JP4629306B2

JP4629306B2 - 投影静電結合および力タッチセンサを利用したデュアルセンサタッチスクリーン

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Publication number: JP4629306B2
Application number: JP2002538371A
Authority: JP
Inventors: ジョエル・ケント; ジェフリー・ディ・ウィルソン
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: EP1330779B1; EP2261781B1; EP1330779A1; JP2004518188A; EP2133777A2; DE60043457D1; WO2002035461A1; EP2261780B1; AU2001212370A1; EP2261780A1; EP2133777B1; EP2261781A1; EP2133777A3

Description

【０００１】
（発明の技術的分野）
本発明は、概して、タッチスクリーン、特にタッチスクリーン上での偽接触イベントと真接触とを判別する方法および装置に関する。
【０００２】
（発明のバックグラウンド）
タッチスクリーンは、データ処理システムへの情報入力手段として、陰極線管（すなわち、ＣＲＴ）、および液晶ディスプレイスクリーン（すなわち、ＬＣＤスクリーン）を含む様々なタイプのディスプレイと組み合わせて用いられている。タッチスクリーンがディスプレイ上に設置されたり、あるいはディスプレイと統合されている場合、ユーザは、所望のアイコンもしくは要素に対応する、スクリーンの位置を触ることにより、表示されたアイコンもしくは要素を選択可能となる。タッチスクリーンは、例えば、ポイントオブセールシステム、情報キオスク、現金自動振込機（すなわち、ＡＴＭ）、データエントリーシステムなどを含む様々な異なるアプリケーションで、一般的に使用されている。
【０００３】
様々なタイプのタッチスクリーンが開発されて来た。残念なことに、各タイプのタッチスクリーンは、少なくとも若干のアプリケーションにおいては、その有用性を制限する少なくとも１つの弱点を有している。例えば、抵抗タッチスクリーンのカバーシートは、悪意の破壊に起因する、表層のかき傷や切断といった破損からの影響を受け易い。繰り返しスクリーンを押すだけで、やがては抵抗式タッチスクリーンの破損を招きかねない。このタイプのタッチスクリーンはまた、例えば、ディスプレイ内に入る湿気などの環境損害を受けやすいものである。第２タイプのタッチスクリーンである、薄い誘電層静電結合方式タッチスクリーンには、手袋をはめた手による課題がある。また、投影静電結合方式タッチスクリーンと呼ばれる、厚い誘電層静電結合方式タッチスクリーンでは、非接触感覚および手の平の拒絶という課題が存在している。第３のタイプのタッチスクリーンである、表面音波利用方式は、センサの表面上の汚染物質（例えば、雨滴）の蓄積に影響され易い。また、汚染は、赤外線方式タッチスクリーンの動作を妨げることにもなる。さらに、赤外線タッチスクリーンでは、直射日光に起因する信号問題を回避する、特別な努力が必要である。第５タイプのタッチスクリーンである、力センサ利用方式は、ショックや振動に影響され易い。
【０００４】
主として、例えば、指、およびスタイラスなど、データ入力用の異なる接触機構に対応する手段として、２つの異なるタッチスクリーン技術を利用する様々なシステムが、様々な目的のために設計されてきた。
【０００５】
米国特許第５，２３１，３８１号明細書は、統合タッチスクリーンおよびデジタル化タブレットを利用する多目的データ入力装置を開示している。このタッチスクリーンは、表面音波、力、静電結合、もしくは、光学タッチセンサを含む様々な技術のうち、いずれかを通して受動入力（例えば、指の接触）の存在および位置を検出するものである。デジタル化タブレットは、静電結合方式、誘導性、もしくは表面音波センサを刺激するために、アクティブスタイラス機構を利用する。
【０００６】
米国特許第５，５１０，８１３号明細書は、接触位置および接触力の双方を測定するタッチパネルを開示している。このタッチパネルは、抵抗、伝導層を用いて現在のパターンをモニターすることにより、接触位置を決定するものである。接触力は、タッチパネルと、事実上タッチパネルに平行に延びる第２伝導パネルとの間のキャパシタンス値をモニターすることにより、測定される。システムは、接触に応答して、検出された接触位置と検出された接触力の双方を処理する。
【０００７】
米国特許第５，５４３，５８９号明細書は、各センサが異なる解像度を用いて接触位置を決定する、デュアルセンサタッチスクリーンを開示している。２つのセンサは、単一のセンサを形成するよう、サンドイッチ状に１つにまとめられ、その結果、指、スタイラスなどによる単一の接触が、両方のセンサで検出可能となる。使用においては、最初に、低解像度センサの広い導体がスキャンされ、それにより、接触位置は、２つの広い導体サイズの長方形領域内であることが決定される。接触位置を高解像度センサで決定するには、低解像度センサで決定された接触の長方形領域に対応する、狭い導体のみをスキャンすればよいことになる。従って、開示されたシステムでは、スキャン処理のスピードを速めるのみならず、必要なスキャンドライバーおよびレシーバの数を減少させ、それによるコスト軽減が意図されている。
【０００８】
米国特許第５，６７０，７５５号明細書は、２つのモードの何れでも使用可能な、タッチパネルを開示している。一方のモードでは、タッチパネルは従来のタッチスクリーンのように作動し、ユーザは、指、ペン、または他の接触媒体を用いてスクリーンに触れることにより、情報を入力可能である。このモードで、パネルに適用された２つの抵抗層が、接触位置で触れ合うことになる。接触位置の決定は抵抗比に基づく。第２モードでは、タッチパネルは、特別に設計されたスタイラスを用いるディジタイザとして機能する。スタイラスのパネルへの接点でのキャパシタンスカプリングが、接点決定に用いられる。
【０００９】
米国特許第５，７７７，６０７号明細書は、指接触を静電結合的に感知するとともに、スタイラス接触を抵抗的に感知するシステムを開示している。開示されたシステムは、いずれのタッチモードでも、単一の抵抗層を用いて、タッチスクリーン上の接触のｘおよびｙ座標が決定可能である。好ましい実施例では、スタイラスが使用中であるとシステムが探知した場合、指検出モードは無効にされ、その結果、ユーザの手での静電結合から起こる、不注意なデータ入力を防ぐ。
【００１０】
米国特許第５，８０１，６８２号明細書は、静電結合方式センサからの座標データ変化を、センサのコーナーに設置された歪みゲージを用いて補償する、デュアルセンサタッチスクリーンを開示している。静電結合方式センサデータの変化は、例えば、ユーザが手袋をしたことによる信号経路の変化から生じることもある。
【００１１】
この技術分野で必要とされるものは、振動、電気雑音、汚染物質などの外部刺激から生じ得る偽接触を判別したり、または、確かに接触があったことを確認する方法および装置である。本発明はこうした方法、および装置、および特に戸外アプリケーションに良好に適合する方法および装置を提供するものである。
【００１２】
（発明の要約）
本発明は、タッチスクリーンシステムでの偽接触を判別する方法および装置を提供するものである。本システムは、タッチスクリーン上での接触を有効にするために、異なるタイプの多重タッチスクリーンセンサを利用する。従って、本発明は、特に、管理が限られ、雨滴、および／または、他の汚染物質が存在し得る、戸外および準戸外アプリケーションの要求に関連して特定のタイプのセンサの強さを、他のタイプのセンサの欠陥を克服するために利用している。
【００１３】
本発明の基礎は、１個のタッチセンサにより登録された接触を、他のタッチセンサによって確認する能力にある。接触が確認された場合、その接触は、例えば、接触座標をオペレーティングシステムに送ることにより、作用可能なものとなり得る。他方、接触が確認されない場合は、その接触は無効となる。本システムは、接触座標を決定する一次タッチセンサと、比較のために離散信号もしくは、第２の組の接触座標を発生させることにより、接触があったことを有効にする二次センサを有するように設計される。さらには、初期接触の確認の前後に、接触座標決定が可能である。力および投影静電結合方式のセンサシステムの組み合わせは、戸外および準戸外接触アプリケーションに求められる需要を満足させるものとして、特に良好に適合する。
【００１４】
本発明のある実施例では、投影静電結合方式センサは一次センサとして用いられ、１つ以上の力センサが、接触確認を得るために使用されている。この実施例では、力センサは、物体がいつ接触表層に接触したかを決定するのに用いられる。システムには、接触を登録するためには、ある圧力がタッチスクリーンに加えられなければならないという要求が設定されていることが好ましい。タッチスクリーン上の圧力が、一旦所定の閾値を超えると、投影静電結合方式センサは、それもまた接触を検出したか否かを決定するために、問い合わせを受ける。投影静電結合方式センサが接触を検出していない場合、接触は無効であり、システムは準備モードへの位置に戻される。投影静電結合方式センサが接触を検出した場合、位置座標が決定される。さらに、好ましい実施例では、非接触閾値が設定される。この閾値は、例えば、最初に力センサによって接触が検出された場合、投影静電結合方式の信号振幅の割合に等しくすることが可能である。
【００１５】
本発明の他の実施例では、複数の力センサは、接触位置座標を正確に決定する一次センサとして使用され、投影静電結合方式センサは、一次センサにより検出された接触を有効にする二次センサとして使用されている。この実施例では、投影静電結合方式センサは、接触確認に用いられるだけであるため、利用する電極はほんのわずかで良く、結果的に、タッチスクリーン製作の複雑さ、および必要とされる電子チャンネル数の双方を最小限にする。この実施例では、力センサにより接触が検出された後、投影静電結合方式センサは、接触が伝統的かつ、アースされた物体によるものであったかを決定するために、問い合わせを受ける。接触が有効にされた場合、一次センサにより接触位置座標が生成され、システムは準備モードに戻される。最も単純な構成では、接触が無効にされた場合、システムは、接触座標決定をすることなく、もしくは、いかなる座標もオペレーティングシステムに報告することなく、準備モードに戻されるだけである。代替的な構成では、接触が無効にされた場合、さらなる偽接触を最小にするよう、力センサの圧力閾値が調整される。
【００１６】
本発明の他の実施例では、共に正確な接触位置座標を提供可能な、投影静電結合方式および力センサが利用されている。この実施例では、システムは、所与の状態の組で、正確な位置座標を提供し得る蓋然性が最も高いセンサを決定するよう設計されている。
【００１７】
本発明の特性および利点のさらなる理解は、本明細書の残余部分と図面を参照することにより達成されることになろう。
【００１８】
（特定の実施例の説明）
図１は、本発明の好ましい動作を示すフローチャートである。ステップ１０１では、タッチスクリーンは、前接触、準備状態にある。その後スクリーンは、例えば、恐らく手袋をはめた指を通して、接触される（ステップ１０３）。ここで一次タッチセンサは、接触を登録する（ステップ１０５）。ステップ１０５で用いられるセンサは、例えば、抵抗、静電結合、表面音波、赤外線、もしくは力など、いかなるタイプのものでもよい。一次タッチセンサが、接触座標を決定する、もしくは、オペレーティングシステムに任意の情報を送る（例えば、接触位置、接触モードなど）前に、二次センサは、一次センサによって受け取られた接触が、有効な接触であることを確認する（ステップ１０７）。二次センサが、接触が有効であると確認した（ステップ１０９）場合、接触位置が決定される（ステップ１１１）。接触位置は、所望の構成次第で、一次センサもしくは二次センサのいずれによっても決定可能である。続いてタッチコントローラが、接触情報をオペレーティングシステムへ送る（ステップ１１３）。有効な接触が一次センサによって受け取られたことを二次センサが確認しない場合は、いかなる接触情報もオペレーティングシステムには送られず、タッチセンサは準備状態１０１に戻される。この実施例の便益は、無効の接触の位置決定に時間を費やすことがなく、その結果、有効な接触が受け取られると、システムは即座に確認可能となり、その接触が無効となれば素早く準備状態１０１に戻り得るということである。
【００１９】
図２に示されるシステムのわずかな変更では、一次センサが接触を登録した（ステップ１０５）後に、接触位置が決定される（ステップ２０１）。接触位置の決定後、システムは、二次センサが接触を登録したか否かを単純に尋ねる（ステップ１０７）ことが出来、登録されていた場合は、接触を確認し（ステップ１０９）、位置座標をオペレーティングシステムへ送る（ステップ２０３）。代替的には、接触位置が決定された（ステップ２０１）後、二次センサに対する座標依存接触閾値が設定され（ステップ２０５）、それにより、座標依存接触感度が実現される。
【００２０】
発明の好ましい実施例では、センサのうちの１つ、好ましくは二次センサは、接触があったか否かを判定するだけである。このセンサは、絶対接触位置を決定しないため、安価なセンサであってもよい。代替的には、このセンサは、おおまかな接触位置を決定するよう設計される。例えば、このセンサは、スクリーンのどの四分象限に接触があったかを決定するよう設計されてもよい。第３代替案では、このセンサは、接触位置の実際の座標を測定するように設計可能であり、その結果、システムに重複性を提供することが出来る。
【００２１】
センサのうち１つは投影静電結合方式センサ、さらに、他は力センサであることが好ましい。本システムは、これらのセンサのいずれかが、単に確認センサとして機能している間、他のセンサが一次センサもしくは接触位置座標決定センサとして作動するよう、設計可能である。本発明の少なくとも１つの実施例では、両方のセンサは、正確にその結果接触を決定し、結果として、接触確認のより高度な方法のみならず重複性をも提供している。代わりに、センサのうちの１つは、第２センサが、（例えば、タッチスクリーン四分象限内への）接触座標に近づく間に、正確に接触座標を決定することが出来る。
【００２２】
タッチスクリーンの力センサの設計および使用は、当業者には公知であり、従って、本願明細書では詳細には説明されていない。力センサは、米国特許第５，７４２，２２２号明細書に開示されるような、温度補償された歪みゲージにより代表される。また、力センサは、米国特許第４，３５５，２０２号明細書および米国特許第４，６７５，５６９号明細書、および欧州特許出願第ＥＰ０７５４９３６号で開示されるような、圧電システムに基づくことも可能である。本発明では、英国特許出願第ＧＢ２３１０２８８Ａ号、英国特許出願第ＧＢ２３２１７０７Ａ号、および英国特許出願第ＧＢ２３２６７１９号に示されているような、圧力感知力センサを採用することが好ましい。英国特許出願第ＧＢ２３２１７０７Ａ号の図５ａに基づく、図３は、こうした２つの力センサ３００を示している。
【００２３】
図示のように、圧電抵抗力センサ３００は、接触プレート３０１の１つ以上のコーナーと、支持構造物３０３との間に設置されてもよい。各力センサ３００は、圧電抵抗材料３０５から成り、圧縮されるとその抵抗が変化する。頭部電極３０７および底部電極３０９は、圧電抵抗材料３０５の抵抗の電子測定を可能にする。センサ基板３１１は、力センサ構造の充分な機械的堅牢さを確実にするために設けられている。絶縁層（図示せず）は、必要に応じて電気的隔離を提供するために加えられてもよい。抵抗の小さな変化率を容易に測定するため、読み取りエレクトロニクスは、通常力センサ３００をホイートストンブリッジ内に設置する。
【００２４】
図３に示されたタイプの力センサは、多くの利点を提供する。まず第一に、本設計は、周囲温度および湿度の変化に影響を受けない、環境的に厳しい構造をサポートする。第二に、それらは、圧縮力を直接測定する。第三に、それらは、著しく大きなバイアス圧縮に対する耐性があるため、簡単な座金として、それらをボルト連結アセンブリに機械的に統合可能である。
【００２５】
力センサは、オーバレイもしくは非オーバレイ構成のいずれかで、タッチスクリーンに結合可能であり、力センサの目的が、タッチ確認あるいは接触座標の供給のいずれであるかにより、１つもしくは複数のセンサが利用可能である。最も単純な構成では、図４に示されるように、単一の力センサ４０１が、タッチスクリーン４０５上に配置されている。単一の力センサの場合は、制限領域、もしくはいかなる接触感度も避けるために、コーナー４０６では低剛性サポート、さらに、コーナー４０８では高剛性サポートを使用してもよい。センサ４０１は、スクリーン４０５の視覚領域のすぐ外側、タッチスクリーンカウリング４０７の下部に位置するのが好ましい。代わりに、その開示が全ての目的のために本願明細書に組み込まれている、米国特許第５，７０８，４６０号明細書で開示されているものと同様の方法で接触座標を提供するために、タッチスクリーン４０５の各コーナーに１つずつ位置する、合計４つの力センサ４０１−４０４を使用してもよい。
【００２６】
通常、単一の力センサ４０１が、接触位置に依存した接触感度を有することが、理解されるべきである。この感度はまた、タッチスクリーン４０５の取り付け方法（例えば、剛性搭載に対する軟性搭載）に依存している。従って、接触確認供給に単一の力センサを用いようとするなら、力センサの接触閾値は、接触位置に基づいて、以下に説明される投影静電結合方式センサによって決定されるよう設定することが好ましい。
【００２７】
本発明の好ましい実施例で用いられる他のセンサは、投影静電結合方式センサである。図５および図６は、それぞれ、開示が全目的のために本願明細書に組み込まれている、米国特許第５，８４４，５０６号明細書で開示されるような、投影静電結合方式のタッチセンサの、正面図および断面図を示している。この構成では、基板５０１上には、細いワイヤー電極を用いて作られた電極パターン５０３、パターン化された抵抗コーティング、または他の標準電極設計が堆積されている。保護オーバレイ６０１は、電極５０３が用いられる間に破損するのを防ぐ。すでに述べたように、投影静電結合方式センサ５０３は、絶対接触位置の提供、もしくは、単純な接触確認の提供のいずれかのために使用可能である。通常、電極の間隔は、アプリケーションによって与えられる、すなわち、絶対位置には細かい間隔、そして単純な接触確認には粗い間隔。
【００２８】
上述、もしくは、開示が全目的のために本願明細書に組み込まれている、米国特許第５，６５０，５９７号明細書および米国特許第４，９５４，８２３号明細書、さらにＰＣＴ特許出願第ＷＯ９５／２７３３４号およびＰＣＴ特許出願第ＷＯ第９６／１５４６４号で開示される、投影静電結合方式のタッチスクリーンは、タッチスクリーンキャパシタンスの変化をモニターする。しかし、薄い誘電層の静電結合方式センサと異なり、投影静電結合方式センサのキャパシタンスは、アースされた物体がセンサに触れることによって変化するのみならず、アースされた物体をセンサへの近傍に近づけるだけで変化する。従って、このタイプのタッチスクリーンでの第一の難点は、スクリーンと共に使用可能なアースされた物体に、様々なサイズがあることに起因している。例えば、小さな指（例えば、子供の指）は、実質的に大きな指より小さな信号を生成することになるだろう。同様に、若干の戸外アプリケーションにおいて予想し得るが、手袋をはめた人は、手袋をはめていない手より、かなり小さな信号を生成するだろう。他の問題は、例えば、スクリーンに近接した表層に手を凭せ掛けるなど、単にスクリーンの一部に近づき過ぎたユーザにより、結果的に発生する。従って、閾値によって、（例えば、子供の指を認識するように設定されたタッチスクリーンに対し、ユーザの大きな手が）実際の接触が発生する以前に接触を示してしまったり、もしくは、（例えば、大人の指用に設定されたスクリーンであるため、子供の指を無視してしまうなど）接触を完全に無視したりする可能性があるため、投影静電結合方式センサでの実際の接触位置の決定には、単純な信号レベル閾値システムでは充分とは言えない。
【００２９】
投影静電結合方式センサに基づくタッチスクリーンに比して、力センサ利用のタッチスクリーンでは、指のサイズが異なることによる認識上の問題は存在しない。また、力センサは、手袋をはめた手、スタイラス、ペン等の認識に、困難さを伴わない。しかし、力センサタッチスクリーンでは、機械的ノイズに起因した偽信号が難点となる。例えば、タッチスクリーンへの振動は参照マス内での振動を引き起こし、結果として、外来バックグラウンド信号を発生させる場合がある。さらに、外来バックグラウンド信号は、システムの有効接触認識を不能にする可能性がある。
【００３０】
戸外アプリケーションでは、力センサベースのタッチスクリーンは、風に起因する接触位置エラーを起こすことがある。例えば、風がタッチスクリーンに平行に吹いている場合、タッチスクリーンの正面に立つ人は、スクリーンの左右部分に適用された圧力に対し、非対称を引き起こすだろう。この圧力不均衡のため、タッチスクリーン力センサは、接触の座標の特定を誤ることになるだろう。位置エラーの量は、風に起因してタッチスクリーンに適用される、圧力非対称の度合いによる。この非対称は、風速、風とスクリーンの平行線との間の角度、障害物（すなわち、ユーザ）による気流変更の程度、スクリーンサイズ、およびユーザの接触によって適用される力の量に依存する。
【００３１】
力センサに伴う他の問題は、ドラグおよび非接触機能性を達成する試みに関連している。この機能を達成するには、力センサ信号は、サブヘルツ領域に、良好に処理されなければならない。残念ながら、力センサには、事実上、適用される力の時間微分である信号を発生させるタイプ（例えば、圧電センサ）のものがあり、結果的に、サブヘルツ情報が不正確になる。適用された力に比例した信号を発生させる力センサであっても、機械的ノイズが原因となって、サブヘルツ情報処理に問題を発生させる場合がある。
【００３２】
図７に示される本発明の実施例では、一次センサは、電極アレイが電極５０３から構成された投影静電結合方式センサである。投影静電結合方式センサは、投影静電結合方式センサの出力から接触位置座標を決定するために用いられる、プロセッサ７０１と結合される。二次タッチセンサは力センサであり、図示のように、力センサ４０１−４０４から成っている。接触確認の提供に、単一の力センサ４０１が使用可能であることを理解されるべきである。従って、図７に示すように、センサ４０１の出力は、接触確認を提供するためにモニター７０３および弁別器７０５に結合するか、もしくは二次接触座標決定を提供するために力センサ４０２−４０４からの出力と共に直接プロセッサ７０１に結合するかのいずれかが可能である。
【００３３】
図７に示される実施例では、力センサは、指が接触表層にいつ接触したかを決定するためにのみ用いられる。従って、システムは、「接触」を登録するために、スクリーン５０１にある圧力が適用される必要があることを要求するためにセットアップされる。例えばセンサ４０１−４０４など、複数の力センサが使用される場合は、力センサからの信号の合計が、閾値を超えていなければならない。この実施例では、力センサがドラグおよび非接触の機能性をサポートする必要はないので、力センサ信号は、比較的狭い周波数フィルタを用いて処理可能である。狭い周波数フィルタを用いると、参照マスの振動により引き起こされるような機械的バックグラウンドノイズは、比較的抑圧し易くなる。
【００３４】
図８は、図７に示された実施例での使用に好ましい方法を示している。初めに、接触を待つ間、システムは準備モードにある（ステップ８０１）。タッチスクリーンに適用された力が所定の閾値を超えたと判定されることにより、力センサが一旦接触を検出する（ステップ８０３）と、投影静電結合システムは、それもまた接触を検出したか否かを判定するために、問い合わせを受ける（ステップ８０５）。投影静電結合システムが接触を検出していない場合、システムは準備モードへ戻され（ステップ８０１）、接触は無効となる。接触が投影静電結合システムにより検出された場合、本発明の好ましい実施例では、非接触閾値が設定される（ステップ８０７）。この閾値は、接触が最初に力センサによって検出された場合、例えば、投影静電結合方式信号振幅の割合（例えば、５０％）に等しくすることが可能である。代替的な実施例では、事前に設定された閾値が使用され、その結果、閾値設定ステップ８０７は削除される。
【００３５】
次のステップで、接触位置座標が生成される（ステップ８０９）。好ましい実施例では、位置座標は、投影静電結合システムにより決定される。システムは投影静電結合信号をモニターし続け、投影静電結合信号が非接触閾値を超えている限り、位置座標を生成させ続けることが好ましい（ステップ８１１）。従って、ユーザがドラグ動作（すなわち、スクリーンを横切って指を引きずること）をなす場合、システムは、必要な接触位置情報を生成し続ける。一旦投影静電結合信号が非接触閾値より小さくなると、システムは、非タッチメッセージ、および最終位置座標を生成して（ステップ８１３）、その後準備モードへ戻る。
【００３６】
上のシステムには、多くの便益がある。第１に、力センサを用いることにより、実際の接触以前に、すなわち、ユーザの指もしくは手がスクリーンの近傍にあるだけで、まだスクリーンに触れてはいない場合に、投影静電結合システムが接触に応答する可能性が排除される。第２に、上述の閾値設定ステップを用いることにより、サイズもしくはキャパシタンスが異なる指に関連した問題（例えば、手袋をはめていない手に対する手袋をはめた手、大きな指に対する小さな指など）が解決される。第３に、投影静電結合システムを用いることで、ドラグおよび非接触能力が達成され、力センサを使用したサブヘルツ情報の処理に伴う典型的な困難が克服される。第４に、本実施例では、力センサは、正確な接触位置決定ではなく、接触発生決定にのみ使用されるため、力センサを取り巻く較正および安定性の問題のみならず、風もしくは大きな振動に起因する偽接触発生の問題を回避することが出来る。
【００３７】
図９に示される、投影静電結合方式センサおよび力センサの組み合わせを用いる第２実施例では、投影静電結合方式センサは真の接触が起こったことの確認にのみ使用され、正確な位置決定には力センサ４０１−４０４が用いられている。このシステムでは、力センサは、当業者によく知られた技術を用いて、必要な精度を達成するための標準構成にセットアップされている。これに比して、投影静電結合方式センサは、最小限の精度を提供するように設計され、結果的に要求される電極５０３は少なくなり、単一の電極５０３であっても可能である。より良好な感度および性能を提供するよう、複数の電極を用いるのが好ましい。複数の電極が用いられても、投影静電結合システムは結局接触位置決定には使用されないため、必要な電極数は大いに減少し、対応する電子チャンネル数も減少する。さらに、投影静電結合電極は、接触確認にのみ用いられるため、ｘおよびｙ軸電極の双方が不要となり、センサおよびエレクトロニクスの複雑さをさらに減少させる。図示のように、投影静電結合方式センサの出力はモニター７０３および弁別器７０５を通してプロセッサ７０１に結合され、力センサ４０１−４０４は接触位置の座標を決定するために直接プロセッサ７０１に結合される。
【００３８】
図１０は、投影静電結合方式センサが、図９に関連して上述したように、接触確認センサとしてのみ使用される場合の、本発明の方法を示している。初めに、システムは準備モードにある（ステップ１００１）。第１ステップは、力センサによる接触の検出である（ステップ１００３）。続いて投影静電結合システムは、接触が伝導性の、アースされた物体によるものか否かを決定することにより、その接触が有効な接触であるか否かを決定する（ステップ１００５）。そして、接触が有効である場合、力センサにより接触位置座標が生成され（ステップ１００７）、システムは単純に準備モードに戻される。この実施例の最も簡単な構成では、投影静電結合システムが、有効な接触が起こったと確認しない場合、システムは準備モードに戻されるだけである。代替的な構成では、接触が無効にされた場合、システムは、力センサの閾値を調整する（ステップ１００９）。例えば、必要な力の閾値が増加され、その結果、偽接触（例えば、風による偽接触）が回避可能となる。力の閾値が偽接触に対する補償として調整される場合は、結果として、雑音を減少させ（例えば、風切音を小さくして）、最適接触感度を提供するにつれ、閾値が、定期的に、自動的に減少することが好ましい。力センサの振幅の閾値の設定以外では、バックグラウンド周波数スペクトルもまたモニター可能であり、結果的に、必要に応じて適切な周波数フィルタの使用が可能となる。この構成では、投影静電結合方式センサにより偽接触が検出された場合、バックグラウンド周波数スペクトルが評価され、適切な周波数フィルタが適用可能となる。力の閾値の場合には、周波数フィルタを定期的に弛緩させたり、もしくは周波数スペクトルを定期的に再測定することにより、結果として、不要なフィルタリングを適用することがないようするのが好ましい。
【００３９】
本発明のある実施例では、投影静電結合方式および力タッチセンサシステムの双方が、接触位置座標を提供可能である。この実施例では、システム接触アルゴリズムは、所与の状態で、正確な位置座標を提供し得る蓋然性が最も高いセンサを決定するよう設計されている。続いてシステムは、指定されたシステムから接触座標を得る。図１１は、このデュアルセンサシステムで用いる方法を示している。
【００４０】
初めに、接触システムは準備モードにある（ステップ１１０１）。初期接触は力センサにより検出され（ステップ１１０３）、結果的に、投影静電結合方式センサで生成し得る近接エラーを回避することが好ましい。一旦二次センサシステム（すなわち、好ましい実施例における投影静電結合方式センサ）で接触が検出および確認される（ステップ１１０５）と、接触アルゴリズムは、指サイズもしくは伝導率の相違を克服する、投影静電結合方式センサの閾値を調整する（ステップ１１０７）。双方のセンサが完全な位置精度を提供するので、次のステップは、２つのセンサにより登録された、２つの接触位置間のオフセットの決定（ステップ１１０９）である。オフセットが合理的な値より大きい（すなわち、風、手のサイズなどに起因すると説明し得るよりも大きい）場合は、システムは接触を無効にし、準備モードに戻る。２つの接触位置間のオフセットが容認限度内にある場合は、接触が確認され、処理が続行される。
【００４１】
次に接触アルゴリズムは、接触座標決定の際に、どのタッチセンサを用いるべきかを決定する（ステップ１１１１）。例えば、接触アルゴリズムは、非タッチメッセージ送致以前に接触位置が変化したことを決定することにより、システムがドラグモードで用いられていることを判定することが出来る（ステップ１１１３）。この場合、本システムは、一般に、上述のようにドラグモードのサポートに適合する方がよいので、投影静電結合システムは、接触位置および非接触発生位置の双方の決定に用いられる（ステップ１１１５）。代替的に、システムが、振動もしくは風により生成されたバックグラウンドノイズが大きすぎると判定する場合（ステップ１１１７）、接触位置を提供するために、接触アルゴリズムは、投影静電結合システムを選択することが出来る（ステップ１１１９）。その他の場合は、接触位置決定に力センサが使用可能である（ステップ１１２１）。
【００４２】
この実施例のわずかな変更では、投影静電結合方式センサが、力センサにより最初に検出された接触を確認しない場合（ステップ１１０５）、システムを準備モードに戻す前に、システムは、力センサ閾値を調整することが出来る（ステップ１１２３）。図１０に関連して述べたように、力センサに対する振幅閾値、もしくは周波数フィルタのいずれかが調整可能である。
【００４３】
双方のセンサシステムの欠点の克服以外にも、上に説明したセンサの組み合わせには、他の利点がある。例えば、システム準備モードでは、センサシステムの１つのみが「準備完了」状態にあればよい。従って、他のセンサシステムは、完全に非通電状態にあり、結果的に電力消費量を低減することが出来る。例えば、力センサが警戒状態のまま残り、一旦トリガーされると、投影静電結合方式の電極がスキャン可能となる。
【００４４】
上述の併用センサの他の利点は、限定されたユーザ同定を実現する可能性があることである。例えば、右利きのユーザは、投影静電結合システムでは、ユーザの手のキャパシタンスに起因し、力センサにより決定されたタッチポイントの右方に、接触位置を投影する傾向がある。同様に、左利きのユーザは、力センサにより決定されたタッチポイントの左方に、接触位置を投影する傾向がある。同定システムで使用可能な他の接触属性は、２つのシステムで決定された接触位置間のオフセット、スクリーン接触に使われた力、ユーザがスクリーンの複数の領域に触れる速度、および、ユーザの初期接触とそれらの非接触との間の時間である。本システムは、ある接触ストロークのみ（例えば、ＡＴＭ機械用のユーザコード）をモニタしたり、あるいは、全接触ストロークをモニタしたりするよう設計可能である。これらのデータのうちの１つを潜在的に用いることにより、過去の使用に基づいて、異なるメニュー、タッチスクリーンでの、異なるユーザが提供されることになる。
【００４５】
タッチスクリーンコントローラに関連するエレクトロニクスの多くが、探知器のタイプから独立しているので、通常、複数のタッチセンサの使用においては、複数組のエレクトロニクスが必要とされることはないと理解されるべきである。例えば、典型的なタッチスクリーンコントローラは、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）、電源供給回路、ホストコンピュータとのコミュニケーションをサポートするディジタル回路、およびプリント回路基板を必要とする。従って、多くの場合、タッチスクリーンに関連したエレクトロニクスの多くは、複数センサシステムのサポートに使用可能である。
【００４６】
若干の例では、コントローラ・エレクトロニクスの他の態様が、２つのタイプの異なるセンサに共通している場合もある。例えば、ある種の圧電抵抗力センサは、直流励起電圧を用いたより典型的なアプローチと対照的に、数十キロヘルツの範囲の交流励起電圧を用いて、読み取ることが可能である。従って、力センサおよび静電結合方式感知電極の双方に、同じ励起周波数および同様の受容エレクトロニクスが使用可能である。
【００４７】
図１２は、センサ要素読み取り回路１２００用の一般的なブロック回路図を示している。負のフィードバックにより、フィードバック線１２０１上の電圧が、リファレンス１２０３により生成された発振電圧Ｖ_０と同一であることが保証される。センサ要素１２０５からの出力は、リファレンス電圧Ｖ_０に重ねられた信号電圧ΔＶである。リファレンス電圧ラインを加えた出力ラインは、差信号出力電圧ΔＶを提供する。
【００４８】
図１３は、図１２の回路で用いられる投影静電結合方式センサ要素を示している。可変コンデンサ１３０１は、投影静電結合方式センサ電極を表わす。使用に際して、ユーザの指もしくは他のアースされた物体が、地面に対するキャパシタンスを増加させる。抵抗１３０３は、読取機構をサポートする。抵抗１３０３は、直接センサ内に組み込まれ、もしくは読取電極と共に設置可能である。
【００４９】
図１２に示されたフィードバック回路も、力センサの交流読取と共に使用可能である。若干の力センサ、例えば、Ｃ−キューブド社（Ｃ−ＣｕｂｅｄＬｉｍｉｔｅｄ）製のものは、ホイートストンブリッジを通して読み取られる。従って、図１４に示されるように、４つの抵抗１４０１−１４０４のうちの１つ以上が、力センサの圧電抵抗要素に対応していてもよい。図示された実施例では、ブリッジは、コンデンサー１４０５経由でグラウンドに接続される。コンデンサー１４０５は不可欠なものではないが、励起およびフィードバック電圧間の差を減少させ、結果的に、Ｖ_０に対するΔＶの比を、投影静電結合電極からの信号により近づけるのに役立つものである。
【００５０】
当業者により理解されるように、本発明は、その精神と本質的特長から離れることなく、他の特定形式で実現されてもよい。従って、本願明細書での開示および記述は、説明として意図されており、請求項で記述される本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の代替方法を示すフローチャートである。
【図３】力センサを示す図である。
【図４】タッチスクリーンに適用された１つ以上の力センサを示す図である。
【図５】投影静電結合方式タッチセンサを示す図である。
【図６】図５に示された投影静電結合方式タッチセンサの断面図である。
【図７】表面音波センサを一次センサとして、さらに１つ以上の力センサを二次センサとして利用する、本発明の実施例を示す図である。
【図８】図７に示された実施例を用いる好ましい方法を示す、フローチャートである。
【図９】複数の力センサを一次センサとして、さらに投影静電結合方式センサを二次センサとして利用する、実施例を示す図である。
【図１０】図９に示された実施例を用いる好ましいｎ方法を示す、フローチャートである。
【図１１】投影静電結合方式および力タッチセンサの双方が接触位置座標を提供する、本発明の実施例で用いられる方法を示すフローチャートである。
【図１２】センサ要素読み取り回路用の一般的なブロック回路図である。
【図１３】図１２の回路で用いられる投影静電結合方式センサ要素を示す図である。
【図１４】図１２の回路で用いられる力センサ要素を示す図である。
【符号の説明】
３００圧電抵抗力センサ、３０１接触プレート、３０３支持構造物、３０５圧電抵抗材料、３０７頭部電極、３０９底部電極、３１１センサ基板。

Claims

タッチスクリーンシステムのタッチスクリーンと結合され、前記タッチスクリーンに対するユーザによる接触に関連する力成分をモニタする少なくとも１つの力センサと、
前記タッチスクリーンに結合された投影静電結合方式センサシステムと、
前記少なくとも１つの力センサおよび前記投影静電結合方式センサシステムに結合し、前記力成分が力の閾値より大きい場合、前記接触に関連して前記投影静電結合方式センサシステムにより決定される、前記タッチスクリーンに対してユーザが接触した位置の座標を計算するプロセッサとを含み、
前記投影静電結合方式センサシステムが、前記接触を、前記少なくとも１つの力センサと実質的に同時に登録しない場合、前記プロセッサが、前記力の閾値を増加させる、タッチスクリーンシステム。
前記プロセッサが、少なくとも１つの力センサに対して、力センサに対する振幅閾値もしくは周波数フィルタのいずれかにより前記力閾値を調整する、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
前記投影静電結合方式センサシステムが、前記接触を、前記少なくとも１つの力センサと実質的に同時に登録しない場合、前記プロセッサが、前記力の閾値を増加させることにより前記力の閾値を調整する、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
前記少なくとも１つの力センサに結合され、前記力成分が前記力の閾値を超えるか否か決定する弁別器をさらに含む、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
少なくとも１つの力センサで、前記タッチスクリーンシステムのタッチスクリーンに適用され、前記タッチスクリーンの接触に対応している力を検出するステップと、
投影静電結合方式センサを用いて、前記少なくとも１つの力センサにより検出された、前記タッチスクリーンの前記接触を確認するステップと、
前記接触に対応する、前記タッチスクリーンに対してユーザが接触した位置の座標を生成するステップと、
前記接触位置の座標を、タッチスクリーンオペレーティングシステムに伝達するステップと、
前記投影静電結合方式センサから、前記確認ステップへの否定的応答を受け取った場合に、タッチスクリーンシステムを準備モードに戻すステップと、
前記投影静電結合方式センサから、前記確認ステップへ否定的応答があった場合、前記少なくとも１つの力センサの力センサ閾値を設定するとともに、タッチスクリーンシステムを準備モードに戻す前に、力センサ閾値を調整するステップとを含んでいるタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記投影静電結合方式センサに対する非接触閾値の設定ステップをさらに含む、請求項５に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記非接触閾値が、前記接触が最初に前記力センサにより検出された時点で決定された、初期投影静電結合信号振幅の割合である、請求項５に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記接触に対応した投影静電結合信号振幅を、前記非接触閾値と比較するステップをさらに含み、前記接触位置の座標は、前記投影静電結合信号振幅の前記非接触閾値未満への低下に関連した、第２接触位置に対応している、請求項７に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記接触に対応した投影静電結合信号振幅を、前記非接触閾値と比較し、さらに、前記投影静電結合信号振幅の前記非接触閾値未満への低下に関連した第２接触位置に対応する第２の組の位置座標を生成するステップをさらに含む、請求項７に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記投影静電結合信号振幅が前記非接触閾値未満に低下した場合に、非接触メッセージを発生し、前記非接触メッセージを前記タッチスクリーンオペレーティングシステムに伝達するステップをさらに含む、請求項９に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記少なくとも１つの力センサにより決定された第１接触位置を、前記投影静電結合方式センサにより決定された第２接触位置と比較するステップと、
前記第１および第２の接触位置間のオフセットが、所定のオフセット閾値より大きい場合、前記タッチスクリーンシステムを準備モードに戻すステップとをさらに含んでいる、請求項５に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
バックグラウンド機械的ノイズレベルを決定するステップと、
前記バックグラウンド機械的ノイズレベルを、ノイズ閾値と比較するステップであって、ここで、前記バックグラウンド機械的ノイズレベルが前記ノイズ閾値より小さい場合には、前記接触位置の座標が前記少なくとも１つの力センサにより生成され、前記バックグラウンド機械的ノイズレベルが前記ノイズ閾値より大きい場合には、前記接触位置の座標が前述の投影静電結合方式センサにより生成されるステップとをさらに含んでいる、請求項５に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。
前記タッチスクリーンシステムが、ドラグモードで作動しているか否かを判定するステップをさらに含み、ここで、前記タッチスクリーンシステムが前記ドラグモードで作動していない場合には、前記接触位置の座標が前記少なくとも１つの力センサにより生成され、さらに、前記タッチスクリーンシステムが前記ドラグモードで作動している場合には、前記接触位置の座標が前述の投影静電結合方式センサにより生成される、請求項５に記載のタッチスクリーンシステムの操作方法。