DE112022001670T5

DE112022001670T5 - Kapazitiver sensor

Info

Publication number: DE112022001670T5
Application number: DE112022001670.1T
Authority: DE
Inventors: Tatsumi Fujiyoshi; Tetsuya Suzuki; Shinichi Higuchi; Yoshinao TANIGUCHI
Original assignee: Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2022201747A1; JPWO2022201747A1; CN116745877A; JP7421686B2; US20240011801A1

Abstract

Ein kapazitiver Sensor weist auf: eine oder eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden, die eine oder mehrere Detektionselektroden aufweisen; einen elastischen dielektrischen Körper, der unter der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine Schirmelektrode, die mit dem elastischen dielektrischen Körper versehen ist, der zwischen der Schirmelektrode und der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine erste Spannungsausgabeeinheit, die eine erste Wechselspannung an eine Antriebseinheit ausgibt, die mit der einen oder den mehreren Detektionselektroden gekoppelt ist, wobei zwischen der Antriebseinheit und der einen oder der Mehrzahl von Detektionselektroden Kapazitäten vorhanden sind; eine zweite Spannungsausgabeeinheit, die eine zweite Wechselspannung mit einer Frequenz ausgibt, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung ist, wobei die zweite Wechselspannung an die eine oder die mehreren Detektionselektroden angelegt wird; eine dritte Spannungsausgabeeinheit, die eine dritte Wechselspannung an die Schirmelektrode ausgibt, wobei die dritte Wechselspannung eine Frequenz hat, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung und der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist; und eine Detektionseinheit, die eine Nähe, einen Kontakt und einen

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor.
Technischer Hintergrund
Bisher gibt es herkömmliche Näherungs-/Kontaktsensoren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aufweisen: eine erste Detektionseinrichtung, die eine flachkörperartige obere Elektrodenschicht mit einer Mehrzahl von oberen Elektroden aufweist, die Elektrizität in einer Richtung durchlassen, und außerdem eine flachkörperartige untere Elektrodenschicht mit einer Mehrzahl von unteren Elektroden aufweist, die von den oberen Elektroden isoliert sind, wobei die unteren Elektroden Elektrizität in einer Richtung durchlassen, die sich von der Richtung unterscheidet, in der die oberen Elektroden Elektrizität durchlassen, wobei die unteren Elektroden so angeordnet sind, dass sie die oberen Elektroden schneiden; eine Zwischenschicht, die unter der ersten Detektionseinrichtung angeordnet ist, wobei sich die Zwischenschicht gemäß einem Kontakt oder Druck eines Zielobjekts verformt; eine zweite Detektionseinrichtung, die unter der Zwischenschicht angeordnet ist, wobei die zweite Detektionseinrichtung eine elektrische Veränderung gemäß der Kontakt- oder Druckkraft des Zielobjekts detektiert; eine Recheneinrichtung, die, wenn sich das Zielobjekt der ersten Detektionseinrichtung nähert, eine Entscheidung über eine Nähe des Zielobjekts gemäß einer elektrischen Veränderung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode trifft und, wenn das Zielobjekt eine Kontakt- oder Druckkraft auf die erste Detektionseinrichtung aufbringt, die Position, an der die Kontakt- oder Druckkraft des Zielobjekts aufgebracht wird, und den Wert der Druckkraft gemäß der von der zweiten Detektionseinrichtung detektierten elektrischen Veränderung identifiziert; und eine Schalteinrichtung, die in einem vorgegebenen Intervall ein Schaltungsschalten durchführt, so dass eine der ersten Detektionseinrichtung und der zweiten Detektionseinrichtung mit Masse verbunden wird (siehe beispielsweise PTL 1).
Literaturliste
Patentliteratur
PTL 1: Internationale Veröffentlichung Nr. WO2014-080924
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Der herkömmliche Näherungs-/Kontaktsensor muss dabei eine Schaltung mittels der Schalteinrichtung schalten, um eine Nähe oder einen Kontakt zu detektieren. Daher ist die Verarbeitung für die Detektierung komplex.
Eine Aufgabe ist es daher, einen kapazitiven Sensor bereitzustellen, der eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck eines Detektionszielobjekts leicht detektieren kann.
Lösung des Problems
Ein kapazitiver Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist: eine oder eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden, die eine oder mehrere Detektionselektroden aufweisen; einen elastischen dielektrischen Körper, der unter der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine Schirmelektrode, die mit dem elastischen dielektrischen Körper versehen ist, der zwischen der Schirmelektrode und der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine erste Spannungsausgabeeinheit, die eine erste Wechselspannung an eine Antriebseinheit ausgibt, die mit der einen oder den mehreren Detektionselektroden gekoppelt ist, wobei Kapazitäten zwischen der Antriebseinheit und der einen oder den mehreren Detektionselektroden vorhanden sind; eine zweite Spannungsausgabeeinheit, die eine zweite Wechselspannung mit einer Frequenz ausgibt, die im Wesentlichen gleich einer Frequenz der ersten Wechselspannung ist, wobei die zweite Wechselspannung an die eine oder mehreren Detektionselektroden angelegt wird; eine dritte Spannungsausgabeeinheit, die eine dritte Wechselspannung an die Schirmelektrode ausgibt, wobei die dritte Wechselspannung eine Frequenz hat, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung und der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist; und eine Detektionseinheit, die eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck eines Detektionszielobjekts an der einen oder den mehreren Detektionselektroden detektiert. Der kapazitive Sensor ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsausgabeeinheit, die zweite Spannungsausgabeeinheit und die dritte Spannungsausgabeeinheit die erste Wechselspannung, die zweite Wechselspannung bzw. die dritte Wechselspannung so ausgeben, dass die Amplitude der ersten Wechselspannung größer oder gleich der Amplitude der zweiten Wechselspannung wird und dass die Amplitude der dritten Wechselspannung kleiner als die Amplitude der zweiten Wechselspannung wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Es ist möglich, einen kapazitiven Sensor bereitzustellen, der eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck eines Detektionszielobjekts leicht detektieren kann. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Zeichnung, die die Struktur eines kapazitiven Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1 in Draufsicht darstellt.
2 ist eine Zeichnung, die die Struktur eines Teils des kapazitiven Sensors 100 in Schnittansicht darstellt.
3 ist eine Zeichnung, die ein Ersatzschaltbild des kapazitiven Sensors 100 darstellt.
4 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel für die Wellenformen einer ersten Wechselspannung V_A, einer zweiten Wechselspannung V_B und einer dritten Wechselspannung V_C darstellt.
5 ist eine Zeichnung, die einen kapazitiven Sensor 200 gemäß Ausführungsform 2 darstellt.
6 ist eine Zeichnung, die einen kapazitiven Sensor 300 gemäß Ausführungsform 3 darstellt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen ein kapazitiver Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
<Ausführungsform 1>
1 ist eine Zeichnung, die die Struktur eines kapazitiven Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1 in Draufsicht darstellt. Nachfolgend werden Beschreibungen gegeben, für die ein XYZ-Koordinatensystem definiert ist. Eine Richtung (X-Richtung) parallel zu der X-Achse, eine Richtung (Y-Richtung) parallel zu der Y-Achse und eine Richtung (Z-Richtung) parallel zu der Z-Achse sind zueinander orthogonal. In der nachstehenden Beschreibung kann der Einfachheit der Erklärung halber außerdem die -Z-Richtungsseite als untere Seite oder unten und die +Z-Richtungsseite als obere Seite oder oben bezeichnet werden. Diese Richtungen stellen jedoch keine generelle Beziehung zwischen oben und unten dar. Außerdem bezieht sich „in Draufsicht“ auf die Betrachtung der XY-Ebene. In der nachstehenden Beschreibung können zum leichteren Verständnis der Struktur die Länge, das Volumen, die Dicke und dergleichen der einzelnen Teile übertrieben dargestellt werden.
Der kapazitive Sensor 100 weist eine obere Platte 101 und eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 auf. Außerdem weist der kapazitive Sensor 100 eine Detektionseinheit und dergleichen auf, wobei die Detektionseinheit eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck einer Fingerspitze des Benutzers oder dergleichen an der oberen Platte 101 detektiert. In 1 sind diese jedoch weggelassen und sind die Struktur der oberen Platte 101 und die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 in Draufsicht dargestellt.
Die obere Platte 101 ist beispielsweise ein plattenförmiges Element, das aus transparentem Glas oder einem Harz hergestellt ist und in Draufsicht eine rechteckige Form hat, wobei sich das Element verformen kann, wenn es von einer oberen Fläche aus gedrückt wird, wobei die obere Fläche eine Betätigungsfläche ist, auf der der Benutzer eine Betätigungseingabe durch Berühren der oberen Fläche mit einer Fingerspitze oder dergleichen durchführt. Der Benutzer kann die obere Fläche der oberen Platte 101 auch nach unten drücken.
Die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 ist auf der Unterflächenseite der oberen Platte 101 angeordnet und in der X- und Y-Richtung in einer Matrix angeordnet. Die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 ist beispielsweise voneinander unabhängig und mit einer später beschriebenen Detektionseinheit und dergleichen durch Drähte verbunden, die nicht dargestellt sind und in Draufsicht dazwischen geführt werden.
In 1 ist die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 transparent dargestellt. Die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 ist aus transparenten Elektroden wie z. B. aus ITO (Indium-Zinn-Oxid) gebildet. Im Übrigen wird hier ein Aspekt beschrieben, bei dem die obere Platte 101 und die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 transparent sind, wobei davon ausgegangen wird, dass ein Anzeigefeld wie etwa mit Flüssigkristall oder organischer EL (Elektrolumineszenz) unter dem kapazitiven Sensor 100 angeordnet ist. Wenn jedoch keine Anzeigeeinrichtung angebracht ist, müssen die obere Platte 101 und die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 nicht transparent sein und müssen lediglich aus einem leitfähigen Material gebildet sein. In diesem Fall kann die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 auch aus Metallplatten oder dergleichen gebildet sein.
2 ist eine Zeichnung, die die Struktur eines Teils des kapazitiven Sensors 100 in Schnittansicht darstellt. In 2 ist die Struktur eines Bereichs in Schnittansicht dargestellt, an dem drei vorderseitige Elektroden 110 in der X-Richtung angeordnet sind. Als Beispiel wird hier ein Aspekt beschrieben, bei dem der Benutzer mit einer Fingerspitze FT eine Betätigungseingabe für den kapazitiven Sensor 100 durchführt. Der Benutzer führt eine Betätigungseingabe aus, indem er die obere Platte 101 mit der Fingerspitze FT berührt (einen Kontakt damit herstellt). In 2 stellt ein umgekehrtes Dreieck im Übrigen Masse dar.
Außer der oberen Platte 101 und den vorderseitigen Elektroden 110 weist der kapazitive Sensor 100 ferner einen elastischen dielektrischen Körper 120, eine Schirmelektrode 130, eine erste Spannungsausgabeeinheit 140A, eine zweite Spannungsausgabeeinheit 140B, eine dritte Spannungsausgabeeinheit 140C und eine Detektionseinheit 150 auf. Außerdem weist der kapazitive Sensor 100 ein Substrat 102 auf.
Von den drei in 2 gezeigten vorderseitigen Elektroden 110 ist die vorderseitige Elektrode 110 in der Mitte eine Detektionselektrode 111 und sind zwei vorderseitige Elektroden 110 auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 Antriebselektroden 112. Die Antriebselektrode 112 ist ein Beispiel für eine Antriebseinheit. Daher wird das Bezugszeichen 110 in Klammern für die Detektionselektrode 111 und die Antriebselektrode 112 angegeben. Außerdem wird in der nachstehenden Beschreibung allgemein auf vorderseitige Elektrode 110 Bezug genommen, wenn die Detektionselektrode 111 und die Antriebselektrode 112 nicht insbesondere voneinander unterschieden werden müssen und auch wenn eine andere vorderseitige Elektrode 110 als die Detektionselektrode 111 und die Antriebselektrode 112 beschrieben wird.
Die Detektionselektrode 111 ist eine Elektrode, die eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT des Benutzers an der oberen Platte 101 detektiert. Der kapazitive Sensor 100 detektiert eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT, indem er sequentiell eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 nacheinander als Detektionselektrode 111 auswählt und eine Kapazität detektiert. Zu dieser Zeit wird die zweite Wechselspannung V_B von der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B über die Detektionseinheit 150 an die Detektionselektrode 111 angelegt. Wenn ein Kontakt oder Druck von der ausgewählten Detektionselektrode 111 detektiert wird, zeigt dies an, dass eine Betätigungseingabe an der Position (Koordinaten) durchgeführt wurde, die dieser Detektionselektrode 111 entspricht.
Auch wenn hier ein Aspekt beschrieben wird, bei dem die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 sequentiell nacheinander als Detektionselektrode 111 ausgewählt wird, können auch zwei oder mehr vorderseitige Elektroden 110, die einander nicht benachbart sind, gleichzeitig als Detektionselektroden 111 ausgewählt werden, um gleichzeitig eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an zwei oder mehr Detektionselektroden 111 zu detektieren. Daher weist die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 eine oder mehrere Detektionselektroden 111 auf.
Die Antriebselektroden 112 sind vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der X-Richtung angeordnet sind. Wenn der kapazitive Sensor 100 sequentiell mehrere vorderseitige Elektroden 110 nacheinander als Detektionselektrode 111 auswählt, wählt der kapazitive Sensor 100 zwei vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der X-Richtung angeordnet sind, als zwei Antriebselektroden 112 aus.
Wenn eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT mit der Detektionselektrode 111 detektiert werden soll, wird die erste Wechselspannung V_A von der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A an die Antriebselektroden 112 angelegt. Die erste Wechselspannung V_A ist eine Wechselspannung mit einer Amplitude von V_A (V). Ferner können, auch wenn hierin ein Aspekt beschrieben wird, bei dem zwei vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der X-Richtung angeordnet sind, als die Antriebselektroden 112 genommen werden, insgesamt auch vier vorderseitige Elektroden 110, die zwei vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der X-Richtung angeordnet sind, und zwei vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der Y-Richtung angeordnet sind, aufweisen, als Antriebselektroden 112 genommen werden.
Wenn die vorderseitige Elektrode 110, die z. B. an einem Ende der X-Richtung positioniert ist, als Detektionselektrode 111 verwendet wird, können zwei vorderseitige Elektroden 110, die auf beiden Seiten der Detektionselektrode 111 in der Y-Richtung positioniert sind, als die beiden Antriebselektroden 112 verwendet werden. Alternativ können auch die vorderseitige Elektrode 110 auf der Seite der Detektionselektrode 111 in der +X-Richtung und die vorderseitige Elektrode 110 auf der Seite der Detektionselektrode 111 in der -Y-Richtung oder +Y-Richtung als die beiden Antriebselektroden 112 verwendet werden. Wenn die vorderseitige Elektrode 110, die an einer Ecke der Mehrzahl der in einer Matrix angeordneten vorderseitigen Elektroden 110 positioniert ist, als Detektionselektrode 111 verwendet wird, reicht es außerdem aus, die vorderseitige Elektrode 110 auf der Seite der Detektionselektrode 111 in der X-Richtung und die vorderseitige Elektrode 110 auf der Seite der Detektionselektrode 111 in der Y-Richtung als zwei Antriebselektroden 112 zu verwenden.
Der elastische dielektrische Körper 120 ist unter einer Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 angeordnet (siehe 1 und 2). Der elastische dielektrische Körper 120 ist ein dielektrischer Körper, der transparent ist und elastisch verformt werden kann. Der elastische dielektrische Körper 120 ist z. B. aus einem Urethanharz gebildet. Der elastische dielektrische Körper 120 ist an einer Position angeordnet, an der er in Draufsicht alle der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 überlappt. Die Dicke des elastischen dielektrischen Körpers 120 in der Z-Richtung ist gleichmäßig. Da der elastische dielektrische Körper 120 elastisch verformt werden kann, verzieht sich der elastische dielektrische Körper 120 und zieht sich zusammen, so dass die Detektionselektrode 111 geringfügig nach unten verschoben wird, wenn der Benutzer mit der Fingerspitze FT in Abwärtsrichtung auf einen Bereich unmittelbar über der Detektionselektrode 111 drückt, wobei der Bereich ein Teil der oberen Fläche der oberen Platte 101 ist.
Die Schirmelektrode 130 ist unter dem elastischen dielektrischen Körper 120 in einem Zustand angeordnet, in dem die Schirmelektrode 130 auf der oberen Oberfläche des Substrats 102 angeordnet ist. Das heißt, die Schirmelektrode 130 ist mit dem elastischen dielektrischen Körper 120 versehen, der zwischen der Schirmelektrode 130 und einer Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 angeordnet ist. Die Schirmelektrode 130 ist angeordnet, um die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 gegen Rauschen abzuschirmen und eine parasitäre Kapazität zwischen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 und Masse zu unterdrücken. Die dritte Wechselspannung V_C, die von der dritten Spannungsausgabeeinheit 140C ausgegeben wird, wird an die Schirmelektrode 130 angelegt. Die Schirmelektrode 130 ist aus einem transparenten leitfähigen Material, wie z. B. einem ITO-Film, gebildet. Außerdem ist das Substrat 102 ein transparentes Substrat, das die Schirmelektrode 130 trägt. Wenn beispielsweise kein Anzeigefeld darunter angebracht ist, können die Schirmelektrode 130 und das Substrat 102, das die Schirmelektrode 130 trägt, auch nicht transparent sein.
Die erste Spannungsausgabeeinheit 140A gibt die erste Wechselspannung V_A an die Antriebselektrode 112 aus. Die erste Spannungsausgabeeinheit 140A ist so strukturiert, dass sie beispielsweise mit allen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 verbunden werden kann. Die erste Spannungsausgabeeinheit 140A ist mit zwei vorderseitigen Elektroden 110 verbunden, die als die Antriebselektroden 112 ausgewählt werden, indem zwischen den Verbindungen der Drähte zu allen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 umgeschaltet wird, und gibt die erste Wechselspannung V_A aus. Im Übrigen gibt, da eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT gleichzeitig durch gleichzeitiges Auswählen von einander nicht benachbarten zwei oder mehr vorderseitigen Elektroden 110 als Detektionselektroden 111 detektiert werden, die erste Spannungsausgabeeinheit 140A die erste Wechselspannung V_A an die Antriebselektroden 112 aus, die mit einer oder mehreren Detektionselektroden 111 gekoppelt sind, wobei Kapazitäten zwischen den Antriebselektroden 112 und den Detektionselektroden 111 vorhanden sind.
Die Detektionseinheit 150 weist eine Operationsverstärkerschaltung (Operationsverstärker) 152 auf, die einen invertierenden Eingangsanschluss (-) hat, der mit einer oder mehreren Detektionselektroden 111 verbunden ist, und einen nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+) hat, an den die zweite Wechselspannung V_B angelegt wird. Die zweite Spannungsausgabeeinheit 140B ist mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 152 in der Detektionseinheit 150 verbunden und gibt die zweite Wechselspannung V_B aus. Die zweite Wechselspannung V_B ist eine Wechselspannung mit einer Amplitude von V_B und ist eine Spannung, die gleich oder niedriger als die erste Wechselspannung V_A ist (V_A ≥ V_B). Die Frequenz der zweiten Wechselspannung V_B ist gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung V_A.
Der invertierende Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers 152 ist über einen Eingangsanschluss 151 der Detektionseinheit 150 mit der Detektionselektrode 111 verbunden. Ein Kondensator 153 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers 152 und auch mit dessen Ausgangsanschluss verbunden. Die Kapazität (elektrostatische Kapazität) des Kondensators 153 ist Cq. Ein Widerstand 154 ist parallel zu dem Kondensator 153 geschaltet. Der Widerstandswert des Widerstands 154 ist Rq. Ein Ausgangsanschluss 155 ist mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 152 verbunden. Eine Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses 155 beträgt V₀. Der Kondensator 153 und der Widerstand 154, die Rückkopplungselemente sind, führen einen Gegenkopplungsvorgang durch. In dem Operationsverstärker 152 wird daher aufgrund eines virtuellen Kurzschlusses die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (-) gleich einer Spannung, die an den nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+) anzulegen ist. Daher wird die zweite Wechselspannung V_B an die Detektionselektrode 111 angelegt. Das heißt, die zweite Spannungsausgabeeinheit 140B gibt die zweite Wechselspannung V_B aus, die an die als Detektionselektrode 111 ausgewählte vorderseitige Elektrode 110 anzulegen ist.
Der Eingangsanschluss 151 der Detektionseinheit 150 ist so strukturiert, dass er beispielsweise mit allen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 verbunden werden kann. Der Eingangsanschluss 151 wird mit der vorderseitigen Elektrode 110 verbunden, die als Detektionselektrode 111 ausgewählt wurde, indem zwischen den Verbindungen von Drähten zu allen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 umgeschaltet wird, und gibt die zweite Wechselspannung V_B aus.
Die dritte Spannungsausgabeeinheit 140C ist mit der Schirmelektrode 130 verbunden und gibt die dritte Wechselspannung aus. Die Amplitude V_C der dritten Wechselspannung Vc ist kleiner als die Amplitude V_B der zweiten Wechselspannung V_B (V_B > Vc) und hat eine Frequenz, die gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung und der zweiten Wechselspannung ist. Die dritte Wechselspannung V_C ist eine Wechselspannung mit einer Amplitude von Vc.
Die Detektionseinheit 150 weist den Eingangsanschluss 151, den Operationsverstärker 152, den Kondensator 153, den Widerstand 154 und den Ausgangsanschluss 155 auf. Die Detektionseinheit 150 detektiert eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT des Benutzers unter Verwendung der Detektionselektrode 111.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Eingangsanschluss 151 so strukturiert, dass er beispielsweise mit allen der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 verbunden werden kann und durch Umschalten zwischen den Drähten mit der ausgewählten Detektionselektrode 111 verbunden wird.
Der Operationsverstärker 152 hat den invertierenden Eingangsanschluss (-), der über den Eingangsanschluss 151 der Detektionseinheit 150 mit der Detektionselektrode 111 verbunden ist, und außerdem den nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+), der mit der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B verbunden ist und in den die zweite Wechselspannung V_B eingegeben wird. Da der Kondensator 153 und der Widerstand 154, die Rückkopplungselemente sind, einen Gegenkopplungsvorgang durchführen, führt der Operationsverstärker 152 eine Verstärkungsoperation so durch, dass die Differenz zwischen der Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (-) und der Spannung des nichtinvertierenden Eingangsanschlusses (+) Null wird. Daher wird die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (-) aufgrund eines virtuellen Kurzschlusses in dem Operationsverstärker 152, der als nichtinvertierende Verstärkerschaltung verwendet wird, gleich einer Spannung, die an den nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+) angelegt wird. Daher wird die zweite Wechselspannung V_B an die Detektionselektrode 111 angelegt.
Hier ist die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 in gleichen Abständen in X-Richtung und Y-Richtung angeordnet und ist zwischen benachbarten vorderseitigen Elektroden 110 eine Kapazität (elektrostatische Kapazität) vorhanden. Das heißt, die Detektionselektrode 111 und die Antriebselektrode 112 sind mit einer dazwischen vorhandenen Kapazität miteinander gekoppelt. Mit anderen Worten ist die Antriebselektrode 112 mit der Detektionselektrode 111 gekoppelt, wobei eine Kapazität dazwischen vorhanden ist. Hier ist eine Kapazität zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 auf der -X-Richtungsseite als Cp1 bezeichnet und eine Kapazität zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 auf der +X-Richtungsseite als Cp2 bezeichnet.
Außerdem ist eine Kapazität (elektrostatische Kapazität), die zwischen der Detektionselektrode 111 und der Fingerspitze FT erzeugt wird, mit Cf bezeichnet. Die Kapazität Cf wird größer, wenn die Fingerspitze FT näher an die Detektionselektrode 111 kommt. Da sich die obere Platte 101 zwischen der Detektionselektrode 111 und der Fingerspitze FT befindet, ist die Kapazität Cf in einem Zustand maximal, in dem die Fingerspitze FT in Kontakt mit einem Bereich an der oberen Fläche der oberen Platte 101 unmittelbar über der Detektionselektrode 111 ist. Selbst wenn mit der Fingerspitze FT eine Druckbetätigung durchgeführt wird, um die obere Platte 101 nach unten zu drücken, bleibt die Kapazität Cf im Wesentlichen die gleiche.
Außerdem ist die Kapazität (elektrostatische Kapazität) zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 mit Cs bezeichnet. Wenn der Benutzer mit der Fingerspitze FT einen Bereich auf der oberen Fläche der oberen Platte 101 unmittelbar über der Detektionselektrode 111 in Abwärtsrichtung drückt, verzieht sich der elastische dielektrische Körper 120 und zieht sich zusammen, wodurch der Abstand d zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 verkürzt wird. Wenn eine Druckbetätigung durchgeführt wird, erhöht sich somit die Kapazität Cs gemäß dem Abstand d zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130.
3 ist eine Zeichnung, die ein Ersatzschaltbild des kapazitiven Sensors 100 darstellt. Da sich die Kapazität Cf gemäß dem Abstand zwischen der Fingerspitze FT und der Detektionselektrode 111 ändert, wird die Kapazität Cf als variable Kapazität angegeben. Da sich die Kapazität Cs gemäß dem Abstand d zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 ändert, wird die Kapazität Cs als variable Kapazität angegeben.
Für den kapazitiven Sensor 100, der eine solche Struktur aufweist, gilt die folgende Gleichung (1). Gleichung (1) ist eine Gleichung, die zwischen der Detektionselektrode 111, der Antriebselektrode 112 und der Schirmelektrode 130 gemäß dem Gesetz der Erhaltung von elektrischer Ladung gilt, und bedeutet, dass eine Spannung, die durch Integration mit dem Kondensator 153 mit der Kapazität Cq erlangt wird, die Ausgangsspannung V₀ ist. Die Kapazität Cp ist im Übrigen Cp1 + Cp2. Wenn vier Antriebselektroden 112 verwendet werden, ist die Kapazität Cp der Gesamtwert der vier Kapazitäten, die zwischen der Detektionselektrode 111 und den vier Antriebselektroden 112 erzeugt werden.
[Gleichung 1] $C_{f} \times V_{B} + (V_{B} - V_{A}) \times C_{p} + (V_{B} - V_{C}) \times C_{s} = C_{q} \times V_{O}$
Wenn Gleichung (1) modifiziert wird, wird die Ausgangsspannung V₀ des Ausgangsanschlusses 155 wie in der folgenden Gleichung (2) dargestellt.
[Gleichung 2] $\frac{c_{f} \times v_{B} + (v_{B} - v_{A}) \times C_{p} + (v_{B} - v_{C}) \times v_{s}}{C_{q}} = V_{O}$
Außerdem ist die Kapazität Cs zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 im Wesentlichen wie in der folgenden Gleichung (3) dargestellt. ε0 ist im Übrigen die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, εr ist die spezifische induktive Kapazität des elastischen dielektrischen Körpers 120, s ist die Fläche der Detektionselektrode 111 und d ist der Abstand (Spalt) zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130. Wenn der Abstand d reduziert wird, erhöht sich die Kapazität Cf.
[Gleichung 3] $C_{s} = ε_{0} ε_{r} \frac{s}{d}$
4 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel für die Wellenformen der ersten Wechselspannung V_A, der zweiten Wechselspannung V_B und der dritten Wechselspannung V_C darstellt. In dem kapazitiven Sensor 100 werden die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc in die Beziehung V_A ≥ V_B > Vc gebracht. Das heißt, die Amplitude der ersten Wechselspannung V_A ist größer oder gleich der Amplitude der zweiten Wechselspannung V_B und die Amplitude der dritten Wechselspannung Vc ist kleiner als die Amplitude der zweiten Wechselspannung V_B.
Hier werden als Beispiel die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung V_C in die Beziehung V_A > V_B > Vc gebracht, wie in 4 dargestellt, so dass sie sich voneinander unterscheiden. Der Grund dafür, dass sie die Beziehung V_A ≥ V_B > V_C haben, wird nachstehend beschrieben.
In Gleichung (2) ändern sich die Kapazität Cf und die Kapazität Cs der Kapazitäten der einzelnen Bereiche gemäß dem Grad der Nähe und dem Grad des Drückens. Um eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 an der Detektionselektrode 111 nur anhand der Ausgangsspannung V₀ zu detektieren, reicht es aus, wenn sich die Ausgangsspannung V₀ in der Reihenfolge der Nähe, des Kontakts und des Drucks erhöht.
Wenn ein Entscheidungsschwellenwert für die Nähe mit V1, ein Entscheidungsschwellenwert für einen Kontakt mit V2 und ein Entscheidungsschwellenwert für das Drücken mit V3 bezeichnet wird, wird angenommen, dass diese die Beziehung V1 < V2 < V3 haben. Dann genügt es, eine Nähe zu detektieren, wenn die Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀ größer oder gleich V1 und kleiner als V2 wird, einen Kontakt zu detektieren, wenn die Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀ größer oder gleich V2 und kleiner als V3 wird, und ein Drücken zu detektieren, wenn die Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀ größer oder gleich V3 wird. Somit können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 gemäß der Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀ detektiert werden.
Im Übrigen wird hier zwar ein Aspekt beschrieben, bei dem die Frequenz der ersten Wechselspannung V_A, die Frequenz der zweiten Wechselspannung V_B und die Frequenz der dritten Wechselspannung V_C einander gleich sind, es genügt jedoch, wenn die Frequenz der ersten Wechselspannung V_A, die Frequenz der zweiten Wechselspannung V_B und die Frequenz der dritten Wechselspannung Vc im Wesentlichen einander gleich sind. Wenn die Frequenz der ersten Wechselspannung V_A, die Frequenz der zweiten Wechselspannung V_B und die Frequenz der dritten Wechselspannung Vc im Wesentlichen einander gleich sind, bedeutet dies, dass die Frequenz der ersten Wechselspannung V_A, die Frequenz der zweiten Wechselspannung V_B und die Frequenz der dritten Wechselspannung V_C eine geringe Differenz in einem Bereich aufweisen, in dem keine Wirkung auf die Detektierung einer Nähe, eines Kontakts und eines Drucks der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 auf der Grundlage der Ausgangsspannung V₀ verursacht wird. Hier erhöht sich der Wert des Terms Cf × V_B in Gleichung (2), wenn sich die Fingerspitze FT der oberen Platte 101 nähert. Damit sich der Term (V_B - V_C) × Cs in Gleichung (2) erhöht, wenn die obere Platte 101 von der Fingerspitze FT gedrückt wird, reicht es aus, wenn gilt: zweite Wechselspannung V_B > dritte Wechselspannung V_C. Somit gilt: Zweite Wechselspannung V_B > dritte Wechselspannung V_C.
Außerdem wird die Wirkung der parasitären Kapazität zwischen der Detektionselektrode 111 und Masse und anderer kapazitiver Kopplungen als einer kapazitiven Kopplung zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 unmittelbar unter der Detektionselektrode 111 dadurch reduziert, dass die an die Antriebselektrode 112 anzulegende erste Wechselspannung V_A größer als die zweite Wechselspannung V_B ist. Wenn die Wirkung der parasitären Kapazität zwischen der Detektionselektrode 111 und Masse gering ist, können außerdem die erste Wechselspannung V_A und die zweite Wechselspannung V_B auch einander gleich sein. Es reicht also aus, wenn gilt: erste Wechselspannung V_B ≥ zweite Wechselspannung V_B.
Durch die Verwendung der Beziehung erste Wechselspannung V_B > zweite Wechselspannung V_B können Erhöhungen des Werts des Terms Cf × V_B in Gleichung (2) und des Werts des Terms (V_B - V_C) × Cs in Gleichung (2) bei dem Prozess, bei dem eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 stattfindet, stabil in der Ausgangsspannung V₀ widergespiegelt werden. Hier ist z.B. die Beziehung erste Wechselspannung V_B > zweite Wechselspannung V_B erfüllt.
Wie vorstehend beschrieben, genügt es, wenn für die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc die Beziehung V_A ≥ V_B > V_C besteht. Durch die Verwendung der ersten Wechselspannung V_A, der zweiten Wechselspannung V_B und der dritten Wechselspannung Vc mit dieser Beziehung können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 durch Verwendung des Entscheidungsschwellenwerts V1 für Nähe, des Entscheidungsschwellenwerts V2 für Kontakt und des Entscheidungsschwellenwerts V3 für Druck, die die Beziehung V1 < V2 < V3 haben, gemäß der Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀, detektiert werden.
Daher ist es möglich, den kapazitiven Sensor 100 bereitzustellen, der eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT (Detektionszielobjekt) an der oberen Platte 101 leicht detektieren kann. Der kapazitive Sensor 100 schaltet zwischen Drähten um, um die erste Spannungsausgabeeinheit 140A und zwei als Antriebselektroden 112 ausgewählte vorderseitige Elektroden 110 miteinander zu verbinden. In einem Zustand, in dem zwischen den Drahtverbindungen umgeschaltet wurde, um den Eingangsanschluss 151 und die als Detektionselektrode 111 ausgewählte vorderseitige Elektrode 110 miteinander zu verbinden, kann der kapazitive Sensor 100 auch eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 gemäß der Ausgangsspannung V₀ des Ausgangsanschlusses 155 der Detektionseinheit 150 detektieren, ohne ein Schaltungsschalten und dergleichen für die ausgewählte Detektionselektrode 111 und die ausgewählten Antriebselektroden 112 durchzuführen.
Da die Signale zur Detektierung einer Nähe, eines Kontakts und eines Drucks in der Ausgangsspannung V₀ zusammengeführt werden, werden außerdem die Drähte zum Verbinden einer Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110, der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A, der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B, der dritten Spannungsausgabeeinheit 140C und der Detektionseinheit 150 minimiert, so dass es auch möglich ist, die Detektionseinheit 150 zu verkleinern. Daher kann der kapazitive Sensor 100 mit einer einfachen Struktur bereitgestellt werden.
Da die Signale zur Detektierung einer Nähe, eines Kontakts und eines Drucks in der Ausgangsspannung V₀ zusammengeführt werden, kann die erforderliche Verarbeitungszeit für die Detektierung einer Nähe, eines Kontakts und eines Drucks auf ein Minimum reduziert werden. Somit kann die Verarbeitungszeit für die Detektierung einer Nähe, eines Kontakts und eines Drucks reduziert werden.
Außerdem werden als Antriebseinheit, an die die erste Wechselspannung V_A angelegt wird, vorderseitige Elektroden 110, die den Detektionselektroden 111 benachbart sind, als Antriebselektroden 112 verwendet, wobei die vorderseitigen Elektroden 110 in einer Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 enthalten sind, wobei die vorderseitigen Elektroden 110 andere sind als die Detektionselektrode 111. Daher kann durch Verwendung der Kapazität Cp zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 gemäß der Ausgangsspannung V₀ detektiert werden. Da die Kapazität Cp zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 verwendet wird, können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 durch Verwendung der Kapazität Cp zwischen benachbarten vorderseitigen Elektroden 110 gemäß der Ausgangsspannung V₀ stabil detektiert werden.
Außerdem weist die Detektionseinheit 150 den Operationsverstärker 152 auf, dessen invertierender Eingangsanschluss mit der Detektionselektrode 111 verbunden ist und an dessen nichtinvertierenden Eingangsanschluss die zweite Wechselspannung V_B angelegt wird, wobei der Operationsverstärker 152 einen Gegenkopplungsvorgang durchführt. Aufgrund eines virtuellen Kurzschlusses in dem Operationsverstärker 152 wird die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses (-) gleich einer an den nichtinvertierenden Eingangsanschluss (+) anzulegenden Spannung, so dass die zweite Wechselspannung V_B an die Detektionselektrode 111 angelegt wird. Daher kann die von der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B ausgegebene zweite Wechselspannung V_B an die als Detektionselektrode 111 ausgewählte vorderseitige Elektrode 110 angelegt werden.
Da die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung V_C Sinuswellen sind, kann durch Verwendung der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A, der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B und der dritten Spannungsausgabeeinheit 140C die Ausgangsspannung V₀ gemäß Gleichung (2) leicht erlangt werden. Außerdem können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 gemäß der auf diese Weise erlangten Ausgangsspannung V₀ stabil detektiert werden.
Im Übrigen ist vorstehend ein Aspekt beschrieben worden, bei dem die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc Sinuswellen sind. Bei der ersten Wechselspannung V_A, der zweiten Wechselspannung V_B und der dritten Wechselspannung Vc, die in diesem Aspekt Sinuswellen sind, kann es sich jedoch auch um Rechteckwellen handeln. Selbst wenn Rechteckwellen anstelle von Sinuswellen verwendet werden, können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 in ähnlicher Weise gemäß der Amplitude V₀ der Ausgangsspannung V₀ detektiert werden. Es reicht aus, Rechteckwellengeneratoren anstelle der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A, der zweiten Spannungsausgabeeinheit 140B und der dritten Spannungsausgabeeinheit 140C zu verwenden.
Außerdem wurde vorstehend von Aspekten, bei denen die Amplitude der ersten Wechselspannung V_A größer oder gleich der Amplitude der zweiten Wechselspannung V_B ist und die Amplitude der dritten Wechselspannung Vc kleiner als die Amplitude der zweiten Wechselspannung V_B ist, ein Aspekt beschrieben, bei dem gilt: erste Wechselspannung V_A, > zweite Wechselspannung V_B > dritte Wechselspannung Vc. Die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc können jedoch z.B. auch in die folgende Beziehung gebracht werden.
Selbst in einem Zustand, in dem keine Fingerspitze FT vorhanden ist, gibt der kapazitive Sensor 100 die Ausgangsspannung V₀ gemäß den Kapazitäten aus, die zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 und einem Objekt in der Umgebung entstehen. Ein solcher Zustand wird als Nichtbetätigungszustand bezeichnet.
Um hier eine Nähe der Fingerspitze FT leicht zu detektieren, wenn die Fingerspitze FT beginnt, aus dem Nichtbetätigungszustand in die Nähe der Detektionselektrode 111 zu kommen, genügt es, den dynamischen Bereich der Kapazität Cf zu erhöhen. Wenn die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc in eine Beziehung gebracht werden, in der sich der Term (V_B - V_A) × Cp und der Term (V_B - V_c) × Cs in Gleichung (2) im Nichtbetätigungszustand gegenseitig aufheben, kann der dynamische Bereich der Kapazität Cf in Gleichung (2) erhöht werden.
Daher können die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung V_C auf solche Amplituden V_A, V_B und V_C eingestellt werden, dass sich der Term (V_B - V_A) × Cp und der Term (V_B - V_C) × Cs im Nichtbetätigungszustand gegenseitig aufheben. Es wird leicht, eine Nähe der Fingerspitze zu der oberen Platte 101 FT im Nichtbetätigungszustand zu detektieren.
Im Übrigen ist vorstehend ein Aspekt beschrieben worden, bei dem eine Mehrzahl von in einer Matrix angeordneten vorderseitigen Elektroden 110, wie in 1 dargestellt, verwendet wird. Die Mehrzahl der in dem kapazitiven Sensor 100 enthaltenen vorderseitigen Elektroden 110 ist jedoch nicht auf eine solche Struktur beschränkt. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 auch so strukturiert sein, dass sie eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der oberen Platte 101 gemäß einer Kapazitätsveränderung zwischen einer Mehrzahl von Elektroden, die sich in der Reihenrichtung (X-Richtung) erstrecken und in der Y-Richtung angeordnet sind, und einer Mehrzahl von Elektroden, die sich in der Spaltenrichtung (Y-Richtung) erstrecken und in der X-Richtung angeordnet sind, detektieren. Bei der Mehrzahl von Elektroden, die sich in der Reihenrichtung (X-Richtung) erstrecken und in der Y-Richtung angeordnet sind, und der Mehrzahl von Elektroden, die sich in der Spaltenrichtung (Y-Richtung) erstrecken und in der X-Richtung angeordnet sind, kann es sich um Elektroden handeln, die in Draufsicht rautenförmig angeordnet sind.
<Ausführungsform 2>
5 ist eine Zeichnung, die einen kapazitiven Sensor 200 gemäß Ausführungsform 2 darstellt. Der kapazitive Sensor 200 weist die Detektionselektrode 111, die Antriebselektrode 112, den elastischen dielektrischen Körper 120, die Schirmelektrode 130, die erste Spannungsausgabeeinheit 140A, die zweite Spannungsausgabeeinheit 140B, die dritte Spannungsausgabeeinheit 140C, die Detektionseinheit 150 und Wahlschalter 261 und 262 auf. Die Wahlschalter 261 und 262 sind ein Beispiel für eine Auswahleinheit, die eine oder mehrere Detektionselektroden 111 aus den vorderseitigen Elektroden 110 auswählt. In 5 sind für die Detektionselektrode 111, die Antriebselektrode 112, den elastischen dielektrischen Körper 120 und die Schirmelektrode 130 Strukturen in Draufsicht in einer XY-Ebene dargestellt. Außerdem ist in 5 die obere Platte 101 weggelassen.
In Ausführungsform 2 wird ein Aspekt beschrieben, bei dem der kapazitive Sensor 200 zwei vorderseitige Elektroden 110 aufweist, von denen die eine als Detektionselektrode 111 und die andere als Antriebselektrode 112 verwendet wird. Im Übrigen werden Bestandteile, die denen des kapazitiven Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1 ähnlich sind, mit identischen Bezugszeichen versehen, und werden Beschreibungen dieser Bestandteile weggelassen.
Die Wahlschalter 261 und 262 sind beide Schalter mit drei Anschlüssen und können die Verbindungsziele der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A und des Eingangsanschlusses 151 zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 umschalten. In 5 ist ein Zustand dargestellt, in dem durch die Wahlschalter 261 und 262 die vorderseitige Elektrode 110 auf der -X-Richtungsseite als Detektionselektrode 111 verwendet wird und mit dem Eingangsanschluss 151 verbunden ist, und die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite als die Antriebselektrode 112 verwendet wird und mit der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A verbunden ist. Wenn die Wahlschalter 261 und 262 jedoch so geschaltet werden, dass die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite mit dem Eingangsanschluss 151 verbunden wird und die vorderseitige Elektrode 110 auf der -X-Richtungsseite mit der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A verbunden wird, kann die vorderseitige Elektrode 110 auf der -X-Richtungsseite als Detektionselektrode 111 und die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite als Antriebselektrode 112 verwendet werden.
Wenn eine Kapazität (elektrostatische Kapazität) zwischen der Detektionselektrode 111 und der Antriebselektrode 112 mit Cp bezeichnet wird, gilt Gleichung (2) wie für den kapazitiven Sensor 100 gemäß Ausführungsform 1. Wenn also die erste Wechselspannung V_A, die zweite Wechselspannung V_B und die dritte Wechselspannung Vc in die Beziehung V_A ≥ V_B > Vc gebracht werden, können somit eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 gemäß der Ausgangsspannung V₀ des Ausgangsanschlusses 155 der Detektionseinheit 150 detektiert werden, wie bei dem kapazitiven Sensor 100 gemäß Ausführungsform 1.
Auch wenn die vorderseitige Elektrode 110 auf der -X-Richtungsseite als Detektionselektrode 111 verwendet wird und die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite als Antriebselektrode 112 verwendet wird, können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 in ähnlicher Weise gemäß der Ausgangsspannung V₀ des Ausgangsanschlusses 155 der Detektionseinheit 150 detektiert werden.
Durch Verwendung der einen der beiden vorderseitigen Elektroden 110 als Detektionselektrode 111 und der anderen als Antriebselektrode 112 können eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 detektiert werden.
Daher ist es möglich, den kapazitiven Sensor 200 bereitzustellen, der eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT (Detektionszielobjekt) an der oberen Platte 101 leicht detektieren kann. Außerdem weist der kapazitive Sensor 200 die Wahlschalter 261 und 262 als Auswahleinheiten auf, die die Detektionselektrode 111 aus den vorderseitigen Elektroden 110 auswählen, und gibt die zweite Spannungsausgabeeinheit 140B die zweite Wechselspannung V_B an die durch die Wahlschalter 261 und 262 ausgewählte Detektionselektrode 111 aus. Wenn die Wahlschalter 261 und 262 als Minimalschaltung hinzugefügt werden und die eine und die andere der beiden vorderseitigen Elektroden 110 selektiv als die Detektionselektrode 111 oder die Antriebselektrode 112 eingestellt werden, können daher eine Nähe, ein Kontakt und ein Druck der Fingerspitze FT (Detektionszielobjekt) an der oberen Platte 101 gemäß der Ausgangsspannung V₀ detektiert werden.
Im Übrigen wurde in Ausführungsform 2 ein Aspekt beschrieben, bei dem die eine der beiden vorderseitigen Elektroden 110 als Detektionselektrode 111 verwendet wird und die andere als Antriebselektrode 112 verwendet wird. Wenn der kapazitive Sensor 200 jedoch beispielsweise drei in der X-Richtung angeordnete vorderseitige Elektroden 110 aufweist, genügt Folgendes. Drei Wahlschalter ähnlich den Wahlschaltern 261 und 262 sind mit den drei vorderseitigen Elektroden 110 verbunden. Wenn die vorderseitige Elektrode 110 auf der -X-Richtungsseite als Detektionselektrode 111 verwendet wird, reicht es aus, die vorderseitige Elektrode 110 in der Mitte in der X-Richtung und die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite als Antriebselektroden 112 zu verwenden, um eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 zu detektieren. Wenn die vorderseitige Elektrode 110 auf der +X-Richtungsseite als Detektionselektrode 111 verwendet wird, ist der umgekehrte Fall ausreichend.
Wenn die vorderseitige Elektrode 110 in der Mitte in der X-Richtung als Detektionselektrode 111 verwendet wird, reicht es aus, die vorderseitigen Elektroden 110 auf der -X-Richtungsseite und auf der +X-Richtungsseite als Antriebselektroden 112 zu verwenden, um eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 zu detektieren. Es ist auch möglich, eine andere der vorderseitigen Elektroden 110 als die Detektionselektrode 111 als Antriebselektrode 120 zu verwenden und die übrigen vorderseitigen Elektroden 110 als schwebende Elektroden zu verwenden.
Wenn die Anzahl der vorderseitigen Elektroden 110 vier oder mehr beträgt, reicht es außerdem aus, eine Mehrzahl von kapazitiven Sensoren 200, wie in 5 dargestellt, bereitzustellen und eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck auf die als Detektionselektrode 111 ausgewählte vorderseitige Elektrode 110 zu detektieren.
<Ausführungsform 3>
6 ist eine Zeichnung, die einen kapazitiven Sensor 300 gemäß Ausführungsform 3 darstellt. Der kapazitive Sensor 300 weist die obere Platte 101, das Substrat 102, die Detektionselektrode 111, den elastischen dielektrischen Körper 120, die Schirmelektrode 130, die erste Spannungsausgabeeinheit 140A, die zweite Spannungsausgabeeinheit 140B, die dritte Spannungsausgabeeinheit 140C, die Detektionseinheit 150, einen Kondensator 370 und einen Anschluss 380 auf.
In Ausführungsform 3 wird ein Aspekt beschrieben, bei dem der kapazitive Sensor 300 eine vorderseitige Elektrode 110 aufweist, die als Detektionselektrode 111 verwendet wird. Außerdem werden Bestandteile, die denen des kapazitiven Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1 ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und Beschreibungen dieser Bestandteile werden weggelassen.
Der Kondensator 370 ist anstelle der Kapazität Cp zwischen der Detektionselektrode 111 und den beiden Antriebselektroden 112 in Ausführungsform 1 angeordnet. Der Kondensator 370 hat eine Kapazität Cp3. Die Kapazität Cp3 ist beispielsweise gleich der Kapazität Cp in Ausführungsform 1.
Der Anschluss 380 ist ein Beispiel für die Antriebseinheit. Der Anschluss 380 ist mit der Kapazität Cp3 verbunden, die sich zwischen dem Anschluss 380 und der Detektionselektrode 111 befindet. Der Anschluss 380 ist in dieser Ausführungsform ein Element, an das die erste Wechselspannung V_A von der ersten Spannungsausgabeeinheit 140A ausgegeben wird, anstelle der beiden Antriebselektroden 112 gemäß Ausführungsform 1.
Die Kapazität Cf zwischen der Detektionselektrode 111 und der Fingerspitze FT und die Kapazität Cs zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 130 sind jeweils ähnlich der Kapazität Cf und der Kapazität Cs gemäß Ausführungsform 1. Daher kann, wie in Ausführungsform 1, die Ausgangsspannung V₀ des Ausgangsanschlusses 155 der Detektionseinheit 150 wie in Gleichung (2) dargestellt werden.
Daher kann der kapazitive Sensor 300 gemäß Ausführungsform 3 eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT an der Detektionselektrode 111 detektieren, wie dies auch bei dem kapazitiven Sensor 100 gemäß Ausführungsform 1 der Fall ist.
Daher ist es möglich, den kapazitiven Sensor 300 bereitzustellen, der eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck der Fingerspitze FT (Detektionszielobjekt) an der oberen Platte 101 leicht detektieren kann.
In Ausführungsform 3 wurde im Übrigen ein kapazitiver Sensor 300 beschrieben, bei dem eine vorderseitige Elektrode 110 als Detektionselektrode 111 verwendet wird. Wenn eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden 110 vorhanden ist, genügt es, eine Mehrzahl von kapazitiven Sensoren 300 gemäß 6 bereitzustellen und jede vorderseitige Elektrode 110 als Detektionselektrode 111 zu verwenden, um eine Nähe, einen Kontakt und ein Drücken auf jede Detektionselektrode 111 zu detektieren.
Soweit wurde der kapazitive Sensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die speziell offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Variationen und Veränderungen sind möglich, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.
Im Übrigen beansprucht diese internationale Anmeldung die Priorität auf Grundlage der am 23. März 2021 eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2021-048247 , deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in diese internationale Anmeldung aufgenommen ist.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300: kapazitiver Sensor
101: obere Platte
102: Substrat
110: vorderseitige Elektrode
111: Detektionselektrode
112: Antriebselektrode
120: elastischer dielektrischer Körper
130: Schirmelektrode
140A: erste Spannungsausgabeeinheit
140B: zweite Spannungsausgabeeinheit
140C: dritte Spannungsausgabeeinheit
150: Detektionseinheit
151: Eingangsanschluss
152: Operationsverstärker
153: Kondensator
154: Widerstand
155: Ausgangsanschluss
261, 262: Wahlschalter
370: Kondensator
380: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014080924 [0003]
JP 2021048247 [0078]

Claims

Kapazitiver Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist: eine oder eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden, die eine oder mehrere Detektionselektroden aufweisen; einen elastischen dielektrischen Körper, der unter der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine Schirmelektrode, die mit dem elastischen dielektrischen Körper versehen ist, der zwischen der Schirmelektrode und der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden angeordnet ist; eine erste Spannungsausgabeeinheit, die eine erste Wechselspannung an eine Antriebseinheit ausgibt, die mit der einen oder den mehreren Detektionselektroden gekoppelt ist, wobei eine Kapazität zwischen der Antriebseinheit und der einen oder den mehreren Detektionselektroden vorhanden ist; eine zweite Spannungsausgabeeinheit, die eine zweite Wechselspannung mit einer Frequenz ausgibt, die im Wesentlichen gleich einer Frequenz der ersten Wechselspannung ist, wobei die zweite Wechselspannung an die eine oder mehreren Detektionselektroden angelegt wird; eine dritte Spannungsausgabeeinheit, die eine dritte Wechselspannung an die Schirmelektrode ausgibt, wobei die dritte Wechselspannung eine Frequenz hat, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der ersten Wechselspannung und der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist; und eine Detektionseinheit, die eine Nähe, einen Kontakt und einen Druck eines Detektionszielobjekts an der einen oder den mehreren Detektionselektroden detektiert; wobei der kapazitive Sensor dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Spannungsausgabeeinheit, die zweite Spannungsausgabeeinheit und die dritte Spannungsausgabeeinheit die erste Wechselspannung, die zweite Wechselspannung bzw. die dritte Wechselspannung so ausgeben, dass eine Amplitude der ersten Wechselspannung größer oder gleich einer Amplitude der zweiten Wechselspannung wird und dass eine Amplitude der dritten Wechselspannung kleiner als die Amplitude der zweiten Wechselspannung wird.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die eine oder die Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden eine Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden ist; und die Antriebseinheit mindestens eine vorderseitige Elektrode ist, die in der Mehrzahl der vorderseitigen Elektroden enthalten ist, wobei die mindestens eine vorderseitige Elektrode eine andere ist als die eine oder mehreren Detektionselektroden.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Auswahleinheit aufweist, die die eine oder mehreren Detektionselektroden aus der einen oder der Mehrzahl von vorderseitigen Elektroden auswählt, wobei der kapazitive Sensor dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Spannungsausgabeeinheit die zweite Wechselspannung an die eine oder mehreren von der Auswahleinheit ausgewählten Detektionselektroden ausgibt.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit eine Operationsverstärkerschaltung aufweist, die einen invertierenden Eingangsanschluss hat, der mit der einen oder den mehreren Detektionselektroden verbunden ist, und auch einen nichtinvertierenden Eingangsanschluss aufweist, an den die zweite Wechselspannung angelegt wird.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Kapazität zwischen der Detektionselektrode und dem Detektionszielobjekt mit Cf bezeichnet wird, eine Kapazität zwischen der Detektionselektrode und der Antriebseinheit mit Cp bezeichnet wird, eine Kapazität zwischen der Detektionselektrode und der Schirmelektrode mit Cs bezeichnet wird, die erste Wechselspannung mit V_A bezeichnet wird, die zweite Wechselspannung mit V_B bezeichnet wird, die dritte Wechselspannung mit V_C, bezeichnet wird, eine Kapazität eines Kondensators, der zwischen einen Ausgangsanschluss der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung und den nichtinvertierenden Eingangsanschluss geschaltet ist, mit Cq bezeichnet wird, und eine Ausgangsspannung des Ausgangsanschlusses mit V₀ bezeichnet wird, die Ausgangsspannung V₀ wie in der folgenden Gleichung (1) dargestellt ist. [Gleichung 1] $V_{O} = \frac{c_{f} \times v_{B} + (v_{B} - v_{A}) \times c_{p} + (v_{B} - v_{C}) \times c_{s}}{c_{q}}$
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der ersten Wechselspannung, die Amplitude der zweiten Wechselspannung und die Amplitude der dritten Wechselspannung auf solche Amplituden V_A, V_B und Vc eingestellt sind, dass ein Term (V_B - V_A) × Cp und ein Term (V_B - Vc) × Cs in der Gleichung (1) sich in einem Zustand, in dem keine Nähe, kein Kontakt und kein Drücken durch das Detektionszielobjekt stattfindet, gegenseitig aufheben.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung, die zweite Wechselspannung und die dritte Wechselspannung Sinuswellen sind.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung, die zweite Wechselspannung und die dritte Wechselspannung Rechteckwellen sind.