JPH10198503A - 力検知タッチパッド - Google Patents

力検知タッチパッド

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JPH10198503A
JPH10198503A JP30421797A JP30421797A JPH10198503A JP H10198503 A JPH10198503 A JP H10198503A JP 30421797 A JP30421797 A JP 30421797A JP 30421797 A JP30421797 A JP 30421797A JP H10198503 A JPH10198503 A JP H10198503A
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force
touchpad
touch surface
sensing
frame member
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JP30421797A
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English (en)
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C Frisch Joseph
ジョゼフ・シー・フリッシュ
E Ray Gregory
グレゴリー・イー・レイ
C Pratt John
ジョン・シー・プラット
P Allen Timothy
ティモシー・ピー・アレン
R Shediwee Richard
リチャード・アール・シェディウィー
Fagin Federico
フェデリコ・ファギン
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Original Assignee
Synaptics Inc
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    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高さの低い外形を持ち、安価で高精度の力
検知タッチパッドを提供する。 【解決手段】 力検知タッチパッド１０は、実質的に硬
くて丈夫なタッチ面１８と、実質的に硬いフレーム１２
と、上記タッチ面１８と一体に形成されると共に基準フ
レーム１２に機械的に接続された複数のスプリング構造
２０と、上記タッチ面１８に加えられた力に応じて、タ
ッチ面１８の予め決められた部分と上記フレーム１２の
部分との間の距離に比例した電気容量から力の情報を引
き出すための回路３０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はコンピュータの入力
のための接触検知装置に関する。より詳細には、本発明
は指および他の受動的物体例えば非電子的ペンを検知す
るセンサパッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】入力パッドを設計するための幾つかの従
来技術があって、この入力パッドは指および／または他
の受動的物体の当接を検知できる。現在、これらの技術
は利用可能であるが、各技術には限界がある。
【０００３】抵抗パッドは２つの伝導性プレートを備え
ている。このようなパッドは、２つの伝導性プレートが
一緒になるように受動的物体を押圧させて作動する。こ
の抵抗パッドの欠点は、抵抗パッドが２つの伝導性プレ
ート間で接触するために、指による大きな圧力が必要と
なることである。これはユーザを疲れさせると共にパッ
ドの急速な消耗となる。
【０００４】容量性タッチパッドは、受動的物体の接地
に対する電気容量の測定によって、或いは、異なるセン
サ間の変動電気容量の変化を測定することによって作動
する。容量性タッチパッドの一例が、ミラーの米国特許
第5,495,077号に記載されている。容量性パッドは製造
者には安価であり、複雑な機械的構造あるいは通常と異
なる製造ステップを必要としない。しかしながら、容量
性タッチパッドは大きな物体を検知することができるに
過ぎない。鉄筆の端のような小物体は、接地に対する十
分な電気容量あるいは変動電気容量がない。
【０００５】表面音波装置は、パッドの表面に沿って音
を放出させ、音と受動的物体の相互作用を測定すること
によって作動する。これらの装置は十分に機能するが、
一般的に応用するには余りに高価である。
【０００６】デューワーの米国特許第5,231,381号に教
示されているように、別々の平行センサを使用して複数
の技術が組み合わせられている。しかしながら、デュー
ワーは能動的ペンを使って作動する鉄筆技術の使用を教
示しているに過ぎない。また、これは２つの全く別々の
技術を使用する必要があり、入力装置のコストを増加さ
せる。
【０００７】最後に、タッチパッド上の受動的物体によ
って作用する力の位置と大きさを、力センサを使用して
測定する装置がある。力検知タッチパッドは、どのよう
な種類の受動的物体であろうが、物体の電気的伝導性ま
たは構成に拘わらず、受動的物体によって加えられた力
を検知する。このような装置は、もともと、ペロヌーら
の米国特許第3,657,475号とローバーの米国特許第4,12
1,049号に記載されている。これらの装置では、タッチ
パッドがフレームに複数の点で(例えば、パッドのコー
ナー(隅)で)固定され、このタッチパッドによって伝達
された力が測定される。ローバーは数学的な公式を開示
し、複数の点で測定された力から受動的物体によって加
えられた力の位置と大きさを求め出している。
【０００８】力を基礎としたタッチセンサは、コンピュ
ータのような消費者の装置と共に使用されることから、
安価かつ精密でなければならない。このような装置に要
求される精度というのは、約１グラムから３００グラム
までの圧力範囲に渡って、指とペンの両方を９ミル(0.0
09インチ)の位置精度で検知する能力である。この精度
レベルは、１４ビットのノイズフロアを持ち、約１５ミ
ル迄の典型的な変位を測定できるセンサを必要とする。
上記ノイズフロアは約２３ナノメートルの変位に対応す
る。もしも、力基礎タッチセンサがノートブック型コン
ピュータに使用されるなら、それは薄く、最大厚さが約
２００ミル以下でなければならない。
【０００９】ペロヌーとローバーの特許は、複雑な機械
的デザインを持つタッチパッドを教示している。そのた
め、タッチパッドのコストを引き上げ、タッチパッドを
望まれるものより厚くしている。ペロヌーとローバーの
装置のもう１つの制限事項は、パッドに加えられる横方
向の力による不正確さを受けやすいことである。
【００１０】ペロヌーとローバーは、力測定装置として
歪ゲージの使用を開示している。続く力検知パッド(例
えば、ギンディの米国特許第4,621,533号、ピーモロー
の米国特許第4,697,049号、フラワーらの米国特許第5,0
38,142号、ファガードらの米国特許第5,327,164号、ヤ
ングの米国特許第5,241,308号、デルマスの米国特許第
5,488,873号、ガーウィンの米国特許第4,511,760号)も
歪ゲージまたは力検知抵抗器または圧電センサを使用し
ている。ローバーは、線形可変変圧器(ＬＶＤＴ)と可変
磁気抵抗ピックアップのような代替えの歪検知機構を開
示している。これらの力検知測定装置の全ては、余分な
製造ステップ及び／又は追加の組立部品をタッチパッド
に加える必要がある。
【００１１】デコスタらの米国特許第4,355,202号およ
びロバーツらの米国特許第5,376,948号は、両方共、加
えられた力による力検知入力装置の変位を測定するため
に、可変容量変換器の使用を教示している。これら両方
の特許は、複雑な部品を使った機械的に複雑な装置を教
示している。双方ともこの複雑さはシステムのコストを
引き上げ、望ましくなくもタッチパッドを厚くしてい
る。
【００１２】キムラの米国特許第4,550,384号は、単一
材料から作られた力検知タッチパッドを、単一材料の歪
む部分に歪ゲージを配置して、開示している。キムラの
機械設計は、単一材料の上下の動きは自由にできるもの
の横の動きは容易にはできないので、タッチパッドの精
度を増大させている。
【００１３】しかしながら、キムラのタッチパッドは歪
ゲージを使用する必要がある。上述したように、歪ゲー
ジは、特別な製造ステップを必要とするか或いは追加の
構成部品をプリント回路基板上に取り付ける必要がある
ので、装置のコストを増加させる。プリント回路基板の
標準的な銅トレースから歪ゲージを作ることは可能であ
るが、この用途には十分正確なものとは言えない。さら
に、キムラによって教示されている機械的な構造は非対
称形である。これらの非対称は、望ましくない非線形な
応答になり得る。
【００１４】現在まで、正確さとコストのトレードオフ
(交換)は、力検知技術の広範囲にわたる利用を妨げてき
た。上述の幾つかのセンサ技術は、現実の力基礎タッチ
センサの仕事に必要とされる正確さを示すが、それぞれ
欠点がある。上記ＬＶＤＴとレーザー干渉計は数百ドル
または数千ドルの費用がかかり、実際問題として、広範
囲な利用を不可能にしている。歪ゲージまたは鉛・ジル
コニウム・チタン酸塩圧電センサは、これらの技術より
も安価であり、幾分か正確でない。しかし、なおも特別
な材料を製造する必要があって、センサの価格を許容で
きないレベルにまで引き上げている。
【００１５】他に、比較的安価な材料を用いて力を測定
することができる技術がある。例えば、ヤニガーの米国
特許第5,296,837号は、力を測定するのに抵抗顆粒を使
用する材料について記載している。キナル(Kynar)で出
来た安価な圧電材料も、力を測定できる。しかしなが
ら、これらのシステムは、力基礎タッチセンサの４隅に
センサとして使用するには不正確過ぎる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】以上述べた既存の検知
技術の有用性にも拘わらず、従来技術は十分に正確で低
コストなセンサを提供することができなかった。
【００１７】したがって、本発明の目的は、従来技術の
幾つかの不備を克服する力検知技術を提供することであ
る。
【００１８】本発明のもう１つの目的は、安価で高精度
の力検知技術を提供することである。
【００１９】さらに別の目的は、高さの低い外形を持つ
力検知技術を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は従来技術の制限
事項を克服するように方向付けられている。本発明は、
歪ゲージの代わりに可変容量力変換器を使用しているの
で、安価である。さらに、全体の組立品は僅か２つの機
械部品から成り、このことはさらにコストを低減し、ま
た、ラップトップ型コンピュータに使用するのに適した
非常に薄い入力装置の構造となる。
【００２１】本発明のタッチパッドは力検知を使用する
ので、本発明の力検知タッチパッドは、指と鉄筆の両方
を用いて使用するのに適用できる。パッドサスペンショ
ンがパッドのタッチ面と一体であるので、また、対称な
機械的構造を使用するように作られているので、本発明
の力検知技術は正確である。本発明の力検知タッチパッ
ドは、製造するのに安価であり、正確で、非常に小さな
容積を占める。このため、力検知タッチパッドは携帯用
コンピュータのような装置に使用される。
【００２２】本発明の力検知技術は、タッチ面を支持し
ている頂部平面部材を、複数のスプリングを用いて基準
フレームに機械的に連結することによって、タッチ面に
加えられた力の位置と量を測定する。分離型のスプリン
グはフレームとタッチ面との間で連結されるが、コスト
を最も低く押さえるために、好ましくは、これらのスプ
リングはタッチ面と一体に形成される。タッチ面の各コ
ーナーにおける力は、タッチ面の各コーナーの変位を測
定することによって決定される。これらの変位を測定す
ることによって、各センサにおいて力のモーメントが決
定され得る。これらの力のモーメントから、加えられた
力の大きさと位置とが計算され得る。
【００２３】上記変位は各コーナーに可変キャパシタを
配置して測定される。可変キャパシタの一方のプレート
は頂部平面部材に配置され、他方のプレートは基準フレ
ームに配置される。力がタッチ面に加えられると、タッ
チ面は移動して基準面に近づく。キャパシタプレートが
離れる時には、各キャパシタの電気容量は、減少単調関
数のように変化する。好ましくは、スプリングは４つ折
り対称であり、センサの直線性を向上するために、キャ
パシタのプレートはタッチ面と同じアスペクト比を持
つ。発振器プレートから塵芥や埃を遠ざけるために、窪
みがフレーム部材の下方に包含されるか、或いは、シス
テムが薄い保護被覆層を用いて密封される。
【００２４】センサにおける各キャパシタの電気容量
は、分離発振器回路に各キャパシタを配置することによ
って測定される。各発振器の振動周波数は、キャパシタ
の電気容量の単調関数であり、したがって、タッチ面と
基準フレームとに対向して取り付けられたキャパシタプ
レート間の距離の単調関数である。タッチ面上の物体の
位置と加えられた力の大きさは、発振器の出力周波数か
ら決定される。
【００２５】
【発明の実施の形態】当業者は、本発明の下記の説明が
単に例示的なものであって決して限定的なものではない
ということを理解する。本発明の他の実施の形態は、こ
の当業者には容易に思い付く。
【００２６】まず、図１と図２を参照すると、本発明に
よる力検知接触パッド１０に関する平面図と断面図と
が、それぞれに示される。図２(ａ)は図１の２-２線断
面図である。タッチパッド１０はフレーム部材１２を含
み、このフレーム部材１２は打抜き金属のような堅い材
料から形成されている。頂部平面部材１４は、例えばＦ
Ｒ４プリント回路基板材料、または打抜き材料等のよう
な材料から形成されている。また、上記頂部平面部材１
４はフレーム部材１２と組合わされ、複数スプリング部
材を与えることによってサスペンションシステムを形成
している。
【００２７】本発明についての目下の所好ましく例示的
な実施の形態によると、頂部平面部材１４は矩形に形成
されている。とはいっても、当業者には他の形状が容易
に思い浮かぶであろう。ここに開示された本発明の例示
的実施の形態において頂部平面部材１４に用いられた幾
何学的形状は、本発明の概念が適用され得る出願と同時
に、劇的に変化し得るということを当業者は理解するだ
ろう。
【００２８】目下好ましくは、本発明のサスペンション
システムは、頂部平面部材１４に複数のスロット(細長
穴)１６を作ることによって単一ステップで形成され
る。この実施の形態では、スロット１６は、頂部平面部
材１４を備える単一材料を、内部領域接触面１８と、複
数のスプリング部２０と、外部取り付けリング２２とに
分割する。現在好ましくは、機械設計に起因する非理想
的な性状を減らすように、スロット１６は理想的に４つ
折り対称を示すように配置される。この単一ステップに
よって形成される外部取り付けリング２２は、本発明の
サスペンションシステムを形成するために公知の方法を
用いて、容易に基準フレーム部材１２の外周部に取り付
けられる。
【００２９】ここに示された好ましい実施の形態による
と、複数の水平方向のスロット１６の長さは、頂部平面
部材１４の左右にある複数の鉛直のスロット１６と同じ
長さであり、したがって、全てのスプリング２０が同じ
長さで、このため理想的に調和されていることを保証し
ている。頂部平面部材１４が形成される材料は実質的に
堅く、このため、タッチ面１８が実質的に変形すること
はなく、タッチ面１８から加えられた力をスプリング部
分２０に直線的に伝達する。このため、特に、小さい力
の測定のためにここで行われている測定について、その
精度を低下させることはない。
【００３０】ここに開示された例示的な実施の形態の目
的に対して、指あるいは受動的な鉄筆のような物体によ
って力が加えられると考えられる。本発明はそのような
物体が及ぼす力の範囲外の力を検知するように変動され
得ると当業者は見る。本発明の力検知タッチパッドは、
加えられた力の結果として、頂部平面部材１４とフレー
ム部材１２の対向する点の間の物理的な分離を検知する
ことによって作動する。
【００３１】図２(ａ)の断面図は、頂部平面部材１４の
外部取り付けリング２２とフレーム部材１２との間の接
触アラインメントを示し、本発明の原理の典型的な適用
例を示している。この発明の現在好ましい実施の形態に
よると、複数の２４はキャパシタ２４はタッチ面１８の
外周に配置されている。参照番号２４ａで示される各キ
ャパシタの頂部プレートは、タッチ面１８の底部に配置
される。一方、参照番号２４ｂで示されるもう１つのプ
レートは、フレーム部材１２上に一体に配置されてい
る。
【００３２】各キャパシタのプレート２４ａと２４ｂ
は、空気間隙誘電体２６によって分離される。現在好ま
しくは、力がタッチ面１８上に及ぼさない状態で、対向
するプレート２４ａと２４ｂの間の距離は、約５ミル
(０.００５インチ)から約２０ミルの間である。設計的
な交換条件(トレードオフ)によると、キャパシタプレー
トの分離が小さいと、より堅いスプリング２０を使用す
ることができて、外部振動に対してタッチセンサ１０の
感受性が小さくなる。しかしながら、より小さなキャパ
シタプレートの分離を利用する設計では、製造許容差は
より限界に近い状態にある。力が加わわらないときの５
ミルから約２０ミルの間のキャパシタの分離範囲は、こ
のトレードオフの双方にとって受容できることが分か
る。本発明の他の実施の形態が単にスプリングの堅さと
空気間隙誘電体２６の寸法を変化させることによって予
想されることを当業者は認識する。
【００３３】この発明の現在好ましい実施の形態による
と、フレーム部材１２は型抜きされた金属のような伝導
性材料から形成され、接地される。このような実施の形
態では、キャパシタプレート２４ｂは、フレーム部材１
２と一体化される。指または鉄筆２８がタッチ面１８を
押すと、全キャパシタ２４のキャパシタプレート２４ａ
と２４ｂは接近する。したがって、キャパシタ２４の容
量が増加する。もしも、指または鉄筆２８が直接タッチ
面１８の中央に置かれたなら、キャパシタ２４の対向す
るプレート間の距離は、それぞれ同じ量だけ減少する。
したがって、全てのキャパシタ２４に対して理論的に同
一の電気容量が生じることになる。しかしながら、もし
も指または鉄筆２８がタッチ面の中央以外の場所に置か
れたなら、個々のキャパシタ２４の対向するプレート間
の距離は、タッチ面１８上の指または鉄筆２８の位置い
かんによって決まる量だけ異なって、それぞれ減少す
る。上記異なった量は、。そして、電気容量の変化が異
なることになる。
【００３４】もしも、頂部平面部材１４がプリント回路
基板材料から作られているなら、キャパシタプレート２
４ａはその下部表面上に銅のトレースから形成される。
加えて、例えばここ図５に開示されている本発明の検知
回路のような別の回路素子３０が、頂部平面部材１４の
底部面に載置される。このような構成によって、コンパ
クトで集積された力検知タッチパッドの製造が行われ
る。参照番号３０は図式的に頂部平面部材１４の底部上
の単一構造を示すが、電気回路３０を備えるのに、１以
上の集積回路及び／又は個別構成部品のような多重独立
構造が使用できると当業者は見る。
【００３５】外部のノイズからキャパシタプレート２４
を遮蔽するために、キャパシタプレート２４の極く近傍
は接地されている。目下好ましい実施の形態によると、
フレーム部材１２の全体は、接地された金属の物体であ
る。当業者には明らかなように、図２(ａ)に示すごと
く、好ましくは、フレーム部材１２はプレート２４ｂよ
りも内側に伸びる。これは、接地平面を与えて、タッチ
面１８の中央部下から発するノイズからキャパシタプレ
ート２４ｂを遮蔽するためである。加えて、タッチ面１
８から発するノイズからキャパシタプレート２４を遮蔽
するために、頂部平面部材１４の頂部面が接地されてい
る。このとき、頂部平面部材１４の頂部面は、センサ全
体の接地平面であり、回路３０とフレーム部材１２に対
して接地を提供している。感触を良くするために、タッ
チ面１８の頂部面を、マイラー(強化ポリエステルフィ
ルム)の薄い層で覆うことができる。
【００３６】代替えの実施の形態として、上記電気回路
３０はフレーム部材１２の頂部面上に置れてもよい。そ
のとき、フレーム１２はプリント回路基板材料から作ら
れ、接地されない。その代わりに、頂部平面部材１４の
底部面が接地される。この代替えの実施の形態は、電気
回路３０からキャパシタプレート２４ｂへの接続によっ
て製造コストが高価になるので、余り好ましいものでは
ない。
【００３７】代わりに、図２(ｂ)に示すように、１つの
回路基板材料２５がタッチ面１８の底部に固着され得
る。このことによって、設計者は頂部平面部材１４用に
ばね鋼または燐青銅のような材料を使用できる。当業者
が認識することには、このような材料は、標準のプリン
ト回路基板のエポキシグラス複合材料よりも優れたばね
特性(例えばクリープ)を持っているが、力検知タッチパ
ッド全体を組み立てるのに一層複雑にする。
【００３８】本発明の力検知タッチパッド１０を通常に
使用する間、塵芥や埃や液体や他の汚染物は、スロット
１６を通って落下する。そして、塵芥や埃や液体や他の
汚染物は、空気間隙誘電体２６に止まることによって力
検知パッドの作動を妨げる可能性がある。この問題を軽
減するために、フレーム部材１２には、キャパシタプレ
ート２４ｂの下の離れた所に塵芥収集域を備えた窪み領
域３２が設けられている。この窪んだ領域３２は、塵
芥、埃、液体、その他の汚染物質がキャパシタプレート
２４ａと２４ｂとの間の空気間隙２６の中に移動するの
を防止する。この窪んだ領域３２は、スロット１６の下
に、好ましくは、タッチ面の全周辺に沿って配置され
る。上記周辺の部分は、キャパシタプレート２４ａと２
４ｂから離れた所に位置し、それらが溢れるのを防止す
るために、溝３４(図２(ａ)と図２(ｂ)には点線で示さ
れている)が窪んだ領域３２の下に切削される。
【００３９】本発明の代替えの実施の形態の断面図が、
図３(ａ)に示される。図３(ａ)の実施の形態は、力検知
タッチパッドの頂部が薄い保護層３６によって完全に密
封されているという以外は、図２(ａ)と図２(ｂ)に示さ
れるものと類似している。この保護層３６は、例えば、
約２ミルの厚さのネオプレンのシート或いは類似の材料
から形成されている。図３(ａ)の実施の形態では塵芥が
無くなるが、この保護層はタッチセンサの精度に影響す
る。これは、タッチ面１８上の層３６が及ぼす僅かなト
ルクのためにである。図３(ａ)の実施の形態では、環境
的に密封されると共に保護されて塵芥と埃が侵入しな
い。したがって、窪んだ領域３２とそれらに付随する溝
３４を必要としないことが当業者には理解できる。
【００４０】今、図３(ｂ)を参照すると、図３(ａ)の実
施の形態に類似した代りの実施の形態が断面図に示され
ている。図３(ｂ)の実施の形態は、ネオプレン層３６が
タッチ面１８の下に配置されているという点で、図３
(ａ)に示されたものとは異なる。
【００４１】今、図４を参照すると、頂部平面部材１４
の底面図が示されている。本発明の現在好ましい実施の
形態によると、キャパシタプレート２４ａは、頂部平面
部材１４に取り付けられて一体となり、タッチ面１８と
同じアスペクト比をもつ。これは、ゼロでない大きさの
キャパシタを横切ってキャパシタの傾斜によって引き起
こされる非線形な応答を消去するためである。このよう
にして、図４に示されるように、キャパシタプレート２
４ａの面は、タッチ面１８の長さと幅のアスペクト比と
同じアスペクト比を生じるように、長さと幅が選択され
る。
【００４２】本発明によって製造された力検知パッドの
実際の実施の形態では、キャパシタプレート２４ａは、
プリント回路基板材料上の銅パッドから形成される。一
方、キャパシタプレート２４ｂは接地された金属である
フレーム１２の構成要素である。目下好ましい実施の形
態では、キャパシタプレート２４ａは、(タッチ面１８
のアスペクト比に一致するように)６９０ミル×４６０
ミルの寸法の矩形に形成される。各キャパシタ２４は、
公称空気間隙誘電厚さが１１ミルであり、力が加わらな
い状態で、約２０ｐＦの容量をもつ。
【００４３】図４の考察からも明らかなように、頂部平
面部材１４の上に取り付けられた電気回路３０は、キャ
パシタパッド２４ａと通じ、且つ、頂部平面部材１４の
上以外に配置された他の電気回路と導体３８を経て通じ
る。導体３８は材料上に形成されたトレースであり、上
記材料は頂部平面部材１４を形成するのに使用されてい
る。導体３８は、力測定に影響することなく、タッチ面
１８の底部上に取り付けられた電気回路からの電気信号
をつなぐ便利な方法である。当業者には明らかなよう
に、オフセンサ接続のために使用される導体３８の端部
は、外部システムに接続するために、基準フレーム部材
１２によって覆われてはならない。オフセンサ接続のた
めに使用される導体３８は、頂部平面部材１４の主矩形
部を越えて伸びる材料のタブ(つまみ)３９で末端とな
る。オフセンサ接続のための２本の代表的な導体３８が
図に示されているが、当業者は、本発明を具現する実際
のシステムで使用されている導体の数は予想されると共
に、特定の設計に依存するということを認識している。
外界への接地接続は、タブ３９上の接続子の中に配置さ
れ得る。この接地接続は、頂部平面部材１４の頂部面に
接続して、センサ全体の接地となる。
【００４４】頂部平面部材１４がプリント回路基板材料
から形成される本発明の実施の形態においては、好都合
にも、導体３８は、キャパシタプレート２４ａであるプ
リント回路材料上に導電性のトレースとして形成され
る。電気回路３０との信号の送受のために、他の相互接
続方法、例えば、ワイヤを提供するといった相互接続方
法が可能であるということは理解される。このような他
の相互接続方法は、頂部平面部材１４とフレーム部材１
２との間で寄生的機械結合となり、そのためにシステム
の精度、特に小さな力の発見に適合されたシステムの精
度を潜在的に低下させる。電気回路３０への接続が頂部
平面部材１４上のトレースではなくワイヤである場合、
センサの精度の品質劣化を最小にするために、いずれの
ワイヤも、できるだけ細く作られるべきであるというこ
とは、当業者には明らかである。オフセンサ接続は頂部
平面部材１４の固定された外部取り付けリング２２と繋
がるが、このオフセンサ接続のために使用されるトレー
スキャパシタ３８を設けることは、このような信号ワイ
ヤによって引き起こされる不正確さをなくし、また、本
発明の或る実施の形態の目標に適って、軽い力(約１グ
ラム)に対する感度が得られる。図２(ｂ)に示される代
替えの実施の形態では、オフセンサ接続トレース導体３
８を使用することができない。
【００４５】容量を測定するための多くの異なる方法
が、本技術では周知である。例えば、プレート間の交流
結合を測定するために回路が使用される。或いは、キャ
パシタ上の電荷を変化させその結果生じる電圧変化を測
定するために回路が使用される。当業者には他の電気容
量測定回路も思い浮かぶ。
【００４６】図５を参照すると、発明の目下好ましい実
施の形態にしたがって、発振器４０が各一対のキャパシ
タプレート２４ａと２４ｂに接続されている。プレート
２４ｂは接地されている。各発振器４０はキャパシタプ
レート２４ｂで接地を共有し、プレート２４ａで電圧を
検知して、デジタル矩形波を出力ノード(出力節点)４２
上に発生させる。このデジタル矩形波は、抵抗器４４を
介してプレート２４ａを交互に充放電させる。発振器回
路４０は、良く知られた「５５５」発振器集積回路から
構成され、その本質的な特徴が例として示される。５５
５発振器の内部電気回路の幾らかは参考のために図５に
示される。
【００４７】この矩形波形の周波数は、プレート２４ａ
と２４ｂの間の電気容量に反比例している。本発明の現
在好ましい実施の形態によると、この回路は非常に広範
囲の周波数に渡って機能を果たすことができるが、抵抗
器４４の値は、図５の発振器の振動周波数が約１００ｋ
Ｈｚであるように選択される。周波数の設定は、精度と
電力の消費との間でトレードオフ(天秤関係)を伴う。周
波数が低下されたとき、電力消費量は周波数とともに直
線的に下がる。しかしながら、周波数が低くなるにつれ
て、発振器の相ノイズは次第にタッチパッドの精度を低
下させる。１００ｋＨｚが精度と電力消費との間の良好
なトレードオフであることが分かっている。
【００４８】キャパシタ４６は、或る周波数以下の電源
ノイズを拒むように設けられた濾過キャパシタである。
(５５５集積回路の内部の)抵抗器４８の値によって乗じ
られるキャパシタ４６の値は、システムに使用される典
型的なサンプリング時間、例えば１２.５ミリ秒よりも
短いように選択されねばならない。目下の所好ましい実
施の形態では、抵抗器４８の値によって乗じられるキャ
パシタ４６の値は、１０ミリ秒であるように選択され
る。
【００４９】当業者には明らかなように、発振器４０に
代わりに他の発振器回路、例えばシュミットトリガーが
使用され得る。５５５集積回路発振器が電力供給感度を
最小にするように選択されている。さらに、本発明で混
合された信号ＶＳＬＩ ＡＳＩＣ集積回路が使用され得
ることは当業者には明らかである。この混合信号ＶＳＬ
Ｉ ＡＳＩＣ集積回路は、抵抗器の代わりに電流電源を
採用している発振器回路を用いている。
【００５０】図６を参照すると、ブロック線図が本発明
のタッチセンサのデータ処理の全体構造を示す。各キャ
パシタ２４は発振器４０に接続され、この発振器４０は
出力ノード上の矩形の波を周期決定回路５０に送信す
る。出力ノード上の矩形の波の周波数及び／又は周期
は、当該技術において周知のデジタル回路を使用して、
非常に正確に測定される。このような多くの回路が知ら
れており、相応な精度が出ている。このような回路の例
としては、ギルモアの米国特許第4,027,146号、ブルネ
ットの米国特許第4,052,620号、ワルドマンらの米国特
許第4,350,950号を参照するとよい。各コーナーのキャ
パシタ２４によって駆動される発振器に対して、周期が
一旦決定されると、タッチパッド上に加えられた力(Ｚ)
のＸ,Ｙ位置と加えられた力の量を計算するのに、マイ
クロプロセッサー５２が使用される。マイクロプロセッ
サーで行われる計算は、現在開示されている。
【００５１】発振器４０の振動の周期は、次式に従って
キャパシタ２４の電気容量に比例する。 Ｔ＝ＫＣ
【００５２】ここで、Ｔは周期、Ｃは電気容量、Ｋは使
用される回路に依存する定数である。電気容量Ｃは次式
によってキャパシタプレート２４ａ,２４ｂに関係す
る。 Ｃ＝Ｃ0＋Ｃ1／ｄ ここで、Ｃ0はバックグランドの電気容量、Ｃ1は比例電
気容量、ｄはプレート間の距離である。
【００５３】これらの式を組み合わせると、次式にな
る。 ｄ＝ｂ／(Ｔ−ａ0) ここで、ａ0とｂは定数である。
【００５４】ＦＲ４から製造されるスプリング２０は、
極めて線形に近い。すなわち、コーナー上に働く力Ｆは
次式に従う。 Ｆ＝ｓ(ｄ0−ｄ) ここで、ｓはスプリングの力であり、ｄ0は力がタッチ
面１８に加えられないときのキャパシタプレート間の距
離である。
【００５５】代数学的な操作の後、コーナー上の力は次
式によって周期に関係付けられる。 Ｆ＝ａ1(Ｔ−Ｔ0)／(Ｔ−ａ0) ここで、ａ0は上記に定義されたものであり、ａ1は定
数、Ｔ0は力がタッチ面１８に加えられないときの発振
器の周期である。したがって、発振器の周期に基づいた
力を決定するために、３つの定数(Ｔ0,ａ0,ａ1)が決定
されねばならない。
【００５６】定数Ｔ0は、タッチ面１８に加えられる力
がないときに、発振器の周期を測定することによって決
定される。発振器のドリフト(出力変化)を追跡するため
に、タッチ面１８に加えられる力がいつ存在しないかを
マイクロプロセッサー５２が周期的に検知し、力が加え
られない周期Ｔ0を記憶する。「力の非存在」周期の検
知は当該技術では周知であり、アレンらの米国特許第5,
543,591号に記載されている。
【００５７】定数ａ0とａ1は、製造時に一連の既知の力
がパッドの正に中央に加えられたときに測定され、ま
た、発振器の周期が測定される。定数ａ0とａ1は、当該
技術では周知の最小自乗適合法から、次式を最小にする
ことによって計算される。
【数１】 ａ0とａiに関して、Ｆiはコーナーに加えられたｉ番目
の既知の力(典型的には全体の力を４で割った力)であ
り、Ｔiは同一コーナーのｉ番目の測定された周期であ
る。
【００５８】各コーナーの力が一旦計算されると、マイ
クロプロセッサー５２は、ローバーの米国特許第4,121,
049号に開示された方法で、加えられた力の大きさと位
置を計算する。全体の力Ｚは、４コーナーの力Ｆ１〜Ｆ
４の単なる合計である。 Ｚ＝Ｆ1＋Ｆ2＋Ｆ3＋Ｆ4
【００５９】加えられた力の位置Ｘは、２つの右の力
(Ｆ1とＦ2)から２つの左の力(Ｆ3とＦ4)を差し引き、Ｚ
によって均されたものである。 Ｘ＝(Ｆ1＋Ｆ2−Ｆ3−Ｆ4)／Ｚ
【００６０】加えられた力の位置Ｙは、２つの上の力
(Ｆ1とＦ3)から２つの下の力(Ｆ2とＦ4)を差し引き、Ｚ
によって均されたものである。 Ｘ＝(Ｆ1＋Ｆ3−Ｆ2−Ｆ4)／Ｚ
【００６１】要約すると、タッチパッドの各コーナーに
加えられた力を、対応する発振器４０の周期から得る方
法が開示されている。この方法は、発振器４０の周期が
キャパシタプレート２４ａと２４ｂの間の距離の単調関
数であり、各コーナーに加えられた力はこれと同一の距
離の単調関数であるという事実に依存している。したが
って、この距離は明らかに計算する必要はない。この距
離で単調な量のみが取り扱われる。
【００６２】図７を参照すると、本発明の力検知タッチ
パッド１０の外端部の断面図は、力検知タッチパッド１
０を、携帯型コンピュータまたはキーボードの外部フレ
ームのような外部フレーム５４に取り付けるための目下
好ましい方法を示している。頂部平面部材１４の取り付
けリング２２のみがしっかりと外部フレーム５４に取り
付けられねばならない。スプリング２０とタッチ面１８
は加えられた力に反応して自由に移動できなければなら
ない。
【００６３】塵芥の無いように改善し、装置の美的印象
を改善するために、フレーム５４は傾斜部５６を含んで
スプリング２０を隠している。塵芥は、指の動きによっ
てスロット１６の中に掃き入れるられるので、エスカチ
ョン(escutcheon,板)５８はタッチ面１８の頂部の上に
取り付けられる。本発明の目下好ましい実施の形態によ
ると、エスカチョン５８は、最も高い所で約１２０ミル
の高さがあり、傾斜部５６と共に空隙６０を形成してい
る。この傾斜部５６は、力がタッチ面１８に加えられな
いとき、約１５ミルの高さがある。フレーム５４とエス
カチョン５８は、何か好都合で安価な材料から作られて
いる。エスカチョン５８も、触れて感触のよい層で覆わ
れる。
【００６４】本発明の力を基礎にしたタッチセンサは、
高さが最大約２００ミル以下なので、特にノートブック
型コンピュータに使用するのに適している。本発明の力
を基礎としたタッチセンサは、約１グラムから約３００
グラムの範囲の圧力に渡って、９ビットの位置精度で、
指とペンの両方を検知する能力をもつ。本発明の力を基
礎としたタッチセンサは、１４ビットのノイズフロア
で、約１５ミル迄の典型的な変位を測定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の目下好ましい実施の形態による力検
知タッチパッドの頂部面の平面図である。
【図２】 図２(ａ)は図１の力検知タッチパッドの２-
２線断面図である。図２(ｂ)は図２(ａ)の力検知タッチ
パッドの変形例の断面図である。
【図３】 図３(ａ)は本発明による力検知タッチパッド
の代替えの実施の形態の断面図であり、タッチ面の上に
配置された保護層を含む。図３(ｂ)は本発明による力検
知タッチパッドの代替えの実施の形態の断面図であり、
保護層がタッチ面に下に配置されていて図３(ａ)の実施
の形態と異なる。
【図４】 本発明の力検知タッチパッドの入力面の底面
図である。
【図５】 この発明による力検知タッチパッドの可変電
気容量を測定するために使用される発振器回路の概略図
である。
【図６】 本発明のタッチセンサのデータ処理の全体構
造を示すブロック図である。
【図７】 本発明の力検知タッチパッドの外部端の部分
の断面図であり、力検知タッチパッドを外部フレームに
取り付けるための目下の所好ましい方法を示している。
【符号の説明】
１０…力検知タッチパッド、 １２…フレーム部材、
１８…タッチ面、２０…スプリング手段、 ２４…可変
キャパシタ、 ２４ａ…第１プレート、２４ｂ…第２プ
レート、 ２６…空気間隙誘電体、 ３０…電気回路、
３２…窪んだ残骸収集領域、３６…保護カバー層、 ４
０…発振器回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレゴリー・イー・レイ アメリカ合衆国94005カリフォルニア州ブ リスベン、トリニティ・ロード290番 (72)発明者 ジョン・シー・プラット アメリカ合衆国94539カリフォルニア州フ レモント、プラデリア・サークル868番 (72)発明者 ティモシー・ピー・アレン アメリカ合衆国95030カリフォルニア州ロ ス・ガトス、ソーダ・スプリングス・ロー ド16100番 (72)発明者 リチャード・アール・シェディウィー アメリカ合衆国94587カリフォルニア州ユ ニオン・シティ、ライラック・ループ 35018番 (72)発明者 フェデリコ・ファギン アメリカ合衆国94022カリフォルニア州ロ ス・アルトス・ヒルズ、ロブル・ブランコ 27910番

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 実質的に硬いタッチ面と、 実質的に硬いフレーム部材と、 上記タッチ面と一体に形成されていると共に、上記フレ
    ーム部材に機械的に接続されている複数のスプリング手
    段と、 複数の可変キャパシタとを備え、 上記各可変キャパシタは上記タッチ面と上記フレーム部
    材の選択された部分の間の距離の単調関数である電気容
    量を有し、上記各可変キャパシタは検知出力を有してい
    ることを特徴とする力検知タッチパッド。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記複数のスプリング手段は上記タッチ面と上記フレー
    ム部材との間の側方の移動を実質的に抑制していること
    を特徴とする力検知タッチパッド。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記スプリング手段は形状が４つ折り対称であることを
    特徴とする力検知タッチパッド。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記タッチ面に加えられる力の大きさと位置を決定する
    ために、上記複数の可変キャパシタの上記検知出力に連
    結された手段をさらに含んでいることを特徴とする力検
    知タッチパッド。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記タッチ面は矩形であることを特徴とする力検知タッ
    チパッド。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記複数の可変キャパシタは４つの可変キャパシタを備
    え、上記可変キャパシタの各々は上記タッチ面上に中心
    のある矩形の隅に対称的に配置されていることを特徴と
    する力検知タッチパッド。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記可変キャパシタは、各々、上記タッチ面に配置され
    た第１プレートと上記フレーム部材に配置された第２プ
    レートとを備えていることを特徴とする力検知タッチパ
    ッド。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記可変キャパシタの各々は空気間隙誘電体によって分
    離されている第１プレートと第２プレートとを備え、上
    記各可変キャパシタの上記第１プレートは上記タッチ面
    の下部面に配置されていると共に上記タッチ面と同じア
    スペクト比を持つ矩形形状を有しており、上記各可変キ
    ャパシタの上記第２プレートは上記フレーム部材上に配
    置されていることを特徴とする力検知タッチパッド。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の力検知タッチパッドに
    おいて、 上記フレーム部材は伝導性の材料を備えていると共に、
    上記各可変キャパシタの上記第２プレートは上記フレー
    ム部材の一部を備えていることを特徴とする力検知タッ
    チパッド。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 個々の発振器回路を含み、各々は異なる１つの上記可変
    キャパシタの検知出力に連結され、出力周波数を持つ上
    記個々の発振器回路は上記可変キャパシタの電気容量に
    依存し、 上記発振器回路の上記出力周波数を測定するための手段
    であって、上記タッチパッド上に力を及ぼす物体の上記
    タッチパッド上の位置と上記力の大きさとをそれから決
    定するための手段をさらに含んでいることを特徴とする
    力検知タッチパッド。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 上記フレーム部材は窪んだ残骸収集領域を含んでいるこ
    とを特徴とする力検知タッチパッド。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 上記タッチ面と上記スプリング手段を覆う薄い保護カバ
    ー層をさらに含んでいることを特徴とする力検知タッチ
    パッド。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 上記タッチ面と上記スプリング手段の下に薄い保護カバ
    ー層をさらに含んでいることを特徴とする力検知タッチ
    パッド。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 上記タッチ面は機械的ばね特性に対して最適化された材
    料の層と回路基板の特性に対して最適化された材料の層
    を備えていることを特徴とする力検知タッチパッド。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 約２００ミル未満の最大高さを持つことを特徴とする力
    検知タッチパッド。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載の力検知タッチパッド
    において、 約１グラムの下限の力感度を持つことを特徴とする力検
    知タッチパッド。
  17. 【請求項１７】 実質的に硬いタッチ面を設けるステッ
    プと、 実質的に硬いフレーム部材を設けるステップと、 上記タッチ面と一体に形成されると共に、上記フレーム
    部材に機械的に接続されている複数のスプリング手段を
    設けるステップと、 複数の可変キャパシタを設けるステップとを備え、 上記各可変キャパシタは上記タッチ面と上記フレーム部
    材の選択された部分の間の距離の単調関数である電気容
    量を有し、上記各可変キャパシタは検知出力を有し、 上記タッチ面に加えられる力の大きさと位置を決定する
    ために、上記複数の可変キャパシタの上記検知出力に連
    結された力決定手段を設けるステップを備えていること
    を特徴とするタッチパッドに加えられる力の大きさと場
    所を検知するための方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の方法において、 力決定手段を設けるステップは、個々の発振器回路を設
    けるステップを含み、各々は異なる１つの上記可変キャ
    パシタの検知出力に連結され、出力周波数を持つ上記個
    々の発振器回路は上記可変キャパシタの電気容量に依存
    し、 上記発振器回路の上記出力周波数を測定するための手段
    であって、上記タッチパッド上に力を及ぼす物体の上記
    タッチパッド上の位置と上記力の大きさとをそれから決
    定するための手段を設けるステップをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
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