TWI414148B - 物體近接偵測器及物體位置偵測器 - Google Patents

Description

物體近接偵測器及物體位置偵測器

本發明係有關於一種物體近接偵測器，特別是一種具有降低外界電磁波干擾之物體近接偵測器或物體位置偵測器。

電容感測技術常用於物體近接偵測器及物體位置偵測器之設計。用於感測電路之電容器及感測板之電容甚小。小電容意謂高阻抗、抗雜訊力差。然而許多應用裡，抗電磁干擾甚為重要。有許多設計物體近接偵測器及物體位置偵測器之技術，其中之一為經由電容器及感測板饋入交流信號至放大器，而在放大器之輸出端測量交流信號強度之變化。此技術用於授予Robert J.Miller等人之美國專利第5,374,787號、美國專利第5,495,077號、美國專利第5,841,078號，授予Timothy P.Allen等人之美國專利第5,914,465號、美國專利第6,239,389B1號及授予David W.Gillespie等人之美國專利第6,028,271號、美國專利第6,610,936B2號。在此等系統中，感測板抗電磁干擾很少提及。授予Harald Philipp之美國專利第6,452,514B1號、美國專利第6,466,036 B1號專利所用之技術為電荷 轉移電路，交流電壓源加於感測器之一片感測板而經由另一片感測板饋入信號微處理器。電荷轉移電路用以減少雜訊之影響。信號微處理器包括電荷轉移電路、積分器及電壓量測電路。除上述類比電路外，還使用許多高速開關電路。饋入之時鐘信號因高速開關電路之雜散電容將導致另一種雜訊干擾而使信號畸變。由本發明人設計之電容感測物體近接偵測器及物體位置偵測器之一見於美國專利第7,023,221,B1號、歐盟專利第EP 1791260 B1號及中華民國專利第I259908號。此專利之基本電路顯示於第1圖，第1圖為先前技術用一對感測板之物體近接偵測器之振盪電路。此電路包括三個反相器101、102、103、電阻104、兩個電容器106、107及一對感測板105，其電容為Cs。振盪器之頻率由電阻器104之電阻、電容器106、107及感測板105之電容決定。物體接近感測板105將改變感測板之電容及振盪器之頻率。由振盪器之頻率之改變偵測到物體接近感測板。此物體近接偵測器有兩個優點，優點之一為物體近接偵測器之靈敏度與製程參數之變化無關。另一優點為具有高靈敏度。感測板之電容嚴重影響振盪器之頻率。

第1圖之感測板在振盪器之回授迴路上而在積體電路之外。此外，若感測板之面積夠大，外界之電磁干擾將嚴重影響振盪器之運作。第2圖為先前技術用兩對感測板可在兩個不同位置偵測物體接近之物體近接偵測器之振盪電路。兩對感測板205、206皆分別在振盪器之回授迴路上及與傳輸閘208、209串聯。每一次僅有一個傳輸閘導通。一些應用上，須設計具有不同面積感測板之系統，而不同面積感測板使其電容不同，當接於不同之傳輸閘時，振盪器之頻率亦有差異。若頻率差異夠大，即很難設定系統內物體近接偵測器之靈敏度。因此，本發明之目的在設計一種物體近接偵測器以減少感測板面積對頻率之影響。如第1圖所示，先前技術之電路有兩條連線108及109將感測板105連接至振盪電路100。第1圖中，若連線很長，兩條連線間之電容將有影響振盪器頻率之顧慮。另外，若此兩條連線可彎曲移位，兩條連線間之距 離變化將使兩連線間之電容改變。電容之改變將使頻率改變而使近接偵測器之偵測錯誤。因此，本發明之另一目的在設計一種物體近接偵測器以減少兩連線間之電容改變對振盪器頻率之影響。本發明之再一目的在設計一種物體近接偵測器以減少外界之電磁干擾。本發明之電路設計仍保留先前技術電路中之補償電容器，而與製程參數對振盪頻率之影響將保持最低。此外，感測板及連接至感測板之兩個電容亦位於振盪器之回授迴路上，而可得物體接近之高靈敏度。總而言之，在設計一種物體近接偵測器及物體位置偵測器時，不但要保留先前技術之優點，也要增進抗電磁干擾、靈敏度不受感測板面積之影響而允許感測板兩條連線彎曲移位。

因此，本發明之目的在提供一種物體近接偵測器以減少外界之電磁波之干擾。

本發明之次一目的在提供一種物體近接偵測器使感測板之兩連線間對感測振盪器之頻率有較少之影響。

本發明之再一目的在提供一種物體位置偵測器以減少外界之電磁波之干擾。

本發明之又一目的在提供一種物體位置偵測器使感測板之兩連線間對感測振盪器之頻率有較少之影響。

本發明之另一目的在提供一種物體位置偵測器使每一感測板之面積對位置偵測器之靈敏度有較少之影響。

為達成上述目的及其他目的，本發明之第一觀點教導一種物體近接偵測器或物體位置偵測器之振盪器電路，兩個電容器接成串聯，此兩個電容器再與充、放電之電阻器並聯。電容器及電阻器在振盪器之回授迴路內。一對感測板連接至該兩個串聯電容器之接合點。此電容器、電阻器及振盪器可置於一個積體電路內以 預防電磁干擾。若將手指或物體靠近感測板，感測板與接地間之電容將因手指或物體靠近而改變，而振盪器之頻率將因電容之改變而改變。振盪器之輸出連接至微處理器。由振盪器頻率之變化，手指或物體接近即將可被微處理器偵測到。

當沒有手指或物體靠近感測板，感測板與接地間之電容與積體電路內置電容器之電容比較是很小的。感測板之面積對振盪器之運轉頻率僅有很小之影響。物體近接偵測器之靈敏度主要與感測板及物體間之電容變化相關，但不直接與感測板之面積相關。

對於兩個不同面積之物體，兩個物體間之電容主要與小面積之物體相關。對於面積遠大於手指尖面積之感測板，物體近接偵測器之靈敏度主要與感測板與手指尖之距離相關，但僅與感測板之面積次相關。於設計物體近接偵測器在決定靈敏度設定時不必太過考慮感測板之面積。

在物體近接偵測器內僅有一片感測板及僅有一條導線連至感測板。使導線遠離電路，導線與接地間之電容將維持極小，而導線對感測振盪器之頻率影響小。導線可彎曲移位而不致於產生物體位置偵測器之錯誤偵測。

本發明之技術亦可應用於物體位置偵測器。物體位置偵測器為具有多個感測板之物體近接偵測器。利用本發明之技術，在物體位置偵測器內可用不同大小之感測板。

本發明之第二觀點教導一種物體近接偵測器或物體位置偵測器之感測振盪器電路。在此電路內，本發明之技術用以極小化外界電磁波之干擾。對於低頻電磁波，使用RC高通濾波器。在感測板之端點，連接一個接地電阻器。當手指接近感測板，在手指與感測板之間形成電容器。手指上之低頻雜訊將被高通濾波器降低。為了降低高頻電磁波干擾，一個電容器及一個電阻器加在回授迴路上。

本發明之以上及其他目的及優點參考以下之參照圖示及最佳實施例之說明而更易完全瞭解。

本發明之一實施例之物體近接偵測器包括至少一對感測板、一個感測振盪器、一個時基振盪器、一個計數器及一個微處理器。在許多應用上，不同之應用可用不同大小之感測板。在許多物體近接偵測器應用上，感測振盪器之自由運轉頻率(free running frequency)必須與感測板之大小無關。第3圖為本發明之具有感測板面積大小對頻率較無關之感測振盪器電路。如第3圖所示，振盪器包括三個反相器，第一反相器301、第二反相器302、第三反相器303形成串聯；電容器306連接於反相器301之輸入與接地之間；回授電阻器304連接於反相器301之輸入與反相器303之輸出之間；補償電容器307連接於反相器301之輸入與反相器302之輸出之間；兩個串聯電容器308及309連接於反相器301之輸入與反相器303之輸出之間；感測板305連接於電容器308及309之接點。回授電阻器304用於電容器306、307、308、309及感測板305之充、放電。補償電容器307用於減少製程參數對振盪頻率之影響。若感測板305距離電路之接地很遠且感測板之面積小，感測板與接地之間之電容相較於電容器306、307、308及309為小。感測板之面積對振盪器之頻率僅有很少之影響。同理，使導線315遠離電路之接地，導線與接地間之電容遠較電容器308及309之電容為小。在此情形下，導線對感測振盪器之頻率影響很小，導線可以彎曲移位而不使物體近接偵測器產生錯誤。

當手指靠近物體近接偵測之感測板時，感應在人身上之電磁波將轉移至感測板而生干擾。物體近接偵測之振盪器之頻率將受干擾。第4圖顯示描述電磁干擾影響之振盪器等效電路。第4圖中，由手指傳送之電磁波干擾以雜訊產生器405代表。電容器410為感測板與手指間之電容。在多數物體近接偵測器應用中遭遇之 雜訊有兩種型式。由60/70Hz電源線之電磁干擾為低頻雜訊之一種。其他種類之電磁干擾為系統之交換式電源供應器產生之高頻雜訊。

為了降低電磁波低頻干擾，可用高通濾波器電路。第5圖顯示包含一個RC電路之高通濾波器電路。第5圖中，電阻器511連接至感測板之接點。第6圖為第5圖之等效電路。第6圖中，電阻器611為連接至感測板接點之電阻器，電容器610為感測板與手指間之電容器。雜訊產生器605為自手指傳來之電磁干擾。電阻器611及電容器610之功能有如雜訊產生器之高通濾波器，而低頻信號當通過電容器610時將被電阻器611衰減。

為降低高頻電磁波干擾而使用低通濾波器電路。第7圖顯示包含分壓及低通濾波之電路。第7圖中，加入電容器714當作分壓器，電阻器713及電容器706當作低通濾波器。第7圖之等效電路顯示於第8圖。第8圖中，電容器810為手指及感測板間之電容器而雜訊產生器805係由手指傳輸過來之電磁波干擾。電容器810之電容比電容器808、809及814都小。當高頻雜訊通過電容器810及808時將被電容器814衰減。高頻雜訊將進一步被電阻器813及電容器806形成之低通濾波電路降低。

在一些應用上，低頻及高頻電磁波干擾同時存在。第9圖顯示用於降低高頻及低頻電磁波干擾之一種電路。第9圖之電路結合第5圖及第7圖之優點，第9圖中有高通濾波器、分壓器及低通濾波器。

本發明以上所述之電路係用於物體近接偵測器或物體位置偵測器之振盪器。一個物體近接偵測器至少包含一對感測板、一個感測振盪器、一個時基振盪器、一個計數器及一個微處理器。第10圖顯示依據本發明之具體實施例之物體近接偵測器。第10圖中，本系統包含感測板1001，連接至感測振盪器1002、時基振盪器1003、計數器1004及微處理器1005。具有感測板1001之感測 振盪器1002已描述於第3圖、第5圖、第7圖及第9圖。時基振盪器1003提供系統時脈給微處理器1005。在系統偵測週其內，一個參考計數(N₀)儲存在微處理器1005中並隨時更新。此參考計數定義為在無物體接近感測板1001時之頻率計數，且參考計數亦為計數過程中曾經量到之最大計數。一個預設計數(N_r)輸入微處理器1005用以定義物體近接偵測器之靈敏度。為了偵測物體接近，計數器1004數算計數器1004之頻率，若在一定週期內數算之數為N_x，N₀-N_x即可測知物體接近感測板1001。當(N₀-N_x)>N_r時，即可決定有一個物體接近感測板1001。較小之N_r意為較靈敏之系統。輸入不同之N_r至微處理器1005，物體近接偵測器之靈敏度即可自外界設定。

前述方法教導如何偵測物體接近一對感測板。此技術可擴大並修改以偵測物體接近一個感測板陣列(array)，並分辨接近陣列中那一對感測板。

第11圖顯示物體位置偵測器之具體實施例。在此電路中，感測振盪器1103為第3圖、第5圖、第7圖及第9圖所述之振盪器，但振盪器內未置有感測電路。感測振盪器1103之電路顯示於第12圖及第13圖。有感測板之感測電路顯示於第14圖及第15圖。第12圖可與第14圖結合以形成第3圖之感測振盪器。第12圖可與第15圖結合以形成第5圖之感測振盪器。第13圖可與第14圖結合以形成第7圖之感測振盪器。第13圖可與第15圖結合以形成第9圖之感測振盪器。第11圖中，有M個傳輸閘(1161至116M)並聯連接至感測振盪器1103之輸入1101，N個傳輸閘((1181至118N)並聯連接至感測振盪器1103之輸出1102。兩個傳輸閘陣列用以形成一個M×N矩陣(matrix)。要形成感測矩陣之感測元件(11至M1,12至M2及1N至MN)，可以連接感測電路之輸出至M個傳輸閘(1161至116M)之一，並連接感測電路之輸入至N個傳輸閘(1181至118N)之一。傳輸閘(1181至118N及1161至116M)之控制閘(CNTR1至CNTRN及CNTC1至CNTCM)連接至微 處理器1106之輸出並被微處理器1106逐次掃描。一個預設計數(N_r)可輸入微處理器1006用以定義感測電路形成之每一感測元件之靈敏度。每一感測元件之參考計數N0於掃描矩陣時可以更新。當掃描矩陣時測得(N₀-N_x)>N_r，即可決定有一個物體接近矩陣之此一感測元件。

若感測板之面積不太大，感測板之電容與第14圖之電容器(1408,1409)及第15圖之電容器(1508,1509)之電容比較是很小的。在此條件下，感測板之面積大小對感測振盪器之頻率影響小，而可在物體位置偵測器內用不同大小之感測板。

保持導線遠離電路之接地，導線與接地間之電容遠比第14圖及第15圖之感測電路電容器之電容為小。在此情形，導線對感測振盪器之頻率影響小，導線即可彎曲移位而不致產生物體位置偵測器之錯誤偵測。

為降低低頻電磁波干擾，第12圖之感測振盪器及第15圖之感測電路可用於第11圖之物體位置偵測器。對於降低高頻及低頻電磁波干擾，第13圖之感測振盪器及第14圖之感測電路可用於第11圖。

藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實例來對本發明之範疇加以限制。相反的，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範疇內。

208,209‧‧‧傳輸閘

301‧‧‧第一反相器

302‧‧‧第二反相器

303‧‧‧第三反相器

304‧‧‧回授電阻器

305‧‧‧感測板

306‧‧‧電容器

307‧‧‧補償電容器

308、309‧‧‧電容器

315‧‧‧導線

405‧‧‧雜訊產生器

410‧‧‧電容器

501‧‧‧第一反相器

502‧‧‧第二反相器

503‧‧‧第三反相器

504‧‧‧回授電阻器

505‧‧‧感測板

506‧‧‧電容器

507‧‧‧補償電容器

508、509‧‧‧電容器

511‧‧‧電阻器

515‧‧‧導線

605,805‧‧‧雜訊產生器

610‧‧‧電容器

611‧‧‧電阻器

706,714‧‧‧電容器

713‧‧‧電阻器

805‧‧‧雜訊產生器

806 808 809 810 814‧‧‧電容器

813‧‧‧電阻

1001‧‧‧感測板

1002‧‧‧感測振盪器

1003‧‧‧時基振盪器

1004‧‧‧計數器

1005,1106‧‧‧微處理器

1101‧‧‧感測振盪器的輸入

1102‧‧‧感測振盪器的輸出

1103‧‧‧感測振盪器

1161至116M 1181至118N‧‧‧傳輸閘

11至M1,12至M2及1N至MN‧‧‧感測元件

1408,14091508,1509‧‧‧電容器

CNTR1至CNTRN及CNTC1至CNTCM‧‧‧控制閘

N_r‧‧‧預定數

N₀‧‧‧參考數

第1圖為先前技術用一對感測板之物體近接偵測器之振盪電路。

第2圖為先前技術用兩對感測板可在兩個不同位置偵測物體接近之物體近接偵測器之振盪電路。

第3圖為本發明之具有感測板面積大小對頻率較無關之感測振盪 器電路。

第4圖顯示描述電磁干擾影響之振盪器等效電路。

第5圖顯示包含一個RC電路之高通濾波器電路。

第6圖為第5圖之等效電路。

第7圖顯示包含分壓及低通濾波之電路。

第8圖顯示第7圖之等效電路。

第9圖顯示用於降低高頻及低頻電磁波干擾之一種電路。

第10圖顯示依據本發明之具體實施例之物體近接偵測器。

第11圖顯示物體位置偵測器之具體實施例。

第12圖顯示感測振盪器之電路。

第13圖顯示感測振盪器之電路。

第14圖顯示有感測板之感測電路。

第15圖顯示有感測板之感測電路。

501‧‧‧第一反相器

502‧‧‧第二反相器

503‧‧‧第三反相器

504‧‧‧回授電阻器

505‧‧‧感測板

506‧‧‧電容器

507‧‧‧補償電容器

508、509‧‧‧電容器

511‧‧‧電阻器

515‧‧‧導線

Claims (8)

1. 一種物體近接偵測器，包括連接至感測振盪器之感測板，以電容之變化偵測物體之接近；一個感測振盪器，電容之變化改變該感測振盪器之頻率，該感測振盪器之輸出連接至計數器之輸入；一個計數器，計算該感測振盪器之頻率，該計數器之輸出與一個微處理器通信；一個時基振盪器，提供系統時脈給微處理器；一個微處理器，計算並處理來自該計數器之頻率，以判定一個物體接近該物體近接偵測器；其中改進之處至少包含：該感測振盪器由三個反相器構成，一個第一反相器，一個第二反相器及一個第三反相器形成串聯；一個第一電容器連接於該第一反相器之輸入及接地之間；兩個電容器串聯再連接於該第一反相器之輸入及第三反相器之輸出之間；一對感測板連接至該兩個電容器之接合點；一個補償電容器連接於該第一反相器之輸入及該第二反相器之輸出之間；一個回授電阻器連接於該第一反相器之輸入及該第三反相器之輸出之間；該回授電阻器用以對振盪電路之電容器充電及放電，該補償電容器用以減少製程參數對振盪頻率之影響，該兩個串聯電容器及該感測板用以減少感測板面積對振盪器頻率之影響而使感測板之導線可以彎曲移位。
2. 如申請專利範圍第1項物體近接偵測器，進一步包含：一個電阻器連接於該兩個電容器及該感測板之接點；該電阻器及物體與該感測板間之電容形成一個高通濾波器；該高通濾波器用以減少低頻電磁波干擾。
3. 如申請專利範圍第1項物體近接偵測器，進一步包含：一個電阻器連接於該第一反相器之輸入及該兩個串聯電容器之一端，一個電容器連接於接地及該電阻器與該兩個串聯電容器一端之接點；該電容器及物體與該感測板間之電容形成一個分壓器，該電阻器及該第一電容器形成一個低通濾波器；該分壓器及該低通濾波器用以減少高頻電磁波干擾。
4. 如申請專利範圍第1項物體近接偵測器，進一步包含： A：一個電阻器連接於該兩個電容器及該感測板之接點；該電阻器及物體與該感測板間之電容形成一個高通濾波器；該高通濾波器用以減少低頻電磁波干擾；B：一個電阻器連接於該第一反相器之輸入及該兩個串聯電容器之一端，一個電容器連接於接地及該電阻器與該兩個串聯電容器一端之接點；該電容器及物體與該感測板間之電容形成一個分壓器，該電阻器及該第一電容器形成一個低通濾波器；該分壓器及該低通濾波器用以減少高頻電磁波干擾。
5. 一種物體位置偵測器，包括一個感測振盪器；一個時基振盪器，提供系統時脈給微處理器；一個計數器，數算該感測振盪器之頻率；一行(column)傳輸閘，連接至該感測振盪器之輸入；一列(row)傳輸閘，連接至該感測振盪器之輸出；該行傳輸閘及該列傳輸閘形成一個感測矩陣；該感測矩陣之每一個元素由兩個串聯之電容器及一對感測板構成一個感測元件(sensor element)；該感測板連接至該兩個串聯電容器之接點；該感測元件之一端經由該行傳輸閘之輸出連接至該感測振盪器之輸入，而感測元件之另一端經由該列傳輸閘之輸出連接至該感測振盪器之輸出；傳輸閘之控制輸入被該微處理器掃描；該微處理器，計算並處理來自該計數器之頻率，以判定一個或多個物體接近該感測矩陣之哪一個感測板；以判定一個或多個物體在感測矩陣之位置；其中改進之處至少包含：該感測振盪器由三個反相器構成，一個第一反相器，一個第二反相器及一個第三反相器形成串聯；一個第一電容器連接於該第一反相器之輸入及接地之間；一個補償電容器連接於該第一反相器之輸入及該第二反相器之輸出之間；一個回授電阻器連接於該第一反相器之輸入及該第三反相器之輸出之間；回授電阻器用以對振盪電路之電容器充電及放電，該補償電容器用以減少製程參數對振盪頻率之影響；每一該感測元件包括兩個電容器串聯再分別經由該行及列傳 輸閘連接於該第一反相器之輸入及第三反相器之輸出之間；在每一該感測元件內之兩個電容器及感測板用以減少感測板面積對振盪器頻率之影響而使感測板之導線可以彎曲移位並使該物體位置偵測器內之每一該感測元件保持均勻之靈敏度。
6. 如申請專利範圍第5項物體位置偵測器，進一步包含：一個電阻器在每一該感測元件內以一個端點連接於該兩個電容器及該感測板之接點而另一個端點連接於接地；該電阻器及物體與該感測板間之電容形成一個高通濾波器；該高通濾波器用以減少低頻電磁波干擾。
7. 如申請專利範圍第5項物體位置偵測器，進一步包含：一個電阻器連接於該第一反相器之輸入及該行傳輸閘之輸入；一個電容器連接於該行傳輸閘之輸入與接地之間；該電容器及物體與該感測板間之電容形成一個分壓器，該電阻器及該第一電容器形成一個低通濾波器；該分壓器及該低通濾波器用以減少高頻電磁波干擾。
8. 如申請專利範圍第5項物體位置偵測器，進一步包含：A：一個電阻器在每一該感測元件內以一個端點連接於該兩個電容器及該感測板之接點而另一個端點連接於接地；該電阻器及物體與該感測板間之電容形成一個高通濾波器；該高通濾波器用以減少低頻電磁波干擾。B：一個電阻器連接於該第一反相器之輸入及該行傳輸閘之輸入；一個電容器連接於該行傳輸閘之輸入與接地之間；該電容器及物體與該感測板間之電容形成一個分壓器，該電阻器及該第一電容器形成一個低通濾波器；該分壓器及該低通濾波器用以減少高頻電磁波干擾。