JP6607972B2 - 静電容量値を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型センサ素子の静電容量値Ｃ_Ｍを積分法によって測定するための方法に関する。この場合、当該センサ素子の端子が、当該センサ素子の静電容量値Ｃ_Ｍに比べて大きい既知の静電容量値Ｃ_Ｉを有する積分コンデンサの第１端子と一緒に、共通の回路節点に電気接続されている。そしてこの場合、実行されたＩＺ個の積分サイクル後に、当該積分コンデンサに印加する電圧Ｕ_ＣＩが、Ａ／Ｄ変換器によって測定される。

ここで言及されている種類の方法は、静電容量型の接触センサ又は近接センサを評価するために使用される。このようなセンサは、感知領域内での、例えばユーザーの指又はペンのような物体による接触又は近接の有無を検出し、適切な構造の場合にはその場所をも検出する。この場合、当該接触感知領域は、例えば表示画面上にある。表示用途では、当該接触センサ又は近接センサは、ユーザーが表示装置上に表示されるこの接触センサ又は近接センサと直接に相互作用することを可能にでき、マウス又は同様な機器によって間接に相互作用するだけではない。

例えば、抵抗式の接触センサ、弾性表面波を用いる接触センサ及び静電容量式の接触センサのような、様々な種類の接触センサが存在する。この場合、最後に言及した、特に単なる近接さえも検出され得る静電容量式の接触センサが、今日では最も広く普及している。

物体が、静電容量式の接触センサの表面に接触するか又はこの近くに来ると、当該センサの静電容量値が変化する。割り当てられたセンサ制御機器又は当該センサ制御機器によって使用される測定方法の役割は、当該静電容量の変化を引き起こす接触又は近接を検出するためにこの静電容量の変化を処理することである。この場合、特有の問題点は、当該センサの静電容量値が非常に小さいこと、特に、当該検出すべき変化が非常に小さいことにある。この理由から、いわゆる積分法が、当該静電容量値及び当該検出すべき変化を測定するために率先して使用される。当該積分法の場合、少量の電荷が、連続する複数のサイクルごとに、静電容量値が比較的小さく且つ変化するセンサ素子から既知で一定で且つ十分により大きい静電容量値を有する積分コンデンサに移送される。

請求項１に記載の上位概念にしたがって静電容量型センサ素子の静電容量値を測定するための方法が、独国特許出願公開第１０２０１００４１４６４号明細書によって公知である。ここに記載されている静電容量値を測定するための方法は、上記の種類の積分法である。この場合、センサ素子の端子が、積分コンデンサの第１端子と一緒に、共通の回路節点に電気接続されている。

様々な方法が、当該測定を実行するために使用される。したがって、例えば、予め設定されている一定の個数のいわゆる積分サイクルの実行によれば、このときに起きる電荷の移動の累積に起因する積分コンデンサに印加する電圧が、Ａ／Ｄ変換器によって測定されデジタル化され得る。当該測定の結果として、測定された電圧自体若しくは当該電圧のデジタル値が使用されるか、又は、この値と既知の一定のパラメータとから当該積分コンデンサの静電容量と供給電圧と当該積分サイクルの個数とを計算した測定静電容量の値が使用される。しかし、この代わりに、積分コンデンサに印加する電圧が、それぞれ個々の積分サイクルごとに測定され、当該測定が、予め設定されている閾値に達したときに終了されてもよい。この場合、当該測定パラメータは、当該閾値電圧に達するまでに実行された積分サイクルの個数である。

この測定方法の分解能、すなわち２つの状態又は静電容量値の識別性に対する限界は、使用されるＡ／Ｄ変換器の分解能によって実質的に決まる。電圧が、Ａ／Ｄ変換器によって所定の離散ステップ範囲内だけで検出され得る。これらのステップは、量子化間隔とも呼ばれる。すなわち、当該測定すべき範囲は、量子化される、すなわち複数の離散範囲に、すなわちこの場合には複数の電圧ステップに分割される。測定する場合、直近のより高い値又は直近のより低い値が、これらのステップのうちのどのステップにより近いかに応じて、当該値が、実際の、すなわち測定されたアナログ電圧に割り当てられる。当該Ａ／Ｄ変換器によって出力される電圧ステップから当該実際の電圧までの偏差は、量子化誤差である。したがって、以下で、Ａ／Ｄ変換器によって測定される電圧値について言及される場合は、Ａ／Ｄ変換器によって測定される電圧ステップのデジタル値を意味する。

独国特許出願公開第１０２０１００４１４６４号明細書

本発明による方法には、Ａ／Ｄ変換器の分解が等しい場合に、上記の方法と比べて測定結果のより高い分解能を達成するという利点がある。

本発明によれば、この課題は、
ａ）実行すべきＮ個の積分サイクルを開始値Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}に設定し、終了値Ｎ_Ｅｎｄを前記実行すべきＮ個の積分サイクルに対して決定する方法ステップと、
ｂ）電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓ値０に初期化する方法ステップと、
ｃ）実行される積分サイクルの個数ＩＺを値０に初期化する方法ステップと、
ｄ）共通の回路接点（３）と積分コンデンサ（２）の第２端子（２″）とを接地電位ＧＮＤに接続する方法ステップと、
ｅ）当該実行される積分サイクルの個数ＩＺが、当該実行すべきＮ個の積分サイクルに達するまで、当該積分法を実行する方法ステップと、
ｆ）Ａ／Ｄ変換器によって実際に測定された電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）を当該電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓに加算する方法ステップと、
ｇ）当該個数Ｎを１以上であり且つＮ_Ｄｉｆｆ＝Ｎ_Ｅｎｄ−Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}未満である値ｎだけインクリメントする方法ステップと、
ｈ）当該個数Ｎが、当該決定された終了値Ｎ_Ｅｎｄを超えるまで、ステップｅ）以降の方法ステップを繰り返す方法ステップと、
ｉ）当該電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓを測定結果として評価する方法ステップと、によって解決される。

本発明の方法の好適な構成では、積分法が、以下の、
ｅ１）共通の回路節点（３）をフローティング状態に保持し、このとき、同時に、既知の供給電圧Ｕ_Ｖが、積分コンデンサ（２）の第２端子（２″）に印加される方法ステップと、
ｅ２）当該供給電圧Ｕ_Ｖを当該積分コンデンサ（２）の第２端子（２″）から分離し、このとき、同時に、当該共通の回路節点（３）が、接地電位ＧＮＤに接続される方法ステップと、
ｅ３）実行される積分サイクルの個数ＩＺが、実行すべき実際に予め設定されているＮ個の積分サイクルに達するまで、当該実行される積分サイクルの個数ＩＺを値１だけインクリメントし、ステップｅ１）以降の方法ステップを繰り返す方法ステップと、
ｅ４）当該積分コンデンサ（２）に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）をＡ／Ｄ変換器（４）によって測定する方法ステップと、を有することが提唱されている。

以下に、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。

ａ）本発明の方法を実行するための測定装置の概略図である。ｂ）ａ）によるスイッチのタイムチャートとしてのＮ個の積分サイクルによる積分の時間シーケンスを示す。 積分コンデンサに印加される電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）の経時変化をＮ個の積分サイクルの関数として示す。

図面の図１ａ）は、静電容量型センサ素子１の静電容量値Ｃ_Ｍを測定するために本発明の方法を実行するための測定装置を回路図として概略的に示す。この場合、センサ素子１は、例えば電極形の、例えば接触センサを構成する。当該電極は、接地電位又はアース電位に対する静電容量値Ｃ_Ｍを有する単一コンデンサを成す。例えばユーザーの１本の指が、当該電極に接触又は近接すると、当該接地電位又はアース電位に対するこの静電容量値Ｃ_Ｍが変化する。

センサ素子１の端子が、共通の回路節点３で積分コンデンサ２の第１端子２′に電気接続されている。この場合、積分コンデンサ２の既知の静電容量値Ｃ_Ｉが、センサ素子１の算出された静電容量値Ｃ_Ｍに比べて大きい。共通の回路節点３は、第１スイッチＳ１にさらに接続されていて、この第１スイッチＳ１を介してスイッチ位置に応じて選択式に、接地電位若しくはアース電位ＧＮＤに接続可能であるか、又は一定の供給電圧Ｕ_Ｖに接続可能であるか、又はフローティング状態にされている、すなわち開状態に保持されている（ＮＣ）。積分コンデンサ２の第２端子２″が、第２スイッチＳ２に電気接続されていて、この第２スイッチＳ２を介してスイッチ位置に応じて選択式に、接地電位若しくはアース電位ＧＮＤ、一定の供給電圧Ｕ_Ｖ又はＡ／Ｄ変換器４の入力部に接続可能である。

静電容量値Ｃ_Ｍを測定するため、基本的に既知の積分法が使用される。少量の電荷が、センサ素子１から積分コンデンサ２へ連続する複数のサイクルごとに移送される。積分サイクルと表記されたこれらの電荷の移動のＮ個目の電荷の移動後に、このときに積分コンデンサ２に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）が、Ａ／Ｄ変換器４によって測定される。この電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）は、静電容量値Ｃ_Ｍに線形に比例し、したがってこの静電容量値Ｃ_Ｍに対する目安である。このような積分法の一例のプロセスを、図１ｂ）に示されている図１ａ）によるスイッチＳ１及びＳ２のタイムチャートに基づいて説明する。この場合、以下の複数のステップが、当該プロセスである積分サイクル（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ）を示す。

積分コンデンサ２の第１端子２′に接続されている共通の回路節点３が、スイッチＳ１によって開かれ、したがってフローティング状態に保持される。この場合、同時に、供給電圧Ｕ_Ｖが、スイッチＳ２によって積分コンデンサ２の第２端子２″に印加される。次いで、供給電圧Ｕ_Ｖは、スイッチＳ２によって積分コンデンサ２の第２端子２″から分離され、この積分コンデンサ２が、フローティング状態に保持される。この場合、同時に、共通の回路節点３が、スイッチＳ２によって接地電位ＧＮＤに接続される。

測定の進行中に、この積分サイクルの複数のステップは、繰り返し実行される、すなわち積分サイクルの実行される個数ＩＺが、予め設定されている個数Ｎに達するまで繰り返し実行される（積分フェーズ）。

その後に、積分コンデンサ２の第２端子２″が、スイッチＳ２によってＡ／Ｄ変換器４の入力部に接続されることによって、これらのＮ個の積分サイクル後の積分コンデンサ２に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）が、Ａ／Ｄ変換器４によって測定される（検出フェーズ）。

当該測定された（デジタル）電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）は、さらなる処理及び評価のために制御評価装置５に伝送される。この制御評価装置５は、上記の全ての方法のプロセスを制御し、当該制御のために中央素子、例えばマイクロコントローラを有する。

本発明によれば、すなわち、Ｎ個の積分サイクルの関数として図２に示されている積分コンデンサ２に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）の経時変化からも明らかにされる以下の方法では、Ｎ個の積分サイクルによる上記の測定は、実行すべきＮ個の積分サイクルのそれぞれ異なる値によるこのような複数の測定を含む上位関係にあるプロセスの一部である。

最初に、実行すべきＮ個の積分サイクルが、当該上位関係にあるプロセスの範囲内にある最初の測定に対して開始値Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}に設定される。同時に、実行すべき最大のＮ個の積分サイクルのための目標値又は終了値Ｎ_Ｅｎｄが、当該上位関係にあるプロセスの範囲内にある最後の測定に対して決定される。電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓが、値０に初期化される。

最初に、実行される積分サイクルの個数ＩＺが、値０に初期化される。さらに、測定工程を初期化するため、積分コンデンサ２の第１端子２′に接続されている共通の回路接点３と、積分コンデンサ２の第２端子２″とが、接地電位ＧＮＤに接続される結果、積分コンデンサ２の電圧Ｕ_ＣＩが、０に設定される（リセットフェーズ）。

引き続き、上記の積分法が実行される、すなわちそれぞれの実行ごとに値１だけインクリメントされる、実行される積分サイクルの個数ＩＺが、実行される実際に有効なＮ個の積分サイクルに達するまで実行される。その結果として、積分コンデンサ２に印加する電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）が、Ａ／Ｄ変換器によって測定され、この電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）が、実際に有効な電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓに加算される。

その後に、実行すべき積分サイクルの個数Ｎが、値ｎだけインクリメントされ、上記の段落に記載されているステップが、新しい数Ｎで繰り返される。この場合、実行された積分サイクルの個数ＩＺがリセットされず、積分コンデンサ２に実際に印加した電圧が消滅されない。その結果、さらなるｎ個の積分サイクルだけが有効に実行され、したがって積分コンデンサ２に印加する電圧が、これに応じてさらに上昇する。この場合、インクリメント値ｎは、少なくとも１に等しく、開始値Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}と目標値又は終了値Ｎ_Ｅｎｄとの間の差Ｎ_Ｄｉｆｆ＝Ｎ_Ｅｎｄ−Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}よりも小さい。それぞれＮ個の積分サイクルによる少なすぎない回数の測定を上位関係にあるプロセスの一部として確保するため、インクリメント値ｎは、通常はＮ_Ｄｉｆｆよりも十分に小さく選択される。この場合、インクリメント値ｎは、ステップごとに異なってもよく、又は一定の値、例えばｎ＝１、ｎ＝２、ｎ＝３若しくはその他の値をとってもよい。当該新しい数Ｎが、最初に決定した終了値Ｎ_Ｅｎｄを超えるまで、上記の段落に記載されているステップの繰り返しが、当該新しい数Ｎで実行される。

図１ｂ）には、このことが、ｎ＝２に対して、最初の両積分フェーズ及び検出フェーズに基づいて例示されている。この場合、当該最初の積分フェーズが、Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}個の積分サイクルを有する。当該最初の積分フェーズ後に、当該最初の検出フェーズが実行される。この検出フェーズでは、積分コンデンサ２に実際に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}）が測定される。この検出フェーズに続く２番目の積分フェーズでは、さらなるｎ＝２個の積分サイクルが実行される。その結果、積分コンデンサ２に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}＋２）が、全部でＮ_{Ｓｔａｒｔ}＋２個の積分サイクルから発生する。こうして、電圧Ｕ_ＣＩ（Ｅ_Ｅｎｄ）が、最後の値として最終的に測定されるまで、当該測定が継続される。

次いで、この時点までにそれぞれ測定された電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）から加算された電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓが、測定結果として評価される。

すなわち、上記のように、別々に測定された電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）が、被加数として電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓに算入される。この場合、当該それぞれの電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）は、Ａ／Ｄ変換器によって測定され、それ故に、上記のように、量子化誤差を含んでいる。この場合、当該量子化は、測定範囲にわたって線形に延在する。すなわち、Ａ／Ｄ変換器４によって出力される複数の電圧ステップのステップ高さが、それぞれ等しい。これに対して、Ｎ個の積分サイクルの関数として積分コンデンサ２に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）の推移は、図２において認識できるように非線形であるので、当該量子化誤差の統計分布が得られる。この量子化誤差は、当該累積中に少なくとも部分的に補正される。

１ 静電容量型センサ素子
２ 積分コンデンサ
２′ 第１端子
２″ 第２端子
３ 回路節点
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 制御評価装置
Ｓ１ 第１スイッチ
Ｓ２ 第２スイッチ

Claims (4)

1. 静電容量型センサ素子（１）の静電容量値Ｃ_Ｍを積分法によって測定するための方法であって、前記センサ素子（１）の端子が、前記センサ素子（１）の静電容量値Ｃ_Ｍに比べて大きい既知の静電容量値Ｃ_Ｉを有する積分コンデンサ（２）の第１端子（２′）と一緒に、共通の回路節点（３）に電気接続されていて、実行されたＩＺ個の積分サイクル後に、前記積分コンデンサ（２）に印加する電圧Ｕ_ＣＩが、Ａ／Ｄ変換器（４）によって測定される当該方法において、
   ａ）実行すべきＮ個の積分サイクルを開始値Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}に設定し、終了値Ｎ_Ｅｎｄを前記実行すべきＮ個の積分サイクルに対して決定する方法ステップと、
   ｂ）電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓ値０に初期化する方法ステップと、
   ｃ）実行される積分サイクルの個数ＩＺを値０に初期化する方法ステップと、
   ｄ）前記共通の回路接点（３）と前記積分コンデンサ（２）の第２端子（２″）とを接地電位ＧＮＤに接続する方法ステップと、
   ｅ）前記実行される積分サイクルの個数ＩＺが、前記実行すべきＮ個の積分サイクルに達するまで、前記積分法を実行する方法ステップと、
   ｆ）前記Ａ／Ｄ変換器によって実際に測定された電圧値Ｕ_ＣＩ（Ｎ）を前記電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓに加算する方法ステップと、
   ｇ）当該個数Ｎを１以上であり且つＮ_Ｄｉｆｆ＝Ｎ_Ｅｎｄ−Ｎ_{Ｓｔａｒｔ}未満である値ｎだけインクリメントする方法ステップと、
   ｈ）前記個数Ｎが、当該決定された終了値Ｎ_Ｅｎｄを超えるまで、ステップｅ）以降の方法ステップを繰り返す方法ステップと、
   ｉ）前記電圧累積値Ｕ_Ｇｅｓを測定結果として評価する方法ステップと、を特徴とする方法。
2. 当該インクリメントの値ｎは、一定の値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記インクリメントの値ｎは、ステップごとに変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記積分法は、以下の、
   ｅ１）前記共通の回路節点（３）をフローティング状態に保持し、このとき、同時に、既知の供給電圧Ｕ_Ｖが、前記積分コンデンサ（２）の前記第２端子（２″）に印加される方法ステップと、
   ｅ２）前記供給電圧Ｕ_Ｖを前記積分コンデンサ（２）の前記第２端子（２″）から分離し、このとき、同時に、前記共通の回路節点（３）が、前記接地電位ＧＮＤに接続される方法ステップと、
   ｅ３）前記実行される積分サイクルの個数ＩＺが、実行すべき実際に予め設定されているＮ個の積分サイクルに達するまで、前記実行される積分サイクルの個数ＩＺを値１だけインクリメントし、ステップｅ１）以降の方法ステップを繰り返す方法ステップと、
   ｅ４）前記積分コンデンサ（２）に印加する電圧Ｕ_ＣＩ（Ｎ）を前記Ａ／Ｄ変換器（４）によって測定する方法ステップと、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

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