JPH0526753A - 静電容量型感圧検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、浮遊容量の影響なく、感圧検出器
２０からの小さな静電容量の変化量を正確に検出するこ
とができることを目的とする。 【構成】この発明の静電容量型感圧検出装置は、感圧検
出器２０からの静電容量の変化量を積分する積分回路６
を用いて静電容量の変化量を検出する検出回路１５と感
圧検出器２０とを接続する２本のシールド線３１、３２
が互いに接続され、かつグランドに接続されるようにし
たものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、静電容量の変化量を
とらえることにより感圧状態を検出する静電容量型感圧
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電容量の変化量を検出する検出
器に、シュミット型発振器のような微小静電容量の感知
電極が接続された場合、対グランドに対して浮遊容量の
影響があり、正確に静電容量の変化量を検出することが
できないという欠点があった。これにより、検出器の検
出出力に、対グランドに対しての不安定な浮遊容量が加
わるため、不安定な発振の原因となっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、浮遊
容量の影響なく、静電容量型感圧検出器からの小さな静
電容量の変化量を正確に検出することができないという
欠点があった。

【０００４】この発明によれば、浮遊容量の影響なく、
静電容量型感圧検出器からの小さな静電容量の変化量を
正確に検出することができる静電容量型感圧検出装置を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の静電容量型感
圧検出装置は、複数の感知セルがマトリクス状に配設さ
れ、導電位に結合されている２種類の感知セル群からな
り、一方の種類の感知セルの隣合う水平、垂直方向には
他方の種類の感知セルが配置されている感知電極体と、
この感知電極体上にスペーサを介して支持される導電性
弾性体と、この導電性弾性体が外力によって弾性変形を
起こし、この導電性弾性体が一方の種類の感知セルと隣
合う他方の種類の感知セルに囲まれた部位とに面接触し
た際に、静電容量の変化量を出力する出力手段とからな
る静電容量型感圧検出器、この静電容量型感圧検出器か
らの静電容量の変化量を積分する積分手段を用いて静電
容量の変化量を検出する検出手段、および上記静電容量
型感圧検出器と上記検出手段とを接続する２本のシール
ド線から構成され、上記２本のシールド線が互いに接続
され、かつグランドに接続されている。

【０００６】この発明の静電容量型感圧検出器は、複数
の感知セルがマトリクス状に配設され、導電位に結合さ
れている２種類の感知セル群からなり、一方の種類の感
知セルの隣合う水平、垂直方向には他方の種類の感知セ
ルが配置されている感知電極体、この感知電極体上にス
ペーサを介して支持される導電性弾性体、およびこの導
電性弾性体が外力によって弾性変形を起こし、この導電
性弾性体が一方の種類の感知セルと隣合う他方の種類の
感知セルに囲まれた部位とに面接触した際に、静電容量
の変化量を出力する出力手段から構成されている。

【０００７】

【作用】この発明は、静電容量型感圧検出器からの静電
容量の変化量を積分する積分手段を用いて静電容量の変
化量を検出する検出手段と静電容量型感圧検出器とを接
続する２本のシールド線が互いに接続され、かつグラン
ドに接続されるようにしたものである。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。

【０００９】図２は静電容量型感圧検出装置で用いる静
電容量型の感圧検出器２０の断面図であり、図３は感圧
検出器２０の感知電極体群の構成を示す図である。この
感圧検出器２０は、図１に示すように、感知電極体２
１、この感知電極体２１を覆う誘電体膜２２、スペーサ
２３によって誘電体膜２２上に支持される導電性弾性体
２４によって構成されている。感知電極体２１は、図２
に示すように、マトリクス状に配列された複数の感知セ
ル（セル）ａ０〜ａｎ、ｂ０〜ｂｎによって構成されて
いる。

【００１０】たとえば、セルａ０を基準として、その４
方向の対角線上のセルと導電位に結合されている小集合
体セルａ１、…と、同じくセルｂ０を基準として、その
４方向の対角線上のセルｂ１、…と導電位に結合されて
いる小集合体セルとなっている。これにより、各セルａ
０〜ａｎ、ｂ０〜ｂｎのどの１つにあっても連続した集
合体を形成しているため、全体として、終端子Ａおよび
Ｂに対して、Ａ＝ａ０＋ａ１＋……＋ａｎ−１＋ａｎの
面積を持った電極集合体と、Ｂ＝ｂ０＋ｂ１＋……＋ｂ
ｎ−１＋ｂｎの面積を持った電極集合体とによって構成
されている。また、任意のセルａの隣合う水平、垂直方
向にはセルｂを隣接して配置させ、セルｂに関しても同
様に、セルａが隣接して配置させた構造となっている。

【００１１】このような構成により、導電性弾性体２４
がセルａ０上で外力Ｆによって弾性変形を起こし、セル
ａ０と隣合うセルｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３に囲まれた部
位と導電性弾性体２４が面接触したと仮定したとき、セ
ルａ０は導電性弾性体２４を介在して、セルｂ０、ｂ
１、ｂ２、ｂ３の少なくとも１つ以上のセルとコンデン
サを形成する。

【００１２】すなわち、セルａ０、〜ａｎとセルｂ０、
〜ｂｎとで形成されるコンデンサ電極上に導電性弾性体
２４が近接し、面接触面積を増すことにより、感知電極
体２１の終端子ＡおよびＢにおいて静電容量の変化を知
ることができる。したがって、感知電極体２１上の任意
の位置の外力を、セルａ０、〜ａｎ、ｂ０、〜ｂｎの連
続性と配置の特徴から感知することができる。

【００１３】また、静電容量形成の過程で、感知電極体
２１上の誘電体膜２２の誘電率と空気の誘電率の比によ
り形成される静電容量の変化も知ることができ、非接触
で導電性弾性体２４の変形を知ることもできる。

【００１４】上記したように、感知電極体２１はセルａ
０、〜ａｎ、ｂ０、〜ｂｎの集合体であるため、全体形
状の自由度は大きく、セル単体の形状も同様に自由度は
大きいものとなっており、結果として検知面積形状の自
由度が大きい面スイッチとして利用できる。すなわち、
形状や大きさにこだわらずに感知エリアを大きく取るこ
とができる。

【００１５】さらに、静電容量変化をとらえた無接点、
無電流感知方式であるため、有接点スイッチの欠点であ
る悪環境下での接点の経年劣化や過電流による接点の溶
着等も起こさずに、高い信頼性、耐久性が期待できる。
また、防滴、防水構造にし易い。上記感圧検出器２０に
は、図１に示すような、静電容量型感圧検出装置として
の検出回路１５が接続されている。

【００１６】この検出回路１５は、上記感圧検出器２０
での微小の静電容量の変化量を検出するものである。検
出回路１５は、図１に示すように、発振器１、遅延回路
２、微分回路３、インバータ回路４、８、アンド回路
５、積分回路６、比較部７、マルチバイブレート部９、
ヒステリシス設定用フィードバック回路１０、出力回路
１１、および電源１２によって構成されている。

【００１７】発振器１は、図５の（ａ）および図６の
（ａ）に示すように、一定周期を持つ発振出力としての
パルスを出力するものであり、アンド回路１ａ、抵抗Ｒ
１、およびコンデンサＣ４によって構成されている。

【００１８】遅延回路２は、発振器１からのパルスを遅
延した遅延パルスを出力するものであり、単安定マルチ
バイブレータ２ａ、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ５によって
構成されている。

【００１９】この遅延回路２の時定数を変更し、遅延パ
ルスの出現位置を変えることにより、感度の変更を行う
ことができる。この際、アンド回路５が成立するタイミ
ングが変わってくる。微分回路３は、遅延回路２からの
遅延パルスを微分するものであり、たとえば抵抗Ｒ３、
およびコンデンサＣ６によって構成されている。すなわ
ち、微分回路３は、単安定マルチバイブレータ２ａのセ
ット出力の立ち下がり時の微分パルスを生成している。
インバータ回路４は、微分回路３からの微分信号を反転
した図５の（ｂ）および図６の（ｂ）に示すような信号
を出力するものである。

【００２０】積分回路６は、図６の（ｃ）に示すよう
に、発振器１からのパルス（一定周期の起動パルス）を
上記感圧検出器２０の静電容量変化量に応じて積分した
信号を出力するものであり、たとえば上記感圧検出器２
０、反転増幅器６ａ、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ
８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、コンデンサＣ１０、および
上記発振器１からのパルスに応じてオン−オフするスイ
ッチング素子（ＦＥＴ）Ｑ１によって構成されている。

【００２１】この場合、反転増幅器６ａの帰還抵抗を上
記感圧検出器２０に置き換えた積分回路であり、ＦＥＴ
Ｑ１がオンの場合、反転増幅器６ａの非反転入力端のレ
ベルがローレベルとなり、反転増幅器６ａの出力もロー
レベルとなる。ＦＥＴＱ１がオフの場合、反転増幅器６
ａの非反転入力端のレベルは「Ｖ１＝｛（Ｒ６＋Ｒ７）
／（Ｒ６＋Ｒ７＋Ｒ８＋Ｒ９）｝×Ｖｃｃ」なる電圧と
なり、反転増幅器６ａの反転入力端には、「Ｖ１」にな
ろうと電流「−ｉｃ」が流れ込む。

【００２２】一方、反転増幅器６ａの反転入力端には、
バイアス電流「ｉｂ」が流れ、「−ｉｃ＝ｉｂ」となる
まで、電流「−ｉｃ」が流れ続ける。この充電電流「−
ｉｃ」により上記感圧検出器２０の両端電圧が増加し、
これに打ち勝って充電電流「−ｉｃ」が流れ続け、反転
増幅器６ａの出力（Ｅｏｕｔ）は徐々に増加するように
なっている（式１参照）。

【００２３】

【数１】

【００２４】比較部７は、図６の（ｃ）に示すように、
積分回路６からの出力をスレッショルドレベルと比較す
ることにより、図６の（ｄ）に示すような、積分回路６
からの感圧検出器２０の静電容量変化量に比例したパル
ス幅に変換した信号を出力するものであり、たとえば比
較器７ａ、抵抗Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４によって構成さ
れている。比較部７内の比較器７ａに印加されるスレッ
ショルドレベル（基準値）は、図６の（ｃ）に示すよう
に、２種類用意されており（Ｓａ、Ｓｂ；Ｓａ＜Ｓ
ｂ）、そのスレッショルドレベルは上記フィードバック
回路１０により変更されるようになっている。インバー
タ回路８は、比較部７からの信号を反転した図５の
（ｃ）に示すような信号を出力するものである。

【００２５】アンド回路５は、図５の（ｄ）に示すよう
に、インバータ回路４からの信号とインバータ回路８か
らの信号との論理積を取るものであり、論理積が成立し
た際、所定の静電容量の変化があったことを示してい
る。

【００２６】マルチバイブレート部９は、発振器１の発
振周期より長い時定数を持ち、アンド回路５からの出力
が連続して供給されている際に、図５の（ｅ）に示すよ
うに、一定出力を保ち続けるものである。すなわち、ア
ンド回路５からの入力パルスの再トリガーで、さらに設
定した時定数で遅延が始まるので、入力が途絶えるま
で、一定出力を保ち続け、所定の静電容量値が維持され
ていることを示している。マルチバイブレート部９は、
たとえば単安定マルチバイブレータ９ａ、抵抗Ｒ１５、
Ｒ１６、およびコンデンサＣ８、Ｃ９、Ｃ１０によって
構成されている。

【００２７】ヒステリシス設定用フィードバック回路１
０は、単安定マルチバイブレータ９ａからの出力を比較
部７へフィードバックすることにより、比較部７のスレ
ッショルドレベルを変更するものであり、たとえばダイ
オードＤ１、および抵抗Ｒ１４によって構成されてい
る。このように、単安定マルチバイブレータ９ａの出力
により、比較部７のスレッショルドレベルを変化させる
ことにより、臨界点での誤動作を防止できる。

【００２８】出力回路１１は、単安定マルチバイブレー
タ９ａからの出力に応じた信号を出力するとともに、単
安定マルチバイブレータ９ａからの出力に応じてスイッ
チＳＷをオンーオフするものであり、たとえば単安定マ
ルチバイブレータ９ａからの出力に応じてオンーオフす
るスイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑ２、リレーＲＬ、およ
びダイオードＤ２、Ｄ３によって構成されている。電源
１２は、上記各部に電源電圧を印加するものであり、た
とえばダイオードＤ４、抵抗Ｒ１７、コンデンサＣ１、
Ｃ２、Ｃ３によって構成されている。

【００２９】上記積分回路６と上記感圧検出器２０の各
終端子Ａ、Ｂとは、図４に示すように、長さのあるシー
ルド線３１、３２を介して接続されている。シールド線
３１、３２は、それぞれ芯線３３、３４がシールド部材
３５、３６によりシールドされており、これらのシール
ド部材３５、３６による二線間、（終端子Ａ、Ｂ間）を
互いに接続し、かつグランドＧＮＤに接続する。

【００３０】これにより、終端子Ａ、Ｂ相互にある浮遊
容量の影響を無くすことができ、シールド線３１、３２
の二線間とグランドＧＮＤにある浮遊容量の影響を無く
すことができる。したがって、終端子Ａ、Ｂ間の変化量
だけを取り出せる。この結果、シールド線３１、３２間
の電位差が無くなり、浮遊容量に影響されずに終端子
Ａ、Ｂの変化量だけを取り出すことができる。

【００３１】このような構成によれば、発振器１からの
一定な周期を持つ発振出力は、遅延回路２により遅延パ
ルス信号を形成し、また一方で積分回路６の一定周期の
起動パルスとして機能している。遅延回路２からの遅延
パルス信号は微分回路３により微分信号とされた後、イ
ンバータ回路４により反転されてアンド回路５に供給さ
れる。

【００３２】また、積分回路３は上記感圧検出器２０の
静電容量変化量に応じて積分した信号を比較部７を用い
て静電容量変化量に比例したパルス幅に変換された後、
インバータ回路４により反転されてアンド回路５に供給
される。

【００３３】これにより、アンド回路５が成立したと
き、上記感圧検出器２０により所定の静電容量変化があ
りと判断し、単安定マルチバイブレータ９ａに入力信号
を出力する。

【００３４】単安定マルチバイブレータ９ａはアンド回
路５からの入力信号により一定レベルの信号を出力し、
アンド回路５からの入力信号による再トリガで、一定出
力を保ち続ける。

【００３５】単安定マルチバイブレータ９ａからの出力
はフィードバック回路１０により比較部７へフィードバ
ックされ、比較部７のスレッショルドレベルをＳａから
Ｓｂに変更する。これにより、臨界点での誤動作を防止
できる。

【００３６】上記したように、感知電極体と導電性弾性
体とで形成される感圧検出器により微小静電容量の変化
量を検出する際に、感圧検出器のグランドに対する静電
容量成分の影響を受けずに正確に検出できる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
浮遊容量の影響なく、静電容量型感圧検出器からの小さ
な静電容量の変化量を正確に検出することができる静電
容量型感圧検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例における検出回路の構成を
示す回路図。

【図２】図１の感圧検出器の構成を示す断面図。

【図３】図１の感圧検出器の感知電極体の構成を示す平
面図。

【図４】図１の感圧検出器と検出回路との接続状態を示
す図。

【図５】図１の検出回路における要部の動作を説明する
ためのタイミングチャート。

【図６】図１の検出回路における要部の動作を説明する
ためのタイミングチャート。

【符号の説明】

１…発振器、２…遅延回路、２ａ…単安定マルチバイブ
レータ、３…微分回路、４、８…インバータ回路、５…
アンド回路、６…積分回路、７…比較部、９…マルチバ
イブレート部、９ａ…単安定マルチバイブレータ、１０
…ヒステリシス設定用フィードバック回路、１１…出力
回路、１２…電源、１５…検出回路、２０…感圧検出
器、ａ０、〜ａｎ、ｂ０、〜ｂｎ…セル、２１…感知電
極体、２２…誘電体膜、２３…スペーサ、２４…導電性
弾性体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の感知セルがマトリクス状に配設さ
   れ、導電位に結合されている２種類の感知セル群からな
   り、一方の種類の感知セルの隣合う水平、垂直方向には
   他方の種類の感知セルが配置されている感知電極体と、
   この感知電極体上にスペーサを介して支持される導電性
   弾性体と、この導電性弾性体が外力によって弾性変形を
   起こし、この導電性弾性体が一方の種類の感知セルと隣
   合う他方の種類の感知セルに囲まれた部位とに面接触し
   た際に、静電容量の変化量を出力する出力手段とからな
   る静電容量型感圧検出器と、 この静電容量型感圧検出器からの静電容量の変化量を積
   分する積分手段を用いて静電容量の変化量を検出する検
   出手段と、 上記静電容量型感圧検出器と上記検出手段とを接続する
   ２本のシールド線とを具備し、 上記２本のシールド線が互いに接続され、かつグランド
   に接続されていることを特徴とする静電容量型感圧検出
   装置
2. 【請求項２】 複数の感知セルがマトリクス状に配設さ
   れ、導電位に結合されている２種類の感知セル群からな
   り、一方の種類の感知セルの隣合う水平、垂直方向には
   他方の種類の感知セルが配置されている感知電極体と、 この感知電極体上にスペーサを介して支持される導電性
   弾性体と、 この導電性弾性体が外力によって弾性変形を起こし、こ
   の導電性弾性体が一方の種類の感知セルと隣合う他方の
   種類の感知セルに囲まれた部位とに面接触した際に、静
   電容量の変化量を出力する出力手段と、 を具備したことを特徴とする静電容量型感圧検出器。