1および第2のコンデンサC1およびC2が電源投入とともに充電されているからである。
When the peak potential at the
当業者に明らかなように、第1および第2のトランジスタP1およびP2のバイアス、第3および第4の抵抗R3およびR4を流れる電流、第1および第2のダイオードD1およびD2のアノード90および91に現れるピーク電位および決定回路60へのPLUSおよびMINUS入力64および66の各々に発生するピーク電位は、第1および第2の電極E1およびE2おける電界の状態に比例する。電極E1およびE2近傍の電界の状態は、電極近傍に存在する刺激に応じて変化する。
As will be apparent to those skilled in the art, the bias of the first and second transistors P1 and P2, the current flowing through the third and fourth resistors R3 and R4, the
上で説明したように、制御回路24が駆動されて、第1および第2の電極E1およびE2のいずれの近傍にも刺激が存在しないときは、決定回路60へのPLUSおよびMINUS入力64および66の各々における電位は、中性(ニュートラル)状態と呼ばれるものとなる。中立状態では、PLUSおよびMINUS入力64および66の各々における電位は、本質的に等しい。しかし、意図しない駆動を防止するために、MINUS入力66の中立状態がPLUS入力64の中立状態よりも幾分高電位になるように制御回路24を調節しておくことが好ましい。この調節は、望ましい中立状態の電位を実現するように、第1および第2の電極E1およびE2の構成および第1および第2の抵抗R1およびR2の値を変更することによって実行される。中立状態の電位に関わらず、決定回路60の出力63は、PLUS入力64が本質的によりも高電位になるまで低電位に留まることが想定されている。
As explained above, when the
決定回路60の出力63が低電位にあると、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78の電位を高レベル、本質的にソース端子77の電位に等しくさせる。この状態で、第3のトランジスタP3は、バイアスされておらず、ターン・オフの状態に留まる。しかし、この実施の形態では、IC26の端子PIN7は、終端されない。第3のトランジスタP3のドレイン端子79は、従って、回路開放状態となり、第3のトランジスタP3の状態は、装置の機能に何ら影響しない。更に、決定回路60の出力63、従ってラッチ・トリガ入力73が低い状態にあり、自己保持ラッチ回路70がトリガされなければ、電源25からラッチ70を通って内部アース基準CHIP VSSに流れ、また第3のダイオードD3を流れる電流は、生じない。
When the
パルス電圧によって決まる期間中、第1および第2の抵抗R1およびR2の値および第1および第2の電極E1およびE2のアースに対する容量(図面では、仮想コンデンサC3およびC4と表されている)、第1および第2の電極E1およびE2の電位は、最終的には、本質的にパルス電圧、すなわち第1および第2のトランジスタP1およびP2のソース端子80および81における電圧に等しくなるまで上昇し、それによって第1および第2のトランジスタP1およびP2は無バイアスとなる。この状態に達すると、第1および第2のトランジスタP1およびP2は、ターン・オフし、第1および第2のダイオードD1およびD2のアノード90および91における電位は、本質的に等しい速度で内部アース基準CHIP VSSレベルに向かって減少し始める。最終的に、第1および第2のダイオードD1およびD2の各々のアノード電位は、対応するカソード電位よりも低いレベルに低下する。この時点で、ダイオードD1およびD2は、逆バイアス状態となり、第1および第2のコンデンサC1およびC2の放電を阻止する。
During the period determined by the pulse voltage, the values of the first and second resistors R1 and R2 and the capacitance of the first and second electrodes E1 and E2 to ground (represented in the drawing as virtual capacitors C3 and C4), The potential of the first and second electrodes E1 and E2 eventually rises until essentially equal to the pulse voltage, ie the voltage at the
出力53のパルスが低い状態に変化すると、バイアス電圧出力は、内部アース基準CHIP VSSと比べて高い状態に変化し、上昇したバイアス電圧が第2および第4のトランジスタ・スイッチSW2およびSW4のゲート端子G2およびG4に供給される。この状態で、第2および第4のトランジスタ・スイッチSW2およびSW4は、わずかにバイアスされて、第1および第2のコンデンサC1およびC2を内部アース基準CHIP VSSにゆっくりと制御された形で放電するのに十分なだけターン・オンする。次にパルスが高い状態に変化するとき、バイアス電圧は、低い状態に戻り、第2および第4のトランジスタ・スイッチSW2およびSW4は、ターン・オフし、回路は、最初に説明したように応答する。
When the
パルス発生器および論理セクション50からのパルスが高電位に変化するときに、第2の電極の場所又はその近傍に刺激が存在する場合は、第1のトランジスタP1は、上で説明したように動作する。すなわち、第1のトランジスタP1は、初期には、バイアスされていていくらかの電流が第3の抵抗R3を流れることを許容し、第1のダイオードD1のアノード90にピーク電位を発生させ、第1のダイオードD1を流れるピーク電流を許容し、それによって第1のコンデンサC1を充電させ、決定回路60へのPLUS入力64にピーク電位を発生させる。入力するパルスに応答して一旦第1の電極E1の電圧が確立されると、第1のトランジスタP1は、無バイアスとなってターン・オフする。
When the pulse from the pulse generator and
第2の電極E2近傍に刺激が存在することによってその回路セグメントのRC時定数が変化して、第2の電極E2の電位が安定化するのに必要な時間が長くなることを除いて、第2のトランジスタP2もほぼ同様に動作する。この結果、第2のトランジスタP2は、第1のトランジスタP1よりも長時間オン状態にバイアスされたままに留まり、第4の抵抗R4を流れるピーク電流は、第3の抵抗R3を流れるものよりも大きくなって、第2のダイオードD2のアノード91に、第1のダイオードD1のアノード90に存在するピーク電位よりも大きいピーク電位を発生させる。従って、第2のダイオードD2を通ってピーク電流が流れ、第2のコンデンサC2を充電し、最終的には、決定回路へのPLUS入力64におけるピーク電位よりも大きいピーク電位を決定回路60へのMINUS入力66に生じさせる。決定回路60は、MINUS入力66における電位がPLUS入力64における電位よりも大きいか又は本質的に等しい場合に、それの出力が低電位になるように構成されているので、決定回路60の出力端子63は、低電位になる。
Except that the presence of a stimulus in the vicinity of the second electrode E2 changes the RC time constant of the circuit segment, and the time required for the potential of the second electrode E2 to stabilize becomes longer. The second transistor P2 operates in substantially the same manner. As a result, the second transistor P2 remains biased on for a longer time than the first transistor P1, and the peak current flowing through the fourth resistor R4 is greater than that flowing through the third resistor R3. A larger peak potential is generated at the
決定回路60の出力端子63、およびその結果としてラッチ・トリガ入力端子73が低電位にあれば、自己保持ラッチ70は、トリガされない。インバータI1および第3のトランジスタP3は、以前に説明したように動作するが、ここでも第3のトランジスタP3の状態は、この構成で重要でない。
If the
汚染物質や外来物体、又は他の刺激が第1および第2の電極E1およびE2の両方を本質的に覆うかそれらに付着した場合、システムは、第1の電極にも第2の電極にも刺激が存在しない場合と同じように応答する。しかし、汚染物質や外来物体が電極E1およびE2の両方の近傍に存在するときには、回路のそれらセグメントに関するRC時定数が変化して、第1および第2の電極E1およびE2両方の電圧がパルス電圧と本質的に等化するのに要する時間が長くなる。従って、第1および第2のトランジスタP1およびP2は、両方ともターン・オンし、第1および第2の電極E1のどちらも刺激を受けない場合と比べてより大きい電流が第3および第4の抵抗R3およびR4を通って流れるようになる。しかし、第1および第2のトランジスタP1およびP2は、本質的に等しくバイアスされる。従って、第1および第2のダイオードD1およびD2の両方のアノード90および91に本質的に等しいピーク電位が生じて、第1および第2のダイオードD1およびD2を通って本質的に等しいピーク電流が流れるようにし、第1および第2のコンデンサC1およびC2を充電させ、決定回路60へのPLUSおよびMINUS入力64および66の両方に本質的に等しいピーク電位を確立させる。この状態で、決定回路セクション60の出力端子63は、低電位にあり、自己保持ラッチ70のラッチ・トリガ入力端子73は、低電位にあり、ラッチ70は、トリガされないままに留まる。前に述べたように、インバータI1および第3のトランジスタP3の状態は、この実施の形態で重要でない。
If contaminants or extraneous objects or other stimuli essentially cover or adhere to both the first and second electrodes E1 and E2, the system will not be both the first electrode and the second electrode. Respond as if no stimulus was present. However, when contaminants or extraneous objects are present in the vicinity of both electrodes E1 and E2, the RC time constant for those segments of the circuit changes, and the voltage on both the first and second electrodes E1 and E2 becomes a pulse voltage. The time required for the equalization becomes longer. Thus, both the first and second transistors P1 and P2 are turned on, and the third and fourth currents are greater than when neither the first nor second electrode E1 is stimulated. Flows through resistors R3 and R4. However, the first and second transistors P1 and P2 are essentially biased equally. Thus, essentially equal peak potentials occur at the
第1の電極E1の近傍に刺激が与えられるが、第2の電極には、与えられない情況では、第2のトランジスタP2は、初期には、バイアスされてターン・オンし、第4の抵抗R4を通る電流を流し、第2のダイオードD2のアノード端子90にピーク電位を発生させる。第2のダイオードD2を通ってピーク電流が流れ、第2のコンデンサC2を充電し、決定回路セクション60のMINUS入力66にピーク電位を確立する。第2のトランジスタP2のゲート端子81における電圧がパルス電圧のレベルに向かって上昇するとともに、第2のトランジスタP2は、無バイアスとなってターン・オフする。第2のD2は、次に逆バイアスされて、第2のコンデンサC2が放電するのを阻止する。
In a situation where stimulation is applied in the vicinity of the first electrode E1, but not applied to the second electrode, the second transistor P2 is initially biased to turn on and turn on the fourth resistor. A current is passed through R4 to generate a peak potential at the
当業者に明らかなように、第1の電極E1近傍に刺激が存在することは、第1の電極E1の電位が安定化するために要する時間を引き延ばすことになる。この結果、第1のトランジスタP1は、第2のトランジスタP2よりも長時間バイアス状態に留まり、第4の抵抗R4を流れるものよりも大きいピーク電流を第3の抵抗R3を通って流し、第2のダイオードD2のアノード91における電位よりも大きいピーク電位を第1のダイオードD1のアノード90に発生させる。従って、第2のダイオードD2を流れるものよりも大きな振幅および/又は時間長のピーク電流が第1のダイオードD1を通って流れ、第1のコンデンサC1を充電し、最終的には、決定回路60へのMINUS入力66のピーク電位よりも本質的に大きいピーク電位を決定回路60へのPLUS入力64に生ずる。決定回路60は、PLUS入力64における電位がMINUS入力66における電位よりも高い状態に出力端子63があるように構成されるので、決定回路60の出力63は、高電位になる。
As will be apparent to those skilled in the art, the presence of stimulation in the vicinity of the first electrode E1 extends the time required for the potential of the first electrode E1 to stabilize. As a result, the first transistor P1 stays biased for a longer time than the second transistor P2, flows a peak current larger than that flowing through the fourth resistor R4 through the third resistor R3, A peak potential higher than the potential at the
決定回路60の出力63が高電位にあれば、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78における電位をソース端子77における電位と比べて低くし、それによって第3のトランジスタP3をバイアスし、それをターン・オンさせる。しかし、IC26の端子PIN7は、この実施の形態で終端されないので、第3のトランジスタP3の状態は、重要でない。
If the
決定回路60の出力端子63が高電位にあると、自己保持ラッチ回路70のトリガ入力端子73もまた高電位となり、ラッチ70をトリガする。自己保持ラッチ70がトリガされると、電源25から内部アース基準CHIP VSSまで、そして第3のダイオードD3を通って電流経路が確立され、起動およびバイアス・セクション40、パルス発生器および論理セクション50および決定回路セクション60を含む制御回路24の残りを等価的に短絡させる。この状態で、制御回路24のそれらのセクションは、本質的に電力を絶たれ、機能を停止する。
When the
一旦トリガされると、自己保持ラッチ70は、それ以降に電極E1およびE2のいずれか一方又は両方にどのように刺激が接近するかに関わらず、トリガされた状態に留まる。ラッチ70は、この例の電源25からの矩形波ストローブ信号がゼロに低下するときのように、電源25からの電力がゼロ状態近くに低下するとリセットされる。
Once triggered, the self-holding
自己保持ラッチ70がトリガ状態にある間、定常状態信号が第5の抵抗R5を通して供給され、被制御装置(図示されていない)に戻される。このように、タッチ・スイッチ装置20は、接触を保持する機械式スイッチに関連する状態の変化をエミュレートできる。
While the self-holding
ここで図5を参照すると、差動入力の連続DCモード用に構成されたタッチ・スイッチ装置20は、次のように動作する。決定回路60までを含む制御回路24は、図4を参照しながら上で説明したように、差動入力ストローブ動作モード用に構成されたときと本質的に同じように動作する。すなわち、第1および第2の電極E1およびE2のいずれにも近接した刺激が存在しないとき、電極E1およびE2の両方に近接した刺激が存在するとき、あるいは、第2の電極E2の近傍に刺激が存在するが、第1の電極E1の近傍に存在しないとき、決定回路60の出力63は、低電位になる。刺激が第1の電極E1の近傍に存在して、第2の電極E2の近傍に存在しないとき、決定回路60の出力63は、高レベルになる。
Referring now to FIG. 5, the
図5から容易に分かるように、自己保持ラッチ回路70の出力72は、この実施の形態では、終端されず、従って、自己保持ラッチ70は、差動入力のDCモードでは、動作しない。しかし、第3のトランジスタP3のドレイン端子79は、内部アース基準CHIP VSSと、この実施の形態では、出力ライン32に電気的に接続されて、従って、それは、制御回路24の主要部となる。決定回路60の出力63が低電位にあるとき、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78の電位を高電位とし、従って、電位ソース端子77と本質的に等しくする。この状態で、第3のトランジスタP3は、無バイアスとなって、ターン・オンしない。決定回路60の出力63が高電位のとき、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78の電位をポテンシャル・ソース端子77と比べて低い電位とする。この状態で、第3のトランジスタP3は、バイアスされてターン・オンし、第3のトランジスタP3および第5の抵抗R5を通る電流を流す。出力ラインの抵抗R5は、第3のトランジスタP3を通る電流を制限して、制御回路24の残りが短絡されないで動作状態に留まるようにする。
As can be readily seen from FIG. 5, the
図5に示されたDCモードで、制御回路24は、また第1の電極E1の近傍から刺激が除去されることにも応答する。刺激が第1の電極E1の近傍に留まり、第2の電極E2の近傍にない限り、パルスが高い状態になるたびに、第1のダイオードD1のアノード90には、第2のダイオードD2のアノード91のピーク電位よりも高いピーク電位を生じさせる。従って、決定回路60へのPLUS入力64におけるピーク電位は、MINUS入力66におけるピーク電位よりも高レベルとなって、制御回路24は、上で述べたように振舞う。しかし、刺激が除去されて、第1の電極E1および第2の電極E2のいずれの近傍にも刺激が存在しないとき、第1のコンデンサC1上の電荷は、第2のトランジスタ・スイッチSW2のバイアス機能のおかげで最終的に中立状態に放電する。この時点で、決定回路60のPLUS入力64における電位は、MINUS入力66における電位よりも高くなく、また本質的にも高くないため、決定回路60の出力63は、低い状態に戻る。
In the DC mode shown in FIG. 5, the
このように、差動入力のDCモードで動作するタッチ・スイッチ装置20は、瞬間的に接触するタイプの押して閉じ、解放して開く機械式スイッチをエミュレートする。軽微な修正を施せば、押して開き、解放して閉じる機械式スイッチをエミュレートするように制御回路を構成できることが理解される。
Thus, the
ここで図6を参照すると、シングル・エンド入力のストローブ動作モード用に構成されたタッチ・スイッチ装置20は、次のように動作する。第1の電極E1と第1および第2の抵抗R1およびR2にパルスが印加されるとき、第2の抵抗R2および第6の抵抗R6を通って電流が流れる。第2および第6の抵抗R2およびR6は、電圧分割器として構成されている。すなわち、パルス出力が高い状態にあるとき、第2のトランジスタP2のゲート端子83は、第2のトランジスタP2のソース端子81よりも低い電位になる。従って、パルス出力53が高い状態のとき、第2のトランジスタP2は、連続的にバイアスされて、第4の抵抗R4を流れる一定の電流を供給して、第2のダイオードD2のアノード91に基準電位を発生させる。第2のダイオードD2のアノード91における基準電位は、第2のダイオードD2を流れる電流を確立させて、第2のコンデンサC2を充電させ、決定回路60へのMINUS入力66に基準電位を生成する。MINUS入力66の基準電位が第2のダイオードD2のアノード91における基準電位と本質的に等しくなると、第2のダイオードD2を流れる電流は、停止する。
Referring now to FIG. 6, the
同時に、第1の電極E1に刺激が存在しないとき、第1のトランジスタP1のソース端子80と第1の電極E1に供給されるパルスは、初期には、第1のトランジスタP1をバイアスしてターン・オンさせる。こうして第3の抵抗R3を通る電流が確立されて、第1のダイオードD1のアノード90にピーク電位が生成される。ピーク電位は、第1のダイオードD1を通るピーク電流を確立させて、第1のコンデンサC1を充電させ、決定回路のPLUS入力64にピーク電位を生成する。抵抗R1、R2、R3、R4およびR6は、第1の電極E1の近傍に刺激が存在しないときに、決定回路60のMINUS入力66における基準電位が決定回路60のPLUS端子64におけるピーク電位に等しいかそれよりも大きくなるように選ばれる。
At the same time, when there is no stimulus on the first electrode E1, the pulse supplied to the
この状態で、決定回路60の出力63は、低電位となって自己保持ラッチ70は、トリガされない。更に、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78の電位を高い状態、ソース端子77の電位と本質的に等しくすることによって、第3のトランジスタP3は、無バイアス状態となりターン・オフのままに留まる。しかし、この実施の形態で、第3のトランジスタP3のドレイン端子79は、回路開放状態になっているので、このことは、重要でない。
In this state, the
この実施の形態は、第2の電極を必要としないが、2電極式のタッチ・パッドをこのモードでの使用に適応させることもできる。この動作モードで使用するように2電極式のタッチ・パッドを適応させた場合、第2の電極近傍に刺激が存在するか否かは、回路の動作に影響しない。 This embodiment does not require a second electrode, but a two-electrode touch pad can also be adapted for use in this mode. When a two-electrode touch pad is adapted for use in this mode of operation, the presence or absence of a stimulus in the vicinity of the second electrode does not affect the operation of the circuit.
第1の電極E1の近傍に刺激が存在する場合、第2のトランジスタP2の動作は、この実施の形態に関して上で説明したのと同じようになる。しかし、第1の電極E1の近傍に刺激が存在すれば、第1のトランジスタP1のゲート端子82における電圧が第1のトランジスタにおけるソース端子80の電位と等しくなるために、より長時間が必要となる。従って、第1のトランジスタP1がターン・オンし、第2のトランジスタP2が第4の抵抗R4を通って流した電流と比べてより大きい電流が第3の抵抗R3を通って流れることを許容する。この結果、第1のダイオードD1のアノード90におけるピーク電位は、第2のダイオードD2のアノード91における基準電位よりも大きくなる。その結果、決定回路60のPLUS入力64のピーク電位は、決定回路60のMINUS入力66の基準電位よりも大きくなり、決定回路60からの出力63は、それに従って、高い状態となる。決定回路60の出力63が高い状態で、インバータI1は、第3のトランジスタP3のゲート端子78の電位を低い状態にして、トランジスタP3をターン・オンさせる。しかし、第3のトランジスタP3のドレイン端子79が等価的に終端されないので、このことは、重要でない。
When a stimulus is present in the vicinity of the first electrode E1, the operation of the second transistor P2 is the same as described above with respect to this embodiment. However, if there is a stimulus in the vicinity of the first electrode E1, the voltage at the
決定回路60の出力63が高い状態で、ラッチ・トリガ入力73は、高い状態となり、自己保持ラッチ70がトリガされて電源25からラッチ・セクション70を通って内部アース基準CHIP VSSへ、そして第3のダイオードD3を通る電流経路を確立し、それによって制御回路24の残りを実効的に短絡する。自己保持ラッチ70は、ラッチ入力端子71への電力が取り除かれるまで、この状態に留まる。このようにラッチ70がリセットされるまで、連続的なデジタル制御信号が被制御装置(図示されていない)に出力される。このように、タッチ・スイッチ装置20は、機械式スイッチに関連する状態変化をエミュレートできる。
With the
ここで図7を参照すると、シングル・エンド入力の連続DCモードで動作するように構成されたタッチ・スイッチ装置20は、次のように動作する。制御回路24の動作および機能は、図6を参照しながら上で説明したシングル・エンド入力のストローブ・モードの場合と本質的に同じである。しかし、シングル・エンド入力のDCモードでは、自己保持ラッチ出力72が回路開放されており、従って、自己保持ラッチ70は、動作しない。
Referring now to FIG. 7, the
第1の電極E1に刺激が与えられないとき、決定回路60の出力63は、低電位になる。従って、第3のトランジスタP3のゲート端子78へのインバータI1の出力76は、高電位となる。第3のトランジスタP3のゲート端子78が、ソース端子77における電位と同様に高電位だと、第3のトランジスタP3は、無バイアス状態になってターン・オンしないため、第3のトランジスタP3又は第5の抵抗R5を通って電流が流れない。
When no stimulus is applied to the first electrode E1, the
第1の電極E1の近傍に刺激が存在する場合、決定回路60の出力63、従ってインバータI1への入力75は、高い状態となる。インバータI1は、高レベル入力を低レベル出力に変化させて、出力76を第3のトランジスタP3のゲート端子78電位に供給する。ゲート端子78がソース端子77と比べて低電位にある場合、第3のトランジスタは、バイアスされて、それは、ターン・オンし、第3のトランジスタP3および第5の抵抗R5を通って電流が流れる。これは、第5の抵抗R5のアノード108における電位を持ち上げて、それは、出力ライン120を経て被制御装置(図示されていない)への入力として使用される。
When a stimulus is present in the vicinity of the first electrode E1, the
図7の連続DCモードで、制御回路は、第1の電極E1近傍から刺激が除去されることに応答する。刺激が第1の電極E1の近傍に留まる限り、パルスが高い状態になるたびに、第1のダイオードD1のアノード90には、第2のダイオードD2のアノード91の基準電位よりも高いピーク電位が発生する。従って、決定回路60へのPLUS入力64におけるピーク電位は、MINUS入力66における基準電位よりも高レベルとなって、制御回路24は、上で述べたように振舞う。第1の電極E1から刺激が除去されると、第1のコンデンサC1の電荷は、第2のトランジスタ・スイッチSW2のバイアス機能のおかげで最終的に中立状態にまで放電する。この時点で、決定回路60のPLUS入力64におけるピーク電位は、最早MINUS入力66の基準電位より高くなく、あるいは本質的にも高くなく、決定回路60の出力63は、低い状態に戻る。
In the continuous DC mode of FIG. 7, the control circuit responds to the removal of the stimulus from the vicinity of the first electrode E1. As long as the stimulus remains in the vicinity of the first electrode E1, every time the pulse goes high, the
このように、シングル・エンド入力のDCモードで動作するタッチ・スイッチ装置20は、瞬間的に接触するタイプの機械式スイッチをエミュレートする。軽微な修正を施せば、押して開き、解放して閉じる機械式スイッチをエミュレートするように制御回路を構成できることが理解される。
In this way, the
このように、本明細書は、単一のタッチ・スイッチの物理的構造および動作について説明してきた。典型的なタッチ・スイッチへの応用には、しばしば装置を制御するために使用される複数のタッチ・スイッチが含まれる。図10は、9個のタッチ・スイッチ20を含むスイッチ・パネルを示しており、9個のタッチ・スイッチ20が3×3のマトリクス状に配置されている。ボックスB4は、タッチ・パネルの部品を表し、他方、ボックスB5は、被制御装置の部品を表す。任意の複数個のタッチ・スイッチは、理論的には、任意のやり方で配置できるが、ここに示したようなマトリクス状の配置は、容易に多重化でき、被制御装置からの必要な入出力ラインの数を減らせるため望ましい。
Thus, this document has described the physical structure and operation of a single touch switch. Typical touch switch applications include multiple touch switches often used to control a device. FIG. 10 shows a switch panel including nine
図4のボックスB6は、タッチ・スイッチ制御回路の入力部を示しており、それには、能動デバイスP1およびP2、ダイオードD1およびD2、抵抗R3およびR4およびコンデンサC1−C2が含まれる。図11A−18Eは、低インピーダンスのバッファリング、集積回路のサイズおよびコストの低減、入力信号の線形化、浮遊容量のスワンピングおよび損傷を与える電流経路の阻止を提供することを含む本発明の上述した目的のいくつかを達成する能動デバイスおよびピーク検出器回路を含むタッチ・スイッチ制御回路の入力部のその他の構成を示している。図11A−18Eに示された構成は、基本的に回路設計の当業者に理解されるように、図4のボックス領域B6の構成に対応している。具体的には、図11Aの能動デバイスM1およびM2は、例えば、図4の能動デバイスP1およびP2に対応し、図11A−18Eの能動デバイスQ1およびQ2は、図4のダイオードD1およびD2に対応し、図11Aの抵抗R7およびR8は、例えば、図4の抵抗R3およびR4に対応し、更に、図11A−18EのコンデンサC9およびC10は、図4のコンデンサC1およびC2に対応する。更に、電極E1およびE2と抵抗R1およびR2は、図4でも図11A−18Eにそれらが現れるのと同じである。図11A−18Eの中に現れるピンOSCB、I_RNGおよびO_RNGは、図4のピンPIN2、PIN1およびPIN3に対応する。図4のスイッチSW2およびSW4は、例えば、図11Aの能動デバイスM3およびM4に対応する。図11A−18Eの放電信号DSCHGBは、図4の起動およびバイアス回路40からのトレース43上の電流バイアスに対応する。図11A−18EのトレースPOSおよびNEGは、それぞれ図4のトレース64および66に対応する。最後に、図11A−18EのトレースOSCBは、図4のパルス発生器および論理回路50からのトレース53に対応する。このように、図11A−18Eの入力部は、図4−7を参照しながら説明した回路構成と互換性を持つ。
Box B6 of FIG. 4 shows the input of the touch switch control circuit, which includes active devices P1 and P2, diodes D1 and D2, resistors R3 and R4, and capacitors C1-C2. FIGS. 11A-18E above illustrate the present invention including providing low impedance buffering, reducing integrated circuit size and cost, linearizing input signals, stray capacitance swamping and blocking damaging current paths. Figure 7 illustrates another configuration of an input of a touch switch control circuit including an active device and a peak detector circuit that accomplishes some of the objectives described. The configuration shown in FIGS. 11A to 18E basically corresponds to the configuration of the box region B6 in FIG. 4 as understood by those skilled in the art of circuit design. Specifically, active devices M1 and M2 in FIG. 11A correspond to, for example, active devices P1 and P2 in FIG. 4, and active devices Q1 and Q2 in FIGS. 11A-18E correspond to diodes D1 and D2 in FIG. The resistors R7 and R8 in FIG. 11A correspond to, for example, the resistors R3 and R4 in FIG. 4, and the capacitors C9 and C10 in FIGS. 11A-18E correspond to the capacitors C1 and C2 in FIG. Furthermore, electrodes E1 and E2 and resistors R1 and R2 are the same as they appear in FIGS. 11A-18E in FIG. Pins OSCB, I_RNG and O_RNG appearing in FIGS. 11A-18E correspond to pins PIN2, PIN1 and PIN3 of FIG. The switches SW2 and SW4 in FIG. 4 correspond to, for example, the active devices M3 and M4 in FIG. 11A. The discharge signal DSCHGB of FIGS. 11A-18E corresponds to the current bias on
図11Aは、ピンOSCBおよびそれぞれ抵抗R1およびR2を通して発振信号発生器OSCBに電気的に接続された内側電極E1および外側電極E2を示す。図11Aは、更に、電極間容量C6も示す。電気部品を集積化制御回路に電気的に接続したときに固有のボンディング・パッドおよびワイヤリング・ボンドの容量を表す容量C7およびC8も示されている。容量C7およびC8は、当業者に既知であるように、ボンディング・パッド・ワイヤを含まないフリップ・チップおよびその他の応用に含まれるバンプ下の金属配線、再配信トレース等によるその他の容量も表している。 FIG. 11A shows the inner electrode E1 and the outer electrode E2 electrically connected to the oscillation signal generator OSCB through the pin OSCB and resistors R1 and R2, respectively. FIG. 11A also shows an interelectrode capacitance C6. Capacitances C7 and C8 are also shown which represent the intrinsic bond pad and wiring bond capacities when the electrical components are electrically connected to the integrated control circuit. Capacitors C7 and C8 also represent other capacities due to flip-chips that do not include bonding pad wires and other under-bump metal wiring, redistribution traces, etc., as known to those skilled in the art. Yes.
図11Aで、電極E1およびE2は、それぞれピンI_RNGおよびO_RNGを通して、それぞれ能動デバイスM1およびM2のゲートにおいてタッチ・スイッチ制御回路の入力部に電気的に接続される。図11Aで、能動デバイスM1およびM2は、N型のMOSFETデバイスとして示されている。能動デバイスM1およびM2のドレインは、それぞれ抵抗R7およびR8を介して電圧源VDDに電気的に接続され、またそれらのソースは、発振信号OSCBに接続されている。 In FIG. 11A, electrodes E1 and E2 are electrically connected to inputs of the touch switch control circuit at the gates of active devices M1 and M2, respectively, through pins I_RNG and O_RNG, respectively. In FIG. 11A, active devices M1 and M2 are shown as N-type MOSFET devices. The drains of the active devices M1 and M2 are electrically connected to the voltage source VDD via resistors R7 and R8, respectively, and their sources are connected to the oscillation signal OSCB.
能動デバイスM1およびM2のドレインは、また、能動デバイスM3、M4、Q1およびQ2とコンデンサC9およびC10を含む対応するピーク検出回路に電気的に接続され、それは、上で述べたように、図4に示されたピーク検出回路に対応しており、スイッチSW2およびSW4、ダイオードD1およびD2およびコンデンサC1およびC2の部品を含むが、入力能動デバイスM1およびM2がN−MOS能動デバイスであるため、図4で能動デバイスP1およびP2がP−MOSデバイスであり、容量C9およびC10と能動デバイスM1およびM2のソースとが、抵抗R7およびR8を通して電圧信号VSSの代わりに信号VDDに接続される点が異なる。能動デバイスM1に付随する図11Aのピーク検出回路は、能動デバイスQ1を含み、それのベースがトレースSNEGを介して能動デバイスM1のソースに、更に、抵抗R7を介して電圧信号VDDに電気的に接続されており、それのエミッタは、能動デバイスM3のドレインと、コンデンサC9に電気的に接続され、それのコレクタは、電圧信号VSSに接続されている。容量C9は、その一方の端子を電圧源VSSに電気的に接続され、その他端を能動デバイスQ1のエミッタと能動デバイスM3のドレインとに電気的に接続されている。能動デバイスM3は、そのドレインを能動デバイスQ1のエミッタに電気的に接続され、そのソースを電圧源VDDに接続され、そのベースを放電信号DCHGBに電気的に接続されている。能動デバイスM2に付随するピーク検出回路の構成も似ており、能動デバイスQ2およびM4と容量C10を含む。図11Aで、能動デバイスQ1およびQ2は、P型バイポーラ・トランジスタであり、能動デバイスM3およびM4は、P型MOSFETデバイスである。能動デバイスQ1およびQ2のエミッタは、それぞれトレースNEGおよびPOSを介して制御回路の決定回路部品(図示されていない)への入力として電気的に接続されている。決定回路部品の動作は、上で図4−7に関して説明したものと同じである。 The drains of active devices M1 and M2 are also electrically connected to corresponding peak detection circuits including active devices M3, M4, Q1 and Q2 and capacitors C9 and C10, as described above, as shown in FIG. And includes components of switches SW2 and SW4, diodes D1 and D2 and capacitors C1 and C2, but the input active devices M1 and M2 are N-MOS active devices. 4, the active devices P1 and P2 are P-MOS devices, and the capacitors C9 and C10 and the sources of the active devices M1 and M2 are connected to the signal VDD instead of the voltage signal VSS through the resistors R7 and R8. . The peak detection circuit of FIG. 11A associated with active device M1 includes active device Q1, whose base is electrically connected to the source of active device M1 via trace SNEG and further to voltage signal VDD via resistor R7. And its emitter is electrically connected to the drain of the active device M3 and to the capacitor C9, and its collector is connected to the voltage signal VSS. The capacitor C9 has one terminal electrically connected to the voltage source VSS and the other end electrically connected to the emitter of the active device Q1 and the drain of the active device M3. The active device M3 has its drain electrically connected to the emitter of the active device Q1, its source connected to the voltage source VDD, and its base electrically connected to the discharge signal DCHGB. The configuration of the peak detection circuit associated with the active device M2 is similar, and includes active devices Q2 and M4 and a capacitor C10. In FIG. 11A, active devices Q1 and Q2 are P-type bipolar transistors, and active devices M3 and M4 are P-type MOSFET devices. The emitters of the active devices Q1 and Q2 are electrically connected as inputs to a decision circuit component (not shown) of the control circuit via traces NEG and POS, respectively. The operation of the decision circuit component is the same as described above with respect to FIGS. 4-7.
図11Aで、抵抗R7およびR8は、それぞれ能動デバイスM1およびM2のドレインにおいてドレイン電流を電圧に変換するように働く。これらの電圧は、接触やその他の刺激によって引き起こされる電極E1およびE2の電界の変化に関連する。能動デバイスM1およびM2のドレインの対応するノードにおける電圧ポテンシャルは、それぞれトレースSNEGおよびSPOSを介してピーク検出器に送信される。ピーク検出器は、トレースSPOSおよびSNEG上の非常に高速の過渡的パルスの負のピーク値を、決定回路が処理し易いそれぞれトレースPOSおよびNEG上のDC信号に変換できる。このように、図11Aは、負パルスのピーク検出回路を有するデュアル入力システムを示す。類似した正パルスのピーク検出システムが単チャネル用として米国特許第5,594,222号に記述されている。これらの負パルスを発生する感知回路は、高速で低レベルにプルできるN型MOSFETデバイスと、よりソフトに高レベルにプルできる電流源とを含む。 In FIG. 11A, resistors R7 and R8 serve to convert drain current to voltage at the drains of active devices M1 and M2, respectively. These voltages are related to changes in the electric fields of electrodes E1 and E2 caused by contact and other stimuli. The voltage potential at the corresponding node of the drains of the active devices M1 and M2 is transmitted to the peak detector via traces SNEG and SPOS, respectively. The peak detector can convert the negative peak values of very fast transient pulses on traces SPOS and SNEG into DC signals on traces POS and NEG, respectively, which are easy for the decision circuit to process. Thus, FIG. 11A shows a dual input system with a negative pulse peak detection circuit. A similar positive pulse peak detection system is described in US Pat. No. 5,594,222 for single channel use. The sensing circuit that generates these negative pulses includes an N-type MOSFET device that can be pulled to a low level at high speed and a current source that can be pulled to a softer high level.
図11Aの能動デバイスM1およびM2は、それぞれトレースSNEGおよびSPOS上に過渡的な負方向のパルスを供給するために、両電極E1およびE2と、ピンI_RNGおよびO_RNGを介して送信される発振信号OSCBによってターン・オンおよびオフされる。これらのパルスの負の最大ピーク・レベルは、接触やその他の原因によって電極E1およびE2が刺激されるときに変化する入力電極E1およびE2における電界強度に比例する。 Active devices M1 and M2 of FIG. 11A oscillate signal OSCB transmitted via both electrodes E1 and E2 and pins I_RNG and O_RNG to provide transient negative pulses on traces SNEG and SPOS, respectively. Turned on and off by. The maximum negative peak level of these pulses is proportional to the electric field strength at the input electrodes E1 and E2, which changes when the electrodes E1 and E2 are stimulated by contact or other causes.
トレースSNEGおよびSPOS上の信号は、次に能動デバイスM1およびM2に対応するピーク検出回路の能動デバイスQ1およびQ2のそれぞれのベースに送信される。能動デバイスQ1およびQ2のベースに送信される低レベル信号は、それらをオンにバイアスし、それぞれトレースNEGおよびPOSへの能動デバイスM1およびM2のドレインにおける最大の負電圧を提供する。コンデンサC9およびC10は、初期にVDDに充電されていて、トレースPOSおよびNEG上のこの電圧変化の速度を遅くし、それによって、図11Aのタイミング図に示すように、トレースSPOSおよびSNEGの過渡的パルスをトレースPOSおよびNEG上のDCパルスに変換する。次に能動デバイスQ1およびQ2は、過渡的信号が終了するとともに、コンデンサC9およびC10を充電から切り離す。次に能動デバイスM3およびM4は、放電信号DCHGBによって制御されて、それぞれコンデンサC9およびC10の初期の電荷VDDをリセットする。 The signals on traces SNEG and SPOS are then sent to the respective bases of active devices Q1 and Q2 of the peak detection circuit corresponding to active devices M1 and M2. Low level signals transmitted to the bases of active devices Q1 and Q2 bias them on and provide the maximum negative voltage at the drains of active devices M1 and M2 to traces NEG and POS, respectively. Capacitors C9 and C10 are initially charged to VDD to slow down this voltage change on traces POS and NEG, thereby causing the transients of traces SPOS and SNEG to transition as shown in the timing diagram of FIG. 11A. Convert pulses to DC pulses on traces POS and NEG. Active devices Q1 and Q2 then disconnect capacitors C9 and C10 from charging as the transient signal ends. Active devices M3 and M4 are then controlled by discharge signal DCHGB to reset the initial charge VDD of capacitors C9 and C10, respectively.
短い時間長のパルスを有利に利用することによって、タッチ・センサは、低インピーダンスを保持することができる。更に、制御回路の消費する平均電力は、小さい。例えば、入力電極の容量を流れるピーク電流は、数ミリアンペアもある。これは、ピーク電流が続く期間における非常に低いインピーダンスに相当する。各々のパルスが20ナノ秒間アクティブであり、50マイクロ秒ごとにサンプリングされるとして、連続的な平均電流にすると各チャネルについて0.8マイクロアンペアで、両チャネルでは、1.6マイクロアンペアとなる。更に、入力部は、放電信号DCHGBがアクティブでないとき、感知信号の周期的サンプリングおよび統計的フィルタリングを提供する。 By advantageously utilizing short time length pulses, the touch sensor can maintain a low impedance. Furthermore, the average power consumed by the control circuit is small. For example, the peak current flowing through the capacitance of the input electrode is several milliamperes. This corresponds to a very low impedance during the period of peak current. Assuming that each pulse is active for 20 nanoseconds and sampled every 50 microseconds, a continuous average current is 0.8 microamperes for each channel and 1.6 microamperes for both channels. In addition, the input provides periodic sampling and statistical filtering of the sensing signal when the discharge signal DCHGB is not active.
これらの低いインピーダンスおよび低い平均消費電力という特徴は、米国特許第5,594,222号に述べられているように、タッチ・センサの刺激解釈性能を向上させることができ、また機械式スイッチ、メンブレン式スイッチおよび同等品をタッチ・スイッチ装置で置き換えるときに有利となる。機械式およびその他の真のスイッチは、開いているときに電流を流すことができない。低インピーダンスおよび低電力の固体式スイッチは、真のスイッチのこの特性を真似ることによって、「開いた」固体式スイッチを通して許容できない量のリーク電流を流すリスクを犯すことなく、機械式スイッチを直接置き換えることができる。更に、低インピーダンスおよび低電力のタッチ・スイッチのピーク検出器回路は、決定およびその他の回路に比較的低利得で狭帯域幅の積を持つ増幅器およびオペアンプを使用することや、信号発生回路用としてDCおよび比較的低利得で狭帯域幅のデバイスを使用することと相性がよい。 These low impedance and low average power consumption features can improve the stimulus interpretation performance of the touch sensor, as described in US Pat. No. 5,594,222, and can also provide mechanical switches, membranes This is advantageous when replacing type switches and equivalents with touch switch devices. Mechanical and other true switches cannot conduct current when open. Low-impedance and low-power solid-state switches directly replace mechanical switches by mimicking this property of true switches without risking unacceptable amounts of leakage current through “open” solid-state switches be able to. In addition, the low-impedance and low-power touch switch peak detector circuit uses amplifiers and operational amplifiers with relatively low gain and narrow bandwidth products for decision and other circuits, and for signal generation circuits. Compatible with using DC and relatively low gain, narrow bandwidth devices.
図11Bは、集積化制御回路の入力部を示しており、ここで、能動デバイスM1およびM2は、P型MOSFETデバイスで、能動デバイスM3およびM4は、N型MOSFETで、能動デバイスQ1およびQ2は、N型バイポーラ・デバイスとなっている。図11Bは、抵抗R7およびR8と能動デバイスM3およびM4のソースとが電圧信号VSSに接続されており、能動デバイスQ1およびQ2のコレクタが電圧源VDDに接続されていることを除いて、図11Aの構成と同じである。このように図11Bは、図11Bのタイミング図に示すように、正方向の過渡的およびDCパルスを用いた実施の形態を示している。図11Cおよび11Dは、入力部を示しているが、図11Aの能動デバイスM1およびM2が能動デバイスQ3およびQ4で置き換えられている。それらは、図11Cで、N型に、図11Dでは、P型となっている。図11Cは、図11Aのピーク検出回路を示し、P型能動デバイスQ1、Q2、M3およびM4を含んでおり、また図11Dは、図11Bのピーク検出回路を示しており、それの能動デバイスは、すべてN型デバイスである。これら入力部構成の動作は、図11Aに関して上で説明した動作と同等であり、回路設計の当業者であれば理解されよう。 FIG. 11B shows the inputs of the integrated control circuit, where active devices M1 and M2 are P-type MOSFET devices, active devices M3 and M4 are N-type MOSFETs, and active devices Q1 and Q2 are This is an N-type bipolar device. FIG. 11B shows that the resistors R7 and R8 and the sources of the active devices M3 and M4 are connected to the voltage signal VSS, and the collectors of the active devices Q1 and Q2 are connected to the voltage source VDD. The configuration is the same. Thus, FIG. 11B shows an embodiment using positive and transient transients as shown in the timing diagram of FIG. 11B. 11C and 11D show the input section, but the active devices M1 and M2 in FIG. 11A are replaced with active devices Q3 and Q4. They are N-type in FIG. 11C and P-type in FIG. 11D. FIG. 11C shows the peak detection circuit of FIG. 11A and includes P-type active devices Q1, Q2, M3 and M4, and FIG. 11D shows the peak detection circuit of FIG. Are all N-type devices. The operation of these input configurations is equivalent to that described above with respect to FIG. 11A and will be understood by those skilled in the art of circuit design.
図11A−11Dは、すべてドレイン又はコレクタ電流(それぞれ、能動デバイスM1およびM2か、あるいは、Q3およびQ4のいずれかの)をドレイン又はコレクタにおける電流に比例する電圧に変換する抵抗R7およびR8を使用している。すなわち、図11A−11Dで、このドレイン又はコレクタ電圧は、V−(Ir)(R)に等しい。この電圧変換を提供するその他の方法が図12A−15Dに示されている。これらの図面で、抵抗R7およびR8は、能動デバイスで置き換えられている。 11A-11D use resistors R7 and R8 that convert all drain or collector currents (either active devices M1 and M2, respectively, or Q3 and Q4, respectively) to a voltage proportional to the current at the drain or collector. is doing. That is, in FIGS. 11A-11D, this drain or collector voltage is equal to V− (I r ) (R). Another way of providing this voltage conversion is shown in FIGS. 12A-15D. In these drawings, resistors R7 and R8 have been replaced with active devices.
電流から電圧への変換器として能動デバイスを使用することは、図12A−12Dに示されたように、例えば、抵抗性部品を置換して高利得出力を可能とし、集積回路スペースを節約できる。図12A−12Dは、一般にそれぞれ図11A−11Dに対応する。図12A−12Dでは、図11A−11Bの抵抗R7およびR8がMOSFETデバイスM5およびM6によって置き換えられており、図12C−12Dでは、図11C−11Dの抵抗R7およびR8がバイポーラ・デバイスQ5およびQ6で置き換えられている。図13A−13Dは、一般に図12A−12Dに対応するが、図12A−12DのP型能動デバイス電流源が図13A−13Dでは、N型能動デバイス電流源で置き換えられている(更に、同じように、図12A−12DのN型能動デバイス電流源が図13A−13Dでは、P型能動デバイス電流源で置き換えられている)点が異なる。能動的負荷が図13A−13Dの入力デバイスと同じ型であるので、同じ製造工程でこれらの能動デバイスを集積回路に組み込むことができる。これは、より優れた整合性を与える。出力利得は、使用される電圧基準Vrefとデバイス寸法とで決まる。Vrefは、MOSFETデバイスを使用する場合は、ゲート幅の寸法を、バイポーラ・デバイスを使用する場合は、エミッタ領域をスケーリングすることによって、電流をミラー化できるバイアス回路によって設定できる。 Using an active device as a current to voltage converter can, for example, replace resistive components to allow high gain output and save integrated circuit space, as shown in FIGS. 12A-12D. 12A-12D generally correspond to FIGS. 11A-11D, respectively. 12A-12D, resistors R7 and R8 of FIGS. 11A-11B are replaced by MOSFET devices M5 and M6, and in FIGS. 12C-12D, resistors R7 and R8 of FIGS. 11C-11D are replaced by bipolar devices Q5 and Q6. Has been replaced. 13A-13D generally correspond to FIGS. 12A-12D, but the P-type active device current source of FIGS. 12A-12D has been replaced in FIGS. 13A-13D with an N-type active device current source (and in the same way 12A-12D is replaced with a P-type active device current source in FIGS. 13A-13D). Because the active load is the same type as the input devices of FIGS. 13A-13D, these active devices can be incorporated into an integrated circuit in the same manufacturing process. This gives better consistency. The output gain is determined by the voltage reference V ref used and the device dimensions. V ref can be set by a bias circuit that can mirror the current by scaling the gate width dimension when using a MOSFET device and scaling the emitter region when using a bipolar device.
図12E−12Hおよび図13E−13Hに示された実施の形態で、図11A−11Dの抵抗R7およびR8は、能動デバイスM7およびM8(図12E−12Fおよび図13E−13F)又はQ7およびQ8(図12G−12Hおよび図13G−13H)をカスコード接続することのほかに、能動デバイスM5およびM6(図12E−12Fおよび図13E−13F)又はQ5およびQ6(図12G−12Hおよび図13G−13H)で置き換えられている。このようなカスコード・バイアスは、電源およびプロセス変動に対して制御回路に耐性を与える助けとなる。 In the embodiment shown in FIGS. 12E-12H and 13E-13H, resistors R7 and R8 in FIGS. 11A-11D are connected to active devices M7 and M8 (FIGS. 12E-12F and 13E-13F) or Q7 and Q8 ( In addition to cascode connecting FIGS. 12G-12H and 13G-13H), active devices M5 and M6 (FIGS. 12E-12F and 13E-13F) or Q5 and Q6 (FIGS. 12G-12H and 13G-13H) Has been replaced. Such cascode bias helps to tolerate the control circuit against power and process variations.
図14A−14Dは、相補型デバイスを用いた実施の形態を示す。例えば、図14Aで、能動的開平(square root extraction)デバイスM9およびM10は、P型MOSFETデバイスであり、入力能動デバイスM1およびM2は、N型MOSFETデバイスである。図14B−14Dは、相補型デバイスを使用した実施の形態を示しており、それらは、図11B−11Dに対応する。図14C−14Dで、能動的開平デバイスQ9およびQ10は、バイポーラ・デバイスである。図14A−14Dに示された実施の形態は、温度、電源、共通モード雑音の変化および集積回路の製造時の処理の変動がある場合でも優れた安定性を提供する。図15A−15Dは、能動的開平デバイスと、同じ型の入力能動デバイスを使用した実施の形態を示す。すなわち、図15Aで、能動的開平デバイスM9およびM10は、入力デバイスM1およびM2と同じくN型MOSFETデバイスである。類似の構成が図15B(N型MOSFETデバイスを使用)、15C(N型バイポーラ・デバイスを使用)および15D(P型バイポーラ・デバイスを使用)に示されている。出力の線形性は、整合したMOSFETデバイス、すなわち同じ型のMOSFETデバイスを、図15A−15Bに示されたように、入力と能動的開平デバイスの両方に使用した場合に最大となる。 14A-14D show an embodiment using complementary devices. For example, in FIG. 14A, the square root extraction devices M9 and M10 are P-type MOSFET devices, and the input active devices M1 and M2 are N-type MOSFET devices. 14B-14D show an embodiment using complementary devices, which correspond to FIGS. 11B-11D. 14C-14D, active square root devices Q9 and Q10 are bipolar devices. The embodiments shown in FIGS. 14A-14D provide excellent stability even in the presence of variations in temperature, power supply, common mode noise and process variations during integrated circuit manufacturing. 15A-15D show an embodiment using an active square root device and the same type of input active device. That is, in FIG. 15A, the active square root devices M9 and M10 are N-type MOSFET devices like the input devices M1 and M2. Similar configurations are shown in FIGS. 15B (using N-type MOSFET devices), 15C (using N-type bipolar devices) and 15D (using P-type bipolar devices). Output linearity is maximized when matched MOSFET devices, i.e., MOSFET devices of the same type, are used for both input and active square root devices, as shown in FIGS. 15A-15B.
図11A−15Dは、集積回路ピン入力接続I−RNGおよびO_RNG上の入力容量C7およびC8を示している。これらの入力容量は、製造時の許容差およびプロセスに従ってパーツごとに変動するが、変動と回路性能との妥協を図ることができる。これらの変動は、電極の電界容量に加わる傾向があり、制御回路の性能の変動やオフセットを引き起こす可能性がある。典型的な応用で、しばしば、入力検出回路は、ボンディング・パッドの入力ノードにおける入力容量が入力の電界効果容量の信号レベルと比べて比較的大きい場合に、電極における電界の非常に小さい変動を分解することが要求されるため、浮遊容量C7およびC8を最小化することが有利である。この浮遊容量変動の影響を最小化する1つの方法は、入力回路に「スワンピング」コンデンサを追加するものである。これは、制御回路の感度を低下させる傾向があるが、それは、ボンディング・ワイヤ、バンプ下金属配線、フリップ・フロップ構成中の再配信トレース等に付随する入力容量に起因する変動に対して入力を安定化できる。スワンピング容量の利用については、図16に示されている。この図は、一般に図15Aに対応する。図16で、スワンピング・コンデンサC11およびC12は、それぞれ浮遊容量C7およびC8と全く同等なものとして存在しており、電圧信号VSSに電気的に接続されている。明らかなように、スワンピング・コンデンサC11およびC12は、ここに述べられる本発明の実施の形態すべてと互換性を持ち、図16に示した実施の形態だけでの使用に限定されない。 11A-15D show the input capacitors C7 and C8 on the integrated circuit pin input connections I-RNG and O_RNG. These input capacities vary from part to part according to manufacturing tolerances and processes, but a compromise can be made between fluctuations and circuit performance. These variations tend to add to the electric field capacity of the electrodes and can cause variations and offsets in the performance of the control circuit. In typical applications, often the input detection circuit resolves very small variations in the electric field at the electrode when the input capacitance at the input node of the bonding pad is relatively large compared to the signal level of the input field effect capacitance. Therefore, it is advantageous to minimize the stray capacitances C7 and C8. One way to minimize the effect of this stray capacitance variation is to add “swamping” capacitors to the input circuit. This tends to reduce the sensitivity of the control circuit, but it does not accept input for variations due to input capacitance associated with bonding wires, under bump metallization, redistribution traces in flip-flop configurations, etc. Can be stabilized. The use of the swamping capacity is illustrated in FIG. This figure generally corresponds to FIG. 15A. In FIG. 16, the swamping capacitors C11 and C12 exist as equivalents to the stray capacitances C7 and C8, respectively, and are electrically connected to the voltage signal VSS. Obviously, the swamping capacitors C11 and C12 are compatible with all of the embodiments of the invention described herein and are not limited to use only with the embodiment shown in FIG.
スワンピング・コンデンサC11およびC12が制御回路の性能を改善する一方で、それらは、付加的な物理的スペースを要求する。図17Aに示した実施の形態には、制御回路入力、ここでは、能動デバイスM1およびM2のゲートにダイオードD4−D7の空乏容量から生ずるスワンピング容量が追加される様子が示されているが、スペースが節約されている。図17Aで、ダイオードD4およびD6が図16のスワンピング・コンデンサC12に置き換わっており、ダイオードD5およびD7が図16のスワンピング・コンデンサC11に置き換わっている。単位表面積当たりの容量の大きさは、ポリシリコン又は金属タイプのコンデンサの単位面積当たりの容量と比べて図17Aに示された種類のダイオード構成のほうがはるかに大きい。更に、ダイオードD4−D7は、正および負の両方の高電圧放電の保護のためにも使用される。この保護は、タッチ入力応用で特に有利である。キイボード、単一入力スイッチ等の人的入力装置は、静電的な放電過渡現象に晒されるので、それらの敏感な入力回路を保護するために、MOSFETやその他のデバイスのような部品を含むことができる。この問題は、図17Bに示されたように、感知電極E1およびE2が入力回路ICに非常に接近して位置するときに悪化する。 While the swamping capacitors C11 and C12 improve the performance of the control circuit, they require additional physical space. The embodiment shown in FIG. 17A shows the addition of a swamping capacitance resulting from the depletion capacitances of diodes D4-D7 to the control circuit inputs, here the gates of active devices M1 and M2. Space is saved. In FIG. 17A, diodes D4 and D6 are replaced with the swamping capacitor C12 of FIG. 16, and diodes D5 and D7 are replaced with the swamping capacitor C11 of FIG. The amount of capacitance per unit surface area is much larger for the type of diode configuration shown in FIG. 17A compared to the capacitance per unit area of a polysilicon or metal type capacitor. In addition, diodes D4-D7 are also used for protection of both positive and negative high voltage discharges. This protection is particularly advantageous for touch input applications. Human input devices such as keyboards, single input switches, etc., are exposed to electrostatic discharge transients and must include components such as MOSFETs and other devices to protect their sensitive input circuits. Can do. This problem is exacerbated when the sensing electrodes E1 and E2 are located very close to the input circuit IC, as shown in FIG. 17B.
図18A−18Eは、集積化制御回路を備えたタッチ・スイッチ用の入力回路の他の可能な構成を示す。図18A−18Cは、能動デバイスM1およびM2に対する共通モード刺激のいろいろな例を示す。図18Aは、一般的に図17Aの構成を示し、能動デバイスM11−M14を含む。図18Aで、能動デバイスM11−M14は、入力能動デバイスM1およびM2のソースに電気的に接続される。能動デバイスM13およびM14のゲートは、発振信号OSCBに接続され、またそれらのドレインは、能動デバイスM12のゲートに接続される。能動デバイスM11のゲートは、電流源バイアス信号CSBSに接続され、それのドレインは、能動デバイスM12のソースに接続される。図18Aに示された構成は、能動デバイスM1およびM2への入力ステージにおいて負のフィードバックを提供する。 18A-18E show other possible configurations of input circuits for touch switches with integrated control circuits. 18A-18C show various examples of common mode stimulation for active devices M1 and M2. FIG. 18A generally illustrates the configuration of FIG. 17A and includes active devices M11-M14. In FIG. 18A, active devices M11-M14 are electrically connected to the sources of input active devices M1 and M2. The gates of the active devices M13 and M14 are connected to the oscillation signal OSCB, and their drains are connected to the gate of the active device M12. The gate of the active device M11 is connected to the current source bias signal CSBS, and its drain is connected to the source of the active device M12. The configuration shown in FIG. 18A provides negative feedback at the input stage to active devices M1 and M2.
図18Bは、能動デバイスM15およびM16を含む入力回路部を示しており、それらは、ここでN型デバイスとして示され、それらのソースは、それぞれ入力ピンI_RNGおよびO_RNGに電気的に接続され、それらのゲートは、発振信号OSCBに電気的に接続されている。能動デバイスM15およびM16のドレインは、それぞれ能動的開平デバイスM9およびM10のソースに接続され、またそれぞれピーク検出回路の能動デバイスQ1およびQ2のベースに接続されている。図18Bで、能動デバイスM15およびM16は、それらのゲートを介して発振信号OSCBによって刺激を受け、それらのソースを介して入力信号を受け取るのであるが、以前にそれらのソースを介して刺激を受け、それらのゲートを介して入力を受け取るように示されていた能動デバイスM1およびM2に置き換わっている。 FIG. 18B shows an input circuit portion including active devices M15 and M16, which are here shown as N-type devices, whose sources are electrically connected to input pins I_RNG and O_RNG, respectively, Is electrically connected to the oscillation signal OSCB. The drains of the active devices M15 and M16 are connected to the sources of the active square root devices M9 and M10, respectively, and are connected to the bases of the active devices Q1 and Q2 of the peak detection circuit, respectively. In FIG. 18B, active devices M15 and M16 are stimulated by an oscillating signal OSCB through their gates and receive an input signal through their sources, but have previously been stimulated through their sources. , Replacing active devices M1 and M2, which were shown to receive input through their gates.
図18Cは、一般に図18Bの構成を示し、また図17Aに示されたようなスワンピング・ダイオードD4−D7を含んでいる。図18Cの構成は、電極が1つだけの単一入力モードに採用することもでき、空乏モードのスワンピング容量を提供する入力ダイオードを採用することの利益すべてを提供できる。 FIG. 18C generally shows the configuration of FIG. 18B and includes swamping diodes D4-D7 as shown in FIG. 17A. The configuration of FIG. 18C can also be employed in a single input mode with only one electrode and can provide all the benefits of employing an input diode that provides a depletion mode swamping capacitance.
図18Dは、図16の構成を示しており、それは、能動デバイスM1およびM2への入力をバランスさせるスワンピング・コンデンサC11およびC12を含むが、単一電極モードのため外側電極E2又は入力ピンO_RNGがない。図18Eは、図18Dの構成を示すが、図17Aにも示されるように、スワンピング容量がダイオードD4−D7によって与えられ、上で述べたようなスワンピング容量の利益を得るために必要なスペースを最小化している。 FIG. 18D shows the configuration of FIG. 16, which includes swamping capacitors C11 and C12 that balance the inputs to active devices M1 and M2, but for single electrode mode, either outer electrode E2 or input pin O_RNG. There is no. 18E shows the configuration of FIG. 18D, but as also shown in FIG. 17A, the swamping capacitance is provided by diodes D4-D7 and is necessary to obtain the benefits of the swamping capacitance as described above. Space is minimized.
図19は、本発明の集積回路の入力回路部用の可能な1つの構成の模式的回路図であり、図4−7の自己保持ラッチ70として機能するラッチ出力LCH_Oおよびそれの部品を含み、各種の出力機能およびそれらの構成を示している。これらの出力機能は、タッチ・セルが従来のメンブレン式又は機械式スイッチの応答を複製することを可能にする。
FIG. 19 is a schematic circuit diagram of one possible configuration for the input circuit portion of the integrated circuit of the present invention, including the latch output LCH_O functioning as the self-holding
出力ピンNDB_O、NE_OおよびND_Oは、能動デバイスを通して出力を電気的に低レベルにプルするタッチ・セルおよび集積回路アセンブリの出力である。集積化制御回路は、刺激が与えられたとき(例えば、人間の接触刺激)能動デバイスを通して出力を電気的に低レベルにプルするようにするか、あるいは、刺激が存在しないとき(例えば、人間の接触刺激がないとき)能動デバイスを通して出力を電気的に低レベルにプルするように構成できる。 Output pins NDB_O, NE_O and ND_O are outputs of touch cells and integrated circuit assemblies that pull the output electrically low through active devices. The integrated control circuit may cause the output to be electrically pulled to a low level through the active device when a stimulus is applied (eg, a human contact stimulus) or when no stimulus is present (eg, a human contact stimulus). It can be configured to pull the output electrically low through an active device (when there is no contact stimulus).
図19に示されたように、出力ピンNDB_Oは、能動デバイスM18のドレインに電気的に接続され、それのソースは、電圧信号VSSに、それのゲートは、インバータU2の入力、インバータU2の出力、能動デバイスM17のゲートおよび電圧信号TP_Oに接続される。出力NE_Oは、能動デバイスQ13およびQ14のエミッタに電気的に接続され、それのベースは、能動デバイスM20のドレインに、またそれのコレクタは、電圧信号VSSに接続される。能動デバイスM20は、次にそれのゲートをインバータU2の出力に、またそれのソースを電圧信号VSSに接続される。出力ピンND_Oは、能動デバイスQ13およびQ14のベースと、能動デバイスM20のドレインに電気的に接続される。能動デバイスM20は、出力NE_O用の負のプル・ダウン・デバイスとして働き、出力ND_O用の能動デバイスQ13およびQ14のゲートをオンにバイアスできる。 As shown in FIG. 19, the output pin NDB_O is electrically connected to the drain of the active device M18, its source is the voltage signal VSS, its gate is the input of the inverter U2, the output of the inverter U2 , Connected to the gate of the active device M17 and the voltage signal TP_O. Output NE_O is electrically connected to the emitters of active devices Q13 and Q14, whose base is connected to the drain of active device M20 and whose collector is connected to voltage signal VSS. Active device M20 is then connected at its gate to the output of inverter U2 and at its source to voltage signal VSS. The output pin ND_O is electrically connected to the bases of the active devices Q13 and Q14 and the drain of the active device M20. Active device M20 acts as a negative pull down device for output NE_O and can bias the gates of active devices Q13 and Q14 for output ND_O on.
出力ピンPDS_O、PD_OおよびPE_Oは、能動デバイスを通して出力を電気的に高レベルにプルするタッチ・セルおよび集積回路アセンブリの出力である。集積化制御回路は、刺激が与えられたとき(例えば、人間の接触刺激)能動デバイスを通して出力を電気的に高レベルにプルするようにするか、あるいは、刺激が存在しないとき(例えば、人間の接触刺激がないとき)能動デバイスを通して出力を電気的に高レベルにプルするように構成できる。 Output pins PDS_O, PD_O and PE_O are outputs of touch cells and integrated circuit assemblies that pull the output electrically high through active devices. The integrated control circuit causes the output to be electrically pulled high through the active device when a stimulus is applied (eg, a human contact stimulus), or when no stimulus is present (eg, a human contact stimulus). It can be configured to pull the output electrically high through the active device (when there is no contact stimulus).
図19で、出力ピンPDS_Oは、ショットキ・ダイオードSD1に電気的に接続され、後者は、次に出力ピンPD_Oに接続される。出力ピンPD_Oは、能動デバイスQ12のベースおよび能動デバイスM17のドレインに電気的に接続され、後者のソースは、電圧信号VDDに、またゲートは、インバータU1の出力およびインバータU2の入力に接続される。能動デバイスQ12のコレクタは、能動デバイスQ11のエミッタに接続され、後者のコレクタおよびベースは、両方とも電圧信号VDDに接続される。図19にこれも示されているが、能動デバイスQ12のエミッタは、出力ピンPE_Oに接続される。 In FIG. 19, the output pin PDS_O is electrically connected to the Schottky diode SD1, and the latter is then connected to the output pin PD_O. The output pin PD_O is electrically connected to the base of the active device Q12 and the drain of the active device M17, the latter source being connected to the voltage signal VDD and the gate being connected to the output of the inverter U1 and the input of the inverter U2. . The collector of the active device Q12 is connected to the emitter of the active device Q11, and the latter collector and base are both connected to the voltage signal VDD. As also shown in FIG. 19, the emitter of the active device Q12 is connected to the output pin PE_O.
集積化制御回路は、従来のDCモード、DCマトリクス、パルスDCマトリクス又はラッチ・マトリクス・モードに適用できる。図20Aは、集積化制御回路がDCモード用のタッチ・セル構成に適用された応用を示している。DCモードを利用するすべての応用で、各集積化制御回路は、連続的にシステムの電圧信号VDDおよびVSSに接続される。いくつかのケースで、数個のタッチ・セルの出力が電気的OR論理(例えば、PE_O出力を用いたタッチ・セルTC1−TC3およびNE_O出力を用いたTC7−TC9)の形に接続される。タッチ・セルの残り(TC4−TC6およびTC10−TC13)は、各種の出力、すなわち、PD_S、PD_O、PD_E、NDB_O、NE_OおよびND_Oの利用を示している。タッチ・セルTC4−TC6に関して、これらは、出力を電気的に高レベルにプルできるが、出力ピンは、抵抗を介してアースに接続されており、タッチ・セルTC10−TC13に関しては、これらは、出力を電気的に低レベルにプルできるが、出力ピンは、抵抗を介して電圧信号VDDに接続されている。 The integrated control circuit can be applied in conventional DC mode, DC matrix, pulsed DC matrix or latch matrix mode. FIG. 20A shows an application in which the integrated control circuit is applied to a touch cell configuration for DC mode. In all applications that utilize DC mode, each integrated control circuit is continuously connected to the system voltage signals VDD and VSS. In some cases, the outputs of several touch cells are connected in the form of electrical OR logic (eg, touch cells TC1-TC3 using PE_O output and TC7-TC9 using NE_O output). The rest of the touch cells (TC4-TC6 and TC10-TC13) show the use of various outputs: PD_S, PD_O, PD_E, NDB_O, NE_O and ND_O. For touch cells TC4-TC6, they can pull the output electrically high, but the output pin is connected to ground through a resistor, and for touch cells TC10-TC13, they are Although the output can be electrically pulled to a low level, the output pin is connected to the voltage signal VDD through a resistor.
図20Bは、タッチ・センサを負パルスDCマトリクス・モードに応用した場合を示す。各タッチ・セルの集積化制御回路は、それの電圧信号VDDをシステムの電圧源Vsupplyに接続されている。各タッチ・セルの集積化制御回路のVSSが行選択信号、ROW SELECT1又はROW SELECT2に接続される様子も示されている。図20Bで、各タッチ・セルの集積化制御回路の出力ピンNE_Oは、列リターン、すなわちCOLUMN RETURN1(タッチ・センサTS1およびTS2)又はCOLUMN RETURN2(タッチ・センサTS3およびTS4)のいずれかに接続されている。図20Bから分かるように、ROW SELECTSおよびCOLUMN RETURNSは、1個のタッチ・センサ、タッチ・センサの1つの行又はタッチ・センサの1つの列を駆動できる。このことは、図20Bのタイミング図にも示されている。 FIG. 20B shows the case where the touch sensor is applied to the negative pulse DC matrix mode. The integrated control circuit of each touch cell has its voltage signal VDD connected to the system voltage source V supply . It is also shown that the VSS of the integrated control circuit of each touch cell is connected to a row selection signal, ROW SELECT1 or ROW SELECT2. In FIG. 20B, the output pin NE_O of each touch cell integrated control circuit is connected to either a column return, ie, COLUMN RETURN1 (touch sensors TS1 and TS2) or COLUMN RETURN2 (touch sensors TS3 and TS4). ing. As can be seen from FIG. 20B, ROW SELECTS and COLUMN RETURNS can drive one touch sensor, one row of touch sensors, or one column of touch sensors. This is also shown in the timing diagram of FIG. 20B.
図19に示されたP型能動デバイスQ13およびQ14は、関連する入力にアクティブな刺激が与えられるとNE_Oを低レベルにプルする。入力は、関連する入力に刺激が与えられないときに、出力のそれらP型能動デバイスがNE_Oを低レベルにプルするように構成することもできる。能動デバイスQ13およびQ14のエミッタ・ベース接合は、どれか1つのデバイスがアクティブの低レベルに変化したときに、電流がVSSを通ってマトリクス中の他のデバイスに流れるのを阻止する。任意のどれか1つの特定のタッチ・セルの集積化制御回路が低レベルにプルするときは、常に、出力能動デバイスQ13およびQ14のベース・エミッタ接合の順方向バイアスの電圧降下に対して出力(VsupplyからNE_Oへ測定した場合)が低下する。応用によっては、2つの能動デバイスQ13およびQ14の代わりに1つのデバイスを使用することもできる。 P-type active devices Q13 and Q14 shown in FIG. 19 pull NE_O low when an active stimulus is applied to the associated input. Inputs can also be configured such that those P-type active devices at the output pull NE_O low when the associated input is not stimulated. The emitter-base junction of active devices Q13 and Q14 prevents current from flowing through VSS to other devices in the matrix when any one device changes to an active low level. Whenever any one particular touch cell integrated control circuit pulls low, the output (in response to the forward bias voltage drop of the base-emitter junction of output active devices Q13 and Q14) (When measured from V supply to NE_O). Depending on the application, one device can be used instead of the two active devices Q13 and Q14.
P型デバイス(単数又は複数)のVbe降下を回避することが望ましいときは、図19に示されるようなMOSFETデバイスを採用したNDB_O又はND_O出力を使用できる。ND_O出力を備えるタッチ・センサの負パルスDCマトリクス・モード構成が図20Cに示されているが、図10Bに示されたものと本質的に同様である。N型MOSFETデバイスM18又はM20の両端の電圧降下は、低電流レベルにおいて比較的小さく、RDSon抵抗にMOSFETデバイス・チャネルを流れる電流を乗じたものに依存する。従って、この電流は、主として外部負荷抵抗によって設定される。より低い電流レベルでは、電圧降下は、P型バイポーラ・トランジスタに関する対応する電圧降下と比べてより小さい。他方で、より高電流レベルでは、バイポーラ・トランジスタは、ベース・エミッタ接合の順方向バイアスだけの電圧降下(0.6から0.7ボルト)を起こし、他方で、N型MOSFETデバイスは、RDSonのドレイン電流に対する線形な関係:Vdrop=(RDSon)(Idrain)に従って電圧降下を増大させる傾向を持つ。すなわち、より低電流レベルが存在する典型的な論理回路で、N型MOSFET出力は、バイポーラ・デバイスよりも少ない電圧降下を起こす傾向を持つ。このことは、MOSFETデバイスを総称的に他の論理回路に適したものとする。図20Dは、図19に示されたように、P型MOSFETデバイスM17を用いたPD_O出力を有するタッチ・センサを備えた正パルスDCマトリクス構成を示しており、これに対しても上の考察が当て嵌まる。 NDB_O or ND_O outputs employing MOSFET devices as shown in FIG. 19 can be used when it is desirable to avoid the V be drop of the P-type device (s). The negative pulse DC matrix mode configuration of a touch sensor with ND_O output is shown in FIG. 20C, but is essentially similar to that shown in FIG. 10B. The voltage drop across the N-type MOSFET device M18 or M20 is relatively small at low current levels and depends on the RDSon resistance multiplied by the current flowing through the MOSFET device channel. Therefore, this current is set mainly by the external load resistance. At lower current levels, the voltage drop is smaller compared to the corresponding voltage drop for P-type bipolar transistors. On the other hand, at higher current levels, bipolar transistors cause a voltage drop (0.6 to 0.7 volts) of the base-emitter junction forward bias, while N-type MOSFET devices are RDSon's It has a tendency to increase the voltage drop according to a linear relationship to the drain current: V drop = (RDSon) (I drain ). That is, in typical logic circuits where lower current levels exist, N-type MOSFET outputs tend to cause less voltage drop than bipolar devices. This makes the MOSFET device generically suitable for other logic circuits. FIG. 20D shows a positive pulse DC matrix configuration with a touch sensor having a PD_O output using a P-type MOSFET device M17, as shown in FIG. It fits.
しかし、MOSFETデバイスは、バイポーラ・デバイスのような固有の阻止機能を持たない。図21Aは、典型的なCMOS回路の構築に使用されるドープされたN型およびP型材料を備えた典型的なP型基板の断面図を示す。図21Bは、N型MOSFETデバイスN1の模式図であるが、これは、出力ピンNBD_O(図19の能動デバイスM18)又は出力ピンND_O(図19の能動デバイスM20)用の出力プル・ダウン・デバイスとして使用できる。図21Cは、阻止デバイスN2の模式図であり、それは、出力デバイスN1と直列に接続されて、デバイスを囲む空乏領域のせいでMOSFETデバイス構造の意図しない影響として発生し得るN1に付随する寄生デバイスからのリーク電流の発生を防止するようになっている。 However, MOSFET devices do not have the inherent blocking function like bipolar devices. FIG. 21A shows a cross-sectional view of a typical P-type substrate with doped N-type and P-type materials used in the construction of a typical CMOS circuit. FIG. 21B is a schematic diagram of an N-type MOSFET device N1, which is an output pull down device for output pin NBD_O (active device M18 in FIG. 19) or output pin ND_O (active device M20 in FIG. 19). Can be used as FIG. 21C is a schematic diagram of blocking device N2, which is connected in series with output device N1, and is a parasitic device associated with N1 that can occur as an unintended effect of the MOSFET device structure due to the depletion region surrounding the device. The leak current is prevented from being generated.
図21A−21Cは、N型MOSFETデバイスの構造がどのようにドレインからソースへの寄生的なバイポーラ・ダイオードPD1を生成するか、またVSSから基板へのリーク電流をどのように阻止するかを示している。典型的なCMOS集積回路は、P型又はN型基板を使用する。それらの基板は、典型的には、集積回路VSS又はVDDに電気的に接続される。P型基板の場合、基板は、VSSにつながれ、N型基板の場合は、基板は、VDDにつながれる。図21Bで、N型MOSFETデバイスN1のソースは、電圧信号VSSにつながれること、また、寄生ダイオードPD1のアノードもデバイスN1のソース・ノードにつながれることに注意されたい。寄生ダイオードPD1のカソードは、デバイスN1のドレインにつながれる。この結果、集積化制御回路がN型MOSFETデバイス(図20Cに示されたようにND_O出力と一緒に)を用いてアクティブな電気的プル・ダウンを備えた負パルスDCマトリクス・モードに組み込まれる場合、寄生ダイオードPD1を通り、P型基板を通る逆方向電流の経路が存在する。ストローブ行のパルスがマトリクスに供給され、ND_Oの出力における電位よりも高い場合、寄生ダイオードPD1を通ってVSSからND_Oに電流が流れる。この電流経路は、マトリクスおよび電源の動作に影響を与える。この低電流の経路は、ストローブ・ドライバを介してVSSをVDDにつなぐ低インピーダンス経路を提供する。N型MOSFETプル・ダウン・デバイスと直列に接続されたバイポーラ・ダイオードは、逆方向電流を阻止するが、N型MOSFETプル・ダウン・デバイスの特徴、すなわち、出力における低い電圧降下を否定もする。バイポーラ・ダイオードは、ベース・エミッタ接合の電圧降下Vbeを引き起こす傾向を持つ。この好ましくない電流経路を阻止するために、阻止デバイスを組込む必要があり、それは、従来の集積回路製造と互換性を有し、最小の電圧降下を生ずるものであることが望ましい。N型MOSFETデバイスN1とN2との間を適切に接続することによって、リーク電流経路を阻止することができ、P型基板および電圧信号VSSがND_OデバイスN1を通るリーク電流経路から切り離される。同時に、制御回路出力の電圧降下が最小化される。 FIGS. 21A-21C show how the structure of an N-type MOSFET device produces a drain-to-source parasitic bipolar diode PD1 and prevents leakage current from VSS to the substrate. ing. A typical CMOS integrated circuit uses a P-type or N-type substrate. These substrates are typically electrically connected to the integrated circuit VSS or VDD. In the case of a P-type substrate, the substrate is connected to VSS, and in the case of an N-type substrate, the substrate is connected to VDD. Note that in FIG. 21B, the source of N-type MOSFET device N1 is coupled to voltage signal VSS, and the anode of parasitic diode PD1 is also coupled to the source node of device N1. The cathode of the parasitic diode PD1 is connected to the drain of the device N1. As a result, the integrated control circuit is incorporated into a negative pulse DC matrix mode with active electrical pull down using an N-type MOSFET device (with ND_O output as shown in FIG. 20C). There is a reverse current path through the parasitic diode PD1 and through the P-type substrate. When a strobe row pulse is supplied to the matrix and is higher than the potential at the output of ND_O, current flows from VSS to ND_O through the parasitic diode PD1. This current path affects the operation of the matrix and the power supply. This low current path provides a low impedance path that connects VSS to VDD through a strobe driver. A bipolar diode connected in series with an N-type MOSFET pull-down device blocks reverse current but also negates the characteristics of the N-type MOSFET pull-down device, ie, a low voltage drop at the output. Bipolar diodes tend to cause a base-emitter junction voltage drop V be . In order to block this undesired current path, it is necessary to incorporate a blocking device, which is preferably compatible with conventional integrated circuit manufacturing and produces a minimum voltage drop. By properly connecting N-type MOSFET devices N1 and N2, the leakage current path can be blocked, and the P-type substrate and voltage signal VSS are decoupled from the leakage current path through ND_O device N1. At the same time, the voltage drop at the control circuit output is minimized.
図21AのデバイスN2は、阻止デバイスであり、図21Cに模式的に示されている。阻止デバイスN2のドレインおよびソースは、図21Aおよび図21Cに示されるように、それぞれVSSおよびVSS1に接続される。阻止デバイスN2のゲートは、電圧信号VDDに接続され、後者は、多くのマイクロプロセッサとの互換性を持たせるように3−5ボルトとすることができるが、そうしなくてもよい。デバイスN2のソースがアースなど低電位にあるとき、ゲート電圧がデバイスの閾値電圧よりも少し高い限り、チャネル抵抗は、非常に小さくなる。デバイスN2のゲートが3から5ボルト(Vsupply)のオーダであるVDDにあるので、アクティブなパルス期間にそれのソースは、ゼロ・ボルトになり、それの閾値電圧は、1ボルトよりも低く、チャネル抵抗は、非常に小さくなって、デバイスのチャネル電圧降下もまた非常に小さくなる(すなわち、標準的なバイポーラ・ダイオードよりも小さい)。デバイスN2のソースがVDDに等しい(又は、それより高い)電圧にあるとき、ゲートからソースへの電圧(VGS)は、デバイスの閾値電圧よりも小さくなる。これによって、チャネル抵抗が大幅に増大し、チャネルを通る電流を本質的に阻止する。更に、デバイスN2のソースから基板PSの寄生ダイオードPDへの空乏接合に掛かる電圧は、ソース・ドレインの寄生ダイオードPD1の障壁電位(約0.6から0.7ボルト)よりも小さくなる。従って、寄生ダイオードPD1は、基板を流れる電流を本質的に阻止する。 Device N2 of FIG. 21A is a blocking device and is schematically illustrated in FIG. 21C. The drain and source of blocking device N2 are connected to VSS and VSS1, respectively, as shown in FIGS. 21A and 21C. The gate of blocking device N2 is connected to voltage signal VDD, the latter can be 3-5 volts for compatibility with many microprocessors, but this need not be the case. When the source of device N2 is at a low potential, such as ground, the channel resistance is very small as long as the gate voltage is slightly higher than the threshold voltage of the device. Since the gate of device N2 is at VDD which is on the order of 3 to 5 volts (V supply ), during its active pulse period its source will be zero volts and its threshold voltage will be less than 1 volt, The channel resistance becomes very small and the device's channel voltage drop is also very small (ie smaller than a standard bipolar diode). When the source of device N2 is at a voltage equal to (or higher than) VDD, the gate-to-source voltage (V GS ) will be less than the device threshold voltage. This greatly increases the channel resistance and essentially blocks current through the channel. Further, the voltage applied to the depletion junction from the source of the device N2 to the parasitic diode PD of the substrate PS is smaller than the barrier potential (about 0.6 to 0.7 volts) of the source / drain parasitic diode PD1. Thus, the parasitic diode PD1 essentially blocks current flowing through the substrate.
更に、阻止デバイスN2は、標準的な集積回路応用で逆方向電圧保護のためにも使用することができ、上述の利益すべてを提供できる。そのように使用された場合、阻止デバイスN2は、上述と同じように集積回路のVSSに接続されて、逆方向電流又は電圧による損傷から回路を保護する。 Furthermore, blocking device N2 can also be used for reverse voltage protection in standard integrated circuit applications and can provide all of the benefits described above. When so used, blocking device N2 is connected to VSS of the integrated circuit as described above to protect the circuit from reverse current or voltage damage.
図21D−21Fは、図19に示されたような力PDS_O、PD_OおよびPE_Oを有する電気的に高レベルへのプル・デバイス用の阻止デバイスBDP2を示している。図21D−21Fに示されたデバイスは、図21A−21Cに示されたデバイスに対して相補的なものであり、図21A−21Cを参照した議論に照らして当業者に理解されよう。既述のすべてのDCモード構成において、各タッチ・セルの集積化制御回路に対する3つの接続が存在する。各タッチ・セルの集積化制御回路に関するVDDおよびVSSは、入力刺激を処理するために或る程度の時間は、電源に接続する必要がある。集積化制御回路の出力は、望ましい構成に依存して、PDS_O、PD_O、PE_O、NDB_O、ND_OおよびNE_Oに見出される。これらの出力は、集積化制御回路に要求される第3の接続を構成する。しかし、いくつかのケースで、2つの接続のみを必要とする集積回路を用いることが有利となる。例えば、メンブレン式スイッチを含み、タッチ・センシング・スイッチを有する応用では、典型的な場合、スイッチ当たり2つの接続のみが採用されるので、2つの接続のみを要求する集積化制御回路は、メンブレン式スイッチをタッチ・スイッチで直接置き換えることを容易にする。 FIGS. 21D-21F show blocking device BDP2 for an electrically high level pull device with forces PDS_O, PD_O and PE_O as shown in FIG. The device shown in FIGS. 21D-21F is complementary to the device shown in FIGS. 21A-21C and will be understood by those skilled in the art in light of the discussion with reference to FIGS. 21A-21C. In all the described DC mode configurations, there are three connections to each touch cell's integrated control circuitry. VDD and VSS for each touch cell integrated control circuit need to be connected to a power source for some time to process the input stimulus. The output of the integrated control circuit is found at PDS_O, PD_O, PE_O, NDB_O, ND_O and NE_O, depending on the desired configuration. These outputs constitute the third connection required for the integrated control circuit. However, in some cases it may be advantageous to use an integrated circuit that requires only two connections. For example, in an application that includes a membrane switch and has a touch sensing switch, typically only two connections are employed per switch, so an integrated control circuit that requires only two connections is a membrane type switch. Facilitates the direct replacement of switches with touch switches.
2端子のメンブレン式スイッチMS1−MS4のマトリクスが図22に模式的に示されている。図22は、マトリクス内部でスイッチをアドレス指定および読出す1つの方法を示している。図22のマトリクスがより多くの行、より多くの列、より多くのスイッチおよび別の接続を含むように修正できることは、もちろんである。すべての場合で、各スイッチとのインタフェースは、典型的に2つのタイプの信号ライン、すなわちROW SELECTおよびCOLUMN RETURNを含む。各ROW SELECTラインは、ポテンシャル・ソースであり、各スイッチMS1−MS4が閉じたときに(メンブレン式スイッチの場合には、指で押すことによって閉じる)それらを通して、COLUMN RETURNラインに電流が流れるのを許容する。COLUMN RETURNライン1および2上の終端抵抗COLR1およびCOLR2は、それぞれリターン論理回路によって処理すべき電圧を生ずるために使用され、スイッチ・デバイスを流れる電流を制限するためのものである。ストローブ・ラインのシーケンスは、与えられた時刻にスイッチの1つの行(MS1およびMS3又はMS2およびMS4)のみがアクティブになるようにされる。特定の1つの行が選ばれたとき、各終端抵抗COLRを通して生成される電圧は、選ばれた行のどのスイッチを電気的に閉じるかを示す。COLUMN RETURNラインも一般に同時に処理される。マトリクス方式は、複数のスイッチ入力を処理するために使用される相互接続の数に関して効率的である。例えば、64個のスイッチを、8個のROW SELECTラインと8個のCOLUMN RETURNラインを用いた8×8のマトリクスで読むことができる。典型的には、ある種の論理デバイスをストローブおよびリターン・ラインに接続して、短時間ですべてのスイッチの状態を決定することができる。これは、当業者が実施方法を知っている典型的なマトリクス方式である。それは、コントローラ、コンピュータのキイボード、電話機および市場で広く用いられているその他の装置に使用できる。
A matrix of two-terminal membrane switches MS1-MS4 is schematically shown in FIG. FIG. 22 shows one way of addressing and reading the switches within the matrix. Of course, the matrix of FIG. 22 can be modified to include more rows, more columns, more switches, and other connections. In all cases, the interface to each switch typically includes two types of signal lines: ROW SELECT and COLUMN RETURN. Each ROW SELECT line is a potential source and when each switch MS1-MS4 is closed (in the case of a membrane switch, it is closed by pushing with a finger) through which current flows into the COLUMN RETURN line. Allow. Terminating resistors COLR1 and COLR2 on
刺激を検出する2端子スイッチとして動作する固体式のセンシング・デバイスは、リセットやその他の故障を起こす可能性のあるソフトウエア、論理回路および/又はマイクロプロセッサの追加なしで、従来のマトリクス・ストローブおよび読取り回路を構築できる点で有利である。図23は、マトリクス状に配置され、2つの集積回路接続のみを有するそのようなデバイスの実施例を示している。このように、図23のタッチ・センサTS1−TS4は、図22のメンブレン式スイッチMS1−MS4に置き換わることができる。図23で、各タッチ・センサTS1−TS4は、電界ポテンシャルの差を感知する。適当な刺激の存在又は不在に応じて、デバイス(特定の応用に依存して)は、高インピーダンス状態(開回路と等価)から低インピーダンス状態(閉回路と等価)に移行し、それによって従来のメンブレン式又は機械式スイッチを模倣する。これらのデバイスの主要な特徴は、2端子スイッチの属性を模倣するそれらの能力である。 A solid-state sensing device that operates as a two-terminal switch that detects stimuli, without the addition of software, logic circuits and / or microprocessors that can cause resets and other failures, This is advantageous in that a reading circuit can be constructed. FIG. 23 shows an example of such a device arranged in a matrix and having only two integrated circuit connections. In this manner, the touch sensors TS1-TS4 in FIG. 23 can be replaced with the membrane switches MS1-MS4 in FIG. In FIG. 23, each touch sensor TS1-TS4 senses a difference in electric field potential. Depending on the presence or absence of an appropriate stimulus, the device (depending on the particular application) transitions from a high impedance state (equivalent to an open circuit) to a low impedance state (equivalent to a closed circuit), thereby causing a conventional Mimics a membrane or mechanical switch. The main feature of these devices is their ability to mimic the attributes of two-terminal switches.
図24Aおよび24Bは、図23のタッチ・センサTS1−TS4用の可能な回路を示す。図24Aおよび24Bに示された回路は、図19に示された回路のラッチ回路部をベースとする。図19で、示されたラッチ回路は、抵抗R9のほかに能動デバイスM19およびQ15−Q19を含む。ラッチ回路出力ピンLCH_Oは、能動デバイスQ19のエミッタに接続されるように示されている。能動デバイスQ19は、次にそれのベースをインバータU2の出力、能動デバイスQ15のドレインおよび能動デバイスM20のゲートに接続されており、またそのコレクタを能動デバイスQ18のエミッタに接続されている。後者のベースは、電圧信号VDDに接続され、またそのコレクタは、抵抗R9に接続されている。後者は、次に電圧信号VDDに接続されている。能動デバイスQ18のコレクタは、またエミッタを電圧信号VDDに接続された能動デバイスQ15およびQ16のベースおよび能動デバイスQ17のベースに接続されているように示され、後者のコレクタは、電圧信号VSSに、エミッタは、能動デバイスQ15のコレクタに接続されている。能動デバイスQ18のコレクタは、また能動デバイスM19のドレインに、後者のゲートは、制御回路の出力ピンINITBに、そしてそれのソースは、電圧信号VDDに接続されている。 24A and 24B show possible circuits for the touch sensors TS1-TS4 of FIG. The circuit shown in FIGS. 24A and 24B is based on the latch circuit portion of the circuit shown in FIG. In FIG. 19, the latch circuit shown includes active devices M19 and Q15-Q19 in addition to resistor R9. Latch circuit output pin LCH_O is shown connected to the emitter of active device Q19. Active device Q19 is then connected at its base to the output of inverter U2, the drain of active device Q15 and the gate of active device M20, and its collector connected to the emitter of active device Q18. The latter base is connected to the voltage signal VDD, and its collector is connected to the resistor R9. The latter is then connected to the voltage signal VDD. The collector of active device Q18 is also shown connected to the bases of active devices Q15 and Q16 and active device Q17, whose emitters are connected to voltage signal VDD, the latter collector being connected to voltage signal VSS, The emitter is connected to the collector of the active device Q15. The collector of the active device Q18 is also connected to the drain of the active device M19, the latter gate is connected to the output pin INITB of the control circuit and its source is connected to the voltage signal VDD.
図24Aおよび24Bは、図19のラッチ回路の各種の実施の形態を示す。これら両実施の形態は、オプションの能動デバイスQ16−Q18を省略している。図24Aは、図19に示されたように、バイポーラ部品Q15およびQ19のラッチ回路への組込みを示し、図24Bは、MOSFET部品のラッチ回路への組込みを示している。2端子デバイスの精神および機能に留意しながら、その他の構成を実施することも可能である。 24A and 24B show various embodiments of the latch circuit of FIG. Both of these embodiments omit the optional active devices Q16-Q18. FIG. 24A shows the incorporation of bipolar components Q15 and Q19 into the latch circuit as shown in FIG. 19, and FIG. 24B shows the incorporation of MOSFET components into the latch circuit. Other configurations can be implemented while keeping in mind the spirit and function of the two-terminal device.
図24Aは、制御回路と連動して動作するバイポーラ・ラッチ回路を示す。これは、入力刺激の検出、決定実行およびバイポーラ・ラッチ回路のトリガを行うために必要な機能を提供する。制御回路は、また電源投入時リセット機能、各種内部ブロックおよび機能の初期化およびシーケンス設定を提供することができる。制御回路への入力には、入力感知接続に付随するもの、すなわち、OSCB、+(PLUS)および−(NEGATIVE)、制御回路用電源に付随するもの、すなわち、電圧信号VDDおよびVSSおよびラッチ回路に付随するもの、すなわち、INITおよびTRIGGERが含まれる。ラッチ出力は、出力ピンLCH_Oを通る。 FIG. 24A shows a bipolar latch circuit that operates in conjunction with the control circuit. This provides the functions necessary to detect input stimuli, execute decisions and trigger bipolar latch circuits. The control circuit can also provide power-on reset functions, various internal blocks and function initialization and sequence settings. Inputs to the control circuit include those associated with the input sensing connections, i.e., OSCB, + (PLUS) and-(NEGATIVE), those associated with the power supply for the control circuit, i.e., voltage signals VDD and VSS and the latch circuit. The accompanying ones are included: INIT and TRIGGER. The latch output passes through the output pin LCH_O.
ROW SELECTライン上で、アクティブなプル・デバイスのP型MOSFETを通ってシステムVsupplyからGNDへ電流が流れる経路が存在するとき、図24Aのストローブ・ラインROW SELECTがアクティブになる。電力が供給されて、制御回路は、動作できるようになる。ストローブ・パルスが最初に供給されると、制御回路は、INITラインを介してゲート信号を供給し、能動デバイスM19をターン・オンさせる。このことは、能動デバイスQ15のベース・エミッタ電圧が本質的にゼロ・ボルトであってそれが導通しないようにする(リーク電流を除く)。Q15がオフで、Q19のベースに電流が流れないので、Q19もオフとなる。Q19がオフであれば、INIT信号が除去された後でもQ15のベースにおける電圧が本質的にVDDにあり、M19は、オフである。ラッチが本質的にオフであれば(すなわち、電流が流れない)、制御回路は、動作できる。動作時には、集積化制御回路が高インピーダンス・モードで、開いたスイッチをシミュレートする。抵抗Rcolumn両端の出力電圧は、Vsupply×R(集積化制御回路)/([R(集積化制御回路)+Rcolumn]に等しい。集積化制御回路の等価抵抗が大きくなればなるほど、Rcolumn両端に現れるVsupplyの割合は、小さくなり、また集積化制御回路両端に現れる降下の割合は、より大きくなる。 When there is a path on the ROW SELECT line through the active pull device P-type MOSFET for current to flow from system V supply to GND, strobe line ROW SELECT in FIG. 24A becomes active. When power is supplied, the control circuit can operate. When the strobe pulse is first applied, the control circuit provides a gate signal via the INIT line to turn on the active device M19. This ensures that the base-emitter voltage of active device Q15 is essentially zero volts and does not conduct (except for leakage current). Since Q15 is off and no current flows through the base of Q19, Q19 is also off. If Q19 is off, the voltage at the base of Q15 is essentially at VDD even after the INIT signal is removed, and M19 is off. If the latch is essentially off (ie, no current flows), the control circuit can operate. In operation, the integrated control circuit simulates an open switch in a high impedance mode. The output voltage across the resistor R column is equal to V supply × R (integrated control circuit) / ([R (integrated control circuit) + R column ]. The larger the equivalent resistance of the integrated control circuit is, the larger R column is. The ratio of V supply appearing at both ends becomes smaller, and the ratio of the drop appearing at both ends of the integrated control circuit becomes larger.
完璧なスイッチは、開いたときに無限の抵抗とゼロの電流を示し、従って、ストローブ・パルスの間にスイッチ両端にVsupplyが現れ、電流がゼロであるのでRcolumn両端の電圧降下は、ゼロとなる。集積回路は、スイッチでないので、ストローブ・パルスによってVsupplyが供給されるとき、開いたスイッチの特性をより正確に複製するためには、可能な限り少ない電流が流れるように集積化制御回路を設計することが重要である。 A perfect switch will exhibit infinite resistance and zero current when opened, so V supply will appear across the switch during the strobe pulse, and since the current is zero, the voltage drop across R column is zero. It becomes. Since the integrated circuit is not a switch, the integrated control circuit is designed to draw as little current as possible in order to more accurately replicate the characteristics of the open switch when V supply is supplied by the strobe pulse. It is important to.
入力電極は、刺激が与えられたとき、又は刺激が与えられないときに集積化制御回路が高インピーダンス・モードに留まるように構成することができる。集積化制御回路が高インピーダンス・モードにあるとき、Vsupplyのほとんどは、集積化制御回路の両端間に印加される。内部VDDおよびVSSが集積回路を全体として動作させるのに十分であり、内部制御回路も同様であるので、これは、回路が浮遊モードで動作するのを許容する。電極構成もまた、刺激が与えられたとき、あるいは、刺激が与えられないときに、制御回路にラッチ回路へのトリガ・パルスを発生させるようなものとすることができる。制御回路がトリガ・パルスを発生すると、ラッチは、ターン・オンする。図24Aのトリガ・パルスは、VSSからVDDに向かう正のパルスである。このトリガ・パルスは、INIT信号がリセットした後、M19をターン・オフさせることができる。この正のパルスは、N型バイポーラ・デバイスQ19のベース・エミッタ接合を順方向にバイアスして、それをターン・オンさせる。ベース電流が流れることと、能動デバイスQ19の利得トランスファとによって、能動デバイスQ19のコレクタ、従って抵抗R19を通って電流が流れる。抵抗R9を流れる電流が電圧ポテンシャルを発生し、それによって能動デバイスQ15のベースをVSSに向かって、能動デバイスQ15のエミッタ・ベース接合を順方向にバイアスしてそれをターン・オンさせるのに十分に引き下げる。能動デバイスQ15の電流利得は、十分な電流を能動デバイスQ15のコレクタに流し、また能動デバイスQ19のベースにおける電圧を、トリガ・パルスが取り去られた後も、能動デバイスQ19のエミッタ・ベース接合を順方向にバイアスするのに十分なだけ引き上げる。トリガ・パルスは、制御回路両端の電圧降下のせいで、制御回路の動作を停止させるのに十分なだけ取り除かれる。ラッチ電流は、Q15とQ19との間の正の電流フィードバック・ループのせいで、トリガ・パルスが取り去られた後もオンに留まる。ラッチの電圧降下は、飽和電圧、接合抵抗、能動デバイスQ15およびQ19の利得およびRcolumnの抵抗によって決まる。制御回路が動作せず、電流範囲内でラッチ電圧降下が可能な限り小さいことが重要であるため、集積化制御回路内部のラッチ回路は、一旦トリガが取り去られた後もオンに留まるべきである。この低インピーダンス・モードで、閉じたスイッチを複製するためにそれらの属性を可能な限り多く得ることが望ましい。完璧な閉じたスイッチであれば、無限大の電流を流し、すべての電流レベルにおいて電圧降下は、ゼロ・ボルトとなる。完璧なスイッチ、すなわち、電圧降下の小さいものを最も良く複製するために、ラッチ回路は、エミッタ領域を拡大し、低いVbe降下を備えたバイポーラ・トランジスタおよび高いW/Lチャネル比、低い閾値および高利得のデバイスを備えたMOSFETを利用することが望ましい。 The input electrode can be configured such that the integrated control circuit remains in a high impedance mode when a stimulus is applied or when no stimulus is applied. When the integrated control circuit is in the high impedance mode, most of the V supply is applied across the integrated control circuit. This allows the circuit to operate in a floating mode since the internal VDD and VSS are sufficient to operate the integrated circuit as a whole, and the internal control circuit is similar. The electrode configuration can also be such that when a stimulus is applied or when no stimulus is applied, the control circuit generates a trigger pulse to the latch circuit. When the control circuit generates a trigger pulse, the latch turns on. The trigger pulse in FIG. 24A is a positive pulse from VSS to VDD. This trigger pulse can turn M19 off after the INIT signal resets. This positive pulse forward biases the base-emitter junction of N-type bipolar device Q19, turning it on. The base current flows and the gain transfer of the active device Q19 causes a current to flow through the collector of the active device Q19 and thus the resistor R19. The current through resistor R9 generates a voltage potential that is sufficient to forward bias the emitter-base junction of active device Q15 toward VSS, turning it on toward the VSS. Pull down. The current gain of active device Q15 allows sufficient current to flow through the collector of active device Q15 and also causes the voltage at the base of active device Q19 to pass through the emitter-base junction of active device Q19 after the trigger pulse is removed. Pull it up enough to bias forward. The trigger pulse is removed enough to stop the operation of the control circuit due to the voltage drop across the control circuit. The latch current remains on after the trigger pulse is removed due to the positive current feedback loop between Q15 and Q19. The voltage drop of the latch is determined by the saturation voltage, the junction resistance, the gain of the active devices Q15 and Q19 and the resistance of R column . Since it is important that the control circuit does not operate and the latch voltage drop is as small as possible within the current range, the latch circuit inside the integrated control circuit should remain on even after the trigger is removed. is there. In this low impedance mode, it is desirable to get as many of those attributes as possible to replicate a closed switch. A perfect closed switch will carry infinite current and the voltage drop will be zero volts at all current levels. In order to best replicate a perfect switch, i.e., one with a small voltage drop, the latch circuit expands the emitter region, bipolar transistor with low V be drop and high W / L channel ratio, low threshold and It is desirable to utilize a MOSFET with a high gain device.
図24Bは、図24Aのラッチ回路を示し、そこでは、バイポーラ能動デバイスQ15およびQ19がMOSFETデバイスM21およびM22によって置き換えられている。図24Bの集積化制御回路の動作は、図24Aの集積化制御回路の動作と同等である。図24Bに示されたラッチ部の動作は、以下に述べる。 FIG. 24B shows the latch circuit of FIG. 24A, where bipolar active devices Q15 and Q19 are replaced by MOSFET devices M21 and M22. The operation of the integrated control circuit in FIG. 24B is equivalent to the operation of the integrated control circuit in FIG. 24A. The operation of the latch unit shown in FIG. 24B will be described below.
INITパルスが印加されると、能動デバイスM19は、ターン・オンする。これは、VDDが能動デバイスM21のゲートに印加されることを許容する。この状態で、能動デバイスM21のゲート・ソース電圧は、P型MOSFETデバイスM21の閾値電圧、すなわち本質的にゼロ・ボルトよりも小さくなり、そのため、能動デバイスM21は、オフになる。能動デバイスM21のドレイン電流が本質的にゼロ・アンペア(リーク電流を除いて)であるため、抵抗R10両端に電圧が現れない。能動デバイスM22のゲートが本質的にゼロ・ボルトであるため、それのゲート・ソース電圧は、デバイスの閾値電圧よりも本質的に小さくなる。能動デバイスM22のドレイン電流は、それのゲート・ソース電圧が閾値電圧より十分小さいため本質的にゼロとなる。抵抗R9を流れる電流がゼロとなるため、能動デバイスM21のゲートの電圧は、VDD又はそのごく近傍となって、そのため、能動デバイスM21のゲート・ソース電圧は、INIT信号が取り去られた後も本質的にゼロとなる。この状態は、ラッチ回路を高インピーダンス状態に置く。VDDに近いトリガ・パルスが能動デバイスM22のゲートに印加されると、INITパルスが取り去られた後、それのゲート・ソース電圧は、能動デバイスM22の閾値電圧を超えて、M22をターン・オンさせる。能動デバイスM22のドレイン電流が増大し、抵抗R9両端に電圧降下をもたらす。抵抗R9両端の電圧降下によって、能動デバイスM21のゲート・ソース電圧は、それの閾値電圧を超えて、能動デバイスM21をターン・オンさせる。能動デバイスM21のドレイン電流が増大して、トリガ・パルスが取り去られた後も抵抗R10両端の電圧降下を能動デバイスM22の閾値電圧よりも増大させる。従って、ラッチは、低インピーダンス状態に移行するが、それの両端の電圧降下は、能動デバイスM21およびM22の特性、抵抗R9およびR10の値およびRcolumnの抵抗に依存する。図24Bの集積化制御回路の動作の残りは、図24Aの集積化制御回路のそれと類似している。両図面には、図21A−21Cの阻止用ダイオードも示されているが、それらは、図24Aおよび24Bでは、それぞれD8およびD9とラベル付けられている。 When the INIT pulse is applied, the active device M19 turns on. This allows VDD to be applied to the gate of active device M21. In this state, the gate-source voltage of the active device M21 becomes smaller than the threshold voltage of the P-type MOSFET device M21, ie essentially zero volts, so that the active device M21 is turned off. Since the drain current of the active device M21 is essentially zero amperes (excluding leakage current), no voltage appears across resistor R10. Since the gate of active device M22 is essentially zero volts, its gate-source voltage is essentially less than the threshold voltage of the device. The drain current of active device M22 is essentially zero because its gate-source voltage is well below the threshold voltage. Since the current flowing through the resistor R9 becomes zero, the gate voltage of the active device M21 becomes VDD or very close to it, so that the gate-source voltage of the active device M21 remains after the INIT signal is removed. Essentially zero. This state places the latch circuit in a high impedance state. When a trigger pulse close to VDD is applied to the gate of active device M22, after the INIT pulse is removed, its gate-source voltage exceeds the threshold voltage of active device M22, turning M22 on. Let The drain current of the active device M22 increases and causes a voltage drop across the resistor R9. Due to the voltage drop across resistor R9, the gate-source voltage of active device M21 exceeds its threshold voltage, causing active device M21 to turn on. The drain current of active device M21 increases, causing the voltage drop across resistor R10 to increase above the threshold voltage of active device M22 even after the trigger pulse is removed. Thus, the latch goes to a low impedance state, but the voltage drop across it depends on the characteristics of the active devices M21 and M22, the values of resistors R9 and R10, and the resistance of R column . The rest of the operation of the integrated control circuit of FIG. 24B is similar to that of the integrated control circuit of FIG. 24A. Both figures also show the blocking diodes of FIGS. 21A-21C, which are labeled D8 and D9, respectively, in FIGS. 24A and 24B.
図25Aは、図19のラッチ回路部を示し、能動デバイスQ15−Q19を基板PSに構築される1つの可能な構成で示している。図25Bは、ラッチ回路部を模式的に示す。図25Aで、能動デバイスQ15およびQ16は、PドープのウエルEMITTERQ15/EMITTERQ16をエミッタとして共有し、能動デバイスQ15のコレクタおよび能動デバイスQ17のエミッタは、能動デバイスQ15のゲートに接続された同じPドープのウエルCOLLECTORQ15/EMITTERQ17である。能動デバイスQ15、Q16およびQ17は、また同じNドープのウエルをそれぞれそれらのベースBASEQ15、BASEQ16およびBASEQ17として共有している。基板PSは、能動デバイスQ16およびQ17のコレクタ、それぞれCOLLECTORQ16およびCOLLECTORQ17を形成する。能動デバイスQ19は、基板PS中の分離されたNドープのウエル中に示され、それのNドープ・ウエルのコレクタであるCOLLECTORQ19を抵抗R9に接続され、それのPドープ・ウエルのベースであるBASEQ19をPドープ・ウエルであるCOLLECTORQ15/EMITTERQ17に接続され、またそれのNドープ・ウエルのエミッタであるEMITTERQ19をダイオードD10のアノードで電圧信号VSSに接続されている。図25Aで、能動デバイスM19は、抵抗R9に並列に接続されている。図25Aおよび25Bに示された構成の動作は、図24Aに関連したラッチ回路の議論から能動デバイスおよび回路設計の当業者に理解されよう。能動デバイスQ16−Q18は、出力LCH_Oに配信される信号を増幅する。図25Aに示された構成は、能動デバイスQ17の動的インピーダンスと、基板PSを流れるVSS電流の分岐とのおかげで、標準的なラッチに関連する電圧降下と比べて低減されたラッチのオン電圧降下の点で有利である。カソードを出力LCH_Oに接続され、アノードを能動デバイスQ19のエミッタと電圧信号VSSに接続されたダイオードD10は、図25Bに示された集積回路のラッチ部へのフィードバックを阻止できる。図25Cは、それのアノードを電圧信号VSSおよび能動デバイスQ17およびQ16のコレクタに接続され、それのカソードを能動デバイスQ19のエミッタおよび出力LCH_Oに接続されたダイオードD10を示す。図25Cの構成は、このように出力TRIGによってオンにバイアスできる能動デバイスQ19のエミッタ上の電圧信号を図25BのVSSからVSS1に変更する。このラッチ回路構成は、この場合、ダイオードD10両端の電圧降下が能動デバイスQ19のベース・エミッタ電圧と直列でないので、電圧降下を有利に低減できる。図25Bおよび25Cのオプションの能動デバイスQ18は、ラッチ回路の逆方向ブレークダウン電圧を増大させるのに有用である。 FIG. 25A shows the latch circuit portion of FIG. 19, showing the active devices Q15-Q19 in one possible configuration built on the substrate PS. FIG. 25B schematically shows the latch circuit portion. In FIG. 25A, active devices Q15 and Q16 share a P-doped well EMITTERQ15 / EMITTERQ16 as an emitter, and the collector of active device Q15 and the emitter of active device Q17 are the same P-doped connected to the gate of active device Q15. Well COLLECTORQ15 / EMITTERQ17. Active devices Q15, Q16 and Q17 also share the same N-doped well as their bases BASEQ15, BASEQ16 and BASEQ17, respectively. Substrate PS forms the collectors of active devices Q16 and Q17, COLLECTORQ16 and COLLECTORQ17, respectively. The active device Q19 is shown in a separate N-doped well in the substrate PS, COLLECTORQ19, the collector of its N-doped well, is connected to resistor R9, and the base of its P-doped well, BASEQ19 Is connected to COLLECTORQ15 / EMITTERQ17 which is a P-doped well, and EMITTERQ19 which is the emitter of its N-doped well is connected to the voltage signal VSS at the anode of the diode D10. In FIG. 25A, the active device M19 is connected in parallel to the resistor R9. The operation of the configuration shown in FIGS. 25A and 25B will be understood by those skilled in the art of active device and circuit design from the discussion of the latch circuit associated with FIG. 24A. Active devices Q16-Q18 amplify the signal delivered to output LCH_O. The configuration shown in FIG. 25A has a reduced latch-on voltage compared to the voltage drop associated with a standard latch, thanks to the dynamic impedance of the active device Q17 and the branching of the VSS current through the substrate PS. It is advantageous in terms of descent. A diode D10 having a cathode connected to the output LCH_O and an anode connected to the emitter of the active device Q19 and the voltage signal VSS can prevent feedback to the latch portion of the integrated circuit shown in FIG. 25B. FIG. 25C shows diode D10 having its anode connected to voltage signal VSS and the collectors of active devices Q17 and Q16, and its cathode connected to the emitter of active device Q19 and output LCH_O. The configuration of FIG. 25C changes the voltage signal on the emitter of active device Q19, which can thus be biased on by output TRIG, from VSS in FIG. 25B to VSS1. This latch circuit configuration can advantageously reduce the voltage drop in this case because the voltage drop across diode D10 is not in series with the base-emitter voltage of active device Q19. The optional active device Q18 of FIGS. 25B and 25C is useful for increasing the reverse breakdown voltage of the latch circuit.
本発明の集積回路は、多様な形で変化する容量性入力に応答できる。例えば、図26A−26Cは、本発明の集積回路と互換な容量性入力感知装置を示しており、容量性入力は、図26Dに模式的に示された容量Csenseを構成する電極GEとSEとの間の距離dが変化することによって変化する。容量Csenseは、電極の容量定数Eo、比誘電率Er、電極の表面積sおよびそれらの間の距離dの関数である。基板144の片側143上に集積化制御回路ICCとセンサ電極SEを有し、反対側145にキャビティ121を形成するボタン122として構成されたアースされた電極GEを有する図26Aに示された装置。図26Bおよび26Cは、図26Aに示された装置の分離した層を示す。図26Aのキャビティ121は、ボタン122が例えば人の指やその他のプローブによって押され、それによって電極GEとSEとの間の距離が変わることを許容する。図26Dに示された制御回路は、距離dの変化から生ずる容量の変化に応答できる。図26Dの制御回路は、図18Dに示された制御回路に対応するが、図18Dの容量C3が図26Dでは、Csenseと名前を変えている。
The integrated circuit of the present invention can respond to capacitive inputs that vary in various ways. For example, FIGS. 26A-26C illustrate a capacitive input sensing device that is compatible with the integrated circuit of the present invention, where the capacitive inputs are the electrodes GE and SE that make up the capacitive C sense shown schematically in FIG. 26D. It changes when the distance d between is changed. The capacitance C sense is a function of the electrode capacitance constant E o , the relative permittivity E r , the electrode surface area s, and the distance d between them. The apparatus shown in FIG. 26A having an integrated control circuit ICC and a sensor electrode SE on one
これまで、本明細書は、一般に本発明に従うタッチ・センサ(又は電界効果センサ)の各種の好適な実施の形態について説明してきた。以下では、そのようなセンサに関する実用的な各種応用について説明する。上で述べたタッチ・センサを用いてそれらの応用を実現することが望ましいのであるが、他のタイプのタッチ・センサ、例えば、米国特許第5,594,222号および第6,310,611号に述べられているセンサ、従来の容量性センサおよび当業者に既知のその他のタイプのセンサを用いて実現することも一般に可能である。 Thus far, this specification has described various preferred embodiments of touch sensors (or field effect sensors) in general according to the present invention. In the following, various practical applications relating to such sensors will be described. While it is desirable to implement these applications using the touch sensors described above, other types of touch sensors, such as US Pat. Nos. 5,594,222 and 6,310,611, may be used. It is also generally possible to implement using the sensors described in, conventional capacitive sensors, and other types of sensors known to those skilled in the art.
図27A−27Dは、本発明の集積回路と互換な容量性入力の液体レベル感知装置を示す。ここで、容量性入力は、2つの電極間の誘電定数Erが変化することにより変化する。この変化は、例えば、容量Csenseを形成する2つの電極GEとSE1との間の空気を液体が置き換えるときに発生する。このように、図27Aで、基板123上のアースされた電極GEは、液体125で満たすことのできる空隙によってセンサ電極SE1から分離されている。図27Bは、液体125の貯蔵容器を形成する基板124と、液体125が一定のレベルに達したときに、アースされた電極GEとセンサ電極SE1との間の空隙を液体125が満たすように構成された基板123とを示す。図27Cおよび27Dは、集積化制御回路ICCに接続される、アースされた電極GEおよびセンサ電極SE1の有利な1つの可能な構成を示す。図27Cおよび27Dの両方で、電極GEおよびSE1は、長く、水平に配置されている。すなわち、それらの長軸は、液体125の表面に平行であり、液体125のレベルがわずかに増加すると、図27Dに模式的に示されたように、容量Csenseを大きく変化させる。図27Eに示された制御回路は、図26Dに示されたものと同一であり、それは、同等に図27A−27Dに示された装置と互換性を有する。
27A-27D show a capacitive input liquid level sensing device compatible with the integrated circuit of the present invention. Here, the capacitive input changes as the dielectric constant Er between the two electrodes changes. This change occurs, for example, when the liquid replaces the air between the two electrodes GE and SE1 that form the capacitance C sense . Thus, in FIG. 27A, the grounded electrode GE on the
図28A−28Bは、本発明の集積回路と互換な容量性入力の感知装置を示す。ここで、容量性入力は、センサ電極SE3の表面積ss3が変化することで変化する。図28Aで、基板126は、アースされた電極GEを乗せており、また可動な基板127は、集積化制御回路ICCに接続された2つのセンサ電極SE2およびSE3を乗せている。センサ電極SE3は、基板127が動くようにされた方向に沿って変化する表面積ss2を有する。こうして、図28Bは、図28Aの位置に対して上方に移動した基板127を示す。従って、アースされた電極GEから見たセンサ電極SE3の表面積ss3は、減少する。表面積のこの変化は、図28Cに模式的に示された容量Csense3の変化に対応する。図28Cに示された制御回路は、図18Eに示された回路に似ているが、図11Aに示されたデュアル電極構造を有する。ここで、電極E1およびE2は、センサ電極SE2およびSE3と名前を変えてあり、また容量C6は、容量C23と名前を変えてある。この回路の動作は、図11Aおよび18Eに関する先の議論から当業者に理解されよう。
28A-28B show a capacitive input sensing device compatible with the integrated circuit of the present invention. Here, the capacitive input changes as the surface area s s3 of the sensor electrode SE3 changes. In FIG. 28A, the
図29A−29Dは、本発明の集積回路と互換な容量性入力感知のダイヤル装置を示す。ここで、入力パルス幅およびシーケンスが集積化制御回路の応答を決める。図29A−29Dは、基板128上の集積化制御回路ICCに接続されたセンサ電極SE4と、回転ディスク129上のアースされた電極GE1およびGE2とを示している。図29A−29Dで、アースされた電極GE1およびGE2(それらの間のスペースも含む)は、一緒になって回転ディスク129の面積の約半分を占め、互いには、分離されている。これおよびこれ以外の同様な構成は、制御回路がダイヤル装置の時計回りの回転と反時計回りの回転とを区別することを可能にする。図29B−29Cは、停止した基板128に相対的な回転ディスク129の運動を示す。図29Eおよび29Fは、図29A−29Dに示されたダイヤル装置の出力パルスを示しており、それは、図29Gに示されたように、集積化制御回路の入力部に応答を生成できる。図29Eは、1つの速度で回転ディスク129を反時計回りに回転させたときに発生する比較的幅広く間隔のあいた入力パルスを示し、また図29Fは、より高速の速度で回転ディスク129を時計回りに回転させたときに発生する比較的狭く接近した入力パルスを示している。電極SE4とGE1又はGE2との間に形成され、図29G(図27Eに示された構成と類似の)に模式的に示された容量Csenseの変化が本発明の集積化制御回路の実施の形態によって検出できる。
29A-29D show a capacitive input sensing dial device compatible with the integrated circuit of the present invention. Here, the input pulse width and sequence determine the response of the integrated control circuit. FIGS. 29A-29D show sensor electrode SE4 connected to integrated control circuit ICC on
図30A−30Eは、本発明の集積回路と互換な別の容量性感知ダイヤル装置を示す。ここで、アースとの接続は、ユーザによって提供される。図30Aは、各種サイズのトランスファ電極TE1−TE8を有する回転ディスク130を示す。これは、それらがアースに接続されたとき、各種サイズの入力パルス幅に対応する。図30Bは、シリンダ131に搭載された結合電極CEに接続された回転ディスク130のトランスファ電極TE1−TE8を示す。図30Cは、集積化制御回路ICCに接続されたセンサ電極SE5およびSE6を有し、図30Bのシリンダ131の内部にフィットするように構成されたシリンダ132を示す。図30Dは、一緒に組み合わされてロータリ式容量性入力装置を構成する、図30A−30Cに示された部品を示す。図30Eは、シリンダ131を掴む手133を示す。手133は、結合電極CEおよびトランスファ電極TE1−TE8を仮想アースに接続する。図30Cに示されたように、各センサ電極SE5およびSE6は、一時に1つのトランスファ電極から容量性入力を受信するように構成されている。図30F−30Hに示されたように、一時に2つの入力パルスを集積化制御回路に送ることができる。回転ディスク130およびシリンダ131を含むダイヤルのユーザによる回転の方向およびアーク長は、図30Fおよび30Gに示された入力から決定できる。図30Fは、ダイヤル装置を反時計回りの方向に2回転回した結果発生するパルス列を示しており、他方、図30Gは、時計回りの方向に2回転回したことで生ずるパルス列を示す。図30Hは、図30Eのダイヤル装置の模式図を示し、アースへつなぐ手133、トランスファ電極TEに接続された結合電極CEを含んでおり、それらは、抵抗RIN1およびRIN2にそれぞれ接続されたセンサ電極SE5およびSE6と一緒に容量を形成する。集積化制御回路ICCは、抵抗RIN1およびRIN2を介してそれぞれセンサ電極SE5およびSE6に発振信号OSCを供給し、また決定回路(図示されていない)に出力OUT1およびOUT2を供給する。回転ディスク130およびシリンダ131および132を含むダイヤル装置の各種部品は、「モールド/集積されたタッチ・スイッチ/制御パネル・アセンブリおよびそれを作製する方法(Molded/Integrated Touch Switch/Control Panel Assembly and Method for Making Same)」と題する米国特許第6,897,390号に述べられた発明、又はその他の方法に従って形成できる。
30A-30E illustrate another capacitive sensing dial device that is compatible with the integrated circuit of the present invention. Here, the connection to ground is provided by the user. FIG. 30A shows a
図31A−31Fは、本発明に従う集積化制御回路を有するタッチ・スイッチ・アセンブリの構造および分離層を示す。図31A−31Eは、図31Fに示された組上げられたタッチ・スイッチを構成する個々の層を示す。図31Aは、不透明な領域135と窓領域136を含む基板133の裏側を示す。不透明な領域135は、装飾用フリット、装飾用エポキシ、紫外線硬化インク又は任意のその他の装飾用層状材料でよい。図31Bは、基板133の裏側の窓領域136に搭載されたタッチ・スイッチの電極134を示す。電極134は、不透明領域135に重なるように示されており、インジウム錫酸化物やその他の適当な材料を含む透明な導電性材料を含むことができる。図31Cは、タッチ・スイッチ・アセンブリの底部導電層を裏側から見たところを示しており、銀含有フリット、銀エポキシ、銅エポキシ、電気メッキした導体および同様材料ならびにそれらの組合せを含む回路トレース138を含んでいる。図31Dは、誘電層領域140を有するタッチ・スイッチの誘電層を示しており、それは、絶縁されたセラミック・フリット、紫外線インク、エポキシ等でよい。図31Eは、タッチ・スイッチ・アセンブリのクロスオーバ層を裏側から見たところを示しており、図31Cを参照しながら説明した材料を含むクロスオーバ導体137を含んでいる。図31Fは、一緒になって完成したタッチ・スイッチ・アセンブリを組上げる図31A−31Eに示された分離層を示す。図31Fには、アセンブリを裏側から見たところも示されている。
31A-31F illustrate the structure and isolation layer of a touch switch assembly having an integrated control circuit according to the present invention. 31A-31E show the individual layers that make up the assembled touch switch shown in FIG. 31F. FIG. 31A shows the back side of the
上に示した実施の形態は、DCモードとして説明してきたが、本発明の集積化制御回路は、AC入力とも互換性を有し、従ってACモードでも動作できる。ACの場合を図32に示している。図32は、AC入力を受信するように適応した集積化制御回路を備えたタッチ・スイッチを示す。図32で、AC信号ACは、抵抗R10およびRLOADを介してダイオードD11−D14を含む整流器ブリッジRBに接続されている。整流器ブリッジRBダイオードD11−D14は、ツェナ・ダイオードZ1および容量C15と並列に接続されている。AC信号ACは、ダイオードD8を除いて図24Aに示されたラッチ部を含む集積化制御回路を備えたタッチ・スイッチをシミュレートできる。この構成は、集積回路が比較的小さい電流を引出すように設計できる点、および電流が小さい感知インピーダンスによって特徴づけられるため、さほどアースに依存しない浮遊回路を提供する点で有利である。 Although the embodiment shown above has been described as a DC mode, the integrated control circuit of the present invention is also compatible with the AC input and can therefore operate in the AC mode. The case of AC is shown in FIG. FIG. 32 shows a touch switch with integrated control circuitry adapted to receive AC input. In FIG. 32, AC signal AC is connected to rectifier bridge RB including diodes D11-D14 via resistors R10 and RLOAD. The rectifier bridge RB diodes D11 to D14 are connected in parallel with the Zener diode Z1 and the capacitor C15. The AC signal AC can simulate a touch switch with an integrated control circuit that includes the latch portion shown in FIG. 24A except for the diode D8. This configuration is advantageous in that the integrated circuit can be designed to draw a relatively small current, and provides a floating circuit that is less dependent on ground because the current is characterized by a small sensing impedance.
上で説明した本発明の実施の形態は、デジタル出力を供給するように説明してきたが、上で説明した集積化制御回路構成を備えたタッチ・スイッチの利益の多くは、集積化制御回路がアナログ出力を供給する場合でも享受できる。デジタル出力の場合、出力は、電極への入力によって与えられる刺激されたか又は刺激されていないかの2つの状態の情報だけを反映する。いくつかの応用では、2つよりも多くの状態に対応できることが望ましい。例えば、図27A−27Dに関連して説明した状況と同様な液体感知応用で、2つの状態でなく多くの液体レベルに対応する多くの状態を反映する出力を提供できることが望ましい。アナログ出力は、多くの入力状態に対応できる。図33Aは、集積化制御回路を備えたアナログ電界センサ用として可能な回路を示す。図33Aの回路構成は、図4に示された回路に対応し、スイッチSW2およびSW4のゲートに電流バイアスを供給する起動およびバイアス回路40と、スイッチSW1およびSW3のゲートに電源投入時リセット信号PORを供給するパルス発生器および論理回路とを含む。図33Aの構成は、また図12Aに関連して説明した入力部と同じように、能動デバイスM1、M2、M5およびM6を有する入力部を含む。能動デバイスM1およびM2のドレインは、トレースINPUT1およびINPUT2に接続され、ダイオードD1およびD2を介してトレースPKOUT1およびPKOUT2に接続されている。後者は、差動増幅回路160に入力を供給する。この回路の動作は、図4−7に関連して与えた説明から理解できる。図33Aに示された構成は、センサ電極およびストローブ信号のバッファリング、電極および回路における電気的干渉の共通モード排除、温度安定性等々を含む図4−7に示された構成の利益を提供できる。図33Bおよび33Cは、図33Aに示された回路に関するタイミング図を示す。図33Bおよび33Cは、発振信号OSCと、トレースIN1、IN2、INPUT1およびINPUT2に供給される信号を示している。図33Bは、これらの信号をマイクロ秒単位の時間の関数として示し、図33Cは、これらの信号をナノ秒単位の時間の関数として示す。
Although the embodiments of the present invention described above have been described as providing digital outputs, many of the benefits of touch switches with the integrated control circuitry described above are provided by the integrated control circuitry. It can be enjoyed even when supplying analog output. In the case of a digital output, the output reflects only two states of information, stimulated or unstimulated, provided by input to the electrodes. In some applications, it is desirable to be able to accommodate more than two conditions. For example, it is desirable to be able to provide an output reflecting many states corresponding to many liquid levels rather than two states in a liquid sensing application similar to the situation described in connection with FIGS. 27A-27D. Analog output can accommodate many input states. FIG. 33A shows a possible circuit for an analog electric field sensor with an integrated control circuit. The circuit configuration of FIG. 33A corresponds to the circuit shown in FIG. 4, and includes a start-up and
図34は、アナログ入力を受け入れてアナログ出力を提供する図33Aの電界センサの2×2マトリクスを示す。図34の多重化システムは、図10に示されたものと同様である。制御回路141によって供給される信号を有するトレースROW SELECT1は、アナログ・スイッチATS1およびATS3が電力供給を受ける期間だけ高レベルになる。アナログ・スイッチATS1およびATS3のアナログ出力AOUTは、トレースCOLUMN RETURN1に与えられ、またアナログ・インタフェース回路142に送られるが、アナログ・スイッチATS1およびATS3の電極に与えられる刺激に比例する出力を供給する。これらの出力は、温度に対して安定であり、回路の低インピーダンスのせいで良好な信号対雑音性能特性を示し、同時に共通モード排除特性も示す。アナログ信号は、米国特許第5,594,222号に述べられたのと同様なやり方で、あるいは、電気回路設計の当業者に理解されるその他のアナログ処理技術を用いて処理できる。
FIG. 34 shows a 2 × 2 matrix of the electric field sensor of FIG. 33A that accepts an analog input and provides an analog output. The multiplexing system of FIG. 34 is the same as that shown in FIG. Trace ROW SELECT1, which has a signal supplied by
図35A−35Bは、本発明の実施の形態1100を示し、ここで電界効果センサを他の構造と一緒に使用して機械式押しボタン・スイッチをエミュレートしている。実施の形態1100は、誘電性基板1102を含み、それは、任意の適当な形状に実現できる。基板1102は、本質的に硬いことが望ましい。例えば、基板1102は、従来のプリント配線基板又はパネル、あるいは、例えば、自動車のドア・パネルやダッシュボード、冷蔵庫の内部パネルのような部品又はより大型のアセンブリの一部でよい。あるいは、基板1102は、柔軟な回路担体でよい。そのような実施の形態では、柔軟な回路担体を本質的に硬い二次的基板(図示されていない)に貼り付けるのが望ましい。基板1102は、当業者に認識されるように任意のその他の適当な形状を有することができる。
FIGS. 35A-35B illustrate an
基板1102は、開口部1104を定義する。電界効果センサ1106Aは、基板1102上の開口部1104近傍に配置される。電界効果センサ1106Aは、図35Aに、基板1102の片側に配置されているように示されている。これと逆に、電界効果センサ1106Aを基板1102の反対側に配置することも可能である。更に、電界効果センサ1106Aが2個以上の電極を含む実施の形態では、基板1102の片側に1又は複数のそのような電極を配置し、その他の電極(単数又は複数)を基板1102の反対側に配置することもできる。他の実施の形態では、電界効果センサ1106Aは、電界効果センサ1106Eに関して図35Dに示され、以下で更に議論するように、基板1102内部に封じ込めることもできる。
The
シャフト1108が開口部1104内部にスライドするように挿入される。スリーブ、ブッシング又は同等物(図示されていない)を開口部1104と一緒に設けることによって、シャフト1108がグラグラせずに開口部1104内をスライドできるようにしてもよい。シャフト1108は、ノブ1110を含むことが望ましい。図示した実施の形態で、シャフト1108は、ネジを切ったプラスティック製ボルトで、その頭部がノブ1110になっている。他の実施の形態では、シャフト1108は、当業者に認識されるように任意の適当な形状を有することができ、任意の適当な材料を含むことができる。シャフト1108は、非導電性材料、例えば、プラスティック又はレジンを含むことが望ましい。
The
電界スティミュレータ(electric field stimulator)1112が予め定められた場所でシャフト1108に固定される。電界スティミュレータ1112は、上で説明したように、電界を容易に刺激又は擾乱できる材料を含む。電界スティミュレータ1112は、金属又はその他の導電性材料を含むことが望ましいが、当業者に既知であるように、その他の材料も同様に適している。図35Aの実施の形態で、電界スティミュレータ1112は、シャフト1108に固定された金属製ワッシャであり、ネジを切ったプラスティック製ワッシャ1116が電界スティミュレータ1112の両端に備えられている。他の実施の形態で、電界スティミュレータ1112は、当業者に既知であるように、その他の形状を有し、その他の材料を含み、任意の適当な手段によってシャフト1108に固定できる。
An
基板1102と電界スティミュレータ1112との間に設けられるプラスティック製ワッシャ1116は、電界スティミュレータ1112が電界効果センサ1106Aの電極(単数又は複数)に接触しないように十分厚いことが望ましい。あるいは、当業者に既知であるように、電界スティミュレータ1112が電界効果センサ1106Aの電極(単数又は複数)に接触しないようにその他の構造(図示されていない)を設けることもできる。
The plastic washer 1116 provided between the
図35Aは、電界スティミュレータ1112が基板1102の電界効果センサ1106Aと同じ側、基板1102のヘッド1110と反対側に配置されている様子を示している。これと異なり、電界スティミュレータ1112と電界効果センサ1106Aを基板1102の反対側に配置して、電界スティミュレータ1112とヘッド1110を基板1102の同じ側に配置することもできる。
FIG. 35A shows a state in which the
シャフト1108は、長手方向にバイアスされ、従って電界スティミュレータ1112は、通常、電界効果センサ1106Aに相対的に予め定められた位置に置かれる。従って、シャフト1108と電界スティミュレータ1112は、ヘッド1110に対して適当な力を加えることによってそれらのノーマル位置から移動させることができる。図35Aの実施の形態で、ノブ1110と対応する基板1102表面との間のシャフト1108周りに取り付けられたコイル・スプリング1114によってバイアスが与えられ、それによって電界スティミュレータ1112は、通常、電界効果センサ1106A近傍にある。電界スティミュレータ1112は、シャフト1108に長手方向の力が加えられるとき、電界効果センサ1106Aから遠ざかるように移動する。別の実施の形態で、シャフト1108は、当業者に認識されるように、通常、電界効果センサ1106Aから離れていて、適当な力がシャフト1108に加えられたときに、電界効果センサ1106Aの近くに移動するようにバイアスすることもできる。更に別の実施の形態で、コイル・スプリング1114は、シャフト1108をバイアスする適当な構造で置き換えることができる。例えば、柔軟な、および/または弾力的な材料(図示されていない)の層を基板1102上の開口部1104周囲に配置するか、あるいは、基板1102それ自体を、ノブ1110をそれに押し付けたときに変形し、また解放したときにそれの原点に戻ってノブ1110、シャフト1108および電界スティミュレータ1112をそれぞれの原点位置に戻すような柔軟なおよび/又は弾力的な材料で作製することができる。当業者に既知であるように、シャフト1108をバイアスするために任意の複数のその他の構造を使用することができる。
The
動作時には、上で述べたように、電界効果センサ1106Aの周囲に電界が発生する。シャフト1108が図35Aに示されるノーマル位置にあるとき、電界スティミュレータ1112は、この電界と結合する。上で述べたように、電界効果センサ1106Aに付随する検出回路(図示されていない)がこの結合を検出する。例えば、ユーザがノブ1110を押し下げるのに応答して、シャフト1108が長手方向に移動すると、電界スティミュレータ1112は、電界効果センサ1106Aから遠ざかるように移動し、電界効果センサ1106A周囲の電界との結合が切れる。これに応じて、検出回路(図示されていない)がこのデカップリングを検出し、信号を制御回路に供給し、それが、次に上で述べたように被制御装置に制御信号を供給する。このように、実施の形態1100は、機械式押しボタン・スイッチをエミュレートする。
In operation, as described above, an electric field is generated around the
図35Cは、機械式プル・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1140を示す。実施の形態1140は、電界スティミュレータ1112が通常は、電界効果センサ1106Aから予め定められた距離に位置するようにシャフト108がバイアスされる点を除いて、実施の形態1100と構造的に同様である。従って、電界スティミュレータ1112は、通常、電界効果センサ1106A周囲の電界効果から切り離されている。電界効果センサ1106Aを作動させるために、ユーザは、ノブ1110を取って、電界スティミュレータ1112を電界効果センサ1106A近くに引き寄せ、電界スティミュレータ1112が電界効果センサ1106A周囲の電界と結合するようにする。機械式ストップ、例えば、予め定められた位置でシャフト1108に固定された機械式ストップ1119を設けて、コイル・スプリング1114又はその他のバイアス手段によるシャフト1108の移動範囲を制限することが望ましい。
FIG. 35C illustrates another embodiment 1140 of the present invention that emulates a mechanical pull switch. Embodiment 1140 is structurally similar to
図35Dは、機械式押しボタン・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1160を示す。実施の形態1160は、基板1102に取り付けられたポスト1102を含む。電界効果センサ1106Eは、ポスト1118近傍の基板1102中に封じ込められる。他の実施の形態で、電界効果センサ1106Eは、図35Aに関して図示および説明したように、電界効果センサ1106Aと同じように基板1102のいずれかの表面に設置される。
FIG. 35D shows another embodiment 1160 of the present invention emulating a mechanical pushbutton switch. Embodiment 1160 includes a
座面1122を有する押しボタン1120は、ポスト1118とスライドするように組み合わされる。電界スティミュレータ1112は、基板1102に最も近い押しボタン1120の下側部に取付けられる。押しボタン1120および電界スティミュレータ1112は、分離構造にしてもよいが、必ずしもそうする必要はない。実際、押しボタン1120および電界スティミュレータ1112は、1つのモノリシック構造として具体化できる。
A
コイル・スプリング1114は、押しボタン1120をバイアスして、電界スティミュレータ1112が、通常は、電界効果センサ1106Eから予め定められた距離に位置するようにする。適当な力を座面1122に加えることによって電界スティミュレータ1112を電界効果センサ1106Eに向かって移動させる。電界効果センサ1106Eおよび付随する検出回路は、上で述べたように応答する。特に、この実施の形態1160は、基板1102中に開口部を含まない。従って、実施の形態1160は、基板1102への液体や汚染物質の侵入を排除することが望ましい応用に使用するのに特に適している。実施の形態1160は、当業者に認識されるように、プル・スイッチとして機能するように容易に修正できる。
これまでの実施の形態のいずれに関しても1個よりも多い電界効果センサを使用することができる。図35Eは、実施の形態1100および1140の開口部1104周辺に4個の電界効果センサ1106A−1106Dを配置した実施の形態を示す。実施の形態1160も同様に修正できる。他の実施の形態は、4個よりも多い又は少ない電界効果センサを使用できる。
More than one field effect sensor can be used for any of the previous embodiments. FIG. 35E shows an embodiment in which four
複数の電界効果センサ1106A−1106nを用いた実施の形態で、センサと対応する検出および制御回路は、電界スティミュレータ1112が電界効果センサ1106A−1106nに向かって又はそれから遠ざかる方向に移動するのと本質的に同時に、電界スティミュレータ1112が個々の電界効果センサ1106i周囲の電界(単数又は複数)と結合するか、あるいは、結合を切るように構成できる。あるいは、そのような実施の形態は、電界スティミュレータ1112が電界効果センサ1106A−1106nに向かう方向又はそれから遠ざかる方向の移動範囲において異なる複数地点に到達するときに、電界スティミュレータ1112が個々の電界効果センサ1106i周辺の電界(単数又は複数)と結合するか、あるいは、結合を切るように(例えば、センサおよび/又はスティミュレータの形状を通して)構成できる。
In an embodiment using multiple
上述の実施の形態に対してその他の修正が可能である。例えば、上述の実施の形態の任意のものからバイアス手段を省いて、シャフト1108又は押しボタン1120がユーザによって設置された最終位置に留まるようにすることができる。更に、シャフト1108およびポスト1118が基板1102に対して本質的に垂直であるように示されているが、シャフト1108およびポスト118は、当業者に既知であるように、基板1102に対して異なる角度となるように構成することもできる。
Other modifications can be made to the above-described embodiment. For example, the biasing means may be omitted from any of the above-described embodiments so that the
図36A−36Bは、機械式トグル・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1200を示す。実施の形態1200は、開口部1204を定義する基板1202を含む。電界効果センサ1206Aは、開口部1204近傍の基板1202上に配置される。シャフト1208は、開口部1204において、貫通して回転するように基板1202と結合される。シャフト1208は、必須ではないが、ノブ1210を含むことができる。ベアリング(図示されていない)、例えば、真円軸受又は球面軸受、あるいは、その他の手段(図示されていない)を開口部1204に設けて、シャフト1208の運動の程度および方向をサポートおよび/又は制限することもできる。例えば、単純なオン・オフ・スイッチとして使用することを意図した実施の形態では、シャフト1208を制限してそれが1つの面だけ、例えば、図36Aの実施の形態で、左右にだけ動くことができるようにすることが望ましい。
36A-36B illustrate another
電界スティミュレータ1212は、実施の形態1100に関して上で述べたように予め定められた位置でシャフト1208に固定される。図36A−36Bの実施の形態で、コイル・スプリング1214は、ヘッド1210と基板1202との間に挿入されて、シャフト1208が基板1202に対して本質的に垂直となる中央位置にシャフト1208をバイアスする。他の実施の形態で、当業者に認識されるように、シャフト1208を中央位置又は別の希望する位置にバイアスするためにその他の手段を使用することもできる。あるいは、そのようなバイアス手段を省いて、シャフト1208が通常は、それが移動させられた最終位置に静止するようにもできる。
動作時には、上で述べたように、電界効果センサ1206A周辺に電界が生成される。シャフト1208が中央位置にあれば、電界スティミュレータ1212は、電界スティミュレータ1212がこの電界を乱さないようにこの電界から十分遠ざけられる。シャフト1208が、例えば、ユーザがシャフト1208に垂直に力を加えることによって移動させられると、電界スティミュレータ1212は、電界スティミュレータ1212の少なくとも一部が電界効果センサ1206Aに接近するように移動して、電界効果センサ1206A付近の電界を乱す。電界効果センサ1206Aに付随する検出回路は、この擾乱を検出し、上で述べたように、次に対応する制御回路に出力信号を送信する。
In operation, as described above, an electric field is generated around the
実施の形態1200は、当業者に理解されるように、シャフト1208が開口部1204周りにトグルし、かつその中をスライドできるようにシャフト1208と開口部1204の結合を調整することによって、トグル/押しボタンの組合せ実施の形態(図示されていない)を実現するように容易に修正できる。
図36Cは、開口部1204近傍に、互いに離されて位置し、開口部1204の周りに90度の間隔で配置された4個の電界効果センサ1206A−1206Dを含む別の実施の形態を示す。各電界効果センサ1206A−1206Dは、対応する電界発生および検出回路を含む。特定の電界効果センサ1206iは、シャフト1208のトグルに応答して、電界スティミュレータ1212がそのような電界効果センサ1206iに十分接近して、電界効果センサ1206i付近の電界を乱すときに作動する。典型的には、一時に1つの電界効果センサ1206iだけが作動する。しかし、電界効果センサ1206A−1206D(およびそれらに対応する電界発生および検出回路)は、電界スティミュレータ1212がそれらの近くに位置するときに、2つ(又はそれ以上)の隣接する電界効果センサ1206iが同時に作動するように適応させることもできる。例えば、図36Cの実施の形態で、シャフト1208がトグルして、電界スティミュレータ1212の少なくとも一部を電界効果センサ1206Aと1206Bとの間に位置づけしたとき、電界スティミュレータ1212が電界効果センサ1206Aおよび1206Bの両方と結合するようにできる。別の実施の形態では、当業者に認識されるように、4個よりも多い又は少ない電界効果センサを基板1202上の開口部1204付近に任意の望ましい構成で配置することができる。
FIG. 36C shows another embodiment that includes four
図36Dは、機械式トグル・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1240を示す。実施の形態1240は、ピボット点1224で基板1202に接続されたシャフト1208を含む。この実施の形態で、シャフト208は、基板1202を貫通しない。電界スティミュレータ1212は、ピボット点1224から予め定められた距離においてシャフト1208に固定される。シャフト1208を任意の望ましい位置にバイアスするために、バイアス手段(図示されていない)を設けることができる。
FIG. 36D shows another embodiment 1240 of the present invention that emulates a mechanical toggle switch. Embodiment 1240 includes a
図37A−37Dは、機械式ロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1300を示す。基板1302は、開口部1304を定義する。内側の電界効果センサ1306Aおよび外側の電界効果センサ1306Bは、開口部1304からそれぞれ第1および第2の予め定められた距離において基板1302の1つの面に設置される。シャフト1308は、開口部1304に挿入されて、その中で自由に回転する。シャフト1308が開口部1304内部で回転するのを助け、シャフト1308が開口部1304からスライドして外れないようにブッシング、ベアリング又はその他の手段(図示されていない)を設けることができる。ユーザがシャフト1308を掴んで回転させ易くするために、シャフト1308にノブ1310を設けることが望ましい。
FIGS. 37A-37D show another embodiment 1300 of the present invention that emulates a mechanical rotary switch. The
電界スティミュレータ・マウント・プレート1330は、当業者に既知であるように、基板1302から予め定められた距離において任意の適当な手段によってシャフト1308に固定される。内側電界スティミュレータ1332は、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330の中心から予め定められた距離において、環状に電界スティミュレータ・マウント・プレート1330上に搭載される。この予め定められた距離は、開口部1304の中心から内側電界効果センサ1306Aまでの予め定められた距離に対応し、それに等しいことが望ましい。同様に、外側電界スティミュレータ1334は、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330の中心から予め定められた距離において、環状に電界スティミュレータ・マウント・プレート1330上に搭載され、この予め定められた距離は、開口部1304の中心から内側電界効果センサ1306Bまでの予め定められた距離に対応し、それに等しいことが望ましい。隣接する内側電界スティミュレータ1332間の角度間隔は、等しいことが望ましい。同様に、隣接する外側電界スティミュレータ1334間の角度間隔は、等しいことが望ましい。
The electric field
動作時には、ユーザがノブ1310を回して、それが次に、シャフト1308および電界スティミュレータ・マウント・プレート1330を回転させる。電界スティミュレータ・マウント・プレート1330が回転するにつれて、各内側電界スティミュレータ1332は、内側電界効果センサ1306A周辺の電界とのカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。同様に、各外側電界スティミュレータ1334も外側電界効果センサ1306B周辺の電界とのカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。電界効果センサ1306A、1306Bに付随する検出回路は、このカップリングとデカップリングを検出して、それに対応する出力信号を制御回路(図示されていない)に供給する。制御回路は、それらの信号に基づいて、ノブ1310の回転の角度および速度を知るように適応させることができる。
In operation, the user turns
内側電界スティミュレータ1332は、径方向に揃ってもいないし、角度的に隣接する電界スティミュレータ1334間の中央に位置してもいないことが望ましい。従って、内側電界スティミュレータ1332は、ノブ1310の特定の角度変位において内側電界効果センサ1306A周りの電界との間でカップリングとデカップリングとを行い、また外側電界スティミュレータ1334は、ノブ1310の異なる角度変位において、外側電界効果センサ1306B周りの電界との間でカップリングとデカップリングとを行う。図37Eは、ノブ1310を特定の方向に回したときの、電界効果センサ1306A、1306Bに付随する検出回路からの出力信号の典型的な流れを示す。当業者に認識されるように、これらの信号に基づいて、マイクロプロセッサは、ノブ1310が時計回りに回されているのか、反時計回りに回されているのかを決定する。
It is desirable that the inner
別の実施の形態では、内側電界効果センサ1306Aおよび外側電界効果センサ1306Bの一方を省くことができる。そのような実施の形態では、対応する内側電界スティミュレータ1332又は外側電界スティミュレータ1334も省くことが望ましい。
In another embodiment, one of the inner
他の代替的な実施の形態で、シャフト1308は、開口部1304内部で回転できるとともに、長手方向にスライドもできるように適応されており、機械式押しボタン・スイッチをエミュレートする実施の形態に関連して上で説明したように、長手方向にシャフト1308をバイアスするための手段を設けることができ、それによってロータリ/押しボタンおよび/又はプル・スイッチをエミュレートする実施の形態が実現できる。そのような実施の形態は、当業者に理解されるように、そのような押しボタンおよび/又はプル・スイッチ機能を容易に実現するために1又は複数の付加的電界効果センサおよび/又は電界スティミュレータを含むことができる。
In another alternative embodiment, the
図37Fは、別のロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の実施の形態1350を示す。実施の形態1350は、基板1302と予め定められた空間的関係にある第2の基板1340を含む。第2の基板1340上には、第2の内側および外側の電界効果センサ1306C、1306Dが設置される。第2の内側および外側の電界スティミュレータ1342、1344は、内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334が配置されている表面と逆の、電界スティミュレータ・マウント・プレーン1330の第2の表面に取り付けられる。シャフト1308は、開口部1304内部で回転するとともに、自由にスライドする。
FIG. 37F shows an
図37Fは、第1の位置にある電界スティミュレータ・マウント・プレーン1330を示しており、このとき、内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334は、基板1302(従って、内側および外側の電界効果センサ1306A、1306Bがその中に位置する環)に比較的接近しており、第2の内側および外側の電界スティミュレータ1342、1344は、第2の基板1340から比較的遠ざかっている。この位置で、ノブ1310を回すと、内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334は、それぞれ内側および外側の電界効果センサ1306A、1306B周辺の電界との間でカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。この位置で、第2の内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334は、第2の内側および外側の電界効果センサ1306C、1306Dから十分遠ざかっているため、第2の内側および外側の電界スティミュレータ1342、1344は、それぞれ対応する電界効果センサ1306C、1306D周辺の電界との間でカップリングおよびデカップリングを行わない。
FIG. 37F shows the field
ノブ1310を押すことによって、ユーザは、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330を第2の位置に移動させることができ、そこでは、内側および外側の電界スティミュレータ1342、1344が基板1302から比較的遠ざかり、また第2の内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334が、第2の基板1340(および、従って、第2の内側および外側の電界効果センサ1306C、1306Dがその中に位置する環)に比較的接近する。この位置で、ノブ1310を回転させると、第2の内側および外側の電界スティミュレータ1342、1344が、それぞれ第2の内側および外側の電界効果センサ1306C、1306D周辺の電界との間でカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。この位置で、内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334は、内側および外側の電界効果センサ1306A、1306Bから十分遠ざかって留まっており、そのため、内側および外側の電界効果センサ1306A、1306Bは、対応する電界効果センサ1306A、1306B周辺の電界との間でカップリングもデカップリングもしない。
Pushing the
図37Fに示されたように、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330を「ノーマル」位置にバイアスするためにコイル・スプリング1314が設けられる。他の実施の形態で、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330は、異なる「ノーマル」位置にバイアスできる。更に別の実施の形態で、コイル・スプリング1314を省略して、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330が基板1302と第2の基板1340との間の任意の所望位置に留まるようにできる。更に、実施の形態1350は、電界スティミュレータ・マウント・プレート1330が基板1302と第2の基板1340との間の本質的に中間に位置するときに、内側および外側の電界スティミュレータ1332、1334と1342、1344の両方の組が、対応する電界効果センサ1306A、1306B、1306C、1306Dと結合するように適応させることができる。あるいは、実施の形態1350は、電界スティミュレータ・マウント・プレートが或る位置にあるとき、それに対応する電界効果センサに結合する電界スティミュレータがないようにも適応できる。
As shown in FIG. 37F, a
上述の実施の形態のすべては、当業者に理解されるように、アナログ又はデジタルの検出および制御回路と一緒に使用するのに適している。図37Gは、機械式ロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1360を示す。これは、アナログの検出および制御回路で使用するのに特に適している。実施の形態1360は、開口部1304を定義する基板1302を含む。電界効果センサ1306は、基板1302上の開口部1304近傍に設置される。シャフト1308は、開口部1304に挿入されて、その中で自由に回転する。図示した実施の形態で、シャフト1308は、長手方向で固定されている。他の実施の形態では、シャフト1308は、開口部1304内部をスライドするように適応させることができる。シャフト1308は、一端にノブ1310を含むことが望ましい。電界スティミュレータ1328は、基板1302から予め定められた距離においてシャフト1308に固定される。電界スティミュレータ1328は、ブロペラの羽のようにテーパを持たせることが望ましく、そうすることによって、電界効果センサ1306と電界スティミュレータ1328との間の距離は、ノブ1310およびシャフト1308の回転とともに変化する。あるいは、電界スティミュレータ1328は、本質的に平坦で、基板1302と平行であり、図37Iに示されたように、シャフト1308からの距離とともに変化する幅又は厚さを有する。従って、電界スティミュレータ1328と電界効果センサ1306周辺の電界との結合の程度は、ノブ1310の回転とともに、電界スティミュレータ1328と電界効果センサ1306との間の距離、および/又は電界効果センサ1306に近接する電界スティミュレータの有効面積の関数として変化する。適切なアナログ式の検出および制御回路の使用を通して、実施の形態1360は、例えば、ポテンショメータをエミュレートできる。
All of the above embodiments are suitable for use with analog or digital detection and control circuitry, as will be appreciated by those skilled in the art. FIG. 37G illustrates another
図37Hは、アナログ式の検出および制御回路と一緒に使用するのに特に適した本発明の別の代替的実施の形態1380を示す。実施の形態1380は、内部にネジ1305を有する開口部1304を定義する基板1302を含む。電界効果センサ1306は、開口部1304近傍の基板1302上に配置される。一端にノブ1310を有するネジを切ったシャフト1308が開口部1304にねじ込まれる。電界スティミュレータ1312は、予め定められた位置でシャフト1308に固定される。ノブ1310を時計回りに回すと、電界スティミュレータ1312は、電界効果センサ1306から遠ざかる方向に動く。逆に、ノブ1310を反時計回りに回すと、電界スティミュレータ1312は、電界効果センサ1306に近づく方向に動く。従って、ノブ1310の回転は、電界スティミュレータ1312と電界効果センサ1306との間の結合を意図するように変化させる。このような結合の変化は、当業者に既知であるように、アナログ式の検出および制御回路によって容易に検出および処理できる。
FIG. 37H illustrates another alternative embodiment 1380 of the present invention that is particularly suitable for use with analog detection and control circuitry. Embodiment 1380 includes a
図38A−38Dは、ロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の更に別の実施の形態1400を示す。実施の形態1400は、基板1402を含む。内側および外側のノブ1450、1452が任意の適当な手段によって基板1402に固定され、当業者に認識されるように、基板1402に対して本質的に垂直な軸の周りで回転できるようになっている。内側および外側ノブ1450、1452の各々のベースに1又は複数の電界スティミュレータ1412が設置される。内側および外側の電界効果センサ1406A、1406Bは、それぞれ対応する内側および外側ノブ1450、1452に設置された電界スティミュレータ1412と本質的に揃えて設置されることによって、各電界スティミュレータ1412は、対応するノブ1450、1452が回転するとき、それぞれの電界効果センサ1406A、1406B周辺の電界との間でカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。電界スティミュレータ1412は、各種の方法によって具体化できる。例えば、各電界スティミュレータ1412は、導電性物体1413、例えば、対応するノブ1450、1452の底にセットされたボール・ベアリングでよい。あるいは、各電界スティミュレータ1412は、図38Dに示されたように、対応するノブ1450、1452の底に挿入されたリング1415中のバンプ1417でよい。好適な実施の形態では、リング1415は、型打ちしたバンプ1517を有するベリリウム銅を含む。
38A-38D illustrate yet another
図39A−39Bは、ロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の代替的実施の形態1500を示す。この実施の形態は、角度位置を感知する応用に特に適している。それらの実施の形態は、多重感知電極を備えた1個の電界効果センサを使用する。この実施の形態は、基板1502を含み、その上には、一般に環状に構成された検出1503および抵抗R1−R7の間に組入れられた感知電極1505A−1505Hのストリングが配置される。代替的実施の形態では、検出回路1503が離れた場所に配置され、図示されたものよりも多い又は少ない感知電極および抵抗が使用される。
39A-39B show an
ノブ1510は、基板1502に接続されて、基板1502に対して本質的に垂直な軸の周りでノブ1510を回転できるようになっている。図39Aの実施の形態で、シャフト1508は、基板1502によって定義される開口部1504内に挿入され、自由に回転できるようになっており、また、シャフト1508にノブ1510が固定されている。他の実施の形態で、シャフト1508は、基板1502に固定され、ノブ1510がシャフト1508周りに回転できるようになっている。電界スティミュレータ1512は、ノブ1510に埋め込まれるか、又はそれに付属されて、ノブ1510によって、基板1502上に環状に配置された電極1505A−1505Hおよび抵抗R1−R7に対応するアークに沿って電界スティミュレータ1512が回転できるようになっている。
The
動作時に、ユーザがノブ1510を回すと、電界スティミュレータ1512は、対応する電極1505A−1505H周辺の電界との間でカップリングとデカップリングを交互に繰り返す。アナログ式の検出回路は、当業者に理解されるように、ノブ1510の回転の範囲、速度および方向を決定するように適応させることができる。好適な実施の形態で、検出回路1503は、図33Aに示された形を取ることができ、図39Aの実施の形態の電極1505Aおよび1505Hは、それぞれ図33Aに示された電極E1およびE2の場所を占めている。(+)および(−)入力、従って加算器160の出力における信号強度は、当業者に認識されるように、電極1505A−1505Hに対する電界スティミュレータ1512の各位置に対して一意的な予め定められた値を有する。(図33Aに示された形の検出回路は、当業者に認識されるように、2つの導電性シート間の距離の変化を検出するためにも使用できる。従って、図33Aの検出回路は、振動センサ、音圧センサ、空気圧センサ、位置センサおよび同等品として構成された一対の導電性シートと一緒に使用することができる。特定の実施の形態では、導電性シートの間に1つの導電性の発泡材料の層を配置できる。)
In operation, when the user turns the
図39Bに示されたように、長さとともに変化するインピーダンスを有する導体1507を図39Aに示された電極−抵抗のストリングの代わりに使用できる。導体1507の連続的に変化するインピーダンスは、電界スティミュレータ1512がノブ1510の回転に応じて位置を変化させるにつれて検出回路1503の出力を連続的に変化させる。従って、例えば、角度位置の分解能を高めたい場合に導体1507を使用することが望ましい。
As shown in FIG. 39B, a conductor 1507 having an impedance that varies with length can be used in place of the electrode-resistor string shown in FIG. 39A. The continuously changing impedance of the conductor 1507 continuously changes the output of the
図39A−39Bの実施の形態は、当業者に認識されるように、角度位置センサとして使用するように容易に適応させることができる。図39A−39Bの実施の形態の原理は、例えば、図42Aに示されるように、電界効果センサ1505A−1505Hおよび抵抗R1−R7を直線状に配置し、ノブ1510をスライドで置き換えることによって容易にスライド・スイッチ又はスライド・ポテンショメータを提供するように適応させることができる。これらの原理は、更に、図42Eに示されるように、検出回路および電極−抵抗ストリングのアレイを形成することによってx−yアレイ中の刺激の位置を検出するように拡張できる。
The embodiment of FIGS. 39A-39B can be readily adapted for use as an angular position sensor, as will be appreciated by those skilled in the art. The principle of the embodiment of FIGS. 39A-39B is facilitated, for example, by placing
図40は、ロータリ・スイッチをエミュレートする本発明の更に別の実施の形態1600を示す。実施の形態1600は、外側ノブ1610および内側ノブ1611を有するシャフト1608と基板1602を含む。基板1602は、例えば、モールド法によって、内側ノブ1611を捕らえ電界効果センサ1606を封じ込めるように形成される。電界結合要素1612が外側ノブ1610に封じ込めるか、あるいは、埋込まれる。あるいは、電界結合要素1612は、内側ノブ1611に封じ込めるか、あるいは、埋込まれる。基板1602には、発光デバイス1621を封じ込めることができる。基板1602、内側および外側ノブ1610、1611およびシャフト1608の少なくとも一部に透明又は半透明な材料を使用することによって、発光デバイス1621を用いて、外側ノブ1610の少なくとも一部を選択的に照らすことができる。
FIG. 40 shows yet another
図41Aは、機械式ロッカ・スイッチ(rocker switch)をエミュレートする本発明の実施の形態1700を示す。実施の形態1700は、基板1702と、基板1702の表面に搭載された2つの電界効果センサ1706A、1706Bを含み、基板1702に固定されたロッカ1713の形で電界スティミュレータ1713A、1713Bを含む。例示された実施の形態で、ロッカ1713は、基板1702に固定された曲がったスプリング・スチールの一片であり、電界スティミュレータ1713A、1713Bは、ロッカ1713のモノリシック部分である。代替的実施の形態で、ロッカ1713は、他の材料を含み、他の形を取ることができ、電界スティミュレータ1713A、1713Bは、当業者に認識されるように、ロッカ1713内部に埋め込まれた別の要素、例えば、ボール・ベアリングでよい。
FIG. 41A shows an
動作時には、ユーザがロッカ1713の左側に対応する電界スティミュレータ1713A又はロッカ1713の右側に対応する電界スティミュレータ1713Bのいずれかを基板1702に向かって押す。電界スティミュレータ1713A、1713Bが基板1702に向かって接近又は接触するにつれて、電界スティミュレータ1713A、1713Bが対応する電界効果センサ1706A、1706Bと結合する。例示された実施の形態で、両方の電界スティミュレータ1713A、1713Bを同時に基板1702に向かって動かすこともできる。常に電界スティミュレータ1713A、1713Bのうちの1つだけを動かすようにロッカ1713を構成することが望ましい。
In operation, the user pushes either the electric field stimulator 1713 A corresponding to the left side of the
図41Bは、機械式ロッカ・スイッチをエミュレートする別の本発明の実施の形態1750を示す。実施の形態1750は、実施の形態1750が硬いロッカ1713を使用することを除いて、実施の形態1700と類似している。特定の実施の形態で、ロッカ1713は、押されたときに、電界効果センサ1706A、1706Bと十分結合しない材料を含む。そのような実施の形態では、当業者に認識されるように、そのような結合を強化するために、ロッカ1713の適切な場所に導電性物体1715を埋め込むことができる。他の実施の形態で、ロッカ1713は、ユーザがロッカ1713の対応する部分を基板1702に向かって押すとき、ロッカ1713の上にあるユーザの指が電界効果センサ1706A、1706B周辺の電界と結合するような寸法および形状に作製される。
FIG. 41B shows another embodiment 1750 of the present invention that emulates a mechanical rocker switch. Embodiment 1750 is similar to
ロッカ1713を予め定められた「ノーマル」位置にバイアスするためにバイアス手段を設けることができる。図41Bで、バイアス手段は、基板1702に固定された一対のプラスティック・タブ1725として実現される。プラスティック・タブ1725は、十分柔軟で、ロッカ1713が押されたときに撓み、またロッカ1713が解放されたときにロッカ1713を「ノーマル」位置に戻すのに十分な弾力を持つ。当業者に認識されるように、その他の任意の適当なバイアス手段を使用することもできる。
Biasing means may be provided to bias the
あるいは、図41Cに示されたように、ロッカ1713およびタブは、ユーザによって動かされるまで特別な場所にロッカ1713を固定させるように適応させることができる。そのような実施の形態では、タブ1725は、ロッカ1713の端部に向かって突出する凸部1725を含むことが望ましく、また、ロッカ1713は、凸部1725を受け入れるための凹部1727を含むことが望ましい。
Alternatively, as shown in FIG. 41C, the
図42Aは、機械式スライド・スイッチをエミュレートする本発明の実施の形態1800を示す。実施の形態1800は、基板1802を含む。基板1802上には、1又は複数の電界効果センサ1806が設置される。電界スティミュレータ1812、例えば、導電性シリンダ又はボール・ベアリングがスライド1811に固定される。スライド1811は、基板1802に固定されたレール1803と噛み合う。動作時には、ユーザがスライド1811を基板1802に沿って前後にスライドさせる。電界スティミュレータ1812が特定の電界効果センサ1806に接近すると、電界スティミュレータ1812は、その電界効果センサ1806周辺の電界と結合する。同様に、電界スティミュレータ1812が特定の電界効果センサ1806から遠ざかると、電界スティミュレータ1812は、その電界効果センサ1806周辺の電界との結合を断つ。
FIG. 42A shows an
代替的実施の形態では、スライド1811は、ユーザの指に順応するように設計された切欠1819を有するスライド1817で置き換えることができる。この実施の形態で、ユーザの指は、誘電性電界スティミュレータ1812として機能する。別の代替的実施の形態では、スライド1811を全く省くことができる。同じ原理は、図42Dに示されるように、シリンダ(図示されていない)の周囲又はコーン1807の錐台の周りに電界効果センサ1806を配置することによってロータリ・スイッチ・エミュレーションに適用することができる。
In an alternative embodiment, the
特定の実施の形態で、スライド1811の一部を省くことができる。そのような実施の形態は、光パイプ1821を含み、また基板1802と一緒に光パイプ1821を照らすための光源(図示されていない)を含み、スライド1811上に設置された光チャネル1823が光パイプ1821からの光を受信するようにすることが望ましい。他の実施の形態では、他の手段を用いてスライド1811又はそれの一部を照らすことが望ましい。
In certain embodiments, a portion of
図42Bは、スライド・スイッチをエミュレートする本発明の実施の形態1850を示す。実施の形態1850は、実施の形態がスライダ1811を全く含まない点を除いて、実施の形態1800と類似している。基板1802を覆うようにレール1803の下に柔軟なシート1827。シート1827は、容易に取り替えられることが望ましく、例えば、シート1827下の基板1802上に設置された電界効果センサ(図示されていない)の位置を表示するグラフィックスを含むことができる。通常は、シート1827と、シート1827下の基板1802上に設置された電界効果センサ(図示されていない)との間に空隙が存在する。ユーザがシート1827に接触してその電界効果センサを作動させるとき、空隙から空気が排除されて、ユーザの指と電界効果センサ周辺の電界との結合が許容され、強化される。
FIG. 42B shows an
図42Cは、スライド・スイッチをエミュレートする本発明の別の実施の形態1860を示す。基板1802上には、電界効果センサ1806が設置される。基板1802は、レール1803を含む。スライド1811は、レール1803を介してスライドするように基板1802と噛み合う。電界スティミュレータ1812は、スライド1811上に設置された導電性物体であることが望ましい。図41Cの実施の形態で、電界スティミュレータ1812の断面積は、スライド1811の一端から他端へと変化する。スライド1811が図42Cに示された位置にあるとき、電界スティミュレータ1812は、電界効果センサ1806から遠ざかっており、電界効果センサ1806周辺の電界と結合しない。例えば、ユーザの指によってスライド1811が右に動かされると、電界スティミュレータは、最終的に、電界効果センサ1806に十分近くまで移動し、電界効果センサ1806周辺の電界と結合する。初期には、電界効果センサ1806、従って対応する電界の近傍にある電界スティミュレータ1812の面積が小さいため、そのような結合は、小さい。スライド1811が更に右に移動すると、電界スティミュレータ1812のより大きな部分が電界効果センサ1806、従って対応する電界に接近し、電界スティミュレータ1812と電界との結合が増大する。アナログ式の検出回路は、変化する結合状態を認識して、対応するアナログ出力を対応する制御回路に供給する。バイアス手段、例えば、コイル・スプリング1814を設けて、スライドを「ノーマル」位置から移動させる力が存在しないときに、スライド1811をそのような「ノーマル」位置に保持することができる。
FIG. 42C shows another
図43は、機械式球形スイッチ又はトラック・ボールをエミュレートする本発明の実施の形態1900を示す。実施の形態1900は、ボール1960の容器1962を構成する基板1902を含む。1又は複数の電界効果センサ1906が基板1902内部に埋められるか、あるいは、基板表面に配置される。ボール1960の周囲には、独特の非反復パターン状に配置された電界スティミュレータ1912が含まれる。動作時には、容器1962内部でボール1960が回転するにつれて、電界スティミュレータが電界効果センサ1906周辺の電界とカップリングおよびデカップリングする。電界効果センサ1906に付随する検出および制御回路は、当業者に認識されるように、ボール1960の回転の方向および大きさを決定するように適応させることができる。代替的実施の形態では、ボール1960を固定でき、基板1902および容器1962を容器1962周りに回転又は動かすことができる。この実施の形態は、例えば、傾斜又は振動を検出するために使用できる。
FIG. 43 shows an embodiment 1900 of the present invention that emulates a mechanical spherical switch or track ball. Embodiment 1900 includes a
図44は、本発明に従う機械式スイッチ、特に、スノウモビル又は個人用ウォータクラフト用のスロットルをエミュレートする特定用途向け実施の形態2000を示す。電界効果センサ2006は、ハンドル2002の内部に埋め込まれるか又は設置される。導電性物体の形の電界スティミュレータ2012がスロットル・レバー2016上に取り付けられる。ユーザがスロットル・レバー2016を押したり放したりすると、電界スティミュレータ2012が電界効果センサ2006にそれぞれ近づいたり遠ざかったりする。アナログ式の検出および制御を用いて、電界効果センサ2006から受信される信号に基づいて、スロットルの位置を決定できる。好適な実施の形態では、付加的な電界効果センサ2031、2033および2035をハンドル2002に取り付けることができる。これら付加的なセンサには、例えば、スロットル制御のための予備センサ2031、ライダの手がハンドル2002上にあることを検出するまでは、スロットルを停止させるハンド位置センサ2033、例えば、ウォータクラフトが浸水する水に漬かるときに、スロットルを停止させる水センサ2035が含まれる。
FIG. 44 shows an application
図45A−45Bは、本発明に従うタイヤ圧センサ2100の特定用途向け実施の形態を示す。好適な実施の形態で、基板2102の表面に、圧縮性で、好ましくは、導電性の発泡性基板2104が取り付けられる。基板2102の反対側の面には、複数の電界効果センサ2106がマトリクス状に配置される。動作時には、例えば自動車(図示されていない)のタイヤが発泡性基板2104の上に置かれ、それによって、タイヤ2108に接する発泡性基板2104の部分を圧縮する。発泡性基板2104の圧縮された部分は、当業者に理解されるように、対応する電界効果センサ2106周辺の電界と結合して、それらのセンサを作動させる。タイヤ2108上の負荷重量をプログラムされたマイクロプロセッサ(図示されていない)は、それがタイヤ2108の圧縮された発泡材料の領域に対応する電界効果センサ2106から受信する信号に基づいて、タイヤ2108の空気圧を決定できる。他の実施の形態では、発泡性基板2104を省略して、タイヤ2108自身が電界効果センサ2106との結合を実現するようにできる。
45A-45B show an application specific embodiment of a
図46は、シート部2202Aと背もたれ部2202Bを有する自動車の座席2202を示す。座席2202は、圧縮性の発泡材料2204を詰め込むことが望ましく、その中に、座席2202に加わる重量を検出する複数の電界効果センサ2206Aと、座席2202に座った人間又は置かれた物体の物理的寸法を感知する複数の電界効果センサ2206Bが埋め込まれる。例示された実施の形態でシート・サポート用ポストとして埋め込まれた電界スティミュレータ2212は、電界効果センサ2206Aに対して予め定められた空間的関係に配置される。
FIG. 46 shows an
座席2202が空席のとき、電界効果センサ2206Aは、電界スティミュレータ2212から予め定められた距離にあり、電界効果センサ2206Aは、駆動されない。負荷、例えば、人間や荷物が座席2202上に置かれると、シート部2202Aの発泡材料は、圧縮されて、電界効果センサ2206Aを電界スティミュレータ2212に近づくように動かして、電界スティミュレータ2212が電界効果センサ2206A周辺の電界を乱すことになる。座席2202上に置かれた負荷が重ければ重いほど、シート部2202Bの発泡材料2204の圧縮、従って対応する電界効果センサ2206Aの変位が大きくなる。電界効果センサ2206Aから出力信号を受信するアナログ式の検出および制御回路(図示されていない)は、それらの信号から、負荷が座席2202上に置かれたことに応答した電界効果センサ2206Aの変位を決定できる。制御回路は、この変位データおよび発泡材料2204の圧縮特性に基づいて、座席2202上に置かれた物体又は座った人間の重量を決定できる。
When
更に、座席2202が空席のときは、電界効果センサ2206B周辺の電界と結合する刺激がない。座席2202上に人間が座るか、荷物が置かれると、任意の電界効果センサ2206Bに接近する人間又は荷物の部分がそれらのセンサ周辺の電界と結合する。電界効果センサ2206Bから出力信号を受信するアナログ又はデジタル式の検出および制御回路は、座席2202上の負荷(人間又は荷物)の物理的輪郭を決定できる。制御回路は、このデータを上述のように電界効果センサ2206Aから受信した信号から導出される重量と一緒に用いて、座席2202上の負荷が人間か荷物かを判定することができる。制御回路が判断した負荷が人間でなくて荷物であった場合は、乗員用のエアバッグが不活性化されよう。制御回路が判断した負荷が荷物でなくて人間であった場合は、座席を占める人間のサイズおよび重量に合わせてエアバッグ展開速度が調節されよう。
Further, when the
本発明のいくつかの実施の形態を示してきたが、当業者に明らかなように、以下に示される特許請求の範囲の精神から外れることなしに、数多くの修正を実施できる。 While several embodiments of the present invention have been shown, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the spirit of the claims set forth below.
Claims (3)
基板と、
前記基板上に設置された第1の電界効果センサと、
第1の電界スティミュレータであって、前記第1の電界スティミュレータは、予め定められた経路に沿って移動可能であり、前記予め定められた経路が前記第1の電界効果センサに比較的近い少なくとも第1の地点と、前記第1の電界効果センサから比較的遠い少なくとも第2の地点とを有している第1の電界スティミュレータと、
を含む前記装置。 A device that emulates a mechanical switch,
A substrate,
A first field effect sensor installed on the substrate;
A first electric field stimulator, wherein the first electric field stimulator is movable along a predetermined path, and the predetermined path is relatively close to the first field effect sensor. A first field stimulator having at least a first point and at least a second point relatively far from the first field effect sensor;
Including said device.
前記基板上に設置された第2の電界効果センサと、
第2の電界スティミュレータであって、前記第2の電界スティミュレータは、予め定められた経路に沿って移動可能であり、前記予め定められた経路が前記第2の電界効果センサに比較的近い少なくとも第3の地点と、前記第2の電界効果センサから比較的遠い少なくとも第4の地点とを有している第2の電界スティミュレータと、
を含む前記装置。 The apparatus of claim 1, further comprising:
A second field effect sensor installed on the substrate;
A second electric field stimulator, wherein the second electric field stimulator is movable along a predetermined path, and the predetermined path is relatively close to the second field effect sensor. A second field stimulator having at least a third point and at least a fourth point relatively far from the second field effect sensor;
Including said device.
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