JP5607335B2 - 静電容量式近接センサ装置、静電容量式モーション検出装置及びそれらを用いた入力装置 - Google Patents

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、それを用いて被検出体の動作を検出する静電容量式モーション検出装置、及びそれらを用いた入力装置に関する。

従来、人体などの被検出体を検出する装置としては、平面方向における被検出体の接近を検出する静電容量型検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる静電容量型検出装置は、電極間に静電容量を形成するように、センサ面上に放射状に配置される複数の電極と、各電極にパルス信号を印加するパルス発生回路とを備える。

人体などの被検出体を検出する際には、パルス発生回路より放射状に配置される複数の電極にパルス信号を印加し、それぞれの電極間に形成される静電容量に応じ、各電極から遅延して出力される信号を演算回路で検出する。演算回路では、それぞれの電極から出力された信号を基に、それぞれの電極間に形成される静電容量を検出し、検出された静電容量の変化に基づいて被検出体の位置が算出される。

また、所定の媒質中において、センサ面に対する高さ方向の被検出体の距離を検出可能な静電容量型の測定装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。かかる測定装置は、電極間に静電容量を形成するように、所定の間隔をとって配置される２本の電極と、この２本の電極間に形成される静電容量の変化を、媒質中における変位電流の変化として検出する評価回路とを備える。

被検出体を検出する際には、被検出体が存在する所定の媒質中に測定装置を設置し、２本の電極に電圧を印加する。この電圧の印加により、２本の電極間には電場が形成され、電極間に変位電流が発生する。被検出体が存在する場合、媒質中での電極と被検出体との間の距離に応じて変位電流のインピーダンスが変化し、電極間に流れる変位電流が変化する。この変位電流の変化を評価回路で検出することにより、被検出体と測定装置との間の高さ方向の距離を検出する。

特開平７−７１９０８号公報 特表２００５−５１８５４７号公報

しかしながら、特許文献１記載の静電容量型検出装置は、検出方向が平面方向に限定され、センサ面の高さ方向に対する被検出体の接近を検出することは困難であった。

また、特許文献２記載の測定装置は、高さ方向の被検出体の検出は可能となるが、被検出体の距離の検出精度が低い問題があった。また、２本の電極間に形成された静電容量を基に被検出体の近接を検出するため、検出感度に指向性が生じる問題もあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、センサ部に対する平面方向及び高さ方向の検出感度がともに高く、しかも検出方向の指向性が小さい静電容量式近接センサ装置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一方の電極対と、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他方の電極対とを含んでなる複数の電極と、前記複数の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切替え手段と、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軸方向の位置情報を演算する演算手段と、を具備し、
前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記複数の電極内で駆動電極となる電極と検出電極となる電極とを順次切替えながら前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続し、前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記一方の電極対を前記検出回路に接続し、前記他方の電極対を前記駆動回路に接続し、前記Ｙ軸方向の被検出体を検出位置する場合、前記切替え手段は、前記他方の電極対を前記検出回路に接続し、前記一方の電極対を前記駆動回路に接続し、前記一方の電極対は前記基準面の対向する２辺にそれぞれ配置されるとともに、前記他方の電極対は前記基準面の他の２辺にそれぞれ配置され、前記演算手段は、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段による前記切替えによって順次に検出電極となった複数の電極から出力された信号に基づき被検出体のＺ軸方向の位置を求めることを特徴とする。

この構成によれば、複数の電極が配置された基準面に属するＸ軸方向及びＹ軸方向、並びに基準面と垂直なＺ軸方向に対し、複数の電極の接続を切替えながら被検出体を検出するので、センサ部に対する平面方向及び高さ方向の被検出体を検出することができる。また、検出電極を複数の電極内で順次切替えて被検出体位置を検出するので、検出方向の指向性を低減できる。

また本発明は、上記静電容量式近接センサ装置において、前記切替え手段は、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記駆動電極の数が前記検出電極の数より多くなるように、前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続することを特徴とする。

この構成によれば、Ｚ軸方向の被検出体位置の検出において、検出電極より多い駆動電極を用いて被検出体を検出するので、複数の電極間に形成される電界強度が増大し、基準面に対する高さ方向の検出感度が向上する。

本発明の静電容量式近接センサ装置において、前記演算手段は、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段によって切替えられたそれぞれの検出電極から出力された信号を加算平均して被検出体のＺ軸方向の位置を求め、前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記検出回路で検出された前記一方の電極対の出力信号の差分値から被検出体のＸ軸方向の位置を求め、前記Ｙ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記検出回路で検出された前記他方の電極対の差分値から被検出体のＹ軸方向の位置を求めることを特徴とする。

この構成によれば、被検出体位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に対しては、一対の検出電極の差分値を用いて検出し、Ｚ軸方向に対しては、少なくとも１つの検出電極から出力された信号を基準に算出するので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の出力信号の差分値が相殺される検出領域においても被検出体の接近を検出することができる。これにより、静電容量式近接センサ装置の不感領域を補完することができる。また、Ｚ軸方向の被検出体位置を複数の電極内で検出電極として切替えられた、複数の検出電極から出力された信号の加算平均を算出するので、検出方向の指向性を低減することができる。

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基準面内に配置された少なくとも３つの電極と、前記３つの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３つの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切替え手段と、前記検出回路の検出結果から被検出体の基準面に垂直な高さ方向の位置を演算する演算手段と、を具備し、前記切替え手段は、前記駆動電極の数が前記検出電極より多くなるように、前記検出電極を前記複数の電極内で順次切り替えることを特徴とする。

この構成によれば、複数の電極が配置された基準面と垂直な高さ方向に対し、検出電極より多い駆動電極を用いて被検出体を検出するので、複数の電極間に形成される電界強度が増大し、基準面に対する高さ方向の検出感度が高い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、検出電極を順次切り替えて検出することにより、基準面内に配置され、切替え手段によって切替えられた複数の電極より信号を検出するので、複数の位置から被検出体を検出した出力信号を用いて被検出体を検出することができ、検出方向の指向性を低減することができる。

本発明の静電容量式モーション検出装置は、上記静電容量式近接センサ装置と、前記演算回路で演算された被検出体の位置情報を所定の時定数で処理し、前記被検出体のモーション検出を行うモーション検出手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、被検出体のモーションを基準面に対する高さ方向に対しても高い検出感度で検出できるので、被検出体の３次元のモーションを正確に検出することができる。

また本発明は、上記静電容量式モーション検出装置において、前記モーション検出手段は、前記演算回路で演算された前記基準面に垂直な高さ方向の被検出体の位置情報を所定の時定数で処理し、前記被検出体の３軸方向の位置情報を所定の時定数で処理し、前記基準面に垂直な高さ方向から接近する前記被検出体の速度差を検出することを特徴とする。

この構成によれば、基準面に対する高さ方向の距離の大きさに応じて被検出体の距離を精度よく測定できるので、所定の時定数で出力信号を処理することにより、被検出体の接近速度を検出することができる。

また本発明は、上記静電容量式モーション検出装置において、前記モーション検出手段は、被検出体の基準面に略直交するＺ軸方向を含む回転運動を検出することを特徴とする。

この構成によれば、被検出体の３次元方向の距離を精度よく検出することができるので、基準面に垂直な高さ方向を含む被検出体の回転運動を正確に検出することができる。

本発明の入力装置は、上記静電容量式モーション検出装置を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、カメラなどで視認することがなく被検出体のモーションを３次元方向において正確に検出できるので、使用環境に制限されることがなく、正確な入力操作が得られる入力装置を実現することができる。また、３次元方向のモーションをそれぞれ入力装置に適用できるので、入力精度が高い入力装置を実現することができる。

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一方の電極対と、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他方の電極対とを含んでなる複数の電極と、前記複数の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軸方向の位置情報を演算する演算手段と、を備え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、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記駆動電極の数が前記検出電極の数より多くなるように、前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続し、検出電極となる電極を順次切替え、前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記一方の電極対を前記検出回路に接続し、前記他方の電極対を前記駆動回路に接続し、前記Ｙ軸方向の被検出体を検出位置する場合、前記切替え手段は、前記他方の電極対を前記検出回路に接続し、前記一方の電極対を前記駆動回路に接続することを特徴とする。

この方法によれば、複数の電極が基準面に配置された静電容量式近接センサ装置において、基準面に属するＸ軸方向及びＹ軸方向、並びに基準面と垂直なＺ軸方向に対し、複数の電極の接続を切替えながら被検出体を検出するので、センサ部に対する平面方向及び高さ方向の被検出体を検出することができる。また、Ｚ軸方向の被検出体位置の検出では、検出電極より多い駆動電極を用いて被検出体を検出するので、複数の電極間に形成される電界強度が増大し、基準面に対する高さ方向の検出感度が向上する。さらに、検出電極を複数の電極内で順次切替えて被検出体位置を検出するので、検出方向の指向性を低減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。

本発明によれば、センサ部に対する平面方向及び高さ方向の検出感度がともに高く、しかも検出方向の指向性が小さい静電容量式近接センサ装置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）〜（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配置の一例を示す図である。 （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。 本発明の実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の電極切替え制御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センサ部と被検出体とのＺ軸方向の変化と出力値の大きさの相関を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量式モーション検出装置におけるダブルタップ動作の出力信号の波形を示す図であり、（ｂ）は、速度の異なるタップ動作をした場合の出力信号の波形を示す図である。 （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のセンサ部に対する被検出体の動きを示す図であり、（ｂ）、（ｃ）は、出力信号の強度のＸＺプロット図である。 本実施の形態に係る近接センサ装置において、ＸＹ平面方向に対して回転運動を行った場合における出力信号の強度のＸＹプロット図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量式モーション検出装置を用いた入力装置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モーション検出装置を用いた入力装置の他の一例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る静電容量式モーション検出装置を用いた入力装置の別の一例を示す図である。

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型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の位置を算出する制御回路部１２とを備える。

センサ部１１は、検出基準面としてのセンサ面１３内に配置された４つの電極１３ａ〜１３ｄを備える。各電極１３ａ〜１３ｄは、それぞれの隣接する電極間に静電容量が形成されるように所定の間隔をとって配置されている。電極１３ａ、１３ｄは、略矩形形状のセンサ面１３内の対向する２辺に略平行に配置され、この一対の電極１３ａ、１３ｄと略直交するように、センサ面１３内の対向する他の２辺に一対の電極１３ｂ、１３ｃが配置されている。

制御回路部１２は、センサ部１１の電極１３ａ〜１３ｄの切替え手段としてのマルチプレクサ１４と、各電極１３ａ〜１３ｄから出力された信号より、被検出体の位置を演算する演算手段としてのＣＰＵ１５とを備える。ＣＰＵ１５とマルチプレクサ１４との間には、駆動電極として切替えられた各電極１３ａ〜１３ｄに駆動電圧を印加する駆動回路１６が設けられている。また、ＣＰＵ１５とマルチプレクサ１４との間には、検出電極として切替えられた各電極１３ａ〜１３ｄの出力信号を検出する検出回路１７が設けられている。

マルチプレクサ１４は、センサ部１１の各電極１３ａ〜１３ｄに接続されると共に、駆動回路１６及び検出回路１７に接続され、各電極１３ａ〜１３ｄの接続を駆動回路１６及び検出回路１７に切替える。また、マルチプレクサ１４は、ＣＰＵ１５と接続され、ＣＰＵ１５からの切替え信号により、各電極１３ａ〜１３ｄ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１４は、駆動電極となる電極１３ａ〜１３ｄ（以下、単に駆動電極ともいう）を駆動回路１６に接続すると共に、検出電極となる電極１３ａ〜１３ｄ（以下、単に検出電極ともいう）を検出回路１７に接続する。

駆動回路１６は、図示されない発振回路を備え、マルチプレクサ１４によって駆動電極となる電極１３ａ〜１３ｄに駆動電圧を印加する。駆動電圧の印加は、ＣＰＵ１５によりタイミング制御されている。

検出回路１７は、マルチプレクサ１４を介して検出電極となる電極１３ａ〜１３ｄに接続される増幅回路１８と、この増幅回路１８に接続され、増幅された出力信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１５に出力するＡ／Ｄコンバータ１９とを備える。

増幅回路１８は、正極端子及び負極端子を備え、マルチプレクサ１４によって検出電極として切替えられた電極１３ａ〜１３ｄから出力された信号を増幅し、Ａ／Ｄコンバータ１９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の検出の際には、マルチプレクサ１４によって対向する一対の電極１３ａ〜１３ｄが検出電極として増幅回路１８に接続される。この場合、増幅回路１８の正極端子には、一方の検出電極１３ａ〜１３ｄが接続されて出力信号が入力され、負極端子には他方の検出電極１３ａ〜１３ｄが接続されて出力信号が入力される。増幅回路１８では、入力された一対の検出電極１３ａ〜１３ｄの出力信号が差動で増幅されて出力信号の差分値が検出される。

また、センサ面１３と直交する高さ方向（Ｚ軸方向）の被検出体位置の検出の際には、マルチプレクサ１４によって少なくとも１つの電極１３ａ〜１３ｄが検出電極として増幅回路１８に接続される。この場合、増幅回路１８の一方の端子には、マルチプレクサ１４によって切替えられた検出電極１３ａ〜１３ｄが接続されて出力信号が入力され、他方の端子には基準電圧が入力される。増幅回路１８では、入力された出力信号を基準電圧との間で増幅する。

このように、本実施の形態では、一つの増幅回路１８において、検出方向に応じて検出電極１３ａ〜１３ｄからの出力信号を、一対の検出電極１３ａ〜１３ｄから出力された信号の差分による増幅と、検出電極１３ａ〜１３ｄから出力された信号と基準信号との出力信号の差分に応じた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１８を設けることなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向並びに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１３ａ〜１３ｄ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１９は、増幅回路１８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ＣＰＵ１５に出力する。ＣＰＵ１５に入力された出力信号は、検出回路としてのＣＰＵ１５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１９で行ってもよい。また、演算手段としてのＣＰＵ１５では、検出された出力信号を用いて、被検出体の３軸方向の位置情報が算出される。

次に、図２（ａ）〜図２（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の電極切替えについて詳細に説明する。本実施の形態に係る近接センサ装置では、マルチプレクサ１４により、検出方向に応じてセンサ部１１に配置された電極１３ａ〜１３ｄの接続を駆動回路又は検出回路に切替え、駆動電極及び検出電極として切替えることにより被検出体を検出する。図２（ａ）は、Ｘ軸方向（紙面左右方向）の被検出体を検出する際の電極１３ａ〜１３ｄの切替えを示す図である。Ｘ軸方向の被検出体を検出する際には、Ｘ軸方向と略平行に配置される電極１３ａ、１３ｄを駆動電極として切替え、Ｘ軸方向と略直交して配置される電極１３ｂ、１３ｃを検出電極として切替える。尚、検出電極１３ｂ、１３ｃの出力信号は、出力信号の絶対値の差分値を算出してもよく、一方の出力信号の正負を反転して差分値を算出してもよい。

図２（ｂ）は、Ｙ軸方向（紙面上下方向）の被検出体を検出する際の検出電極の切替えを示す図である。Ｙ軸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電極１３ｂ、１３ｃを駆動電極として切替え、Ｙ軸方向と略直交して配置される電極１３ａ、１３ｄを検出電極として切替える。尚、Ｘ軸方向の検出と同様に、検出電極１３ａ、１３ｄの出力信号は、一方の出力信号の正負を反転して差分値を算出してもよい。

図２（ｃ）は、Ｚ軸方向（紙面手前−奥行方向）の検出体を検出する際の検出電極の切替えを示す図である。Ｚ軸方向の被検出体を検出する際には、電極１３ａ〜１３ｄの少なくとも１つを検出電極として切替え、残りの電極１３ａ〜１３ｄを駆動電極として切替える。このようにしてＺ軸方向の検出を行うことにより、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１３ａ〜１３ｄの出力信号の差分値が得られない状態、例えば中心点Ｐ１直上で被検出体が垂直に上下してＸ軸方向及びＹ軸方向の差分値がいずれも０で変化しない状態においても、Ｚ軸方向の検出により被検出体の動作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。

また、本実施の形態では、４つの電極１３ａ〜１３ｄのうち電極１３ａを検出電極として切替え、残り電極１３ｂ〜１３ｄを駆動電極として切替える。このように、３つの駆動電極１３ｂ〜１３ｄを用い、それぞれの駆動電極１３ｂ〜１３ｄから駆動電圧を印加することにより、電極１３ａ〜１３ｄ間に形成される電界強度が増大するので、検出電極１３ａから出力される信号が増大し、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電極を切替えればよく、検出電極として切替えられた電極１３ａ以外の電極１３ｂ〜１３ｄを全て駆動電極として切替えなくともよい。

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。このように、検出電極を電極１３ａ〜１３ｄの間で順次切替えながら検出することにより、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、検出電極を電極１３ａのみと被検出体を測定した場合、図２（ｃ）の紙面上方に位置する検出電極１３ａと、紙面左右方向に位置する電極１３ｂ、１３ｃ及び紙面下方に位置する電極１３ｄとの間に形成される静電容量に基づいて電極１３ａから信号が出力されるので、紙面上方に位置する電極１３ａの近傍の検出感度が最も高くなり、紙面下方の電極１３ｄ近傍の検出感度は低下する。これに対し、検出電極を電極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。

尚、本実施の形態では、センサ部１１の各電極１３ａ〜１３ｄが略矩形形状のセンサ面１３の四辺に配置された例について説明するが、各電極１３ａ〜１３ｄ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、電極数に関しては、少なくとも３本の電極１３ａ、１３ｂ及び１３ｃがあれば良く、電極数の上限については特に限定されない。電極の配置は、例えば、３角形の３辺に位置するようにしてもよい。この場合、特にＸＹ平面方向における差分値が相殺される領域が減少するので、好ましい。また、本実施の形態では、電極数の数が多いほど被検出体の検出感度を向上させることができる。

また、各電極１３ａ〜１３ｄ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、電極１３ａ〜１３ｄのいずれかがセンサ面１３に対して、相対的にＺ軸方向上方側に配置されていてもよく、それぞれの電極がセンサ面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３（ａ）、（ｂ）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３（ａ）に示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の検出では、駆動電極として対向する一対の電極１３ａ、１３ｄが切替えられ、対向する他の一対の電極１３ｂ、１３ｃが検出電極として切替えられる。この場合、駆動電極１３ａ、電極１３ｄと検出電極１３ｂとの間に静電容量Ｃ_ｘ１が形成され、駆動電極１３ａ、電極１３ｄと検出電極１３ｃとの間に静電容量Ｃ_ｘ２が形成される。そして、この静電容量Ｃ_ｘ１，Ｃ_ｘ２の差分をとることにより被検出体３１としての手の位置を検出することができる。なお、図３（ａ）は、被検出体３１がＸ軸方向に移動する場合の被検出体３１の位置を検出する場合について示している。

図３（ｂ）は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置で、異なる電極配置をとった場合の検出原理の一例を示す図である。図３（ｂ）に示す例は、駆動電極としての電極１３ｅを中央に配置し、その両側に検出電極としての電極１３ｆ，１３ｇを配置した例である。この場合、電極１３ｅと電極１３ｆとの間に静電容量Ｃ_１が形成され、電極１３ｅと電極１３ｇとの間に静電容量Ｃ_２が形成される。この静電容量Ｃ_１，Ｃ_２の差分をとることにより被検出体３１の位置を検出することができる。

さらに、図３（ａ）及び図４を参照して、被検出体３１の動きと静電容量の変化について説明する。図３（ａ）に示す例では、検出電極１３ｂと駆動電極１３ａ，１３ｄとの間に静電容量Ｃ_ｘ１が形成されており、検出電極１３ｃと駆動電極１３ａ，１３ｄとの間に静電容量Ｃ_ｘ２が形成されている。被検出体３１がＸ軸方向（左右方向）のいずれかの方向に動いた場合、電極１３ａ〜１３ｄ間に形成される電気力線（不図示）が被検出体３１に吸収され、静電容量Ｃ_ｘ１，Ｃ_ｘ２が変化する。例えば、被検出体３１が左側に動くと、静電容量Ｃ_ｘ１が増加して、静電容量Ｃ_ｘ２が減少する。このため、被検出体３１がＸ軸方向（左右方向）に移動した場合、静電容量値の差分（Ｃ_ｘ２−Ｃ_ｘ１）をとることにより、静電容量の変化量から、図４に示すように、被検出体のＸ軸方向（左右方向）の被検出体３１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。

尚、Ｙ軸方向の被検出体を検出する場合、センサ部１１の上下の電極１３ａ，１３ｄを検出電極とし、左右の電極１３ｂ，１３ｃ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の位置情報及びモーションが検出される。

次に、図５（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５（ａ）、（ｂ）は、図２（ｃ）に示したセンサ部１１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図５（ａ）に示すように、この状態では、検出電極１３ａと駆動電極１３ｄ（及び不図示の駆動電極１３ｂ、１３ｃ）との間に静電容量Ｃ_Ｘ３が形成され、その周囲に電気力線５１が形成されている。

図５（ａ）に示すように、センサ面１３と被検出体３１との間のＺ軸方向の距離が大きい場合には、被検出体３１による電気力線５１の吸収がその一部のみとなるので、静電容量Ｃ_Ｘ３は小さくなる。一方、図５（ｂ）に示すように、センサ面１３と被検出体３１との距離が小さい場合には、被検出体３１によって電気力線５１の大半が吸収されるので、静電容量Ｃ_Ｘ３が大きくなる。このように、本実施の形態では、センサ面１３と被検出体１３との間の距離が小さい場合には、静電容量Ｃ_Ｘ３が減少して検出電極としての電極１３ａの出力信号が大きくなり、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Ｃ_Ｘ３が増大して検出電極としての電極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３１とＺ軸方向の距離を検出することができる。

尚、本実施の形態では、Ｚ軸方向の被検出体３１の検出時において、検出電極として切替えられた電極１３ａと駆動電極として切替えられた電極１３ｄとの間に形成される電気力線５１は、断面視において左右対称にはならならない。すなわち、センサ面１３に対する被検出体３１の距離が一定である場合において、被検出体３１が検出電極１３ａよりに位置する場合（紙面左側に手がある場合）と駆動電極１３ｄよりに位置する場合（紙面右側に手がある場合）とで静電容量Ｃ_Ｘ３が異なり、出力信号の大きさが変化する。このため、電極１３ａのみを駆動電極として切替えてＺ軸方向の被検出体３１を検出する場合、検出方向に若干指向性が生じる。そこで、本実施の形態では、センサ部１１に対するＺ軸方向の被検出体３１を検出する際には、以下に示すように、検出電極として切替える電極を電極１３ａ〜１３ｄの間で順次切替えながら測定することにより、検出方向に指向性の指向性を低減する。以下、図６を参照して本実施の形態で用いる電極切替えの制御フローについて詳細に説明する。

図６は、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置の電極切替え制御フローの一例を示す図である。図６に示すように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれに対し、各電極１３ａ〜１３ｄを検出電極及び駆動電極として切替えながら、４回ずつ被検出体を測定することにより、被検出体の３軸方向の位置情報を検出する。

図６に示すフロー図では、被検出体の検出は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の順に行われる。先ず、被検出体のＸ軸方向の位置情報の検出が開始され、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ａ、１３ｄが選択され、駆動電極として電極１３ｂ、１３ｃが選択される（ステップＳ１）。次いで、駆動電極１３ｂ、１３ｃに、駆動回路１６から駆動電圧が４回印加される。次に、ＣＰＵ１５により、検出電極１３ａ、１３ｄから出力された信号の加算平均が算出され、被検出体のＸ軸方向の位置情報が算出される（ステップＳ２）。

次に、被検出体のＹ軸方向の位置情報が検出される。まず、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ｂ、１３ｃが切替えられ、駆動電極として電極１３ａ、１３ｄが切替えられる（ステップＳ３）。次いで、駆動電極１３ａ、１３ｄに、駆動回路１６から駆動電圧が４回印加される。次に、ＣＰＵ１５により、検出電極１３ｂ、１３ｃから出力された信号の加算平均が算出され、被検出体のＹ軸方向の位置情報が算出される（ステップＳ４）。

次に、Ｚ軸方向の被検出体の位置情報が検出される。まず、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ａが切替えられ、駆動電極として残りの電極１３ｂ〜１３ｄが切替えられる。次いで、３本の駆動電極１３ｂ〜１３ｄに、駆動回路１６から駆動電圧が印加され、検出電極１３ａから信号が出力される（ステップＳ５）。次に、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ｂが切替えられ、駆動電極として残りの電極１３ａ、１３ｃ及び１３ｄが切替えられる。次いで、３本の駆動電極１３ａ、１３ｃ及び１３ｄに、駆動回路１６から駆動電圧が印加され、検出電極１３ｂから信号が出力される（ステップＳ６）。

次に、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ｃが切替えられ、残りの電極１３ａ、１３ｂ及び１３ｄが駆動電極として切替えられる。次いで、３本の駆動電極１３ａ、１３ｂ及び１３ｄに、駆動回路１６から駆動電圧が印加され、検出電極１３ｃから信号が出力される（ステップＳ７）。次に、マルチプレクサ１４により、検出電極として電極１３ｄが切替えられ、駆動電極として残りの電極１３ａ〜１３ｃが切替えられる。次いで、電極１３ａ〜１３ｃに駆動回路１６から駆動電圧が印加され、検出電極１３ｄから信号が出力される（ステップＳ８）。最後に、ＣＰＵ１５により、ステップＳ５ないしＳ８の間に検出電極として用いられた電極１３ａ〜１３ｄから出力された信号の加算平均を算出し、被検出体のＺ軸方向の位置情報が算出される（ステップＳ９）。以上のようにして、３軸方向に対してそれぞれ４回被検出体の検出を行った後、再びＸ軸方向から順に被検出体の検出が行われる（再びステップＳ１）。

本実施の形態では、３軸方向に対してそれぞれ４回被検出体の測定が行われる。このように、各軸方向に対して４回測定し、各軸方向の出力信号の加算平均を算出することにより、被検出体の検出感度を向上させることができる。特に、本実施の形態では、Ｚ軸方向の検出において、各電極１３ａ〜１３ｄを少なくとも１回検出電極として用いて検出することにより、Ｚ軸方向の被検出体が何れの方向から接近しても、均等な感度で検出することができる。尚、本実施の形態では、Ｚ軸方向の検出体に対して、検出電極１本のみを用いる構成としたが、Ｚ軸方向の検出に用いる検出電極には、複数の電極１３ａ〜１３ｄを切替えて用いてもよい。これらの中でも、検出感度を向上する観点から、Ｚ軸方向の検出には、Ｚ軸方向の検出の際に駆動電圧として用いられる電極１３ａ〜１３ｄと同数以上の電極１３ａ〜１３ｄを切替えて用いることが好ましい。

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１４によって、検出方向に応じて任意の電極１３ａ〜１３ｄが駆動電極及び検出電極として切替えられる。次いで、ＣＰＵ１５よりタイミング制御された駆動電圧が駆動回路１６より駆動電極に印加される。駆動電極に印加された駆動電圧により、検出電極から静電容量に応じた信号が出力される。検出電極から出力された信号は、検出回路１７に入力され、増幅回路１８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１９でフィルタリング処理及びＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ１５に入力される。ＣＰＵ１５では、入力された出力信号を基に被検出体の位置情報及び動作を検出する。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の静電容量に基づいて、被検出体の位置情報及び動作を検出する。

ここで、本発明者らは、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被検出体のＺ軸方向の距離と検出電極からの出力値との相関について詳細に調べた。その結果、本実施の形態に係る近接センサ装置は、被検出体とセンサとの間の距離と出力値の対数との間の線形性が特に良好であることが分かった。以下、次に、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明者らが調べた内容について詳細に説明する。

図７（ａ）に示すように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、センサ面−被検出体距離／電極間隔の比がおおむね１．５以下の範囲で特に効果的に被検出体の近接を検出することができる。ここで、電極間隔とは、図１のような電極配置において対向する電極１３ａと電極１３ｄ間の距離、および電極１３ｃと電極１３ｂ間の距離の平均値であり、本実施の形態においては電極間距離を１０ｃｍとした。特に図７（ｂ）に示すように、センサ面−被検出体距離／電極間隔の比が１以下の範囲において、被検出体とセンサ面との距離と電極間隔との比をＸ軸に、出力値の対数をＹ軸にしてプロットした場合、距離と出力値との間の相関係数が０．９９９７となり極めて線形性が高いことが分かる。すなわち本実施の形態においては、センサ面と被検出体との距離が１５ｃｍ程度までは十分に測定が可能であり、また距離が１０ｃｍ以下の範囲では非常によい線形性で測定可能であった。

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は、Ｚ軸方向について、特に高い精度で被検出体３１を検出することができる。これにより、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、距離測定装置としても使用可能である。通常、静電容量式の近接センサ装置では、検出対象となる被検出体３１の大きさが異なる場合、信号強度にブレが発生し、正確な距離の測定は困難となる。これに対し、本実施の形態に係る近接センサは、上述したような電極切替え制御を行うことにより、センサ部１１に対するＺ軸方向の被検出体の検出方向の指向性を低減することができる。特に、本実施の形態では、センサ部１１の電極１３ａ〜１３ｄで囲まれた範囲内において、被検出体とセンサ面１３との間の距離を精度よく検出できるので、被検出体の正確な位置情報及び被検出体の近接方向を正確に検出することが可能となる。

次に、本実施の形態に係る近接センサ装置の応用例について説明する。本実施の形態に係る近接センサ装置は、被検出体の３軸方向の位置情報を正確に検出することが可能となるので、ＣＰＵ１５で検出された被検出体の位置情報を、所定の時定数で処理するモーション検出手段と組み合わせて用いることにより、被検出体の３次元方向の各種モーションを検出可能なモーション検出装置や各種入力装置に応用することができる。以下、図８〜図１０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を用いた各種モーション検出装置について説明する。

図８（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態に係るモーション検出装置で検出可能なモーションの一例について説明する。図８（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）に示す、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面１３に対し、被検出体３１をセンサ面１３の高さ方向（Ｚ軸方向）に対して上下に動かした際の、経過時間に対するセンサ部１１からの出力信号の波形を示す図である。尚、図８（ａ）、（ｂ）においては、１０ｍｓ毎に被検出体の位置情報をＸＹＺ各軸について各４回測定して平均の算出を行っている。

図８（ａ）に示す例は、センサ面１３に対して、被検出体３１を高さ方向に２度上下にさせた場合（以下、高さ方向に上下させる動作をタップといい、この操作を２度繰り返すことをダブルタップという）の出力信号の信号強度の変化を示している。図８（ａ）に示すように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、高さ方向に対する検出方向に指向性がなく、高い検出感度を有するので、ダブルタップ動作した場合においても、出力信号の信号強度の波形にピークが２つ生じ、ダブルタップ動作を精度よく検出できることが分かる。また、ダブルタップ動作を３回繰り返した場合においても、それぞれの出力信号の波形にピークが２つ生じ、ダブルタップ動作を再現性良く検出できることが分かる。これらの結果から、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、タップ動作を精度よく検出でき、ダブルタップ動作を入力操作に利用した入力装置に応用可能であることが分かる。

また、図８（ｂ）は、本実施の形態に係る近接センサに対し、異なる速度でタップ動作したときの出力信号の波形の経時時間に対する変化を示している。図８（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る近接センサでは、相対的に速い速度でタップ動作した場合の出力信号の波形（図中左側３本）は、半値幅が小さく、鋭いピークとなることが分かる。一方、相対的に遅い速度でタップ動作した場合の出直信号の波形（図中右側の２本）は、相対的に速い速度でタップ動作した場合と比較し、出力信号の波形がブロードとなることが分かる。また、相対的に速い速度でタップ動作を繰り返した場合の波形の再現性と相対的に遅い速度でタップ動作を繰り返した場合の波形とを比較した場合、それぞれ再現性良く一定形状の波形が得られることが分かる。このように、本実施の形態に係る近接センサ装置は、タップ動作の速度を再現性よく出力信号の波形で識別できるので、タップ動作の速度差を入力操作に利用した入力装置に応用可能であることが分かる。

図８（ａ）に示したダブルタップ動作、および図８（ｂ）に示したタップ動作を判別するためには、例えば次のように判別すればよい。出力信号が最初のピークから１０００ｍｓ以内にピークが始まる前の水準まで低下し、かつ最初のピークから３００ｍｓ以上下降または停滞した場合にはシングルタップと判断する。また、最初のピーク３００ｍｓ以内に下降から再度上昇に転じ、最初のピークから６００ｍｓ以内に次のピークが現れ、最初のピークから１０００ｍｓ以内にピークが始まる前の水準まで低下した場合にはダブルタップと判断する。

次に、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して、本実施の形態に係るモーション検出装置で検出可能なモーションの他の例について説明する。図９（ａ）は、センサ部９１に対して被検出体３１をどのように動かすかを示す図であり、図９（ｂ）、（ｃ）は、センサ部９１に対して、センサ部９１と被検出体３１との間のＺ軸方向の距離が異なる２つの位置において、ＸＹ平面内での所定の大きさの円運動を行った場合の出力信号の強度のＸＺプロット図であり、横軸にＸ軸方向の出力値、縦軸にＺ軸方向の出力値をプロットしている。

図９（ｂ）においては、センサ部９１と被検出体３１との間の距離が３〜４ｃｍ程度であり、この場合、出力信号の平均レベルが約２４０程度であることが分かる。一方、図９（ｃ）に示すように、センサ部９１と被検出体３１との間の距離が８〜１０ｃｍと大きい場合、出力信号の平均レベルが約１６０程度となることが分かる。また、Ｘ軸方向の出力値の変化が小さくなることが分かる。これらの結果から、本実施の形態に係るモーション検出装置では、被検出体３１とセンサ部９１との間の距離が異なる少なくとも２種類のＸＹ平面内での回転操作を、信号強度が異なる２種類の回転動作を入力操作として識別できることが分かる。

このとき、同時にＸＹ平面での情報も用いることにより、さらなる応用が可能となる。図１０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を用いた別の応用例について説明する。上述したように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、被検出体の３軸方向の位置情報を検出可能であると共に、高さ方向の距離差により、出力信号の信号強度のことなる出力信号を検出可能である。これを利用して、位置、高さ、回転方向といった多彩な入力か可能なモーション検出装置を構成することもできる。以下、その原理について説明する。

図１０は、本実施の形態に係る近接センサ装置において、ＸＹ平面方向に対して回転運動を行った場合における、出力信号の強度のＸＹプロット図である。図１０の横軸は、被検出体３１のＸ軸方向の移動距離を示し、縦軸がＹ軸方向の移動距離を示している。図１０の曲線Ｌ１は、センサ部９１に対し、高さ方向の距離が小さい条件で被検出体３１がＸＹ平面内を回転運動した際の被検出体３１の軌跡を示している。一方、図１０の曲線Ｌ２は、センサ部９１に対し、高さ方向の距離が大きい条件で被検出体３１がＸＹ平面内を回転運動した際の被検出体３１の軌跡を示している。図１０に示すように、被検出体３１とセンサ部９１との間の距離が小さい条件で回転運動した曲線Ｌ１は、曲線Ｌ２より回転半径が大きいことが分かる。

本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置では、ＸＹ平面内における被検出体の軌跡（曲線Ｌ１、Ｌ２）を所定の時定数で検出し、それぞれのプロット点のＸＹ平面内での位置情報及びＺ軸方向における高さを検出し、さらにそれぞれのプロット点を極座標変換することにより、センサ面１３上での被検出体の回転運動の中心点Ｐ１を検出することができる。この情報と、図９に示された回転運動中の高さの情報とをあわせて判断することにより、センサ面上のどの位置で、どの高さで、どの方向に被検出体の回転モーションが行われたかを適格に検出することが出来るため、一度の回転操作で多彩な入力が可能となる。また、位置の検出をせずに単に回転が行われたことのみを知ればよい場合には、検出開始時にモーション検出の基準点を設定するキャリブレーションを行わなくとも被検出体の回転運動によるモーションを検出することができる。このように、基準点を自動的に検出することにより、キャリブレーションを行うことなく入力装置として用いることができるので、例えば、検出領域内に他の被検出体が侵入した際に、センサ部に形成された静電容量が変化した場合においても基準点を自動校正することができ、リモコンなどの入力装置に用いた場合に特に有効である。

次に、図１１〜図１３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を備えた入力装置について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、回転運動とセンサ部への近接操作とを組み合わせた入力装置の一例である。図１１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置は、矩形形状のセンサ部１１１上のセンサ面１１２の中央に表示装置１１３を配置し、センサ面１１２の４辺に電極１１３ａ〜１１３ｄを配置した例である。この入力装置に対して入力操作を行う場合、センサ面１１２上で被検出体３１を動かすことにより、センサ面１１２上に形成された静電容量が変化する。このセンサ面１１２上の静電容量の変化を検出することにより、入力操作が行われる。

次に、図１１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置の具体的な操作例について説明する。この入力装置は、表示装置１１３の画面中に複数の切替え可能なアイコンを表示し、被検出体３１とセンサ面１１２の距離に応じて、表示を切替え可能に構成して用いられる。例えば、図１１（ａ）に示すように、被検出体３１とセンサ面１１２（センサ部１１１）の距離が遠い場合には、「機能」と「検索」のアイコンが表示されているが、図１１（ｂ）に示すように被検出体３１がセンサ面１１２に対して接近したことを検出し、「時刻」と「電卓」のアイコンを表示させる。図１１（ａ）（ｂ）いずれかのアイコンが表示された状態でセンサ面に略平行に被検出体３１の回転操作が検出されると、表示装置１１３に表示されているアイコンのうちどれが選択されたかを判定して、選択された機能の入力動作とする。この判定には、回転の中心のＸＹ座標を算出し、この座標と表示装置１１３に表示されているアイコンの位置との比較からどのアイコンが選択されたかを判定してもよいし、アイコンと回転方向とを対応させてもよい。また、回転方向によって他の操作を行うことも可能である。このように、被検出体３１の回転操作の位置、高さ、方向を同時に検出することにより、多彩な入力操作が可能な入力装置を構成することが出来る。

また、回転操作と高さ方向の操作の組み合わせ方を変えて用いることも出来る。すなわちこの入力装置は、表示装置１１３の画面中に複数の切替え可能なアイコンを表示し、被検出体３１などの回転操作により、表示を切替え可能に構成して用いてもよい。例えば、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、表示装置１１３の表示を被検出体３１の回転操作により、「機能」と「検索」から「時刻」と「電卓」などに切替える。ここで、入力装置と被検出体３１との間の距離がほぼ一定の場合、信号強度もほぼ一定となるので、表示の切替えのみが行われる。次に、「時刻」と「電卓」のアイコンが表示された状態で、図１１（ｂ）に示すように、被検出体３１をセンサ面１１２に対して接近させる。このような被検出体３１の近接動作により、入力装置内に設けられる静電容量式近接センサ装置で検出される出力信号が増大する。ここで、信号出力に一定の閾値を設けることにより、被検出体３１の近接による信号強度の変化を入力動作として認識でき、入力装置のセンサ面１１２に対し、被検出体３１が接触することなく「時刻」と「電卓」のアイコンを選択可能な入力装置を構成することができる。

次に、図１２を参照して、本実施の形態に係る静電容量式近接センサを用いた入力装置の他の例について説明する。図１２は、センサ部１２１に対する被検出体３１の回転操作（方向）と被検出体３１の近接操作を組み合わせた入力装置の構成を示している。上述したように、本実施の形態に係る静電容量式近接センサ装置は、センサ部１２１上での回転方向を特定することが可能である。これを利用し、センサ部１２１上で、被検出体３１の回転方向により、選択リストの選択順を右回転と左回転とで変更可能に構成することにより、センサ部１２１上での被検出体３１の回転方向を利用した入力装置が構成可能となる。入力操作は、図１１（ａ）、（ｂ）に示した例と同様に、被検出体３１をセンサ部１２１に対して接近させることにより行うことが可能である。

次に、図１３（ａ）、（ｂ）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を用いた入力装置の別の応用例について説明する。図１３（ａ）に示す例は、被検出体３１などの被検出体の高さ方向を含む回転運動を用いた入力装置の模式図である。図１３（ａ）に示す入力装置では、被検出体３１の高さ方向を含む３次元方向の回転運動をセンサ部１３１で検出し、入力操作を行うことが可能となる。上述したように、本実施の形態に係るモーション検出装置は、高さ方向のモーションに対し、高い検出精度を有するので、このような入力装置を構成することが可能となる。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の入力装置で検出された出力信号の実測値を示す例である。図１３（ｂ）に示す例は、ＹＺ平面の出力信号の実測値であり、横軸は、Ｙ軸方向の出力値の大きさから算出したセンサ面１３１の中心からのＹ軸方向の距離を示し、縦軸がセンサ部１３１からの高さ方向の距離に応じた出力値の大きさを示している。この入力装置では、図１３（ａ）に示すように、センサ面に近い領域で被検出体３１により、入力操作を行った場合、出力値が大きくなり、センサ面に遠い領域で入力操作を行った場合、出力値が大きくなる。図１３（ｂ）に示す例では、センサ面に近い領域では、出力値が３２０程度となり、センサ面から遠い領域では出力信号が１００程度と明確に識別でき、さらに、Ｙ軸方向の変位も検出できていることが分かる。

このような高さ方向を含む回転検出が出来ることにより、ＸＹ平面上、ＹＺ平面上、ＸＺ平面上と３種類の回転を判別可能であり、回転方向を含めると６種類の入力が可能となる。これによりさらに多彩な入力が可能となる。例えば図１１、図１２に示したような入力装置において、高さ方向を含む回転操作に別の操作を割り当てることも可能となる。デジタルフォトフレームにおいては、表示部の周辺に設けた電極で回転操作を検知することにより、画像の送り、フォルダ変更、拡大縮小の操作を回転操作のみで行うことが可能である。また、オーディオや動画などのメディアプレーヤーなどにおいても同様に、早送り／巻き戻し、メディアの先頭へのスキップ／次のメディアへ移動、フォルダ変更の操作を回転操作のみで行うことが可能である。また、ＰＣなどに縦方向のスクロール、横方向のスクロールなどの入力を直感的な操作で行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る近接センサ装置によれば、基準面に配置される少なくとも３つの複数の電極を備え、それぞれの電極を切替えながら被検出体を検出することにより、被検出体の３軸方向の位置情報及びモーションを精度良く検出することができる。また、平面方向の回転運動に加え、高さ方向の回転運動も入力操作に用いることができるので、入力装置に用いた場合により確実に入力操作を行うことができる入力装置を実現することができる。

特に、本実施の形態に係る入力装置によれば、Ｚ軸方向に対する検出感度を向上させることができることに加え、検出方向の指向性を低減することができる。これにより、センサ部１１に対して接近する被検出体までの距離と接近方向を正確に検出することができる。一方、例えば、赤外線などを用いた近接センサでは、センサ部に対する被検出体の距離を正確に検出することはできなかった。また、カメラなどを用いて被検出体の撮像により被検出体の近接を検出する場合、照明装置などが必要となることに加えて、撮像された写真及び映像が平面となるため、正確にセンサ部と被検出体との間の距離を検出することが困難であった。これに対して、本実施の形態に係る近接センサを用いた入力装置は、被検出体のセンサ部への接近に伴う静電容量の変化を検出するので、被検出体を視認することなく正確な距離を算出することができる。また、静電容量の変化を無段階に検出することができるので、センサ部に対する被検出体のＺ軸方向からの接近を正確に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４本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、検出電極及び駆動電極をそれぞれ少なくとも１本用いる構成にしても良い。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、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。

１１、１１１、１２１、１３１ センサ部
１２ 制御部
１３、１１２ センサ面
１３ａ〜１３ｄ、１１３ａ〜１１３ｄ 電極
１４ マルチプレクサ
１５ ＣＰＵ
１６ 駆動回路
１７ 検出回路
１８ 増幅回路
１９ Ａ／Ｄコンバータ
３１ 被検出体
１１３ 表示装置

Claims (9)

1. 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一方の電極対と、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他方の電極対とを含んでなる複数の電極と、
   前記複数の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切替え手段と、
   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軸方向の位置情報を演算する演算手段と、を具備し、
   前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記複数の電極内で駆動電極となる電極と検出電極となる電極とを順次切替えながら前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続し、
   前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記一方の電極対を前記検出回路に接続し、前記他方の電極対を前記駆動回路に接続し、
   前記Ｙ軸方向の被検出体を検出位置する場合、前記切替え手段は、前記他方の電極対を前記検出回路に接続し、前記一方の電極対を前記駆動回路に接続し、
   前記一方の電極対は前記基準面の対向する２辺にそれぞれ配置されるとともに、前記他方の電極対は前記基準面の他の２辺にそれぞれ配置され、
   前記演算手段は、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段による前記切替えによって順次に検出電極となった複数の電極から出力された信号に基づき被検出体のＺ軸方向の位置を求め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Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記駆動電極の数が前記検出電極の数より多くなるように、前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続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. 前記演算手段は、前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段によって切替えられたそれぞれの検出電極から出力された信号を加算平均して被検出体のＺ軸方向の位置を求め、
   前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記検出回路で検出された前記一方の電極対の出力信号の差分値から被検出体のＸ軸方向の位置を求め、
   前記Ｙ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記検出回路で検出された前記他方の電極対の差分値から被検出体のＹ軸方向の位置を求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の静電容量式近接センサ装置。
4. 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た少なくとも３つの電極と、
   前記３つの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３つの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切替え手段と、
   前記検出回路の検出結果から被検出体の基準面に垂直な高さ方向の位置を演算する演算手段と、を具備し、
   前記切替え手段は、前記駆動電極の数が前記検出電極より多くなるように、前記検出電極を前記複数の電極内で順次切り替えることを特徴とする静電容量式近接センサ装置。
5. 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と、前記演算回路で演算された被検出体の位置情報を所定の時定数で処理し、前記被検出体のモーション検出を行うモーション検出手段とを備えたことを特徴とする静電容量式モーション検出装置。
6. 前記モーション検出手段は、前記演算回路で演算された前記基準面に垂直な高さ方向の
   被検出体の位置情報を所定の時定数で処理し、前記被検出体の３軸方向の位置情報を所定の時定数で処理し、前記基準面に垂直な高さ方向から接近する前記被検出体の速度差を検出することを特徴とする請求項５記載の静電容量式モーション検出装置。
7. 前記モーション検出手段は、被検出体の基準面に略直交する高さ方向を含む回転運動を検出することを特徴とする請求項５または請求項６記載の静電容量式モーション検出装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の静電容量式モーション検出装置を備えたことを特徴とする入力装置。
9. 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一方の電極対と、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他方の電極対とを含んでなる複数の電極と、
   前記複数の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軸方向の位置情報を演算する演算手段と、を備え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、
   前記Ｚ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記駆動電極の数が前記検出電極の数より多くなるように、前記複数の電極を前記駆動回路及び前記検出回路に接続し、検出電極となる電極を順次切替え、
   前記Ｘ軸方向の被検出体位置を検出する場合、前記切替え手段は、前記一方の電極対を前記検出回路に接続し、前記他方の電極対を前記駆動回路に接続し、
   前記Ｙ軸方向の被検出体を検出位置する場合、前記切替え手段は、前記他方の電極対を前記検出回路に接続し、前記一方の電極対を前記駆動回路に接続することを特徴とする電極駆動方法。

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