JP7468785B2 - 近接センサ及びコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、例えば人の手指を含む対象物の近接を検知する近接センサ及びこれを備えたコントローラに関する。

特許文献１は、手によって掴持されている携帯用デバイスを検知するためのデバイスを開示している。このデバイスは、交流電場を放出する送信電極と、交流電場が少なくとも部分的に結合される受信電極とを備える。手による携帯用デバイスの掴持は、送信電極と受信電極との間の容量結合をもたらすことで検知される。特許文献１では、携帯用デバイスの接地電位と結合される導電性構造が、携帯用デバイスの筐体の内側に配設されている。この導電性構造は、送信電極と受信電極との間の容量結合を低減させ、送信電極から受信電極までの電気力線の拡散をほぼ阻止するために提供されている。これにより、携帯用デバイスが手によって掴持されていない場合、受信電極内への電流はほぼ存在しないことが開示されている。

特開２０１６－６７７５号公報

特許文献１のデバイスは、手による携帯用デバイスの掴持を検知する接触センサとして機能している。しかしながら、特許文献１のような従来技術では、手指の接触だけではなく近接を検知する近接センサの機能を求めるニーズに応えることが困難である。

本発明の目的は、コントローラに接触する対象物の近接を精度良く検知することができる近接センサ及びコントローラを提供することにある。

本発明における近接センサは、近接する対象物と容量結合する１つ以上の検知電極と、対象物に接触される接触電極と、検知電極及び接触電極のうちの一方の電極に接続され、当該電極に励起電圧を供給する励振回路と、検知電極及び接触電極のうちの他方の電極に接続され、当該電極における検知電圧に基づいて、検知電極と対象物との間の第１の静電容量に応じた検知信号を生成する検知回路とを備える。検知回路は、接触電極と対象物との間の第２の静電容量よりも小さい第１の静電容量に応じて、接触電極に接触した対象物が検知電極に近接する程度を示すように検知信号を生成する。

本発明におけるコントローラは、上記の近接センサと、近接センサによって生成された検知信号に基づいて、制御信号を生成する制御回路とを備える。

本発明における近接センサ及びコントローラによると、コントローラに接触する対象物の近接を精度良く検知することができる。

実施形態１に係るコントローラ及び近接センサの概要を説明するための図 実施形態１に係るコントローラの構成を例示するブロック図 コントローラの近接センサにおける検知回路の構成例を示すブロック図 実施形態１におけるコントローラの断面図 実施形態１における近接センサの動作原理を説明するための図 近接センサにおける接続容量と距離誤差との関係を示すグラフ 近接センサにおける寄生容量の関係を説明するための図表 コントローラにおける近接センサの動作例を示すフローチャート コントローラにおける近接センサの動作例を説明するためのタイミングチャート 実施形態２に係るコントローラの構成を例示するブロック図 実施形態２におけるコントローラの断面図 実施形態３に係るコントローラの構成を例示する斜視図 実施形態４に係るコントローラの構成を例示する斜視図 実施形態５に係るコントローラの構成を例示する斜視図

以下、添付の図面を参照して本発明に係る近接センサ及びコントローラの実施の形態を説明する。

各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。

（実施形態１）
１．構成
実施形態１に係るコントローラ及び近接センサの構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るコントローラ１及び近接センサ１０の概要を説明するための図である。

本実施形態のコントローラ１は、使用者５が自身の人体５１に装着又は把持した状態で使用される、各種の携帯可能な機器で構成される。コントローラ１は、使用者５が手指５２を近接させたり接触させたりする操作を近接センサ１０で検知して、検知結果に応じて各種の制御信号を生成する。コントローラ１は、例えば使用者５が操作のために手指５２を近接させる主面である操作面１１を有する。

以下、コントローラ１の操作面１１に沿った２次元方向をＸ，Ｙ方向とし、操作面１１の法線方向をＺ方向とする。また、操作面１１からコントローラ１の外部に向かう＋Ｚ側を上側といい、反対の－Ｚ側を下側という場合がある。図１の例では、使用者５の手指５２がコントローラ１の上側から近接する一方で、使用者５の人体５１が、コントローラ１の下側の主面に接触している。

本実施形態の近接センサ１０は、使用者５の手指５２のような対象物の近接および接触を検知するようにコントローラ１に組み込まれる。近接センサ１０は、静電容量に基づき対象物が近接する程度（接触を含む）を検知するセンサ装置である。本実施形態では、コントローラ１が使用者５の人体５１に接触して使用される状態を利用して、近接センサ１０が、使用者５の手指５２の接触だけでなく近接を検知できる構成を備える。

本実施形態において、コントローラ１への接触は、直接的であってもよいし間接的であってもよい。例えば、使用者５は、手袋を着用した状態でコントローラ１を使用してもよい。この場合であっても、近接センサ１０は、静電容量の変化に応じて使用者５の手指５２の接触等を検知できる。

従来の近接センサでは、正確な近接検知が行える要件として、接地を充分に確保して閉回路を確立することが必要であった。こうした要件は、車両またはロボット等の用途であれば満たし易い一方、使用者５が装着する等の携帯用途においては満たし難い。また、従来の近接センサでは、使用者５以外の者の近接も検知してしまう点にも問題があった。

これに対して、本実施形態の近接センサ１０によると、上記のような従来技術の問題点も解消することができる。本実施形態におけるコントローラ１及び近接センサ１０の構成の詳細を以下説明する。

１－１．構成の詳細
図２は、本実施形態に係るコントローラ１の構成を例示するブロック図である。本実施形態のコントローラ１は、例えば図２に示すように、近接センサ１０と、制御回路２０とを備える。本実施形態の近接センサ１０は、例えば図１，２に示すように、検知電極１２と、接触電極１３と、検知回路２１と、励振回路２２とを備える。

検知電極１２は、対象物の近接に応じた静電容量を検知するための電極である。検知電極１２は、使用者５の手指５２といった対象物と容量結合するように、コントローラ１の操作面１１近傍に設けられる。図１の例では、２つの検知電極１２がＹ方向に並んで配置されている。近接センサ１０における検知電極１２の個数は、３つ以上であってもよいし、１つであってもよい。

接触電極１３は、検知電極１２とは別に、コントローラ１を使用中の使用者５に接触させるための電極である。接触電極１３は、特に使用者５の操作内容に拘わらず、コントローラ１において、使用者５の人体５１が接触した状態となることが想定される各種の位置に設けられる。図１の例では、接触電極１３は、コントローラ１の筐体において操作面１１とは反対側（－Ｚ側）の面に設けられている（図４参照）。

励振回路２２は、予め設定された交流電圧である励起電圧を生成する回路である。励起電圧は、種々の交流電圧であってもよく、例えばパルス波形又は正弦波形など各種の波形を有してもよい。又、励起電圧は、後述する近似条件が成り立つ程度に低周波の交流周波数を有する（例えば数ＭＨｚ以下）。例えば、励振回路２２は、パルス発振器などを含んでもよい。本実施形態において、励振回路２２は、接触電極１３に接続される。又、励振回路２２は、制御回路２０等によって駆動制御されてもよい。

検知回路２１は、検知電極１２及び接触電極１３のうち、励振回路２２が接続された電極とは別の電極に接続される。検知回路２１は、接続された電極から入力される電圧である検知電圧に基づいて、検知信号Ｓｄを生成して、例えば制御回路２０に出力する。検知信号Ｓｄは、検知電極１２における静電容量に応じて対象物が近接する程度を示す。本実施形態において、検知回路２１は、例えば各検知電極１２に接続するように設けられる。検知回路２１の構成の一例を図３に示す。

図３では、１つの検知電極１２に関する検知回路２１の構成例を示す。検知回路２１は、例えば、高インピーダンス入力の増幅器と、増幅器を介して検知電極１２から検知電圧を入力する振幅検知回路及び／又は検波回路と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、デジタル信号処理部とを備える。検知回路２１のデジタル信号処理部等は、コントローラ１の制御回路２０と一体的に構成されてもよい。

図２に戻り、制御回路２０は、例えばコントローラ１の全体動作を制御する。例えば、制御回路２０は、近接センサ１０の各検知回路２１からの検知信号Ｓｄに基づいて、使用者５の操作内容に応じた制御信号を生成する。制御信号は、コントローラ１の外部の機器に出力されてもよいし、コントローラ１内部の制御に用いられてもよい。制御回路２０は、近接センサ１０の励振回路２２等の駆動を制御してもよい。

制御回路２０は、例えばＣＰＵで構成され、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現する。制御回路２０は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭといった内部メモリを有し、ＲＯＭに格納されたデータ及びプログラムをＲＡＭに読み出して種々の演算処理を行い、各種の機能を実現する。なお、制御回路２０は、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよい。制御回路２０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。

図４は、本実施形態におけるコントローラ１をＹ方向から見た断面図である。図４の断面は、コントローラ１において各電極１２，１３を通るＸＺ平面を示す。コントローラ１における近接センサ１０は、例えば図４に示すように、グランド電極１４及び基板１５をさらに備える。各種電極１２，１３，１４は、例えばそれぞれＸＹ面に平行な主面を有する。ＸＹ面において、検知電極１２の＋Ｚ側の面積は、例えば図１に示すように、接触電極１３の－Ｚ側の面積よりも小さい。

グランド電極１４は、コントローラ１におけるグランドを構成する電極である。グランド電極１４は、例えば上記の励振回路２２及び検知回路２１を含む各種回路に接続され、接続された回路に共有される基準電位を与える。グランド電極１４は、導体板であってもよいし、メッシュ状の導体であってもよい。グランド電極１４は必ずしも平坦でなくてもよい。

グランド電極１４は、例えば図４に示すように、コントローラ１の筐体内部において検知電極１２と接触電極１３との間に設けられる。又、グランド電極１４は、検知電極１２の面積およびグランド電極１４の面積よりも大きい面積を有し、検知電極１２と接触電極１３とを離隔するように配置される。これにより、検知電極１２と接触電極１３間の寄生容量を低減できる。

本実施形態のコントローラ１においては、例えば図４に示すように、検知電極１２とグランド電極１４との間隔Ｄ１１が、接触電極１３とグランド電極１４との間隔Ｄ１２よりも大きく設定される。これにより、検知電極１２とグランド電極１４間の寄生容量を低減できる。例えば、基板１５における＋Ｚ側の主面にグランド電極１４が設けられ、反対の－Ｚ側の主面に接触電極１３が設けられる。

基板１５には、近接センサ１０及びコントローラ１における各種回路が設けられてもよい。基板１５は、特に平面に限定されず、曲面であってもよいし、折れ曲がっていてもよい。又、基板１５等は適宜、近接センサ１０から省略されてもよい。また、コントローラ１の筐体の外面も、平面の集合体で構成されている必要はなく、曲面で構成された筐体であってもよい。

図４の例において、検知電極１２は、コントローラ１の操作面１１から距離Ｄ１だけ下側に（即ちコントローラ１の内側に）設けられる。又、接触電極１３は、例えばコントローラ１の操作面１１とは反対側の面から距離Ｄ２だけ上側に（即ちコントローラ１の内側に）設けられる。各距離Ｄ１，Ｄ２は、手指５２等がコントローラ１に接触した状態における距離である接触距離の一例である。例えば図４に示すように、接触電極１３の接触距離Ｄ２は、検知電極１２の接触距離Ｄ１よりも短くなるように、接触電極１３及び検知電極１２が配置される。

接触電極１３の接触距離Ｄ２は、Ｄ２＝０であってもよく、接触電極１３はコントローラ１から露出して設けられてもよい。又、接触電極１３は、各種誘電体の積層又はフィルム貼り付け等により薄膜で被覆して設けられてもよい。さらに、検知電極１２も、上記と同様に薄膜の被覆により設けられてもよい。こうした薄膜の厚みにより、各電極１２，１３の接触距離Ｄ１，Ｄ２がＤ１＜Ｄ２となるように規定されてもよい。

２．動作
以上のように構成されるコントローラ１の近接センサ１０の動作について、以下説明する。

２－１．動作原理
図５は、本実施形態における近接センサ１０の動作原理を説明するための図である。図５では、本実施形態における近接センサ１０の等価回路を例示している。図５の等価回路は、近接センサ１０において検知電極１２が１つの場合を例示している。

図５では、コントローラ１の近接センサ１０における各種の寄生容量を例示している。各種の寄生容量は、検知電極１２と接触電極１３との間の寄生容量Ｃａｂと、検知電極１２とグランド電極１４との間の寄生容量Ｃａｇと、接触電極１３とグランド電極１４との間の寄生容量Ｃｂｇとを含む。

又、図５の例では、コントローラ１の使用者５（図１，２）をモデル化した人体モデル５０を用いている。人体モデル５０は、検知電極１２との容量結合を示す検知容量Ｃｄｅｔと、人体モデル５０における内部抵抗Ｒｂと、接触電極１３との容量結合を示す接続容量Ｃｃと、グランド電極１４との容量結合を示すグランド容量Ｃｇとを含む。

検知容量Ｃｄｅｔは、近接センサ１０において検知対象とする静電容量である。接続容量Ｃｃは、使用者５の接触による静電容量であり、検知容量Ｃｄｅｔよりも大きい。検知容量Ｃｄｅｔと接続容量Ｃｃとは、それぞれ近接センサ１０における第１及び第２の静電容量の一例である。

本実施形態の近接センサ１０において、励振回路２２は、交流周波数ωを有する励起電圧ｖｅを生成して、生成した励起電圧ｖｅを接触電極１３に供給する。励起電圧ｖｅは、グランド電極１４の基準電位により規定される。接触電極１３と検知電極１２とは、人体モデル５０を介して結合されることとなる。

本実施形態の検知回路２１は、励振回路２２による励起電圧ｖｅの供給中に順次、検知電極１２における検知電圧ｖｄを入力して、検知電圧ｖｄに基づき近接センサ１０による検知結果を示す検知信号Ｓｄを生成する。検知電圧ｖｄは、グランド電極１４の基準電位により規定される。検知信号Ｓｄは、例えばｖｄ／ｖｅに比例した値を有する。

上記のように動作する本実施形態の近接センサ１０においては、図５の等価回路から次式（１）が成立する。

上式（１）において、ｊは複素数である。又、Ｚｂは、人体モデル５０に対応した人体インピーダンスであり、次式（１０）のように表される。

上式（１）は、充分に接続容量Ｃｃが大きく、且つ内部抵抗Ｒｂが１／ωＣｃよりも小さい場合、次式（２）のように近似できる。この近似は、近接検知として容量の大きい場合の意図を意図しており、例えば電極面積１００平方ｍｍ（１０ｍｍ×１０ｍｍ）、距離１０ｍｍ及び周波数１ＭＨｚを想定すると、上式（１０）の第１項１／ｊωＣｄｅｔ＝－ｊ１．８ＭΩとなる。人体の抵抗（即ちＲｂ）は５００Ωから最大１０ｋΩと見做されるため、同式の第２項は第１項の大きさ｜１／ｊωＣｄｅｔ｜と比べて無視できる程度に十分小さいと言える。又、装置構成の前提よりＣｄｅｔ＜＜Ｃｃから、同式の第３項も第２項と同様に無視できる。

上式（２）のように、電圧比ｖｄ／ｖｅは、容量比で表され、つまり検知電圧ｖｄと励起電圧ｖｅとは位相差を生じず、検知電圧ｖｄの大きさ｜ｖｄ｜から特定できる。上式（２）の近似条件は、使用者５が接触電極１３に接触している場合に満たされる。上式（２）において、寄生容量Ｃａｂ，Ｃａｇは近接センサ１０における固定量であることから、電圧比ｖｄ／ｖｅは、検知容量Ｃｄｅｔの変化のみに依存することとなる。よって、本実施形態の近接センサ１０は、検知回路２１による検知信号Ｓｄによって、人体モデル５０のように使用者５が接触電極１３に接触した状態で自身の手指５２等を検知電極１２に近接させる程度を検知することができる。

一方、上記のようなコントローラ１の使用中の近似条件に代えて、充分に接続容量Ｃｃが小さい場合には、上式（１）は、次式（３）のように近似できる。

上式（３）の近似条件は、使用者５が接触電極１３に接触していない場合に満たされる。この場合、上式（３）によると、検知信号Ｓｄにおいて検知容量Ｃｄｅｔを検知する感度が失われることとなる。つまり、近接センサ１０の検知信号Ｓｄにおいては、接触電極１３に人体５１が接触していない場合、手指５２等が検知電極１２に近接しても、検知されないようにすることができる。これと同様に、接触電極１３に接触する使用者５とは別の人物等が検知電極１２に近接しても、近接センサ１０の検知信号Ｓｄでは検知されないようにすることができる。

又、人体モデル５０のグランド容量Ｃｇは、使用者５がコントローラ１の使用時に意図せず生じることが考えられる。しかしながら、本実施形態の近接センサ１０では、グランド容量Ｃｇが、図５に示すように、使用者５が接触電極１３に接触している場合、すなわち接続容量Ｃｃが十分に大きい場合には、グランド容量Ｃｇは寄生容量Ｃｂｇと並列の関係になり、動作原理の式（１）～（３）に含まれないこととなる。使用者５が接触電極１３に接触しておらず、接続容量Ｃｃが十分小さい場合も、検知容量Ｃｄｅｔを検知する感度が失われる状態に変わりはない。よって、使用者５によるグランド容量Ｃｇが、近接センサ１０による検知に影響しないようにすることができる。

２－２．各種容量について
以上のような動作原理の近接センサ１０における各種容量について、図６～７を用いて説明する。

図６は、近接センサ１０における接続容量と距離誤差との関係を示すグラフである。上記の動作原理において、検知電極１２から対象物までの測定距離の距離誤差は、特に測定距離の大小に拘わらず、図６に示すように、接続容量Ｃｃが小さくなるにつれて増大する。換言すると、接続容量Ｃｃを大きく確保することで、近接センサ１０の検知精度を向上できる。たとえば、５ｍｍ－５０ｍｍ程度の距離を精度良く検知するためには、距離誤差は１ｍｍ程度以下にすることが望ましいと考えられる。このためには、接続容量Ｃｃが１ｐＦ以上であることが望ましい。又、接続容量Ｃｃの下限は、検知電極１２の面積に比例する。

図７は、近接センサ１０における寄生容量Ｃａｇ，Ｃａｂの関係を説明するための図表である。図７（Ａ）は、測定距離５０ｍｍにおける容量比Ｃａｇ／Ｃａｂ及び寄生容量Ｃａｂ毎の電圧比ｖｄ／ｖｅを示す。図７（Ｂ）は、測定距離１０ｍｍにおける容量比Ｃａｇ／Ｃａｂ及び寄生容量Ｃａｂ毎の電圧比ｖｄ／ｖｅを示す。図７（Ｃ）は、図７（Ａ），（Ｂ）間で測定距離が変化した場合の信号変化率を、寄生容量Ｃａｇ，Ｃａｂ毎に示す。

寄生容量Ｃａｇが寄生容量Ｃａｂと比較して極めて大きい場合、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、入力の励起電圧ｖｅに比べて検知電圧ｖｄが小さな出力しか得られない。例えば寄生容量Ｃａｇが寄生容量Ｃａｂの１００倍を超える場合、検知電圧ｖｄは励起電圧ｖｅの１％未満の振幅になり、良好な信号対雑音比が得られない。こうした観点より、寄生容量Ｃａｇは寄生容量Ｃａｂの１００倍程度以内に抑えるべきである。

又、寄生容量Ｃａｂが大きい場合、対象物の距離が図７（Ａ），（Ｂ）の範囲内で変化した場合の信号変化率が、図７（Ｃ）に示すように小さくなってしまう。例えば寄生容量Ｃａｂが１０ｐＦの場合、信号変化率は２％に満たない。このように変化が小さいと、距離を正しく検知することは困難になり得る。携帯用途のコントローラ１において実用的な距離５０ｍｍ～５ｍｍの変化に対し、信号変化率１０％以上を得るために、寄生容量Ｃａｂは１ｐＦ以下が望ましく、極力小さい値に押さえることがより望ましい。但し、上記議論では検知電極１２の面積として１００平方ｍｍの場合を用いた。検知電極１２の面積を変えた場合にはそれに比例して寄生容量Ｃａｂの上限も変化し得る。

たとえば、１０ｍｍ×２０ｍｍ程度の指先を３ｃｍの距離を経て検知するためには、平行平板コンデンサ近似で６０ｆＦ程度の検知容量Ｃｄｅｔを検知する必要がある。検知容量Ｃｄｅｔは、ｆＦオーダーまでの可能な限り小さい容量変化を検知するできることが望ましい。寄生容量Ｃａｂが小さくても、寄生容量Ｃａｇが大きいと、式（２）の電圧比ｖｄ／ｖｅ比がゼロ（あるいはＣａｂ／（Ｃａｂ＋Ｃａｇ））に近づき、微小容量変化が検知困難になる場合が想定される。こうした観点から、寄生容量Ｃａｇを小さくすることが有用である。

例えば、検知電極１２の面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして、グランド電極１４およびグランド電極１４を配したコントローラ１の筐体面から１０ｍｍ離れた操作面１１に検知電極１２を配した場合を想定する。この場合、寄生容量Ｃａｇは８８ｆＦというように、検知したい容量とほぼ同程度のオーダーになり、近接検知が可能になる。一方、検知電極１２とグランド電極１４間の距離を、例えば基板１５の厚み程度の１ｍｍまで接近させた場合、寄生容量Ｃａｇは８８０ｆＦと検知したい容量値の１０倍以上になるため、精度の高い近接検知が行い難くなり得る。

２－３．動作例
本実施形態のコントローラ１における近接センサ１０の動作の一例について、図８，９を用いて説明する。以下では、コントローラ１の制御回路２０が近接センサ１０を制御する動作例を説明する。

図８は、コントローラ１における近接センサ１０の動作例を示すフローチャートである。図９は、近接センサ１０の動作例を説明するためのタイミングチャートである。図９（Ａ）は、励振回路２２から出力される励振信号のタイミングを示す。図９（Ｂ）は、検知回路２１に入力される検知信号Ｓｄの電圧波形を示す。

まず、制御回路２０は、励振回路２２にトリガ信号を送信して、図９（Ａ）の時刻ｔ１に示すように、励起電圧ｖｅに対応する励振信号をハイレベル（Ｈｉ）に立ち上げるように励振回路２２を制御する（Ｓ１）。次に、制御回路２０は、時刻ｔ１から所定期間経過後の時刻ｔ２において（図９（Ｂ））、検知回路２１に入力される電圧をＡ／Ｄ変換させて（Ｓ２）、時刻ｔ２における検知信号Ｓｄを示す電圧値を内部メモリに格納する（Ｓ３）。

次に、制御回路２０は、再び励振回路２２にトリガ信号を送信して、図９（Ａ）の時刻ｔ３に示すように、励振信号をローレベル（Ｌｏ）に立ち下げるように励振回路２２を制御する（Ｓ４）。次に、制御回路２０は、ステップＳ２と同様に所定期間経過後の時刻ｔ４において（図９（Ｂ））、検知回路２１にＡ／Ｄ変換させて（Ｓ５）、時刻ｔ４における検知信号Ｓｄを示す電圧値を内部メモリに格納する（Ｓ６）。

次に、制御回路２０は、ステップＳ３，Ｓ６で格納した電圧値間の差分を演算して、演算結果を検知レベルとして格納する（Ｓ７）。制御回路２０は、例えば以上のステップＳ１～Ｓ６を所定回数だけ繰り返し（Ｓ８）、得られた演算結果に平均化処理を行う（Ｓ９）。

制御回路２０は、こうして得られた近接センサ１０の検知結果に基づいて、使用者５の操作を判定して制御信号を生成するなど各種の信号処理を行う（Ｓ１０）。これにより、制御回路２０は本フローに示す処理を終了する。制御回路２０は、例えば、所定の周期で本フローの処理を繰り返す。

以上の処理によると、近接センサ１０における近接検知の結果を適宜、平均化して（Ｓ１～Ｓ９）、コントローラ１において後続の各種信号処理に利用することができる。なお、平均化のステップＳ９，Ｓ１０は、適宜省略されてもよい。

３．まとめ
以上のように、本実施形態における近接センサ１０は、１つ以上の検知電極１２と、接触電極１３と、励振回路２２と、検知回路２１とを備える。コントローラ１の使用者５及びその各部は、本実施形態における対象物の一例である。検知電極１２は、近接する対象物の一例として使用者５（の手指５２）と容量結合する。接触電極１３は、使用者５（の人体５１）に接触される。励振回路２２は、検知電極１２及び接触電極１３のうちの一方の電極１３に接続され、当該電極１３に励起電圧ｖｅを供給する。検知回路２１は、検知電極１２及び接触電極１３のうちの他方の電極１２に接続され、当該電極１２における検知電圧ｖｄに基づいて、検知電極１２と対象物との間の第１の静電容量の一例である検知容量Ｃｄｅｔに応じた検知信号Ｓｄを生成する。検知回路２１は、接触電極１３と対象物との間の第２の静電容量の一例である接続容量Ｃｃよりも小さい検知容量Ｃｄｅｔに応じて、接触電極１３に接触した対象物が検知電極１２に近接する程度を示すように検知信号Ｓｄを生成する。

以上の近接センサ１０によると、使用者５がコントローラ１を使用する際に接触電極１３に接触することを利用して、コントローラ１に接触する使用者５の手指５２等の対象物の近接を精度良く検知することができる。

本実施形態において、接触電極１３は、検知電極１２の面積よりも大きい面積を有する。これにより、接続容量Ｃｃを検知容量Ｃｄｅｔよりも大きく確保し易くなり、接続容量Ｃｃよりも小さい範囲内での検知容量Ｃｄｅｔに応じた対象物の近接検知を行い易くすることができる。

本実施形態において、対象物が接触電極１３に接触した状態における対象物と接触電極１３間の距離の一例である接触距離Ｄ２は、対象物が検知電極１２に接触した状態における対象物と検知電極１２間の距離の一例である接触距離Ｄ１よりも短い。これにより、接続容量Ｃｃを検知容量Ｃｄｅｔよりも大きく確保し易くすることができ、対象物の近接検知を行い易くできる。

本実施形態において、接触電極１３は、対象物と直接的に接触するように露出されてもよい。検知電極１２は、例えば対象物と間接的に接触するように設けられる。これにより、接続容量Ｃｃをよりも大きく確保し易くすることができ、対象物の近接検知更にを行い易くできる。

本実施形態において、近接センサ１０は、検知電極１２と接触電極１３との間に設けられ、励振回路２２と検知回路２１とに共有されるグランド電極１４をさらに備える。グランド電極１４の配置により、検知電極１２と接触電極１３間の寄生容量Ｃａｂを低減して、対象物の近接検知の精度を良くすることができる。

本実施形態において、検知電極１２及び接触電極１３のうちの検知電極１２に接続された電極とグランド電極１４間の静電容量である寄生容量Ｃａｇは、検知電極１２と接触電極１３間の静電容量である寄生容量Ｃａｂの１００倍以下である。これにより、検知電極１２とグラント電極１４間の寄生容量Ｃａｇが過度に大きくなることを回避して、対象物の近接を精度良く検知できる。

本実施形態において、グランド電極１４の面積は、検知電極１２の面積よりも大きくて、且つ接触電極１３の面積よりも大きい。これにより、寄生容量Ｃａｂを低減して、対象物の近接検知の精度を良くすることができる。

本実施形態において、検知回路２１は、検知電極１２に接続される。励振回路２２は、接触電極１３に接続される。グランド電極１４は、検知電極１２よりも接触電極１３に近い位置に配置される。これにより、検知電極１２とグラント電極１４間の寄生容量Ｃａｇを低減して、対象物の近接を精度良く検知できる。

本実施形態におけるコントローラ１は、近接センサ１０と、近接センサ１０によって生成された検知信号Ｓｄに基づいて、制御信号を生成する制御回路２０とを備える。こうしたコントローラ１によると、近接センサ１０により、コントローラ１に接触する対象物の近接を精度良く検知することができる。

（実施形態２）
実施形態２では、近接センサの動作原理の変形例について、図１０～１１を用いて説明する。

図１０は、実施形態２に係るコントローラ１Ａの構成を例示するブロック図である。実施形態１のコントローラ１における近接センサ１０では、検知回路２１が検知電極１２に接続され、励振回路２２が接触電極１３に接続された。本実施形態のコントローラ１Ａは、実施形態１のコントローラ１と同様の構成において、図１０に示すように、近接センサ１０Ａにおける検知回路２１が接触電極１３に接続され、励振回路２２が検知電極１２に接続される。

例えば、本実施形態において、複数の検知電極１２に対応する複数の励振回路２２が、各検知電極１２にそれぞれ接続される。各励振回路２２は、時分割で励起電圧ｖｅに対応する励起信号を各々の検知電極１２に供給してもよい。或いは、各励振回路２２からの励振信号にＦＭ変調或いはＰＷＭ変調などが施されてもよい。これにより、本実施形態の検知回路２１は、接触電極１３からの検知電圧ｖｄにおいて、各励振信号が供給される検知電極１２に応答した電圧変化を検知することができる。

以上のように構成される本実施形態の近接センサ１０Ａは、実施形態１における動作原理の式（１）の代わりに、次式（２１）に基づき動作する。

この場合、使用者５がコントローラ１の使用中の近似条件を満たすときには、実施形態１の式（２）の代わりに次式（２２）が成立する。

一方、使用者５が接触電極１３に接触していない近似条件を満たすときには、実施形態１の式（３）の代わりに次式（２３）が成立する。

以上のような動作原理の式（２１）～（２３）により、本実施形態の近接センサ１０Ａは、実施形態１の近接センサ１０と同様に、コントローラ１の使用中の使用者５を区別して、近接検知を精度良く行うことができる。

実施形態１の近接センサ１０は、検知電極１２の寄生容量Ｃａｇを低減することで近接検知の精度が向上される。これに代えて、本実施形態の近接センサ１０Ａは、上式（２２）より、接触電極１３の寄生容量Ｃｂｇを低減するように構成されることで、近接検知の精度が向上される。こうした構成の一例を、図１１を用いて説明する。

図１１は、本実施形態におけるコントローラ１Ａの断面図を、図４と同様の断面において例示する。本実施形態のコントローラ１Ａにおいては、例えば図１１に示すように、近接センサ１０Ａの検知回路２１に接続された接触電極１３とグランド電極１４との間隔Ｄ１４が、検知電極１２とグランド電極１４との間隔Ｄ１３よりも大きく設定される。これにより、寄生容量Ｃｂｇを低減して、近接センサ１０Ａの検知精度を向上できる。

例えば、本実施形態では、グランド電極１４が－Ｚ側の主面に設けられた基板１５の反対の＋Ｚ側の主面に、検知電極１２が設けられる。コントローラ１Ａの筐体において、基板１５が操作面１１近傍に配置され、接触電極１３は、操作面１１とは反対側の主面に配置される。これにより、接触電極１３と、基板１５とを離間した構成が容易に得られる。

以上のように、本実施形態における近接センサ１０Ａにおいて、検知回路２１は、接触電極１３に接続される。励振回路２２は、検知電極１２に接続される。グランド電極１４は、接触電極１３よりも検知電極１２に近い位置に配置される。これにより、検知回路２１に接続された接触電極１３とグラント電極１４間の寄生容量Ｃｂｇを低減して、対象物の近接を精度良く検知できる。

（実施形態３）
実施形態３では、使用者が把持して用いるコントローラの構成例について、図１２を用いて説明する。

図１２は、実施形態３に係るコントローラ１Ｂの構成を例示する斜視図である。本実施形態のコントローラ１Ｂは、実施形態１と同様の構成において、使用者の手によって把持されるグリップ状の把持部材１６を備える。コントローラ１Ｂは、例えばゲーム用あるいは工場における製造ライン又は車両などの制御用など様々な用途に適用可能である。

図１２に例示するコントローラ１Ｂにおいては、把持部材１６において、掌が接触する部分に接触電極１３が設けられている。本実施形態において、接触電極１３は、把持部材１６を把持する手の人差し指、中指、薬指、小指若しくは親指の何れか又は全てに接触する部分に設けられてもよい。また、図１２の例では、コントローラ１の把持部材１６に、把持した手を固定するための装着部材の一例であるベルト１７が設けられている。接触電極１３は、こうしたベルト１７等において把持した手に接触する部分に設けられてもよい。このような接触電極１３の配置によると、コントローラ１Ｂの使用中の手と接触電極１３との接触を安定的に維持できる。

図１２の例では、コントローラ１Ｂにおいて、把持した手の親指用の検知電極１２ａと、人差し指用の検知電極１２ｂと、中指用の検知電極１２ｃと、薬指用の検知電極１２ｄと、小指用の検知電極１２ｅとがそれぞれ設けられている。

例えば、親指用の検知電極１２ａは、コントローラ１Ｂにおいて、親指が操作すべきボタン、可倒レバー、力センサ等の各種操作部材（不図示）の近傍であって、且つ親指の可動範囲内に、１つ又は複数配置される。こうした親指用の検知電極１２ａによると、親指が各種操作部材に接触する前から操作しようとする動きを検知でき、コントローラ１Ｂにおいてスムーズ且つ高速の制御を実現可能である。

又、他の各指用の検知電極１２ｂ～１２ｅも、それぞれ１つの指に対して１つ設けられてもよいし、複数設けられてもよい。例えば、人差し指の根元から指先に到るまでの位置に複数の検知電極１２ｂが設けられることにより、人差し指の曲がり具合などが検知できる。こうした構成によると、コントローラ１Ｂにおいて、手を握ったり開いたり、指差し動作したりピースサインを出したり、など手のリアルな動きをただしく検知できるようになる。

以上のように、本実施形態におけるコントローラ１Ｂは手によって把持される把持部材１６をさらに備える。接触電極１３は、把持部材１６において、把持した状態の手が接触する位置に設けられる。検知電極１２は、接触電極１３の位置とは別の位置において、把持した状態の手における指が接触可能な位置に設けられる。これにより、把持部材１６を把持した手に対する接触を安定的に維持しながら、手指の近接を精度良く検知することができる。

本実施形態において、把持した状態の手における複数の指に応じて、複数の検知電極１２ａ～１２ｅが、把持部材１６に配置される。これにより、個々の指の近接検知が行え、各種のコントローラ１Ｂの操作を検知できるようにすることができる。なお、検知電極１２ａ～１２ｅの個数が検知したい指の本数と等しくなければならないということはなく、それ以上の数の検知電極を配置しても良いことは言うまでもない。

（実施形態４）
実施形態４では、使用者の顔に装着して用いられるコントローラの例について、図１３を用いて説明する。

図１３は、実施形態４に係るコントローラ１Ｃの構成を例示する斜視図である。本実施形態のコントローラ１Ｃは、例えば実施形態１と同様の構成において、図１３に示すように、使用者の耳に装着されるイヤホンを構成する。本実施形態のコントローラ１Ｃにおいて、接触電極１３は、例えば導電性を有するイヤーパッド１８で構成される。これにより、イヤホンを装着した使用者と接触電極１３との接触を安定的に維持できる。イヤーパッド１８は、本実施形態における装着部材の一例である。

本実施形態のコントローラ１Ｃによると、イヤホンの使用者が手を検知電極１２に接近させる操作を検知して、イヤホンの動作を制御したり各種の情報通信を制御したりすることができる。情報通信としては、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の近距離無線通信によりイヤホンからモバイル端末への情報送信などが挙げられる。

本実施形態のコントローラ１Ｃにおいて、検知電極１２は、例えば図１３に示すように、イヤホンにおいてイヤーパッド１８とは反対に外側へ向いた主面近傍において、１つ又は複数設けられる。これにより、イヤホンに触れたときの耳への負担や接触ノイズなどに煩わされることなくイヤホンの制御が行える。複数の検知電極１２それぞれへの近接を正確に検知できることにより、ジャスチャー入力による多機能化も可能であり、かつ精度が高い。また、雑踏の中など、人が密集した場所でのジャスチャー入力等の折、他の人の手等がイヤホンに近づいた場合でも誤動作することはなく、イヤホンを装着した使用者本人が意図した操作を精度良く検知できる。

以上のように、本実施形態のコントローラ１Ｃは、人体に装着される装着部材の一例としてイヤーパッド１８をさらに備える。接触電極１３は、こうした装着部材において、装着した状態の人体に接触する位置に設けられる。これにより、装着部材の装着者との接触を安定的に維持して、装着者の近接検知を精度良く行える。

上記の説明では、使用者の顔に装着して用いられるコントローラ１Ｃの一例として、イヤホンについて説明した。本実施形態において、コントローラ１Ｃ及び近接センサ１０はイヤホンに限らず、例えばスマートグラス、ヘッドセット或いは没入型ＶＲゴーグルなどに適用されてもよい。

例えば、スマートグラスにおいて、耳に掛ける部分である先セルあるいは鼻あてに近接センサ１０の接触電極１３を配置し、テンプルやフレーム部分に検知電極１２を配置して、装着者の目の周り手の動きを検知するようにコントローラ１Ｃが構成されてもよい。こうした構成によると、接触電極１３の上記配置により、スマートグラスの装着者の人体との接触を安定的に維持できる。又、検知電極１２の上記配置により、スマートグラスの耳や鼻への負担などに煩わされることなくスマートグラスの制御が行える。又、実施形態４と同様に、複数の検知電極１２によって、装着者のジェスチャー操作を精度良く検知でき、スマートグラスのコントローラ１Ｃの多機能化も行い易い。

又、ヘッドセットにおいては、Ｔ型バー等の支持部材あるいは耳あてに接触電極１３を設け、ヘッドバンド、スピーカ外面、マイクサポート外側に等に検知電極１２を設けて、装着者の顔の周りの手の動きを検知するようにコントローラ１Ｃが構成されてもよい。これにより、ヘッドセットの操作制御について、上記各実施形態と同様の効果を得られる。

また、ＶＲゴーグルにおいては、顔あて部分を導電性部材することで接触電極１３を設けし、ゴーグルの外側部分に１つまたは複数の検知電極１２を設けて、装着者の顔の周りの手の動きを検知するようにコントローラ１Ｃが構成されてもよい。これにより、ＶＲゴーグルの操作制御について、上記各実施形態と同様の効果を得られる。例えば、ゴーグル外面に検知電極１２を設けることにより、ゴーグルを触ってゴーグルが揺れたりずれたりすることなく、操作制御が行える。また、ゴーグルによっては実際の手の位置を正確に把握し難いような場合には、イメージセンサやＴＯＦなどで手の位置を正確に把握しながら操作するＶＲゴーグルの機能と併用して、本実施形態のコントローラ１Ｃ及び近接センサ１０を適用してもよい。

（実施形態５）
実施形態５では、使用者の身体に装着して用いられるコントローラの例について、図１４を用いて説明する。

図１４は、実施形態５に係るコントローラ１Ｄの構成を例示する斜視図である。本実施形態のコントローラ１Ｄは、例えば実施形態１と同様の構成において、例えば使用者の手首に装着される環状部材１９を備える。環状部材１９は、使用者の手首に限らず腕または指など種々の部分に装着されるように構成されてもよい。本実施形態のコントローラ１Ｄは、例えばスマートウォッチまたはスマートリングを構成してもよい。また、環状部材１９は、バンド状の部材の両端を連結可能に構成されてもよいし、装着時にも開端となるように開環で構成されてもよい。

本実施形態のコントローラ１Ｄにおいて、接触電極１３は、例えば図１４に示すように、環状部材１９の内周側に設けられる。また、検知電極１２は、環状部材１９の外周側に１つまたは複数、設けられる。こうしたコントローラ１Ｄによると、上記各実施形態と同様の効果が得られる。例えば、スマートウォッチまたはスマートリングが、衣服を介したり手袋を介したりした状態で操作されても、本実施形態のコントローラ１Ｄによると、当該操作の検知を容易に行える。

以上のように、本実施形態において、コントローラ１Ｄは、環状部材１９をさらに備える。検知電極１２は、環状部材１９の外周面に設けられる。接触電極１３は、環状部材１９の内周面に設けられる。これにより、環状部材１９の装着者との接触を確保して、装着者の近接検知を精度良く行える。

上記の説明では、使用者の身体に装着して用いられるコントローラ１Ｄの一例として、環状部材１９を用いる場合について説明した。本実施形態において、コントローラ１Ｄ及び近接センサ１０はこれに限らず、例えば身体に貼り付けて用いられるものであってもよい。

例えば、貼り付け型ウェアラブル生体センサにおいて、人体の皮膚に貼り付ける部分に接触電極１３を設け、その外側に検知電極１２を設けるようにしてもよい。こうしたヘルスケア用途においては、安全性が重要な場合が多い。これに対して、本実施形態のコントローラ１Ｄを適用することにより、装着者本人のみが意図した動作のみを検知できるようにでき、安全性を向上できる。或いは、こうしたコントローラ１Ｄにおいて、装着者本人が手などを近づけたり触れたりしたら動作を止めたり警報を発出するような動作を設定することも可能である。また、看護師又は介護士などが本人の手を握りながら、あるいは体に触れながら操作することもでき、こうした意図をもった支援者の操作のみを許すことによる安全性確保も可能である。ヘルスケア用途としては、心音計、心電計、心拍計、脳波計、ＳＰＯ２計、或いは各種マッサージ機等が挙げられる。

１，１Ａ～１Ｄ コントローラ
１０，１０Ａ 近接センサ
１２，１２ａ～１２ｅ 検知電極
１３ 接触電極
１４ グランド電極
１６ 把持部材
１７，１８ 装着部材
１９ 環状部材
２０ 制御回路
２１ 検知回路
２２ 励振回路
５ 使用者
５１ 人体
５２ 手指

Claims (14)

1. 近接する対象物と容量結合する１つ以上の検知電極と、
   前記対象物に接触される接触電極と、
   前記検知電極及び前記接触電極のうちの一方の電極に接続され、当該電極に励起電圧を供給する励振回路と、
   前記検知電極及び前記接触電極のうちの他方の電極に接続され、当該電極における検知電圧に基づいて、前記検知電極と前記対象物との間の第１の静電容量に応じた検知信号を生成する検知回路とを備え、
   前記検知回路は、前記接触電極と前記対象物との間の第２の静電容量よりも小さい前記第１の静電容量に応じて、前記接触電極に接触した対象物が前記検知電極に近接する程度を示すように前記検知信号を生成する
   近接センサ。
2. 前記接触電極は、前記検知電極の面積よりも大きい面積を有する
   請求項１に記載の近接センサ。
3. 前記対象物が前記接触電極に接触した状態における前記対象物と前記接触電極間の距離は、前記対象物が前記検知電極に接触した状態における前記対象物と前記検知電極間の距離よりも短い
   請求項１又は２に記載の近接センサ。
4. 前記接触電極は、前記対象物と直接的に接触するように露出されており、
   前記検知電極は、前記対象物と間接的に接触するように設けられる
   請求項１又は２に記載の近接センサ。
5. 前記検知電極と前記接触電極との間に設けられ、前記励振回路と前記検知回路とに共有されるグランド電極をさらに備える
   請求項１又は２に記載の近接センサ。
6. 前記検知電極及び前記接触電極のうちの前記検知電極に接続された電極と前記グランド電極間の静電容量は、前記検知電極と前記接触電極間の静電容量の１００倍以下である
   請求項５に記載の近接センサ。
7. 前記グランド電極の面積は、前記検知電極の面積よりも大きくて、且つ前記接触電極の面積よりも大きい
   請求項５に記載の近接センサ。
8. 前記検知回路は、前記検知電極に接続され、
   前記励振回路は、前記接触電極に接続され、
   前記グランド電極は、前記検知電極よりも前記接触電極に近い位置に配置された
   請求項５に記載の近接センサ。
9. 前記検知回路は、前記接触電極に接続され、
   前記励振回路は、前記検知電極に接続され、
   前記グランド電極は、前記接触電極よりも前記検知電極に近い位置に配置された
   請求項５に記載の近接センサ。
10. 請求項１又は２に記載の近接センサと、
    前記近接センサによって生成された検知信号に基づいて、制御信号を生成する制御回路と
    を備えたコントローラ。
11. 手によって把持される把持部材をさらに備え、
    前記接触電極は、前記把持部材において、把持した状態の手が接触する位置に設けられ、
    前記検知電極は、前記接触電極の位置とは別の位置において、前記把持した状態の手における指が接触可能な位置に設けられる
    請求項１０に記載のコントローラ。
12. 前記把持した状態の手における複数の指に応じて、複数の検知電極が、前記把持部材に配置された
    請求項１１に記載のコントローラ。
13. 人体に装着される装着部材をさらに備え、
    前記接触電極は、前記装着部材において、装着した状態の人体に接触する位置に設けられる
    請求項１０に記載のコントローラ。
14. 環状部材をさらに備え、
    前記検知電極は、前記環状部材の外周面に設けられ、
    前記接触電極は、前記環状部材の内周面に設けられる
    請求項１０に記載のコントローラ。

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