JP5896353B2 - 静電容量型センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出センサやタッチパネルなどに適用される静電容量型センサ装置に関するものである。

特開２００５−１６４４４８号公報（特許文献１）や特開２００９−２４４２２２号公報（特許文献２）には、対向電極をマトリックス状に配置して、圧力が付与された場合の対向電極間の静電容量を計測することで、圧力の付与位置およびその大きさを検出することが記載されている。また、静電容量を用いたマトリックス状のタッチパネルが、特開２００９−１７５７８４号公報（特許文献３）に記載されている。

特開２００５−１６４４４８号公報 特開２００９−２４４２２２号公報 特開２００９−１７５７８４号公報

ところで、高分解能化、すなわち検出位置の高精度化を図るためには、対向電極の面積を小さくすることが考えられる。しかし、対向電極の面積を小さくすると、静電容量が小さくなるため、検出が容易ではなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高分解能化を図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。

第一発明に係る静電容量型センサ装置は、マトリックス状に配置された対向電極を有する第一静電容量型センサと、前記第一静電容量型センサに積層され、前記第一静電容量型センサの各対向電極に対してそれぞれずれた位置にマトリックス状に配置された対向電極を有する第二静電容量型センサと、前記第一静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第一電源と、前記第二静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第二電源と、前記第一静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続され、前記第一電源により周期性電圧が印加された場合に流れる第一計測用電流に基づいて、前記第一静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する第一計測回路と、前記第二静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続され、前記第二電源により周期性電圧が印加された場合に流れる第二計測用電流に基づいて、前記第二静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する第二計測回路と、前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第一静電容量型センサから前記第二静電容量型センサへの第一漏れ電流に基づいて、前記第一計測回路により計測された静電容量に対する第一補正値を取得する第一補正値取得部と、前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第二静電容量型センサから前記第一静電容量型センサへの第二漏れ電流に基づいて、前記第二計測回路により計測された静電容量に対する第二補正値を取得する第二補正値取得部と、前記第一計測回路により計測された静電容量、前記第二計測回路により計測された静電容量、前記第一補正値取得部により取得された前記第一補正値、および、前記第二補正値取得部により取得された前記第二補正値に基づいて、各センサの対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量を算出する小区画静電容量算出部とを備える。

本発明によれば、第一静電容量型センサと第二静電容量型センサとをずれた位置で積層することで、各センサの対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量を得ることができる。つまり、高分解能化を図ることができる。ただし、両センサを積層することで、センサ間の電極によって静電容量を形成される。これによって、一方のセンサから他方のセンサへの漏れ電流が発生する。そのため、第一電源のみにより第一静電容量センサに対して周期性電圧を印加した場合に、第一計測回路のみによって静電容量を計測したとしても、漏れ電流の影響によって精度が低下する。

そこで、本発明によれば、当該漏れ電流を考慮して、第一計測回路によって計測された静電容量に対して補正することで、第一静電容量型センサの静電容量を高精度に算出することができる。また、第二静電容量型センサの静電容量についても、同様に、高精度に算出できる。

また、前記第一補正値取得部は、前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第一漏れ電流に対応する前記第一補正値を前記第二計測回路により計測し、前記第二補正値取得部は、前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第二漏れ電流に対応する前記第二補正値を前記第一計測回路により計測するようにしてもよい。

このように、実際に計測した補正値を用いることで、当該補正値を、計測時における各センサの状態に応じて高精度にできる。ここで、第一補正値は、第二計測回路により計測し、第二補正値は、第一計測回路により計測する。

また、前記第一補正値取得部において前記第二計測回路による前記第一補正値の計測は、前記第二電源により周期性電圧を印加せずにかつ前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に実行し、前記第二補正値取得部において前記第一計測回路による前記第二補正値の計測は、前記第一電源により周期性電圧を印加せずにかつ前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に実行するようにしてもよい。

第二電源により周期性電圧を印加せずにかつ第一電源により周期性電圧を印加した場合には、第一静電容量型センサに電流が流れ、当該電流は、第一計測回路側と第二静電容量型センサ側に分岐する。そして、第一計測回路側に分岐した電流（第一計測用電流）は、第一計測回路にて計測でき、第二静電容量型センサ側に分岐した電流（第一漏れ電流）は、第二計測回路にて計測できる。このようにすることで、第一静電容量型センサに流れる電流を高精度に計測でき、結果として、静電容量を高精度に得ることができる。また、第二静電容量型センサについても同様である。

また、前記第一静電容量型センサの対向電極の他方は、当該対向電極の一方に対して、前記第二静電容量型センサ側に配置され、前記第二静電容量型センサの対向電極の他方は、当該対向電極の一方に対して、前記第一静電容量型センサ側に配置されるようにしてもよい。つまり、それぞれのセンサにおける計測回路側の電極が内側に位置している。これにより、計測回路に接続される電極が外部からの電磁的な影響を受けにくくすることができるため、高精度に静電容量を得ることができる。また、計測回路側に接続された電極が、他方のセンサに近い位置にあるため、漏れ電流を高精度に計測できる。このことからも、高精度に静電容量を得ることができる。

また、前記第一補正値取得部は、前記第一漏れ電流に対応する前記第一補正値を予め記憶しておき、前記第二補正値取得部は、前記第二漏れ電流に対応する前記第二補正値を予め記憶しておくようにしてもよい。これにより、容易にかつ高速に、静電容量の算出処理を行うことができる。

また、第二発明の静電容量型センサ装置は、マトリックス状に配置された対向電極を有する第一静電容量型センサと、前記第一静電容量型センサに積層され、前記第一静電容量型センサの各対向電極に対してそれぞれずれた位置にマトリックス状に配置された対向電極を有する第二静電容量型センサと、前記第一静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第一電源と、前記第二静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第二電源と、前記第一静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続された第一計測回路であり、前記第一電源により周期性電圧を印加すると共に、計測対象の当該対向電極に対向する前記第二静電容量型センサの対向電極に対して前記第二電源により前記第一電源と同期した周期性電圧を印加する場合に、前記第一静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する当該第一計測回路と、前記第二静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続された第二計測回路であり、前記第二電源により周期性電圧を印加すると共に、計測対象の当該対向電極に対向する前記第一静電容量型センサの対向電極に対して前記第一電源により前記第二電源と同期した周期性電圧を印加する場合に、前記第二静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する当該第二計測回路と、前記第一計測回路により計測された静電容量および前記第二計測回路により計測された静電容量に基づいて、各センサの対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量を算出する小区画静電容量算出部とを備える。

第一電源および第二電源の周期性電圧を同期させることで、第一静電容量型センサと第二静電容量型センサとの間の電位差を小さくすることができる。これにより、漏れ電流を小さくすることができる。

第一実施形態：静電容量型センサ装置の全体構成を示し、当該装置を構成する静電容量型センサを分解斜視図として示す。 図１におけるセンサを断面図として示した装置図である。 図１におけるセンサを上方（Ｚ方向）から見た状態とした装置図である。 図１の装置の電気回路図である。 第一実施形態において、静電容量C1(2,2)を計測する際の状態図である。 図５の模式回路図である。 第一実施形態において、静電容量C2(6,6)を計測する際の状態図である。 図７の模式回路図である。 第二実施形態において、静電容量C1(2,2)を計測する際の状態図である。 図９の模式回路図である。 第三実施形態において、静電容量C1(2,2)を計測する際の状態図である。 図１１の模式回路図である。 図１１において、第一，第二電源素子の電圧の時間変化を示す図である。 第四実施形態において、第一計測回路にて計測する際の模式回路図である。 第四実施形態において、第二計測回路にて計測する際の模式回路図である。

＜第一実施形態＞
（静電容量型センサ装置の概要）
第一実施形態の静電容量型センサ装置の概要について、図１〜図３を参照して説明する。
静電容量型センサ装置は、シート状に形成された静電容量型センサの表面に付与された圧力の検出センサとして適用することもでき、当該表面への物体の接触または近接を検出するタッチパネルとして適用することもできる。当該静電容量型センサ装置について以下に詳細に説明する。

静電容量型センサ装置は、第一静電容量型センサ１０と、第二静電容量型センサ２０と、絶縁間座部材３０と、第一，第二電源回路４０，５０と、第一，第二計測回路６０，７０と、小区画静電容量算出部８０と、第一，第二電源側スイッチ９１，９６と、第一，第二計測側スイッチ９２，９７とを備える。

第一，第二静電容量型センサ１０，２０（以下、第一センサ１０、第二センサ２０と称する）は、実質的に同様の構成にて形成されている。第一，第二センサ１０，２０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。従って、第一，第二センサ１０，２０は、平面形状のみならず、曲面形状に形成することもできる。ただし、以下において、図１を参照して、平面形状の第一，第二センサ１０，２０について説明する。

第一，第二センサ１０，２０は、Ｘ方向に延びる複数の電極１１，２１（以下、「電源側電極」と称する）と、Ｙ方向に延びる複数の電極１２，２２（以下、「計測側電極」と称する）と、電極１１，１２，２１，２２間に挟まれた誘電層１３，２３とを備える。そして、複数の電源側電極１１，２１と複数の計測側電極１２，２２とがＺ方向に対向する部位が、マトリックス状となるようにされている。本実施形態においては、第一，第二センサ１０，２０は、Ｘ方向に４行かつＹ方向に４列のマトリックス状に配置された対向電極を有する。なお、行数および列数は、適宜変更できる。

そして、第一，第二センサ１０，２０は、絶縁間座部材３０を挟んだ状態で積層されている。このとき、図１〜図３に示すように、第二センサ２０のマトリックス状の対向電極が、第一センサ１０のマトリックス状の各対向電極に対して、ずれた位置となるように配置されている。さらに、第一センサ１０において、計測側電極１２が電源側電極１１に対して第二センサ２０側に配置され、第二センサ２０において、計測側電極２２が電源側電極２１に対して第一センサ１０側に配置されている。

ここで、各電極１１，１２，２１，２２は、例えば、エラストマー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。このようにすることで、各電極１１，１２，２１，２２は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有することができる。各電極１１，１２，２１，２２を構成するエラストマーは、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、各電極１１，１２，２１，２２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。

誘電層１３，２３は、エラストマーまたは樹脂により成形され、各電極１１，１２，２１，２２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１３，２３を構成するエラストマーは、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１３，２３を構成する樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン（架橋発泡ポリスチレンを含む）、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。

また、絶縁間座部材３０は、エラストマーまたは樹脂により成形され、電極１１，１２，２１，２２および誘電層１３，２３と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。絶縁間座部材３０を構成するエラストマーまたは樹脂は、例えば、誘電層１３，２３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。

第一，第二電源回路４０，５０は、第一，第二センサ１０，２０の対向電極の一方、すなわち電源側電極１１，２１の一端に、第一，第二電源側スイッチ９１，９６を介して、電気的に接続され、周期性電圧を印加する。第一，第二計測回路６０，７０は、第一，第二センサ１０，２０の対向電極の他方、すなわち計測側電極１２，２２の一端に、第一，第二計測側スイッチ９２，９７を介して、電気的に接続され、周期性電圧が印加された場合に流れる電流を用いて、静電容量（または静電容量に相当する値）を計測する。ここでは、第一，第二計測回路６０，７０は、ＣＶ変換回路を適用する。これらの回路４０，５０，６０，７０の詳細については後述する。

小区画静電容量算出部８０は、第一，第二計測回路６０，７０により計測された静電容量相当値に基づいて、各センサ１０，２０におけるマトリックス状の対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量（以下、「小区画の静電容量」と称する）を算出する。本実施形態においては、小区画静電容量算出部８０は、各センサ１０，２０におけるマトリックス状の対向電極の面積の４分の１の面積の小区画の静電容量を算出するものとしている。

（小区画の静電容量の算出原理）
次に、図３を参照して、小区画静電容量算出部８０において、小区画の静電容量の算出の原理について説明する。まず、第一電源側スイッチ９１のうち２行目SW1b_(in)と、第一計測側スイッチ９２のうち２列目SW1b_(out)とをONにする。そして、第一電源回路４０が２行目(x2)の第一電源側電極１１に周期性電圧を印加し、第一計測回路６０により２列目(y2)の第一計測側電極１２に流れる電流を用いて、(x,y)＝(2,2)の対向電極S1(2,2)間の静電容量C1(2,2)を計測する。

次に、静電容量C1(2,2)の計測とは異なるタイミングにおいて、第二電源側スイッチ９６のうち６行目SW2b_(in)と、第二計測側スイッチ９７のうち６列目SW2b_(out)とをONにする。そして、第二電源回路５０が６行目(x6)の第二電源側電極２１に周期性電圧を印加し、第二計測回路７０により６列目(y6)の第二計測側電極２２に流れる電流を用いて、(x,y)＝(6,6)の対向電極S2(6,6)間の静電容量C2(6,6)を計測する。

ここで、対向電極S1(2,2)とS2(6,6)とは、小区画S_small(2-6,2-6)の位置にて重なり合っている。このとき、式（１）に従って、小区画S_small(2-6,2-6)における静電容量C_small(2-6,2-6)が算出される。

他の小区画S_small(x1-x2,y1-y2)における静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)ついても同様に、重なり合う第一，第二センサ１０，２０の対向電極の静電容量C1(x1,y1)、C2(x2,y2)に基づいて算出される。

（電源回路および計測回路の詳細）
次に、各電源回路４０，５０および各計測回路６０，７０の詳細について、図４を参照して説明する。図４において、図１に示す構成に対応する構成には同一符号を付している。

第一，第二電源回路４０，５０は、第一，第二直流電源４１，５１と、第一，第二電源素子４２，５２とを備える。第一，第二電源素子４２，５２（本発明の第一電源、第二電源に相当する）は、矩形波の周期性電圧を発生する素子である。そして、当該素子４２，５２は、第一，第二電源側スイッチ９１，９６を介して、第一，第二センサ１０，２０の電源側電極１１，２１に接続されている。つまり、当該素子４２，５２は、電源側電極１１，２１に対して、周期性電圧を印加する。

また、第一，第二センサ１０，２０において、電源側電極１１，２１のうち選択された対向電極S1(x,y)，S2(x,y)と電源側スイッチ９１，９６との間の部分が、抵抗Ra1(x,y)，Ra2(x,y)となる。また、計測側電極１２，２２のうち選択された対向電極S1(x,y)，S2(x,y)と計測側スイッチ９２，９７との間の部分が、抵抗Rb1(x,y)，Rb2(x,y)となる。電極１１，１２，２１，２２を上述したように形成することにより、抵抗値を無視できない程度に大きな値となるためである。

第一，第二計測回路６０，７０は、ＣＶ変換回路６１，７１と、電圧計測器６２，７２とを備える。ＣＶ変換回路６１，７１は、計測側スイッチ９２，９７を介して、計測側電極１２，２２に接続されている。つまり、ＣＶ変換回路６１，７１は、センサ１０，２０の静電容量C1(x,y)，C2(x,y)を電圧値V1,V2に変換する。

ＣＶ変換回路６１，７１は、整流器６１ａ，７１ａと、平滑コンデンサC1,C2と、電流計測用シャント抵抗Rとにより構成される。整流器６１ａ，７１ａは、計測側電極１２，２２に接続され、電源素子４２，５２がセンサ１０，２０に矩形波の周期性電圧を印加した場合にセンサ１０，２０に充放電される電荷を整流する。この整流器６１ａ，７１ａは、第一ダイオードDa1,Da2と第二ダイオードDb1,Db2とから構成される。第一ダイオードDa1,Da2のアノードおよび第二ダイオードDb1,Db2のカソードが、計測側電極１２，２２に接続され、第二ダイオードDb1,Db2のアノードが、直流電源４１，５１の負極側に接続されている。

従って、電源素子４２，５２の矩形波の周期性電圧がＯＮになるときに、センサ１０，２０から第一ダイオードDa1,Da2を通過する電流が流れる。一方、電源素子４２，５２の矩形波の周期性電圧がＯＦＦになるときに、第二ダイオードDb1,Db2のアノード側からセンサ１０，２０を通過する電流が流れる。

平滑コンデンサC1,C2は、整流器６１ａ，７１ａの出力側に並列接続され、第一ダイオードDa1,Da2に流れる電流を平滑化し、蓄電する。シャント抵抗Rは、平滑コンデンサC1,C2の出力側に並列接続されている。つまり、シャント抵抗Rの両端は、平滑コンデンサC1,C2の両端にそれぞれ接続されている。

電圧計測器６２，７２は、シャント抵抗Rの両端電圧を計測する。ここで、ＣＶ変換回路６１，７１は、センサ１０，２０に対して周期性電圧を印加したときに流れる電流を用い、当該電流を蓄電したときの電圧を電圧計測器６２，７２により計測している。電圧V1(x,y)は、式（２）により表される。

式（２）に示すように、計測された電圧値V1(x,y)は、静電容量C1(x,y)に比例の関係を有する。そこで、式（３）に示すように、計測された電圧値V1(x,y)に対して比例係数Kを乗算することで、静電容量C1(x,y)を得ることができる。

ここで、第二センサ２０の静電容量C2(x,y)についても同様に、式（４）に示すように、得ることができる。

ところで、第一センサ１０と第二センサ２０とを積層していない場合には、上記のような関係となる。しかしながら、図１〜図３に示すように、第一センサ１０と第二センサ２０とが積層されて、電極が対向している。このような構成においては、図２から分かるように、第一センサ１０の計測側電極１２と第二センサ２０の計測側電極２２とが静電容量を形成してしまう。つまり、図４の二点鎖線に示すように、第一センサ１０側の点Ｐ１と第二センサ２０側の点Ｐ２との間に、静電容量C_L(x,y)が形成され、第一，第二センサ１０，２０の回路が電気的に接続された状態となる。そこで、以下のように補正処理を行う。

（補正処理を含む静電容量の算出処理）
補正処理を含む第一，第二センサ１０，２０の静電容量C1(x,y),C2(x,y)の算出処理について、図５〜図８を参照して説明する。ここでは、上述した原理を説明した場合と同様に、小区画S_small(2-6,2-6)における静電容量C_small(2-6,2-6)を算出する場合について説明する。

まず、対向電極S1(2,2)間の静電容量C1(2,2)を算出する。この算出のときには、図５に示すように、第一電源側スイッチ９１のSW1b_(in)、第一計測側スイッチ９２のSW1b_(out)、および、第二計測側スイッチ９７のSW2b_(out)、SW2c_(out)がＯＮにされている。そして、第二電源側スイッチ９６は、全てＯＦＦにされている。つまり、第二センサ２０には第二電源素子５２によって周期性電圧が印加されていない。

このときの模式的な電気回路は、図６に示すようになる。図６に示すように、第一センサ１０の対向電極S1(2,2)の出力側が、第一計測回路６０側と第二計測回路７０側とに分岐されている。従って、式（５）に示すように、第一センサ１０の対向電極S1(2,2)に流れる電流Iは、第一計測回路６０のシャント抵抗Rに流れる第一計測用電流I1と、第二計測回路７０のシャント抵抗Rに流れる第一漏れ電流I_L1との和となる。

ここで、第一計測用電流I1、計測電圧V1(2,2)、シャント抵抗Rの関係は、式（６）に示され、第一漏れ電流I_L1、計測電圧V2(2,2)、シャント抵抗Rの関係は、式（７）に示される。また、対向電極S1(2,2)の静電容量C1(2,2)と、電流I(2,2)との関係は、式（８）に示すとおりである。

式（５）〜式（８）より、式（９）のように表される。

そして、比例係数Ｋを用いて、対向電極S1(2,2)の静電容量C1(2,2)は、式（１０）のように表される。つまり、Ca(2,2)が、第一計測回路６０により得られた静電容量に相当し、Cb(2,2)が、第二計測回路７０により得られた静電容量（第一補正値）に相当する。

このように、第一計測回路６０により計測された静電容量Ca(2,2)に対して、第一漏れ電流I_L1(2,2)によって第二計測回路７０により計測された第一補正値Cb(2,2)を加算することで、対向電極S1(2,2)の静電容量C1(2,2)を高精度に取得することができる。

次に、対向電極S2(6,6)間の静電容量C2(6,6)を算出する。この算出のときには、図７に示すように、第一計測側スイッチ９２のSW1a_(out)、SW1b_(out)、第二電源側スイッチ９６のSW2b_(in)、および、第二計測側スイッチ９７のSW2b_(out)がＯＮにされている。そして、第一電源側スイッチ９１は、全てＯＦＦにされている。つまり、第一センサ１０には第一電源素子４２によって周期性電圧が印加されていない。このときの模式的な電気回路は、図８に示すようになる。

そして、対向電極S1(2,2)の静電容量C1(2,2)と同様に、対向電極S2(6,6)の静電容量C2(6,6)を算出する。このとき、比例係数Ｋを用いて、対向電極S2(6,6)の静電容量C2(6,6)は、式（１１）のように表される。つまり、Ca(6,6)が、第二計測用電流I2に基づいて第二計測回路７０により得られた静電容量に相当し、Cb(6,6)が、第二漏れ電流I_L2に基づいて第一計測回路６０により得られた静電容量（第二補正値）に相当する。

このように、第二計測回路７０により計測された静電容量Ca(6,6)に対して、第二漏れ電流I_L2(6,6)によって第一計測回路６０により計測された第二補正値Cb(6,6)を加算することで、対向電極S2(6,6)の静電容量C2(6,6)を高精度に取得することができる。そして、上記式（１）を用いて説明したように、静電容量C1(2,2)、C2(6,6)に基づいて、小区画S_small(2-6,2-6)における静電容量C_small(2-6,2-6)が算出される。

このように、第一漏れ電流I_L1(x,y)を考慮して、第一計測回路６０によって計測された静電容量Ca(x,y)に対して補正することで、第一センサ１０の静電容量C1(x,y)を高精度に算出することができる。また、第二センサ２０の静電容量C2(x,y)についても、同様に、高精度に算出できる。さらに、実際に計測した第一，第二補正値Cb(x,y)を用いることで、当該補正値Cb(x,y)を、計測時における各センサ１０，２０の状態に応じて高精度にできる。ここで、第一補正値Cb(x,y)は、第二計測回路７０により計測し、第二補正値Cb(x,y)は、第一計測回路６０により計測している。

また、第一センサ１０において、計測側電極１２が電源側電極１１に対して第二センサ２０側に配置され、第二センサ２０において、計測側電極２２が電源側電極２１に対して第一センサ１０側に配置されている。これにより、第一，第二計測回路６０，７０に接続される計測側電極１２，２２が外部からの電磁的な影響を受けにくくすることができるため、高精度に静電容量C1(x,y)、C2(x,y)を得ることができる。また、第一，第二計測回路６０，７０側に接続された計測側電極１２，２２が、他方のセンサに近い位置にあるため、他のセンサからの漏れ電流I_L1,I_L2を高精度に計測できる。このことからも、高精度に静電容量C1(x,y)、C2(x,y)を得ることができる。

＜第二実施形態＞
第一実施形態においては、第一補正値Cb(x,y)を第二計測回路７０により計測し、かつ、第二補正値Cb(x,y)を第一計測回路６０により計測した。この他に、補正値Cb(x,y)を予め記憶しておくようにしてもよい。

この場合、対向電極S1(2,2)間の静電容量C1(2,2)の算出の際には、図９に示すように、第一電源側スイッチ９１のSW1b_(in)、および、第一計測側スイッチ９２のSW1b_(out)がＯＮにされている。そして、第二電源側スイッチ９６および第二計測側スイッチ９７は、全てＯＦＦにされている。このときの模式的な電気回路は、図１０に示すようになる。つまり、漏れ電流I_L1(2,2)は、第二計測回路７０にて計測されない。このとき、第一計測回路６０にて計測される静電容量は、式（１０）に示すCa(2,2)である。そこで、小区画静電容量算出部８０において、予め記憶された第一補正値Cb(2,2)を、計測された静電容量Ca(2,2)に加算することで、静電容量C1(2,2)を得る。対向電極S2(6,6)間の静電容量C2(6,6)の算出についても同様である。この場合には、容易にかつ高速に、静電容量C(x,y)の算出処理を行うことができる。

＜第三実施形態＞
次に、第三実施形態においては、第一センサ１０の対向電極S1(x,y)の静電容量C1(x,y)を計測する際には、第二センサ２０のうち当該対向電極S1(x,y)に対向する部分を含む電極の電源側電極２１に対して、第二電源素子５２によって、第一電源素子４２と同期しかつ同一の周期性電圧を印加する。反対に、第二センサ２０の対向電極S2(x,y)の静電容量C2(x,y)を計測する際には、第一センサ１０のうち当該対向電極S2(x,y)に対向する部分を含む電極の電源側電極１１に対して、第一電源素子４２によって、第二電源素子５２と同期しかつ同じ大きさの周期性電圧を印加する。

第一センサ１０の対向電極S1(x,y)の静電容量C1(x,y)を計測する場合について、図１１〜図１３を参照して説明する。この場合、図１１に示すように、第一電源側スイッチ９１のSW1b_(in)、第一計測側スイッチ９２のSW1b_(out)、および、第二電源側スイッチ９６のSW2b_(in)、SW2c_(in)がＯＮにされている。そして、第二計測側スイッチ９７は、全てＯＦＦにされている。このときの模式的な電気回路は、図１２に示すようになる。

さらに、図１３に示すように、第一電源素子４２により第一センサ１０へ印加する周期性電圧は、第二電源素子５２により第二センサ２０へ印加する周期性電圧と同期しかつ同じ大きさの電圧である。そして、第二電源素子５２により周期性電圧を印加する第二電源側電極２１は、計測対象となる第一センサ１０の対向電極S1(2,2)に対向する第二センサ２０の対向電極S2(6,6)、S2(6,7)、S2(7,6)、S2(7,7)を含むようにしている。

このように、第一電源素子４２および第二電源素子５２の周期性電圧を同期させることで、第一センサ１０の点Ｐ１と第二センサ２０の点Ｐ２との間の電位差を小さくすることができる。これにより、第一センサ１０から第二センサ２０への漏れ電流I_L1を小さくすることができる。その結果、第一計測回路６０にて、第一センサ１０の対向電極S1(x,y)の静電容量C1(x,y)を高精度に算出できる。

また、第二センサ２０の対向電極S2(x,y)の静電容量C2(x,y)の算出についても同様である。従って、高精度に当該静電容量C2(x,y)を算出できる。その結果、小区画S_small(x1-x2,y1-y2)における静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)を高精度に算出できる。

＜第四実施形態＞
第四実施形態の静電容量型センサ装置について説明する。本実施形態においては、第三実施形態と同様に、同期した周期性電圧を第一，第二センサ１０，２０に印加する。スイッチのＯＮ／ＯＦＦも同様である。ここで、本実施形態においては、漏れ電流I_L1,I_L2を小さくすることに加えて、小区画S_small(x1-x2,y1-y2)の静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)の算出処理において、漏れ電流I_L1,I_L2の補正処理が施されていることを説明する。

まず、図１４に示すように、第一電源側スイッチ９１のSW1b_(in)、第一計測側スイッチ９２のSW1b_(out)、および、第二電源側スイッチ９６のSW2b_(in)、SW2c_(in)がＯＮにされている。そして、第二計測側スイッチ９７は、全てＯＦＦにされている。従って、第一センサ１０の対向電極S1(2,2)には電流I(2,2)が流れ、第二センサ２０から第一計測側電極１２には第二漏れ電流I_L2が流れる。ここで、第一センサ１０から第二センサ２０へは、第一漏れ電流I_L1が流れる。従って、第一計測回路６０には、電流I(2,2)から第一漏れ電流I_L1を減算し、第二漏れ電流I_L2を加算した電流Is1が流れる。

ここで、第二センサ２０から第一センサ１０へ第二漏れ電流I_L2が流れる範囲の静電容量は、Cb'(6-7,6-7)である。これは、第二センサ２０の電源側電極２１の第二行（x6）および第三行(x7)と、第一センサ１０の対向電極S(2,2)とにより形成される静電容量である。つまり、静電容量Cb'(6-7,6-7)は、図１１に示すC2(6,6)、C2(6,7)、C2(7,6)、C2(7,7)の合計値の４分の１程度の静電容量と考えられる。そして、対向電極S2(6,6)、S2(6,7)、S2(7,6)、S2(7,7)は、隣接しているため、静電容量Cb'(6-7,6-7)、C2(6,6)、C2(6,7)、C2(7,6)、C2(7,7)は、同程度とみなすことができる。

そうすると、第一計測回路６０により計測した電圧V1に比例係数Kを乗じた値は、式（１２）のように表される。つまり、（K×V1）は、静電容量成分Ca(2,2)と、第二漏れ電流I_L2による影響分の静電容量成分Cb'(6-7,6-7)との和により表すことができる。ここで、静電容量成分Ca(2,2)は、対向電極S1(2,2)に流れる電流I(2,2)から、第一センサ１０から第二センサ２０への第一漏れ電流I_L1による影響分を除いた電流成分（I(2,2)-I_L1）に基づいて得られた静電容量成分である。

次に、図１５に示すように、第一電源側スイッチ９１のSW1a_(in)、SW1b_(in)、第二電源側スイッチ９６のSW2b_(in)、および、第二計測側スイッチ９７のSW2b_(out)がＯＮにされている。そして、第一計測側スイッチ９２は、全てＯＦＦにされている。従って、第二センサ２０の対向電極S2(6,6)には電流I(6,6)が流れ、第一センサ１０から第二計測側電極２２には第一漏れ電流I_L1が流れる。ここで、第二センサ２０から第一センサ１０へは、第二漏れ電流I_L2が流れる。従って、第二計測回路７０には、電流I(6,6)から第二漏れ電流I_L2を減算し、第一漏れ電流I_L1を加算した電流Is2が流れる。

ここで、第一センサ１０から第二センサ２０へ第一漏れ電流I_L1が流れる範囲の静電容量は、Cb'(1-2,1-2)である。上記同様に、静電容量Cb'(1-2,1-2)、C1(1,1)、C1(1,2)、C1(2,1)、C1(2,2)は、同程度とみなすことができる。

そうすると、第二計測回路７０により計測した電圧V2に比例係数Kを乗じた値は、式（１３）のように表される。つまり、（K×V2）は、静電容量成分Ca(6,6)と、第一漏れ電流I_L1による影響分の静電容量成分Cb'(1-2,1-2)との和により表すことができる。ここで、静電容量成分Ca(6,6)は、対向電極S2(6,6)に流れる電流I(6,6)から、第二センサ２０から第一センサ１０への第二漏れ電流I_L2による影響分を除いた電流成分（I(6,6)-I_L2）に基づいて得られた静電容量成分である。

続いて、小区画静電容量算出部８０において、小区画S_small(x1-x2,y1-y2)の静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)は、上記式（１）を用いて説明したように、静電容量C1(2,2)、C2(6,6)に基づいて算出する。つまり、式（１４）の第一式となる。

そして、式（１２）（１３）を当該第一式に代入して展開すると、式（１４）の第四式のようになる。つまり、上記のように同期した周期性電圧を印加した場合において、第一計測回路６０により計測した電圧V1と第二計測回路７０により計測した電圧V2とにより、小区画S_small(x1-x2,y1-y2)の静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)を算出できる。この静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)は、第一漏れ電流I_L1による第一補正値Cb'(1-2,1-2)および、第二漏れ電流I_L2による第二補正値Cb'(6-7,6-7)を考慮している。

このように、第一電源素子４２および第二電源素子５２の周期性電圧を同期させることで、第一センサ１０と第二センサ２０との間の電位差を小さくすることができる。これにより、漏れ電流I_L1,I_L2を小さくすることができる。その上で、第一補正値Cb'(1-2,1-2)および第二補正値Cb'(6-7,6-7)を考慮するため、より高精度に小区画S_small(x1-x2,y1-y2)の静電容量C_small(x1-x2,y1-y2)を得ることができる。

１０：第一静電容量型センサ、 １１：第一電源側電極、 １２：第一計測側電極、 １３：誘電層、 ２０：第二静電容量型センサ、 ２１：第二電源側電極、 ２２：第二計測側電極、 ３０：絶縁間座部材、 ４０：第一電源回路、 ４２：第一電源素子（第一電源）、 ５０：第二電源回路、 ５２：第二電源素子（第二電源）、 ６０：第一計測回路（第二補正値取得部）、 ７０：第二計測回路（第一補正値取得部）、 ６１，７１：ＣＶ変換回路、 ６２，７２：電圧計測器、 ８０：小区画静電容量算出部、 C1(x,y)：第一センサの対向電極の静電容量、 C2(x,y)：第二センサの対向電極静電容量、 Ca(x,y)：計測用電流による静電容量、 Cb(x,y)：第一補正値，第二補正値、 I1：第一計測用電流、 I2：第二計測用電流、 I_L1：第一漏れ電流、 I_L2：第二漏れ電流、 S1(x,y)，S2(x,y)：対向電極、 S_small(x1-x2,y1-y2)：小区画、 C_small(x1-x2,y1-y2)：小区画の静電容量

Claims (6)

1. マトリックス状に配置された対向電極を有する第一静電容量型センサと、
   前記第一静電容量型センサに積層され、前記第一静電容量型センサの各対向電極に対してそれぞれずれた位置にマトリックス状に配置された対向電極を有する第二静電容量型センサと、
   前記第一静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第一電源と、
   前記第二静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第二電源と、
   前記第一静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続され、前記第一電源により周期性電圧が印加された場合に流れる第一計測用電流に基づいて、前記第一静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する第一計測回路と、
   前記第二静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続され、前記第二電源により周期性電圧が印加された場合に流れる第二計測用電流に基づいて、前記第二静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する第二計測回路と、
   前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第一静電容量型センサから前記第二静電容量型センサへの第一漏れ電流に基づいて、前記第一計測回路により計測された静電容量に対する第一補正値を取得する第一補正値取得部と、
   前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第二静電容量型センサから前記第一静電容量型センサへの第二漏れ電流に基づいて、前記第二計測回路により計測された静電容量に対する第二補正値を取得する第二補正値取得部と、
   前記第一計測回路により計測された静電容量、前記第二計測回路により計測された静電容量、前記第一補正値取得部により取得された前記第一補正値、および、前記第二補正値取得部により取得された前記第二補正値に基づいて、各センサの対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量を算出する小区画静電容量算出部と、
   を備える、静電容量型センサ装置。
2. 前記第一補正値取得部は、前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第一漏れ電流に対応する前記第一補正値を前記第二計測回路により計測し、
   前記第二補正値取得部は、前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に、前記第二漏れ電流に対応する前記第二補正値を前記第一計測回路により計測する、請求項１の静電容量型センサ装置。
3. 前記第一補正値取得部において前記第二計測回路による前記第一補正値の計測は、前記第二電源により周期性電圧を印加せずにかつ前記第一電源により周期性電圧を印加した場合に実行し、
   前記第二補正値取得部において前記第一計測回路による前記第二補正値の計測は、前記第一電源により周期性電圧を印加せずにかつ前記第二電源により周期性電圧を印加した場合に実行する、請求項２の静電容量型センサ装置。
4. 前記第一静電容量型センサの対向電極の他方は、当該対向電極の一方に対して、前記第二静電容量型センサ側に配置され、
   前記第二静電容量型センサの対向電極の他方は、当該対向電極の一方に対して、前記第一静電容量型センサ側に配置される、請求項２または３の静電容量型センサ装置。
5. 前記第一補正値取得部は、前記第一漏れ電流に対応する前記第一補正値を予め記憶しておき、
   前記第二補正値取得部は、前記第二漏れ電流に対応する前記第二補正値を予め記憶しておく、請求項１の静電容量型センサ装置。
6. マトリックス状に配置された対向電極を有する第一静電容量型センサと、
   前記第一静電容量型センサに積層され、前記第一静電容量型センサの各対向電極に対してそれぞれずれた位置にマトリックス状に配置された対向電極を有する第二静電容量型センサと、
   前記第一静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第一電源と、
   前記第二静電容量型センサの対向電極の一方に対して周期性電圧を印加する第二電源と、
   前記第一静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続された第一計測回路であり、前記第一電源により周期性電圧を印加すると共に、計測対象の当該対向電極に対向する前記第二静電容量型センサの対向電極に対して前記第二電源により前記第一電源と同期した周期性電圧を印加する場合に、前記第一静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する当該第一計測回路と、
   前記第二静電容量型センサの対向電極の他方に電気的に接続された第二計測回路であり、前記第二電源により周期性電圧を印加すると共に、計測対象の当該対向電極に対向する前記第一静電容量型センサの対向電極に対して前記第一電源により前記第二電源と同期した周期性電圧を印加する場合に、前記第二静電容量型センサの各対向電極間の静電容量を計測する当該第二計測回路と、
   前記第一計測回路により計測された静電容量および前記第二計測回路により計測された静電容量に基づいて、各センサの対向電極の面積より小さな面積の対向電極間の静電容量を算出する小区画静電容量算出部と、
   を備える、静電容量型センサ装置。

Images