JP5876257B2 - 静電容量型センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数行の第一電極と複数列の第二電極とを対向して配置することによってマトリックス状の静電容量計測対象を形成し、マトリックス状の静電容量計測対象のうち選択された位置の静電容量を計測する静電容量型センサ装置に関するものである。

特公平６−５２２０６号公報（特許文献１）には、電極間の静電容量を計測する装置が記載されている。当該装置は、外力の付与によって誘電層が弾性変形することにより電極間の距離が変化する静電容量型センサを対象とし、電極間の静電容量を計測することで付与された外力の分布を計測する。静電容量型センサは、複数行の第一電極と複数列の第二電極とを対向して配置することによってマトリックス状に静電容量計測対象を配置し、静電容量計測対象のうち選択された位置の静電容量を計測している。

また、特開２００２−３１８１６４号公報（特許文献２）および特開平９−７９９３１号公報（特許文献３）には、静電容量型センサ装置ではなく、外力によって電極間の電気抵抗が変化する感圧センサであって、出力信号を補正することが記載されている。

特公平６−５２２０６号公報 特開２００２−３１８１６４号公報 特開平９−７９９３１号公報

ここで、特許文献１のように電極間の静電容量を計測する場合において、第一電極に電圧を印加する電源回路と、第二電極から出力される電気信号を取得する回路との間において、電気抵抗Ｒと静電容量ＣとのいわゆるＲＣ回路が形成される。そして、出力側の回路において、当該ＲＣ回路に流れる電流を計測して、当該電流を用いて静電容量Ｃを計測することができる。

ＲＣ回路において、電気抵抗Ｒが変化すると、ＲＣ回路に流れる電流が変化する。そうすると、出力側の回路において、計測する電流が変化するため、計測される静電容量Ｃの値が、電気抵抗Ｒの変化の影響を受けてしまう。当該ＲＣ回路において、電気抵抗Ｒには、電極の配線抵抗が含まれる。

特許文献１のようなマトリックス状の静電容量計測対象によるそれぞれのＲＣ回路において、電極の長さが異なる。電極の配線抵抗は、電極の長さに応じて異なる。つまり、静電容量の計測位置によって、ＲＣ回路の出力側の回路によって計測される電流が変化する。そのため、高精度に静電容量を計測することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、マトリックス状の静電容量計測対象において、高精度に静電容量を計測することができる静電容量型センサ装置を提供することを目的とする。

・本発明に係る静電容量型センサ装置は、帯状に形成され相互に平行に配置された複数行の第一電極と、帯状に形成され相互に平行に配置されると共に、複数行の前記第一電極との対向位置がマトリックス状となるように前記第一電極に対向して設けられた複数列の第二電極と、各行の前記第一電極と各列の前記第二電極との間に設けられた誘電層と、各行の前記第一電極に選択的に交流電圧を印加可能な電圧印加手段と、各列の前記第二電極に選択的に電気的接続され、マトリックス状の静電容量計測対象のうち、交流電圧を印加された前記第一電極と電気的接続された前記第二電極との間の静電容量を計測する静電容量計測手段と、各前記第一電極および各前記第二電極の全長抵抗を計測する全長抵抗計測手段と、前記電圧印加手段と前記静電容量計測手段との間の電気抵抗および静電容量により形成される直列回路における前記電気抵抗を設定範囲内となるように、前記電圧印加手段と前記静電容量計測手段との間に設けられた調整抵抗と、を備える。
前記静電容量計測手段は、前記電圧印加手段により前記第一電極に交流電圧が印加された場合に、電気的接続された前記第二電極から出力される電気信号を取得する出力信号取得手段と、初期または前回計測された前記全長抵抗と今回計測された前記全長抵抗との変化分により得られる補正係数に基づいて、前記出力信号取得手段により取得された前記電気信号を補正して、前記静電容量を計測する補正手段と、を備える。

本発明によれば、計測位置によって、第一電極および第二電極による配線抵抗にばらつきがある場合であっても、調整抵抗により、電圧印加手段と静電容量計測手段との間の電気抵抗を設定範囲内にすることができる。従って、どの計測位置であっても、静電容量を高精度に計測することができる。
ここで、電極の経年によって、配線抵抗が経年変化することがある。そうすると、初期状態において、どの計測位置においても電圧印加手段と静電容量計測手段との間の電気抵抗を設定範囲内にしたとしても、配線抵抗の経年変化によって当該電気抵抗が設定範囲外になるおそれがある。そこで、本発明によれば、全長抵抗計測手段により、現在における各第一電極および各第二電極の全長抵抗を計測することができる。そして、新しい全長抵抗に基づいて出力信号取得手段により取得された電気信号を補正している。従って、電極の配線抵抗が経年変化したとしても、高精度に静電容量を計測することができる。

・また、前記調整抵抗は、前記電圧印加手段に交流電圧を印加される各前記第一電極の一端に連設され、それぞれ異なる電気抵抗となる複数の第一調整抵抗と、前記静電容量計測手段に接続される各前記第二電極の一端に連設され、それぞれ異なる電気抵抗となる複数の第二調整抵抗とを備えるようにしてもよい。
さらに、前記全長抵抗計測手段は、前記第一電極の他端及び前記第一調整抵抗の一方に電圧を印加した状態で前記第一電極の他端及び前記第一調整抵抗の他方における電圧に基づいて前記第一電極及び前記第一調整抵抗の合計抵抗を計測し、当該合計抵抗から前記第一調整抵抗を差し引くことにより前記第一電極の全長抵抗を計測する第一全長抵抗計測手段と、前記第二電極の他端及び前記第二調整抵抗の一方に電圧を印加した状態で前記第二電極の他端及び前記第二調整抵抗の他方における電圧に基づいて前記第二電極及び前記第二調整抵抗の合計抵抗を計測し、当該合計抵抗から前記第二調整抵抗を差し引くことにより前記第二電極の全長抵抗を計測する第二全長抵抗計測手段と、を備えるようにしてもよい。
これにより、第一調整抵抗および第二調整抵抗の形成が非常に容易となる。その結果、確実に、それぞれのＲＣ回路における電気抵抗のばらつきを低減できる。さらに、確実に、第一電極の全長抵抗及び第二電極の全長抵抗を計測できる。

・また、前記第一全長抵抗計測手段は、前記電圧印加手段とは異なる第一直流電圧印加手段により直流電圧を印加した状態で前記第一電極の全長抵抗を計測し、前記第二全長抵抗計測手段は、前記電圧印加手段とは異なる第二直流電圧印加手段により直流電圧を印加した状態で前記第一電極の全長抵抗を計測するようにしてもよい。
・前記静電容量型センサ装置は、各前記第一電極側に接続される複数のスイッチにより構成され、前記電圧印加手段との接続状態、前記第一直流電圧印加手段との接続状態、及び、前記電圧印加手段及び前記第一直流電圧印加手段に接続されていない状態を切り替える入力側切替回路と、各前記第二電極側に接続される複数のスイッチにより構成され、前記静電容量計測手段との接続状態、前記第二直流電圧印加手段との接続状態、及び、前記静電容量計測手段及び前記第二直流電圧印加手段に接続されていない状態を切り替える出力側切替回路と、を備えるようにしてもよい。
・また、前記第一電極および前記第二電極は、エラストマーまたは樹脂、及び、導電性フィラーからなる電極としてもよい。このような電極は、例えば、柔軟性（可撓性）を求められる場合に適用されることがある。つまり、電極と誘電層とにより形成される静電容量型センサが変形を許容する場合に、このような電極が適用されることがある。そして、この電極の配線抵抗は、銅配線や銀配線に比べると非常に高い。そのため、計測位置が異なることで、電極の配線抵抗が大きく異なる。しかし、このような電極を適用したとしても、本発明によれば、電圧印加手段と静電容量計測手段との間の電気抵抗を確実に設定範囲内にすることができるため、高精度に静電容量を計測することができる。

さらに、前記調整抵抗は、エラストマーまたは樹脂、及び、導電性フィラーからなり、前記第一電極または前記第二電極と一体的に成形された抵抗としてもよい。これにより、製造コストを低減することができ、かつ、部品点数を削減できる。

本実施形態の静電容量型センサ装置の構成の概要を示す図である。図１において静電容量型センサは、断面図を示す。 第一実施形態の静電容量型センサ装置の詳細構成を示す図である。図２において、静電容量型センサは平面図を示す。 静電容量型センサの等価回路を示す。 各行の第一電極および第一調整抵抗の等価回路を示す。図４において、計測位置(n,m)における静電容量C_(n,m)をCnmと示す。 各列の第二電極および第二調整抵抗の等価回路を示す。図５において、計測位置(n,m)における静電容量C_(n,m)をCnmと示す。 静電容量型センサの等価回路を模式的に表した図である。 第二実施形態の静電容量型センサ装置の詳細構成を示す図である。 第一電極の全長抵抗について示す図である。 静電容量計測処理を示すフローチャートである。

＜第一実施形態＞
（１）静電容量型センサ装置の構成の概要
本実施形態の静電容量型センサ装置の構成の概要について図１を参照して説明する。静電容量型センサ装置は、シート状（面状）に形成された静電容量型センサ１０を備えており、当該静電容量型センサ１０における電極間の静電容量を計測する。ここで、静電容量型センサ１０は、外力が付与された位置および大きさを検出する感圧センサに適用することもでき、例えば人間の指などの導電体が接触または接近した位置を検出するタッチパネルに適用することもできる。

図１には、前者の静電容量型センサ１０について図示している。つまり、静電容量型センサ１０の表面に押し付ける外力Ｆが付与された場合に、静電容量型センサ１０の変形に伴って静電容量が変化する。そして、静電容量の位置および大きさを検出することで、外力Ｆが付与された位置および大きさを検出できる。また、タッチパネルとして適用する場合には、静電容量型センサ１０は変形の可否は問わない。

図１に示すように、静電容量型センサ装置は、静電容量型センサ１０と、交流電源（パルス電圧発生回路）２０と、入力側切換回路３１と、出力側切換回路４１と、静電容量計測部５０とを備える。静電容量型センサ１０は、シート状に形成されており、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この静電容量型センサ１０は、平面形状のみならず、曲面形状とすることもできる。ただし、以下において、図１を参照して、平面形状の静電容量型センサ１０を例に挙げて説明する。なお、上述したように、静電容量型センサ１０をタッチパネルとして適用する場合には、可撓性および伸縮性は必ずしも必要ではない。

静電容量型センサ１０は、面法線方向（図１の上下方向）に距離を隔てて対向して設けられた第一電極１１および第二電極１２と、電極１１，１２間に設けられた弾性変形可能な誘電層１３と、第二電極１２側の表面および第一電極１１側の裏面を被覆するように設けられた絶縁層１４，１５と、第一電極１１に一体的に形成された第一調整抵抗８１と、第二電極１２に一体的に形成された第二調整抵抗８２とを備える。ただし、静電容量型センサ１０は、図２に示すように、帯状に形成され相互に平行に配置された複数行の第一電極１１と、帯状に形成され相互に平行に配置された複数列の第二電極１２とを備えている。そして、複数行の第一電極１１と複数列の第二電極１２との対向位置がマトリックス状となるように配置されている。

ここで、各行の第一電極１１と各列の第二電極１２は、同一材質により形成されている。具体的には、第一，第二電極１１，１２は、エラストマーまたは樹脂中に導電性フィラーを配合させることにより成形している。そして、第一，第二電極１１，１２は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにしている。

第一，第二電極１１，１２を構成するエラストマーには、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、第一，第二電極１１，１２に配合される導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、例えば、炭素材料や金属等の微粒子を適用できる。また、第一，第二電極１１，１２を構成する樹脂には、例えば、ポリエステル樹脂、変性ポリエステル樹脂、ポリエーテルウレタン樹脂、ポリカーボネートウレタン樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ニトロセルロース、変性セルロース類などが適用できる。

誘電層１３は、エラストマーまたは樹脂により成形され、第一，第二電極１１，１２と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この誘電層１３を構成するエラストマーには、例えば、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、誘電層１３を構成する樹脂には、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂（架橋発泡ポリスチレン樹脂を含む）、ポリ塩化ビニル−ポリ塩化ビニリデン共重合体、エチレン−酢酸共重合体などが適用できる。

この誘電層１３は、設定された厚みを有し、第一，第二電極１１，１２の外形状と同程度または大きく形成されている。絶縁層１４，１５は、第一，第二電極１１，１２と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この絶縁層１４，１５を構成するエラストマーまたは樹脂は、例えば、誘電層１３を構成するエラストマーまたは樹脂として記載した材料が適用される。また、第一，第二調整抵抗８１，８２は、第一，第二電極１１，１２と同一材質により一体的に形成されている。従って、第一電極１１と第一調整抵抗８１、および、第二電極１２と第二調整抵抗８２は、容易に成形できる。

そして、静電容量型センサ１０が静電容量型センサ１０の面法線方向に圧縮する外力Ｆを受けた場合には、誘電層１３が当該面法線方向に圧縮変形することにより、外力Ｆが付与された部位に位置する第一，第二電極１１，１２間の離間距離が短くなる。この場合、当該第一，第二電極１１，１２間の静電容量は大きくなる。

交流電源２０は、交流電圧、ここではパルス電圧を発生し、静電容量型センサ１０の第一電極１１に対して印加する。入力側切換回路３１は、複数のスイッチにより構成され、一端は交流電源２０に接続され、他端は各第一電極１１の端部に形成されている第一調整抵抗８１に接続されている。そして、入力側切換回路３１は、交流電源２０に電気的接続させる第一電極１１を選択的に切り替える。出力側切換回路４１は、複数のスイッチにより構成され、一端は各第二電極１２の端部に形成されている第二調整抵抗８２に接続され、他端は静電容量計測部５０に接続されている。そして、出力側切換回路４１は、静電容量計測部５０に電気的接続させる第二電極１２を選択的に切り替える。

静電容量計測部５０は、マトリックス状の静電容量計測対象のうち、電圧を印加された第一電極１１と静電容量計測部５０に電気的接続された第二電極１２との間の静電容量を計測する。本実施形態においては、静電容量計測部５０は、第二電極１２に電気的接続されており、第二電極１２から出力される電気信号を取得し、当該電気信号に基づいて静電容量を計測する。特に、静電容量計測部５０は、計測対象の電極１１，１２間の充電電流に計測して、当該充電電流を変換することで当該電極１１，１２間の静電容量を計測する。

（２）静電容量型センサ装置の詳細構成
次に、静電容量型センサ装置の詳細構成について、図２を参照して説明する。図２において、静電容量型センサ１０は、平面図として示す。つまり、図２に示すように、静電容量型センサ１０において、複数行の第一電極１１ａ〜１１ｈは、帯状に形成されており、図２の左右方向に延びるように、かつ相互に平行に配置されている。ここで、第一電極１１ａ〜１１ｈは、第一行から第八行の順として、以下説明する。

また、複数列の第二電極１２ａ〜１２ｈは、第一電極１１と同形状の帯状に形成されており、図２の上下方向に延びるように、かつ相互に平行に配置されている。つまり、複数列の第二電極１２ａ〜１２ｈは、第一電極１１の延びる方向に対して直交な方向に延びるように配置されている。ここで、第二電極１２ａ〜１２ｈは、第一列から第八列の順として、以下説明する。

従って、複数行の第一電極１１ａ〜１１ｈと複数列の第二電極１２ａ〜１２ｈとが図２の紙面垂直方向に対向する位置は、マトリックス状に位置している。ここでは、８×８のマトリックス状の静電容量計測対象となる。また、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈと各列の第二電極１２ａ〜１２ｈとの間には、誘電層１３が設けられている。

第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈが、複数行の第一電極１１ａ〜１１ｈの一端（図２の左端）に連設している。さらに、各第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈは、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈの一端に一体的に形成されている。ここで、第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈは、それぞれ幅が異なる。第八行の第一調整抵抗８１ｈの幅は、第一電極１１と同幅であって、第一行の第一調整抵抗８１ａに向かって順に幅狭になっている。つまり、第一行の第一調整抵抗８１ａの幅が最も狭く、第八行の第一調整抵抗８１ｈの幅が最も広い。第一行の第一調整抵抗８１ａの電気抵抗が最も大きく、第八行の第一調整抵抗８１ｈの電気抵抗が最も小さい。

また、第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈが、複数列の第二電極１２ａ〜１２ｈの一端（図２の上端）に連設している。さらに、各第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈは、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈの一端に一体的に形成されている。ここで、第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈは、それぞれ幅が異なる。第八列の第二調整抵抗８２ｈの幅は、第二電極１２と同幅であって、第一列の第二調整抵抗８２ａに向かって順に幅狭になっている。つまり、第一列の第二調整抵抗８２ａの幅が最も狭く、第八列の第二調整抵抗８２ｈの幅が最も広い。第一列の第二調整抵抗８２ａの電気抵抗が最も大きく、第八列の第二調整抵抗８２ｈの電気抵抗が最も小さい。

ここで、第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈおよび第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈは、幅を異ならせることにより、異なる電気抵抗にしている。この他に、それぞれの長さを異ならせることにより、異なる電気抵抗にすることもできる。また、導電性フィラーの配合割合を変化させることによっても、異なる電気抵抗にすることもできる。

そして、入力側切換回路３１の一端が交流電源２０に接続され、他端が各行の第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの一端（図２の左端）に接続されている。つまり、交流電源２０と各行の第一電極１１ａ〜１１ｈとのそれぞれの間に、各行の第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈが設けられている。

そして、入力側切換回路３１は、各スイッチ３１ａ〜３１ｈを備えており、第一電極１１ａ〜１１ｈのうち選択された１つに閉成（ＯＮ）し、残りは開成（ＯＦＦ）する。図２においては、第一行の第一電極１１ａに接続されているスイッチ３１ａが閉成し、残りは開成している。つまり、交流電源２０は、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈのうち選択されたどれかの一端に接続される。従って、交流電源２０は、選択された第一電極１１の一端に交流電圧を印加する。

出力側切換回路４１の一端が静電容量計測部５０に接続され、他端が各列の第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈの一端（図２の上端）に接続されている。つまり、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈと静電容量計測部５０とのそれぞれの間に、各列の第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈが設けられている。

そして、出力側切換回路４１は、各スイッチ４１ａ〜４１ｈを備えており、第二電極１２ａ〜１２ｈのうち選択された１つに閉成（ＯＮ）し、残りは開成（ＯＦＦ）する。図２においては、第一列の第二電極１２ａに接続されているスイッチ４１ａが閉成し、残りは開成している。つまり、静電容量計測部５０は、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈのうち選択されたどれかの一端に接続される。従って、交流電源２０→入力側切換回路３１→第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈ→第一電極１１ａ〜１１ｈ→第二電極１２ａ〜１２ｈ→第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈ→出力側切換回路４１→静電容量計測部５０の順に電流が流れる。

ここで、静電容量計測部５０は、充電電流取得部５１と、静電容量変換部５２とを備える。充電電流取得部５１は、交流電源２０により第一電極１１ａ〜１１ｈのどれかに交流電圧を印加された場合に、第二電極１２ａ〜１２ｈのどれかから出力される電気信号を取得する。この電気信号は、マトリックス状の静電容量計測対象のうち選択された計測位置の静電容量に充電される電流に対応している。静電容量変換部５２は、充電電流取得部５１により取得された充電電流を計測位置の静電容量に変換する。

（３）静電容量型センサの等価回路
次に、静電容量型センサ１０は、図３に示す等価回路として表される。ここで、静電容量C_(n,m)は、ｎ行の第一電極１１とｍ列の第二電極１２とが対向する領域の静電容量を意味する。Ra_(n,m)は、ｎ行の第一電極１１において、一端から計測位置(n,m)までの配線抵抗を意味し、Rb_(n,m)は、ｍ列の第二電極１２において、一端から計測位置(n,m)までの配線抵抗を意味する。また、Ri_(n)は、ｎ行の第一調整抵抗８１の配線抵抗を意味し、Ro_(m)は、ｍ列の第二調整抵抗８２の配線抵抗を意味する。

つまり、交流電源２０と静電容量計測部５０との間は、ＲＣ回路を構成し、当該電気抵抗Ｒは、第一電極１１のRa_(n,m)、第二電極１２のRb_(n,m)、第一調整抵抗８１のRi_(n)、および、第二調整抵抗８２のRo_(m)の合計値となる。そして、本実施形態においては、どの計測位置(n,m)であっても、配線抵抗の合計値がほぼ同一となるように、第一調整抵抗８１および第二調整抵抗８２を設定している。なお、配線抵抗の合計値がほぼ同一とは、目標値を含む設定範囲内となることに相当する。

次に、全ての計測位置(n,m)における配線抵抗の合計値がほぼ同一となるようにするための一例を図４および図５を参照して説明する。全ての第一電極１１と第一調整抵抗８１についての等価回路を図４に示し、全ての第二電極１２と第二調整抵抗８２についての等価回路を図５に示す。図４および図５において、静電容量C_(n,m)は、Cnmと示している。

図４に示すように、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈにおける各計測位置(n,m)間の電気抵抗（配線抵抗）をＲとする。また、図５に示すように、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈにおける各計測位置(n,m)間の電気抵抗（配線抵抗）も同一のＲとする。そして、第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈは、順に、８Ｒ、７Ｒ、６Ｒ、５Ｒ、４Ｒ，３Ｒ、２Ｒ、Ｒとする。例えば、８Ｒとは、Ｒの８倍の電気抵抗であることを意味する。また、第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈは、順に、８Ｒ、７Ｒ、６Ｒ、５Ｒ、４Ｒ，３Ｒ、２Ｒ、Ｒとする。

そうすると、例えば、計測位置(1,1)における配線抵抗の合計値は、８Ｒ＋Ｒ＋Ｒ＋８Ｒ＝１８Ｒとなる。また、計測位置(8,8)における配線抵抗の合計値は、Ｒ×９＋Ｒ×９＝１８Ｒとなる。また、計測位置(5,6)における配線抵抗の合計値は、４Ｒ＋Ｒ×６＋Ｒ×５＋３Ｒ＝１８Ｒとなる。このように、どの計測位置(n,m)であっても、配線抵抗の合計値は、１８Ｒとなる。

（４）充電電流取得部による計測
充電電流取得部５１により計測される充電電流は、配線抵抗の影響を受けた値となる。そのため、各電気回路における配線抵抗のばらつきによって、充電電流を用いて計測された静電容量C_(n,m)は、誤差を生じてしまう。しかし、本実施形態においては、上述したように、どの計測位置(n,m)であっても、配線抵抗の合計値は、ほぼ同一としているため、誤差を許容範囲に抑えることができる。

そこで、以下に、配線抵抗と充電電流との関係について図６を参照して説明する。図６に示すように、模式的に、交流電源２０と充電電流取得部５１との間は、静電容量Ｃと電気抵抗ＲとによりＲＣ回路を構成されるものとする。この電気回路において、静電容量Ｃの電荷ｑは、式（１）のように表される。

このとき、静電容量Ｃに流れる充電電流ｉは、式（２）のように表される。ここで、式（２）の第一行に式（１）を代入して展開すると第二行のようになり、さらに、式（２）の第二行を整理すると第三行のようになる。

ここで、本実施形態においては、第一，第二調整抵抗８１ａ〜８１ｈ，８２ａ〜８２ｈにより、配線抵抗の合計値がほぼ同一であるため、充電電流ｉは、上記式（２）におけるＲを１８Ｒに置換した値となる。

仮に、第一，第二調整抵抗８１ａ〜８１ｈ，８２ａ〜８２ｈを設けていない場合について説明する。例えば、静電容量の計測位置(1,1)と(4,4)のそれぞれにおいて、充電電流ｉは、式（３）（４）に表されるようになる。

式（３）（４）から明らかなように、第一，第二調整抵抗８１ａ〜８１ｈ，８２ａ〜８２ｈを設けていない場合には、静電容量C_(1,1)とC_(4,4)が同一であったとしても、充電電流取得部５１が取得する充電電流i_(1,1)とi_(4,4)は、異なる値となってしまう。充電電流i_(1,1)は、i_(4,4)より大きな値となる。このように、充電電流ｉは、配線抵抗Ｒの影響を大きく受けてしまう。特に、配線抵抗のばらつきが大きければ大きいほど、計測される充電電流ｉに与える影響が大きくなる。そして、本実施形態における第一電極１１および第二電極１２は、エラストマーまたは樹脂に導電性フィラーを配合することにより成形している。この種の電極の配線抵抗は、例えば、銅電極や銀電極などに比べると、はるかに大きい。そのため、本実施形態においては、充電電流ｉに与える影響が大きい。

しかし、本実施形態によれば、第一，第二調整抵抗８１ａ〜８１ｈ，８２ａ〜８２ｈを設けることで、上記のような問題は生じない。従って、充電電流取得部５１により取得される充電電流ｉの変化は、静電容量C_(nmn)の変化に相当する。これにより、高精度に静電容量を計測することができる。

＜第二実施形態＞
（５）静電容量型センサ装置の詳細構成
次に、第二実施形態の静電容量型センサ装置の構成について、図７を参照して説明する。ここで、第二実施形態の静電容量型センサ装置において、第一実施形態の静電容量型センサ装置と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。ここで、本実施形態の静電容量型センサ装置は、第一実施形態に対して、入力側切換回路３６および出力側切換回路４６が相違すると共に、新たに第一、第二直流電圧印加回路６１，７１および第一、第二全長抵抗計測回路６２，７２を追加する。さらに、静電容量計測部５０において、静電容量変換部５２を補正部５３に置換する。

ここで、第一実施形態において、配線抵抗の合計値がほぼ同一となるように、第一，第二調整抵抗８１ａ〜８１ｈ，８２ａ〜８２ｈを設けることとした。これにより、第一，第二電極１１，１２の配線抵抗のばらつきによって静電容量に影響を与えることを抑制できることを記載した。

ところで、第一，第二電極１１，１２は、外力の付与によって変形するため、経年によって、配線抵抗が変化するおそれがある。つまり、初期状態において各計測位置(n,m)における配線抵抗の合計値がほぼ同一であったとしても、経年変化によって、各計測位置(n,m)における配線抵抗の合計値が変化するおそれがある。この変化は、計測される静電容量に影響を与えるおそれがある。そこで、本実施形態においては、現在の第一，第二電極１１，１２の配線抵抗を実際に計測し、計測した配線抵抗を用いて補正することにより静電容量を計測することとした。以下、第一実施形態との相違点について説明する。

入力側切換回路３６は、各行の第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの一端（図７の左端）と交流電源２０とを接続する状態、各行の第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの一端と第一直流電圧印加回路６１とを接続する状態、および、各行の第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの一端をどこにも接続していない状態に切り換えるスイッチ３６ａ〜３６ｈを備える。第一直流電圧印加回路６１は、接続されている第一電極１１ａ〜１１ｈおよび第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈに直流電圧を印加する回路である。第一全長抵抗計測回路６２は、第一直流電圧印加回路６１により直流電圧が印加されている第一電極１１の他端から出力される電流に基づいて、当該第一電極１１ａ〜１１ｈと第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈとによる全長抵抗を計測する。

出力側切換回路４６は、各列の第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈの一端（図７の上端）と静電容量計測部５０とを接続する状態、各列の第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈの一端と第二直流電圧印加回路７１とを接続する状態、および、各列の第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈの一端をどこにも接続していない状態に切り換えるスイッチ４６ａ〜４６ｈを備える。第二直流電圧印加回路７１は、接続されている第二電極１２ａ〜１２ｈおよび第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈに直流電圧を印加する回路である。第二全長抵抗計測回路７２は、第二直流電圧印加回路７１により直流電圧が印加されている第二電極１２の他端から出力される電流に基づいて、当該第二電極１２ａ〜１２ｈと第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈとによる全長抵抗を計測する。

補正部５３は、第一，第二全長抵抗計測回路６２，７２により計測されたそれぞれの第一電極１１ａ〜１１ｈ、第二電極１２ａ〜１２ｈの全長抵抗を算出する。そして、補正部５３は、充電電流取得部５１により取得された充電電流に対して、各電極１１，１２の全長抵抗の変化分に応じて補正した上で、各計測位置(n,m)における静電容量を算出する。

ここで、第一行の第一電極１１ａおよび第一調整抵抗８１ａによる全長抵抗と、各計測位置(n,m)における配線抵抗との関係について、図８を参照して説明する。図８に示すように、第一電極１１ａの電気抵抗は、各計測位置(n,m)間に９個の電気抵抗が直列接続された回路となる。そして、第一直流電圧印加回路６１が第一調整抵抗８１ａの一端に接続され、第一全長抵抗計測回路６２が第一電極１１ａの他端に接続されている。第一直流電圧印加回路６１により第一電極１１ａおよび第一調整抵抗８１ａに対して直流電圧を印加するときに、第一全長抵抗計測回路６２により計測される電気抵抗は、第一電極１１ａと第一調整抵抗８１ａの全長の配線抵抗となる。つまり、第一電極１１ａの全長の配線抵抗は、第一全長抵抗計測回路６２により計測される電気抵抗から、第一調整抵抗８１ａの配線抵抗を減算することにより求めることができる。

（６）静電容量計測処理
次に、本実施形態において、静電容量の計測処理について、図９を参照して説明する。図９に示すように、第一直流電圧印加回路６１および第一全長抵抗計測回路６２を用いて、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈおよび第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの全長抵抗Rd1_nを計測する（Ｓ１）。このとき、入力側切換回路３６ａ〜３６ｈを、順次切り替えながら行う。続いて、第二直流電圧印加回路７１および第二全長抵抗計測回路７２を用いて、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈおよび第二調整抵抗８２ａから８２ｈの全長抵抗Rd2_nを計測する（Ｓ２）。このとき、出力側切換回路４６ａ〜４６ｈを、順次切り替えながら行う。

続いて、補正部５３において、第一全長抵抗計測回路６２により計測した全長抵抗Rd1_nを用いて、各行の第一電極１１ａ〜１１ｈの全長抵抗Ra_n(tp)を算出する（Ｓ３）。この算出は、式（５）に従って行われる。つまり、第一電極１１ａ〜１１ｈの全長抵抗Ra_n(tp)は、第一全長抵抗計測回路６２により計測された電気抵抗Rd1_nから、第一調整抵抗８１ａ〜８１ｈの配線抵抗を減算することにより求められる。

続いて、補正部５３において、第二全長抵抗計測回路７２により計測した全長抵抗Rd2_mを用いて、各列の第二電極１２ａ〜１２ｈの全長抵抗Rb_m(tp)を算出する（Ｓ４）。この算出は、式（６）に従って行われる。つまり、第二電極１２ａ〜１２ｈの全長抵抗Rb_m(tp)は、第二全長抵抗計測回路７２により計測された電気抵抗Rd2_mから、第二調整抵抗８２ａ〜８２ｈの配線抵抗を減算することにより求められる。

続いて、入力側切換回路３６を交流電源２０側に順次切り替え、かつ、出力側切換回路４６を静電容量計測部５０側に順次切り替えて、充電電流取得部５１によって各計測位置(n,m)における充電電流ｉを計測する（Ｓ５）。この充電電流ｉは、第一，第二電極１１，１２が経年変化していない場合には、第一，第二電極１１，１２の配線抵抗の影響は受けていない。しかし、第一，第二電極１１，１２が経年変化している場合には、充電電流ｉは、配線抵抗のばらつきの影響を受けている。

そこで、続いて、補正部５３にて、第一，第二電極１１，１２の経年変化の影響分を取り除くように補正する（Ｓ６）。まず、経年変化により第一，第二電極１１，１２の配線抵抗の変化分に対応する補正係数ka_n，kb_mを、式（７）（８）に従って算出する。

そして、補正部５３は、各補正係数ka_n，kb_mを用いることで、充電電流ｉに対して配線抵抗の経年変化分を取り除くように補正する。さらに、補正部５３にて、補正された充電電流ｉに基づいて、各計測位置(n,m)における静電容量を算出する。以上より、第一，第二電極１１，１２の配線抵抗が経年変化したとしても、高精度に各計測位置(n,m)における静電容量C_(n,m)を計測することができる。

なお、図９に示す静電容量計測処理においては、静電容量を計測する度毎に第一，第二電極１１，１２の全長抵抗を計測しているが、その回数を低減してもよい。例えば、ある一定期間が経過した場合に、第一，第二電極１１，１２の全長抵抗を計測するようにしてもよい。この場合、新たな全長抵抗が計測されるまでの間は、以前に計測した全長抵抗を用いて補正すればよい。

１０：静電容量型センサ、 １１：第一電極、 １２：第二電極、 １３：誘電層、 １４，１５：絶縁層、 ２０：交流電源、 ３１，３６：入力側切換回路、 ４１，４６：出力側切換回路、 ５０：静電容量計測部、 ５１：充電電流取得部、 ５２：静電容量変換部、 ５３：補正部、 ６１，７１：直流電圧印加回路、 ６２，７２：全長抵抗計測回路、 ８１：第一調整抵抗、 ８２：第二調整抵抗

Claims (5)

1. 帯状に形成され相互に平行に配置された複数行の第一電極と、
   帯状に形成され相互に平行に配置されると共に、複数行の前記第一電極との対向位置がマトリックス状となるように前記第一電極に対向して設けられた複数列の第二電極と、
   各行の前記第一電極と各列の前記第二電極との間に設けられた誘電層と、
   各行の前記第一電極に選択的に交流電圧を印加可能な電圧印加手段と、
   各列の前記第二電極に選択的に電気的接続され、マトリックス状の静電容量計測対象のうち、交流電圧を印加された前記第一電極と電気的接続された前記第二電極との間の静電容量を計測する静電容量計測手段と、
   各前記第一電極および各前記第二電極の全長抵抗を計測する全長抵抗計測手段と、
   前記電圧印加手段と前記静電容量計測手段との間の電気抵抗および静電容量により形成される直列回路における前記電気抵抗を設定範囲内となるように、前記電圧印加手段と前記静電容量計測手段との間に設けられた調整抵抗と、
   を備え、
   前記静電容量計測手段は、
   前記電圧印加手段により前記第一電極に交流電圧が印加された場合に、電気的接続された前記第二電極から出力される電気信号を取得する出力信号取得手段と、
   初期または前回計測された前記全長抵抗と今回計測された前記全長抵抗との変化分により得られる補正係数に基づいて、前記出力信号取得手段により取得された前記電気信号を補正して、前記静電容量を計測する補正手段と、
   を備える静電容量型センサ装置。
2. 請求項１において、
   前記調整抵抗は、
   前記電圧印加手段に交流電圧を印加される各前記第一電極の一端に連設され、それぞれ異なる電気抵抗となる複数の第一調整抵抗と、
   前記静電容量計測手段に接続される各前記第二電極の一端に連設され、それぞれ異なる電気抵抗となる複数の第二調整抵抗と、
   を備え、
   前記全長抵抗計測手段は、
   前記第一電極の他端及び前記第一調整抵抗の一方に電圧を印加した状態で前記第一電極の他端及び前記第一調整抵抗の他方における電圧に基づいて前記第一電極及び前記第一調整抵抗の合計抵抗を計測し、当該合計抵抗から前記第一調整抵抗を差し引くことにより前記第一電極の全長抵抗を計測する第一全長抵抗計測手段と、
   前記第二電極の他端及び前記第二調整抵抗の一方に電圧を印加した状態で前記第二電極の他端及び前記第二調整抵抗の他方における電圧に基づいて前記第二電極及び前記第二調整抵抗の合計抵抗を計測し、当該合計抵抗から前記第二調整抵抗を差し引くことにより前記第二電極の全長抵抗を計測する第二全長抵抗計測手段と、
   を備える静電容量型センサ装置。
3. 請求項２において、
   前記第一全長抵抗計測手段は、前記電圧印加手段とは異なる第一直流電圧印加手段により直流電圧を印加した状態で前記第一電極の全長抵抗を計測し、
   前記第二全長抵抗計測手段は、前記電圧印加手段とは異なる第二直流電圧印加手段により直流電圧を印加した状態で前記第一電極の全長抵抗を計測する静電容量型センサ装置。
4. 請求項３において、
   前記静電容量型センサ装置は、
   各前記第一電極側に接続される複数のスイッチにより構成され、前記電圧印加手段との接続状態、前記第一直流電圧印加手段との接続状態、及び、前記電圧印加手段及び前記第一直流電圧印加手段に接続されていない状態を切り替える入力側切替回路と、
   各前記第二電極側に接続される複数のスイッチにより構成され、前記静電容量計測手段との接続状態、前記第二直流電圧印加手段との接続状態、及び、前記静電容量計測手段及び前記第二直流電圧印加手段に接続されていない状態を切り替える出力側切替回路と、
   を備える静電容量型センサ装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項において、
   前記第一電極および前記第二電極は、エラストマーまたは樹脂、及び、導電性フィラーからなる電極であり、
   前記調整抵抗は、エラストマーまたは樹脂、及び、導電性フィラーからなり、前記第一電極または前記第二電極と一体的に成形された抵抗である、静電容量型センサ装置。

Images