半无源触控笔的制作方法

文档编号:14478002
研发日期:2018/5/19

技术领域

所公开的系统和方法大体涉及用户输入领域,且更具体地涉及提供新颖的半无源触控笔的用户输入系统。

附图说明

下列对如附图所示的各实施例的更加较具体的描述,本公开的前述的及其他目标、特征,和优点将变得显而易见,在附图中,各个图中的附图标记表示相同部分。附图不一定按比例绘制,而是着重于描绘所公开实施例的原理。

图1提供了示出低等待时间触摸传感器设备的实施例的高级方框图。

图2A示出具有行和列的投射电容触摸表面的实施例。

图2B示出提供一组行和一组列之间的耦合的触摸。

图2C示出提供行和列之间的耦合的触控笔或其他有形体。

图3A-C示出在半无源触控笔中参数化调制的电容的说明性实施例。

图4A-B示出半无源触控笔的说明性实施例。

图5A-C示出了触控笔的互相结合的笔尖的进一步说明性实施例。

图6A-C示出在触控笔的互相结合的笔尖中参数化调制的电容的说明性实施例。

图7A示出了触控笔的另一个说明性实施例,其笔尖被分成三个不同的电容部分并且相对于触摸表面以三个不同的取向(左侧、中间、和右侧)示出。图7B示出先前在图7A中示出的左侧、中间、和右侧触控笔位置的调制电平。



背景技术:

触控笔或有形物体(下文中有时为有形体)可以以三种不同的方式工作:(1)无源,其中触控笔根本不具有电池或其他能量源并依靠外部信号的能量以执行它的功能;(2)有源,其中触控笔具有它本身的能量源用于运行内部电子设备和传输信号两者;以及(3)如本文中描述的,半无源,其中触控笔具有它本身的电池或能量源用于运行内部电子设备,但是不用于生成或传输信号。

现有的有源投射电容(PCAP)触控笔由于其高有功功率和依靠异构数字、模拟、和机械传感器的阵列来收集输入数据和环境,因此是昂贵、重、和厚主体的人机接口设备。它们的高有功功率也可直接导致需要定期充电或更换电池以确保连续操作的终端用户的不便。这些限制已经减缓了有源PCAP触控笔的广泛商业应用。然而,这些妥协使得连接到有源PCAP触控笔的计算机系统提供:触控笔事件和触摸之间的输入区分;多种有源触控笔之间的输入区分;一个或多个有源触控笔的笔尖和橡皮擦之间的区分;优越的手掌排除;和薄的触控笔尖。

然而,有源触控笔可以被设计为与其他触摸和触控笔区分开,但这样做会消耗大量的功率。由此,有源触控笔通常需要大电池和/或必须被频繁地充电和/或替换的电池。

无源(即,没有电池)PCAP触控笔通过在同时的触控笔笔尖、触控笔橡皮擦、和触摸输入之间作出可靠区分的能力来解决这些花费和功率限制。无源触控笔也通过消除对电池和复杂功能组件的需求部分地解决了有源笔的人体工学限制。然而,虽然无源触控笔设计简化流线并使触控笔主体变薄,但这是以牺牲输入信噪比为代价的,因此妥协了笔尖厚度,并有效地将一个人体工学不足换为另一个。无源触控笔可以是导电的或绝缘杆,例如用于模仿人类手指,并且许多无源触控笔被销售以与现存的COTS平板电脑一起使用。然而,无源触控笔的问题是它们的输入不能与其他无源触控笔或与触摸区分。

当与今天的有源和无源触控笔相比较,本文公开的半无源触控笔与无源和有源触控笔相比实现了更低的功率消耗、维持设计复杂性并且减少了相关的成本。目前公开的半无源触控笔可以提供这些优点中的一些或全部而不在所需的或有益的触控笔性能上进行妥协。该触控笔还几乎不需要功率,并且笔尖厚度不被节制来适应本文公开的优点。例如,在一个实施例中,由于半无源触控笔的有限功耗,小电池可以维持几年或甚至设备的使用寿命。此外,公开的半无源触控笔允许触控笔事件和触摸之间的输入区分、多个触控笔之间的输入区分、一个或多个有源触控笔的笔尖和橡皮擦之间的区分、和手掌排除(被用于防止无意识的触摸输入)。由此,如本文中公开的,半无源触控笔克服了与有源和无源触控笔相关的缺点,并且可以被设计为可以与其他触控笔和手指区分开。

具体实施方式

在包括本文示出的那些实施例的各种实施例中,本公开涉及触敏物体和用于设计、制造及其操作的方法。尽管为了说明本发明的目的而公开了示例性成分或几何形状,但是鉴于本公开,在不脱离本文公开的范围和精神的情况下,其他成分和几何形状对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

本公开涉及如2016年1月12日提交的题为“Fast Multi-Touch Stylus and Sensor”的美国专利申请No.14/993,868中公开的用户接口,诸如快速多点触摸传感器和其他接口。该申请的完整公开内容以引用的方式并入本文中。

贯穿本公开,可以使用术语“悬停”、“触摸”、“多个触摸”、“接触”、“多个接触”、“压力”或“多个压力”或其他描述符来描述由传感器检测到用户的手指、触控笔、物体或身体部位的事件或时间段。在一些实施例中,如通常由术语“接触”表示的,这些检测仅当用户与传感器或传感器具体化在其中的设备物理地接触时才发生。在其他实施例中,如通常由术语“悬停”指代的,可以调谐传感器以允许检测悬停在触摸表面上方的距离或以其他方式与触摸敏感设备分离的“触摸”或“接触”。如本文中使用的,“触摸表面”可以具有或可以不具有实际特征,并且可以是通常特征稀疏的表面。本说明书中使用的暗示依赖感测的物理接触的语言不应被视为所描述的技术仅适用于这些实施例;实际上,通常,本文描述的内容同样适用于“接触”和“悬停”,其中每一个都是如本文中使用的术语“触摸”。更一般地,如本文中使用的,术语“触摸”指代可以由本文中公开的传感器的类型检测的动作,因此,如本文中使用的术语“悬停”仅仅是在本文中旨在“触摸”意义上的一种“触摸”。“压力”指代用户用手指或手(或诸如触控笔的其他物体)抵靠触敏物体的表面的力。“压力”的量可以是“接触”的测量,即,触摸面积,或者如描述的,可以是以其他方式有关于触摸的压力的测量。触摸指代“悬停”、“接触”“压力”或“紧握”的状态,而缺乏“触摸”通常通过传感器的精确测量阈值外的信号变化来识别的。其他类型的传感器可用于与本文公开的实施例联结,包括:相机、近距离传感器、光学传感器、转弯速率传感器、陀螺仪、磁力计、热学传感器、压力传感器、电容传感器、功率管理集成电路读取、运动传感器等等。

如本文中使用的,并且包括在权利要求内的,诸如第一和第二的叙述术语本身并不旨在意味着序列、时间或独特性,而是用于区分一个构造与另一个构造,例如,一个所述的构造。在上下文规定的一些用途中,这些术语可能暗示着第一和第二是唯一的。例如,在第一时间发生事件,并且在第二时间发生另一个事件时,没有意图指示第一时间发生在第二时间之前。然而,在权利要求中提出了在第一时间之后的第二时间的进一步限制,上下文将要求第一时间和第二时间理解为唯一的时间。类似地,在上下文如此指示的或允许的情况下,序数术语旨在被广义地解释,使得两个识别的权利要求构造可以具有相同的特征或不同的特征。由此,例如,没有进一步限制的第一和第二频率可以是相同的频率,例如第一频率是10Mhz并且第二频率是10Mhz,或可以是不同的频率,例如,第一频率是10Mhz并且第二频率是11Mhz。例如,上下文可以规定第一和第二频率被进一步限制为彼此正交,在这种情况下,它们不可能是相同的频率。

当前公开用于涉及、制造和使用电容性触摸传感器的系统和方法,并且包括采用基于正交信号的复用机制的电容性触摸传感器,所述复用机制诸如但不限于:频分复用(FDM)、码分复用(CDM)、或者结合了FDM和CDM方法的混合调制技术。本文中对频率的引用也可以指代为其他正交信号基础。电容性FDM、CDM或FD/CDM混合触摸传感器可以结合当前公开的传感器使用。在这种传感器中,当来自行的信号耦合(增加)或解耦(减少)到列并且结果在该列上被接收时,触摸可以被感测。

本公开将首先描述可与本文描述的触敏物体结合使用的某些快速多触摸传感器的操作,或实现用于设计、制造和操作的本系统和方法。下面在标题“半无源触控笔”下描述目前公开的半无源触控笔的细节。

如本文中使用的,词语“触摸事件”和词“触摸”当用作名词时包括接近触摸和接近触摸事件,或者可使用传感器来识别的任何其它手势。根据实施例,触摸事件可以非常低的等待时间(例如大约十毫秒或更少时间、或者少于一毫秒)被检测、处理并提供至下游计算进程。

在一个实施例中,所披露的快速多触摸传感器利用一种投射电容性方法,该方法对于触摸事件的高更新率和低等待时间测量已有改善。该技术可使用并行硬件和较高频率波形以获得前述优势。在一个实施例中,公开的方法和装置可被用于进行敏感的和强健的测量,该方法可被用于透明显示器表面并且可以允许使用该技术的产品的经济型制造。在这一点,本文中使用的“电容性物体”可以是手指、人体的其它部分、指示笔或传感器对其敏感的其它物体。本文公开的传感器和方法不需要依赖于电容。对于例如光传感器,实施例利用光子隧穿和泄漏以感测触摸事件,并且本文使用的“电容性物体”包括可与这种感测相容的任何物体,诸如触控笔或手指。类似地,本文中使用的“触摸位置”和“触敏设备”不需要电容性物体与所公开的的传感器之间的实际触摸接触。

图1示出根据实施例的快速多触摸传感器100的某些原理。在附图标记102,不同的信号被同时发送到多个行中。不同的信号是“正交的”,即可彼此隔开和区分。在附图标记103处,接收器被附接至每一列。接收器被设计为在具有或不具有其他信号和/或噪声的情况下接收任何传输的信号或其的任意组合,并且单独地确定出现在每一列上的同时传输的信号的每一个的至少一个测量,例如量。传感器的触摸表面104包括一系列行和列(未全部示出),正交信号可沿这些行和列传播。在实施例中,这些行和列可以被设计成:当它们不经受触摸事件时,较低量或可忽略量的信号被耦合在它们之间,相反,当它们经受触摸事件时,较高量或不可忽略量的信号被耦合在它们之间。在实施例中,相反情形可以成立——使较少量的信号代表触摸事件,而使较大量的信号代表没有触摸。因为触摸传感器最终由于耦合的变化而检测到触摸,所以除了对于特定实施例可能更明显的原因之外,无论触摸相关的耦合是导致列中存在的行信号的量增加还是导致列中存在的行信号的量减少并不特别重要。如以上所讨论的,触摸或触摸事件不需要物理接触,只要触摸是影响耦合信号的电平的事件。

继续参考图1,在实施例中,一般来说,在行和列两者附近的触摸事件的电容性结果可能使出现在该行上的与列耦合的信号的量的不可忽略的变化。更一般地说,触摸事件可造成并由此对应于列上接收的信号。由于行上的信号是正交的,因此多个行信号可被耦合至一列并由接收器进行区分。同样,每行上的信号可被耦合至多个列。对于耦合到给定行的每列(并且不管耦合是否导致出现在列上的行信号的增加或减少),在列上找到的信号包含将指示在该列附近哪些行正在被触摸的信息。所接收的每个信号的量通常与携带对应信号的列与行之间的耦合量有关,并且因此可以指示触摸物体到表面的距离,触摸所覆盖的表面的区域和/或触摸的压力。

当在给定的行和列附近发生触摸时,行中存在的信号的电平在对应列中改变(耦合可能导致列上的行信号增加或减少)。(如以上所讨论的,术语“触摸”或“被触摸(touched)”不需要实际的物理接触,而是相对接近)。事实上,在触摸设备的各种实施方式中,与行和/或列的物理接触是不太可能的,因为在行和/或列与手指或其它触摸物体之间可存在保护性屏障。此外,一般来说,行和列本身不彼此接触,相反被布置在附近,这允许一定量的信号被耦合在它们之间并且该量可以随着触摸变化(增加或减少)。一般来说,行—列耦合不是起因于它们之间的实际接触,也不是起因于来自手指或其它触摸物体的实际接触,而是起因于使手指(或其它物体)接近的电容性效应——导致电容性效应的接近在本文中被称为触摸)。

行和列的本性是任意的并且具体取向是无关的。事实上,术语“行”和“列”不旨在表示方格,而是表示在其上发送信号的导体(行)以及在其上可耦合信号的导体(列)。(信号在行上传输并且在列上接收的概念本身是任意的,并且信号可以容易地在任意指定列的导体上传输并且在任意命名为行的导体上接收,或者两者可以任意地被命名为别的)。进一步,行和列不一定在一个网格中。如本文中描述的,其他形状和取向是可能的。只要触摸事件将影响“行”和“列”的交叉点,并导致它们之间的耦合的一些变化。例如,在两个维度上,“行”可以是同心圆,而“列”可以是从中心向外辐射的轮辐。并且“行”和“列”都不需要遵循任何几何或空间模式,因此,例如,发射和接收天线可以任意地连接以形成行和列(与其相对位置有关或无关)。此外,不一定仅存在两种类型的信号传播信道:在一个实施例中,取代行和列,可提供信道“A”、“B”和“C”,并且在“A”上发送的信号可在“B”和“C”上被接收,或者,在一个实施例中,在“A”和“B”上发送的信号可在“C”上被接收。另一种可能是,信号传播信道可交替发挥作用,在不同时间支持发送器和接收器。也构想到,信号传播信道可以同时支持发送器和接收器——只要发射的信号可以与接收的信号分离。许多替代实施例是可能的并对本领域内技术人员而言在考虑本公开后将变得显而易见。

如前面提到的,在实施例中,触摸表面104由一系列行和列构成,信号可沿其传播。如上所述,行和列被设计成使得当它们没有被触摸时,它们之间耦合一个量的信号,并且当它们被触摸时,它们之间耦合另一个量的信号。它们之间耦合的信号的变化通常可以与接触成正比或成反比(但是不一定成线性比例),使得触摸不是纯粹的是否问题,而更多的是渐变,允许触摸之间的区分,例如,更多的触摸(即,更近或更确定的)和更少的触摸(即,更远或更软)和甚至没有触摸。当在行/列交叉点附近发生触摸时,列上存在的信号发生改变(正向或负向)。被耦合到列上的信号的量可关联于触摸的接近、压力或面积。

接收器被附接至每个列。接收器被设计成接受在每个列上存在的信号,包括正交信号中的任一个、或正交信号的任意组合、或任何存在的噪声或其他信号。通常,接收器被设计成接收在列上存在的信号帧,并且量化在该帧中存在的行信号。在一个实施例中,帧由每列上的ADC捕获,并且由ADC捕获的时域数据被转换为针对在行上传输的每个不同频率的“桶”反射的频域数据。在实施例中,接收器(或与接收器数据相关联的信号处理器)可以在信号帧被捕获的时间期间确定与存在于该列上的每个正交发送的信号的量相关联的测量。如此,除了识别与每个列接触的行,接收器可提供关于该触摸的额外(例如定性)的信息。一般来说,触摸事件可对应(或反向对应)于在列上接收的信号。在实施例中,对于每个列,在其上接收的不同信号指示哪些对应行正在该列附近被触摸。在实施例中,对应的行和列之间的耦合量可以指示例如由触摸覆盖的表面的面积、触摸的压力等。在实施例中,对应的行和列之间的耦合随时间的变化指示两者交点处的触摸变化。

正弦说明

在一个实施例中,被发送到行中的正交信号可以是未经调制的正弦波,每个正弦波具有不同的频率,选择频率以使它们在接收器中能彼此区分。在一个实施例中,选择频率以在这些频率之间提供充分的间隔,以使这些频率在接收器中能更容易地彼此区分。在一个实施例中,频率被选择使得选定的频率之间不存在简单谐波关系。简单谐波关系的缺乏可减轻可能造成一个信号模仿另一个的非线性伪像。

一般来说,如果频率之间的间隔Δf至少是测量周期τ的倒数,相邻频率之间的间隔是恒定的并且最高频率小于最低频率的两倍的频率“梳”一般能满足这些标准。例如,如果希望测量(例如来自列的)信号的组合以确定哪些行信号是每毫秒(τ)出现一次,则频率间隔(Δf)必须大于一千赫(即Δf>1/τ)。根据这种计算,对于具有十行的示例情况,可以使用下列频率:

行1:5.000MHz行:5.005MHz

行2:5.001MHz行7:5.006MHz

行3:5.002MHz行8:5.007MHz

行4:5.003MHz行9:5.008MHz

行5:5.004MHz行10:5.009MHz

本领域内技术人员考虑本公开后将显而易见,频率间隔可明显大于该最小值以实现稳固的设计。作为一个例子,具有0.5cm行/列间隔的20cm×20cm触摸表面可需要40个行和40个列并且需要在40个不同频率下的正弦波。尽管每毫秒一次的分析可能只需要1KHz间隔,然而为了更稳固的实现方式而利用任意更大的间隔。在一个实施例中,任意更大的间隔受制于如下约束条件:最大频率不应当大于最低频率的两倍(即fmax<2(fmin))。由此,在该例中,可使用最低频率设定在5MHz的100kHz的频率间隔,由此得到5.0MHz、5.1MHz、5.2MHz以此类推直至8.9MHz的频率列表。

在一个实施例中,列表上的每个正弦波可通过信号发生器产生并通过信号发射或发送器在独立的行上发送。为了识别接近触摸的行和列,接收器接收出现在列上的信号帧并且信号处理器分析该信号以确定哪些(如果有的话)频率出现在列表上。在一个实施例中,上述识别可通过频率分析技术(例如傅立叶变换)或通过使用滤波器组以支持。在一个实施例中,接收器接收通过FFT处理的列信号帧,并且因此为每个频率确定测量。在一个实施例中,对于每一个帧,FFT为每个频率提供同相和正交测量。

在一个实施例中,接收器/信号处理器可以从每列的信号中确定该列上的信号中找到的频率列表中的每一个频率的值(并且在一个实施例中是同相和正交值)。在一个实施例中,在对应于频率的值大于或小于某个阈值,或从先前值变化的情况下,该信息被用于识别对应于该频率的列与行之间的触摸事件。在一个实施例中,可将对应于各种物理现象的信号强度信息作为定位触摸事件区域的辅助手段,所述物理现象包括离行/列交叉点的触摸距离、触摸物体的尺寸、物体下压于此的压力、被触摸的行/列交叉点的部分等等。在一个实施例中,确定的值不是自主确定触摸,而是与其他值一起被进一步处理以确定触摸事件。

一旦为至少多个频率(每个频率对应一行)或为至少多个列确定了每个正交频率的一个值,就可以创建二维映射,其中该值被用作与该行/列交叉点处的映射的值成正比/反比。在一个实施例中,在触摸表面上的多个行/列的交叉点处确定值以产生触摸表面或区域的映射。在一个实施例中,为在触摸表面或触摸表面的区域内的每个行/列确定值以产生触摸表面或区域的映射。在一个实施例中,对于每列上的每个频率,计算信号值。一旦计算出信号值,则可创建二维或三维映射。在一个实施例中,信号值是在该行/列交叉点处的映射值。在一个实施例中,在用作该行/列交叉点处的映射值之前,信号值被处理以减小噪声。在一个实施例中,采用与信号值成正比、反比、或以其他方式相关的另一个值(在被处理以减小噪声之后)作为在该行/列交叉点处的映射的值。在一个实施例中,由于触摸表面在不同频率下的物理差异,信号值对于给定的触摸被归一化或被校准。同样,在一个实施例中,由于跨触摸表面或在交叉点之间的物理差异,信号值对于给定的触摸需要被归一化或被校准。

在一个实施例中,映射数据可被阈值化以更好地识别、确定或隔离触摸事件。在一个实施例中,使用映射数据来推导关于触摸该表面的物体的形状、取向等的信息。

在一个实施例中,这种分析以及本文所述的任何触摸处理可在触摸传感器的分立式触摸控制器上执行。在另一实施例中,这种分析和触摸处理可在其它计算机系统组件上执行,例如但不限于ASIC、MCU、FPGA、CPU、GPU、SoC、DSP或专用电路中的一个或多个。如本文所使用的术语“硬件处理器”意味着上述设备以及执行计算功能的任何其他设备中的任何一个。

回到对在行上发送的信号的讨论,正弦波不是能在上述配置中使用的唯一的正交信号。事实上,如之前讨论的,可彼此区分的任何组的信号都将行得通。尽管如此,正弦波可能具有一些优势性质,能够给予使用这项技术的设备更简单的设计和更高节约成本的制造。例如,正弦波具有非常窄的频率分布(通过定义),并且不需要向下扩展至低频率(接近DC)。此外,正弦波可相对地不受1/f噪声影响,该噪声可能对扩展至较低频率的较宽信号产生影响。

在一个实施例中,可通过滤波器组来检测正弦波。在一个实施例中,正弦波可通过频率分析技术(例如傅立叶变换/快速傅里叶变换)予以检测。频率分析技术可以相对高效的方式实现并容易具有良好的动态范围特性,由此允许它们在大量同时的正弦波之间作出检测和区分。在宽信号处理方面,接收器对多个正弦波的解码可被认为是某种形式的频分复用。在一个实施例中,也可使用诸如时分和码分复用的其它调制技术。时分复用具有良好的动态范围特性,但一般需要延长有限的时间从而发送到触摸表面中(或分析从触摸表面接收的信号)。码分复用具有与频分复用相同的同步性质,但可能遇到动态范围问题并且可能无法容易地在多个同时的信号之间作出区分。

调制正弦波说明

在一个实施例中,可使用经调制的正弦波作为前述正弦波实施例的替代、组合方案和/或改进。未调制的正弦波的使用可能造成对触摸表面附近的其它设备的射频干扰,并因此,采用未调制正弦波的设备在通过规章测试(例如,FCC、CE)时会遇到麻烦。另外,未调制正弦波的使用可能容易受到来自环境中其它正弦波的干扰,不管是来自蓄意发送器的正弦波还是来自其它干扰设备(甚至可能是另一相同触摸表面)。在实施例中,这种干扰可能造成所描述设备中错误的或劣化的触摸测量。

在一个实施例中,为了避免干扰,可以这样一种方式在通过发送器发送之前先对正弦波进行调制或“搅动”:即一旦信号到达接收器就能对信号进行解调(“解除搅动”)。在实施例中,可使用可逆变换(或几乎可逆的变换)来调制信号,以使得该变换可被补偿并且当信号到达接收器时基本恢复。如对于本领域技术人员而言同样是显而易见的,如本文所述在触摸设备中使用调制技术发射或接收的信号与其它事物具有较少的关联性,并因此更像单纯的噪声,而不是看上去类似于和/或受制于来自环境中出现的其它信号的干扰。

调频

对整组正弦波的调频通过将它们“抹去”防止这些正弦波出现在相同频率。由于规章测试一般与固定频率有关,因此被调频的发送的正弦波将以较低振幅出现,并因此不大可能被关注。由于接收机将以相等和相反的方式“解除抹去”对其的任何正弦波输入,因此蓄意调制和发送的正弦波可被解调并随后大量地出现,就像在调制前那样。然而,从环境进入(例如干扰)的任何固定频率正弦波将通过“解除抹去”操作被“抹去”,并因此对意图的信号具有减弱或消除的效果。因此,若非如此对于传感器可能造成的干扰通过采用调频被减轻,所述调频例如是对频率梳,所述频率梳在一实施例中被用于触摸传感器中。

在一个实施例中,可通过使整组正弦波全部从单一基准频率产生而对整组正弦波进行调频,所述单一频率本身是被调制的。例如,可通过将同一100kHz基准频率乘以不同的整数来生成具有100KHz间距的一组正弦波。在一个实施例中,可使用锁相环来完成这项技术。为了生成第一个5.0MHz正弦波,可将基准乘以50,为了生成5.1MHz正弦波,可将基准乘以51,并以此类推。接收器可使用相同调制基准来执行检测和解调功能。

直接序列扩频调制

在一个实施例中,正弦波可通过周期地在对发送器和接收器两者皆已知的伪随机(或甚至真随机)计划上反转它们而进行调制。由此,在一个实施例中,在将每个正弦波发送至其对应的行之前,其通过可选择的逆变器电路,所述逆变器电路的输出是输入信号乘以+1或-1,这依赖于“反转选择”输入的状态。在一个实施例中,所有这些“反转选择”输入从同一信号被驱动,以使每个行的正弦波全部同时乘以+1或-1。在一个实施例中,驱动“反转选择”输入的信号可以是伪随机函数,该伪随机函数与环境中可能存在的任何信号或函数无关。正弦波的伪随机反转在频率上将它们扩展,使得它们看上去像随机噪声,以使得它们与可能形成接触的任何设备的干扰可忽略。

在接收器侧,来自列的信号可传过可选择的逆变器电路,这些逆变器电路通过与行上的伪随机信号相同的伪随机信号被驱动。结果是,即便所发送的信号已被扩频,它们在接收器之前也被解扩,因为它们已经被乘以+1或-1两次,从而将它们留在、或使它们返回到它们未经修改的状态。应用直接序列扩频调制可扩展列上出现的任何干扰信号,使得它们仅作为噪声并且不模仿任何组的有意的正弦波。

在一个实施例中,可选择的反转器可由少数简单器件形成和/或可在VLSI工艺中实现在晶体管内。

由于许多调制技术是彼此独立的,在一个实施例中,可同时采用多种调制技术,例如,正弦波组的调频和直接序列扩频调制。尽管可能实现起来更复杂,但这样的多种调制的实施方式可取得更好的抗干扰性。

由于环境中遇到特殊的伪随机调制的情形极为罕见,因此本文描述的多触摸传感器可能不需要真随机调制方案。一种例外可以是当具有相同实现方式的一个以上触摸表面正被同一人触摸。在这种情形下,这些表面可能彼此干扰,即使它们使用非常复杂的伪随机调度。因此,在实施例中,注意设计不大可能冲突的伪随机调度。在实施例中,一些真随机性可被引入到调制调度中。在实施例中,通过从真随机源播种(seed)伪随机发生器并确保它(在其重复之前)具有足够长的输出持续时间来引入随机性。这种实施例使得两个触摸表面将永远在同一时间使用序列的相同部分相当不可能。在一个实施例中,随机性是通过用真随机序列对伪随机序列作异或(XOR)运算而引入的。XOR函数将其输入的熵结合起来,使得其输出的熵永不小于任一输入。

正弦波检测

在一个实施例中,可使用具有傅立叶变换检测方案的完整无线电接收器在接收器内检测正弦波。这种检测可需要将高速RF波形数字化并对其执行数字信号处理。可对表面的每个列执行单独的数字化和信号处理;这允许信号处理器发现哪些行信号与该列接触。在以上提到的示例中,具有含四十行和四十列的触摸表面将需要这种信号链的四十个副本。今日,就硬件、成本和功率而言,数字化和数字信号处理是相对昂贵的操作。利用更节约成本的检测正弦波的方法将会是有益的,尤其是可被容易地复制并且需要非常少的功率的方法。

在一个实施例中,可使用滤波器排检测正弦波。滤波器组包括带通滤波器的阵列,所述带通滤波器的阵列可获取输入信号并将其分解成与每个滤波器相关联的频率分量。离散傅立叶变换(DFT,它是FFT的一种有效实现方式)是具有均匀间隔的带通滤波器的滤波器组的一种形式,该离散傅立叶变换可以被用于频率分析。DFT可以数字方式实现,但数字化步骤可能是昂贵的。可由单独的滤波器来实现滤波器组,诸如无源LC(电感器和电容器)或RC有源滤波器。电感器难以很好地实现在VLSI工艺上,并且分立的电感器大而且昂贵,因此在滤波器组中使用电感器可能不是成本节约的。

在较低频率(大约10MHz和10MHz以下),可将多排RC有源滤波器构筑在VLSI上。这些有源滤波器可表现良好,但也会占据很多管芯空间并且需要比预期更多的功率。

在较高频率下,可通过表面声波(SAW)滤波器技术来构筑滤波器排。这允许几乎任意的FIR滤波器几何结构。SAW滤波器技术需要比直接CMOS VLSI更昂贵的压电材料。此外,SAW滤波器技术可能不允许足够的同步抽头(simultaneous tap)来将足够多的滤波器集成到单个封装内,由此增加了制造成本。

在一个实施例中,可使用模拟滤波器排检测正弦波,该模拟滤波器排通过开关电容器技术实现在标准CMOS VLSI工艺上,其采用FFT式“蝴蝶”拓扑结构。这种实施方式所需的管芯面积典型地是信道数平方的函数,这意味着使用相同技术的64信道滤波器排只需要1024信道版本的管芯面积的1/256。在一个实施例中,低等待时间触摸传感器的完整接收系统被实现在多个VLSI管芯上,所述多个VLSI管芯包括适当组的滤波器排和适当的放大器、开关、能量检测器等等。在一个实施例中,低等待时间触摸传感器的完整接收系统被实现在单个VLSI管芯上,所述单个VLSI管芯包括适当组的滤波器排和适当的放大器、开关、能量检测器等等。在一个实施例中,低等待时间触摸传感器的完整接收系统被实现在单个VLSI管芯上,其包含n个实例的n沟道滤波器排并为适当的放大器、开关、能量检测器等留出空间。

正弦波生成

在低等待时间触摸传感器中产生发送信号(例如正弦波)一般比检测要简单,主要是因为每个行需要产生单个信号而列接收器必须在许多信号之间作出检测和区分。在实施例中,可用一系列的锁相环(PLL)来生成正弦波,每个锁相环将共同基准频率乘以一不同的倍数。

在一个实施例中,低等待时间触摸传感器设计不要求所发送的正弦波具有非常高的质量,而是相比在无线电电路中经常允许或希望的,它可以容忍具有更多相位噪声、频率变化(随时间、温度等等)、谐波畸变和其它不完美性的所发送正弦波。在实施例中,可通过数字装置生成大量的频率并随后采用相对粗略的数模转换处理。如前面讨论的,在一个实施例中,所产生的行频率应当彼此间不具有任何简单谐波关系,所描述的发生处理中的任何非线性不应当使组中的一个信号“混淆”或模仿另一个信号。

在一个实施例中,可通过使一串窄脉冲由滤波器排滤波而产生频率梳,滤波器排中的每个滤波器输出信号以在行上发送。频率“梳”是通过一滤波器排产生的,该滤波器排可类似于由接收器使用的滤波器排。作为示例,在实施例中,以100kHz的速率重复的10纳秒脉冲被传到滤波器组中,该滤波器组被设计成将开始在5MHz处的频率梳分量隔开,并隔开100kHz。如定义那样的脉冲串将具有从100kHz至几十MHz的频率分量,并因此对发送器中的每个行将会具有信号。因此,如果使脉冲串通过与上述滤波器组相同的滤波器组以检测所接收的列信号中的正弦波,则滤波器组输出将各自包含可被传送到行上的单个正弦波。

半无源触控笔

当与无源和有源触控笔相比时,本文公开的半无源触控笔实现了更低的功耗,保持了设计复杂性,并且减少了相关成本。公开的半无源触控笔通过使用诸如可变电路的调制组件允许触控笔事件和触摸之间的输入区分、多个触控笔之间的输入区分、一个或多个触控笔的笔尖和橡皮擦之间的区分、和手掌排除(被用于防止无意图的触摸输入)。触控笔的调制组件参数化地调制信号。在一个实施例中,触控笔与普通传感器信号相互作用以允许检测其位置以及可选地检测其倾斜角度和/或旋转角度。在一个实施例中,如上所述的传感器硬件可与本文中描述的半无源触控笔一起使用。触控笔配备有笔尖,当接近触敏设备时,笔尖可以与用于触摸检测的信号相互作用。在一个实施例中,触控笔配备有笔尖,笔尖本身包含多个电隔离部分,当接近触敏设备时,每个电隔离部分可以分别与用于触摸检测的信号相互作用。在一个实施例中,多个电隔离部分支持倾斜角度和旋转的区分。在一个实施例中,不同的触控笔将使用不同的调制,由此允许触控笔之间的准备识别。在一个实施例中,触控笔上的开关或其他控制允许选择不同调制方案,并由此允许一个触控笔具有不同的身份,例如,诸如“黑”“红”“蓝”和“绿”墨水身份,如通常所知的四色笔。在一个实施例中,触控笔可以配备有多个笔尖,诸如在一端是笔尖,另一端是橡皮尖。

如上文所述,来自示例性PCAP触摸表面200的行201和列202在图2A中示出。PCAP传感器包括诸如行201和列202的网格。行201上发射的信号203耦合到列202。当物体205(例如,手指、触控笔或有形体)触摸(例如,接近或接触)它们交叉点附近的触摸表面时,信号203在列202上的耦合变化。在一个实施例中,物体205是导电的或高介电的。在不同实施例中,信号朝着环境地面并远离列接收器电容耦合。在每行和列之间存在剩余电信号的情况下,当行/列交叉点被触摸时,信号被改变(例如,减小)。(尽管信号203、204被“说明”,该说明并不旨在表示任何特定类型的信号。如别处所讨论的,通常,信号203可以彼此正交并且信号204可以包含信号203的任意组合。)

如图2B中进一步示出的,触摸提供行201和列202之间的耦合206的变化。列202上接收到的信号204可被用于确定行和列之间耦合的变化。通过分析行和列之间耦合的变化,触摸表面上耦合正在改变的位置可以被确定。

类似地,图2C示出可以如何使用示例性触控笔207及其相关联的笔尖208以创建触敏设备200上的行201和列202之间的耦合的变化。

为了区分一个触摸物体与另一个触摸物体,产生可以在列(或行)上接收的信号,或触摸物体可以改变或调制从行耦合到列的信号。前者通常由有源触控笔执行,后者由当前公开的半无源触控笔执行。

在一个实施例中,来自半无源触控笔的少量功率(来自例如,电池或电源)可被用于改变“穿过”触控笔(或其他有形体)的信号。因此,在一个实施例中,可以确定触控笔的位置以及潜在的ID信息以及相对于触敏设备的倾斜和旋转信息。在一个实施例中,多个正交的行信号在触敏设备的多个行导体中的至少一些行导体中的相应一个上发射。当触控笔被放置在触敏设备附近时,其可以与耦合在触敏设备的多个行导体中的至少一个与多个列导体中的至少一个之间的信号相互作用。调制部件或可变电路在触控笔尖和触控笔的细长主体之间或触控笔尖和与用户的手导电接触的触控笔的另一个导电部分之间进行调制(即,改变电路连接)。触敏设备可以检测调制信号以检测触控笔相对于触敏设备的身份、位置、角度位置和/或旋转。

图3A-C示出了触控笔可以通过其与触敏设备的触摸检测信号相互作用的三个示例性实施例。图3A-C示出笔尖和触控笔主体之间的可变电路,其导致笔尖可变地耦合到用户的手,并因此可能耦合到环境地面。

图3A示出,在一个实施例中,通过改变有关于时间的参数的值,可以在笔尖部件和触控笔主体之间调制耦合信号以产生原始信号中不存在的频率分量。在一个实施例中,耦合是参数。在一个实施例中,参数是电容,因为从用户/触控笔主体耦合到触摸表面的信号的量大致与电容成比例,调制电容有效地调制了耦合信号的振幅。在一个实施例中,电容被调制为频率为Fm的正弦波,由此,边带被加到频率为+Fm或-Fm的原始耦合信号上;这些边带可以由触敏设备中的硬件、固件或软件检测到。在一个实施例中,边带将触摸识别为由频率Fm调制的触控笔/有形体产生。在一个实施例中,不同的触控笔/有形体可以由它们不同的调制波形识别。如在图3A中进一步描绘的,调制可以例如是幅度、频率、相位、代码、时间等或其任何组合。

如图3B中示出的实施例中,触控笔或有形体的耦合(或其一部分)可以通过使用例如导通和断开开关通过笔尖部件参数化地调制到触摸面板。由此,开关的使用在耦合的触控笔或有形体的信号产生振幅调制的方波(或近似方波)。由此,开关的使用可以创建频率边带,其可以用于将给定的触控笔或有形体与另一个触控笔或有形体作出区分和/或与触摸作出区分。不同的实施例可以改变进出串联或并联耦合电容。开关可用于调制设备何时导通或断开,所述开关可以是任何类型开关,包括例如在笔尖的接近检测器或压力传感器。触控笔然后可以被配置使得,在正常工作状态下,当触控笔与触敏设备表面接触或与之接近时使开关导通。在一个实施例中,触控笔被配置成使其恒定地调制信号,并且开关的状态可改变信号的一种或多种特性,例如其频率、振幅等等。恒定调制允许触控笔不仅当与触敏设备的表面接触时工作,同样当其稍稍在表面之上时也工作,从而提供“悬停”能力。在一个实施例中,触控笔可以使用加速度计以检测运动,并由此促成调制。在一个实施例中,触控笔可以检测用户的握持以促成调制。调制可以开始和/或停止的方式的变化在本公开的范围和精神内,并且鉴于本公开,对于本领域技术人员而言是显而易见的。

在图3C中示出的实施例中,电路系统(例如,调制器或可变电路)被置于耦合路径中,并且这样的电路系统可以被用于调制耦合的信号。调制可以通过改变至少一个参数来实现,例如,幅度、频率、相位、代码、时间或其任何组合。例如,电路系统也可以通过使用参数放大器来放大耦合信号。鉴于本公开,其他电路配置和参数调制对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

在一个实施例中,触摸传感器可以在触摸事件期间确定触控笔如何与触敏设备的触摸检测信号相互作用的模式中操作。在一个实施例中,触控笔与表面相互作用,并且耦合增加超过没有触控笔存在的剩余耦合。在一个实施例中,触控笔与表面相互作用,并且耦合减少至低于剩余耦合。作为触控笔相互作用的结果,无论耦合增加或耦合减少,半无源触控笔可以被用于触摸检测系统。

在一个实施例中,由调制引起的频率分量(诸如但不限于边带)在触控笔存在时只能增加但不能减少,因为这些分量在没有调制的情况下不存在。因此,在触摸时PCAP表面的耦合减少到低于剩余耦合的实施例中,特定频率分量的增加可以与触控笔引起的调制相关联,由此实现触控笔和触摸输入之间的区分。

在一个实施例中,当连接到环境地面起到耦合改变的作用时,该连接可以很大程度上受用户身体和他或她如何握触控笔或有形体的影响。在一个实施例中,电路系统(例如,调制器、开关装置、或可变电路)可以被放置在用户和触控笔或有形体的尖之间以调制该耦合。图4A示出使用用户身体401以耦合到环境地面的半无源触控笔400的一个实施例。在一个实施例中,触控笔400的导电笔尖部件402可以直接连接到触控笔400的导电或高介电主体403使得用户的手401耦合到笔尖部件402。如图4A中描绘的实施例,通过在触控笔主体403和笔尖402之间放置电路404,可以用低功率调制该耦合,以实现给定触控笔和其他同时感测的触摸输入信号之间的可靠区分。绝缘部分405可被置于笔尖402和例如触控笔400的导电或高介电主体403之间。

图4B示出可以使用用户身体401以耦合到环境地面的半无源触控笔400的一个实施例。触控笔主体403支撑笔尖,该笔尖具有第一笔尖部件402A和第二笔尖部件402B。在一个实施例中,第一笔尖部件402A和第二笔尖部件402B通过可变电路404A、404B连接至触控笔400的导电或高介电主体403。在这个配置中,可变电路404A、404B分别控制手401和两个笔尖部件402A、402B之间的导电耦合。如图4B中描绘的实施例中,通过将第一可变电路(或调制部件)404A和第二可变电路(或调制部件)404B置于触控笔主体403和两个笔尖部件402A、402B之间,该耦合可以用低功率来调制。通过具有以不同方式改变的第一可变电路404A和第二可变电路404B,可以实现它们之间的可靠的区分。在一个实施例中,第一可变电路404A连接至第一笔尖部件402A,并且改变(或调制)第一笔尖部件402A和细长的触控笔主体403或与用户的手401导电接触的触控笔的另一个导电部分之间的电连接。第二可变电路404B连接至第二笔尖部件402B并且改变第二笔尖部件402B和细长的触控笔主体403或用户的手401之间的第二电连接。可变电路404A、404B各自适于以互相不同并且可区分的方式改变它们各自的笔尖部件和细长的触控笔主体403或触控笔的与用户的手401导电接触的另一导电部分之间的电连接。在一个实施例中,可变电路404A、404B以不同速率改变相应的电连接。绝缘部分405可被置于笔尖部件402A、402B和例如触控笔400的导电或高介电主体403之间。在一个实施例中,触控笔主体403可以是绝缘的,但是导电区域(未示出)可以存在于它的外表面上,用于在可变电路404A、404B和用户的手401之间相连接。

在一个实施例中,第一笔尖部件和一个或多个附加笔尖部件相对于触敏设备取向,使得当触控笔在第一位置时第一笔尖部件比任何附加笔尖部件更接近触敏设备,并且当触控笔在第二位置时至少一个附加笔尖部件比第一笔尖部件更接近触敏设备。在一个实施例中,可变电路连接至每个附加笔尖部件,并且这些可变电路各自适于改变它们相应地笔尖部件和细长的触控笔主体或与用户的手导电连接的触控笔的另一个导电部分之间的电连接。在一个实施例中,所有可变电路以一个集成电路实现。

在一个实施例中,在与环境地面的连接起作用不大的情况下,触控笔尖(或有形体的部分与触摸传感器接触)与PCAP触摸表面之间的电容连接将被调制。图5A示出一个实施例,其中笔尖被分为除了通过可变电路(未示出)连接之外彼此电隔离的两个笔尖部件(例如,“A”和“B”)。在一个实施例中,尽管使用“方形”进行说明,但是笔尖作为整体应该通常是圆形的。在一个实施例中,图5B中示出的,每个笔尖部件具有多个子部件或元件,并且两个笔尖部件“A”和“B”的元件相互结合或交错。在一个实施例中,两个笔尖部件的元件被取向使得每个笔尖部件的至少一些将与触摸传感器接触。在一个实施例中,两个笔尖部件互相电隔离(或绝缘的)(例如,一半在各个“A”部分中互联,并且另一半在各个“B”部分之间互联)。在一个实施例中,两个部分可以通过可变电路连接。在一个实施例中,将两个部分连接在一起的可变电路适时地改变连接以调制触控笔笔尖和PCAP触摸表面之间的耦合。在一个实施例中,将“A”部分和“B”部分连接在一起增加耦合电容。在一个实施例中,断开“A”部分和“B”部分的连接降低耦合电容。

现在转向图5C,示出了八个笔尖部件(例如,“A,”“B,”“C,”“D,”“E,”“F,”“G,”和“H”)。在一个实施例中,每个笔尖部件由多个电连接的子部件形成。在所示实施例中,八个笔尖部件被组织成四个笔尖象限(例如,四分之一的半球或球),每个笔尖象限包括两个笔尖部件(即,A/B,C/D,E/F和G/H)。在一个实施例中,每个笔尖部件包括八个子部件或元件。笔尖部件和子部件的组织可以被设计为增强对触控笔的灵敏度或角度或旋转感应能力。鉴于本公开,笔尖部件和子部件的数量的变化,以及每个的组织对本领域技术人员将显而易见。由此,如本领域技术人员根据本公开将理解的,笔尖可以被分为任何数量的部分、象限和/或其他分组。如本领域技术人员根据本公开将进一步理解的,图5A-C是二维示意图并且本文公开的实现可以由弯曲的或圆形的笔尖实现。

转向图6A-C,示出了用于多部件笔尖的不同类型的可变电路的效果。根据图6A,在一个实施例中,通过改变有关于时间参数的值,在行和列之间耦合的信号可以被触控笔调制影响以产生原始信号中不存在的频率分量。在一个实施例中,耦合是参数。在一个实施例中,因为从行到列耦合的信号的量大致与电容成比例,所以调制电容有效地调制耦合信号的幅度。在一个实施例中,如果电容被调制为频率为Fm的正弦曲线,则边带被添加到频率为+Fm和-Fm的原始耦合信号。?在一个实施例中,这些边带可以通过触摸系统中的硬件、固件或软件被检测,并且将触摸识别为由触控笔/有形体产生的以频率Fm调制的。在一个实施例中,不同的触控笔/有形体可以通过它们不同的调制波形来识别,例如,幅度、频率、相位、代码、时间等或其任意组合。

转向图6B,在一个实施例中,触控笔或有形体的耦合(或其一部分)可以通过使用例如导通和断开开关通过笔尖参数化地调制到触摸面板。因此,开关的使用在耦合的触控笔或有形体的信号上产生幅度调制的方波(或近似的波),并且再次产生可被用于将给定触控笔或有形体与另一个触控笔或有形体作出区分和/或与触摸作出区分的频率边带。不同的实施例可以改变进出串联或并联耦合电容。

转向图6C,在一个实施例中,电路被接入耦合路径,并且这个电路可被用于调制耦合的信号。调制可以是例如幅度、频率、相位、代码、或其组合。在一个实施例中,电路系统也可以通过使用参数放大器来放大耦合的信号。

在一个实施例中,触控笔包括细长的触控笔主体和可操作地连接至位于笔尖内的两个笔尖部件的每一个的第一可变电路。包括两个笔尖部件的笔尖适于与接触表面上存在的接触检测信号相互作用。两个笔尖部件中的每一个由多个电连接的子部件形成。在一个实施例中,每个笔尖部件的多个电连接的子部件互相交错。在一个实施例中,两个笔尖部件互相绝缘。第一可变电路适于改变两个笔尖部件之间的第一电连接。在一个实施例中,笔尖进一步包括两个互相绝缘的附加笔尖部件。第二可变电路可操作地连接至两个附加笔尖部件的每一个,并且适于改变两个附加笔尖部件之间的第一电连接。在一个实施例中,两个附加笔尖部件中的每一个由多个电连接的子部件形成。在一个实施例中,每个附加笔尖部件的多个电连接的子部件互相交错。

在一个实施例中,笔尖具有多个笔尖部件,并且每个笔尖部件具有其自己的调制或开关硬件装置。在一个实施例中,多个笔尖部件被布置成使得当笔尖按压表面时多个部分可以与接触表面接触。在一个实施例中,当触控笔接近或按压表面时,在触摸检测器中有可检测的改变。在一个实施例中,触控笔相对于触摸表面的角度确定多个笔尖部件的每一个与触摸表面之间的接近度。在一个实施例中,取决于触控笔有关触摸表面的角度,系统检测来自多个笔尖部件的每一个的不同电平的调制信号。在一个实施例中,触摸检测器检测来自多个笔尖部件中的每一个的与笔尖部件到触摸检测器表面的接近度有关的调制信号的电平。

转向图7A,示出了具有三个笔尖部件(出于说明目的)的触控笔。图7A进一步示出了相对于触摸表面的以三种不同(二维)取向保持的触控笔。在一个实施例中,给定触控笔(每个具有独特的调制)的笔尖部分与触摸表面之间的关系,图7B中示出了图7A中所示的三个触控笔位置中的每一个中的每个笔尖部件的调制电平。如图7B所示,在将笔尖部件放置得更靠近触摸表面或与触摸表面接触的情况下,当与离触摸表面更远的笔尖部件相比时,对于给定的笔尖部件可导致更高的调制。相反,当笔尖部件离触摸表面更远时,由该笔尖部件产生的调制可以更低。换言之,由给定笔尖部件产生的调制量与相应的笔尖部件与触摸表面的接近度成比例(或至少相关)。基于由各个笔尖部件产生的调制,可以确定触控笔相对于触摸表面的角度、位置和旋转。如本领域普通技术人员根据本公开将理解的,在于环境地面的电容耦合更重要或更不重要的实施例中,可以使用多个可区分笔尖部件。

还公开了用于从触敏设备附近的触控笔尖提供触控笔识别信息的方法,其中触控笔具有导电区域。在一个实施例中,该方法包括用手握触控笔,手的至少一部分与导电区域导电地接触;将触控笔的笔尖放置在触敏设备附近使得笔尖与在接触表面上存在的触摸检测信号相互作用;并且改变笔尖和导电区域之间的电连接,由此提供来自触控笔尖的定位信息。在另一个实施例中,该方法包括用手握触控笔,手的至少一部分与导电区域导电地接触;将触控笔的笔尖放置在触敏设备附近使得笔尖与在接触表面上存在的触摸检测信号相互作用;改变多个电连接,多个电连接中的每一个在多个笔尖部件中的一个和导电区域之间,其中该改变对于多个笔尖部件中的至少两个是不同的。

尽管该图示示出了2D定向,但是本领域普通技术人员鉴于本公开将清楚如何将该方法扩展为感测多个方向上的倾斜和甚至触控笔围绕其主轴的旋转。

上文中参考用户输入系统描述了本系统和方法,用户输入系统提供使用参数调制来提供半无源触控笔。应理解,每个操作示例可以通过模拟或数字硬件和计算机程序指令来实现。计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机、ASIC,或其他可编程数据处理设备的处理器,以便通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令实现在指定的功能/动作。除了上述讨论明确限制之外,在一些替代实现中,功能/动作可以不按照操作说明中指出的顺序发生。

虽然已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明,但本领域内技术人员可在形式上和细节上对其作出多种改变,而不背离本发明的精神和范围。

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