DE112020002442T5

DE112020002442T5 - Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität

Info

Publication number: DE112020002442T5
Application number: DE112020002442.3T
Authority: DE
Inventors: Tomoki YAMADA
Original assignee: Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US11847281B2; KR102504896B1; KR20210136096A; US20220057874A1; CN113677950B; WO2020235192A1; JP7149413B2; JPWO2020235192A1; CN113677950A

Abstract

Ein Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität, der auf einem Eigenkapazitätssystem basiert, weist Folgendes auf: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine Abtastsignal-Erzeugungseinheit, die ein Abtastsignal erzeugt, das an eine Abtastelektrode anzulegen ist, wobei entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode vorgegeben ist; und eine Detektionseinheit, die als Detektionswert einen Betrag einer Ladungsbewegung detektiert, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode entspricht. Die andere erste Elektrode oder zweite Elektrode ist als Ansteuerelektrode vorgegeben, und auf der Basis einer Subtraktionsdifferenz zwischen Detektionswerten in der Detektionseinheit in einem Zustand, in dem ein erstes Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode anliegt, und in einem Zustand, in dem ein zweites Ansteuersignal mit der gleichen Frequenz und einer unterschiedlichen Phase an der Ansteuerelektrode anliegt, wird die Feststellung getroffen, ob sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet oder nicht, um dadurch das eingangs beschriebene Problem zu lösen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren wurde die Entwicklung von HoD-Sensoren (Hands on Detection bzw. Handplatzierungssensoren) als Technologie für das automatisierte (autonome) Fahren vorangetrieben. Die HoD-Sensoren dienen beispielsweise zum Erfassen des Haltezustands von Lenkrädern. Wenn ein Fall angenommen wird, in dem ein Sensor zum Erfassen elektrostatischer Kapazität verwendet wird, kann beispielsweise festgestellt werden, dass ein Lenkrad oder dergleichen berührt (gehalten) wird, wenn der Wert einer detektierten elektrostatischen Kapazität oder dergleichen einen Referenzwert überschreitet, für den ein bestimmter Wert verwendet wird, und es kann festgestellt werden, dass das Lenkrad oder dergleichen nicht berührt (nicht gehalten) wird, wenn der Wert der detektierten elektrostatischen Kapazität oder dergleichen geringer als oder gleich dem Referenzwert ist.
Liste des Standes der Technik
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 6177026
Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-232542

Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
Bei den herkömmlichen Verfahren gibt es jedoch einen Fall, in dem selbst dann, wenn ein Lenkrad oder dergleichen von einer menschlichen Hand gehalten wird, bei der es sich um ein Detektionsziel handelt, die Feststellung getroffen wird, dass das Lenkrad oder dergleichen nicht gehalten wird, und es gibt einen Fall, in dem eine falsche Detektion auftritt, wenn z.B. die Feststellung getroffen wird, dass das Lenkrad oder dergleichen gehalten wird, obwohl das Lenkrad oder dergleichen nicht gehalten wird. Daher ist es schwierig, genau festzustellen, ob ein Lenkrad oder dergleichen gehalten wird oder nicht.
Es besteht daher Bedarf an Sensoren zur Detektion elektrostatischer Kapazität, die exakt feststellen können, ob ein Detektionsziel gehalten wird oder nicht.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird ein Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität auf der Basis eines Eigenkapazitätssystems bereitgestellt, wobei der Sensor aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine Abtastsignal-Erzeugungseinheit, die ein Abtastsignal erzeugt, das an eine Mess- bzw. Abtastelektrode anzulegen ist, wobei entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode vorgegeben ist; und eine Detektionseinheit, die als Detektionswert einen Betrag einer Ladungsbewegung detektiert, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode entspricht, wenn die Abtastsignal-Erzeugungseinheit das Abtastsignal an die Abtastelektrode anlegt. Die andere erste Elektrode oder zweite Elektrode ist als Ansteuerelektrode vorgegeben; und der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität weist eine Bestimmungseinheit auf, die die Feststellung, ob sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet oder nicht, auf der Basis einer Subtraktionsdifferenz trifft zwischen einem ersten Detektionswert, der von der Detektionseinheit in einem Zustand detektiert wird, in dem ein erstes Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode anliegt, und einem zweiten Detektionswert, der von der Detektionseinheit in einem Zustand detektiert wird, in dem ein zweites Ansteuersignal mit der gleichen Frequenz wie das erste Ansteuersignal und einer von dem ersten Ansteuersignal verschiedenen Phase an der Ansteuerelektrode anliegt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Mit dem offenbarten Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität ist es möglich, genau festzustellen, ob ein Detektionsziel gehalten wird oder nicht.
Figurenliste

[1] 1 zeigt ein Strukturdiagramm eines Eigenkapazität-Detektionssensors;
[2] 2 zeigt ein Strukturdiagramm eines Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität gemäß einer ersten Ausführungsform.
[3] 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Detektionsverfahrens für den Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[4] 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[5] 5 zeigt ein Diagramm (1) zur Erläuterung eines Experiments mit dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[6] 6 zeigt ein Diagramm (2) zur Erläuterung des Experiments mit dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[7] 7 zeigt ein Strukturdiagramm einer ersten Modifikation des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[8] 8 zeigt ein Strukturdiagramm einer zweiten Modifikation des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform.
[9] 9 zeigt ein Strukturdiagramm eines Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einer zweiten Ausführungsform.
[10] 10 zeigt ein Strukturdiagramm (1) des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der zweiten Ausführungsform.
[11] 11 zeigt ein Strukturdiagramm (2) des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der zweiten Ausführungsform.
[12] 12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Detektionsverfahrens für den Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der zweiten Ausführungsform.
[13] 13 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Lenkrads bei einer dritten Ausführungsform.
[14] 14 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Türgriffs bei der dritten Ausführungsform.
[15] 15 zeigt eine erläuternde Darstellung eines Smartphones bei der dritten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen beschrieben. Dabei werden gleiche Elemente usw. mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine Beschreibung derselben verzichtet wird.
[Erste Ausführungsform]
Als erstes wird anhand von 1 ein Fall beschrieben, in dem ein Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität mit Eigenkapazitätssystem für die Detektion verwendet wird. Der in 1 gezeigte Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach dem Eigenkapazitätssystem weist eine Sensoreinheit 10, die eine Messelektrode bzw. Abtastelektrode 11 besitzt, und eine Schaltungseinheit 20 auf. Die Schaltungseinheit 20 hat eine Abtastsignal-Erzeugungseinheit 30, eine Detektionseinheit 40, eine Kontaktbestimmungseinheit 50, eine Steuereinheit 70 usw., und die Kontaktbestimmungseinheit 50 hat einen Speicher 51 und eine Bestimmungseinheit 52.
Bei dem vorliegenden Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität tritt eine Streukapazität C_L1 zwischen der Abtastelektrode 11 und Masse (GND) auf, und eine elektrostatische Kapazität C_F1 tritt zwischen einem Teil 81 eines menschlichen Körpers 80, der ein Detektionsziel ist, und der Abtastelektrode 11 auf. Wenn sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 der Abtastelektrode 11 nähert, erhöht sich der Wert der elektrostatischen Kapazität C_F1. Außerdem entsteht eine Kopplungskapazität C_FG zwischen dem menschlichen Körper 80 und Masse. Der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 ist z. B. ein Finger, eine Handfläche oder dergleichen.
Bei dem vorliegenden Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität legt die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 30 eine Wechselspannung an die Abtastelektrode 11 an, und wenn sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 der Abtastelektrode 11 nähert, steigt der Wert der elektrostatischen Kapazität C_F1, und dementsprechend steigt die Ladungsmenge, die sich bewegt, d.h. der Betrag der Ladungsbewegung steigt. Der Wert des Betrags der Ladungsbewegung wird von der Detektionseinheit 40 detektiert, und der Wert wird in dem Speicher 51 gespeichert. Die Bestimmungseinheit 52 entscheidet, ob der Wert des Betrags der Ladungsbewegung, der von der Detektionseinheit 40 detektiert und in dem Speicher 51 gespeichert wird, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht, um festzustellen, ob der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 mit der Sensoreinheit 10 in Kontakt ist oder nicht. Im Spezielleren trifft die Bestimmungseinheit 52 die Feststellung, dass der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 mit der Sensoreinheit 10 in Kontakt ist, wenn der Wert des Betrags der Ladungsbewegung den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und trifft die Feststellung, dass der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 mit der Sensoreinheit 10 nicht in Kontakt ist, wenn der Wert des Betrags der Ladungsbewegung den vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, und gibt Kontakt- oder Nicht-Kontakt-Information aus. Die Steuereinheit 70 steuert die vorstehend beschriebene Abfolge von Vorgängen zur Detektion elektrostatischer Kapazität.
Im Allgemeinen ist ein Bereich, der in der Sensoreinheit 10 enthalten ist und der einen Kontakt erfasst, durch einen Isolator gebildet, der die Abtastelektrode 11 bedeckt. D.h., wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 die Sensoreinheit 10 berührt, befindet sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 11, wobei der Isolator dazwischen angeordnet ist. Bei der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben wird, sind in ähnlicher Weise eine Abtastelektrode und eine Ansteuerelektrode an Positionen vorgesehen, wobei zwischen diesen ein Isolator angeordnet ist, und es wird angenommen, dass ein Teil des menschlichen Körpers die Elektroden nicht direkt berührt.
Bei dem in 1 gezeigten Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach dem Eigenkapazitätssystem kann es zu einer falschen Detektion kommen, da sich die elektrostatische Kapazität aufgrund von Umgebungsänderungen, z. B. einer Temperaturänderung, eines externen Faktors oder dergleichen, ändert. Insbesondere gibt es einen Fall, in dem selbst dann, wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 nicht in Kontakt mit der Sensoreinheit 10 ist, die Detektionseinheit 40 detektiert, dass die elektrostatische Kapazität hoch ist und die Bestimmungseinheit 52 die Feststellung trifft, dass der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in Kontakt mit der Sensoreinheit 10 ist, und es gibt auch einen Fall, in dem, selbst wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in Kontakt mit der Sensoreinheit 10 ist, die Detektionseinheit 40 detektiert, dass die elektrostatische Kapazität gering ist und die Bestimmungseinheit 52 die Feststellung trifft, dass der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 nicht in Kontakt mit der Sensoreinheit 10 ist.
Obwohl verschiedene Studien zur Eliminierung solcher falschen Detektionen durchgeführt wurden, können falsche Detektionen mit keiner Methode vollständig unterdrückt werden. Es besteht daher Bedarf für einen Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität ohne falsche Detektion.
(Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität)
Im Folgenden wird der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einer ersten Ausführungsform anhand von 2 beschrieben. Der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform ist ein Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einem Eigenkapazitätssystem und verfügt über eine Sensoreinheit 110, die eine Abtastelektrode 111 und eine Ansteuerelektrode 112 aufweist, sowie über eine Schaltungseinheit 120. Der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform dient zur Feststellung, ob vorbestimmte Bereiche der Sensoreinheit 110 von einer menschlichen Hand oder dergleichen gehalten werden oder nicht. Die Schaltungseinheit 120 hat eine Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130, eine Detektionseinheit 140, eine Halte-Bestimmungseinheit 150, eine Ansteuersignal-Steuereinheit 160, eine Steuereinheit 170 usw. Die Halte-Bestimmungseinheit 150 weist einen Speicher 151 und eine Bestimmungseinheit 152 auf. Die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 weist eine Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 und einen Schalter 162 auf, bei dem es sich um eine Wähleinheit zum Auswählen eines an die Ansteuerelektrode 112 anzulegenden Signals handelt.
In der vorliegenden Anwendung können die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 als „erste Elektrode“ und „zweite Elektrode“ bezeichnet werden, wobei entweder die erste oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode 111 und die andere als Ansteuerelektrode 112 dient. Mit anderen Worten, der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode. Außerdem kann der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität mit einer Mehrzahl von Abtastelektroden 111 ausgestattet sein, um eine von diesen auszuwählen, und er kann auch mit einer Mehrzahl von Ansteuerelektroden 112 ausgestattet sein, um eine von diesen auszuwählen. Der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität kann mit drei oder mehr Elektroden, einschließlich der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, versehen sein und kann die Abtastelektrode und die Ansteuerelektrode aus den drei oder mehr Elektroden auswählen.
Bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform tritt eine Streukapazität C_L1 zwischen der Abtastelektrode 111 und Masse (GND) auf, eine elektrostatische Kapazität C_F1 tritt zwischen dem Teil 81 des menschlichen Körpers 80, der ein Detektionsziel darstellt, und der Abtastelektrode 111 auf, und wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in die Nähe der Abtastelektrode 111 kommt, steigt der Wert der elektrostatischen Kapazität C_F1. Außerdem tritt eine elektrostatische Kapazität C_F2 zwischen einem anderen Teil 82 des menschlichen Körpers 80 und der Ansteuerelektrode 112 auf, und wenn der andere Teil 82 des menschlichen Körpers 80 in die Nähe der Ansteuerelektrode 112 kommt, steigt der Wert der elektrostatischen Kapazität C_F2. Da der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität bei der vorliegenden Ausführungsform detektieren soll, dass sich der Teil 81 und der andere Teil 82 desselben menschlichen Körpers 80 gleichzeitig in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 bzw. der Ansteuerelektrode 112 befinden, ist es vorzuziehen, dass der Abstand zwischen der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 geringer als oder gleich 1 m ist.
Zwischen der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 tritt eine elektrostatische Kapazität C_SD auf, und da die vorliegende Ausführungsform auf der Prämisse beruht, dass die Ladung der Ansteuerelektrode 112 die Abtastelektrode 111 über den anderen Teil 82 des menschlichen Körpers, den menschlichen Körper 80 und den Teil 81 des menschlichen Körpers beeinflusst, ist es empfehlenswert, dass der Wert der elektrostatischen Kapazität C_SD so gering wie möglich ist. In der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die elektrostatische Kapazität C_SD gering und vernachlässigbar ist.
Bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 ein Abtastsignal, das an die Abtastelektrode 111 anzulegen ist, und sie legt das Abtastsignal als Wechselspannung an die Abtastelektrode 111 an. Wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in die Nähe der Abtastelektrode 111 kommt, steigt der Wert der elektrostatischen Kapazität C_F1, und dementsprechend steigt der Betrag der Ladungsbewegung. D.h., wenn die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 das Abtastsignal an die Abtastelektrode 111 anlegt, detektiert die Detektionseinheit 140 als Detektionswert den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode 111 entspricht, und speichert den Detektionswert in dem Speicher 151. Auf der Basis des in dem Speicher 151 gespeicherten Detektionswerts trifft die Bestimmungseinheit 152 eine Feststellung über Halten und Nicht-Halten und führt eine Ausgabe durch. Im Spezielleren stellt die Bestimmungseinheit 152 fest, ob sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet oder nicht, und zwar auf der Basis einer Subtraktionsdifferenz zwischen einem ersten Detektionswert, der von der Detektionseinheit 140 in einem Zustand detektiert wird, in dem ein erstes Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode 112 anliegt, und einem zweiten Detektionswert, der von der Detektionseinheit 140 in einem Zustand detektiert wird, in dem ein zweites Ansteuersignal, das die gleiche Frequenz wie das erste Ansteuersignal hat und sich in der Phase von diesem unterscheidet, an der Ansteuerelektrode 112 anliegt. Obwohl ein spezifisches Verfahren später beschrieben wird, wird hier davon ausgegangen, dass das erste Ansteuersignal das gleiche Signal wie das Abtastsignal ist. Außerdem wird angenommen, dass das zweite Ansteuersignal das gleiche Signal ist wie ein Ansteuersignal, das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugt wird. Die Steuereinheit 170 steuert die vorstehend beschriebene Abfolge von Vorgängen zur Detektion elektrostatischer Kapazität.
Außerdem wählt die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 das Abtastsignal oder das Ansteuersignal aus und legt das ausgewählte Signal an die Ansteuerelektrode 112 an. Im Spezielleren erzeugt die in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 vorgesehene Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 das Ansteuersignal. Der in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 vorgesehene Schalter 162 ist mit der Ansteuerelektrode 112 verbunden und außerdem mit der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 verbunden. Der Schalter 162 schaltet ein Verbindungsziel für die Ansteuerelektrode 112 zwischen der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161, um dadurch das an die Ansteuerelektrode 112 anzulegende Signal auszuwählen. D.h., der Schalter 162, der in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 vorgesehen ist, wählt das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal oder das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugte Ansteuersignal aus und gibt das ausgewählte Signal an die Ansteuerelektrode 112 ab. D.h., die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 ist mit der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform haben das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 abgegebene Wechselstrom-Abtastsignal und das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 abgegebene Wechselstrom-Ansteuersignal die gleiche Frequenz und sind um 180° gegeneinander phasenverschoben. Obwohl es ausreicht, dass das Abtastsignal und das Ansteuersignal zumindest phasenverschoben zueinander sind, erhöht eine Phasenverschiebung von 180° die Detektionsgenauigkeit und ist daher vorzuziehen.
(Detektionsverfahren)
Als nächstes wird anhand von 3 ein Detektionsverfahren beschrieben, bei dem der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um festzustellen, ob die Sensoreinheit 110 von einer menschlichen Hand oder dergleichen gehalten wird oder nicht.
Als erstes wird in einem Schritt 102 (S102) in einem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der Abtastelektrode 111 anliegt, das Abtastsignal von der Schaltungseinheit 120 auch an die Ansteuerelektrode 112 angelegt. Im Spezielleren erzeugt die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 das Abtastsignal und legt das Abtastsignal an die Abtastelektrode 111 an. In diesem Zustand verbindet der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die Ansteuerelektrode 112, um dadurch das Abtastsignal auszuwählen, und er legt das Abtastsignal an die Ansteuerelektrode 112 an. Die Steuereinheit 170 steuert den Zeitpunkt dieser Vorgänge, den Zeitpunkt der Detektion durch die Detektionseinheit 140 und den Zeitpunkt der Halte-Bestimmung durch die Halte-Bestimmungseinheit 150.
In einem Schritt 104 (S104) detektiert die Detektionseinheit 140 in dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 anliegt, als Detektionswert V_d1 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode 111 entspricht, und speichert den Detektionswert V_d1 in dem Speicher 151. Bei diesem Detektionswert V_d1 handelt es sich um einen Wert, wie er durch den nachfolgend angegebenen Ausdruck 1 dargestellt ist. $V_{d 1} \propto C_{L 1} + \frac{C_{F 1} \times C_{F G}}{C_{F 1} + C_{F 2} + C_{F G}}$
In einem Schritt 106 (S106), in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der Abtastelektrode 111 anliegt, legt die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 als nächstes das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugte Ansteuersignal an die Ansteuerelektrode 112 an. D.h., in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der Abtastelektrode 111 anliegt, verbindet der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 und die Ansteuerelektrode 112, um dadurch das Ansteuersignal auszuwählen, und er legt das Ansteuersignal an die Ansteuerelektrode 112 an.
In einem Schritt (S108), in dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der Abtastelektrode 111 anliegt und das Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode 112 anliegt, detektiert die Detektionseinheit 140 als nächstes als Detektionswert V_d2 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode 111 entspricht, und speichert den Detektionswert V_d2 in dem Speicher 151. Dieser Detektionswert V_d2 ist ein Wert, wie er durch den nachfolgenden Ausdruck 2 dargestellt ist. Da das Abtastsignal und das Ansteuersignal gegenphasige Signale sind, die um 180° gegeneinander phasenverschoben sind, wird der menschliche Körper 80 über C_F2 geringfügig in eine entgegengesetzte Phase verschoben, und der Detektionswert V_d2 wird zu einem Wert, der sich von dem durch den Ausdruck 1 dargestellten Detektionswert V_d1 unterscheidet. $V_{d 2} \propto C_{L 1} + \frac{C_{F 1} \times C_{F G}}{C_{F 1} + C_{F 2} + C_{F G}} + 2 \times \frac{C_{F 1} \times C_{F 2}}{C_{F 1} + C_{F 2} + C_{F G}}$
Als nächstes berechnet die Bestimmungseinheit 152 in einem Schritt 110 (S110) eine Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 unter Verwendung der in dem Speicher 151 gespeicherten Detektionswerte V_d1 und V_d2. Die berechnete Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 ist ein Wert, wie er durch den nachstehenden Ausdruck 3 dargestellt ist. Die berechnete Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 ist ein Wert, der proportional zu dem Produkt der elektrostatischen Kapazitäten C_F1 und C_F2 ist, wie durch Ausdruck 3 dargestellt, wobei der Wert nur dann steigt, wenn sowohl die elektrostatische Kapazität C_F1 als auch die elektrostatische Kapazität C_F2 ausreichend groß sind. Dementsprechend ist der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 sehr klein, wenn sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 nur in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 oder nur in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112 befindet. Daher steigt der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 nur dann, wenn sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe sowohl der Abtastelektrode 111 als auch der Ansteuerelektrode 112 befindet, d.h. nur dann, wenn Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, von dem Teil 81 des menschlichen Körpers 80 gehalten werden. Sensoren zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einem Eigenkapazitätssystem weisen bei herkömmlichen Technologien in der Regel keine Ansteuerelektroden auf. Obwohl der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität bei der vorliegenden Erfindung auf einem Eigenkapazitätssystem basiert, umfasst er jedoch die ursprünglich nicht vorhandene Ansteuerelektrode 112, legt nacheinander zwei Arten von Signalen mit gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phase an die Ansteuerelektrode 112 an und erfasst die elektrostatischen Kapazitäten der Abtastelektrode 111 in den jeweiligen Fällen. Der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität hat somit einen großen Vorteil dahingehend, dass Werte ermittelt werden können, die proportional zu dem Produkt aus der elektrostatischen Kapazität C_F1 und der elektrostatischen Kapazität C_F2 sind. $V_{d 2} - V_{d 1} \propto 2 \times \frac{C_{F 1} \times C_{F 2}}{C_{F 1} + C_{F 2} + C_{F G}}$
Als nächstes entscheidet die Bestimmungseinheit 152 in einem Schritt 112 (S112), ob der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 größer als ein vorbestimmter erster Schwellenwert Th ist oder nicht. Wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 den vorbestimmten ersten Schwellenwert Th überschreitet, trifft die Bestimmungseinheit 152 die Feststellung, dass sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode (der Abtastelektrode 111) als auch der zweiten Elektrode (der Ansteuerelektrode 112) befindet. D.h., der Ablauf fährt mit einem Schritt 114 (S114) fort, in dem die Feststellung getroffen wird, dass die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, gehalten werden, und die Bestimmungseinheit 152 gibt Information aus, die anzeigt, dass die Bereiche gehalten werden, und der Ablauf endet. Wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert Th ist, fährt der Ablauf mit einem Schritt 116 (S116) fort, in dem die Feststellung getroffen wird, dass die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, nicht gehalten werden, und die Bestimmungseinheit 152 gibt Information aus, die anzeigt, dass die Bereiche nicht gehalten werden, und der Ablauf endet.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1, die durch den Ausdruck 3 dargestellt wird, signifikant klein, wenn sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe nur der Abtastelektrode 111 befindet oder wenn sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe nur der Ansteuerelektrode 112 befindet, und der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 steigt nur dann, wenn sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der Abtastelektrode 111 als auch der Ansteuerelektrode 112 befindet, d.h. nur, wenn die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, von dem Teil 81 des menschlichen Körpers 80 gehalten werden. Somit kann die Bestimmungseinheit 152 exakt feststellen, ob die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, gehalten werden oder nicht.
Da außerdem Komponenten der Streukapazität C_L1, deren numerischer Wert in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung oder dergleichen variiert, in der durch Ausdruck 3 dargestellten Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 nicht vorhanden sind, gibt es keine Abhängigkeit aufgrund einer Änderung in der Umgebung, wie z.B. einer Temperatur. Somit ist es nicht notwendig, den vorbestimmten ersten Schwellenwert Vth in Abhängigkeit von der Umgebung, wie z.B. einer Temperatur, zu ändern, und der Schwellenwert kann auf den vorbestimmten ersten Schwellenwert Vth festgelegt werden. Dementsprechend kann die Bestimmungseinheit 152 selbst dann, wenn eine Stromversorgung des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einem Zustand eingeschaltet wird, in dem vorbestimmte Bereiche der Sensoreinheit 110 gehalten werden, die Feststellung treffen, dass die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, gehalten werden, wenn der Wert der ermittelten Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 den vorbestimmten ersten Schwellenwert Th überschreitet.
Wie in 4 gezeigt, wird dann, wenn sich verschiedene menschliche Körper in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 bzw. der Ansteuerelektrode 112 in dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform befinden, von der Bestimmungseinrichtung 152 nicht die Feststellung getroffen, dass Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, gehalten werden. Insbesondere dann, wenn sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 befindet, und sich ein Teil 181 eines menschlichen Körpers 180, der von dem menschlichen Körper 80 verschieden ist, in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112 befindet, wird der menschliche Körper 80 nicht durch eine Änderung des Ansteuersignals beeinflusst. Daher besitzen der Detektionswert V_d1, wenn das Abtastsignal an der Ansteuerelektrode 112 anliegt, und der Detektionswert V_d2, wenn das Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode 112 anliegt, den gleichen Wert, und der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 ist signifikant klein. Dementsprechend stellt die Bestimmungseinheit 152 nicht fest, dass die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, nicht gehalten werden.
Da dies auf der Prämisse beruht, dass sich die Werte von C_F1, C_F2, C_FG und C_L1 zwischen einem Fall, in dem der Detektionswert V_d1 detektiert wird, und einem Fall, in dem der Detektionswert V_d2 detektiert wird, nicht ändern, ist es vorzuziehen, dass die Zeit von der Detektion des Detektionswerts V_d1 bis zur Detektion des Detektionswerts V_d2 so kurz wie möglich ist.
Der Nenner der detektierten Detektionswerte V_d1 und V_d2 beinhaltet die Kopplungskapazität C_FG zwischen dem menschlichen Körper und Masse, und wenn der Wert der Kopplungskapazität C_FG im Verhältnis zu den elektrostatischen Kapazitäten C_F1 und C_F2, die aufgrund des Haltens auftreten, überwältigend groß ist, gibt es Fälle, in denen der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 nicht ansteigt.
(Experimentelles Ergebnis)
Als nächstes wird ein Experiment unter Verwendung einer Testvorrichtung beschrieben, bei der die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 auf einer Oberfläche eines Substrats 190 angeordnet sind, wie dies in 5 gezeigt ist, und zwar in Bezug auf den Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform. Bei dieser Testvorrichtung wird jedoch davon ausgegangen, dass die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 durch Isolatoren bedeckt sind und dass der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 die Elektroden nicht direkt berührt.
Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111, jedoch befindet sich nichts in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112. In diesem Zustand steigen beide Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 an, jedoch sind die Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 im Allgemeinen gleich, und daher ist der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 ein Wert nahe 0.
In einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 befindet sich zwar nichts in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111, aber der andere Teil 82 des menschlichen Körpers 80 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112. Da sich in diesem Zustand nichts in der Nähe der Abtastelektrode 111 befindet, ändert sich keiner der Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2, und daher ist der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 im Allgemeinen 0.
In einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T5 und T6 befindet sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111, und der andere Teil 82 desselben menschlichen Körpers 80 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112. In diesem Zustand steigen zwar beide Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 an, aber der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 steigt stark an, da der Wert des Detektionswerts V_d2 größer ist als der Wert des Detektionswerts V_d1.
In einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T7 und T8 befindet sich zwar nichts in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111, doch ein Messingstab 182, der von dem menschlichen Körper 80 verschieden ist, befindet sich in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112. Da sich in diesem Zustand nichts in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 befindet, ändert sich keiner der Werte von den Detektionswerten V_d1 und V_d2, und daher erreicht der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 im Allgemeinen 0.
In einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T8 und T9 befindet sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111, und der Messingstab 182 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112. In diesem Zustand ist der Gegenstand, der sich in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112 befindet, kein anderes Teil oder dergleichen des menschlichen Körpers 80, und wenn der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbare Nähe der Abtastelektrode 111 kommt, steigen somit beide Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 an, doch der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 erreicht einen Wert, der nahe bei 0 liegt, da die Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 im Allgemeinen gleich sind.
In einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T0 und T1, in einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T2 und T3, in einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T4 und T5, in einem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T6 und T7 und nach dem Zeitpunkt T9 befindet sich nichts in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 und der Steuerelektrode 112. Da sich in diesem Zustand nichts in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 befindet, ändern sich beide Werte der Detektionswerte V_d1 und V_d2 nicht, so dass der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 0 ist.
Es hat sich bestätigt, dass, wie vorstehend beschrieben, in einem Zustand, in dem sich der Teil 81 des menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Abtastelektrode 111 befindet und sich der andere Teil 82 desselben menschlichen Körpers 80 in unmittelbarer Nähe der Ansteuerelektrode 112 befindet, wie in dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T5 und T6, der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 stark ansteigt. Obwohl der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 zu den Zeitpunkten T1, T2, T6, T8 und T9 augenblicklich ansteigt, ist es durch eine geeignete Vorgabe der Zeitdauer für die Detektion möglich, Komponenten zu eliminieren, bei denen der Wert der Subtraktionsdifferenz V_d2-V_d1 augenblicklich ansteigt.
(Erste Modifikation)
Als nächstes wird eine erste Modifikation des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform anhand von 7 beschrieben. Wie in 7 gezeigt, ist bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in dieser Modifikation eine Abschirmelektrode 113 zwischen der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 vorgesehen. Diese Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 legt das Abtastsignal (d. h. das erste Ansteuersignal) an die Abschirmelektrode 113 an. Dadurch kann die elektrostatische Kapazität C_SD zwischen der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 reduziert werden.
Daher ist es bevorzugt, dass diese Modifikation zum Beispiel in einem Fall angewendet wird, in dem der Wert der elektrostatischen Kapazität C_SD zwischen der Abtastelektrode 111 und der Ansteuerelektrode 112 nicht vernachlässigbar ist.
(Zweite Modifikation)
Als nächstes wird eine zweite Modifikation des Sensors zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform anhand von 8 beschrieben. Wie in 8 gezeigt, sind bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in dieser Modifikation eine Erzeugungseinheit 163 für ein erstes Ansteuersignal und eine Erzeugungseinheit 164 für ein zweites Ansteuersignal in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 vorgesehen und beide mit dem Schalter 162 verbunden. Die erste Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 163 erzeugt das erste Ansteuersignal. Die zweite Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 164 erzeugt das zweite Ansteuersignal. Der Schalter 162 kann das erste Ansteuersignal oder das zweite Ansteuersignal auswählen und das ausgewählte Ansteuersignal an die Ansteuerelektrode 112 anlegen. Das erste Ansteuersignal, das von der ersten Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 163 erzeugt wird, und das zweite Ansteuersignal, das von der zweiten Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 164 erzeugt wird, sind um 180° gegeneinander phasenverschoben und somit gegenphasig. Obwohl es ausreichend ist, dass das erste Ansteuersignal und das zweite Ansteuersignal zumindest phasenverschoben zueinander sind, erhöht eine Phasenverschiebung von 180° die Detektionsgenauigkeit und ist daher vorzuziehen.
Bei dieser Modifikation ist die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 nicht mit der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 verbunden. Jedoch kann es sich bei dem von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugten Abtastsignal und entweder dem ersten Ansteuersignal oder dem zweiten Ansteuersignal um das gleiche Signal handeln. In diesem Fall kann die erste Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 163 bei einer Konfiguration weggelassen werden, bei der die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 verbunden sind, wie dies in 2 gezeigt ist. In diesem Fall entspricht die zweite Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 164 der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161.
[Zweite Ausführungsform]
Bei einem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in einer zweiten Ausführungsform weist eine Sensoreinheit 210 eine erste Elektrode 211 und eine zweite Elektrode 212 auf, wie dies in 9 gezeigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform dient eine von der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 als Abtastelektrode, und die andere Elektrode dient als Ansteuerelektrode.
Eine Schaltungseinheit 220 weist die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130, die Detektionseinheit 140, die Halte-Bestimmungseinheit 150, die Ansteuersignal-Steuereinheit 160, die Steuereinheit 170, eine Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 usw. Außerdem weist die Halte-Bestimmungseinheit 150 den Speicher 151 und die Bestimmungseinheit 152 auf. Die Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 gibt entweder die erste Elektrode 211 oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode vor und gibt die andere Elektrode als Ansteuerelektrode vor. D.h., die Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 kann zwischen einem Fall, in dem die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 mit der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 parallel verbunden sind, und einem Fall, in dem die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 mit der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 über Kreuz verbunden sind, wählen.
In der Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 sind bei Ausführung der Parallelverbindung die erste Elektrode 211 und die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 miteinander verbunden, und die zweite Elektrode 212 und die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 160 sind miteinander verbunden, wie dies in 10 gezeigt ist. In diesem Fall dient die erste Elektrode 211 als Abtastelektrode, und die zweite Elektrode 212 dient als Ansteuerelektrode.
Ferner sind in der Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 bei Ausführung der Über-Kreuz-Verbindung die erste Elektrode 211 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 miteinander verbunden und die zweite Elektrode 212 und die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 miteinander verbunden, wie dies in 11 dargestellt ist. In diesem Fall dient die erste Elektrode 211 als Ansteuerelektrode und die zweite Elektrode 212 dient als Abtastelektrode.
Da bei der vorliegenden Ausführungsform die Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 zwischen der Abtastelektrode und der Ansteuerelektrode an der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 wechselt, kann der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform die Genauigkeit der Feststellung verbessern, die die Bestimmungseinheit 152 vornimmt, um festzustellen, ob die Bereiche, in denen die Abtastelektrode 111 und die Ansteuerelektrode 112 in der Sensoreinheit 110 vorgesehen sind, gehalten werden oder nicht.
Wie bei der ersten Ausführungsform stellt die Bestimmungseinheit 152 fest, ob sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet oder nicht, und zwar auf der Basis einer Subtraktionsdifferenz zwischen einem ersten Detektionswert, der von der Detektionseinheit 140 in einem Zustand detektiert wird, in dem ein erstes Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode anliegt, und einem zweiten Detektionswert, der von der Detektionseinheit 140 in einem Zustand detektiert wird, in dem ein zweites Ansteuersignal, das die gleiche Frequenz wie das erste Ansteuersignal hat und sich in der Phase vom ersten Ansteuersignal unterscheidet, an der Ansteuerelektrode anliegt. Obwohl ein spezielles Verfahren später beschrieben wird, wird in dem vorliegenden Fall angenommen, dass das erste Ansteuersignal das gleiche Signal ist wie das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal. Ebenso wird davon ausgegangen, dass das zweite Ansteuersignal das gleiche Signal ist wie das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugte Ansteuersignal.
Wenn eine Differenz zwischen einem Wert der Subtraktionsdifferenz, die in einem Zustand erhalten wird, in dem die erste Elektrode 211 als die Abtastelektrode vorgegeben ist und die zweite Elektrode 212 als die Ansteuerelektrode vorgegeben ist, und einem Wert der Subtraktionsdifferenz, die in einem Zustand erhalten wird, in dem die zweite Elektrode 212 als die Abtastelektrode vorgegeben ist und die erste Elektrode 211 als die Ansteuerelektrode vorgegeben ist, geringer als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, trifft die Bestimmungseinheit 152 außerdem die Feststellung, dass sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode 211 als auch der zweiten Elektrode 212 befindet.
(Detektionsverfahren)
Als nächstes wird anhand von 12 ein Detektionsverfahren beschrieben, bei dem der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um festzustellen, ob die Sensoreinheit 210 von einer menschlichen Hand oder dergleichen gehalten wird oder nicht. Das Abtastsignal und das Ansteuersignal sind gegenphasige Signale, die um 180° gegeneinander phasenverschoben sind.
In einem Schritt 202 (S202) führt die Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 als erstes die Parallelschaltung aus, d.h. sie verbindet die erste Elektrode 211 und die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 miteinander und verbindet die zweite Elektrode 212 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 miteinander, wie dies in 10 gezeigt ist. Folglich dient die erste Elektrode 211 als Abtastelektrode und die zweite Elektrode 212 dient als Ansteuerelektrode.
In einem Schritt 204 (S204) wird in einem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 anliegt, die als die Erfassungselektrode dient, von der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 das Abtastsignal auch an die zweite Elektrode 212 angelegt, die als Ansteuerelektrode dient. Im Spezielleren verbindet in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 anliegt, der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die zweite Elektrode 212, um dadurch das Abtastsignal an die zweite Elektrode 212 anzulegen.
In einem Schritt 206 (S206) detektiert die Detektionseinheit 140 in dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 anliegt, dann als einen Detektionswert Vs1d1 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der ersten Elektrode 211 entspricht, bei der es sich um die Abtastelektrode handelt, und sie speichert den Detektionswert Vs1d1 in dem Speicher 151.
In einem Schritt 208 (S208), in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 anliegt, die als die Abtastelektrode dient, legt die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 dann das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugte Ansteuersignal an die zweite Elektrode 212 an, die als Ansteuerelektrode dient. D.h., in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 anliegt, verbindet der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 und die zweite Elektrode 212, um dadurch das Ansteuersignal an die zweite Elektrode 212 anzulegen.
In einem Schritt 210 (S210) detektiert die Detektionseinheit 140 in dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 anliegt und das Ansteuersignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt, als einen Detektionswert Vs1d2 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der ersten Elektrode 211 entspricht, bei der es sich um die Abtastelektrode handelt, und speichert den Detektionswert Vs1d2 in dem Speicher 151.
In einem Schritt 212 (S212) berechnet die Bestimmungseinheit 152 als nächstes eine Subtraktionsdifferenz D1 = Vs1d2-Vs1d1 unter Verwendung der in dem Speicher 151 gespeicherten Detektionswerte Vs1d1 und Vs1d2.
In einem Schritt 214 (S214) führt die Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit 230 dann die Verbindung über Kreuz aus, d.h. sie verbindet die erste Elektrode 211 und die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 und verbindet die zweite Elektrode 212 und die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130, wie dies in 11 gezeigt ist. Als Folge hiervon dient die erste Elektrode 211 als Ansteuerelektrode und die zweite Elektrode 212 dient als Abtastelektrode.
In einem Schritt 216 (S216), in einem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt, die als die Abtastelektrode dient, legt die Ansteuersignal-Steuereinheit 160 dann das Abtastsignal an die erste Elektrode 211 an, die als die Ansteuerelektrode dient. In dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt, verbindet der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 dann die Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 und die erste Elektrode 211, um dadurch das Abtastsignal an die erste Elektrode 211 anzulegen.
In dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 anliegt, detektiert die Detektionseinheit 140 als nächstes in einem Schritt 218 (S218) als einen Detektionswert Vs2d1 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der zweiten Elektrode 212 entspricht, bei der es sich um die Abtastelektrode handelt, und speichert den Detektionswert Vs2d1 in dem Speicher 151.
Als nächstes wird in einem Schritt 220 (S220), in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt, die als die Erfassungselektrode dient, von der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 das von der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 erzeugte Ansteuersignal an die erste Elektrode 211 angelegt, die als die Ansteuerelektrode dient. D.h., in dem Zustand, in dem das von der Abtastsignal-Erzeugungseinheit 130 erzeugte Abtastsignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt, verbindet der Schalter 162 in der Ansteuersignal-Steuereinheit 160 die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 161 und die erste Elektrode 211, um das Ansteuersignal an die erste Elektrode 211 anzulegen.
Als nächstes detektiert die Detektionseinheit 140 in einem Schritt 222 (S222), in dem Zustand, in dem das Abtastsignal an der zweiten Elektrode 212 anliegt und das Ansteuersignal an der ersten Elektrode 211 anliegt, als einen Detektionswert Vs2d2 den Betrag der Ladungsbewegung, der einer elektrostatischen Kapazität der zweiten Elektrode 212 entspricht, bei der es sich um die Abtastelektrode handelt, und speichert den Detektionswert Vs2d2 in dem Speicher 151.
Als nächstes berechnet die Bestimmungseinheit 152 in einem Schritt 224 (S224) eine Subtraktionsdifferenz D2 = Vs2d2-Vs2d1 unter Verwendung der in dem Speicher 151 gespeicherten Detektionswerte Vs2d1 und Vs2d2.
Als nächstes entscheidet die Bestimmungseinheit 152 in einem Schritt 226 (S226), ob der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 größer als ein vorbestimmter erster Schwellenwert Th1 ist oder nicht. Wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert Th1 ist, fährt der Ablauf mit einem Schritt 228 fort, und wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert Th1 ist, fährt der Ablauf mit einem Schritt 232 fort.
Als nächstes entscheidet die Bestimmungseinheit 152 in dem Schritt 228 (S228), ob der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert Th1 ist oder nicht. Wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert Th1 ist, fährt der Ablauf mit einem Schritt 230 fort, und wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert Th1 ist, fährt der Ablauf mit dem Schritt 232 fort.
In dem Schritt 230 (S230) entscheidet die Bestimmungseinheit 152 dann, ob der Wert von D2-D1 kleiner als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Th2 ist oder nicht. Wenn der Wert von D2-D1 kleiner als oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Th2 ist, fährt der Ablauf mit einem Schritt 234 fort, und wenn der Wert von D2-D1 größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert Th2 ist, fährt der Ablauf mit dem Schritt 232 fort.
In dem Schritt 232 (S232) trifft die Bestimmungseinheit 152 die Feststellung, dass die Bereiche, in denen die erste Elektrode 211 und die zweite Elektrode 212 in der Sensoreinheit 210 vorgesehen sind, nicht gehalten werden, gibt Information aus, die anzeigt, dass die Bereiche nicht gehalten werden, und der Ablauf endet. In dem Schritt 234 (S234) stellt die Bestimmungseinheit 152 fest, dass sich das Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode 211 als auch der zweiten Elektrode 212 befindet. D.h., die Bestimmungseinheit 152 trifft die Feststellung, dass die Bereiche, in denen die erste Elektrode 211 und die zweite Elektrode 212 in der Sensoreinheit 210 vorgesehen sind, gehalten werden, und gibt Information aus, die anzeigt, dass die Bereiche gehalten werden, und der Ablauf endet.
Der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der vorliegenden Ausführungsform kann eine falsche Detektion aufgrund von Rauscheinflüssen usw. unterdrücken, indem er zwischen der Abtastelektrode und der Ansteuerelektrode an der ersten Elektrode 211 und der zweiten Elektrode 212 wechselt. Der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 und der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 sind Werte, die proportional zu dem Wert der rechten Seite von Ausdruck 3 sind und im Wesentlichen die gleichen Werte sind, selbst wenn die Abtastelektrode und die Ansteuerelektrode ausgetauscht werden. Obwohl die Möglichkeit besteht, dass der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 oder der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 aufgrund von Rauscheinflüssen usw. augenblicklich einen großen Wert annimmt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sowohl der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 als auch der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 hohe Werte annehmen, sehr gering, und die Werte werden im Allgemeinen gleich. Dementsprechend wird, wenn der Wert der Subtraktionsdifferenz D1 oder der Wert der Subtraktionsdifferenz D2 aufgrund von Einflüssen von Rauschen usw. sofort einen hohen Wert annimmt, der Wert von D2-D1 größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert Th2. Somit trifft die die Bestimmungseinheit 152, ohne durch Einflüsse von Rauschen usw. irregeführt zu werden, die Feststellung, dass die Bereiche, in denen die erste Elektrode 211 und die zweite Elektrode 212 in der Sensoreinheit 210 vorgesehen sind, nicht gehalten werden, wodurch es möglich wird, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
Andere als die vorstehend beschriebenen Inhalte sind analog zu denen der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um ein Lenkrad, einen Türgriff, ein Smartphone oder dergleichen, bei dem der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform verwendet wird. Eine erste Elektrode 311 ist in der vorliegenden Ausführungsform an einer nahen Seite eines Lenkrads 301 angebracht, und eine zweite Elektrode 312 ist an einer abgelegenen Seite desselben angebracht, wie dies in 13 gezeigt ist, und wenn das Lenkrad 301 gehalten wird, wird beispielsweise erkannt, dass sich ein Daumen 381 eines menschlichen Körpers in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode 311 befindet und sich ein Zeigefinger 382 desselben sich in unmittelbarer Nähe der zweiten Elektrode 312 befindet. Auf diese Weise ist eine genaue Feststellung hinsichtlich eines Haltens des Lenkrads 301 möglich.
Bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der ersten Ausführungsform entspricht entweder die erste Elektrode 311 oder die zweite Elektrode 312 der Abtastelektrode 111, und die andere Elektrode entspricht der Ansteuerelektrode 112. Bei dem Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität in der zweiten Ausführungsform entspricht die erste Elektrode 311 der ersten Elektrode 211 und die zweite Elektrode 312 entspricht der zweiten Elektrode 212.
Außerdem ist die erste Elektrode 311 in der vorliegenden Ausführungsform an einer nahen Seite eines Türgriffs 302 angebracht, und die zweite Elektrode 312 ist an einer abgelegenen Seite desselben angebracht, wie dies in 14 gezeigt ist, und wenn der Türgriff 302 gehalten wird, wird beispielsweise erkannt, dass sich ein Daumen 381 eines menschlichen Körpers in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode 311 befindet, und ein anderer Finger als der Daumen 381, wie z.B. ein Zeigefinger 382 oder ein Mittelfinger 383, sich in unmittelbarer Nähe der zweiten Elektrode 312 befindet. Auf diese Weise ist es möglich, eine exakte Feststellung hinsichtlich eines Haltens des Türgriffs 302 vorzunehmen.
Weiterhin sind Elektroden 321, 322, 323 und 324 in der vorliegenden Ausführungsform in der Nähe einer Seitenfläche auf der linken Seite des Smartphones 303 angebracht, und Elektroden 325, 326, 327 und 328 sind an einer Seitenfläche auf der rechten Seite des Smartphones angebracht. Die Abtastelektrode und die Ansteuerelektrode werden aus den Elektroden 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327 und 328 ausgewählt, um zu erfassen, dass sich ein beliebiger von einem Daumen 381, einem Zeigefinger 382, einem Mittelfinger 383, einem Ringfinger 384 und einem kleinen Finger 385 eines menschlichen Körpers in unmittelbarer Nähe zu den beiden ausgewählten Elektroden befinden. Dies ermöglicht eine exakte Feststellung hinsichtlich eines Haltens des Smartphones 303.
Obwohl Ausführungsformen vorstehend im Detail beschrieben worden sind, ist die Offenbarung nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des in den Ansprüchen angegebenen Umfangs vorgenommen werden.
Die vorliegende internationale Anmeldung beansprucht die Vorteile der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-095930 , die am 22. Mai 2019 eingereicht wurde und deren Gesamtheit durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
Bezugszeichenliste

80: menschlicher Körper
81: Teil
82: anderes Teil
110: Sensoreinheit
111: Abtastelektrode
112: Ansteuerelektrode
120: Schaltungseinheit
130: Abtastsignal-Erzeugungseinheit
140: Detektionseinheit
150: Halte-Bestimmungseinheit
151: Speicher
152: Bestimmungseinheit
160: Ansteuersignal-Steuereinheit
161: Ansteuersignal-Erzeugungseinheit
162: Schalter
170: Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 6177026 [0002]
JP 2015232542 [0002]
JP 2019095930 [0075]

Claims

Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität auf der Basis eines Eigenkapazitätssystems, wobei der Sensor aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine Abtastsignal-Erzeugungseinheit, die ein Abtastsignal erzeugt, das an eine Abtastelektrode anzulegen ist, wobei entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode vorgegeben ist; und eine Detektionseinheit, die als einen Detektionswert einen Betrag einer Ladungsbewegung detektiert, der einer elektrostatischen Kapazität der Abtastelektrode entspricht, wenn die Abtastsignal-Erzeugungseinheit das Abtastsignal an die Abtastelektrode anlegt, wobei die andere von der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode als Ansteuerelektrode vorgegeben ist; und wobei der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität eine Bestimmungseinheit aufweist, die die Feststellung, ob sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet oder nicht, auf der Basis einer Subtraktionsdifferenz trifft zwischen einem ersten Detektionswert, der von der Detektionseinheit in einem Zustand detektiert wird, in dem ein erstes Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode anliegt, und einem zweiten Detektionswert, der von der Detektionseinheit in einem Zustand detektiert wird, in dem ein zweites Ansteuersignal mit der gleichen Frequenz wie das erste Ansteuersignal und einer von dem ersten Ansteuersignal verschiedenen Phase an der Ansteuerelektrode anliegt.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten Ansteuersignal um das gleiche Signal wie das Abtastsignal handelt; wobei das zweite Ansteuersignal ein Ansteuersignal ist; wobei der Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität eine Ansteuersignal-Steuereinheit aufweist, die das Abtastsignal oder das Ansteuersignal auswählt und das ausgewählte Signal an die Ansteuerelektrode anlegt; und wobei die Ansteuersignal-Steuereinheit aufweist: - eine Ansteuersignal-Erzeugungseinheit, die das Ansteuersignal erzeugt, und - eine Wähleinheit, die mit der Abtastsignal-Erzeugungseinheit und der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit verbunden ist, um das Abtastsignal oder das Ansteuersignal auszuwählen.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach Anspruch 1, aufweisend: eine Ansteuersignal-Steuereinheit, die das erste Ansteuersignal oder das zweite Ansteuersignal auswählt und das ausgewählte Ansteuersignal an die Ansteuerelektrode anlegt, wobei die Ansteuersignal-Steuereinheit aufweist: - eine erste Ansteuersignal-Erzeugungseinheit, die das erste Ansteuersignal erzeugt, - eine zweite Ansteuersignal-Erzeugungseinheit, die das zweite Ansteuersignal erzeugt, und - eine Wähleinheit, die das erste Ansteuersignal oder das zweite Ansteuersignal auswählt.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dann, wenn ein Wert der Subtraktionsdifferenz einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet, die Bestimmungseinheit die Feststellung trifft, dass sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend: eine Abschirmelektrode, die zwischen der Abtastelektrode und der Ansteuerelektrode angeordnet ist und an die das Abtastsignal angelegt wird.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Ansteuersignal und das zweite Ansteuersignal um 180° gegeneinander phasenverschoben sind.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Abstand zwischen der Abtastelektrode und der Ansteuerelektrode geringer als oder gleich 1 m ist.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abtastelektrode und die Ansteuerelektrode an einem Lenkrad angebracht sind, und wobei eine von der Abtastelektrode und der Ansteuerelektrode auf einer nahen Seite des Lenkrads angebracht ist und die andere Elektrode auf einer abgelegenen Seite des Lenkrads angebracht ist.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Ansteuer-/Abtast-Wähleinheit, die entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode als Abtastelektrode vorgibt und die andere Elektrode als Ansteuerelektrode vorgibt, wobei dann, wenn eine Differenz zwischen einem Wert der Subtraktionsdifferenz, die in einem Zustand erhalten wird, in dem die erste Elektrode als die Abtastelektrode vorgegeben ist und die zweite Elektrode als die Ansteuerelektrode vorgegeben ist, und einem Wert der Subtraktionsdifferenz, die in einem Zustand erhalten wird, in dem die zweite Elektrode als die Abtastelektrode vorgegeben ist und die erste Elektrode als die Ansteuerelektrode vorgegeben ist, kleiner als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, die Bestimmungseinheit die Feststellung trifft, dass sich ein Detektionsziel in unmittelbarer Nähe sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode befindet.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Mehrzahl von Ansteuerelektroden vorhanden ist.
Sensor zur Detektion elektrostatischer Kapazität nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei drei oder mehr Elektroden, einschließlich der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, vorgesehen sind, und wobei die Abtastelektrode und die Ansteuerelektrode aus den drei oder mehr Elektroden ausgewählt werden.