CN101369812B - 具交流电源免疫能力的触碰电容式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具交流电源免疫能力的触碰电容式传感器包括感应电极、控制单元、第一以及第二比较器，其中感应电极包括第一以及第二导体部分。第一比较器的正输入端以及第二比较器的负输入端耦接第一导体部份，第一比较器的负输入端以及第二比较器的正输入端耦接第二导体部份。第一与第二比较器根据其正负输入端的电压大小分别输出第一以及第二比较信号。当该第一与第二比较信号分别为第一与第二逻辑准位时，控制单元使第一导体部份充电，且使第二导体部分放电，当第一与第二比较信号与上述相反时，控制单元便相反操作。

Description

具交流电源免疫能力的触碰电容式传感器

技术领域

本发明是有关于一种触碰传感器(touch sensor)相关的技术，且特别是有关于一种具交流电源免疫能力的触碰电容式传感器。

背景技术

近年来，由于科技的进步，许多控制按钮，例如电梯的按钮或是电子游乐器材的按钮，也从以往的弹簧机械式按钮，改采用触碰式传感器。图1是现有技术电容式传感器的电路图。请参考图1，此电路包括感应电极101、电阻102以及感测-控制端103。感应电极101在此电路中，相当于一个接地的电容。

图2是现有技术电容式传感器在上述感应电极101与电阻102的耦接节点A的操作波形。请同时参考图1与图2，感测-控制端103一开始会对节点A充电到一第一额定电压V20，并且使节点A处在高阻抗状态。接下来，由于感应电极101相当于一个接地的电容，因此感应电极101会开始通过电阻102进行放电。感测-控制端103会持续检测节点A的电压。当节点A的电压放电到一第二额定电压V21时，感测-控制端103会根据节点A由第一额定电压V20放电到第二额定电压V21的时间，来判断是否有手指接触到感应电极101，并且再次对节点A进行充电。

请再参考图2，波形201是手指未碰触感应电极101时，节点A的波形；波形202是手指碰触感应电极101后，节点A的波形。由此波形图可以看出，当手指碰触到感应电极101时，感应电极101的等效电容增加，故波形202的放电时间T2会大于波形201的放电时间T1。因此，感测-控制端103只要判断出节点A放电到第二额定电压V21的时间大于T1，便可以判定感应电极101已经被碰触。

然而，上述传统式电容式传感器容易受到交流电(简称AC)信号的干扰，尤其是生活中普遍存在的AC电源干扰。由于传统式电容传感器的感应电极是对地放电，因此传统式电容传感器是相对于接地测量感应电极的等效电容。当此电容式传感器是配置在行动装置上时，感应电极对应的接地将会是电池的接地。电池的接地与环境的接地并不同。当AC电源干扰进来时，电池的接地与环境的接地之间的相对关系将会受到AC电源的干扰开始浮动，或者说以电池系统所观察的外在环境，是存在AC电源干扰而浮动的环境，因而等效电容的测量结果便会失真。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的就是在提供一种电容式传感器，可防止交流电源的干扰，使感测更加准确。使电容式传感器不局限于使用电池或是必须在AC电源干扰较小的地方使用。

为达上述或其他目的，本发明提出一种电容式传感器。此电容式传感器包括感应电极、第一比较电路、第二比较电路以及控制单元。感应电极包括一第一导体部份以及一第二导体部份。第一比较电路的正输入端耦接第一导体部份。第一比较电路的负输入端耦接第二导体部份。第一比较电路的输出端根据其正输入端以及负输入端的电压大小输出第一比较信号。第二比较电路的正输入端耦接第二导体部份。第二比较电路的负输入端耦接第一导体部份。第二比较电路的输出端根据其正输入端以及负输入端的电压大小输出第二比较信号。控制单元接收第一比较信号以及第二比较信号。当第一比较信号为第一逻辑准位(logic states)，且第二比较信号为第二逻辑准位时，控制单元的第一输出端对第一导体部份进行充电，控制单元的第二输出端对第二导体部分进行放电。当第一比较信号为第二逻辑准位，且第二比较信号为第一逻辑准位时，控制单元的第一输出端对第一导体部份进行放电，控制单元的第二输出端对第二导体部分进行充电。控制单元依据第一比较信号以及第二比较信号，输出一感测信号。

依照本发明的较佳实施例所述的电容式传感器，上述控制单元包括RS正反器、第一阻抗元件以及第二阻抗元件。RS正反器包括设定端、重设端、Q端以及反Q端。RS正反器的设定端耦接第一比较电路的输出端，RS正反器的重设端耦接第二比较电路的输出端，RS正反器的Q端输出感测信号。第一阻抗元件的第一端耦接RS正反器的Q端。第一阻抗元件的第二端耦接第一导体部份。第二阻抗元件的第一端耦接RS正反器的反Q端，第二阻抗元件的第二端耦接第二导体部份。

依照本发明的较佳实施例所述的电容式传感器，上述电容式传感器包括N个感应电极。每一感应电极包括第一导体部份以及第二导体部份。第i感应时间，第一比较电路的正输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，第一比较电路的负输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份，第二比较电路的负输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，第二比较电路的正输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份，依照第i时间内的感测信号的周期判断第i个感应电极是否接触一导体。

本发明的精神是在于应用振荡器的原理，感应电极的第一导体部份以及第二导体部份被连续的进行充电以及放电。因为此种方式是检测第一导体部份以及第二导体部份的电压相对变化，当AC电源干扰进来时，第一导体部份以及第二导体部份的电压是同相位变化，因此，其相对值是不会受到上述AC干扰而变化。

附图说明

图1是现有技术电容式传感器的电路图。

图2是现有技术电容式传感器在上述感应电极101与电阻102的耦接节点A的操作波形。

图3是根据本发明实施例所绘示的电容式传感器的电路图。

图4是根据本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的操作波形图。

图5是根据本发明实施例当受到AC电源干扰时，第一导体部份311以及第二导体部份312的电压波形图。

图6是依照本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的电路图。

图7是依照本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的电路图。

图8是依照本发明实施例所绘示的感应电极的结构图。

附图标号：

101、31：感应电极

102：电阻

103：感测-控制端

32：第一比较电路

33：第二比较电路

34：控制单元

311：第一导体部份

312：第二导体部份

61：RS正反器

62：第一阻抗元件

63：第二阻抗元件

71：M×N个感应电极矩阵

81～85：不同结构的感应电极

具体实施方式

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图3是根据本发明实施例所绘示的电容式传感器的电路图。此电容式传感器包括感应电极31、第一比较电路32、第二比较电路33以及控制单元34。感应电极包括第一导体部份311以及第二导体部份312。感应电极31相当于一个用第一导体部份311以及第二导体部份312作为内外电极的等效电容Cx。图4是根据本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的操作波形图。请参考图3以及图4，一开始，控制单元34的第二输出端会设为接地电压，因此第二导体部份312为接地电压，且控制单元34的第一输出端会缓缓的对第一导体部份311充电。

当第一导体部份311的电压超过第二导体部份312的电压，且两者的电压差大于一临界电压Vt时，也就是第一比较电路32的正输入端电压大于其负输入端的电压一临界电压Vt，第一比较电路32所输出的第一比较信号S32将会是在逻辑高电压，也就是第一比较电路32的正饱和电压；而第二比较电路33所输出的第二比较信号S33维持逻辑低电压，也就是第二比较电路33的负饱和电压。当控制单元34接收到第一比较信号S32为逻辑高电压，且第二比较信号S33为逻辑低电压时，控制单元34的第二输出端会缓缓的对第二导体部份312放电，并且其第一输出端会缓缓的对第一导体部份311充电。

当第二导体部份312的电压被充电超过第一导体部份312的电压，且两者的电压差大于上述临界电压Vt时，也就是第二比较电路33的正输入端电压加上此临界电压Vt大于其负输入端的电压，第二比较电路33所输出的第二比较信号S33将会是在逻辑高电压；而第一比较电路32所输出的第一比较信号S32为逻辑低电压。当控制单元34接收到第二比较信号S33为逻辑高电压，且第一比较信号S32为逻辑低电压时，控制单元34的第一输出端会缓缓的对第一导体部份311放电，并且其第二输出端会缓缓的对第二导体部份312充电。另外，此控制单元34还会输出一感测信号S34。在此实施例中，感测信号S34会是一固定频率的方波。

此电路的操作便会如同一振荡器般操作。而决定此振荡器的振荡频率的关键就是感应电极31的第一导体部份311与第二导体部份312。当导体(例如手指)接触感应电极31的第一导体部份311以及第二导体部份312时，等效电容Cx的值便会增加，因此控制单元34对第一导体部份311以及第二导体部份312的充放电时间便会增加，因此感测信号S34的周期也会如图4的标号S34般相对增加。

因为上述方式相当于检测电容Cx两电极的相对变化。故当AC电源干扰产生时，在电容两电极(也就是上述的第一导体部份311以及第二导体部份312)会同时受到干扰，第一导体部份311以及第二导体部份312的电压将会是同相位变化。然而，第一导体部份311以及第二导体部份312的相对电压值并不会受到AC干扰而变化。图5是根据本发明实施例当受到AC电源干扰时，第一导体部份311以及第二导体部份312的电压波形图。请参考图5，501表示第一导体部份311的电压波形，502表示第二导体部份312的电压波形，由于本发明采用差动(differential mode)检测，因此，第一比较器32以及第二比较器33的正负输入端的电压是同样受到一个AC电源干扰，但是，其电压的差值则不会因为AC电源干扰而改变。

以下再举几个实施例，以便本领域具有通常知识者能够实施本发明。

图6是依照本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的电路图。请参考图6，在此实施例中，控制单元34是以RS正反器61、第一阻抗元件62以及第二阻抗元件63实施。当R端接收到逻辑高电压，且S端接收到逻辑低电压时，Q端为逻辑高电压，反Q端为逻辑低电压，因此第二导体部份312会由第二阻抗元件63对反Q端放电，并且其Q端会通过第一阻抗元件62对第一导体部份311充电。相反的，当R端接收到逻辑低电压，且S端接收到逻辑高电压时，Q端为逻辑低电压，反Q端为逻辑高电压，其反Q端会通过第二阻抗元件63对第二导体部份311充电，并且第一导体部份312会由第一阻抗元件62对反Q端放电。其操作如同图3，在此不予赘述。在此实施例中，第一阻抗元件62以及第二阻抗元件63可由电阻实施。然本领域具有通常知识者应当知道，阻抗元件62以及63仍可以定电流充放电电路来实施或是以晶体管实施，故本发明不限于此。另外，RS正反器61同样可由JK正反器取而代之，在此不予赘述。

图7是依照本发明实施例图3所绘示的电容式传感器的电路图。请参考图7，此实施例的电路比起图6的实施例的电路不同处在于，此电路包括M×N个感应电极矩阵71。此实施例是以分时多任务的方式分别对上述每一个感应电极31做感测。其规则为：

第一步骤：将感测时间分为M×N个感测时间。

第二步骤：第i感应时间，第一比较电路32的正输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，第一比较电路32的负输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份，第二比较电路33的负输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，第二比较电路33的正输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份。

第三步骤：依照第i时间内的感测信号S的周期。判断第i个感应电极是否接触一导体。

图8是依照本发明实施例所绘示的感应电极的结构图。请参考图8，81～85分别为各种不同的感应电极的结构。感应电极的结构的设计考虑是要能够让导体(特别是手指)能够同时触碰到两个导体部份。故本发明并不限定于此五种结构。

综上所述，本发明的精神是在于应用振荡器的原理，感应电极的第一导体部份以及第二导体部份被连续的进行充电以及放电。因为此种方式是检测第一导体部份以及第二导体部份的电压相对变化，当AC电源干扰进来时，第一导体部份以及第二导体部份的电压是同相位变化，因此，其相对值是不会受到上述AC干扰而变化。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (5)

1.一种电容式传感器，其特征在于，该电容式传感器包括：

一感应电极，包括一第一导体部份以及一第二导体部份；

一第一比较电路，其正输入端耦接所述的第一导体部份，其负输入端耦接所述的第二导体部份，其输出端根据其正负输入端的电压大小输出一第一比较信号；

一第二比较电路，其正输入端耦接所述的第二导体部份，其负输入端耦接所述的第一导体部份，其输出端根据其正负输入端的电压大小输出一第二比较信号；以及

一控制单元，接收所述的第一比较信号以及第二比较信号，当该第一比较信号为第一逻辑准位，且第二比较信号为第二逻辑准位时，其第一输出端对所述的第一导体部份进行充电，其第二输出端对所述的第二导体部分进行放电，当第一比较信号为第二逻辑准位，且第二比较信号为第一逻辑准位时，其第一输出端对所述的第一导体部份进行放电，其第二输出端对所述的第二导体部分进行充电，依据所述的第一比较信号以及第二比较信号，输出一感测信号。

2.如权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，所述的控制单元包括：

一RS正反器，包括重设端、设定端、Q端以及反Q端，其重设端耦接所述的第一比较电路的输出端，其设定端耦接所述的第二比较电路的输出端，其Q端输出所述的感测信号；

一第一阻抗元件，其第一端耦接所述的RS正反器的Q端，其第二端耦接所述的第一导体部份；以及

一第二阻抗元件，其第一端耦接所述的RS正反器的反Q端，其第二端耦接所述的第二导体部份。

3.如权利要求2所述的电容式传感器，其特征在于，所述的第一阻抗元件为一电阻。

4.如权利要求2所述的电容式传感器，其特征在于，所述的第二阻抗元件为一电阻。

5.如权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，该电容式传感器包括N个感应电极，每一感应电极包括第一导体部份以及第二导体部份，且第i感应时间，所述的第一比较电路的正输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，所述的第一比较电路的负输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份，所述的第二比较电路的负输入端耦接第i个感应电极的第一导体部份，所述的第二比较电路的正输入端耦接第i个感应电极的第二导体部份，依照第i时间内的所述的感测信号的周期判断第i个感应电极是否接触一导体。

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