JP2010079882A - 指又はスタイラス用の容量型タッチスクリーン又はタッチパッド - Google Patents

Abstract

【課題】指による指示とあわせて、スタイラスを使用した詳細な入力も可能なタッチスクリーンあるいはタッチパッド装置を提供する。
【解決手段】第１の感知電極及び駆動電極１６および第２の感知電極および駆動電極１８が、上側及び下側基板の中又は上に配置される。感知電極及び駆動電極は、２つの対向する面内に実質的に配置されたアレイを形成する。これら２つの対向する面は、接近して配置された指及びスタイラスに対応する少なくとも１つの位置を検出できるように構成される。上側基板が、スタイラス６４が下方に押し付けられたときに、下側基板に向かって湾曲することで、フィンガ・ナビゲーション及びスタイラス・ナビゲーション及び／又は文字入力機能と組み合わされた相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッドが提供される。
【選択図】図３

Description

本願で説明される本発明の種々の実施形態は、全体的に容量型感知入力装置の分野に関し、さらに具体的に言うと、タッチスクリーン及びタッチパッド装置において特に有効な用途がある、相互キャパシタンス型測定又は感知システム、装置、構成要素及び方法に関する。本願で説明される本発明の実施形態には、携帯電話、ＭＰ３プレーヤ、パーソナルコンピュータ、ゲーム用コントローラ、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡなどの携帯用又は手持ち式装置の中で指又はスタイラスを用いて使用するのに適した機器が含まれる。本願で開示される実施形態の幾つかは、産業用制御装置、洗濯機、運動器具などの固定されたアプリケーションにおいて使用するように構成されるか又は適合されている。

抵抗型タッチスクリーン及びタッチパッドは従来技術では周知であり、多くの場合スタイラスと共に動作するタッチスクリーン又はタッチパッドの中に用途がある。スタイラスがタッチスクリーン又はタッチパッドに対して押し下げられると、上側及び下側の抵抗型電極アレイが互いに接触され、スタイラスの位置が、２つのアレイがショートしている位置を計算することによって決定される。抵抗型タッチスクリーンは一般に、抵抗型電極アレイを形成するために必要な比較的多量のインジウムスズ酸化物（「ＩＴＯ」）のために、通過する光をかなり減衰させる。

ＩＰＨＯＮＥｓ（登録商標）の中にある容量型タッチスクリーンは、抵抗型タッチスクリーンに対して２つの大きな利点を提供する。第１の利点は、それらは指によって加えられる圧力がほとんどなくて動作するため、スティクション（stiction）の問題が存在せず、かつ快適に使用できることである。このことは、指が接触面上をスライドする必要がある走らせる動作やつまむ動作に対して特に重要である。第２は、幾つかの容量型タッチスクリーンは、同時に複数の指位置の測定（「マルチタッチ」機能として一般的に周知）に対応することである。

従来の容量型タッチスクリーン又はタッチパッドの主要な技術的欠点は、（指とは別に）スタイラスに対応していないことである。スタイラスはより正確なポインティング装置を提供し、複雑なテキストや文字を入力できるようにし、かつ指ほど標的を不明瞭にはしない。たとえ容量型タッチスクリーンがスタイラスと一緒に動作するように作られていても、これはチップ寸法が人の指と同じぐらいの寸法の導電性スタイラスを用いて達成されているに過ぎないと考えられている。このことは、無論、スタイラスを使用する利点を無効にしてしまう。

必要なものは、スタイラスの文字及びテキスト入力機能と抵抗型タッチスクリーンが提供するものと同様のナビゲーション機能と組み合わせた、従来の容量型タッチスクリーンの力が不要な指のマルチタッチ式ナビゲーション機能（zero-force finger multi-touch navigation capability）を有する容量型タッチスクリーン又はタッチパッドである。さらに、透過する光を吸収しない又は過渡に妨げない、かつ占有面積、体積又は厚さが小さい容量型指及びスタイラス用タッチスクリーン又はタッチパッドが必要とされる。

タッチスクリーンとタッチパッドの別の重要な態様は、キャパシタンスの変化を感知及び測定するために使用される特定の種類の技術を扱う必要があることである。２つの主要な容量型感知及び測定技術が現在、たいていのタッチパッド及びタッチスクリーン装置の中で使用されている。第１のこうした技術は、自己キャパシタンス（self-capacitance）技術である。ＳＹＮＡＰＴＩＣＳ（登録商標）によって製造された多くの装置は、ＣＹＰＲＥＳＳ ＰＳＯＣ（登録商標）などの集積回路（ＩＣ）装置などのように自己キャパシタンス測定技術を使用している。自己キャパシタンスは一連の電極パッド（electrode pad）の自己キャパシタンスを測定することが必要である。これらの電極パッドは、１９９６年８月６日に出願された「Touch Pad Driven Handheld Computing Device」という名称のBissetらへの米国特許第５，５４３，５８８号の中で開示された技術を使用している。

自己キャパシタンスは、所定の電圧（Ｑ＝ＣＶ）の物体に対してどの位の電荷が蓄積されているかを示す尺度である。自己キャパシタンスは一般に、既知の電圧を電極に加え、次にどの程度の電荷が同じ電極に流れるかを測定する回路を用いて測定される。外部の接地された物体が電極に近接されると、付加的な電荷が電極に引き付けられる。その結果、電極の自己キャパシタンスが増加する。多くのタッチセンサは、外部の接地された物体が指であるように構成される。人体は本質的に、グラウンドに対して約１００ｐＦのキャパシタンスを有するコンデンサである。

自己キャパシタンス型タッチパッドの電極は、典型的には行及び列に配列される。最初行を次に列をスキャンすることによって、例えば指が存在することによってもたらされた外乱の位置を決定することができる。しかしながら、タッチパッドで正確なマルチタッチ式測定を行うためには、幾つかの指のタッチを同時に測定することが要求される。そのような場合には、自己キャパシタンス型測定に対する行及び列の技術は、不確かな結果しかもたらすことができない。その結果、幾つかの従来技術のタッチパッド型感知システムは、タッチスクリーンの上又はその近くに同時に配置された複数の物体の正確な位置に関して基本的に不正確な状態を被ることになる。

自己キャパシタンス型システムにおける前述の問題を克服する１つの方法は、行及び列をスキャニングする方式を使用せず、かつ各タッチパッドの電極を個別に測定するように構成されたシステムを提供することである。そのようなシステムは、２００６年５月１１日に出願された「Multipoint touchscreen」という名称の、Hotellingらに対する米国特許公開第２００６／０９７９９１号の中で説明されている。Hotellingに対する前述の特許公開の中で説明されたタッチパッド用感知システムでは、各電極が集積回路（「ＩＣ」）のピンに、感知ＩＣに対して直接又はマルチプレクサを介して接続されている。しかしながら、当業者には明らかになるように、そのようなシステムで個別に電極を配線することは、自己キャパシタンス・システムにとってかなりの費用が加わることになる。例えば、電極のｎ×ｎ個のグリッドでは、ＩＣピンの数はｎ^２個必要になる。（ＡＰＰＬＥ（登録商標）社のＩＰＯＤ（登録商標）は、同様のキャパシタンス測定システムを使用している。）

自己キャパシタンス・システムの中で電極の数を減らすことができる１つの方法は、電極をインターリーブすることによって行うことができる。インターリービングはより大きな領域を作ることができ、この領域で指が２つの隣接する電極によって感知され、より優れた補間が可能になり、これにより電極を少なくすることができる。そのようなパターンは、ＩＰＯＤのクリック・ホイール（click-wheel）で使用されているセンサのような一次元センサの中で特に有効である。例えば、２００５年４月１２日に出願された「Capacitance touch slider」という名称のSinclairらに対する米国特許第６，８７９，９３０号を参照されたい。

タッチパッドやタッチスクリーンで使用される第２の主要な容量型感知及び測定技術は、相互キャパシタンスの技術であり、この場合、測定はクロス・グリッドの電極を用いて実行される。例えば、１９９９年１月１９日に出願された「Methods and Apparatus for Data Input」という名称のGerpheideに対する米国特許第５，８６１，８７５号及び前述されたHotellingらに対する米国特許公開第２００６／０９７９９１号を参照されたい。相互キャパシタンスの測定において、キャパシタンスは、自己キャパシタンスの測定とは対照的に、２つの導体の間で測定される。自己キャパシタンスの測定では、１つの導体のキャパシタンスが測定され、それは近接する他の物体によって影響される。

幾つかの相互キャパシタンス測定システムでは、感知電極のアレイが基板の第１の側に配置され、駆動電極のアレイが第１の側とは反対側の基板の第２の側に配置される。駆動電極のアレイの列又は行の電極が特定の電圧に駆動され、感知電極のアレイの１つの行（又は列）に対する相互キャパシタンスが測定され、そして１つの行−列の交差点におけるキャパシタンスが決定される。全ての行及び列をスキャンすることによって、キャパシタンスの測定値のマップがグリッド内の全てのノードに対して作られる。ユーザの指が所定のグリッド点に接近すると、グリッド点から又はグリッド点の近くから放射された電界の向きの線の一部が偏向され、これにより一般に、グリッド点における２つの電極の相互キャパシタンスが減少される。各測定が１つのグリッド交差点のみを精査するため、複数のタッチの場合でも、幾つかの自己キャパシタンス・システムの場合のように、測定が不明瞭になることはない。さらに、ｎ×ｎ個の交差点のグリッドを測定するために、そのようなシステムではＩＣ上に２ｎ個のピンしか必要としない。

相互キャパシタンス技術の利点を特徴とし、また自己キャパシタンス技術の欠点と難点を避けた、指タッチとスタイラスが使用可能な容量型タッチスクリーンが必要とされる。

幾つかの従来の装置及び方法に関する種々の態様に関するさらに別の詳細は、以下の中に記載されている、すなわち、（１）１９８５年１０月２９日に出願された「Touch Sensitive Control Device」という名称のMabusthに対する米国特許第４，５５０，２２１号、（２）１９８７年８月１１日に出願された「Combined Finger Touch and Stylus Detection System for Use on the Viewing Surface of a Visual Display Device」という名称のGreaniasに対する米国特許第４，６８６，３３２号、（３）１９９４年４月１９日に出願された「Methods and Apparatus for Data Input」という名称のGerpheideに対する米国特許第５，３０５，０１７号、（４）１９９８年１２月１日に出願された「Multiple Input Proximity Detector and Touchpad System」という名称のBinsteadに対する米国特許第５，８４４，５０６号、（５）１９９９年１２月１４日に出願された「Touch and Pressure Sensing Method and Apparatus」という名称のKasserに対する米国特許第６，００２，３８９号、（６）２０００年８月１日に出願された「Automatic Identification of Audio Bezel」という名称のHamelらに対する米国特許第６，０９７，９９１号、（７）２００５年４月１２日に出願された「Capacitance Touch Sensor」という名称のSinclairらに対する米国特許第６，８７９，９３０号、（８）２００７年４月１０日に出願された「Capacitive Sensing Pattern」という名称のSpeckらに対する米国特許第７，２０２，８５９号、及び（９）２００６年５月１１日に出願された「Multipoint Touchscreen」という名称のHotellingらに対する米国特許公開第２００６／００９７９９１Ａ１号である。

さらに、２００８年１月３１日に出願された「Single Layer Mutual Capacitance Sensing Systems, Devices, Components and Methods」という名称のJonah Harleyらに対する米国特許出願第１２／０２４，０５７号は、参照することによってその全体が本願に組み込まれる（以後、「’０５７特許出願」と呼ぶ）。

１つの実施形態では、指及びスタイラスの感知を組み合わされた相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッドが提供される。この相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッドは、第１の面の上又は前記第１の面に位置付けられた行又は列の中に実質的に配置された第１の複数の電極を有し、実質的に剛体でかつ非可撓性の下側基板と、下側基板の上に配置され、下側基板と動作的に関連するように構成された上側の下方に湾曲可能な上側基板と、を具備し、前記上側基板が、前記上側基板の一部を形成するか又はその上に配置された上部タッチ面を有し、さらに第２の面の上又は前記第２の面に位置付けられた行又は列の中に実質的に配置された第２の複数の電極を有し、これらの上側及び下側基板は、上側基板が湾曲されていない位置にある場合は、対向するほぼ平面でほぼ平行な面を形成し、外側タッチ面は、ユーザが少なくとも１つの指又はスタイラスを該外側タッチ面の上に置いたり指又はスタイラスを該外側タッチ面上を移動したりできるように構成され、第１及び第２の複数の電極が電極アレイを形成して、外側タッチ面上の指に対応する少なくとも１つの位置、又は、前記上側基板が下向きの圧力が加えられたスタイラスによって前記下側基板に向けて下向きに湾曲される場合に前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する少なくとも１つの位置が、前記電極アレイによって検出可能になるように構成される。

別の実施例では、タッチスクリーン又はタッチパッド上の指及びスタイラスの位置を感知する方法が提供される。この方法には、指に対応する位置において、第１の複数の電極と第２の複数の電極との間で相互キャパシタンスが変化するときのタッチスクリーン又はタッチパッド上の指の位置を検出するステップと、タッチスクリーン又はタッチパッドの上側部分がスタイラスによって下向きに湾曲され、そしてスタイラスに対応する位置において、第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが変化するときのタッチスクリーン上のスタイラスの位置を検出するステップとを含み、これらの第１及び第２の複数の電極はタッチスクリーン又はタッチパッドにおいて電極アレイを形成する。

さらに別の実施形態では、相互キャパシタンスを指及びスタイラス感知型タッチスクリーン又はタッチパッドと組み合わせる方法が提供される。この方法には、第１の面の上又は前記第１の面に位置付けられた行又は列内に実質的に配置された第１の複数の電極を有する、実質的に剛体で非可撓性の下側基板を設けるステップと、下側基板の上に配置され、下側基板と動作的に関連するように構成され、自身の一部を形成するか又は自身の上に配置された上部タッチ面を有し、さらに第２の面の上又は前記第２の面に位置付けられた行又は列の中に実質的に配置された第２の複数の電極を有する下方に湾曲可能な上側基板を設けるステップと、上側基板が湾曲されていない位置にある場合は、上側及び下側基板を対向するほぼ平面でほぼ平行な面に形成するステップと、第１の複数の電極の行又は列を第２の複数の電極の行又は列にほぼ垂直に構成するステップと、外側タッチ面を、ユーザが少なくとも１つの指又はスタイラスを該外側タッチ面の上に置いたり指又はスタイラスを前記外側タッチ面上を移動したりできるように構成するステップと、前記第１及び第２の複数の電極が電極アレイを形成して、前記外側タッチ面上の指に対応する少なくとも１つの位置、又は、前記上側基板が下向きの圧力が加えられたスタイラスによって前記下側基板に向けて下向きに湾曲される場合に前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する少なくとも１つの位置が、前記電極アレイによって検出可能になるように構成するステップとを含む。

さらに別の実施形態が本願で開示され、明細書及び図面を読んで理解すれば、当業者には明らかになるであろう。

本発明の種々の実施形態の様々な態様は、下記の明細書、図面及び請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の容量型タッチスクリーン又はタッチパッド・システム１０及び対応する電極アレイ６２に関する１つの実施形態の一部の斜視図である。 図１の容量型タッチスクリーン又はタッチパッド・システム１０及び対応する電極アレイ６２の平面図である。 上側基板１６を下側基板１８に向かって湾曲させるために、スタイラス６４を用いてタッチスクリーン表面１４を下方に押している、容量型タッチスクリーン又はタッチパッド・システム１０の１つの実施形態の断面図である。 本発明の１つの実施形態によるキャパシタンス測定又は感知回路７２を示す図である。 本発明のタッチスクリーン・システムの断面図である。

これらの図面は、必ずしも一定の縮尺では描かれていない。同じ番号は、図面全体を通して同じ部品又はステップを指している。

図１〜図２を参照すると、幾つかの実施形態では、フィンガ・ナビゲーション及びスタイラス・ナビゲーション及び文字入力機能と組み合わされた相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッドが提供される。第１及び第２の複数の感知電極及び駆動電極が、上側及び下側基板の中又は上に配置される。感知電極及び駆動電極は、２つの対向する面内に実質的に配置されたアレイを形成する。これら２つの対向する面は、接近して配置された指及びスタイラスに対応する少なくとも１つの位置を検出できるように構成される。上側基板は、スタイラスが下方に押し付けられときに、下側基板に向かって湾曲される。

図１〜図３を引き続き参照すると、上側及び下側基板又は下側及び上側基板上の、対向する第１及び第２のほぼ平行な面内に配置された感知電極と駆動電極を有する、相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド・システムも提供される。幾つかの実施形態では、電極アレイ６２がディスプレイをほぼ均一にカバーするため、どのようなグリッドパターンもディスプレイ又はスクリーン上で見ることができないようにされる。しかしながら、感知測定が相互キャパシタンスに基づくため、行及び列の感知構成を使用することができ、このことは、ピン・カウントをｎ×ｎ個の電極グリッドに対してわずか２ｎまで減らすために使用することができる。さらに、そのような電極アレイの構成は、インターリーブされた指として配列されるのに役立ち、このことは、スタイラス又はユーザの指の位置を決定する場合に補間技術を使用する能力を向上させ、またさらに、従来技術の相互キャパシタンス型感知又は測定システムに関してピン・カウントの要求事項を減少させる。

図１及び図２は、本発明の相互キャパシタンス型感知システム１０の１つの実施形態を例示している。この実施形態では、電極アレイ６２が、第１の複数の電極として上側基板１６上に、また第２の複数の電極として下側基板１８上に配置されている。適当な大きさの間隔ｄが上側基板１６と下側基板１８との間に配置されて、スタイラス６４が上側基板１８を押し付けることによって（図３を参照のこと）、上側基板１６が下側基板１８に向かって下向きに湾曲されることを十分可能にされ、またスタイラスの位置を感知できるようにされる。間隔ｄに対する代表的な寸法は、約５０ミクロンと約５００ミクロンの間の範囲を含むが、この大きさに限定されることはない。

図１と図２を引き続き参照する。第１の複数の電極と第２の複数の電極の行又は列の間の間隔は、約１ｍｍから約１０ｍｍの間であることが最も好ましい。図１〜図３に例示されたシステム１０の実施形態は、相互キャパシタンスの原理に基づいて動作することが最も好ましい。キャパシタンスは個々の感知電極と駆動電極との間、例えば電極２１〜２５と４１〜４６との間、又は場合に応じて、電極４１〜４６と２１〜２５との間で、駆動電極２１〜２５又は４１〜４６に対する駆動波形入力によって確立される。ユーザの指は、アレイ６２の上にあるタッチ層１０４のタッチ面１４（図１及び図３を参照のこと）と接触する。幾つかの実施形態では、カバー層１０４は、上側基板１６の上でかつアレイ６２とユーザの指又はスタイラス６４との間に配置される。別の実施形態では（図面には示されていないが）、ユーザの指又はスタイラス６４が上側基板の上面に接触するように、上側基板１６が単独で構成されて、カバー層１０４は完全に除かれる。

ユーザの指がタッチ面１４に軽く接触するか又は極めて接近すると、ユーザの指はそこに最も近い駆動電極が与えた駆動信号に結合して、そのような駆動電極とその対応する近くの感知電極との間のキャパシタンスの量が一般に比例して減少する。すなわち、ユーザの指がタッチ面１４上を移動すると、それぞれ別個の感知電極４１〜４６と結合した駆動信号の指を通る比率が減少及び変化されるため、電極アレイ６２上のユーザの指の位置の二次元の測定が行われる。

しかしながら、タッチ層１０４の厚さや他の要因によって、ユーザの指が駆動信号の近くにもたらされて駆動信号と結合すると、駆動電極と感知電極との間のキャパシタンスは実際的に増加することがある。このため、一般的な事例では、ユーザの指が駆動信号の近くにもたらされると、そのようなキャパシタンスが変化すると言うことがより正確である。

次に、そのような場合には、ユーザの指の位置に対応する１つの行−列の交差点におけるキャパシタンスが決定される。アレイ６２の全ての行及び列をスキャンすることによって、キャパシタンスの測定値のマップが、グリッド内の全てのノードに対して作られる。各測定が１つのグリッドの交差点のみを精査するため、幾つかの自己キャパシタンス・システムの場合のように、複数のタッチにより測定に不明確な部分が生じることはない。さらに、ｎ×ｎのグリッドの交差点を測定するために、図１〜図３に例示されたシステム１０では、ＩＣ上に２ｎ個のピンしか必要とされない。このため、システム１０は行４１〜４５及び２１〜２５をスキャンして、これによりユーザの指に関して少なくとも１つの位置を検出するように構成される。システム１０は、行及び／又は列によって与えられた信号をキャパシタンス感知回路７２（例えば、図４を参照のこと）に対して多重伝送するように構成することもできる。

第１及び第２の複数の電極のどちらか一方が駆動電極又は感知電極として構成され、そのような複数の電極がインターリーブされた行（図１及び図２に示されているように）として、又は互いに垂直に交差する行及び列として構成されるか、又は当業者に周知の又は前に参照された’０５７特許出願の中で開示された多数の他の電極構成のいずれかを想定することができる、ことに注意されたい。

システム１０は、電極アレイ６２の中の複数のタッチ位置を同時に又はほぼ同時に感知するように構成することができる。１つの実施形態では、ホストコンピュータは、例えば６０Ｈｚの速度で更新され、アレイ６２の全ての行及び列が順次スキャンされて、任意の指タッチの位置が決定される。

図１〜図３は、相互キャパシタンス型感知システム１０の１つの実施形態の一部を例示している。ここで、電極アレイ６２は、２つの対向する上側及び下側基板１６及び１８の上又は中に配置されている。例示された実施形態では、感知電極４１〜４６が列に配列され、駆動電極２１〜２５が行に配列されている。しかし、前述したように、電極４１〜４６を駆動電極として構成し、電極２１〜２５を感知電極として構成することもできる。基板１６及び１８は一般に、ガラス、プラスチック、アクリル又は任意の他の適当な光学的に透明な材料から構成される。上側基板１６は湾曲できることが必要であり、また間に配置されたシリコーンなどの圧縮可能な材料の部分によって、下側基板１８から間隔が保持されることが好ましい。一例として、感知電極２１が駆動される間に、全ての電極４１〜４６に対して感知測定値が測定される。次に、駆動電極２２が駆動され、続いて感知電極４１〜４６の中で別の一連の感知測定値が得られる。

１つの実施形態では、タッチ層、カバー・ガラス、又はプラスチック層１０４が電極アレイ６２の上に配置され、厚さは約０．１５ｍｍであり、好ましい実施形態では、厚さは約０．０５ｍｍと約０．５ｍｍの範囲にある。電極アレイ６２は、ユーザの指が電極アレイの近くにもたらされると、キャパシタンスに約０．２５ｐＦの変化を発生する。

図１及び図２に示されているように、電界に沿った線が隣り合う個々の駆動電極と感知電極との間の境界に集中されるため、電極アレイ６２は良好な駆動電極及び感知電極の相互作用と感度を示す。電極アレイ６２が発生した全体的な信号は、個々の駆動電極及び感知電極２１〜２５及び４１〜４６のインターリービング部分によって高められる。本願の図面又は明細書の中で明確に示され又は説明されたもの以外の多く種々の電極インターリービング及び電極アレイの構成を使用することができ、さらにそれらは本発明の範囲の中に含まれることは、今では当業者には明らかになるであろう。

図１〜図３に関して前述された原理を使用する１つの実施形態では、基板１６及び１８に装着された感知電極４１〜４６及び駆動電極２１〜２５に関連した個々のキャパシタンスの値は、それぞれキャパシタンス感知回路７２（例えば、図４を参照のこと）によってモニタ又は測定され、それらに関連して設けられた任意の付加的なスイッチの動作状態もモニタ又は測定される。好ましい実施形態では、１２５ｋＨｚの方形波の駆動信号がキャパシタンス感知回路７２（例えば、図４を参照のこと）によって駆動電極２１〜２６に加えられて、駆動信号が連続して電極２１〜２５に与えられるが、他の種類の駆動信号も正常に使用できることは当業者は理解されよう。実際に、駆動信号はキャパシタンス感知回路７２によって与える必要はない、また幾つかの実施形態では、駆動信号は別個の駆動信号回路によって与えられる。しかしながら、好ましい実施形態では、駆動信号回路及びキャパシタンス感知回路は１つの回路又は集積回路の中に組み込まれる。

電極アレイ６２は、例えば、１つの感知セル内の個々の駆動電極２１と個々の感知電極４１との間に配置された１つ以上の接地トレースを備えている。駆動電極２１と感知電極４１との間の電界の直接結合がこれにより減少され、電界内の大部分の結合している力線が、電極２１と４１との間で直接引かれる代わりに、指又はスタイラスによって遮られて、湿気又は水蒸気が存在すると特に明白になる効果がある。そのような実施形態は強い電界が上側のガラスやプラスチック層を通って放射されるのを阻止するため、システム１０内の不要なキャパシタンスを減少させる。別の実施形態では、そのような接地トレースは、電極アレイ６２の中には含まれない。接地導体の使用を含むさらなる詳細は、２００７年１１月２７日に出願された「Capacitive Sensing Input Device with Reduced Sensitivity to Humidity and Condensation」という名称のHarleyに対する米国特許出願第１１／９４５，８３２号の中に見出される。この特許出願の全体は、参照することによって本願に組み込まれる。

本発明の好ましい実施形態では、アレイ６２の上に配置された厚さが０．１５ｍｍのプラスチック又はガラスのタッチ・スペーサすなわちカバー層１０４は、適切な動作を確実に行うには十分な厚さである。約０．０５ｍｍと約０．５ｍｍの間などの、指６０と電極アレイ６２との間に配置された層１０４に対する別の厚さも使用することができる。

図４は、本発明のキャパシタンス感知又は測定システム１０に対する回路図の１つの実施形態を示している。一例として、ＡＶＡＧＯ（登録商標）のＡＭＲＩ−２０００型集積回路は、キャパシタンス感知回路７０の機能を実行するために使用できる。低インピーダンスのＡＣ波形（例えば、１００ｋＨｚの方形波）が、信号発生器７４によって駆動電極２１（図４には図示されていない）に与えられる。フィードバック・コンデンサ７８が付いた演算増幅器７６が感知電極に接続されて、仮想接地における感知線を保持する。この増幅器７６は、コンデンサ７８を通してもたらされた電荷の電圧測定値を提供する電圧変換器に対するチャージとして動作する。同期復調が復調器８２によって行われ、そしてその後のフィルタリング処理をした状態で、この同期復調は感知されたキャパシタンス内の変化によって引き起こされた低周波の振幅変化を取り出すために使用される。可変コンデンサ８４は、指６０が存在することによって（図４には示されていない）変調されたときの、駆動電極と感知電極との間の相互キャパシタンスを示す。フィードバック・コンデンサ７８は、システム１０の利得を設定する。図４に示された回路以外の他の多くの回路を本発明の駆動及び感知電極アレイ６２に採用できることは、当業者は理解されよう。電極アレイ６２によって提供される駆動信号及び感知信号に適合した集積回路の１つの実施例は、ＡＶＡＧＯ（登録商標）のＡＭＲＩ−２０００型集積回路である。

電極アレイ６２及び回路７２によって提供された出力信号は、例えば、シリアルＩ^２Ｃ互換バス又はシリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）バスを介してホストプロセッサに送られることが好ましい。例えば、ＡＶＡＧＯ（登録商標）のＡＭＲＩ−２０００型集積回路を、そのようなバスを介してホストプロセッサに出力信号を送るようにプログラムすることができる。このホストプロセッサは、ＡＭＲＩ−２０００型集積回路によって与えられた情報をディスプレイを制御するために使用することができる。

ここで図５を参照すると、全体的に、モバイル機器で使用可能なタッチスクリーンの様式を示すタッチスクリーン装置１０が示されている。図５のシステム１０では、カバー・ガラス層１０４が上側基板１６の上に配置され、この上側基板１６は、その下側に形成されたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の行６３（これらの行は、複数の行内に配置された複数の駆動電極を形成している）を有している。これらの行６３は、今度はＩＴＯの列６５（列６５は、下側基板１８の上の複数の列の中に配置された複数の感知電極を形成している）から、圧縮性タッチセンサ用シリコーン・ボール１０６によって分離されている。図５に示されているタッチスクリーン１０の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）部分５９は、偏光子層１１４、前面ガラス層１０５、層１０７（以下により詳細に説明される）、及びバックライト層１２０から構成している。このため、容量型感知電極アレイ６２が、基板１６の下面上の行６３内に配置された駆動電極と、基板１８の上面にある列６５内に配置された感知電極とによって形成される。圧縮性ボール１０６は、上側基板１６がスタイラスによって下側基板１８に向かって湾曲されることが可能なように構成される。

図５を引き続き参照する。偏光子層１１４は、プラスチック、接着剤及び他の材料の複数の層から形成される。日本のＦＵＪＩＦＩＬＭ（登録商標）は、偏光子層１１４の幾つかの個々のコンポーネント層を製造しており、（やはり日本の）ＮＩＴＫＯ ＤＥＮＫＯ（登録商標）は、そのような個別の層を最終的な偏光子層の製品に組み立てている。層１０７が、ＬＣＤ部分５９を動作可能にするために必要な任意の多数の材料や素子を備えていることに注意されたい。そのような装置及び材料は、以下を含むことができる（又は場合によっては、含まない）が、これらに限定されることはない、すなわち、１つ又は複数の位相差板、アライメント層、スペーサ、液晶及び／又は液晶のセル、反射フィルム、光スキャニング用フィルム、保護層、カラー・レジスト層（color resist layer）、カラーフィルタ、ガラス基板、ハードコート材料（hard-coat material）、ライトガイド、ＴＦＴ、反射防止フィルム、フィルム・ディフューザ（film diffuser）、ライトガイド板、トランスファ・フィルム（transfer film）、ＷＶフィルム、ＣＶフィルム、接地層、及び導体又はトレースである。ＬＣＤ部分５９に関する構造のさらなる詳細は当業者には周知であるため、本願ではさらに詳細な説明は行わない。

偏光子層１１４は、１つ以上のトリアセチル・セルロース・フィルム（「ＴＡＣ」）、ヨウ素、金属箔反射器、保護フィルム、ポリビニール・アルコール（「ＰＶＡ」）、反射防止コーティング、接着剤、光学リターダ、ガラス、リリース・フィルム（release film）、及び接地面又は接地層を含むことができる。さらに、多くのＬＣＤの中で使用するように特に構成され、偏光子層の中に一般に含まれたガラス層は、アレイ６２の電極６３の行及び／又は電極６５の列が上に形成された基板として機能する。

本発明の容量型感知又は測定システム１０の主要な用途は、比較的小さい携帯装置及びそれ用のタッチスクリーン又はタッチパッドと関連していると考えられているが、例えば、ディスクトップコンピュータに関連したキーボード又は他の運動装置、産業用制御パネル、洗濯機などの携帯型でない装置を含むより大きな装置に関しても有効である。同様に、本発明の多くの実施形態は、ユーザの指で操作されるように構成される可能性が最も高いと考えられているが、幾つかの実施形態は別の機構又は身体部分で操作するように構成される。例えば、本発明はキーボードのハンドレストの上又は中に配置して、ユーザの手のヒール（手のひらの手首に近い部分）で押すようにすることができる。さらに、本発明は、列に配置された駆動電極及び行に配置された感知電極という範囲に限定されることはない。それどころか、行及び列は、感知電極及び駆動電極に関して交換可能である。

さらに、本願で説明された種々の構成要素、装置及びシステムを作る方法は、本発明の範囲の中に含まれることに注意されたい。

前述された実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の実施例として考えるべきである。本発明の前述の実施形態に加えて、詳細な説明及び添付した図面を検討すれば、本発明の別の実施形態が存在することが分かるであろう。従って、明示的に本願に記載されていない本発明の前述した実施形態の多くの組合せ、置き換え、変更及び修正は、本発明の範囲の中に含まれる。

Claims (24)

1. 指及びスタイラスの感知を組み合わされた相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッドであって、
   第１の面の上又は前記第１の面に位置付けられた行又は列に実質的に配置された第１の複数の電極を有し、実質的に剛体でかつ非可撓性の下側基板と、
   前記下側基板の上に配置され、前記下側基板と動作的に関連するように構成された上側の下方に湾曲可能な上側基板と、
   を備え、
   前記上側基板が、前記上側基板の一部を形成するか又はその上に配置された上部タッチ面を有し、さらに第２の面の上又は前記第２の面に位置付けられた行又は列の中に実質的に配置された第２の複数の電極を有し、
   前記上側及び下側基板は、前記上側基板が湾曲されていない位置にある場合は、対向するほぼ平面でほぼ平行な面を形成し、前記外側タッチ面は、ユーザが少なくとも１つの指又はスタイラスを該外側タッチ面の上に置いたり指又はスタイラスを該外側タッチ面上を移動したりできるように構成され、前記第１及び第２の複数の電極が電極アレイを形成して、前記外側タッチ面上の指に対応する少なくとも１つの位置、又は、前記上側基板が下向きの圧力が加えられたスタイラスによって前記下側基板に向けて下向きに湾曲される場合に前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する少なくとも１つの位置が、前記電極アレイによって検出可能になるように構成される、相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
2. 前記第１の複数の電極の前記行又は列が、前記第２の複数の電極の前記行又は列に対してほぼ垂直である、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
3. 前記タッチスクリーン又はタッチパッドが、前記第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが前記外側タッチ面上の指に対応する位置において変化するように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
4. 前記タッチスクリーン又はタッチパッドが、前記上側基板が湾曲される場合、前記第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する位置において変化するように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
5. 前記第１の複数の電極と前記第２の複数の電極の少なくとも１つの行又は列の間の間隔が、約１ミリと約１０ミリとの間の範囲にある、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
6. 前記上側基板と前記下側基板との間の間隔が、約５０ミクロンと約５００ミクロンとの間の範囲にある、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
7. 圧縮可能な材料が前記上側基板と前記下側基板との間に配置されて、これにより前記上側基板の少なくとも一部をスタイラスによって前記下側基板に向かって湾曲できるようにする、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
8. 前記第１の複数の電極が駆動電極であり、前記第２の複数の電極が感知電極である、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
9. 前記第１の複数の電極が感知電極であり、前記第２の複数の電極が駆動電極である、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
10. 前記第１及び第２の複数の電極の少なくとも１つがインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
11. 前記下側基板及び前記上側基板の少なくとも１つがガラス、プラスチック及びアクリルの少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
12. 前記下側基板及び前記上側基板の少なくとも１つが光学的にほぼ透明である、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
13. 前記第１及び第２の複数の電極の１つに電気的駆動信号を与えるように構成され、前記電極に動作可能に接続された駆動信号回路をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
14. 前記第１及び第２の複数の電極に動作可能に接続され、前記電極において又は前記電極の周辺において発生したキャパシタンスの変化を検出するように構成されたキャパシタンス感知回路をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
15. 前記第１及び第２の複数の電極の少なくとも１つに動作可能に接続された駆動信号回路及びキャパシタンス感知回路の少なくとも１つをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
16. 前記駆動信号回路及び前記キャパシタンス感知回路の少なくとも１つが集積回路の中に組み込まれる、ことを特徴とする請求項１８に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
17. 少なくとも１つの偏光子層をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
18. 前記タッチスクリーン又はタッチパッドが、ＬＣＤ、コンピュータ・ディスプレイ、ラップトップコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話、ラジオ、ＭＰ３プレーヤ、ポータブル音楽プレーヤ、据え置き型の装置、テレビ、ステレオ、運動器具、産業用制御装置、制御パネル、屋外制御装置及び洗濯機の一部に組み込まれる又は該一部を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
19. 前記第１及び第２の複数の電極の前記行及び列の少なくとも１つをスキャンして、指又はスタイラスの少なくとも１つの位置を検出するように構成されたタッチスクリーン又はタッチパッド用コントローラをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
20. 前記タッチスクリーンが前記アレイの中で複数のタッチ又はスタイラスの位置を同時に感知するように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の相互キャパシタンス型タッチスクリーン又はタッチパッド。
21. タッチスクリーン又はタッチパッド上の指及びスタイラスの位置を感知する方法であって、
    指に対応する位置において、第１の複数の電極と第２の複数の電極との間で相互キャパシタンスが変化するときの前記タッチスクリーン又はタッチパッド上の指の位置を検出するステップと、
    前記タッチスクリーン又はタッチパッドの上側部分がスタイラスによって下向きに湾曲され、スタイラスに対応する位置において、前記第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが変化するときの前記タッチスクリーン上のスタイラスの位置を検出するステップと
    を含み、
    前記第１及び第２の複数の電極は前記タッチスクリーン又はタッチパッドにおいて電極アレイを形成する、方法。
22. 相互キャパシタンスを指及びスタイラス感知型タッチスクリーン又はタッチパッドと組み合わせる方法であって、
    第１の面の上又は前記第１の面に位置付けられた行又は列内に実質的に配置された第１の複数の電極を有する、実質的に剛体で非可撓性の下側基板を設けるステップと、
    前記下側基板の上に配置され、前記下側基板と動作的に関連するように構成され、自身の一部を形成するか又は自身の上に配置された上部タッチ面を有し、さらに第２の面の上又は前記第２の面に位置付けられた行又は列の中に実質的に配置された第２の複数の電極を有する、下方に湾曲可能な上側基板を設けるステップと、
    前記上側基板が湾曲されていない位置にある場合は、前記上側及び下側基板を対向するほぼ平面でほぼ平行な面に形成するステップと、
    前記第１の複数の電極の行又は列を前記第２の複数の電極の行又は列にほぼ垂直に構成するステップと、
    前記外側タッチ面を、ユーザが少なくとも１つの指又はスタイラスを該外側タッチ面の上に置いたり指又はスタイラスを前記外側タッチ面上を移動したりできるように構成するステップと、
    前記第１及び第２の複数の電極が電極アレイを形成して、前記外側タッチ面上の指に対応する少なくとも１つの位置、又は、前記上側基板が下向きの圧力が加えられたスタイラスによって前記下側基板に向けて下向きに湾曲される場合に前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する少なくとも１つの位置が、前記電極アレイによって検出可能になるように構成するステップと
    を含む方法。
23. 前記第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが、前記外側タッチ面上の指に対応する位置で変化するように、前記タッチスクリーン又はタッチパッドがさらに構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１及び第２の複数の電極間の相互キャパシタンスが、前記外側タッチ面上のスタイラスに対応する位置で、前記上側基板が湾曲されたときに変化するように、前記タッチスクリーン又はタッチパッドが構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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