JP4162717B2 - 差動式タッチセンサーおよびそれの制御回路 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明はタッチパネルシステムに関するものであって、更に詳細には基板の反対側に使用者が接触したことを検出するように基板の片側に搭載されたタッチセンサーに関する。
発明の背景
タッチパネルは従来の機械式スイッチに置き代わるものとして、各種用途、例えば電磁調理器、電子レンジ等に使用されている。機械式スイッチと違って、タッチパネルは壊れたり、摩耗したりする可動部分を含まない。基板と一緒に使用される機械式スイッチは、スイッチを搭載するために基板中に何らかの開口部を必要とする。それらの開口部は、スイッチ自身の開閉と同様に、汚れ、水、およびその他の汚染物が基板を通り抜けたり、スイッチ内部に捕らえられたりすることを許容する。特定の環境では、基板の開口部を通り抜ける非常に多数の汚染物が存在し、それが基板の背後にある部品に対して損傷を与えたり、電気的な短絡を引き起こしたりする。しかし、タッチパネルは基板中に開口部のない連続した基板シートとして形成できる。更に、タッチパネルは汚れやその他の汚染物を集める開口部や空洞がないため、容易に洗浄することができる。
既存のタッチパネル設計は基板の両面、すなわち、基板の”前面”および基板の”裏面”の両面にタッチパッド電極を提供する。典型的には基板の前面には酸化アンチモン（ＴＡＯ）の電極が取り付けられ、裏面には付加的な複数の電極が取り付けられる。タッチパッドは、使用者がＴＡＯ電極に接触した時に駆動される。そのような設計ではＴＡＯ電極は、引っかき、クリーナー溶剤、および研磨性の洗浄パッドによる損傷にさらされる。更に、ＴＡＯ電極はタッチパネルのコストを引き上げ、複雑さを増やす。
既知のタッチパネルはしばしば高インピーダンス設計のものとなっており、それは水やその他の液体のような汚染物が基板上に存在する場合に、タッチパネルの誤動作につながる可能性がある。このことは台所のような液体の存在が当たり前の場所で問題となる。パッドは水よりも高いインピーダンスを持つので、水はタッチパッドによって生成される電界に対して導体の役目をする。従って、電界は最も低い抵抗の経路、すなわち水に沿って延びる。更に、高インピーダンス設計のため、静電気がタッチパネルの誤動作を引き起こす可能性がある。静電気は、高いタッチパッドのインピーダンスのために、迅速に消失することを妨げられる。
既存のタッチパネル設計はまた、隣接するタッチパネル間のクロストークに付随する問題に悩まされる。クロストークは１つのタッチパッドによって作られる電界が隣接するタッチパッドによって作られる電界に干渉する場合に発生し、その結果、誤ったタッチパッドが駆動されたり、２つのパッドが同時に駆動されたりといった誤った駆動が発生する。
既知のタッチパネル設計では受動的な個別パッドが提供される。タッチパッドに近くに能動的部品は存在しない。その代わり、リード線が各受動的タッチパッドを能動的検出回路へつないでいる。タッチパッドリード線は、検出回路に対するそのタッチパッドの位置に依存した、互いに異なる長さを有する。更に、リード線はその線の配線経路に依存した異なる形状を有する。リード線の長さおよび形状の違いによって、各線上の信号レベルは異なるレベルにまで減衰することになる。例えば、数多くの部品のつながった長いリード線では、数少ない部品のつながった短いリード線と比べて、検出信号は大幅に減衰するであろう。従って、検出回路によって受信される信号は１つのパッドと次のパッドとではかなり違うことになる。このため、検出回路は信号レベルの大きな差を補償するように設計されなければならない。
数多くの既存のタッチパネルが、各タッチパネルの近傍にアース・リングのようなアース機構を用いている。このアース機構というのは、タッチパッドの近くに位置決めして取り付ける必要のある付加的な要素を代表するものであって、そのためタッチパネルはより複雑なものとなる。更に、特定のアース機構では、検出回路へ供給される信号レベルの違いを最小とするために、個々のタッチパッド毎に異なる形状にする必要がある。従って、各種のアース機構を設計するために付加的な設計時間が取られる。
従来のタッチパネルまたはタッチセンサーを調理器、電子レンジ、等に使用することは、そのようなタッチセンサーを導電性の液体や汚染物と頻繁に接触させる可能性のある環境に置くことである。どんなタッチセンサーであっても、その上に導電性液体が存在すれば誤った出力を生ずる恐れがあり、それによって制御回路が意図してない出力動作を駆動するきっかけが生まれる。そのような液体は、大きな水たまりや液滴の場合には、実際に２つあるいはそれ以上の個別タッチセンサーに跨ることがあり得る。このこともまた、偽の入力信号の原因となり得る。
タッチパネル設計の最近の進歩により、タッチセンサー自身の入力および出力インピーダンスを下げる技術が開発され、それによって外部の雑音源による誤った駆動や汚染物に対する耐性の大きいセンサーが作られるようになってきた。米国特許第５，５９４，２２２号はそのような技術について述べている。この方式は従来技術に対していくつかの優れた特徴を有するのであるが、その応用を制限するいくつかの特性がある。例えば、得られるセンサーは本質的に温度変化に敏感であるかもしれない。出力における温度変動が正当な信号変化に比べて小さく、またトランジスタの変動による信号変動に比べても小さい限り、単一のトランジスタ、あるいはその他増幅デバイスがあればそれで十分であるかも知れない。しかし、ソフト的な補償手段が利用できる小さいダイナミックレンジしか持たない応用や、温度変化が正当な信号変化に比べて大きい応用では、温度効果を打ち消したり大幅に低減するための別の手段が有用であろう。更に、この手法の低インピーダンス方式は、ある有限のインピーダンス量を持つ汚染物と、ある有限の量のインピーダンスを持つ人間の接触との間の区別をすることはできるが、この方式は、極端に低レベルのインピーダンスの区別をするには本質的に不十分である。そのような状況の例は、センサー（すなわち、内側電極および外側電極の両方）が多量の汚染物によって覆われて、内側パッドのインピーダンスが大幅に減少した場合に存在する。別の例は、金属鍋のような導電性材料が単一センサー全体を覆う場合である。
このように、導電性の高い材料、比較的大きな温度変化、および内側電極および外側電極と付随回路に共通なその他の効果が存在する時に、偽の信号の生成を防止するタッチパネルを提供することが望まれよう。
発明の概要
本発明は、完全な解決ではないかもしれないが、上述の問題点を、タッチセンサーを作り上げている２つの電極を比較することによって大幅に改善する。本発明のタッチセンサーは１または複数個の第１電極と、１または複数個の第２電極とを含み、それらは第１および第２電極間の電位差を測定するための回路手段へつながれている。第１および第２電極は、典型的には基板の同じ表面上に配置され、その基板の反対側はタッチ面として使用されている。第１電極は第２電極の近傍に間隔を置いて配置されており、タッチ入力によって駆動された時は第１電極と第２電極との電圧を比較できるようになっている。差分測定回路は、両電極に等しく作用する傾向を有する温度、電気的雑音、電源変動、その他の入力のような共通モードの信号を排除するようになっている。
本発明のタッチパッドは既存のタッチパッドの代わりに使用することができ、あるいは従来のスイッチに置き代わることができる。本タッチパッドは使用者が触れた時や、指先などの人間の付属器管が基板付近に近づいた時に駆動される。本タッチパッドは、例えば、装置をターンオンあるいはターンオフしたり、温度を調節したり、時計やタイマーをセットしたり、あるいは従来のスイッチによって行われているその他任意の機能を行わせるために使用することができる。既存のタッチパッド設計に付随する問題を改善および解決することに加えて、本発明は更に、現在メンブレン・スイッチを使用している用途においても有用である。本発明のタッチパッドは温度変化が極端に大きい環境、かなり多量の汚染物が存在する環境、あるいは金属物体がタッチパッド上にあるいはそれを覆って置かれる環境で使用するのに適している。
好適な態様において、ストローブ電極が、第１の抵抗を通して第１電極へ、また第２の抵抗を通して第２電極へつながれている。各電極においては、ストローブ電極へ供給されるストローブ信号に応答して電界が発生する。電界は各電極に発生する。第１および第２電極間の電圧差を測定するための、第１および第２電極へつながれた差分測定回路中に２個のトランジスタが配置される。検出ラインが差分測定回路の出力へつながれて、それは好適実施例ではピーク検出器回路への検出信号を運ぶ。差分測定回路の出力は基板が使用者によって触れられると変化する。
好適な態様において、２個の整合したトランジスタは差分対として構成され、各々がタッチパッドの近傍に配置される。これらのトランジスタは一緒になって差分入力信号を増幅するように働き、ストローブおよび検出トレースの効果に関してタッチパッドのバッファとして働き、タッチパッドの出力インピーダンスを下げる。更に、整合したトランジスタを使用することで、差動回路の出力は温度変化によってさほど変動しなくなる。
内側電極と外側電極は差動回路の別々の入力へつながれて、誘起される電界によって第１電極のほうが第２電極よりもより大きく影響を受ける時には、差動回路はより高い出力電圧レベルを供給するであろう。更に、好適実施例において、この回路は、電界によって第２電極のほうが第１電極よりもより大きく影響される時には、より低い出力を供給するであろう。両電極が等しいか同程度の応答を生ずる時は、差動回路の出力はほとんど変わらないであろう。これらの状態は、例えば、指先が第１電極を本質的に覆うが、第２電極は覆わない時に生ずるであろう。これによって、より高い出力信号が発生するであろう。別の１つの状態は、汚染物が第２（外側）電極を本質的に覆い、第１（内側）電極を覆わない時に発生する。これによって、より低レベルの出力信号が発生するであろう。別の１つの状態は、金属鍋が第１および第２電極の両方を覆う場合である。この状態が与えられれば、好適実施例において、２つの電極の応答は本質的に等しくなり、従って、差分測定回路の出力は以前の非接触状態からほとんど変化しない。
【図面の簡単な説明】
本発明の各種の特徴、利点、およびその他の用途は以下の詳細な説明と図面を参照することでより明かとなろう。
図１は基板の裏面から眺めた本発明のタッチパッドを示す。
図２は一般に図１のライン２−２に沿って取った断面図である。
図３は図２と同様の断面図であるが、基板に対する、別のやり方での能動部品の搭載を示している。
図４は図１および図２に示されたタッチパッドの電気的模式図である。
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄは各種の入力刺激下での検出出力の波形である。
図６はストローブ信号波形を示す。
図７は図１と同様の図であるが、本発明のタッチパッドの別の実施例の図である。
図１、２、３、４、および７において、同様な参照符号は同様な要素を示す。
好適実施例の説明
図１および２を参照すると、誘電性基板１０に取り付けられた単一のタッチパッド１３が示されている。すべての応用ではないかもしれないが、多くの応用において複数のタッチパッドおよび関連する回路が基板上の含まれていることを理解されるべきである。
基板１０は、ガラス、セラミック、樹脂、あるいは同様な材料など、任意のタイプの誘電性材料から製造することがでできる。好適実施例では、基板１０はガラスから作られており、約３ｍｍの均一な厚さを有する。基板１０の厚さは特定の用途に依存して変動し、付加的な強度が必要な場所では厚い基板が用いられる。もし基板１０がガラスから作られていれば、典型的な基板は約１．１ｍｍの薄さに、また約５ｍｍの厚さにすることができる。もし基板１０が樹脂から作られれば、基板は樹脂製のメンブレン・スイッチに使用されている材料と同じように、１ｍｍ厚よりも薄くできる。
基板１０は前面１２と反対側の裏面１４とを有する。使用者は基板１０の前面１２に触ることで必要な刺激を与えることによってタッチパッド１３を駆動する。
タッチパッド１３は、第１の導電性または内側電極パッド１６と、本質的に第１電極を取り囲む第２の導電性または外側電極１８とを含む。好ましくは、第１電極１６は、前面に触れる時に、その電極が使用者の指先または人間の付属器官によって覆われるような寸法を有する。
好適実施例において、第１電極１６は四角であり、第２電極１８は第１電極１６の形に相似な四角い形状をしている。しかし、第１電極１６に対して、長方形、台形、円、楕円、三角形、六角形、および八角形を含む各種の幾何学的形状を採用することも可能であり、またそれらに限らないことを理解されよう。第１電極１６の形状に関わらず、第２電極１８は、間隔を置いて第１電極１６を少なくとも部分的に取り囲む。
図１のパッド形状は電極構造を配置する１つのやり方であることは認識されるであろうが、用途および付属器官の寸法に依存して数多くのその他の形状および寸法が採用できる。一例は、指の代わりに対象とする付属器官が手である場合の配置である。この場合には、２つの電極間の間隔はもっと離して、２つの電極もずっと大きくなるであろう。
同様に、図１および７のパッド形状はそれぞれ電極構造を配置する１つのやり方であることは認識されるであろうが、ここでも用途と付属器官の寸法に依存して数多くのその他の形状および寸法が採用できる。一例は、２つの電極がもっと離れており、２つの電極の寸法ももっと大きい場合である。
好ましくは、第１電極１６は固体の導体である。しかし、第１電極１６は複数個の孔を有することができ、あるいはメッシュまたはグリッドパターンのものでもよい。
好適実施例では、図３に示されるように、第３電極、ストローブ電極２２が設けられている。ストローブ電極２２は基板１０上に形成された薄い導体である。ストローブ電極２２は第２電極１８から離されている。好ましくは、ストローブ電極２２は、図１に示されるように、第２電極１８の両側から離されている。ストローブ電極２２はまた、第１電極１６に隣接している。このように、ストローブ電極２２の一部分は、第２電極１８と第１電極１６との間にあって、図１に見られるように、単一のストローブ電極２２が第１電極１６と第２電極１８の両方に対してストローブ・ラインとして働く。
図１に示されるように、ストローブ電極またはライン２２は電圧源６０へつながれている。
ストローブ・ライン２２は、例えば、好適実施例では（図６に示されるように）、矩形波のようなストローブ信号を電圧源６０から運んでいる。矩形の好適実施例では、波形は２５ｋＨｚと５０ｋＨｚとの間の周波数で、０と＋５ボルトとの間を振動する。あるいは、ストローブ信号は、２５ｋＨｚよりも低い周波数または５０ｋＨｚよりも高い周波数でもよく、それは使用される検出回路に依存する。更に、ストローブ信号は制御される装置から直ちに利用できる電圧に依存して、０と＋３ボルト、０と＋１２ボルト、０と＋２４ボルト、−５と＋５ボルト、あるいはその他の任意の電圧範囲で振動することができる。
好ましくは、ストローブ信号は約７ナノ秒の立ち上がり時間を有する。しかし、１１０ナノ秒までの立ち上がり時間あるいはそれ以上の立ち上がり時間でも構わない。立ち上がり時間が７ナノ秒のように速くなれば、より低い入力インピーダンスが提供されて好ましいであろう。後に述べるように、ストローブ信号はタッチパッドに電界を生じさせる。
ストローブ信号は鋭い立ち上がり端（図６に示されるように）を有し、それがストローブ・ライン２２と、第２電極１８および第１電極１６の各々との間に電位差を生ずる。電極１５、１８と２２との間の電位差は図２の破線で示されたように、電極間にアーク状の電界を生ずる。この電界は前面１２を通り、基板１０を通って広がる。図２には示されていないが、電極１６、１８と２２との間の電界は基板１０の裏面１４から同じようなアーク状を描いて延びる。この経路はほぼ図２に示された破線の鏡像であって、上方ではなく下方へ延びている。
図２に示されるように、生成される電界は互いに逆方向を向いている。例えば、図２に示される電界の経路は、第１電極１６の逆側においてストローブ電極２２から発して、ストローブ電極２２から第２電極１８へ向かっている。
再び図１を参照すると、基板１０に対して検出ラインまたは出力ライン２４が差動回路３２の出力へつながれており、それについてここで説明する。検出ライン２４は、１９９７年１月１４日発行の私の米国特許証第５，５９４，２２２号に詳細に述べられているように、適当な検出または制御回路を駆動するための、タッチパッド１３からの検出または動作信号を運ぶ。この特許の内容をここに引用する。
図１、２、および４に示されるように、表面搭載部品がタッチパッド１３に対して電気的に接続される。表面搭載部品には、ストローブ電極２２と第２電極１８との間に接続される抵抗２８、および第１電極１６とストローブ電極２２との間に接続される抵抗３０が含まれる。抵抗２８および３０は好適実施例に示されるように、２．２キロオームの値を有し、それによってタッチパッド１３に対して比較的低い放電入力インピーダンスを提供する。
一般的に参照符号３２で示される差動回路もまた、電極１６、１８と２２との間に接続される。差動回路３２は差分対として配置された２つの抵抗Ｑ１とＱ２とを含み、それら両トランジスタＱ１およびＱ２のエミッタは抵抗３４を介してストローブ電極２２へ接続されている。
トランジスタＱ１のベースは第２電極１８のところで抵抗２８へつながれ、またそれのコレクタはアースされている。トランジスタＱ２のベースは第１電極１８を介して抵抗３０へつながれている。トランジスタＱ２のコレクタは検出ライン２４へつながれ、また抵抗４８を介してアースへつながれている。
好ましくは、各トランジスタＱ１およびＱ２は、トランジスタモデル番号ＭＰＳ３９０６のようなＰＮＰトランジスタである。あるいは、ＰＮＰトランジスタの代わりにＮＰＮトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、あるいはその他任意の能動的なトリガー駆動の可能な電気部品を使用することもできよう。
図４は他に、各電極１６、１８、および２２間につながる浮遊、寄生、およびその他の容量を模式的に示している。キャパシタ３７はストローブ電極２２と第２電極１８との間の容量性結合を表している。キャパシタ３３はストローブ電極２２と第１電極１６との間の容量性結合を表している。キャパシタ３５は第１電極の電界擾乱（すなわち、第１電極１６とアースとの間の容量性結合としてモデル化されている）を表している。キャパシタ３６は浮遊の検出ライン容量を表している。キャパシタ３８は第２電極１８の電界擾乱を表している。キャパシタ４０は浮遊のストローブ・ライン容量を表している。抵抗２９はストローブ電極２２の抵抗を表している。本実施例の抵抗３０は、ストローブ・パルスの立ち上がり部分においてトランジスタＱ２をバイアスするように作用し、キャパシタ３３および３５のための放電経路を提供する。同様に、抵抗２８はキャパシタ３７および３８のための放電経路を提供し、ストローブ・パルスの立ち上がり部分においてトランジスタＱ１をバイアスするように作用する。
差動回路３２は、トランジスタＱ１とＱ２とが差分対として機能するように動作する。共通のエミッタ抵抗３４は負の帰還を与えるように作用し、それによってセンサー回路の差分動作が生まれよう。もしトランジスタＱ２のベースがＱ１のベースよりもより高くバイアスされれば、より大きな電流がＱ２のコレクタを通って流れ、それによって抵抗４８の両端間に電圧増大が発生するであろう。もしトランジスタＱ１のベースがトランジスタＱ２のベースよりも高くバイアスされれば、その時はエミッタ電流の大部分がトランジスタＱ１のコレクタを通って流れ、それによってトランジスタＱ２のコレクタを通って流れる電流は少なくなり、抵抗４８の両端間には電圧の減少が発生するであろう。もしトランジスタＱ１のベースに供給されるバイアスが増大して、トランジスタＱ２のベースへ供給されるバイアスもトランジスタＱ１のベース上のバイアスに等しい電圧まで増大されれば、その時は差動回路は平衡状態となって、Ｑ２のコレクタ電流に増大は検出できず、抵抗４８の両端間の電圧変化は、あっても小さいものとなろう。
差動回路３２はタッチセンサー１３の動作に関していくつかの特徴を提供する。この動作については図５Ａ−５Ｄに見られ、それらは第１および第２電極１６および１８に供給される各種の刺激あるいは刺激の欠如に応答する検出ライン２４上の出力電圧を示している。第１および第２電極のいずれの刺激も存在しない図５Ａに示されるように、ストローブ・ライン２２上の信号２２０は０ボルトから約５．０ボルトの最大値へ立ち上がるであろう。検出ライン２４上には比較的小さい出力電圧２４０が存在するが、本質的にトランジスタＱ１およびＱ２のバイアスにおけるわずかな違いによって、検出ライン２４上の出力電圧は小さい定常状態の値となる。
図５Ｂに示されるように、第１電極１６に刺激が供給され（すなわち、指先が前面１２上の第１電極１６のエリアに置かれ）、第２電極１８には刺激がない時には、検出ライン２４上の出力電圧は３．０Ｖを越えて最大値に上昇する。これは明らかに定常状態の値を越えており、その後指数関数的に減衰する。図５Ｃでは、第２電極１８のみへ供給された刺激が検出ライン２４上へ定常状態電圧よりも低い電圧をもたらしている。最後に、図５Ｄに示されるように、第１および第２電極１６および１８の両方に刺激が与えられる時は、出力電圧は定常状態電圧に近いものとなる。
差動回路３２は第１および第２電極１６および１８へ供給される刺激間の差分に比例する出力を発生するように働く。こうして、出力２４は刺激の大きさよりも、第１および第２電極１６および１８へ供給される刺激の差分に対して本質的により敏感である。もし第１および第２電極１６および１８の両方を覆ってかなり多量の汚染物または導電性材料が付着すれば、汚染の性質に依存してタッチセンサー１０からは各種の応答が発生し、より導電性の高い汚染であれば生成される応答はより低くなる傾向がある。そのようなかなり多量の汚染物は第２電極１８の取り囲むエリアと同程度の大きさがあればよい。この配置において、タッチセンサー１０は局部的なエリアにおけるかなりの量の汚染物や導電性材料による偽のトリガーに対して高い耐性を持つようになり、他方、第１および第２電極間の小さい差分に対しては応答できる。
更に、差動回路３２は能動部品中の温度変化によるドリフトを最小化する。これはトランジスタＱ１およびＱ２の両方のバイアスも一緒に変化するので抵抗４８を通る電流が本質的に変化しないであろうためである。最後に、両電極１６および１８と、トランジスタＱ１およびＱ２に共通する電源、入力信号、部品のドリフト電気雑音等に関連する変動は、差動回路３２の出力に影響を与えることはないであろう。
差動回路３２に加えて、第１および第２電極１６および１８に関連する差分信号を処理するためにその他の方法を使用することもできる。ノートン（Ｎｏｒｔｏｎ）増幅器に一般的に使用されている電流変更技術およびミラー、ＭＯＳ型のトランジスタ、および電圧入力の演算増幅器は使用できるタイプの回路例である。
図３に示される別の実施例を参照すると、電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは、例えばコンソリデイテド・グラフィックス（Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）の第ＨＳ−５００番、タイプ５６１、レベル２の０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）厚のようなポリエステル材料から作られる柔軟なキャリア２５に付着される。電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは、アチェソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）の第４２７ＳＳ番の０．５ミル（１２．７ミクロン）厚のような導電性銀インクを使用して形成される。次に、能動部品Ｑ１およびＱ２が電極およびラインへつながれる。誘電性層２７が電極およびラインを覆って配置されて、導電性表面を保護する。好ましくは、誘電体２７はアチェソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）の第ＭＬ２５０８９番の１．５ミル（３０．５ミクロン）厚のものである。柔軟なキャリア２５は次にスリー・エム（３Ｍ）の第４５７番のような接着剤２９を用いて基板１０へ接着される。柔軟なキャリア２５は基板１０の形状に合わせて曲がったものや捻れたものでよい。
あるいは、図２を参照すれば、電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは基板１０へ直接付着させることができる。能動部品が次に電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４へ取り付けられる。
動作時には、タッチパッド１３は、使用者が基板１０に接触するか、あるいは近づくことによって刺激を与える時に駆動される。タッチパッド１３は、電極１６および１８間の電界ポテンシャルに十分な分裂を引き起こす、指先またはその他の付属器官による接触を検出するであろう。
トランジスタＱ１およびＱ２のベース電流は式Ｉb＝Ｃ（ｄＶ／ｄＴ）によって決まる。ここで、Ｉbはベース電流、Ｃはタッチパッド場の容量、そしてｄＶ／ｄＴは電圧の時間変化である。電圧の時間変化は振動するストローブ信号の電圧レベルの変化によって生成される。使用者が電極１６、１８、および２２によって形成されるタッチパッド１３に触れると、キャパシタ３３の場の容量は減り、他方、キャパシタ３５の場の容量は増大する。好適実施例では裏面１４上の電極１８が前面１２の使用者接触と接近しているため、キャパシタ３８上の場の容量はキャパシタ３５の場の容量ほどではないが増大するであろう。
好適実施例では、トランジスタＱ２は、タッチパッド１３近傍の検出信号を増幅し、バッファとして働く。これは、異なるリード線長およびリード線経路によって引き起こされるタッチパッド間の信号レベルの差を減らす。より一様な検出レベルを提供することにより、信号レベルを、例えば、０および＋５ボルトの間に保ちながら、より大きな増幅が可能である。
図７に示される実施例では、ストローブ電極２２は除かれている。トランジスタＱ１およびＱ２のベースはここでもそれぞれ第２および第１電極１８および１６へつながれている。ストローブ信号は抵抗５０および５２を介してＱ１およびＱ２のベースへ直接供給される。Ｑ１は抵抗５０によってバイアスを与えられ、電極１８によって場の容量を生じる。同様にして、Ｑ２は抵抗５２によってバイアスを与えられ、電極１６によって場の容量を生じる。電極１６および１８へ供給される過渡的電圧によって発生する場の電位差が生じる。この電位差は、電極１８および１６に付随する場の電位差に比例するように、Ｑ１のバイアスとＱ２のバイアスとの間に違いをもたらすであろう。この実施例は、図１の回路と比べて第１および第２電極１６および１８間により弱い分離を与えている。分離の程度は低いにも拘らず、本実施例によって提供される動作特性のレベルが適する用途は多い。上述のような、用途環境等に付随する効果のような、共通モードの影響に対して本差動回路構成が持つ鈍感性から得られる利益は図７の代替え実施例でも保存されている。
本発明の２つの実施例についてのみ示してきたが、当業者にとっては、以下に示す請求の範囲の精神から外れることなしに、数多くの修正が行い得ることは明かであろう。
本発明はタッチパネルシステムに関するものであって、更に詳細には基板の反対側に使用者が接触したことを検出するように基板の片側に搭載されたタッチセンサーに関する。
発明の背景
タッチパネルは従来の機械式スイッチに置き代わるものとして、各種用途、例えば電磁調理器、電子レンジ等に使用されている。機械式スイッチと違って、タッチパネルは壊れたり、摩耗したりする可動部分を含まない。基板と一緒に使用される機械式スイッチは、スイッチを搭載するために基板中に何らかの開口部を必要とする。それらの開口部は、スイッチ自身の開閉と同様に、汚れ、水、およびその他の汚染物が基板を通り抜けたり、スイッチ内部に捕らえられたりすることを許容する。特定の環境では、基板の開口部を通り抜ける非常に多数の汚染物が存在し、それが基板の背後にある部品に対して損傷を与えたり、電気的な短絡を引き起こしたりする。しかし、タッチパネルは基板中に開口部のない連続した基板シートとして形成できる。更に、タッチパネルは汚れやその他の汚染物を集める開口部や空洞がないため、容易に洗浄することができる。
既存のタッチパネル設計は基板の両面、すなわち、基板の”前面”および基板の”裏面”の両面にタッチパッド電極を提供する。典型的には基板の前面には酸化アンチモン（ＴＡＯ）の電極が取り付けられ、裏面には付加的な複数の電極が取り付けられる。タッチパッドは、使用者がＴＡＯ電極に接触した時に駆動される。そのような設計ではＴＡＯ電極は、引っかき、クリーナー溶剤、および研磨性の洗浄パッドによる損傷にさらされる。更に、ＴＡＯ電極はタッチパネルのコストを引き上げ、複雑さを増やす。
既知のタッチパネルはしばしば高インピーダンス設計のものとなっており、それは水やその他の液体のような汚染物が基板上に存在する場合に、タッチパネルの誤動作につながる可能性がある。このことは台所のような液体の存在が当たり前の場所で問題となる。パッドは水よりも高いインピーダンスを持つので、水はタッチパッドによって生成される電界に対して導体の役目をする。従って、電界は最も低い抵抗の経路、すなわち水に沿って延びる。更に、高インピーダンス設計のため、静電気がタッチパネルの誤動作を引き起こす可能性がある。静電気は、高いタッチパッドのインピーダンスのために、迅速に消失することを妨げられる。
既存のタッチパネル設計はまた、隣接するタッチパネル間のクロストークに付随する問題に悩まされる。クロストークは１つのタッチパッドによって作られる電界が隣接するタッチパッドによって作られる電界に干渉する場合に発生し、その結果、誤ったタッチパッドが駆動されたり、２つのパッドが同時に駆動されたりといった誤った駆動が発生する。
既知のタッチパネル設計では受動的な個別パッドが提供される。タッチパッドに近くに能動的部品は存在しない。その代わり、リード線が各受動的タッチパッドを能動的検出回路へつないでいる。タッチパッドリード線は、検出回路に対するそのタッチパッドの位置に依存した、互いに異なる長さを有する。更に、リード線はその線の配線経路に依存した異なる形状を有する。リード線の長さおよび形状の違いによって、各線上の信号レベルは異なるレベルにまで減衰することになる。例えば、数多くの部品のつながった長いリード線では、数少ない部品のつながった短いリード線と比べて、検出信号は大幅に減衰するであろう。従って、検出回路によって受信される信号は１つのパッドと次のパッドとではかなり違うことになる。このため、検出回路は信号レベルの大きな差を補償するように設計されなければならない。
数多くの既存のタッチパネルが、各タッチパネルの近傍にアース・リングのようなアース機構を用いている。このアース機構というのは、タッチパッドの近くに位置決めして取り付ける必要のある付加的な要素を代表するものであって、そのためタッチパネルはより複雑なものとなる。更に、特定のアース機構では、検出回路へ供給される信号レベルの違いを最小とするために、個々のタッチパッド毎に異なる形状にする必要がある。従って、各種のアース機構を設計するために付加的な設計時間が取られる。
従来のタッチパネルまたはタッチセンサーを調理器、電子レンジ、等に使用することは、そのようなタッチセンサーを導電性の液体や汚染物と頻繁に接触させる可能性のある環境に置くことである。どんなタッチセンサーであっても、その上に導電性液体が存在すれば誤った出力を生ずる恐れがあり、それによって制御回路が意図してない出力動作を駆動するきっかけが生まれる。そのような液体は、大きな水たまりや液滴の場合には、実際に２つあるいはそれ以上の個別タッチセンサーに跨ることがあり得る。このこともまた、偽の入力信号の原因となり得る。
タッチパネル設計の最近の進歩により、タッチセンサー自身の入力および出力インピーダンスを下げる技術が開発され、それによって外部の雑音源による誤った駆動や汚染物に対する耐性の大きいセンサーが作られるようになってきた。米国特許第５，５９４，２２２号はそのような技術について述べている。この方式は従来技術に対していくつかの優れた特徴を有するのであるが、その応用を制限するいくつかの特性がある。例えば、得られるセンサーは本質的に温度変化に敏感であるかもしれない。出力における温度変動が正当な信号変化に比べて小さく、またトランジスタの変動による信号変動に比べても小さい限り、単一のトランジスタ、あるいはその他増幅デバイスがあればそれで十分であるかも知れない。しかし、ソフト的な補償手段が利用できる小さいダイナミックレンジしか持たない応用や、温度変化が正当な信号変化に比べて大きい応用では、温度効果を打ち消したり大幅に低減するための別の手段が有用であろう。更に、この手法の低インピーダンス方式は、ある有限のインピーダンス量を持つ汚染物と、ある有限の量のインピーダンスを持つ人間の接触との間の区別をすることはできるが、この方式は、極端に低レベルのインピーダンスの区別をするには本質的に不十分である。そのような状況の例は、センサー（すなわち、内側電極および外側電極の両方）が多量の汚染物によって覆われて、内側パッドのインピーダンスが大幅に減少した場合に存在する。別の例は、金属鍋のような導電性材料が単一センサー全体を覆う場合である。
このように、導電性の高い材料、比較的大きな温度変化、および内側電極および外側電極と付随回路に共通なその他の効果が存在する時に、偽の信号の生成を防止するタッチパネルを提供することが望まれよう。
発明の概要
本発明は、完全な解決ではないかもしれないが、上述の問題点を、タッチセンサーを作り上げている２つの電極を比較することによって大幅に改善する。本発明のタッチセンサーは１または複数個の第１電極と、１または複数個の第２電極とを含み、それらは第１および第２電極間の電位差を測定するための回路手段へつながれている。第１および第２電極は、典型的には基板の同じ表面上に配置され、その基板の反対側はタッチ面として使用されている。第１電極は第２電極の近傍に間隔を置いて配置されており、タッチ入力によって駆動された時は第１電極と第２電極との電圧を比較できるようになっている。差分測定回路は、両電極に等しく作用する傾向を有する温度、電気的雑音、電源変動、その他の入力のような共通モードの信号を排除するようになっている。
本発明のタッチパッドは既存のタッチパッドの代わりに使用することができ、あるいは従来のスイッチに置き代わることができる。本タッチパッドは使用者が触れた時や、指先などの人間の付属器管が基板付近に近づいた時に駆動される。本タッチパッドは、例えば、装置をターンオンあるいはターンオフしたり、温度を調節したり、時計やタイマーをセットしたり、あるいは従来のスイッチによって行われているその他任意の機能を行わせるために使用することができる。既存のタッチパッド設計に付随する問題を改善および解決することに加えて、本発明は更に、現在メンブレン・スイッチを使用している用途においても有用である。本発明のタッチパッドは温度変化が極端に大きい環境、かなり多量の汚染物が存在する環境、あるいは金属物体がタッチパッド上にあるいはそれを覆って置かれる環境で使用するのに適している。
好適な態様において、ストローブ電極が、第１の抵抗を通して第１電極へ、また第２の抵抗を通して第２電極へつながれている。各電極においては、ストローブ電極へ供給されるストローブ信号に応答して電界が発生する。電界は各電極に発生する。第１および第２電極間の電圧差を測定するための、第１および第２電極へつながれた差分測定回路中に２個のトランジスタが配置される。検出ラインが差分測定回路の出力へつながれて、それは好適実施例ではピーク検出器回路への検出信号を運ぶ。差分測定回路の出力は基板が使用者によって触れられると変化する。
好適な態様において、２個の整合したトランジスタは差分対として構成され、各々がタッチパッドの近傍に配置される。これらのトランジスタは一緒になって差分入力信号を増幅するように働き、ストローブおよび検出トレースの効果に関してタッチパッドのバッファとして働き、タッチパッドの出力インピーダンスを下げる。更に、整合したトランジスタを使用することで、差動回路の出力は温度変化によってさほど変動しなくなる。
内側電極と外側電極は差動回路の別々の入力へつながれて、誘起される電界によって第１電極のほうが第２電極よりもより大きく影響を受ける時には、差動回路はより高い出力電圧レベルを供給するであろう。更に、好適実施例において、この回路は、電界によって第２電極のほうが第１電極よりもより大きく影響される時には、より低い出力を供給するであろう。両電極が等しいか同程度の応答を生ずる時は、差動回路の出力はほとんど変わらないであろう。これらの状態は、例えば、指先が第１電極を本質的に覆うが、第２電極は覆わない時に生ずるであろう。これによって、より高い出力信号が発生するであろう。別の１つの状態は、汚染物が第２（外側）電極を本質的に覆い、第１（内側）電極を覆わない時に発生する。これによって、より低レベルの出力信号が発生するであろう。別の１つの状態は、金属鍋が第１および第２電極の両方を覆う場合である。この状態が与えられれば、好適実施例において、２つの電極の応答は本質的に等しくなり、従って、差分測定回路の出力は以前の非接触状態からほとんど変化しない。
【図面の簡単な説明】
本発明の各種の特徴、利点、およびその他の用途は以下の詳細な説明と図面を参照することでより明かとなろう。
図１は基板の裏面から眺めた本発明のタッチパッドを示す。
図２は一般に図１のライン２−２に沿って取った断面図である。
図３は図２と同様の断面図であるが、基板に対する、別のやり方での能動部品の搭載を示している。
図４は図１および図２に示されたタッチパッドの電気的模式図である。
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄは各種の入力刺激下での検出出力の波形である。
図６はストローブ信号波形を示す。
図７は図１と同様の図であるが、本発明のタッチパッドの別の実施例の図である。
図１、２、３、４、および７において、同様な参照符号は同様な要素を示す。
好適実施例の説明
図１および２を参照すると、誘電性基板１０に取り付けられた単一のタッチパッド１３が示されている。すべての応用ではないかもしれないが、多くの応用において複数のタッチパッドおよび関連する回路が基板上の含まれていることを理解されるべきである。
基板１０は、ガラス、セラミック、樹脂、あるいは同様な材料など、任意のタイプの誘電性材料から製造することがでできる。好適実施例では、基板１０はガラスから作られており、約３ｍｍの均一な厚さを有する。基板１０の厚さは特定の用途に依存して変動し、付加的な強度が必要な場所では厚い基板が用いられる。もし基板１０がガラスから作られていれば、典型的な基板は約１．１ｍｍの薄さに、また約５ｍｍの厚さにすることができる。もし基板１０が樹脂から作られれば、基板は樹脂製のメンブレン・スイッチに使用されている材料と同じように、１ｍｍ厚よりも薄くできる。
基板１０は前面１２と反対側の裏面１４とを有する。使用者は基板１０の前面１２に触ることで必要な刺激を与えることによってタッチパッド１３を駆動する。
タッチパッド１３は、第１の導電性または内側電極パッド１６と、本質的に第１電極を取り囲む第２の導電性または外側電極１８とを含む。好ましくは、第１電極１６は、前面に触れる時に、その電極が使用者の指先または人間の付属器官によって覆われるような寸法を有する。
好適実施例において、第１電極１６は四角であり、第２電極１８は第１電極１６の形に相似な四角い形状をしている。しかし、第１電極１６に対して、長方形、台形、円、楕円、三角形、六角形、および八角形を含む各種の幾何学的形状を採用することも可能であり、またそれらに限らないことを理解されよう。第１電極１６の形状に関わらず、第２電極１８は、間隔を置いて第１電極１６を少なくとも部分的に取り囲む。
図１のパッド形状は電極構造を配置する１つのやり方であることは認識されるであろうが、用途および付属器官の寸法に依存して数多くのその他の形状および寸法が採用できる。一例は、指の代わりに対象とする付属器官が手である場合の配置である。この場合には、２つの電極間の間隔はもっと離して、２つの電極もずっと大きくなるであろう。
同様に、図１および７のパッド形状はそれぞれ電極構造を配置する１つのやり方であることは認識されるであろうが、ここでも用途と付属器官の寸法に依存して数多くのその他の形状および寸法が採用できる。一例は、２つの電極がもっと離れており、２つの電極の寸法ももっと大きい場合である。
好ましくは、第１電極１６は固体の導体である。しかし、第１電極１６は複数個の孔を有することができ、あるいはメッシュまたはグリッドパターンのものでもよい。
好適実施例では、図３に示されるように、第３電極、ストローブ電極２２が設けられている。ストローブ電極２２は基板１０上に形成された薄い導体である。ストローブ電極２２は第２電極１８から離されている。好ましくは、ストローブ電極２２は、図１に示されるように、第２電極１８の両側から離されている。ストローブ電極２２はまた、第１電極１６に隣接している。このように、ストローブ電極２２の一部分は、第２電極１８と第１電極１６との間にあって、図１に見られるように、単一のストローブ電極２２が第１電極１６と第２電極１８の両方に対してストローブ・ラインとして働く。
図１に示されるように、ストローブ電極またはライン２２は電圧源６０へつながれている。
ストローブ・ライン２２は、例えば、好適実施例では（図６に示されるように）、矩形波のようなストローブ信号を電圧源６０から運んでいる。矩形の好適実施例では、波形は２５ｋＨｚと５０ｋＨｚとの間の周波数で、０と＋５ボルトとの間を振動する。あるいは、ストローブ信号は、２５ｋＨｚよりも低い周波数または５０ｋＨｚよりも高い周波数でもよく、それは使用される検出回路に依存する。更に、ストローブ信号は制御される装置から直ちに利用できる電圧に依存して、０と＋３ボルト、０と＋１２ボルト、０と＋２４ボルト、−５と＋５ボルト、あるいはその他の任意の電圧範囲で振動することができる。
好ましくは、ストローブ信号は約７ナノ秒の立ち上がり時間を有する。しかし、１１０ナノ秒までの立ち上がり時間あるいはそれ以上の立ち上がり時間でも構わない。立ち上がり時間が７ナノ秒のように速くなれば、より低い入力インピーダンスが提供されて好ましいであろう。後に述べるように、ストローブ信号はタッチパッドに電界を生じさせる。
ストローブ信号は鋭い立ち上がり端（図６に示されるように）を有し、それがストローブ・ライン２２と、第２電極１８および第１電極１６の各々との間に電位差を生ずる。電極１５、１８と２２との間の電位差は図２の破線で示されたように、電極間にアーク状の電界を生ずる。この電界は前面１２を通り、基板１０を通って広がる。図２には示されていないが、電極１６、１８と２２との間の電界は基板１０の裏面１４から同じようなアーク状を描いて延びる。この経路はほぼ図２に示された破線の鏡像であって、上方ではなく下方へ延びている。
図２に示されるように、生成される電界は互いに逆方向を向いている。例えば、図２に示される電界の経路は、第１電極１６の逆側においてストローブ電極２２から発して、ストローブ電極２２から第２電極１８へ向かっている。
再び図１を参照すると、基板１０に対して検出ラインまたは出力ライン２４が差動回路３２の出力へつながれており、それについてここで説明する。検出ライン２４は、１９９７年１月１４日発行の私の米国特許証第５，５９４，２２２号に詳細に述べられているように、適当な検出または制御回路を駆動するための、タッチパッド１３からの検出または動作信号を運ぶ。この特許の内容をここに引用する。
図１、２、および４に示されるように、表面搭載部品がタッチパッド１３に対して電気的に接続される。表面搭載部品には、ストローブ電極２２と第２電極１８との間に接続される抵抗２８、および第１電極１６とストローブ電極２２との間に接続される抵抗３０が含まれる。抵抗２８および３０は好適実施例に示されるように、２．２キロオームの値を有し、それによってタッチパッド１３に対して比較的低い放電入力インピーダンスを提供する。
一般的に参照符号３２で示される差動回路もまた、電極１６、１８と２２との間に接続される。差動回路３２は差分対として配置された２つの抵抗Ｑ１とＱ２とを含み、それら両トランジスタＱ１およびＱ２のエミッタは抵抗３４を介してストローブ電極２２へ接続されている。
トランジスタＱ１のベースは第２電極１８のところで抵抗２８へつながれ、またそれのコレクタはアースされている。トランジスタＱ２のベースは第１電極１８を介して抵抗３０へつながれている。トランジスタＱ２のコレクタは検出ライン２４へつながれ、また抵抗４８を介してアースへつながれている。
好ましくは、各トランジスタＱ１およびＱ２は、トランジスタモデル番号ＭＰＳ３９０６のようなＰＮＰトランジスタである。あるいは、ＰＮＰトランジスタの代わりにＮＰＮトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、あるいはその他任意の能動的なトリガー駆動の可能な電気部品を使用することもできよう。
図４は他に、各電極１６、１８、および２２間につながる浮遊、寄生、およびその他の容量を模式的に示している。キャパシタ３７はストローブ電極２２と第２電極１８との間の容量性結合を表している。キャパシタ３３はストローブ電極２２と第１電極１６との間の容量性結合を表している。キャパシタ３５は第１電極の電界擾乱（すなわち、第１電極１６とアースとの間の容量性結合としてモデル化されている）を表している。キャパシタ３６は浮遊の検出ライン容量を表している。キャパシタ３８は第２電極１８の電界擾乱を表している。キャパシタ４０は浮遊のストローブ・ライン容量を表している。抵抗２９はストローブ電極２２の抵抗を表している。本実施例の抵抗３０は、ストローブ・パルスの立ち上がり部分においてトランジスタＱ２をバイアスするように作用し、キャパシタ３３および３５のための放電経路を提供する。同様に、抵抗２８はキャパシタ３７および３８のための放電経路を提供し、ストローブ・パルスの立ち上がり部分においてトランジスタＱ１をバイアスするように作用する。
差動回路３２は、トランジスタＱ１とＱ２とが差分対として機能するように動作する。共通のエミッタ抵抗３４は負の帰還を与えるように作用し、それによってセンサー回路の差分動作が生まれよう。もしトランジスタＱ２のベースがＱ１のベースよりもより高くバイアスされれば、より大きな電流がＱ２のコレクタを通って流れ、それによって抵抗４８の両端間に電圧増大が発生するであろう。もしトランジスタＱ１のベースがトランジスタＱ２のベースよりも高くバイアスされれば、その時はエミッタ電流の大部分がトランジスタＱ１のコレクタを通って流れ、それによってトランジスタＱ２のコレクタを通って流れる電流は少なくなり、抵抗４８の両端間には電圧の減少が発生するであろう。もしトランジスタＱ１のベースに供給されるバイアスが増大して、トランジスタＱ２のベースへ供給されるバイアスもトランジスタＱ１のベース上のバイアスに等しい電圧まで増大されれば、その時は差動回路は平衡状態となって、Ｑ２のコレクタ電流に増大は検出できず、抵抗４８の両端間の電圧変化は、あっても小さいものとなろう。
差動回路３２はタッチセンサー１３の動作に関していくつかの特徴を提供する。この動作については図５Ａ−５Ｄに見られ、それらは第１および第２電極１６および１８に供給される各種の刺激あるいは刺激の欠如に応答する検出ライン２４上の出力電圧を示している。第１および第２電極のいずれの刺激も存在しない図５Ａに示されるように、ストローブ・ライン２２上の信号２２０は０ボルトから約５．０ボルトの最大値へ立ち上がるであろう。検出ライン２４上には比較的小さい出力電圧２４０が存在するが、本質的にトランジスタＱ１およびＱ２のバイアスにおけるわずかな違いによって、検出ライン２４上の出力電圧は小さい定常状態の値となる。
図５Ｂに示されるように、第１電極１６に刺激が供給され（すなわち、指先が前面１２上の第１電極１６のエリアに置かれ）、第２電極１８には刺激がない時には、検出ライン２４上の出力電圧は３．０Ｖを越えて最大値に上昇する。これは明らかに定常状態の値を越えており、その後指数関数的に減衰する。図５Ｃでは、第２電極１８のみへ供給された刺激が検出ライン２４上へ定常状態電圧よりも低い電圧をもたらしている。最後に、図５Ｄに示されるように、第１および第２電極１６および１８の両方に刺激が与えられる時は、出力電圧は定常状態電圧に近いものとなる。
差動回路３２は第１および第２電極１６および１８へ供給される刺激間の差分に比例する出力を発生するように働く。こうして、出力２４は刺激の大きさよりも、第１および第２電極１６および１８へ供給される刺激の差分に対して本質的により敏感である。もし第１および第２電極１６および１８の両方を覆ってかなり多量の汚染物または導電性材料が付着すれば、汚染の性質に依存してタッチセンサー１０からは各種の応答が発生し、より導電性の高い汚染であれば生成される応答はより低くなる傾向がある。そのようなかなり多量の汚染物は第２電極１８の取り囲むエリアと同程度の大きさがあればよい。この配置において、タッチセンサー１０は局部的なエリアにおけるかなりの量の汚染物や導電性材料による偽のトリガーに対して高い耐性を持つようになり、他方、第１および第２電極間の小さい差分に対しては応答できる。
更に、差動回路３２は能動部品中の温度変化によるドリフトを最小化する。これはトランジスタＱ１およびＱ２の両方のバイアスも一緒に変化するので抵抗４８を通る電流が本質的に変化しないであろうためである。最後に、両電極１６および１８と、トランジスタＱ１およびＱ２に共通する電源、入力信号、部品のドリフト電気雑音等に関連する変動は、差動回路３２の出力に影響を与えることはないであろう。
差動回路３２に加えて、第１および第２電極１６および１８に関連する差分信号を処理するためにその他の方法を使用することもできる。ノートン（Ｎｏｒｔｏｎ）増幅器に一般的に使用されている電流変更技術およびミラー、ＭＯＳ型のトランジスタ、および電圧入力の演算増幅器は使用できるタイプの回路例である。
図３に示される別の実施例を参照すると、電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは、例えばコンソリデイテド・グラフィックス（Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）の第ＨＳ−５００番、タイプ５６１、レベル２の０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）厚のようなポリエステル材料から作られる柔軟なキャリア２５に付着される。電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは、アチェソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）の第４２７ＳＳ番の０．５ミル（１２．７ミクロン）厚のような導電性銀インクを使用して形成される。次に、能動部品Ｑ１およびＱ２が電極およびラインへつながれる。誘電性層２７が電極およびラインを覆って配置されて、導電性表面を保護する。好ましくは、誘電体２７はアチェソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）の第ＭＬ２５０８９番の１．５ミル（３０．５ミクロン）厚のものである。柔軟なキャリア２５は次にスリー・エム（３Ｍ）の第４５７番のような接着剤２９を用いて基板１０へ接着される。柔軟なキャリア２５は基板１０の形状に合わせて曲がったものや捻れたものでよい。
あるいは、図２を参照すれば、電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４とは基板１０へ直接付着させることができる。能動部品が次に電極１６、１８、および２２と、検出ライン２４へ取り付けられる。
動作時には、タッチパッド１３は、使用者が基板１０に接触するか、あるいは近づくことによって刺激を与える時に駆動される。タッチパッド１３は、電極１６および１８間の電界ポテンシャルに十分な分裂を引き起こす、指先またはその他の付属器官による接触を検出するであろう。
トランジスタＱ１およびＱ２のベース電流は式Ｉb＝Ｃ（ｄＶ／ｄＴ）によって決まる。ここで、Ｉbはベース電流、Ｃはタッチパッド場の容量、そしてｄＶ／ｄＴは電圧の時間変化である。電圧の時間変化は振動するストローブ信号の電圧レベルの変化によって生成される。使用者が電極１６、１８、および２２によって形成されるタッチパッド１３に触れると、キャパシタ３３の場の容量は減り、他方、キャパシタ３５の場の容量は増大する。好適実施例では裏面１４上の電極１８が前面１２の使用者接触と接近しているため、キャパシタ３８上の場の容量はキャパシタ３５の場の容量ほどではないが増大するであろう。
好適実施例では、トランジスタＱ２は、タッチパッド１３近傍の検出信号を増幅し、バッファとして働く。これは、異なるリード線長およびリード線経路によって引き起こされるタッチパッド間の信号レベルの差を減らす。より一様な検出レベルを提供することにより、信号レベルを、例えば、０および＋５ボルトの間に保ちながら、より大きな増幅が可能である。
図７に示される実施例では、ストローブ電極２２は除かれている。トランジスタＱ１およびＱ２のベースはここでもそれぞれ第２および第１電極１８および１６へつながれている。ストローブ信号は抵抗５０および５２を介してＱ１およびＱ２のベースへ直接供給される。Ｑ１は抵抗５０によってバイアスを与えられ、電極１８によって場の容量を生じる。同様にして、Ｑ２は抵抗５２によってバイアスを与えられ、電極１６によって場の容量を生じる。電極１６および１８へ供給される過渡的電圧によって発生する場の電位差が生じる。この電位差は、電極１８および１６に付随する場の電位差に比例するように、Ｑ１のバイアスとＱ２のバイアスとの間に違いをもたらすであろう。この実施例は、図１の回路と比べて第１および第２電極１６および１８間により弱い分離を与えている。分離の程度は低いにも拘らず、本実施例によって提供される動作特性のレベルが適する用途は多い。上述のような、用途環境等に付随する効果のような、共通モードの影響に対して本差動回路構成が持つ鈍感性から得られる利益は図７の代替え実施例でも保存されている。
本発明の２つの実施例についてのみ示してきたが、当業者にとっては、以下に示す請求の範囲の精神から外れることなしに、数多くの修正が行い得ることは明かであろう。
Claims (62)
- 検出ライン上へ制御信号を発生するためのセンサー装置であって、
少なくとも１つの第１電極と、
前記第１電極の近傍に位置する少なくとも１つの第２電極と、
それぞれ前記第１および第２電極へつながれた第１および第２の入力ノードと、および前記検出ラインへつながれた出力ノードを有する回路であって、前記第１および第２電極の近傍に位置する前記回路と、
前記第１および第２電極に対して電気信号を供給する信号源と、
を含み、
前記信号源によって前記第１および第２電極の少なくとも一方へ供給される前記電気信号に応答して、前記第１および第２電極間に電界が生成され、
前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍に人間の付属器官が接触または近づくことによる刺激が存在することによって前記電界が影響を受けるように前記第１および第２電極が配置され、
前記回路が、前記電界に関連して、前記第１および第２電極間の電位差に関連する制御信号を前記検出ライン上へ発生し、
前記回路が、更に、差動増幅器として配置される第１および第２のトランジスタを含み、前記第１および第２のトランジスタの両方のエミッタが抵抗を介して前記信号源へつながれて、前記抵抗が負の帰還を提供しているセンサー装置。 - 検出ライン上へ制御信号を発生するためのセンサー装置であって、
少なくとも１つの第１電極と、
前記第１電極の近傍に位置する少なくとも１つの第２電極と、
前記第１および第２電極の近傍に位置するストローブ電極と、
それぞれ前記第１および第２電極へつながれた第１および第２の入力ノードおよび、前記検出ラインへつながれた出力ノードを有する回路であって、前記第１および第２電極の近傍に位置する前記回路と、
前記ストローブ電極に対して電気信号を供給する信号源と、
を含み、
前記信号源によって前記ストローブ電極へ供給される前記電気信号に応答して、前記第１電極および前記ストローブ電極間に第１電界が生成され、前記ストローブ電極および前記第２電極間に第２電界が生成され、
前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍に人間の付属器官が接触または近づくことによる刺激が存在することによって前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方が影響を受けるように前記第１および第２電極が配置され、
前記回路が、前記第１電界および前記第２電界に関連して、前記第１および第２電極間の電位差に関連する制御信号を前記検出ライン上へ発生し、
前記回路が、更に、差動増幅器として配置される第１および第２のトランジスタを含み、前記第１および第２のトランジスタの両方のエミッタが抵抗を介して前記信号源へつながれて、前記抵抗が負の帰還を提供しているセンサー装置。 - 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記信号源によって供給される電気信号が矩形波パルスである装置。
- 請求項２記載の装置であって、更に、前記第１電極と前記ストローブ電極との間につながれた第１の抵抗と、前記第２電極と前記ストローブ電極との間につながれた第２の抵抗とを含む装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第１および第２電極が誘電性材料を含む基板上に搭載されている装置。
- 請求項５記載の装置であって、前記回路もまた前記基板上に搭載されている装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記回路が柔軟な材料の上に搭載されている装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第２電極が前記第１電極を本質的に取り囲んでいる装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第１電極が、前記電極が人間の付属器官によって本質的に覆われるような寸法に作られている装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第２電極の形状が前記第１電極の形状と本質的に共形であって、前記第２電極から離されている装置。
- 請求項２記載の装置であって、前記ストローブ電極が本質的に前記第１および第２電極間に位置している装置。
- 請求項４記載の装置であって、前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍にある汚染物のインピーダンスと比べて比較的低い入力インピーダンスを前記装置が有するような抵抗値を前記第１および第２の抵抗がそれぞれ有している装置。
- 請求項４記載の装置であって、前記第１および第２の抵抗がそれぞれ前記第１および第２のトランジスタに対して、前記信号源からの前記電気信号の少なくとも一方の立ち上がりでオンとなるようなバイアスを与えている装置。
- 請求項１記載の装置であって、更に、前記回路のそれぞれ前記信号源と第１および第２の入力ノードとの間につながれた第１および第２の抵抗を含む装置。
- 請求項１４記載の装置であって、前記第１および第２の抵抗がそれぞれ前記第１および第２のトランジスタに対して、前記信号源からの前記電気信号の少なくとも一方の立ち上がりでオンとなるようなバイアスを与えている装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第１および第２電極のいずれかに影響を及ぼす電界に対する前記刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される前記制御信号の出力電圧が最小値を取るようになった装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第１電極に影響を及ぼす電界に対する前記刺激の供給、および前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される前記制御信号の出力電圧が最大値へ上昇する装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、主として前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する前記刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される前記制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１電極または第２電極のどちらにも影響を及ぼさない時よりも低い装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記第１および第２電極の両方に対して本質的に等しい効果を有する電界に対する前記刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１および第２電極のいずれにも影響を及ぼさない場合に前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の電圧と本質的に同じである装置。
- 請求項１または請求項２記載の装置であって、前記回路が出力ノードにおいて、前記第１および第２の入力ノードへ供給される電気信号の電位差に比例する出力信号を生成する装置。
- 検出ライン上へ制御信号を発生するためのセンサー装置であって、
少なくとも１つの第１電極と、
前記第１電極の近傍に位置する少なくとも１つの第２電極と、
前記第１および第２電極の近傍に位置するストローブ電極と、
それぞれ前記第１および第２電極へつながれた第１および第２の入力ノードおよび、前記検出ラインへつながれた出力ノードを有する回路と、
前記ストローブ電極に対して電気信号を供給する信号源と、
を含み、
前記信号源によって前記ストローブ電極へ供給される電気信号に応答して、前記第１および第２電極間に電界が生成され、
前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍に刺激が存在することによって前記電界が影響を受けるように前記第１および第２電極が配置され、
前記回路が、前記電界に関連して、前記第１および第２電極間の電位差に関連する制御信号を前記検出ライン上へ発生し、
前記装置は、更に、前記第１電極と前記ストローブ電極との間につながれた第１の抵抗と、前記第２電極と前記ストローブ電極との間につながれた第２の抵抗とを含む装置。 - 請求項２１記載の装置であって、前記信号源によって供給される電気信号が矩形波パルスである装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記回路が更に、第１および第２の能動要素を含んでいる装置。
- 請求項２３記載の装置であって、前記第１および第２の能動要素が更に、差動増幅器として配置された第１および第２のトランジスタを含んでいる装置。
- 請求項２１記載の装置であって、更に前記第１および第２電極の各々に付随して能動要素を含む装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１および第２電極が誘電性材料を含む基板上に搭載されている装置。
- 請求項２６記載の装置であって、前記回路もまた前記基板上に搭載されている装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記回路が柔軟な材料の上に搭載されている装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記回路が前記第１および第２電極の近傍に位置している装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第２電極が前記第１電極を本質的に取り囲んでいる装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１電極が、前記電極が人間の付属器官によって本質的に覆われるような寸法に作られている装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第２電極の形状が前記第１電極の形状と本質的に共形であって、前記第２電極から離されている装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記ストローブ電極が本質的に前記第１および第２電極間に位置している装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍にある汚染物のインピーダンスと比べて比較的低い入力インピーダンスを前記装置が有するような抵抗値を前記第１および第２の抵抗がそれぞれ有している装置。
- 請求項２４記載の装置であって、前記第１および第２のトランジスタの両方のエミッタが第３の抵抗を介して前記信号源へつながれて、前記第３の抵抗が負の帰還を提供している装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記回路が更に第１および第２の能動要素を含んでおり、前記第１および第２の抵抗がそれぞれ前記第１および第２の能動要素に対して、前記信号源からの前記信号の少なくとも一方の立ち上がりでオンとなるようなバイアスを与えている装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１および第２電極のいずれかに影響を及ぼす電界に対する刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が最小値を取るようになった装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の供給、および前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が最大値へ上昇する装置。
- 請求項２１記載の装置であって、主として前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１電極または第２電極のどちらにも影響を及ぼさない時よりも低い装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記第１および第２電極の両方に対して本質的に等しい効果を有する電界に対する刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１および第２電極のいずれにも影響を及ぼさない場合に前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の電圧と本質的に同じである装置。
- 請求項２１記載の装置であって、前記回路が出力ノードにおいて、前記第１および第２の入力ノードへ供給される信号の電位差に比例する出力信号を生成する装置。
- 検出ライン上へ制御信号を発生するためのセンサー装置であって、
少なくとも１つの第１電極と、
前記第１電極の近傍に位置する少なくとも１つの第２電極と、
前記第１および第２電極の近傍に位置するストローブ電極と、
それぞれ前記第１および第２電極へつながれた第１および第２の入力ノードおよび、前記検出ラインへつながれた出力ノードを有する回路と、
前記ストローブ電極に対して電気信号を供給する信号源と、
を含み、
前記信号源によって前記ストローブ電極へ供給される信号に応答して、前記第１および第２電極間に電界が生成され、
前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍に刺激が存在することによって前記電界が影響を受けるように前記第１および第２電極が配置され、
前記回路が、前記電界に関連して、前記第１および第２電極間の電位差に関連する制御信号を前記検出ライン上へ発生し、
前記装置は、更に、前記ストローブ電極が本質的に前記第１および第２電極間に位置している装置。 - 請求項４２記載の装置であって、前記信号源によって供給される電気信号が矩形波パルスである装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記回路が更に、第１および第２の能動要素を含んでいる装置。
- 請求項４４記載の装置であって、前記第１および第２の能動要素が更に、差動増幅器として配置された第１および第２のトランジスタを含んでいる装置。
- 請求項４２記載の装置であって、更に前記第１および第２電極の各々に付随して能動要素を含む装置。
- 請求項４２記載の装置であって、更に、前記第１電極と前記ストローブ電極との間につながれた第１の抵抗と、前記第２電極と前記ストローブ電極との間につながれた第２の抵抗とを含む装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第１および第２電極が誘電性材料を含む基板上に搭載されている装置。
- 請求項４８記載の装置であって、前記回路もまた前記基板上に搭載されている装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記回路が柔軟な材料の上に搭載されている装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記回路が前記第１および第２電極の近傍に位置している装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第２電極が前記第１電極を本質的に取り囲んでいる装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第１電極が、前記電極が人間の付属器官によって本質的に覆われるような寸法に作られている装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第２電極の形状が前記第１電極の形状と本質的に共形であって、前記第２電極から離されている装置。
- 請求項４７記載の装置であって、前記第１および第２電極の少なくとも一方の近傍にある汚染物のインピーダンスと比べて比較的低い入力インピーダンスを前記装置が有するような抵抗値を前記第１および第２の抵抗がそれぞれ有している装置。
- 請求項４５記載の装置であって、前記第１および第２のトランジスタの両方のエミッタが第３の抵抗を介して前記信号源へつながれて、前記第３の抵抗が負の帰還を提供している装置。
- 請求項４７記載の装置であって、前記回路が更に第１および第２の能動要素を含んでおり、前記第１および第２の抵抗がそれぞれ前記第１および第２の能動要素に対して、前記信号源からの前記電気信号の少なくとも一方の立ち上がりでオンとなるようなバイアスを与えている装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第１および第２電極のいずれかに影響を及ぼす電界に対する刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が最小値を取るようになった装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第１電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の供給、および前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の欠如に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が最大値へ上昇する装置。
- 請求項４２記載の装置であって、主として前記第２電極に影響を及ぼす電界に対する刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１電極または第２電極のどちらにも影響を及ぼさない時よりも低い装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記第１および第２電極の両方に対して本質的に等しい効果を有する電界に対する刺激の供給に応答して、前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の出力電圧が、電界に対する刺激が前記第１および第２電極のいずれにも影響を及ぼさない場合に前記回路によって検出ライン上に生成される制御信号の電圧と本質的に同じである装置。
- 請求項４２記載の装置であって、前記回路が出力ノードにおいて、前記第１および第２の入力ノードへ供給される信号の電位差に比例する出力信号を生成する装置。
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