WO2010095513A1 - 近接容量検出回路及び容量センサモジュール - Google Patents

近接容量検出回路及び容量センサモジュール Download PDF

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WO2010095513A1
WO2010095513A1 PCT/JP2010/051509 JP2010051509W WO2010095513A1 WO 2010095513 A1 WO2010095513 A1 WO 2010095513A1 JP 2010051509 W JP2010051509 W JP 2010051509W WO 2010095513 A1 WO2010095513 A1 WO 2010095513A1
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charge
charge amount
capacitance
capacitor
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PCT/JP2010/051509
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English (en)
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Inventor
達巳 藤由
希世 廣部
Original Assignee
アルプス電気株式会社
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960705—Safety of capacitive touch and proximity switches, e.g. increasing reliability, fail-safe

Definitions

  • the present invention relates to a proximity capacitance detection circuit and a capacitance sensor module that detect minute changes in capacitance due to the proximity of a finger or the like.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of the proximity capacitance detection circuit described in Patent Document 1.
  • Cx is a sensor capacitance including a finger and other parasitic capacitances
  • Cs is a fixed capacitance element that actually measures a voltage.
  • the switch SW1 is turned on and the other switches SW2, 3 are turned off to charge the sensor capacitor Cx to the power supply voltage Vdd.
  • all the switches SW1, 2, and 3 are turned off again, and then the switch SW2 is turned on and the other switches SW1, 3 are turned off to transfer the charge amount of the sensor capacitor Cx to the fixed capacitor element Cs.
  • the amount of charge transferred to the fixed capacitance element Cs at that time is determined by the condition that the voltage is balanced according to the amount of charge of the sensor capacitor Cs before transfer.
  • the comparison voltage Vref is set as shown in FIG. 14 with respect to the measured voltage Vs.
  • the rise time of the voltage Vs differs between the sensor capacitance Cx (11 pF) when the finger is present and the sensor capacitance Cx (10 pF) when the finger is absent, and the intersection with the comparison voltage Vref is different. Therefore, the difference in the sensor capacitance Cx depending on the presence / absence of a finger (touch / non-touch) can be determined as the difference in the number T of charge sequences when the comparison voltage Vref is exceeded.
  • the voltage Vs is expressed by the following equation.
  • the number of charge sequences required to exceed the comparison voltage Vref due to the presence / absence of the finger is substantially proportional to the size of the sensor capacitance Cx, and the charge sequence exceeding the comparison voltage Vref is assumed if there is a difference of 10% depending on the presence / absence of the finger.
  • the difference in the number of times is also about 10%.
  • FIG. 15 is a circuit diagram of a sensor capacitance detection circuit described in Patent Document 2.
  • the switches SW1 and SW2 for charging and discharging the fixed capacitance elements Ca and Ca through the resistors, the sensor capacitance Cx, and Ca and Cs are redistributed in order to redistribute the electric charge after the discharge to the sensor capacitance Cx and the fixed capacitance element Cs.
  • a switch SW3 that is connected in series and resets the charges of Ca and Cs is provided.
  • the switch SW1 is turned on and the other switches SW2, 3 are turned off, and one fixed capacitor Ca is charged to the power supply voltage Vdd.
  • all the switches SW1, 2, and 3 are all turned OFF, the switch SW1 is turned OFF, the switches SW2 and SW3 are turned ON, and the charges of the fixed capacitor Cs and the sensor capacitor Cx connected in series are reset.
  • the electric charge of the fixed capacitance element Ca is discharged to the ground through the discharge resistor R.
  • all the switches SW1, 2, and 3 are turned off, and the voltage Vx that is the voltage across the terminals of the sensor capacitor Cx is measured.
  • the measured voltage Vx becomes an envelope as shown in FIG. While comparing the voltage Vx with the comparison voltage Vref, the sequence of discharging one fixed capacitor Ca is repeated, and the number of discharge sequences in which the voltage Vx becomes smaller than the comparison voltage Vref is measured as shown in FIG.
  • the presence or absence of a finger is determined based on the difference in the number of discharge sequences. In this case, by appropriately setting the magnitudes of Ca, Cs, and Vref, the total number of discharge sequences T can be made shorter than that of the conventional circuit of Patent Document 1.
  • An object of the present invention is to provide a proximity capacitance detection circuit and a capacitance sensor module capable of realizing sensitivity.
  • the proximity capacitance detection circuit includes a charging mechanism for charging the detected capacitance, a charge amplifier that converts the transferred charge amount into a voltage among the charge amount charged in the detected capacitance, and the detected capacitance And a base charge amount canceling mechanism that extracts a charge amount corresponding to a fixed charge amount that exists in a fixed manner regardless of the presence or absence of the detected object in the process of transferring to the charge amplifier. It is characterized by.
  • the capacity sensor module of the present invention includes a sensor unit having a detected capacity that changes depending on the presence or absence of a detected object, a charging mechanism that charges the detected capacity, and a transfer amount out of the amount of charge charged in the detected capacity.
  • a charge amplifier that converts the amount of charge that has been generated into a voltage, and a charge amount corresponding to a fixed charge amount that is fixedly present regardless of the presence or absence of a detected object among the amount of charge charged in the detected capacitor,
  • a base charge amount cancellation mechanism that is pulled out in the process of transferring to the charge amplifier, and a control unit that outputs a determination signal related to the presence or absence of the detection target based on the output of the charge amplifier.
  • the charge amount obtained by extracting the charge amount corresponding to the fixed charge amount that is fixedly present regardless of the presence or absence of the detected object out of the charge amount charged in the detected capacitor is the voltage in the charge amplifier. Therefore, even if the fixed capacitance component of the sensor capacitance is large, the influence can be eliminated and the minute capacitance can be detected. High detection sensitivity can be realized even if the change in capacitance is small.
  • the charging mechanism may include a range adjustment mechanism that adjusts a constant voltage for applying a charge to the detected capacitance.
  • the charge applied from the charging mechanism to the detected capacitance is appropriately determined according to the absolute value of the detected capacitance, the magnitude of the capacitance difference between the presence and absence of the detection target (for example, touch / non-touch), and the like. Can be set.
  • the base charge amount cancellation mechanism may include a capacitance adjustment mechanism capable of setting a capacitance equivalent to the charge amount corresponding to the fixed charge amount.
  • a capacitance adjustment mechanism capable of setting a capacitance equivalent to the charge amount corresponding to the fixed charge amount.
  • the influence of the fixed capacitance component of the sensor capacitance can be more accurately eliminated by adjusting the extracted charge amount in accordance with the charge amount corresponding to the fixed capacitance component of the capacitance sensor after assembly to the device.
  • the detection sensitivity can be further increased.
  • it may be configured to include a capacity adjustment mechanism capable of setting a capacity equivalent to the charge amount corresponding to the fixed charge amount generated at the charging voltage adjusted by the range adjustment mechanism.
  • the fixed capacitance component can be accurately removed even if the base charge amount is changed when the charging voltage is changed to obtain the required sensitivity.
  • the capacitance adjusting mechanism can use a capacitor array in which a plurality of capacitors having different capacities are combined so as to be able to contact and separate. According to such a configuration, it becomes easy to accurately set a capacitance equivalent to the charge amount corresponding to the fixed charge amount, and the influence of the fixed capacitance component of the sensor capacitor can be more accurately eliminated, and detection can be performed. Sensitivity can be further increased.
  • a comparator is connected to the subsequent stage of the charge amplifier, the output of the comparator is converted into a charge amount via a delay element, and fed back to the input of the charge amplifier, thereby being a ⁇ AD converter May be configured. According to such a configuration, it is possible to convert into digital data that is easy to handle and has a necessary dynamic range by adding a simpler circuit.
  • the proximity capacitance detection method of the present invention is a proximity capacitance detection method using the proximity capacitance detection circuit, wherein a charge step of charging the detected capacitor from the charging mechanism, and an amount of charge charged in the detected capacitor Is transferred to the charge amplifier, and a sequence of one or a plurality of charge transfer and fixed charge cancellation steps for extracting a charge amount corresponding to the fixed charge amount in the process is repeated. According to this configuration, a necessary output level can be ensured even when the difference in capacitance due to the presence or absence of the detection target is very small.
  • the present invention even if the fixed capacitance component of the sensor capacitance is large, the influence can be eliminated and a minute capacitance can be detected, and high detection sensitivity can be realized even if the change in the sensor capacitance is small.
  • FIG. 1 is a block diagram of a proximity capacitance detection circuit according to an embodiment of the present invention.
  • Configuration diagram of charging mechanism in one embodiment Configuration diagram of base charge amount canceling mechanism in one embodiment The figure which shows the other structural example of the base electric charge amount cancellation mechanism in one embodiment.
  • Circuit diagram of sensor capacitance detection circuit described in Patent Document 2 Envelope diagram of voltage Vx when the sequence for discharging fixed capacitance element Ca is repeated The figure which shows a mode that the voltage Vx measures the discharge sequence frequency which becomes smaller than the comparison voltage Vref.
  • FIG. 1 is a block diagram of a proximity capacitance detection circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the detected capacitance Cx which is a sensor portion, is connected to the charging mechanism 11, and the charging mechanism 11 outputs a constant voltage in order to give a charge to the detected capacitance Cx.
  • the detected capacitance Cx has a fixed capacitance component that does not change depending on the presence / absence of a finger (touch / non-touch).
  • the range adjustment mechanism 12 is provided to appropriately set the magnitude of the constant voltage output from the charging mechanism 11 based on the absolute value of the detected capacitance Cx, the magnitude of the capacitance change with or without a finger (touch / non-touch), and the like.
  • one terminal of the detected capacitor Cx is connected to one input terminal of the charge amplifier 13.
  • the charge amplifier 13 has an operational amplifier configuration, applies a constant voltage (V_ref) to the other input terminal, and converts the charge amount to a voltage while clamping the one input terminal to the constant voltage (V_ref) by a feedback function. To do.
  • One terminal of the detected capacitor Cx connected to one input terminal of the charge amplifier 13 becomes a detection node 14.
  • a base charge amount cancellation mechanism 15 is connected to the detection node 14.
  • the base charge amount cancellation mechanism 15 functions to extract a constant charge amount from the detection node 14 by utilizing the fact that the detection node 14 is clamped to V_ref.
  • the charge amplifier 13 converts only the charge amount obtained by subtracting a constant charge amount from the detected capacitance Cx by the base charge amount cancellation mechanism 15 into a voltage and outputs the voltage.
  • FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the charging mechanism 11.
  • a drive amplifier AMP_dr for charging the detected capacitor Cx to a constant voltage is provided.
  • the drive amplifier AMP_dr is composed of an operational amplifier, and has a DAC (digital-analog converter) composed of a resistance ladder VR_dr so that several voltages can be selected at its input.
  • a damping resistor R_dr is added to the output of the drive amplifier AMP_dr in order to ensure stability when driving a capacitive load as required. Either the switch SW_vd or SW_dr is turned on at the timing of charging the detected capacitor Cx.
  • the switch SW_vd is for driving the detected capacitor Cx without going through the drive amplifier AMP_dr when it is necessary to charge the detected capacitor Cx to the level of the power supply voltage Vdd.
  • the switch SW_dr is for driving the detected capacitor Cx via the drive amplifier AMP_dr when it is necessary to charge the detected capacitor Cx to a desired voltage level set by the resistance ladder VR_dr.
  • a switch SW_de that is turned on only for a time necessary for reducing excessive current consumption is provided. The higher the charging voltage, the higher the detection sensitivity, but the amount of base charge that must be canceled also increases, so it is set according to the situation.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the base charge amount cancellation mechanism 15.
  • the base charge amount canceling mechanism 15 includes a capacitor array 21 that includes a capacitor adjustment mechanism 21 that can set a capacity equivalent to the charge amount corresponding to the fixed charge amount generated at the charging voltage adjusted by the range adjusting mechanism 12.
  • Capacitor array 21 is connected to detection node 14 via switch SW_cc.
  • the capacitor array 21 is composed of a plurality of capacitors (C_c1, C_c2,%) Connected in parallel, and each capacitor (C_c1, C_c2,. It is configured to be able to contact and separate.
  • a fixed capacitance component that does not change depending on the presence / absence of a finger is referred to as a base charge amount.
  • pre-weighted capacitors C_c1, C_c2, etc.
  • Weighting is normally performed by 2 n , and the capacity is weighted according to the same principle as C-DAC.
  • the number of weighted capacitors can be determined by the resolution for canceling the assumed base charge amount with the required accuracy.
  • the amount of charge to be canceled is determined by the combination of the switches SW_c1.
  • SW_c1... SW_cn and SW_cr are turned ON to set the charge amount of the capacitor array to zero.
  • the switch SW_cc is turned ON at the charge extraction timing.
  • Q_cancel C_cancel ⁇ V_ref
  • C_cancel is a capacitance value of the capacitor array 21 determined by the setting of SW_c 1... SW_cn
  • V_ref is a clamp voltage of the detection node 14.
  • the base charge amount included in the detected capacitor Cx can be canceled by moving the charge amount corresponding to Q_cancel from the detected capacitor Cx to the capacitor array 21.
  • the influence of the fixed capacitance component of the sensor capacitance is more accurately eliminated by adjusting the extracted charge amount according to the charge amount corresponding to the fixed capacitance component of the capacitance sensor after assembly to the device.
  • the detection sensitivity can be further increased. Further, when the charge voltage is changed to obtain the required sensitivity, the fixed capacitance component can be accurately removed even if the base charge amount changes.
  • FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the base charge amount cancellation mechanism.
  • the occupation area of the capacitor array constituting the base charge amount canceling mechanism can be reduced (efficient).
  • the capacitor array 31 includes a plurality of capacitors (C_c1, C_c2,%) Connected in parallel, and each capacitor (C_c1, C_c2,%) Is detected by a switch SW_cp1. 14 and connected to the ground by switches SW_pr1... SW_prn.
  • Each capacitor (C_c1, C_c2,...) Has the other terminal connected to the ground by a corresponding switch SW_cn1,.
  • a set is selected and connected to the detection node 14. 3 is different from the base charge amount cancellation mechanism shown in FIG. 3 in that the charge of the capacitor array 31 is not zeroed before the charge extraction, but a negative charge is precharged.
  • the switches SW_pr1... SW_prn and SW_nr1... SW_nrn corresponding to the selected capacitors C_c1... C_cn are turned on and precharge is performed in the reverse direction using the constant voltage Vdd. If the constant voltage Vdd for precharging the capacitors C_c1... C_cn in the opposite direction is higher than V_ref, the applied voltage of the capacitors C_c1.
  • the capacitor array 31 has a charge larger than Q_cancel and having a polarity opposite to that of the capacitor C31. Will be charged. Thereafter, after all the switches SW for precharging are turned off, the switch SW_cc is turned on, so that the charge for Q_cancel more than twice can be extracted.
  • the capacitor array 31 can be realized with half the size of the base charge amount cancellation mechanism shown in FIG. Also, the other configuration example shown in FIG. 4 can perform the same operation as the configuration shown in FIG. 3, so that the operation can be switched between a case where resolution is required and a case where a larger amount of extracted charge is desired.
  • the step of operating the base charge amount canceling mechanism can be performed a plurality of times in one charging step, and the capacitor array can be reduced or the canceling charge amount range can be expanded by performing it a plurality of times.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the charge amplifier 13.
  • the charge amplifier 13 is composed of an operational amplifier OP_i.
  • a constant voltage V_ref serving as a reference potential is applied to the + input terminal of the operational amplifier OP_i, and the detection node 14 is connected to the ⁇ input terminal via the switch SW_t.
  • the output terminal of the operational amplifier OP_i is connected to the negative input terminal via the capacitor C_i.
  • a reset switch SW_i is connected between both ends of the capacitor C_i.
  • the switch SW_i is turned on to reset the charge of the capacitor C_i.
  • the switch SW_t is turned on to detect -input terminal. Connect the node 14.
  • the operational amplifier OP_i outputs a potential while applying feedback through the capacitor C_i so that the negative input terminal has the same potential V_ref as the positive input terminal. Since the detection node 14 is clamped to V_ref, the charge cancellation operation is simultaneously performed by the base charge amount cancellation mechanism 15.
  • FIG. 6 is a timing chart showing a series of operation sequences in the proximity capacitance detection circuit according to the present embodiment.
  • the example shown in the figure is an example in which the base charge amount canceling step is performed twice with respect to one charging step, and the optimum number of times is set appropriately depending on the magnitude of the base charge amount.
  • the voltage after the base charge amount is extracted from the charge amount charged in the detected capacitor Cx is output as V_i.
  • V_i When this voltage range is small, the charging step and the subsequent base charge amount canceling operation and voltage The necessary output voltage can be ensured by performing the conversion step (number of integrations) a plurality of times and accumulating the charge amount in the capacitor C_i.
  • a reset timing is provided immediately before the timing of charging the detected capacitor Cx. At the reset timing, the switch SW_i of the charge amplifier 13 is turned on to reset the charge of the capacitor C_i.
  • either the switch SW_vd or SW_dr is turned on.
  • the switch SW_vd When charging the detected capacitor Cx to the level of the power supply voltage Vdd, the switch SW_vd is turned on and the switch SW_dr is turned off. Further, when the detected capacitor Cx is charged to a desired voltage level lower than the power supply voltage Vdd by the resistance ladder VR_dr, the switch SW_vd is turned off and the switches SW_dr and SW_de are turned on.
  • the voltage of the detection node 14 increases with the start of charging of the detected capacitor Cx, and saturates when the voltage is raised to the level of the power supply voltage Vdd or the set voltage level of the resistance ladder VR_dr.
  • the base charge amount is canceled in the process of transferring the charge charged in the detected capacitor Cx to the charge amplifier 13, and the charge amount corresponding to the detected capacitor Cx whose base charge amount has been canceled is converted into a voltage. Therefore, when charging is completed, the switch SW_vd (or SW_dr) is turned off to disconnect the detected capacitor Cx from the power supply voltage. Then, the switch SW_t provided at the detection node 14 is turned on to transfer the charge charged in the detected capacitor Cx to the charge amplifier 13.
  • the switches SW_c1... SW_cn and SW_cr in the base charge amount cancellation mechanism 15 are turned on to set the charge amount of the capacitor array 21 to zero.
  • the switch SW_cr is turned OFF and the switches SW_c1... SW_cn and SW_cc are turned ON.
  • the base charge amount cancellation mechanism 15 selects a capacitor in advance corresponding to the base charge amount to be canceled from the transfer charge of the detected capacitor Cx, and turns on only the switches SW_c1 and SW_cn of the selected capacitor. become.
  • the base charge amount is extracted by the base charge amount cancellation mechanism 15 and charged to the capacitor array 21.
  • the voltage of the detection node 14 is lowered to the constant voltage V_ref clamped by the charge amplifier 13 along with the charge transfer of the detected capacitor Cx.
  • charge extraction by the base charge amount cancellation mechanism 15 is performed twice in one charge transfer sequence. Therefore, during the charge transfer period, one of the switches SW_c1...
  • SW_cn corresponding to the amount of charge to be canceled remains ON, the switch SW_cc is turned OFF, the switch SW_cr is turned ON, and the capacitor array 21 is reset. Furthermore, the switch SW_cr is turned off and the switch SW_cc is turned on while any one of the switches SW_c1 to SW_cn corresponding to the amount of charge to be canceled remains on.
  • the voltage after the base charge amount is extracted from the charge amount charged in the detected capacitor Cx is output as V_i.
  • the charging step and the subsequent base charge amount canceling operation and voltage conversion are performed. This step (number of integrations) is performed a plurality of times to accumulate the charge amount in the capacitor C_i.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the procedure for setting the size of the capacitor array (base charge amount cancellation value) for canceling the charge voltage and the base charge amount.
  • the number of integrations (the number of charge steps followed by the base charge amount canceling operation and the voltage conversion step) is set to 1 (step S1).
  • the charge voltage of the detected capacitor Cx is set to a minimum value (step S2)
  • the capacitance sensor is set to a fingerless state (non-touch) (step S3)
  • the base charge amount cancellation mechanism 15 in the base charge amount cancellation mechanism 15 is set.
  • the value is set to the minimum value (step S4).
  • the output of the operational amplifier OP_i is compared with the constant voltage V_ref of the positive input terminal of the operational amplifier OP_i (step S5).
  • the base charge amount cancellation value in the base charge amount cancellation mechanism 15 is increased by one step until OP_i output> V_ref (step S6).
  • step S7 When the output of the operational amplifier OP_i becomes larger than V_ref, the base charge amount cancellation value is set to one smaller value (step S7), and the finger is moved from the fingerless state by bringing a finger-like object closer to the capacitance sensor.
  • a state (touch) is set (step S8). If the output level of the operational amplifier OP_i at this time can obtain sufficient accuracy (step S9), the setting is completed. On the other hand, if the output level of the operational amplifier OP_i is not sufficient (step S9), the charging voltage is checked to check the state and if it is not the maximum value (step S10), the charging voltage is set to one larger value (step S11). Then, the process proceeds to step S3.
  • step S10 If it is determined in step S10 that the charging voltage has increased to the maximum value, the number of integrations is increased by one (step S12).
  • the output level of the operational amplifier OP_i after increasing the number of integrations by 1 is checked (step S13), and the number of integrations is sequentially increased until the output level of the operational amplifier OP_i becomes sufficient.
  • step S14 if the output of the operational amplifier OP_i is not saturated (step S14), the setting process is completed, but when the output of the operational amplifier OP_i is saturated, the charging voltage is reduced by half. (Step S15) 2 and the process proceeds to step S3.
  • the charging amount is set too high, and the amount of charges that can be set by the capacitor arrays 21 and 31 is exceeded, so that the base charge amount canceling value can be set without being cancelled. Can be set.
  • the number of integrations while sequentially increasing it is possible to perform processing with the minimum number of integrations, and the measurement time can be kept short. In this way, the size of the output level is optimized while increasing the size of the capacitor array in order to cancel the base charge amount as much as possible.
  • the setting procedure shown in FIG. 7 is an example, and other methods that can cancel the base charge amount as much as possible and optimally adjust the output level may be used.
  • Such setting is performed after being assembled in an environment where the capacitance detection circuit is used, so that the base charge amount can be canceled accurately. Also, if the base capacitance changes depending on the environment in which the device is placed, such as when the capacitance detection circuit is mounted on a very small portable device, only reset the cancellation value of the base charge amount immediately before use ( It is also possible to perform S4 to S7) as calibration.
  • the charge amount corresponding to the base charge amount irrelevant to the presence or absence of the finger out of the charge amount charged in the detected capacitor Cx is extracted by the base charge amount cancellation mechanism 15 and Since the charge amount from which the charge amount has been extracted is converted into a voltage by the charge amplifier 13, by canceling apparently a large fixed component included in the detected capacitance Cx, the base capacitance of the sensor is very large and depends on the presence or absence of a finger The required output level can be obtained even with a sensor having a small difference in capacitance.
  • the base charge amount cancellation mechanism 15 has an adjustment function for generating a charge amount equivalent to the charge amount corresponding to the fixed component of the sensor. Even when the sizes of the fixed capacitors are different, the cancel charge amount can be set in accordance with the size, and a necessary output level can always be obtained.
  • a small change in sensor capacitance can be achieved by repeatedly performing a sequence including a charging step followed by one or more base capacitance cancellation steps and a charge transfer step to the charge amplifier. It can be efficiently converted into a required level of voltage and output.
  • the charge amplifier output voltage is converted into a digital value by the AD converter 16 connected to the subsequent stage of the charge amplifier 13, but the comparator and the output of the comparator are connected to the downstream of the charge amplifier 13 via the delay element.
  • a configuration may be adopted in which a ⁇ type AD converter is realized by converting the amount of charge into a charge amplifier 13 and feeding it back to the input of the charge amplifier 13.
  • FIG. 8 is a view showing a modification in which a ⁇ type AD converter is realized in the subsequent stage of the charge amplifier 13.
  • the digital filter 17 configured by a logic circuit is provided to multi-bit the 0 and 1 bit streams, thereby allowing a ⁇ AD converter to Realized.
  • a feedback mechanism is provided so that a constant charge is subtracted from the output of the comparator CMP_ad via a delay element D by a charge generation mechanism including a capacitor C_fb, a switch SW_fr, and a constant voltage source V_th, and a primary ⁇ AD converter works as.
  • C_fb is a capacitor array
  • constant voltage source V_th is the same as the range adjustment mechanism 12 included in the charging mechanism 11 so that the size of the capacitance C_fb and the size of V_th can be set with the necessary resolution. It is realized with the configuration.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic configuration example of a capacitive sensor module that performs proximity detection of a human finger.
  • the capacitance sensor module shown in the figure includes a sensor unit 20, a capacitance detection circuit 22, and a control unit 23.
  • the capacitance sensor module converts a physical quantity of capacitance into an electric signal and sends it to the host 24 side.
  • the control unit 23 is configured by hardware or software and includes a signal noise removal function.
  • Cx The capacitance when the sensor unit 20 is viewed from the capacitance detection circuit 22 is defined as Cx.
  • the capacitance between the sensor unit 20 and the ground is the capacitance Cb between the sensor electrode and the circuit to the sensor electrode and the ground, and the capacitance between the electrode of the sensor unit 20 and the finger is Cf
  • Cx Cb + (Cf ⁇ Cbd) / (Cf + Cbd) Since Cf ⁇ Cbd in the second term on the right side, the actual right side is Cb + Cf.
  • FIG. 10 shows an example in which electrostatic switches (capacitance sensors) are arranged in the image frame portion of the LCD module.
  • the LCD module is usually made of a metal chassis 31 and grounded for noise countermeasures.
  • the operation part of the electrostatic switch (sensor unit 20) arranged in the image frame part of the LCD module must be thinned.
  • the sensor unit 20 is arranged to be attached to the chassis 31.
  • the distance between the sensor unit 20 and the ground is 1 mm or less, and the size of Cb is as large as several tens of pF, while Cf is 0.1 pF or less. Considering this, the necessary sensitivity and dynamic range may not be obtained.
  • the base charge amount cancellation mechanism 15 efficiently excludes Cb as the base charge amount from the detection target, and repeats the base charge amount cancellation and voltage conversion steps (number of integrations). The necessary sensitivity can be obtained.
  • FIG. 11 shows a comparison result of comparing output values between the present embodiment and the conventional method with the same configuration of the sensor unit.
  • the dynamic range could not be obtained due to the base capacitance of 15 pF and the capacitance change of 0.1 pF, and measurement was impossible, but this method of the measurement was possible. Overall, the dynamic range was more than twice that of the conventional method.
  • the present invention can be applied to a proximity capacitance detection circuit and a capacitance sensor module that require detection of a very small capacitance.

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

　センサ容量の固定容量成分が大きくてもその影響を排除して微小な静電容量を検出でき、センサ容量の変化が小さくても高い検出感度を実現すること。被検出容量Ｃｘを充電する充電機構（１１）と、被検出容量Ｃｘに充電された電荷量のうち転送されてきた電荷量を電圧に変換するチャージアンプ（１３）と、被検出容量Ｃｘに充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を、チャージアンプ（１３）へ転送する過程で引き抜くベース電荷量キャンセル機構（１５）とを具備した近接容量検出回路である。充電機構（１１）は、被検出容量Ｃｘに電荷を与えるための定電圧を調整するレンジ調整機構（１２）を備え、ベース電荷量キャンセル機構（１５）は、固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能なコンデンサアレイ（２１）を備える。

Description

近接容量検出回路及び容量センサモジュール
　本発明は、指の近接などによる微小な静電容量の変化を検出する近接容量検出回路及び容量センサモジュールに関する。
　従来、未知のセンサ容量を充電し、その電荷量を別な固定容量素子に転送しながらその電圧をモニターしてセンサ容量の変化を検出する回路がある（例えば、特許文献１参照）。図１２は特許文献１に記載の近接容量検出回路の回路図である。Ｃｘが指とその他の寄生容量を含むセンサ容量であり、Ｃｓは実際に電圧を計測する固定容量素子である。最初にスイッチＳＷ１とＳＷ２をともにＯＦＦ、スイッチＳＷ３をＯＮにすることにより固定容量素子Ｃｓの電荷量をリセットする。次に全てのスイッチＳＷ１、２、３をすべてＯＦＦにした後、スイッチＳＷ１をＯＮすると共に他のスイッチＳＷ２、３をＯＦＦし、センサ容量Ｃｘへ電源電圧Ｖｄｄまで充電する。その後、再度全てのスイッチＳＷ１、２、３をすべてＯＦＦにした後、スイッチＳＷ２をＯＮすると共に他のスイッチＳＷ１、３をＯＦＦして、センサ容量Ｃｘの電荷量を固定容量素子Ｃｓへ転送する。そのときの固定容量素子Ｃｓへ転送される電荷量は転送前のセンサ容量Ｃｓの電荷量に応じて電圧が平衡になる条件で決まる。センサ容量Ｃｓの電荷をリセットせずにスイッチＳＷ１、ＳＷ２を交互にＯＮする充電シーケンスを繰り返すと、固定容量素子Ｃｓの電圧Ｖｓは図１３のように上昇していくことになる。
　そこで、指の有無（タッチ／非タッチ）によるセンサ容量Ｃｘの大きさの違いを判別するために、計測された電圧Ｖｓに対して比較電圧Ｖｒｅｆを図１４のように設定する。指があるときのセンサ容量Ｃｘ（１１ｐＦ）と無いときのセンサ容量Ｃｘ（１０ｐＦ）とで電圧Ｖｓの上昇時間が異なり、比較電圧Ｖｒｅｆとの交点が異なる。そこで、比較電圧Ｖｒｅｆを超えたときの充電シーケンスの回数Ｔの違いとして、指の有無（タッチ／非タッチ）によるセンサ容量Ｃｘの大きさの違いを判別できる。電圧Ｖｓを式で表すと以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この場合、指の有無による比較電圧Ｖｒｅｆを超えるのに必要な充電シーケンス回数はほぼセンサ容量Ｃｘの大きさに比例し、指の有無で１０％の違いがあったとして比較電圧Ｖｒｅｆを超える充電シーケンスの回数の差も１０％程度となる。
　ところで、近年タッチセンサの用途として携帯電話、フラットパネルＴＶなどへも広がってきている。これらの用途では、グラウンドに接地したシールド板や筐体フレームに近接した場所を、センサの設置場所とすることが求められている。その条件においてはセンサの容量はグラウンドに対する固定的な接地容量（ベース容量）の割合が非常に大きくなり、センサ容量Ｃｘの指の有無による差が数％まで低下してしまうときがある。さらにデザイン重視の要求からセンサ電極上面に厚さ５ｍｍ以上のカバープレートもしくは筐体樹脂を覆いかぶせるニーズもあり、かかる場合にはセンサ容量Ｃｘの指の有無による差の比率が更に小さくなる傾向にある。
　したがって、図１２の従来例においては固定容量素子Ｃｓを大きくして、指の有無の差による比較電圧Ｖｒｅｆを超える充電シーケンスの回数の差を稼ぐ必要があるが、そうすると全体の充電シーケンス回数が非常に大きくなってしまうという問題点があった。
　また、固定容量素子に充電した電荷量をセンサ容量によって放電させながらセンサ容量の電圧を固定電圧と比較することでセンサの容量の変化を検出するセンサ容量検出回路がある（例えば、特許文献２参照）。図１５は特許文献２記載のセンサ容量検出回路の回路図である。固定容量素子ＣａとＣａを抵抗を介して充放電させるためのスイッチＳＷ１、ＳＷ２とセンサ容量ＣｘとＣａの放電後の電荷をセンサ容量Ｃｘと固定容量素子Ｃｓに再分配するためにＣａとＣｓを直列接続し、Ｃａ及びＣｓの電荷をリセットするためのスイッチＳＷ３が設けてある。その最初にスイッチＳＷ１をＯＮすると共に他のスイッチＳＷ２、３をＯＦＦし、一方の固定容量素子Ｃａを電源電圧Ｖｄｄまで充電する。その後、全てのスイッチＳＷ１、２、３をすべてＯＦＦにした後、スイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をＯＮにして直列接続した固定容量素子Ｃｓ及びセンサ容量Ｃｘの電荷をリセットし、かつ一方の固定容量素子Ｃａの電荷を、放電抵抗Ｒを介してグランドに放電する。その後、全てのスイッチＳＷ１、２、３をＯＦＦにして、センサ容量Ｃｘの端子間電圧である電圧Ｖｘを計測する。固定容量素子Ｃａを放電するシーケンスを繰り返すことで、計測される電圧Ｖｘが図１６に示すような包絡線となる。電圧Ｖｘを比較電圧Ｖｒｅｆと比較しながら、一方の固定容量素子Ｃａを放電するシーケンスを繰り返し、図１７に示すように電圧Ｖｘが比較電圧Ｖｒｅｆより小さくなる放電シーケンス回数を計測する。放電シーケンス回数の違いにより、指の有無（タッチ／非タッチ）を判定する。この場合、Ｃａ、Ｃｓ、Ｖｒｅｆの大きさを適当に設定することで、全体の放電シーケンス回数Ｔを特許文献１の従来回路より短くすることが可能となる。
特表２００２－５３０６８０号公報 特開２００６－７８２９２号公報
　しかしながら、特許文献２記載のセンサ容量検出回路であっても、センサ容量Ｃｘのベース容量が大きくなることによる影響や、指の有無に対するセンサ容量Ｃｘの変化量が小さくなると放電シーケンス回数の差を大きくすることができず、検出感度に限界があった。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、センサ容量の固定容量成分が大きくてもその影響を排除して微小な静電容量を検出でき、センサ容量の変化が小さくても高い検出感度を実現可能な近接容量検出回路及び容量センサモジュールを提供することを目的とする。
　本発明の近接容量検出回路は、被検出容量を充電する充電機構と、前記被検出容量に充電された電荷量のうち転送されてきた電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、前記被検出容量に充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を、前記チャージアンプへ転送する過程で引き抜くベース電荷量キャンセル機構とを具備したことを特徴とする。
　また本発明の容量センサモジュールは、被検出体の有無により変化する被検出容量を有するセンサ部と、前記被検出容量を充電する充電機構と、前記被検出容量に充電された電荷量のうち転送されてきた電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、前記被検出容量に充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を、前記チャージアンプへ転送する過程で引き抜くベース電荷量キャンセル機構と、前記チャージアンプ出力に基づいて被検出体の有無に関する判定信号を出力する制御部とを具備したことを特徴とする。
　これらの構成によれば、被検出容量に充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を引き抜いた電荷量が、チャージアンプにおいて電圧に変換されるので、被検出体の有無に応じて変化する容量差を効率よく検出でき、センサ容量の固定容量成分が大きくてもその影響を排除して微小な静電容量を検出でき、センサ容量の変化が小さくても高い検出感度を実現可能である。
　上記近接容量検出回路において、前記充電機構は、前記被検出容量に電荷を与えるための定電圧を調整するレンジ調整機構を備えた構成とすることができる。このような構成によれば、被検出容量の絶対値、被検出体の有無（例えばタッチ／非タッチ）での容量差の大きさなどに応じて、充電機構から被検出容量に与える電荷を適宜設定できる。
　また上記近接容量検出回路において、前記ベース電荷量キャンセル機構は、前記固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構を備えた構成とすることができる。このような構成によれば、機器への組み付け後に容量センサの固定容量成分に対応する電荷量にあわせて引き抜き電荷量を調整することにより、センサ容量の固定容量成分の影響をより正確に排除することができ、検出感度をさらに高めることができる。
　また、前記レンジ調整機構によって調整された充電電圧において発生する固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構を備えた構成とすることができる。このような構成によれば、必要な感度を得るために充電電圧を変化させた場合にベース電荷量が変わっても、正確に固定容量成分を除去することができる。
　また、前記容量調整機構は、異なる容量を持つ複数のコンデンサが接離可能に組み合わされたコンデンサアレイを用いることができる。このような構成によれば、前記固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を正確に設定することが容易となり、センサ容量の固定容量成分の影響をさらに正確に排除することができ、検出感度をさらに高めることができる。
　また上記近接容量検出回路において、前記チャージアンプの後段にコンパレータを接続し、そのコンパレータの出力をディレイ素子を介して電荷量に変換し、前記チャージアンプの入力にフィードバックすることでΔΣ型のＡＤコンバータを構成しても良い。このような構成によれば、より簡単な回路の付加により取り扱いが容易で必要なダイナミックレンジをもったディジタルデータに変換が可能となる。
　本発明の近接容量検出方法は、上記近接容量検出回路を用いた近接容量検出方法であって、前記充電機構から前記被検出容量に充電する充電ステップと、前記被検出容量に充電された電荷量を前記チャージアンプへ電荷転送すると共にその過程で固定電荷量に対応する電荷量を引き抜く１回又は複数回の電荷転送及び固定電荷キャンセルステップを1組とするシーケンスを繰り返し行うことを特徴とする。
　この構成によれば、被検出体の有無による容量差が非常に小さな場合においても必要な出力レベルが確保できる。
　本発明によれば、センサ容量の固定容量成分が大きくてもその影響を排除して微小な静電容量を検出でき、センサ容量の変化が小さくても高い検出感度を実現できる。
本発明の一実施の形態に係る近接容量検出回路のブロック図 一実施の形態における充電機構の構成図 一実施の形態におけるベース電荷量キャンセル機構の構成図 一実施の形態におけるベース電荷量キャンセル機構の他の構成例を示す図 一実施の形態におけるチャージアンプの構成図 一実施の形態における一連の動作シーケンスを表したタイミングチャート 充電電圧やベース電荷量のキャンセルを行うためのコンデンサアレイの大きさの設定手順を示すフローチャート チャージアンプの後段にΔΣ型のＡＤコンバータを実現した変形例を示す図 人の指の近接検知を行う容量センサモジュールの概略的な構成例を示す図 ＬＣＤモジュールの画枠部分に静電スイッチを配置した図 実施の形態方式と従来方式での出力値を比較した比較結果を示す図 特許文献１に記載の近接容量検出回路の回路図 充電シーケンスを繰り返した際の固定容量素子Ｃｓの電圧Ｖｓ上昇を示す図 タッチ／非タッチによるセンサ容量Ｃｘの違いを判別するための比較電圧Ｖｒｅｆの設定例を示す図 特許文献２記載のセンサ容量検出回路の回路図 固定容量素子Ｃａを放電するシーケンスを繰り返した際の電圧Ｖｘの包絡線図 電圧Ｖｘが比較電圧Ｖｒｅｆより小さくなる放電シーケンス回数を計測する様子を示す図
　以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明の一実施の形態に係る近接容量検出回路のブロック図である。
　センサ部分である被検出容量Ｃｘは充電機構１１に接続されており、充電機構１１は被検出容量Ｃｘに電荷を与えるために定電圧を出力する。被検出容量Ｃｘは、指の有無（タッチ／非タッチ）によっては変化しない固定容量成分を有する。充電機構１１の出力する定電圧の大きさは被検出容量Ｃｘの絶対値、指の有無（タッチ／非タッチ）での容量変化の大きさなどで適宜設定するためにレンジ調整機構１２を備える。被検出容量Ｃｘに蓄えられた電荷を検出するために、被検出容量Ｃｘの一方の端子はチャージアンプ１３の一方の入力端子に接続される。チャージアンプ１３はオペアンプ構成を有し、他方の入力端子に定電圧（Ｖ＿ｒｅｆ）を印加すると共にフィードバック機能により一方の入力端子は定電圧（Ｖ＿ｒｅｆ）にクランプしながら電荷量を電圧に変換して出力する。チャージアンプ１３の一方の入力端子に接続された被検出容量Ｃｘの一方の端子が検出ノード１４となる。検出ノード１４にベース電荷量キャンセル機構１５が接続される。ベース電荷量キャンセル機構１５は、検出ノード１４がＶ＿ｒｅｆにクランプされることを利用して、一定電荷量を検出ノード１４から引き抜く働きをする。チャージアンプ１３は被検出容量Ｃｘからベース電荷量キャンセル機構１５により一定電荷量を差し引かれた電荷量のみを電圧に変換して出力する。
　図２は充電機構１１の具体的な構成を示す図である。
　被検出容量Ｃｘを一定電圧となるように充電するための駆動アンプＡＭＰ＿ｄｒを備える。駆動アンプＡＭＰ＿ｄｒはオペアンプで構成され、その入力にはいくつかの電圧が選択できるよう抵抗ラダーＶＲ＿ｄｒで構成されたＤＡＣ（デジタル－アナログコンバータ）を備える。また必要に応じて容量負荷を駆動するときに安定性を確保するため、ダンピング抵抗Ｒ＿ｄｒを駆動アンプＡＭＰ＿ｄｒの出力に付加している。被検出容量Ｃｘを充電するタイミングにおいてスイッチＳＷ＿ｖｄまたはＳＷ＿ｄｒのどちらかがＯＮする。スイッチＳＷ＿ｖｄは電源電圧Ｖｄｄのレベルまで被検出容量Ｃｘを充電する必要がある場合に駆動アンプＡＭＰ＿ｄｒを介さずに被検出容量Ｃｘを駆動するためのものである。スイッチＳＷ＿ｄｒは抵抗ラダーＶＲ＿ｄｒにより設定した所望の電圧レベルに被検出容量Ｃｘを充電する必要がある場合に駆動アンプＡＭＰ＿ｄｒを介して被検出容量Ｃｘを駆動するためのものである。また充電電圧を設定するＤＡＣを抵抗ラダーで実現する場合、余分な消費電流を削減するために必要な時間のみＯＮするスイッチＳＷ＿ｄｅを備える。充電電圧は高いほど検出感度が高まるが、キャンセルしなければならないベース電荷量も増大するため、状況に応じて設定する。
　図３はベース電荷量キャンセル機構１５の具体的な構成を示す図である。
　ベース電荷量キャンセル機構１５は、レンジ調整機構１２によって調整された充電電圧において発生する固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構をコンデンサアレイ２１で構成している。コンデンサアレイ２１は、検出ノード１４に対して、スイッチＳＷ＿ｃｃを介して接続される。コンデンサアレイ２１は、並列接続された複数の容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）で構成されており、各容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）は各々対応するスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎによって検出ノード１４に対して接離可能に構成されている。
　ここで、被検出容量Ｃｘのうち、指の有無（タッチ／非タッチ）によっては変化しない固定容量成分をベース電荷量と呼ぶものとする。ベース電荷量に対応する引き抜き電荷量を設定するために、予め重み付けされた容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）を準備しておく。重み付けは通常２nで行い、Ｃ－ＤＡＣと同様の原理で容量が重み付けられる。重み付けされたコンデンサの数は想定されるベース電荷量を必要な精度でキャンセルするための分解能により決めることができる。キャンセルする電荷量（引き抜き電荷量）の大きさはＯＮするスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎの組み合わせで決定する。
　ベース電荷量の引き抜きを行う前に、ＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎ及びＳＷ＿ｃｒをＯＮにしてコンデンサアレイの電荷量を０にしておく。次に、電荷引き抜きタイミングにおいてスイッチＳＷ＿ｃｃをＯＮにする。そのとき、検出ノード１４はチャージアンプ１３のフィードバック機能によりＶ＿ｒｅｆにクランプされるので、引き抜かれる電荷量Ｑ＿ｃａｎｃｅｌは、次式で表わされる。
　　　Ｑ＿ｃａｎｃｅｌ＝Ｃ＿ｃａｎｃｅｌ×Ｖ＿ｒｅｆ
　Ｃ＿ｃａｎｃｅｌは、ＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎの設定で決まるコンデンサアレイ２１の容量値、Ｖ＿ｒｅｆは検出ノード１４のクランプ電圧である。結果的にＱ＿ｃａｎｃｅｌ分の電荷量を、被検出容量Ｃｘからコンデンサアレイ２１に移動させることにより、被検出容量Ｃｘに含まれるベース電荷量をキャンセルすることができる。
　このようなコンデンサアレイ２１により、機器への組み付け後に容量センサの固定容量成分に対応する電荷量にあわせて引き抜き電荷量を調整することにより、センサ容量の固定容量成分の影響をより正確に排除することができ、検出感度をさらに高めることができる。また、必要な感度を得るために充電電圧を変化させた場合に、ベース電荷量が変わっても、正確に固定容量成分を除去することができる。
　図４はベース電荷量キャンセル機構の他の構成例を示す図である。
　ベース電荷量キャンセル機構を構成するコンデンサアレイの占有面積を縮小（効率化）できるようにしている。コンデンサアレイ３１は、並列接続された複数の容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）で構成されており、各容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）は一方の端子が各々対応するスイッチＳＷ＿ｃｐ１・・ＳＷ＿ｃｐｎによって検出ノード１４に接続されると共に、スイッチＳＷ＿ｐｒ１・・ＳＷ＿ｐｒｎによってグラウンドに接続されている。また、各容量（Ｃ＿ｃ１、Ｃ＿ｃ２・・）は他方の端子が各々対応するスイッチＳＷ＿ｃｎ１・・ＳＷ＿ｃｎｎによってグラウンドに接続されると共に、スイッチＳＷ＿ｎｒ１・・ＳＷ＿ｎｒｎによって定電圧Ｖｄｄが印加されるようにしている。
　各容量Ｃ＿ｃ１・・Ｃ＿ｃｎは必要な大きさ、分解能の数だけ準備され重み付けされるものとし、キャンセルに必要な容量を形成するため、スイッチＳＷ＿ｃｎ１・・ＳＷ＿ｃｎｎおよびＳＷ＿ｃｐ１・・ＳＷ＿ｃｐｎのなかのいくつかの組が選択され検出ノード１４と接続される。図３に示すベース電荷量キャンセル機構と異なる点は、電荷の引き抜きを行う前にコンデンサアレイ３１の電荷を、０にするのではなく、負の電荷をプリチャージする点である。実際には選択された容量Ｃ＿ｃ１・・Ｃ＿ｃｎに対応したスイッチＳＷ＿ｐｒ１・・ＳＷ＿ｐｒｎとＳＷ＿ｎｒ１・・ＳＷ＿ｎｒｎをＯＮして定電圧Ｖｄｄを使って逆向きにプリチャージを行う。容量Ｃ＿ｃ１・・Ｃ＿ｃｎを逆向きにプリチャージする定電圧ＶｄｄがＶ＿ｒｅｆより高い電圧であれば、容量Ｃ＿ｃ１・・Ｃ＿ｃｎの印加電圧が高くなるので、蓄積される電荷量を増大できることになる。
　このように、Ｖ＿ｒｅｆより高い電圧である定電圧Ｖｄｄで、容量Ｃ＿ｃ１・・Ｃ＿ｃｎに対して逆向きにプリチャージを行うことで、コンデンサアレイ３１に、Ｑ＿ｃａｎｃｅｌより大きく、かつ、極性が逆となる電荷が充電されることになる。その後、プリチャージのためのスイッチＳＷをすべてＯＦＦにした後に、スイッチＳＷ＿ｃｃをＯＮすることで２倍以上のＱ＿ｃａｎｃｅｌ分の電荷を引き抜くことができる。
　したがって、図３に示すコンデンサアレイ２１と同一面積であれば、２倍以上のベース電荷量を引き抜くことも可能である。また、図３に示す最大の電荷引き抜き量が同一であれば、図３に示すベース電荷量キャンセル機構の半分の大きさで、コンデンサアレイ３１を実現できることになる。また、図４に示す他の構成例でも図３に示す構成とまったく同じ動作が可能なので、分解能が必要な場合と引き抜き電荷量を大きくとりたい場合とで動作を切り替えることも可能となる。
　更に、ベース電荷量キャンセル機構を動作させるステップは、１回の充電ステップで複数回行うことも可能であり、複数回行うことでコンデンサアレイの縮小もしくはキャンセル電荷量範囲の拡大を行うことができる。
　図５はチャージアンプ１３の構成を示す図である。
　チャージアンプ１３は、オペアンプＯＰ＿ｉで構成されている。オペアンプＯＰ＿ｉの＋入力端には基準電位となる定電圧Ｖ＿ｒｅｆが印加され、－入力端にはスイッチＳＷ＿ｔを介して検出ノード１４が接続される。オペアンプＯＰ＿ｉの出力端子はコンデンサＣ＿ｉを介して－入力端に接続されている。コンデンサＣ＿ｉの両端間にはリセット用のスイッチＳＷ＿ｉが接続されている。
　チャージアンプ１３では、被検出容量Ｃｘから電荷を吸収する前に、スイッチＳＷ＿ｉをＯＮしてコンデンサＣ＿ｉの電荷をリセットし、その後、充電ステップが完了した後にスイッチＳＷ＿ｔをＯＮして－入力端と検出ノード１４とを接続する。
　このとき、オペアンプＯＰ＿ｉは－入力端が＋入力端と同じ電位Ｖ＿ｒｅｆとなるようにコンデンサＣ＿ｉを介してフィードバックをかけながら電位出力を行う。検出ノード１４がＶ＿ｒｅｆにクランプされるので、同時に電荷キャンセル動作をベース電荷量キャンセル機構１５により行う。
　図６は本実施の形態に係る近接容量検出回路における一連の動作シーケンスを表したタイミングチャートである。同図に示す例は、ベース電荷量キャンセルステップを１回の充電ステップに対して２回行った例であり、この回数はベース電荷量の大きさにより適宜最適な回数が設定される。また被検出容量Ｃｘに充電された電荷量からベース電荷量を引き抜いた後の電圧はＶ＿ｉとして出力されるが、この電圧のレンジが小さい場合には充電ステップとそれに続くベース電荷量キャンセル動作及び電圧変換のステップ（積分回数）を複数回実施してコンデンサＣ＿ｉに電荷量を累積させることで必要な出力電圧を確保することができる。
　被検出容量Ｃｘを充電するタイミングの直前にリセットタイミングを設けている。リセットタイミングにおいて、チャージアンプ１３のスイッチＳＷ＿ｉをＯＮしてコンデンサＣ＿ｉの電荷をリセットする。
　次に、充電タイミングにおいて、スイッチＳＷ＿ｖｄまたはＳＷ＿ｄｒのどちらかをＯＮする。被検出容量Ｃｘを電源電圧Ｖｄｄのレベルまで充電する場合は、スイッチＳＷ＿ｖｄをＯＮ、スイッチＳＷ＿ｄｒをＯＦＦとする。また、被検出容量Ｃｘを抵抗ラダーＶＲ＿ｄｒにより電源電圧Ｖｄｄよりも低い所望の電圧レベルに充電する場合は、スイッチＳＷ＿ｖｄをＯＦＦ、スイッチＳＷ＿ｄｒ及びＳＷ＿ｄｅをＯＮとする。被検出容量Ｃｘの充電開始とともに検出ノード１４の電圧が上昇し、電源電圧Ｖｄｄのレベル又は抵抗ラダーＶＲ＿ｄｒによる設定電圧のレベルまで昇圧したところで飽和する。
　次に、被検出容量Ｃｘに充電した電荷をチャージアンプ１３へ転送する過程でベース電荷量をキャンセルすると共に、ベース電荷量をキャンセルした被検出容量Ｃｘに対応する電荷量を電圧に変換する。そのため、充電が終了すると、スイッチＳＷ＿ｖｄ（又はＳＷ＿ｄｒ）をＯＦＦして被検出容量Ｃｘを電源電圧から切り離す。そして、検出ノード１４に設けられたスイッチＳＷ＿ｔをＯＮにして被検出容量Ｃｘに充電した電荷をチャージアンプ１３へ転送する。
　電荷転送タイミングの直前に、ベース電荷量キャンセル機構１５におけるスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎ及びＳＷ＿ｃｒをＯＮにしてコンデンサアレイ２１の電荷量を０にする。電荷転送開始直後に開始される電荷引き抜きタイミングでは、スイッチＳＷ＿ｃｒをＯＦＦ、スイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎ及びＳＷ＿ｃｃをＯＮにする。このとき、ベース電荷量キャンセル機構１５において被検出容量Ｃｘの転送電荷からキャンセルするベース電荷量に対応して予めコンデンサが選択されており、選択されたコンデンサのスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎだけをＯＮすることになる。
　検出ノード１４を転送される被検出容量Ｃｘの充電電荷のうち、ベース電荷量がベース電荷量キャンセル機構１５に引き抜かれてコンデンサアレイ２１に充電される。この結果、チャージアンプ１３へはベース電荷量の引き抜かれた電荷だけが転送される。被検出容量Ｃｘの電荷転送に伴い検出ノード１４の電圧はチャージアンプ１３でクランプされた定電圧Ｖ＿ｒｅｆまで降圧する。図６に示すように、１回の電荷転送シーケンスにおいて、ベース電荷量キャンセル機構１５による電荷引き抜きを２回実施している。そのため、電荷転送期間中に、キャンセルする電荷量に対応させたスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎのいずれかはＯＮのまま、スイッチＳＷ＿ｃｃをＯＦＦ、スイッチＳＷ＿ｃｒをＯＮにしてコンデンサアレイ２１をリセットする。さらに、キャンセルする電荷量に対応させたスイッチＳＷ＿ｃ１・・ＳＷ＿ｃｎのいずれかはＯＮのまま、スイッチＳＷ＿ｃｒをＯＦＦ、スイッチＳＷ＿ｃｃをＯＮにする。
　被検出容量Ｃｘに充電された電荷量からベース電荷量を引き抜いた後の電圧はＶ＿ｉとして出力されるが、この電圧のレンジが小さい場合には充電ステップとそれに続くベース電荷量キャンセル動作及び電圧変換のステップ（積分回数）を複数回実施してコンデンサＣ＿ｉに電荷量を累積させる。
　図７は、充電電圧やベース電荷量のキャンセルを行うためのコンデンサアレイの大きさ（ベース電荷量キャンセル値）の設定手順を示すフローチャートである。まず、積分回数（充電ステップとそれに続くベース電荷量キャンセル動作及び電圧変換ステップの回数）を１回に設定する（ステップＳ１）。また、被検出容量Ｃｘの充電電圧を最小値に設定し（ステップＳ２）、容量センサを指無しの状態（非タッチ）に設定し（ステップＳ３）、ベース電荷量キャンセル機構１５におけるベース電荷量キャンセル値を最小値に設定する（ステップＳ４）。
　このような条件のもとでオペアンプＯＰ＿ｉの出力とオペアンプＯＰ＿ｉの＋入力端子の定電圧Ｖ＿ｒｅｆとを比較する（ステップＳ５）。ＯＰ＿ｉ出力＞Ｖ＿ｒｅｆとなるまで、ベース電荷量キャンセル機構１５におけるベース電荷量キャンセル値を１ステップずつ大きくする（ステップＳ６）。
　オペアンプＯＰ＿ｉの出力がＶ＿ｒｅｆよりも大きくなったところで、ベース電荷量キャンセル値を１つ小さい値に設定し（ステップＳ７）、容量センサに指を模した物体を近づけるなどして指なしの状態から指ありの状態（タッチ）に設定する（ステップＳ８）。このときのオペアンプＯＰ＿ｉの出力レベルが十分な精度を得られるものであれば（ステップＳ９）、設定完了する。一方、オペアンプＯＰ＿ｉの出力レベルが十分でない場合は（ステップＳ９）、充電電圧が状態をチェックして最大値でなければ（ステップＳ１０）、充電電圧を１つ大きな値に設定して（ステップＳ１１）、上記ステップＳ３の処理へ移行する。ステップＳ１０の判定で充電電圧が最大値まで上げていることが判明した場合は、積分回数を１つ大きくする（ステップＳ１２）。積分回数を１回増加した後のオペアンプＯＰ＿ｉの出力レベルをチェックし（ステップＳ１３）、オペアンプＯＰ＿ｉの出力レベルが十分となるまで積分回数を順次増加させる。オペアンプＯＰ＿ｉの出力が十分な出力レベルとなったところで、オペアンプＯＰ＿ｉの出力が飽和していなければ（ステップＳ１４）、設定処理を完了するが、オペアンプＯＰ＿ｉ出力が飽和した場合には、充電電圧を半分に再設定して（ステップＳ１５）２、上記ステップＳ３へ移行する。
　このように充電電圧を順次上げながら設定を行うことにより、充電電圧を高くしすぎることによってコンデンサアレイ２１、３１で設定可能な電荷量を上回ってしまいキャンセル不能となることなくベース電荷量キャンセル値を設定することができる。また、積分回数を順次上げながら設定することにより、必要最低限の積分回数で処理を行うことが可能となり、測定時間を短く保つことができる。このようにして、ベース電荷量をできるだけキャンセルするためにコンデンサアレイの大きさを大きくしながら、出力レベルの大きさを最適にする。ただし、図７に示す設定手順は一例であり、ベース電荷量をできるだけキャンセルし、出力レベルを最適に調整できる他の方法を用いてもよい。このような設定は、容量検出回路を使用する環境に組み付けてから行うことにより、正確にベース電荷量をキャンセルすることができる。また、容量検出回路を非常に小型の携帯機器などに搭載した場合など、機器が置かれた環境によってベース容量が変化する場合には、使用する直前にベース電荷量のキャンセル値の再設定のみ（Ｓ４～Ｓ７）をキャリブレーションとして行うことも可能である。
　以上のように本実施の形態によれば、被検出容量Ｃｘに充電された電荷量のうち指の有無に関係の無いベース電荷量に対応する電荷量をベース電荷量キャンセル機構１５で引き抜き、ベース電荷量が引き抜かれた電荷量をチャージアンプ１３で電圧に変換するので、被検出容量Ｃｘに含まれる大きな固定成分を見かけ上キャンセルすることで、センサのベース容量が非常に大きくかつ指の有無による容量の差が小さなセンサでも必要な出力レベルを得ることができる。
　また、本実施の形態によれば、ベース電荷量キャンセル機構１５はセンサの固定成分に対応する電荷量と同等の電荷量を発生させるための調整機能を備えたので、センサの配置場所の違いにより固定容量の大きさが異なる場合でも、その大きさに合わせたキャンセル電荷量を設定することができ、常に必要な出力レベルを得ることができる。
　また、本実施の形態によれば、充電ステップおよびそれに続く１回もしくは複数回のベース容量キャンセルステップおよびチャージアンプへの電荷転送ステップを１組とするシーケンスを繰り返し行うことで、少ないセンサ容量変化を効率よく必要なレベルの電圧に変換して出力することができる。
　なお、以上の説明では、チャージアンプ１３の後段に接続したＡＤコンバータ１６でチャージアンプ出力電圧をデジタル値に変換しているが、チャージアンプ１３の後段にコンパレータとコンパレータの出力をディレイ素子を介して電荷量に変換し、チャージアンプ１３の入力にフィードバックする構成とすることで、ΔΣ型のＡＤコンバータを実現する構成としても良い。
　図８はチャージアンプ１３の後段にΔΣ型のＡＤコンバータを実現した変形例を示す図である。オペアンプＯＰ＿ｉの出力をコンパレータＣＭＰ＿ａｄにより０、１の信号に変換した後、ロジック回路で構成されたディジタルフィルタ１７を備えて０、１のビットストリームを多ビット化することにより、ΔΣ型のＡＤコンバータを実現している。
　この場合、コンパレータＣＭＰ＿ａｄの出力をディレイ素子Ｄを介して容量Ｃ＿ｆｂ、スイッチＳＷ＿ｆｒ、定電圧源Ｖ＿ｔｈで構成された電荷発生機構により一定電荷を差し引く様にフィードバック機構を備え、1次のΔΣ型ＡＤコンバータとして動作する。出力のダイナミックレンジを最適にするため、容量Ｃ＿ｆｂの大きさとＶ＿ｔｈの大きさは必要な分解能で設定できるようにＣ＿ｆｂはコンデンサアレイ、定電圧源Ｖ＿ｔｈは充電機構１１に含まれるレンジ調整機構１２と同様の構成で実現する。
　次に、以上のように構成された近接容量検出回路が適用された容量センサモジュールについて説明する。
　図９は人の指の近接検知を行う容量センサモジュールの概略的な構成例を示す図である。
　同図に示す容量センサモジュールは、センサ部２０、容量検出回路２２と、制御部２３とからなり、静電容量の物理量を電気信号に変換してホスト２４側に送出する。制御部２３はハードウェアもしくはソフトウェアから構成され、信号のノイズ除去機能も含まれる。
　容量検出回路２２からセンサ部２０を見たときの静電容量の大きさをＣｘとする。このとき、センサ部２０と接地との静電容量は、センサ電極および回路から当該センサ電極までの配線と接地との容量Ｃｂとなり、センサ部２０の電極と指と間の静電容量をＣｆ、人体と接地との静電容量をＣｂｄとすると、以下の関係式で表わされる。
　　　Ｃｘ＝Ｃｂ＋（Ｃｆ×Ｃｂｄ）／（Ｃｆ＋Ｃｂｄ）
右辺の第2項ではＣｆ＜＜Ｃｂｄなので実質右辺はＣｂ＋Ｃｆとなる。
　ここで、センサ部２０に指が近接する場合、Ｃｆが存在することになるが、指が無い場合はＣｂのみが検出される。たとえば、容量センサモジュールを静電スイッチとして使う場合、静電スイッチがＬＣＤモニタの周辺に設置される。図１０にＬＣＤモジュールの画枠部分に静電スイッチ（容量センサ）を配置した例を示す。ＬＣＤモジュールは通常金属のシャーシ３１で筐体ができており、かつノイズ対策のため接地されている。ＬＣＤモニタの薄型化に対応して、ＬＣＤモジュールの画枠部分に配置する静電スイッチ（センサ部２０）の操作部分も薄型化が必須となる。図１０に示すように、センサ部２０をシャーシ３１に貼り付けるように配置することになる。そのため、センサ部２０と接地との距離が１ｍｍ以下となり、Ｃｂの大きさが数１０ｐＦと大きくなる一方、Ｃｆが０．１ｐＦ以下となる場合も想定される。このことを考えると必要な感度、ダイナミックレンジが得られない可能性がある。
　そこで、上述した近接容量検出回路を用いてベース電荷量キャンセル機構１５でベース電荷量となるＣｂを効率的に検出対象から排除すると共に、ベース電荷量キャンセル及び電圧変換のステップ（積分回数）を繰り返すことで必要な感度を得ることができる。
　次に、本実施の形態方式と従来方式での出力値の比較例について説明する。
　図１１はセンサ部の構成を同じにして、本実施の形態方式と従来方式での出力値を比較した比較結果を示している。従来方式の場合にはベース容量１５ｐＦの場合および０．１ｐＦの静電容量変化ではダイナミックレンジがとれず計測不能であったが、本実施の形態方式では計測可能であった。全体的には従来方式に比べて２倍以上のダイナミックレンジが取れる結果となった。
　本発明は、非常に微小な静電容量の検出が要求される近接容量検出回路及び容量センサモジュールに適用可能である。
　本出願は、２００９年２月２０日出願の特願２００９－０３７９２５に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (9)

  1. 　被検出容量を充電する充電機構と、
    　前記被検出容量に充電された電荷量のうち転送されてきた電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、
    　前記被検出容量に充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を、前記チャージアンプへ転送する過程で引き抜くベース電荷量キャンセル機構と、
    を具備したことを特徴とする近接容量検出回路。
  2. 　前記充電機構は、前記被検出容量に電荷を与えるための定電圧を調整するレンジ調整機構を備えることを特徴とする請求項１記載の近接容量検出回路。
  3. 　前記ベース電荷量キャンセル機構は、前記固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の近接容量検出回路。
  4. 　前記ベース電荷量キャンセル機構は、前記レンジ調整機構によって調整された充電電圧において発生する前記固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構を備えたことを特徴とする請求項２記載の近接容量検出回路。
  5. 　前記容量調整機構は、異なる容量を持つ複数のコンデンサが接離可能に組み合わされたコンデンサアレイであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の近接容量検出回路。
  6. 　前記チャージアンプの後段に接続されたコンパレータの出力をディレイ素子を介して電荷量に変換し、前記チャージアンプの入力にフィードバックすることでΔΣ型のＡＤコンバータを構成したことを特徴とする請求項１記載の近接容量検出回路。
  7. 　請求項１記載の近接容量検出回路を用いた近接容量検出方法であって、
    　前記充電機構から前記被検出容量に充電する充電ステップと、前記被検出容量に充電された電荷量を前記チャージアンプへ電荷転送すると共にその過程で固定電荷量に対応する電荷量を引き抜く１回又は複数回の電荷転送及び固定電荷キャンセルステップを１組とするシーケンスを繰り返し行うことを特徴とする近接容量検出方法。
  8. 　被検出体の有無により変化する被検出容量を有するセンサ部と、
    　前記被検出容量を充電する充電機構と、
    　前記被検出容量に充電された電荷量のうち転送されてきた電荷量を電圧に変換するチャージアンプと、
    　前記被検出容量に充電された電荷量のうち被検出体の有無に関係なく固定的に存在する固定電荷量に対応する電荷量を、前記チャージアンプへ転送する過程で引き抜くベース電荷量キャンセル機構と、
    　前記チャージアンプ出力に基づいて被検出体の有無に関する判定信号を出力する制御部と、
    を具備したことを特徴とする容量センサモジュール。
  9. 　前記充電機構は、前記被検出容量に電荷を与えるための定電圧を調整するレンジ調整機構を備えており、
    　前記ベース電荷量キャンセル機構は、前記レンジ調整機構によって設定された充電電圧において発生する前記固定電荷量に対応する電荷量と同等の容量を設定可能な容量調整機構を備えていることを特徴とする請求項８記載の容量センサモジュール。
     
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