KR20070114063A - 근접 감지기 및 근접 감지 방법 - Google Patents

근접 감지기 및 근접 감지 방법 Download PDF

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KR20070114063A
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야수시 나카무라
노부마사 미사키
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가부시키가이샤후지쿠라
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Abstract

본 발명에 따른 근접 감지기는, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가지는 감지 전극; 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 1 감지 회로; 참조 커패시터; 참조 커패시터의 정전용량에 따라서 결정된 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 2 감지 회로; 및 제 2 펄스 신호를 제 1 펄스 신호로부터 제거함으로써 차분 펄스를 연산하고 차분 펄스의 펄스 폭을 제공하도록 동작하는 연산 수단을 포함한다.
감지 전극, 감지 회로, 참조 커패시터, 차분 펄스

Description

근접 감지기 및 근접 감지 방법{Proximity sensor and proximity sensing method}
도 1은, 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는, 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 부분 회로를 도시하는 회로도이다.
도 3은, 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 회로 예에 대한 타이밍 챠트(timing chart)이다.
도 4는 주위 온도와 변화 사이의 관계를 도시한다.
도 5는 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기에서의 감지 전극의 정전용량 및 탐지될 펄스(pulse) 신호의 펄스 폭을 도시하는 그래프이다.
도 6은 제 2 실시형태에 따른 접근 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 온/오프(on/off) 출력을 제공하기 위해 CPU의 프로세싱(processing)의 실시예를 도시하는 순서도이다.
도 8은 제 3 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 제 4 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 제 4 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 11은 제 6 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 12는 제 7 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 13a 및 13b는 감지 전극의 구조적 실시예를 도시하는 평면도들이다.
도 14는 감지 전극 및 참조 전극의 배열의 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 15는 제 8 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
본 출원은, 모든 내용들이 본 명세서에 포함된 일본 특허출원들 2006년 5월 26일자 제2006-146843호, 2007년 3월 30일자 제2007-90278호, 및 2007년 4월 27일자 제2007-119009호를 선출원으로 하는 우선권을 가진다.
본 발명은, 감지 전극과 그라운드(ground) 사이의 정전용량의 변화에 근거하 여 감지될 객체의 근접을 탐지하기 위한 근접 감지기 및 근접 감지 방법에 관한 것이다.
당업계에 공지된 것처럼, 객체의 근접을 감지하기 위한 감지기들이 있어 왔다. 이러한 유형의 감지기들은, 감지기 부분 또는 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 반응하여 변화가능한 주파수 또는 듀티비(duty ratio)를 탐지함으로써 객체의 근접을 감지할 수 있다(예를 들어, JP 2002-14174A, 단락들 0082-0089, 도 8 및 9 참조). 그러나, 탐지된 값이 온도들, 습도 및 외부 소음들과 같은 모호한 환경 인자들에 의해 쉽게 영향을 받기 때문에, 이러한 근접 감지기는 문제점을 가진다. 그러므로, 상술한 감지기는, 아날로그 회로의 온도 종속의 보상을 위한 특정 온도 특성을 보여주는 서미스터(thermistor) 또는 반도체 온도 감지기가 형성되어 있다.
상술한 감지기는, 서미스터 또는 반도체 온도 감지기가 실장되어 있을 때 상승되는 비용과 관련된 문제점만을 가지지 않는다. 또한, 상술한 감지기는, 온도 특성이 아날로그(analog) 회로의 온도 특성에 부합하기 어렵기 때문에 또 다른 문제점을 가진다. 게다가, 감지 전극의 정전용량의 변화를 탐지하도록 동작하는 상술한 감지기는, 감지 전극 또는 아날로그 회로의 초기 정전용량에 중첩되는 가변 구성요소를 제공한다. 게다가, 감지 회로로부터의 감지된 출력 전압의 값은, 공급 전압에 종속하고 유한하다. 그러므로, 출력 값이 기껏해야 공급 전압과 같은 상한을 가진다면, 초기 정전용량의 값을 공급 전압으로부터 제거한 이후에 남아 있는 전압 범 위의 값을 얻는 것이 가능하다. 즉, 동적 범위는 고정밀 탐지를 수행하도록 너무 크게 설정될 수는 없다. 이것은 또 다른 문제점이다.
본 발명은, 제 1 실시형태에서, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가진 감지 전극; 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 1 감지 회로; 참조 커패시터; 참조 커패시터의 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 2 감지 회로; 및 제 2 펄스 신호를 제 1 펄스 신호로부터 제거함으로써 차분 펄스를 연산하고 상기 차분 펄스의 펄스 폭을 제공하도록 동작하는 연산 수단을 포함하는 근접 감지기를 제공한다.
본 발명에 따른 근접 감지기의 제 1 실시형태에 있어서, 감지 전극의 환경 특성과 동일한 환경 특성을 가지는 참조 커패시터를 제공하는 것은, 간단한 회로가 환경 특성에 대한 고정밀 보상을 달성할 수 있게 한다.
본 발명은, 제 2 실시형태에 있어서, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가지는 감지 전극; 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 1 감지 회로; 참조 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 2 감지 회로; 및 제 2 펄스 신호를 제 1 펄스 신호로부터 제거함으로써 차분 펄스를 연산하고 차분 펄스의 펄스 폭을 제공하도록 동작하는 연산 수단을 포함하는 근접 감지기를 제공한다.
본 발명에 따른 근접 감지기의 제 2 실시태양에 있어서, 참조 전극의 근처에 감지 전극을 배열하는 것은 외부 영향을 균등히 배제하는 것을 가능하게 하고, 간단한 회로가 환경 특성에 대한 고정밀 보상을 달성할 수 있게 한다.
제 2 실시형태의 근접 감지기에 있어서, 참조 전극은 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 그라운드와의 정전용량을 가지도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 참조 전극이 제 2 감지 전극으로서 또한 이용될 수 있게 한다.
제 1 및 제 2 실시형태들의 근접 감지기들에 있어서, 제 2 감지 회로로부터 출력된 제 2 펄스 신호는 제 1 감지 회로로부터 출력된 제 1 펄스 신호의 초기 값과 거의 같은 초기 값을 가질 수 있다. 제 1 감지 회로의 초기 정전용량이 함께 제거된 이후에 이러한 구성은 변화가능한 구성요소만을 추출하는 것을 가능하게 한다. 공급 전압과 같은 상한을 가진 유한 값을 취하도록 허용되는 전기 회로에 있어서, 변화가능한 구성요소만을 취하는 것은 다음의 단계에서 단일 프로세싱을 도모할 수 있다.
제 1 및 제 2 실시형태들의 근접 감지기들은, 제 1 펄스 신호 및 제 2 펄스 신호의 증가들을 서로 동기화하도록 동작하는 트리거(trigger) 신호 생성기 회로를 더 포함할 수 있다. 펄스 신호들 사이의 동기화는 탐지된 신호 파형이 참조 신호 파형과 동기화되게 할 수 있으므로, 펄스 수준에서 제거 동작을 용이하게 한다.
제 1 및 제 2 실시형태들의 근접 감지기들은, 제 2 펄스 신호에 대한 제 1 펄스 신호를 지연하도록 동작하는 지연 회로를 더 포함할 수 있다. 게다가, 지연 회로는 차분 펄스를 DC 신호로 변환하도록 동작하는 저대역 통과 필터; 및 저대역 통과 필터를 통하여 생성된 DC 신호를 증폭하도록 동작하는 DC 증폭기를 더 포함할 수 있다. 펄스 신호를 의도적으로 지연시키도록 동작하는 회로를 삽입하는 것은, 논리 제거에서 결함이 일어나는 것을 방지한다. 게다가, 차분 값을 DC로 변환하는 것은 변화가능한 구성요소만을 추출하는 것을 가능하게 한다. 다음의 단계에서 증폭과 단일 프로세싱을 실행하고 극도로 작은 변화를 감지하는 것이 가능하다.
제 1 및 제 2 실시형태들의 근접 감지기들은, 차분 펄스의 펄스 폭을 임계값과 비교하고 차분 펄스의 펄스 폭과 임계값 사이의 크기 관계에 근거한 온/오프 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 차분 값을 DC로 변환하는 것은, 변화가능한 구성요소만을 추출하는 것을 가능하게 한다. 다음의 단계의 증폭 등이, 탐지된 신호에서의 극도로 작은 변화에 반응하여 온/오프 출력을 제공하는 것을 가능하게 할 수 있다.
제 1 및 제 2 실시형태들의 근접 감지기들에 있어서, 감지 전극은 복수의 이러한 감지 전극들 중 하나로 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 감지기는, 신호들 중 하나의 신호를 복수의 감지 전극들로 선택하고 제 1 감지 회로로 공급하도록 동작하는 선택기 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 제 1 실시형태에 있어서, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 그라운드와의 정전용량을 가진 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 제 1 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 수신하여 제 1 펄스 폭을 측정하는 제 1 펄스 폭 측정 단계; 참조 커패시터의 정전용량에 따라서 결정된 제 2 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 수신하여 제 2 펄스 폭을 측정하는 제 2 펄스 폭 측정 단계; 및 제 2 펄스 신호의 제 2 펄스 폭을 제 1 펄스 신호의 제 1 펄스 폭으로부터 제거하고 차분 펄스의 펄스 폭을 제공함으로써 차분 펄스를 연산하는 단계를 포함하는 근접 감지 방법을 제공한다.
본 발명은, 제 2 실시형태에서, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 그라운드와의 정전용량을 가진 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 제 1 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 수신하여 제 1 펄스 폭을 측정하는 제 1 펄스 폭 측정 단계; 참조 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 제 2 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 수신하여 제 2 펄스 폭을 측정하는 제 2 펄스 폭 측정 단계; 및 제 2 펄스 신호의 제 2 펄스 폭을 제 1 펄스 신호의 제 1 펄스 폭으로부터 제거하고 차분 펄스의 펄스 폭을 제공함으로써 차분 펄스를 연산하는 단계를 포함하는 근접 감지 방법을 제공한다.
본 발명의 실시형태들은 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
근접 감지기는, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 듀티비를 가지는 펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 생성기(1A)를 포함한다. 근접 감지기는, 또한 듀티비에 반응하여 출력 값을 제공하도록 생성된 펄스 신호에 대한 신호 프로세싱을 실행하고 외부로의 온/오프 출력을 제공하는 신호 프로세서(3A)를 포함한다.
펄스 신호 생성기(1A)는 감지 전극(2); 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정 전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 감지 펄스 신호(P1)를 제공하는 제 1 감지 회로(4); 참조 커패시터(6); 참조 커패시터(6)의 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 참조 펄스 신호(P2)를 제공하는 제 2 감지 회로(8); 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)의 증가들을 동기화하도록 트리거 신호(TG)를 제 1 감지 회로(4) 및 제 2 감지 회로(8)로 공급하는 트리거 신호 생성기 회로(10); 및 제 1 감지 회로(4)로부터 공급된 감지 펄스 신호(P1) 및 제 2 감지 회로(8)로부터 공급된 참조 펄스 신호(P2)에 근거하여 차분 펄스 신호(P3)를 연산하는 연산 회로(12)를 포함한다.
감지 전극(2)은 사람의 몸과 같은 객체의 근접을 감지할 수 있는 영역 내에 위치한다. 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량(Cx)는 객체의 근접에 따라서 변화한다. 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량(Cx)에 반응하여 변화가능한 듀티비를 가지는 감지 펄스 신호(P1)를 생성하도록 트리거 신호 생성기 회로(10)로부터 공급된 트리거 신호(TG)와 동기화하여 동작하는 제 1 감지 회로(4)는 구성된다. 생성된 감지 펄스 신호(P1)는 연산 회로(12)로 공급된다.
참조 커패시터(6)의 정전용량(Cref)은 객체의 근접에 반응하여 변화될 수 없다. 참조 커패시터(6)의 정전용량(Cref)에 따라서 결정된 듀티비를 가지는 참조 펄스 신호(P2)를 생성하도록 트리거 신호 생성기 회로(10)로부터 공급된 트리거 신호(TG)와 동기화하여 동작하는 제 2 감지 회로(8)가 구성된다. 생성된 참조 펄스 신호(P2)는 연산 회로(12)로 공급된다.
연산 회로(12)는, 차분 펄스 신호(P3(= P1 - P2))를 제공하기 위해 참조 펄스 신호(P2)를 공급된 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거하도록 구성된다. 차분 펄스 신호(P3)는 신호 프로세서(3A)에 공급된다.
신호 프로세서(3A)는, 펄스 신호를 디지털 값으로 변환하고 외부로 제공하며 이러한 디지털 값에 근거하여 온/오프 출력을 제공하는 CPU(13)를 포함한다. 더욱 구체적으로, CPU(13)는 공급된 차분 펄스 신호(P3)를 듀티비에 대응하는 디지털 값으로 변환하고, 디지털 신호로서 제공한다. CPU(13)는 근접 감지기의 온/오프 상태들 사이에서 스위치(switch)하기 위해 이러한 디지털 신호에 근거하여 온/오프 출력을 제공한다. CPU(13)는 또한 로직(logic) 회로로서 구성될 수 있다.
구성된 근접 감지기에서, 객체가 감지 전극(2)에 접근할 때, 객체를 경유하는 그라운드와의 감지 전극(2)의 정전용량(Cx)은 감지 펄스 신호(P1)의 듀티비를 변화시키도록 변화한다. 감지 펄스 신호(P1)의 듀티비는, 온도들, 습도 및 외부 소음들과 같은 환경 변화들에 따라 움직인다. 제 2 감지 회로(8)로부터 출력된 참조 펄스 신호(P2)의 듀티비는, 객체의 근접에 반응하여 변화할 수 없고, 온도들과 습도와 같은 주위의 환경들에 대해서만 종속성을 가진다. 연산 회로(12)는, 감지 펄스 신호(P1)에서 나오는 온도들 및 습도와 같은 주위의 환경들의 영향들을 제거하도록, 참조 펄스 신호(P2)를 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거한다. 연산 회로(12)는 객체의 근접에 대해서만 변화하는 차분 펄스 신호(P3)를 제공한다.
이러한 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 회로 예가 기술된다. 도 2는, 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기의 펄스 신호 생성기(1A)의 회로 예를 도시하는 회로도이다.
감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량(Cx)에 따라서 감지 펄스 신호(P1)를 생성하기 위한 제 1 감지 회로(4)는, 참조 커패시터(6)의 정전용량에 따라서 참조 펄스 신호(P2)를 생성하기 위한 제 2 감지 회로(8)와 거의 동일하게 구성된다.
제 1 감지 회로(4)는, 2개의 비교기들(14, 16); 비교기들(14, 16)로부터의 출력들을 이용하여 각각 공급된 리셋(reset) 단말기(R)와 세트(set) 단말기(S)를 가지는 RS 플립-플롭(flip-flop) 회로(18; 이하, "RS-FF"라 칭한다); RS-FF(18)로부터 출력(DIS1)을 통과시키는 버퍼(buffer; 20); 및 RS-FF(18)로부터의 출력(DIS1)을 이용하여 온/오프 제어되는 트랜지스터(transistor; 22)를 포함한다.
비교기(16)는, 도 3에서 도시된 트리거 신호 생성기 회로(10)로부터 출력된 트리거 신호(TG)와 전압 분할 저항들(RA1, RB1, RC1)에 의해 생성된 특정 임계값 VthB1을 비교하고 트리거 신호(TG)와 동기화하는 세트 펄스(set pulse)를 제공한다. 세트 펄스는 Q-출력을 RS-FF(18)로부터 출력한다. Q-출력은, 트랜지스터(22)를 오프-상태로 하기 위해 방전 신호(DIS1)로서의 역할을 한다. 트랜지스터(22)가 오프 상태 로 유지되기 위해, 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량은, 그라운드와의 감지 전극(2)의 정전용량(Cx) 및 입력 단자와 공급 라인 사이에 연결된 저항(RD1)으로부터 얻어진 시간 상수로부터 결정된 비율로 방전될 수 있다. 그러므로, 입력 신호(Vin1)의 전위는 정전용량(Cx)으로부터 결정된 비율로 증가한다. 이러한 경우에, 입력 신호(Vin1)가 전압 분할 저항들(RA1, RB1, RC1)로부터 결정된 임계값(VthA1)을 초과할 때, 비교기(14)는 RS-FF(18)로부터의 출력을 변환하도록 출력을 거꾸로 한다. 결과적으로, 트랜지스터(22)는 감지 전극(2) 상의 전하를 트랜지스터(22)를 통하여 방전하는 온-상태가 된다. 그러므로, 제 1 감지 회로(4)는 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량(Cx)에 근거하여 듀티비에서 진동하는 감지 펄스 신호(P1)를 제공한다. 이렇게 생성된 감지 펄스 신호(P1)는 연산 회로(12)에 공급된다.
유사하게, 제 2 감지 회로(8)는 2개의 비교기들(24, 26); 비교기들(24, 26)로부터의 출력들을 이용하여 각각 공급된 리셋 단자(R)와 세트 단자(S)를 가지는 RS-FF(28); RS-FF(28)로부터의 출력(DIS2)을 통과시키는 버퍼(30); 및 RS-FF(28)로부터의 출력(DIS2)을 이용하여 온/오프 제어되는 트랜지스터(32)를 포함한다. 이것은 타이머이다.
비교기(26)는 트리거 신호 생성기 회로(10)로부터 출력된 트리거 신호(TG)를 전압 분할 저항들(RA2, RB2, RC2)에 의해 생성된 특정 임계값(VthB2)과 비교하고, 트리거 신호(TG)와 동기화하는 세트 펄스를 제공한다. 세트 펄스는 RS-FF(28)로부터의 Q-출력을 설정하고, 트랜지스터(32)를 오프-상태로 하기 위해 방전 신호(DIS2)로서의 역할을 한다. 그러므로, 입력 신호(Vin2)의 전위는 입력 단자와 공급 라인 사이에 연결된 정전용량(Cref) 및 저항(RD2)으로부터 결정된 비율로 증가한다. 이러한 경우에, 입력 신호(Vin2)가 임계값(VthA2)을 초과할 때, 트랜지스터(32)는 참조 커패시터(6) 상에서 전하를 방전하도록 온 상태가 된다. 그러므로, 감지 회로(8)는, 참조 커패시터(6)의 정전용량(Cref)에 근거하여 듀티비로 진동하는 참조 펄스 신호(P2)를 제공한다. 이렇게 생성된 참조 펄스 신호(P2)는 연산 회로(12)로 공급된다.
연산 회로(12)는 참조 펄스 신호(P2)를 공급된 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거하고, 도 3에 도시된 차분 펄스 신호(P3)를 제공한다. 차분 펄스 신호(P3)는, 예를 들어 감지 펄스 신호(P1)의 논리곱 및 참조 펄스 신호(P2)의 역전된 펄스로부터 얻어질 수 있다.
2개의 감지 회로들(4, 8)이 거의 동일한 주위 환경 특성들을 가진다면, 주위의 환경에만 의존하는 제 2 감지 회로(8)로부터 출력되는 참조 펄스 신호(P2)를 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거하는 것은, 온도들 및 습도와 같은 영향들을 제거하는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 간단한 구성을 이용하여 고정밀 정전용량 탐지를 행하는 것이 가능하게 된다.
제 1 실시형태에 따른 근접 감지기를 이용하는 본 발명의 효과를 증명하기 위해 수행되는 증명 실험에 대한 다음의 기술이 주어진다. 제 1 실시형태에 따른 근접 감지기에 있어서, 20 pF의 커패시터는 감지 전극(2)으로서 연결되고, 15 pF의 커패시터는 참조 커패시터(6)로서 연결된다. 이렇게 구성된 근접 감지기 주위의 온도는 CPU(13)로부터 출력된 디지털 신호의 변화들을 검사하기 위해 -40℃로부터 90℃까지 변화된다. 주위의 온도가 10℃의 간격들로 변화되는 동안, 도 4는 주위의 온도와 출력 값의 변화 사이의 관계를 도시한다. 변화는, 25℃에서의 디지털 신호 값을 참조하여 도시된다. 결과적으로, 디지털 신호 값의 변화가 -40℃로부터 90℃까지의 ±1% 이내이었다. 디지털 신호 값은 온도에 따라서 변화되지 않는다. 그러므로, 온도 의존성의 영향이 제거될 수 있다는 것이 확인되었다.
객체가 감지되지 않는 동안, 제 1 감지 회로(4)로부터 출력된 감지 펄스 신호(P1)의 펄스 폭의 초기 폭이 제 2 감지 회로(8)로부터 출력된 참조 펄스 신호(P2)의 펄스 폭의 초기 폭과 같은 값을 가지도록, 참조 커패시터(6)의 정전용량(Cref)이 조정될 수 있다.
도 5는, 감지 전극(2)의 정전용량과 탐지될 펄스 신호의 펄스 폭 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 가로축은 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 정전용량(Cx)을 가리킨다. 세로축은 제 1 감지 회로(4)로부터 출력된 펄스 신호(P1)의 펄스 폭을 가리킨다.
객체가 감지 전극(2)에 접근하지 않고 감지 전극(2)과 그라운드 사이의 초기 정전용량이 Co와 같다면, 탐지될 펄스 신호의 펄스 폭은 P(Co)와 같다. 객체가 이러한 경우의 감지 전극(2)에 접근할 때, 정전용량(Cx)의 변화(ΔCx)가 감지 펄스 신호(P1)의 값을 증가시킨다. 즉, 감지 펄스 신호(P1)의 펄스 폭은 P(Co + ΔCx)가 된다. 감지 전극(2)의 초기 정전용량으로부터 결정된 펄스 폭 P(Co)가 상대적으로 크고 정전용량 변화에 기인한 펄스 폭의 변화 P(ΔCx)가 상대적으로 작다면, 증폭기 회로의 동적 범위는 더 커질 수 없다. 이러한 경우에, 증폭기 회로가 증폭을 실행할지라도, 펄스 폭의 변화는 정밀하게 탐지될 수 없다.
감지 전극(2)의 초기 정전용량으로부터 결정된 펄스 폭 P(Co)가 참조 펄스 신호(P2)의 펄스 폭과 같도록 참조 커패시터(6)의 정전용량이 조정된다. 즉, 이러한 Cref는 P(Cref)=P(Co)를 만족시키도록 선택된다. 제 1 감지 회로(4)와 제 2 감지 회로(8)가 초기 정전용량들을 가지기 때문에, Cref의 값을 설정함에 있어서 이러한 커패시터들을 평가하는 것이 필요하다.
이러한 조건에서, 감지 펄스 신호(P1)와 참조 펄스 신호(P2) 사이의 차이인 차분 펄스 신호(P3)가 P3 = P(Co+ΔCx) - P(Cref), 즉, P3 = P(ΔCx)에 의해 표현된다(∵ P(Co) = P(Cref)).
이러한 방식으로, 생성된 차분 펄스 신호(P3)는 감지 전극(2)에 대한 객체의 근접에 따른 정전용량 변화만을 반영한다. 이러한 경우에, 감지 펄스 신호(P1)의 변화가 매우 작아도 신뢰성 있게 탐지될 수 있도록 변화를 증폭시키는 더 넓은 동적 범위를 가지도록 고안될 수 있다. 매우 작은 신호 강도의 변화를 측정하기 위해 고 가의 구성요소를 이용하지 않고 간단한 회로를 이용하여 고정밀 감지를 수행하는 것이 가능하다.
감지 전극(2)에서, 객체에 대한 관계로부터 결정된 특정 부분 이내의 정전용량 변화를 탐지하는 것이 요망될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 Ca로부터 Cb까지의 Cx의 변화를 탐지하는 것이 요망될 수 있다. 이러한 경우에, Ca보다 작은 정전용량 변화의 탐지를 방지하기 위해, 참조 커패시터의 정전용량은 P(Cref) = P(Ca)를 만족시키는 Cref로서 선택될 수 있다. 감지 전극(2)과 관련된 정전용량이 Co와 Ca 사이에 있을 때, 참조 펄스 신호(P2)를 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거함으로써 얻어지는 차분 펄스 신호(P3)는 탐지될 수 없다. 감지 전극(2)의 정전용량이 Ca보다 더 크다면, 참조 펄스 신호(P2)를 감지 펄스 신호(P1)로부터 제거함으로써 얻어지는 차분 펄스 신호(P3)는 Ca로부터의 변화를 반영하는 값을 얻을 수 있다. 상한 값(Cb)은 객체가 감지 전극(2)에 닿을 때의 정전용량에 대응한다.
이러한 구성을 이용하면, 감지 전극 내의 특정 부분 이내의 변화를 정밀하게 측정하는 것이 가능하다. Co로부터 Ca로의 정전용량 변화는, 감지 전극 내에 혼합된 외부 소음과 같은 정전용량 변화를 참조 커패시터에 추가하는 잡음 여유로서 이용되어, 잡음 면역을 향상시킨다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따른 근접 감지기는 다음에 기술된다. 도 6은, 제 2 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다. 제 2 실시형태에 따른 근접 감지기는 펄스 신호 생성기(1B) 및 신호 프로세서(3B)를 포함 한다.
펄스 신호 생성기(1B)는 제 1 실시형태에 있어서 펄스 신호 생성기(1A)와 다른 연산 회로(12)를 포함하지 않는다. 펄스 신호 생성기(1B)는, 제 1 감지 회로(4)로부터 생성된 감지 펄스 신호(P1), 및 제 2 감지 회로(8)로부터 신호 프로세서(3B)로 생성된 참조 펄스 신호(P2)를 공급한다.
신호 프로세서(3B)는 CPU(15)를 포함한다. CPU(15)는 공급된 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)를 디지털 값으로 변환하고, 제 1 실시형태의 CPU(13)와 다른, 2개의 디지털 값들 사이의 차분 값을 연산한다. CPU(15)는 차분 값을 디지털 값으로서 외부로 제공하고, 제 1 실시형태의 CPU(13)에 유사한, 이러한 디지털 값에 근거한 온/오프 출력을 제공한다.
단일 프로세서(3B)의 프로세싱은 도 7을 참조하여 기술된다. 도 7은 온/오프 출력을 제공하기 위해 CPU(15) 내의 프로세싱의 실시예를 도시하는 순서도이다. CPU(15)는 감지 펄스 신호(P1), 및 펄스 신호 생성기(1B)로부터 생성된 참조 펄스 신호(P2)를 수신한다. 단계 S1에서, CPU(15)는 공급된 감지 펄스 신호(P1)의 펄스 폭을 측정하고 감지 디지털 신호(D1)를 생성한다. 단계 S2에서, CPU(15)는 공급된 참조 펄스 신호(P2)의 펄스 폭을 측정하고, 참조 디지털 신호(D2)를 생성한다. 단계 S3에서, CPU(15)는 참조 디지털 신호(D2)를 감지 디지털 신호(D1)로부터 제거하여, 차분 펄스의 폭에 대응하고 외부로 디지털 값으로서 제공되는 차분 디지털 신호(D3) 를 야기한다. 단계 S4에서, CPU(15)는 생성된 차분 디지털 신호(D3)를 이전에 결정된 임계값과 비교한다. 본 실시형태에서, 차분 디지털 신호(D3)가 결정된 임계값보다 더 높다면, 흐름은 온-출력을 제공하도록 단계 S5로 진행한다. 반대로, 차분 디지털 신호가 결정된 임계값보다 더 낮다면, 흐름은 오프-출력을 제공하기 위해 단계 S6으로 진행한다. CPU(15)는, 근접 감지기가 동작하는 동안, 이러한 프로세싱을 반복한다.
CPU(15)를 이용하여 단일 프로세서(3B) 내의 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)를 처리하는 것은, 펄스 신호 생성기 내의 연산 회로를 제공하기 위한 필요를 제거하고 펄스 신호 생성기의 구성을 단순화시킬 수 있다. 게다가, 차분 디지털 값이 양이거나 음인지 여부를 식별하고 상한 및 하한을 포함하는 임계값을 유연히 설정하는 것이 가능하다.
트리거 신호 생성기 회로(10)에서 생성된 트리거 신호(TG) 대신에, CPU로부터의 출력 신호가 이용될 수 있다. 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)를 측정하는 CPU(15) 이외에, AD 변환기는, 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)의 펄스 폭들을 측정하고 상기 펄스 폭들을 디지털 값들로서 제공하도록 이용될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시형태에 따른 근접 감지기는 다음에 기술된다. 도 8은, 제 3 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다. 제 3 실 시형태에 따른 근접 감지기는 펄스 신호 생성기(1C) 및 신호 프로세서(3C)를 포함한다.
제 3 실시형태에서, 신호 프로세서(3C)는 CPU(13)의 이전 스테이지에서 저대역 통과 필터(LPF; low-pass filter; 40) 및 DC 증폭기(42)를 포함하여 생성된 차분 펄스 신호(P3)를 아날로그 신호로 변환한다. 도 1의 트리거 신호 생성기 회로(10)는, 발진기 회로(35), 및 트리거 신호(TG)를 생성하기 위해 발진기 회로(35)로부터의 출력의 주파수를 분할하는 주파수 분할기 회로(34)를 포함한다. 발진기 회로(35)는 내부적으로 발진할 수 있고 외부 석영 또는 세라믹 발진기에 연결될 수 있다. 도 1의 연산 회로(12)는 제 2 감지 회로(8)로부터 출력된 참조 펄스 신호(P2)를 역전시키는 인버터(inverter; 38), 및 제 1 감지 회로(4)로부터 출력된 감지 펄스 신호(P1)와 인버터(38)로부터의 출력의 논리곱을 산출하는 AND 회로(36)를 포함한다.
AND 회로(36)로부터 출력된 차분 펄스 신호(P3)는 LPF(40)를 통하여 DC 전압으로 변환되고 DC 증폭기(42)를 통하여 CPU(13)로 증폭되고 공급된다. 이러한 신호에 근거하여, CPU(13)는 디지털 값 출력 및 온/오프 출력을 제공한다.
차분 펄스 신호(P3)는 전압의 초기 값을 낮추기 위해 이러한 방식으로 DC로 변환된다. 그러므로, 초기 정전용량을 포함하는 펄스가 DC로 변환되는 경우와 비교하여, 이후의 스테이지의 DC 증폭기(42)의 증폭 정도를 더 높게 하여, 큰 동적 범위, 고정밀 탐지를 가능하게 한다. 신호 프로세서(3C)는, 감지 펄스 신호(P1)와 참 조 펄스 신호(P2) 사이의 시간 차로부터 발생되는 흠을 제거하기 위해 차분 펄스 신호(P3)를 평탄하게 하는 LPF(40)를 이용한다.
본 발명의 제 4 실시형태에 따른 근접 감지기가 기술된다. 도 9는 제 4 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
제 4 실시형태에 다른 근접 감지기는 펄스 신호 생성기(1D) 및 신호 프로세서(3A)를 포함한다.
펄스 신호 생성기(1D)는 흠을 제거하는 지연 회로(44)를 포함한다. 지연 회로(44)는, 제 2 감지 회로(8)로부터 출력된 참조 펄스 신호(P2)에 대한 제 1 감지 회로(4)로부터 출력된 감지 펄스 신호(P1)를 살짝 지연시킨다.
결과적으로, 감지 펄스 신호(P1) 및 참조 펄스 신호(P2)의 증가들 사이의 시간 차로부터 생긴 흠을 제거하는 것이 가능하게 된다.
또 다른 흠 제거는 플립-플랍 회로가 제공될 수 있도록 하고, 샘플 클록(sample clock)은 펄스 신호들(P1, P2)을 샘플링할 수 있는 동기화 샘플링 회로(synchronous sampling circuit)를 구성하도록 플립-플랍 회로로 공급될 수 있다. 다른 방법에 의하면, 제 1 감지 회로(4) 및 제 2 감지 회로(8)로부터의 출력들을 서로 동기화하고 그것들을 외부로 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제 5 실시형태에 따른 근접 감지기가 기술된다. 도 10은, 제 5 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
제 5 실시형태에 따른 근접 감지기는 펄스 신호 생성기(1C) 및 신호 프로세서(3D)를 포함한다. 펄스 신호 생성기(1C)는 제 3 실시형태의 펄스 신호 생성기와 같은 구성을 가진다. 신호 프로세서(3D)는, 펄스 신호 생성기(1C)로부터 공급된 차분 펄스 신호(P3)의 펄스 폭을 디지털 값으로 변환하고 외부로 공급하는 펄스 폭 측정 회로(46); 임계값을 생성하는 임계값 설정 회로(48); 및 디지털 값과 임계값을 수신하여 서로 비교하고 크기 관계에 근거하여 온/오프 신호를 제공하는 비교기 회로(50)를 포함한다.
펄스 신호 생성기(1C)로부터 생성된 차분 펄스 신호(P3)는 펄스 폭 측정 회로(46)에서 펄스 폭에 대응하는 디지털 값으로 변환된다. 디지털 값은 외부 및 비교기 회로(50)로 제공된다. 비교기 회로(50)는 하나의 입력에 대한 디지털 값 및 다른 입력에 대한 임계값 설정 회로(48)에서의 설정된 임계값을 수신하고 그들 사이의 크기 관계에 근거한 온/오프 신호를 제공한다.
본 발명의 제 6 실시형태에 따른 근접 감지기가 기술된다. 도 11은 제 6 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
제 6 실시형태에 따른 근접 감지기는 펄스 신호 생성기(1C) 및 신호 프로세서(3E)를 포함한다. 펄스 신호 생성기(1C)는 제 3 실시형태에서와 같은 구성을 갖는다.
신호 프로세서(3E)는, 펄스 신호 생성기(1C)로부터 생성된 차분 펄스 신호(P3)를 DC로 변환하는 LPF(40); 이득 설정 유닛(54)에 의해 설정된 증폭의 정도로 LPF(40)로부터 출력된 신호를 증폭하는 DC 증폭기(42); 임계값 설정 회로(52); DC 증폭기(42)를 통하여 증폭된 신호를 임계값 설정 회로(52)로부터 생성된 임계값과 비교하고 크기 관계에 따라서 온/오프 출력을 제공하는 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator; 56); 및 히스테리시스 비교기(56)의 히스테리시스 특성을 설정하는 히스테리시스 설정 회로(58)를 포함한다.
펄스 신호 생성기(1C)로부터 생성된 차분 펄스 신호(P3)는 LPF(40)를 통하여 DC로 변환되고, 이득 설정 유닛(54)에 의해 설정된 이득으로 증폭된다. 증폭된 DC 신호는 아날로그 신호로서 외부로 제공된다. 게다가, 증폭된 DC 신호는 히스테리시스 비교기(56)의 임계값과 비교되고, 크기 관계에 따라서 온/오프 출력으로 변환된다. 이러한 실시형태에서, 히스테리시스 비교기(56)의 사용은 추가적으로 잡음 면역을 향상시킨다.
제 6 실시형태에 따른 근접 감지기를 이용하는 본 발명의 효과를 증명하기 위해 수행되는 증명 실험이 이하에서 기술된다. 제 6 실시형태에 따른 근접 감지기에 있어서, 펄스 신호 생성기(1C)와 신호 프로세서(3E)는 전기 회로를 포함하고, 5 pF의 커패시터는 감지 전극(2)으로서 연결되고 3 pF의 커패시터는 참조 커패시터(6)로서 연결된다. 이렇게 구성된 근접 감지기 주위의 온도는, DC 증폭기(42)로부터 출력된 아날로그 신호의 변화들을 검사하기 위해 -40℃, 25℃ 및 85℃에서 변화된다. 온도 특성의 측정이 다음의 두 경우들에서 수행되었다: 제 2 감지 회로(8)가 정지되고 제 1 감지 회로(4)만이 신호를 통과시키기 위해 동작하며; 제 2 감지 회로(8)가 제 1 감지 회로(4)로부터의 신호에 대한 차분 값을 연산하도록 동작한다. 표 1은, 주위의 온도를 변화시키는 동안 주위의 온도와 출력 값의 변화 사이의 관계들을 도시하는 표이다. 변화는, 25℃의 아날로그 신호 값을 참조하여 도시된다.
온도(℃) -40 25 85
제 1 감지 회로(4)만 동작 출력 전압(V) 2.3022 2.32764 2.36876
변화(%) -1.093 1.767
제 2 감지 회로(8)가 동작 출력 전압(V) 1.1198 1.12641 1.13838
변화(%) -0.587 1.063
결과적으로, 변화가 제 1 감지 회로(4)로부터의 신호에 근거하는 아날로그 출력 값과 비교하여 거의 절반이 될 수 있기 때문에, -40℃ 및 85℃의 본 실시형태에 따른 근접 감지기로부터의 아날로그 출력 값들은 향상되는 것으로 확인된다. 아날로그 출력 값의 변화는 거의 ±1% 이내에 있고, 근접 감지기의 온도로 인한 영향의 제거가 확인되었다.
본 발명의 제 7 실시형태에 따른 근접 감지기가 기술된다. 도 12는 제 7 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
제 7 실시형태는 펄스 신호 생성기(1E)와 신호 프로세서(3E)를 포함한다. 신호 프로세서(3E)는 제 6 실시형태의 구성과 같은 구성을 가진다.
펄스 신호 생성기(1E)에서, 감지 전극(61)은 선택기 회로(60)를 경유하여 제 1 감지 회로(4)로 연결된다. 선택기 회로(60)는 ch-선택 신호를 제공하는 CPU(62)로 연결된다. CPU(62)는 온/오프 출력에 근거하여 CPU(62)에 의해 온/오프 점등하도록 제어되는 LED(64)에 연결된다.
펄스 신호 생성기(1E)는 연산 증폭기(65)를 더 포함한다. 연산 증폭기(65)는, 감지 전극(61) 및 가드(guard) 전극 및 실드 와이어(shield wire; 도시되지 않음)와 같은 주변 장치들이 등전위에 있도록 하여 둘 사이의 충전/방전을 방지한다. 연산 증폭기(65)는 선택적으로 온/오프 신호에 반응하여 동작한다.
본 실시형태에 있어서, CPU(62)는 ch-선택 신호를 선택기 회로(60)로 제공한다. 선택기 회로(60)는, 감지 전극(61) 내에 포함된 복수의 전극들을 순차적으로 스캔(scan)하도록 ch-선택 신호에 근거하여 동작한다. 감지 전극(61) 내에 포함된 전극들로부터의 신호들은 제 1 감지 회로(4)로 순차적으로 공급되고 감지 펄스 신호(P1)로서 외부에 제공된다. 감지 펄스 신호(P1)에 근거하여 생성된 차분 펄스 신호(P3) 및 제 2 감지 회로(8)로부터 출력된 참조 펄스 신호(P2)는, 신호 프로세서(3E) 내에서 LPF(40) 및 DC 증폭기(42)를 통하여 DC로 변환되고 아날로그 신호로서 외부로 제공된다. 이러한 아날로그 신호 출력은 히스테리시스 비교기(56)의 임계값과 비교된다. 선택기 회로(60)에 의해 스캔된 감지 전극(61) 내의 특정 채널의 전극에 대해, 특정 채널의 전극의 신호에 근거한 아날로그 신호가 임계값을 초과한다면, 온/오프 출력이 제공된다. 본 실시형태에서, 아날로그 신호가 임계값을 초과한다면, 온 출력이 제공된다.
온/오프 출력이 CPU(62)에 공급된다. CPU(62)가 ON이 된 채널에 대응하는 출력을 이용하여 LED(64)를 켬으로써, 감지 전극 내의 각각의 채널의 감지된 상태에 대응하는 표시를 제공한다.
온/오프 출력은 또한 연산 증폭기(65)로 입력된다. 연산 증폭기(65)는 온/오프 출력에 따라서 감지 전극(61)의 주위에 배열된 가드 전극으로 가드 출력을 제공한다.
본 발명의 제 7 실시형태의 효과를 증명하도록 수행되는 증명 실험에 대한 기술이 다음에 나타난다.
도 13은 증명 실험에 사용되는 감지 전극(61)을 도시하는 평면도이다. 도 13B가 감지 전극(61)의 후면을 도시하는 반면에, 도 13A가 감지 전극(61)의 전면을 도시한다. 감지 전극(61)은 전면에 4열 4행으로 배열된 16개의 링 형태 전극 부분들(66)을 포함한다. 전극 부분들(66)의 각각의 이웃 전극들은 2.5 mm의 간격으로 배열된다. 전극 부분들(66)은 감지 전극(61)의 후면에 관통홀들(68)을 경유하여 연결되고 와이어들(70)을 경유하여 연결 단자들(72)에 연결된다. 감지 전극(61)의 16개의 채널 전극들은 선택기 회로(60)에 연결된다. 가드 전극(74)은 전극 부분들(66)의 주위에 배열되고, 연산 증폭기로부터 출력된 그라운드 출력이 입력된다.
본 증명 실험은, 제 1 감지 회로(4)와 제 2 감지 회로(8)에서 사용하기 위한 75 kΩ의 탐지 저항을 이용한다. 56 pF의 커패시터는 참조 커패시터(6)로서 이용된다. DC 증폭기(42)를 위해 이득 설정 유닛(54)에 의해 설정된 이득은 2배이고, 임계값 설정 회로(52)에 의해 설정된 임계값은 2.5 V이었다.
이러한 증명 실험에 있어서, 아날로그 값 출력들은, 감지 전극(61)의, 손가락이 접촉되는 전극 및 또 다른 접촉되지 않는 전극에 대하여 측정되었다. 이상의 측정이 다음의 두 경우들에 대하여 수행되었다: 제 2 감지 회로(8)가 정지되고 제 1 감지 회로(4)만이 신호를 통과시키도록 동작되고; 제 2 감지 회로(8)는 제 1 감지 회로(4)로부터의 신호에 대한 차분 값을 연산하도록 동작된다. 표 2는, 손가락이 접촉되는 전극과 접촉되지 않는 전극에 대한 LPF 및 DC 증폭기로부터의 출력 전압들 사이의 관계들을 도시하는 표이다.
Ch 16 (손가락이 접촉됨) Ch 12 (접촉되지 않음)
제 1 감지 회로(4)만 LPF 출력 전압(V) 5.0 4.4
DC 증폭기 출력 전압(V) 5.0 5.0
제 2 감지 회로(8)가 동작 LPF 출력 전압(V) 1.8 1.2
DC 증폭기 출력 전압(V) 3.6 2.4
제 1 감지 회로(4)만으로부터의 신호에 근거한 DC 증폭기(42)로부터의 아날로그 값 출력들은, 손가락이 접촉되는 전극과 접촉되지 않는 전극에 대하여 2.5V의 임계값을 초과하고, 온-출력이 양쪽의 경우들에 대하여 제공된다. 그러므로, 이러한 상태에서 근접 감지기는 작동될 수 없다.
제 2 감지 회로(8)가 동작되고 제거가 참조 커패시터(6)로부터의 출력에 근거하여 참조 펄스 신호(P2)와 함께 수행될 때, DC 증폭기(42)로부터의 아날로그 값 출력들은 차분 값들을 표시한다. 손가락이 감지 전극(61) 내의 ch-16 전극을 만질 때, 출력 전압이 2.5 V의 임계값을 초과하고 온-출력이 제공된다. 손가락이 감지 전극(61) 내의 ch-12 전극을 만지지 않을 때, 출력 전압은 임계값을 초과하지 않고 오프-출력이 제공된다. 이러한 상태에서, 손가락이 특정 전극을 만질 때, 출력 전압에 근거한 온-출력은 특정 LED를 켜는 것을 가능하게 한다. 이렇게 하여, 객체의 근접을 감지하는 근접 감지기로서 동작할 수 있다.
제 1 감지 회로(4)만을 동작시키는 증명 실험에 대한 근접 감지기에 있어서, 4.4 V 이상과 같은 값에서 설정된 임계값 및 이득 설정 유닛에 의해 설정된 1배의 이득은 손가락 접촉의 결정을 가능하게 한다. 신호 프로세서 내의 회로의 상한 값은 5V의 공급 전압과 같고, 이와 가까운 값의 사용은 디자인 여유를 확보하는 것을 어렵게 한다. 신호 프로세서의 증폭의 정도는 증가되기 어렵기 때문에, 훨씬 낮은 감도에서의 감지는 불가능하다.
반면에, 제 2 감지 회로(8)를 동작시키는 근접 감지기에서, 아날로그 값 출력은 측정 상한 값인 공급 전압의 약 2/3이다. 그러므로, 상대적으로 낮은 감도에서 감지할 때에도, 증폭의 증가된 차이 또는 향상된 정도는 감지를 일으킬 수 있다.
증명 실험에서, 가드 전극(74)이 사용된다. 가드 전극(74)이 없는 감지의 경우, 전극 부분들(66)이 서로 영향을 주는 것이 가능하다. 그러므로, 각각의 전극으로부터 제 1 감지 회로(4)로의 전극 부분들(66) 및 와이어(70)는 그라운드 전극(74)에 의해 차폐되어야 한다. GND는 가드 전극(74)으로서 사용될 수 있다. 가드 전극은, 전극 부분들(66)이 서로 분리되어 배열되는 경우 사용되지 않는다.
본 실시형태의 근접 감지기에 있어서, 유한 공급 전압 내라도, 제거 동작은 감지할 수 있는 정전용량 내의 극도로 작은 변화를 만든다.
모든 이상의 실시형태에서, 참조 전극(76)은 참조 커패시터(6) 대신에 이용될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 도 14에 도시된 것처럼, 참조 전극(76)은 차폐물(78)을 경유하여 감지 전극(2)의 뒤에 배열된다. 이러한 구성을 이용하면, 참조 전극(76)이 객체의 근접에 의해 영향을 받지 않는 참조 값을 제공하는 동안, 감지 전극(2)은 객체의 근접에 따라서 탐지된 값을 변화시킨다. 참조 전극(76)에서 생겨난 잡음들의 영향을 참조 전극(76)의 뒤로부터 제거하기 위해, 또 다른 차폐물(78)은 참조 전극(76)의 뒤에 배열될 수 있다.
본 발명의 제 8 실시형태에 따른 근접 감지기가 기술된다. 도 15는 본 발명의 제 8 실시형태에 따른 근접 감지기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
제 8 실시형태는 펄스 신호 생성기(1F) 및 신호 프로세서(3F)를 포함한다. 펄스 신호 생성기(1F)는, 제 3 실시형태의 참조 커패시터(6) 대신에 참조 전극으로서 이용되는 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 정전용량을 가지는 감지 전극(79)을 포함하는 점에서, 제 3 실시형태에 따른 펄스 신호 생성기(1C)와 다르다. 게다가, 커패시터(80)는 제 1 감지 회로(4)에 연결되고, 제 3 실시형태에 따른 펄스 신호 생성기(1C)와 다르다. 신호 프로세서(3F)는, 제 6 실시형태에 따른 신호 프로세서(3E) 내의 아날로그 값 출력 부분과 같은 구성을 갖는다.
펄스 신호 생성기(1F)에서, 감지 전극(2)은 제 1 감지 회로(4)에 연결되고, 제 1 감지 회로(4)는 감지 펄스 신호(P1)를 제공한다. 객체가 감지 전극(2)과 감지 전극(79)에 접근하지 않더라도 출력들이 전 범위의 평균 값을 표시하도록, 커패시터(80)는 초기 정전용량을 증가시키도록 제 1 감지 회로(4)의 입력 단자에 연결된다.
펄스 신호 생성기(1F)에서, 감지 전극(79)은 제 2 감지 회로(8)에 연결된다. 제 1 감지 회로(4)와 유사한 제 2 감지 회로(8)는, 감지 전극(79)과 그라운드 사이의 정전용량을 참조 펄스 신호(P2)로 변환시키고, 상기 정전용량을 외부로 제공한다. 감지 전극(79)은 제 1 감지 회로(4)의 초기 정전용량과 거의 같은 초기 정전용량을 가지고, 객체의 근접에 반응하여 변화가능한 그라운드와의 정전용량을 가진다. 참조 펄스 신호(P2)의 펄스 폭은 정전용량의 변화에 따라서 변화한다.
제 8 실시형태에 따른 근접 감지기에 있어서, 감지 전극(2)에 대한 객체의 근접이 감지 전극(2)의 정전용량을 변화시키고, 전압 값 또는 아날로그 값 출력을 전 범위의 평균 값보다 더 크게 만든다. 게다가, 감지 전극(79)에 대한 객체의 근접은 감지 전극(79)의 정전용량을 변화시키고, 전압 값 출력을 전 범위의 평균 값보다 더 낮게 만든다. 상술한 제 1 내지 제 7 실시형태들에 있어서, 참조 커패시터(6)로부터 출력된 참조 값은 탐지된 값을 감소시키는 온도 보정에서 사용된다. 참조 커패시터(6)는 본 실시형태에서 도시된 전극(79)에 의해 대체될 수 있고, 제 2 감지 전극으로서 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 주위의 환경 변화들은 동위상 잡음들이고, 따라서 상쇄될 수 있다.
제 8 실시형태에 따른 근접 감지기의 효과를 증명하기 위해 수행되는 증명 실험이 다음에 기술된다. 펄스 신호 생성기에 있어서, 감지 전극(2) 및 감지 전극(79)은 각각 50mm-정방형의 구리 호일(foil)을 포함하고 이러한 2개의 감지 전극들은 20 mm 간격으로 배열된다. 1mm 두께의 아크릴 판(acrylic plate)은 각각의 감지 전극 위에 배치된다. 20 pF의 커패시터는 제 1 감지 회로(4)의 입력 단자에 연결된다. 이렇게 구성된 근접 감지기로부터의 출력 전압은, 손가락이 감지 전극을 만지지 않는 상태 및 손가락이 감지 전극을 만지는 상태에서 측정되었다.
증명 실험에서, 손가락이 양 전극들을 만지지 않는 상태의 출력 전압 및 손가락이 감지 전극(들)을 만지는 상태에서의 출력 전압이 표 3에 도시된 것처럼 비교된다.
번호 상태 출력 전압(V) 상태 1과의 차이(V)
1 아무 것도 양 전극들을 만지지 않음 2.284
2 손가락은 전극(2)을 만짐 2.587 +0.303
3 손가락은 전극(79)을 만짐 1.952 -0.332
4 손가락은 양 전극들을 만짐 2.240 -0.044
결과적으로, 감지 전극(2)과 감지 전극(79)이 분리되어 만져질 때, 출력의 변화가 충분히 측정될 수 있다는 것이 확인된다. 양 전극들이 만져질 때의 출력 변화는, 전극들이 분리되어 만져질 때의 출력 변화들 사이의 차분 값에 거의 부합한다. 그러므로, 근접 감지기는, 양 감지 전극들이 동시에 만져질 때 감지되지 않은 상태를 알도록 구성될 수 있다. 이러한 근접 감지기는 초기 정전용량을 증가시키는 커패시터의 사용 없이 구성될 수 있다.
본 발명이 이상에서 기술되었을 지라도, 본 발명이 이러한 실시형태들에 한하지 않고 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변형들과 추가들이 행해질 수 있다.
예를 들어, 트리거 신호 생성기 회로(10)가, 내부적으로 발진할 수 있는 발진기 회로를 이용하여 구성되었을지라도, 외부로부터 공급된 샘플 동기화 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 간단한 회로에 의해 환경 특성에 대한 고정밀 보상을 달성할 수 있고, 참조 전극의 근처에 감지 전극을 배열함으로써 외부 영향을 균등히 배제하는 것을 가능하게 한다.

Claims (17)

  1. 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드(ground)와의 정전용량을 가진 감지 전극;
    상기 감지 전극과 그라운드 사이의 상기 정전용량에 따라 결정된 펄스(pulse) 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 1 감지 회로;
    참조 커패시터;
    상기 참조 커패시터의 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 2 감지 회로; 및
    상기 제 2 펄스 신호를 상기 제 1 펄스 신호로부터 제거함으로써 차분 펄스(difference pulse)를 연산하고 상기 차분 펄스의 펄스 폭을 제공하도록 동작하는 연산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 감지 회로로부터 출력된 상기 제 2 펄스 신호는, 상기 제 1 감지 회로로부터 출력된 상기 제 1 펄스 신호의 초기 값과 거의 같은 초기 값을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 펄스 신호 및 상기 제 2 펄스 신호의 증가들을 서로 동기화하도록 동작하는 트리거(trigger) 신호 생성기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 펄스 신호에 대한 상기 제 1 펄스 신호를 지연시키도록 동작하는 지연 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 차분 펄스를 DC 신호로 변환하도록 동작하는 저대역 통과 필터; 및
    상기 저대역 통과 필터를 통하여 생성된 상기 DC 신호를 증폭하도록 동작하는 DC 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 감지기는, 상기 차분 펄스의 상기 펄스 폭과 임계값을 비교하고, 상기 차분 펄스의 상기 펄스 폭과 상기 임계값 사이의 크기 관계에 근거하여 온/오프(on/off) 신호를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 전극은 복수의 상기 감지 전극들 중 하나이고, 상기 감지기는 상기 복수의 감지 전극들로부터의 신호들 중 하나의 신호를 선택하고 상기 하나의 신호를 상기 제 1 감지 회로로 공급하도록 동작하는 선택기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  8. 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가진 감지 전극;
    상기 감지 전극과 그라운드 사이의 상기 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 1 감지 회로;
    참조 전극;
    상기 참조 전극과 그라운드 사이의 상기 정전용량에 따라 결정된 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 제공하도록 동작하는 제 2 감지 회로; 및
    상기 제 2 펄스 신호를 상기 제 1 펄스 신호로부터 제거함으로써 차분 펄스를 연산하고 상기 차분 펄스의 펄스 폭을 제공하도록 동작하는 연산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 참조 전극은, 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 감지 회로로부터 출력된 상기 제 2 펄스 신호는, 상기 제 1 감지 회로로부터 출력된 상기 제 1 펄스 신호의 초기 값과 거의 같은 초기 값을 가지는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 펄스 신호와 상기 제 2 펄스 신호의 증가들을 서로 동기화하도록 동작하는 트리거 신호 생성기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 펄스 신호에 대한 상기 제 1 펄스 신호를 지연시키도록 동작하는 지연 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 차분 펄스를 DC 신호로 변환하도록 동작하는 저대역 통과 필터; 및
    상기 저대역 통과 필터를 통하여 생성된 상기 DC 신호를 증폭시키도록 동작하는 DC 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 감지기는, 상기 차분 펄스의 상기 펄스 폭을 임계값과 비교하고 상기 차분 펄스의 상기 펄스 폭과 상기 임계값 사이의 크기 관계에 근거하여 온/오프 신호를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 감지 전극은 복수의 상기 감지 전극들 중 하나이고, 상기 감지기는 상기 복수의 감지 전극들로부터의 신호들 중 하나의 신호를 선택하고 상기 하나의 신호를 상기 제 1 감지 회로로 공급하도록 동작하는 감지기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지기.
  16. 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가지는 감지 전극 및 그라운드 사이의 정전용량에 따라 결정된 제 1 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 수신하여, 상기 제 1 펄스 폭을 측정하는 제 1 펄스 폭 측정 단계;
    참조 커패시터의 정전용량에 따라 결정된 제 2 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 수신하여 상기 제 2 펄스 폭을 측정하는 제 2 펄스 폭 측정 단계; 및
    상기 제 2 펄스 신호의 상기 제 2 펄스 폭을 상기 제 1 펄스 신호의 상기 제 1 펄스 폭으로부터 제거하고 상기 차분 펄스의 펄스 폭을 제공함으로써 차분 펄스를 연산하는 것을 특징으로 하는 근접 감지 방법.
  17. 감지될 객체의 근접에 반응하여 변화가능한, 그라운드와의 정전용량을 가지는 감지 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 제 1 펄스 폭을 가지는 제 1 펄스 신호를 수신하여 상기 제 1 펄스 폭을 측정하는 제 1 펄스 폭 측정 단계;
    참조 전극과 그라운드 사이의 정전용량에 따라서 결정된 제 2 펄스 폭을 가지는 제 2 펄스 신호를 수신하여 상기 제 2 펄스 폭을 측정하는 제 2 펄스 폭 측정 단계; 및
    상기 제 2 펄스 신호의 상기 제 2 펄스 폭을 상기 제 1 펄스 신호의 상기 제 1 펄스 폭으로부터 제거하고 상기 차분 펄스의 펄스 폭을 제공함으로써 차분 펄스를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 감지 방법.
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