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JP2007018515A - 二次元位置センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 コンパクトで安価な駆動回路を有する容量型タッチセンサを提供する。
【解決手段】 第１方向と第２方向に沿って物体の位置を決定するための容量型位置センサが述べられている。このセンサは、電極が一表面上に配置された基板を備えている。電極は、検出領域を形成するための列と行の中に配置された検出セルの配列を規定するように配置されている。検出セルのそれぞれは列検出電極と行検出電極を含み、同じ列内の検出セルの列検出電極は互いに電気的に接続され、同じ行内の検出セルの行検出セルも互いに電気的に接続されている。行の少なくとも一つの両端の検出セルの行検出電極は、検出領域の外側に作られた電気結線によって互いに接続されているので、電気結線が検出領域内を横切る必要がなく、従って、基板の片側だけに電極がある検出領域を有する容量型位置センサを提供することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、二次元検出領域内の物体の位置を決定するための容量型位置センサに関する。
二次元タッチセンシティブ位置センサの使用がますます一般的になっている。例としては、ユーザー入力を受けて器具を制御するための制御パネルとしての、または、特に、Ｘ−Ｙ座標出力を有するガラスタッチスクリーン装置としての、マウスポインティング装置の代わりの、ラップトップコンピュータにおける位置センサの使用がある。いくつかの用途は、ディスプレイをスクリーンの下に見ることができるように透明な検出層を必要とするが、その他の用途は、例えば、台所器具またはＰＣ周辺装置のキーパネルのための不透明なタッチ面だけを必要とする。
タッチセンシティブ位置センサはしばしば、機械装置よりも好ましい。なぜなら、より丈夫なインターフェースを提供し、より美的満足を与えるとしばしば考えられているからである。また、タッチセンシティブ位置センサは、ユーザーにとってアクセス可能な可動部を必要としないので、機械的な同等物よりも磨耗しにくい傾向があり、シールされた外表面内に設けることができる。このことは、制御される装置に埃または液体が入る危険性のある所では、その使用を特に魅力的なものにする。
２Ｄタッチパネルおよびスクリーンを含む多数の技術がある。これらは一般に二つの類型に分けることができる。一つは、ほぼ連続なＸ−Ｙ座標を伝えるもの（「ＸＹ」型）であり、もう一つは、物理的配置によって固定された予め定義されたキー領域を有する離散検出表面を有するもの（「離散」型）である。ＸＹ型はＬＣＤまたは他のディスプレイの上で主に使用され、後者は固定機能キーパネルの中で使用される。これには例外がある。例えば、ラップトップ上のタッチパッド表面はＸＹ位置を伝えるが不透明である。ＸＹ型はいつも、タッチ領域のユーザー側検出表面または「第1 表面」を含んでいる。例えば、連続抵抗タッチスクリーンおよび連続容量タッチスクリーンは両方とも、ユーザーによって物理的に押されるか、ほとんど直接、または、（マウスタッチパッドにおけるような）せいぜい薄い絶縁層を通じてタッチされなければならない検出層を含んでいる。この型は、製品が、検出層とのユーザーの直接なまたはほぼ直接な接触を可能にするベゼル開口部を有することを必要とする。この型の重大な欠点は、パネルの中に開口部がなければならないことであり、このことは湿気および埃に対するシーリングを必要とし、従って、取り付けに費用がかかる。また、検出層が乱暴な扱いに直接曝され、鋭利な物体または磨耗によって傷つけられ易い。ガラス層の内側に埋め込みワイヤーを有する丈夫な容量型が知られている（例えば、特許文献１）が、依然としてシールされなければならないパネル内のベゼル開口部を必要とし、Ｘ導体およびＹ導体と交差する必要性のためにマトリックスとしての二つの検出層を必要とする。また、これらのスクリーンは製造するのに大変費用がかかり、実際に大規模に製造することができず、更に、検出回路は複雑で高価であることが知られている。
離散タッチボタンの分野においては、ベゼル開口部を必要としないソリッド表面の後ろに容量型キーを置くことができることが以前から知られている。しかしながら、この型は、離散電極形状の配置によって予め定義されるような限定された解像度を提供するだけである。この例は、特許文献２、図４、および図６の中に見いだすことができる。これらの電極は、インジウム酸化錫（ＩＴＯ）などの透明導体の単一層で作ることができて、例えば、その層をパネルの小区分の裏の膜に適用することよって、ベゼルなしディスプレイの
上に置くことができるが、それにもかかわらず、この技術は、離散電極の数、大きさ、および配置に基づく離散タッチ領域に限定される。
図1 は、特許文献２の中に述べられているが、直交配列に並べられたこの型のタッチパッド２の概略平面図である。このタッチパッド２は、絶縁基板６の上に取り付けられた離散電極４のグリッドを備えている。各電極は、コントローラ８の中の静電容量測定回路チャンネルに接続されている。特許文献３は、その図１に関連してついでにこの配置を述べていて、そのような配列をどのように使って、各パッドからの信号の重心を決定する方法によって検出層に近接した物体の位置を決定することができるかを示している。しかしながら、特許文献３は、そのようなデザインを実行する方法を示しておらず、代わりに、導体マトリックスを連続Ｘ−Ｙ位置の重心計算と共に述べている。実際に、センスパッド毎に一つといったような多くの検出チャンネルを有することは実際的ではなく、マトリックス配置が以下に述べるように一層効率的である。
図２は、特許文献３の中で述べられた導体マトリックスに基づく位置センサ１２を概略的に示している。位置センサ１２は、絶縁基板１６の上面に取り付けられたいくつかの垂直に並べられた帯状電極（列）１４と、この絶縁基板の反対下面に取り付けられたいくつかの水平に並べられた帯状電極（行）１５を備えている。各垂直帯状電極はコントローラ８の中の静電容量測定回路チャンネルに接続されている。従って、この型の位置センサは、離散パッドの間よりもむしろ行と列の間の容量重心の計算によって、連続的なＸ−Ｙ座標出力を可能にしている。しかしながら、この型は、マトリックスパターンが経由されうるように二つの検出層を必要とし、光学的に透明な材料を使用することができない。
米国特許第５，８４４，５０６号公報 米国特許第４，９５４，８２３号公報 米国特許第５，４６３，３８８号公報
理想的なタッチ表面は、ベゼル開口部の必要性をなくし（少なくともそれをオプションにし）、ほどほどの厚みのパネル材料（例えば、最大４ｍｍのガラスまたはプラスチック）を通って投影可能なパネル表面の背部に塗布された安価な検出表面を有し、オプションとして検出領域内の交差のない唯一つの検出層を必要とし、ＩＴＯなどの透明検出層と共に使用可能であり、ＸＹ型の出力を有し、コンパクトで安価な駆動回路を有する。この理想目標一式はどんな既知の従来技術によっても達成されなかった。
本発明の第１側面によれば、検出領域内の物体の位置を決定するための容量型位置センサであって、電極がその上に配置された表面を有する基板を備え、前記電極は前記検出領域を形成するように列と行に配置された検出セルの配列を規定し、各検出セルは列検出電極と行検出電極を含み、同じ列の中の検出セルの列検出電極は互いに電気的に接続され、同じ行の中の検出セルの行検出電極は互いに電気的に接続され、前記行の少なくとも一つの両端の検出セルの行検出電極は、前記検出領域の外側に作られたそれぞれの行回り込み結線によって互いに電気的に接続された容量型位置センサが提供される。
このように、基板の一つの層だけの上に電極を有する位置センサを提供することができる。また、前記位置センサは検出電極の行と列の交差配列（即ち、マトリックス）を採用しているので、離散電極配列に基づくセンサよりも測定チャンネルが少なくてよい。
前記位置センサは一表面上だけにある検出電極に基づいているので、既知の両側位置センサよりも安価に製造することができる。このことはまた、検出電極を、反対表面がアク
セスできない表面（例えば、ディスプレイスクリーン）上に直接堆積することができることを意味する。検出電極を装置筐体の内面に堆積させることもできるので、電極が外表面上にあることも要求されるならば必要とされる保護カバーの必要性をなくすことができる。
前記行回りこみ結線は基板上に堆積された導電パターンからなることができる。これにより、検出領域の外側の結線をその中の検出電極と同じステップで作ることができる。あるいは、前記行回りこみ結線はそれぞれの行検出電極に適宜接続されたフリーワイヤーによって作ることができる。
前記検出領域の端の検出セル列の列検出電極は、同様の方法で前記検出領域の外側に作られた列回り込み結線によって互いに電気的に接続することができる。
前記位置センサは、行検出電極の行と列検出電極の列のそれぞれ一つに接続された複数の静電容量測定チャンネルであって、各測定チャンネルがそれに関する検出電極列または検出電極行とシステムグラウンドとの間の静電容量を示す信号を生成するように動作可能である複数の静電容量測定チャンネルを更に備えることができる。
また、前記位置センサは、物体の位置を、列検出電極の列からの信号を比較することによって第１方向に沿って、行検出電極の行からの信号を比較することによって第２方向に沿って、決定するように動作可能なプロセッサを更に備えることができる。
これにより、検出素子に接続された別の従来回路を使って、タッチの位置を決定することができる。
前記静電容量測定チャンネルは電荷転送回路からなることができる。なぜなら、これは一般的な実施において予想することができるレベルの静電容量を測定するための信頼性の高い力強い方法を提供するからである。しかしながら、他の形態の静電容量測定回路を同様に使用することができる。一般には、隣接した行と列に電界が交差してかかるのを防ぐようにほぼ位相同期の方法ですべての行と列の結線を駆動する容量型駆動回路を使用するのが好ましい。これはＵＳ５，４６３，３８８［３］にも述べられており、そこでは、すべての行導体と列導体が一つの発振器によって駆動される。
前記検出セルは３列または４列に配置することができる。これにより、ほとんどの用途に対して一般的な大きさの検出領域を通じて十分な解像度を有する位置センサを提供することができる。
各検出セルの中の列検出電極と行検出電極は、（例えば、互いの回りにらせん状を描くか、絡み合わされることによって）互いに挟むことができ、特に、行と列の間隔が一般的な指のそれよりも大きいデザインにおいてはそうである。これにより、各交差場所におけるＸドライブとＹドライブからの信号の更にもっと一様な混合が行われ、上を覆う表面をタッチする指に関するより良好な位置伝達を可能にする。これは、ＵＳ５，４６３，３８８［３］、例えば図２にも述べられている。行と列の間隔が人間の指と同じか小さいレイアウトにおいては、電極パターンの他の配置、例えば、図８に示され以下にも述べられるようなダイヤモンド形状の配列を使用することが十分である。
前記位置センサは、透明な基板と（例えば、この基板の上に堆積されたインジウム酸化錫（ＩＴＯ）から形成された）透明な電極を含むことができる。これにより、下に表示されるものを見えなくすることなく、それをディスプレイスクリーンの上に置くことができる。従って、ディスプレイスクリーンは、前記位置センサに近接したディスプレイの適当な部分の上にユーザーが指を置くことによって選択することができる「バーチャル」ボタンをユーザーに表示するように構成することができる。その場合、ユーザーのタッチの位
置を、表示されている「バーチャル」ボタンの位置と比較して、どの一つが選択されたかを決定することができる。
本発明の第２側面によれば、本発明の第１側面による位置センサを備えた装置が提供される。前記位置センサは多くの種類の装置において使用することができる。例えば、装置は、例えば、ディスプレイの表面を覆う位置センサを有する、携帯／手持ち型装置、例えば、パーソナルデータアシスタント（ＰＤＡ）、マルチメディアプレーヤ、モバイル（セル）電話、再構成可能遠隔制御器、またはスチールカメラ或いはビデオカメラとすることができる。あるいは、前記位置センサは、台所器具、キオスク、または同様のものといった大規模装置において同様に使用することができる。ＰＣ型トラックパッド、キーパッド、およびこの技術において周知の他のヒューマンインターフェース装置における使用のために不透明型を作ることができる。
本発明の第３側面によれば、基板上に配置された容量的に高感度な表面であって、能動検出領域内の物体のＸ−Ｙ座標位置を該物体が該表面に近接しているときに伝える表面を作る方法において、（ａ）パターン化された導電材料の単一層を前記能動検出領域内に堆積するステップであって、前記パターンは容量検出チャンネルの個々の一つに接続された電極の行と列からなり、少なくとも一つの行または列は前記能動領域内で複数の部分に破断されるステップと、（ｂ）前記破断部分を電気導体で互いに接続するステップであって、前記導体は前記能動検出領域の外側にあるように作られるステップと、（ｃ）前記行と列を、前記行と列についての静電容量の大きさを表す複数の出力を有するマルチチャンネル容量センサ回路の個々の検出チャンネルに接続するステップと、（ｄ）前記複数の出力を処理して前記近接物体の座標位置をＸＹ場所として決定するように動作可能なプロセッサを設けるステップを備えた方法が提供される。
前記プロセッサは前記パターン化された導電材料の物理的配置によってもたらされる位置歪みを補償するように動作可能であることができる。
前記プロセッサは行全体に渡る信号の重心と列全体に渡る信号の重心を計算するように動作可能であることもできる。
本発明の第４側面によれば、検出領域内の物体の位置を決定するための容量型位置センサであって、導電性電極がその上に配置された表面を有する基板を備え、前記電極は前記検出領域を形成するように列と行に配置された検出セルの配列を規定し、各検出セルは列検出電極と行検出電極を含み、同じ列の中の検出セルの列検出電極は互いに電気的に接続され、同じ行の中の検出セルの行検出電極は互いに電気的に接続され、少なくとも一つの列検出電極は前記検出領域内の連続脊柱を備え、少なくとも一つの他の列検出電極は前記検出領域の外側の結線を介して電気的につながれた容量型位置センサが提供される。
本発明のより良い理解のためと、本発明を実施することができる方法を示すために、例として添付図面が参照される。
図３は、本発明の一実施態様に従う二次元タッチセンシティブ容量型位置センサ２２の概略平面図である。位置センサ２２は、第１（ｘ）方向と第２（ｙ）方向に沿って物体の位置を決定するように動作可能であり、その向きは図面の上左に向かって示されている。センサ２２は、検出電極２６がその上に配置された基板２４を備えている。検出電極２６は、センサに近接した物体（例えば、指またはタッチペン）の位置を決定することができる検出領域を規定する。基板２４は透明プラスチック材料のものであり、電極は、従来技術を使って基板２４上に堆積されたインジウム酸化錫（ＩＴＯ）の透明膜から形成されている。従って、センサの検出領域は透明であり、検出領域の後ろに何が表示されているか
を見えなくすることなくディスプレイスクリーンの上に置くことができる。他の例においては、位置センサはディスプレイの上に置かれるようになっていなくてもよく、透明でなくてもよい。これらの場合においては、ＩＴＯ層は、例えば銅積層ＰＣＢなどのより経済的な材料で置き換えることができる。
基板２４上の検出電極のパターンは、検出領域を行と列に配置された検出セル２８の配列（グリッド）に分割するようになっている。（用語「行」と「列」は二つの方向を便利に区別するためにここで使用されており、垂直方向または水平方向のいずれかを示すものと解釈されるべきではないことに注意）。一例として、検出セル２８の一つが図３の中で点線によって識別されている。この位置センサの中には、ｙ方向に並べられた４列の検出セルと、ｘ方向に並べられた５行の検出セル（合計２０検出セル）がある。図３に示された向きに対する検出セルの最上行は行ｙ１と呼ばれ、次の一つ下の行は行ｙ２と呼ばれ、以下、行ｙ５まで下る。検出セルの列は同様に左から右へ列ｘ１〜列ｘ４と呼ばれる。従って、図３の中で点線で示された検出セル２８は行ｙ１と列ｘ３の交点にある。
各検出セルは行検出電極３０と列検出電極３２を含んでいる。行検出電極３０と列検出電極は、（この場合においては、互いを囲む方形渦巻きによって）互いを挟むように各検出セル内に配置されているが、電気的に接続されていない。行検出電極と列検出電極は挟まれている（からまっている）ので、任意の検出セルに近接した物体は、物体が検出セル内のどこに置かれているかに関係なく、両検出電極に相当な容量結合を与えることができる。交互配置の固有スケールは、最善結果を与えるように検出されるべき典型的な物体の容量性底面積とほぼ同じかそれより小さくすることができる。検出セル２８の大きさと形は、検出されるべき物体とほぼ同等であるか、（実際的な制限の範囲内で）それよりも大きくあることができる。
同じ行のすべての検出セルの行検出電極３０は、互いに電気的に接続されていて、行検出電極の５つの別個の行を形成している。同様に、同じ列のすべての検出セルの列検出電極３２は、互いに電気的に接続されていて、列検出電極の４つの別個の列を形成している。
列ｘ２内の列検出電極は結線５１によって互いに接続されている。この結線５１は脊柱とも呼ばれ、基板上に堆積された電極の一つの一部によって検出領域内に作られており、列ｘ２と列ｘ３の間を通っている。この結線は検出領域の長さだけある。このように、基板２４上に堆積された単一連続容量性電極が、列ｘ２内のすべての検出セルの列検出電極３２を提供すると共にそれらを相互接続している。列ｘ３内の列検出電極は同様に、検出領域内に作られた結線５３によって互いに接続され、この結線５３も脊柱として列ｘ２とｘ３の間を通っている。このように、また、基板２４上に堆積された単一連続容量性電極が、列ｘ３内のすべての検出セルの列検出電極３２を提供すると共にそれらを相互接続している。
行ｙ２の列ｘ１とｘ２内の行検出電極もまた検出領域内に作られた結線によって互いに接続されている。このように、基板２４上に堆積された単一連続容量性電極３４が、行ｙ２の列ｘ１とｘ２内のすべての検出セルの行検出電極を提供すると共にそれらを相互接続している。行ｙ２の列ｘ３とｘ４内の検出セルの行検出電極は同様に、検出領域内に作られた結線によって互いに接続されていて、単一連続電極３６がまた行検出電極を提供すると共にそれらを相互接続している。しかしながら、列ｘ２とｘ３の間を通ってそれらのそれぞれの列検出電極の間を接続する基板上結線（脊柱）のために、行ｙ２の列ｘ１とｘ２内の列検出電極を、基板の表面上に作られた結線によって、行ｙ２の列ｘ３とｘ４内の行検出電極に接続することができない。従って、この行の両端にある（即ち、列ｘ１とｘ４内の）行検出電極の間の結線３８が検出領域の外側に設けられている。結線３８は検出領
域の外側を回って、行ｙ２の列ｘ１とｘ２内の行検出電極を提供する電極３４を、行ｙ２の列ｘ３とｘ４内の行検出電極を提供する電極３６と接続している。このように、この行内のすべての行検出電極は互いに電気的に接続されている。検出領域の外側の同様の回り込み結線が、他の行のそれぞれの行検出電極を互いに接続するようにするために作られている。注目すべきは、一例が図３に示されているが、列ｘ２とｘ３の列検出電極の間を接続する脊柱は検出領域の最端まで延びる必要がなく、検出領域の上端に沿って走る結線を使用して行ｙ１内の行検出電極の間を接続することができる（図示せず）ために、行ｙ１の両端にある行検出電極の間の検出領域の外側の結線は必要ではないことである。
列ｘ１内の各列検出電極は基板上の別々の電極から形成されている。これらの別々の電極は、検出領域の外部（即ち、外側）に作られた結線４０によって互いに接続されている。列ｘ４内の列検出電極は、列ｘ１と同様な方法で、結線４１によって互いに接続されている。このように、外側の２列を検出領域内で不連続にして、行電極によるセル内へのアクセスを可能にすることができるが、それにも関わらずそれらの列はひとまとまりに作られる。
この例において、それぞれの行の両端の検出セルの中の行検出電極の間の検出領域の外側に作られた種々の結線と、検出領域の周囲の列の中の列検出電極の間の検出領域の外側に作られた種々の結線は、従来技術を用いて適宜検出領域の電極に取り付けられたフリーワイヤーから形成される。結線がフリーワイヤーによって作られているので、何の困難もなく、検出領域の外側に作られた結線を所定位置において互いに交差させることができる。別のデザインにおいては、検出領域の外側に作られる結線は、検出領域を形成する電極と同様の基板上の導電パターンによって与えられることができる。このことは有益でありうる。なぜなら、検出領域を形成する電極と検出領域の外側に結線を作る電気パターンとを一つの処理ステップで製造できるためである。従来の電気ジャンパーを検出領域の外側の結線が互いに交差する場所で使用することができる。更にもう一つの別の更に好ましいデザインにおいては、いくつかの取り付けノードを接続する検出領域を形成する電極と同様の基板上の導電パターンの組合せによって配線が行われ、その上、これらの導体の上に誘電絶縁体が堆積され、その上、接合される必要のあるすべての残りのノードを互いに接続するために前記誘電絶縁体の上に導電インク（例えば、銀インク）がパターン化される。これにより、離散ジャンパーの必要がない、周知の処理ステップだけを必要とする低コストの薄い平らな表面が作られる。
行と列の数は図３に示すようにそれぞれ５と４である必要がないことは明らかであり、種々の配置に適合するように他の数の行と列を用いることができる。また、行と列は方形セル２８を生じさせる同一基本寸法のものであるように示されているが、長方形セル２８を生じる不一致寸法のものであるか、さらに、不統一寸法のものであることができるか、または台形などの他の形状であることもできる。また、セル２８の領域が交互配置される場合においては、それらは図示されたような交互配置の角パターンを必要とせず、交互配置を円、渦巻き、または他の形状にして同じ一般的な効果を達成することができる。
位置センサ２２は更に、行検出電極の行と列検出電極の列のそれぞれ一つに接続された一連の静電容量測定チャンネル４２を備えている。各測定チャンネルは、検出電極の関連列または行とシステムグラウンドとの間の静電容量の値を示す信号を発生するように動作可能である。静電容量測定チャンネル４２は、行検出電極の行に接続された一つのバンク（ｙ１からｙ５と表示された測定チャンネル）と、列検出電極の列に接続された一つのバンク（ｘ１からｘ４と表示された測定チャンネル）の二つの別個のバンクとして図３に示されている。しかしながら、実際には、すべての測定チャンネル回路は、プログラム可能集積回路または特定用途向け集積回路などの単一ユニットの中に設けられる可能性が最も高い。また、９個の別個の測定チャンネルが図３に示されているけれども、この静電容量
測定チャンネルは適切な多重化で単一の静電容量測定チャンネルによって同様に提供されうるが、これは好ましい動作モードではない。同様に、特許文献３の中で述べられた種類の回路または同様のものを使用することができ、これは、走査型多重化装置を用いながら、同時に一つの発振器によってすべての行と列を駆動して、表面を覆う基板を通じて一組の層状検出電界を伝達する。検出チャンネル４２は、ＵＳ５，７３０，１６５［４］またはＵＳ６，４６６，０３６［５］の中で述べられた形式の複数の同相電荷転送センサであるのが好ましい。位相同期方法でそのような検出回路の一つを複数個駆動することによって、望ましい層状電界流が得られる。
更に注目すべきは、基板が電界を更に混合する有益な機能を備えているので、ＸラインとＹラインからの電界がセル２８上でより良く混ぜられるのみならず、検出勾配が隣接セル２８間に生じることである。これは、たとえセル２８の面積が作動物体よりも広いとしても、Ｘ寸法とＹ寸法の両方における補間位置を提供するための能力を生じる。パネルの厚みが大きいほど、良い混合性能、従ってより良い位置補間能力が得られることに注目すべきである。
測定チャンネル４２によって測定された静電容量値を示す信号は処理回路４４へ供給される。処理回路は、位置センサに近接した物体によって検出領域に加えられる容量性負荷の補間位置を決定するように構成されている。Ｘ方向に沿った容量性負荷の補間位置は、列検出電極の列に関する静電容量測定チャンネルからの信号から決定され、Ｙ方向に沿った容量性負荷の補間位置は、行検出電極の行に関する静電容量測定チャンネルからの信号から決定される。Ｘ方向とＹ方向に沿った物体の位置が決定されると、その位置はホストコントローラ４６へ伝えられるので、ホストコントローラ４６は適当な動作を行うことができる。
図４は、図３に示す位置センサ２２を含む装置５０の概略透視図である。この例における装置は、装置制御電子回路（図示せず）を含む筐体５２と液晶ディスプレイスクリーン５４を備えた手持ち型マルチメディアプレーヤである。種々のテキスト行がディスプレイスクリーン上に見られ、例えば、装置のためのコマンドメニューを表している。位置センサの検出領域はディスプレイスクリーン５４の表面を覆っており、種々の列検出電極と行検出電極の間の電気結線が、筐体５２内の目に見えない検出領域の外側に作られている。電極層は完全に筐体の内側にあり、カバープラスチックの下にあって、エンクロージャの内側に塗布された膜層である。これにより、開口部を持たない、従ってベゼルを必要としない制御表面が設けられる。外部ノード結線を有する透明ＩＴＯの単一層の使用により、高い透明度と低コストが得られる。ユーザーは適当な場所を指し示すことによって、スクリーン５４上に表示されたコマンドメニューから選択することができる。位置センサはタッチの場所を装置コントローラに伝え、装置コントローラはその結果どのコマンドが実行されるべきかを決定する。これはタッチの位置を現在表示されているメニュー項目の位置と比較することによってなされる。
また図４には、位置センサ２２に近接していてディスプレイスクリーン５４の上にある点Ｐに置かれた指５６が示されている。位置センサ２２の近くの指５６の存在は、検出領域内の指の位置に応じて、検出電極の行と列のそれぞれの静電容量にさまざまに影響を及ぼす。このように、処理回路４４は、それぞれの静電容量測定チャンネルによって与えられる信号からタッチの位置を決定することができる。
図５Ａと５Ｂは、指５６が図４に示された位置にある場合に、位置センサ２２のための静電容量測定チャンネル４２によって生成される信号を概略的に示すグラフである。図５Ａは、列検出電極の列（ｘ１〜ｘ４）のそれぞれ一つからの信号Ｃｘを示す。垂直な点線は列のそれぞれの境界を概略的に表している。図５Ｂは、行検出電極の列（ｙ１〜ｙ５）
のそれぞれ一つからの信号Ｃｙを示し、垂直な点線は行のそれぞれの境界を表している。静電容量測定チャンネルによって与えられる信号は従来技術に従って処理されている。例えば、暗静電容量除去、タッチ閾値検出、正規化、およびフィルタリングが望み通りに行われている。
指５６の存在が列ｘ２に対するシステムグラウンドへの容量結合の最大増加を与える（即ち、列ｘ２が最大信号値を示す）ことが図５から明らかである。このことは、指５６によって加えられた容量性負荷の補間または重心に対応する点Ｐが列ｘ２内にあることを意味する。また、列ｘ３に対するシステムグラウンドへの容量結合の増加は、列ｘ１に対するそれよりも大きい。このことは、点Ｐが列ｘ１よりも列ｘ３に近いことを意味する。従って、ｘ方向に沿った点Ｐの位置の決定は、列検出電極のさまざまな列からの信号を比較することによって、特に、信号値の補間または重心を決定することによってなされる。これは従来の処理技術を使って行うことができる。この場合において、図５Ａに示す信号の分布の補間または重心は、位置Ｘｐにあると決定される。列が単位幅のものであると仮定し、列ｘ１の左境界がｘ＝０にあるとすると、点Ｐは、矢印によって図５Ａの中に示されたように、約ｘ＝１．８単位のｘ方向に沿った位置にある。同様の解析が行検出電極の行からの信号に対してなされる。行が単位幅のものであると仮定し、行ｙ１の最上境界がｙ＝０にあるとすると、点Ｐは、同様に矢印によって示されたように、約ｙ＝２．８単位のｙ方向に沿った位置Ｙｐにある。従って、指の位置Ｐは（ｘ，ｙ）＝（１．８，２．８）にあると決定される。注目すべきは、隣接列／行に対する指のさまざまな容量結合によって与えられる固有補間が、指によって加えられる容量性負荷の重心または補間を意味する（即ち、考えられるタッチ位置を検出セルの特性寸法よりも良い解像度で決定することができる）ことである。
本発明のいくつかの実施態様に従う位置センサからの伝達ＸＹ位置は、セルの大きさ、配置、および形状に応じて歪むことがありうる。しかしながら、このことは、メニューボタン使用または他の形態の入力に対して実用上はほとんどどんな実影響もない。なぜなら、伝達位置を、例えば、ルックアップテーブルによって、容易に修正することができるか、メニューボタンの座標を、どんな歪みに対しても単に補償することができるためである。セルの大きさによって生じるＸＹ歪みは、それがパターン自身に関連した物理現象であるので、一つのユニットから次のユニットへ繰り返される。
例えば、図９は、検出セル２８の５ｘ４配列を有する図３の型のキーパッドまたはタッチスクリーンを示し、対角線９１が左上から右下へ表面全体に渡って引かれている。実際の伝達位置はそうでなくて実線９３どおりとすることができる。伝達線９３は修正アルゴリズムまたはルックアップテーブルを使ってＸとＹを容易に修正することができるので、最終の伝達位置は理想線９１に適切に沿うように修正される。あるいは、位置センサ２２の検出領域の中にマッピングされたキーを逆に歪ませて、図１０に示すように、伝達歪みを補償することができる。ここでは、物理的に望ましいキー輪郭１０１と１０２が、伝達形状１０３と１０４に歪まされている。伝達Ｘ−Ｙデータを訂正しようとするよりもむしろ、キー認識のためのキー輪郭を図示と同じ伝達輪郭形状１０３および１０４に歪ませえることができる。これがなされるならば、伝達キーを望ましい形状１０１と１０２と同じにすることができる。
図６は、コマンドメニューを表示する図４に示す装置５０のディスプレイスクリーン５４の概略平面図である。ユーザーに表示されるコマンドメニューは、０から９までの数字がその中に表示された一連のボックス輪郭と、単語「ＥＮＴＥＲ］を含むボックス輪郭と、シェーディングで部分的に満たされ、演奏される音楽の音量を最大音量の分数として表すその隣にマークされた目盛りを有するボックスのボックス輪郭を含んでいる。また、ディスプレイ５４の上には、点線で囲まれ、いくつかの以前に入力されたコマンドを示す領
域が示されている。ディスプレイスクリーンの表面を覆う位置検出に関する検出電極のパターンもまた図６に示されているが、位置センサは透明であって実際には目にみえないことは明らかである。検出層とそれに関する電子回路がＸ−Ｙ位置を伝えることができるので、ボタンの位置は、それがなんらかのアナログタッチスクリーン入力装置と共にあるとき、自由にきめられる。従って、メニューボタン、スライダー、ホイール、ジェスチャー認識、文字認識などのどんな既知のインターフェーススキームもスクリーンの表面上に配置することができる。また、これらのスキームはセルにそろえる必要はなく、表面上に自由に配置することができる。
図７は、本発明のもう一つの実施態様に従う二次元容量型位置センサ７２の概略平面図である。この位置センサも検出セル行は（ｙ１からｙ５までの）５行であるが、検出セル列は（ｘ１からｘ３までの）３列だけである。列Ｘ２は検出領域内の連続脊柱７３を形成しており、検出領域の外で行を互いに接続する（図３に示す相応の番号が付された結線と同様の）結線３８が示されており、（図３に示す相応の番号が付された結線と同様の）結線４０，４１が外側の列を検出領域の外でつないでいる。この位置センサは合計１５個の検出セルを有している。このことは、それが図３に示す位置センサ２２と同じ大きさの検出面積を有するものとするならば、一般的にそのセンサよりも小さいｘ方向に沿った位置解像度を有することを意味する。あるいは、それが図３に示すセンサよりも小さい検出面積を有するならば、同じ（またはより良い）位置解像度を有することができる。図７に示す位置センサ７２の動作は、その点を除けば、図３の位置センサ２２と同様であり、その位置センサから理解される。
図８は、本発明のもう一つの実施態様に従う二次元容量型位置センサ８２の概略平面図である。この位置センサは５行と３列の検出セルを有している。第１検出セル８４と第２検出セル８６が点線輪郭によって識別されている。この例においては、各検出セルの行検出電極と列検出電極は互いの回りにらせん状になっていない。列ｘ２内の検出セル（例えば、検出セル８４）においては、列検出電極が脊柱として検出セルを連続して通過しており、行検出電極は列検出電極の両側の二つの導電領域からなっている。検出領域の端の列内の検出セル（即ち、列ｘ１とｘ３、例えば、検出セル８６）においては、行検出電極が検出セルを連続的して通過しており、列検出電極は行検出電極の両側の二つの導電領域からなっている。図８に示す位置センサ８２の動作は、その点を除けば、図３と図７の位置センサ２２、７２と同様であり、それらの位置センサから理解される。図８の検出セルもまた、最小限度のやり方とはいえ、交互配置されていると考えることができることは明らかである。このことは、ダイヤモンドまたは密接にからまったパターン以外の他の基本的な形状も可能であることを示している。重要な側面は、セルの中に行電極の一部分と列電極の一部分が存在することである。
任意の位置センサにおける検出領域の大きさは、その実施による。例えば、図４に示される種類の手持ち型移動装置においては、約４ｃｍ（ｘ方向）ｘ５ｃｍ（ｙ方向）の検出領域が適切かも知れない。これは約１ｃｍ２の検出セルを与える。これは指先の一般的な大きさに匹敵し、ユーザーの指の位置を検出するために使用される場合に、各セル内の行検出電極と列検出電極の両方に対する良好な容量結合があることを確実なものにすることができる。しかしながら、より大きいまたはより小さい領域を同様に採用することができる。列と行が同じ幅を有する必要性もないが、もしそれらが異なるならば、位置解像度が二方向で異なることを意味する。
また、使用できる行数に制限はないが、それでも検出領域内に単一の検出電極層（即ち、基板の片側の上だけの検出電極）を有する検出領域が設けられる。図３、図７、および図８に示すパターンを、ｙにおいて単純に繰り返すことができ、対応追加静電容量測定チャンネルが、行検出電極の追加行に対して設けられる。しかしながら、基板の片側だけに
検出電極を有する位置センサに対して４より多い行と４より多い列の両方を有することは可能ではない。
位置センサは、検出領域の端にない列内の列検出電極の間を接続するために検出領域内に連続脊柱を有する必要がないことも明らかである。例えば、図３の列ｘ２とｘ３に関する脊柱をその長さに沿ったある点で破断し、破断箇所の上下の列検出電極のそれぞれのグループの間の検出領域の外側に結線を作ることができる。例えば、脊柱を行ｙ２とｙ３の間で破断して、これらの行の列ｘ１とｘ２内の行検出電極を、脊柱内の破断箇所を通って検出領域内に作られた結線によって、列ｘ３とｘ４内の行検出電極に接続することができる。その場合、これらの行に対して検出領域の外側に作られた結線を必要としないが、検出領域の外側の結線は列ｘ２とｘ３に対して必要である。
本発明を具現する位置センサはさまざまな追加特徴を含むことができることは明らかである。例えば、いくつかの用途においては、「目覚め」機能を有することが望ましく、それによって、装置全体が「眠る」か、何らかの静止またはバックグラウンド状態になる。そのような場合において、ある距離だけ離れた人体部分のほんの近くからの目覚まし信号を有することがしばしば望ましい。この素子は、ユニットがバックグラウンド状態にある間、位置の場所に関係なく一つの大容量電極として駆動されることができる。この状態の間、電子ドライバーロジックは、２Ｄ座標として処理するのに必ずしも十分ではないが、物体または人体が近くにあることを決定するのに十分な、非常に小さな信号変化を探す。電子回路はそれからシステム全体を「目覚め」させ、前記素子が再び本来の位置センサとなるように駆動される。
最後に、注目すべきは、用語「タッチ」が上記説明の中でしばしば用いられているが、上記種類の位置センサは十分に敏感であることができるので、物理的接触を必要とすることなく、近接した指（または、タッチペンなどの他の物体）の場所を示すことができることである。従って、本書において使用される用語「タッチ」は、それ相応に解釈されるべきである。

参考文献
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［５］ ＵＳ６，４６６，０３６（フィリップ（Ｐｈｉｌｉｐｐ））
公知の二次元容量型位置センサの概略を示す平面図。 もう一つの既知の二次元容量型位置センサの概略平面図。 本発明の一実施態様に従う二次元容量型位置センサの概略を示す平面図。 図３の位置センサを含む装置の概略を示す斜視図。 図４に示す装置の位置センサに隣接した物体の位置を決定するために使用される検出セルの列番号（図５Ａ）の関数としての静電容量を概略的に示すグラフ。 図４に示す装置の位置センサに隣接した物体の位置を決定するために使用される検出セルの行番号（図５Ｂ）の関数としての静電容量を概略的に示すグラフ。 図４に示す装置の二次元容量型位置センサとディスプレイスクリーンの概略を示す平面図。 本発明の他の実施態様に従う二次元容量型位置センサの概略を示す平面図。 本発明の他の実施態様に従う二次元容量型位置センサの概略を示す平面図。 本発明の一実施態様に従う位置センサに隣接した物体に対する実際の位置と比較された伝えられた位置を概略的に示す平面図。 本発明の一実施態様に従う位置センサに対する伝えられたキー位置の輪郭と比較された望ましいキー位置の輪郭の表示を概略的に示す平面図。

Claims (27)

  1. 検出領域内の物体の位置を決定するための容量型位置センサであって、電極がその上に配置された表面を有する基板を備え、前記電極は前記検出領域を形成するように列と行に配置された検出セルの配列を規定し、各検出セルは列検出電極と行検出電極を含み、同じ列の中の検出セルの列検出電極は互いに電気的に接続され、同じ行の中の検出セルの行検出電極は互いに電気的に接続され、前記行の少なくとも一つの両端の検出セルの行検出電極は、前記検出領域の外側に作られたそれぞれの行回り込み結線によって互いに電気的に接続されたことを特徴とする容量型位置センサ。
  2. 請求項１に記載の位置センサであって、前記行回りこみ結線は基板上に堆積された導電パターンからなることを特徴とする位置センサ。
  3. 請求項１に記載の位置センサであって、前記行回りこみ結線はそれぞれの行検出電極に接続されたフリーワイヤーからなることを特徴とする位置センサ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置センサであって、前記検出領域の端の検出セル列の列検出電極は、前記検出領域の外側に作られた列回り込み結線によって互いに電気的に接続されたことを特徴とする位置センサ。
  5. 請求項４に記載の位置センサであって、前記列回りこみ結線は基板上に堆積された導電パターンからなることを特徴とする位置センサ。
  6. 請求項４に記載の位置センサであって、前記列回りこみ結線はそれぞれの列検出電極に接続されたフリーワイヤーからなることを特徴とする位置センサ。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の位置センサであって、検出電極の行と列のそれぞれ一つに接続された複数の静電容量測定チャンネルを更に備え、各測定チャンネルはそれに関する検出電極列または検出電極行とシステムグラウンドとの間の静電容量を示す信号を生成するように動作可能であることを特徴とする位置センサ。
  8. 請求項７に記載の位置センサであって、前記検出領域の中の物体の位置を、異なる列からの信号を互いに比較することによって第１方向に沿って、異なる行からの信号を互いに比較することによって第２方向に沿って、決定するように動作可能なプロセッサを更に備えたことを特徴とする位置センサ。
  9. 請求項７または８に記載の位置センサであって、前記静電容量測定チャンネルは電荷転送回路からなることを特徴とする位置センサ。
  10. 請求項７から９までのいずれか１項に記載の位置センサであって、前記静電容量測定チャンネルは複数の検出電極を互いにほぼ同位相で駆動するように構成されたことを特徴とする位置センサ。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の位置センサであって、前記検出セルは３列に配置されたことを特徴とする位置センサ。
  12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の位置センサであって、前記検出セルは４列に配置されたことを特徴とする位置センサ。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の位置センサであって、各検出セルの中の列検出
    電極と行検出電極は互いに挟まれていることを特徴とする位置センサ。
  14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の位置センサであって、前記基板は透明材料から形成されたことを特徴とする位置センサ。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の位置センサであって、前記電極は透明な導電性材料から形成されたことを特徴とする位置センサ。
  16. 請求項１５に記載の位置センサであって、前記透明な導電性材料は前記基板上に堆積されたインジウム酸化錫（ＩＴＯ）膜であることを特徴とする位置センサ。
  17. 請求項１５または１６に記載の位置センサであって、グラフィカルディスプレイを更に備え、前記検出領域内の電極は前記グラフィカルディスプレイの上に配置されてタッチスクリーンを提供することを特徴とする位置センサ。
  18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の位置センサであって、絶縁パネルを更に備え、前記検出領域内の電極は前記絶縁パネルの下に配置されてキーボードを提供することを特徴とする位置センサ。
  19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の位置センサを備えた装置。
  20. 基板上に配置された容量的に高感度な表面であって、能動検出領域内の物体のＸ−Ｙ座標位置を該物体が該表面に近接しているときに伝える表面を作る方法において、
    （ａ）パターン化された導電材料の単一層を前記能動検出領域内に堆積するステップであって、前記パターンは容量検出チャンネルの個々の一つに接続された電極の行と列からなり、少なくとも一つの行または列は前記能動領域内で複数の部分に破断されるステップと、
    （ｂ）前記破断部分を電気導体で互いに接続するステップであって、前記導体は前記能動検出領域の外側にあるように作られるステップと、
    （ｃ）前記行と列を、前記行と列についての静電容量の大きさを表す複数の出力を有するマルチチャンネル容量センサ回路の個々の検出チャンネルに接続するステップと、
    （ｄ）前記複数の出力を処理して前記近接物体の座標位置をＸＹ場所として決定するように動作可能なプロセッサを設けるステップとを備えたことを特徴とする方法。
  21. 請求項２０に記載の方法であって、前記プロセッサは前記パターン化された導電材料の物理的配置によってもたらされる位置歪みを補償するように動作可能であることを特徴とする方法。
  22. 請求項２０または２１に記載の方法であって、前記プロセッサは行全体に渡る信号の重心と列全体に渡る信号の重心を計算するように動作可能であることを特徴とする方法。
  23. 請求項２０または２１に記載の方法であって、前記プロセッサは行全体に渡る信号の補間と列全体に渡る信号の補間を計算するように動作可能であることを特徴とする方法。
  24. 請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の方法であって、前記容量検出チャンネルは互いにほぼ位相同期している駆動信号を使用することを特徴とする方法。
  25. 検出領域内の物体の位置を決定するための容量型位置センサであって、導電性電極がその上に配置された表面を有する基板を備え、前記電極は前記検出領域を形成するように列と行に配置された検出セルの配列を規定し、各検出セルは列検出電極と行検出電極を含み
    、同じ列の中の検出セルの列検出電極は互いに電気的に接続され、同じ行の中の検出セルの行検出電極は互いに電気的に接続され、少なくとも一つの列検出電極は前記検出領域内の連続脊柱を備え、少なくとも一つの他の列検出電極は前記検出領域の外側の結線を介して電気的につながれたことを特徴とする容量型位置センサ。
  26. 請求項２５に記載の位置センサであって、前記導電性電極は透明であり、グラフィカルディスプレイを更に備え、前記検出領域内の前記導電性電極は前記グラフィカルディスプレイの上に配置されてタッチスクリーンを提供することを特徴とする位置センサ。
  27. 請求項２５または２６に記載の位置センサであって、絶縁パネルを更に備え、前記検出領域内の前記導電性電極は前記絶縁パネルの下に配置されてキーパッドを提供することを特徴とする位置センサ。
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