JP2007086075A - Capacitive contact sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、知覚領域内における物体の存在を検出するための容量接触センサに関する。 The present invention relates to a capacitive contact sensor for detecting the presence of an object in a perceptual region.
接触感応センサの使用はますます普及しつつある。接触感応センサの使用例には、ラップトップ・コンピュータにおけるマウス位置決め装置にとって代わる接触センサの使用、およびユーザ入力を受け取り、設置型および携帯型の両方のデバイスあるいは機器を制御するための制御パネルとしての使用がある。 The use of touch sensitive sensors is becoming increasingly popular. Examples of the use of touch sensitive sensors include the use of touch sensors in place of mouse positioning devices in laptop computers, and as control panels for receiving user input and controlling both stationary and portable devices or equipment. There is use.
接触感応センサは、それらによってより頑丈なインタフェースが提供されるため、機械デバイスより好まれることがしばしばであり、また、美観がより好ましいと見なされることがしばしばである。また、接触感応センサには、ユーザによるアクセスが可能な可動部品が不要であるため、同じ機能を有する機械式センサより摩耗が少なく、また、密閉された外部表面内に提供することが可能である。これは、被制御デバイスに埃あるいは流体が流入する危険がある場合に、接触感応センサの使用をとりわけ魅力的にしている。また、機械式インタフェースとは異なり、透明の接触感応センサを構築することが可能である。透明なセンサをディスプレイ上に使用して、ユーザに情報を表示し、かつ、ディスプレイの特定の領域を指摘するユーザに応答することができる接触感応スクリーンを提供することができるため、透明なセンサを提供する願望が増加している。 Touch sensitive sensors are often preferred over mechanical devices because they provide a more robust interface, and aesthetics are often considered more preferred. Also, the touch sensitive sensor requires no moving parts that can be accessed by the user, so it wears less than a mechanical sensor with the same function and can be provided in a sealed external surface. . This makes the use of touch sensitive sensors particularly attractive when there is a risk of dust or fluid entering the controlled device. Also, unlike a mechanical interface, it is possible to construct a transparent touch sensitive sensor. Transparent sensors can be used on the display to provide a touch-sensitive screen that can display information to the user and respond to the user pointing out a specific area of the display. The desire to provide is increasing.
本発明者による特許文献1に、知られている2次元位置センサが記述されている。この位置センサは、N×M個の接触キーのアレイを備えている。個々のキーは、駆動電極と知覚電極の交点に対応している。駆動電極に電気駆動信号が印加される。知覚電極に対するこの駆動信号の容量結合の程度は、駆動信号の変化に応答して知覚電極に移動した電荷の量を測定することによって決定される。特定のキーの近傍に存在している物体によって電極と電極の間の電界パターンが変化するため、所与のキーの電極と電極の間の容量結合の程度は、そのキーの近傍における物体の存在によって決まる。ある物体、たとえば導電性の水の膜は、容量結合を大きくする。他の物体、たとえば接地に対する容量結合が著しく大きい人間は、容量結合を小さくする。これは、知覚電極を介してではなく、隣接する物体を介して電荷が接地にシンクすることによるものである。
A known two-dimensional position sensor is described in
特許文献1に記載されている複数のキーのアレイは、マトリックス・アレイである。これは、単一の駆動電極が所与の列の複数のキーと結合し、単一の知覚電極が所与の行の複数のキーと結合していることを意味している。単一の駆動チャネルが所与の列のすべてのキーを同時に駆動し、また、単一の知覚チャネルが所与の行のすべてのキーを知覚するため、このマトリックス・アレイによって必要な駆動チャネルおよび知覚チャネルの数が減少する。異なるキーの位置における電極と電極の間の容量結合は、適切な列を駆動し、かつ、適切な行を知覚することによって決定することができる。たとえば、列2と行3の交点のキーと結合している電極と電極の間の容量結合を決定するために、行3の知覚電極と結合している知覚チャネルがアクティブである間、列2の駆動電極に駆動信号が印加される。アクティブ知覚チャネルからの出力は、調査中のキーと結合している電極と電極の間の容量結合を反映している。列2の他のキーと結合している行は知覚されていないため、これらのキーに駆動信号が印加されることは問題ではない。同様に、行3の他のキーは駆動されていないため、行3のこれらのキーが知覚されていることは問題ではない。この方法によれば、駆動チャネルおよび知覚チャネルの異なる組合せを介して異なるキーを順次走査することができる。
特許文献1に記載されている2次元位置センサは、頑丈で、かつ、有効なデバイスである。しかしながら、このタイプの位置センサのその良好な性能に寄与している重要な特徴は、駆動電極から知覚電極へ電荷が移動している間、知覚電極を仮想接地として出現させなければならないことである。知覚チャネルの各々は、変化する駆動信号に応答して移動した電荷の量(すなわちAC容量結合の程度)を決定するための電荷検出器を備えている。知覚電極は低インピーダンス・ノードを提供しているが、これは、電荷を電荷検出器に効率的にシンクさせることができるため、重要である。知覚電極が低入力インピーダンスを提供しない場合、変化する駆動信号によって知覚チャネルに誘導される電荷の流れが、電圧パルスとして知覚電極に出現する。知覚電極に出現するこの電圧パルスは、センサを知覚電極と電荷検出器の間の配線接続の近傍に存在する物体による「ウォーク・バイ」干渉に敏感にしている。これは、配線の近傍の物体が配線接続からの信号の一部を吸収し、そのために電荷検出器に供給される信号が小さくなることによるものである。これは、物体が知覚電極の近傍ではなく、配線に隣接している場合であっても、キーの容量結合の減少として制御回路に出現することがある(つまり検出事象)。したがって、他の行のキーを起動するために1つの行の電極配線を横切って到達する手によって誤った出力がもたらされることになる。また、知覚チャネルが著しく大きい入力インピーダンスを有している場合、センサに使用される配線の長さが回路の利得を決定する要因になる。これは、知覚信号の一部が配線によって自由空間、隣接する配線および接地に容量的に「ブリード・オフ」し、したがってキーとキーの間の容量結合と共に容量分圧器回路が形成されることによるものである。
The two-dimensional position sensor described in
特許文献1に使用されている電荷検出回路の低インピーダンス特性は、上で明らかにした問題が軽減されることを意味している。しかしながら、特許文献1に記載されている種類の位置センサの駆動電極および知覚電極を形成するために使用することができるほとんどの透明電気導体(たとえばインジウム・スズ酸化物(ITO))は、銅配線と比較すると抵抗が大きいため、透明接触センサのコンテキストにおける問題が提起される。たとえば、最適透明ITO膜は、通常、1平方当たり300オームである。これは、銅などの材料とは異なり、一般的には透明導体を電極および抵抗を無視することができる関連配線に形成することができない(少なくとも実質的に透明を維持する厚さで形成することができない)ことを意味している。したがって、電荷検出回路自体は適切な低インピーダンスを提供することができるとしても、駆動電極の列および知覚電極の行自体(および同じ材料製の関連するあらゆる配線トレース)を構成している材料は低インピーダンスを提供することはできない。したがって、特許文献1に記載されている、抵抗性導体(たとえば透明導体)を使用して電極を形成しなければならないタイプのデバイスは、信頼性の高い実施が困難である。
The low impedance characteristic of the charge detection circuit used in
また、多くの接触パネル設計で考慮すべき重要なことは、接触スクリーン領域に隣接する容量接触キーを知覚するための同様の能力である。これらの種類のパネル・キーについては、銅または他の金属製の低抵抗配線を使用した誘電体表面の接触ボタンと共に実質的に特許文献1に記載されている。抵抗の小さい配線と抵抗の大きい透明導体配線の両方を組み込む願望が、通常、異なる2つのタイプの容量性回路または異なる2つの性能を有する容量性回路の使用を必要とする回路設計の問題をもたらしている。 Also important in many touch panel designs is the similar ability to perceive capacitive touch keys adjacent to the touch screen area. These types of panel keys are substantially described in U.S. Patent No. 6,057,096, together with a dielectric surface contact button using copper or other metal low resistance wiring. The desire to incorporate both low resistance wiring and high resistance transparent conductor wiring usually results in circuit design problems that require the use of two different types of capacitive circuits or capacitive circuits with two different performances ing.
本発明の第1の態様によれば、基板と、基板の一方の面の第1の抵抗性電極と、基板のもう一方の面の第2の抵抗性電極と、第1の電極上の少なくとも2つの位置と位置の間を接続するようになされた短絡接続とを備えた容量センサが提供される。 According to the first aspect of the invention, the substrate, the first resistive electrode on one side of the substrate, the second resistive electrode on the other side of the substrate, and at least on the first electrode A capacitive sensor is provided with two locations and a short circuit connection adapted to connect between the locations.
このセンサは、能動センサあるいは受動センサとして動作させることができる。能動センサとしてこのセンサを動作させる場合、短絡接続を備えることによって、第1および第2の電極のうちのいずれか一方に印加される信号を駆動する電極によって提供されるインピーダンスの低減が促進される。そのため、センサを介してより効果的に電荷を結合することができ、したがって個々の電極と関連する回路の間の電圧の差を小さくする。これは、一般的にはセンサが駆動信号に低インピーダンス・ノードを提供しない場合に生じるウォーク・バイ干渉の効果を抑制することができることを意味している。したがって、基板および電極が透明である場合、電極が抵抗性であるにもかかわらず、ウォーク・バイ干渉に対する感度が鈍い透明センサを提供することができる。受動センサ(たとえば知覚チャネルが第1の電極と第2の電極の両方に結合されたセンサ)としてこのセンサを動作させる場合も、同じく短絡接続を備えることによる電極のインピーダンス低減によってウォーク・バイ干渉の効果が抑制される。 This sensor can be operated as an active sensor or a passive sensor. When operating this sensor as an active sensor, the provision of a short-circuit connection facilitates the reduction in impedance provided by the electrode that drives the signal applied to one of the first and second electrodes. . Thus, charge can be more effectively coupled through the sensor, thus reducing the voltage difference between the individual electrodes and the associated circuitry. This generally means that the effect of walk-by interference that occurs when the sensor does not provide a low impedance node in the drive signal can be suppressed. Therefore, when the substrate and the electrode are transparent, it is possible to provide a transparent sensor that is less sensitive to walk-by interference despite the electrode being resistive. When operating this sensor as a passive sensor (for example, a sensor with a sensory channel coupled to both the first and second electrodes), it is also possible to reduce the impedance of the walk-by interference by providing a shorted connection. The effect is suppressed.
通常、第1の電極(つまり短絡接続と結合している方の電極)は、総合抵抗が最も大きい電極である。これは、個々の電極を形成している抵抗材料の配置によって決まる。しかしながら、このセンサは、必要に応じてもう一方の電極上の2つの位置と位置の間を接続するようになされた(つまり第1の電極と第2の電極の両方に短絡電極が提供されるよう)他の短絡接続を備えることができる。 Usually, the first electrode (that is, the electrode coupled to the short-circuit connection) is the electrode having the largest total resistance. This is determined by the placement of the resistive material forming the individual electrodes. However, this sensor was adapted to connect between two locations on the other electrode as needed (ie, both the first electrode and the second electrode are provided with shorting electrodes). Like) Other short-circuit connections can be provided.
電極は、基板の一方の面に複数の開放領域のアレイが提供され、かつ、基板のもう一方の面に、開放領域と整列して配置された複数の充填領域のアレイが提供されるパターンで配置することができる。このように配置することにより、電極と電極の間の領域から電界を溢れさせることができる。そのため、電界が溢れた(たとえば仮想アースを提供することによって)領域の電気特性を変化させる物体に電極と電極の間の容量結合を変化させることができ、したがって検出が可能になる。 The electrodes are in a pattern in which an array of open areas is provided on one side of the substrate and an array of fill areas arranged in alignment with the open areas on the other side of the substrate. Can be arranged. By arranging in this way, the electric field can overflow from the region between the electrodes. Thus, capacitive coupling between the electrodes can be changed to an object that changes the electrical properties of the region where the electric field overflows (eg, by providing a virtual ground), thus allowing detection.
能動センサの場合、このセンサは、電気駆動信号を第1または第2の電極のいずれか一方に印加する(したがってこの電極を駆動電極と呼ぶことができる)ように動作させることができる駆動チャネルを備えた関連回路、および駆動信号に応答して第1および第2の電極のうちのもう一方の電極に誘導される電気信号を検出(知覚)する(したがってこの電極を知覚電極と呼ぶことができる)ように動作させることができる知覚チャネルを備えることができる。 In the case of an active sensor, this sensor has a drive channel that can be operated to apply an electrical drive signal to either the first or second electrode (and thus this electrode can be referred to as the drive electrode). The associated circuitry provided and the electrical signal induced on the other of the first and second electrodes in response to the drive signal (thus, this electrode can be referred to as the sensory electrode) A sensory channel that can be operated as follows:
駆動チャネルは、駆動電極を電圧源に選択的に接続し、かつ、駆動電極を電圧源から選択的に開放するように動作させることができるスイッチ・エレメントを備えることができる。知覚チャネルは、電荷移送回路を備えることができる。 The drive channel can comprise a switch element that can be operated to selectively connect the drive electrode to the voltage source and to selectively release the drive electrode from the voltage source. The sensory channel can comprise a charge transfer circuit.
受動センサの場合、このセンサは、接地に対する個々の電極のキャパシタンスの変化を検出するように動作させることができる知覚チャネルを備えた関連回路を備えることができる。 In the case of a passive sensor, the sensor can comprise an associated circuit with a sensory channel that can be operated to detect changes in the capacitance of individual electrodes relative to ground.
このセンサは、基板の第1の電極を有する面に複数の電極を備えることができ、かつ/または基板の第2の電極を有する面に複数の電極を備えることができ、したがって複数のセンサ領域(キー)を提供することができる。 The sensor can comprise a plurality of electrodes on the surface of the substrate having the first electrode and / or can comprise a plurality of electrodes on the surface of the substrate having the second electrode, and thus a plurality of sensor regions. (Key) can be provided.
基板のいずれか一方の面に複数の電極が提供される場合、マトリックス・アレイでこれ
らの電極を配置することができるため、これらの電極と結合した回路エレメント(たとえば能動センサの駆動チャネルおよび知覚チャネル)を複数のキーにサービスさせることができる。
If multiple electrodes are provided on either side of the substrate, these electrodes can be arranged in a matrix array so that circuit elements associated with these electrodes (eg, active sensor drive and sensor channels) ) Can serve multiple keys.
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様によるセンサと、該センサを覆っているカバー・パネルとを備えた制御パネルが提供される。したがって、使用中、センサを保護することができる。 According to a second aspect of the present invention there is provided a control panel comprising a sensor according to the first aspect of the present invention and a cover panel covering the sensor. Thus, the sensor can be protected during use.
この制御パネルは、さらに、たとえば銅から形成された、従来の容量接触感応キーを本発明の第1の態様によるセンサに関連して提供するための少なくとも1つの低抵抗性電極を備えることができる。単一のコントローラを使用して、本発明の第1の態様によるセンサの動作と従来の容量接触感応キーの動作を制御することができる。 The control panel may further comprise at least one low resistance electrode for providing a conventional capacitive touch sensitive key, eg made from copper, in connection with the sensor according to the first aspect of the invention. . A single controller can be used to control the operation of the sensor according to the first aspect of the invention and the operation of a conventional capacitive touch sensitive key.
カバー・パネルおよびセンサは、屈折率整合接着剤を使用して互いに取り付けることができる。センサおよびカバー・パネルが透明である場合、屈折率整合接着剤を使用して取り付けることによって光学的な透明性の維持が促進される。 The cover panel and sensor can be attached to each other using a refractive index matching adhesive. If the sensor and cover panel are transparent, maintaining using optical index transparency is facilitated by attaching using a refractive index matching adhesive.
また、制御パネルは、センサの下を覆っているディスプレイ・スクリーンを備えることができる。したがって、接触感応ディスプレイ・スクリーンを提供することができる。これらのディスプレイ・スクリーンおよびセンサも屈折率整合接着剤を使用して互いに取り付けることができる。 The control panel can also include a display screen covering under the sensor. Thus, a touch sensitive display screen can be provided. These display screens and sensors can also be attached to each other using a refractive index matching adhesive.
本発明の第3の態様によれば、本発明の第2の態様による制御パネルを備えた装置が提供される。
本発明をより深く理解するために、また、本発明の実施方法を示すために、以下、一例として添付の図面を参照する。
According to a third aspect of the present invention there is provided an apparatus comprising a control panel according to the second aspect of the present invention.
For a better understanding of the present invention and to illustrate the manner of carrying out the present invention, reference will now be made, by way of example, to the accompanying drawings in which:
図1Aおよび1Bは、それぞれ本発明の1実施形態による2次元容量位置センサ2の略正面図および略背面平面図を示したものである。使用されている正面および背面という用語は、便宜上、センサ2の互いに対向する面を意味しており、何らかの特定の空間配向を意味することは意図されていない。正面という用語は、一般的には、センサを正規の状態で使用する場合に知覚すべき物体に対向するセンサの面を識別するために使用されている。しかしながら、ほとんどの場合、センサは可逆であることは理解されよう。
1A and 1B respectively show a schematic front view and a schematic rear plan view of a two-dimensional
センサ2は、相俟ってセンサの感応領域を画定している電極パターンが両面に配置された基板4を備えている。基板上のこの電極パターンは、従来の技法を使用して得ることができる。基板4は、透明なプラスチック材料でできており、この場合、ポリエチレンテレフタラート(PET)である。電極は、透明な導電材料でできており、この場合、ITOである。したがって感応領域全体が透明であり、下を覆っているディスプレイの上に、ぼやけを伴うことなく使用することができる。センサは、さらに、基板4の一方の面、この場合、基板4の前面(図1A)の電極に駆動信号を供給するための駆動ユニット6、および基板4のもう一方の面、この場合、基板4の背面(図1B)の電極から信号を知覚するための知覚ユニット8を備えている。センサ2は、さらに、駆動ユニット6および知覚ユニット8の両方に結合されたセンサ・コントローラ10を備えている。センサ・コントローラ10は、駆動ユニットおよび知覚ユニットの動作を制御し、かつ、知覚ユニットからの応答を処理し、センサに隣接している物体の位置を決定している。図1Aおよび1Bには、駆動ユニット6、知覚ユニット8およびセンサ・コントローラ10が個別のエレメントとして概略的に示されている。しかしながら、一般的には、単一の集積回路チップ、たとえば適切にプログラムされた汎用マイクロプロセッサもしくはプログラマブルゲート・
アレイまたは専用集積回路を使用してこれらのエレメントの機能を提供することができる。
The
Arrays or dedicated integrated circuits can be used to provide the function of these elements.
基板の前面の電極パターン(図1A)は、3つの「列」電極X1、X2およびX3を備えている。これらの列は垂直方向に通っており、図1Aに示す配向で水平方向に互いに間隔を隔てている。(本明細書に使用されている垂直方向および水平方向、頂部および底部などの用語は、他にコンテキストの要求がない場合、図1Aおよび1Bに示すセンサ2の配向を示している。これらの用語には、センサを正規の状態で使用する場合、センサの何らかの特定の配向を示すことは意図されていない。また、列および行という用語は、一般に、便宜上、垂直方向および水平方向のアライメントを示すべく使用されている。)列電極X1、X2およびX3の各々は、電気的に連続しているITO領域から形成されている。この領域には複数の菱形開放領域(すなわち基板のこの面にITOが存在しない領域)が形成されている。個々の列電極中の開放領域は、垂直方向に変位した4つの水平方向の帯の形で配置されており、個々の帯は、4行9列の開口を備えている。また、基板のこの面の電極パターンは、接地シールド14を備えている。この接地シールド14は、列電極の頂部の縁に沿って水平方向に通り、かつ、列電極と列電極の間の領域に展開している連続したITO領域から形成されている。接地シールドは、システム接地18(すなわちシステム基準電位)に接続されている。接地シールドは、使用中、異なる列電極と列電極の間のクロストークの抑制を補助することができるが、必要に応じて省略することも可能である。
The electrode pattern on the front side of the substrate (FIG. 1A) comprises three “column” electrodes X1, X2 and X3. These columns run in the vertical direction and are spaced apart from each other in the horizontal direction with the orientation shown in FIG. 1A. (Terms such as vertical and horizontal, top and bottom as used herein indicate the orientation of
列電極X1、X2およびX3は、駆動ワイヤ20を介してそれぞれ駆動ユニット6内の駆動チャネルD1、D2およびD3に接続されている。したがって列電極は、被駆動電極あるいは駆動電極と呼ばれることもある。この実施例では、列電極毎に個別の駆動チャネルが提供されている。しかしながら、適切な多重化を備えた単一の駆動チャネルを使用することも可能である。駆動チャネルはコントローラ10によって制御され、以下でさらに説明するように、対応する列電極に駆動信号を印加している。駆動ワイヤは、カーボン・パッド26を介してITO列電極に接続された従来の銅配線(たとえばリボン・コネクタ)を備えている。図1Aには駆動ワイヤ20が概略的に示されているが、通常、異なる電極と結合している駆動ワイヤの長さが同様の長さである場合、それによってチャネル間の性能の差の最小化が促進されるため、より良好な性能が得られる。いくつかの実施例では、エッジ・コネクタを介して駆動チャネルに接続された基板上のITOトレースから駆動ワイヤを形成することも可能である。しかしながら、通常、従来の配線は、抵抗がより小さい駆動ワイヤを提供する利点を有している。
The column electrodes X1, X2, and X3 are connected to drive channels D1, D2, and D3 in the
基板の背面の電極パターン(図1B)は、水平方向に通っている、垂直方向に互いに間隔を隔てた4つの「行」電極Y1、Y2、Y3およびY4を備えている。行電極Y1、Y2、Y3およびY4の各々は、電気的に連続しているITO領域から形成されている。行電極Y1、Y2、Y3およびY4は、行電極の各々が、基板4の反対側の面の3つの列電極X1、X2およびX3に関連して、その長さに沿って3回反復したパターンを備えるように形成されている。この反復パターンは、列電極を形成しているITO内の開放領域の4つの帯のうちの対応する帯の中の菱形開放領域の4つの行のうちの対応する行とそれぞれ整列している4つのサブITO行を備えている。この4つのサブ行の各々には9個の充填領域が含まれており、ITOが、基板の反対側の面の開放領域の個々の領域に対応し、かつ、個々の領域と整列している菱形を充填している行を形成している。この実施例では、1つのサブ行からの充填領域と隣接するサブ行からの充填領域が接触することになるが、これは重要ではない。個々の行電極の端部は、カーボン・パッド27を介して感応領域の外部を通っている配線によって提供される低抵抗短絡接続30によってまとめて接続されている。この実施例では、短絡接続30は、カーボン・パッド27を介して個々の行電極の端部に結合された従来の銅配線(たとえばリボン・コネクタ)を備えている。
The electrode pattern on the back side of the substrate (FIG. 1B) comprises four “row” electrodes Y1, Y2, Y3 and Y4 that are horizontally spaced and spaced apart from each other in the vertical direction. Each of the row electrodes Y1, Y2, Y3, and Y4 is formed from an electrically continuous ITO region. The row electrodes Y1, Y2, Y3 and Y4 have a pattern in which each row electrode is repeated three times along its length in relation to the three column electrodes X1, X2 and X3 on the opposite side of the
行電極Y1、Y2、Y3およびY4は、知覚ワイヤ32を介してそれぞれ知覚ユニット8内の知覚チャネルS1、S2、S3およびS4に接続されている。したがって行電極は、知覚電極と呼ばれることもある。この実施例では、行電極毎に個別の知覚チャネルが提供されているが、駆動チャネルの場合と同様、適切な多重化を備えた単一の知覚チャネルを使用することも可能である。知覚チャネルはコントローラ10によって制御され、以下でさらに説明するように、対応する行電極からの応答信号を測定している。知覚ワイヤ32は、短絡接続30に接続された従来の銅配線を備えている。したがって知覚チャネルは、知覚ワイヤと短絡接続の組合せによって提供される低抵抗接続を介して対応する個々の行電極の両端に接続されている。
The row electrodes Y1, Y2, Y3 and Y4 are connected to the sensory channels S1, S2, S3 and S4 in the
個々の行電極の端部と、短絡接続を知覚チャネルに接続する知覚ワイヤ32との間に短絡接続30を使用している図1Bに示す特定の構成は、知覚チャネルをそれぞれ対応する行電極の両端に接続するための方法の1つにすぎないことは理解されよう。たとえば、個々の知覚チャネルから関連する行電極の2つの端部へ直接通っている接続を使用して同じ結果を得ることができる。
The particular configuration shown in FIG. 1B using a
図1Aに示す駆動ワイヤ20の場合と同様、図には知覚ワイヤ32が概略的に示されているが、通常、異なる電極と結合している配線の長さが同様の長さで、それによってチャネル間の性能の差の最小化が促進される場合、より良好な性能が得られる。いくつかの実施例では、知覚チャネルと行電極の端部の間の接続は、そのすべてあるいは一部を基板上のトレースから形成することができる。基板上のトレースからの接続の形成は、トレースをITOから形成することによって実施することができる(場合によってはセンサの透明領域のトレースの厚さより分厚くして、それらの抵抗を小さくすることができる)が、通常、銀インク印刷トレースはその抵抗がより小さいため、一般的には銀インク印刷トレースを使用することが有利である。しかしながら、この実施例では従来の銅配線を使用して知覚チャネルと行電極が接続されている。この接続も、同じく、ITOを使用して一般的に得られる接続より抵抗の小さい接続を提供する利点を有している。
As in the case of the
図2は、図1Aおよび1Bに示すセンサ2の略平面図を示したもので、前面(図1A)および背面(図1B)の両方の電極パターンがまとめて示されている。基板の背面の電極パターンは、この図の頂部に示されている(つまりこの図は基板の「後ろ」から見た図である)。この図には、背面(図1B)の電極行中の充填菱形領域と、前面(図1A)の列電極中の互いに対向している開口とを重畳させる方法が示されている。図2には、駆動ユニット6、知覚ユニット8およびセンサ・コントローラ10は、これらの3つのエレメントのすべての機能を提供する単一のマイクロコントローラ50のサブユニットとして示されている。また、図2には、センサ・コントローラから位置情報(すなわち知覚した知覚領域内の物体の計算位置を表す信号Pxy)を受け取り、かつ、制御信号Cを出力することによってセンサと結合したデバイスを制御するべく、測定した位置に応じて適切なアクションを取るデバイス・コントローラ52が示されている。
FIG. 2 is a schematic plan view of the
図3Aは、図2に示すセンサの一部を拡大して略図で示したものである。詳細には、図2のダッシュ線Rで示すセンサ領域が示されている。図3Aには、基板の背面(図1B)の電極行中の個々の菱形充填領域を前面(図1A)の列電極中の菱形開放領域の対応する領域に整列させる方法がより明確に示されている。より明確に示すために、ダッシュ線でその輪郭が概略的に示されている列電極中の開放領域は、行電極中の菱形充填領域より若干小さく描かれている。実際には、充填領域および対応する開放領域は、それらがより緊密に重畳するよう、実質的に同じ広がりを有するように配置される。 FIG. 3A is an enlarged schematic view of a part of the sensor shown in FIG. Specifically, a sensor region indicated by a dash line R in FIG. 2 is shown. FIG. 3A more clearly shows how to align the individual rhombus filling regions in the electrode rows on the back surface of the substrate (FIG. 1B) with the corresponding regions of the rhomboid open regions in the column electrodes on the front surface (FIG. 1A). ing. For clarity, the open area in the column electrode, whose outline is schematically indicated by a dashed line, is drawn slightly smaller than the diamond filled area in the row electrode. In practice, the filling area and the corresponding open area are arranged to have substantially the same extent so that they overlap more closely.
図3Bは、図3Aに示すセンサ2の同じ領域を線AA'に沿って取った略断面図で示し
たものである。また、この断面図には、センサ2と組み合わせた、接触感応ディスプレイ60を提供するための他のエレメント、およびその位置を知覚すべき物体(この場合、接地に対するキャパシタンスCXを有するユーザの指)が示されている。図3Bの断面図にはセンサ2の最上部の前面が示されている。
FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the same region of the
図3Bには、ユーザ側から下に向かってL1ないしL7のラベルが振られた複数の層を備えた接触感応ディスプレイ60が示されている。上で説明したセンサ・エレメントは、層L3、L4およびL5を備えている。層L4は基板であり、層L3およびL5は、それぞれ基板の前面および背面のITO付着物である。層L5(背面−図1B)は、行電極を短絡接続30に接続するためのカーボン・パッド27を示している。断面AA'の位置に
おける行電極に沿って通っているITOの連続断面は、このカーボン・パッド27に隣接している。ITOのこの連続断面は、交番する黒く塗りつぶされた断面68およびあや目陰影が施された断面70で概略的に示されている。黒く塗りつぶされた断面68は菱形充填領域に対応しており、あや目陰影が施された断面70は、断面が取られた、菱形充填領域と菱形充填領域の間を接続している行電極のサブ行部分に対応している。層L3は、図1Aに示す基板の前面のITO付着パターンを示している。図3Bに示す断面図は、層L3が、陰影が施された、ITOが存在している領域60の交番断面と、陰影が施されていない、基板のこの面にITOが存在していない領域62の交番断面を備えていることが分かるよう、多数の菱形開放領域を通過している。図3Bから、基板4(層L5)の背面の菱形充填領域と前面の菱形開放領域が整列していることが明確に分かる。
FIG. 3B shows a touch-
接触感応ディスプレイ60の層L1は、たとえばガラス製またはプラスチック材料製のカバー・パネルであり、使用中、センサを保護している。このカバー・パネルは、必要に応じてグラフィック・デカルを備えることができる。層L2は接着層であり、センサ2をカバー・パネルに結合している。層L7はディスプレイ・スクリーンであり、たとえば液晶ディスプレイ・パネルである。層L6は接着層であり、センサ(およびセンサに取り付けられたカバー・パネル)をディスプレイ・スクリーンに結合している。透明度を改善するためには、これらの接着層をITOおよびカバー・パネル/ディスプレイ・スクリーン・カバーと屈折率整合させることが有利である。
The layer L1 of the touch-
行電極と列電極の交点の各々は、位置センサ2の離散センサ領域(キー)に対応していると見なすことができる。したがって位置センサ2は、4行3列に配置された12個のキーを備えている。使用に際しては、本願明細書にその内容を援用する特許文献1に記載されている方法と類似した方法でセンサを動作させることができる。所与のキーは、物体が隣接している、あるいは隣接していないにかかわらず、そのキーを画定するべく交差している列電極と行電極の間の容量結合を調査することによって決定することができる。したがって物体が隣接しているか否かを決定するために、図2に示す一番上の左側のキー、列電極X1と結合している駆動チャネルD1および行電極Y1と結合している知覚チャネルS1が起動される。
Each intersection of the row electrode and the column electrode can be regarded as corresponding to a discrete sensor region (key) of the
駆動チャネルD1が起動すると、駆動チャネルD1は、時間によって変化する駆動信号を列電極X1に印加する。駆動チャネルD1は、従来の安定化電源から電力が供給され、かつ、選択された継続期間の複数の周期電圧パルスを提供するべくセンサ・コントローラ10によって制御される単純なCMOS論理ゲートであっても良い(あるいは、単純な実施態様では、ローからハイまたはハイからローへの単一の電圧変化であっても良い)。別法としては、駆動チャネルは、正弦波発生器または他の適切な波形を有するサイクル電圧の発生器を備えることも可能である。したがって、被駆動列電極X1に印加される一連の電圧サイクルの立上り縁および立下り縁で、変化する電界が生成される。列電極X1および行電極Y1は、キャパシタンスCEを有するコンデンサの対向するプレートとして作用している。キャパシタンスCEは、主として列電極X1と行電極Y1の間の重畳領域(つ
まりこれらの電極の交点によって画定されるキーの位置)によって制御される。これは、この領域でこれらの電極が最も接近することによるものである。したがって行電極Y1が被駆動列電極X1に容量結合され、被駆動列電極によって生成される変化する電界を受け取るか、あるいはシンクさせる。その結果、被駆動列電極X1上の、変化する電界の容量性微分によって変化する電圧によって誘導される電流が行電極Y1に流れる。この電流は、行電極Y1の両端部に向かって(あるいは極性に応じて行電極Y1の両端部から)流れ、かつ、適切な短絡接続30および知覚ワイヤ32を介して知覚ユニット8内の知覚チャネルS1へ(から)流れる。知覚チャネルは、行電極Y1に誘導される電流によって知覚チャネルに流入する(あるいは極性に応じて知覚チャネルから流出する)電荷を測定するようになされた電荷測定回路を備えている。
When the drive channel D1 is activated, the drive channel D1 applies a drive signal that varies with time to the column electrode X1. The drive channel D1 may be a simple CMOS logic gate that is powered from a conventional regulated power supply and controlled by the
容量性微分は、コンデンサを通って流れる電流を制御する式、つまり、
IE=CE×dV/dt
を介して生じる。IEは知覚ワイヤ32に流れる瞬時電流であり、dV/dtは、被駆動列電極X1に印加される電圧の変化率である。エッジ変化の間に行電極Y1に結合される電荷の量(したがって知覚チャネルS1に流入し/知覚チャネルS1から流出する電荷の量)は、上式の時間に対する積分、つまり、
QE=CE×V
である。
The capacitive derivative is an equation that controls the current flowing through the capacitor, that is,
IE = CE * dV / dt
Arises through. IE is an instantaneous current flowing through the
Q E = C E × V
It is.
個々の変化で結合される電荷QEは、Vの立上り時間(つまりdV/dt)には無関係であり、被駆動列電極でスイングする電圧(容易に固定することができる)、および被駆動列電極と知覚行電極の間の結合キャパシタンスCEの大きさのみに左右される。したがって、列電極X1に印加される駆動信号の変化に応答した、知覚チャネルS1を備えた電荷検出器に結合され/電荷検出器から結合される電荷の決定は、被駆動列電極X1と知覚行電極Y1の間の結合キャパシタンスCEの測度である。 The charge Q E combined with each change is independent of the rise time of V (ie dV / dt), the voltage swinging at the driven column electrode (can be easily fixed), and the driven column It depends only on the magnitude of the coupling capacitance CE between the electrode and the sensory row electrode. Accordingly, the determination of the charge coupled to / coupled from the charge detector with the perceptual channel S1 in response to changes in the drive signal applied to the column electrode X1 is determined by the driven column electrode X1 and the perceptual row. It is a measure of the coupling capacitance CE between the electrodes Y1.
従来の平行板コンデンサのキャパシタンスは、プレートとプレートの間の空間外の領域の電気特性にはほとんど無関係である(少なくともプレートを分離している距離と比較してその広がりが大きいプレートの場合)。しかしながら、列電極中の菱形開放領域と、行電極中の異なるサブ行とサブ行の間のITO中の間隙との組合せは、列電極X1と行電極Y1の間を接続している電界の少なくとも一部が基板から「溢れる」ことを意味している。これは、被駆動列電極と知覚行電極の間の容量結合(すなわちCEの大きさ)が、これらの電極の交点(つまりキーの位置)の近傍の、「溢れた」電界が展開する領域の電気特性にある程度敏感であることを意味している。 The capacitance of a conventional parallel plate capacitor is almost independent of the electrical properties of the area outside the space between the plates (at least for a plate whose extent is large compared to the distance separating the plates). However, the combination of the rhombic open area in the column electrode and the gap in the ITO between the different subrows in the row electrode is at least the electric field connecting between the column electrode X1 and the row electrode Y1. It means that a part "overflows" from the substrate. This is a region where capacitive coupling between driven column electrodes and perceptual row electrodes (ie, the magnitude of CE ) develops an “overflowing” electric field near the intersection of these electrodes (ie, key position). This means that it is sensitive to some degree of electrical characteristics.
隣接する物体が全く存在しない場合、CEの大きさは、主として列電極および行電極が重畳している領域のそれらの幾何構造(それらの個々の開口が考慮される)、および基板4の厚さおよび誘電率によって決定される。しかしながら、ITO中の間隙を介して、図3Bに示す層L1を備えたカバー・パネルを越えて電界が溢れる領域に物体が存在している場合、その物体の電気特性によってこの領域の電界が変化することになる。そのため、これらの電極と電極の間の容量結合が変化し、延いては、知覚チャネルを備えた電荷検出器に結合される/電荷検出器から結合される測定電荷が変化する。ユーザは、接地(あるいは知覚エレメントを制御している回路の接地基準電位に対する経路が完成している近傍の他の構造)に対する実質的なキャパシタンスを有しているため、たとえば溢れた電界の一部が占有する空間の領域にユーザが指を置くと、電極と電極の間の電荷の容量結合が減少する。電荷の容量結合のこの減少は、通常は被駆動列電極と知覚行電極の間に結合される溢れた電界の一部が行電極からアースへ変化することによって生じる。これは、センサに隣接する物体が、電極と電極の間の直接結合から電界を引き離す分路として作用することによるものである。
In the absence of any adjacent objects, the magnitude of CE is mainly determined by their geometry in the region where the column and row electrodes overlap (considering their individual openings) and the thickness of the
図3Cおよび3Dは、センサ2のある領域を略断面図で示したもので、駆動電極と知覚電極の間を接続している電界線が概略的に示されている。これらの図は図3Bと類似しており、したがって図3Bから理解されるが、分かり易くするために層L3(前部ITO)、L4(基板)およびL5(後部ITO)の一部のみが示されている。図3Cには、センサに隣接する物体が存在していない場合の電界が示されている。図3Dには、センサに隣接する物体(つまり接地に対するキャパシタンスCXを有するユーザの指)が存在している場合の電界が示されている。センサに隣接する物体が存在していない場合、すべての電界線が2つの電極の間を接続する。しかしながら、ユーザの指がセンサに隣接している場合、基板の外側を通過する電界線の一部が指を介して接地に結合される。そのために電極と電極の間を接続する電界線が減少し、それらの間の容量結合が減少する。この効果は、特許文献2に記載されている効果と類似している。
3C and 3D show a region of the
したがって、被駆動列電極X1と知覚行電極Y1の間で結合する電荷の量をモニタすることによってそれらの間で結合する電荷の量の変化を識別し、かつ、その変化を使用して物体がキーに隣接しているか否かを決定することができる(つまり、溢れた電界が展開する領域の電気特性が変化したか否かを決定することができる)。たとえば、センサ2の初期スタート・アップ時に、所与の駆動信号に対して列電極と行電極の間を移動した電荷をキー位置毎にセンサ・コントローラ10に測定させることができる。測定した結果をキー毎の基準信号レベルSrefとして使用することができる。センサ・コントローラは、動作中、適切な列電極および行電極を起動することによってキー位置毎の容量結合を連続的に決定する(つまり走査する)ことができる。次に、キー毎に測定した移動電荷量Smeasをそのキーの基準信号レベルSrefと比較し、測定した移動電荷量Smeasが大きく変化しているかどうか、たとえば少なくとも所定の閾値信号量Sthだけ変化したかどうかを決定することができる。変化がSthより大きい場合、センサ・コントローラは、物体が当該キーに隣接していることを決定し、物体の位置を表す適切な信号(つまりその物体に隣接しているキーの位置を表す信号)Pxyを出力することによって検出事象をデバイス・コントローラ52に指示する。また、センサ・コントローラは、閾値を越える変化を示すキーの近傍のキーの移動電荷量の変化の大きさを調査することができ、したがって接触位置を個々のキーのサイズより良好な解像度に補間することができる。
Thus, by monitoring the amount of charge coupled between the driven column electrode X1 and the sensory row electrode Y1, the change in the amount of charge coupled between them is identified and the change is used to It can be determined whether or not it is adjacent to the key (ie, it can be determined whether or not the electrical characteristics of the region where the overflow electric field has developed) have changed. For example, when the
必ずしもキーを1個づつ逐次走査する必要はないことは理解されよう。個々の知覚チャネルが個々の行電極に結合されている場合、所与の列のすべてのキーを同時に調査することができるよう、単一の列電極の駆動と同時にすべての行を知覚することができる。 It will be understood that it is not necessary to sequentially scan the keys one by one. When individual perceptual channels are coupled to individual row electrodes, it is possible to perceive all rows simultaneously with driving a single column electrode so that all keys of a given column can be examined simultaneously. it can.
位置センサの感度は、行電極と列電極の間の領域(つまり基板4の外側の領域)から溢れる電界の程度によって決まる。これは、駆動される列電極と受け取る行電極の間を接続している電界が、基板に隣接して(場合によってはカバー・パネルを介して)配置された物体の電気特性によって変化する程度、延いてはそれらの間の容量結合の程度が、行電極と列電極の間の領域から溢れる電界によって画定されることによるものである。上で説明した位置センサ2の実施例の場合、正規の使用中にユーザと対向するのは、基板の被駆動列電極側である。したがって、センサの感度を決定しているのは、列電極中の対応する菱形開放領域を介して溢れる、行電極中の菱形充填領域から始まる電界の量、あるいは該菱形充填領域で終端する(極性に応じて)電界の量である。感度を改善するためには、ITO領域が比較的狭く、かつ、開放領域が占める領域の大部分が広い基板のユーザ側の電極パターンを理想的に選択することになる。しかしながら、従来の非透明導体を使用して理想的な電極パターンを選択することは可能であるが、抵抗性導体材料の疎回路網しか備えていない電極構造は、極端に抵抗性になるため、より抵抗性の透明導体の場合は、理想的な電極パターンを選択することは不可能である。上で説明したように、駆動チャネルの出力が極端に大きいインピーダンスを「示す」場合、センサの信頼性および応答特性が著し
く低下することになる。したがって、ITOの稠密パターン(低抵抗性電極が提供される)と開放パターン(良好な感度が提供される)の間のバランスを見出すことが重要である。
The sensitivity of the position sensor is determined by the degree of electric field overflowing from the region between the row electrode and the column electrode (that is, the region outside the substrate 4). This is to the extent that the electric field connecting the driven column electrode and the receiving row electrode varies with the electrical properties of the object placed adjacent to the substrate (possibly through a cover panel), By extension, the degree of capacitive coupling between them is defined by the electric field overflowing from the region between the row and column electrodes. In the case of the embodiment of the
上記実施例の場合、隣接する物体によって変化するのは、列電極中の菱形開放領域を介して溢れた電界であるが、最も大きい抵抗を有しているのは、より狭いITOトレースを備えているため、基板の反対側の面の行電極であることに留意されたい。したがって、この実施例の場合、短絡接続の利点を最も有効活用しているのは行電極である。列電極自体は、比較的広いITO断面を備えている。しかしながら、基板の前面のITOの比較的大量のITOが、基板の背面(つまり行電極)に適用することができるITOパターンの幾何構造を制限している。これは、両面の同じ位置にITOを有している基板の面積を狭くすることが重要であることによるものである。これは、電極のこれらの領域が互いに強力に容量結合され、そのために開放領域を介して溢れることができる電界の量が減少することによるものである。被駆動電極および知覚電極を備えたITOが基板の両面に存在している領域を最小化する必要性は、抵抗性導体の稠密パターンと開放パターンの間のバランスを取る必要性の中核をなしている。駆動チャネルに提供されるインピーダンスに対する行電極の抵抗の効果は、低抵抗配線、たとえば図1Bに示す短絡ワイヤを使用して行電極の両端を知覚チャネルに接続することによって減少する。個々の行の一方の端部のみを知覚チャネルに接続した場合、もう一方の端部でキーと結合する容量結合の測定がその電極のすべての電気抵抗によって影響されることになる。しかしながら、電極の両端を知覚チャネルに接続することにより、電極の両端でキーと結合する電流は、知覚チャネルへの比較的直接的な接続を有している(つまり小さい抵抗を有している)。さらに、行電極の中央のキーから流れる電流は、電極に沿って両方向に知覚チャネルへ流れることができる。したがって、短絡接続が存在しない場合と比較すると、電極自体によってもたらされるセンサのインピーダンスに対する最大寄与が1/4に抑制される。これは、最も大きい抵抗を有するポイントが電極(したがって最も大きい抵抗を有する電極)の一方の端部から中央へ移動すること、また、その電極を2分した両方がその中央ポイントを測定回路に並列に接続し、したがって最大抵抗をさらに半分にしていることによるものである。そのため、基板の両面の抵抗性導体(つまり典型的には透明導体)に基づく位置センサに十分に小さい電極抵抗を持たせることができ、したがって信頼性の高い位置センサを提供することができる。(必要に応じて、必要な類似した短絡接続ワイヤを被駆動列電極の端部と端部の間に使用することができることは理解されよう。)
菱形パターンは、このタイプの電極パターンの特定の1実施例にすぎず、たとえば図4Aおよび4Bに概略的に示すような円形または正方形の領域に基づく類似したパターンを等しく使用することができ(これらは図3Aと類似しており、したがって図3Aから理解されよう)、また、他の多くの構成を等しく使用することができることは理解されよう。
In the above example, it is the electric field that overflows through the rhombic open area in the column electrode that changes with adjacent objects, but it has the narrowest ITO trace that has the greatest resistance. Note that the row electrodes are on the opposite side of the substrate. Therefore, in this embodiment, it is the row electrode that makes the most effective use of the short-circuit connection. The column electrode itself has a relatively wide ITO cross section. However, the relatively large amount of ITO on the front side of the substrate limits the geometry of the ITO pattern that can be applied to the back side of the substrate (ie, the row electrodes). This is because it is important to reduce the area of the substrate having ITO at the same position on both sides. This is due to the fact that these regions of the electrode are strongly capacitively coupled to each other, thereby reducing the amount of electric field that can overflow through the open region. The need to minimize the area where ITO with driven and sensory electrodes is present on both sides of the substrate is at the core of the need to balance between dense and open patterns of resistive conductors. Yes. The effect of the row electrode resistance on the impedance provided to the drive channel is reduced by connecting the ends of the row electrode to the sensory channel using low resistance wiring, such as the shorting wire shown in FIG. 1B. If only one end of an individual row is connected to the sensory channel, the capacitive coupling measurement that couples with the key at the other end will be affected by all the electrical resistances of that electrode. However, by connecting both ends of the electrode to the sensory channel, the current that couples with the key at both ends of the electrode has a relatively direct connection to the sensory channel (ie, has a low resistance). . Furthermore, current flowing from the center key of the row electrode can flow to the sensory channel in both directions along the electrode. Therefore, the maximum contribution to the sensor impedance caused by the electrode itself is reduced to ¼ compared to the case where there is no short circuit connection. This is because the point with the highest resistance moves from one end of the electrode (and hence the electrode with the highest resistance) to the center, and both halves of the electrode parallel the center point to the measurement circuit. This is because the maximum resistance is further halved. Therefore, a position sensor based on resistive conductors (that is, typically transparent conductors) on both sides of the substrate can have a sufficiently small electrode resistance, and thus a highly reliable position sensor can be provided. (It will be understood that if necessary, similar short-circuit connection wires may be used between the ends of the driven column electrodes.)
The rhombus pattern is only one specific example of this type of electrode pattern, and similar patterns based on circular or square areas, for example as schematically shown in FIGS. 4A and 4B, can equally be used (these Is similar to FIG. 3A, and therefore will be understood from FIG. 3A), and it will be appreciated that many other configurations can be used equally well.
また、図5Aおよび5Bは、本発明の他の実施形態によるセンサに使用される前面電極パターンおよび背面電極パターンを略図で示したものである。これらの図は、図1Aおよび1Bと類似しており、したがって図1Aおよび1Bから理解されよう。しかしながら、図5Aおよび5Bには、キーの配置が異なるセンサが示されている。このセンサは、図1Aおよび1Bに示すセンサの4×3アレイではなく、3つのキーからなる上側の2つの行および4つのキーからなる下側の単一の行を有している。これらのキーは、上で説明したキーと同様の菱形パターンに基づいている。下側の行のキーと結合している電極パターンは、より小さいスケールで描かれているが、これは重要ではない。この実施形態は、本発明による制御パネルの設計者が、設計者が希望するキー配列を決定する際に、いかに多くの自由度を有しているかを示す一例である。 5A and 5B schematically show a front electrode pattern and a back electrode pattern used in a sensor according to another embodiment of the present invention. These figures are similar to FIGS. 1A and 1B and will therefore be understood from FIGS. 1A and 1B. However, FIGS. 5A and 5B show sensors with different key arrangements. This sensor has two upper rows of three keys and a single lower row of four keys, rather than a 4 × 3 array of sensors shown in FIGS. 1A and 1B. These keys are based on a rhombus pattern similar to the keys described above. The electrode pattern associated with the key in the lower row is drawn on a smaller scale, but this is not important. This embodiment is an example showing how many degrees of freedom the designer of the control panel according to the present invention has when determining the key layout desired by the designer.
図6Aは、列電極100から知覚行電極104へ移動する電荷の測定に使用することができる回路を略図で示したものである。このタイプの回路については、特許文献1により
詳細に記載されている。列電極100と行電極104の間の容量結合は、コンデンサ105で概略的に示されている。この回路は、部分的に、本発明者による、本願明細書にその内容を援用する特許文献3に開示されている電荷移動(「QT」)装置および方法に基づいている。
FIG. 6A schematically illustrates a circuit that can be used to measure the charge traveling from the
列電極100と結合している駆動チャネル、知覚行電極104と結合している知覚チャネルおよびセンサ・コントローラのエレメントは、総合処理回路400として示されている。処理回路400は、サンプリング・スイッチ401、電荷積分器402(ここでは単純なコンデンサで示されている)、増幅器403およびリセット・スイッチ404を備えており、また、任意選択で電荷相殺手段405を備えることも可能である。図6Bは、駆動チャネル101からの列電極駆動信号とスイッチ401のサンプル・タイミングの間のタイミング関係を概略的に示したものである。駆動チャネル101およびサンプリング・スイッチ401は、適切な同期化手段を備えている。この同期化手段は、この関係を維持するためのマイクロプロセッサあるいは他のディジタル・コントローラ408であっても良い。図に示す実施態様では、電荷積分器402を既知の初期状態(たとえばゼロ・ボルト)にリセットするために最初にリセット・スイッチ404が閉じる。次にリセット・スイッチ404が開き、若干の時間の後、サンプリング・スイッチ401が、一定のインターバルの間、サンプリング・スイッチの端子1を介して電荷積分器402に接続される。そのインターバルの間に、駆動チャネル101が正に変化し、その後、電気接地または他の適切な基準電位である端子0に再接続する。次に駆動チャネル101が接地に復帰し、合計「n」サイクルの間、この方法が再度繰り返される(nは、1(すなわち反復回数0)、2(反復回数1)、3(反復回数2)等々であっても良い)。駆動信号は、電荷積分器が行電極から開放されるまで接地に復帰しないことが重要であり、さもなければ正の立上りおよび負の立下りの間、等しく、かつ、相対する電荷が知覚チャネルに流入し/知覚チャネルから流出することになり、したがって正味の移動すなわち電荷検出器への電荷がもたらされないことになる。所望のサイクル数が完了すると、サンプリング・スイッチ401が位置0に保持され、測定手段407によって電荷積分器402の電圧が測定される。測定手段407は、手近なアプリケーションに適するように、増幅器、ADCまたは他の回路を備えることができる。測定が完了すると、リセット・スイッチ404が再び閉じ、次の必要に応じて、たとえば直ちにサイクルが再スタートし、あるいは制御されるデバイスに適した遅延の後、サイクルが再スタートする。この方法は、本明細書においては、長さ「n」の測定「バースト」と呼ばれている。「n」は、1から任意の有限数に及ぶことが可能である。回路の感度は、「n」に正比例し、電荷積分器402の値に反比例する。
The drive channel associated with the
402で示されている回路エレメントは、他の手段によっても達成することができる電荷積分機能を提供していること、および本発明は、402で示されている接地基準コンデンサの使用に限定されないことは理解されよう。また、知覚回路に流れる電荷を積分する演算増幅器ベースの積分器を電荷積分器402に使用することができることは自明であろう。また、このような積分器にも、電荷を蓄積するためのコンデンサが使用される。積分器によって回路が複雑になるが、これらの積分器によってより理想的な加算接続負荷が知覚電流に提供され、かつ、より動的な範囲が提供されることに留意されたい。低速積分器を使用する場合、場合によっては402の位置に、積分器がやがて電荷を吸収することができるようになるまでの間、電荷を高速で一時的に蓄積するための個別のコンデンサを使用しなければならないが、このようなコンデンサの値は、演算増幅器ベースの積分器に組み込まれている積分コンデンサの値と比較すると、それほど重要な値ではない。
The circuit element shown at 402 provides a charge integration function that can also be achieved by other means, and the present invention is not limited to the use of a ground reference capacitor shown at 402 Will be understood. It will also be apparent that an operational amplifier based integrator that integrates the charge flowing through the sensory circuit can be used for the
選択された極性(この場合、正の立上り)の駆動信号が変化している間、センサの知覚行電極が電荷積分器402に接続されない場合、サンプリング・スイッチ401にこれらの知覚行電極を接地に接続させることは有用である。これは、知覚行電極を接地に接続す
ることによって擬似接地平面を生成することができ、したがってRF放出が抑制され、また、上で指摘したように、電荷積分器402によって知覚される電荷の極性とは逆極性の結合電荷を適切に散逸させ、かつ、中和することができることによるものである。また、行電極線上の接地に対する抵抗を使用して、駆動チャネル101の変化と変化の間に同じ効果を得ることも可能である。適切な方法でタイミングが取られる場合、単一のSPDTスイッチ401の代替として、独立した2つのスイッチを使用することも可能である。
If the sensor's sensory row electrodes are not connected to the
本発明者によって特許文献3に記述されているように、信号の大きさの検出すなわち測定を操作し、かつ、決定するための可能な多くの信号処理オプションが存在している。また、特許文献3には、単一電極システムの形態ではあるが、図6Aに示す構造の利得関係が記述されている。この場合の利得関係も同じである。信号相殺手段405の有用性については、本発明者によって特許文献4ならびに特許文献3に記述されている。特許文献4の開示は、本願明細書に援用されている。信号相殺の目的は、個々のバーストの生成(駆動チャネルの正の立上り変化)と同時に電荷積分器402に蓄積される電圧(すなわち電荷)を抑制し、それにより、駆動される列電極と受け取る行電極の間のより強力な結合を可能にすることである。この手法の利点の1つは、電極と電極の間の結合の微小な変化に敏感な広い知覚領域を比較的低コストで可能にすることである。このような強力な知覚結合は、典型的には人間接触知覚パッドに使用される大型電極に物理的に存在している。測定の直線性は、バーストが進行している間、被駆動列電極100から知覚行電極104へ結合する電荷を「仮想接地」ノードにシンクさせる能力によって決まるため、電荷を相殺することにより、より優れた直線性で結合の量を測定することができる。バーストが進行している間、電荷積分器402の電圧を多少大きくすることができる場合、この電圧は逆指数的に上昇する。この指数成分は、直線性に対して有害な効果を有しており、したがって利用可能な動的範囲に対して有害な効果を有している。
There are many possible signal processing options for manipulating and determining the detection or measurement of the magnitude of the signal, as described in US Pat.
図7は、図3Bを参照して説明した種類の接触感応ディスプレイ82を組み込んだ制御パネル80の略平面図を示したものである。この制御パネル80は、制御されるデバイスの壁84に取り付けられ、この場合、洗濯機に取り付けられている。接触感応ディスプレイ82のカバー・パネル92は、制御パネルの領域全体にわたって展開しており、接触感応ディスプレイが占有している領域は、この実施例では制御パネルの中央付近に位置している。図7に示す接触感応ディスプレイは、たとえば選択可能な異なる洗濯プログラムに対応している、AないしFのラベルが振られた多数のメニュー・ボタンと、可変パラメータ、たとえば洗濯温度を画定するためのスライド・スケール94と、ユーザに情報を示した何行かのテキスト96を備えている。したがってユーザは、たとえばAないしFのラベルが振られたメニュー・ボタンの領域の制御パネルに触れることによって洗濯プログラムを選択することができる。接触感応ディスプレイを備えたセンサは、メニュー・ボタンA〜Fの位置がセンサ内の「キー」の位置(つまり列電極と行電極の間の交点の領域)に対応するように構成することができる。別法としては、メニュー・ボタンA〜Fをセンサの下を覆っているキー構造に直接関連付ける必要はなく、任意に画定することができる。後者の場合、多数のキーからの信号の補間から感応領域内の接触位置を決定することができ、次に、決定した位置と表示されているメニュー・ボタンの位置を比較して、メニュー・ボタンが選択されたかどうかを決定することができる。ユーザに表示されているスライド温度スケール94からの温度の選択も同じ方法で実施することができる。
FIG. 7 shows a schematic plan view of a
制御パネルは、接触感応ディスプレイ82の他に、さらに、多数の追加ボタン86およびオン/オフ・スイッチ88を備えている。これらは、接触感応キーあるいは従来の機械式ボタン・スイッチであっても良い。この実施例では、これらは接触感応キーであり、制御パネルの平らで、かつ、密閉された外部表面を維持している。この場合、追加ボタンを透明にする必要がないため、それらをITOから形成する必要はない。したがって、より安価で、かつ、より抵抗の小さい銅電極をこれらのボタンに使用することができる。さら
に、単一のセンサ・コントローラ集積回路チップを便利に使用して、透明センサおよびもっと多くの従来の銅電極接触感応ボタン86、88を備えた位置センサを制御することができる。これは、たとえば単一のコントローラ・チップの異なるチャネルを適切に較正し、ITO膜および銅電極の異なる抵抗および装荷を考慮することによって達成することができる。
In addition to the touch-
したがって設計者は、透明な接触感応位置センサを組み込んだ制御パネルを設計する際に多くの自由度を有しており、上で説明した原理は、多くのタイプのデバイス/機器に適用することができることは理解されよう。たとえば、オーブン、グリル、洗濯機、タンブル・ドライヤ、皿洗い機、電子レンジ、フード・ブレンダ、製パン機、ドリンク・マシン、コンピュータ、家庭用視聴覚機器、携帯型メディア・プレーヤ、PDA、セル電話、コンピュータなどに同様のセンサを使用することができる。たとえば図8は、本発明の1実施形態によるセンサ93を組み込んだ洗濯機91を略図で示したものであり、また、図9は、本発明の1実施形態によるセンサ99を組み込んだセルラ電話95およびスクリーン97を略図で示したものである。より一般的には、本発明は、人間−機械インタフェースを有するあらゆる機器と共に使用することができる。また、たとえば既存の機器をアップグレードするために、上で説明したこれらの種類に類似した、デバイス/機器とは別に提供される、それらを制御するために使用することができるセンサを提供することも可能である。また、一連の異なる機器を動作させるべく構成することができる汎用センサを提供することも可能である。たとえば、センサは、デバイス/機器の供給者がたとえば再プログラムすることによってコントローラを適切に構成することにより、そのデバイス/機器の供給者が希望する通りに装置の機能に結合することができる所与の範囲のキーを有している。
Thus, designers have many degrees of freedom in designing control panels that incorporate transparent touch-sensitive position sensors, and the principles described above can be applied to many types of devices / equipment. It will be understood that it can be done. For example, oven, grill, washing machine, tumble dryer, dishwasher, microwave oven, food blender, bread maker, drink machine, computer, home audiovisual equipment, portable media player, PDA, cell phone, computer A similar sensor can be used for the above. For example, FIG. 8 schematically illustrates a
図10Aおよび10Bは、本発明の他の実施形態による2次元容量位置センサ110の正面図および背面平面図をそれぞれ略図で示したものである。この2次元容量位置センサは、たとえば調理器制御パネルに使用することができる。このセンサ110は、同じキー構造を提供している点で図5Aおよび5Bに示す2次元容量位置センサと類似している。つまり、センサ110は、3つのキーからなる上側の2つの行および4つのキーからなる下側の単一の行を有している。しかしながら、キーの電極パターンは異なっている。図5Aおよび5Bに示すセンサのキーは、開放領域と充填領域が重畳した菱形パターンに基づいており、導電材料の4つのサブ行から個々の行電極が形成されている。しかしながら、図10Aおよび10Bに示すセンサ110のキーは、丸いスロットの形の領域を備えたパターンに基づいており、さらに、個々の行電極は、導電材料の単一の行を備えている。その上、この実施形態の場合、導電材料の領域111が列電極中の開口に含まれている。これらの領域は、周囲の電極材料から電気的に分離されており、したがってセンサの動作様式に影響することはない。しかしながら、美観の観点からすると、より一様なカバーリングによってユーザの目に映ることがより少ないと思われる電極を備えた導電材料の層の構築が促進されるため、場合によっては導電材料のこれらの領域111を透明センサに含めることがより良好である。個々の行電極の各々の2つの端部は、短絡接続130によってまとめて接続されている。これらの短絡接続130は、上で説明した短絡接続に類似しており、したがってそれらの短絡接続から理解されよう。
10A and 10B schematically show a front view and a rear plan view of a two-dimensional
電極を形成している導電材料の特定のパターンの相違にもかかわらず、図10Aおよび10Bに示すセンサ110は同じ汎用方法で動作し、その動作については、図1Aおよび1Bに示すセンサから理解されよう。したがって図10Aには同じく駆動ユニット116およびセンサ・コントロ−ラ110が示されている。駆動ユニット116は、4つの(3つではなく)駆動チャネルD1、D2、D3およびD4を備えている点で図1Aに示す駆動ユニット6とは異なっている。これは、センサ110のキーの複数の行のうちの1つ(つまり図10Aに示す配向の場合、一番下の行)が4つのキー領域を備えており、この行
をサービスするためには4つの駆動チャネルが必要であることによるものである。この相違を別として、駆動ユニット116は、図1Aに示す駆動ユニットと同様に動作し、したがってその動作については図1Aに示す駆動ユニットから理解されよう。同様に、図10Bには知覚ユニット118および同じくセンサ・コントローラ110が示されている。この知覚ユニットは、図1Bに示す知覚ユニット8と同様に動作し、したがってその動作については図1Bに示す知覚ユニットから理解されよう。
Despite the specific pattern differences in the conductive material forming the electrodes, the
センサ・コントローラ110は、広義の意味では図1Aおよび1Bに示すセンサ・コントローラ10と同様に動作している。しかしながら、関連するキー構造の相違は、どのキーが触れられているかを決定するためには異なる論理が必要であることを意味している。図10Aおよび10Bに示すセンサ110の場合、知覚チャネルS1またはS2(上側の2つの行)によって信号が検出されると、選択されたキー領域は、駆動チャネルD1、D3またはD4のうちのアクティブである駆動チャネルに依存することになる。(駆動チャネルD2に接続されている列電極は、知覚チャネルS1およびS2に接続された行電極と重畳していないため、駆動チャネルD2は、知覚チャネルS1またはS2に知覚信号をもたらすことはできないことに留意されたい。)一方、知覚チャネルS3(一番下の行)によって信号が検出されると、選択されたキー領域は、駆動チャネルD1、D2、D3またはD4のうちのアクティブである駆動チャネルに依存することになる。
The
図11Aおよび11Bは、本発明の他の実施形態による2次元容量位置センサ210の正面図および背面平面図をそれぞれ略図で示したものである。図11Aおよび11Bに示すセンサは、この場合も全体的には図1Aおよび1Bに示すセンサと同様に動作しているが、この場合も異なるキー構成に基づいている。この事例では、6つの行および8つの列のキー・アレイ(合計48個のキー領域)が提供されている。したがって、対応する駆動ユニット(図示せず)は、8つの列電極に結合された8つの駆動チャネルを備えており、また、対応する知覚ユニット(図示せず)は、6つの行電極に結合された6つの知覚チャネルを備えている。上で説明した実施形態の場合と同様、アクティブ駆動チャネルに接続されている列電極と、信号が出力されている知覚チャネルに接続されている知覚電極との交点から接触位置が決定される。
11A and 11B schematically show a front view and a back plan view of a two-dimensional
行および列の数が増加しているだけでなく、図11Aおよび11Bに示すセンサ210の電極パターンは、列電極が接地シールドによって分離されていない点で図1Aおよび1Bに示すセンサ2の電極パターンとは異なっている。また、図1Aおよび1Bに示すセンサのキーは、開放領域および充填領域の菱形パターンに基づいており、導電材料の4つのサブ行から個々の行電極が形成されている。しかしながら、図11Aおよび11Bに示すセンサ210のキーは、接続された長方形の形の開放領域および充填領域に基づいており、個々の行電極は、導電材料の単一の行のみ(多数のサブ行ではなく)を備えている。
In addition to the increased number of rows and columns, the electrode pattern of
図11Bに示す個々の行電極の2つの端部は、短絡接続230によってまとめて接続されている。これらの短絡接続230は、この場合も上で説明した短絡接続に類似しており、したがってそれらの短絡接続から理解されよう。また、図11Aに示す個々の列電極の各端部も列短絡接続240によってまとめて接続されている。これらの短絡接続は、駆動チャネルに提供される電気インピーダンスを小さくするために使用されており、電気インピーダンスを小さくする方法は、知覚チャネルに提供される電気インピーダンスを小さくするために使用される、行電極の端部と端部の間の短絡接続230と同じである。これは、列電極の抵抗ならびに行電極の抵抗が著しく大きくなることがあるため、面積が比較的広いセンサあるいはキー領域が狭いセンサの場合にとりわけ有用である。したがって、図11Aおよび11Bに示すセンサ210は、販売端末の一点に使用される、たとえば16cm×12cm程度等のより広い接触スクリーンの場合にとりわけ適している。
The two ends of the individual row electrodes shown in FIG. 11B are connected together by a short circuit connection 230. These short-circuit connections 230 are again similar to the short-circuit connections described above and will therefore be understood from their short-circuit connections. Each end of each column electrode shown in FIG. 11A is also connected together by a column short-
以上、本発明によるセンサについて、被駆動列電極および知覚行電極の形で説明したが、これらの電極は、基礎をなしている動作原理を変更することなく逆にすることができることは理解されよう。たとえば、図2に示すセンサ2は、行電極を駆動チャネルに接続し、かつ、列電極を知覚チャネルに接続することによって同じように動作させることができる。また、基板4も、正規の使用中、背面として上で参照されている面が基板のユーザと対向する面になるように逆にすることができる。しかしながら、電界が溢れる程度は、通常、基板の両面の電極パターンによって決まるため、必ずしも基板の両側で同じではないことは理解されよう。したがって、正規の使用中、知覚すべき物体(たとえばユーザの指あるいはスタイラス)と対向する基板の面に、電界が溢れる程度が最も大きい電極パターンを配置することが有利である。また、正規の使用中に、知覚すべき物体と対向する基板の面に知覚電極を配置する場合、優れた感度が得られることが実験によって分かっている。たとえば、被駆動電極と対向している物体を検出する場合と比較すると、2倍の測定信号強度が得られる。
While the sensor according to the present invention has been described in the form of driven column electrodes and sensory row electrodes, it will be understood that these electrodes can be reversed without changing the underlying operating principle. . For example, the
また、伝送−受信構造を利用する代わりに(つまり駆動電極および知覚電極を使用する代わりに)、上で説明した基板、電極パターンおよび短絡接続構造を受動構成で使用することも可能である。つまり、駆動信号を駆動電極に印加する駆動チャネル、および駆動信号によって知覚電極に誘導される知覚信号を検出する知覚チャネルを有する代わりに、個々の電極を単一電極容量知覚チャネルに接続することができる(たとえば特許文献3に記載されているように)。この構造の場合、電極の個々の行および列がそれぞれ独立して、2つの対応する方向に沿った物体の位置を知覚することになる。たとえば、図5Aおよび5Bに示す実施形態を参照すると、図5Aの3つの列電極および図5Bの3つの行電極の各々を全く同じ単一電極容量知覚チャネルに接続することができる。したがって、図5Aの列電極と結合している信号を使用して水平方向の接触位置を識別することができ(図5Aに示す配向の場合)、一方、図5Bの行電極と結合している信号を使用して垂直方向の物体の位置を識別することができる。 Also, instead of utilizing a transmit-receive structure (ie instead of using drive and sensor electrodes), it is also possible to use the substrate, electrode pattern and short-circuit connection structure described above in a passive configuration. That is, instead of having a drive channel that applies a drive signal to the drive electrode and a sensory channel that detects the sensory signal induced by the drive signal to the sensory electrode, individual electrodes can be connected to a single electrode capacitive sensory channel. (For example, as described in Patent Document 3). With this structure, each individual row and column of electrodes will independently sense the position of the object along two corresponding directions. For example, referring to the embodiment shown in FIGS. 5A and 5B, each of the three column electrodes of FIG. 5A and the three row electrodes of FIG. 5B can be connected to the exact same single electrode capacitive sensing channel. Thus, the signal coupled to the column electrode of FIG. 5A can be used to identify the horizontal contact position (in the case of the orientation shown in FIG. 5A), while coupled to the row electrode of FIG. 5B. The signal can be used to identify the position of the object in the vertical direction.
最後に、以上の説明では「接触」という用語が頻繁に使用されているが、上で説明した種類のセンサは十分に敏感であり、物理的な接触を必要とすることなく、隣接する指(あるいはスタイラスなどの他の物体)の位置を示すことができることに留意されたい。したがって本明細書において使用されている「接触」という用語は、適宜に解釈されたい。
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Finally, while the term “contact” is frequently used in the above description, a sensor of the type described above is sensitive enough that it does not require physical contact and does not require physical contact. Note also that the position of other objects) such as a stylus can be indicated. Therefore, the term “contact” as used herein should be interpreted accordingly.
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該基板の一方の面の第1の抵抗性電極と、
該基板のもう一方の面の第2の抵抗性電極と、
該第1の電極上の少なくとも2つの位置と位置との間を接続するようになされた短絡接続からなる容量センサ。 A substrate,
A first resistive electrode on one side of the substrate;
A second resistive electrode on the other side of the substrate;
A capacitive sensor comprising a short-circuit connection adapted to connect between at least two positions on the first electrode.
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