JP2012198089A

JP2012198089A - 静電容量検出装置

Info

Publication number: JP2012198089A
Application number: JP2011062044A
Authority: JP
Inventors: Tomomasa Shimizu; 智巨清水
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18
Also published as: US20120242349A1

Abstract

【課題】ノイズ検出用の電極を別途設けることなく、ノイズの有無を検出できる静電容量検出装置を提供する。
【解決手段】静電容量を形成する検出電極１００と、検出電極１００に電流を供給する電流供給部１１０と、電流供給部１１０から検出電極１００へ電流を供給する条件を異なる条件に変化させ、それぞれの異なる条件での検出電極１００の出力値に基づいて検出電極１００に電磁ノイズが印加されたかどうかを判断する制御を行なう制御部２００と、を有して静電容量検出装置１０を構成する。これにより、別途、ノイズ検出部を設けることなく、静電容量を検出するための検出電極１００のみを有し、この検出電極１００において静電容量の検出とノイズの有無の検出が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量検出装置に関し、特に、ノイズの有無の検出機能を有する静電容量検出装置に関する。

従来の静電容量検出装置として、電磁ノイズの影響による誤検出を抑制するものがある。この静電容量検出装置は、静電容量を検出する検知電極と、静電容量に基づき電磁ノイズの影響を検出するノイズ検出電極とを備え、検知電極により検出された静電容量（第１カウント値）が所定の第１上限値を超え、かつ、ノイズ検出電極により検出された静電容量（第２カウント値）が所定の第２上限値を超えたときに、検知電極による検出を禁止するものである（例えば、特許文献１参照）。

この静電容量検出装置によれば、静電容量を検出するための検知電極とは別に、電磁ノイズを検出するためのノイズ検出電極を備える構成とされているので、ノイズの影響を受けにくい静電容量検出装置が構成できるとされている。

特開２００８−８０９５２号公報

しかし、特許文献１の静電容量検出装置では、検知電極とは別にノイズ検出電極を用意する必要があり、また、ノイズの受け易さについても、検知電極の近傍に配置する等により本来の検知電極と同じ特性を確保する必要があり、設計的な制約が大きいという問題があった。

従って、本発明の目的は、ノイズ検出用の電極を別途設けることなく、ノイズの有無を検出できる静電容量検出装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、静電容量を形成する検出電極と、前記検出電極に電流を供給する電流供給部と、前記電流供給部から前記検出電極へ電流を供給する条件を異なる条件に変化させ、それぞれの異なる条件での前記検出電極の出力値に基づいて前記検出電極上での電磁ノイズの有無を判断する制御を行なう制御部と、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］前記制御部は、前記異なる条件での前記検出電極の出力値をそれぞれ比較する比較部を有し、前記比較部における閾値を前記それぞれの比較において変化させ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、前記制御部は、前記比較部において前記閾値に達するまでの時間を計測し、その計測された時間を比較することにより電磁ノイズの有無の前記判断を行なうことを特徴とする上記［２］に記載の静電容量検出装置であってもよい。

本発明によれば、ノイズ検出用の電極を別途設けることなく、ノイズの有無を検出できる静電容量検出装置を提供する。

図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置を示す回路構成図である。図２は、検出電極の時間ｔと電極電圧Ｖ_ＥＬの関係を示す図であり、図２（ａ）は、比較器において閾値Ｖthに達するまでの時間Ｔｃを示す図であり、図２（ｂ）は、比較器において閾値Ｖth／２に達するまでの時間Ｔｃ／２を示す図である。図３は、図２において、検出電極に電磁ノイズが加わった場合の信号波形を示す図であり、図３（ａ）は、コンパレータ（比較器において閾値Ｖthに達するまでの時間を示す図であり、図３（ｂ）は、コンパレータにおいて閾値Ｖth／２に達するまでの時間を示す図である。図４（ａ）は、電磁ノイズの有無の判断をする場合の検出電極の電極電圧Ｖ_ＥＬの波形図であり、図４（ｂ）は、検出電極の放電を行なうタイミングのための基準信号（クロック）Ｖ_１の波形図であり、図４（ｃ）は、計測開始の基準信号（クロック）Ｖ_２の波形図であり、図４（ｄ）は、コンパレータの出力Ｖｃの波形図である。図５は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置の制御部の判断フローの一例を示すフローチャートである。図６（ａ）は、検出電極にタッチ操作した場合において、電磁ノイズの有無の判断をする場合の検出電極の電極電圧Ｖ_ＥＬの波形図であり、図６（ｂ）は、検出電極の放電を行なうタイミングのための基準信号（クロック）Ｖ_１の波形図であり、図６（ｃ）は、計測開始の基準信号（クロック）Ｖ_２の波形図であり、図６（ｄ）は、コンパレータの出力Ｖｃの波形図である。

（静電容量検出装置１０の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置を示す回路構成図である。本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置１０は、静電容量を形成する検出電極１００と、検出電極１００に電流を供給する電流供給部１１０と、電流供給部１１０から検出電極１００へ電流を供給する条件を異なる条件に変化させ、それぞれの異なる条件での検出電極１００の出力値に基づいて検出電極１００上での電磁ノイズの有無を判断する制御を行なう制御部２００と、を有して構成されている。この静電容量検出装置１０は、別途、ノイズ検出部を設けることなく、静電容量を検出するための検出電極１００のみを有し、この検出電極１００において静電容量の検出とノイズの有無の検出が可能なものである。

ここで、電磁ノイズの有無とは、周辺環境の影響により検出電極１００に電磁ノイズが加わった状態か否かである。また、電磁ノイズが有る状態とは、この検出電極１００の容量検出の測定において、静電容量値の測定精度が低下して誤動作等の影響が生じる程度の状態である。

検出電極１００は、導電性の板状部材が対向して配置されて構成され、一方の電極はグランドレベルに接続され、他の電極はコンパレータＯＰ１の入力端子、放電と充電を切り替え制御するためのスイッチ素子ＳＷ１、及び、充電のための電流供給部１１０に接続されている。ここで、電荷がゼロの検出電極１００へ定電流Ｉ_ＣＨを供給して充電し、設定電圧Ｖthに達するまでの時間Ｔｃを計測すると、検出電極１００の静電容量Ｃは、Ｃ＝Ｉ_ＣＨ×Ｔｃ／Ｖth で算出される。

制御部２００は、図１に示すように、検出電極１００へ定電流Ｉ_ＣＨを供給する電流供給部１１０、検出電極１００に蓄積されている電荷を放電させるためのスイッチ素子ＳＷ１、検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬを設定電圧（閾値）Ｖthと比較して出力するコンパレータ（比較器）ＯＰ１、コンパレータＯＰ１の出力のＬｏレベルの時間を計測するためのタイマ（タイマカウンタ）ＴＭ１、スイッチ素子ＳＷ１の制御を行ない、また、タイマＴＭ１の出力から各種演算を行ない検出電極１００に電磁ノイズが印加されたかどうかを判断するマイコンＭ１、等を有して構成されている。

タイマ（タイマカウンタ）ＴＭ１は、検出電極１００への充電開始時から検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬがコンパレータＯＰ１の設定電圧（閾値）に達するまでの時間を計測するものである。本実施の形態では、マイコンＭ１に内蔵されたタイマを使用するが、外部に設けられるタイマを使用する構成であってもよい。

コンパレータＯＰ１は、検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬと設定電圧（閾値）を比較して反転するコンパレータ出力Ｖｃを出力し、タイマＴＭ１の入力部に接続されている。コンパレータＯＰ１の設定電圧（閾値）は、マイコンＭ１により適宜Ｖth、Ｖth／２等に変更されて設定される。

尚、図示は省略するが、電流供給部１１０には、検出電極１００への充電時のみ検出電極１００に接続される切替部が設けられている。また、電流供給部１１０は、定電流源以外であっても、所定の時間に所定の電荷を検出電極１００に供給できるものであればよい。

図２は、検出電極の時間ｔと電極電圧Ｖ_ＥＬの関係を示す図であり、図２（ａ）は、比較器において閾値Ｖthに達するまでの時間Ｔｃを示す図であり、図２（ｂ）は、比較器において閾値Ｖth／２に達するまでの時間Ｔｃ／２を示す図である。また、図３は、図２において、検出電極に電磁ノイズが加わった場合の信号波形を示す図であり、図３（ａ）は、コンパレータＯＰ１において閾値Ｖthに達するまでの時間を示す図であり、図３（ｂ）は、コンパレータＯＰ１において閾値Ｖth／２に達するまでの時間を示す図である。

図２（ａ）において、検出電極１００の放電後、時間ｔ０において充電が開始され、検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬは、時間Ｔｃで設定電圧Ｖthに達する。また、検出電極１００への充電は、定電流Ｉ_ＣＨの供給により行なわれるので、図２（ｂ）に示すように、設定電圧をＶth／２にすると、時間Ｔｃ／２で設定電圧Ｖth／２に達する。

一方、検出電極１００に電磁ノイズが加わった状態においては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、充電曲線に電磁ノイズが加わった波形となる。図３（ａ）において、コンパレータＯＰ１での閾値Ｖthに達するまでの時間は、ノイズのピークが検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬを一時的に増大させるので、ノイズの無い状態よりも、ΔＴ_ＮＺだけ小さくなる。すなわち、ノイズが有る状態では、コンパレータＯＰ１の出力が反転する時間がＴｃ−ΔＴ_ＮＺとなる。また、図３（ｂ）に示すように、設定電圧をＶth／２にした場合、ノイズのピークによる電極電圧Ｖ_ＥＬの増大は略同じであるので、図３（ａ）と同様に、コンパレータＯＰ１での閾値Ｖth／２に達するまでの時間は、ノイズの無い状態よりも、ΔＴ_ＮＺだけ小さくなる。すなわち、ノイズが有る状態では、コンパレータＯＰ１の出力が反転する時間がＴｃ／２−ΔＴ_ＮＺとなる。

検出電極１００の静電容量値Ｃは、次のような式で算出される。ノイズが無い状態では、図２（ａ）、（ｂ）から、
コンパレータＯＰ１の設定された閾値がＶthのときは、
静電容量値Ｃ＝Ｉ_ＣＨ×Ｔｃ／Ｖth
また、コンパレータＯＰ１の設定された閾値がＶth／２のときは、
静電容量値Ｃ＝Ｉ_ＣＨ×（Ｔｃ／２）／（Ｖth／２）

従って、ノイズの無い状態では、いずれの算出結果においても、算出された静電容量値Ｃは一致する。

一方、ノイズが有る状態では、図３（ａ）、（ｂ）から、
コンパレータＯＰ１の設定された閾値がＶthのときは、
静電容量値Ｃ＝Ｉ_ＣＨ×（Ｔｃ−ΔＴ_ＮＺ）／Ｖth
また、コンパレータＯＰ１の設定された閾値がＶth／２のときは、
静電容量値Ｃ’＝Ｉ_ＣＨ×（Ｔｃ／２−ΔＴ_ＮＺ）／（Ｖth／２）

従って、ノイズの有る状態では、両式により算出された結果は一致しない。これは、定電流源による検出電極１００への充電は閾値の設定変更により変化するが、ノイズ成分は変化しないからである。

（ノイズの有無を判断）
図４（ａ）は、電磁ノイズの有無の判断をする場合の検出電極の電極電圧Ｖ_ＥＬの波形図であり、図４（ｂ）は、検出電極の放電を行なうタイミングのための基準信号（クロック）Ｖ_１の波形図であり、図４（ｃ）は、計測開始の基準信号（クロック）Ｖ_２の波形図であり、図４（ｄ）は、コンパレータの出力Ｖｃの波形図である。また、図５は、本発明の実施の形態に係る静電容量検出装置の制御部の判断フローの一例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートで示すステップに従って、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

静電容量検出装置１０のノイズ判定フローがスタートすると、まず、マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１をオンさせて、検出電極１００に蓄積されている電荷を放電させる（Ｓｔｅｐ１）。すなわち、図４（ｂ）で示す基準信号（クロック）Ｖ１の立ち上がりをトリガにして放電を開始する。このとき、定電流源である電流供給部１１０からの電荷供給はオフされている。

マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１のオンから所定時間ｔｄが経過したかどうかを判断する。所定時間ｔｄは、図４（ｃ）に示す基準信号（クロック）Ｖ２であり、基準信号Ｖ１からｔｄだけ位相が遅延したものである。この所定時間ｔｄは、検出電極１００の充放電の時定数から設定されたもので、この時間だけ経過すれば検出電極１００の電荷が略ゼロとなる。所定時間ｔｄが経過したと判断されれば次のステップに進み、経過していないと判断された場合はＳｔｅｐ１へ戻り放電を継続する（Ｓｔｅｐ２）。

マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１をオフさせて、基準信号Ｖ２の立ち上がりをトリガとして、電流供給部１１０から定電流Ｉ_ＣＨを検出電極１００に供給して充電を開始する（Ｓｔｅｐ３）。

マイコンＭ１は、コンパレータＯＰ１の閾値電圧をＶth に設定して、タイマＴＭ１によりＴｃを計測する（Ｓｔｅｐ４）。このＴｃは、基準信号（クロック）Ｖ２の立ち上がりから、図４（ｄ）に示すコンパレータＯＰ１の出力Ｖｃがハイレベルになるまでの時間、すなわち、検出電極１００への充電開始から図４（ａ）に示す電極電圧Ｖ_ＥＬが閾値Ｖth に到達するまでの時間である。

マイコンＭ１は、コンパレータＯＰ１の出力Ｖｃの立ち上がり（反転）を検出したかどうかを判断する。検出した場合は次のステップに進み、検出していないと判断された場合はＳｔｅｐ３へ戻りタイマ計測を継続する（Ｓｔｅｐ５）。

マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１をオンさせて、検出電極１００に蓄積されている電荷を放電させる（Ｓｔｅｐ６）。このステップはＳｔｅｐ１と同様の動作である。すなわち、図４（ｂ）で示す基準信号（クロック）Ｖ１の立ち上がりをトリガにして放電を開始する。このとき、定電流源である電流供給部１１０からの電荷供給はオフされている。

マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１のオンから所定時間ｔｄが経過したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ７）。このステップはＳｔｅｐ２と同様の動作である。すなわち、所定時間ｔｄは、図４（ｃ）に示す基準信号（クロック）Ｖ２であり、基準信号Ｖ１からｔｄだけ位相が遅延したものである。この所定時間ｔｄは、検出電極１００の充放電の時定数から設定されたもので、この時間だけ経過すれば検出電極１００の電荷が略ゼロとなる。所定時間ｔｄが経過したと判断されれば次のステップに進み、経過していないと判断された場合はＳｔｅｐ６へ戻り放電を継続する。

マイコンＭ１は、スイッチ素子ＳＷ１をオフさせて、基準信号Ｖ２の立ち上がりをトリガとして、電流供給部１１０から定電流Ｉ_ＣＨを検出電極１００に供給して充電を開始する（Ｓｔｅｐ８）。このステップはＳｔｅｐ３と同様の動作である。

マイコンＭ１は、コンパレータＯＰ１の閾値電圧をＶth／２に設定して、タイマＴＭ１によりＴｃ’を計測する（Ｓｔｅｐ９）。このＴｃ’は、基準信号（クロック）Ｖ２の立ち上がりから、図４（ｄ）に示すコンパレータＯＰ１の出力Ｖｃがハイレベルになるまでの時間、すなわち、検出電極１００への充電開始から図４（ａ）に示す電極電圧Ｖ_ＥＬが閾値Ｖth／２に到達するまでの時間である。このステップはＳｔｅｐ４と閾値の設定値が異なる動作である。

マイコンＭ１は、コンパレータＯＰ１の出力Ｖｃの立ち上がり（反転）を検出したかどうかを判断する。検出した場合は次のステップに進み、検出していないと判断された場合はＳｔｅｐ８へ戻りタイマ計測を継続する（Ｓｔｅｐ１０）。このステップはＳｔｅｐ５と同様の動作である。

マイコンＭ１は、Ｓｔｅｐ４で計測したＴｃと、Ｓｔｅｐ９で計測したＴｃ’とから、Ｔｃ＝２Ｔｃ’であるか判断する（Ｓｔｅｐ１１）。前述のように、検出電極１００にノイズがのっていない場合にはＴｃ＝２Ｔｃ’であり、ノイズがのっている場合にはＴｃ≠２Ｔｃ’となる。

Ｔｃ＝２Ｔｃ’のときは、ノイズ無しの判定により、例えば、ノイズ判定信号ＳｎをＬｏ（ノイズなし）としてマイコンＭ１から出力し、Ｓｔｅｐ１へ戻る（Ｓｔｅｐ１２）。

Ｔｃ≠２Ｔｃ’のときは、ノイズ有りの判定により、例えば、ノイズ判定信号ＳｎをＨｉ（ノイズあり）としてマイコンＭ１から出力し、Ｓｔｅｐ１へ戻る（Ｓｔｅｐ１３）。

上記の一連のステップは繰り返し行なわれ、割り込みの中止信号が入力されるまで、ノイズの有無の判定が常時行なわれる。

（検出電極１００へのタッチ操作検出）
図６（ａ）は、検出電極にタッチ操作した場合において、電磁ノイズの有無の判断をする場合の検出電極の電極電圧Ｖ_ＥＬの波形図であり、図６（ｂ）は、検出電極の放電を行なうタイミングのための基準信号（クロック）Ｖ_１の波形図であり、図６（ｃ）は、計測開始の基準信号（クロック）Ｖ_２の波形図であり、図６（ｄ）は、コンパレータの出力Ｖｃの波形図である。

例えば、図６（ａ）において、時間ｔ１において、検出電極１００にタッチ操作が行なわれた場合を想定する。このとき、検出電極１００の静電容量が人のタッチにより変化し、通常は静電容量が増加する。これにより、図６（ａ）に示すように、検出電極１００への充電時間が長くなって、本来のＴｃからＴｃ’’に変化する。この充電時間の変化をマイコンＭ１が検出することにより、検出電極１００へのタッチ操作の有無を判断することができ、タッチ検出信号Ｓｔを生成できる。

上記のタッチ操作の有無を判断する場合に、前述のＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ１３で示したノイズの有無の判定は常時行なわれているので、ノイズが有ると判定された場合のタッチ操作有りの判定は無効とすることにより、精度の高いタッチ操作の有無判断を行なうことが可能となる。

マイコンＭ１は、図１に示したように、上記説明した、算出された静電容量値Ｃ、Ｃ’、電極電圧Ｖ_ＥＬが閾値Ｖth、Ｖth／２に到達するまでの時間Ｔｃ、Ｔｃ’、ノイズ判定信号Ｓｎ、及び、タッチ検出信号Ｓｔを外部に出力でき、種々の演算、制御等に利用することができる。

（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装置１０によれば、次のような効果を有する。
（１）静電容量検出装置１０は、コンパレータＯＰ１での検出電極１００の電極電圧Ｖ_ＥＬとの比較において、設定閾値をＶth、Ｖth／２等の異なる値に設定して、これらの複数の比較結果に基づいてノイズの有無の判断を行なう構成としている。従って、ノイズ検出のためだけに新たなハードウエア（ノイズ検出用電極等）を追加することなく、ノイズ検出を行なうことができる。
（２）検出電極１００によりノイズ検出を行なうので、別途ノイズ検出用の電極を設けた場合等の、設置場所が異なることによるノイズの受け易さ等の条件が異なることがない。これにより、ノイズの受け易さ等の条件の調整等を行なう必要がなく、容易に精度よくノイズの有無の検出が可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。例えば、コンパレータＯＰ１の出力によりタイマ計測したＴｃとＴｃ’の比較判定によらず、所定時間における電極電圧Ｖ_ＥＬの積分値を比較する等の手段によってもノイズの有無の判定が可能である。また、本実施の形態では、コンパレータＯＰ１での比較を閾値を２種類Ｖth、Ｖth／２に変化させて行なったが、３以上の閾値により複数での比較を行なうことにより、より精度の高いノイズ有無の検出も可能である。

また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…静電容量検出装置
１００…検出電極
１１０…電流供給部
２００…制御部
Ｍ１…マイコン
ＯＰ１…コンパレータ
ＴＭ１…タイマ
ＳＷ１…スイッチ素子
Ｃ…静電容量
Ｉ_ＣＨ…定電流
Ｓｎ…ノイズ判定信号
Ｓｔ…タッチ検出信号
ｔ、ｔ０、ｔ１…時間
Ｔｃ、Ｔｃ／２、ｔｄ…時間
Ｖ_ＥＬ…電極電圧
Ｖth、Ｖth／２…閾値
Ｖ１、Ｖ２…基準信号
Ｖｃ…コンパレータ出力

Claims

静電容量を形成する検出電極と、
前記検出電極に電流を供給する電流供給部と、
前記電流供給部から前記検出電極へ電流を供給する条件を異なる条件に変化させ、それぞれの異なる条件での前記検出電極の出力値に基づいて前記検出電極上での電磁ノイズの有無を判断する制御を行なう制御部と、
を有することを特徴とする静電容量検出装置。
前記制御部は、前記異なる条件での前記検出電極の出力値をそれぞれ比較する比較部を有し、前記比較部における閾値を前記それぞれの比較において変化させ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。
前記制御部は、前記比較部において前記閾値に達するまでの時間を計測し、その計測された時間を比較することにより電磁ノイズの有無の前記判断を行なうことを特徴とする請求項２に記載の静電容量検出装置。