JPH0658967A - 容量性近接センサ - Google Patents

容量性近接センサ

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JPH0658967A
JPH0658967A JP9391193A JP9391193A JPH0658967A JP H0658967 A JPH0658967 A JP H0658967A JP 9391193 A JP9391193 A JP 9391193A JP 9391193 A JP9391193 A JP 9391193A JP H0658967 A JPH0658967 A JP H0658967A
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JP
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electrode
sensor
sensing electrode
handset
capacitive proximity
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JP9391193A
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English (en)
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Robert A Boie
アルバート ボーイ ロバート
Gabriel L Miller
ロリマー ミラー ガブリエル
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 様々な応用に適する、様々な形状、大きさの
容量性近接センサを提供する。 【構成】 容量性近接センサ１０は、検知電極１１とガ
ード電極１２とその間を離間する絶縁体１３とからな
る。このような容量性近接センサ１０は、二重面の回路
基板から形成される。他のセンサは、導電性メッシュか
ら形成されるフレームまたは環状体の形状をしている。
検知電極１１とガード電極１２は、無線周波数（ＲＦ）
信号により共通に駆動される。検知電極１１とその周囲
との間のキャパシタンスは対象物が近付くにつれて変化
し、このキャパシタンスの変化は、検知電極１１から流
れる電流のＲＦの変化を測定することによって検知でき
る。ガード電極１２は、検知電極１１をセンサ１０の一
側面の対象物からシールドする役目をする。両電極が共
通に駆動されると、その間には電流が流れない。この
為、ガード電極の容量の変化は、何の影響も及ぼさな
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は容量性近接センサに関
し、特に、様々な応用に適する容量性近接センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】容量性近接センサは、様々な分野で使用
されている。例えば、キーボートスイッチのプッシュボ
タン、コントロールパネルのプッシュボタン、様々な機
器のリミットスイッチに使用され、また、例えば、パイ
プの中の気体また流体の流れを検知し、あるいは相対的
な物体の動きを検知するのに使用される。このような容
量性近接センサの一例は、米国特許第４８９３０７１号
の図８に開示されている。この容量性近接センサは、対
象物が容量性近接センサの電極に対し相対的に動き、検
知電極とのキャパシタンス、あるいはキャパシタンスの
変化を測定する。この検知電極は、交流電源、あるい
は、無線周波数電源に接続されて、電極への電流変化を
モニタして、キャパシタンスの変化を検知する。
【０００３】このような容量性近接センサにおいては、
検知電極及びこのような電極へのワイヤリングまたは接
地電位に対する漂遊容量、あるいは、他の導体に対する
漂遊容量をシールドする必要がある。この種のセンサの
応用によっては、このようなシールドは単純のもの、あ
るいは複雑なものとも様々である。一般的に、検知電極
はシールド電極またはガード電極に保護されて、それら
の形状はそれに適したものとなっている。このような検
知電極とガード電極の一例は米国特許第４７６６３６８
号に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】様々な応用における容
量性近接センサは、様々な形状の検知電極を形成する必
要がある。このような検知電極をシールドするために、
電極と共にシールドも形成するのが好ましい。シールド
された電極を駆動すること、及びこのような電極の様々
な形状または大きさに適するような簡単で信頼性のある
電極を提供することが望まれている。本発明の目的は、
様々な応用において、様々な形状、大きさで形成される
容量性近接センサを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の容量性近接セン
サ１０は、検知電極１１とガード電極１２とその間を離
間する絶縁体１３とからなる。このような容量性近接セ
ンサ１０は、応用するのに適した形状の二重面の回路基
板から形成される。本発明の容量性近接センサは、透明
である（図３）。他の実施例の容量性近接センサは、導
電性メッシュから形成されるフレームまたは環状体の形
状をしている（図５）。本発明の容量性近接センサにお
いては、その形状、大きさまたはセンサの材質を問わ
ず、検知電極とガード電極は、無線周波数（ＲＦ）信号
により共通に駆動される。検知電極とその周囲との間の
キャパシタンスは対象物が近付くにつれて変化する。こ
のキャパシタンスの変化は、検知電極から流れる電流の
ＲＦの変化を測定することによって検知できる。このガ
ード電極は、検知電極をセンサの一側面の対象物からシ
ールドする役目をする。両電極が共通に駆動されると、
その間には電流が流れない。この為、ガード電極の容量
の変化は、何の影響も及ぼさない。検知電極からの電流
の流れの変化を検知する有効な方法としては、同期検知
機がある。
【０００６】
【実施例】図１には容量性近接センサ１０と駆動回路２
０とが図示されている。この容量性近接センサ１０は、
検知電極１１とガード電極１２と絶縁体１３とを有す
る。このセンサの形状、大きさ、材質はその用途に応
じ、適宜に選択される。例えば、このセンサは単純な四
角、長方形、円、あるいはより複雑な形状を取り得る、
さらにカーブした、あるいは複雑な表面形状に合わせる
ことができる。このセンサは対象物を囲むために、環状
あるいはピクチャーフレームの形状に形成される。この
センサの材質は不透明あるいは透明の何れでもよい。
【０００７】容量性近接センサ１０は、駆動回路２０に
ケーブル１５により接続されている。このケーブル１５
のシールドと中央導体は、ガード電極１２と検知電極１
１にそれぞれ接続されている。電力源２１は、ケーブル
１５のシールドを直接駆動し、また、ケーブル１５の中
央導体を、トランス２２を介して駆動して、検知電極１
１とガード電極１２は協調して駆動される。トランス２
２の二次端末の一端は、中央導体に接続され、他端はア
ンプ２３の入力に接続され、キャパシタ２６、抵抗２７
と共にインテグレータとして機能する。アンプ２３の出
力と電力源２１は、同期検知機２４の入力に接続され、
この同期検知機２４の出力は、アンプ２３からの信号と
電力源２１からの信号との間の位相と振幅との差を指示
する。
【０００８】検知電極１１、トランス２２、可変キャパ
シタ２５により形成された回路の利点は時間に対し、非
常に安定な自動型ＲＦブリッジを形成する点である。一
旦この回路が、可変キャパシタ２５により調節される
と、それは比較的安定し、ドリフトが皆無である。同期
検知機２４は、アンプ２３の出力を電力源２１からの信
号の制御下で、その出力を反転及び非反転との間で交互
に切り換えることにより整流する。この同期検知機は、
ケンブリジユニバスティプレス１９８９年の著者ポール
・ホロウィズ（Paul Horowitz）とウィンフィルド・ヒ
ル（Winfield Hill）による「エレクトロニクス技術」
第２版の８８９ページに記載されている。可変キャパシ
タ２５は、従来の方法によりセンサのゼロ点を調節し、
センサのサイズとシールドケーブルの長さが異なる回路
を補償する。電力源２１の動作周波数は、１００ＫＨｚ
である。
【０００９】次に、上記回路の動作について説明する。
可変キャパシタ２５は、容量性近接センサ１０の近傍に
対象物がないときに、同期検知機２４からの出力を最小
にするよう調整する。検知電極１１とその周囲との間の
キャパシタンスの変化は、検知電極１１から流れる変位
電流の変化を引き起こす。アンプ２３からの出力信号の
同期成分は増加し、同期検知機２４の出力は上昇する。
この同期検知機２４の出力はアナログで使用され、ある
いはコンパレータ、あるいはしきい値検知器（図示せ
ず）に接続され、同期検知機２４からの信号があるレベ
ルに到達したときのみ出力信号を生成するようにする。
【００１０】図２は、スーパマーケットのカウンタ３５
に組み込まれた容量性近接センサ３０を表し、バーコー
ドスキャナー４０の動作を制御する。バーコードスキャ
ナー４０は、光ビーム４１を生成する。このバーコード
スキャナー４０は、光ビーム４１の通路に配置された対
象物からの反射光を検知し、対象物に付与されたバーコ
ードにより生成される反射光の変化を認識し復号化す
る。光ビーム４１は、レーザソースにより生成され、こ
のレーザソースはスキャンされるべき対象物が存在しな
いときには、動作させないようにしておくことが好まし
い。従って、容量性近接センサ３０は、対象物がセンサ
の近傍に来たときにスキャナーをターンオン（入る）す
るように使用され、対象物が存在しない場合には、スキ
ャナーをターンオフ（切る）ために使用される。この容
量性近接センサ３０は、バーコードスキャナー４０とそ
の反射光が通過できるように透明でなければならない。
図２の容量性近接センサ３０の部分断面図に示したよう
に、容量性近接センサ３０は検知電極３１とガード電極
３２とその間の絶縁体３３を含むサンドイッチ構造をし
ている。この電極は、ガラスまたはプラスチック製で、
細線のワイヤメッシュ、または埋設スクリーン、あるい
は透明材料に添加物を加えた導電性透明材料を有してい
る。この容量性近接センサ３０は、センサ３６に図１の
駆動回路２０と同様な回路（図示せず）に接続され、光
ビーム４１を入り切りする。
【００１１】図３に容量性近接センサ３０の他の実施例
が示されている。センサ３６は、透明窓４２を包囲する
不透明なフレームとして形成されている。この容量性近
接センサ３０は、同じく三つの層、即ち、検知電極３
７、絶縁層３８、ガード電極３９を有する。検知電極３
７とガード電極３９は、図１と同様に、制御回路（図示
せず）に接続されている。
【００１２】図４は、電話転送器５１からの信号を制御
する環状リングの形状をした容量性近接センサ５０を図
示している。この容量性近接センサ５０は、二つの導体
とその間の一つの絶縁層の三つの層からなり、図４の一
部が部分的に切断されて、検知電極５２、絶縁層５３、
ガード電極５４が図示されている。この容量性近接セン
サ５０は電話機ハンドセット（受話器）に搭載されて、
電話転送器５１を包囲し、発声者の口から転送器までの
音響信号と及び検知電極５２と干渉しないように搭載さ
れる。電話転送器５１は、信号制御機５５を介して電話
線に接続される。容量性近接センサ５０は、シールドケ
ーブル５６により近接回路５７に接続され、この近接回
路５７は、図１の駆動回路２０と類似の回路である。近
接回路５７は、リード５８を介して信号制御機５５に接
続されて、容量性近接センサ５０と発声者の顔との間の
距離に応じて電話機信号を制御する。すなわち、発声者
の顔は容量性近接センサ５０により検知されるべき対象
物である。
【００１３】図３に示された容量性近接センサ５０は、
標準の電話機セットで十分に機能する。ハンドセットを
握る発声者の手の存在は、センサに悪影響を及ぼさな
い。それは、ガード電極のシールド効果によるものであ
る。このセンサは、手が転送器の上に配置されるか、あ
るいは電話機ハンドセットが、転送器側の導電性表面に
配置されると、応答する。しかし、ハンドセットが表面
の上に配置され、あるいは転送器側の上に配置されてい
るときにはセンサは働かない。
【００１４】図４に示された容量性近接センサ５０の応
用は、電話機ハンドセットと発声者の口との間の距離に
応じて音声信号の振幅を制御するものである。他の応用
は発声者の口と転送器との間の距離が常にモニタされる
ようなシステムである。このようなシステムでは、電話
機よる会話のバックグランドのノイズを減少、または削
減するものである。あるシステムにおいては、音声信号
の特性を制御信号として利用している。このような応用
における容量性近接センサ１０の利点は、近接差の測定
は音声信号から完全に独立しており、音声が存在するか
否かに関わらずこのような測定が可能である。
【００１５】本発明の容量性近接センサ１０が電話機転
送器と共に用いられる例が図５に示されている。センサ
７５においては、検知電極７６とガード電極７７は導電
性メッシュから形成されている。セル発泡体のような絶
縁体（図示せず）は電極７６、７７の間に配置され、あ
るいは絶縁フレーム内で電極７６、７７が離間して配置
される。センサ７５の動作は上記のセンサと同様であ
る。
【００１６】本発明の容量性近接センサ１０のアナログ
応用について次に説明する。すなわち、リード５８の上
の制御信号は、容量性近接センサ５０から発声者の顔ま
での距離を表すアナログ信号で、電話転送器５１からの
電話信号をアナログ方式で制御される。しかし、このよ
うなアナログ信号はその距離に対して非線形となる。例
えば、アナログ信号における変化は、トランスミッタが
発声者の顔の方向に数インチ内に動くと、そのような変
化が発生する。
【００１７】図６はハウジング内のマイクロフォンとス
ピーカとを組み合わせて用いた図３の環状の容量性近接
センサ１０を表し、通常の状態で電話機のハンドセット
あるいはスピーカフォンとの何れかとして使用されるハ
ンドセット７０を形成する。このハンドセット７０内に
はセンサ６０とスピーカ６３がマイクロフォン６１と一
緒にハウジング６２内に搭載されている。センサ６０
は、この応用においては、スピーカ６３からユーザの耳
までの距離を測定するために使用される。マイクロフォ
ン６１とスピーカ６３は、リード６５によりスピーカ制
御装置６４に接続されている。センサ６０は、シールド
ケーブル６７により近接回路６６に接続されている。近
接回路６６は、リード６８によりスピーカ制御装置６４
に接続されている。
【００１８】マイクロフォン６１とスピーカ６３は、二
重の機能を有する。すなわち、ハンドセット７０が電話
機のハンドセットとして、あるいはマイクロフォンとし
て使用されるときには、トランスミッタとレシーバとし
て、ハンドセット７０がスピーカフォンとして使用され
るときには、スピーカとして使用される。スピーカ制御
装置６４は、リード６８の上の信号により電話機モード
として、あるいはスピーカフォンモードとして機能す
る。電話機モードとしては、スピーカ制御装置６４は、
スピーカ６３への回路のゲインはマイクロフォン６１か
らの回路のゲインを減少させている。スピーカフォンモ
ードにおいては、スピーカ制御装置６４はそのような要
素がスピーカフォンとして機能するよう回路のゲインを
増加させる。スピーカ制御装置６４は従来の装置と同様
であるが、個別のトランスミッタ−レシーバとマイクロ
フォン−スピーカユニットとの間で切り換える代わりに
二重の機能要素に接続される回路内のゲインを制御する
ことによって、それの機能する点が異なる。当然のこと
ながら、スピーカ制御装置６４はスピーカ６３用、ある
いはスピーカフォン制御用の音量調整機能を有する。
【００１９】上記の回路の動作について次に述べる。ハ
ンドセット７０がユーザの頭部から離れているときに
は、リード６８の上の信号は低いレベルで、スピーカ制
御装置６４は、ユニットハンドセット７０をスピーカフ
ォンモードで動作させる。マイクロフォン６１とセンサ
６０が使用者の頭部に近付くようにハンドセット７０が
移動すると、リード６８の上の信号は高いレベルとな
り、スピーカ制御装置６４は電話機モードに切り替わ
る。
【００２０】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の容量性近接セ
ンサは、様々な形状、大きさの検知電極を形成できる。
更に、このような検知電極をシールドするために、検知
電極と共にシールド電極も形成されているので、簡単で
信頼性のある容量性近接センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】二本巻トランスを介して印加されるＲＦ信号に
より駆動される本発明の容量性近接センサの斜視図であ
る。
【図２】対象物がスキャンされる位置にあるとき、スキ
ャナーに電源を入れるバーコードスキャナーに使用され
た本発明の容量性近接センサの透視図である。
【図３】図２に示されたバーコードスキャナーの別のセ
ンサを示す図である。
【図４】転送器と使用者の口との間の距離を検知するた
めに電話機ハンドセットに関し用いられた本発明の環状
体の容量性近接センサの図である。
【図５】図４に示された応用のためにメッシュ電極を用
いた本発明の容量性近接センサの別の実施例である。
【図６】図４に類似し、但し、受信機とユーザの耳との
距離によってハンドセット、あるいはスピーカフォンの
何れかとして機能する電話機ハンドセットの動作モード
を制御する構成図である。
【符号の説明】 １０ 容量性近接センサ １１ 検知電極 １２ ガード電極 １３ 絶縁体 １５ ケーブル ２０ 駆動回路 ２１ 電力源 ２２ トランス ２３ アンプ ２４ 同期検知機 ２５ 可変キャパシタ ２６ キャパシタ ２７ 抵抗 ３０ 容量性近接センサ ３１ 検知電極 ３２ ガード電極 ３３ 絶縁体 ３５ カウンタ ３６ センサ ３７ 検知電極 ３８ 絶縁層 ３９ ガード電極 ４０ バーコードスキャナー ４１ 光ビーム ４２ 透明窓 ５０ 容量性近接センサ ５１ 電話転送器 ５２ 検知電極 ５３ 絶縁層 ５４ ガード電極 ５５ 信号制御機 ５６ シールドケーブル ５７ 近接回路 ５８ リード ６０ センサ ６１ マイクロフォン ６２ ハウジング ６３ スピーカ ６４ スピーカ制御装置 ６５ リード ６６ 近接回路 ６７ シールドケーブル ６８ リード ７０ ハンドセット ７５ センサ ７６ 検知電極 ７７ ガード電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート アルバート ボーイ アメリカ合衆国 07090 ニュージャージ ー ウエストフィールド、リンデン アヴ ェニュー 200 (72)発明者 ガブリエル ロリマー ミラー アメリカ合衆国 07090 ニュージャージ ー ウエストフィールド、ブルヴァード 614

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 検知電極（１１）と、 前記検知電極（１１）から離間して配置され、前記検知
    電極（１１）をシールドするガード電極（１２）と、 前記検知電極（１１）とガード電極（１２）とに、無線
    周波数信号を調和して印加する手段（１５、２１、２
    ２）と、 前記検知電極（１１）に物体が近接したことにより、前
    記検知電極（１１）を流れる無線周波数電流の変化から
    制御信号を生成する手段（２３、２４、２６、２７）
    と、 からなることを特徴とする容量性近接センサ。
  2. 【請求項２】 光ビーム（４１）が通過するウィンドを
    有するバーコードスキャナー（４０）を有し、 前記検知電極（３１）と前記ガード電極（３２）は、光
    ビーム（４１）に対し透明で、両電極（３１、３２）
    は、前記ウィンドを形成するよう絶縁体（３３）により
    分離されており、 前記制御信号に応じて、前記光ビーム（４１）を入り切
    りする手段（４０）を有することを特徴とする請求項１
    のセンサ。
  3. 【請求項３】 光ビーム（４１）が貫通するウィンドを
    有するバーコードスキャナー（４０）において、 検知電極（３７）と絶縁層（３８）とガード電極（３
    ９）は前記ウィンドを囲むようなフレームを形成し、 前記制御信号に応答して、前記光ビーム（４１）を入り
    切りさせる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１
    のセンサ。
  4. 【請求項４】 電話機のハンドセットと使用者の頭部と
    の間の距離に応じて電話転送器（５１）を制御する容量
    性近接センサ（５０）において、 検知電極（５２）とガード電極（５４）が前記ハンドセ
    ット内に組み込まれ、 前記制御信号に応答して、前記ハンドセット内の可聴信
    号の振幅を制御する手段（５５）を有することを特徴と
    する請求項１のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記検知電極（５２）とガード電極（５
    ４）とそれらの間の絶縁層（５３）とが環状に形成され
    て、前記電話機転送器を囲むよう配置されることを特徴
    とする請求項４のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記検知電極（７６）とガード電極（７
    ７）は前記転送器をカバーするよう導電性メッシュから
    形成されることを特徴とする請求項４のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記ハンドセット内のスピーカ（６３）
    から使用者の耳までの距離に応じて、ハンドセットまた
    スピーカフォンの何れかとして、ハンドセット（７０）
    の動作を制御し、 前記センサ（６０）と前記ガード電極と絶縁層が環状に
    形成され、前記スピーカを包囲するよう配置され、 前記制御信号に応答して、前記スピーカが前記ユーザの
    耳に近接しているときには、電話機のハンドセットとし
    て、及び前記スピーカが前記ユーザの耳から離れている
    ときはスピーカフォンとして機能するよう、前記ハンド
    セットを機能させる手段（６４）を有することを特徴と
    する請求項４のセンサ。
  8. 【請求項８】 前記無線周波数信号を印加する手段は、
    受信無線ブリッジトランス（２２）、可変キャパシタ
    （２５）であり、 前記変化検知手段は、入力が前記無線ブリジに接続され
    たインテグレータアンプ（２３）、キャパシタ（２
    ６）、抵抗（２７）と、前記入力手段が無線信号入力手
    段に接続され、第２入力が前記インテグレータの出力に
    接続されている同期検知機（２４）であり、 前記制御信号は同期検知機の出力であることを特徴とす
    る請求項１のセンサ。
  9. 【請求項９】 検知電極（１１）と、 前記検知電極（１１）から離間して配置され、前記検知
    電極（１１）をシールドするガード電極（１２）と、 その中央導体が前記検知電極（１１）に接続され、その
    シールドが前記ガード電極（１２）に接続されたケーブ
    ル（１５）と、 一次巻線が電力源（２１）に、二次巻線の一端が前記中
    央導体に、他端が可変キャパシタンス（２５）を介し
    て、前記シールドに接続されるトランス（２２）と、 前記シールドに接続された増幅回路（２３、２６、１
    ７）と、 前記増幅回路の出力と電力源（２１）に接続され、前記
    検知電極（１１）に物体が近接したことにより、前記検
    知電極（１１）を流れる無線周波数電流の変化から制御
    信号を生成する同期検知機（２４）とからなることを特
    徴とする容量性近接センサ。
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