JP4275865B2 - 容量性センサ及びアレイ - Google Patents
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Description
【０００１】
技術分野
本発明は、表面に接触したもしくは非常に近接した物質の感知に関する。問題となる一つの特定の領域は、スイッチ、キー、及びデータの入力や装置またはプロセスの制御のために用いられるキーボードのような人間との接点にある。問題となるもう一つの特定の領域は、容器内の流動性物質のレベルもしくは容積の感知において為されるような、粉末及び流体のような無生物物質の感知である。
【０００２】
背景技術
本発明は、静電容量感知を用い、特に、本発明者による米国特許第５，７３０，１６５号において教示されてきた「電荷転送」（または「ＱＴ」）として知られている感知の形態を用いる。電荷転送感知は、電極上に電荷を誘導するために電子スイッチ閉鎖を用いる。結果の電界の乱れが、電極上の電荷量を測定し、それにより電極における静電容量の変化を決定することにより感知される。
【０００３】
Ｃａｌｄｗｅｌｌ等は、米国特許５，５７２，２０５号において、ユーザの入力選択に応答する容量性タッチ制御システムを教示しており、該容量性タッチ制御システムは、ガラス・セラミックの電気クック・トップのような電気的に非導通の基板上に配置されるタッチ・パッドとして構成され得る。１５０ｋＨｚ以上、好ましくは１５０ｋＨｚと５００ｋＨｚとの間の範囲にある一次周波数を有するソース信号が、タッチ・パッドの一部分に与えられる。タッチ・パッドは、検出信号を生じるために、電気信号をタッチ・パッドのもう１つの部分に結合し、該検出信号は、ユーザの静電容量の存在を決定するために解読される。デコーダは、好ましくは、検出信号のひずみを避けるために、低利得回路から構成されるピーク検出器を含む。
【０００４】
発明の開示
本発明においては、物体の近接によって乱され得る隣接の絶縁体を通して伝えられる電界を創成するために２つ以上の電極が配列される。電荷転送測定回路は、電極の一方に接続される。
【０００５】
本発明の主に予想される応用の１つは、データ入力に用いられるキーボードにおいてであるので、感知素子は、以後しばしば、「キー」と称する。これは、表現を簡単にするために、かつ本発明を用いることができる既知の感知またはスイッチング製品のリストを列挙することを避けるために行われるものであり、また、「キー」がそのように用いられる場合には、任意の可能な応用に対して近接検出領域を表すということが理解されるであろう。
【０００６】
従って、本発明の１つの態様は、キーを形成する電極対への近接を検出するための装置及び方法を提供することである。本発明のもう１つの態様は、キーパッド、キーボード、スライダ・スイッチ・アナログ、またはレベル・センサを形成するよう、電極のマトリクスの１つ以上への近接を検出するための装置及び方法を提供することである。
【０００７】
キー・マトリクスは、複数の電極対の配列から創成されることとなり、各対の一方は電圧源に接続され、各対の第２のものは電荷検出器に接続される。マトリクスに対する一般的な場合において、Ｘの駆動（ドライブ）ライン及びＹの電荷積分器がある。最小のマトリクスは、２つの駆動ライン及び単一の電荷積分器、もしくはこの逆を備えるけれども、普通は、例えばＸ＝２、Ｙ＝２の配列の少なくとも４つのキーを含むＮ×Ｍのマトリクスが予想される。電荷積分器と同じ数の駆動ラインを有する配列（以後、「正方形マトリクス」と称する）は、回路及び配線の与えられた量に対して最大数のキーをもたらすという理由で、一般に好ましいということが留意され得る。用語「マトリクス」及び「正方形」は、キー・マトリクスの物理的形態とは何等関係がないということに留意され得る。キーは、線形に、円形に、または単一表面上にランダムに、もしくは複数の表面上に所望の任意の態様で配列され得る。さらに、キーは、同じ物理的寸法または形状である必要は無く、あるものは大きくて円形、他のものは小さくて三角形、さらに他のものは中位の大きさで方形であることができる。
【０００８】
本発明の一実施例において、各キーは、交流の電圧源と、ギャップで互いに分離されるように固体の絶縁体基板もしくはパネルの上にまたはその内部に装着された一対の電極と関連している。電圧源は第１の電極に接続され、サンプリング電荷検出器は第２の電極に接続され、そして電荷検出器の出力は、次に、信号処理手段に与えられる。物質または物体がパネルに接近もしくは接触したときに、２つの電極間の結合における乱れが固体基板もしくはパネル物質を通して検出される。
【０００９】
本発明のもう１つの実施例において、各キーは、交流電圧源と、ギャップによって互いに分離された一対の電極とに関連している。電圧源は第１の電極に接続されており、サンプリング電荷検出器は第２の電極に接続され、そして電荷検出器の出力は、次に、信号処理手段に与えられる。固体絶縁体層を介在することなく物質または物体がパネルに接近もしくは直接接触したときに、２つの電極間の結合における乱れが検出される。
【００１０】
本発明の好適な実施例の動作において、交流電圧源は、ギャップを横切って時間変化する電界（ｅ−ｆｉｅｌｄ）を投射する第１の（Ｘ）電極に接続される。この電界は、第２の、受信（Ｙ）の、電極によって、少なくとも部分的に受信される。受信電極はサンプリング電荷検出器に接続され、該サンプリング電荷検出器は、パルス化された電圧のｄＶ／ｄｔによって生じるギャップを横切って結合される電荷の変化をサンプリングするように働く。受信電極は、プロセスのサンプリング段階の間に低インピーダンス・ノードであるということが本発明の特徴である。このことは、第２の電極に結合された電荷が第２の電極上に認識されるほどの電圧上昇を生じないということを確実にする。
【００１１】
特徴及び長所に関する上述の記載は、当業者にとって、及び本発明を如何に実施するかを学習することを望むものにとって、使用し得るものであると信じるけれども、上述の記載は、特徴及び長所のすべてを列挙するよう意図されたものではないということが認識されるであろう。さらに、本発明の種々の実施例は、本発明の上述に記載した特徴及び長所の種々の組合わせを提供することができ、そして幾つかの実施例では、記載された特徴及び長所のすべてよりは少ないものが提供され得るということが留意され得る。
【００１２】
本発明を実施するための最良の態様
本発明の最も簡単な形態の概略図が図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図１ｄに示されている。キーもしくは複合感知素子１０は、信号発生器１０１によって駆動される第１の駆動電極１００を備え、該信号発生器１０１は、一実施例においては、幾つかの選択された期間を有する複数の周期的な電圧パルスを提供するよう、通常に調整された電源１０２から付勢される単純なＣＭＯＳ論理ゲートであって良い。代替的には、電圧源１０１は、正弦発生器またはもう１つの適切な波形を有する循環電圧の発生器であって良い。一実施例においては、絶縁材料もしくは基板１０３は、駆動電極１００を支持すると共に、１１３によって厳密ではなくおおざっぱな態様で示される低インピーダンスもしくは「仮想接地」特性を有する受信回路に接続される第２の受信電極１０４を支持する。変化する電界１１０は、駆動される電極１００に与えられる電圧サイクル１０８の列の立ち上がりエッジ１０９及び立ち下りエッジ１１１において絶縁体１０３内に発生される。図１ｃは、電圧サイクル１０８をパルスとして示しており、図１ｄは、正弦波形を示している。代わりに、三角波、スルーレート制限されたパルス等のような他の波形も、例えば放射されたＲＦＩを抑制するために用いられ得る。用いられる波形の性質は、本発明の動作の説明にとって重要でない。明細書の以降の説明を通して、パルスが便宜上示されるが、これらは上述及び他の理由により他の波形であっても良く、従って、パルスまたは方形波の使用は、どの図にも示され、もしくはそれと共に説明される任意のＸ駆動電圧源に関して、制限的なものとして解釈されるべきではない。
【００１３】
受信電極１０４は、概して記号ＣEで図面に示される結合静電容量１０５を介して電界１１０を受信しもしくは沈める。静電容量１０５は、該静電容量１０５による１０８の容量性微分に起因して電流信号１１４をもたらす。受信電極１０４からの出力リード１１２は、この信号を、以下の図と共に説明する電荷測定回路に導通させる。この微分は、コンデンサを通る電流の流れを制御する以下の式により生じる。
【００１４】
【数１】
ｉE＝ＣE*ｄＶ／ｄｔ
ここに、ＣEは相互電極静電容量であり、Ｖは駆動電圧である。エッジ遷移中に各キーを横切って結合される電荷量は、上の式の時間に対する積分、すなわち以下の式として定義される。
【００１５】
【数２】
ＱE＝ＣE*Ｖ
これらの遷移において結合される電荷ＱEは、Ｖの立ち上がり時間とは無関係であり、このことは重要な結果である。さらに、ＱEは、駆動電極１００上の電圧揺動と、駆動された電極１００及び受信電極１０４間の結合静電容量１０５の大きさとに比例する。当該技術分野において既知であるように、結合の程度は、近接度、大きさ、幾何形状、２つの電極の相対的姿勢、基板絶縁体の物質組成、流体及び人間の指のような他の物体に対する複合感知素子の近接度、に依存する。プラスチック及びガラスのような固体絶縁体が空気よりも非常に高い絶縁定数を有するので、基板が充分に厚い場合には、２つの電極１００及び１０４間の結合は、主に基板を通してである。
【００１６】
金属によるような、もしくは図２ａに示されるイオンを含む水成流体によるような導電フィルムよる複合感知素子で外部接触が行われる場合には、２つの電極間の結合は増加するであろう。というのは、外部フィルムは、放出電極１００からの信号を、それに結合させてしまうであろうからである。フィルムは、次に、同じ信号の二次放射器として作用し、次に受信電極１０４に同じ信号を強力に結合させるであろう。図２ｂは、かかるフィルムが存在する場合に生じるところのものを概略的に示す。２つの追加のコンデンサ２０２及び２０３が形成される。これらの１つ２０２は、駆動電極からフィルムに対してであり、他方のもの２０３はフィルムから受信電極に対してである。これらは、駆動される電極から受信電極に対する容量性信号結合の量を増加するよう調和して作用する。これらの効果は、キーパッドまたは接触センサが用いられるべきである多くの状況において優勢である。例えば、凝縮した湿度及び雨に露出された戸外のコントロール、及びキッチンにおける機器キーパッドの双方が、異質のフィルムと争わなければならない。このような場合においては、フィルムは、偽検出を避けるために、少しは可能であるとしても、無視されるべきである。
【００１７】
実際、電極１００及び１０４は、代表的には、当該技術分野において既知であるように互いにかみ合っており、絶縁層を介してそれぞれの電極からの及びそれぞれの電極への電界の結合の一層高い量を容易にする。互いにかみ合うことは、キーの有効「利得」を増加し、駆動信号の一層高い利得増幅率もしくは一層高いレベルに対する必要性を減少する。互いにかみ合うことは、一層限定された領域において電界を局所化する傾向を有し、そしてキー形状が、図１ａから図２ｂまでにおいて示されるように単に隣接する電極の場合のような他の場合に可能であるよりも大きい表面をカバーするのを許容する。
【００１８】
他方、人間のような大きい体によって、またはおそらく図３ａに示されるような大きい容積の流体によって、複合感知素子１０との外部接触が行われる場合には、１００及び１０４間の電荷の結合は、減少されるであろう。その理由は、大きい物体が大地２０６に対して（または、感知素子を制御する回路の大地基準電位に対して完了する経路を有する他の近くの構造物に対して）相当な容量を有するからである。この減少された結合は、駆動された電極１００及び受信電極１０４間の結合された電界が、受信板１０４から大地へ幾分そらされるという理由で生じる。このことは、図３ｂに概略的に示されている。静電容量３０１及び３０２がセットアップされ、これらは、第３の物体から自由空間もしくは局所接地までの静電容量３０４と共に、そして１００及び１０４間に存在する直接結合１０５から電界を分路するように働く。図３ｂにおける結合静電容量１０５は、物体３０３への電界線の迂回の結果として、図１ａに対応する結合静電容量１０５よりも相当少ない。受信電極１０４が「仮想接地」に接続される場合には、追加された静電容量３０２の影響は重要なものではない。受信電極１０４が高いインピーダンスの増幅器に接続される場合には、３０２の影響は、１０４上の信号を一層減少するよう働くので、重要で有り得る。
【００１９】
図２ａ及び図３ａの上の２つのシナリオ間の信号シフト極性における差は重要であり、表面膜と、大量の物質もしくは人間の指との間を検出及び分別することができる強固な感知素子を創成するために利用され得る。１つの場合（例えば、図２ａ）においては、検出された物質は、信号における隆起を生じ、図３ａの場合においては、検出された物質は、信号における減少を生じる。
【００２０】
ほとんどの実施例において、電極と、感知されるべき物質または物体との間に介在する層として固体パネル物質１０３を用いることが好ましい。これは、電極１００及び１０４並びに関連の配線の隠蔽のためだけでなく、電界が自由空間内に出て行く前にパネル内で「ミックス」するのを可能とするためでもある。上に横たわる絶縁パネルは、結合静電容量１０５、３０１及び３０２を創成する有効な手段を提供し、後者の２つの結合静電容量は、物体、指、または他の物質を感知する際にセットアップされる。
【００２１】
もう１つの実施例において、図１ｂの１０３は、実際、絶縁流体（例えば、油、ガソリン）もしくは移動固体（例えば、プラスチック・エンコーダ翼）のような、電極に直接接触するもしくは非常に近接する、感知されるべき物質である。１００及び１０４に隣接するこの流体もしくは固体の存在は、電極間に付加的な結合１１０を創成して信号強度を高め、容易に検出され得るＣE１０５の一層高いレベルをもたらす。この場合、電極は、空間内で機械的に付されるか、機械的安定性のために臨界的でない絶縁基板に接着される（図１ｂの関係においては示されていない）。
【００２２】
さて、図４ａを参照すると、本発明者の米国特許第５，７３０，１６５号に開示された電荷転送（「ＱＴ」）装置及び方法に部分的に基づいている回路が示されている。この回路は、電極１００、１０４及び処理回路４００を含むセンサの実施形態を示している。図４ａに示される例示的な処理回路４００は、サンプリング・スイッチ４０１、電荷積分器４０２（ここでは簡単なコンデンサとして示される）、増幅器４０３及びリセット・スイッチ４０４を備えており、また、任意選択的な電荷削除手段４０５を含んでいても良い。図４ｂに示される、電圧源１０１からの電極駆動信号と、スイッチ４０１のサンプル・タイミングとの間のタイミング関係は、マイクロプロセッサもしくは他のディジタル・コントローラ４０８であって良い、適切な同期化手段によって与えられる。示された実施形態において、リセット・スイッチ４０４は、電荷積分器４０２を既知の初期状態（例えばゼロ・ボルト）にリセットするために、最初は閉じられている。リセット・スイッチ４０４は次に開かれ、そしてその後の或る時刻において、電圧源１０１が正の遷移を発している期間の間、サンプリング・スイッチ４０１が端子１を介して電荷積分器４０２に接続され、そしてその後、電気的な接地もしくは他の適切な基準電位である端子０に再接続する。電圧源１０１は次に接地に戻り、プロセスは再度繰り返される。これらのサイクルの「ｎ」回の繰り返しの終わりに（ここで、ｎはゼロでない有限の整数）、サンプリング・スイッチ４０１は位置０に保持され、その間に、電荷積分器４０２の電圧が測定手段４０７によって測定される。測定手段４０７は、増幅器、ＡＤＣもしくは差し迫った適用に対して適切で有り得る他の回路を含み得る。測定が行われた後、リセット・スイッチ４０４は再度閉じられ、サイクルは、次に所望されたときに再開始される。該プロセスもしくは処理は、ここでは、長さ「ｎ」の測定「バースト」であると称される。ここで、「ｎ」は、１から任意の有限数までの範囲に及び得る。回路の感度は、「ｎ」に直接関係し、電荷積分器４０２の値に逆に関係する。
【００２３】
４０２で示された回路素子は、他の手段によって達成されても良い電荷積分作用を提供するものであり、本発明は、４０２によって示されたような接地基準化されたコンデンサの使用に制限されるものではない、ということを理解すべきである。電荷積分器４０２は、Ｙラインを通して流れる電荷を積分するための、オペアンプを基にした積分器であって良いということが、常習的実行者には自明であるはずである。このような積分器は、また、電荷を蓄積するためにコンデンサをも用いる。積分器は回路の複雑さを増すけれども、それら積分器は、Ｙ感知電流に対する一層理想的な加算接合点及び一層動的な範囲を提供するということに留意し得る。低速の積分器が用いられた場合、該積分器がそのうちそれを吸収することができるまで電荷を高速で一時的に蓄積するよう４０２の位置に別のコンデンサを用いることが必要であるかもしれないが、このようなコンデンサの値は、オペアンプに基づく積分器に組込まれる積分コンデンサの値に比較して相対的に臨界的でない。
【００２４】
図４ａに示される回路は、重要な電気的特徴、すなわち４０１が位置１に閉じられている間にサンプリングされる、Ｙライン上の「仮想接地」ノードのものを提供する。電荷積分器は、簡単な接地基準コンデンサであろうとまたはオペアンプに基づく積分器であろうと、上述したようにＹ接続の干渉及び漂遊容量の影響を低く保つためにきわめて大切な加算接合点の属性を提供する。
【００２５】
スイッチ４０１は、マトリックス上に人工的な接地面を創成するために電荷を実際にサンプリングしていない場合に好ましくはＹライン１１２を接地に接続するべきであり、これにより、ＲＦ放出が減少され、また、電荷積分器４０２により感知されるものと反対の極性の結合された電荷が適正に消失しかつ中性化するのを許容する。サンプル・パルス間でＹラインを接地するのを省略した場合には、システムは純粋にＡＣ結合されるであろうし、そして機能するのを急速に止めるであろう。その理由は、ＤＣ復帰がない場合に電荷が１０５を横切って引っ張られ及び押されるの双方が行われるであろうからである。電圧源１０１の遷移間で同じ効果を達成するようＹラインを接地するために抵抗を用いることも可能である。単一のＳＰＤＴスイッチ４０１に対する代替案として、適切な態様でタイミングが取られるならば、２つの独立したスイッチを用いることもできる。可能な多くの代替的な方法があるけれども、本発明の好適な実施例の重要な特徴は、各サンプリングの後に受信板１０４上に電荷を再蓄積するための手段を設けることであることが明瞭であるはずである。
【００２６】
本発明者の米国特許第５、７３０、１６５号に説明されているように、信号振幅の検出または測定の操作及び決定のために可能な多くの信号処理選択がある。前述の特許は、また、単一の電極システムについてではあるけれども、図４ａに示される配列の利得関係を説明している。本例の場合における利得関係においては同じである。信号削除手段４０５の有用性が本発明者による米国特許第４、８７９、４６１号並びに米国特許第５、７３０、１６５号に説明されている。信号削除の目的は、駆動される電極１００及び受信電極１０４間に一層高い結合を許容するために、各バーストの発生と同時に電荷積分器４０２上の電圧（すなわち電荷）創設を減じることである。この方法の１つの利点は、低コストで１００及び１０４間の結合における小さい偏向に感応する大きい感知領域を許容することである。このような大きい感知結合は、人間のタッチ感知パッドに用いられる物理的に大きい、互いに高くかみ合わされた電極に存在する。電荷削除は、大きい直線性を有する結合の量の測定を許容し、その理由は、直線性は、バーストの進行に渡って「仮想接地」ノードに沈められる、駆動される電極１００から受信電極１０４までの結合された電荷の能力に依存するからである。電荷積分器４０２上の電圧がバーストの進行中に感じられるほど上昇することが許容されるならば、該電圧は、逆指数関数的な態様で上昇するであろう。この指数関数的要素は、直線性に、従って有用な動的範囲に有害な影響を及ぼす。電荷削除を行うことができる、本発明者の先の容量感知特許及び特許出願に開示された多くの可能な回路があり、これらすべては、せいぜいわずかな変更でもって本発明に適用可能である。
【００２７】
電荷測定回路が高いインピーダンスを有する場合には、ｄＶ／ｄｔによって誘導される電流は、受信電極１０４上の実際の電圧パルスとして明らかになるであろうことに留意され得る。従って、センサは、電荷検出器への出力リード１１２近辺にくる他の物体からの「ウォークバイ」干渉を受けやすいであろう。１１２の配線近辺に置かれる物体は、ワイヤからの信号のいくつかを吸収し、信号における減少を生じるであろう。このことは、物体が電極の組の近辺にない場合でさえ、正に検出イベントのような回路に見ることができる。より重要なことには、受信電極１０４に接続された高インピーダンス回路の使用は、良いことではないが、配線の長さが回路の利得を決定する際の要因になるということを確実にする。配線は、信号のいくつかが自由空間に、隣接のワイヤに、及び接地に容量的に流れ出るようにし、結合容量１０５と共に容量分割回路を形成する。従来技術は、電極結合上への寄生容量の影響を除去するまたは減少するための戦略を工夫するための多くの試みを示している。低インピーダンスもしくは「仮想接地」を有する検出器を用いた本発明は、受信電極１０４上の電圧揺動を重要でないレベルに減少することによって、これらの問題を解決している。図４ａに示された型の電荷転送（「ＱＴ」）検出器は、簡単に、低インピーダンス検出器を履行する最も簡単で最も低価格の方法となる。
【００２８】
図４ａに示された受信回路の低インピーダンスの性質は、電荷削除回路４０５から引出されたものではなく、むしろ、電荷積分器４０２が、電圧において感知できるほどに上昇することなく、駆動される電極１００上の信号のスルー部分中に電荷を吸収するという事実から引出されたものである。電荷削除回路４０５は、上述したように、直線性及び信号獲得の双方を改善するために、バースト中に４０２上の電圧上昇を減少するために存在する。
【００２９】
図４ｂに示されるタイミング図は、１００上の信号の上昇エッジもしくは立ち上がりエッジ１０９が信号制御スイッチ４０１を用いていかに「獲得」されるかを示している。スイッチ４０１は、駆動信号１００の上昇部分もしくは立ち上がり部分の前に、立ち上がり部分の間に、そして立ち上がり部分の後に、制御スイッチ４０１の位置１につながる。電荷が結合容量１０５を横切って転送されるのは、１００の立ち上がり部分、スルー１０９中である。しかしながら、水または他の導電フィルムがタッチ表面上に存在するならば、結合されたエネルギのいくつかは、エッジ１０９に対して位相的に遅延するであろう。これは、かかるフィルムの配分されたＲＣ性質によるものである。すなわち、フィルムは、駆動電極１００から誘導された電荷を受け、そして結果の誘導された電流は、２つのディメンションで抵抗性流体シートを通して流れ、関連の寄生容量を充電する。駆動電極１００上の立ち上がりスルー１０９が終了した後比較的長い時間の間、サンプリング・スイッチ４０１が位置１に保持されたならば、フィルムは、受信電極１０４に戻って結合され、それ故、サンプリング・スイッチ４０１を通してシートにおける電流配分に起因する電荷の任意の変化をもたらす。従って、導電シートは、１００の立ち上がりスルーが完了した後４０１が位置１に保持されているのが長ければ長いほど、サンプリング信号を増加するであろう。この効果は、また、水口の周りの水フィルムに関する本発明者による米国特許第５，７３０，１６５号に記載されている。流体が存在する場合には、流体フィルムの配分された容量からの電荷の回収を制限するために、スイッチ４０１を位置１から急速に分離することが良好である。例えば、１００の正のスルーの停止と４０１の開放との間の遅延時間が２００ｎｓより小さい場合には、湿気フィルムは強力に抑制され、５０ｎｓの遅延時間においては、抑制効果はほとんど完了するということが実験的に留意されてきた。
【００３０】
Ｃａｌｄｗｅｌｌ等は、また、米国特許第５，５７２，２０５号において、周波数領域におけるかかる効果を記載しているということが留意され得る。明らかに、この効果の根本原因は、時間もしくは周波数のいずれの領域においても同じである。正しくＣａｌｄｗｅｌｌ等が同じものの高められた抑制を確実にするために高い周波数を用いることを記載しているように、かかる導電性シートの効果（水フィルムからのような）を抑制するために制御スイッチ４０１の位置１へのスイッチ閉鎖時間を狭くする際に強力な長所がある。ここにおいて、本発明は、バースト・モードで動作するのが好ましく任意の特定の動作周波数を必要としないので、Ｃａｌｄｗｅｌｌ等によって説明されたものよりも優れていると信じられる。特に、本発明は、高レベルのＲＦ放出をもたらし得る高い動作周波数を必要としない。本発明の装置は、低い基本周波数においてもしくは不連続的に（バーストにおいて）動作することができ、かつまた、従来技術と同じ目的を達成するよう、すなわち一時的なゲート制御の機構を介する、制御表面への水フィルムの分路効果を抑制するよう動作することができる。
【００３１】
本発明の装置における供給基準化されたスイッチを用いることに対する方法が図５ａに概略的に示されている。ここで、図４ａのサンプリング・スイッチ４０１は、接地基準化されたスイッチ５０１によって置き換えられている。簡単なコンデンサ４０２として示されている電荷積分器は、未だ存在しており、受信板に電気的に直接接続されている。電荷削除は、図４ａにおける回路４０５のＣｚコンデンサが行ったのと同様の機能を行う任意選択的なコンデンサ５０５をスイッチ・イン及びスイッチ・アウトすることにより履行され得る。示された実施例において、電荷積分器の２つの端子の各々にそれぞれ接続される２つのスイッチング素子５０１、５１０があり、スイッチング素子５０１、５１０の各々は、電荷積分器のそれぞれの端子を基準電位に選択的に接続するよう、もしくはそれをそこから分離するように適合されている。図５ｂの関連のタイミング図は、スイッチ５０１及び５１０の閉止、及び論理ゲート１０１からの駆動信号１００を示している。図４ｂにおけるように、スイッチの閉止は、１０１のエッジ（この場合、負に行くエッジ）を「確定する（ブラケットする）」ようにタイミングが取られる。好ましくは、確定化もしくはブラケット化は、図４ｂと共に特定される理由のために、１０１のエッジの回りで狭く行われる。駆動信号の各バーストの終わりにおいて、スイッチ５０１は開いたままであり、そしてスイッチ５１０は閉じられる。１０１の負のエッジがサンプリングされたので、５１０を閉じる作用は、正の電圧が、開いているスイッチ５０１を横切って現れるようにする（すなわち、図５ｂにおけるＶ４０２によって示されるように）。この電圧は、増幅及びディジタル形態への変換並びにその後の数値処理もしくは簡単なアナログ閾値比較のような通常の手段によって検出され得る。図５ａに示された配列は、スイッチ５０１及び５１０間のスイッチ・クロスオーバ導通なしで動作されることが留意され得る。これらスイッチの双方が同時に閉じられた場合には、サンプリング・コンデンサ４０２は、バーストの通常の進行中に不注意に放電されるであろう。
【００３２】
バーストの終わりにおいて電圧Ｖ４０２は、図４ａの電荷積分器４０２に現れる電圧と同じである。双方の電圧は、同じもの、すなわち電極を横切る結合、絶縁特性における変化、他の物体もしくは物質に対する隣接、駆動電圧の変動、等によって影響される。より大きい容量性結合は、各バーストの終わりにおいて、Ｖ４０２における増加を生じる。
【００３３】
ＣＭＯＳスイッチのような通常の論理手段がスイッチ５０１及び５１０を履行するために用いられる場合には、５１０を横切って現れる電圧は、通常のＣＭＯＳスイッチに固有の保護クランプ・ダイオードの導通を生じるよう、充分に負になり得るということに留意すべきである。このことは、サンプリングされた電荷を破壊しそして結果の信号に大いに熱的に依存する係数を導入するであろうので、このことが生じることは許されないということは重要である。クランピング・ダイオードを持たないあつらえ品のＣＭＯＳ回路を設計することによってこの問題を避けることができるけれども、５０１上の電圧をゼロの電圧の１０分の２、３内に保つことによって（例えば、０．３ボルト以下）この問題を避けることもできる。これは、以下の設計選択のいずれか１つもしくは任意の組合わせによって達成され得る。
１． 簡単なコンデンサが４０２として用いられる場合には、４０２を大きく保つ。
２． バーストの進行中に必要とされるものとして削除容量５０５を用いる。
３． バーストの長さ「ｎ」を電圧を制限するのに充分に短く保つ。
４． 素子１００及び１０４間の容量性結合を減じる。
【００３４】
クランプ・ダイオードが存在する場合の結果の電圧は低いことが必要（およそ０．３ボルトまたはそれ以下）であるので、さらなる処理を許容するための増幅が必要とされるかもしれない。代替案においては、固定された閾値を有する簡単な電圧比較器がＶ４０２を感知するために用いられることができ、そしてバースト長さは可変とされることができる、すなわち比較器によって検出が「ちょうど」感知されるように、充分に長くされることができる。結合容量１０５が変化するにつれて、バースト長さはそれに応じて変得られることができる。バーストの長さ「ｎ」は、次に、信号出力となるであろう。１０５の結合が大きければ大きいほど、比較器によって感知される制限電圧を達成するために必要とされる「ｎ」のサイクルは少なくなる。
【００３５】
上述の回路は、ＸＹマトリクスにおける多重化に極度に良好に適している。良く知られているように、マトリクス感知は、感知領域に必要とされる相互接続の数を減少するので、大いに望ましい。例えば、キーパッドを構成するために６４の感知領域が必要とされるならば、６４の感知領域の各々に対して別々の容量センサを用いることができ（この場合には、６４のワイヤ及び６４：１のアナログ・マルチプレクサを必要とするであろう）、または、ドライブ（駆動）ライン及びレシーブ（受信）ラインのＸＹアレイを履行することができ（この場合には、単に１６の相互接続及びレシーブ（受信）側におけるはなはだ小さい８：１のアナログ・マルチプレクサに帰結するであろう）、これらのいずれかが可能である。さらに、前者の場合には、個々の感知パッドへの感知リードは感応的なままであり、感知パッドから感知パッドまで必ずしも同じでない追加の容量性負荷を提供する。後者の場合には、感知ライン自体は少しも感応的ではなく、電極駆動１００及びレシーブ（受信）１０４によって形成された感知素子だけが感応領域を形成し、接続配線には僅かしかもしくは全く感度が無く、従って、接続配線は、前者の場合におけるよりも相当大きい長さのものであることができる。感知領域を選択的に指令するこの能力は、かなり長所的である。さらに、非多重化された設計は、前述したような湿気フィルム抑制を提供しない。ＸＹ多重化方法の唯一の欠点は、１つではなく、２つの隣接しかつ通常インターリーブされた電極から成る一層複雑な感知電極構造を必要とするということである。
【００３６】
図６は、図４ａに示された基本回路方法に従ってＮ×Ｍに多重化されたアレイの履行を示している。図４ａのサンプル・スイッチ４０１の機能は、図４ｂに先に示された動作を模写するタイミング・シーケンスにおいてそれぞれのスイッチ経路を選択するアナログ・マルチプレクサ６０１によって与えられる。マルチプレクサ６０１は、サンプリングされないＹラインを接地に接続する接地端子を含み、従って、実際に４ＳＰＤＴスイッチの組であり、１つの接点の組は電荷積分器４０２に接続される。接地された接点は、図４ａと共に開示されたように、サンプリングされないエッジから対向する電荷を中性化するために設けられている。マルチプレクサに組込まれた接地動作がない場合には、Ｙラインにつき１つの幾つかの流出抵抗のような他の幾つかの機構が、Ｙライン上の対向エッジ電荷を中性化するために必要とされるであろう。６０１の機能は、便宜的には、他の４つのスイッチに対向してスイッチの４つの制御ラインを駆動する型７４ＨＣ０４に見られるような４つのインバータと共に、単一のモノリシックＩＣまたは標準の７４ＨＣ４０６６ ＣＭＯＳ ＩＣのような２つの４重スイッチ・パッケージを用いて履行される。アナログ・マルチプレクサ６０１に含まれるスイッチング素子は、列セレクタとして機能することに加えて、サンプリング機能を行う。キーは、Ｎの駆動される（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４）ラインと、Ｍの受信（Ｙ１….Ｙ４）ラインの丸で囲まれた交点である。キーが望まれている各交点において、電極の対が設けられる。これらの対は、図１ａ及び図１ｂに示されたものと本質的に同じである。表現の明瞭さのために、４×４のマトリクスだけが図６に示されているが、当業者には、駆動（ドライブ）ラインと受信（レシーブ）ラインとの数には固有の制限が無いことが認識されるであろう。駆動ラインとは異なった数の受信ラインを有する場合には、「正方形」でないマトリクスを作ることも可能である。例えば、６×３のアレイ（６駆動ライン及び３受信ライン）は、１８のスイッチ点をもたらすであろう。正方形でないアレイは正方形のアレイよりもリソースの効率が悪くなるが、多くの場合においては、正方形のマトリクスがもたらすであろうスイッチ点の全数に対する必要性が無い。例えば、単に２０のスイッチだけが必要とされる場合には、５×４または４×５のマトリクスで充分であろう。マルチプレクサ６０１は、また、図４ａと共に開示されたように、サンプリングされないエッジからの対向する電荷を中性化するために、Ｙラインが電荷積分器４０２に蓄積されるべき電荷を導通しない場合にはＹラインから接地へのスイッチング動作をも含むことに留意すべきである。
【００３７】
さて、図７を参照すると、図６の回路のものと同様の機能を有する多重化方法を示しているが、しかしながら、図５ａに示された回路を参照して前述した非浮動のスイッチング素子を用いている。図７に示すように、受信ラインのためのアナログ・マルチプレクサは必要とされない。多重化は、受信側ではスイッチング対７０１〜７０４の１つだけを可能化し、未使用のスイッチ対を接地するかもしくは一定に保持することにより行われる。例えば、キー７０５において感知することが望まれる場合には、駆動ライン７０６だけ（Ｘ２も付されている）が駆動バースト信号を運び、他のＸラインはいずれの状態においても一定に保持される。対応的に、キー７０５を介して結合された信号を受信するように受信スイッチ対７０２だけが可能化され、他の受信Ｙスイッチ対は一定状態に保持される。７０６上の駆動信号バーストが完了すると、スイッチ対７０２を横切る電荷積分コンデンサ４０２ｂ上の電圧は、キー７０５の状態（すなわち、指、大量の流体、もしくは他の物体の存在または不存在）を決定するために測定される。
【００３８】
代替的に、７０４を介してスイッチ対７０１に接続される測定回路は、固定された基準レベルを有する電圧比較器だけから成り得る。この配列において、各キーにおける信号は、電荷積分コンデンサ４０２ａ〜４０２ｄの各々を横切って予め定められた電圧を発生するために必要とされる各バーストにおけるサイクルの数によって確認される。必要とされるサイクルのカウントは、信号レベルの読みである。この方法は、上の図５ａ及び図５ｂに関連して説明したようにハードウエア及びソフトウエアで履行するのに極めて簡単である。
【００３９】
キー・マトリクスは、関連の受信スイッチ対を順番に可能化しかつ測定プロセスを介して各キーのための信号結果を創成しつつ、各駆動ライン上の駆動バーストの組合わせを用いた上述の態様の１つでキー・バイ・キーで走査され得る。キー走査の特定のシーケンスは重要でなく、そしてキーは、所望ならば、擬似ランダム・シーケンスで選択されることさえできる。
【００４０】
図７の回路は、図６の回路よりも重要な長所を有する。図６の回路に対して必要とされるようなキー・バイ・キーでの走査の代わりに、図７の回路は一時に全部の列を走査され得る、すなわち全Ｘ列におけるキーは、並列に感知され得る。これを行うための能力は、走査のスループットにおけるすさまじい改良をもたらし、そして取得時間を充分に免除して他の機能のためにコントローラ４０８を使用することを可能とし、それによりシステムの全体のコストを下げる。１つのバースト・サイクルで完全な列を図７に走査させるために、列駆動ライン（例えば、ライン７０６）が前述したようにバーストでトグルするようにされる。このような各バースト内での各立下り駆動信号の間に、すべてのスイッチ対７０１〜７０４は、同時に可能化され適切にトグルかされる。従って、７０６の各立下りエッジ（該エッジは７０６の列内で各キー・マトリクス電極素子対を横切ってｄＶ／ｄｔ結合を創成する）は、その列内において各キー素子内の信号を創成する。これらの信号は、それぞれの行ラインによって検出され、該信号は、スイッチ対７０１〜７０４及び関連のコンデンサによってサンプリングされる。
【００４１】
負のエッジではなくむしろ駆動信号の立ち上がりエッジによって創成されるｄＶ／ｄｔを用いることも可能であるが、わずかに望ましくない。立ち上がりエッジが用いられる場合には、変更を配慮するために、すなわち測定間隔の間に測定回路がＹ行ラインに接続されるように、検出スイッチはわずかに構成を変更されなければならない。周囲の状態に露出されているＹラインは、その上に電気ノイズを有し得、このことは測定プロセスを妨害し得る。負のエッジを用いて、それにより測定サイクルの間に接地されているスイッチ５１０により測定回路がＹラインから絶縁されたままであるのを許容することがわずかに良好である。
【００４２】
わずかな回路変更でもって、有効獲得速度を２倍にするよう駆動ライン上の信号のスルーの双方を用いることも可能である。上述の履行においては、単一のエッジだけが、電極対を横切って必要なｄＶ／ｄｔを発生するために用いられた。立ち上がり及び立下りエッジの双方が用いられる場合には、システム利得の同じレベルを取得するために、サイクルの数の半分だけがバースト毎に必要とされる。これは、効果的に用いられることができ、そしてより遅くかつ安いマイクロプロセッサもしくは他のシステム・コントローラ４０８を用いることを許容し得、もしくはより早い走査によって利用可能となった追加の処理時間中にコントローラがさらなる機能を行うことを許容し得る。
【００４３】
図８ａは、スループットを２倍にするために駆動電極１００上の駆動信号の立ち上がり及び立下りスルーの双方を用いるための１つの可能な配列を示す。エッジをサンプル・コンデンサ及びサンプリング・スイッチ対の一側またはもう１つの側に向けるために、付加的なスイッチ８０１〜８０４が受信（行またはＹ）側に追加される。スイッチは、立ち上がり及び立下りエッジの間の適切な段階においてフリップされ、図８ｂのタイミング図に示される駆動信号と直角位相（９０°の位相ずれ）にある信号によって制御される。
【００４４】
図６及び図７の多重化回路の型の混合を組込んだ混合システムも可能であり、ある場合においては望ましいかも知れないということが留意される。
【００４５】
駆動及び制御信号のすべてをソフトウエアまたはファームウエアで混合することができるか、もしくは良く知られた設計方法を用いてハードウエアで直接発生し得るということが当業者には認識される。それ故、図に示されたコントローラ４０８を用いること以外に、スイッチング素子が電圧源と同期して動作するのを確実にするための多くの方法がある。
【００４６】
さらに、使用可能な結合容量の範囲を増加するために、図６、７、８ａ及び８ｂと関連して説明した多重化された実施例のいずれかに、図４ａ及び図５ａに示された装置に関連して説明したものと同様の電荷削除回路を用いることができることも認識されるであろう。
【００４７】
骨の折れる検出を容易するするために用いられ得る多くの型の信号処理方法及びアルゴリズムがある。例えば、各キーに対して検出される信号の量は、検出閾値レベル及び／または基準レベルのいずれかに比較的遅い調節によって「ドリフト補償」され得る。離散したアナログ回路においては、これは、必要な修正を提供する遅い積分器の形態を取ることができ、基準自体（すなわち同様の態様で、閾値レベル）をゆっくりと調節することにより基準レベルからの信号の電流偏差を追跡する。
【００４８】
もう１つの例として、信号偏差が検出を創成するために充分に大きく（すなわち閾値が交差され）そして検出が長時間持続している場合には、ユニットは、「スタック」されるように見える特定のキーに対して基準レベルを再較正するよう強いられ得る。キーが「スタックされている」と表明される前に過ぎる時間は、もちろん設計技師が行う知識のある選択であり、一般に５秒から３０秒の範囲にある。
【００４９】
通常、信号レベルの比較にはヒステリシス閾値化が与えられて、貧弱な較正及び／または逸脱信号によって生じる持続的なデザリングもしくは動揺及び接点の跳ね返りを避けるべきである。
【００５０】
「検出積分」、すなわち、閾値が超えられた間隔を合計し、それにより過渡検出をフィルタ・アウトするよう作用するカウンタの使用は、「本当」であるには早く判断されすぎる急速なイベントによって生じる検出を避ける際に有用なツールである。例えば、キー・パネルへの非常に急速な指の接触は、検出を生じ得るが、該検出は、幾つかの場合には（例えば、安全の理由のために）、その短期間にかんがみて抑制され得る。かかる積分は、時間を積分することにより、バースト間隔を積分することにより、もしくは他の同様の手段で行われ得る。
【００５１】
大多数投票フィルタリングの使用は、事実上、検出積分と同様である。このフィルタは、最終結果を創成するために、サンプリングされた時間期間に渡って、論理０または論理１結果である閾値比較器の出力を用いる。例えば、７サンプルのうちの最後の４サンプルにおける閾値化を介してセンサが信号を検出した際に有効な最終検出結果を創成することだけが望ましいかも知れない。
【００５２】
閾値比較器の先立って生じる低帯域信号フィルタリングの形態は、中央のフィルタである。このフィルタは、奇数の信号サンプルを取り、サンプルの組の算術的中央値、もしくは中心値を見つける。このフィルタの型は、信号経路からスパイク・ノイズを除去することにおいて普通良好である。簡単な低帯域フィルタリングのような信号フィルタリングの他のより慣習的な型が有用であり、設計のために必要とされ得る。
【００５３】
多くのキーパッドの場合におけるように、安全性もしくは人的要因のために望ましい制御機能がある。これらの方法は、当該技術分野において良く知られているが、ここで再度述べておく価値がある。その１つは、制御インターロッキングの使用であり、それにより、少なくとも２つのキーが逐次的もしくは即座にのいずれかで押圧されない限り機能を選択することができない。インターロッキングは、例えば安全理由のために、不注意に付勢されるのを避けることができる。ここに開示された方法は、キー・マトリクスがｎ−キーのロールオーバを完全に可能とするので（それがすべてのキーを独立して、そして機能の観点からは同時に、検出する）、制御インターロッキングにとって適切である。可能なもう１つの機能は、線形の「スライダ」制御で配列された電極対のアレイの使用であり、例えばキーパッドもしくはその小区分が、ポテンシオメータまたはエンコーダ（図９）で通常履行されるであろう、強度、容積、またはフェーダのコントロール（または他の機能）として作用するのを可能とする。スライダの幾何学的形状は重要でなく、本発明はこの点に制限しない。スライダは線形であって良く、曲線であっても良く、または形状において三次元的であってさえ良い。
【００５４】
本発明の装置は、レベル感知に対して使用され得、例えば大量の粉末もしくは容器内の流体のレベルを測定するために使用され得る。キーを二次元のマトリクスで配列する代わりに、キーは、図９に示すように線形アレイで配列され得る。アレイを適切な厚さの非遮蔽の（すなわち非金属の）容器の外側に取付けることにより、容器の内側の流体の存在が感知され得る。キーは表面フィルムもしくは表面膜と大量物質との間を容易に識別することができるので、容器の内側に付着したフィルムもしくは膜の存在は、センサを混同しないであろう。容器が遮蔽されている場合には（例えば金属で形成されているかもしくは金属メッキされている場合）、キーは、容器内に挿入され得るもしくは容器壁の内側に付着され得る、「ディップ・スティック」に沿って配列され得る。
【００５５】
検出側への結合を提供するために例えば人間の接触を検出するために電界を「混合」する、上に横たわる「パネル」物質の使用と共に本発明を説明してきたけれども、物質が油またはガソリンのような絶縁体である場合には、電極は、介在するパネルの援助なしで直接物質を感知することもできる。図９に示された電極は、パネルを介する代わりに、すなわち高々薄い保護層を介して電極の直接接触によりこの態様で流体レベルを感知することができる。この場合、電極対間の結合は、絶縁流体の存在において、電界が走行し得る経路の創成に起因して増加する。
【００５６】
キー自体によって与えられるものよりも高い有効解像度を有するスライド制御もしくは流体レベル・センサを創成するよう感知の中に「キー」を補間することも可能である。これは、部分的な位置を創成するよう部分的な沈没もしくは接触にのみあるキーからアナログ信号を判断することにより行われる。この補間のための較正は、より低い沈没したキーから受信される信号強度から容易に導出される。
【００５７】
また、キーは、感知領域におけるギャップなしで補間を容易にするために少なくとも部分的に重複しているように配列され得る。
【００５８】
例えば他のどこかで解像度を弱めている間に測定範囲の幾つかの部分に沿って解像度を高めるために、設計者が幾つかのキーを他のものよりも小さくするのを阻止するものは何もないと言うことに留意され得る。有用な配列は、タンクが空になるにつれ円滑に増加する解像度を提供するよう、キーを対数関数的に間隔を置いて並べることである。これは、例えば、自動車のガソリン・タンクにおいて有用であり得る。
【００５９】
前述したように、大量のイオン的に導通する流体（すなわち水銀のような液体金属）が存在する場合、電極ギャップを横切る信号結合の強度は、実際減少するであろう。他方、油、ガソリン、穀物、または他の乾燥したもしくは不導通の物質のような物質の場合には、電極間の結合は増加するであろう。その理由は、それらが受信電極から離れたフラックス・ラインを破壊するであろうよりも交差した電極間結合を提供するからである。この差は、回路及び／またはソフトウエアの変更によって容易に順応される。
【００６０】
センサのもう１つの使用は、イオン及び非イオン流体の双方を検出するための「二重使用」の装置としてである。例えば、「ディップ・スティック」が構成され得、そしてソフトウエアが提供され得、油タンク内の水の存在を感知するであろうし、両者のレベルを同時に読むであろう。この特徴は、キーの対数的な間隔付けのような他の特徴と組合され得る。
【００６１】
本発明に従って為された線形アレイは、物体の位置を感知するために、例えば線形もしくは回転エンコーダを履行するために用いることができる。静電容量は、非常に少ない電力を必要とし、バックラッシュがゼロであり、かつ非接触で為されるという理由で擦り切れるはずがないので、電気機械的な及び光学的な技術よりも長所的である。補間された線形アレイを用いた装置は、容易に、例えば磁気に基づくＬＶＤＴに取って代わり得る。容量性エンコーダは市場において知られており、本発明をエンコーダに適用することは新規では無い。線形エンコーダとして用いられる場合には、電極は、図９に示すように配列されることができない。回転の場合には、電極は、軸の回りで円形形状に配列され得る。いずれの場合においても、エンコーダは、ヴェーンすなわち翼、もしくは電極対の交差結合に影響を与える他の構成要素によって影響され、位置に対応するよう電子的に判断される。
【００６２】
産業上の利用可能性
本発明は、容量性のキー、キーパッド、及びデータの入力もしくは装置の制御のために用いられるキーボードを提供する。本発明は、また、自動車の燃料タンク内の燃料のレベルのような、タンク内の液体レベルを測定するために用いられ得る容量性近接感知キーのアレイをも提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 交流信号源及び電極対を有する本発明の一実施例の電気的概略図である。
【図１ｂ】 ２つの電極が配置された固体の固定された絶縁体基板の部分、もしくは代替的には、感知されるべき移動する絶縁体物質、固体または流体に隣接した２つの固定された電極を示す部分的な概略図である。
【図１ｃ】 パルス源である場合の図１ａ及び１ｂの交流信号発生器により出力される波形の概略図である。
【図１ｄ】 正弦波源である場合の図１ａ及び１ｂの交流信号発生器により出力される波形の概略図である。
【図２ａ】 水のような薄い導電膜（フィルム）が絶縁体基板上に示されている、図１ｂのものと同様の部分的概略図である。
【図２ｂ】 図２ａに対応する電気的概略図である。
【図３ａ】 水の容器のような大型の導電本体が電極に隣接して示されている、図１ｂ及び２ａのものと同様の部分的概略図である。
【図３ｂ】 図３ａに対応する電気的概略図である。
【図４ａ】 電荷転送測定回路の一実施例の電気的概略図である。
【図４ｂ】 図４ａの回路の動作に用いられるタイミング関係の概略図である。
【図５ａ】 電荷転送測定回路の第２の実施例の電気的概略図である。
【図５ｂ】 図５ａの回路に対する電気的タイミング図である。
【図６】 図４ａに示された型の電荷測定回路のＸ−Ｙ多重化されたアレイの電気的概略図である。
【図７】 図５ａに示された型の電荷測定回路のＸ−Ｙ多重化されたアレイの電気的概略図である。
【図８ａ】 駆動信号の立ち上がり及び立下りエッジの双方を用いるよう適合された回路の電気的概略図である。
【図８ｂ】 図８ａの回路の動作におけるタイミング関係の概略図である。
【図９】 本発明によって為されたスライダ制御もしくは流体レベル感知プローブの概略図である。
技術分野
本発明は、表面に接触したもしくは非常に近接した物質の感知に関する。問題となる一つの特定の領域は、スイッチ、キー、及びデータの入力や装置またはプロセスの制御のために用いられるキーボードのような人間との接点にある。問題となるもう一つの特定の領域は、容器内の流動性物質のレベルもしくは容積の感知において為されるような、粉末及び流体のような無生物物質の感知である。
【０００２】
背景技術
本発明は、静電容量感知を用い、特に、本発明者による米国特許第５，７３０，１６５号において教示されてきた「電荷転送」（または「ＱＴ」）として知られている感知の形態を用いる。電荷転送感知は、電極上に電荷を誘導するために電子スイッチ閉鎖を用いる。結果の電界の乱れが、電極上の電荷量を測定し、それにより電極における静電容量の変化を決定することにより感知される。
【０００３】
Ｃａｌｄｗｅｌｌ等は、米国特許５，５７２，２０５号において、ユーザの入力選択に応答する容量性タッチ制御システムを教示しており、該容量性タッチ制御システムは、ガラス・セラミックの電気クック・トップのような電気的に非導通の基板上に配置されるタッチ・パッドとして構成され得る。１５０ｋＨｚ以上、好ましくは１５０ｋＨｚと５００ｋＨｚとの間の範囲にある一次周波数を有するソース信号が、タッチ・パッドの一部分に与えられる。タッチ・パッドは、検出信号を生じるために、電気信号をタッチ・パッドのもう１つの部分に結合し、該検出信号は、ユーザの静電容量の存在を決定するために解読される。デコーダは、好ましくは、検出信号のひずみを避けるために、低利得回路から構成されるピーク検出器を含む。
【０００４】
発明の開示
本発明においては、物体の近接によって乱され得る隣接の絶縁体を通して伝えられる電界を創成するために２つ以上の電極が配列される。電荷転送測定回路は、電極の一方に接続される。
【０００５】
本発明の主に予想される応用の１つは、データ入力に用いられるキーボードにおいてであるので、感知素子は、以後しばしば、「キー」と称する。これは、表現を簡単にするために、かつ本発明を用いることができる既知の感知またはスイッチング製品のリストを列挙することを避けるために行われるものであり、また、「キー」がそのように用いられる場合には、任意の可能な応用に対して近接検出領域を表すということが理解されるであろう。
【０００６】
従って、本発明の１つの態様は、キーを形成する電極対への近接を検出するための装置及び方法を提供することである。本発明のもう１つの態様は、キーパッド、キーボード、スライダ・スイッチ・アナログ、またはレベル・センサを形成するよう、電極のマトリクスの１つ以上への近接を検出するための装置及び方法を提供することである。
【０００７】
キー・マトリクスは、複数の電極対の配列から創成されることとなり、各対の一方は電圧源に接続され、各対の第２のものは電荷検出器に接続される。マトリクスに対する一般的な場合において、Ｘの駆動（ドライブ）ライン及びＹの電荷積分器がある。最小のマトリクスは、２つの駆動ライン及び単一の電荷積分器、もしくはこの逆を備えるけれども、普通は、例えばＸ＝２、Ｙ＝２の配列の少なくとも４つのキーを含むＮ×Ｍのマトリクスが予想される。電荷積分器と同じ数の駆動ラインを有する配列（以後、「正方形マトリクス」と称する）は、回路及び配線の与えられた量に対して最大数のキーをもたらすという理由で、一般に好ましいということが留意され得る。用語「マトリクス」及び「正方形」は、キー・マトリクスの物理的形態とは何等関係がないということに留意され得る。キーは、線形に、円形に、または単一表面上にランダムに、もしくは複数の表面上に所望の任意の態様で配列され得る。さらに、キーは、同じ物理的寸法または形状である必要は無く、あるものは大きくて円形、他のものは小さくて三角形、さらに他のものは中位の大きさで方形であることができる。
【０００８】
本発明の一実施例において、各キーは、交流の電圧源と、ギャップで互いに分離されるように固体の絶縁体基板もしくはパネルの上にまたはその内部に装着された一対の電極と関連している。電圧源は第１の電極に接続され、サンプリング電荷検出器は第２の電極に接続され、そして電荷検出器の出力は、次に、信号処理手段に与えられる。物質または物体がパネルに接近もしくは接触したときに、２つの電極間の結合における乱れが固体基板もしくはパネル物質を通して検出される。
【０００９】
本発明のもう１つの実施例において、各キーは、交流電圧源と、ギャップによって互いに分離された一対の電極とに関連している。電圧源は第１の電極に接続されており、サンプリング電荷検出器は第２の電極に接続され、そして電荷検出器の出力は、次に、信号処理手段に与えられる。固体絶縁体層を介在することなく物質または物体がパネルに接近もしくは直接接触したときに、２つの電極間の結合における乱れが検出される。
【００１０】
本発明の好適な実施例の動作において、交流電圧源は、ギャップを横切って時間変化する電界（ｅ−ｆｉｅｌｄ）を投射する第１の（Ｘ）電極に接続される。この電界は、第２の、受信（Ｙ）の、電極によって、少なくとも部分的に受信される。受信電極はサンプリング電荷検出器に接続され、該サンプリング電荷検出器は、パルス化された電圧のｄＶ／ｄｔによって生じるギャップを横切って結合される電荷の変化をサンプリングするように働く。受信電極は、プロセスのサンプリング段階の間に低インピーダンス・ノードであるということが本発明の特徴である。このことは、第２の電極に結合された電荷が第２の電極上に認識されるほどの電圧上昇を生じないということを確実にする。
【００１１】
特徴及び長所に関する上述の記載は、当業者にとって、及び本発明を如何に実施するかを学習することを望むものにとって、使用し得るものであると信じるけれども、上述の記載は、特徴及び長所のすべてを列挙するよう意図されたものではないということが認識されるであろう。さらに、本発明の種々の実施例は、本発明の上述に記載した特徴及び長所の種々の組合わせを提供することができ、そして幾つかの実施例では、記載された特徴及び長所のすべてよりは少ないものが提供され得るということが留意され得る。
【００１２】
本発明を実施するための最良の態様
本発明の最も簡単な形態の概略図が図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図１ｄに示されている。キーもしくは複合感知素子１０は、信号発生器１０１によって駆動される第１の駆動電極１００を備え、該信号発生器１０１は、一実施例においては、幾つかの選択された期間を有する複数の周期的な電圧パルスを提供するよう、通常に調整された電源１０２から付勢される単純なＣＭＯＳ論理ゲートであって良い。代替的には、電圧源１０１は、正弦発生器またはもう１つの適切な波形を有する循環電圧の発生器であって良い。一実施例においては、絶縁材料もしくは基板１０３は、駆動電極１００を支持すると共に、１１３によって厳密ではなくおおざっぱな態様で示される低インピーダンスもしくは「仮想接地」特性を有する受信回路に接続される第２の受信電極１０４を支持する。変化する電界１１０は、駆動される電極１００に与えられる電圧サイクル１０８の列の立ち上がりエッジ１０９及び立ち下りエッジ１１１において絶縁体１０３内に発生される。図１ｃは、電圧サイクル１０８をパルスとして示しており、図１ｄは、正弦波形を示している。代わりに、三角波、スルーレート制限されたパルス等のような他の波形も、例えば放射されたＲＦＩを抑制するために用いられ得る。用いられる波形の性質は、本発明の動作の説明にとって重要でない。明細書の以降の説明を通して、パルスが便宜上示されるが、これらは上述及び他の理由により他の波形であっても良く、従って、パルスまたは方形波の使用は、どの図にも示され、もしくはそれと共に説明される任意のＸ駆動電圧源に関して、制限的なものとして解釈されるべきではない。
【００１３】
受信電極１０４は、概して記号ＣEで図面に示される結合静電容量１０５を介して電界１１０を受信しもしくは沈める。静電容量１０５は、該静電容量１０５による１０８の容量性微分に起因して電流信号１１４をもたらす。受信電極１０４からの出力リード１１２は、この信号を、以下の図と共に説明する電荷測定回路に導通させる。この微分は、コンデンサを通る電流の流れを制御する以下の式により生じる。
【００１４】
【数１】
ｉE＝ＣE*ｄＶ／ｄｔ
ここに、ＣEは相互電極静電容量であり、Ｖは駆動電圧である。エッジ遷移中に各キーを横切って結合される電荷量は、上の式の時間に対する積分、すなわち以下の式として定義される。
【００１５】
【数２】
ＱE＝ＣE*Ｖ
これらの遷移において結合される電荷ＱEは、Ｖの立ち上がり時間とは無関係であり、このことは重要な結果である。さらに、ＱEは、駆動電極１００上の電圧揺動と、駆動された電極１００及び受信電極１０４間の結合静電容量１０５の大きさとに比例する。当該技術分野において既知であるように、結合の程度は、近接度、大きさ、幾何形状、２つの電極の相対的姿勢、基板絶縁体の物質組成、流体及び人間の指のような他の物体に対する複合感知素子の近接度、に依存する。プラスチック及びガラスのような固体絶縁体が空気よりも非常に高い絶縁定数を有するので、基板が充分に厚い場合には、２つの電極１００及び１０４間の結合は、主に基板を通してである。
【００１６】
金属によるような、もしくは図２ａに示されるイオンを含む水成流体によるような導電フィルムよる複合感知素子で外部接触が行われる場合には、２つの電極間の結合は増加するであろう。というのは、外部フィルムは、放出電極１００からの信号を、それに結合させてしまうであろうからである。フィルムは、次に、同じ信号の二次放射器として作用し、次に受信電極１０４に同じ信号を強力に結合させるであろう。図２ｂは、かかるフィルムが存在する場合に生じるところのものを概略的に示す。２つの追加のコンデンサ２０２及び２０３が形成される。これらの１つ２０２は、駆動電極からフィルムに対してであり、他方のもの２０３はフィルムから受信電極に対してである。これらは、駆動される電極から受信電極に対する容量性信号結合の量を増加するよう調和して作用する。これらの効果は、キーパッドまたは接触センサが用いられるべきである多くの状況において優勢である。例えば、凝縮した湿度及び雨に露出された戸外のコントロール、及びキッチンにおける機器キーパッドの双方が、異質のフィルムと争わなければならない。このような場合においては、フィルムは、偽検出を避けるために、少しは可能であるとしても、無視されるべきである。
【００１７】
実際、電極１００及び１０４は、代表的には、当該技術分野において既知であるように互いにかみ合っており、絶縁層を介してそれぞれの電極からの及びそれぞれの電極への電界の結合の一層高い量を容易にする。互いにかみ合うことは、キーの有効「利得」を増加し、駆動信号の一層高い利得増幅率もしくは一層高いレベルに対する必要性を減少する。互いにかみ合うことは、一層限定された領域において電界を局所化する傾向を有し、そしてキー形状が、図１ａから図２ｂまでにおいて示されるように単に隣接する電極の場合のような他の場合に可能であるよりも大きい表面をカバーするのを許容する。
【００１８】
他方、人間のような大きい体によって、またはおそらく図３ａに示されるような大きい容積の流体によって、複合感知素子１０との外部接触が行われる場合には、１００及び１０４間の電荷の結合は、減少されるであろう。その理由は、大きい物体が大地２０６に対して（または、感知素子を制御する回路の大地基準電位に対して完了する経路を有する他の近くの構造物に対して）相当な容量を有するからである。この減少された結合は、駆動された電極１００及び受信電極１０４間の結合された電界が、受信板１０４から大地へ幾分そらされるという理由で生じる。このことは、図３ｂに概略的に示されている。静電容量３０１及び３０２がセットアップされ、これらは、第３の物体から自由空間もしくは局所接地までの静電容量３０４と共に、そして１００及び１０４間に存在する直接結合１０５から電界を分路するように働く。図３ｂにおける結合静電容量１０５は、物体３０３への電界線の迂回の結果として、図１ａに対応する結合静電容量１０５よりも相当少ない。受信電極１０４が「仮想接地」に接続される場合には、追加された静電容量３０２の影響は重要なものではない。受信電極１０４が高いインピーダンスの増幅器に接続される場合には、３０２の影響は、１０４上の信号を一層減少するよう働くので、重要で有り得る。
【００１９】
図２ａ及び図３ａの上の２つのシナリオ間の信号シフト極性における差は重要であり、表面膜と、大量の物質もしくは人間の指との間を検出及び分別することができる強固な感知素子を創成するために利用され得る。１つの場合（例えば、図２ａ）においては、検出された物質は、信号における隆起を生じ、図３ａの場合においては、検出された物質は、信号における減少を生じる。
【００２０】
ほとんどの実施例において、電極と、感知されるべき物質または物体との間に介在する層として固体パネル物質１０３を用いることが好ましい。これは、電極１００及び１０４並びに関連の配線の隠蔽のためだけでなく、電界が自由空間内に出て行く前にパネル内で「ミックス」するのを可能とするためでもある。上に横たわる絶縁パネルは、結合静電容量１０５、３０１及び３０２を創成する有効な手段を提供し、後者の２つの結合静電容量は、物体、指、または他の物質を感知する際にセットアップされる。
【００２１】
もう１つの実施例において、図１ｂの１０３は、実際、絶縁流体（例えば、油、ガソリン）もしくは移動固体（例えば、プラスチック・エンコーダ翼）のような、電極に直接接触するもしくは非常に近接する、感知されるべき物質である。１００及び１０４に隣接するこの流体もしくは固体の存在は、電極間に付加的な結合１１０を創成して信号強度を高め、容易に検出され得るＣE１０５の一層高いレベルをもたらす。この場合、電極は、空間内で機械的に付されるか、機械的安定性のために臨界的でない絶縁基板に接着される（図１ｂの関係においては示されていない）。
【００２２】
さて、図４ａを参照すると、本発明者の米国特許第５，７３０，１６５号に開示された電荷転送（「ＱＴ」）装置及び方法に部分的に基づいている回路が示されている。この回路は、電極１００、１０４及び処理回路４００を含むセンサの実施形態を示している。図４ａに示される例示的な処理回路４００は、サンプリング・スイッチ４０１、電荷積分器４０２（ここでは簡単なコンデンサとして示される）、増幅器４０３及びリセット・スイッチ４０４を備えており、また、任意選択的な電荷削除手段４０５を含んでいても良い。図４ｂに示される、電圧源１０１からの電極駆動信号と、スイッチ４０１のサンプル・タイミングとの間のタイミング関係は、マイクロプロセッサもしくは他のディジタル・コントローラ４０８であって良い、適切な同期化手段によって与えられる。示された実施形態において、リセット・スイッチ４０４は、電荷積分器４０２を既知の初期状態（例えばゼロ・ボルト）にリセットするために、最初は閉じられている。リセット・スイッチ４０４は次に開かれ、そしてその後の或る時刻において、電圧源１０１が正の遷移を発している期間の間、サンプリング・スイッチ４０１が端子１を介して電荷積分器４０２に接続され、そしてその後、電気的な接地もしくは他の適切な基準電位である端子０に再接続する。電圧源１０１は次に接地に戻り、プロセスは再度繰り返される。これらのサイクルの「ｎ」回の繰り返しの終わりに（ここで、ｎはゼロでない有限の整数）、サンプリング・スイッチ４０１は位置０に保持され、その間に、電荷積分器４０２の電圧が測定手段４０７によって測定される。測定手段４０７は、増幅器、ＡＤＣもしくは差し迫った適用に対して適切で有り得る他の回路を含み得る。測定が行われた後、リセット・スイッチ４０４は再度閉じられ、サイクルは、次に所望されたときに再開始される。該プロセスもしくは処理は、ここでは、長さ「ｎ」の測定「バースト」であると称される。ここで、「ｎ」は、１から任意の有限数までの範囲に及び得る。回路の感度は、「ｎ」に直接関係し、電荷積分器４０２の値に逆に関係する。
【００２３】
４０２で示された回路素子は、他の手段によって達成されても良い電荷積分作用を提供するものであり、本発明は、４０２によって示されたような接地基準化されたコンデンサの使用に制限されるものではない、ということを理解すべきである。電荷積分器４０２は、Ｙラインを通して流れる電荷を積分するための、オペアンプを基にした積分器であって良いということが、常習的実行者には自明であるはずである。このような積分器は、また、電荷を蓄積するためにコンデンサをも用いる。積分器は回路の複雑さを増すけれども、それら積分器は、Ｙ感知電流に対する一層理想的な加算接合点及び一層動的な範囲を提供するということに留意し得る。低速の積分器が用いられた場合、該積分器がそのうちそれを吸収することができるまで電荷を高速で一時的に蓄積するよう４０２の位置に別のコンデンサを用いることが必要であるかもしれないが、このようなコンデンサの値は、オペアンプに基づく積分器に組込まれる積分コンデンサの値に比較して相対的に臨界的でない。
【００２４】
図４ａに示される回路は、重要な電気的特徴、すなわち４０１が位置１に閉じられている間にサンプリングされる、Ｙライン上の「仮想接地」ノードのものを提供する。電荷積分器は、簡単な接地基準コンデンサであろうとまたはオペアンプに基づく積分器であろうと、上述したようにＹ接続の干渉及び漂遊容量の影響を低く保つためにきわめて大切な加算接合点の属性を提供する。
【００２５】
スイッチ４０１は、マトリックス上に人工的な接地面を創成するために電荷を実際にサンプリングしていない場合に好ましくはＹライン１１２を接地に接続するべきであり、これにより、ＲＦ放出が減少され、また、電荷積分器４０２により感知されるものと反対の極性の結合された電荷が適正に消失しかつ中性化するのを許容する。サンプル・パルス間でＹラインを接地するのを省略した場合には、システムは純粋にＡＣ結合されるであろうし、そして機能するのを急速に止めるであろう。その理由は、ＤＣ復帰がない場合に電荷が１０５を横切って引っ張られ及び押されるの双方が行われるであろうからである。電圧源１０１の遷移間で同じ効果を達成するようＹラインを接地するために抵抗を用いることも可能である。単一のＳＰＤＴスイッチ４０１に対する代替案として、適切な態様でタイミングが取られるならば、２つの独立したスイッチを用いることもできる。可能な多くの代替的な方法があるけれども、本発明の好適な実施例の重要な特徴は、各サンプリングの後に受信板１０４上に電荷を再蓄積するための手段を設けることであることが明瞭であるはずである。
【００２６】
本発明者の米国特許第５、７３０、１６５号に説明されているように、信号振幅の検出または測定の操作及び決定のために可能な多くの信号処理選択がある。前述の特許は、また、単一の電極システムについてではあるけれども、図４ａに示される配列の利得関係を説明している。本例の場合における利得関係においては同じである。信号削除手段４０５の有用性が本発明者による米国特許第４、８７９、４６１号並びに米国特許第５、７３０、１６５号に説明されている。信号削除の目的は、駆動される電極１００及び受信電極１０４間に一層高い結合を許容するために、各バーストの発生と同時に電荷積分器４０２上の電圧（すなわち電荷）創設を減じることである。この方法の１つの利点は、低コストで１００及び１０４間の結合における小さい偏向に感応する大きい感知領域を許容することである。このような大きい感知結合は、人間のタッチ感知パッドに用いられる物理的に大きい、互いに高くかみ合わされた電極に存在する。電荷削除は、大きい直線性を有する結合の量の測定を許容し、その理由は、直線性は、バーストの進行に渡って「仮想接地」ノードに沈められる、駆動される電極１００から受信電極１０４までの結合された電荷の能力に依存するからである。電荷積分器４０２上の電圧がバーストの進行中に感じられるほど上昇することが許容されるならば、該電圧は、逆指数関数的な態様で上昇するであろう。この指数関数的要素は、直線性に、従って有用な動的範囲に有害な影響を及ぼす。電荷削除を行うことができる、本発明者の先の容量感知特許及び特許出願に開示された多くの可能な回路があり、これらすべては、せいぜいわずかな変更でもって本発明に適用可能である。
【００２７】
電荷測定回路が高いインピーダンスを有する場合には、ｄＶ／ｄｔによって誘導される電流は、受信電極１０４上の実際の電圧パルスとして明らかになるであろうことに留意され得る。従って、センサは、電荷検出器への出力リード１１２近辺にくる他の物体からの「ウォークバイ」干渉を受けやすいであろう。１１２の配線近辺に置かれる物体は、ワイヤからの信号のいくつかを吸収し、信号における減少を生じるであろう。このことは、物体が電極の組の近辺にない場合でさえ、正に検出イベントのような回路に見ることができる。より重要なことには、受信電極１０４に接続された高インピーダンス回路の使用は、良いことではないが、配線の長さが回路の利得を決定する際の要因になるということを確実にする。配線は、信号のいくつかが自由空間に、隣接のワイヤに、及び接地に容量的に流れ出るようにし、結合容量１０５と共に容量分割回路を形成する。従来技術は、電極結合上への寄生容量の影響を除去するまたは減少するための戦略を工夫するための多くの試みを示している。低インピーダンスもしくは「仮想接地」を有する検出器を用いた本発明は、受信電極１０４上の電圧揺動を重要でないレベルに減少することによって、これらの問題を解決している。図４ａに示された型の電荷転送（「ＱＴ」）検出器は、簡単に、低インピーダンス検出器を履行する最も簡単で最も低価格の方法となる。
【００２８】
図４ａに示された受信回路の低インピーダンスの性質は、電荷削除回路４０５から引出されたものではなく、むしろ、電荷積分器４０２が、電圧において感知できるほどに上昇することなく、駆動される電極１００上の信号のスルー部分中に電荷を吸収するという事実から引出されたものである。電荷削除回路４０５は、上述したように、直線性及び信号獲得の双方を改善するために、バースト中に４０２上の電圧上昇を減少するために存在する。
【００２９】
図４ｂに示されるタイミング図は、１００上の信号の上昇エッジもしくは立ち上がりエッジ１０９が信号制御スイッチ４０１を用いていかに「獲得」されるかを示している。スイッチ４０１は、駆動信号１００の上昇部分もしくは立ち上がり部分の前に、立ち上がり部分の間に、そして立ち上がり部分の後に、制御スイッチ４０１の位置１につながる。電荷が結合容量１０５を横切って転送されるのは、１００の立ち上がり部分、スルー１０９中である。しかしながら、水または他の導電フィルムがタッチ表面上に存在するならば、結合されたエネルギのいくつかは、エッジ１０９に対して位相的に遅延するであろう。これは、かかるフィルムの配分されたＲＣ性質によるものである。すなわち、フィルムは、駆動電極１００から誘導された電荷を受け、そして結果の誘導された電流は、２つのディメンションで抵抗性流体シートを通して流れ、関連の寄生容量を充電する。駆動電極１００上の立ち上がりスルー１０９が終了した後比較的長い時間の間、サンプリング・スイッチ４０１が位置１に保持されたならば、フィルムは、受信電極１０４に戻って結合され、それ故、サンプリング・スイッチ４０１を通してシートにおける電流配分に起因する電荷の任意の変化をもたらす。従って、導電シートは、１００の立ち上がりスルーが完了した後４０１が位置１に保持されているのが長ければ長いほど、サンプリング信号を増加するであろう。この効果は、また、水口の周りの水フィルムに関する本発明者による米国特許第５，７３０，１６５号に記載されている。流体が存在する場合には、流体フィルムの配分された容量からの電荷の回収を制限するために、スイッチ４０１を位置１から急速に分離することが良好である。例えば、１００の正のスルーの停止と４０１の開放との間の遅延時間が２００ｎｓより小さい場合には、湿気フィルムは強力に抑制され、５０ｎｓの遅延時間においては、抑制効果はほとんど完了するということが実験的に留意されてきた。
【００３０】
Ｃａｌｄｗｅｌｌ等は、また、米国特許第５，５７２，２０５号において、周波数領域におけるかかる効果を記載しているということが留意され得る。明らかに、この効果の根本原因は、時間もしくは周波数のいずれの領域においても同じである。正しくＣａｌｄｗｅｌｌ等が同じものの高められた抑制を確実にするために高い周波数を用いることを記載しているように、かかる導電性シートの効果（水フィルムからのような）を抑制するために制御スイッチ４０１の位置１へのスイッチ閉鎖時間を狭くする際に強力な長所がある。ここにおいて、本発明は、バースト・モードで動作するのが好ましく任意の特定の動作周波数を必要としないので、Ｃａｌｄｗｅｌｌ等によって説明されたものよりも優れていると信じられる。特に、本発明は、高レベルのＲＦ放出をもたらし得る高い動作周波数を必要としない。本発明の装置は、低い基本周波数においてもしくは不連続的に（バーストにおいて）動作することができ、かつまた、従来技術と同じ目的を達成するよう、すなわち一時的なゲート制御の機構を介する、制御表面への水フィルムの分路効果を抑制するよう動作することができる。
【００３１】
本発明の装置における供給基準化されたスイッチを用いることに対する方法が図５ａに概略的に示されている。ここで、図４ａのサンプリング・スイッチ４０１は、接地基準化されたスイッチ５０１によって置き換えられている。簡単なコンデンサ４０２として示されている電荷積分器は、未だ存在しており、受信板に電気的に直接接続されている。電荷削除は、図４ａにおける回路４０５のＣｚコンデンサが行ったのと同様の機能を行う任意選択的なコンデンサ５０５をスイッチ・イン及びスイッチ・アウトすることにより履行され得る。示された実施例において、電荷積分器の２つの端子の各々にそれぞれ接続される２つのスイッチング素子５０１、５１０があり、スイッチング素子５０１、５１０の各々は、電荷積分器のそれぞれの端子を基準電位に選択的に接続するよう、もしくはそれをそこから分離するように適合されている。図５ｂの関連のタイミング図は、スイッチ５０１及び５１０の閉止、及び論理ゲート１０１からの駆動信号１００を示している。図４ｂにおけるように、スイッチの閉止は、１０１のエッジ（この場合、負に行くエッジ）を「確定する（ブラケットする）」ようにタイミングが取られる。好ましくは、確定化もしくはブラケット化は、図４ｂと共に特定される理由のために、１０１のエッジの回りで狭く行われる。駆動信号の各バーストの終わりにおいて、スイッチ５０１は開いたままであり、そしてスイッチ５１０は閉じられる。１０１の負のエッジがサンプリングされたので、５１０を閉じる作用は、正の電圧が、開いているスイッチ５０１を横切って現れるようにする（すなわち、図５ｂにおけるＶ４０２によって示されるように）。この電圧は、増幅及びディジタル形態への変換並びにその後の数値処理もしくは簡単なアナログ閾値比較のような通常の手段によって検出され得る。図５ａに示された配列は、スイッチ５０１及び５１０間のスイッチ・クロスオーバ導通なしで動作されることが留意され得る。これらスイッチの双方が同時に閉じられた場合には、サンプリング・コンデンサ４０２は、バーストの通常の進行中に不注意に放電されるであろう。
【００３２】
バーストの終わりにおいて電圧Ｖ４０２は、図４ａの電荷積分器４０２に現れる電圧と同じである。双方の電圧は、同じもの、すなわち電極を横切る結合、絶縁特性における変化、他の物体もしくは物質に対する隣接、駆動電圧の変動、等によって影響される。より大きい容量性結合は、各バーストの終わりにおいて、Ｖ４０２における増加を生じる。
【００３３】
ＣＭＯＳスイッチのような通常の論理手段がスイッチ５０１及び５１０を履行するために用いられる場合には、５１０を横切って現れる電圧は、通常のＣＭＯＳスイッチに固有の保護クランプ・ダイオードの導通を生じるよう、充分に負になり得るということに留意すべきである。このことは、サンプリングされた電荷を破壊しそして結果の信号に大いに熱的に依存する係数を導入するであろうので、このことが生じることは許されないということは重要である。クランピング・ダイオードを持たないあつらえ品のＣＭＯＳ回路を設計することによってこの問題を避けることができるけれども、５０１上の電圧をゼロの電圧の１０分の２、３内に保つことによって（例えば、０．３ボルト以下）この問題を避けることもできる。これは、以下の設計選択のいずれか１つもしくは任意の組合わせによって達成され得る。
１． 簡単なコンデンサが４０２として用いられる場合には、４０２を大きく保つ。
２． バーストの進行中に必要とされるものとして削除容量５０５を用いる。
３． バーストの長さ「ｎ」を電圧を制限するのに充分に短く保つ。
４． 素子１００及び１０４間の容量性結合を減じる。
【００３４】
クランプ・ダイオードが存在する場合の結果の電圧は低いことが必要（およそ０．３ボルトまたはそれ以下）であるので、さらなる処理を許容するための増幅が必要とされるかもしれない。代替案においては、固定された閾値を有する簡単な電圧比較器がＶ４０２を感知するために用いられることができ、そしてバースト長さは可変とされることができる、すなわち比較器によって検出が「ちょうど」感知されるように、充分に長くされることができる。結合容量１０５が変化するにつれて、バースト長さはそれに応じて変得られることができる。バーストの長さ「ｎ」は、次に、信号出力となるであろう。１０５の結合が大きければ大きいほど、比較器によって感知される制限電圧を達成するために必要とされる「ｎ」のサイクルは少なくなる。
【００３５】
上述の回路は、ＸＹマトリクスにおける多重化に極度に良好に適している。良く知られているように、マトリクス感知は、感知領域に必要とされる相互接続の数を減少するので、大いに望ましい。例えば、キーパッドを構成するために６４の感知領域が必要とされるならば、６４の感知領域の各々に対して別々の容量センサを用いることができ（この場合には、６４のワイヤ及び６４：１のアナログ・マルチプレクサを必要とするであろう）、または、ドライブ（駆動）ライン及びレシーブ（受信）ラインのＸＹアレイを履行することができ（この場合には、単に１６の相互接続及びレシーブ（受信）側におけるはなはだ小さい８：１のアナログ・マルチプレクサに帰結するであろう）、これらのいずれかが可能である。さらに、前者の場合には、個々の感知パッドへの感知リードは感応的なままであり、感知パッドから感知パッドまで必ずしも同じでない追加の容量性負荷を提供する。後者の場合には、感知ライン自体は少しも感応的ではなく、電極駆動１００及びレシーブ（受信）１０４によって形成された感知素子だけが感応領域を形成し、接続配線には僅かしかもしくは全く感度が無く、従って、接続配線は、前者の場合におけるよりも相当大きい長さのものであることができる。感知領域を選択的に指令するこの能力は、かなり長所的である。さらに、非多重化された設計は、前述したような湿気フィルム抑制を提供しない。ＸＹ多重化方法の唯一の欠点は、１つではなく、２つの隣接しかつ通常インターリーブされた電極から成る一層複雑な感知電極構造を必要とするということである。
【００３６】
図６は、図４ａに示された基本回路方法に従ってＮ×Ｍに多重化されたアレイの履行を示している。図４ａのサンプル・スイッチ４０１の機能は、図４ｂに先に示された動作を模写するタイミング・シーケンスにおいてそれぞれのスイッチ経路を選択するアナログ・マルチプレクサ６０１によって与えられる。マルチプレクサ６０１は、サンプリングされないＹラインを接地に接続する接地端子を含み、従って、実際に４ＳＰＤＴスイッチの組であり、１つの接点の組は電荷積分器４０２に接続される。接地された接点は、図４ａと共に開示されたように、サンプリングされないエッジから対向する電荷を中性化するために設けられている。マルチプレクサに組込まれた接地動作がない場合には、Ｙラインにつき１つの幾つかの流出抵抗のような他の幾つかの機構が、Ｙライン上の対向エッジ電荷を中性化するために必要とされるであろう。６０１の機能は、便宜的には、他の４つのスイッチに対向してスイッチの４つの制御ラインを駆動する型７４ＨＣ０４に見られるような４つのインバータと共に、単一のモノリシックＩＣまたは標準の７４ＨＣ４０６６ ＣＭＯＳ ＩＣのような２つの４重スイッチ・パッケージを用いて履行される。アナログ・マルチプレクサ６０１に含まれるスイッチング素子は、列セレクタとして機能することに加えて、サンプリング機能を行う。キーは、Ｎの駆動される（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４）ラインと、Ｍの受信（Ｙ１….Ｙ４）ラインの丸で囲まれた交点である。キーが望まれている各交点において、電極の対が設けられる。これらの対は、図１ａ及び図１ｂに示されたものと本質的に同じである。表現の明瞭さのために、４×４のマトリクスだけが図６に示されているが、当業者には、駆動（ドライブ）ラインと受信（レシーブ）ラインとの数には固有の制限が無いことが認識されるであろう。駆動ラインとは異なった数の受信ラインを有する場合には、「正方形」でないマトリクスを作ることも可能である。例えば、６×３のアレイ（６駆動ライン及び３受信ライン）は、１８のスイッチ点をもたらすであろう。正方形でないアレイは正方形のアレイよりもリソースの効率が悪くなるが、多くの場合においては、正方形のマトリクスがもたらすであろうスイッチ点の全数に対する必要性が無い。例えば、単に２０のスイッチだけが必要とされる場合には、５×４または４×５のマトリクスで充分であろう。マルチプレクサ６０１は、また、図４ａと共に開示されたように、サンプリングされないエッジからの対向する電荷を中性化するために、Ｙラインが電荷積分器４０２に蓄積されるべき電荷を導通しない場合にはＹラインから接地へのスイッチング動作をも含むことに留意すべきである。
【００３７】
さて、図７を参照すると、図６の回路のものと同様の機能を有する多重化方法を示しているが、しかしながら、図５ａに示された回路を参照して前述した非浮動のスイッチング素子を用いている。図７に示すように、受信ラインのためのアナログ・マルチプレクサは必要とされない。多重化は、受信側ではスイッチング対７０１〜７０４の１つだけを可能化し、未使用のスイッチ対を接地するかもしくは一定に保持することにより行われる。例えば、キー７０５において感知することが望まれる場合には、駆動ライン７０６だけ（Ｘ２も付されている）が駆動バースト信号を運び、他のＸラインはいずれの状態においても一定に保持される。対応的に、キー７０５を介して結合された信号を受信するように受信スイッチ対７０２だけが可能化され、他の受信Ｙスイッチ対は一定状態に保持される。７０６上の駆動信号バーストが完了すると、スイッチ対７０２を横切る電荷積分コンデンサ４０２ｂ上の電圧は、キー７０５の状態（すなわち、指、大量の流体、もしくは他の物体の存在または不存在）を決定するために測定される。
【００３８】
代替的に、７０４を介してスイッチ対７０１に接続される測定回路は、固定された基準レベルを有する電圧比較器だけから成り得る。この配列において、各キーにおける信号は、電荷積分コンデンサ４０２ａ〜４０２ｄの各々を横切って予め定められた電圧を発生するために必要とされる各バーストにおけるサイクルの数によって確認される。必要とされるサイクルのカウントは、信号レベルの読みである。この方法は、上の図５ａ及び図５ｂに関連して説明したようにハードウエア及びソフトウエアで履行するのに極めて簡単である。
【００３９】
キー・マトリクスは、関連の受信スイッチ対を順番に可能化しかつ測定プロセスを介して各キーのための信号結果を創成しつつ、各駆動ライン上の駆動バーストの組合わせを用いた上述の態様の１つでキー・バイ・キーで走査され得る。キー走査の特定のシーケンスは重要でなく、そしてキーは、所望ならば、擬似ランダム・シーケンスで選択されることさえできる。
【００４０】
図７の回路は、図６の回路よりも重要な長所を有する。図６の回路に対して必要とされるようなキー・バイ・キーでの走査の代わりに、図７の回路は一時に全部の列を走査され得る、すなわち全Ｘ列におけるキーは、並列に感知され得る。これを行うための能力は、走査のスループットにおけるすさまじい改良をもたらし、そして取得時間を充分に免除して他の機能のためにコントローラ４０８を使用することを可能とし、それによりシステムの全体のコストを下げる。１つのバースト・サイクルで完全な列を図７に走査させるために、列駆動ライン（例えば、ライン７０６）が前述したようにバーストでトグルするようにされる。このような各バースト内での各立下り駆動信号の間に、すべてのスイッチ対７０１〜７０４は、同時に可能化され適切にトグルかされる。従って、７０６の各立下りエッジ（該エッジは７０６の列内で各キー・マトリクス電極素子対を横切ってｄＶ／ｄｔ結合を創成する）は、その列内において各キー素子内の信号を創成する。これらの信号は、それぞれの行ラインによって検出され、該信号は、スイッチ対７０１〜７０４及び関連のコンデンサによってサンプリングされる。
【００４１】
負のエッジではなくむしろ駆動信号の立ち上がりエッジによって創成されるｄＶ／ｄｔを用いることも可能であるが、わずかに望ましくない。立ち上がりエッジが用いられる場合には、変更を配慮するために、すなわち測定間隔の間に測定回路がＹ行ラインに接続されるように、検出スイッチはわずかに構成を変更されなければならない。周囲の状態に露出されているＹラインは、その上に電気ノイズを有し得、このことは測定プロセスを妨害し得る。負のエッジを用いて、それにより測定サイクルの間に接地されているスイッチ５１０により測定回路がＹラインから絶縁されたままであるのを許容することがわずかに良好である。
【００４２】
わずかな回路変更でもって、有効獲得速度を２倍にするよう駆動ライン上の信号のスルーの双方を用いることも可能である。上述の履行においては、単一のエッジだけが、電極対を横切って必要なｄＶ／ｄｔを発生するために用いられた。立ち上がり及び立下りエッジの双方が用いられる場合には、システム利得の同じレベルを取得するために、サイクルの数の半分だけがバースト毎に必要とされる。これは、効果的に用いられることができ、そしてより遅くかつ安いマイクロプロセッサもしくは他のシステム・コントローラ４０８を用いることを許容し得、もしくはより早い走査によって利用可能となった追加の処理時間中にコントローラがさらなる機能を行うことを許容し得る。
【００４３】
図８ａは、スループットを２倍にするために駆動電極１００上の駆動信号の立ち上がり及び立下りスルーの双方を用いるための１つの可能な配列を示す。エッジをサンプル・コンデンサ及びサンプリング・スイッチ対の一側またはもう１つの側に向けるために、付加的なスイッチ８０１〜８０４が受信（行またはＹ）側に追加される。スイッチは、立ち上がり及び立下りエッジの間の適切な段階においてフリップされ、図８ｂのタイミング図に示される駆動信号と直角位相（９０°の位相ずれ）にある信号によって制御される。
【００４４】
図６及び図７の多重化回路の型の混合を組込んだ混合システムも可能であり、ある場合においては望ましいかも知れないということが留意される。
【００４５】
駆動及び制御信号のすべてをソフトウエアまたはファームウエアで混合することができるか、もしくは良く知られた設計方法を用いてハードウエアで直接発生し得るということが当業者には認識される。それ故、図に示されたコントローラ４０８を用いること以外に、スイッチング素子が電圧源と同期して動作するのを確実にするための多くの方法がある。
【００４６】
さらに、使用可能な結合容量の範囲を増加するために、図６、７、８ａ及び８ｂと関連して説明した多重化された実施例のいずれかに、図４ａ及び図５ａに示された装置に関連して説明したものと同様の電荷削除回路を用いることができることも認識されるであろう。
【００４７】
骨の折れる検出を容易するするために用いられ得る多くの型の信号処理方法及びアルゴリズムがある。例えば、各キーに対して検出される信号の量は、検出閾値レベル及び／または基準レベルのいずれかに比較的遅い調節によって「ドリフト補償」され得る。離散したアナログ回路においては、これは、必要な修正を提供する遅い積分器の形態を取ることができ、基準自体（すなわち同様の態様で、閾値レベル）をゆっくりと調節することにより基準レベルからの信号の電流偏差を追跡する。
【００４８】
もう１つの例として、信号偏差が検出を創成するために充分に大きく（すなわち閾値が交差され）そして検出が長時間持続している場合には、ユニットは、「スタック」されるように見える特定のキーに対して基準レベルを再較正するよう強いられ得る。キーが「スタックされている」と表明される前に過ぎる時間は、もちろん設計技師が行う知識のある選択であり、一般に５秒から３０秒の範囲にある。
【００４９】
通常、信号レベルの比較にはヒステリシス閾値化が与えられて、貧弱な較正及び／または逸脱信号によって生じる持続的なデザリングもしくは動揺及び接点の跳ね返りを避けるべきである。
【００５０】
「検出積分」、すなわち、閾値が超えられた間隔を合計し、それにより過渡検出をフィルタ・アウトするよう作用するカウンタの使用は、「本当」であるには早く判断されすぎる急速なイベントによって生じる検出を避ける際に有用なツールである。例えば、キー・パネルへの非常に急速な指の接触は、検出を生じ得るが、該検出は、幾つかの場合には（例えば、安全の理由のために）、その短期間にかんがみて抑制され得る。かかる積分は、時間を積分することにより、バースト間隔を積分することにより、もしくは他の同様の手段で行われ得る。
【００５１】
大多数投票フィルタリングの使用は、事実上、検出積分と同様である。このフィルタは、最終結果を創成するために、サンプリングされた時間期間に渡って、論理０または論理１結果である閾値比較器の出力を用いる。例えば、７サンプルのうちの最後の４サンプルにおける閾値化を介してセンサが信号を検出した際に有効な最終検出結果を創成することだけが望ましいかも知れない。
【００５２】
閾値比較器の先立って生じる低帯域信号フィルタリングの形態は、中央のフィルタである。このフィルタは、奇数の信号サンプルを取り、サンプルの組の算術的中央値、もしくは中心値を見つける。このフィルタの型は、信号経路からスパイク・ノイズを除去することにおいて普通良好である。簡単な低帯域フィルタリングのような信号フィルタリングの他のより慣習的な型が有用であり、設計のために必要とされ得る。
【００５３】
多くのキーパッドの場合におけるように、安全性もしくは人的要因のために望ましい制御機能がある。これらの方法は、当該技術分野において良く知られているが、ここで再度述べておく価値がある。その１つは、制御インターロッキングの使用であり、それにより、少なくとも２つのキーが逐次的もしくは即座にのいずれかで押圧されない限り機能を選択することができない。インターロッキングは、例えば安全理由のために、不注意に付勢されるのを避けることができる。ここに開示された方法は、キー・マトリクスがｎ−キーのロールオーバを完全に可能とするので（それがすべてのキーを独立して、そして機能の観点からは同時に、検出する）、制御インターロッキングにとって適切である。可能なもう１つの機能は、線形の「スライダ」制御で配列された電極対のアレイの使用であり、例えばキーパッドもしくはその小区分が、ポテンシオメータまたはエンコーダ（図９）で通常履行されるであろう、強度、容積、またはフェーダのコントロール（または他の機能）として作用するのを可能とする。スライダの幾何学的形状は重要でなく、本発明はこの点に制限しない。スライダは線形であって良く、曲線であっても良く、または形状において三次元的であってさえ良い。
【００５４】
本発明の装置は、レベル感知に対して使用され得、例えば大量の粉末もしくは容器内の流体のレベルを測定するために使用され得る。キーを二次元のマトリクスで配列する代わりに、キーは、図９に示すように線形アレイで配列され得る。アレイを適切な厚さの非遮蔽の（すなわち非金属の）容器の外側に取付けることにより、容器の内側の流体の存在が感知され得る。キーは表面フィルムもしくは表面膜と大量物質との間を容易に識別することができるので、容器の内側に付着したフィルムもしくは膜の存在は、センサを混同しないであろう。容器が遮蔽されている場合には（例えば金属で形成されているかもしくは金属メッキされている場合）、キーは、容器内に挿入され得るもしくは容器壁の内側に付着され得る、「ディップ・スティック」に沿って配列され得る。
【００５５】
検出側への結合を提供するために例えば人間の接触を検出するために電界を「混合」する、上に横たわる「パネル」物質の使用と共に本発明を説明してきたけれども、物質が油またはガソリンのような絶縁体である場合には、電極は、介在するパネルの援助なしで直接物質を感知することもできる。図９に示された電極は、パネルを介する代わりに、すなわち高々薄い保護層を介して電極の直接接触によりこの態様で流体レベルを感知することができる。この場合、電極対間の結合は、絶縁流体の存在において、電界が走行し得る経路の創成に起因して増加する。
【００５６】
キー自体によって与えられるものよりも高い有効解像度を有するスライド制御もしくは流体レベル・センサを創成するよう感知の中に「キー」を補間することも可能である。これは、部分的な位置を創成するよう部分的な沈没もしくは接触にのみあるキーからアナログ信号を判断することにより行われる。この補間のための較正は、より低い沈没したキーから受信される信号強度から容易に導出される。
【００５７】
また、キーは、感知領域におけるギャップなしで補間を容易にするために少なくとも部分的に重複しているように配列され得る。
【００５８】
例えば他のどこかで解像度を弱めている間に測定範囲の幾つかの部分に沿って解像度を高めるために、設計者が幾つかのキーを他のものよりも小さくするのを阻止するものは何もないと言うことに留意され得る。有用な配列は、タンクが空になるにつれ円滑に増加する解像度を提供するよう、キーを対数関数的に間隔を置いて並べることである。これは、例えば、自動車のガソリン・タンクにおいて有用であり得る。
【００５９】
前述したように、大量のイオン的に導通する流体（すなわち水銀のような液体金属）が存在する場合、電極ギャップを横切る信号結合の強度は、実際減少するであろう。他方、油、ガソリン、穀物、または他の乾燥したもしくは不導通の物質のような物質の場合には、電極間の結合は増加するであろう。その理由は、それらが受信電極から離れたフラックス・ラインを破壊するであろうよりも交差した電極間結合を提供するからである。この差は、回路及び／またはソフトウエアの変更によって容易に順応される。
【００６０】
センサのもう１つの使用は、イオン及び非イオン流体の双方を検出するための「二重使用」の装置としてである。例えば、「ディップ・スティック」が構成され得、そしてソフトウエアが提供され得、油タンク内の水の存在を感知するであろうし、両者のレベルを同時に読むであろう。この特徴は、キーの対数的な間隔付けのような他の特徴と組合され得る。
【００６１】
本発明に従って為された線形アレイは、物体の位置を感知するために、例えば線形もしくは回転エンコーダを履行するために用いることができる。静電容量は、非常に少ない電力を必要とし、バックラッシュがゼロであり、かつ非接触で為されるという理由で擦り切れるはずがないので、電気機械的な及び光学的な技術よりも長所的である。補間された線形アレイを用いた装置は、容易に、例えば磁気に基づくＬＶＤＴに取って代わり得る。容量性エンコーダは市場において知られており、本発明をエンコーダに適用することは新規では無い。線形エンコーダとして用いられる場合には、電極は、図９に示すように配列されることができない。回転の場合には、電極は、軸の回りで円形形状に配列され得る。いずれの場合においても、エンコーダは、ヴェーンすなわち翼、もしくは電極対の交差結合に影響を与える他の構成要素によって影響され、位置に対応するよう電子的に判断される。
【００６２】
産業上の利用可能性
本発明は、容量性のキー、キーパッド、及びデータの入力もしくは装置の制御のために用いられるキーボードを提供する。本発明は、また、自動車の燃料タンク内の燃料のレベルのような、タンク内の液体レベルを測定するために用いられ得る容量性近接感知キーのアレイをも提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 交流信号源及び電極対を有する本発明の一実施例の電気的概略図である。
【図１ｂ】 ２つの電極が配置された固体の固定された絶縁体基板の部分、もしくは代替的には、感知されるべき移動する絶縁体物質、固体または流体に隣接した２つの固定された電極を示す部分的な概略図である。
【図１ｃ】 パルス源である場合の図１ａ及び１ｂの交流信号発生器により出力される波形の概略図である。
【図１ｄ】 正弦波源である場合の図１ａ及び１ｂの交流信号発生器により出力される波形の概略図である。
【図２ａ】 水のような薄い導電膜（フィルム）が絶縁体基板上に示されている、図１ｂのものと同様の部分的概略図である。
【図２ｂ】 図２ａに対応する電気的概略図である。
【図３ａ】 水の容器のような大型の導電本体が電極に隣接して示されている、図１ｂ及び２ａのものと同様の部分的概略図である。
【図３ｂ】 図３ａに対応する電気的概略図である。
【図４ａ】 電荷転送測定回路の一実施例の電気的概略図である。
【図４ｂ】 図４ａの回路の動作に用いられるタイミング関係の概略図である。
【図５ａ】 電荷転送測定回路の第２の実施例の電気的概略図である。
【図５ｂ】 図５ａの回路に対する電気的タイミング図である。
【図６】 図４ａに示された型の電荷測定回路のＸ−Ｙ多重化されたアレイの電気的概略図である。
【図７】 図５ａに示された型の電荷測定回路のＸ−Ｙ多重化されたアレイの電気的概略図である。
【図８ａ】 駆動信号の立ち上がり及び立下りエッジの双方を用いるよう適合された回路の電気的概略図である。
【図８ｂ】 図８ａの回路の動作におけるタイミング関係の概略図である。
【図９】 本発明によって為されたスライダ制御もしくは流体レベル感知プローブの概略図である。
Claims (13)
- 結合コンデンサに近接しかつ該結合コンデンサから絶縁体層により離間された物体の存在を感知することによりキーを動作させる方法であって、結合コンデンサは、駆動される板及び受信板を備え、駆動される板は、複数の電圧サイクルを供給する信号発生器に電気的に接続され、受信板は、２つの端子を有する電荷積分器を備えた処理回路に接続されていないときはいつも基準電位に接続され、前記方法は、
ａ）電荷積分器の双方の端子を基準電位に設定するよう、複数のスイッチング素子のうちの１つ以上を制御する段階と、
ｂ）受信板を電荷積分器に接続し、それにより、受信板からの電荷を電荷積分器に転送するよう、電圧サイクルの所定数の各々の所定部分中に複数のスイッチング素子の１つ以上を制御する段階と、
ｃ）前記複数の電圧サイクルの後に電荷積分器の２つの端子の第１の端子上の電圧を測定して、物体が近接したことを示す標示を提供する段階と、
を含む方法。 - 電荷積分器の２つの端子の第２のものは基準電位に直接接続され、複数のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子及び該第１のスイッチング素子とは異なる第２のスイッチング素子を備え、そして
段階ａ）において、第１のスイッチング素子は電荷積分器の第１の端子を基準電位に接続し、かつ第２のスイッチング素子は受信板を電荷積分器から引き外し、
段階ｂ）において、第１のスイッチング素子は電荷積分器の第１の端子を基準電位に接続せず、かつ第２のスイッチング素子は受信板を電荷積分器の第１の端子に接続する、
請求項１に記載の方法。 - 受信板は電荷積分器の２つの端子の第２のものに電気的に直接接続され、複数のスイッチング素子は、電荷積分器の第２の端子に接続される第１のスイッチング素子及び電荷積分器の第１の端子に接続される第２のスイッチング素子を備え、そして段階ａ）において、第１及び第２のスイッチング素子の双方は、それぞれの端子を基準電位に接続する、請求項１に記載の方法。
- 結合コンデンサに近接しかつ該結合コンデンサから絶縁体により分離された体の存在を感知するための装置であって、結合コンデンサは、駆動される板、及び処理回路に接続されていないときはいつも基準電位に接続されるよう適合された受信板を備え、前記装置は、
駆動される板に接続される電圧源であって、サイクルの各々が所定の持続期間を有する周期的な複数の電圧サイクルを、駆動される板に供給するよう適合された電圧源と、
複数のスイッチング素子と、を備え、
処理回路は、２つの端子を有し、受信板に接続されるよう適合される電荷積分器であって、複数のスイッチング素子の少なくとも第１のものに直接接続される電荷積分器を備え、
処理回路は、さらに、前記複数の電圧サイクルの後に電荷積分器上の電圧を測定するよう適合された電圧測定回路であって、測定された電圧が、駆動される板及び受信板間の電気的静電容量の変化を示す電圧測定回路を備え、
コントローラは、スイッチング素子の第１の所定の１つ以上を制御することによって測定を開始するよう適合され、第１の所定の１つ以上のスイッチング素子は、電荷積分器の双方の端子を基準電位に接続するよう少なくとも第１のスイッチング素子を備え、
コントローラは、さらに、電圧源と同期してスイッチング素子の第２の１つ以上を制御することにより、受信板からサンプリング・コンデンサに電荷を転送するよう適合されている装置。 - 電荷積分器の２つの端子の第１ものは、基準電位に直接接続され、複数のスイッチング素子の第１の所定のものは、電荷積分器の第２の端子及び基準電位間に接続され、
複数のスイッチング素子の第２のものは、受信板及び電荷積分器の第２の端子間に電気的に接続された請求項４に記載の装置。 - 受信板は、電荷積分器の２つの端子の第１のものに電気的に直接接続され、
スイッチング素子の第１のものは、電荷積分器の第１の端子及び基準電位間に接続され、
２つのスイッチング素子の第２のものは、電荷積分器の第２の端子及び基準電位間に接続され、そして
コントローラは、電荷積分器の双方の端子を基準電位に接続するためにスイッチング素子の第１及び第２のものを閉じることによって測定を開始するよう適合されている請求項４に記載の装置。 - 第１の複数Ｎの入力ラインと、第２の複数Ｍの出力ラインと、Ｎ×Ｍのキーとを備え、各キーは、それに近接した物体の存在を感知するよう適合されたそれぞれの容量性センサを備え、かつ各キーは、入力ライン及び出力ラインのそれぞれの交差に隣接して配置されているキー・マトリクスであって、
キーの各々が、Ｎの入力ラインの１つに接続されたそれぞれの駆動された板及びＭの出力ラインの１つに接続されたそれぞれの受信板を備え、
入力ラインの各々は、それぞれの信号発生器に電気的に接続され、各信号発生器は、それぞれの周期的な複数の電圧サイクルをそれに接続された駆動された板の各々に供給するよう適合され、
キー・マトリクスは、さらに、
複数のスイッチング素子の各々を制御するよう適合されたコントローラであって、受信板が電荷積分器の２つの端子の１つに接続されていないときに受信板の各々を基準電位に接続するように、複数のスイッチング素子の第１の所定数を制御するよう適合されたコントローラと、
受信板の少なくとも１つと関連した駆動される板に供給されるそれぞれの電圧サイクルの所定の部分の間に受信板の少なくとも１つに接続されるよう適合された前記電荷積分器であって、複数のスイッチング素子の少なくとも第１のものに直接接続された電荷積分器と、
前記複数の電圧サイクルの後に、物体の近接したことを示す標示として電荷積分器上の電圧を測定するよう適合された測定回路と、
を備えたことを特徴とするキー・マトリクス。 - スイッチング素子の第１の所定数はマルチプレクサを含み、
電荷積分器の２つの端子の第２のものは基準電位に電気的に直接接続され、
スイッチング素子の所定数の第１のものは、電荷積分器の第１の端子を基準電位に接続するよう適合されたスイッチング素子を含んでいる請求項７に記載のキー・マトリクス。 - Ｍの出力ラインの各々は、それぞれの電荷積分器のそれぞれの第１の端子に電気的に直接接続され、
スイッチング素子の第１のＭのそれぞれのものの各々は、それぞれの電荷積分器のそれぞれの第１の端子及び基準電位間に接続され、そして
スイッチング素子の、第１のＭのそれぞれのものとは別の、第２のＭのそれぞれのものの各々は、それぞれの電荷積分器の第２の端子及び基準電位間に接続されている請求項７に記載のキー・マトリクス。 - Ｍの出力ラインの各々は、Ｍのスイッチング素子の第１の組のそれぞれの１つに電気的に接続され、Ｍのスイッチング素子の第１の組の各々は、それぞれの出力ラインを、それぞれの電荷積分器の第１の端子またはそれぞれの電荷積分器の第２の端子のいずれかに接続し、
Ｍのスイッチング素子の、第１の組とは別の、第２の組の各々は、それぞれの電荷積分器のそれぞれの第１端子及び基準電位間に接続され、そして
Ｍのスイッチング素子の、第１及び第２の組の双方とは別の、第３の組の各々は、それぞれの電荷積分器の第２の端子及び基準電位間に接続されている請求項７に記載のキー・マトリクス。 - 前記絶縁体層が前記駆動される板と受信板との間に中間層を形成して前記物体を検知するように、前記駆動される板及び受信板は配置され、前記絶縁体層は、前記駆動される板及び受信板の間の結合が主に前記絶縁体層を介するに十分に厚い、請求項１に記載の方法。
- 前記絶縁体層が前記駆動される板と受信板との間に中間層を形成して前記物体を検知するように、前記駆動される板及び受信板は配置され、前記絶縁体層は、前記駆動される板及び受信板の間の結合が主に前記絶縁体層を介するに十分に厚い、請求項４に記載の装置。
- 前記絶縁体層が前記駆動される板と受信板との間に中間層を形成して前記物体を検知するように、前記駆動される板及び受信板は配置され、前記絶縁体層は、前記駆動される板及び受信板の間の結合が主に前記絶縁体層を介するに十分に厚い、請求項７に記載のキー・マトリクス。
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