JP2001159684A

JP2001159684A - 静電容量センサ回路

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Publication number: JP2001159684A
Application number: JP37610599A
Authority: JP
Inventors: Ryochi Kato; 良智加藤; Hideto Kato; 秀人加藤; Masayuki Shinohara; 正幸篠原; Takeshi Sezuka; 武士瀬塚
Original assignee: KS TECHNO KK
Current assignee: KS TECHNO KK
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2001-06-12
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: JP4249357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】環境変化による検出電極基礎容量と基準電極基
礎容量バランスが損なわれても誤動作等が発生せず、ま
た、検出電極等の周囲のノイズの影響をほとんど排除で
きる静電容量センサ回路を提供すること。【解決手段】一の検出電極と他の検出電極との夫々の静
電容量に対応する所定時間の間に取得されるデータに基
づいて決定される検出データを生成する検出データ生成
手段と、該一の検出電極と他の検出電極との夫々の静電
容量に対応する該所定時間よりも長時間の間に取得され
るデータに基づいて決定される基準値を生成する基準値
生成手段とを有し、該基準値に基づいて算出される閾値
を該検出データが越えた場合に検出信号の出力等により
検出状態を告知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量センサ回
路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、２の検出電極の静電容量差を検出
する静電容量センサ回路が日本国実用新案出願公告公報
第６３−３６２４６号に開示されている。この回路は、
パルス信号発生回路と、可変抵抗と、第１可変遅延回路
と、第２可変遅延回路と、位相弁別手段とを備え、検出
電極は、第１可変遅延回路へ、また、基準電極は、第２
可変遅延回路へ接続されている。

【０００３】パルス信号発生回路から出力されたパルス
信号は、可変抵抗を介して第１可変遅延回路と、第２可
変遅延回路へ分枝される。両可変遅延回路は、検出領域
に被検出物が存在する場合の検出電極とアース間の静電
容量（以下、「検出電極静電容量」とする。）、基準電
極とアース間の静電容量（以下、「基準電極静電容量」
とする。）の大きさに応じ、入力されたパルス信号を遅
延させ、比較手段である位相弁別手段へ各パルス信号を
出力する。

【０００４】位相弁別手段は、入力された各パルス信号
の位相を比較し、その位相のずれが、所定閾値以上であ
る場合には、検出信号を出力する。尚、検出領域内に検
出物が存在しない場合の検出電極とアース間の静電容量
（以下、「検出電極基礎容量」とする。）と基準電極と
アース間の静電容量（以下、「基準電極基礎容量」とす
る。）との相違は、可変抵抗を手動で調整していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の静電容量センサ
回路は、電極周囲の環境、即ち、温度や湿度、あるい
は、ノイズ等の影響により検出電極基礎容量、または、
基準電極基礎容量の何れかが変動した場合、その両基礎
容量の相違による遅延パルス信号の位相差が所定の閾値
以上であれば、検出領域内に被検出物が存在しない場合
でも検出信号を出力する。即ち、誤動作する。

【０００６】上記の検出電極基礎容量と基準電極基礎容
量の相違による上記の誤動作を防止するためは、上記の
閾値を大きく設定すれば回避できる。しかし、閾値を大
きく設定すると、所定の電荷量を有する被検出物を検出
する場合、その被検出物が、検出電極により接近あるい
は接触しなければ検出することができなくなる。即ち、
検出感度を低下させなければならないという問題点があ
った。

【０００７】また、上記の静電容量センサ回路は、検出
電極の領域内に物体が接近し、閾値を超えた状態で静止
してしまうと、検出電極の電荷量は増大した状態のまま
であるため、他の物体が新たに検出領域内に侵入しても
検出することができないという問題点があった。

【０００８】本発明は、上記の静電容量センサ回路の問
題点を解決し、環境変化による検出電極基礎容量と基準
電極基礎容量バランスが損なわれても誤動作等が発生せ
ず、また、検出電極等の周囲のノイズ等の影響をほとん
ど排除できる静電容量センサ回路を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明に
係る静電容量センサ回路は、一の検出電極と他の検出電
極との夫々の静電容量に対応する所定時間の間に取得さ
れるデータに基づいて決定される検出データを生成する
検出データ生成手段と、該一の検出電極と他の検出電極
との夫々の静電容量に対応する該所定時間よりも長時間
の間に取得されるデータに基づいて決定される基準値を
生成する基準値生成手段とを有し、該基準値に基づいて
算出される閾値を該検出データが越えた場合に検出信号
の出力等により検出状態を告知するというものである。

【００１０】本発明は、検出データ及び基準値の両者が
変動することを前提に構成されている。即ち、検出デー
タと基準値を決定するに際して、検出電極の静電容量に
対応して取得されるデータの取得時間に差を設けること
により、基準値を検出データに対して変動の比較的小さ
なものとし、検出データの変化により検出状態を告知す
ることができる。

【００１１】このように、検出データは、被検出物が検
出領域内に侵入又は離脱を検出する比較的短時間の静電
容量の変化を検出するために用いられ、一方、基準値
は、検出電極周囲の環境の比較的長時間における静電容
量の変化、即ち、環境追随のために用いられる。

【００１２】本発明に係る静電容量センサ回路の他の技
術的特徴は、請求項２乃至請求項２５に記載されてお
り、詳しくは、後述する実施の形態に説明されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１を参照しつつ本発明に係る実
施の形態の静電容量センサ回路を説明する。本回路は、
入力端子１、２から順に、高周波除去トランス５、サー
ジ吸収ダイオード１１、電源周波数ノイズ除去用のフィ
ルター回路１２と、比較回路２０と、波形整形回路４０
と、フリップフロップ回路５０と、ＣＰＵ１００を一連
に接続して成り、さらに、波形整形回路４０には遅延回
路３０が、また、比較回路２０にはＤ／Ａ変換回路６０
が接続されている。

【００１４】さらに、本回路は、安定化電源回路１１
０、リセット回路１２０、テスト出力端子１３０、感度
設定用ディプスイッチ１４０、応答時間設定ディプスイ
ッチ１５０、検出信号出力部１６０、ＣＰＵクロック１
７０を備えている。尚、このリセット回路１２０は、電
源投入後にＣＰＵ１００への供給電圧が所定の作動可能
電圧になるまで、ＣＰＵ１００の動作を停止しリセット
状態を保持するものである。

【００１５】入力端子１には、第１検出電極６が接続さ
れており、この第１検出電極は、アース電極８と対向し
て配設されている。また、入力端子２には、第２検出電
極７が接続されており、アース電極９と対向して配設さ
れている。本実施の形態においては、この第１検出電極
６とアース電極８間の基礎静電容量と、第２検出電極７
とアース電極９との基礎静電容量は同一に調整されてい
るが、必ずしも同一である必要はない。

【００１６】１／２ＤＵＴＹの２ＫＨｚのパルス信号Ｐ
１を供給するＣＰＵ１００のポート６０は、電流増幅を
行うバッファ回路１０を経由し分枝され、夫々、増幅抵
抗３、４を介し、サージ吸収ダイオード１１の直前に接
続される。尚、パルス信号Ｐ１の周波数は、上記周波数
に限定されるものではない。

【００１７】増幅抵抗３と、第１検出電極６及びアース
電極８との間で形成されるコンデンサとにより構成され
た積分回路により、パルス信号Ｐ１は、第１積分波形信
号Ｐ２に変換される。この立ち上がり縁の傾斜は、増幅
抵抗３と、第１検出電極６及びアース電極８との間で形
成されるコンデンサとの時定数により決定される。ま
た、増幅抵抗４と第２検出電極７及びアース電極９との
間で形成されるコンデンサとにより構成された積分回路
により、パルス信号Ｐ１は、第２積分波形信号Ｐ３に変
換される。

【００１８】この第１及び第２積分波形信号Ｐ２、Ｐ３
は、ハイパスフィルターであるフィルター回路１２にお
いて、約１．５ＫＨｚ以下の低周波が除去される。この
ため、電源周波数である５０乃至６０Ｈｚのノイズが略
完全に除去される。尚、このフィルター回路は必ずしも
必要ではなく、また、他の回路又は素子等により代替可
能である。

【００１９】比較回路２０は、第１積分波形信号Ｐ２を
遅延させた第１遅延パルス信号Ｐ４を形成する第１コン
パレータ２２と、第２積分波形信号Ｐ３を遅延させた第
２遅延パルス信号Ｐ５を形成する第２コンパレータ２３
を備えている。この第１コンパレータ２２のプラス極２
２１には、第１積分波形信号Ｐ２が入力され、マイナス
極２２２には、抵抗２４により２．２５Ｖに固定された
直流電圧が供給されている。尚、コンデンサ２５、２７
は平滑用のデカップリングコンデンサであり、抵抗２６
は分圧用の抵抗である。

【００２０】一方、第２コンパレータ２３のプラス極２
３１には、第２積分波形信号Ｐ３が入力され、マイナス
極２３２には、後述するＤ／Ａ変換回路６０からの可変
制御された直流電圧が供給される。尚、両コンパレータ
２２、２３は、オープンコレクタであるため、各出力端
子２２３、２３３には、プルアップ抵抗２８、２９を介
して、直流電圧が供給されている。

【００２１】波形整形回路４０は、第１ノット回路４１
と、第２ノット回路４２と、第３ノット回路４３とを備
えている。この第１ノット回路４１は、第１遅延パルス
信号Ｐ４を位相反転すると共に、クロック信号Ｐ６へ波
形整形し、また、第２ノット回路３２は、第２遅延パル
ス信号Ｐ５を位相反転すると共に、第１データ信号Ｐ７
へ波形整形する。

【００２２】第３ノット回路４３は、第２コンパレータ
２３の出力端子２３３の直後に分枝された第２遅延パル
ス信号Ｐ５を、遅延回路３０により遅延し、さらに位相
反転し、第２データ信号Ｐ８へ波形整形する。

【００２３】フリップフロップ回路５０は、遅延型のフ
リップフロップ回路である第１フリップフロップ回路５
１及び第２フリップフロップ回路５２を備えている。第
１フリップフロップ回路のデータ入力端子５１１には、
第１データ信号Ｐ７を、また、クロック入力端子５１２
には、クロック信号Ｐ６を入力する。第１フリップフロ
ップ回路５１は、クロック信号Ｐ６の立ち上がり縁のタ
イミングにおける第１データ信号Ｐ７の信号レベルを反
転した上、出力端子５１３から第１ＦＦ出力信号Ｐ９を
ＣＰＵ１００のポート１１へ出力する。

【００２４】第２フリップフロップ回路５２データ入力
端子５２１には、第２データ信号Ｐ８を、また、クロッ
ク入力端子５２２には、クロック信号Ｐ６を入力する。
第２フリップフロップ回路５２は、クロック信号Ｐ６の
立ち上がり縁のタイミングにおける第２データ信号Ｐ８
の信号レベルを反転せずに出力端子５２３から第２ＦＦ
出力信号としてＣＰＵ１００のポート１０へ出力する。

【００２５】Ｄ／Ａ変換回路６０は、梯子型Ｄ／Ａ変換
回路であり、ＣＰＵ１００のポート２０乃至２３、３０
乃至３３、６１乃至６３、７０乃至７３に接続した抵抗
６１乃至７５及びこれら抵抗と直列に接続された抵抗７
６乃至８９から構成され、これらポートからの１５ビッ
トデジタル２進データ信号を直流電圧に変換する。そし
て、第２コンパレータ２３のマイナス極２３２に、１．
６９乃至２．７２Ｖまでの直流電圧を３２，７６７段階
に可変制御し供給する。尚、本実施の形態においては、
１５ビットデジタル２進データを用いたが、本発明に係
る回路は、当該ビット数に限定されるものではない。

【００２６】次に、図２及び図３に示すタイミングチャ
ートにより、本実施の形態の回路の動作を説明する。最
初に、本回路の電源をＯＮにした直後の状態であるイニ
シャルモードＳ１を図２を参照しつつ説明する。

【００２７】本回路の電源をＯＮにすると、リセット回
路１２０の作動の後、ＣＰＵ１００のポート６０から出
力されたパルス信号Ｐ１は、分枝された上、上記各積分
回路により、第１積分波形信号Ｐ２及び第２積分波形信
号Ｐ３に変換される。

【００２８】第１積分波形信号Ｐ２は、第１コンパレー
タ２２に供給されている２．２５Ｖの直流電圧の閾値を
越えたタイミングｔ１に立ち下がり縁を有する第１遅延
パルス信号Ｐ４に変換される。一方、第２積分波形信号
Ｐ３は、第２コンパレータ２３に供給されている可変直
流電圧の閾値を越えたタイミングｔ２に立ち下がり縁を
有する第２遅延パルス信号Ｐ５に変換される。

【００２９】図２に示すタイミングチャートにおいて、
第２コンパレータ２３のマイナス極２３２に供給されて
いる可変直流電圧は、最低値の１．６９Ｖであるため、
第１遅延パルス信号Ｐ４のタイミングｔ１は、第２遅延
パルス信号Ｐ５のタイミングｔ２よりも進んでいる。

【００３０】第１遅延パルス信号Ｐ４は、第１ノット回
路４１に入力され、クロック信号Ｐ６として出力され、
第１フリップフロップ回路５１及び第２フリップフロッ
プ回路５２の各クロック入力端子５１２、５２２に供給
される。

【００３１】分枝された第２遅延パルス信号Ｐ５は、第
２ノット回路４２に入力され、第１データ信号として第
１フリップフロップ回路５１へ入力される。また、分枝
された他の第２遅延パルス信号Ｐ５は、遅延回路３０に
より、所定時間遅延された上、第３ノット回路４３に入
力され、第２データ信号Ｐ８として第２フリップフロッ
プ回路５２へ入力される。従って、この第２データ信号
Ｐ８の立ち上がり縁のタイミングｔ３は、タイミングｔ
２よりもさらに遅延する。

【００３２】クロック信号Ｐ６の立ち上がり縁のタイミ
ングｔ１において、第１データ信号Ｐ７は、ＬＯＷレベ
ルであるため、反転出力される第１ＦＦ出力信号Ｐ９
は、ＨＩＧＨレベル信号になる。一方、第２データ信号
Ｐ８は、ＬＯＷレベルであるため、そのまま出力される
第２ＦＦ出力信号Ｐ１０は、ＬＯＷレベル信号になる。

【００３３】ここで、ＣＰＵ１００は、第１ＦＦ出力信
号が、ＬＯＷレベルになるまで、第２コンパレータ２３
のマイナス極２３２に供給されている可変直流電圧を
１．６９Ｖから２．７２Ｖの範囲で変化させて行く。

【００３４】特定の電圧値において、第１ＦＦ出力信号
がＨＩＧＨレベルからＬＯＷレベルへ変化した場合、こ
の特定の電圧値における１５ビットデジタル２進コード
信号を第１データとして、ＰＯＲＴ１１を介してＣＰＵ
１００へ入力し、該ＣＰＵ内部のメモリに記憶する。

【００３５】さらに、ＣＰＵ１００は、図３に示すよう
に、第２ＦＦ出力信号がＬＯＷレベルからＨＩＧＨレベ
ルへ変化するまで、第２コンパレータ２３のマイナス極
２３２に供給されている可変直流電圧を変化させる。図
３において、この電圧は、仮に２．５Ｖとして表示され
ている。そして、２．５Ｖの電圧における１５ビットデ
ジタル２進コード信号を第２データとして、ＰＯＲＴ１
０を介してＣＰＵ１００へ入力し、該ＣＰＵの内部のメ
モリに記憶する。

【００３６】上記のように、第２コンパレータ２３のマ
イナス極２３２に供給されている可変直流電圧は、最低
値の１．６９Ｖから最高値の２．７２Ｖの間で３２，７
６７段階に制御されている。しかし、この最低値から最
高値まで、１５ビットデジタル２進コード信号を＋１づ
つ加算して可変直流電圧を上昇させてゆくと、走査に必
要な時間が長くなる。このため、本実施の形態において
は、ある程度のビット間隔を隔てたコード信号を、高い
電圧値、低い電圧、やや高い電圧値、やや低い電圧値と
いう順で出力してゆくことで走査時間の短縮を達成して
いる。従って、最長でも、１５回のコード信号の出力を
行えば、走査が完了する。

【００３７】上記走査は１秒間に６６回行われ、ＰＯＲ
Ｔ１１へ入力された２５６回分の第１データ信号を平均
化し、第１平均データを得る。尚、この走査回数や平均
化回数は、他の回数を選択することができる。また、Ｐ
ＯＲＴ１０へ入力された２５６回分のデータ信号を平均
化し、第２平均データを得る。従って、第１及び第２平
均データの各１データ単位を取得するためには、約４秒
間必要となる。

【００３８】尚、第１データ信号を取得するための上記
走査は、検出回路がＯＮの状態の間継続して行われる。
一方、第２データ信号を取得するための上記走査は、後
述するイニシャライズ段階でのみ実行されれば足り、必
ずしも、検出回路がＯＮの状態の間継続して行われる必
要はない。

【００３９】上記第２平均データは、後述する検知幅を
決定するための検知幅データを生成するために用いられ
る。本実施の形態においては、遅延回路３０のコンデン
サ３２の容量値と抵抗３１の抵抗値との時定数によっ
て、検出信号を出力する検出感度が設定されている。例
えば、最高感度は、第１検出電極６とアース電極８の間
の基礎容量と、第２検出電極７とアース電極９の間の基
礎容量が、夫々、２０，０００ｐＦである場合であっ
て、何れかの基礎容量に４ｐＦ以上の増減があると検出
信号を出力する検出感度に設定されている。

【００４０】この検出感度は、感度設定用ディプスイッ
チ１４０により、数段階に設定することが可能であり、
例えば、第１検出電極６とアース電極８の間の基礎容量
と、第２検出電極７とアース電極９の間の基礎容量が、
夫々、４０，０００ｐＦである場合であって、何れかの
基礎容量に８ｐＦ以上の増減があると検出信号を出力す
る検出感度に変更することも可能である。

【００４１】図４は、平均的な都市環境において、ＣＰ
Ｕ１００に入力された上記第１平均データの分布を示し
ている。この図４のＸ軸は、０乃至３２，７６７のデー
タ値を示し、また、そのＹ軸は、時間軸となっている。
第１平均データの分布は、環境中の様々なノイズの影響
を受けるため、図４に示すように分散しており、このま
までは、第１検出電極６とアース電極８の間の静電容量
と、第２検出電極７とアース電極９の間の静電容量との
相対的な変化を知ることが困難である。

【００４２】このため、ＣＰＵ１００では、ＣＰＵ１０
０に予め記憶されているソフトウェアとしてのフィルタ
を用い、当該第１平均データの処理を行う。このフィル
タは、大きくメディアンフィルタと平均フィルタの２種
類に分類され、夫々、単独で、若しくは、組み合わせて
用いられる。

【００４３】最初に、メディアンフィルタについて説明
する。このメディアンフィルタの原理は、例えば、時間
的に連続して取得された１５個の第１平均データをメモ
リに記憶し、各第１平均データのデータ値を小さいもの
から順に並び替え、その中間に位置する第１平均デー
タ、即ち、データ値の小さいものから７番目に位置する
第１平均データを抽出し、これをメディアンデータとす
るものである。このメディアンデータは、後述するよう
に検出データとして用いることも可能である。当該メデ
ィアンフィルタを純粋メディアンフィルタと定義する。

【００４４】この純粋メディアンフィルタは、ノイズ除
去能力に優れている。上記の例で１５個の第１平均デー
タの内、比較的大きなデータ値を有する少なくとも８個
の第１平均データが存在しなければこの比較的大きなデ
ータ値がメディアンデータに反映されないからである。

【００４５】上記、純粋メディアンフィルタは、上記の
ように中間に位置する第１平均データを単純にメディア
ンデータとするため、例えば、上記の例において、連続
して取得された１５個の第１平均データの内、７個がす
べてのデータ値が１２０００であり、他の８個がすべて
のデータ値が２００００である場合、メディアンデータ
の番地は、７番目に位置する第１平均データのデータ値
である２００００となり、その中間のデータ値、即ち、
１６０００をメディアンデータとして取得することがで
きない。

【００４６】このような問題点を解決するために、時間
的に連続する１番目の第１平均データと２番目の第１平
均データとの中間値を算出し、同様に、３番目と４番
目、５番目と６番目・・・、というように１４個の中間
値データを生成する。そして、１５個の第１平均データ
にこの１４個の中間値データを加えた２９個のデータの
中間に位置する第１平均データ若しくは中間値データ、
即ち、データ値の小さいものから１５番目に位置する第
１平均データ若しくは中間値データを抽出し、これをメ
ディアンデータとする。当該メディアンフィルタを補間
メディアンフィルタと定義する。

【００４７】上記の純粋メディアンフィルタと補間メデ
ィアンフィルタは、共に、１つのメディアンデータを取
得するために、１５個の第１平均データを必要とする。
このため、各メディアンデータ間の時間、即ち、検出回
路の応答速度は、時間的に連続した第１平均データがＣ
ＰＵ１００へ１５個入力されるに必要な時間となる。

【００４８】この応答速度を向上するために、単に、１
つのメディアンデータを取得するために必要な第１平均
データの数を減少すると、メディアンフィルタのノイズ
除去能力が低下してしまう。

【００４９】そこで、第１平均データの１番目乃至１５
番目から第１メディアンデータを取得した後、２番目乃
至１６番目から第２メディアンデータを取得する。この
場合、応答速度、即ち、一つのメディアンデータが取得
されるに必要な時間は、一つの第１平均データがＣＰＵ
１００に入力されるに必要な時間に短縮される。１つの
メディアンデータを取得する範囲が第１平均データの１
個分づつ移動してゆくことから、当該メディアンフィル
タを移動メディアンフィルタと定義し、純粋メディアン
フィルタに移動メディアンフィルタを適用する場合に
は、移動純粋メディアンフィルタと定義し、また、補間
メディアンフィルタに移動メディアンフィルタを適用す
る場合には、移動補間メディアンフィルタと定義する。

【００５０】次に、平均フィルタについて説明する。平
均フィルタは、所定個数の第１平均データのデータ値を
足しあげた後、当該所定個数で除算することにより、平
均値のデータ値を平均フィルタデータとするものであ
る。このフィルタは、所定個数の第１平均データを平均
化してしまうため、突発的なノイズを完全に除去する点
においては、上記のメディアンフィルタよりも除去能力
は劣るが、連続的に変化する平均的なデータを得られる
点でメディアンフィルタよりも優れている。

【００５１】さらに、上記移動メディアンフィルタと同
様に、例えば、第１平均データの１番目乃至１５番目か
ら第１平均フィルタデータを取得した後、２番目乃至１
６番目から第２平均フィルタデータを取得するように
し、応答速度を一つの第１平均データがＣＰＵ１００に
入力されるに必要な時間に短縮し、応答速度を上昇させ
ることもできる。当該平均フィルタを移動平均フィルタ
と定義する。

【００５２】さらに、ＣＰＵ１００のメモリの記憶容量
を節約するために、第１平均データの１番目乃至１５番
目から第１平均フィルタデータを取得した後、１６番目
の第１平均データのデータ値から当該第１平均フィルタ
データのデータ値を減算して１５で除算し、これを第１
平均フィルタデータに加算して第２検出データを取得す
る。例えば、第５平均フィルタデータは、（１９番目の
第１平均データ−第４平均フィルタデータ）÷１５＋第
４平均フィルタデータ、という式により算出することが
できる。直前の平均フィルタデータを重ねて利用するこ
とから、当該平均フィルタを重移動平均フィルタと定義
する。

【００５３】この重移動平均フィルタは、直前の平均フ
ィルタデータを利用するため、比較的大きな、又は、比
較的小さなデータ値を有する平均フィルタデータが発生
した場合、その平均フィルタデータに後続する平均フィ
ルタデータにも影響が生じる。このため、平均フィルタ
データの変化は、漸増的あるいは漸減的な変化になる傾
向があり、平均フィルタデータの連続的変化を捉えやす
くなる。

【００５４】ＣＰＵ１００のソフトウェアフィルタは、
上記の移動補間メディアンフィルタと重移動平均フィル
タとが用いられている。応答時間設定ディプスイッチ１
５０は、３段階に応答時間を調整するものであり、この
応答時間は、上記の２種類のフィルタの組み合わせを変
更することにより調整される。そして、この応答時間を
長く設定すると、後述するようにノイズ除去能力を高め
ることができる。

【００５５】応答時間設定ディプスイッチ１５０の応答
時間設定を最高速度に設定すると、ＣＰＵ１００のフィ
ルタ構成は、１５個の第１平均データを処理する移動補
間メディアンフィルタのみとなる。このフィルタ構成で
は、応答時間は、約１２８ｍｓとなる。

【００５６】次に、応答時間設定ディプスイッチ１５０
の応答時間設定を中間速度に設定すると、ＣＰＵ１００
のフィルタ構成は、１５個の第１平均データを処理する
移動補間メディアンフィルタを初段とし、１６個のメデ
ィアンデータを平均化する重移動平均フィルタを次段と
する２段構成となる。このため、ノイズ除去能力に優れ
た移動補間メディアンフィルタの特性を生かしつつ、重
移動平均フィルタによりメディアンデータの連続的な変
化を捉えやすくなる。

【００５７】上記の平均フィルタの説明においては、第
１平均データを平均化し平均フィルタデータを生成した
が、当該フィルタ構成の重移動平均フィルタでは、移動
補間メディアンフィルタのメディアンデータを平均化す
る。このフィルタ構成においては、応答時間は、約５１
２ｍｓとなる。

【００５８】次に、応答時間設定ディプスイッチ１５０
の応答時間設定を最低速度に設定すると、ＣＰＵ１００
のフィルタ構成は、１５個の第１平均データを処理する
移動補間メディアンフィルタを初段とし、該メディアン
フィルタから出力された３２個のメディアンデータを平
均化する重移動平均フィルタを次段とする２段構成とな
る。当該フィルタ構成では、応答速度が約１０２４ｍｓ
と低下するものの、上記の中間速度のフィルタ構成より
もさらに平均化されたデータを取得することができる。

【００５９】この応答時間設定ディプスイッチ１５０の
応答時間設定を最低速度に設定した場合、当該フィルタ
構成の重移動平均フィルタから最終的に出力される検出
データを図５に示す。

【００６０】次に、図１０を参照しつつ本実施の形態の
検出回路のフロチャートを説明する。このフロチャート
は、イニシャライズ、イニシャルセンシング、センシン
グの３つのモードから構成されている。

【００６１】最初にイニシャライズのモードを説明す
る。電源をＯＮにすると、第１平均データと第２平均デ
ータを用い検知幅を設定する当該モードが開始する（Ｓ
１）。まず、ＣＰＵ１００は、上記の３種類のフィルタ
構成の内、応答時間設定ディプスイッチ１５０の応答時
間の設定状態に対応した一の第１フィルタを形成すると
共に、環境順応用に構成された第２フィルタを形成する
（Ｓ２）。

【００６２】この第１フィルタは、検出データを得るた
めのものであり、また、第２フィルタは、基準値データ
及び検出幅を得るためのものである。

【００６３】この第２フィルタは、１５個の第１平均デ
ータを処理する移動補間メディアンフィルタを初段と
し、該メディアンフィルタから出力された６５，５３６
個のメディアンデータを平均化する重移動平均フィルタ
を次段とする２段構成のフィルタである。当該フィルタ
構成は、重移動平均フィルタの処理するメディアンデー
タが極めて多数であるため、当該環境における第１検出
電極６とアース電極８の間の基礎容量と、第２検出電極
７とアース電極９の間の基礎容量の長時間に渡る連続的
な変化を検出することができる。

【００６４】次に、予め設定されている時間、例えば４
秒間、第１平均データが取得される（Ｓ３）。尚、この
時間は、データの取得個数に依存する。次に、予め設定
されている時間、例えば４秒間、第２平均データが取得
される（Ｓ３）。この第１平均データ及び第２平均デー
タは、第２フィルタにより処理される。

【００６５】上記のように、第２フィルタは、６５，５
３６個の移動補間メディアンフィルタのメディアンデー
タを必要とするため、４秒間程度の時間で取得された第
１平均データや第２平均データでは、フィルタ処理１回
分の算出処理を行うことができない。しかし、暫定的
に、この限られた少ない第１及び第２平均データを用
い、夫々、第１平均データから暫定基準値データを得
（Ｓ４）、また、第１及び第２平均データから検知幅デ
ータを得る（Ｓ５）。

【００６６】上記のようにして得られた基準値データ
は、これを暫定基準値としてメモリする。さらに、上記
検知幅データから、基準値データを減算し、検知幅を算
出する。この際、ＣＰＵ１００は、感度設定用ディプス
イッチ１４０で設定された検出感度を対応させる。例え
ば、基準値データの値が１６，０００であり、検知幅デ
ータの値が１６，４００である場合には、データ値の差
は、４００となる。

【００６７】一方、上記データ値の差は、最低感度の８
ｐＦに相当するように予め定義されているため、上記デ
ィプスイッチ１４０により、検出感度を４ｐＦと設定し
た場合、４ｐＦは８ｐＦの１／２であるから、上記４０
０のデータ値の１／２である２００というデータ値が検
出幅となる。そして、この検出幅は、図６に示すよう
に、この差を基準値データの上下に１００番地づつの幅
の検知幅を割り当て（Ｓ５）、ＣＰＵ１００が検出信号
を出力するか否かを決定する閾値を設定する。以上のス
テップを完了するとイニシャライズのモードが終了する
（Ｓ７）。なお、上記の検出幅の算出方法は、乗算だけ
でなく定数の加減除算により算出することができる。

【００６８】次に、イニシャルセンシングモードが開始
する（Ｓ７）。このイニシャルセンシングは、第１フィ
ルタによる第１回目の検出データを得るために必要であ
る。即ち、重移動平均フィルタが移動補間メディアンフ
ィルタの１６個のメディアンデータが必要とするため、
センシングのモードを開始する前にこの１６個のメディ
アンデータを取得しなければならないからである。この
ため、重移動平均フィルタを用いない場合には、必ずし
もこのイニシャルセンシングモードを必要としない。上
記１６個のメディアンデータを取得した後（Ｓ８）、イ
ニシャルセンシングモードは終了する（Ｓ９）。

【００６９】次に、センシングモードが開始する（Ｓ１
０）。最初に、基準値について説明する。イニシャライ
ズモードで決定されメモリされた暫定基準値をもとに、
基準値が算出される（Ｓ１１）。この基準値は、常に更
新され変動する。ｎ番目の基準値（ｎ）は、基準値（ｎ
−１）＋（第１フィルタの検出データ（ｎ）−基準値
（ｎ−１））／６５，５３６という式により求められ
る。即ち、上記暫定基準値は、１番目の基準値（１）を
求めるために基準値（０）として用いられる。

【００７０】上記のように、基準値（ｎ）を基準値（ｎ
−１）から求めることにより、メモリの記憶容量を節減
できる。即ち、移動補間メディアンフィルタの出力する
６５，５３６個のデータ毎に基準値を更新した場合に
は、基準値の変化が段階状（階段状）となり、本実施の
形態よりも基準値の実質的な変化が反映されにくくな
る。

【００７１】基準値が変動した場合、上記の検出幅は基
準値から算出されるため、図７に示すように検出幅も基
準値の変動に追随する。このため、両検出電極周囲の環
境、例えば、電界や湿度等の影響により、両検出電極の
基礎容量値が漸増的若しくは漸減的に変動した場合であ
っても、検出回路は、検出信号を出力しない。

【００７２】両電極の何れかに被検出物が接近すると、
以下のデータ値の変化生じる。即ち、検出電極６に被検
出物が接近するとデータ値が増大し、検出電極７に被検
出物が接近するとデータ値が減少する。例えば、被検出
物が検出電極６に接近すると、第１フィルタの検出デー
タが上記検出幅の閾値を超える。この場合、第２フィル
タの基準値データは、瞬間的な第１平均データの増大に
よっては、影響をほとんど受けないため、基準値は変動
しない。

【００７３】ＣＰＵ１００は、検出データが検出幅の閾
値を超えた場合、検知判定を行い（Ｓ１２）、直ちに検
出信号を検出信号出力部１６０から出力する。この出力
信号は、図８に示す第１パルス波である。

【００７４】この図８は、検出電極の上に物体を置き、
さらに、その物体を手で持ち上げ持ち去った場合を示し
ている。検出信号が出力されると、環境順応用の第２フ
ィルタの重移動平均フィルタにより取得されるメディア
ンデータの個数が６５，５３６個から６００個へ減少す
るように設定の変更がなされる（Ｓ１３）。このため、
比較的短時間で基準値データが上昇し、検出データに追
随する。

【００７５】次に、物体を持ち上げるために物体に手を
接触させると、さらに検出データのデータ値が上昇す
る。この際、検出データのデータ値が閾値を超えるた
め、第２パルス波が出力される。最後に物体を手で持ち
上げると検出データのデータ値が急激に減少するため、
第３パルス波が出力される。

【００７６】このように、検出信号であるパルス波の出
力後に第２フィルタの設定を変更し基準値データの検出
データに対する追随の程度を上昇させることで、環境の
変化と被検出物の状態の変化の双方に適応することがで
きる。最後に、本回路をＯＦＦにすると、センシングが
終了する（Ｓ１４）。

【００７７】上記実施の形態の検出回路は、検出データ
が検出幅の閾値を越える度にパルス波の検出信号を出力
する。しかし、他の実施の形態として、検出電極に被検
出物が接近又は接触している間、検出信号を出力し続け
るように検出回路を設定することもできる。以下、図９
及び図１１を参照しつつ説明する。

【００７８】本実施の形態の回路では、上記実施の形態
の回路の「検知幅の算出と割当」（Ｓ５）の次に、後述
するヒステリシスを検知幅の閾値に持たせるためにヒス
テリシスデータが算出されるステップ（Ｓ６）が設けら
れている。このステップでは、ＣＰＵ１００のメモリに
記憶されている定数、例えば、０．１が上記検出幅のデ
ータ値１００に乗算され、ヒステリシスのデータ値１０
が算出される。なお、この算出は定数の加減除算によっ
て求めてもよい。

【００７９】上記の実施の形態の回路と同様に、イニシ
ャルセンシング（Ｓ８乃至Ｓ１０）の次に、センシング
モードが開始し（Ｓ１１）、基準値が算出される（Ｓ１
２）。そして、両電極の何れかに被検出物が接近する
と、以下のデータ値の変化生じる。即ち、検出電極６に
被検出物が接近するとデータ値が増大し、検出電極７に
被検出物が接近するとデータ値が減少する。そして、Ｃ
ＰＵ１００は、検出データが検出幅の閾値を超えた場
合、検知判定を行う（Ｓ１３）。

【００８０】検知判定がなされると、基準値が固定され
る（Ｓ１４）と共に、閾値にヒステリシスを生じさせる
（Ｓ１５）。例えば、所定の電荷を有する物体がいずれ
かの電極６，７の表面から１０ｃｍ離間した位置に存在
する場合に、検出回路が検出信号を出力する場合、この
１０ｃｍの領域近辺に当該物体がとどまると検出信号の
チャタリングが生じる。

【００８１】このチャタリングを回避するために、上記
のヒステリシスデータに基づき、検知幅の閾値が変更さ
れる。図９に示すように、例えば、物体が検出電極６に
接近すると検出データが検出幅の閾値を越えて増大す
る。この場合は、上記の検出幅のデータ値１００からヒ
ステリシスのデータ値１０を減算し、検出幅のデータ値
を９０にし、検出回路の検出感度を上昇させる。このた
め、上記の例で検出電極の表面から１０ｃｍの位置で物
体が留まっている場合でもチャタリングは生じない。
尚、物体が検出電極７に接近し検出データが閾値以下に
なった場合には、ヒステリシスのデータ値は加算される
（図９参照）。

【００８２】上記基準値の固定（Ｓ１４）は、環境順応
用に構成された第２フィルタを停止することにより行
う。このため、基準値は、検出信号の出力開始時点の基
準値データに固定される。これは、検出領域内に被検出
物が留まった場合、基準値が徐々に変化してゆくと、検
出データが検出幅の閾値内に含まれ、検出信号の出力が
停止してしまうことを回避するためである。

【００８３】次に、この物体がいずれかの検出電極の検
出領域内から離脱する場合、検出データが検出幅の閾値
を越えて減少した場合には、上記の変更された検出幅の
データ値９０にヒステリシスのデータ値１０を加算し、
検出幅のデータ値を１００にし、検出回路の検出感度を
元の状態に戻す（Ｓ１６）。

【００８４】検出領域内から被検出物が離脱すると、非
検知判定（Ｓ１７）がなされ、検出信号の出力が停止す
る。同時に、環境順応用の第２フィルタが作動を再開
し、基準値を環境にあわせて変化させて行く。最後に、
本回路をＯＦＦにすると、センシングが終了する（Ｓ１
８）。

【００８５】上記の各実施の形態において、メディアン
フィルタと平均フィルタを２段に組合わせたが、例え
ば、メディアンフィルタ又は平均フィルタだけの１段構
成としても良いし、また、第１メディアンフィルタを初
段とし、第１メディアンフィルタのメディアンデータを
処理する第２メディアンフィルタを２段目とし、さらに
第２メディアンフィルタのメディアンデータを処理する
平均フィルタを３段目とした３段構成としても良く、フ
ィルタを構成するフィルタの種類や、段数等は限定され
ない。

【００８６】上記の各実施の形態において、ＣＰＵ１０
０のソフトウェアフィルタに検出データのデータ値の上
限を画するデータリミッターを設けることも可能であ
る。このデータリミッターは、検出データのデータ値が
所定値以上であれば、この所定値をデータ値に変換する
ものである。

【００８７】このデータリミッターにより、突発的なノ
イズ等により極端に大きなデータ値を有する検出データ
が取得された場合に長期に渡り平均フィルタがその影響
を受けることを防止することができる。上記データリミ
ッターの所定値は、例えば、基準値を中心に、基準値の
プラス側及びマイナス側に各検出幅の２倍程度となるデ
ータ値を選択する。

【００８８】上記の各実施の形態において、検出感度、
即ち、検出幅データの値は、感度設定用ディップスイッ
チ１４０により選択可能であるものの、当該スイッチに
より選択されたデータ値に固定されてしまう。しかし、
検出電極６、７の周囲のノイズ環境によっては、再設定
を行わなければならなく場合がある。

【００８９】そこで、上記イニシャライズの段階で、最
大データ値と最小データ値の差を測定し、当該データ値
の差の約２倍を検出幅データとすることにより、検出回
路６、７周囲の環境に適合した感度を自動的に設定する
ことができる。この場合、上記感度設定用ディップスイ
ッチ１４０は不要となる。上記の乗数は、１以下であっ
てもよく、ノイズ環境の安定性によって適宜選択する。
なお、上記算出は定数の加減除算によって求めてもよ
い。

【００９０】尚、イニシャライズの段階だけではなく、
センシングの段階においても所定時間内における最大デ
ータ値と最小データ値を随時取得し続け、検出幅データ
を連続的に変化させることも可能である。このように、
検出幅データを自動設定することにより、当該ノイズ環
境において、安定した検出能力を維持することができる
最高感度を保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態の静電容量センサ回路
の回路図である。

【図２】図１の静電容量センサ回路の動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図３】図１の静電容量センサ回路の動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図４】第１平均データの分布を示すグラフ図である。

【図５】基準値データと検出データを示すグラフ図であ
る。

【図６】図５のグラフ図に、算出された閾値と検出幅を
示したグラフ図である。

【図７】基準値と閾値とが長時間に渡り変化して行く様
子を示したグラフ図である。

【図８】検出状態における基準値の変化を示すグラフ図
である。

【図９】閾値のヒステリシスを示すグラフ図である。

【図１０】図１に示す静電容量センサ回路のフロチャー
トである。

【図１１】本発明に係る他の実施の形態の静電容量セン
サ回路のフロチャートである。

【符号の説明】

１、２入力端子３、４増幅抵抗５高周波除去トランス６第１検出電極７第２検出電極８、９アース電極１０サージ吸収ダイオード１２電源周波数除去用フィルター回路２０比較回路２２第１コンパレータ２３第２コンパレータ３０遅延回路４０波形整形回路４１第１ノット回路４２第２ノット回路４３第３ノット回路５０フリップフロップ回路５１第１フリップフロップ回路５２第２フリップフロップ回路６０Ｄ／Ａ変換回路１００ＣＰＵ１１０安定化電源回路１２０リセット回路１３０テスト出力端子１４０感度設定用ディップスイッチ１５０応答時間設定ディップスイッチ１６０検出信号出力部１７０ＣＰＵクロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬塚武士千葉県木更津市祇園３−５−34 Ｆターム(参考） 2G028 AA01 AA05 CG07 DH06 FK05 FK08 GL02 GL07 GL12 HN01 HN09 LR06 2G060 AE40 BA09 HC08 HC10 HC13 HC14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一の検出電極と他の検出電極との夫々の
静電容量に対応する所定時間の間に取得されるデータに
基づいて決定される検出データを生成する検出データ生
成手段と、該一の検出電極と他の検出電極との夫々の静
電容量に対応する該所定時間よりも長時間の間に取得さ
れるデータに基づいて決定される基準値を生成する基準
値生成手段とを有し、該基準値に基づいて算出される閾
値を該検出データが越えた場合に検出信号の出力等によ
り検出状態を告知する静電容量センサ回路。
【請求項２】前記基準値は、前記両検出電極周囲の環
境に応じて変化する請求項１記載の静電容量センサ回
路。
【請求項３】前記閾値は、前記基準値と定数とから算
出し、該定数は感度設定手段により選択可能である請求
項１記載の静電容量センサ回路。
【請求項４】前記閾値は、前記検出データの所定時間
の最大データ値と最小データ値の差と定数とから算出
し、常時前記閾値を変化させる請求項１記載の静電容量
センサ回路。
【請求項５】前記閾値は、基準値に対し所定の検出幅
をもって基準値よりも大きな値又は小さな値に決定され
ている請求項１記載の静電容量センサ回路。
【請求項６】前記検出状態の告知は、前記検出データ
が前記閾値を越える毎に所定の継続時間を有するパルス
波の出力として実行される請求項１記載の静電容量セン
サ回路。
【請求項７】前記検出状態の告知と同時に、前記基準
値生成手段は、前記所定時間よりも長時間の間に取得さ
れるデータに基づき基準値を決定することを中止し、前
記長時間よりも短時間に取得されるデータに基づき基準
値を決定する請求項６記載の静電容量センサ回路。
【請求項８】前記検出状態の告知は、前記検出データ
が前記閾値を越えた状態にある場合連続して実行される
請求項１記載の静電容量センサ回路。
【請求項９】前記閾値は、ヒステリシス有し、被検出
物が検出領域内に侵入した場合には検出感度が上昇し、
該被検出物が検出領域内から離脱した場合には検出感度
が復帰する請求項８記載の静電容量センサ回路。
【請求項１０】前記ヒステリシスは、前記閾値と定数
とから算出して決定される請求項９記載の静電容量セン
サ回路。
【請求項１１】前記検出状態の告知と同時に、前記基
準値生成手段は、前記所定時間よりも長時間の間に取得
されるデータに基づき基準値を決定することを中止し基
準値を固定する請求項８記載の静電容量センサ回路。
【請求項１２】前記検出データの最大値及び／又は最
小値に対し、データリミッターを備えた請求項１記載の
静電容量センサ回路。
【請求項１３】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、所定個数のデータをデータ値の大小の
順に並び替え、その中間に位置するデータのデータ値を
選択する純粋メディアンフィルタを有する請求項１記載
の静電容量センサ回路。
【請求項１４】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、前記検出データのデータ間のデータ値
を補間する中間値データを生成し、所定個数のデータを
データ値の大小の順に並び替え、該並び替えたデータと
該中間値データの中間に位置するデータのデータ値を選
択する補間メディアンフィルタを有する請求項１記載の
静電容量センサ回路。
【請求項１５】前記純粋メディアンフィルタ又は前記
補間メディアンフィルタは、前記所定個数の前回データ
の内、前記所定個数よりも少ない１以上のデータ個数分
づつ移動し、中間に位置するデータのデータ値を選択す
る移動純粋メディアンフィルタ又は移動補間メディアン
フィルタである請求項１４記載の静電容量センサ回路。
【請求項１６】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、所定個数のデータのデータ値を平均化
する平均フィルタを有する請求項１記載の静電容量セン
サ回路。
【請求項１７】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、所定個数の前回データの内、該所定個
数よりも少ない１以上のデータ個数分づつ移動し、前回
データを含む新たな所定個数のデータのデータ値を平均
化する移動平均フィルタである請求項１記載の静電容量
センサ回路。
【請求項１８】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、所定個数のデータのデータを平均化す
る際に、前回の平均化により取得されたデータを新たな
データから減算し、該所定個数で除算し、さらに、該平
均化により取得されたデータに加算してデータ値を平均
化する重移動平均フィルタである請求項１記載の静電容
量センサ回路。
【請求項１９】前記検出データ生成手段及び／又は基
準値生成手段は、純粋メディアンフィルタ、補間メディ
アンフィルタ、移動純粋メディアンフィルタ、又は、移
動補間メディアンフィルタを初段に設けた少なくとも２
段以上のフィルタ構成を有する請求項１記載の静電容量
センサ回路。
【請求項２０】検出精度及び応答時間を変更するため
に、１以上のフィルタから構成されたフィルタ構成体を
変更する応答時間設定手段を備えた請求項１記載の静電
容量センサ回路。
【請求項２１】前記検出データ生成手段のフィルタ構
成体に移動純粋メディアンフィルタ、移動補間メディア
ンフィルタ、移動平均フィルタ、又は、重移動平均フィ
ルタを含む場合、イニシャライズセンシングモードを備
えている請求項１記載の静電容量センサ回路。
【請求項２２】前記基準値生成手段のフィルタ構成体
に移動純粋メディアンフィルタ、移動補間メディアンフ
ィルタ、移動平均フィルタ、又は、重移動平均フィルタ
を含む場合、イニシャルモードを備えている請求項１記
載の静電容量センサ回路。
【請求項２３】前記データは、パルス信号を発生する
パルス信号発生回路と、該パルス信号を前記一の検出電
極又は前記他の静電容量の変化に基づいてクロック信
号、第１データ信号及び第２データ信号を形成する比較
手段とにより取得される請求項１記載の静電容量センサ
回路。
【請求項２４】前記比較手段は、第１検出電極と接続
されると共に前記クロック信号を形成する第１コンパレ
ータと、第２検出電極と接続されると共に前記第１デー
タ信号を形成する第２コンパレータと、前記第１データ
信号を遅延して前記第２データ信号を形成する遅延回路
とを有する請求項２３記載の静電容量センサ回路。
【請求項２５】前記データのデータ値は、前記第２コ
ンパレータの比較電圧をＣＰＵにより作動するＤ／Ａ変
換回路により可変制御して取得する請求項２４記載の静
電容量センサ回路。