KR101879285B1

KR101879285B1 - 고감도 정전 센서 회로

Info

Publication number: KR101879285B1
Application number: KR1020170097699A
Authority: KR
Inventors: 송청담
Original assignee: 송청담
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2018-07-17
Also published as: US20210036703A1; CN110945791A; CN110945791B; WO2019027124A1; US11271564B2

Abstract

본 발명은 충방전을 이용한 복수의 검출부를 구현하여 감도를 향상시킨 고감도 정전 센서 회로에 관한 것이다. 본 발명의 정전 센서 회로는 제어클럭을 생성하는 발진부와, 센서부 단자와 연결되어 제어클럭에 따라 충방전되면서 감지신호를 생성하는 제1 충방전부와, 제1 충방전부와 병렬로 연결되고 제어클럭에 따라 충방전되면서 기준신호를 생성하는 제2 충방전부와, 제1 충방전부의 감지신호와 제2 충방전부의 기준신호를 비교하여 센서부 단자측의 정전용량 변화를 검출하는 검출부로 구성된다. 제1 충방전부는 일단에 센서부 단자가 연결되고 제어클럭에 따라 충방전되는 제1 콘덴서와, 제1 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 제1 콘덴서를 충전시키기 위한 제1 정전류원과, 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 제1 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 제1 콘덴서를 제어하는 제1 스위치로 구성된다. 제 2 충방전부는 제어클럭에 따라 충방전되는 제2 콘덴서와, 제2 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 제2 콘덴서를 충전시키기 위한 제2 정전류원과, 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 제2 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 제2 콘덴서를 제어하는 제2 스위치로 구성된다.

Description

고감도 정전 센서 회로{ CAPACITIVE SENSOR CIRCUIT FOR HIGH SENSITIVE DETECTION }

본 발명은 근접센서 등에서 물체의 접근으로 생성되는 정전용량값을 검출하기 위한 정전 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘덴서의 충방전을 이용한 복수개의 검출회로를 만들어 어느 한쪽을 기준전압용으로 사용함과 아울러 감지신호를 피크 검파함으로써 검출감도를 향상시킨 고감도 정전 센서 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 근접센서(Proximity Sensor)는 검출물체의 접근을 비접촉으로 감지할 수 있는 센서로서, 감지방식에 따라 전자유도를 이용한 고주파 발진형과, 검출물체와 센서 사이의 정전용량 변화를 감지하는 정전용량형, 자석을 이용한 자기형으로 구분된다. 또한 감지헤드의 구조에 따라 실드형(매입형)과 비실드형(돌출형)으로 구분되기도 하고, 출력회로에 따라 DC 2선식, DC 3선식(NPN, PNP), 교류무접점형 등으로 구분되기도 한다.

고주파 발진형 근접센서는 근접센서 선단의 감지코일로부터 고주파 자계를 발생시켜 검출물체가 자계에 접근하면 전자유도현상에 의해 금속 중에 유도 자계에 의한 과전류가 발생하고, 이에 따라 발진이 감쇠 또는 정지하는 것을 검출하는 것이다. 정전용량형 근접센서는 감지부에 유도전극을 가지고 있으며 전극에 물체가 접근하였을 때 감지부의 유도전극과 대지 간의 정전용량이 크게 변화하는 것을 검출하는 것이다. 이러한 정전용량형은 응답속도가 빠르고, 금속 이외의 물체도 검출할 수 있어 산업분야에서 널리 사용되고 있다.

한편, 종래의 정전용량형 근접센서로는 등록번호 제10-1046666호로 등록특허공보(B1)에 공고된 '정전용량 검출형 근접센서'가 있는데, 이 근접센서는 피검출체가 근접하는 검출 방향에 대하여 소정의 거리 차를 갖도록 배치되고 각각 접지 전위로부터 독립된 제1 감지전극 및 제2 감지 전극과, 제1 감지 전극이 형성하는 대접지 용량과 제2 감지 전극이 형성하는 대접지 용량의 차를 근접 검출로 출력하는 근접 검출 회로로 구성되어 근접 검출 범위를 개방된 영역으로 제한하고 오동작을 줄이도록 한 것이다.

또한 공개번호 제10-2010-0100773호로 공개특허공보(A)에 공개된 '정전용량형 근접센서 및 근접검지방법'은 센서부가 센서전극, 실드전극 및 보조전극을 가지고, 센서전극은 C-V 변환회로에 접속되고, 실드전극은 실드 구동회로에 접속되며, 보조전극은 전환 스위치를 통해 C-V 변환회로 또는 실드 구동회로에 접속되는 구조이다.

이러한 정전용량형 근접센서에서 정전용량의 변화를 검출하기 위한 종래의 검출회로는 증폭도를 크게 할 경우 노이즈에 의한 영향도 함께 증가되어 고감도의 정전 센서를 구현하기 어려운 문제점이 있었다. 예컨대, 종래의 정전 센서 회로는 도 5에 도시된 바와 같이, 발진부(31)와 믹서(32), LPF(33), 및 센서 단자(35)를 통해 연결되는 센서부의 검출 용량과 C1을 포함하는 발진 검출부(34)로 구성되어 센서부의 용량값이 변하는 것에 맞추어 발진 검출부(34)의 발진 주파수가 달라지는 것으로 정전용량의 변화를 검출하였다. 도 5를 참조하면, 일반적인 정전 센서 회로는 발진 검출부(34)의 발진신호와 발진기(31)의 발진신호가 믹서(32)로 입력되고, 믹서(32)가 출력하는 두 신호의 합과 차신호 중 차신호가 LPF(33)에서 저역필터링되어 정전용량의 변화를 검출하도록 되어 있다.

그런데 이와 같이 주파수 변화를 보면서 용량-전압 변환을 할 경우, 회로의 불균형에 의해 기준전압이 변동되고, 온도에 따라 특성이 변화되어 고감도 정전센서를 구현하기 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래에는 감도를 높게 하기 위해 증폭도를 증가시킬 경우, 노이즈도 함께 증가되어 오동작이 발생하기 쉬운 문제점이 있었다.

KR

10-2010-0100773

A

KR

10-1046666

B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 콘덴서의 충방전을 이용한 복수개의 검출회로를 만들어 어느 한쪽을 기준전압용으로 사용함과 아울러 감지신호를 피크 검파함으로써 검출감도를 향상시킨 고감도 정전 센서 회로를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 정전 센서 회로는 제어클럭을 생성하는 발진부; 센서부(피사체의 정전용량 감지센서) 단자와 연결되어 상기 제어클럭에 따라 충방전되면서 감지신호를 생성하는 제1 충방전부; 상기 제1 충방전부와 병렬로 연결되고, 상기 제어클럭에 따라 충방전되면서 기준신호를 생성하는 제2 충방전부; 및 상기 제1 충방전부의 감지신호와 상기 제2 충방전부의 기준신호를 비교하여 센서부 단자측의 정전용량 변화를 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 충방전부는 일단에 센서부 단자가 연결되고 제어클럭에 따라 충방전되는 제1 콘덴서와, 상기 제1 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 상기 제1 콘덴서를 충전시키기 위한 제1 정전류원과, 상기 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 상기 제1 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 상기 제1 콘덴서를 제어하는 제1 스위치로 구성된다.

상기 제 2 충방전부는 제어클럭에 따라 충방전되는 제2 콘덴서와, 상기 제2 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 상기 제2 콘덴서를 충전시키기 위한 제2 정전류원과, 상기 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 상기 제2 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 상기 제2 콘덴서를 제어하는 제2 스위치로 구성된다.

상기 제1 정전류원과 제2 정전류원은 동일한 크기의 정전류를 제공하고, 상기 정전류는 정전류 드라이브에 의해 생성되는 것이다.

상기 검출부는 상기 제1 충방전부의 감지신호의 피크치를 검출하기 위한 제1 피크 검출부와, 상기 제2 충방전부의 기준신호의 피크치를 검출하기 위한 제2 피크 검출부와, 상기 제1 피크 검출부의 출력과 상기 제2 피크 검출부의 출력을 감산하여 피크치의 차이를 검출하기 위한 감산기와, 상기 감산기의 출력을 증폭하기 위한 증폭기로 구성된다.

본 발명에 따른 정전 센서 회로는 콘덴서의 충/방전을 이용한 2개의 검출회로를 만들어 어느 한쪽을 기준 전압용으로 사용함과 아울러 감지신호를 피크 검파함으로써 노이즈에 의한 영향을 극복하여 검출감도를 종래에 비해 적어도 수배 이상 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 감지신호의 직선성을 향상시킬 수 있고, 온도에 따른 영향을 최소화할 수 있으며, 응용에 따라 검출거리를 최대 300mm까지 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전용량 검출 개념을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 클럭과 감지신호의 파형도,
도 3은 본 발명에 따른 정전 센서 회로의 구성 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 정전 센서 회로의 동작 파형도,
도 5는 일반적인 정전 센서 회로의 개략도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전용량 검출 개념을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 클럭과 감지신호의 파형도이다.

본 발명에 따른 충방전을 이용한 정전용량 검출 개념은 도 1에 도시된 바와 같이, 클럭(Clock)에 의해 온/오프되는 스위치(SW)가 충방전 콘덴서(C)와 병렬로 연결되어 있고, 콘덴서(C)에는 직렬로 정전류원(I)이 연결되어 스위치(SW)가 오프되면 정전류원(I)으로부터 전류 I가 흘러 콘덴서(C)를 충전하다가 스위치(SW)가 온되면 콘덴서(C)가 방전하도록 되어 있다. 이때 충방전 콘덴서(C)의 일단에 센서부가 연결되어 검출물체와 센서부 사이에 형성된 감지용량(C')에 의해 콘덴서의 충전 파형이 변하게 되는 것을 감지하여 정전용량의 변화를 검출한다.

이와 같은 콘덴서(C)의 충방전을 제어하기 위한 클럭(Clock)은 도 2에 도시된 바와 같이 소정 주기를 갖는 구형파이고, 콘덴서(C)에 충전되는 전압은 소정 주기와 피크치 전압(V)을 갖는 톱니파(Saw tooth Wave)이다. 도 2를 참조하면, 클럭(clock)의 구형파 반주기(t)에 콘덴서(C)가 충전되면서 톱니파를 생성하는 것을 알 수 있다.

도 1 및 2를 참조하면, 충전전압 V는 다음 수학식 1과 같이 t시간 동안의 전하량(It)을 콘덴서 용량(C)으로 나눈 값으로 구해지는데, t시간은 클럭의 주기를 반으로 나눈 반주기 값이다.

예컨대, 피크치를 2.5V, 클럭 주파수를 100 Khz라 할 때, 정전류 I는 수학식 1에 따라 5㎂로 구해진다. 그리고 손 등에 의해 발생되는 검출용량(C')을 1pF라 할 경우에 피크치 전압(V')은 다음 수학식 2에 따라 대략 2.27V로 구해진다.

따라서 위 회로의 예에서는 변화율은 (1 - 2.27/2.5)에 따라 대략 9.2%의 변화를 얻을 수 있게 된다. 실제에서 검출감도를 높이기 위해서는 피크(peak) 전압을 높이고, 콘덴서의 용량을 낮추는 것이 필요하다.

도 3은 본 발명에 따른 정전 센서 회로의 구성 블럭도이고, 도 4는 본 발명에 따른 정전 센서 회로의 동작 파형도이다.

본 발명에 따른 정전 센서 회로는 제어클럭을 생성하는 발진부와, 센서부 단자와 연결되어 제어클럭에 따라 충방전되면서 감지신호를 생성하는 제1 충방전부와, 제1 충방전부와 병렬로 연결되고, 제어클럭에 따라 충방전되면서 기준신호를 생성하는 제2 충방전부와, 제1 충방전부의 감지신호와 제2 충방전부의 기준신호를 비교하여 센서부 단자측의 정전용량 변화를 검출하는 검출부로 구성된다.

이러한 정전 센서 회로의 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 콘덴서(C1), 제 2 콘덴서(C2), 발진기(101), 제1 스위치(102d), 제2 스위치(102r), 정전류 드라이브(103), 제1 정전류원(104d), 제2 정전류원(104r), 제1 버퍼(105d), 제2 버퍼(105r), 제1 피크 검출기(106d), 제2 피크 검출기(106r), 오프셋 조정부(107), 감산기(108), 중폭기(109), 출력단자(110), 오프셋 조정자(111), 비교기(112), 센서부 단자(113)로 이루어진다. 발진부는 발진기(101)로 구현되고, 제1 충방전부는 제1 콘덴서(C1), 제1 스위치(102d), 제1 정전류원(104d)으로 구현되며, 제2 충방전부는 제2 콘덴서(C2), 제2 스위치(102r), 제2 정전류원(104r)으로 구현되고, 검출부는 제1 피크 검출기(106d), 제2 피크 검출기(106r), 감산기(108), 증폭기(109)로 구현될 수 있다.

도 3을 참조하면, 발진기(101)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 주기가 T(반주기 t)인 구형파 펄스 클럭을 발생하여 제1 스위치(102d)와, 제2 스위치(102d)에 각각 동일하게 제공한다.

제1 콘덴서(C1)는 일단에 센서부 단자(113)와 제1 정전류원(104d)과 제1 스위치(102d)가 연결되어 있고, 타단이 접지(GND)와 연결되어 있다. 제1 스위치(102d)는 도 4에 도시된 바와 같이 클럭의 반주기(t) 동안 오프되어 제1 콘덴서(C1)가 제1 정전류원(104d)의 전류 i1에 의해 충전되어 톱니파를 생성하게 하고, 클럭의 다른 반주기 동안 온되어 제1 콘덴서(C1)를 방전시킨다.

제2 콘덴서(C2)는 일단에 제2 정전류원(104r)과 제2 스위치(102r)가 연결되어 있고, 타단이 접지(GND)와 연결되어 있다. 제2 스위치(102r)는 도 4에 도시된 바와 같이 클럭의 반주기(t) 동안 오프되어 제2 콘덴서(C2)가 제2 정전류원(104r)의 전류 i2에 의해 충전되어 톱니파를 생성하게 하고, 클럭의 다른 반주기 동안 온되어 제2 콘덴서(C2)를 방전시킨다. 이때 제1 정전류원(104d)과 제2 정전류원(104r)은 동일한 정전류 드라이브(103)에 의해 동일한 크기의 정전류(즉, i1=i2)를 각 콘덴서(C1,C2)로 흐르게 한다.

도 4를 참조하면, (a)는 제1 콘덴서(C1)나 제2 콘덴서(C2)에 의해 생성되는 충전전압 파형이고, (b)는 제1 스위치(102d)와 제2 스위치(102r)에 각각 입력되는 클럭 파형이다.

센서부(미도시)에 물체가 감지되지 않을 경우, 센서부 단자(113)의 감지용량(C')은 0이고, 제1 콘덴서(C1)나 제2 콘덴서(C2)는 정전용량값이 동일하고 동일한 크기의 정전류(i1=i2)가 흐르도록 되어 있으므로 충전전압(V)은 클럭의 반주기 동안 동일한 정전류에 의해 충전되어 동일한 값을 갖게 된다. 즉, 제2 콘덴서(C2)의 충전전압은 기준전압으로 작용하고, 제1 콘덴서(C1)의 충전전압은 감지전압으로 작용하는데, 센서부에 물체가 감지되지 않을 경우 C'=0이므로 C1=C2이고, i1=i2이므로 앞서 수학식 1에 따라 산출되는 제1 콘덴서(C1)의 충전전압과 제2 콘덴서(C2)의 충전전압은 동일하게 구해지고, 이에 따라 감지전압과 기준전압이 동일하게 된다. 만일, 센서부에 물체가 감지되지 않았음에도 불구하고, 회로소자의 특성 편차에 의해 감지전압과 기준전압이 다를 경우에는 나중에 설명하는 바와 같이 오프셋 조정자(111)로 오프셋 조정부(107)를 조절하여 검출값이 동일하도록(그 차가 0이 되도록) 캘리브레이션(calibration)을 수행한다.

한편, 센서부(미도시)에 물체가 감지될 경우에는 센서부의 감지용량(C')이 센서부 단자(113)를 통해 연결되고, 이 감지용량(C')은 제1 콘덴서(C1)에 병렬로 연결되어 제 1 충방전부의 전체 정전용량은 증가하게 된다. 따라서 물체가 감지될 경우의 충전전압(V')은 앞서 수학식 2에 따라 구해지며, 제2 콘덴서(C2)의 충전전압보다 낮아져 그 차(V-V'=△V)에 의해 물체를 검출할 수 있게 된다.

다시 도 3을 참조하면, 제1 버퍼(105d)는 제1 충방전부의 충전전압(즉, 감지전압)을 버퍼링하여 제1 피크 검출부(106d)로 전달하고, 제2 버퍼(105r)는 제2 충방전부의 충전전압(즉, 기준전압)을 버퍼링하여 제2 피크 검출부(106r)로 전달한다.

제1 피크 검출부(106d)는 감지전압의 피크치를 검출하고, 제2 피크 검출부(106r)는 기준전압의 피크치를 검출하며, 감산기(108)는 기준전압의 피크치와 감지전압의 피크치의 차를 구해 증폭기(109)로 출력한다. 증폭기(109)는 감산기(108)의 출력을 증폭하여 출력단자(110)를 통해 외부로 출력한다.

오프셋 조정부(107)는 앞서 설명한 바와 같이, 오프셋 조정자(111)의 조절에 따라 물체가 검출되지 않은 상태에서 제1 충방전부의 출력신호와 제2 충방전부의 출력신호가 동일하도록 오프셋을 캘리브레이션(calibration)한다.

그리고 비교기(112)는 기준전압의 피크치와 설정 전압(V)을 비교하여 클럭의 반주기 동안(충전기간)에만 제1 콘덴서(C1)와 제2 콘덴서(C2)에 정전류(i1,i2)가 흐르게 하고, 방전기간에는 정전류(i1,i2)가 흐르지 못하도록 정전류 드라이브(103)를 제어한다.

본 발명은 2개의 검출부(충방전부)에 사용하는 정전류 회로에 같은 전류를 흘려서 전류 잡음의 방향이 같아진다. 따라서 기준전압과 감지전압을 비교(뺄셈) 하면 전류 잡음의 영향을 감소시킬 수 있고, 드리프트 등도 마찬가지로 제거할 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

101: 발진기 102d,102r: 스위치
103: 정전류 드라이브 104d,104r: 정전류원
105d,105r: 버퍼 106d,106r: 피크 검출부
107: 오프셋 조정부 108: 감산기
109: 증폭기 110: 출력단자
111: 오프셋 조정자 112: 비교기
113: 센서부 단자

Claims

제어클럭을 생성하는 발진부;
센서부 단자와 연결되어 상기 제어클럭에 따라 충방전되면서 감지신호를 생성하는 제1 충방전부;
상기 제1 충방전부와 병렬로 연결되고, 상기 제어클럭에 따라 충방전되면서 기준신호를 생성하는 제2 충방전부; 및
상기 제1 충방전부의 감지신호와 상기 제2 충방전부의 기준신호를 비교하여 센서부 단자측의 정전용량 변화를 검출하는 검출부를 포함하는 고감도 정전 센서 회로.
제1항에 있어서, 상기 제 1 충방전부는
일단에 센서부 단자가 연결되고 제어클럭에 따라 충방전되는 제1 콘덴서와,
상기 제1 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 상기 제1 콘덴서를 충전시키기 위한 제1 정전류원과,
상기 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 상기 제1 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 상기 제1 콘덴서를 제어하는 제1 스위치를 포함하는 고감도 정전 센서 회로.
제1항에 있어서, 상기 제 2 충방전부는
제어클럭에 따라 충방전되는 제2 콘덴서와,
상기 제2 콘덴서에 일정 크기의 정전류를 공급하여 상기 제2 콘덴서를 충전시키기 위한 제2 정전류원과,
상기 제어클럭에 따라 클럭의 반주기 단위로 상기 제2 콘덴서의 충전과 방전이 반복되도록 상기 제2 콘덴서를 제어하는 제2 스위치를 포함하는 고감도 정전 센서 회로.
제2항 또는 제3항에 있어서,
제1 정전류원과 제2 정전류원은 동일한 크기의 정전류를 제공하고, 상기 정전류는 정전류 드라이브에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 고감도 정전 센서 회로.
제1항에 있어서, 상기 검출부는
상기 제1 충방전부의 감지신호의 피크치를 검출하기 위한 제1 피크 검출부와, 상기 제2 충방전부의 기준신호의 피크치를 검출하기 위한 제2 피크 검출부와, 상기 제1 피크 검출부의 출력과 상기 제2 피크 검출부의 출력을 감산하여 피크치의 차이를 검출하기 위한 감산기와, 상기 감산기의 출력을 증폭하기 위한 증폭기를 포함하는 고감도 정전 센서 회로.