特許 7090713 スペクトラム拡散検知信号および同期整流器を備えたセンサスイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-16

(45)【発行日】2022-06-24

(54)【発明の名称】スペクトラム拡散検知信号および同期整流器を備えたセンサスイッチ

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/955 20060101AFI20220617BHJP

【ＦＩ】

H03K17/955 G

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020538960

(86)(22)【出願日】2019-01-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-04-22

(86)【国際出願番号】 EP2019050528

(87)【国際公開番号】W WO2019137991

(87)【国際公開日】2019-07-18

【審査請求日】2021-09-02

(31)【優先権主張番号】18151060.3

(32)【優先日】2018-01-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(31)【優先権主張番号】18179754.9

(32)【優先日】2018-06-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】520253041

【氏名又は名称】キャプトロン エレクトロニック ゲー・エム・ベー・ハー

【氏名又は名称原語表記】ＣＡＰＴＲＯＮ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｇ．－Ｇｕｔｅｎｂｅｒｇ－Ｓｔｒ． ７， ８２１４０ Ｏｌｃｈｉｎｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ベアンハート クリスト

(72)【発明者】

【氏名】ディアク オルデンドアフ

(72)【発明者】

【氏名】イェンス シューラー

(72)【発明者】

【氏名】キリアン ヒュッテンホーファー

【審査官】渡井 高広

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００１５８６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第０２／０１９５２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１８６０３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００８４７０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５１７２０６５（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０６１９４９０３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平１０－１７０５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１５９７０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｋ １７／９５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ電極（１００）を備えた静電容量センサであって、前記センサ電極が、前記センサ電極（１００）への出力信号（５１２）を発生させる信号発生回路（５１０）に接続されており、前記センサ電極が、前記センサ電極（１００）からの入力信号（５２１）を評価する信号評価回路（５２０）にさらに接続されており、
前記信号発生回路（５１０）が、ノイズ発生器、疑似ノイズ発生器、チャープ信号発生器または周波数掃引信号発生器のうちの１つである信号発生器（２１０）を備え、
前記信号評価回路（５２０）が、同期整流器（５２２）を含み、
前記同期整流器（５２２）が、第１のスイッチ（３２１）および第２のスイッチ（３２２）を含み、前記第１のスイッチ（３２１）および前記第２のスイッチ（３２２）に、それぞれ前記信号発生器（２１０）と同相および逆相の信号が入力され、前記第１のスイッチ（３２１）および前記第２のスイッチ（３２２）が、前記入力信号（５２１）と同相で交互にスイッチングするように構成されており、
前記同期整流器（５２２）は、前記第１のスイッチ（３２１）の出力に接続されている第１の入力ローパスフィルタ（３３１）と、前記第２のスイッチ（３２２）の出力に接続されている第２の入力ローパスフィルタ（３３２）と、前記第１の入力ローパスフィルタ（３３１）および第２の入力ローパスフィルタ（３３２）に接続されている差動増幅器（３４０）とを含み、
前記信号発生回路（５１０）および前記信号評価回路（５２０）が、両方とも回路グラウンド（２９０）を基準としている、
静電容量センサ。

【請求項2】

前記静電容量センサは、入力バンドパスフィルタ（３１０）と、前記同期整流器（５２２）の出力に接続されている１つのＡＤＣ（３９０）をさらに含み、
入力バンドパスフィルタ（３１０）が、前記同期整流器（５２２）の最も低い出力電圧と前記同期整流器（５２２）の最も高い出力電圧とを前記１つのＡＤＣ（３９０）のダイナミックレンジに収めるために、前記センサ電極（１００）からの前記入力信号（５２１）に直流バイアス電圧を加えるように構成されている、
請求項１記載の静電容量センサ。

【請求項3】

前記信号発生回路（５１０）が、前記信号発生器（２１０）と前記センサ電極（１００）との間に接続された出力バンドパスフィルタ（２３０）を含み、かつ／または前記信号発生回路（５１０）が、前記信号発生器（２１０）の後方に接続された出力増幅器（２２０）を含む、請求項１または２記載の静電容量センサ。

【請求項4】

前記信号評価回路（５２０）が、前記第１の入力ローパスフィルタ（３３１）に接続された第１のＡＤＣ（３９１）と、前記第２の入力ローパスフィルタ（３３２）に接続された第２のＡＤＣ（３９２）とを含み、かつ／または前記信号評価回路（５２０）が、入力分圧器を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の静電容量センサ。

【請求項5】

前記静電容量センサは、入力バンドパスフィルタ（３１０）をさらに含み、前記入力バンドパスフィルタ（３１０）が、前記同期整流器（５２２）の最も低い出力電圧と前記同期整流器（５２２）の最も高い出力電圧とを前記第１のＡＤＣ（３９１）および／または前記第２のＡＤＣ（３９２）のダイナミックレンジに収めるために、前記センサ電極（１００）からの前記入力信号（５２１）に直流バイアス電圧を加えるように構成されている、請求項４記載の静電容量センサ。

【請求項6】

前記同期整流器（５２２）および好ましくは前記信号評価回路（５２０）が、前記第１のＡＤＣ（３９１）および前記第２のＡＤＣ（３９２）をさらに含むマイクロコントローラ（４００）の一部である、請求項４または５記載の静電容量センサ。

【請求項7】

前記マイクロコントローラ（４００）が、前記信号発生回路（５１０）をさらに含む、請求項６記載の静電容量センサ。

【請求項8】

前記第１のスイッチ（３２１）と、前記第２のスイッチ（３２２）とが、互いに接続されている入力を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の静電容量センサ。

【請求項9】

前記第１のスイッチ（３２１）および前記第２のスイッチ（３２２）が、ＳＰＤＴスイッチ（３２０）の一部である、請求項８記載の静電容量センサ。

【請求項10】

前記回路グラウンド（２９０）が、環境グラウンド（５８０）に接続されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の静電容量センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検知表面に対する、対象物、例えば手の接近または直接の接触を検出するために使用可能な静電容量センサスイッチならびにその検知および評価回路に関する。

【0002】

関連技術の説明
クックトップ用のタッチセンサ式スイッチが米国特許第８８２３３９３号明細書に開示されている。上記特許では、ＡＣ信号がセンサプレートに入力結合されている。評価回路が信号の振幅を測定する。人間の手または別の導電性対象物がセンサプレートに近接して置かれると、センサプレートと手との間に容量性電流が流れ、ＡＣ信号の振幅が減少する。評価回路は、振幅の所定の変化を検出し、出力側に制御信号を発するために、閾値検出器およびウィンドウコンパレータを含むことができる。欠点は、センサプレートに入力結合されうる外部信号およびノイズがＡＣ信号の振幅を変化させ、さらに評価回路の出力側に誤った信号をトリガする可能性があることである。こうした種類のセンサのもう１つの欠点は、不要な信号の放射である。ＡＣ信号がセンサプレートに供給されると、当該信号は放射されるか、または環境へ出力される。手または別の導電性対象物がセンサプレートに近接して置かれると、信号は手または対象物に容量結合され、これにより放射が大きくなる。

【0003】

http://humancond.org/wiki/user/ram/electro/capsense/descriptionに見出されるインターネット刊行物に、センサから最大１メートル離れた場所にいる人間の存在を検出するスペクトラム拡散静電容量センサがある。当該回路はきわめて複雑であり、センサスイッチとしてはあまりに高額となってしまう。また、３枚の大きなプリント回路基板、パーソナルコンピュータ、および長さ１２０ｃｍ超のアンテナが必要であり、したがって、通常のセンサスイッチケースには適さない。相当に高い電力要件を有するため、センサスイッチとしては不向きである。最後に、当該文献に開示されているセンサは、産業環境下での高い電磁干渉レベルに耐えるようには設計されていない。

【0004】

発明の概要
本発明が解決しようとする課題は、外部信号およびノイズに対して高い耐性を提供する静電容量近接センサを提供することである。解決しようとする別の課題は、先行技術から公知のセンサよりも大幅に低いノイズレベルしか生じないセンサを提供することである。さらなる態様は、小型かつ安価で堅牢であり、高い電磁干渉レベルに対して耐性を有し、スイッチの制御のための電子キャビネットを必要とせずに小型センサスイッチハウジング内に統合できる、改良された受信評価回路を見出すことである。

【0005】

上記課題の解決手段は、各独立請求項に記載されている。各従属請求項は、本発明のさらなる改善形態に関する。

【0006】

上記インターネット刊行物から公知の先行技術の大幅な改善は、以下で詳細に説明するように、複数の手段、すなわち
ａ）送信と受信とに別個の電極を使用することに代えて、センサ電極を信号発生手段および評価手段に直接に接続する、
ｂ）サンプルホールド回路に代えて、積分同期整流器を使用する、
ｃ）センサ電極が、好ましくはセンサハウジング表面の大部分を覆う、
ｄ）スイッチの最大拡張部分を１５ｃｍ未満に維持する、
によって達成される。

【0007】

センサスイッチは、金属または金属化部品であってよい電極を有する。電極は、信号発生手段および評価手段に接続されている。信号発生手段は、電極への出力信号を発生させ、好ましくは数キロヘルツから数メガヘルツの範囲のＡＣ信号またはＲＦ信号を形成する信号発生器を含む。さらに、例えば信号検出に十分な振幅の信号を形成する信号形成および／または増幅手段が存在してもよい。また、不要な信号成分を低減し、これによりセンサ電極でのＥＭＩ放射を最小化するために、フィルタ手段、例えば出力バンドパスフィルタが存在してもよい。マイクロコントローラの構成形態では、バンドパスは、好ましくは電極自体（ハイパス）と出力段のスルーレートリミッタ（ローパス）とによって実現される。加えて、センサ電極に容量結合されうる外部信号および／または過電圧パルスからの信号発生コンポーネントの損傷を防ぐ保護手段が存在してもよい。こうした損傷は、例えば、センサ電極に接近する人間からの静電放電によって発生することもある。このような過電圧保護は、公知の手段、例えば制限ダイオードによって行うことができる。信号発生手段および好ましくは出力バンドパスフィルタが、センサ電極に接触した人間の直列抵抗および／またはインピーダンスに関連してセンサ電極での電圧降下を発生させる直列容量および／または抵抗を形成すると、さらに好ましい。

【0008】

電極を信号発生手段および評価手段に直接に接続することにより、発生信号と測定信号との間の位相シフトが低減され、信号とクロックとが正確に同相となる正確な同期整流が可能となる。これにより、バックグラウンドノイズの抑制が大幅に改善され、高レベルの電磁放射が存在する産業環境下でセンサスイッチを使用できるようになる。整流信号の積分により、他の周波数干渉信号が除去され、測定信号の歪みによって引き起こされる誤差が消去される。したがって、当該積分により、精度および外部干渉の抑制が大幅に向上する。

【0009】

さらに、センサハウジング表面の大部分、好ましくは最大部分を覆うセンサ電極を有することが好ましい。これにより、センサに比較的大きな領域が与えられ、センサの感度も比較的高くなる。

【0010】

さらに、スイッチの最大拡張部分を１５ｃｍ未満に維持することが好ましい。これにより、測定信号に対する付加的な位相シフトが防止され、精度およびノイズ抑制が向上する。

【0011】

評価手段は、電極から入力信号を受信し、入力側からの不要な周波数成分をフィルタリングする入力バンドパスフィルタを有することができる。こうした成分は、外部ノイズ源からの外部電磁干渉である可能性がある。静電放電の際の保護を提供する過電圧保護手段が存在してもよい。また、入力分圧器を設けてもよい。これはダイナミックレンジを拡大するのに役立ちうる。同期整流器のノイズキャンセルのみが機能するため、ノイズ信号が入力回路の線形範囲内にある場合、分圧器はダイナミックレンジを拡大する。これにより、ダイナミックレンジの最大入力電圧よりも大きくなりうる入力電圧を、ダイナミックレンジ内の入力電圧に低減することができる。評価手段への入力は、好ましくは、入力バンドパスフィルタを介して同期整流器に供給される。

【0012】

当該同期整流器は、基本的に、信号発生器によって制御される一連のスイッチ（マイクロコントローラに統合されたスイッチであってもよい）を含む。スイッチの後方には、基本的に積分手段であるローパスフィルタが続く。両方のスイッチは交互にアクティブとなり、一方のスイッチが開放されると、他方のスイッチが閉成される。交互に動作する２つのスイッチに代えて、ＳＰＤＴ（単極双投）スイッチも使用可能である。本明細書に示しているローパスフィルタまたは他の任意のフィルタは、個別の電子コンポーネント、例えば抵抗器および／またはコンデンサおよび／またはインダクタを含むフィルタであってよい。好ましくは、ローパスフィルタの上限周波数は、クロック周波数よりも大幅に低い。最も好ましくは、２倍～３倍以上低い。

【0013】

第１の実施形態では、スイッチは、好ましくは、その信号を受信するためにバンドパスフィルタに接続されている。各スイッチの後方には、ローパスフィルタおよび／または積分手段が続き、到来する信号を一定期間にわたって積分する。両方のローパスフィルタの出力は差動増幅器に供給され、これらの信号の差分が形成される。当該差分値は、好ましくは、さらなる処理のためにＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）に送出される。こうしたＡＤＣは、アナログ入力電圧を表す高分解能デジタル値を形成するコンバータであってよい。ＡＤＣは、８ビット、１０ビット、または１２ビット以上の分解能を有することができる。きわめて単純な構成では、ＡＤＣは、閾値スイッチまたはウィンドウコンパレータであってよく、入力値が所定の閾値を上回ったかどうか、または閾値を下回ったかどうか、または入力値が入力値の所定のウィンドウ内にあるかどうかを判別する。さらに、ＡＤＣの出力側では、出力信号をトリガすることができ、またはセンサスイッチがタッチされたことを示すアクションを発生させることができる。より高分解能のＡＤＣの場合、センサスイッチに近い対象物を識別し、さらにセンサスイッチまでの距離を表示することもできる。

【0014】

別の実施形態では、入力バンドパスフィルタの出力は、スイッチの一方に直接に送出され、スイッチの他方には反転されて送出される。こうした反転は、好ましくは－１の負の増幅係数を有する単純な反転増幅器によって行われてもよい。両方のスイッチの出力側は、積分のために共通のローパスフィルタに接続され、さらにＡＤＣに接続されている。これに代えて、後続の加算増幅器を有する別個のローパスフィルタが存在してもよい。

【0015】

一実施形態では、同期整流器は、第１の入力ローパスフィルタに接続された第１のスイッチと、第２の入力ローパスフィルタに接続された第２のスイッチとを含む。第１のスイッチおよび第２のスイッチは、同期整流器がローパスフィルタリングされた２つの個別の信号またはローパスフィルタリングされた差分信号を形成するよう、信号発生器への入力信号と同期するために接続されている。当該各信号は、信号発生器からの信号の第１の信号状態（例えば、ハイ状態）のときの入力信号の区間からのものと、第２の信号状態（例えば、ロー状態）のときの入力信号の区間からのものである。好ましくは、スイッチは、入力信号と同相で、好ましくは交互に切り替えられる。これは、好ましくは、入力信号が遷移するとスイッチがトグルまたは遷移することを意味する。必要に応じて、小さな位相誤差を補正することができる。

【0016】

一実施形態では、入力バンドパスフィルタは、同期整流器の最も低い出力電圧および同期整流器の最も高い出力電圧の両方がＡＤＣまたは同期整流器の出力側に接続された別の回路のダイナミックレンジに収まるように、センサ電極からの入力信号にＤＣバイアス電圧を加えるように構成されている。

【0017】

全ての実施形態において、以下のコンポーネントによって容易に処理可能な範囲に信号を増幅する入力バンドパスフィルタが直接に後続して、または好ましくは入力バンドパスフィルタに続いて、入力増幅器が存在してもよい。

【0018】

高精度および高ノイズ抑制を実現するには、全てのセンサスイッチ回路コンポーネント（センサ電極を除く）が共通の回路グラウンドを基準とすることが好ましい。これは、好ましくは、少なくとも信号発生器の出力が当該回路グラウンドを基準とする信号を供給し、ＡＤＣが当該回路グラウンドを基準とする入力を有することを意味する。好ましくは、フィルタおよび増幅器もまた、当該回路グラウンドを基準とする。

【0019】

アセンブリ全体は、標準のマイクロコントローラに基づいて実装可能である。一実施形態では、２０個未満、好ましくは１０個未満のコンデンサと共に、２０個未満、好ましくは１０個未満の抵抗器があり、センサ電極とマイクロコントローラとの間に能動のコンポーネントがない。きわめて単純な実施形態では、マイクロコントローラは１つ、抵抗器は６つ、コンデンサは４つのみでよい。ここで、信号発生器は、内部クロック発生器であっても、シリアルデータ出力であってもよい。アナログスイッチは、標準のアナログスイッチであり、通常はデータ収集に使用可能である。ＡＤＣは内部データ収集コンポーネントである。ここでは、スイッチの信号が外部のローパスフィルタに送出され、マイクロコントローラへ戻ってＡＤＣへ入力結合されることが好ましい。通常、受動のローパスフィルタは、マイクロコントローラに実装するのが難しく、コンデンサを必要とするため、チップ面積が大きく、きわめて高価となる。したがって、外付けコンデンサおよびその他のフィルタコンポーネントを用意する必要がある。当該実装形態では、２つの信号パスがあり、それぞれが内部スイッチ、外部ローパスフィルタおよび内部ＡＤＣを含む。両方のＡＤＣのデジタル出力値は、マイクロコントローラによって減算され、さらなる評価のためにさらに処理することができる。ここで、閾値とのデジタル比較または近接値の推定を行うことができる。

【0020】

一般に、積分同期整流器は、外部干渉の優れた抑制を提供し、信号発生器の信号に同期していない信号を大幅に減衰させる。したがって、外部ノイズまたは定周波数源からのその他の信号、例えば電力線の周波数信号を簡単に抑制することができる。これにより、センサスイッチのノイズ耐性および検出器の信頼性が大幅に向上する。ここでは、複数のＡＤＣの例が示されている。複数のＡＤＣに代えて、単一のＡＤＣまたはより少ない数のＡＤＣを少なくとも１つの入力マルチプレクサと共に使用してもよい。

【0021】

一般に、信号発生器によって発生される信号は、狭帯域信号または単一周波数信号でありうる。こうした信号は、例えば１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚまたは１ＭＨｚの周波数を有しうる。信号は、広帯域信号、例えばチャープ、周波数掃引信号、ノイズ信号、最も好ましくは疑似ノイズ信号であってもよい。したがって、信号発生器は、ノイズ発生器、疑似ノイズ発生器、チャープ信号発生器または周波数掃引信号発生器のうちの少なくとも１つであってよい。

【0022】

具体的には、疑似ノイズ信号はマイクロコントローラで簡単に発生させることができる。例えば、決定論的ランダムビット発生器としても知られる単純な疑似乱数アルゴリズムは、シード状態を使用して、任意の初期状態から開始することができる。これに基づいて、常に同じ数シーケンスが形成される。当該数は、タイマもしくはカウンタをプログラミングするために使用可能であり、または一定のクロックで動作可能なシフトレジスタに供給可能であり、シフトレジスタは、修正疑似ノイズ信号の制御クロックを有していてもよい。センサ電極を介した信号の放出は比較的広い周波数スペクトルに分散されるので、ノイズ信号および疑似ノイズ信号は比較的広い帯域幅を有し、このため優れたＥＭＩ特性が得られ、よって、通常は狭帯域測定によって測定されるＥＭＩ要件を容易に満たすことができる。通常であれば、このような広帯域信号の評価は困難である。同期整流器を使用した当該特定のケースでは、広帯域信号は狭帯域信号と同様に評価しやすくなる。広帯域特性により、信号は、外部干渉の影響を受けにくくなっている。例えば、信号発生器の信号に近い外部の狭帯域信号は、同期整流器を介しても当該信号に少なくともわずかに干渉する可能性があるが、ノイズ信号と相関がないかぎり当該ノイズ信号に干渉しない。したがって、具体的には、ノイズ信号および同期整流器の組み合わせは、引用先行技術よりも大幅な改善をもたらし、ノイズ信号のみの使用、同期検出器のみの使用であっても、引用した先行技術を上回る改善が得られる。

【0023】

一般に、本明細書に示す実施形態は、あらゆる種類の静電容量センサ、例えば近接センサ、充填レベルセンサ、またはタッチディスプレイに使用可能である。

【0024】

以下に、本発明を、一般的な発明概念を限定することのない例により、図面を参照しつつ、実施形態の実施例に即して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】好ましい実施形態を示す。

【図2】別の実施形態を示す。

【図3】別の実施形態を示す。

【図4】マイクロコントローラの別の実施形態を示す。

【図5】マイクロコントローラのきわめて単純な実施形態を示す。

【図6】マイクロコントローラの別の単純な実施形態を示す。

【図7】マイクロコントローラの別の単純な実施形態を示す。

【図8】静電容量センサの基本的な概念を示す。

【図9】液体センサを示す。

【図10】静電容量センサスイッチの正面図を示す。

【図11】後面側からの実施形態を示す。

【図12】実施形態の側断面図を示す。

【0026】

図１には、好ましい実施形態が示されている。信号発生器２１０は、好ましくは数キロヘルツから数メガヘルツの範囲の信号を形成する。信号は出力増幅器２２０に送られる。出力増幅器は、信号発生器の信号レベルおよびインピーダンスを必要な値に適合させることができる。当該出力増幅器は、信号発生器２１０が十分な信号レベルを供給できない場合にのみ必要であってもよい。

【0027】

出力増幅器２２０の後方に、出力信号の不要な信号成分を除去する出力バンドパスフィルタ２３０が続いてもよい。好ましくは、出力バンドパスフィルタ２３０は、過電圧保護を提供する。当該バンドパスフィルタはさらに直列抵抗および／またはインピーダンスを形成可能であり、当該直列抵抗および／またはインピーダンスは、出力バンドパスフィルタ２３０に直接に接続可能なセンサ電極１００を介して所定の電流が引き出された場合に電圧降下を形成することができる。電流は、センサ電極１００に接近する対象物、例えば手の抵抗および／またはインピーダンスを介して引き出されうる。

【0028】

きわめて単純な実施形態では、出力増幅器２２０が全ての必要なコンポーネントおよび／または機能を提供することができ、これにより、出力バンドパスフィルタを省略できる。さらに単純な実施形態では、信号発生器２１０が正確な出力信号を供給できれば、出力増幅器２２０および／または出力バンドパスフィルタのいずれかを省略できる。

【0029】

センサ電極は、好ましくは、出力増幅器２２０および／または出力バンドパスフィルタ２３０を含む信号発生手段、ならびに入力バンドパスフィルタ３１０を含む評価手段に接続されている。当該接続は、ガルバニック結合または容量結合によって達成することができる。センサ電極における信号は、入力バンドパスフィルタ３１０に接続され、入力バンドパスフィルタ３１０は、センサ電極に入力結合された不要な信号成分をフィルタリングし、好ましくは幾らかの過電圧保護を提供する。さらに、入力分圧器を設けることができる。同期整流器のノイズキャンセルのみが機能するため、ノイズ信号が入力回路の線形範囲内にあれば、分圧器はダイナミックレンジを拡大する。入力バンドパスフィルタ３１０の出力側は、第１のスイッチ３２１の入力側および第２のスイッチ３２２の入力側に接続されている。両方のスイッチは、信号発生器の信号によって制御されるが、反転操作される。これは、インバータ３２３をこれらのスイッチのうちの１つの制御線に挿入することによって行うことができる。したがって、例えば、信号発生器の出力信号が平均出力値を超えた場合、第１のスイッチ３２１は「オン」となりうる。当該期間中、第２のスイッチ３２２は「オフ」となりうる。信号発生器２１０の出力信号が平均出力値未満である場合、第１のスイッチ３２１は「オフ」となり、第２のスイッチ３２２は「オン」となりうる。当然ながら、当該関係が逆転する場合もあり、信号発生器２１０がより高い値を有する場合に第１のスイッチ３２１が「オフ」となり、その期間中、第２のスイッチ３２２が「オン」となってもよい。第１のスイッチ３２１の出力信号は、第１の入力ローパスフィルタ３３１に供給され、第２のスイッチ３２２の出力は、第２の入力ローパスフィルタ３３２に供給される。両方のローパスフィルタの出力信号は、当該信号の差分電圧に対応する信号を発生させる差動増幅器３４０に接続される。ここでの差分信号は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３９０に送出可能である。好ましくは、信号発生器２１０およびＡＤＣ３９０は、マイクロコントローラ４００の一部である。

【0030】

以下、同期整流器について詳しく説明する。信号発生器２１０がハイの出力信号を供給すると、第１のスイッチ３２１は「オン」となり、第２のスイッチ３２２は「オフ」となる。信号発生器２１０の出力信号がローであれば、スイッチのステージが反転する。第１のスイッチ３２１は常にハイの信号で閉成されるので、センサ信号の正の部分が常に収集され、第１の入力ローパスフィルタ３３１によって平均化される。信号発生器の信号がローであると、第２のスイッチ３２２は常に「オン」となるため、信号の負の部分は、第２の入力ローパスフィルタ３３２によって収集され、平均化される。したがって、第１の入力ローパスフィルタ３３１の出力は、正の信号成分の平均を示し、第２の入力ローパスフィルタ３３２の出力は、負の信号成分の平均を示す。相関信号がある場合のみ、同期整流器が、両方の入力ローパスフィルタの出力側に、十分な正信号および負信号を形成する。非相関信号がある場合、第１の入力ローパスフィルタ３３１の出力は、第２の入力ローパスフィルタ３３２の出力とほぼ同じになる。したがって、差動増幅器３４０の出力はほぼゼロとなり、有意な信号がないことが示される。高精度および高ノイズ抑制を実現するには、全ての回路コンポーネント（センサ電極を除く）が共通の回路グラウンドを基準とすることが好ましい。これは、好ましくは、少なくとも信号発生器２１０の出力側に回路グラウンドを基準とする信号が形成され、ＡＤＣ３９０が上記回路グラウンドを基準とする入力を有することを意味する。好ましくは、フィルタおよび増幅器もまた、上記回路グラウンドを基準とする。

【0031】

図２には、別の実施形態が示されている。ここで、信号発生回路は、基本的には上述したものと同じである。主な違いは、同期整流器である。ここで、第１のスイッチ３２１の入力信号は、反転増幅器３４２により反転されている。当該反転増幅器の増幅率は－１である。第２のスイッチ３２２への入力信号は反転されない。いずれにしても、入力バンドパスフィルタの後方に一般的な入力増幅器３４１が存在してもよい。こうした増幅器は、信号が後続段でより容易に処理できるように、信号振幅を増加させる、かつ／または信号インピーダンスを低下させるのに有用でありうる。一般に、こうした入力増幅器３４１は、本明細書で説明される実施形態のいずれかで使用可能である。第１のスイッチ３２１および第２のスイッチ３２２の出力信号が組み合わされて、共通の単一入力ローパスフィルタ３３０に供給され、当該出力信号がさらにＡＤＣ３９０に供給される。ここで、スイッチは、上記実施形態で説明したのと同じ方法で操作される。

【0032】

図３に、別の実施形態を示す。当該実施形態も、第１の実施形態と類似している。主な違いは、第１のスイッチ３２１、第２のスイッチ３２２およびインバータ３２３に代えて、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ３２０が設けられていることである。当該図は、他の実施形態にも共通する本発明の主要な機能ブロックも示している。信号発生手段または信号発生回路５１０は、少なくとも信号発生器を含み、信号形成および／または増幅手段を有してもよい。信号評価手段または信号評価回路５２０は、少なくとも、信号発生器に同期された同期整流器５２２を含み、さらなるフィルタ手段を有してもよい。

【0033】

図４には、標準的なマイクロコントローラによって構成される別の実施形態が示されている。ここで、クロック分周器またはシリアル出力インターフェースであってよい信号発生器２１０は、マイクロコントローラ４００の一部である。信号発生器の信号が十分でない場合、上記実施形態に示すように、信号発生器と出力バンドパスフィルタとの間に出力増幅器（図示せず）が存在してもよい。１ｋＨｚ～１０ｋＨｚの範囲の下限周波数および１０ＭＨｚ～２００ＭＨｚの範囲の上限周波数を有しうる入力バンドパスフィルタ３１０の後方に、第１のスイッチ３２１および第２のスイッチ３２２が続く。第１のスイッチ３２１の出力側は、内部ＡＤＣ３９１にさらに接続された外部の第１の入力ローパスフィルタ３３１に接続されている。第２のスイッチ３２２の出力側は、別の内部ＡＤＣ３９２にさらに接続された第２の入力ローパスフィルタ３３２に接続されている。２つの別個のＡＤＣに代えて、ＡＤＣの入力側に１つのＡＤＣおよびマルチプレクサが存在してもよい。第１のＡＤＣ３９１および第２のＡＤＣ３９２のデジタル値は、差分計算器３７０によって減算され、評価ユニット３８０に供給される。内部ＡＤＣ３９１、３９２は、２ｋＨｚ～４ｋＨｚのサンプリング周波数を有することができる。２つのＡＤＣに代えて、入力マルチプレクサを備えた単一のＡＤＣのみを使用することもできる。このような入力マルチプレクサは、複数の入力信号を共通のＡＤＣに切り替えることができる。第１の入力ローパスフィルタ３３１および第２の入力ローパスフィルタ３３２は、１次アナログフィルタであってよい。基本的に、当該第１の入力ローパスフィルタ３３１および第２の入力ローパスフィルタ３３２は直列抵抗器および並列コンデンサ（例えば、回路グラウンドに接続されたコンデンサ）であってもよい。基本的に、差分計算器３７０および評価ユニット３８０は、ソフトウェアによって構成可能である。１つのマイクロコントローラを使用して、複数のセンサ信号を評価できる。当該実施形態では、マイクロコントローラの２つのピンを使用して、ＡＤＣごとに外部コンポーネント（ローパスフィルタ）を接続する。これにより、センサ電極１００に対して合計５つのピン（４つのフィルタピンおよび入力バンドパスフィルタ３１０からの１つの入力ピン）が形成される。複数のセンサ電極の信号が評価される場合、ピンの数は電極の数に５を乗じた数となる。

【0034】

図５には、マイクロコントローラに基づくきわめて単純な実施形態が示されている。ここでは、第１の入力ローパスフィルタ３３１は、好ましくはマイクロコントローラ４００のチップの一部である第１の抵抗器３３３と、マイクロコントローラ４００の外部にあってよい第１のコンデンサ３３５とによって構成されている。第２の入力ローパスフィルタ３３２は、好ましくはマイクロコントローラ４００のチップの一部である第２の抵抗器３３４と、マイクロコントローラ４００の外部にあってよい第２のコンデンサ３３６とによって構成されている。好ましくは、コンデンサは回路グラウンドに接続されている。１つのマイクロコントローラを使用して、複数のセンサ信号を評価できる。当該実施形態では、ＡＤＣごとにマイクロコントローラの１つのピンのみが、外部コンポーネント（コンデンサ）を接続するために使用される。これにより、センサ電極１００に対して合計３つのピン（２つのコンデンサピンおよび入力バンドパスフィルタ３１０からの１つの入力ピン）が形成される。複数のセンサ電極の信号が評価される場合、ピンの数は電極の数に３を乗じた数となる。したがって、当該実施形態は、前述の実施形態に比べて大幅な節約をもたらす。わずかに変更された実施形態では、抵抗器３３３および３３４は、マイクロコントローラの外部にあってもよい。こうしたきわめて単純な実施形態では、１つのマイクロコントローラ、６つの抵抗器および４つのコンデンサのみが存在してもよく、２つの抵抗器および１つのコンデンサがフィルタ２３０および３１０の各々を形成してもよい。好ましくは、これらのフィルタは、例えばコンデンサを回路グラウンドに接続することにより、回路グラウンド２９０を基準としている。例えば、これらのフィルタのそれぞれは、分圧器および並列コンデンサを含んでもよい。

【0035】

一実施形態では、同期整流器の基本方式は、基本的に反対のスイッチング状態を有する２つの同期スイッチ３２１、３２２に基づいており、その後方に２つのローパスフィルタ３３３、３３５、３３４、３３６または積分回路が続く。各ローパスフィルタは、個別のＡＤＣ３９１、３９２に接続されている。次に、例えばそれらを減算し、好ましくはマイクロコントローラ４００によってオフセット補償を行うことにより、ＡＤＣ値がさらに評価される。スイッチ、フィルタ、ＡＤＣのいずれも、マイクロコントローラの内部または外部に統合できる。当該基本的な実施形態は、単一のＡＤＣと併せて使用可能な多重化スイッチによって引き起こされうるクロストークを排除して、より高い精度で高いサンプリングレートを実現することを可能にする。さらに、当該回路は、センサ電極とＡＤＣとの間に増幅器がなくても機能しうる。これにより、回路設計全体が大幅に簡素化され、スイッチのサイズが縮小され、コストが削減される。

【0036】

図６には、類似の実施形態が示されている。ここで、第１の抵抗器３３３および第２の抵抗器３３４は、スイッチとＡＤＣとの間のマイクロコントローラの外側にある。

【0037】

図７には、別の実施形態が示されている。ここでは、入力バンドパスフィルタ３１０とスイッチとの間に１つのみの抵抗器３３３が存在する。全てのスイッチの前方に２つの別個の抵抗器が存在してもよい。抵抗器は、マイクロコントローラの内部または外部のいずれかに存在してもよい。

【0038】

図８には、静電容量センサの基本概念が示されている。センサ電極１００は、出力信号５１２を形成する信号発生回路５１０と、入力信号５２１を受信して入力信号を評価する信号評価回路５２０とに接続されている。信号発生回路５１０および信号評価回路５２０の両方は、グラウンド５８０に接続された回路グラウンド２９０を基準としている。不明瞭を避けるために、センサスイッチの全ての回路コンポーネントが基準としている回路グラウンド２９０があり、これは、好ましくは共通のハウジング内に含まれている。環境およびスイッチの環境内の人間が基準としている環境グラウンドもある。当該環境グラウンドは、本明細書ではグラウンド５８０とも称される。当該象徴的な図に示すように、回路グラウンド２９０とグラウンド５８０との間には、ガルバニック結合があってはならない。これに代えて、任意の静電容量による結合、または例えばセンサスイッチハウジングからグラウンドへの寄生容量による結合は存在してもよい。例えば床の上に立つことによってグラウンド５８０を基準としている人間８００は、センサ電極１００に接触して、これによりセンサ電極１００からグラウンド５８０への信号のバイパスを引き起こす可能性がある。これにより、センサ電極での信号が減衰する。こうした減衰は、信号評価回路５２０によって検出することができる。信号評価回路５２０は同期検出器を有するので、信号評価回路５２０は、好ましくは同期信号線５１１によって供給される信号発生回路５１０からの同期信号を必要とする。代替の実施形態では、同期信号は、例えば位相同期ループ（ＰＬＬ）によって、入力信号から信号評価回路５２０に再度発生させることもできる。

【0039】

図９には、液体センサ６００が示されている。センサ６００は、導電体、例えば金属棒またはチューブを含むセンサ電極６１０を有する。好ましくは、当該センサ電極は、タンク６６０に含まれうる周囲液体６５０との電気的接触を回避するために何らかの絶縁体６２０を有する。好ましくは、タンク６６０は、少なくとも部分的に導電性であり、回路と同じグラウンド５８０を基準としている。液位が上昇すると、センサ電極６１０のグラウンド５８０に対する容量が増大し、これにより、信号評価回路によって測定される信号振幅が減少する。非導電性の液体は空気に比べて高い誘電率εを有するので、液位が高くなれば静電容量も高くなるから、これは、導電性液体および非導電性液体のいずれでも機能する。

【0040】

図１０には、本発明による好ましい実施形態の静電容量センサスイッチ９００の前面側９０１が示されている。前面側９０１はハウジング９１０を含み、ハウジング９１０はセンサアセンブリ１００をさらに含み、当該センサアセンブリ１００のうち、リング形状ディスプレイ２００およびディジットディスプレイ３００が示されている。他の種類のディスプレイおよびその任意の組み合わせが存在してもよい。別の実施形態では、スイッチは、ディスプレイを有さないセンサ表面のみを有する。こうした静電容量センサスイッチの直径は、好ましくは２０ｍｍ～１５０ｍｍの範囲、最も好ましくは４０ｍｍ～８０ｍｍの範囲である。

【0041】

図１１に、後面側９０２から見たセンサスイッチ９００の実施形態を示す。固定手段９４０、例えば、セルフタッピングねじに適合可能なねじ穴、またはねじ山を有しうるねじ穴が存在していてよい。さらに、電源および／もしくはバスまたはネットワークを接続するためのコネクタが存在してもよい。バスのデイジーチェーン接続を可能にするため、当該例に示しているように、２つのコネクタを有することが好ましい。第１のケーブルコネクタ９５５用の第１のバスコネクタ９５１および第２のケーブルコネクタ９５６用の第２のバスコネクタ９５２が存在してもよい。後面側は、カバーを有してもよく、または注入成形材９８０を含んでもよい。ハウジングの内部は、好ましくは光チャネルではなく、注入成形材で充填されていることが好ましい。

【0042】

図１２には、静電容量センサスイッチ９００の実施形態の側断面図が示されている。これは、図１の中央の垂直断面である。ここには、センサアセンブリの詳細が示されている。プリント回路基板（ＰＣＢ）１１０は、センサ回路１２０を保持することができる。カバーディスク９９０は、プリント回路基板上に取り付け可能である。好ましくは、カバーディスクは、プリント回路基板１１０とハウジング９１０との間の空間を示している。

【符号の説明】

【0043】

１００ センサ電極
１１０ ＰＣＢ（プリント回路基板）
１２０ センサ回路
２１０ 信号発生器
２２０ 出力増幅器
２３０ 出力バンドパスフィルタ
２９０ 回路グラウンド
３１０ 入力バンドパスフィルタ
３２０ ＳＰＤＴ（単極双投）スイッチ
３２１ 第１のスイッチ
３２２ 第２のスイッチ
３２３ インバータ
３３０ 単一入力ローパスフィルタ
３３１ 第１の入力ローパスフィルタ
３３２ 第２の入力ローパスフィルタ
３３３ 第１の抵抗器
３３４ 第２の抵抗器
３３５ 第１のコンデンサ
３３６ 第２のコンデンサ
３４０ 差動増幅器
３４１ 入力増幅器
３４２ 反転増幅器
３８０ 評価ユニット
３９０ 単一入力ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
３９１ 第１の入力ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
３９２ 第２の入力ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
３７０ 差分計算器
４００ マイクロコントローラ
５１０ 信号発生回路
５１１ 同期信号
５１２ 出力信号
５２０ 信号評価回路
５２１ 入力信号
５２２ 同期整流器
５８０ グラウンド
６００ 液体センサ
６１０ センサ電極
６２０ 絶縁体
６５０ 液体
６６０ タンク
８００ 人間
９００ センサスイッチ
９０１ 前面側
９０２ 後面側
９１０ ハウジング
９４０ 固定手段
９５１ 第１のバスコネクタ
９５２ 第２のバスコネクタ
９５５ 第１のケーブルコネクタ
９５６ 第２のケーブルコネクタ
９８０ 注入成形材
９９０ カバーディスク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】