JP2015219703A - 静電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量変化を拡大して検出することができる静電検出装置を提供する。【解決手段】物体の近接又は接触により静電容量値が変化する検出部（Ｃｘ）１００と、検出部（Ｃｘ）１００の充電及び放電、変調コンデンサ１１０の放電及び充電により、検出部（Ｃｘ）１００の電荷量を変調コンデンサ１１０の電圧変化に変える変換部２０と、参照電圧ＶＲＥＦと変調コンデンサ１１０の電圧値を比較して検出信号ＶＣＯＭを出力する比較部３０と、比較部３０の検出信号に基づいて検出部１００の静電容量値に対応する出力信号ＶＯＵＴを算出する処理部４０と、を有して構成する。参照電圧ＶＲＥＦは可変とされ、検出部（Ｃｘ）１００の充電時と放電時において所定のタイミングで異なる電圧に切り替えられる。【選択図】図１

Description

本発明は、静電検出装置に関し、特に、静電容量変化を拡大して検出する静電検出装置に関する。

従来、静電タッチ電極に蓄えられた電荷で変調コンデンサを充電し、そのときの電圧変化を観測することで容量変化を測定する静電検出装置が提案されている。この変調コンデンサにはコンパレータが接続され、コンデンサ電圧が閾値以上になるとパルスを出力し、このパルス数から容量変化を測定するものである（例えば、特許文献１）。

具体的には、支持基板上に配置された複数の検出電極と、この複数の検出電極の各々に接続される検出電極などの検出対象が有する静電容量に対応した電圧波形に変換するための抵抗とコンデンサの直列接続で構成されるＣＶ変換手段と、検出電極の各々に入出力ポートが接続される汎用的なマイクロコンピュータを有し、マイクロコンピュータのＣＰＵにより検出電極の各々の静電容量あるいはその変化に対応した値から接近物体の位置を演算するものである。

この静電検出装置によれば、部材コストの低い比較的簡単な構成で、高い分解能で静電容量の検出を可能にすることができるとされている。

特開２０１０−１５２８７６号公報

しかし、このような構成においては、感度を大きくするほどオフセットが大きくなり、容量変化の検出範囲が狭くなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、静電容量変化を拡大して検出することができる静電検出装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、物体の近接又は接触により静電容量値が変化する検出部と、前記検出部の充電及び放電、変調コンデンサの放電及び充電により、前記検出部の電荷量を前記変調コンデンサの電圧変化に変える変換部と、参照電圧と前記変調コンデンサの電圧値を比較して検出信号を出力する比較部と、前記比較部の前記検出信号に基づいて前記検出部の静電容量値に対応する出力信号を算出する処理部と、を有し、前記参照電圧は、前記検出部の充電時と放電時において異なる電圧に設定されることを特徴とする静電検出装置を提供する。

［２］前記参照電圧は、前記検出部の充電時よりも放電時において小さく設定されることを特徴とする上記［１］に記載の静電検出装置であってもよい。

［３］また、前記検出部の充電及び放電、前記変調コンデンサの放電及び充電、前記比較部での比較処理、及び、前記処理部での出力信号算出が同期して行なわれることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の静電検出装置であってもよい。

本発明の静電検出装置によれば、静電容量変化を拡大して検出することができる静電検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の静電検出装置の全体ブロック構成図であり、検出部（Ｃｘ）が充電、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）が放電されている状態を示す図である。 図２は、本発明の静電検出装置の全体ブロック構成図であり、検出部（Ｃｘ）が放電、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）が充電されている状態を示す図である。 図３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、（ａ）Ｖ_ＭＯＤの波形図、（ｂ）ＰＷＭの波形図、（ｃ）Ｖ_ＲＥＦの波形図、（ｄ）Ｖ_ＤＦＦの波形図、（ｅ）Ｖ_ＡＮＤの波形図である。 図４は、コンパレータ１７０の閾値電圧である参照電圧Ｖ_ＲＥＦを一定（２．８Ｖ）とした場合の、（ａ）Ｖ_ＭＯＤの波形図、（ｂ）ＰＷＭの波形図、（ｃ）Ｖ_ＲＥＦの波形図、（ｄ）Ｖ_ＤＦＦの波形図である。 図５は、寄生容量Ｃ_Ｘに対する感度を示すグラフであり、ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとして示すものである。 図６は、寄生容量Ｃ_Ｘに対するオフセットを示すグラフであり、ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとして示すものである。 図７は、指接触による静電容量値Ｃ_Ｆと検出値との関係を示すグラフである。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の静電検出装置の全体ブロック構成図であり、検出部が充電、変調コンデンサが放電されている状態を示す図である。また、図２は、検出部が放電、変調コンデンサが充電されている状態を示す図である。

（静電検出装置の構成）
本発明の実施の形態に係る静電検出装置１は、物体の近接又は接触により静電容量値が変化する検出部（Ｃｘ）１００と、検出部（Ｃｘ）１００の充電及び放電、変調コンデンサ１１０の放電及び充電により、検出部（Ｃｘ）１００の電荷量を変調コンデンサ１１０の電圧変化に変える変換部２０と、参照電圧Ｖ_ＲＥＦと変調コンデンサ１１０の電圧値を比較して検出信号Ｖ_ＣＯＭを出力する比較部３０と、比較部３０の検出信号に基づいて検出部１００の静電容量値に対応する出力信号Ｖ_ＯＵＴを算出する処理部４０と、を有して構成されている。参照電圧Ｖ_ＲＥＦは可変とされ、検出部（Ｃｘ）１００の充電時と放電時において所定のタイミングで異なる電圧に切り替えられる。

（検出部）
検出部（Ｃｘ）１００は、例えば、物体の近接又は接触により静電容量値が変化するセンサとしての電極等の浮遊容量である。また、２端子で形成されたコンデンサ等の静電容量でもよい。以下では、タッチセンサとしての電極の浮遊容量として説明する。

（変換部）
変換部２０は、検出部（Ｃｘ）１００の充電及び放電、変調コンデンサ１１０の放電及び充電により、検出部（Ｃｘ）１００の電荷量を変調コンデンサ１１０の電圧変化に変える機能を備えている。この変換部２０は、電荷の充電又は放電を切り替えるスイッチ部（ＳＷ１）１２０、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）１１０の充電又は放電を切り替えるスイッチ部（ＳＷ２）１３０、放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０、放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０の充電又は放電を切り替えるスイッチ部（ＳＷ３）１５０、スイッチ部（ＳＷ１）１２０とスイッチ部（ＳＷ２）１３０とを所定のタイミングで駆動するシーケンサ（ＰＲＳ）１６０等により構成されている。

（比較部）
比較部３０は、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）１１０の変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤと、コンパレータの閾値電圧である参照電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較してＨｉ又はＬｏレベル信号（検出信号Ｖ_ＣＯＭ）を出力するコンパレータ（Ｃｏｍ）１７０等により構成されている。

（処理部）
処理部４０は、コンパレータ１７０の検出信号Ｖ_ＣＯＭに基づいて検出部１００の静電容量値に対応する出力信号Ｖ_ＯＵＴを算出する。Ｄフリップフロップ回路１８０、所定周期のパルスを生成するＰＷＭ回路１９０、ＰＷＭ回路１９０とＤフリップフロップ回路１８０の出力の論理積によりＨｉ又はＬｏを出力するＡＮＤ回路２００、カウンタ部（Counter）２１０、制御部２２０等から構成されている。制御部２２０は、カウンタ部２１０からの出力信号Ｖ_ＯＵＴが入力されて検出部（Ｃｘ）１００の静電容量値を算出、静電容量値に対応した値の算出、また、静電容量値の変化を算出する処理を行なうと共に、ＰＷＭ回路１９０から出力されるパルスに基づいて、コンパレータ１７０の参照電圧Ｖ_ＲＥＦを可変とする処理を行なう。

（静電検出装置の接続構成）
検出部（Ｃｘ）１００の一端はスイッチ部（ＳＷ１）１２０及びスイッチ部（ＳＷ２）１３０に接続され、他端は定電圧電源、本実施の形態ではグランド（ＧＮＤ）に接続されている。スイッチ部（ＳＷ１）１２０の他端は定電圧電源Ｖ_ＤＤに接続されている。また、スイッチ部（ＳＷ２）１３０の他端は、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）１１０及び放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０の各一端に接続されてコンパレータ１７０に入力されている。変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）１１０の他端はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０の他端はスイッチ部（ＳＷ３）１５０を介してグランド（ＧＮＤ）に接続されている。

パルス生成部（ＯＳＣ）２３０は、シーケンサ（ＰＲＳ）１６０に接続されており、所定周波数ｆ_Ｓのパルス（クロックφ）を生成して出力する。シーケンサ（ＰＲＳ）１６０は、スイッチ部（ＳＷ１）１２０及びスイッチ部（ＳＷ２）１３０に接続され、パルス生成部（ＯＳＣ）２３０で生成したパルスに基づいて所定のタイミングでスイッチ部（ＳＷ１）１２０及びスイッチ部（ＳＷ２）１３０の開閉を行なう。

コンパレータ１７０の入力端は、前述のように、スイッチ部（ＳＷ２）１３０、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）１１０及び放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０の一端部が接続され、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤが入力される。また、コンパレータ１７０の閾値入力端は、制御部（ＣＰＵ）２２０と接続され、ＰＷＭ回路１９０の信号タイミングに基づいて参照電圧Ｖ_ＲＥＦの値が可変とされる。コンパレータ１７０の出力端は、Ｄフリップフロップ回路（Ｄ_ＦＦ回路）１８０に接続されている。

パルス生成部（ＯＳＣ）２３０は、分周器２４０を介して、Ｄ_ＦＦ回路１８０のＣＬＫ端子に接続されると共に、ＰＷＭ回路１９０にも接続されている。Ｄ_ＦＦ回路１８０の出力端子は、ＡＮＤ回路２００の入力端に接続されると共に、スイッチ部（ＳＷ３）１５０に接続され、Ｄ_ＦＦ回路１８０の出力タイミングに基づいてスイッチ部（ＳＷ３）１５０の開閉を行なう。

ＰＷＭ回路１９０の出力側はＡＮＤ回路２００の入力端子の一方に接続されている。また、ＰＷＭ回路１９０の出力側は制御部（ＣＰＵ）２２０にも接続され、ＰＷＭ回路１９０からの信号が参照電圧Ｖ_ＲＥＦの切り替え信号として使用される。

カウンタ部（Counter）２１０は、ＣＬＫ端子に１/２の分周器２４０の出力部が接続され、入力端子にＡＮＤ回路２００の出力端子が接続されている。出力部は、制御部（ＣＰＵ）２２０と接続されている。

（検出部（Ｃｘ）の充電、放電動作）
シーケンサ（ＰＲＳ）１６０は１クロックごとにスイッチ部（ＳＷ１）１２０とスイッチ部（ＳＷ２）１３０を交互に開閉する。ここで、図１は、検出部（Ｃｘ）１００が充電、変調コンデンサＣ_ＭＯＤ１１０が放電されている状態を示す図である。スイッチ部（ＳＷ１）１２０とスイッチ部（ＳＷ２）１３０は、同時にクローズしないタイミングでスイッチ部（ＳＷ１）１２０とスイッチ部（ＳＷ２）１３０を交互に開閉される。

図１において、スイッチ部（ＳＷ１）１２０がクローズされ、スイッチ部（ＳＷ２）１３０がオープン状態となって、定電圧電源Ｖ_ＤＤから検出部（Ｃｘ）１００に充電される。また、スイッチ部（ＳＷ３）１５０はクローズ状態とされ、変調コンデンサＣ_ＭＯＤ１１０は放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０を介して放電される。

次のクロックパルスで、図２に示すように、スイッチ部（ＳＷ１）１２０がオープンされ、スイッチ部（ＳＷ２）１３０がクローズ状態とされ、検出部（Ｃｘ）１００から変調コンデンサＣ_ＭＯＤ１１０に放電される。このとき、スイッチ部（ＳＷ３）１５０はオープン状態とされ、放電抵抗（Ｒ_Ｂ）１４０に放電されない。

上記のように、１クロックパルスごとに充電、放電を行なうことから、図３（ａ）Ｖ_ＭＯＤの波形図に示すように、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤは小さな電圧増加分により連続的に充放電されるが、本実施の形態に係る静電検出装置のアルゴリズム動作には影響しない。

図３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、（ａ）Ｖ_ＭＯＤの波形図、（ｂ）ＰＷＭの波形図、（ｃ）Ｖ_ＲＥＦの波形図、（ｄ）Ｖ_ＤＦＦの波形図、（ｅ）Ｖ_ＡＮＤの波形図である。

（静電検出装置の非タッチ時の動作）
パルス生成部（ＯＳＣ）２３０のパルス（クロックφ）に基づいて、ＰＷＭ回路１９０により、所定の周期及びデューティ比のＰＷＭ信号が生成される（図３（ｂ））。

制御部２２０は、ＰＷＭ信号がＨｉ（オン）の期間とＬｏ（オフ）の期間で異なる参照電圧Ｖ_ＲＥＦに設定し、この参照電圧Ｖ_ＲＥＦをコンパレータ１７０の閾値電圧とする（図３（ｃ））。ＰＷＭ信号がＬｏの期間の参照電圧Ｖ_ＲＥＦをＨｉの期間よりもΔＶ_ＲＥＦだけ小さく設定する。例えば、ＰＷＭ信号がＬｏの期間の参照電圧Ｖ_ＲＥＦを２．７Ｖとし、Ｈｉの期間の参照電圧Ｖ_ＲＥＦを２．８Ｖとする。

ＰＷＭ信号がＨｉの期間は、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤは、参照電圧Ｖ_ＲＥＦを中心に小さな電圧増加、減少を繰り返しながら略一定値（参照電圧Ｖ_ＲＥＦ）で維持される（図３（ａ））。

ＰＷＭ信号がＨｉからＬｏに切り替わると、制御部２２０は、コンパレータ１７０の閾値電圧である参照電圧Ｖ_ＲＥＦをΔＶ_ＲＥＦだけ小さくする。これにより、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤは閾値以下となって、電圧低下する（図３（ａ））。

ＰＷＭ信号がＬｏからＨｉに切り替わると、閾値の増加に伴って変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤは増加するが、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤがＶ_ＲＥＦに達する一定時間Ｔ１が経過するまではＤフリップフロップ回路１８０はパルスを出力しない（図３（ｄ））。

ＰＷＭ信号がＨｉ、かつ、Ｄフリップフロップ回路１８０の出力Ｖ_ＤＦＦがＨｉの期間において、パルス出力がされる。このパルス出力は、分周器２４０から出力されるクロックに同期してＡＮＤ回路２００の出力Ｖ_ＡＮＤをパルスカウントするカウンタ部（Counter）２１０で積算され、検出部１００の静電容量値に対応する出力信号Ｖ_ＯＵＴとされる（図３（ｅ））。

したがって、放電時にコンパレータ１７０の閾値電圧である参照電圧Ｖ_ＲＥＦをΔＶ_ＲＥＦだけ小さくすることにより、ＰＷＭ信号がＨｉ期間でカウントされる検出部１００の静電容量値に対応する出力パルスＶ_ＡＮＤが少なくなる。これにより、オフセット値が下がる。なお、このオフセット値は、非タッチ時の容量検出値である。

（静電検出装置のタッチ時の動作）
検出部（Ｃｘ）１００に指がタッチすると、指接触による静電容量値Ｃ_Ｆだけ静電容量値が増加する。これにより、タッチ時は、静電容量値がＣｘ＋Ｃ_Ｆとなる。

図３（ａ）で示すタッチ時の波形からもわかるように、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤが元のＶ_ＲＥＦに戻る（充電による電圧回復する）までに要する時間は、指接触による静電容量値Ｃ_Ｆの増加に依存する。指接触による静電容量値Ｃ_Ｆの増分に対するパルス数の増加が大きいため、感度が大きくなり、人体接触による容量変化を拡大した結果が得られる。

ここで、静電検出装置の検出感度ｄは、
ｄ＝Ｒ_Ｂ・ｆ_Ｓ（Ｖ_ＤＤ/Ｖ_ＲＥＦ−１）×（Ｃｘ＋Ｃ_Ｆ）
と表すことができる。
Ｃ_Ｆは対象物（指）の接触による静電容量値である。

（比較例）
図４は、コンパレータ１７０の閾値電圧である参照電圧Ｖ_ＲＥＦを一定（２．８Ｖ）とした場合の、（ａ）Ｖ_ＭＯＤの波形図、（ｂ）ＰＷＭの波形図、（ｃ）Ｖ_ＲＥＦの波形図、（ｄ）Ｖ_ＤＦＦの波形図である。

図４（ｃ）に示すように、検出部（Ｃｘ）１００への指のタッチ有無に関わらず参照電圧Ｖ_ＲＥＦを一定（２．８Ｖ）とした場合、図４（ａ）に示すように、変調コンデンサ電圧Ｖ_ＭＯＤは参照電圧Ｖ_ＲＥＦ（閾値電圧）を中心に小さな電圧増加、減少を繰り返しながら略一定値（参照電圧Ｖ_ＲＥＦ）に保たれる。

これに対して、本発明の実施の形態では、変調コンデンサＣ_ＭＯＤの充電、放電に合わせて参照電圧Ｖ_ＲＥＦを切り替える構成としている。一般に、指接触による静電容量値Ｃ_Ｆは、電極、配線部分が持つ寄生容量（数十ｐＦ）に比べて小さく、容量変化の測定が難しい。そのため、本発明の実施の形態では、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）の参照電圧をＶ_ＲＥＦとする期間を変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）の充電時のみに制限することで、容量変動に対する出力パルス変化の比率を大きくしている。

図５は、寄生容量Ｃｘに対する感度を示すグラフであり、ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとして示すものである。図１の構成で示すコンパレータ１７０の参照電圧Ｖ_ＲＥＦを可変とし、参照電圧の減少分ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとしてシミュレーションしたものである。その結果、ΔＶ_ＲＥＦ＝０．５Ｖ、１．０Ｖのように参照電圧Ｖ_ＲＥＦを放電期間において小さく設定すると、寄生容量Ｃｘによらず、ΔＶ_ＲＥＦ＝０に比較して感度が約１．５倍になった。

図６は、寄生容量Ｃｘに対するオフセットを示すグラフであり、ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとして示すものである。図１の構成で示すコンパレータ１７０の参照電圧Ｖ_ＲＥＦを可変とし、参照電圧の減少分ΔＶ_ＲＥＦをパラメータとしてシミュレーションしたものである。その結果、ΔＶ_ＲＥＦ＝０．５Ｖ、１．０Ｖのように参照電圧Ｖ_ＲＥＦを放電期間において小さく設定すると、検出値のオフセットを最大１／５まで下げることができた。なお、本実施の形態では、検出値の分解能ビット数を１０としているので、分解能５１２である。

図７は、指接触による静電容量値Ｃ_Ｆと検出値との関係を示すグラフである。前述の感度ｄの式から、Ｒ_Ｂ・ｆ_Ｓが大きいほど感度が高いが、オフセットが大きくなるので、Ｃ_Ｆの検出範囲が狭くなる（グラフＬ１）。本実施の形態では、Ｌ２のように、高感度にしてもオフセットを小さくすることができるので、Ｃ_Ｆの検出範囲ｒを大きくとることが可能になる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態では、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）の充電、放電に合わせて参照電圧Ｖ_ＲＥＦを切り替える構成としている。検出部（Ｃｘ）へのタッチ操作による静電容量変化は約０．２ｐＦ程度と、電極、配線部分が持つ寄生容量（数十ｐＦ）に比べて小さく、容量変化の測定が難しい。そのため、変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）の参照電圧をＶ_ＲＥＦとする期間を変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）の充電時のみに制限することで、容量変動に対する出力パルス変化の比率を大きくすることができる。これにより、検出精度を向上させ、静電容量変化を拡大して検出することができる静電検出装置を提供することが可能となる。

以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。

１…静電検出装置
２０…変換部
３０…比較部
４０…処理部
１００…検出部（Ｃｘ）
１１０…変調コンデンサ（Ｃ_ＭＯＤ）
１２０…スイッチ部（ＳＷ１）
１３０…スイッチ部（ＳＷ２）
１４０…放電抵抗（Ｒ_Ｂ）
１５０…スイッチ部（ＳＷ３）
１６０…シーケンサ（ＰＲＳ）
１７０…コンパレータ（Ｃｏｍ）
１８０…Ｄ_ＦＦ回路
１９０…ＰＷＭ回路
２００…ＡＮＤ回路
２１０…カウンタ部（Counter）
２２０…制御部（ＣＰＵ）
２３０…パルス生成部（ＯＳＣ）
２４０…分周器
Ｖ_ＲＥＦ…参照電圧
Ｖ_ＭＯＤ…変調コンデンサ電圧
Ｖ_ＣＯＭ…検出信号
Ｖ_ＡＮＤ…出力パルス
Ｖ_ＯＵＴ…出力信号

Claims (3)

1. 物体の近接又は接触により静電容量値が変化する検出部と、
   前記検出部の充電及び放電、変調コンデンサの放電及び充電により、前記検出部の電荷量を前記変調コンデンサの電圧変化に変える変換部と、
   参照電圧と前記変調コンデンサの電圧値を比較して検出信号を出力する比較部と、
   前記比較部の前記検出信号に基づいて前記検出部の静電容量値に対応する出力信号を算出する処理部と、を有し、
   前記参照電圧は、前記検出部の充電時と放電時において異なる電圧に設定されることを特徴とする静電検出装置。
2. 前記参照電圧は、前記検出部の充電時よりも放電時において小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の静電検出装置。
3. 前記検出部の充電及び放電、前記変調コンデンサの放電及び充電、前記比較部での比較処理、及び、前記処理部での出力信号算出が同期して行なわれることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電検出装置。

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