JP2011232038A

JP2011232038A - 静電容量式近接センサ装置

Info

Publication number: JP2011232038A
Application number: JP2010099853A
Authority: JP
Inventors: Kiyo Hirobe; 希世廣部; Motofumi Oi; 基史大井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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１３ａ〜１３ｄと、前記４つの電極１３ａ〜１３ｄ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１６と、前記４つの電極１３ａ〜１３ｄ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１７と、を具備することを特徴とする。
【選択図】図１

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。

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。

国際公開第２００８／０９３６８２号

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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構成図である。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センサ部の電極配置の一例を示す図である。（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Ｘ軸方向及びＹ軸方向の被検出体の検出原理を示す図である。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被検出体の動きと静電容量の変化を示す図である。（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り、（ｃ），（ｄ）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出力を示す図である。（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り、（ｃ）は、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。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。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の違いを示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｃ_ｘ１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Ｃ_ｘ２が形成される。そして、この静電容量Ｃ_ｘ１，Ｃ_ｘ２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。

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Ｃ_１が形成され、電極１３ｅと電極１３ｇとの間に静電容量Ｃ_２が形成される。この静電容量Ｃ_１，Ｃ_２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。

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Ｃ_ｘ１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Ｃ_ｘ２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Ｃ_ｘ１，Ｃ_ｘ２が変化する。例えば、被検出体３１が左側に動くと、静電容量Ｃ_ｘ１が増加して、静電容量Ｃ_ｘ２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（Ｃ_ｘ２−Ｃ_ｘ１）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。

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。

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。

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）

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。

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。

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Ｘ_１，Ｙ_１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Ｘ_１，Ｙ_１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Ｘ_１’で示し、Ｙ軸方向のセンサ出力をＹ_１’で示した。

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。

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Ｘ_２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Ｙ_２が小さい）。

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。

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。

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。

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。

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
１５ＣＰＵ
１６駆動回路
１７検出回路
１８増幅回路
１９Ａ／Ｄコンバータ
３１被検出体

Claims

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静電容量式近接センサ装置。
請求項１記載の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静電容量式モーション検出装置。