JPH11190751A - キャパシタンスまたはキャパシタンス変化を検出する回路装置 - Google Patents

キャパシタンスまたはキャパシタンス変化を検出する回路装置

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JPH11190751A
JPH11190751A JP10285265A JP28526598A JPH11190751A JP H11190751 A JPH11190751 A JP H11190751A JP 10285265 A JP10285265 A JP 10285265A JP 28526598 A JP28526598 A JP 28526598A JP H11190751 A JPH11190751 A JP H11190751A
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switching contact
storage capacitor
capacitive
circuit
capacitance
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JP10285265A
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Joerg Schulz
シュルツ ヨルク
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    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
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    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量性の近接スイッチに使用するのに適した
冒頭に言及した形式の回路装置を提供して、測定時の障
害的な影響、例えば構成素子の許容偏差または温度ドリ
フトを補償できるようにすることである。 【解決手段】 評価段は電流評価に適するように構成さ
れており、切換コンタクトでほとんど電圧偏移が生じな
い構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量性回路素子ま
たは容量性素子のキャパシタンスまたはキャパシタンス
変化を測定するために、クロック発生器と、このクロッ
ク発生器により制御される切換コンタクトと、蓄積コン
デンサと、電圧源と、評価段とを有しており、容量性回
路素子または容量性素子の１つの電極が切換コンタクト
の入力側に接続されており、切換コンタクトの第１の出
力側は蓄積コンデンサの第１の電極に接続されており、
蓄積コンデンサの第１の電極は一方では抵抗回路網を介
して電圧源に接続されており、他方では評価段に接続さ
れており、蓄積コンデンサの第２の電極は基準電位に接
続されている、キャパシタンスまたはキャパシタンス変
化を検出する回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明の範囲では、“キャパシタンス”
とは容量性回路素子または容量性素子の静電容量値を意
味する。“キャパシタンス変化”とは容量性回路素子ま
たは容量性素子の静電容量値の変化を意味する。キャパ
シタンスおよびキャパシタンス変化の“検出”とは、本
発明の範囲では定性的な検出だけでなく、定量的な検出
をも意味しており、したがって真の測定である。“容量
性回路素子または容量性素子”とは、本発明の範囲で
は、容量特性を有するそれぞれの回路素子および構成素
子を意味しており、しばしばキャパシタンスとも称され
る。この場合にはキャパシタンスは静電容量値を意味し
てはいない。“容量性回路素子または容量性素子”は例
えばコンデンサである。ただし本発明の範囲では容量性
の近接スイッチの電極も、影響を及ぼす部材との共働に
より“容量性回路素子または容量性素子”と称される。
“容量性回路素子または容量性素子”は、本発明では例
えば相互に容量的に作用する線路から成るキャパシタン
スである。後に“容量性回路素子または容量性素子”に
代えて、センサコンデンサについて述べるが、これは狭
義のコンデンサに限定されるものではない。
【０００３】本発明の範囲では“電圧源”とは、電圧源
とこの種の電圧源の端子を含む全体を意味する。
【０００４】また、本発明における“切換コンタクト”
とはスイッチを意味し、これはしばしば切換スイッチと
も称される。この“切換コンタクト”は１つの入力側と
２つの出力側とを有し、入力側は第１の出力側または第
２の出力側に接続されている。
【０００５】冒頭に言及した回路装置はドイツ連邦共和
国特許出願公開第４０３９００６号公報から公知である
が、ここに記載されている回路装置は容量性の近接スイ
ッチに使用するために定められたものではなく、適して
もいない。この回路装置はむしろキャパシタンス‐周波
数変換器として、測定すべきコンデンサのキャパシタン
スに依存する周波数を有する、ほぼ矩形の変換器出力信
号を発生するために使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、容量
性の近接スイッチに使用するのに適した（別の目的で使
用することもできる）冒頭に言及した形式の回路装置を
提供して、測定時の障害的な影響、例えば構成素子の許
容偏差または温度ドリフトを補償できるようにすること
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、評価段は電流評価に適するように構成されており、
切換コンタクトでほとんど電圧偏移が生じない構成によ
り解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の範囲では、電流評価は切
換コンタクトの出力側でほとんど電圧差が生じないこと
を意味する。切換コンタクトは同じ電圧の間で切り換
え、切換コンタクトの入力側で電圧偏移が生じないよう
にする。
【０００９】冒頭に言及した形式の回路装置では特にセ
ンサコンデンサの領域で、測定結果に誤差を生じさせか
ねない大きな寄生容量が生じる。基本的にはこの種の寄
生容量は、電圧偏移が生じて取り出された電荷量または
変化した電荷量が測定結果に作用する場合だけしか測定
結果に影響することはない。この種の電圧偏移が阻止さ
れる場合は、回路装置に付随する寄生容量はもはや影響
しない。このため本発明の回路装置の第１の重要な利点
は、測定結果に悪影響を及ぼす寄生容量が、完全にまた
は大部分回避されることである。
【００１０】上述したように切換コンタクトの入力側に
電圧偏移が生じない場合、これは、センサコンデンサが
センシティブでなくなり、このため例えば近接スイッチ
が近傍に存在する対象物を検出できなくなることを意味
する。このため本発明の回路装置では補助電圧が、クロ
ック発生器の切換周波数に同期されて容量性回路素子ま
たは容量性素子に印加される。印加された補助電圧によ
って切換コンタクトの入力側ひいてはセンサコンデンサ
において電圧偏移が生じるので、センサコンデンサのキ
ャパシタンスまたはキャパシタンス変化を測定すること
ができる。
【００１１】本発明の特に有利な実施形態によれば、補
助電圧は一時的に遮断され、この補助電圧の遮断後に残
留する測定値から補償測定値が発生される。補助電圧が
遮断されると、センサコンデンサは電気的に外界から分
離され、回路装置内で生じる作用のみに影響される。残
留する測定値は回路装置全体のすべてのオフセット誤
差、例えば構成素子の許容偏差、製造時の許容偏差また
は温度の影響を有する。これらすべての障害的な作用の
結果生じた残留する測定値は新たに“ゼロ値”として記
憶され、更なる測定のために基準値として採用される。
この種の補償サイクルのために、補助電圧の遮断の他
に、補助電圧の補償に基づく種々の技術が可能である。
これにより実際に測定された値から、センサコンデンサ
の実質的なキャパシタンスの値またはキャパシタンスの
変化を求めることができる。この場合に不可避のすべて
のオフセットの影響は低減される。例えば補助電圧の位
相変調または振幅変調が可能であり、また補助電圧を切
換コンタクトの切換の時点に同期して１８０゜位相反転
することもできる。
【００１２】本発明の回路装置の別の形態では、第２の
切換コンタクト、第２の蓄積コンデンサ、第２の抵抗回
路網を有する、出力段に接続された基準分岐を設けて、
基準キャパシタンスの測定のために使用する。この場合
に基準コンデンサ、第２の切換コンタクト、第２の蓄積
コンデンサおよび第２の抵抗回路網は、センサコンデン
サ、第１の切換コンタクト、第１の蓄積コンデンサおよ
び第１の抵抗回路網が相互接続されているのと同様に相
互接続されている。本発明による回路装置がこのような
基準分岐なしに構成される場合にはきわめて簡単に、か
つわずかな素子数で低コストに実現可能であるが、この
場合差形成が不可能なので比較的大きな有効信号が必要
となる。ただしこの種の回路装置では特に補償サイクル
を利用可能であることに関連して、低コストで選択的に
例えばハンドスキャナとして利用される近接スイッチを
使用することができる。
【００１３】同じクロック発生器に接続されている並列
の基準分岐装置により、相互に完全に分離された、影響
しあうことのない２つの測定チャネルが使用される。２
つの測定チャネルの出力は差信号として評価段に供給す
ることができる。
【００１４】測定チャネルを１つしか使用しない場合と
同様に付加的な基準チャネルを使用する場合にも、それ
ぞれの線路の２つの切換サイクルをアクティブに利用す
ることができるので、低周波の障害があってもかなり純
粋な同相信号が得られる。この同相信号を適切な増幅技
術を用いて同相成分抑圧により有効信号から分離するこ
とができる。低周波の障害信号の同相成分抑圧のために
有利にはさらに、２つの切換サイクルが時間的に同じ長
さで、すなわちクロック発生器が約５０％のオンオフ比
でクロックを発生する。
【００１５】本発明の有利な実施形態によれば、第１の
切換コンタクトの第２の出力側は第２の切換コンタクト
の第１の出力側に接続されており、第１の切換コンタク
トの第１の出力側は第２の切換コンタクトの第２の出力
側に接続されている。測定チャネルと基準チャネルをこ
のように接続することにより、低周波障害を良好に抑圧
するために利用可能な２つのアクティブな出力を供給す
る。この場合同時に２つの測定入力側が存在し、これら
の入力側は近接スイッチのために特に有利である。回路
サイクルの有効電流は第２の回路サイクルの有効電流か
ら直接に差し引かれ、その際、場合によって測定信号を
歪ませることのある予めの増幅を必要としない。
【００１６】補助電圧の容量性回路素子または容量性素
子への入力結合は種々の方法により可能である。例えば
補助電圧を外部のセンサ構造部を介してセンサコンデン
サの一方の電極に結合することができる。その場合に必
要に応じてこの電極は容量的に不感のセンサ電極として
実現可能である。これはこの電極が電圧偏移を生じない
からである。これに代えて補助電圧を内部の結合コンデ
ンサを介してセンサコンデンサの一方の電極に結合する
こともできる。この場合結合コンデンサとセンサコンデ
ンサとから成る直列接続は容量分圧器となり、センサコ
ンデンサの電極の電圧偏移はそのキャパシタンス値に依
存する。電圧偏移の変化はセンサコンデンサの電極に後
置接続された抵抗を流れる電流に作用し、測定チャネル
において所要の電流変化を生じさせる。
【００１７】本発明の別の実施形態によれば、評価段
は、マイクロプロセッサが後置接続された差電流増幅器
から成る。本発明による回路装置がこのような評価段を
有する場合には、上述の補償サイクルを特に有効に利用
することができる。この場合例えばこのような補償サイ
クルを所定の時間間隔で、または所定のイベントによっ
てトリガし、そこで得られた新たな“ゼロ値”をマイク
ロプロセッサに記憶して次の測定のための基準値として
使用することができる。
【００１８】本発明による回路装置には種々の実施形態
が存在する。これは請求項１に従属する請求項ならびに
実施例と関連する説明に記載されている。
【００１９】
【実施例】本発明による回路装置を有利な実施例につき
図を用いて以下に説明する。図１には本発明によるキャ
パシタンス測定のための回路装置の有利な実施例が示さ
れている。
【００２０】回路装置はクロック発生器１、このクロッ
ク発生器１により制御される切換コンタクト２、蓄積コ
ンデンサ３、電圧源４、評価段５から成る。求めるべき
キャパシタンスの電極６は切換コンタクト２の入力側７
に接続されている。センサコンデンサの第２の電極は、
ここでは図示しない外部の対象物である。求めるべきキ
ャパシタンスは電極６と外部の対象物により形成された
ボデーとの間に存在する。切換コンタクト２の第１の出
力側８は蓄積コンデンサ３の第１の電極に接続されてい
る。電極は一方では抵抗回路網９を介して電圧源４に接
続されており、他方では評価段５に接続されている。蓄
積コンデンサ３の第２の電極は基準電位１０に接続され
ている。ここに図示されている回路装置の実施例では基
準電位１０はアースに相当する。
【００２１】図示された回路装置はさらに補助電圧発生
器１１を有しており、この補助電圧はクロック発生器１
の切換周波数に同期されている。補助電圧発生器１１に
は付加的に、図示されない周波数変調器または振幅変調
器が後置接続されている。この場合補助電圧発生器１１
は外部のセンサ構造部２１を介して容量性回路素子また
は容量性素子の電極６に接続されている。
【００２２】図示された回路装置はさらに第２の切換コ
ンタクト１２、第２の蓄積コンデンサ１３、第２の抵抗
回路網１４を有する。したがってこの回路装置は測定分
岐および基準分岐から成る。測定分岐には、入力側７と
第１の出力側８と第２の出力側１５とを有する第１の切
換コンタクト２、１つの電極６を有するセンサコンデン
サ、蓄積コンデンサ３、抵抗回路網９、付加的な抵抗１
６が属している。基準分岐には電極１７を有する基準コ
ンデンサ、第１の出力側１８と第２の出力側１９とを有
する第２の切換コンタクト１２、第２の蓄積コンデンサ
１３、第２の抵抗回路網１４、別の抵抗２０が属してい
る。基準コンデンサの第２の電極は、センサコンデンサ
の場合と同様にここでは図示しない外部の対象物であ
る。基準コンデンサ全体は固定コンデンサにより形成す
ることもできる。
【００２３】それぞれ調整可能な抵抗を有する２つの抵
抗回路網９、１４を介して、最適な動作点を調整するこ
とができる。２つの抵抗回路網９、１４は有利にはほぼ
同じ大きさに構成すべきである。
【００２４】本発明の回路装置の図示された実施例で
は、第１の切換コンタクト２の第２の出力側１５が第２
の切換コンタクトの第１の出力側１８に接続されてお
り、第１の切換コンタクト２の第１の出力側８は第２の
切換コンタクトの第２の出力側１９に接続されている。
【００２５】評価段５として基本的には、低い入力イン
ピーダンスを有し、電流を評価するために動作する増幅
器回路が使用される。このような増幅器回路は例えば電
流電圧変換器から構成することができる。
【００２６】図示された評価段５は、２つの演算増幅器
２２、２３と、これらに後置接続された、減算回路とし
て動作する第３の演算増幅器２４とを有する差電流増幅
器回路である。評価段５の内部の接続は、演算増幅器２
２の非反転入力側の電圧Ｕ１が演算増幅器２３の非反転
入力側の電圧Ｕ２に対応するように配慮されている。そ
の他、演算増幅器２４にここでは図示しないマイクロプ
ロセッサを後置接続することができる。このようなマイ
クロプロセッサは補償サイクルすなわち補助電圧の遮断
または補助電圧の変調を制御するために使用される。こ
の種のマイクロプロセッサを用いて、補償サイクルを所
定の時間間隔で、または所定のイベントによりトリガす
ることができる。
【００２７】測定チャネルでは切換コンタクト２の前
に、また基準チャネルでは切換コンタクト１２の前に、
高周波の障害成分（ここでは図示しない）を抑圧するた
めにＲＣローパスフィルタを接続することができる。こ
の場合にも切換コンタクト２、１２において電圧偏移は
発生せず、測定値へさほど影響を与えることなく小さな
キャパシタンスを測定チャネルおよび基準チャネルに接
続することができる。
【００２８】上述したようにさらに、クロック発生器の
切換周波数に同期された補助電圧が容量性回路素子また
は容量性素子に印加される。この場合に補助電圧をクロ
ック発生器の電圧に対して時間遅延または位相シフトす
ることができる。この位相シフトは有利には９０゜であ
る。なぜならこれは特に簡単かつ確実にクロック発生器
の切換周波数から得られるからである。このようにして
温度に起因する切換コンタクトのゲート走行時間への影
響を、遮断時点で評価すべき電荷移動が実質的に遮断さ
れている場合に低減することができる。このことはゲー
ト走行時間の僅かな変化が、切換時点間に測定される電
流の積分の変化に作用しないことを意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるキャパシタンス測定のための回路
装置の概略的な回路図である。
【符号の説明】
１ クロック発生器 ２、１２ 切換コンタクト ３、１３ 蓄積コンデンサ ４ 電圧源 ５ 評価段 ６ 電極 ７ 入力側 ８ 出力側 ９、１４ 抵抗回路網 １０ 基準電位 １１ 補助電圧発生器 ２１ 外部のセンサ構造部

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 容量性回路素子または容量性素子のキャ
    パシタンスまたはキャパシタンス変化を検出するため
    に、 クロック発生器（１）と、該クロック発生器（１）によ
    り制御される切換コンタクト（２）と、蓄積コンデンサ
    （３）と、電圧源（４）と、評価段（５）とを有してお
    り、 容量性回路素子または容量性素子の電極（６）が切換コ
    ンタクト（２）の入力側（７）に接続されており、 切換コンタクト（２）の第１の出力側（８）は蓄積コン
    デンサ（３）の第１の電極に接続されており、 該蓄積コンデンサ（３）の第１の電極は一方では抵抗回
    路網（９）を介して電圧源（４）に接続されており、他
    方では評価段（５）に接続されており、前記蓄積コンデ
    ンサ（３）の第２の電極は基準電位（１０）に接続され
    ている、キャパシタンスまたはキャパシタンス変化を検
    出する回路装置において、 評価段（５）は電流評価に適するように構成されてお
    り、切換コンタクト（２）でほとんど電圧偏移が生じな
    い、ことを特徴とするキャパシタンスまたはキャパシタ
    ンス変化を検出する回路装置。
  2. 【請求項２】 容量性回路素子または容量性素子に補助
    電圧が印加され、該補助電圧はクロック発生器（１）の
    切換周波数に同期されている、請求項１記載の回路装
    置。
  3. 【請求項３】 補助電圧は一時的に遮断され、残留する
    測定値から補償測定値が発生される、請求項２記載の回
    路装置。
  4. 【請求項４】 補助電圧が変調される、請求項２または
    ３記載の回路装置。
  5. 【請求項５】 補助電圧はクロック発生器（１）の電圧
    に対して時間遅延されるか、または位相シフト有利には
    ９０゜の位相シフトを行われる、請求項２から４までの
    いずれか１項記載の回路装置。
  6. 【請求項６】 基準コンデンサ、第２の切換コンタクト
    （１２）、第２の蓄積コンデンサ（１３）、および第２
    の抵抗回路網（１４）が設けられており、該基準コンデ
    ンサ、第２の切換コンタクト（１２）、第２の蓄積コン
    デンサ（１３）、および第２の抵抗回路網（１４）はセ
    ンサコンデンサ、第１の切換コンタクト（２）、第１の
    蓄積コンデンサ（３）、および第１の抵抗回路網（９）
    と同様に相互に接続されており、第２の蓄積コンデンサ
    （１３）の第１の電極は評価段（５）に接続されてい
    る、請求項１から５までのいずれか１項記載の回路装
    置。
  7. 【請求項７】 第１の切換コンタクト（２）の第２の出
    力側（１５）は第２の切換コンタクト（１２）の第１の
    出力側（１８）に接続されており、第１の切換コンタク
    ト（２）の第１の出力側（８）は第２の切換コンタクト
    （１２）の第２の出力側（１９）に接続されている、請
    求項６記載の回路装置。
  8. 【請求項８】 第１の切換コンタクト（２）の第２の出
    力側（１５）および第２の切換コンタクト（１２）の第
    ２の出力側（１９）はそれぞれ基準電位（１０）に接続
    されている、請求項６記載の回路装置。
  9. 【請求項９】 補助電圧は外部のセンサ構造部（２１）
    を介して容量性回路素子または容量性素子に接続されて
    いる、請求項２から８までのいずれか１項記載の回路装
    置。
  10. 【請求項１０】 補助電圧は内部の結合コンデンサを介
    して容量性回路素子または容量性素子に接続されてい
    る、請求項２から８までのいずれか１項記載の回路装
    置。
  11. 【請求項１１】 評価段（５）は差電流増幅器から成
    り、該差電流増幅器にマイクロプロセッサが後置接続さ
    れている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の
    回路装置。
JP10285265A 1997-10-07 1998-10-07 キャパシタンスまたはキャパシタンス変化を検出する回路装置 Pending JPH11190751A (ja)

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