JP5340421B2 - 静電容量式近接センサ装置、及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

静電容量式近接センサ装置、及びそれを用いた電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、被検出体の近接を検出する静電容量式近接センサ装置に関し、特に、携帯機器に好適に用いることができる静電容量式近接センサ装置、及びそれを用いた電子機器に関する。
従来、人体などの被検出体を検出する装置としては、検出対象方向以外からの静電容量の変化(外来ノイズ)を遮蔽し、検出感度を向上させた静電容量検出型近接センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。かかる静電容量検出型近接センサは、接地電位との間にそれぞれ静電容量が形成されるように配置される2つの検出電極と、この2つの検出電極の周囲に配置され、検出方向以外の静電容量の変化から検出電極を遮蔽する遮蔽電極とを備える。2つの検出電極には出力信号の差分値を検出する検出回路が接続され、遮蔽電極には電圧を印加する遮蔽電圧印加回路が接続されている。
人体などの被検出体を検出する際には、遮蔽電圧印加回路より遮蔽電極に対して電圧を印加し、遮蔽電極と2つの検出電極との間を同電位にする。この状態で、被検出体が検出電極に接近した場合、各検出電極と接地電位との間にそれぞれ形成される静電容量Ca、Cbが変化し、検出電極より静電容量Ca、Cbに応じた信号が出力される。この2つの出力信号の差分値を検出回路で検出することにより、被検出体の接近を検出する。
国際公開第2004/059343号パンフレット
ところで、近年、静電容量検出型近接センサは、携帯機器などにも適用が拡大され、ユーザーの手などで携帯機器を保持した状態で使用される用途にも用いられている。このような用途においては、被検出体としても作用するユーザーの体の一部である手が、静電容量検出型近接センサ近傍に存在した状態で被検出体を検出する。このため、手による携帯機器の保持位置、保持状態などが外来ノイズとして静電容量式近接センサの出力信号に大きく影響する現象が発生する。
しかしながら、特許文献1記載の静電容量検出型近接センサでは、検出対象方向以外の外来ノイズの軽減が必ずしも十分ではなく、携帯機器などに用いた場合に十分な性能を得ることができなかった。また、携帯機器の使用環境が変化した場合などには、使用環境での外来ノイズに応じて出力信号の基準値を校正する必要があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外来ノイズの軽減及び補正が可能であり、しかも携帯機器にも好適に使用できる静電容量式近接センサ装置、及びそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。
本発明の静電容量式近接センサ装置は、隣接電極間で容量を形成するように検出基準面内に配置され、前記検出基準面に属するX軸方向に対向配置されたX軸内部電極対と、前記検出基準面に属し、前記X軸方向と直交するY軸方向に対向配置されたY軸内部電極対とを含んでなる複数の内部電極と、隣接電極間で容量を形成するように、前記複数の内部電極の外周に配置された外部電極と、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、駆動電極となる電極に印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、検出電極となる電極から出力された信号を検出する検出回路と、前記検出回路の検出結果から被検出体の前記X軸方向、前記Y軸方向及び前記基準面に垂直なZ軸方向の被検出体位置を演算する演算手段と、前記駆動電極となる電極を前記駆動回路に接続し、前記検出電極となる電極を前記検出回路に接続すると共に、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、遮蔽電極となる電極を接地する切替え手段とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、内部電極の外側に配置された外部電極を、検出パターンに応じて外来ノイズから内部電極を遮蔽する遮蔽電極として用いると共に、被検出体の検出に用いる検出電極としても用いるので、外部電極による被検出体位置情報を検出することができる。このように、内部電極と異なる周辺環境に配置された外部電極を検出電極として用いて被検出体位置を検出するので、外部電極により検出された被検出体位置情報を被検出体位置の算出に用いることができる。このため、内部電極によって検出された被検出体位置情報と外部電極により検出された被検出体位置情報とを用いた演算により、被検出体位置の補正が可能となり、外来ノイズによる検出感度の影響の軽減及び補正が可能となる。これにより、携帯機器に搭載した場合においても被検出体位置を精度よく検出できる静電容量式近接センサ装置を実現することができる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記切替え手段は、前記複数の内部電極のうち少なくとも1つを前記検出電極として前記検出回路に接続し、前記外部電極の少なくとも1つを前記遮蔽電極として接地する第1の検出パターンと、前記外部電極の少なくとも1つを前記検出電極として前記検出回路に接続する第2の検出パターンと、に対応して前記複数の内部電極及び前記外部電極の接続状態を切替え、前記演算手段は、前記第1の検出パターンにおいて検出した第1の被検出体位置情報と、前記第2の検出パターンにおいて検出した第2の被検出体位置情報と、を用いて被検出体位置を算出することを特徴とする。
この構成によれば、外部電極により外来ノイズを遮蔽した状態で内部電極を用いて検出した第1の被検出体位置情報と、遮蔽電極を介さずに外部電極により検出した第2の被検出体位置情報とを共に検出できる。ここで、第1の被検出体位置情報は、外来ノイズを遮蔽した状態で検出されるため、検出対象方向に対して特に高い検出感度を得ることが可能である。また、第2の被検出体位置情報は、遮蔽電極を介さずに検出されるため、非検出対象方向に対して、微弱な静電容量変化に対しても高い検出感度を得ることが可能である。このように、検出対象方向対して高い検出感度が得られる第1の被検出体位置情報と非検出対象方向に対して微弱な静電容量変化に対しても高い検出感度が得られる第2の被検出体位置情報とを共に検出できるので、それぞれを用いて外来ノイズによる検出感度への影響及び補正が可能となる。これにより、例えば、静電容量式近接センサ装置を携帯機器に搭載した場合、手などによる携帯機器の保持位置及び保持状態の変化を検出することが可能となる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記外部電極は、前記複数の内部電極の検出面側よりも前記Z軸方向に突出してなることを特徴とする。
この構成により、Z軸方向において、外部電極が内部電極より突出するので、センサ面の平面方向及び高さ方向からの内部電極への上面側からの外来ノイズを外部電極により吸収でき、内部電極への外来ノイズの影響を軽減できる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記外部電極は、前記複数の内部電極の検出面側近傍の高さ位置で、前記内部電極側に折り返されるように延出された延出部を有することを特徴とする。
この構成により、外部電極が内部電極の端面近傍で、内部電極側に折り返されるように形成されるので、内部電極の上面側からの外来ノイズを外部電極により効果的に吸収でき、内部電極への外来ノイズの影響を軽減できる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記外部電極は、前記X軸内部電極対の外側に対向配置されたX軸外部電極対と、前記Y軸方内部電極対の外側に対向配置されたY軸外部電極対とを含んでなることを特徴とする。
この構成により、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに対し、一対の内部電極の外側に一対の外部電極が配置されるので、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに対し、被検出体位置情報を精度よく検出できる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第2の検出パターンにおいて、前記各内部電極対を遮蔽電極として接地し、前記X軸外部電極対を前記検出電極として前記検出回路に接続すると共に、前記Y軸外部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続して検出し、検出対象方向に応じて前記各外部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする。
この構成によれば、各軸方向に対向配置された一方の外部電極の出力信号と他方の外部電極の出力信号との差分値により第2の被検出体位置情報を検出するので、各軸方向における第2の被検出体位置情報を精度よく検出することができる。また、内部電極を接地するので、第2の被検出体位置情報の検出に対するセンサ部内からの外来ノイズの影響を低減できる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第1の検出パターンにおいて、前記各外部電極対を遮蔽電極として接地し、前記X軸内部電極対を前記検出電極として前記検出回路に接続すると共に、前記Y軸内部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続して検出し、検出対象方向に応じて前記各内部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする。
この構成によれば、外部電極を接地するので、外来ノイズを遮蔽した状態で第1の被検出体位置情報を検出でき、外来ノイズを削減できる。また、各軸方向に対向配置された一対の内部電極により第1の被検出体位置情報を検出するので、各軸方向の第1の被検出体位置情報を精度よく検出することができる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第1の検出パターンにおいて、X軸方向の検出では、前記X軸内部電極対のうちの一方の内部電極と前記X軸外部電極対のうち当該X軸内部電極対のうち他方の内部電極側に配置された他方の外部電極とを第1内外電極対とし、前記X軸内部電極対のうちの他方の内部電極と前記X軸外部電極対のうち当該X軸内部電極対のうち一方の内部電極側に配置された一方の外部電極とを第2内外電極対とし、前記Y軸外部電極対を遮蔽電極として接地すると共に、前記Y軸内部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続した状態において、前記第1内外電極対が前記検出電極、前記第2内外電極対が前記遮蔽電極となる第1の接続状態と、前記第2内外電極対が前記検出電極、前記第1内外電極対が前記遮蔽電極となる第2の接続状態とを切替えて検出し、検出対象方向に応じて前記各内部電極対、前記外部電極対、前記第1電極対及び前記第2電極対の接続を切替えることを特徴とする。
この構成によれば、各軸方向に対向配置された内部電極及び外部電極を、異なる二対の内外電極として用い、それぞれの内外電極対の出力信号の差分値によりX軸方向における2種類の第1の被検出体位置情報を検出するので、異なる基準点から検出された2種類の第1の被検出体位置情報を得ることができる。このため、得られた2種類の第1の被検出体位置情報を用いた演算処理により、被検出体の形状と独立して被検出体とセンサ部との距離を検出することができる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第1の検出パターンにおいて、前記各外部電極対を遮蔽電極として接地し、少なくとも1つの内部電極を前記検出電極として前記検出回路に接続し、残りの内部電極を前記駆動電極として前記駆動回路に接続すると共に、前記検出電極及び前記駆動電極となる内部電極を順次切替えて検出することを特徴とする。
この構成によれば、検出電極となる電極を内部電極内で順次検出電極を切替えて被検出体を検出するので、異なる位置に配置された内部電極からの出力信号を得ることができ、Z軸方向における第1の被検出体位置情報の検出方向の指向性を低減することができる。また、外部電極を接地するので、外来ノイズを遮蔽した状態でZ軸方向の第1の被検出体位置情報を検出するので、外来ノイズを削減できる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第1の検出パターンにおいて、前記X軸内部電極対及び前記X軸外部電極対を検出電極として検出回路に接続すると共に、前記Y軸内部電極対及び前記Y軸外部電極対を駆動電極として駆動回路に接続して検出し、検出対象方向に応じて前記各内部電極対及び前記各外部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする。
この構成によれば、各軸方向に対向配置された内部電極対及び当該内部電極対の外側に配置された外部電極対を共に検出電極として用いると共に、各軸方向に対向配置された内部電極対及び当該内部電極の外側に配置された外部電極対を駆動電極として用いるので、センサ面上における電界強度が増大し、被検出体の検出感度を向上させることができる。
また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記第1の検出パターンにおいて、少なくとも1つの前記内部電極と当該内部電極の外側に配置された前記外部電極とを前記検出電極として前記検出回路に接続し、残りの内部電極と外部電極とを前記駆動電極として前記駆動回路に接続すると共に、前記検出電極及び前記駆動電極となる前記内部電極及び前記外部電極の組を順次切替えて検出することを特徴とする。
この構成によれば、内部電極と当該内部電極の外側に配置された外部電極とを少なくとも一組の検出電極として用いると共に、内部電極内及び外部電極内で切替えて被検出体を検出するので、異なる位置に配置された内部電極からの出力信号を得ることができ、Z軸方向における第1の被検出体位置情報の検出方向の指向性を低減することができる。また、センサ面上における電界強度が増大するので、被検出体の検出感度を向上させることができる。
本発明の電子機器は、上記静電容量式近接センサ装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、外来ノイズの影響を削減及び補正できる静電容量式近接センサ装置を用いるので、人体などの被検出体が検出対象領域内に存在した場合においても被検出体位置を精度よく検出でき、良好な検出感度を得ることが可能となる。特に、手などで保持して使用する携帯用の電子機器に用いた場合においても、保持状態の変化の検出及び補正ができるので、検出感度の低下を抑制することができ、オフセットなども自動的に更新可能な電子機器を実現できる。
本発明の電極駆動方法は、隣接電極間で容量を形成するように基準面内に配置され、前記基準面に属するX軸方向に対向配置されたX軸内部電極対と、前記基準面に属し、前記X軸方向と直交するY軸方向に対向配置されたY軸内部電極対とを含んでなる複数の内部電極と、隣接電極間で容量を形成するように、前記複数の内部電極の外周に配置された外部電極と、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、駆動電極となる電極に印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、検出電極となる電極から出力された信号を検出する検出回路と、前記検出回路の検出結果から被検出体の前記X軸方向、前記Y軸方向及び前記基準面に垂直なZ軸方向の被検出体位置を演算する演算手段と、を具備した静電容量式近接センサ装置における電極駆動方法であって、検出パターンに応じて前記外部電極の接続状態が前記遮蔽電極又は前記検出電極となるように切替えることを特徴とする。
この方法によれば、内部電極の外側に配置された外部電極を、外来ノイズから内部電極を遮蔽する遮蔽電極として用いると共に、被検出体の検出に用いる検出電極としても用いるので、外部電極によっても被検出体を検出できる。このように、内部電極と異なる周辺環境に配置された外部電極を検出電極として用いて被検出体位置を検出するので、内部電極により検出された被検出体位置情報と、外部電極により検出された被検出体位置情報と、をそれぞれ検出することができる。このため、それぞれの被検出体位置情報を用いて被検出体位置の補正が可能となり、外来ノイズによる検出感度への影響の軽減及び補正が可能となる。
本発明によれば、外来ノイズの軽減及び補正が可能であり、しかも携帯機器にも好適に使用できる静電容量式近接センサ装置、及びそれを用いた電子機器を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の構成図である。 (a)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のセンサ部の電極配置を示す図であり、(b)は、センサ部のA−A線矢視断面図である。 (a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のセンサ部の電極切替えを示す模式的な平面図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のX軸方向及びY軸方向の被検出体の検出原理を示す図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の被検出体の動きと静電容量の変化を示す図である。 (a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のZ軸方向の被検出体の検出原理を示す図である。 本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置における電極パターンの切替え制御の一例を示すフロー図である。 (a)、(b)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置における外部電極の形状の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置において、被検出体とセンサ部の内部電極及び外部電極との相対的な位置関係を示す図である。 (a)〜(c)は、本発明の本実施の形態に係る近接センサ装置を備えた携帯機器を保持した状態を模式的に示した平面図である。 本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えたノートPCを示す図である。 (a)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えた携帯電話の平面模式図であり、(b)は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えた携帯電話の断面図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る近接センサ装置は、被検出体の近接を検出するセンサ部11と、このセンサ部11によって検出された出力信号を基に被検出体位置情報を算出する制御回路部12とを備える。
センサ部11は、隣接する電極間に静電容量が形成されるように配置された4つの内部電極13a〜13dと、センサ面13内において、4つの内部電極13a〜13dの外側に配置される外部電極14a〜14dと、を備える。本実施の形態においては、外部電極14a〜14dを外来ノイズなどから遮蔽する遮蔽電極に用いると共に、被検出体を検出する駆動電極及び検出電極としても併用することにより、外来ノイズの軽減と被検出体位置情報の検出精度を向上する。
制御回路部12は、センサ部11の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの切替え手段としてのマルチプレクサ15と、各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dから出力された信号より、被検出体位置を演算する演算手段としてのCPU16とを備える。CPU16とマルチプレクサ15との間には、駆動電極として切替えられた各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dに駆動電圧を印加する駆動回路17が設けられている。また、CPU16とマルチプレクサ15との間には、検出電極として切替えられた各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの出力信号を検出する検出回路18が設けられている。
マルチプレクサ15は、センサ部11の各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dに接続されると共に、駆動回路17及び検出回路18に接続されている。また、マルチプレクサ15は、CPU16と接続され、CPU16からの切替え信号により、各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの接続を、切替え制御可能に構成されている。マルチプレクサ15は、切替え制御信号により、駆動電極となる内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14d(以下、単に駆動電極ともいう)を駆動回路17に接続すると共に、検出電極となる内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14d(以下、単に検出電極ともいう)を検出回路18に接続する。また、マルチプレクサ15は、遮蔽電極となる内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dを接地する。このように、本実施の形態においては、マルチプレクサ15により、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの接続を駆動回路17、検出回路18及び接地間で任意に切替え可能に構成されている。
駆動回路17は、図示されない発振回路を備え、駆動電極として接続された内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dに駆動電圧を印加する。駆動電圧の印加は、CPU16によりタイミング制御されている。
検出回路18は、検出電極としての内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの出力信号を検出する。検出回路18は、正極端子及び負極端子を備えた増幅回路19と、この増幅回路19に接続され、増幅された出力信号をA/D変換してCPU16に出力するA/Dコンバータ20とを備える。
増幅回路19の正極端子及び負極端子には、検出電極としての内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dが接続される。増幅回路19は、検出電極としての内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dからの出力信号を増幅し、A/Dコンバータ20へ出力する。
本実施の形態では、検出基準面であるセンサ面13に含まれるX軸方向及びセンサ面13内においてX軸方向と直交するY軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、マルチプレクサ15により内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dから一対の検出電極が増幅回路19に接続される。この一対の検出電極の一方の検出電極は、増幅回路19の正極端子に接続され、他方の検出電極が負極端子に接続される。増幅回路19では、入力された一方の検出電極の出力信号と他方の検出電極の出力信号とが差動で増幅される。
また、センサ面13と直交する高さ方向(Z軸方向)の被検出体位置情報の検出の際には、マルチプレクサ15により内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dから少なくとも1つの検出電極として接続され、増幅回路19の一方の端子に接続される。増幅回路19の他方の端子には、基準電圧が入力される。増幅回路19では、入力された検出電極の出力信号と基準電圧との差動で出力信号が増幅される。
このように、本実施の形態では、一つの増幅回路19において、検出方向に応じて一方の検出電極の出力信号と他方の検出電極の出力信号との差動による増幅と、検出電極の出力信号と基準信号との出力信号の差分による増幅とを時分割で切り替えて増幅する。これにより、各軸毎に増幅回路19を設けることなく、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の検出を行うことができる。また、X軸方向及びY軸方向の検出に用いられた一対の検出電極の出力信号の差分値が得られない状態においても、Z軸方向の検出により被検出体を検出することができ、それぞれの増幅特性による不感領域を補完することができる。
A/Dコンバータ20は、増幅回路19で増幅された出力信号をフィルタリング処理及びデジタル変換してCPU16に出力する。CPU16に入力された出力信号は、検出回路としてのCPU16で差分値などが検出される。尚、差分値の検出は、A/Dコンバータ20で行ってもよい。また、演算手段としてのCPU16では、検出された出力信号を用いて、3軸方向の被検出体位置情報が算出される。
図2(a)を参照してセンサ部11の電極配置について説明する。図2(a)は、本実施の形態に係る近接センサ装置のセンサ部11の電極配置を示す平面図であり、図2(b)は、図2(a)示すセンサ部11のA−A線矢視断面図である。図2(a)及び図2(b)に示すように、センサ部11は、平面視略矩形形状の基材21と、この基材21上に設けられ、基材21と対応する平面視略矩形形状の下部電極22とを備える。下部電極22は、センサ部11の検出面の裏面側からのノイズなどの影響を遮蔽できるように、センサ部11の下部全面を覆うように配置され、常時接地されている。
平面視略矩形形状のセンサ部11の四辺上には、外部電極14a〜14dが配置され、この外部電極14a〜14dの内側に、外部電極14a〜14dに対して略平行に内部電極13a〜13dが配置されている。各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dは、それぞれの電極間に静電容量が形成されるように、各電極間が離間して配置されている。また、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14bは、それぞれの上面が略同一平面上に配置され、この内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14bの上面が検出基準面としてのセンサ面13となる。
すなわち、本実施の形態では、内部電極13a、13bは、平面視略矩形形状のセンサ面13内の対向する2辺に対して略平行に配置され、この一対の内部電極13a、13bと略直交するように、センサ面13内の対向する他の2辺に一対の内部電極13c、13dが配置されている。また、一対の内部電極13a、13bの外側には、一対の外部電極14a、14bが配置され、他の一対の内部電極13c、13dの外側には、他の一対の外部電極14c、14dが配置されている。このように、内部電極13a〜13dの外周には、内部電極13a〜13dに対する外界からの静電容量の変化を遮蔽する遮蔽電極、被検出体を検出する検出電極及び駆動電極として用いられる外部電極14a〜14dが配置されている。
次に、図3(a)〜図3(c)を参照して、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置のセンサ部11の電極パターンについて詳細に説明する。本実施の形態では、内部電極13a〜13dを検出電極及び駆動電極として被検出体を検出する電極パターンと、外部電極14a〜14dを検出電極及び駆動電極として被検出体を検出する電極パターンとを組み合わせて被検出体を検出する。このように、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dを、それぞれ被検出体の検出に用いることにより、異なる環境に配置された電極によって検出された2種類の被検出体位置情報を検出でき、それぞれの被検出体位置情報を用いて被検出体位置を補正することにより、被検出体位置を正確に検出することができる。
図3(a)は、内部電極13a〜13dを使用してX軸方向の被検出体を検出する際の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの電極パターンの一例を示す図である。図3(a)に示すように、X軸方向の被検出体を検出する際には、X軸方向と略直交して配置される内部電極13a、13bを検出電極とし、X軸方向と略平行に配置される内部電極13c、13dを駆動電極とする。外部電極14a〜14dは、遮蔽電極とする。なお、Y軸方向(紙面上下方向)の被検出体を検出する際には、Y軸方向と略平行に配置される内部電極13c、13dを検出電極とし、内部電極13a、13bを駆動電極とする。外部電極14a〜14dは、遮蔽電極とする。
図3(b)は、内部電極13a〜13dを使用してZ軸方向の検出体を検出する際の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの電極パターンの一例を示す図である。図3(b)に示す例では、内部電極13a〜13cを駆動電極とし、内部電極13dを検出電極としている。このように、Z軸方向の被検出体を検出する際には、内部電極13a〜13dの少なくとも1つの電極を検出電極とし、残りの内部電極13a〜13dを駆動電極として切替える。外部電極14a〜14dは、遮蔽電極とする。
図3(c)は、外部電極14a〜14dを使用してX軸方向の被検出体を検出する際の電極パターンの一例を示す図である。図3(c)に示すように、この場合には、対向する一対の外部電極14a、14bを検出電極とし、対向する他の一対の外部電極14c、14dを駆動電極とする。内部電極13a〜13dは、遮蔽電極とする。なお、Y軸方向の被検出体を検出する場合には、外部電極14c、14dを検出電極とし、外部電極14a、14bを駆動電極とする。このように、外部電極14a〜14dを使用して被検出体を検出する際には、内部電極13a〜13dを遮蔽電極とすることにより、センサ部11内からの外来ノイズの影響を低減できる。
本実施の形態では、Z軸方向の被検出体の検出の際には、4つの内部電極13a〜13dのうち一つの内部電極13aを検出電極とし、残りの内部電極13b〜13dを駆動電極として順次内部電極13a〜13d内で検出電極及び検出電極を切替えて被検出体を測定する。このように、3つの内部電極13b〜13dを駆動電極とし、それぞれの駆動電極に駆動電圧を印加することにより、電極間に形成される電界強度が増大するので、検出電極から出力される信号強度が増大し、Z軸方向の検出感度を向上させることができる。尚、本実施の形態では、Z軸方向の被検出体の検出において、駆動電極の数が検出電極の数より多くなるようにすればよく、駆動電極とする電極の数は特に限定されない。
また、本実施の形態では、Z軸方向の被検出体を検出する場合、検出電極を内部電極13a〜13dの間で順次切替えながら複数回測定し、それぞれの出力信号の測定値の加算平均を算出して被検出体を検出する。これにより、Z軸方向に対する被検出体の検出において、検出方向の指向性を低減することができる。例えば、検出電極として内部電極13aのみを用いて被検出体を検出した場合、内部電極13a近傍の検出感度は良好となるが、内部電極13aから離れるにつれ、検出感度が低下する。このため、検出電極を内部電極13a〜13dの間で切替えながら複数回測定し、その測定回数に応じて出力信号の平均値を算出することにより、センサ部11のセンサ面13内の四方に対して均等に被検出体を検出することができ、検出感度の指向性を低減することができる。なお、Z軸方向の被検出体の検出では、内部電極13a〜13dと同様にして外部電極14a〜14dを切替えて検出してもよい。
なお、図3(a)〜図3(c)に示す例は、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dにより被検出体を検出する場合の一例を示す図であり、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dにより、被検出体位置情報を検出できる電極パターンであれば、検出電極及び駆動電極の電極パターンは、特に限定されない。
また、本実施の形態では、センサ部11の各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dが略矩形形状のセンサ面13の四辺と略平行に配置された例について説明するが、各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの配置は、例えば、ひし形や、格子状などその他の配置をとっていても良い。
また、各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの配置は、電極間に形成される静電容量により、検出基準面を形成できる範囲に配置されていればよく、必ずしも同一平面に配置されている必要はない。例えば、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dが、センサ面13に対してZ軸方向において前後するように配置されていてもよい。
次に、図4を参照して、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置におけるX軸方向及びY軸方向の被検出体の検出原理について説明する。図4に示すように、X軸方向の被検出体を検出する場合、X軸方向において対向する一対の内部電極13a、13bを検出電極とし、Y軸方向において対向する他の一対の内部電極13c、13dを駆動電極とする。この場合、内部電極13aと内部電極13c、13dとの間には静電容量Cx1が形成され、内部電極13bと内部電極13c、13dとの間には静電容量Cx2が形成される。そして、この静電容量Cx1,Cx2に応じた検出電極の出力信号の差分をとることにより、被検出体23としての手の位置を検出することができる。なお、図4は、被検出体23がX軸方向に移動する場合の被検出体23の位置を検出する場合について示している。
さらに、図4及び図5を参照して、被検出体23の動きと静電容量の変化について説明する。図5は、図4に示した例において、被検出体23が左右に動いた場合の静電容量の差分の変化を示した図である。図5に示すように、被検出体23がX軸方向(左右方向)のいずれかの方向に動いた場合、内部電極13a〜13d間に形成される電気力線(不図示)が被検出体23に吸収され、静電容量Cx1,Cx2が変化する。例えば、被検出体23が左側に動くと、静電容量Cx1が増加して、静電容量Cx2が減少する。このため、被検出体23がX軸方向(左右方向)に移動した場合、静電容量値の差分(Cx2−Cx1)をとることにより、図4に示すように、静電容量の変化量から被検出体のX軸方向(左右方向)の被検出体23の位置情報及び動き(モーション)を検出することが可能となる。なお、Y軸方向の被検出体23を検出する場合、センサ部11の内部電極13c,13dを検出電極とし、内部電極13a、13bを駆動電極とすることにより、X軸方向と同様の原理で被検出体を検出できる。
次に、図6(a)、(b)を参照して、本実施の形態の形態に係る静電容量式近接センサのZ軸方向における被検出体の検出原理について説明する。図6(a)、(b)は、図2(a)に示したセンサ部11のA−A線矢視断面図である。図6(a)(b)に示すように、この状態では、内部電極13aと内部電極13bとの間(内部電極13c、13d間も同様)に静電容量CX3が形成され、その周囲に電気力線24が形成されている。
図6(a)に示すように、センサ面13と被検出体23との間のZ軸方向の距離が大きい場合には、被検出体23による電気力線24の吸収が一部のみとなるので、静電容量CX3は大きくなる。一方、図6(b)に示すように、センサ面13と被検出体23との距離が小さい場合には、被検出体23によって電気力線24の大半が吸収されるので、静電容量CX3が小さくなる。このように、本実施の形態では、センサ面13と被検出体23との間の距離が小さい場合には、静電容量CX3が減少して検出電極としての内部電極13aの出力信号が大きくなる。また、センサ面13と被検出体との間の距離が大きい場合には、静電容量CX3が増大して検出電極としての内部電極13aの出力信号が小さくなる。以上のようにして、本実施の形態においては、センサ面13と被検出体23とZ軸方向の距離を検出する。
なお、図4〜図6に示した例においては、内部電極13a〜13d間に形成される静電容量Cx1〜Cx3の変化について説明したが、外部電極14a〜14d間にも同様に静電容量Cx4〜Cx6が形成されており(不図示)、同様にして外部電極14a〜14dによって被検出体を検出することができる。
次に、被検出体位置の演算処理について説明する。本実施の形態では、主に内部電極13a〜13dにより第1の被検出体位置情報を検出する第1の検出パターンと、主に外部電極14a〜14dにより第2の被検出体位置情報を検出する第2の検出パターンとを組み合わせて被検出体位置を検出する。第1の検出パターン及び第2の検出パターンでは、それぞれ検出対象方向に応じて複数の電極パターンを切替えて被検出体を検出する。
次に、図7及び表1を参照して被検出体位置の演算処理について詳細に説明する。図7は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置における電極パターンの切替え制御の一例を示すフロー図である。図7の各ステップS1〜S7で用いる電極パターンを表1に示す。
Figure 0005340421
まず、内部電極13a〜13dを主に用いた第1の検出パターンにより、第1の被検出体位置情報が算出される。図7及び表1に示すように、X軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13a、13bを検出電極とし、内部電極13c、13dを駆動電極とする。外部電極14a〜14dは、遮蔽電極として接地する(表1:電極パターンX1)。次いで、駆動電極としての内部電極13c、13dに駆動電圧が印加される。次に、検出電極としての内部電極13a、13bから出力された信号の差分値より、X軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS1)。
Y軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13c、13dを検出電極とし、内部電極13a、13bを駆動電極とする(表1:電極パターンY1)。次いで、駆動電極としての内部電極13a、13bに駆動電圧が印加される。次に、検出電極としての内部電極13c、13dから出力された信号の差分値より、Y軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS2)。
次に、Z軸方向の被検出体位置情報が検出される。まず、内部電極13aを検出電極とし、残りの内部電極13b〜13dを駆動電極とする(表1:電極パターンZ1)。次いで、駆動電極としての3本の内部電極13b〜13dに駆動電圧が印加され、検出電極としての内部電極13aから信号が出力される。次に、内部電極13bを検出電極とし、残りの内部電極13a、13c及び13dを駆動電極とする(表1:電極パターンZ2)。次いで、駆動電極としての3本の内部電極13a、13c及び13dに、駆動電圧が印加され、検出としての内部電極13bから信号が出力される。
次に、内部電極13cを検出電極とし、残りの内部電極13a、13b及び13dを検出電極とする(表1:電極パターンZ3)。次いで、駆動電極としての3本の内部電極13a、13b及び13dに駆動電圧が印加され、検出としての内部電極13cから信号が出力される。次いで、内部電極13dを検出電極とし、残りの内部電極13a〜13cを駆動電極とする(表1:電極パターンZ4)。次いで、駆動電極としての内部電極13a〜13cに駆動電圧が印加され、検出電極としての内部電極13dから信号が出力される。次に、検出電極としての内部電極13a〜13dから出力された信号の加算平均を算出し、Z軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS3)。次いで、得られたX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の被検出体位置情報より、第1の被検出体位置情報が算出される(図7:ステップS4)。
次に、外部電極14a〜14dを主に用いた第2の検出パターンにより、第2の被検出体位置情報の検出が行われる。X軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、外部電極14a、14bを検出電極とし、外部電極14c、14dを駆動電極とする。内部電極13a〜13dは、遮蔽電極として接地される(表1:電極パターンXC)。次いで、駆動電極としての外部電極14c、14dに駆動電圧が印加される。次に、検出電極としての外部電極14a、14bから出力された信号の差分値より、X軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS5)。
Y軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、外部電極14c、14dを検出電極とし、外部電極14a、14bを駆動電極とする(表1:電極パターンYC)。次いで、駆動電極としての外部電極14a、14bに駆動電圧が印加される。次に、検出電極としての外部電極14c、14dから出力された信号の差分値が検出される(図7:ステップS6)。次に、得られたX軸方向の被検出体位置情報及びY軸方向の被検出体位置情報から第2の被検出体位置情報が算出される(図7:ステップS7)。
最後に、第1の被検出体位置情報及び第2の被検出体位置情報を用い、3軸方向の被検出体位置を算出する(図7:ステップS8)。このようにして、第1の被検出体位置情報及び第2の被検出体位置情報を用いて3軸方向の被検出体位置を算出することにより、被検出体位置及び被検出体とセンサ部11との接触状態などを精度よく検出することが可能となる。なお、各内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dによる被検出体位置情報は、必要に応じて複数回行い、それぞれの出力信号の加算平均を算出してもよい。
第1の被検出体位置情報及び第2の被検出体位置情報を用いた被検出体位置の算出は、第1の被検出体位置情報に対して、第2の被検出体位置情報によって補正することにより、精度よく算出することができる。第1の被検出体位置情報に対する第2の被検出体位置情報による補正は、例えば、第1の被検出体位置情報で算出される被検出体位置と、第2の被検出体位置情報で算出される被検出体位置との差分をとることにより補正できる。また、第1の被検出体位置情報で被検出体位置を算出し、第2の被検出体位置情報を被検出体の大きさや、近接センサとの接触状況の検出などに用いてもよい。特に、本実施の形態では、第1の被検出体位置情報が遮蔽電極として接地された外部電極14a〜14dを介して得られるのに対し、第2の被検出体位置情報は、遮蔽電極を介さずに検出するので、微弱な静電容量の変化の検出も可能となる。このように、周辺環境が異なる条件で検出される2種類の被検出体位置情報を用いて被検出体位置を算出することにより、3軸方向の被検出体位置を高感度及び高精度で検出できると共に、被検出体の微弱な近接状態変化の検出も可能となる。
次に、再び図1を参照して、以上のように構成された本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の動作について説明する。まず、マルチプレクサ15によって、検出方向に応じて任意の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dが駆動電極、検出電極及び遮蔽電極として切替えられる。次いで、CPU16よりタイミング制御された駆動電圧が駆動回路17より駆動電極として切替えられた内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dに印加される。ここで、被検出体が近接センサの検出領域内に存在する場合、電極間に形成される静電容量CX1〜CX6が変化するので、それぞれの静電容量CX1〜CX6に応じた信号が検出電極から出力される。
検出電極としての内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dから出力された信号は、検出回路18の増幅回路19に入力されて増幅される。増幅された出力信号は、A/Dコンバータ20でフィルタリング処理及びA/D変換されてCPU16に入力される。CPU16では、入力された出力信号を基に内部電極13a〜13dによって検出された被検出体位置情報に対し、外部電極14a〜14dによって検出された被検出体位置情報を用いて補正して被検出体位置情報を算出する。以上のようにして、本実施の形態に係る近接センサ装置では、被検出体の接近によって生じるセンサ部11の静電容量CX1〜CX6に基づいて、被検出体位置を検出する。
なお、外部電極としては、図2(a)、(b)に示した例と異なる形状のものを用いてもよい。図8(a)、(b)は、外部電極の形状の一例を示す図である。なお、図8(a)、(b)は、図2(b)と同様に、図2(a)におけるA−A線矢視断面図である。
図8(a)に示す例は、内部電極13a、13bより上面が突出した外部電極25a、25bを用いた例である。外部電極25a、25bは、内部電極13a、13bの上面を含むセンサ面13より、上面が所定の長さL1高く延在している。このような形状の外部電極25a、25bを用いることにより、検出電極としての内部電極13a〜13dに対するXY平面方向からの外来ノイズを、センサ面13より所定の長さL1分高く遮蔽できるので、外来ノイズの影響を軽減することができる。なお、外部電極25a、25bの形状は、内部電極13a、13bに対して外来ノイズの影響を軽減できる形状であれば特に限定されない。
図8(b)に示す例は、断面L字形状の外部電極26a、26bを用いた例である。外部電極26a、26bは、内部電極13a、13bよりも所定の長さL2だけ高さ方向に延在している。また、外部電極26a、26bの上部は、外部電極26a、26b同士が対向する側に屈曲し、当該対向方向に所定の長さL3延出した延出部27a、27bを有する。このように、延出部27a、27bを有する外部電極26a、26bを用いることにより、内部電極13a、13bの上方側からの外来ノイズを遮蔽できるので、外来ノイズの影響を軽減することができる。なお、上記図8(a)、(b)における所定の長さL3は、遮蔽する外来ノイズに応じて任意に調整して用いることができる。
また、本実施の形態では、第1の検出パターン及び第2の検出パターンにおいて、上述した図7及び表1と異なる電極パターンの切替え制御を行ってもよい。以下、図7及び下記表2、下記表3を参照して電極パターンの他の例について、上記表1との相違点を中心に説明する。
Figure 0005340421
表2に図7のステップS1、S2における電極パターンを変更した例を示す。本例では、図7のステップS1、S2において、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに対し、異なる内部電極及び外部電極を二対の内外電極対として組みわせて被検出体を測定する。その他の部分については、表1と同様のため、説明を省略する。
X軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13a及び外部電極14bを一対の内外電極対として検出電極とし、内部電極13c、13dを駆動電極とする。内部電極13b、外部電極14a、14c、14dは、遮蔽電極として接地する(表2:電極パターンX2)。次に、内部電極13b及び外部電極14aを一対の内外電極対として検出電極とし、内部電極13c、13dを駆動電極とする。内部電極13a、外部電極14b〜14dは、遮蔽電極として接地する(表2:電極パターンX3)。このようにして、X軸方向に対して被検出体位置情報が2回検出される(図7:ステップS1)。
Y軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13c及び外部電極14dを一対の内外電極対として検出電極とし、内部電極13a、13bを駆動電極とする。内部電極13d、外部電極14a〜14cは、遮蔽電極として接地する(表2:電極パターンY2)。次に、内部電極13d及び外部電極14cを一対の内外電極対として検出電極とし、内部電極13a、13bを駆動電極とする。内部電極13c、外部電極14a、14b、14dは、遮蔽電極として接地する(表2:電極パターンY3)。このようにして、Y軸方向に対して被検出体位置情報が2回検出される(図7:ステップS2)。
以上のようにして、内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dを異なる2つの内外電極対とし、検出電極としてX軸方向及びY軸方向それぞれに対して被検出体を2回測定し、出力された信号の平均値を算出して被検出体を測定する(図7:ステップS4)。その他については、図7及び表1と同一のため説明を省略する。
表2に示した電極パターンでは、X軸方向及びY軸方向に対して、内部電極13a〜13dと外部電極14a〜14dを異なる二対の内外電極対として用いる。このため、被検出体位置に加えて被検出体の大きさなども検出することが容易となる。図9は、被検出体23とセンサ部11の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dとの相対的な位置関係を模式的に示した図である。図9に示すように、X軸方向の被検出体の検出において、表2に示す電極パターンでは、内部電極13a及び外部電極14b(表2:電極パターンX1)の組合せと、内部電極13b及び外部電極14a(表2:電極パターンX2)の組合せとを用いる。この場合、図9の実線の矢印に示す、内部電極13a及び外部電極14b(表2:電極パターンX1)の組合せに対する被検出体23の距離は、図9の点線の矢印に示す内部電極13b及び外部電極14a(表2:電極パターンX2)の組合せに対する距離より短くなる。このようにして、異なる二対の内外電極対を使用し、距離の異なる2点から検出した被検出体位置情報が得られるので、それぞれの被検出体位置情報に対して三角法などを用いた演算処理により、被検出体とセンサ部との距離に加えて被検出体23の大きさに関する情報を得ることもできる。
Figure 0005340421
表3に図7のステップS1〜S3における電極パターンを変更した他の例を示す。本例では、図7のステップS1〜S3において、第1の被検出体位置情報を検出する際に、対向配置された内部電極及び外部電極を検出電極又は駆動電極として用い、遮蔽電極を用いずに被検出体を検出する例を示している。その他の部分については、表1及び表2に示した例と同様のため、説明を省略する。
X軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13a、13b及び外部電極14a、14bを検出電極とし、内部電極13c、13d及び外部電極14c、14dを駆動電極とする(表3:電極パターンX4)。このようにして、X軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS1)。
Y軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13c、13d及び外部電極14c、14dを検出電極とし、内部電極13a、13b及び外部電極14a、14bを駆動電極とする(表3:電極パターンY4)。このようにして、Y軸方向の被検出体位置情報が検出される(図7:ステップS2)。
Z軸方向の被検出体位置情報の検出の際には、内部電極13a及び外部電極14aを検出電極とし、内部電極13b〜13d及び外部電極14b〜14dを駆動電極とする(表3:電極パターンZ5)。次に、内部電極13b及び外部電極14bを検出電極とし、内部電極13a、13c、13d及び外部電極14a、14c、14dを駆動電極とする(表3:電極パターンZ6)。次いで、内部電極13c及び外部電極14cを検出電極とし、内部電極13a、13b、13d及び外部電極14a、14b、14dを駆動電極とする(表3:電極パターンZ7)。次に、内部電極13d及び外部電極14dを検出電極とし、内部電極13a〜13c及び外部電極14a〜14cを駆動電極とする(表3:電極パターンZ8)。このようにして得られた内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dの出力信号を加算平均し、Z軸方向の被検出体位置情報が算出される(図7:ステップS3)。その他については、図7及び表1と同一のため説明を省略する。
このように、本例においては、第1の被検出体位置情報の検出の際に、遮蔽電極を用いずに内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dを検出電極又は駆動電極として用いる。この際に、検出電極としての内部電極13a〜13dに対応する外周側に配置された外部電極14a〜14dを検出電極とし、その他の内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dを駆動電極とするので、センサ面13上に形成される電気力線が増大し、電界強度が増大する。このため、検出電極から出力される信号強度が増大し、検出感度を増大させることができる。
なお、上述した説明においては、外部電極14a〜14dを内部電極13a〜13dに対して四方に配置する例について説明したが、外部電極14a〜14dは、外来のノイズの影響に応じて、必要な方向にのみ配置するようにしてもよい。
本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、外来ノイズを遮蔽でき、高い検出感度が得られると共に、被検出体の大きさなどに関する情報を検出することができる。このため、携帯機器などの電子機器に用いた場合に、特に好適に用いることができる。次に、図10(a)〜(c)を参照して本実施の形態に係る近接センサ装置を携帯機器に用いた場合に得られる出力信号について説明する。
図10(a)〜(c)は、本実施の形態に係る近接センサ装置を備えた携帯機器31を模式的に示した平面図である。なお、図10(a)〜(c)は、紙面奥側から近接センサ装置を搭載した携帯機器31を手で保持した状態における平面図を模式的に示し、それぞれの状態における第2の被検出体位置情報に関するX軸方向及びY軸方向における検出電極の出力信号の大きさを示している。
図10(a)は、携帯機器31を左手で保持した場合と、右手で保持した場合の出力信号の変化を示している。図10(a)に示すように、携帯機器31を左手で保持した場合、平面視において携帯機器31の左側を1本の指32で保持し、右側を4本の指32保持する状態となる。この場合においては、相対的に携帯機器31の右側が被検出体としての指との接触面積が大きくなる。このため、検出電極の出力信号は、X軸方向において正側に増大する。
一方、携帯機器31を右手に持ち替えた場合、平面視において携帯機器31の右側を1本の指32で保持し、左側を4本の指32で保持する状態となる。この場合においては、相対的に携帯機器31の左側が被検出体としての指32との接触面積が大きくなる。このため、検出電極の出力信号は、X軸方向において負側に増大する。このように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えた携帯機器31は、指32位置の変化を検出することができる。
図10(b)は、携帯機器31を左手で保持し、保持位置を変化させた場合の外部電極14a〜14dの出力信号の変化を示した図である。図10(b)に示すように、携帯機器31の上部を保持した場合には、検出電極の出力信号は、Y軸方向において正側に増大する。一方、携帯機器31の下部を保持した場合には、検出電極の出力信号は、Y軸方向において負側に増大する。このように、本実施の形態に係る近接センサ装置を備えた携帯機器31は、携帯機器31の保持位置の変化を検出することができる。
図10(c)は、携帯機器31の保持状態を変化させた場合の検出電極の出力信号の変化を示した図である。図10(c)に示すように、携帯機器31を左手で保持し、携帯機器の左側を保持する指32と携帯機器31との接触面積を、携帯機器31の上面側に拡大させた場合、指32と携帯機器31との接触面積の増大に伴い検出電極の出力信号は、X軸方向側において負側に増大し、Y軸方向において正側に増大している。このように、本実施の形態に係る近接センサ装置を備えた携帯機器31は、携帯機器31と指32との接触面積の変化を検出することができる。
このように、本実施の形態では、携帯機器31の保持状態の変化による近接センサの出力変化を感度良く検知することができる。また、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を携帯機器31に用いる場合、検出電極としての外部電極14a〜14dの出力信号を用いることにより、検出基準値(オフセット値)を自動的にキャリブレーションするように構成することもできる。このようなキャリブレーション処理としては、例えば、検出電極の出力信号の信号強度に対して所定の閾値を設け、信号強度がこの閾値以上となった場合にソフトウェアでキャリブレーションする処理などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
このように自動的にキャリブレーションするように構成することにより、例えば、近接センサを搭載した携帯機器31を手で保持する場合において、2本の指32で保持した場合には、スリープ状態とし、4本の指32で保持した場合には、自動的に起動状態にするように構成することもできる。また、携帯電話や、コードレス電話などに搭載した場合には、本体を手で保持した場合に自動的に通話状態になるように構成することもできる。このように、本実施の形態に係る近接センサ装置によれば、携帯機器などに使用した場合において、保持状態などの、近接センサ周辺環境が得られやすくなり、微細な静電容量変化を検出することもできる。
次に、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の応用例について説明する。図11は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えたノートPC(パーソナルコンピュータ)を示す図である。図11に示すように、このノートPC100は、タッチパッド101の部分に本実施の形態に係る近接センサ装置のセンサ部102を内蔵している。本例においては、タッチパッド101の中央付近にセンサ部102の4つの内部電極103が配置され、その周囲に4つの外部電極104を配置している。このように配置することにより、例えば、オペレータの体自身(不図示)がノートPC100に接近して入力操作する場合においても、外部電極104の出力信号により、静電容量式近接センサ装置をキャリブレーションできる。このように、オペレータの接近状態の変化に応じて静電容量式近接センサ装置を適時キャリブレーションできるので、タッチパッド101への手105などによるタッチパッド101への入力操作を精度よく行うことができる。なお、図11に示す例のように、ノートPC100などに用いる場合には、必ずしも内部電極103の外周に外部電極104を配置する必要はなく、少なくともノートPC100の手前側に外部電極104を配置することにより、オペレータの接近による外来ノイズの影響を低減することができる。
図12(a)は、本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を備えた携帯電話の平面模式図である。図12(a)に示すように、この携帯電話110は、矩形形状の液晶表示部111の周囲に4つの内部電極112a〜112dが配置され、この内部電極112a〜112dの外周に4つの外部電極113a〜113dが配置されている。
図12(b)は、図12(a)のB−B線矢視断面図である。なお、図12(b)には携帯電話110の断面を拡大して示している。図12(b)に示すように、携帯電話110は、下部筺体114a及び液晶表示部111に対応する矩形形状の開口部を有する上部筺体114bを備える。下部筺体114a内側の底面上には基板115が配置され、この基板115の上面に電子機器116が配置されている。基板115の上面側には、基板115上に配置された電子機器116と離間するように、電子機器116からのノイズを遮蔽する下部電極117が配置されている。
下部電極117の上面には、液晶表示部111の外縁を覆うようにLCDモジュール118が配置され、このLCDモジュール118の上面と上部筺体114bとの間に、LCDモジュール118に対応する面積を有するタッチパネル119が配置されている。このタッチパネル119内の液晶表示部111外縁部には、内部電極112a、112bが配置されている。
下部筺体114a及び上部筺体114bの一方の内側面には、外部電極113a及び遮蔽電極120aを備える2層フレキシブル基板121aが配置されている。2層フレキシブル基板121aの外部電極113aは、下部筺体114a及び上部筺体114bの内側面に、基板115と離間するように配置され、この外部電極113aの下部電極117側の主面に、下部電極117と離間するように遮蔽電極120aが配置されている。下部筺体114a及び上部筺体114bの他方の内側面には、外部電極113b及び遮蔽電極120bを備える2層フレキシブル基板121bが配置されている。2層フレキシブル基板121bの外部電極113bは、下部筺体114a及び上部筺体114bの内側面に、基板115と離間するように配置され、この外部電極113bの下部電極117側の主面に、下部電極117と離間するように遮蔽電極120bが配置されている。遮蔽電極120a、120bは、下部電極117と共に常時接地され、内部電極112a、112bへの外来ノイズの影響を軽減できるように構成されている。このように、外部電極113a、113bを遮蔽電極120a、120bと組み合わせて用いることにより、より効果的に外来ノイズを軽減できる。なお、遮蔽電極120a、120bは、必ずしも必要ではなく、外部電極113a、113bのみを下部筺体114a及び上部筺体114bの内側面に配置する構成としてもよい。
このように、携帯電話110の液晶表示部111の周囲に内部電極112a〜112dを配置することにより、液晶表示部111内のオペレータの指などを検出でき、液晶表示部111をタッチパッドとして用いることができる。また、内部電極112a〜112dの外周に外部電極113a〜113d配置し、遮蔽電極及び/又は検出電極として用いることにより、液晶表示部111に対する外来ノイズを遮蔽できると共に、液晶表示部111への指の接触状態の変化による入力精度を補正することもできる。このため、携帯電話110への外来ノイズの影響や、携帯電話110の保持状態の変化によらず、正確な入力操作を行うことができると共に、保持状態の変化などをその他の入力操作に用いることもできる。
また、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、その他の各種電子機器に応用することができる。例えば、デジタルフォトフレームに静電容量式近接センサ装置を搭載する場合には、デジタルフォトフレームの設置台より外来ノイズの影響を受けることや、デジタルフォトフレーム自体を移動した場合にオフセット値がずれる現象が発生する場合がある。このような場合に本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置を、内部電極に対して外部電極を設置台側に配置するように搭載することにより、デジタルフォトフレームの設置台からの外来ノイズの影響を低減することが可能となる。また、デジタルフォトフレームを移動した場合においてもオフセット値のずれを検知することができるので、キャリブレーションを自動的に行うことができる。
さらに、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、テレビジョン放送受信機に応用することもできる。テレビジョン放送受信機では、テレビジョン放送受信機の画面周辺を人が通る場合などに近接センサへの影響が大きくなる。このような場合、テレビジョン放送受信機の画面周辺に外部電極が配置されるように接地することにより、外来ノイズの影響を軽減することができる。また、テレビジョン放送受信機の周囲に外来ノイズ源となり得るものをおいた場合には、静電容量の変化に応じて自動的にキャリブレーションを行うこともできる。
以上説明したように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置によれば、センサ部11内において、内部電極13a〜13dの外側に配置された外部電極14a〜14dを、外来ノイズから内部電極13a〜13dを遮蔽する遮蔽電極として用いると共に、被検出体を検出する検出電極及び駆動電極として併用するので、異なる2種類の被検出体位置情報を検出できる。ここで、得られる2種類の被検出体位置情報は、周辺環境が異なる内部電極13a〜13d及び外部電極14a〜14dによって検出されるので、それぞれの被検出体位置情報を用いることにより、被検出体位置の補正が可能となり、外来ノイズの影響の軽減及び補正が可能となる。
特に、本実施の形態においては、内部電極13a〜13dでの検出により得られた被検出体位置情報を、外部電極14a〜14dでの検出により得られた被検出体位置情報で補正することにより、検出領域内における被検出体の有無を検出できると共に、精度よく被検出体位置を検出することができる。これにより、例えば静電容量式近接センサ装置を携帯機器に搭載した場合など、手などによる携帯機器の保持状態の変化などを精度よく検出することができる。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態においては、検出電極及び駆動電極として8つの電極を用いる場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、異なる数の電極を用いてもよい。また、上記実施の形態における、左右、上下、手前−奥行きの別、部材の数値、位置、大きさ、形状については適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
本発明は、例えば、携帯機器、デジタルフォトフレーム、PC、オーディオの操作パネルなど、各種入力デバイスに適用可能である。
本出願は、2010年1月13日出願の特願2010−004600に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (13)

  1. 隣接電極間で容量を形成するように検出基準面内に配置され、前記検出基準面に属するX軸方向に対向配置されたX軸内部電極対と、前記検出基準面に属し、前記X軸方向と直交するY軸方向に対向配置されたY軸内部電極対とを含んでなる複数の内部電極と、
    隣接電極間で容量を形成するように、前記複数の内部電極の外周に配置された外部電極と、
    前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、駆動電極となる電極に印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、
    前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、検出電極となる電極から出力された信号を検出する検出回路と、
    前記検出回路の検出結果から被検出体の前記X軸方向、前記Y軸方向及び前記基準面に垂直なZ軸方向の被検出体位置を演算する演算手段と、
    前記駆動電極となる電極を前記駆動回路に接続し、前記検出電極となる電極を前記検出回路に接続すると共に、前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、遮蔽電極となる電極を接地する切替え手段とを具備することを特徴とする静電容量式近接センサ装置。
  2. 前記切替え手段は、
    前記複数の内部電極のうち少なくとも1つを前記検出電極として前記検出回路に接続し、前記外部電極の少なくとも1つを前記遮蔽電極として接地する第1の検出パターンと、
    前記外部電極の少なくとも1つを前記検出電極として前記検出回路に接続する第2の検出パターンとに対応して前記複数の内部電極及び前記外部電極の接続状態を切替え、
    前記演算手段は、
    前記第1の検出パターンにおいて検出した第1の被検出体位置情報と、
    前記第2の検出パターンにおいて検出した第2の被検出体位置情報とを用いて被検出体位置を算出することを特徴とする請求項1記載の静電容量式近接センサ装置。
  3. 前記外部電極は、
    前記複数の内部電極の検出面側よりも前記Z軸方向に突出してなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電容量式近接センサ装置。
  4. 前記外部電極は、
    前記複数の内部電極の検出面側近傍の高さ位置で、前記内部電極側に折り返されるように延出された延出部を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  5. 前記外部電極は、
    前記X軸内部電極対の外側に対向配置されたX軸外部電極対と、
    前記Y軸方内部電極対の外側に対向配置されたY軸外部電極対とを含んでなることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  6. 前記第2の検出パターンにおいて、
    前記各内部電極対を遮蔽電極として接地し、
    前記X軸外部電極対を前記検出電極として前記検出回路に接続すると共に、
    前記Y軸外部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続して検出し、
    検出対象方向に応じて前記各外部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする請求項2から請求項5のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  7. 前記第1の検出パターンにおいて、
    前記各外部電極対を遮蔽電極として接地し、
    前記X軸内部電極対を前記検出電極として前記検出回路に接続すると共に、
    前記Y軸内部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続して検出し、
    検出対象方向に応じて前記各内部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  8. 前記第1の検出パターンにおいて、
    X軸方向の検出では、前記X軸内部電極対のうちの一方の内部電極と前記X軸外部電極対のうち当該X軸内部電極対のうち他方の内部電極側に配置された他方の外部電極とを第1内外電極対とし、前記X軸内部電極対のうちの他方の内部電極と前記X軸外部電極対のうち当該X軸内部電極対のうち一方の内部電極側に配置された一方の外部電極とを第2内外電極対とし、
    前記Y軸外部電極対を遮蔽電極として接地すると共に、前記Y軸内部電極対を前記駆動電極として前記駆動回路に接続した状態において、
    前記第1内外電極対が前記検出電極、前記第2内外電極対が前記遮蔽電極となる第1の接続状態と、前記第2内外電極対が前記検出電極、前記第1内外電極対が前記遮蔽電極となる第2の接続状態とを切替えて検出し、
    検出対象方向に応じて前記各内部電極対、前記外部電極対、前記第1電極対及び前記第2電極対の接続を切替えることを特徴とする請求項2から請求項7のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  9. 前記第1の検出パターンにおいて、
    前記各外部電極対を遮蔽電極として接地し、
    少なくとも1つの内部電極を前記検出電極として前記検出回路に接続し、
    残りの内部電極を前記駆動電極として前記駆動回路に接続すると共に、
    前記検出電極及び前記駆動電極となる内部電極を順次切替えて検出することを特徴とする請求項2から請求項8のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置。
  10. 前記第1の検出パターンにおいて、
    前記X軸内部電極対及び前記X軸外部電極対を検出電極として検出回路に接続すると共に、前記Y軸内部電極対及び前記Y軸外部電極対を駆動電極として駆動回路に接続して検出し、
    検出対象方向に応じて前記各内部電極対及び前記各外部電極対の接続状態が前記検出電極又は前記駆動電極となるように切替えることを特徴とする請求項記載の静電容量式近接センサ装置。
  11. 前記第1の検出パターンにおいて、
    少なくとも1つの前記内部電極と当該内部電極の外側に配置された前記外部電極とを前記検出電極として前記検出回路に接続し、
    残りの内部電極と外部電極とを前記駆動電極として前記駆動回路に接続すると共に、
    前記検出電極及び前記駆動電極となる前記内部電極及び前記外部電極の組を順次切替えて検出することを特徴とする請求項又は請求項10に記載の静電容量式近接センサ装置。
  12. 請求項1から請求項11のいずれかに記載の静電容量式近接センサ装置を備えたこと
    を特徴とする電子機器。
  13. 隣接電極間で容量を形成するように基準面内に配置され、前記基準面に属するX軸方向に対向配置されたX軸内部電極対と、前記基準面に属し、前記X軸方向と直交するY軸方向に対向配置されたY軸内部電極対とを含んでなる複数の内部電極と、
    隣接電極間で容量を形成するように、前記複数の内部電極の外周に配置された外部電極と、
    前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、駆動電極となる電極に印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、
    前記複数の内部電極及び前記外部電極のうち、検出電極となる電極から出力された信号を検出する検出回路と、
    前記検出回路の検出結果から被検出体の前記X軸方向、前記Y軸方向及び前記基準面に垂直なZ軸方向の被検出体位置を演算する演算手段と、を具備した静電容量式近接センサ装置における電極駆動方法であって、
    検出パターンに応じて前記外部電極の接続状態が前記遮蔽電極又は前記検出電極となるように切替えることを特徴とする電極駆動方法。
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