JP2014531661A - 位置検出のための電極構成および位置検出のための方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも３つの電極を備える、電極構成に対して、物体の位置を検出するための方法であって、第１の電極は、実質的に、第２の電極に平行または同心円状に配列され、第３の電極は、第１の電極に対して、鋭角または偏心状に配列される、第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられ、第２の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい、方法が、提供される。第２の発生器信号は、好ましくは、第１の発生器信号に対して反比例する。加えて、本発明による方法に対して、少なくとも３つの電極を備える、好適な電極構成が、提供される。

Description

本発明は、容量センサシステムのための、特に、電極構成に対して、物体の位置を検出するための電極構成と、本発明による、電極構成に対して、物体の位置を検出するための方法とに関する。

容量センサシステム、特に、容量接近センサでは、センサ域に向かう物体の接近は、実質的に、電気交流場の発生および測定によって、無接触で測定される。

測定信号から導出されるのは、機能、例えば、電気デバイス、特に、電気携帯用デバイスの切替機能であってもよい。

例えば、センサ域に向かう物体の接近の間、センサ域に向かう物体の接近だけではなく、また、センサ域に対する物体の位置も検出可能である、容量センサシステムのセンサ域を電気携帯用デバイスに提供する必要性が存在する。

センサ域に対する物体の位置に応じて、異なる機能が、電気携帯用デバイスにおいて実施されてもよい。そうすることによって、好ましくは、高位置分解能を達成することが望ましい。容量センサシステムが、異なる電子デバイスで使用され得ることを達成するために、さらに、容量センサシステムは、好ましくは、個別の電子デバイスの接地状態から独立することが望ましい。

先行技術から、特に、いわゆる、負荷方式に従って機能する、容量センサシステムのための電極構成が、公知であって、例えば、スライド式コントローラ（スライド式コントローラでは、物体、例えば、指の位置が、スライド式コントローラに沿って検出され得ることが重要である）を実装するために、相互に並びあって、かつ隣接するように配列される複数のセンサ電極がそれぞれ、提供される。負荷方式を使用する容量センサの動作の間は、伝送電極ならびに受信電極を表す、１つのみのセンサ電極が、要求される。

センサ電極は、電気交流場が、そこから放出されるように、電気交流信号で負荷がかけられ、センサ電極の容量負荷（例えば、センサ電極に向かう指の接近によって）が、評価デバイスによって、それぞれ、検出および評価される。検出された容量負荷によって、どのセンサ電極に、指の接近が生じたかが判定されてもよい。

しかしながら、そのような容量センサシステムは、非常に多くの電極が、高分解能（位置分解能）のために要求され、例えば、スライド式コントローラの製造プロセスにおいて、構築努力を有意に増加させるという不利点を有する。加えて、センサ信号は、センサ電子機器の接地状態に依存する。

さらに、同様に、多数のセンサ電極を有する、容量センサシステムが、公知であって、例えば、指が、センサ電極に接触するとき、いくつかのセンサ電極を同時に被覆するような位置の正確な検出が要求される。再び、多数のセンサ電極が、高位置分解能のために要求されるため、製造プロセスのための構築努力が、有意に増加される。

したがって、本発明の目的は、少なくとも部分的に、先行技術から公知の不利点を回避し、少数のセンサ電極で高位置分解能を可能にし、位置の検出が、容量センサデバイスが提供される、電気デバイスの接地状態から独立する、電極配列に対する物体の位置を検出するための容量センサデバイスのための電極構成と、電極構成に対する物体の位置を検出するための方法とを提供することである。

本発明によると、本目的は、独立特許請求項に従って、容量センサシステムのための電極構成と、電極構成に対して物体の位置を検出するための方法とによって達成される。本発明の有利な実施形態および改良は、個別の従属請求項に与えられる。解決策の一部はまた、本発明による、少なくとも１つの電極構成を備える、少なくとも１つの容量センサシステムを有する、電気デバイス、特に、電気携帯用デバイスである。

それによると、少なくとも３つの電極を備える、電極構成に対して、物体の位置を検出するための方法であって、第１の電極は、第２の電極に対して、平行または同心円状に配列され、第３の電極は、第１の電極に対して、鋭角または偏心状に配列され、第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられ、
物体による電極構成の暴露を判定するために、第２の電極は、受信電極として動作され、第３の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよく、受信電極において、第１の測定信号は、タップされ、受信電極と第１の電極との間の第１の結合容量を表し、
位置を判定するために、第３の電極は、受信電極として動作され、第２の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよく、受信電極において、第２の測定信号は、タップされ、受信電極と第１の電極との間の第２の結合容量を表し、位置は、第２の結合容量の変動と第１の結合容量の変動の比から判定される、
方法が、提供される。

好ましくは、第２の発生器信号は、第１の発生器信号に対して反比例する。

位置の判定に先立って、第１の結合容量が、所定の値を下回るかどうか検出され、位置は、次いで、第１の結合容量が、所定の値を下回るときのみ判定される。

第１の結合容量の変動は、実質的に、物体による電極配列の暴露に比例し、第２の結合容量の変動は、実質的に、電極配列に対する暴露および物体の位置の積に比例する。

好ましくは、第１の結合容量の変動および第２の結合容量の変動はそれぞれ、電極構成の基本状態における個別の結合容量に対する変動として判定される。

加えて、容量センサシステムのための、特に、電極配列に対する、物体の位置を検出する電極構成であって、電極構成は、第１の電極および第２の電極を備える、第１の位置検出電極配列を有し、第１の電極は、伝送電極として動作可能であって、第２の電極は、受信電極として動作可能であって、第１の電極は、第２の電極に対して、鋭角に配列され、第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい、電極構成が、提供される。

電極構成はさらに、第３の電極および第４の電極を備える、少なくとも１つの暴露検出電極配列を有してもよく、第３の電極は、伝送電極として動作されてもよく、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

暴露検出電極配列の第３の電極は、位置検出電極配列の第１の電極（暴露検出電極配列および位置検出電極配列の共通電極）によって形成されてもよい。

電極構成はさらに、第５の電極および第６の電極を備える、第２の位置検出電極配列を備えてもよく、第５の電極は、第６の電極に対して、鋭角に配列される。

第１の位置検出電極配列の第２の電極は、第２の位置検出電極配列の第５の電極に対して、実質的に、平行に配列されてもよい。

第２の位置検出電極配列の第６の電極は、第１の位置検出電極配列の第２の電極（第１の位置検出電極配列および第２の位置検出電極配列の共通電極）によって形成され、第５の電極は、伝送電極として動作されてもよく、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

第１の位置検出電極配列の第２の電極は、第２の位置検出電極配列の第５の電極に対して、実質的に、同心円状に配列されてもよい。

第３の電極は、実質的に、第４の電極に平行に配列されてもよい。

第２の電極または第４の電極または第６の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよく、発生器信号で負荷がかけられない電極は、受信電極として動作可能である。

好ましくは、第２の発生器信号は、第１の発生器信号に対して反比例するように形成される。

第１または第２の発生器信号で負荷がかけられる電極は、結合容量Ｃ_Ｃｏｍｐを介して、少なくとも１つの受信電極と結合され、結合容量は、離散キャパシタまたは導体経路結合として構成される。

本発明の有利な実施形態では、電極構成は、３つの電極を備え、第１の電極および第２の電極は、実質的に、相互に平行に配列され、第３の電極は、第１の電極および／または第２の電極に対して、鋭角に配列される。

第３の電極は、第１の電極と第２の電極との間に配列されてもよく、第３の電極は、第１の電極および第２の電極に対して、鋭角に配列される。

ある実施形態では、第１の電極および第２の電極は、伝送電極として動作可能であって、第３の電極は、受信電極として動作可能であって、第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第２の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

さらなる実施形態では、第２の電極および第３の電極は、伝送電極として動作可能であって、第１の電極は、受信電極として動作可能であって、第２の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第３の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

第１の発生器信号は、第２の発生器信号に対して反比例してもよい。

本発明のさらなる有利な実施形態では、電極構成は、４つの電極を備え、第１の電極および第２の電極は、実質的に、相互に対して平行に配列され、第３の電極は、第１の電極および／または第２の電極に対して、鋭角に配列され、第４の電極は、第３の電極に対して、鋭角に配列される。

ある実施形態では、第２の電極および第４の電極は、伝送電極として動作可能であって、第１の電極は、受信電極として動作可能であって、第２の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第４の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

さらなる実施形態では、第２の電極および第４の電極は、伝送電極として動作可能であって、第３の電極は、受信電極として動作可能であって、第２の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第４の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

第１の発生器信号は、第２の発生器信号に対して、反比例してもよい。

本発明のさらなる有利な実施形態では、電極構成は、４つの電極を備え、第１の電極および第２の電極は、実質的に、相互に平行に配列され、第３の電極は、第１の電極に対して、鋭角に配列され、第４の電極は第２の電極に対して、鋭角に配列される。第１の電極および第２の電極は、第３の電極と第４の電極との間に配列される。

ある実施形態では、第３の電極および第４の電極は、伝送電極として動作可能であって、第１の電極および第２の電極は、受信電極として動作可能であって、第３の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第４の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよい。

第１の発生器信号は、第２の発生器信号に対して、反比例してもよい。

加えて、本発明によって、少なくとも、本発明による電極構成を備える、容量センサシステムを備える、電気デバイス、特に、電気携帯用デバイスが、提供される。

電気デバイスおよび電気携帯用デバイスはそれぞれ、スマートフォン、モバイル無線ユニット、コンピュータマウス、デバイス遠隔制御、デジタルカメラ、ゲームコントローラ、モバイルミニコンピュータ、タブレットＰＣ、口述録音機、メディアプレーヤ、または同等物であってもよい。

本発明の詳細および特性ならびに本発明の具体的かつ例示的実施形態は、図面と組み合わせて、以下の説明からもたらされる。
図１は、吸収効果を図示するための容量センサシステムの等価回路図を示す。 図２ａは、物体、例えば、指による電極の暴露を検出するための本発明による暴露検出電極配列を示す。図２ｂは、電極に対する物体の位置を検出するための本発明による位置検出電極配列を示す。 図３（ａ）‐３（ｄ）は、本発明による電極構成（レイアウト）の異なる実施形態を示す。 図４（ａ）‐４（ｃ）は、本発明による電極構成の電極の本発明による実施形態を示す。 図５は、本発明による電極構成を示し、電極は、実質的に、それぞれ、円形および半円形形状に構成される。 図６は、実質的に、それぞれ、円形および円弧形状に構成される電極を備える、本発明による電極構成のさらなる実施形態を示す。 図７は、本発明による電極構成のさらなる実施形態を示す。 図８‐１１は、図３（ａ）‐図３（ｄ）に示される、本発明による電極構成（レイアウト）のための基本回路図を示す。 図８‐１１は、図３（ａ）‐図３（ｄ）に示される、本発明による電極構成（レイアウト）のための基本回路図を示す。 図８‐１１は、図３（ａ）‐図３（ｄ）に示される、本発明による電極構成（レイアウト）のための基本回路図を示す。 図８‐１１は、図３（ａ）‐図３（ｄ）に示される、本発明による電極構成（レイアウト）のための基本回路図を示す。

センサシステムの電極配列に対して、物体の位置を検出するための本発明によるセンサシステムは、動作モード「吸収」で動作される、容量センサとして構成される。

加えて、本発明によるセンサシステムは、センサシステムのセンサ信号が、以下の２つの情報を提供するように構成される。
１．それぞれ、ユーザがその指で覆う、電極構成のセンサ表面積およびセンサ長の大きさ
２．ユーザがその指で電極構成に接触した位置
図１は、吸収効果を図示し、かつセンサシステムが、センサシステムの接地状態から独立して行なう、測定を図示するための容量センサシステムの等価回路図を示す。

電極Ｔｘ（伝送電極）およびＲｘ（受信電極）は、基本容量結合Ｃ_１２が、それらの間に形成されるように、相互に隣接して配列される。電極Ｔｘ、Ｒｘに向かう手または指Ｆの接近の間、基本容量結合Ｃ_１２は、Ｃ_１２を通して流動する電流も、同様に小さくなるように、小さくなる（吸収）。

電極Ｔｘと指Ｆとの間の容量結合は、Ｃ_１Ｈによって示され、Ｒｘと指との間の容量結合は、Ｃ_２Ｈによって示される。電極Ｔｘ、Ｒｘに向かう指Ｆの接近の間、結合容量Ｃ_１ＨおよびＣ_２Ｈは、より大きくなる。そこから生成され、Ｃ_１２に平行となるのは、伝送として解釈され得る、電極Ｔｘと電極Ｒｘとの間の電流経路である。

Ｃ_１２と平行な本電流経路は、低減される必要があり、好ましくは、以下に説明されるような好適な手段によって開始される必要がある。

ａ）Ｃ_ＨＧＮＤ（指Ｆと接地ＧＮＤとの間の容量結合）をＣ_１Ｈより有意に大きくするように試みられてもよい（または、指Ｆと接地ＧＮＤをしっかりと接続するため）。そうすることによって、実質的に、電極ＴｘからＣ_１Ｈを介して指Ｆに流動する電流が、Ｃ_２Ｈを介して電極Ｒｘに流動しないように達成される。それによって、伝送Ｔｘ→Ｒｘは、概して、回避されるが、しかしながら、センサシステムは、依然として、センサシステムの接地条件に依存する。

ｂ）加えて、主に、接近する指Ｆとの容量結合Ｃ_３Ｈがもたらされ得る、第２の伝送電極Ｔｘ２が、提供される。第２の伝送電極Ｔｘ２は、好ましくは、第２の伝送電極Ｔｘ２と受信電極Ｒｘとの間の容量結合が、無視可能であるように、受信電極Ｒｘに対して配列される。第２の伝送電極Ｔｘ２は、好ましくは、第１の伝送電極Ｔｘに印加される発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。それによって、実質的に、電極ＴｘからＣ_１Ｈを介して指Ｆに流動する電流が、直接、Ｃ_３Ｈを介して放電するように達成される。したがって、電極ＴｘからＣ_１Ｈを介して指Ｆに流動する電流のＣ_２Ｈを介した電極Ｒｘへのさらなる流動は、回避される。電極の実施形態では、結合容量Ｃ_１ＨおよびＣ_３Ｈは、実質的に、等しいと見なされる必要がある。これは、第１の電極Ｔｘおよび第２の電極Ｔｘ２のほぼ等しい電極幅によって達成されてもよい。そうすることによって、センサシステムはまた、センサシステムの接地条件から独立する。

センサシステムが、概して、接地状態から独立するように達成するために、好ましい実施形態では、２つの伝送電極＋Ｔｘ（図１では、Ｔｘによって示される）および−Ｔｘ（図１では、Ｔｘ２によって示される）は、同時に動作され、それぞれ、電極＋Ｔｘおよび−Ｔｘに印加される、伝送信号および発生器信号は、相互に対して反比例する、すなわち、電極信号＋Ｔｘおよび−Ｔｘの交流部分の和は、ゼロに等しい。

それぞれ、センサシステムおよび電極のレイアウトによって、接触の間、＋Ｔｘとユーザの指Ｆとの間の容量結合は、理想的には、−Ｔｘと指Ｆとの間の容量結合とサイズが等しくなるように保証される。それによって、結合＋Ｔｘ(R)Ｆは、実質的に、結合−Ｔｘ(R)Ｆによって中和される。

非接地測定電子機器では、本設計によって、電流が、ユーザの指から電極Ｒｘ（伝送）に流動し、それによって、吸収の測定信号を歪ませることが回避される。

接地測定電子機器では、設計のため、ユーザの指Ｆから電極Ｒｘ（伝送）に流動する電流は、接地状態から独立して、伝送電流が流動しないように保証されるように、無視可能であるほど小さい。そうすることによって、センサ信号は、接地状態から独立する。その結果、それによって、接地および非接地センサ電子機器にほぼ等しい結果を提供する、動作モード「吸収」における容量センサシステム（位置センサ）が、提供される。

受信電極Ｒｘは、容量結合が、実質的に、伝送電極＋Ｔｘまたは−Ｔｘの一方のみで存在するように、それぞれ、伝送電極＋Ｔｘ、−Ｔｘに対して、設計および配列される。センサシステムの代替実施形態では、また、個別のセンサレイアウトおよび個別の絶縁層厚によって、一方の伝送電極＋Ｔｘのみ備える、センサシステムが、概して、接地状態から独立して構築され得るように、伝送電流が低減されることも実行可能である。

センサシステムの接地状態（接地または非接地）が、既知であって、概して、一定であるとき、１つのみの活性伝送電極＋Ｔｘを備える、センサシステムもまた、構築されてもよい。

本発明による、電極構成に対して、物体の位置を検出するための容量センサシステムの電極構成は、実質的に、以下の２つの電極配列を備える。

１．１つの暴露検出電極配列
２．１つの位置検出電極配列
本発明による電極構成の具体的実施形態が、図３から図６に関連して説明される前に、図２ａおよび図２ｂに関連して、これらの２つの電極配列が、より詳細に説明される。

図２ａは、物体、例えば、指による電極の暴露を検出するための本発明による暴露検出電極配列を示す。

暴露検出電極配列は、２つの電極ＴｘおよびＲｘを備え、電極Ｔｘ、Ｒｘは、実質的に、相互に対して平行に配列される。２つの電極Ｔｘ、Ｒｘは、同一の電極幅を有してもよい。暴露検出電極配列によって、指Ｆによって被覆される電極長および電極表面積は、指Ｆの位置と独立して検出されてもよい。それによって、センサ信号は、実質的に、それぞれ、被覆された電極長および電極表面積に比例する。電極Ｔｘ、Ｒｘは、絶縁材料の層で被覆されてもよい。

指Ｆが、電極Ｔｘ、Ｒｘまたは絶縁材料の表面に触れると、伝送電極Ｔｘと受信電極Ｒｘとの間の結合容量は、変化し、結合容量の変動は、それぞれ、指が電極Ｔｘ、Ｒｘに接近する位置、および指が電極Ｔｘ、Ｒｘに接触する位置から独立する。

本発明によるセンサデバイスが、吸収モードで動作されると、伝送電極Ｔｘと受信電極Ｒｘとの間の結合容量は、それぞれ、以下のルールに従って、変化および減少する。
DＣ_１＝Ｋ１＊Ｌ
（式１）
式中、Ｋ１は、比例係数であって、Ｌは、暴露の長さであって、したがって、これは、DＣ_１〜Ｌに当てはまる（DＣ_１は、長さＬに比例する）。

暴露の検出はまた、第１の動作モードから第２の動作モード、例えば、スリープモードからアクティブモードに、センサデバイスを切り替えるために提供されてもよい。そのため、所定の閾値が、提供されてもよく、動作モードの変化が実施される前に、超えられる必要がある。例えば、閾値は、最小被覆および／または暴露の最小持続時間を含んでもよい。

図２ｂは、電極に対して物体の位置を検出するための本発明による位置検出電極配列を示す。

位置検出電極配列は、２つの電極ＴｘおよびＲｘを備え、電極Ｔｘ、Ｒｘは、実質的に、相互に対して鋭角αに配列される。

２つの電極Ｔｘ、Ｒｘは、同一の電極幅を有してもよい。位置検出電極配列によって、電極に対する指Ｆの位置Ｐは、それぞれ、指Ｆによって被覆される、電極長および電極表面積に応じて、検出されてもよい。それによって、センサ信号は、実質的に、それぞれ、被覆された電極長および電極表面積に比例し、かつ実質的に、指Ｆの位置Ｐに比例する。電極Ｔｘ、Ｒｘは、絶縁材料の層で被覆されてもよい。

指Ｆが、それぞれ、電極Ｔｘ、Ｒｘまたは絶縁材料の表面に触れると、個別の位置における、伝送電極Ｔｘと受信電極Ｒｘとの間の結合容量は、変化する。

本発明によるセンサデバイスが、吸収モードで動作されると、次いで、位置検出電極配列では、伝送電極Ｔｘと受信電極Ｒｘとの間の結合容量は、それぞれ、以下のルールに従って、変化および減少する。
DＣ_２＝Ｋ２＊Ｐ＊Ｌ
（式２）
式中、Ｋ２は、比例係数であって、Ｐは、電極に対する指Ｆの位置であって、Ｌは、暴露の長さであって、したがって、これは、DＣ_２〜Ｌ＊Ｐに当てはまる（DＣ_２は、長さＬならびにＰに比例する）。

位置は、商DＣ_２／DＣ_１＝Ｐ＊Ｋ２／Ｋ１から計算される。ここでの計算自体の結果は、暴露から独立する。これは、電極を被覆する指（子供の指または大人の指）の幅から独立して、被覆の幅の変動から独立して（例えば、物体の幅が、物体が電極に対して移動される間に変化するとき）、電極を被覆する指の距離または距離の変化から独立して、および特に、手袋が使用されるかどうかから独立して、正確な様式において、位置が、それぞれ、検出および判定されることを意味する。

図３（ａ）から図３（ｄ）は、本発明による電極構成を示し、それぞれ、少なくとも１つの位置検出電極配列を備える。

図３（ａ）は、暴露検出電極配列および位置検出電極配列から構成される、本発明による電極構成を示す。暴露検出電極配列によって、暴露（それぞれ、暴露の長さおよび表面積）が、検出される。位置検出電極配列によって、指Ｆの位置が、電極構成に対して検出される。

暴露検出電極配列は、電極Ｅ１およびＥ２によって形成される。位置検出電極配列は、電極Ｅ２およびＥ３によって形成される。したがって、電極Ｅ２は、暴露検出電極配列および位置検出電極配列に対して、共通電極を構成する。

第１の測定では、指Ｆによる暴露が、検出される。本接続では、電極Ｅ１は、受信電極Ｒｘとして動作され、電極Ｅ２およびＥ３はそれぞれ、伝送電極Ｔｘとして動作され、電極Ｅ３は、電極Ｅ２に印加される発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。

第２の測定では、電極構成に対する指Ｆの位置が、検出され、位置を計算する際、暴露が、考慮される（前述の式２参照）。第２の測定では、電極Ｅ１およびＥ２はそれぞれ、伝送電極として動作され、電極Ｅ３は、受信電極として動作される。電極Ｅ１は、電極Ｅ２に印加される、発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。次いで、それぞれ、暴露が所定の閾値を超えるときのみ、位置は、検出および判定されることが条件とされてもよい。そうすることによって、エネルギー消費は、有意に低下され得、これは、特に、それぞれ、バッテリまたは再充電可能バッテリによって動作される、デバイスおよび携帯用デバイスにおいて有利である。

図３（ｂ）は、２つの位置検出電極配列から成る、本発明による電極構成を示す。第１の位置検出電極配列は、電極Ｅ１およびＥ２によって形成され、電極Ｅ１は、電極Ｅ２に対して、鋭角に配列される。第２の位置検出電極配列は、電極Ｅ２およびＥ３によって形成され、電極Ｅ３は、電極Ｅ２に対して鋭角に配列される。したがって、電極Ｅ２は、２つの位置検出電極配列に対して、共通電極を形成する。

図３（ｂ）の電極構成では、２つの測定が、位置および暴露を検出するために実施される必要がある。

第１の測定では、電極Ｅ１は、受信電極として動作され、電極Ｅ２およびＥ３は、伝送電極として動作される。電極Ｅ２に印加される発生器信号は、電極Ｅ３に印加される発生器信号に対して反比例する。第１の測定によって、第１の位置ＰＯＳ１が、測定される。

第２の測定では、電極Ｅ３は、受信電極として動作され、電極Ｅ２およびＥ１は、伝送電極として動作される。電極Ｅ２に印加される発生器信号は、電極Ｅ１に印加される発生器信号に対して反比例する。第２の測定によって、第２の位置ＰＯＳ２が、測定される。

ルールからの暴露結果
暴露＝ＰＯＳ１＋ＰＯＳ２
ルールからの電極構成に対する指の位置結果
ＰＯＳ_{Ｆｉｎｇｅｒ}＝ＰＯＳ１−ＰＯＳ２
図３（ｅ）は、２つの位置検出電極配列および１つの暴露検出電極配列から成る、本発明による電極構成を示す。

第１の位置検出電極配列は、電極Ｅ１およびＥ２によって形成され、電極Ｅ１は、電極Ｅ２に対して、鋭角に配列される。第２の位置検出電極配列は、電極Ｅ２およびＥ３によって形成され、電極Ｅ３は、電極Ｅ２に対して、鋭角に配列される。したがって、電極Ｅ２は、２つの位置検出電極配列に対する共通電極を形成する。

暴露検出電極配列は、電極Ｅ３およびＥ４によって形成され、電極Ｅ３は、実質的に、電極Ｅ４に平行に配列される。したがって、電極Ｅ３は、第２の位置検出電極配列および暴露検出電極配列に対する共通電極を形成する。

第１の測定では、指Ｆによる電極構成の暴露が、検出される。本接続では、電極Ｅ４は、受信電極Ｒｘとして動作され、電極Ｅ１およびＥ３はそれぞれ、伝送電極Ｔｘとして動作され、電極Ｅ３は、電極Ｅ１に印加される、発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。そうすることによって、暴露の検出は、実質的に、センサシステムの接地条件から独立して実施される。

第２の測定では、電極構成に対する指Ｆの位置が、検出され、位置の計算の間、暴露が、考慮される（前述の式２参照）。第２の測定では、電極Ｅ１およびＥ３はそれぞれ、伝送電極として動作され、電極Ｅ２は、受信電極として動作される。電極Ｅ１は、電極Ｅ３に印加される、発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。次いで、それぞれ、暴露が所定の閾値を超えるときのみ、位置が検出および判定されることを条件としてもよい。そうすることによって、エネルギー消費は、有意に低減され得、これは、特に、それぞれ、バッテリまたは再充電可能バッテリによって動作される、デバイスおよび携帯用デバイスにおいて有利である。

図３（ｃ）に示される電極構成は、図３（ａ）に示される電極構成より優れた利点を有し、伝送電極Ｅ１およびＥ３が、暴露の測定と位置の測定との間で切り替えられる必要がない。図３（ａ）の電極構成より優れたさらなる利点は、測定信号（センサ信号）が、位置の測定の間より大きな振幅を示し、位置に対してより良好な線形性を有することである。

図３（ｄ）は、２つの位置検出電極配列から成る、本発明による電極構成を示す。

第１の位置検出電極配列は、電極Ｅ１およびＥ２によって形成され、電極Ｅ１は、電極Ｅ２に対して、鋭角に配列される。第２の位置検出電極配列は、電極Ｅ３およびＥ４によって形成され、電極Ｅ３は、電極Ｅ４に対して、鋭角に配列される。加えて、ここでの電極Ｅ２は、実質的に、電極Ｅ３に平行に配列される。しかしながら、電極Ｅ２はまた、電極Ｅ３に対して鋭角に配列されてもよい。

電極Ｅ１およびＥ４は、暴露の測定の間、ならびにまた、位置の測定の間にも、それぞれ、伝送電極−Ｔｘおよび＋Ｔｘとして動作される。

電極Ｅ２およびＥ３は、暴露の測定の間、ならびにまた、位置の測定の間にも、それぞれ、受信電極−Ｒｘおよび＋Ｒｘとして動作される。電極Ｅ１は、電極Ｅ４に印加される、発生器信号に対して反比例する、発生器信号で負荷がかけられる。

電極構成の暴露は、受信電極Ｅ３およびＥ２においてタップされるセンサ信号の差異（それぞれ、＋Ｒｘおよび−Ｒｘ）、すなわち、暴露＝（＋Ｒｘ）−（−Ｒｘ）を計算することによって判定される。差異を計算することによって、同相を有する受信電極Ｅ２およびＥ３に結合する、干渉信号に対して、干渉への耐雑音障害性が、改善される。

電極構成に対する指の位置は、受信電極Ｅ３およびＥ２においてタップされたセンサ信号（それぞれ、＋Ｒｘおよび−Ｒｘ）、すなわち、位置＝（＋Ｒｘ）＋（−Ｒｘ）を合計することによって判定される。

図３（ａ）から図３（ｄ）に関連して説明された電極構成の電極のアクティブ化は、以下の表に要約される。

反比例的にアクティブ化される伝送電極（−Ｔｘおよび＋Ｔｘ）によって、センサシステムは、センサシステムの具体的接地条件から独立するように達成される。

吸収効果は、実質的に、相互に隣接して配列される、電極Ｔｘ／Ｒｘ間で生じる。第２のＴｘ電極からＲｘ電極の距離は、Ｒｘ電極および吸収効果に及ぼす第２のＴｘ電極の効果が、それぞれ、無視可能なほど小さくなるように（および、第１のＴｘ電極の遮蔽効果のため）、第１のＴｘ電極からＲｘ電極の距離より大きい。

図２ａから図３（ｄ）では、個別の電極構成の電極は、それぞれ、線として、かつ薄く、実質的に、長方形電極として示される。

本発明によると、また、電極の全部または一部は、例えば、図４ａに示されるように、湾曲様式で形成され、センサ信号の位置依存性を線形化する、または所定の異なる位置依存性を生成することも実行可能である。さらに、電極の全部または一部は、電極の個々の区画がそれぞれ、図４ｂに示されるように、隣接する電極に対して、異なる鋭角を有するように、座屈様式で形成されることも実行可能である。

電極はまた、図４ｃに示されるように、異なる幅または長さに沿って変動する幅を備えるように構成されてもよく、それによって、実質的に、指に対する結合容量が、影響を受ける。これは、再び、センサシステムの接地依存性（Ｔｘから指）と、また、システムの妨害信号干渉（指からＲｘ）にも影響を及ぼす。接地からの最適独立性のために、＋Ｔｘから手および−Ｔｘから手に対する結合容量は、サイズが等しい。これは、＋Ｔｘおよび−Ｔｘの同じ電極幅によって実現されてもよい。

図５は、電極が、それぞれ、実質的に、円形および円弧形状に構成される、本発明による電極構成を示す。

図５に示される電極構成は、４つの電極Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、およびＥ４を備え、電極Ｅ１およびＥ２は、均一に形成され（例えば、円形または楕円形）、電極Ｅ３およびＥ４は、湾曲様式に形成される（例えば、円弧形状、半円形形状、または螺旋弧形状）。円形形状の電極Ｅ１およびＥ２は、実質的に、相互に対して同心円状に配列される。半円形形状の電極Ｅ３およびＥ４は、実質的に、円形形状の電極Ｅ１およびＥ２に対して偏心状に配列される。

円形形状の電極Ｅ１およびＥ２の同心配列は、実質的に、図２ａおよび図３に示される電極構成の電極の平行配列に対応する。円形様式に成形され、相互に対して同心円状に配列される、電極Ｅ１およびＥ２は、それによって、暴露検出電極配列を形成し、それによって、暴露は、それぞれ、検出および測定されてもよい。

それぞれ、電極Ｅ１およびＥ２に対する、半円形形状の電極Ｅ３およびＥ４の偏心状配列は、実質的に、図２ｂおよび図３に示される電極構成の電極の鋭角配列に対応する。半円形様式に成形され、いずれの場合も、電極Ｅ２とともに、電極Ｅ１およびＥ２に対して偏心状に配列される、電極Ｅ３およびＥ４は、位置検出電極配列を形成し、それによって、電極構成に対する物体の位置が、それぞれ、検出および測定される。

図３（ａ）から図３（ｄ）に関連して、暴露および／または位置が、それぞれ、どのように検出および測定され得るかが説明された。

図５では、半円形形状の電極Ｅ３およびＥ４は、２つの円形形状の電極Ｅ１およびＥ２の最外のものより大きな半径を有する。代替として、半円形形状の電極はまた、２つの円形形状の電極Ｅ１およびＥ２の内側のものより小さい半径を有してもよい。図５では、２つの円形形状の電極Ｅ１およびＥ２の内側のものより小さい半径を有する、半円形形状の電極は、参照番号Ｅ３’およびＥ４’で示される。

両方の場合において、絶対的に要求されるわけではないが、円形形状の電極Ｅ１およびＥ２を交差しない、円形形状の電極Ｅ１およびＥ２に対して相対的様式において、それぞれ、半円形形状の電極Ｅ３およびＥ４およびＥ３’およびＥ４’を配列することが有利である。

図５に示される電極配列は、例えば、音楽再生デバイスにおける音量制御を実装するための回転式エンコーダまたは制御ダイヤル（また、ホイールとしても知られる）を実装するために、使用されてもよい。例えば、そのような音量制御を動作するために、親指が、電極構成に置かれてもよく、円形に、すなわち、電極に沿って、連続的に移動されてもよい。

そうすることによって、相互に対して同心円状に配列された電極Ｅ１およびＥ２によって、暴露は、それぞれ、位置から独立して、３６０°にわたって、検出および測定される。

位置は、それぞれ、２つの半円形形状の電極Ｅ３およびＥ４を用いて、ならびに円形形状の電極Ｅ１またはＥ２を用いて、検出および測定され、０°〜１８０°の位置は、電極Ｅ３を使用して検出され、１８０°〜３６０°の位置は、電極Ｅ４を使用して検出される。そうすることによって、角度位置の明確な測定ならびに連続「旋回」の検出が、提供される。

図５に示されるレイアウトは、図３（ａ）に示されるレイアウトに対応する。故に、図３（ｂ）から図３（ｄ）に示されるレイアウトはまた、円形形状および半円形形状の電極を使用して、実装されてもよい。

図６は、それぞれ、実質的に、円形形状および半円形形状の電極を備える、本発明による電極構成のさらなる実施形態を示す。図６に示される電極構成は、実質的に、相互内に配列される図５に従って、少なくとも２つの電極構成を備える。相互内に２つの電極構成を配列することによって、以下の２次元入力が、実行可能となる：ａ）個別の電極構成（制御ダイヤル）に沿った検出、およびｂ）ＸおよびＹ軸に沿った位置の検出。

図７は、実質的に、図３（ａ）から図３（ｄ）に示されるように、８つの電極構成から成る、本発明による電極構成のさらなる例示的実施形態を示す。電極構成はそれぞれ、相互に対して４５°の角度に配列される。当然ながら、また、８つより多いまたは少ない電極構成が、提供されてもよい。また、角度は、変動してもよい。例えば、６つの電極構成が、提供されてもよく、それぞれ、相互に対して約３０°の角度に配列される。有利には、図７に示される電極レイアウトを使用して、ＸおよびＹ軸に沿った位置の検出が、実行可能である。

本発明による電極構成の電極のアクティブ化は、好ましくは、個々に実施されないが、電極構成の電極は、接続の減少が、信号の明確な評価に干渉せずに実行可能であるように、相互に接続される。

図８から図１１はそれぞれ、図３（ａ）から図３（ｄ）に示される、本発明による、電極構成（レイアウト）の基本回路図を示す。

例えば、１００ｋＨｚを伴う、方形波発生器は、２つのドライバ構成要素をアクティブ化し、その出力において、次いで、それぞれ、１８０°位相シフトされた発生器信号＋Ｔｘおよび−Ｔｘが、存在し、伝送電極に印加される（上記表１参照）。測定信号（それぞれ、容量電流または交流電流）が、受信電極でタップされ、アナログフロントエンドＡＦＥにフィードされ、アナログフロントエンドＡＦＥにおいて、増幅および調整され、例えば、高域および／または低域フィルタリングされる。増幅および調整された信号は、アナログ／デジタルコンバータＡ／Ｄでデジタル化され、ここでは詳細に示されないデジタル信号処理において処理される。

図３（ａ）および図３（ｂ）による電極構成は、伝送または受信電極として動作される、電極を有する。少なくとも２つの測定が、提供され（上記表１参照）、それに対して、個別の電極は、次いで、それぞれ、個別の送信機および受信機に切り替えられる。

ここに示される回路は全て、常時、２つの伝送電極が、同時に、すなわち、相互に対して１８０°位相シフトされた（すなわち、反転された）信号によって、アクティブ化されるように構成される。

図８は、図３（ａ）の電極構成のための基本回路図を示す。図３（ａ）に示される電極構成は、センサシステムのアイドルモードでは、１つのみの測定（暴露を検出するため）が、ユーザがセンサシステムに接近しているかどうかを検出するために実施される必要があるという利点を有する。所定の最小暴露（または、別の好適な閾値）から開始し、次いで、第２の測定（位置を検出するため）が、位置を計算するために実施される。

図３（ｂ）の電極構成のために提供され得る、図９の基本回路図では、キャパシタＣ_Ｃｏｍｐが、それぞれ、Ｒｘと−Ｔｘおよび−ＴｘとＲｘとの間に提供される。

キャパシタＣ_Ｃｏｍｐは、離散形態または導体経路結合の形態で実現されてもよい。絶対値では、キャパシタＣ_Ｃｏｍｐは、センサシステムのアイドル状態におけるＴｘとＲｘとの間の結合容量にほぼ対応する。キャパシタＣ_Ｃｏｍｐを提供することによって、センサシステムのアイドル状態における測定信号は、ほぼゼロとなり、それによって、アナログフロントエンドＡＦＥの増幅を増加させ、それによって、センサの感度を増加させることが実行可能である。１つ以上の個別の容量Ｃ_Ｃｏｍｐの提供もまた、図８、図１０、および図１１による基本回路図に従って構成される回路内で実行可能である。

図１０は、図３（ｃ）の電極構成の基本回路図を示す。

図１１は、図３（ｄ）の電極構成のための基本回路図を示す。

前述の容量センサシステムおよび電極構成ならびにそれらの本発明による修正は、携帯用デバイスに、それぞれ、付加的ユーザインターフェースおよびミニ機械インターフェースを具備するために、電気デバイス、特に、電気携帯用デバイス内に提供されてもよい。電気デバイスおよび電気携帯用デバイスはそれぞれ、スマートフォン、モバイル無線ユニット、コンピュータマウス、デバイス遠隔制御、デジタルカメラ、ゲームコントローラ、モバイルミニコンピュータ、タブレットＰＣ、口述録音機、メディアプレーヤ、または同等物であってもよい。

Claims (16)

1. 少なくとも３つの電極を備える、電極構成に対して、物体（Ｆ）の位置（Ｐ）を検出するための方法であって、第１の電極は実質的に、第２の電極と平行または同心円状に配列され、第３の電極は、前記第１の電極に対して、鋭角（α）または偏心状に配列され、前記第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられ、
   前記物体（Ｐ）による前記電極構成の暴露を判定するために、前記第２の電極は、受信電極として動作され、前記第３の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよく、第１の測定信号は、前記受信電極でタップされ、前記受信電極と前記第１の電極との間の第１の結合容量を表し、
   前記位置を判定するために、前記第３の電極は、受信電極として動作され、前記第２の電極は、前記第２の発生器信号で負荷がかけられ、前記受信電極において、第２の測定信号は、タップされ、前記受信電極と前記第１の電極との間の第２の結合容量を表し、前記位置は、前記第２の結合容量の変動と前記第１の結合容量の変動の比から判定される、
   方法。
2. 前記第２の発生器信号は、前記第１の発生器信号に対して反比例する、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置の判定に先立って、前記第１の結合容量が、所定の値を下回るかどうかが判定され、前記位置は、次いで、前記第１の結合容量が、所定の値を下回るときのみ判定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の結合容量の変動は、実質的に、前記物体（Ｆ）による前記電極配列の暴露（Ｌ）に比例し、前記第２の結合容量の変動は、実質的に、前記電極配列に対する暴露（Ｌ）および前記物体の位置（Ｐ）の積に比例する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記第１の結合容量の変動および前記第２の結合容量の変動はそれぞれ、前記電極構成の基本状態における個別の結合容量に基づく変動として判定される、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 容量センサシステムのための、特に、電極配列に対する物体（Ｆ）の位置（Ｐ）を検出するための電極構成であって、前記電極構成は、第１の電極および第２の電極を備える、第１の位置検出電極配列を有し、前記第１の電極は、伝送電極（Ｔｘ）として動作可能であり、前記第２の電極は、受信電極（Ｒｘ）として動作可能であり、前記第１の電極は、前記第２の電極に対して、鋭角（α）に配列され、前記第１の電極は、第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい、電極構成。
7. 第３の電極および第４の電極を備える、少なくとも１つの暴露検出電極配列をさらに備え、前記第３の電極は、伝送電極（Ｔｘ）として動作されてもよく、前記第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい、請求項６に記載の電極構成。
8. 前記暴露検出電極配列の第３の電極は、前記位置検出電極配列の第１の電極によって形成される、請求項７に記載の電極構成。
9. 第５の電極および第６の電極を備える、第２の位置検出電極配列をさらに備え、前記第５の電極は、前記第６の電極に対して、鋭角（α）に配列される、請求項６から８のいずれかに記載の電極構成。
10. 前記第１の位置検出電極配列の第２の電極は、実質的に、前記第２の位置検出電極配列の第５の電極に平行に配列される、請求項９に記載の電極構成。
11. 前記第２の位置検出電極配列の第６の電極は、前記第１の位置検出電極配列の第２の電極によって形成され、前記第５の電極は、伝送電極（Ｔｘ）として動作されてもよく、前記第１の発生器信号で負荷がかけられてもよい、請求項９に記載の電極構成。
12. 前記第１の位置検出電極配列の第２の電極は、前記位置検出電極配列の第５の電極に対して、実質的に、同心円状に配列される、請求項９または１１のいずれかに記載の電極構成。
13. 前記第３の電極は、実質的に、前記第４の電極に平行に配列される、請求項７から１２のいずれかに記載の電極構成。
14. 前記第２の電極または前記第４の電極または前記第６の電極は、第２の発生器信号で負荷がかけられてもよく、発生器信号で負荷がかけられない電極は、受信電極として動作されてもよい、請求項６から１３のいずれかに記載の電極構成。
15. 前記第２の発生器信号は、前記第１の発生器信号に対して反比例するように形成される、請求項１４に記載の電極構成。
16. 前記第１または第２の発生器信号で負荷がかけられる電極は、結合容量（Ｃ_Ｃｏｍｐ）を介して、少なくとも１つの受信電極と結合され、前記結合容量は、離散キャパシタまたは導体経路結合として構成される、請求項１４または１５のいずれかに記載の電極構成。

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