JP2013015976A - 多機能センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の種別に関わらず、その接近及び押圧を正確に検出する多機能センサを提供する。
【解決手段】
平板状の第１電極１０と、第１電極１０との間に外力に対して可塑性又は弾性を有する誘電体を狭持して配設される第２電極１２と、第２電極１２との間に硬質な誘電体を狭持して配設される第３電極１４と、第３電極１４の表面を被覆して積層される誘電体と、第３電極１４の測定面と第１電極１０との間の電位差を測定する第１測定部２２と、第２電極１２と第１電極１０との間の電位差を測定する第２測定部２３と、第２電極１２をグランドに接続する第１接続状態と、第３電極１４をグランドに接続する第２接続状態とを切り替える切替部２４とを備え、測定対象物２０の接近を、第１接続状態における第１測定部２２の測定結果に基づいて検出し、測定対象物２０の押圧を、第２接続状態における第２測定部２３の測定結果に基づいて検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の複数の情報を同時に取得する多機能センサに関する。

本発明に関連する背景技術として、特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、図１５に示すように、硬質基板の支持側に第２の電極１１２が設けられ、操作側に第１の電極１１１が設けられている。第１の電極１１１の表面は、可撓性の絶縁シートで覆われている。第１の電極１１１の下側には、スペーサシート１１４を挟んで第３の電極１１３が設けられている。第２の電極１１２と第３の電極１１３の間は弾性シート１０８が挟まれている。表面の絶縁シートが下向きに押されたときに、第１の電極１１１と第３の電極１１３との距離は変化しないが、第２の電極１１２と第３の電極１１３との距離が変化する。第３の電極１１３はほぼ接地電位に設定される。

容量検知部１３０Ａは、第１の電極１１１から得られる電位の変化や電流の変化に基づいて、静電容量の変化を検知し、データ（Ａデータとする）として出力する。容量検知部１３０Ｂは、第２の電極１１２から得られる電位の変化や電流の変化に基づいて、静電容量の変化を検知し、データ（Ｂデータとする）として出力する。その出力結果を図１６に示す。図１６（Ａ）は、人の指か絶縁シートの表面に触れ、指で第１の電極１１１が下側に押されたときのＡデータとＢデータの変化を示す、図１６（Ｂ）は、非導電性の操作体が絶縁シートの表面に触れて第１の電極１１１が下側に押されたときのＡデータとＢデータの変化を示している。区間（ａ）は、絶縁シートに何も触れていないとき、区間（ｂ）は、指又は操作体がシートの表面に触れたとき、区間（ｃ）は、指又は操作体で第１の電極１１１が下向きに押されたときである。

これらの出力データに基づいて、入力部が押されたか否かを検知すると共に、指による操作か指以外の非導電性の操作体の操作かを識別する。

特開２０１０−２１７９６７号公報

しかしながら、特許文献１に示す技術は、指以外の操作体が装置に触れるまでその存在を確認することができず、また、指以外の操作体が装置に触れても、その操作体を識別することはできないという課題を有する。

本発明は、測定対象物の種別に関わらず、その接近及び押圧を正確に検出する多機能センサを提供する。

本願に開示する多機能センサは、平板状の第１の電極と、前記第１の電極に対向し、当該第１の電極との間に外力に対して可塑性又は弾性を有する第１の誘電体を狭持して配設される第２の電極と、前記第２の電極に対向し、当該第２の電極との間に前記第１の誘電体に対して相対的に硬質な第２の誘電体を狭持して配設される第３の電極と、前記第３の電極の表面を被覆して積層される第３の誘電体と、前記第３の電極における前記第３の誘電体が積層されている側の測定面と前記第１の電極との間の電位差を測定する第１の測定手段と、前記第２の電極と前記第１の電極との間の電位差を測定する第２の測定手段と、前記第２の電極をグランドに接続する第１接続状態と、前記第３の電極をグランドに接続する第２接続状態とを切り替える切替手段とを備え、測定の対象となる測定対象物の前記第３の誘電体への接近を、前記第１接続状態における前記第１の測定手段の測定結果に基づいて検出し、前記測定対象物による前記第３の誘電体への押圧を、前記第２接続状態における前記第２の測定手段の測定結果に基づいて検出するものである。

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、測定対象物が第３の誘電体に接近する場合には、第１の測定手段により第３の電極における第３の誘電体が積層されている側の測定面と第１の電極との間の電位差を測定することで、測定対象物の接近を正確に検出することができると共に、測定対象物が第３の誘電体を押圧する場合には、第２の測定手段により第２の電極と第１の電極との間の電位差を測定することで、測定対象物の押圧を正確に検出することができるという効果を奏する。

また、第１の測定手段により測定面と第１の電極との間の電位差を測定するため、測定対象物が導電体、非導電体に関わらず、電位差の変化を測定して測定対象物の接近及び接触を検出することができるという効果を奏する。

さらに、第２の電極をグランドに接続する第１接続状態と、第３の電極をグランドに接続する第２接続状態とを切り替える切替手段を備え、測定対象物の接近を、第１接続状態における第１の測定手段の測定結果に基づいて検出し、測定対象物の押圧を、第２接続状態における第２の測定手段の測定結果に基づいて検出するため、測定対象物の接近及び押圧を必要な情報のみから高精度に検出することができるという効果を奏する。

本願に開示する多機能センサは、前記測定対象物の種別、誘電率及び前記第１の電極と前記第２電極との距離を関連付けて記憶する対象情報記憶手段と、前記第２の測定手段の測定結果から得られる前記第１の電極と前記第２電極との距離、及び、前記第１の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の誘電率を演算し、前記対象情報記憶手段から、演算した前記誘電率に関連付けられている前記測定対象物の種別を特定する種別特定手段とを備えるものである。

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、測定対象物の種別、誘電率及び前記第１の電極と前記第２電極との距離を関連付けて記憶し、記憶されている情報から、第１の測定手段及び第２の測定手段の測定結果に基づいて測定対象物の種別を特定するため、測定対象物の種別が未知の場合であってもその種別を特定することができ、高機能なセンサを実現することができるという効果を奏する。

本願に開示する多機能センサは、前記測定対象物の誘電率が予め特定されている場合に、前記第１の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の接近距離を算出する距離算出手段を備えるものである。

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、測定対象物の誘電率が予め特定されている場合に、測定対象物の接近距離を算出するため、測定対象物とセンサとの距離を測定することができ、高機能なセンサを実現することができるという効果を奏する。

本願に開示する多機能センサは、前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の押圧力を演算する押圧力演算手段を備えるものである

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、第２の測定手段の測定結果に基づいて、測定対象物の押圧力を演算するため、高機能なセンサを実現することができるという効果を奏する。

本願に開示する多機能センサは、一の方向に延出した線状の複数の前記第１の電極を平行に併設し、前記第１の電極の延出方向に対して垂直な方向に延出した線状の複数の前記第２の電極及び前記第３の電極を平行に併設し、前記第１の測定手段及び／又は前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の接近位置及び押圧位置を検出するものである。

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、第１の電極と第２、第３の電極とがマトリックス状に直交して配設されているため、測定対象物の接近及び押圧を面で捉えることができ、測定対象物の接近位置及び押圧位置を正確に検出して、高機能なセンサを実現することができるという効果を奏する。

本願に開示する多機能センサは、前記第１の電極並びに前記第２及び第３の電極が交差する複数の交点のうち、前記測定対象物の押圧位置を含む押圧領域を画定する４つの前記交点を特定する交点特定手段と、特定された４つの前記各交点における前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記押圧領域における押圧位置を演算する押圧位置演算手段とを備えるものである。

このように、本願に開示する多機能センサにおいては、押圧位置を含む大まかな押圧領域を四方４つの交点により特定し、それぞれの第２の測定手段による測定結果に基づいて、押圧領域における押圧位置を演算により求めるため、電極をある程度間引いて配設しても、演算により正確な押圧位置を特定することができ、センサの構成を簡素化することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る多機能センサの概略図である。 第１の実施形態に係る多機能センサの機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が接近する場合の回路図である。 第１の実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が接近する場合の処理を示す図である。 第１の実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が押圧する場合の回路図である。 第１の実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が押圧する場合の処理を示す図である。 第１の実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物の種別を特定する処理の説明図である。 第２の実施形態に係る多機能センサの上面図及び断面図である。 第３の実施形態に係る多機能センサの上面図である。 実施例に係る多機能センサの構成を示す第１の図である。 実施例に係る実験結果を示す第１の図である。 実施例に係る多機能センサの構成を示す第２の図である。 実施例に係る実験結果を示す第２の図である。 実施例に係る実験結果を示す第３の図である。 従来技術に係る第１の図である。 従来技術に係る第２の図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る多機能センサについて、図１ないし図７を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る多機能センサの概略図、図２は、本実施形態に係る多機能センサの機能ブロック図、図３は、本実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が接近する場合の回路図、図４は、本実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が接近する場合の処理を示す図、図５は、本実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が押圧する場合の回路図、図６は、本実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物が押圧する場合の処理を示す図、図７は、本実施形態に係る多機能センサにおいて測定対象物の種別を特定する処理の説明図である。

図１において、本実施形態に係る多機能センサ１は、平板状の第１電極１０と、第１電極１０に対向し、第１電極１０との間に外力に対して可塑性又は弾性を有する柔軟な第１誘電体１１を狭持して配設される第２電極１２と、第２電極１２に対向し、第２電極との間に第１誘電体１１に対して相対的に硬質な第２誘電体１３を狭持して配設される第３電極１４と、第３電極１４の表面を被覆して積層される第３誘電体１５とを備える。なお、第１の誘電体１１は空気層でもよい。

多機能センサ１は、例えば図１（Ａ）、（Ｂ）に示す指や図１（Ｃ）、（Ｄ）に示すペンのような測定対象物２０の接近及び押圧を検出する。このとき、第３誘電体１５に接近及び押圧する測定対象物２０を検出する。以下の説明では、測定対象物２０が接近する側の面（図１における上側の面）を測定面とし、その反対側の面（図１における下側の面）を基板面とする。

本実施形態においては、測定対象物２０の接近時は、第３電極１４の測定面と第１電極１０の測定面との間の電位差を測定することで、その接近や接近距離を検出することができる。測定対象物２０の押圧時は、第２電極１２の基板面と第１電極１０の測定面との間の電位差を測定することで、その押圧や押圧力を検出することができる。それぞれの測定結果に基づいて、測定対象物２０の接近及び押圧が検出される。

図２に、本実施形態に係る多機能センサ１のブロック図を示す。多機能センサ１は、測定対象物２０の接近及び押圧を検出するセンサ部２１と、センサ部２１における第３電極１４の測定面と第１電極１０の測定面との間の電位差を測定する第１測定部２２と、センサ部２１における第２電極１２の基板面と第１電極１０の測定面との間の電位差を測定する第２測定部２３と、第２電極１２をグランドに接続する第１接続状態と第３電極１４をグランドに接続する第２接続状態との切り替えを行う切替部２４と、測定対象物２０の種別ごとに少なくとも誘電率が関連付けられて記憶されている対象情報記憶部３０の情報から、第１測定部２２及び第２測定部２３の測定結果に基づいて、測定対象物２０の種別を特定する種別特定部２６と、測定対象物２０の誘電率が特定されている場合に、測定対象物２０の接近距離を算出する距離算出部２７と、測定対象物２０が押圧している場合に、第２測定部２３の測定結果に基づいて、押圧力を演算する押圧力演算部２８と、距離算出部２７の算出結果、種別特定部２６の特定結果及び押圧力演算部２８の演算結果等の出力部３１への出力を制御する出力制御部２９とを備える。

なお、測定対象物２０の誘電率が予め特定されている場合は、種別特定部２６及び対象情報記憶部３０を備えないようにしてもよい。

次に、図３及び図４を用いて、測定対象物２０が接近する場合の処理について説明する。測定対象物２０が接近する場合は、図３に示すように、スイッチＳ１及びＳ２がＡに接続された状態（第１接続状態）での測定結果から、その接近を検出することができる。すなわち、第２電極１２がグランドに接続され、第１測定部２２により第１電極１０と第３電極１４との間の電位差が測定される。

図４に示すように（図４（Ａ）は測定対象物２０の接近時、図４（Ｂ）は測定対象物２０の接触した瞬間を示す）、このときに測定される第１誘電体１１、第２誘電体１３及び第３誘電体１５の静電容量をＣ_２、測定対象物２０が検出される測定面の静電容量をＣ_３、測定対象物２０を通る静電容量をＣ_５、Ｃ_ｆとすると、静電容量Ｃは、Ｃ＝Ｃ_２＋Ｃ_３＋Ｃ_５＋Ｃ_ｆで表せる。ここで対象が接地されている場合、対象を介してグランドに落ちるため、Ｃ_５＋Ｃ_ｆを無視することができる。

このとき、Ｃ_１及びＣ_４は、第２電極１２を通してグランドに落ちるため、無視することができる。Ｃ_３、Ｃ_５及びＣ_ｆは、測定対象物２０の誘電率及び接近距離により変化する。すなわち、誘電率が特定されていれば接近距離を正確に算出することができる。また、測定対象物２０の種別が未知で、誘電率が特定されていない場合であっても、後述する方法により、その種別を特定することが可能となる。

なお、Ｃ_３、Ｃ_５及びＣ_ｆの測定をより精度よく行うためには、第１電極１０と第３電極１４とが俯瞰で一部重複しないように配設されることが望ましい。すなわち、図４に示すように、第１電極１０が第３電極１４に比べて幅広に形成されることが望ましい。さらに、第２電極１２については、第３電極１４よりも幅狭に形成することで、より精度よくＣ_３、Ｃ_５及びＣ_ｆの測定を行うことが可能となる。

また、図５及び図６を用いて、測定対象物２０が押圧する場合の処理について説明する。測定対象物２０が押圧する場合は、図５に示すように、スイッチＳ１及びＳ２が切替部２４によりＢに接続された状態（第２接続状態）での測定結果から、その押圧を検出することができる。すなわち、第３電極１４がグランドに接続され、第２測定部２３により第１電極１０と第２電極１２との間の電位差が測定される。

図６に示すように（図６（Ａ）は測定対象物２０による押圧前、図６（Ｂ）は測定対象物２０による押圧後を示す）、このときに測定される第１誘電体１１の静電容量をＣ_４とすると、静電容量Ｃは、Ｃ＝Ｃ_４（∝１／ｄ）で表せる（ｄは、第１電極１０と第２電極１２との距離を示す）。

このとき、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_５及びＣ_ｆは、第３電極１４を通してグランドに落ちるため、無視することができる。Ｃ_４は、第１電極１０と第２電極１２との距離により変化する。測定対象物２０による押圧がなされていない場合は、柔軟な誘電体である第１誘電体１１の形状が変化しないことから、Ｃ_４は一定となる。測定対象物２０がセンサ部２１に接触して押圧した場合は、第１誘電体１１が圧縮される。第１誘電体１１の圧縮量は、測定対象物２０からの押圧力及び第１誘電体１１の硬度（ヤング率等）により決まることから、Ｃ_４を測定することで測定対象物２０の押圧力を測定することができる。

図３及び図５のように、切替部２４による接続の切り替えを常時行い、第１測定部２２と第３測定部２３との測定結果を選択的に取得することで、測定対象物２０の接近及び押圧を測定することができる。また、センサ部２１を能動的に動かして測定対象物２０に接触させることで、測定対象物２０の硬さ、すべり度等を検出することも可能となる。

なお、測定対象物２０が第３誘電体１５に接触した瞬間を検出する接触検出部を備え、切替部２４が、接触検出部が測定対象物２０の接触を検出していないときに、図３に示すようにスイッチＳ１及びＳ２がＡに接続された状態とし、接触検出部が測定対象物２０の接触を検出したときに、図５に示すようにスイッチＳ１及びＳ２がＢに接続された状態に切り替える構成にしてもよい。
また、測定対象物２０が人の場合、通常は体の一部が地面に接地されているため、グランドに繋がっている構成となる。

前述したように、本実施形態に係る多機能センサは、測定対象物２０の種別が未知の場合であっても、その種別を特定することができる。測定対象物２０の種別を特定する処理について、図７を用いて説明する。図７のグラフは、横軸に測定対象物２０と第１電極１０との距離ｄ、縦軸に第１測定部２２及び第２測定部２３が測定した静電容量Ｃ（Ｃ１が第１測定部２２の測定結果、Ｃ２が第２測定部２３の測定結果）を示す。グラフ中のＡ、Ｂはそれぞれ異なる種別の測定対象物２０である。

まず、測定の流れを説明する。測定対象物２０が接近する際は、測定対象物２０の種別が未知の場合、第１測定部２２の測定結果から測定対象物２０の接近距離やその種別を特定することができないが、第１測定部２２の電位差の変化により、何かが近づいた（近くにある）ことを検出することは可能である。このとき、第２測定部２３の測定結果から電位差が変化しないため、測定対象物２０がセンサに接触していないことを検出することができる。

測定対象物２０が接触して押圧する際は、第２測定部２３の測定結果から押圧力を検出する。その押圧力、すなわち測定対象物２０と第１電極１０との距離と、Ｃ１の測定結果とから測定対象物２０の誘電率を検出し、測定対象物２０の種別を特定する。

予め必要な情報としては、距離（ｄ）におけるＣ１とＣ２の結果又は演算により距離ｄと静電容量Ｃ２との関係（ｄ＝ｆ（Ｃ２））を求めておく。また、誘電率εと距離ｄとの関係（ε＝ｆ（Ｃ１，ｄ）：ただし、押圧時はｄ＝ｆ（Ｃ２）より取得）を求めておく。これらの関係に加えて、測定対象物２０の種別と誘電率とを関連付けて（例えば、ε_ＡがＡ、ε_ＢがＢ）、対象情報記憶部３０に記憶しておく。

測定対象物２０が接近している場合は、Ｃ１の値がＣ１^△のとき、測定対象物２０がＡ又はＢ（距離ｄ１_Ａ ^△又はｄ１_Ｂ ^△）の可能性があり、測定対象物２０の種別及び接近距離を特定することができない。同時に、Ｃ２の測定結果から、Ｃ２に変化がなく、測定対象物２０が接触していないことを検出することができる。

測定対象物２０が押圧している場合は、Ｃ２の値の変化により押圧を検出することができる。この場合、Ｃ２の値がＣ２^○のとき、ｄ＝ｆ（Ｃ２）より距離がｄ２^○を検出することができる。そして、ｄ２とＣ１との関係（ε＝ｆ（Ｃ１，ｄ）＝ｆ（Ｃ１，ｆ（Ｃ２）））から誘電率εを検出し、測定対象物２０の種別を特定することができる。すなわち、ｄ２の値がｄ２^○のとき、Ｃ１を参照することで測定対象物２０の種別を特定（Ｃ１がＣ１_Ａ ^○のとき測定対象物２０は種別「Ａ」、Ｃ１がＣ１_Ｂ ^○のとき測定対象物２０は種別「Ｂ」と特定）することが可能となる。

なお、測定対象物２０が既知の場合、対象情報記憶部３０に記憶された接近距離ｄと静電容量値Ｃ１（ｄ＝ｆ（Ｃ１））との関係により接近距離を特定することができる。また、測定対象物２０が押圧している場合は、Ｃ２の値の変化により押圧を検出できる（ｄ＝ｆ（Ｃ２））。ここで、接近距離ｄと静電容量Ｃ１の関係は、事前に測定対象物２０を押圧させ、距離ｄと静電容量Ｃ２（ｄ＝ｆ（Ｃ２））より演算した距離ｄと静電容量Ｃ１の関係から演算することもできる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る多機能センサについて、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る多機能センサの上面図及び断面図である。
なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明については省略する。

図８（Ａ）に、多機能センサ１の上面図を示し、図８（Ｂ）に、図８（Ａ）における矢印ａの矢視図を示す。図８に示すように、本実施形態に係る多機能センサ１は、横方向に長い線状の複数の第１電極１０が平行に併設され、縦方向に長い線状の複数の第２電極１２及び第３電極１４が平行に併設され、第１の実施形態の場合と同様に、第１電極１０と第２電極１２との間には、第１誘電体１１が狭持され、第２電極１２と第３電極１４との間には、第２誘電体１３が狭持され、第３電極１４の表面を被覆して積層される第３誘電体１５を備える。

すなわち、第１の実施形態に係る多機能センサ１がマトリックス状に複数配設された構成となっている。第１ないし第３の各電極は、検出回路４０に接続されており、それぞれの電極間の電位差が検出される。

このような構成にすることで、測定対象物２０の接近、接触及び押圧位置を正確に検出することができる。特に、このようなマトリックス状に電極を配設することで、第１の実施形態において前述したように、第１電極１０が第３電極１４よりも必然的に幅広となるため（図８（Ｂ）を参照）、Ｃ_３、Ｃ_５及びＣ_ｆの測定をより精度よく行うことが可能となる。

（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る多機能センサについて、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る多機能センサの上面図である。
なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明については省略する。

図９において、第１電極１０と第２及び第３電極１２，１４とがマトリックス状に交差して配設され、測定対象物２０の押圧位置が特定できる構成となっているが、前記第２の実施形態と異なり、各電極が間引かれて配設されている。すなわち、交点ａ、ｂ、ｃ及びｄで囲まれる領域が、第２の実施形態の場合と比べて大きくなっている点が異なる。本実施形態の場合は、各電極を間引いた分、各交点の測定結果を用いて演算処理を行うことで、正確な押圧位置を特定する。

より具体的な処理の一例を説明する。まず、測定対象物２０が押圧した押圧領域を特定する。この押圧領域は、マトリックス状に配設された電極の４つの交点で特定される。すなわち、交点特定部（図示しない）が、マトリックスを構成する複数の交点のうち、押圧力が大きい４つの交点（ただし、相隣る４点で、且つ矩形を形成する４点である）を特定し、この４つの交点で区画される領域を押圧領域Ｘとする。

次に、交点ａ、ｂ、ｃ及びｄで区画される押圧領域Ｘに（１）〜（１３）の個別領域を設定しておく。この個別領域の設定は、使用環境に応じて任意に変更することが可能であり、設定された個別領域に合わせて、押圧位置演算部（図示しない）により、以降に説明する演算処理が行われる。ここでは、（１）〜（１３）の個別領域が設定されているものとする。

（１）〜（４）の個別領域については、第２の実施形態の場合と同様に、測定対象物２０が交点ａ、ｂ、ｃ又はｄのいずれかの位置を所定の押圧力で押圧した場合に、その押圧力を検出することで押圧位置を特定することができる。（５）〜（１３）の個別領域については、各交点で検出された押圧力の割合から押圧位置を特定することができる。

例えば、押圧力を１とすると、個別領域（１）が押圧された場合は、交点ａで押圧力１が検出される。個別領域（５）が押圧された場合は、交点ａ及び交点ｂで押圧力０．５が検出される。個別領域（９）が押圧された場合は、交点ａで押圧力０．６、交点ｂ及び交点ｄで押圧力０．１５、交点ｃで押圧力０．１が検出される。個別領域（１３）が押圧された場合は、交点ａ、ｂ、ｃ及びｄで押圧力０．２５が検出される。

このように、各交点で検出された押圧力の割合から、個別領域を特定し、正確な押圧位置を得ることができる。なお、上記押圧力の割合に応じた演算処理はあくまで一例を示したものであり、個別領域の設定状況に応じて演算方法が変更されるものである。

なお、上記各実施形態に示す多機能センサは、例えば、スイッチ、パソコン、携帯電話機、ゲーム等のタッチパネル、ロボットのアーム等に取り付ける触覚センサ、医療や福祉で用いられるベッドセンサ等の各分野において、広く応用することが可能である。

本発明に係る多機能センサの検証として、以下の実験を行った。本実験には、図１０に示す多機能センサ１を用いた。実験はＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ）を用い、Ｘ−Ｙ軸電極間の静電容量を測定した。測定は、図３及び図５の２種類の接続状態で行う。図３の第１接続状態において、第３電極１４をＬＣＲメータ、第２電極１２をグランドに接続する。図５の第２接続状態において、第３電極１４をグランド、第２電極１２をＬＣＲメータに接続する。

測定対象物２０としては、指の代わりに接地したステンレスに薄いシリコンを表面に取り付けたものを指モデルとして用い、ロボットアームの先端に取り付け、センサと指モデルとの距離を調整した。接近時は、１０ｍｍから接触０ｍｍまで２ｍｍ間隔で調整し、押圧時は、０ｍｍから０．６ｍｍまで０．２ｍｍ間隔で調整した。

図１１に測定結果を示す。図１１（Ａ）は、静電容量Ｃと距離ｄとの関係を示し、図１１（Ｂ）は、静電容量Ｃ及び静電容量Ｃ_ａｉｒ（測定対象物がない場合の静電容量）の比と距離ｄとの関係を示す。図１１（Ｂ）から明らかなように、測定対象物２０の接近時において、第１接続状態では指モデルが接触するまでの間、静電容量Ｃが減少していることがわかる。また、第２接続状態では接触するまでの間、静電容量Ｃがほとんど変化していないことがわかる。押圧時においては、第１接続状態及び第２接続状態のいずれの場合も、押し込み量が増加するにつれて静電容量Ｃが増加していることがわかる。

上記の結果から、本発明に係る多機能センサは、第２接続状態において第２測定部２３が、測定対象物２０がセンサ部２１に接触しているかどうかの判別を行い、接触している場合は、押圧力の検出を行う。そして、このときの測定結果をもとに、第１接続状態にて測定対象物２０の誘電率の測定を行う。したがって、測定対象物２０の接触状態に加えて、測定対象物２０の誘電率に基づく材質識別及び距離検出が可能となる。

次に、本発明に係る多機能センサをタッチパネルとして適用する場合の検出感度の向上に関する実験を行った。タッチパネル等の検出方法に用いられる投影型静電容量方式は、Ｘ軸とＹ軸方向の透明な電極のマトリックスにより構成され、指をタッチパネルに接触又は接近させることによるＸ−Ｙ座標の静電容量変化を測定することで、接触及び接近する位置を測定することができる。本発明に係る多機能センサのように、補助電極としての第２電極１２を備える構成とすることで、検出感度が大きく向上することを下記の実験示す。

本実験には、図１２に示す多機能センサ１を用いた。図１２（Ａ）は補助電極（第２電極１２）なしの多機能センサ、図１２（Ｂ）は補助電極（第２電極１２）ありの多機能センサである。本実験では、透明な電極ではなく、ステンレス電極を用いた。実験はＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ）を用い、Ｘ−Ｙ軸電極間の静電容量を測定した。このとき、補助電極は接地した。測定対象物２０としては、指の代わりに接地したステンレスに薄いシリコンを表面に取り付けたものを指モデルとして用い、ロボットアームの先端に取り付け、センサと指モデルとの距離を調整した。距離は、２０ｍｍから接触０ｍｍまで２ｍｍ間隔で調整した。

図１３に測定結果を示す。図１３（Ａ）は、静電容量Ｃと距離ｄとの関係を示し、図１３（Ｂ）は、静電容量Ｃ及び静電容量Ｃ_ａｉｒ（測定対象物がない場合の静電容量）の比と距離ｄとの関係を示す。図１３（Ａ）より、補助電極を備えることによりＣの値が減少していることがわかる。また、それに伴い距離に対する静電容量の変化量も減少している。また、図１３（Ｂ）より、補助電極を備えることによりＣ_ａｉｒに対するＣの変化率が大きくなっていることがわかる。このことより、補助電極を用いることで検出感度を向上させることが可能であることがわかる。これは、補助電極を用いることで、センサの検出面における静電容量の変化を大きくすることができたためである。

次に、測定対象物の誘電率の検出についての検討を行う。実験として測定対象物をセンサの上に置き、その時の静電容量Ｃを測定した。測定対象物として比誘電率３のアクリル、比誘電率６のベークライト、導体であるアルミニウム及び指を用いた。図１４に実験結果を示す。横軸に各測定対象物を、縦軸にＣ_ａｉｒに対するＣのそれぞれの比を示す。実験結果より、補助電極ありの方が補助電極なしに比べ変化率が大きいことがわかる。このことより、補助電極を用いることでより高感度に接近、押圧の検出が可能となる。

１ 多機能センサ
１０ 第１電極
１１ 第１誘電体
１２ 第２電極
１３ 第２誘電体
１４ 第３電極
１５ 第３誘電体
２０ 測定対象物
２１ センサ部
２２ 第１測定部
２３ 第２測定部
２４ 切替部
２５ 接触検出部
２６ 種別特定部
２７ 距離算出部
２８ 押圧力演算部
２９ 出力制御部
３０ 対象情報記憶部
３１ 出力部
４０ 検出回路

Claims (6)

1. 平板状の第１の電極と、
   前記第１の電極に対向し、当該第１の電極との間に外力に対して可塑性又は弾性を有する第１の誘電体を狭持して配設される第２の電極と、
   前記第２の電極に対向し、当該第２の電極との間に前記第１の誘電体に対して相対的に硬質な第２の誘電体を狭持して配設される第３の電極と、
   前記第３の電極の表面を被覆して積層される第３の誘電体と、
   前記第３の電極における前記第３の誘電体が積層されている側の測定面と前記第１の電極との間の電位差を測定する第１の測定手段と、
   前記第２の電極と前記第１の電極との間の電位差を測定する第２の測定手段と、
   前記第２の電極をグランドに接続する第１接続状態と、前記第３の電極をグランドに接続する第２接続状態とを切り替える切替手段とを備え、
   測定の対象となる測定対象物の前記第３の誘電体への接近を、前記第１接続状態における前記第１の測定手段の測定結果に基づいて検出し、前記測定対象物による前記第３の誘電体への押圧を、前記第２接続状態における前記第２の測定手段の測定結果に基づいて検出することを特徴とする多機能センサ。
2. 請求項１に記載の多機能センサにおいて、
   前記測定対象物の種別、誘電率及び前記第１の電極と前記第２電極との距離を関連付けて記憶する対象情報記憶手段と、
   前記第２の測定手段の測定結果から得られる前記第１の電極と前記第２電極との距離、及び、前記第１の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の誘電率を演算し、前記対象情報記憶手段から、演算した前記誘電率に関連付けられている前記測定対象物の種別を特定する種別特定手段とを備えることを特徴とする多機能センサ。
3. 請求項１又は２に記載の多機能センサにおいて、
   前記測定対象物の誘電率が予め特定されている場合に、
   前記第１の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の接近距離を算出する距離算出手段を備えることを特徴とする多機能センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の多機能センサにおいて、
   前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の押圧力を演算する押圧力演算手段を備えることを特徴とする多機能センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の多機能センサにおいて、
   一の方向に延出した線状の複数の前記第１の電極を平行に併設し、前記第１の電極の延出方向に対して垂直な方向に延出した線状の複数の前記第２の電極及び前記第３の電極を平行に併設し、
   前記第１の測定手段及び／又は前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記測定対象物の接近位置及び押圧位置を検出することを特徴とする多機能センサ。
6. 請求項５に記載の多機能センサにおいて、
   前記第１の電極並びに前記第２及び第３の電極が交差する複数の交点のうち、前記測定対象物の押圧位置を含む押圧領域を画定する４つの前記交点を特定する交点特定手段と、
   特定された４つの前記各交点における前記第２の測定手段の測定結果に基づいて、前記押圧領域における押圧位置を演算する押圧位置演算手段とを備えることを特徴とする多機能センサ。