(57)【要約】  複数の駆動電極と複数の受信電極と、を有するタッチ感知装置であって、この駆動電極と受信電極が互いに静電結合しているタッチ感知装置。第１の期間と第２の期間を比較することによって、タッチ感知デバイス上のタッチイベントを識別するように構成されたタッチ測定回路。この第１の期間は、例えば、受信電極によって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っている又は下回っている時間の長さを表すことができる。
2013511094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の駆動電極と複数の受信電極とを有するタッチ感知デバイスであって、前記駆動電極が前記受信電極に静電結合されているタッチ感知デバイスと、
第１の期間を第２の期間と比較することによって、前記タッチ感知デバイスの上で時間的に重複するタッチが複数回発生したことを識別するように構成されたタッチ測定回路であって、前記第１の期間が、前記受信電極の少なくとも１つによって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表しているタッチ測定回路と、を備えるタッチ感知装置。
【請求項２】
前記しきい電圧レベルが周期波形である、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項３】
前記周期波形が三角波形である、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項４】
前記受信電極によって伝達される前記周期的な受信信号が、タッチの不在下において、前記しきい電圧レベルを上回っている又は下回っている時間の長さを前記第２の期間が表している、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項５】
複数の期間サンプルを平均することによって前記第２の期間を決定する、請求項４に記載のタッチ感知装置。
【請求項６】
複数の期間サンプルを平均することによって前記第１の期間を決定する、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項７】
前記しきい電圧が負電圧である、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項８】
前記第２の期間が所定の時間の長さである、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項９】
前記第２の期間が、所定の最短値と最長値との間にあり、前記最短値及び最長値が定期的に更新される、請求項８に記載のタッチ感知装置。
【請求項１０】
正弦駆動信号を前記複数の駆動電極のそれぞれに順次印加するように構成された信号駆動回路を更に含む、請求項１に記載のタッチ感知装置。
【請求項１１】
前記信号駆動回路が、前記正弦駆動信号を特定の駆動電極に印加しながら、前記特定の駆動電極以外である前記複数の駆動電極のうち駆動電極の少なくともいくつかに、一定の電圧を印加するように更に構成されている、請求項１０に記載のタッチ感知装置。
【請求項１２】
前記信号駆動回路が、７０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの周波数で前記周期的な駆動信号を駆動するように更に構成されている、請求項１０に記載のタッチ感知装置。
【請求項１３】
前記信号駆動回路が、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数で前記周期的な駆動信号を駆動するように更に構成されている、請求項１０に記載のタッチ感知装置。
【請求項１４】
前記タッチ測定回路がカウンタを含み、前記受信信号が前記しきい電圧を上回っているか又は下回っている、前記正弦駆動信号の周期内における前記カウンタの振動の数をカウントすることによって、前記第１又は第２の期間を決定する前記カウンタが構成されている、請求項１０に記載のタッチ感知装置。
【請求項１５】
複数の駆動電極と複数の受信電極とを有するタッチ感知デバイス内の相互静電容量を測定する方法であって、
相互静電容量によって前記受信電極の少なくとも２つに結合させるために、前記駆動電極の少なくとも１つに周期的な駆動信号を印加する工程と、
第１の期間を決定する工程であって、前記第１の期間は前記受信電極によって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している工程と、
前記第１の期間を第２の期間と比較する工程と、
比較に応じて、前記タッチ感知デバイスに対するタッチ又はタッチに近いイベントの発生を識別する工程と、を含む方法。
【請求項１６】
前記しきい電圧レベルが周期波形である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記周期波形が三角波形である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記周期的な受信信号を増幅する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の期間は、前記受信電極によって伝達される前記周期的な受信信号が、タッチイベントの不在下において、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
複数の期間サンプルを平均することによって前記第２の期間を決定する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の期間サンプルを平均することによって前記第１の期間を決定する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記しきい電圧が負電圧である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の期間が所定の時間の長さである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記決定工程は、前記受信信号が前記しきい電圧を上回っているか又は下回っている、前記周期的な駆動信号の周期内におけるカウンタの振動数をカウントすることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記識別工程が、前記タッチ感知デバイスに対するタッチイベントの不在と関連する所定の時間の長さと前記時間の長さを比較することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記印加工程が、その時点で前記周期的な駆動信号が印加されていない前記複数の駆動電極のそれぞれに接地電圧レベルを印加することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
第１及び第２の電極に近接する物体の存在を検出するように構成された回路であって、前記第１の電極が、周期的な電圧信号によって駆動され、前記第１の電極上の電圧信号が前記第２の電極に静電容量結合した結果、前記第２の電極が周期的な電圧信号を伝達し、第１の期間を第２の期間と比較することによって前記第１の期間が、前記受信電極によって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している、物体の存在を検出する回路。
【請求項２８】
前記しきい電圧レベルが周期波形である、請求項２７に記載の回路。
【請求項２９】
前記周期波形が三角波形である、請求項２７に記載の回路。
【請求項３０】
前記第２の電極に伝達された前記周期的な電圧信号を増幅することを更に含む、請求項２７に記載の回路。
【請求項３１】
前記しきい電圧が負電圧である、請求項２７に記載の回路。
【請求項３２】
前記時間の長さが、測定サイクルにおいて、前記受信信号がしきい電圧を上回っているか（しきい電圧が正である場合）、又は下回っている（しきい電圧が負の場合）間のカウンタの振動の数をカウントすることを含み、前記測定サイクルが、前記周期的な電圧信号の１つ以上の周期を含む、請求項２７に記載の回路。
【請求項３３】
前記第２の期間が、前記測定サイクルにおいて、タッチイベントの不在下で前記受信信号がしきい電圧を上回っているか（しきい電圧が正である場合）、又は下回っている（しきい電圧が負の場合）間の前記カウンタの所定の振動数である、請求項３２に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してタッチ感知デバイスに関し、特に、タッチの発生又は位置を識別するのにユーザーの指又はその他のタッチ機器とタッチデバイスとの間の容量結合に依存するタッチ感知デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチ感知デバイスは、機械的なボタン、キーパッド、キーボード、及びポインティングデバイスの必要性を減らすか無くすことにより、ユーザーに電子システム及びディスプレイに便利なインターフェイスを付けることができる。例えば、ユーザーは、アイコンによって特定される位置で画面上のタッチスクリーンをタッチするだけで、複雑なシーケンスの命令を実行することができる。
【０００３】
例えば、抵抗、赤外線、容量、弾性表面波、電磁気、近視野像等を含むタッチ感知デバイスを実装するのを目的とした何種類かの技術が存在する。容量式タッチ感知装置は、多くの用途で有効に機能することが見出されている。多くのタッチ感知デバイスでは、センサにある導電体がユーザーの指などの導電性接触手段に静電容量的に連結されると、入力が検知される。一般的に、２つの導電性部材が実際の接触を伴わずに相互に接近するときはいつでも、これらの間に静電容量が形成される。容量性タッチ感知デバイスの場合には、指などの物体がタッチセンス面に近づくと、物体と、物体にごく近接した位置の検知点との間にわずかな静電容量が形成される。各感知点の静電容量の変化を検出し、感知点の位置を認識することによって、感知回路は、複数の物体を認識し、物体がタッチ面を横断する際にそれらの物体の特徴を判定することができる。
【０００４】
タッチを静電容量的に測定するために用いられる２つの主要な技術が存在する。１番目は、対地静電容量を測定し、それにより電極に信号を印加するものである。電極の近くがタッチされると、信号電流が、電極から指などの物体を通って電気的アースに流れる。
【０００５】
タッチを容量的に測定するのに使用される２番目の技術は、相互静電容量によるものである。相互静電容量式タッチセンサは、駆動電極に信号を印加する。この駆動電極は、この信号によって作られる電界によって、受信電極に静電容量結合される。２つの電極の間の信号結合は近くの物体によって低減され、これが容量結合を低減させる。
【０００６】
様々な駆動方式を用いて、相互静電容量式タッチスクリーンにおける信号結合を測定する。一般に、測定速度、電子溶液の適切さ、及び駆動方式を実装することができるタッチスクリーンのサイズのような要因が、重要な設計上の検討事項である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、タッチ感知デバイス、及びタッチ測定回路を含むタッチ感知装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施形態では、このタッチ感知デバイスは、複数の駆動電極と複数の受信電極とを有し、駆動電極が受信電極に静電容量結合されている。タッチ測定回路は、第１の期間を第２の期間と比較することによって、タッチ感知デバイス上で時間的に重複するタッチ又は同時タッチが１回以上発生したことを識別するように構成されている。この第１の期間は、少なくとも受信電極の１つによって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表すものである。１つの実施形態におけるしきい電圧が直流電圧信号であり、別の実施形態では周期波形である。いくつかの実施形態では、この周期的なしきい電圧の周波数が、受信電極によって伝達される周期的な受信信号と同じである。他の実施形態では、受信電極によって伝達される周期的な受信信号とは異なる周波数である。いくつかの実施形態では、しきい電圧波形が三角波である。
【０００９】
本開示には、これらのデバイス及び方法の変形形態が含まれる。例えば、三角波形のような様々な波形をしきい電圧信号として用いてよい。
【００１０】
１つの実施形態では、複数の駆動電極と複数の受信電極とを有するタッチ感知デバイスであって、その駆動電極が受信電極に静電結合されているタッチ感知デバイスと、第１の期間を第２の期間と比較することによって、タッチ感知デバイスの上で時間的に重複するタッチが複数回発生したことを識別するように構成されたタッチ測定回路であって、その第１の期間が、受信電極の少なくとも１つによって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表しているタッチ測定回路と、を含むタッチ感知装置について説明されている。上記の期間は、カウンタの周期的振動によって決定されてよい。上記の第２の期間は、予め設定された所定の時間の長さであっても、動的に計算してもよい。
【００１１】
別の実施形態では、複数の駆動電極と複数の受信電極とを有するタッチ感知デバイス内の相互静電容量を測定する方法であって、相互静電容量によって上記の受信電極の少なくとも２つに結合させるために、上記の駆動電極の少なくとも１つに周期的な駆動信号を印加する工程と、第１の期間を決定する工程であって、上記の第１の期間は受信電極によって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している工程と、
第１の期間を第２の期間と比較する工程と、比較結果に応じて、タッチ感知デバイスに対するタッチ又はタッチに近いイベントの発生を識別する工程と、を含む方法が説明されている。
【００１２】
別の実施形態では、第１及び第２の電極に近接する物体の存在を検出するように構成された回路であって、その第１の電極が、周期的な電圧信号によって駆動され、第１の電極上の電圧信号が第２の電極に静電容量結合した結果、第２の電極が周期的な電圧信号を伝達し、第１の期間を第２の期間と比較することによって第１の期間が、受信電極によって伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している、物体の存在を検出する回路について説明されている。
【００１３】
別の実施形態では、周期波形によって駆動される別の電極に静電容量結合された受信電極であって、電子機器に結合されて、第１の期間を第２の期間と比較することによって第１の期間は、他方の電極との静電容量結合を通じて、上記の受信電極で伝達される周期的な受信信号が、しきい電圧レベルを上回っているか又は下回っている時間の長さを表している、その受信電極と他方の電極との間の静電容量結合がいつ変化したのかを測定する受信電極について説明されている。
【００１４】
関連する方法、システム、及び物品も述べられる。
【００１５】
本願のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかし、決して、上記要約は、請求された主題に関する限定として解釈されるべきでなく、主題は、手続処理の間補正することができる添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本開示は、以下の添付図面と関連させて、次の様々な実施形態の詳細な説明を考慮することによって、より完全に理解され、明らかとなり得る。
【図１】タッチ感知デバイス及び電子機器の概略図を示している。
【図２】例示のタッチ感知デバイスで用いられるタッチパネルの一部の断面図を示している。
【図３】例示のタッチ感知回路の模式図を示している。
【図４Ａ】すべてのロウ測定を同時又はほぼ同時に行うことができるタッチセンサ回路の実施態様を表している。
【図４Ｂ】受信回路の出力がマルチプレクサに関連付けられているタッチセンサ回路の実施態様を表している。
【図４Ｃ】すべてのロウ測定を同時又はほぼ同時に行うＡＳＩＣを有するタッチセンサ回路の実施態様を表している。
【図５】駆動信号、タッチイベントの不在下における受信信号、及びタッチイベントが発生したときの受信信号を示している。
【図６】タッチイベントの不在下における受信信号、タッチイベントが発生したときの受信信号、及びＤＣしきい電圧レベルを示している。
【図７】タッチイベントの不在下における受信信号、及びタッチイベントが発生したときの受信信号に対応する代表的なコンパレータ出力を示している。
【図８Ａ】タッチイベントの不在下における受信信号、タッチイベントが発生したときの受信信号、及び三角波のしきい電圧信号を示している。
【図８Ｂ】タッチイベントの不在下における受信信号、タッチイベントが発生したときの受信信号、並びに、ＤＣ及び三角波双方のしきい電圧信号を示している。
【図９】三角波のしきい電圧信号を用いる場合の、タッチイベントの不在下における受信信号、及びタッチイベントが発生したときの受信信号に対応する方形波を示している。
【図１０】タッチイベントの不在下における受信信号、タッチイベントが発生したときの受信信号、及び受信信号よりも大きい周波数を有する三角波のしきい電圧信号を示している。
【図１１】受信信号よりも大きい周波数を有する三角波のしきい電圧信号を用いるときの、タッチイベントの不在下における受信信号、及びタッチイベントが発生したときの受信信号に対応する方形波を示している。
【００１７】
以下に示す例示された実施形態の説明において、本発明を実施し得る様々な実施形態を実例として示す添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく実施形態を利用することができ、また、構造的変更を行なってもよいことを理解されたい。図面及びグラフは本開示の例示を目的とし、正確な縮尺ではなく、一部の図では、説明のために寸法は誇張されている。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明について添付図面を参照して、以下により完全に説明するが、この中で本発明の実施形態が示される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に説明される実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろこれらの本実施形態は、本開示が徹底的かつ完全に、そして十分に本発明の範囲を当業者に伝達するように提供される。全体を通じて同様の符号は同様の要素を指す。
【００１９】
以下の定義によって、本開示内で用いる用語を明確にする。
【００２０】
アース（Ｇｎｄ）は、接地の電圧において存在し得る、又は局所的な共通電圧であり得る共通電気的基準点を指す。
【００２１】
相互容量（Ｃｍ）は、タッチセンサの２つの電極間の静電容量である。
【００２２】
アースまでの静電容量は、センサ電極とアースとの間の静電容量である。
【００２３】
タッチセンサは、物体の検出及び／又は位置付けの目的で導電性物体と容量接触するように構成された１つ以上の電極を含む。
【００２４】
図１は代表的なタッチデバイス１１０を示す。デバイス１１０は、制御装置１１４に接続されたタッチ感知デバイス（タッチパネル１１２）を含み、このタッチパネル１１２は、タッチパネル１１２の近くで発生したタッチ、及び場合によってはタッチに近い動作を感知する電子回路を含む。タッチパネル１１２は、カラム電極（駆動電極１１６ａ〜ｅ）とロウ電極（受信電極１８ａ〜ｅ）からなる５×５のマトリックスを有するものとして示されているが、駆動電極を受信電極の上に置くことを含め、別の数の電極、マトリックスサイズ、及び電極構成も用いることができる。いずれかの適切なタッチパネルサイズを用いることができる。例えば、１つの実施形態では、４０個のロウ電極と６４個のカラム電極を有する１９インチ（４８．３ｃｍ）（対角寸法）のタッチパネルを用いることができる。ユーザーがタッチパネル１１２を通じてコンピュータ、ハンドヘルドデバイス、携帯電話、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、又はその他の周辺デバイスの画素化ディスプレイのような物体を見ることができるように、タッチパネル１１２は実質的に透明とすることができる。タッチパネルの境界線１２０は、タッチパネル１１２のタッチ感知区域を表しており、１つの実施形態では、上記のようなディスプレイを用いる場合、そのディスプレイの表示区域を表している。１つの実施形態では、電極１１６ａ〜ｅ及び１１８ａ〜ｅは、分かりやすい図の観点からは、タッチパネルのタッチ感知区域１２０に渡って空間的に分布している。
【００２５】
例示を目的として、図１の電極は、幅広で目立つように示されているが、実際には、これらは比較的狭く、ユーザーの注意を引かないこともある。電極間のフリンジフィールドを増大させて、それによって、タッチが電極間（すなわち相互）の静電容量結合に与える影響を増大させるために、可変の幅、例えば、マトリックスのノード付近でダイヤモンド又はその他の形状のパッドの形状の拡大した幅を有するように、各電極を設計することができる。電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、銅、銀、金、又はいずれかの他の好適な導電性物質からなってよい。導電性物質は、ワイヤ、マイクロワイヤ、又は導電性層の形状であってよい。
【００２６】
それぞれのカラムとロウとの間の物理的接触がないように、駆動電極１１６ａ〜ｅは、受信電極１１８ａ〜ｅとは異なる平面内にあってよい（例えば、駆動電極１１６ａ〜ｅは、受信電極１１８ａ〜ｅの下にあると共に、誘電性層によって隔てられていてよい）。ユーザーの指、又はその他のタッチ物体（タッチペンなど）との直接の物理的接触から電極を保護するように、電極のマトリックスは典型的には、カバーガラス、プラスチックフィルム、耐久コーティングなど（図１には示されていない）の下に位置する。このようなカバーガラス、フィルムなどの露出面は、タッチパネル１１２のタッチ面と称する。
【００２７】
所定の駆動電極と受信電極との間の静電容量結合は主に、電極が互いに最も近接している領域内の電極の幾何学的関数である。このような領域は、電極マトリックスの「ノード」に対応し、このノードのいくつかが図１に示されている。例えば、駆動電極１１６ａと受信電極１１８ｄとの間の静電容量結合は、主にノード１２２で発生し、駆動電極１１６ｂと受信電極１１８ｅとの間の静電容量結合は、主にノード１２４で発生する。図１の５×５のマトリックスは、このようなノードを２５個有し、そのうちのいずれか１つは、それぞれの駆動電極１１６ａ〜ｅを制御装置に個別に結合する制御線１２６の１つを適切に選択すること、及び、それぞれの受信電極１１８ａ〜ｅを制御装置に個別に結合する制御線１２８の１つを適切に選択することを介して、制御装置１１４によってアドレス指定することができる。図１に関しては、ノードは、駆動電極と受信電極を重ね合わせることによって画定されるように示されているが、重ね合わせなくてもよく、その代わりに、２つの電極が互いに近接し合っており、必ずしも重なり合っていなくてもよい区域によって画定してもよい。例えば、いくつかのボタン及びスライダーでは、複数の層を必要としないので、このような構成を用いることが多い。駆動電極と受信電極のこのような重なり合わない構成は、本明細書に記載されている実施形態で用いてもよい。
【００２８】
正弦波形のような駆動信号を駆動電極１１６ａ〜ｅに印加させる。これらの駆動信号は、駆動電極１１６ａ〜ｅと受信電極１１８ａ〜ｅとの間の静電容量結合を通じて、受信電極１１８ａ〜ｅ上に受信信号を発生させる。ユーザーの指１３０、又はその他の物体（タッチペンなど）がタッチパネル１１２のタッチ面と、図示されているようにタッチ位置１３１で接触又はほぼ接触すると、その指は、駆動電極と受信電極によって画定される電極マトリックスに静電容量結合し、その結果、駆動電極と受信電極との間の静電容量結合を変化させる。タッチパネル１１２のマトリックス内のノードにおける静電容量結合の変化を示す信号の変化は、タッチイベントを示す場合がある。例えば、タッチ位置１３１でのタッチイベントは、駆動電極１１６ｃと受信電極１１８ｂに対応するノードの最も近くに位置する。このタッチイベントは、駆動電極１１６ｃと１１８ｂとの間の相互静電容量の変化を生じさせることになる。相互静電容量のこの変化を示す信号は、制御装置１１４が検出することができ、１１６ｃ／１１８ｂのノードにおけるタッチ、又はそのノードの近くのタッチとして解釈することができる。
【００２９】
制御装置１１４は、マトリックスのすべてのノードの静電容量の変化を示す信号がある場合、その信号を迅速に検出するように構成することができる。制御装置１１４は、隣接し合っているノードの静電容量の変化の大きさを示す信号を解析して、補間によって、ノード間にあるタッチ位置を正確に測定できる。更に、制御装置１１４は、同時又は重複する時間にタッチデバイスの異なる部分に加えられる複数の空間的に別個のタッチを検出するように設計することができる。したがって、例えば、別の指１３２が指１３０と同時に、タッチ位置１３３でデバイス１１０のタッチ面をタッチする場合、又は、それぞれのタッチが、少なくとも時間的に重複してタッチする場合、制御装置１１４は、このようなタッチの双方の位置１３１、１３３を検出して、例えば制御装置１１４に通信可能に接続されたコンピュータ又はその他のデバイス（図１には示されていない）に、これらの位置を座標として供給ことができる。別個の同時又は時間的に重複するタッチのうち、制御装置１１４によって検出できるタッチの数は２個に限らず、含まれる電極マトリックスのサイズ及びノードの数、並びに、タッチを処理するのに用いられるアルゴリズムに応じて、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、最大で２０個、更には最大で３０個、又はそれ以上であってよい。しかし、後で更に詳細に論じるように、これらのパラメーターのそれぞれを変更して、様々な数の同時タッチに適応することができる。更に、タッチは、異なるユーザー、ユーザーと物体（１本以上のタッチペンなど）、又はいずれかの他のタッチ源の組み合わせによるものであってもよい。
【００３０】
制御装置１１４が、電極マトリックスのノードの一部又はすべてにおける結合静電容量を迅速に測定できるようにして、その結果、タッチイベントを解明する様々な回路モジュールとコンポーネントを用いるように制御装置１１４を構成することができる。例えば、制御装置は、少なくとも１つの信号発生器、つまり駆動ユニットを含んでもよい。この駆動ユニットは、駆動信号を１つ以上の駆動電極１１６ａ〜ｅに供給する。制御装置１１４によって駆動電極に供給される駆動信号は、１度に１つの駆動電極に、例えば、スキャンされる順序で最初の駆動電極から最後の駆動電極まで送達させてもよい。このような各駆動電極が駆動されると、制御装置は、受信電極１１８ａ〜ｅをモニタリングする。制御装置１１４は、各受信電極に結合された１つ以上の測定回路を含んでもよい。各駆動電極に供給される各駆動信号について、測定回路は、複数の受信電極のそれぞれの応答信号を処理する。受信電極からの信号の応答の変化は、タッチ又はタッチに近いイベントを示す場合がある。変化を検出すると共に、タッチ又はタッチに近いイベントを測定する方法及び回路については、後で更に詳細に論じる。
【００３１】
図２を参照すると、図１のデバイス１１０のようなタッチデバイスで用いられる多層タッチセンサ２１０の一部の概略側面図が示される。タッチセンサ２１０は、上層２１２（ユーザーに一番近い層と、タッチセンサのタッチ区域を画定することになる上面２１２ａとになる）を含み、この層は、ガラス、ＰＥＴ、又は耐久コーティングとすることができる。上方電極層２１４は、第１の電極群を備える。誘電層２１６は、上方電極層を下方電極層２１８から引き離し、この下方電極層２１８も、電極２１８ａ〜ｅの一群を備え、これらの電極は、１つの実施形態では第１の電極群と直交している。別の実施形態では、上方の電極と下方の電極は互いに直交していない。下層２２０は、上層と同様に、ガラス、ＰＥＴ、又はその他の物質であってよい。上層２１２の露出面２１２ａ、又は下層２２０の露出面２２０ａは、タッチセンサ２１０のタッチ面であるか、又はタッチ面を含んでもよい。タッチセンサの駆動電極は受信電極よりもタッチセンサのタッチ面に近いことができ、又は、受信電極が駆動電極よりもタッチ面に近いことができる。この図は、タッチセンサを構成する積み重ね体の簡略図であり、これよりも多い層、又は少ない層も可能である。
【００３２】
図３は、励磁駆動電極に結合された受信電極上の信号を測定する受信電子機器３８を含む例示の駆動及び受信電子機器の模式図を示している。受信電子機器３８は、受信電極からの信号を処理して、タッチ又はタッチに近いイベントを検出する。１つの実施形態では、受信電子機器３８の１群を各受信電極に搭載し、１度に１つの駆動電極を駆動させて、駆動電極を順次に駆動させる。駆動電極に周期波形を印加するＶｄｒｉｖｅによって、駆動電極を個別に駆動させる。続いて、本開示において後で更に詳細に論じていくように、所定の駆動電極に対する駆動信号は、周期波形のいずれかの数の周期（例えば、各種の実施形態では、１／２、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、若しくは３０超、又は、分数を含め、これらの数の間のいずれかの数）、あるいは、周期波形が所定の駆動電極に印加されるいずれかの期間を含む。ｎ周期の周期波形を駆動電極に印加した後（あるいは、ｎ秒の周期波形を駆動電極に印加した後）、次の、場合によっては（必須ではない）隣接する駆動電極を同じ方法で駆動させる。したがって、駆動サイクルは時間の長さ、又は周期の数であり、周期的な駆動信号を所定の駆動電極に印加してから、次の駆動電極でこの処理を繰り返す。所定の電極の駆動サイクルは、対応の各測定回路によってすべての受信線上で検出した信号を同時に（又は、電子機器の限界を考えれば、可能な限りほぼ同時に）測定することができる測定ウィンドウを画定する。すなわち、一般には、すべての駆動電極を駆動させるまで、駆動サイクルを第１の駆動電極に印加し、すべての受信電極を測定し、駆動サイクルを第２の駆動電極に印加し、すべての受信電極を測定するといった処理を続ける。センサのサイクル時間は、センサの各駆動電極に個別に、及び場合によって（必須ではない）順次に駆動信号を印加するのに要する時間の量である。ここに概略を示したアプローチは、非常に短いサイクル時間をもたらす（これは、すべての配置で必要とされるわけではない場合がある）。
【００３３】
センサのサイクル時間は、ディスプレイのサイズ、駆動電極の数、駆動電圧の周波数、及び駆動サイクル内の周期の数に左右される。例えば、１９インチ（４８．３ｃｍ）のディスプレイと４０個の駆動電極を有する１つの実施形態では、駆動電圧の周波数が１２５ｋＨｚであり、各駆動電極が３２周期で駆動されてから、次の駆動電極に循環する（駆動サイクル＝３２周期）場合、そのスクリーンのリフレッシュ速度は（１／２１２５ｋＨｚ）（４０）（３２）、すなわち１０．４２ｍｓである。ロウごとにサンプリングされる周期数を１６まで減らすと、リフレッシュ速度は５．１２ｍｓになることになる。駆動サイクルを１６周期まで減らし、駆動電圧の周波数を２５０ｋＨｚまで増やすと、リフレッシュ速度は２．５６ｍｓになることになる。
【００３４】
用途によって異なるリフレッシュ速度が必要になる。例えば、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ、ＲｅｄｍｏｎｄのＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから「Ｗｉｎｄｏｗｓ  ７」という商品名で市販されているオペレーティングシステムでは、各タッチにおいて２０ｍｓの「リフレッシュ」を必要とする。この２０ｍｓの期間には、センササイクル時間と、アルゴリズムを用いたタッチの追跡に要する時間の両方が含まれる。各種のタッチセンササイズの各駆動電極を駆動させるのに要する時間について、以下で論じる。１周期のみで各駆動電極を駆動させると（すなわち、駆動サイクル＝駆動電極に印加される正弦波形の１周期）、リフレッシュが速くなるが、４周期で各駆動電極を駆動させると、雑音補償を向上させることができるので、下記の実施例では、別段の指定のない限り、４周期のサンプル時間を想定している。
【００３５】
本明細書に記載されている実施形態が、いかに速くタッチセンサをスキャンできるかを示している第１の実施例では、対角線が２００インチ（５０８ｃｍ）であり、アスペクト比が１６：９であるセンサを想定している。このセンサの高さは１０１．８５インチ（２５８．７ｃｍ）であり、幅は１７２．１２インチ（４３７．２ｃｍ）である。この実施例では、受信電極がスクリーンの幅にわたっているものと想定している。受信電極を平行に測定するので、スクリーンの高さは、リフレッシュの制限要因である。したがって、電極の数は、ｍｍ単位の高さ（２，５６１．５９ｍｍ）を典型的なセンサ電極間隔（６ｍｍ）で除することによって計算することができる。この計算によって、４２７個の水平方向の駆動電極という結果が得られる。２０ｍｓというセンサのサイクル時間を想定する場合、このリフレッシュ速度に達する駆動周波数を計算することができる。このセンサのリフレッシュ時間の駆動部分の式は、総駆動時間＝（周期あたりの駆動時間）（駆動電極あたりのサンプル）（駆動電極）である。上で論じた数をこの式で使う場合、周期あたりの駆動時間＝２０ｍｓ／（４２７×４）＝１１．７μｓである。この時間を転置することによって、上記の設定と共に、８５．４ｋＨｚという駆動周波数を用いて、２００インチ（５０８ｃｍ）のスクリーンを２０ｍｓでリフレッシュできることが割り出される。この実施例は実例を示すためのものであり、２０ｍｓすべてをセンサのサイクル時間に利用できるものと想定される（したがって、タッチを追跡して、例えばユーザーインターフェース内に視覚的フィードバックを提供するのに必要になることのある処理時間は要因に含めない）。
【００３６】
本明細書に記載されている実施形態を実行することが期待できる理論的な最大タッチスクリーンサイズを示している第２の実施例では、２５０ｋＨｚという駆動信号周波数（周期あたりの駆動時間＝４μｓ）、駆動サイクル＝４周期、センササイクル時間＝２０ｍｓを想定することによって始めることができる。総駆動時間＝（周期あたりの駆動時間）（駆動電極あたりのサンプル）（駆動電極）という上記の式を用いて、上記の想定（２０ｍｓ未満のリフレッシュ速度）を用いて、駆動電極の数を計算することができる。得られる駆動電極数は、２０ｍｓ／（４μＳ×４）＝１２５０個の電極である。１２５０に典型的な電極間隔（６ｍｍ）を乗じると、垂直高さは７，５００ｍｍ、すなわち２９５．２８インチとなる。高さ２９５．２８インチ（７５０．０ｃｍ）の１６：９、すなわちワイドスクリーン形式のスクリーンの対角線寸法は、５７９．８４インチ（１４７２．８ｃｍ）となる。要件に応じて、マルチプレクサを用いて、受信電極の数よりも小さいいずれかの数まで測定回路の数を減らしてもよい。したがって、本明細書に記載されている特定の実施形態の速度は、極度に大きいタッチスクリーンに対応するのに必要とされる速度である。
【００３７】
図３に示されている実施形態の構成コンポーネントを再び参照すると、１つの実施形態では、駆動信号Ｖｄｒｉｖｅは正弦波駆動信号であり、すべての駆動電極が駆動され、かつ、タッチセンサのスキャンが完了するまで（センササイクル）、その多くの周期は１度に１つの駆動電極に印加され（すなわち、駆動サイクルを定義する）、この処理が繰り返される。後で述べるように、正弦波駆動信号ではなく、三角波形、のこぎり波形、方形波形、又はいずれかの他の周期的な任意波形も用いてもよい。駆動信号によって順次に電極を励磁するのではなく、所望のいずれかの順番で励磁してもよい。
【００３８】
駆動電極を励磁するとき、駆動電圧信号Ｖｄｒｉｖｅは、駆動電極を受信電極と静電容量結合させ、コンデンサＣｍは、ノードにある受信回路３８に対応する駆動電極と受信電極との間の（相互）静電容量を表している。コンデンサＣｒは、受信電極とアースとの間の静電容量を表している。指のような導電性の物体がタッチセンサに近接すると、Ｃｍ及びＣｒの双方とも変化する。しかし、この測定手法においては、Ｃｒの変化の影響は、Ｃｍの変化と比較すると無視してよいものである。オペアンプ（ｏｐ−ａｍｐ）Ａ１は、受信信号電圧の大きさを増幅し、オフセットＤＣ電圧（Ｖｒｅｆ１）を受信電圧信号に任意に供給して、駆動信号を除き、すべての電子機器上の負電圧源の必要性を排除することができる。コンパレータＡ２は、ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１の出力をしきい電圧（Ｖｒｅｆ２）と比較する。ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１の出力がしきい電圧よりも大きい場合、コンパレータＡ２の出力はロジックハイであり、ロジックハイは、電圧源に応じて、様々な電圧、例えば３．３ボルト、５ボルト、又はいずれかの他の電圧レベルであることができる。しきい電圧（Ｖｒｅｆ２）がｏｐ−ａｍｐ  Ａ１の出力よりも大きい場合、コンパレータＡ２の出力はロジックロー又はゼロ電圧である。１つの実施形態では、コンパレータＡ２の出力は、タッチが存在するときに、タッチが存在しないときと比べて、異なるデューティサイクルを有する連続的な方形波である。続いて、ロジックブロック３４（例えばマイクロプロセッサ）内のカウンタによって、この方形波をサンプリングして、受信信号がしきい電圧信号を超える、駆動サイクルの各周期中の時間の長さ（カウント）を測定する。コンパレータＡ３は、駆動サイクル（すなわち、次の駆動電極に移る前に、各電極に供給される駆動波形の周期の数）を定義する方形波に、駆動電極電圧を変換するので、コンパレータＡ３を用いて、ロジックブロック３４によるサンプリングを調整する。処理ユニット３７がＶｄｒｉｖｅ信号をもたらすか、又は、処理ユニット３７が、Ｖｄｒｉｖｅのいずれかの他の表示を有する場合、コンパレータＡ３は必要ない。図３に示されている実施形態では、専用の波形ジェネレータチップによってＶｄｒｉｖｅを発生させる。コンパレータＡ４によって、図７〜１０と関連する実施形態の場合のように、かつ後で更に詳細に論じるように、（一定のＤＣのしきい電圧ではなく）周期的なしきい電圧信号を用いるときに、タッチの発生を測定するための周期全体にわたって受信電圧信号が利用可能になる。一般に、周期的なしきい電圧信号を用いるとき、コンパレータＡ４は、受信信号の半分の周期を示す信号をロジックブロック３４に供給するように構成されており、ロジックブロック３４はこれを使用して、そのカウントロジックを修正して周期的なしきい電圧に対処する（及び、受信信号がしきい値よりも小さいときに、半分の周期の間に本質的にカウントする）必要があることを信号で伝える。あるいは、換言すれば、コンパレータＡ４の出力は、ロジックブロック３４に信号を送って、しきい電圧の絶対値が信号電圧の絶対値を超えたときにカウントする１つの方法である。任意により、コンパレータＡ４によって、ロジックブロック３４が、信号電圧の絶対値がしきい電圧の絶対値を超えたときにカウントできるようにする。ロジックブロック３４には、多くの考え得る実施態様があり、そのうちのいくつかとしては、下記のようなものが挙げられる。
【００３９】
１．カウンティング及び処理ユニット（３７）を実現するのにＡ２及びＡ４が用いられる場合のために、カウンティングを可能にするロジックと関連付けられたイネーブルピンを有する周波数制御カウンタが信号を供給して、Ａ３ベースのカウンタをリセットする。
【００４０】
２．Ａ２、Ａ４、及びＡ３からの信号がフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に入り、超高速集積回路ハードウェア記述言語（ＶＨＤＬ）コードを用いて、すべてのカウンティング、保存、及びリセットを実装するＦＰＧＡの実施態様。
【００４１】
３．上記の実施態様２の設計を用いて開発した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）。受信電子機器３８のすべて又はいずれかの部分がＡＳＩＣに実装されることになる。
【００４２】
４．Ａ２及びＡ４について条件を満たした場合、マイクロプロセッサオシレータの周波数を用いて、マイクロプロセッサ上のカウンタを増分させることになる、マイクロプロセッサの実施態様。
【００４３】
５）Ａ２に由来するデジタル信号をフィルタリングし、続いて、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を用いて、得られたＤＣ値を測定する。
【００４４】
６）Ａ２に由来するデジタル信号を積分回路に送ってから、ＡＤＣを用いて測定する。
【００４５】
実施態様５及び６はいずれも、実施態様４のデジタル測定手法に対するアナログ解法を実装することになる。コンパレータＡ２の出力を測定する代わりに、コンパレータＡ２に由来するデジタル信号を積分又はフィルタリングして、方形波の平均電圧を表すＤＣ電圧をもたらすことになる。例えば、Ａ２からの信号が、２５％のデューティサイクルの方形波であると共に、この信号をフィルタリングすると、得られるＤＣ電圧は、コンパレータの動作電圧の４分の１になることになる。
【００４６】
後で更に詳細に論じるように、ロジックブロック３４と処理ユニット３７は、コンパレータＡ２、Ａ３、及びＡ４からの出力を用いて、受信信号電圧がしきい電圧を上回っているか又は下回っている時間の量を計算し、各相互コンデンサ（ノード）の時間価値を用いて、そのノードの状態、すなわちタッチセンサに対するタッチの位置を測定する。受信信号としきい電圧信号が周期的で、例えば、０Ｖに中心があると、ロジックブロック３４と処理ユニット３７は、コンパレータＡ２、Ａ３、及びＡ４からの出力を用いて、周期的なしきい電圧信号の絶対値が受信信号の絶対値を超える時間の量、又は、受信信号の絶対値が周期的なしきい電圧信号の絶対値を超える時間の量を計算する。オフセット電圧を用いる場合（すなわち、受信信号及び／又はしきい電圧信号の中心が０Ｖにない場合）、信号の絶対値は、このオフセット値に対して取らなければならなくなる。図３は、受信線からの信号を処理するのに用いられる回路の１つの特定の実施形態を示しているが、当業者は、本開示を読めば、図３に示されている回路が、本開示の範囲内で様々な構成を有することができることを理解するであろう。
【００４７】
図４Ａは、すべての受信（ロウ）電極の測定が同時、又はほぼ同時に行われる実施形態を示す図である。タッチセンサ８２から出る各受信電極は、受信信号がしきいレベルを上回っている（又は下回っている）期間と関連するカウントを測定してから、その数を処理ユニット３７に供給する受信電極３８（図３）に接続されている。波形ジェネレータ又はその他の電子機器を用いてＶｄｒｉｖｅを発生させることができ、続いて、許容可能な振幅の駆動信号を生成するために、必要に応じて増幅させる。続いて、アナログマルチプレクサ８４を用いて、Ｖｄｒｉｖｅをカラム（ｃｏｌ１、ｃｏｌ２、．．．ｃｏｌＭ）に順次に印加する。処理ユニット３７は、Ｖｄｒｉｖｅ、マルチプレクサ８４、及び受信電子機器３８を制御する。処理ユニット３７は、受信電極から集めたデータを用いて、タッチに関するすべての計算を行う。この実施形態は、処理ユニットがＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、又はマイクロプロセッサに実装されている上記の３４の構成のいずれかを用いて行うことができる。
【００４８】
図４Ｂは、（図４Ａに関して論じたようなすべての受信電子機器３８とは対照的に）増幅回路３１（図３）のみがすべての受信電極の上に存在しており、既知の電圧（Ｖｒｅｆ１）に電極を保持している実施形態を示す図である。続いて、各受信電極の増幅回路３１の出力をアナログマルチプレクサ８３に送ることができ、このマルチプレクサは、１つの電極と関連する出力を供給して、受信電極を１つずつ測定する。各受信電極上の電圧信号の測定は、図３の測定ユニット３５によって完了させることができる。図４Ｂに関し示されている実施形態の駆動回路は、図４Ａに関して示されているものと同じである。必要とされるリフレッシュ時間と測定数が予め分かっている場合、所定の設計パラメーターを満たすように、この構成を調整することができる。
【００４９】
既に述べたように、処理ユニット３７と同様に、受信電子機器３８は、ＡＳＩＣ内で統合することができる。図４Ｃのボックス９０は、ＡＳＩＣの設計内に含めることができるコンポーネントを画定する。この構成では、すべての受信電子機器はＡＳＩＣ内に収容される。駆動電子機器の制御線は、ＡＳＩＣによって供給することができる。このようなＡＳＩＣを設計するときには、所定数の受信ロウをチップ用に画定しなければならなくなる。画定したロウの数よりも大きいスクリーンに対応するために、複数のＡＳＩＣを用いることができる。複数のＡＳＩＣを用いたドライブ実施態様は、駆動サイクルの調整を担う１つのＡＳＩＣと基本的に同じとなる。
【００５０】
図５〜１１は、タッチスクリーンの各種ノードで見られるようなシミュレーション電圧信号と、図３の受信電子機器３８に含まれる各種コンポーネントからの出力との波形を示している。シミュレーションは、「ＯｒＣＡＤ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ＰＳｐｉｃｅ  １６．０」という商品名で、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＣａｄｅｎｃｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．から市販されているシミュレータを用いて行った。シミュレーションした電気コンポーネントから、図３に関して示されている回路を表す回路を構築し、図５〜１１に示されている信号に相当する駆動信号を印加した。このシミュレーション用のセンサは、９個の駆動バーと１６個の受信バーから構成されていた。この１６個の受信バーのそれぞれには、ｏｐ−ａｍｐ回路３１を接続させた。１つの駆動線は正弦波によって駆動させ、残りの駆動バーは接地させた。図５は、駆動電極（Ｖｄｒｉｖｅ）に供給される代表的な駆動信号４１、並びに、その結果得られる受信信号（４２）であって、タッチによって受信電極上で発生する受信信号（４２）（Ｖｔｏｕｃｈ）、及び、その結果得られる受信信号（４３）であって、タッチの不在下における受信電極上の信号４３（Ｖｎｏｔｏｕｃｈ）を示している。駆動信号４１は駆動電極に印加させた（駆動信号４１は、図３の駆動電圧信号Ｖｄｒｉｖｅに相当する）。その結果得られた受信信号４２（タッチあり）と受信信号４３（タッチ無し）は、図３のｏｐ−ａｍｐ  Ａ１の出力のように、受信電極から供給される。例示のために、受信信号４２及び４３は駆動信号４１と同相として示されているが、増幅回路３１（図３）が負微分回路として機能するので、実際には、受信信号４２及び４３は反転しており、駆動信号とは位相が９０度ずれている。加えて、受信信号４２及び４３は、図５では同相として示されているが、実際には、物理的なタッチセンサにおいて、そのセンサの抵抗及び静電容量が原因で、わずかに位相がずれている場合がある。例示のために、図５〜１１では、これらの位相シフトを排除し、微分された応答を駆動信号と揃えた。
【００５１】
図５に示されている受信信号４２及び４３は、ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１によって増幅されており、アース基準であっても（図５の場合など）、いくらかの値の電圧でオフセットされていてもよい。例えば、１つの実施形態では、電圧Ｖｒｅｆ１は約２．５ボルト（アースとｏｐ−ａｍｐ  Ａ１に対する５ボルトの電源との中間）にすることができ、それによって、アースを中心とする代わりに、受信電圧信号４２及び４３を２．５ボルトだけオフセットさせる。電圧Ｖｒｅｆ１を正の電圧として設定する１つの利点は、ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１用の負電源の必要性を排除できると共に、いくつかの実施形態では、受信電子機器３８の電力消費を低減できる点である。受信信号４２（タッチあり）は、この実施例と関連する特定のノードで静電容量結合が減るので、信号４３（タッチ無し）よりも低いピークツーピーク振幅を有する。説明されているように、この低いピークツーピーク振幅によって、タッチが発生しているか通知する。
【００５２】
図６は、タッチイベントの不在下における受信信号４３、タッチイベント中の受信信号４２、及びしきい電圧４４を示しており、この図と関連する実施形態では、しきい電圧は、約０．２７５ボルトの直流電圧である。しきい電圧４４は、図３のＶｒｅｆ２に相当する。図３のコンパレータＡ２は、受信信号４２及び４３をしきい電圧４４と比較し、受信信号がしきい電圧４４を上回っているとロジックハイ、すなわち５ボルトを出力し、上回っていないと、ロジックロー、すなわち０ボルトを出力する。コンパレータＡ２の出力は、（図７に示されているように）受信信号がしきい電圧４４を上回っている時間の長さに応じたパルス幅を有する方形波である。しきい電圧４４は、較正方法によって測定することもできるし、いずれかのレベルに設定することもできる。例えば、タッチセンサは、しきい電圧レベル４４を自動的に較正して、受信信号４２又は４３がしきい電圧レベル４４を上回っているか又は下回っている時間の量（ロジックブロック３４によって実行される周期的サンプリングによって測定されたもの）が、所望の範囲内に保たれるようにすることができる。このような時間の範囲は、「カウント」という単位で測定することができ、その各カウントは、受信電圧がしきい電圧を上回っている（又は、しきい電圧信号が負電圧である場合には、しきい電圧を下回っている）１つのサンプリングインスタンスである。駆動サイクル間のカウント数の変化は、タッチ又はタッチに近いイベントを示す。１つの実施形態では、カウント数が所望のカウント範囲外になった場合には、処理ユニット３７のプログラミングを行い、しきい電圧レベル４４を再較正することができる。所望のカウント範囲は、ロジックブロック３４内のカウンタの振動の周波数、サンプリングウィンドウが及ぶ周期の数、及び、受信信号４２又は４３がしきい電圧レベル４４を上回っているか又は下回っているときに、カウンタがそのカウントを増分させているかに基づくことができる例えば、駆動周波数が１２５ｋＨｚ、カウンタの振動周波数が１００ＭＨｚ、駆動電極あたりのサンプルが３２個である場合、カウントの最大可能数数（ＣｏｕｎｔＭａｘ）＝（１００ＭＨｚ／１２５Ｈｚ）×３２＝２５，６００である。
【００５３】
比較しきい電圧を手動又は自動で調節して、タッチイベントと非タッチイベントとの間のカウント差を最大化、又は少なくとも十分な値にしてよい。例えば、図６に示されているように、ＤＣしきい電圧４４では、１つの実施形態のしきい値は、受信信号４２のピーク電圧に近いが、受信信号４２のピーク電圧よりも低いままである。この較正に対する１つのアプローチは、タッチイベント中に受信ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１電極で見られるピーク電圧を検出することであり、ＤＣしきい電圧の場合では、ＤＣしきい電圧を何らかの定義オフセット、又は検出ピークよりも低い割合にオフセットさせることである。この較正は、較正ルーチン中にユーザーが行うことができ、この場合、ユーザーは、タッチスクリーン上の様々な点をタッチする、あるいは、製造中にハード設定することも可能である。１つの実施形態では、ＤＣしきい値は、４２のピーク値を少し上回るか、又はそのピーク値に設定し、これにより、タッチイベントと非タッチイベントとの間のカウント差を最大にする。タッチセンサと、タッチセンサが動作する環境の詳細を考慮すると、同じ原理を用いて、周期的しきい電圧信号を調節して、タッチと非タッチの駆動サイクル中のカウント差を最大に、又は少なくとも十分にすることができる。各受信電極は、いくつかの実施形態では、それぞれのしきい電圧信号によって個別に較正してもよい。これは、特定の電極の方が他の電極よりも雑音の影響を受けやすいか、又は、他の電極よりも、信号伝送時に向上又は悪化させる特徴を有するいくつかの実施形態で有益であることがある。
【００５４】
較正に対する別のアプローチは、ユーザーの関与の必要性を排除するもので、タッチイベントの無い受信電極で見られるピーク電圧を検出することであり、ＤＣしきい電圧の場合には、何らかの定義オフセット又は検出ピークを下回る割合にＤＣしきい電圧をオフセットすることである。
【００５５】
図７は、コンパレータＡ２（図３）による受信信号４２の方形波５２への変換と、受信信号４３の方形波５３への変換を示している。コンパレータＡ２は、しきい電圧４４に対応する電圧Ｖｒｅｆ２と、受信電圧信号４２又は４３という２つの入力を有する。受信信号４２又は４３がしきい電圧４４を超えたときには、コンパレータＡ２の出力はロジックハイ電圧（すなわちロジック１）である。しかし、しきい電圧が受信信号を超えた場合、コンパレータの出力はロジックロー電圧（すなわちロジック０）である。あるいは、コンパレータＡ２に対する入力を入れ換えて、しきい電圧４４が、正の入力と関連付けられると共に、受信電圧信号４２又は４３がコンパレータＡ２の負の入力に入るようにすることもできる。この場合、しきい電圧レベル４４が受信電圧信号４２又は４３を超えたときには、コンパレータＡ２の出力はロジック１となり、受信電圧信号４２又は４３がしきい電圧レベル４４を超えたときには、ロジック０となる。
【００５６】
図３を再び参照すると、タッチセンサ内の各受信電極用のコンパレータＡ２の出力は、ロジックブロック３４の入力ピンに関連付けられている。ロジックブロック３４は、コンパレータＡ２の出力を繰り返しサンプリングするように、すなわち、受信信号４２又は４３がしきい電圧４４を上回っているか又は下回っている時間の長さを測定するようにプログラミングされている。１つの実施形態では、ロジックブロックは、受信電圧信号４２又は４３がしきい電圧を上回っているか又は下回っているサンプリングウィンドウ内のカウンタの振動の数をカウントすることによって、時間の長さを測定する。例えば、駆動信号の周波数が１２５ｋＨｚであり、マイクロプロセッサ内のオシレータの周波数が１００ＭＨｚであるとき、方形波が高いときにカウントする場合、受信電圧方形波５２に対応する、タッチを有する受信電極のカウント値は１１２である。受信電圧方形波５３に対応する、タッチの無い受信電極のカウント値は２６２である。方形波が低いときにカウンタが増分している場合、受信電圧方形波５２に対応する、タッチを有する受信電極のカウントは６８８である。受信電圧方形波５３に対応する、タッチの無い受信電極のカウント値は５３８である。これらのカウント値は、方形波（５２及び５３）についてマイクロ秒単位の高い又は低い時間量を求め、この時間を１００ＭＨｚのオシレータの周期（１０ｎｓ）で除することによって求められる。
【００５７】
駆動サイクル、すなわちサンプリングウィンドウは、駆動信号の振動の１周期に対応してよく、あるいは、十分に信頼できるサンプルサイズをもたらすように、いずれかの所望の数の周期、例えば、１周期、２周期、３周期、４周期、８周期、１６周期、３２周期、又はいずれかの他の所望の数の周期であることもできる。サンプルサイズを決定する際の考慮事項としては、ディスプレイのリフレッシュ速度と、存在し得る雑音を補償する必要性との釣り合いを取ることが挙げられる。大きいサンプルウィンドウほど、雑音の影響を排除しやすくなるが、ディスプレイのリフレッシュ速度を低下させる。１つの実施形態では、サンプリングは、１００ＭＨｚの周波数で行う。サンプリングウィンドウが、１つ又は複数の受信周期信号と対応するようにするために、ロジックブロック３４は、コンパレータＡ３の出力信号の立ち上がりを用いて、周期の始めに信号を送ると共に、カウンティングを開始させることができる。
【００５８】
得られたカウントデータを処理する方法であって、各ノードで利用可能な方法には様々なものがあり、本開示を読んだ当業者には、これらの方法は明らかであろう。例えば、サンプリングウィンドウが、受信信号の複数の周期に及ぶときには、各周期のカウントの数を平均化することもできれば、サンプリングウィンドウ全体に及ぶカウントの数を合計することもできれば、ローリング平均を用いて、各サンプルウィンドウのカウントの数を決定することもできる。これらのカウント値のいずれかが、しきいカウント値だけ変化したときに、タッチ状態が発生したと見なされることになる。カウント値と関連する所定の時間の長さ又は時間の範囲は、製造中にロジックブロック３４又は処理ユニット３７にプログラミングすることも、例えば物理的環境を含む様々な要因に基づき、定期的に再較正することもできる。受信したカウントが、較正ウィンドウ外であり、タッチが検出されない（しきいカウント値を超えていない）場合には、自動又は手動で調節を行って、タッチ無しのカウント値を再較正して、較正ウィンドウ内に戻すことができる。タッチ検出なしで、複数の測定値がウィンドウ外になるのを待つと、時期尚早の再較正を防ぐことになる。
【００５９】
図８Ａは、しきい電圧信号４８が、図６及び７に関して示したようなＤＣ電圧である代わりに、周期的な三角波形である本開示の更なる実施形態と関連する波形を示している。しきい電圧信号４８は、いずれかの周期波形、例えば、のこぎり波形、正弦波形、又は方形波形にすることが可能であるが、しきい電圧信号４８は、受信信号と同じ周波数を有する三角波形である。いくつかの実施形態では、しきい電圧として用いられる三角波形は、タッチ状態と非タッチ状態と関連するカウントの差を大きくすることになる。これは、図８Ｂを参照すると見ることができ、図８Ｂでは、実例であるＤＣしきい電圧４４が図８Ａに加えられている。限界信号として用いられるＤＣ電圧によって、本明細書に開示されている実施形態は、タイムウィンドウ１１０（タッチ無し）とタイムウィンドウ１０５（タッチあり）と関連するカウントの差を継続的に解消する。三角形のしきい電圧信号波形を用いると、同じ基礎を成す受信信号（４２及び４３）の、タイムウィンドウ１００（タッチ無し）とタイムウィンドウ１２０（タッチあり）と関連するカウント差が一層大きくなる。
【００６０】
タッチ状態と非タッチ状態と関連するこのカウント差の拡大によって、例えばＬＣＤディスプレイに由来し得るような雑音障害に対する感受性が低下する場合がある。また、この差の拡大によって、駆動サイクルで用いられる駆動信号の周期を軽減でき、これは、タッチ感知デバイスの応答時間の短縮を意味する。その他の駆動波形及びしきい電圧波形、例えば、三角系又は正弦のいずれかのしきい電圧を有する方形駆動信号も、この効果を有することになる。三角波を微分すると、得られるｏｐ−ａｍｐ  Ａ１（図３）からの受信信号は方形波となり、いくつかの実施形態では、タッチ駆動サイクルと非タッチ駆動サイクルとの間のカウント差が大きくなる場合がある。その組み合わせが、タッチ状態と非タッチ状態で異なるカウントをもたらすのであれば、駆動信号／しきい電圧信号の他の組み合わせも可能である。
【００６１】
しきい信号４８は、１つの実施形態では、受信電圧信号４２及び４３と同相であり、受信電圧信号４２及び４３と同じ周波数を有することも、受信電圧信号４２及び４３よりも大きい周波数を有することもできる。１つの実施形態では、しきい電圧信号４８が周期的であるとき、そのしきい電圧信号は、図１０及び１１に関して下記で見られるように、受信信号４２及び４３の周波数の整数の倍数である周波数を有することができる。
【００６２】
図９は、しきい電圧信号４８が図８Ａ及び８Ｂに示されているような三角波である実施形態におけるコンパレータＡ２からの出力に対応する方形波６２及び６３を示している。加えて、図９は、受信信号４２又は４３がしきい電圧４８を上回っているか又は下回っている時間の長さを測定するために、ロジックブロックのカウンティングを制御するのに用いられるコンパレータＡ４（図３）からの方形電圧信号６１を示している。コンパレータＡ４は２つの入力を有し、その１つは、基準電圧Ｖｒｅｆ１に関連付けられており、第２の出力は、ｏｐ−ａｍｐ  Ａ１の出力上の受信電圧信号４２又は４３に関連付けられている。受信電圧信号４２又は４３が電圧Ｖｒｅｆ１を上回っているときには、コンパレータＡ４の出力はロジック１であり、受信電圧信号４２又は４３が電圧Ｖｒｅｆ１を下回っているときには、ロジック０である。その結果、Ａ４の出力は、受信電圧信号４２又は４３と同相である５０％のデューティサイクルの方形波である。しきい電圧４８が周期的な信号であるとき、ロジックブロック３４は、この方形波信号６１の立ち上がり及び立ち下がりの両方を用いて、受信信号の周期半分ごとのカウンティングをトリガーすることができる。このインスタンスをカウントするためにロジックブロック３４が用いることのできるアルゴリズムは以下の通りである。
【００６３】
ｉｆ（Ｖｒｅｃｅｉｖｅｓｑｕａｒｅ＝＝１  ａｎｄ  Ｖｔｏｕｃｈ／ｎｏｔｏｕｃｈ＝＝１）
ｃｏｕｎｔ  ｕｐ；
ｅｌｓｅ  ｉｆ（Ｖｒｅｃｅｉｖｅｓｑｕａｒｅ＝＝０  ａｎｄ  Ｖｔｏｕｃｈ／ｎｏｔｏｕｃｈ＝＝０）
ｃｏｕｎｔ  ｕｐ；
ｅｌｓｅ
ｄｏｎ’ｔ  ｃｏｕｎｔ
（図３に基づく実施形態に照らせば、ＶｒｅｃｅｉｖｅｓｑｕａｒｅはＡ４の出力となり、Ｖｔｏｕｃｈ／ｎｏｔｏｕｃｈはＡ２の出力となることに留意されたい。）
このアルゴリズムは、タッチを有する受信電極とタッチの無い受信電極との間の総カウントの差を拡大し、その結果、信号対雑音比を高くする。
【００６４】
図１０も、周期的な三角波形を限界信号Ｖｒｅｆ２（図３）として用いるが、限界信号４９の周波数は、受信電圧信号４２及び４３の周波数よりも大きい。いくつかの実施形態では、しきい電圧信号４９の周波数は、電圧信号４２及び４３の周波数の偶数倍であることができる。受信電圧信号４２及び４３は、図５及び図６のものと同様である。ただし、図９では、受信電圧信号は２．５ボルトに中心がある。このオフセット電圧は、電圧Ｖｒｅｆ１を２．５ボルトのＤＣ信号に関連付けることによって生成される。
【００６５】
図１１は、しきい電圧信号４９が、図９に示されている三角波であるときに、コンパレータＡ２の出力に対応している方形波７２及び７３を示している。図１０も、コンパレータＡ４の出力に対応する方形電圧信号６１を示している。駆動信号の周波数が１２５ｋＨｚであり、マイクロプロセッサのオシレータの周波数が１００ＭＨｚであるとき、所与の駆動サイクルのカウント差は、図８Ａと関連する実施形態におけるカウント差よりも小さい。例えば、図９の方形波６２に対応する、タッチを有する受信電極のカウント値は３００であり、方形波６３に対応する、タッチの無い受信電極のカウント値は２２５である。図１１のカウント差が図９のカウント差よりも小さくても、しきい電圧信号４９が、受信電圧信号４２及び４３を越えて、より速く遷移しているので、図１１と関連して用いるアプローチは、雑音排除性を向上させる場合がある。
【００６６】
いくつかの実施形態では、ロジックブロック３４（本明細書に記載されている実施形態では、マイクロプロセッサを含む）を様々なアルゴリズムでプログラミングして、雑音のタッチセンサへの影響を低下させることができる。例えば、ロジックブロック３４は、そのいずれかの側の所与の周期間のカウントを比較する比較アルゴリズムを有してもよい。中間の周期におけるカウントの数が、第１及び最後の周期から大きく変化する場合、これは、雑音障害、又はその他のエラーを示すことがある。マイクロプロセッサは例えば、疑わしい周期を前のサンプルに設定して予測外れ値を排除することによって、サンプルから疑わしい周期を除外することができる。
【実施例】
【００６７】
しきい電圧信号を用いるタッチ感知デバイスの１つの実施形態を下記のように実施した。
【００６８】
Ｘｉｌｉｎｘ  Ｓｐａｒｔａｎ−３という商品名でＣＡのＳａｎ  ＪｏｓｅのＸｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．から市販されているＦｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｂｏａｒｄの周囲にセンサ電子機器を組み立てた。このＦＰＧＡを２つのドーターボードと組み合わせた。一方は受信電子機器を実装し、もう一方は駆動電子機器を実装した。
【００６９】
受信電子機器は、１６クアッドパックｏｐ−ａｍｐ（Ｂｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎ（現在はＵＳＡ、Ｔｅｘａｓ、ＤａｌｌａｓのＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの子会社）の品番ＯＰＡ４３５４）と、３２  Ｍａｘｉｍクアッドパックコンパレータ（ＵＳＡ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、ＳｕｎｎｙｖａｌｅのＭａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．の品番ＭＡＸ９１４４）からなる。Ｂｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎのデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）（品番ＤＡＣ７５１２）と、周期的なしきい電圧用の標準的な関数発生器によって、異なるしきい電圧を発生させた。コンパレータからのすべての調整済み信号を測定のためにＦＧＰＡに送った。
【００７０】
駆動電子機器は、ＵＳＡ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＮｏｒｗｏｏｄのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ．，Ｉｎｃ．の波形発生器（品番ＡＤ９８３３）、駆動信号を増幅する、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓのｏｐ−ａｍｐ（ＡＤ８５１０）、駆動の周期を測定するのに用いる信号をＦＰＧＡに供給するＭａｘｉｍのコンパレータ（ＭＡＸ９８７）、及び、Ｍａｘｉｍの５つのアナログマルチプレクサ（ＤＧ４０８）から構成させた。マルチプレクシングを制御すると共に、波形発生器をセットアップする信号のすべては、ＦＰＧＡ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｂｏａｒｄによって供給されたものであった。
【００７１】
駆動電子機器は、ＵＳＡ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、Ｍｅｔｈｕｅｎの３Ｍ  Ｔｏｕｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能な１９インチ（４８．３ｃｍ）（対角寸法）のマトリックスセンサタッチパネル（３Ｍ品番９８−０００３−３３６７−８）の駆動電極に、受信電子機器はその受信電極にそれぞれ接続した。センサは、ＵＳＡ、Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＨｉｌｄｅｂｒａｎのＥＬＫ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．が３Ｍのために作ったものであった。このセンサは、厚さ１．１ｍｍのガラスタッチスクリーンフロントレンズに積層されている可塑性ポリマー基板（任意で、ディスプレイの前にマウントすることもできる）上のダイヤモンドパターンの電極の２つの直交するアレイから構成されていた。センサパネルのシート抵抗は約２５０Ω／□で、光透過率は＞９０％であった。
【００７２】
ＦＰＧＡは、ＶＨＤＬプログラミングコードを用いてプログラミングした。（ＶＨＤＬコードは、デジタル回路のコンピュータによる設計の自動化において、フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び特定用途向け集積回路用のデザインエントリ言語として広く利用されている。）ＶＨＤＬは、ＶＨＳＣＩハードウェア記述言語に由来し、このＶＨＳＣＩは超高速集積回路を表す。駆動信号の３２周期中に順次にセンサを駆動する目的（すなわち駆動サイクル＝３２周期）、及び、これらの３２周期の間に受信信号を測定する目的の双方のために、ＶＨＤＬコードを実装した。Ｘｉｌｉｎｘ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ  Ｓｔｕｄｉｏ１１というソフトウェアを用いて、ＦＰＧＡの中にＭｉｃｒｏｂｌａｚｅというソフトコアプロセッサのインスタンスを作成した。（ソフトコアプロセッサとして、ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅを汎用メモリ及びＸｉｌｉｎｘ  ＦＰＧＡのロジックファブリック内に完全に実装する。）続いて、駆動線が切り替わるたびに、ＶＨＤＬロジックからデータを収集するように、及び、シリアルポートを介して、収集したデータをホストコンピュータに伝送するように、プロセッサのＭｉｃｒｏｂｌａｚｅをプログラミングした。次に、結果を生で見るか、又は、データを後処理するために、この未加工データを収集する。
【００７３】
下記の手順に従って、上記のタッチセンサシステムを試験した。ピークツーピーク振幅が５ボルトである１２５ｋＨｚの正弦駆動信号を供給するように、波形発生器をプログラミングした。シリアルポートと単純なソフトウェアプログラムを用いて、タッチ状態及びタッチの無い状態の双方のカウント値を取り込んだ。ＤＣしきい波形、及び正弦しきい波形の双方を比較に用いた。１つの試験では、そのピークツーピーク電圧が受信信号よりも大きくなり（受信信号に正弦窓関数を掛ける）、他方では、受信信号のピークツーピークは、正弦波よりも大きくなるように（正弦に受信窓関数を掛ける）、正弦波をセットアップした。
【００７４】
これらの試験の結果を表１に示す。
【００７５】
【表１】
2013511094.tif 000003
【００７６】
セットアップ２とセットアップ３との対比は、タッチの不在下における受信電極で見られるピーク振幅におけるか、又はピーク振幅の少し下におけるしきい電圧信号の振幅を設定することによって実現される場合のあるタッチデルタの増大を示している。これは、図１０を参照すると更に理解を深めることができ、図１０では、三角の基準電圧の代わりに、正弦波の基準電圧を用いる場合、セットアップ２から何が分かるかをコンセプトにおいて概算する。基準電圧信号４９のピーク振幅は約３．２ボルトであり、タッチ不在下における受信信号４３上のピーク電圧は約３ボルトであることに留意されたい。セットアップ３は、忠実度の向上を示しており、この向上は、図１０の状況では、しきい電圧信号を３ボルト弱に設定することによって実現できる。
【００７７】
セットアップ２及び３が、正弦波しきい電圧信号を用いたことに留意されたい（本明細書で更に記載されているように、三角波形又は他の波形は、タッチのデルタを更に大きくすることになる）。
【００７８】
上記の様々な実施形態は、実例としてのみ提供されており、本発明を限定するものと解釈すべきではない。上記の説明及び実例に基づいて、本明細書に図示及び記載した代表的な実施形態及び応用例に厳密に従うことなく本発明に様々な修正及び変更を行えることが当業者には容易に理解されるであろう。このような修正及び変更は、以下の請求項での説明を含め、本発明の本来の趣旨及び範囲から逸脱しない。
【図１】
2013511094.tif 000004
【図２】
2013511094.tif 000005
【図３】
2013511094.tif 000006
【図４Ａ】
2013511094.tif 000007
【図４Ｂ】
2013511094.tif 000008
【図４Ｃ】
2013511094.tif 000009
【図５】
2013511094.tif 000010
【図６】
2013511094.tif 000011
【図７】
2013511094.tif 000012
【図８Ａ】
2013511094.tif 000013
【図８Ｂ】
2013511094.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2013511094.tif 000016
【図１１】
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【国際調査報告】
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