(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置センサ用コントローラであって、
第一の信号を第一の送信電極によって送信し、同時に、第二の信号を第二の送信電極によって送信する駆動回路であって、前記第一の信号及び前記第二の信号が別個のディジタル符号に基づく別個の信号である、駆動回路と、
少なくとも一つの受信電極によって電気的効果を受信する受信回路と、
を備え、
前記電気的効果が前記第一の信号及び前記第二の信号に関連付けられ、前記第一の送信電極、前記第二の送信電極及び前記少なくとも一つの受信電極が前記位置センサの検知領域内にあり、当該コントローラが前記電気的効果に基づいて前記検知領域の少なくとも一つの入力物体の位置に基づく属性を決定する、コントローラ。
【請求項２】
前記別個のディジタル符号が数学的に独立である、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項３】
前記別個のディジタル符号が、ゴールド符号、カサミ符号、バーカー符号、ウォルシュアダマール符号及び疑似ランダムディジタル符号の内の一つを有する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項４】
前記電気的効果に基づいて前記別個のディジタル符号の少なくとも一つを調整する、請求項１又は２に記載のコントローラ。
【請求項５】
前記駆動回路が、
前記別個のディジタル符号に応じてキャリア信号を振幅変調すること、
前記別個のディジタル符号に応じてキャリア信号を周波数変調すること、
前記別個のディジタル符号に応じてキャリア信号を位相変調すること、
の一つによって、第一の信号を第一の送信電極によって送信し、同時に、第二の信号を第二の送信電極によって送信する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項６】
第一の方向に配置された複数の送信電極と、
第二の方向に配置された複数の受信電極であって、前記第一の方向が前記第二の方向に実質的に直交している、複数の受信電極と、
前記複数の送信電極と前記複数の受信電極とに結合されたコントローラであって、該コントローラが、
第一の信号を前記複数の送信電極の第一の送信電極によって送信し、同時に、第二の信号を前記複数の送信電極の第二の送信電極によって送信し、前記第一の信号及び前記第二の信号が別個のディジタル符号に基づく別個の信号であり、
前記第一の信号及び前記第二の信号に関連付けられた電気的効果を、前記複数の受信電極の少なくとも一つの受信電極によって受信し、
前記電気的効果に基づいて少なくとも一つの入力物体の位置に基づく属性を決定する
コントローラと、
を備える、位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、一般に、タッチパッドなどの位置または近接センサに関し、より詳細には、指、スタイラスまたは他の物体の位置に基づく属性を、ディジタル符号を使用して検出することができる装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]位置センサは、コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、メディアプレーヤ、ビデオゲームプレーヤ、家電製品、携帯電話、公衆電話、ＰＯＳ端末装置、ＡＴＭ、キオスクなどの入力装置として一般に使用されている。このような用途で使用されるセンサの一般的なタイプとしてタッチパッドセンサがあり、例えば、多くのノートブック型のコンピュータの入力装置として簡単にみつけることができる。ユーザは、通常、センサの検知領域の近くで指、スタイラスまたは他の刺激を移動させることによって、センサを操作する。刺激が、検知領域に印加されているキャリア信号に容量性、誘導性、またはその他の電気的効果を引き起こし、これが検知され、検知領域に対する刺激の位置または近接度と相関されうる。今度は、この位置情報を、ディスプレイ画面上のカーソルまたはその他の標識を移動させたり、画面上の文字要素をスクロールしたり、それ以外のユーザインタフェース用途に使用することができる。キャパシタンス式の検知法に基づくタッチパッド型の位置センサの一例が、１９９９年３月９日にギレスピー（Gillespie）らに付与された米国特許第５，８８０，４１１号公報に記載されている。
【０００３】
[0003]タッチパッド型のセンサは数年にわたり使用されているものの、コストの削減および／またはセンサ能力の改善を実現する別の設計が求められている。より詳細には、近年、ディスプレイ画面、電源、無線周波干渉および／またはセンサの外のほかの発生源が発生させるノイズの影響を低減させることに多大な関心が寄せられている。サンプリング、フィルタリング、信号処理、シールドやその他の雑音低減法が数多く実装されているが、成果の程度はさまざまに異なる。
【０００４】
[0004]したがって、ノイズの存在下で物体の位置に基づく属性を迅速、効果的かつ効率的に検出するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。ほかの望ましい特徴および性質は、添付の図面と上記の技術分野と背景技術を併せて読めば、下記の詳細な説明と添付の特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【発明の開示】
【０００５】
[0005]タッチパッドまたは他のセンサによって、指、スタイラスまたは他の物体の位置に基づく属性を検出するための方法、システムおよび装置について記載する。さまざまな実施形態によれば、このセンサは、ユーザ入力を検出するために適切に配置されている任意の数の電極から構成されたタッチセンス領域を有する。１つ以上の電極に対する変調信号が、任意の数の異なる別個のディジタル符号の関数として作成され、これらの符号は互いに実質的に直交しうる。物体の位置によって電気的に影響された結果信号を得るために、複数の電極の関連する少なくとも１つに変調信号が印加される。物体によって引き起こされた電気的効果を選別するために、複数の別個のディジタル符号を使用して結果信号が復調される。電気的効果から、複数の電極に対する物体の位置に基づく属性が決定される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
[0006]以下、図面を参照して本発明のさまざまな態様を記載する。図面において同じ参照符号は類似する要素を参照している。
【図１Ａ】[0007]例示的な検知装置を示すブロック図。
【図１Ｂ】[0007]例示的な検知装置を示すブロック図。
【図２】[0008]物体の位置に基づく属性を検出するための例示的な処理を示すフローチャート。
【図３】[0009]例示的な受信信号および復調信号の２つの周波数領域のプロット。
【図４】[0010]検知された物体の電気的像を処理するための例示的な場合を示す図。
【図５】[0011]複数の位置に基づく属性を二次元で検知することができる例示的な検知装置のブロック図。
【図６Ａ】共通の受信電極で複数の信号チャネルを同時に検知する、フィルタリングコンデンサを有する例示的な検知装置のブロック図。
【図６Ｂ】変調電極と受信電極を統合した、フィルタリングコンデンサを有する例示的な検知装置のブロック図。
【図７】[0013]単一基板に形成された例示的な検知装置のブロック図。
【図８】[0014]フレキシブル基板に形成された例示的な検知装置のブロック図。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
[0015]以下の詳細な説明は、本来例示的なものに過ぎず、本発明または本発明の用途および利用を限定することを意図したものではない。更に、上記の技術分野、背景技術、発明の開示、あるいは以下の詳細な説明に明示または暗示した理論により拘束されることを意図するものではない。
【０００８】
[0016]さまざまな例示的な実施形態によれば、ノイズ余裕度の改善および／または性能向上のために、タッチパッドなどの位置センサに、広帯域スペクトラム技術が適用されうる。例えば、符号分割多重化（ＣＤＭ）を使用して２つ以上の別個の変調信号を生成し、これがセンサ内の検知電極に印加され、これにより、印加された信号の有効電力を向上させることができる。符号化広帯域スペクトラム変調とは、ダイレクトシーケンス、周波数ホッピング、時間ホッピングまたはこれらの技術のさまざまな組み合わせを指しうる。センス領域に適用される変調周波数が、以前に受信されたよりも広範なスペクトルにわたっているため、特定の周波数で生じる狭帯域のノイズまたは中程度の広帯域ノイズ（これらは符号化変調とは無相関である）が、狭い復調信号チャネル全体に及ぼす影響が最小限とされる。また、有用な各信号チャネルについて最小信号対雑音比（ＳＮＲ）が維持されるように、複数の信号チャネルに対するノイズの影響が平均化されうる。この概念は、既知の雑音源を回避する周波数領域信号を作成するためのディジタル符号を選択することにより、更に活用することができる。このため、広帯域スペクトラム技術により、検知領域に印加する電力を増加させる一方で、ノイズの影響を低減させることができ、相当するサンプル期間の従来の時間領域多重化技術と比較して、センサのＳＮＲが大幅に改善される。センサに広帯域スペクトラム技術を適用することによって、他の有益なセンサ設計および機能も可能となる。このような概念を、以下により詳しく説明する。
【０００９】
[0017]本明細書で使用するように、「位置センサ」との文言は、従来のタッチパッド装置だけではなく、１本以上の指、ポインタ、スタイラスまたはその他の物体の位置または近接度を検出することができる、広い範囲の同等の装置も含むことを理解すべきである。このような装置としては、タッチスクリーン、タッチパッド、タッチタブレット、生物測定認証装置（指紋センサなど）、手描きまたは文字認識装置などが挙げられるが、これらに限定されることはない。同様に、ここで用いられる「位置」、「物体位置」および「位置に基づく属性」との文言は、絶対的または相対的な位置または近接度の情報のほか、速さ、速度、加速度などのほかのタイプの空間ドメイン情報も含むことを意図しており、これには、１つ以上の方向における移動の測定値が含まれる。さまざまな位置に基づく属性には、ジェスチャ認識などの場合のように、時間履歴の成分が含まれていてもよい。したがって、用途によって決定される別ではあるが同等の多様な実施形態において、多くの異なるタイプの「位置センサ」が、単なる物体の有無だけではなく、多種多様な「位置に基づく属性」を検出することができる。
【００１０】
[0018]ここで図面を参照する。最初に図１Ａを参照すると、例示的なセンサ１００は、検知領域１０１、コントローラ１０２、関連する駆動回路１０９を有する変調器１０７、および関連する受信回路１１５を有する復調器１１７を適宜備える。指、スタイラスまたはその他の物体１２１の位置に基づく属性が、電極１１２Ａ〜Ｄにさまざまな変調信号１１０Ａ〜Ｄを印加することによって検出され、電極１１２Ａ〜Ｄは、検知電極１１４と共に検知領域１０１を画定している。変調信号１１０Ａ〜Ｄは、１つ以上の受信電極１１４に、容量結合または他の方式での電気的な結合がなされており、任意の数のデータ伝送チャネル１１３Ａ〜Ｄを形成している。物体１２１によってチャネル１１３Ａ〜Ｄに引き起こされる電気的効果が、その後、受信電極によって受信される信号１１６において識別される。この受信信号は、その後処理されて検知領域１０１内の電極１１２Ａ〜Ｄに対する物体１２１の位置を分離しうる。タッチパッドにおける容量検知と物体位置の処理の従来技術の例は、上に挙げた米国特許第５，８８０，４１１号明細書に記載されているが、多様な別の実施形態において、他の検知技術を使用することもできる。
【００１１】
[0019]さまざまなタイプのセンサ１００が、物体１２１によって引き起こされる異なる電気的効果を検出することができるが、図１Ａ〜Ｂの例示的な実施形態は、物体１２１の有無によって引き起こされる、検知領域１０１にまたがるキャパシタンスの変化を監視するための構成を示す。より詳細には、電極１１２Ａ〜Ｄに変調信号１１０Ａ〜Ｄが印加されると、「仮想のコンデンサ」が、被変調信号を送信している各電極１１２Ａ〜Ｄと受信電極１１４との間に形成される。このコンデンサによって作成される場の中に物体が存在する場合、送信電極１１２と受信電極１１４との間のキャパシタンスが影響を受ける。通常、指などの接地されている（または事実上接地されている）物体が存在する場合には、電極１１２及び１１４間の実効キャパシタンスが減少し、接地されていない導体（スタイラスなど）や高誘電性の物体が存在する場合には、実効キャパシタンスが増大する。いずれの場合も、物体１２１の存在によって引き起こされるキャパシタンスの変化が、受信電極１１４からの、測定された電圧、電流、電荷などの出力信号１１６に反映される。
【００１２】
[0020]各変調信号１１０Ａ〜Ｄによって発生する信号１１６を監視することにより、各電極１１２Ａ〜Ｄに対して物体１２１の存在を決定することができる。図１Ａに示す例示的な実施形態では、４つの検知チャネル１１３Ａ〜Ｄが、一次元の検知アレイ１０１に配置されて示される。図１Ｂの例示的な実施形態では、７つのチャネル１１３Ａ〜Ｇが、１１２Ａ〜Ｃ及び１１４の間において第１の方向に配置された数個のチャネル１１３Ａ〜Ｃと、１１２Ｄ〜Ｇ及び１１４の間において実質的に直交する方向に配置された残りのチャネル１１３Ｄ〜Ｇと、によって示されており、図４を参照して下記に詳しく説明するように、二次元の像の「シルエット」の検出が可能となっている。実際には、多様な別の実施形態では、わずか１つ、十数、あるいは、何百またはそれ以上の数の検知チャネルが、単一のパターンや複数次元のパターンに配置されてもよい。適切に配置を行えば、さまざまな電極に印加される変調信号１１０Ａ〜Ｄを送信した際に、物体１２１によって引き起こされる電気的効果から、検知領域１０１に対する物体１２１の位置を決定することができる。この影響が、受信信号１１６に反映されて、これが復調され、その後適宜処理されて、出力信号１２０に到達する。
【００１３】
[0021]更に、変調信号１１０を生成するためのディジタル符号の割り当てや再割り当てを行うことによって、センサ１００を容易に構成または再構成して、領域１０１に任意のタイプまたは任意の数の検知ゾーンを作成することができる。図１Ａ〜Ｂに示すように、各受信電極１１４は、任意の数の信号チャネル１１３によって結合された信号を受信することができ、これにより、単一の経路に複数の結果信号１１６が供給される。信号１１６が共通の経路に供給されるため、検知ゾーンを構成している送信電極１１２のそれぞれに、共通の変調信号１１０（共通のディジタル符号から形成された変調信号１１０など）を印加するだけで、任意の数の電極の検知チャネル１１３を恒久的または一時的に形成することができる。領域１０１内の検知ゾーンは、重複および／または経時変化してもよく、１つ以上の電極１１２に異なるディジタル符号を印加するだけで、容易に再構成可能である。複数の電極が１つのチャネルの一部であっても、複数のチャネル変調が１つの電極に印加されてもよい。
【００１４】
[0022]従来のセンサでは、変調信号１１０Ａ〜Ｄは、通常、単純なサイン波または他の周期的な交流（ＡＣ）信号であり、何らかの時間領域多重化（ＴＤＭ）を使用して、さまざまなチャネルに逐次的に印加される。しかし、無線通信に一般に関連する広帯域スペクトラムの概念をセンサ１００に適用することによって、数多くの利点を実現することができる。より詳細には、符号分割多重アクセス方式（ＣＤＭＡ）無線通信に使用されるものと同様のディジタル符号化技術を使用して、別個の変調信号１１０Ａ〜Ｄを作成し、これらの信号を領域１０１のさまざまな検知ゾーンに同時に印加することができ、これにより、センサ１００の切り替えを簡略化できる可能性がある。
【００１５】
[0023]広帯域スペクトラム技術をセンサ１００に適用すると、ノイズ抵抗の改善など、追加の利点を提供することができる。各信号チャネル１１３が、適切なディジタル符号を印加することにより得られるため、例えば、符号化利得の原理を容易に利用して、センサ１００の能力を改善することができる。符号を長くすると、１つ以上の送信電極１１２に印加される各変調信号１１０のゲインが増加する。従来の符号生成技術を用いることによって、周知のスペクトルおよび相関特性を有するディジタル符号の組み合わせのバリエーションを比較的容易に作り出すことができる。更に、これらの組み合わせのバリエーションにより、可能な別個のディジタル符号の比較的大きな集合が形成され、ここから、以下で説明するように、望ましい時間領域または周波数領域の特性を有する変調信号１１０を生成することができる。特定の符号生成技術および信号処理技術に関するその他の詳細は、後で更に詳細に説明する。
【００１６】
[0024]再び図１Ａ〜Ｂを参照すると、検知領域１０１は、指、スタイラスまたは他の物体１２１の位置、近接度および／またはその他の位置に基づく属性を検出することができる容量型、抵抗型、誘導型のセンサ、あるいは他のタイプのセンサである。例示的な検知領域１０１は、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のシナプティクス・インク（ＳｙｎａｐｔｉｃｓＩｎｃ．）が製造している各種センサを備える。このセンサは、容量結合または誘導結合を使用して、物体１２１の一次元、二次元または多次元の位置を適切に検出する。しかし、多様な別の実施形態では、ほかの多くの検知領域１０１が使用されてもよい。位置または近接を検出することができるほかのタイプの検知領域１０１は、音響、光学または電磁的な特性（例えば高周波、赤外線、紫外線など）および／またはその他の効果に基づいたセンサを備える。
【００１７】
[0025]コントローラ１０２は、任意のプロセッサ、マイクロコントローラ、ニューラルネットワーク、アナログコンピュータ、プログラム済み回路、あるいは入力データ１１８を処理して、出力の指標１２０を抽出することが可能な他のモジュールなどである。使用される特定の制御回路１０２は、実施形態によって大きく変わるが、例示的な実施形態では、コントローラ１０２は、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のシナプティクス・インク（ＳｙｎａｐｔｉｃｓＩｎｃ．）が製造しているモデルＴ１００４、Ｔ１００５、Ｔ１０ＸＸまたは他のマイクロコントローラである。多くの実施形態では、コントローラ１０２は、コントローラ１０２によって実行可能なディジタル命令を、ソフトウェアまたはファームウェアの形式で適切に記憶するディジタルメモリ１０３を備えるか、またはこれと通信するか、これらの両方を行って、ここに記載のさまざまな検知、制御およびその他の機能を実装する。別の実施形態では、メモリ１０３の機能がコントローラ１０２に組み込まれてもよく、すべての実施形態において、物理的に独立したメモリデバイス１０３が存在するとは限らない。物理的なコントローラが、更に多くの要素を備えていてもよく、これには、駆動回路１０９、受信回路１１５やその他の記載のものなどがある。
【００１８】
[0026]符号生成モジュール１０４は、独立しているかあるいは一体化された任意の回路、デバイス、モジュール、プログラム論理などであり、変調信号１１０Ａ〜Ｄの生成に使用されうるディジタル符号１０６を作成することができる。作成されるディジタル符号の数、サイズおよびタイプは大きく変わるが、さまざまな実施形態では、これら符号は互いに実質的に直交しており、領域１０１の各検知ゾーンに関連付けるのに十分な数の別個のディジタル符号を提供するのに十分な長さを有する。この別個の符号は、２値、３値または一般的にマルチレベルであり、駆動状態と非駆動状態を表すことができる（トライステート）。ＣＤＭとの併用に適したディジタル符号を生成するための各種回路、モジュールおよび技術には、ウォルシュアダマール符号、ｍ−シーケンス、ゴールド符号、カサミ符号、バーカー符号、遅延ラインの複数のタップシーケンス（delay line multiple tap sequences）などのシフトレジスタシーケンスがある。別の実施形態では、ディジタル符号は予め決められており、コントローラ１０２および／またはメモリ１０３内のルックアップテーブルまたは他のデータ構造に記憶されていてもよいし、任意の適切なアルゴリズムを使用してコントローラ１０２によって生成されてもよいし、これらの両方でもよい。このような実施形態では、符号生成モジュール１０４が、コントローラ１０２とは独立した物理的な要素として存在しなくてもよく、コントローラ１０２または他のディジタル処理装置によって適宜実行される符号の生成および／または取得の機能を表す論理モジュールとして考えるべきである。
【００１９】
[0027]別個のディジタル符号の文脈において、「実質的に直交する」との文言は、別個の符号から、意味のある独立した結果が得られるのであれば、この別個の符号が、数学的な意味で互いに完全に直交していなくてもよいことを指す。このため、相関、スペクトルまたは圧縮性などのさまざまなほかの特性のために、厳密な直交性が犠牲にされうる（トレードオフ）。同様に、「検知ゾーン」との文言は、個々の電極１１２のいずれもよりも大きな検知領域１０１部分を含む単一のセンスゾーンを作成するために、複数の電極１１２に単一の符号が印加されうることを指す。また、１つの電極に複数の符号を印加して、重複するかまたは空間的にフィルタされた「検知ゾーン」を作成してもよい。例えば、同じ符号シーケンスを位相遅延または「シフト」したシーケンスは、別個であり、実質的に直交し、容易に識別可能でありうる。さまざまなケースでは、位相シフト間の補間が可能であってもよい。
【００２０】
[0028]変調器１０７は、モジュール１０４が生成した別個のディジタル符号を使用して、変調信号１１０Ａ〜Ｄを生成することができる任意の回路、論理モジュールまたは他のモジュールである。一般に、変調器１０７は、任意のタイプの振幅変調（ＡＭ）、周波数変調（ＦＭ）、位相変調（ＰＭ）または他の適切な技術を使用して、キャリア信号１１１をディジタル符号１０６によって変調して、変調信号１１０Ａ〜Ｄを生成する。したがって、変調器１０７は、従来の任意のディジタル回路および／またはアナログ回路を使用して実装されても、コントローラ１０２などの内部で実行されるソフトウェア論理によって、その一部または全体が実装されてもよい。キャリア信号１１１は、任意のオシレータまたは他の信号発生器１０５によって適宜作成されうる。容量検知型のタッチパッドでの使用に適した一実施形態では、信号１１１は、約１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲の周波数で作成されうるが、多様な同等の実施形態では、これらの信号がどのような周波数または範囲で作成されてもよい。例示的な変調機能に関する更に詳しい詳細は、後で図３を参照して説明する。更に別の実施形態では、キャリア信号１１１が省略されており、印加される変調信号１１０Ａ〜Ｄのスペクトル成分が、ディジタル符号のクロック速度、繰り返し長さおよび／または他の性質から決定される。このため、さまざまな別の実施形態では、キャリア信号１１１が省略されるか、直流（ＤＣ）信号として概念的に解釈されるか、この両方が行われうる。
【００２１】
[0029]変調信号１１０Ａ〜Ｄは、検知領域１０１の電極１１２Ａ〜Ｄにどのように印加されてもよい。さまざまな実施形態においては、変調器１０７が、任意の駆動回路１０９を介して、適切な電極１１２Ａ〜Ｄに信号を適宜印加し、駆動回路１０９には、任意のスケーリング増幅器、マルチプレクサ、任意の電流源または電圧源へのスイッチ、電荷転送素子、制御されたインピーダンスなどが含まれる。図１には、単一のドライバ回路１０９が、変調器１０７と検知領域１０１を直列に相互に接続しているように図示されている。しかし、実際には、駆動回路１０９は、通常、複数の増幅器、複数のドライバおよび／または他の信号路を備え、変調器１０７と検知領域１０１内のさまざまな電極１１２間を並列に接続しており、複数の検知チャネル１１３が、被変調電極１１２により、同じか、または異なる信号によって同時に駆動されるようになっている。
【００２２】
[0030]上で説明したように、検知領域１０１内の電極１１２Ａ〜Ｄに変調信号１１０Ａ〜Ｄが供給され、これにより得られた受信電極１１４からの結果信号（resultant signal）１１６が、適切な復調器１１７に供給される。スケーリング増幅器、マルチプレクサ、フィルタ、選別器、比較器および／または他の受信回路１１５も設けて、受信信号１１６を形成してもよい。復調器１１７は、物体１２１によって引き起こされた電気的効果を識別するために、検知領域１０１の出力１１６を復調することができる任意の回路または他のモジュールである。復調器１１７は、任意の適切なディジタルまたはアナログのローパスまたはバンドパスフィルタや、任意の従来のアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）などの復調フィルタを有するか、これと通信するか、この両方を行いうる。さまざまな実施形態では、復調器１１７は、キャリア信号１１１、および／または位相シフトされた別個のディジタル符号１０６を受信して、この両方の信号の復調を可能にする。別の実施形態では、復調器１１７は、キャリア信号１１１をアナログ復調し、その後の処理のために、コントローラ１０２および／または受信回路１１５に、これにより得られた結果信号を提供する。同様に、図１のモジュール１１７によって表される復調機能は、コントローラ１０２および／または他の要素内のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどによって論理的に提供されてもよく、この場合、独立した復調回路１１７が不要となる。
【００２３】
[0031]センサ１００の動作中に、任意の数の別個のディジタル符号が、符号生成モジュール１０４によって作成されて、キャリア周波数によって変調され、変調信号１１２Ａ〜Ｄの組が生成され、これが検知領域１０１の任意の数の電極１１２Ａ〜Ｄに印加される。検知領域１０１に対する物体１２１の位置が、検知領域１０１から供給される１つ以上の出力信号１１６に電気的に影響する。結果信号１１６を復調することによって、電気的効果が識別され、これがその後コントローラ１０２などによって処理されて、物体１２１に対する位置に基づく属性が決定される。電極を適切なディジタル符号によって変調することにより、センサの狭い検知周波数を、複数の周波数にわたって有効に拡散させることができ、ノイズ除去が改善される。更に、符号分割多重化を使用することによって、各変調信号１１０Ａ〜Ｄを同時に印加することができ、これにより、多くの実施形態で、独立した時間領域の切り替えまたは制御の必要性を減らすか、なくすことができる。広帯域スペクトラム技術を使用して検知領域１０１から識別された電気的効果が、コントローラ１０２および／または他の処理装置によって、適切に更に処理されうる。
【００２４】
[0032]次に図２を参照すると、検知領域１０１に対する位置に基づく物体の属性を検出するための例示的処理２００は、変調信号１１０Ａ〜Ｄのために別個のディジタル符号の組を作成するステップ（ステップ２０１）と、変調信号１１０Ａ〜Ｄを印加して得られた応答信号１１６のそれぞれを復調するステップ（ステップ２０４，２０６）と、応答信号１１６内で識別された電気的効果から、物体１２１の位置に基づく属性を１つ以上決定するステップ（ステップ２０８）と、の広いステップを適宜有する。さまざまな更に別の実施形態では、ノイズの影響を低減させるか、当該装置によって引き起こされるほかの装置への干渉を低減させるか、あるいはその他の目的のために、ステップ２０２で生成された特定のディジタル符号が変更されてもよい（ステップ２１０）。また、単一または複数の物体の処理、望ましくない像データの除去などの追加の処理も実行されうる（ステップ２１２）。
【００２５】
[0033]図２に示すフローチャートは、厳密なソフトウェアの実装ではなく、例示的な処理２００に含まれるさまざまな論理的なステップを示すものである。しかし、プロセス２００のステップの一部またはすべては、メモリ１０３内に記憶されており、コントローラ１０２のみによって実行されるか、センサ１００のほかの要素（例えば、符号生成モジュール１０４、変調器１０７、復調器１１７など）と連動して実行されるか、この両方が行われてもよい。あるいは、さまざまなステップが、任意のディジタルメモリ、可搬媒体（例えば、コンパクトディスク、フロッピーディスク、ポータブルメモリなど）、磁気メディアまたは光メディアなどの任意のディジタル記録媒体に記憶されてもよい。多様な別の実施形態では、プロセス２００の各種ステップが、時間的にどのような順序で適用されたり、あるいは他の方法で任意に変更されてもよい。更に、図２に示す各種ステップ同士を組み合わせたり、あるいは各種ステップがほかの方法で異なって編成されてもよい。
【００２６】
[0034]上で説明したように、変調信号１１０Ａ〜Ｄの生成に使用される別個のディジタル符号１０６は、図１の符号生成モジュール１０４によって表される任意のタイプのハードウェアまたはソフトウェア論理によってなど、どのように生成されてもよい（ステップ２０１）。例えば、所望の長さの疑似ランダムディジタル符号を生成するために、任意の数のフィードバックシフトレジスタが、最大長シーケンス（ＭＬＳ）に構成されてもよく、この疑似ランダムディジタル符号は、別個の符号シーケンスとして、さまざまな位相および／またはサム（sum）で、各種変調信号１１０Ａ〜Ｄに容易に印加することができる。並列シフトレジスタから出力される二進符号のシーケンス１０６は、最小のＤＣ項を除き、一般にスペクトルが平坦である。代替の実施形態では、ディジタル符号１０６を生成するためのＭＬＳまたは他のルーチンが、適宜コントローラ１０２やその他で実行されているソフトウェアでシミュレーションされてもよい。更に別の実施形態では、符号１０６は、使用前に生成され、メモリ１０３内のルックアップテーブルまたは他のデータ構造などに記憶される。別ではあるが同等のさまざまな実施形態では、コントローラ１０２は、符号１０６を直接生成するか取得しても、独立した符号生成モジュール１０４などの動作を指示することによって符号を作成しても、この両方を行ってもよい。上で説明したように、特定の符号はどのように生成されてもよい。複数の別個の符号を作成するために、ディジタルビットのシーケンスを単に位相シフトさせてもよい。別の実施形態では、加算、排他論理和、乗算、および／または高次元数の乱数および擬似乱数を生成する他の技術などのさまざまな方法を使用して、別個の符号を別の符号から計算することができる。排他論理和または乗算の演算に基づく符号生成法には、線形の組み合わせを生成できる追加の利点があり、これが一部の実施形態では有用となりうる。
【００２７】
[0035]次に、さまざまな符号１０６を使用して、特定の変調信号１１０Ａ〜Ｄが変調されるか、または他の方法で生成され、これが、検知領域１０１のさまざまな検知電極１１２Ａ〜Ｄに印加される（ステップ２０２）。上で説明したように、印加された信号は、物体１２１の存在によって電気的に影響され、生じた電気的効果が、受信信号１１６から決定される（ステップ２０３）。
【００２８】
[0036]（ステップ２０４における）受信信号チャネル１１３の復調では、被変調信号から、物体１２１の位置に関する情報が適宜抽出される。この抽出では、一般に、上に記載した変調プロセスが逆に実行される。したがって、復調器１１７は、以前に、特定の結果信号１１６を生成するためにキャリア信号の変調に使用された特定のディジタル符号１０６のほかに、通常、アナログ復調および／または信号選別（ノイズと所望の信号を選別するなど）を実行するためのキャリア信号１１１（または信号１１１と同期している他の信号）を受信する。センサが送信と受信の両方を行うため、キャリアまたは符号シーケンスの回収の必要はほとんどない。
【００２９】
[0037]任意の数の受信信号チャネル１１３に対して、復調が適宜実行されうる（ステップ２０６）。図１Ａに示す例示的なセンサ１００では、被変調電極１１２Ａ〜Ｄから各信号チャネルを送信して得られた信号１１６が、受信電極１１４から出る共通パスで受信される。しかし、検知チャネル１１３Ａ〜Ｄが、すべて同時に駆動されている（各被変調電極１１２Ａ〜Ｄに変調信号１１０Ａ〜Ｄが同時に提供されているなど）場合であっても、従来のＣＤＭ復調技術を使用して、各チャネル１１３Ａ〜Ｄが生成した結果信号１１６を復調することができる。このため、任意の変調信号１１０Ａ〜Ｄに対して生成される、結果信号１１６の特定の成分（またはチャネル）を、容易に抽出することができる。以下で説明するように、この概念は、センサ１００に多くの追加機能と性能向上を与えるために、数多くの方法で利用することができる。例えば、領域１０１内の特定の検知ゾーンを拡げるために、複数の電極１１２Ａ〜Ｄに共通の変調信号１１０Ａ〜Ｄが印加されうる。このゾーンは、各種の動作モードを作り出すなどのために、動作中に容易に調整することができる。例えば、検知領域１０１全体が単一のボタンとして動作し、それ以外の点ではセンサの能力が調整されないようにするために、各電極１１２Ａ〜Ｄに同じ変調信号１１０が提供されうる。受信電極１１６から得られる信号のすべてが図１の共通パスに供給されるため、この場合は、共通の変調符号を使用して受信信号の全体を復調するだけで、検知領域１０１内のどの場所でも物体１２１の存在を識別できる。同様の概念を適用して、ディジタル符号シーケンス１０６の単純な操作によって、検知領域１０１にわたり、任意の数の別個の検知ゾーンを作成したり、重複する検知ゾーンを作成することができる。更に、例えば手のひらを排除したり、他の不適当な入力を受けつけないようにするために、適切な変復調のみによって空間周波数フィルタリングを行うことができる。
【００３０】
[0038]物体１２１の位置に基づく属性を決定できるように、コントローラ１０２で復調信号１１８が適切に受信される（ステップ２０８）。これらの信号は、線形フィルタおよび非線形フィルタを使用して、ディジタルまたはアナログ的にフィルタされうる。さまざまな電極１１２Ａ〜Ｄに対する物体１２１の位置を識別するための各種技術には、電気的効果のピークの検出、電気的効果に基づいた重心の計算、電極１１２Ａ〜Ｄ間の電気的効果の差の比較、電気的効果の経時変化の比較、電極からの信号チャネル間の補間、および／または他の多くの技術が含まれる。ピークの検出では、変調信号１１０Ａ〜Ｄのうち、結果信号１１６において最大の容量効果の相対変化を発生させたものを識別することによって、物体１２１の位置が１つ以上の電極１１２Ａ〜Ｄと関連付けられる。このようなピークの電気的効果（最大、最小、またはその他の特定の値など）が生じた検知チャネル１１３Ａ〜Ｄは、現在得られている、スケール調整された（scaled）電気的効果を、ベースライン値（例えば、経験的に求めたか、時間平均したか、以前の測定から記憶されたなどの特定のチャネルの平均値）と比較することによって識別することもできる。更に別の実施形態は、各チャネル１１３Ａ〜Ｄの現在の電気的効果を、隣接する検知チャネルで得られている現在の値と比較することによって、ピークの電気的効果を発生させたチャネル１１３Ａ〜Ｄを識別することができる。別の実施形態では、被変調電極１１２Ａ〜Ｄの一部または全てから得られた電気的効果の重み付き平均が計算され、この重み付き平均または重心が物体１２１の位置と相関されうる。検知領域１０１にわたって得られた電気的効果を物体１２１の位置と相関させるための多くの技術は公知であるか、今後開発されると考えられ、これらの技術のいずれかが、本願に従ってさまざまな実施形態で使用されうる。
【００３１】
[0039]変調信号１１０Ａ〜Ｄの生成に使用するディジタル符号１０６を経時変化させることによって、さまざまな追加機能を実装することができる。例えば、受信信号チャネル１１３に対して単純なデュアルディファレンシャルディジタル／アナログ変換を実装するために、１つ以上の電極１１２に印加されるディジタル符号１０６が、周期的、非周期的、またはその他の方法で時間的に論理反転され（１の補数など）、相補検知信号１１６が生成される。この相補符号１０６は、２つの別のＡＤＣ入力（ドライバ１１５および／または復調器１１７に存在するＡＤＣなど）を逆方向に駆動するために使用され、これにより、信号１１６中の多くのタイプの変動または残存歪みが相殺される。ステップ２１０および２１２は、それぞれ、任意選択のノイズ再構成機能と画像処理機能を記載しており、これらは、広帯域スペクトラム技術を使用して得られる追加の利点としてさまざまな実施形態で有効にされうる。これらの機能は、以下に（それぞれ図３，４を参照して）更に詳しく説明するが、すべての実施形態に使用されるとは限らない。ディジタル符号１０６は、その性質上、変更、記憶、および後の処理が容易であるため、任意の数の信号増強、雑音除去および／またはその他のセンサ１００の性能向上が可能となる。更に、ディジタルシーケンスの組み合わせにより（due to the combinational power）、比較的多くのディジタル符号が使用可能である。符号化利得と直交性は、従来、使用する特定の符号の線形性と重ね合わせ（superposition）に依存している。非線形性と分散により、ディジタル符号の理論的な有効性が制限されるものの、複数の電極１１２を同時に変調することで得られる相対信号電力の増加（およびこれによるＳＮＲの増加）により、これを上回る利点が得られる。更に、多くの実施形態では、自己誘導チャネル間ノイズが他の雑音源よりも支配的となる可能性があるため、比較的安定したダイナミックレンジを提供することができる。
【００３２】
[0040]次に図３Ａ〜Ｂを参照すると、広帯域スペクトラム技術により、従来の単一周波数のサンプリング法と比べて改善されたノイズ回避が可能となる。上で説明したように、検知ゾーンが単一の電極１１２と対応しているか、複数の電極１１２に共通の変調信号１１０が提供されて、後の復調および計算のために単一の「電極」として有効に機能する大きな検知ゾーンが生成されうる。変調された波形１１０は、別個のディジタル符号１０６の関数であり、印加される検知ゾーンを一意に識別し、これにより、ＣＤＭや他の従来の広帯域スペクトラム技術を容易に適用することが可能となる。図３は、キャリア信号１１１のスペクトル３０２と、被変調信号１１０のスペクトル３０４間の周波数領域の差が強調されている例示的なスペクトルプロット３００を示す。単一周波数のキャリア信号３０２と比較して、１１４で受信される被変調信号の複数周波数スペクトル３０４は遙かに広い。被変調信号のスペクトル３０４は非常に広い感受帯域にわたって有効電力が分散しているため、対象となる特定の周波数またはその近傍の狭帯域ノイズ信号３０６の影響が大幅に低減される。すなわち、単一周波数（または狭帯域）のキャリア信号３０２の近くでスプリアス雑音信号３０６が仮に発生した場合、検知チャネル１１３中の電気的効果よりもノイズが支配的となる可能性がある。更に、受信信号１１６のスペクトルプロット３５０に示すように、広帯域ノイズ３０８の悪影響または他の被変調電極チャネル３１０からの干渉を、広帯域スペクトラム技術によって軽減することができる。プロット３５０から、被復調信号３５２（チャネル１１３の結合および／または被復調検知領域の近くの物体１２１の存在に対応している）は、比較的狭い周波数帯内に限定されているのに対し、他のチャネルから受信した信号３５４は、広い帯域に拡散していることがわかる。広帯域のノイズ３０８と狭帯域のノイズ３０６のいずれも、被復調信号中で広い周波数帯３５６および３５８にわたって同様に拡散している。このため、印加される被変調信号１１０の帯域幅を上げることによって、被復調信号１１６の信号対雑音比が劇的に改善される。復調により、信号帯の外のノイズが拡散されて、これが極めて狭くなり、これにより、所望の信号部分３５２を狭帯域フィルタ等によって容易に抽出できるようになる。この概念は、既知の雑音源を回避するディジタル符号１０６を選択することによって、更に利用することができる。すなわち、スプリアスノイズの影響を受けやすいことが公知の周波数においてスペクトルの「ギャップ」を形成するために、キャリア信号１１１に任意のビット長のディジタル符号１０６が印加される。従来のフーリエ解析を適用する（例えば、単純な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などを使用する）ことによって、多くの所望のスペクトル特性を有する変調信号１１０を作成するためのディジタル符号を選択することができる。結果信号１１６中の、予期されるかまたは実際のノイズを回避するために、被変調電極１１２に印加される符号が、動作中（例えば図２のステップ２１０）に変更されても、事前に選択されても、この両方が行われてもよい。別の実施形態では、１つ以上の電極１１２に印加される特定の符号１０６が、センサ動作中に、ランダムに、疑似ランダムに、決定論に従って、またはそれ以外の方法で変更されて、経時的に、結果信号１１６または復調信号１１８中に存在する任意のノイズが統計学的にフィルタされうる。同様に、特定の空間周波数または空間位置を、（例えば符号化利得によって）強調したり、または異なる変調電極に符号を印加してフィルタ除外することができる。動作中の符号のシフトにより、ノイズの影響または非入力物体（手のひらなど）のスプリアス効果の低減に加えて、ほかの利点（選別または耐湿性など）が提供されうる。各種の同等の実施形態では、ディジタル符号１０６を変更する代わりに、あるいはこれに加えて、キャリア信号１１１の周波数、位相、振幅および／または波形が調整されうる。
【００３３】
[0042]次に図４を参照すると、さまざまな電極１１２Ａ〜Ｄに複数の符号化変調信号１１０Ａ〜Ｄを同時に印加する広帯域スペクトラム技術により、検知領域１０１内にある物体１２１の複数の存在４０８，４１０，４１２を識別することが可能である。例えば、複数の物体は、タッチパッド上の複数本の指、使用中にセンサ１００に載っている手のひらの存在や、指とスタイラスが一緒に存在すること、および／またはその他の入力の任意の組合せに対応しうる。複数の存在４０８，４１０から生じる電気的効果が、概念的には、図４に示すように、１つ以上の軸４０４，４０６上に投影されて、その軸での物体の相対位置が識別されうる。すなわち、電気的効果のピーク値を、検知領域１０１に対する物体１２１の相対位置と相関させることができる。図４の例では、「Ｘ」軸４０４および「Ｙ」軸４０６上に投影された電気的効果の増加によって、指４０８を識別することができる。ピークの電気的効果の相対Ｘ位置およびＹ位置を相関させることによって、存在４０８の位置を、二次元（または他の次元数で）で相関させることができる。同様に、図４Ａの例は、電気的効果が軸４０４，４０６に投影される第２の存在４１０を示す大きな領域を示している。このような複数の電気的効果の投影を追加で相関させて、領域１０１に存在する物体１２１の像（「輪郭」など）を識別することができる。この概念を更に広げると、１つ以上の像４０８，４１０がその後適切に処理されうる。領域１０１の中の複数本の指の存在は、例えば、スクロール、モードの選択または他のタスクを実行するために使用することができる。画像が、ユーザの手のひら（またはその他のユーザの体の不要な部分）から生じたものであると識別することができれば、その画像４１０を、位置情報または他の出力信号の報告など、後の処理で回避することができる。
【００３４】
[0043]図４に示す例示的な実施形態では、２本の軸４０４，４０６は被変調電極１１２の一部か、または図１Ｂのように、２つの略直交する方向に配置された、その関連チャネルにほぼ対応している。しかし、別の実施形態では、任意の数の電極１１２が、重複していたり、重複していなかったり、行列またはその他の構成に配置されてもよい。二次元に配置された、重複する電極１１２Ａ〜Ｇを有するセンサ５００の例が、図５に示される。このような実施形態では、受信チャネルに対する電気的効果が、２方向の電極のそれぞれの交点で独立して有効に測定され（例えば、Ｘ方向とＹ方向が、等高線プロット４００の軸４０４，４０６に対応しているなど）、コントローラ１０２で結果が相関され、４０４および４０６のような２つの一次元の「シルエット」ではなく、物体１２１の二次元の表現または像が提供される。このような場合、第１の方向に配置された電極（例えば電極１１２Ａ〜Ｃ）が、第２の方向に配置された電極（例えば電極１１２Ｄ〜Ｇ）とは別の時間に変調され、ある時点での電極のいずれかの組（電極１１２ＤとＦなど）からの１つ以上の受信信号１１６が、マルチプレクサ５０２を介して復調器１１７に提供される。図５は、さまざまな電極１１２Ａ〜Ｇがマルチプレクサ５０２を介して変調器１０７と復調器１１７に結合されていることを示している。また、マルチプレクサは、電極の１つ以上を、復調前に受信回路１１５に接続しうる。実際には、信号が電極１１２の一方のサブセットに印加され、もう一方のサブセットで受信されるような任意の方法で、各電極が接続されうる。
【００３５】
[0044]さまざまな実施形態では、受信チャネルとして機能する２つ以上の電極（例えば、上記のチャネル１１３に相当する）に、別個の結果信号１１６が供給されうる。更に、非駆動または不使用の電極（１１２ＥおよびＧなど）が、電気的基準（グラウンドなど）と結合されるか、または被変調信号によって駆動されて、駆動中の受信チャネルの空間的分解能が改善されうる。この基準は、一般にシールド信号または保護信号と呼ばれており、多重化ロジック５０２等を介して印加されうる。
【００３６】
[0045]ディジタル符号化処理および他の広帯域スペクトラム技術を、任意の数の異なる方法で機能するセンサにも、同様に適用することができる。図６Ａは例示的なセンサ６００を示しており、例えば、一次元または多次元に配置された任意の数の被変調電極１１２Ａ〜Ｂを備え、これが、被変調電極によって移動された電荷を線形的に変換する容量性フィルタ（積分コンデンサ６１０など）に結合されている。マイクロコントローラ１０２／１０４などが、電極１１４に結合された１１２Ａ〜Ｂを、上で説明したように変調する別個のディジタル符号１０６を適切に生成する。しかし、この例では、ディジタル符号１０６は、必ずしも各電極１１２Ａ〜Ｂに供給される電圧を符号化するためのものではなく、１１４に移動される電荷のタイミングを制御するものである。各電極の充電および放電のタイミングを制御し、その後、１１４から積分コンデンサ６１０に収集された電荷量を確認することによって、各電極１１２Ａ〜Ｂによって提供される電荷量を、被復調信号１１８から決定することができる。各電極１１２Ａ〜Ｂの充電は、受信電極１１４に電荷を移動すべき場合にのみ各電極に電圧が印加され、それ以外の場合にはフロートとなるようにディジタル符号１０６を選択することによって制御することができる。個々の電極１１２Ａ〜Ｂおよび／またはその組からの電荷を選択的にコンデンサ６１０に供給することによって、各電極１１２Ａ〜Ｂからの結合の量（物体１２１の近接度によって影響される）を決定することができる。
【００３７】
[0046]図６Ｂは、各電極１１２で検知と駆動が統合されており、１つ以上のコンデンサ６１０によってフィルタまたは復調される例示的なセンサを有する別の実施形態を示す。符号１０６が駆動回路１０９を変調し、これは電極１１２に接続された電流源として実装されうる。駆動回路に対する電極の応答が、電極の近くの物体１２１の結合によって影響され、結果信号（結合によって生じた電圧など）が、回路６０４およびコンデンサ６１０によってフィルタおよび／または復調される。フィルタされた信号が更に復調されて、物体の位置属性が決定される。更に、複数の電極が、実質的に直交する符号によって同時に駆動され、復調後に、電極１１２Ａの別の電極１１２Ｂへの安定した結合が実質的に相殺されうる。これらの位置検知方法、および他の多くの位置検知方法は、ディジタル符号化処理および広帯域スペクトラムの技術の利益を受ける。
【００３８】
[0047]次に図７を参照すると、ここに記載の符号化技術に従って形成された各種センサ７００が、単一の回路基板または他の基板７０２に形成されうる。このような実施形態では、検知領域１０１を形成している電極１１２Ａ〜Ｇが基板の一方の面に配置され、処理要素（例えばコントローラ１０２など）が反対側の面に形成されうる。各種センサ（図１，５に示すセンサ１００および５００など）では、検知電極、受信電極１１２，１１４を互いに物理的に移動させる必要がないため、このようなセンサの電極１１２，１１４は、基板７０２上に任意の方法で堅固に固定されてもよい。基板７０２は、折りたたみまたは屈曲が可能なように、可撓性材料から形成することができる。更に、安定した絶縁分離を提供し、湿気やごみ、その他の環境的な影響から保護するために、電極上に保護面７０４が、堆積されるか別の方法によって設けられうる。面７０４は、ユーザに触覚フィードバックを適切に提供しうる。図８は、フレキシブル基板８０２に適切に形成された例示的なセンサ８００を示す。図８には、各種の処理要素が、被変調電極および検知電極と基板８０２の同じ面にあり、基板８０２が領域１０１に触覚フィードバックを提供することができることが示されている。さまざまな別の実施形態を作成するために、ここに記載した各種の概念、構造、構成要素および技術が、相互に組み合わされたり、適宜変更されてもよいことを理解すべきである。
【００３９】
[0048]したがって、タッチパッド等の位置検知装置で指、スタイラスまたは他の物体の位置に基づく属性を検出するための数多くのシステム、装置およびプロセスが提供される。上記の詳細な説明において少なくとも１つの代表的な実施形態を示したが、膨大な数の変形例が存在することを理解されたい。例えば、ここに記載される手法のさまざまなステップは、任意の時間的順序において実施されてもよく、ここに提示および／または権利を請求する順序に限定されることはない。また、ここに記載した代表的な実施形態は例に過ぎず、いかなる形であれ本発明の範囲、利用可能性または構成を限定することを意図するものではないことも理解されたい。このため、添付の特許請求の範囲とその法的均等物に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、各種要素の機能および構成をさまざまに変更することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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