CN100570786C - 电容接近传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测附近对象的电容接近传感器采用用于检测附近对象靠近的正常操作模式以及用于检测传感器部和检测电路部之间的正确连接的自诊断模式。所述检测电路部提供有缓冲器控制器，其在所述正常操作模式中向保护电极提供具有与第一振荡信号相同相位和电压的第二振荡信号，并在所述自诊断模式中停止提供所述第二振荡信号。控制电路基于所述正常操作模式及所述自诊断模式中所述检测信号的改变来确定所述传感器部是否正确连接到所述检测电路部。

Description

电容接近传感器

技术领域

本发明涉及一种用于响应于静电电容的变化而检测附近对象的电容接近传感器，并且更具体地涉及一种具有自诊断功能的电容接近传感器。

要求2004年7月15日提交的日本专利申请No.2004-208341的优先权，其内容在此引入作为参考。

背景技术

用于检测附近对象的电容接近传感器在本领域内是公知的。这样的电容接近传感器把由靠近附近对象引起的检测电极和地电极之间的静电电容的变化转换为振荡频率的变化，把振荡频率变换或线性化为直流电压，并将该直流电压与预定阈值相比较以检测该附近对象。已提出一种用于该电容接近传感器的分离结构，其中包括检测电极和地电极的传感器部与包括振荡电路和比较器的检测电路部是分开的。在该分离结构中，静电电容不可避免地产生于连接传感器部与检测电路部的线缆中并作为误差而影响由传感器部检测的静电电容的变化，并且对附近对象的精确检测被阻止。

为解决这个问题，在日本未审查的专利申请，第一公布No.H07-29467(见段0006到0008及图1)中提出一种电容接近传感器。在该电容接近传感器中，屏蔽电极被插入在检测电极和地电极之间以便与检测和地电极两者绝缘。检测电极和屏蔽电极分别连接到屏蔽线缆的芯导线和涂覆导线。在检测电路侧，所述芯导线和涂覆导线分别连接到缓冲器电路的输入和输出端子，其中所述检测电极和屏蔽电极总是保持在相同的相位和相同的电压。根据该结构，所述屏蔽线缆的芯导线和涂覆导线也保持在相同的相位和相同的电压以使在芯和涂覆导线之间不发生充电或放电。因此，以上结构防止了检测电路部受到线缆中所产生的静电电容的影响。

尽管在如上所述的相关领域的电容接近传感器中改善了检测灵敏度，但当所述传感器部和检测电路部不正确地连接时，其不能适当地工作并且由于不能断定故障而不能看到原因。

发明内容

已根据以上问题而进行了本发明。因此本发明的目的是提供一种以高灵敏度来检测附近对象的电容接近传感器，其具有自诊断功能以确定传感器部是否正确连接到检测电路部。为实现以上目的，根据本发明的第一方面的用于检测附近对象的电容接近传感器具有：传感器部，其包括被用作检测电极的第一电极，被用作不同于检测电极的第二电极，以及在第一和第二电极之间提供的保护电极，该保护电极与第一和第二电极绝缘；检测电路部，其通过监视由第一电极产生的静电电容的变化来检测附近对象以输出检测信号；连接线缆，其包括第一和第二导线以连接传感器部和检测电路部，其中：第一电极和保护电极分别连接到第一和第二导线的一端；检测电路部从第一导线的另一端接收根据由第一电极产生的静电电容的第一振荡信号，并向第二导线的另一端提供具有与第一振荡信号相同相位和相同电压的第二振荡信号，检测电路部采用用于检测附近对象的正常操作模式以及用于进行对传感器部和检测电路部之间正确连接的诊断的自诊断模式；并且所述检测电路部还包括：开关控制器，其在正常操作模式向第二导线的另一端提供第二振荡信号，并在自诊断模式停止向第二导线的另一端提供第二振荡信号；以及控制电路，其通过将正常操作模式中的检测信号与自诊断模式中的检测信号相比较，基于检测信号的变化在自诊断模式确定传感器部和检测电路部之间的不正确连接。

此外，根据本发明的第二方面的用于检测附近对象的电容接近传感器具有：传感器部，其包括被用作检测电极的第一电极，被用作不同于检测电极的第二电极，以及在该第一和第二电极之间所提供的保护电极，该保护电极与该第一和第二电极绝缘；检测电路部，其通过监视由所述第一电极产生的静电电容的变化来检测附近对象，以输出检测信号；连接线缆，其包括第一和第二导线以连接所述传感器部和检测电路部，其中：所述第一电极和保护电极分别连接到所述第一和第二导线的一端；检测电路部从第一导线的另一端接收根据由第一电极产生的静电电容的第一振荡信号，并向第二导线的另一端提供具有与第一振荡信号相同相位和相同电压的第二振荡信号，所述检测电路部采用用于检测附近对象的正常操作模式以及用于进行对传感器部和检测电路部之间正确连接的诊断的自诊断模式；并且所述检测电路部还包括：电压型式施加电路(voltage pattern applyingcircuit)，其在自诊断模式向第二导线的另一端提供预定电压型式而不是第二振荡信号；以及控制电路，其在所述预定电压型式被提供给第二导线的另一端时，基于检测信号的变化在自诊断模式确定传感器部和检测电路部之间的不正确连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作电容接近传感器的方法，该电容接近传感器具有包括分别耦合到第一信号线和第二信号线的检测电极和保护电极的传感器部，所述方法包括：通过所述第一信号线从所述检测电极接收第一振荡信号；根据由所述检测电极产生的所述第一振荡信号中的静电电容的变化来检测靠近所述检测电极的附近对象；在正常操作模式通过所述第二信号线向所述保护电极提供具有与所述第一振荡信号相同相位和电压的第二振荡信号；在自诊断模式终止通过所述第二信号线向所述保护电极提供所述第二振荡信号；在所述终止提供所述第二振荡信号之前和之后，监视来自所述检测电极的输入信号，以检测所述静电电容的基本改变；以及当检测到所述基本改变时确定所述传感器部的不正确连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测附近对象的电容接近传感器，包括：传感器部，其包括用作检测电极的第一电极，用作不同于所述检测电极的第二电极，以及提供在所述第一和第二电极之间的保护电极，所述保护电极与所述第一和第二电极绝缘；检测电路部，其通过监视由所述第一电极产生的静电电容的变化来检测所述附近对象，以输出检测信号；连接线缆，其包括第一和第二导线以把所述传感器部耦合到所述检测电路部，其中：所述第一电极和所述保护电极分别耦合到所述第一和第二导线的一端；所述检测电路部从所述第一导线的另一端接收根据由所述第一电极产生的所述静电电容的第一振荡信号，并向所述第二导线的另一端提供具有与所述第一振荡信号相同相位和相同电压的第二振荡信号，所述检测电路部采用正常操作模式来检测所述附近对象并采用自诊断模式来进行对所述传感器部和所述检测电路部之间的正确连接的诊断，并且其中所述检测电路部还包括：电压型式施加电路，所述电压型式施加电路在所述自诊断模式向所述第二导线的所述另一端提供预定电压型式，而不是所述第二振荡信号；以及控制电路，当所述预定电压型式被施加到所述第二导线的所述另一端时，所述控制电路基于所述检测信号的改变在所述自诊断模式确定所述传感器部和所述检测电路部之间的不正确连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作电容接近传感器的方法，该电容接近传感器具有包括分别耦合到第一信号线和第二信号线的检测电极和保护电极的传感器部，所述方法包括：通过所述第一信号线从所述检测电极接收第一振荡信号；根据由所述检测电极产生的所述第一振荡信号中的静电电容的变化来检测靠近所述检测电极的附近对象；在正常操作模式通过所述第二信号线向所述保护电极提供具有与所述第一振荡信号相同相位和电压的第二振荡信号；在自诊断模式终止通过所述第二信号线向所述保护电极提供所述第二振荡信号；在终止提供第二振荡信号之后通过所述第二信号线向所述保护电极提供预定电压型式；在终止提供第二振荡信号之前和之后，监视来自所述检测电极的输入信号，以检测对应于所述预定电压型式的所述输入信号的改变；以及当未检测到所述基本改变时确定所述传感器部的不正确连接。

附图说明

图1是块图，示出根据本发明第一示例实施例的电容接近传感器和用于该电容接近传感器的检测电路部。

图2是沿图1中的线A-A’所取的横截面视图，示出根据本发明第一示例实施例的电容接近传感器。

图3是电路图，示出根据本发明第一示例实施例的图1中所示的检测电路部中的检测电路。

图4是时间图(time chart)，示出根据本发明第一示例实施例在正常操作模式下图3所示的检测电路的操作。

图5是流程图，示出根据本发明第一示例实施例的图1中所示的检测电路部中的控制电路的操作。

图6是块图，示出根据本发明第二示例实施例的电容接近传感器和用于该电容接近传感器的检测电路部。

图7是流程图，根据本发明第二示例实施例的图6中所示的检测电路部中的控制电路的操作。

具体实施方式

现在将参考附图在以下描述本发明的示例实施例。

图1示出根据本发明第一示例实施例的用于检测附近对象的电容接近传感器。

该电容接近传感器系统包括传感器部10，检测电路部20，以及用于连接传感器部10和检测电路部20的屏蔽线缆30。

传感器部10由挠性印刷电路(FPC)，刚性印刷电路(RPC)等形成。如作为沿图1中的线A-A’所取的横截面视图的图2中所示，传感器部10包括用聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)，环氧树脂等制成的绝缘基板11。亦可被称为“第一电极”并用铜、铜合金、铝等制成的检测电极12由印刷在绝缘基板11上的图案形成。传感器部10还提供有地或大地电极13，其还可以被称为“第二电极”；以及保护电极14。地电极13在形状上是正方形或矩形。保护电极14具有U形配置以围绕地电极13的三侧。检测电极12也具有U形配置以围绕保护电极14的外围。检测、地和保护电极12、13和14彼此绝缘。

检测电路部20包括检测电路21，缓冲器22，缓冲器控制器23和控制电路24。检测电路21从检测电极12接收输入信号Vin(该信号还可以被称为“第一振荡信号”)并输出检测信号Vout，其对应于检测电极12和地电极13之间所产生的静电电容的量。缓冲器22接收输入信号Vin并向保护电极14输出具有与输入信号Vin相同相位和相同电压的第二振荡信号。就是说，缓冲器22起到增益为“1”的电压跟随器的作用。缓冲器控制器23控制缓冲器22的激励并使缓冲器22接通或关断。控制电路24从检测电路21接收检测信号Vout以输出如随后所述的附近检测信号和连接错误信号，并控制缓冲器控制器23。

屏蔽线缆30由芯导线31(其还可以被称为“第一线”)和围绕芯导线31的涂覆导线32(其还可以被称为“第二线”)组成，其间涂覆有绝缘材料。芯导线31的一端连接到检测电极12而另一端连接到检测电路21的输入端子。涂覆导线32的一端连接到保护电极14而另一端连接到缓冲器22的输出端子。

现在将参考图3在以下详细描述检测电路21。

对于检测电路21，可使用一电路以使其频率或占空比(duty ratio)依照检测电极12和地电极13之间所产生的静电电容的量而改变。图3示出检测电路21的一个例子，其占空比响应于静电电容C的变化而改变。

如图3所示，检测电路21包括触发信号产生电路211，定时器电路212和低通滤波器(LPF)213。触发信号产生电路211产生频率恒定的触发信号。定时器电路212产生脉冲信号Po，其占空比依照连接到其输入端子的静电电容C而改变。LPF 213使从定时器电路212输出的脉冲信号Po的直流成分通过，并将其作为检测信号Vout输出。

在该示例实施例中，定时器电路212由以下形成：比较器对2121和2122；RS触发器(RS-FF)2123，其分别将比较器2121和2122的输出接收到其R和S端子；缓冲器2124，其接收RS-FF 2123的输出DIS并将其输出到LPF 213；以及晶体管2125，其由RS-FF 2123的输出DIS来控制以接通或关断。

如图3所示，比较器2122将触发信号产生电路211所产生的触发信号TG与由电阻器R1，R2和R3通过划分源电压VDD产生的预定阈值Vth2相比较。作为比较结果，比较器2122产生设置脉冲(set pulse)，其频率与触发信号TG同步。该设置脉冲设置RS-FF 2123的Q输出。该Q输出起到放电信号DIS的作用，使晶体管2125关断。在此状态下，限定在检测电极12和地电极13之间的电容器由源电压VDD以一充电速度充电，该充电速度由根据检测与地电极12和13之间的电容C和输入端子和源电压VDD之间所连接的电阻器R4的电阻的时间常数来确定。这样，如图4所示，输入信号Vin的电压以静电电容的量所确定的充电速度增加。

当输入信号Vin超过由电阻器R1，R2和R3确定的阈值Vth1时，比较器2121的输出被翻转，以重置RS-FF 2123并翻转Q输出(DIS)。然后晶体管2125被接通以使检测电极12通过晶体管2125放出存储在其中的电荷。这样，定时器电路212输出脉冲信号Po，其以在检测电极12和地电极13之间形成的静电电容所确定的占空比振荡，如图4所示。如图4所示，LPF 213使脉冲信号Po平滑，并输出具有直流电压的检测信号Vout。当静电电容相对小时，输入信号Vin、脉冲信号Po和检测信号Vout的波形以图4中的实线表示。当静电电容例如由于靠近待检测的对象而增加时，输入信号Vin、脉冲信号Po和检测信号Vout的波形变为如图4所示的虚线。

控制电路24采用正常操作模式或自诊断模式。在正常操作模式，控制电路24通过缓冲器控制器23使缓冲器22能够处于on状态，并监视从检测电路21输出的检测信号Vout。在自诊断模式，控制电路24使缓冲器22处于off状态，并监视检测信号Vout的改变以确定传感器部10是否正确连接到检测电路部20。

接下来将说明由此构造的电容接近传感器的操作。图5示出控制电路24的操作。

首先操作者或上级装置把检测电路部20设置为处于正常操作模式或自诊断模式。

当请求正常操作模式(S1)时，控制电路24经由缓冲器控制器23使缓冲器22处于on状态(S2)并监视来自检测电路21的检测信号Vout(S3)。当缓冲器22被激励时，具有与芯导线31中出现的输入信号Vin相同相位和电压的第二振荡信号被施加于屏蔽线缆30的涂覆导线32。因此，到检测电路21的输入信号Vin不受到存在于芯导线31和涂覆导线32之间的静电电容的影响。这样，检测电路21所检测的静电电容仅依赖于检测电极12与地电极13之间的静电电容以及待检测的附近对象与检测电极12之间的静电电容。该结构使得有可能增加对附近对象的检测的灵敏度。

当检测信号Vout超过预定阈值TH时，控制电路24确定对象正在靠近检测电极12并使附近检测信号on(S4)。否则，其保持附近检测信号off(S5)。在该示例实施例中，所述附近检测信号仅具有两个值，即on和off。但有可能当事先大体指定对象的种类时，附近检测信号具有不止两个电平，其每个表示附近对象和检测电极12之间的距离。

当请求自诊断模式(S1)时，控制电路24经由缓冲器控制器23使缓冲器22处于off状态(S6)。当缓冲器22不被激励时，屏蔽线缆30的涂覆导线32处于浮置状态以便增加检测电极12和地电极13之间的电容耦合。在传感器部10和检测电路部20正确连接的情况中，检测电路21的输入信号Vin中的静电电容突然变化并且检测信号Vout也突然改变。另一方面，在传感器部10与检测电路部20不正确连接时，检测电路21的输入端子处于断开状态。在正常和自诊断操作模式，静电电容的任何基本变化都不出现在输入信号Vin中。因此无论当缓冲器22处于on状态或off状态时，检测信号Vout不改变。就是说即使缓冲器22从接通到关断，检测信号Vout被维持以保持基本恒定的值。控制电路24监视在缓冲器22从接通到关断之前和之后输入信号Vin的改变(S7)。如果有输入信号Vin的基本改变，则控制电路24保持使连接错误信号off(S8)。如果没有输入信号Vin的基本改变，则控制电路24使连接错误信号on(S9)并将其输出以指示误连接。

如上所述，通过有效利用被提供用于增加附近对象检测传感器的灵敏度的保护电极14而无需在传感器部上提供附加电极来检测误连接，根据当前示例实施例的电容接近传感器可确定传感器部10是否正确连接到检测电路部20。

接下来将参考图6描述根据本发明的第二示例实施例的电容接近传感器。在该图中，与第一示例实施例类似或相同的结构单元具有相同的参考数字并且其说明被省略。

如图6所示，第一和第二示例实施例之间的差异是检测电路部20’的结构。在第二示例实施例中，检测电路部20’具有电压型式施加电路26，其产生用于自诊断的预定电压型式。控制电路28控制开关27和电压型式施加电路26以通过开关27使缓冲器22的输出和由电压型式施加电路26产生的电压型式中的一个被施加到芯导线32，所述缓冲器输出与输入信号Vin相同相位和电压的信号。在正常操作模式，控制电路28使开关27的输出端子连接到缓冲器22的输出，而在自诊断模式，它使开关27的输出端子连接到电压型式施加电路26的输出。

现在将参考图7描述检测电路部20’的操作。

操作者或上级装置以与在第一示例实施例中相同的方式将检测电路部20’设置为处于正常操作模式或自诊断模式。

当请求正常操作模式(S1)时，控制电路28使开关27连接到缓冲器22的输出端子(S11)。此后，以与在第一示例实施例中参考图5所说明的相同方式，控制电路28监视由检测电路21产生的检测信号Vout，并输出附近检测信号，并且因此省略其说明。

当请求自诊断模式(S1)时，控制电路28使检测电路21不激活(inactive)(S12)并使开关27连接到电压型式施加电路26的输出端子(S13)。在此状态下，控制电路28监视输入信号Vin。在传感器部10正确连接到检测电路部20’的情况中，由电压型式施加电路26产生的电压型式在输入信号Vin中被观察到，该输入信号Vin通过在检测电极12与保护电极14之间的静电电容和在屏蔽线缆30的芯导线31与涂覆导线32之间的静电电容而产生。另一方面，除非传感器部10正确连接到检测电路部20’，否则电压型式施加电路26所施加的电压型式在输入信号Vin中不被观察到。以此方式，控制电路28监视到检测电路21的输入端子的输入信号Vin(S14)，当检测到所施加的电压型式时保持连接错误信号为off(S15)，并且当未检测到所施加的电压型式时使该连接错误信号on(S16)。

还是在第二示例实施例中，类似于在第一实施例中，传感器部10的自诊断可以通过有效利用保护电极14来实现。

在第一和第二示例实施例中，尽管地电极13被用作第二电极，然而除基板11上的检测电极之外的另一个电极可以被用作第二电极。而且，尽管在第一和第二示例实施例中屏蔽线缆30被用于连接传感器部10和检测电路部20或20’，其他配置的线缆，如FPC、FFC和并行线缆，也可以被用于此。

如上所述，通过有效利用原先被提供用于增加电容接近传感器的灵敏度的保护电极而无需提供附加的专门电极来检测误连接，根据本发明的示例实施例的电容接近传感器可确定传感器部是否正确连接到检测电路部。

尽管本发明的示例实施例已在以上描述和说明，但应该理解这些是本发明的示例而不应被认为是限制性的。可在本发明的精神和范围内做出添加、省略、替换和其他修改。因此本发明不应被认为是由以上描述来限制，并且仅由所属权利要求的范围来限制。

Claims (5)

1.一种用于检测附近对象的电容接近传感器，包括：

传感器部，其包括用作检测电极的第一电极，用作不同于所述检测电极的第二电极，以及提供在所述第一和第二电极之间的保护电极，所述保护电极与所述第一和第二电极绝缘；

检测电路部，其通过监视由所述第一电极产生的静电电容的变化来检测所述附近对象，以输出检测信号；

连接线缆，其包括第一和第二导线以把所述传感器部耦合到所述检测电路部，其中：

所述第一电极和所述保护电极分别耦合到所述第一和第二导线的一端；

所述检测电路部从所述第一导线的另一端接收根据由所述第一电极产生的所述静电电容的第一振荡信号，并向所述第二导线的另一端提供具有与所述第一振荡信号相同相位和相同电压的第二振荡信号，所述检测电路部采用正常操作模式来检测所述附近对象并采用自诊断模式来进行对所述传感器部和所述检测电路部之间的正确连接的诊断，并且

其中所述检测电路部还包括：

开关控制器，其在所述正常操作模式向所述第二导线的所述另一端提供所述第二振荡信号，并在所述自诊断模式停止向所述第二导线的所述另一端提供所述第二振荡信号；以及

控制电路，其通过将所述正常操作模式中的所述检测信号与所述自诊断模式中的所述检测信号相比较，基于所述检测信号的改变在所述自诊断模式检测所述传感器部和所述检测电路部之间的不正确连接。

2.一种用于检测附近对象的电容接近传感器，包括：

传感器部，其包括用作检测电极的第一电极，用作不同于所述检测电极的第二电极，以及提供在所述第一和第二电极之间的保护电极，所述保护电极与所述第一和第二电极绝缘；

检测电路部，其通过监视由所述第一电极产生的静电电容的变化来检测所述附近对象，以输出检测信号；

连接线缆，其包括第一和第二导线以把所述传感器部耦合到所述检测电路部，其中：

所述第一电极和所述保护电极分别耦合到所述第一和第二导线的一端；

所述检测电路部从所述第一导线的另一端接收根据由所述第一电极产生的所述静电电容的第一振荡信号，并向所述第二导线的另一端提供具有与所述第一振荡信号相同相位和相同电压的第二振荡信号，所述检测电路部采用正常操作模式来检测所述附近对象并采用自诊断模式来进行对所述传感器部和所述检测电路部之间的正确连接的诊断，并且

其中所述检测电路部还包括：

电压型式施加电路，所述电压型式施加电路在所述自诊断模式向所述第二导线的所述另一端提供预定电压型式，而不是所述第二振荡信号；以及

控制电路，当所述预定电压型式被施加到所述第二导线的所述另一端时，所述控制电路基于所述检测信号的改变在所述自诊断模式确定所述传感器部和所述检测电路部之间的不正确连接。

3.一种用于操作电容接近传感器的方法，该电容接近传感器具有包括分别耦合到第一信号线和第二信号线的检测电极和保护电极的传感器部，所述方法包括：

通过所述第一信号线从所述检测电极接收第一振荡信号；

根据由所述检测电极产生的所述第一振荡信号中的静电电容的变化来检测靠近所述检测电极的附近对象；

在正常操作模式通过所述第二信号线向所述保护电极提供具有与所述第一振荡信号相同相位和电压的第二振荡信号；

在自诊断模式终止通过所述第二信号线向所述保护电极提供所述第二振荡信号；

在终止提供第二振荡信号之前和之后，监视来自所述检测电极的输入信号，以检测所述静电电容的基本改变；以及

当未检测到所述基本改变时确定所述传感器部的不正确连接。

4.一种用于操作电容接近传感器的方法，该电容接近传感器具有包括分别耦合到第一信号线和第二信号线的检测电极和保护电极的传感器部，所述方法包括：

通过所述第一信号线从所述检测电极接收第一振荡信号；

根据由所述检测电极产生的所述第一振荡信号中的静电电容的变化来检测靠近所述检测电极的附近对象；

在正常操作模式通过所述第二信号线向所述保护电极提供具有与所述第一振荡信号相同相位和电压的第二振荡信号；

在自诊断模式终止通过所述第二信号线向所述保护电极提供所述第二振荡信号；

在终止提供第二振荡信号之后通过所述第二信号线向所述保护电极提供预定电压型式；

在终止提供第二振荡信号之前和之后，监视来自所述检测电极的输入信号，以检测对应于所述预定电压型式的所述输入信号的改变；以及

当未检测到所述基本改变时确定所述传感器部的不正确连接。

5.如权利要求3或4中所述的用于操作电容接近传感器的方法，其中检测附近对象包括把所述静电电容的量转换为一脉冲信号，该脉冲信号具有对应于由所述检测电极产生的所述静电电容的所述量的占空比。

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