JP2013508887A - 投影型静電容量式タッチ検出 - Google Patents

Abstract

使用者がタッチセンサに加える入力を測定するように構成された該タッチセンサに関連した方法、システム、及び装置。一部の実施態様では、隣接したパターン化電極の対間の静電容量の変化を測定してタッチセンサにおける入力を検出する。
【選択図】 図1A

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、引用によりその全容が本明細書中に組み込まれる、2009年10月27日出願の米国仮特許出願第61/255,276号の恩典を請求するものである。

（技術分野）
本開示は、投影型静電容量式タッチ検出、及び投影型静電容量式タッチセンサに関する。

（背景）
タッチセンサ式システムは、表面の1つ以上の接触点を検知して、これに応答する。タッチセンサ式システムを、タッチ・スクリーン・ディスプレイの形態で電子装置内に組み込むことにより、使用者が、該スクリーンに接触する1つ以上の入力を使用して対象物を見て操作できるようにすることができる。

投影型静電容量式タッチ検出技術について述べる。

一態様では、投影型静電容量式タッチ検出システムは、コモン平板電極と、パターン化静電容量タッチ検出電極であって、該コモン平板電極から離隔し、該コモン平板電極に対して平行に配向され、かつ隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極の対が、それらの間に静電容量を発生するように配置された、該パターン化静電容量タッチ検出電極と、を備えている。一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量は、コモン平板電極と該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極との間の距離の変化に基づいて変化する。投影型静電容量式タッチ検出システムはまた、コモン平板電極とパターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料と、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の変化を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間のこの検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定するように構成されている電子回路と、を備えている。

実施態様は、1つ以上の次の特徴を有し得る。例えば、パターン化静電容量タッチ検出電極は、一連の列電極、及び該列電極に直交するように配向された一連の行電極を備えても良い。この例では、一連の列電極、及び一連の行電極は、隣接した行電極と列電極が、それらの間に静電容量が発生するように配置されており、特定の行電極と隣接した特定の列電極との間の静電容量が、コモン平板電極と該特定の列電極、及び該特定の行電極との間の距離の変化に基づいて変化し得る。さらに、この例では、電子回路は、特定の列電極と特定の行電極との間の静電容量の変化を検出して、該特定の列電極と該特定の行電極との間のこの検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定するように構成しても良い。

加えて、電子回路は、特定の列電極とコモン平板電極との間の静電容量とは独立に、かつ特定の行電極と該コモン平板電極との間の静電容量とは独立に、該特定の列電極と該特定の行電極との間の静電容量を検出するように構成しても良い。一連の列電極、及び一連の行電極は、実質的に同一平面上とすることができる。

一部の実施態様では、一連の列電極は、ダイヤモンドパターンを有しても良く、一連の行電極も、ダイヤモンドパターンを有しても良く、該列電極、及び該行電極はそれぞれ、該列電極と該行電極が重ならない位置でダイヤモンド型パッドを有し、該ダイヤモンド型パッドは、該列電極と該行電極が重なる位置で比較的細い線によって連結されている。これらの実施態様では、特定の列電極のダイヤモンド型パッドと隣接した特定の行電極のダイヤモンド型パッドとの間の静電容量は、コモン平板電極と該特定の列電極、及び該特定の行電極との間の距離の変化に基づいて変化し得る。また、これらの実施態様では、電子回路は、特定の列電極のダイヤモンド型パッドと特定の行電極のダイヤモンド型パッドとの間の静電容量の変化を検出して、該特定の列電極のダイヤモンド型パッドと該特定の行電極のダイヤモンド型パッドとの間のこの検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定することができる。

一部の例では、電子回路は、それぞれが列電極の1つに配置され、かつそれぞれが対応する列電極に励起電圧を印加するように構成されている送信機と、それぞれが行電極の1つに配置され、かつそれぞれが該列電極に印加される励起電圧に基づいて対応する行電極に結合される電流を測定するように構成されている受信機と、を備えても良い。これらの例では、電子回路はまた、列電極に順番に励起電圧を印加して一度に1つの列電極のみが印加されるように、送信機を制御するように構成されているプロセッサを備えることができ、該プロセッサは、特定の列電極に配置された送信機が励起電圧を該特定の列電極に印加したときに特定の行電極に配置された受信機によって測定される電流の変化を検出することによって、該特定の列電極と該特定の行電極との間の静電容量の変化を検出するように構成しても良い。

電子回路は、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の減少を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間のこの検出した静電容量の減少に基づいて入力を決定するように構成しても良い。加えて、電子回路は、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の増加を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間のこの検出した静電容量の増加に基づいて入力を決定するように構成しても良い。さらに、コモン平板電極とパターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料には、エラストマー、流体、例えば、実質的に空気である流体、又は圧縮性誘電材料のシートが含まれ得る。

一部の実施態様では、投影型静電容量式タッチ検出システムは、画像を表示するように構成され、かつコモン平板電極、パターン化静電容量タッチ検出電極、及び変形可能な誘電材料の下側に配置されたディスプレイ装置を備えても良い。これらの実施態様では、コモン平板電極は、透明導電材料から形成しても良く、パターン化静電容量タッチ検出電極は、該透明導電材料から形成しても良く、変形可能な誘電材料は、ディスプレイ装置によって表示される画像が、コモン平板電極、該パターン化静電容量タッチ検出電極、及び該変形可能な誘電材料を介して知覚可能となるように、該透明導電材料の屈折率に一致する屈折率を有しても良い。加えて、これらの実施態様では、電子回路は、決定された入力の位置を決定して、該決定した入力の位置をディスプレイ装置によって表示される画像にマッピングし、該ディスプレイ装置によって表示される画像に対する該決定された入力の位置のマッピングに基づいてアプリケーションを制御するように構成しても良い。

電子回路は、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の検出された静電容量の変化に基づいてタッチ入力を決定するように構成しても良い。電子回路はまた、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の変化量を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の該変化量に基づいて、加えられた力の量を決定するように構成しても良い。

一部の例では、投影型静電容量式タッチ検出システムは、コモン平板電極が配置された第1の基板と、パターン化静電容量タッチ検出電極が配置された第2の基板と、を備えても良い。第1の基板と第2の基板は、コモン平板電極がパターン化静電容量タッチ検出電極に面するように配向しても良く、かつタッチ入力に応答して該コモン平板電極と該パターン化静電容量タッチ検出電極との間の相対運動を可能にするように構成しても良い。これらの例では、第1の基板は、比較的柔軟にしても良く、第2の基板は、比較的硬質にしても良い。さらに、これらの例では、第1の基板は、タッチ入力を受け取る表面を備えても良く、かつ該タッチ入力によって加えられる力に応答して曲がり、コモン平板電極が、タッチ入力の接触点の近傍において、パターン化静電容量タッチ検出電極に近づくように構成しても良い。第1の基板は、電界をタッチ検出システムの外部から遮断して、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量に影響を与えないようにすることができる。

記載される技術の実施態様には、ハードウエア、ハードウエアで少なくとも部分的に実施される方法、もしくはプロセス、又はプロセッサによって実行されたときに演算を行う実行可能な命令で符号化されたコンピュータ可読記憶媒体が含まれ得る。

1つ以上の実施態様の詳細は、添付の図面に示され、以下の説明に記載されている。他の特徴は、以下の説明、添付の図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図1Aは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図1Bは、投影型静電容量式タッチセンサの例の電気的特性に対応する有効回路図である。 図2Aは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図2Bは、投影型静電容量式タッチセンサの例の電気的特性に対応する有効回路図である。 図2Cは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図2Dは、隣接した行電極と列電極との間の電界線の例を例示している。 図3は、投影型静電容量式タッチセンサの例における電極のパターン形成配列の例を例示している。 図4Aは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図4Bは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図4Cは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図5は、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図6Aは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。 図6Bは、投影型静電容量式タッチセンサの例の線図である。

（詳細な説明）
投影型静電容量式タッチセンサは、上基板と下基板との間に変形可能な絶縁エラストマー、又は流体を備え、これらの一方、又は両方は、透明な導体（例えば、インジウムスズ酸化物（ITO））電極薄膜でコーティングされている。入力機構（例えば、指、又はタッチペン）が上基板に接触すると、該上基板が、接触された領域で少なくとも部分的に曲がり、これにより、接触点における上基板、及び/又は下基板の透明な導体電極薄膜間の距離が変化し、恐らくその近傍の点ではその変化が小さい。従って、接触の位置は、上基板、及び/又は下基板の透明な導体薄膜を離隔する距離、及び材料の変化によって生じる静電容量の変化を検出することによって決定することができる。さらに、上基板、及び変形可能な絶縁エラストマー、又は流体の変形が、使用者が予想する加圧に対する応答に一致し得る従順な感覚を与える。典型的な実施態様では、投影型静電容量式タッチセンサは、ディスプレイ装置（例えば、液晶ディスプレイ（LCD）装置、プラズマ・ディスプレイ・パネル（PDP）装置、又は有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイ装置）上に形成されており、該ディスプレイ装置上に表示されるアイテムとのやりとり、及び該アイテムの制御を可能にしている。

図1Aは、投影型静電容量式タッチセンサの一部の断面の線図である。図1Aに例示されているように、投影型静電容量式タッチセンサは、第1の透明なかつ比較的硬質な基板105を備え、該基板の表面には、透明な導電材料、例えば、ITOから形成されたパターン化静電容量検出電極110が配置されている。第2の透明なかつ比較的柔軟な基板115が、第1の透明基板105の上方に配置され、例えば、ITOから形成された透明なコモン平板電極120が、該第1の基板105に面した該第2の基板115の表面に配置されている。第1の基板105、及び第2の基板115は、例えば、ガラス、及び/又はポリマー材料から形成しても良い。第1の基板105と第2の基板115との間に形成されたキャビティには、変形可能な絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体125が満たされている。このエラストマー、又は流体125は、一般に、関連するディスプレイ装置によって生じるディスプレイとの干渉を最小限にするために、その屈折率が、透明導体110、及び120、並びに第1の基板105、及び第2の基板115の屈折率に一致するか、又は少なくとも実質的に同様となるように選択される。一部の例では、流体125は空気でも良い。これらの例では、第1の基板105と第2の基板115との間に形成されたキャビティは、コモン平板電極120に圧力がかかっていないときに空隙を維持するためにスペーサを広く分散させて実質的に空気で満たすことができる。

図1Bは、図1Aに例示されている投影型静電容量式タッチセンサの一部の電気的特性に対応する有効回路図である。図1Bに例示されているように、電極（110、120）間の間隔、及び第1の基板（105）と第2の基板（115）との間のキャビティにおける絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体（125）の存在により、パターン化電極（110）とコモン平板電極（120）との間に静電容量C₁、C₂、C₃、及びC₄が発生する。加えて、静電容量C₁₂、C₂₃、及びC₃₄も、隣接したパターン化電極（110）間に形成される。

ここで図2Aを参照すると、入力機構205（例えば、指、又はタッチペン）が第2の基板115に接触すると、接触点で該入力機構205によって加えられる圧力により、第2の基板115が曲がる。加えて、絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体125もまた、入力機構205によって加えられる圧力によって変形する、又は接触点の近傍の空間に移動する。結果として、コモン平板電極120の曲がった部分が、パターン化電極110に近づき、これにより、接触点の近傍におけるコモン平板電極120とパターン化電極110との間の静電容量が増加する。例えば、入力機構205と第2の基板115の接触による図1Bの有効回路図の変化を例示している図2Bを参照すると、静電容量C₂、C₃、及びC₂₃が、入力機構205による接触の結果として増加している。

入力機構205の第2の基板115との接触よって生じる静電容量の変化は、比較的小さいであろうが、これらの変化は、検出することができ、該入力機構205が該第2の基板115に接触した位置を、静電容量の変化が起きた場所、及びその変化の程度を決定することによって検知することができる。

注目すべきことに、接触の検知に使用される静電容量の変化は、第1の基板105と第2の基板115との間に生じた電界の変化を伴う。第2の基板115は、これらの電界を外部から遮断するため、第2の基板115を、電磁干渉（EMI）シールドとして少なくとも部分的に機能するように構成して、外部妨害による電界との不所望の干渉を防止、又は少なくとも軽減することができる。さらに、接触の検知に使用される静電容量の変化が、コモン平板電極120の動きによるものであるため、投影型静電容量式センサは、十分に接地されていない入力機構による接触、又は絶縁されている入力機構（例えば、タッチペン）による接触さえも検知することができる。

加えて、静電容量は、一般に、2つの帯電板間の変位と共に直線的に変動するため、一部の実施態様では、入力機構205によって加えられる加圧量を、該入力機構205と第2の基板115との接触によって発生する静電容量の変化の大きさを検出することによって決定することができる。

図2Cは、投影型静電容量式タッチセンサの別の実施態様を例示している。図2Cに示されているように、投影型静電容量式タッチセンサは、第1の透明なかつ比較的硬質な基板105、パターン化静電容量検出電極110、第2の透明なかつ比較的柔軟な基板115、及び透明なコモン平板電極120を備えている。第1の基板105、パターン化静電容量検出電極110、第2の基板115、及び透明なコモン平板電極120は、図1A、及び図2Aに例示されている上記の同じ要素と同様である。この投影型静電容量式タッチセンサの実施態様と図1A、及び図2Aに例示されている上記の実施態様との間の相違は、パターン化電極110とコモン平板電極120とが、エラストマー、又は流体125の代わりに、圧縮性誘電材料のシート225によって分離されていることである。圧縮性誘電材料のシート225は、加圧されると圧縮されて総体積が変化するが、エラストマー、又は流体125は、加圧されても総体積が変化しないため、該シート225は、該エラストマー、又は流体125とは異なる。

シート225は、押圧されると体積が変化し、かつ力が取り除かれると元の形状に戻る誘電材料を含み得る。例えば、シート225は、空隙を有する軟質材料（例えば、殆どが空気、又は別の圧縮性ガスから構成され、残りが軟質材料から形成された発泡体）から形成しても良い。この例では、空隙は、光学的に透明であり、空隙内の空気は圧縮性である。従って、使用者が入力機構（例えば、指、又はタッチペン）でタッチセンサを押すと、空隙内の空気が圧縮されて、該入力機構による押圧から生じた体積の変化に適応する。シート225は、体積が変化して入力機構による押圧に適応するため、接触点において、コモン平板電極120とパターン化静電容量検出電極110との間の間隔が狭くなるが、該接触点近傍における誘電材料の該接触点から離れた領域への移動によって、該接触点から離れた領域のコモン平板電極120とパターン化静電容量検出電極110との間の間隔が相応に増大することはない。これに関連して、誘電材料の移動の影響が低減され、この移動を考慮する必要がないため、入力の検知に必要な処理が、より容易、かつ正確になるであろう。

図2Cに示されている実施態様は、エラストマー、又は流体125の代わりに、圧縮性誘電材料のシート225を使用しているが、有効回路図、及びタッチセンサの動作は、図1A、及び図2Aに例示されている上記の実施態様と概ね同様である。具体的には、図1Bは、図2Cに例示されている投影型静電容量式タッチセンサの一部の電気的特性に対応する有効回路図も表している。上記され、図1Bに例示されているように、電極（110、120）間の間隔、及び第1の基板（105）と第2の基板（115）との間のキャビティ内の圧縮性誘電材料の絶縁（又は半絶縁）シート（225）の存在により、パターン化電極（110）とコモン平板電極（120）との間に静電容量C1、C2、C3、及びC4が発生する。加えて、静電容量C12、C23、及びC34も、隣接したパターン化電極（110）間に発生する。

図1A、図2A、及び図2Cに例示されているパターン化静電容量検出電極110は、様々なパターンにレイアウトすることができる。例えば、図3に例示されているように、一部の実施態様では、パターン化電極110は、行と列が重なる電極110がダイヤモンドパターンに形成されるダイヤモンドパターン形成配列に従ってレイアウトすることができる。この例では、行電極、及び列電極が、同一平面とるように、又は可能な限り同一平面に近づくように配置されている。図3に示されている例では、重なっていない行電極、及び列電極の大きいダイヤモンド型の部分は、同一平面とすることができ、重なっている行電極、及び列電極の狭い連結部分は、これらの間の誘電体の薄層によって離隔させることができる。例えば、行電極、又は列電極の狭い連結部分を、該行電極、及び該列電極の重なっている点での互いの接触回避を可能にするジャンパーとすることができる。

一部の実施態様では、行電極を基板105上に配置し、薄い誘電体層を該行電極上に配置し、列電極を該薄い誘電体層上に配置することができる。これらの実施態様では、薄い誘電体層は、行電極と列電極との間に空間を形成して、該行電極と該列電極との間の接触を防止する。薄い誘電体層の厚さは、行電極と列電極が概ね同一平面上となり得るように最小限にすることができる（例えば、行と列との間の間隔は比較的小さい）。

行電極と列電極は、同一平面上、又は概ね同一平面上にあるため、該行電極と該列電極（例えば、パターン化電極110）は、図1A、図2A、及び図2Cでは、同一平面上にあるとして例示されている。具体的には、図1A、図2A、及び図2Cは、パターン化電極110として、同一平面上（又は概ね同一平面上）の行電極と列電極との交互パターンを例示している。図3に示されているダイヤモンドパターンの行電極と列電極が使用されると、図1A、図2A、及び図2Cに例示されているタッチセンサの断面は、図3に示されているパターンの対角線に沿って切り取られたものである。具体的には、図1A、図2A、及び図2Cに例示されているタッチセンサでは、第1のパターン化電極を、第1の列電極の大きいダイヤモンド型部分とし、第2のパターン化電極を、第1の行電極の大きいダイヤモンド型部分とし、第3のパターン化電極を、第2の列電極の大きいダイヤモンド型部分とし、第4のパターン化電極を、第2の行電極の大きいダイヤモンド型部分とすることができる。

行電極と列電極が、同一平面上、又は概ね同一平面上にあるため（例えば、行と列との間の間隔が比較的小さい）、フリンジ電界線は、行電極、及び列電極の両側で概ね対称である。図2Dは、図2Cに例示されているタッチセンサの隣接した行電極、及び列電極の周りのフリンジ電界線の例を例示している。図2Cと同様に、隣接した行電極、及び列電極は、同一平面上にある（これは、行電極と列電極の重なる部分でジャンパーが使用された場合に起こり得る）として例示されているが、図2Dは、隣接した行電極、及び列電極が概ね同一平面上にあって、薄い誘電体層によって分離されている場合の電界線も表すものとする。

図2Dでは、コモン平板電極が、接地されており、励起電圧が、列電極（又は行電極）に印加される。この構成では、フリンジ電界線は、行電極、及び列電極の両側で対称（又は概ね対称）であり、一側では、フリンジ電界線は、タッチセンサの前面に向かって延び、他側では、フリンジ電界線は、該タッチセンサの前面から離れる方向に延びている（例えば、裏面、及び/又は該タッチセンサが配置されているディスプレイの方向）。タッチセンサの前面のフリンジ電界は、コモン平板電極によって妨害されるため、行電極と列電極との間の測定静電容量が減少する傾向にある。タッチセンサが物体（例えば、導電性物体、又は非導電性物体）によって押圧されると、コモン平板電極が隣接した行電極、及び列電極に向かって移動し、これにより、センサの前面のフリンジ電界のさらなる部分が、接地されたコモン平板電極によって短絡する、又は部分的に終端する。従って、列電極を流れる電流が、少なくとも部分的にコモン平板電極に流れ、これにより、隣接した行電極と列電極との間の測定静電容量が、接地平面が該隣接した行電極、及び列電極に近づいていないときに測定された静電容量と比べると僅かに減少する。隣接した行電極と列電極との間の静電容量の変化は、該列電極に印加される励起電圧に基づいて該行電極に結合された電流を測定することによって検出することができ、該電流は、コモン平板電極が隣接した行電極、及び列電極に近づいて該コモン平板電極により多くの電流が流れると減少する。

図2Dは、一対の隣接した行電極と列電極（例えば、図2Cに示されている第1のパターン化電極と第2のパターン化電極、又は、図3に示されている実施態様では、図3に示されている第1の列電極の大きいダイヤモンド型部分と第1の行電極の大きいダイヤモンド型部分）のみを例示している。しかしながら、タッチセンサ全体の他の対の隣接した行電極と列電極も、同様のフリンジ電界線となり、タッチセンサ全体の各対の隣接した行電極と列電極に対して静電容量の測定を行うことができる。図3に例示されているダイヤモンドパターンを使用する場合、タッチセンサ全体の各対の隣接した行電極と列電極に対する静電容量の測定により、タッチセンサの表面にわたる静電容量測定値のビットマップを作成する。従って、行電極と列電極との間の静電容量測定値のビットマップを使用して、1つ以上の静電容量の変化が検出された該ビットマップの位置を決定することによって、1つ以上のタッチ入力の位置を正確に決定することができる。静電容量測定値から、タッチセンサの表面にわたるビットマップを作成するため、同時に複数のタッチ入力が行われた場合でも、タッチ入力の位置を、曖昧ではなく明確に決定することができる。

図2Cに戻ると、図1A、及び図2Aに例示されている上記の投影型静電容量式タッチセンサの動作と同様に、このタッチセンサの電子回路は、入力機構（例えば、指、又はタッチペン）の第2の基板115に対する接触、及び押圧によって生じる、パターン化電極110とコモン平板電極120との間の静電容量C1、C2、C3、及びC4の変化、並びに/又は該パターン化電極110間の静電容量C12、C23、及びC34の変化を検出することによってタッチセンサにおける入力（例えば、タッチ入力）を検知することができる。例えば、パターン化静電容量検出電極110は、互いに平行な一連の行電極と、互いに平行であって該行電極に直交した一連の列電極とからなる格子パターンに配置することができる（例えば、図3に示されているパターンは、上記のように使用することができる）。この例では、送信機を列電極に配置し、受信機を行電極に配置することができる。送信機は、各列電極に時変励起電圧を印加し、これにより、電流が各列電極に結合する。一部の実施態様では、送信機は、列電極に順に電圧を印加して、電圧が常に1つの列電極のみに印加されるようにしても良い。他の実施態様では、送信機は、複数の列電極に部分的に同時に電圧を印加して、直交励起波形を複数の列電極に使用しても良い。例えば、直交励起波形は、引用によりその全容が本明細書中に組み込まれる、2010年7月16日出願の米国特許出願第12/838,419号に記載されているように複数の列電極に使用することができる。

受信機は、列電極に印加される励起電圧に基づいて、各行電極に結合された電流を測定する。プロセッサが、受信機によって測定される電流を監視して、電流の変化の検知に基づいて静電容量の変化を検知する。次いで、プロセッサは、静電容量の変化の検知に基づいてタッチ入力を検知し、どの行電極の電流が変化したかを決定し、かつ電流の変化が検出されたときに電圧が印加されていた列電極を決定することによって、該タッチ入力の位置を決定する。

具体的には、図2Aに示されている例と同様に、入力機構（例えば、指、又はタッチペン）が、図2Cに示されているタッチセンサの第2の基板115に接触すると、接触点で該入力機構によって加えられる圧力により、該第2の基板115が曲がる。圧縮性誘電材料のシート225が、入力機構によって加えられる圧力によって、接触点の近傍で変形する、又は圧縮される。結果として、コモン平板電極120の曲がった部分が、パターン化電極110に近づき、これにより、隣接したパターン化電極間のフリンジ電界線の該コモン平板電極120による干渉に基づいて、該隣接したパターン化電極間の静電容量が変化する。静電容量の変化により、接触点の近傍における1つ以上の行電極に結合される電流が変化する。プロセッサは、1つ以上の行電極に結合される電流の変化を検知して、静電容量の変化を検出する。次いで、プロセッサは、この検出した静電容量の変化を使用して、タッチセンサへの入力が行われたかを決定し、行電極と列電極のどの対の静電容量が変化したかに基づいて入力の位置を決定する。

一部の実施態様では、図2Cに示されているタッチセンサは、パターン化電極110とコモン平板電極120との間に電圧を保持し、インピーダンスの低い電流センサを使用する。この構造では、殆ど（例えば、全て）の電流が、コモン平板電極120への経路に逃げることなく、低インピーダンスの経路を介して電流センサに流れる。従って、電流センサによって行われる電流測定は、隣接したパターン化電極110間の静電容量の変化による影響を受けるが、パターン化電極110とコモン平板電極120との間の静電容量による影響は比較的小さい（例えば、ゼロ）。これに関連して、隣接したパターン化電極110間の静電容量を、パターン化電極110とコモン平板電極120との間の静電容量とは別個に測定することができる。

これらの実施態様では、図2Cに示されているタッチセンサは、隣接したパターン化電極110間の静電容量C12、C23、及びC34の変化のみを検出して、タッチセンへの入力を検知することができる。これらの実施態様では、タッチセンサは、隣接したパターン化電極110間の静電容量C12、C23、及びC34を定期的/連続的に検出して、この検出した静電容量C12、C23、及びC34の変化を監視することができる。例えば、使用者が、図2Aの例に示されている入力に類似した入力を、図2Cに示されているタッチセンサに対して行うと、対応するパターン化電極の対（例えば、隣接した行電極と列電極）間の静電容量C23が、該入力に応答して変化する。具体的には、入力機構が、図2Aに示されている接触点で第2の基板115に接触して押圧し始めると、静電容量C23が、該入力機構がコモン平板電極120を隣接したパターン化電極110に向かって押圧するにつれて減少し、これにより、コモン平板電極120が、隣接したパターン化電極110間のより多くの電界線を妨害する。静電容量C23の減少は、コモン平板電極120が押圧されて、隣接したパターン化電極110に近づいている間は続くため、静電容量の変化量を使用して、入力機構によってタッチセンサに加えられる力を決定することができる。静電容量C23のこの変化を検知することにより、タッチセンサは、該静電容量C23に一致する位置で該タッチセンサへの入力を検知することができる。

例えば、タッチセンサは、隣接したパターン化電極110（例えば、隣接した行電極と列電極）の対間の静電容量の減少を監視し、該タッチセンサが、隣接したパターン化電極110の特定の対（例えば、隣接した行電極と列電極の特定の対）間の静電容量の減少を検知したときに該タッチセンサへの入力（例えば、タッチ入力）を検知することができる。最初にタッチ入力が行われると静電容量が減少し、さらなる力が加えられると減少が続くため、タッチセンサは、静電容量の減少の検知に基づいてタッチ入力を検知し、静電容量の減少量に基づいて加えられた力の量を決定することができる。

一部の実施態様では、静電容量の測定値の履歴を監視し、これを使用してタッチセンサに入力される入力の種類を決定することができる。これらの実施態様では、入力機構が、第2の基板115に接触して、該第2の基板115を接触点で押圧し始めると、該接触点近傍の一対の隣接したパターン化電極（例えば、隣接した行電極と列電極）間の静電容量は、入力機構がコモン平板電極120を該一対の隣接したパターン化電極に向かって押圧するにつれて減少する。使用者が、入力機構によって加えられる力を取り除くと（例えば、押圧を解除する）、接触点近傍の一対の隣接したパターン化電極（例えば、隣接した行電極と列電極）間の静電容量は、コモン平板電極120が該一対の隣接したパターン化電極から離れるにつれて増加する。静電容量の減少、及びこれに続く増加の履歴を監視することにより、タッチセンサは、異なる種類のタッチ入力を検知することができる。例えば、タッチセンサは、一対の近接したパターン化電極間の静電容量における最初の減少を検知すると、該一対の隣接したパターン化電極間の静電容量における後続の増加を監視することができる。この例では、タッチセンサは、最初の減少から閾値時間内で、一対の隣接したパターン化電極間の静電容量における後続の増加を検知すると、使用者が、該タッチセンサに対して短押し(touch and release)入力を行ったと決定することができる。タッチセンサは、最初の減少から閾値時間内で、一対の隣接したパターン化電極間の静電容量における後続の増加を検知しないと、使用者が、該タッチセンサに対して長押し(touch and hold)入力を行ったと判断することができる。タッチセンサによって制御されるアプリケーションは、使用者が短押し入力、又は長押し入力を行ったかに基づいて異なる動作を実行することができる。

一部の例では、コモン平板電極120は、比較的高い抵抗を有しても良い。これらの例では、コモン平板電極120が一対の隣接したパターン化電極（例えば、隣接した行電極と列電極）に向かって移動することにより、該一対の隣接したパターン化電極間の静電容量が増加し得る。従って、これらの例では、タッチセンサは、隣接したパターン化電極の対間の静電容量の増加を監視し、隣接したパターン化電極の特定の対間の静電容量の増加を検知したときに該タッチセンサへの入力（例えば、タッチ入力）を検知する。

図4A、及び図4Bを参照すると、一部の実施態様では、投影型静電容量式タッチセンサは、上面にパターン化透明電極410が配置された第1の透明基板405、及び下面にパターン化透明電極420が配置された第2の透明基板415を備え、該第2の透明基板415は、変形可能な絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体425で満たされた空間によって該第1の透明基板405から離隔している。図4A、及び図4Bに例示されているように、パターン化電極410は、基板405上に平行線のパターンで形成することができ、パターン化電極420は、該パターン化電極410が該パターン化電極420と実質的に直交するように基板415上に平行線のパターンで形成することができる。

図1A、及び図2Aの投影型静電容量式タッチセンサの透明基板105、及び115と同様に、図4A、及び図4Bの投影型静電容量式タッチセンサの透明基板405、及び415は、ガラス、又はポリマー材料から形成しても良い。同様に、パターン化透明電極410、及び420も、透明な導体、例えば、ITOなどから形成しても良い。

入力機構が、第2の基板415に接触すると、接触点で入力機構によって加えられる圧力により、第2の基板415が曲がる。加えて、絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体425もまた、入力機構によって加えられる圧力によって、接触点の近傍における空間を変形、又は縮小させる。結果として、第2の基板415上のパターン化電極420が、第1の基板405上のパターン化電極410に近づくため、接触点の近傍における該第2の基板415上のパターン化電極420と該第1の基板上のパターン化電極410との間の静電容量が増加する。このような静電容量の変化は、例えば、第2の基板415上の電極420の電流の変化を検出しながら、第1の基板405上の電極410を連続的に対処することによって検出することができ、接触した位置は、どこで静電容量の変化が起きたかを検知することによって決定することができる。

図4A、及び図4Bに例示されている構成に対して僅かに変更された形態として、図4Cに例示されているように、一部の実施態様では、高誘電率薄膜430が、パターン化電極410の表面に設けられている。このような実施態様では、入力機構が、第2の基板415に圧力を加えると、該第2の基板415、及びパターン化電極420は、パターン化電極410と短絡することなく、高誘電率薄膜430まで達し得る。パターン化電極420とパターン化電極410との間の間隔が、高誘電率薄膜430の厚さ程度の距離まで減少すると、第2の基板415との接触の結果として静電容量が著しく増加し、これにより、センサにおけるS/N比が実質的に改善され得る。

一部の実施態様では、投影型静電容量式センサは、LCD装置のコモン電極を静電容量検出の電圧基準平面として利用する方式で該LCD装置に組み込んでも良い。

例えば、図5を参照すると、LCD装置は、下側にカラーフィルタ層510、及びコモン電極515が配置された透明基板505を備えることができる。図5に例示されているように、投影型静電容量式センサは、表面にパターン化電極525が形成された基板520を、透明基板505、カラー・フィルタ・プレート510、及びコモン電極515の上に追加して、該基板520を、絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体530で満たされた空間によって該透明基板層505、該カラー・フィルタ・プレート510、及び該コモン電極515から分離することによってこのようなLCD装置内に部分的に組み込むことができる。このような構成では、入力機構が、基板520に接触すると、該入力機構によって該基板520に加えられる圧力により、該基板520が曲がり、該基板520上に形成されたパターン化電極525とLCD装置のコモン電極515との間の距離が局所的に減少する。基板520上に形成されたパターン化電極525とLCD装置のコモン電極515との間の距離のこの局所的な変化により、検出可能な静電容量の変化が起き、入力機構が基板520に接触している点の位置を求めることができる。

図6Aを参照すると、別の実施態様では、投影型静電容量式センサは、表面にパターン化静電量検出電極610、及び光−容量性層（例えば、光−容量性半導体）、又は光−導電層615が配置された第1の透明基板と、下面にパターン化透明電極625が配置された第2の透明基板620と、を備え、該第2の透明基板620は、空隙によって該第1の透明基板605から分離されている。一部の実施態様では、この空隙は、変形可能な絶縁（又は半絶縁）エラストマー、又は流体で置き換えても良い。透明基板605、及び620は、ガラス、又はポリマー材料から形成しても良く、パターン化透明電極610、及び625は、透明導体、例えば、ITOなどから形成しても良い。

加えて、所望の波長（例えば、赤外線（IR））範囲内の電磁放射線を放出するように構成された電磁放射線源635（例えば、発光体オード）が、該電磁放射線源635によって放出される電磁放射線の少なくとも一部が第2の基板620に結合されるように、該第2の基板620に近接して配置されている。図6Aに例示されているように、第2の基板620の中に放出された電磁放射線の少なくとも一部は、該第2の透明基板620内で全内部反射（TIR）して、該第2の透明基板620内を伝播する。

入力機構640（例えば、指）が第2の基板620に接触すると、接触点で該入力機構によって加えられる圧力により、該第2の基板620が曲がり、これにより、1つ以上のパターン化電極625と1つ以上のパターン化電極610との間の距離が縮小する。この結果、検出可能な静電容量の変化が起き、この変化を使用して第2の基板620と接触した位置を決定することができる。

十分な圧力が第2の基板620に加えられて、該第2の基板620が、光−容量性層、又は光−導電層615に接触すると、該第2の基板内の電磁放射線の全内部反射が妨げられて、該第2の基板620内に閉じ込められた電磁放射線の少なくとも一部が逃げて、該光−容量性層、又は該光−導電層615に結合される。これにより、同様に検出可能な静電容量、又は導電率の大幅な増加が起き、これを使用して入力機構640が第2の基板620と接触した点の位置を決定することができる。この場合、第1の透明基板605と第2の透明基板620との間の分離距離の変化と静電容量、又は導電率との間の関係は、光−容量性層、又は光−導電層615に起因する静電容量、又は導電率の変化のために極めて非線形であり、装置のS/N比が改善されるであろう。それ自体は例示されていないが、一部の実施態様では、第2の基板620を光学フィルタ層で被覆して、該第2の基板620が押圧されていないときの該第2の基板620内のTIRを促進することができる。

一部の実施態様では、図6Bのパターン化電極625をコモン電極で置き換えることができ、第2の基板620との接触点を、例えば、図1A〜図1B、及び図2A〜図2Bを参照して上記した技術に従って、このコモン電極とパターン化電極610との間の静電容量の変化を検出することによって検知することができる。このような実施態様では、パターン化電極610は、様々なパターンにレイアウトすることができる。例えば、一部の実施態様では、パターン化電極610は、行と列の重なる電極610が、図3に例示されている電極のパターンに類似したダイヤモンドパターンに形成されるダイヤモンドパターン形成配列に従ってレイアウトすることができる。

記載されたシステム、方法、及び技術は、デジタル電子回路、コンピュータハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、又はこれらの要素の組み合わせで実施することができる。これらの技術を実施する装置には、適当な入出力装置、コンピュータプロセッサ、及びプログラム可能なプロセッサによって実行するために機械可読記憶装置で確実に具体化されるコンピュータプログラム製品が含まれ得る。これらの技術を実施するプロセスは、入力データを演算処理して適切な出力を生成することによってプログラムの命令を実行して所望の機能を果たすプラグラム可能なプロセッサによって行うことができる。これらの技術は、プログラマブルシステムで実行可能である1つ以上のコンピュータプログラムで実施することができ、該プログラマブルシステムは、データ記憶システムに対してデータ、及び命令を送受信するように結合された少なくとも1つのプログラマブルプロセッサ、少なくとも1つの入力装置、及び少なくとも1つの出力装置を含む。各コンピュータプログラムは、高レベル手続きプログラミング言語、もしくはオブジェクト指向プログラミング言語で、又は必要に応じてアセンブリ言語、もしくは機械語で実施することができ；いずれの場合も、言語は、コンパイラ型言語、又はインタープリタ型言語とすることができる。適切なプロセッサには、例として、汎用マイクロプロセッサ、及び専用マイクロプロセッサの両方が含まれる。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリ、及び/又はランダム・アクセス・メモリから命令、及びデータを受け取る。コンピュータプログラム命令、及びデータを確実に具体化するのに適した記憶装置には、全ての形態の不揮発性メモリが含まれ、その中には、例として、半導体メモリデバイス、例えば、消去可能PROM（EPROM）、電気的消去可能PROM（EEPROM）、及びフラッシュ・メモリ・デバイス；磁気ディスク、例えば、内部ハード・ディスク、及び取り外し可能ディスク；光磁気ディスク；及びコンパクトディスク読み出し専用メモリ（CD-ROM）が含まれる。前述のいずれも、特別に設計された特定用途向け集積回路（ASIC）によって補完しても良いし、又は該ASICに組み込んでも良い。

様々な変更形態が可能であることを理解されたい。例えば、他の有用な実施態様は、開示された技術の工程を異なる順序で行った場合、及び/又は開示されたシステムの構成要素を異なる方式で組み合わせ、かつ/又は他の構成要素で置き換える、もしくは補完した場合に達成することができる。従って、他の実施態様は、添付の特許請求の範囲内である。

Claims (21)

1. 投影型静電容量式タッチ検出システムであって、
   コモン平板電極、
   パターン化静電容量タッチ検出電極であって、該コモン平板電極から離隔し、該コモン平板電極に対して平行に配向され、かつ隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極の対が、それらの間に静電容量が発生するように配置されており、一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量が、該コモン平板電極と該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極との間の距離の変化に基づいて変化する、該パターン化静電容量タッチ検出電極、
   該コモン平板電極と該パターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料、及び
   該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の変化を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の該検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定するように構成されている電子回路を備える、前記投影型静電容量式タッチ検出システム。
2. 前記パターン化静電容量タッチ検出電極が、一連の列電極、及び該列電極に直交するように配向された一連の行電極を備え、該一連の列電極、及び該一連の行電極が、隣接した行電極と列電極がそれらの間に静電容量が発生するように配置されており、特定の列電極と隣接した特定の行電極との間の静電容量が、前記コモン平板電極と該特定の列電極、及び該特定の行電極との間の距離の変化に基づいており、
   前記電子回路が、該特定の列電極と該特定の行電極との間の静電容量の変化を検出して、該特定の列電極と該特定の行電極との間の該検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定するように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
3. 前記電子回路が、前記特定の列電極と前記コモン平板電極との間の静電容量とは独立に、かつ前記特定の行電極と該コモン平板電極との間の静電容量とは独立に、該特定の列電極と該特定の行電極との間の静電容量を検出するように構成されている、請求項2記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
4. 前記一連の列電極、及び前記一連の行電極が、実質的に同一平面上にある、請求項2記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
5. 前記一連の列電極が、ダイヤモンドパターンを有し、かつ前記一連の行電極が、ダイヤモンドパターンを有し、該列電極、及び該行電極がそれぞれ、該列電極と該行電極が重ならない位置でダイヤモンド型パッドを有し、該ダイヤモンド型パッドが、該列電極と該行電極が重なる位置で比較的細い線によって連結されており、
   特定の列電極のダイヤモンド型パッドと隣接した特定の行電極のダイヤモンド型パッドとの間の静電容量が、前記コモン平板電極と該特定の列電極、及び該特定の行電極との間の距離の変化に基づいて変化し、
   前記電子回路が、該特定の列電極の該ダイヤモンド型パッドと該特定の行電極の該ダイヤモンド型パッドとの間の静電容量の変化を検出して、該特定の列電極の該ダイヤモンド型パッドと該特定の行電極の該ダイヤモンド型パッドとの間の該検出した静電容量の変化に基づいて入力を決定する、請求項2記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
6. 前記電子回路が、
   それぞれが前記列電極の1つに配置され、かつそれぞれが対応する列電極に励起電圧を印加するように構成されている送信機、
   それぞれが前記行電極の1つに位置され、かつそれぞれが該列電極に印加される励起電圧に基づいて対応する行電極に結合される電流を測定するように構成されている受信機、及び
   該列電極に順番に励起電圧を印加して一度に1つの列電極のみが印加されるように、該送信機を制御するように構成されているプロセッサを備え、
   該プロセッサが、特定の列電極に配置された該送信機が励起電圧を該特定の列電極に印加したときに特定の行電極に配置された該受信機によって測定された電流の変化を検出することによって、該特定の列電極と該特定の行電極との間の静電容量の変化を検出するように構成されている、請求項2記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
7. 前記電子回路が、前記一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の減少を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の該検出した静電容量の減少に基づいて入力を決定するように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
8. 前記電子回路が、前記一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の増加を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の該検出した静電容量の増加に基づいて入力を決定するように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
9. 前記コモン平板電極と前記パターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料が、エラストマーを含む、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
10. 前記コモン平板電極と前記パターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料が、流体を含む、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
11. 前記コモン平板電極と前記パターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料が、実質的に空気を含む、請求項10記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
12. 前記コモン平板電極と前記パターン化電極との間に配置された変形可能な誘電材料が、圧縮性誘電材料のシートを含む、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
13. 画像を表示するように構成され、かつ前記コモン平板電極、前記パターン化静電容量タッチ検出電極、及び前記変形可能な誘電材料の下側に配置されたディスプレイ装置をさらに備える、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
14. 前記コモン平板電極が、透明導電材料から形成され、前記パターン化静電容量タッチ検出電極が、該透明導電材料から形成され、前記ディスプレイ装置によって表示される画像が、該コモン平板電極、該パターン化静電容量タッチ検出電極、及び前記変形可能な誘電材料を介して知覚可能となるように、該変形可能な誘電材料が、該透明導電材料の屈折率に一致する屈折率を有する、請求項13記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
15. 前記電子回路が、前記決定された入力の位置を決定して、該決定された入力の位置を前記ディスプレイ装置によって表示される画像にマッピングし、該ディスプレイ装置によって表示される画像に対する該決定された入力の位置のマッピングに基づいてアプリケーションを制御するように構成されている、請求項14記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
16. 前記電子回路が、前記一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の検出された静電容量の変化に基づいてタッチ入力を決定するように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
17. 前記電子回路が、前記一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量の変化量を検出して、該一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の該静電容量の変化量に基づいて加えられた力の量を決定するように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
18. 前記コモン平板電極が配置された第1の基板、及び
    前記パターン化静電容量タッチ検出電極が配置された第2の基板を備え、該第1の基板と該第2の基板が、該コモン平板電極が該パターン化静電容量タッチ検出電極に面するように配向され、かつタッチ入力に応答して該コモン平板電極と該パターン化静電容量タッチ検出電極との間の相対運動を可能にするように構成されている、請求項1記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
19. 前記第1の基板が比較的柔軟であり、前記第2の基板が比較的硬質である、請求項18記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
20. 前記第1の基板が、タッチ入力を受け取る表面を備え、かつ該タッチ入力によって加えられる力に応答して曲がり、それにより、前記コモン平板電極が、該タッチ入力の接触点の近傍において、前記パターン化静電容量タッチ検出電極に近づくように構成されている、請求項19記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。
21. 前記第1の基板が、電界を前記タッチ検出システムの外部から遮断して、前記一対の隣接したパターン化静電容量タッチ検出電極間の静電容量に影響を与えないようにする、請求項20記載の投影型静電容量式タッチ検出システム。

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