JP2009192253A

JP2009192253A - 近接検出装置及びその方法

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Publication number: JP2009192253A
Application number: JP2008030617A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Matsushima; 健一松島
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】物体の接近を電極の静電容量により検出近接センサーにおいて、比較的簡単な構成で、ノイズの影響を除去し、正確な位置検出を行うことの出来る近接検出装置を提供する。
【解決手段】検出電極の充放電波形から基本発振成分と低周波ノイズ成分を除去して容量変化成分のみを抽出し、抽出された容量変化成分を内部発振に加えて、容量変化に依存した安定なの発振波形の周期から静電容量あるいはその変化を求めるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、物体固有の静電容量である静電容量により人の指などの物体の接近や位置を検出する近接検出装置及びその方法に関する。

人など静電容量を持つ物体が電極に接近すると、電極の見かけの静電容量が増加することが知られている。この原理を応用して、静電タッチセンサなどの近接検出装置が実用化されている。

このような近接検出装置では、電極の静電容量を検出するために、電極への充電時あるいは放電時の電圧と電荷との関係から電極の見かけの静電容量を求めている。しかし、人などの接近による電極の静電容量の増加は１ｐＦ程度の微小な値のために、電極の静電容量への１回の充電あるいは放電の特性からノイズを除去した正確な静電容量を求めることは困難である。このため、交流を印加したりスイッチを切換えたりすることにより電極への充放電を繰り返して、充放電特性を累積することにより静電容量の検出精度を向上させるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

このような原理を応用した従来の近接検出装置の一例を図２に示す。図２において、検出電極１は人の指などの接近により静電容量を変化させる。比較手段３１ではヒステリシス特性を持つ比較器で検出電極１の波形を比較して、比較出力から帰還抵抗３２を介して検出電極１を充放電させることによりにより発振させて、検出電極１の静電容量に応じて変化させる発振周波数を計測手段３３で測定することにより静電容量あるいはその変化を捉えていた。このため、検出電極１への充放電の回数を増やしたり、繰り返し検出してフィルター処理したりすることによってノイズの影響を軽減していたが、検出速度が遅くなってしまうという課題があった。

また、従来の近接検出装置では、電極へのノイズの影響を除去するために、同相差動検出によるリファレンス電極との容量差を基に物体の接近を検出する方法やさらに逆相差動検出による差動電極の容量和を用いて物体の接近を検出する方法も用いられている。
特開平８−１９４０２５号公報

しかし、従来の差動検出では、差動電極への充放電特性を減算することによりノイズを除去していたため、差動電極に同様に印加されるノイズについては効果的に除去することが出来るが、差動電極の片方のみに印加されるノイズや差動電極に強さが異なるノイズが印加された場合は除去することができない。例えば、人の指などの接近する物体を介してノイズが印加される場合には、差動電極を人の指に比して充分狭い範囲に接近させない限り除去することが出来ないという課題があった。しかも、差動電極を指の大きさに比して充分狭い範囲に接近させると、差動電極間の静電容量が大きくなり、指の接近による静電容量の変化の検出が困難になると言う課題があった。

そこで本発明では、指の近傍など局所的に印加されるノイズがあっても、高速に検出することの出来る近接検出装置を実現することを目的としている。

本発明による近接検出装置は、物体の接近を静電容量の変化として検出する検出電極と、前記検出電極の静電容量を求める静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段からの静電容量から想定される物体の接近を検出する近接演算手段とにより構成した。また、前記静電容量検出手段は、静電容量の変化に対応して変化する検出電極の充放電波形から変化分を抽出して容量変化成分を出力する容量変化抽出手段と、前記容量変化成分により発振周波数を変化させて発振波形を出力する内部発振手段と、前記内部発振手段からの発振波形から検出電極に帰還を掛ける帰還手段と、前記検出電極の静電容量の変化により変化する前記発振波形の周期に対応した値を求める計測手段とにより構成した。

本発明によれば、指の近傍など局所的に印加されるノイズがあっても、高速に検出することの出来る近接検出装置を実現することができる。

本発明の好適な実施例を、図１及び図４を基に説明する。

検出電極１は、内部発振手段４の出力する発振波形により帰還抵抗Ｒｅ（５）を介して充放電される。また、検出電極１は、支持手段上に固定され、検出対象の物体が接近すると見かけの静電容量を増加させる。検出電極の充放電波形は、物体が接近して静電容量が大きくなった場合には、立ち上がり時間と立下り時間が遅くなる。そのことによる波形の変化をとする。

また、外来ノイズの影響を受けて、検出電極の充放電波形には、ノイズが重畳されている。そのことによる波形の変化を、ノイズ成分Ｎ（ｔ）とする。

検出電極の充放電波形Ｅ（ｔ）から、容量変化成分Ｃ（ｔ）とノイズ成分Ｎ（ｔ）を除いたものは、容量変化やノイズがない場合の充放電波形で、本発明では基本発振成分Ｂ（ｔ）とする。従って、これらの関係は、数１により示される。つまり、実際の充放電波形Ｅ（ｔ）は、基本発振成分Ｂ（ｔ）と容量変化成分Ｃ（ｔ）とノイズ成分Ｎ（ｔ）との和で表される。
（数１）Ｅ（ｔ）＝Ｂ（ｔ）＋Ｃ（ｔ）＋Ｎ（ｔ）
静電容量検出手段２は、容量変化抽出手段６と内部発振手段４と帰還抵抗５と計測手段７とにより構成した。

さらに、容量変化抽出手段６は、基本発振除去手段８と低周波除去手段９と乗算手段１０とにより構成した。

基本発振除去手段８では、検出電極への充放電波形Ｅ（ｔ）から基本発振成分Ｂ（ｔ）を除去する。基本発振除去手段８の内部構成の一例を、図５に示す。図５において、蓄電手段Ｃｒは、検出電極と同様に、抵抗Ｒｒを介して内部発振手段からの発振波形が抵抗Ｒｒを介して接続されている。ここで、抵抗Ｒｒと蓄電手段Ｃｒとによる時定数は、帰還抵抗Ｒｅと検出電極に物体が接近していない場合の静電容量とによる時定数とほぼ同じになるようにしたため、蓄電手段Ｃｒの充放電波形は基本発振成分Ｂ（ｔ）とほぼ同じである。この蓄電手段の波形を減算手段１１により検出電極の充放電波形Ｅ（ｔ）から差し引くことにより、充放電波形Ｅ（ｔ）から基本発振成分Ｂ（ｔ）を除去した波形成分に近い波形を得ることが出来る。

低周波除去手段９では、ノイズ成分Ｎ（ｔ）の低周波成分を除去する。

ここで、低周波成分とは、検出電極の充放電の周波数に較べて充分低い周波数のことである。低周波のノイズは、複数回の検出電極への充放電の間に極性が変化しないことが多く、例えば複数回の周期の平均によってもキャンセルされない。また、例えば商用ノイズなど、電圧の大きなノイズが連続的に印加される場合が多く、静電容量の検出値に影響を与えやすい。一方、充放電の周波数より高い周波数のノイズは、電圧値も比較的小さい場合が多く、また、複数回の充放電特性を平均化すると、充分減衰することが多い。このため、本発明では、除去する対象のノイズを低周波ノイズとしている。

低周波除去手段内部の構成例を、図６に示す。変化検出手段１２では、発振波形の極性が変化した直後にパルスを出力する。変化検出手段１２は、このパルス幅に対応する遅延回路と遅延前後の排他的論理和により実現したが、この限りではない。サンプルホールド手段１３では、基本発振除去手段で基本発振成分Ｂ（ｔ）を除去した波形を、変化検出手段１２からの変化直後のパルスによりサンプルホールドして、減算手段１４でサンプルホールドした波形を差し引くことにより、発振波形が変化してからの変化のみを抽出するとこになり、発振波形より充分低い周波数成分を除去する。

乗算手段１０は、低周波除去手段９で低周波成分を除去した容量変化成分Ｃ（ｔ）に係数を掛けることにより、静電容量の変化を検出する感度を変える。但し、乗算手段１０は必ずしも必要はなく、感度を変えたい場合にのみ設ければ良い。

ここでは、基本発振除去手段８、低周波除去手段９、乗算手段１０の順に構成した例を示したが、これらの手段での基本的な処理は独立しており、順番を入れ換えて構成しても良い。

内部発振手段４は、例えば図７に示すように、それ自体に帰還抵抗Ｒｉと蓄電手段Ｃｉを設けて、検出電極に物体が接近していなく容量変化抽出手段６の出力する容量変化波形が常に０の場合でも、発振するようにしたものである。ここで、抵抗Ｒｉと蓄電手段Ｃｉとによる時定数は、帰還抵抗Ｒｅと検出電極に物体が接近していない場合の静電容量とによる時定数とほぼ同じになるようにしたため、容量変化抽出手段６からの容量変化波形がゼロのままの場合には、蓄電手段Ｃｉの充放電波形は基本発振成分Ｂ（ｔ）とほぼ同じである。従って、加算手段１５の出力は、基本発振成分Ｂ（ｔ）に容量変化成分Ｃ（ｔ）を加えた波形とほぼ同じであり、検出電極の静電容量の変化に応じた発振を可能にする。

なお、ここでは蓄電手段Ｃｒ，Ｃｉと抵抗Ｒｒ，Ｒｉとして別のものを用いたが、動作はほぼ同様であり、兼用しても良い。

以上に説明したように、本発明による近接検出装置では、検出電極の充放電波形Ｅ（ｔ）からノイズ成分Ｎ（ｔ）を除いた波形に近い波形を再構築することにより、ノイズの影響を除去した発振を可能にしたものである。

基本発振除去手段や内部発振手段を用いずに、低周波成分除去のみによりノイズ成分Ｎ（ｔ）を除去してヒステリシスのある比較手段を用いて発振させる方法も構成も考えられるが、単に低周波成分のみを除去してしまうと低周波について負の帰還が掛からなくなってしまい、発振が不安定になってしまう。本発明では、内部発振手段を設けて、容量変化成分Ｃ（ｔ）のみを加えたことにより、ノイズの影響を除去しつつ検出電極の静電容量に依存して安定した発振を行うようにしたものである。

計測手段７は、発振波形を計測して静電容量を求める。但し、ここでの静電容量とは、必ずしも静電容量の絶対値である必要はない。近接検出のためには、例えば発振波形の周期など静電容量の変化に対応して変化する値が得られれば良いからである。発振波形の周期をクロックのカウントにより求めることができる。また、一定期間の発振波形をカウントして周波数を求めるようにしても良いことは言うまでもない。

近接演算手段３では、静電容量検出手段で求めたノイズを除去した静電容量の値が予め設定した値より大きくなった場合には、予め想定した物体の接近として検出するようにしても良い。

以上に、図１に示す一つの検出電極により物体の接近を検出する近接検出装置の場合について説明したが、同様に図３に示すように、複数の検出電極を用いることにより、物体の接近ばかりでなくその位置まで検出することの出来る近接検出装置に本発明を用いることが出来ることは言うまでもない。

以上に説明したように、本発明による近接検出装置では、指の近傍など局所的に印加されるノイズがあっても、長時間の平均化やフィルターを必要とせずにノイズを除去して、高速に検出することの出来る近接検出装置を実現することが出来る。

実施例１では、低い周波数のノイズを効果的に除去することのできる近接検出装置について説明した。本実施例２では、さらに差動検出を併用して、差動電極に共通に印加されるノイズについては、低周波ノイズに限らず除去することにより、さらに安定して正確な検出を可能にする近接検出装置について説明する。

実施例２における近接検出装置の一例を、図８を基に説明する。

正の素電極２１と負の素電極２２は、差動検出の対となる素電極で、指示手段上の近傍に設けられている。ある。その働きは実施例１の場合と同様で、人の指などの対象となる物体が接近すると静電容量を増加させる。

差動検出の場合の、正の素電極と負の素電極の充放電波形Ｅｐ，Ｅｎを、数２に示す。ここで、Ｂは基本発振成分で、Ｃｐ，Ｃｍは正の素電極と負の素電極の容量変化成分で、Ｎｌは低周波のノイズ成分でＮｅは低周波除去手段で除去できない周波数のノイズである。但し、ここではＥｐ，Ｅｍ，Ｂ，Ｃｐ，Ｃｍ，Ｎｌ，Ｎｅの各変数は、（ｔ）の明記を省略したが、実施例１と同様に時間の関数である。
（数２）
Ｅｐ＝Ｂ＋Ｃｐ＋Ｎｌ＋Ｎｅ
Ｅｍ＝Ｂ＋Ｃｍ＋Ｎｌ＋Ｎｅ（同相充放電差動時）
Ｅｍ＝−Ｂ−Ｃｍ＋Ｎｌ＋Ｎｅ（逆相充放電差動時）
正の素電極の充放電波形Ｅｐは、実施例１の場合と同様である。負の素電極の充放電波形Ｅｍは、同相充放電差動の場合と逆相充放電差動の場合とで異なる。同相充放電差動の場合の負の素電極の充放電波形Ｅｍは、正の素電極の充放電波形と同様である。但し、静電容量の変化は物体の接近により異なるので容量変化成分はＣｐとＣｍとして区別している。逆相充放電差動の場合は、逆相のために基本発振成分Ｂと容量変化成分Ｃｍは符号が反転しているが、ノイズ成分は充放電とは無関係に印加されるため、符号は反転しない。

容量変化抽出手段は、実施例１と同様に、差動電極の各々について基本発振除去手段２３と低周波除去手段２４により容量変化成分を抽出する。

このため、基本発振除去手段２３では、基本発振成分Ｂあるいは−Ｂを除去する。また、低周波除去手段２４では実施例１と同様に低周波のノイズ成分Ｎｌを除去する。

減算手段２５では、正の素電極と負の素電極の充放電波形Ｅｐ，Ｅｍの各々から基本発振成分Ｂあるいは−Ｂと低周波成分Ｎｌを除去したものを、減算することによりＮｅは低周波除去手段２４で除去できない周波数のノイズを除去する。ただし、ノイズの除去と同時に、容量変化成分Ｃｐ，Ｃｍも減算される。従って、減算手段の出力は、同相充放電差動の場合には、ＣｐとＣｍの差となり、逆相充放電差動の場合にはＣｐとＣｍの和になる。

乗算手段２６は、実施例１と同様である。

内部発振手段２７も、実施例１とほぼ同様である。ただし、負の素電極側への発振波形は逆相充放電差動の場合にのみ正の素電極側への発振波形と反転した波形を出力するようにした。

計測手段２８も、実施例１とほぼ同様に発振波形を計測して静電容量を求める。ただし、同相充放電差動の場合に求める静電容量は正の素電極と負の素電極の静電容量の差あるいはその変化に対応した値であり、逆相充放電差動の場合に求める静電容量は正の素電極と負の素電極の静電容量の和あるいはその変化に対応した値である。同相充放電差動と逆相充放電差動を時分割等で併用する場合には、これらの和と差を加算もしくは減算することにより容易に正の素電極と負の素電極の静電容量あるいはその変化に対応した値を得ることが出来る。

なお、図８では容量変化抽出手段２９で基本発振除去と低周波除去後に減算した場合の例を示したが、図９に示すように基本発振除去後に減算してその後に低周波を除去するなど、順番を入れ換えても良い。

また、実施例２の場合も実施例１の場合と同様に、複数の差動電極を用いて、物体の接近ばかりでなく位置をも検出する近接検出装置に用いることが出来ることは言うまでもない。

以上に示したように、実施例２では差動検出を併用して、差動電極に共通に印加されるノイズについては、低周波ノイズに限らず除去することにより、さらに安定して正確な検出を可能にする近接検出装置を実現することができる。

本発明に係る近接検出装置の第１の実施例を示すブロック図従来の近接検出装置の静電容量検出手段の接続図本発明に係る近接検出装置の他の実施例を示すブロック図本発明に係る静電容量検出手段の例を示すブロック図本発明に係る基本発振除去手段の例を示す接続図本発明に係る低周波除去手段の例を示すブロック図本発明に係る内部発振手段例を示す内部接続図本発明に係る近接検出装置の他の実施例を示すブロック図本発明に係る近接検出装置の他の実施例を示すブロック図

符号の説明

１検出電極
２静電容量検出手段
３近接演算手段
４、２７内部発振手段
５帰還抵抗
６容量変化抽出手段
７、２８計測手段
８、２３基本発振除去手段
９、２４低周波除去手段
１０、２６乗算手段
１１、１４、２５減算手段
１２変化検出手段
１３サンプルホールド手段
１５加算手段
２１正の素電極
２２負の素電極

Claims

検出電極の静電容量の変化により物体の接近あるいは位置を検出する近接検出装置において、
前記物体の接近により見かけの静電容量を変化させる単数または複数の検出電極と、
前記検出電極の静電容量に応じた値を検出する静電容量検出手段と、
前記静電容量に応じた値から前記物体の接近あるいは位置を検出する近接演算手段とを有し、
前記静電容量検出手段は、前記検出電極への充放電波形から前記検出電極の静電容量の変化に対応した容量変化成分を抽出する容量変化抽出手段と、前記容量変化成分により発振周波数を変化させる発振手段と、前記発振からの発振波形を計測して前記検出電極の静電容量に応じた値を出力する計測手段と、を有することを特徴とする近接検出装置。
前記検出電極は、正の素電極と負の素電極とにより構成される差動電極であり、前記容量変化抽出手段は減算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の近接検出装置。
前記容量変化抽出手段は、前記容量変化成分やノイズ成分を除いた基本的な発振成分を除去する基本発振除去手段と、低周波のノイズを除去する低周波除去手段とを有することを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載の近接検出装置。
前記容量変化抽出手段は、静電容量検出の感度を変えるための乗算手段を有することを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の近接検出装置。
前記発振手段は、内部に蓄電手段と帰還抵抗を有することを特徴とする請求項１または２に記載の近接検出装置。
検出電極の静電容量の変化により物体の接近あるいは位置を検出する近接検出方法において、
前記物体の接近により見かけの静電容量を変化させる単数または複数の検出電極の静電容量に応じた値を検出する静電容量検出工程と、
前記静電容量に応じた値から前記物体の接近あるいは位置を検出する近接演算工程とを有し、
前記静電容量検出工程は、前記検出電極への充放電波形から前記検出電極の静電容量の変化に対応した容量変化成分を抽出する容量変化抽出工程と、前記容量変化成分により発振周波数を変化させる発振工程と、前記発振からの発振波形を計測して前記検出電極の静電容量に応じた値を出力する計測工程と、を有することを特徴とする近接検出方法。
前記検出電極は、正の素電極と負の素電極とにより構成される差動電極であり、前記容量変化抽出工程は減算工程を有することを特徴とする請求項６に記載の近接検出方法。
前記容量変化抽出工程は、前記容量変化成分やノイズ成分を除いた基本的な発振成分を除去する基本発振除去工程と、低周波のノイズを除去する低周波除去工程とを有することを特徴とすることを特徴とする請求項６または７に記載の近接検出方法。
前記容量変化抽出工程は、静電容量検出の感度を変えるための乗算工程を有することを特徴とすることを特徴とする請求項８に記載の近接検出方法。
前記発振工程は、内部に蓄電手段と帰還抵抗とによる帰還を有することを特徴とする請求項６または７に記載の近接検出方法。