(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前パネルを備える第１面および後パネルを備える第２面を有するエンクロージャであって、前記第１面と前記第２面とが互いに反対側である、エンクロージャと、
前記エンクロージャの第１面上に装備された平面の表示装置と、
前記エンクロージャの第２面上に装備された平面のタッチセンサトランスデューサであって、前記タッチセンサトランスデューサが、前記タッチセンサトランスデューサに近接する指を検出し、かつ前記指に関する２次元の指位置情報を決定するように構成される、タッチセンサトランスデューサと、
前記エンクロージャ内に含まれ、前記表示装置及びタッチセンサトランスデューサに接続されている計算手段であって、前記タッチセンサトランスデューサから前記指位置情報に基づく入力情報を受取ると共に前記入力情報から生成された視覚的情報を前記表示装置上に表示する手段を含む計算手段とを具備する、携帯用コンピュータデバイス。
【請求項２】
前記タッチセンサトランスデューサが、第１方向に配置された行方向導電線と、前記第１方向とほぼ垂直な第２方向に配置された列方向導電線とのマトリックスを含み、前記行方向導電線と列方向導電線とが相互に絶縁されており、絶縁層が前記行方向導電線及び列方向導電線上に設置されており、前記絶縁層が、表面に置かれた前記指と前記行方向導電線及び列方向導電線との間に有意な容量結合を助長するように選択された厚さを有しており、
前記タッチセンサトランスデューサから入力情報を受取る手段が、
既知量の電荷を前記行方向導電線の各々に同時に与え、かつ前記既知量の電荷の結果として生じる前記各行方向導電線の行感知電圧を感知し、それによって前記指と前記各行方向導電線との間の容量結合の量を検出する手段と、
既知量の電荷を前記列方向導電線の各々に同時に与え、かつ前記既知量の電荷の結果として生じる前記各列方向導電線の列感知電圧を感知し、それによって前記指と前記各列方向導電線との間の容量結合の量を検出する手段と、
前記行感知電圧及び前記列感知電圧に応答して電気信号セットを生成する手段とを含み、前記電気信号セットが、前記行方向および列方向導電線のマトリクスに対する指の近接度を表す、請求項１に記載の携帯用コンピュータデバイス。
【請求項３】
前記タッチセンサトランスデューサから入力情報を受取る手段が更に、
前記各行方向導電線からの最小バックグラウンドキャパシタンスを感知し、前記各列方向導電線からの最小バックグラウンドキャパシタンスを感知し、かつこれら最小バックグラウンドキャパシタンスに関連する最小バックグラウンド信号セットを生成する手段と、
前記電気信号セットから前記最小バックグラウンド信号セットを減算する手段とを含む、請求項２に記載の携帯用コンピュータデバイス。
【請求項４】
前記タッチセンサトランスデューサから入力情報を受取る手段が更に、
前記各行方向導電線および前記各列方向導電線の測定された平均バックグラウンドキャパシタンスに関連する平均バックグラウンド信号セットを生成する手段と、
前記電気信号セットから前記平均バックグラウンド信号セットを減算する手段とを含む、請求項２に記載の携帯用コンピュータデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、対象物位置検出装置と題された１９９２年６月８日出願同時係属特許出願第０７／８９５，９３４号明細書及び１９９３年８月３１日出願同時係属特許出願第０８／１１５，７４３号明細書の一部係属出願である。
【０００２】
本発明は、パーソナルディジタルアシスタント、ポケットカレンダー、コミュニケーター、ホームリモートコントロール装置及び計算機のごとき携帯用コンピュータデバイスに関する。特に本発明は、極めて小型であってポケットまたはハンドバック内に保持し得、主なデータ入力手段としてタッチセンス技術を使用するコンピュータデバイスに関する。パーソナルデータアシスタントは、上記領域の全てを包含し、個人スケジュール、電話帳などを保守管理するコンピュータデバイスである。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
位置表示装置として使用するよう利用し得るタッチセンス方式は幾つかある。抵抗性膜位置センサが公知であり、幾つかの用途に使用されている。しかしながら、それらは一般に分解能が乏しいという欠点があり、センサ表面がユーザに露出されているので、摩耗を被る。更に抵抗性膜タッチセンサは比較的高価である。１面方式は、信頼性のある動作のためにはユーザがセンサに対して接地している必要がある。これは、携帯用コンピュータでは保証され得ない。１面方式の例にはＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＭＡの製品ＵｎＭｏｕｓｅがある。２面方式は、分解能がより乏しく、時間的に極めて早く摩耗する可能性がある。
【０００４】
Ｙｏｓｈｉｋａｗａ名義の米国特許第４，６８０，４３０号明細書、Ｅｌｌｉｓ名義の米国特許第３，４９７，６１７号明細書及びその他多数により、抵抗性タブレットが教示されている。かかる方式全ての欠点は、使用する抵抗性膜の電力消費量及びコストが高いことである。
【０００５】
表面音響波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ，ＳＡＷ）デバイスは、位置表示装置として使用し得る可能性がある。しかしながら、このセンサ技術は高価であり、軽いタッチには高感度を示さない。更にＳＡＷデバイスは、接触表面に生成された残力に高感度を示すと共に、一般に分解能が乏しい。
【０００６】
抵抗性ひずみゲージまたは圧力プレート方式は興味深い位置感知技術であるが、幾つかの欠点を有する。この方式は圧電変換器を使用し得る。１つの欠点は、ピエゾ現象がＡＣ現象であり、ユーザの運動速度に過敏であることである。更に抵抗性ひずみゲージまたは圧力プレート方式は、特殊なセンサを必要とするが故に幾分高価である。
【０００７】
光学方式も考えられるが、幾つかの理由で幾分制限される。光学方式はいずれも光生成を必要とするが、それは外部構成素子を必要とするものであり、コスト及びパワードレーンが増加する。例えば「指先遮断（ｆｉｎｇｅｒ−ｂｒｅａｋｉｎｇ）」赤外線マトリックス位置検出装置は高電力を消費する上に、分解能が比較的乏しい。
【０００８】
マウスまたはトラックボールに代わるポインティングデバイスとして使用するために親指または他の指の位置を感知するデバイスを提供する多数の試みがある。このようなデバイスの望ましい属性としては、低電力、低プロファイル、高分解能、低コスト、高速応答、及び、指が電気的ノイズを有するときまたは接触表面が埃りや湿分で汚染されているときに信頼性をもって動作し得る能力が挙げられる。
【０００９】
抵抗性デバイスの欠点の故に、指の位置を容量的に感知することに基づくポインティングの可能性を与える多数の試みが行われている。Ｖｏｌｐｅ名義の米国特許第３，９２１，１６６号明細書は、指が行方向電極と列方向電極との間のトランスキャパシタンスを変化させる容量性マトリックスを教示している。Ｂｏｂｉｃｋ名義の米国特許第４，１０３，２５２号明細書は、４つの容量性電極間のｘ及びｙ位置を補間するために４つの発振信号を使用している。Ｓｃｈｕｙｌｅｒ名義の米国特許第４，４５５，４５２号明細書は、指が電極間の容量結合を減衰する容量性タブレットを教示している。
【００１０】
Ｍａｂｕｓｔｈ名義の米国特許第４，５５０，２２１号明細書は、「仮想接地」に対する有効キャパシタンスを発振信号によって測定する容量性タブレットを教示している。各行及び列が順次ポーリングされ、２つの行または列間の位置を解明するために初歩的な補間が適用される。多数の発振波形サイクルを平均することにより、電気的干渉の問題に対処する試みがなされている。汚染の問題は、指が存在しない場合を感知し、このような指なしの間に定期的校正を適用することにより対処される。Ｒｙｍｐａｌｓｋｉ名義の米国特許第４，６３９，７２０号明細書は、スタイラスの位置を感知するためのタブレットを教示している。スタイラスが、行方向電極及び列方向電極間のトランス容量結合を変化させるが、それが順番に走査される。Ｍａｔｚｋｅ名義の米国特許第４，７３６，１９１号は、親指でタッチすることにより作動化されるキーボードのスペースバーの下方にある放射状電極構成を教示している。この特許は、カーソル移動速度を制御するための接触圧力の指標として合計タッチキャパシタンスの使用を教示している。電気的干渉作用に対処するためにはパルス化順次ポーリングが使用されている。
【００１１】
Ｇｒｅａｎｉａｓ名義の米国特許第４，６８６，３３２号及び第５，１４９，９１９号明細書は、ＣＲＴ上に取り付けられるスタイラス及び指検出システムを教示している。指検出システムとしては、最大信号を有する２つのマトリックスワイヤの位置を決定するためにＸ／Ｙセンサマトリックスが使用される。コーディングスキームを用い、これら２つのワイヤが、ワイヤ幅（ｗｉｒｅ  ｓｔｅｐｐｉｎｇ）の分解能に対する指の位置を固有に決定する。スタイラス検出のためには、Ｇｒｅａｎｉａｓはまずその位置をおおまかに決定し、次いで対象物の一方の側にある全てのラインを一方向に駆動し、更に反対側にある全てのラインを反対方向に駆動することにより、仮想双極子を生成する。これを、異なる双極子位相及び信号極性を用いて３回行う。対象物に対する所定のマトリックス応答を仮定し、３回の測定値が、位置のために解が得られる１組の連立方程式を与える。
【００１２】
Ｅｖａｎｓ名義の米国特許第４，７３３，２２２号明細書は、高度に補間するキャパシタンスタッチ測定システムを最初に教示した。Ｅｖａｎｓは、マトリックス内に駆動、感知及び電極信号セット（３信号）を使用し、電極ノード信号における指の減衰作用を基礎としている（容量分割現象を使用する）３端子測定系を教示している。Ｅｖａｎｓは、キャパシタンスを測定するために各駆動セットを順次走査する。最も大きい３つの応答から、指位置を決定するために補間ルーチンが適用される。Ｅｖａｎｓは更に、測定の一部として「指なし」レベルを相殺し得るゼロ化法をも教示している。
【００１３】
Ｇｒｕａｚ名義の米国特許第５，０１６，００８号はタッチ感受性パッドを記載しているが、これもまた補間を使用する。Ｇｒｕａｚはタッチマトリックス内に駆動及び感知信号セット（２信号）を使用し、Ｅｖａｎｓのように、駆動信号を変調するために指の減衰作用に依存している。タッチマトリックスが順次走査され、各マトリックスライン応答が読み取られる。補間プログラムは、指の位置を決定するために両方向において最も大きい２つの隣り合う信号を選択し、これら４つの数値から有効位置を比率的に（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）決定する。
【００１４】
ＧｅｒｐｈｅｉｄｅのＰＣＴ特許出願ＵＳ９０／０４５８４号、国際特許出願公開第ＷＯ９１／０３０３９号明細書は、Ｇｒｅａｎｉａｓの仮想双極子方式の変形をタッチパッドシステムに適用している。Ｇｅｒｐｈｅｉｄｅは、所与の周波数及び位相の発振電位を、仮想双極子の一方の側にある全ての電極に適用し、同じ周波数及び逆位相の発振電位を他方の側のものに適用することを教示している。電子回路が「バランス信号」を生成するが、これは、指が存在しないときはゼロであり、指が仮想双極子の中心の一方の側に存在するならば一方の極性を有し、指が反対側にあるならば反対の極性を有する。指の位置を得るために、最初に、タブレットを横切って仮想双極子を順次走査する。一旦指の位置が決定され、指が１行または１列以上移動したならば、仮想双極子を指に向かって移動させることにより「追跡」する。
【００１５】
仮想双極子法は、キャパシタンスが距離と共に変化しない場合にはゼロであるバランス信号を生成することにより動作するが故に、指の全接触域ではなくて接触域の周囲を感知するにすぎない。該方法は励起信号の同調検出に依存するが故に、電気的干渉を除外するためには長時間にわたって平均する必要があり、従って低速である。この方法に要求される平均算出時間は、新たな指接触を順次検索する必要と共に、一旦先行の接触が失われると、前と同様に、電気的干渉に影響されない高速位置決め装置の要求を満足しない。
【００１６】
補間を使用する従来のタッチパッドの発明は全てが感知パッドに厳しい設計条件を課していることに留意されたい。Ｇｒｅａｎｉａｓ及びＥｖａｎｓは、信号を生成するために複雑で高価な駆動、感知及び電力ラインスキームを使用している。Ｇｒｕａｚ及びＧｅｒｐｈｅｉｄｅは２つの信号駆動及び感知セットを使用している。本発明においては、同じラインで駆動及び感知が行われる。これによって行セクションと列セクションとは対称且つ等価とし得る。更にこのことで全ての信号経路に独立の校正が可能となり、基板レイアウトはより単純で、制限が緩和され、より固有のセンサトポロジーが可能になる。
【００１７】
従来技術に記載した発明及び技術の欠点は、１組の駆動及び感知電極しか使用しておらず、タブレット内の電極を順次多重使用することにも原因する。この構成は、個別構成素子においてコスト効率がよく、回路間のオフセット及びスケール差が回避される。
【００１８】
従来のシステムの順次走査方式によるとノイズにより感受性となる。ノイズレベルは連続的な測定の間に変化することがあり、測定信号及び補間ルーチンに使用される仮定値は変更される。
【００１９】
最後に、全ての従来方法は、指位置対マトリックス位置に対して特定の信号応答を仮定している。変換曲線は多数のパラメーターに極めて高感度であり、Ｇｒｅａｎｉａｓ及びＧｅｒｐｈｅｉｄｅが仮定するように滑らかな一次曲線ではないので、かかる方式は、それらが実施し得る補間量の点で制限される。
【００２０】
本発明のタッチセンス法は、携帯用コンピュータデバイスの入力トランスデューサとして使用されるとき特に有効である。パーソナルディジタルアシスタントのごとき多数の携帯用コンピュータデバイスが市場に出回っており、シャープのＷｉｚａｒｄ、アップルのＮｅｗｔｏｎ及びＨｅｗｌｅｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄの類似製品などが例に挙げられる。現在、これらのデバイスのほとんどはＬＣＤ表示装置上の小型キーパッド入力またはある種のスタイラスのいずれかを使用している。
【００２１】
全てのケースで市場の動向は、ポケットやハンドバック内に容易に入るような、より小さく、よりコンパクトなシステムに向いている。高レベルの統合により、コンピュータデバイスの寸法は、合理的にパワフルなコンピュータデバイスがクレジットカードの大きさに匹敵し得るレベルに小型化されている。かかるコンピュータデバイスを小型化する上での大きな障害の１つは、ユーザ入力インターフェースの寸法である。工業規格入力範例であるＬＣＤ表示装置上のキーパッド入力またはスタイラス／指は、現在のところ制限要因である。
【００２２】
当業者には理解されるように、キーパッドは明らかに、それより小さいともはや使用できないという所定の最低限度の寸法がある。スタイラス／指をＬＣＤ表示装置の表面を横切って移動させる入力方式は、視野の妨害という欠点を有する。表示スクリーンは小さい必要があるので、スクリーンに書き込むスタイラスまたは指の存在は、スクリーンの大部分でユーザの視野を遮蔽する。
【００２３】
本発明の目的は、容量性タブレットの各行または各列のための別個の駆動／感知電極セットを備えた２次元容量性感知システムであって、全ての行方向電極が同時に感知され、全ての列方向電極が同時に感知されるシステムを提供することである。
【００２４】
本発明の別の目的は、指の容量性タブレットとの全接触領域に高感度を示す電子システムを提供すること、及び検出される対象物の固有の輪郭には低感度を維持しつつ、前記接触領域の中心の幾つかの測定値の座標を出力として与えることである。
【００２５】
本発明の別の目的は、指の容量性タブレットとの接触域の幾つかの測定値を出力として与える電子システムを提供することである。
【００２６】
本発明の更に別の目的は、デバイスの片面のほば全表面積が表示装置として使用され、ユーザによるデータエントリの主要手段がデバイスの第２面に装備されている携帯用コンピュータデバイスを提供することである。
【００２７】
本発明の更に別の目的は、対象物位置検出装置と題された同時係属特許出願第０７／８９５，９３４号及び第０８／１１５，７４３号明細書に記載のもののごときタッチパッド方式を使用し、携帯用コンピュータデバイス用の低コストで部品数の少ない入力トランスデューサを提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段及び作用】
非常に高レベルの集積化の出現によって、多重チャネルの駆動／感知エレクトロニクスを、該エレクトロニクスを動作するための制御論理、及びポインティングデバイスをホストマイクロプロセッサと直接連通させ得るためのインタフェースエレクトロニクスと共に１つの集積回路に統合することが可能となった。本発明は、チャネル間のオフセット／スケール差を克服するために適応性アナログ技術を使用しており、従って全てのタブレット行又は列のトランスキャパシタンス又はセルフキャパシタンスを並列に感知することができる。１行又は１列毎に１組のエレクトロニクスを提供することにより可能となったこの並列感知能力により、感知サイクルが極めて短くなり、このようにして非常に高レベルの電気インタフェースに対する免疫性を維持しつつ、迅速な応答が可能となる。
【００２９】
本発明は、コンピュータ“マウス”又はトラックボール環境でのように指位置情報が必要とされる用途で特に有用な位置感知技術を含んでいる。しかしながら、１カ所以上の点にタッチしてもセンサが検出及び報告を行うことができるため、本発明の位置感知技術はコンピュータマウスよりも遥かに汎用性の用途を有する。更には、検出器はタッチ圧力を感知し得る。
【００３０】
本明細書では“フィンガポインタ”と称する本発明の好ましい実施態様によれば、位置感知システムは、等電線のマトリックスを含む基板（例えばプリント回路板）上に配置されたタッチセンス面を含む位置センシングトランスデューサを含んでいる。第１組の等電線は第１方向に走行し、第１方向に対してほぼ垂直な第２方向に走行する第２組の等電線とは絶縁されている。絶縁層は、第１組及び第２組の等電線の上方に配置されている。この絶縁層は、その表面上に置かれた指と第１組及び第２組の等電線との間の有意な容量結合を促進するのに十分の薄さである。
【００３１】
感知エレクトロニクスは、指の接近によって引き起こされる導体のキャパシタンス変化を位置／タッチ圧力情報に翻訳するために指の接近に応答する。その出力は表面上の１物体の単純なＸ、Ｙ及び圧力値である。
【００３２】
種々の従来技術のパッド走査技術が様々な環境で様々な利点を有する。本発明の並列駆動／感知技術では、入力サンプルを同時に取り出すことができ、かくして全てのチャネルはインターフェイシング電気信号の同一相の作用を受け、信号処理及びノイズフィルタリングが大幅に簡略化される。
【００３３】
本発明のタッチセンシング技術で使用される駆動／感知方法は２通りある。本発明の好ましい第１の実施態様によれば、センサマトリックスの全てのＸラインの電圧は同時に変化させられる一方で、Ｙラインの電圧は一定電圧に維持され、完全な一組の抽出点が、Ｘ次元の指のプロファイルを同時に提供する。次に、センサマトリックスの全てのＹライン上の電圧が同時に変化させられる一方で、Ｘラインの電圧は、他の次元の指のプロファイルを同時に提供する完全な一組の抽出点を得るために一定電圧に維持される。
【００３４】
第２の駆動／感知方法によれば、センサマトリックスの全てのＸライン上の電圧が同時に正方向に変化させられる一方で、Ｙラインの電圧は負方向に変化させられる。次に、センサマトリックスの全てのＸラインの電圧が同時に負方向に変化させられる一方で、Ｙラインの電圧が正方向に変化させられる。この技術は、二次元間のトランスキャパシタンスの作用を２倍にするか又は反対に接地すべき任意の寄生キャパシタンスの作用を半減させる。いずれの方法でも、感知プロセスからの容量情報は、各次元でセンサに指接近のプロファイルを提供する。
【００３５】
いずれの実施態様もこれらのプロファイルをとり、且つＸ／Ｙ位置について加重平均（ｃｅｎｔｒｏｉｄ）を計算し、Ｚ圧力情報の曲線下に統合する。これらの実施態様の位置センサは、そのセンサ面上に一物体の位置のみを報告し得る。一つ以上の物体が存在すると、この実施態様の位置センサは組み合わせた物体組の面心位置を計算する。しかしながら、完全パッドがプロファイリングされないために従来技術とは異なり、より強力なユーザインタフェースを可能とするために単純な複数指動作を認識するのに十分な情報が入手可能である。
【００３６】
本発明の他の態様によれば、測定間に回路を遮断し得る幾つかの電力削減技術がシステムに組み込まれている。これは、本発明の並列測定技術が従来技術よりも遥かに高速であるため可能である。
【００３７】
本発明の他の態様によれば、通常のコンピュータ環境で発生するノイズの低減を焦点とするノイズ低減技術がシステムに組み込まれている。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、校正（ｃａｌｉｂｒａｔｅ）及び実施がより簡単なキャパシタンス測定技術が使用されている。
【００３９】
本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスは小さなエンクロージャ内にパッケージ化され得、そこでは表示装置がデバイスの第１面上に配置され、タッチパッド入力デバイスがこのデバイスの第２面上に配置されている。タッチパッド入力デバイスは、モジュールの正面側の表示装置内にワンツーワン（ｏｎｅ−ｔｏ−ｏｎｅ）マッピングされている。計算回路はエンクロージャ内に含まれ、視覚的表示装置及びタッチパネルに結合されている。計算回路はタッチパネルから入力情報を受け取り、入力情報から生じた視覚情報を視覚的表示装置上に表示する。
【００４０】
本発明は、クレジットカードサイズのハンドヘルドコンピュータデバイスの開発を実践させるために、本明細書に開示した非常に高密度なタッチパッド入力技術を新規な方法で使用する。このタッチパッド技術のスペースレイアウト効率は、センサのようなプリント回路板トレースの使用によるものであり、そのため特殊なトランスデューサを必要としない。本発明は、入力センサが、表示装置が配置されている面とは反対側のデバイス面上に装着される新規な配置を提供することによりこのような利点を供する。本発明のこれらの素子をこのように配置することにより、表示装置と入力タッチパッドとの間にインタフェースがなくなり、デバイスは最小寸法のエンクロージャ内に構成され得る。
【００４１】
本発明の好ましい実施態様の非制限的な例として、本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスは例えば、パーソナルディジタル支援の形態を取り得る。このようなデバイスは業界では知られており、パーソナルスケジュールのトラッキング、パーソナルカレンダ及び／又はノートパッドの維持、並びに計算器の提供のような目的のために使用される。出力はＬＣＤ表示装置に表示され、且つメニュー駆動方式で編成され得る。英数字入力のために小型キーボードが表示され、ユーザはエンクロージャ下側のタッチパッド上の適切なエリアをタッチすることによりキーボードから必要な文字を選択する。
【００４２】
デバイスを使用するため、ユーザは片手（例えば左手）でユニットを保持し、表示装置の下で右手の人差し指を滑らせて、必要な項目を選択する。モジュールの上方端部又は下方端部のセレクトスイッチを動作させ、クリックに備え且つコンピュータへのマウス入力で使用されるイディオムの選択又はクリック及びドラッグを行うために左手を使用してもよい。
【００４３】
本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスの利点は、同デバイスがカーソル位置のワンツーワン制御の管理を可能とし、ほとんど全ての面の表示装置のための使用を可能とし、且つ安価な入力技術を使用していることである。更には、指又はスタイラスは表示装置の視界を妨げず、指は、カーソル位置が見失われないようにカーソルと接触した状態であり得る。またキーボードは英数字入力用に表示され得る。
【００４４】
当業者には、本発明についての下記の記載が例示に過ぎず、限定するものでないことが理解されるであろう。本発明の他の実施態様は当業者には容易に示唆されるものであろう。
【００４５】
本発明は、以前には不可能であった新規な応用を可能にするいくつかの独創的な特徴の組み合わせを提供する。本発明の対象物位置センサーは低電力しか必要としないので、ラップトップコンピュータ又はポータブルコンピュータのようなバッテリ駆動又は低電力でのアプリケーションには有利である。さらに該センサーは非常に低コストのものであり、移動部品を有しておらず（従って、実質的にメンテナンスの必要がない）、且つ現行のセンサー用プリント回路基板トレースを用いるものである。本発明のセンシング技術は、コンピュータアプリケーションにおけるコンピュータのコストをさらに低減させるコンピュータマザーボードに集積化することが可能である。同様に、他のアプリケーションにおいて、該センサーは既に存在する回路基板の部分ともなり得る。
【００４６】
そのサイズが小型であり且つそのプロファイルが低いために、本発明のセンサー技術は、大きさが重要な問題となるラップトップコンピュータ又はポータブルコンピュータに有用である。本発明のセンサー技術は、直接マイクロプロセッサにインターフェイスし得る単一のセンサーインターフェイスチップのみのための回路基板スペースと、感知するためにプリント回路基板上に必要とされる領域を必要とする。
【００４７】
センサー材料は、パッドの導電Ｘ／Ｙマトリックスの作成を可能にするものならどんな材料でもよい。該材料には、標準的なＰＣ基板のみならず、フレキシブルＰＣ基板、導電エラストマ材料、シルクスクリーン導電線及び圧電Ｋｙｎａｒプラスチック材料が含まれる。こうした材料は、全てのポータブル装置アプリケーション又はセンサーを掌中にフィットさせるように成型する必要があるヒューマンインターフェイスにおいて有用なものとなる。
【００４８】
該センサーは全ての三次元表面に調和し得る。センサーを形成する殆ど全ての表面輪郭上の２層に銅をメッキすることが可能である。これによって、センサーをアプリケーションに必要とされる最上の人間工学的形態に適合させることが可能になる。これを「ライトタッチ」特性と組み合わせると、多くのアプリケーションにおいてセンサーが使いやすくなる。さらに該センサーは、間接的な方法でも使用可能である。即ち、該センサーは表面上に導電フォームを有しており、その表面を圧迫する全ての物体（単に導電性のものだけでなく）の検出に使用することも可能である。
【００４９】
センサーが占める領域が小さいことは実用的である。即ち、本発明により考案された実施態様は約１．５”×１．５”の領域を占めるが、当業者には、該領域が異なるアプリケーションに対してスケールの変更可能なことが理解されよう。マトリックス領域は、、マトリックストレース間隔を変えるか又はトレース数を変えることにより制限可能である。大きなセンサー領域はより多くの情報を必要とする場合に実用的である。
【００５０】
本発明のセンサー技術は、単純なＸ及びＹ位置情報に加えて指の圧力情報を提供する。この付加情報次元は、ペイントプログラム、特別メニューアクセスなどにおいて、コンピュータにより自然なセンサ入力を与えることを可能にする「ブラシ幅」モードのような特殊な特性を制御するプログラムで用いてよい。さらに該領域は、「マウスクリック及びドラッグ」の実行並びに単純な入力ジェスチャに有用であることが判明した。
【００５１】
ユーザは、最小の反応を得るのに表面をタッチする必要さえない。この特性は、ユーザの負担を大いに軽減させ且つよりフレキシブルな使用を可能にする。
【００５２】
本発明の感知システムは、トランスデューサに接触する物体に関する位置及び圧力情報を提供し得るトランスデューサ装置に基づく。先ず図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、平面図、底面図、合成図及び斜視図はそれぞれ本発明に使用するための好ましいタッチセンサー配列を示している。本発明のこの実施態様により、容量が利用されるので、センサ表面は容量結合を最大限にするようにデザインされている。
【００５３】
本発明の好ましいセンサ配列１０は、基板１０を含んでおり、該基板１０はその上面に配置され且つ第１の方向に走行して該配列の行位置を構成する第１の導電トレース１４のセットを含む基板１２を含んでいる。第２の導電トレースのセット１８は、基板１０の底面２０上に配置され且つ好ましくは第１の方向と直角の第２の方向に走行して配列の列位置を形成する。上部及び底部導電トレース１４及び１８は、図１Ａ〜図１Ｃのダイヤモンド形で示されている、拡大領域を含む周期センスパッド２２と交互に接触する。センスパッド２２は図１Ａ〜図１Ｃにダイヤモンド形で示されているが、円のような、センスパッドの密着パッキングを可能にするいずれの形状も本発明の目的には同等である。本書における任意の取り決めとして、第１の導電トレース１４は「Ｘ」又は「行」方向を指向するものとし、時に「Ｘライン」と称される場合もあり、第２の導電トレース１８は、［Ｙ」又「列」方向を指向するものとし、時に「Ｙライン」と称される場合もある。
【００５４】
これらのセンスパッド２２の数及び間隔は所望の解像度に応じる。例えば、本発明の原理により構成された実際の実施態様においては、１５行、１５列のコンダクタからなるマトリックスに沿って配置された導電パッドのダイヤ形パターンの中心間が０．１０インチのものを使用する。パッドパターンの各方向の１個おきのセンスパッド２２は、それぞれ基板１２の上面１６と底面２０上の導電トレースに接続されている。
【００５５】
基板１２は、プリント回路基板、フレキシブル回路基板又はいくつかの利用可能な回路相互接続技術構造の中のいずれを用いてもよい。その厚さは、底面の導電トレース１８から上面１６のセンスパッド２２までの接触が行われている限り重要ではない。基板１２を含むプリント回路基板は、標準的な工業技術を用いて構成することが可能である。回路基板の厚さは重要ではない。導電パッド２２から底面のトレース１８への接続は、プリント回路基板業界においては周知の標準メッキスルーホール技術を用いて行ってよい。
【００５６】
本発明の他の実施態様において、基板材料１２は０．００５〜０．０１０インチの厚さを有していてよい。その場合、上面１６のダイヤモンドと底面トレース１８に接続するメッキされたスルーホールを除去することも可能であり、それによってシステムのコストがさらに低減される。
【００５７】
上面１６上のセンスパッド２２上に絶縁層２４を配置して、人間の指又は他の物体を該パッドから絶縁する。絶縁層２４は、容量結合を大きく保つべく薄層（即ち、約５ミル）であるのが好ましく、その保護的且つ人間工学的特徴について選択されたマイラーのような材料を含んでいてよい。本書に使用されている「有意な容量結合」という用語は、約０．５ｐＦを超えるマグニチュードを有する容量結合を意味する。
【００５８】
指がセンサー配列１０に近づくと、２種の異なる容量効果が発生する。第１の容量効果は、トランス容量即ちセンスパッド２２間の結合であり、第２の容量効果は、自己容量即ち仮想接地への結合である。センシング回路が本発明のセンサー配列１０に結合されており、これらの容量のどちらか又は両方の変化に応答する。これは重要なことである。というのは、２種の容量の相対的な大きさがユーザ環境に応じて大きく変化するからである。本発明の自己容量及びトランス容量の両方の変化を検出する能力により、広範なアプリケーションを有する非常に汎用性のシステムが得られる。
【００５９】
本発明の好ましい実施態様により、センサー配列１０及び関連タッチ検出装置を含む位置センサーシステムは、センサー配列１０に近接した指の容量効果により、プリント回路基板トレースマトリックス上の指の位置を検出する。位置センサーシステムは、センサー配列１０の近くに置かれた指のＸ、Ｙ位置を、行トレース１４及び列トレース１８の間の間隔よりさらに微細な解像度にしてリポートする。さらに、本発明のこの実施態様による位置センサーは、指の輪郭に比例し、従って指がセンシング配列１０を覆う絶縁層２２の表面に接触する圧力を示すＺ値をリポートする。
【００６０】
本発明の好ましい実施態様により、適応アナログＶＬＳＩ技術を用いた、好感度でライトタッチの検出器回路が提供される。本発明の回路は、非常に頑強であり、プロセスやシステムのエラーを較正する。本発明の検出器回路は容量入力情報をプロセスし、マイクロプロセッサにデジタル情報を供給する。
【００６１】
本発明のこの実施態様によるセンシング回路は、単一のセンサープロセッサ集積回路チップ上に含まれている。該センサープロセッサチップは、任意の数のＸ及びＹ「マトリックス」入力を有していてよい。Ｘ及びＹ入力の数は、同一である必要はない。集積回路は、出力としてデジタルバスを有している。本書の図１Ａ〜図１Ｄに示す実施例において、センサー配列はＸ及びＹ方向共に１５個のトレースを有している。従って、センサープロセッサチップは１５個のＸ入力と１５個のＹ入力を有している。
【００６２】
Ｘ及びＹマトリックスノードは、各ラインからの指が該ノードのどの位近くにあるかを示す容量情報により、並列に駆動且つ感知される。走査された情報は、各次元における指の近接度のプロファイルを与える。本発明のこの態様により、プロファイル重心はＸ及びＹの両方向に誘導され、該次元における位置である。近接度のプロファイル曲線も集積されてＺ情報を供給する。
【００６３】
本発明のタッチセンシング技術には２種の駆動及び感知方法が用いられる。本発明の第１の且つ好ましい実施態様によれば、センサーマトリックスのすべてのＸラインの電圧が同時に変化し、Ｙラインの電圧は定電圧に保たれる。次いで、センサーマトリックスのすべてのＹラインの電圧が同時に変化し、Ｘラインの電圧は定電圧に保たれる。この走査法により、指によって与えられた仮想接地に対する容量の測定が重要なものとなる。当業者には、これら２段階の順序は任意であってよく、順序を逆にすることも可能であることが理解されよう。
【００６４】
第２の駆動／感知法によれば、センサーマトリックスの全てのＸラインの電圧は同時に正の方向に変化し、Ｙラインの電圧は負の方向に変化する。次いで、センサーマトリックスの全てのＸラインの電圧は同時に負の方向に変化し、Ｙラインの電圧は正の方向に変化する。この第２の駆動／感知法により、トランス容量がより重量になり、仮想接地容量が重要でなくなる。第１の駆動／感知法に関して、当業者はこれら２段階の順序が任意であってよく、順序を逆にすることも可能であることが理解されよう。
【００６５】
図２を参照すると、本発明に使用するための好ましいセンシング回路３０のブロック図が示されている。このブロック図は一次元（Ｘ）のみのセンシング回路を示している。当業者には、対向（Ｙ）次元を感知するために同一の回路が用いられることが理解されよう。さらに当業者は、これらの次元が直角である必要がないことに気づくであろう。例えば、該次元は放射状又はセンシングパッドの輪郭及びシステムのニーズに適合した他のいずれの特性を有するものであってよい。
【００６６】
各センサーマトリックスノードの容量は、電荷積分器回路３２−１〜３２−ｎを用いて同時に測定される。各電荷積分器の機能は、対応するマトリックスラインで感知された容量に比例する出力電圧を開発することである。
【００６７】
好ましい駆動／感知法により、容量測定は一次元の全ての入力全体にわって同時に行われ、個別の入力を走査するという慣用の方法につきものの問題が克服される。慣用法が有する問題とは、タッチする物体を介して回路に結合される高周波及び振幅の大きいノイズに敏感であることである。そのようなノイズは、初期ではなく後期の走査周期に現れるノイズのために、ノイズレベルが変化することにより指のプロファイルを変形させ得る。本発明は、同時に全ての入力のスナップショットをとることによりこの問題を克服する。注入されたノイズは全ての入力全体の指信号力に比例し、従って指の重心の回りで対称である。ノイズが指の重心の回りで対称であるために、ノイズは指の位置に影響を与えない。
【００６８】
電荷積分回路３２−１〜３２−ｎの性質のために、該回路の出力は経時的に変化し、ほんの短時間の間に所望の電圧出力を有することになる。この所望の電圧はフィルター／サンプルホールド回路３４−１〜３４−ｎによりとらえられる。フィルター／サンプルホールド回路３４−１〜３４−ｎは、制御回路３６によって制御されて、所望の電圧をとらえて記憶する。さらに、その結果もセルのサンプルホールドキャパシタのサイズに応じてフィルターにかけられる。
【００６９】
次いでフィルタ／サンプルホールド回路３４−１〜３４−ｎは、最小セレクタ減算回路３８用の入力を供給し、最小セレクタ減算回路はそのｎの最小入力値（ｎ＝３であるのが好ましい）の平均を計算し、該値を各入力から減算する。次いで最小セレクタ及び減算回路３８は入力での実際の値と計算された平均最小値の間の該入力における差に比例する各入力用の電流出力を生成する。この回路は、センシング回路が観測したバックグラウンド容量を減算し、次いでバックグラウンドレベルを超えることが観測された付加容量に比例する電流を供給する役割を果たす。ｎ＝１の場合、最小値が選択される。ｎ＞１である場合はつねに、ｎ値の平均が選択される。
【００７０】
ＺＳｕｍ回路４２の出力は結果を記憶するサンプルホールド回路４４−２に与えられる。サンプルホールド回路４０−２の出力はアナログ情報をマイクロコンピュータが使用可能なデジタル形態に変換するＡ／Ｄコンバータ回路４６−２を駆動する。
【００７１】
図２の制御回路３６は回路の残りの部分の操作を指揮する。システムが離散的にサンプリングされ、且つその操作においてパイプライン制御されるので、制御回路３６は信号フローを管理するために存在する。制御回路３６が行う機能は、状態マシーン又はマイクロコントローラとして業界において公知のものを介して開発するのが便利である。
【００７２】
さらにフィルター回路３４−１〜３４−ｎの出力は最大検出器回路４７によって監視される。この回路セクションの目的は、予設定しきい値を超える指信号がある場合にマイクロプロセッサへの割り込み信号を生成させることである。最大検出器回路４７は最大入力電圧に関連する信号を出力する。次いでこの信号をコンパレータ４８を用いてＶＴＨＭＡＸと記されている所定のしきい値と比較する。該信号が予設定しきい値を超えると、コンパレータが論理１レベルを出力し、ＡＮＤゲート４９を介して適切なタイミングで条件づけされた後で、マイクロプロセッサに割り込み信号を供給する。当業者には、この信号が割り込みすることに限定されるのではなく、ポーリング、例えば、全システムのニーズにより良く適合する他の方法で使用することが可能であることが理解されるであろう。
【００７３】
図２の個々のブロックの構造および作動を開示する。図３Ａ、図３Ｂ、および図４を参照して、典型的な電荷積算回路を説明する。電荷積分回路３２は図３Ａに単純化した略図で示されており、図３Ｂに説明図で示されている。電荷積分回路３２の作動のタイミングを図４に示す。
【００７４】
電荷積分回路３２はコンデンサを充電する電流を使用するという基本的な物理現象に基づくものである。コンデンサに低電流によって一定時間の間充電すると、キャパシタンスに逆比例する電圧がコンデンサに発生する。充電されるキャパシタンスは内部コンデンサに並列なセンサマトリックスラインキャパシタンスである。この内部コンデンサが問題の電圧を含んでいることとなる。
【００７５】
図３Ａを参照すると、例としての電荷積分回路３２の単純な略図が示されている。電荷積分回路の入力ノード５０はセンサマトリックスのＸ（またはＹ）ラインの１本に接続されている。第１の短絡スイッチ５２が電荷積分回路の入力ノード５０と、正供給ラインであるＶＤＤの間に接続されている。第２の短絡スイッチ５４が電荷積分回路入力ノード５０と、負供給ラインであるアースの間に接続されている。正定電流源５６は正の供給ラインＶＤＤに接続され、かつ電荷積分回路入力ノード５０ならびに第１電流源スイッチ５８とに接続されている。負定電流源６０はアースに接続され、かつ電荷積分回路入力ノード５０ならびに第２電流源スイッチ６２に接続されている。
【００７６】
第１内部コンデンサ６４はＶＤＤと電荷積分回路３２の出力ノード６６の間に接続されている。正電圧蓄積スイッチ６８が出力ノード６８と入力ノード５０の間に接続されている。第２内部コンデンサ７０はその電極の一方がスイッチ７２を介してアースへ、またスイッチ７４を介して電荷積分回路３２の出力ノード６６へ接続されている。電極の他方は負電圧蓄積スイッチ７６を介して入力ノード５９へ、またスイッチ７８を介してＶＤＤへ接続されている。第１および第２内部コンデンサ６４および７０のキャパシタンスは個々のセンサマトリックスラインのキャパシタンスの数分の一（すなわち、約１０％）でなければならない。典型的な実施例において、センサマトリックスラインのキャパシタンスは約１０ｐＦであり、コンデンサ６８および７０のキャパシタンスは約１ｐＦである。
【００７７】
本発明の現在好ましい実施例によれば、使用される手法は付加された雑音耐性に関する差動測定であり、その利点は低周波数のコモンモードの雑音が排除されることである。以下の検討において、閉鎖されていると記載されている場合を除き、すべてのスイッチは開いているものとする。まず、センサマトリックスラインがスイッチ５２により瞬間的にＶＤＤに対して短絡される。スイッチ６８は閉じており、コンデンサ６４をセンサラインのキャパシタンスと並列に接続している。次いで、並列のコンデンサの組合せは電流源６０からスイッチ６２を介して、一定時間の間一定電流の放電を行う。この一定時間の終了時に、スイッチ６８は開かれ、センサマトリックスラインの電圧をコンデンサ６４に蓄積する。
【００７８】
センサラインは次いで瞬間的に、スイッチ５４によってアースへ短絡され、スイッチ７２および７６が閉じられて、コンデンサ７０をセンサラインのキャパシタンスと並列とする。スイッチ５８が閉じられ、並列のコンデンサの組合せに電流源５６から一定時間の間低電流が充電される。この一定時間の終了時に、スイッチ７６は開かれ、センサマトリックスラインの電圧をコンデンサ７０に蓄積する。
【００７９】
第１および第２の測定電圧が次いで平均化される。これはスイッチ７２を開き、スイッチ７８および７４を閉じて、コンデンサ７０をコンデンサ６８と並列とすることによって達成される。コンデンサ６４と７０が同一のキャパシタンスを有しているため、これらの両端で得られる電圧はこれら各々の両端に現れる電圧の平均値と等しくなる。最終結果は、フィルタ／サンプルホールド回路３４−１ないし３４−ｎのうち適当なものへ渡される。
【００８０】
低周波雑音、特に５０／６０Ｈｚおよびその高調波の雑音はある測定値では加わり、他の測定値では除去される直流成分として振る舞う。雑音除去の量は２つの充電／放電サイクルがどれくらいの速度で連続して行われるかについての関数となる。この電荷積分回路を選択した理由の１つは、迅速に測定を行えるところにある。
【００８１】
ここで、図３Ｂを参照すると、図３Ａの単純な図の電荷積分回路の説明のための実施例の詳細な図が示されている。パスゲート８０を介してＶＤＤおよびアースに接続された入力ノード５０が示されている。
【００８２】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９８は基準電圧Ｖｒｅｆによって駆動されるゲートを有しており、これは電流ミラートランジスタ８６および９４によって電流を設定する。電圧Ｖｒｅｆを書く電荷積分回路について個別に調節し、製造時のばらつきを補償することができる。van  Steenwijk、HoenおよびWallingaの“A  Nonvolatile  Analog  Voltage  Programmable  Voltage  Source  Using  VIP  MOS  EEPROM  Structure，”IEEE  Journal  of  Solid  State  Circuits，  July  1993  に述べられているようなアナログプログラマブル電圧源によって、各Ｖｒｅｆを発生することができる。あるいは、米国特許第5，166，562号明細書に開示されているような書込み可能電圧蓄積デバイスを用いることもできる。これによって、プロセスのばらつきについて、またセンサのキャパシタンスのばらつきについてゼロになるように、回路を工場において較正することが可能となる。指が存在しない場合に、較正の焦点は図１のすべての電荷積分回路３２−１ないし３２−ｎから一定で均一の電圧を発生させることにある。この手法はきわめて頑丈なものであるが、当分野の技術者には較正をリアルタイムで行え（長時間の一定のフィードバックによって）、これによってセンサの環境変化による長期間にわたる影響をゼロとする実施例も思い浮かぶであろう。
【００８３】
ＭＯＳトランジスタ９４および９８のサイズを適正なものとすると、温度が補償される。これはＮチャネルＭＯＳトランジスタ９８の閾値が温度とともに減少するとともに、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９４および９８の両方の移動性が温度ともに減少することを利用して達成される。閾値の減少は電流を増加させるという効果を持っており、移動性の減少は電流を減少させるという効果を持っている。デバイスのサイズを適切なものとすることによって、これらの効果を作動範囲の大部分にわたって互いに打ち消すことができる。
【００８４】
コンデンサ６４の電極の一方はＶＤＤに接続されており、他方補電極は図３Ａにおいてスイッチ６８で示すようなパスゲート１００を介して、出力ノード６６および入力ノード５０に接続されている。パスゲート１００の制御入力は制御信号ＳＵｐによって駆動される。コンデンサ７０の電極に一方はパスゲート１０２（図３Ａのスイッチ７６）を介して入力ノード５０に接続され、パスゲート１０４（図３Ａのスイッチ７２）を介してＶＤＤに接続されている。パスゲート１０２の制御入力は制御信号ＳＤｎによって駆動され、パスゲート１０４の制御入力は制御信号ＣｈＵｐによって駆動される。コンデンサ７０の他方の電極はＮチャネルＭＯＳトランジスタ１０６（図３Ａのスイッチ７２）によってアースに接続され、かつパスゲート１０８によって出力ノード６６に接続されている。パスゲート１０８の制御入力は制御信号Ｓｈａｒｅによって駆動される。
【００８５】
ここで、図３Ａおよび図３Ｂ、ならびに図４のタイミングチャートを参照すると、１操作サイクル中の電荷積分回路３２の作動を考察することができる。まず、ＥＮ（イネーブル）制御信号が０Ｖになることによって活動化させられる。これは電流ミラーをオンとし、充電および放電電流源、すなわちＭＯＳトランジスタ８４および９２を賦勢する。ＲｅｓｅｔＵｐ制御信号はこの時点で活動高レベルとなり、これが入力ノード（および、これが接続されているセンサライン）をＶＤＤに短絡する。ＳＵｐ制御信号もこの時点で活動高レベルとなり、コンデンサ６４と出力ノード６６を入力ノード５０に接続する。この構成は作動サイクルの次の放電部分が常に既知の平衡状態からスタートすることを確実とするものである。
【００８６】
放電プロセスはＲｅｓｅｔＵｐ制御信号が不活動状態となってからスタートする。ＳｔｅｐＤｎ制御信号が活動状態となり、放電源であるＭＯＳトランジスタ９２を入力ノード５０およびこれに関連したセンサラインに接続する。ＳｔｅｐＤｎは設定された時間の間活動状態であり、センサラインとコンデンサ６４の組合せキャパシタンスがこの時間の間放電を行うことを可能とする。ＳｔｅｐＤｎが次いでオフとされる。短時間後に、ＳＵｐ制御信号が不活動状態となり、測定した電圧をコンデンサ６４に蓄積する。これで放電サイクルは終了する。
【００８７】
次に、ＲｅｓｅｔＤｎ制御信号が活動状態となり、センサラインをアースに短絡する。同時に、ＳＤｎおよびＣｈＤｎ制御信号が活動状態となり、コンデンサ７０をアースとセンサラインの間に接続する。コンデンサ７０は接地電位へ放電され、次の充電サイクルが常に既知の状態からスタートするようにする。
【００８８】
ＲｅｓｅｔＤｎ制御信号が不活動状態となり、ＳｔｅｐＵｐ制御信号が活動状態となってから、充電サイクルはスタートする。この時点で、電流充電源、すなわちＭＯＳトランジスタ８４はセンサラインに接続され、センサラインは充電を行う。ＳｔｅｐＵｐ制御信号は設定された時間（上述のサイクルに対する時間と等しいことが好ましい）の間活動状態であり、キャパシタンスが充電するのを可能とし、その後オフとされる。
【００８９】
平均化サイクルがスタートする。まず、コンデンサ７０の電圧がレベルシフトされる。これはＣｈＤｎ制御信号が不活動状態となることによって行われ、コンデンサ７０の電極の一方が浮動状態となされる。次いで、ＣｈＵｐ制御信号が活動状態となり、コンデンサ７０の第２の電極をＶＤＤに接続する。次いで、Ｓｈａｒｅ制御信号が活動状態となり、コンデンサ７０の第１の電極を入力ノード６６に接続し、コンデンサ６４および７０を並列とする。これには２個のコンデンサの両端に現れる電圧を平均化し、上述のようにコモンモードの雑音を除去するという効果がある。この平均電圧は出力ノード６６でも得られる。
【００９０】
本発明によれば、２つの異なる駆動／感知方法が開示される。当分野の技術者には、図３Ａ、図３Ｂ、および図４を参照して開示した電荷積分回路３２を本明細書に開示した操作方法に従って作動するようになすことができることがわかろう。
【００９１】
電荷積分回路３２の作動について理解することから明らかなように、入力電流が利用できるのは短時間の間だけである。この電圧を得るために、サンプルホールド回路を使用する。ここで図５を参照すると、説明のためのフィルタおよびサンプルホールド回路の略図が示されている。当分野の技術者であれば、入力ノード１１２、Sample制御信号によって駆動される制御入力を有するパスゲート１１４、パスゲート１１４とアースなどの低電圧の間に接続されたコンデンサ１１６、およびコンデンサ１１６とパスゲート１１４の間の共通接続を備えた出力ノードを備えているこの回路を理解できよう。典型的な回路において、コンデンサ１１６は約１０ｐＦのキャパシタンスを有している。
【００９２】
図５のサンプルホールド回路は当分野において周知のものであるが、これがフィルタとしても作動するような態様で適用されている。フィルタの時間定数はサンプル信号期間のＫ倍である。ただし、Ｋは図３Ａおよび図３Ｂの電荷積分回路３２のコンデンサ６４および７０の合計に対するコンデンサ１１６の比率である。このフィルタは雑音の進入をさらに減少させるものである。好ましい実施例において、Ｋ＝１０／２＝５である。
【００９３】
図２に示すように、フィルタのサンプルホールド回路３４−１ないし３４−ｎのすべての出力は、最小値選択および減算回路３８を駆動する。ここで図６Ａを参照すると、本発明に使用して有利な説明のための最小値選択および減算回路３８の略図が示されている。図６Ａの説明のための回路は４本のチャネルを有しているが、当分野の技術者には回路を任意に拡張し、もっと多くのチャネルを有するものにできることが容易に理解されよう。
【００９４】
最小値選択および減算回路は１組の入力を取り、３個のもっとも小さい入力値の平均値を検出し、その値を入力セット全体から減算するように設計されている。回路は次いで、ほとんどの背景入力に対してゼロとなるこの減算された値に比例している電力を出力する。１５個の入力（Ｘ１ないしＸ１５）がセット内にある例についての一連のステップが、図６Ｂおよび図６Ｃに示されている。図６Ｂはフィルタ回路３１−１ないし３４−ｎが発生した、最小値選択および減算回路への入力を示す。図面は典型的な指のプロファイルを示しており、背景すなわち最小レベルが示されている。最小値選択および減算回路が入力を処理した後、該回路は図６Ｃに示したもののような出力を発生するが、これは背景値を除去した入力セットである。
【００９５】
個々のチャネルは単一の機能装置を構成するものであるが、最小値選択および減算回路１２２からなるものとみなすことができる。
【００９６】
最小値セレクタ回路１２０における活動要素は、それぞれ、ソース電極が中間ノード１２６ａないし１２６ｄに、ゲート電極がチャネル入力ノード１２８ａないし１２８ｄに、ドレーン電極がＮチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１３０ａないし１３０ｄにそれぞれ接続された、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４ａないし１２４ｄである。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３０ａないし１３０ｄは、ソース電極が接地などの固定電圧に接続され、ゲート電極が、限られた電圧コンプライアンスをもつ電流シンクとして機能するようにソース電極よりも上の（ソース電極よりも正の）電位ＶＳＩＮＫに保持される。
【００９７】
各中間ノード１２６ａないし１２６ｄは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４ａないし１２４ｄの動作電流を固定電圧源ＶＤＤから供給する電流源１３２ａないし１３２ｄにも接続されている。中間ノード１２６ａないし１２６ｄは、各チャネルの減算器１２２の中心部から成る作動トランスコンダクタンス増幅器１３４ａないし１３４ｄ（ＯＴＡ）の非反転入力にも接続されている。パスゲート１３６ａないし１３６ｄによって、システム中のすべての信号チャネルに共通の最小値レール１３８に中間ノード１２６ａないし１２６ｄを接続することができる。各ＯＴＡ１３４ａないし１３４ｄの反転出力は、記憶コンデンサ１４０ａないし１４０ｄと、ＯＴＡ１３４ａないし１３４ｄの反転入力をＯＴＡのＰｏｕｔ出力１４４ａないし１４４ｄに選択的に接続できるようにするパスゲート１４２ａないし１４２ｄの一端とに接続されている。各ＯＴＡは、Ｚｏｕｔ出力１４６ａないし１４６ｄも有する。
【００９８】
ＮチャネルＭＯＳ電流シンクトランジスタ１３０ａないし１３０ｄは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４ａないし１２４ｄのうちのどれが導くことのできる電流でも制限する効果を有する。当業者には周知のように、これは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタおよびＰチャネルＭＯＳトランジスタの共通ドレーン接続が、２つのトランジスタの一方のドレーンソース間電圧差を、前記トランジスタが他方のトランジスタが流すことができるよりも多くの電流を導くことを防げるほど低減するような電位を帯びるからである。
【００９９】
ソース１３２ａないし１３２ｄの電流よりも大きいが、すべてのソース電流の和よりも小さくなるようにＮチャネルＭＯＳ電流シンクトランジスタ１３０ａないし１３０ｄのシンク電流を選択した場合、最小値選択動作相ですべての電流を導くことができるＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４ａないし１２４ｄはなくなる。代わりに、いくつかのトランジスターがそれと分担する。したがって、図６Ａの最小値選択減算器は、すべてのチャネルの入力電圧の絶対最小値ではなく、すべてのチャネルからのいくつかの最小値入力電圧の平均を選択することが分かる。ＮチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１３０ａないし１３０ｄのゲート電圧は、それらの飽和電流が電流源１３２の値のＷ／ｎ倍に設定されるように選択される。ここで、Ｗは、システム中に存在するチャネルの数であり、ｎは、最小値を得るために平均を求めるべきチャネルの数である。
【０１００】
たとえば、１５個の同じ信号チャネルを含み、かつ各チャネルにＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３０の電流を含む実施例を仮定すると、最小のゲート電位をもつＰチャネルトランジスタ１２４は全システム電流を共用しなければならない。なぜなら、全システム電流はソース電流の１５倍に等しいからである。この効果は、入力電圧上の負のピークが除去され、あるいは少なくとも減衰されることである。この特性は、いくつかまたは大部分のチャネル入力電圧が常に最小電位または基線電位に等しくなるが、入力上に存在するかなりの雑音が誤った負のピークを生成することが予想される応用例で極めて望ましい。
【０１０１】
図６Ａから分かるように、各ＯＴＡ１３４ａないし１３４ｄは、Ｐｏｕｔ１４４ａないし１４４ｄおよびＺｏｕｔ１４６ａないし１４６ｄとして指定された２つの出力タイプを有する。次に、図７を参照すると、これらの出力を生成するための回路を詳細に見ることができる。図７に示したように、各ＯＴＡは、Ｎチャネル入力トランジスタ１４８および１５０と、トランジスタから構成されたＰチャネル電流ミラー対１５２および１５４、１５６および１５８と、Ｎチャネルバイアストランジスタ１６０とを備えている。トランジスタ１６２および１６４を備えるＮチャネル電流ミラーは、図のように、Ｐチャネル電流ミラートランジスタ１５２および１５８に接続されている。
【０１０２】
前述のように、この回路は従来型のものであり、トランジスタ１５８および１６４の共通のドレーンノードは回路の出力ノードを形成する。典型的な広範囲出力トランスアンプリファイアの出力バッファを複製することによって第２の出力ノードを形成するように余分のＰチャネルトランジスタ１６６およびＮチャネルトランジスタ１６８が回路に追加されている。パスゲート１７０を通過するトランジスタ１６６および１６８の共通ドレーンノードは、回路のＰｏｕｔ出力セクションを形成する。トランジスタ１５８および１６４の共通ドレーンノードとＺｏｕｔノードの間にあるダイオード接続ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１７２は、最小値セレクタ減算器３８のＺｏｕｔ線がソース電流しかしないようにし、したがって、基線よりも上のオブジェクト生成信号しかＺｏｕｔ信号に影響を及ぼさないようにする。
【０１０３】
本発明の好ましい実施例では、最小値セレクタ減算器３８のＰｏｕｔ出力の半分は、電流源出力として構成され、Ｐｏｕｔｐ出力と指定することができる。出力の他方の半分は電流シンク出力であり、Ｐｏｕｔｎ出力と指定することができる。この態様も図７に示す。パスゲート１７０は、制御信号ＰｏｓＥｎによって制御され、最小値選択減算器のサンプル相中に位置符号化ロードを切断するために存在する。Ｐｏｕｔｐ出力用の電流源ノードはパスゲート１７０の出力側にある。この構成では、トランジスタ１７２および１７４は存在せず、Ｐｏｕｔｐは出力Ｐｏｕｔに向かう。この出力は、図９Ｂに示した位置エンコーダＯＴＡのＢｉａｓｉｎ線を駆動するために使用される。電流シンク経路は、パスゲート１７０の出力側でトランスアンプリファイア出力電流から広がる。この電流は、Ｎチャネルトランジスタ１７２および１７４を備えるＮＭＯＳ電流ミラーに送られる。Ｎチャネルトランジスタ１７４のドレーンは、電流シンクＰｏｕｔｎ出力ノードであり、出力Ｐｏｕｔに接続されている。この出力は、図９Ｃに示した位置エンコーダＯＴＡのＢｉａｓｉｎ線を駆動するために使用される。
【０１０４】
図８を参照すると、本発明で使用するための最大値検出器４７の一例が示されている。前述のように、最大値検出器４７の機能は、フィルタ回路３４−１ないし３４−ｎの出力を監視し、事前に設定されたしきい値ＶＴＨＭＡＸよりも大きなｆｉｎｇｅｒ信号がある場合にマイクロプロセッサへの割込み信号を生成することである。当業者は、信号が割込みであることに限らず、ポーリングなど他の目的に使用できることを認識されよう。
【０１０５】
最大値検出器４７は、ソースが接地に接続され、ゲートが、ノード１８４でバイアス電圧ＶＢＩＡＳに接続された、Ｎチャネルバイアストランジスタ１８２を含む。最大値検出器の入力は、図２に示したようにフィルタ３４−１ないし２４−ｎの出力に接続されている。図８に示した最大値検出器には（ｎ）個の入力がある。各入力セクションは、Ｎチャネルバイアストランジスタ１８２と電圧源ＶＤＤの間に接続された一連のＭＯＳトランジスタ対を備えている。
【０１０６】
したがって、Ｉｎ１用の入力セクションは、ソースがＶＤＤに接続され、ドレーンがＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ１８８のドレーンに接続された、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１８６を備えている。ＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ１８８のゲートは、Ｉｎ１入力ノード１９０に接続され、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１８６のゲートは、ノード１９２でバイアス電圧ＶＬＢＩＡＳのソースに接続されている。
【０１０７】
同様に、Ｉｎ２用の入力セクションは、ソースがＶＤＤに接続され、ドレーンがＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ１９６のドレーンに接続された、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１９４を備えている。ＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ１９６のゲートは、Ｉｎ２入力ノード１９８に接続され、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ１９４のゲートは、ノード１９２に接続されている。Ｉｎ３の入力部はソースがＶＤＤに接続され、ドレンがＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ２０２のドレンに接続されているＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ２００を備えている。ＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ２０２のゲートは、Ｉｎ３入力ノード２０４に接続され、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ２００のゲートは、ノード１９２に接続されている。
【０１０８】
Ｉｎ（ｎ）用の入力セクションは、ソースがＶＤＤに接続され、ドレーンがＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ２０８のドレーンに接続された、ＰチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ２０６を備えている。ＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ２０８のゲートは、Ｉｎ（ｎ）入力ノード２１０に接続され、ＮチャネルＭＯＳ電流制限トランジスタ２０６のゲートは、ノード１９２に接続されている。ＮチャネルＭＯＳ入力トランジスタ１８８、１９６、２０２、２０８のソースは共に、ＮチャネルＭＯＳバイアストランジスタ１８２のドレーンに接続されている。最大値検出器４７の出力は、Ｎチャネルバイアストランジスタ１８２のドレーンとＮチャネル入力トランジスタのソースとの共通接続部にあるノード２１２である。
【０１０９】
最大値検出器４７は、最小値検出器４６と同様に動作する。違いは、Ｐチャネルバイアストランジスタの代わりにＮチャネルバイアストランジスタが使用され、Ｐチャネルトランスコンダクタンス増幅器の代わりにＮチャネルトランスコンダクタンス増幅器が使用されることである。この結果、出力は現在、（非平均モードで）最大入力よりも低いＮチャネルバイアス降下をおおむね追跡する。というのは、少なくとも１つの入力対が（１８６／１８８、１９４／１９６，，，２０６／２０８）上にくるようにするにはそれだけの違いが必要とされるからである。
【０１１０】
しかし、この回路の場合、出力はフィードバックには使用されず、その代わりに、入力が電圧ＶＴＨＭＡＸよりも高い場合にトリップするようにセットされた比較器４８（図２）を駆動するために使用される。トリップが発生した場合、ＭＡＸ  ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ信号が生成される。ＭＡＸ  ＩＮＴＥＲＲＵＰＴは、マイクロプロセッサを「起こし」、センサで対象物が検出されたことを前記マイクロプロセッサに通知する。この信号は、ＡＮＤゲート４９および制御回路３６からの制御信号によってＭＡＸ  ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ線上に現れることを妨げられる。この制御信号は、回路が完全に整定した後に割込み信号が送られるようにするに過ぎない。ＡＮＤゲート４９に提供される制御信号は、たとえば、図４に示したＳＨＡＲＥ信号の立下りエッジによって生成されるＳＡＭＰＬＥ信号でよい。
【０１１１】
図２から分かるように、最小値セレクタ減算器３８は位置エンコーダ回路４０に提供されている。Ｘ方向およびＹ方向に１つずつの２つの同じ位置エンコーダ回路がある。位置エンコーダ回路４０の機能は、入力情報を、センサアレイマトリックスのＸ（またはＹ）次元でのオブジェクトの近接を表す信号に変換することである。本発明の現在の好ましい実施例によれば、この回路は、１組の入力電流のスケーリングされた加重平均（セントロイド）を提供する。この結果、電源レール間で変動する出力電圧を有する線形位置エンコーダである回路が形成される。この回路は、加重平均なので、すべての電流入力を平均し、さらに、マトリックスグリッド間隔よりも微細な解像度でＸ（またはＹ）位置を表す出力電圧を生成することができる。
【０１１２】
次に、図９Ａを参照すると、図２の位置エンコーダ回路４０の現在の好ましい実施例が概略図形で示されている。Ｘ次元の位置エンコーダ回路とＹ次元の位置エンコーダ回路は同じものなので、１つしか示されていない。図９Ａの位置エンコーダ回路４０は、６つの入力を有するものとして示されているが、当業者には、この回路の対称性のために、他の入力数に任意に拡張できることが認識されよう。
【０１１３】
現在のところ好ましい位置エンコーダ回路３８は、フォロアとして接続された複数のトランスコンダクタンス増幅器２２０−１ないし２２０−６を含む。すべての増幅器２２０−１ないし２２０−６の出力は共に、回路の出力ノードを備える共通ノード２２２に接続されている。
【０１１４】
増幅器２２０−１ないし２２０−６の非反転入力は、ＶＤＤと接地の間に接続されるものとして示された抵抗器２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４、２３６を備える抵抗電圧分割回路に接続されている。
【０１１５】
増幅器２２０−１ないし２２０−３は、入力動作範囲が０ＶとＶＤＤ／２の間であるためにＰチャネルバイアストランジスタと差分対入力とを有し、図９Ｂに概略図形で示されている。ＰチャネルＭＯＳデバイス２５０および２５２は差分入力対を形成し、２５４および２５６は電流ミラー負荷を形成する。これは、典型的なトランスコンダクタンス増幅器の標準構成である。通常、バイアス電流は、ノード２５８でＰチャネルＭＯＳ電流源デバイスによって提供される。しかし、この応用例では、バイアス電流は、ノード２３８、２４０、２４２（それぞれ、図９ＡのＩＩＮ１ないしＩＩＮ３）を介して最大値セレクタ／減算器のＰｏｕｔｐ出力（図７のパスゲート１７０の出力）によって外部から提供される。
【０１１６】
増幅器２２０−４ないし２２０−６は、入力動作範囲がＶＤＤ／２とＶＤＤの間であるためにＮチャネルバイアストランジスタと差分対入力とを有し、図９Ｃに概略図形で示されている。ＮチャネルＭＯＳデバイス２６０および２６２は差分入力対を形成し、２６４および２６６は電流ミラー負荷を形成する。これは、典型的なトランスコンダクタンス増幅器の標準構成である。通常、バイアス電流は、ノード２６８でＮチャネルＭＯＳ電流源デバイスによって提供される。しかし、この応用例では、バイアス電流は、ノード２４４、２４６、２４８（それぞれ、図９ＡのＩＩＮ４ないしＩＩＮ５）を介して最小値セレクタ／減算器のＰｏｕｔｎ出力（図７のトランジスタ１７４のドレーン）によって外部から提供される。当業者には、すべてのトランジスタおよび供給電圧の極性が逆転されることを除き、増幅器２２０−４ないし２２０−６が増幅器２２０−１ないし２２０−３とまったく同様に構成されることが容易に認識されよう。
【０１１７】
図９Ａの位置エンコーダは、増幅器の入力が接続された抵抗器分割回路上の電圧によって加重された入力電流の加重平均（セントロイド）を提供する。抵抗器２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４、２３６がすべて等しい場合、その結果、電源レール間で出力電圧が変動する線形位置エンコーダである回路が形成される。この回路は、加重平均なので、すべての電流入力を平均し、さらに、補間された出力を生成する。この構成は、入力での電圧ノード「ｎ」の電圧間隔よりも微細な解像度を与える。これは、密度の高い回路機能を製作するうえで重要である。この回路は、ＤｅＷｅｅｒｔｈ、Ｓｔｅｐｈｅｎ    Ｐ．著「Analog  VLSI  Circuits  For  Sensormotor  Feedback  」（博士論文、カリフォルニア工科大学、１９９１年）に記載された回路の改良である。
【０１１８】
Ｘ位置エンコーダ回路４０の出力電圧はサンプルホールド回路４４−１回路に提供される。この回路の出力は、当業者に周知のように、制御入力の状態に応じて、入力に従い、あるいは入力側に存在する値を保持する。サンプルホールド回路の構造および動作は当技術分野で周知のものである。
【０１１９】
サンプル／ホールド回路４４−１の出力は、アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４６−１の入力を駆動する。Ａ／Ｄ変換器４６−１の出力は、センサアレイマトリックス１０のＸ次元でのオブジェクトの位置に比例する２進値である。
【０１２０】
次に、図１０を参照すると、ＺＳｕｍ回路４２の現在のところ好ましい実施例が示されている。ＺＳｕｍ回路４２は、電流をノード２７０上の入力としてとる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７２が存在しない場合、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２７４および２７６が電流ミラーになり、入力ノード２７０上の電流がノード２７８上に現れる。トランジスタ２７２は、ノード２８０上の利得設定に応じて、電流ミラー伝達係数を理想的な係数の１から１よりもいくらか少ない値に減らすソース劣化抵抗器である。ノード２８０上に存在する電圧が低ければ低いほど、伝達係数が小さくなる。
【０１２１】
ＰチャネルＭＯＳトランジスタ２８２および２８４は、ノード２７８中の電流をノード２８６、すなわち出力ノードにコピーする他の電流ミラーを生成する。ダイオード接続ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２８８は再び、平方根伝達関数または圧縮非線形性によって電流を電圧に変換する。これは、低レベル電流、したがってセンサでの軽い接触を強調するように選択される。
【０１２２】
本発明のタッチセンサの増大された感度によって、使いやすいより軽い入力フィンガータッチが可能になる。感度の増大によって、ペン針など他の入力対象物を使用することも容易になる。この感度によって、共に製造費を少なくするより厚い保護層または異なる材料との折合いも可能になる。
【０１２３】
雑音除去の強化によって、使いやすさが向上し、スプリアス雑音問題に対する感度が低減される。最大の雑音除去の利益を導くことができる２つの技法が使用される。
【０１２４】
本発明で使用される駆動検知技法のために、データ収集率は従来技術と比べて係数が約３０だけ増加した。これによって、明らかな副産物が与えられる。第１に、同じレベルの信号処理の場合、この回路は、大部分の時間中オフにしておくことができ、それによって設計のアナログセクションで電力消費量の係数を約３０だけ低減することができる。第２に、より多くのデータが使用可能になるので、フィルタリングなどより多くの信号処理と、動作認識とを実行することができる。
【０１２５】
本発明で使用されるセンサ電子回路は非常に頑丈であり、プロセスおよびシステムの誤差を較正する。この回路は、センサからの容量情報を処理し、外部装置、たとえばマイクロプロセッサにディジタル情報を提供する。
【０１２６】
本発明独特の物理的な特徴のため、従来は不可能だった人間工学上興味深い応用例がいくつか可能である。現在、マウスまたはトラックボールは、ポータブルコンピュータで使用するには物理的に不便である。本発明は、このような装置に代わる、非常に便利で使いやすいカーソル配置方法を提供する。
【０１２７】
本発明の有益な応用例としては、ハンドヘルド遠隔制御装置がある。これには、通常のテレビシステムおよび対話式テレビシステムや、趣味用電子制御装置（たとえば、遠隔制御航空機）のような応用例が含まれるものと思われる。さらに、ケーブルの先端に入力制御ボックスを有するシステムでは、カーソル制御入力が必要である。数値制御フライス盤、半導体試験装置、およびアアンビリカルコードに取り付けた制御ボックスを必要とするその他の産業用ロボット装置なども例として挙げられる。この場合、制御ボックスの上部にはＬＣＤディスプレイが付き、底部には本明細書で教示するものと同様または同等のタッチパッド入力が付いているものと思われる。
【０１２８】
また、タッチパッドをディスプレイの後ろに押しやる、Ｓｈａｒｐ  Ｗｉｚａｒｄなどの既存の「フリップオープン」式ハンドヘルドスケジューラにこの手法を応用するのも便利かもしれない。その応用結果は、本明細書に記載するような密度上のメリットをすべて備えていない可能性があるが、しかし、カーソルポインティングデバイスおよびキーパッド入力の両方のメリットは備えているはずである。
【０１２９】
また、標準のノートブック／ラップトップコンピュータの裏面にこのパッドを応用することも有利な場合がある。タッチパッドのサイズをディスプレイと同じサイズにする代わりに、おそらくサイズが２．５インチ×３．０インチ程度に縮小され、画面の右下または左下の後ろに配置されるものと思われる。この場合、ユーザは、カーソルを動かすために画面の裏側に手を伸ばす必要があるだろう。この場合のメリットは、キーボード表面の面積を追加する必要がない（トラックボールがスペースバーキーの下に配置されたアップルのパワーブックと同様）ことであり、このため、より密度の高いパッケージの設計が可能になるはずである。
【０１３０】
本発明のタッチセンサ技術にとって特に有利な応用例の１つは、ハンドヘルド計算装置である。本発明の技術は、各種技術をひとまとめに組み合わせて、ユーザに多くの独特の新機構および新機能を提供するような「携帯用情報端末」風の装置を作り出す。第一に、本発明の技術は、非常に電力消費が少なく、最小の可動部品を有する諸技術を応用し、その結果、寿命が長く信頼性の高いシステムが得られる。第二に、本発明の技術は、従来よりかなり便利なユーザインタフェースを有する新しい入力方式を生み出し、装置のサイズをポケットまたは財布に入るほど小さくできると同時に、より大型で読みやすい表示を考慮している。
【０１３１】
次に図１１を参照して説明すると、同図には、本発明によるハンドヘルド計算装置３００の上面３０２が示されている。図１１に示す実施例を参照すると、本発明のハンドヘルド計算装置の全体的なサイズは約２．５インチ×５．０インチになり、そのうち、約２インチ×３．７５インチがＬＣＤディスプレイ用になることが分かるだろう。
【０１３２】
当業者には分かるように、計算装置３００のヒューマンインタフェースは意図的に単純なものになっている。本発明の実施例によれば、このインタフェースは、電源オン／オフスイッチ３０４とＬＣＤディスプレイ３０６を含むが、さらに、装置を携帯するユーザがアクセスしやすいようにモジュールのエッジに取り付けられた「マウスクリック」スイッチ３０８も含むことができる。本明細書で開示するタッチセンサ技術の実施例を使用する場合、当業者は、マウスクリックスイッチ３０８の「クリック」機能がタッチパッド表面３１２上を指で叩くなどの動作によってエミュレートされる可能性があるので、このスイッチは任意選択にすることができることに留意されたい。
【０１３３】
次に図１２を参照して説明すると、同図には、ハンドヘルド計算装置３００の底面３１０が示されている。装置のエッジには「マウスクリック」スイッチ３０８が見えている。平らにへこんだ領域３１２は、タッチパッド表面を表している。現在好まれているように、タッチパッド表面３１２は、上面のＬＣＤディスプレイ３０６のちょうど反対側に配置されている。当業者は、ハンドヘルド計算装置３００の各種要素のレイアウトが操作しやすさを考慮したものであることに留意されたい。ＬＣＤディスプレイ３０６とタッチパッド表面３１２を対向する両面３０２および３１０にそれぞれ配置することにより、ディスプレイ３０６の表示を遮らずにデータを入力することができる。しかも、タッチパッド表面３１２をＬＣＤディスプレイ３０６のちょうど反対側に配置することで、指の位置および動きと、情報およびそのディスプレイ上での位置とを十分に相関させることができ、このため、実質的に、指が「マウス」装置として機能できるようになる。
【０１３４】
次に図１３を参照して説明すると、同図には、本発明のハンドヘルド計算装置の実施例の電子回路のブロック図が示されている。ハンドヘルド計算装置３００に電力を供給するため、１つまたは複数のバッテリ３１４を使用することができる。「マウスクリック」スイッチ３０８は、マイクロプロセッササブシステム３１６に接続され、このサブシステムによって読み取られる。マイクロプロセッササブシステム３１６は、モトローラの６８ＨＣ０５ファミリ部品などのワンチップマイクロコントローラであってもよい。当業者は、回路基板の面積を犠牲にすれば、マイクロプロセッササブシステム３１６に、マイクロプロセッサ、ＲＡＭおよびＲＯＭメモリ素子、および周辺コントローラなどの複数のチップを含めることもできることに留意されたい。当業者は、これらがすべて一般的に使用される装置であることに留意されたい。また、当業者は、モジュールの必要な機能性に応じて、マイクロプロセッササブシステムの組合せ例が数多く可能であることにも留意されたい。追加装置としては、ＦＡＸ／モデムチップを考慮したアダプタ、ワイヤレス通信装置などが考えられる。このような変更例は、単純な設計上の好みによって示されるものなので、本発明の範囲に入るものとする。
【０１３５】
また、マイクロプロセッササブシステム３１６は、ＬＣＤコントローラチップセット３１８も制御し、タッチパッドコントローラ３２０を監視する。ＬＣＤコントローラチップセットは、当技術分野では周知であり、一般に販売されている構成要素である。タッチパッドコントローラチップ３２０は、マイクロプロセッササブシステム３１６からの問合せを受けて、指が存在するかどうかとタッチパッド表面３１２上での指の位置を判定する。このチップについては、本明細書だけでなく、関連特許出願第０７／８９５９３４号にも詳述されている。
【０１３６】
マイクロプロセッササブシステム３１６は、パーソナルスケジューラまたは携帯用情報端末などの必要な機能を提供するのに必要なコードでプログラミングすることができる。このような機能としては、必要な出力によるＬＣＤディスプレイ３０６と周辺コントローラチップの更新や、指が存在するかどうかを判定し、存在する場合にその位置を決定するためのタッチパッドコントローラ装置３２０とのやりとりなどがある。作成される特定のコードは、使用されるチップセットの機能によって様々になるが、この場合も、単純な設計上の好みの問題であり、当業者のレベルでは日常的な作業にすぎないものである。
【０１３７】
次に図１４を参照して説明すると、同図には、上部カバーを取り外した状態のハンドヘルド計算装置３００の物理的なレイアウトの平面図が示されている。プリント回路基板３２２の上面には、「マウスクリック」スイッチ３０８、ＬＣＤディスプレイ３０６、ＬＣＤコントローラチップセット３１８、およびマイクロプロセッササブシステム３１６の輪郭が示されている。
【０１３８】
次に図１５を参照して説明すると、同図には、底部カバーを取り外した状態のハンドヘルド計算装置３００の物理的なレイアウトの底面図が示されている。当業者は、タッチパッド表面３１２が、プリント回路基板３２２の特殊プリント回路トレース構成を含み、その上に取り付けなければならない追加装置を含んでいないことに留意されたい。タッチパッドコントローラ３２０は、プリント回路基板３２２のこの面に示されている。ユニットへの電源供給に必要なバッテリ３１４も示されている。これらのバッテリは、たとえば、標準の１．５Ｖ再充電可能ボタン電池などのタイプにすることができる。当業者は、システムの複雑さに応じて、標準サイズＡＡＡまたはＡＡなどのより大きいサイズのバッテリが必要になる場合もあることに留意されたい。
【０１３９】
当業者は、図１４および図１５に示したレイアウトは単なる例示にすぎず、限定的なものではないことが容易に分かるだろう。また、当業者であれば、本発明のシステムのレイアウトとして、同様に本発明の範囲に含まれる他のレイアウトを想像できるだろう。
【０１４０】
次に図１６を参照して説明すると、同図には、プリント回路基板の上面３０２のＬＣＤディスプレイ３０６と、これに対向するプリント回路基板３２２の底面３１０のタッチパッド表面３１２とを示す、ハンドヘルド計算装置３００の断面図が示されている。
【０１４１】
図１７は、ハンドヘルド計算装置３００の使用上の人間工学を示している。この例では、ユーザは、ハンドヘルド計算装置３００を左手に持った状態で示されている。ユーザは、左手の残りの指と親指の間にハンドヘルド計算装置３００の残りの部分を保持しながら、左手の人差し指を使用して「マウスクリック」ボタン３０８を操作することができる。その場合、右手とその人差し指は、裏側でＬＣＤディスプレイ３０６上の任意の位置を指すポインタとして使用される。実施例では、指の位置は、カーソルアイコン３２４によってＬＣＤディスプレイ３０６上に示される。
【０１４２】
本発明の実施例および応用例について図示し説明してきたが、本明細書の発明の概念から逸脱せずに、上記以外の変更態様が数多く可能であることは、当業者には明白であろう。このため、特許請求の範囲の精神に該当するものを除き、本発明は、限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  上方導電性トレース層と、下方トレース層に接続された導電性パッドとを含む物体位置センサ表面層を示す、本発明の好ましい実施態様の物体位置センサトランスデューサの平面図である。
【図１Ｂ】  下方導電性トレース層を示す図１Ａの物体位置センサトランスデューサの下面図である。
【図１Ｃ】  上方及び下方の導電性トレース層を示す図１Ａ及び図１Ｂの物体位置センサトランスデューサの結合図である。
【図１Ｄ】  図１Ａ〜図１Ｃの物体位置センサトランスデューサの横断面図である。
【図２】  本発明の好ましい実施態様のセンサトランスデューサで使用され得るセンサデコーディングエレクトロニクスのブロック図である。
【図３Ａ】  本発明で使用され得る電荷積分回路の簡略図である。
【図３Ｂ】  図３Ａの電荷積分回路の簡略図の概略図である。
【図４】  図３Ａ及び図３Ｂの電荷積分回路の動作タイミングを示す図である。
【図５】  本発明で使用するフィルタ及びサンプル／ホールド回路例の概略図である。
【図６Ａ】  本発明で使用され得るピークリジェクションを含む最小セレクタ／サブトラクタ回路例の概略図であり、４つの個別チャネルの回路の詳細及びその相互接続を示す。
【図６Ｂ】  バックグラウンドレベルを除去していない図６Ａの最小セレクタ／サブトラクタ回路の出力状態を示す。
【図６Ｃ】  バックグラウンドレベルを除去した図６Ａの最小セレクタ／サブトラクタ回路の出力状態を示す。
【図７】  最小セレクタ／サブトラクタ回路で使用されるＯＴＡ回路例の概略図であり、出力Ｐｏｕｔ及びＺｏｕｔの誘導方法、並びにＰｏｕｔ出力についての現シンクオプションＰｏｕｔｎ及びソースオプションＰｏｕｔｐを示す。
【図８】  本発明で使用され得る最大検出回路例の概略図である。
【図９Ａ】  本発明で使用され得る位置エンコーダ回路例の概略図である。
【図９Ｂ】  本発明の位置エンコーダ回路で使用され得るＰ型ＯＴＡ回路の概略図である。
【図９Ｃ】  本発明の位置エンコーダ回路で使用され得るＮ型ＯＴＡ回路の概略図である。
【図１０】  本発明で使用され得るＺＳｕｍ回路例の概略図である。
【図１１】  本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスのユーザから見た図である。
【図１２】  表示装置の真反対に位置するタッチパッドエリアを示す、本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスの背面図である。
【図１３】  本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスの例示的なブロック図である。
【図１４】  システムプリント回路板例の内部物理的レイアウトの平面図を示す。
【図１５】  図４のシステムプリント回路板の内部物理的レイアウトの下面図を示す。
【図１６】  モジュールの下方から見た本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスの横断面図である。
【図１７】  通常のユーザによる本発明のハンドヘルドコンピュータデバイスの操作方法を示す三次元図である。
【符号の説明】
１０    センサー配列
１４、１８    導電トレース
２０    底面
２２    センスパッド
２４    絶縁層
【図１Ａ】
0004014660.tif 000002
【図１Ｂ】
0004014660.tif 000003
【図１Ｃ】
0004014660.tif 000004
【図１Ｄ】
0004014660.tif 000005
【図２】
0004014660.tif 000006
【図３Ａ】
0004014660.tif 000007
【図３Ｂ】
0004014660.tif 000008
【図４】
0004014660.tif 000009
【図５】
0004014660.tif 000010
【図６Ａ】
0004014660.tif 000011
【図６Ｂ】
0004014660.tif 000012
【図６Ｃ】
0004014660.tif 000013
【図７】
0004014660.tif 000014
【図８】
0004014660.tif 000015
【図９Ａ】
0004014660.tif 000016
【図９Ｂ】
0004014660.tif 000017
【図９Ｃ】
0004014660.tif 000018
【図１０】
0004014660.tif 000019
【図１１】
0004014660.tif 000020
【図１２】
0004014660.tif 000021
【図１３】
0004014660.tif 000022
【図１４】
0004014660.tif 000023
【図１５】
0004014660.tif 000024
【図１６】
0004014660.tif 000025
【図１７】
0004014660.tif 000026