静电电容检测装置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及静电电容检测方法。


背景技术：

2.公知基于静电电容来检测手指等的检测对象物的接近的触摸传感器、触控板等的输入装置。在输入装置所使用的静电电容的检测方式中，一般来说有互容型和自容型。在互容型中，检测被交叉地配置的两个电极间的静电电容，在自容型中，检测检测电极相对于接地的静电电容。
3.自容型具有与互容型相比静电电容的检测灵敏度高的优点。然而，若在接地与检测电极之间存在大的寄生电容，则在检测结果的信号中寄生电容的分量占据较大的比例，检测对象物的电容成分的动态范围变小，因此检测灵敏度降低。此外，寄生电容的电容变动成为噪声，静电电容的检测精度降低。
4.以往，为了减轻上述那样的寄生电容的影响，在检测电极的周围配置有以与检测电极同电位地被驱动的屏蔽电极(也被称为有源屏蔽)(例如，参照下述的专利文献1)。通过设置有源屏蔽，从而检测电极不易与周围的导体产生静电耦合，因此寄生电容减少。此外，若将有源屏蔽设为与检测电极同电位，则有源屏蔽与检测电极之间的静电电容不会对检测结果造成影响。
5.在先技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：jp专利第4198306号公报
8.专利文献2：国际公开第2018/116706号


技术实现要素：

[0009]-发明所要解决的课题-[0010]
虽然通过有源屏蔽来减少寄生电容，但是无法全部消除。因此，即便想要获得更高的检测灵敏度，有时因残留的寄生电容的影响，也无法获得更高的检测灵敏度。此外，在专利文献1所公开的静电电容型传感器中，实际上被输出的输出电压达到饱和，有时无法获得充分高的检测灵敏度。
[0011]
因此，谋求能够获得高检测灵敏度的静电电容检测装置。
[0012]-用于解决课题的手段-[0013]
根据本实施方式的一观点，是对与检测电极接近的检测对象物与所述检测电极之间的静电电容进行检测的静电电容检测装置，其特征在于，具有：第一电压输出电路，输出向与所述检测电极接近地配置的屏蔽电极供给的第一交流电压；第二电压输出电路，输出频率与所述第一交流电压的频率大致相等的第二交流电压；以及运算放大器，将与所述检测电极连接的反相输入端子与被施加所述第二交流电压的非反相输入端子的电压差放大并输出，在不存在与所述检测电极接近的所述检测对象物的状态下，所述第二电压输出电
路输出所述第二交流电压，所述第二交流电压被调整成所述运算放大器的输出电压的振幅小于所述第一交流电压的振幅。
[0014]-发明效果-[0015]
根据公开的静电电容检测装置，能够获得高检测灵敏度。
附图说明
[0016]
图1是具有屏蔽电极的静电电容检测装置的结构图。
[0017]
图2是具有屏蔽电极的静电电容检测装置的说明图。
[0018]
图3是第一实施方式中的静电电容检测装置的结构图。
[0019]
图4是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(1)。
[0020]
图5是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(2)。
[0021]
图6是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(3)。
[0022]
图7是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(4)。
[0023]
图8是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(5)。
[0024]
图9是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(6)。
[0025]
图10是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(7)。
[0026]
图11是第一实施方式中的静电电容检测装置的说明图(8)。
[0027]
图12是第一实施方式中的输入装置的结构图。
[0028]
图13是包括第二实施方式中的静电电容检测装置的输入装置的结构图。
具体实施方式
[0029]
以下说明用于实施的方式。另外，针对相同的构件等赋予相同的符号并省略说明。
[0030]
首先，对设置了屏蔽电极的静电电容检测装置进行说明。图1所示的静电电容检测装置具有检测电极10、屏蔽电极20、运算放大器30、反馈电阻40、反馈电容器50和作为交流电源的交流电压输出电路60等。
[0031]
检测电极10与运算放大器30的反相输入端子(-)连接，屏蔽电极20与运算放大器30的非反相输入端子( )连接，在运算放大器30的输出端子和反相输入端子(-)之间并联地连接反馈电阻40及反馈电容器50，施加负反馈。此外，交流电压输出电路60与屏蔽电极20连接，并被施加电压vas的交流电压。反馈电阻40能够使电阻值可变，反馈电容器50能够使静电电容值可变。
[0032]
在图1所示的静电电容检测装置中，在检测电极10与屏蔽电极20之间形成有静电电容crs，在检测电极10与gnd之间形成有寄生电容crgl。在检测电极10与手指、手等的检测对象物100之间形成有静电电容crg，在手指、手等的检测对象物100与检测电极接近10的情况下，静电电容crg的电容增加，从运算放大器30输出的输出电压vo的振幅变大。
[0033]
在此，作为提高手指或手等的检测对象物100与检测电极接近10的情况下的检测灵敏度的方法，有效的是将从交流电压输出电路60输出并向屏蔽电极20施加的施加电压vas的振幅变大的方法，但在使施加电压vas的振幅变大了的情况下，从运算放大器30输出的输出电压vo的振幅与施加电压vas的振幅相比变大。
[0034]
然而，在静电电容检测装置中，由于电源电压的限制，电源电压vdd成为上限，因
此，如图2所示，输出电压vo不会输出比电源电压vdd高的电压、比接地电位gnd低的电压，输出电压vo的波形成为在上下都饱和的波形。因此，无法充分地提高检测灵敏度。
[0035]
〔第一实施方式〕
[0036]
接下来，对第一实施方式中的静电电容检测装置进行说明。本实施方式中的静电电容检测装置将通过检测电极10检测的检测信号的动态范围扩大。具体地说，通过减小手指、手等的检测对象物100未接近的状态下的输出，从而使检测灵敏度提高。
[0037]
如图3所示，本实施方式中的静电电容检测装置具有检测电极10、屏蔽电极20、运算放大器30、反馈电阻40、反馈电容器50、第一电压输出电路160及第二电压输出电路170等，对与检测电极接近10的检测对象物100与检测电极10之间的静电电容进行检测。检测电极10和屏蔽电极20接近地配置。
[0038]
检测电极10与运算放大器30的反相输入端子(-)连接，屏蔽电极20与第一电压输出电路160连接。第一电压输出电路160输出向与检测电极10接近地配置的屏蔽电极20供给的第一交流电压vas。第二电压输出电路170与运算放大器30的非反相输入端子( )连接。第二电压输出电路170输出频率与第一交流电压vas的频率大致相等的第二交流电压vp。在运算放大器30的输出端子与反相输入端子(-)之间并联地连接反馈电阻40及反馈电容器50，施加负反馈。此外，反馈电容器50能执行静电电容值的调整。运算放大器30将与检测电极10连接的反相输入端子(-)和被施加第二交流电压vp的非反相输入端子( )的电压差放大后输出。另外，从第一电压输出电路160输出的第一交流电压vas的相位与从第二电压输出电路170输出的第二交流电压vp的相位大致相等。
[0039]
在本实施方式中的静电电容检测装置中，在检测电极10与屏蔽电极20之间形成有静电电容crs，在检测电极10与gnd之间形成有寄生电容crgl。在检测电极10和成为检测对象物的手指、手等的检测对象物100之间，形成有静电电容crg，在手指、手等的检测对象物100接近了检测电极10的情况下，静电电容crg的电容增加，从运算放大器30输出的输出电压vo的振幅变大。
[0040]
在本实施方式中，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，第二电压输出电路170输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成运算放大器30的输出电压vo的振幅小于第一交流电压vas的振幅。换言之，在检测电极10的附近不存在手指、手等的检测对象物100而未识别到检测对象物100的状态下，设定从第二电压输出电路170输出的第二交流电压vp的振幅，以使得输出电压vo的振幅及第一交流电压vas的振幅为vas＞vo。将该状态示于图4。另外，只要满足vas＞vo的关系，第二电压输出电路170也可以使用任意的方法来调整第二交流电压vp的振幅。例如，第二电压输出电路170可以监控vas的振幅值和vo的振幅值，自动地调整第二交流电压vp的振幅，以使得满足vas＞vo的关系，也可以通过手动来调整第二交流电压vp的振幅，以使得满足vas＞vo的关系。此外，如后述的第二实施方式那样，第二电压输出电路170也可以输出使第一交流电压vas衰减后的电压作为第二交流电压vp。
[0041]
由此，从第一电压输出电路160输出的第一交流电压vas的振幅成为最大的电压的振幅，因此能够最大限度扩展动态范围，能够提高检测灵敏度。另外，在本技术中，不等式等中的vas、vp、vo的记载是指第一交流电压vas的振幅、第二交流电压vp的振幅、输出电压vo的振幅。
[0042]
此外，在本实施方式中，也可以设定从第二电压输出电路170输出的第二交流电压vp的振幅，以使得vp＜crs
×
vas/(crs crgl)或者vo＜vp＜vas。将该状态示于图5。
[0043]
由此，能够进一步减小未检测到手指、手等的检测对象物100的状态下的输出电压vo的振幅，输出电压vo不易饱和，能够增大通过反馈电容器50确定的电压增益，能够使检测灵敏度提高。
[0044]
即，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，将运算放大器30的输出电压设为vo，将第一交流电压设为vas，将第二交流电压设为vp，在该情况下，第二电压输出电路170也可以输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成振幅的关系满足vo＜vp＜vas。
[0045]
或者，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，将第一交流电压设为vas，将第二交流电压设为vp，将检测电极10与屏蔽电极20之间的静电电容设为crs，将检测电极10与检测对象物以外的接地(gnd)之间的寄生电容设为crgl，在该情况下，第二电压输出电路170也可以输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成满足vp＜crs
×
vas/(crs crgl)。
[0046]
另外，在本实施方式中的静电电容检测方法中，是对与检测电极接近10的检测对象物100与检测电极10之间的静电电容进行检测的静电电容检测方法，具有：第一电压输出步骤，输出向与检测电极10接近地配置的屏蔽电极20供给的第一交流电压vas；第二电压输出步骤，输出频率和相位与第一交流电压vas大致相等的第二交流电压vp；以及运算放大步骤，在运算放大器30中将与检测电极10连接的反相输入端子(-)和被施加第二交流电压vp的非反相输入端子( )的电压差放大后输出，在第二电压输出步骤中，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成运算放大器30的输出电压vo的振幅小于第一交流电压vas的振幅。
[0047]
在本实施方式中，通过将从第一电压输出电路160输出的第一交流电压vas和从第二电压输出电路170输出的第二交流电压vp分开，从而能够容易地将电压的振幅的关系设为vas＞vp，能够减小输出电压vo的振幅。
[0048]
图6是表示在检测电极10的附近不存在检测对象物100的状态下的检测电极10部分的等效电路。vn0是指运算放大器30未被连接的状态下的检测电极10部分的节点的电压。在此，如图7所示，在检测电极10与运算放大器30的反相输入端子(-)连接的情况下，若第二交流电压vp的振幅大，则如虚线箭头所示，向寄生电容crgl的电流流入量增加。因此，即便尽可能地增大第一交流电压vas的振幅，通过减小第二交流电压vp的振幅，也能够减小在检测电极10的附近不存在检测对象物100的状态下的输出电压vo的振幅。
[0049]
此外，通过图6所示的等效电路，如图8所示，当计算电压vn0时，成为vn0＝crs
×
vas/(crs crgl)。该vn0的值是将第一交流电压vas与根据静电电容crs与寄生电容crgl确定的比率(crs/(crs crgl))相乘所得的值。在运算放大器30与检测电极10未连接的状态下，在静电电容crs中流动的电流irs和在寄生电容crgl中流动的电流irgl为相同的值。在图8～图11中，箭头的朝向表示某一时间的电流的朝向，根据第一交流电压vas的电压的变化的极性而朝向改变。
[0050]
在此，如图9所示，在vas＞vp＞vn0的情况下，电流如虚线箭头所示那样流动，与在静电电容crs中流动的电流irs相比，在寄生电容crgl中流动的电流irgl变多，输出电压vo
的振幅与第二交流电压vp的振幅相比变大。
[0051]
此外，如图10所示，在vas＞vp＝vn0的情况下，电流如虚线箭头所示那样流动，在静电电容crs中流动的电流irs和在寄生电容crgl中流动的电流irgl相同。由此，输出电压vo的振幅与第二交流电压vp的振幅相等。
[0052]
此外，如图11所示，在vn0＞vp的情况下，电流如虚线箭头所示那样流动，与在寄生电容crgl中流动的电流irgl相比，在静电电容crs中流动的电流irs变多，输出电压vo的振幅与第二交流电压vp的振幅相比变小。因此，上述的vp＜crs
×
vas/(crs crgl)的条件和vo＜vp＜vas的条件为相同含义。
[0053]
由此，通过调整从第二电压输出电路170输出的第二交流电压vp的振幅，从而能够减小输出电压vo的振幅，来自运算放大器30的输出电压vo不易饱和，因此即便在输入了噪声等的情况下，也能够在保持线性的同时实现后级的滤波处理。
[0054]
因此，在检测电极10的附近不存在检测对象物100的状态下，在调整成输出电压vo与第二交流电压vp相同的情况下，输出电压vo的振幅只能下降至与第二交流电压vp的振幅相同为止，提高检测灵敏度的效果不充分。然而，在本实施方式中的静电电容检测装置中，输出电压vo的振幅能够低于第二交流电压vp的振幅，由此能够获得高检测灵敏度和抗噪性。
[0055]
(输入装置)
[0056]
接下来，对使用了本实施方式中的静电电容检测装置的输入装置进行说明。如图12所示，本实施方式中的输入装置具有传感器部110、静电电容检测部120、处理部130、存储部140及接口(i/f)部150等。另外，本实施方式中的静电电容检测装置通过传感器部110和静电电容检测部120的一部分来构成。
[0057]
在手指、笔等的检测对象物100接近传感器部110的情况下，本实施方式中的输入装置检测在传感器部110设置的电极与检测对象物100之间的静电电容，并基于该检测结果，输入与检测对象物100的接近相应的信息。例如，输入装置基于静电电容的检测结果取得检测对象物100相对于传感器部110的接近的有无、传感器部110与检测对象物100的距离等的信息。输入装置例如可应用于触摸传感器、触控板等的用户接口装置。另外，本说明书中的“接近”是指两个物体位于附近，包括两个物体彼此接触的情况和未接触的情况这两者。
[0058]
传感器部110具有：用于检测手指、笔等的检测对象物100的接近的检测电极10；以及与检测电极10接近地配置的屏蔽电极20。检测电极10配置于传感器部110中检测对象物100接近的区域。例如，检测对象物100的检测区域的表面被绝缘性的外壳层覆盖，在比外壳层更靠下层侧配置有检测电极10。屏蔽电极20是用于防止检测对象物100以外的导体与检测电极10的静电耦合、或者防止电磁波等的外来噪声的屏蔽件，相对于检测对象物100的检测区域的检测的表面，隔着检测电极10而配置在相反侧。
[0059]
静电电容检测部120检测形成于检测对象物100和检测电极10之间的静电电容crg的静电电容值，并输出表示该检测结果的信号ds。
[0060]
处理部130是控制输入装置的整体动作的电路，例如包括根据存储部140所保存的程序的命令代码来执行处理的计算机、实现特定的功能的逻辑电路。处理部130的处理既可以在计算机中基于程序来实现，也可以用专用的逻辑电路来实现至少一部分。
[0061]
处理部130基于从静电电容检测部120输出的检测结果的信号ds，进行检测对象物100是否正接近传感器部110的判定、检测对象物100与传感器部110的距离、检测对象物100的位置坐标的计算。另外，传感器部110也可以包括多个检测电极10，静电电容检测部120也可以针对多个检测电极10的每一个进行静电电容crg的静电电容值的检测。
[0062]
此外，处理部130为了避免外来噪声的影响造成的静电电容检测部120的检测灵敏度的降低，也进行后述的变更静电电容检测部120的第一交流电压vas的频率的处理。
[0063]
存储部140存储构成处理部130的计算机的程序、在处理部130中处理所使用的数据、在处理的过程中暂时地被保持的数据等。存储部140例如使用dram(dynamic random access memory，动态随机存取存储器)、sram(static random access memory，静态随机存取存储器)、闪速存储器、硬盘等任意的存储器件来构成。
[0064]
接口部150是用于在输入装置和其他装置(例如搭载输入装置的电子设备的主机控制器等)之间交换数据的电路。处理部130通过接口部150将基于静电电容检测部120的检测结果而得到的信息(检测对象物100的有无、检测对象物100的接近位置、与检测对象物100的距离、检测对象物100的大小等)向未图示的上位装置输出。在上位装置中，使用这些信息，构建例如识别指示操作、手势操作等的用户接口。
[0065]
〔第二实施方式〕
[0066]
接下来，对第二实施方式进行说明。图13表示第二实施方式中的具有静电电容检测装置的输入装置。
[0067]
第二实施方式中的静电电容检测装置的第二电压输出电路270例如是衰减器，将使第一交流电压vas衰减后的电压作为第二交流电压vp输出。第二电压输出电路270包括第一电容器ca及第二电容器cb的串联电路。第一电压输出电路160向该串联电路的两端施加第一交流电压vas。第一交流电压vas被第一电容器ca及第二电容器cb分压，由此在第二电容器cb产生第二交流电压vp。第一电容器ca的一个端子与第二电压输出电路270的输出连接，第一电容器ca的另一端子与第二电容器cb的一个端子连接，第二电容器cb的另一端子与接地连接。
[0068]
因此，第二电压输出电路270将使第一交流电压vas衰减后的电压作为第二交流电压vp来输出。
[0069]
即，第二电压输出电路270产生第一交流电压vas被第一电容器ca和第二电容器cb分压后的第二交流电压vp。
[0070]
此外，与第一实施方式中的静电电容装置的情况同样地，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，第二电压输出电路270输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成运算放大器30的输出电压vo的振幅小于第一交流电压vas的振幅。换言之，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，第二电压输出电路270包括具有静电电容比的第一电容器ca和第二电容器cb，该静电电容比被调整成使运算放大器30的输出电压vo的振幅小于第一交流电压vas的振幅那样的第二交流电压vp产生。
[0071]
第二电压输出电路270具有静电电容值可变的第二电容器cb。
[0072]
根据本实施方式，将使第一交流电压vas衰减后的电压作为第二交流电压vp从第二电压输出电路270输出。通过使用不包括晶体管等有源元件的衰减器来生成第二交流电压vp，从而第二交流电压vp的噪声变小，因此能够提高静电电容crg的静电电容值的检测精
度。
[0073]
根据本实施方式，向第一电容器ca和第二电容器cb的串联电路施加第一交流电压vas，在第二电容器cb中产生与第一交流电压vas相应的第二交流电压vp。由此，与使用基于电阻的衰减器的情况相比，噪声变小，因此能够提高静电电容crg的静电电容值的检测精度。
[0074]
另外，关于上述以外的内容与第一实施方式同样。因此，与第一实施方式的情况同样地，在不存在与检测电极接近10的检测对象物100的状态下，将运算放大器30的输出电压设为vo，将第一交流电压设为vas，将第二交流电压设为vp，在该情况下，第二电压输出电路270也可以输出第二交流电压vp，该第二交流电压vp被调整成振幅的关系满足vo＜vp＜vas。在该情况下，能够进一步减小未检测到手指、手等的检测对象物100的状态下的输出电压vo的振幅，输出电压vo不易饱和，能够增大由反馈电容器50确定的电压增益，能够使检测灵敏度提高。
[0075]
以上，对实施方式进行了详述，但并不限定于特定的实施方式，在权利要求书记载的范围内，能够实施各种变形及变更。
[0076]
本国际申请主张基于在2019年11月7日提出了申请的日本专利申请2019-202625号的优先权，并将日本专利申请2019-202625号的全部内容援引于本国际申请中。
[0077]-符号说明-[0078]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
检测电极
[0079]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
屏蔽电极
[0080]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
运算放大器
[0081]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反馈电阻
[0082]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反馈电容器
[0083]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀ
检测对象物
[0084]
160
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电压输出电路
[0085]
170
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电压输出电路。