JP2011232038A - Capacitance type proximity sensor apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検出体の近接を検出する静電容量式近接センサ装置に関する。 The present invention relates to a capacitive proximity sensor device that detects the proximity of an object to be detected.
従来、人体などの被検出体を検出する装置としては、平面方向における被検出体の接近を検出する静電容量型検出装置が提案されている。かかる静電容量型検出装置においては、電極間に静電容量を形成するように、センサ面上に4つの電極が配置されている(例えば、特許文献1参照)。この4つの電極は、4辺及び4つの角部を持つ矩形形状のセンサ面の4辺に沿って配置されている。 Conventionally, as a device for detecting a detection target such as a human body, a capacitance type detection device that detects the approach of the detection target in a planar direction has been proposed. In such a capacitance type detection device, four electrodes are arranged on the sensor surface so as to form a capacitance between the electrodes (for example, see Patent Document 1). The four electrodes are arranged along four sides of a rectangular sensor surface having four sides and four corners.
近年、電子機器のディスプレイの縦横比は主流が4:3から16:9に移りつつあり、横長化がすすんでいる。このような横長のディスプレイの周囲や、さらに横長であるキーボードの周囲などにおいて、特許文献1に開示された電極配置を用いて人間の手の接近を検出する場合、人間の手のひらが縦方向に長いことから、図6(a)に示すように、縦方向に延在する一対の対向する電極101b(X1),101d(X2)でX方向を検出するときには、手のひら31と電極101b,101dとがより強く結合するため感度がとれるが、図6(b)に示すように、横方向に延在する一対の対向する電極101a(Y1),101c(Y2)でY方向を検出するときには、手のひら31と電極101a,101cとの間の近接面積が狭く、電極101a,101c間において手のひら31と結合しない部分の比率が高くなることから結果的に感度が落ちる。このため、特に電極101a,101cが長くなるような横長、大画面に適用した場合には、ユーザが意識している動作とセンサの出力が一致せず、その結果、被検出体の動作に対して自然な動きとなる検出を行うことができない場合があることが分かってきている。
In recent years, the aspect ratio of a display of an electronic device is shifting from 4: 3 to 16: 9, and the aspect ratio is increasing. When detecting the approach of a human hand using the electrode arrangement disclosed in Patent Document 1 around such a horizontally long display or around a horizontally long keyboard, the human palm is long in the vertical direction. Therefore, as shown in FIG. 6A, when the X direction is detected by a pair of
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被検出体の動作に対して自然な動きとなる検出を行うことができる静電容量式近接センサ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a capacitive proximity sensor device capable of performing detection that makes a natural movement with respect to the operation of the detection target.
本発明の静電容量式近接センサ装置は、4辺及び4つの角部を持つ矩形形状の基準面内において、隣接する2辺に沿うように前記基準面の各角部に配置された略L字形状部を有する4つの電極と、前記4つの電極のうち前記基準面の対角線方向において対向する一対の電極を駆動電極として駆動電圧を印加する駆動回路と、前記4つの電極のうち前記基準面の対角線方向において対向する一対の検出電極から出力された信号を検出する検出回路と、を具備することを特徴とする。 The electrostatic capacity type proximity sensor device of the present invention is substantially L arranged at each corner of the reference surface so as to be along two adjacent sides in a rectangular reference surface having four sides and four corners. Four electrodes having a letter-shaped portion, a drive circuit that applies a drive voltage using a pair of electrodes opposed to each other in the diagonal direction of the reference plane as a drive electrode, and the reference plane of the four electrodes And a detection circuit for detecting signals output from a pair of detection electrodes opposed in the diagonal direction.
この構成によれば、隣接する2辺に沿うように矩形形状の基準面(センサ面)の各角部に略L字形状部を有する4つの電極を有するので、センサ面の上下左右の中心位置で出力を大きくすることができ、被検出体の動作に対して自然な動きとなる検出を行うことができる。 According to this configuration, since there are four electrodes having substantially L-shaped portions at each corner of a rectangular reference surface (sensor surface) along two adjacent sides, the center positions of the sensor surface in the vertical and horizontal directions Thus, the output can be increased, and the detection can be performed with natural movement with respect to the operation of the detected object.
本発明の静電容量式モーション検出装置は、上記静電容量式近接センサ装置と、前記演算回路で演算された被検出体の位置情報を所定の時定数で処理し、前記被検出体のモーション検出を行うモーション検出手段と、を備えたことを特徴とする。 The capacitance type motion detection device of the present invention processes the position information of the detected object calculated by the capacitance type proximity sensor device and the calculation circuit with a predetermined time constant, and the motion of the detected object is detected. Motion detection means for performing detection.
本発明の静電容量式近接センサ装置は、隣接する2辺に沿うように矩形形状の基準面(センサ面)の各角部に略L字形状部を有する4つの電極を有するので、センサ面の上下左右の中心位置で出力を大きくすることができ、被検出体の動作に対して自然な動きとなる検出を行うことができる。 Since the capacitive proximity sensor device of the present invention has four electrodes having substantially L-shaped portions at each corner of a rectangular reference surface (sensor surface) along two adjacent sides, the sensor surface The output can be increased at the center position of the top, bottom, left, and right, and detection that makes a natural movement with respect to the operation of the detected object can be performed.
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、本実施の形態に係る静電容量型近接センサ装置の構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る近接センサ装置は、被検出体の近接を検出するセンサ部11と、このセンサ部11によって検出された出力信号を基に被検出体の位置を算出する制御回路部12とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a capacitive proximity sensor device according to the present embodiment. As shown in the figure, the proximity sensor device according to this embodiment includes a
センサ部11は、検出基準面としてのセンサ面13内に配置された4つの電極13a〜13dを備える。各電極13a〜13dは、それぞれの隣接する電極間に静電容量が形成されるように所定の間隔をとって配置されている。4つの電極13a〜13dは、図1及び図2に示すように、4辺及び4つの角部を持つ矩形形状の基準面(センサ面)13内において、隣接する2辺に沿うように基準面の各角部に配置される。また、4つの電極13a〜13dは、各角部において、縦方向に延在する小電極と横方向に延在する小電極とが組み合わされた略L字形状部を有する。このような4つの電極13a〜13dのうち基準面の対角線方向において対向する一対の電極が駆動電極又は検出電極となる。このような電極配置にすることにより、配線をまとめてレイアウトすることができるので、配線設計が容易となる。
The
制御回路部12は、センサ部11の電極13a〜13dの切替え手段としてのマルチプレクサ14と、各電極13a〜13dから出力された信号より、被検出体の位置を演算する演算手段としてのCPU15とを備える。CPU15とマルチプレクサ14との間には、駆動電極として切替えられた各電極13a〜13dに駆動電圧を印加する駆動回路16が設けられている。また、CPU15とマルチプレクサ14との間には、検出電極として切替えられた各電極13a〜13dの出力信号を検出する検出回路17が設けられている。
The
マルチプレクサ14は、センサ部11の各電極13a〜13dに接続されると共に、駆動回路16及び検出回路17に接続され、各電極13a〜13dの接続を駆動回路16及び検出回路17に切替える。また、マルチプレクサ14は、CPU15と接続され、CPU15からの切替え信号により、各電極13a〜13dの接続を切替え制御可能に構成されている。マルチプレクサ14は、駆動電極となる電極13a〜13d(以下、単に駆動電極ともいう)を駆動回路16に接続すると共に、検出電極となる電極13a〜13d(以下、単に検出電極ともいう)を検出回路17に接続する。
The multiplexer 14 is connected to the
駆動回路16は、図示されない発振回路を備え、マルチプレクサ14によって駆動電極となる電極13a〜13dに駆動電圧を印加する。駆動電圧の印加は、CPU15によりタイミング制御されている。
The
検出回路17は、マルチプレクサ14を介して検出電極となる電極13a〜13dに接続される増幅回路18と、この増幅回路18に接続され、増幅された出力信号をA/D変換してCPU15に出力するA/Dコンバータ19とを備える。
The detection circuit 17 is connected to the
増幅回路18は、正極端子及び負極端子を備え、マルチプレクサ14によって検出電極として切替えられた電極13a〜13dから出力された信号を増幅し、A/Dコンバータ19へ出力する。
The
本実施の形態では、検出基準面であるセンサ面13に含まれるX軸方向及びセンサ面13内においてX軸方向と直交するY軸方向の被検出***置の検出の際には、マルチプレクサ14によって、検出基準面の対角線方向において対向する一対の電極13a〜13dが検出電極として増幅回路18に接続される。この場合、増幅回路18の正極端子には、一方の検出電極13a〜13dが接続されて出力信号が入力され、負極端子には他方の検出電極13a〜13dが接続されて出力信号が入力される。増幅回路18では、入力された一対の検出電極13a〜13dの出力信号が差動で増幅されて出力信号の差分値が検出される。
In the present embodiment, the multiplexer 14 detects the detected object position in the X-axis direction included in the
このように、本実施の形態では、一つの増幅回路18において、検出方向に応じて検出電極13a〜13dからの出力信号を、一対の検出電極13a〜13dから出力された信号の差分による増幅と、検出電極13a〜13dから出力された信号と基準信号との出力信号の差分に応じた増幅とを時分割で切り替えて増幅する。これにより、各軸に増幅回路18を設けることなく、X軸方向及びY軸方向の検出を行うことができる。
Thus, in the present embodiment, in one
A/Dコンバータ19は、増幅回路18で増幅された出力信号をフィルタリング処理及びデジタル変換してCPU15に出力する。CPU15に入力された出力信号は、検出回路としてのCPU15で差分値などが検出される。尚、差分値の検出は、A/Dコンバータ19で行ってもよい。また、演算手段としてのCPU15では、検出された出力信号を用いて、被検出体の位置情報が算出される。
The A /
次に、図2を参照して、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のセンサ部11の電極切替えについて詳細に説明する。本実施の形態に係る近接センサ装置では、マルチプレクサ14により、検出方向に応じてセンサ部11に配置された電極13a〜13dの接続を駆動回路又は検出回路に切替え、駆動電極及び検出電極として切替えることにより被検出体を検出する。X軸方向の被検出体を検出する際には、一方の対角線方向において対向する電極13a,13cを駆動電極として切替え、他方の対角線方向において対向する電極13b,13dを検出電極として切替える。なお、検出電極13b,13dの出力信号は、出力信号の絶対値の差分値を算出してもよく、一方の出力信号の正負を反転して差分値を算出してもよい。
Next, with reference to FIG. 2, the electrode switching of the
Y軸方向の被検出体を検出する際には、他方の対角線方向において対向する電極13b,13dを駆動電極として切替え、一方の対角線方向において対向する電極13a,13cを検出電極として切替える。なお、X軸方向の検出と同様に、検出電極13a,13cの出力信号は、一方の出力信号の正負を反転して差分値を算出してもよい。
When detecting an object to be detected in the Y-axis direction, the
次に、図3(a),(b)を参照して、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置におけるX軸方向及びY軸方向の被検出体の検出原理について説明する。図3(a)に示すように、X軸方向及びY軸方向の検出では、駆動電極として対向する一対の電極13a,13dが切替えられ、対向する他の一対の電極13b,13cが検出電極として切替えられる。この場合、駆動電極13a、電極13dと検出電極13bとの間に静電容量Cx1が形成され、駆動電極13a、電極13dと検出電極13cとの間に静電容量Cx2が形成される。そして、この静電容量Cx1,Cx2の差分をとることにより被検出体31としての手の位置を検出することができる。なお、図3(a)は、被検出体31がX軸方向に移動する場合の被検出体31の位置を検出する場合について示している。
Next, with reference to FIGS. 3A and 3B, the detection principle of the detection target in the X-axis direction and the Y-axis direction in the capacitive proximity sensor device according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 3A, in the detection in the X-axis direction and the Y-axis direction, the pair of
図3(b)は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置で、異なる電極配置をとった場合の検出原理の一例を示す図である。図3(b)に示す例は、駆動電極としての電極13eを中央に配置し、その両側に検出電極としての電極13f,13gを配置した例である。この場合、電極13eと電極13fとの間に静電容量C1が形成され、電極13eと電極13gとの間に静電容量C2が形成される。この静電容量C1,C2の差分をとることにより被検出体31の位置を検出することができる。
FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a detection principle when different electrode arrangements are employed in the capacitive proximity sensor device according to the present embodiment. The example shown in FIG. 3B is an example in which an
さらに、図3(a)及び図4を参照して、被検出体31の動きと静電容量の変化について説明する。図3(a)に示す例では、検出電極13bと駆動電極13a,13dとの間に静電容量Cx1が形成されており、検出電極13cと駆動電極13a,13dとの間に静電容量Cx2が形成されている。被検出体31がX軸方向(左右方向)のいずれかの方向に動いた場合、電極13a〜13d間に形成される電気力線(不図示)が被検出体31に吸収され、静電容量Cx1,Cx2が変化する。例えば、被検出体31が左側に動くと、静電容量Cx1が増加して、静電容量Cx2が減少する。このため、被検出体31がX軸方向(左右方向)に移動した場合、静電容量値の差分(Cx2−Cx1)をとることにより、静電容量の変化量から、図4に示すように、被検出体のX軸方向(左右方向)の被検出体31の位置情報及び動き(モーション)を検出することが可能となる。
Furthermore, with reference to FIG. 3A and FIG. 4, the movement of the
なお、Y軸方向の被検出体を検出する場合、センサ部11の上下の電極13a,13dを検出電極とし、左右の電極13b,13cを駆動電極とすることにより、X軸方向と同様の原理で被検出体の位置情報及びモーションが検出される。したがって、本発明に係る静電容量式近接センサ装置を備えた静電容量式モーション検出装置においては、静電容量式近接センサ装置の演算回路で演算された被検出体の位置情報を所定の時定数で処理することにより、被検出体のモーション検出を行う。
When detecting the detection target in the Y-axis direction, the upper and
次に、再び図1を参照して、以上のように構成された本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の動作について説明する。まず、マルチプレクサ14によって、検出方向に応じて任意の電極13a〜13dが駆動電極及び検出電極として切替えられる。次いで、CPU15よりタイミング制御された駆動電圧が駆動回路16より駆動電極に印加される。駆動電極に印加された駆動電圧により、検出電極から静電容量に応じた信号が出力される。
Next, the operation of the capacitive proximity sensor device according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. 1 again. First, the multiplexer 14 switches
具体的には、例えば、電極13b(Y1)及び電極13d(Y2)を駆動電極として駆動電圧を印加し(D+)、電極13c(X1)(S+)及び電極13a(X2)(S−)から差動で静電容量値を検出する。また、駆動電極及び検出電極を切替えて、電極13c(X1)及び電極13a(X2)を駆動電極として駆動電圧を印加し(D+)、電極13b(Y1)(S+)及び電極13d(Y2)(S−)から差動で静電容量値を検出する。このようにして得られた出力は、X−Yプロット上では45度回転しているため、次式のように45度回転を加えて出力を補正する。
X=Acos(45deg)+Bsin(45deg)
Y=−Asin(45deg)+Bcos(45deg)
Specifically, for example, a drive voltage is applied using the
X = Acos (45 deg) + Bsin (45 deg)
Y = −Asin (45 deg) + B cos (45 deg)
次いで、検出電極から出力された信号は、検出回路17に入力され、増幅回路18に入力されて増幅される。増幅された出力信号は、A/Dコンバータ19でフィルタリング処理及びA/D変換されてCPU15に入力される。CPU15では、入力された出力信号を基に被検出体の位置情報及び動作を検出する。以上のようにして、本実施の形態に係る近接センサ装置では、被検出体の接近によって生じるセンサ部11の静電容量に基づいて、被検出体の位置情報及び動作を検出する。
Next, the signal output from the detection electrode is input to the detection circuit 17 and input to the
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図5(a),(b)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の検出状態を説明するための図である。図5(a)は、図2に示す電極配置を有する静電容量式近接センサ装置において、被検出体である手を右側においた状態を示している。このときのX軸方向及びY軸方向のセンサ出力を図5(c)に示す。また、図5(b)は、図2に示す電極配置を有する静電容量式近接センサ装置において、被検出体である手を中央においた状態を示している。このときのX軸方向及びY軸方向のセンサ出力を図5(c)に併記する。
Next, examples performed for clarifying the effects of the present invention will be described.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining a detection state of the capacitive proximity sensor device according to the embodiment of the present invention. FIG. 5A shows a state where the hand, which is the detection target, is placed on the right side in the capacitive proximity sensor device having the electrode arrangement shown in FIG. FIG. 5C shows sensor outputs in the X-axis direction and the Y-axis direction at this time. FIG. 5B shows a state where the hand, which is a detection object, is placed in the center in the capacitive proximity sensor device having the electrode arrangement shown in FIG. Sensor outputs in the X-axis direction and Y-axis direction at this time are also shown in FIG.
図5(c)から分かるように、図2に示す電極配置においては、基準面(センサ面)における4辺の各辺の中央部に離間部(図2における参照符号13o)が存在しており、その離間部13eが駆動と検出の最も近い部分になっており、感度が高い部分である。このため、上下左右のそれぞれに手を近接させた場合に感度が向上している。ただし、従来のセンサにおける電極配置(図6(a))の場合とセンサ出力が45度回転していることから、X軸方向及びY軸方向のそれぞれのセンサ出力X1,Y1に回転を加える必要がある。そこで、上式のようにセンサ出力X1,Y1に回転を加えた結果を図5(d)に示す。図5(d)において、X軸方向のセンサ出力をX1’で示し、Y軸方向のセンサ出力をY1’で示した。
As can be seen from FIG. 5C, in the electrode arrangement shown in FIG. 2, there is a separation portion (reference numeral 13o in FIG. 2) at the center of each of the four sides of the reference surface (sensor surface). The
図6(a),(b)は、従来の静電容量式近接センサ装置の検出状態を説明するための図である。図6(a)は、基準面(センサ面)における4辺に沿って電極が配置された静電容量式近接センサ装置において、被検出体である手を右側においた状態を示している。このときのX軸方向及びY軸方向のセンサ出力を図6(c)に示す。また、図6(b)は、基準面(センサ面)における4辺に沿って電極が配置された静電容量式近接センサ装置において、被検出体である手を中央においた状態を示している。このときのX軸方向及びY軸方向のセンサ出力を図6(c)に併記する。 6 (a) and 6 (b) are diagrams for explaining the detection state of a conventional capacitive proximity sensor device. FIG. 6A shows a state where the hand, which is the detection object, is placed on the right side in the capacitive proximity sensor device in which the electrodes are arranged along the four sides of the reference surface (sensor surface). FIG. 6C shows sensor outputs in the X-axis direction and the Y-axis direction at this time. FIG. 6B shows a state in which the hand that is the detection object is placed in the center in the capacitive proximity sensor device in which the electrodes are arranged along the four sides of the reference surface (sensor surface). . Sensor outputs in the X-axis direction and Y-axis direction at this time are also shown in FIG.
図6(c)から分かるように、図6(a)に示す状態においては、手31で電極101dをほとんど覆うことができるためセンサ出力X2に出力が大きく変化するが、図6(b)に示す状態においては、電極101aの中央付近のみと手31とが静電結合するため、感度が大きく落ちてしまう(センサ出力Y2が小さい)。
As can be seen from FIG. 6 (c), the in the state shown in FIG. 6 (a), the output of the sensor output X 2 it is possible to cover almost the
図7は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置及び従来の静電容量式近接センサ装置の出力を示す図である。図7に示すように、本発明に係る静電容量式近接センサ装置と従来の静電容量式近接センサ装置の出力値を比較すると、Y軸で動作させたときに2倍以上出力が上がっていることがわかる。このため、本発明に係る静電容量式近接センサ装置の方が、より顕著に手を検出することができる。また、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置と従来の静電容量式近接センサ装置との間の出力範囲を調べたところ、図8に示すようになり、人間の手で操作するときに上下左右のような十字キーに適した特性が得られた。これは、上下左右の中心位置における感度が向上するため、Y軸方向の感度が向上したためである。 FIG. 7 is a diagram illustrating the outputs of the capacitive proximity sensor device according to the embodiment of the present invention and the conventional capacitive proximity sensor device. As shown in FIG. 7, when the output values of the capacitive proximity sensor device according to the present invention and the conventional capacitive proximity sensor device are compared, the output increases more than twice when operated on the Y axis. I understand that. For this reason, the capacitive proximity sensor device according to the present invention can detect the hand more remarkably. Further, when the output range between the capacitive proximity sensor device according to the embodiment of the present invention and the conventional capacitive proximity sensor device was examined, it was as shown in FIG. The characteristic suitable for the cross key such as up / down / left / right was obtained. This is because the sensitivity in the Y-axis direction is improved because the sensitivity at the center position in the vertical and horizontal directions is improved.
このように、本発明に係る静電容量式近接センサ装置においては、隣接する2辺に沿うように矩形形状の基準面(センサ面)の各角部に略L字形状部を有する4つの電極を有するので、被検出体と結合する面積が広くなり、センサ面の上下左右の中心位置で出力を大きくすることができ、被検出体の動作に対して自然な動きとなる検出を行うことができる。また、上下左右の中心位置における感度が向上するため、人間の手で操作するときに上下左右のような十字キーに適した特性が得られる。 Thus, in the capacitive proximity sensor device according to the present invention, four electrodes each having a substantially L-shaped portion at each corner of a rectangular reference surface (sensor surface) along two adjacent sides. Therefore, the area to be coupled with the detected object is widened, the output can be increased at the center position of the sensor surface in the vertical and horizontal directions, and the detection can be performed with natural movement with respect to the operation of the detected object. it can. In addition, since the sensitivity at the center position of the top, bottom, left and right is improved, characteristics suitable for the cross key such as the top, bottom, left and right when operating with a human hand can be obtained.
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態においては、左右、上下、手前−奥行きの別、部材の数値、位置、大きさ、形状については適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications. In the said embodiment, it is possible to change suitably about the right and left, upper and lower sides, front-depth distinction, the numerical value of a member, a position, a magnitude | size, and a shape. Other modifications may be made as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.
本発明は、例えば、デジタルフォトフレーム、PC、オーディオの操作パネルなど、各種入力デバイスに適用可能である。 The present invention can be applied to various input devices such as a digital photo frame, a PC, and an audio operation panel.
11 センサ部
12 制御回路部
13 センサ面
13a〜13d 電極
14 マルチプレクサ
15 CPU
16 駆動回路
17 検出回路
18 増幅回路
19 A/Dコンバータ
31 被検出体
DESCRIPTION OF
16 Drive Circuit 17
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2010
- 2010-04-23 JP JP2010099853A patent/JP2011232038A/en not_active Withdrawn
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