JP6163611B2 - 検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量検出装置、検出装置、及びセンサシステムに関する。
従来から、静電容量型のセンサ装置には、外部入力に応じて静電容量が変化する容量素子によって構成される静電容量型センサと、この静電容量型センサの静電容量を検出し出力する静電容量検出装置とを備えているものがある。
例えば、特許文献１に記載の静電容量検出装置は、所定周期の矩形波を静電容量型センサの一端側の電極に印加するための電圧印加素子と、一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力される出力信号を整流する整流器と、整流器によって整流された出力信号を平滑化する平滑コンデンサとを備えている。この静電容量検出装置は、前記矩形波を前記センサの一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力される出力信号を検出し、検出された出力信号の振幅に基づいて前記センサの静電容量を求めるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、特許文献１に記載の静電容量検出装置は、所定周期の矩形波を静電容量型センサの一端側の電極に印加するための電圧印加素子と、一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力される出力信号を整流する整流器と、整流器によって整流された出力信号を平滑化する平滑コンデンサとを備えている。この静電容量検出装置は、前記矩形波を前記センサの一端側の電極に印加したときに前記センサの他端側の電極から出力される出力信号を検出し、検出された出力信号の振幅に基づいて前記センサの静電容量を求めるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
上述のように容量素子によって構成される静電容量型センサの出力信号には、当該センサの静電容量に基づいた信号成分以外に、例えば、周囲の電気製品等が発する電磁波等の環境ノイズによるノイズ成分が加わってしまうことがある。
このような環境ノイズは、商用電源の周波数等、比較的低い周波数であることが多く、このようなノイズ成分が出力信号に加わってしまうと、センサの静電容量の測定精度を低下させる要因となるため、取り除く必要がある。
特に、前記センサによって人体等の生体の動作を検出する場合、その動作に応じて検出される信号の周波数は非常に低い周波数として表れるが、商用電源の周波数に近い場合もあり、その測定精度を確保するためにできるだけ取り除く必要がある。
このような環境ノイズは、商用電源の周波数等、比較的低い周波数であることが多く、このようなノイズ成分が出力信号に加わってしまうと、センサの静電容量の測定精度を低下させる要因となるため、取り除く必要がある。
特に、前記センサによって人体等の生体の動作を検出する場合、その動作に応じて検出される信号の周波数は非常に低い周波数として表れるが、商用電源の周波数に近い場合もあり、その測定精度を確保するためにできるだけ取り除く必要がある。
前記センサの出力信号から上記ノイズ成分を除去するためには、整流器の後段に当該ノイズを除去するためのローパスフィルタを設けることが考えられる。
ローパスフィルタを設けることによって、商用電源等に起因するノイズ成分が除去され、静的な測定精度については維持することができる。
ローパスフィルタを設けることによって、商用電源等に起因するノイズ成分が除去され、静的な測定精度については維持することができる。
しかし、商用電源に起因するノイズのように比較的低い周波数のノイズを除去し得るローパスフィルタを設けた場合、出力信号からノイズ成分を除去できる反面、比較的低い周波数成分のみが信号成分として残る。このため、前記ローパスフィルタを通過した後の出力信号はその変化が過度になだらかになり、センサの静電容量の変化に対する出力信号の応答性を低下させるおそれが生じる。
センサの静電容量の変化に対する出力信号の応答性が低下すると、例えば、センサの静電容量の変化を動的に測定しようとすると、センサ本体の静電容量の変化に対して出力信号が追従できず、静電容量の測定結果の精度を低下させてしまうという問題が生じる。
つまり、ノイズを除去するために整流器の後段に設けられるローパスフィルタの遮断周波数は、除去しようとするノイズの周波数よりも低く設定しなければならず、このようなローパスフィルタを設けた場合、静的な測定精度については維持することができるが、動的な測定精度については低下するおそれが生じる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、センサの出力信号に加わるノイズを除去することができる検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサの静電容量を検出する静電容量検出装置であって、前記静電容量型センサに所定周期のキャリア電圧を印加する電圧供給部と、前記キャリア電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する変換部と、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流された前記センサ出力信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数成分を除去するローパスフィルタ部と、前記変換部と前記整流部との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限が、前記静電容量型センサ周囲の環境ノイズの周波数よりも高く設定され、前記ローパスフィルタ部の遮断周波数は、前記環境ノイズの周波数よりも高く設定されている。
上記のように構成された静電容量検出装置によれば、変換部と整流部との間に接続され、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限が、前記静電容量型センサ周囲の環境ノイズの周波数よりも高く設定されたフィルタ部を備えているので、例えば、センサ出力信号に環境ノイズが加わったとしても、このフィルタ部によって当該ノイズを除去することができる。
また、整流部後段のローパスフィルタ部においては、環境ノイズを除去する必要がなく、当該ローパスフィルタ部の遮断周波数を、環境ノイズの周波数よりも高く設定することができる。この結果、環境ノイズを除去するために整流器後段のローパスフィルタ部の遮断周波数を環境ノイズの周波数よりも低く設定する必要がある上記従来例と比較して、ローパスフィルタ部の遮断周波数をより高く設定することができ、静電容量型センサの静電容量の変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
以上のように、本発明によれば、静電容量型センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該静電容量型センサのセンサ出力信号に加わるノイズを除去することができる。
また、整流部後段のローパスフィルタ部においては、環境ノイズを除去する必要がなく、当該ローパスフィルタ部の遮断周波数を、環境ノイズの周波数よりも高く設定することができる。この結果、環境ノイズを除去するために整流器後段のローパスフィルタ部の遮断周波数を環境ノイズの周波数よりも低く設定する必要がある上記従来例と比較して、ローパスフィルタ部の遮断周波数をより高く設定することができ、静電容量型センサの静電容量の変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
以上のように、本発明によれば、静電容量型センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該静電容量型センサのセンサ出力信号に加わるノイズを除去することができる。
上記静電容量型センサは、商用電源によって動作する電気製品等が発する電磁波等のノイズが環境ノイズとなってセンサ出力信号に影響を受ける場合がある。
このため、上記静電容量検出装置において、前記環境ノイズの周波数は、商用電源の周波数に基づいて定まる周波数であることがある。
この場合、センサ周囲の電気製品等が発する電磁波等が環境ノイズとなり、センサ出力信号に商用電源の周波数近傍の周波数のノイズが加わったとしても、フィルタ部によってこのノイズを低減することができる。
また、上記従来例のように、商用電源の周波数のノイズをローパスフィルタ部で除去しようとすると、当該ローパスフィルタ部の遮断周波数を商用電源の周波数よりも低く設定する必要があるが、本発明ではローパスフィルタ部の遮断周波数が、商用電源の周波数よりも大きく設定されるので、静電容量型センサの静電容量の変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
この結果、静電容量型センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該静電容量型センサのセンサ出力信号に加わるノイズを除去することができる。
このため、上記静電容量検出装置において、前記環境ノイズの周波数は、商用電源の周波数に基づいて定まる周波数であることがある。
この場合、センサ周囲の電気製品等が発する電磁波等が環境ノイズとなり、センサ出力信号に商用電源の周波数近傍の周波数のノイズが加わったとしても、フィルタ部によってこのノイズを低減することができる。
また、上記従来例のように、商用電源の周波数のノイズをローパスフィルタ部で除去しようとすると、当該ローパスフィルタ部の遮断周波数を商用電源の周波数よりも低く設定する必要があるが、本発明ではローパスフィルタ部の遮断周波数が、商用電源の周波数よりも大きく設定されるので、静電容量型センサの静電容量の変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
この結果、静電容量型センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該静電容量型センサのセンサ出力信号に加わるノイズを除去することができる。
また、上記静電容量検出装置において、前記ローパスフィルタ部は、２次以上のローパスフィルタによって構成されていることが好ましい。
さらに、前記フィルタ部は、２次以上のハイパスフィルタによって構成されていることが好ましい。
さらに、前記フィルタ部は、２次以上のハイパスフィルタによって構成されていることが好ましい。
センサ出力信号は、キャリア電圧の印加に応じて出力されるため、キャリア電圧に含まれるノイズ成分を含む場合がある。
このため、前記電圧供給部は、所定周期の矩形波を生成する矩形波生成部と、前記矩形波を正弦波に近似した信号波に変換するフィルタ部と、を備え、前記信号波を前記キャリア電圧として前記静電容量型センサに印加するものであってもよい。
この場合、キャリア電圧に含まれるノイズを低減することができるので、ローパスフィルタ部によるキャリア電圧の周波数成分の除去が容易となり、センサ出力信号に加わるノイズをより効果的に除去することができる。
このため、前記電圧供給部は、所定周期の矩形波を生成する矩形波生成部と、前記矩形波を正弦波に近似した信号波に変換するフィルタ部と、を備え、前記信号波を前記キャリア電圧として前記静電容量型センサに印加するものであってもよい。
この場合、キャリア電圧に含まれるノイズを低減することができるので、ローパスフィルタ部によるキャリア電圧の周波数成分の除去が容易となり、センサ出力信号に加わるノイズをより効果的に除去することができる。
本発明に係る検出装置は、試料の表面状態を検出する検出装置であって、前記試料の表面に対して所定周期で点滅する点滅光を照射する照射部と、前記点滅光が前記試料の表面で反射した反射光を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した前記反射光の変化に基づいて前記試料の表面状態を特定する処理部と、を備え、前記光検出部は、前記反射光を受光したときの光の強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を出力する受光部と、前記センサ出力信号を電圧信号に変換する変換部と、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流されたセンサ出力信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数成分を除去して前記処理部に与えるローパスフィルタ部と、前記変換部と前記整流部との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限が、前記光検出部周囲の環境ノイズの周波数よりも高く設定され、前記ローパスフィルタ部の遮断周波数は、前記環境ノイズの周波数よりも高く設定されている。
また本発明に係るセンサシステムは、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサと、前記静電容量型センサの静電容量を検出する静電容量検出装置と、を備えたセンサシステムであって、前記静電容量検出装置は、前記静電容量型センサに所定周期のキャリア電圧を印加する電圧供給部と、前記キャリア電圧の印加に応じて前記静電容量型センサから出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する変換部と、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流された前記センサ出力信号に含まれる前記キャリア電圧の周波数成分を除去するローパスフィルタ部と、前記変換部と前記整流部との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部と、を備え、前記フィルタ部は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限が、前記静電容量型センサ周囲の環境ノイズの周波数よりも高く設定され、前記ローパスフィルタ部の遮断周波数は、前記環境ノイズの周波数よりも高く設定されている。
上記構成のセンサシステムによれば、静電容量型センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該静電容量型センサのセンサ出力信号に加わるノイズを除去することができる。
本発明によれば、センサの静電容量の変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該センサの出力信号に加わるノイズを除去することができる。
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔１ 第１実施形態〕
〔１．１ システムの全体構成について〕
図１は、第１実施形態に係るセンサシステムの全体構成を示す図である。図中、センサシステム１は、センサシート２と、静電容量検出装置３とを備えている。
センサシート２は、面状に形成されたエラストマー製の誘電層と、誘電層を挟むように当該誘電層の表裏面に形成されている一対の電極層と備えており、面状に形成された容量素子を構成している。
このセンサシート２は、当該センサシート２の表裏面に平行な方向（面方向）に沿って変形（伸縮）可能に形成されている。センサシート２は、面方向に変形する際、誘電層の面方向の変形に追従して電極層の面積に変化が生じる。このため、センサシート２の静電容量は、当該センサシート２の変形に応じて変化する。
センサシート２は、その静電容量が当該センサシート２の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付けられて、その可動部分の可動状態を把握するために用いられる。
〔１ 第１実施形態〕
〔１．１ システムの全体構成について〕
図１は、第１実施形態に係るセンサシステムの全体構成を示す図である。図中、センサシステム１は、センサシート２と、静電容量検出装置３とを備えている。
センサシート２は、面状に形成されたエラストマー製の誘電層と、誘電層を挟むように当該誘電層の表裏面に形成されている一対の電極層と備えており、面状に形成された容量素子を構成している。
このセンサシート２は、当該センサシート２の表裏面に平行な方向（面方向）に沿って変形（伸縮）可能に形成されている。センサシート２は、面方向に変形する際、誘電層の面方向の変形に追従して電極層の面積に変化が生じる。このため、センサシート２の静電容量は、当該センサシート２の変形に応じて変化する。
センサシート２は、その静電容量が当該センサシート２の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付けられて、その可動部分の可動状態を把握するために用いられる。
センサシート２は、測定対象物の可動部分に、当該可動部分の可動に応じて変形するように取り付けられる。センサシート２は、可動部分が可動すると、それに応じて自身も変形し、その変形に応じて静電容量が変化する。
よって、センサシート２が取り付けられた状態で可動部分を可動させ、可動部分の状態と、センサシート２の静電容量との相関関係を予め把握しておけば、センサシート２の静電容量に基づいて測定対象物の可動状態を把握することができる。
このように、センサシート２は、当該測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を静電容量として出力するように構成されている。つまり、このセンサシート２は、測定対象物等、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。
よって、センサシート２が取り付けられた状態で可動部分を可動させ、可動部分の状態と、センサシート２の静電容量との相関関係を予め把握しておけば、センサシート２の静電容量に基づいて測定対象物の可動状態を把握することができる。
このように、センサシート２は、当該測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を静電容量として出力するように構成されている。つまり、このセンサシート２は、測定対象物等、外部からの入力に応じて静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。
静電容量検出装置３は、センサシート２の静電容量を検出する機能を有している。静電容量検出装置３は、センサシート２の一方側の電極層に所定周期のキャリア電圧を印加し、このキャリア電圧に応じてセンサシート２の他方側の電極層から出力されるセンサ出力信号を検出する。
静電容量検出装置３は、検出したセンサシート２のセンサ出力信号に対して、各種信号処理を施すことによって、検出したセンサシート２の静電容量の変化を表す検出結果信号を出力する。
静電容量検出装置３は、上記検出結果信号を当該静電容量検出装置３に接続された情報処理装置４に与える。
静電容量検出装置３は、検出したセンサシート２のセンサ出力信号に対して、各種信号処理を施すことによって、検出したセンサシート２の静電容量の変化を表す検出結果信号を出力する。
静電容量検出装置３は、上記検出結果信号を当該静電容量検出装置３に接続された情報処理装置４に与える。
情報処理装置４は、静電容量検出装置３から与えられた検出結果信号に基づいて、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。
〔１．２ センサシートの構成について〕
図２（ａ）は、センサシート２の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサシート２は、シート状の誘電層１１と、誘電層１１の表面（おもて面：図２中、上側）に形成された表側電極層１２Ａと、誘電層１１の裏面（図２中、下側）に形成された裏側電極層１２Ｂと、一端が表側電極層１２Ａに連結された表側配線１３Ａと、一端が裏側電極層１２Ｂに連結された裏側配線１３Ｂと、表側配線１３Ａの他端に取り付けられた表側接続端子１４Ａと、裏側配線１３Ｂの他端に取り付けられた裏側接続端子１４Ｂと、誘電層１１の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂと、裏側保護層１５Ｂに積層された粘着層１８を備える。
図２（ａ）は、センサシート２の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサシート２は、シート状の誘電層１１と、誘電層１１の表面（おもて面：図２中、上側）に形成された表側電極層１２Ａと、誘電層１１の裏面（図２中、下側）に形成された裏側電極層１２Ｂと、一端が表側電極層１２Ａに連結された表側配線１３Ａと、一端が裏側電極層１２Ｂに連結された裏側配線１３Ｂと、表側配線１３Ａの他端に取り付けられた表側接続端子１４Ａと、裏側配線１３Ｂの他端に取り付けられた裏側接続端子１４Ｂと、誘電層１１の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂと、裏側保護層１５Ｂに積層された粘着層１８を備える。
誘電層１１は、エラストマー製のシート状物であり、例えば、その厚みは、例えば、１０〜１０００μｍに設定されている。誘電層１１は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの間に介在しており、容量素子における誘電体としての機能を有している。
誘電層１１は、エラストマーと他の任意成分とを含むエラストマー組成物を用いて形成されており、その表裏面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
上記エラストマーとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられ、これらのなかではウレタンゴムやシリコーンゴムが好ましく、ウレタンゴムがより好ましい。
誘電層１１は、エラストマーと他の任意成分とを含むエラストマー組成物を用いて形成されており、その表裏面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
上記エラストマーとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられ、これらのなかではウレタンゴムやシリコーンゴムが好ましく、ウレタンゴムがより好ましい。
両電極層１２Ａ、１２Ｂは、導電材料を含有する導電組成物からなる。両電極層１２Ａ、１２Ｂは、互いに同一組成の導電性組成物から構成されていてもよいし、互いに異なる組成の導電性組成物から構成されていてもよい。
表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層１１を挟んで表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは全体が対向している。センサシート２は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの対向した部分が容量素子として機能する。
なお、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。
表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層１１を挟んで表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは全体が対向している。センサシート２は、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの対向した部分が容量素子として機能する。
なお、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。
上記導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、導電性カーボンブラック、グラファイト、金属ナノワイヤー、金属ナノ粒子、導電性高分子等を単独で用いても良いし、２種以上併用してもよい。上記導電材料としては、カーボンナノチューブが好ましい。導電性及び伸縮性に優れた電極層を形成するのに適しているからである。
上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ等の導電材料以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。
上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ等の導電材料以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。
なお、両電極層１２Ａ、１２Ｂと、両接続端子１４Ａ、１４Ｂとを接続している両配線１３Ａ、１３Ｂも、両電極層１２Ａ、１２Ｂと同様の導電性組成物から構成されている。
表側配線１３Ａを介して表側電極層１２Ａに接続されている表側接続端子１４Ａは、例えば、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
また、裏側配線１３Ｂを介して裏側電極層１２Ｂに接続されている裏側接続端子１４Ｂも、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
センサシート２は、表側接続端子１４Ａによって静電容量検出装置３から与えられるキャリア電圧を受け付け、裏側接続端子１４Ｂからキャリア電圧に応じたセンサ出力信号を出力する。
また、裏側配線１３Ｂを介して裏側電極層１２Ｂに接続されている裏側接続端子１４Ｂも、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、静電容量検出装置３から延びる接続線が接続される。
センサシート２は、表側接続端子１４Ａによって静電容量検出装置３から与えられるキャリア電圧を受け付け、裏側接続端子１４Ｂからキャリア電圧に応じたセンサ出力信号を出力する。
両保護層１５Ａ、１５Ｂは、電極層１２Ａ、１２Ｂ等を電気的に絶縁し外部環境から保護するために設けられている。また、両保護層１５Ａ、１５Ｂは、センサシート２全体としての強度や耐久性を高める補強部材としての機能も有している。
この保護層１５Ａ、１５Ｂの材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択することができる。保護層１５Ａ、１５Ｂの材質の具体例としては、誘電層１１の材質と同様のエラストマー組成物等が挙げられる。
この保護層１５Ａ、１５Ｂの材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択することができる。保護層１５Ａ、１５Ｂの材質の具体例としては、誘電層１１の材質と同様のエラストマー組成物等が挙げられる。
粘着層１８は、センサシート２を測定対象物に貼り付けるために設けられた層であり、測定対象物の可動部分表面に貼り付けられたときに、可動部分の動作に応じて変形可能な程度に貼り付くことができる程度の粘着力を有している。
センサシート２は、誘電層１１がエラストマー製のため、上述のように、面方向に変形（伸縮）可能である。誘電層１１が面方向に変形した際には、その変形に追従して表側電極層１２Ａ及び裏側電極層１２Ｂ、並びに、表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂが変形する。
そして、センサシート２の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層１１の変形量と相関をもって変化する。よって、静電容量の変化を検出することで、センサシート２の変形状態を把握することができる。
そして、センサシート２の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層１１の変形量と相関をもって変化する。よって、静電容量の変化を検出することで、センサシート２の変形状態を把握することができる。
〔１．３ 静電容量検出装置３の構成について〕
図３は、静電容量検出装置３の構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、静電容量検出装置３は、センサシート２に所定周期でキャリア電圧を印加するための電圧供給部２０を備えている。
電圧供給部２０は、矩形波生成部２１と、第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）部２２とを備えている。
矩形波生成部２１は、所定周期の矩形波を生成する機能を有している。矩形波生成部２１は、生成した矩形波にバイアス電圧を与えて０Ｖを中心に振幅する波形に変換する。矩形波生成部２１は、変換した矩形波を第１ローパスフィルタ部２２に与える。
第１ローパスフィルタ部２２は、所定の遮断周波数よりも低い周波数帯域の信号を通過させることで、与えられた矩形波を正弦波に近似した信号波に変換する機能を有している。つまり、矩形波生成部２１が生成する矩形波は、第１ローパスフィルタ部２２を通過することで、正弦波に近似した信号波に変換される。
図３は、静電容量検出装置３の構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、静電容量検出装置３は、センサシート２に所定周期でキャリア電圧を印加するための電圧供給部２０を備えている。
電圧供給部２０は、矩形波生成部２１と、第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）部２２とを備えている。
矩形波生成部２１は、所定周期の矩形波を生成する機能を有している。矩形波生成部２１は、生成した矩形波にバイアス電圧を与えて０Ｖを中心に振幅する波形に変換する。矩形波生成部２１は、変換した矩形波を第１ローパスフィルタ部２２に与える。
第１ローパスフィルタ部２２は、所定の遮断周波数よりも低い周波数帯域の信号を通過させることで、与えられた矩形波を正弦波に近似した信号波に変換する機能を有している。つまり、矩形波生成部２１が生成する矩形波は、第１ローパスフィルタ部２２を通過することで、正弦波に近似した信号波に変換される。
なお、本実施形態の静電容量検出装置３が装置全体として、所定のバイアス電圧を与えることによって所定の中間基準電圧で動作するように構成した場合には、電圧供給部２０は、振幅中心が中間基準電圧となる波形を有する信号波を生成する。
電圧供給部２０は、第１ローパスフィルタ部２２によって変換された正弦波に近似した信号波をキャリア電圧としてセンサシート２に印加する。
第１ローパスフィルタ部２２は、接続線２３を介してセンサシート２の表側接続端子１４Ａ（図２参照）に接続されている。よって、キャリア電圧は、接続線２３を通じてセンサシート２に印加される。
第１ローパスフィルタ部２２は、接続線２３を介してセンサシート２の表側接続端子１４Ａ（図２参照）に接続されている。よって、キャリア電圧は、接続線２３を通じてセンサシート２に印加される。
正弦波に近似した信号波であるキャリア電圧の振幅電圧Ｖ０、及び周波数ｆ０は、センサシート２の静電容量等に応じて予め設定した値とされている。
矩形波生成部２１が生成する矩形波の波形や、第１ローパスフィルタ部２２の特性は、振幅電圧Ｖ０、周波数ｆ０が予め設定された値とされたキャリア電圧が得られるように設定されている。
矩形波生成部２１が生成する矩形波の波形や、第１ローパスフィルタ部２２の特性は、振幅電圧Ｖ０、周波数ｆ０が予め設定された値とされたキャリア電圧が得られるように設定されている。
このようにして、電圧供給部２０は、所定周期のキャリア電圧を生成し、生成したキャリア電圧をセンサシート２に印加する。
センサシート２の裏側接続端子１４Ｂ（図２参照）は、接続線２４を介して静電容量検出装置３の変換部２５に接続されている。
センサシート２は、電圧供給部２０からのキャリア電圧の印加に応じてセンサ出力信号を変換部２５に与える。
変換部２５は、キャリア電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する機能を有している。
センサシート２は、電圧供給部２０からのキャリア電圧の印加に応じてセンサ出力信号を変換部２５に与える。
変換部２５は、キャリア電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する機能を有している。
図４は、変換部２５の構成例を示す図である。図４に示すように、変換部２５は、オペアンプ２５ａと、抵抗素子２５ｂとを備えている。なお、図４では、変換部２５の他に、センサシート２及び電圧供給部２０も示している。
オペアンプ２５ａの反転入力端子には、センサシート２が接続されている。また、オペアンプ２５ａの非反転入力端子は接地されている。
抵抗素子２５ｂは、オペアンプ２５ａの出力端子と反転入力端子との間に接続されており、帰還抵抗としての機能を有している。
オペアンプ２５ａは、抵抗素子２５ｂに流れる電流とセンサシート２に流れる電流とが等しくなるように調整する。
抵抗素子２５ｂは、オペアンプ２５ａの出力端子と反転入力端子との間に接続されており、帰還抵抗としての機能を有している。
オペアンプ２５ａは、抵抗素子２５ｂに流れる電流とセンサシート２に流れる電流とが等しくなるように調整する。
ここで、キャリア電圧を下記式（１）とした場合、センサシート２に流れる電流Ｉは、下記式（２）で表される。
キャリア電圧ＶＣ ＝ Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ） ・・・（１）
電流Ｉ ＝ ｊ２πｆ０ＣＶ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ） ・・・（２）
キャリア電圧ＶＣ ＝ Ｖ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ） ・・・（１）
電流Ｉ ＝ ｊ２πｆ０ＣＶ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ） ・・・（２）
なお、上記式（１）中、Ｖ０はキャリア電圧の振幅電圧、ｆ０はキャリア電圧の周波数、ｔは時間を示す。また、上記式（２）中、ｊは虚数、Ｃはセンサシート２の静電容量を示す。
上述のように、オペアンプ２５ａは、抵抗素子２５ｂに流れる電流とセンサシート２に流れる電流とが等しくなるように調整されるので、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、下記式（３）で表される。
出力電圧Ｖｏｕｔ ＝ ｊ２πｆ０ＣＲＶ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ）
・・・（３）
上述のように、オペアンプ２５ａは、抵抗素子２５ｂに流れる電流とセンサシート２に流れる電流とが等しくなるように調整されるので、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、下記式（３）で表される。
出力電圧Ｖｏｕｔ ＝ ｊ２πｆ０ＣＲＶ０ｓｉｎ（２πｆ０ｔ）
・・・（３）
なお、上記式（３）中、Ｒは、抵抗素子２５ｂの抵抗値を示す。
上記式（３）に示すように、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅は、センサシート２の静電容量Ｃに比例する。よって、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅からセンサシート２の静電容量Ｃの変化を求めることができる。また、キャリア電圧の振幅電圧Ｖ０と、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔとの比からセンサシート２の静電容量Ｃを求めることもできる。
上記式（３）に示すように、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅は、センサシート２の静電容量Ｃに比例する。よって、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅からセンサシート２の静電容量Ｃの変化を求めることができる。また、キャリア電圧の振幅電圧Ｖ０と、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔとの比からセンサシート２の静電容量Ｃを求めることもできる。
以上のように、変換部２５は、センサシート２から出力されるセンサ出力信号としての電流Ｉを電圧信号としての出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。上記式（２）、（３）に示すように、センサ出力信号としての電流Ｉ及び出力電圧Ｖｏｕｔは、センサシート２の静電容量Ｃを示す情報を振幅として有している。
図５（ａ）は、キャリア電圧の一例を示す図である。図５（ａ）中、縦軸は電圧、横軸は時間（ｔ）を示している。
図５（ａ）に示すように、キャリア電圧ＶＣは、振幅電圧がＶ０で一定とされた信号波として出力される。なお、キャリア電圧ＶＣは、上述したように正弦波に近似した信号波として生成される。
本実施形態において、キャリア電圧の周波数ｆ０は、例えば、５ｋＨｚに設定される。
図５（ａ）に示すように、キャリア電圧ＶＣは、振幅電圧がＶ０で一定とされた信号波として出力される。なお、キャリア電圧ＶＣは、上述したように正弦波に近似した信号波として生成される。
本実施形態において、キャリア電圧の周波数ｆ０は、例えば、５ｋＨｚに設定される。
図５（ｂ）は、図５（ａ）のキャリア電圧の印加によってセンサシート２から出力されるセンサ出力信号が変換部２５によって変換されたときの出力の一例を示す図である。
なお、図５（ｂ）は、センサシート２を変形させ当該センサシート２の静電容量を経時的に変化させたときにおけるセンサ出力信号の例を示している。
なお、図５（ｂ）は、センサシート２を変形させ当該センサシート２の静電容量を経時的に変化させたときにおけるセンサ出力信号の例を示している。
変換部２５によって出力電圧Ｖｏｕｔに変換されたセンサ出力信号は、図５（ｂ）に示すように、センサシート２の静電容量が経時的に変化することで、振幅電圧が経時的に変動している。
上述したように、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅は、センサシート２の静電容量Ｃに比例するため、センサシート２の静電容量Ｃの変化が出力電圧Ｖｏｕｔの振幅に表れている。
つまり、図５（ｂ）に示すセンサ出力信号の包絡線Ｅがセンサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。
なお、キャリア電圧の周波数が５ｋＨｚに設定されていることより、変換部２５によって変換された後のセンサ出力信号は、キャリア電圧の周波数ｆ０と同じ５ｋＨｚの周波数成分と、センサシート２の静電容量Ｃの変化を示す成分を含んでいる。センサ出力信号に含まれている静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数は、下記式（４）のように表すことができる。
センサ出力信号に含まれている静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数 ＝
ｆ０ ± ｆｅ ・・・（４）
なお、式（４）中、ｆｅは、キャリア電圧によって変調されていない状態での静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数である。
上述したように、オペアンプ２５ａの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅は、センサシート２の静電容量Ｃに比例するため、センサシート２の静電容量Ｃの変化が出力電圧Ｖｏｕｔの振幅に表れている。
つまり、図５（ｂ）に示すセンサ出力信号の包絡線Ｅがセンサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。
なお、キャリア電圧の周波数が５ｋＨｚに設定されていることより、変換部２５によって変換された後のセンサ出力信号は、キャリア電圧の周波数ｆ０と同じ５ｋＨｚの周波数成分と、センサシート２の静電容量Ｃの変化を示す成分を含んでいる。センサ出力信号に含まれている静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数は、下記式（４）のように表すことができる。
センサ出力信号に含まれている静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数 ＝
ｆ０ ± ｆｅ ・・・（４）
なお、式（４）中、ｆｅは、キャリア電圧によって変調されていない状態での静電容量Ｃの変化を示す成分の周波数である。
以上のように、変換部２５は、キャリア電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号である出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。
図３に戻って、変換部２５は、電圧信号である出力電圧Ｖｏｕｔに変換したセンサ出力信号を当該変換部２５の後段に接続されているフィルタ部２６に与える。
フィルタ部２６は、ハイパスフィルタ（Ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）によって構成されている。フィルタ部２６は、予め設定された遮断周波数より高い周波数帯域の信号成分の通過を許容することで、センサ出力信号を通過させる機能を有している。また、フィルタ部２６は、前記遮断周波数よりも低い周波数帯域に存在するノイズ成分の通過を制限し除去する機能を有している。本実施形態のフィルタ部２６は、オペアンプを用いた３次のハイパスフィルタを用いて構成されている。
図６（ａ）は、変換部２５から出力されるセンサ出力信号の一例を示す図である。
図６（ａ）に示すセンサ出力信号は、例えば、図５（ｂ）のセンサ出力信号と比較して、振幅の中心が時間軸方向に沿って緩やかに変動している。つまり、図６（ａ）に示すセンサ出力信号には、当該センサ出力信号の周波数よりも低い周波数の低周波ノイズが加わっている。
また図６（ａ）に示すセンサ出力信号には、高周波ノイズも加わっている。
つまり、フィルタ部２６には、ノイズ成分が加わっているセンサ出力信号が与えられる。
図６（ａ）に示すセンサ出力信号は、例えば、図５（ｂ）のセンサ出力信号と比較して、振幅の中心が時間軸方向に沿って緩やかに変動している。つまり、図６（ａ）に示すセンサ出力信号には、当該センサ出力信号の周波数よりも低い周波数の低周波ノイズが加わっている。
また図６（ａ）に示すセンサ出力信号には、高周波ノイズも加わっている。
つまり、フィルタ部２６には、ノイズ成分が加わっているセンサ出力信号が与えられる。
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すセンサ出力信号に加わっているノイズ成分のみを示した図である。
図６（ｂ）中、低周波ノイズは、主な成分として、センサシート２の周囲の環境に起因して生じる環境ノイズを含んでいる。
本実施形態の環境ノイズは、例えば、センサシート２の周囲に設置された電気製品や、自システムが有する直流電源等が発する電磁波の影響によって生じるノイズである。周囲の電気製品や直流電源等に起因する環境ノイズは、センサシート２等を介してセンサ出力信号に加わる。
このような電気製品等が発するノイズには、商用電源の周波数成分が含まれている。さらに、直流電源が備えるコンバータ等が発するノイズには、商用電源から得た交流を整流する際に生じるリップルに起因するノイズ成分や、スイッチングによるノイズ成分が含まれている。このような、交流を整流する際に生じるノイズには、商用電源の周波数の２倍の周波数成分が含まれている。よって、環境ノイズの周波数は、５０〜１２０Ｈｚとなっている。
図６（ｂ）中、低周波ノイズは、主な成分として、センサシート２の周囲の環境に起因して生じる環境ノイズを含んでいる。
本実施形態の環境ノイズは、例えば、センサシート２の周囲に設置された電気製品や、自システムが有する直流電源等が発する電磁波の影響によって生じるノイズである。周囲の電気製品や直流電源等に起因する環境ノイズは、センサシート２等を介してセンサ出力信号に加わる。
このような電気製品等が発するノイズには、商用電源の周波数成分が含まれている。さらに、直流電源が備えるコンバータ等が発するノイズには、商用電源から得た交流を整流する際に生じるリップルに起因するノイズ成分や、スイッチングによるノイズ成分が含まれている。このような、交流を整流する際に生じるノイズには、商用電源の周波数の２倍の周波数成分が含まれている。よって、環境ノイズの周波数は、５０〜１２０Ｈｚとなっている。
図６（ｂ）中、高周波ノイズは、スパイク状に表れており、キャリア電圧の周波数ｆ０よりも高い周波数のノイズとしてセンサ出力信号に加わっている。このような高周波ノイズは、静電容量検出装置３が有する各構成要素に起因して発生したり、外部から混入したりすることによって、センサ出力信号に加わっている。
ここで、フィルタ部２６の遮断周波数ｆＣ１は、環境ノイズの周波数である５０〜１２０Ｈｚよりも高く、かつキャリア電圧の周波数ｆ０よりも低く設定されている。より詳細には、キャリア電圧の周波数ｆ０から、センサシート２の静電容量Ｃの変化を示す成分として取得したい周波数を減算した周波数をｆｇとすると、フィルタ部２６の遮断周波数ｆＣ１は、周波数ｆｇよりも低く設定されている。より具体的に、フィルタ部２６の遮断周波数ｆＣ１は、３ｋＨｚに設定されている。
よって、上記ノイズが加わったセンサ出力信号が、変換部２５からフィルタ部２６に与えられると、フィルタ部２６は、キャリア電圧の周波数ｆ０周辺の周波数帯域に存在するセンサ出力信号については通過を許容し、周波数が５０〜１２０Ｈｚの環境ノイズを主成分として含む低周波ノイズについては通過を阻止する。
よって、フィルタ部２６を通過した後のセンサ出力信号からは、低周波ノイズが除去される。
よって、上記ノイズが加わったセンサ出力信号が、変換部２５からフィルタ部２６に与えられると、フィルタ部２６は、キャリア電圧の周波数ｆ０周辺の周波数帯域に存在するセンサ出力信号については通過を許容し、周波数が５０〜１２０Ｈｚの環境ノイズを主成分として含む低周波ノイズについては通過を阻止する。
よって、フィルタ部２６を通過した後のセンサ出力信号からは、低周波ノイズが除去される。
図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すセンサ出力信号をフィルタ部２６に与えたときの当該フィルタ部２６からの出力を示す図である。
図６（ｃ）に示すセンサ出力信号は、振幅の中心が０Ｖ近傍でほぼ一定の状態で振幅電圧が経時的に変動しており、低周波ノイズが除去されている。
一方、フィルタ部２６の遮断周波数よりも高い周波数である高周波ノイズについては、除去されず、センサ出力信号に加わったままである。
図６（ｃ）に示すセンサ出力信号は、振幅の中心が０Ｖ近傍でほぼ一定の状態で振幅電圧が経時的に変動しており、低周波ノイズが除去されている。
一方、フィルタ部２６の遮断周波数よりも高い周波数である高周波ノイズについては、除去されず、センサ出力信号に加わったままである。
図３に戻って、フィルタ部２６は、ノイズが加わっているセンサ出力信号が変換部２５から与えられると、上述のように、低周波ノイズを除去した後のセンサ出力信号を当該フィルタ部２６の後段に接続されている整流部２７に与える。
整流部２７は、オペアンプを用いた半波整流回路によって構成されており、フィルタ部２６から与えられるセンサ出力信号を半波整流する。
さらに、整流部２７の後段には、第２ローパスフィルタ部２８が接続されている。
第２ローパスフィルタ部２８は、予め設定された遮断周波数より低い周波数帯域の信号を通過させることで、半波整流後のセンサ出力信号に含まれる成分である、静電容量を示す成分の通過を許容する。また、第２ローパスフィルタ部２８は、キャリア電圧の周波数成分及び高周波ノイズを除去する機能を有している。本実施形態の第２ローパスフィルタ部２８は、オペアンプを用いた３次のローパスフィルタを用いて構成されている。
さらに、整流部２７の後段には、第２ローパスフィルタ部２８が接続されている。
第２ローパスフィルタ部２８は、予め設定された遮断周波数より低い周波数帯域の信号を通過させることで、半波整流後のセンサ出力信号に含まれる成分である、静電容量を示す成分の通過を許容する。また、第２ローパスフィルタ部２８は、キャリア電圧の周波数成分及び高周波ノイズを除去する機能を有している。本実施形態の第２ローパスフィルタ部２８は、オペアンプを用いた３次のローパスフィルタを用いて構成されている。
図７（ａ）は、図６（ｃ）に示すセンサ出力信号を整流部２７に与えたときの出力を示す図である。図７（ａ）に示すように、整流部２７は、フィルタ部２６から与えられるセンサ出力信号を半波整流し出力する。
この図７（ａ）に示す半波整流されたセンサ出力信号には、上述の高周波ノイズが加わっている。
よって、整流部２７は、高周波ノイズが加わっている、半波整流されたセンサ出力信号を第２ローパスフィルタ部２８に与える。
この図７（ａ）に示す半波整流されたセンサ出力信号には、上述の高周波ノイズが加わっている。
よって、整流部２７は、高周波ノイズが加わっている、半波整流されたセンサ出力信号を第２ローパスフィルタ部２８に与える。
第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２は、高周波ノイズやキャリア電圧の周波数ｆ０よりも低く設定されている。つまり、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２は、静電容量を示す成分を残しつつ、キャリア電圧の周波数成分及び高周波ノイズを除去しうる値に設定されている。
よって、高周波ノイズが加わっている、半波整流されたセンサ出力信号が第２ローパスフィルタ部２８に与えられると、第２ローパスフィルタ部２８は、静電容量を示す成分については通過を許容し、高周波ノイズや、残存すると静電容量を示す成分に対してリップルを生じさせるキャリア電圧の周波数成分の通過を阻止する。
これによって、第２ローパスフィルタ部２８を通過した後の信号波からは、高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分が除去される。
よって、高周波ノイズが加わっている、半波整流されたセンサ出力信号が第２ローパスフィルタ部２８に与えられると、第２ローパスフィルタ部２８は、静電容量を示す成分については通過を許容し、高周波ノイズや、残存すると静電容量を示す成分に対してリップルを生じさせるキャリア電圧の周波数成分の通過を阻止する。
これによって、第２ローパスフィルタ部２８を通過した後の信号波からは、高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分が除去される。
なお、図７（ａ）に示す半波整流されたセンサ出力信号は、フィルタ部２６によって低周波ノイズが除去されている。よって、第２ローパスフィルタ部２８では、この低周波ノイズの通過を制限することについて考慮する必要がない。このため、本実施形態の第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２は、低周波ノイズ（環境ノイズ）の周波数である５０〜１２０Ｈｚよりも高く設定されている。
このため、上記従来例のように、所定周波数である商用電源の周波数のノイズを除去するために整流器後段のローパスフィルタの遮断周波数を商用電源の周波数よりも低く設定し当該ノイズの通過を制限する場合と比較して、本実施形態では、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２をより高く設定することができる。この結果、センサシート２の静電容量Ｃの変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制できる。
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すセンサ出力信号を第２ローパスフィルタ部２８に与えたときに当該第２ローパスフィルタ部２８から出力される信号波を示す図である。
図７（ｂ）中、線図Ｆは、第２ローパスフィルタ部２８から出力される信号波を示している。
線図Ｆは、図７（ａ）に示すセンサ出力信号から高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分が除去されることで、図７（ａ）のセンサ出力信号の包絡線を表している。
上述したように、センサ出力信号は、その振幅によってセンサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。よって、この図７（ｂ）中の線図Ｆは、センサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。
図７（ｂ）中、線図Ｆは、第２ローパスフィルタ部２８から出力される信号波を示している。
線図Ｆは、図７（ａ）に示すセンサ出力信号から高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分が除去されることで、図７（ａ）のセンサ出力信号の包絡線を表している。
上述したように、センサ出力信号は、その振幅によってセンサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。よって、この図７（ｂ）中の線図Ｆは、センサシート２の静電容量Ｃの変化を表している。
図３に戻って、第２ローパスフィルタ部２８は、半波整流されたセンサ出力信号が整流部２７から与えられると、図７（ｂ）に示すセンサシート２の静電容量Ｃの変化を表す信号波を検出結果信号として当該第２ローパスフィルタ部２８の後段に接続されている出力部２９に与える。
出力部２９は、第２ローパスフィルタ部２８から与えられる検出結果信号に対して増幅やゲインの調整といった信号処理を行い、信号処理がなされた検出結果信号を情報処理装置４へ与える。
情報処理装置４は、例えば、コンピュータ等によって構成されており、与えられた検出結果信号に対して処理を行い、センサシート２の静電容量Ｃの値を求めたり、測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を生成し、検出結果に関する結果情報を生成する。
情報処理装置４は、生成した結果情報を当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。
情報処理装置４は、生成した結果情報を当該情報処理装置４の操作者に向けて出力する。
なお、本実施形態では、第２ローパスフィルタ部２８が、検出結果信号を出力部２９に与える場合を示したが、第２ローパスフィルタ部２８と、出力部２９との間に、検出結果信号を増幅する増幅器と、不完全微分回路とを設けてもよい。
この場合、増幅器は、検出結果信号を増幅することで、微小な変化の検出が可能となる。また、不完全微分回路は、増幅した検出結果信号のレベルに電圧オフセットを合わせるように動作する。
この場合、増幅器は、検出結果信号を増幅することで、微小な変化の検出が可能となる。また、不完全微分回路は、増幅した検出結果信号のレベルに電圧オフセットを合わせるように動作する。
〔１．４ 効果について〕
本実施形態の静電容量検出装置３は、静電容量型センサであるセンサシート２に所定周期のキャリア電圧を印加する電圧供給部２０と、キャリア電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する変換部２５と、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部２７と、整流部２７によって整流されたセンサ出力信号に含まれるキャリア電圧の周波数成分を除去する第２ローパスフィルタ部２８と、変換部２５と整流部２７との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部２６と、を備え、フィルタ部２６は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限である遮断周波数ｆＣ１が、センサシート２の周囲の環境ノイズの周波数である商用電源の周波数よりも高く設定され、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２は、商用電源の周波数よりも高く設定されている。
本実施形態の静電容量検出装置３は、静電容量型センサであるセンサシート２に所定周期のキャリア電圧を印加する電圧供給部２０と、キャリア電圧の印加に応じてセンサシート２から出力される電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換する変換部２５と、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部２７と、整流部２７によって整流されたセンサ出力信号に含まれるキャリア電圧の周波数成分を除去する第２ローパスフィルタ部２８と、変換部２５と整流部２７との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部２６と、を備え、フィルタ部２６は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限である遮断周波数ｆＣ１が、センサシート２の周囲の環境ノイズの周波数である商用電源の周波数よりも高く設定され、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２は、商用電源の周波数よりも高く設定されている。
上記のように構成された静電容量検出装置３によれば、変換部２５と整流部２７との間に接続され、遮断周波数ｆＣ１が商用電源の周波数よりも高く設定されたフィルタ部２６を備えているので、センサ出力信号に商用電源の周波数のノイズが加わったとしても、フィルタ部２６によって当該ノイズを除去することができる。
また、整流部２７後段の第２ローパスフィルタ部２８においては、商用電源の周波数のノイズがフィルタ部２６によって除去されているので、商用電源の周波数のノイズを除去する必要がない。従って、当該第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２を、商用電源の周波数よりも高く設定することができる。この結果、上記従来例と比較して、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２をより高く設定することができる。従って、センサシート２の静電容量Ｃの変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
また、第２ローパスフィルタ部２８によって、高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分を除去することができる。
以上のように、本実施形態の静電容量検出装置３によれば、センサシート２の静電容量Ｃの変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該センサシート２のセンサ出力信号に含まれている商用電源等に起因する環境ノイズを除去することができる。これに加えて、高周波ノイズも除去することができる。
また、整流部２７後段の第２ローパスフィルタ部２８においては、商用電源の周波数のノイズがフィルタ部２６によって除去されているので、商用電源の周波数のノイズを除去する必要がない。従って、当該第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２を、商用電源の周波数よりも高く設定することができる。この結果、上記従来例と比較して、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数ｆＣ２をより高く設定することができる。従って、センサシート２の静電容量Ｃの変化に対するセンサ出力信号の応答性が低下するのを抑制することができる。
また、第２ローパスフィルタ部２８によって、高周波ノイズ及びキャリア電圧の周波数成分を除去することができる。
以上のように、本実施形態の静電容量検出装置３によれば、センサシート２の静電容量Ｃの変化に対する応答性の低下を抑制しつつ、当該センサシート２のセンサ出力信号に含まれている商用電源等に起因する環境ノイズを除去することができる。これに加えて、高周波ノイズも除去することができる。
〔２ 第２実施形態〕
図８は、第２実施形態に係るセンサシステムのブロック図である。図中、本実施形態のセンサシステム４０は、試料５０の表面に光を照射する照射装置４１と、光検出装置４２とを備えている。光検出装置４２の後段には、情報処理装置が接続されている。情報処理装置は、光検出装置４２が出力する検出結果信号を受け付け、試料５０の表面５０ａの変化の有無や、塵埃の付着の有無等、表面状態に関する結果情報を生成する。
図８は、第２実施形態に係るセンサシステムのブロック図である。図中、本実施形態のセンサシステム４０は、試料５０の表面に光を照射する照射装置４１と、光検出装置４２とを備えている。光検出装置４２の後段には、情報処理装置が接続されている。情報処理装置は、光検出装置４２が出力する検出結果信号を受け付け、試料５０の表面５０ａの変化の有無や、塵埃の付着の有無等、表面状態に関する結果情報を生成する。
照射装置４１は、試料５０の表面に照射する光源であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）４５と、このＬＥＤ４５を制御する点灯制御部４６とを備えている。
ＬＥＤ４５は、試料５０の表面に光を照射可能に設けられている。点灯制御部４６は、試料５０の表面に対して所定周期で点滅する点滅光が照射されるようにＬＥＤ４５を制御する。
ＬＥＤ４５は、試料５０の表面に光を照射可能に設けられている。点灯制御部４６は、試料５０の表面に対して所定周期で点滅する点滅光が照射されるようにＬＥＤ４５を制御する。
光検出装置４２は、照射装置４１が照射した光が試料５０の表面で反射した反射光を検出する装置であり、反射光を受光する受光部４７と、変換部２５と、フィルタ部２６と、整流部２７と、第２ローパスフィルタ部２８と、出力部２９とを備えている。
受光部４７は、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）によって構成されており、受光した反射光の受光強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を出力する。受光部４７は、後段の変換部２５に接続されており、センサ出力信号を変換部２５に与える。
受光部４７は、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）によって構成されており、受光した反射光の受光強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を出力する。受光部４７は、後段の変換部２５に接続されており、センサ出力信号を変換部２５に与える。
変換部２５、フィルタ部２６、整流部２７、第２ローパスフィルタ部２８、及び出力部２９は、上記第１実施形態と同様の構成である。
よって、各部は、反射光の受光強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換し、電圧信号に変換されたセンサ出力信号から反射光の受光強度の変化を検出し、受光強度の変化を表す信号波を検出結果信号として出力部２９の後段に接続されている情報処理装置に与える。
よって、各部は、反射光の受光強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を電圧信号に変換し、電圧信号に変換されたセンサ出力信号から反射光の受光強度の変化を検出し、受光強度の変化を表す信号波を検出結果信号として出力部２９の後段に接続されている情報処理装置に与える。
図９（ａ）は、ＬＥＤ４５と、受光部４７とを試料５０に設置したときの態様を示す図である。図９（ａ）中、一点鎖線は、光線を示している。
図９（ａ）において、ＬＥＤ４５は、点滅光の照射角度が試料５０の表面５０ａに対して平行に近い角度となるように設置されている。また、受光部４７は、試料５０の表面５０ａのＬＥＤ４５からの点滅光が照射されている照射範囲の直上に配置されている。
図９（ａ）において、ＬＥＤ４５は、点滅光の照射角度が試料５０の表面５０ａに対して平行に近い角度となるように設置されている。また、受光部４７は、試料５０の表面５０ａのＬＥＤ４５からの点滅光が照射されている照射範囲の直上に配置されている。
点滅光は、表面５０ａに対して平行に近い角度で照射されているため、点滅光が表面５０ａで反射する反射光も表面５０ａに対して平行に近い角度で反射する。
このため、例えば、図９（ａ）に示すように、表面５０ａ上に何も無ければ、受光部４７に向けて反射光が直接照射されることはない。
よって、この場合、受光部４７で受光される反射光の受光強度は低く表れる。
このため、例えば、図９（ａ）に示すように、表面５０ａ上に何も無ければ、受光部４７に向けて反射光が直接照射されることはない。
よって、この場合、受光部４７で受光される反射光の受光強度は低く表れる。
図９（ｂ）は、試料５０の表面５０ａに塵埃が付着しているときの態様を示す図である。
図９（ｂ）において、塵埃５５が表面５０ａに塵埃が存在している場合、点滅光は、塵埃に照射されるので、散乱光を生じさせる。
この散乱光は、反射光と異なり、周囲に散乱する。このため、受光部４７は、反射光の受光強度よりもより高い受光強度で散乱光を受光する。
つまり、表面５０ａに塵埃が無い場合では、光検出装置４２が検出する受光強度は相対的に低く、表面５０ａに塵埃が存在する場合では、光検出装置４２が検出する受光強度は相対的に高くなる。
本実施形態のセンサシステム４０は、このような受光強度の相違によって、試料５０の表面５０ａの変化の有無や、塵埃の付着の有無等、表面状態を検出する。
図９（ｂ）において、塵埃５５が表面５０ａに塵埃が存在している場合、点滅光は、塵埃に照射されるので、散乱光を生じさせる。
この散乱光は、反射光と異なり、周囲に散乱する。このため、受光部４７は、反射光の受光強度よりもより高い受光強度で散乱光を受光する。
つまり、表面５０ａに塵埃が無い場合では、光検出装置４２が検出する受光強度は相対的に低く、表面５０ａに塵埃が存在する場合では、光検出装置４２が検出する受光強度は相対的に高くなる。
本実施形態のセンサシステム４０は、このような受光強度の相違によって、試料５０の表面５０ａの変化の有無や、塵埃の付着の有無等、表面状態を検出する。
ここで、例えば、図９（ｂ）に示すように、センサシステム４０による表面状態の検出を蛍光灯６０による照明環境の下で行う場合、光検出装置４２の受光部４７は、蛍光灯６０の直接光や、反射光を受光してしまう。
これにより、受光部４７が出力するセンサ出力信号に、表面５０ａの表面状態を示す情報以外に照明からの光を受光することによるノイズが加わることがある。
このような、照明からの光に起因するノイズは、センサ周囲の環境に起因して生じる環境ノイズである。
これにより、受光部４７が出力するセンサ出力信号に、表面５０ａの表面状態を示す情報以外に照明からの光を受光することによるノイズが加わることがある。
このような、照明からの光に起因するノイズは、センサ周囲の環境に起因して生じる環境ノイズである。
蛍光灯は、商用電源の周波数（５０〜６０Ｈｚ）で点滅を繰り返しているものがあり、このような場合、受光部４７が出力するセンサ出力信号に加えられる環境ノイズの周波数は、５０〜６０Ｈｚとなる。
これに対して、本実施形態においても、変換部２５と整流部２７との間に接続され、遮断周波数ｆＣ１が商用電源の周波数よりも高く設定されたフィルタ部２６を備えているので、センサ出力信号に環境ノイズとして商用電源の周波数のノイズが加わったとしても、フィルタ部２６によって当該ノイズを除去することができる。
〔その他〕
本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、上記第１実施形態のセンサシステムでは、センサシート２を人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付け、その可動部分の可動状態を測定するように構成した場合を例示した。この場合の環境ノイズの周波数は、５０〜１２０Ｈｚとなる。
本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、上記第１実施形態のセンサシステムでは、センサシート２を人体の関節部分等、測定対象物の可動部分に取り付け、その可動部分の可動状態を測定するように構成した場合を例示した。この場合の環境ノイズの周波数は、５０〜１２０Ｈｚとなる。
一方、センサシステムの測定対象としては、人体の関節部分の動作といった比較的緩やかに変位するものだけではない。測定対象によっては、当該測定対象そのものの動作による変位以外に、測定対象そのものに起因して不要なノイズが与えられる場合がある。このような場合、環境ノイズは、上記第１実施形態において示したような商用電源の周波数に基づいて定まる周波数に限定されるものではない。
例えば、センサシステムによって、テニスラケットによる打球時のガットの伸縮変形動作を測定する場合、当該ガットは、ガット全体がラケット面として伸縮変形動作する以外に、ガットそのものが振動等によって変位が生じることがある。このようなガットそのものの振動の周波数は５ｋＨｚ程度となる。
このような、ガット全体の伸縮変形動作以外の変位は、ガット全体の伸縮変形動作とは関係が低く、ノイズとなってセンサ出力信号に表れる。
このような、ガット全体の伸縮変形動作以外の変位は、ガット全体の伸縮変形動作とは関係が低く、ノイズとなってセンサ出力信号に表れる。
よって、上記のように、センサシステムによってテニスラケットのガットの伸縮変形動作を測定する場合においては、環境ノイズの周波数を５ｋＨｚ未満とし、これに応じてフィルタ部２６や、第２ローパスフィルタ部２８の遮断周波数を設定する。
これにより、テニスラケットのガットの伸縮変形動作を測定する際における環境ノイズを除去することができる。
これにより、テニスラケットのガットの伸縮変形動作を測定する際における環境ノイズを除去することができる。
また、上記第１実施形態では、キャリア電圧の周波数を５ｋＨｚとした場合を例示したが、このキャリア電圧の周波数は、フィルタ部２６によって除去したいノイズの周波数よりも高い周波数に設定されていればよく、例えば、フィルタ部２６によって除去したいノイズの周波数の１０倍以上に設定することができる。
また、上記第１実施形態では、面状に形成されて面方向に伸縮変形する容量素子であるセンサシート２を静電容量型センサとして用いた場合を例示したが、例えば、可動側の電極と、固定側の電極とを備え、加速度等の外部からの入力によって可動側の電極が可動することで、両電極間の静電容量を変化させるように構成された静電容量型センサにも用いることができる。
また、上記第１実施形態では、正弦波に近似した信号波をキャリア電圧として用いたが、正弦波に近似せず、矩形波のままキャリア電圧として用いてもよい。但し、矩形波をキャリア電圧として用いた場合、センサシート２の出力が必要以上に大きくなり、変換部２５に過大な電流が流れるおそれが生じる。よって、キャリア電圧としては、正弦波、又は正弦波に近似した信号波であることが好ましい。
なお、センサ出力信号は、キャリア電圧の印加に応じて出力されるため、キャリア電圧に含まれるノイズ成分を含む場合がある。
このため、上記第１実施形態では、電圧供給部２０は、所定周期の矩形波を生成する矩形波生成部２１と、前記矩形波を正弦波に近似した信号波に変換するフィルタ部である第１ローパスフィルタ部２２とを備え、前記信号波をキャリア電圧としてセンサシート２に印加している。
これにより、キャリア電圧に含まれるノイズを低減することができるので、第２ローパスフィルタ部２８によるキャリア電圧の周波数成分の除去が容易となる。従って、センサ出力信号に含まれるノイズをより効果的に除去することができる。
なお、センサ出力信号は、キャリア電圧の印加に応じて出力されるため、キャリア電圧に含まれるノイズ成分を含む場合がある。
このため、上記第１実施形態では、電圧供給部２０は、所定周期の矩形波を生成する矩形波生成部２１と、前記矩形波を正弦波に近似した信号波に変換するフィルタ部である第１ローパスフィルタ部２２とを備え、前記信号波をキャリア電圧としてセンサシート２に印加している。
これにより、キャリア電圧に含まれるノイズを低減することができるので、第２ローパスフィルタ部２８によるキャリア電圧の周波数成分の除去が容易となる。従って、センサ出力信号に含まれるノイズをより効果的に除去することができる。
また、上記各実施形態では、フィルタ部２６にハイパスフィルタを用いた場合を示したが、ハイパスフィルタに代えてバンドパスフィルタを用いることもできる。この場合、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限である低域側の遮断周波数を環境ノイズの周波数よりも高く設定して用いる。
また、上記各実施形態では、フィルタ部２６に３次のハイパスフィルタを用いた場合を示したが、例えば、３次以外の１次や２次のハイパスフィルタを用いてもよい。
なお、２次以上のハイパスフィルタは、そのフィルタ特性が１次のハイパスフィルタと比較してより急峻な特性となるので、必要な周波数帯域の信号だけを通過させるように設定することがより容易となる。
また、フィルタ部２６と同様、第２ローパスフィルタ部２８についても上記実施形態では３次のローパスフィルタを用いた場合を示したが、３次以外の１次や２次のローパスフィルタを用いてもよい。２次以上のローパスフィルタは、そのフィルタ特性が１次のハイパスフィルタと比較してより急峻な特性となるので、この場合も必要な周波数帯域の信号だけを通過させるように設定することがより容易となる。
なお、２次以上のハイパスフィルタは、そのフィルタ特性が１次のハイパスフィルタと比較してより急峻な特性となるので、必要な周波数帯域の信号だけを通過させるように設定することがより容易となる。
また、フィルタ部２６と同様、第２ローパスフィルタ部２８についても上記実施形態では３次のローパスフィルタを用いた場合を示したが、３次以外の１次や２次のローパスフィルタを用いてもよい。２次以上のローパスフィルタは、そのフィルタ特性が１次のハイパスフィルタと比較してより急峻な特性となるので、この場合も必要な周波数帯域の信号だけを通過させるように設定することがより容易となる。
また、上記各実施形態では、整流部２７が半端整流する場合を示したが、整流部２７を全波整流するように構成してもよい。この場合、整流部２７が出力する整流されたセンサ出力信号の振幅を示す値が、半端整流した場合の２倍となる。このため、センサ出力信号に含まれる静電容量を示す成分が増加し、その後に第２ローパスフィルタ部２８においてキャリア電圧の周波数成分の除去が容易となる。
１ センサシステム
２ センサシート
３ 静電容量検出装置
４ 情報処理装置
１１ 誘電層
１２Ａ 表側電極層
１２Ｂ 裏側電極層
１３Ａ 表側配線
１３Ｂ 裏側配線
１４Ａ 表側接続端子
１４Ｂ 裏側接続端子
１５Ａ 表側保護層
１５Ｂ 裏側保護層
１８ 粘着層
２０ 電圧供給部
２１ 矩形波生成部
２２ 第１ローパスフィルタ部
２３ 接続線
２４ 接続線
２５ 変換部
２５ａ オペアンプ
２５ｂ 抵抗素子
２６ フィルタ部
２７ 整流部
２８ 第２ローパスフィルタ部
２９ 出力部
４０ センサシステム
４１ 照射装置
４２ 光検出装置
４６ 点灯制御部
４７ 受光部
５０ 試料
５０ａ 表面
５５ 塵埃
６０ 蛍光灯
２ センサシート
３ 静電容量検出装置
４ 情報処理装置
１１ 誘電層
１２Ａ 表側電極層
１２Ｂ 裏側電極層
１３Ａ 表側配線
１３Ｂ 裏側配線
１４Ａ 表側接続端子
１４Ｂ 裏側接続端子
１５Ａ 表側保護層
１５Ｂ 裏側保護層
１８ 粘着層
２０ 電圧供給部
２１ 矩形波生成部
２２ 第１ローパスフィルタ部
２３ 接続線
２４ 接続線
２５ 変換部
２５ａ オペアンプ
２５ｂ 抵抗素子
２６ フィルタ部
２７ 整流部
２８ 第２ローパスフィルタ部
２９ 出力部
４０ センサシステム
４１ 照射装置
４２ 光検出装置
４６ 点灯制御部
４７ 受光部
５０ 試料
５０ａ 表面
５５ 塵埃
６０ 蛍光灯
Claims (1)
- 試料の表面状態を検出する検出装置であって、
前記試料の表面に対して所定周期で点滅する点滅光を照射する照射部と、
前記点滅光が前記試料の表面で反射した反射光を検出する光検出部と、
前記光検出部が検出した前記反射光の変化に基づいて前記試料の表面状態を特定する処理部と、を備え、
前記光検出部は、
前記反射光を受光したときの光の強度に応じた電流信号であるセンサ出力信号を出力する受光部と、
前記センサ出力信号を電圧信号に変換する変換部と、
電圧信号に変換された前記センサ出力信号を整流する整流部と、
前記整流部によって整流されたセンサ出力信号に含まれる周波数成分であって前記所定周期で点滅する点滅光の反射光を検出することに起因する周波数成分を除去して前記処理部に与えるローパスフィルタ部と、
前記変換部と前記整流部との間に接続され、前記センサ出力信号を通過させるフィルタ部と、を備え、
前記フィルタ部は、信号成分の通過を許容する周波数帯域の下限が、前記光検出部周囲の環境ノイズの周波数よりも高く設定されるとともに前記所定周期で点滅する点滅光の反射光を検出することに起因する周波数よりも低く設定され、
前記ローパスフィルタ部の遮断周波数は、前記環境ノイズの周波数よりも高く設定されている
検出装置。
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