JP5254088B2

JP5254088B2 - センサ装置及び間欠処理方法

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Publication number: JP5254088B2
Application number: JP2009060926A
Authority: JP
Inventors: 雅子小形; 英之舟木; 和拓鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: US20100231246A1; US8299806B2; JP2010219622A

Description

本発明は、互いに対抗して配置される２つの部材の近接を、それぞれの部材に設置された電極間の静電容量の変化を利用して検出するセンサ装置及びこのセンサ装置に用いられる間欠処理方法に関する。

近年、物体の近接を検出するセンサとして、静電容量検出式の近接センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の静電容量検出式の近接センサでは、第１及び第２の部材それぞれに電極が設置される。そして、検出対象となる部材に配置される電極に電気信号を供給し、電極間の静電容０量の変化をセンサ側の部材に配置される電極から検知することで、各部材の位置変化を検出している。

ところで、２つの部材の近接を検出するセンサ装置は、携帯電話等の電子機器で使用されている。このうち、例えば携帯電話では、長時間の利用を可能とするため、消費電力をできるだけ抑えることが要求されている。従来の磁気式センサ装置では、検出対称となる部材に設置された磁石の近接をセンサ側の部材に設置されたホール素子で検出する際に、ホール素子を所定の周期で駆動して磁石からの磁界を検出する間欠動作を行うようにしている。これにより、センサ装置での消費電力が抑えられ、バッテリの浪費を抑制することが可能となる。

このように、消費電力の抑制が望まれる電子機器においては、バッテリの浪費を抑制する間欠動作が求められている。しかしながら、静電容量検出式のセンサ装置では、検出対象側の動作と、センサ側の動作とは、それぞれ独立に行われている。そのため、センサ装置の間欠動作を行おうとする場合、検出対象側の間欠動作と、センサ側の間欠動作とが異なると、部材間の位置関係がうまく検出されないという問題があった。

特開２００８−１９２３１９号公報

以上のように、静電容量検出式のセンサ装置において間欠動作を行おうとする場合、検出対象側の間欠動作と、センサ側の間欠動作とが異なると、部材間の位置関係の検出がうまく行えないという問題があった。

本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、検出対象側とセンサ側とが異なる周期で間欠動作を行う場合であっても、検出対象とセンサとが設置された部材の位置関係を検出することが可能な静電容量検出式のセンサ装置及びその間欠処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るセンサ装置は、近接時にそれぞれの表面が互いに対向する第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置であって、電気信号を発生する信号源と、前記電気信号を第１の周期で導出させる第１の導出手段と、前記第１の部材の表面における第１部位に設けられ、前記第１の周期で前記第１の導出手段から導出された電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極部と、前記第２の部材の表面における第２部位に設けられ、前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第１部位の近接距離に応じて前記第２部位に誘起させる第２の電極部と、前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号を、予め設定された基準周期中に少なくとも１回は前記第１の周期とオンの期間が重複する第２の周期で導出させる第２の導出手段と、前記指定された周期で前記第２の導出手段から導出された電気信号の振幅が既定の閾値以上であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により、前記電気信号の振幅が前記既定の閾値以上であると判定されてから前記既定の閾値未満であると判定された間は、前記第２の導出手段における周期を前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替える切替手段とを具備する。

また、本発明に係る間欠処理方法は、近接時にそれぞれの表面が互いに対向する第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置に用いられる間欠処理方法であって、信号源から発生される電気信号を第１の周期で導出し、前記第１の部材の表面における第１部位に設けられた第１の電極部により、前記第１の周期で導出した電気信号に応じた電荷を前記第１部位に保持させ、前記第２の部材の表面における第２部位に設けられた第２の電極部により、前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第１部位の近接距離に応じて前記第２部位に誘起させ、前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号を、予め設定された基準周期中に少なくとも１回は前記第１の周期とオンの期間が重複する第２の周期で導出し、前記第２の周期で導出した電気信号の振幅が既定の閾値以上であるか否かを判定し、前記判定により、前記電気信号の振幅が前記既定の閾値以上であると判定してから前記既定の閾値未満であると判定する間は、前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号の導出周期を、前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替えることを特徴とする。

上記構成によるセンサ装置及び間欠処理方法では、第１の周期に従って第１の電極部に電気信号を供給し、予め設定された基準周期中に少なくとも１回は前記第１の周期とオンの期間が重複する第２の周期で第１及び第２の部材の位置関係の検出動作を行う。そして、判定手段により、電気信号の振幅が既定の閾値以上であると判定されてから既定の閾値未満であると判定される間は、近接状態にあるとして、部材間の位置関係の検出動作を第１の周期と同期させて行うようにしている。これにより、検出対象側の間欠動作とセンサ側の間欠動作とが異なる周期で行われる場合であっても、両部材が近接する際にはこれらの間欠動作を同期させることが可能となる。

本発明によれば、検出対象側とセンサ側とが異なる周期で間欠動作を行う場合であっても、検出対象とセンサとが設置された部材の位置関係を検出することが可能なセンサ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を示す図である。図１のセンサ装置の機能構成を示すブロック図である。２種類のクロック信号の関係を示す図である。図２のセンサ装置の各構成要素から出力される信号を示す図である。図２の制御部が切替部を切替制御する際のフローチャートである。図１のセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの一例を示す図である。２種類のクロック信号の具体例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係るセンサ装置の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を示す模式図である。センサ装置は、部材１００に設置されるセンサ回路１０と、部材２００に設置されるセンサ回路２０とを具備する。部材１００，２００は、それぞれの表面が互いに対向して配置される。部材１００，２００が近接する場合、センサ回路１０の電極１３と、センサ回路２０の電極２１とは互いに対向して近接する。センサ装置は、センサ回路１０の電極１３とセンサ回路２０の電極２１との間の静電容量の変化を検知することで、部材１００と部材２００との位置関係、すなわち部材１００，２００が近接しているか離隔しているか等を検出する。

図２は、図１のセンサ装置の機能構成を示すブロック図である。センサ回路１０は、交流電源１１から出力される交流電流をスイッチ１２を介して電極１３へ供給する。スイッチ１２は、センサ回路１０を間欠駆動させるためのものであり、スイッチ１２がオンである間はセンサ回路１０は動作し、スイッチ１２がオフである間はセンサ回路１０は動作しない。スイッチ１２は、クロック部１４から周期Ｔ１のクロック信号を受け、このクロック信号に従って交流電源１１からの交流電流を電極１３へ導出する。電極１３は、部材１００の表面に配置され、その配置部位に、供給された交流電流に応じた電荷を保持させる。

センサ回路２０は、電極１３と電極２１との間の静電容量の変化を検知し、部材１００，２００の位置関係を検出する。電極２１は、部材２００の表面に配置され、その配置部位に、電極１３が配置される部位の保持電荷に応じた電荷を誘起させる。このとき、電極２１により誘起される電荷は、電極１３と電極２１との距離に応じて変化する。

スイッチ２２はセンサ回路２０を間欠駆動させるためのものであり、スイッチ２２がオンである間はセンサ回路２０は動作し、スイッチ２２がオフである間はセンサ回路２０は動作しない。スイッチ２２は、後述するクロック部２９又はクロック部２１０からのクロック信号に従って、電極２１により誘起された電荷に基づいた電気信号を増幅器（ＡＭＰ）２３へ導出する。増幅器２３は、受け取った電気信号を増幅して帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２４へ出力する。帯域通過フィルタ２４は、受け取った電気信号からノイズ成分を除去してピーク検波部２５へ出力する。ピーク検波部２５は、受け取った電気信号のピーク電流を検波する。

比較判定部２６は、ピーク検出部２５からの信号を受け取り、その信号の振幅が予め設定された閾値以上であるか否かを判定する。比較判定部２６は、受け取った信号の振幅が予め設定された閾値以上である場合、その信号を制御部２７へ出力する。

制御部２７は、比較判定部２６からの信号に基づいて部材１００，２００が近接したか否かを判断し、近接した旨を示す信号及び非近接になった旨を示す信号を切替部２８及び後段の装置（図示せず）へ出力する。

切替部２８は、クロック部２９，２１０いずれかからのクロック信号をスイッチ２２へ切り替えて導出するものである。切替部２８は、制御部２７から部材１００，２００が非近接である旨の信号を受け取った場合、クロック部２９から出力される周期Ｔ２のクロック信号をスイッチ２２へ導出する。一方、切替部２８は、制御部２７から部材１００，２００が近接した旨の信号を受け取った場合、クロック部２１０から出力される周期Ｔ１のクロック信号をスイッチ２２へ導出する。

次に、上述した周期Ｔ１のクロック信号と周期Ｔ２のクロック信号との関係を説明する。図３は、周期Ｔ１のクロック信号と周期Ｔ２のクロック信号との関係を示す模式図である。図３の円部で示すように、周期Ｔ１のクロック信号がオンとなっている期間に周期Ｔ２のクロック信号が立ち上がる動作が、所定の周期の間に少なくとも一回行われるように、両クロック信号が設定されている。このとき、所定の周期とは、例えば携帯電話を閉じる際の動作時間と比較して十分に短い周期である。このような要件を満たす周期のクロック信号を用いることで、センサ装置は、この所定の周期に少なくとも一回は、部材１０と部材２０との位置関係の検出動作を実行することが可能となる。

次に、上記構成における動作を説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の各構成要素から出力される信号を示す模式図である。図５は、図１の制御部２７が切替部２８を切替制御する際のフローチャートを示す。

まず、スイッチ１２は、クロック部１４からの周期Ｔ１のクロック信号に従って動作している。これにより、電極１３には、周期Ｔ１のクロック信号に従って交流電流が供給される。

電極２１により誘起された電荷は、スイッチ２２によりクロック部２９から出力される周期Ｔ２のクロック信号又はクロック部２１０から出力される周期Ｔ１のクロック信号のいずれかに従って、電気信号として増幅器２３へ導出される。ここで、部材１００，２００が非近接状態である場合、電極２１が配置される部位に誘起される電荷は小さいため、増幅器２３へ導出される電気信号の振幅は小さい。一方、部材１００，２００が近接状態である場合、電極２１が配置される部位に誘起される電荷は大きいため、増幅器２３へ導出される電気信号の振幅も大きい。

スイッチ２２により導出された電気信号は、増幅器２３で増幅され、帯域通過フィルタ２４で帯域通過された後、ピーク検波部２５へ出力される。ピーク検波部２５は、入力された電気信号のピーク値を検波し、矩形状の信号を出力する。

比較判定部２６は、ピーク値が検波された信号を受け取り、振幅が閾値以上となる信号のみを制御部２７へ出力する。

制御部２７は、比較判定部２６からの信号が、周期Ｔ２のクロック信号の立ち上がりの際に入力されたか否かを判定する（ステップ５１）。制御部２７は、比較判定部２６からの信号が周期Ｔ２のクロック信号の立ち上がりの際に入力された場合（ステップ５１のＹｅｓ）、部材１００と部材２００とが近接したと判断する（ステップ５２）。そして、制御部２７は、近接状態であることを判断すると、次に非近接と判断するまで所定の振幅値の信号を切替部２８及び後段の装置へ出力する（ステップ５３）。制御部２７は、比較判定部２６からの信号が周期Ｔ２のクロック信号の立ち上がりの際に入力されない場合（ステップ５１のＮｏ）、この要件を満たすまでこの判定フローを繰り返す。

切替部２８は、制御部２７から所定の振幅の信号を受け取ると、クロック部２１０から出力される周期Ｔ１のクロック信号へ接続を切り替え、このクロック信号をスイッチ２２へ導出する。

制御部２７は、部材１００と部材２００とが近接状態にある場合、周期Ｔ１のクロック信号の立ち上がりの際に比較判定部２６からの信号が入力されるか否かを判定する（ステップ５４）。周期Ｔ１のクロック信号の立ち上がりの際に比較判定部２６からの信号が入力されない場合（ステップ５４のＮｏ）、部材１００と部材２００とが非近接になったと判断する（ステップ５５）。制御部２７は、部材１００，２００が非近接状態となったことを判断すると、切替部２８及び後段の装置へ振幅零の信号を出力して（ステップ５６）、処理を終了する。

切替部２８は、近接判断部２７１から振幅が零の信号を受け取ると、クロック部２９から出力される周期Ｔ２のクロック信号へ接続を切り替え、この信号をスイッチ２２へ導出する。

図６は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの一例を示す模式図である。携帯通信端末としては携帯電話を想定している。図６において、部材１００は携帯電話の下側部材に対応し、部材２００は携帯電話の上側部材に対応する。電極配置領域１０１にセンサ回路１０の電極１３が配置され、電極配置領域２０１にセンサ回路２０の電極２１が配置される。

携帯電話が開かれている場合、センサ回路１０は周期Ｔ１で間欠動作を行い、センサ回路２０は周期Ｔ２で間欠動作を行う。センサ装置は、携帯電話が閉じられると上記処理により部材１００，２００の近接を検出する。各部材が近接状態にある場合、センサ回路１０の間欠動作とセンサ回路２０の間欠動作とが同期する。

ここで、周期Ｔ１及び周期Ｔ２は、人の手による携帯電話の開閉動作を考慮して決定される。人の手により携帯電話を閉じるのにおよそ０．５秒かかるとすると、携帯電話の開閉を検出する間欠動作の周期は０．１秒程度で十分であると考えられる。また、交流電源１１の発振周波数が数１０〜数１００ｋＨｚである場合、交流電流の数波長分をアナログ信号として検出するには、動作時間は１０μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ必要となる。

つまり、周期Ｔ１は、０．１秒の間に１０μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃの動作を複数回行う条件を満たす任意の周期において設定可能である。周期Ｔ２は、周期Ｔ１と同期していなくても、０．１秒の間に少なくとも１回は、周期Ｔ２に基づくオンのタイミングが周期Ｔ１に基づくオンの期間に発生する周期であれば設定可能である。

図７は、周期Ｔ１及び周期Ｔ２のクロック信号の具体例を示す図である。ここでは、交流電源１１の発振周波数を１０ｋＨｚとしている。図７において、上図は動作時間１００μｓｅｃ、周期Ｔ１＝１０ｍｓｅｃのクロック信号を示し、数は動作時間１００μｓｅｃ、周期Ｔ２＝９ｍｓｅｃのクロック信号を示す。これにより、センサ回路１０，２０それぞれで間欠動作を行っていても、０．１秒に一回は部材１００，２００の位置関係の検出動作が行われることとなる。

以上のように、上記第１の実施形態では、センサ装置におけるセンサ回路１０を周期Ｔ１で間欠動作させ、センサ回路２０を周期Ｔ２で間欠動作させる。ここで、周期Ｔ２は、所定の周期中に少なくとも１回は、周期Ｔ２に基づくオンのタイミングが周期Ｔ１に基づくオンの期間に発生する周期である。そして、センサ装置は、部材１００，２００が近接状態である場合は、センサ回路１０における間欠動作と、センサ回路２０における間欠動作とを同期させるようにしている。

これにより、部材間の位置関係を検出する際の間欠動作の周期がセンサ回路１０とセンサ回路２０とで異なる場合であっても、所定の周期に少なくとも一度は部材間の位置関係の検出動作を実行することが可能となる。また、部材１００，２００が近接状態にあるときは、センサ回路１０の間欠動作とセンサ回路２０の間欠動作とを同期させるようにしているため、部材１００，２００が非近接となるタイミングを高精度に検出することが可能である。

したがって、本発明に係るセンサ装置は、検出対象側とセンサ側とが異なる周期で間欠動作を行う場合であっても、検出対象とセンサとが設置された部材の位置関係を検出することができる。

なお、この発明は上記一実施形態に限定されるものではない。例えば、上記一実施形態では、周期Ｔ２のクロック信号が立ち上がる際に比較判定部２６から所定の振幅の信号が入力された場合に、部材１００と部材２００とが近接状態であると判断する例について説明したが、比較判定部２６から所定の振幅の信号が入力された場合に、直ちに各部材が近接状態にあると判断するようにしても同様に実施可能である。この場合には、所定の周期の間に少なくとも一回は周期Ｔ１のクロック信号がオンとなっている期間と周期Ｔ２のクロック信号がオンとなっている期間とが重複するように、周期Ｔ１及び周期Ｔ２が設定されていればよい。

また、上記一実施形態では、周期Ｔ１と周期Ｔ２との周期の長さに際を設けていないが、周期Ｔ１＜周期Ｔ２と設定した場合、非近接時に消費電力の大きいセンサ回路２０の消費電力を抑えることが可能であるため、より省電力化を図ることができる。

また、上記一実施形態では、交流電源１１から出力される交流電流に基づいて部材間の位置関係を検出する例について説明したが、交流電源１１に代わり直流電源を用いた場合であっても同様に部材間の位置関係を検出することが可能である。

さらに、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…センサ回路
１１…交流電源
１２…スイッチ
１３…電極
１４…クロック部
２０…センサ回路
２１…電極
２２…スイッチ
２３…増幅器
２４…帯域通過フィルタ
２５…ピーク検波部
２６…比較判定部
２７…制御部
２８…切替部
２９…クロック部
２１０…クロック部
１００…部材
１０１…電極配置領域
２００…部材
２０１…電極配置領域

Claims

近接時にそれぞれの表面が互いに対向する第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置であって、
電気信号を発生する信号源と、
前記電気信号を第１の周期で導出させる第１の導出手段と、
前記第１の部材の表面における第１部位に設けられ、前記第１の周期で前記第１の導出手段から導出された電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極部と、
前記第２の部材の表面における第２部位に設けられ、前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第１部位の近接距離に応じて前記第２部位に誘起させる第２の電極部と、
前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号を、予め設定された基準周期中に少なくとも１回は前記第１の周期とオンの期間が重複する第２の周期で導出させる第２の導出手段と、
前記指定された周期で前記第２の導出手段から導出された電気信号の振幅が既定の閾値以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により、前記電気信号の振幅が前記既定の閾値以上であると判定されてから前記既定の閾値未満であると判定される間は、前記第２の導出手段における周期を前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替える切替手段と
を具備することを特徴とするセンサ装置。
前記第２の周期に基づくオンのタイミングが、前記第１の周期に基づくオンの期間に前記基準周期中に少なくとも１回は発生する場合、
前記切替手段は、前記判定手段により前記電気信号の振幅が前記第２の周期がオンとなるタイミングで前記既定の閾値以上であると判定されてから、前記既定の閾値未満であると判定される間は、前記第２の導出手段における周期を前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替えることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
前記基準周期は、前記第１の部材と前記第２の部材とが近接するのにかかる時間に基づいて当該時間内に前記第１の部材及び第２の部材の前記位置関係を検出するのに十分な周期であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
前記電気信号は、交流電流であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
前記第２の周期は、前記第１の周期よりも長い周期であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
近接時にそれぞれの表面が互いに対向する第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置に用いられる間欠処理方法であって、
信号源から発生される電気信号を第１の周期で導出し、
前記第１の部材の表面における第１部位に設けられた第１の電極部により、前記第１の周期で導出した電気信号に応じた電荷を前記第１部位に保持させ、
前記第２の部材の表面における第２部位に設けられた第２の電極部により、前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第１部位の近接距離に応じて前記第２部位に誘起させ、
前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号を、予め設定された基準周期中に少なくとも１回は前記第１の周期とオンの期間が重複する第２の周期で導出し、
前記第２の周期で導出した電気信号の振幅が既定の閾値以上であるか否かを判定し、
前記判定により、前記電気信号の振幅が前記既定の閾値以上であると判定してから前記既定の閾値未満であると判定する間は、前記第２部位に誘起された電荷に基づく電気信号の導出周期を、前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替えることを特徴とする間欠処理方法。
前記第２の周期に基づくオンのタイミングが、前記第１の周期に基づくオンの期間に前記基準周期中に少なくとも１回は発生する場合、
前記判定により前記電気信号の振幅が前記第２の周期がオンとなるタイミングで前記既定の閾値以上であると判定してから、前記既定の閾値未満であると判定する間は、前記第２の導出手段における周期を前記第２の周期から前記第１の周期へ切り替えることを特徴とする請求項６記載の間欠処理方法。
前記基準周期は、前記第１の部材と前記第２の部材とが近接するのにかかる時間に基づいて当該時間内に前記第１の部材及び第２の部材の前記位置関係を検出するのに十分な周期であることを特徴とする請求項６記載の間欠処理方法。
前記電気信号は、交流電流であることを特徴とする請求項６記載の間欠処理方法。
前記第２の周期は、前記第１の周期よりも長い周期であることを特徴とする請求項６記載の間欠処理方法。