专利名称：接近传感器和接近感测方法
技术领域：
本发明涉及接近传感器和接近感测方法，其基于感测电极和地之间电容的变化，检测要被感测的物体的接近。
背景技术：
如本领域所知的，已存在用于感测物体接近的传感器。这种类型的传感器通过检测响应传感器部分或感测电极和地之间的电容而可变的频率或占空比，能够感测物体的接近(例如见JP 2002-14174A，段落0082-0089，图8和9)。然而，这样的接近传感器是有问题的，因为检测的值容易受到诸如温度、湿度和外来噪声之类的周围环境因素的影响。因此，上述传感器被提供有热敏电阻器或半导体温度传感器，其展示了某种温度特性，用于模拟电路的温度依赖性的补偿。
上述传感器不仅有与成本相关的问题，该成本当在其上安装热敏电阻器或半导体温度传感器时提高。还有另一个问题，因为设计难以使其温度特性与模拟电路的温度特性匹配。另外，可工作来检测感测电极的电容变化的上述传感器提供了可变分量，其在感测电极或模拟电路的初始电容上叠加。进一步，来自感测电路的感测输出电压值依赖于电源电压且有限。因此，如果输出值具有至多等于电源电压的上限，则只可能得到从电源电压减去初始电容值后剩余的电压范围的值。总而言之，不能使动态范围大到足以执行高精度检测。这是另一个问题。
发明内容
本发明提供了接近传感器，其在第一方面中包括感测电极，其具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地电容；第一感测电路，其可工作来提供第一脉冲信号，该第一脉冲信号具有根据所述感测电极和地之间的所述电容确定的脉冲宽度；基准电容器；第二感测电路，其可工作来提供第二脉冲信号，该第二脉冲信号具有根据所述基准电容器的电容确定的脉冲宽度；以及计算装置，其可工作来通过从所述第一脉冲信号减去所述第二脉冲信号来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
在根据本发明的接近传感器的第一方面中，提供环境特性等同于感测电极的环境特性的基准电容器允许用简单的电路实现对环境特性的高精度补偿。
在第二方面中，本发明提供了接近传感器，包括感测电极，其具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；第一感测电路，其可工作来提供第一脉冲信号，该第一脉冲信号具有根据所述感测电极和地之间的所述电容确定的脉冲宽度；基准电极；第二感测电路，其可工作来提供第二脉冲信号，该第二脉冲信号具有根据所述基准电极和地之间的电容确定的脉冲宽度；以及计算装置，其可工作来通过从所述第一脉冲信号减去所述第二脉冲信号而计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
在根据本发明的接近传感器的第二方面中，将感测电极布置在基准电极附近使得可以同等地排除外来影响，并且允许用简单的电路实现对环境特性的高精度补偿。
在第二方面的接近传感器中，基准电极可被配置以具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容。这样的配置允许基准电极也被用作第二感测电极。
在第一和第二方面的接近传感器中，从第二感测电路输出的第二脉冲信号可具有几乎与从第一感测电路输出的第一脉冲信号的初始值相等的初始值。这样的配置使得可在第一感测电路的初始电容被一起减去之后，仅仅提取可变的分量。甚至在仅允许取具有等于电源电压的上限的有限值的电路中，仅取可变分量也能使下一级中的信号处理容易。
第一和第二方面的接近传感器可进一步包括触发信号发生器电路，其可工作来使所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的上升相互同步。脉冲信号之间的同步使得检测的信号波形能够与基准信号波形同步，从而有利于脉冲电平的减法运算。
第一和第二方面的接近传感器可以进一步包括延迟电路，其可工作来相对于所述第二脉冲信号延迟所述第一脉冲信号。另外，可以进一步包括低通滤波器，其可工作来将差分脉冲转换成DC信号；以及DC放大器，其工作来放大通过所述低通滤波器产生的DC信号。插入可工作来有意延迟脉冲信号的电路能够防止在逻辑减法时发生毛刺(glitch)。另外，将差分值转换成DC使得可仅提取可变分量。可以在下一级执行放大和信号处理，并且感测极小的变化。
第一和第二方面的接近传感器可被配置成将差分脉冲的脉冲宽度与阈值相比较，并且基于其间的量值关系提供ON/OFF信号。将差分值转换成DC使得可仅提取可变分量。在下一级放大等等可以使得甚至根据检测信号的极小变化也可以提供ON/OFF输出。
在第一和第二方面的接近传感器中，感测电极可以被配置成多个这样的感测电极中的一个。在这种情况下，传感器可进一步包括选择器电路，其可工作来选择来自所述多个感测电极的信号中的一个，并将其馈送到第一感测电路。
在第一方面中，本发明提供了接近感测方法，包括接收第一脉冲信号来测量第一脉冲宽度的第一脉冲宽度测量步骤，该第一脉冲信号具有根据感测电极和地之间的电容确定的所述第一脉冲宽度，该感测电极具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；接收第二脉冲信号来测量第二脉冲宽度的第二脉冲宽度测量步骤，该第二脉冲信号具有根据基准电容器的电容确定的所述第二脉冲宽度；以及通过从所述第一脉冲信号的所述第一脉冲宽度减去所述第二脉冲信号的所述第二脉冲宽度来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
在第二方面中，本发明提供了接近感测方法，包括接收第一脉冲信号来测量第一脉冲宽度的第一脉冲宽度测量步骤，所述第一脉冲信号具有根据感测电极和地之间的电容确定的所述第一脉冲宽度，所述感测电极具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；接收第二脉冲信号来测量第二脉冲宽度的第二脉冲宽度测量步骤，所述第二脉冲信号具有根据基准电极和地之间的电容确定的所述第二脉冲宽度；以及通过从所述第一脉冲信号的所述第一脉冲宽度减去所述第二脉冲信号的所述第二脉冲宽度来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
图1是示出根据第一实施例的接近传感器的电配置的框图。
图2是示出根据第一实施例的接近传感器的部分电路的电路图。
图3是用于根据第一实施例的接近传感器的电路示例的时续图。
图4示出周围温度和变化之间的关系。
图5是示出根据第一实施例的接近传感器中的感测电极的电容和将被检测的脉冲信号的脉冲宽度的曲线图。
图6是示出根据第二实施例的接近传感器的电配置的框图。
图7是示出用于提供ON/OFF输出的在CPU中处理的示例的流程图。
图8是示出根据第三实施例的接近传感器的电配置的框图。
图9是示出根据第四实施例的接近传感器的电配置的框图。
图10是示出根据第五实施例的接近传感器的电配置的框图。
图11是示出根据第六实施例的接近传感器的电配置的框图。
图12是示出根据第七实施例的接近传感器的电配置的框图。
图13A和13B是示出感测电极的结构示例的平面图。
图14是示出感测电极和基准电极的布置的示例的示意图。
图15是示出根据第八实施例的接近传感器的电配置的框图。
具体实施例方式
现在参考附图来描述本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的第一实施例的接近传感器的配置的框图。
接近传感器包括脉冲信号发生器1A，其生成具有响应要被感测的物体的接近而可变的占空比的脉冲信号。接近传感器还包括信号处理器3A，其对生成的脉冲信号进行信号处理以响应占空比而提供输出值，并且其向外部提供ON/OFF输出。
脉冲信号发生器1A包括感测电极2；第一感测电路4，其提供感测脉冲信号P1，该感测脉冲信号P1具有根据感测电极2和地之间的电容而确定的脉冲宽度；基准电容器6；第二感测电路8，其提供基准脉冲信号P2，该基准脉冲信号P2具有根据基准电容器6的电容而确定的脉冲宽度；触发信号发生器电路10，其将触发信号TG提供给第一感测电路4和第二感测电路8，以使感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的上升同步；以及计算电路12，其基于从第一感测电路4馈送的感测脉冲信号P1和从第二感测电路8馈送的基准脉冲信号P2来计算差分脉冲信号P3。
感测电极2位于它能够感测诸如人体之类的物体接近的区域中。感测电极2和地之间的电容Cx根据物体的接近而变化。第一感测电路4被配置成可工作来与从触发信号发生器电路10馈送的触发信号TG同步以生成感测脉冲信号P1，其具有响应感测电极2和地之间的电容Cx而变化的占空比。所生成的感测脉冲信号P1被提供给计算电路12。
基准电容器6的电容Cref不能响应物体的接近而变化。第二感测电路8被配置可工作来与从触发信号发生器电路10馈送的触发信号TG同步以生成基准脉冲信号P2，其具有根据基准电容器6的电容Cref而确定的占空比。所生成的基准脉冲信号P2被提供给计算电路12。
计算电路12被配置成从所提供的感测脉冲信号P1减去基准脉冲信号P2，以便提供差分脉冲信号P3(＝P1-P2)。差分脉冲信号P3被馈送给信号处理器3A。
信号处理器3A包括CPU 13，其将脉冲信号转换成数字值并将其提供给外部，并且其基于这个数字值提供ON/OFF输出。更加具体地，CPU13响应占空比将所提供的差分脉冲信号P3转换成数字值并将其作为数字信号提供。还基于这个数字信号提供ON/OFF输出，以便在接近传感器的ON/OFF状态之间进行切换。CPU 13也可以被配置为逻辑电路。
在如此配置的接近传感器中，当物体接近感测电极2时，感测电极2经由物体对地的电容Cx变化而改变了感测脉冲信号P1的占空比。感测脉冲信号P1的占空比也可根据诸如温度、湿度和外部噪声之类的环境变化而波动。另一方面，从第二感测电路8输出的基准脉冲信号P2的占空比不能响应物体的接近而变化，而仅依赖于诸如温度和湿度之类的周围环境。计算电路12从感测脉冲信号P1减去基准脉冲信号P2，以去除施加于感测脉冲信号P1上的诸如温度和湿度之类的周围环境的影响。它提供了差分脉冲信号P3，其仅响应物体的接近而变化。
描述了根据这样的第一实施例的接近传感器的电路示例。图2是示出根据第一实施例的接近传感器中的脉冲信号发生器1A的电路示例的电路图。
用于根据感测电极2和地之间的电容Cx而生成感测脉冲信号P1的第一感测电路4被配置成与用于根据基准电容器6的电容而生成基准脉冲信号P2的第二感测电路8几乎相同。
第一感测电路4包括两个比较器14、16；RS触发电路(在下文中被称为“RS-FF”)18，其具有分别被提供有来自比较器14、16的输出的复位端R和置位端S；缓冲器20，其将来自RS-FF 18的输出DIS1从其通行；以及晶体管22，其用来自RS-FF 18的输出DIS1进行ON/OFF控制。
比较器16将从如图3所示的触发信号发生器电路10输出的触发信号TG与分压电阻器RA1、RB1、RC1产生的一定阈值VthB1相比较，并且与触发信号TG同步地提供置位脉冲。置位脉冲对来自RS-FF 18的Q输出进行置位。Q输出充当放电信号DIS1以将晶体管22带入OFF状态。当晶体管22保持断开时，能够以根据时间常数确定的速率对感测电极2和地之间的电容进行充电，所述时间常数是根据感测电极2对地的电容Cx和连接在输入端与电源线之间的电阻器RD1得到的。因此，输入信号Vin1的电势就以根据电容Cx确定的速率上升。在这种情况下，当输入信号Vin1超过根据分压电阻器RA1、RB1、RC1确定的阈值VthA1时，比较器14对其输出反相以反转来自RS-FF 18的输出。结果，晶体管22被带入ON状态，其通过晶体管22对感测电极2上的电荷进行放电。因此，第一感测电路4提供感测脉冲信号P1，其以基于感测电极2和地之间的电容Cx的占空比振荡。如此生成的感测脉冲信号P1被供应给计算电路12。
类似地，第二感测电路8包括两个比较器24、26；RS-FF 28，其具有分别被提供有来自比较器24、26的输出的复位端R和置位端S；缓冲器30，其将来自RS-FF 28的输出DIS2从其通行；以及晶体管32，其利用来自RS-FF 28的输出DIS2进行ON/OFF控制。这是一定时器。
比较器26将从触发信号发生器电路10输出的触发信号TG与分压电阻器RA2、RB2、RC2产生的某一阈值VthB2进行比较，并且与触发信号TG同步地提供置位脉冲。置位脉冲对来自RS-FF 28的Q输出进行置位，其充当放电信号DIS2以将晶体管32带入OFF状态。因此，输入信号Vin2的电势以根据电容Cref和连接在输入端与电源线之间的电阻器RD2而确定的速率上升。在这种情况下，当输入信号Vin2超过阈值VthA2时，晶体管32被带入ON状态以对基准电容器6上的电荷放电。因此，感测电路8提供基准脉冲信号P2，其以基于基准电容器6的电容Cref的占空比振荡。因此生成的基准脉冲信号P2被供应给计算电路12。
计算电路12从所提供的感测脉冲信号P1减去基准脉冲信号P2，并且提供差分脉冲信号P3，如图3所示。差分脉冲信号P3例如能够根据感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的反相脉冲的逻辑积得到。
如果两个感测电路4、8具有几乎相同的周围环境特性，则从感测脉冲信号P1中减去基准脉冲信号P2，所述基准脉冲信号P2从第二感测电路8输出并且仅依赖于周围环境，使得能够去除诸如温度和湿度之类的影响。因此，使得可以用简单的配置进行高精度的电容检测。
下面对验证试验给予描述，该验证试验被执行以验证使用根据第一实施例的接近传感器的本发明的效果。在根据第一实施例的接近传感器中，20pF的电容器被连接作为感测电极2，并且15pF的电容器作为基准电容器6。如此配置的接近传感器周围的环境温度从-40℃到90℃变动，以检查从CPU 13输出的数字信号的变化。图4显示了当环境温度以10℃的间隔变化时，环境温度和输出值变化之间的关系。相对于25℃的数字信号值来显示该变化。结果，在从-40℃到90℃，数字信号值的变化在±1％之内。数字信号值没有根据温度而变化。因此，确认温度依赖性的影响能够被去除。
为了在没有物体被感测到时，从第一感测电路4输出的感测脉冲信号P1的脉冲宽度的初始宽度可具有与从第二感测电路8输出的基准脉冲信号P2的脉冲宽度的初始宽度相同的值，可调整基准电容器6的电容Cref。
图5是示出感测电极2的电容和要被检测的脉冲信号的脉冲宽度之间的关系的曲线图。横坐标轴指示感测电极2和地之间的电容Cx。纵坐标轴指示从第一感测电路4输出的脉冲信号P1的脉冲宽度。
如果没有物体接近感测电极2并且感测电极2和地之间的初始电容等于Co，则要被检测的脉冲信号的脉冲宽度等于P(Co)。当在这种情况下物体接近感测电极2时，电容Cx的变化ΔCx因而增加了感测脉冲信号P1的值。即，感测脉冲信号P1的脉冲宽度变为P(Co+ΔCx)。如果根据感测电极2的初始电容确定的脉冲宽度P(Co)比较大而由电容变化引起的脉冲宽度的变化P(ΔCx)比较小，则不能使放大器电路的动态范围较大。在这样的情况下，即使放大器电路进行放大，也不能精确地检测脉冲宽度的变化。
对基准电容器6的电容进行调整，以使得根据感测电极2的初始电容确定的脉冲宽度P(Co)等于基准脉冲信号P2的脉冲宽度。总而言之，这样选择Cref以便满足P(Cref)＝P(Co)。因为第一感测电路4和第二感测电路8还具有初始电容，所以需要在设置Cref的值时估计这些电容。
在这样的条件下，差分脉冲信号P3，其为感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2之间的差，被表示为P3＝P(Co+ΔCx)-P(Cref)，即，P3＝P(ΔCx)(∵P(Co)＝P(Cref))。
用这种方法，所生成的差分脉冲信号P3仅反映根据物体向感测电极2接近的电容变化。在这种情况下，放大器电路可以被设计以具有较宽的动态范围来放大变化，以便感测脉冲信号P1的变化能够被可靠地检测，即使其极小。能够用简单的电路进行高精度感测，而不使用昂贵的元件来测量极小信号强度的变化。
在感测电极2中，可能希望在根据与物体的关系确定的某一部分之内来检测电容变化。例如，可能希望检测Cx在图5中从Ca到Cb的变化。在这种情况下，为了防止电容变化的检测低于Ca，基准电容器的电容可被选择为这样的Cref，其满足P(Cref)＝P(Ca)。当与感测电极2相关联的电容在Co和Ca之间时，通过从感测脉冲信号P1减去基准脉冲信号P2获得的差分脉冲信号P3不能被检测。如果感测电极2的电容大于Ca，则通过从感测脉冲信号P1减去基准脉冲信号P2获得的差分脉冲信号P3能够取反映相对于Ca变化的值。上限值Cb对应于物体接触到感测电极2时的电容。
使用这样的配置，使得能在感测电极中的某一部分之内精确地测量变化。从Co到Ca的电容变化可被用作噪声容限以将等于感测电极中所混合的外来噪声的电容变化添加到基准电容器，从而改善抗噪性。
下一步将描述根据本发明的第二实施例的接近传感器。图6是示出根据第二实施例的接近传感器的电配置的框图。根据第二实施例的接近传感器包括脉冲信号发生器1B和信号处理器3B。
与第一实施例中的脉冲信号发生器1A不同，脉冲信号发生器1B不包括计算电路12。脉冲信号发生器1B将从第一感测电路4生成的感测脉冲信号P1和从第二感测电路8生成的基准脉冲信号P2供应给信号处理器3B。
信号处理器3B包括CPU 15。与第一实施例中的CPU 13不同，CPU15将所提供的感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2转换成数字值，并且计算这两个数字值之间的差值。类似于第一实施例中的CPU 13，CPU 15将差值作为数字值提供给外部，并且基于这个数字值提供ON/OFF输出。
参考图7描述信号处理器3B中的处理。图7是示出用于提供ON/OFF输出的在CPU 15中处理的示例的流程图。CPU 15接收从脉冲信号发生器1B生成的感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2。在步骤S1，CPU 15测量所提供的感测脉冲信号P1的脉冲宽度，并且产生感测数字信号D1。在步骤S2，类似地测量所提供的基准脉冲信号P2的脉冲宽度，并且产生基准数字信号D2。在步骤S3，CPU 15从感测数字信号D1减去基准数字信号D2以得出差分数字信号D3，其对应于差分脉冲的宽度并作为数字值提供给外部。在步骤S4，CPU 15将产生的差分数字信号D3与在先确定的阈值相比较。在本实施例中，如果差分数字信号D3高于确定的阈值，则流程进到步骤S5以提供ON输出。相反，如果低于确定的阈值，则流程进到步骤S6以提供OFF输出。当接近传感器工作时，CPU 15重复这个处理。
使用CPU 15在信号处理器3B中处理感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2能够消除在脉冲信号发生器中提供计算电路的需要，并从而简化了脉冲信号发生器的配置。另外，能够识别差分数字值是正还是负，并且可以灵活地设置包括上下限的阈值。
代之触发信号发生器电路10生成的触发信号TG，可以使用来自CPU的输出信号。除了测量感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的CPU 15之外，还可以使用AD转换器来测量感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的脉冲宽度，并将它们作为数字值提供。
下一步将描述根据本发明的第三实施例的接近传感器。图8是示出根据第三实施例的接近传感器的电配置的框图。根据第三实施例的接近传感器包括脉冲信号发生器1C和信号处理器3C。
在这个实施例中，在CPU 13的前级，信号处理器3C包括低通滤波器(LPF)40和DC放大器42，就将生成的差分脉冲信号P3转换成模拟信号。图1中的触发信号发生器电路10包括振荡器电路35和分频器电路34，该分频器电路34将来自振荡器电路35的输出的频率分频以生成触发信号TG。振荡器电路35能够内部振荡，并且可连接到外部石英或陶瓷振荡器。图1的计算电路12包括反相器38，其反相从第二感测电路8输出的基准脉冲信号P2；以及AND电路36，其生成从第一感测电路4输出的感测脉冲信号P1和来自反相器38的输出的逻辑积。
从AND电路36输出的差分脉冲信号P3通过LPF 40被转换成DC电压，并且通过DC放大器42被放大并馈送到CPU 13。在这个信号的基础上，CPU 13提供数字值输出和ON/OFF输出。
由此，差分脉冲信号P3以这种方式被转换成DC来降低电压的初始值。从而，与包含初始电容的脉冲被转换成DC的情况相比，能够使后级的DC放大器42的放大率更高，从而使能大的动态范围、高精度的检测。信号处理器3C使用LPF 40来平滑差分脉冲信号P3以去除因感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的上升之间的时间差造成的毛刺。
描述根据本发明的第四实施例的接近传感器。图9是示出根据第四实施例的接近传感器的配置的框图。
根据第四实施例的接近传感器包括脉冲信号发生器1D和信号处理器3A。
脉冲信号发生器1D包括延迟电路44以去除毛刺。延迟电路44相对于从第二感测电路8输出的基准脉冲信号P2稍微延迟从第一感测电路4输出的感测脉冲信号P1。
结果，使得能够去除因感测脉冲信号P1和基准脉冲信号P2的上升之间的时间差造成的毛刺。
可提供触发电路作为另一种毛刺去除装置，并且可将采样时钟馈送到触发电路以配置能够采样脉冲信号P1、P2的同步采样电路。还可配置一替换例，使来自第一感测电路4和第二感测电路8的输出相互同步，并将它们提供到外部。
描述根据本发明的第五实施例的接近传感器。图10是示出根据第五实施例的接近传感器的电配置的框图。
根据第五实施例的接近传感器包括脉冲信号发生器1C和信号处理器3D。脉冲信号发生器1C具有与第三实施例相同的配置。信号处理器3D包括脉冲宽度测量电路46，其将从脉冲信号发生器1C馈送的差分脉冲信号P3的脉冲宽度转换成数字值并将其提供到外部；阈值设置电路48，其产生阈值；以及比较器电路50，其接收所述数字值和所述阈值以将它们相互比较，并且基于其间的量值关系提供ON/OFF信号。
在脉冲宽度测量电路46处，由脉冲信号发生器1C生成的差分脉冲信号P3被转换成对应于其脉冲宽度的数字值。该数字值被提供给外部和比较器电路50。比较器电路50在一个输入端接收该数字值，在另一个输入端接收在阈值设置电路48处设置的阈值，并且基于其间的量值关系提供ON/OFF信号。
描述根据本发明的第六实施例的接近传感器。图11是示出根据第六实施例的接近传感器的电配置的框图。
根据第六实施例的接近传感器包括脉冲信号发生器1C和信号处理器3E。脉冲信号发生器1C具有与第三实施例相同的配置。
信号处理器3E包括LPF 40，其将由脉冲信号发生器1C生成的差分脉冲信号P3转换成DC；DC放大器42，其以增益设置单元54设置的放大率放大从LPF 40输出的信号；阈值设置电路52；迟滞比较器56，其将通过DC放大器42放大的信号与由阈值设置电路52产生的阈值相比较，并且根据其间的量值关系提供ON/OFF输出；以及迟滞设置电路58，其设置迟滞比较器56的迟滞特性。
由脉冲信号发生器1C生成的差分脉冲信号P3通过LPF 40被转换成DC，然后以增益设置单元54设置的增益被放大。放大的DC信号被作为模拟信号提供给外部。另外，其在迟滞比较器56中与阈值相比较，并且根据其间的量值关系被转换成ON/OFF输出。在这个实施例中，迟滞比较器56的使用额外改善了抗噪性。
下面对验证试验给予描述，该验证试验被执行以使用根据第六实施例的接近传感器验证本发明的效果。在根据第六实施例的接近传感器中，脉冲信号发生器1C和信号处理器3E包括电子电路，5pF的电容器被连接作为感测电极2，并且3pF的电容器作为基准电容器6。如此配置的接近传感器周围的环境温度以-40℃、25℃和85℃变化来检查从DC放大器42输出的模拟信号的变化。在两种情况下进行温度特性的测量第二感测电路8暂停，而只有第一感测电路4工作以传递信号；以及第二感测电路8工作以相对于来自第一感测电路4的信号计算差值。表1是显示当改变环境温度时环境温度和输出值变化之间的关系的表。该变化相对于在25℃的模拟信号值被示出。
表1
结果，在-40℃和85℃处，来自根据本实施例的接近传感器的模拟输出值被确认得到改善，因为与仅基于来自第一感测电路4的信号的模拟输出值相比，该变化几乎能够减半。模拟输出值的变化几乎落在±1％之内，并且确认去除了温度对接近传感器造成的影响。
描述根据本发明的第七实施例的接近传感器。图12是示出根据第七实施例的接近传感器的电配置的框图。
第七实施例包括脉冲信号发生器1E和信号处理器3E。信号处理器3E具有与第六实施例相同的配置。
在脉冲信号发生器1E中，感测电极61经由选择器电路60连接到第一感测电路4。选择器电路60连接到提供ch-select信号的CPU 62。CPU62连接到LED 64，该LED 64由CPU 62基于ON/OFF输出来控制灯开启/关闭。
脉冲信号发生器1E进一步包括运算放大器65。运算放大器65配置具有1增益的缓冲器，其将感测电极61和诸如保护电极和屏蔽线(未示出)之类的外设保持在等电位，以防止二者之间的充/放电。运算放大器65响应ON/OFF信号而选择性地工作。
在本实施例中，CPU 62向选择器电路60提供ch-select信号。选择器电路60基于ch-select可工作来顺序扫描感测电极61中包含的多个电极。来自感测电极61中包含的电极的信号被顺序地馈送到第一感测电路4中，并且作为感测脉冲信号P1被提供到外部。基于感测脉冲信号P1和从第二感测电路8输出的基准脉冲信号P2而生成的差分脉冲信号P3，通过信号处理器3E中的LPF 40和DC放大器42被转换成DC，并且作为模拟信号被提供到外部。这个模拟信号输出与迟滞比较器56中的阈值相比较。对于选择器电路60扫描的感测电极61中的某一通道的电极，如果基于其信号的模拟信号超过阈值，则提供ON/OFF输出。在本实施例中，如果模拟信号超过阈值，则提供ON输出。
ON/OFF输出被馈送到CPU 62。CPU 62用对应于已变为ON的通道的输出接通LED 64，从而提供对应于感测电极中每个通道的感测状态的指示。
ON/OFF输出还被输入到运算放大器65。运算放大器65根据ON/OFF输出向布置在感测电极61周围的保护电极提供保护输出。
下面对验证试验给予描述，所述验证试验被执行以验证本发明的第七实施例中的本发明的效果。
图13是示出验证试验中使用的感测电极61的平面图。图13A示出了感测电极61的前表面，而图13B则示出了感测电极61的后表面。感测电极61包括16个环状电极部分66，其以4行4列被布置在前表面上。以2.5mm的间隔布置电极部分66中的每个相邻电极。电极部分66经由通孔68连接到感测电极61的后表面，并且经由电线70电线连接到连接端72。感测电极61的16个通道电极连接到选择器电路60。保护电极74布置在电极部分66的周围，并且输入来自运算放大器的接地输出。
本验证试验使用75kΩ的检测电阻器，供在第一感测电路4和第二感测电路8中使用。56pF的电容器用作基准电容器6。用于DC放大器42的由增益设置单元54设置的增益为两倍(two-fold)，并且阈值设置电路52设置的阈值为2.5V。
在这个验证试验中，关于感测电极61的手指触摸电极(finger-touchedelectrode)和另一个非触摸电极来测量模拟值输出。在两种情况下进行上述测量第二感测电路8暂停，而只有第一感测电路4工作以传递信号；以及第二感测电路8工作，以相对于来自第一感测电路4的信号计算差值。表2是示出用于手指触摸的电极和非触摸电极的、来自LPF和DC放大器的输出电压之间的关系的表。
表2
对于手指触摸电极和非触摸电极两者，基于仅来自第一感测电路4的信号的来自DC放大器42的模拟值输出超过了2.5V的阈值，并且对于两种情况都提供ON输出。因此，在这种状态下接近传感器不能工作。
当第二感测电路8工作并且基于来自基准电容器6的输出与基准脉冲信号P2一起执行减法时，来自DC放大器42的模拟值输出展示了不同的值。当手指触摸到感测电极61中的ch-16电极时，输出电压超过2.5V的阈值，并且提供ON输出。另一方面，当没有手指触摸感测电极61中的ch-12电极时，输出电压不超过阈值，并且提供OFF输出。在这种状态下，当手指触摸到某个电极时，基于输出电压的ON输出使得能够开启某个LED。因此，它能够作为感测物体接近的接近传感器来工作。
在用于仅运行第一感测电路4的验证试验的接近传感器中，设置在值等于4.4V或更高的阈值和增益设置单元设置的一倍(one-fold)增益使得能够进行手指触摸的辨别。信号处理器中电路的上限值等于5V的电源电压，而接近于这个值的值的使用难以确保设计裕量。信号处理器中的放大率很难增加，因此，不可能在非常低的灵敏度下感测。
另一方面，在运行第二感测电路8的接近传感器中，模拟值输出为电源电压的2/3左右，该电源电压为测量上限值。因此，即使当以相对低的灵敏度进行感测时，增加的差或提高的放大率也使得能够进行感测。
在验证试验中，使用保护电极74。在没有保护电极74而感测的情况下，电极部分66可能有相互影响。因此，从每个电极到第一感测电路4的电极部分66和电线70必须用接地电极74屏蔽。GND能够用作保护电极74。在电极部分66布置得相互分离的情况下，可以不使用保护电极。
在本实施例的接近传感器中，即使在有限的电源电压之内，减法运算也使得电容的极小变化可感测。
在所有的上述实施例中，可代替基准电容器6而使用基准电极76。在这种情况下，例如，如图14所示，基准电极76经由屏蔽78被布置在感测电极2的背面。使用这样的配置，感测电极2根据物体的接近而改变检测的值，同时基准电极76提供不受物体接近影响的基准值。为了从基准电极76的背面的后面去除施加于基准电极76的噪声影响，另一个屏蔽78可被布置在基准电极76的背面。
描述根据本发明的第八实施例的接近传感器。图15是示出根据本发明的第八实施例的接近传感器的电配置的框图。
第八实施例包括脉冲信号发生器1F和信号处理器3F。，脉冲信号发生器1F包括具有响应物体的接近而可变的电容的感测电极79，该电极用作基准电极，代替第三实施例中的基准电容器6，这不同于根据第三实施例的脉冲信号发生器1C。另外，与根据第三实施例的脉冲信号发生器1C不同，电容器80连接到第一感测电路4。信号处理器3F具有与根据第六实施例的信号处理器3E中的模拟值输出部分相同的配置。
在脉冲信号发生器1F中，感测电极2连接到第一感测电路4，并且第一感测电路4提供感测脉冲信号P1。电容器80连接到第一感测电路4的输入端以增加初始电容，以便即使没有物体接近感测电极2和感测电极79，其输出也展示全范围的平均值。
在脉冲信号发生器1F中，感测电极79连接到第二感测电路8。类似于第一感测电路4，第二感测电路8将感测电极79和地之间的电容转换成基准脉冲信号P2并将其提供给外部。感测电极79具有几乎与第一感测电路4的初始电容相同的初始电容，并且具有响应物体的接近而可变的对地的电容。基准脉冲信号P2的脉冲宽度根据电容的变化而变化。
在根据第八实施例的接近传感器中，物体向感测电极2的接近改变了感测电极2的电容，并且使得电压值或模拟值输出高于全范围的平均值。另外，物体向感测电极79的接近改变了感测电极79的电容，并且使得电压值输出低于全范围的平均值。在上述第一到第七实施例中，在减少检测值的温度校正中使用从基准电容器6输出的基准值。基准电容器6可用电极79代替，如本实施例中所示，并且作为第二感测电极使用。在这种情况下，周围环境变化是同相噪声，并因此被消除。
下面对验证试验给予描述，所述验证试验被执行以验证根据第八实施例的接近传感器的效果。在脉冲信号发生器中，感测电极2和感测电极79每个都包括一片50mm见方(50mm-square)的铜箔，并且这两个感测电极以20mm的间隔布置。具有1mm厚度的丙烯酸板放置在每个感测电极上。20pF的电容器连接到第一感测电路4的输入端。在没有手指接触感测电极的状态下，以及在手指接触到(一个或多个)感测电极的状态下，测量来自如此配置的接近传感器的输出电压。
在这个验证试验中，对两个电极均没有手指接触到的状态下的输出电压和手指接触到(一个或多个)感测电极的状态下的输出电压进行比较如表3所示。
表3
结果，可以确认，当分开接触感测电极2和感测电极79时，能够充分测量输出的变化。当两个电极都被接触时的输出变化几乎匹配当电极被分开接触时输出变化之间的差值。因此，可配置接近传感器以当两个感测电极被同时接触时通知非感测状态。在不使用增加初始电容的电容器的情况下也可以配置这样的接近传感器。
上面已描述了本发明的实施例，然而本发明不限于这些实施例，而是能够给出各种修改和添加，而不脱离本发明的精神和范围。
例如，触发信号发生器电路10已使用能够内部振荡的振荡器电路来配置，然而其可被配置成接收从外部提供的采样同步信号。
权利要求
1.一种接近传感器，包括感测电极，其具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；第一感测电路，其可工作来提供第一脉冲信号，该第一脉冲信号具有根据所述感测电极和地之间的所述电容确定的脉冲宽度；基准电容器；第二感测电路，其可工作来提供第二脉冲信号，该第二脉冲信号具有根据所述基准电容器的电容确定的脉冲宽度；以及计算装置，其可工作来通过从所述第一脉冲信号减去所述第二脉冲信号来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的接近传感器，其中，从所述第二感测电路输出的所述第二脉冲信号具有几乎与从所述第一感测电路输出的所述第一脉冲信号的初始值相等的初始值。
3.根据权利要求1所述的接近传感器，进一步包括触发信号发生器电路，其可工作来使所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的上升相互同步。
4.根据权利要求1所述的接近传感器，进一步包括延迟电路，其可工作来相对于所述第二脉冲信号延迟所述第一脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的接近传感器，进一步包括低通滤波器，其可工作来将所述差分脉冲转换成DC信号；以及DC放大器，其可工作来放大通过所述低通滤波器产生的所述DC信号。
6.根据权利要求1所述的接近传感器，其中，所述传感器被配置成将所述差分脉冲的所述脉冲宽度与阈值相比较，并且基于其间的量值关系提供ON/OFF信号。
7.根据权利要求1所述的接近传感器，其中，所述感测电极是多个这样的感测电极中的一个，所述传感器进一步包括选择器电路，其可工作来选择来自所述多个感测电极的信号中的一个，并将其馈送到所述第一感测电路。
8.一种接近传感器，包括感测电极，其具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；第一感测电路，其可工作来提供第一脉冲信号，该第一脉冲信号具有根据所述感测电极和地之间的所述电容确定的脉冲宽度；基准电极；第二感测电路，其可工作来提供第二脉冲信号，该第二脉冲信号具有根据所述基准电极和地之间的电容确定的脉冲宽度；以及计算装置，其可工作来通过从所述第一脉冲信号减去所述第二脉冲信号而计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
9.根据权利要求8所述的接近传感器，其中，所述基准电极具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容。
10.根据权利要求8所述的接近传感器，其中，从所述第二感测电路输出的所述第二脉冲信号具有几乎与从所述第一感测电路输出的所述第一脉冲信号的初始值相等的初始值。
11.根据权利要求8所述的接近传感器，进一步包括触发信号发生器电路，其可工作来使所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的上升相互同步。
12.根据权利要求8所述的接近传感器，进一步包括延迟电路，其可工作来相对于所述第二脉冲信号延迟所述第一脉冲信号。
13.根据权利要求8所述的接近传感器，进一步包括低通滤波器，其可工作来将所述差分脉冲转换成DC信号；以及DC放大器，其可工作来放大通过所述低通滤波器产生的所述DC信号。
14.根据权利要求8所述的接近传感器，其中，所述传感器被配置以将所述差分脉冲的所述脉冲宽度与阈值相比较，并且基于其间的量值关系提供ON/OFF信号。
15.根据权利要求8所述的接近传感器，其中，所述感测电极是多个这样的感测电极中的一个，所述传感器进一步包括选择器电路，其可工作来选择来自所述多个感测电极的信号中的一个，并将其馈送到所述第一感测电路。
16.一种接近感测方法，包括接收第一脉冲信号来测量第一脉冲宽度的第一脉冲宽度测量步骤，该第一脉冲信号具有根据感测电极和地之间的电容确定的所述第一脉冲宽度，该感测电极具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；接收第二脉冲信号来测量第二脉冲宽度的第二脉冲宽度测量步骤，该第二脉冲信号具有根据基准电容器的电容确定的所述第二脉冲宽度；以及通过从所述第一脉冲信号的所述第一脉冲宽度减去所述第二脉冲信号的所述第二脉冲宽度来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
17.一种接近感测方法，包括接收第一脉冲信号来测量第一脉冲宽度的第一脉冲宽度测量步骤，所述第一脉冲信号具有根据感测电极和地之间的电容确定的所述第一脉冲宽度，所述感测电极具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；接收第二脉冲信号来测量第二脉冲宽度的第二脉冲宽度测量步骤，所述第二脉冲信号具有根据基准电极和地之间的电容确定的所述第二脉冲宽度；以及通过从所述第一脉冲信号的所述第一脉冲宽度减去所述第二脉冲信号的所述第二脉冲宽度来计算差分脉冲，并且提供所述差分脉冲的脉冲宽度。
全文摘要
一种接近传感器包括感测电极，其具有响应要被感测的物体的接近而可变的对地的电容；第一感测电路，其可工作来提供第一脉冲信号，该第一脉冲信号具有根据所述感测电极和地之间的电容确定的脉冲宽度；基准电容器；第二感测电路，其可工作来提供第二脉冲信号，该第二脉冲信号具有根据所述基准电容器的电容确定的脉冲宽度；以及计算装置，其可工作来通过从所述第一脉冲信号减去所述第二脉冲信号而计算差分脉冲，并且提供该差分脉冲的脉冲宽度。
文档编号G01V3/08GK101078774SQ20071010732
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月25日 优先权日2006年5月26日
发明者中村靖, 见崎信正 申请人:株式会社藤仓