JP2018502464A - 容量感知における接地されていない伝導性物体のアナログ排除 - Google Patents

Abstract

容量センサ（１５０）の自己静電容量測定を開始することによって、容量センサとのタッチ決定を行う方法であり、同時に、容量センサを含む相互静電容量測定が、行われる。そのような方法は、自己静電容量測定と相互静電容量測定とが、容量センサに接近またはタッチする接地されていない伝導性物体では差動的に打ち消し合い、容量センサに接近またはタッチする接地された物体に対して相加的に結合するように行われることができる。一実施形態において、自己静電容量測定は、容量分圧器測定である。

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／０６８，４５０号（２０１４年１０月２４日出願）の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。

（技術分野）
本開示は、容量感知に関し、特に、容量感知における高誘電率物体等の接地されていない伝導性物体のアナログ排除に関する。

容量タッチ表面は、適切に機能するために、汚濁がないことが必要である。しかしながら、ある環境における容量タッチ感知は、表面を汚し、感知特性に悪影響を及ぼす、液体または他の物質にタッチ表面をさらす。故に、タッチ表面の汚濁、特に、タッチ表面上の水分によって影響されない、容量タッチ感知の必要がある。

容量感知における水分抵抗のための既存の解決策は、相互静電容量のみを使用し、水分がシステムに導入されると、信号に負のシフトを、指が導入されると、正のシフトを生じさせる。水分がシステムから除去されるとき、負のシフトの除去があまりに大きな正のシフトを生じさせる場合、誤ったトリガが生じ得る。

この問題の他の解決策は、水分と指との間の挙動の差異を検出するために、ソフトウェアパターンマッチングアルゴリズムを使用する。これは、大きなオーバーヘッドおよび全てのパターンの挙動が考慮されるとは限らない可能性につながる。

ある実施形態によると、容量センサとのタッチ決定を行う方法では、容量センサの自己静電容量測定が開始され、同時に、容量センサを含む相互静電容量測定が、行われる。

さらなる実施形態によると、自己静電容量測定中、センサが高インピーダンス状態に設定された後、パルスが、相互静電容量測定を行うために、容量センサに容量結合されることができる。さらなる実施形態によると、遮蔽または保護電極が、容量結合を提供するために容量センサに近接して配置されることができる。さらなる実施形態によると、自己静電容量測定は、容量分圧器測定であることができる。さらなる実施形態によると、自己静電容量測定は、充電時間測定である。さらなる実施形態によると、方法はさらに、較正方法を含み得、較正方法は、タッチ決定を行う前に行われる。較正方法は、個々の自己静電容量測定を行い、第１の測定値を記憶するステップと、個々の相互静電容量測定を行い、第２の測定値を記憶するステップと、スケーリング係数を第１および第２の測定値から計算するステップとを含み得、タッチ決定を行う方法は、該スケーリング係数を自己静電容量または相互静電容量測定に適用するステップを含む。

別の実施形態によると、容量センサとのタッチ決定を行う方法は、センサの第１のコンデンサを第１のレベルに充電し、第２のコンデンサを第２のレベルに充電するステップと、センサが高インピーダンスに設定されている間に第１および第２のコンデンサを並列に結合し、パルスをセンサと容量結合されている保護センサにフィードするステップと、安定化段階後、並列に結合された静電容量の第１の安定化させられた電圧レベルを決定するステップと、その後、センサの第１のコンデンサを第２のレベルに、第２のコンデンサを第１のレベルに充電するステップと、センサが高インピーダンスに設定されている間に第１および第２のコンデンサを並列に組み合わせるステップであって、パルスは、第１および第２のコンデンサの結合後、終了させられる、ステップと、安定化段階後、並列に結合された静電容量の第２の安定化させられた電圧レベルを決定するステップとを含み得る。

さらなる実施形態によると、第１のレベルは、所定の電圧Ｖ_ＤＤであることができ、第２の電圧レベルは、接地レベルＶ_ＳＳである。さらなる実施形態によると、第２のレベルは、所定の電圧Ｖ_ＤＤであることができ、第１の電圧レベルは、接地レベルＶ_ＳＳである。さらなる実施形態によると、パルスは、Ｖ_ＤＤの電圧レベルを有し、第１および第２のコンデンサを並列に結合するときに開始する所定の期間の満了後、始まり得る。

さらに別の実施形態によると、容量センサとのタッチ決定を行うためのマイクロコントローラは、自己静電容量測定および相互静電容量測定を行うように構成可能であり、容量測定ユニットと結合されている容量センサの自己静電容量測定を開始し、同時に、容量センサを含む相互静電容量測定が行われるように動作可能な制御ユニットを備えている、容量測定ユニットを備え得る。

マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、容量測定ユニットは、自己静電容量測定中、高インピーダンス状態に切り替わり、相互静電容量測定を行うために、パルスを容量センサに容量結合するように構成されることができる。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、容量測定ユニットは、容量分圧器測定ユニットを備えている。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、容量分圧器測定ユニットは、外部ピンとサンプルホールドコンデンサとの間に結合され、外部接続されているコンデンサを第１または第２の電圧レベルに充電すること、または外部接続されているコンデンサをサンプルホールドコンデンサと並列に切り替えることを行うように動作可能である、第１のスイッチユニットと、サンプルホールドコンデンサと結合され、サンプルホールドコンデンサを該第１または第２の電圧レベルのいずれかに充電するように動作可能である第２のスイッチユニットと、並列に切り替えられたコンデンサと結合されるように動作可能なアナログ／デジタルコンバータとを備え得、制御ユニットは、該第１および第２のスイッチユニットを制御するように構成される。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、マイクロコントローラはさらに、出力ポートとして動作するように構成可能な入力／出力ポートと結合されている第２の外部ピンを備え得、制御ユニットは、相互静電容量測定を行うための出力ポートを制御するように構成される。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、容量測定ユニットは、充電時間測定ユニットを備え得、制御ユニットは、該充電時間測定ユニットを用いて自己静電容量測定を制御するように構成され、充電時間測定ユニットは、容量センサと接続されることが可能な第１の外部ピンと接続される。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、マイクロコントローラはさらに、出力ポートとして動作するように構成可能な入力／出力ポートと結合されている第２の外部ピンを備え得、制御ユニットは、相互静電容量測定を行うための出力ポートを制御するように構成される。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、制御ユニットは、タッチ決定を行う前に較正を行うように構成されることができ、制御ユニットは、個々の自己静電容量測定を制御し、第１の測定値を記憶し、個々の相互静電容量測定を制御し、第２の測定値を記憶し、マイクロコントローラの制御ユニットまたはプロセッサは、スケーリング係数を該第１および第２の測定値から計算するように構成され、タッチ決定を行うために、制御ユニットは、該スケーリング係数を該自己静電容量または該相互静電容量測定に適用するように構成される。マイクロコントローラのさらなる実施形態によると、スケーリング係数は、該自己静電容量測定中の充電レベルまたは該相互静電容量測定中の電圧レベルを変化させ得る。

別の実施形態によると、システムは、そのようなマイクロコントローラを備え、さらに、該第１の外部ピンを通してマイクロコントローラと接続されている容量センサと、該第２の外部ピンと接続されている、容量センサに近接して配置されている遮蔽または保護電極とを備え得る。

さらに別の実施形態によると、容量センサとのタッチ決定を行う方法は、容量センサの自己静電容量測定を開始するステップと、容量センサを含む相互静電容量測定を開始するステップと、自己静電容量測定または相互静電容量測定の出力値のいずれかのスケーリングを行うステップと、自己静電容量測定および相互静電容量測定の出力値を組み合わせるステップとを含み得る。

前述の方法のさらなる実施形態によると、方法はさらに、出力値を組み合わせるステップが出力値を加算するステップを含むことを含み得る。前述の方法のさらなる実施形態によると、遮蔽または保護電極は、容量結合を提供するために容量センサに近接して配置されることができる。前述の方法のさらなる実施形態によると、自己静電容量測定は、容量分圧器測定であることができる。前述の方法のさらなる実施形態によると、自己静電容量測定は、充電時間測定であることができる。前述の方法のさらなる実施形態によると、方法はさらに、スケーリング係数を決定するために較正方法を含み得、較正方法は、タッチ決定を行う前に行われ、較正方法は、個々の自己静電容量測定を行い、第１の測定値を記憶するステップと、個々の相互静電容量測定を行い、第２の測定値を記憶するステップと、スケーリング係数を該第１および第２の測定値から計算するステップとを含む。

さらに別の実施形態によると、容量センサとのタッチ決定を行う方法は、容量センサの自己静電容量測定を開始するステップを含み得、自己静電容量測定と相互静電容量測定とが、該容量センサに接近またはタッチする接地されていない伝導性物体では差動的に打ち消し合い、該容量センサに接近またはタッチする接地された物体に対して相加的に組み合わせるように、同時に、容量センサを含む相互静電容量測定が行われる。

図１および２は、自己静電容量を測定するための容量タッチセンサを伴う従来の配置を示す。 図１および２は、自己静電容量を測定するための容量タッチセンサを伴う従来の配置を示す。 図３は、自己静電容量測定の関連付けられたタイミング図を示す。 図４および５は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザによるタッチの影響を示す。 図４および５は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザによるタッチの影響を示す。 図６は、種々の実施形態による、容量タッチセンサのための配置を示す。 図７ａ、ｂ、ｃは、保護または遮蔽電極の実施形態を示す。 図８は、図６による配置を使用して、測定の原理を説明する。 図９は、関連付けられたタイミング図を示す。 図１０−１３は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザのタッチの影響を示す。 図１０−１３は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザのタッチの影響を示す。 図１０−１３は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザのタッチの影響を示す。 図１０−１３は、それぞれ、センサ汚濁およびユーザのタッチの影響を示す。 図１４および１５は、それぞれ、汚濁の有無による、自己静電容量、相互静電容量、およびそれらの組み合わせの第１および第２の測定のタイミング図を示す。 図１４および１５は、それぞれ、汚濁の有無による、自己静電容量、相互静電容量、およびそれらの組み合わせの第１および第２の測定のタイミング図を示す。 図１６は、汚濁の有無による、センサのユーザタッチイベントの処理される出力値のタイミング図を示す。 図１７は、異なる静電容量測定システムを使用する、他の実施形態による配置の実施例を示す。 図１８は、測定をスケーリングする影響を示す。

種々の実施形態によると、自己静電容量と相互静電容量とが、高誘電率物体、例えば、水分、洗剤、およびガソリン等の接地されていない容量物体に対するアナログ信号シフトを排除するために組み合わせられる。

自己静電容量および相互静電容量それ自体は、容量タッチシステムの公知の成分である。図１は、タッチステータスの評価のためにマイクロコントローラ１１０またはフロントエンドデバイスと結合される従来の容量タッチセンサ１５０の配置１００を示す。マイクロコントローラ１１０は、内部サンプルホールドコンデンサＣＡＤＣと、関連付けられたアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１６０とを有する。サンプルホールドコンデンサＣＡＤＣは、外部ピン１３０および１４０と結合され、ピン１４０は、接地１７０に接続される接地ピンであることができる。図１は、変動し、実装に依存し得るので、サンプルホールドコンデンサＣＡＤＣをピン１３０、ＡＤＣ１６０の入力、基準電圧、および接地と接続するために使用され得る種々の内部スイッチを示さない。センサパッド１５０は、ピン１３０に外部接続され、参照記号ＣＲＸを用いて図１に示されるように、接地１７０との容量結合を提供する。これは、ユーザインターフェース内のタッチを決定するために多くの用途において使用される標準的回路モデルを表す。センサは、基板の接地１７０に結合する。マイクロコントローラは、ピン１４０を介して、基板の接地１７０に接続される。

この容量システムは、既知の固定内部静電容量（ＣＡＤＣ）と、未知の可変外部静電容量（ＣＲＸ）とから成る。外部センサ１５０は、マイクロコントローラのアナログ入力１３０に接続される伝導性物体であり、マイクロコントローラは、基板の接地１７０に結合する。センサ１５０は、用途に応じて、任意の好適な形状を有し得る。例えば、印刷回路基板の任意の層内または任意のタイプの好適な基板内に形成され得る。上部層上に形成され、したがって、露出される場合、必要に応じて、非伝導性層によってシールされ得る。

図２は、センサとマイクロコントローラの接地基準との間で測定される静電容量である「自己静電容量」の定義を示す。センサと基板の接地との間の線１２０によって示される結合の量は、センサ１５０の「自己静電容量」である。それは、その近接する物体等の環境パラメータに依存し、したがって、ユーザによるタッチを検出するために使用されることができる。

図３における波形は、自己静電容量測定が、例えば、多くのマイクロコントローラ（例えば、本出願人によって製造されるマイクロコントローラ）において利用可能な容量分圧器（ＣＶＤ）走査を使用して行われる方法を示す。ＣＶＤ周辺機器およびその用途は、例えば、参照することによって本明細書に組み込まれる、ＭｉｃｒｏｃｈｉｐのアプリケーションノートＡＮ１４７８から公知である。さらに、例えば、参照することによって本明細書に組み込まれる、ＭｉｃｒｏｃｈｉｐのアプリケーションノートＡＮ１３７５から公知のようなＭｉｃｒｏｃｈｉｐの充電時間測定ユニット（ＣＴＭＵ）等の多くの他の技法を使用することも可能である。ＣＶＤ取得方法は、内部静電容量をＶＤＤまで充電し、外部静電容量をＶＳＳまで放電し、次いで、２つの静電容量を接続し、それらが、それらの電圧が中間点に安定化することを可能にすることによって機能する。そして、このプロセスは、繰り返され、内部静電容量をＶＳＳまで放電し、外部静電容量をＶＤＤまで充電し、そして、２つの静電容量を接続し、それらの電圧が中間点に安定化することを可能にする。

図３は、外部静電容量ＣＲＸ（実線）および内部静電容量ＣＡＤＣ（点線）に対する電圧のタイミング図を示す。測定は、最初に、時間ｔ１において、内部静電容量をＶＤＤまで充電し、外部静電容量をＶＳＳまで放電することによって遂行されることができる。前述のように、内部スイッチが、マイクロコントローラ１１０内に提供され、外部静電容量ＣＲＸと内部静電容量ＣＡＤＣとの別個の充電を可能にする。時間ｔ２において、静電容量の充電は、停止され、両静電容量ＣＲＸおよびＣＡＤＣは、一緒に接続される。それらは、外部静電容量ＣＲＸと比較される内部静電容量ＣＡＤＣのサイズに基づく電圧に安定化し、時間ｔ３において、電圧測定が、ＡＤＣ１６０によって行われる。そして、逆の充電プロセスが時間ｔ４において開始する。ここで、外部静電容量ＣＴＸは、ＶＤＤまで充電され、内部静電容量ＣＡＤＣは、ＶＳＳまで放電される。時間ｔ５において、両静電容量ＣＲＸおよびＣＡＤＣは、再び、並列に接続され、電圧安定化後、時間ｔ６において、第２の電圧測定が、ＡＤＣ１６０によって行われる。

外部静電容量ＣＲＸは、センサピン１３０とマイクロコントローラの接地１７０との間に見られる静電容量、すなわち、回路モデル内のＣ_ＲＸである。外部静電容量Ｃ_ＲＸが増加するにつれて（すなわち、自己静電容量が増加するにつれて）、時間ｔ_３における第１の安定化点は、減少し、時間ｔ_６における第２の安定化点は、増加するであろう。したがって、安定化点は、差動的にシフトするであろう。ＣＶＤ波形の第１の部分の間、センサの自己静電容量の増加は、時間ｔ_３において、最終安定化電圧を減少させるであろう。ＣＶＤ波形の第２の部分の間、センサの自己静電容量の増加は、時間ｔ_６において、最終安定化電圧を増加させるであろう。２つの測定間の差異は、タッチが生じたかどうかを決定するための閾値との比較のために使用されることができる。

図４は、水分４００等の汚濁物質が、容量結合ＣＦＲｘを介してセンサに、容量結合ＣＦＧｎｄを介して基板の接地にいかに結合するかを示す。これは、直列の２つのコンデンサを生成し、それらは、両方ともＣＲＸと並列である。ＣＦＲｘは、ＣＦＧｎｄと直列である。ＣＦＲｘおよびＣＦＧｎｄは両方とも、ＣＲｘと並列である。並列静電容量をＣＲｘに加算することは、センサ１５０とマイクロコントローラの接地１７０との間に見られる静電容量の量を増加させるであろう。その結果、自己静電容量は、水分に伴って増加する。

図５は、指５００がセンサ１５０に置かれた状態の自己静電容量測定を示す。指は、２つの結合経路を有する。１つは、水分挙動と同じ局所結合経路であり、すなわち、ＣＦＲｘおよびＣＦＧｎｄは、直列であり、ＣＲｘに対して並列静電容量を生成する。もう１つは、「長距離」結合経路であり、ＣＦＲｘからＣＨＢＭに、そこからＣＧｎｄＧｎｄに進行する。これらの３つの静電容量は、直列であり、ＣＲｘに対して並列静電容量を生成する。ＣＨＢＭ（「人体モデル」）は、非常に大きい傾向にある。しかしながら、ＣＧｎｄＧｎｄは、システムに基づいて変動するであろう。

ユーザは、基板の接地から完全に絶縁されるか？Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}は、開回路であり、Ｃ_ＦＲｘ−Ｃ_ＨＢＭ−Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}経路の影響は、除去される。

（例：）
＊ユーザがその指の先端のみを使用して画面にタッチしている、ソファ上にあるバッテリ給電式携帯電話。
＊非伝導性正面パネルを伴う絶縁された電力供給源アクセスパネル。
ユーザと基板とは、接地を共有しているか？Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}は、短絡であり、Ｃ_ＦＲｘ−Ｃ_ＨＢＭ−Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}の影響は、最大化される。
（例：）
＊ユーザが保持しているバッテリ給電式携帯電話。（ケースは、電話の接地であり、ここでは、ユーザの身体に短絡される。）
＊非絶縁電力供給源アクセスパネル。
システムは、「グレーゾーン」内で機能しているか？Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}は、Ｃ_ＦＲｘ−Ｃ_ＨＢＭ−Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}結合経路の影響を変動させるであろう、ある量の静電容量である。
（例：）
＊アースに接続されている基板であるが、ユーザは、ハイヒールを履いている。
＊基板は、絶縁されているが、金属正面パネルとユーザとが接近すると、それらは結合する。

その結果、水分のように、自己静電容量は、指５００が回路に追加されると増加するであろう。しかしながら、新しい第２の結合経路は、追加された静電容量の量を非常に大きく変動させ得る。実際、この影響は、システムの感度を２倍に変化させ得る。

ヒトの指５００が回路に追加されると、それは、センサ１５０および基板の接地１７０に結合するが、ここでは、ユーザの人体モデルを通してアース５１０の中への結合経路も存在し、したがって、Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}によって表されるアース５１０と基板の接地１７０との間のある量の結合も存在する。

種々の実施形態によると、例えば、図６に示されるように、例えば、マイクロコントローラ１１０のＩ／Ｏポート２１０によって発生させられるＴｘ駆動信号が、外部接続２２０を介して、回路に追加される。この目的を達成するために、第２の電極２５０、２６０、２７０が、図７ａ−ｃに示されるように、提供され得る。例えば、第２の電極２７０は、例えば、図７ｃに示されるように、遮蔽または保護としてセンサ電極１５０を包囲し得る。しかしながら、第２の電極の設置は、重要ではなく、単に、保護または遮蔽電極２５０、２６０、２７０とセンサ電極１５０との間に、保護または遮蔽電極２５０、２６０、２７０と基板の接地１７０との間におけるより多くの容量結合が存在することが確実にされるために必要とする。したがって、一実施形態によると、遮蔽電極２６０およびセンサ電極１５０は、図７ｂに示されるように、異なる層、例えば、印刷回路基板の層内に形成され得る。電極の任意の他の配置も、可能である。例えば、図７ａは、センサ電極１５０を部分的にのみ包囲する遮蔽電極２５０を伴う、実施形態を示す。ポート２１０によって発生させられる信号の容量結合のための多くの他の方法も、可能である。図６は、「Ｔｘ」と呼ばれるマイクロコントローラからの出力信号が、ここで、そのような容量結合を介して、回路に追加されることを示す。

加えて、図６はまた、実施例として、ＶＤＤまたは接地のいずれかを用いて外部および内部コンデンサの別個の充電を可能にする種々のスイッチ６１０−６６０を示す。スイッチ６６０は、ＡＤＣ１６０が高インピーダンス入力を有する場合、必要ではないこともある。要素６７０および６８０ならびにそれらの機能は、図１８に関して以下に説明されるであろう。スイッチは、ＣＶＤユニットに関連付けられた状態機械によって自動的に制御され得る。より分かりやすい概要のために、図８および１０−１３は、スイッチを示していない。

図８は、参照記号１２５を伴う「相互静電容量」の定義を示す。図８は、センサ１５０と、外部接続２２０を介してポート２１０によって提供される「Ｔｘ」（「保護」または「遮蔽」としても知られる）駆動信号との間のＡＣ結合を示す。ＣＴｘＲｘは、低インピーダンスＴＸ信号と高インピーダンスセンサ１５０との間のＡＣ結合を表す。言い換えると、ピン２２０は、出力ピンであり、ピン１３０は、入力ピンである。Ｔｘ信号が移動するにつれて、電荷が、Ｒｘセンサ１５０に流れるであろう。ＴＸ駆動とセンサ１５０との間のＡＣ結合の量は、相互静電容量と呼ばれ、ＣＴｘＲｘまたは参照記号１２５によって表される。

図９は、図３と類似方法における、種々の実施形態による、測定および駆動信号のタイミング図を示す。特に、図９は、ＴＸ信号９００がＣＶＤ波形によってそのように駆動されるかを示す。測定サイクルは、時間ｔ１において、図３に示されるものと同一方法で開始する。第１の安定化段階が時間ｔ２において開始した後、ＴＸ信号は、時間ｔ２’において、高に駆動される。ＴＸノード２２０は、電荷をＲＸセンサ１５０に結合し、最終安定化点が以前より高くなるようにするであろう。再び、第２の測定は、時間ｔ４において、図３におけるものと同様に、逆充電を開始するであろう。第２の安定化段階が時間ｔ５において開始した後、ＴＸ信号９００は、時間ｔ５’において、低に駆動される。ＴＸノード２２０は、電荷をＲＸセンサ１５０に結合し、最終安定化点が依然より低いようにするであろう。相互静電容量が減少する場合、ＴＸ信号９００によって生じさせられるオフセットは、減少させられるであろう。その影響は、ＴＸ駆動と反対方向における最終安定化電圧のシフトであろう。これは、自己静電容量が増加するときと同一方向であろう。相互静電容量が増加する場合、ＴＸ信号によって生じさせられるオフセットは、増加させられるであろう。これは、自己静電容量が増加するときと反対方向であろう。

駆動信号９００は、センサが高インピーダンス入力に設定された後、内部静電容量と外部静電容量との間の電圧に安定化しつつあるときに、ＣＶＤ波形と同相で駆動される。タイミング、例えば、ｔ２とｔ２’との間またはｔ５とｔ５’との間の差異は、重要ではなく、パルスの立ち上がりエッジは、高インピーダンス設定が利用可能となった後、任意の時間で開始することができる。したがって、パルスは、高インピーダンスが利用可能になるとすぐに、例えば、ｔ２＝ｔ２’およびｔ５＝ｔ５’に、または、安定化時間（ｔ３およびｔ６）に到達した後にさえ生じ得、それは、時間差に応じて、当然ながら、パルス充電のために追加の安定化時間を要求するであろう。図９に示されるように、ｔ２’＞ｔ２およびｔ５’＞ｔ５を伴う短時間差異が、種々の実施形態に従って使用され得る。示されるように、同じタイミング要件が、パルス９００の立ち上がりおよび立ち下がりエッジに適用され得る。しかしながら、タイミングは重要ではないので、ｔ２とｔ２’との間およびｔ５とｔ５’との間の異なる時間差が、いくつかの実施形態に従って適用され得る。

ＣＶＤ波形の第１の部分ｔ１からｔ３の間、ＴＸ駆動９００は、センサに結合し、最終安定化電圧がＴＸ結合を伴わないであろうものより高いようにするであろう。ＣＶＤ波形の第２の部分ｔ４からｔ６の間、ＴＸ駆動９００は、センサに結合し、最終安定化電圧がＴＸ結合を伴わないであろうものより低いようにするであろう。ＴＸとセンサ１５０との間の相互結合１２５の増加は、この影響を増加させるであろう。

種々の実施形態による、相互静電容量電荷を追加する原理は、示される容量分圧器測定方法に限定されない。それは、遮蔽／保護電極２５０、２６０、２７０とセンサ電極１５０との間の容量結合１２５を介してセンサ１５０を充電可能である高インピーダンス測定である限り、他の容量測定にも適用されることができる。前述のように、種々の実施形態に従う原理は、例えば、本出願人によって製造される多くのマイクロコントローラにおいて利用可能な充電時間測定ユニット（ＣＴＭＵ）にも適用されることができる。

図１０は、種々の実施形態による、水分１０００等の汚濁物質が、どのようにＴｘ駆動（ＣＴｘＦ）、センサ（ＣＦＲｘ）、および基板の接地（ＣＦＧｎｄ）に結合するかを示す。水分１０００の存在は、電荷の一部をセンサ１５０から水分１０００の中に向け直すので、若干、ＣＴｘＲｘを減少させる。基板は、ＣＦＲｘがＣＦＧｎｄをはるかに上回るように設計され得る。これは、例えば、単に、接地をセンサ１５０から離して保つことによって遂行されることができる。水分１０００は、回路に追加されると、ＴＸ駆動ピン２２０、センサ１５０、および基板の接地１７０に結合する。

図１１は、ＣＦＲｘ＞ＣＦＧｎｄであるので、ＣＴｘＦを通して進行する電荷がＣＦＲｘを通してセンサ１５０の中に向け直されることを示す。水分１０００は、ＣＴＸＲＸを減少させ、電荷をＣＴＸＦを通るように向け直すであろう。ある実施形態によると、基板は、ＣＦＲＸをＣＦＧＮＤより大きくするように設計されている。したがって、水分１０００中の電荷は、ここでは、ＣＦＲＸの中に向け直される。したがって、水分１０００は、ＣＴＸＲＸを減少させるが、電荷を別の経路を通してセンサ１５０の中に向け直す。全体的影響として、ＴＸとセンサ１５０との間の相互静電容量が増加する。

ＣＴｘＲｘは、水分１０００に起因して減少したが、ＣＴｘＦ−ＣＦＲｘ経路は、ＴｘとＲｘとの間の結合の全体的増加を生じさせる。その結果、遮蔽／保護電極２５０、２６０、２７０とセンサ１５０との間の相互静電容量は、水分１０００が回路に追加されると増加する。

ＣＦＲｘ＜ＣＦＧｎｄである場合、ＣＴｘＦを通して進行する電荷は、ＣＦＧｎｄを通して基板の接地１７０の中に向け直されるであろう。これは、ＴｘとＲｘとの間の結合の減少をもたらすであろう。その結果、相互静電容量は、減少するであろう。これは、前述と反対挙動であり、接地されていない容量物体と接地された容量物体とを区別するための方法の能力に対して壊滅的であろう。相互結合信号のシフト方向の差異は、方法の適切な適用に不可欠である。

さらに、自己静電容量は、並列ＣＦＲｘ−ＣＦＧｎｄ結合経路により、増加させられることを思い出されたい。その結果、水分１０００は、自己静電容量を増加させ、相互静電容量を増加させる。

図１２は、再び、水分１０００と同様に回路に結合する指１２００を示すがここでは、ＣＨＢＭ−ＣＧｎｄＧｎｄ結合経路が存在する。指１２００の存在は、電荷の一部をセンサ１５０から指１２００の中に向け直すので、若干、ＣＴｘＲｘを減少させる。

ユーザの指１２００は、回路に追加されると、ＴＸ駆動、センサ１５０、および基板の接地１７０に結合するが、ここでは、ユーザの人体モデルを通してアースの中への結合経路も存在し、したがって、アースと基板の接地との間のある量の結合も存在する。

図１３に示されるように、ＣＧｎｄＧｎｄが開回路ではない場合、Ｔｘ電荷は、基板の接地１７０の中に向け直されるであろう。ＣＴＸＲＸは、ＴＸ電荷の一部がセンサの中に向け直されるので減少させられる。しかしながら、水分と異なり、電荷は、ＣＦＲＸより大きいこの経路に起因して、ここでは、ＣＨＢＭ経路を通して基板の接地１７０の中に進行する。その結果、指は、保護／遮蔽２５０、２６０、２７０とセンサ１５０との間の相互静電容量を減少させ、これは、水分の反対挙動であるので、好ましいと見なされ得る。ＣＧｎｄＧｎｄが開回路である場合、Ｔｘ電荷は、水分と同一様式で挙動するであろう。ＣＨＢＭ経路は、何ら影響を受けない。その結果、指１２００は、相互静電容量を増加させ、これは、水分と同一挙動であるので、好ましくないと見なされる。

さらに、種々の実施形態の一般原理によると、自己静電容量は、Ｃ_ＦＲｘ−Ｃ_ＦＧｎｄ経路およびＣ_ＦＲｘ−Ｃ_ＨＢＭ−Ｃ_{ＧｎｄＧｎｄ}経路により増加させられることを思い出されたい。その結果、水分または任意の他の接地されていない汚濁物質は、自己静電容量を増加させ、相互静電容量を増加させ、指または任意の他の接地された汚濁物質は、自己静電容量を増加させ、相互静電容量を減少させる。

図１４は、同時に３つの方法で走査される同一センサの信号出力のタイミング図を示す：自己静電容量のみ１２０は、信号１４１０で示される。ここでは、ＴＸ線は、駆動されず、したがって、ＡＣ結合は、存在しない。相互静電容量のみ１２５は、信号１４２０で示される。ここでは、ＣＶＤ波形の「電荷共有」は、行われないが、ＴＸ線は、駆動される。これは、ＡＣ結合のみをもたらす。最後に、信号１４３０は、図９に示されるような自己静電容量測定および相互静電容量測定の両方が同時に行われるときの結果を示す。言い換えると、ＣＶＤが行われ、ＴＸ線が駆動される。

図１４は、第１の測定、言い換えると、図９における時間ｔ３において行われた測定に対するＡＤＣの出力信号を示す。時間線に沿って、２つのユーザ押し下げイベントが、示され、最初の半分は、「クリーン」なセンサに対する測定であり、グラフのほぼ中央では、水分が追加され、第２の押し下げイベントが生じる。したがって、図１４におけるタイミング図の左半分は、接地されていない汚濁物質を伴わない測定を示し、右半分は、水分等の接地されていない汚濁物質を伴う同様の測定を示す。概して、水分がＣＶＤ波形の第１の測定に対して追加されると、自己静電容量の増加は、信号１４１０に関して右半分において示されるように、信号を減少させる。水分が追加されると、相互静電容量の増加は、右半分に示されるように、信号１４２０を増加させる。

指がクリーンなシステムを押し下げると、自己静電容量１２０が増加し、最終安定化電圧ｔ３を低下させる。相互静電容量１２５は、減少し、最終安定化電圧を低下させる。組み合わせられた影響は、安定化電圧における大きな負のシフトである。

水分が、システムに追加されると、図１４の中心に示されるように、自己静電容量１２０は、増加し、相互静電容量１２５は、減少する。それらは、信号９００が駆動される方法の設計により、反対方向にシフトする。両影響の組み合わせは、したがって、出力信号に平衡を保たせ、基本的に、シフトは全く生成されないか、またはわずかなシフトのみが生成される。これは、種々の実施形態による、アナログレベルにおける水分抵抗をもたらす。

指が、水分を伴ってセンサを押し下げると、図１４の右側に示されるように、自己静電容量１２０は、人体モデルの特別な並列静電容量に起因して増加し、最終安定化電圧１４１０を若干低下させる。水分は、ここでは、指によって帯電され、相互静電容量１２５は、ＴＸ電荷が接地に向け直されるので減少する。これは、最終安定化電圧１４２０を有意に低下させる。組み合わせられた影響１４３０として、乾燥環境における押し下げに類似した大きな負のシフトが生じる。

図１５は、図１４とまさに同一であるが、ここでは、ＣＶＤ測定の第２の測定、言い換えると、図９における時間ｔ６において行われる測定を示す。故に、信号形態は、基本的に、図１４に示される信号と逆であり、信号１５１０は、信号１４１０に対応し、信号１５２０は、信号１４２０に対応し、信号１５３０は、信号１４３０に対応する。ＣＶＤ測定における第２の測定に対して、自己静電容量の増加は、信号を増加させ、相互静電容量の増加は、信号を減少させる。したがって、方向は、異なるが、挙動は、図１４における信号と同一である。

したがって、一般に、種々の実施形態によると、自己および相互静電容量変化の正確な挙動は、接地されていない物体に対して差動的であり、接地された物体に対して非差動的である限り、問題ではない。

図１６は、第１の測定信号１４３０を第２の測定信号１５３０から減算することによって処理された最終出力信号を示す。水分抵抗は、信号／アナログレベルにおいて保証されている。ソフトウェアデコーディングは、要求されず、パターン認識および追加のフィルタ処理も、必要ではない。信号シフトは、指または接地された伝導性物体に起因して現れるが、水分または伝導性物体が接地されていないときに排除される。

前述のように、他の測定ユニットが、使用され得る。図１７は、例えば、静電容量を測定するために使用され得る、マイクロコントローラ１７００内に統合される充電時間測定ユニットを示す。例えば、３０ｐＦのスイッチ（ＣＳＷ）および回路（ＣＣＩＲ）のような寄生容量を含む総静電容量を伴う、図１７に示されるようなタッチ用途では、外部回路が、１０μｓ間、例えば、５．５μＡの一定電流で充電されると、これは、１．８３Ｖの電圧を生成する。指のタッチが追加されると、最大１０ｐＦの追加の静電容量（ＣＦ）が、追加される。正確な量の静電容量は、タッチパッドが指によってどのくらい覆われるか、およびパッドを覆う任意の被覆材料に依存する。１０ｐＦ変化に対して、同一電流および充電時間を用いると、電圧は、１．３８Ｖである。電圧は、マイクロコントローラのＡ／Ｄコンバータによって頻繁な間隔で測定される。そして、変化（特に、減少）は、タッチイベントとして解釈されることができる。外部コンデンサの充電の間、高インピーダンス入力が確立され、相互静電容量測定が行われ得る。

回路の自己静電容量と相互静電容量とが均等であるとき、その挙動は、前述のように組み合わせられ、容量センサに及ぼす接地されていない伝導性物体の影響を排除することができる。回路の自己静電容量と相互静電容量とが均等ではない場合、この解決策の有効性は、著しく低減される。したがって、図１８に示されるように、さらなる実施形態に従って、前述と同様の結果が、ソフトウェアによって組み合わせられる個々の測定を用いて達成されることができる。そして、測定をさらに改良するために、スケーリングがソフトウェアにおいて行われることができる。均等化目的のために、いくつかの実施形態によると、「相互静電容量」測定の相対的変化は、「自己静電容量」測定の相対的変化を用いてスケーリングされることができる。相互および自己が均等ではない場合、それらの信号は、組み合わせられた測定に対してデータを説明するために行われたように独立して採取され、その挙動が均等となるように重み付けることができる。したがって、単純な機能が、「相互静電容量」測定の影響を「自己静電容量」測定の影響にスケーリングするために、ソフトウェアにおいて行われることができる。しかしながら、これは、わずかな処理とより長い測定とを要求するであろう。なぜなら、２つの別個の測定が必要であり、そして、一方の測定のスケーリングと、２つの自己および相互静電容量測定結果の組み合わせとが必要であるからである。

代替として、他の実施形態によると、較正ルーチンが、行われ得、そこで、個々の測定が決定され、測定パラメータが結果をスケーリングするように調節される。これが遂行されると、前述のように組み合わせられた測定が行われることができ、電圧レベルは、ここでは、較正ルーチンに従って適合される。したがって、較正の間、各静電容量測定が、個々に行われる。例えば、最初に、自己静電容量が測定され、次いで、同一条件下で、相互静電容量測定が行われる。いくつかの実施形態によると、各測定に対する平均値が、処理されることができ、そして、均等化係数が、計算されることができる。一実施形態によると、電圧または他のそれぞれのパラメータは、スケーリングが、正しい出力値に到達するまで、言い換えると、自己静電容量測定の出力データが、相互静電容量測定の出力データとほぼ等しくなるまで、ループにおいて調節される。そして、この係数は、係数が決定される方法に応じて、相互静電容量測定または自己静電容量測定のいずれかに適用されることができる。言い換えると、充電信号またはパルス信号振幅は、スケーリング係数によって、組み合わせられた自己および相互静電容量測定を最適化するように調節される。これが行われると、タッチ検出は、組み合わせられた技法を使用して行われることができる。

この目的を達成するために、例えば、破線を使用して図６における代替実施形態に示されるように、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）６７０が、随意のオペアンプ２１０と併せて使用され、相互静電容量測定のために使用されるパルスを発生させることができる。いくつかの実施形態によると、ＤＡＣ６７０の出力電圧は、スケーリング係数に従って変動させられ得る。代替として、自己静電容量測定のための電圧の充電は、ＶＤＤを使用する代わりに、プログラマブル基準電圧発生器またはＤＡＣ６８０によって提供され得る。これも、破線を使用して図６に代替実施形態として示される。故に、いくつかの実施形態によると、充電するために使用される基準電圧および／またはパルス出力電圧は、計算されたスケーリング係数に従って変動させられ得る。

再び、これは、高インピーダンス入力を使用する任意のタイプの静電容量測定に適用され得る。しかしながら、ある測定技法に関して、他の要因は、変動させられ得る。例えば、充電時間測定ユニットに関して、時間または一定電流値の一方もしくは両方が、調節され得る。したがって、変更されるパラメータは、それぞれの測定技法に依存する。要約すると、個々の自己および相互静電容量信号は、いくつかの実施形態によると、それらの大きさを均等化するためにソフトウェアにおいてスケーリングされ、そして、１つのセンサ出力信号を生成するために組み合わせられることができる。

Claims (29)

1. 容量センサとのタッチ決定を行う方法であって、
   容量センサの自己静電容量測定を開始することを含み、同時に、前記容量センサを含む相互静電容量測定が行われる、方法。
2. 前記自己静電容量測定中、前記センサが高インピーダンス状態に設定された後、前記相互静電容量測定を行うために、パルスを前記容量センサに容量結合する、請求項１に記載の方法。
3. 遮蔽または保護電極が、容量結合を提供するために前記容量センサに近接して配置されている、請求項２に記載の方法。
4. 前記自己静電容量測定は、容量分圧器測定である、請求項１に記載の方法。
5. 前記自己静電容量測定は、充電時間測定である、請求項１に記載の方法。
6. 較正方法をさらに含み、前記較正方法は、タッチ決定を行う前に行われ、前記較正方法は、
   個々の自己静電容量測定を行い、第１の測定値を記憶することと、
   個々の相互静電容量測定を行い、第２の測定値を記憶することと、
   スケーリング係数を前記第１および第２の測定値から計算することと
   を含み、前記タッチ決定を行う方法は、前記スケーリング係数を前記自己静電容量または前記相互静電容量測定に適用することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 容量センサとのタッチ決定を行う方法であって、
   センサの第１のコンデンサを第１のレベルに充電し、第２のコンデンサを第２のレベルに充電することと、
   前記センサが高インピーダンスに設定されている間に第１および第２のコンデンサを並列に結合し、パルスを前記センサと容量結合されている保護センサにフィードすることと、
   安定化段階後、前記並列に結合された静電容量の第１の安定化させられた電圧レベルを決定することと、
   その後、前記センサの前記第１のコンデンサを前記第２のレベルに充電し、前記第２のコンデンサを前記第１のレベルに充電することと、
   前記センサが高インピーダンスに設定されている間に第１および第２のコンデンサを並列に組み合わせることであって、前記パルスは、前記第１および第２のコンデンサの結合後、終了させられる、ことと、
   安定化段階後、前記並列に結合された静電容量の第２の安定化させられた電圧レベルを決定することと
   を含む、方法。
8. 前記第１のレベルは、所定の電圧Ｖ_ＤＤであり、前記第２の電圧レベルは、接地レベルＶ_ＳＳである、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２のレベルは、所定の電圧Ｖ_ＤＤであり、前記第１の電圧レベルは、接地レベルＶ_ＳＳである、請求項７に記載の方法。
10. 前記パルスは、Ｖ_ＤＤの電圧レベルを有し、前記パルスは、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとを並列に結合したときに開始する所定の期間の満了後、始まる、請求項７に記載の方法。
11. 容量センサとのタッチ決定を行うためのマイクロコントローラであって、前記マイクロコントローラは、自己静電容量測定および相互静電容量測定を行うように構成可能な容量測定ユニットを備え、前記容量測定ユニットは、制御ユニットを備え、前記制御ユニットは、前記容量測定ユニットと結合されている容量センサの自己静電容量測定を開始するように動作可能であり、同時に、前記容量センサを含む相互静電容量測定が行われる、マイクロコントローラ。
12. 前記容量測定ユニットは、前記自己静電容量測定中、高インピーダンス状態に切り替わり、前記相互静電容量測定を行うために、パルスを前記容量センサに容量結合するように構成されている、請求項１１に記載のマイクロコントローラ。
13. 請求項１２に記載のマイクロコントローラを備えているシステムであって、前記システムは、第１のポートを通して前記マイクロコントローラと接続されている容量センサと、容量結合を提供するために前記容量センサに近接して配置されている遮蔽または保護電極とを備えている、システム。
14. 前記容量測定ユニットは、容量分圧器測定ユニットを備えている、請求項１１に記載のマイクロコントローラ。
15. 前記容量分圧器測定ユニットは、
    外部ピンとサンプルホールドコンデンサとの間に結合されている第１のスイッチユニットであって、前記第１のスイッチユニットは、外部接続されているコンデンサを第１または第２の電圧レベルに充電すること、または前記外部接続されているコンデンサを前記サンプルホールドコンデンサと並列に切り替えることを行うように動作可能である、第１のスイッチユニットと、
    前記サンプルホールドコンデンサと結合されている第２のスイッチユニットであって、前記第２のスイッチユニットは、前記サンプルホールドコンデンサを前記第１または第２の電圧レベルのいずれかに充電するように動作可能である、第２のスイッチユニットと、
    前記並列に切り替えられたコンデンサと結合されるように動作可能なアナログ／デジタルコンバータと
    を備え、
    前記制御ユニットは、前記第１および第２のスイッチユニットを制御するように構成されている、請求項１４に記載のマイクロコントローラ。
16. 出力ポートとして動作するように構成可能な入力／出力ポートと結合されている第２の外部ピンをさらに備え、前記制御ユニットは、相互静電容量測定を行うための前記出力ポートを制御するように構成されている、請求項１５に記載のマイクロコントローラ。
17. 請求項１６に記載のマイクロコントローラを備えているシステムであって、前記システムは、前記第１の外部ピンを通して前記マイクロコントローラと接続されている容量センサと、前記第２の外部ピンと接続されている、前記容量センサに近接して配置されている遮蔽または保護電極とを備えている、システム。
18. 前記容量測定ユニットは、充電時間測定ユニットを備え、前記制御ユニットは、前記充電時間測定ユニットを用いて自己静電容量測定を制御するように構成され、前記充電時間測定ユニットは、容量センサと接続されることが可能な第１の外部ピンと接続されている、請求項１１に記載のマイクロコントローラ。
19. 出力ポートとして動作するように構成可能な入力／出力ポートと結合されている第２の外部ピンをさらに備え、前記制御ユニットは、相互静電容量測定を行うための前記出力ポートを制御するように構成されている、請求項１８に記載のマイクロコントローラ。
20. 請求項１９に記載のマイクロコントローラを備えているシステムであって、前記システムは、前記第１の外部ピンを通して前記マイクロコントローラと接続されている容量センサと、前記第２の外部ピンと接続されている、前記容量センサに近接して配置されている遮蔽または保護電極とを備えている、システム。
21. 前記制御ユニットは、タッチ決定を行う前に較正を行うように構成され、前記制御ユニットは、
    個々の自己静電容量測定を制御し、第１の測定値を記憶し、
    個々の相互静電容量測定を制御し、第２の測定値を記憶し、
    前記マイクロコントローラの前記制御ユニットまたはプロセッサは、スケーリング係数を前記第１および第２の測定値から計算するように構成され、
    タッチ決定を行うために、前記制御ユニットは、前記スケーリング係数を前記自己静電容量または前記相互静電容量測定に適用するように構成されている、請求項１１に記載のマイクロコントローラ。
22. 前記スケーリング係数は、前記自己静電容量測定中の充電レベルまたは前記相互静電容量測定中の電圧レベルを変化させる、請求項２１に記載のマイクロコントローラ。
23. 容量センサとのタッチ決定を行う方法であって、
    容量センサの自己静電容量測定を開始することと、
    前記容量センサを含む相互静電容量測定を開始することと、
    前記自己静電容量測定の出力値または前記相互静電容量測定の出力値のいずれかのスケーリングを行うことと、
    前記自己静電容量測定の出力値と前記相互静電容量測定の出力値とを組み合わせることと
    を含む、方法。
24. 前記出力値を組み合わせることは、前記出力値を加算することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 遮蔽または保護電極が、容量結合を提供するために前記容量センサに近接して配置されている、請求項２３に記載の方法。
26. 前記自己静電容量測定は、容量分圧器測定である、請求項２３に記載の方法。
27. 前記自己静電容量測定は、充電時間測定である、請求項２３に記載の方法。
28. スケーリング係数を決定するための較正方法をさらに含み、前記較正方法は、タッチ決定を行う前に行われ、前記較正方法は、
    個々の自己静電容量測定を行い、第１の測定値を記憶することと、
    個々の相互静電容量測定を行い、第２の測定値を記憶することと、
    スケーリング係数を前記第１および第２の測定値から計算することと
    を含む、請求項２３に記載の方法。
29. 容量センサとのタッチ決定を行う方法であって、前記方法は、容量センサの自己静電容量測定を開始することを含み、同時に、前記容量センサを含む相互静電容量測定が行われ、前記自己静電容量測定と前記相互静電容量測定とは、前記容量センサに接近またはタッチする接地されていない伝導性物体では差動的に打ち消し合い、前記容量センサに接近またはタッチする接地された物体に対して相加的に結合する、方法。