JP7170150B2 - 静電容量検出装置及び静電容量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量検出装置及び静電容量検出方法に関するものである。

指などの検出対象物の近接を静電容量に基づいて検出するタッチセンサやタッチパッドなどの入力装置が知られている。入力装置に用いられる静電容量の検出方式には、一般に、相互容量式と自己容量式がある。相互容量式では、交差して配置された２つの電極間の静電容量が検出され、自己容量式では、グランドに対する検出電極の静電容量が検出される。

自己容量式は、相互容量式に比べて静電容量の検出感度が高いという利点を有する。しかしながら、グランドと検出電極の間に大きな寄生容量が存在すると、検出結果の信号に寄生容量の成分が大きな割合を占めるようになり、検出対象物の容量成分のダイナミックレンジが小さくなるため、検出感度が低下する。また、寄生容量の容量変動がノイズとなり、静電容量の検出精度が低下する。

従来、このような寄生容量の影響を軽減するため、検出電極と同電位に駆動されたシールド電極（アクティブシールドとも呼ばれる）が検出電極の周囲に配置されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。アクティブシールドを設けることにより、検出電極が周囲の導体と静電結合を生じ難くなるため、寄生容量が減少する。また、アクティブシールドを検出電極と同電位にすると、アクティブシールドと検出電極との間の静電容量は検出結果に影響を与えない。

特許第４１９８３０６号公報 国際公開第２０１８／１１６７０６号

アクティブシールドによって寄生容量は減少するものの、全てを無くすことはできない。そのため、より高い検出感度を得ようとしても、残留する寄生容量の影響により高い検出感度を得ることができない場合がある。また、特許文献１に開示されている静電容量型センサでは、実際に出力される出力電圧が飽和し、十分な高い検出感度を得ることができない場合がある。

このため、高い検出感度を得ることのできる静電容量検出装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、検出電極に近接する検出対象物と前記検出電極との間の静電容量を検出する静電容量検出装置であって、前記検出電極に近接して配置されたシールド電極に供給される第１の交流電圧を出力する第１電圧出力回路と、前記第１の交流電圧の周波数と略等しい周波数の第２の交流電圧を出力する第２電圧出力回路と、前記検出電極に接続される反転入力端子と前記第２の交流電圧が印加される非反転入力端子との電圧差を増幅して出力する演算増幅器と、を有し、前記第２電圧出力回路は、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記演算増幅器の出力電圧の振幅が前記第１の交流電圧の振幅よりも小さくなるように調整された前記第２の交流電圧を出力することを特徴とする。

開示の静電容量検出装置によれば、高い検出感度を得ることができる。

シールド電極を有する静電容量検出装置の構成図 シールド電極を有する静電容量検出装置の説明図 第１の実施に形態における静電容量検出装置の構成図 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（１） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（２） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（３） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（４） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（５） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（６） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（７） 第１の実施に形態における静電容量検出装置の説明図（８） 第１の実施に形態における入力装置の構成図 第２の実施に形態における静電容量検出装置を含む入力装置の構成図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

最初に、シールド電極の設けられた静電容量検出装置について説明する。図１に示される静電容量検出装置は、検出電極１０、シールド電極２０、演算増幅器３０、帰還抵抗４０、帰還キャパシタ５０、交流電源である交流電圧出力回路６０等を有している。

検出電極１０は、演算増幅器３０の反転入力端子（－）に接続されており、シールド電極２０は、演算増幅器３０の非反転入力端子（＋）に接続されており、演算増幅器３０の出力端子と反転入力端子（－）との間には、帰還抵抗４０及び帰還キャパシタ５０が並列に接続されており、負帰還がかけられている。また、シールド電極２０には、交流電圧出力回路６０が接続されており、電圧Ｖａｓの交流電圧が印加されている。帰還抵抗４０は抵抗値を可変することができ、帰還キャパシタ５０は静電容量値を可変することができる。

図１に示される静電容量検出装置では、検出電極１０とシールド電極２０との間には、静電容量Ｃｒｓが形成され、検出電極１０とＧＮＤとの間には、寄生容量Ｃｒｇｌが形成される。検出電極１０と指や手等の検出対象物１００との間には、静電容量Ｃｒｇが形成され、検出電極１０に指や手等の検出対象物１００が近づいた場合には、静電容量Ｃｒｇの容量が増加し、演算増幅器３０より出力される出力電圧Ｖｏの振幅が大きくなる。

ここで、検出電極１０に指や手等の検出対象物１００が近づいた場合における検出感度を高くする方法としては、交流電圧出力回路６０より出力されシールド電極２０に印加される印加電圧Ｖａｓの振幅を大きくすることが有効であるが、印加電圧Ｖａｓの振幅を大きくした場合、演算増幅器３０より出力される出力電圧Ｖｏの振幅は、印加電圧Ｖａｓの振幅よりも大きくなる。

しかしながら、静電容量検出装置においては、電源電圧の制約により、電源電圧ＶＤＤが上限となるため、図２に示されるように、出力電圧Ｖｏは、電源電圧ＶＤＤよりも高い電圧や、接地電位ＧＮＤよりも低い電圧は出力されず、出力電圧Ｖｏの波形は上下において飽和した波形となる。このため、検出感度を十分に高めることができない。

〔第１の実施の形態〕
次に、第１の実施の形態における静電容量検出装置について説明する。本実施の形態における静電容量検出装置は、検出電極１０により検出される検出信号のダイナミックレンジを広くするものである。具体的には、指や手等の検出対象物１００が近接していない状態における出力を小さくすることにより、検出感度を向上させるものである。

本実施の形態における静電容量検出装置は、図３に示されるように、検出電極１０、シールド電極２０、演算増幅器３０、帰還抵抗４０、帰還キャパシタ５０、第１電圧出力回路１６０、第２電圧出力回路１７０等を有しており、検出電極１０に近接する検出対象物１００と検出電極１０との間の静電容量を検出する。検出電極１０とシールド電極２０は、近接して配置されている。

検出電極１０は、演算増幅器３０の反転入力端子（－）に接続されており、シールド電極２０は、第１電圧出力回路１６０に接続されている。第１電圧出力回路１６０は、検出電極１０に近接して配置されたシールド電極２０に供給される第１の交流電圧Ｖａｓを出力する。演算増幅器３０の非反転入力端子（＋）には、第２電圧出力回路１７０が接続されている。第２電圧出力回路１７０は、第１の交流電圧Vａｓの周波数と略等しい周波数の第２の交流電圧Ｖｐを出力する。演算増幅器３０の出力端子と反転入力端子（－）との間には、帰還抵抗４０及び帰還キャパシタ５０が並列に接続されており、負帰還がかけられている。また、帰還キャパシタ５０は、静電容量値の調整が可能である。演算増幅器３０は、検出電極１０に接続される反転入力端子（－）と第２の交流電圧Vｐが印加される非反転入力端子（+）との電圧差を増幅して出力する。尚、第１電圧出力回路１６０より出力される第１の交流電圧Ｖａｓの位相と、第２電圧出力回路１７０より出力される第２の交流電圧Ｖｐの位相とは略等しい。

本実施の形態における静電容量検出装置では、検出電極１０とシールド電極２０との間には、静電容量Ｃｒｓが形成され、検出電極１０とＧＮＤとの間には、寄生容量Ｃｒｇｌが形成される。検出電極１０と検出対象物となる指や手等の検出対象物１００との間には、静電容量Ｃｒｇが形成され、検出電極１０に指や手等の検出対象物１００が近づいた場合には、静電容量Ｃｒｇの容量が増加し、演算増幅器３０より出力される出力電圧Ｖｏの振幅が大きくなる。

本実施の形態においては、第２電圧出力回路１７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧Ｖｏの振幅が第１の交流電圧Ｖａｓの振幅よりも小さくなるように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力する。言い換えれば、指や手等の検出対象物１００が、検出電極１０の近くに存在しておらず、検出対象物１００を認識していない状態において、出力電圧Ｖｏの振幅、及び、第１の交流電圧Ｖａｓの振幅が、Ｖａｓ＞Ｖｏとなるように、第２電圧出力回路１７０より出力される第２の交流電圧Ｖｐの振幅を設定する。この状態を図４に示す。なお、第２電圧出力回路１７０は、Ｖａｓ＞Ｖｏの関係が満たされるかぎり、どのような方法を用いて第２の交流電圧Ｖｐの振幅を調整してもよい。例えば、第２電圧出力回路１７０は、Ｖａｓの振幅値とＶｏの振幅値とをモニターし、自動的にＶａｓ＞Ｖｏの関係が満たされるように第２の交流電圧Ｖｐの振幅を調整してもよいし、Ｖａｓ＞Ｖｏの関係が満たされるように手動により第２の交流電圧Ｖｐの振幅を調整してもよい。また後述する第２の実施の形態のように、第２電圧出力回路１７０は、第１の交流電圧Ｖａｓを減衰させた電圧を第２の交流電圧Ｖｐとして出力してもよい。

これにより、第１電圧出力回路１６０より出力される第１の交流電圧Ｖａｓの振幅が、最も大きな電圧の振幅となるため、ダイナミックレンジを最大限広げることができ、検出感度を高めることができる。尚、本願においては、不等式等におけるＶａｓ、Ｖｐ、Ｖｏとの記載は、第１の交流電圧Ｖａｓの振幅、第２の交流電圧Ｖｐの振幅、出力電圧Ｖｏの振幅を意味するものとする。

また、本実施の形態においては、Ｖｐ＜Ｃｒｓ×Ｖａｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ）、または、Ｖｏ＜Ｖｐ＜Ｖａｓとなるように、第２電圧出力回路１７０より出力される第２の交流電圧Ｖｐの振幅を設定してもよい。この状態を図５に示す。

これにより、指や手等の検出対象物１００が検出されていない状態における出力電圧Ｖｏの振幅を更に小さくすることができ、出力電圧Ｖｏが飽和しにくく、帰還キャパシタ５０により定まる電圧ゲインを大きくすることが可能となり、検出感度を向上させることができる。

即ち、第２電圧出力回路１７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧をＶｏとし、第１の交流電圧をＶａｓとし、第２の交流電圧をＶｐとした場合に、振幅の関係がＶｏ＜Ｖｐ＜Ｖａｓを満たすように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力してもよい。

あるいは、第２電圧出力回路１７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、第１の交流電圧をＶａｓとし、第２の交流電圧をＶｐとし、検出電極１０とシールド電極２０との間の静電容量をＣｒｓとし、検出電極１０と検出対象物以外のグランド（ＧＮＤ）との間の寄生容量をＣｒｇｌとした場合に、Ｖｐ＜Ｃｒｓ×Ｖａｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ）を満たすように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力してもよい。

また、本実施の形態における静電容量検出方法では、検出電極１０に近接する検出対象物１００と検出電極１０との間の静電容量を検出する静電容量検出方法であって、検出電極１０に近接して配置されたシールド電極２０に供給される第１の交流電圧Ｖａｓを出力する第１電圧出力ステップと、周波数と位相が第１の交流電圧Ｖａｓに略等しい第２の交流電圧Ｖｐを出力する第２電圧出力ステップと、検出電極１０に接続される反転入力端子（－）と第２の交流電圧Ｖｐが印加される非反転入力端子（＋）との電圧差を演算増幅器３０において増幅して出力する演算増幅ステップとを有し、第２電圧出力ステップは、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧Ｖｏの振幅が第１の交流電圧Ｖａｓの振幅よりも小さくなるように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力するものである。

本実施の形態においては、第１電圧出力回路１６０より出力される第１の交流電圧Ｖａｓと、第２電圧出力回路１７０より出力される第２の交流電圧Ｖｐとを分けることにより、電圧の振幅の関係を容易にＶａｓ＞Ｖｐとすることができ、出力電圧Ｖｏの振幅を小さくすることができる。

図６は、検出電極１０の近傍に検出対象物１００が存在していない状態における検出電極１０部分の等価回路を示す。Ｖｎ０は、演算増幅器３０が接続されていない状態における検出電極１０部分のノードの電圧を意味する。ここで、図７に示されるように、検出電極１０が演算増幅器３０の反転入力端子（－）に接続された場合、第２の交流電圧Ｖｐの振幅が大きいと、破線矢印で示されるように、寄生容量Ｃｒｇｌへの電流流入量が増える。よって、第１の交流電圧Ｖａｓの振幅を可能な限り大きくしても、第２の交流電圧Ｖｐの振幅を小さくすることにより、検出電極１０の近傍に検出対象物１００が存在していない状態における出力電圧Ｖｏの振幅を小さくすることができる。

また、図６に示される等価回路より、図８に示されるように電圧Ｖｎ０を算出すると、Ｖｎ０＝Ｃｒｓ×Ｖａｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ）となる。このＶｎ０の値は、静電容量Ｃｒｓと寄生容量Ｃｒｇｌとにより定まる比率（Ｃｒｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ））に、第１の交流電圧Ｖａｓを乗算した値である。検出電極１０に演算増幅器３０が接続されていない状態では、静電容量Ｃｒｓを流れる電流ｉｒｓと、寄生容量Ｃｒｇｌを流れる電流ｉｒｇｌとは同じ値である。図８乃至図１１において矢印の向きはある時間の電流の向きを表しており第１の交流電圧Ｖａｓの電圧の変化の極性により向きは変わる。

ここで、図９に示されるように、Ｖａｓ＞Ｖｐ＞Ｖｎ０の場合には、破線矢印に示すように電流が流れ、静電容量Ｃｒｓに流れる電流ｉｒｓよりも、寄生容量Ｃｒｇｌに流れる電流ｉｒｇｌが多くなり、出力電圧Ｖｏの振幅が第２の交流電圧Ｖｐの振幅より大きくなる。

また、図１０に示されるように、Ｖａｓ＞Ｖｐ＝Ｖｎ０の場合には、破線矢印に示すように電流が流れ、静電容量Ｃｒｓを流れる電流ｉｒｓと、寄生容量Ｃｒｇｌを流れる電流ｉｒｇｌは同じになる。これにより、出力電圧Ｖｏの振幅は、第２の交流電圧Ｖｐの振幅と等しくなる。

また、図１１に示されるように、Ｖｎ０＞Ｖｐの場合には、破線矢印に示すように電流が流れ、寄生容量Ｃｒｇｌに流れる電流ｉｒｇｌよりも、静電容量Ｃｒｓに流れる電流ｉｒｓが多くなり、出力電圧Ｖｏの振幅が、第２の交流電圧Ｖｐの振幅よりも小さくなる。従って、上述したＶｐ＜Ｃｒｓ×Ｖａｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ）という条件は、Ｖｏ＜Ｖｐ＜Ｖａｓという条件と同義である。

よって、第２電圧出力回路１７０より出力される第２の交流電圧Ｖｐの振幅を調整することにより、出力電圧Ｖｏの振幅を小さくすることができ、演算増幅器３０からの出力電圧Ｖｏが飽和しにくくなるため、ノイズ等が入力した場合であっても、線形性を保ちながら、後段でのフィルタリング処理が可能となる。

従って、検出電極１０の近傍に検出対象物１００が存在していない状態において、出力電圧Ｖｏと、第２の交流電圧Ｖｐとが同じとなるように調整した場合には、出力電圧Ｖｏの振幅は、第２の交流電圧Ｖｐの振幅と同じになるまでしか下げることができず、検出感度を高くする効果は十分ではない。しかしながら、本実施の形態における静電容量検出装置では、出力電圧Ｖｏの振幅は、第２の交流電圧Ｖｐの振幅よりも低くすることが可能であり、これにより、高い検出感度とノイズ耐性を得ることができる。

（入力装置）
次に、本実施の形態における静電容量検出装置を用いた入力装置について説明する。本実施の形態における入力装置は、図１２に示されるように、センサ部１１０、静電容量検出部１２０、処理部１３０、記憶部１４０、インターフェース（Ｉ／Ｆ）部１５０等を有する。尚、本実施の形態における静電容量検出装置は、センサ部１１０と、静電容量検出部１２０の一部により構成される。

本実施の形態における入力装置は、指やペンなどの検出対象物１００がセンサ部１１０に近接した場合に、センサ部１１０に設けられた電極と検出対象物１００との間の静電容量を検出し、この検出結果に基づいて、検出対象物１００の近接に応じた情報が入力される。例えば入力装置は、センサ部１１０に対する検出対象物１００の近接の有無や、センサ部１１０と検出対象物１００との距離などの情報を、静電容量の検出結果に基づいて取得する。入力装置は、例えばタッチセンサやタッチパッドなどのユーザーインターフェース装置に適用される。なお、本明細書における「近接」とは、２つの物が近くにあることを意味しており、２つの物同士が接触している場合と接触していない場合の両方を含む意味である。

センサ部１１０は、指やペンなどの検出対象物１００の近接を検出するための検出電極１０と、検出電極１０に近接して配置されたシールド電極２０を有する。検出電極１０は、センサ部１１０において検出対象物１００が近接する領域に配置される。例えば、検出対象物１００の検出領域の表面が絶縁性のカバー層で覆われており、カバー層より下層側に検出電極１０が配置される。シールド電極２０は、検出対象物１００以外の導体と検出電極１０との静電結合を防止したり電磁波などの外来ノイズを防ぐためのシールドであり、検出対象物１００の検出領域の検出する表面に対して検出電極１０を挟んで反対側に配置される。

静電容量検出部１２０は、検出対象物１００と検出電極１０との間に形成される静電容量Ｃｒｇの静電容量値を検出し、その検出結果を示す信号Ｄｓを出力する。

処理部１３０は、入力装置の全体的な動作を制御する回路であり、例えば、記憶部１４０に格納されるプログラムの命令コードに従って処理を実行するコンピュータや、特定の機能を実現するロジック回路を含む。処理部１３０の処理は、コンピュータにおいてプログラムに基づいて実現してもよいし、少なくとも一部を専用のロジック回路で実現してもよい。

処理部１３０は、静電容量検出部１２０にから出力される検出結果の信号Ｄｓに基づいて、検出対象物１００がセンサ部１１０に近接しているか否かの判定や、検出対象物１００とセンサ部１１０との距離や、検出対象物１００の位置座標の算出を行う。なお、センサ部１１０は複数の検出電極１０を含んでいてもよく、静電容量検出部１２０は複数の検出電極１０の各々について静電容量Ｃｒｇの静電容量値の検出を行ってもよい。

また、処理部１３０は、外来ノイズの影響による静電容量検出部１２０の検出感度の低下を回避するため、後述する静電容量検出部１２０の第１の交流電圧Ｖａｓの周波数を変更する処理も行う。

記憶部１４０は、処理部１３０を構成するコンピュータのプログラムや、処理部１３０において処理に使用されるデータ、処理の過程で一時的に保持されるデータなどを記憶する。記憶部１４０は、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクなど、任意の記憶デバイスを用いて構成される。

インターフェース部１５０は、入力装置と他の装置（例えば入力装置を搭載する電子機器のホストコントローラなど）との間でデータをやり取りするための回路である。処理部１３０は、静電容量検出部１２０の検出結果に基づいて得られた情報（検出対象物１００の有無、検出対象物１００の近接位置、検出対象物１００との距離、検出対象物１００の大きさなど）を、インターフェース部１５０によって図示しない上位装置に出力する。上位装置では、これらの情報を用いて、例えばポインティング操作やジェスチャ操作などを認識するユーザーインターフェースが構築される。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。図１３に、第２の実施の形態における静電容量検出装置を有する入力装置を示す。

第２の実施の形態における静電容量検出装置の第２電圧出力回路２７０は、例えば減衰器であり、第１の交流電圧Ｖａｓを減衰させた電圧を第２の交流電圧Ｖｐとして出力する。第２電圧出力回路２７０は、第１キャパシタＣａ及び第２キャパシタＣｂの直列回路を含む。第１電圧出力回路１６０は、この直列回路の両端に第１の交流電圧Ｖａｓを印加する。第１の交流電圧Ｖａｓが第１キャパシタＣａ及び第２キャパシタＣｂにより分圧されることで、第２キャパシタＣｂに第２の交流電圧Ｖｐが生じる。第１キャパシタＣａの一方の端子が第２電圧出力回路２７０の出力に接続され、第１キャパシタＣａの他方の端子が第２キャパシタＣｂの一方の端子に接続され、第２キャパシタＣｂの他方の端子がグランドに接続される。

従って、第２電圧出力回路２７０は、第１の交流電圧Ｖａｓを減衰させた電圧を第２の交流電圧Ｖｐとして出力する。

即ち、第２電圧出力回路２７０は、第１の交流電圧Ｖａｓが第１キャパシタＣａと第２キャパシタＣｂにより分圧された第２の交流電圧Ｖｐを生じさせる。

また、第１の実施の形態における静電容量装置の場合と同様に、第２電圧出力回路２７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧Ｖｏの振幅が第１の交流電圧Ｖａｓの振幅よりも小さくなるように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力する。言い換えれば、第２電圧出力回路２７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧Ｖｏの振幅が第１の交流電圧Ｖａｓの振幅よりも小さくなるような第２の交流電圧Ｖｐを生じさせるように調整された静電容量比を有する第１キャパシタＣａと第２キャパシタＣｂとを含む。

第２電圧出力回路２７０は、静電容量値が可変の第２キャパシタＣｂを有する。

本実施の形態によれば、第１の交流電圧Ｖａｓを減衰させた電圧が第２の交流電圧Ｖｐとして第２電圧出力回路２７０から出力される。トランジスタ等の能動素子を含まない減衰器を用いて第２の交流電圧Ｖｐを生成することにより、第２の交流電圧Ｖｐのノイズが小さくなるため、静電容量Ｃｒｇの静電容量値の検出精度を高めることができる。

本実施の形態によれば、第１キャパシタＣａと第２キャパシタＣｂとの直列回路に第１の交流電圧Ｖａｓが印加され、第１の交流電圧Ｖａｓに応じた第２の交流電圧Ｖｐが第２キャパシタＣｂにおいて生じる。これにより、抵抗による減衰器を用いる場合に比べてノイズが小さくなるため、静電容量Ｃｒｇの静電容量値の検出精度を高めることができる。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。従って、第１の実施の形態の場合と同様に、第２電圧出力回路２７０は、検出電極１０に近接する検出対象物１００が存在しない状態において、演算増幅器３０の出力電圧をＶｏとし、第１の交流電圧をＶａｓとし、第２の交流電圧をＶｐとした場合に、振幅の関係がＶｏ＜Ｖｐ＜Ｖａｓを満たすように調整された第２の交流電圧Ｖｐを出力してもよい。この場合には、指や手等の検出対象物１００が検出されていない状態における出力電圧Ｖｏの振幅を更に小さくすることができ、出力電圧Ｖｏが飽和しにくく、帰還キャパシタ５０により定まる電圧ゲインを大きくすることが可能となり、検出感度を向上させることができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

本国際出願は２０１９年１１月７日に出願した日本国特許出願２０１９－２０２６２５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１９－２０２６２５号の全内容を本国際出願に援用する。

１０ 検出電極
２０ シールド電極
３０ 演算増幅器
４０ 帰還抵抗
５０ 帰還キャパシタ
１００ 検出対象物
１６０ 第１電圧出力回路
１７０ 第２電圧出力回路

Claims (11)

1. 検出電極に近接する検出対象物と前記検出電極との間の静電容量を検出する静電容量検出装置であって、
   前記検出電極に近接して配置されたシールド電極に供給される第１の交流電圧を出力する第１電圧出力回路と、
   前記第１の交流電圧の周波数と略等しい周波数の第２の交流電圧を出力する第２電圧出力回路と、
   前記検出電極に接続される反転入力端子と前記第２の交流電圧が印加される非反転入力端子との電圧差を増幅して出力する演算増幅器と、
   を有し、
   前記第２電圧出力回路は、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記演算増幅器の出力電圧の振幅が前記第１の交流電圧の振幅よりも小さくなるように調整された前記第２の交流電圧を出力することを特徴とする静電容量検出装置。
2. 前記第１の交流電圧の位相と前記第２の交流電圧の位相とは略等しいことを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出装置。
3. 前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子との間に設けられた帰還キャパシタを有することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量検出装置。
4. 前記帰還キャパシタは静電容量値の調整が可能であることを特徴とする請求項３に記載の静電容量検出装置。
5. 前記第２電圧出力回路は、前記第１の交流電圧を減衰させた電圧を前記第２の交流電圧として出力することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の静電容量検出装置。
6. 前記第２電圧出力回路は、第１キャパシタと第２キャパシタとの直列回路を備え、
   前記第１電圧出力回路は、前記直列回路の両端に前記第１の交流電圧を印加し、
   前記第２電圧出力回路は、前記第１の交流電圧が第１キャパシタと前記第２キャパシタにより分圧された前記第２の交流電圧を生じさせることを特徴とする請求項５に記載の静電容量検出装置。
7. 前記第２電圧出力回路は、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記演算増幅器の出力電圧の振幅が前記第１の交流電圧の振幅よりも小さくなるような前記第２の交流電圧を生じさせるように調整された静電容量比を有する前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとを含むことを特徴とする請求項６に記載の静電容量検出装置。
8. 前記第２電圧出力回路は、静電容量値が可変の前記第２キャパシタを有することを特徴とする請求項６または７に記載の静電容量検出装置。
9. 前記第２電圧出力回路は、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記演算増幅器の出力電圧をＶｏとし、前記第１の交流電圧をＶａｓとし、前記第２の交流電圧をＶｐとした場合に、振幅の関係がＶｏ＜Ｖｐ＜Ｖａｓを満たすように調整された前記第２の交流電圧を出力することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の静電容量検出装置。
10. 前記第２電圧出力回路は、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記第１の交流電圧をＶａｓとし、前記第２の交流電圧をＶｐとし、前記検出電極と前記シールド電極との間の静電容量をＣｒｓとし、前記検出電極と前記検出対象物以外のグランドとの間の寄生容量をＣｒｇｌとした場合に、Ｖｐ＜Ｃｒｓ×Ｖａｓ／（Ｃｒｓ＋Ｃｒｇｌ）を満たすように調整された前記第２の交流電圧を出力することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の静電容量検出装置。
11. 検出電極に近接する検出対象物と前記検出電極との間の静電容量を検出する静電容量検出方法であって、
    前記検出電極に近接して配置されたシールド電極に供給される第１の交流電圧を出力する第１電圧出力ステップと、
    周波数と位相が前記第１の交流電圧に略等しい第２の交流電圧を出力する第２電圧出力ステップと、
    前記検出電極に接続される反転入力端子と前記第２の交流電圧が印加される非反転入力端子との電圧差を演算増幅器において増幅して出力する演算増幅ステップと、
    を有し、
    前記第２電圧出力ステップは、前記検出電極に近接する前記検出対象物が存在しない状態において、前記演算増幅器の出力電圧の振幅が前記第１の交流電圧の振幅よりも小さくなるように調整された前記第２の交流電圧を出力することを特徴とする静電容量検出方法。
    
    
    
    
    
    
    
    

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