JP2017083331A - 静電容量検出装置、及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ出力に含まれるノイズを低減することができる静電容量検出装置を提供する。
【解決手段】 静電容量検出装置３は、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサであるセンサシート２のセンサ出力を電圧信号として検出する。静電容量検出装置３は、センサシート２に入力電圧を印加する正弦波発振回路５と、入力電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部２０とを備えている。正弦波発振回路５による入力電圧は、中心電位が振幅の１／２の電圧とされた正弦波形の電圧である。
【選択図】図４

Description

本発明は、静電容量検出装置、及びセンサシステムに関する。

従来から、静電容量型のセンサ装置には、外部入力に応じて静電容量が変化する容量素子によって構成される静電容量型センサと、この静電容量型センサの静電容量を検出し出力する静電容量検出装置とを備えているものがある。
例えば、特許文献１に記載の静電容量検出装置は、所定周期の矩形波を静電容量型センサの一端側の電極に印加するための電圧印加素子と、一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力されるセンサ出力を整流する整流器と、整流器によって整流されたセンサ出力を平滑化する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの後段に設けられたシャント抵抗とを備えている。この静電容量検出装置は、前記矩形波を前記センサの一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から電流信号として出力されるセンサ出力を検出し、このセンサ出力を電圧信号に変換するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５３２６０４２号公報

上記従来の静電容量型センサでは、当該センサに対して矩形波の電圧を印加するように構成されているが、一般的に矩形波は、高値及び低値の内の一方の値が接地電位（０Ｖ）とされて生成される。
このため、当該センサ周囲の電気製品等に起因して発生するノイズが接地電位に侵入した場合、前記矩形波はノイズの影響を受ける可能性があり、このため、前記センサ出力にもノイズの影響が及ぶおそれがある。センサ出力にノイズの影響が及ぶと、センサ精度を低下させる要因となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる技術を提供することを目的とする。

（１）本発明は、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置であって、前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である。

上記のように構成された静電容量検出装置によれば、電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧であるので、少なくとも、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが印加電圧に重畳されるのを抑制することができる。この結果、印加電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。

（２）上記静電容量検出装置において、前記変換部は、半波倍電圧整流回路により構成されていることが好ましく、この場合、簡易な構成で変換部を構成することができる。

上記従来の静電容量型センサでは、前記平滑コンデンサによってセンサ出力に含まれる印加電圧の周波数成分を除去する。さらに、印加電圧の周波数成分に起因するリップルノイズがセンサ出力に顕著に表れる場合には、例えば、前記平滑コンデンサ及び前記シャント抵抗の時定数をより大きく設定することで、リップルノイズを低減することができる。しかし、このように印加電圧の周波数成分を除去するために前記時定数をより大きく設定すれば、変換部がセンサ出力を電圧信号に変換する際の応答性を低下させてしまう場合がある。

（３）このため、上記静電容量検出装置は、前記変換部の後段に設けられ、前記センサ出力に含まれる、前記印加電圧の周波数成分を除去する第１ローパスフィルタ部をさらに備えていることが好ましい。
この場合、変換部の後段に第１ローパスフィルタ部を設けたので、変換部において印加電圧の周波数成分を十分に除去できなかったとしても、第１ローパスフィルタ部によってリップルノイズを効果的に低減することができる。
よって、平滑コンデンサ及びシャント抵抗の時定数に相当する値を、第１ローパスフィルタ部を設けず平滑コンデンサによってリップルノイズを低減する場合よりも小さい値に設定することができる。これにより、変換部におけるセンサ出力を電圧信号に変換する際の応答性を低下させるのを抑制しつつ、印加電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減することができる。
この結果、センサ出力に含まれるノイズをより低減することができる。

（４）また、上記静電容量検出装置は、前記第１ローパスフィルタ部の後段に設けられ、前記第１ローパスフィルタ部を通過した前記センサ出力を増幅する増幅部をさらに備えていてもよい。
（５）さらに、前記増幅部は、前記センサ出力を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの入力端と出力端との間に接続された容量素子と、を備えていてもよい。
この場合、増幅された後のセンサ出力に残存するノイズをさらに低減することができる。

（６）また、本発明に係るセンサシステムは、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサと、前記静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサシステムであって、前記静電容量検出装置は、前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である。

上記構成のセンサシステムによれば、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。

本発明によれば、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。

一実施形態に係るセンサシステムの全体構成を示す図である。 （ａ）は、センサシートの一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 静電容量検出装置の構成の一例を示す回路図である。 正弦波発振回路が生成する入力電圧の波形を示す図である。 正弦波発振回路が生成する入力電圧の波形の他の例を示す図である。 比較例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。 （ａ）は、疑似ノイズを加える前の実施例品に係る正弦波発振回路が生成する入力電圧を示すグラフ、（ｂ）は、疑似ノイズを加える前の比較例品に係る矩形波発振回路が生成する入力電圧を示すグラフである。 （ａ）は、疑似ノイズを加えたときの正弦波発振回路が生成する入力電圧を示すグラフ、（ｂ）は、疑似ノイズを加えたときの矩形波発振回路が生成する入力電圧を示すグラフである。 実施例品に係る静電容量検出装置、及び比較例品に係る静電容量検出装置のセンサ出力に表れるリップルノイズを示すグラフである。 （ａ）は、実施例品に係る静電容量検出装置によるセンサ出力の変化を示すグラフ、（ｂ）は、比較例品に係る静電容量検出装置によるセンサ出力の変化を示すグラフである。 （ａ）は、実施例品１によるセンサ出力の変化を示すグラフ、（ｂ）は、実施例品２によるセンサ出力の変化を示すグラフである。

以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔システムの全体構成について〕
図１は、一実施形態に係るセンサシステムの全体構成を示す図である。図中、センサシステム１は、複数（図例では４つ）のセンサシート２と、静電容量検出装置３と、情報処理装置４とを備えている。
センサシート２は、面状に形成されたエラストマー製の誘電層と、誘電層を挟むように当該誘電層の表裏面に形成されている一対の電極層と備えており、面状に形成された容量素子を構成している。
このセンサシート２は、当該センサシート２の表裏面に平行な方向（面方向）に沿って変形（伸縮）可能に形成されている。センサシート２は、面方向に変形する際、誘電層の面方向の変形に追従して電極層の面積に変化が生じる。このため、センサシート２の静電容量は、当該センサシート２の変形に応じて変化する。
センサシート２は、その静電容量が当該センサシート２の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付けられて、その可動部分の可動状態を把握するために用いられる。

センサシート２は、測定対象物の可動部分に、当該可動部分の可動に応じて変形するように取り付けられる。センサシート２は、可動部分が可動すると、それに応じて自身も変形し、その変形に応じて静電容量が変化する。
よって、センサシート２が取り付けられた状態で可動部分を可動させ、可動部分の可動状態と、センサシート２の静電容量との相関関係を予め把握しておけば、センサシート２の静電容量に基づいて測定対象物の可動状態を把握することができる。
このように、センサシート２は、当該測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を静電容量として出力するように構成されている。つまり、このセンサシート２は、外部からの入力に応じて伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。

静電容量検出装置３は、各センサシート２に電圧を印加し、各センサシート２の静電容量を検出する機能を有している。
静電容量検出装置３は、各センサシート２の一方側の電極層に所定周期の入力電圧を印加する正弦波発振回路５と、この入力電圧に応じてセンサシート２の他方側の電極層から出力されるセンサ出力が与えられる複数の検出部６とを備えている。

正弦波発振回路５は、正弦波形の入力電圧を生成し、各センサシート２に印加する機能を有している。
検出部６は、各センサシート２に対応して複数（図例では４つ）設けられている。検出部６は、与えられるセンサシート２のセンサ出力に対して、各種信号処理を施すことによって、センサシート２の静電容量の変化を表す検出信号を出力する。
静電容量検出装置３は、上記検出信号を当該静電容量検出装置３に接続された情報処理装置４に与える。

情報処理装置４は、静電容量検出装置３から与えられた検出結果信号に基づいて、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。

〔センサシートの構成について〕
図２（ａ）は、センサシート２の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサシート２は、シート状の誘電層１１と、誘電層１１の表面（おもて面：図２中、上側）に形成された表側電極層１２Ａと、誘電層１１の裏面（図２中、下側）に形成された裏側電極層１２Ｂと、一端が表側電極層１２Ａに連結された表側配線１３Ａと、一端が裏側電極層１２Ｂに連結された裏側配線１３Ｂと、表側配線１３Ａの他端に取り付けられた表側接続端子１４Ａと、裏側配線１３Ｂの他端に取り付けられた裏側接続端子１４Ｂと、誘電層１１の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂと、裏側保護層１５Ｂに積層された粘着層１８とを備える。

誘電層１１は、エラストマー製のシート状物であり、その厚みは、例えば、１０〜１０００μｍに設定されている。誘電層１１は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの間に介在しており、容量素子における誘電体としての機能を有している。
誘電層１１は、エラストマーと他の任意成分とを含むエラストマー組成物を用いて形成されており、その表裏面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
上記エラストマーとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられ、これらのなかではウレタンゴムやシリコーンゴムが好ましく、ウレタンゴムがより好ましい。

両電極層１２Ａ、１２Ｂは、導電材料を含有する導電組成物からなる。両電極層１２Ａ、１２Ｂは、互いに同一組成の導電性組成物から構成されていてもよいし、互いに異なる組成の導電性組成物から構成されていてもよい。
表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層１１を挟んで表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは全体が対向している。センサシート２は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの対向した部分が容量素子として機能する。
なお、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。

上記導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、導電性カーボンブラック、グラファイト、金属ナノワイヤー、金属ナノ粒子、導電性高分子等を単独で用いても良いし、２種以上併用してもよい。上記導電材料としては、カーボンナノチューブが好ましい。導電性及び伸縮性に優れた電極層を形成するのに適しているからである。
上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ等の導電材料以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。

なお、両電極層１２Ａ、１２Ｂと、両接続端子１４Ａ、１４Ｂとを接続している両配線１３Ａ、１３Ｂも、両電極層１２Ａ、１２Ｂと同様の導電性組成物から構成されている。

表側配線１３Ａを介して表側電極層１２Ａに接続されている表側接続端子１４Ａは、例えば、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
また、裏側配線１３Ｂを介して裏側電極層１２Ｂに接続されている裏側接続端子１４Ｂも、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
センサシート２は、表側接続端子１４Ａによって静電容量検出装置３から与えられるキャリア電圧を受け付け、裏側接続端子１４Ｂからキャリア電圧に応じたセンサ出力信号を出力する。

両保護層１５Ａ、１５Ｂは、電極層１２Ａ、１２Ｂ等を電気的に絶縁し外部環境から保護するために設けられている。また、両保護層１５Ａ、１５Ｂは、センサシート２全体としての強度や耐久性を高める補強部材としての機能も有している。
この保護層１５Ａ、１５Ｂの材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択することができる。保護層１５Ａ、１５Ｂの材質の具体例としては、例えば、誘電層１１の材質と同様のエラストマー組成物等が挙げられる。

粘着層１８は、センサシート２を測定対象物に貼り付けるために設けられた層であり、測定対象物の可動部分表面に貼り付けられたときに、可動部分の動作に応じて変形可能な程度に貼り付くことができる程度の粘着力を有している。

センサシート２は、誘電層１１がエラストマー製のため、上述のように、面方向に変形（伸縮）可能である。誘電層１１が面方向に変形した際には、その変形に追従して表側電極層１２Ａ及び裏側電極層１２Ｂ、並びに、表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂが変形する。
そして、センサシート２の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層１１の変形量と相関をもって変化する。よって、静電容量の変化を検出することで、センサシート２の変形状態を把握することができる。

〔静電容量検出装置の構成について〕
図３は、静電容量検出装置３の構成の一例を示す回路図である。なお、図３では、一のセンサシート２、及び検出部６に着目して表している。
上述したように、静電容量検出装置３は、正弦波発振回路５と、検出部６とを備えている。

正弦波発振回路５は、正弦波形の入力電圧を生成し、センサシート２に入力電圧を印加する。
図４は、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形を示す図である。
図４に示すように、例えば、静電容量検出装置３の電源電圧をＶ_１としたとき、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形は、振幅電圧がＶ_１／２とされ、中心電位がＶ_１／２とされた正弦波形とされている。
つまり、正弦波発振回路５には、正弦波に対するバイアス電圧として、Ｖ_１／２が与えられている。

なお、本実施形態では、入力電圧の周波数は５ｋＨｚに設定されている。
また、静電容量検出装置３の検出対象の信号成分であって、センサシート２が出力するセンサ出力に含まれる信号成分は、人体の関節部分等の動きに起因する静電容量の変化であり、入力電圧の周波数と比較して十分に低い周波数、例えば、数１０Ｈｚ以下の信号成分である。
入力電圧の周波数は、静電容量検出装置３が信号を検出する際の分解能に影響を与える。よって、入力電圧の周波数は、検出対象となる信号の周波数よりも十分に大きくなるように設定される。本実施形態では、入力電圧の周波数は、検出対象の信号成分に対して数１００倍の周波数となるように設定される。

正弦波発振回路５は、センサシート２の表側接続端子１４Ａに接続されており、表側接続端子１４Ａを介してセンサシート２に入力電圧を印加する。

図３に戻って、センサシート２の裏側接続端子１４Ｂには、検出部６が接続されている。
センサシート２は、正弦波発振回路５からの入力電圧の印加に応じて出力するセンサ出力を検出部６に与える。

センサシート２は、センサ出力を電流信号として検出部６に与える。
この電流信号は、入力電圧の変化に応じてセンサシート２が出力する電流値を示しており、この電流値の最大値を取得することで、そのときのセンサシート２の静電容量を求めることができる。
センサシート２が出力する電流信号としてのセンサ出力は、そのときの静電容量に応じた電流値が最大振幅となるように、入力電圧の昇降に応じて電流値０を中心に正負に振幅する波形として表れる。

図３に示すように、検出部６は、変換部２０と、第１ローパスフィルタ部２１と、増幅部２２とを備えている。

変換部２０は、入力電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する機能を有している。
変換部２０は、整流部２０ａと、平滑コンデンサ２０ｂと、シャント抵抗２０ｃとを備えている。
整流部２０ａは、センサシート２に対して並列に接続されている第１ダイオード２０ａ１と、センサシート２に対して直列に接続されている第２ダイオード２０ａ２とを備えており、半波倍電圧整流回路を構成している。これにより、簡易な構成で変換部２０を構成することができる。整流部２０ａは、センサシート２から与えられるセンサ出力を整流する。

平滑コンデンサ２０ｂは、整流部２０ａの出力端に対して並列に接続されており、整流部２０ａにより整流されたセンサ出力を平滑化する。つまり、平滑コンデンサ２０ｂは、整流されたセンサ出力に含まれる比較的高い周波数である入力電圧の周波数成分を除去する。
センサ出力の最大振幅は、センサシート２の静電容量に応じた電流値を示している。よって、変換部２０は、整流されたセンサ出力を平滑コンデンサ２０ｂによって平滑化することで、センサシート２の静電容量に応じた電流値を示す値を時間軸方向に沿って取得することができる。

シャント抵抗２０ｃは、平滑コンデンサ２０ｂの両端に接続されている。よって、シャント抵抗２０ｃの両端電圧を測定すれば、平滑化されたセンサ出力が示す電流値を求めることができる。
つまり、変換部２０は、センサシート２が出力した電流信号であるセンサ出力を、センサシート２の静電容量に応じた電流値を表す電圧信号に変換することができる。
変換部２０は、電圧信号に変換したセンサ出力を、後段の第１ローパスフィルタ部２１に与える。

第１ローパスフィルタ部２１は、第１抵抗２１ａと、第１容量素子２１ｂと、第２抵抗２１ｃと、第２容量素子２１ｄと、第１オペアンプ２１ｅとを備えており、これらによって正帰還型ローパスフィルタを構成している。

第１ローパスフィルタ部２１は、変換部２０から与えられるセンサ出力に含まれる入力電圧の周波数成分を除去するように設定されており、センサ出力に表れるリップルノイズを低減する。

リップルノイズは、入力電圧の周波数成分に起因している。ここで、平滑コンデンサ２０ｂも、変換部２０から与えられるセンサ出力に含まれる入力電圧の周波数成分を除去する機能を有しており、平滑コンデンサ２０ｂによってもリップルノイズを低減することができる。
例えば、平滑コンデンサ２０ｂによって、入力電圧の周波数成分を除去しリップルノイズを低減しようとすると、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数をより大きく設定する必要がある。
しかし、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数を大きく設定すれば、変換部２０におけるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性を低下させてしまう場合がある。

この点、本実施形態では、平滑コンデンサ２０ｂの後段にさらに入力電圧の周波数成分を除去するための第１ローパスフィルタ部２１を設けたので、平滑コンデンサ２０ｂによって入力電圧の周波数成分を十分に除去できなかったとしても、第１ローパスフィルタ部２１によってリップルノイズを効果的に低減することができる。
このため、平滑コンデンサ２０ｂとシャント抵抗２０ｃの時定数を、第１ローパスフィルタ部２１を設けず平滑コンデンサ２０ｂによってリップルノイズを低減する場合よりも小さい値に設定することができる。この結果、変換部２０におけるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性（センサ出力を電流信号から電圧信号に変換する際の応答性）を低下させるのを抑制しつつ、入力電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減することができる。

第１ローパスフィルタ部２１は、入力電圧の周波数成分を除去した後のセンサ出力を、後段の増幅部２２に与える。
増幅部２２は、第２オペアンプ２２ａと、第３抵抗素子２２ｂと、第４抵抗素子２２ｃとを備えている。増幅部２２は、与えられたセンサ出力を増幅し、電圧信号であるセンサ出力Ｖ_０を後段の情報処理装置４に与える。

また、増幅部２２の後段には、容量素子２３が接続されている、この容量素子２３の一端は、第２オペアンプ２２ａの出力端に接続されている。容量素子２３の他端は、第３抵抗素子２２ｂと、第４抵抗素子２２ｃとの間、すなわち第２オペアンプ２２ａの反転入力端に接続されている。
容量素子２３は、増幅部２２と組み合わされることでローパスフィルタとして機能し、増幅されたセンサ出力Ｖ_０からさらに入力電圧の周波数成分を除去することができる。

情報処理装置４は、例えば、コンピュータ等によって構成されており、与えられたセンサ出力Ｖ_０に対してデータ処理を行う。
情報処理装置４は、与えられるセンサ出力Ｖ_０に基づいてセンサシート２の静電容量の値を求める。このとき、情報処理装置４は、センサ出力Ｖ_０からセンサシート２の静電容量を求める際に誤差を抑圧するための補正を行うこともできる。
また、情報処理装置４は、求めた静電容量に基づいて、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、検出結果に関する結果情報を生成する。
情報処理装置４は、生成した結果情報を当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。

本実施形態の静電容量検出装置３は、伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサであるセンサシート２のセンサ出力を電圧信号として検出するものであり、センサシート２に入力電圧（印加電圧）を印加する正弦波発振回路５（電圧供給部）と、入力電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部２０とを備えている。正弦波発振回路５による入力電圧は、中心電位が振幅電圧と同じＶ_１／２とされた正弦波形の電圧である。

上記のように構成された静電容量検出装置３によれば、正弦波発振回路５による印加電圧は、中心電位が振幅電圧とされた正弦波形の電圧であるので、少なくとも、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制することができる。この結果、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができる。

〔その他〕
本発明は、上記実施形態に限定されない。
上記実施形態では、変換部２０の後段に第１ローパスフィルタ部２１及び増幅部２２を設けた場合を例示したが、第１ローパスフィルタ部２１や増幅部２２を除いた構成としてもよいし、第１ローパスフィルタ部２１や増幅部２２に相当するデバイスに置き換えて構成してもよい。また、増幅部２２として、図３に示すように負帰還の非反転増幅器を用いたが、反転増幅器を用いてもよい。

また、上記実施形態では、正弦波発振回路５による入力電圧を、中心電位が振幅電圧とされた正弦波形の電圧とした場合を例示したが、例えば、図５に示すように、中心電位が振幅電圧よりも大きい値とされた正弦波形の電圧としてもよい。

図５では、正弦波発振回路５が生成する入力電圧の波形は、電位Ｖ_１と０の間の値である電位Ｖ_２から、電位Ｖ_１の範囲で振幅し、中心電位が振幅電圧である（Ｖ_１−Ｖ_２）／２よりもＶ_２だけ大きい電位とされた正弦波形とされている。
つまり、正弦波発振回路５には、正弦波に対するバイアス電圧として、Ｖ_２＋（Ｖ_１−Ｖ_２）／２が与えられている。

この場合においても、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制することができ、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができる。

〔検証試験について〕
次に、静電容量検出装置３におけるノイズに対する影響、及びセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性について検証した結果について説明する。

〔検証試験１〕
実施例品としては、上述の静電容量検出装置３を用いた。
比較例品としては、図６に示す静電容量検出装置５０を用いた。この静電容量検出装置５０は、入力電圧として矩形波を発生する矩形波発振回路５１を備えている点で実施例品である静電容量検出装置３と相違している。また、静電容量検出装置５０は、静電容量検出装置３が備えていた第１ローパスフィルタ部２１及び容量素子２３を備えていない点で実施例品である静電容量検出装置３と相違している。
なお両静電容量検出装置３，５０では、電源電圧Ｖ_１を３．３Ｖ、入力電圧の周波数を５ｋＨｚに設定した。また、増幅部２２、平滑コンデンサ２０ｂ及びシャント抵抗２０ｃは、両静電容量検出装置３，５０それぞれにおいて、センサ出力Ｖ_０がほぼ同じレベルとなるようにかつ適切な状態で出力されるように設定した。

なお、実施例品である静電容量検出装置３及び比較例品である静電容量検出装置５０の具体的構成は下記の通りである。下記各素子の仕様（抵抗値、容量値等）は、所望の回路特性を満たすように、適宜調整することができる。
静電容量検出装置３
整流部２０ａ： Ｄｉоｄｅｓ Ｉｎｃоｒｐоｒａｔｅｄ社製 ＢＡＴ５４Ｓ−７−Ｆ
平滑コンデンサ２０ｂ ：０．１μＦ
シャント抵抗２０ｃの抵抗値 ：３３ｋΩ
第１抵抗２１ａの抵抗値 ：１５ｋΩ
第１容量素子２１ｂの容量値 ：０．０１μＦ
第２抵抗２１ｃの抵抗値 ：１５ｋΩ
第２容量素子２１ｄの容量値 ：０．０１μＦ
第１オペアンプ２１ｅ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第２オペアンプ２２ａ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第３抵抗素子２２ｂ ：５６．２ｋΩ
第４抵抗素子２２ｃ ：１０ｋΩ
容量素子２３ ：０．０１μＦ

静電容量検出装置５０
整流部２０ａ： Ｄｉоｄｅｓ Ｉｎｃоｒｐоｒａｔｅｄ社製 ＢＡＴ５４Ｓ−７−Ｆ
平滑コンデンサ２０ｂ ：１μＦ
シャント抵抗２０ｃの抵抗値 ：３３ｋΩ
第２オペアンプ２２ａ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＬＭＶ３２４ＱＰＷＧ４
第３抵抗素子２２ｂ ：３３ｋΩ
第４抵抗素子２２ｃ ：１０ｋΩ

まず、上記実施例品に係る正弦波発振回路５、及び比較例品に係る矩形波発振回路５１について、擬似的にノイズを加えた際の入力電圧の変化について検証した。
検証方法としては、両発振回路５，５１に対して接地側から擬似ノイズとして交流（６０Ｈｚ、電位差６Ｖ）を加え、このときに両発振回路５，５１が生成する入力電圧を測定し、その変化を確認した。

図７（ａ）は、疑似ノイズを加える前の実施例品に係る正弦波発振回路５が生成する入力電圧を示すグラフ、図７（ｂ）は、疑似ノイズを加える前の比較例品に係る矩形波発振回路５１が生成する入力電圧を示すグラフである。図７（ａ）、（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図７（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。

正弦波発振回路５が生成する入力電圧、及び矩形波発振回路５１が生成する入力電圧ともに下限値がほぼ０ボルトとなっている。
図７（ａ）では、正弦波形の電圧、図７（ｂ）では、矩形波の電圧となっている。

図８（ａ）は、疑似ノイズを加えたときの正弦波発振回路５が生成する入力電圧を示すグラフ、図８（ｂ）は、疑似ノイズを加えたときの矩形波発振回路５１が生成する入力電圧を示すグラフである。図８（ａ）、（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図８（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。

図８（ａ）と、図７（ａ）とを比較すると、実施例品である正弦波発振回路５では、疑似ノイズを加えたとしても、その波形に影響がほとんど現れない。
一方、図８（ｂ）と、図７（ｂ）とを比較すると、比較例品である矩形波発振回路５１では、疑似ノイズを加えると、その波形が疑似ノイズを加える前と比較して大きく乱れていることが判る。

このことより、比較例品に係る矩形波発振回路５１では、接地側からノイズが侵入すると、そのノイズが入力電圧に重畳される。その一方、実施例品に係る正弦波発振回路５では、接地側からノイズが侵入したとしても、そのノイズが入力電圧に重畳されるのを抑制されることが確認できる。

以上より、実施例品に係る静電容量検出装置３によれば、接地電位にノイズが侵入したとしてもそのノイズが入力電圧に重畳されるのが抑制されるので、入力電圧を通じてセンサ出力にノイズが与えられるのを抑制することができ、センサ出力に含まれるノイズを低減することができることを確認することができた。

次に、上記実施例品の静電容量検出装置３、及び比較例品の静電容量検出装置５０が出力するセンサ出力Ｖ_０に表れるリップルノイズを比較検証した。
検証方法としては、両静電容量検出装置３，５０にセンサシート２の容量を検出させ、このときにセンサ出力Ｖ_０に表れるリップルノイズを抽出し、比較した。

図９は、両静電容量検出装置３，５０のセンサ出力Ｖ_０に表れるリップルノイズを示すグラフである。図９において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図９中、上段が実施例品、下段が比較例品を示している。
図９中、実施例品のリップルノイズの電位差Ｎ１が１４９ｍＶであり、比較例品のリップルノイズの電位差Ｎ２が２４５ｍＶであった。
この結果から、実施例品に係る静電容量検出装置３は、比較例品に係る静電容量検出装置５０よりもリップルノイズが低減されていることが判る。

さらに、上記実施例品の静電容量検出装置３、及び比較例品の静電容量検出装置５０によるセンサシート２の静電容量の変化に対する応答性を比較検証した。
検証方法としては、実施例品、及び比較例品それぞれについて、センサシート２の容量を予め定めた初期値から同じ増分値だけ増加させた目標値に変化させたときのセンサ出力Ｖ_０を測定し、その変化を確認した。

図１０（ａ）は、実施例品に係る静電容量検出装置３によるセンサ出力Ｖ_０の変化を示すグラフ、図１０（ｂ）は、比較例品に係る静電容量検出装置５０によるセンサ出力Ｖ_０の変化を示すグラフである。図１０（ａ）（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。

図１０（ａ）において、センサ出力Ｖ_０の値が初期値から立ち上がりを開始した地点Ｘ１から、目標値に到達した地点Ｘ２までの期間Ｗ１は、１０ｍｓであった。
一方、図１０（ｂ）において、センサ出力Ｖ_０の値が初期値から立ち上がりを開始した地点Ｘ１から、目標値に到達した地点Ｘ２までの期間Ｗ２は、１００ｍｓであった。
なお、図１０（ａ）と、図１０（ｂ）とは、時間を示す横軸のスケールが異なっている。また、図１０（ａ）、（ｂ）において、縦軸のスケールは互いに同一である
この結果から、実施例品に係る静電容量検出装置３は、比較例品に係る静電容量検出装置５０よりも応答性が高いことが判る。
以上のように、実施例品による静電容量検出装置３によれば、比較例品による静電容量検出装置５０と比較して、リップルノイズが低減されているにも関わらず、センサシート２の静電容量の変化に対する応答性が高くなっている。

このように、上記検証試験の結果、実施例品による静電容量検出装置３によれば、センサシート２の静電容量の変化に対する応答性を低下させるのを抑制しつつ、入力電圧の周波数成分を除去し、リップルノイズを低減できることを確認することができた。

〔検証試験２〕
実施例品１として、上述の静電容量検出装置３を用い、実施例品２として、実施例品による静電容量検出装置３において容量素子２３（０．０１μＦ）が設けられていないものを用いた。これによって、容量素子２３を設けたことによる効果について検証した。
なお、実施例品１及び実施例品２における設定値等は、上記検証試験１と同様に設定した。

図１１（ａ）は、実施例品１によるセンサ出力Ｖ_０の変化を示すグラフ、図１１（ｂ）は、実施例品２によるセンサ出力Ｖ_０の変化を示すグラフである。図１１（ａ）（ｂ）において、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、図１１（ａ）、（ｂ）において、縦軸及び横軸のスケールは互いに同一である。

両者を比較すると、実施例品１の方が、実施例品２よりも、リップルノイズを表している波形が滑らかとなっており、その電位差も小さくなっている。
この結果より、容量素子２３を設けることで、この容量素子２３と増幅部２２とで実現されるローパスフィルタの機能により、増幅された後のセンサ出力に残存するリップルノイズをさらに低減できることが明らかとなった。

１ センサシステム ２ センサシート ３ 静電容量検出装置
４ 情報処理装置 ５ 正弦波発振回路 ６ 検出部
１１ 誘電層 １２Ａ 表側電極層 １２Ｂ 裏側電極層
１３Ａ 表側配線 １３Ｂ 裏側配線 １４Ａ 表側接続端子
１４Ｂ 裏側接続端子 １５Ａ 表側保護層 １５Ｂ 裏側保護層
１８ 粘着層 ２０ 変換部 ２０ａ 整流部
２０ａ１ 第１ダイオード ２０ａ２ 第２ダイオード ２０ｂ 平滑コンデンサ
２０ｃ シャント抵抗 ２１ 第１ローパスフィルタ部 ２１ａ 第１抵抗
２１ｂ 第１容量素子 ２１ｃ 第２抵抗 ２１ｄ 第２容量素子
２１ｅ 第１オペアンプ ２２ 増幅部 ２２ａ 第２オペアンプ
２２ｂ 第３抵抗素子 ２２ｃ 第４抵抗素子 ２３ 容量素子
５０ 静電容量検出装置 ５１ 矩形波発振回路

Claims (6)

1. 伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置であって、
   前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、
   前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、
   前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧である静電容量検出装置。
2. 前記変換部は、半波倍電圧整流回路により構成されている請求項１に記載の静電容量検出装置。
3. 前記変換部の後段に設けられ、前記センサ出力に含まれる、前記印加電圧の周波数成分を除去する第１ローパスフィルタ部をさらに備えている請求項１又は請求項２に記載の静電容量検出装置。
4. 前記第１ローパスフィルタ部の後段に設けられ、前記第１ローパスフィルタ部を通過した前記センサ出力を増幅する増幅部をさらに備えている請求項３に記載の静電容量検出装置。
5. 前記増幅部は、前記センサ出力を増幅するオペアンプと、前記オペアンプの入力端と出力端との間に接続された容量素子と、を備えている請求項４に記載の静電容量検出装置。
6. 伸長変形することで静電容量が変化する静電容量型センサと、前記静電容量型センサのセンサ出力を電圧信号として検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサシステムであって、
   前記静電容量検出装置は、
   前記静電容量型センサに電圧を印加する電圧供給部と、
   前記電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力を電圧信号に変換する変換部と、を備え、
   前記電圧供給部による印加電圧は、中心電位が振幅電圧以上とされた正弦波形の電圧であるセンサシステム。