壓力敏感的捲動條部件的製作方法

2023-06-09 04:23:36 2

專利名稱：壓力敏感的捲動條部件的製作方法
相關申請本申請是1994年9月2日提交的序列號為08/300630的共同未決申請的部分繼續申請，後者是1994年9月2日提交的序列號為08/300387的共同未決申請的部分繼續申請，後者是1993年8月31日提交的序列號為08/115743的共同未決申請的部分繼續申請(現在是美國專利第5374707號)，後者是1992年6月8日提交的序列號為07/895934的共同未決申請的部分繼續申請。
背景技術：
1.發明領域本發明涉及目標位置和壓力檢測傳感器和系統。更具體地，本發明涉及在諸如計算裝置的光標移動的應用中以及其他應用中使用的目標位置和壓力識別，尤其涉及在計算機裝置的應用中增強其捲動部件。
2.現有技術在計算機系統大量普及的今天，計算機系統的用戶和計算機系統之間的接口是視覺顯示器的圖形界面。在幾種十分流行的計算機系統的作業系統中，作業系統以圖形界面的形式提供「窗口」，通過窗口，，可以瀏覽諸如字處理，電子表格，資料庫等應用。在各種應用中，其共同點上建立電子文件，它們也以圖形方式在視覺顯示器上顯示。為了建立文件，應用程式具有各種部件和控制。訪問這些部件和控制的一種共同方式是用目標位置檢測器在該部件的圖形顯示上移動圖形光標。該部件通常由目標位置檢測器本身激活。
現在已有或者提出了用作目標位置檢測器的許多裝置應用於計算機系統和其他應用中。這種裝置中的人們最熟悉的一種是計算機「滑鼠器」。儘管滑鼠器作為位置指示設備極其普遍，它具有機械部件，並且要求有一個平面，使得位置球能在其上面滾動。而且，為了有合理的解析度，滑鼠器通常需要滾動較長的距離。最後，滑鼠器需要用戶從鍵盤上抬起手以使得光標移動，從而幹擾了人們的主要目的，因為人們的目的是通常在計算機上鍵入。
軌跡球裝置類似於滑鼠裝置。然而其主要差別是，不同於一個滑鼠裝置，軌跡球不需要一個在上面滾動的平面。軌跡球裝置仍然很貴，它具有移動部件，並且象滑鼠裝置一樣要求一個相當重的接觸。在規格是它們也較大，不能較好地適合體積敏感的應用中，比如膝上型計算機。
現在已有幾種觸摸-傳感技術可以用於位置指示器。眾所周知，有一種電阻膜(resistive-membrane)位置傳感器，並且用於多個應用中。然而，它們總的來說解析度較差，傳感器的表面暴露給用戶，因此易於磨損。另外，相對來說，電阻膜觸摸傳感器相對較貴。為了可靠操作，一個單表面方案(one surface approach)要求用戶接地到傳感器。在可攜式計算機中這是不能保證的。單表面方案的一個例子是MA Wilmington的MicroTouch的產品UnMouse。一個兩表面方案具有更差的解析度，並且磨損得更快。
授予Yoshikawa的美國專利(序列號為4680430)，授予Ellis的美國專利(序列號為3497617)以及其他專利揭示了電阻板技術。所有這些技術的缺點是耗電高，以及電阻膜的高成本。
表面聲波(SAW)裝置可以用作位置指示器。然而，這種傳感器技術貴而且對輕的觸摸不敏感。另外，SAW裝置對觸摸表面的殘留累積(residuebuildup)敏感，而且總的來說具有較差的解析度。
拉力計或壓力板方法是一種有意義的位置檢測技術，但具有幾個缺點。這種方案可以使用壓電傳感器。其一個缺點是壓電現象是一種AC現象，同時對用戶的移動速率敏感。另外，由於需要特殊的傳感器，拉力計或壓力板方案還是有些貴。
光學方案也是可能的，但受到幾個原因的限制。它們所有都需要產生光，這就要求有外部部件，並且增加成本和電能消耗。比如，一種「手指-截斷」紅外矩陣檢測器消耗高的電能，並且具有相對較差的解析度。
人們已經進行了多種嘗試，試圖提供一種裝置，以檢測用作指示設備的拇指或其他手指的位置，以代替滑鼠器或軌跡球。這種設備的理想特性是低功耗，小的外觀，高的解析度，低成本，快速響應，並且在手指帶有電噪聲時，或者在觸摸表面沾染有汙物或水分時能夠可靠地工作。
由於電阻式裝置的這些缺點，人們已經基於電容式檢測手指的位置多次嘗試提供指示的能力。授予Volpe的美國專利(序列號為3921166)教導了一種電容矩陣，其中手指改變行和列電極的轉移電容(transcapacitance)。授予Bobick的美國專利(序列號為4103252)利用四個振蕩信號在四個電容電極之間內插x和y位置。授予Schuyler的美國專利(序列號為4455452)公開了一種電容板，其中手指衰減耦合在電極之間的電容。
授予Mabusth的美國專利(序列號為4550221)教導了一種電容板，其中一個振蕩信號測定對＂虛地＂的有效電容。連續地查詢每一行或列，並且應用插值的基本形式求出兩行或列之間的位置。通過對振蕩波形的多個周期進行平均試著解決電幹擾的問題。通過在沒有手指的時候進行檢測，並且在沒有手指出現期間應用一個周期校正來解決汙染的問題。授予Rympalski的美國專利(序列號為4639720)教導了用於檢測一鐵筆的位置的板。該鐵筆改變耦合在行和列電極之間的轉移電容，這些行和列電極是連續被掃描的。授予Matzke的美國專利(序列號為4736191)教導了在鍵盤的空格鍵下的一種徑向電極裝置，它可以通過用拇指觸摸而激活。該專利教導使用整個觸摸電容作為觸摸壓力的一種指示，以控制光標移動的速度。利用脈衝化的連續查詢解決電幹擾的問題。
授予Greanias的美國專利(序列號分別為4686332和5149919)教導了用於安裝到一個CRT上的鐵筆和手指檢測系統。作為一個手指檢測系統，它使用X/Y傳感器矩陣確定傳輸最大值信號的兩條矩陣線。利用這種編碼方案，這兩條線唯一地確定相對於線間隔的解析度的手指位置的定位。對於鐵筆檢測系統，Greanias首先粗略地定位它，然後通過驅動在一個方向上的目標的一側上的所有線以及在相反方向的相對側上的所有線產生一個虛偶極(virtual dipole)。使用不同的偶極相位和信號極性進行三次。假設一個預定的矩陣響應該目標，這三次測量提供一組聯立方程，可對它求解出位置。
授予Evans的美國專利(序列號為4733222)第一次教導了插值到高階的電容觸摸測量系統。Evans教導了一個三極限測量系統(three terminalmeasurement system)，它在其矩陣中使用一個驅動，傳感和電極信號集，並且基於在電極結點信號上的手指的衰減效應的測量(使用電容分壓器現象)。Evans連續地掃描每一驅動集以測量電容。從三個最大的響應開始，應用一個插值例程來確定手指位置。Evans還教導了一種歸零技術，它允許＂無手指＂級可作為測量的部分而被取消。
授予Gruaz的美國專利(序列號為5016008)教導了一種也使用插值的觸摸敏感板(touch sensitive pad)。Gruaz在觸摸矩陣使用一個驅動和檢測信號集，並且象Evans一樣，取決於手指的衰減效應以調製該驅動信號。連續地掃描該觸摸矩陣以讀出每一矩陣行的響應信號。然後一個插值程序在兩維中選擇兩個最大的相鄰信號以確定手指的位置，並且從這4個數中比例度量地確定有效的位置。
Gerpheide的PCT申請(申請號為US90/04584，公開號為WO91/03039，美國專利序列號為5305017)將Greanias的虛偶極方法的一種變形應用到一個觸摸板系統。Gerpheide教導了將給定相位和頻率的振蕩電位施加到虛偶極的一側上的所有電極，以及將一種同樣頻率和相反相位的振蕩電位施加到其另一側。電子電路產生一個「平衡信號」，在沒有手指時它是零，如果一個手指在虛偶極的中心的一側則其有一個極性，如果該手指在其另一側，則具有相反的極性。為了開始獲得手指的位置，連續地掃描該板上的虛偶極。一旦定位了手指，在手指已經移動超過一行或一列時將通過向手指移動虛偶極而對其進行跟蹤。
由於虛偶極方法是通過產生在電容不隨距離而變化時為零的一個平衡信號而操作的，因此它只檢測手指接觸區域的周邊，而不是整個接觸區域。由於該方法取決於該激勵信號的同步檢測，它必需在較長的時間周期上進行平均以排除電幹擾，因此較慢。這一方法和一旦丟失了前一接觸而連續地搜索一個新手指接觸所需要的平均時間，將象以前的方法一樣，不符合快速指示設備的要求，這種快速指示設備不受電幹擾的影響。
應當指出的是，所有先前使用插值的觸摸板在它們的檢測板上加上了苛刻的設計要求。為了產生信號，Greanias和Evans使用了一個複雜和昂貴的驅動，檢測和電極行策略。Gruaz和Gerpheide使用一個兩信號驅動和檢測集。在本發明中，在同一行中進行驅動和檢測。這要求行和列的選擇是對稱和等價的。這又要求所有信號路徑的獨立校正(這使得板布局更簡單和較少受到約束)，以及允許更一致的傳感器布局。
在先有技術中描述的發明和技術的缺點可以追蹤到只使用一組驅動和檢測電子線路，這種裝置在板上的電極上連續地被進行多路復用。這種裝置在分立元件時代能節約成本，並避免了在電路之間的偏移和量度差別。
以前系統的連續掃描方法也使得它們對噪音更敏感。噪音級別可在連續的測量之間改變，從而改變所測量的信號和在插值例程中使用的假設。
最後，所有先前的方法假設了一個手指位置相對矩陣位置的特定信號響應。由於轉移曲線對多個參數是非常敏感的，並不是象Greanias和Gerpheide假設的一條平滑的線性曲線。
在先有的共同未決申請(序列號為08/115743，1993年8月31日提交)中揭示了一種兩維電容檢測系統，該系統配有用於電容板的每一行和每一列的一組單獨的驅動/檢測電子電路。所有行電極同時檢測，所有列電極同時檢測。所檢測的信號由模擬電路處理。
在應用程式中，一種最常見的控制是捲動部件。本領域的普通技術人員已經十分熟悉圖形顯示器中文件的這種捲動部件。使用這一部件，用戶可以逐行移動文件。遺憾的是，這種捲動以固定的速度發生。通常使用一個目標位置檢測器訪問這一部件，用它在捲動箭頭上移動光標。通過激活該捲動箭頭，通常是利用目標位置檢測器，以一個固定的速度捲動文件。如果該目標位置檢測器是一個「滑鼠」，可通過按壓滑鼠按鈕和保持這種按壓來激活該捲動箭頭。
因此，本發明的一個目標是提供一種兩維電容檢測系統，該系統配有用於電容板的每一行和每一列的一組單獨的驅動/檢測電子電路，其中所有行電極同時檢測，所有列電極同時檢測。
本發明的另一目標是提供一個具有電容板的一個電子系統，該電子系統對一個手指或其它傳導目標的接觸的整個區域敏感，以及提供這一接觸區域的中心的一些測量的坐標作為輸出，同時保持對要檢測的目標的特徵外觀不敏感。
本發明的另一個目標是提供一個具有一個電容板的電子系統，該電子系統將一手指或其它傳導目標的接觸區域的一些測量結果輸出。
本發明的另一目標是提供一個具有用於電容板的每一行和每一列的一組單獨的驅動/檢測電子電路的兩維電容檢測系統，其中所有行電極同時檢測，所有列電極同時檢測，並且其中確定手指或其它傳導目標的位置的信息以數字形式被處理。
本發明的另一目標是提供一個兩維電容檢測系統，其中所有行電極同時檢測，所有列電極同時檢測，並且其中在一個檢測平面的周邊區域中的手指或其它傳導目標的定位可以有選擇地使得光標在一個顯示器屏幕上光標「邊緣移動」(edge motion)，使得從一個小的檢測平面用一個輕微的手指動作將可控制大的光標移動。
本發明的另一個目標是提供應用程式的一個捲動部件，在該應用程式中可以以一個可變的速度捲動一個文件。
本發明的另一個目標是根據目標位置檢測器所檢測到的壓力信息改變一個應用程式的捲動部件的速度。
本發明的概要描述隨著更高集成度的集成電路的出現，已有可能將許多通道的驅動/檢測電子電路以及操作這些電子電路的控制邏輯集成到一個集成電路中，並且接口電路允許指點設備與一個主微處理器直接進行通訊。本發明使用適應性的模擬技術來克服通道之間的偏移和度量差別，從而並行地檢測所有板的行和列的轉移電容或者固有電容(self-capacitance)。這種並行檢測能力是通過每行或每列提供一組電子電路而提供的，使得檢測周期極其短，從而在仍然保持不受強烈的電幹擾的同時實現快速的響應。
本發明包括一種位置-檢測技術，該技術對於在計算機＂滑鼠器＂或軌跡球環境中需要手指位置信息的應用中尤其有用。然而，本發明的位置檢測技術具有比計算機滑鼠器更廣泛的應用，因為如果觸摸了一個或多個點其傳感器能夠檢測和報告。另外，該檢測器能夠檢測觸摸的壓力。
根據本發明的一個較佳實施例，這裡稱作＂手指指示器＂實施例，一個位置檢測系統包括一個位置檢測傳感器，該傳感器包括一個位於一個基板(比如一個印刷電路板)之上的觸摸-敏感表面，該基板又包括一個傳導線矩陣。第一組傳導線沿第一個方向走線，並且與第二組傳導線相絕緣，第二組傳導線沿著基本上與第一個方向垂直的第二方向走線。將一個絕緣層布置在第一和第二組傳導線上。該絕緣層足夠薄，能明顯提高耦合在位於其表面的一個手指與第一和第二組傳導線之間的電容。
檢測的電子電路響應手指，傳導目標或者高介電常數(即大約大於5)的一個目標的接近，將目標接近所引起的導體電容的改變翻譯成數字形式，處理該數字信息以導出位置和觸摸壓力信息。其輸出是在其表面的一個目標的簡單的X，Y和壓力值。在這裡所有的描述中，手指可被認為與傳導目標和高介電常數目標互換。
不同的先有技術的板掃描技術在不同的環境中具有不同的優點。根據本發明的並行驅動/檢測技術允許同時進行輸入採樣，因此所有通道受到一個幹擾電信號的同一相位的影響，極大地簡化了信號處理和噪聲濾波。
在本發明的觸摸檢測技術中使用兩種驅動/檢測方法。根據本發明的第一和當前較佳實施例，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時移動，同時Y線上的電壓保持在一個恆定電壓上，所取樣的點的完整集合給出X維上的手指的輪廓。接著，傳感器矩陣的所有Y線上的電壓同時移動，同時X線上的電壓保持在一個恆定電壓上，所取樣的點的完整集合給出另一維上的手指的輪廓。
根據第二種驅動/檢測方法，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時向正方向移動，同時Y線上的電壓向負方向移動。接著，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時向負方向移動，同時Y線上的電壓向正方向移動。這一技術加強了兩維之間的任何轉移電容的效應，或者相反地，減少了與地的任何寄生電容的效應。在這兩種方法中，從檢測過程來的電容信息提供了手指接近每一維的傳感器的一個輪廓。
當前，兩個較佳實施例提取這些輪廓，導出一個表示X和Y位置的質心(centroid)的數字值，並且導出用於Z壓力信息的第二數字值。主計算機可以直接使用該數字信息。根據本發明，也可以使用電容信息的模擬處理。
根據本發明的另一方面，捲動部件修改器使用Z壓力信息來確定作為該壓力信息的一個函數的捲動速度。
這些實施例的位置傳感器只能報告在其傳感器表面的一個目標的位置。如果存在多於一個目標，這一實施例的位置傳感器計算所組合的目標集的質心位置。然而，不同於先有技術，由於要描述的是整個板，可以利用足夠的信息以分辨簡單的多手指動作，以提供更強大的用戶接口。
根據本發明的另一方面，數種節電技術已集成進該系統，它們可在測量之間關閉電路。由於根據本發明的並行測量技術比先有技術快得很多，這是可能的。
根據本發明的另一方面，減少噪聲的一種變形已集成進該系統。
根據本發明的另一方面，使用了一種更易於校正和實現的電容測量技術。
根據本發明的另一方面，當在一個檢測平面的所定義的周邊區域檢測手指或其它傳導目標的存在時，可以改變光標移動的控制以提供＂邊緣移動＂，以在一個小的檢測平面上從一個手指的動作中控制在一個顯示器屏幕上的大的光標移動。
附圖的簡要描述

圖1是本發明的電容位置檢測系統的一個總體框圖。
圖2a是根據本發明的當前較佳實施例的一個目標位置檢測傳感器的頂視圖，它示出目標位置傳感器表面層，該層包括一個頂部導電線層和連接到一個底部導電線層的導電板。
圖2b是圖2a的目標位置檢測傳感器的底視圖，示出了底部導電線層。
圖2c是圖2a的目標位置檢測傳感器的複合視圖，示出了頂部和底部導電線層。
圖2d是圖2a-2c的目標位置檢測傳感器的剖視圖。
圖3是傳感器解碼電子電路的框圖，它可用於根據本發明的較佳實施例的檢測器傳感器中。
圖4a是可用於本發明的一個充電集成電路的一個簡化的概圖。
圖4b是圖4a的充電集成電路的示意性概圖。
圖5是圖4a和4b的充電集成電路的定時圖。
圖6是用於本發明的一個示意性濾波器和取樣/保持電路的概圖。
圖7是用於本發明的當前較佳的A/D轉換器的裝置的更詳細的框圖。
圖8是可用於本發明的示意性算術單元的框圖。
圖9是用於圖8的算術單元的一個校正單元的框圖。
圖10是在本發明中使用的偏壓產生電路的概圖。
圖11是顯示本發明的目標位置檢測器的邊緣移動部件的檢測平面的圖。
圖12是顯示確定手指或者其它目標是否在檢測平面的周邊區域的硬體實現的概圖。
圖13是顯示本發明的邊緣移動部件的硬體實現的概圖。
圖14a-14c是顯示根據本發明的用於識別輕擊和拖動動作的過程的流程圖。
較佳實施例的詳細描述本申請是1994年9月2日提交的共同未決申請的一個部分繼續申請，是1993年8月31提交的申請號為08/115743的共同未決申請的一個部分繼續申請，是1992年6月8日提交的序列號為07/895934的共同未決申請的部分繼續申請。本發明繼續了在父申請中揭示的方法，並且提供了以前未有的更一致的特性。這些改進提供了更容易的集成解決方案，增加了靈敏度，更好地排除噪聲，增加了數據獲取的速度，和減少了電力消耗。本發明允許連續的自校正以去掉環境改變的影響，並且增強了檢測平面上的邊緣移動的光標控制。
那些本領域的技術人員將會認識到本發明的下面的描述是示例性的而不是限制性，這些技術人員很容易就可想到本發明的其它實施例。
本發明融合了多個一致部件，它允許用於一些新的應用中，而這在以前是不可能的。由於本發明的目標位置檢測器具有非常低的功率消耗，它尤其適於用於電池驅動或者低功率的應用中，諸如膝上型或者可攜式計算機。它也是一個成本非常低的方案，沒有活動部件(並且因此實際上是不需維護的)，並且對於檢測器使用現有的印刷電路板線跡。本發明的檢測技術可以集成進計算機的母板中以進一步降低在計算機應用中的成本。類似地，在其它應用中，檢測器可以是一個現有電路板的一個部分。
由於其規格和外觀小，本發明的檢測器技術在一個重點考慮體積的膝上型或者可攜式應用中尤其有用。本發明的檢測器技術對於電路板空間只需要一個檢測器接口晶片(該晶片可以與一個微處理器直接接口)以及在印刷電路板上用於檢測的面積。
參見圖1，展示的是本發明的電容檢測系統6的一個簡化的框圖。電容性位置檢測系統6可以精確地鄰近或者觸摸一個檢測板10的手指8或其它傳導目標的位置。由X輸入處理電路12檢測沿第一方向(比如＂X＂)走線的多個導電線的電容，由Y輸入處理電路14檢測沿第二方向(比如″Y″)走線的多個導電線的電容。所檢測到的電容值在X輸入處理電路12和Y輸入處理電路14進行數位化。將X輸入處理電路12和Y輸入處理電路14的輸出送給算術單元16，後者使用該數字信息導出表示相對於該檢測平面10的手指8或其它傳導目標的位置和壓力的數字信息。
將算術單元16的X，Y和Z輸出傳送到移動單元18，後者向主計算機提供光標移動方向信號。算術單元16的X，Y和Z輸出也被傳送到動作單元20，後者用於識別用戶在檢測平面10上所作的手指手勢。動作單元20的虛擬按鈕輸出也可由移動單元18使用以實現移動單元18的一些功能。
檢測器的材料可以是任意的，只要允許建立板的導電性的X/Y矩陣即可。這不僅包括標準的PC板，也包括但不限於靈活的PC板，導電性彈性材料，絲-屏的導電性線(silk-screened conductive line)和壓電Kynar塑料材料。這使得其在任何可攜式設備的應用中以及在人機接口中有用，其中需要將檢測器鑄模成適合人手的需要。
能夠使該檢測器符合任何三維表面。可以在任何製造檢測器的表面輪廓中以兩層方式鍍敷銅。這將使得該檢測器適應於任何特定應用中所需要的最好的人機工程形式。它與「輕觸摸」特性的結合使得它可在許多應用中不費力地使用。該檢測器也可以間接形式使用，即，它可以在觸摸檢測平面具有由導電層覆蓋的絕緣泡沫塑料，並且被用於檢測擠壓其表面的任何目標(不只是傳導目標)。
採用小的檢測器是合乎實際的，比如，當前所提出的實施例所佔面積大約1.5″×1.5″，然而，本領域的一般技術人員將會認識到對於不同的應用該區域是可改變的。通過改變矩陣線的間距或者改變線的數目可改變該矩陣面積。在需要更多信息的場合，採用大的檢測器也是可行的。
除了簡單的X和Y位置信息外，本發明的檢測器技術也提供手指壓力信息。程序可以使用這一附加維的信息以控制諸如繪圖程序中的「寬刷」(brush width)模式，特殊菜單訪問等的特殊部件，允許向計算機提供一個更自然的檢測器輸入。業已發現它在實現「滑鼠撳按和拖動」模式和簡單的輸入動作中也是有用的。
在本發明中，捲動速度是Z壓力信息的函數。根據本發明，當在圖形顯示器中的捲動箭頭上移動光標激活該捲動部件，並且按壓下動作單元20的虛擬按鈕時，就由從算術單元16通過觸摸墊板20獲得的壓力信息Z確定捲動速度。隨著壓力信息Z的變化，捲動速度也在變化。
用戶甚至不需觸摸該平面以產生最小反應。這一部件能極大地減少對用戶的限制，使得使用更靈活。
本發明的檢測系統取決於這樣一種傳感器設備，對於接觸該傳感器的目標，該傳感器設備能夠提供位置和壓力信息。現在分別參見圖2a-2d的頂部，底部，複合和剖視圖，它們示出了當前的較佳檢測平面10，該檢測平面10包括用於本發明的一個觸摸檢測器陣列。由於本發明的較佳實施例利用了電容特性，將觸摸檢測器陣列22的表面設計成使耦合到手指或者其他導電目標的電容最大。
根據本發明的當前較佳的觸摸檢測器陣列22包括一個基板24，該基板包括布置於其頂部表面28上的一組第一導電線26，該第一組導電線沿第一方向走線以包括該陣列的行位置。第二組導電線30布置於其底部表面32，該第二組導電線最好沿與第一方向正交的第二方向走線以形成該陣列的列位置。該頂部和底部的導電線26和30也可交替地與檢測墊(sensepad)34周期性地接觸，如圖2a-2c的菱形所示，該檢測墊34包括放大的區域。儘管在本發明中檢測墊示出為菱形，如圖2a-2c所示，但對於本發明的目的，允許它們緊密地包在一起的諸如圓形的其他形狀是等價的。如在這裡任意規定的，第一導電線26將被稱為沿「X」或「行」方向取向的，有時也稱作「X線」，第二導電線30將被稱為沿「Y」或「列」方向取向的，有時也稱作「Y線」。
這些檢測墊34的數目和間隔取決於所要的解析度。比如，在根據本發明的原則構造的實際實施例中，導電墊使用0.10英寸的中心-中心菱形圖案，該圖案沿15行和15列的導電線的矩陣布置。在墊圖案的每一方向的每隔一個檢測墊34分別連接到基板24的頂部和底部表面28和32的導電線。
基板24可以是一個印刷電路板，靈活的電路板或者任意數目的電路互連的結構。只要可從底部導電線30連通到頂部表面28上的它們的檢測墊34，其厚度是不重要的。該包括基板24的印刷電路板可以使用標準的工業技術構造。電路板的厚度是不重要的。可以利用在印刷電路板技術中眾所周知的標準的鍍穿孔技術(plated-through hole technigues)進行從導電墊34到底部線30的連接。
在本發明的一個替換的實施例中，基板材料24可以具有0.005至0.010英寸量級的厚度。可以省略在上表面28的菱形和連接到下表面線30的鍍穿孔，以進一步減少系統的費用。
在頂部表面28的檢測墊34上放置一個絕緣層36，以絕緣手指和其他目標。絕緣層36最好是一薄層(即大約5mils)，以使得電容耦合大，並且可以包括一種諸如聚酯薄膜的材料，這種選擇是針對屏蔽和人機工程特點。這裡所用的術語「顯著的電容耦合」意味著具有大於0.5pF左右強度的電容耦合。
在手指接近該觸摸檢測器陣列22時，發生兩種不同的電容效應。第一種電容效應是轉移電容，或檢測墊之間的耦合，第二種電容效應是固有電容，或耦合到虛地的。檢測電路連接到本發明的檢測器陣列22，響應這些電容之一或兩者的改變。這是重要的，因為根據用戶的環境，兩種電容的相對大小變化很大。本發明的這種檢測固有電容和轉移電容兩者的變化的能力使得我們得到具有廣泛應用的通用系統。
根據本發明的較佳實施例，位置檢測器系統包括觸摸檢測器陣列22和相關的位置檢測電路，該位置檢測器系統通過手指接近傳感器陣列22的電容效應檢測在印刷電路板線的矩陣上的手指位置。位置檢測器系統將以比行和列線26和30之間的間隔更細的解析度報告位於檢測器陣列22附近的手指的X，Y位置。根據本發明的較佳實施例的位置檢測器將報告一個正比於該手指的輪廓的Z值，因此可指示出手指接觸到檢測陣列22上的絕緣層表面36的壓力。
根據本發明的當前較佳實施例，使用適應性的模擬和數字VLSI技術提供了一種非常敏感的輕-接觸的檢測器電路。本發明的電路非常健壯，並且校正過程和系統性錯誤。本發明的檢測器電路將處理該電容輸入信息並且提供數字信息，該信息可直接提供給一個微處理器。
根據本發明的這一較佳實施例，在一個檢測器處理器集成電路晶片中包括檢測電路。該檢測器處理器晶片可以具有多個X和Y「矩陣」輸入。X和Y輸入的數目並不必須相等。該集成電路具有一個數字總線，用於輸出。在圖2a-2d揭示的示意性例子中，檢測器陣列在X和Y兩個方向上具有15條線。該檢測器處理器晶片因此具有15個X輸入和15個Y輸入。根據本發明的原則構造的一個實際的實施例中在X方向上利用了18條線，在Y方向上利用了24條線。本領域的普通技術人員將會認識到在本發明中可以利用的檢測矩陣的大小是隨意的，並且主要由設計選擇確定。
並行驅動和檢測X和Y矩陣結點，每一條線的電容信息指示手指離結點有多近。所掃描的信息提供在每一維上的手指接近的輪廓。根據本發明的這一方面，在X和Y方向上推導出輪廓質心也就是在該維中的位置。也集成接近的輪廓曲線以提供Z信息。
在本發明的觸摸檢測技術中使用兩種驅動和檢測方法。根據本發明的第一和當前較佳實施例，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時移動，同時Y線上的電壓保持在一個恆定電壓上。接著，傳感器矩陣的所有Y線上的電壓同時移動，同時X線上的電壓保持在一個恆定電壓上。這一掃描方法強調了對由手指提供的對虛地的電容的測量。本領域的普通技術人員將會認識到這兩個步驟的順序是任意的，可以顛倒過來。
根據第二種驅動/檢測方法，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時向正方向移動，同時Y線上的電壓向負方向移動。接著，傳感器矩陣的所有X線上的電壓同時向負方向移動，同時Y線上的電壓向正方向移動。這一第二驅動/檢測方法強調了轉移電容而不強調虛地電容。如第一種驅動/檢測方法，本領域的普通技術人員將會認識到這兩個步驟的順序是任意的，可以顛倒過來。
現在參見圖3，提供了根據本發明的所使用的當前較佳檢測電路40的框圖。這一框圖以及所附帶的說明只與一維(X)中的檢測電路有關，並且包括圖1的X輸入處理電路12。本領域的普通技術人員將會認識到可使用一個同樣的電路用於檢測相反的維(Y)，並且包括圖1的Y輸入處理電路14。這樣的技術人員還會注意到不需要兩維互相正交。比如，它們可以是輻射狀的，或者與該觸摸檢測器陣列和系統的其他所需的輪廓相一致的其他特徵。本領域的普通技術人員將會認識到這裡所揭示的技術也可應用於一維的情況，其中只使用一組導電線。
由等價的電容器42-1至42-n表示在每一檢測器矩陣結點的電容。電容器42-1至42-n的電容包括矩陣導線的電容，並且在沒有目標(比如手指)接近檢測器矩陣的檢測平面時具有一個特徵背景值。當一個目標接近該檢測平面時，電容器42-1至42-n的電容正比於目標的大小和接近程度而增加。
根據本發明，使用充電積分器電路44-1至44-n同時測量在每一檢測器矩陣的電容。充電積分器電路44-1至44-n分別起到將電荷注入電容42-1至42-n的作用，並產生一個正比於在對應的X矩陣線上檢測的電容的輸出值。因此充電積分器電路44-1至44n示出為雙向放大器符號。通過偏電壓發生電路46向每一充電積分器電路44-1至44-n提供一個工作偏電壓。
這裡所使用的短語「正比於電容」意味著所產生的電壓信號是所檢測的電容的單調函數。在這裡所描述的實施例中，電壓直接併線性地正比於所檢測的電容。本領域的普通技術人員將會認識到其他單調函數(包括但不限於反比例)以及非線性比例函數(比如對數或指數函數)也可用於本發明中而不偏離這裡所揭示的原則。另外可使用電流檢測以及電壓檢測技術。
根據在本發明中使用的當前較佳驅動/檢測的方法，在一維上同時對所有的輸入進行電容測量以克服在現有技術中掃描單個輸入的方法中所固有的問題。現有技術的方法所具有的問題是它對高頻和大幅度的噪聲(大的dv/dt噪聲)敏感，這種噪聲是通過觸摸目標耦合到電路上的。這種噪聲可能扭曲手指的輪廓，這是因為噪聲程度的改變，噪聲出現在一個較遲的掃描周期而不是在一個較早的掃描周期。
本發明通過同時沿X方向然後沿Y方向對所有輸入「進行一個快照」(或反過來)克服了這一問題。由於注入的噪聲與在所有輸入上的手指信號強度成正比，因此它圍繞手指的質心對稱。由於它圍繞手指的質心成正比，所以它不影響手指的位置。另外，充電放大器執行一個差分測量功能以進一步排除共有模式的噪聲。
由於充電積分器電路44-1至44-n的特性，它們的輸出將隨時間而改變，並且只對於一個較短的時間具有所需的電壓輸出。在當前的較佳實施例中，將濾波器電路48-1至48-n實現為採樣和保持切換的電容器濾波器。
濾波器電路48-1至48-n捕獲所需的電壓。就如控制電路56所控制的，濾波器電路48-1至48-n將從所檢測的信號中濾除任何高頻噪聲。這是通過選擇用於濾波器的電容器的電容較大於充電積分器電路44-1至44-n的輸出電容而實現的。另外，本領域的普通技術人員將會認識到所切換的電容器濾波器電路48-1至48-n將捕獲所需的電壓並且存儲它們。
根據本發明，對從電容測量中以電壓形式獲得的電容信息進行數位化並以數字形式進行處理。相應地，將濾波器電路48-1至48-n存儲的電壓存儲在取樣/保持電路50-1至50-n中從而電路的其餘部分處理同時取得的輸入數據。可以將取樣/保持電路50-1至50-n配置為普通的取樣/保持電路，這是眾所周知的。
模數(A/D)轉換器52對取樣/保持電路50-1至50-n的輸出的取樣的模擬電壓進行數位化。正如在當前較佳實施例中，A/D轉換器52將輸入電壓轉化為寬度為10位的數位訊號(其解析度為1024)，儘管在本領域的普通技術人員也可以實現為其他的解析度。A/D轉換器52可以是本領域中眾所周知的普通的連續逼近型的轉換器(successive approximation typeconverter)。
如果在本發明中使用充電積分器電路，充電積分器的輸出的背景電平(沒有目標出現)大約將是1伏。由於手指或者其它目標出現而產生的ΔV一般大約0.4伏。因此A/D轉換器52的電壓範圍在大約1-2伏的範圍之間。
一個重要的考慮是A/D轉換器的最大和最小電壓參考點(Vmin和Vmax)。已經發現，如果這些參考電壓是一個固定點，噪聲將造成位置的顫動。在本發明中所使用的對於這一問題的解決方案是從參考電容42-Vmin和42-Vmax動態生成Vmin和Vmax參考電壓，這些參考電容由充電積分器電路44-Vmin和44-Vmax檢測，由濾波器電路48-Vimn和48-Vmax處理，並且存儲在取樣/保持電路50-Vmin和50-Vmax中。以此方式，在從檢測器陣列對信號進行取樣時所出現的任何共有模式噪聲也將出現在Vmin和Vmax參考電壓值中，因此趨於取消。本領域的普通技術人員將認識到參考電容44-Vmin和44-Vmax可以是分立電容器或檢測器陣列中的額外的線。
根據本發明，從這樣一個電容器中產生Vmin參考電壓，該電容器具有等於一個最低電容的值，該最低電容是在沒有目標出現時預期在檢測器陣列中出現的電容(對於2平方英寸的檢測器陣列大約為12pF)。從這樣一個電容器中產生Vmax參考電壓，該電容器具有等於一個最高電容的值，該最高電容是在沒有目標出現時預期在檢測器陣列中出現的電容(對於2平方英寸的檢測器陣列大約為16pF)。
A/D轉換器52的輸出向算術單元16提供輸入。將如參照附圖8所詳細描述的，算術單元16的功能是對觸摸檢測器陣列22中的X和Y方向的各個檢測線上的信號進行加權平均計算。因此如圖1所示，X輸入處理電路12和Y輸入處理電路14共享算術單元16。
圖3的控制電路56協調電路的其餘部分的操作。由於系統是離散地取樣，並且流水處理的，因此提供控制電路56以管理該信號流。控制電路56所執行的功能一般可以通過本領域中眾所周知的狀態機或微控制器進行開發。
下面將揭示圖3的各個模塊的結構和操作。現在參照圖4a，4b和5描述一個典型的電荷積分器電路。充電積分器電路44示出為圖4a和圖4b所簡化的示意性框圖。圖5示出充電積分器電路44的操作定時。控制電路56提供這些定時信號。
充電積分器電路44是基於使用電流向電容器充電這一基本的物理現象。如果以一恆定電流對電容器充電一恆定時間，電容器上產生的電壓將反比於其電容。要充電的電容是與一個內部電容器相併聯的檢測器矩陣線電容42。這一內部電容將包括所關心的電壓。
現在參見圖4a，示出了示意性充電積分器電路44的一個簡化的概圖。充電積分器電路輸入結點60連接到檢測器矩陣的一個X(或Y)線。一個第一個短路開關62連接在充電積分器電路輸入結點60和電源正極VDD之間。一個第二個短路開關64連接在充電積分器電路輸入結點60和電源負極地之間。一個正的恆定電流源66連接到電源正極VDD和充電積分器電路輸入結點60，並且經過第一電流源開關68。一個負的恆定電流源70連接到地和充電積分器電路輸入結點60，並且經過第二電流源開關72。很顯然可以使用其它高的和低的電壓線取代VDD和地。
一個第一內部電容器74連接在VDD和充電積分器電路44的輸出結點76之間。一個正的電壓儲能開關78連接在輸出結點76和輸入結點60之間。一個第二內部電容器80的一個極板經過開關82連接到地，經過開關84連接到充電積分器電路44的輸出結點76，其另一個極板經過負電壓儲能開關86連接到輸入結點60，經過開關88連接到VDD。第一和第二內部電容74和80的電容應該為各個檢測器矩陣線的電容的一個很小的比例(比如大約10％)。在典型的實施例中，檢測器矩陣線的電容大約是10pF，而電容器74和80的電容大約為1pF。
根據本發明的當前的較佳實施例，所使用的方法是差分測量，以增加對噪聲幹擾的排除，其好處是去除任何低頻率公共模式噪聲。為了下面的描述，假設所有開關是開的，除非明確指出它們是閉合的。首先經過開關62將檢測器矩陣線瞬時短接到VDD，閉合開關78將電容器74與檢測器線的電容並聯。然後通過開關72使用來自電流源70的一個恆定電流對並聯電容器組合進行放電一個固定的時間周期。在固定的時間期間的末尾，打開開關78，從而將檢測器矩陣線的電壓存儲到電容器74。
然後經過開關64將檢測器矩陣線瞬時短接到地，閉合開關82和86將電容器80與檢測器線的電容並聯。閉合開關68，使用來自電流源66的一個恆定電流對並聯電容器組合進行充電一個固定的時間周期，該時間與第一個循環的固定時間周期相等。在固定的時間期間的末尾，打開開關86，從而將檢測器矩陣線的電壓存儲到電容器80。
然後將第一個和第二個所測量的電壓進行平均。這是通過打開開關82和閉合開關88和84而完成的，這將電容器80與電容器74並聯。由於電容器74和80具有同樣的電容，在它們上面所得到的電壓等於在各個上的電壓的平均。這一所得到的值將傳送到濾波器電路48-1至48-n中適當的一個。
低頻噪聲(眾所周知為50/60Hz)和它們的諧波表現為一個DC電流分量，它在一個測量中是加上，在另一個測量中是減去。當將兩個結果相加時，將噪聲分量平均為零。噪聲排除的量是進行兩個相反的充電和放電循環連續繼續的快速程度的一個函數，正如這裡將要描述的。選擇這種充電積分器電路的一個理由是它允許快速地進行測量。
現在參見圖4b，示出了圖4a的簡化圖的充電積分器電路44的一個示意性實施例的一個更加完整的概圖。輸入結點60通過傳輸門(pass gate)90和92連接到VDD和地，傳輸門取代了圖4a的開關62和64。傳輸門90由提供給其控制端的信號ResetUp控制，傳輸門92由提供給其控制端的信號ResetDn控制。本領域的普通技術人員將會認識到傳輸門90和92以及其它由圖4b中的同一符號表示的傳輸門可以是普通的CMOS傳輸門，這在本領域是眾所周知的。所公知的是，在傳輸門的控制端為低時，它斷開，而在其控制端為高時它表現為低阻抗連接。
將P-溝道MOS電晶體94和96配置成一個電流鏡(current mirror)。P-溝道MOS電晶體94起到電流源66的作用，傳輸門98起到圖4a開關68的作用。信號StepUp控制傳輸門98的控制輸入。
將N-溝道MOS電晶體100和102也配置成一個電流鏡。N-溝道MOS電晶體100起到電流源70的作用，傳輸門104起到圖4a開關72的作用。信號StepDn控制傳輸門104的控制輸入。P-溝道MOS電晶體106和N-溝道MOS電晶體108與P-溝道MOS電流鏡電晶體96和N-溝道電流鏡電晶體102串聯。P-溝道MOS電晶體106的控制柵由使能信號EN驅動，它開啟P-溝道MOS電晶體106以給電流鏡提供能量。這一設備用作一個節能設備，從而在充電積分器電路44不使用時可以關閉它。
N-溝道MOS電晶體108的柵極由一個參考電壓Vbias驅動，它設置流經電流鏡電晶體96和108的電流。電壓Vbias由一個伺服反饋電路設置，下面將參照圖10對之詳細描述。本領域的普通技術人員將會認識到本實施例允許實時地(通過長時間的固定反饋)進行校正，從而消除了由於檢測器環境的改變的任何長期效應。在本發明的當前實施例中，Vbias對於所有充電積分器電路44-1至44-n和44-Vmax和44-Vmin是共同的。
注適當設置MOS電晶體102和108的大小可以提供溫度補償。這是利用下面的事實而完成的，即N-溝道MOS電晶體108的闕值隨溫度而降低，而同時N-溝道MOS電晶體102和108的遷移率隨溫度降低。闕值的降低具有增加電流的效應，而遷移率的降低具有減少電流的效應。通過適當地確定器件的大小這些效應可以在工作範圍的一個重要的部分上相互抵銷。
電容器74的一個極板連接到VDD，另一極板連接到輸出結點76，並通過傳輸門110(圖4a中示為開關78)連接到輸入結點60。傳輸門110的控制輸入由控制信號SUp驅動。電容器80的一個極板通過傳輸門112(圖4的開關86)連接到輸入結點60，通過傳輸門114(圖4a的開關82)連接到VDD。傳輸門112的控制輸入由控制信號SDn驅動，傳輸門114的控制輸入由控制信號ChUp驅動。電容器80的另一個極板通過N-溝道MOS電晶體116(圖4的開關82)連接到地，通過傳輸門118(圖4a的開關84)連接到輸出結點118。傳輸門118的控制輸入由控制信號Share驅動。
現在參見圖4a，4b，和圖5的定時圖，可以觀察到在一個掃描循環中充電積分器電路44的操作。首先，EN(使能)控制信號通過變為0v而激活。它開啟電流鏡和向充電和放電電流源，MOS電晶體94和100供能。這時，ResetUp控制信號變為高，從而將輸入結點60(以及它所連接到的檢測器線)短接到VDD。這時SUp控制信號也是高，它將電容器74和輸出結點76連接到輸入結點60。這種安排保證了工作周期後面的放電部分總是從一個已知的平衡狀態開始。
在ResetUp控制信號不再有效時，開始放電過程。StepDn控制信號變為有效，將MOS電晶體100，放電電流源連接到輸入結點60和其相連的檢測器線。StepDn有效並持續一個所設置的時間長度，負的恆定電流源將檢測器線和電容器74的組合的電容進行放電，從而在該時間周期將其電壓降低。接著StepDn斷開。在一個短時間之後，SUp控制信號變為不再有效，將所測量的電壓存儲在電容器74中。這就結束了放電周期。
接下來，ResetDn控制信號變為有效，將檢測器線與地短接。同時，SDn和ChDn控制信號變為有效，將電容器80連接在地和檢測器線之間。將電容器80對地放電，確保下面的充電周期總是從一個已知的狀態開始。
在ResetDn控制信號變為不再有效和StepUp控制信號變為有效之後，開始充電周期。在該點上，將電流充電電源，MOS電晶體94連接到檢測器線，並通過增加其上的電壓提供一個恆定的電流以對檢測器線充電。StepUp控制信號變為有效並持續一個所設置的時間長度(最好等於上述周期的時間長度)，以對電容充電，然後將之斷開。然後SDn控制信號變為不再有效，在電容器80上留下了所測量的電壓。
現在開始平均周期。首先對電容器80上的電壓進行電位移動。這可以通過將ChDn控制信號變為不再有效，使得電容器80的一個極板浮動而進行。接著，ChUp控制信號變為有效，將電容器的第二極板連接到VDD。然後，Share控制信號變為有效，將電容器80的第一極板連接到輸出結點76，從而使得電容器74和80並聯。這具有對兩個電容上的電壓進行平均的作用，從而去除掉前面所述的公共模式噪聲。然後在輸出結點76上也得到這一平均電壓。
本領域的普通技術人員將會認識到，在放電和充電周期在時間上很接近地進行時，在兩個周期中所獲得的電壓的平均過程中所帶來的環境的交變電流和其它低頻噪聲取消特性是最有效的。根據本發明，在這樣一個時間期間中ChDn和ChUp信號應當相互確立，該時間期間比要取消的噪聲的周期的1/4還小，從而利用了本發明的這一特性。
根據本發明，揭示了兩個不同的驅動/檢測方法。本領域的普通技術人員很容易就會認識到，參照圖4a，4b和5所說明的充電積分器電路44可以適應根據這裡所揭示的掃描方法之一而操作。
正如對充電積分器電路44的操作的清晰理解，該電路的輸出電壓只能在一個很短的時間周期中獲得，因此易於受到環境噪聲的影響。為了減少噪聲的這種影響，使用一個切換的電容器濾波器電路48。現在參見圖6，示出了可以在本發明中使用的一個示意性切換的電容器濾波器電路48的概圖。本領域的普通技術人員將會認識到，這一切換的電容器濾波器電路包括一個輸入結點120，具有由Sample控制信號驅動的一個控制輸入的傳輸門122，連接在傳輸門126的輸出和一個固定的電壓(諸如地)之間的一個電容器124，以及一個輸出結點(它包括連接在電容器124和傳輸門126的輸出之間的公共連接)。在一個典型的實施例中，電容器116具有大約10pF的電容。
正如本領域的普通技術人員所理解的，切換的電容器濾波器48在取樣/保持電路部分，其濾波器時間常數是取樣周期的K倍，這裡K是電容124與其所連接的圖4a和4b的充電積分器電路44的電容器74和80的電容之和的比值。該切換的電容器濾波器電路48還減少了系統中的噪聲的注入。在較佳實施例中，K＝10/2＝5。本領域的普通技術人員將會認識到，其它類型的濾波器電路，比如RC濾波器可以用於本發明。
現在參見圖7，示出了圖3的當前的A/D轉換器52的較佳裝置的一個更詳細的框圖。A/D轉換器的個數小於觸摸檢測器陣列的線的個數，對A/D轉換器的輸入進行多路復用以在觸摸檢測器陣列的多條線之間共享多個A/D轉換器的每一個。將圖7的裝置用於集成電路布局區域將比對每個輸入線提供單個A/D轉換器更為有效。
在圖7的實施例中，對於圖2a-2d的檢測器陣列10，假設有24條導線。正如圖7所示，將取樣/保持電路50-1至50-24的輸出饋送到模擬多路轉換器130的模擬的數據輸入。模擬的多路轉換器130具有六個輸出，每一個驅動一個A/D轉換器50-1至52-6的輸入。模擬的多路轉換器130的內部安排是這樣的，四個不同的輸入多路復用到一個輸出。模擬的多路轉換器130已被概念性地示為6個內部多路轉換器模塊132-1至132-6。
在圖7所示的例子中，從取樣/保持電路50-1至50-4所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-1的輸出，後者驅動A/D轉換器52-1；類似地，從取樣/保持電路50-5至50-8所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-2的輸出，後者驅動A/D轉換器52-2；從取樣/保持電路50-9至50-12所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-3的輸出，後者驅動A/D轉換器52-3；從取樣/保持電路50-13至50-16所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-4的輸出，後者驅動A/D轉換器52-4；從取樣/保持電路50-17至50-20所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-5的輸出，後者驅動A/D轉換器52-5；以及從取樣/保持電路50-21至50-24所取得的輸入被多路轉換到內部多路轉換器132-6的輸出，後者驅動A/D轉換器52-6。
模擬的多路轉換器130具有一組由總線134示意性表示的控制輸入。在圖所示的示意性實施例中，內部多路轉換器132-1至132-6的每一個是4輸入多路轉換器，因此控制總線134可以包括一個2位總線用於一個4選1的選擇。本領域的普通技術人員將會認識到，圖7的安排只是從24通道進行A/D轉換的任務的許多特定方案中的一個，也可以採用其它等同的方案。
在一個直接的解碼策略中，多路轉換器132-1至132-6順序地將出現在它們第一到第四個輸入上的模擬電壓分別傳送到A/D轉換器52-1至52-6的輸入上。在A/D轉換器52-1至52-6的輸入上確定了模擬值之後，就在共同的A/D控制線136上確立一個CONVERT命令以開始A/D轉換過程。
在A/D轉換過程完成時，表示輸入電壓的數字值被存儲在寄存器138-1至138-6中。正如在本發明的較佳實施例中，寄存器138-1至138-6每一個可以包括一個2-字寄存器，從而在將第二個字寫入該寄存器的同時能夠從該寄存器中讀出另一個字到算術單元54，使得系統的速度最塊。這種寄存器的設計在本領域中是普通的。
現在參見圖8，提供了算術單元16的一個更詳細的框圖。本領域的普通技術人員將會理解，算術單元16處理來自X維和Y維的信息，即來自圖1的X輸入處理電路12和Y輸入處理電路14的信息。
在揭示算術單元16的結構安排之前，理解根據本發明確定一個目標鄰近檢測器陣列22的質心位置較佳的方法將是有幫助的。
根據本發明的較佳實施例，通過對在檢測器陣列10上的各個檢測線所測量的電容值進行加權平均可以確定在任一方向上的目標位置。在下面的描述中，使用了X方向，但是本領域的普通技術人員將會認識到，這種描述也可用於確定Y方向的加權平均。眾所周知，可以如下確定加權平均Xposition=i=0niCii=0nCi]]>(公式1)其中ΔCi＝Ci-C0i。Ci是在當前第i條線上測得的電容，C0i是在過了一些時間沒有目標存在時在同一個線上測得的值。考慮到這些過去和當前的電容測量值，該位置可以表示為Xposition=i=0ni(Ci-C0i)i=0n(Ci-C0i)]]>(公式2)利用乘法對加法的分配性，可以看出這一表示式等價於Xposition=-i=0n(iC0i)+i=0n(iCi)-i=0n(C0i)+i=0n(Ci)]]>(公式3)
在分子和分母中的負項是偏移值，表示在沒有目標出現時的背景值。如果用項ON表示分子偏移值，用OD表示分母偏移值，則公式3可表示為Xposition=-ON+i=0n(iCi)-OD+i=0n(Ci)]]>(公式4)現在參見圖8，可以看出，算術單元16包括X分子和分母累加器150和152和Y分子和分母累加器154和156。X分子和分母累加器150和152以及Y分子和分母累加器154和156的操作數的來源是圖1的檢測器陣列22的每一方向(X和Y)的寄存器138-1至138-6。X和Y分母累加器152和156將A/D轉換的結果相加。X和Y分子累加器150和154計算輸入數據的加權和而不是直接的和。累加器150，152，154和156可以設計成一個硬體單元或者是在一個微處理器上的軟體，這在本領域中很容易理解。
從圖8中可以看出，分子累加器150和154計算公式4i=0niCi]]>(公式5)分母累加器152和156計算公式4i=0nCi]]>(公式6)從存儲在加法器166，168，170和172中的累加器150，152，154和156的結果中減去X和Y分子和分母偏移寄存器158，160，162和164中的內容。加法器166減去X分子偏移寄存器158中的偏移值ONX。加法器168減去X分母偏移寄存器160中的偏移值ODX。加法器170減去Y分子偏移寄存器162中的偏移值ONY。加法器172減去Y分母偏移寄存器164中的偏移值ODY。分子分母對被除法部件174和176相除以產生X和Y位置數據，框178使用X和Y分母對以產生Z軸(壓力)數據。稍後將描述框178所執行的功能。在校正單元180的指揮下，從累加器的內容中取樣偏移值ODX，ONX，ODY，和ONY。
本領域的普通技術人員很容易理解，本發明的系統的結構可以以多種方式分布，其中幾種包括使用微處理器，它可以在一個主計算機中，本發明的系統與之相連，或者在這裡所描述的集成電路和主計算機之間。本發明的實施例也可考慮為其中表示和項的累加的分子和分母值與ON和OD偏移值一起分送到這一處理器中供處理，或者所有的處理由本領域所公知的所編程的微處理器完成。
開始，在系統啟動期間，將分子和分母累加器150，152，154和156設置為0。如果使用圖7所示的多路復用的A/D轉換器，將寄存器138-1的第一個字中的數位化的電壓數據(表示取樣/保持電路50-1的輸出電壓)加到累加器的和中，並將其結果存儲在該累加器中。連續地，將存貯在寄存器138-2至138-6的第一個字中的數位化的電壓數據(分別表示取樣/保持電路50-5，50-9，50-17和50-21的輸出電壓)加到累加器的和中，並將其結果存儲在該累加器中。如前所示，在這時，A/D轉換器52-1至52-6可以將取樣/保持電路50-2，50-6，50-10，50-14，50-18和50-22的輸出的電壓進行轉換並將其數位化值分別存儲在寄存器138-1至138-6的第二個字中。
接下來，連續地將存貯在寄存器138-1至138-6的第二個字中的數位化的電壓數據(分別表示取樣/保持電路50-2，50-6，50-10，50-14，50-18和50-22的輸出的電壓)加到累加器的和中，並將其結果存儲在該累加器中。
接下來，連續地將存貯在寄存器138-1至138-6的第一個字中的數位化的電壓數據(分別表示取樣/保持電路50-3，50-7，50-11，50-15，50-19和50-23的輸出電壓)加到累加器的和中，並將其結果存儲在該累加器中，接下來將數位化的電壓值存儲在寄存器138-1至138-6的第二個字中(分別表示取樣/保持電路50-4，50-8，50-12，50-16，50-20和50-24的輸出電壓)。
在這一時間點上，累加器保持所有數位化的電壓值的和。現在分別從存儲在分子和分母累加器中的值中減去存儲在ON和OD偏移寄存器158和164中的數字值。接著在除法器174和176中的除法操作完成加權平均計算。
也可以由外部微處理器進行除法運算，該外部微處理器可以取得存儲在累加器中的值或者其自身進行累加。當前由於ON和OD偏移值是由一個外部微處理器導出的，由這一除法運算給該外部微處理器所帶來的額外處理開銷是最小的。另外，可以在一個晶片中包括一個專用微處理器，以處理這些任務而不偏離這裡所揭示的本發明。
上述的處理在1毫秒中發生，並且可以重複進行。當前的滑鼠標準是每秒更新位置信息40次，因此本發明的裝置可以容易地以這種重複的速率工作。
由於在本發明中所使用的方法的自然屬性，因此在本發明的系統中，存在這樣一個時機，它能提供額外的噪聲免疫而又不要求額外增加硬體。儘管很顯然，在上述序列執行之後，可以清除累加器和重複該過程，也可以允許該這些值留在累加器中。如果這樣的話，可以實現一個平均函數以進一步濾除噪聲。根據本發明的這一方面，進行多次取樣，並通過累加器執行，在處理序列的末尾不清除它們。正如在本發明的較佳實施例中，在系統中獲得一個除法結果之前處理25個樣值，從而極大地減少了瞬間系統噪聲尖峰的影響。本領域普通技術人員將會認識到，在清除累加器之前所取的採樣的個數受設計時的一些選擇的影響，諸如數據獲得速率，數據處理速率等。
本發明的系統適應於改變的條件，比如部件老化，由於溼度引起的電容改變，觸摸表面的汙染等。另外，本發明有效地減少了環境噪聲。根據本發明，以三種方式考慮這些效應。首先動態地更新偏移值ON和OD以適應變化的情況。其次提供一個伺服反饋電路以確定用於設置充電積分器電路44-1至44-n的偏置的偏置電壓。第三，如前所揭示的，也動態地改變A/D轉換器的Vmax和Vmin的參考電壓點，以提高信噪比的極限。
現在參見圖9，提供了校正單元150的一個框圖，該校正單元可以與圖8的算術單元一起使用。校正單元150執行一個算法通過試探地確定何時沒有手指或其它傳導目標鄰近觸摸檢測器陣列22來建立分子和分母偏移值。
如前所揭示的，ON和OD偏移值表示沒有目標存在時的陣列電容的基線值。根據本發明這些值也要更新，因為太高或者太低的基線值電平根據誤差的符號具有移動目標的外觀位置的效應。在沒有目標出現在檢測器陣列22上時通過選擇所讀取的值建立這些值。由於沒有一個外部方式來「知道」何時沒有目標出現在檢測器陣列22上，使用根據本發明的另一方面的一個算法來建立和動態地更新這些偏移值。在校正單元觀察到一個Z值時，該值是在沒有手指出現時的典型的Z值，它指示偏移寄存器(圖8的158，160，162，和164)從累加器的當前值進行再加載。根據本發明的當前較佳實施例，對更新偏移值的判斷是基於X或Y方向的一個上的檢測器陣列22的行為，但是在進行該判斷時，更新所有4個偏移值(ONX，ODX，ONY，ODY)。在本發明的其它實施例中，更新的判斷可以是根據上述的準則獨立地對於每一方向進行的。
校正算法通過監視分母累加器值的所選擇的一個的變化進行工作。根據本發明，在觸摸檢測器陣列22的一組導電線的電容變化的靈敏度大於在觸摸檢測器陣列22的其它一組導電線的電容變化的靈敏度。經驗告訴我們，該組對電容變化具有較高靈敏度的導電線是物理地位於在另一方向上的導電線上面的那一組，因此距離該檢測器陣列22的觸模表面最近。較上的導電線組趨向於部分地屏蔽較下的導電線組在檢測器陣列22的表面上出現的電容的變化。
通過將在檢測線上的所測得的電容相加獲得手指壓力。在減去偏移OD之後該值已經出現在分母累加器中。如果該壓力超過一個適當的闕值，表示出現一個手指。可通過試驗確定這一闕值，它是表面材料和電路定時的一個函數。可以調整該闕值以適應不同用戶的要求。
該裝置所報告的壓力是X和Y方向的分母的一個簡單的函數f(XDYD)，正如在圖8的框178所實現的。可能的函數包括選擇一個較佳的分母值，或者將分母相加。在當前的較佳實施例中，選擇兩個分母中較小的一個。如果手指輕輕地滑離墊的邊緣，這一選擇具有使得該壓力低於闕值的理想效果，其中X檢測器產生有效值，而Y檢測器不產生，或者相反。這起到一個電子檔板(bezel)的作用，它取代了檢測器區域的周邊的機械檔板。
在圖8的例子中，選擇Y分母用於監視，因為它最敏感。為了校正算法的目的，將所選擇的分母稱作Z。這一分母的當前所保存的偏移值稱作OZ。
校正算法的目的是跟蹤靜止Z電平的逐漸變化，同時保證既不校正手指也不校正從噪聲引起的瞬間尖峰。正如本領域普通技術人員從下面的描述所能理解的，校正算法能夠以數字或模擬硬體的方式或者以軟體的方式實現。在由本發明人所試驗的當前實際的實施例中，是以軟體方式實現的。
在Z值到達校正單元時，將它們通過濾波器182傳送。與濾波器182共同工作的歷史緩衝區184保持最近Z值一個「運行平均值」。在一個新的Z值到達時，根據下面的公式更新當前的運行平均值FZ新FZ＝α(舊FZ)+(1-α)Z(公式7)其中α是在0和1之間的一個常數因子，一般接近1，Z是當前Z值。在較佳實施例中，α大約是0.95。其目的是使FZ足夠慢地改變以跟隨逐漸的變化，不會受到Z的短的擾動的大的影響。
濾波器182從控制單元186中接收一個信號ENABLE。只有在ENABLE確立時基於新的Z值更新運行平均值FZ。如果撤銷ENABLE，FZ保持常數，並且不受當前Z的影響。
歷史緩衝區184記錄FZ的幾個最近值。在當前的實施例中，歷史緩衝區記錄兩個先前的FZ值。歷史緩衝區可以以一個移位寄存器，循環隊列或模擬延遲線實現。在歷史緩衝區從控制單元186接收到一個REWIND信號時，它將當前運行平均值FZ恢復為最老的所保存的值。它就好象濾波器182倒回禁止了一段時間，該時間對應於歷史緩衝區的深度。歷史緩衝區的目的是允許這種回溯禁止。
由絕對差值單元188和190以及比較器192將當前運行平均值FZ與當前的Z值和當前的偏移值OZ進行比較。絕對差值單元188將Z和FZ相減，輸出它們的差值的絕對值。絕對差值單元190將OZ和FZ相減，輸出它們的差值的絕對值。如果絕對差值單元188的輸出小於絕對差值單元190的輸出，即FZ離Z比它離OZ更近，則比較器192確立UPDATE信號。在Z的平均值移動到一個新的靜止電平時，UPDATE信號總是趨於被確立。在Z從它的正常靜止電平進行一個短暫的偏移時它總是趨於不被確立。濾波器常數確定一個偏移的長度，為此目的，它將被認為是「短暫的」。
減法器單元194是一個簡單的減法器，它計算Z和OZ的帶符號的差值。該減法器實際上與圖8的減法器172重複，因此在實際的實現上，可以合併在一起。這一減法器的輸出CZ是所校正的Z值，是手指壓力的一個估計值。比較器196和198將這一壓力值與一個正的和負的闕值進行相比。這些闕值示為ZTH和-ZTH，雖然在實際上不要求它們在幅度上相等。
如果壓力信號CZ大於ZTH，確立信號FINGER，表示可能出現一個手指。校正單元所使用的ZTH闕值類似於本系統的其餘部分檢測手指的存在所使用的闕值，或它可以具有一個不同的值。在當前的實施例中，將校正信號ZTH設置得略小於主ZTH，以使校正單元能夠對於手指的出現作出一個穩健的選擇。
如果壓力信號CZ小於-ZTH，確立信號FORCE。由於有意使OZ等於沒有手指出現的Z的靜止值，並且手指只能增加檢測器的電容，從而Z的值，主要是負的CZ意味著該裝置自身對於手指具有不正確的校正，而手指已經移走了。既然手指不再存在，校正邏輯200使用這一事實以強制進行再校正。
控制邏輯186負責防止運行平均值FZ受到在手指出現時產生的X值的影響。在FINGER信號為真時，輸出ENABLE信號總是off而在FINGER信號為假時，總是on。然而在FINGER從假向真過渡時，控制邏輯也產生REWIND信號脈衝。在FINGER從真向假過渡時，控制邏輯在確立ENABLE之前等待一個短的時間(相比於歷史緩衝區的深度)。從而，防止在手指出現時運行平均值接著Z，以及在手指出現之前和之後保持一個較短的時間。
校正邏輯200從三個比較器192，196和198的輸出中產生信號RECAL。在確立RECAL時，將從當前的累加器值中重新裝入偏移寄存器ON和OD。從下面的邏輯表達式中產生RECALRECAL＝FORCE或(UPDATE與(非FINGER)) (公式8)另外，在每次系統被首先初始化時，也有可能在一個較短的周期之後等待充電積分器電路和其它電路穩定，校正邏輯200將確立RECAL。
從控制邏輯186和校正邏輯200的描述中，本領域普通技術人員很顯然能夠使用普通的邏輯以簡單的和常規的邏輯設計配置這些模塊。
很顯然，對於本領域的任何技術人員來說，所描述的校正算法並不特定於當前發明的電荷積分器和累加器的具體系統。而是它能實現於任一觸摸檢測器中，該檢測器產生接近或壓力數據，其中在沒有手指或尖刺噪聲出現時它最好能維護反映檢測器的狀態的一個校正點。
現在參見圖10，以框圖形式顯示了在本發明中所使用的一個偏壓產生電路46。根據本發明的當前較佳實施例，儘管本領域的普通技術人員可認識到其它裝置也是可行的，充電積分器電路44-1至44-n的所有偏置電晶體108(圖4b)的柵極連接到一個偏置電壓源。還有許多方法可以產生充電積分器電路44-1至44-n所需要的偏置電壓。
觀察圖10可以看出，偏置電壓產生電路46是一個強衰減(overdamped)伺服系統。一個接近一個典型的充電積分器電路44-1至44-n的電流源功能的參考電源包括其一個極板接地的電容器202。其另一個極板經過一個第一傳輸門204連接到電源VDD，經過一個第二傳輸門208連接到一個電流源電晶體206。濾波器電路210與濾波器電路48-1至48-n相同並受到與濾波器電路48-1至48-n相同的信號控制，將濾波器電路210連接成取樣電容器202的電壓，其方式與濾波器和取樣/保持電路48-1至48-n對檢測器陣列22中的檢測器導體電容的電壓進行取樣相同。
將濾波器電路210的輸出送到一個微弱互導放大器212的非反向輸入端，後者具有一個範圍在0.1-0.2μA的偏置電流。互導放大器212的反向輸入端被連接到大約為1伏的一個固定電壓，該電壓例如由二極體214和電阻216產生。互導放大器212的輸出被電容器218分流，同時也經過傳輸門222被電容器220分流。將電容器220選擇得比電容器218大很多。在本發明的典型的實施例中，電容器218可以大約0.2pF，電容器220大約10pF。
電容器220連接到N-溝道MOS電晶體224的柵極，電晶體224的漏極連接到P-溝道MOS電晶體226的漏極和柵極，其源極連接到N-溝道MOS電晶體228的漏極和柵極。P-溝道MOS電晶體226的源極連接到VDD，N-溝道MOS電晶體228的源極連接到地。電晶體224和228的共同漏極連接是偏置電壓輸出結點。
在一個固定電壓源(也就是大約2伏)和電容器220之間可以選擇連接一個傳輸門230。傳輸門230可以用於在啟動時通過將電容器220充電到該固定電壓而初始化偏置產生電路46。
在每一取樣周期，濾波器電路210進行一次新的採樣。如該新的採樣不同於前一採樣，互導放大器212的輸出電壓將改變，並且開始充電或放電電容器218到一個新的電壓。傳輸門222短時間接通(也就是大約1微秒)，電容器218和220的電壓試著將它們自己進行平均。由於電容器218和220之間的較大規格差別，在傳輸門222打開時，電容器218在該期間不能夠提供足夠的電荷以平衡該電壓。這一安排防止了從一個周期到另一個周期偏置電壓的大的改變。
電容器202看上去應該象一個檢測器陣列通道，其值等於一個典型的檢測器線的背景電容(也就是沒有目標接近或出現在電容部件時的電容)。可以以幾種方式形成電容器202。電容器202可以在檢測器陣列的一部分中包括一個額外的檢測器線，並且配置成逼近一個活躍的檢測器線但由一個地平面等與手指電容相屏蔽。另外，電容器202可以是在集成電路中形成或者連接在其上的電容器，並且其所選的值與一個典型的檢測器線的相匹配。在這一方面，包括電容器210和濾波器電路210的信號源有些類似產生VMAX和VMIN參考電壓的電路，這時它模仿一個典型的檢測器線。
另一個可替代的方案是利用一條實際的檢測器線設置偏置電壓。將在兩個端點(end-point)檢測器線上所測量的電壓進行比較，在理論上，如果一個手指或其它目標接近該檢測器陣列，可以選擇具有最小值的那一個，它不會出現在位於該陣列的相對邊緣上的檢測器線上。
根據本發明的另一個方面，在將本發明的目標位置檢測器用作計算機光標控制設備以取代滑鼠器時，可以實現「邊緣移動」部件。在試著在一個計算機屏幕上在一個較大距離上移動一個目標時，使用計算機滑鼠器或其它光標控制設備會產生一個實際的問題。這一問題是在將一個小的滑鼠墊用於一個計算機滑鼠器時，或者在這裡所描述的目標位置檢測傳感器具有一個較小的觸摸檢測器區域時碰到。
在觸摸檢測器應用中，在「拖動」動作期間這一問題尤其尖銳。如果用戶抬起手指以開始第二個筆畫時，則該拖動效果在屏幕上過早結束。本發明的邊緣移動效應有助於避免使用手指的「划動(rowing)」或多筆劃以在屏幕上移動較大的距離。
對於長距離拖動問題的以前的解決方案是提供一種加速部件，即「彈道」曲線，其中其增益以手指速度的函數變化，儘管笨拙，但允許用戶使用一種重複的手指快速划動動作以移動較長的距離。可將這種技術用於任一速度可變的指點設備中，比如在有限大小的滑鼠墊中的滑鼠器中。典型的滑鼠驅動程序軟體包括一個可調節的加速部件(有時以一種易使人誤解的名字「滑鼠速度」)。
本發明的系統能夠區分通常使用的「按一次」，「連按兩次」和「拖動」滑鼠操作。在滑鼠器中實現按一次和連按兩次動作，使用滑鼠將光標移動到計算機屏幕上感興趣的目標上，並且將連接到滑鼠器本體上的電開關上的滑鼠按鈕按一次或兩次。本發明的一個顯著的優點是不必要使用機械開關，在本發明中通過使光標移動到感興趣的目標，然後在所選擇的目標上輕彈手指一次或者兩次就可實現按一次和連按兩次的動作。本系統可以容易地區分這些動作與拖動動作，在拖動動作中，手指放於觸摸檢測器表面上，在該表面上沿需要的方向拖動，同時保持與該表面的接觸。
根據本發明的當前較佳實施例，由圖1的移動單元18實現目標位置檢測器的邊緣移動部件，並且通過在包含觸摸檢測器陣列22的檢測表面10中定義兩個區域而動作。如圖11所示，最好將檢測表面10分成一個內部區域240和一個外部區域242，該內部區域240包括該檢測平面表面10的中央部分的絕大部分，而該外部區域242典型地包括在檢測器陣列的周邊的細的邊緣區域。可以將檢測表面10的中心描述為在笛卡爾坐標系統中的原點(XCENTER和YCENTER)。然而本領域的普通技術人員將會認識到內部和外部區域可以是任何形狀。
因此，在圖11中，由上虛線Y0，右虛線X0，下虛線-Y0，和左虛線-X0定義內部區域240。而外部區域242是由YMAX，-YMAX，XMAX和-XMAX定義的檢測平面10的外邊緣之間的區域，Y0，X0，-Y0和-X0定義內部區域240的外邊界。
根據本發明的這一方面，以標準的方式將內部區域240的手指移動翻譯成移動事件，送給主計算機。正如在本領域所理解的，將滑鼠移動傳送給主計算機的標準方式可以用於在本發明中將手指移動傳送給主計算機。在如此所揭示的建立了手指位置之後，傳送給主計算機的信息是ΔX＝A(XCUR-XOLD) (公式9)ΔY＝A(YCUR-YOLD) (公式10)其中ΔX是手指在X位置的改變，ΔY是手指在Y位置的改變，XCUR是當前手指的X位置，XOLD是上一次報告的手指的X位置，YCUR是當前手指的Y位置，YOLD是上一次報告的手指的Y位置，A是「增益因子」，它通常在滑鼠器光標控制應用中使用。
一般地，主計算機獲取(ΔX，ΔY)事件，並且在每一個軸上將光標移動一個所指示的量，從而在累積連續的ΔX和ΔY的值時重建屏幕上的手指的位置。到目前，這還是沒有考慮邊緣移動的標準的光標控制動作。
根據本發明，在報告手指在外部區域242時，可以允許本發明的邊緣移動部件。確定手指是否在外部區域就是簡單地判定[-X0＜XCUR＜X0]是假，或者[-Y0＜YCUR＜Y0]是假(公式11)
現在參見圖12，它以概圖形式示出了判定手指是否在外部區域242的電路244。圖12示出了判定手指是否在外部區域244的硬體實施例，但是本領域的普通技術人員很容易就會認識到這些判定可以容易地以一種等價的軟體例程實現。從這裡所描述的功能中，這種軟體例程是明顯的，和直截了當的。
電路244包括數字比較器246，248，250和252，它們可以由通用邏輯直接實現。在一個輸入端上的量XCUR大於在其另一個輸入端上的固定量X0時比較器246產生一個真信號。在一個輸入端上的量XCUR小於在其另一個輸入端上的固定量-X0時比較器248產生一個真信號。在一個輸入端上的量YCUR大於在其另一個輸入端上的固定量Y0時比較器250產生一個真信號。在一個輸入端上的量YCUR小於在其另一個輸入端上的固定量-Y0時比較器252產生一個真信號。
比較器246，248，250和252的輸出由或門254進行或運算。正如本領域的普通技術人員所認識到的，只有在滿足公式11的必要條件時，或門254的FingerOuter信號輸出才是真。
當前最好是由用戶選擇允許或禁止本發明的邊緣移動特性。在允許邊緣移動部件以及報告手指位於上述的外部區域時，將第二個分量加到所報告的(ΔX，ΔY)事件上。
ΔX＝A(XCUR-XOLD)+S(XCUR-XCENTER)(公式12)ΔY＝A(YCUR-YOLD)+S(YCUR-YCENTER)(公式13)其中XCENTER是該墊板的中心的X坐標，YCENTER是該墊板的中心的Y坐標，S是用於速度的一個乘法因子。S的選擇應當使得光標以一個適當的速度在顯示屏幕上移動。
比如，如果將手指保持在距離右邊一個適當的距離(從而XCUR＞X0)，然後光標將趨向於以公式12和13乘數速度因子S設置的固定速度向右邊「滑動」。這一因子可以根據用戶的個人愛好調節。
如果檢測器陣列在X和Y具有不同的維數，將X和Y方向的乘數速度因子S參數設置得與墊板的維數的比率不同是有用的，從而保持在檢測器陣列的左邊或右邊緣的手指將產生與保持在頂部或底部邊緣的手指同樣的光標速度。在檢測器陣列的當前較佳實施例中，有24個X線和18個Y線。因此，由於寬X是Y的4/3(24線比16線)，將X乘數速度因子SX設置為乘數速度因子SY的3/4。
在邊緣移動期間光標的滑動速度顯然是手指距離墊板的中心的距離的一個直接函數，其滑動方向等於從中心到手指的方向。如果外部區域如圖11所示具有較佳的「邊緣邊際」形狀，不論何時激活邊緣移動，則手指總是大致距離中心同一距離(假設一個方墊板，在2的平方根的係數＝1.41內)。從而其心理效應是邊緣移動涉及一個固定的滑動速度，其中方向由在檢測器陣列周圍的位置設置。
通過歸一化下列形式的係數以公式(12和13)將邊緣移動項分解可以取消2的平方根變化，但是這是一個計算密集型步驟，它是用於克服普通用戶就可注意到的一個問題，因此可以省略。(Xcur-Xcenter)2+(Ycur-Ycenter)2]]>(公式14)如果用戶不期望這一邊緣移動部件，則本發明的邊緣移動部件可以使人迷惑。由於邊緣移動在拖動操作中最有用，最好將其安排成只在拖動期間發生，即只在動作邏輯實際上處於「保持滑鼠按鈕按下」期間。使用圖1的動作單元20實現拖動操作和其它操作。
在不需要邊緣移動功能時，外部區域242「被丟在一邊」(即忽略)，將內部區域240有效地延展到整個檢測表面10。已經發現，實際上這較少有迷惑性，可能是因為在拖動操作期間比單一的光標移動期間用戶更容易感知光標控制設備。
假設圖11的較佳區域邊界形狀，利用下列算法實現本發明的邊緣移動部件IF NOT(-X0＜XCUR＜X0AND-Y0＜YCUR＜Y0)AND(可選地)在進行一個拖動動作，THEN使eX＝SX(XCUR-XCENTER)使eY＝SY(YCUR-YCENTER)ELSE使eX＝eY＝0.
END IF接下來，從下列規則算法計算dX和dY移動項即，讓dX＝A(XCUR-XOLD)讓dY＝A(YCUR-YOLD)
最後將結果的分組(ΔX＝dX+eX，ΔY＝dY+eY)傳送到主計算機。本領域的普通技術人員將認識到由上述公式描述線性比例。正如這裡所使用的，「比例」意味著所產生的信號是一個單調函數。但是本領域的普通技術人員將會認識到在本發明中可以使用其它單調函數，包括但不限於反比例函數和諸如對數或指數函數的非線性比例函數，而不偏離這裡所揭示的原則。
在圖13中以概圖形式示出這一算法的一個硬體實現。儘管所示出的電路256隻在X方向實現，本領域的普通技術人員也可以在Y方向實現同樣的電路。這種熟練的人員也將立即認識到可用一個等價的軟體例程實現圖13的硬體方案。
邊緣移動電路256包括一個減法器電路258，其中從XCUR的當前值中減去存儲在延遲單元260中的XCUR的前一值。將減法器電路258的輸出提供給乘法器262，其將該結果乘以增益因子「A」。乘法器262的輸出是項dX。
也將項XCUR提供給減法器電路264，其中將XCUR的當前值減去XCENTER的值。將減法器電路264的輸出提供給乘法器266，其將該結果乘以增益因子「S」。
兩輸入與門268輸入項是來自圖12的電路的值FingerOuter和值MotionEnable，後者是用於本發明的邊緣移動部件的一個來回切換的on/off允許信號。如果FingerOuter和MotionEnable都是真，將開關配置成傳送乘法器266的輸出送到加法器電路272。如果FingerOuter或MotionEnable任一是假，則，將開關270配置成將值0送到加法器電路272。開關270的輸出是eX項。將加法器電路272的輸出作為ΔX送到主計算機。用戶可以通過利用控制面板控制MotionEnable信號。另外也可以下面將要描述的動作單元對之控制。
在一個替代的形式中，在手指處於「外部」區域時，可以用eX項代替dX項，對於dY和eY也同樣，而不是在該區域中增加這兩項。這造成一個更「純」的邊緣移動，用戶更難導向。用戶測試已經顯示出上述的dX+eX形式感覺更好而且更易於使用。
另外一個功能性的但不太理想的替代方案利用一個稍寬的外部區域。正比於手指進入外部區域的距離而不是距離墊板中心的距離改變滑動速度。從而，在手指進入外部區域時，滑動速度從0開始，並且在手指到達墊板的邊緣時增加到一個合理的限值。其結果是在邊緣移動和正常行為之間有更平滑的過渡。不難以修改上述公式以產生這一可替代的行為。本發明人已經試過這一變例，因為過渡到邊緣移動模式似乎過於突然；測試已經表明在一般使用中這種突然性實際上是方便的。這種平滑過渡更難以「感覺」，其結果是更多地而不是較少地突然抓住用戶。本領域的普通技術人員將會認識到，利用在這兩種所述方法之間的中間解決方案以產生一個較少突然的過渡。
對於長距離拖動問題的另一個方案是提供「鎖定」拖動，但是這會使人糊塗，因為鎖定狀態成為一種隱蔽模式，這是一種在用戶界面研究中眾所周知的令人不滿意的情況。
有利的是，將本發明的邊緣移動部件和一個或多個手指的動作一起使用，這些動作可以由用戶在檢測器陣列上實行，並且由系統識別。特別令人感興趣的是基本的輕彈和拖動動作。輕彈動作是模擬普通滑鼠器上的撳按滑鼠按鈕，拖動目標的概念是所有滑鼠器用戶所熟悉的。拖動操作包括輕彈一次，然後將手指放回到觸摸表面，以及將其以需要方式移動。在這一整個動作期間，主計算機看見虛擬的滑鼠按鈕被按下。
回頭參見圖1，動作單元20以下述方式檢測輕彈和拖動動作。使用四個狀態變量識別輕彈和拖動動作TapState(如果沒有進行動作其為NONE，如果進行輕彈動作其為TAP，如果進行拖動動作，其為DRAG)；TapOkay(如果已經看到有足夠高的Z(手指壓力)能指示為一次輕彈，其為TRUE)；DownTime(其為手指最後在觸摸板觸摸下的時間)和DownPos(其為當前輕彈的開始(X，Y)位置)。
所使用的參數是TapTime是一次輕彈動作的最大期間；DragTime是一次輕彈-拖動動作的最大期間；TapRadius是在一次輕彈動作期間移動的最大距離；Ztap是用於輕彈動作的最小壓力(Z)；Zthresh是檢測一個手指的最小壓力(Z)。
在圖14a-14c的流程圖中示出了根據本發明用於識別輕彈和拖動動作的一個過程。
處理過程在步驟280開始，這時接收來自圖1的算術單元16的每一組新的(X，Y，Z)數據。在本系統的當前實施例中，這種數據每秒鐘到達40次。
在步驟282，將Z(壓力)值與Z閾值Zthresh相比較以確定一個手指是存在(＂down＂)還是不存在(＂up＂)。除了進行簡單的閾值比較處，可以使用兩個閾值以提供滯後(hysteresis)，這在本領域中是眾所周知的。
在步驟284，已知手指按下了。檢查前一Z看看該手指是以前按下的還是現在剛剛在墊板上按下。
在步驟286，已經檢測到一次手指按下變化。如果最近已經報告一次輕彈動作(Tapstate＝TAP)，則在步驟288將這一未定的輕彈動作轉化為一個可能的拖動動作。
步驟290記錄該手指觸摸下的位置和時間。
步驟292初始化TapOkay標誌，它記錄在當前的輕彈期間該Z(壓力)信息是否曾超過Ztap閾值。
在步驟294，已知手指抬起。檢查前一Z值以確定手指是以前抬起的還是剛剛從墊板上抬起的。
在步驟296，已經檢測到一次手指抬起變化。對最近的手指按下期間進行多種測試以確定其是否可作為一次輕彈。要滿足的話，手指按下期間必須具有短的期間(CurTime減去DownTime必須小於TapTime)，很少或沒有移動(從CurPos到DownPos的距離必須小於TapRadius)，以及足夠弱的手指壓力(TapOkay必須為TRUE)。
在手指按下並已滿足為一次輕彈期間，由於手指的自然振動和其它變化可能出現少量的移動。這一移動已經被傳送到主計算機，造成光標在輕彈動作的指定目標上有輕微的擺動。在步驟298將這一假的移動反向再次傳送到主計算機，以將其取消。該移動通過分組可以以一個總的分組或者重放分組傳送。如果預計主計算機不會對所接收到的分組施加過分的非線性增益(＂彈道曲線＂)，一個簡單的總的分組就夠了。
步驟300和302對於多次輕彈給予特殊的考慮。如果識別到一次輕彈，並且前一輕彈動作還未確定(這時是一個可能的拖動動作)，則將報告虛擬滑鼠按鈕的釋放的一個或多個分組送給主計算機。這就防止了由兩次輕彈產生的虛擬按鈕按鍵被組成為一個長的虛擬按鈕按鍵。可以通過發送一個額外的分組給主計算機完成該特殊的按鈕釋放分組，或者通過設置一個標誌以抑制下一隨後分組的虛擬滑鼠按鈕。
步驟304記錄現在進行一次輕彈動作。
在步驟306，手指將仍然離開墊板。如果手指離開墊板足夠遠以至當前的輕彈動作(如果有的話)不再被認為擴展成一個拖動動作(即CurTime減去DownTime超過DragTime)，或者一個拖動動作是未確定的(TapState為DRAG)，則在步驟308終止當前的輕彈或拖動(使得虛擬的滑鼠按鈕被釋放)。
步驟310和312將Z與Ztap比較。如果在一個給定的手指按下期間Z一直比Ztap大，則置TapOkay標誌。
步驟314，316和318使得在一個輕彈或拖動期間虛擬滑鼠按鈕被按下，並且在其他時間被釋放。
在根據本發明的一個實際的系統的當前實施例中，TapTime是一秒鐘的小部分，並且可以由用戶調整。DragTime近似等於TapTime，TapRadius近似等於墊板寬度的5-10％。
通過MotionEnable＝(TapState＝Drag)或MotionEnable＝(TapState＝DRAG)或(TapState＝TAP)獲得送入圖13的與門268的＂MotionEnable″信號。
儘管前面的描述是參考兩個特定的動作，本領域的普通技術人員將會認識到在本發明的系統中可以實現其他的動作。
接下來參見圖15，其示出了在本發明的系統中使用的一個主計算機系統400的簡化框圖。該主計算機系統400具有由作業系統404控制的中央處理單元(CPU)402。將能夠被作業系統404和CPU 402執行的應用程式406加載進該主計算機系統400的內存中是本領域中眾所周知的。正如在現有技術部分中所討論的，應用程式406中的文件以及應用程式406的部件和控制都以圖形方式顯示在視覺顯示器408的窗口中。
應用程式406的許多控制和部件並不是由作為應用程式406的一部分的可執行代碼(軟體)提供，而是在主計算機系統400的內存中以本技術中眾所周知的動態連接庫(DLL)410的軟體段的形式存在。為了增加DLL 410實現的部件或控制，應用程式406通過稱作動態連接器的作業系統404的設備在執行時訪問所需要的部件或控制的DLL 410，動態連接器將應用程式406連結到該應用程式406所需要的任一DLL 410，從而將該DLL 410所表示的部件加入到該應用程式406中，而不需要將該部件的可執行代碼實際包括在該應用程式406的代碼中。
依賴於作業系統404的不同，每種作業系統404提供大量的DLL 410由應用程式406使用。比如，Microsoft WindowsTM的各種版本提供了豐富的標準DLL以實現大多數典型的控制和顯示功能。因此，通常編寫大多數應用程式利用DLL的許多控制和顯示。這些DLL由作業系統中的動態連接器在運行時定位和連結。
一種由作業系統以DLL提供的，並且因此幾乎由大多數應用程式通過DLL實現的最常見的顯示功能是捲動條。圖16所示的是圖形顯示器中典型的捲動條420。捲動條420一般是沿著一個應用顯示窗口的一個邊緣顯示的。捲動條420提供了用於移動在應用程式窗口中顯示的文件的裝置，其中文件通常大於在窗口中一次所能顯示的。藉助於捲動條420的幫助，應用程式的用戶可以每次一行或一頁或者以更大的間隔移動文件。
圖16的捲動條420包括幾個圖形顯示的部分。它們包括升降器422，軸424，上下捲動箭頭426和428。升降器422是捲動條420的中央移動部分，升降器422在本領域中也稱作標籤或拇指。升降器422位於軸424內，並且如上所述，可以利用拖動動作通過沿著軸424滑動升降器422在軸424之內移動升降器422，這可以通過將光標位於軸424之中的升降器422之上或之下，並且進行一次輕擊動作以在預定方向上將升降器移動一個較大的步幅而實現，或者如在本發明中，通過將光標放於上或下捲動箭頭426和428之一上，並且進行一次拖動動作以激活捲動箭頭426或428之一而實現。在現有技術中，當激活捲動箭頭時，文件將以固定的速度在顯示器上捲動。
升降器422顯示出顯示窗口在文件中的相對位置。比如，當升降器422接近捲動條420的軸424的頂部時，窗口中顯示的文件接近其開頭，當升降器422接近捲動條420的軸424的底部時，窗口中顯示的文件接近其結束。通過在軸424中上下移動升降器424，可以將文件中的任何部分放到顯示窗口中。
或者是，當光標位於軸424中的升降器422之上或之下，並且進行輕擊動作時，顯示窗口中的文件位置將向上或向下移動大約一個顯示窗口的大小。在現有技術中，眾所周知的是，當光標位於軸424中並且進行輕擊動作時，顯示窗口中文件的位置將對應於在進行輕擊動作時光標在軸424上的相對位置。
在本發明中，當光標位於上或下捲動箭頭426和428中的任何一個之上，並且進行拖動動作時，就實現了捲動功能。不同於現有技術的是，本發明根據手指的壓力利用壓力信息Z改變捲動功能的速度，而現有技術是以固定的速度實現捲動功能。相應地，當用戶用力按壓在捲動箭頭上，文件將迅速地捲動。而當用戶輕輕地按壓在捲動箭頭上，捲動將慢下來，甚至停止。這一對常規的捲動部件的增強可以更加容易和自然地瀏覽文件。
對於計算機系統中的幾乎所有圖形界面，主計算機系統跟蹤光標在圖形界面中的位置。當光標位於上或下捲動箭頭之一之上，並且激活捲動箭頭時，在滑鼠驅動的系統中通常是按壓滑鼠按鈕，作業系統就發送消息給應用程式。該應用程式接受該消息，並被連結到實現該捲動箭頭功能的作業系統DLL。在現有技術的系統中，當按壓捲動箭頭時，文件將以通常由作業系統設定的固定速度捲動通過顯示窗口。
作業系統提供許多功能。除了發送消息給應用程式以實現某些控制，例如這裡描述的捲動箭頭，大部分目前的作業系統也允許或提供對這些消息的檢測，攔截和修改。
相應地，再次參見圖15，在本發明中，在較佳實施例中以所加載的軟體驅動程序形式實現並且與作業系統404一起同時在主計算機系統400上運行的捲動修改裝置412指示作業系統404所有捲動箭頭消息不發送給應用程式406，而是發送給捲動修改裝置412。儘管捲動修改裝置412是以軟體驅動程序的形式實現，本領域的普通技術人員將認識到硬體狀態機是公知的等價形式，並且也可以是捲動修改裝置412的一種合理的實現。
正如以上所解釋的，在現有的系統中，當激活捲動箭頭時，文件將以固定的速度捲動。在本發明中，捲動修改裝置414訪問由觸摸墊檢測器414檢測到的Z壓力信息。利用該壓力信息，捲動修改裝置能夠修改由作業系統404發送給應用程式406的捲動消息。
圖17顯示的是根據本發明的流程圖。
在步驟450，主計算機系統查詢由觸摸墊檢測器提供的目標位置信息。在步驟452，當作業系統確定光標在捲動箭頭之上並且進行拖動動作時，就發送一個捲動消息。本領域的普通技術人員應該理解，由拖動動作實現的虛擬按鈕也可以由其他動作實現。本領域的普通技術人員應該理解，使用位置信息確定何時光標位於捲動箭頭之上也是眾所周知的。
在步驟454，由作業系統發送的捲動消息被發送給捲動修改裝置，這是指示作業系統如此進行的。在步驟456，捲動修改裝置將捲動速度作為來自觸摸墊檢測器的壓力信息的函數，利用該Z壓力信息修改捲動速度。在該較佳實施例中，捲動速度線形正比於壓力信息。本領域的普通技術人員將會認識到，在本發明中可以使用其他單調函數，包括反比例函數，非線形比例函數，諸如對數或指數函數，但是並不限於這些函數，並不偏離這裡所揭示的精神。
在步驟458，捲動修改裝置將捲動消息以及捲動速度轉發給應用程式，其中捲動修改裝置已經將捲動速度修改為Z壓力信息的函數。
在步驟460，應用程式使用動態連接器連結到該捲動函數的DLL，並且作為Z壓力信息的函數捲動該文件。
本發明的觸摸檢測器系統的所提高的靈敏度允許更輕的輸入手指觸摸，使得人們更易使用。所提高的靈敏度也使得使用其他輸入設備更方便，例如指示筆等。另外這一靈敏度也可以對較厚的保護層，或不同的材料進行折衷，它們使得製造成本更低。
更好的噪聲排除造成使用中的更好的靈活性，並且降低了對假噪聲問題的靈敏度。使用兩種技術，它們產生最佳的噪聲排除的好處。
由於在本發明中採用了驅動和檢測技術，數據獲取速度比以前的技術提高了30倍。這帶來了幾個明顯的輔助效應。首先，對於同一級別的信號處理，電路在大部分時間可以是斷開的，降低了設計中的模擬部分的大約30倍的電力消耗。其次，由於可以利用更多的數據，可以進行諸如濾波和動作識別的更多的信號處理。
本發明所使用的檢測器電子電路非常健壯，並且校正過程和系統中的誤差。它將來自檢測器的電容信息進行處理，產生數字信息提供給一個外部設備，比如一個微處理器。
由於本發明的獨特的物理特性，其具有人們比較感興趣的人機工程應用，這些應用在以前是不可能的。當前的滑鼠器或軌跡球在可攜式計算機上使用時在物理上不太方便。而本發明提供了一種非常方便的和易於使用的光標位置方案，它可以代替那些設備。
在滑鼠器型的應用中，本發明的檢測器可以位於通常的位置，比如在可攜式計算機的「空格鍵」的下面。當處於這一位置時，用戶的大拇指可以用作檢測器上的位置指示器，以控制光標在計算機屏幕上的位置。用戶的手指可以不需要離開鍵盤就可以移動光標。從人機工程學上，這類似於帶有軌跡球的MacIntosh Power Book的概念，然而本發明在尺寸上比軌跡球更有利。可以將這一基本思想擴展成在「空格鍵」下放置兩個檢測器用於更有特色的控制。
帶有光標反饋的計算機顯示器是通用應用領域的一個很小的例子，這裡顯示器可以是光的或LED的，一個LCD顯示器或一個CRT。例子還包括在實驗室設備上的觸摸控制，其中這些設備使用旋鈕/按鈕/觸控螢幕的組合。由於這一界面的連接的能力，這些輸入中的一個或多個可以結合這裡參照本發明所描述的一個輸入中去。
消費者電子設備(立體聲音響，圖形均衡器，混合器)應用常常利用用於滑動電壓計的前面板平面區域，因為需要可變的控制。本發明可以在一個小的觸摸墊板位置提供這種控制。隨著電子家庭系統的普及，越來越需要更緊密和更強大的人機界面。本發明的檢測器技術允許一種非常緊密的控制面板。如果使用這種檢測器技術，可以形成符合人機工程學上的手持TV/VCR/立體聲控制，並且允許更強大的特性。
本發明的檢測器可以適合任意表面，並且可以製成檢測多個觸摸點，使得有可能用於一個更強大的遊戲杆。本發明的檢測器技術的獨特的壓力檢測能力是這一應用的關鍵。計算機遊戲，遙控(業餘愛好者的電子飛機)和機器加工工具的控制是應用的幾個例子，這些應用從本發明的檢測器技術中獲益。
音樂鍵盤(合成器，電子鋼琴)要求對速度敏感的鍵，它們可以由這種檢測器的壓力檢測能力提供。也具有變調控制和其他滑動開關，它們都可由這一技術替代。一種甚至更獨特的應用包括一種樂器，它能作為在一種聯合的3維界面上手和手指的位置和壓力的函數產生音調。
本發明的檢測器技術最好能夠檢測壓在其上面的傳導材料。通過在本發明的檢測器的表面加上一層覆蓋了一層傳導材料的緊密絕緣層也可以間接地檢測來自所操作的任何目標的壓力，而不管其導電性。
由於從這一檢測器中可獲得大量的信息，這一檢測器可以很好地用作虛擬實境機器的一種輸入設備。很容易就可想像出這樣一種結構，它允許在三維空間中的位置監視，並且對於動作的響應程度(壓力)。
儘管已經顯示和描述了這一發明的多個實施例和應用，很顯然，對於本領域的普通技術人員，他們可作出比上述更多的修改而不偏離這裡所揭示的創造性的概念。因此，本發明只受所附的權利要求的限制。
權利要求
1.一種響應由一個觸摸檢測器墊檢測到的並且由一個觸摸墊驅動程序發送給一個作業系統的目標位置信息修改由計算機系統的所述作業系統產生的捲動條消息的方法，包括下列步驟從該觸摸墊檢測器的目標接觸信息產生壓力信息；截獲由該作業系統產生的捲動條消息；將該捲動條消息的捲動速度修改為該觸摸墊檢測器的該壓力信息的一個函數；並且將所述修改的捲動條消息發送給一個應用程式。
全文摘要
一種近程檢測器系統包括一個檢測器矩陣陣列,該陣列在連接到檢測器墊板的垂直和水平導線上具有一個特徵電容。該電容作為目標接近檢測器矩陣的距離的一個函數改變。將由於目標的接近而引起的該矩陣在X和Y方向上的每一結點的電容的變化轉化成在X和Y方向上的一組電壓。由電路對這些電壓進行處理以產生表示目標的輪廓的質心的電信號,即其在X和Y維上的位置。利用在這一結構中固有的噪聲減少和背景電平設置技術。使用壓力信息修改捲動速度。
文檔編號G06F3/023GK1202254SQ96198286
公開日1998年12月16日 申請日期1996年11月6日 優先權日1995年11月13日
發明者D·吉勒斯皮, T·P·阿倫, A·T·費盧思 申請人:辛納普蒂克斯有限公司