JP4779119B2 - 可視化センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体のインピーダンスの空間変化を検出するセンサに関し、特に、高周波発振回路に接続したアンテナを用いて周波数変化を検出することにより、物体の可視化を実現するセンサに関する。

従来、サブミクロンの解像度でインピーダンスの空間変化を検出し、物体の可視化を実現する装置として、走査電子顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡等が用いられている。走査電子顕微鏡は、物体に電子線を照射して二次電子等を発生させ、この二次電子等を検出することにより、物体の可視化を実現する。また、走査型プローブ顕微鏡は、物体とプローブとの間に発生する現象を検出する（例えば、トンネル電流、原子間力を検出する）ことにより、物体の可視化を実現する。現在、顕微鏡のサイズや解像度に着目した開発や改良がなされ、さらに、様々な形状や性質を有する物体に対応するための研究等がなされている（例えば、特開２００１−１０８５９６号公報を参照。）。

また、走査型静電容量顕微鏡の例が特開平９−１０１１０６号公報に記載されている。この走査型静電容量顕微鏡は、容量センサを用いて電極と被測定体表面との間の静電容量を測定し、被測定体表面の静電容量分布を求める装置である。具体的には、固定周波数の信号を発振する発振回路、被測定容量ＣｍをＬＣ並列共振回路に並列に接続した共振回路、及び、共振周波数の変化を電圧として出力する出力回路により構成された容量センサにより、被測定容量Ｃｍの影響で共振周波数が変化することを利用して、静電容量分布が求められる。容量センサが共振周波数の変化を出力回路の電圧の変化に変換することにより、静電容量分布が求められる。尚、特開平１１−３０６２２号公報にも、同様の測定原理を用いた走査型静電容量顕微鏡が記載されている。

また、静電容量式変位センサの例が特開２００４−１７０１６３号公報に記載されている。この静電容量式変位センサは、電極と被測定体表面との間の静電容量を測定し、この静電容量が両者の距離に反比例することを利用して距離を測定するセンサである。具体的には、静電容量式変位センサは、被測定容量Ｃｍと基準容量Ｃｒとが直列に接続された回路、被測定容量Ｃｍにおける交流電圧の分圧を検出する回路、被測定容量Ｃｍに依存した交流電圧を生成して増幅する回路、交流電圧の振幅を周波数に変換する回路、及び、周波数を検出する回路により構成される。このような構成の下で、静電容量式変位センサは、Ｖ／Ｆコンバータが被測定容量Ｃｍにおける交流電圧を周波数に変換することにより、周波数情報を得て発振周波数を特定し、距離を測定する。

また、静電容量の変化を検出するセンサとして、指紋センサが知られている。この指紋センサは、直流電圧源が一定値の抵抗を介して被測定容量Ｃｍを充電した場合に、その充電のために要する時間変化を静電容量の変化として検出するセンサである。つまり、静電容量の変化を電圧値の変化に変換することにより、一定時間後の電圧値から静電容量を求める。

また、指表面の凹凸をインピーダンスの変化として捉え、高周波信号によってそのインピーダンス変化を読み出すセンサが特開平２００１−１７４１２号公報に記載されている。具体的には、このセンサは、複数の出力電極、単一の入力電極、前記複数の出力電極のうちの一つを選択して高周波のキャリア信号を供給するドライブ回路、及び、入力電極から前記キャリア信号を入力し、このキャリア信号の振幅からインピーダンス情報を取り出す検出回路により構成される。つまり、キャリア信号の振幅がインピーダンス（指表面の凹凸）によって異なることから、インピーダンス情報をデジタル信号化することにより、指表面の凹凸情報を得ることができる。このように、物体の可視化を実現するための開発や研究が、様々な技術を用いて行われている。

しかしながら、前述の走査電子顕微鏡では、真空状態を用意する必要があり、また電子線を物体に照射する必要がある。このため、観測物体が生物の場合には、生物を生きたまま観測できず、生体物質の可視化に適応することができない。一方、走査型プローブ顕微鏡では、高度な雑音対策及び精密な機械制御が必要になるため、装置全体として大規模かつ複雑な構成になってしまう。

また、前述の走査型静電容量顕微鏡では、共振周波数を用いて静電容量を測定するため、被測定容量Ｃｍ及びＬＣ並列共振回路を並列に接続した共振回路を設ける必要がある。このため、小型化が実現できず、集積化も困難である。

また、前述の静電容量式変位センサでは、静電容量の変化を交流電圧の変化に変換するため、電子回路のＳＮ比により感度が制限され高精度化を実現できない。さらに、この静電容量式変位センサでは、分圧検出回路、増幅回路、電圧周波数変換回路等の多くの回路が必要になるため、回路規模が大きくなってしまう。また、前述の指紋センサでは、静電容量式変位センサと同様に、電子回路のＳＮ比により感度が制限され高精度化を実現できない。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、真空状態を用意する必要がなく、小型でかつ簡易な構成により物体の可視化を実現可能な可視化センサを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、高感度化及び高精度化を実現する可視化センサを提供することにある。さらに、本発明の第３の目的は、高解像度化を実現する可視化センサを提供することにある。

〔本発明の原理〕
本発明による物体の可視化は、「テルミン」という楽器の動作原理に基づいている。この「テルミン」は、当該楽器に設けられた２つのアンテナを手で遮ることによってアンテナと手との間の静電容量を変化させ、発生楽音の音程及び音量を変化させるものである。具体的には、静電容量がアンテナと手との間の距離に反比例することから、当該静電容量に応じた周波数の信号を発振させ、その発振周波数を音程及び音声に変換する。

まず、前述の「テルミン」の動作原理に基づいた本発明による物体の観測原理について、図１を参照して詳細に説明する。図１において、本システムは、プローブアレイ１、発振器２，３、ミキサ４、フィルタ５、カウンタ６及びＰＣ（パーソナルコンピュータ）７を備えている。プローブアレイ１は、格子状に配置された複数のアンテナ電極８から構成され、当該プローブアレイ１上に観測対象の物体（図示せず）が置かれる。アンテナ電極８は、物体との間で静電容量を有するキャパシタの電極である。

発振器２は、物体とプローブアレイ１の１点であるアンテナ電極８との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する。この場合、物体とアンテナ電極８との間の距離が変化すると静電容量が変化し、静電容量が変化すると発振周波数ｆ_２も変化するという関係がある。発振器２は、静電容量に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する回路であり、例えば、ＬＣ発振回路を用いた場合には、静電容量Ｃと発振周波数ｆとは次式の関係になる。
式：ｆ＝１／２π√（Ｌ×Ｃ）
また、発振器３は、常に固定周波数ｆ_１の信号を発振する。尚、物体がプローブアレイ１上に置かれていない場合には、発振器２が発振する信号の周波数ｆ_２と発振器３が発振する固定周波数ｆ_１とは同一であるものとする。

ミキサ４は、発振器２から周波数ｆ_２で発振した信号と、発振器３から固定周波数ｆ１で発振した信号とを入力し、乗算処理を施し、その結果として周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_１−ｆ_２，ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_１，２ｆ_２の信号を出力する。フィルタ５は、高周波の信号成分を除去するＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）である。フィルタ５は、ミキサ４から入力した信号について周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_１，２ｆ_２の信号成分を除去し、周波数ｆ_１−ｆ_２の信号のみを出力する。

カウンタ６は、フィルタ５から入力した周波数ｆ_１−ｆ_２の信号について周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値すなわち周波数ｆ_１−ｆ_２を算出する。ＰＣ７は、カウンタ６からカウント値を入力し、当該カウント値に基づいて物体とプローブアレイ１におけるアンテナ電極８との間の距離を算出する。この場合、物体とアンテナ電極８との間の静電容量は、プローブアレイ１のアレイ面に対して垂直方向における物体の面であって、プローブアレイ１のアンテナ電極８の電極面から垂直方向に存在する物体面における当該物体面付近とアンテナ電極８の電極面との間の静電容量であるため、静電容量から算出される距離は、アンテナ電極８の電極面と物体面付近との間の平均距離になる。そして、物体とプローブアレイ１におけるアンテナ電極との間の距離を、アンテナ電極毎に算出することにより、プローブアレイ１から見た物体の形状（物体像）を画像化することができる。

このように、発振器を用いて、物体とプローブアレイ１におけるアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数で発振させ、当該周波数に基づいて距離を算出することにより、物体の形状を画像化することができる。

発振器２，３にＬＣ発振回路を用いた場合において、発振周波数に基づいて算出された距離と周波数変化の割合との関係を、図２に示す。図２から、距離が長くなるに従って周波数変化の割合が小さくなり、距離が短くなるに従って周波数変化の割合が大きくなることがわかる。また、周波数が高くなる程、距離の感度が良くなることがわかる。実験によって、５ＧＨｚ付近まで周波数を上げると発振しなくなる結果が得られている。５ＧＨｚに近い周波数であって、かつ発振する周波数を用いることにより、感度の良い距離の算出が可能になる。

前述の原理に基づいて、本発明による可視化センサは、物体に対向して設けられたアンテナ電極、該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第１の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第２の発振器、及び、前記第１の発振器により出力された信号の発振周波数と、第２の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段を備えたことを特徴とする。静電容量は物体とアンテナ電極との間の距離に依存するから、出力手段から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。

前記出力手段に代えて、前記第１の発振器により出力された信号について、その発振周波数を１倍の周波数比に分周した周波数を生成し、該周波数の信号と入力する基準周波数信号とが一致するように第１の発振器に対する制御用周波数信号を生成して出力する第１の同期回路、及び、前記第２の発振器により出力された基準発振周波数の信号を入力し、該基準発振周波数を所定の周波数比に分周した周波数を生成し、該分周した周波数の信号を前記基準周波数信号として出力する第２の同期回路を備えるように構成するのが好適である。これにより、第１の同期回路から出力される信号及び第２の同期回路から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。この場合、より高い周波数を用いて制御用周波数信号を出力することができ、物体とアンテナ電極との間の距離を感度良く算出することが可能となる。

前記可視化センサの構成に加えて、物体に対向して設けられ、接地状態に保持されたグランド電極を備えるようにするのが好適である。これにより、物体とアンテナ電極との間の静電容量以外に物体に依存して変化する静電容量を考慮しなくて済むから、グランド電極を備えない場合に比べて、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することが可能となる。前記可視化センサにおいて、アンテナ電極を複数備え、第１の発振器、第２の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられるように構成するのが好適である。

また、本発明に係る可視化センサは、物体に対向して設けられたアンテナ電極、該アンテナ電極に接続されて物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第１の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第２の発振器、及び、前記第１の発振器により出力された信号の発振周波数と、第２の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段を備えたことを特徴とする。これにより、出力手段から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。前記可視化センサにおいて、アンテナ電極を複数備え、第１の発振器、第２の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられるように構成するのが好適である。

前記可視化センサに加えて、アンテナ電極毎に設けられた出力手段のうちの一つの出力手段を選択するためのスイッチを備えるようにするのが好適である。また、前記第１の発振器、第２の発振器及び出力手段を、複数のアンテナ電極からみて物体に対して反対側に設けるように構成するのが好適である。また、前記第１の発振器及び第２の発振器は、奇数個のインバータが直列にそれぞれ接続され、コモンセントロイド配置に構成されているのが好適である。

また、本発明に係る可視化センサは、物体に対向して設けられた単一のアンテナ電極、該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第１の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第２の発振器、前記第１の発振器により出力された信号の発振周波数と、第２の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段、及び、前記アンテナ電極からみて物体が存在する側に設けられた部材であって、該部材により複数の交点が構成され、該複数の交点のうちの一つの交点が選択された場合に、該交点を構成する２つの部材が開放状態に保持され、他の部材が接地状態に保持される複数の線状部材を備えたことを特徴とする。これにより、出力手段から出力される信号に基づいて、線状部材の交点における物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。

前記複数の線状部材は、アンテナ電極の面に対して縦方向の複数の線状部材及び横方向の複数の線状部材を含み、前記記単一のアンテナ電極の代わりに、縦方向または横方向の複数の線状部材にそれぞれ対抗した複数のアンテナ電極を備えるように構成するのが好適である。また、可視化センサまたはアンテナ電極を、物体に対して移動させる手段を備えるように構成するのが好適である。

本発明によれば、物体との距離を算出し、物体の可視化を実現する場合に、真空状態を用意する必要がなく、物体に電子線を照射する必要もないため、生体物質を生きたまま観測することができる。また、高度な雑音対策や精密な機械制御が必要なく、光や電子線等の光学系も必要ないから、小型でかつ簡易な構成により物体の可視化を実現することができる。また、ミクロンからサブミクロン領域における物体の可視化が可能となり、走査電子顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡等と同等な解像度を得ることができる。このように、第１の目的を達成することが可能となる。

また、本発明によれば、アンテナ電極と第１の発振器とが接続され、第１の発振器と出力手段とが接続されるように構成したから、アンテナ電極と出力手段との間にアンテナ電極を選択するためのトランジスタ等が存在しない。これにより、配線容量の影響が少なく、かつトランジスタ等の容量の影響を受けることがない。従って、物体とアンテナ電極との間の距離を算出する際に、第２の目的である高感度化及び高精度化を実現することが可能となる。

また、本発明によれば、アンテナ電極に対して複数の線状部材を設け、その線状部材の交点における物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数に基づいて、その距離を算出するようにした。これにより、画素毎にアンテナ電極を設ける必要がない。従って、第３の目的である高解像度化を実現することが可能となる。

図１は、「テルミン」の動作原理に基づいた本発明による物体の観測原理を説明するブロック構成図である。 図２は、ＬＣ発振回路を用いた場合の距離と周波数変化の割合と間の関係を示す図である。 図３は、本発明による可視化センサの実施例１の構成を示すブロック図である。 図４は、図３に示した実施例１の変形例の構成を示すブロック図である。 図５は、図４に示したＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。 図６は、グランド電極を配置した場合におけるプローブアレイの上面図である。 図７は、物体（導体）とプローブアレイとの間の静電容量を説明するための断面図である。 図８は、物体（導体）、プローブアレイ及び発振器の等価回路図である。 図９は、発振周波数を決定する静電容量Ｃ１とＣｐｒとの間の関係を示す図である。 図１０は、Ｃｇｎｄの影響による誤差率εとＰ（＝Ｃｇｒｄ／Ｃｐｒ）との間の関係を示す図である。 図１１は、本発明による可視化センサの実施例２の構成を示すブロック図である。 図１２は、図１１に示した発振器の構成を示す論理回路図である。 図１３は、本発明による可視化センサの実施例３の構成を示すブロック図である。 図１４は、図１３に示した実施例３による測定の仕組みを説明するためのアンテナ電極及び配線の断面側面図である。 図１５は、センサ電極の静電容量を示すための図である。 図１６は、図１３に示した実施例３の変形例の概要を示す図である。 図１７は、物体（絶縁体）とプローブアレイとの間の静電容量及び等価回路を説明するための図である。 図１８は、センサまたはアンテナ電極を移動させる例を説明するための概略構成図である。 図１９は、アンテナ電極を１ｃｍ角の面積に配置した場合の画素数を示すグラフである。 図２０は、図１１に示した可視化センサの回路配置を説明するための模式図である。 図２１は、ＣＭＯＳ０．０９μｍを使用した場合の数値換算グラフである。 図２２は、センサ位置と発振器の周波数との関係を示すグラフである。 図２３は、アンテナ電極の寸法の見積りを示すグラフである。

以下、本発明による可視化センサの実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
〔実施例１〕
図３は、本発明による可視化センサの実施例１の構成を示すブロック図である。このシステム１０は、物体との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ（可視化センサ）３０と、当該センサ３０に備えたプローブアレイ１１におけるアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース４０と、物体とセンサ３０との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するＰＣ１７とを備えている。センサ３０は、プローブアレイ１１、発振器１２，１３、ミキサ１４、フィルタ１５及びデコーダ３１を備えている。また、インタフェース４０は、カウンタ１６及び入出力部４１を備えている。

センサ３０に備えたプローブアレイ１１は、図１に示したプローブアレイ１と同様に、複数のアンテナ電極から構成され、当該プローブアレイ１１上に観測対象の物体（図示せず）が置かれる。デコーダ３１は、アンテナ電極を選択するためのトランジスタがアンテナ電極毎に設けられ、プローブアレイ１１における複数のアンテナ電極のうちの１個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース４０から入力し、当該アドレス信号に基づいて１個のトランジスタを動作させ、１個のアンテナ電極を特定して選択する。

発振器１２は、図１に示した発振器２と同様の機能を有し、物体とデコーダ３１により特定された１個のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する。また、発振器１３は、図１に示した発振器３と同等の機能を有し、常に固定周波数ｆ_１の信号を発振する。尚、物体がプローブアレイ１１上に置かれていない場合には、発振器１２が発振する信号の周波数ｆ_２と発振器１３が発振する固定周波数ｆ_１とは同一であるものとする。

ミキサ４は、図１に示したミキサ４と同様の機能を有し、周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_１−ｆ_２，ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_１，２ｆ_２の信号を出力する。フィルタ５は、図１に示したフィルタ５と同様の機能を有し、周波数ｆ_１−ｆ_２の信号のみを出力する。

インタフェース４０に備えたカウンタ１６は、図１に示したカウンタ６と同様の機能を有し、周波数ｆ_１−ｆ_２の信号について周波数のカウントを行い、そのカウント値すなわち周波数ｆ_１−ｆ_２を算出する。入出力部４１は、物体との間の距離を算出するための１個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をＰＣ１７から入力し、当該アドレス信号をセンサ３０のデコーダ３１へ出力する。また、入出力部４１は、そのアドレス信号により特定された１個のアンテナ電極における周波数のカウント値をカウンタ１６から入力し、そのアドレス信号及び周波数のカウント値をＰＣ１７へ出力する。

ＰＣ１７は、アンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース４０の入出力部４１へ出力し、当該アドレス信号及び周波数のカウント値を入出力部４１から入力する。そして、ＰＣ１７は、当該カウント値に基づいて物体とプローブアレイ１１におけるアンテナ電極との間の距離を算出する。この場合、物体とアンテナ電極との間の静電容量は、前述のように、特定されたアンテナ電極からみて、プローブアレイ１１のアレイ面に対して垂直方向における物体面付近と当該アンテナ電極との間の静電容量である。従って、アドレス信号の情報は、アンテナ電極からみて、プローブアレイ１１のアレイ面に対して垂直方向における物体面に対応することになる。ＰＣ１７は、プローブアレイ１１における全てのアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を順次出力し、周波数のカウント値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出することにより、プローブアレイ１１から見た物体の形状を画像化することができる。

以上説明したように、実施例１の可視化センサ３０によれば、発振器１２が物体とプローブアレイ１１のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数ｆ_２の信号を発振し、ミキサ１４が周波数ｆ_２と基準周波数ｆ_１との差を出力するようにした。これにより、周波数の差ｆ_１−ｆ_２に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することができ、プローブアレイ１１から見た物体の形状（物体像）を画像化することができる。

また、実施例１の可視化センサ３０において、発振器１２，１３としてコルビッツ発振回路のようなＬＣ発振回路を用いることができる。この場合、コルビッツ発振回路よりも低利得で発振する発振回路を用いることもできるが、コルビッツ発振回路はその回路構成が単純だから、センサ３０全体として小型でかつ簡易な構成を実現することができる。

〔変形例１〕
次に、実施例１の変形例について、図４及び５を用いて詳細に説明する。図４に示す変形例１は、図１の「テルミン」の動作原理に示したブロック構成とは異なる構成を有するが、物体とアンテナ電極との間の静電容量に着目し、その間の距離を算出する点において共通する。図３に示した「テルミン」の動作原理に基づいた実施例１では、プローブアレイ１１上に物体が置かれていない状態で、発振器１２の発振周波数ｆ２と発振器１３の発振周波数ｆ１とを同一にする必要がある。この場合、発振器１２及び発振器１３は別々の回路であるため、同一になるように精度高く設計することは極めて困難である。そこで、本変形例１は、このような設計上の問題を解決するためになされたものである。

図４を参照して、このシステム１００は、物体との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数制御電圧を出力するセンサ１３０と、当該センサ１３０に備えたプローブアレイ１１１におけるアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数制御電圧信号をセンサ１３０から入力するインタフェース１４０と、物体との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するＰＣ１１７と、センサ１３０へ高精度な基準発振周波数の信号を出力する発振器１５０とを備えている。センサ１３０は、プローブアレイ１１１、デコーダ１３１及びＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ／位相同期ループ）回路１３２，１３３を備えている。また、インタフェース１４０は、入出力部１４１及び比較部１４２を備えている。

センサ１３０に備えたプローブアレイ１１１は、図１に示したプローブアレイ１及び図３に示したプローブアレイ１１と同様である。デコーダ１３１は、図３に示したデコーダ３１と同様の機能を有し、プローブアレイ１１１における複数のアンテナ電極のうちの１個のアンテナ電極を特定するアドレス信号をインタフェース１４０から入力し、当該アドレス信号に基づいて１個のアンテナ電極を特定して選択する。

ＰＬＬ回路１３２は、発振器１５０から高精度な基準発振周波数ｆｒの信号Ａ１を入力する。ＰＬＬ回路１３２は、発振器１５０から入力した信号Ａ１の基準周波数ｆｒを所定の周波数比に分周した周波数ｆｏ（ｆｏ×Ｎ＝ｆｒ（Ｎ＝１，２，４，８，・・・））の信号Ｂ１を出力すると共に、信号Ｂ２を生成するための基準周波数制御電圧信号Ｃ１を出力する。ここで、ＰＬＬ回路は、一般に、入力信号に対して周波数や位相のズレのない出力信号を生成する回路である。具体的には、外部からの入力信号と内蔵した発振器からの出力信号とを比較し、周波数や位相の誤差分を検出し、発振器にフィードバックすることにより、両信号を一致させ、入力信号に対してズレのない出力信号を得る回路である。

ＰＬＬ回路１３３は、ＰＬＬ回路１３２から周波数ｆｏの信号Ｂ１すなわち信号Ａ２を入力し、１倍の周波数比に分周した周波数ｆｏの信号Ｂ２を出力する。物体がプローブアレイ１１１上に存在しない場合（物体がプローブアレイ１１１から無限大の位置に存在する場合）は、信号Ｂ２を生成するための周波数制御電圧信号Ｃ２（＝α）を出力する。この場合、周波数制御電圧信号Ｃ２（＝α）は、ＰＬＬ回路１３２により出力された信号Ｃ１と同一の信号になる。一方、物体がプローブアレイ１１１上に存在する場合は、物体とプローブアレイ１１１のアンテナ電極との間の距離を静電容量としたキャパシタ負荷の存在により、信号Ｂ２が変化する。そうすると、ＰＬＬ回路１３３は、信号Ｂ２と信号Ａ２とが同一になるように、信号Ｂ２を生成するための周波数制御電圧信号Ｃ２が変化する。すなわち、物体とプローブアレイ１１１のアンテナ電極との間の距離の変化が、周波数制御電圧信号Ｃ２の変化（Ｃ２＝β）に現れることになる。

ＰＬＬ回路１３２，１３３の具体的な構成を示すブロック図を図５に示す。ＰＬＬ回路１３２は、基準用の回路であり、発振器１３２−１、分周器１３２−２、位相比較器１３２−３及びフィルタ１３２−４を備えている。ＰＬＬ回路１３３は、測定用の回路であり、発振器１３３−１、分周器１３３−２、位相比較器１３３−３及びフィルタ１３３−４を備えている。ＰＬＬ回路１３２の分周器１３２−２は、入力する信号の周波数を定数倍（Ｎ倍）に変化させる。位相比較器１３２−３は、外部の発振器１５０から入力した基準周波数ｆｒの信号Ａ１と、分周器１３２−２から入力した信号とを入力し、当該周波数の差を出力する。フィルタ１３２−４は、入力した周波数の差を電圧（周波数制御電圧）に変換して出力する。発振器１３２−１は、周波数制御電圧（基準周波数電圧）を入力し、当該電圧に応じた周波数ｆｏの信号Ｂ１（基準周波数ｆｒを所定の定数倍に分周した信号）を出力する。つまり、ＰＬＬ回路１３２は、発振器１５０から基準周波数ｆｒの信号Ａ１を入力し、Ｎ倍に分周した高周波信号である周波数ｆｏの信号Ｂ１を出力するとともに、周波数ｆｏの信号を生成するための基準周波数電圧信号Ｃ１（＝α）を出力する。

ＰＬＬ回路１３３の発振器１３３−１、分周器１３３−２、位相比較器１３３−３及びフィルタ１３３−４は、ＰＬＬ回路１３２の発振器１３２−１、分周器１３２−２、位相比較器１３２−３及びフィルタ１３２−４とそれぞれ同様の機能を有する。ＰＬＬ回路１３３の分周器１３３−２は、入力した信号Ａ２の周波数ｆｏに対して１倍の周波数比の信号Ｂ２を出力する。このようにして、ＰＬＬ回路１３３は、ＰＬＬ回路１３２から周波数ｆｏの信号Ａ２を入力し、周波数ｆｏに対して１倍の周波数比の信号Ｂ２を出力すると共に、信号Ｂ２を生成するための周波数制御電圧Ｃ２を出力する。この場合、前述のように、物体とプローブアレイ１１１のアンテナ電極との間の距離に応じて信号Ｂ２の周波数が変化するので、発振器１３３−１は、信号Ｂ２の周波数ｆｏを一定に保つように、当該距離に応じた周波数制御電圧信号Ｃ２（＝β）を入力する。

つまり、ＰＬＬ回路１３２は、基準周波数制御電圧信号Ｃ１（＝α）をインタフェース１４０へ出力し、ＰＬＬ回路１３３は、物体とプローブアレイ１１１のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数の信号であって、信号Ｃ１を基準とした周波数制御電圧信号Ｃ２（＝β）をインタフェース１４０へ出力する。

図４に戻って、インタフェース１４０に備えた比較部１４２は、ＰＬＬ回路１３２から基準周波数制御電圧信号Ｃ１と、ＰＬＬ回路１３３から周波数制御電圧信号Ｃ２とを入力し、両信号を比較して、両信号の差を算出する。そして、比較部１４２は、当該差の信号を入出力部１４１へ出力する。入出力部１４１は、物体との間の距離を算出するための１個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をＰＣ１１７から入力し、当該アドレス信号をセンサ１３０のデコーダ１３１へ出力する。また、入出力部１４１は、そのアドレス信号により特定された１個のアンテナ電極における周波数制御電圧の差の値を比較部１４２から入力し、そのアドレス信号及び差の値をＰＣ１１７へ出力する。

ＰＣ１１７は、アンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース１４０の入出力部１４１へ出力し、当該アドレス信号及び周波数制御電圧の差の値を入出力部１４１から入力する。そして、ＰＣ１１７は、当該差の値に基づいて物体とプローブアレイ１１１におけるアンテナ電極との距離を算出する。この場合、前述の実施例１において説明したように、アドレス信号の情報は、その１個のアンテナ電極により観測される物体の観測面における位置情報、すなわち当該アンテナ電極からみて、プローブアレイ１１１のアレイ面に対して垂直方向における物体面に対応することになる。従って、ＰＣ１１７は、プローブアレイ１１１における全てのアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を順次出力し、周波数制御電圧の差の値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出することにより、プローブアレイ１１１から見た物体の形状を画像化することができる。

以上説明したように、変形例１の可視化センサ１３０によれば、ＰＬＬ回路１３３が、基準周波数ｆｒよりも高い周波数ｆｏの信号Ｂ１を生成し、ＰＬＬ回路１３３が、信号Ａ２の周波数ｆｏと信号Ｂ２の周波数が同一になるように周波数制御電圧信号Ｃ２を出力し、ＰＣ１１７が、当該周波数制御電圧Ｃ２によりアンテナ電極と物体との間の距離を算出するようにした。図２に示したように、周波数が高くなる程、距離の感度が良くなることから、２つのＰＬＬ回路１３２，１３３を用いて基準周波数ｆｒよりも高い周波数ｆｏの信号Ｂ１を用いることにより、物体とアンテナ電極との間を距離を感度良く算出することができる。

〔変形例２〕
次に、前述の実施例１及びその変形例１のプローブアレイ１１，１１１に、グランド電極を配置した実施例について、図６から図１０を用いて詳細に説明する。図６は、プローブアレイにグランド電極を配置した場合の上面図である。図６（１）は、アンテナ電極１５１間に点状グランド電極１５０を配置した例であり、（２）は、アンテナ電極１５３間に格子状グランド電極１５２を配置した例である。図７は、物体１６０，１７０とプローブアレイ１６４，１７３のアンテナ電極との間の静電容量を説明する断面図である。図７（１）において、グランド電極を配置した場合、物体１６０とアンテナ電極１６３との間に静電容量Ｃｐｒ、物体１６０とグランド電極１６２−１との間に静電容量Ｃｇｎｄ１、物体１６０とグランド電極１６２−２との間に静電容量Ｃｇｎｄ２、アンテナ電極１６３とグランド電極１６２−１，１６０−２との間の静電容量Ｃｄ、物体全体の浮遊容量（グランド電極以外の周辺の金属等との間の意図しない静電容量の合計）Ｃｔ、及び発振器１６１等による配線容量Ｃｓが存在する。また、図７（２）において、グランド電極を配置しない場合、物体１７０とアンテナ電極１７２との間に静電容量Ｃｐｒ、物体全体の浮遊容量Ｃｔ、及び発振器１７１等による配線容量Ｃｓが存在する。

ここで、Ｃｇｎｄ＝ΣＣｇｎｄｉ＋Ｃｔ（ｉ＝１，２・・・）とすると、図７（１）及び（２）に示した断面図の等価回路は、図８（１）に示す回路になる。Ｃｐｒ及びＣｇｎｄ（Ｃｔを含む）は物体により変化する静電容量であり、Ｃｄ及びＣｓは物体により変化しない固定の静電容量であってプローブアレイ１６４，１７３固有の静電容量である。従って、全体の静電容量は、図８（２）に示すように、
式：Ｃ＝Ｃｐｒ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ＋Ｃｇｎｄ）＋Ｃｄ＋Ｃｓ
となり、全体の静電容量ＣのうちのＣｐｒ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ＋Ｃｇｎｄ）部分が変化すると、発振器１６１が発振する信号の発振周波数が変化することになる。つまり、物体１６０，１７０との間の距離は、Ｃｐｒ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ＋Ｃｇｎｄ）に応じた発振周波数を用いて算出される。尚、図７（２）に示したグランド電極を配置しない場合には、Ｃｇｎｄ＝Ｃｔである。

このように、図７（１）に示したグランド電極を配置した場合及び図７（２）に示したグランド電極を配置しない場合のいずれの場合も、Ｃｇｎｄは物体毎に異なるから、発振周波数に変換される静電容量Ｃｐｒ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ＋Ｃｇｎｄ）にＣｇｎｄを含む限り、Ｃｐｒに基づいて物体とアンテナ電極との間の距離を算出する原理を適用できないことになる。しかしながら、Ｃｇｎｄ＞Ｃｐｒの場合（図９及び図１０を参照、詳細については後述する。）は、発振周波数を決定する静電容量はＣｇｎｄを無視することができ、Ｃｐｒにほぼ等しくなるから、前述した問題を解消することができる。すなわち、Ｃｇｎｄ＞Ｃｐｒの場合は、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することができる。以下、詳細に説明する。

物体とアンテナ電極との間の距離を算出するための発振周波数を決定する静電容量をＣ１とすると、前述したように、
式：Ｃ１＝Ｃｐｒ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ＋Ｃｇｎｄ）
となる。この場合、Ｃ１とＣｐｒとがほぼ等しいときに、Ｃｇｎｄを無視でき、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することが可能になる。図９は、Ｃ１とＣｐｒとの間の関係を示す図である。図中、曲線ａはＣ１＝Ｃｐｒの場合（Ｃｇｎｄの影響を全く受けない場合）、曲線ｂはＣｇｎｄ＝１０×Ｃｐｒの場合、曲線ｃはＣｇｎｄ＝Ｃｐｒの場合、曲線ｄはＣｇｎｄ＝０．１×Ｃｐｒの場合をそれぞれ示している。図９より、Ｃ１とＣｐｒとのズレは、Ｃｇｎｄ＜Ｃｐｒでは大きく、Ｃｇｎｄ＞Ｃｐｒでは小さくなる。図９に示した静電容量のスケールにおいて、ＣｇｎｄがＣｐｒの１０倍程度になると、Ｃ１は、Ｃｇｎｄにほとんど影響されず、Ｃｐｒのみに影響されることになる。この場合、図７（２）に示したグランド電極を配置しない場合はＣｇｎｄ＝Ｃｔであり、一般に浮遊容量ＣｔはＣｐｒに比べて小さい値だから、図７（１）に示したグランド電極を配置した場合の方が（２）よりも誤差が少なくなり、精度高く距離を算出することができる。

また、Ｃｇｎｄの影響による誤差率εは、以下の式に表される。
式：ε＝（Ｃ１−Ｃｐｒ）／Ｃｐｒ＝−１／（１＋Ｐ）、Ｐ＝Ｃｇｎｄ／Ｃｐｒ
図１０は、上式におけるＣｇｎｄの影響による誤差率εとＰ（＝Ｃｇｎｄ／Ｃｐｒ）との間の関係を示す図である。図１０より、ＣｇｎｄがＣｐｒに対して大きい程Ｃｇｎｄの影響による誤差率εはゼロに近くなる。上式より、Ｎビットの精度を必要とする場合は、次式を満たす必要がある。
式：Ｐ＝Ｃｇｎｄ／Ｃｐｒ≧｜２^Ｎ−１｜

現実には、物体がアンテナ電極間よりも十分に大きい場合は、Ｃｇｎｄの影響を無視することができるが、同程度の場合は、Ｃｇｎｄの値が異なれば、物体とアンテナ電極との距離は一意的に決定できず、ノイズになってしまう。この場合、ローパスフィルタ等の画像処理によりノイズを除去することができる。つまり、物体がアンテナ電極間の距離と同程度の大きさの場合は、物体との距離を算出することができないため、物体を可視化することができず、解像度は、アンテナ電極間の距離の数倍程度まで下がることになる。

以上説明したように、変形例２の可視化センサによれば、プローブアレイにグランド電極を配置するようにしたから、物体とアンテナ電極との間の静電容量以外に物体に依存して変化する静電容量を考慮する必要がなく、グランド電極を配置しない例に比べて、Ｃｇｎｄ＞Ｃｐｒの場合に発振周波数を決定する静電容量Ｃ１がＣｇｎｄの影響を受けない限り、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することができる。

〔実施例２〕
図１１は、本発明による可視化センサの実施例２の構成を示すブロック図である。図３に示した実施例１と実施例２を比較すると、実施例１では、トランジスタを含むデコーダ３１により、プローブアレイを構成する複数のアンテナ電極のうちのいずれか一つを選択するが、実施例２では、デコーダ２３１及びトランジスタ２３６により、複数のアンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４のうちのいずれか一つを選択する点で相違する。図３に示した実施例１では、発振器１２からデコーダ３１を介してプローブアレイ１１のアンテナ電極までの間の配線容量、及び、アンテナ電極に対してそれぞれ設けられたデコーダ３１内のトランジスタの静電容量が存在するため、アンテナ電極と物体との間の静電容量の変化は全体の静電容量からすると小さくなってしまい、発振器１２による周波数ｆ_２の変化も小さくなってしまう。つまり、実施例１では、高感度化及び高精度化を十分に実現することができない。そこで、本実施例２は、このような問題を解決するため、アンテナ電極２３７毎に発振器２３２，２３３及びミキサ２３４を備えるように構成したものである。

図１１を参照して、このシステム２００は、物体とアンテナ電極２３７との間の静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ２３０と、当該センサ２３０に備えた複数のアンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４のうちの一つの組を選択するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース２４０と、物体とアンテナ電極２３７との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するＰＣ２１７とを備えている。センサ２３０は、デコーダ２３１、フィルタ２３５、複数のアンテナ電極２３７、当該アンテナ電極２３７に対応する発振器２３２，２３３、アンテナ電極２３７に対応するミキサ２３４、及びアンテナ電極２３７に対応するトランジスタ２３６を備えている。また、インタフェース２４０は、入出力部２４１及び比較部２４２を備えている。

センサ２３０において、物体とアンテナ電極２３７との間の静電容量に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する発振器２３２、固定周波数ｆ_１の信号を発振するアンテナ電極２３７、ミキサ２３４、フィルタ２３５、インタフェース２４０の入出力部２４１、入出力部２４２、及びＰＣ２１７は、図３に示したセンサ３０の発振器１２，１３、ミキサ１４、フィルタ１５、インタフェース４０の入出力部４１、カウンタ１６及びＰＣ１７とそれぞれ同等の機能を有する。センサ２３０のアンテナ電極２３７は、図３に示したプローブアレイ１１のアンテナ電極と同様に構成され、観測対象の物体がその上に置かれる。デコーダ２３１は、インタフェース２４０の入出力部２４１からアドレス信号を入力し、複数のトランジスタ２３６のうちの一つのトランジスタを動作させる。これにより、複数のアンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４のうちの一つの組が選択される。

ＰＣ２１７は、アンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４の組を特定するためのアドレス信号を順次出力し、その周波数のカウント値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出する。これにより、アンテナ電極から見た物体の形状を画像化することができる。

以上説明したように、実施例２の可視化センサ２３０によれば、アンテナ電極２３７毎に発振器２３２，２３３及びミキサ２３４を備え、デコーダ２３１及びトランジスタ２３６が、複数のアンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４のうちの一つの組を選択するようにした。これにより、発振器２３２からアンテナ電極２３７までの間にはデコーダ２３１及びトランジスタ２３６が存在しないから、物体とアンテナ電極２３７との間の静電容量に応じた周波数ｆ_２は、配線容量の影響が少なく、かつトランジスタ２３６の容量の影響がない。従って、アンテナ電極２３７と物体との間の静電容量の変化は全体の静電容量からすると、図３に示した実施例１に比べて大きくなる。つまり、発振器２３２による周波数ｆ_２の変化を大きくすることができ、高感度化及び高精度化を実現することができる。

ここで、図１１に示した実施例２の可視化センサ２３０における発振器２３２，２３３、ミキサ２３４及びトランジスタ２３６の回路配置の模式図を図２０に示す。発振器２３２−１，２３３−１、ミキサ２３４−１及びトランジスタ２３６−１はアンテナ電極２３７−１の下部に、発振器２３２−２，２３３−２、ミキサ２３４−２及びトランジスタ２３６−２はアンテナ電極２３７−２の下部に、行選択線及び列選択線を介してそれぞれ配置される。このように配置することにより、配線容量の影響をさらに抑えることができるから、より一層、周波数ｆ_２の変化を大きくすることができ、高感度化及び高精度化を実現することができる。

図３に示した実施例１と図１１に示した実施例２との間における発振周波数ｆ_２の変化の比較を表１に示す。表１は、物体がアンテナ電極上に置かれていない場合（静電容量０Ｆ）と置かれた場合（４６．５Ｆ）における発振周波数ｆ_２を示している。実施例１の周波数ｆ_２の変化は４ＭＨｚであり、実施例２の周波数ｆ_２の変化は５２ＭＨｚであるから、実施例２の方が変化が大きいことがわかる。尚、実施例１の条件は、アンテナ電極であるセンサプレートの面積が３８．５μｍ×３８．５μｍ、アンテナ電極と発振器１２，１３との間の配線長が４ｍｍであり、実施例２の条件は、アンテナ電極２３７であるセンサプレートの面積が３８．５μｍ×３８．５μｍ、アンテナ電極２３７の下部に発振器２３２，２３３及びミキサ２３４を配置した場合である。また、両者ともアンテナ電極は１つである。
表１：

表１に示したセンサ検出容量は、アンテナ電極よりも大きい物体を１μｍの距離に置いた場合の値であり、１μｍ付近の物体を検出するための能力でもある。また、表１の数値は、ＣＭＯＳ０．３５μｍの製造技術のパラメータに基づいて算出したものであり、この数値は製造技術に依存する。ＣＭＯＳの場合、一般に、トランジスタのサイズと発振器の最高周波数とは、ほぼ反比例する関係にある。現在の量産レベルにおけるＣＭＯＳ０．０９μｍを使用した場合、表１に示す数値に換算される。また、テクノロジノード（製造技術の技術世代）との関係を図２１に示す。
表２：

また、図２２に、図３に示した実施例１と同じ条件の下で、４ｍｍ角に８０個のアンテナ電極を配置して行ったシミュレーションの結果を示す。図２２において、各位置における周波数の差は時間変化しないため、雑音が混入しても後に取り除くことが可能であるが、周波数の測定精度が十分に高くない場合は大きな誤差になる。尚、図１１に示した実施例２の場合は、アンテナ電極の数（画素数）の影響は全くない。また、図２３に、アンテナ電極の寸法の見積りを示す。図２３には、表１に示した実施例２から予想されるアンテナ電極の寸法、発振器を内蔵した場合のアンテナ電極の最小寸法、及び、発振器を外部に設けた場合のアンテナ電極の最小寸法が示されている。

図１２は、図１１に示した実施例２の発振器２３２−１，２３３−１の構成を示す論理回路図である。尚、他の発振器２３２−２，２３３−２等も同様の構成である。物体とアンテナ電極２３７との間の距離に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する発振器２３２−１は、３つのインバータ２３２−１−１，２３２−１−２，２３２−１−３により構成される。同様に、基準となる固定周波数ｆ_１の信号を発振する発振器２３３−１も、３つのインバータ２３３−１−１，２３３−１−２，２３３−１−３により構成される。このような構成をコモンセントロイド配置（共通中心形配置）といい、発振器２３２−１，２３３−１は近接配置され、発振器２３２−１のインバータ２３２−１−２及び発振器２３３−１のインバータ２３３−１−２の配置が入れ替わった構成になっている。

このように、発振器２３２−１と発振器２３３とを近接配置させることにより、二つの発振器の周波数は同じようにばらつくことになる。実施例１及び２において、ミキサ１４，２３４が周波数の差の信号を出力するから、前記周波数のばらつきを吸収することができる。また、コモンセントロイド配置に構成することにより、一層周波数のばらつきを吸収することができ、周波数の誤差を小さくすることができる。尚、図１２は、発振器２３２−１，２３３−１の構成の一例を示した論理回路図であり、本発明は、このような構成の発振器に限定するものではない。

〔実施例３〕
図１３は、本発明による可視化センサの実施例３の構成を示すブロック図である。図１１に示した実施例２と実施例３を比較すると、実施例２では、センサ２３０が複数のアンテナ電極２３７を備え、デコーダ２３１及びトランジスタ２３６が複数のアンテナ電極２３７、発振器２３２，２３３及びミキサ２３４のうちのいずれか一つの組を選択するが、実施例３では、センサ３３０が単一のアンテナ電極３３７、発振器３３２，３３３及びミキサ３３４をそれぞれ備え、当該アンテナ電極３３７の上部（物体方向）に微細な配線（線状部材）３３８が格子上に設けられ、デコーダ３３１及びトランジスタ３３６が列（縦）方向の配線３３８−Ｌのうちの一つを、及び行（横）方向の配線３３８−Ｃのうちの一つを選択する点で相違する。図１１に示した実施例２では、アンテナ電極２３７の下部に発振器２３２，２３３及びミキサ２３４を配置することにより、高感度化及び高精度化を実現するようにしたが、１画素に相当するアンテナ電極２３７のプレート面積が大きくなり高解像度化の実現が困難になってしまう。そこで、本実施例３は、このような問題を解決するため、一つのアンテナ電極３３７の上に、位置検出用の微細な配線３３８を縦方向及び横方向に配置し、各交点における物体の距離を算出するように構成したものである。

図１３を参照して、このシステム３００は、物体とアンテナ電極３３７との間の静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ３３０と、配線３３８の交点位置を選択するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース３４０と、物体とアンテナ電極２３７との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するＰＣ３１７とを備えている。センサ３３０は、デコーダ３３１、フィルタ３３５、単一のアンテナ電極３３７、当該アンテナ電極２３７の上面に、縦方向に配置されたＭ本の配線３３８−Ｌ１〜ＬＭ、横方向に配置されたＮ本の配線３３８−Ｃ１〜ＣＮ、これらの配線３３８を選択するトランジスタ３３６−Ｌ１〜ＬＭ，Ｃ１〜ＣＮ、ミキサ２３４、発振器３３２，３３３を備えている。また、インタフェース３４０は、入出力部３４１及び比較部３４２を備えている。

センサ３３０において、物体とアンテナ電極３３７との間の静電容量に基づいた周波数ｆ_２の信号を発振する発振器３３２、固定周波数ｆ_１の信号を発振するアンテナ電極３３３、ミキサ３３４、フィルタ３３５、インタフェース３４０の入出力部３４１、入出力部３４２、及びＰＣ３１７は、図１１に示したセンサ２３０の発振器２３２，２３３、ミキサ２３４、フィルタ２３５、インタフェース２４０の入出力部２４１、入出力部２４２、及びＰＣ２１７とそれぞれ同等の機能を有する。センサ３３０のアンテナ電極３３７は、観測対象の物体がその上に置かれる。デコーダ３３１は、インタフェース３４０の入出力部３４１からアドレス信号を入力し、Ｌ用デコーダが縦方向の配線３３８−Ｌ１〜ＬＭに対応するトランジスタ３３６−Ｌ１〜ＬＭのうちの一つを、Ｃ用デコーダが横方向の配線３３８−Ｃ１〜ＣＮに対応するトランジスタ３３６−Ｃ１〜ＣＮのうちの一つをそれぞれ動作させる。これにより、縦方向の配線３３８−Ｌ１〜ＬＭのうちの一つ、及び横方向の配線３３８−Ｃ１〜ＣＮのうちの一つが選択され、その選択された配線は解放状態になり、その他の配線はグランド状態に保持される。つまり、観測される物体に対するアンテナ電極３３７のプレート面内の位置が選択される。

ＰＣ３１７は、アンテナ電極３３７のプレート面内の位置（配線３３８の交点）を特定するためのアドレス信号を順次出力し、その交点位置における周波数のカウント値を入力し、その交点位置における物体とアンテナ電極３３７との間の距離をそれぞれ算出する。全ての交点位置における距離を算出することにより、アンテナ電極３３７から見た物体の形状を画像化することができる。

図１４は、図１３に示した実施例３による測定の仕組みを説明するためのアンテナ電極３３７及び配線３３８の断面側面図である。以下、アンテナ電極３３７及び配線３３８とこれらの上に置かれた物体との間の距離に応じた周波数ｆ_２を発振する原理について説明する。尚、図１４において、アンテナ電極３３７と配線３３８−Ｃ１との間の静電容量をＣ_ｐ１、配線３３８−Ｃ１と配線３３８−Ｌ１との間の静電容量をＣ_ｇ１、配線３３８−Ｃ１と配線３３８−Ｌ２との間の静電容量をＣ_ｇ２、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１が重なり合う位置における配線３３８−Ｌ１と物体との間の静電容量をＣ_ｏ１、配線３３８−Ｌ２，Ｃ１が重なり合う位置における配線３３８−Ｌ２と物体との間の静電容量をＣ_ｏ２、物体とグランドとの間の静電容量をＣ_ｓとする。

ここで、ＰＣ３１７が、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１の交点における物体とアンテナ電極３３７との間の距離を算出するために、その交点を特定するためのアドレス信号を、入出力部３４１を介してデコーダ３３１へ出力する。デコーダ３３１は、当該アドレス信号を入力し、Ｌ用デコーダがトランジスタ３３６−Ｌ１を動作させて配線３３８−Ｌ１を開放し、Ｃ用デコーダがトランジスタ３３６−Ｃ１を動作させて配線３３８−Ｃ１を開放する。これにより、配線３３８−Ｌ２〜ＬＭ，Ｃ２−ＣＮがグランドに接続されるから、Ｃ_ｏ２，Ｃ_ｇ２〜Ｃ_ｇＭは物体と配線３３８−Ｃ１との間をシールドする。従って、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１以外の交点上の静電容量（例えばＣ_ｏ２）はアンテナ電極３３７に影響を与えず、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１の交点における静電容量Ｃ_ｏ１，Ｃ_ｇ１、及びＣ_ｓ，Ｃ_ｐ１のみが発振器３３２に影響を与えることになる。このように、発振器３３２は、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１の交点上の静電容量Ｃ_ｏ１に応じた周波数ｆ_２の信号を発振する。そして、ＰＣ３１７は、ミキサ３３４、フィルタ３３５、カウンタ３４２及び入出力部３４１を介して周波数のカウント値を入力し、当該カウント値に基づいて、配線３３８−Ｌ１，Ｃ１の交点における物体とアンテナ電極３３７との間の距離（当該交点における垂直上部に位置する物体と垂直下部に位置するアンテナ電極３３７面との間の距離）を算出する。

同様にして、ＰＣ３１７が、配線３３８−Ｌ２，Ｃ１の交点における物体とアンテナ電極３３７との間の距離を算出するためにその交点のアドレス信号を出力し、その交点における静電容量Ｃ_ｏ２のみに応じた周波数ｆ_２の信号に対応するカウント値を入力し、距離を算出する。このように、配線３３８の交点のアドレス信号を順次出力し、周波数のカウント値を入力し、その交点における物体とアンテナ電極３３７との間の距離をそれぞれ算出することにより、アンテナ電極３３７から見た物体の形状を画像化することができる。

図１５は、図１４におけるセンサ電極３３７の静電容量を示すための図である。ここで、アンテナ電極３３７の静電容量（センサ電極容量）は、配線３３８の交点における物体とアンテナ電極３３７との間の静電容量である。配線３３８−Ｌｉ，Ｃｊの交点における物体とアンテナ電極３３７との間のセンサ電極容量は、図１５に示す式により表される。ここで、Ｃｓは、センサ電極３３７上の物体の浮遊容量、Ｃｏｉｊは、物体とｉ列配線（配線３３８−Ｌｉ）との間に発生する容量、Ｃｇｉｊは、ｉ列配線（配線３３８−Ｌｉ）とｊ行配線（配線３３８−Ｃｊ）との間に発生する容量、Ｃｐｊは、ｊ行配線（配線３３８−Ｃｊ）とアンテナ電極３３７との間に発生する容量、Ｃｐｋは、ｋ行配線(配線３３８−Ｃｋ)とアンテナ電極３３７との間に発生する容量であり、全ての（ｉ，ｊ）に対して、Ｃｐｊ＝Ｃｐｋ＝Ｃｐ、Ｃｇｉｊ＝Ｃｇが成り立つ。尚、検出対象である物体の座標は、アンテナ電極３３７の座標と、配線３３８のアンテナ電極３３７に対する相対座標とを加算したものとなる。

以上説明したように、実施例３の可視化センサ３３０によれば、単一のアンテナ電極３３７上に、位置検出用の微細な配線３３８を縦方向及び横方向に配置し、各交点における物体とアンテナ電極３３７との間の静電容量に応じた周波数を検出するようにした。これにより、画素毎にアンテナ電極を設ける必要がないから高解像度化を実現することができる。

〔変形例３〕
次に、実施例３の変形例について、図１６を用いて説明する。図１３に示した実施例３では、単一のアンテナ電極３３７が設けられているが、本例では、図１６に示すように、細長状のアンテナ電極３３７−１〜Ｍが縦方向の配線３３８−Ｌ１〜ＬＭに対向してそれぞれ設けられている。このような構成の下で、デコーダ３３１及びトランジスタ３３６が、配線３３８及びアンテナ電極３３７を選択し、これらを切り換えることにより、発振器３３２が、配線３３８の各交点における物体とアンテナ電極３３７との間の静電容量に応じた周波数の信号を発振する。配線３３８−Ｌｉ，Ｃｊの交点における物体とアンテナ電極３３７との間のセンサ電極容量は、図１６に示す式により表される。

以上説明したように、変形例３の可視化センサによれば、細長形状のアンテナ電極３３７−１〜Ｍを備えることにより、センサ電極容量は図１６に示した式になり、また、アンテナ電極３３７−ｉは、縦方向の配線３３８−Ｌ１〜ＬＭのうち、配線３３８−Ｌｉ，Ｃｊの交点以外の縦方向の配線との間で重なりがなく、物体の有無に関係しない静電容量の発生を防ぐことができるから、物体の検出感度が高くなる。

次に、図１９に、アンテナ電極を１ｃｍ角の面積に配置した場合における画素数（アンテナ電極の数）のグラフを示す。図中、図３に示した実施例１、図１１に示した実施例２、及び実施例２の説明において示した表１の条件における例の予想限界が示されている。尚、図１１に示した実施例２の予想限界は、ＣＭＯＳ０．３５μｍテクノロジにおいて設計した最適値に基づいた計算結果である。

以上、実施例及び変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記例に限定されるものではなく、本発明の精神及び意図を逸脱しない限り、種々変形が可能である。例えば、上記変形例１では、２つのＰＬＬ回路１３２，１３３を備え、２つの周波数制御電圧信号の差Ｃ１−Ｃ２により物体とアンテナ電極との間の距離を算出するようにしたが、ＰＬＬ回路１３３が外部の発振器１５０から基準周波数の信号を入力し、当該ＰＬＬ回路１３３から出力される周波数制御電圧信号Ｃ２のみにより距離の変化を算出し、物体の形状を画像化するようにしてもよい。

また、上記実施例１では、発振器１２，１３としてＬＣ発振回路を例示したが、これに限定されるのものではなく、種々の発振回路に適用できる。例えば、図１２に示したコモンセントロイド配置の複数のインバータから構成される発振器を用いてもよい。また、上記実施例２，３及び変形例１〜３の発振器にＬＣ発振回路を用いてもよいし、図１２に示した発振器を用いてもよい。

また、上記変形例１では、ＰＬＬ回路１３２において所定の周波数比に分周し、高周波の信号Ｂ１を出力するようにしたが、ＰＬＬ回路１３２における分周器１３２−２の周波数比を設定可能な周波数比設定手段を外部に設け、当該周波数比設定手段に対して外部から周波数比を設定できるようにしてもよい。この場合、周波数比を設定変更することにより、距離の検出感度を変更または調整することができる。これにより、物体の形状に応じた検出感度を設定することができ、より精度の高い距離の算出及び形状の画像化を実現できる。

また、上記変形例１では、センサ１３０において、ＰＬＬ回路１３２が基準周波数制御電圧信号Ｃ１を出力し、ＰＬＬ回路１３３が周波数制御電圧信号Ｃ２を出力するようにしたが、センサ１３０がこれらの信号を入力し、その差を出力する手段を備えようにしてもよい。

また、図１２では、発振器２３２−１，２３３−１が３段のインバータにより構成されているが、３段に限定するものではなく、１，５，７等の奇数段のインバータにより構成されるようにしてもよい。この場合、段数が多いほど、周波数は安定してばらつきは一層吸収されるが、感度が下がってしまう。従って、図１２に示したように３段のインバータにより構成されるのが好適である。

また、図６に示したグランド電極を実施例２，３または変形例３に適用するように構成してもよいし、図１６に示した細長状のアンテナ電極３３７−１〜Ｍの代わりに、横方向の配線３３８−Ｃ１〜ＣＮに対向した細長状のアンテナ電極をそれぞれ備えるように構成してもよい。

また、上記実施例及び変形例では、観察物体が導体の場合を説明したが、絶縁体であってもよい。図７及び図８に対応した図１７を用いて、絶縁体である物体とプローブアレイとの間の静電容量、及びその等価回路について説明する。図１７（１）は、物体１６０とプローブアレイ１６４のアンテナ電極との間の静電容量を説明する断面図である。物体１６０とアンテナ電極１６３との間に静電容量Ｃｐｒ、物体１６０とグランド電極１６２−２との間に静電容量Ｃｇｎｄ、アンテナ電極１６３とグランド電極１６２−１，１６０−２との間の静電容量Ｃｄ、物体全体の浮遊容量Ｃｔ、及び発振器１６１等による配線容量Ｃｓ、物体１６０内部の静電容量Ｃｂ，Ｃｃが存在する。

ここで、容量Ｃｔは小さい浮遊容量であり、容量Ｃｃはこの容量Ｃｔと直列に接続されているから、容量Ｃｔ，Ｃｃを無視することができる。従って、図１７（１）に示した断面図の等価回路は、図１７（２）に示す回路になる。Ｃｐｒ、Ｃｂ及びＣｇｎｄは物体により変化する静電容量であり、Ｃｄ及びＣｓは物体により変化しない固定の静電容量であってプローブアレイ１６４固有の静電容量である。従って、全体の静電容量は、図１７（２）に示すように、
式：Ｃ＝Ｃｐｒ×Ｃｂ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ×Ｃｂ＋Ｃｂ×Ｃｇｎｄ＋Ｃｇｎｄ×Ｃｐｒ）＋２Ｃｄ＋Ｃｓ
となり、全体の静電容量ＣのうちのＣｐｒ×Ｃｂ×Ｃｇｎｄ／（Ｃｐｒ×Ｃｂ＋Ｃｂ×Ｃｇｎｄ＋Ｃｇｎｄ×Ｃｐｒ）部分が変化すると、発振器１６１が発振する信号の発振周波数が変化することになる。つまり、物体１６０との間の距離は、前記部分に応じた発振周波数を用いて算出される。

また、上記実施例及び変形例では、センサ及びアンテナ電極を固定して構成したが、これらと観察物体との間の相対位置を変化させるように構成してもよい。図１８（１）は、センサを移動させる場合を説明するための概略構成図である。本例は、観察物体を載せるための簡便な指示フィルムが設けられ、センサの下部に圧電素子等の横方向に振動可能な部材が設けられている。この圧電素子等を横方向に振動させることにより、観察物体を静止させたままセンサを横方向に移動させることができる。また、図１８（２）は、アンテナ電極を移動させる場合を説明するための概略構成図である。図において、センサの上部にはアンテナ電極を覆う保護膜が設けられ、アンテナ電極周辺にはアンテナ電極が移動できるように空間が設けられ、さらに、アンテナ電極を移動させるためのコンタクト電極が設けられている。このような構成の下で、アンテナ電極は、ＭＥＭＳ（マイクロマシン）技術等を用いることにより移動させることができる。このようにして、センサまたはアンテナ電極と観察物体との間の相対位置を変化させ、それぞれの位置における観測物体との間の距離を算出し、画像データを生成する。そして、これらの画像を重ね合わせることにより、より一層高解像度化を実現することが可能となる。

また、可視化センサにおいて、複数のアンテナ電極を、実施例３に示した例（縦）方向の配線３３８−Ｌ及び行（横）方向の配線３８８−Ｃのように、縦方向のアンテナ電極及び横方向のアンテナ電極として設けるように構成してもよい。縦方向及び横方向に設けられた複数のアンテナ電極のうち、それぞれ一つのアンテナ電極が選択されると、選択された交点におけるいずれか一方のアンテナ電極が発振器に接続されて、物体とその交点との間の距離が算出される。

Claims (10)

1. 物体との間の静電容量を発振周波数に変換し、該物体の可視化を実現するセンサであって、
   物体に対向して設けられたアンテナ電極、
   該アンテナ電極に接続され、物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第１の発振器、
   基準となる発振周波数の信号を出力する第２の発振器、及び、
   前記第１の発振器により出力された信号の発振周波数と、第２の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段と、
   物体に対向して設けられ、接地状態に保持されたグランド電極を備えたことを特徴とする可視化センサ。
2. 請求項１に記載の可視化センサにおいて、
   前記第１の発振器により出力された信号について、その発振周波数を１倍の周波数比に分周した周波数を生成し、該周波数の信号と入力する基準周波数信号とが一致するように第１の発振器に対する制御用周波数信号を生成して出力する第１の同期回路、及び、
   前記第２の発振器により出力された基準発振周波数の信号を入力し、該基準発振周波数を所定の周波数比に分周した周波数を生成し、該分周した周波数の信号を前記基準周波数信号として出力する第２の同期回路を備え、
   前記出力手段に代えて第１の同期回路及び第２の同期回路を備えたことを特徴とする可視化センサ。
3. 請求項１または２に記載の可視化センサにおいて、
   前記アンテナ電極を複数備え、前記第１の発振器は、複数のアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極に順次接続されることを特徴とする可視化センサ。
4. 請求項１に記載の可視化センサにおいて、
   前記アンテナ電極を複数備え、前記第１の発振器、前記第２の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられることを特徴とする可視化センサ。
5. 請求項４に記載の可視化センサにおいて、
   さらに、前記アンテナ電極毎に設けられた出力手段のうちの一つの出力手段を選択するためのスイッチを備えたことを特徴とする可視化センサ。
6. 請求項４または５に記載の可視化センサにおいて、
   前記第１の発振器、前記第２の発振器及び前記出力手段を、複数のアンテナ電極からみて物体に対して反対側に設けたことを特徴とする可視化センサ。
7. 請求項４から６までのいずれか一項に記載の可視化センサにおいて、
   前記第１の発振器及び前記第２の発振器は、奇数個のインバータが直列にそれぞれ接続され、コモンセントロイド配置に構成されていることを特徴とする可視化センサ。
8. 物体との間の静電容量を発振周波数に変換し、該物体の可視化を実現するセンサであって、
   物体に対向して設けられた単一のアンテナ電極、
   該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第１の発振器、
   基準となる発振周波数の信号を出力する第２の発振器、
   前記第１の発振器により出力された信号の発振周波数と、第２の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段、及び、
   前記アンテナ電極からみて物体が存在する側に設けられた部材であって、該部材により複数の交点が構成され、該複数の交点のうちの一つの交点が選択された場合に、該交点を構成する２つの部材が開放状態に保持され、他の部材が接地状態に保持される複数の線状部材を備えたことを特徴とする可視化センサ。
9. 請求項８に記載の可視化センサにおいて、
   前記複数の線状部材は、アンテナ電極の面に対して縦方向の複数の線状部材及び横方向の複数の線状部材を含み、
   前記単一のアンテナ電極の代わりに、縦方向または横方向の複数の線状部材にそれぞれ対向した複数のアンテナ電極を備えたことを特徴とする可視化センサ。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の可視化センサにおいて、
    前記可視化センサまたはアンテナ電極を、物体に対して移動させる手段を備えたことを特徴とする可視化センサ。

Images