(57)【要約】【課題】  デジタル回路に電源や抵抗やコンデンサなどを付加した簡単な構成で、微小な電荷量及び静電容量を高分解能で測定する。【解決手段】  測定対象の電荷が流れ込む蓄電手段の電圧が閾値電圧より高いか低いかにより、前記蓄電手段の電圧が一定になるように制御し、制御するための電荷量から、測定対象の電荷量を求めるようにした。【選択図】    図１
2009109205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の電圧に対して流れる電荷量を測定する電荷量測定回路であって、測定対象の電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御手段と、前記第一の制御手段からの制御情報を用いて前記測定対象の電荷の量を演算により求める演算手段とを有することを特徴とする電荷量測定回路。
【請求項２】
静電容量を測定する電荷量測定回路であって、測定対象の静電容量を電荷量に変換するＣＱ変換手段と、前記ＣＱ変換手段からの電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御手段と、前記ＣＱ手段の動作を制御する第二の制御手段と、前記第一の制御手段からの制御情報と前記第二の制御手段からの制御情報とを用いて前記測定対象の静電容量を演算により求める演算手段とを有することを特徴とする電荷量測定回路。
【請求項３】
静電容量を測定する電荷量測定回路であって、蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記測定対象の静電容量に接続され前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御手段と、前記第一の制御手段からの制御情報を用いて前記測定対象の静電容量を演算により求める演算手段とを有することを特徴とする電荷量測定回路。
【請求項４】
接近している物体の電圧の変化を検出する電荷量測定回路であって、前記接近物体の電圧の変化を電荷量に変換する受信電極と、前記受信電極からの電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御手段と、前記第一の制御手段からの制御情報を用いて前記接近物体の電圧の変化を演算により求める演算手段とを有することを特徴とする電荷量測定回路。
【請求項５】
前記電荷入出力手段は、定電流電源と前記制御手段によりオンオフされるスイッチを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか1項に記載の電荷量測定回路。
【請求項６】
前記電荷入出力手段は、定電圧電源と電気抵抗と前記制御手段によりオンオフされるスイッチを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか1項に記載の電荷量測定回路。
【請求項７】
前記第一の演算手段は、測定対象の電荷を入力しない場合の前記第一の制御手段の動作により、測定対象の電荷量の演算に補正を加えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか1項に記載の電荷量測定回路。
【請求項８】
前記第一の制御手段は、前記電圧測定手段の測定結果が特定の変化をする同一の条件で、前記測定対象の静電容量の測定の開始及び終了を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか1項に記載の電荷量測定回路。
【請求項９】
前記電圧測定手段及び前記第一及び第二の制御手段及び前記演算手段は、プログラマブルデバイスにより実現されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか1項に記載の電荷量測定回路。
【請求項１０】
前記ＣＱ変換手段は、定電圧源と前記第二の制御手段によりオンオフされるスイッチと抵抗を有することを特徴とする請求項２に記載の電荷量測定回路。
【請求項１１】
前記電圧測定手段は、前記電荷入出力手段の電気抵抗と前記制御手段によりオンオフされるスイッチの接続点に接続されることを特徴とする請求項６項に記載の電荷量測定回路。
【請求項１２】
前記電圧測定手段の測定結果が特定の変化をする同一の条件は、前記電荷入出力手段を構成する複数のスイッチの中でオンした場合の前記蓄電手段の電圧変化が最も小さいスイッチをオンしたことによる変化によるものであることを特徴とする請求項８に記載の電荷量測定回路。
【請求項１３】
一定の電圧に対して流れる電荷量を測定する電荷量測定方法であって、測定対象の電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御工程と、前記第一の制御工程からの制御情報を用いて前記測定対象の電荷の量を演算により求める演算工程とを有することを特徴とする電荷量測定方法。
【請求項１４】
静電容量を測定する電荷量測定方法であって、測定対象の静電容量を電荷量に変換するＣＱ変換手段と、前記ＣＱ変換手段からの電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御工程と、前記ＣＱ手段の動作を制御する第二の制御工程と、前記第一の制御工程からの制御情報と前記第二の制御工程からの制御情報とを用いて前記測定対象の静電容量を演算により求める演算工程とを有することを特徴とする電荷量測定方法。
【請求項１５】
静電容量を測定する電荷量測定方法であって、蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記測定対象の静電容量に接続され前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御工程と、前記第一の制御工程からの制御情報を用いて前記測定対象の静電容量を演算により求める演算工程とを有することを特徴とする電荷量測定方法。
【請求項１６】
接近している物体の電圧の変化を検出する電荷量測定方法であって、前記接近物体の電圧の変化を電荷量に変換する受信電極と、前記受信電極からの電荷を入力するとともに蓄積している電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段が蓄電する電荷量を増減させる電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を用いて前記蓄電手段の電圧が一定の電圧に収まるように制御する第一の制御工程と、前記第一の制御工程からの制御情報を用いて前記接近物体の電圧の変化を演算により求める演算工程とを有することを特徴とする電荷量測定方法。
【請求項１７】
前記第一の演算工程は、測定対象の電荷を入力しない場合の前記第一の制御工程の動作により、測定対象の電荷量の演算に補正を加えることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか1項に記載の電荷量測定方法。
【請求項１８】
前記第一の制御工程は、前記電圧測定手段の測定結果が特定の変化をする同一の条件で、前記測定対象の静電容量の測定の開始及び終了を行うことを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか1項に記載の電荷量測定方法。
【請求項１９】
前記電圧測定手段の測定結果が特定の変化をする同一の条件は、前記電荷入出力手段を構成する複数のスイッチの中でオンした場合の前記蓄電手段の電圧変化が最も小さいスイッチをオンしたことによる変化によるものであることを特徴とする請求項１８に記載の電荷量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の測定や人体通信での電界変化の検出などに用いられる特定の電圧に流れる電荷量測定回路及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量の測定や接近物体の電圧変化の検出などを行う場合に、所定の電圧Ｖｔに流れる電荷量を測定するために、演算増幅器による方法が用いられている。
【０００３】
従来の演算増幅器を用いた電荷量測定回路について、図２を基に説明する。
【０００４】
図２に於いて、コンデンサＣｓは、電圧Ｖｔに流れ込む電荷Ｑｘを蓄積して電圧に変換する。スイッチＳＷは、このコンデンサの電荷を初期化するためのものである。Ｑｘを蓄えたコンデンサＣｓの電圧は、ＡＤ変換手段５１にてデジタル値に変換される。さらに、コンデンサＣｓの値とＡＤ変換手段５１で変換されたデジタル値とから、演算手段５２において電荷量Ｑｘが計算されていた。
【特許文献１】特表２００２−５３０６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来の電荷量測定回路は、能動的なアナログ回路とデジタル回路が混在し、演算増幅器とＡＤ変換手段と演算手段とを必要とするため、回路規模が大きくなると言う課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、デジタル回路に電源や抵抗やコンデンサなどを付加した簡単な構成で、高分解能な測定を可能にする電荷量測定回路あるいはその方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電荷量測定回路は、測定対象の電荷を入力するとともに蓄えている電荷量を電圧に変換する蓄電手段と、前記蓄電手段に電荷を入出力する電荷入出力手段と、前記蓄電手段の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段の測定結果により前記電荷入出力手段を制御する第一の制御手段と、前記第一の制御手段の制御情報から測定対象の電荷量を演算する第一の演算手段とにより構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、デジタル回路に電源や抵抗やコンデンサなどを付加した簡単な構成で、高分解能な測定を可能にする電荷量測定回路あるいはその方法を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
一般的に電荷には正の電荷と負の電荷とがあるが、説明の便宜上、特に断りのない限り以下の記述に於いては電荷とは正の電荷を意味するものとする。
【実施例１】
【００１０】
本発明の好適な実施例を、図１を基に説明する。
【００１１】
本発明による電荷量測定回路は、測定対象の電荷を入力するとともに蓄えている電荷量を電圧に変換する蓄電手段１と、前記蓄電手段１に電荷を入出力する電荷入出力手段２と、前記蓄電手段１の電圧を測定する電圧測定手段３と、前記電圧測定手段３の測定結果により前記電荷入出力手段２を制御する第一の制御手段４と、前記第一の制御手段４の制御情報から測定対象の電荷量を演算する第一の演算手段５とにより構成される。
【００１２】
これより、各構成手段について、詳細に説明する。
【００１３】
蓄電手段１は、蓄えている電荷をそれに対応した電圧Ｖｓに変換する。また、蓄電手段１には測定対象の電荷Ｑｘを入力する。ここで、蓄電手段１の電圧Ｖｓは、電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔに近づくように、電荷入出力手段２からの電荷Ｑａにより制御されている。しだかって、厳密には蓄電手段の電圧Ｖｓは時間により微小な変動があるが、以下の記述では特に断りのない限りその変動による影響は許容出来るものとする。
【００１４】
具体的には、蓄電手段１は、図３に一例を示すように、コンデンサＣｓにより実現することが可能であるが、キャパシタ等、蓄えている電荷量を対応した電圧Ｖｓに変換するものであれば、どのようなものを用いても良い。
【００１５】
電荷入出力手段２は、蓄電手段１に電荷Ｑａを流す。このため、電荷入出力手段２の具体的な構成例を、図４に示す。
【００１６】
図４ａは、定電流Ｉｐ，Ｉｍを流す２つの定電流源と第一の制御手段４により制御される２つのスイッチＳＷｐ，ＳＷｍとにより構成した場合の例である。ここで、定電流源Ｉｐは蓄電手段１に電荷を入力するためのもので、定電流源Ｉｍは蓄電手段１から電荷を出力するためのものである。従って、蓄電手段に流れる電荷量Ｑａは、定電流値Ｉｐ，ＩｍおよびスイッチＳＷｐのオンしていた時間ＴｐとスイッチＳＷｍのオンしていた時間Ｔｍとから数１により求めることが出来る。
（数１）Ｑａ＝Ｉｐ×Ｔｐ−Ｉｍ×Ｔｍ
なお、電流値Ｉｐ，Ｉｍが時間の関数になる場合には、乗算を積分に置き換えたり、時間ごとの電流値を加算したりするなどで、蓄電手段に流れる電荷量Ｑａを求めることも可能である。
【００１７】
ここで、スイッチＳＷｐのオンしていた時間ＴｐとスイッチＳＷｍのオンしていた時間Ｔｍとは、測定期間Ｔｔの間にオンしていた時間の合計である。例えば、スイッチＳＷｐ，ＳＷｍの１回のオンの時間をそれぞれｔｐ，ｔｍに固定し、それぞれのスイッチが測定期間Ｔｔの間にオンした回数を、Ｎｐ［回］，Ｎｍ［回］とすると、スイッチＳＷｐのオンしていた時間ＴｐとスイッチＳＷｍのオンしていた時間Ｔｍは、数２によりそれぞれ求められる。
（数２）Ｔｐ＝ｔｐ×Ｎｐ，  Ｔｍ＝ｔｍ×Ｎｍ
図４ｂは、図４ａの定電流源Ｉｐの代わりに、定電圧電源Ｖｐと抵抗Ｒｐとにより蓄電手段１に電荷を入力するようにしたものである。蓄電手段１の電圧Ｖｓは前述のように電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔに近づくように制御されているため、スイッチＳＷｐがオンすると、数３で求められる電流値で蓄電手段１に電荷を入力する。
（数３）Ｉｐ≒（Ｖｐ−Ｖｔ）÷Ｒｐ
同様に、定電圧電源Ｖｍと抵抗Ｒｍは、定電流源Ｉｍの代わりに蓄電手段１から電荷を出力するようにしたものである。スイッチＳＷｍがオンすると、数４で求められる電流値で、蓄電手段１から電荷を出力する。
（数４）Ｉｍ≒（Ｖｔ−Ｖｍ）÷Ｒｍ
ここで、蓄電手段１に電荷を入力するための回路と蓄電手段１から電荷を出力するための回路は必ずしも同様である必要はなく、例えば図４ｃに示すように、片方で定電流源を用いて、もう一方で定電圧源と抵抗を用いるなど、組み合わせに制限はない。
【００１８】
また、スイッチＳＷｐやＳＷｍは、定電流源や抵抗と直列に接続されているため、図４ｄに示すように、蓄電手段１側に入れ換えても構わないことは言うまでもない。
【００１９】
さらに、図４ｅに示すように、スイッチＳＷｐとスイッチＳＷｍは必ずしも両方にある必要はなく、最低限どちらか一方にあれば良い。例えば、スイッチＳＷｍがない場合とは、スイッチＳＷｍがオンし続けているのと同じことなので、蓄電手段１に流れる電荷量Ｑａは、数１のＳＷｍのオンしていた時間Ｔｍに測定時間Ｔｔを代入して求めることが出来る。同様に、スイッチＳＷｐがない場合には、スイッチＳＷｐのオンしていた時間Ｔｐに測定時間Ｔｔを代入して求めることが出来る。
【００２０】
また、蓄電手段１に電荷を入力するための回路と蓄電手段１から電荷を出力するための回路は必ずしも両方ある必要はない。例えば、測定対象の電荷Ｑｘが蓄電手段１から常に流れ出る場合には、図４ｆに示すように蓄電手段１に電荷を入力するための回路があれば、蓄電手段１の電圧Ｖｓを電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔに近づくように制御することが出来る。同様に、測定対象の電荷Ｑｘが蓄電手段１に常に流れ込む場合には、蓄電手段１から電荷を出力するための回路があれば、蓄電手段１の電圧Ｖｓを電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔに近づくように制御することが出来る。
【００２１】
このほかの構成としても、例えば図４ｇに示すように、１つの抵抗Ｒによっても、２つのスイッチＳＷｐ，ＳＷｍがあれば、蓄電手段１に電荷を入力したり蓄電手段１から電荷を出力したりすることが出来る。このように、電荷入出力手段２は、様々な構成や組み合わせが考えられるが、第一の制御手段４により蓄電手段１に流す電荷量Ｑａを制御できるものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００２２】
電圧測定手段３は、蓄電手段１の電圧を測定する。このため、蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより高いか低いかを検出するようにした。
【００２３】
電圧測定手段３は、この限りではなく、蓄電手段１の電圧を一定の範囲に制御するために必要な電圧に関する情報を第一の制御手段４に出力するものであれば、どのようなものを用いても良い。
【００２４】
第一の制御手段４は、蓄電手段１の電圧Ｖｓが一定の電圧に収まるように、電荷入出力手段２を制御し、制御情報を第一の演算手段５に出力する。
【００２５】
このため、第一の制御手段４は、電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより低いことを検出した場合には電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐを短時間ｔｐだけオンし、蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより高いことを検出した場合にはスイッチＳＷｍを短時間ｔｍだけオンするようにして、これを小刻みに繰り返すようにする。
【００２６】
なお、図４ｅ，ｆの場合のように、電荷入出力手段のスイッチが一つの場合も動作は同様である。例えば、電荷入出力手段２にスイッチＳＷｍがない場合には、電圧測定手段で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより低いことを検出した場合にスイッチＳＷｐをオンし、電圧測定手段３で蓄電手段の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより高いことを検出した場合にはスイッチＳＷｐはオフしたまま電圧測定手段３の検出結果が変化するのを待てば良い。
【００２７】
但し、初期的には蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔと大きく異なることもあるため、蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔに近づいたことを確認するまでを初期化中として、その間の制御情報を用いないようにする。このため、例えば、図１４に示すフローに従って、電圧測定手段３が蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより小さいと検出していた状態から大きいと検出する状態に変化したことにより初期化を完了としても良い。或いはその逆を初期化の完了としても良い。なお、図１４におけるＰは、真と偽の２値をとりえる状態変数で、電圧測定手段の測定が変化したことを検出するためのものである。この他にも、例えば閾値電圧同等の電圧源を蓄電手段に直接スイッチ接続して初期化するようにしても良い。蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔに近づいたことを確認できる方法であれば、どのような初期化方法を用いても良い。
【００２８】
測定する電荷Ｑｘが瞬時に１回流れる場合には、例えば初期化後にスイッチＳＷｐ，スイッチＳＷｍのオンオフ回数Ｎｐ，Ｎｍ及びオン時間Ｔｐ，Ｔｍも０にして、測定電荷Ｑｘを蓄電手段１に流して、再び初期化と同じ条件になるまで図１４に示すように第一の制御手段４を１サイクル動作させれば良い。この場合には、この１サクイルが測定期間Ｔｔである。
【００２９】
また、測定する電荷Ｑｘがある程度の時間をかけて蓄電手段１に流れる場合には、蓄電手段１の電圧Ｖｓが電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔから大きく離れないように、測定対象の電荷Ｑが流れている時間を包含するように、複数サイクルの動作を繰り返すことが望ましい。この場合には、包含する複数のサイクルが測定期間Ｔｔである。
【００３０】
それでも、蓄電手段の電圧が必ずしも常にＶｔに近づくように第一の制御手段が動作し続けている必要はなく、測定対象による電荷Ｑｘでの蓄電手段の電圧変化が充分小さく、電荷量の測定速度として許容できる範囲であれば、間欠的に動作するようにしても良い。例えば、１０［ｍｓ］ごとに１サイクル第一の制御手段４を動作させて、その後動作を停止しても、停止している時間の蓄電手段１の電圧変化が微小であれば問題はない。但し、測定対象の電荷の時間変化を測定する必要がある場合には、測定サイクルの周期により測定速度が支配される。
【００３１】
第一の制御手段４の動作はこの限りではなく、例えば電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより低いことを検出した場合には電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより高いことを検出するまで電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐをオンし続け、逆に電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより高いことを検出した場合には電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより低いことを検出するまで電荷入出力手段２のスイッチＳＷｍをオンし続けるようにして、これを繰り返すようにしても良い。
【００３２】
第一の制御手段４は、この他にも、例えば電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐを一定時間オンした後に、電圧測定手段３で蓄電手段１の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより低いことを検出するまで、スイッチＳＷｍを短時間オンすることを繰り返すなど、電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐ，ＳＷｍをオンする時間Ｔｐ，Ｔｍなど蓄電手段に出し入れする電荷量の分かる値を管理しながら、蓄電手段１の電圧Ｖｓを狙いの電圧Ｖｔから大きくずれないように電荷入出力手段２を制御するものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００３３】
第一の演算手段５では、第一の制御手段４での制御情報から、測定対象の電荷量を求める。
【００３４】
測定対象から蓄電手段１に流れ込んだ電荷Ｑｘは、電荷量保存のため数５を満たす。
（数５）  Ｑｘ＋Ｑａ＝０
これは、蓄電手段１の電圧Ｖｓが第一の制御手段によりほぼ一定に保たれていて蓄電している電荷量もほぼ一定に保たれているために、蓄電手段１に流れ込む電荷Ｑｘと電荷入出力手段２からの電荷Ｑａの和が零になるためである。
【００３５】
このため、第一の演算手段５では、まず数２により電荷入出力手段２のスイッチが測定期間Ｔｔの間にオンした合計時間を演算する。なお、この演算は、加算や乗算のみならず、タイマーやカウンタなどにより実現しても良いことは言うまでもない。求められたＴｐ，Ｔｍを数１に代入して、Ｑａを演算により求める。その後、符号が必要な場合は、数５によりマイナス１倍する。
【００３６】
電荷入出力手段２に定電流源を用いた図４ａの場合の例として、定電流値Ｉｐ＝Ｉｍ＝1［ｍＡ］，電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐ，ＳＷｍの１回のオン時間ｔａ＝ｔｂ＝１［μｓ］，電荷入出力手段２のスイッチＳＷｐのオン回数Ｎａ＝１００［回］，スイッチＳＷｍのオン回数Ｎｂ＝５０［回］の場合には、数２によりスイッチＳＷｐがオンしていた時間Ｔｐ＝１００［μｓ］，スイッチＳＷｍがオンしていた時間Ｔｍ＝５０［μｓ］で、数１により電荷入出力手段２の入力電荷量Ｑａ＝５０［ｎＣ］となり、Ｑｘ＝−５０［ｎＣ］で５０［ｎＣ］の電荷が引き出された計算になる。ちなみに、測定期間Ｔｔ＝１０［ｍｓ］の場合には、その間の平均電流は、−５［μＡ］である。
【００３７】
なお、この計算手順は一例であり、予めまとめた式により１回で計算したり、Ｔｐ・Ｔｍの値ごとに予め計算されたテーブルを参照したりするなどの様々な方法が考えられる。第一の演算手段５での演算は、第一の制御手段４での制御情報と回路的な定数とから測定対象の電荷量あるいは電荷量に対応した値を求めるものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００３８】
以上に、本発明の基本的な動作について説明したが、これより精度や分解能を向上させる方法について説明する。
【００３９】
本発明による電荷量測定回路では、通常電荷入出力手段に用いられる定電流源の電流値や定電圧源の電圧値や抵抗値などにはバラツキがあるため、電荷量の測定値には相当量の誤差を生じてしまう。この課題を解決するためには、図１５にフローを示すように、測定対象の電荷を入出力しない状態や定常状態で測定対象の電荷の入出力がない場合などに、電荷量の測定動作を行い、その結果が０に近くなるように、第一の演算手段での電荷計算結果を補正するための係数を予め求めておいてから、測定対象の電荷量を測定するようにすると良い。
【００４０】
例えば、例えば測定対象の電荷が０の場合の電荷量測定動作により、電荷入出力手段が１１０［ｎＣ］の電荷を蓄電手段に入力した計算になり、９１［ｎＣ］の電荷を蓄電手段から出力した計算になる場合には、これらを割り算して平方根を計算した値及びその逆数を用いて、実際の測定対象の電荷量を計算する場合に電荷入出力手段の蓄電手段に入力した電荷を０．９１倍し、蓄電手段から出力した電荷を１．１倍することにより測定精度を向上させることが出来る。計算方法は、加減算を用いるなど、同様の効果を得られるものであれば、どのような方法や手段を用いても良い。
【００４１】
また、本発明による電荷量測定回路では、電圧測定手段にヒステリシス特性がある場合には、蓄電手段の電圧制御範囲が広くなってしまう。そのため、測定対象の電荷量Ｑｘそのものが影響を受けたり、電荷入出力手段に定電圧源と抵抗を用いる場合には制御する電荷量Ｑａが蓄電手段の電圧の影響を受けたりしてしまうことがある。
【００４２】
この課題を解決するには、電荷入出力手段の１回のスイッチオンによる蓄電手段の電圧の変動が電圧測定手段のヒステリシス特性の電圧範囲と比べて充分小さくなるように設定して、測定のための制御サイクルの開始と終了で蓄電手段の電圧がほぼ同じになるようにすることにより、ヒステリシス電圧範囲をほぼ均一に用いることが出来るため、測定精度や繰り返し再現性を向上することが出来る。具体的には、図１４に示すような動作サイクルで初期化した後に、同様の動作サイクルを用いて繰り返すようにすれば良い。
【００４３】
ここで、電荷入出力手段のスイッチＳＷｐとスイッチＳＷｍを流れる電流値の小さい方を利用して制御動作のサイクル起点を求めると良い。例えば、Ｉｐ＝２［ｍＡ］，Ｉｍ＝１［ｍＡ］の場合には、図１４の場合のように、スイッチＳＷｍをオンすることによって、電圧測定手段が蓄電手段の電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔより小さくなったことを検出した時点を制御サイクルの起点にする方が良い。
【００４４】
更に、電荷量の測定の分解能を向上させるには、電荷入出力手段の電流値Ｉｐ，Ｉｍを充分小さい値にすることにより、電荷入出力手段の１回のスイッチオンによる電荷の入出力量を小さく設定したり、繰り返し測定が可能な場合には、繰り返し測定した結果を合計したり平均することなどにより、分解能や精度を向上出来ることは言うまでもない。
【００４５】
また、従来の演算増幅器を用いた電荷量測定回路では、測定を行う都度初期化が必要であったが、本発明による電荷測定回路では、制御動作の１サイクルが完了した状態で次のサイクルを開始できるため、繰り返しの測定や測定対象の電荷が時間により変化する場合などでも、連続的に測定することが出来る。
【００４６】
この場合に、例えばサイクル毎に得られた電流値を平均したりフィルタ処理したりすることによっても、ノイズの影響を排除しつつ、測定の分解能を更に高めることが出来る。
【００４７】
さらに、本発明による電荷測定回路では、図４ｂの電荷入出力手段を用いた電荷測定回路全体を図５に示すように、定電圧源ＶｐをＶｄｄ，定電圧源ＶｍをＶｓｓ，Ｖｔを入力閾値電圧とすると、電圧測定手段３と第一制御手段４と第一演算手段５の部分を汎用的マイクロコンピューターのような論理回路２０にて実現し、入出力ポートに抵抗とコンデンサを付加するだけの簡単な構成で、電荷測定回路を実現することができる。
【００４８】
ここで、図５の例では汎用的な入出力ポートを３ポート必要とするが、図６ａに示すように電荷入出力回路にスイッチＳＷｍを設けないようにすると必要なポートを１ポート減らすことができ、図６ｂに示すように電荷入出力手段のスイッチＳＷｐと抵抗Ｒｐの間に電圧測定手段を接続してスイッチＳＷｐがオフしている時に電圧測定を行うようにしても１ポート減らすことができ、さらにこの両方を用いたり図６ｃに示すように図４ｇの電荷入出力手段を用いたりすることなどにより２ポート減らして入出力ポート１ポートのみを用いて電荷測定回路を構成することも出来る。
【００４９】
以上に説明したように、従来の方法では演算増幅器により電荷を蓄積したコンデンサの電圧をＡＤ変換して電荷量を求めていたが、本発明による電荷量測定回路ではコンデンサの電圧を一定に保つための電荷量から測定対象の電荷量を求めるようにしたため、蓄積コンデンサの電圧が飽和することがなく、デジタル回路に電源や抵抗やコンデンサなどを付加するのみの簡単な構成で高分解能な測定を可能にする電荷量測定回路あるいはその方法を実現することが出来る。
【実施例２】
【００５０】
実施例１では、電圧Ｖｔに流れ込む電荷量を求める方法を示したが、実施例２では、その応用例として、静電タッチパネルなどに用いられる微小な静電容量を測定することのできる電荷量測定回路について説明する。
【００５１】
物体の接近などによる微小な静電容量あるいはその変化を測定する場合には、１回の充放電特性から正確な値を得ることが困難なために、共振周波数の変化を利用する方法や交流インピーダンスを測る方法も用いられるが、これらの方法は比較的回路規模が大きい。
【００５２】
このため、例えば図８に示すように、トランジスターなどのスイッチ切換えにより、スイッチＳＷ３で初期化した後にスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を交互にオンして、測定対象Ｃｘに繰り返し充放電した電荷を静電容量が既知の累積コンデンサＣｓに累積し、累積コンデンサＣｓの電圧が所定の電圧になるまでの測定対象への充放電の回数から測定対象の静電容量を求める方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００５３】
この方法は、例えば、汎用マクイロコンピューターのポートに定数部品を付加するだけで、微小な静電容量を測定することが出来るために、幅広く用いられている。
【００５４】
しかし、従来のこの方法では、測定の分解能を高くするために測定対象Ｃｘへの充放電回数を多くすればするほど、１回の充放電での累積コンデンサの電圧の変化は小さくなってしまう。したがって、検出の分解能を上げるために充放電の回数を増やすと、累積コンデンサの電圧変化が電圧測定の精度より小さくなって測定できなくなってしまい、測定対象の静電容量に対してその変化が小さい場合には、変化分を正確に測定することが出来ないという課題があった。
【００５５】
図７に構成を示す実施例２による電荷量測定回路ではこのような従来の課題を解決することが可能である。ここで、測定対象の静電容量Ｃｘは、２端子間の静電容量ばかりでなく、静電タッチパネルの検出電極など物体の浮遊容量でも良い。ここで、蓄電手段１と電荷入出力手段２と電圧測定手段３と第一の制御手段４と第一の演算手段５は、実施例１と同様である。したがって、実施例２による電荷量測定回路は、実施例１の電荷量測定回路に、測定対象の静電容量Ｃｘを電荷量Ｑｘに変換するＣＱ変換手段６と、ＣＱ変換手段６の動作を制御する第二の制御手段７と、第一の演算手段５からの電荷量と第二の制御手段７からの制御情報とから測定対象の静電容量を演算する第二の演算手段８を付加する構成とした。このため、実施例２で追加となるＣＱ変換手段６と第二の制御手段７と第二の演算手段８について、これより詳細に説明する。
【００５６】
ＣＱ変換手段６は、測定対象の静電容量Ｃｘを電荷量Ｑｘに変換する。このため、ＣＱ変換手段６は、例えば、図９に示すように、測定対象の静電容量Ｃｘと蓄電手段Ｃｓを抵抗Ｒｃで接続し、測定対象の静電容量Ｃｘと抵抗Ｒｃとの接続点にスイッチＳＷｃを介した定電圧電源Ｖｃを接続する構成とすることができる。ここで、スイッチＳＷｃは、第二の制御手段７によりオンオフされる。
【００５７】
このように接続することにより、ＳＷｃがオンしている時間Ｔｃの間に、数６に示す電荷Ｑｒが抵抗Ｒｃを通して蓄電手段に流れる。
（数６）  Ｑｒ≒Ｔｃ×（Ｖｃ−Ｖｔ）÷Ｒｃ
また、スイッチＳＷｃをオフした直後に、測定対象の静電容量Ｃｘの電圧が定電圧電源の電圧Ｖｃから蓄電手段の電圧Ｖｓに変化するために流れる電荷は、スイッチＳＷｃをオフした回数Ｎｃに比例し、数７に示す電荷量Ｑｃが蓄電手段に流れる。
（数７）  Ｑｃ≒Ｃｘ×（Ｖｃ−Ｖｔ）×Ｎｃ
従って、測定される電荷量Ｑｘは、数８に示すようにこれらの電荷量の和である。
（数８）  Ｑｘ＝Ｑｒ＋Ｑｃ
以上にＣＱ変換手段６の一例を示したが、第二の制御手段７によって制御され、測定対象の静電容量を電荷量に変換できるものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００５８】
第二の制御手段７は、電荷量測定期間Ｔｔの間に、スイッチＳＷｃを複数回オンオフする。この場合に、オンしている時間は測定対象の静電容量Ｃｘの電圧が蓄電手段の電圧Ｖｓから定電圧電源の電圧Ｖｃに変化するために必要な時間であれば良い。但し、必要以上に長くオンしていると、数６に示す電荷Ｑｒが多くなるが、この電荷Ｑｒは静電容量に無関係なため、必要以上に長くしないことが望ましい。また、ＳＷｃをオフしている時間に、測定対象の静電容量Ｃｘから電荷が抵抗Ｒｃを介して移動する。このため、静電容量Ｃｘと抵抗Ｒｃとにより求められる時定数より充分長い時間ＳＷｃをオフしている必要がある。また、ＳＷｃのオンオフ回数Ｎｃは、多いほど静電容量Ｃｘの測定精度を向上させる。
【００５９】
第二の演算手段８は、第一の演算手段５で求めた電荷量と第二の制御手段７での制御情報から、測定対象の静電容量Ｃｘの測定値を演算により求める。ここで、数９は、数８のＱｒとＱｃにそれぞれ数６と数７を代入してＣｘについて解いたものである。
（数９）Ｃｘ≒｛Ｑｘ÷（Ｖｃ−Ｖｔ）−Ｔｃ÷Ｒｃ｝÷Ｎｃ
第二の演算手段８では、数９のＱｘに第一の演算手段５で求めた電荷量を、Ｔｃに電荷量測定期間Ｔｔの間に第二の制御手段がスイッチＳＷｃをオンしていた合計時間を、Ｎｃに電荷量測定期間Ｔｔの間に第二の制御手段７がスイッチＳＷｃをオンオフした回数をそれぞれ代入して演算を行い、測定対象の静電容量Ｃｘを求めるようにした。但し、これは、演算の一例であり、予め定数の部分を演算しておいたり、測定期間Ｔｔでの第二の制御手段によるスイッチＳＷｃのオン時間Ｔｔやオンオフ回数Ｎｃをあらかじめ定められた条件にしておき第一の演算手段で求めた電荷量のみからテーブル参照したりするなど、第二の演算手段８の演算はＣＶ変換手段の動作と第一の演算手段５からの演算結果を用いて測定対象の静電容量に対応した値を求めるものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００６０】
また、図９に示すように、ＣＱ変換手段から測定対象の静電容量Ｃｘを除いた構成は、電荷入出力手段の一部の構成と同様であり、蓄電手段に接続される抵抗を介して制御手段により制御されるスイッチによりオンオフされる定電圧電源が接続されている。従って、図１０に示すように、ＣＱ変換手段の変わりに、電荷入出力手段１２を用いても測定対象の静電容量Ｃｘに応じた電荷量に変換することができる。従って、これより図１０の場合について詳細に説明する。但し、図１０の蓄電手段１と電圧測定手段３と第一の演算手段５は、図７に示す場合と同様なため、電荷入出力手段１２と第一の制御手段１４と第二の演算手段１８について、詳細に説明する。
【００６１】
図１０に示す電荷入出力手段１２は、図７及び図９に示す電荷入出力手段２とほぼ同様である。ただし、図１１に示すように測定対象の静電容量Ｃｘが接続されたことにより、数１により得られる電荷量Ｑａに加えて、スイッチＳＷｐがオフした直後に測定対象の静電容量Ｃｘから数１０により求められる電荷Ｑｃが蓄電手段に余分に流れる。この電荷量Ｑｃを測定対象の電荷量Ｑｘとして、電荷測定回路を動作させる。ここで、Ｎｐは、電荷入出力手段のスイッチＳＷｐをオンオフする回数である。
（数１０）  Ｑｘ＝Ｑｃ≒Ｃｘ×（Ｖｐ−Ｖｔ）×Ｎｐ
なお、この場合も、図１２に示すように、実施例１の場合と同様に汎用的な入出力ポートを用いる場合のポート数を少なくすることも出来る。
【００６２】
例えば、図１２ａに示すように、スイッチＳＷｍを用いずに、抵抗Ｒｐを介して蓄電手段の電圧Ｖｓを電圧測定で測定するようにすると、汎用的なポートの数を１ポートにすることが出来る。
【００６３】
また、図４ｇに示す電荷入出力手段を応用しても、図１２ｂに示すように汎用的なポートの数を１ポートにすることが出来る。但し、この場合には、スイッチＳＷｍがオフした直後にも測定対象の静電容量Ｃｘが蓄電手段から電荷を引き出すため、数１０に代わって数１１に示す電荷量を測定することになる。
（数１１）  Ｑｘ＝Ｑｃ≒Ｃｘ×｛（Ｖｐ−Ｖｔ）×Ｎｐ−（Ｖｔ−Ｖｍ）×Ｎｍ｝
但し、図１２ｂの構成では、例えば電圧測定手段の閾値電圧Ｖｔが定電圧電源の電圧ＶｐとＶｍのほぼ中間で、スイッチＳＷｐを１回オンする時間ｔｐとスイッチＳＷｍを１回オンする時間ｔｍが同じ場合には、スイッチＳＷｐをオンオフする回数ＮｐとスイッチＳＷｍをオンオフする回数Ｎｍもほぼ同数となり、数１１のＱｘがほぼ０になってしまう。この課題を回避するには、例えば、スイッチＳＷｍを１回オンする時間ｔｍの数倍にスイッチＳＷｐを１回オンする時間ｔｐを設定するなど、数１１のＱｘが０にならないような条件で測定するようにすれば良い。
【００６４】
図１０に示す第一の制御手段１４は、図７に示す第一の制御手段４とほぼ同様である。但し、図７のＣＱ変換手段６のスイッチＳＷｃの制御タイミングと同様に、スイッチＳＷｐをオフしている時間に測定対象の静電容量Ｃｘから電荷が抵抗Ｒｐを介して移動するため、静電容量Ｃｘと抵抗Ｒｐとにより求められる時定数より充分長い時間ＳＷｐをオフしている必要がある。
【００６５】
図１０に示す第二の演算手段１８は、図７に示す第二の演算手段とほぼ同様である。但し、図９におけるスイッチＳＷｃがオンしている時間抵抗Ｒｃを介して蓄電手段に流れる電荷が存在しないためにより簡単な式となり、数１０をＣｘについて解いた数１２により、測定対象の静電容量を演算により求めるようにする。ここで、Ｑｘには第一演算手段５で演算した電荷量を、Ｎｐには第一制御手段１４が電荷入出力手段のスイッチＳＷｐをオンオフした回数を代入した。数１１を用いた場合も同様である。
（数１２）Ｃｘ≒Ｑｘ÷｛（Ｖｐ−Ｖｔ）×Ｎｐ｝
但し、これは第二演算手段１８の演算の一例であり、予め定数の部分を演算しておいたり、ＱｘとＮｐによる２次元テーブルを参照したりして求めるなど、第二演算手段１８の演算は第一制御手段１４により制御される電荷入出力手段１２の動作と第一の演算手段５での演算結果を用いて測定対象の静電容量に対応した値を求めるものであれば、どのような手段や方法を用いても良い。
【００６６】
なお、ここではスイッチＳＷｐと抵抗Ｒｐとの間に測定対象の静電容量Ｃｘを接続した例を示したが、スイッチＳＷｍと抵抗Ｒｍとの間に接続しても同様であることは言うまでもない。
【００６７】
また、以上に実施例２の説明の便宜上、第一演算手段と第二演算手段ごとに演算する場合の例を示したが、例えば数１のＱａを数５に代入して得られたＱｘを数１１に代入して予めまとめておくなど、第一演算手段と第二演算手段の演算をまとめて、テーブル参照や演算などにより実現するようにしても良いことは言うまでもない。
【００６８】
実施例２による電荷量測定回路では、論理回路に抵抗やコンデンサを付加するのみの比較的簡単な構成で、ＣＱ変換のためのスイッチＳＷｃのオンオフ回数及び第一の制御手段の制御サイクルの回数を多くすればするほど測定する静電容量の分解能を高くすることの出来る電荷量測定回路を実現するとこが可能である。
【実施例３】
【００６９】
実施例３では、実施例１で示した電圧Ｖｔに流れ込む電荷量を求める回路および方法の他の応用例として、人体通信などに用いられる接近物体の電圧変化を検出する電荷量測定回路について説明する。
【００７０】
実施例３による電荷量測定回路は、実施例１を示す図１に於ける測定対象電荷Ｑｘとして、電界を受信する受信電極を接続したものである。
【００７１】
従って蓄電手段１、電荷入出力手段２、電圧測定手段３、第一の制御手段４、第一の演算手段５は、実施例１と同様なため、受信電極９について説明する。
【００７２】
この受信電極９は、電圧を変化させる接近物体１０と静電容量Ｃｅにより結合するように配置する。
【００７３】
接近物体１０は、その電圧Ｖｅを変化させ、接近物体１０と受信電極間９の静電容量に電荷を充放電する。
【００７４】
受信電極９の電圧Ｖｓそのものは、電圧測定手段３の閾値電圧Ｖｔに近づくように制御されているため、接近物体１０と受信電極９との間の静電容量Ｃｅには数１３に示す電荷Ｑｅが蓄積される。
（数１３）  Ｑｅ≒Ｃｅ×（Ｖｅ−Ｖｔ）
ここで、接近物体１０の電圧がΔＶｔ上昇した場合には、接近物体１０と受信電極９
との間の静電容量Ｃｅに蓄積される電荷Ｑｅは、数１４に示す電荷量ΔＱｘ分増加する
。
（数１４）  ΔＱｅ≒Ｃｅ×（ΔＶｔ）
厳密には、接近物体１０側がΔＱｅ分正の電荷が増加し、受信電極９側はΔＱｅ分負
の電荷が増加し、そのための正の電荷ΔＱｅ分が蓄電手段に流れ込みＱｘとして測定さ
れる。
【００７５】
ここで、接近物体１０と受信電極９との位置関係の変化によってその間の静電容量Ｃｅも変動するためにΔＱｅが流れるが、この変化は受信する信号の変化より充分遅いた
め、フィルタ処理等により容易に分離することが出来る。
【００７６】
従って、実施例１と同様に、電荷量Ｑｘの測定により、デジタル回路に電源や抵抗やコンデンサなどを付加するのみの簡単な構成で高分解能な接近物体の電圧変化の検出を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る電荷測定回路の第１の実施例を示すブロック図
【図２】従来の電荷測定回路を示すプロック図
【図３】第１の実施例の蓄電手段を示す図
【図４】第１の実施例の電荷入出力手段を示す図
【図５】第１の実施例の電荷入出力手段の接続例を示す図
【図６】第１の実施例の入出力手段の他の接続例を示す図
【図７】本発明に係る電荷測定回路の第２の実施例を示すブロック図
【図８】従来の電荷測定回路を示すプロック図
【図９】第２の実施例のＣＱ変換手段の接続例を示す図
【図１０】本発明に係る電荷測定回路の第２の実施例を示すブロック図
【図１１】第２の実施例の電荷入出力手段の接続例を示す図
【図１２】第２の実施例の入出力手段の他の接続例を示す図
【図１３】第３の実施例の電荷入出力手段の接続例を示す図
【図１４】制御動作サイクルの一例を説明するためのフロー図
【図１５】補正フローの一例を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１  蓄電手段
２、１２  電荷入出力手段
３  電圧測定手段
４、１４  第一の制御手段
５  第一の演算手段
６  ＣＱ変換手段
７  第二の制御手段
８、１８  第二の演算手段
９  受信電極
１０  接近物体
２０  論理回路
【図１】
2009109205.tif 000003
【図２】
2009109205.tif 000004
【図３】
2009109205.tif 000005
【図４】
2009109205.tif 000006
【図５】
2009109205.tif 000007
【図６】
2009109205.tif 000008
【図７】
2009109205.tif 000009
【図８】
2009109205.tif 000010
【図９】
2009109205.tif 000011
【図１０】
2009109205.tif 000012
【図１１】
2009109205.tif 000013
【図１２】
2009109205.tif 000014
【図１３】
2009109205.tif 000015
【図１４】
2009109205.tif 000016
【図１５】
2009109205.tif 000017