專利名稱：接近傳感器和接近感測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及接近傳感器和接近感測方法，其基于感測電極和地之間電容的變化，檢測要被感測的物體的接近。
背景技術：
如本領域所知的，已存在用于感測物體接近的傳感器。這種類型的傳感器通過檢測響應傳感器部分或感測電極和地之間的電容而可變的頻率或占空比，能夠感測物體的接近(例如見JP 2002-14174A，段落0082-0089，圖8和9)。然而，這樣的接近傳感器是有問題的，因為檢測的值容易受到諸如溫度、濕度和外來噪聲之類的周圍環(huán)境因素的影響。因此，上述傳感器被提供有熱敏電阻器或半導體溫度傳感器，其展示了某種溫度特性，用于模擬電路的溫度依賴性的補償。
上述傳感器不僅有與成本相關的問題，該成本當在其上安裝熱敏電阻器或半導體溫度傳感器時提高。還有另一個問題，因為設計難以使其溫度特性與模擬電路的溫度特性匹配。另外，可工作來檢測感測電極的電容變化的上述傳感器提供了可變分量，其在感測電極或模擬電路的初始電容上疊加。進一步，來自感測電路的感測輸出電壓值依賴于電源電壓且有限。因此，如果輸出值具有至多等于電源電壓的上限，則只可能得到從電源電壓減去初始電容值后剩余的電壓范圍的值?？偠灾荒苁箘討B(tài)范圍大到足以執(zhí)行高精度檢測。這是另一個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了接近傳感器，其在第一方面中包括感測電極，其具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地電容；第一感測電路，其可工作來提供第一脈沖信號，該第一脈沖信號具有根據(jù)所述感測電極和地之間的所述電容確定的脈沖寬度；基準電容器；第二感測電路，其可工作來提供第二脈沖信號，該第二脈沖信號具有根據(jù)所述基準電容器的電容確定的脈沖寬度；以及計算裝置，其可工作來通過從所述第一脈沖信號減去所述第二脈沖信號來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
在根據(jù)本發(fā)明的接近傳感器的第一方面中，提供環(huán)境特性等同于感測電極的環(huán)境特性的基準電容器允許用簡單的電路實現(xiàn)對環(huán)境特性的高精度補償。
在第二方面中，本發(fā)明提供了接近傳感器，包括感測電極，其具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；第一感測電路，其可工作來提供第一脈沖信號，該第一脈沖信號具有根據(jù)所述感測電極和地之間的所述電容確定的脈沖寬度；基準電極；第二感測電路，其可工作來提供第二脈沖信號，該第二脈沖信號具有根據(jù)所述基準電極和地之間的電容確定的脈沖寬度；以及計算裝置，其可工作來通過從所述第一脈沖信號減去所述第二脈沖信號而計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
在根據(jù)本發(fā)明的接近傳感器的第二方面中，將感測電極布置在基準電極附近使得可以同等地排除外來影響，并且允許用簡單的電路實現(xiàn)對環(huán)境特性的高精度補償。
在第二方面的接近傳感器中，基準電極可被配置以具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容。這樣的配置允許基準電極也被用作第二感測電極。
在第一和第二方面的接近傳感器中，從第二感測電路輸出的第二脈沖信號可具有幾乎與從第一感測電路輸出的第一脈沖信號的初始值相等的初始值。這樣的配置使得可在第一感測電路的初始電容被一起減去之后，僅僅提取可變的分量。甚至在僅允許取具有等于電源電壓的上限的有限值的電路中，僅取可變分量也能使下一級中的信號處理容易。
第一和第二方面的接近傳感器可進一步包括觸發(fā)信號發(fā)生器電路，其可工作來使所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的上升相互同步。脈沖信號之間的同步使得檢測的信號波形能夠與基準信號波形同步，從而有利于脈沖電平的減法運算。
第一和第二方面的接近傳感器可以進一步包括延遲電路，其可工作來相對于所述第二脈沖信號延遲所述第一脈沖信號。另外，可以進一步包括低通濾波器，其可工作來將差分脈沖轉(zhuǎn)換成DC信號；以及DC放大器，其工作來放大通過所述低通濾波器產(chǎn)生的DC信號。插入可工作來有意延遲脈沖信號的電路能夠防止在邏輯減法時發(fā)生毛刺(glitch)。另外，將差分值轉(zhuǎn)換成DC使得可僅提取可變分量?？梢栽谙乱患増?zhí)行放大和信號處理，并且感測極小的變化。
第一和第二方面的接近傳感器可被配置成將差分脈沖的脈沖寬度與閾值相比較，并且基于其間的量值關系提供ON/OFF信號。將差分值轉(zhuǎn)換成DC使得可僅提取可變分量。在下一級放大等等可以使得甚至根據(jù)檢測信號的極小變化也可以提供ON/OFF輸出。
在第一和第二方面的接近傳感器中，感測電極可以被配置成多個這樣的感測電極中的一個。在這種情況下，傳感器可進一步包括選擇器電路，其可工作來選擇來自所述多個感測電極的信號中的一個，并將其饋送到第一感測電路。
在第一方面中，本發(fā)明提供了接近感測方法，包括接收第一脈沖信號來測量第一脈沖寬度的第一脈沖寬度測量步驟，該第一脈沖信號具有根據(jù)感測電極和地之間的電容確定的所述第一脈沖寬度，該感測電極具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；接收第二脈沖信號來測量第二脈沖寬度的第二脈沖寬度測量步驟，該第二脈沖信號具有根據(jù)基準電容器的電容確定的所述第二脈沖寬度；以及通過從所述第一脈沖信號的所述第一脈沖寬度減去所述第二脈沖信號的所述第二脈沖寬度來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
在第二方面中，本發(fā)明提供了接近感測方法，包括接收第一脈沖信號來測量第一脈沖寬度的第一脈沖寬度測量步驟，所述第一脈沖信號具有根據(jù)感測電極和地之間的電容確定的所述第一脈沖寬度，所述感測電極具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；接收第二脈沖信號來測量第二脈沖寬度的第二脈沖寬度測量步驟，所述第二脈沖信號具有根據(jù)基準電極和地之間的電容確定的所述第二脈沖寬度；以及通過從所述第一脈沖信號的所述第一脈沖寬度減去所述第二脈沖信號的所述第二脈沖寬度來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。


圖1是示出根據(jù)第一實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖2是示出根據(jù)第一實施例的接近傳感器的部分電路的電路圖。
圖3是用于根據(jù)第一實施例的接近傳感器的電路示例的時續(xù)圖。
圖4示出周圍溫度和變化之間的關系。
圖5是示出根據(jù)第一實施例的接近傳感器中的感測電極的電容和將被檢測的脈沖信號的脈沖寬度的曲線圖。
圖6是示出根據(jù)第二實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖7是示出用于提供ON/OFF輸出的在CPU中處理的示例的流程圖。
圖8是示出根據(jù)第三實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖9是示出根據(jù)第四實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖10是示出根據(jù)第五實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖11是示出根據(jù)第六實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖12是示出根據(jù)第七實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
圖13A和13B是示出感測電極的結(jié)構(gòu)示例的平面圖。
圖14是示出感測電極和基準電極的布置的示例的示意圖。
圖15是示出根據(jù)第八實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的接近傳感器的配置的框圖。
接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1A，其生成具有響應要被感測的物體的接近而可變的占空比的脈沖信號。接近傳感器還包括信號處理器3A，其對生成的脈沖信號進行信號處理以響應占空比而提供輸出值，并且其向外部提供ON/OFF輸出。
脈沖信號發(fā)生器1A包括感測電極2；第一感測電路4，其提供感測脈沖信號P1，該感測脈沖信號P1具有根據(jù)感測電極2和地之間的電容而確定的脈沖寬度；基準電容器6；第二感測電路8，其提供基準脈沖信號P2，該基準脈沖信號P2具有根據(jù)基準電容器6的電容而確定的脈沖寬度；觸發(fā)信號發(fā)生器電路10，其將觸發(fā)信號TG提供給第一感測電路4和第二感測電路8，以使感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的上升同步；以及計算電路12，其基于從第一感測電路4饋送的感測脈沖信號P1和從第二感測電路8饋送的基準脈沖信號P2來計算差分脈沖信號P3。
感測電極2位于它能夠感測諸如人體之類的物體接近的區(qū)域中。感測電極2和地之間的電容Cx根據(jù)物體的接近而變化。第一感測電路4被配置成可工作來與從觸發(fā)信號發(fā)生器電路10饋送的觸發(fā)信號TG同步以生成感測脈沖信號P1，其具有響應感測電極2和地之間的電容Cx而變化的占空比。所生成的感測脈沖信號P1被提供給計算電路12。
基準電容器6的電容Cref不能響應物體的接近而變化。第二感測電路8被配置可工作來與從觸發(fā)信號發(fā)生器電路10饋送的觸發(fā)信號TG同步以生成基準脈沖信號P2，其具有根據(jù)基準電容器6的電容Cref而確定的占空比。所生成的基準脈沖信號P2被提供給計算電路12。
計算電路12被配置成從所提供的感測脈沖信號P1減去基準脈沖信號P2，以便提供差分脈沖信號P3(＝P1-P2)。差分脈沖信號P3被饋送給信號處理器3A。
信號處理器3A包括CPU 13，其將脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值并將其提供給外部，并且其基于這個數(shù)字值提供ON/OFF輸出。更加具體地，CPU13響應占空比將所提供的差分脈沖信號P3轉(zhuǎn)換成數(shù)字值并將其作為數(shù)字信號提供。還基于這個數(shù)字信號提供ON/OFF輸出，以便在接近傳感器的ON/OFF狀態(tài)之間進行切換。CPU 13也可以被配置為邏輯電路。
在如此配置的接近傳感器中，當物體接近感測電極2時，感測電極2經(jīng)由物體對地的電容Cx變化而改變了感測脈沖信號P1的占空比。感測脈沖信號P1的占空比也可根據(jù)諸如溫度、濕度和外部噪聲之類的環(huán)境變化而波動。另一方面，從第二感測電路8輸出的基準脈沖信號P2的占空比不能響應物體的接近而變化，而僅依賴于諸如溫度和濕度之類的周圍環(huán)境。計算電路12從感測脈沖信號P1減去基準脈沖信號P2，以去除施加于感測脈沖信號P1上的諸如溫度和濕度之類的周圍環(huán)境的影響。它提供了差分脈沖信號P3，其僅響應物體的接近而變化。
描述了根據(jù)這樣的第一實施例的接近傳感器的電路示例。圖2是示出根據(jù)第一實施例的接近傳感器中的脈沖信號發(fā)生器1A的電路示例的電路圖。
用于根據(jù)感測電極2和地之間的電容Cx而生成感測脈沖信號P1的第一感測電路4被配置成與用于根據(jù)基準電容器6的電容而生成基準脈沖信號P2的第二感測電路8幾乎相同。
第一感測電路4包括兩個比較器14、16；RS觸發(fā)電路(在下文中被稱為“RS-FF”)18，其具有分別被提供有來自比較器14、16的輸出的復位端R和置位端S；緩沖器20，其將來自RS-FF 18的輸出DIS1從其通行；以及晶體管22，其用來自RS-FF 18的輸出DIS1進行ON/OFF控制。
比較器16將從如圖3所示的觸發(fā)信號發(fā)生器電路10輸出的觸發(fā)信號TG與分壓電阻器RA1、RB1、RC1產(chǎn)生的一定閾值VthB1相比較，并且與觸發(fā)信號TG同步地提供置位脈沖。置位脈沖對來自RS-FF 18的Q輸出進行置位。Q輸出充當放電信號DIS1以將晶體管22帶入OFF狀態(tài)。當晶體管22保持斷開時，能夠以根據(jù)時間常數(shù)確定的速率對感測電極2和地之間的電容進行充電，所述時間常數(shù)是根據(jù)感測電極2對地的電容Cx和連接在輸入端與電源線之間的電阻器RD1得到的。因此，輸入信號Vin1的電勢就以根據(jù)電容Cx確定的速率上升。在這種情況下，當輸入信號Vin1超過根據(jù)分壓電阻器RA1、RB1、RC1確定的閾值VthA1時，比較器14對其輸出反相以反轉(zhuǎn)來自RS-FF 18的輸出。結(jié)果，晶體管22被帶入ON狀態(tài)，其通過晶體管22對感測電極2上的電荷進行放電。因此，第一感測電路4提供感測脈沖信號P1，其以基于感測電極2和地之間的電容Cx的占空比振蕩。如此生成的感測脈沖信號P1被供應給計算電路12。
類似地，第二感測電路8包括兩個比較器24、26；RS-FF 28，其具有分別被提供有來自比較器24、26的輸出的復位端R和置位端S；緩沖器30，其將來自RS-FF 28的輸出DIS2從其通行；以及晶體管32，其利用來自RS-FF 28的輸出DIS2進行ON/OFF控制。這是一定時器。
比較器26將從觸發(fā)信號發(fā)生器電路10輸出的觸發(fā)信號TG與分壓電阻器RA2、RB2、RC2產(chǎn)生的某一閾值VthB2進行比較，并且與觸發(fā)信號TG同步地提供置位脈沖。置位脈沖對來自RS-FF 28的Q輸出進行置位，其充當放電信號DIS2以將晶體管32帶入OFF狀態(tài)。因此，輸入信號Vin2的電勢以根據(jù)電容Cref和連接在輸入端與電源線之間的電阻器RD2而確定的速率上升。在這種情況下，當輸入信號Vin2超過閾值VthA2時，晶體管32被帶入ON狀態(tài)以對基準電容器6上的電荷放電。因此，感測電路8提供基準脈沖信號P2，其以基于基準電容器6的電容Cref的占空比振蕩。因此生成的基準脈沖信號P2被供應給計算電路12。
計算電路12從所提供的感測脈沖信號P1減去基準脈沖信號P2，并且提供差分脈沖信號P3，如圖3所示。差分脈沖信號P3例如能夠根據(jù)感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的反相脈沖的邏輯積得到。
如果兩個感測電路4、8具有幾乎相同的周圍環(huán)境特性，則從感測脈沖信號P1中減去基準脈沖信號P2，所述基準脈沖信號P2從第二感測電路8輸出并且僅依賴于周圍環(huán)境，使得能夠去除諸如溫度和濕度之類的影響。因此，使得可以用簡單的配置進行高精度的電容檢測。
下面對驗證試驗給予描述，該驗證試驗被執(zhí)行以驗證使用根據(jù)第一實施例的接近傳感器的本發(fā)明的效果。在根據(jù)第一實施例的接近傳感器中，20pF的電容器被連接作為感測電極2，并且15pF的電容器作為基準電容器6。如此配置的接近傳感器周圍的環(huán)境溫度從-40℃到90℃變動，以檢查從CPU 13輸出的數(shù)字信號的變化。圖4顯示了當環(huán)境溫度以10℃的間隔變化時，環(huán)境溫度和輸出值變化之間的關系。相對于25℃的數(shù)字信號值來顯示該變化。結(jié)果，在從-40℃到90℃，數(shù)字信號值的變化在±1％之內(nèi)。數(shù)字信號值沒有根據(jù)溫度而變化。因此，確認溫度依賴性的影響能夠被去除。
為了在沒有物體被感測到時，從第一感測電路4輸出的感測脈沖信號P1的脈沖寬度的初始寬度可具有與從第二感測電路8輸出的基準脈沖信號P2的脈沖寬度的初始寬度相同的值，可調(diào)整基準電容器6的電容Cref。
圖5是示出感測電極2的電容和要被檢測的脈沖信號的脈沖寬度之間的關系的曲線圖。橫坐標軸指示感測電極2和地之間的電容Cx?？v坐標軸指示從第一感測電路4輸出的脈沖信號P1的脈沖寬度。
如果沒有物體接近感測電極2并且感測電極2和地之間的初始電容等于Co，則要被檢測的脈沖信號的脈沖寬度等于P(Co)。當在這種情況下物體接近感測電極2時，電容Cx的變化ΔCx因而增加了感測脈沖信號P1的值。即，感測脈沖信號P1的脈沖寬度變?yōu)镻(Co+ΔCx)。如果根據(jù)感測電極2的初始電容確定的脈沖寬度P(Co)比較大而由電容變化引起的脈沖寬度的變化P(ΔCx)比較小，則不能使放大器電路的動態(tài)范圍較大。在這樣的情況下，即使放大器電路進行放大，也不能精確地檢測脈沖寬度的變化。
對基準電容器6的電容進行調(diào)整，以使得根據(jù)感測電極2的初始電容確定的脈沖寬度P(Co)等于基準脈沖信號P2的脈沖寬度?？偠灾?，這樣選擇Cref以便滿足P(Cref)＝P(Co)。因為第一感測電路4和第二感測電路8還具有初始電容，所以需要在設置Cref的值時估計這些電容。
在這樣的條件下，差分脈沖信號P3，其為感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2之間的差，被表示為P3＝P(Co+ΔCx)-P(Cref)，即，P3＝P(ΔCx)(∵P(Co)＝P(Cref))。
用這種方法，所生成的差分脈沖信號P3僅反映根據(jù)物體向感測電極2接近的電容變化。在這種情況下，放大器電路可以被設計以具有較寬的動態(tài)范圍來放大變化，以便感測脈沖信號P1的變化能夠被可靠地檢測，即使其極小。能夠用簡單的電路進行高精度感測，而不使用昂貴的元件來測量極小信號強度的變化。
在感測電極2中，可能希望在根據(jù)與物體的關系確定的某一部分之內(nèi)來檢測電容變化。例如，可能希望檢測Cx在圖5中從Ca到Cb的變化。在這種情況下，為了防止電容變化的檢測低于Ca，基準電容器的電容可被選擇為這樣的Cref，其滿足P(Cref)＝P(Ca)。當與感測電極2相關聯(lián)的電容在Co和Ca之間時，通過從感測脈沖信號P1減去基準脈沖信號P2獲得的差分脈沖信號P3不能被檢測。如果感測電極2的電容大于Ca，則通過從感測脈沖信號P1減去基準脈沖信號P2獲得的差分脈沖信號P3能夠取反映相對于Ca變化的值。上限值Cb對應于物體接觸到感測電極2時的電容。
使用這樣的配置，使得能在感測電極中的某一部分之內(nèi)精確地測量變化。從Co到Ca的電容變化可被用作噪聲容限以將等于感測電極中所混合的外來噪聲的電容變化添加到基準電容器，從而改善抗噪性。
下一步將描述根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的接近傳感器。圖6是示出根據(jù)第二實施例的接近傳感器的電配置的框圖。根據(jù)第二實施例的接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1B和信號處理器3B。
與第一實施例中的脈沖信號發(fā)生器1A不同，脈沖信號發(fā)生器1B不包括計算電路12。脈沖信號發(fā)生器1B將從第一感測電路4生成的感測脈沖信號P1和從第二感測電路8生成的基準脈沖信號P2供應給信號處理器3B。
信號處理器3B包括CPU 15。與第一實施例中的CPU 13不同，CPU15將所提供的感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并且計算這兩個數(shù)字值之間的差值。類似于第一實施例中的CPU 13，CPU 15將差值作為數(shù)字值提供給外部，并且基于這個數(shù)字值提供ON/OFF輸出。
參考圖7描述信號處理器3B中的處理。圖7是示出用于提供ON/OFF輸出的在CPU 15中處理的示例的流程圖。CPU 15接收從脈沖信號發(fā)生器1B生成的感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2。在步驟S1，CPU 15測量所提供的感測脈沖信號P1的脈沖寬度，并且產(chǎn)生感測數(shù)字信號D1。在步驟S2，類似地測量所提供的基準脈沖信號P2的脈沖寬度，并且產(chǎn)生基準數(shù)字信號D2。在步驟S3，CPU 15從感測數(shù)字信號D1減去基準數(shù)字信號D2以得出差分數(shù)字信號D3，其對應于差分脈沖的寬度并作為數(shù)字值提供給外部。在步驟S4，CPU 15將產(chǎn)生的差分數(shù)字信號D3與在先確定的閾值相比較。在本實施例中，如果差分數(shù)字信號D3高于確定的閾值，則流程進到步驟S5以提供ON輸出。相反，如果低于確定的閾值，則流程進到步驟S6以提供OFF輸出。當接近傳感器工作時，CPU 15重復這個處理。
使用CPU 15在信號處理器3B中處理感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2能夠消除在脈沖信號發(fā)生器中提供計算電路的需要，并從而簡化了脈沖信號發(fā)生器的配置。另外，能夠識別差分數(shù)字值是正還是負，并且可以靈活地設置包括上下限的閾值。
代之觸發(fā)信號發(fā)生器電路10生成的觸發(fā)信號TG，可以使用來自CPU的輸出信號。除了測量感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的CPU 15之外，還可以使用AD轉(zhuǎn)換器來測量感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的脈沖寬度，并將它們作為數(shù)字值提供。
下一步將描述根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的接近傳感器。圖8是示出根據(jù)第三實施例的接近傳感器的電配置的框圖。根據(jù)第三實施例的接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1C和信號處理器3C。
在這個實施例中，在CPU 13的前級，信號處理器3C包括低通濾波器(LPF)40和DC放大器42，就將生成的差分脈沖信號P3轉(zhuǎn)換成模擬信號。圖1中的觸發(fā)信號發(fā)生器電路10包括振蕩器電路35和分頻器電路34，該分頻器電路34將來自振蕩器電路35的輸出的頻率分頻以生成觸發(fā)信號TG。振蕩器電路35能夠內(nèi)部振蕩，并且可連接到外部石英或陶瓷振蕩器。圖1的計算電路12包括反相器38，其反相從第二感測電路8輸出的基準脈沖信號P2；以及AND電路36，其生成從第一感測電路4輸出的感測脈沖信號P1和來自反相器38的輸出的邏輯積。
從AND電路36輸出的差分脈沖信號P3通過LPF 40被轉(zhuǎn)換成DC電壓，并且通過DC放大器42被放大并饋送到CPU 13。在這個信號的基礎上，CPU 13提供數(shù)字值輸出和ON/OFF輸出。
由此，差分脈沖信號P3以這種方式被轉(zhuǎn)換成DC來降低電壓的初始值。從而，與包含初始電容的脈沖被轉(zhuǎn)換成DC的情況相比，能夠使后級的DC放大器42的放大率更高，從而使能大的動態(tài)范圍、高精度的檢測。信號處理器3C使用LPF 40來平滑差分脈沖信號P3以去除因感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的上升之間的時間差造成的毛刺。
描述根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的接近傳感器。圖9是示出根據(jù)第四實施例的接近傳感器的配置的框圖。
根據(jù)第四實施例的接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1D和信號處理器3A。
脈沖信號發(fā)生器1D包括延遲電路44以去除毛刺。延遲電路44相對于從第二感測電路8輸出的基準脈沖信號P2稍微延遲從第一感測電路4輸出的感測脈沖信號P1。
結(jié)果，使得能夠去除因感測脈沖信號P1和基準脈沖信號P2的上升之間的時間差造成的毛刺。
可提供觸發(fā)電路作為另一種毛刺去除裝置，并且可將采樣時鐘饋送到觸發(fā)電路以配置能夠采樣脈沖信號P1、P2的同步采樣電路。還可配置一替換例，使來自第一感測電路4和第二感測電路8的輸出相互同步，并將它們提供到外部。
描述根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的接近傳感器。圖10是示出根據(jù)第五實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
根據(jù)第五實施例的接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1C和信號處理器3D。脈沖信號發(fā)生器1C具有與第三實施例相同的配置。信號處理器3D包括脈沖寬度測量電路46，其將從脈沖信號發(fā)生器1C饋送的差分脈沖信號P3的脈沖寬度轉(zhuǎn)換成數(shù)字值并將其提供到外部；閾值設置電路48，其產(chǎn)生閾值；以及比較器電路50，其接收所述數(shù)字值和所述閾值以將它們相互比較，并且基于其間的量值關系提供ON/OFF信號。
在脈沖寬度測量電路46處，由脈沖信號發(fā)生器1C生成的差分脈沖信號P3被轉(zhuǎn)換成對應于其脈沖寬度的數(shù)字值。該數(shù)字值被提供給外部和比較器電路50。比較器電路50在一個輸入端接收該數(shù)字值，在另一個輸入端接收在閾值設置電路48處設置的閾值，并且基于其間的量值關系提供ON/OFF信號。
描述根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的接近傳感器。圖11是示出根據(jù)第六實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
根據(jù)第六實施例的接近傳感器包括脈沖信號發(fā)生器1C和信號處理器3E。脈沖信號發(fā)生器1C具有與第三實施例相同的配置。
信號處理器3E包括LPF 40，其將由脈沖信號發(fā)生器1C生成的差分脈沖信號P3轉(zhuǎn)換成DC；DC放大器42，其以增益設置單元54設置的放大率放大從LPF 40輸出的信號；閾值設置電路52；遲滯比較器56，其將通過DC放大器42放大的信號與由閾值設置電路52產(chǎn)生的閾值相比較，并且根據(jù)其間的量值關系提供ON/OFF輸出；以及遲滯設置電路58，其設置遲滯比較器56的遲滯特性。
由脈沖信號發(fā)生器1C生成的差分脈沖信號P3通過LPF 40被轉(zhuǎn)換成DC，然后以增益設置單元54設置的增益被放大。放大的DC信號被作為模擬信號提供給外部。另外，其在遲滯比較器56中與閾值相比較，并且根據(jù)其間的量值關系被轉(zhuǎn)換成ON/OFF輸出。在這個實施例中，遲滯比較器56的使用額外改善了抗噪性。
下面對驗證試驗給予描述，該驗證試驗被執(zhí)行以使用根據(jù)第六實施例的接近傳感器驗證本發(fā)明的效果。在根據(jù)第六實施例的接近傳感器中，脈沖信號發(fā)生器1C和信號處理器3E包括電子電路，5pF的電容器被連接作為感測電極2，并且3pF的電容器作為基準電容器6。如此配置的接近傳感器周圍的環(huán)境溫度以-40℃、25℃和85℃變化來檢查從DC放大器42輸出的模擬信號的變化。在兩種情況下進行溫度特性的測量第二感測電路8暫停，而只有第一感測電路4工作以傳遞信號；以及第二感測電路8工作以相對于來自第一感測電路4的信號計算差值。表1是顯示當改變環(huán)境溫度時環(huán)境溫度和輸出值變化之間的關系的表。該變化相對于在25℃的模擬信號值被示出。
表1

結(jié)果，在-40℃和85℃處，來自根據(jù)本實施例的接近傳感器的模擬輸出值被確認得到改善，因為與僅基于來自第一感測電路4的信號的模擬輸出值相比，該變化幾乎能夠減半。模擬輸出值的變化幾乎落在±1％之內(nèi)，并且確認去除了溫度對接近傳感器造成的影響。
描述根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的接近傳感器。圖12是示出根據(jù)第七實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
第七實施例包括脈沖信號發(fā)生器1E和信號處理器3E。信號處理器3E具有與第六實施例相同的配置。
在脈沖信號發(fā)生器1E中，感測電極61經(jīng)由選擇器電路60連接到第一感測電路4。選擇器電路60連接到提供ch-select信號的CPU 62。CPU62連接到LED 64，該LED 64由CPU 62基于ON/OFF輸出來控制燈開啟/關閉。
脈沖信號發(fā)生器1E進一步包括運算放大器65。運算放大器65配置具有1增益的緩沖器，其將感測電極61和諸如保護電極和屏蔽線(未示出)之類的外設保持在等電位，以防止二者之間的充/放電。運算放大器65響應ON/OFF信號而選擇性地工作。
在本實施例中，CPU 62向選擇器電路60提供ch-select信號。選擇器電路60基于ch-select可工作來順序掃描感測電極61中包含的多個電極。來自感測電極61中包含的電極的信號被順序地饋送到第一感測電路4中，并且作為感測脈沖信號P1被提供到外部?；诟袦y脈沖信號P1和從第二感測電路8輸出的基準脈沖信號P2而生成的差分脈沖信號P3，通過信號處理器3E中的LPF 40和DC放大器42被轉(zhuǎn)換成DC，并且作為模擬信號被提供到外部。這個模擬信號輸出與遲滯比較器56中的閾值相比較。對于選擇器電路60掃描的感測電極61中的某一通道的電極，如果基于其信號的模擬信號超過閾值，則提供ON/OFF輸出。在本實施例中，如果模擬信號超過閾值，則提供ON輸出。
ON/OFF輸出被饋送到CPU 62。CPU 62用對應于已變?yōu)镺N的通道的輸出接通LED 64，從而提供對應于感測電極中每個通道的感測狀態(tài)的指示。
ON/OFF輸出還被輸入到運算放大器65。運算放大器65根據(jù)ON/OFF輸出向布置在感測電極61周圍的保護電極提供保護輸出。
下面對驗證試驗給予描述，所述驗證試驗被執(zhí)行以驗證本發(fā)明的第七實施例中的本發(fā)明的效果。
圖13是示出驗證試驗中使用的感測電極61的平面圖。圖13A示出了感測電極61的前表面，而圖13B則示出了感測電極61的后表面。感測電極61包括16個環(huán)狀電極部分66，其以4行4列被布置在前表面上。以2.5mm的間隔布置電極部分66中的每個相鄰電極。電極部分66經(jīng)由通孔68連接到感測電極61的后表面，并且經(jīng)由電線70電線連接到連接端72。感測電極61的16個通道電極連接到選擇器電路60。保護電極74布置在電極部分66的周圍，并且輸入來自運算放大器的接地輸出。
本驗證試驗使用75kΩ的檢測電阻器，供在第一感測電路4和第二感測電路8中使用。56pF的電容器用作基準電容器6。用于DC放大器42的由增益設置單元54設置的增益為兩倍(two-fold)，并且閾值設置電路52設置的閾值為2.5V。
在這個驗證試驗中，關于感測電極61的手指觸摸電極(finger-touchedelectrode)和另一個非觸摸電極來測量模擬值輸出。在兩種情況下進行上述測量第二感測電路8暫停，而只有第一感測電路4工作以傳遞信號；以及第二感測電路8工作，以相對于來自第一感測電路4的信號計算差值。表2是示出用于手指觸摸的電極和非觸摸電極的、來自LPF和DC放大器的輸出電壓之間的關系的表。
表2


對于手指觸摸電極和非觸摸電極兩者，基于僅來自第一感測電路4的信號的來自DC放大器42的模擬值輸出超過了2.5V的閾值，并且對于兩種情況都提供ON輸出。因此，在這種狀態(tài)下接近傳感器不能工作。
當?shù)诙袦y電路8工作并且基于來自基準電容器6的輸出與基準脈沖信號P2一起執(zhí)行減法時，來自DC放大器42的模擬值輸出展示了不同的值。當手指觸摸到感測電極61中的ch-16電極時，輸出電壓超過2.5V的閾值，并且提供ON輸出。另一方面，當沒有手指觸摸感測電極61中的ch-12電極時，輸出電壓不超過閾值，并且提供OFF輸出。在這種狀態(tài)下，當手指觸摸到某個電極時，基于輸出電壓的ON輸出使得能夠開啟某個LED。因此，它能夠作為感測物體接近的接近傳感器來工作。
在用于僅運行第一感測電路4的驗證試驗的接近傳感器中，設置在值等于4.4V或更高的閾值和增益設置單元設置的一倍(one-fold)增益使得能夠進行手指觸摸的辨別。信號處理器中電路的上限值等于5V的電源電壓，而接近于這個值的值的使用難以確保設計裕量。信號處理器中的放大率很難增加，因此，不可能在非常低的靈敏度下感測。
另一方面，在運行第二感測電路8的接近傳感器中，模擬值輸出為電源電壓的2/3左右，該電源電壓為測量上限值。因此，即使當以相對低的靈敏度進行感測時，增加的差或提高的放大率也使得能夠進行感測。
在驗證試驗中，使用保護電極74。在沒有保護電極74而感測的情況下，電極部分66可能有相互影響。因此，從每個電極到第一感測電路4的電極部分66和電線70必須用接地電極74屏蔽。GND能夠用作保護電極74。在電極部分66布置得相互分離的情況下，可以不使用保護電極。
在本實施例的接近傳感器中，即使在有限的電源電壓之內(nèi)，減法運算也使得電容的極小變化可感測。
在所有的上述實施例中，可代替基準電容器6而使用基準電極76。在這種情況下，例如，如圖14所示，基準電極76經(jīng)由屏蔽78被布置在感測電極2的背面。使用這樣的配置，感測電極2根據(jù)物體的接近而改變檢測的值，同時基準電極76提供不受物體接近影響的基準值。為了從基準電極76的背面的后面去除施加于基準電極76的噪聲影響，另一個屏蔽78可被布置在基準電極76的背面。
描述根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的接近傳感器。圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的接近傳感器的電配置的框圖。
第八實施例包括脈沖信號發(fā)生器1F和信號處理器3F。，脈沖信號發(fā)生器1F包括具有響應物體的接近而可變的電容的感測電極79，該電極用作基準電極，代替第三實施例中的基準電容器6，這不同于根據(jù)第三實施例的脈沖信號發(fā)生器1C。另外，與根據(jù)第三實施例的脈沖信號發(fā)生器1C不同，電容器80連接到第一感測電路4。信號處理器3F具有與根據(jù)第六實施例的信號處理器3E中的模擬值輸出部分相同的配置。
在脈沖信號發(fā)生器1F中，感測電極2連接到第一感測電路4，并且第一感測電路4提供感測脈沖信號P1。電容器80連接到第一感測電路4的輸入端以增加初始電容，以便即使沒有物體接近感測電極2和感測電極79，其輸出也展示全范圍的平均值。
在脈沖信號發(fā)生器1F中，感測電極79連接到第二感測電路8。類似于第一感測電路4，第二感測電路8將感測電極79和地之間的電容轉(zhuǎn)換成基準脈沖信號P2并將其提供給外部。感測電極79具有幾乎與第一感測電路4的初始電容相同的初始電容，并且具有響應物體的接近而可變的對地的電容。基準脈沖信號P2的脈沖寬度根據(jù)電容的變化而變化。
在根據(jù)第八實施例的接近傳感器中，物體向感測電極2的接近改變了感測電極2的電容，并且使得電壓值或模擬值輸出高于全范圍的平均值。另外，物體向感測電極79的接近改變了感測電極79的電容，并且使得電壓值輸出低于全范圍的平均值。在上述第一到第七實施例中，在減少檢測值的溫度校正中使用從基準電容器6輸出的基準值。基準電容器6可用電極79代替，如本實施例中所示，并且作為第二感測電極使用。在這種情況下，周圍環(huán)境變化是同相噪聲，并因此被消除。
下面對驗證試驗給予描述，所述驗證試驗被執(zhí)行以驗證根據(jù)第八實施例的接近傳感器的效果。在脈沖信號發(fā)生器中，感測電極2和感測電極79每個都包括一片50mm見方(50mm-square)的銅箔，并且這兩個感測電極以20mm的間隔布置。具有1mm厚度的丙烯酸板放置在每個感測電極上。20pF的電容器連接到第一感測電路4的輸入端。在沒有手指接觸感測電極的狀態(tài)下，以及在手指接觸到(一個或多個)感測電極的狀態(tài)下，測量來自如此配置的接近傳感器的輸出電壓。
在這個驗證試驗中，對兩個電極均沒有手指接觸到的狀態(tài)下的輸出電壓和手指接觸到(一個或多個)感測電極的狀態(tài)下的輸出電壓進行比較如表3所示。
表3

結(jié)果，可以確認，當分開接觸感測電極2和感測電極79時，能夠充分測量輸出的變化。當兩個電極都被接觸時的輸出變化幾乎匹配當電極被分開接觸時輸出變化之間的差值。因此，可配置接近傳感器以當兩個感測電極被同時接觸時通知非感測狀態(tài)。在不使用增加初始電容的電容器的情況下也可以配置這樣的接近傳感器。
上面已描述了本發(fā)明的實施例，然而本發(fā)明不限于這些實施例，而是能夠給出各種修改和添加，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
例如，觸發(fā)信號發(fā)生器電路10已使用能夠內(nèi)部振蕩的振蕩器電路來配置，然而其可被配置成接收從外部提供的采樣同步信號。
權(quán)利要求
1.一種接近傳感器，包括感測電極，其具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；第一感測電路，其可工作來提供第一脈沖信號，該第一脈沖信號具有根據(jù)所述感測電極和地之間的所述電容確定的脈沖寬度；基準電容器；第二感測電路，其可工作來提供第二脈沖信號，該第二脈沖信號具有根據(jù)所述基準電容器的電容確定的脈沖寬度；以及計算裝置，其可工作來通過從所述第一脈沖信號減去所述第二脈沖信號來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，其中，從所述第二感測電路輸出的所述第二脈沖信號具有幾乎與從所述第一感測電路輸出的所述第一脈沖信號的初始值相等的初始值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，進一步包括觸發(fā)信號發(fā)生器電路，其可工作來使所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的上升相互同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，進一步包括延遲電路，其可工作來相對于所述第二脈沖信號延遲所述第一脈沖信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，進一步包括低通濾波器，其可工作來將所述差分脈沖轉(zhuǎn)換成DC信號；以及DC放大器，其可工作來放大通過所述低通濾波器產(chǎn)生的所述DC信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，其中，所述傳感器被配置成將所述差分脈沖的所述脈沖寬度與閾值相比較，并且基于其間的量值關系提供ON/OFF信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接近傳感器，其中，所述感測電極是多個這樣的感測電極中的一個，所述傳感器進一步包括選擇器電路，其可工作來選擇來自所述多個感測電極的信號中的一個，并將其饋送到所述第一感測電路。
8.一種接近傳感器，包括感測電極，其具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；第一感測電路，其可工作來提供第一脈沖信號，該第一脈沖信號具有根據(jù)所述感測電極和地之間的所述電容確定的脈沖寬度；基準電極；第二感測電路，其可工作來提供第二脈沖信號，該第二脈沖信號具有根據(jù)所述基準電極和地之間的電容確定的脈沖寬度；以及計算裝置，其可工作來通過從所述第一脈沖信號減去所述第二脈沖信號而計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，其中，所述基準電極具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，其中，從所述第二感測電路輸出的所述第二脈沖信號具有幾乎與從所述第一感測電路輸出的所述第一脈沖信號的初始值相等的初始值。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，進一步包括觸發(fā)信號發(fā)生器電路，其可工作來使所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的上升相互同步。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，進一步包括延遲電路，其可工作來相對于所述第二脈沖信號延遲所述第一脈沖信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，進一步包括低通濾波器，其可工作來將所述差分脈沖轉(zhuǎn)換成DC信號；以及DC放大器，其可工作來放大通過所述低通濾波器產(chǎn)生的所述DC信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，其中，所述傳感器被配置以將所述差分脈沖的所述脈沖寬度與閾值相比較，并且基于其間的量值關系提供ON/OFF信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接近傳感器，其中，所述感測電極是多個這樣的感測電極中的一個，所述傳感器進一步包括選擇器電路，其可工作來選擇來自所述多個感測電極的信號中的一個，并將其饋送到所述第一感測電路。
16.一種接近感測方法，包括接收第一脈沖信號來測量第一脈沖寬度的第一脈沖寬度測量步驟，該第一脈沖信號具有根據(jù)感測電極和地之間的電容確定的所述第一脈沖寬度，該感測電極具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；接收第二脈沖信號來測量第二脈沖寬度的第二脈沖寬度測量步驟，該第二脈沖信號具有根據(jù)基準電容器的電容確定的所述第二脈沖寬度；以及通過從所述第一脈沖信號的所述第一脈沖寬度減去所述第二脈沖信號的所述第二脈沖寬度來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
17.一種接近感測方法，包括接收第一脈沖信號來測量第一脈沖寬度的第一脈沖寬度測量步驟，所述第一脈沖信號具有根據(jù)感測電極和地之間的電容確定的所述第一脈沖寬度，所述感測電極具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；接收第二脈沖信號來測量第二脈沖寬度的第二脈沖寬度測量步驟，所述第二脈沖信號具有根據(jù)基準電極和地之間的電容確定的所述第二脈沖寬度；以及通過從所述第一脈沖信號的所述第一脈沖寬度減去所述第二脈沖信號的所述第二脈沖寬度來計算差分脈沖，并且提供所述差分脈沖的脈沖寬度。
全文摘要
一種接近傳感器包括感測電極，其具有響應要被感測的物體的接近而可變的對地的電容；第一感測電路，其可工作來提供第一脈沖信號，該第一脈沖信號具有根據(jù)所述感測電極和地之間的電容確定的脈沖寬度；基準電容器；第二感測電路，其可工作來提供第二脈沖信號，該第二脈沖信號具有根據(jù)所述基準電容器的電容確定的脈沖寬度；以及計算裝置，其可工作來通過從所述第一脈沖信號減去所述第二脈沖信號而計算差分脈沖，并且提供該差分脈沖的脈沖寬度。
文檔編號G01V3/08GK101078774SQ20071010732
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者中村靖, 見崎信正 申請人:株式會社藤倉