JP4729477B2

JP4729477B2 - 物体検出

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Publication number: JP4729477B2
Application number: JP2006506587A
Authority: JP
Inventors: コーネリス、バン、ベルケル; アッシャー、ジェイ．ホスキンス; デイビッド、エス．ジョージ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-04-28
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Description

本発明は、電界検出（electric field sensing）を利用した物体検出（object sensing）に関する。電界検出は、準静電検出（quasi-electrostatic sensing）としても知られており、交差容量検出（cross capacitive sensing）と呼ばれることがある。本発明は、ユーザインタフェース入力部（user interface input）を提供するための物体検出に利用するのに特に適しているが、これに限定されるものではない。

物体検出のために利用される検出技術の１つに容量検出（capacitive sensing）がある。物体検出のために利用される別の検出技術に電界検出があり、これは、準静電検出としても知られており、交差容量検出と呼ばれることがある。

その真に最も単純な形態において、容量検出ではただ１つの電極を使用し、測定にはその電極の負荷容量を利用する。この負荷容量は、その電極とその電極周辺の全接地物との間の全静電容量の合計として決定される。これは、近接検出（proximity sensing）にてなされるのと同様のものである。

交差容量検出と呼ばれることのある電界検出では、複数の電極を使用し、２つの電極間の比静電容量を効果的に測定する。電界生成装置に接続される電極は電界検出送信電極（electric field sensing transmission electrode）（又は送信電極（transmitter electrode））と呼ばれることがあり、測定装置に接続される電極は電界検出受信電極（electric field sensing reception electrode）（又は受信電極（receiver electrode））と呼ばれることがある。送信電極は、交流電圧の印加により励起される。その結果、変位電流がそれらの電極間の容量結合により受信電極に誘起される（即ち、電界線効果（effect of electric field lines））。もし、物体がそれらの電極付近（即ち、電界線内）に配置されると、幾本かの電界線がその物体のそばで終結することになり、容量性電流が減少することになる。

電界検出を利用した既知の物体検出システムでは、物体の存在は容量性変位電流や変化をその中で（therein）監視することで検出される。例えば、ＵＳ６０２５７２６号は、電界検出配列をとりわけコンピュータやその他の機器のためのユーザ入力装置とする使用法を開示している。その電界検出配列は、意図された機器次第でユーザの指や手や体全体の位置を検出する。ＷＯ−０２／１０３６２１号は、電界検出を利用した物体検出システムで容量性電流を監視するための二相電荷蓄積検出回路を開示している。この検出回路は、ディスプレイに組み込まれることもある。

容量検出の他の分野において、ＤＥ１９９２７３５８号は、単一チップ容量センサを提供するためのＣＭＯＳ技術を利用した集積回路の使用法を開示している。また、ふたたび容量検出の他の分野において、ＵＳ６２５９８０４号は、操作のための接触に応じて容量センサ配列からの信号を処理するためのアナログデジタル変換（ＡＤＣ）の使用法を開示している。

本発明者は、既知の電界検出配列において容量性変位電流や変化をその中で測定することには信頼性があること、そしてこれは複雑な回路構造によって提供される詳細な測定を要求することを認識した。本発明者は、キャパシタの接地後に容量性変位電流や変化をその増加中にその中で測定すべきとするこの要求は、全ての種々の既知の電界物体測定システムで採用される基本的方法によって増大されることを認識した。

第１の観点において、本発明は、送信電極と、受信電極と、前記受信電極に連結された電荷供給又は切替回路（charge pumping or switching circuit）と、前記送信電極と前記電荷供給／切替回路とに直接的に又は非直接的に連結された交流電圧源と、前記受信電極に連結された出力接続線（output connection）とを備える電界物体検出システム（これは、交差容量物体検出システムとして言及されることもある）を提供する。前記電荷供給／切替回路は、前記交流電圧源から前記送信電極と前記電荷供給／切替回路とに印加される交流電圧の共通のサイクルに従って電荷供給を実行するために切替を行うように構成される。前記電荷供給回路は、キャパシタとして、当該キャパシタを介して形成された電圧が、前記送信電極と前記受信電極との間の静電容量に応じたレベルで飽和するように構成されたキャパシタを備える。前記出力接続線は、前記送信電極と前記受信電極との間において又は前記送信電極と前記受信電極との近傍において物体が配置されたときに又は移動したときに変化する出力として前記飽和電圧を引き渡すように構成される。

前記システムは好ましくは更に、前記出力接続線に連結された高インピーダンス読取手段を備える。前記高インピーダンス読取手段の好ましい形態は、アナログデジタル変換器又は比較器を含む。

前記システム又は少なくとも幾つか若しくは全ての前記回路構造部分（例を挙げると、例えば前記電極については必要ではない）は好適には、ＣＭＯＳによって構成されるようにしてもよい。更には、前記システム又は少なくとも幾つか若しくは全ての前記回路構造部分（例を挙げると、例えば前記電極については必要ではない）は好適には、ＣＭＯＳによって構成されるときには特に、電子製品の制御回路に組み込まれるようにしてもよい。

更なる観点において、本発明は、電界物体検出システム（これは、交差容量物体検出システムとして言及されることもある）の受信電極から出力を供給する方法であって、送信電極に第１の交流電圧を供給し、前記受信電極に連結された電荷供給／切替回路に前記第１の交流電圧と同一位相の第２の交流電圧を供給し、前記送信電極と前記受信電極との間の容量結合に応じて増加する電圧を前記電荷供給／切替回路のキャパシタ上に供給するために、前記両交流電圧のサイクルに従って、前記電荷供給／切替回路を利用した電荷供給／切替を実行し、前記切替回路の前記キャパシタ上の前記電圧を飽和させ、前記送信電極と前記受信電極との間において又は前記送信電極と前記受信電極との近傍において物体が配置されたときに又は移動したときに変化する出力として前記飽和電圧を利用する方法を提供する。

前記方法は好ましくは更に、前記出力を高インピーダンス読取手段中に送出する。前記高インピーダンス読取手段の好ましい形態は、アナログデジタル変換器又は比較器を含む。

前記第１の交流電圧は、前記第２の交流電圧と同一でもよい。別の可能性としては、前記第１の交流電圧は、共振フィルタやその他のタイプのフィルタや増幅器を介して前記送信電極に前記第２の交流電圧を送出することで供給される。

その他の観点において、切替回路又はその他の適当な配列は、送信電極と受信電極との間の静電容量（この静電容量は、前記送信電極と前記受信電極との間又は近傍において物体が配置されたとき又は移動したときに変化する）に応じた電圧又は電荷レベルで、キャパシタ又はその他の電荷蓄積デバイスを飽和させる処理を提供するために、電荷供給動作又はその他の処理を実行するのに使用される。

前記切替回路又はその他の適当な配列は、キャパシタのそれぞれの面の前記交流電圧を前記受信電極か接地かのどちらかに切り替えるように構成されるようにしてもよい。前記スイッチ群（switches）は、前記キャパシタの一方の面が前記受信電極に切り替えられたときに前記キャパシタの他方の面が前記受信電極に切り替えられるように（逆もまた同様）、前記交流電圧の極性に応じて連動的に動作する。この切替は好ましくは、スイッチ群又は配列群（arrangements）の全てがそのような切替を実行するように機能する２つのスイッチ群又は配列群のそれぞれ（なるべく相互関係のあるもの）により実行される。

なお、上記の幾つか又は全ての観点では、前記送信電極を駆動するのにパルス波列を採用する。また、上記の幾つか又は全ての観点では、実際上、準定常状態の電圧レベルを測定することにより（例えば、アナログデジタル変換器又は比較器のような高インピーダンスデバイスに当該準定常状態の電圧レベルを入力することにより）出力を供給する。

以上の観点によれば、単純処理を実行する電子回路を利用して、提供された出力信号を処理できるようになる。そして、ＣＭＯＳ技術を利用することで、その結果、電子製品用の制御回路のように電界検出配列が半導体製品に組み込まれる可能性を向上させることができる。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ例示的に説明することにする。

図１は、第１実施例による電界（又は交差容量として知られる）物体検出システム１の概略図（スケールは任意）であって、当該電界物体検出システム１は、送信電極２と、交流電圧源３と、受信電極４と、検出回路構造１０とを備える。

交流電圧源３は、送信電極２に接続されている。検出回路構造１０は、受信電極４に接続されている。

動作中において、交流電圧が送信電極２に印加されると、電界線（例示の電界線５，６，７が受信電極４を通過している）が生成される。電界線５，６，７は、受信電極４に少量の交流電流を誘起する。

物体８（例えば指）が２つの電極２，４の近傍に置かれると、物体８はその結果、それらの電界線（図１に示された状況においては、電界線５，６）を終結させ、他方それらの電界線は、物体８により占められた領域を通過することになる。これが、２つの電極２，４間の交差容量効果を減少させる、即ち、受信電極４から流出する電流を減少させる。一般的な電界物体検出システムでは、誘起交流電流は、電界誘起電流の位相に一致させるために交流電圧からの傍受信号を利用するような電流検出回路を利用して検出されることになる。従って、その電流検出回路により測定される電流レベルは、２つの電極２，４の近傍における物体の存在の測定尺度として使用される。

しかしながら、この実施例の電界物体検出システム１では、検出回路構造１０が、そのような誘起電流の一般的電流測定と異なる方法にて電界線５，６内にある物体８の効果を検出するように代わりに配置されている。当該方法については、より詳細に後述される。

図２は、この実施例の電界物体検出システム１の更なる詳細を示すブロック図である。当該電界物体検出システム１は、検出コントローラ１２と、送信アセンブリ（transmitter assembly）１４と、受信アセンブリ（receiver assembly）１６とを備える。図１に示された単純化された形態と比較すべく、図１の交流電圧源３は検出コントローラ１２の一部を構成すること、送信電極２は送信アセンブリ１４の一部を構成すること、受信電極４は受信アセンブリ１６の一部を構成すること、及び検出回路構造１０は受信アセンブリ１６と検出コントローラ１２との間に配置されることに注意されたい。これらについては、より詳細に後述される。

検出コントローラ１２は、動作中において当該検出コントローラが送信アセンブリ１４と受信アセンブリ１６の両方に交流電圧１８を供給するように、送信アセンブリ１４と受信アセンブリ１６とに連結されている。受信アセンブリ１６は更に、動作中において当該受信アセンブリ１６が検出コントローラ１２にデータ信号２０を提供するように、別途、検出コントローラ１２に連結されている。

図３は、検出コントローラ１２の更なる詳細を示すブロック図である。検出コントローラ１２は、上述された交流電圧源３の形態の出力を備える。検出コントローラ１２はまた、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２４の形態の入力を備える。検出コントローラ１２はまた、プロセッサ２２を備える。プロセッサ２２は、交流電圧源３とＡＤＣ２４の両方に連結されている。

動作中において、検出コントローラの上述の構成部分は、以下のように機能する。交流電圧源３は、送信アセンブリ１４と受信アセンブリ１６の両方に交流電圧１８の出力を供給する。ＡＤＣ２４は、受信アセンブリ１６から受信された入力データ信号２０を受信し、そしてデジタル形態に変換する。ＡＤＣ２４は、より高次の処理のためのプロセッサ２２に受信データのデジタル形態を転送する。プロセッサ２２は、交流電圧源３、ＡＤＣ２４、及びその他の目的のために用意され得るその他のあらゆる構成要素（図示せず）を制御する一般的な制御処理を実行する。付け加えると、プロセッサ２２は、ＡＤＣ２４から受信するデジタルデータ信号に対するより高次の処理を実行する。

図４は、送信アセンブリ１４の更なる詳細を示す概略図である。送信アセンブリ１４は主に、交流電圧１８が供給されるように構成された上述の送信電極２を備える。この実施例では、送信アセンブリ１４は更に、インダクタ２８と共振キャパシタ３０とからなる共振子を備える。当該共振子は、交流電圧１８が当該共振子を経由（これにより、送信電極２に供給される当該交流電圧を増幅する）して送信電極２に引き渡されるように構成される。

図５は、受信アセンブリ１６の更なる詳細を示す概略図である。受信アセンブリ１６は、切替回路３２と直接出力接続線３４とに連結された受信電極４を備える。切替回路３２は更に、動作中において交流電圧１８が切替回路３２を経由して受信電極４に送出されるように、検出コントローラ１２の交流電圧源３に連結されている。直接出力接続線３４は更に、動作中においてデータ信号２０が受信電極４からＡＤＣ２４に引き渡されるように、検出コントローラ１２のＡＤＣ２４に連結されている。

ここで、切替回路３２についてより詳細に説明することにする。切替回路３２は、２個のｎ型ＴＦＴ（以下、第１のｎ型ＴＦＴ３５及び第２のｎ型ＴＦＴ４１のとして言及する）と、２個のｐ型ＴＦＴ（以下、第１のｐ型ＴＦＴ３７及び第２のｐ型ＴＦＴ３９として言及する）と、キャパシタ４３とを備える。

それらの回路構成要素は以下のように接続される。全４個のＴＦＴ３５，３７，３９，４１のゲートは、相互に接続されていると共に、交流電圧源３からの入力接続線（incoming connection）に接続されている。ＴＦＴ３５，３７，３９，４１はそれぞれ、一般的な様式で、ゲートに加えて２つの更なるソース／ドレイン端子（以下、第１及び第２の端子として言及する）を有する。動作中において、ソース／ドレイン端子の一方がＴＦＴのソースとして機能し、ソース／ドレイン端子の他方がＴＦＴのドレインとして機能する。あらゆる特定の瞬間において、ソース／ドレイン端子のどちらがソースとして働きどちらがドレインとして働くかという問題は、その瞬間での印加電圧の極性により確定される。第１のｎ型ＴＦＴ３５の第１の端子と第２のｐ型ＴＦＴ３９の第１の端子は、相互に接続されていると共に、受信電極４に接続されている。第１のｎ型ＴＦＴ３５の第２の端子と第１のｐ型ＴＦＴ３７の第１の端子は、相互に接続されていると共に、キャパシタ４３の一方の面（以下、面Ａとして言及する）に接続されている。第１のｐ型ＴＦＴ３７の第２の端子と第２のｎ型ＴＦＴ４１の第２の端子は、相互に接続されていると共に、接地線（earth connection）４２に接続されている。第２のｐ型ＴＦＴ３９の第２の端子と第２のｎ型ＴＦＴ４１の第１の端子は、相互に接続されていると共に、キャパシタ４３の他方の面（以下、面Ｂとして言及する）に接続されている。

概略としては、切替回路３２は、実質的に２つの分離した回路部分として動作することにより動作する。第１の回路部分は、第１のｎ型ＴＦＴ３５と、キャパシタ４３と、第２のｎ型ＴＦＴ４１とを備える。第２の回路部分は、第１のｐ型ＴＦＴ３７と、キャパシタ４３（キャパシタ４３が両回路部分により共有されることに注意されたい）と、第２のｐ型ＴＦＴ３９とを備える。２つの回路部分は、交流電圧源３により供給される交流電圧１８の正及び負のサイクルに応じて交互に活性化される。２つの回路は各々、キャパシタ４３に（受信電極３３からの）電荷を蓄積する。この電荷は、２つの回路各々のためのキャパシタに同一の電荷極性で蓄積される。以下、図６と図７とを参照しつつ、上述された電界物体検出システム１の動作についてより詳細に説明することにする。図６は、当該システムの動作に関連する種々の波形及び信号を定量的に図示する。図７ａと図７ｂはそれぞれ、交流電圧１８のサイクルの正と負の部分に応じて分離的に動作する第１の回路部分と第２の回路部分を示す。

図６は、交流電圧１８を示しており、この実施例では当該交流電圧１８は±１０Ｖかつ周波数１００ｋＨｚの双極方形波である。交流電圧１８のサイクルの３つの連続する正の部分１２２と３つの連続する負の部分１２４とが、例示によって図６に図示されている。

図６は更に、交流電圧１８と同一の位相を有し、共振回路により変調された交流電圧１８の結果として送信電極２に現れる、波形５０の交流電圧を示す。

電界線（例えば、図１を参照しつつ説明された電界線５，６，７）は必然的に、送信電極２から生成される。実際上、それらの電界線は、その波形５０を受信電極３３上に容量的に結合させて、それによりその電極上の電荷の変化（交流電圧１８と同一の位相で上昇及び下降）を引き起こす。電荷変化により、受信電極４が回路（ここ場合には切替回路３２）に連結されると、電流が受信電極４から又は受信電極４に流出しようとすることになる。通常の電流符号の表記慣習を採用すれば、交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２について、切替回路３２を経由する電流の流出又は流出傾向の対応するサイクルの正の部分が生成される。対応して、交流電圧１８のサイクルの負の部分１２４について、切替回路３２を経由する電流の流出又は流出傾向の対応するサイクルの負の部分が生成される。これらの観点の更なる詳細については、上述のＷＯ−０２／１０３６２１号で与えられており、当該文献の内容はここに参照の形で包含される。

ここまでは、交流電圧１８の供給により引き起こされる送信電極２への効果について説明してきた。交流電圧１８は加えて、切替回路３２のＴＦＴ３５，３７，３９，４１のゲートに供給されている。これには次の（ｉ）と（ｉｉ）のような効果がある。（ｉ）交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２の間には、あたかも切替回路３２が第１のｎ型ＴＦＴ３５とキャパシタ４３と第２のｎ型ＴＦＴ４１とを備える図７ａに示された第１の回路部分１４１のみからなるかのように、切替回路３２が交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２の継続期間において動作するように、２つのｎ型ＴＦＴ３５，４１のみが活性化される。（ｉｉ）交流電圧１８のサイクルの負の部分１２４の間には、あたかも切替回路３２が第１のｐ型ＴＦＴ３７とキャパシタ４３と第２のｐ型ＴＦＴ３９とを備える図７ｂに示された第２の回路部分１４２のみからなるかのように、切替回路３２が交流電圧１８のサイクルの負の部分１２４の継続期間において動作するように、２つのｐ型ＴＦＴ３７，４９のみが活性化される。

ここで、交流電圧１８のサイクルの１個の正の部分１２２及び１個の負の部分１２４の継続期間における動作について説明することにする。交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２から説明を開始するものと想定されたい。これは、電流のサイクルの対応する正の部分を生成する。その間、ｎ型ＴＦＴ３５，４１は、上述のように、第１の回路部分１４１を提供して有効に活性化される。よって、正電流が第１の回路部分１４１を経由して流れる。正電流の流れの向きは、図７ａに矢印１５０をもって示されるように、受信電極４から接地線４２に向かう向きである。これは、キャパシタ４３の面Ａから面Ｂへの正電荷流を伴い、よって、電荷がキャパシタ４３に蓄積される。正電荷は面Ａから面Ｂに流れているため、キャパシタ４３のこの蓄積電荷の電荷極性は、面Ａでは正電荷の電荷極性であり、面Ｂでは負電荷の電荷極性である。

ここで、交流電圧１８の位相が変化するとき、即ち、交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２が終わり、交流電圧１８のサイクルの負の部分１２４が起こるときについて想定されたい。これは、電流のサイクルの対応する負の部分を生成する。その間、ｐ型ＴＦＴ３７，３９は、上述のように、第２の回路部分１４２を提供して有効に活性化される。よって、負電流が第２の回路部分１４２を経由して流れる。これはサイクルの負の部分であるため、負電流の流れの向きは、図７ｂに矢印１５０をもって示されるように、ここでは接地線４２から受信電極４に向かう向きである。

接地線４２と受信電極４の観点で表現するに、正電荷の流れの向きはここでは、交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２における正電荷の流れの向きと逆である（図７ｂの矢印１５０の向きを図７ａと比較されたい）が、それにもかかわらず、第１の回路部分１４１ではキャパシタ４３が２つのｎ型ＴＦＴの間にある一方で第２の回路部分１４２ではキャパシタ４３が２つのｐ型ＴＦＴ３７，３９の間にあるため、再び正電荷がキャパシタ４３の面Ａから面Ｂに流れる。よって、電荷がキャパシタ４３に蓄積される。再び正電荷は面Ａから面Ｂに流れているため、キャパシタ４３のこの蓄積電荷の電荷極性は再び、面Ａでは正電荷の電荷極性であり、面Ｂでは負電荷の電荷極性である、即ち、交流電圧１８のサイクルのこの負の部分１２４の間におけるキャパシタ４３の蓄積電荷の電荷極性は、交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２の間におけるそれと同一である。これは、電荷供給動作と呼ばれることがある。

上述の切替回路の動作は、２つの回路部分１４１，１４２の交互活性の観点でＷＯ−０２／１０３６２１号により開示された全処理の同一の回路の動作と実質的に同様であることを注意しておく。しかしながら、キャパシタに起こる変化を導く動作は、キャパシタに生成される電荷が呈するものと同様に、全く異なっている。大まかに言えば、ＷＯ−０２／１０３６２１号ではキャパシタに蓄積される電荷は、電極がリセットされるたびに新たに蓄積される電荷であり、電荷の蓄積率は、実際上電流と同様に測定される誘起容量性電流の指標である。対照的に、再び大まかに言えば、この実施例ではキャパシタに蓄積される電荷は、飽和平衡に達することが許されており、当該電荷は電圧の読み取りを提供し、物体が導入されたときにはこれによりこの飽和平衡が変化する（例えば、電極は、整流の発生を可能にすべく繰り返しゼロにリセットされることはない）。

電荷供給動作の結果として、送信電極２と受信電極４との間の容量結合が増加するときには、キャパシタ４３を通過する電圧が増加する。この電圧は、各サイクルの間にキャパシタ４３に蓄積される電荷が受信電極４上で喪失される電荷量に等しいときに飽和する。これは、実際上、各サイクルで受信電極４そのものがキャパシタ４３を通過する電圧に荷電される必要があるからである。大まかに言えば、切替回路３２の有効部分が第１の回路部分１４１から第２の回路部分１４２に変化する（逆も同様）個々の時点には、キャパシタ４３と受信電極４で出現する寄生静電容量との間に電荷の共有が存在する。このような状況において、受信電極４で出現する寄生静電容量は、実際上、受信電極４と送信電極２以外のものとの間に存在又は発生する全静電容量に等しい。

キャパシタ４３の静電容量に対する受信電極４の寄生静電容量の相対的な大きさは、各サイクルでどれくらいの量の電荷が喪失されるかを決定する。よって、キャパシタ４３を通過する飽和電圧は、一方を受信電極４と送信電極２との間の静電容量として他方を受信電極４で出現する寄生静電容量とする比によって決定される。

接地された又は相対的に接地された物体（ここでは指８）が送信電極２と受信電極４との近傍に導入されると、受信電極４と送信電極２との間の静電容量は電界線を遮る当該物体のために減少する。これは、受信電極４を送信電極２から遮蔽する接地された又は相対的に接地された物体８の観点から択一的又は付加的に理解されるだろう。（また、受信電極４で出現する寄生静電容量は物体８と受信電極４との間に導入される静電容量のために増加するが、この効果は送信電極４と受信電極２との間の静電容量の効果に比べて通常無視できるだろう。）よって、飽和電圧は減少する。これは、物体８の存在の測定尺度として使用されるものあり、これについては、以下、図６を更に参照しつつより詳細に説明することにする。

図６は更に、上述の効果の結果として、交流電圧１８の印加に対応して受信電極４で蓄積する（accumulate）電圧を示す。より詳細には後述することになるように、この蓄積電圧は、図２，３，及び５を参照しつつ既に説明されており、そして符号２０の引用により図６にも示されている、受信電極（又はそこへの接続線）による／からのデータ信号２０の出力を形成する。

第１の回路部分１４１と第２の回路部分１４２との間の切替回路３２の上述された切替のために、蓄積電圧２０は半サイクル毎に極性が変化する。

図６において、蓄積電圧２０のプロットは、電界物体検出システム１の動作中における異なる状況を図式的に示す（大きさか時間スケールかのいずれかの観点においてスケールは任意）ような４つの異なる区間５４，５６，５８，６０に分割されている。

もし、図６の左手端は、電界システム１が開始又は再開するときの交流電圧１８を図式的に示すものと想定すると、その結果、蓄積電圧２０の対応する第１区間５４は、どのようにしてこの期間内に受信電極４の蓄積電圧２０が時間に応じて増加するか（又は、厳密に言えば、受信電極４の蓄積電圧２０の大きさが時間に応じて増加するか）を図式的に示すことになる、即ち、上昇信号が存在すると言える。

上述のように、各サイクルで獲得される電荷と喪失される電荷との間にて均衡が達成されると、その結果、この増加は飽和する。飽和が達成されると、蓄積電圧２０の第２区間５６として図６に図式的に表されるように、受信電極４の蓄積電圧２０（の大きさ）は時間に対して一定に留まる、即ち、飽和信号が存在すると言える。

物体８が送信電極２と受信電極４との近傍に配置されると、上述のように、飽和を実現している均衡が送信電極２と受信電極４との間の静電容量の減少のためにかく乱される。図６において、蓄積電圧２０の第３区間５８は、どのようにして受信電極４の蓄積電圧２０（の大きさ）が時間に応じて減少するかを図式的に示す、即ち、下降信号が存在すると言える。

各サイクルで獲得される電荷と喪失される電荷との間にて均衡（この時点ではより低い電圧（の大きさ）で）が達成されると、その結果、この減少は飽和する。飽和が達成されると、蓄積電圧２０の第４区間６０として図６に図式的に表されるように、受信電極４の蓄積電圧２０（の大きさ）は時間に対して一定に留まる、即ち、物体８の存在を表す、より低いレベルの飽和信号が存在すると言える。

幾つかのサイクル（例えば１００サイクル）に渡り飽和信号を測定すると、１サイクルのみよりも大きな測定量に達する。また、これは、平均すると他のノイズ源からの寄与分になるような度数を提供する、即ち、その回路には、有用な（帯域透過）フィルタリング作用がある。

蓄積電圧２０は、検出コントローラ１２のＡＤＣ２４内へと直接的に送出される。ＡＤＣ２４は、プロセッサ１２の制御の下で、インターバルに蓄積電圧２０信号のレベルを読み取るように構成又は制御される。この例では、ＡＤＣ２４は、交流電圧１８のサイクルの正の部分１２２の間に蓄積電圧２０信号のレベルを読み取るように構成又は制御され、これによりその電圧がＡＤＣ２４の正しいレンジにあることを保証する。図６は更に、蓄積電圧２０に応じてＡＤＣ２４により供給されるデジタル出力信号６２を図式的に示す。実際には各区間に２つ以上のデジタル出力測定点６３が存在することがあるのだが、簡単化のために、この例では、それぞれ１つのデジタル出力測定点６３のみが、蓄積電圧２０の区間５４，５６，５８，６０の個々のそれぞれの区間について示されている。

図８は、処理ステップにより電界物体検出システム１の上述の動作の概略を示すフローチャートである（フローチャートの表現の便宜を付与すべく、実際には同時に起こる種々のステップが、図８では分離して示されていることに注意されたい）。

図８を参照するに、ステップＳ２では、第１の交流電圧（インダクタ２８とキャパシタ３０とで構成される共振子により変調される交流電圧１８、に該当する波形５０の電圧）が、送信電極２に供給される。

ステップＳ４では、第１の交流電圧と同一位相の第２の交流電圧（交流電圧１８）が、受信電極４に連結された切替回路３２に供給される。

ステップＳ６では、送信電極２と受信電極４との間の容量結合に応じて増加する電圧を切替回路３２のキャパシタ４３上に供給するために、交流電圧のサイクルに従って、切替回路３２を利用した電荷供給が実行される。

ステップＳ８では、切替回路３２のキャパシタ４３上の電圧が飽和させられる。

ステップＳ１０では、飽和電圧が、物体８が送信電極２と受信電極４との近傍に存在するときに変化する出力として利用される。

ステップＳ１２では、出力２０が、アナログデジタル変換器２４を備える高インピーダンス読取手段中に送出される。

異なるデジタル出力測定点６３のそれぞれの大きさは、一般的処理からのデータ出力について要求されるよりも簡単な方法で、容易に処理され得る単純なデータ形式（例えば、プロセッサ２２によるより高次の処理の形式）を提供する。そうしたより高次の処理は、物体検出システム１が採用されることになる特定の環境（最終用途）に応じて要求されることになる。そうしたより高次の処理では、２つ以上の受信電極からの入力を採用することがあり、１つ又は２つ以上の受信電極からの入力は、２つ以上の送信電極により供給される電界に由来することがある。複数の送信電極及び／又は複数の受信電極の使用法と要求された位置データを供給するために必要とされる種々の信号の処理の使用法とについては、当該技術分野においてよく知られており、ここでは詳細に記述しないことにする。しかしながら、本発明の新規なデータ出力（即ち、蓄積電圧２０及び／又はデジタル出力信号６２）が、電子製品内へのより簡単な組み込みを可能にするような、比較的単純な電子回路で処理が実行されることを可能にすることについては注意すべきである。

ここで、そうした例の１つについて、図９を参照しつつ説明することにする。図９は、携帯電話機７０を示す。携帯電話機７０は、キーボード７２と、マイク７４と、スピーカ７６と、ディスプレイ７８とを備える。

携帯電話機７０は更に電界物体検出システムを備えており、当該電界物体検出システムの電界検出電極配列８２が図９に図式的（スケールは任意）に示されている。この実施例において、電極配列８２は１つの受信電極と２つの送信電極（受信電極の上に位置する送信電極と受信電極の下に位置する電極）とを備えている。電極配列８２の近傍に指８を置いてその指８を当該電話機の上方の方向８４に動かすことにより、この動きを携帯電話機７０のディスプレイ７８へのスクロールコマンドの入力として利用するために処理されることになる出力信号（既に上述、ただしここでは、何らかの適切な方法で分離した入力を多重送信することにより分離した出力信号（各送信電極のための出力信号））が供給される。このように、当該物体検出システムは、当該携帯電話機のためのユーザインタフェース入力部を提供する。この例において、当該電界物体検出システムの電子部品は、デジタルＣＭＯＳにより提供されており、ディスプレイ７８を駆動するために利用される携帯電話機７０のディスプレイドライバのチップセット中に組み入れられている。

上記の実施例では、特定の切替回路３２が、説明された電荷供給動作を実行するために利用される。電荷供給動作は、上記の実施例にて、送信電極２と受信電極４との間の静電容量と受信電極で出現する寄生静電容量との比（この比は、物体が送信電極２と受信電極４との間又は近傍に配置されたときに変化する）に応じたレベルでキャパシタ４３を飽和する新規な処理を可能にするために利用される。しかしながら、他の実施例では、何らかの適切な電荷供給手段が、特定の切替回路３２の代わりに採用され得る。

例えば、切替回路３２は、一般的に、図１０に示された形態の切替配列に相当するものと考えられ得る（なお、図１０では、図５の配列の部分と同様の参照符号が分類のために使用されている）。図１０に示された切替配列では、第１のスイッチ（first switch）９２と第２のスイッチ（second switch）９４とが、キャパシタ４３のそれぞれの面の交流電圧１８を受信電極４か接地線４２かのどちらかに切り替えるように構成されている。それらのスイッチは、そのキャパシタの一方の面がその受信電極に切り替えられたときにそのキャパシタの他方の面がその受信電極に切り替えられるように（逆もまた同様）、交流電圧１８の極性に応じて連動的に動作する。これは、図５に示されたような切替回路３２の動作に相当する。

そして、他の実施例において、スイッチ９２，９４は、何らかの適切な方法で提供され得る。例えば、一般的なＣＭＯＳ技術において、これらのスイッチを提供するための代わりの方法の１つに、例えばリニアテクノロジー社から入手可能なＬＴＣ１０４３ＣＮ（商標）として同定される部材中に提供されているいわゆる送信ゲートを使用するというものがある。

上記の実施例では、交流電圧１８は、±１０Ｖかつ周波数１００ｋＨｚの双極方形波である。他の実施例では、他の交流波形及び／又は電圧レベル及び／又は周波数が採用され得る。例えば、１ｋＨｚのようなより低い周波数を利用することにより、電力が節約され得る。これはしかしながら、応答速度又は信号レベルの損出を引き起こすことがあるが、当該損出は、順応性のある方法で周波数を変更することにより軽減され得る。もしこれが実施されるならば、共振回路（もし採用されるならば）は、異なる周波数で機能するために状況に応じて適切に順応することになるだろう。

上記の実施例において採用された種々の回路の種々の詳細のいくつかは、上述の電荷飽和効果及び電荷均衡効果を提供するため又はこれらに寄与するために必要とされるものについては、変更され得る又は他のタイプの回路に置き換えされ得る。これは、種々の読取ステージと後続の処理ステージとを含む。

例えば、演算増幅器（ＯＰＡＭＰ）ステージが、受信電極と処理を実行する電子回路との間に（例えば、上述の実施例では、受信電極とＡＤＣ入力との間又はＡＤＣ出力とプロセッサとの間に）挿入され得る。

別の例では、回路構造をより単純にするために、送信アセンブリ内のＬＣ共振子が、レジスタ−キャパシタ（ＲＣ）フィルタに置き換えられ得る、又はフィルタが使用されず一切省略され得る。後者の場合には、交流電圧１８は送信電極に直接的に送出される。一方で、交流電圧１８がフィルタ又は共振子を経由して送信電極２に送出される場合には、送信電極における交流電圧又は波形は、交流電圧の変調形態（それにもかかわらず交流電圧１８と同一位相を有する変調形態）となる。

別の例では、ＡＤＣが比較器に置き換えられ得る、ただしこれは解像度を低下させる傾向があるだろう。より一般的には、ＡＤＣは何らかの他の適切な「読取」手段に置き換え可能であろう。好適には、何らかのそのような読取手段は、ＡＤＣや比較器の場合と同様に、高インピーダンス入力部を有する。実に、単純で比較的鈍感な高インピーダンス入力デバイスを読取手段として使用する機会は、高インピーダンス読取手段の効果的な使用を促進しない敏感な様式で電流を測定する従来の方法に対する本発明の利点を象徴するものである。しかしながら、もし読取手段が受信電極で出現する寄生静電容量よりインピーダンスが低いと、その結果、寄生静電容量が電圧の均衡を決定する傾向になるとはいえ、本発明はそのように高インピーダンス読取手段に限られるものではないことに注意すべきである。

別の例では、プロセッサ２２（又は他の実施例における同等の処理機能）が、マイクロプロセッサの形態で、又は出力データ信号を単純な方法で供給し得るようにするために、比較的単純なデジタルハードウェア（例えばゲートアレイ）の形態で提供され得る。

本発明の利点の１つは、上記の実施例のように、回路構造の一部又は全部がＣＭＯＳ技術を利用して提供されることである。しかしながら、本発明はＣＭＯＳとして提供される場合に限定されないこと、そして他の実施例では回路構造の幾つか又は全てが何らかの他の適切な技術を利用して提供され得ることを理解すべきである。

上記の実施例では、電界物体検出システムは携帯電話機に組み入れられていた。しかしながら、本発明は、かなり多数の最終用途の機器やデバイス（例えば、ディスプレイドライバチップ、マイクロプロセッサ、オーディオドライバ、及びその他のチップセット）内に実装される。特に、本発明がＣＭＯＳ技術を利用して実装される場合には、電界物体検出システムによって提供される物体検出機能が、上述の携帯電話機の実施例に加えて、ラジオ、テレビ、リモコン等のような製品に比較的低額の追加費用で追加され得る。もし、多数の送信電極と受信電極とが多重化されると、送信部／受信部の対の配列が提供され得ることになり、その結果、当該配列を３次元タッチレス（touchless）インタフェースとして使用することが可能になる。

電界物体検出システムの概略図（スケールは任意）である。図１の電界物体検出システムの更なる詳細を示すブロック図である。図１の電界物体検出システムの検出コントローラの詳細を示すブロック図である。図１の電界物体検出システムの送信アセンブリの詳細を示す概略図である。図１の電界物体検出システムの受信アセンブリの詳細を示す概略図である。図１の電界物体検出システムの動作に関連する種々の波形及び信号を定量的に図示する。交流電圧供給のサイクルの正の部分に応じて分離的に動作する第１の回路部分を示す。交流電圧供給のサイクルの負の部分に応じて分離的に動作する第２の回路部分を示す。図１の電界物体検出システムの動作の概略を示すフローチャートである。携帯電話機を示す。切替配列の概略図である。

Claims

送信電極と、
受信電極と、
前記受信電極に連結された電荷供給回路と、
前記送信電極と前記電荷供給回路に連結された交流電圧源と、
前記受信電極に連結された出力接続線とを備え、
前記電荷供給回路は、前記交流電圧源から前記送信電極と前記電荷供給回路とに印加される交流電圧の共通のサイクルに従って電荷供給を実行するように構成されており、且、前記電荷供給回路は、キャパシタを有し、該キャパシタを介して形成された電圧が飽和する場合に、該電圧が前記送信電極と前記受信電極との間の静電容量に応じたレベルで飽和するように配置される、電界物体検出システムであって、
前記キャパシタを介して形成された前記電圧が飽和することを可能にし、該飽和電圧を、前記送信電極と前記受信電極との近傍に物体が存在するときに変化する出力として用いるよう配置される電界物体検出システム。
更に、前記出力接続線に連結された高インピーダンス読取手段を備える請求項１に記載のシステム。
前記高インピーダンス読取手段は、アナログデジタル変換器である請求項２に記載のシステム。
前記高インピーダンス読取手段は、比較器である請求項２に記載のシステム。
前記交流電圧源は、共振回路を介して前記送信電極に連結されている請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
少なくとも一部がＣＭＯＳによって構成されている請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
電子製品用の制御回路であって、当該制御回路中に組み込まれた請求項１乃至６のいずれかに記載のシステムを備える電子製品用の制御回路。
電界物体検出システムの受信電極から出力を供給する方法であって、
送信電極に第１の交流電圧を供給し、
前記受信電極に連結された切替回路に前記第１の交流電圧と同一位相の第２の交流電圧を供給し、
前記送信電極と前記受信電極との間の容量結合に応じて増加する電圧を前記切替回路のキャパシタ上に供給するために、前記第１の交流電圧及び前記第２の交流電圧のサイクルに従って、前記切替回路を利用した電荷供給を実行し、
前記切替回路の前記キャパシタ上の前記電圧を飽和させ、
前記送信電極と前記受信電極との近傍に物体が存在するときに変化する出力として前記飽和電圧を利用する方法。
更に、前記出力を高インピーダンス読取手段中に送出する請求項８に記載の方法。
前記高インピーダンス読取手段は、アナログデジタル変換器である請求項９に記載の方法。
前記高インピーダンス読取手段は、比較器である請求項９に記載の方法。
前記第１の交流電圧は、前記第２の交流電圧と同一である請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。
前記第１の交流電圧は、共振フィルタを介して前記送信電極に前記第２の交流電圧を送出することで供給される請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。