JP4106269B2 - 容量性検出器付き制御システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に自動制御システムに関し、より詳細には容量性センサを利用して装置の動作を制御するシステムに指向する。
非常に多くの容量性センサが、これまで、警報、信号を示すこと、又は制御を行うため人又は材料を検知することのため開発されてきた。例えば、警報システムが特定の範囲の接触又は対象物の近接に応答して信号を与えるため容量性検知回路が用いられてきた。他の事例においては、容量性検知回路を利用して、液体及び固体の有無を検出し、その後警報信号のインディケータ又は測定を開始するため容量性検知回路が利用されてきた。また、容量性センサを用いて、対象物までの距離、材料の大きさ、材料の湿気含有量、油汚染、湿度、圧力、液体レベルを測定し、そして実際に多数の測定及び検出応用において検知するための基礎を形成してきた。

ディスペンサ制御に関して、多くの場合、人間の相互作用により装置を手で直接の扱うことなしにその装置を操作することが好ましい。例えば、洗浄において衛生的理由から給水栓のつまみ、タオル・ディスペンサ、ハンド・ドライヤ、水石けんディスペンサ等と物理的接触する必要性を回避することが好ましい。

多数の制御システムが、そのような接触が無い装置に対して、水及び石けんを大事に使うため開発されてきたが、一方それらは、間違った作動により困らされてきた。即ち、装置が、人間の身体部分の実際の存在なしでオンにされる。これは、勿論、制御システムの元の目的に反している流体浪費につながる。

更に、水石けんディスペンサ等の場合、安全は、そのような液体が誤って供給され、そして床、又は他の表面の上蓄積し、続いて床の上が滑ることにより身体への障害が起こり得る。

間違った作動の問題、より一般的には、近接センサによる近接対象物の信頼性良く並びに感度の高い検出の問題は、対象物の近接における変化に起因した信号強度の小さい変化とセンサ雑音、センサ・ドリフトのような他の要因に起因して起こる可能性がある信号強度の変化、又は例えば、検出信号自体に大きさが似ている又はそれより一層大きい信号を引き起こすことができるセンサの汚染及び他の効果のような周囲環境自体の実際の変化に起因した信号の誘発された変化との間を信頼性良く区別する必要性から生じる。

例えば、しばしば、現在市販されている非接触水石けんディスペンサ及び他の類似の装置で用いられている赤外線近接センサの場合、間違った作動は、光沢のある対象物での疑似反射に起因してセンサ上に当たる迷走の異質の光の効果に起因して起こることができ、又はさもなければ、又は対象物を検出することの失敗は、対象物の反射率の変化又は光学機器の汚染に起因して起こる可能性がある。

対象物の近接存在に起因したキャパシタンスの変化の検出を介して対象物が検知される場合における容量性近接センサのケースにおいて、日々の環境における近接対象物の感度の良い検出は、困難且つ信頼性が無く行われる。それは、近接対象物に起因した実際のキャパシタンスの変化は、取り巻く状況の変化に起因した他のキャパシタンスの変化と比較して小さい可能性がある。

キャパシタンスのそのような干渉する変化を起こすことができる環境における通常起こるある一定の変化には、ゆっくりした汚れの蓄積又は凝縮した湿気による検知電界領域における電極又は他の構造の表面の汚染、周囲湿気の著しい変化、他の近くの構造及び対象物の近接又は組成のゆっくりした変化、又はセンサ取り付け位置の変化が含まれ、これら全ては、センサ電極間の電界の形状又は強度の小さい変更を引き起こすことができることにより、電極間の充電状態、従ってキャパシタンスを変える。

既知の従来技術では現在２つの基本的タイプの容量性近接センサがある。多くの場合平行板タイプと呼ばれる１つのケースにおいては、センサに唯１つの検知電極があり、接地に対するキャパシタンスが測定される。検知されるべき対象物が一般的に導電性で且つ接地されている場合、対象物は実効的に第２の電極を形成し、それにより対象物が主要検知電極に向けての動き又はそれから遠ざかる動きは、キャパシタンスを変え、そしてこの変化が、測定され、そして対象物の距離又は近接さに関連付けられる。

代わりに、検知されるべき対象物が導電性でない場合、第２の静止電極が、固定された距離離れて組み込まれ且つ接地に接続され、そして検知されるべき対象物は、キャパシタンスの変化を引き起こす２つの電極間に通される。周辺電界タイプと呼ばれる第２のケースにおいては、代わりに、２つの検知電極が、センサで互いに近くに配設され、そして検知される対象物は、誘電効果又は導電効果により電界を変えることによりそれらの間のキャパシタンスを変える。その結果生じるキャパシタンスの変化が、検知され、次いで、これが、対象物の距離又は近接さの変化に関連付けられることができる。周辺電界型容量性近接センサは、広く産業的に製造応用において用いられており、そこではセンサの設置が通常指定され且つ固定され、そして他の潜在的な干渉する環境要因を制御することができる。

それにも拘わらず、そのような装置はまた、しばしば、追加の電極を組み込んで、表面汚染に起因したドリフトを別々に検知しそしてそれによりそのドリフトを補償する。最大検知距離がセンサ範囲であり、そしてこれは、キャパシタンス変化検知技術の感度、検出されるべき対象物の性質及び大きさ、及び検知電極の物理的大きさに関連する。より大きな電極はより大きい範囲を与える。

より感度の高い検出は、より大きな範囲を所与の電極の大きさ及び検知されるべき所与の対象物に与え、それは、より大きな電極構造が望ましく無くそしてより大きな範囲が希望される応用における性能利点である。しかしながら、キャパシタンスの変化のより感度の高い検出は、それ自体では良い信頼性を与えず、そこにおいては、著しいキャパシタンス変化がまた環境要因に起因して起こる可能性がある。

本発明は、現在既知のシステムの欠点を克服して、感度及び信頼性が増大した容量性センサ・システムを提供するため開発された。
これは、代わりにキャパシタンスの時間変化率のみを検出する感応手段を設けることにより達成される。この量は、数学的にｄＣ／ｄｔと表され、そして従来技術で典型的である２つのキャパシタンス間の差の測定とは明確に異なる。

ｄＣ／ｄｔ＝キャパシタンスの時間に対する変化率

従って、これは、既知の従来技術のシステムに反し、そこでは代わりに、検出がキャパシタンスの変化に基づいている。

本発明においては、位相領域で実行され、連続的に動作する制御ループを利用する検出は、それにより、これらの変化が時間の十分な長さにわたり、従ってｄＣ／ｄｔのための検出感度より下である変化率で生じるのであれば、任意の絶対的大きさであり得る環境の変化に起因したキャパシタンスのゆっくりした変化に対して感度が有利に悪い。

変化信号の時間率が原理的にもう一つの選択肢として、様々な従来技術の容量性センサの出力から導出されることができ、それは代わりにキャパシタンスの変化を、その信号を電子的に微分することにより測定するにも拘わらず、そのような被導出信号は、要求された信頼性があり且つ感度の高い検出を与えないであろうことが認められる筈である。これは、センサ信号の微分のその作用が、その結果生じる信号に一層雑音を多くし、従ってあまり信頼性が無いようにするからである。

本発明においては、従って、本来的な動き感応容量性検知手段が、例えば人の手のような対象物の動きを、センサからの指定された距離範囲内の或る範囲内で検出するため与えられる。本発明に従ったシステムは、手が検知範囲内にあるときセンサに向かう手の小さい動きを信頼性良く検出する手段を与える。更に、この信頼性は、ある者が自身の手を洗っているケースにおいて生じ得るようにセンサの動作中に電気的に接地され又は更に間歇的に接地されるか否かとは無関係である。

この信頼性は本来的に、間違った作動に対して不感受性である。それは、センサは、手を検知範囲に導入することに起因した大きさより大きい全体的大きさのそれらの環境の電気的特性、及びそれらの環境のゆっくりした変化に連続的に適合する。

従って、本発明は、手動調整を必要とせずに、異なる環境の範囲において機能的である。その上、本発明は、ＲＦ及び他の外部に発生された電界の干渉に対して極めて不感受性であり、それ自体電磁放出は低く、且つ少ししか電力を消費しない。この最後に言及した特徴は、バッテリによる拡張した動作を可能にする。

［発明の概要］
近接対象物の動きに起因したキャパシタンスの変化率に応答して装置の動作を制御するための本発明に従った容量性センサ・システムは一般的に、離間した関係で配設され、センス電極間に電界の確立を可能にする少なくとも２つのセンス電極を備える。電子回路は、電界内の近接対象物の動きに起因したセンス電極のキャパシタンスの変化率に応答して制御出力信号を、キャパシタンスの変化に関連付けられた信号の中間の電子的微分なしに与える。

センス電極は、平坦な表面上に、且つ電界の確立がセンス電極の外側へ及びそれらの間に延在するのを可能にする構成で配設されるのが好ましい。
より詳細には、電子回路がフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を含み、当該フェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）が、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、当該ＶＣＯが追従する固定の周波数基準発振器、位相／周波数比較器、上記基準の位相に対してＶＣＯ出力の位相を遅延させ、そしてＶＣＯ周波数を、ループが位相ロックされたとき基準発振器の位相より進ませるよう作用する位相遅延回路網、及び比較器からの位相誤差信号を積分することによりループの動的応答を規定するループ・フィルタを含む。

ループ・フィルタの特性は、遅らせて、そして実際に、ループの動的応答を、検出されるべき対象物の動きの特有の時間尺度に対して整合させるようなものである。更に、位相感応トリガ回路が、ＶＣＯと基準発振器との間に接続され、そしてそれらの２つの信号が同相にあるときは常にセンサ出力信号を発生する。

ＶＣＯがセンス電極に接続され、それにより、そこでのキャパシタンスの任意の増加がＶＣＯ周波数を遅くするよう作用し、またその反対のことが行われる。対象物がセンス電極の検知領域の中へ移動することにより引き起こされるキャパシタンスの変化は、基準の周波数に対して動作周波数の位相シフトを生じさせ、それは、センス電極のキャパシタンスのより大きい変化率に対して一層大きい。

このように比較器により発生された位相誤差信号は、ループ・フィルタで積分され、そして位相誤差が十分早い速度（ｒａｔｅ）で蓄積され、それにより位相シフトが位相遅延回路網により規定されたスレッショルドを超えた場合、センサ出力又はトリガ信号が発生される。次いで、この信号は、センサを用いて非接触型石けんディスペンサ近くの手の動きを検出する石けんポンプのような別の装置の制御のため、又は接続を介したディスプレイ又は警報装置への近接指示のため用いることができる。

本発明の好適な実施形態においては、トリガ信号発生回路はＤフロップ回路を含み、そして代替実施形態においては、トリガ回路は電圧比較器を含む。
好適な実施形態においては、分周器が、ＶＣＯと位相／周波数比較器との間に含められ、そのことが、ＶＣＯ周波数に、基準発振器の周波数の固定の倍数である周波数で動作させる。

また、本発明の好適な実施形態においては、制御回路は、ループに対して追加のフィードバック経路を組み込み、その追加のフィードバック経路は、ループ・フィルタに対して並列であり、そして非常に大きな遅延誤差のための複数のトリガ信号を排除するためであり、その非常に大きな遅延誤差は、さもなければ、センス電極で発生される非常に大きなｄＣ／ｄｔにより引き起こされるであろう。このフィードバック経路は、小さい誤差信号に対してそれが無視し得る出力を与える一方、非常に大きな信号に対してそれは位相差が±９０度範囲の外へ移動するのを許さないように非常に大きな位相誤差信号に対して適応可能である回路を組み込む。好適な実施形態においては、このフィードバック経路は、ダイオードを、ＲＣ復調回路網と組み合わせて組み込む。

より詳細には、ＶＣＯは、動作周波数をセンス電極に与え、その動作周波数は、対象物が人の手であり且つ個人が接地される場合その手がそれにも拘わらず誘電体対象物として検出されることを保証するほど十分高い。これは、手の電気的接地の変化に起因したいずれの可能性のある検出アーチファクトを排除し、そして従来技術で知られているように、最小動作周波数要件を数百キロヘルツのセンサに置く。従って、好適な実施形態において、そして対象物が手であり且つ装置が水石けんディスペンサである場合、動作周波数は、約０．５ＭＨｚに設定される。この点に関して、そして他の検知応用に対する代替として、導通効果の回避が、動作周波数に他の好適な制約を課し得る。そのような制約は、本発明の範囲内である。

また、接地された遮蔽電極を設け、そしてセンス電極に対して平行で且つそれより上で離間した関係で配設されるのが好ましい。これは、遮蔽より上の領域における検知電界を、その領域がシステムを間違って作動させること無しに利用され得るため排除する。代替実施形態においては、遮蔽電極がまた、２つの半分の部分に分割され得て、そしてそれぞれの半分の部分が、対向センス電極と同じ電圧で駆動され、それによりセンス電極間のキャパシタンスを低減し且つ遮蔽し、それにより感度、従ってセンサ範囲を増強し得る。この代替は、追加の電子回路を必要として、上記遮蔽のための電圧波形を生成する。
本発明の利点及び特徴は、添付図面と一緒に考慮されるとき、以下の説明によりより良好に理解されるである。

［詳細な説明］
図１を参照すると、本発明に従ったセンサ電極１０のブロック図が示されている。言及される回路は、キャパシタンスの変化に関連した信号の中間の電子的微分を用いること無しに、電界内での近接対象物の動きに起因したセンス電極のキャパシタンスの変化率に応答して、制御出力信号を与える電子回路の一例である。

動作の全体的原理は次のとおりである。フェーズ・ロックド周波数制御ループ（ＰＬＬ）１２が、センス電極１４及び１６と相互接続される。そのＰＬＬは電圧制御発振器（ＶＣＯ）２２を含み、その電圧制御発振器（ＶＣＯ）２２は出力を有し、その出力の周波数は入力制御電圧１０２に対して線形に関連付けられる。当該出力は、位相／周波数比較器２４に分周器１００及び固定の位相遅延回路網３４を介して接続されている。

基準発振器３２はまた、位相／周波数比較器２４に接続され、そして連続の固定周波数信号を発生する。位相／周波数比較器２４は一般的に、分周されたＶＣＯ周波数が基準の周波数より低い場合高い電圧（Ｖｃｃ）を与え、そして分周されたＶＣＯ周波数が基準の周波数より高い場合低い電圧（０）を与える。

更に、２つの周波数が等しいが、しかしそれらの間に位相差があるとき、比較器２４は、２つの信号の立ち上がり端を検出し、パルス出力を発生し、そしてそのパルス出力の幅は、その位相差が±３６０度の間にある場合その位相差に比例する。平均ループ制御電圧は、０とＶｃｃとの間で線形の要領で駆動され、位相／周波数比較器２４がそれに与えられる両方の信号の立ち上がり端をゼロ位相差へ駆動する傾向にある全体的結果をもたらす。これが達成されるとき、ＰＬＬは、それにより、分周されたＶＣＯ周波数の位相が常に基準周波数の位相より位相遅延回路網３４により規定される量だけ進むように位相ロックされる。これは、センサの正常な静止状態である。

好適な実施形態においては、分周器１００は、ＶＣＯが基準発振器の周波数の１６倍で動作するためＶＣＯ周波数を１６分周する。分周器をこのように利用することにより、安価でより低い周波数の低電力基準発振器の使用が可能になり、そしてそれは、さもなければセンサの基本的動作にとって本質的でない。ＶＣＯ及び位相／周波数比較器は、例えば、テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘｓａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）により製造されるＣＤ７４ＨＣ４０４６ＡＭチップの構成要素であり得る。

ループ・フィルタ２０はＲＣ回路網であり、そしてそれは、制御ループの動的応答を支配する大きなキャパシタを組み込む。小さい抵抗が、このキャパシタと直列に置かれ、そしてＶＣＯ入力１０２に接続される。この抵抗は、制御ループが少量の回路雑音を制圧（ｏｖｅｒｐｏｗｅｒ）し、こうしてＶＣＯと基準信号との間の位相関係を安定にする。

また、ループ・フィルタ２０と並列に接続される追加のフィードバック経路１０１を含むのが好ましい。これは間違った複数のトリガ信号を排除するためであり、その間違った複数の重トリガ信号は、さもなければ、非常に大きなｄＣ／ｄｔがセンス電極で生じることに起因して非常に大きな位相遅延誤差が時に発生される場合又は応用において起こるであろう。そのような大きな信号は、対象物の異常に迅速な動きが検出されることが存在し得る応用において、又は近接範囲でのその対象物の動きにより起こり得る。

センサを用いて水石けんディスペンサの応用における手の動きを検出する場合、そのような時々の大きな信号の例が生じる可能性がある。このフィードバック経路は、小さい誤差信号に対して回路が無視し得る出力を与える一方、非常に大きい信号に対して回路は位相差が±９０度の範囲から外へ移動するのを許さないような方法で、非常に大きい位相誤差信号に対して適応可能である回路を組み込む。好適な実施形態においては、この並列のフィードバック経路は、２つの直列のダイオードを、トリガを起こす位相シフトの方向に、そして１つのダイオードを、ＲＣ復調回路と一緒に反対方向に組み込む。これは、位相誤差信号が制圧することができないフィードバックの代替並列経路を与える。

例えば、Ｄ型フリップフロップ３０のような高感度位相比較器は、基準発振器３２及び分周されたＶＣＯ信号に接続され、そこにおいて上記基準がクロック入力に接続され、そしてＶＣＯがデータ入力に接続される。このデバイスをトリガとして用いて、センサ出力信号を発生する。キャパシタンスは、手（図示せず）のような対象物が作動領域の中に移動することに起因してセンス電極で増大するにつれ、そしてこれが上記ループを制圧するため十分なレート（ｒａｔｅ）で行われる場合、これらの信号間の位相は、シフトする傾向を有するであろう。このシフトが位相遅延回路網３４により設定された位相スレッショルドに等しいか又はそれを超えたときは常に、データ入力は、クロックの遷移の時点に高の代わりに低になり、そしてトリガ出力パルスが発生されるであろう。

前述の装置は、負のｄＣ／ｄｔとは対照的に正のｄＣ／ｄｔのみを、又は正及び負の両方のｄＣ／ｄｔを検出するよう構成されることが認められるであろう。これは、前述のセンサ構成は、検出されている対象物がセンス電極から離れるのに代わってそのセンス電極に向けて動いているときのみ出力を発生することを意味する。この動作モードは、計画的であり、そして、手が水石けんディスペンサに向けて動いているときのみ石けんが供給され、手が水石けんディスペンサから引っ込められつつあるとき石けんが供給されないことが望ましい水石けんディスペンサの応用において特に有利である。この動作モードは、水石けんディスペンサの通常のユーザによる使用の簡単さ及び直感的容易さにとって適切であり、そしてまた、水石けんディスペンサの応用に特有である追加の有利な性能を与える。

この追加の特徴は、ユーザが石けんの追加の又は連続的な供給を要求し、従ってそれがセンサ・トリガ信号の追加の又は連続的な発生を必要とする場合に該当する。このケースにおいては、そしてセンサが正のｄＣ／ｄｔに感応し、且つ例えば手が静止して存在することにより誘発されるキャパシタンスに起因したキャパシタンスの静的変化に合わせるので、ユーザは、その手を完全に引っ込め且つ検知領域の中に再度導入する必要がなく、そして、代わりにもう一つの選択肢として、その手を更にセンス電極に向けて単純に進め、又は代替として、そのユーザの手を作動領域内で小さい動きで上下に動かし得て、その作動領域上でセンサの作動及び石けんの供給が、センス電極に向けたそれぞれの動きを検出すると直ぐに起こるであろう。

他の応用のため要求され且つ有利である場合、センサ回路は、代わりに負のｄＣ／ｄｔ事象を検出するよう容易に再構成されることができ、そこにおいては、代わりに、トリガ信号は、検出されている対象物が作動領域の中に且つそれに向けて動く代わりに、その作動領域から外へ且つ離れるように動いている場合発生されるであろう。そのようなセンサは、原理的に、領域内から外へ動きつつある又はそれから取り去られつつある対象物の動きを検出することが希望される応用に採用されることができるであろう。

静止位相関係が、幾つかの方法のうちの１つで設定されることができるが、しかし小さいＲＣ回路網を位相／周波数比較器２４への入力部分で用いて、位相遅延要素３４を構成することが好ましい。これは、ＶＣＯ発振器２２を基準発振器３２の位相より、雑音耐性に対する必要性と感度に対する必要性との間で均衡されるべき量だけ進ませるのを強制する。その２つの位相がより近くで動くにつれ、トリガ回路の感度はそれだけ高くなる。それら２つの位相間の位相シフトがより大きくなるにつれ、回路雑音に対する許容範囲及び発振器ジッタはそれだけ大きくなる。この構成要素３４は、トリガを行うスレッショルドを設定する。

基準発振器の周波数が約３２ｋＨｚである場合に、位相遅延は、範囲０．５から４μｓ（それは約６から４５度に相当する。）内の１つの値に設定され得て、そして１．５μｓの遅延に設定されるのが好ましい。

ＲＦ干渉に関して、従来技術に特有のものである容量性センサは、しばしば、ストレイ（ｓｔｒａｙ）電磁放射に起因した間違った作動に対して脆弱である。本発明においては、このタイプのＲＦ干渉に対する高度の耐性は、センサが、同調されている又は特定の低い周波数で動作しており、従ってその周波数より上又はそれより下にある周波数の良好で固有の拒否を有するＰＬＬ回路に基づくことに起因して生じる。

それにも拘わらず、応用環境において、センサを間違ってトリガする程十分強く且つ十分な周波数であるスプリアスＲＦが生じ得る。このことを考慮して、好適な実施形態においては、フィルタ１０３及び１０４が、センス電極とＶＣＯ３２との間に接続される。

これらのフィルタは、ストレイ又はスプリアスの異質のＲＦ干渉に起因した高周波数信号のセンサ回路の中への侵入の大きさを低減する。なお、ストレイ又はスプリアスの異質のＲＦ干渉は、例えば、電子レンジのような家庭の台所電気製品により、そしてまたセル電話機により放射され得て、そしてさもなければセンサの間違った作動を誘発するに十分な強度であり得る。これらのフィルタは、フェライト・フィルタから成り得るが、しかしながら、水石けんディスペンサ応用においては、十分な減衰が、抵抗及びキャパシタの単純な回路網を用いて達成され得る。

図２は、２つのセンス電極がＪ１及びＪ２により示される点に直接接続される実際のセンサ回路１０の概略図である。特に、この回路はまた遮蔽電極の利用の措置を含み、そこにおいて遮蔽電極が、Ｊ３により示される接続点に直接接続される。この回路は、当業者により、図２に示される構成要素を利用して印刷回路板上に構成され得る。また、大量生産の経済性についての理由のため希望される場合、上記回路は、更に洗練され、そして当業者により特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として知られている単一の集積回路電子部品の中に与えられることができるであろうことが認められる筈である。

センサの動的応答の次の数学的表示が、更にセンサの基本的動作を説明し且つ示すため与えられる。センサ回路１０の応答は、時間に対するキャパシタンスの変化の様々な形状に対して異なるであろう。水石けんディスペンサ応用においては、この形状に対する妥当な近似は、キャパシタンスのランプ変化である。従って、トリガ回路がＤフロップに基づいており、且つキャパシタンスのランプ変化に対するセンサ回路の応答の解析に対する解は、次式により与えられる。

ここで、

ここで、
Ｋｏ＝利得定数
Ｆ１＝ＶＣＯ制御電圧Ｖ１に対応するＶＣＯ動作周波数
Ｆ２＝ＶＣＯ制御電圧Ｖ２に対応するＶＣＯ動作周波数。

実際には、そして用いられる特定の単一又は複数のデバイスの正確な特性に応じて、上記の式で表されるＫｏは、周波数及び制御電圧の正確な線形関数ではない。しかしながら、それは、ある一定の範囲の値にわたり典型的にはほぼ線形である。更に、設計の目的に対して、一般的に、Ｋｏは、ある範囲の回路パラメータの非線形関数であり、そのＫｏは、一般的に次式により表され得る。

Ｋｏ＝Ｆ（Ｖｃｃ，Ｎ，ω，Ｒ１，Ｒ２，Ｃ）

ここで、
Ｖｃｃ＝電源電圧であり、そして図２に示される回路において３．３Ｖに等しい。
Ｎ＝ＶＣＯ周波数が回路構成要素１００のため分周される回数
ω＝基準発振器３２の角周波数
Ｒ₁＝図２に示される回路図上におけるＲ１に対応する抵抗値
Ｒ₂＝図２に示される回路図上におけるＲ２に対応する抵抗値
そして、上記式においてｆにより示される、回路設計目的のため必要とされる正確な関数関係は、ベンダー・データ・シートに提供されている詳細なデータから決定され得て、そのベンダー・データ・シートは、例えば、「ＣＤ５４／７４ＨＣ４０４６Ａテキサス・インスツルメンツ・データ・シート（１９９８年２月発行、２０００年５月改訂）」に様々にグラフで提供されており、それは、図２に示される特定のＰＬＬ回路構成要素の動作を説明している。
ＶＣＯ＝制御電圧１０２の範囲の中央、即ち、Ｖｃｃ／２であり、ここでＶｃｃは電源電圧であり、図２に示される回路において３．３Ｖに等しい。
Ｖｒｅｆ＝ＰＬＬチップの内部にある基準電圧

Ｋｄ＝Ｖｃｃ／（４π）

τ１＝（Ｒ₃＋Ｒ₄）・Ｃ

ここで、Ｒ₃、Ｒ₄及びＣはループ・フィルタの構成要素（図２に示される回路上におけるＲ９、Ｒ８及びキャパシタンスＣ７に対応する。）である。
ｔ＝時間
ζ＝次式により与えられる減衰比

ここで、

τ₂＝Ｒ₄・Ｃ

上記で与えられた式は、時間に依存した応答項に乗算する進み項（ｌｅａｄｉｎｇ ｔｅｒｍ）を有する。時間に依存した応答項は、最終的にゼロに減少する。従って、トリガするのを引き起こす初期応答の大きさは、進み項に比例し、そしてそのようなことで、人は、それがキャパシタンスの変化率を合計キャパシタンスで除算したものに比例することを分かることができる。初期応答はまた、ループ回路の固有周波数に逆比例し、それは、応答がより緩慢に訂正する回路のため一層大きいことを人が期待するように指示する。

図３は、本発明の代替実施形態に従ったセンサ電極４０のブロック図を図示し、そして図１に示される実施形態１０に関連して説明された同一又は続いての類似の構成要素を指示する共通の参照番号を含む。この実施形態４０においては、トリガは、電圧比較器４２に基づいている。これは、検出の代替方法であり、そしてフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）１２の制御回路を用いる。その動作は次の通りである。図１に示される実施形態１０と同様に、平均制御電圧は、ＶＣＯ２２に、分周後に基準発振器３２と同じ周波数で動作するようにさせるため必要とされる電圧である。しかしながら、この実施形態においては、位相遅延回路網がなく、その代わりに、位相シフト誤差が、位相／周波数比較器２４に、位相差がゼロに補正されるまで制御電圧１０２を増減するようにさせる。この構成４０において、位相／周波数比較器２４からの位相誤差信号は、ＲＣ回路網４４を備え得る第１のループ・フィルタによりフィルタリングされ、そしてまたＲＣ回路網１０５をまた備え得て且つ第１のＲＣ回路網よりはるかに長い時定数を有し且つ電圧基準を電圧比較器４２に与える第２のフィルタによりフィルタリングされ得る。制御電圧１０２が、センス電極１４及び１６の作動範囲内で移動している対象物の検出に起因して、電圧比較器４２におけるプリセットされた正に行く電圧スレッショルドに達するとき、電圧比較器４２は、センサ出力トリガ信号を起動して与える。

動作周波数
水石けんディスペンサ（図示せず）用センサの動作周波数は、ＶＣＯ周波数であり、そしてほぼ０．５ＭＨｚである（実際の周波数は、３２．７６８ｋＨｚの基準発振器周波数の１６倍であり、０．５２４４ＭＨｚである。）。この周波数は十分に高く設定され、それにより、人の手が常にセンサにより、時に導体とは対照的な誘電体材料、及び作動範囲及び一般的性能における変動を引き起こすことができるであろうその他の場合には誘電体として検出される。この問題は、ディスペンサを動作させている個人が電気的に接地され得るか又はされ得ないかに起因して生じる。例えば、オペレータは、石けんを要求して間に、時に、一方の手を流し台又は蛇口のような接地された金属対象物に接触させる状態にし、又は水流により電気的に接地され得る。

次いで、人の手を誘電体として検出するため、周波数は、人の身体の自由電荷緩和時間を超える必要がある。この時間は、接地に対する皮膚の抵抗（単位オーム）と身体のキャパシタンス（単位ファラッド）との積から決定される。大人のキャパシタンスは、５０ｐＦの範囲にある。両手間の皮膚の抵抗は、おおよそ１００ｋΩから最大数ＭΩまでの範囲で変わる。従って、ＲＣ時定数は５μｓ程に短く、それは０．２ＭＨｚの周波数に相当する。従って、０．５ＭＨｚの動作周波数が、妥当な余裕を与えるため選択された。

他の潜在的応用には蛇口の制御が含まれる。蛇口制御のための容量性センサの効果的使用は、１０ＭＨｚ又はそれより高い範囲において著しく高い周波数を要求し得る。これは、例えば、米国特許Ｎｏ．５７３０１６５で注目され、そして一般的にまたその他のところで資料で提供されている。推論は、再度、ＲＣ時間内容に基づいており、そして流し台環境に存在するより高い導電性を処理しなければならない。

希望される場合にはるかに高い周波数で動作させるため我々のセンサの設計を修正するのに基本的問題は無い。実際に、動作の周波数に関する限り、ＰＬＬ装置における現在の最高の技術は、ＧＨｚ領域の中に十分に拡張している。従って、この設計は、「当業者」により修正されて、意図された応用の必要性に応じて最大ＧＨｚ領域までの任意の所望の周波数で動作させることができるであろう。

図４は、銅箔から形成され且つ離間した関係で配設されてそれらの間に電界の確立を可能にするセンス電極１４、１６を有する模擬された水石けんディスペンサのベース５０を図示する。並んだ構成は、電極の表面から外へ延伸し且つその２つの電極間で湾曲している電界をその２つの電極間に誘発する。ベース５２はまた遮蔽電極を組み込み、その遮蔽電極は、この事例では銅箔から形成され、そしてベース５２の外側の周りに巻かれている。

この構成においては、キャパシタンスの変化の大きさがまた、手のような、その電界内の誘電体材料の存在に起因して減少するように、電界強度の大きさは、電極１４、１６からの距離と共に非線形に減少する。この種の並んだ構成は、漏れ電界と呼ばれ得るものを誘発し、そしてこの電極構成と組み合わさったセンサは、漏れ電界型の容量性センサと呼ばれ得る。大まかな案内として、電界の強度は、典型的には、電極１４、１６の組み合わされた幅を超える距離（この場合約７．６２ｃｍ（約３インチ）である。）で漏れ電界において迅速に減少する。前部から背部までの幅が約７．８７ｃｍ（約３．１インチ）であり、並んだ長さが約８．２６ｃｍ（３．２５インチ）であり、分離間隔は約１．２７ｃｍ（約０．５インチ）であり、電極と遮蔽リムとの間のギャップは全般的に約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）である。

模擬されたベースからの異なる距離範囲における手の存在に起因したキャパシタンスの変化が測定された。図５は、これを確認する、遮蔽５２が存在した場合と取り除かれた場合の両方について、ベース５０より上の異なる垂直距離範囲において平らに保持された大人の手に対するキャパシタンスの変化を示す。接地された遮蔽５２に対して２つの技術的側面効果がある。第１は、それがセンス電極構造の全キャパシタンスを数ｐＦだけ上昇させることである。第２は、それが電界の一部を検知範囲から離れるよう分路し、それにより固定の距離範囲におけるキャパシタンスの変化が減少することである。これは、センス電極に至近距離にある接地された遮蔽に対して不可避であり、そして図５に図示されるデータにより確認される。

従って、この特定の物理的構造に対して、遮蔽の要件は、センサの必要な感度を増大させ、そして本明細書で説明される試験データにより確認されるように、このセンサは、必要な感度を有する。感度が、類似の遮蔽された電極を必要とするこの又は他の類似の応用に対して絶えず問題である筈ならば、余り感度を必要としないであろう代替構成は、遮蔽を分割し、且つその２つの半分の部分をセンス電極と同じ電圧で駆動する構成である。

センサの特徴付け及びベンチ・テスト・データ
データは、次のカテゴリに入る。
・既知の小さいキャパシタンス変化率に対する特徴付け
・模擬されたベースより上での手の動きに対する応答に対する特徴付け。

動的シミュレーション及びテスト・データ
特徴付けのためで、且つあるランプ（ｒａｍｐ）を近似するキャパシタンスの変化の時間プロフィールを用いて、手の動きを表す様々な時間尺度にわたり生じるキャパシタンスの様々な代表的変化率での既知で且つ再現可能なある範囲のキャパシタンス変化を発生する手段として用いられた試験装置が構成された。それは、２つの平坦な平行電極を備える平行プレート型キャパシタに基づいており、その２つの平坦な平行電極は、公称５ｃｍ×５ｃｍ角で且つ１ｃｍの距離だけ離間されている。約０．９５３ｃｍ（３／８″）角×１ｍｍ厚さの測定値を持つ小さい正方形の純粋な溶融石英を備える誘電体試験サンプルを用いて、キャパシタンスを増分的に増大させた。材料は、３．８の既知の比誘電率を有する。

１個のそのようなサンプルをキャパシタの電界領域に導入することに起因したキャパシタンスの増分的増大は、上記構造及び試験サンプルの実際の正確な寸法を与え且つ一様な電界を仮定した場合、６．３ｆＦであると計算された。サンプルを既知の且つ一定の速度で電界領域の中に導入しそしてそれから取り去る手段が工夫された。これは、サンプルを薄いプラスチック・ディスク上に取り付け、それらは電界ギャップを横切り、そして小さい電動機により既知のＲＰＭで回転させることから成る。こうして、この構成は、手の動きに起因したキャパシタンスの変化率をシミュレートする手段を提供する。

試験サンプルがプラスチック・ディスクの極端に外側の端に位置させた場合に以下のモータＲＰＭを用いた。各回転は、サンプルがプレート間の電界に入るにつれ１つの正のｄＣ／ｄｔを生じ、そしてサンプルがその電界から離れるにつれ１つの負のｄＣ／ｄｔを生じる。

各回転が１つの正のｄＣ／ｄｔ及び１つの負のｄＣ／ｄｔを生じるので、装置はまた、異なるｄＣ／ｄｔの大きさに対するセンサのトリガする感度及び異なる−ｄＣ／ｄｔに対する間違ったトリガの試験を可能にする。これはまた、水石けんディスペンサ応用に対してセンサは手を作動領域内から取り去ることに起因してトリガすべきでないので、有用である。

以下のデータは、各速度でほぼ１００回転に関連する。

これらのデータは前の表のデータと組み合わさって、センサが＋７７ｆＦ／ｓを７２ｍｓの持続時間超える事象に感応し、且つ＋１０７ｆＦ／ｓを５９ｍｓの持続時間の事象の検出にこれらの試験で１００％（−１％）成功であることを指示する。

データはまた、センサが手以外の小さい誘電体対象物の動きを信頼性良く検出することができることを立証している。データはまた、センス電極が平行プレート型構成に配設される場合に、センサが機能的であることを立証している。

手作動テスト・データ
非接触型水石けんディスペンサの作動の文脈において応用に対する実施化及び適合性の証拠を更に与えるため、一連の手作動テストは、図４に図示されるようにセンス電極の漏れ電界構成並びに遮蔽電極を組み込む模擬された水石けんディスペンサ・ベースを用いて実施された。

図５を参照することにより、必要とされる手の速度は、垂直に近づけて、センサを約７．６２ｃｍ（３″）、約５．０８ｃｍ（２″）及び約２．５４ｃｍ（１″）の範囲でセンサを作動させることにより信頼性良い作動に対する大まかに推定されることができる。次いで、この技術的推定は、同じ手に対する実際のデータと比較されることができる。低い方の曲線は、約５ｐＦの約７．６２ｃｍ（３″）、約１２ｆＦ約５．０８ｃｍ（２″）で、そして推定された３９ｆＦ約７．６２ｃｍ（３″）での手に起因したキャパシタンスの変化を示す。これは、この変化が約１２．７ｃｍ（約５″）の初期の手の距離と約７．６２ｃｍ（３″）の作動距離との間で生じ、以下同じであろう。次いで、変化率が約１００ｆＦ／ｓであるために、手の速度は、約７．６２ｃｍ（３″）（５０ｍｓ持続時間）での作動に対して１００×２／５インチ／秒＝４０インチ／秒（約１０２ｃｍ／秒）であり、約５．０８ｃｍ（２″）（１２０ｍｓ）での作動に対して約１００×２／１２インチ／秒＝１７インチ／秒（４３．２ｃｍ／秒）であり、そして約２．５４ｃｍ（１″）（４４４ｍｓ）に対して約１００×２／３９＝５インチ／秒（約１２．７ｃｍ／秒）である必要がある。１２．７ｃｍ／秒（５インチ／秒）は非常に遅い手の速度である一方、約６３．５から約１０１．６ｃｍ／秒（２５から４０インチ／秒）はより典型的である。

センサ回路は、模擬されたベースに接続され、そして正常速度であると判断されたベースに向けて移動する手による作動を、そして手が既に作動領域内にあるとき反復作動を、各ケースについて１０回試験した。

上記のテストは、手を平らに且つ水平に保つ配慮が取られ、それは水石けんディスペンサの通常のユーザはそうしないであろうという意味において技術的で、又は「設定された」ものであり、また手の速度は重要な要因であり、そしてこれは典型的であり得るものの判断に基づき、そしてこれは実際の使用で変わるであろうことが認められるであろう。人は、これらのデータに従って、実効的な作動距離が約６．３５ｃｍ（２．５″）から約７．６２ｃｍ（３″）の範囲にあり、そしてこれがまた技術的基礎に基づく推定と一致していることが知ることができる。同様に、人は、センサが手の取り去りにより即座に作動されたことを意味する間違ったトリガのゼロ発生率が存在することを知ることができる。

センサ回路１０のための電流引き抜きは、低く、そして実質的に低電圧で１ｍＡより少ない。これは、アルカリ蓄電池を用いた長期間動作に対する適合性を実証している。これは、頻繁なバッテリの交換の必要性無しに、長期間の連続動作を意図することが好ましいバッテリ給電装置における応用にとって有利である。

以上に、本発明が役立つため用いられ得る態様を説明する目的のため本発明に従った制御システムが説明されたが、本発明はそれに限定されるものではないことが認められるべきである。従って、当業者に想到し得るいずれの且つ全ての修正、変形又は等価な構成は、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内にあると考えるべきである。

図１は、トリガがＤフロップ回路を利用する本発明の一実施形態のブロック図である。 図２は、図１におけるブロック図に示される回路の概略図である。 図３は、比較器をトリガに用いる本発明の代替実施形態のブロック図である。 図４は、図１及び図３に示されるようなブロック図と用いるのに適切なセンス電極構成の図面である。 図５は、平たい手の存在に起因した、図４に示されるセンス電極のキャパシタンスの被測定変化のプロットである。

Claims (23)

1. 近接対象物の動きに起因したキャパシタンスの時間変化率に応答して装置の動作を制御するための容量性センサ・システムであって、
   離間した関係で配設され、センス電極間に電界の確立を可能にする少なくとも２つのセンス電極と、
   前記電界内の前記近接対象物の動きに起因した前記センス電極のキャパシタンスの時間変化率を、キャパシタンスの変化を検出することなしに直接検出して、当該検出されたキャパシタンスの時間変化率を示す制御出力信号を与える電子回路と、を備え、
   前記電子回路が、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含み、且つ前記センス電極に接続されて、動作周波数を前記センス電極に与えるフェーズ・ロックド・ループを備え、
   前記フェーズ・ロックド・ループが更に、
   固定の周波数基準を与える固定周波数基準発振器と、
   ＶＣＯ周波数を固定の周波数基準と比較する位相／周波数比較器と、
   前記ループが位相ロックされているとき、前記ＶＣＯの周波数と前記固定周波数基準発振器の周波数との間の位相差を変える位相遅延回路と、
   前記ループの動的応答を規定するため、前記位相／周波数比較器からの位相誤差信号を積分するループ・フィルタと、を備え、
   前記電子回路が更に、前記固定の基準周波数と前記動作周波数との間の位相差の変化に応答して制御出力信号を与える位相感応トリガ回路を備える
   容量性センサ・システム。
2. 前記位相遅延回路は、キャパシタンスの正の時間変化率が前記装置の動作を制御するため、ＶＣＯ周波数を固定の周波数基準に進めさせるよう動作する請求項１記載の容量性センサ・システム。
3. 前記位相遅延回路は、キャパシタンスの負の時間変化率が前記装置の動作を制御するため、前記ＶＣＯ周波数を前記固定の基準周波数より遅れさせるよう動作する請求項１記載の容量性センサ・システム。
4. 近接対象物の動きに起因したキャパシタンスの時間変化率に応答して装置の動作を制御するための容量性センサ・システムであって、
   離間した関係で配設され、センス電極間に電界の確立を可能にする少なくとも２つのセンス電極であって、前記電界が当該センス電極の外側へ及び当該センス電極間に延伸する、前記少なくとも２つのセンス電極と、
   電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含み、且つ前記センス電極に接続されて、動作周波数を前記センス電極に与えるフェーズ・ロックド・ループと、を備え、
   前記フェーズ・ロックド・ループが更に、
   固定の周波数基準を与える固定周波数基準発振器と、
   ＶＣＯ周波数を前記の固定の基準周波数と比較する位相／周波数比較器と、
   前記ループが位相ロックされているとき、前記ＶＣＯ周波数と前記固定基準発振器の周波数との間の位相差を変える位相遅延回路と、
   前記ループの動的応答を規定するため、前記位相／周波数比較器からの位相誤差信号を積分するループ・フィルタと、を備え、
   前記容量性センサ・システムが更に、前記固定の基準周波数と前記動作周波数との間の位相差の変化に応答して制御出力信号を与える位相感応トリガ回路を備える、容量性センサ・システム。
5. 前記位相遅延回路は、キャパシタンスの正の時間変化率が前記装置の動作を制御するため、ＶＣＯ周波数を固定の基準周波数より進めさせるよう動作する請求項４記載の容量性センサ・システム。
6. 前記位相遅延回路は、キャパシタンスの負の時間変化率が前記装置の動作を制御するため、ＶＣＯ周波数を固定の基準周波数より遅れさせるよう動作する請求項４記載の容量性センサ・システム。
7. 前記電圧制御発振器は、対象物が前記センス電極により誘電体材料として確実に検出されるため前記対象物の抵抗及びキャパシタンスの時定数に相当する周波数より高い動作周波数を前記センス電極に与える請求項４から６のいずれか一項に記載の容量性センサ・システム。
8. 前記電圧制御発振器が、水石けんディスペンサを人の手の動きにより操作するため約１ＭＨｚより低い動作周波数を与える請求項７記載の容量性センサ・システム。
9. 前記電圧制御発振器が、給水栓を人の手の動きにより操作するため約１０ＭＨｚより大きい動作周波数を与える請求項７記載の容量性センサ・システム。
10. 前記センス電極が平面関係に配設されている請求項４記載の容量性センサ・システム。
11. 前記センス電極と離間し且つそれらを囲む関係で配設された被接地遮蔽電極を更に備え、
    前記遮蔽電極が、前記センス電極に対して一般的に垂直で且つ前記の確立された電界から離れるよう延在する平面にある
    請求項１０記載の容量性センサ・システム。
12. 前記センス電極に一般的に平行である平面に配設された被接地電極を更に備える請求項１０記載の容量性センサ・システム。
13. 前記トリガ回路がＤフロップ回路を備える請求項４記載の容量性センサ・システム。
14. 近接対象物の動きに起因したキャパシタンスの時間変化率に応答して、装置の動作を制御するための容量性センサ・システムであって、
    離間した関係で配設され、センス電極間に電界の確立を可能にする少なくとも２つのセンス電極であって、前記電界が当該センス電極の外側へ及び当該センス電極間に延伸する、前記少なくとも２つのセンス電極と、
    電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含み、且つ前記センス電極に接続されて、動作周波数を前記センス電極に与えるフェーズ・ロックド・ループと、を備え、
    前記フェーズ・ロックド・ループが更に、
    固定の周波数基準を与える固定周波数基準発振器と、
    ＶＣＯ周波数を固定の周波数基準と比較する位相／周波数比較器と、
    前記ループの動的応答を規定するため、前記位相／周波数比較器からの位相誤差信号を積分するループ・フィルタと、を備え、
    前記容量性センサ・システムが、前記の固定の基準周波数と前記動作周波数との間の位相差の変化に応答して、制御出力信号を与える位相感応トリガ回路を備え、
    前記位相感応トリガ回路が、前記ＶＣＯに接続された１つの側部を有する電圧比較器と、前記位相／周波数比較器と前記電圧比較器との間に接続された長い時定数ループ・フィルタとを含む、容量性センサ・システム。
15. 近接対象物の動きに起因したキャパシタンスの時間変化率に応答して装置の動作を制御するための容量性センサ・システムであって、
    離間した関係で配設され、センス電極間に電界の確立を可能にする少なくとも２つのセンス電極と、
    電圧制御発振器（ＶＣＯ）を含み、且つ前記センス電極に接続されて、動作周波数を前記センス電極に与えるフェーズ・ロックド・ループと、を備え、
    前記フェーズ・ロックド・ループが更に、
    固定の周波数基準を与える固定周波数基準発振器と、
    ＶＣＯ周波数を固定の基準周波数と比較する位相／周波数比較器と、
    前記位相／周波数比較器と前記電圧制御発振器との間に接続され、前記電圧制御発振器に前記基準発振器より位相を進ませる位相遅延回路と、を備え、
    前記容量性センサ・システムが更に、前記固定の周波数と前記動作周波数との間の位相シフトの変化に応答して、制御出力を与えるトリガ回路を備える、容量性センサ・システム。
16. 前記電圧制御発振器は、前記対象物が前記センス電極により誘電体材料として確実に検出されるため前記対象物の抵抗及びキャパシタンスの時定数に対応する周波数より高い動作周波数を前記センス電極に与える請求項１５記載の容量性センサ・システム。
17. 前記電圧制御発振器は、水石けんディスペンサを人の手の動きにより操作するため約１ＭＨｚより低い動作周波数を与える請求項１６記載の容量性センサ・システム。
18. 前記電圧制御発振器は、給水栓を人の手の動きにより操作するため約１０ＭＨｚより大きい動作周波数を与える請求項１６記載の容量性センサ・システム。
19. 前記センス電極と離間し且つそれらを囲む関係で配設された遮蔽電極を更に備える請求項１８記載の容量性センサ・システム。
20. 前記トリガ回路がＤフロップ回路を備える請求項１５記載の容量性センサ・システム。
21. 前記位相／周波数比較器と前記ＶＣＯとの間に接続され、前記の固定の基準周波数と前記のＶＣＯ動作周波数との間の位相差を＋９０度と−９０度との間に維持する適応フィードバック経路を更に備える請求項４、１４及び１５のいずれか一項に記載の容量性センサ・システム。
22. 各センス電極と前記ＶＣＯとの間で相互接続されたＲＦ減衰フィルタを更に備える請求項４、１４及び１５のいずれか一項に記載の容量性センサ・システム。
23. 前記ＶＣＯ及び前記位相／周波数比較器を相互接続する分周器を更に備える請求項４、１４及び１５のいずれか一項に記載の容量性センサ・システム。

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