(57)【要約】【課題】複数のタッチセンサの場合、角が多く長いリード線では、角が少なく短いリード線のものよりも、検出信号の減衰は格段に多い。したがって、検出回路によって受信される信号はパッド毎に大きくばらつくことになるので、信号レベルの差を補償するように設計しなければならない。【解決手段】タッチセンサは閉じた連続幾何学的形状を有する第１導電性電極パッド（１６）と、チャネル（２０）により離間され、共通面上にある関係で第１電極をほぼ包囲する第２導電性電極（１８）とを含み、第１および第２電極は基板の同一の平坦な下表面上に配置されている。トランジスタのような能動電気素子（２６）が、第１および第２電極に隣接して基板上に配置され、第１および第２電極に結合している。【選択図】図３
2006085741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
前記基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する、閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記基板の第１表面上に配置され、前記第１電極パッドに対して、離間され、共通面にあり、ほぼ包囲する関係にある第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記基板上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合され、前記基板の人の接触によって前記制御対象装置を活性化するようにした能動電気素子と、
から成るタッチ・センサ。
【請求項２】
前記基板の前記第１表面上にストローブ線が配置され、前記第２電極に電気的に結合されている請求項１の装置。
【請求項３】
前記ストローブ線にストローブ信号が印加され、前記ストローブ信号は前記第１および第２電極間に電界を生成する請求項２の装置。
【請求項４】
前記電界は、前記第２電極から発し、前記第１電極で終端する円弧状経路を有する請求項３の装置。
【請求項５】
更に、前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含む請求項１の装置。
【請求項６】
前記タッチ・センサは、前記センス線上に、前記タッチ・センサのステータスを示す検出信号を発生する請求項５の装置。
【請求項７】
前記検出信号は検出回路によって受け取られ、前記検出回路はピーク検出器を含む請求項６の装置。
【請求項８】
前記検出信号のレベルは、前記基板が前記ユーザの前記付属器官によって接触されると変化する請求項６の装置。
【請求項９】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触表面である請求項１の装置。
【請求項１０】
前記基板はガラスである請求項１の装置。
【請求項１１】
前記基板はプラスチックである請求項１の装置。
【請求項１２】
前記第１および第２電極間にチャネルが配置され、前記チャネルは全体的に均一な幅を有する請求項１の装置。
【請求項１３】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置されている請求項１の装置。
【請求項１４】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置され、行および列のマトリクスに配列されている請求項１の装置。
【請求項１５】
前記タッチ・センサの前記列に共通ストローブ線が電気的に結合され、前記タッチ・センサの行に共通センス線が電気的に結合されている請求項１４の装置。
【請求項１６】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
誘電体担体と、
前記担体上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対し離間されほぼ包囲する関係で、前記担体上に配置された第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記担体上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合された能動電気素子と、
第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記誘電体担体が前記誘電体基板の前記第１表面上に配置され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにした前記誘電体基板と、
から成るタッチ・センサ。
【請求項１７】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触表面であり、前記誘電体担体は前記基板の前記第２表面上に配置されている請求項１６の装置。
【請求項１８】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
前記基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して、離間されほぼ包囲する関係で前記基板の前記第１表面上に配置された第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにしたトランジスタと、
から成るタッチ・センサ。
【請求項１９】
前記トランジスタはＰＮＰトランジスタである請求項１８の装置。
【請求項２０】
更に、前記基板の前記第１表面上に配置され、前記第１および第２電極間に電気的に結合されている抵抗を含む請求項１８の装置。
【請求項２１】
更に、前記第１および第２電極に隣接して、前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含む請求項１８の装置。
【請求項２２】
前記トランジスタは、ベース、コレクタおよびエミッタを有し、前記トランジスタのベースは前記第１電極に接続され、前記トランジスタのコレクタは前記センス線に接続され、前記トランジスタのエミッタは前記第２電極に接続されている請求項１８の装置。
【請求項２３】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置されている請求項１８記載の装置。
【請求項２４】
前記タッチ・センサは、前記センス線上に、前記タッチ・センサのステータスを示す検出信号を発生する請求項２１の装置。
【請求項２５】
前記検出信号のレベルは、前記基板が前記ユーザの前記付属器官によって接触されると変化する請求項２４の装置。
【請求項２６】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な複数のタッチ・パッドであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
周縁を有し、基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して離間された関係で前記基板の前記第１表面上に配置された第２の薄い導電性電極であって、隣接するタッチ・パッドを有する周縁上で前記第１電極を包囲する前記第２電極と、
から成るタッチ・パッド。
【請求項２７】
更に、前記基板の前記第２表面上に配置され、前記第２電極に電気的に結合されたストローブ線を含む請求項２６の装置。
【請求項２８】
前記ストローブ線にストローブ信号が印加され、前記第２および第２電極間に電界を生成する請求項２７の装置。
【請求項２９】
前記電界は、隣接するタッチ・パッドによって生成される電界とは逆方向である請求項２８の装置。
【請求項３０】
更に、前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含み、前記タッチ・センサは前記センス線上に検出信号を発生する請求項２６の装置。
【請求項３１】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触面である請求項２６の装置。
【請求項３２】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な複数のタッチ・パッドであって、
誘電体担体と、
周縁を有し、前記担体上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して離間された関係で前記担体上に配置された第２の薄い導電性電極であって、隣接するタッチ・パッドを有する周縁上で前記第１電極を包囲する前記第２電極と、
第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記担体が前記誘電体基板の前記第１表面上に配置され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにした前記誘電体基板と、
から成るタッチ・パッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明はタッチ・パネル・システムに関し、更に特定すれば、基板の一方側に取り付けこの基板の反対側のユーザの接触を検出するためのタッチ・センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
タッチ・パネルは、従来の機械式スイッチに代用するために、例えば、調理台、電子レンジ等、多くの用途に用いられている。機械式スイッチとは異なり、タッチ・パネルは破損したり磨耗するような移動部品がない。基板と共に用いられる機械式スイッチは、当該スイッチを取り付けるために、基板を貫通するある種の開口を必要とする。これらの開口およびスイッチ自体にある開口のために、ごみ、水およびその他の汚染物が基板を通過したり、あるいはスイッチ内に入り込む可能性がある。環境によっては多数の汚染物を含む場合があり、それらが基板開口を通過し、電気的短絡や基板の後ろにある構成物への損傷の原因となり得る。しかしながら、タッチ・パネルは連続基板シート上に形成することができ、基板には全く開口を必要としない。また、タッチ・パネルは、ごみやその他の汚染物が集まる開口や空洞がないので、掃除が容易である。
【０００３】
既存のタッチ・パネルの設計では、基板の両側、即ち、基板の「前面」および基板の「背面」の双方に、タッチ・パッド電極を取り付けている。典型的に、酸化錫アンチモニ（ＴＡＯ：ｔｉｎ  ａｎｔｉｍｏｎｙ  ｏｘｉｄｅ）製の電極が基板の前面に取り付けられ、追加の電極が背面に取り付けられる。タッチ・パッドは、ユーザがＴＡＯ電極に接触すると活性化される。かかる設計は、傷、掃除用溶剤、および摩擦式掃除用パッドによる損傷にＴＡＯ電極を晒すことになる。更に、ＴＡＯ電極は、タッチパネルにコストや複雑性を追加するものでもある。
【０００４】
公知のタッチ・パネルは高インピーダンス設計を使用することが多いが、これは、水またはその他の液体が基板上にある場合、タッチ・パネルの誤動作の原因となる。このために、台所のように通常液体がある場所において問題を生じる。パッドは水よりも高いインピーダンスを有するので、タッチ・パッドが生成する電界に対して、水が導体として作用する。したがって、電界は最も抵抗が小さい経路、即ち、水に向かうことになる。また、高インピーダンス設計のために、静電気がタッチ・パネルの誤動作の原因となる可能性がある。タッチ・パッドのインピーダンスが高いために、静電気の素早い散逸が妨げられる。
【０００５】
また、既存のタッチ・パネルの設計には、隣接するタッチ・パッド間のクロストークに伴う問題もある。クロストークが発生するのは、１つのタッチ・パッドによって生成される電界が隣接するタッチ・パッドによって生成される電界と干渉するときであり、その結果誤ったタッチ・パッドの活性化、または２つのパッドの同時活性化のような、誤った活性化が行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
公知のタッチ・パネルの設計では、受動性であるパッドを個々に備えている。タッチ・パッドに隣接して能動素子は配置されていない。代わりに、リード線が各能動タッチ・パッドを能動検出回路に接続する。タッチ・パッドのリード線は、検出回路に対するタッチ・パッドの位置によって、異なる長さを有する。また、リード線は、線の配設経路にしたがって、異なる形状を有する。リード線の長さおよび形状が異なると、各線上の信号レベルが異なるレベルに減衰される原因となる。例えば、角が多く長いリード線では、角が少なく短いリード線よりも、検出信号の減衰は格段に多い。したがって、検出回路によって受信される信号は、パッド毎に大きくばらつくことになる。その結果、検出回路は、信号レベルの大きな差を補償するように設計しなければならない。
【０００７】
多くの既存のタッチ・パネルは、接地リングにような接地機構を、各タッチ・パッドに隣接して用いている。これらの接地機構は、各タッチ・パッド付近に追加の素子を配置し取り付けなければならないことを意味し、そのためにタッチ・パネルに複雑性が追加される。更に、ある種の接地機構は、検出回路に提示される信号レベルの差を最少に抑えるために、個々のタッチ・パッド各々に異なる形状を必要とするものもある。したがって、様々な接地機構を設計するために、追加の設計時間が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概略
本発明は、誘電体基板の一方側にのみ取り付けるようにした能動性低インピーダンス・タッチ・センサを提供することによって、既存のタッチ・パネルの設計に伴う上述の問題を解決するものである。本発明のタッチ・センサは、第１導電性電極パッドと、この第１電極から離間された関係でほぼ包囲する第２導電性電極とを有する。第１電極は、人間の付属器官（ｈｕｍａｎ  ａｐｐｅｎｄａｇｅ）によってほぼ全体が覆われる接触領域を備えた、閉じた連続幾何学的形状を有する。両電極は基板の同一側に取り付けられる。能動電気素子がこれらの電極に隣接して配置される。
【０００９】
本発明のタッチ・パッドは、既存のタッチ・パッドの代わりに、または従来のスイッチを代用するために使用することができる。タッチ・パッドは、ユーザが指先のような人間の付属器官で基板に接触すると活性化される。タッチ・パッドは、装置をオンまたはオフにしたり、温度を調節したり、時計またはタイマをセットしたり、または従来のスイッチによって行われていたあらゆる他の機能のために使用することができる。既存のタッチ・パネルの設計に伴う問題を解決することに加えて、本発明は、コピー機やファックス装置のように、現在メンブレイン式スイッチを使用している用途においても特に有用である。本発明のタッチ・パッドの設計は、基板上に液体があっても、更に静電気があっても、適正に動作する。このタッチ・パッドは、台所や、水、油およびその他の液体があって当然の環境における、レンジ、オーブンおよび内蔵式コックトップ（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｃｏｏｋｔｏｐ）用制御パネル等に用いるのに非常に適している。
【００１０】
好適な形態では、タッチ・パッド電極が基板の背面に取り付けられる。基板の背面は、前面即ち「被接触」面の反対側であるので、ユーザによる電極の接触が防止される。タッチ・パッドが基板の前面に配置されていないので、傷、掃除用溶剤またはその他の基板の前面に接触するあらゆる汚染物による損傷も受けることはない。更に、基板の前面上にはＴＡＯパッドを必要としないので、タッチ・パネルのコスト低減および複雑性減少が図られる。
【００１１】
好適な形態では、ストローブ線が外側電極に電気的に接続され、ストローブ信号を外側電極に供給する。ストローブ線に印加されるストローブ信号は、外側電極と中央電極との間に電界を生成する。この電界の経路は互いに逆であり、そのため隣接するパッド間のクロストークの可能性が減少する。電界経路は円弧状であり、基板を貫通し前面を通過する。タッチ・パッドに隣接して基板にセンス線が取り付けられ、タッチ・パッドからピーク検出回路に検出信号を搬送する。検出信号レベルは、ユーザが基板に触れると変化する。
【００１２】
好適な形態では、表面実装トランジスタのような能動電気素子が各タッチ・パッドに配置される。好ましくは、トランジスタは、各パッドのセンス線、中央電極および外側電極間に接続される。トランジスタは、タッチ・パッドにおける検出信号を増幅し、バッファするように作用し、これによって、異なるリード長およびリード配設経路による個々のタッチ・パッド間の信号レベルの差を小さくする。したがって、パッド間における電圧レベルの差は大幅に減少し、全タッチ・パッド間で均一性の高い検出電圧を供給する。
【００１３】
基板上に複数のタッチ・パッドをマトリクス状に配置してもよい。マトリクス構成を用いると、ストローブ信号をタッチ・パッドの特定の列に印加し、タッチ・パッドの特定の行についてセンス線を監視する。ストローブをある列のパッドに印加し、ある行からのセンス線を監視することにより、特定のパッドを選択する。
【実施例】
【００１４】
実施例の詳細な説明
第１図を参照すると、誘電体基板１０に取り付けられた単一のタッチ・パッドが示されている。基板１０はほぼ均一な厚さを有し、ガラス、セラミックまたはプラスチックのようないずれかの種類の誘電体材料で製造することができる。好適実施例では、基板１０はガラスで製造し、約３ｍｍの均一な厚さを有する。基板１０の厚さは特定の用途によって変化し、追加強度が必要な場合はより厚い基板が使用される。基板１０をガラスで製造する場合、基板は約１．１ｍｍまで薄く、そして約５ｍｍまで厚く製造することができる。基板をプラスチックで製造する場合、プラスチック性メンブレイン・スイッチと同様に、基板は１ｍｍよりも小さい厚さとすることができる。基板１０が薄いと、ユーザが手袋やミトン（ｍｉｔｔｅｎ）を着用していても、タッチ・パッドの操作が可能となる。
【００１５】
基板１０は前面１２と、対向する背面１４とを有する（第２図に示すように）。ユーザは、基板１０の前面１２に接触することによって、タッチ・パッドを活性化する。タッチ・パッドは、薄く導電性の中央電極パッド１６と、この中央電極をほぼ包囲する、薄く導電性の外側電極１８とを含む。中央電極１６と外側電極１８との間にチャネル２０が位置する。電極１６および１８は、チャネル２０が実質的に均一な幅を有するように配置されている。
【００１６】
好ましくは、中央電極１６は、ユーザの指先またはその他の付属器官が接触したときに、電極がほぼ覆われるような寸法を有する。
好適実施例では、中央電極１６は正方形であり、外側電極は、中央電極の形状に一致する正方形形状を有する。しかしながら、矩形、台形、円、楕円、三角形、六角形、および八角形を含むが、これらには限定されない様々な閉じた連続幾何学的形状を、中央電極に使用してもよいことは理解されよう。中央電極１６の形状には無関係に、外側電極１８は、離間された関係で中央電極を線形にほぼ包囲し、チャネル２０は全体的に均一な幅を有する。
【００１７】
好ましくは、中央電極１６は固体導体である。しかしながら、中央電極１６は複数の孔を有してもよく、あるいはメッシュまたは格子パターンを有してもよい。中央電極１６が、同一電位を有する複数の電気的接触点をほぼ同一面に有することは重要である。
【００１８】
第１図に示すように、ストローブ線２２が外側電極１８に接続されている。ストローブ線２２は、外側電極１８にストローブ信号（第８図に示す）を供給する。好適実施例では、ストローブ信号は、１００ｋＨｚないし２００ｋＨｚ間の周波数で０および＋５ボルトの間で発振する方形波である。あるいは、ストローブ信号は、使用する検出回路に応じて、１００ｋＨｚ未満または２００ｋＨｚより高い周波数を有しても良い。更に、ストローブ信号は、制御対象装置から容易に得られる電圧に応じて、０ないし＋３ボルトの間、０ないし＋１２ボルトの間、０ないし＋２４ボルトの間、−５ボルトないし＋５ボルトの間、またはその他のいずれかの電圧範囲で発振してもよい。
【００１９】
ストローブ信号は急峻な立ち上がりエッジ（第８図に示す）を有し、これが、外側電極１８と内側電極１６との間に電位差を発生する。この電極１６および１８間の電位差は、第２図に破線で示すように、これら電極間に円弧状電界を生成する。この電界は基板１０を貫通し前面１２を通過する。
【００２０】
第２図には示していないが、電極１６および１８間の電界は、基板を貫通するのではなく、むしろ基板１０から遠ざかる円弧状経路をたどる。この経路は第２図に示す破線の鏡像であり、上方ではなく下方に延びる。
【００２１】
第２図に示すように、生成される電界は互いに逆方向である。例えば、第２図に示す２つの電界経路は、パッドの対向側において電極１８から発する。電界経路は各々中央電極１６で終端するので、経路は互いに向い合って移動する。したがって、全ての電界経路は外側電極１８において発生し、内側方向に中央電極１６に向かって移動する。
【００２２】
再び第１図を参照すると、外側電極１８に隣接して基板１０にセンス線２４が取り付けられている。センス線２４は、タッチ・パッドから、以下で論ずる検出回路の残りの部分に検出信号を搬送する。
【００２３】
第３図に示すように、表面実装トランジスタ２６および表面実装抵抗２８が、タッチ・パッドに電気的に接続されている。抵抗２８は、中央電極１６と外側電極１８との間に接続されている。好適実施例では、抵抗２８は１０Ｋオームの値を有し、これによってタッチ・パッドに比較的低い放電入力インピーダンスを与えている。
【００２４】
トランジスタ２６は、中央電極１６、外側電極１８およびセンス線２４の間に接続されている。好適実施例では、トランジスタ２６は、２Ｎ３０８６のようなＰＮＰトランジスタである。トランジスタ２６のベースは内側電極１６に接続され、トランジスタのエミッタは外側電極１８に接続され、トランジスタのコレクタはセンス線２４に接続されている。トランジスタ２６は、タッチ・パッドにおいて直接検出信号の増幅およびバッファリングを行う。あるいは、ＮＰＮトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、またはその他のトリガ可能な能動電気素子を、ＰＮＰトランジスタの代わりに使用してもよい。
【００２５】
第５図は、トランジスタ２６および抵抗２８のタッチ・パッドへの接続のモデルを模式的に示したものである。電極１６および１８間の容量性結合は、第５図ではコンデンサとして表されており、抵抗２８がこのコンデンサに並列に接続されている。抵抗２８は、電極１６および１８によって形成されるコンデンサを放電するように作用する。コンデンサ２７は寄生容量を表わし、ユーザによる接触の結果である。コンデンサ２１は、ストローブ線２２上の寄生容量である。異なるトランジスタ間におけるベータ値の差を補償するため、および温度の基づいてトランジスタ動作特性における差を補償するために、抵抗２５を使用することができる。しかしながら、好適な形態では、抵抗２５は０オームの値を有する。即ち、抵抗２５を使用しない。
【００２６】
好適実施例では、電極１６および１８、ストローブ線２２、ならびにセンス線２４は、Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｎｏ．ＨＳ−５００、Ｔｙｐｅ５６１、Ｌｅｖｅｌ２のようなポリエステル材で製造した、厚さ０．００５インチの可撓性担体に取り付けられる。電極１６および１８、ストローブ線２２、ならびにセンス線２４は、Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｎｏ．４２７  ＳＳのような導電性銀インク（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｓｉｌｖｅｒ  ｉｎｋ）を用いて、０．５ミルの厚さに形成する。次に、トランジスタ２６およびトランジスタ２８を電極および線に取り付ける。電極および線上に誘電体層を配して、導通面を保護する。好ましくは、この誘電体はＡｃｈｅｓｏｎ  Ｎｏ．ＭＬ２５０８９であり、厚さ１．５ミルである。次に、３Ｍ  Ｎｏ．４６７のような接着剤を用いて、可撓性担体を基板１０に接合する。可撓性担体は、基板１０の形状に一致するように、湾曲させたりねじ曲げることができる。
【００２７】
あるいは、電極１６および１８、ストローブ線２２ならびにセンス線２８を直接基板１０に取り付けることも可能である。次いで、トランジスタ２６および抵抗２８を電極１６および１８、ならびにセンス線２４に取り付ける。
第６図を参照すると、タッチ・パネル・マトリクスが基板１０に取り付けられている。マトリクス内の各タッチ・パッドは、先に論じた個々のパッドと同一構成を有する。また、各タッチ・パッドは、先に述べたように、トランジスタ２６および抵抗２８を含む。これらのタッチ・パッドを行および列に配列し、基板１０に取り付ける。特定の列の各タッチ・パッドを共通ストローブ線２２に接続する。特定の行の各タッチ・パッドを共通センス線２４に接続する。したがって、同じ組み合わせのストローブ線２２およびセンス線２４に接続されるタッチ・パッドは２つとない。
【００２８】
第６図はタッチ・パッド・マトリクスのある特定の配列を示すが、特定の用途に応じて、あらゆる数のタッチ・パッドをあらゆるパターンにでも配列可能であることは理解されよう。タッチ・パッドは行および列に配列する必要はない。代わりに、タッチパッドを基板上にランダムに配置したり、円形または対角線上に配列してもよい。基板に取り付け可能なタッチ・パッドの数は、基板のサイズによってのみ制限される。
【００２９】
第７図を参照すると、基板１０に取り付けられた３つの隣接するタッチ・パッドが示されている。各タッチ・パッドに関連する電界が破線で示されている。先に個々のタッチ・パッドで述べたように、電界経路は外側電極１８において発し、基板を貫通し再度中央電極１６に向かって戻ってくる円弧状経路をたどる。各タッチ・パッドによって生成される電界はパッドの中心に向かって進むので、隣接するパッドの電界は互いに逆向きである。即ち、逆方向に動く。したがって、隣接パッド間のクロストークの可能性が低下する。
【００３０】
代替実施例では、外側電極１８は中央電極１６をほぼ包囲するものではない。電極１６および１８の配置についての重要な特徴は、対向する電界を生成することである。したがって、隣接するタッチ・パッドが存在するところには、対向する電界がありさえすればよい。例えば、基板上に３つのタッチ・パッドが直線上に配置されている場合、外側電極１８は隣接するパッド間に位置する。この３パッド配列の中の中央のパッドが左および右に隣接するパッドを有する場合、外側電極１８は、中央のパッドの左および右側に位置することになる。しかしながら、中央パッドの上下には隣接するパッドが配置されていないので、この中央パッドの上下にはクロストークの可能性はない。したがって、中央パッドの上下には外側電極１８は必要とされない。同様に、３パッド配列における両端のパッドは、一方側に隣接パッドがあるので、その一方の隣接側にのみ外側電極１８を必要とする。
【００３１】
第１２図を参照すると、タッチ・パッド・マトリクスの制御回路のブロック図が示されている。発振器３０が線３２上に方形波を生成し、これがストローブ信号として機能する。デマルチプレクサ３４が発振器３０からストローブ信号を受け取る。Ｍｏｔｏｒｏｌａ  ＭＣ６８ＨＣ０５Ｐ９のようなマイクロプロセッサ３６がストローブ・アドレスを発生し、線３８上でデマルチプレクサ３４に供給する。ストローブ・アドレスはデマルチプレクサ３４に、ストローブ信号を受ける数本の出力信号の１本を選択させる。デマルチプレクサ３４からの各出力線は、タッチ・パッドの特定の列に対する１本のストローブ線２２に接続されている。したがって、発振器３０からの出力は、デマルチプレクサ３４を介して、タッチ・パッドの特定の列に対するストローブ線２２に接続される。
【００３２】
また、マイクロプロセッサ３６はセンス・アドレスも発生し、線４８上でこれをマルチプレクサ３４に供給する。センス・アドレスは、マルチプレクサ４６に、センス線として監視すべき数本の入力線の１本を選択させる。したがって、ある列のパッドを「ストローブ」し、ある行のパッドを「センス」することによって、マトリクス内の特定のタッチ・パッドを選択的に監視することができる。あるいは、ある行のパッドを「ストローブ」し、ある列のパッドを「センス」することによって監視が行われるように、タッチ・パッド・マトリクスを配列することも可能である。
【００３３】
マルチプレクサ４６によって選択されたセンス線２４は、線５０を用いて、ピーク検出および増幅回路５２に接続される。回路５２の出力は、線５４上でマイクロプロセッサ３６に供給される。回路５２から受け取った信号に応じて、マイクロプロセッサ３６上で実行されるアルゴリズムが、制御対象装置５８を活性化すべきか、非活性化すべきか、あるいは調節すべきかを判定する。
【００３４】
第１３図に示すピーク検出および増幅回路は、単一タッチ・パッド設計または、例えば、タッチ・パッド・マトリクスのような、多数タッチ・パッド設計のいずれにおいても使用される。第１３図の左側部分はピーク検出回路を表し、第１３図の右側部分は増幅回路を表わす。検出信号は、センス線２４によって、演算増幅器６４の非反転入力に搬送される。センス線２４と接地との間に抵抗６２が接続されている。好ましくは、抵抗６２は１０Ｋオームの値を有する。＋５ボルトと演算増幅器６４の出力との間にプル・アップ抵抗６６が接続されている。好適実施例では、抵抗６６は１０Ｋオームの値を有する。演算増幅器６４の出力は、ダイオード６７を介して、演算増幅器６４の反転入力に接続されている。接地と演算増幅器６４の反転入力との間に、抵抗６８およびコンデンサ７０が並列に接続されている。好ましくは、演算増幅器６４および７２は、ＬＭ３３９という形式のものである。
【００３５】
演算増幅器７２の非反転入力は、ピーク検出回路からの出力信号を受け取る。＋５ボルトと演算増幅器７２の出力８２との間に、プル・アップ抵抗７４が接続されている。好適実施例では、抵抗は１０Ｋオームの値を有する。出力８２は、抵抗７８を介して、演算増幅器７２の反転入力に接続されている。演算増幅器７２の反転入力と接地との間に、抵抗７６が接続されている。出力８２と接地との間にコンデンサ８０が接続されている。
【００３６】
抵抗７６および７８の値は、増幅回路による増幅のレベルを決定する。好適実施例では、抵抗７６は６６Ｋオームの値を有し、抵抗７８は１００Ｋオームの値を有する。異なるレベルの増幅が望ましい場合、当業者には公知であるが、抵抗７６および７８に異なる値を用いる。更に、ピーク検出出力に接続された増幅器の使用を必要としない検出回路を用いてもよい。かかる検出回路は、当業者には公知である。
【００３７】
動作中、ユーザが基板１０に接触すると、タッチ・パッドは活性化される。タッチ・パッドは、電界の十分な中断の原因となる指先、または指間接、手の平、肘のようなその他の付属器官による接触を感知する。
【００３８】
外側電極１８に接続されているストローブ線２２に、第８図に示すストローブ信号を印加する。好ましくは、ストローブ信号は約７ｎｓｅｃの立ち上がり時間を有する。しかしながら、１００ｎｓｅｃまでの立ち上がり時間でも使用可能である。７ｎｓｅｃのように立ち上がり時間が速い程、入力インピーダンスが低く、したがって好ましいものである。既に述べたように、ストローブ信号はタッチ・パッドに電界を生成する。基板１０が接触されていない場合、第９図に示す波形がセンス線２４上に存在する。各ストローブ信号パルスの立ち上がりエッジがトランジスタ２６をオンにし、このトランジスタにベース電流を引き込ませる。すると、次のパルスが到達するまで、電極１６および１８によって形成されたコンデンサが、抵抗２８を介して放電を行う。
【００３９】
トランジスタ２６のベース電流は、ＩＢ＝Ｃ（ｄＶ／ｄＴ）という式で決定され、ここでＩＢはベース電流、Ｃはタッチ・パッドの容量、およびｄＶ／ｄＴは時間に対する電圧変化である。時間に対する電圧変化は、発振ストローブ信号の電圧レベル変化によって生ずる。電極１６および１８によって形成されたタッチ・パッドにユーザが接触すると、タッチ・パッドの容量性電荷（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｃｈａｒｇｅ）が減少し、一方寄生コンデンサ２７の容量性電荷が増大する。
【００４０】
トランジスタ２６は、各タッチ・パッドにおける検出信号を増幅し、バッファする。これによって、異なるリード長およびリード配設経路によって生ずるタッチ・パッド間の信号レベル差が減少する。より均一な検出信号レベルを供給することによって、更に大きな増幅が可能となるが、信号レベルは０ないし＋５ボルト間に維持される。
【００４１】
第９図に示す波形は、第１３図に示すピーク検出回路に印加される。接触されていない場合のピーク検出器の出力を第１０図に示す。ユーザが接触した場合のピーク検出器の出力を第１１図に示す。第１０図および第１１図に示すように、波形は同じ形状を有するが振幅が異なる。したがって、ユーザがタッチ・パッドに接触すると、ピーク検出器の出力が変化する。
【００４２】
タッチ・パッド・マトリクスを使用する場合、制御回路（第１２図に示すような）を用いて、マトリクス内の各タッチ・パッドを選択的に監視する。マイクロプロセッサ３６は、適切なストローブ・アドレスおよびセンス・アドレスをそれぞれデマルチプレクサおよびマルチプレクサに送ることによって、各ストローブ線２２および各センス線２４を順次選択する。各センス線２４はピーク検出器５２によって監視され、ピーク検出器５２は検出信号を増幅し、それをマイクロプロセッサ３６に送信する。
【００４３】
第１４ａ図および第１４ｂ図は、タッチ・パッド・マトリクスを監視するプログラムのフローチャートである。このプログラムは一度に１つのタッチ・パッドを監視し、マトリクス内のタッチ・パッド全てを順次走査する。プログラムは、割り込みが受け取られたときに、ブロック１００において開始する。ステップ１０２は、システムがオンになっているか否か（コールド・スタート）を判定するためにチェックを行う。システムがコールド・スタートされている場合、ステップ１０４は全ての変数を初期化し、ステップ１０６はストローブおよびセンス・カウンタをリセットする。
【００４４】
システムがコールド・スタートされていない場合、ステップ１０９は検出信号レベルを引き出す。次に、ステップ１１０は、平均値が初期化されているかについて判定する。平均「非接触」検出信号レベルを判定するために、平均電圧レベルが各タッチ・パッドに対して記憶されている。
【００４５】
平均値が初期化されている場合、プログラムは次にステップ１１４にジャンプし、平均検出信号レベルと現検出信号レベルとの間の差を判定する。平均値が初期化されていない場合、次に現検出信号レベルを、平均値として、監視対象の特定パッドに対して記憶する。
【００４６】
ステップ１１６において、現検出信号レベルが平均値よりも低い場合、プログラムは次にステップ１２８に分岐する。ステップ１２８において、平均フラグがセットされている場合、その平均フラグを減分する。平均フラグは、特定の信号が平均化されているか否かを示す。「非接触」信号のみが平均化されるので、「非接触」状態が感知された場合にのみ平均フラグはセットされる。平均値を減分した後、ステップ１２６において、パッド・ステータスをインアクティブ（非接触）にセットする。
【００４７】
ステップ１１６において、現検出信号レベルが平均値よりも低い場合、次にステップ１１８は、その差が所定の設定点よりも大きいかについて判定する。設定点は、「接触」状態を示すために到達しなければならないスレシホルド差レベルである。差が設定点よりも大きい場合、ステップ１２０においてパッド・ステータスをアクティブ（接触）にセットする。
【００４８】
ステップ１１８における差が設定点よりも大きくない場合、次にプログラムはステップ１２２に分岐し、平均フラグがセットされているかについて判定する。平均フラグがセットされていない場合、プログラムはステップ１２６に分岐し、パッド・ステータスをインアクティブ（非接触）にセットする。平均フラグがセットされている場合、ステップ１２４において平均値を増分し、ステップ１２６においてパッド・ステータスをインアクティブにセットする。
【００４９】
ステップ１３２において、プログラムは、最後のストローブ線が感知されているかについて判定する。感知されている現ストローブ線が最後のストローブ線ではない場合、次にステップ１３４においてストローブ・ポインタを増分し、ステップ１５８にジャンプして、新しいストローブ・アドレスおよびセンス・アドレスを選択する。感知されている現ストローブ線が最後のストローブ線である場合、次にステップ１３６においてストローブ・ポインタをリセットする。ステップ１３８において、プログラムは現センス線が最後のセンス線であるかについて判定する。そうでなければ、ステップ１４０はセンス・ポインタを増分し、ステップ１５８にジャンプする。
【００５０】
現センス線が最後のセンス線である場合、マトリクスの全走査が完了したことになり、ステップ１４２でセンス・ポインタをリセットする。ステップ１４４は平均フラグをクリアし、ステップ１４６は平均フラグ・カウンタを増分する。ステップ１４８が平均フラグ・カウンタは最大値でないと判定した場合、次にプログラムはステップ１５４に分岐する。平均フラグ・カウンタが最大値の場合、次にステップ１５０においてカウンタをリセットし、ステップ１５２において平均フラグをセットする。
【００５１】
ステップ１５４において、モニタ対象のタッチ・パッドのステータスを、マイクロプロセッサから残りの制御回路に出力する。ステップ１５６は全ての変数をリセットし、プログラムにマトリクスの先頭から走査を開始させる。全変数がリセットされた後、ステップ１５８が、監視すべき新たなストローブ線およびセンス線を選択する。ステップ１６０はプログラムをステップ１００に戻し、次の割り込みを待つ。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】トランジスタおよび抵抗を取り除いた基板の背面から見た、本発明のタッチ・パッドを示す。
【図２】タッチ・パッド、ならびにトランジスタおよび抵抗を取り除いた基板の側断面図である。
【図３】第１図に示したものと同一であるが、トランジスタおよび抵抗を取り付けた場合の図である。
【図４】第２図に示したものと同一であるが、トランジスタおよび抵抗を取り付けた場合の図である。
【図５】第３図に示したタッチ・パッドの電気回路図である。
【図６】トランジスタおよび抵抗を取り除いた基板の背面から見た、本発明によるタッチ・パッド・マトリクスを示す。
【図７】基板に取り付けられた３つの隣接するタッチ・パッドを示す側断面図である。
【図８】ストローブ信号波形を示す。
【図９】センス線上の検出信号の波形を示す。
【図１０】タッチ・パッドが接触されていない場合のピーク検出出力信号の波形を示す。
【図１１】ユーザがタッチ・パッドに接触したときのピーク検出出力信号の波形を示す。
【図１２】タッチ・パッド・マトリクスの制御回路のブロック図である。
【図１３】第１１図に示したピーク検出回路の電気回路図である。
【図１４Ａ】タッチ・パッド・マトリクスを監視する場合の、マイクロプロセッサの動作を詳細に表したフローチャートを示す。
【図１４Ｂ】タッチ・パッド・マトリクスを監視する場合の、マイクロプロセッサの動作を詳細に表したフローチャートを示す。
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年1月13日(2006.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
前記基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する、閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記基板の第１表面上に配置され、前記第１電極パッドに対して、離間され、共通面にあり、ほぼ包囲する関係にある第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記基板上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合され、前記基板の人の接触によって前記制御対象装置を活性化するようにした能動電気素子とを備え、
前記能動電気素子は少なくとも第１端子と第２端子を有し、前記第１端子は前記第１電極および第２電極のうちの一つに接続され、前記第２端子は前記第１電極および第２電極のうちの他に接続されて成るタッチ・センサ。
【請求項２】
前記基板の前記第１表面上にストローブ線が配置され、前記第２電極に電気的に結合されている請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項３】
前記ストローブ線にストローブ信号が印加され、前記ストローブ信号は前記第１および第２電極間に電界を生成する請求項２記載のタッチ・センサ。
【請求項４】
前記電界は、前記第２電極から発し、前記第１電極で終端する円弧状経路を有する請求項３記載のタッチ・センサ。
【請求項５】
更に、前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含む請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項６】
前記タッチ・センサは、前記センス線上に、前記タッチ・センサのステータスを示す検出信号を発生する請求項５記載のタッチ・センサ。
【請求項７】
前記検出信号は検出回路によって受け取られ、前記検出回路はピーク検出器を含む請求項６記載のタッチ・センサ。
【請求項８】
前記検出信号のレベルは、前記基板が前記ユーザの前記付属器官によって接触されると変化する請求項６記載のタッチ・センサ。
【請求項９】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触表面である請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１０】
前記基板はガラスである請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１１】
前記基板はプラスチックである請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１２】
前記第１および第２電極間にチャネルが配置され、前記チャネルは全体的に均一な幅を有する請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１３】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置されている請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１４】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置され、行および列のマトリクスに配列されている請求項１記載のタッチ・センサ。
【請求項１５】
前記タッチ・センサの前記列に共通ストローブ線が電気的に結合され、前記タッチ・センサの行に共通センス線が電気的に結合されている請求項１４記載のタッチ・センサ。
【請求項１６】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
誘電体担体と、
前記担体上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対し離間されほぼ包囲する関係で、前記担体上に配置された第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記担体上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合された能動電気素子と、
第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記誘電体担体が前記誘電体基板の前記第１表面上に配置され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにした前記誘電体基板とを備え、
前記能動電気素子は少なくとも第１端子と第２端子を有し、前記第１端子は前記第１電極および第２電極のうちの一つに接続され、前記第２端子は前記第１電極および第２電極のうちの他に接続されて成るタッチ・センサ。
【請求項１７】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触表面であり、前記誘電体担体は前記基板の前記第２表面上に配置されている請求項１６記載のタッチ・センサ。
【請求項１８】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な低インピーダンス・タッチ・センサであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
前記基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して、離間されほぼ包囲する関係で前記基板の前記第１表面上に配置された第２の薄い導電性電極と、
前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置され、前記第１および第２電極に電気的に結合され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにしたトランジスタとを備え、
前記トランジスタは少なくとも第１端子と第２端子を有し、前記第１端子は前記第１電極および第２電極のうちの一つに接続され、前記第２端子は前記第１電極および第２電極のうちの他に接続されて成るタッチ・センサ。
【請求項１９】
前記トランジスタはＰＮＰトランジスタである請求項１８記載のタッチ・センサ。
【請求項２０】
更に、前記基板の前記第１表面上に配置され、前記第１および第２電極間に電気的に結合されている抵抗を含む請求項１８記載のタッチ・センサ。
【請求項２１】
更に、前記第１および第２電極に隣接して、前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含む請求項１８記載のタッチ・センサ。
【請求項２２】
前記トランジスタは、ベース、コレクタおよびエミッタを有し、前記トランジスタのベースは前記第１電極に接続され、前記トランジスタのコレクタは前記センス線に接続され、前記トランジスタのエミッタは前記第２電極に接続されている請求項１８記載のタッチ・センサ。
【請求項２３】
複数の前記タッチ・センサが前記基板の前記第１表面上に配置されている請求項１８記載のタッチ・センサ。
【請求項２４】
前記タッチ・センサは、前記センス線上に、前記タッチ・センサのステータスを示す検出信号を発生する請求項２１記載のタッチ・センサ。
【請求項２５】
前記検出信号のレベルは、前記基板が前記ユーザの前記付属器官によって接触されると変化する請求項２４記載のタッチ・センサ。
【請求項２６】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な複数のタッチ・パッドであって、
第１および第２の対向する表面を有し、ほぼ均一な厚さの誘電体基板と、
周縁を有し、基板の前記第１表面上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して離間された関係で前記基板の前記第１表面上に配置された第２の薄い導電性電極であって、隣接するタッチ・パッドを有する周縁上で前記第１電極を包囲する前記第２電極と、
から成るタッチ・パッド。
【請求項２７】
更に、前記基板の前記第２表面上に配置され、前記第２電極に電気的に結合されたストローブ線を含む請求項２６記載のタッチ・パッド。
【請求項２８】
前記ストローブ線にストローブ信号が印加され、前記第２および第２電極間に電界を生成する請求項２７記載のタッチ・パッド。
【請求項２９】
前記電界は、隣接するタッチ・パッドによって生成される電界とは逆方向である請求項２８記載のタッチ・パッド。
【請求項３０】
更に、前記第１および第２電極に隣接して前記基板の前記第１表面上に配置されたセンス線を含み、前記タッチ・センサは前記センス線上に検出信号を発生する請求項２６記載のタッチ・パッド。
【請求項３１】
前記基板の前記第１表面は非接触表面であり、前記基板の前記第２表面は接触面である請求項２６記載のタッチ・パッド。
【請求項３２】
人のユーザによる手の接触を検出し、制御対象装置の活性化が可能な複数のタッチ・パッドであって、
誘電体担体と、
周縁を有し、前記担体上に配置され、人の付属器官によってほぼ全体が覆われる領域を有する閉じた連続幾何学的形状の第１の薄い導電性電極パッドと、
前記第１電極に対して離間された関係で前記担体上に配置された第２の薄い導電性電極であって、隣接するタッチ・パッドを有する周縁上で前記第１電極を包囲する前記第２電極と、
第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記担体が前記誘電体基板の前記第１表面上に配置され、前記基板の人の接触が前記制御対象装置を活性化させるようにした前記誘電体基板と、
から成るタッチ・パッド。