JP2023184458A - 近接センサーとアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電率が異なる物体の間を区別する能力を有する近接検出器を提案することである。【解決手段】内部電極が上部の電極によって部分的に遮蔽された積層電極構造を有する静電容量式近接センサーである。選定された電極の自己容量が、それ以外の電極が接地又はシールド電位に保持されている間に測定される。このようにして、この近接センサーが、接近する物体の誘電率の値を推定する。【選択図】図１

Description

本開示は、水滴又はその他の同様の汚染の望ましくない影響を排除して、ユーザーの身体部分の接近を検出する近接センサーに関する。本発明の実施形態は、本発明の近接センサーを備えることによって、ユーザーが接近するのを確実に検出することができる、携帯電話、タブレット又はラップトップなどの通信接続式携帯機器に関する。特別な、しかし排他的ではない実施形態は、ＲＦエネルギーに晒されることを制限するために、ユーザーの近接を考慮して無線放射電力を適合させる、通信接続式携帯機器である。本発明の別の特別な用途は、スマートウォッチ、スポーツウォッチ、イヤープラグなどのウェアラブル機器であり、有利には、近接センサーが入力機器として使用されている。

多くの用途では、身体の一部が機器から近距離にあるのかを検出することが重要である。携帯電話、タブレット、ラップトップなどの携帯機器が通信接続されている特別な場合、この情報は、ＲＦエネルギーの吸収線量を制限したり、電話を耳に近づけた時にディスプレイの電源を切ることによって消費電力を制限したり、特別な機能を作動させるなど、幾つかの重要な機能にとって有用である。

近接センサーの別の重要な機能は、携帯電話において、ユーザーが電話を耳に近付けた時にタッチスクリーンを無効にすることである。それがないと、ユーザーは、頬や指でスクリーンに触れることで思わず通話を切ってしまったり、不要な動作を作動させる可能性がある。

スマートウォッチ、スポーツウォッチ、ワイヤレスイヤホンなどのウェアラブル機器において、近接センサーを小型化する必要性が益々高まっている。ウェアラブル機器のスペースは非常に限られており、従来のスイッチボタンは望ましくない。近接センサーは、上述した通りに使用されるとともに、例えば、再生音量の増減、着信の拒否又は承諾、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のペアリングの開始、その他の有用な機能などの入力機器として使用されている。本発明による装置は、例えば、イヤープラグがユーザーの耳に挿入されているのかを検出するために、ウェアラブル機器において本来の近接センサーとしても使用することができる。

誤検出を避けることは、近接を感知する能力と同じくらい重要である。携帯電話に使用されている多くの近接センサーは、身体の一部の接近に反応して電極の容量が変化することを利用している。その技術は、センサーが単純な導電性電極であり、プリント回路基板上に簡単に組み込めるので、魅力的である。しかし、従来の静電容量式システムは、或る距離に在る大きな物体とより近い距離に在る小さな物体の間を識別することができないので、誤検出を引き起こす可能性がある。ユーザーの手や頭などの人体の一部とテーブルの天板などの無生物の接近も区別することができない。

例えば、光学式検知に基づく、その他の近接検知技術も利用可能である。しかし、それらのシステムの欠点は、消費電力、必要なコンポーネントのコスト、モバイル機器への組み込み、並びに異なる物体の間を識別できないことである。

出願人の名前による特許文献１は、浮動する可変基準電圧に接続された電荷増幅器を用いて読み取られる容量性センサーを記載している。同文献は、そのようなセンサーをタッチ検知式ディスプレイに使用することを記載している。

静電容量式近接センサーは、検出領域内に導電性の物体と誘電性の物体の両方が存在することを判定する。測定される静電容量に対する誘電性の物体の影響は、そのサイズ、センサーからの距離、材料の分極率に応じて変わり、後者は、材料の（単に材料の誘電率又は比誘電率とも呼ばれる）相対誘電率ε_ｒにより測定される。本開示の目的のために、導電性の物体は、誘電率が非常に高い誘電性の物体であると見做すことができる。技術的には、近接センサーは、測定された静電容量が或る所与の閾値を上回った場合に、物体が接近していると判定する。しかし、それは、接近する物体のサイズと誘電率に応じて異なる距離で起こる可能性があり、従来のセンサーは、それらの要因の間を区別することができていない。

欧州特許登録第２８７６４０７号明細書

本開示は、誘電率が異なる物体の間を区別する能力を有する近接検出器を提案する。このように、特性が異なる物体が接近していることが、異なる動作を作動させることが可能となり、誘電率への依存度が小さくなるように、近接の閾値を補正することができる。

本発明では、これらの課題は、添付した請求項の対象によって、特に、携帯機器に隣接する検出領域内での導電性の物体又は誘電性の物体の存在を検出するための静電容量式近接センサーによって達成され、このセンサーは、検出領域に面する第一の層の上の第一の電極と、第二の層の上の内部電極とを備えた積層構造を有し、この第一の電極は、第一の電極が内部電極を部分的に遮蔽して、内部電極と検出領域内の導電性の物体及び／又は誘電性の物体の間の部分的な容量結合を可能にする複数の開口部を有し、この静電容量式近接センサーは、一方の電極の静電容量を計測するように構成された一つ又は複数の静電容量読取ユニットと、この静電容量読取ユニットによって静電容量が測定された電極の静電容量に追従するシールド電位を発生させるように構成されたシールド制御ユニットとを備え、この静電容量式近接センサーは、他方の電極にシールド電位を印加することにより、第一の電極又は内部電極の何れか一方の第一の静電容量を計測するとともに、他方の電極を固定電位に保持して、第一の電極又は内部電極の何れか一方の第二の静電容量を計測して、これらの第一の静電容量と第二の静電容量に基づいて、検出領域内の物体の誘電率を決定するように構成された読出回路を備えている。

第二の静電容量を測定する際に使用される固定電位は接地電位であるとしてもよいが、実際には、この電位の絶対値は関係しない。

従属請求項は、前記の第一の静電容量と第二の静電容量に基づく検出領域内の物体までの距離の決定、或いは距離、誘電率又は二進の近接値をホストシステムに伝送するためのデジタルインタフェースなどの本発明の重要で有用な特徴に関するが、これらの特徴は必須ではない。これらのデータは、好適なバス上を、好ましくは、相互接続数を減らすためにＩ２Ｃなどのシリアルバス上をマルチビットの二進変数として送信される。

本発明のセンサーは、割込要求端子を備え、この端子によって、接近の検出時に、ホストシステム（マイクロコントローラー）の注意を要求することができる。

請求項１に記載の静電容量式近接センサーでは、開口部が、穴又は縞の規則的な格子の形で配置されている。

本発明によるセンサーの電極は多くの手法で得られ、特に便利な実現形態は、多層プリント回路の銅をエッチングする手法である。同じ回路は、集積回路において、このセンサーの電子素子を備えることもできる。

技術的に判明したこととして、本発明は、携帯可能な電子機器に容易に統合できるとともに、小さなパッケージで豊富な情報を提供できるとの利点を提供する。これらの電極は、標準的なＰＣＤ製造技術で容易に入手可能であり、大きなスペースをとらない。誘電率の計測と、任意選択として距離の計測は、間違った接近を見分けるのに有用である。このユニットは、可動部品が無くとも指のタッチに反応して、間違った事象、汚染又は水によって簡単には作動されない、非常に高感度な入力機器を実現するために使用することもできる。

重要なことは、この近接検出器が低周波で動作して、無線周波数の信号を余り検知しないことである。そして、一つ又は全てを無線回路と容量結合させて、アンテナとして二重の役割を持たせることが可能である。この無線回路は、送信機及び／又は受信機であるか、或いは最も好ましくは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）インターフェース、ＷｉＦｉインターフェース、携帯電話インターフェースなどのデジタル双方向無線インターフェースである。この電極は、近接センサーとしての有効性を変えることなく、平面アンテナの構造を持つことができる。近接センサーの入力において無線周波数の信号を遮断するために、デカップリング・インダクタを使用することができる。

以下の開示でより明らかになる通り、本発明による近接検出器は、異なる構成の電界を使用し、この電界は、第一の電極と内部電極が同じ電位にあるか、或いはそれと異なり、それらの一方が固定電位に保持されている場合に生じる。前者の場合、電界は単純な平面電極の電界に近く、検出器から離れるように拡がる。後者の場合、電界は電極の間の空間内でより強くなり、検出器から離れるのに応じて急速に減衰する。以下では、本発明が、この差を利用して、接近する物体の誘電率を推定するか、或いは距離も推定し、この推定した量を好適なデータバスを介して、デジタル変数に符号化した形でホストシステムに送信することを示す。

本発明の実施例を本明細書に開示するとともに、図面によって図示する。
本発明による検出器と、それに接続されたホストシステム（デジタルプロセッサー）を非常に簡略化して概念的に図示した模式図 検出領域内の幾つかの誘電性又は導電性の物体も図示している、検出器をプリント回路基板上に組み込んだ、携帯電話機への本発明の考え得る実装構成の模式図 プリント回路基板における本発明によって使用される検知電極の考え得る実現形態の模式図 第一の測定モードにおける本発明による検出器と検出領域内の異なる距離の二つの物体との間の静電誘導を理想化した模式図 第二の測定モードにおける検出器と図４と同じ物体との間の静電誘導を理想化した別の模式図 誘電率を計測する一つの考え得る手法を示すグラフ図

図１は、本発明の範囲内において使用できる静電容量式近接センサーの簡略化した回路を図示している。このセンサーは、少なくとも二つの電極の静電容量を読み取る電子回路８０、好ましくは、集積回路を備えている。この例は、集積回路の第一の静電容量入力３１に接続された（「外部電極」とも呼ばれる）第一の電極２５と、同じ集積回路の第二の静電容量入力３２に接続された内部電極２０との二つの電極を図示している。この第一の電極は、内部電極２５の上に積層されており、第一の電極の上にある検出領域９０から内部電極を部分的に遮蔽している。第一の電極２５は、内部電極２５と検出領域内の電荷との間の部分的な容量結合を可能にする一連の開口を有する。

この電極の積層体２９は、任意選択として、回路８０のシールド制御端子に接続された内部電極の下の能動式シールド電極２３と、好ましくは、能動式シールド２３の下の受動式スクリーン２７とによって完成する。

図１に図示された例は、単一チャンネル式センサーである。集積回路８０は、電極の単一の積層体２９を読み取るように構成されている。しかし、これは、本発明を限定しない。この回路８０は、本開示の範囲を逸脱することなく、電極の複数の積層体を読み取るように構成することができる。

第一の電極２５は、回路８０の第一の静電容量入力と、第一の電極２５の自己容量に関する信号を発生させる容量測定回路５３、例えば、容量電圧変換器とに接続されている。これを実現するために幾つかの回路を使用することができる。考え得る実現形態では、この静電容量測定ユニットが、電極に可変電圧を印加して、それに対応する電荷を電流積分回路によって計測し、それにより、静電容量が、電荷と電圧変化の間の比によって与えられる。

第一の電極２５の静電容量は、誘電性の物体が接近することによって変わり易く、この静電容量の変化は、そのような物体が接近していることを検出するために使用される。しかし、接近することによって誘導される変化は、電極の固有の静電容量と電極を測定回路に繋ぐ接続ラインの静電容量の合計よりも遥かに小さい。好ましくは、この回路は、静電容量測定回路の出力から任意の基準値を減算するために、プロセッサ６５によって構成可能なオフセット減算回路５０を備えている。そして、得られた値は、Ａ／Ｄ変換器５５で好適なデジタル表現に変換されて、更なる仕上げのためにデジタルプロセッサ６５に転送される。

有利には、内部電極の入力端子３２は、この端子がシールド制御ユニット５１に接続されるシールドモードに設定するか、或いはこの端子が接地基準である固定電位に接続される接地モードに設定することができる。このシールド制御ユニット５１は、所与の瞬間に測定される静電容量入力の電位に厳密に追従するシールド電位を発生させる。このようにして、シールドモードにある電極は、測定される静電容量に関与しなくなる。

このシールド電位は、多くの場合、能動式入力端子の可変電圧に追従する可変電位であると理解される。これら二つの電位は、少なくとも測定が行われる周波数帯域内において同じにすべきである。例えば、一定の電圧オフセットが関係しない。

ここに図示された例では、第一の入力３１と第二の入力３２の両方は、スイッチＳ１，Ｓ２によって表示されている通り、測定モード、シールドモード又は接地状態に設定することができ、内部電極は、それ自身のための容量測定回路５３とオフセット補償ユニット５０の構成に繋げられる一方、マルチプレクサ５４は、容量信号の何れか一方をＡＤＣ５５に渡すために使用される。しかし、これは、厳密には必要なことではない。

静電容量式近接ＩＣ８０は、マイクロコントローラであるとすることができるホストシステム１００と通信するための端子を有する。これらは、所望のデジタル変数を送信するためのデジタルバス３７、例えば、Ｉ２Ｃバスと、検出領域内への物体の接近を信号で伝えるための近接二進出力３６とを備えている。

図２は、携帯機器４０における静電容量式近接センサーの模式図である。この携帯機器４０は、ここでは、タッチ検知式ディスプレイ、スピーカー１１０、マイクロフォン１０５を備えたスマートフォンとして実現されているが、これらは必須の特徴ではない。この機器４０は、タブレット、ラップトップ、スマートウォッチ、トレーニングウォッチなどのウェアラブル機器、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）スピーカー、イヤホン、ルータやＷｉ－Ｆｉアクセスポイントなどのネットワーク機器又は実際の接近の認識を必要とする如何なる種類の携帯可能な電子機器であるとすることができる。本開示は、簡潔にするために単純に「スマートフォン」を引用するが、これは、本発明を限定する特徴ではないことを理解されたい。

この携帯機器４０は、電子部品が半田付けされたプリント回路基板２６を有する。そららの中の集積回路の静電容量式近接センサー８０がＰＣＢ２６上に半田付けされている。電極の積層体２９がＰＣＢ上に組み込まれて、ＰＣＢ内の導電路によって集積回路８０に接続されており、必ずしもその直ぐ傍にある必要はない。このことは、回路のレイアウトを大幅に簡素化する。

図３は、積層構造２９の断面を図示している。この図における垂直方向の縮尺は、明瞭にするために拡大されている。第一の静電容量入力３１に接続される第一の電極２５は、ＰＣＢの一つの層をエッチングした導電性のパターンであり、下の層２０，２３を完全に覆っている。この積層体の最下層は接地板２７を有するが、レイアウトにおいて必要であれば、可変電圧の通路を備えることもできる。

この集積回路８０の第二の静電容量入力３２に接続される内部電極２０は、第一の電極２５の層の下の層上に在り、銅の固体領域であるとすることができる。好ましくは、内部電極２０は、第一の電極２５によって完全に覆われている。第一の電極２５が、或る程度の容量結合を可能とするための開口部４５を有するので、検出領域９０から完全には遮蔽されていない。言い換えると、第一の電極２５は、その開口部４５のお陰で、検出領域９０から第二の電極２０を部分的に遮蔽している。

これらの開口部４５の配置、数、形状は、重要ではなく、適度な結合度合いを残すものであると規定される。大雑把に言うと、電極２５の固体部と開口部の面積比は１に近いが、これから十分にずれることもできる。

この積層構造２９は、内部電極２０の層よりも下で、かつ受動式スクリーン層２７の層よりも上のＰＣＢの層上に、静電容量回路８０のシールド端子３４に接続される能動式シールド電極２３を有する。図面では、電極２５，２０，２３，２７は、プリント回路基板の直に隣り合う層上に在るが、このことは要件ではない。第一の電極２５がＰＣＢの最上層に在ることも必要ではない。

図４と図５は、電極２５と２０に面する検出領域９０内の二つの物体２２０，２３０を簡略化して図示している。これらの電極は、携帯機器の外被部７５、例えば、ディスプレイパネルによって検出領域９０から隔離されており、この外被部は、静電結合に関する無視できる、或いは一定の作用を有して、無視するか、或いは差し引くことができる。これらの物体２２０，２３０は、電極からの距離が異なるとともに、サイズが異なり、これらの誘電率は異なることができる。

図４では、内部電極２０がシールドモードに在るとともに、第一の電極２５が測定モードに在り、この構成では、センサーの集積回路８０のＡＤＣは第一の電極２５の第一の静電容量Ｃ１を測定する。この構成では、内部電極２０は第一の電極２５と等電位にあると見做すことができる。

図５では、内部電極２０が接地モードに在り、定電位に固定されており、この構成では、センサーの集積回路８０のＡＤＣは、第一の電極２５の第二の静電容量Ｃ２を測定する。（これらの図が単なる簡略化された図面であっても）二つの構成における電界が異なることを、即ち、図４では電界が平らな電極の電界に匹敵するのに対して、図５では電界が第一の電極と内部電極の間の空間に閉じ込められており、これらの電極から遠く離れた所に到達しないことを理解できる。

本発明は、物体２３０の方が検知電極２５にずっと近いにも関わらず、物体２３０と２２０の両方が、Ｃ１の値を変化させるのに寄与するとの観察に由来する。他方、この構成では、検知電極から遠ざかると電界が急激に非常に小さくなるので、物体２２０の方がＣ２の値に余り影響を及ぼさない。従って、Ｃ１とＣ２の値から、接近する物体の誘電率の推定値を決定することが可能である。

図６は、検知電極からランダムな距離の所の第一の誘電率（円）と第一の誘電率よりも高い第二の誘電率（十字）を有する二つの物体に対するＣ１とＣ２の値を示すグラフである（雑音の重畳は避けられない）。Ｃ１軸とＣ２軸の単位は、Ｃ１とＣ２の異なる変動範囲によって要求される通り、任意であり、異なる。この誘電率は、Ｃ１又はＣ２の何れか一方の値だけからは推定できないが、ε_ｒの差が雑音に埋没しないと仮定して、Ｃ１とＣ２の組み合わせを知ることに基づいて、二つのグループに分割することができる。分割線２５０を見い出すことができ、Ｃ１とＣ２の測定値が分割線の何れの側に在るのかを観察することによって、一方の物体が第一の誘電率を有するのか、或いは第二の誘電率を有するのかを見分けることが可能である。

従って、静電容量式センサーのデジタルプロセッサ６５は、上記の通り測定されたＣ１とＣ２の値に基づいて誘電率を決定するように構成又はプログラミングされている。この例で説明したグラフ手法は、この結果を得るための多くの可能性の中の単なる一つである。

実施形態では、比誘電率の値は、Ｃ１とＣ２の間の比に基づき推定される。一般的に、比誘電率の値は、デジタルプロセッサ６５が計算できるＣ１とＣ２の好適な数学関数の値から推定される。一つの好適な数学関数は、試験及びシミュレーションでの合理的な努力により実験的及び経験的に予め決定することができる。同様に、Ｃ１とＣ２の考え得る組合せ毎の∈_ｒの最も想定される値は、予め計算するか、或いは測定によって予め決定して、デジタルプロセッサがＣ１とＣ２の測定値を用いてアドレス指定できる複式記入式参照表に保存することができる。この参照表のサイズは、変数の変換を用いて、Ｃ１とＣ２の値を量子化することによって、或いは別の既知の技術によって管理することができる。

本発明の拡張形態では、プロセッサ６５は、誘電率ではなく、或いは誘電率に加えて、接近する物体までの距離を推定するようにプログラミングすることができる。

本発明を逸脱することなく、第一の電極２５と内部電極２０の役割を交代させることが可能であると認められる。この静電容量式センサーは、Ｃ１の代わりに第一の電極がシールド電位に保持されている間に測定される内部電極の静電容量と、Ｃ２の代わりに第一の電極が固定電位に保持されている間に測定される内部電極の静電容量とを使用することができる。

図１の図面に戻って、プロセッサ６５は、検知電極の静電容量を観察することによって、物体が検出領域９０に接近しているのかを決定するとともに、開示した通りＣ１とＣ２を使用して、接近する物体の誘電率を表すデジタル値を計算する。このことは、プロセッサ６５で実行しているソフトウェアの好適な一部の結果であるとすることができる。この集積回路８０は、デジタル出力３６を出して、物体が検出領域に接近していることを信号で知らせることができる。このことは、ホストシステム１００での動作を引き起こす。推定された誘電率の値と、場合によっては、推定された距離の値は、ホストシステムがバス３７を介して読み出すことができるように、予め定義されたレジスタと関連付けることができる。

２０ 内部電極
２１ 保護リング
２３ シールド
２４ 保護リング
２５ 第一の電極
２６ プリント回路基板
２７ 接地板
２８ 誘電層
２９ 電極の積層体
３１ 第一の静電容量入力
３２ 第二の静電容量入力
３４ シールド端子
３６ 近接信号
３７ デジタルバス
４０ 携帯機器
４１ ビア
４５ 開口部、孔
５０ オフセット補正部
５１ シールド制御回路
５３ 静電容量測定回路、静電容量読取ユニット
５４ マルチプレクサ
５５ アナログ／デジタル変換器
６５ デジタルプロセッサ、読出回路
７５ ガラス
８０ 静電容量式近接集積回路、近接センサー
９０ 検出領域
１００ ホストシステム
１０５ マイクロフォン
１１０ スピーカー
２２０ 物体
２３０ 物体
２５０ 分割線

Claims (9)

1. 携帯機器に隣接する検出領域内における導電性又は誘電性の物体の存在を検出するための静電容量式近接センサーであって、
   このセンサーが、検出領域に面する第一の電極を第一の層上に備えるとともに、第二の層上に内部電極を備えた積層構造を有し、この第一の電極が、内部電極を部分的に遮蔽するように、内部電極と検出領域内の導電性及び／又は誘電性の物体の間の部分的な容量結合を可能にする複数の開口部を有し、
   この静電容量式近接センサーが、一方の電極の静電容量を決定するように構成された一つ又は複数の静電容量読取ユニットと、この静電容量読取ユニットによって静電容量を測定された電極の電位に追従するシールド電位を発生させるように構成されたシールド制御ユニットとを備え、
   この静電容量式近接センサーが、他方の電極にシールド電位を印加することにより、第一の電極又は内部電極の何れか一方の第一の静電容量を決定するとともに、他方の電極を固定電位に保持して、第一の電極又は内部電極の何れか一方の第二の静電容量を決定して、これらの第一の静電容量と第二の静電容量に基づいて、検出領域内の物体の誘電率を決定するように構成された読出回路を備えている当該静電容量式近接センサー。
2. 前記の読出回路は、前記の第一の静電容量と第二の静電容量に基づいて、この静電容量式近接センサーと検出領域内の物体の間の距離を決定するように構成されている請求項１に記載の静電容量式近接センサー。
3. 前記の開口部が、穴又は縞の規則的な格子の形で配置されている請求項１に記載の静電容量式近接センサー。
4. 前記の固定電位が接地電位である請求項１に記載の静電容量式近接センサー。
5. ホストシステムとの通信のためのデータ伝送インターフェースを備え、このデータ伝送インターフェースが、
   物体が検出領域内にあることを示す論理近接信号と、
   静電容量式近接センサーと検出領域内の物体の間の距離を二進変数として符号化した近接値であって、この距離が第一の静電容量と第二の静電容量から決定される近接値と、
   検出領域内の物体の誘電率を二進変数として符号化した誘電率値と、
   の中の一つ又は二つ以上を伝送するように構成されている請求項１に記載の静電容量式近接センサー。
6. 前記のデータ伝送インターフェースが、シリアルバス、例えば、Ｉ２Ｃバスである請求項５に記載の静電容量式近接センサー。
7. 物体が検出領域内で検出された場合に出される割込要求出力を有する請求項５に記載の静電容量式近接センサー。
8. 前記の第一の電極と内部電極が、多層プリント回路基板の導電層をエッチングしたものである請求項１～７の何れか１項に記載の静電容量式近接センサー。
9. 前記の第一の電極及び／又は内部電極が、無線回路に容量結合されて、この無線回路のためのアンテナを提供する請求項８に記載の静電容量式近接センサー。

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