(57)【要約】電荷移動法を使用して可測キャパシタンス（１１２）を検出するための方法、システムおよび装置が記載される。各種の実施形態によれば、電荷移動プロセスが、２回以上実行される。電荷移動プロセス中に、所定の電圧が、可測キャパシタンス（１１２）に印加される。その後、可測キャパシタンス（１１２）が、受動インピーダンス（Ｚ）を介してフィルタキャパシタンス（１１０）と電荷を再分配することが可能とされる。受動インピーダンスは、電荷移動プロセスにわたって、可測キャパシタンスとフィルタキャパシタンス（１１０）に結合されている。次に、可測キャパシタンス（１１２）の値が、フィルタキャパシタンス（１１０）の電荷を表す値と、電荷移動プロセスが実行された回数の関数として決定されうる。このような検出方式は、従来の部品を使用して容易に実装することができ、入力センサに対する指、スタイラスまたはその他の物体の位置を検知するうえで特に有用でありうる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可測キャパシタンスを測定するための方法であって、
前記可測キャパシタンスに所定の電圧を印加するステップと、前記可測キャパシタンスが受動インピーダンスを介してフィルタキャパシタンスと電荷を再分配することを可能にするステップとを有する電荷移動プロセスを、少なくとも２回実行するステップであって、前記印加ステップと前記可能にするステップにわたり、受動インピーダンスは前記可測キャパシタンスと前記フィルタキャパシタンスとの両方に結合されているステップと、
前記フィルタキャパシタンスの電荷を表す値と、前記電荷移動プロセスが実行された回数との関数として、前記可測キャパシタンスの値を決定するステップとを有する方法。
【請求項２】
基準電圧の変化に対して、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値を補償するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補正ステップは、前記基準電圧の少なくとも一部を前記フィルタキャパシタンス上の電圧に加えるステップを有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基準電圧は、前記基準電圧の前記少なくとも一部を前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧に加算するために、インピーダンス回路網を介して前記フィルタキャパシタンスに結合されている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記インピーダンス回路網は、容量性の分割回路網を有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記インピーダンス回路網は、抵抗性の分割回路網を有する請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記フィルタキャパシタンスの前記電荷をリセットするステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記リセットステップは、前記フィルタキャパシタンスに既知の電圧を印加するステップを有する請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記可測キャパシタンスの前記値は、前記リセットステップと、前記フィルタキャパシタンスの電荷を表す前記値が閾値を超えたことが検出された時点との間に、前記電荷移動プロセスが実行された回数から決定される請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記フィルタキャパシタンスは、２つの異なる電源電圧に結合されたインピーダンス分割器を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記インピーダンス分割器は、容量分割器を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記決定ステップは、前記フィルタキャパシタンス上の電圧のマルチビット測定を取得するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記決定ステップは、前記フィルタキャパシタンスの電荷を表す前記値と閾値とを比較するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記可測キャパシタンスに逆電圧を印加するステップと、前記可測キャパシタンスが、前記受動インピーダンスを介して前記フィルタキャパシタンスと電荷を再配分することを可能にするステップとを有する第２の電荷移動プロセスを、少なくとも１回の第２の回数、実行するステップを更に有し、前記所定の電圧は第１の向きに電荷を移動させ、前記逆電圧は、前記第１の向きとは逆の第２の向きに電荷を移動させる請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記電荷移動プロセスを前記回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値を第１の値にセットするステップと、前記第２の電荷移動プロセスを前記第２の回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値を第２の値にセットするステップと、を更に有する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記決定ステップは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第１の閾値と交差するのに必要な前記第１の電荷移動プロセスの実行回数、および前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第２の閾値と交差するのに必要な前記第２の電荷移動プロセスの実行回数の一方を確認するステップを有する請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記決定ステップは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第１の閾値と交差するのに必要な前記第１の電荷移動プロセスの実行回数を確認するステップと、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第２の閾値と交差するのに必要な前記第２の電荷移動プロセスの実行回数を確認するステップとを有し、前記決定ステップは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第１の閾値および第２の閾値の両方と交差するのに必要な前記電荷移動プロセスと前記第２の電荷移動プロセスとの合計の実行回数を確認するステップを有する請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記電荷移動プロセスは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第１の閾値と交差するまで少なくとも実行され、前記第２の電荷移動プロセスは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第２の閾値と交差するまで少なくとも実行され、前記第１の閾値と前記第２の閾値とが同じ請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記電荷移動プロセスを前記回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を第１の値にセットするステップと、
前記第２の電荷移動プロセスを前記第２の回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を、前記第１の値とは異なる第２の値にセットするステップと、
を更に有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電荷移動プロセスは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第１の閾値と交差するまで少なくとも実行され、前記第２の電荷移動プロセスは、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が第２の閾値と交差するまで少なくとも実行され、前記第１の閾値は前記第２の閾値とは異なる請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記電荷移動プロセスを前記回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷をリセット値にリセットするステップと、
前記第２の電荷移動プロセスを前記第２の回数実行した後に、前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を前記リセット値にリセットするステップと、を更に有する請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記決定ステップは、コントローラのディジタル入力閾値を使用して電圧を測定するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ディジタル入力はヒステリシスを有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記決定ステップは、コントローラのアナログディジタル変換器を使用して電圧を測定するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記電荷移動プロセスは、
前記電荷移動プロセスの実行速度を、前記電荷移動プロセスを実行する前記回数の第１の部分における前記実行速度が、前記電荷移動プロセスを実行する前記回数の第２の部分とは異なるように変更するステップと、
前記フィルタキャパシタンスの電荷を表す前記値を、前記第１の部分ではなく前記第２の部分の閾値と比較するステップとを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記実行速度は、前記第２の部分よりも前記第１の部分において高速である請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記フィルタキャパシタンスの前記電荷を表す前記値が、前記フィルタキャパシタンス上の電圧である請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記印加ステップは、スイッチを使用して前記可測キャパシタンスを前記所定の電圧に結合するステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記スイッチはコントローラのティジタル出力を有する請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記スイッチは、バッファ集積回路およびトランジスタのうちの一方を有する請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記所定の電圧を印加する前記ステップの持続時間は、前記受動インピーダンスを含む回路網の応答時間よりも短い請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記電荷移動プロセスの少なくとも一部の間に、前記可測キャパシタンスを保護するように構成された保護信号を供給するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記保護信号の電圧は前記電荷移動プロセス中に変更される請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記保護信号の電圧は、前記印加ステップおよび前記可能にするステップのうちの少なくとも一方と実質的に同時に変更される請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
請求項１に記載の方法を実行するように構成され、コンピュータ実行可能な命令を記憶しているティジタル記録媒体。
【請求項３６】
可測キャパシタンスを測定するための方法であって、
前記可測キャパシタンスに所定の電圧を印加するステップと、
前記可測キャパシタンスが、受動インピーダンスを介してフィルタキャパシタンスと電荷を再配分することを可能にするステップであって、前記印加ステップと前記可能にするステップにわたり、前記受動インピーダンスは前記可測キャパシタンスと前記フィルタキャパシタンスとの両方に結合されているステップと、
前記フィルタキャパシタンス上の電圧の関数として前記可測キャパシタンスの値を決定するステップと、を有する方法。
【請求項３７】
前記基準電圧と前記フィルタキャパシタンスとの両方に結合されたインピーダンスを使用して、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧に前記基準電圧の少なくとも一部を加算するステップを更に有する請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基準電圧と前記フィルタキャパシタンスとの両方に結合されたインピーダンスを使用して、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧に前記基準電圧の前記少なくとも一部が加算される請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
可測キャパシタンスを測定するための装置であって、
電荷を蓄積するためのフィルタキャパシタンス手段と、
前記可測キャパシタンスに所定の電圧を印加する手段と、
前記可測キャパシタンスと前記フィルタキャパシタンス手段との両方に静的に結合され、前記可測キャパシタンスが、前記フィルタキャパシタンス手段と電荷を再配分することを可能にするための受動インピーダンス手段と、
前記フィルタキャパシタンス手段の電荷を表す値の関数として前記可測キャパシタンスの値を決定する手段とを有する装置。
【請求項４０】
第１の電気的ノードにおける可測キャパシタンスを測定するための回路であって、
前記第１の電気的ノードと第２の電気的ノードの間に静的に結合された受動インピーダンスと、
前記第２の電気的ノードと第３の電気的ノードの間に結合されたフィルタキャパシタンスと、
前記第１の電気的ノードに結合されたコントローラとを有し、前記コントローラは、電荷移動プロセスを１回を超える回数実行するように構成されており、前記電荷移動プロセスは、所定の時間、第１の電気的ノードに所定の電圧を印加するステップと、前記可測キャパシタンスが、前記受動インピーダンスを介して前記フィルタキャパシタンスと電荷を再配分することを可能にするステップとを有し、前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンス上の電圧と、前記実行回数との関数として、前記可測キャパシタンスの値を決定するように更に構成されている回路。
【請求項４１】
前記第２の電気的ノードと第４の電気的ノードとの間に結合された第２のフィルタキャパシタンスを更に有する請求項４０に記載の回路。
【請求項４２】
前記第３の電気的ノードは第１の電源電圧に結合されており、前記第４の電気的ノードは、前記第１の電源電圧とは異なる第２の電源電圧に結合されている請求項４１に記載の回路。
【請求項４３】
前記第３の電気的ノードは基準電圧に接続されている請求項４０に記載の回路。
【請求項４４】
前記第３の電気的ノードは前記コントローラに結合されている請求項４０に記載の回路。
【請求項４５】
前記第３の電気的ノードに結合された第２の可測キャパシタンスを更に有する請求項４４に記載の回路。
【請求項４６】
前記第２の電気的ノードは前記コントローラに結合され、前記第３の電気的ノードは前記コントローラに結合されている請求項４０に記載の回路。
【請求項４７】
前記コントローラに結合された第４の電気的ノードと、
前記第３の電気的ノードと前記第４の電気的ノードとに結合された第２の受動インピーダンスと、
前記第４の電気的ノードに結合された第２の可測キャパシタンスとを更に有する請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記第３の電気的ノードと基準電圧とに結合されたインピーダンスを更に有し、前記インピーダンスは、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧に、前記基準電圧の少なくとも一部を加算する請求項４０に記載の回路。
【請求項４９】
前記受動インピーダンスは、インダクタおよび抵抗のうちの一方を有する請求項４０に記載の回路。
【請求項５０】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンス上の電圧を確認するために前記第１の電気的ノードにおける電圧を基準電圧と比較するように更に構成されている請求項４０に記載の回路。
【請求項５１】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧を確認するために、マルチビットアナログディジタル変換器を使用して、前記第１の電気的ノードにおける前記電圧を測定するように更に構成されている請求項４０に記載の回路。
【請求項５２】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧を確認するために前記第１の電気的ノードにおける前記電圧を第２の基準電圧と比較するように更に構成されている請求項５１に記載の回路。
【請求項５３】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンスをリセットするために、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧を既知の値にセットするように更に構成されている請求項５１に記載の回路。
【請求項５４】
前記第１の基準電圧および前記第２の基準電圧は前記コントローラのディジタル入力によって供給され、前記ディジタル入力はヒステリシスを有する請求項５３に記載の回路。
【請求項５５】
前記コントローラは、前記第２の電気的ノードに更に接続されている請求項４０に記載の回路。
【請求項５６】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンス上の前記電圧を確認するために前記第２の電気的ノードにおける電圧を基準電圧と比較するように更に構成されている請求項５５に記載の回路。
【請求項５７】
前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンスの電荷を確認するために前記第２の電気的ノードにおける前記電圧を第２の基準電圧と比較するように更に構成されている請求項５６に記載の回路。
【請求項５８】
前記第１の基準電圧および前記第２の基準電圧は前記コントローラのディジタル入力によって供給され、前記ディジタル入力はヒステリシスを有する請求項５７に記載の回路。
【請求項５９】
前記フィルタキャパシタンスは、前記フィルタキャパシタンスをリセットするために、所定の時間インピーダンスを介してリセット電圧に結合される請求項４０に記載の回路。
【請求項６０】
近接センサであって、
可測キャパシタンスを有するセンサ電極と、
前記可測キャパシタンスに結合されたスイッチと、
前記可測キャパシタンスおよび前記スイッチに結合され、受動インピーダンスおよびフィルタキャパシタンスを有し、前記受動インピーダンスは、前記可測キャパシタンスを前記フィルタキャパシタンスに静的に結合している、受動回路網と、
前記スイッチに結合されたコントローラとを備え、前記コントローラは、電荷移動プロセスを１回を超える回数実行するように構成されており、前記電荷移動プロセスは、前記スイッチを使用して前記可測キャパシタンスに所定の電圧を印加するステップと、前記可測キャパシタンスが前記受動インピーダンスを介して前記フィルタキャパシタンスと電荷を再分配することを可能にするステップとを有し、前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンスの電荷を表す値および前記回数の関数として、前記可測キャパシタンスの値を決定するように更に構成されている、近接センサ。
【請求項６１】
第２の可測キャパシタンスを有する第２のセンサ電極と、
前記第２の可測キャパシタンスに結合された第２のスイッチとを更に備え、
前記第２の受動回路網は、前記第２の可測キャパシタンスおよび前記第２のスイッチに結合されており、前記第２の受動回路網は、第２の受動インピーダンスおよび第２のフィルタキャパシタンスを更に有し、前記第２の受動インピーダンスは、前記第２の可測キャパシタンスを前記第２のフィルタキャパシタンスに静的に結合しており、
前記コントローラは前記第２のスイッチに結合されており、第２の電荷移動プロセスを１回を超える第２の回数実行するように更に構成されており、前記第２の電荷移動プロセスは、前記第２のスイッチを使用して第２の前記可測キャパシタンスに第２の所定の電圧を印加するステップと、前記第２の可測キャパシタンスが前記第２の受動インピーダンスを介して前記第２のフィルタキャパシタンスと電荷を再分配することを可能にするステップとを有し、前記コントローラは、前記第２のフィルタキャパシタンスの電荷を表す値および前記第２の回数の関数として、前記第２の可測キャパシタンスの値を決定するように更に構成されている請求項６０に記載の近接センサ。
【請求項６２】
第２の可測キャパシタンスを有する第２のセンサ電極と、
前記第２の可測キャパシタンスに結合された第２のスイッチとをさらに備え、
前記受動回路網は、前記第２の可測キャパシタンスおよび前記第２のスイッチに結合されており、前記受動インピーダンスは、前記第２の可測キャパシタンスを前記フィルタキャパシタンスに静的に結合しており、
前記コントローラは、前記第２のスイッチに結合されており、第２の電荷移動プロセスを１回を超える第２の回数実行するように更に構成されており、前記第２の電荷移動プロセスは、前記第２のスイッチを使用して前記第２の可測キャパシタンスに第２の所定の電圧を印加するステップと、前記第２の可測キャパシタンスが前記受動インピーダンスを介して前記フィルタキャパシタンスと電荷を再分配することを可能にするステップとを有し、前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンスの第２の電荷を表す第２の値および前記第２の回数の関数として、前記第２の可測キャパシタンスの値を決定するように更に構成されている請求項６０に記載の近接センサ。
【請求項６３】
前記受動回路網と直接接続されていない第２の可測キャパシタンスを有する第２のセンサ電極と、
前記第１の可測キャパシタンス、前記第２の可測キャパシタンスおよび前記受動回路網に結合されたマルチプレクサとをさらに備え、
前記コントローラは、前記マルチプレクサに結合され、前記マルチプレクサを使用して、少なくとも前記第１の可測キャパシタンスと前記第２の可測キャパシタンス間で前記受動回路網を多重化するように更に構成されており、
前記コントローラは前記スイッチに結合されており、第２の電荷移動プロセスを１回を超える第２の回数実行するように更に構成されており、前記第２の電荷移動プロセスは、前記マルチプレクサを介して第２の前記可測キャパシタンスに第２の所定の電圧を印加するステップと、前記第２の可測キャパシタンスが前記受動インピーダンスを介して前記フィルタキャパシタンスと電荷を再分配することを可能にするステップとを有し、前記コントローラは、前記フィルタキャパシタンスの第２の電荷を表す第２の値および前記第２の回数の関数として、前記第２の可測キャパシタンスの値を決定するように更に構成されている請求項６０に記載の近接センサ。
【請求項６４】
前記可測キャパシタンスは、前記センサ電極と別の電極との間のキャパシタンスを表している請求項６０に記載の近接センサ。
【請求項６５】
前記可測キャパシタンスは、前記センサ電極と外部の物体のキャパシタンスを表している請求項６０に記載の近接センサ。
【請求項６６】
前記外部の物体は、人体の一部である請求項６５に記載の近接センサ。
【請求項６７】
前記電荷移動プロセスの少なくとも一部の間に、前記可測キャパシタンスを保護するように構成された保護信号を供給するステップを更に有する請求項６０に記載の近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の表示】
【０００１】
本願は、２００５年６月３日出願の米国仮特許出願第６０／６８７，０１２号、第６０／６８７，１６６号、第６０／６８７，１４８号、第６０／６８７，１６７号、第６０／６８７，０３９号、および第６０／６８７，０３７号、ならびに２００６年２月１６日出願の米国仮特許出願第６０／７７４，８４３号に対する優先権を主張し、これらを参照によりここに援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、キャパシタンスの検出に関し、より詳細には、切り替え電荷移動手法を使用して、測定可能なキャパシタンスを検出することができる装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電荷、電流または電圧に反応する静電容量センサ／検知システムは、位置または近接度（あるいは移動、存在または任意の同様の情報）の検出に使用することができ、コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、メディアプレーヤおよびレコーダ、ビデオゲームプレーヤ、家電製品、携帯電話、公衆電話、ＰＯＳ端末装置、現金自動預入支払機、キオスクなどのための入力装置として一般に使用されている。容量検知手法は、ユーザ入力ボタン、スライド制御、スクロールリング、スクロールストリップや、他のタイプの入力装置や制御装置などの用途に使用される。このような用途に使用される静電容量センサの１つのタイプに、ボタン型のセンサがあり、これは、入力の近接度または存在に関する情報を提供するために使用することができる。このような用途に使用される静電容量センサの別のタイプにタッチパッド型のセンサがあり、これは、１軸（一次元センサ）、２軸（二次元センサ）または、これ以上の次元の軸に対する位置、移動および／または類似の情報など、入力に関する情報を提供するために使用されうる。また、ボタン型のセンサとタッチパッド型のセンサの両方は、任意選択で、入力に関連する力、継続時間または容量結合の量を示す指標といった、追加の情報を提供するように構成されてもよい。容量検知技術に基づいた一次元および二次元のタッチパッド型のセンサの一例は、トレント（Trent）らによる米国特許出願公開第２００４／０２５２１０９号明細書、ならびにギレスピー（Gillespie）らに付与された、１９９９年３月９日発行の米国特許第５，８８０，４１１号明細書に記載されている。このようなセンサは、例えば、ハンドヘルド型コンピュータやノートブック型コンピュータなどの電子システムの入力装置に容易に見つけることができる。
【０００４】
ユーザは、通常、入力装置の上またはその中に位置するセンサの検知領域の近くに、１本以上の指、スタイラスおよび／またはほかの物体を置くか、あるいはこれを移動させることによって、キャパシタンス式の入力装置を操作する。これが、検知領域に印加されているキャリア信号にキャパシタンス効果を引き起こし、これが検知され、検知領域に対する１つ以上の刺激の位置情報（位置、近接度、移動、存在または類似の情報など）と相関されうる。今度は、この位置情報を使用して、ディスプレイ画面上のテキスト、図形、カーソル、ハイライト表示および／または他の標識の任意の組合せを、選択、移動、スクロールまたは操作することができる。また、この位置情報を使用して、音量を制御したり、輝度を調整したり、その他の目的を達するなどのために、インタフェースと対話することもできる。
【０００５】
静電容量センサが広く採用されているものの、センサの設計者は、センサの機能性と効率を向上させる方法を模索し続けている。より詳細には、このようなセンサの設計および実装を単純化することが、絶えず望まれている。更に、非常に用途が広いが、低コストで、実装が容易なセンサ設計に対するニーズが絶えず生じている。より詳細には、幅広い用途に容易に実装するのに十分に柔軟であり、かつ高精度のキャパシタンス検知を提供するのに十分高度である一方、同時にコスト効率の変わらないセンサ設計方式が求められている。
【０００６】
したがって、可測キャパシタンスを迅速、効果的かつ効率的に検出するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。更に、入手が容易な部品（標準的なＩＣ、マイクロコントローラおよび個別の部品など）を使用して実装できる方式を生み出すことが望ましい。ほかの望ましい特徴および性質は、添付の図面と上記の技術分野と背景技術を併せて読めば、下記の詳細な説明と添付の特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【発明の開示】
【０００７】
外部の能動アナログ部品を必要とせずに、多くの標準的なマイクロコントローラ上に実装可能な電荷移動法を使用して、可測キャパシタンスを検出するための方法、システムおよび装置が記載される。各種の実施形態によれば、電荷移動プロセスが、２回以上実行される。電荷移動プロセスは、可測キャパシタンスに所定の電圧を印加するステップと、次に、可測キャパシタンスが、受動インピーダンスを介してフィルタキャパシタンスと電荷を再配分することを可能にするステップとを有する。受動インピーダンスは、所定の電圧を印加する期間と可測キャパシタンスの電荷の再配分を可能にする期間の両方にわたって、可測キャパシタンスとフィルタキャパシタンスの両方に結合されている。次に、可測キャパシタンスの値が、フィルタキャパシタンスの電荷を表す値と、電荷移動プロセスが実行された回数の関数として決定されうる。電荷移動プロセスが実行される回数は、事前に規定されていても、あるいは、何らかの閾値に達する電荷を表す値に基づいていてもよい。フィルタキャパシタンスの電荷を表す値は、１ビットまたはマルチビット測定を発生させた測定ステップによって取得することができる。これらのステップは繰り返され、測定ステップの結果が適宜、記憶および／またはフィルタされうる。
【０００８】
ここに記載した方法を使用して、キャパシタンス検出方式を、入手が容易な部品を使用して簡便に実装することができ、ボタン、スライダ、カーソル制御またはユーザインターフェースナビゲーション機能またはほかの任意の機能を実装している静電容量センサに対する指、スタイラスまたはその他の物体の位置を検知するうえで特に有用でありうる。
【０００９】
以下、図面を参照して本発明のさまざまな態様を記載する。図面において同じ参照符号は類似する要素を参照している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明は、本来例示的なものに過ぎず、本発明または本発明の用途および利用を限定することを意図したものではない。更に、上記の技術分野、背景技術、発明の開示、あるいは以下の詳細な説明に明示または暗示した理論により拘束されることを意図するものではない。
【００１１】
各種の例示的な実施形態によれば、キャパシタンス検出および／または測定回路は、受動電気回路網と１つ以上のスイッチを使用して容易に作製することができる。代表的な実装では、電荷移動プロセスは、２回以上繰り返して実行され、その際、予め決められた電圧が、１つ以上のスイッチを使用して可測キャパシタンスに印加され、この可測キャパシタンスが、受動回路網のフィルタキャパシタンスと電荷を再分配することが可能にされる。（フィルタキャパシタンスは、「積分キャパシタンス」または「積分フィルタ」とも呼ばれることがある。）このような電荷移動プロセスによって、所定の電圧を印加して、関連する電荷の再分配を複数回行うと、フィルタキャパシタンス上の電圧が影響を受ける。このため、電荷移動プロセスは、フィルタキャパシタンスの「出力」電圧がフィルタされるように、複数回の実行で、フィルタキャパシタンスに電荷をほぼ「積分する」するとみなすことができる。電荷移動プロセスを２個以上繰返したら（ただし、一部の実施形態では繰返しが１回だけのこともある）、可測キャパシタンスを決定するために、フィルタキャパシタンスの電荷を表す値が読み出される。フィルタキャパシタンスの電荷を表す値はフィルタキャパシタンス上の電圧であり、例えば、回路の、フィルタキャパシタンス両端の電圧を示すノード上の電圧である。またフィルタキャパシタンス上の電圧は、フィルタキャパシタンス両端の電圧そのものとすることもできる。フィルタキャパシタンスの電荷を表す値の測定には、１つ以上の閾値と比較して、１ビットまたはマルチビットの読み出し値を生成することが必要でありうる。この測定は、電荷を表す値のマルチビットの示度（measure）を生成するために、マルチビットのアナログ−ディジタル回路の使用を必要としうる。
【００１２】
これらの手法を使用することにより、指、スタイラスまたはその他の物体の有無または近接度を検出可能なキャパシタンス型位置センサを容易に作製することができる。更に、ここに記載する各種の実施形態は、コストを上昇させ、複雑化させる追加の能動電子部品を必要とせずに、従来のスイッチング機構（制御装置のＩ／Ｏによって利用可能なものなど）と、受動素子（１つ以上のコンデンサ、抵抗、インダクタなど）のみを使用して、容易に実装することができる。この結果、詳細に後述するように、ここに記載する各種の方式は、入手が容易で、かつ適正な価格の部品を使用して、さまざまな環境において簡便でありながら高信頼で実装することができる。
【００１３】
可測キャパシタンスは、容量検知システムによって検出可能なキャパシタンスを有する任意の信号源、電極またはその他の電気的ノードの実効キャパシタンスである。１本以上の指、スタイラスおよび／またはその他の刺激からの入力を受け取るキャパシタンス型近接センサおよびその他の入力装置については、可測キャパシタンスは、多くの場合、検知ノードからシステムの局所的グラウンドまでの総実効キャパシタンス（total effective capacitance）を表す（「絶対キャパシタンス」）。入力装置の総実効キャパシタンスは極めて複雑なことがあり、センサの設計と動作環境によって決定されるように、直列および並列のキャパシタンス、抵抗およびインダクタンスが含まれる。別の場合には、可測キャパシタンスは、駆動ノードから検知ノードまでの総実効キャパシタンス（「トランスキャパシタンス（transcapacitance）」）を表しうる。この総実効キャパシタンスも、極めて複雑なことがある。しかし、多くの場合、入力は、固定のバックグラウンドキャパシタンスと並列の小さな可変キャパシタンスとして単純にモデル化することができる。
【００１４】
キャパシタンスセンサを使用する入力装置において、可測キャパシタンスは、多くの場合、キャパシタンスセンサの感知電極によって示される可変キャパシタンスである。キャパシタンスセンサは複数の感知電極を備え、それぞれの検知電極は可測キャパシタンスに関連付けられうる。例示的な「絶対キャパシタンス」検出方式では、可測キャパシタンスは、１つ以上の入力物と感知電極の容量結合を含む。この入力物には、感知電極と検出可能な容量結合を有するのに十分に感知電極に近く、例えば、指、スタイラスまたはその他の物体の任意の組み合わせがある。例示的な「トランスキャパシタンス」検出方式では、可測キャパシタンスには、感知電極の１つ以上の駆動電極との容量結合が含まれる。この入力物への「絶対キャパシタンス」方式の場合）結合、あるいは電極間の（「トランスキャパシタンス」方式の場合）結合は、入力物によって電界が影響を受けると変化する。したがって、可測キャパシタンスの値を使用して、容量性入力装置で用いるため、あるいは、容量性入力装置と通信している任意の電子システムで用いるために、入力物の近接度、位置、動きまたはその他の位置情報に関する情報を確認することができる。
【００１５】
可測キャパシタンスに印加する所定の電圧の値は既知のことが多く、多くの場合一定である。例えば、所定の電圧は、１つの利便性の高い電圧であり、これには、電源電圧、バッテリ電圧、ディジタル論理レベル、電流源によって駆動される抵抗、これらの電圧の分割電圧または増幅電圧などがある。しかし、所定の電圧が、フィルタキャパシタンスの電荷の測定結果とレシオメトリックな関係を保てば、所定の電圧が既知でなくても、可変であってもよい。例えば、キャパシタンス検出方式では、フィルタキャパシタンスをリセット電圧にリセットすることが行われ、更に、フィルタキャパシタンスの一方の側の電圧（リセット電圧に対する）をしきい電圧（リセット電圧に対する）と比較することによって、フィルタキャパシタンス両端の電圧を測定すること行われうる。このような検知方式では、所定の電圧とリセット電圧の差、およびしきい電圧とリセット電圧の差は、可測キャパシタンスの決定前の電荷移動プロセスの実行にわたり、平均すると相互に比例しているはずである。したがって、可測キャパシタンスを決定するための電荷移動プロセスの実行中は、フィルタキャパシタンス上の電圧の変化の測定に使用する閾値は、可測キャパシタンスからフィルタキャパシタンスに再分配される電荷のため、フィルタキャパシタンス上の電圧の変化に比例する。より詳細には、所定の電圧がＶＣＣであり、リセット電圧がＧＮＤの場合、しきい電圧は、ＣＭＯＳ入力閾値（例えば、（１／２）×（ＶＣＣ−ＧＮＤ））についてレシオメトリックでありえる。
【００１６】
図面を参照して、図１Ａをまず参照すると、可測キャパシタンス１１２を決定するための代表的なキャパシタンスセンサ１００は、フィルタキャパシタンス１１０と結合された受動インピーダンス１０５を適宜備える。センサ１００はスイッチ１０１，１０３を使用して駆動されるが、それでも可測キャパシタンス１１２、フィルタキャパシタンス１１０および受動インピーダンス１０５は、能動素子を含まない受動的な電気網を形成している。受動インピーダンス１０５は、キャパシタンス、インダクタンス、抵抗等の任意の組合せなど、１つ以上の非能動的な電子素子によって提供される。キャパシタンス、抵抗およびインダクタンスは、それぞれ、容量素子、抵抗素子および誘導素子の任意の組合せによって提供されうる。一部の素子は、抵抗特性と誘導特性の両方を有するなど、複数のインピーダンス特性を示し、このため、このような素子は、その素子が使用されている回路網に、抵抗やインダクタンスを提供する。各種の実施形態では、受動インピーダンス１０５は、回路網または１つ以上の抵抗によって提供される抵抗である。更に、受動インピーダンス１０５は、ダイオードなどの非線形部品を有しうる。インピーダンス１０５は、一般に、下記に詳しく述べる通り、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加する際に、フィルタキャパシタンス１１０に電荷が多量にリークしないような十分大きなインピーダンスを有するように設計されている。各種の実施形態では、インピーダンス１０５は、１００ｋΩ以上のオーダーの抵抗であるが、別の実施形態では、これと大幅に異なるインピーダンス値を示してもよい。
【００１７】
フィルタキャパシタンス１１０は、ノード１０７に結合され、ノード１１５において受動インピーダンス１０５に結合されている。ノード１０７は、適切な電圧と結合されうる（図１Ａではグラウンドが示されているが、別の基準電圧を使用することもできる）。フィルタキャパシタンス１１０は、可測キャパシタンス１１２から移動した電荷を受け取るように構成された１つ以上のコンデンサ（任意の個数の別々のコンデンサの集合など）によって提供されうる。選択される特定のフィルタキャパシタンスの値は、実施形態によって変わりうるが、フィルタキャパシタンス１１０の容量値は、通常、可測キャパシタンス１１２の容量値程度であり、多くの場合、それよりも数桁以上大きい。例えば、フィルタキャパシタンス１１０は、ナノファラッドのオーダーで設計されているが、可測キャパシタンス１１２はピコファラドのオーダーでありうる。後で更に詳細に後述する一例として、フィルタキャパシタンス１１０と受動インピーダンス１０５によって形成されるＲＣ回路の時定数が、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加するためのパルスの持続時間よりも大きくなるように、フィルタキャパシタンス１１０が選択される。
【００１８】
また、可測キャパシタンス１１２と受動インピーダンス１０５との時定数も、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧をパルスによって、印加する持続時間より好ましくは大きい。これは、電荷移動プロセス中にフィルタキャパシタンス１１０に追加される電荷の大部分が、所定の電圧の印加中に、可測キャパシタンス１１２に蓄積され、フィルタキャパシタンス１１０と再分配される電荷に由来しており、受動インピーダンス１０５を通る電流の流れからほとんど来ないようにするためである。フィルタキャパシタンス１１０は、多くの場合、適切なキャパシタンス検知分解能を提供するために、可測キャパシタンス１１２よりも何桁も大きいため、受動インピーダンス１０５との時定数も、パルスによって印加される所定の電圧の持続時間よりも何桁大きい。このため、ＲＣ回路の時定数が比較的大きなことにより、所定の電圧の印加中に、フィルタキャパシタンス１１０への電荷のリークを比較的小さく抑えることが可能となる。
【００１９】
また、センサ１００は、フィルタキャパシタンス１１０と並列であり、ノード１１５と１０７に結合されたスイッチ１０３も有する。スイッチ１０３は、可測キャパシタンス１１２の値を決定するための電荷移動プロセスを実行する前に、フィルタキャパシタンス１１０の電荷をリセットするためにクローズにされる。この場合、スイッチ１０３をクローズにすると、フィルタキャパシタンス１１０の電荷が消去される。
【００２０】
フィルタキャパシタンス１１０をリセットするためのその他の選択肢も容易に利用可能である。例えば、スイッチ１０３は、スイッチ１０３をクローズすると受動インピーダンス１０５を介してフィルタキャパシタンス１１０の電荷がリセットされるように、（ノード１０７および１１５ではなく）グラウンドなどの電圧へのノード１１３と結合してもよい。このような構成は、コントローラの１つのディジタル入出力（例えば図４Ａに示すものなど）を使用して実装されうる。しかし、この構成は、受動インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０に関連する時定数によってリセットされ、このため、スイッチ１０３をフィルタキャパシタンス１１０と並列に配置する構成よりもリセット時間を長くする必要がある。
【００２１】
キャパシタンスセンサ１００の動作には、１つ以上のスイッチ１０１，１０３を用いて行われる電荷移動プロセスと測定プロセスが適宜含まれる。スイッチ１０１，１０３は、別個のスイッチ、バッファ付き集積回路、電界効果トランジスタおよび／またはその他の切り替え構造の任意のタイプによって実装することができるが、これはほんの一部に過ぎない。別の実施形態として、スイッチ１０１，１０３は、以下に詳述するように、コントローラの出力ピンに結合されたコントローラの内部ロジック／回路によって実装されてもよい。コントローラの出力ピンは、入力機能を提供することができる内部ロジック／回路とも結合されており、この結果、スイッチ１０１，１０３は、コントローラの１つ以上のＩ／Ｏを使用して実装できるようになる。
【００２２】
電荷移動プロセスは、通常、２回以上繰り返され、可測キャパシタンス１１２に、所定の電圧（所定の電圧のための簡便な電圧には、電源電圧、バッテリ電圧および論理信号がある）を適宜印加して、可測キャパシタンス１１２が、フィルタキャパシタンス１１０と電荷を適宜再分配することを可能にする。図１Ａに示す例では、スイッチ１０１をクローズすると、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧が印加され、スイッチ１０１をオープンにすると、可測キャパシタンス１１２への所定の電圧の印加が止まる。回路１００は、スイッチ１０１が閉の場合は電圧が印加され、スイッチ１０１が開の場合は印加が止まる構成を示している。しかし、スイッチの開または閉によって電圧を印加しても、あるいは閉と開とでは印加される電圧が変わってもよい。このため、所定の電圧の印加中にインピーダンス１０５を介した過剰な電流リークを防ぐために、スイッチ１０１を使用して、所定の電圧を、インピーダンス１０５と、可測キャパシタンス１１２またはフィルタキャパシタンス１１０に関連するＲＣ時定数と比べて比較的短時間のパルスまたはその他の波形で印加することができる。インピーダンス１０５を介した電荷のリークは、センサ精度および／または分解能に悪影響を与えうる。これは、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値を測定するかまたは可測キャパシタンス１１２の値を決定する際に、電荷リークを制御したり、その影響を評価することは、実際上は不可能でないにせよ、多くの場合困難なためである。インピーダンス１０５に加え、寄生または漂遊インピーダンスによる電荷リークも、センサ性能に悪影響を及ぼす可能性があり、この影響は、所定の電圧の印加時間を短くすれば低減することができる。
【００２３】
可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加したら、スイッチ１０１が開放され、電荷移動プロセスの実行のための所定の電圧の印加が止まり、可測キャパシタンス１１２が、フィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配することが可能とされる。電荷の再分配中は、電荷が、受動インピーダンス１０５を介して可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間を移動する。受動インピーダンス１０５は、充電期間（可測キャパシタンスの充電または放電を行うために所定の電圧が印加される）、再分配の許可期間（所定の電圧の印加が止まる）のいずれの場合も、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０に結合されたままとなる。図１Ａはこの電荷の再分配を行うための特定の構成を示しているが、受動インピーダンスを介した電荷の再分配は多くの方法で行うことができ、ここに開示する原理から逸脱することなく、その他の回路を使用することができる。例えば、図１Ａの可測キャパシタンス１１２からグラウンドへの電気経路（所定の電圧が印加されず、電荷の再分配が可能とされたとき）には、直列のインピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０の両方が含まれる。インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０が直列であり、インピーダンスの加算の原理が適用されるため、このセンサ１００の実施形態では、電荷移動プロセスと回路の動作を変えずに、フィルタキャパシタンス１１０とインピーダンス１０５の相対位置を交換することができる。
【００２４】
可測キャパシタンス１１２が受動回路網と電荷を再分配することを可能にするために、所定の電圧の印加を中止し、電荷が可測キャパシタンスとフィルタキャパシタンス間を移動するのに十分な時間休止する（「遅延させる」）以外の動作は必要ない。これは、例えば、図１Ａに示す実施形態に当てはまり、この場合、電荷が可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間の再分配するために必要な休止時間は、可測キャパシタンス１１２、受動インピーダンス１０５およびフィルタキャパシタンス１１０を含む回路の時定数によって決まる。各種の実施形態では、必要な休止時間が比較的短くてもよい（フィルタキャパシタンス１１０が、低抵抗で可測キャパシタンス１１２と直列に接続されている場合など）。別の実施形態では、長い休止時間が必要なように、必要な遅延が長いこともある（フィルタキャパシタンス１１０が、大きな受動インピーダンス１０５で可測キャパシタンス１１２と直列に接続されている場合など）。別の実施形態では、電荷の移動を可能にする際に、受動回路網に外部の部品を結合させるために、コントローラと関連する１つ以上のスイッチを能動的に作動させるか、その他の動作を適宜とるか、この両方が行われうる。このような実施形態では、受動インピーダンス１０５を小型化することができる。
【００２５】
所定の電圧を印加し、可測キャパシタンス１１２がフィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配することを可能にする電荷移動プロセスの実行を１回以上行ったら、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値が測定されうる。フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値は、図１Ａに示す実施形態では、ノード１１５における電圧と簡便にすることができる。また、フィルタキャパシタンス上の電圧を表す値は、ノード１１２における電圧とすることもできるが、この場合、受動インピーダンス１０５両端の電圧を評価しなければならない。しかし、一部の実施形態では、特定の時間に、受動インピーダンス１０５両端の電圧はごくわずかである。このような実施形態では、測定が特定の時間に行われた場合に、ノード１１３における電圧が、ノード１１５で電圧に実際上等価となる。例えば、受動インピーダンス１０５が抵抗の場合、受動インピーダンス１０５に蓄積される電荷はごくわずかである。更に、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０が再分配を完了した場合、受動インピーダンス１０５を流れる電流は僅かである。このような場合、受動インピーダンス１０５両端の電圧は実際上ゼロとなる。
【００２６】
フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値の測定は、閾値との簡単な比較（比較器を使用して１ビットの測定結果を生成するなど）か、あるいはこれより複雑な回路（マルチビットＡＤＣを使用して、マルチビットの測定結果を生成するなど）を使用することにより行うことができる。閾値を使用して、１ビットの測定結果を生成する場合、一般に、複数の測定が行われ、この閾値と交差するのに必要な電荷移動プロセスの実行回数が確認される。この必要実行回数は、可測キャパシタンス１１２の値を決定するために、公知の値（閾値、フィルタキャパシタンス１１０の値など）と併せて使用されうる。マルチビットＡＤＣを使用して、高分解能の測定結果を生成する場合は、行う測定が少なく（ＡＤＣによって十分な分解能が得られる場合は、１回の測定で十分なこともある）、測定を行う前の実行回数が、予め設定されうる。可測キャパシタンス１１２の値を決定するために、マルチビットＡＤＣ測定が、公知の値とこの予め設定された回数と共に使用されうる。フィルタキャパシタンス１１０をリセット状態にするために、可測キャパシタンス１１２の値を決定するための測定を行った後に、あるいは、フィルタキャパシタンス１１０が異なる方法でリセットされる場合には、設計上の便宜のために、追加の電荷移動プロセスが実行されてもよい。この追加の電荷移動プロセスは、特に複数の可測キャパシタンスを検知するのに有用でありうる。
【００２７】
上記したように、スイッチ１０１，１０３は、独立した別個のスイッチによって、あるいは、コントローラの出力または入出力（Ｉ／Ｏ）に結合された内部ロジック／回路によって実装することができる。次に図１Ｂを参照すると、第２の例示的なキャパシタンスセンサ１５０が示される。キャパシタンスセンサ１５０は、切り替え機能を提供するために、Ｉ／Ｏ１０４および１０６を有するコントローラ１０２を使用する。Ｉ／Ｏ１０４は、図１Ａのスイッチ１０１に関連する切り換えを提供することができる。Ｉ／Ｏ１０６は、フィルタキャパシタンスをリセットするために切り替え機能を提供するが、その作用は関連するスイッチ１０３と異なる。図１Ｂの実施形態の場合、Ｉ／Ｏ１０６は、スイッチ１０３のように、基準電圧を提供するために使用されるが、ノード１０７が、Ｉ／Ｏ１０６が通常供給できない電圧に結合されているため、フィルタキャパシタンス１１０は、フィルタキャパシタンス１１０がゼロ以外の設定された電荷量にリセットされる。コントローラのディジタル入出力は、一般に、１つ以上の論理値および／または「高インピーダンス」または「開放」値を切り替え可能に印加することが可能である。この論理値は、何らかの適切な電圧またはその他の信号であってもよい。例えば、論理値「ハイ」または「１」の値は、「高」電圧（＋ＶＣＣなど、一部のコントローラでは＋５ボルトなど）に対応しており、論理値「ロー」または「０」の値は、比較的「低い」電圧（グラウンドまたは０Ｖなど）に対応しうる。このため、Ｉ／Ｏ１０４、１０６を使用して選択され、印加される特定の信号は、選択する特定のコントローラ１０２に応じて、実装によって大幅に変わりうる。このため、コントローラＩ／Ｏを使用するこのような実施形態の１つの利点は、マイクロコントローラ、ディジタル信号処理装置、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックアレイ、特定用途向け集積回路などの従来のコントローラ１０２と共に、受動素子（受動抵抗１０５、フィルタキャパシタンス１１０など）のみを使用して、非常に柔軟なキャパシタンスセンサ１５０を容易に実装することができるという点がある。これらのコントローラ製品の多くは、米国アリゾナ州チャンドラー所在のマイクロチップ・テクノロジー（Microchip Technology）、テキサス州オースティン所在のフリースケール・セミコンダクタ（Freescale Semiconductor）、およびテキサス州ダラス所在のテキサスインスツルメンツ社などのさまざまな供給元から容易に入手可能である。
【００２８】
更に、一部の実施形態では、コントローラ１０２は、ディジタルメモリ（スタティックランダムアクセスメモリ、ダイナミックランダムアクセスメモリまたはフラッシュランダムアクセスメモリなど）を有する。ディジタルメモリは、そこに格納されている各種のキャパシタンスセンサのための各種の電荷移動処理ルーチンを実行するためのデータおよび命令を記憶するために使用されうる。インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０は静的に接続されているため、センサの動作中に行われる必要のある唯一の物理的動作は、Ｉ／Ｏ１０４および１０６における信号レベルの操作に関するものである。このような操作は、コントローラ１０２に格納されているソフトウェア、ファームウェア、構成またはその他の命令に応答して行われうる。
【００２９】
一部の実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０は、図１Ａに示すように、ノード１０７においてグラウンドなどの事実上一定の電圧に結合されている。別の実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０は、図１Ｂに示すように、キャパシタンス検出の実行を改善する可変電圧に結合されている。図１Ｂに示す例示的な実施形態は、電源電圧の変動についてキャパシタンスセンサ１５０を補償し、これにより電源電圧の雑音効果への耐性を改善する、この種の任意選択の補正回路１２５を有する。補正回路１２５は、通常、フィルタキャパシタンス１１０の、可測キャパシタンス１１２と反対側を、キャパシタンスセンサ１５０の実装に関連する電源レールの一方または両方（＋ＶＣＣとグラウンドへの結合が図１Ｂに示されている）に結合している。図１Ｂには、補正回路１２５が１つのフィルタキャパシタンス１１０だけを補償しているように示されているが、同じ補正回路が、ノード１０７において複数のフィルタキャパシタンス１１０に結合されていてもよい。このため、補正回路１２５は、複数の検知チャネルと複数のフィルタキャパシタンスを有するセンサを補償するために、容易に使用することができる。図１Ｂに示す構成では、電源レールにおける変動（「電圧供給リプルとも呼ぶ」）は、ノード１０７において同様の電圧の変動を引き起こす。このため、同じ供給電圧リプルによって引き起される、コントローラ１０２に関連する閾値の変動を補償するために使用することができる。
【００３０】
図１Ｂに示す例示的な補正回路１２５は、＋ＶＣＣとグラウンドの２つの供給電圧間のインピーダンス分割器の構成に構成された２つのインピーダンス１２７および１２９を有する。インピーダンス分割器は、直列の２つの受動インピーダンスから構成されており、それぞれの受動インピーダンスが、少なくとも２つのノードと結合されている。これらのノードのうちの１つは、両方のインピーダンスに共通（両方のインピーダンスが接続している「共通ノード」）である。この共通ノードは、インピーダンス分割器の出力として機能する。インピーダンス分割器の出力は、「非共有」ノード（共通のノードでない２つのインピーダンスのノード）において印加された電圧および／または電流の時間に対する関数である。インピーダンス分割器の単純な例として、２つのキャパシタンスまたは２つの抵抗から構成される分圧器がある。複雑なインピーダンス分割器は、マッチングされていないキャパシタンス、抵抗またはインダクタンスを直列または並列で有しうる。更に、インピーダンスは、容量特性、抵抗特性および誘導特性の任意の組合せを有しうる。
【００３１】
図１Ｂに示す補正回路１２５では、インピーダンス分割器は、＋ＶＣＣおよびグラウンドに結合された２つの抵抗または２つのキャパシタンスから形成される分圧器でありうる。回路１２５のインピーダンス分割器は、ノード１０７においてフィルタキャパシタンス１１０に結合された「共通ノード」を有する。インピーダンス１２７および１２９の抵抗を用いた例は、抵抗性の分割回路網を形成するために抵抗を有し、インピーダンス１２７および１２９の容量を用いた例は、容量性の分割回路網を形成するために、コンデンサを有しうる。インピーダンス１２７および１２９の適切な値を選択することによって、フィルタキャパシタンス１１０は、２つの供給電圧の間の任意の電圧にバイアスされうる。更に、供給電圧の変化が、補正回路１２５によって自動的に補償される。これは、このような分圧器が、大きな遅延なしに、電源電圧の変動を示す電圧を提供するためである。補正回路１２５の使用は、一部の実施形態では有利であるが、全ての実施形態で望ましいとは限らない。
【００３２】
図１Ｄは、キャパシタンス検出の実行を改善する、フィルタキャパシタンスを可変電圧に結合する別の方法を示している別のセンサ回路１９５を示す。回路１９５では、両方の電源レールに静的に結合された容量性インピーダンス分割器から形成された組合せフィルタキャパシタンス１１０を使用することによって、電圧補償が行われる。この組合せフィルタキャパシタンス１１０は、一方の電源レール（図１Ｄでは＋ＶＣＣが示される）に静的に結合された第１フィルタキャパシタンス１１０２と、もう一方の電源レール（図１ＤではＧＮＤが示される）に静的に結合された第２フィルタキャパシタンス１１０４を有する。第１フィルタキャパシタンス１１０２と第２フィルタキャパシタンス１１０４は、これらの共通ノード（これもノード１１５である）において相互に結合されている。ノード１１５は、受動インピーダンス１０５とＩ／Ｏ１０６にも結合されている。受動インピーダンス１０５は、ノード１１３においてＩ／Ｏ１０４と可測キャパシタンス１１２にも結合されている。全体として、回路１９５の構成は、補正回路１２５のない回路１５０（図１Ｂ）の構成と非常に似ているが、回路１９５は、２本の電源レールに結合している分割フィルタキャパシタンスを有する。
【００３３】
回路１９５の動作は、回路１５０の動作と非常に似ている。Ｉ／Ｏ１０４は、論理値（論理値「ハイ」など）を供給することによって、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加しうる。次に、Ｉ／Ｏ１０４は、可測キャパシタンス１１２と、組合せフィルタキャパシタンス１１０のキャパシタンス１１０２〜１１０４の両方との間の電荷の再分配を可能にするために、高インピーダンスに保持されうる。Ｉ／Ｏ１０６（またはその他の何らかの回路）は、ノード１１５における電圧を測定するために使用され、これは、キャパシタンス１１０２〜１１０４にある合計の電荷を表わすことによって、組合せフィルタキャパシタンス１１０の電荷を表わしうる。Ｉ／Ｏ１０６は、電荷移動プロセスが適切な回数実行されると、両方のキャパシタンス１１０２〜１１０４の電荷をリセットするためのリセット信号（論理値「ロー」など）を供給しうる。図１Ｄに示す構成では、電源レールの変動により、組合せフィルタキャパシタンス１１０が参照される電圧（キャパシタンス１１０２では＋ＶＣＣ、キャパシタンス１１０４ではＧＮＤ）に同様の変動が引き起される。このため、回路１９５の実施形態は、同じ供給電圧のリプルによって引き起こされる、コントローラ１０２に関連する閾値の変動を補償することができる。
【００３４】
回路１９５はフィルタキャパシタンスを使用することによって補償を実現するため、センサが１〜２個のフィルタキャパシタンスのみを必要とする場合には、補正回路１２５と比べて、部品点数が少ないという利点を有する。多くの場合、回路１９５によって示す補償は、同じフィルタキャパシタンスを共有する複数の検知チャネル（例えば、後述する図４Ｃの回路４４０など）間で共有できる。しかし、図１Ｄに示す分割フィルタキャパシタンスの方法は、図１Ｂの補正回路１２５と比べ、複数の検知チャネル間での共有が困難であるが、この理由は、補償の共有によりフィルタキャパシタンスが共有されるためである。
【００３５】
図２Ａを参照すると、図１Ｂのキャパシタンスセンサ１５０を動作させるのに適した例示的なタイミング方式２００が示される。詳細には、図２Ａは、Ｉ／Ｏ１０４，１０６、およびノード１１３，１１５に関連する電圧を示している。グラフ２３０は、Ｉ／Ｏ１０４を使用して可測キャパシタンス１１２に供給されうる充電電圧パルス２１０の例示的な組を示す。充電電圧パルス２１０は、論理値ロー（０）の出力部分２０９と、論理値ハイ（１）の出力部分２０１を有する。図１Ｂ，２Ａの実施形態では、論理値ハイの出力部分は、ノード１１３を介して、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加し、この所定の電圧は、論理値ハイの出力（代表的なコントローラ１０２では＋ＶＣＣ）に関連する電圧である。このため、所定の電圧が、適切なスイッチを使用して（例えば図１ＢのＩ／Ｏ１０４に適切な信号出力を生成する、コントローラ１０２に内蔵された回路を介して）印加される。充電電圧パルス２１０の論理値ハイの部分２０１は、一般に、所定の電圧の印加中に、フィルタキャパシタンス１１０への電荷リークが無視できる位小さくなるように、インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０を含むＲＣ回路の応答時間よりも短い期間に選択される。
【００３６】
図２Ａに示す実施形態では、充電電圧パルス２１０は、比較的短い論理値ローの出力部分２０９も有する（これは、代表的なコントローラ１０２ではＧＮＤであるが、ほかのコントローラではほかの論理値を出力してもよい）。論理値ローの出力部分２０９は、所定の電圧を印加する論理値ハイの出力部分２０１よりも前にくる「逆」電圧を供給する。「逆」電圧は、所定の電圧とは逆極性の大きさを有し、「電流取消」によって電荷移動プロセス中にインピーダンス１０５を介してリークする電流を補償するのに役立つ。論理値の出力部分２０９の持続時間は、逆電圧を印加することによって除去される寄生性電荷の量が、所定の電圧を印加することによって追加される寄生電荷の量とほほ等しくなるように選択される。図２Ａの充電パルス２１０では、「逆」電圧は、所定の電圧の持続時間とほぼ同じ持続時間、印加される。このような「電流取消」は、任意選択の特徴であり全ての実施形態で必要というわけではない。
【００３７】
図２Ａのグラフ２３２は、Ｉ／Ｏ１０６によって供給できるリセット信号２２０の例示的な組を示す。このリセット信号２２０は、フィルタキャパシタンス１１０の電荷をリセットするために、ノード１１５においてフィルタキャパシタンス１１０にリセット電圧を供給することができる。リセット信号２２０は、スイッチを介して（例えば図１ＢのＩ／Ｏ１０６に適切な信号出力を生成する、コントローラ１０２に内蔵された回路を介して）、ノード１１５に供給される。図２Ａに示した例では、リセット信号２２０は、フィルタキャパシタンス１１０に蓄積された電荷をリセットする低電圧の出力を有する。このリセット信号は、周期的、非周期的、および／またはそれ以外のタイミングで供給されることもあれば、下記に詳しく述べるように、一部の実施形態では全く供給されないこともある。例えば、ノード１１５上の電圧（フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値）が閾値を超えたら、特定のリセット信号２２０がノード１１５に印加されうる。これはタイミングチャート２００に示されており、ノード１１５における電圧（グラフ２３６によって示す）がしきい電圧ＶＴＨを超えると、リセット信号２２０Ａ〜Ｃが供給されている。
【００３８】
充電電圧パルス２１０の印加の間には、Ｉ／Ｏ１０４を高インピーダンス状態（Ｚ）に保つことにより、可測キャパシタンス１１２が、フィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配することが可能にされる。タイミングチャート２００の実施形態は、所定の電圧が、論理値ハイによって印加され、この結果、可測キャパシタンス１１２はこの所定の電圧の印加中に充電し、電荷の再分配中に、インピーダンス１０５を介してフィルタキャパシタンス１１０に放電することを示している。図２Ａは、ノード１１３における電圧の各充電電圧パルス２１０の結果を示す、ノード１１３における電圧の例示的な電圧グラフ２３４を示している。詳細には、電圧グラフ２３４は、充電パルス２１０のそれぞれの逆電圧部分２０９によって、可測キャパシタンス１１２上の電圧が逆電圧（図２Ａではグラウンドとして示す）に駆動される様子、充電パルスの所定の電圧部分２０１のそれぞれによって、可測キャパシタンス１１２上の電圧が所定の電圧（図２Ａでは＋ＶＣＣとして示す）に駆動される様子、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間の電荷の再分配により、（ノード１１３における）可測キャパシタンス１１２上の電圧と、（ノード１１５における）フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が近づく様子を示す。このため、電圧グラフ２３４は、各充電電圧パルス２１０が、グラウンドをノード１１３に印加することによって電荷を除去し、＋ＶＣＣを印加することによって可測キャパシタンス１１２を充電した結果と、可測キャパシタンス１１２がフィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配した結果を示している。
【００３９】
図２Ａでは、フィルタキャパシタンス１１０上の得られた電圧（すなわち図１Ｂ，２Ａに示した実施形態ではノード１１５における電圧）が、電圧グラフ２３６として示される。電圧グラフ２３６は、「電流取消」で逆電圧と所定の電圧がかかると、わずかな低下と増加を示す。また、電圧グラフ２３６は、電荷移動プロセスの実行にわたり、フィルタキャパシタンス１１０が可測キャパシタンス１１２と電荷を再分配すると、ノード１１５における電圧が漸増することを示している。
【００４０】
電圧グラフ２３４および２３６は、所定の電圧が印加されるたびに、可測キャパシタンス１１２が比較的迅速に充電されるのに対し、可測キャパシタンス１１２またはフィルタキャパシタンス１１０と受動回路網を形成している受動インピーダンス１０５の比較的大きな時定数によって、フィルタキャパシタンス１１０の放電が比較的遅い様子を示している。典型的には、再分配の期間は、ノード１１３と１１５における電圧がほぼ等しくなり、この結果、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間を流れる電流が無視できる位小さくなるような十分な長さに設定される。
【００４１】
フィルタキャパシタンス１１０における電圧から可測キャパシタンス１１２を決定するために、さまざまな方法を使用することができる。一方法では、ノード１１５における電圧が、適切なしきい電圧（ＶＴＨ）と比較されて、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧の１ビットのアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換が供給される。（上記したように、ノード１１３における電圧も、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値として使用することができ、Ｉ／Ｏ１０４を使用して測定することもできる。しかし、本例では、ノード１１５における電圧を使用する。）この電圧の比較は、ノード１１５に結合された比較器によって実行することができる。例えば、図１Ｂのコントローラ１０２は、Ｉ／Ｏ１０６に結合されたアナログ電圧比較機能を有しうる。別の実施形態では、比較機能が、通常のディジタルＩ／Ｏピン１０６の入力回路によって実行されてもよく、その場合、閾値ＶＴＨは、通常、ディジタル入力バッファの所定の閾値（ＣＭＯＳ閾値など）である。このため、Ｉ／Ｏ１０６は、ノード１１５における電圧をしきい電圧と比較し、このため、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値を取得するために使用することができる。一実施形態では、このしきい電圧は、ハイとローの論理値の中間の値とほぼ等しい。
【００４２】
図１Ｂ，２Ａに示した実施形態は、この比較器型の方法を使用することができ、タイミングチャート２００は、しきい電圧レベルＶＴＨを示す破線のＶＴＨの線と、Ｉ／Ｏ１０６の読み出し時間を示す点２２２を、この方法をと共に示している。グラフ２３６に示すように、可測キャパシタンス１１２に充電パルス２１０を印加し、可測キャパシタンス１１２によるフィルタキャパシタンス１１０との電荷の再分配を可能にする電荷移動プロセスは、ノード１１５における電圧が、しきい電圧ＶＴＨを超えていると検出されるまで繰り返される。コントローラ１０２のＩ／Ｏ１０６は入力機能を有し、ノード１１５における電圧をＩ／Ｏ１０６の入力閾値と比較することによってこれを測定するために、読み出されうる。フィルタキャパシタンス１１０上の電圧の測定とその確認は、電荷移動プロセスの実行のたびに行われても、その一部で行われてもよい。図２Ａのタイミングチャート２００は、点２２２Ａ〜ＤにおけるＩ／Ｏ１０６の読み出しを示しており、電荷移動プロセスの実行の一部だけが含まれている。
【００４３】
ノード１１５における電圧が、閾値を超えた（グラフ２３６上の点２０３Ａ,Ｂによって示し、点２２２Ｂ,Ｄにおいて、Ｉ／Ｏ１０６を読み出すことで、この閾値と交差したことが、システムによって検出された）ら、ノード１１５にリセット信号２２０Ｂ，Ｃが印加され、フィルタキャパシタンス１１０の電荷がリセットされる。電荷移動プロセスを１回実行しただけで、閾値と交差することも時にはあるが、通常は、電荷移動プロセスは数十回、数百回、あるいはそれ以上行われる。タイミングチャート２００には、説明の便宜上、電荷移動プロセスを４回実行しただけで閾値を超えることができると示されている。フィルタキャパシタンス１１０上の電圧（すなわち図１Ｂ，２Ａに示した実施形態ではノード１１５における電圧）がしきい電圧ＶＴＨを超えるまで、電荷移動プロセスが実行された回数を確認することによって、可測キャパシタンス１１２の値を効果的に決定することができる。すなわち、キャパシタンス１１０に既知の電荷量（既知の電圧閾値ＶＴＨを超えたときのノード１１５における電圧として示される）を与えるために、実行された可測キャパシタンス１１２の充電／放電サイクルの回数を、可測キャパシタンス１１２の実際のキャパシタンスと効果的に相関させることができる。
【００４４】
この比較器タイプの方法は、コントローラ１０２の内部および／または外部の回路の任意の組合せによって適宜実装することもできる。この比較器タイプの方法の多くの変形例が存在し、考察することができる。例えば、１つ以上の比較器に対して多くの基準電圧を使用するか、コントローラ１０２の特殊な入力を使用するか、あるいはヒステリシスを有するコントローラの入力（例えばシュミットトリガタイプの入力）を使用して、複数の閾値を供給してもよい。複数の閾値を使用する場合、異なる閾値に達したときに電荷移動プロセスが変更されうる。例えば、電荷移動プロセスは、閾値の間隔が一定ではない場合には、間隔が広い閾値に達するように、あるいは、閾値が多数あり、その全てと交差する必要がある場合には、最初の閾値に達するように、比較的多量の電荷を移動させるように構成されうる。最後に交差した閾値と交差するのに必要な電荷移動プロセスの各タイプの実行回数を使用して、可測キャパシタンス１１２の値を決定することができる。また、他の閾値と交差することに関する追加情報を使用して、この決定の精度を上げることもできる。
【００４５】
別の実施形態では、可測キャパシタンスの値を決定するための代替の方法が使用される。別の方法では、ノード１１５における電圧の直接のマルチビット測定が行われて、可測キャパシタンス１１２のキャパシタンスの決定に使用される。例えば、コントローラ１０２が、電圧１１５のより正確な測定を可能にする高解像度アナログ−ディジタル機能を備えうる。このような実施形態では、電荷移動プロセスが事前設定された回数実行され、その後、ノード１１５における電圧のマルチビットの値が測定されうる。測定と事前設定された回数のあとに、電荷移動プロセスの実行の次のサイクルのために、フィルタキャパシタンス１１０の電荷がリセットされうる。
【００４６】
図１Ｂ，２Ａに示した実施形態は、このマルチビット方法を使用することができ、図２Ａのタイミングチャート２００はこれを示している。電圧閾値ＶＴＨの線と読取点２２２Ａ，Ｃを無視すると、電圧グラフ２３６は、電荷移動プロセスの実行の事前に定められた回数として４回を示しており、電荷移動プロセスを４回実行した後の点２０５Ａ〜Ｂのノード１１５における電圧測定を示している。比較器タイプの方法のように、マルチビット測定は、コントローラ１０２の内部および／または外部の回路の任意の組合せを使用して行うことができる。例えば、Ｉ／Ｏ１０６がマルチビット入力機能を有する場合、これを直接使用することができる。別の実施形態として、コントローラ１０２の別の入力、ＡＤＣ機能を有する別のコントローラ、または外部のＡＤＣやその他の何らかの回路が、コントローラ１０２に結合されて、測定に使用されてもよい。次に、可測キャパシタンス１１２の値が、フィルタキャパシタンス１１０上の測定電圧（図１Ｂに示した実施形態ではノード１１５における電圧）から決定される。
【００４７】
このＡＤＣタイプの方法の多くの変形例が存在し、考察することができる。例えば、フィルタキャパシタンス１１０のリセットの間に実行される電荷移動プロセスの組において、マルチビット測定が複数回行われうる。別の例として、電荷移動プロセスの回数が事前設定されていなくてもよく、実行される電荷移動プロセスの回数とノード１１５における電圧とがトラッキングされて、可測キャパシタンス１１２の値が得られる。
【００４８】
フィルタキャパシタンス１１０における電圧から可測キャパシタンス１１２を決定するためにほかの方法が使用されてもよく、図２Ｂは、得られるフィルタキャパシタンス１１０上の電圧（ノード１１５における電圧など）のグラフの例を示す。例えば、一方法では、一次応答などの既知の時間応答を有する電流源（グラフ２５２）または放電回路（グラフ２５４）を使用して、電荷移動プロセスが事前設定された回数実行され、その後、フィルタキャパシタンス１１０から電荷が引き出される。フィルタキャパシタンス１１０の電荷がゼロなどの既知の値まで下がるのに必要な時間がモニタされて量子化され、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す１ビットまたはマルチビットの測定結果が生成されうる。この測定結果は、可測キャパシタンス１１２の値を決定する際に、事前設定された回数と共に使用されうる。このような方法では、測定後にフィルタキャパシタンス１１０が既知の値となるため、別個のリセット信号を印加する必要がなくなる。
【００４９】
図１Ａ〜Ｂ，２に示した基本的な構造および動作をさまざまに変更することができる。例えば、図２Ａに示したタイミング方式２００では、可測キャパシタンス１１２からフィルタキャパシタンス１１０への電荷移動が「正の」移動であると仮定しているが、均等な実施形態では、反対向きの電荷の再分配に基づいていてもよい。（すなわち、リセット中に電荷がフィルタキャパシタンス１１０に蓄えられ、再分配中にこの電荷が除去されて、インピーダンス１０５を介して可測キャパシタンス１１２に引き込まれる。これは、ノード１１５に高いリセット電圧を印加して、次に、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間の再分配により、フィルタキャパシタンス１１０が放電され、ノード１１５における電圧が下がるように、可測キャパシタンス１１２に所定の低電圧を印加する充電パルス２１０を使用することで行うことができる。）グラフ２５６，２５８，２６０は、電荷のこのような「負の」移動を使用する実施形態でみられるフィルタキャパシタンス上の電圧の例を示している。グラフ２５６は、フィルタキャパシタンスがリセットされたときに、無視できるくらい小さい遅延が存在する場合の例示的なシステムの応答を示している。このような応答は、無視できるくらい小さな結合抵抗で直接リセットされるシステムでみられることがある。グラフ２５８は、フィルタキャパシタンスがリセットされたときに、一次ＲＣまたはＬ／Ｒ応答と同様の時間応答があてはまる場合の例示的なシステムの応答を示している。このような応答は、ＲＣまたはＬ／Ｒ回路を使用してリセットされるシステムでみられることがある。グラフ２６０は、フィルタキャパシタンスがリセットされたときに、ほぼ線形の時間応答を示す例示的なシステムの応答を示している。このような応答は、電流源を所定の時間駆動することによってリセットされるシステムでみられる。フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値と、電荷移動プロセスが実行された回数の関数として、可測キャパシタンス１１２を決定するためのさまざまな他の手法について、ここに記載する。
【００５０】
例えば、数多くの均等な手法を作成することができる。図３Ａを参照すると、２種類の異なる所定の電圧による代替のタイミング方式３００は、可測キャパシタンス１１２を充電し、可測キャパシタンス１１２を決定するために２つのしきい電圧を印加する「オシレータ」タイプの方法を実施している図１Ｂに示す回路を示している。タイミング方式３００の電圧グラフ３１０は、充電パルス３１０を、反対の「正の」充電パルス３１１の群と、「負の」充電パルス３１２の群で充電パルス３１０を印加する。詳しくは、タイミング方式３００は、第１の期間３０１の間に、「正の」充電パルス３１１を印加する（このため所定の高電圧を印加する）電荷移動プロセスの第１の組を示している。また、タイミング方式３００は、第２の期間３０２の間に「負の」充電パルス３１２を印加する（このため所定の低電圧を印加する）電荷移動プロセスの別の組も示している。図３Ａは、ノード１１３において得られる電圧の例示的な電圧グラフ３０３を示す。電圧グラフ３０３は、充電パルス３１１，３１２の組の結果、得られたノード１１３における電圧の結果を示す。詳細には、電圧グラフ３０３は、高い充電電圧パルス３１１の各々により可測キャパシタンス１１２が充電される様子と、このため、フィルタキャパシタンス１１０と再分配される際に可測キャパシタンス１１２に蓄えられた電荷が放電される様子を示している。電圧グラフ３０３は、更に、低い充電電圧パルス３１２の各々によって可測キャパシタンス１１２が放電される様子と、このため、可測キャパシタンスが、フィルタキャパシタンス１１０との再分配を可能にされたときに、フィルタキャパシタンス１１０を放電する様子を示している。フィルタキャパシタンス１１０上の得られた電圧（すなわち図１Ｂ、３Ａに示した実施形態ではノード１１５における電圧）が、電圧グラフ３０６として示される。タイミングチャート３００では、電荷移動プロセスの一方の組が、電荷移動プロセスのもう一方の組のほぼ鏡映としてされているが、この２つの電荷移動プロセスがこのように似ている必要はない。例えば、期間、頻度および／または電圧の大きささが変わってもよい。
【００５１】
この例では、「正」電荷のパルス３１１が、第１の期間３０１の間、可測キャパシタンス１１２に印加され、その結果、可測キャパシタンス１１２がフィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配することが可能にされ、ノード１１５においてフィルタキャパシタンス１１０が充電される。この結果、ノード１１５上の電圧が上昇する。時間３１５では、ノード１１５における電圧が第１のスレッショルド電圧ＶＴＨ１を超え、これが、点３３０Ｃで示す測定が行われて検出される。その直後に、「負」電荷のパルス３１２が、第２の期間３０２の間、可測キャパシタンス１１２に印加され、その結果、可測キャパシタンス１１２がフィルタキャパシタンス１１０と電荷を再分配することが可能にされ、フィルタキャパシタンス１１０が放電される。この結果、ノード１１５上の電圧が低下する。時間３１７では、ノード１１７における電圧が第２のスレッショルド電圧ＶＴＨ２を超え、これが、点３３０Ｅで示す測定が行われて検出される。図１Ｂ、３Ａに示す実施形態では、スレッショルド電圧ＶＴＨ１との交差とＶＴＨ２との交差の両方が測定されて、電荷移動プロセスが実行された回数とともに使用され、可測キャパシタンス１１２の値が決定される。
【００５２】
期間３０１，３０２の後に、「正の」充電期間と「負の」充電期間が更に設けられてもよく、ある期間ではフィルタキャパシタンス１１０が充電され、別の期間で放電される。「正の」充電と「負の」充電のこのサイクルにより、このオシレータの実施形態では、前述のようにリセット信号が別個に必要ない。これは、フィルタキャパシタンス１１０上で得られる電圧波形の振幅と変化率（電荷移動プロセスの実行ごとの電圧変化の量）が、フィルタキャパシタンス１１０上の初期電圧とは独立しており（飽和した部品がなく電源レールに達していないと仮定した場合）、電荷移動プロセスで使用される可測キャパシタンス１１２の値を表しているためである。可測キャパシタンス１１２の値が大きいということは、電荷移動プロセスの実行回数が少なくても電圧閾値ＶＴＨ１およびＶＴＨ２と交差するということであり、可測キャパシタンス１１２が小さいということは、電荷移動プロセスを多く実行しないと、電圧閾値ＶＴＨ１およびＶＴＨ２と交差しないということである。このため、閾値と交差した後であって、電荷移動プロセスの組を開始する前に、フィルタキャパシタンス１１０をリセットするか、あるいは別の既知の状態にする必要がない。
【００５３】
同様に、「正」と「負」の両方の充電のサイクルを使用することで、フィルタキャパシタンスのリセットが行われなくても、しきい電圧と交差した後に、センサの性能に悪影響を及ぼさすに、追加の電荷移動プロセスを実行できることになる。これを考慮に入れると、並列に（すなわち同時の電荷移動サイクルによって）駆動される複数の検知チャネルを有するセンサは、好ましくは検知チャネルを「オーバーラン」し、必要に応じて個々のしきい電圧と交差しても更に電荷移動サイクルを実行し続ける。物理的に互いに接近している複数の検知チャネルを有するセンサは、ノイズを最小化するために、相互に同じような電気的状態に曝される。例えば、異なる検知チャネルの検知電極間の寄生結合の影響は、検知電極が同じような電圧を示す場合に低減される。これらの検知電極のうちの一方が電荷移動プロセスによって駆動され、もう一方が駆動されない場合、電極同士が「クロストーク」し、センサの性能を低下させる。しかし、これらの検知電極の両方が同様の電圧に駆動される（同時に動作させる同様の電荷移動プロセスによってなど）場合には、「クロストーク」が低減される。複数の検知電極を同じような電圧に駆動することは、外部の妨害から検知電極を遮蔽するのに役立つ。このため、チャネルの全てに電荷移動プロセスを実行するか、一切実行しないことによって、これらのチャネルを同じ電圧に駆動することは、閾値と交差する相対的タイミングを問わず、このようなシステムで有利である。
【００５４】
このため、本発明の回路は、電荷移動プロセスが、適用可能なスレッショルド電圧（例えば、図３Ａの実施形態の場合はＶＴＨ１、ＶＴＨ２）と交差したタイミングを基に駆動されうるが、この動作モードが、複数の検知チャネルを有する多くの実施形態で望ましいとは限らないこともある。逆に、チャネルが同時または並列に動作される複数の検知チャネルシステムでは、適用可能なしきい電圧と交差した後も、電荷移動プロセスを実行し続けることが好ましいことがある。そこで、実行される電荷移動プロセスの合計回数は、複数の検知チャネルのうちの、最後のフィルタキャパシタンスがその閾値と交差したときを基にしうる。また、（少なくとも多くの場合）複数の検知チャネルの最後のフィルタキャパシタンスが、その閾値と交差できるくらい十分多い回数に、電荷移動プロセスの合計回数が予め選択されうる。
【００５５】
しかし、一部の実施形態では、逆極性の充電パルスの組同士の間に、リセット信号が印加されてもよい点に留意する必要がある。例えば、ノード１１５における電圧が高いほうの閾値ＶＴＨ１を超えたら、フィルタキャパシタンス１１０が、ノード１１５において高電圧を発生させるようにハイにリセットされ、ノード１１５における電圧が低いほうの閾値ＶＴＨ２を超えたら、フィルタキャパシタンス１１０が、ノード１１５において低電圧を発生させるようにローにリセットされうる。図３Ｂのグラフ３５２は、２つのリセット電圧と２つのスレッショルド電圧を使用する例示的なシステムのフィルタキャパシタンス１１０上の電圧を示す。グラフ３５２では、閾値ＶＴＨ１またはＶＴＨ２を越えた「オーバーランの」電荷移動プロセスが示されていないが、別の実施形態ではこのような「オーバーランの」プロセスが含まれていてもよい。
【００５６】
リセット信号を印加することは、「オシレータ」の実施形態の変形例が可能となりうる。例えば、２種類のリセット信号がハイへのリセットおよびローへのリセットに使用される場合、１つのスレッショルド電圧ＶＴＨのみを使用して「オシレータ」を実装することができる。図３Ｂのグラフ３５４は、２つのリセット電圧と１つのスレッショルド電圧を使用する例示的なシステムのフィルタキャパシタンス１１０上の電圧を示す。フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が、スレッショルド電圧ＶＴＨを超えて低下させるのに十分な「負の」充電電圧３１１を使用する電荷移動プロセスの３５５の期間の後に、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧をＶＴＨより低いローのリセット電圧にセットするために、リセットロー信号が印加されうる。次に、フィルタキャパシタンス１１０の電圧が、再びスレッショルド電圧ＶＴＨと交差したことが検出されるまで、「正の」充電パルス３１２を含む電荷移動プロセスの期間３５７が印加されうるが、この場合は逆向きにＶＴＨを越える。グラフ３５４には、閾値ＶＴＨ１またはＶＴＨ２を越える「オーバーランの」電荷移動プロセスが示されていないが、別の実施形態では、このような「オーバーランの」プロセスが含まれていてもよい。
【００５７】
図１Ｂ、３Ａの例に戻ると、期間３０１中の電荷移動プロセスの実行回数と、期間３０２中の別の電荷移動プロセスの実行回数は、どのような方法でも決定することができる。各種の実施形態では、ノード１１５に結合されたＩ／Ｏ１０６は、２つの閾値／比較電圧ＶＴＨ１およびＶＴＨ２を供給する、シュミットトリガ機能などのヒステリシスを有する入力を採用している。このため、Ｉ／Ｏ１０６を使用して、図３Ａの点３３０で示す時点において、ノード１１５における電圧を読み出すことができる。このような実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が、（例えば点において３３０Ｃ）高い方の閾値ＶＴＨ１を超えたことが検知されると、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧を低下させるために、電荷移動プロセスの組が逆方向に印加されうる。同様に、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が、（例えば点３３０Ｅにおいて）低い方の閾値ＶＴＨ２を超えたことが検知されると、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧を上げるために、別の電荷移動プロセスの組が逆方向に印加されうる。シュミットトリガ入力等のヒステリシス入力が、システムにおいて正しく機能し、電荷移動プロセスの期間に適切な閾値を供給するように、検知方式３００は、グラフ３０６に示すように、ノード１１５において正しい方向から閾値に近づく電圧を発生させる。
【００５８】
可測キャパシタンスの値は、図２Ａに示す「１つの傾斜」の実施形態と同様の方法を使用して決定されうる。例えば、図３Ａに示す実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０をスレッショルド電圧ＶＴＨ１に充電するため、およびフィルタキャパシタンス１１０をスレッショルド電圧ＶＴＨ２に放電するために実行される電荷移動プロセスの繰返し回数が特定されて、可測キャパシタンス１１２の値の定量化に使用される。例えば、可測キャパシタンス１１２を決定するために、充電と放電のサイクルの合計回数（チャージアップ効果またはチャージダウンダウン効果を問わず、両方の電荷移動プロセスの実行を含む、実行された電荷移動の合計回数）がトラッキングされて、使用される。別の例では、充電サイクルの回数が放電の回数と別個にトラッキングされ、使用されてもよい。別の実施形態では、可測キャパシタンス１１２を決定するために、充電サイクルの回数のみ、または放電サイクルの回数のみがトラッキングされる。このような実施形態では、トラッキングされず、使用されないほうの電荷移動プロセスは、リセットのように使用され、分解能が非常に低い。
【００５９】
別の実施形態では、図２Ａに示す「１つの傾斜」の実施形態と同様に、図３に示す実施形態は、マルチビットの測定結果を供給可能な部品を使用してフィルタキャパシタンスの電荷を表す値を測定することができる。例えば、可測キャパシタンス１１２に、事前に決められた回数の「正の」充電パルス３１１と「負」充電パルス３１２が供給され、ノード１１５における得られたフィルタキャパシタンス１１０上の電圧が、別個の閾値ＶＴＨ１とＶＴＨ２を使用せずに、期間（例えば期間３０１，３０２）につき１回以上、マルチビット値にディジタル化されて、移動した電荷が測定されうる。この事前に決められた回数は、システムによって固定であっても、準動的であり、サイクルによって変更されてもよい。例えば、事前に決められた回数が、電荷移動プロセスのサイクルの開始または終了の直前に設定されうる。
【００６０】
任意選択で、フィルタキャパシタンス１１０の電荷が、電荷移動プロセスの第１のタイプを使用する、第１の方向の充電後に、予め関連付けられた値に「セット」され、第２の方向の充電後に、電荷移動プロセスの第２のタイプを使用して「リセット」され（すなわち、予め関連付けられた値または別の値にセットされ）うる。
【００６１】
更に別の実施形態では、電荷移動プロセスの予め選択された実行回数が、閾値を用いて組み合わされる。すなわち、充電および／または放電プロセスが、事前に決定または予定された繰返し回数実行されるが、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧がしきい電圧と交差する電荷移動プロセスが識別される。例えば、図３Ａは、１４回の電荷移動プロセスと６回の測定３３０Ａ〜Ｆを示しており、各測定３３０Ａ〜Ｆが行われる時間が矢印によって示されている。図示した例では、点３３０Ｃで示す３回目のサンプリングの直前にスレッショルド電圧ＶＴＨ１と交差し、点３３０Ｅで示す２回目のサンプリングの直前にスレッショルド電圧ＶＴＨ２と交差しても、充電サイクルまたは放電サイクルのそれぞれにおいて、７回の電荷移動プロセスと３回の測定が実行されている。２回目のサンプリングによって、ノード１１５における電圧が閾値ＶＴＨ２と交差したことが示されていても、点３３０Ｆで示すように、３回目のサンプリングも行われ、７回目の電荷移動プロセスも実行される。３３０Ｆのような追加のサンプリングを行うことは任意選択である。しかし、特に複数の検知チャネルが共通のフィルタキャパシタンス１１０を使用して測定される場合、このような追加のサンプリングでは、測定されたキャパシタンスがチャネルによって変わる場合であっても、傾斜方向がチャネル間で比較的一定であるという点で、更に利点が得られる。このような実施形態は、例えばしきい電圧と交差したという読出しの誤りを却下することが改良されるなどのほかの利点も与えうる。上記のように、追加の電荷移動プロセスを実行することも任意選択であるが、互いに物理的に接近している検知チャネルを有し、これらの検知チャネルを並列で（同時に）実行しているシステムで特に有利となりうる。
【００６２】
フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が適用可能な閾値と交差する可能性が大きい場合には、測定３３０Ａ〜Ｆは、各期間３０１，３０２の後半の部分で行われ、この可能性が低い場合には、各期間３０１，３０２の前半ではないように示されている点に留意すべきである。このような手法では、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧を測定しない期間は、充電パルス３１１および３１２のタイミングが早くなり、パルスの頻度が高くなる。少なくとも、このような実行では測定に関わる時間を短縮することができる。
【００６３】
図３Ａは、可測キャパシタンス１１２の充電および放電を行うために使用するパルス３１１および３１２は、時間が等間隔である必要はなく、期間３０１，３０２の初期に頻度が高くなっているという点で、この追加の任意選択の特徴を示している。図３Ａに示すように、可測キャパシタンス１１２に印加される充電パルスと放電パルスは、検知プロセスを高速化するために、最初はかなり高速で印加されるが、後には、正確に測定するために可測キャパシタンスの電荷の再分配が行われ、十分な時間が確保されるように、パルスが低速で印加される。別の実施形態では、測定期間は、非測定期間よりも適宜高速でもよい。上で記載したこの特徴やほかの特徴は、図３Ａに示す双方向の充電方式に限定されることはなく、実際、上記に記載したほかの充電手法にも同様に取り入れることができる。
【００６４】
充電パルスおよび放電パルス３１１，３１２（またはほかの任意の充電パルスも）は、ほかの理由のためにタイミングが変更されても、その時間間隔が等しくなくても、期間が等しくてもよい。多くの実施形態では、コントローラ１０２は、電荷移動プロセスまたは決定ステップのほぼどの時点においても、割り込みまたは他のかく乱を処理することができるが、これは、タイミングの変動は、ここに示される実施形態の多くでは容易に許容されるためである。これは、特に、決定（settling）のためにサンプリングタイムが時定数を超える場合に当てはまる。あるいは、パルスの時間間隔を意図的に変更すれば、サンプリングスペクトルが広がり、可測キャパシタンスに結合される狭帯域干渉への影響を受けにくくなる。
【００６５】
上記のように、ここに記載した実施形態の多くは、従来の集積回路、および別個の抵抗および／またはコンデンサなどの、商業的に入手可能な部品を使用して容易に実装することができる。このように単純であるため、設計の多くは、例えば、図１Ｃに記載されているように、部品および／またはＩ／Ｏの共有に容易に適合することができる。この共有の概念は、１つのコントローラ１０２で多くのキャパシタンス１１２を効率的に検知することが可能なセンサを作製するために、多くの追加の検知チャネルにわたって利用することができる。これにより、システム全体のコストとサイズを大幅に低減することができる。実際、幅広い代替の実施形態にわたって、コントローラ１０２の検知ピンおよび／または受動回路網内の任意の別個の部品を共有するために、さまざまな手法を作成することができる。
【００６６】
図１Ｃ図に示すこの実施形態では、静電容量センサ１７５は、２つの受動インピーダンス１０５Ａ〜Ｂを有する。受動インピーダンス１０５Ａ〜Ｂの各々は、それぞれのノード１１３Ａ〜Ｂにおいて、可測キャパシタンス１１２Ａ〜ＢおよびＩ／Ｏ１０４Ａ〜Ｂにそれぞれ結合されている。フィルタキャパシタンス１１０は、ノード１１５ＡにおいてＩ／Ｏ１０６Ａとインピーダンスに１０５Ａに結合され、フィルタキャパシタンス１１０は、ノード１１５ＢにおいてＩ／Ｏ１０６Ｂとインピーダンスに１０５Ｂに結合されている。このため、キャパシタンスセンサ１７５は、２つの可測キャパシタンス１１２Ａ〜Ｂ間でフィルタキャパシタンス１１０を共有するように実装されている。動作時に、電荷移動プロセスと決定は、可測キャパシタンス１１２Ａ〜Ｂによって別々に実行することができる。例えば、可測キャパシタンス１１２Ａが電荷移動プロセスにおいて作動中のときは、Ｉ／Ｏ１０６Ｂが基準電圧（電源電圧など）に駆動され、可測キャパシタンス１１２Ａ、Ｉ／Ｏ１０４Ａ，１０６Ａ、受動インピーダンス１０５Ａ、およびフィルタキャパシタンス１１０は、図１Ｂの対応する部品（例えば、それぞれ、可測キャパシタンス１１２、Ｉ／Ｏ１０４，１０６、受動インピーダンス１０５、およびフィルタキャパシタンス１１０）と同様に機能しうる。同様に、可測キャパシタンス１１２Ｂが電荷移動プロセスにおいて作動中のときは、Ｉ／Ｏ１０６Ａが基準電圧（電源電圧など）に駆動され、可測キャパシタンス１１２Ｂ、Ｉ／Ｏ１０４Ｂ，１０６Ｂ、受動インピーダンス１０５Ｂ、およびフィルタキャパシタンス１１０は、図１Ｂの対応する部品と同様に機能しうる。
【００６７】
共通のコントローラ１０２に複数の検知チャネルを実装することによって、多くの能率向上を実現することができる。多くの場合、可測キャパシタンス１１２を供給するための感知電極を、標準的なプリント回路基板（ＰＣＢ）に容易に形成することができるため、製造面では、これらの素子の複製は比較的安価である。また、可測キャパシタンス１１２が比較的小さいと予想される場合には、フィルタキャパシタンス１１０も、ＰＣＢに製造してもよい。更に、抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスの１つ以上をＰＣＢに形成しても、これらを全くＰＣＢに形成しなくてもよく、受動インピーダンス１０５、あるいは受動インピーダンス１０５およびフィルタキャパシタンス１１０を有する受動回路網のその他の箇所で使用されるインピーダンスを提供してもよい。この結果、ここに記載したさまざまな特徴の多くは、従来の製造技術および構造を使用して、容易に実装することができる。しかし、場合によっては、多くの実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０、受動インピーダンス１０５、およびその他のインピーダンスなどの部品が、個別の部品を使用するほうがよいほど、十分大きいことがある。そのような場合は、これらの部品（フィルタキャパシタンス１１０など）は、１つ以上の別個のコンデンサ、抵抗、インダクタおよび／またはその他の別個の部品によって実装されうる。
【００６８】
更に、何らかの時分割多重化、周波数分割多重化、符号多重化またはその他の多重化法によって、必要なＩ／Ｏの総数と受動回路網内の部品点数を更に削減することができる。また、感知電極を、さまざまなパターンに配置することにより、多くのさまざまなタイプのセンサレイアウト（一次元、二次元、またはそれ以上の次元のタッチパッドセンサで使用される多次元レイアウトなど）を作製することが可能となる。別の実施形態として、複数の「ボタン」型のタッチセンサをさまざまな検知チャネルを使用して容易に検出することも、あるいは、他のセンサレイアウトを幾通りも作成することもできる。
【００６９】
各可測キャパシタンス１１２に対し、コントローラ１０２の１つのＩ／Ｏのみを使用するキャパシタンスセンサ４００の別の実施形態が図４Ａに示されている。この実施形態では、各可測キャパシタンスに対して１つのＩ／Ｏのみを使用することで、Ｉ／Ｏの使用の面で、キャパシタンスセンサの更に効率的な実装を可能にし、特に複数の検知チャネルの実装に有用となりうる。このため、２０個の検知電極を有する近接センサを、コントローラ１０２の２０個のＩ／Ｏを使用して実装することができる。この実施形態では、１つのＩ／Ｏを使用して、それぞれの可測キャパシタンス１１２（例えば、Ｉ／Ｏ４０４Ａが可測キャパシタンス１１２Ａに関連付けられており、Ｉ／Ｏ４０４Ｂが可測キャパシタンス１１２Ｂに関連付けられている）に所定の電圧を印加して、それぞれのフィルタキャパシタンス１１０Ａ〜Ｂ上の電圧を読み出し、更に、それぞれのフィルタキャパシタンス１１０Ａ〜Ｂの電荷をリセットする。図５のタイミング図は、図４Ａの１つの代表的な入出力ピン４０４の動作を示す。Ｉ／Ｏ４０４Ａ〜Ｂなど、複数のピンが存在する場合、ピンは１つずつ作動されるか、あるいは同時に作動されうる。図５は、図２Ａが図１Ｂの回路を動作させる方法と同様の動作方法を示している。図２Ｂまたは図３Ａ〜Ｂの方法と類似した方法は、図４Ａの回路（図示せず）を作動させるのにも使用することもできる。図５のグラフ５１０に示すように、Ｉ／Ｏ４０４の出力には、可測キャパシタンス１１２に所定の電圧を印加する充電パルス５０１が含まれる。充電パルス５０１の間に、可測キャパシタンス１１２がインピーダンス１０５を介してフィルタキャパシタンス１１０と電荷を再配分することが可能にされるように、Ｉ／Ｏ４０４が高インピーダンス状態にセットされる。リセット時間５０３において、Ｉ／Ｏ４０４は、フィルタコンデンサ１１０をリセットするために、ローの電圧にセットされる。フィルタコンデンサ１１０が受動インピーダンス１０５を介してリセットされなければならないため、比較的長いリセット期間が必要である。電圧グラフ５０２は、電圧パルス５０１の充電と、可測キャパシタンス１１２とフィルタキャパシタンス１１０間の電荷の再分配とを含む電荷移動プロセスの実行のたびに、ノード１１３における電圧が受ける影響の様子を示している。ノード１１３における電圧は、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表す値として使用され、かつ測定されたキャパシタンス１１２を決定するために使用されうる。
【００７０】
図４Ａに示す実施形態では、ノード１１５における電圧は、これらのノードがコントローラ１０２のＩ／Ｏに直接結合されていないため、直接測定することができないという点に留意されたい。このため、この実施形態では、可測キャパシタンス１１２が、ノード１１３において得られる電圧を測定することによって決定される。同様に、上記の代替案として、一実施形態では、ノード１１３における電圧が、しきい電圧ＶＴＨと比較されうる。可能であるならば、このしきい電圧ＶＴＨは、ノード１１５ではなく、ノード１１３の位置に対応するように選択される（例えば、受動インピーダンス１０５両端の電圧降下が予想され、これに対処する場合など）。別の実施形態として、概算可能な電圧降下の補償を、可測キャパシタンス１１２を決定するのに実行する計算において行うことができる。更に、上記のように、一部の実施形態では、特定の時点で、ノード１１３における電圧が、ノード１１５における電圧と事実上等価となり、この結果、測定上の差がなくなり、これに対処する必要がなくなる。このような実施形態では、電荷移動プロセスの少なくとも一部において、ノード１１５とノード１１３とのこの電圧の差のため、ノード１１３における電圧がノード１１５における電圧を追いかける（track）、決定のための時間を選択することが望ましい。
【００７１】
充電サイクルの終了後（例えば、図５に示すように、ノード１１３における電圧がしきい電圧ＶＴＨを超えたあと）、Ｉ／Ｏ４０４が、フィルタキャパシタンス１１０の電荷をリセットするために、適切なリセット電圧を印加する。例えば、図４Ａ，５の実施形態では、Ｉ／Ｏは、最初に論理値「ハイ」のパルスを印加して、可測キャパシタンスに陽電荷を供給し、次にこれが、フィルタキャパシタンス１１０と再分配される。次に、受動インピーダンス１０５を介してフィルタキャパシタンス１１０を放電するのに十分な時間、論理値「ロー」または「グラウンド」を駆動することによって、フィルタキャパシタンス１１０をリセットする。代替案も考察できる。この場合も、ほかの符号規則または均等な動作方法を規定することができる。別の代替例として、電荷移動プロセスの事前設定された実行回数の間に、可測キャパシタンス１１２が充電または放電されうる。その際、事前設定された実行回数を実行後に、フィルタキャパシタンス１１０上の電圧が、閾値と比較される１ビット値ではなく、マルチビット値として測定される。更に別の実施形態では、図３Ａに示すものと同様の双方向の電荷印加が印加されてもよい。
【００７２】
図４Ｂは、キャパシタンスセンサ４２０を有する別の実施形態を示す。図４Ｂのこの実施形態は、インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０が、Ｉ／Ｏ４０４ＡとＩ／Ｏ４０４Ｂに対応する２つの検知チャネル間で共有されるという点で、使用する部品点数とＩ／Ｏを更に削減することを可能にする。この実施形態では、所定の電圧を印加するために、Ｉ／Ｏ４０４Ａから充電パルスを供給し、Ｉ／Ｏ４０４Ｂを基準値にセットすることによって、可測キャパシタンス１１２Ａにより、電荷移動プロセスが実行されうる。（例えば、Ｉ／Ｏ４０４Ｂがグラウンドにセットされ、Ｉ／Ｏ４０４Ａに＋ＶＣＣの正の電圧パルスが供給されるか、この逆が行われる。あるいは、Ｉ／Ｏ４０４Ｂに＋ＶＣＣがセットされ、Ｉ／Ｏ４０４Ａにグラウンドの負電圧パルスが供給される。−ＶＣＣなど、これ以外の簡便性のよい電圧またはその分圧電圧を使用してもよい）。次に、所定の電圧の印加をやめ、Ｉ／Ｏ４０４を高インピーダンス状態に保持して、Ｉ／Ｏ４０４Ｂを同じ基準電圧に保つことで、電荷の再配分が可能にされうる。この電荷移動プロセスを１回以上実行したら、次に、上記の技術のいずれかを使用して、ノード１１３Ａにおいて、得られたフィルタキャパシタンス１１０上の電圧がＩ／Ｏ４０４Ａによって読み出されうる。この得られたフィルタキャパシタンス１１０上の電圧は、フィルタキャパシタンス１１０の電荷を表しており、電荷移動プロセスが実行された回数と共に用いられて、可測キャパシタンス１１２の値が得られる。同様の電荷移動プロセスが、所定の電圧を印加するためにＩ／Ｏ４０４Ｂ上の電圧パルスを提供しつつ、Ｉ／Ｏ４０４Ａを基準値（グラウンドなど）に保持することによって、可測キャパシタンス１１２Ｂにより実行されうる。ノード１１３Ｂにおける電圧の１つ以上の測定がＩ／Ｏ４０４Ｂを使用して行われうる。この測定結果と電荷移動プロセスの実行回数を用いて、可測キャパシタンス１１２Ｂの値を得ることができる。
【００７３】
図４Ｃは、別のキャパシタンスセンサの実施形態の４４０を示す。この実施形態では、フィルタキャパシタンス１１０が、Ｉ／Ｏ４０４Ａおよび４０４Ｂにそれぞれ対応する２つの検知チャネル間で共有される。各Ｉ／Ｏ４０４Ａ、４０４Ｂの各々は、それぞれ可測キャパシタンス１１２Ａ〜Ｂと結合され、各々の適切な受動インピーダンス１０５Ａ〜Ｂを介してフィルタキャパシタンス１１０に結合されている。センサの動作は、図４Ａのセンサ４００と似ているが、センサ４４０の各測定可能なキャパシタンス１１２Ａ〜Ｂが、電荷移動プロセスおよび測定を本当に同時に行わずに、それぞれ時間的に独立して決定することができるという点で、センサ４００と４４０の動作は異なる。つまり、並列動作は、通常、図４Ｃのセンサよりも図４Ａのセンサのほうが利便性が高いが、図４Ｃのセンサは、フィルタキャパシタンス１１０の共有に関して部品点数が１点少なくなる。回路４４０Ｂでは、可測キャパシタンス１１２ＡがＩ／Ｏ４０４Ａによって駆動される電荷移動プロセスで使用されるとき、またはノード１１３ＡがＩ／Ｏ４０４Ａを使用して測定されているときには、Ｉ／Ｏ４０４Ｂが高インピーダンスに保持される。可測キャパシタンス１１２ＢおよびＩ／Ｏ４０４Ｂが電荷移動に使用されるとき、またはノード１１３ＢがＩ／Ｏ４０４Ｂを使用して測定されているときには、Ｉ／Ｏ４０４Ａが高インピーダンス状態に保持される。このような方式を使用して、すべての可測キャパシタンスをフィルタキャパシタンスに常に結合させると、センサ性能が低下することがある（例えば、作動されていない可測キャパシタンスに電荷の一部が蓄積するか、あるいは、作動されていない可測キャパシタンスに余分なノイズが結合しうる）。このような低下は、通常許容でき、多くの場合目立たない。適用時には、フィルタキャパシタンス１１０の値は、システムが測定する任意の可測キャパシタンスの値の１，０００倍以上であり、その結果、フィルタキャパシタンスが電荷蓄積を支配して、ノード１１５における電圧を規定する。図４Ｃに示すセンサは、ノード１１５をコントローラ１０２の追加のＩ／Ｏ（図示せず）に結合させることによって、更に変更することができる。このように追加のＩ／Ｏに更に結合させることによって、フィルタキャパシタンス１１０のリセットおよび測定が容易となる。また、この結合の追加は、速いリセットの供給が望ましい図３Ｂのグラフ３５２、３５４に示すものなどの検出方法も容易にしうる。図４Ｃに示すセンサは、ノード１１５の反対のフィルタキャパシタンス１１０の側に、グラウンドではなくコントローラ１０２の追加のＩ／Ｏ（図示せず）を結合することによって、更に変更することもできる。このように追加のＩ／Ｏへの結合を追加することによって、更に部品を追加せずに、ノード１１５と反対のノードに結合された、可測キャパシタンス（図示せず）を測定するために使用できる別の検知チャネルを提供することができる。センサ４４０の数多くの変形例が存在し、考察される。
【００７４】
上記の各種概念および技術は、さまざまに更に改良することができる。例えば、図６に示す例示的な実施形態は、図４Ａに示した実装と似ており、２つのチャネルを有し、チャネル当たり１つのＩ／Ｏを有する実装を示す。この実施形態では、可測キャパシタンスが、少なくとも一部は、複数のセンサ電極６０１Ａ〜Ｂと、センサ電極６０１Ａ〜Ｂの近くにある、指またはスタイラスなどの物体（図示せず）によって定義される。更に、この実施形態は、前述のような補正回路１２５を有する。また、この実施形態は、意図しない電気的結合からセンサ電極６０１を保護する役目を果たす保護電極６０２も有する。
【００７５】
図６に示す実施形態では、個々の感知電極６０１Ａ〜Ｂは、物体の存在を容量によって検出して、それぞれの可測キャパシタンスを提供するために使用される。動作中に、低インピーダンス経路６０７を使用して保護電極６０２に保護信号が提供される。保護信号は、可測キャパシタンスの決定前の電荷移動プロセス中に、環境との意図しない結合からセンサ電極を保護するのに役立ち、保護電極６０２から、フィルタキャパシタンス（例えば１１０Ａ〜Ｂ）に移動する正味の電荷を低減するのに役立つ。所定の電圧の印加の一部において、保護信号によって、所定の電圧に印加される電圧にほぼ等しい電圧が、保護電極６０２に印加されうる。その後、作動中の感知電極（例えば６０１Ａ〜Ｂ）と関連するフィルタキャパシタンス（例えば１１０Ａ〜Ｂ）間での電荷の再配分が終了したら、保護信号の電圧が、関連するフィルタキャパシタンス（例えば１１０Ａ〜Ｂ）の電圧にほぼ等しい値に変更されうる。関連するフィルタキャパシタンス上の電圧を近似する定電圧が選ばれた場合（フィルタキャパシタンス上の電圧が電荷移動プロセスの繰り返し中、および繰り返しの間隔に変更されたことによる近似）、保護電極６０２に印加される電圧が、リセット後に、適切なしきい電圧（ＶＴＨ）と関連するフィルタキャパシタンス上の電圧の間の電圧に変更されうる。保護信号の電圧の絶対値は、保護信号の電圧振幅（すなわち、電圧の変化）ほどは重要ではない。例えば、保護電極の電圧と検知電極の電圧間のオフセットが、保護の有用性に影響を及ぼすことはないが、これは、キャパシタンスを通る電荷移動では、電圧振幅（電圧の変化）が重要で、電圧の絶対値は重要ではないためである。
【００７６】
保護信号のこのような保護電圧は、例えば保護電極６０２を任意の種類の保護電圧発生回路と結線するなど、どのような方法で生成することができる。図６に示す例示的な実施形態では、インピーダンス分割回路６０５は、コントローラ１０２のＩ／Ｏ１０８によって印加される信号、およびインピーダンス分割回路６０５を含む部品の種類に対して選択した種類と値に応じて、少なくとも２種類の異なる電圧値を適宜発生させる。詳細には、抵抗性の分圧器から構成されるインピーダンス分割器６０５を使用することができる。このような分圧器では、Ｉ／Ｏ６０８からの信号が＋ＶＣＣの場合、またはＩ／Ｏ６０８が高インピーダンスに保持される場合、保護電圧は＋ＶＣＣである。あるいは別法として、Ｉ／Ｏ６０８からの信号がＧＮＤである場合、保護電圧は、例えば（＋ＶＣＣ）／２など、ＶＣＣの所定の分数となる。一例として、所定の電圧を印加する充電パルスの印加と、その後の再分配の期間の間に、保護信号の保護電圧が変更される。また、保護信号の保護電圧が、電荷移動プロセスの繰り返しの間（例えば、リセットと、可測キャパシタンスの決定に使用された最後の測定の間など）に変更されてもよい。別の実施形態は、設計を容易にする、生産を容易にする、保護信号を有効にするなどのために、１つ以上の抵抗、インダクタンスまたはキャパシタンスを有するインピーダンス分割回路を実装することができる。保護信号を生成するために。ディジタルアナログ−変換器、パルス幅変調器も使用することもできる。ここに記載するさまざまな電荷移動手法を、マルチチャネル積分が容易であることと組み合わせると、保護信号を非常に効率的に印加できるようになる。しかし、保護は任意選択の特徴であり、すべての実施形態にあるというわけでない。
【００７７】
図７の例示的なセンシング回路７００は、マルチプレクサ７０２を介してコントローラ１０２と接続された複数の可測キャパシタンスを提供する複数の検知電極を示している。図の実施形態では、コントローラ１０２の２つのＩ／Ｏ１０８，１０９が、経路７０６，７０８に沿って、マルチプレクサ７０２に選択信号を供給するために使用され、マルチプレクサ７０２は、検知のために所望のセンサ電極６０１Ａ〜Ｄおよび関連する可測キャパシタンスを選択する。このため、マルチプレクサ７０２は、関連する可測キャパシタンスに対して測定されるセンサ電極６０１を選択するために使用される。マルチプレクサ７０２は厳密にいえば能動素子であるが、マルチプレクサ７０２の存在は、インピーダンス１０５とフィルタキャパシタンス１１０から構成される受動回路網の実際の動作には影響しない。すなわち、マルチプレクサ７０２でどのセンサ電極６０１Ａ〜Ｄが選択されても、感知回路の動作は上に記載した説明に従う。このため、各種の代替の実施形態において、「受動回路網」を使用するからといって、キャパシタンスセンサの受動回路網の外部またはそれ以外に１つ以上の能動素子を使用してはならないということではない。
【００７８】
図８を参照すると、切り替え電荷移動手法を使用して可測キャパシタンスを検出するための例示的な手法８００は、電荷移動プロセス８０１を２回以上繰り返すステップ（ステップ８０６によって繰り返される）と、その後に可測キャパシタンスの値を決定するステップ（ステップ８０８）の広いステップを適宜有する。上記したように、電荷移動プロセス８０１は、可測キャパシタンスに所定の電圧を印加するステップ（ステップ８０２）と、可測キャパシタンスが、受動インピーダンスを介してフィルタキャパシタンスと電荷を再配分することを可能にするステップとを有し、受動インピーダンスは、印加ステップ（ステップ８０２）および可能にするステップ（ステップ８０４）の両方にわたって、可測キャパシタンスとフィルタキャパシタンスの両方に結合されている。この文脈において電荷を「再分配する」とは、能動的に切り替えることを意味し、これは、受動インピーダンスと、可測キャパシタンスまたはフィルタキャパシタンスを結合させたり、分離させることとは関連がなく、ほかの方法によって電荷の移動の向きを規定するか、あるいは休止（quiescence）または他の不活動によってインピーダンスを介した電荷の移動を受動的に可能にする。電荷移動プロセスは、フィルタキャパシタンスの電荷がしきい電圧を超えるまで、プロセス８０１が所定の回数実行されるまで、および／またはその他の任意の条件下で、一度繰り返され、場合によっては数十回、数百回、あるいはそれ以上繰り返される（ステップ８０６）。フィルタコンデンサをリセットするステップを有する実施形態では、このリセットステップは、ステップ８０２の最初の繰り返しの前に入れてもよい。
【００７９】
電荷移動プロセス８０１が適切な回数実行されたら、可測キャパシタンスの値が決定される（ステップ８０８）。電荷移動プロセスを適切な回数実行した後に、追加の電荷移動プロセスを実行してもよいが、この追加の電荷移動プロセスは、可測キャパシタンスの値の決定に使用されない。上記したように、可測キャパシタンス８０８の決定は、どのような手法に従っても行うことができる。各種実施形態では、この決定は、フィルタキャパシタンスに存在する電荷量を表す値のほか、この電荷量を表す値を生み出すために電荷移動プロセス８０１が実行された回数に基づいて行われる。直前に記載したように、プロセス８０１が実行される特定の回数は事前に規定されていても、しきい電圧と交差するフィルタキャパシタンス上の電圧に従って決定されても、それ以外の要素によって適宜行われてもよい。
【００８０】
ステップ８０２〜８０８は、必要に応じて繰り返されうる（ステップ８１０）。例えば、複数のセンサ電極を有する近接センサの実装では、各電極は、通常、可測キャパシタンスに対応している。このような実装では、各センサ電極に対応する可測キャパシタンスが、通常１秒間に数回決定される。これにより、近接センサの近くの物体の存在を決定できるようになり、装置をユーザ入力に使用できるようになる。このため、このプロセスは、各センサ電極について毎秒、高速で繰り返されうる。
【００８１】
プロセス８００は、どのような方法によっても実行することができる。各種実施形態では、プロセス８００は、コントローラまたは他の任意のディジタル記録媒体内に存在しているかまたはこれらと通信しているメモリなど（例えば、光学ディスクまたは磁気ディスク、搬送波で伝送される被変調信号など）のディジタルメモリに存在するソフトウェアまたはファームウェアによって指示される。上で述べたプロセス８００、その各種の等価物および派生物は、アナログ回路、プログラムされた回路または他の論理の任意の種類またはその組合せによって適宜実行することができる。
【００８２】
上記したように、キャパシタンスを決定するための装置および方法は、特に近接センサ装置に適用可能である。次に図９を参照すると、近接センサ装置１１に結合された例示的な電子システム１０のブロック図が示される。電子システム１０は、パーソナルコンピュータ、ポータブルコンピュータ、ワークステーション、携帯情報端末、ビデオゲームプレーヤ、通信装置（移動電話およびメッセージ通信装置など）、レコーダおよびプレーヤを含むメディア装置（テレビ、ケーブルボックス、ミュージックプレーヤおよびビデオプレーヤなど）や、ユーザからの入力を受け入れて、情報を処理可能なその他の装置のどのようなタイプのものでもよい。したがって、システム１０の各種の実施形態は、どのようなタイプのプロセッサ、メモリまたはディスプレイを備えてもよい。更に、システム１０の各種構成要素は、バス、ネットワークまたはその他の有線または無線の相互接続を介して通信しうる。近接センサ装置１１は、インタフェースまたは接続のどのようなタイプのものを介してシステム１０と接続され、このいくつかの例には、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、ＰＳ／２、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ブルートゥース、ＲＦ、ＩＲＤＡまたはほかのタイプの有線接続または無線接続があるが、これらに限定されない。
【００８３】
近接センサ装置１１は、コントローラ１９および検知領域１８を有する。近接センサ装置１１は、検知領域１８内の入力１４（１本以上の指、スタイラスおよび／またはその他の入力物によって供給されうる）の位置に反応し、入力１４によって生ずるキャパシタンスの変化を測定することによって、入力１４を検出することができる。ここで用いられる「検知領域」１８とは、近接センサ装置１１の、上部、周囲、上、および／またはその近くなどの任意の空間を広く含むことを意図しており、この領域では、センサが物体の位置を検出することが可能である。従来の実施形態では、検知領域１８は、信号対雑音比によって入力の検出ができなくなる距離まで、センサの表面から１つ以上の方向へ空間内に延びている。この距離は、ミリメートル未満、ミリメートル、センチメートルまたはそれ以上のオーダーであってよく、センサの設計およびセンサ性能（精度または分解能など）によって大きく変わりうる。したがって、特定の検知領域１８の平坦度および曲率、大きさ、形状、および正確な位置は、実施形態によって大きく変わる。
【００８４】
動作時に、近接センサ装置１１は、検知領域１８の中で１本以上の指、スタイラスおよび／またはその他の物体による影響を受ける複数の感知電極に関連する可測キャパシタンスを測定することによって、入力１４の位置を適切に検出する。そして、近接センサ装置１１は、コントローラ１９を使用して、近接センサ装置１１は、位置の電気的または電子的な指標（indicia）を、電子システム１０に供給する。システム１０は、上記したように、この指標を適切に処理して、ユーザからの入力を受け取り、任意の適切な目的のために適切な応答を発生させる。
【００８５】
近接センサ装置１１は、任意の数の検知領域１８に対応するために、別個の電極、電極のアレイか、あるいは静電容量センサ電極のほかの任意の構成を使用しうる。また、近接センサ装置は、提供される情報のタイプが異なってもよく、例えば、スカラーとして「一次元」位置情報（検知領域に沿ってなど）、値の組合せとしての「二次元」位置情報（例えば、水平軸／垂直軸、角度／径方向、あるいは二次元に広がるほかの任意の軸）などがある。
【００８６】
コントローラ１９は、時として近接センサプロセッサまたはタッチセンサコントローラと呼ばれ、一般に、上記のさまざまな手法を使用して、キャパシタンスを測定するために使用されるプロセスに指示を与える。ここでは、コントローラ１９も、電子システム１０と通信している。コントローラ１９は、近接センサ装置１１を実装するために、さまざまな追加のプロセスを実行してもよい。例えば、コントローラ１９は、個々の可測キャパシタンスを選択するかまたはこれに接続したり、可測キャパシタンスの値に基づいて、位置または移動情報を計算したり、閾値に達したときに位置または移動を報告したり、有効なタップ／ストローク／文字／ボタン／ジェスチャシーケンスを解釈および待機してから、これを電子システム１０に報告するかこれをユーザに示したり、あるいは多くの異なるプロセスを行いうる。
【００８７】
本明細書においては、「コントローラ」との文言を、記載した動作を実行するために適合された１つ以上の処理要素を有するものと定義する。このため、コントローラ１９は、１つ以上の集積回路、ファームウェアコードおよび／またはソフトウェアコードの全部または一部を含みうる。
【００８８】
再び、本願において使用される文言として、「電子システム」との文言は、近接センサ装置１１と通信する装置であればどのようなものも広く指す。このため、電子システム１０は、タッチセンサ装置が実装されるか、またはこれと結合されうる任意の１つ以上の装置を有しうる。近接センサ装置１１は、任意の適切な手法を使用して、電子システム１０の一部として実装されても、または電子システム１０に結合されてもよい。このため、例として、電子システム１０は、コンピューティング装置、メディアプレーヤ、通信装置またはその他の入力装置（別のタッチセンサ装置またはキーパッドなど）のどのようなタイプのものを有していてもよいが、これらに限定されない。場合によっては、電子システム１０は、それ自体が大きなシステムの周辺装置である。例えば、電子システム１０は、リモートコントロールまたはディスプレイ装置など、適切な有線または無線の手法を使用して、コンピュータまたはメディアシステムと通信するデータ入力または出力装置であってもよい（テレビ用のリモートコントロールなど）。電子システム１０のさまざまな構成要素（プロセッサ、メモリなど）は、システム全体の一部として、タッチセンサ装置の一部として、またはこれらの組み合わせとして実装されうる点にも留意すべきである。更に、電子システム１０は、近接センサ装置１１のホストまたはスレーブであってもよい。
【００８９】
また、「近接センサ装置」との文言は、従来の近接センサ装置だけではなく、１本以上の指、ポインタ、スタイラスおよび／またはその他の物体の位置を検出することができる同等の装置の広い範囲も含むことを意図することを理解すべきである。このような装置としては、タッチスクリーン、タッチパッド、タッチタブレット、生物測定認証装置、手描きまたは文字認識装置などが挙げられるが、これらに限定されることはない。同様に、ここで用いられる「位置」または「物体位置」との文言は、絶対位置情報および比較位置情報のほか、速度、加速度などのほかのタイプの空間ドメイン情報も含むことを意図しており、これには、１つ以上の方向における移動の測定値が含まれる。位置情報のさまざまな型式には、ジェスチャ認識などの場合のように、時間履歴の成分が含まれていてもよい。したがって、近接センサ装置は、単なる物体の有無以外も適宜検出してもよく、幅広い範囲の等価物を含むことができる。
【００９０】
本発明の機構は、さまざまな型式のプログラム製品として配布することができる点も理解すべきである。例えば、本発明の機構は、コンピュータ可読信号記録媒体にある近接センサプログラムとして実装および配布することができる。更に、本発明の実施形態は、配布を行うために使用される信号記録媒体の特定のタイプを問わず、等しく当てはまる。信号記録媒体の例には、メモリーカード、光学ディスクおよび磁気ディスク、ハードディスクドライブなどの記録可能媒体、ティジタルおよびアナログの通信リンクなどの伝送媒体がある。
【００９１】
ここに記載した構造および手法に対して、その基本的な教示から逸脱することなく、さまざまな他の変更および改良を行うことができる。したがって、可測キャパシタンスを検出および／または定量化するためのシステム、装置およびプロセスが数多く提供される。上記の詳細な説明において少なくとも１つの代表的な実施形態を示したが、膨大な数の変形例が存在することを理解されたい。例えば、ここに記載される手法のさまざまなステップは、任意の時間的順序において実施されてもよく、ここに提示および／または権利を請求する順序に限定されることはない。また、ここに記載した代表的な実施形態は例に過ぎず、いかなる形であれ本発明の範囲、利用可能性または構成を限定することを意図するものではないことも理解されたい。このため、添付の特許請求の範囲とその法的均等物に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、各種要素の機能および構成をさまざまに変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１Ａ】静電容量センサの例示的な実装のブロック図。
【図１Ｂ】静電容量センサの例示的な実装のブロック図。
【図１Ｃ】静電容量センサの例示的な実装のブロック図。
【図１Ｄ】静電容量センサの例示的な実装のブロック図。
【図２Ａ】図１Ｂに示したような静電容量センサを動作させるための例示的な方法を示すタイミング図。
【図２Ｂ】図１Ｂに示したような静電容量センサを動作させるための例示的な方法を示すタイミング図。
【図３Ａ】図１Ｂに示したような静電容量センサを動作させるための別の方法を示すタイミング図。
【図３Ｂ】図１Ｂに示したような静電容量センサを動作させるための別の方法を示すタイミング図。
【図４Ａ】静電容量センサの別の実施形態のブロック図。
【図４Ｂ】静電容量センサの別の実施形態のブロック図。
【図４Ｃ】静電容量センサの別の実施形態のブロック図。
【図５】図４Ａに示したセンサのような静電容量センサを動作させるための例示的な方法を示すタイミング図。
【図６】保護電極を取り入れたマルチチャネル静電容量センサの別の実施形態を示すブロック図。
【図７】多重チャネル静電容量センサの更に別の実施形態を示すブロック図。
【図８】切り替え電荷移動手法を使用してキャパシタンスを検出するための例示的な手法のフローチャート。
【図９】電子システムに結合された静電容量センサを使用した近接センサ装置の模式図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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