JP2019027977A - Capacitance detector and sensor device - Google Patents

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幹夫 堤
Mikio Tsutsumi
幹夫 堤
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Abstract

To provide a capacitance detector that can detect capacitance of a sensor highly linearly.SOLUTION: A capacitance detector 20 detects capacitance of a sensor element 5 which changes according to input from the outside. The capacitance detector 20 includes: a rectification part 32 for rectifying sensor output as a current signal output from the sensor element 5 by application of a carrier voltage of a predetermined frequency; a low-pass filter part 33 for removing the signal component of the frequency of a carrier voltage included in the rectification signal output from the rectification part 32; and a current voltage conversion unit 34 for converting the output of the low-pass filter 33 into a voltage signal and outputting the voltage signal as a result of detection of the capacitance.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、静電容量検出装置、及びセンサ装置に関する。   The present invention relates to a capacitance detection device and a sensor device.

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に印加するための電圧印加素子と、矩形波の印加によって前記センサが出力するセンサ出力を整流する整流器と、整流器の出力を電圧信号として取り出すための検出抵抗とを備えている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, a capacitance type sensor device includes a capacitance type sensor composed of a capacitance element whose capacitance changes in response to an external input, and detects the capacitance of the capacitance type sensor. Some have a capacitance detecting device for outputting.
For example, a capacitance detection device described in Patent Document 1 rectifies a voltage application element for applying a rectangular wave having a predetermined period to a capacitance type sensor, and a sensor output output from the sensor by the application of the rectangular wave. And a detection resistor for taking out the output of the rectifier as a voltage signal (see, for example, Patent Document 1).

特許第5326042号公報Japanese Patent No. 5326042

例えば、生体表面に張り付けて当該生体表面の変形を検出することができるシート状の静電容量型センサの静電容量を、上記静電容量検出装置で検出する場合、簡易な構成で生体表面の変形を精度良く検出するために、生体表面の変形状態を表すセンサの静電容量を高い線形性で検出することが求められる。   For example, when the capacitance of a sheet-like capacitive sensor that can be attached to the surface of a living body and can detect deformation of the surface of the living body is detected by the capacitance detection device, the surface of the living body can be detected with a simple configuration. In order to detect the deformation with high accuracy, it is required to detect the capacitance of the sensor representing the deformation state of the living body surface with high linearity.

図8は、従来の静電容量検出装置の一例を示す回路図である。図8中、静電容量検出装置100は、静電容量型のセンサ101と、センサ101に所定周期の矩形波を印加する電圧素子102と、整流器103と、整流器103の出力を電圧として取り出すための検出抵抗104と、信号の平滑化を図る容量素子105と、検出抵抗104の両端電圧を増幅して出力する増幅器106とを備えている。
静電容量検出装置100は、検出抵抗104の両端電圧(を増幅した信号)を検出結果として出力するように構成されている。
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of a conventional electrostatic capacitance detection device. In FIG. 8, the capacitance detection device 100 extracts a capacitance-type sensor 101, a voltage element 102 that applies a rectangular wave with a predetermined period to the sensor 101, a rectifier 103, and an output of the rectifier 103 as a voltage. Detection resistor 104, a capacitive element 105 for smoothing the signal, and an amplifier 106 that amplifies and outputs the voltage across the detection resistor 104.
The capacitance detection device 100 is configured to output the voltage across the detection resistor 104 (a signal obtained by amplifying the voltage) as a detection result.

ここで、検出抵抗104は、センサ101と直列に接続されているため、検出抵抗104の両端電圧は、電圧素子102による電圧をセンサ101との間で分圧した電圧となる。
静電容量検出装置100では、センサ101の静電容量が大きいほど検出抵抗104を流れる電流が大きくなるので、検出抵抗104の両端電圧が高くなる。すると、これに伴って、センサ101の両端電圧が低下する。
つまり、センサ101の静電容量が増加して検出抵抗104の両端電圧が高くなればなるほど、センサ101に対する印加電圧が低下し、センサ101からの電流が減少して検出抵抗104の両端電圧を低下させる方向に働く。
Here, since the detection resistor 104 is connected in series with the sensor 101, the voltage across the detection resistor 104 is a voltage obtained by dividing the voltage from the voltage element 102 with the sensor 101.
In the capacitance detection device 100, the larger the capacitance of the sensor 101, the larger the current flowing through the detection resistor 104, so the voltage across the detection resistor 104 increases. As a result, the voltage across the sensor 101 decreases accordingly.
That is, as the capacitance of the sensor 101 increases and the voltage across the detection resistor 104 increases, the voltage applied to the sensor 101 decreases, the current from the sensor 101 decreases, and the voltage across the detection resistor 104 decreases. Work in the direction to let you.

このため、センサ101の静電容量が増加すれば、検出抵抗104の両端電圧はそれに応じて高くなる一方、センサ101に対する印加電圧が低下し、センサ101からの電流が減少することで、センサ101の静電容量の増分に対して検出抵抗104の両端電圧の増分が小さくなる。
この結果、センサ101の静電容量が比較的小さいときと、比較的大きいときとで、センサ101の静電容量の増分に対する検出抵抗104の両端電圧の増分が異なることとなり、センサ101の静電容量を検出する際の線形性が低下してしまう。
For this reason, if the capacitance of the sensor 101 increases, the voltage across the detection resistor 104 increases accordingly, while the voltage applied to the sensor 101 decreases and the current from the sensor 101 decreases. The increase in the voltage across the detection resistor 104 becomes smaller with respect to the increase in the electrostatic capacity.
As a result, when the capacitance of the sensor 101 is relatively small and when it is relatively large, the increment of the voltage across the detection resistor 104 with respect to the increment of the capacitance of the sensor 101 is different. The linearity at the time of detecting a capacity | capacitance will fall.

検出した静電容量の線形性の低下に対して、例えば、検出抵抗104の抵抗値をより小さく設定すれば、検出抵抗104に流れる電流が増加したとしても当該検出抵抗104の両端電圧値を抑えることができ、センサ101に対する印加電圧の低下を抑制することで、センサ101の静電容量をより高い線形性で検出することができる。
しかし、この場合、検出抵抗104の両端電圧が小さくなり、検出抵抗104の直後に増幅器を設けたり、後段の増幅器105の増幅率をより高めたりといった必要性が生じるため好ましくない。
For example, if the resistance value of the detection resistor 104 is set smaller with respect to the decrease in the linearity of the detected capacitance, the voltage value across the detection resistor 104 is suppressed even if the current flowing through the detection resistor 104 increases. It is possible to detect the capacitance of the sensor 101 with higher linearity by suppressing the decrease in the applied voltage to the sensor 101.
However, this is not preferable because the voltage across the detection resistor 104 becomes small, and there is a need to provide an amplifier immediately after the detection resistor 104 or increase the amplification factor of the amplifier 105 at the subsequent stage.

このような従来の静電容量検出装置を、生体表面の変形を検出するためのシート状の静電容量センサに用いた場合、センサの静電容量と、静電容量検出装置の出力との間の線形性が低いため、生体表面の変形の検出を適切に行うことができない。   When such a conventional capacitance detection device is used in a sheet-like capacitance sensor for detecting deformation of a living body surface, the capacitance between the sensor and the output of the capacitance detection device is Because of the low linearity, it is impossible to appropriately detect the deformation of the living body surface.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、センサの静電容量を高い線形性で検出することができる静電容量検出装置を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the electrostatic capacitance detection apparatus which can detect the electrostatic capacitance of a sensor with high linearity.

(1)本発明は、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサの静電容量を検出する静電容量検出装置であって、所定周波数のキャリア電圧の印加によっ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整流する整流部と、前記整流部が出力する整流信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数の信号成分を除去するローパスフィルタ部と、前記ローパスフィルタ部の出力を電圧信号に変換して前記静電容量の検出結果として出力する電流電圧変換部と、を備えている。 (1) The present invention is a capacitance detection device that detects a capacitance of a capacitance type sensor whose capacitance changes in response to an input from the outside. A rectifier that rectifies a sensor output that is a current signal output from a capacitive sensor; a low-pass filter that removes a signal component of the frequency of the carrier voltage included in the rectified signal output from the rectifier; and A current-voltage conversion unit that converts the output of the low-pass filter unit into a voltage signal and outputs the result as a detection result of the capacitance.

上記のように構成された静電容量検出装置によれば、電流電圧変換部がローパスフィルタ部の出力を、電圧信号に変換して静電容量の検出結果として出力するので、電流電圧変換部よりも前段においてはセンサ出力に基づく信号を電流信号として処理することができる。
このため、ローパスフィルタ部は、前段から与えられる信号を電流信号として処理することができる。よって、ローパスフィルタ部において前段から与えられる信号を電圧信号として処理する場合と比較して、当該ローパスフィルタ部に含まれる抵抗素子の抵抗値を小さく設定することができる。
この結果、静電容量型センサからセンサ出力が出力されたときにおける静電容量型センサに対する印加電圧の低下を抑制することができ、静電容量型センサの静電容量を高い線形性で検出することができる。
According to the capacitance detection device configured as described above, since the current-voltage conversion unit converts the output of the low-pass filter unit into a voltage signal and outputs it as a capacitance detection result, the current-voltage conversion unit In the preceding stage, a signal based on the sensor output can be processed as a current signal.
For this reason, the low-pass filter unit can process a signal given from the previous stage as a current signal. Therefore, the resistance value of the resistance element included in the low-pass filter unit can be set smaller than in the case where the signal given from the previous stage is processed as a voltage signal in the low-pass filter unit.
As a result, it is possible to suppress a decrease in applied voltage to the capacitive sensor when the sensor output is output from the capacitive sensor, and to detect the capacitance of the capacitive sensor with high linearity. be able to.

(2)上記静電容量検出装置において、前記静電容量型センサと前記整流部との間に設けられ、前記センサ出力に含まれる前記キャリア電圧の周波数よりも低い周波数の信号成分を除去するハイパスフィルタ部をさらに備え、前記整流部には、前記ハイパスフィルタ部の出力が前記センサ出力として与えられることが好ましい。
この場合、整流前の信号であるセンサ出力に、キャリア電圧の周波数よりも低い周波数の信号成分を除去するハイパスフィルタ部を通過させることができ、当該センサ出力に重畳して現れる商用電源等に起因するノイズを除去することができる。
(2) In the capacitance detection device, a high pass is provided between the capacitance type sensor and the rectifier, and removes a signal component having a frequency lower than the frequency of the carrier voltage included in the sensor output. It is preferable that a filter unit is further provided, and an output of the high-pass filter unit is given to the rectifying unit as the sensor output.
In this case, the sensor output, which is the signal before rectification, can be passed through a high-pass filter unit that removes a signal component having a frequency lower than the frequency of the carrier voltage, resulting from a commercial power supply that appears superimposed on the sensor output. Noise can be removed.

(3)また、上記静電容量検出装置において、前記ハイパスフィルタ部は、前記静電容量型センサと前記整流部との間に接続された容量素子と、一端が前記静電容量型センサと前記容量素子との間に接続された抵抗素子と、を含んでいることが好ましい。
この場合、電流電圧変換部よりも前段に設けられたハイパスフィルタ部では整流部から与えられる整流信号を電流信号として処理することができる。このため、ハイパスフィルタ部の抵抗素子について、静電容量型センサに対する印加電圧の低下を抑制できる程度に抵抗値を小さくすることができる。これにより、静電容量型センサの静電容量を検出する際の線形性を維持しつつ、ハイパスフィルタ部を簡易な構成とすることができる。
(3) In the capacitance detection device, the high-pass filter unit includes a capacitance element connected between the capacitance type sensor and the rectification unit, and one end of the capacitance type sensor and the capacitance sensor. It is preferable that a resistive element connected between the capacitive element is included.
In this case, the rectified signal provided from the rectifying unit can be processed as a current signal in the high-pass filter unit provided before the current-voltage converting unit. For this reason, it is possible to reduce the resistance value of the resistance element of the high-pass filter unit to such an extent that a decrease in the voltage applied to the capacitive sensor can be suppressed. Thereby, a high pass filter part can be made into a simple structure, maintaining the linearity at the time of detecting the electrostatic capacitance of an electrostatic capacitance type sensor.

(4)また、上記静電容量検出装置において、前記整流部は、前記ハイパスフィルタに接続された第1ダイオードと、順方向が前記第1ダイオードと反対方向とされて前記ハイパスフィルタに接続された第2ダイオードと、を含み、前記ハイパスフィルタ部は、前記抵抗素子の他端と接地との間に接続された第3ダイオードと、順方向が前記第3ダイオードと反対方向とされて前記抵抗素子の他端と接地との間に接続された第4ダイオードと、をさらに含むことが好ましい。
ハイパスフィルタ部の抵抗素子は、その他端がそのまま接地されると、ハイパスフィルタ部の容量素子が第1ダイオード及び第2ダイオードに直列に接続されているため、第1ダイオード及び第2ダイオードの順電圧によってハイパスフィルタ部の容量素子に分流される高周波成分の電流と、抵抗素子に分流される低周波成分の電流とが異なってしまい、ハイパスフィルタ部の出力としての本来の電流とは異なる電流が整流部へ与えられることがある。これにより、静電容量型センサの静電容量を検出する際の線形性が低下してしまうおそれがある。
この点、本構成では、ハイパスフィルタ部が上記第3ダイオードと第4ダイオードとをさらに備えることで、ハイパスフィルタ部の抵抗素子に流れる電流をハイパスフィルタ部の容量素子に流れる電流に近づけるように補正することができる。
この結果、静電容量型センサの静電容量を検出する際の線形性をより高めることができる。
(4) In the capacitance detection device, the rectifier unit is connected to the high-pass filter with a first diode connected to the high-pass filter and a forward direction opposite to the first diode. The high-pass filter section includes a third diode connected between the other end of the resistance element and the ground, and a forward direction opposite to the third diode. And a fourth diode connected between the other end of the first electrode and the ground.
When the other end of the resistance element of the high-pass filter section is grounded as it is, the capacitive element of the high-pass filter section is connected in series with the first diode and the second diode, so that the forward voltage of the first diode and the second diode Causes the high-frequency component current shunted to the capacitive element of the high-pass filter section and the low-frequency component current shunted to the resistance element to be different from the original current as the output of the high-pass filter section. May be given to the department. Thereby, there is a possibility that the linearity at the time of detecting the capacitance of the capacitance type sensor is lowered.
In this regard, in this configuration, the high-pass filter unit further includes the third diode and the fourth diode, so that the current flowing through the resistance element of the high-pass filter unit is corrected to be close to the current flowing through the capacitive element of the high-pass filter unit. can do.
As a result, it is possible to further improve the linearity when detecting the capacitance of the capacitance type sensor.

(5)また、上記静電容量検出装置において、前記第1ダイオード、前記第2ダイオード、前記第3ダイオード、及び前記第4ダイオードは、一つのパッケージ内に収容されていてもよい。
この場合、温度等の環境に起因して各ダイオードの特性に差が生じるのを抑制することができる。
(5) In the capacitance detection device, the first diode, the second diode, the third diode, and the fourth diode may be housed in one package.
In this case, it is possible to suppress a difference in characteristics of each diode due to an environment such as temperature.

(6)また、本発明に係るセンサ装置は、外部からの入力に応じて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静電容量を検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサ装置であって、前記静電容量検出装置は、所定周波数のキャリア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整流する整流部と、前記整流部が出力する整流信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数の信号成分を除去するローパスフィルタ部と、前記ローパスフィルタ部の出力を電圧信号に変換して前記静電容量の検出結果として出力する電流電圧変換部と、を備えている。 (6) Further, the sensor device according to the present invention includes a capacitance type sensor whose capacitance changes in response to an input from the outside, and a capacitance detection that detects the capacitance of the capacitance type sensor. The capacitance detection device rectifies a sensor output that is a current signal output from the capacitance sensor in response to application of a carrier voltage having a predetermined frequency. A low-pass filter that removes a signal component of the frequency of the carrier voltage included in the rectified signal output from the rectifier, and the detection result of the capacitance by converting the output of the low-pass filter into a voltage signal As a current-voltage conversion unit.

本発明によれば、センサの静電容量を高い線形性で検出することができる。   According to the present invention, the capacitance of the sensor can be detected with high linearity.

一実施形態に係るセンサ装置を含む測定システムを示す図である。It is a figure which shows the measurement system containing the sensor apparatus which concerns on one Embodiment. センサ装置の一部拡大図である。It is a partial enlarged view of a sensor apparatus. (a)は、センサ素子の一例を示す斜視図、(b)は、図3(a)中、B−B線矢視断面図である。(A) is a perspective view which shows an example of a sensor element, (b) is a BB arrow directional cross-sectional view in Fig.3 (a). 静電容量検出装置の構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of an electrostatic capacitance detection apparatus. 変形例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the electrostatic capacitance detection apparatus which concerns on a modification. (a)は、実施例品及び比較例品における、測定対象の静電容量と、電圧信号の電圧の測定値との関係を示したグラフ、(b)は、(a)の線図における、測定対象の静電容量と、傾きとの関係を示したグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the capacitance of the measurement target and the measured value of the voltage of the voltage signal in the example product and the comparative product, (b) in the diagram of (a), It is the graph which showed the relationship between the electrostatic capacitance of a measuring object, and inclination. 第1実施例品及び第2実施例品における、測定対象の静電容量と、電圧信号の電圧の測定値との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the electrostatic capacitance of a measuring object in the 1st Example goods and the 2nd Example goods, and the measured value of the voltage of a voltage signal. 従来の静電容量検出装置の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the conventional electrostatic capacitance detection apparatus.

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。
〔センサ装置について〕
図1は、一実施形態に係るセンサ装置を含む測定システムを示す図であり、図2は、センサ装置の一部拡大図である。
図1に示す測定システムは、生体表面等の測定対象の変形状態を測定するためのシステムであり、測定対象の変形状態を検出するためのセンサ装置1と、センサ装置1に対して電力を供給するとともにセンサ装置1の出力を受け付け、測定対象の変形状態の測定結果を示す測定データを生成するデータ処理装置2と、測定データを管理し表示するコンピュータ3とを備えている。
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings.
[About sensor device]
FIG. 1 is a diagram illustrating a measurement system including a sensor device according to an embodiment, and FIG. 2 is a partially enlarged view of the sensor device.
The measurement system shown in FIG. 1 is a system for measuring a deformation state of a measurement target such as a biological surface, and supplies power to the sensor device 1 for detecting the deformation state of the measurement target. In addition, it includes a data processing device 2 that receives the output of the sensor device 1 and generates measurement data indicating the measurement result of the deformation state of the measurement target, and a computer 3 that manages and displays the measurement data.

センサ装置1は、全体が帯状に形成されており、生体表面等の測定対象に張り付けられることで、測定対象の変形状態を検出する。センサ装置1は、ケーブル4によってデータ処理装置2に接続されており、ケーブル4を通じて検出結果を出力する。また、センサ装置1は、ケーブル4を通じてデータ処理装置2から動作に必要な電力の供給を受ける。
センサ装置1は、生体表面等の測定対象物の変形状態を検出するためのセンサ素子5と、リジッド基板6とを備えている。
The sensor device 1 is formed in a band shape as a whole, and detects the deformation state of the measurement target by being attached to the measurement target such as the surface of a living body. The sensor device 1 is connected to the data processing device 2 by a cable 4 and outputs a detection result through the cable 4. Further, the sensor device 1 is supplied with power necessary for operation from the data processing device 2 through the cable 4.
The sensor device 1 includes a sensor element 5 for detecting a deformation state of a measurement object such as a biological surface and a rigid substrate 6.

図3(a)は、センサ素子5の一例を示す斜視図、図3(b)は、図3(a)中、B−B線矢視断面図である。
センサ素子5は、面方向に伸縮可能とされており、帯状に形成された容量素子を構成している。
3A is a perspective view illustrating an example of the sensor element 5, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3A.
The sensor element 5 can be expanded and contracted in the plane direction, and constitutes a capacitive element formed in a strip shape.

センサ素子5は、図3(a)及び(b)に示すように、伸縮性を有する帯状の誘電層7と、誘電層7の表面に積層された第1電極層8と、誘電層7の裏面に積層された第2電極層9と、第1電極層8に繋がるとともにセンサ素子5の一端側で露出している第1配線10と、第2電極層9に繋がるとともにセンサ素子5の一端側で露出している第2配線11とを備える。なお、以下の説明では、各層において、図3(b)の紙面上側の面を表面、紙面下側の面を裏面という。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the sensor element 5 includes a strip-shaped dielectric layer 7 having elasticity, a first electrode layer 8 laminated on the surface of the dielectric layer 7, and a dielectric layer 7. The second electrode layer 9 laminated on the back surface, the first wiring 10 connected to the first electrode layer 8 and exposed at one end of the sensor element 5, and the one end of the sensor element 5 connected to the second electrode layer 9 And the second wiring 11 exposed on the side. In the following description, in each layer, the upper surface in FIG. 3B is referred to as the front surface, and the lower surface in FIG.

誘電層7は、伸縮変形が可能な誘電体によって形成されており、例えば、ウレタンゴム等のエラストマーを含むエラストマー組成物からなる。より具体的に、上記エラストマーとしては、例えば、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、ウレタンゴム等が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、2種以上併用しても良い。
また、誘電層7の厚さは、必要な静電容量や、伸縮性、検出感度を考慮して設定される。より具体的に誘電層7の平均厚さは、10〜1000μmが好ましく、30〜200μmがより好ましい。
The dielectric layer 7 is made of a dielectric material that can be stretched and deformed, and is made of, for example, an elastomer composition containing an elastomer such as urethane rubber. More specifically, examples of the elastomer include natural rubber, isoprene rubber, nitrile rubber (NBR), ethylene propylene rubber (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), and chloroprene rubber (CR). , Silicone rubber, fluorine rubber, acrylic rubber, hydrogenated nitrile rubber, urethane rubber and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
The thickness of the dielectric layer 7 is set in consideration of necessary capacitance, stretchability, and detection sensitivity. More specifically, the average thickness of the dielectric layer 7 is preferably 10 to 1000 μm, and more preferably 30 to 200 μm.

第1電極層8、第2電極層9、第1配線10及び第2配線11は、いずれもカーボンナノチューブ等の導電材料を含む導電性組成物からなる。より具体的に、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、導電性高分子等が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、2種以上併用しても良い。
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。誘電層の変形に追従して変形する電極層の形成に適しているからである。
上記導電性組成物は、上記導電材料以外に、例えば、導電材料のつなぎ材料として機能するバインダー成分や各種添加剤を含有しても良い。
上記添加剤としては、例えば、導電材料のための分散剤、バインダー成分のための架橋剤、加硫促進剤、加硫助剤、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、更には着色剤等が挙げられる。
The first electrode layer 8, the second electrode layer 9, the first wiring 10 and the second wiring 11 are all made of a conductive composition containing a conductive material such as a carbon nanotube. More specifically, examples of the conductive material include carbon nanotubes, graphene, carbon nanohorns, carbon fibers, conductive carbon black, graphite, metal nanowires, metal nanoparticles, and conductive polymers. These may be used alone or in combination of two or more.
As the conductive material, carbon nanotubes are preferable. This is because it is suitable for forming an electrode layer that deforms following the deformation of the dielectric layer.
In addition to the conductive material, the conductive composition may contain, for example, a binder component and various additives that function as a connecting material for the conductive material.
Examples of the additive include a dispersant for a conductive material, a crosslinking agent for a binder component, a vulcanization accelerator, a vulcanization aid, an anti-aging agent, a plasticizer, a softener, and a colorant. Can be mentioned.

第1電極層8の表面には、第1電極層8を覆う表側保護層12が形成されている。また、第2電極層9の裏面には、第2電極層9を覆う裏側保護層13が形成されている。表側保護層12及び裏側保護層13はいずれも誘電層7と同一のエラストマー組成物からなる。
第1電極層8及び第2電極層9は、上記導電性組成物により形成されることで、電極として機能する。
A front-side protective layer 12 that covers the first electrode layer 8 is formed on the surface of the first electrode layer 8. A back side protective layer 13 that covers the second electrode layer 9 is formed on the back surface of the second electrode layer 9. Both the front side protective layer 12 and the back side protective layer 13 are made of the same elastomer composition as that of the dielectric layer 7.
The 1st electrode layer 8 and the 2nd electrode layer 9 function as an electrode by being formed with the said conductive composition.

第1電極層8と第2電極層9とは、平面視においてほぼ同一の矩形状に形成されており、第1電極層8と第2電極層9との間に誘電層7が介在している。誘電層7は、第1電極層8及び第2電極層9のほぼ全面に亘って介在している。
これにより、第1電極層8、第2電極層9、及び第1電極層8及び第2電極層9に介在する誘電層7は、容量素子を構成している。つまり、センサ素子5は、第1電極層8、第2電極層9、及び誘電層7を備えることで、容量素子を構成している。
The first electrode layer 8 and the second electrode layer 9 are formed in substantially the same rectangular shape in plan view, and the dielectric layer 7 is interposed between the first electrode layer 8 and the second electrode layer 9. Yes. The dielectric layer 7 is interposed over almost the entire surface of the first electrode layer 8 and the second electrode layer 9.
Accordingly, the first electrode layer 8, the second electrode layer 9, and the dielectric layer 7 interposed between the first electrode layer 8 and the second electrode layer 9 constitute a capacitive element. That is, the sensor element 5 includes the first electrode layer 8, the second electrode layer 9, and the dielectric layer 7, thereby forming a capacitive element.

センサ素子5において、誘電層7は面方向に伸縮可能である。また、誘電層7が変形した際には、その変形に追従して第1電極層8及び第2電極層9、並びに、表側保護層12及び裏側保護層13も変形する。
よって、センサ素子5が変形し誘電層7も変形すると、誘電層7の面方向の変形に追従して両電極層8,9の面積が変化し、センサ素子5(に含まれる第1電極層8、第2電極層9、及び誘電層7による容量素子)の静電容量が変化する。
すなわち、センサ素子5の静電容量は、センサ素子5の変形量(電極層の面積変化)と相関をもって変化する。よって、センサ素子5の静電容量が、センサ素子5の変形状態を示している。
In the sensor element 5, the dielectric layer 7 can expand and contract in the surface direction. Further, when the dielectric layer 7 is deformed, the first electrode layer 8 and the second electrode layer 9, and the front side protective layer 12 and the back side protective layer 13 are also deformed following the deformation.
Therefore, when the sensor element 5 is deformed and the dielectric layer 7 is also deformed, the area of both the electrode layers 8 and 9 changes following the deformation in the surface direction of the dielectric layer 7, and the first electrode layer included in the sensor element 5 ( 8, the electrostatic capacitance of the capacitive element by the second electrode layer 9 and the dielectric layer 7 changes.
That is, the capacitance of the sensor element 5 changes in correlation with the deformation amount of the sensor element 5 (change in the area of the electrode layer). Therefore, the capacitance of the sensor element 5 indicates the deformation state of the sensor element 5.

センサ素子5は、その静電容量が当該センサ素子5の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、人体の関節部分といった生体表面等の表面が変形する測定対象の表面に張り付けられて用いられる。これによって、測定対象の表面が変形すると、センサ素子5は測定対象の変形に応じて変形する。
センサ素子5は、測定対象の表面と同じように変形することで測定対象からの入力を受け付け、測定対象の変形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る。
つまり、センサ素子5は、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。
The sensor element 5 is attached to the surface of a measurement target whose surface such as a living body surface such as a joint part of a human body is deformed by utilizing the characteristic that the capacitance changes according to the deformation of the sensor element 5. Used. Accordingly, when the surface of the measurement target is deformed, the sensor element 5 is deformed according to the deformation of the measurement target.
The sensor element 5 is configured to receive an input from the measurement target by being deformed in the same manner as the surface of the measurement target, and output information indicating a deformation state of the measurement target as a capacitance.
That is, the sensor element 5 constitutes a capacitance type sensor whose capacitance changes according to an input from the outside.

リジッド基板6は、図2に示すように、センサ素子5の一端側に接続されている。リジッド基板6は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等によって矩形状に形成されている。リジッド基板6と、センサ素子5とは、非伸縮性シート15によって接続されている。非伸縮性シート15は、センサ素子5の裏面に接着固定されるとともに、リジッド基板6の裏面に接着固定されている。これによって、非伸縮性シート15は、リジッド基板6と、センサ素子5とを接続している。なお、センサ素子5の裏面における非伸縮性シート15の接着面は、センサ素子5が面方向への伸縮を阻害しないように、表面に第1配線10及び第2配線11が設けられている位置に対応する位置とされている。   As shown in FIG. 2, the rigid substrate 6 is connected to one end side of the sensor element 5. The rigid substrate 6 is formed in a rectangular shape by glass epoxy resin or the like, for example. The rigid substrate 6 and the sensor element 5 are connected by a non-stretchable sheet 15. The non-stretchable sheet 15 is bonded and fixed to the back surface of the sensor element 5 and is bonded and fixed to the back surface of the rigid substrate 6. Accordingly, the non-stretchable sheet 15 connects the rigid substrate 6 and the sensor element 5. In addition, the adhesion surface of the non-stretchable sheet 15 on the back surface of the sensor element 5 is a position where the first wiring 10 and the second wiring 11 are provided on the surface so that the sensor element 5 does not hinder expansion and contraction in the surface direction. It is a position corresponding to.

リジッド基板6の表面には、静電容量検出装置20と、発振回路21とが実装されている。静電容量検出装置20は、センサ素子5の静電容量を検出する機能を有している。発振回路21は、キャリア電圧を生成しセンサ素子5に印加する機能を有している。これら静電容量検出装置20及び発振回路21については、後に説明する。   A capacitance detection device 20 and an oscillation circuit 21 are mounted on the surface of the rigid substrate 6. The capacitance detection device 20 has a function of detecting the capacitance of the sensor element 5. The oscillation circuit 21 has a function of generating a carrier voltage and applying it to the sensor element 5. The electrostatic capacity detection device 20 and the oscillation circuit 21 will be described later.

また、リジッド基板6の表面には、センサ素子5を静電容量検出装置20に接続するための第1端子25と、センサ素子5を発振回路21に接続するための第2端子26が設けられている。さらに、リジッド基板6の表面には、ケーブル4と、静電容量検出装置20及び発振回路21を接続するためのケーブル用端子27が設けられている。   Further, a first terminal 25 for connecting the sensor element 5 to the capacitance detection device 20 and a second terminal 26 for connecting the sensor element 5 to the oscillation circuit 21 are provided on the surface of the rigid substrate 6. ing. Further, a cable terminal 27 for connecting the cable 4, the capacitance detection device 20, and the oscillation circuit 21 is provided on the surface of the rigid substrate 6.

第1端子25には、導電性接着剤層25aによって第1配線10が接続される。第2端子26には、導電性接着剤層26aによって第2配線11が接続される。第1配線10及び第2配線11のいずれか一方が静電容量検出装置20に接続され、他方が発振回路21に接続される。よって、センサ素子5の第1配線10が静電容量検出装置20に接続され、センサ素子5の第2配線11が発振回路21に接続される。   The first wiring 10 is connected to the first terminal 25 by a conductive adhesive layer 25a. The second wiring 11 is connected to the second terminal 26 by a conductive adhesive layer 26a. One of the first wiring 10 and the second wiring 11 is connected to the capacitance detection device 20, and the other is connected to the oscillation circuit 21. Therefore, the first wiring 10 of the sensor element 5 is connected to the capacitance detection device 20, and the second wiring 11 of the sensor element 5 is connected to the oscillation circuit 21.

また、ケーブル用端子27には、半田接続によってケーブル4から延びるリード線4aが接続される。
これによって、静電容量検出装置20及び発振回路21は、センサ素子5に接続されるとともに、データ処理装置2に接続される。
The lead wire 4a extending from the cable 4 is connected to the cable terminal 27 by solder connection.
As a result, the capacitance detection device 20 and the oscillation circuit 21 are connected to the sensor element 5 and to the data processing device 2.

静電容量検出装置20は、センサ素子5の静電容量の検出結果をケーブル4を通じてデータ処理装置2へ与える。
また、静電容量検出装置20及び発振回路21は、ケーブル4を通じてデータ処理装置2から動作に必要な電力の供給を受ける。
The capacitance detection device 20 gives the detection result of the capacitance of the sensor element 5 to the data processing device 2 through the cable 4.
Further, the capacitance detection device 20 and the oscillation circuit 21 are supplied with power necessary for operation from the data processing device 2 through the cable 4.

なお、静電容量検出装置20及び発振回路21は、図1に示すように、外部環境から当該静電容量検出装置20を保護するための封止材29で被覆されている。   As shown in FIG. 1, the capacitance detection device 20 and the oscillation circuit 21 are covered with a sealing material 29 for protecting the capacitance detection device 20 from the external environment.

〔静電容量検出装置の回路構成について〕
図4は、静電容量検出装置20の構成の一例を示す回路図である。
図4中、センサ素子5の一端(第2配線11)には、発振回路21が接続されている。また、センサ素子5の他端(第1配線10)には、静電容量検出装置20が接続されている。
発振回路21は、所定周波数の矩形波を生成し、生成した矩形波をキャリア電圧としてセンサ素子5に印加する機能を有する。なお本実施形態において、発振回路21は、周波数が5kHzの矩形波を発振する。
[Circuit configuration of capacitance detection device]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the capacitance detection device 20.
In FIG. 4, an oscillation circuit 21 is connected to one end (second wiring 11) of the sensor element 5. In addition, a capacitance detection device 20 is connected to the other end (first wiring 10) of the sensor element 5.
The oscillation circuit 21 has a function of generating a rectangular wave having a predetermined frequency and applying the generated rectangular wave to the sensor element 5 as a carrier voltage. In the present embodiment, the oscillation circuit 21 oscillates a rectangular wave having a frequency of 5 kHz.

容量素子を構成するセンサ素子5は、発振回路21が生成したキャリア電圧が印加されると、このキャリア電圧の印加により、センサ素子5の静電容量に応じた電流信号であるセンサ出力を出力する。
キャリア電圧の印加によってセンサ素子5が出力するセンサ出力は、キャリア電圧の周波数の信号成分を含んでおり、その振幅がセンサ素子5の静電容量を示している。つまり、センサ出力の包絡線がセンサ素子5の静電容量の変化を示している。
このように、センサ出力は、センサ素子5の静電容量を示す信号成分がキャリア電圧の周波数の信号で変調された信号として出力される。
センサ素子5のセンサ出力は、静電容量検出装置20に与えられる。
When the carrier voltage generated by the oscillation circuit 21 is applied, the sensor element 5 constituting the capacitive element outputs a sensor output that is a current signal corresponding to the capacitance of the sensor element 5 by the application of the carrier voltage. .
The sensor output output from the sensor element 5 by the application of the carrier voltage includes a signal component having a frequency of the carrier voltage, and the amplitude thereof indicates the capacitance of the sensor element 5. That is, the envelope of the sensor output indicates a change in the capacitance of the sensor element 5.
As described above, the sensor output is output as a signal obtained by modulating the signal component indicating the capacitance of the sensor element 5 with the signal having the frequency of the carrier voltage.
The sensor output of the sensor element 5 is given to the capacitance detection device 20.

静電容量検出装置20は、ハイパスフィルタ部31と、整流部32と、ローパスフィルタ部33と、電流電圧変換部34とを備えている。
ハイパスフィルタ部31は、センサ素子5と、整流部32との間に設けられており、センサ素子5からのセンサ出力が与えられる。
ハイパスフィルタ部31は、容量素子31aと、抵抗素子31bと、容量素子31cと、抵抗素子31dとを備えており、2次のハイパスフィルタを構成している。
The capacitance detection device 20 includes a high-pass filter unit 31, a rectification unit 32, a low-pass filter unit 33, and a current-voltage conversion unit 34.
The high-pass filter unit 31 is provided between the sensor element 5 and the rectifying unit 32, and a sensor output from the sensor element 5 is given.
The high-pass filter unit 31 includes a capacitive element 31a, a resistive element 31b, a capacitive element 31c, and a resistive element 31d, and constitutes a secondary high-pass filter.

また、ハイパスフィルタ部31は、さらに、抵抗素子31b及び抵抗素子31dと、接地との間に第3ダイオード41及び第4ダイオード42を備えている。これら第3ダイオード41及び第4ダイオード42については、後に説明する。   The high pass filter unit 31 further includes a third diode 41 and a fourth diode 42 between the resistance element 31b and the resistance element 31d and the ground. The third diode 41 and the fourth diode 42 will be described later.

ハイパスフィルタ部31は、センサ出力に含まれるキャリア電圧の周波数よりも低い周波数の信号成分を除去することができるように、遮断周波数がキャリア電圧の周波数よりも低い周波数に設定される。ハイパスフィルタ部31の遮断周波数は、少なくとも、商用電源の周波数よりも高い周波数に設定される。
この場合、整流前のセンサ出力をハイパスフィルタ部31に与えることで、を通過させることができ、センサ出力に重畳して現れることがある商用電源等に起因するノイズを除去することができる。
よって、ハイパスフィルタ部31の出力は、商用電源等に起因するノイズが除去されたセンサ出力を含む。
The high-pass filter unit 31 is set so that the cutoff frequency is lower than the frequency of the carrier voltage so that a signal component having a frequency lower than the frequency of the carrier voltage included in the sensor output can be removed. The cutoff frequency of the high-pass filter unit 31 is set to a frequency that is at least higher than the frequency of the commercial power supply.
In this case, by providing the sensor output before rectification to the high-pass filter unit 31, it is possible to pass the noise, and noise caused by a commercial power supply or the like that may appear superimposed on the sensor output can be removed.
Therefore, the output of the high-pass filter unit 31 includes a sensor output from which noise caused by a commercial power source or the like is removed.

また、本実施形態のハイパスフィルタ部31は、オペアンプを含まない、いわゆるパッシブフィルタとして構成されているので、瞬時に立ち上がったり、瞬時に立ち下がったりする信号が与えられたとしても、飽和することなく与えられた信号を通過させることができる。
このため、キャリア電圧を矩形波とすることができる。この場合、センサ素子5からのセンサ出力が矩形波となるが、ハイパスフィルタ部31は飽和することなくセンサ出力を通過させることができる。
また、キャリア電圧を矩形波とすることができるので、発振回路21を簡易な構成とすることで部品点数の低減を図ることができ、低コスト化が可能となる。
なお、本実施形態のハイパスフィルタ部31は、容量素子及び抵抗素子で構成した場合を例示したが、誘導素子(インダクタ)及び抵抗素子で構成してもよいし、容量素子及び誘導素子で構成してもよい。また、容量素子、誘導素子、及び抵抗素子で構成してもよい。
In addition, since the high-pass filter unit 31 of this embodiment is configured as a so-called passive filter that does not include an operational amplifier, even if a signal that rises instantaneously or falls instantaneously is given, it is not saturated. A given signal can be passed.
For this reason, a carrier voltage can be made into a rectangular wave. In this case, the sensor output from the sensor element 5 is a rectangular wave, but the high-pass filter unit 31 can pass the sensor output without being saturated.
In addition, since the carrier voltage can be a rectangular wave, the number of components can be reduced and the cost can be reduced by making the oscillation circuit 21 simple.
In addition, although the case where the high-pass filter part 31 of this embodiment was comprised with the capacitive element and the resistive element was illustrated, it may be comprised with an inductive element (inductor) and a resistive element, and is comprised with a capacitive element and an inductive element. May be. Moreover, you may comprise with a capacitive element, an induction element, and a resistive element.

整流部32は、カソード側がハイパスフィルタ部31に接続された第1ダイオード32aと、アノード側がハイパスフィルタ部31に接続された第2ダイオード32bとを備えており、半端整流回路を構成している。
整流部32には、ハイパスフィルタ部31の出力がセンサ出力として与えられる。
整流部32は、ハイパスフィルタ部31の出力を整流し、整流した整流信号を後段のローパスフィルタ部33へ与える。
The rectifying unit 32 includes a first diode 32a whose cathode side is connected to the high-pass filter unit 31, and a second diode 32b whose anode side is connected to the high-pass filter unit 31, and constitutes a half-end rectifier circuit.
The output of the high-pass filter unit 31 is given to the rectifying unit 32 as a sensor output.
The rectification unit 32 rectifies the output of the high-pass filter unit 31 and provides the rectified rectified signal to the subsequent low-pass filter unit 33.

ローパスフィルタ部33は、整流部32と、電流電圧変換部34との間に設けられており、電流信号である整流部32からの整流信号が与えられる。
ローパスフィルタ部33は、抵抗素子33aと、容量素子33bと、抵抗素子33cと、容量素子33dとを備えており、2次のローパスフィルタを構成している。
The low-pass filter unit 33 is provided between the rectification unit 32 and the current-voltage conversion unit 34, and receives a rectification signal from the rectification unit 32 that is a current signal.
The low-pass filter unit 33 includes a resistive element 33a, a capacitive element 33b, a resistive element 33c, and a capacitive element 33d, and constitutes a secondary low-pass filter.

ローパスフィルタ部33は、センサ素子5の静電容量を示す信号成分の通過を許容し、キャリア電圧の周波数の信号成分を除去可能な遮断周波数に設定される。
これにより、ローパスフィルタ部33は、センサ素子5の静電容量を示す信号成分を通過させ、整流部32が出力する整流信号から、キャリア電圧の周波数の信号成分を除去する。
よって、キャリア電圧の周波数の信号成分が除去されたローパスフィルタ部33の出力は、センサ素子5の静電容量を示す信号成分を含む。
ローパスフィルタ部33の出力は、電流電圧変換部34へ与えられる。
The low-pass filter unit 33 is set to a cutoff frequency that allows passage of a signal component indicating the capacitance of the sensor element 5 and can remove a signal component having a frequency of the carrier voltage.
As a result, the low-pass filter unit 33 passes the signal component indicating the capacitance of the sensor element 5 and removes the signal component having the frequency of the carrier voltage from the rectified signal output from the rectifying unit 32.
Therefore, the output of the low-pass filter unit 33 from which the signal component of the carrier voltage frequency has been removed includes a signal component indicating the capacitance of the sensor element 5.
The output of the low-pass filter unit 33 is given to the current-voltage conversion unit 34.

電流電圧変換部34は、センサ素子5の静電容量を示す信号成分を含むローパスフィルタ部33の出力を電圧信号に変換する。電流電圧変換部34は、変換した電圧信号をセンサ素子5の静電容量の検出結果として出力する。   The current-voltage conversion unit 34 converts the output of the low-pass filter unit 33 including a signal component indicating the capacitance of the sensor element 5 into a voltage signal. The current-voltage conversion unit 34 outputs the converted voltage signal as a detection result of the capacitance of the sensor element 5.

電流電圧変換部34は、オペアンプ34aと、帰還抵抗34bと、容量素子34cとを備えている。オペアンプ34aは、帰還抵抗34bに流れる電流を電圧に変換することで、電流信号であるローパスフィルタ部33の出力を電圧信号に変換する。
容量素子34cは、ローパスフィルタ部33の出力に重畳するノイズを除去するためのローパスフィルタとして機能する。
なお、電流電圧変換部34は、ローパスフィルタ部33の出力を反転入力端子に与えられるように接続されている。これは、整流部32がハイパスフィルタ部31の出力をマイナス側に整流するように構成されており、マイナス側とされた信号を反転させるためである。
The current-voltage conversion unit 34 includes an operational amplifier 34a, a feedback resistor 34b, and a capacitive element 34c. The operational amplifier 34a converts the current flowing through the feedback resistor 34b into a voltage, thereby converting the output of the low-pass filter 33, which is a current signal, into a voltage signal.
The capacitive element 34 c functions as a low-pass filter for removing noise superimposed on the output of the low-pass filter unit 33.
Note that the current-voltage conversion unit 34 is connected so that the output of the low-pass filter unit 33 can be given to the inverting input terminal. This is because the rectification unit 32 is configured to rectify the output of the high-pass filter unit 31 to the minus side and invert the signal on the minus side.

電流電圧変換部34が、センサ素子5の静電容量として出力する電圧信号は、センサ装置1の出力としてケーブル4を介してデータ処理装置2に与えられる。
電流電圧変換部34が出力した電圧信号が与えられたデータ処理装置2は、この電圧信号に基づいて、測定対象の変形状態の測定結果を示す測定データを生成する。データ処理装置2は、センサ素子5の変形状態を示す情報と、センサ素子5の静電容量の検出結果を示す電圧信号の値とが対応付けられたテーブルを記憶している。データ処理装置2は、センサ装置1から電圧信号が与えられると、前記テーブルを参照し、電圧信号に応じたセンサ素子5の変形状態を示す情報を取得する。データ処理装置2は、この取得したセンサ素子5の変形状態を示す情報を測定データとして、コンピュータ3に与える。
測定データが与えられたコンピュータ3は、この測定データをユーザへ向けて表示したり、記憶して管理したりする。
The voltage signal output by the current-voltage conversion unit 34 as the capacitance of the sensor element 5 is given to the data processing device 2 via the cable 4 as the output of the sensor device 1.
The data processing device 2 to which the voltage signal output by the current-voltage conversion unit 34 is given generates measurement data indicating the measurement result of the deformation state of the measurement target based on the voltage signal. The data processing device 2 stores a table in which information indicating the deformation state of the sensor element 5 and a voltage signal value indicating the detection result of the capacitance of the sensor element 5 are associated with each other. When the voltage signal is given from the sensor device 1, the data processing device 2 refers to the table and acquires information indicating the deformation state of the sensor element 5 according to the voltage signal. The data processing device 2 gives information indicating the acquired deformation state of the sensor element 5 to the computer 3 as measurement data.
The computer 3 to which the measurement data is given displays the measurement data for the user or stores and manages it.

上記のように構成された静電容量検出装置20によれば、ローパスフィルタ部33の出力を、電圧信号に変換して静電容量の検出結果として出力するので、電流電圧変換部34よりも前段においてはセンサ出力に基づく信号を電流信号として処理することができる。
このため、ローパスフィルタ部33においては前段から与えられる信号である整流信号を電流信号として処理することができる。よって、ローパスフィルタ部33において前段から与えられる信号を電圧信号として処理する場合と比較して、ローパスフィルタ部33に含まれる抵抗素子33a,33cの抵抗値を小さく設定することができる。
この結果、センサ素子5からセンサ出力が出力されたときにおける当該センサ素子5に対する印加電圧の低下を抑制することができ、センサ素子5の静電容量を高い線形性で検出することができる。
According to the electrostatic capacitance detection device 20 configured as described above, the output of the low-pass filter unit 33 is converted into a voltage signal and output as a detection result of the electrostatic capacitance. In, a signal based on the sensor output can be processed as a current signal.
For this reason, in the low-pass filter part 33, the rectification signal which is a signal given from the preceding stage can be processed as a current signal. Therefore, the resistance values of the resistance elements 33a and 33c included in the low-pass filter unit 33 can be set smaller than in the case where the signal provided from the previous stage is processed as a voltage signal in the low-pass filter unit 33.
As a result, it is possible to suppress a decrease in the voltage applied to the sensor element 5 when the sensor output is output from the sensor element 5, and to detect the capacitance of the sensor element 5 with high linearity.

また、本実施形態において、ハイパスフィルタ部31は、センサ素子5と整流部32との間に接続された容量素子31a,31cと、一端がセンサ素子5と容量素子31aとの間に接続された抵抗素子31bと、一端が容量素子31aと容量素子31cとの間に接続された抵抗素子31dとを含んで構成されている。   In the present embodiment, the high-pass filter unit 31 includes capacitive elements 31a and 31c connected between the sensor element 5 and the rectifying unit 32, and one end connected between the sensor element 5 and the capacitive element 31a. The resistor element 31b is configured to include a resistor element 31d having one end connected between the capacitor element 31a and the capacitor element 31c.

よって、ハイパスフィルタ部31の抵抗素子31b,31dについても、ローパスフィルタ部33の抵抗素子33a,33cと同様、センサ素子5に対する印加電圧の低下を抑制できる程度に抵抗値を小さくすることができる。
これにより、センサ素子5の静電容量を検出する際の線形性を維持しつつ、ハイパスフィルタ部31を容量素子と抵抗素子で構成するといった簡易な構成とすることができる。
Therefore, the resistance values of the resistance elements 31b and 31d of the high-pass filter section 31 can be reduced to such an extent that a decrease in the voltage applied to the sensor element 5 can be suppressed, similarly to the resistance elements 33a and 33c of the low-pass filter section 33.
Thereby, it can be set as the simple structure of comprising the high pass filter part 31 by a capacitive element and a resistive element, maintaining the linearity at the time of detecting the electrostatic capacitance of the sensor element 5. FIG.

また、ハイパスフィルタ部31の抵抗素子31b,31dは、その他端がそのまま接地されると、ハイパスフィルタ部31の容量素子31a,31cが第1ダイオード32a及び第2ダイオード32bに直列に接続されているため、第1ダイオード32a及び第2ダイオード32bの順電圧によってハイパスフィルタ部31の容量素子31a,31cに分流される高周波成分の電流と、抵抗素子31b,31dに分流される低周波成分の電流とが異なってしまい、ハイパスフィルタ部31の出力としての本来の電流とは異なる電流が整流部32へ与えられることがある。これにより、センサ素子5の静電容量を検出する際の線形性が低下してしまうおそれがある。   Further, when the other ends of the resistance elements 31b and 31d of the high-pass filter section 31 are grounded as they are, the capacitive elements 31a and 31c of the high-pass filter section 31 are connected in series to the first diode 32a and the second diode 32b. Therefore, a high-frequency component current that is shunted to the capacitive elements 31a and 31c of the high-pass filter unit 31 by a forward voltage of the first diode 32a and the second diode 32b, and a low-frequency component current that is shunted to the resistance elements 31b and 31d May be different, and a current different from the original current as the output of the high-pass filter unit 31 may be applied to the rectifier unit 32. Thereby, there exists a possibility that the linearity at the time of detecting the electrostatic capacitance of the sensor element 5 may fall.

この点、本実施形態のハイパスフィルタ部31は、抵抗素子31b,31dと、接地との間に接続された第3ダイオード41と、順方向が第3ダイオード41と反対方向とされて抵抗素子31b,31dと、接地との間に接続された第4ダイオード42とを備えている。
第3ダイオード41は、アノード側が抵抗素子31b,31dの他端に接続され、カソード側が接地されている。また、第4ダイオード42は、カソード側が抵抗素子31b,31dの他端に接続され、アノード側が接地されている。
In this regard, the high-pass filter unit 31 of the present embodiment includes a third diode 41 connected between the resistance elements 31b and 31d and the ground, and a forward direction opposite to the third diode 41 so that the resistance element 31b. , 31d and a fourth diode 42 connected to the ground.
The third diode 41 has an anode connected to the other ends of the resistance elements 31b and 31d, and a cathode connected to the ground. The fourth diode 42 has a cathode connected to the other ends of the resistance elements 31b and 31d and an anode connected to the ground.

本実施形態では、ハイパスフィルタ部31が第3ダイオード41と第4ダイオード42とをさらに備えることで、ハイパスフィルタ部31の抵抗素子31b,31dに流れる電流をハイパスフィルタ部31の容量素子31a,31cに流れる電流に近づけるように補正することができる。
この結果、静電容量検出装置20がセンサ素子5の静電容量を検出する際の線形性をより高めることができる。
In the present embodiment, the high-pass filter unit 31 further includes a third diode 41 and a fourth diode 42, so that the current flowing through the resistance elements 31b and 31d of the high-pass filter unit 31 can be converted into the capacitive elements 31a and 31c of the high-pass filter unit 31. It can correct | amend so that it may approximate the electric current which flows into.
As a result, the linearity when the electrostatic capacitance detection device 20 detects the electrostatic capacitance of the sensor element 5 can be further improved.

〔その他〕
本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、第1ダイオード32a、第2ダイオード32b、第3ダイオード41、及び第4ダイオード42は、一つのパッケージ内に収容されていてもよい。
この場合、温度等の環境に起因して各ダイオードの特性に差が生じるのを抑制することができる。この結果、静電容量検出装置20がセンサ素子5の静電容量を検出する際の線形性をより高めることができる。
[Others]
The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, the first diode 32a, the second diode 32b, the third diode 41, and the fourth diode 42 may be accommodated in one package.
In this case, it is possible to suppress a difference in characteristics of each diode due to an environment such as temperature. As a result, the linearity when the electrostatic capacitance detection device 20 detects the electrostatic capacitance of the sensor element 5 can be further improved.

また、上記実施形態では、ハイパスフィルタ部31が第3ダイオード41及び第4ダイオード42を備えている場合を例示したが、第3ダイオード41及び第4ダイオード42の順電圧の影響が大きくない場合には、抵抗素子31b,31dの他端を直接接地し、第3ダイオード41及び第4ダイオード42を備えない構成としてもよい。   In the above embodiment, the case where the high-pass filter unit 31 includes the third diode 41 and the fourth diode 42 is illustrated. However, when the influence of the forward voltage of the third diode 41 and the fourth diode 42 is not large. May be configured such that the other ends of the resistance elements 31b and 31d are directly grounded and the third diode 41 and the fourth diode 42 are not provided.

また、上記実施形態では、センサ素子5と、整流部32との間にハイパスフィルタ部31を設けた場合を例示したが、例えば、商用電源のノイズ等が問題にならない場合、図5に示すように、センサ素子5と整流部32とを接続し、センサ素子5のセンサ出力が整流部32に与えられるように構成し、ハイパスフィルタ部31を備えない構成としてもよい。
この場合、ハイパスフィルタによるノイズ除去の機能はないが、静電容量検出装置20の構成をコンパクトにできるというメリットがある。
なお、この構成において、商用電源のノイズの除去を要する場合、ローパスフィルタ部33の遮断周波数を商用電源の周波数よりも低い周波数に設定すれば、商用電源等に起因するノイズを除去することができる。また、測定データを管理するコンピュータ3によって必要のない周波数のデータを削除することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the case where the high-pass filter part 31 was provided between the sensor element 5 and the rectification | straightening part 32 was illustrated, as shown in FIG. 5, when the noise of a commercial power source does not become a problem, for example In addition, the sensor element 5 and the rectifying unit 32 may be connected so that the sensor output of the sensor element 5 is supplied to the rectifying unit 32, and the high-pass filter unit 31 may not be provided.
In this case, there is no noise removal function by the high-pass filter, but there is an advantage that the configuration of the capacitance detection device 20 can be made compact.
In this configuration, when it is necessary to remove noise from the commercial power source, noise caused by the commercial power source or the like can be eliminated by setting the cutoff frequency of the low-pass filter unit 33 to a frequency lower than the frequency of the commercial power source. . Further, unnecessary frequency data can be deleted by the computer 3 managing the measurement data.

〔検証試験について〕
次に、静電容量検出装置20における静電容量を検出する際の線形性について検証した結果について説明する。
[About verification test]
Next, the result of verifying the linearity when detecting the capacitance in the capacitance detection device 20 will be described.

本検証試験において、実施例品としては、図4に示す上述の静電容量検出装置20を用い、比較例品としては、図8に示す静電容量検出装置100を用いた。
試験方法としては、異なる静電容量の容量素子を複数用意し、これら複数の容量素子それぞれを接続したときの実施例品及び比較例品が出力する電圧信号の電圧を測定することで、測定対象の静電容量に対する電圧信号の線形性を評価した。
なお、実施例品及び比較例品は、測定対象の静電容量に対して、ほぼ同程度の電力信号を出力するように設定した。
In this verification test, the above-described capacitance detection device 20 shown in FIG. 4 was used as an example product, and the capacitance detection device 100 shown in FIG. 8 was used as a comparative example product.
The test method is to prepare a plurality of capacitive elements with different capacitances, and measure the voltage of the voltage signal output from the example product and the comparative product when each of these multiple capacitive elements is connected. The linearity of the voltage signal with respect to the capacitance of was evaluated.
The example product and the comparative product were set so as to output approximately the same power signal with respect to the capacitance to be measured.

図6(a)は、実施例品及び比較例品における、測定対象の静電容量と、電圧信号の電圧の測定値との関係を示したグラフである。図6(a)中、横軸は測定対象の静電容量を示しており、縦軸は電圧信号の電圧を示している。また、図6(a)中、線図L1は実施例品の測定結果、線図L2は比較例品の測定結果を示している。
図6(a)に示すように、実施例品では、測定対象の静電容量と、電圧信号との関係は、ほぼ直線状に現れている。一方、比較例品では、紙面上方向へやや湾曲していることが判る。
FIG. 6A is a graph showing the relationship between the capacitance of the measurement target and the measured value of the voltage of the voltage signal in the example product and the comparative example product. In FIG. 6A, the horizontal axis indicates the capacitance to be measured, and the vertical axis indicates the voltage of the voltage signal. In FIG. 6A, a diagram L1 shows the measurement result of the example product, and a diagram L2 shows the measurement result of the comparative product.
As shown in FIG. 6A, in the example product, the relationship between the capacitance to be measured and the voltage signal appears almost linearly. On the other hand, it can be seen that the comparative product is slightly curved upward in the drawing.

図6(b)は、図6(a)の線図における、測定対象の静電容量と、傾きとの関係を示したグラフである。図6(b)中、横軸は測定対象の静電容量を示しており、縦軸は、図6(a)の線図の静電容量に対応する傾きをその線図の傾きの平均値で除した値を示している。言い換えると、図6(a)の線図の静電容量に対応する微分値を、当該微分値の平均値で除した値を示している。つまり、縦軸は、図6(a)の線図の傾きの変化を規格化して示している。また、図6(b)中、線図L3は実施例品の測定結果、線図L4は比較例品の測定結果を示している。
図6(b)に示すように、実施例品では、測定対象の静電容量に対する傾きの値は、0.95から1.05の範囲で変化しているのに対して、比較例品では、測定対象の静電容量に対する傾きの値は、0.90から1.10の範囲で変化しており、傾きの変化の度合が比較例品よりも実施例品の方か小さいことが判る。
FIG. 6B is a graph showing the relationship between the capacitance to be measured and the inclination in the diagram of FIG. In FIG. 6B, the horizontal axis indicates the capacitance to be measured, and the vertical axis indicates the slope corresponding to the electrostatic capacitance of the diagram of FIG. 6A and the average value of the slope of the diagram. The value divided by. In other words, a value obtained by dividing the differential value corresponding to the capacitance in the diagram of FIG. 6A by the average value of the differential value is shown. That is, the vertical axis shows a normalized change in the slope of the diagram of FIG. In FIG. 6B, a diagram L3 shows the measurement result of the example product, and a diagram L4 shows the measurement result of the comparative product.
As shown in FIG. 6B, in the example product, the value of the inclination with respect to the capacitance of the measurement object changes in the range of 0.95 to 1.05, whereas in the comparative product, The value of the inclination with respect to the capacitance of the measurement object changes in the range of 0.90 to 1.10, and it can be seen that the degree of change in inclination is smaller in the example product than in the comparative product.

これらの結果から、比較例品よりも実施例品の方が、静電容量を検出する際の線形性が良好であ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によれば、静電容量型センサの静電容量を高い線形性で検出することができることを確認することができた。
From these results, it can be confirmed that the example product has better linearity in detecting the capacitance than the comparative example product.
From the above, according to the capacitance detection device according to the example product, it was confirmed that the capacitance of the capacitance type sensor can be detected with high linearity.

次に、ハイパスフィルタ部31に設けた第3ダイオード41及び第4ダイオード42の効果について検証した結果について説明する。   Next, the result of verifying the effects of the third diode 41 and the fourth diode 42 provided in the high-pass filter unit 31 will be described.

本検証試験において、第1実施例品としては、図4に示す上述の静電容量検出装置20を用い、第2実施例品としては、図4に示す上述の静電容量検出装置20から、第3ダイオード41及び第4ダイオード42を除き、抵抗素子31b,31dの他端を直接接地したものを用いた。
試験方法は、上記と同様であり、異なる静電容量の容量素子を複数用意し、これら複数の容量素子それぞれを接続したときの実施例品及び比較例品が出力する電圧信号の電圧を測定することで、測定対象の静電容量に対する電圧信号の線形性を評価した。
In this verification test, the above-described capacitance detection device 20 shown in FIG. 4 is used as the first embodiment product, and the above-described capacitance detection device 20 shown in FIG. Except for the third diode 41 and the fourth diode 42, the other end of the resistance elements 31b and 31d was directly grounded.
The test method is the same as described above, and a plurality of capacitive elements having different electrostatic capacities are prepared, and the voltage of the voltage signal output from the example product and the comparative example product when each of the plurality of capacitive elements is connected is measured. Thus, the linearity of the voltage signal with respect to the capacitance of the measurement object was evaluated.

図7は、第1実施例品及び第2実施例品における、測定対象の静電容量と、電圧信号の電圧の測定値との関係を示したグラフである。図7中、横軸は測定対象の静電容量を示しており、縦軸は電圧信号の電圧を示している。また、図7中、線図L5は第1実施例品の測定結果、線図L6は第2実施例品の測定結果を示している。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the capacitance of the measurement target and the measured value of the voltage of the voltage signal in the first embodiment product and the second embodiment product. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the capacitance to be measured, and the vertical axis indicates the voltage of the voltage signal. In FIG. 7, a line L5 shows the measurement results of the first embodiment product, and a line L6 shows the measurement results of the second embodiment product.

図7に示すように、ハイパスフィルタ部31に第3ダイオード41及び第4ダイオード42を設けた第1実施例品では、測定対象の静電容量と、電圧信号との関係は、ほぼ直線状に現れている。一方、第2実施例品では、紙面下方向へやや湾曲していることが判る。   As shown in FIG. 7, in the first embodiment product in which the third diode 41 and the fourth diode 42 are provided in the high-pass filter unit 31, the relationship between the capacitance to be measured and the voltage signal is substantially linear. Appears. On the other hand, it can be seen that the second embodiment product is slightly curved downward in the drawing.

この結果より、傾きの変化の度合が第2実施例品よりも第1実施例品の方か小さく、第2実施例品よりも第1実施例品の方が、静電容量を検出する際の線形性が良好であることが確認できる。
以上より、ハイパスフィルタ部31に第3ダイオード41及び第4ダイオード42を設けることで、センサ素子5の静電容量を検出する際の線形性をより高められることが判った。
From this result, the degree of change in inclination is smaller in the first embodiment product than in the second embodiment product, and the first embodiment product detects the capacitance more than the second embodiment product. It can be confirmed that the linearity of is good.
From the above, it was found that providing the third diode 41 and the fourth diode 42 in the high-pass filter portion 31 can further improve the linearity when detecting the capacitance of the sensor element 5.

1 センサ装置 2 データ処理装置
3 コンピュータ 4 ケーブル
4a リード線 5 センサ素子
6 リジッド基板 7 誘電層
8 第1電極層 9 第2電極層
10 第1配線 11 第2配線
12 表側保護層 13 裏側保護層
15 非伸縮性シート 20 静電容量検出装置
21 発振回路 25 第1端子
25a 導電性接着剤層 26 第2端子
26a 導電性接着剤層 27 ケーブル用端子
29 封止材 31 ハイパスフィルタ部
31a 容量素子 31b 抵抗素子
31c 容量素子 31d 抵抗素子
32 整流部 32a 第1ダイオード
32b 第2ダイオード 33 ローパスフィルタ部
33a 抵抗素子 33b 容量素子
33c 抵抗素子 33d 容量素子
34 電流電圧変換部 34a オペアンプ
34b 帰還抵抗 34c 容量素子
41 第3ダイオード 42 第4ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor apparatus 2 Data processing apparatus 3 Computer 4 Cable 4a Lead wire 5 Sensor element 6 Rigid board 7 Dielectric layer 8 1st electrode layer 9 2nd electrode layer 10 1st wiring 11 2nd wiring 12 Front side protective layer 13 Back side protective layer 15 Non-stretchable sheet 20 Capacitance detection device 21 Oscillation circuit 25 First terminal 25a Conductive adhesive layer 26 Second terminal 26a Conductive adhesive layer 27 Terminal for cable 29 Sealing material 31 High-pass filter portion 31a Capacitance element 31b Resistance Element 31c Capacitor 31d Resistor 32 Rectifier 32a First diode 32b Second diode 33 Low pass filter 33a Resistor 33b Capacitor 33c Resistor 33d Capacitor 34 Current-voltage converter 34a Operational amplifier 34b Feedback resistor 34c Capacitor 41 Third Diode 42 4th Diode

Claims (6)

外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサの静電容量を検出する静電容量検出装置であって、
所定周波数のキャリア電圧の印加によっ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整流する整流部と、
前記整流部が出力する整流信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数の信号成分を除去するローパスフィルタ部と、
前記ローパスフィルタ部の出力を電圧信号に変換して前記静電容量の検出結果として出力する電流電圧変換部と、を備えている
静電容量検出装置。
A capacitance detection device that detects a capacitance of a capacitance type sensor whose capacitance changes in response to an external input,
A rectifier that rectifies a sensor output that is a current signal output from the capacitive sensor by applying a carrier voltage of a predetermined frequency;
A low-pass filter that removes a signal component of the frequency of the carrier voltage included in the rectified signal output by the rectifier;
And a current-voltage conversion unit that converts the output of the low-pass filter unit into a voltage signal and outputs the voltage signal as a detection result of the capacitance.
前記静電容量型センサと前記整流部との間に設けられ、前記センサ出力に含まれる前記キャリア電圧の周波数よりも低い周波数の信号成分を除去するハイパスフィルタ部をさらに備え、
前記整流部には、前記ハイパスフィルタ部の出力が前記センサ出力として与えられる
請求項1に記載の静電容量検出装置。
A high-pass filter unit that is provided between the capacitance type sensor and the rectifying unit and removes a signal component having a frequency lower than the frequency of the carrier voltage included in the sensor output;
The capacitance detection device according to claim 1, wherein an output of the high-pass filter unit is given to the rectifying unit as the sensor output.
前記ハイパスフィルタ部は、前記静電容量型センサと前記整流部との間に接続された容量素子と、一端が前記静電容量型センサと前記容量素子との間に接続された抵抗素子と、を含む
請求項2に記載の静電容量検出装置。
The high-pass filter unit includes a capacitive element connected between the capacitive sensor and the rectifying unit, a resistive element having one end connected between the capacitive sensor and the capacitive element, The electrostatic capacitance detection apparatus of Claim 2 containing.
前記整流部は、前記ハイパスフィルタに接続された第1ダイオードと、順方向が前記第1ダイオードと反対方向とされて前記ハイパスフィルタに接続された第2ダイオードと、を含み、
前記ハイパスフィルタ部は、
前記抵抗素子の他端と接地との間に接続された第3ダイオードと、
順方向が前記第3ダイオードと反対方向とされて前記抵抗素子の他端と接地との間に接続された第4ダイオードと、をさらに含む
請求項3に記載の静電容量検出装置。
The rectifying unit includes: a first diode connected to the high-pass filter; and a second diode connected to the high-pass filter with a forward direction opposite to the first diode.
The high-pass filter unit is
A third diode connected between the other end of the resistive element and ground;
The capacitance detection device according to claim 3, further comprising a fourth diode having a forward direction opposite to the third diode and connected between the other end of the resistance element and the ground.
前記第1ダイオード、前記第2ダイオード、前記第3ダイオード、及び前記第4ダイオードは、一つのパッケージ内に収容されている
請求項4に記載の静電容量検出装置。
The capacitance detection device according to claim 4, wherein the first diode, the second diode, the third diode, and the fourth diode are accommodated in one package.
外部からの入力に応じて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静電容量を検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサ装置であって、
前記静電容量検出装置は、
所定周波数のキャリア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整流する整流部と、
前記整流部が出力する整流信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数の信号成分を除去するローパスフィルタ部と、
前記ローパスフィルタ部の出力を電圧信号に変換して前記静電容量の検出結果として出力する電流電圧変換部と、を備えている
センサ装置。
A sensor device comprising: a capacitance type sensor whose capacitance changes in response to an external input; and a capacitance detection device that detects the capacitance of the capacitance type sensor,
The capacitance detection device is:
A rectifying unit that rectifies a sensor output that is a current signal output from the capacitive sensor in response to application of a carrier voltage of a predetermined frequency;
A low-pass filter that removes a signal component of the frequency of the carrier voltage included in the rectified signal output by the rectifier;
A sensor device comprising: a current-voltage conversion unit that converts an output of the low-pass filter unit into a voltage signal and outputs the voltage signal as a detection result of the capacitance.
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