JP2018044917A - 静電容量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】第２コンデンサの容量を示す指標として検出される検出回数の精度を向上できる静電容量センサを提供する。【解決手段】静電容量センサは、第１コンデンサと、第２コンデンサと、第１コンデンサを初期化する第１スイッチと、両コンデンサの間に配置される第２スイッチと、第２コンデンサを初期化する第３スイッチと、制御回路とを備える。制御回路は、第１コンデンサの初期化後、第２スイッチの操作と第３スイッチの操作とからなるスイッチ操作を複数回行う。スイッチ操作毎に、複数の時点で、両コンデンサ間の中間電位を取得し、複数の中間電位に基づいて、中間電位が参照電位を超えるときのスイッチ操作の操作回数に対応する回数を検出回数として導出する。【選択図】図６

Description

本発明は、物の存否を検出する静電容量センサに関する。

物を検出する静電容量センサとして、特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の静電容量センサは、物の存否により容量が変わる被測定コンデンサと、基準容量の基準コンデンサと、被測定コンデンサと基準コンデンサとの間の間に配置されるスイッチと、被測定コンデンサと基準コンデンサとの間の電位と参照電位とを比較するコンパレータと、カウント手段と、判定手段とを備える。スイッチは、オンオフを繰り返す。カウント手段は、スイッチの操作回数をカウントする。判定手段は、被測定コンデンサと基準コンデンサとの間の電位が初期電位から設定電位に変化するまでの、スイッチの操作回数に基づいて、被測定コンデンサの容量変化について判定する。なお、容量変化の判定結果は、静電容量センサ付近に配置される物の存否判定に用いられ得る。

特開２００５−１０６６６５号公報

ところで、上記静電容量センサは、スイッチの操作回数に基づいて、被測定コンデンサの容量変化について判定することから、従来の構成のみでは、検出精度に限界がある。

（１）上記課題を解決する静電容量センサは、第１コンデンサと、前記第１コンデンサに接続されて物の存否に基づいて容量が変化する第２コンデンサと、前記第１コンデンサを初期化する第１スイッチと、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に配置される第２スイッチと、前記第２コンデンサを初期化する第３スイッチと、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチを制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１スイッチの操作による前記第１コンデンサの初期化後、前記第２スイッチの操作と前記第３スイッチの操作とからなるスイッチ操作を複数回行うスイッチング制御と、前記スイッチ操作毎に、複数の時点で、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の電位である中間電位を取得し、複数の前記中間電位に基づいて、前記中間電位が参照電位を超えるときの前記スイッチ操作の操作回数に対応する検出回数を導出する演算とを実行する。

中間電位が参照電位を超えるときのスイッチ操作の操作回数すなわち検出回数は、第２コンデンサの容量を示す指標となる。一方、中間電位にノイズがあると、指標の精度が低下する。上記構成では、複数の時点で取得された中間電位に基づいて上記検出回数を導出する。このため、単一の中間電位に基づいて上記検出回数を導出する場合に比べて、検出回数の精度（第２コンデンサの容量を示す指標の精度）が高くなる。これにより、静電容量センサの検出精度が向上する。

（２）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記演算において、前記スイッチ操作毎に、複数の時点で、前記中間電位と前記参照電位とを比較する比較演算と、前記比較演算により得られる複数の比較結果に基づいて前記検出回数を導出する指標導出演算とを実行する。

上記構成によれば、スイッチ操作毎に得られる複数の比較結果に基づいて、上記検出回数を導出する。このため、スイッチ操作毎に得られる単一の比較結果に基づいて上記検出回数を導出する場合に比べて、検出回数の精度が高くなる。

（３）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を算出し、前記確率が規定確率を超えるとき、前記確率が前記規定確率を超えた時点での前記スイッチ操作の操作回数を前記検出回数とする。この構成によれば、上記確率に基づいて検出回数が導出される。

（４）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を導出し、前記中間電位が前記参照電位を超える前の期間における異なる時点で得られた複数の前記確率と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数に基づいて、前記検出回数を導出する。この構成によれば、中間電位が参照電位を超える前に、検出回数が得られる。

（５）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を導出し、前記中間電位が前記参照電位を超える前後期間における異なる時点で得られた複数の前記確率と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数に基づいて、前記検出回数を導出する。この構成によれば、スイッチ操作の操作回数を一つのパラメータとする連続関数を導出する。このため、スイッチ操作の操作回数と関係付けられる検出回数が実数として得られる。これにより、検出回数が高い分解能で得られる。

（６）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算を、前記中間電位が、前記中間電位の初期電位と前記参照電位との間に設定される規定電位を超える時以降に実行する。この構成によれば、制御回路の演算回数が制限されるため、制御回路の負担が軽減する。

（７）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記演算において、前記スイッチ操作毎に、複数の時点で得られる、前記中間電位に基づいて前記中間電位の平均値を導出する平均値演算と、前記中間電位の平均値に基づいて前記検出回数を導出する指標導出演算とを実行する。

上記構成によれば、スイッチ操作毎に得られる中間電位の平均値に基づいて、上記検出回数を導出する。このため、スイッチ操作毎に得られる単一の中間電位に基づいて上記検出回数を導出する場合に比べて、検出回数の精度が高くなる。

（８）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記中間電位の平均値が前記参照電位を超えた時点での前記スイッチ操作の操作回数を前記検出回数とする。この構成によれば、中間電位の平均値が参照電位を超えた時点で、検出回数が得られる。

（９）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記中間電位が前記参照電位を超える前の期間における異なる時点で得られた複数の前記中間電位の平均値と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数に基づいて、前記検出回数を導出する。この構成によれば、中間電位が参照電位を超える前に、検出回数が得られる。

（１０）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算において、前記中間電位が前記参照電位を超える前後期間における異なる時点で得られた複数の前記中間電位の平均値と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数に基づいて、前記検出回数を導出する。この構成によれば、スイッチ操作の操作回数を一つのパラメータとする連続関数を導出する。このため、スイッチ操作の操作回数と関係付けられる検出回数が実数として得られる。これにより、検出回数が高い分解能で得られる。

（１１）上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記指標導出演算を、前記中間電位が、前記中間電位の初期電位と前記参照電位との間に設定される規定電位を超える時以降に実行する。この構成によれば、制御回路の演算回数が制限されるため、制御回路の負担が軽減する。

（１２）上記静電容量センサにおいて、前記第１コンデンサの少なくとも一方の電極には、正規分布に従うノイズが入力される。
中間電位はノイズを含む。このノイズに偏りやピークがあると、上述の確率や中間電位の平均値の精度が低下する。この点上記構成によれば、正規分布に従うノイズが第１コンデンサの少なくとも一方の電極に入力される。これにより、正規分布に従うノイズを印加しない場合に比べて、異常な比較結果や平均値が導出されることが抑制される。

上記静電容量センサによれば、検出精度を向上できる。

第１実施形態について、静電容量センサの回路図。 静電容量センサについて、各信号のタイミングチャート。 第２コンデンサの容量と検出回数との関係を模式的に示すグラフ。 中間電位のノイズを示すグラフ。 中間電位の変遷および中間電位のノイズ幅を示すグラフ。 比較回路の出力信号を示すチャート。 第２実施形態について、確率と操作回数との関係を示すグラフ。 第３実施形態について、第２コンデンサの容量と検出差分との関係を模式的に示すグラフ。 第３実施形態について、確率と操作回数との関係を示すグラフ。 第４実施形態について、静電容量センサの回路図。 第５実施形態について、中間電位の平均値と操作回数との関係を示すグラフ。 第６実施形態について、中間電位の平均値と操作回数との関係を示すグラフ。 第７実施形態について、ノイズの分布を示すグラフ。

＜第１実施形態＞
図１〜図６を参照して、静電容量センサについて説明する。
実施形態に係る静電容量センサ１は、例えば、車両ドアの取手に搭載されるタッチセンサとして用いられ得る。静電容量センサ１は、その静電容量センサ１の付近に物（例えば、身体の一部である手、身体に装着された物、または雨滴等の付着物）が配置されたことに基づいて、その存在を検出する。静電容量センサ１が検出する物の存否に関する情報は、例えば、車両ドアの施錠解錠の許可のために使用される。

ある種の静電容量センサ１では、静電容量センサ１から所定距離内にある物の検出が要求される。すなわち、静電容量センサ１から離間して配置される物の検出が要求される。このような場合、静電容量センサ１の容量変化が小さいため、このような静電容量センサ１には、高精度の検出性能が要求される。なお、以下に示す回路例は、このような高精度の検出が可能な回路の例であるが、その適用は、高精度検出可能な静電容量センサ１に限定されない。

静電容量センサ１は、第１コンデンサ１１と、第２コンデンサ１２と、第１スイッチ２１と、第２スイッチ２２と、第３スイッチ２３と、制御回路３０とを備える。
第１コンデンサ１１は、所定容量を有する。第１コンデンサ１１としては、物の存否に基づいてその容量が変化しないものが用いられる。

第２コンデンサ１２は、物の存否により容量を変化させ得る。例えば、第２コンデンサ１２は、第２コンデンサ１２の付近に物に配置されることにより、その容量（第２コンデンサ１２の容量）が変化し得るようなところに配置される。「第２コンデンサ１２の付近に配置される」とは、第２コンデンサ１２に物が接触するように配置されること、第２コンデンサ１２を覆うカバー等を介して第２コンデンサ１２の付近に配置されること、空間を介して第２コンデンサ１２の近くに物が配置されること、第２コンデンサ１２の近くを通過すること、第２コンデンサ１２に接近することを含む。また、第２コンデンサ１２は、物が第２コンデンサ１２の付近に配置されることに基づいて第２コンデンサ１２の容量が変化するように構成されている。例えば、第２コンデンサ１２を構成する一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、物（例えば手）と電極とが対向するとき、第２コンデンサ１２の容量が変化し得る程度の大きさに構成される。

第２コンデンサ１２は、第１コンデンサ１１に接続される。具体的には、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とは、電位の異なる２つの配線の間に直列に接続される。第１コンデンサ１１の一端は、第１電位Ｖ１の配線に接続され、第１コンデンサ１１の他端は、第２スイッチ２２を介して第２コンデンサ１２の一端に接続される。第２コンデンサ１２の他端は、第２電位Ｖ２の配線に接続される。第１電位Ｖ１は、後述の参照電位Ｖｒｅｆよりも大きく、第２電位Ｖ２は参照電位Ｖｒｅｆよりも小さい。第２電位Ｖ２は、例えば、グランドと等電位に設定される。

第１スイッチ２１は、第１コンデンサ１１を初期化する。具体的には、第１スイッチ２１は、第１コンデンサ１１に並列に接続される配線１３に配置され、この配線１３を接続または遮断する。第２スイッチ２２は、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とを接続する配線１４に設けられ、この配線１４を接続または遮断する。第３スイッチ２３は、第２コンデンサ１２を初期化する。具体的には、第３スイッチ２３は、第２コンデンサ１２に並列に接続され配線１５に配置され、この配線１５を接続または遮断する。なお、以降の説明では、第１スイッチ２１、第２スイッチ２２及び第３スイッチ２３のオンは、各配線１３，１４，１５の接続を示し、オフは、各配線１３，１４，１５の遮断（電気的切断）を示す。

制御回路３０は、スイッチ制御回路３１と、比較回路３２と、演算回路３３とを備える。
スイッチ制御回路３１は、第１スイッチ２１、第２スイッチ２２、及び第３スイッチ２３を制御する（スイッチング制御）。

比較回路３２は、中間電位ＶＭと参照電位Ｖｒｅｆとを比較する（比較演算）。中間電位ＶＭとは、第１コンデンサ１１と第２スイッチ２２との間であり、かつ第１コンデンサ１１と第２スイッチ２２との間の部位の電位を示す。

演算回路３３は、比較回路３２の出力信号（すなわち比較結果）に基づいて検出回数Ｎ（後述参照）を導出する（指標導出演算）。

図２を参照して、スイッチ制御回路３１が実行するスイッチング制御及び演算回路３３の動作について説明する。
第１スイッチ２１、第２スイッチ２２及び第３スイッチ２３は、所定周期で動作する。周期の初期において、第１スイッチ２１がオンに制御され、第２スイッチ２２及び第３スイッチ２３がオフに制御される。これにより、第１コンデンサ１１が初期化され、中間電位ＶＭは第１電位Ｖ１と等しくなる。以下の説明では、第１コンデンサ１１が初期化されたときの中間電位ＶＭを「初期電位」（初期電位は第１電位Ｖ１に等しい。）という。

次に、第１スイッチ２１がオフに制御され、第２スイッチ２２がオンに制御され、かつ第３スイッチ２３がオフに維持される（以下、このスイッチ動作を「第２スイッチ操作」という。）。このとき、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とに電流が流れ、中間電位ＶＭが低下する。

次に、第１スイッチ２１がオフに維持され、第２スイッチ２２がオフに制御され、かつ第３スイッチ２３がオンに制御される（以下、このスイッチ動作を「第３スイッチ操作」という。）。このとき、第２コンデンサ１２が初期化される。

引き続き、第１スイッチ２１がオフに維持されたまま、第２スイッチ操作及び第３スイッチ操作が交互に実行される。このため、図２に示されるように、中間電位ＶＭは徐々に低下する。なお、以降説明では、第２スイッチ操作とこの操作に続く第３スイッチ操作との一対の操作を「スイッチ操作」という。

スイッチ操作は、所定回数（１よりも大きい回数）行われる。所定回数は、第２コンデンサ１２が最小容量のとき中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるまでに要する回数よりも多い。すなわち、第２コンデンサ１２がいかなる容量になっているときでも、所定回数のスイッチ操作の実行により、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える。なお、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるとは、中間電位ＶＭと参照電位Ｖｒｅｆとの大小関係が、当初（第１スイッチ２１がオンになるとき）から反対になることを示す。この例では、当初、中間電位ＶＭは、参照電位Ｖｒｅｆよりも高い電位であるため、「超える」とは、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆよりも低い電位になることを示す。

比較回路３２は、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かを示す信号を出力する。なお、以降の説明では、便宜上、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えていることを示す信号を「オン信号」といい、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えていないことを示す信号を「オフ信号」という。

演算回路３３は、次の４つの演算を行う。
第１演算では、スイッチ操作の操作回数をカウントする。操作回数は、第１スイッチ２１がオンに操作されるとき、初期化される（すなわち、操作回数＝「０」）。スイッチ制御回路３１により第２スイッチ２２（または第３スイッチ２３）がオン操作される都度、演算回路３３は、操作回数を１増分する。このようにして、スイッチ操作の操作回数がカウントされる。

第２演算では、比較回路３２の出力信号に基づいて、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥを算出する。
第３演算では、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるときのスイッチ操作の操作回数（すなわち検出回数Ｎ）を求める。「中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるとき」の判定は確率ＰＥが用いられる。例えば、確率ＰＥが規定確率（例えば、５０％）を超えるとき、「中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える」と判定し、この判定結果のとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。

図３を参照して、検出回数Ｎの技術的意味を説明する。図３は、第２コンデンサ１２の容量と検出回数Ｎとの関係を模式的に示すグラフである。第２コンデンサ１２の容量が小さい場合、スイッチ操作１回当たりの中間電位ＶＭの変化量が小さいため、検出回数Ｎは大きい値になる。第２コンデンサ１２の容量が大きい場合（例えば、物が静電容量センサ１付近に配置されている場合）、スイッチ操作１回当たりの中間電位ＶＭの変化量が大きいため、検出回数Ｎは小さい値になる。すなわち、検出回数Ｎは、第２コンデンサ１２の容量の指標になる。

第４演算では、検出回数Ｎと基準値とに基づいて検出差分ΔＮを算出する。
基準値は、予め設定される値でもよいが、過去の検出回数Ｎが用いられることが好ましい。過去の検出回数Ｎ１とは、第４演算に係る検出回数Ｎ２が得られた時刻ｔｃから所定時間前の時刻ｔｐに得られた検出回数Ｎを示す。そして、過去（時刻ｔｐ）の検出回数Ｎ１と現在（時刻ｔｃ）の検出回数Ｎ２との間の差分（−（Ｎ２−Ｎ１），以下「検出差分ΔＮ」）を算出する。検出差分ΔＮは、第２コンデンサ１２の容量変化量の指標になる。そして、検出差分ΔＮと基準差分ΔＮＡとを比較する。検出差分ΔＮが基準差分ΔＮＡよりも大きいとき、静電容量センサ１付近に物が存在すると判定する。

基準値として過去の検出回数Ｎを用いる理由は、第２コンデンサ１２の容量が環境（温度及び湿度）により変化すること、及び、第２コンデンサ１２の容量が個体差に起因してばらつきがあり、第２コンデンサ１２の初期容量に対応する適切な固定値を設定することが難しいからである。

次に、第２演算について詳述する。
上述したように、第２演算では、比較回路３２の出力信号に基づいて、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥを算出する。ここで、「中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥ」を算出する理由について説明する。

図４に示されるように、中間電位ＶＭは、時間に対してゆらぐ。すなわち、中間電位ＶＭは「ノイズ」を有する。「ノイズ」は、外部からのノイズ（電磁波等）や電源電圧のノイズに起因する。

中間電位ＶＭがノイズを含むため、第２コンデンサ１２の容量が所定の値で一定になっているときでも、検出時刻（図４の黒点参照）により中間電位ＶＭが異なる値になり、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの判定結果が異なるようになる。この結果、検出回数Ｎ、及び検出差分ΔＮが異なるようになる。特に、検出差分ΔＮが基準差分ΔＮＡに近いとき、物の存否の判定結果が異なるようになる。

図５を参照して、物の存否判定が異なる結果になる例を説明する。図５は、中間電位ＶＭの変遷を示す図であり、２点鎖線は、ノイズに起因する中間電位ＶＭの上限と下限とを示す。

比較回路３２による比較動作時、偶然、中間電位ＶＭがノイズ幅における最小値になっており参照電位Ｖｒｅｆを超えていたとき（図５におけるＡ部参照）、制御回路３０は、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えていると判定する。この場合、ノイズがなかった場合に比べて、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるタイミングが早くなり、検出差分ΔＮが小さくなる。検出差分ΔＮが基準差分ΔＮＡに近いときには、検出差分ΔＮが小さく見積られている結果、ノイズがなかった場合の判定結果の反対結果になり得る。このように、中間電位ＶＭのノイズに起因して、物の存否の判定精度に限界が生じる。このようなことから、本実施形態では、物の存否の判定精度を高めることを目的として、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの精度を高める。そして、この精度を高める手段として、上記確率ＰＥ、すなわち中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥを導入する。確率ＰＥに基づいて、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かを判定することにより、その判定におけるノイズの影響を小さくすることができるため、正確な判定が可能になる。

図６を参照して、「中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥ」の算出方法の一例を説明する。第２演算では、比較回路３２の出力信号（すなわち比較結果）に基づいて確率ＰＥを算出する。具体的には、第２演算において、演算回路３３は、比較回路３２の出力信号を時系列上で連続する複数の区間Ｓそれぞれで取得し、各区間Ｓにおける出力信号のオン信号の回数を集計する。この集計は、第２スイッチ２２がオフのときに実行される（図２「演算回路の動作」参照）。そして、演算回路３３は、確率ＰＥを、オン信号（すなわち、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えていることを示す信号）の回数／区間数×１００として算出する。

そして、上述されているように、第３演算では、演算回路３３は、第２演算により算出された確率ＰＥが規定確率（例えば５０％）を超えるとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。このため、偶然に中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えたという結果だけで検出回数Ｎが決定されることがない。このようにして、物の存否についての判定精度が高まる。

次に、静電容量センサ１の作用及び効果について説明する。
（１）制御回路３０は、スイッチ操作毎に、複数の時点で中間電位ＶＭを取得し、複数の中間電位ＶＭに基づいて検出回数Ｎを導出する。

中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えるときのスイッチ操作の操作回数すなわち検出回数Ｎは、第２コンデンサ１２の容量を示す指標となる。一方、中間電位ＶＭにノイズがあると、指標の精度が低下する。上記構成では、複数の時点で取得された中間電位ＶＭに基づいて上記検出回数Ｎを導出する。このため、単一の中間電位ＶＭに基づいて上記検出回数Ｎを導出する場合に比べて、検出回数Ｎの精度（第２コンデンサ１２の容量を示す指標の精度）が高くなる。これにより、静電容量センサ１の検出精度が向上する。

（２）具体的には、制御回路３０は、演算において、スイッチ操作毎に、複数の時点で、中間電位ＶＭと参照電位Ｖｒｅｆとを比較する。比較により得られる複数の比較結果（複数の時点における比較回路３２の出力信号）に基づいて検出回数Ｎを導出する。

この構成によれば、スイッチ操作毎に得られる複数の比較結果に基づいて、検出回数Ｎとして導出する。このため、スイッチ操作毎に得られる単一の比較結果に基づいて検出回数Ｎを導出する場合に比べて、検出回数Ｎの精度が高くなる。

（３）制御回路３０は、複数の比較結果に基づいて、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える確率ＰＥを算出する。確率ＰＥが規定確率を超えるとき、その時点でのスイッチ操作の操作回数を検出回数Ｎとする。この構成によれば、確率ＰＥに基づいて検出回数Ｎが導出される。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、「検出回数Ｎ」の推定方法について説明する。
第１実施形態においては、確率ＰＥが規定確率（例えば、５０％）を超えるとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。すなわち、第１実施形態では、少なくとも、確率ＰＥが規定確率を超えるまで、スイッチ操作、第１演算及び第２演算を繰り返し、そうして「検出回数Ｎ」を決定する。これに対して、本実施形態では、確率ＰＥが規定確率を超える前に、「検出回数Ｎ」を推定する。

図７を参照して、検出回数Ｎの推定の例を説明する。
制御回路３０は、スイッチ操作毎に、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える確率ＰＥを算出する。そして、確率ＰＥが規定確率を超える前の期間において、第１演算によるスイッチ操作の操作回数と確率ＰＥとを相関させる関数（例えば、１次近似式φ１）を導出し、この関数に基づいて、確率ＰＥが規定確率になる操作回数を推定する。こうして推定された操作回数は、「検出回数Ｎ」として記憶される。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前の期間における異なる時点で得られた、複数の確率ＰＥと複数のスイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数を導出する。そしてこの関数に基づいて検出回数Ｎを導出する。この構成によれば、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前に、検出回数Ｎが得られる。検出回数Ｎが得られたときには、次周期の開始時期まで、スイッチング制御及び第１〜第３演算を停止することが可能である。このため、この構成によれば、制御回路３０の消費電力の抑制が可能である。

＜第３実施形態＞
本実施形態では、「検出回数Ｎ」の実数化について説明する。
第１実施形態においては、確率ＰＥが規定確率を超えるとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。このため、検出回数Ｎは整数である。検出回数Ｎが整数であると、検出回数Ｎから導出される検出差分ΔＮも整数になる。そうすると、基準差分ΔＮＡを１未満数値範囲で微調整したとしても、検出差分ΔＮと基準差分ΔＮＡとの比較において、基準差分ΔＮＡを微調整による変化が表れない。以下、この点について説明する。

図８は、第２コンデンサ１２の容量変化量と検出差分ΔＮとの関係を示す図である。実線は、「第２コンデンサ１２の容量変化量」と「第１実施形態で求められた検出差分ΔＮ」との関係を示す。２点鎖線は、「第２コンデンサ１２の容量変化量」と「本実施形態で求められる検出差分ΔＮ」との関係を示す。１点鎖線の一方は、変更前の基準差分ΔＮＡ（１）を示す線であり、１点鎖線の他方は、設定変更後の基準差分ΔＮＡ（２）を示す線である。

検出差分ΔＮが整数（すなわち離散値）であると、単位区間ＳＢ内にある２つの第２コンデンサ１２の容量変化量に対応する２つの検出差分ΔＮは等しい。このため、基準差分ΔＮＡを小数点以下の範囲で設定変更しても（基準差分ΔＮＡ（１），ΔＮＡ（２）参照）、２つの検出差分ΔＮと基準差分ΔＮＡ（１），ΔＮＡ（２）との関係は変化しないため、２つの検出差分ΔＮと基準差分ΔＮＡ（１），ΔＮＡ（２）との比較結果は同じになる。よって、基準差分ΔＮＡの微調整による効果はない。すなわち、単位区間ＳＢ内にある２つの第２コンデンサ１２の容量変化量を区別することができない。このように、検出差分ΔＮが整数であると、第２コンデンサ１２の容量変化量の検出に対する分解能に限界がある。そこで、本実施形態では、第２コンデンサ１２の容量変化量の検出における分解能の向上の目的のため、「検出回数Ｎ」を実数化する。

図９を参照して、「検出回数Ｎ」の実数化の例を説明する。
スイッチ操作毎に、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える確率ＰＥを算出する。そして、確率ＰＥが規定確率（例えば、５０％）を超える前後期間において、第１演算によるスイッチ操作の操作回数と確率ＰＥとを相関させる連続関数（例えば、１次近似式φ２）を導出する。次いで、この関数と規定確率の線とが交差する交点を導出する。こうして導出された交点の操作回数は、「検出回数Ｎ」として記憶される。

こうして得られる検出回数Ｎは、連続する数（すなわち実数）である。この検出回数Ｎと第２コンデンサ１２の容量変化量との関係は、図８の２点鎖線Ｌのようになる。すなわち、検出回数Ｎは、第２コンデンサ１２の容量変化量が微小変化する場合にも、容量変化量それぞれに対応する値となっている。このため基準差分ΔＮＡを微調整すると、単位区間ＳＢ内にある２つの第２コンデンサ１２の容量変化量に対応する２つの検出差分ΔＮと、基準差分ΔＮＡ（１），ΔＮＡ（２）とを比較すると、その比較結果は異なる結果になり得る。このように、基準差分ΔＮＡの微調整による効果が発揮される。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、制御回路３０は、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前後期間における異なる時点で得られた複数の確率ＰＥと、複数のスイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数を導出する。そして、この連続関数に基づいて検出回数Ｎを導出する。これにより、スイッチ操作の操作回数と関係付けられる検出回数Ｎが実数として得られる。すなわち、検出回数Ｎが高い分解能で得られる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、物の存否の判定結果の精度を高める手段として、第１実施形態とは別の手段について説明する。以下、本実施形態と第１実施形態と相違する点について説明する。

図１０に示されるように、本実施形態の静電容量センサ２は、制御回路３０以外の構成については第１実施形態の構造を有する。
制御回路４０は、スイッチ制御回路４１と、平均値演算回路４２と、演算回路４３とを備える。

スイッチ制御回路４１は、第１スイッチ２１、第２スイッチ２２、及び第３スイッチ２３を制御する（後述参照）。スイッチ制御回路４１が実行するスイッチング制御は、第１実施形態に示されるスイッチング制御に準ずる。

平均値演算回路４２は、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡを算出する（平均値演算）。例えば、平均値演算回路４２は、所定期間にわたって中間電位ＶＭを積分する積分回路を有する。平均値演算回路４２は、この積分回路の出力値を規定値で割った値を「中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡ」として出力する。

演算回路４３は、平均値演算回路４２が算出した「中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡ」に基づいて検出回数Ｎを導出する（指標導出演算）。演算回路４３は、次の４つの演算を実行する。

第１演算では、スイッチ操作の操作回数をカウントする。第１演算は、第１実施形態と同じである。
第２演算では、平均値演算回路４２の出力信号に基づいて、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かを判定する。以降では、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超えているときの判定を「肯定判定」という。

第３演算では、第２演算により算出された判定が肯定判定のとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。
第４演算では、検出回数Ｎと基準値とを比較して、検出差分ΔＮを算出する。第４演算は、第１実施形態の第４演算に準ずる。

平均値演算回路４２において「中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡ」を算出する理由は、「中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えているか否かの確率ＰＥ」を算出する理由と同じである。すなわち、中間電位ＶＭのノイズに起因して、物の存否の判定精度に限界が生じる。そこで、物の存否の判定精度を高めることを目的として、中間電位ＶＭの精度を高める。そして、中間電位ＶＭの精度の向上の手段として、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡを算出する。なお、「中間電位ＶＭの精度の向上」とは、ノイズがない中間電位ＶＭ（すなわち真の中間電位ＶＭ）と中間電位ＶＭとの差が小さくなることを示す。

ノイズは、中間電位ＶＭの真の値に対して上下に平均して分散する。したがって、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡは、真の値に近いと考えられる。少なくとも、真の値に対する中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡの乖離は、任意の一時点で取得される中間電位ＶＭに比べて、小さい。従って、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡを用いることにより、中間電位ＶＭの精度を高めることができる。

そして、「中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡ」が参照電位Ｖｒｅｆを超えたと判定されるとき、第１演算でカウントされている操作回数が「検出回数Ｎ」として記憶される。すなわち、偶然に中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超えたという結果だけで検出回数Ｎが決定されることがない。このようにして、物の存否についての判定結果の精度が高まる。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、スイッチ操作毎に得られる中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡに基づいて、検出回数Ｎとして導出する。このため、スイッチ操作毎に得られる単一の中間電位ＶＭに基づいて検出回数Ｎを導出する場合に比べて、検出回数Ｎの精度が高くなる。

また、制御回路４０は、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超えるとき、その時点でのスイッチ操作の操作回数を検出回数Ｎとする。この構成によれば、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超えた時点で、検出回数Ｎが得られる。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、「検出回数Ｎ」の推定方法について説明する。
第４実施形態においては、第２演算により算出された判定が肯定判定のとき、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。すなわち、第４実施形態では、少なくとも、第２演算の判定が肯定判定となるまで、スイッチ操作、第１演算及び第２演算を繰り返し、そうして「検出回数Ｎ」を決定する。これに対して、本実施形態では、第２演算の判定が肯定判定となる前に、「検出回数Ｎ」を推定する。以下、その例を説明する。

図１１を参照して、検出回数Ｎの推定の例を説明する。
平均値演算回路４２は、スイッチ操作毎に、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡを算出する。そして、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超える前の期間において、第１演算によるスイッチ操作の操作回数と中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡとを相関させる関数（例えば、１次近似式φ３）を導出する。そして、この関数に基づいて、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡと等しくなる操作回数を推定する。こうして推定された操作回数は、「検出回数Ｎ」として記憶される。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、制御回路４０は、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前の期間における異なる時点で得られた、複数の中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡと複数のスイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数を導出する。そしてこの関数に基づいて検出回数Ｎを導出する。この構成によれば、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前に、検出回数Ｎが得られる。検出回数Ｎが得られたときには、次周期の開始時期まで、スイッチング制御及び第１〜第３演算を停止することが可能である。このため、この構成によれば、制御回路４０の消費電力の抑制が可能である。

＜第６実施形態＞
本実施形態では、「検出回数Ｎ」の実数化について説明する。
第４実施形態においては、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照電位Ｖｒｅｆを超えているとき（すなわち、「肯定判定」のとき）、第１演算でカウントされている操作回数を「検出回数Ｎ」として記憶する。このため、検出回数Ｎは整数である。検出回数Ｎが整数であると、検出回数Ｎから導出される検出差分ΔＮも整数になる。そうすると、基準差分ΔＮＡを１未満数値範囲で微調整したとしても、検出差分ΔＮと基準差分ΔＮＡとの比較において、基準差分ΔＮＡを微調整による変化が表れない。この点は、第３実施形態において図８を用いて説明したとおりである。そこで、本実施形態では、本実施形態では、第２コンデンサ１２の容量変化量の検出における分解能の向上の目的のため、「検出回数Ｎ」を実数化する。

図１２を参照して、検出回数Ｎの実数化について説明する。
スイッチ操作毎に、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡを算出する。そして、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡが参照値を超える前後期間において、第１演算によるスイッチ操作の操作回数と中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡとを相関させる連続関数（例えば、１次近似式φ４）を導出する。そして、この関数と参照電位Ｖｒｅｆとが交差する交点を導出する。こうして導出された交点の操作回数は、「検出回数Ｎ」として記憶される。

以下、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、制御回路４０は、中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える前後期間における異なる時点で得られた、複数の中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡと複数のスイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数を導出する。そして、この連続関数に基づいて検出回数Ｎを導出する。これにより、スイッチ操作の操作回数と関係付けられる検出回数Ｎが実数として得られる。すなわち、検出回数Ｎが高い分解能で得られる。

＜第７実施形態＞
本実施形態では、上記第１実施形態〜第６実施形態のいずれの形態にも適用可能な技術について説明する。

第１実施形態〜第６実施形態における課題は、中間電位ＶＭのノイズに起因する。中間電位ＶＭのノイズは不規則であるため、所定期間における中間電位ＶＭの分布は、真の中間電位ＶＭを中央値とする正規分布になる。しかしながら、外乱によりノイズに偏りが生じたり異常に高いピークが含まれたりし得る。そうすると、中間電位ＶＭの分布が正規分布に従わない場合も生じる。この場合、第１実施形態〜第６実施形態において算出される確率ＰＥや中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡの精度が低下する。そこで、本実施形態では、正規分布に従うノイズを第１コンデンサ１１の少なくとも一方の電極に入力する。

図１３を参照して、第１コンデンサ１１の電極に入力されるノイズの例を説明する。正規分布に従うノイズとは、単位時間における複数のノイズを母集団とする、ノイズの大きさ（電位）の度数分布が正規分布になることを示す。好ましい正規分布を次に示す。例えば、標準偏差σの３倍の値が、中間電位ＶＭの電位変化幅の平均変化幅ΔＶＭよりも大きく、標準偏差σの２倍の値が、中間電位ＶＭの電位変化幅の平均変化幅ΔＶＭよりも小さい。

ノイズの分散が小さすぎると、比較結果や平均値ＶＭＡに対する外部要因によるノイズの影響が大きくなり、ノイズ入力の効果がなくなる。ノイズの分散が大きすぎると、確率ＰＥや平均値ＶＭＡが分散するからである。このため、上記のようにノイズの分散が規定されることが好ましい。

このようなノイズの入力により、元のノイズと入力のノイズとが合成され、これによって合成されるノイズにおける元のノイズの影響が小さくなる。このため、元のノイズに外乱が含まれるようにあっても、その影響が小さくなり、結果として、外乱による確率ＰＥや中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡの精度低下が抑制されるようになる。これにより、正規分布に従うノイズを印加しない場合に比べて、異常な確率ＰＥや平均値ＶＭＡが導出されることが抑制される。

＜その他の実施形態＞
・各実施形態では、スイッチ操作（第２スイッチ操作と第３スイッチ操作）は、所定回数だけ実行されるように構成されているが、これは次のように変更され得る。すなわち、スイッチ操作は、中間電位ＶＭが初期電位から参照電位Ｖｒｅｆに至るまでの期間だけ実行される。この構成によれば、スイッチ操作の回数が、実施形態の例に比べて少なくなるため、制御回路３０，４０の消費電力の抑制ができる。

・第１〜第３実施形態において、スイッチ操作毎における、確率ＰＥの算出は、次の条件で行ってもよい。すなわち、中間電位ＶＭが規定電位Ｖｘを超えた後、確率ＰＥの算出が行われる。ここで、規定電位Ｖｘ（図２参照）とは、中間電位ＶＭの初期電位（第１電位Ｖ１）と参照電位Ｖｒｅｆとの間に設定される電位である。これにより、スイッチ操作の操作回数が少なく確率ＰＥが０％に近いとき、すなわち確率ＰＥの算出に効果がないとき、確率ＰＥの算出（指標導出演算）が行われない。これにより、制御回路３０の演算回数が制限され、各実施形態の効果を発揮させつつ、制御回路３０の負担を軽減することができる。

・第４〜第６実施形態において、スイッチ操作毎における、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡの算出は、次の条件で行ってもよい。すなわち、中間電位ＶＭが規定電位Ｖｘ（図２参照）を超えた後、中間電位ＶＭの平均値ＶＭＡの算出が行われる。これにより、スイッチ操作の操作回数が少なく中間電位ＶＭが参照電位Ｖｒｅｆを超える可能性が低いとき、すなわち平均値ＶＭＡの算出に効果がないとき、平均値ＶＭＡの算出（指標導出演算）が行われない。これにより、制御回路４０の演算回数が制限され、各実施形態の効果を発揮させつつ、制御回路３０の負担を軽減することができる。

１…静電容量センサ、２…静電容量センサ、１１…第１コンデンサ、１２…第２コンデンサ、１３…配線、１４…配線、１５…配線、２１…第１スイッチ、２２…第２スイッチ、２３…第３スイッチ、３０…制御回路、３１…スイッチ制御回路、３２…比較回路、３３…演算回路、４０…制御回路、４１…スイッチ制御回路、４２…平均値演算回路、４３…演算回路、ＰＥ…確率、Ｓ…区間、ＳＢ…単位区間、Ｖ１…第１電位、Ｖ２…第２電位、Ｖｒｅｆ…参照電位、Ｖｘ…規定電位、ＶＭ…中間電位、ＶＭＡ…平均値、φ１…１次近似式、φ２…１次近似式、φ３…１次近似式、φ４…１次近似式、Ｎ…検出回数、ΔＮ…検出差分、ΔＮＡ…基準差分。

Claims (12)

1. 第１コンデンサと、前記第１コンデンサに接続されて物の存否に基づいて容量が変化する第２コンデンサと、前記第１コンデンサを初期化する第１スイッチと、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に配置される第２スイッチと、前記第２コンデンサを初期化する第３スイッチと、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチを制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、
   前記第１スイッチの操作による前記第１コンデンサの初期化後、前記第２スイッチの操作と前記第３スイッチの操作とからなるスイッチ操作を複数回行うスイッチング制御と、
   前記スイッチ操作毎に、複数の時点で、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の電位である中間電位を取得し、複数の前記中間電位に基づいて、前記中間電位が参照電位を超えるときの前記スイッチ操作の操作回数に対応する検出回数を導出する演算とを実行する
   静電容量センサ。
2. 前記制御回路は、前記演算において、
   前記スイッチ操作毎に、複数の時点で、前記中間電位と前記参照電位とを比較する比較演算と、
   前記比較演算により得られる複数の比較結果に基づいて前記検出回数を導出する指標導出演算とを実行する
   請求項１に記載の静電容量センサ。
3. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
   前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を算出し、前記確率が規定確率を超えるとき、前記確率が前記規定確率を超えた時点での前記スイッチ操作の操作回数を前記検出回数とする
   請求項２に記載の静電容量センサ。
4. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
   前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を導出し、前記中間電位が前記参照電位を超える前の期間における異なる時点で得られた複数の前記確率と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数に基づいて、前記検出回数を導出する
   請求項２に記載の静電容量センサ。
5. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
   前記複数の比較結果に基づいて前記中間電位が前記参照電位を超える確率を導出し、前記中間電位が前記参照電位を超える前後期間における異なる時点で得られた複数の前記確率と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数に基づいて、前記検出回数を導出する
   請求項２に記載の静電容量センサ。
6. 前記制御回路は、前記指標導出演算を、前記中間電位が、前記中間電位の初期電位と前記参照電位との間に設定される規定電位を超える時以降に実行する
   請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
7. 前記制御回路は、前記演算において、
   前記スイッチ操作毎に、複数の時点で得られる、前記中間電位に基づいて前記中間電位の平均値を導出する平均値演算と、
   前記中間電位の平均値に基づいて前記検出回数を導出する指標導出演算とを実行する
   請求項１に記載の静電容量センサ。
8. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
   前記中間電位の平均値が前記参照電位を超えた時点での前記スイッチ操作の操作回数を前記検出回数とする
   請求項７に記載の静電容量センサ。
9. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
   前記中間電位が前記参照電位を超える前の期間における異なる時点で得られた複数の前記中間電位の平均値と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける関数に基づいて、前記検出回数を導出する
   請求項７に記載の静電容量センサ。
10. 前記制御回路は、前記指標導出演算において、
    前記中間電位が前記参照電位を超える前後期間における異なる時点で得られた複数の前記中間電位の平均値と複数の前記スイッチ操作の操作回数とを関連付ける連続関数に基づいて、前記検出回数を導出する
    請求項７に記載の静電容量センサ。
11. 前記制御回路は、前記指標導出演算を、前記中間電位が、前記中間電位の初期電位と前記参照電位との間に設定される規定電位を超える時以降に実行する
    請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
12. 前記第１コンデンサの少なくとも一方の電極には、正規分布に従うノイズが入力される
    請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の静電容量センサ。

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