JP2008306679A - 静電容量変化検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡素な構成で低コスト化を図り且つ精度の高い静電容量変化検出回路を提供する。
【解決手段】方形波を出力する発振源１と、該方形波を反転して出力する反転手段３と、発振源１から出力された方形波又は反転手段３で反転出力された反転方形波のいずれか一方の信号が入力される電極２とを有し、発振源１から出力された方形波又は該反転手段３で反転出力された反転方形波のいずれか他方の信号と、電極２から得られる信号とを加算し、加算された信号の振幅に基づいて電極の静電容量変化を判定するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極間のインピーダンス（静電容量）の変化に、基づいてオペレータのタッチ操作を検知する静電容量型のタッチスイッチに用い好適の、静電容量変化検出回路に関するものである。

従来より、導電性の電極部材に人体の一部が接触又は近接するとこれを検出して所望の機器を作動させるタッチスイッチが広く知られている。このようなタッチスイッチでは電極部材が静電容量センサとして機能するものであって、人体が電極に触れた際の電極のインピーダンス（静電容量）の変化を読み取って、タッチスイッチのオンオフを検出するようになっている。

このようなタッチ回路では、上述のように静電容量変化（インピーダンス変化）を検出する必要があり、静電容量変化を検出する従来技術としては、電極と発振回路とを接続して、静電容量が変化すると発振回路の周波数又は振幅が変化するように構成された技術が提案されている（例えば下記の特許文献１〜３参照）。また、２つ以上の電極を一対とした電極間の静電容量変化を検出する技術も提案されている（例えば下記の特許文献４，５参照）。
特開２００３−４６３８３号公報 特開平１１−３４５５５２号公報 特開平１１−１９０７５１号公報 特開２００４−３４０６６２号公報 特開２００６−１７７８９５号公報

しかしながら、従来の技術では、発振回路を構成するために多くの構成部品が必要でありコスト増を招くという課題があった。特に多くの独立した静電容量被検出対象の信号処理を同時に行う回路構成を形成するには不利であった。また、発振回路を用いていない回路構成においても充放電電流を演算するためのアナログ演算素子等を多用した構成になっており、同様の問題が生じていた。

さらに、人体の接触又は近接センサとして用いる場合、１つの検出手段あたり２つ以上の電極を必要とする構成では、より多くの電気回路素子を必要とするばかりでなく、２電極間に付着した誘電性物質によって誤検出するおそれがある。
より具体的には、特許文献１及び２に開示された回路ではコイルやバイポーラ素子を用いているため消費電力が大きくコスト増を招く（特許文献１の図２及び特許文献２の図１参照）ほか、人体の近接に応じて連続的に静電容量が変化するような回路でないため感度がよくないほか、感度設定が困難である（特許文献１の図６参照）。

また、特許文献３〜５に開示された回路では、スイッチング素子（特許文献３の図１の符号２及び特許文献４の図２の符号Ｓ１〜Ｓ１３参照）が必要となるほか、作動増幅器（特許文献３の図１の符号２２〜２４，特許文献４の図２の符号Ａ４〜Ａ７、及び特許文献５の図３〜５の符号ＩＣ１，ＩＣ２参照）を複数用いているためコスト増を招くことになる。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成で低コスト化を図り且つ精度の高い静電容量変化検出回路を提供することを目的とする。

本発明の静電容量変化検出回路は、微小静電容量の変化を感知し、該変化量により入力の有無を検知する静電容量変化検出回路において、方形波を出力する発振源と、該発振源から出力される方形波が入力される第１抵抗と、該発振源から出力される方形波を反転して出力する反転手段と、該反転手段を介して出力される方形波が入力される第２抵抗と、該第２抵抗の下流側に接続された検出電極と、該検出電極よりも下流側に接続された第３抵抗とをそなえ、該第１抵抗と該第３抵抗との終端側が接続されていることを特徴としている（請求項１）。

なお、該第１抵抗，該第２抵抗及び該第３抵抗の抵抗値をそれぞれｒ₁，ｒ₂及びｒ₃とすると、該抵抗値ｒ₁，ｒ₂及びｒ₃は、ｒ₁＝ｒ₂＋ｒ₃の関係を満たすのが好ましい（請求項２）。
また、該抵抗値ｒ₁，ｒ₂及びｒ₃は、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝２：１：１の関係を満たすのが好ましい。

また、本発明の静電容量検出回路は、微小静電容量の変化を感知し、該変化量により入力の有無を検知する静電容量変化検出回路において、方形波を出力する発振源と、該方形波を反転して出力する反転手段と、該発振源から出力された方形波、又は該反転手段で反転出力された反転方形波のいずれか一方の信号が入力される電極とを有し、該発振源から出力された方形波、又は該反転手段で反転出力された反転方形波のいずれか他方の信号と、該電極から得られる信号とを加算し、該加算された信号の振幅に基づいて該電極の静電容量変化を判定することを特徴としている（請求項４）。

本発明の静電容量変化検出回路によれば、高い精度で静電容量変化を検出することができるという利点があるほか、バイポーラ素子，オペアンプ及びスイッチング素子等を用いないのでコスト低減を図ることができる。

以下、図面により、本発明の一実施形態に係静電容量変化検出回路について説明すると、図１はその全体構成を示す模式的な回路図、図２はその作用を説明するための図である。
さて、図１に示すように、本実施形態にかかる静電容量変化検出回路は、主に抵抗素子とＣ−ＭＯＳインバータ素子とからなるハーフブリッジ回路として形成されている。そして、本回路では、検出電極２からの方形波信号と、この方形波信号の反転信号とを加算し、この加算結果を増幅すること静電容量の変化を検出するとともに、オペレータのタッチ操作の有無を判定するように構成されている。

以下、詳細に説明すると、この回路には方形波を出力する高周波発振源１が設けられており、また、高周波発振源１には方形波信号出力を反転するインバータ（反転手段）３が接続されている。この高周波発振源１は所定の周波数でＶ１（High）とＶ０（Low）との異なる２つの電圧値の電流を交互に出力する交流電源であって、例えば本実施形態ではＶ１＝５［V］、Ｖ０＝０［V］が出力されるようになっている。

また、インバータ３は入力された交流電流を反転して出力するものであって、高周波発振源１から出力された交流電流と逆相で、出力値のＶ１とＶ０とが反転した交流信号を出力するようになっている。つまり、このインバータ３より後段では、高周波発振源１がＶ１を出力している間はＶ０を出力し、逆に高周波発振源１がＶ０を出力している間はＶ１を出力するようになっている。

また、図示するように、インバータ３と高周波発振源１との間において信号経路が分岐しており、この分岐経路中に抵抗（第１抵抗）Ｒ１が介装されている。
一方、インバータ３の後段には抵抗（第２抵抗）Ｒ２と抵抗（第３抵抗）Ｒ３とが直列に接続されており、これらの２つの抵抗Ｒ２，Ｒ３の間にタッチ電極（検出電極）２が介装されている。

また、抵抗Ｒ３の終端側と抵抗Ｒ１の終端側とが合流しており、これらの２つの経路の信号が合成されるようになっている。また、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ３の後段側にはアンプ（増幅手段）５が設けられており、上述の合成された交流信号の振幅がアンプ５に入力されて増幅されるようになっている。さらに、このアンプ５よりも後段には入力された交流信号の振幅を直流信号に変換して、静電容量変化を検出するとともにオペレータのタッチ操作を判定する検波手段６が接続されている。

なお、本実施形態においては、アンプ５はインバータ４１，抵抗４２，複数のコンデンサ４３，４４等を備えて構成されており、このアンプ５により入力信号が増幅されるようになっている。また、検波手段６は入力された交流電流を直流電流に変換する機能を有しており、ダイオード６１，６２、コンデンサ６３、抵抗６４等を備えて構成されている。
なお、上述したアンプ（増幅手段）５及び検波手段６については公知の技術であって、特にその構成について限定されるものではない。

ところで、上述の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はそれぞれ抵抗値がｒ₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ であって、ｒ₁ ＝ｒ₂ ＋ｒ₃ の関係を満たすように設定されている。これにより、オペレータ非操作時における抵抗Ｒ１の経路での電圧値と抵抗Ｒ２，Ｒ３の経路での電圧値とが同一に保持されるようになっている。なお、抵抗値ｒ₁ ，ｒ₂ 及びｒ₃ は、ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝２：１：１の関係を満たすのが好ましい。このため、本実施形態においては、ｒ₁ ＝２００［ｋΩ］，ｒ₂ ＝１００［ｋΩ］，ｒ₃ ＝１００［ｋΩ］に設定されている。

したがって、例えばタッチ電極２にオペレータが触れていない場合には、高周波発振源１からの交流信号がインバータ３を介して反転して出力され、その後抵抗Ｒ２及びＲ３を介して出力される。一方、抵抗Ｒ１には高周波発振源１からの信号が直接入力される。
この場合、上述したように各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値ｒ₁ ，ｒ₂ ，ｒ₃ が、ｒ₁ ＝ｒ₂ ＋ｒ₃ の関係を満たしているので、抵抗Ｒ１を介して出力される交流信号と抵抗Ｒ２，Ｒ３を介して出力される交流信号とは、それぞれ電圧値及び振幅が同じで、互いに逆相の方形波となる。

このため、これらの２つの信号を合成した値（電圧値）は、出力値が打ち消しあい、振幅は０［V］となる。したがって、その後アンプ５で合成信号の振幅を増幅しても出力は略０［V］のままであり、後段の検波手段６で直流化しても出力値は０［V］となる。このため、検波手段６では、出力値が０［Ｖ］であると、静電容量は変化していないと判定するとともに、オペレータによるタッチ操作はなされていないと判定するようになっている。

一方、オペレータ（被検出体）が電極２に触れると、オペレータを介して接地側（GND）に高周波電流が流れるためインピーダンスが変化し、したがって、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間においてHigh側の電圧値が低下するとともにLow側の電圧が上昇する。
この場合、非反転信号と反転信号とを重畳すると、抵抗Ｒ２，Ｒ３を介して出力される交流信号のHigh側電圧値の低下とLow側電圧値の上昇とに応じた分だけ、抵抗Ｒ１を介して出力される交流信号との合成値に振幅が生じ交流信号が生成される。このため、この振幅を増幅し、直流化することにより、検波手段６において所定のレベルの電圧値が出力されることになる。

したがって、検波手段６では、所定値以上の電圧を検出すると電極２の静電容量が変化した、即ち、オペレータによるタッチ電極２のタッチ操作がなされたと判定するようになっている。
本発明の一実施形態に係る静電容量変化検出回路は、上述のように構成されているのでその作用を図２のタイムチャートを用いて説明すると以下のようになる。ここで、図２はオペレータが検出電極２に触れていない状態から、時間ｔ１において検出電極２に触れたときの状態の変化を示すタイムチャートであって、（ａ）は高周波発振源１の出力変化を、（ｂ）はインバータ通過後の出力変化を、（ｃ）は検出電極における電圧変化を、（ｄ）は抵抗Ｒ１よりも下流側における高周波発振源１の出力と抵抗Ｒ３よりも下流側における反転出力とを重合した合成信号を、（ｅ）は検波手段で直流信号に変換された信号をそれぞれ示している。

さて、図２（ａ），（ｂ）に示すように、高周波発振源１からの出力及びインバータ通過後の出力の変化はオペレータのタッチ操作の有無に関わらず一定であり、互いに逆相の方形波が形成される。
また、検出電極２においては、抵抗値ｒ２に比例した分だけ電圧が低下するが、波形自体は、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、インバータ通過後の出力と同相である。そして、ｔ１においてオペレータが電極２に触れると、電極２のインピーダンスが変化して、図２（ｃ）に示すように、タッチ操作以前と比較して高周波信号の振幅が大きく変化する。

このため、抵抗Ｒ１よりも下流側の信号と抵抗Ｒ３よりも下流側の信号とを重畳した合成信号は、図２（ｄ）に示すように、タッチ操作していない場合には、互いに逆相の方形波により交流信号が打ち消しあい、電圧値が一定となって振幅がなくなるが、タッチ操作時には上記の電圧の低下に起因して交流信号が生成される。
したがって、この交流信号の振幅をアンプ５で増幅し検波手段６で直流化すると、図２（ｅ）に示すような特性を得ることができ、タッチの有無を判定することができる。

したがって、本実施形態に係る静電容量変化検出回路によれば、高周波発振源１から出力される交流信号とこの信号を反転させた交流信号との合成信号の振幅に基づいて静電容量変化（インピーダンス変化）を検出するという簡素な構成により、低コストで且つ確実に静電容量変化を検出できる。特に、このような回路では、電極２に触れていない場合は合成信号の振幅が０となるので、合成信号をアンプ５で増幅することで容易に感度を上げることが可能となる。

また、本回路では抵抗素子とＣ−ＭＯＳインバータを用いて構成しており、バイポーラ素子やスイッチング素子等を用いないので、よりコスト低減を図ることができる。
ところで、図３は複数の検出電極２に本発明を適用した場合の構成の一例を示す図である。図示するように複数の検出電極２の信号処理を実行するには、信号を処理する手段（増幅手段５及び検波手段６）のみを並列に接続すればよく、インバータ３に関しては全ての電極２に対して共通の部品として使用できる。したがって、部品点数の低減を図ることができ、多くのタッチスイッチを備えた操作パネルや操作機器にこのような構成を適用することでさらなるコスト低減を図ることができる。

次に、図４を用いて本実施形態の変形例について説明する。図４に示す変形例の回路図は、図１に示す回路に対してインバータ３の配置のみが変更されており、これ以外は図１に示す回路と同じである。この場合、反転信号は抵抗Ｒ１に対して入力され、抵抗Ｒ２には発振源１からの方形波信号が直接入力される。そして、抵抗Ｒ２に入力された方形波は検出電極２及び抵抗Ｒ３を介して出力され、抵抗Ｒ１を介して出力された反転信号と重畳される。

したがって、この場合は図１の場合と比較して２つの交流信号の位相が反転するのみであり、実質的に図１に示す実施形態の回路と同様の作用効果を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、本発明をマトリックス回路へ適用してもよい。この場合、例えばタッチスイッチを用いたキーボードに応用することができる。

本発明の一実施形態に係る静電容量変化検出回路の全体構成を示す模式的な回路図である。 本発明の一実施形態に係る静電容量変化検出回路の作用を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る静電容量変化検出回路を複数の検出電極に適用した場合の構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る静電容量変化検出回路の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 高周波発振源（発振源）
２ タッチ電極（検出電極）
３ インバータ（反転手段）
４ インバータ
５ アンプ（増幅手段）
６ 検波手段
Ｒ１ 第１抵抗
Ｒ２ 第２抵抗
Ｒ３ 第３抵抗

Claims (4)

1. 微小静電容量の変化を感知し、該変化量により入力の有無を検知する静電容量変化検出回路において、
   方形波を出力する発振源と、
   該発振源から出力される方形波が入力される第１抵抗と、
   該発振源から出力される方形波を反転して出力する反転手段と、
   該反転手段を介して出力される方形波が入力される第２抵抗と、
   該第２抵抗の下流側に接続された検出電極と、
   該検出電極よりも下流側に接続された第３抵抗とをそなえ、
   該第１抵抗と該第３抵抗との終端側が接続されている
   ことを特徴とする、静電容量変化検出回路。
2. 該第１抵抗，該第２抵抗及び該第３抵抗の抵抗値をそれぞれｒ₁，ｒ₂及びｒ₃とすると、該抵抗値ｒ₁，ｒ₂及びｒ₃は以下の関係を満たす
   ことを特徴とする、請求項１記載の静電容量変化検出回路。
   ｒ₁＝ｒ₂＋ｒ₃
3. 該抵抗値ｒ₁，ｒ₂及びｒ₃は以下の関係を満たす
   ことを特徴とする、請求項２記載の静電容量変化検出回路。
   ｒ₁：ｒ₂：ｒ₃＝２：１：１
4. 微小静電容量の変化を感知し、該変化量により入力の有無を検知する静電容量変化検出回路において、
   方形波を出力する発振源と、
   該方形波を反転して出力する反転手段と、
   該発振源から出力された方形波、又は該反転手段で反転出力された反転方形波のいずれか一方の信号が入力される電極とを有し、
   該発振源から出力された方形波、又は該反転手段で反転出力された反転方形波のいずれか他方の信号と、該電極から得られる信号とを加算し、該加算された信号の振幅に基づいて該電極の静電容量変化を判定する
   ことを特徴とする、静電容量変化検出回路。

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