专利名称：接近度传感器及用于接近度检测的方法
技术领域：
背景技术：
接近度传感器检测一区域或区中附近的人或物件的存在。接近度传感器可采用电磁或静电场或电磁辐射束(例如，红外线)或声波能量并检测场或返回信号的改变。接近度感测可针对不同类型的目标物件而利用不同的传感器类型。举例来说，光电传感器可适合于塑料目标；电感接近度传感器可用以检测金属目标。不同类型的接近度传感器具有所述传感器可在其内检测到物件的不同最大距离。一些传感器具有标称距离范围的调整或用以报告刻度检测距离的手段。接近度传感器可由于不存在机械部件且缺少传感器与所感测物件之间的物理接触而具有高的可靠性及长的工作寿命。
发明内容
以下揭示内容描述接近度检测及接近度传感器的实例。在物件移动而与感测元件接近或不接近时，测量所述感测元件对地电容。
图式仅通过实例方式而非通过限制方式描绘根据本发明教示内容的一个或一个以上实施方案。在各图中，相似的参考编号指代相同或类似的元件。图1是利用电容电荷转移的接近度传感器的实例的电路图；图2图解说明描绘图1的传感器电路的三个开关的切换序列的切换表；图3图解说明图1的电路的变化形式；图4示意性地图解说明各种天线实例；图5是利用LC振荡器的接近度传感器的另一实例的电路图；图6是利用类属振荡器的接近度传感器的另一实例的电路图；且图7示意性地图解说明配置为环形天线的天线的实例且展示从所述天线散发的场线。
具体实施例方式在以下详细说明中，通过实例方式阐述众多特定细节以便图解说明相关教示内容。为了避免不必要地使本发明教示内容的方面模糊，已在相对高的层面上描述了所属领域的技术人员众所周知的那些方法、程序、组件及/或电路。所示及所述的实例实施一种利用在物件移动而与感测元件接近或不接近时检测所述感测元件相对于接地的电容的形式的接近度检测。举例来说，所述接近度检测可在与接近度传感器的尺寸相比距所述传感器为显著的距离内发生或者在所述接近度传感器被人或其它目标物件触摸时发生。
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现在详细参考在附图中图解说明且于下文论述的实例。图1的电路图示意性地图解说明利用电容电荷转移进行接近度检测的接近度传感器100的实例的电路。传感器100可包含控制电路110、取样电容器114及感测元件(例如，天线120)。传感器100感测天线120对地电容Cx(如电容122所指示)的改变。取样电容器114可经选择以比Cx的预期值大得多。控制电路110可包含用以使取样电容器114 及待测量的电容Cx充电的切换功能性。控制电路110还可包含用以选择性地使取样电容器114及/或天线120放电且用以允许测量跨越取样电容器114的电压V。s的切换功能性。 关于图2进一步详细地描述控制电路110的切换功能性可如何操作的实例。在人或其它物件靠近或移动远离天线120时，将发生天线120的电容Cx的改变。 举例来说，在人靠近天线120时，Cx将增加，且在人移动远离天线120时，Cx将减小。Cx的改变产生可测量的效应，此可由传感器100用于接近度检测。在图1中所描绘的电路中，第一切换元件Sl可用以使取样电容器Cs及待测量的电容Cx放电。所述电路可包含第二切换元件S2及第三切换元件S3，如图所示。任何适合切换元件均可用于切换元件Sl到S3。举例来说，可使用适合晶体管或继电器。第二切换元件S2可操作以选择性地将所述电路连接到电压源，例如Vdd。电压源Vdd可供应适合电压，包含(但不限于)大约1.8V到大约5.5V的范围内的任一电压。当第二切换元件S2闭合时， 可向取样电容器114及天线130的Cx施加电荷。第三切换元件S3可操作以选择性地将电路连接到接地。可包含模拟比较器112以将Cs电容器上的电压与VREF所指示的参考电压信号进行比较。可使用任一适合参考电压。可使用比较器112的输出(例如，模拟比较器输出AC0)来确定Cs上的电压何时已达到参考电压VREF。由于Cs与Cx并联，因此其形成电容分压器。因此，Cs上的电压受Cx影响。参考电压越低，可在天线130中维持越多的能量。为测量受Cx影响的Cs上的电容，可将比较器112的输出提供到脉宽调制器(PWM) 电路140的时钟输入。PWM电路140可用以对计数器150进行门控，计数器150以适合频率计时以在指定的时间期间计数脉冲的数目。控制电路110还可包含处理器160及用于保持软件指令与经缓冲数据的存储功能性170 (例如，适合ROM及/或RAM)。处理器160可接收计数器输出并使所述计数器输出与Cs、Cx及人或物件到传感器100的接近度相关。由处理器160接收的计数器150的输出可经适合地滤波以减少噪声效应。处理器160可处理计数器150的输出以用于检测物件相对于天线120的接近度。控制电路110可提供指示在传感器100的接近度内人或物件的存在或不存在的输出信号，例如，如图1的DETECT信号所示。 控制电路110的输出信号可为位、字节或在利用D/A转换器(未展示)的情况下为模拟信号。控制电路110的输出信号可指示在传感器100的接近度内一个或一个以上物件的存在或不存在或者可指示到传感器的接近程度。可使用控制电路输出信号指示在传感器100的检测范围内物件的存在或不存在。举例来说，在检测到物件时，可使用所述输出信号产生例如特定音调的可听信号或例如特定色彩的光学信号。可改变声音或色彩以指示物件到传感器100的接近度的改变。对于一些应用，可使用动态参考电压来更改传感器100的感测功能性。提升参考电压可降低传感器针对触摸的接近度检测的标称范围，举例来说，从距天线的一英尺 (30cm)的最大感测距离降到几毫米的最大感测距离。举例来说，可将传感器(例如传感器 100)放置于儿童的玩具小熊中。假如儿童将在指定的距离(例如，六英寸左右)内靠近，那么所述小熊可以例如“捡起我”等言语响应做出响应，从而鼓励儿童抱起所述玩具。可接着通过简单地更改传感器的参考电压而将传感器的接近度检测改变到基于紧密接近的触摸感测，从而允许小熊随后对儿童的实际触摸做出响应。以此方式动态地改变接近度传感器的标称检测范围可增加相关商品或组件的商业价值。举例来说，可由适合微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或其它标准逻辑装置来实施控制电路110。举例来说，由ATMEL公司市售的ATtiny48微控制器及/或适合计时器/计数器可用于控制电路110的实施方案。在一实例中，取样电容器114可具有4. 7nF的标称电容且为10%的X7R陶瓷。图2图解说明描绘在用于传感器100的操作的电荷转移循环期间图1的三个开关的切换序列的切换表200。参考所述表，在步骤1处，切换元件Sl及S3闭合而切换元件S2断开，从而将两个电容器接地且借此允许Cs及Cx放电。接下来，在步骤2处，所有切换元件均断开，此允许Cs及Cx上的电压浮动。接着在步骤3处，切换元件Sl及S3断开而切换元件S2闭合，从而向两个电容器施加电压Vdd且借此允许将电荷转移到Cs及Cx。在步骤4处，所有三个切换元件Sl到S3均断开，此允许Cs及Cx上的电压浮动且稳定。接着，在步骤5处，切换元件1闭合而切换元件S2到S3断开，从而允许Cx中的电荷放电且允许Cs上的电压与参考电压(例如，图1中的VREF)的比较。可重复步骤2到5的切换序列以进行电容的稍后测量。可执行所要数目个使用步骤2到5的重复测量。可解释电容Cx的改变以检测物件朝向或远离天线120的移动。图3示意性地图解说明图1的电路的变化形式，其中参考电压由包含串联的电阻器132及134的分压器130设定。可为电阻器132及134选择任何所要值以便产生所要的参考电压。为简化图式而省略了 PWM、计数器、处理器及存储装置。图4示意性地图解说明可在接近度传感器中使用的天线实例的集合400。图式中描绘了正方形环形天线(A)、弯曲环形天线(B)、线式天线(C)、偶极天线(D)及贴片天线(E)。所示的配置为代表性，且其它天线配置可用于接近度检测。对于一些接近度传感器应用，天线可经配置以用于在一个大体方向上的接近度检测。在其它应用中，天线可经配置以用于在多个方向上的接近度检测。对于适合于示范性接近度传感器的天线，例如由矩形板(例如，如贴片天线(E)所示)产生的平面电荷可提供良好的距离特性，因为最大场强度表达为垂直于平面的表面。然而，此些配置可允许用于接近度传感器或并入有此传感器的装置的相关组件(例如，控制电路、小键盘等)的有限空间。对于一些应用，来自传感器天线的电场线可经定向以形成定向天线且仍在所述天线内或邻近于所述天线(例如，在天线的周界内)提供可用空间。在一些应用中，可使用正方形环形天线或偶极天线。在图4中将实例展示为(A)、(B)、及(D)。举例来说，使用放置于壁装式装置(例如，壁装式恒温器或安全小键盘)的周界中的矩形环形天线或偶极天线的接近度传感器可提供对从所有四个侧的靠近的良好接近度检测。具有此天线的传感器还可在迎面靠近时提供良好的检测距离。此迎面接近度检测可在大于或等于特定天线的尺寸的距离处。举例来说，6英寸直径的弯曲环形天线可提供在距天线的平面12英寸处的可靠接近度检测。还可或替代地设定使用弯曲环形天线的此传感器，使得一个人将必须实际上触摸传感器外壳/壳体之后才由传感器检测。配置为点、球及线的传感器或天线由于其随距离的径向场扩散而可非常适合于其中靠近方向未知或可变的应用中的接近度检测。然而，如先前所描述，一些应用可能需要从一个大体方向的接近度检测。示范性接近度传感器可利用其它类型的对天线的对地电容的测量来进行接近度检测。图5展示其中利用天线的可变Cx来更改LC电路的共振频率的一个此种实例。图5的电路图示意性地图解说明利用LC振荡器的接近度传感器500。接近度传感器500包含控制电路510、槽电路或LC振荡器520及感测元件(例如，天线530)。控制电路 510可包含适合处理器540及存储装置550。LC振荡器520包含电感器522及取样电容器 524。控制电路510可包含频率计数器与激励功能性且可向LC振荡器520供应激励信号。 控制电路510还可向天线530供应电荷，天线530具有到自由空间或接地的电容Cx。电容 Cx可受到达而接近传感器天线530及移动而不接近传感器天线530的人或物件影响。例如 Atmel ATtiny48微控制器的微控制器及/或适合计时器/计数器可用于控制电路510的实施方案。对于传感器500，在物件或人靠近或到达而与感测元件530接近时，电容Cx增加。 在物件或人移动远离且不接近感测元件530时，电容Cx减小。由于Cx与Cs并联，因此新的
Cx改变振荡器520的电容，从而改变共振频率f，其中f由下式给出/ =控制电路510可测量共振频率f的改变，其可与电容Cx及在传感器500的范围内物件或人的对应接近度相关。除根据图5的利用振荡器的接近度传感器以外，还可结合感测元件的可变电容使用其它类型的共振电路及结构。图6的电路图示意性地图解说明利用类属振荡器的接近度传感器600的另一实例。接近度传感器600包含控制电路610及连接到配置为天线630的感测元件的类属振荡器620。控制电路610可包含适合处理器640及存储装置650。控制电路610可包含频率计数器与激励功能性。在示范性实施例中，例如Atmel ATtiny48微控制器的微控制器及 /或适合计时器/计数器可用于控制电路610的实施方案。如图6中所指示，受电容Cx的改变影响的任何电振荡器均可用于由传感器600进行的接近度检测。实例可包含(但不限于)RC网络振荡器(例如维恩(Wien)桥式振荡器、 双T振荡器等)或RLC网络。Cx的改变将改变振荡器620的共振频率。通过辨识Cx的改变，传感器600可实现接近度检测。传感器600的检测范围可通过调整振荡器620中的R 及/或C的值(例如，通过切入或切出电阻或电容元件)而动态地变化。图7示意性地图解说明配置为环形天线的天线700且展示从所述天线散发的场线。天线700配置为以周界702展示的矩形环。由于场特征，矩形环形天线可提供横向接近度检测及在正交方向上的接近度检测两者。在图7中，用于横向接近度检测的电场线由场线1指示，且用于正交或迎面方向的电场线由场线2指示。继续参考图7，天线700的周界内的开放区A可用于待结合接近度传感器使用的组件。举例来说，周界702内的虚线内的区可用于并入有包含天线700的接近度传感器的装置的小键盘或读卡器或其他组件。接近度检测的一些实施方案可涉及编程。举例来说，微控制器可包含促进控制用于如图2的表中所示使接近度传感器的取样电容器及天线充电及放电的切换功能性以及测量电容以检测接近度的固件。一种制品可包含载运于机器可读媒体上或体现于机器可读媒体中的程序，例如可执行代码及/或相关联数据。机器可读媒体可采取许多形式，包含(但不限于)有形非暂时存储媒体、载波媒体或物理传输媒体。非易失性类型的非暂时有形存储媒体包含接近度传感器、计算装置、处理器等或其相关联模块的支持电子装置的任何或所有存储器，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器及可在任何时间提供对编程的存储的类似存储器。有时可经由因特网或各种其它电信网络来传递所述编程的全部或部分。举例来说，此些通信可使得能够将编程从一个计算机或处理器加载到另一计算机或处理器中，例如，以用于安装在微控制器中。因此，可承载编程的另一类型的媒体包含例如跨越本地装置之间的物理接口经由有线及光学陆线网络以及经由各种空中链路而使用的光学、电及电磁波。载运此些波的物理元件(例如有线或无线链路、光学链路等)也可被视为承载软件的媒体。 可对前文说明中所描述的实例及实施例做出各种修改，且可在众多应用中应用任何相关教示内容，本文中仅已描述所述应用中的一些应用。以上权利要求书意在主张任何及所有归属于本发明教示内容的真实范围内的应用、修改及变化形式。
权利要求
1.一种接近度传感器，其包括天线，其中所述天线具有可依据物件到所述天线的接近度而变化的对地电容； 取样电容器，其连接到所述天线；及控制电路，其连接到所述取样电容器，所述控制电路经配置以 向所述取样电容器及所述天线供应电荷； 使所述天线放电；响应于所述天线的所述放电，提供指示所述天线的所述对地电容的信号；及处理所述信号以将所述对地电容的改变检测为指示所述物件到所述天线的所述接近度。
2.根据权利要求1所述的接近度传感器，其中 所述控制电路包括三个切换元件及一模拟比较器， 每一切换元件具有相应断开状态及相应闭合状态，所述切换元件中的第一者经配置以在所述闭合状态中将所述取样电容器连接到接地， 所述切换元件中的第二者经配置以在所述闭合状态中以与所述第一切换元件到所述取样电容器的所述连接的极性相反的极性将电压源连接到所述取样电容器并将所述电压源连接到所述比较器，所述切换元件中的第三者经配置以在所述闭合状态中将所述比较器及取样电容器连接到接地，且所述比较器经配置以接收参考电压并将所述参考电压与所述取样电容器上的电压进行比较。
3.根据权利要求2所述的接近度传感器，其中所述控制电路经配置以在所述第一及第三切换元件处于所述闭合状态中且所述第二切换元件处于所述断开状态中时使所述天线及所述取样电容器放电。
4.根据权利要求2所述的接近度传感器，其中所述控制电路经配置以在所述第一、第二及第三切换元件处于所述断开状态中时致使所述取样电容器上的所述电压浮动。
5.根据权利要求2所述的接近度传感器，其中所述控制电路经配置以在所述第一及第三切换元件处于所述断开状态中且所述第二切换元件处于所述闭合状态中时将电荷转移到所述取样电容器及所述天线。
6.根据权利要求2所述的接近度传感器，其中所述控制电路经配置以在所述第一切换元件处于所述闭合状态中且所述第二及第三切换元件处于所述断开状态中时使所述天线及所述取样电容器放电并将跨越所述取样电容器的所述电压与所述参考电压进行比较。
7.根据权利要求2所述的接近度传感器，其中所述控制电路进一步包括经配置以在时钟输入上接收所述比较器的输出的脉宽调制电路。
8.根据权利要求7所述的接近度传感器，其进一步包括由所述脉宽调制电路的输出门控的经配置以产生输出信号的计数器。
9.根据权利要求1所述的接近度传感器，其中所述天线包括环形天线。
10.根据权利要求1所述的接近度传感器，其中所述控制电路经配置以使所述接近度传感器的检测范围动态地变化。
11.一种接近度传感器控制器，其包括控制电路，其包含处理器，其中所述控制电路连接到取样电容器及天线，其中所述天线具有可依据物件到所述天线的接近度而变化的对地电容，所述处理器经配置以执行指令，所述指令致使所述处理器执行用以测量所述天线的对地电容的功能，其包括用以以下操作的功能向所述取样电容器及所述天线供应电荷；使所述天线放电；响应于所述天线的所述放电，提供指示所述天线的所述对地电容的信号；及处理所述信号以将所述对地电容的改变检测为指示所述物件到所述天线的所述接近度。
12.根据权利要求11所述的接近度传感器控制器，其中所述控制电路包括三个切换元件及一模拟比较器，其中每一切换元件具有相应断开状态及相应闭合状态，其中第一切换元件经配置以在所述闭合状态中将所述取样电容器连接到接地，其中第二切换元件经配置以在所述闭合状态中以与所述第一切换元件到所述取样电容器的所述连接的极性相反的极性将电压源连接到所述取样电容器并将所述电压源连接到所述比较器，且第三切换元件经配置以在所述闭合状态中将所述比较器及取样电容器连接到接地，且其中所述比较器经配置以接收参考电压并将所述参考电压与所述取样电容器上的电压进行比较。
13.根据权利要求11所述的接近度传感器控制器，其中所述处理器进一步经配置以执行用以进行以下操作的功能使所述接近度传感器的检测范围动态地变化。
14.一种用于接近度检测的方法，其包括控制具有连接到取样电容器及天线的控制电路的接近度传感器，其中所述天线具有可依据人或物件到所述天线的接近度而变化的对地电容，以执行用以测量所述天线的对地电容的功能，其包含用以进行以下操作的功能向所述取样电容器及所述天线供应电荷；使所述天线放电；及提供指示所述天线的所述对地电容的信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括用以进行以下操作的功能在第一切换元件处于闭合状态中时，使所述天线放电并使用比较器将跨越所述取样电容器的电压与参考电压进行比较，且其中所述比较器经配置以接收参考电压并将所述参考电压与所述取样电容器上的所述电压进行比较。
16.一种接近度传感器，其包括天线，其中所述天线具有可依据物件到所述天线的接近度而变化的对地电容；振荡器，其连接到所述天线，其中所述振荡器包含电容器；及控制电路，其连接到所述振荡器，所述控制电路经配置以向所述振荡器供应激励并向所述天线供应电荷；测量所述振荡器的共振频率；及提供指示所述物件到所述天线的所述接近度的信号。
17.根据权利要求16所述的接近度传感器，其中所述振荡器包括LC槽电路。
18.根据权利要求16所述的接近度传感器，其中所述振荡器包括RC网络。
19.根据权利要求16所述的接近度传感器，其中所述天线包括环形天线。
20.根据权利要求16所述的接近度传感器，其中所述控制电路进一步经配置以使所述接近度传感器的检测范围动态地变化。
全文摘要
本申请案涉及接近度传感器及用于接近度检测的方法。为进行接近度检测，在一个或一个以上物件移动而接近或不接近感测元件时测量所述感测元件的对地电容。
文档编号G01V3/08GK102565861SQ201110328668
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月21日 优先权日2010年10月22日
发明者丹尼尔·阿瑟·乌伊瓦里 申请人:爱特梅尔公司