特許 7506088 静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラム

(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】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラム

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/041 20060101AFI20240618BHJP

   G06F 3/044 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

G06F3/041 522

G06F3/041 512

G06F3/044 120

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021558212

(86)(22)【出願日】2020-10-07

(86)【国際出願番号】 JP2020038027

(87)【国際公開番号】W WO2021100348

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-02-25

【審判番号】

【審判請求日】2023-07-19

(31)【優先権主張番号】P 2019209025

(32)【優先日】2019-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】山田 朋輝

【合議体】

【審判長】篠塚 隆

【審判官】野崎 大進

【審判官】北元 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１４１５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１９３７１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G06F 3/041 - 3/044

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出電極を有するセンサ部と、
前記センサ部の検出電極の静電容量値を検出する静電容量検出部と、
前記静電容量値と基準値との差分値を計算する差分値計算部と、
前記差分値に対してフィルタパラメータを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値を計算するフィルタ計算部と、
前記フィルタ計算部により計算されたフィルタ計算値に基づいて前記センサ部周辺の状態を判定する判定部とを有する静電容量式センサであって、
前記差分値計算部により計算された差分値に基づいて前記フィルタパラメータを計算するフィルタパラメータ計算部を備え、
前記フィルタパラメータ計算部は、前記差分値計算部により計算された差分値が大きいほど、応答時間が短くなるように前記フィルタパラメータを計算することを特徴とする静電容量式センサ。

【請求項2】

前記静電容量検出部により検出された静電容量値に基づいて前記基準値を取得する基準値取得部をさらに含む、請求項１記載の静電容量式センサ。

【請求項3】

前記基準値取得部は、前記センサ部の検出電極に検出対象が近接していない場合の静電容量値を前記基準値として取得する、請求項２記載の静電容量式センサ。

【請求項4】

前記判定部は、前記フィルタ計算部により計算されたフィルタ計算値に基づいて前記検出電極と検出対象との近接度合いを判定する、請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電容量式センサ。

【請求項5】

前記判定部は、前記フィルタ計算部により計算されたフィルタ計算値が予め決められた第１閾値以上の場合に検出対象がタッチ状態であると判定し、前記フィルタ計算値が前記第１閾値未満であるとともに予め決められた第２閾値以上の場合に前記検出対象がホバー状態であると判定し、前記フィルタ計算値が前記第２閾値未満の場合に近接無し状態であると判定する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の静電容量式センサ。

【請求項6】

前記フィルタ計算部は、指数移動平均を用いた時間方向のフィルタ処理を施すことにより前記フィルタ計算値を計算する、請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電容量式センサ。

【請求項7】

前記フィルタ計算部は、単純移動平均を用いた時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値を計算する、請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電容量式センサ。

【請求項8】

前記フィルタパラメータ計算部は、前記差分値計算部により計算された差分値が大きいほど、前記フィルタパラメータを大きくする、請求項６記載の静電容量式センサ。

【請求項9】

前記フィルタパラメータ計算部は、前記差分値計算部により計算された差分値が大きいほど、前記フィルタパラメータを小さくする、請求項７記載の静電容量式センサ。

【請求項10】

前記フィルタパラメータ計算部は、前記フィルタパラメータを計算する際に、あらかじめ定められた範囲内に前記フィルタパラメータが収まるように計算する、請求項１乃至９のいずれか１項記載の静電容量式センサ。

【請求項11】

検出電極を有するセンサ部の検出電極の静電容量値を検出する静電容量検出ステップと、
前記静電容量値と基準値との差分値を計算する差分値計算ステップと、
前記差分値に対してフィルタパラメータを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値を計算するフィルタ計算ステップと、
前記フィルタ計算ステップにより計算されたフィルタ計算値に基づいて前記センサ部周辺の状態を判定する判定ステップとを有する静電容量検出方法であって、
前記差分値計算ステップにより計算された差分値に基づいて前記フィルタパラメータを計算するフィルタパラメータ計算ステップをさらに備え、
前記フィルタパラメータ計算ステップは、前記差分値計算ステップで計算された差分値が大きいほど、応答時間が短くなるように前記フィルタパラメータを計算するステップであることを特徴とする静電容量検出方法。

【請求項12】

検出電極を有するセンサ部の検出電極の静電容量値を検出する静電容量検出ステップと、
前記静電容量値と基準値との差分値を計算する差分値計算ステップと、
前記差分値に対してフィルタパラメータを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値を計算するフィルタ計算ステップと、
前記フィルタ計算ステップにより計算されたフィルタ計算値に基づいて前記センサ部周辺の状態を判定する判定ステップとを有する処理をコンピュータに実行させる静電容量検出プログラムであって、
前記差分値計算ステップにより計算された差分値に基づいて前記フィルタパラメータを計算するフィルタパラメータ計算ステップをさらに前記コンピュータに実行させ、
前記フィルタパラメータ計算ステップは、前記差分値計算ステップで計算された差分値が大きいほど、応答時間が短くなるように前記フィルタパラメータを計算するステップであることを特徴とする、静電容量検出プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

静電容量式センサによる検出原理は、タッチパネルやタッチパッドといったタッチ入力デバイスで主に利用されている。静電容量式センサは、本質的にはGND(人体)との間の容量に応じた値を検出するセンサであるため、タッチしていない状態(空中)でも物体を検出することが可能である。そのため、高感度な検出回路を利用した手袋対応タッチパッドや空中ジェスチャ操作可能なセンサ等も開発されている。しかしながら、静電容量値は物体との距離に応じて減少するため、遠方にある物体を安定して検出するためには高いS／N比(シグナル／ノイズ比)が必要になる。

【0003】

特許文献１には、ノイズの量に応じてタッチの有無を識別するための閾値を変更するタッチパネルが開示されている。すなわち、ノイズレベルが低い場合には閾値を低くし、軽いタッチ操作が可能な操作性重視のモードとなる。逆に、ノイズレベルが高い場合には閾値を高くし、ノイズ耐性の高いモードとすることができる。

【0004】

また、特許文献２には、静電容量センサの直近所定回分の検出値に移動平均計算を行うステアリングホイールが開示されている。このステアリングホイールは、外乱が発生したとしても移動平均値を用いて検出値の補正を行うことで車の振動等によるノイズを抑制している。

【0005】

特許文献３には、ノイズ量が大きいほどノイズの減衰量が大きくなり、ノイズ量が小さいほどノイズの減衰量が小さくなるようにローパスフィルタ処理におけるノイズの減衰特性を変更するフィルタ部が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－７１０２０号公報

【文献】特開２０１９－２３０１２号公報

【文献】特開２０１５－１４１５５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に開示されたタッチパネルにおいては、ノイズが増加すると閾値が増加する(検出する距離が遠くなる)ため、ユーザーの操作感が変わる(前日と反応が違う)といった問題がある。また、特許文献２に開示されたステアリングホイールにおいては、平均化処理によってノイズを減らすことができるものの、移動平均等の時間方向フィルタ計算は応答性とトレードオフであることが知られており、ユーザー目線では操作が遅れてついてくるような感覚を覚えるといった問題がある。さらに、特許文献３に開示されたフィルタ部においては、パラメータをノイズに応じて変動させることでS／N比を一定に保つことができるものの、ノイズが一定の環境下では効果が無いといった問題がある。SN比を向上させる方法として一般的なのは、デジタルローパスフィルタによるデータの平均化であるが、デジタルローパスフィルタでは、カットオフ周波数で決まるフィルタの強度と応答性がトレードオフの関係にあり、固定パラメータ(カットオフ周波数)の場合SN比と応答性のどちらかを犠牲にする必要がある。

【0008】

そこで、検出対象の物体が遠方時においては誤動作率を抑制するとともに、検出対象の物体が近接時においては応答性を損なわない静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施の形態の静電容量式センサは、検出電極を有するセンサ部と、前記センサ部の検出電極の静電容量値を検出する静電容量検出部と、前記静電容量値と基準値との差分値を計算する差分値計算部と、前記差分値に対してフィルタパラメータを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値を計算するフィルタ計算部と、前記フィルタ計算部により計算されたフィルタ計算値に基づいて前記センサ部周辺の状態を判定する判定部とを有する静電容量式センサであって、前記差分値計算部により計算された差分値に基づいて前記フィルタパラメータを計算するフィルタパラメータ計算部をさらに備える。

【発明の効果】

【0010】

検出対象の物体が遠方時に誤動作率を抑制するとともに、検出対象の物体が近接時において応答性を損なわない静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態の静電容量式センサ１００を示す図である。

【図2】フィルタパラメータα及びフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する際に実行する処理を示すフローチャートである。

【図3】図２のステップＳ１００の処理を示すフローチャートである。

【図4】判定部１２７が実行する処理を示すフローチャートである。

【図5】差分値Ｖ（ｔ）とフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）の特性を示す図である。

【図6】フィルタパラメータαの特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムを適用した実施の形態について説明する。

【0013】

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の静電容量式センサ１００を示す図である。静電容量式センサ１００は、センサ部１１０と処理装置１２０とを含む。

【0014】

センサ部１１０は、検出電極１１１を有する。センサ部１１０は、例えば、タブレットコンピュータ、スマートフォン、及びゲーム機器の操作部、又は、車両のドアハンドルや車室内の機器の操作部等の様々な部位に設置することができる。

【0015】

検出電極１１１は、人体（例えば指）やペン等の検出対象の近接に応じて静電容量が変化する電極である。図１には１本の検出電極１１１を示す。検出電極１１１は基板等に設けられた配線１１２を介して処理装置１２０に接続されている。ただし、検出電極１１１は複数本あってもよく、２軸方向の一方の軸に沿って設けられる複数本の線状の電極と、他方の軸に沿って設けられる複数本の電極とが立体的に交差し、交差部における静電容量の変化が処理装置１２０によって検出される構成であってもよい。

【0016】

処理装置１２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。

【0017】

処理装置１２０は、検出電極１１１の静電容量値を検出し、検出した静電容量値に基づいてデジタルローパスフィルタによるフィルタ処理を行い、フィルタ処理で得た結果に基づいて、センサ部１１０への検出対象の近接の度合を判定する。

【0018】

また、デジタルローパスフィルタは、カットオフ周波数と応答性がトレードオフの関係にあり、静電容量式センサ１００は、検出電極１１１の静電容量のシグナルのレンジが広いことを想定しているため、シグナルが小さくとも安定動作させることができるように、処理装置１２０は、静電容量のＳ／Ｎ比に応じてフィルタ特性を変更する。具体的には、静電容量のＳ／Ｎ比が大きいときにはカットオフ周波数を高く（フィルタを弱く）して応答性が良好な状態にし、静電容量のＳ／Ｎ比が小さいときには応答性よりもノイズ遮断を優先するためにカットオフ周波数を低く（フィルタを強く）する。

【0019】

ただし、静電容量のＳ／Ｎ比を求めてフィルタ特性の変更に利用するのではなく、静電容量値と基準値との差分値を用いる。基準値は、センサ部１１０に検出対象が近接していないと処理装置１２０が判定した状態で検出される検出電極１１１の静電容量値である。

【0020】

このような基準値を用いて計算した差分値が大きいときはＳ／Ｎ比も大きく、差分値が小さいときはＳ／Ｎ比も小さい。このため、差分値を用いてフィルタ特性の変更を行えば、静電容量のＳ／Ｎ比に応じてフィルタ特性を変更することができる。

【0021】

処理装置１２０が行うフィルタ特性の変更は、差分値に基づいてフィルタパラメータαを計算することで実現する。以下、処理装置１２０の構成と具体的な処理について説明する。

【0022】

処理装置１２０は、主制御部１２１、静電容量検出部１２２、基準値取得部１２３、差分値計算部１２４、フィルタパラメータ計算部１２５、フィルタ計算部１２６、判定部１２７、及びメモリ１２８を有する。

【0023】

主制御部１２１、静電容量検出部１２２、基準値取得部１２３、差分値計算部１２４、フィルタパラメータ計算部１２５、フィルタ計算部１２６、判定部１２７は、処理装置１２０が実行する静電容量検出プログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１２８は、処理装置１２０のメモリを機能的に表したものである。

【0024】

主制御部１２１は、処理装置１２０の処理を統括する制御部であり、静電容量検出部１２２、基準値取得部１２３、差分値計算部１２４、フィルタパラメータ計算部１２５、フィルタ計算部１２６、及び判定部１２７が実行する処理以外の処理を実行する。

【0025】

静電容量検出部１２２は、センサ部１１０の検出電極１１１の静電容量値を検出する。具体的には、静電容量検出部１２２は、検出電極１１１に接続されており、検出電極１１１と接地電位点（ＧＮＤ）との間の静電容量値を検出し、検出した静電容量値を表すデータをメモリ１２８に格納する。

【0026】

基準値取得部１２３は、静電容量検出部１２２により検出された静電容量値に基づいて基準値を取得する。ここでは、基準値取得部１２３は、センサ部１１０の検出電極１１１に検出対象が近接していない場合の静電容量値を基準値として取得し、メモリ１２８に格納する。基準値は、差分値計算部１２４が静電容量値と基準値との差分値を計算する際に利用される。

【0027】

差分値計算部１２４は、静電容量検出部１２２により検出された静電容量値と、基準値取得部１２３によって取得される基準値との差分値を計算し、メモリ１２８に格納する。

【0028】

フィルタパラメータ計算部１２５は、差分値計算部１２４により計算された差分値に基づいてフィルタパラメータαを計算し、メモリ１２８に格納する。フィルタパラメータαは、静電容量式センサ１００のフィルタ特性を決める変数である。

【0029】

フィルタパラメータ計算部１２５は、センサ部１１０への検出対象の近接度合の変化に応じて動的に変化する差分値に基づいてフィルタパラメータαを計算する。フィルタパラメータ計算部１２５によって計算されるフィルタパラメータαの値は、センサ部１１０への検出対象の近接度合の変化に応じて動的に変化する。具体的には、フィルタパラメータ計算部１２５は、差分値計算部１２４により計算された差分値が大きいほど、応答時間が短くなるようにフィルタパラメータαを計算する。

【0030】

フィルタパラメータαは、次式（１）で計算される。Ｖ（ｔ）は差分値であり、Ａ、Ｂは、差分値Ｖ（ｔ）に対するフィルタパラメータαの特性を決める係数である。例えば、Ａ＝０．８７５、Ｂ＝０．１２５であり、ＡとＢの和は１である。

【0031】

【数1】

フィルタパラメータαは、差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど、大きな値になる。フィルタパラメータαの値が大きいほどローパスフィルタが弱く（遮断周波数が高く）なり、ローパスフィルタの入力に対する出力の応答が速くなる。また、フィルタパラメータαの値が小さいほど、ローパスフィルタが強く（遮断周波数が低く）なり、ローパスフィルタの入力に対する出力の応答が遅くなる。

【0032】

フィルタパラメータαは、一般に０＜α≦１を満たす変数であるが、フィルタパラメータ計算部１２５は、式（１）で計算したフィルタパラメータαが０．１２５≦α≦１を満たすように、計算したフィルタパラメータαを補正する場合がある。

【0033】

また、ここでは、フィルタパラメータαが一次関数で表される形態について説明するが、フィルタパラメータαを導出する式は一次関数に限られない。フィルタパラメータαの値が連続的に変化すればよいため、例えば、フィルタパラメータαが差分値Ｖ（ｔ）の二乗に比例してもよいし、差分値Ｖ（ｔ）又は差分値Ｖ（ｔ）の二乗に反比例してもよい。フィルタパラメータαを表す式は、静電容量式センサ１００の用途等に応じた適切な式であればよい。

【0034】

フィルタ計算部１２６は、差分値Ｖ（ｔ）に対してフィルタパラメータαを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する。すなわち、フィルタ計算部１２６は、フィルタパラメータ計算部１２５によって計算されたフィルタパラメータαを用いて、差分値計算部１２４により計算された差分値Ｖ（ｔ）の移動平均を求めるフィルタ処理を施すことにより、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する。差分値の移動平均を求めるフィルタ処理は、差分値Ｖ（ｔ）に時間方向のフィルタ処理を施すことの一例である。ここでは、フィルタ計算部１２６は、移動平均として指数移動平均を用いた時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する。また、フィルタ計算値は、フィルタ処理が施された差分値である。また、上述したようにフィルタパラメータ計算部１２５は、差分値計算部１２４により計算された差分値が大きいほど、フィルタパラメータαを大きくするが、これは指数移動平均を用いたフィルタ処理を行う場合の話である。

【0035】

具体的には、フィルタ計算部１２６は、次式（２）を用いてフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する。

【0036】

【数2】

式（２）は、差分値Ｖ（ｔ）の指数移動平均としてフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を求める式である。Ｖｆ（ｔ－１）は、前回の計算で求めたフィルタ計算値であり、前回の計算時までの過去のすべての差分値が反映されたフィルタ計算値である。

【0037】

フィルタパラメータαの値が小さいほど、前回までの差分値の平均値の重みが大きくなるため、ローパスフィルタが強くなり、入力（Ｖ（ｔ））に対する出力（Ｖｆ（ｔ））の応答が遅くなる。また、フィルタパラメータαの値が大きいほど、前回までの差分値の平均値の重みが小さくなるため、ローパスフィルタが弱くなり、入力（Ｖ（ｔ））に対する出力（Ｖｆ（ｔ））の応答が速くなる。

【0038】

判定部１２７は、フィルタ計算部１２６により計算されたフィルタ計算値に基づいてセンサ部１１０の周辺の状態を判定する。具体的には、判定部１２７は、フィルタ計算部１２６により計算されたフィルタ計算値に基づいて検出電極１１１と検出対象との近接度合いを判定し、判定結果を表すデータを出力する。ここで、近接度合いとは、例えば検出対象がセンサ部１１０に触れている状態（タッチ状態）、検出対象がセンサ部１１０から少し（例えば数ｃｍ）離れた位置に存在している状態（ホバー(hover)状態）、及びセンサ部１１０の近くに検出対象が存在しない状態（近接なし状態）のいずれか１つである。

【0039】

メモリ１２８は、処理装置１２０が処理を実行する際に利用するプログラムやデータを格納する。

【0040】

次に、処理装置１２０が実行する処理について説明する。処理装置１２０は、静電容量検出プログラムを実行することにより、以下で図２乃至図４を用いて説明する処理を実行する。また、処理装置１２０が静電容量検出プログラムを実行することによって実現される処理方法は、静電容量検出方法である。

【0041】

すなわち、本実施の形態における静電容量検出方法は、検出電極１１１を有するセンサ部１１０の検出電極１１１の静電容量値を検出する静電容量検出ステップと、静電容量値と基準値との差分値Ｖ（ｔ）を計算する差分値計算ステップと、差分値Ｖ（ｔ）に対してフィルタパラメータαを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算するフィルタ計算ステップと、フィルタ計算ステップにより計算されたフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）に基づいてセンサ部１１０周辺の状態を判定する判定ステップとを有する静電容量検出方法であって、差分値計算ステップにより計算された差分値Ｖ（ｔ）に基づいてフィルタパラメータαを計算するフィルタパラメータ計算ステップをさらに備える。

【0042】

また、本実施の形態における静電容量検出プログラムは、検出電極１１１を有するセンサ部１１０の検出電極１１１の静電容量値を検出する静電容量検出ステップと、静電容量値と基準値との差分値Ｖ（ｔ）を計算する差分値計算ステップと、差分値Ｖ（ｔ）に対してフィルタパラメータαを用いて時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算するフィルタ計算ステップと、フィルタ計算ステップにより計算されたフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）に基づいてセンサ部１１０周辺の状態を判定する判定ステップと、差分値計算ステップにより計算された差分値Ｖ（ｔ）に基づいてフィルタパラメータαを計算するフィルタパラメータ計算ステップとを含む処理をコンピュータに実行させる。

【0043】

図２は、フィルタパラメータ計算部１２５及びフィルタ計算部１２６がフィルタパラメータα及びフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）をそれぞれ計算する際に実行する処理を示すフローチャートである。

【0044】

まず、図２において、処理がスタートすると、フィルタパラメータ計算部１２５は、式（１）に基づいてフィルタパラメータαを計算する（ステップＳ１００）。なお、後ほど詳述するが、フィルタパラメータ計算部１２５は、フィルタパラメータαを計算する際に、あらかじめ定められた範囲内にフィルタパラメータαが収まるように計算する。

【0045】

次いで、フィルタ計算部１２６は、ステップＳ１００で計算されたフィルタパラメータαを用いて、式（２）に基づいてフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する（ステップＳ１０１）。

【0046】

以上で、フィルタパラメータα及びフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する処理が終了する（エンド）。

【0047】

ステップＳ１００の処理は、具体的には図３に示す通りである。図３は、図２のステップＳ１００の処理を示すフローチャートである。

【0048】

処理がスタートすると、フィルタパラメータ計算部１２５は、式（１）でフィルタパラメータαを計算する（ステップＳ１１０）。

【0049】

フィルタパラメータ計算部１２５は、計算したフィルタパラメータαがα_ｍａｘよりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ１１１）。α_ｍａｘは、フィルタパラメータαが取り得る最大値であり、ここでは一例として１である。

【0050】

フィルタパラメータ計算部１２５は、計算したフィルタパラメータαがα_ｍａｘよりも大きくない（Ｓ１１１：ＮＯ）と判定すると、計算したフィルタパラメータαがα_ｍｉｎよりも小さいかどうかを判定する（ステップＳ１１２）。α_ｍｉｎは、フィルタパラメータαが取り得る最小値であり、ここでは一例として０．１２５である。

【0051】

フィルタパラメータ計算部１２５は、計算したフィルタパラメータαがα_ｍｉｎよりも小さくない（Ｓ１１２：ＮＯ）と判定すると、計算したフィルタパラメータαを出力する（ステップＳ１１３）。フローがステップＳ１１３に進行する場合は、計算したフィルタパラメータαが０．１２５以上で１以下の場合である。

【0052】

また、フィルタパラメータ計算部１２５は、ステップＳ１１１において、計算したフィルタパラメータαがα_ｍａｘよりも大きい（Ｓ１１１：ＹＥＳ）と判定すると、フィルタパラメータαをα_ｍａｘに設定して出力する（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１４の処理により、フィルタパラメータαは１に補正される。α_ｍａｘは、ノイズ耐性よりも応答性（応答速度）が求められる状態でのフィルタパラメータαの最大値である。

【0053】

また、フィルタパラメータ計算部１２５は、ステップＳ１１２において、計算したフィルタパラメータαがα_ｍｉｎよりも小さい（Ｓ１１２：ＹＥＳ）と判定すると、フィルタパラメータαをα_ｍｉｎに設定して出力する（ステップＳ１１５）。ステップＳ１１５の処理により、フィルタパラメータαは０．１２５に補正される。α_ｍｉｎは、応答性（応答速度）よりもノイズ耐性が求められる際のフィルタパラメータαの最小値である。このような最小値は、例えば、最も応答が遅いときでも最低限求められる応答速度を与える値として選択すればよい。

【0054】

ステップＳ１１３、Ｓ１１４、Ｓ１１５の処理が終了すると、フィルタパラメータ計算部１２５は、一連の処理を終える（エンド）。

【0055】

ここで、一例として、ステップＳ１１０で用いる式（１）におけるＡを０．８７５、Ｂを０．１２５に設定した理由は次の通りである。例えば、検出対象がセンサ部１１０にタッチしているときに得られる差分値Ｖ（ｔ）のカウント数が１００であり、検出対象が検出されていないときに得られる差分値Ｖ（ｔ）のカウント数が０であり、上述のようにノイズ耐性が求められる際のフィルタパラメータαの最小値であるα_ｍｉｎが０．１２５に設定されると、α_ｍａｘが１であることから、Ａ、Ｂの値を０．８７５、０．１２５に設定した。

【0056】

図３に示す処理により、静電容量値が大きく差分値Ｖ（ｔ）が大きい場合は、十分に高いＳ／Ｎ比が得られる状態であるため、フィルタパラメータαを大きな値にしてフィルタを弱くする。カットオフ周波数は高くなり、応答性が良くなる。

【0057】

また、静電容量値が小さく差分値Ｖ（ｔ）が小さい場合は、Ｓ／Ｎ比が低い状態であるため、フィルタパラメータαを小さな値にしてフィルタを強くする。カットオフ周波数は低くなり、応答性は低下する。

【0058】

すなわち、Ｓ／Ｎ比が高い状態では、応答性を優先してフィルタを弱くし、Ｓ／Ｎ比が低い状態では、応答性を多少犠牲にしてでもフィルタを強くする趣旨である。

【0059】

図４は、判定部１２７が実行する処理を示すフローチャートである。判定部１２７は、フィルタ計算部１２６により計算されたフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が予め決められた第１閾値Ｔｈ＿Ｔ以上の場合に検出対象がタッチ状態であると判定し、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が第１閾値Ｔｈ＿Ｔ未満であるとともに予め決められた第２閾値Ｔｈ＿Ｈ以上の場合に検出対象がホバー状態であると判定し、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が第２閾値Ｔｈ＿Ｈ未満の場合に近接無し状態であると判定する。

【0060】

具体的には、判定部１２７は、処理がスタートすると、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｔ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ２００）。閾値Ｔｈ＿Ｔは、タッチ状態であるかどうかの判定に用いる閾値であり、第１閾値の一例である。

【0061】

判定部１２７は、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｔ以上である（Ｓ２００：ＹＥＳ）と判定すると、タッチ状態であると判定する（ステップＳ２０１）。

【0062】

また、判定部１２７は、ステップＳ２００において、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｔ以上ではない（Ｓ２００：ＮＯ）と判定すると、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｈ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ２０２）。閾値Ｔｈ＿Ｈは、ホバー状態であるかどうかの判定に用いる閾値であり、第２閾値の一例である。

【0063】

判定部１２７は、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｈ以上である（Ｓ２０２：ＹＥＳ）と判定すると、ホバー状態であると判定する（ステップＳ２０３）。

【0064】

一方、判定部１２７は、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）が閾値Ｔｈ＿Ｈ以上ではない（Ｓ２０２：ＮＯ）と判定すると、検出対象は近接していない状態であると判定する（ステップＳ２０４）。

【0065】

ステップＳ２０１、Ｓ２０３、Ｓ２０４の処理が終了すると、判定部１２７は、一連の処理を終える（エンド）。

【0066】

図５は、差分値Ｖ（ｔ）とフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）の特性を示す図である。図５には、検出対象が近接なし状態からホバー状態を経てタッチ状態になるときのフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を示す。横軸は時間（０秒～１００秒）であり、縦軸はカウント値である。

【0067】

また、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）の他に、理想的な差分値の波形（理想差分値）と、フィルタパラメータαを０．１２５に固定した場合のフィルタ計算値（α＝０．１２５固定）を示す。差分値Ｖ（ｔ）は、理想差分値にランダムなノイズを加えた波形である。また、タッチ状態の判定閾値Ｔｈ＿Ｔと、ホバー状態の判定閾値Ｔｈ＿Ｈを示す。

【0068】

また、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）については、図５に加えて、フィルタパラメータαの特性を示す図６を用いて説明する。

【0069】

図５に示すように、理想差分値は、３０秒の時点でホバー状態に、６０秒の時点でタッチ状態に移行した際のデータを想定し、０秒～２９秒は０カウント、３０秒～５９秒は３０カウント、６０秒以降は１２０カウントである。

【0070】

ノイズを含む差分値Ｖ（ｔ）は、タッチ状態の期間（６０秒以降）にタッチ閾値Ｔｈ＿Ｔを下回ることがないためタッチ判定には問題が無いものの、近接していないのにホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを超えている瞬間や、ホバー状態なのにホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを下回る瞬間が存在する。

【0071】

また、図５に示すように、フィルタパラメータαを０．１２５に固定した場合のフィルタ計算値は、重めのフィルタパラメータα（０．１２５）で指数移動平均処理によるノイズ平均化処理が施されているため、近接なし状態の期間（０秒～２９秒）にホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを超えることはなく、ホバー状態の期間（３０秒～５９秒）の初期の３０秒～３８秒には、フィルタの強さとトレードオフである応答性の低下によりホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを超えていないが、３９秒の時点でホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを超えた後は、ホバー閾値Ｔｈ＿Ｈを下回ることがなくなっている。

【0072】

しかし、フィルタパラメータαを０．１２５に固定した場合のフィルタ計算値は、６０秒以降のタッチ状態においても応答性の低下が生じており、タッチ閾値Ｔｈ＿Ｔを超えるまでに約７秒の遅延が生じている。

【0073】

これに対して、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）は、フィルタパラメータαを０．１２５～１の範囲で差分値Ｖ（ｔ）に応じて動的に切り替えるため、図５に示す近接なし状態（０秒～３０秒）のようにＶ（ｔ）が０に近い値の間は、図６に示すようにフィルタパラメータαが非常に低い値になるため、フィルタパラメータαを０．１２５に固定した場合のフィルタ計算値とほぼ重なっている。

【0074】

ホバー状態（３０秒～６０秒）では、図６に示すようにフィルタパラメータαの値は０．１２５よりは大きいものの比較的小さな値であるため、図５に示すように、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）は、指数移動平均の効果を得ることができている。図５に示すように、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）は、近接なし状態（０秒～３０秒）とホバー状態（３０秒～６０秒）では、フィルタパラメータαを０．１２５に固定した場合のフィルタ計算値とあまり大きな差異はない。

【0075】

そして、センサ部１１０に検出対象がタッチした６０秒以降では、図６に示すようにフィルタパラメータαの値が１に近い値となり、ほぼフィルタがかかっていない状態となる。そのため、６０秒以降のタッチ状態では、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）は、図５に示すように差分値Ｖ（ｔ）とほぼ一致し、タッチ時の応答性が改善されていることが分かる。

【0076】

以上のように、差分値Ｖ（ｔ）に基づいて計算したフィルタパラメータαを用いて、差分値Ｖ（ｔ）の指数移動平均としてフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する。このため、差分値Ｖ（ｔ）が小さいときはフィルタパラメータαが小さくなってローパスフィルタが強くなり、ノイズが抑えられる。また、差分値Ｖ（ｔ）が大きいときはフィルタパラメータαが大きくなってローパスフィルタが弱くなり、応答性が良好になる。また、差分値が大きいときはＳ／Ｎ比も大きく、差分値が小さいときはＳ／Ｎ比も小さい。

【0077】

したがって、検出対象の物体が遠方時に誤動作率を抑制するとともに、検出対象の物体が近接時において応答性を損なわない静電容量式センサ１００、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムを提供することができる。

【0078】

実施の形態の静電容量式センサ１００、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムによって求められるフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）は、フィルタパラメータαが固定値の場合に比べて、タッチ状態、ホバー状態、近接なし状態の判定の反応性を改善するとともに、誤判定の可能性を低くすることができる。

【0079】

また、フィルタパラメータ計算部１２５は、差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど、応答性が良くなる（応答時間が短くなる）ようにフィルタパラメータαを計算する。差分値Ｖ（ｔ）が大きい場合には、静電容量値が大きくＳ／Ｎ比が十分に大きいため、ローパスフィルタの強度を弱めて応答性を高めることができる。これとは逆に差分値Ｖ（ｔ）が小さい場合には、静電容量値が小さくＳ／Ｎ比が小さいため、ローパスフィルタの強度を強めてノイズを除去することで誤動作を回避することができる。

【0080】

また、静電容量式センサ１００は、静電容量値に基づいて基準値を取得する基準値取得部１２３を含むため、温度等の外部環境変化に左右されることなく適正な基準値を使用することができる。

【0081】

また、センサ部１１０の検出電極１１１に検出対象が近接していない場合の静電容量値を基準値として取得するため、決まった条件で安定的に基準値を取得することができる。

【0082】

また、フィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）に基づいて検出電極１１１と検出対象との近接度合いを判定するため、検出電極１１１と検出対象との間の静電容量値に対応して計算されるフィルタ計算値に基づいて、近接度合いを判定することができる。

【0083】

また、閾値Ｔｈ＿Ｔと閾値Ｔｈ＿Ｈを用いて近接度合いを判定するので、タッチ状態、ホバー状態、及び近接無し状態を安定的に判定することができる。

【0084】

また、差分値Ｖ（ｔ）に指数移動平均のフィルタ処理を施してフィルタ計算値を計算するので、ノイズを低減して適切に近接度合いを判定することができる。また、指数移動平均のフィルタ処理では、過去の計算値については１回前のフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ－１）だけをメモリ１２８で保持すればよいので、過去のデータが１つで済み、メモリ１２８のうち過去のデータを格納するために使用する容量が少なくて済み、計算を迅速に行うことができる。

【0085】

また、差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど、フィルタパラメータαを大きくするので、差分値Ｖ（ｔ）が大きいときにフィルタパラメータαを大きくすることで、フィルタ強度を弱めて応答性を高めることができる。逆に、差分値Ｖ（ｔ）が小さいほど、フィルタパラメータαを小さくするので、差分値が小さいときにフィルタパラメータを小さくすることで、フィルタの強度を強めてノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

【0086】

また、フィルタパラメータαを計算する際に、あらかじめ定められた範囲内に収まるように計算するので、指数移動平均の計算を安定的に行うことができ、適切なフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を求めることができる。

【0087】

フィルタパラメータαの最小値は、差分値が小さいとき（検出対象が遠くにあるとき）のパラメータであるため、ノイズによる誤作動を避けるために小さな値を設定すべきではあるが、小さいほど応答性が低下するため、応答性に関する顧客要求を満たす限りという条件で小さな値に設定する。逆に、フィルタパラメータαの最大値は、差分値が大きいとき（検出対象が接触しているとき）のパラメータであるため、Ｓ／Ｎ比は十分に大きく、ノイズ耐性はそれほど求められないため、大きな値に設定できる。

【0088】

なお、以上では、式（１）でフィルタパラメータαを求める形態について説明したが、フィルタパラメータαを計算する際にデジタルローパスフィルタ処理を施してもよい。フィルタパラメータαの急激な変化を抑制することができるからである。

【0089】

また、以上では、指数移動平均を用いてフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算する形態について説明したが、フィルタ計算部１２６は、単純移動平均を用いた時間方向のフィルタ処理を施すことによりフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）を計算してもよい。例えば、１回前に計算した差分値Ｖ（ｔ－１）からＮ－１回前までに計算した差分値Ｖ（ｔ－（Ｎ－１））までをメモリ１２８に格納しておき、最新の差分値Ｖ（ｔ）を含むＮ個の差分値の平均をフィルタ計算値Ｖｆ（ｔ）として求めてもよい。これは次式（３）を用いて計算することができる。

【0090】

【数3】

この場合に、フィルタパラメータはＮであり、指数移動平均の場合と異なり、フィルタパラメータ計算部１２５は、差分値計算部１２４により計算された差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど、フィルタパラメータＮを小さくする。すなわち、フィルタパラメータ計算部１２５は、差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど小さな値Ｎを出力すればよい。Ｎの値が小さい方が最新の差分値Ｖ（ｔ）の割合が大きくなるためローパスフィルタが弱く、Ｎの値が大きい方が最新の差分値Ｖ（ｔ）の割合が小さくなるためローパスフィルタが強いことになる。

【0091】

差分値Ｖ（ｔ）が大きいときはローパスフィルタが弱くてよく、差分値Ｖ（ｔ）が小さいときはローパスフィルタを強くしたいので、差分値Ｖ（ｔ）が大きいほど小さな値Ｎを出力すればよい。

【0092】

単純移動平均によるフィルタ処理を施すことで、ノイズを低減して適切に近接度合いを判定することができる。

【0093】

以上、本発明の例示的な実施の形態の静電容量式センサ、静電容量検出方法、及び、静電容量検出プログラムについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0094】

本国際出願は２０１９年１１月１９日に出願した日本国特許出願２０１９－２０９０２５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１９－２０９０２５号の全内容を本国際出願に援用する。

【符号の説明】

【0095】

１００ 静電容量式センサ
１１０ センサ部
１１１ 検出電極
１２０ 処理装置
１２２ 静電容量検出部
１２３ 基準値取得部
１２４ 差分値計算部
１２５ フィルタパラメータ計算部
１２６ フィルタ計算部
１２７ 判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】