JP2009080008A - センサ装置、及びこれを用いたセンサシステムと電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の検出対象の近接を確実に検出することが可能なセンサ装置及びこのセンサ装置を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】部材１０及び２０を近接状態にしたとき、信号伝送用電極１１の設置部位の電荷により信号伝送用電極２１の設置部位に電荷が誘起され、信号伝送用電極２１に短絡されている信号伝送用電極２２の設置部位に電荷が誘起される。そして、信号伝送用電極２２の設置部位に誘起される電荷に応じた電荷が検知用電極１２の設置部位で誘起される。一方、検知用電極１３の設置部位は、部材１０及び２０の近接に伴い、参照用電極と近接し、接地される。これにより、検知用電極１２及び１３の設置部位には、互いに異なった電荷が誘起されることとなる。そして、差動増幅器４０で、これらの電荷の差を増幅して出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ装置、及びこれを用いたセンサシステムと電子機器に関する。

近年、物体の近接を検出するセンサとして、静電容量検出型の近接センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この静電容量検出型センサは、近接を検出する第１の部材と検出対象となる第２の部材とを備え、非接触で第２の部材の近接を検出することが可能である。

しかしながら、特許文献１の静電容量検出型センサは、基本的に第１の部材に対する全ての物体の近接を検出するものであり、第２の部材のみを検出することは困難である。例えば、第２の部材が蓋やドアである場合、静電容量検出型センサは蓋やドアの近接のみを検出すべきであるが、蓋やドア以外の物体の近接も検出してしまう。
国際公開第２００４／０５９３４３号公報

以上のように、従来の静電容量検出型センサでは、検出対象のみの近接を確実に検出することは困難であった。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、検出対象の近接を確実に検出することが可能なセンサ装置及びこのセンサ装置を用いたセンサシステムと電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るセンサ装置は、近接時にそれぞれの表面が互いに対向する絶縁性の第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置であって、 電気信号を発生する第１の信号源と、前記第１の部材の表面の第１部位に設けられ、前記電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極と、前記第２の部材の表面の第２部位に設けられ、前記第１の電極が近接したとき前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第２部位に誘起させる第２の電極と、前記第２の部材の表面の第３部位に設けられ、かつ前記第２の電極と接続され、前記第２部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第３部位に誘起させる第３の電極と、前記第１の部材の表面の第４部位に設けられ、前記第３の電極が近接したとき前記第３部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第４部位に誘起させる第４の電極と、前記第２の部材の表面の第５部位に設けられ、基準電位点に接続された参照用電極と、前記第１の部材の表面の第６部位に設けられ、前記参照用電極が近接したとき前記第５部位に保持される電荷に応じた電荷を前記第６部位に誘起させる第５の電極と、前記第４の電極と前記第５の電極との電位差を増幅して前記位置関係に応じた差信号を出力する差動増幅器とを具備する。

また、本発明に係る電子機器は、第１の部材と、第２の部材と、当該両部材の位置関係を検出するセンサ装置とを具備する電子機器であって、前記センサ装置は、電気信号を発生する第１の信号源と、前記第１の部材の表面の第１部位に設けられ、前記電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極と、前記第２の部材の表面の第２部位に設けられ、前記第１の電極が近接したとき前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第２部位に誘起させる第２の電極と、前記第２の部材の表面の第３部位に設けられ、かつ前記第２の電極と接続され、前記第２部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第３部位に誘起させる第３の電極と、前記第１の部材の表面の第４部位に設けられ、前記第３の電極が近接したとき前記第３部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第４部位に誘起させる第４の電極と、前記第２の部材の表面の第５部位に設けられ、基準電位点に接続された参照用電極と、前記第１の部材の表面の第６部位に設けられ、前記参照用電極が近接したとき前記第５部位に保持される電荷に応じた電荷を前記第６部位に誘起させる第５の電極と、前記第４の電極と前記第５の電極との電位差を増幅して前記位置関係に応じた差信号を出力する差動増幅器とを具備する。

本発明によれば、特定の検出対象の近接を確実に検出することが可能となる。また、本発明では検出対象である第２の部材が能動素子を備えていなくとも、このような検出が可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る第１の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す模式図である。図１に示したセンサ装置は、絶縁性の第１の部材１０と第２の部材２０との位置関係、すなわち部材１０及び２０が近接しているか離隔しているか等を検出するものである。

第１の部材１０には、第１の信号伝送用電極１１と、第１の検知用電極１２と、第２の検知用電極１３とが隣接して設けられている。信号伝送用電極１１には、交流電源３０が接続されており、交流電源３０から信号伝送用電極１１に電荷が供給される。なお、ここでは、交流電源３０を利用しているが、用途や検出精度に応じて固定電荷や直流電源を用いてもよい。

第２の部材２０には、第２の信号伝送用電極２１と、第３の信号伝送用電極２２と、参照用電極２３とが隣接して設けられている。信号伝送用電極２１と信号伝送用電極２２とは短絡されている。参照用電極２３は、グラウンドに接続されている。

部材１０及び２０が近接状態のときには、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが対向し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが対向し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが対向する。つまり、部材１０及び２０が離隔状態から近接状態になると、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが近接し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが近接し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが近接する。

その結果、部材２０における信号伝送用電極２１の設置部位には部材１０における信号伝送用電極１１の設置部位に保持された電荷に応じた電荷が誘起される。信号伝送用電極２１の設置部位に電荷が誘起されると、信号伝送用電極２１と信号伝送用電極２２との間の短絡のため、部材２０における信号伝送用電極２２の設置部位には信号伝送用電極２１の設置部位に保持される電荷に対応した電荷が誘起される。信号伝送用電極２２の設置部位に電荷が誘起されると、部材１０における検知用電極１２の設置部位には、信号伝送用電極２２の設置部位で保持される電荷に応じた電荷が誘起される。また、部材１０における検知用電極１３の設置部位は、グラウンドと接続された参照用電極２３との近接により、アースされる。したがって、部材１０における検知用電極１２の設置部位と検知用電極１３の設置部位とには、互いに異なった電荷が誘起される。

検知用電極１２及び１３には、差動増幅器４０が接続されている。部材１０及び２０が近接状態のときには、検知用電極１２及び１３の電位差、すなわち差動増幅器４０の２つの入力端子の電位差が増幅されるため、差動増幅器４０からは大きな差信号が出力される。一方、部材１０及び２０が離隔状態のときには、検知用電極１２及び１３の電位差はゼロ（或いは殆どゼロ）であるため、差動増幅器４０から出力される差信号はゼロ（或いは殆どゼロ）である。

なお、部材１０及び２０が近接状態のときの信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３との距離は、センサを適用する機器に応じて変動する。また、検知用電極１２の設置部位及び信号伝送用電極２１の設置部位に誘起される電荷は、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２と、信号伝送用電極２１，２２との距離に応じて変動する。したがって、センサを適用する機器に応じた最適な検出ができるように、信号伝送用電極１１の設置部位に保持される電荷を可変にできるようにすることが望ましい。具体的には、交流電源３０を可変電圧電源とすることが望ましい。このように、信号伝送用電極１１の設置部位に保持させる電荷を可変にすることで、的確な感度調整を行うことができ、検出精度を向上させることができる。

また、的確な感度調整を行うという観点から、差動増幅器４０のゲインを可変にできるようにしてもよい。

また、検出感度を高める観点から、検知用電極１２と差動増幅器４０との間に増幅回路を設けてもよい。

なお、差動増幅器４０から出力される差信号を二値論理信号として扱うことも可能である。つまり、部材１０及び２０が離隔状態の場合には、差動増幅器４０から出力される差信号がゼロ（或いは殆どゼロ）であることを利用し、この状態を論理値“０”として扱う。一方、部材１０及び２０が近接状態の場合には、差動増幅器４０からは大きな差信号が出力されることを利用し、この大きな差信号を論理値“１”として扱うことが可能である。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置を各種開閉機器へ搭載させた場合の電極配置の実装イメージを示す模式図である。第１の部材１０の表面には、第１の信号伝送用電極１１と、第１の検知用電極１２と、第２の検知用電極１３とが隣接して設けられている。また、第２の部材２０の表面には、第２の信号伝送用電極２１と、第３の信号伝送用電極２２と、参照用電極２３とが隣接して設けられている。

第１の部材１０と第２の部材２０とが閉状態であるときは、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが対向し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが対向し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが対向する。つまり、部材１０及び２０が開状態から閉状態になると、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが近接し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが近接し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが近接することとなる。

なお、図１及び図２に示した例では、部材１０に１つの信号伝送用電極１１及び２つの検知用電極１２，１３を備えさせ、部材２０に２つの信号伝送用電極２１，２２及び１つの参照用電極２３を備えさせることにより、センサは構成されている。しかし、部材１０に２つ以上の信号伝送用電極と３つ以上の検知用電極を備えさせ、部材２０に３つ以上の信号伝送用電極と２つ以上の参照用電極とを備えさせることにより、センサを構成しても良い。以下、具体的な例について示す。

図３及び図４は、図１に示した検出ユニット（部材１０に備えられる信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、部材２０に備えられる信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３）を複数設けた例である。図３は主として電極配置を示した図であり、図４は主として回路構成を示した図である。

図３及び図４に示すように、信号伝送用電極１１ａ、検知用電極１２ａ，１３ａ、信号伝送用電極２１ａ，２２ａ、参照用電極２３ａ、及び差動増幅器４０ａによって第１の検出ユニットが構成される。また、信号伝送用電極１１ｂ、検知用電極１２ｂ，１３ｂ、信号伝送用電極２１ｂ，２２ｂ、参照用電極２３ｂ、及び差動増幅器４０ｂによって第２の検出ユニットが構成される。また、信号伝送用電極１１ｃ、検知用電極１２ｃ，１３ｃ、信号伝送用電極２１ｃ，２２ｃ、参照用電極２３ｃ、及び差動増幅器４０ｃによって第３の検出ユニットが構成される。差動増幅器４０ａと、差動増幅器４０ｂと、差動増幅器４０ｃとは出力信号生成部５０に接続されている。以下、出力信号生成部５０の例について説明する。

第１の例では、出力信号生成部５０は、差動増幅器の全てから差信号が生じたときに出力信号を生成する。すなわち、出力信号生成部５０は、ＡＮＤ回路として機能する。図３及び図４に示した例では、差動増幅器４０ａ，４０ｂ，４０ｃの全てで差信号が生じたときに出力信号が生成される。このような構成を採用することにより、誤動作を防止することが可能であり、検出対象の近接を確実に検出することが可能となる。

第２の例では、出力信号生成部５０は、差動増幅器の少なくとも１つで差信号が生じたときに出力信号を生成する。すなわち、出力信号生成部５０は、ＯＲ回路として機能する。図３及び図４に示した例では、差動増幅器４０ａ，４０ｂ，４０ｃの少なくとも一方で差信号が生じたときに出力信号が生成される。このような構成を採用することにより、１つの検出ユニットで正常な検出動作ができない場合でも、他の検出ユニットで正常な検出動作ができれば、センサ全体として正常な検出動作を確保することができる。したがって、検出対象の近接を確実に検出することが可能となる。

図５及び図６も、図１に示した検出ユニット（部材１０に備えられる信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、部材２０に備えられる信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３）を複数設けた例である。図５は主として電極配置を示した図であり、図６は主として回路構成を示した図である。

図５及び図６に示すように、信号伝送用電極１１、検知用電極１２，１３ａ、信号伝送用電極２１，２２、参照用電極２３ａ及び差動増幅器４０ａによって１つの検出ユニットが構成され、信号伝送用電極１１、検知用電極１２，１３ｂ、信号伝送用電極２１，２２、参照用電極２３ｂ及び差動増幅器４０ｂによって他の１つの検出ユニットが構成される。差動増幅器４０ａ及び差動増幅器４０ｂは出力信号生成部５０に接続されている。出力信号生成部５０については、すでに図３及び図４で説明した例と同様である。すなわち、出力信号生成部５０は、ＡＮＤ回路或いはＯＲ回路として機能させることができ、図３及び図４で説明した例と同様の効果を得ることができる。

さらに、図７及び図８も、図１に示した検出ユニット（部材１０に備えられる信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、部材２０に備えられる信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３）を複数設けた例である。図７は主として電極配置を示した図であり、図８は主として回路構成を示した図である。

図７及び図８に示すように、信号伝送用電極１１ａ、検知用電極１２ａ，１３、信号伝送用電極２１ａ，２２ａ、参照用電極２３及び差動増幅器４０ａによって１つの検出ユニットが構成され、信号伝送用電極１１ｂ、検知用電極１２ｂ，１３、信号伝送用電極２１ｂ，２２ｂ、参照用電極２３及び差動増幅器４０ｂによって他の１つの検出ユニットが構成される。差動増幅器４０ａ及び差動増幅器４０ｂは出力信号生成部５０に接続されている。出力信号生成部５０については、すでに図３及び図４で説明した例と同様である。すなわち、出力信号生成部５０は、ＡＮＤ回路或いはＯＲ回路として機能させることができ、図３及び図４で説明した例と同様の効果を得ることができる。

また、図１に示す検出ユニットは、図９のように構成しても同様に実施可能である。このとき、第１の部材１０には、第１の信号伝送用電極１１と、第１の検知用電極１２と、第２の検知用電極１３と、第３の検知用電極１４とが隣接して設けられている。信号伝送用電極１１には、交流電源３０が接続されており、交流電源３０から信号伝送用電極１１に電荷が供給される。検知用電極１２及び１３には、差動増幅器４０が接続されている。また、検知用電極１３及び１４には、第２の差動増幅器４１が接続されている。

第２の部材２０には、第２の信号伝送用電極２１と、第３の信号伝送用電極２２と、第４の信号伝送用電極２４と、参照用電極２３とが隣接して設けられている。信号伝送用電極２１と、信号伝送用電極２２と、信号伝送用電極２４とは短絡されている。参照用電極２３は、グラウンドに接続されている。

部材１０及び２０が近接状態のときには、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが対向し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが対向し、また、検知用電極１４と信号伝送用電極２４とが対向し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが対向する。つまり、部材１０及び２０が離隔状態から近接状態になると、信号伝送用電極１１と信号伝送用電極２１とが近接し、また、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが近接し、また、検知用電極１４と信号伝送用電極２４とが近接し、また、検知用電極１３と参照用電極２３とが近接する。

図１０及び図１１は、図９に示す検出ユニット（第１の信号伝送用電極１１、第１の検知用電極１２、第２の検知用電極１３、第３の検知用電極１４、第２の信号伝送用電極２１、第３の信号伝送用電極２２、第４の信号伝送用電極２４、参照用電極２３、差動増幅器４０、第２の差動増幅器４１）を複数設けた例である。図１０は主として電極配置を示した図であり、図１１は主として回路構成を示した図である。

図１０及び図１１に示すように、信号伝送用電極１１ａ、検知用電極１２ａ〜１４ａ、信号伝送用電極２１ａ，２２ａ，２４ａ、参照用電極２３ａ及び差動増幅器４０ａ，４１ａによって１つの検出ユニットが構成され、信号伝送用電極１１ｂ、検知用電極１２ｂ〜１４ｂ、信号伝送用電極２１ｂ，２２ｂ，２４ｂ、参照用電極２３ｂ及び差動増幅器４０ｂ，４１ｂによって他の１つの検出ユニットが構成される。差動増幅器４０ａ，４１ａ及び差動増幅器４０ｂ，４１ｂは出力信号生成部５０に接続されている。出力信号生成部５０については、すでに図３及び図４で説明した例と同様である。すなわち、出力信号生成部５０は、ＡＮＤ回路或いはＯＲ回路として機能させることができ、図３及び図４で説明した例と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る図１及び図２のセンサ装置の具体的な構成例について説明する。

図１２は、センサ装置の第１の構成例を模式的に示した図である。図１２（ａ）は信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３の構成例を示し、図１２（ｂ）は信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３の構成例を示す。

図１２（ａ）では、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、ＩＣで構成された回路部６２とを同一の基板６１上に配置している。すなわち、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、回路部６２とは、同一平面上に設けられている。回路部６２内には、差動増幅器４０（図１及び２参照）等の各種の回路が含まれている。信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、回路部６２とはワイヤー６３によって接続されている。このように、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、回路部６２とを同一の基板６１上に配置する（同一平面上に設ける）ことにより、コンパクトな実装を行うことができる。なお、回路部６２は必要に応じて別の基板に設けることも可能である。

図１２（ｂ）では、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３を同一の基板６４上に配置している。すなわち、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３は、同一平面上に設けられている。

これらの基板が上述した部材１０及び２０に搭載されて、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３が部材１０の表面に設けられ、また、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３が部材２０の表面に設けられることとなる。

図１３は、第２の構成例を模式的に示した図である。本例では、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３は、ＩＣで構成された回路部７１の少なくとも一部を覆うように配置されている。回路部７１内には、差動増幅器４０（図１及び２参照）等の各種の回路が含まれている。信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と、回路部７１とはワイヤー７２によって接続されている。また、回路部７１及びワイヤー７２は、モールド樹脂７３によって覆われている。このように、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３が回路部７１の少なくとも一部を覆うように配置されているため、実装面積を低減することができ、コンパクトな実装を行うことができる。

また、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３は、図１３に示すように、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３と対向した同一平面上に設けられている。また、信号伝送用電極２１と信号伝送用電極２２とを結ぶワイヤー７４は、モールド樹脂７３によって覆われている。

なお、図１３に示した例では、モールド樹脂７３のパッケージの外側に信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３を設けるようにしたが、パッケージ内に設けるようにしてもよい。このような構成を採用することで、よりコンパクトな実装を行うことができる。

図１４は、第３の構成例を模式的に示した図である。本例も、部材１０における信号伝送用電極８４が回路部８２の少なくとも一部を覆うように配置されている。具体的には、基板８１上に回路部８２を配置し、回路部８２をモールド樹脂８３で覆っている。モールド樹脂８３上には、信号伝送用電極８４がメッキ法によって形成されている（実際には、検知用電極１２，１３も同様に形成されている）。モールド樹脂８３には穴が形成されており、この穴を通して信号伝送用電極８４と回路部８２のパッド８５が電気的に接続されている。この構成例でも、信号伝送用電極８４が回路部８２の少なくとも一部を覆うように配置されているため、実装面積を低減することができ、コンパクトな実装を行うことができる。

図１５は、第４の構成例を模式的に示した図である。本例も、部材１０における信号伝送用電極９４が回路部９２の少なくとも一部を覆うように配置されている。具体的には、半導体基板（例えばシリコン基板）９１上に、通常の集積回路形成技術によって回路部９２が形成され、回路部９２を絶縁膜９３で覆っている。絶縁膜９３上には、信号伝送用電極９４が形成されている（実際には、検知用電極１２，１３も同様に形成されている）。絶縁膜９３にはヴィアホールが形成されており、ヴィアホール内に形成された導電部９５によって、信号伝送用電極９４と回路部９２とが電気的に接続されている。本構成例でも、信号伝送用電極９４が回路部９２の少なくとも一部を覆うように配置されているため、実装面積を低減することができ、コンパクトな実装を行うことができる。

図１６及び図１７は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置を角度検出センサとして用いた場合の例の模式図を示す。図１６は断面図であり、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は平面図である。

図１６及び図１７（ａ）に示すように、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３からなる複数の第１の電極グループが、第１の部材１０の一端から他端に向かって配置されている。同様に、図１６及び図１７（ｂ）に示すように、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３からなる複数の第２の電極グループが第２の部材２０の一端から他端に向かって配置されている。また、第１の部材１０の一端と第２の部材２０の一端とが接続されている。そして、第１の部材１０と第２の部材２０との接続点Ｐを回転中心として、第１の部材１０と第２の部材２０とが矢印の方向に相対的に回転可能である。

図１６及び図１７からわかるように、部材１０と部材２０とのなす角度θが小さくなるにしたがって、オン状態（近接検出状態）となる第１の電極グループ（１１、１２、１３）の数が増加する。したがって、各第１の電極グループ（１１、１２、１３）のオン／オフ状態と角度θとの関係を予め求めておけば、各第１の電極グループ（１１、１２、１３）のオン／オフ状態から角度θを測定することが可能である。したがって、第２の電極グループ（２１、２２、２３）及び第１の電極グループ（１１、１２、１３）の個数を増やせば、アナログ的に角度θを測定することができ、簡単な構成で角度検出装置を構成することが可能である。

また、図１８〜図２１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの構成例を示した図である。携帯通信端末としては携帯電話を想定している。

図１８〜図２１において、部材１０は携帯電話の下側部材に対応し、部材２０は携帯電話の上側部材に対応する。電極配置領域１００に信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３が配置され、電極配置領域２００に信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３が配置されている。また、部材１０及び部材２０には、通信機能部が設けられている。

図１８は、開閉式の携帯電話を示している。部材１０及び２０が矢印の方向に移動し、電極配置領域１００と電極配置領域２００とが近接したときに、部材１０及び２０の閉状態が検出される。

図１９は、スライド式の携帯電話を示している。部材１０及び２０が矢印の方向に移動し、電極配置領域１００と電極配置領域２００とが近接したときに、部材１０及び２０の閉状態が検出される。

図２０は、回転式の携帯電話を示している。部材１０及び２０が矢印の方向に回転し、電極配置領域１００と電極配置領域２００とが近接したときに、部材１０及び２０の閉状態が検出される。

図２１は、回転式の携帯電話を示している。部材１０及び２０が矢印の方向に回転し、電極配置領域１００と電極配置領域２００とが近接したときに、部材１０及び２０の回転状態が検出される。

なお、ここではセンサ装置を携帯電話等の携帯通信端末の開閉検出に適用する場合を詳細に説明したが、本センサ装置は、携帯通信端末の他に、パーソナルコンピュータ、冷蔵庫、オーブンレンジ、ドア等の電子機器の開閉検出に適用することも可能である。

以上のように、本実施形態では、部材１０及び２０を閉状態にしたとき、信号伝送用電極１１の設置部位の保持電荷により信号伝送用電極２１の設置部位に電荷が誘起され、信号伝送用電極２１に短絡されている信号伝送用電極２２の設置部位に電荷が誘起される。参照用電極２３は接地されているため、ここでは、信号伝送用電極２２の設置部位及び参照用電極２３の設置部位には、互いに異なった電荷が保持されることになる。これにより、部材１０及び２０を閉状態にしたときに、検知用電極１２及び１３の設置部位に互いに異なった電荷を誘起することができる。すなわち、部材１０と部材２０との位置関係の変動に伴って、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが近接し、検知用電極１３と参照用電極２３とが近接したときに、検知用電極１２，１３の設置部位に互いに異なった電荷を誘起することができる。したがって、誘起された電荷の差信号により、部材１０及び２０の開閉状態を確実に検出することができる。

また、検知用電極１２，１３に信号伝送用電極２２及び参照用電極２３以外の物体が近接した場合には、検知用電極１２，１３の設置部位には同等の電荷が誘起される。そのため、検知用電極１２の設置部位に誘起された電荷と検知用電極１３の設置部位に誘起された電荷との間には差は生じない。したがって、検知用電極１２，１３への信号伝送用電極２２及び参照用電極２３の近接のみを確実に検出することができる。

また、検知用電極１３と参照用電極２３とが近接する場合、検知用電極１３の設置部位の電荷は、ほぼゼロとなるため、ノイズが発生した場合でも、検知用電極１２の電荷との間と差を取ることが可能となる。したがって、ノイズが発生する場合でも部材１０及び２０の開閉状態を確実に検出することができる。

また、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２，１３を同一平面上に配置することができ、信号伝送用電極２１，２２及び参照用電極２３を同一平面上に配置することができる。これにより、電極の配置領域を増大させることなく、開閉状態を確実に検出することができる。また、部材２０には、ＩＣで構成された回路部が必要ない。これにより、センサ装置の配置領域をより縮小させることができる。したがって、本実施形態によれば、コンパクトな構成で、特定の検出対象の近接のみを確実に検出することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、図２２を参照して本発明に係る第２の実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態に係るセンサ装置は、基本的に第１の実施形態と同じ構成であるのでその説明を省略し、ここでは異なる部分について説明する。

図２２は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略図である。図２２に示されるセンサ装置は、第１の部材（例えば、図１及び図２等に示した部材１０に対応）と第２の部材（例えば、図１及び図２等に示した部材２０に対応）との位置関係（近接及び離隔状態等）を検出するものである。

第１の部材１０には、信号伝送用電極１１と、第１の検知用電極１２と、第２の検知用電極１３とが設けられている。このとき、電極誘起電極１３は、信号伝送用電極１１及び検知用電極１２を取り囲むように配置されている。信号伝送用電極１１には、交流電源３０が接続されており、交流電源３０から信号伝送用電極１１に電荷が供給される。

第２の部材２０には、信号伝送用電極２１と、信号伝送用電極２２と、参照用電極２３とが設けられている。このとき、参照用電極２３は、信号伝送用電極２１及び信号伝送用電極２２を取り囲むように配置されている。信号伝送用電極２１と信号伝送用電極２２とは短絡されている。また、参照用電極２３は、グラウンドに接続されている。

以上のように、上記第２の実施形態は、グラウンドに接続された参照用電極２３で信号伝送用電極２１と信号伝送用電極２２とを取り囲むように配置するようにしている。これにより、信号伝送用電極１１の電界の検知用電極１２への漏れ等を低減することが可能となる。

したがって、信号伝送用電極１１から検知用電極１２へ電界が漏れるのを防ぐことができるため、部材１０と部材２０との近接をより正確に検知することが可能となる。

（第３の実施形態）
以下、図２３を参照して本発明に係る第３の実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態に係るセンサ装置は、基本的に第１の実施形態と同じ構成であるのでその説明を省略し、ここでは異なる部分について説明する。

図２３は、本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略図である。図２３に示されるセンサ装置は、第１の部材（例えば、図１及び図２等に示した部材１０に対応）と第２の部材（例えば、図１及び図２等に示した部材２０に対応）との位置関係（近接及び離隔状態等）を検出するものである。

第１の部材１０には、信号伝送用電極１１と、第１の検知用電極１２と、第２の検知用電極１３とが隣接して設けられている。信号伝送用電極１１には、周波数ｆ１の交流信号を印加する交流電源３１が接続されている。また、検知用電極１２には、第２の周波数ｆ２の交流信号を印加する交流電源３２が接続されている。ここで、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差は、周波数ｆ１及びｆ２に比べて十分に小さい。Ｒ１は入力抵抗である。

第１の部材１０と第２の部材２０とが近接状態になると、検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが互いに近接する。その結果、検知用電極１２の設置部位では、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差に対応したビートが発生する。

検知用電極１２及び１３には、差動増幅器４０が接続されている。部材１０及び２０が近接状態の場合、差動増幅器４０に入力するビートとグラウンドとの差は、一定値よりも大きくなるため、差動増幅器４０からは大きな差信号が出力される。作動増幅器４０から出力される差信号のビート周波数成分は、ビート検出部４２によって検出される。ビート検出部４２は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４２１及びコンパレータ４２２によって構成されている。すなわち、ＬＰＦ４２１によってビート周波数成分が抽出され、ＬＰＦ４２１で抽出されたビート周波数成分の値がリファレンス電圧値よりも大きければ、コンパレータ４２２からビート検出信号が出力される。

以上のように、上記第３の実施形態では、部材１０と部材２０との位置関係の変動に伴って検知用電極１２と信号伝送用電極２２とが近接したときに、ビート周波数成分を有した差信号が発生する。したがって、ビート検出部４２によってビート周波数成分を検出することで、第１の部材と第２の部材との位置関係（開閉状態等）を確実に検出することができる。

また、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との差に対応したビート周波数成分を検出するため、検知用電極１２と信号伝送用電極２２との近接のみを確実に検出することができる。したがって、コンパクトな構成で、特定の検出対象の近接のみを確実に検出することが可能となる。

なお、特開２００３−４３０７８では、一定周波数のキャリア信号を可変容量センサによって振幅変調させ、包絡線検波を行うことによって加速度を検出する機構について述べており、２つの信号の位相を調整する機構を必要とする。しかし、本発明の第３の実施形態における構成では周波数差をビートをとして検出することにより、位相を調整する機構を省略することが可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係るセンサ装置の第１の実施形態の概略構成を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を各種開閉機器へ搭載させた場合の模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の電極配置の変更例を示した模式図。 図３のセンサ装置に適用する回路の構成例を示したブロック図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の電極配置の変更例を示した模式図。 図５のセンサ装置に適用する回路の構成例を示したブロック図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の電極配置の変更例を示した模式図。 図７のセンサ装置に適用する回路の構成例を示したブロック図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の概略構成の変更例を示す模式図。 図９のセンサ装置の電極の配置例を示した模式図。 図１０のセンサ装置に適用する回路の構成例を示したブロック図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の具体的な構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の具体的な構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の具体的な構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置の具体的な構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を角度検出センサとして用いた場合の例を示す断面図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を角度検出センサとして用いた場合の例を示す平面図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの構成例を示す模式図。 上記第１の実施形態のセンサ装置を携帯通信端末に適用したときの構成例を示す模式図。 本発明に係るセンサ装置の第２の実施形態の概略構成を示す模式図。 本発明に係るセンサ装置の第３の実施形態の概略構成を示す模式図。

符号の説明

１０…第１の部材
１１，１１ａ，１１ｂ…第１の信号伝送用電極
１２，１２ａ，１２ｂ…第１の検知用電極
１３，１３ａ，１３ｂ…第２の検知用電極
１４，１４ａ，１４ｂ…第３の検知用電極
２１，２１ａ，２１ｂ…第２の信号伝送用電極
２２，２２ａ，２２ｂ…第３の信号伝送用電極
２３，２３ａ，２３ｂ…参照用電極
２４，２４ａ，２４ｂ…第４の信号伝送用電極
３０，３１，３２…交流電源
４０，４０ａ，４０ｂ…差動増幅器
４１，４１ａ，４１ｂ…第２の差動増幅器
４２…ビート検出部
４２１…ＬＰＦ
４２２…コンパレータ
６１，６４，８１…基板
６２，７１，８２，９２…回路部
６３，７２，７４…ワイヤー
７３，８３…モールド樹脂
８４，９４…信号伝送用電極
８５…パッド
９１…半導体基板
９３…絶縁膜
９５…導電部
１００，２００…電極配置領域

Claims (17)

1. 近接時にそれぞれの表面が互いに対向する絶縁性の第１の部材及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置であって、
   電気信号を発生する第１の信号源と、
   前記第１の部材の表面の第１部位に設けられ、前記電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極と、
   前記第２の部材の表面の第２部位に設けられ、前記第１の電極が近接したとき前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第２部位に誘起させる第２の電極と、
   前記第２の部材の表面の第３部位に設けられ、かつ前記第２の電極と接続され、前記第２部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第３部位に誘起させる第３の電極と、
   前記第１の部材の表面の第４部位に設けられ、前記第３の電極が近接したとき前記第３部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第４部位に誘起させる第４の電極と、
   前記第２の部材の表面の第５部位に設けられ、基準電位点に接続された参照用電極と、
   前記第１の部材の表面の第６部位に設けられ、前記参照用電極が近接したとき前記第５部位に保持される電荷に応じた電荷を前記第６部位に誘起させる第５の電極と、
   前記第４の電極と前記第５の電極との電位差を増幅して前記位置関係に応じた差信号を出力する差動増幅器と
   を具備することを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１記載のセンサ装置をそれぞれ含む複数の検出ユニットと、
   前記検出ユニットの全てから前記差信号が出力される場合にセンサ出力信号を生成する生成部と
   を備えることを特徴とするセンサシステム。
3. 請求項１記載のセンサ装置をそれぞれ含む複数の検出ユニットと、
   前記検出ユニットの少なくとも一つから出力される前記差信号に応答してセンサ出力信号を生成する生成部と
   を備えることを特徴とするセンサシステム。
4. 前記差動増幅器、前記第１の電極、前記第４の電極及び前記第５の電極は、同一平面上に設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
5. 前記第１の電極、前記第４の電極、及び前記第５の電極は、前記差動増幅器の少なくとも一部を覆うように設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
6. 前記第１の電極、前記第４の電極及び前記第５の電極を含む複数の第１の電極グループが前記第１の部材の一端から他端に向かって配置され、
   前記第２の電極、前記第３の電極及び前記参照用電極を含む複数の第２の電極グループが前記第２の部材の一端から他端に向かって配置され、
   前記第１の部材の一端と前記第２の部材の一端とが接続されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
7. 前記第５の電極は、前記第１の電極と前記第４の電極との周囲を取り囲むように設けられ、
   前記参照用電極は、前記第２の電極と前記第３の電極との周囲を取り囲むように設けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
8. 前記第１の信号源は、周波数ｆ１の交流信号を出力する交流電源であり、
   前記第４の電極に、周波数ｆ２（ただし、周波数ｆ１とｆ２との差はｆ１及びｆ２よりも十分に小さい）の交流信号を供給する第２の信号源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
9. 電気信号を発生する第１の信号源と、
   第１部位に設けられ、前記電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極と、第２部位に設けられ、電荷を保持する部位が近接したとき前記第２部位に当該電荷に応じた電荷を誘起させる第２の電極と、第３部位に設けられ、電荷を保持する部位が近接したとき前記第３部位に当該電荷に応じた電荷を誘起させる第３の電極とを備える第１の基板と、
   第４部位に設けられ、前記第１の基板の近接に伴い、前記第１の電極が近接したとき前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第４部位に誘起させる第４の電極と、第５部位に設けられ、前記第４の電極と接続し、前記第４部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第５部位に誘起させ、この電荷に応じた電荷を前記第２部位に誘起させる第５の電極と、第６部位に設けられ、基準電位点に接続し、前記第３の電極が近接したとき前記第６部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第３部位に誘起させる参照用電極とを備える第２の基板と、
   前記第２部位の保持電荷と前記第３部位の保持電荷との電位差を増幅して差信号を出力する差動増幅器と
   を具備することを特徴とするセンサ装置。
10. 請求項９記載のセンサ装置をそれぞれ含む複数の検出ユニットと、
    前記検出ユニットの全てから前記差信号が出力される場合にセンサ出力信号を生成する生成部と
    を備えることを特徴とするセンサシステム。
11. 請求項９記載のセンサ装置をそれぞれ含む複数の検出ユニットと、
    前記検出ユニットの少なくとも一つから出力される前記差信号に応答してセンサ出力信号を生成する生成部とを備えることを特徴とするセンサシステム。
12. 前記差動増幅器は、前記第１の基板に設けられることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
13. 前記差動増幅器、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極は、同一平面上に設けられることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
14. 前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極は、前記差動増幅器の少なくとも一部を覆うように設けられることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
15. 前記第３の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との周囲を取り囲むように設けられ、
    前記参照用電極は、前記第４の電極と前記第５の電極との周囲を取り囲むように設けられることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
16. 前記第１の信号源は、周波数ｆ１の交流信号を出力する交流電源であり、
    前記第２の電極に、周波数ｆ２（ただし、周波数ｆ１とｆ２との差はｆ１及びｆ２よりも十分に小さい）の交流信号を供給する第２の信号源をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
17. 第１の部材と、第２の部材と、第１及び第２の部材の位置関係を検出するセンサ装置とを具備する電子機器であって、
    前記センサ装置は、
    電気信号を発生する第１の信号源と、
    前記第１の部材の表面の第１部位に設けられ、前記電気信号を受けて前記第１部位に電荷を保持させる第１の電極と、
    前記第２の部材の表面の第２部位に設けられ、前記第１の電極が近接したとき前記第１部位の保持電荷に応じた電荷を前記第２部位に誘起させる第２の電極と、
    前記第２の部材の表面の第３部位に設けられ、かつ前記第２の電極と接続され、前記第２部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第３部位に誘起させる第３の電極と、
    前記第１の部材の表面の第４部位に設けられ、前記第３の電極が近接したとき前記第３部位に誘起された電荷に応じた電荷を前記第４部位に誘起させる第４の電極と、
    前記第２の部材の表面の第５部位に設けられ、基準電位点に接続された参照用電極と、
    前記第１の部材の表面の第６部位に設けられ、前記参照用電極が近接したとき前記第５部位に保持される電荷に応じた電荷を前記第６部位に誘起させる第５の電極と、
    前記第４の電極と前記第５の電極との電位差を増幅して前記位置関係に応じた差信号を出力する差動増幅器と
    を具備することを特徴とする電子機器。

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