JP4833729B2 - 静電容量式センサ - Google Patents

Description

本発明は、検知電極の静電容量変化を検出することにより被検知物体の近接を検知する静電容量式センサに関する。

従来より、指などの被検知物体の近接を検知電極によって検出し、この検知電極の静電容量変化から被検知物体の近接を検知することができる非接触又は接触型の静電容量式スイッチが知られている（特許文献１）。

このような静電容量式スイッチでは、被検知物体を検出する方法として、直接検知電極のインピーダンスを測定し静電容量を検出することで検知する方法や、検知電極で検出した静電容量を電圧に変換して入力する発振回路を構成し、その発振周波数を測定する方法、ＲＣ充放電回路を構成してその放電時間を計測する方法、既知電圧で充電された静電容量を既知容量のコンデンサに移動させて、該既知容量のコンデンサが所定電圧まで充電される時間を測定する方法、または、該既知容量のコンデンサに充放電を繰り返しその回数をカウントする方法などが知られている。

また、静電容量を検出する検知電極の検出部以外をシールドで覆い、検知電極外部からの静電容量変化によって誤検知しないように構成された静電容量式センサが知られている（特許文献２）。
特開平８−６４３６４、段落００１０、図１ 特開平４−１６８３７０、図１〜３

しかしながら、特許文献１に示されている静電容量式センサは、シールド加工が施されていないため外乱によって誤動作が生じ易い。また特許文献２に示されている静電容量式センサは、検知電極毎にシールドを設けることによって、センサ構造が複雑になるという問題点を有する。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、シールドを設置しない簡易な構成によって外乱による誤動作を防止することができる静電容量式センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、２以上の検知電極と、前記２以上の検知電極の静電容量を検出する１つの静電容量検知回路と、前記２以上の検知電極と静電容量検知回路とを接続する第１配線と、前記２以上の検知電極と静電容量検知回路とを同電位出力手段を介して接続する第２配線と、前記第１配線と前記検知電極毎に設けられた第１切り替え機と、前記第２配線と前記検知電極毎に設けられた第２切り替え機とを備え、前記第１及び第２切り替え機を切り替えることにより、前記２以上の検知電極のうちの１つを前記静電容量検知回路に接続し、他の検知電極を前記同電位出力手段に接続することを特徴とする。

本発明の静電容量式センサによれば、２以上の検知電極のうちの１つを前記静電容量検知回路に接続し、他の検知電極を前記同電位出力手段に接続することで測定対象以外の検知電極をシールドとして機能させることができる。これにより簡易な構成で検知電極間における影響を低減させることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電容量式センサの構成を示す斜視図である。

ガラスエポキシ又はポリイミド等からなる絶縁体パネル１の上面には、４つの検知電極２が配されている。なお、すべての検知電極２は、それぞれ切り替え機（後述するＡＥ〜ＤＥ）を介して１つの静電容量検知回路４に接続されると共に、それぞれ切り替え機（後述するＡＳ〜ＤＳ）を介してボルテージフォロワであるバッファ３の出力端に接続されている。このバッファ３の入力端には、静電容量検知回路４が接続されている。ここで、４つの検知電極１を左側から検知電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと定義する。

図２は、同静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。

検知電極Ａは、切り替え機ＡＥを介して静電容量検知回路４に接続された第１配線に接続されている。また、検知電極Ａは、切り替え機ＡＳを介して第２配線に接続されている。なお、第２配線は、バッファ３を介して静電容量検知回路４に接続されている。以下同様に、検知電極Ｂ〜Ｄは、切り替え機ＢＥ〜ＤＥを介して静電容量検知回路４に接続された第１配線に接続されると共に、切り替え機ＢＳ〜ＤＳを介して静電容量検知回路４に接続された第２配線に接続されている。静電容量検知回路４は、各検知電極Ａ〜Ｄの静電容量を電圧などの検出値に変換して外部に出力する。なお、切り替え機ＡＳ〜ＤＳ及び、ＡＥ〜ＤＥは、例えばＦＥＴやトランジスタ等のアナログスイッチ、半導体リレースイッチ、メカニカルリレースイッチ等によって構成することができる。

このように構成された静電容量式センサの動作について説明する。

表１は、同静電容量式センサにおける状態を示す表である。以下の表に従って切り替え機ＡＳ〜ＤＳ及び、ＡＥ〜ＤＥを切り替えることによって、状態１〜４を繰り返すように静電容量式センサを動作させる。

（１）状態１
検知電極Ａのみ第１配線に接続され、検知電極Ｂ、Ｃ、Ｄは第２配線に接続される。この場合、検知電極Ａのみが静電容量検知回路４に接続され、検知電極Ｂ、Ｃ、Ｄはバッファ３を介して静電容量検知回路４に接続される。
（２）状態２
検知電極Ｂのみ第１配線に接続され、検知電極Ａ、Ｃ、Ｄは第２配線に接続される。この場合、検知電極Ｂのみが静電容量検知回路４に接続され、検知電極Ａ、Ｃ、Ｄはバッファ３を介して静電容量検知回路４に接続される。
（３）状態３
検知電極Ｃのみ第１配線に接続され、検知電極Ａ、Ｂ、Ｄは第２配線に接続される。この場合、検知電極Ｃのみが静電容量検知回路４に接続され、検知電極Ａ、Ｂ、Ｄはバッファ３を介して静電容量検知回路４に接続される。
（４）状態４
検知電極Ｄのみ第１配線に接続され、検知電極Ａ、Ｂ、Ｃは第２配線に接続される。この場合、検知電極Ｄのみが静電容量検知回路４に接続され、検知電極Ａ、Ｂ、Ｃはバッファ３を介して静電容量検知回路４に接続される。

本実施形態では、電極数を４としたが、これは電極数を限定するものではなく、２以上の検知電極を任意の数だけ設置するよう構成してもよい。

このように、切り替え機を動作させ、測定対象となる検知電極２のみを静電容量検知回路４に接続し、それ以外の検知電極２へバッファ回路３の出力に接続することで、測定対象以外の検知電極２を、測定対象である検知電極２と同電位に保持することでシールドとして機能させることができる。このように複数の検知電極２を順番にスキャンするように構成することで、簡易な構成で外乱を除去することができる。また、電極間の影響を低減することにより、電極間隔を小さく構成することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。

第２の実施形態では、第１の実施形態に加えて複数の検知電極２の周囲にバッファ３の出力端が接続されたシールド部材５が配されている。このように構成することで、外乱の影響及び浮遊容量を減少させることができる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。

第３の実施形態では、第１の実施形態に加えて、検知電極と切り替え機との間の第１配線及び第２配線がシールド部材６によって覆われている。このシールド部材６は、静電容量回路４が入力端に接続されたバッファ３の出力端に接続されている。これにより、第１配線、第２配線の周囲からの外乱や浮遊容量を減少させることができる。なお、第１配線、第２配線がリジットプリント基板やフレキシブルプリント基板上に形成されている場合は、第１配線、第２配線の周囲をシールド部材で覆うように構成すればよい。

図５は、本発明の第４の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示す斜視図である。

第４の実施形態は、第１の実施形態に加えて絶縁パネル１の裏にバッファ３の出力端が接続されたシールド部材７を配置したものである。このように、絶縁パネル１の裏側にシールド部材を配することで、検知電極２裏面からの外乱を除去することができる。本実施形態は、２層以上のリジットプリント基板やフレキシブルプリント基板のある層に検知電極を配し、他の層にシールドを形成するように構成することができる。また、検知電極２からなる検出部を透明としたい場合には、検知電極２及びシールド部材７を透明電極膜（ＩＴＯ、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、酸化亜鉛）とし、絶縁パネル１を透明シート（ＰＥＴ、ＰＥＮ、ガラス等）によって構成すればよい。

なお、第２〜第４の実施形態に配されたシールド部材５〜７は、組み合わせて用いても良い。

図６は、本発明の第５の実施形態に係る静電容量式センサの構成を示す概略図である。

検知電極２は、紙面左側Ｌの検知電極２Ｌと紙面右方向Ｒの検知電極２Ｒとを備えて構成されている。検知電極２Ｌは、右方向Ｒが櫛歯状に形成されており、この櫛歯は右方向Ｒに近づくにつれて次第に細くなる。一方の検知電極２Ｒは、左側Ｌが櫛歯状に形成されており、櫛歯は左側Ｌに近づくにつれて次第に細くなる。検知電極２Ｌ及び検知電極２Ｒは、所定の隙間を介して互いの櫛歯部が歯合するように配されている。このように、検知電極２Ｌの単位面積当たりの面積比は右方向Ｒに近づくにつれて小さくなる一方、検知電極２Ｒの単位面積当たりの面積比は左側Ｌに近づくにつれて小さくなるように構成されている。

検知電極２Ｌは、切り替え機ＬＥを介して第１配線に接続されると共に、切り替え機ＬＳを介して第２配線に接続される。同様に、検知電極２Ｒは、切り替え機ＲＥを介して第１配線に接続されると共に、切り替え機ＲＳを介して第２配線に接続される。

このように構成された静電容量式センサは、切り替え機ＬＥ、ＬＳ、ＲＥ、ＲＳを切り替えることにより、検知電極２Ｒが静電容量検知回路に接続し検知電極２Ｌがバッファ３の出力端に接続する状態と、検知電極２Ｌが静電容量検知回路に接続し検知電極２Ｒがバッファ３の出力端に接続する状態とを繰り返すように動作する。静電容量検知回路４は、繰り返しスキャンされた検知電極２Ｒと検知電極２Ｌの静電容量を比較し、その静電容量の割合によって被検知物体のＲＬ方向の位置を検知する。このように検知電極の電極面積をある方向において変化させるように構成することで検知電極の数を減少させることができる。

上述した実施形態では、測定対象以外の検知電極は、同電位出力手段であるボルテージフォロワであるバッファの出力端に接続されるように構成されているが、高入力低出力であれば、１倍のバッファを用いてもよい。この場合、バッファは、高速及び高スルーレートであることが好ましい。

また、同電位出力手段としては、測定検知電極への印加電圧をＡＤコンバータへ入力し、この電圧と同じ電圧をＤＡコンバータで他の検知電極に出力するように構成してもよい。

更に、計測する検知電極２へ加える信号と同一周期の矩形波（デジタル信号）をそれ以外の検知電極に出力するように構成しても、同電位に近い効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る静電容量式センサの構成を示す斜視図である。 同静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る静電容量式センサの電気的構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る静電容量式センサの構成を示す概要図である。

符号の説明

１…絶縁パネル、２…検知電極、３…バッファ、４…静電容量検知回路、５〜７…シールド部材。

Claims (5)

1. 近接配置された複数の検知電極と、
   前記複数の検知電極に対して共通に設けられ前記各検知電極の静電容量を選択的に検出する静電容量検知回路と、
   前記複数の検知電極のそれぞれに対して設けられ前記検知電極と前記静電容量検知回路とを択一的に接続する第１切り替え機と、
   前記複数の検知電極に対して共通に設けられ前記第１切り替え機を介して前記静電容量検知回路と接続された検知電極の電位と同電位を出力する同電位出力手段と、
   前記複数の検知電極のそれぞれに対して設けられ前記複数の検知電極のうち前記第１切り替え機を介して前記静電容量検知回路と接続されていない検知電極と前記同電位出力手段とを選択的に接続する第２切り替え機と
   を備え、
   前記検知電極は、ある方向において単位面積当たりに占める電極面積が変化するように構成されている
   ことを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記第１及び第２切り替え機は、アナログスイッチ、半導体リレースイッチ、メカニカルリレースイッチの少なくとも１つによって構成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
3. 前記検知電極の周囲には、前記同電位出力手段に接続されたシールド部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
4. 前記第１切り替え機と前記静電容量検知回路の間が第１配線によって接続されると共に、前記第２切り替え機と前記静電容量検知回路の間が第２配線によって接続され、
   前記第１配線及び第２配線の周囲は、前記同電位出力手段に接続されたシールド部材によって覆われていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
5. 前記検知電極の裏側には、絶縁部材を介して前記同電位出力手段に接続されたシールド部材が配されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。

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