JP2015505081A

JP2015505081A - センサシステムの整定時間を短縮するためのセンサシステムおよび方法

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Publication number: JP2015505081A
Application number: JP2014545269A
Authority: JP
Inventors: アルティエムイワノフ，; ツェチャン，
Original assignee: マイクロチップテクノロジージャーマニーツーゲーエムベーハーウントコンパニーカーゲー
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2015-02-16
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: EP2789100B1; US20150097585A1; EP2789100A1; US9476924B2; KR102000218B1; KR20140109946A; TW201337270A; TWI588490B; JP6035344B2; CN103975529B; DE102011056226A1; WO2013083736A1; CN103975529A

Abstract

提供されるのは、検出表面に対する物体の移動を検出するための第１のセンサデバイスおよび第２の容量センサデバイスを備える、センサシステムであって、センサシステムは、第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作されてもよく、センサシステムは、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えられてもよく、第２の容量センサデバイスは、いくつかの第２のセンサ電極を備え、センサシステムでは、少なくとも、第２の動作モードにおいて、第１のセンサデバイスの寄生静電容量と平行である、所定の固定電位と接続可能な少なくとも１つの信号経路が、提供される。

Description

本発明は、本発明によるセンサシステムの整定時間を短縮するためのセンサシステムおよび方法に関する。本発明はさらに、本発明によるセンサシステム内のさらなる容量センサデバイスの整定時間を短縮するように設計される、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスに関する。

先行技術において公知であるのは、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスである。そのようなセンサデバイスはまた、容量タッチセンサとして知られている。さらに、先行技術において公知であるのは、検出表面に対する物体の移動を検出するための容量センサデバイスである。これらのセンサデバイスはまた、容量移動センサとしても知られている。

例えば、指による検出表面との接触は、容量タッチセンサを用いて、検出されてもよい一方、検出表面に対する、検出表面からのある距離内の指の移動は、容量移動センサを用いて、検出されてもよい。

これに関連して、検出表面に対して、検出表面における指の接触ならびに検出表面の正面における指の移動を検出することが望ましい。そうするために、容量タッチセンサならびに容量移動センサを備える、センサデバイスが、提供されてもよい。容量タッチセンサおよび容量移動センサは両方とも、それぞれ、接触および移動が検出される、それぞれ、いくつかのセンサ電極を有する。タッチセンサおよび移動センサのセンサ電極は、検出表面のある面積内、好ましくは、検出表面の面積全体内において、検出表面との接触ならびに検出表面に対する移動の両方が、検出され得るように、検出表面に対して配列される。

個別の容量センサを用いて、接触ならびに移動の両方を検出するために、ある瞬間に、常時、２つの容量センサのうちの１つのみが、アクティブであるように、容量タッチセンサおよび容量移動センサを異なる時間間隔内で動作させることが要求され得る。理想的には、同時に、接触ならびに移動を検出するために、比較的に短時間間隔内に、タッチセンサと移動センサの動作を往復して切り替えることが有利であり得る。これは、タッチセンサがアクティブであるとき、移動センサが非アクティブであって、その逆も同様であることを意味する。

しかしながら、タッチセンサから移動センサへの切替は、それぞれ、移動センサの出力信号およびセンサ信号が、移動センサのアクティブ化直後に比較的に長い整定相を有し、これは、数秒かかり得、移動センサのセンサ信号が、最悪の場合、数秒後にのみ正しく評価され得るという不利点を有する。そのように長い持続時間を含む整定時間は、特に、信号処理がリアルタイムで実施される必要があるとき、実践用途に対して容認不可能である。

しかしながら、本問題はまた、別のセンサデバイスが、タッチセンサの代わりに使用されるときも生じる。

したがって、本発明の目標は、検出表面との接触ならびに検出表面に対する物体の移動の両方を検出するために、センサ、特に、タッチセンサと移動センサの組み合わせを可能にし、少なくとも、タッチセンサから移動センサへの切替の間、移動センサの整定時間が、それぞれ、短縮および最小限にされる、解決策を提供することである。

本発明によると、本目標は、検出表面に対する物体の移動を検出するための第１のセンサデバイスおよび第２の容量センサデバイスを備える、センサシステムを用いて、本発明によるセンサシステム内の容量移動センサの整定時間を短縮するための方法を用いて、ならびに独立特許請求項に記載の物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスを用いて達成される。本発明の有利な実施形態および高度な実施形態は、個別の従属請求項に与えられる。

それによると、提供されるのは、検出表面に対する物体の移動を検出するための第１のセンサデバイスおよび第２の容量センサデバイスを備える、センサシステムであって、センサシステムは、第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作されてもよく、センサシステムは、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えられてもよく、第２の容量センサデバイスは、いくつかの第２のセンサ電極を備え、センサシステムでは、少なくとも、第２の動作モードにおいて、第１のセンサデバイスの寄生静電容量と平行である、所定の固定電位と接続可能な少なくとも１つの信号経路が、提供される。

所定の固定電位は、少なくとも、接地電位、供給電圧、供給電圧の半分（Ｖ_ｃｃ／２）、および接地電位と供給電圧との間の電位のうちの１つを含んでもよい。

信号経路は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と接続されてもよい。

信号経路を用いて、第１のセンサデバイスの少なくとも１つの端子は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と結合されてもよい。

第１のセンサデバイスは、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスを備えてもよく、第１の容量センサデバイスは、いくつかの第１のセンサ電極を備え、第１の動作モードでは、接触が、検出されてもよく、第２の動作モードでは、移動が、検出されてもよい。
信号経路を用いて、
−第１のセンサ電極の少なくとも１つの電極は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と結合されてもよい、または
−少なくとも、第１のセンサ電極は、個別の電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と結合されてもよく、第２のセンサ電極からのその距離は、所定の値を下回る。

信号経路内に、第２の動作モードにおいて、信号経路と所定の固定電位を接続するように設計される、切替デバイスが提供されてもよい。

さらに、提供されるのは、検出表面に対する物体の移動を検出するための第２の容量センサデバイスの整定時間を短縮するための方法であって、第２の容量センサデバイスは、加えて、第１のセンサデバイスを備える、センサシステムの一部であって、センサシステムは、第１の動作モードまたは第２の動作モードで動作され、少なくとも、第２の動作モードにおいて、センサシステムでは、少なくとも１つの信号経路は、所定の固定電位と接続され、信号経路は、第１のセンサデバイスの寄生静電容量と平行である。

第１のセンサデバイスは、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスを備えてもよく、第１の容量センサデバイスは、いくつかの第１のセンサ電極を備え、第１の動作モードでは、接触が、検出され、第２の動作モードでは、移動が、検出される。
信号経路を用いて、
−第１の容量センサデバイスの少なくとも１つの端子は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と接続されてもよい、または
−第１の容量センサデバイスのセンサ電極の少なくとも１つの電は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と接続されてもよい。

さらに提供されるのは、物体による検出表面との接触を検出するためのセンサデバイスであって、センサデバイスは、いくつかのセンサ電極を備え、センサデバイス内に提供されるのは、センサデバイスの寄生静電容量と平行である、所定の固定電位と接続可能な少なくとも１つの信号経路である。
信号経路を用いて、
−センサデバイスの少なくとも１つの端子は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と結合されてもよい、および／または
−センサ電極の少なくとも１つの電極は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、所定の電位と結合されてもよい。

センサデバイスは、容量センサデバイスを備えてもよい。

本発明の詳細および特性ならびに本発明の具体的実施形態は、図面と併せて、以下の説明から想起される。
図１は、容量タッチセンサおよび容量移動センサを備え、容量移動センサの整定時間を短縮するように適合される、本発明によるセンサシステムを示す。図２は、本発明によるセンサシステムの代替実施形態を示す。図３ａは、本発明による、整定時間の短縮を伴わない、容量移動センサのセンサ信号の時間的経過を示す図３ｂは、本発明による、整定時間の短縮を備える、容量タッチセンサのセンサ信号の信号経過を示す。

図１は、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイス１０と、検出表面に対する物体の移動を検出するための容量センサデバイス２０とを備える、本発明によるセンサシステム１を示す。以下では、容量センサデバイス１０は、タッチセンサとして指定され、容量センサデバイス２０は、移動センサとして指定される。タッチセンサの代わりに、本発明によるセンサシステム１はまた、他のセンサデバイスを備えてもよい。

しかしながら、以下では、本発明は、タッチセンサおよび移動センサを備える、センサシステム１に基づいて説明される。

便宜上、タッチセンサ１０の１つのみのセンサ電極１１および移動センサ２０の１つのみのセンサ電極２１が、図１に示される。センサシステム１の具体的実施形態では、タッチセンサ１０は、いくつかのセンサ電極１１を有し、移動センサ２０は、いくつかのセンサ電極２１を有する。

タッチセンサ１０および移動センサ２０は、交互に動作され、これは、第１の動作モードおよび第２の動作モードにおいて、センサシステム１を交互に動作させることによって、タッチおよび移動が、交互に検出されることを意味する。

第２の動作モード（移動センサ２０を用いた検出表面に対する物体の移動の検出）では、移動センサ２０のセンサ電極２１は、検出されるべき物体の静電容量および不可避の寄生静電容量（基礎静電容量）から成る、接地に対する全体的静電容量を測定する。基礎静電容量は、実質的に、移動センサ２０のセンサ電極２１の静電容量、タッチセンサ１０のピン静電容量Ｃ_ＰＩＮ、および静電容量Ｃ_ＰＡＴＨから成る。移動センサ２０の測定結果の解釈の間、基礎静電容量は、一定であると仮定される。実際は、本仮定は、長時間間隔にわたって実施される測定を用いて確認されている。しかしながら、半導体技術の内部効果のため、本仮定は、切替作用直後には当てはまらない。
第１の動作モードから第２の動作モードへの切替後、非アクティブにされたタッチセンサ１０は、理論的には、前述の基礎静電容量にいかなる効果も示すはずはない。しかしながら、実際は、本基礎静電容量は、以下の効果によって影響される。

常時、実構成要素内に存在する、わずかな漏れ電流Ｉ_Ｌｅｃｋは、タッチセンサ１０の端子ＰＩＮにおけるＤＣ電位が、端子に存在する静電容量の充電／放電の結果、経時的に変動するという事実につながる。集積回路の内部構造の結果、内部静電容量は、例えば、静電放電に対する保護として統合された構造が、通常、逆バイアス様式で動作される、ｐ−ｎ接合（ダイオード）を有するため、端子における電圧に依存する。

ダイオード静電容量の電圧依存は、周知である。これらの効果は、全体的基礎静電容量が、経時的に変動する結果をもたらす。本変動の実践的時間定数は、数秒程度である。

しかしながら、本静電容量変動こそが、移動センサ２０の測定信号に整定プロセスをもたらす。

第２の動作モード、すなわち、検出表面に対する物体の移動が検出されるモードでは、いかなる場合も、移動センサ２０の整定時間を短縮するために、固定電位４０と接続され、タッチセンサ１０の寄生静電容量と平行である、信号経路が、提供される。図１では、固定電位４０は、センサシステムの接地ＧＮＤである。しかしながら、固定電位４０はまた、供給電圧Ｖ_ｃｃまたは供給電圧の半分Ｖ_ｃｃ／２であってもよい。しかしながら、固定電位４０はまた、別の好適な様式で形成されてもよく、特に、接地ＧＮＤと供給電圧Ｖ_ｃｃとの間にあってもよい。

ここでは、信号経路内に提供されるのは、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}であって、それを介して、信号経路は、固定電位４０と接続される。タッチセンサ１０の端子ＰＩＮは、信号経路を用いて、固定電位４０と結合されてもよい。同様に、タッチセンサ１０のセンサ電極１１は、固定電位４０と結合されてもよい。両方の場合において、固定電位４０との結合は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して実施される。

本発明のある実施形態では、タッチセンサ１０の全センサ電極１１が、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、固定電位４０と結合されてもよい。

しかしながら、また、特に、移動センサ２０のセンサ電極２１の直接近傍に位置する、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、タッチセンサ１０のそれらのセンサ電極１１と固定電位４０を接続することだけで、センサシステムの製造コストを削減することになることは、有利であり得る。これに関して、それらのセンサ電極１１は、次のセンサ電極２１からのその距離が、ある値を下回るように選択されてもよい。

本発明によると、端子ＰＩＮを接続し、センサ電極１１と固定電位４０を接続するための信号経路はまた、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を伴わずに形成されてもよい。しかしながら、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を信号経路内に提供することは、第１の動作モードから第２の動作モードへの切替の間、端子ＰＩＮにおける電位の変動が、例えば、個別の抵抗値を提供することによって、それぞれ、適合および調節され得るという利点を有する。

抵抗値の個別の選択により、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}が、タッチセンサ１０に影響を及ぼすことなく、かつ接触検出にも影響を及ぼさないことが試験によって示されている。それぞれ、接触位置および接触もまた、信号経路内で電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を使用するとき、正しく検出される。

信号経路の提供を用いることによって、第１の動作モードから第２の動作モードへの切替後の移動センサ２０の整定時間は、第１の動作モードから第２の動作モードへの切替によって生じる、端子ＰＩＮにおける電位の変動が、対応して適合されるため、短縮される。

図２は、本発明によるセンサシステムの代替実施形態を示す。図２に示されるセンサシステムは、実質的に、図１に示されるセンサシステムに対応する。

図２に示されるセンサシステム１では、電気スイッチ５０が、信号経路を固定電位４０から分離するために、信号経路内に提供される。例えば、センサデバイス１が、検出表面の接触が検出される第１の動作モードにあるとき、その時、移動検出は、非アクティブであって、したがって、移動センサ２０の整定時間の短縮が要求されないため、電気スイッチ５０を開放することが有利であり得る。

センサシステム１の特定の実施形態では、信号経路はまた、センサ電極１１および端子ＰＩＮと、それぞれ、固定電位４０を接続するために、タッチセンサ１０内に提供されてもよい。図３ａは、移動センサおよびタッチセンサを備える、センサシステム内の移動センサのセンサ信号の信号経過を示すが、移動センサの整定時間を短縮するための手段は、提供されない。最初に、センサシステムは、第２の動作モードＢＭ２で動作される。その後、第２の動作モードＢＭ２から第１の動作モードＢＭ１への切替が、実施され、物体によるセンサ表面の接触が、検出される。続いて、第１の動作モードＢＭ１から第２の動作モードＢＭ２への切替が、実施される。

図３ａから分かるように、信号は、整定するまで、比較的に長い時間を要求する（約ｔ＝２秒）。信号の整定後のみ、さらなる作用を伴わずに、移動検出のために使用され得る。第１の動作モードＢＭ１から第２の動作モードＢＭ２への切替時間と、センサ信号が実質的に整定する時間との間、移動検出は、実施され得ない、または付加的手段が、未だ整定していない信号からの移動を検出するために提供される必要があるかのいずれかである。

図３ｂは、タッチセンサおよび移動センサを備える、センサシステム内の移動センサのセンサ信号の信号の経過を示し、センサシステムは、図１に関して説明される移動センサの整定時間を短縮するための手段を提供する。

図３ａに示される信号経過とは対照的に、第１の動作モードＢＭ１から第２の動作モードＢＭ２への切替後の移動センサの整定時間は、有意に短縮され、ほぼ排除されており、それぞれ、理想化された信号経過が、図３ｂに示される。

本発明による、容量移動センサの整定時間の短縮は、例えば、図３ａによる信号経過の場合のように、付加的手段が提供される必要なく、動作モードの切替直後、既に、移動検出が実施され得るように、第２の動作モードＢＭ２へのほぼ切替直後、整定されたセンサ信号が存在するという利点を有する。

移動センサのセンサ信号の整定時間を短縮するための本発明によるセンサシステムおよび本発明による方法は、加えて、移動センサのセンサ信号内の雑音が、有意に低減されるという利点を有する。さらなる利点は、それぞれ、整定信号および未だ整定されていない信号の広範囲に及ぶ信号処理が、なくなり得るため、信号処理が大幅に簡略化され、したがって、それぞれ、より多くの時間およびより多くの計算時間が、他の用途のために利用可能であることである。加えて、移動検出における潜在的不正確性が、整定時間の短縮を用いて、最大可能範囲まで排除されるため、移動検出の検出精度が、有意に改良され得る。

本発明によるセンサシステムは、例えば、デバイス、特に、タッチセンサ式および接近感知入力表面、例えば、タッチパネルを備える、電気ハンドヘルドデバイス内で使用されてもよい。例えば、電気ハンドヘルドデバイスは、モバイル携帯電話、コードレス電話、モバイルミニコンピュータ、タブレットＰＣ、または同等物であってもよい。

さらに、本発明によると、本発明によるセンサシステムを提供するために、それぞれ、市販および既存のタッチセンサと移動センサを組み合わせことが可能である。これに関して、少なくとも、センサシステムの第２の動作モードにおいて、タッチセンサのセンサ電極および／または端子と固定電位を接続する、適用可能である場合、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を備える、対応する信号経路が、センサシステム内に提供されるが、唯一保証される必要がある。

さらに、本発明によると、直接、前述の説明される電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}をタッチセンサに統合することが可能である。タッチセンサは、多くの場合、内部構造がオンおよびオフに切り替られ得る、集積回路ＩＣまたは単一チップシステムＳｏＣにすぎない。加えて、また、ピン静電容量の時間変動を抑制するための他の手段、例えば、それぞれ、好適なトランジスタ回路およびトランジスタデバイスが提供されてもよい。

Claims

検出表面に対する物体の移動を検出するための第１のセンサデバイス（１０）および第２の容量センサデバイス（２０）を備える、センサシステム（１）であって、前記センサシステム（１）は、第１の動作モード（ＢＭ１）および第２の動作モード（ＢＭ２）で動作されてもよく、前記センサシステム（１）は、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替えられてもよく、前記第２の容量センサデバイス（２０）は、いくつかの第２のセンサ電極（２１）を備え、前記センサシステム（１）では、少なくとも、前記第２の動作モード（ＢＭ２）において、前記第１のセンサデバイス（１０）の寄生静電容量と平行である、所定の固定電位（４０）と接続可能な少なくとも１つの信号経路が、提供される、システム。
前記所定の固定電位（４０）は、接地電位（ＧＮＤ）、供給電圧（Ｖ_ｃｃ）、前記供給電圧の半分（Ｖ_ｃｃ／２）、および接地電位（ＧＮＤ）と供給電圧（Ｖ_ｃｃ）との間の電位のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のセンサシステム。
前記信号経路は、電気抵抗Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}を介して、前記所定の電位（４０）と接続される、請求項１または２に記載のセンサシステム。
前記信号経路を用いて、前記第１のセンサデバイス（１０）の少なくとも１つの端子（ＰＩＮ）が、前記電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と結合される、請求項３に記載のセンサシステム。
前記第１のセンサデバイス（１０）は、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスを備え、前記第１の容量センサデバイス（１０）は、いくつかの第１のセンサ電極（１１）を備え、前記第１の動作モード（ＢＭ１）では、接触が、検出されてもよく、前記第２の動作モード（ＢＭ２）では、移動が、検出されてもよい、請求項１〜４のうちのいずれかに記載のセンサシステム。
前記信号経路を用いて、
−前記第１のセンサ電極（１１）の少なくとも１つの電極が、前記電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と結合される、または
−少なくともそれらの第１のセンサ電極（１１）はそれぞれ、１つの電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と結合され、前記第２のセンサ電極（１１）からのその距離は、所定の値を下回る、
請求項５に記載のセンサシステム。
前記第２の動作モード（ＢＭ２）では、前記信号経路と前記所定の固定電位（４０）を接続するように設計される、切替デバイス（５０）が、前記信号経路内に提供される、請求項１〜６のうちのいずれかに記載のセンサシステム。
検出表面（３０）に対する物体の移動を検出するための第２の容量センサデバイス（２０）の整定時間を短縮するための方法であって、前記第２の容量センサデバイス（２０）は、加えて、第１のセンサデバイス（１０）を備える、センサシステム（１）の一部であって、前記センサシステム（１）は、第１の動作モード（ＢＭ１）または第２の動作モード（ＢＭ２）で動作され、少なくとも、前記第２の動作モード（ＢＭ２）において、少なくとも１つの信号経路は、前記センサシステム（１）内の所定の固定電位（４０）と接続され、前記信号経路は、前記第１のセンサデバイス（１０）の寄生静電容量と平行である、方法。
前記信号経路は、電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と接続される、請求項８に記載の方法。
前記第１のセンサデバイス（１０）は、物体による検出表面との接触を検出するための容量センサデバイスを備え、前記第１の容量センサデバイス（１０）は、いくつかの第１のセンサ電極（１１）を備え、前記第１の動作モード（ＢＭ１）では、接触が、検出され、前記第２の動作モード（ＢＭ２）では、前記移動が、検出される、請求項８または９のうちのいずれかに記載の方法。
前記信号経路を用いて、
−前記第１の容量センサデバイス（１０）の少なくとも１つの端子（ＰＩＮ）が、前記電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と接続される、または
−前記第１の容量センサデバイス（１０）の前記センサ電極（１１）の少なくとも１つの電極が、前記電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と接続される、
請求項１０に記載の方法。
物体による検出表面（３０）との接触を検出するためのセンサデバイス（１０）であって、前記センサデバイス（１０）は、いくつかのセンサ電極（１１）を備え、前記センサデバイス（１０）の寄生静電容量と平行である、所定の固定電位（４０）と接続可能な、少なくとも１つの信号経路が、前記センサデバイス（１０）内に提供される、デバイス。
前記信号経路を用いて、
−前記センサデバイス（１０）の少なくとも１つの端子（ＰＩＮ）が、電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と結合される、および／または
−前記センサ電極（１１）の少なくとも１つの電極が、前記電気抵抗（Ｒ_{ＢＹＰＡＳＳ}）を介して、前記所定の電位（４０）と結合される、
請求項１２に記載のセンサデバイス。
前記センサデバイスは、容量センサデバイスを備える、請求項１２または１３に記載のセンサデバイス。