JP2011166240A - 静電容量検出方式および静電容量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによる誤検出を回避可能な静電容量検出方式および静電容量検出装置を提供する。
【解決手段】検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部１００と、センサ部１００に所定の電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部２００と、異なる電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部２００に対して電流制御信号を出力する電流量制御部３００と、スイッチング制御部２００から出力されるパルス信号に基づいてセンサ部１００における容量を検出する容量検出制御部４００と、異なる電流量で検出された容量検出制御部４００の検出結果に基づいてセンサ部１００にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定部５００と、を有した静電容量検出装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量検出方式およびこの静電容量検出方式を用いた静電容量検出装置に関する。

従来、洗車時等の多量の水流等によっても誤動作することなく、人体のみを検出し得るようにした静電容量検出装置がある（例えば、特許文献１）。この検出装置は、センサ電極と、センサ電極に対して交番電圧を印加する駆動部と、センサ電極による検出信号を電圧変換する電圧変換回路と、電圧変換回路で得た電圧値の変化量を監視してセンサ電極付近への人体の接近を検出する制御部とを含み、駆動部がセンサ電極に順次に切り替えて複数の異なる周波数の交番電圧を印加し、制御部が各周波数の交番電圧に対するセンサ電極の検出信号に基づいてセンサ電極付近で発生する静電容量変化を検出するものである。この静電容量変化の検出結果に基づいて、雨滴だけでなく洗車時等の多量の水流等によっても誤動作することなく人体のみを検出することができるとされている。

特開２００６−２１１４２７号公報

しかし、一般的に静電容量検出装置はノイズに弱く、特許文献１の静電容量検出装置では、誤動作の原因となる雨滴や洗車時等の多量の水流による影響は軽減できるが、この装置の近傍で発生した電磁ノイズの影響を除去することができない。従って、ノイズによる誤った静電容量検出を行ない、この静電容量検出の結果に基づいたタッチ検出においてタッチ誤検出を行なう場合があり、これを回避することが難しいという問題があった。

従って、本発明の目的は、ノイズによる誤検出を回避可能な静電容量検出方式および静電容量検出装置を提供することにある。

［１］本発明は上記目的を達成するため、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部と、前記センサ部に所定の電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部と、異なる電流量で前記電流の充電制御および放電制御を行なう前記スイッチング制御部に対して電流制御信号を出力する電流量制御部と、前記スイッチング制御部から出力されるパルス信号に基づいて前記センサ部における容量を検出する容量検出制御部と、前記異なる電流量で検出された前記容量検出制御部の検出結果に基づいて前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定部と、を有することを特徴とする静電容量検出装置を提供する。

［２］前記ノイズ判定部は、第１および第２の電流量で検出された前記容量検出制御部の検出結果に基づいて前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定することを特徴とする上記［１］に記載の静電容量検出装置であってもよい。

［３］また、前記スイッチング制御部は、定電流源を用いたことを特徴とする上記［１］に記載の静電容量検出装置であってもよい。

［４］また、前記スイッチング制御部は、フリップフロップを用いたことを特徴とする上記［１］に記載の静電容量検出装置であってもよい。

［５］本発明は上記目的を達成するため、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部に第１の電流量で電流の充電および放電を行なう第１のスイッチング制御動作と、前記第１のスイッチング制御動作によるセンサ部の静電容量の変化に応じた変化を検知する第１の容量検出動作と、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部に前記第１の電流量と異なる第２の電流量で電流の充電および放電を行なう第２のスイッチング制御動作と、前記第２のスイッチング制御動作によるセンサ部の静電容量の変化に応じた変化を検知する第２の容量検出動作と、前記第１の容量検出動作と前記第２の容量検出動作の検出結果を比較することにより、前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定動作と、を有し、前記ノイズ判定動作の結果に基づいて前記センサ部の静電容量検出を行なうことを特徴とする静電容量検出方法を提供する。

［６］前記ノイズ判定動作の結果により、前記センサ部にノイズが印加されてないと判断された場合にのみ前記センサ部の静電容量検出を行なうことを特徴とする上記［５］に記載の静電容量検出方法であってもよい。

本発明によれば、ノイズによる誤検出を回避可能な静電容量検出方式および静電容量検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置１０の構成を示すブロック回路図である。 図２（ａ）は、電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２が電流大の場合の、スイッチング制御部２００から出力されるパルス信号であり、図２（ｂ）は、容量検出制御部４００内における波形成形後のパルス信号を示す波形図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置の動作フローを示すフローチャートである。 図４（ａ）は、電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２が電流小の場合の、容量検出制御部から出力されるパルス信号であり、図４（ｂ）は、波形成形後のパルス信号を示す波形図である。 図５（ａ）は、センサ部１００へのタッチあり、なしの場合の容量検出制御部から出力されるパルス信号であり、図５（ｂ）は、波形成形後のパルス信号を示す波形図である。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置１０の構成を示すブロック回路図である。静電容量検出装置１０は、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部１００と、センサ部１００に所定の電流量で充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部２００と、異なる電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部２００に対して電流制御信号を出力する電流量制御部３００と、スイッチング制御部２００から出力されるパルス信号に基づいてセンサ部１００における容量を検出する容量検出制御部４００と、異なる電流量で検出された容量検出制御部４００の検出結果に基づいてセンサ部１００にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定部５００と、を有して構成される。ここで、検出対象の近接または接触は、ノイズの印加、手指の近接、接触（タッチ）等である。

センサ部１００は、所定の間隔で面対向して形成された電極対により構成され、一端がスイッチング制御部２００に接続され、他端がグランドＧＮＤに接続されている。このセンサ部１００は、所定の静電容量Ｃに設定されているが、操作者の手指等が接触あるいは近接すると、静電容量ＣがＣ^＋に増加する。

スイッチング制御部２００は、センサ部１００へ一定の電流により充電させるための定電流源Ｉｓ１がスイッチング素子Ｔｒ１を介してセンサ部１００の一端に接続され、他端がグランドＧＮＤに接続されている。センサ部１００の一端は、コンパレータＣＯＭ１に接続され、この電圧が反転入力端子に入力されている。コンパレータＣＯＭ１の非反転入力端子側には閾値電圧Ｖ_１が入力されている。コンパレータＣＯＭ１の出力は、フリップフロップＦＦのＳ（セット）端子に入力されている。フリップフロップＦＦの出力Ｑは、スイッチング素子Ｔｒ１の制御端子に接続されている。ここで、スイッチング素子Ｔｒ１は、例えば、トランジスタ等のスイッチング半導体素子、リレー等である。上記のフリップフロップＦＦの出力Ｑは、トランジスタの場合はベース、またはゲートに接続される。

また、スイッチング制御部２００は、センサ部１００へ一定の電流により放電させるための定電流源Ｉｓ２がスイッチング素子Ｔｒ２を介してセンサ部１００の一端に接続され、他端がグランドＧＮＤに接続されている。センサ部１００の一端は、コンパレータＣＯＭ２に接続され、この電圧が反転入力端子に入力されている。コンパレータＣＯＭ２の非反転入力端子側には閾値電圧Ｖ_１が入力されている。コンパレータＣＯＭ２の出力は、フリップフロップＦＦのＲ（リセット）端子に入力されている。フリップフロップＦＦの反転出力Ｑ￣は、スイッチング素子Ｔｒ２の制御端子に接続されている。上記のフリップフロップＦＦの反転出力Ｑ￣は、トランジスタの場合はベース、またはゲートに接続される。

電流量制御部３００は、異なる電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうようにスイッチング制御部２００へ電流制御信号を出力する。これにより、定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値Ｉａ、Ｉｂを切替え制御する。定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２は、容量検出制御部４００の検出期間と同期して、共に第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂに切替え制御される。この第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂは、異なる定電流値であり、例えば、第１の電流値Ｉａを第２の電流値Ｉｂの２倍に設定する。

容量検出制御部４００は、電流量制御部３００による定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値Ｉａ、Ｉｂの切替え制御に対応してそれぞれの電流値毎に、フリップフロップＦＦの出力Ｑから出力されるパルス信号をカウントする。フリップフロップＦＦからの出力パルス信号は、コンパレータ等による波形成形を経てカウンタ回路によりカウントされる。ここで、第１の電流値Ｉａによりスイッチング制御部２００が動作している場合のパルスカウント値をＮａ、第２の電流値Ｉｂによりスイッチング制御部２００が動作している場合のパルスカウント値をＮｂとする。これらのカウント値は、センサ部１００の静電容量に応じた値であり、静電容量検出に相当する。従って、センサ部１００にノイズが印加された場合にはカウント値が変化し、また、センサ部１００にタッチ動作がなされた場合にも変化する。

スイッチング制御部２００、電流量制御部３００、および容量検出制御部４００によるセンサ部１００の静電容量Ｃへの充放電の動作およびそのときの出力波形について説明する。図１において、電流量制御部３００が定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値をＩａに設定する。初期状態において、スイッチング素子Ｔｒ１がＯＮ、スイッチング素子Ｔｒ２がＯＦＦとする。センサ部１００に定電流源Ｉｓ１から充電され、コンパレータＣＯＭ１、ＣＯＭ２の反転入力端子の電位が上昇して、閾値電圧Ｖ_１に達すると、フリップフロップＦＦの出力Ｑ、Ｑ￣がそれぞれ反転する。

これにより、スイッチング素子Ｔｒ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｔｒ２がＯＮとなると、センサ部１００から定電流源Ｉｓ２側へ放電され、コンパレータＣＯＭ１、ＣＯＭ２の反転入力端子の電位が低下して、閾値電圧Ｖ_１以下に達すると、フリップフロップＦＦの出力Ｑ、Ｑ￣がそれぞれ反転する。この一連のスイッチング動作が、容量検出制御部４００からの制御信号により、所定時間だけ行なわれる。

図２（ａ）は、電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２が電流大の場合のスイッチング制御部２００から出力されるパルス信号であり、図２（ｂ）は、容量検出制御部４００内における波形成形後のパルス信号を示す波形図である。上記のスイッチング動作時のパルス信号（センサ部１００の静電容量変化の検出信号波形）は、周期Ｔａの充放電の繰り返し波形となっている。すなわち、立上りが急でその後緩やかに上昇する充電波形、および、その逆の放電波形の繰り返しである。

容量検出制御部４００内における波形成形において、内部で設定した閾値電圧Ｖｔｈで波形成形したパルス列とすると、図２に示すようなパルス信号となる。所定期間のパルス数をカウンタにより計数してパルスカウント値Ｎを得る。ここで、充放電の周期Ｔは、コンパレータの閾値Ｖ_１、センサ部１００の静電容量Ｃ、定電流量Ｉとすると、
Ｔ＝２×Ｖ_１×Ｃ／Ｉ ・・・・（１）
と近似できる。ここで、コンパレータの閾値Ｖ_１は一定であり、また、Ｉは定電流源を使用するため一定である。従って、センサ部１００の静電容量Ｃの変化は、周期Ｔの変化として検出可能であり、等価的にこの周期Ｔの変化は容量検出制御部４００でのパルスカウント値の変化に対応する。

本発明の実施の形態では、センサ部１００の静電容量Ｃの変化、すなわち、ノイズの印加による容量変化、または、タッチによる容量変化を上記した容量検出制御部４００でのパルスカウント値Ｎ等の変化として検出する。ここで、前述の式（１）、Ｔ＝２×Ｖ_１×Ｃ／Ｉと、パルスカウント値Ｎが充放電の周期Ｔに逆比例することから、
静電容量Ｃ ∝ Ｉ／Ｎ（２×Ｖ_１） ・・・・（２）
と求められる。これに基づいて、後述するノイズ検出、容量検出、タッチ検出を行なう。

ノイズ判定部５００は、容量検出制御部４００でのカウント値に基づいて、センサ部１００にノイズが印加されたかどうかを判定する。このノイズ検出を含めて、本発明の実施の形態における静電容量検出装置１０の動作を以下に説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る静電容量検出方法は、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部１００に第１の電流量で電流の充電および放電を行なう第１のスイッチング制御動作と、第１のスイッチング制御動作によるセンサ部１００の静電容量の変化に応じた変化を検知する第１の容量検出動作と、検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部１００に第１の電流量と異なる第２の電流量で電流の充電および放電を行なう第２のスイッチング制御動作と、第２のスイッチング制御動作によるセンサ部１００の静電容量の変化に応じた変化を検知する第２の容量検出動作と、第１の容量検出動作と第２の容量検出動作の検出結果を比較することにより、センサ部１００にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定動作と、を有し、このノイズ判定動作の結果に基づいてセンサ部１００の静電容量検出、タッチ検出を行なう。

本発明の実施の形態に係る静電容量検出方法、装置の動作がスタートすると、まず、電流量制御部３００は、スイッチング制御部２００に定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値をＩａに設定する制御信号を所定期間だけ出力する。スイッチング制御部２００の定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値はＩａに設定される。容量検出制御部４００は、電流値Ｉａの場合の所定期間において、フリップフロップＦＦの出力Ｑから出力されるパルス信号をカウントし、これをパルスカウント値Ｎａとする（Ｓｔｅｐ１）。このときの信号波形は、図２（ａ）、（ｂ）で示したようになる。

次に、電流量制御部３００は、スイッチング制御部２００に定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値をＩｂに設定する制御信号を所定期間だけ出力する。スイッチング制御部２００の定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値はＩｂに設定される。電流値ＩｂをＩａよりも小さく、例えば、２×Ｉｂ＝Ｉａに設定すると、図４（ａ）、（ｂ）で示すように、周期Ｔｂの充放電の繰り返し波形となる。容量検出制御部４００は、電流値Ｉｂの場合の所定期間において、フリップフロップＦＦの出力Ｑから出力されるパルス信号をカウントし、これをパルスカウント値Ｎｂとする（Ｓｔｅｐ２）。尚、Ｓｔｅｐ２での所定期間をＳｔｅｐ１での所定期間と同一に設定する。

容量検出制御部４００は、Ｓｔｅｐ１とＳｔｅｐ２での結果、すなわち、パルスカウント値Ｎａ、Ｎｂ、電流値Ｉａ、Ｉｂ、共通の閾値Ｖ_１から、静電容量Ｃａ、Ｃｂを算出して比較する。尚、静電容量Ｃａ、Ｃｂは、式（２）から算出されるので、静電容量Ｃａ、Ｃｂが一致するかどうかは、静電容量の比、Ｃａ／Ｃｂ＝（Ｉａ／Ｎａ）／（Ｉｂ／Ｎｂ）＝（Ｉａ×Ｎｂ）／（Ｉｂ×Ｎａ）を算出して、これが１になるかどうかを判断する。本実施の形態では、２×Ｉｂ＝Ｉａに設定しているので、２×Ｎｂ／Ｎａを算出して、これが１になるかどうかを判断する。

Ｃａ／Ｃｂ＝２×Ｎｂ／Ｎａ＝１、すなわち、Ｃａ＝ＣｂのときはＳｔｅｐ５へ進み、Ｃａ＝ＣｂでないときはＳｔｅｐ４へ進む。

ノイズ判定部５００は、容量検出制御部４００でのカウント値に基づいて、センサ部１００にノイズが印加されたかどうかを判定する。一般に、電流量が大きい（パワーが大きい）ほどノイズの影響を受けにくいことが知られている。従って、Ｃａ＝Ｃｂでないときはノイズの影響を受けていると考えられるので、容量検出等を行なわずに、一連の動作を終了する（Ｓｔｅｐ４）。

一方、Ｓｔｅｐ５では、Ｃａ＝Ｃｂであるので、ノイズは印加されていないと判定されるので、容量検出を行なうことができる。容量値Ｃの検出は、予めキャリブレーションにより、式（２）における比例定数部分を求めておくことで可能である。

Ｓｔｅｐ６では、タッチ検出を行なう。ノイズの印加がない状態と判定されているので、正確なタッチ検出が可能である。ここで、図５（ａ）は、センサ部１００へのタッチあり、なしの場合の容量検出制御部４００から出力されるパルス信号であり、図５（ｂ）は、波形成形後のパルス信号を示す波形図である。図５（ａ）に示すように、センサ部１００に手指等がタッチすると、センサ容量ＣがＣ^＋に増加し、充放電の周期Ｔａは周期Ｔａ^＋に変化し、これに伴い、検出パルス数Ｎａは減少する。これにより、正確なタッチ検出ができる。尚、充放電の周期Ｔｂの変化から検出パルス数Ｎｂの変化を検出してタッチ検出を行なってもよい。このタッチ検出により、一連の動作を終了する。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る静電容量検出方法または装置では、ノイズ検出を行なっている。これにより、ノイズがセンサ部１００に印加されたと判定された場合には、容量検出、タッチ検出は行なわれず、ノイズ検出がされない場合に限って容量検出、タッチ検出を行なうことができる。従って、精度の高い容量検出、タッチ検出ができ、ノイズによる誤検出を回避可能な静電容量検出方式および静電容量検出装置を提供することが可能となる。また、ノイズの多い環境で使用される場合には、定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値Ｉａ、Ｉｂの比を大きく設定して、さらに高精度なノイズ検出が可能である。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、定電流源Ｉｓ１、Ｉｓ２の電流値を２種類Ｉａ、Ｉｂで説明したが、３種類以上の電流値を使用してさらに精度の高いノイズ検出、容量検出、タッチ検出を行なうことも可能である。

１０…静電容量検出装置
１００…センサ部
２００…スイッチング制御部
３００…電流量制御部
４００…容量検出制御部
５００…ノイズ判定部
Ｃ…静電容量
ＣＯＭ１、ＣＯＭ２…コンパレータ
ＦＦ…フリップフロップ
ＧＮＤ…グランド
Ｉ…電流値
Ｉｓ１、Ｉｓ２…電流源
Ｎ…パルスカウント値
Ｑ…出力、反転出力
Ｔ…周期
Ｔr１、Ｔr２…スイッチング素子
Ｖ_１…閾値
Ｖｔｈ…閾値電圧

Claims (6)

1. 検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部と、
   前記センサ部に所定の電流量で電流の充電制御および放電制御を行なうスイッチング制御部と、
   異なる電流量で前記電流の充電制御および放電制御を行なう前記スイッチング制御部に対して電流制御信号を出力する電流量制御部と、
   前記スイッチング制御部から出力されるパルス信号に基づいて前記センサ部における容量を検出する容量検出制御部と、
   前記異なる電流量で検出された前記容量検出制御部の検出結果に基づいて前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定部と、
   を有することを特徴とする静電容量検出装置。
2. 前記ノイズ判定部は、第１および第２の電流量で検出された前記容量検出制御部の検出結果に基づいて前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定することを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出装置。
3. 前記スイッチング制御部は、定電流源を用いたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出装置。
4. 前記スイッチング制御部は、フリップフロップを用いたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出装置。
5. 検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部に第１の電流量で電流の充電および放電を行なう第１のスイッチング制御動作と、
   前記第１のスイッチング制御動作によるセンサ部の静電容量の変化に応じた変化を検知する第１の容量検出動作と、
   検出対象の近接または接触により静電容量が変化するセンサ部に前記第１の電流量と異なる第２の電流量で電流の充電および放電を行なう第２のスイッチング制御動作と、
   前記第２のスイッチング制御動作によるセンサ部の静電容量の変化に応じた変化を検知する第２の容量検出動作と、
   前記第１の容量検出動作と前記第２の容量検出動作の検出結果を比較することにより、前記センサ部にノイズが印加されたかどうかを判定するノイズ判定動作と、を有し、
   前記ノイズ判定動作の結果に基づいて前記センサ部の静電容量検出を行なうことを特徴とする静電容量検出方法。
6. 前記ノイズ判定動作の結果により、前記センサ部にノイズが印加されてないと判断された場合にのみ前記センサ部の静電容量検出を行なうことを特徴とする請求項５に記載の静電容量検出方法。
   

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