(57)【要約】本発明による静電容量検出方法は、静電容量検出板を介して感知される静電容量に応じて、発振器で時分割複数周波数が発振されるようにし、前記時分割複数発振周波数を所定の時間カウントすることで、ノイズによる発振周波数の増加と減少が互いに打ち消し合い、全体カウント時間ではカウント値が一定となるようにすることを特徴とする。本発明によれば、外部ノイズにより干渉が与えられても外部ノイズによる発振周波数の歪みが最小限に抑えられ、静電容量検出板の静電容量値のみが発振周波数変化の要素として取り込まれることとなる。したがって、静電容量変化を感知する時にノイズによるエラーを防止することが可能になる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量検出板を介して感知される静電容量によって、発振器で時分割複数周波数が発振されるようにし、前記時分割複数発振周波数を所定の時間カウントすることによってノイズによる発振周波数の増加及び減少が互いに打ち消し合わされて、全体カウント時間ではカウント値が一定となるようにすることを特徴とする静電容量感知方法。
【請求項２】
静電容量変化を感知する静電容量検出板と、
前記静電容量検出板の静電容量によって時分割複数発振周波数を出力する発振器と、
前記発振器からの時分割複数周波数を所定の時間カウントする周波数カウンタと、
前記周波数カウンタのカウント値と所定の基準カウント値との差である周波数変化を演算し、前記周波数変化が所定の感知レベルよりも大きい場合に感知信号を出力する比較演算手段と、
を備えることを特徴とする静電容量感知装置。
【請求項３】
前記時分割複数周波数ｆｏ１，ｆｏ２，…，ｆｏ(ｎ−１)、ｆｏ(ｎ)が、ｆｏ１＜ｆｏ２＜，…，＜ｆｏ(ｎ−１)＜ｆｏ(ｎ)であり、ｆｏ１の発生期間をｔｐ１、ｆｏ２の発生期間をｔｐ２、…、ｆｏ(ｎ)の発生期間をｔｐ(ｎ)とする時、ｔｐ１＞ｔｐ２＞、…、ｔｐ(ｎ−１)＞ｔｐ(ｎ)となるように前記発振器が発振することを特徴とする請求項１に記載の静電容量感知方法。
【請求項４】
（ｆｏ１＊ｔｐ１）＝（ｆｏ２＊ｔｐ２）＝、…、＝（ｆｏｎ＊ｔｐｎ）となるように前記発振器が発振することを特徴とする請求項３に記載の静電容量感知方法。
【請求項５】
前記時分割複数発振周波数は所定の発振時間発振され、一定期間止めてから再び発振することを特徴とする請求項１に記載の静電容量感知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量感知方法及び感知装置に関するもので、特に、時分割複数周波数を用いる静電容量感知方法及び感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量感知装置では、物体（例:人の指）が静電容量検出板に接近したり接触したりする時に、該接近物体と検出板との間に形成される静電容量の変化を検出し、該検出結果に基づいてスイッチング信号を発生させる。ここで、静電容量の変化は、発振周波数から感知される。すなわち、ある物体が静電容量検出板に接近すると物体と検出板との間には静電容量の変化が生じ、このような検出板の静電容量に従って発振器の発振周波数が変化し、この変化する発振周波数を周波数カウンタを用いてカウントし、その値をあらかじめ設定された基準カウント値と比較演算することで、物体の接触や接近に応じたスイッチング信号を発生する。
【０００３】
しかしながら、発振器の発振周波数の変化速度は、検出板に接近する物体により誘起する静電容量の変化だけでなく、突然印加される外部の無線ノイズによっても変化することができる。なお、発振器に連結される電源線に突然外部の電気的ノイズが印加される時にも発振器の発振周波数が変わることとなる。
【０００４】
図１〜図４は、従来の単一三角波発振器を説明するための図である。
【０００５】
図１は基準電流Ｉｓを発生する回路で、この基準電流Ｉｓは抵抗Ｒによって決定される。
【０００６】
図２は、充放電電流の方向を決定する回路で、Ｃｘに充電された電圧がＶｒｅｆ＋よりも大きいと、Ｖｒｅｆ−になるまで継続して放電が行われ、Ｖｒｅｆ−に達すると再び充電が始まる。このような過程を繰り返しつつ発振が行われる。ここで、Ｃｘは、静電容量検出板に形成されるキャパシタを指す。
【０００７】
図３は、図２のＣｘに充放電される電圧波形、及び電圧比較器Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａ及びフリップフロップＦＦを通過した充放電信号を示す図である。充放電される電圧波形は三角波形状として、充放電信号は矩形波形状として発振が行われる。発振周波数は、基準電流Ｉｓ、充放電基準電圧Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−、充放電開閉用スイッチＦＦの遅延、及び検出板の静電容量値Ｃｘによって変わる。
【０００８】
図４は、発振器の出力端を示す回路図である。基準電流Ｉｓと充電信号（ｈｉｇｈ電圧）が入力されるとトランジスタＭ９が導通し、基準電流Ｉｓが電流出力ポートから出力され、放電信号（ｌｏｗ電圧）が入力されると、トランジスタＭ９はオフされトランジスタＭ１１が導通し、基準電流Ｉｓが電流出力ポートを通じてアースに放電される。
【０００９】
発振器の発振周波数は、Ｉｓ／（２＊Ｖｔｈ＊Ｃｘ）と概略定義され、ここでＶｔｈ＝（Ｖｒｅｆ＋ − Ｖｒｅｆ−）／２である。したがって、発振器は、Ｃｘの値によって発振周波数が変化するように考案されるのが一般的である。しかし、外部の強いノイズが静電容量検出板に影響すると、発振周波数は外部ノイズの影響によって外部ノイズ周波数を追従する。
【００１０】
図５は、静電容量検出板のＣｘに外部ノイズが印加されるモデルを示す図である。外部ノイズが印加される度合は、仮想の寄生キャパシタＣｐとノイズの強度Ｖ１によって決定される。
【００１１】
図６は、外部ノイズＣｐ，Ｖ１によって発振器の発振周波数が歪む現象を説明するためのグラフで、発振周波数が３３ＭＨｚの場合に、外部ノイズを１ＭＨｚ〜６３ＭＨｚに変化させつつ正弦波形状としてＣｐを通じて印加した例を示す。
【００１２】
図６に示すように、発振周波数の歪みが、３３ＭＨｚから遠く離れた部分では非常に小さいが、３３ＭＨｚに接近するにつれて増加する。以降、３３ＭＨｚに非常に接近すると発振周波数は外部ノイズの成分を追従し、次第に歪みが小さくなる現象を示す。
【００１３】
上述したように、従来の単一三角波発振器は、外部ノイズにより発振周波数が大きく変化するため、純粋なＣｘの変化による発振周波数が得られず、静電容量検出にエラーが生じるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明が達成しようとする技術的課題は、外部ノイズによる発振周波数の偏差を最小化することによって、静電容量検出板のキャパシタ成分の変化のみを発振周波数変化の要素として取り込むようにし、静電容量変化検出のエラーを最小限に抑えることができる静電容量検出方法及び検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の技術的課題を達成するための本発明による静電容量検出方法は、静電容量検出板を介して感知される静電容量によって、発振器で時分割複数周波数が発振されるようにし、該時分割複数発振周波数を所定の時間カウントすることで、ノイズによる発振周波数の増加及び減少が互いに打ち消し合わされて、全体カウント時間ではカウント値が一定となるようにすることを特徴とする。
【００１６】
上記の技術的課題を達成するための本発明による静電容量検出装置は、静電容量変化を感知する静電容量検出板と、該静電容量検出板の静電容量によって、時分割複数発振周波数を出力する発振器と、該発振器からの時分割複数周波数を所定の時間カウントする周波数カウンタと、該周波数カウンタのカウント値と所定の基準カウント値との差である周波数変化を演算し、該周波数変化が所定の感知レベルよりも大きい場合に、感知信号を出力する比較演算手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上述した本発明によれば、外部ノイズにより干渉を受けても外部ノイズによる発振周波数の歪みが最小化されるため、静電容量検出板の静電容量値のみが発振周波数変化の要素として取り込まれ、したがって、静電容量変化を感知する時にノイズによるエラーを防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の単一三角波発振器を説明するための図である。
【図２】従来の単一三角波発振器を説明するための図である。
【図３】従来の単一三角波発振器を説明するための図である。
【図４】従来の単一三角波発振器を説明するための図である。
【図５】静電容量検出板のＣｘに外部ノイズＣｐ，Ｖ１が印加されるモデルを示す図である。
【図６】外部ノイズＣｐ，Ｖ１によって発振器の発振周波数が歪む現象を説明するためのグラフである。
【図７】本発明による静電容量検出方法を説明するためのグラフである。
【図８】発振周波数に対するノイズの影響を実測したオシロスコープ波形である。
【図９】本発明の実施例による静電容量検出装置を示す図である。
【図１０】図９の時分割複数周波数発振器２０から時分割複数周波数が出力されるようにするための内部回路の一例を示す図である。
【図１１】図９の時分割複数周波数発振器２０から時分割複数周波数が出力されるようにするための内部回路の他の例を示す図である。
【図１２】図１２ａは、図１０及び図１１の時分割スイッチオン／オフ信号発生部２１，２２で各スイッチトランジスタ（ＭｘＳ）を動作させるタイミング図であるり、図１２ｂは、図１２ａに示す動作状態に従う基準電流Ｉｓの増減を示すグラフである。
【図１３】図９の時分割複数周波数発振器２０で発生する出力電流が静電容量検出板１０に印加される電流波形を示す図である。
【図１４】図９の時分割複数周波数発振器２０から時分割複数周波数が出力されるようにするための内部回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施例を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。下記の実施例は本発明の理解を助けるために提示されたものに過ぎず、当分野における通常の知識を持つ者にとっては、本発明の技術的思想内で様々な変形実施が可能である。したがって、本発明の権利範囲が下記のような実施例に限定されるものと解釈されてはならない。
【００２０】
図７は、本発明による静電容量検出方法を説明するためのグラフで、１ＭＨｚ〜６３ＭＨｚ範囲で時分割された多数の三角波を発振し、３３ＭＨｚの外部ノイズがここに印加される例を示す。
【００２１】
図７に示すように、３３ＭＨｚよりやや低い周波数では、発振周波数がノイズ成分の周波数に従って増加し、３３ＭＨｚよりやや高い周波数では、発振周波数がノイズ成分の周波数に従って減少する。したがって、３３ＭＨｚよりやや低い周波数ではカウント数が速くなるし、３３ＭＨｚよりやや高い周波数ではカウント数が遅くなるから、前区間からすれば周波数カウント値に変化はない。
【００２２】
図８は、発振周波数に対するノイズの影響を実測したオシロスコープ波形である。具体的に、二つの時分割された発振周波数ｆ１（１．４０ＭＨｚ）、ｆ２（１．９６ＭＨｚ）とした時に、（ａ）はノイズがない場合で、（ｂ）は１．６５ＭＨｚのノイズが印加される場合である。
【００２３】
２０μｓ間の周波数カウント値、すなわち、矩形波である充放電信号を数えると、（ａ）において３２．４個、（ｂ）において３２．３個と、殆ど差がないということがわかる。これは、ノイズ周波数である１．６５ＭＨｚよりやや低い周波数では発振周波数が増加し、１．６５ＭＨｚよりやや高い周波数では発振周波数が減少し、全体としては周波数カウント値に変わりがなかったためである。
【００２４】
したがって、静電容量検出板を介して感知される静電容量によって発振器で時分割複数周波数が発振されるようにし、この時分割複数発振周波数を所定の時間カウントすると、ノイズによる発振周波数の増加及び減少が互いに打ち消し合わされ、全体カウント時間ではカウント値が一定となる。
【００２５】
ノイズが発振周波数の中央に位置しないと、ノイズ干渉による影響が完全に打ち消し合わない場合もあり得、このような場合を考慮して、発振周波数を細かく時分割し、周波数カウント時間を長くすることが好ましい。特に、発振周波数を、外部から与えられるノイズ帯域を含むような広い帯域にすることが好ましい。
【００２６】
しかし、発振周波数の帯域がその中央部に位置するノイズ周波数を必ずしも含むとは限らず、この場合、従来の単一周波数を使用すると、単一周波数とノイズ周波数が接近する時に単一周波数がノイズ周波数を追従するが、このような単一周波数の変化は全体の変化となるから、追従した分だけ誤差が出る。しかし、本発明によると、ノイズ周波数が発振周波数の帯域外に位置しても、ノイズ周波数に接近した発振周波数のみが主に影響を受けるから、発振周波数の誤差は、従来の単一周波数を用いる場合に比べて無視しても良い程になる。
【００２７】
図９は、本発明の実施例による静電容量検出装置を示す図である。静電容量検出板１０に物体が接近すると、物体と検出板１０間の静電容量Ｃｘ値に変化が生じる。発振器２０は、このような静電容量値によって時分割複数発振周波数ｆｏ１，ｆｏ２，ｆｏ３，…，ｆｏ(ｎ−１)、ｆｏ(ｎ)を出力する。ここで、ｎは２以上の値である。
【００２８】
周波数カウンタ３０は、発振器２０で発振される時分割複数発振周波数を、周波数発生期間Ｔカウントする。こうすると、外部ノイズにより周波数発生期間Ｔ中に干渉が起こっても、図７及び図８で説明した理由で、周波数カウント値Ｓに変わりはないこととなる。
【００２９】
時分割複数発振周波数ｆｏ１，ｆｏ２，ｆｏ３，…，ｆｏ(ｎ−１)、ｆｏ(ｎ)は、図１でトランジスタＭ２を制御したり抵抗Ｒを制御し、基準電流Ｉｓを時分割で増加させたり減少させたりすることによって得ても良く、図３でトランジスタＭ９及びＭ１１を制御することによって得ても良い。
【００３０】
図１０及び図１４は、図１のトランジスタＭ２を制御することによって図９の時分割複数周波数発振器２０から時分割複数周波数が出力されるようにするための内部回路の例を示す図である。そして、図１２ａは、図１０の時分割スイッチオン／オフ信号発生部２１で各スイッチトランジスタＭｘＳを動作させるタイミング図であり、図１２ｂは、それによる基準電流Ｉｓの増減を示すグラフである。図１３は、図９の時分割複数周波数発振器２０から発生する出力電流が静電容量検出板１０に印加される電流波形を示す図である。
【００３１】
図１０の時分割スイッチオン／オフ信号発生部２１で図１２のｔｐ１，ｔｐ２，ｔｐ３，…，ｔｐ(ｎ)の期間で各スイッチトランジスタＭ１Ｓ，Ｍ２Ｓ，Ｍ３Ｓ，…，ＭｎＳを順次に“オン”すると、基準電流Ｉｓは、図１２ｂに示すように段階的に増加する。この基準電流は、図４の回路に入力されて出力電流を生成する。すなわち、これは、図１３のような充電と放電電流を交互に発生させ、結局として、図９の静電容量検出板１０の静電容量値に基づく発振周波数が発生するようにする。
【００３２】
基準電流の増加によって発振周波数も増加するので、基準電流の各段階が増加しながら発振周波数は速くなり、よって、複数の基準電流の段階に該当する複数の発振周波数が生成される。このような複数の発振周波数をバースト形状（図１２において、ｔｐ１〜ｔｐ(ｎ)発生期間と次のｔｐ１〜ｔｐ(ｎ)発生期間との間に周波数発生のない区間をおく形状）で発生させ、回路の電力消耗を減らす。図１４は、スイッチトランジットＭｘＳを電流ミラー素子Ｍｓｘの上側に位置させ、ＭｘＳのソース端が印加電圧Ｖｃｃに連結される構造とすることによって、低い印加電圧におけるＭｘＳのスイッチ動作が容易となるようにした例である。
【００３３】
図１１は、図１の抵抗Ｒを制御することによって、図９の時分割複数周波数発振器２０から時分割複数周波数が出力されるようにするための内部回路の他の例を示す図である。
【００３４】
図１０と同様に、時分割スイッチオン／オフ信号発生部２２から発生する信号（図１２ａ）によってスイッチトランジスタＭ１Ｓ，Ｍ２Ｓ，Ｍ３Ｓ，…，ＭｎＳが順次に“オン”されると抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，…，Ｒｎは並列に接続され、並列接続された抵抗を通して流れる電流Ｉ(Ｒ)は段階的に増加し、基準電流は図１２ｂのようになる。
【００３５】
複数の発振周波数が発生し、それぞれの発振周波数は周波数カウンタによってカウントされるので、それぞれの発振周波数の発生期間はカウンタ値を決定する上で重要な変数となる。複数の発振周波数のそれぞれを同一期間発生させると、周波数の速いｆｏ(ｎ)が最も多いカウンタ値を有するので、ｆｏ(ｎ)が、周波数の最も低いｆｏ１に比べてノイズに大きく影響を受けることとなる。
【００３６】
このような点を解決するために、複数の発振周波数のそれぞれの周波数のカウンタ値を同一または類似に設定することが好ましい。例えば、ｆｏ１の発生期間をｔｐ１、ｆｏ２の発生期間をｔｐ２、…、ｆｏ(ｎ)の発生期間をｔｐ(ｎ)とすれば、ｔｐ１＝ｔｐ２＝ｔｐ３…＝ｔｐ(ｎ)に設定して使用するのが一般的ではあるが、ノイズの影響を一層打ち消し合うためにはカウント値を同一とする必要があり、よって、（ｆｏ１＊ｔｐ１）＝（ｆｏ２＊ｔｐ２）＝，…，＝（ｆｏｎ＊ｔｐｎ）となるようにｔｐを調節することが好ましい。回路の複雑性を避けるためにｔｐ１＞ｔｐ２＞，…，ｔｐ(ｎ−１)＞ｔｐ(ｎ)に設定しても良い。
【００３７】
基準周波数生成部４０では、基準周波数Ｒを生成する。検出板１０の静電容量Ｃｘの変化速度よりも遅い速度で基準周波数Ｒが順次に更新されるようにしたり、または、周期的に基準周波数Ｒが段階的に更新されるようにすることで、基準周波数Ｒが周波数カウンタ３０に入力される発振周波数のカウント値Ｓを追従するようにすることが、回路素子及び周辺環境の遅い経時的変化を補償し、検出の誤動作を防ぐのに好ましい。こうすると、発振周波数の遅い経時的変化は、基準周波数Ｒにより補償され、基準周波数Ｒの補償速度よりも速い発振周波数の変化は、基準周波数Ｒにより補償される前に演算を通じて感知され出力される。したがって、基準周波数Ｒの補償速度が、検出板１０の静電容量値の変化を感知する上で重要な基準となり、検出板１０で検出する静電容量の変化よりも遅い速度で基準周波数Ｒを更新する必要がある。
【００３８】
周波数変化演算部５０では、周波数変化Ｘを、
ｘ＝（ａＲ−ｂＳ）／ｃＲ（ａ、Ｂ、ｃは重み値で、０．００１〜１００００の範囲で選択する）
を演算し、比較器６０は、周波数変化Ｘが所定の感知レベルＤより大きいと、感知信号を出力する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2009544938.tif 000021
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