静电电容检测装置以及静电电容检测方法与流程

1.本发明涉及静电电容检测装置以及静电电容检测方法。


背景技术：

2.以往，有一种阻抗检测电路，能输出与被测定电容所具有的静电电容成正比的信号，具备：交流信号产生器，其产生交流信号；运算放大器，其具有反相输入端子、正相输入端子以及输出端子，所述输出端子与所述反相输入端子之间通过反馈电阻连接，在所述正相输入端子被施加所述交流信号；信号线，其能一端与所述反相输入端子连接，将所述被测定电容与另一端连接；屏蔽线，其使所述信号线的一部分露出且与所述正相输入端子连接；和补偿电路，其接受所述交流信号，用于补偿该交流信号的相位以及振幅，将该补偿电路的输出连接到所述运算放大器的所述反相输入端子(例如，参考专利文献1)。
3.在先技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：jp特开2002-350477号公报


技术实现要素：

[0006]-发明所要解决的课题-[0007]
在以往的阻抗检测电路中，关于相位的补偿，进行补正，以使得不在运算放大器的输出的相位中产生通过信号线的寄生电容和反馈电阻而产生的反相输入端子的输入的相位滞后的影响。但由于运算放大器的反相输入端子的输入的相位自身不发生改变，因此，会在运算放大器的反相输入端子的输入和正相输入端子的输入产生相位差。为此，即使对反相输入端子输入补偿电路的输出，设为检测对象的静电电容向反相输入端子的输入的相对于正相输入端子的输入的相位的滞后也不会消失。这是因为，在从设为检测对象的静电电容到反相输入端子的布线中存在电阻值，应检测的输入需要作为电流取出，但在正相输入端子的电压与检测对象的静电电容的电极之间产生电位差。在这样的补偿方法中，特别在检测对象与反相输入端子之间的布线的电阻大的情况下、存在于布线的寄生电容大的情况下，由于未实质地补正电阻值的影响所导致的应检测的输入电流的相位滞后，因此运算放大器的输出的灵敏度(检测灵敏度)降低。
[0008]
为此，目的在于，提供抑制了信号的相位的延迟所导致的检测灵敏度的降低的静电电容检测装置以及静电电容检测方法。
[0009]-用于解决课题的手段-[0010]
本发明的实施方式的静电电容检测装置包含：1个或多个检测电极；屏蔽电极，其与所述检测电极接近配置；交流信号源，其对所述屏蔽电极供给交流信号；检测电路，其基于从所述检测电极输出的检测信号和从所述交流信号源输出的交流信号来检测接近所述检测电极的对象物与所述检测电极之间的静电电容；和相位调整电路，其设于所述交流信号源与所述屏蔽电极之间，将由所述交流信号源输出的交流信号的相位超前。
[0011]-发明效果-[0012]
能提供抑制了信号的相位的延迟所导致的检测灵敏度的降低的静电电容检测装置以及静电电容检测方法。
附图说明
[0013]
图1是表示实施方式的静电电容检测装置100的图。
[0014]
图2是表示检测电路130的结构的图。
[0015]
图3是表示相移电路140a的输出信号相对于输入信号的相位和增益的频率特性的模拟结果的图。
[0016]
图4是表示从交流信号源120在检测电极111之间得到的信号的相位的关系的图。
[0017]
图5是表示静电电容检测装置100的传感器部110中的电阻和静电电容的图。
[0018]
图6是表示静电电容检测装置100中的各部的信号波形的图。
[0019]
图7是表示差动放大器135的图。
[0020]
图8是表示实施方式的变形例的静电电容检测装置100m的图。
[0021]
图9是表示静电电容检测装置100m的各部的信号波形的图。
[0022]
图10是说明静电电容检测装置100m的相位调整电路140中的相位调整量的图。
具体实施方式
[0023]
以下，说明运用了本发明的静电电容检测装置以及静电电容检测方法的实施方式。
[0024]
《实施方式》
[0025]
图1是表示实施方式的静电电容检测装置100的图。静电电容检测装置100包含传感器部110、交流信号源120、检测电路130以及相位调整电路140。静电电容检测方法是为了在静电电容检测装置100中检测静电电容而进行后述的相位的调整的方法。
[0026]
以下，关于传感器部110，定义xyz坐标系来进行说明。此外，关于传感器部110，为了方便说明，将-z方向侧称作下侧或下，将+z方向侧称作上侧或上，但并不表征普遍的上下关系。此外，关于传感器部110，将进行xy面观察称作俯视观察。
[0027]
作为一例，传感器部110包含12个检测电极111以及1个有源屏蔽电极112。12个检测电极111阵列状以3行
×
4列配置。检测电极111是以自电容式检测特别是与手等人体之间的静电电容的电极，作为一例，用ito(indium tin oxide，氧化铟锡)膜这样具有数10ω/口～100ωω/
□
程度的薄层电阻值的导电材料制作。这在现有技术中是会带来灵敏度的降低的影响的等级。手等人体是成为静电电容检测装置100的检测对象的对象物的一例。
[0028]
在此，ito膜等作为导电材料，若不对施加在有源屏蔽电极112的交流信号进行后述的相位调整电路140的相位的调整，就会造成会在检测电极111中传播的交流信号中产生招致检测电路130的检测灵敏度的降低程度的相位的延迟程度大的时间常数。作为一例，检测电极111形成于透明基板的表面。另外，检测电极111的材料并不限于ito，也可以是氧化锌、氧化锡、氧化钛等。此外，检测电极111也可以不透明。
[0029]
有源屏蔽电极112配设在俯视观察下与12个检测电极111重叠的位置，设于12个检测电极111的下侧(背侧)。此外，在有源屏蔽电极112经由相位调整电路140连接交流信号源
120。有源屏蔽电极112为了从噪声屏蔽12个检测电极111且为了抑制寄生电容而设，被施加从交流信号源120输出且通过相位调整电路140将相位超前的交流信号。
[0030]
作为一例，有源屏蔽电极112含有ito膜这样的导电材料。对有源屏蔽电极112使用ito膜所导致的相位延迟的影响和检测电极111是同样的，具有如下那样的电阻值：若不对施加在有源屏蔽电极112的交流信号进行后述的相位调整电路140的相位的调整，就会造成在有源屏蔽电极112中传播的交流信号中产生招致检测电路130的检测灵敏度的降低程度的相位的延迟程度大的时间常数。
[0031]
有源屏蔽电极112与12个检测电极111接近配置。所谓有源屏蔽电极112与12个检测电极111接近，是指如下程度地有源屏蔽电极112位于12个检测电极111的附近：有源屏蔽电极112主要能针对来自下方的噪声将12个检测电极111屏蔽程度，此外抑制与周边、下方的耦合所导致的寄生电容程度。另外，有源屏蔽电极112的材料并不限于ito，可以是氧化锌、氧化锡、氧化钛等。此外，有源屏蔽电极112也可以不透明。
[0032]
交流信号源120对有源屏蔽电极112供给交流信号。具体地，交流信号源120具有与相位调整电路140的输入端子连接的输出端子，对相位调整电路140输出交流信号。从交流信号源120输出的交流信号在通过相位调整电路140将相位超前的状态下供给到有源屏蔽电极112。作为一例，交流信号的频率是30khz到300khz。
[0033]
检测电路130基于从检测电极111输出的检测信号和从交流信号源120输出的交流信号，来检测接近检测电极111的对象物与检测电极111之间的静电电容。具体地，检测电路130具有12个输入端子130a、1个输入端子130b以及12个输出端子130c。12个输入端子130a与12个检测电极111分别连接。输入端子130b与交流信号源120的输出端子连接。12个输出端子130c与包含静电电容检测装置100的电子设备、或配置于静电电容检测装置100的外部的电子设备等连接。电子设备只要是以静电电容检测装置100为输入装置的电子设备，可以是任意的电子设备。例如能举出智能手机、平板电脑或复印机等。
[0034]
在此，使用图2来说明检测电路130。图2是表示检测电路130的结构的图，但省略示出物理地构成的详细电路。检测电路130具有乘法运算器131以及lpf(low pass filter，低通滤波器)132。检测电路130具有乘法运算器131以及lpf132各12个，但在图2中，将乘法运算器131以及lpf132各示出1个。
[0035]
在乘法运算器131的2个输入端子连接输入端子130a以及130b。乘法运算器131的输出端子与lpf132的输入端子连接。从检测电极111输入到输入端子130a的输入信号是叠加了从有源屏蔽电极112传播的交流信号和通过检测电极111与手等对象物之间的电容得到的信号的信号。输入到输入端子130b的输入信号是从交流信号源120输出的交流信号。
[0036]
输入到输入端子130a的输入信号是如下那样得到的信号：将从交流信号源120输出的交流信号的相位在相位调整电路140中超前，在有源屏蔽电极112以及检测电极111中传播时将相位延迟，并且叠加通过与手等对象物之间的电容而得到的信号，由此得到。相位调整电路140将从交流信号源120输出的交流信号的相位超前，以使得输入到输入端子130a的输入信号和输入到输入端子130b的输入信号的相位一致，并输出到有源屏蔽电极112。为此，输入到输入端子130a的输入信号和输入到输入端子130b的输入信号的相位一致，对乘法运算器131的2个输入端子输入相位一致的信号。
[0037]
若将输入到乘法运算器131的2个输入端子的信号在一致的状态下相乘，得到频率
2倍且叠加成直流(dc)分量的信号，从乘法运算器131的输出端子输入到lpf132。lpf132使乘法运算器131的输出当中的给定的截止频率以下的频带分量通过，并从输出端子130c输出。lpf132的输出是与通过检测电极111与手等对象物之间的电容得到的信号对应的直流分量。
[0038]
相位调整电路140设于交流信号源120与有源屏蔽电极112之间，将由交流信号源120输出的交流信号的相位超前。特别地，相位调整电路140将交流信号的相位超前，以使得输入到检测电路130的检测信号与交流信号的相位对齐。具体地，相位调整电路140具有相移电路140a以及反相放大电路140b。相移电路140a具有运算放大器141a、可变电容器142a、可变电阻器143a以及电阻器144a、145a。运算放大器141a的反相输入端子以及正相输入端子经由电阻器144a以及可变电阻器143a而与交流信号源120的输出端子连接。在运算放大器141a的反相输入端子与输出端子之间连接电阻器145a，作为反馈电阻。电阻器144a、145a的电阻值都是ra。在运算放大器141a的正相输入端子与可变电阻器143a之间连接可变电容器142a的一端。可变电容器142a的另一端与接地连接。运算放大器141a的输出端子与反相放大电路140b的输入端子连接。
[0039]
相移电路140a能通过使可变电容器142a的静电电容cs和可变电阻器143a的电阻值rs变化，来可变地控制运算放大器141a的正相输入端子的输入电压。即，相移电路140a能通过控制运算放大器141a的正相输入端子的输入电压，来使从运算放大器141a的输出端子输出的交流信号相对于输入到反相输入端子的交流信号的相位延迟。
[0040]
反相放大电路140b具有运算放大器141b、以及电阻器142b、143b。运算放大器141b的正相输入端子与接地连接，反相输入端子经由电阻器142b与相移电路140a的运算放大器141a的输出端子连接。运算放大器141b的输出端子与有源屏蔽电极112连接。在运算放大器141b的反相输入端子与输出端子之间连接电阻器143b，作为反馈电阻。电阻器142b以及143b的电阻值都是rb。反相放大电路140b使输入到运算放大器141b的反相输入端子的交流信号的相位反相(使180度移位)输出。
[0041]
在此，将由于有源屏蔽电极112以及检测电极111、和与有源屏蔽电极112以及检测电极111连接的布线等的时间常数而在交流信号中产生的相位的延迟量设为α度。相位调整电路140在相移电路140a中给予从交流信号源120输入的交流信号(π-α)度的延迟后，在反相放大电路140b中使相位反相并输出。为此，相位调整电路140所输出的交流信号的相位相对于输入到相位调整电路140的交流信号的相位超前α度。通过实验或模拟等来测定α度，决定静电电容cs以及电阻值rs的值，以使得能凭借用相移电路140a的可变电容器142a的静电电容cs和可变电阻器143a的电阻值rs决定的时间常数rscs来实现α度的延迟。
[0042]
图3是表示输出信号相对于相移电路140a的输入信号的相位和增益的频率特性的模拟结果的图。在图3中，横轴是频率f，相移成为-90度的频率为fd＝1/(2πrscs)(hz)。横轴的频率fd是通过时间常数rscs确定的频率，其中该时间常数rscs用相移电路140a的可变电容器142a的静电电容cs和可变电阻器143a的电阻值rs决定。图3的纵轴表示相移电路140a的输出信号的相位和增益。用虚线表示相位，用实线表示增益。
[0043]
如图3所示那样，相位从0度(相移0
°
)到-180度(相移-180
°
)连续变化。此外，即使频率f变化，增益也是0db。根据以上可知，相移电路140a能使输出信号相对于输入信号的相位从0度到-180度移位，在输入信号和输出信号的信号电平中未发生变化。
[0044]
若使这样的相移电路140a的输出信号的相位在反相放大电路140b反相，反相放大电路140b的输出信号的相位就相对于相移电路140a的输入信号的相位移到-180度到-360度。即，相位调整电路140能将相移电路140a的输入信号的相位超前0度到180度。
[0045]
图4是表示从交流信号源120在检测电极111之间得到的信号的相位的关系的图。在图4的(a)中示出相位调整电路140的相位的调整量为0度的情况的检测电极111的输出信号的相位。在图4的(b)示出交流信号源120的交流信号的相位。在图4的(c)示出相移电路140a的输出信号的相位。在图4的(d)示出反相放大电路140b的输出信号的相位。
[0046]
若在图4的(b)中将交流信号源120的交流信号的相位作为基准，则图4的(a)所示的相位调整电路140的相位的调整量为0度的情况的检测电极111的输出信号的相位滞后α度。此外，在图4的(c)中，相移电路140a的输出信号的相位相对于图4的(b)所示的交流信号源120的交流信号的相位延迟(π-α)度。图4的(d)所示的反相放大电路140b的输出信号的相位相对于图4的(b)所示的交流信号源120的交流信号的相位超前α度。如图4的(d)所示那样，若将相对于交流信号源120的交流信号使相位超前α度的交流信号输入到有源屏蔽电极112，就能使输入到检测电路130的乘法运算器131的2个输入端子的交流信号的相位一致。
[0047]
图5是示意表示静电电容检测装置100的传感器部110中的电阻和静电电容的图。在图5的(a)中示出与传感器部110当中的1个检测电极111和有源屏蔽电极112的一部分对应的部分。将检测电极111示出为电阻r1 1 1，将有源屏蔽电极112示出为电阻r1 12。此外，将在检测电极111与有源屏蔽电极112之间的间隙产生的静电电容示出为电容器cg，将手h与检测电极111之间的静电电容示出为电容器ch，将检测电极111的寄生电容示出为电容器cp。
[0048]
输入到有源屏蔽电极112的交流信号经过电容器cg流到检测电极111。传在感器部110，存在电阻r111以及r112作为电阻值，并且存在电容器cg、ch、cp，因此，存在基于电阻r1 1 1以及r1 12的电阻值和电容器cg、ch、cp的静电电容的时间常数。通过这样的时间常数，相对于输入到有源屏蔽电极112的交流信号，产生从检测电极111输出的交流信号的相位的滞后。
[0049]
在图5的(b)中，相位调整电路140的输出信号相对于(1)的交流信号源120的交流信号如(2)所示那样，相位超前α度。若将相对于交流信号源120的交流信号使相位超前α度的交流信号输入到有源屏蔽电极112，则如(3)所示那样，检测电极111的输出信号相对于输入到有源屏蔽电极112的交流信号使相位之后α度，因此，和(1)的交流信号源120的交流信号成为同相位。为此，能对乘法运算器131的2个输入端子输入相位一致的2个交流信号。
[0050]
图6是表示静电电容检测装置100中的各部的信号波形的图。在图6中示出(1)交流信号源120的交流信号、(2)检测电极111的输出信号、(3)乘法运算器131的输出信号、(4)lpf132的输出信号。关于(2)检测电极111的输出信号以及(4)lpf132的输出信号，以实线示出进行过相位调整电路140的相位调整的情况的信号波形，以虚线示出未进行相位调整电路140的相位调整的情况的信号波形。
[0051]
在进行了相位调整电路140的相位调整的情况下，(1)的交流信号源120的交流信号和(2)的以实线表示的检测电极111的输出信号的相位一致，因此，如(3)以实线示出的那样，能得到交流信号的频率的2倍的频率的乘法运算器131的输出信号，lpf132的输出信号得到为(4)中以实线表示的直流信号。
[0052]
另一方面，在未进行相位调整电路140的相位调整的情况下，(1)的交流信号源120的交流信号和(2)的以虚线表示的检测电极111的输出信号的相位不一致，因此，如(3)中以虚线示出的那样，乘法运算器131的输出信号的直流电平变低，lpf132的输出信号如(4)中以虚线示出的那样，成为与实线的直流信号相比信号电平降低的直流信号。
[0053]
如以上那样，通过将输入到有源屏蔽电极112的交流信号的相位在相位调整电路140中预先超前在传感器部110中产生的相位的滞后的量，能使检测电极111的输出信号的相位和从交流信号源120输出的交流信号的相位一致。为此，检测电路130的输出信号的信号电平作为将检测电极111的输出信号和从交流信号源120输出的交流信号相乘并经过lpf132而得到的信号，成为最大的信号电平。这意味着将手指等检测对象是否在所引起的电容器ch的变化量最大化。
[0054]
因此，能提供抑制了信号的相位的延迟所导致的检测灵敏度的降低的静电电容检测装置100以及静电电容检测方法。此外，能提供通过抑制检测灵敏度的降低来使检测中的动态范围提升的静电电容检测装置100以及静电电容检测方法。例如，即使将ito那样具有电阻值的导电膜用在检测电极111或有源屏蔽电极112中，也能将从交流信号源120输出的交流信号的相位在相位调整电路140中超前后输入到有源屏蔽电极112，能抑制检测电路130中的检测灵敏度的降低。
[0055]
此外，将交流信号的相位在相位调整电路140超前以使得检测电极111的输出信号和交流信号源120的交流信号一致，是指将交流信号的相位超前，以使得检测电极111的输出信号和交流信号的相位对齐。若在相位调整电路140调整了交流信号的相位，则即使检测电极111的输出信号和交流信号源120的交流信号并非完全一致，和未在相位调整电路140调整交流信号的相位的情况相比，也能使检测电路130中的检测灵敏度提升。为此，若将相位调整电路140将交流信号的相位合适地超前，则即使检测电极111的输出信号和交流信号源120的交流信号并非完全一致，也能抑制检测电路130中的检测灵敏度的降低。
[0056]
此外，虽然若严密来说，不能将交流信号的相位超前，但由于相位调整电路140具有使交流信号的相位延迟的相移电路140a和使交流信号的相位反相的反相放大电路140b，因此，实质能将交流信号的相位超前，能使在传感器部110中产生的相位的延迟相抵。
[0057]
此外，由于检测电路130具有乘法运算器131以及lpf132，因此，能用单纯的结构的检测电路130来检测检测电极111与手h等对象物之间的静电电容。
[0058]
另外，以上说明了传感器部110具有12个检测电极111的形态，但传感器部110具有1个以上的(1个或多个)检测电极111即可，检测电极111的数量是几个都可以。
[0059]
此外，以上说明了检测电路130具有乘法运算器131以及lpf132的形态，但检测电路130也可以是取代乘法运算器131而具有差动放大器的结构。图7是表示差动放大器135的图。差动放大器135具有运算放大器133和电阻器r1～r4、输入端子135a、135b以及输出端子135c。连接这样的差动放大器135的输入端子135a、135b以及输出端子135c，取代乘法运算器131的2个输入端子以及输出端子即可。即，差动放大器135将与检测电极111连接的反相输入端子135b与被施加交流信号的正相输入端子135a的电压差放大并输出。差动放大器135将输入到2个输入端子的信号vin+、vin-的差放大并从输出端子输出。若将差动放大器135的输出输入到lpf132，就能得到与具有乘法运算器131以及lpf132的检测电路130同样的输出信号。为此，能抑制具有差动放大器的检测电路中的检测灵敏度的降低。此外，检测
电路130还能在130a到乘法运算器131之间配置基于运算放大器的积分电路。
[0060]
此外，也可以如图8所示那样，是包含多路复用器(mux)150的结构。在该情况下，检测电极111有多个。图8是表示实施方式的变形例的静电电容检测装置100m的图。静电电容检测装置100m具有在传感器部110的输出侧设置多路复用器150并且取代检测电路130而包含检测电路130m的结构。多路复用器150与选择部对应，时分地选择多个检测电极111当中的1个或多个检测电极111。此外，检测电路130m基于从由多路复用器150(选择部)选择的检测电极111输出的检测信号和从交流信号源120输出的交流信号来检测接近检测电极111的对象物与检测电极111之间的静电电容。相位调整电路140对应于由多路复用器150选择的1个或多个检测电极111来调节交流信号的相位超前量。
[0061]
多路复用器150设于传感器部110与检测电路130m之间，将12个检测电极111在x方向上分成4个群组g1～g4，时分地取得输出信号并输出到检测电路130m。群组g1中所含的3个检测电极111由于最接近多路复用器150，因此，到多路复用器150的布线长度最短，在群组g1～g4中，布线的电阻值最小。群组g4中所含的3个检测电极111由于最远离多路复用器150，因此，到多路复用器150的布线长度最长，在群组g1～g4中，布线的电阻值最大。在这样的布线长度的差所引起的时间常数的差作为从检测电极111输出的相位差而给静电电容检测装置100m的检测结果带来的影响大的情况下，静电电容检测装置100m这样的结构是有用。
[0062]
检测电路130m基于群组g1～g4各自中所含的3个检测电极111的输出信号和从交流信号源120输出的交流信号，来时分地检测3个检测电极111与手h等对象物之间的静电电容。为此，检测电路130m具有乘法运算器131以及lpf132各3个即可。
[0063]
图9是表示静电电容检测装置100m的各部的信号波形的图。(a)表示交流信号源120的交流信号，(b)表示相位调整电路140的相位调整量为0度的情况的群组g1中所含的检测电极111的输出信号，(c)表示相位调整电路140的相位调整量为0度的情况的群组g4中所含的检测电极111的输出信号。若将群组g1和g4比较，靠近多路复用器150而布线长度短的群组g1的检测电极111的输出信号的相位滞后α1度比群组g4的检测电极111的输出信号的相位滞后α4度小。这是因为，时间常数小布线长度的量。
[0064]
图10是说明静电电容检测装置100m的相位调整电路140中的相位调整量的图。在图10中示出成为检测对象的群组g1～g4、相位调整量α1度～α4度以及时间区分t1～t4。将检测群组g1～g4的时间的区分(时间区分)分成t1～t4，在时间区分t1～t4，相位调整电路140分别将从交流信号源120输入的交流信号的相位超前α1度～α4度即可。这样一来，若按每个群组使用与布线长度相应的相位调整量α1度～α4度，使在检测电路130m从群组g1～g4各自的检测电极111输出的输出信号、和从交流信号源120输出的交流信号一致，就能检测检测电极111与手h等对象物之间的静电电容。
[0065]
因此，能提供抑制了信号的相位的延迟所导致的检测灵敏度的降低的静电电容检测装置100m以及静电电容检测方法。特别在多个检测电极111的布线长度的差异所引起的输出信号的相位的差给检测结果带来影响的情况下，在多路复用器150时分地检测，按每个群组设定相位调整量是非常有用的。在静电电容检测装置100m中，检测电路130m的输出信号的信号电平能按每个群组作为将检测电极111的输出信号和从交流信号源120输出的交流信号相乘并通过lpf132而得到的信号，得到最大的信号电平。
[0066]
以上说明了本发明的例示的实施方式的静电电容检测装置以及静电电容检测方法，但本发明并不限定于具体公开的实施方式，能不脱离权利要求书地进行各种变形、变更。
[0067]
另外，本国际申请主张基于在2020年8月20日申请的日本国专利申请2020-139645的优先权，将其全内容通过这里的参考引用于本国际申请中。
[0068]-符号说明-[0069]
100、100m 静电电容检测装置
[0070]
110 传感器部
[0071]
120 交流信号源
[0072]
130、130m 检测电路
[0073]
135 差动放大器
[0074]
140 相位调整电路
[0075]
131 乘法运算器
[0076]
132 lpf
[0077]
140a 相移电路
[0078]
140b 反相放大电路
[0079]
150 多路复用器。