JPWO2005108912A1 - Visualization sensor - Google Patents

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    • G01B7/023Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object

Abstract

真空状態を用意する必要がなく、小型でかつ簡易な構成により物体の可視化を実現可能な可視化センサを提供する。発振器2は、プローブアレイ1の1点であるアンテナ電極8と物体との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数f2の信号を発振する。発振器3は、常に固定周波数f1の信号を発振する。ミキサ4は、周波数f2の信号と固定周波数f1の信号とを入力し、乗算処理を施す。フィルタ5は、ミキサ4から入力した信号のうちの周波数f1,f2,f1+f2,2f1,2f2の信号成分を除去し、周波数f1−f2の信号のみを出力する。カウンタ6は、周波数f1−f2の信号について周波数のカウントを行う。PC7は、カウント値に基づいて物体とプローブアレイ1におけるアンテナ電極8との間の距離を算出する。Provided is a visualization sensor that does not require a vacuum state and can realize visualization of an object with a small and simple configuration. The oscillator 2 regards the distance between the antenna electrode 8 that is one point of the probe array 1 and the object as the capacitance of the capacitor, and oscillates a signal having a frequency f2 corresponding to the capacitance. The oscillator 3 always oscillates a signal having a fixed frequency f1. The mixer 4 inputs the signal of the frequency f2 and the signal of the fixed frequency f1, and performs a multiplication process. The filter 5 removes signal components of frequencies f1, f2, f1 + f2, 2f1, and 2f2 from the signal input from the mixer 4, and outputs only a signal of frequency f1-f2. The counter 6 counts the frequency of the signal having the frequency f1-f2. The PC 7 calculates the distance between the object and the antenna electrode 8 in the probe array 1 based on the count value.

Description

本発明は、物体のインピーダンスの空間変化を検出するセンサに関し、特に、高周波発信回路に接続したアンテナを用いて周波数変化を検出することにより、物体の可視化を実現するセンサに関する。   The present invention relates to a sensor that detects a spatial change in impedance of an object, and more particularly to a sensor that realizes visualization of an object by detecting a frequency change using an antenna connected to a high-frequency transmission circuit.

従来、サブミクロンの解像度でインピーダンスの空間変化を検出し、物体の可視化を実現する装置として、走査電子顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡等が用いられている。走査電子顕微鏡は、物体に電子線を照射して二次電子等を発生させ、この二次電子等を検出することにより、物体の可視化を実現する。また、走査型プローブ顕微鏡は、物体とプローブとの間に発生する現象を検出する(例えば、トンネル電流、原子間力を検出する)ことにより、物体の可視化を実現する。現在、顕微鏡のサイズや解像度に着目した開発や改良がなされ、さらに、様々な形状や性質を有する物体に対応するための研究等がなされている(例えば、特開2001−108596号公報を参照。)。   Conventionally, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, or the like has been used as a device for detecting a spatial change in impedance at a submicron resolution and realizing object visualization. A scanning electron microscope realizes visualization of an object by irradiating an object with an electron beam to generate secondary electrons and detecting the secondary electrons. In addition, the scanning probe microscope realizes visualization of an object by detecting a phenomenon that occurs between the object and the probe (for example, detecting a tunnel current and an atomic force). At present, development and improvement focusing on the size and resolution of a microscope have been made, and further studies for dealing with objects having various shapes and properties have been made (see, for example, JP-A-2001-108596). ).

また、走査型静電容量顕微鏡の例が特開平9−282579号公報に記載されている。この走査型静電容量顕微鏡は、容量センサを用いて電極と被測定体表面との間の静電容量を測定し、被測定体表面の静電容量分布を求める装置である。具体的には、固定周波数の信号を発振する発振回路、被測定容量CmをLC並列共振回路に並列に接続した共振回路、及び、共振周波数の変化を電圧として出力する出力回路により構成された容量センサにより、被測定容量Cmの影響で共振周波数が変化することを利用して、静電容量分布が求められる。容量センサが共振周波数の変化を出力回路の電圧の変化に変換することにより、静電容量分布が求められる。尚、特開平11−30622号公報にも、同様の測定原理を用いた走査型静電容量顕微鏡が記載されている。   An example of a scanning capacitance microscope is described in JP-A-9-282579. This scanning capacitance microscope is a device for measuring a capacitance between an electrode and a surface of a measurement object using a capacitance sensor and obtaining a capacitance distribution on the surface of the measurement object. Specifically, a capacitor configured by an oscillation circuit that oscillates a signal having a fixed frequency, a resonance circuit in which a measured capacitor Cm is connected in parallel to an LC parallel resonance circuit, and an output circuit that outputs a change in the resonance frequency as a voltage. The capacitance distribution is obtained by utilizing the fact that the resonance frequency is changed by the sensor under the influence of the measured capacitance Cm. The capacitance sensor converts the change in the resonance frequency into the change in the voltage of the output circuit, whereby the capacitance distribution is obtained. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-30622 also describes a scanning capacitance microscope using the same measurement principle.

また、静電容量式変位センサの例が特開2004−170163号公報に記載されている。この静電容量式変位センサは、電極と被測定体表面との間の静電容量を測定し、この静電容量が両者の距離に反比例することを利用して距離を測定するセンサである。具体的には、静電容量式変位センサは、被測定容量Cmと基準容量Crとが直列に接続された回路、被測定容量Cmにおける交流電圧の分圧を検出する回路、被測定容量Cmに依存した交流電圧を生成して増幅する回路、交流電圧の振幅を周波数に変換する回路、及び、周波数を検出する回路により構成される。このような構成の下で、静電容量式変位センサは、V/Fコンバータが被測定容量Cmにおける交流電圧を周波数に変換することにより、周波数情報を得て発振周波数を特定し、距離を測定する。   An example of a capacitive displacement sensor is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-170163. This capacitance type displacement sensor is a sensor that measures the capacitance by measuring the capacitance between the electrode and the surface of the object to be measured and utilizing the fact that this capacitance is inversely proportional to the distance between the two. Specifically, the capacitance type displacement sensor includes a circuit in which a measured capacitor Cm and a reference capacitor Cr are connected in series, a circuit for detecting a partial voltage of an alternating voltage in the measured capacitor Cm, and a measured capacitor Cm. The circuit includes a circuit that generates and amplifies the dependent AC voltage, a circuit that converts the amplitude of the AC voltage into a frequency, and a circuit that detects the frequency. Under such a configuration, the capacitance type displacement sensor uses the V / F converter to convert the alternating voltage in the capacitance Cm to be measured into a frequency, thereby obtaining frequency information and specifying the oscillation frequency and measuring the distance. To do.

また、静電容量の変化を検出するセンサとして、指紋センサが知られている。この指紋センサは、直流電圧源が一定値の抵抗を介して被測定容量Cmを充電した場合に、その充電のために要する時間変化を静電容量の変化として検出するセンサである。つまり、静電容量の変化を電圧値の変化に変換することにより、一定時間後の電圧値から静電容量を求める。   A fingerprint sensor is known as a sensor for detecting a change in capacitance. This fingerprint sensor is a sensor that detects a change in time required for charging as a change in capacitance when a DC voltage source charges the capacitor Cm to be measured via a resistor having a constant value. That is, by converting the change in capacitance into a change in voltage value, the capacitance is obtained from the voltage value after a certain time.

また、指表面の凹凸をインピーダンスの変化として捉え、高周波信号によってそのインピーダンス変化を読み出すセンサが特開平2001−17412号公報に記載されている。具体的には、このセンサは、複数の出力電極、単一の入力電極、前記複数の出力電極のうちの一つを選択して高周波のキャリア信号を供給するドライブ回路、及び、入力電極から前記キャリア信号を入力し、このキャリア信号の振幅からインピーダンス情報を取り出す検出回路により構成される。つまり、キャリア信号の振幅がインピーダンス(指表面の凹凸)によって異なることから、インピーダンス情報をデジタル信号化することにより、指表面の凹凸情報を得ることができる。このように、物体の可視化を実現するための開発や研究が、様々な技術を用いて行われている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-17412 discloses a sensor that captures unevenness on the finger surface as a change in impedance and reads out the change in impedance using a high-frequency signal. Specifically, the sensor includes a plurality of output electrodes, a single input electrode, a drive circuit that selects one of the plurality of output electrodes and supplies a high-frequency carrier signal, and the input electrode It is constituted by a detection circuit that inputs a carrier signal and extracts impedance information from the amplitude of the carrier signal. That is, since the amplitude of the carrier signal varies depending on the impedance (unevenness on the finger surface), the unevenness information on the finger surface can be obtained by converting the impedance information into a digital signal. As described above, development and research for realizing visualization of an object are performed using various technologies.

しかしながら、前述の走査電子顕微鏡では、真空状態を用意する必要があり、また電子線を物体に照射する必要がある。このため、観測物体が生物の場合には、生物を生きたまま観測できず、生体物質の可視化に適応することができない。一方、走査型プローブ顕微鏡では、高度な雑音対策及び精密な機械制御が必要になるため、装置全体として大規模かつ複雑な構成になってしまう。   However, in the above-mentioned scanning electron microscope, it is necessary to prepare a vacuum state and to irradiate an object with an electron beam. For this reason, when the observation object is a living thing, the living thing cannot be observed as it is, and it cannot be adapted to visualization of a biological substance. On the other hand, since the scanning probe microscope requires advanced noise countermeasures and precise machine control, the entire apparatus becomes a large-scale and complicated configuration.

また、前述の走査型静電容量顕微鏡では、共振周波数を用いて静電容量を測定するため、被測定容量Cm及びLC並列共振回路を並列に接続した共振回路を設ける必要がある。このため、小型化が実現できず、集積化も困難である。   In the scanning capacitance microscope described above, in order to measure the capacitance using the resonance frequency, it is necessary to provide a resonance circuit in which the capacitance Cm to be measured and the LC parallel resonance circuit are connected in parallel. For this reason, miniaturization cannot be realized and integration is difficult.

また、前述の静電容量式変位センサでは、静電容量の変化を交流電圧の変化に変換するため、電子回路のSN比により感度が制限され高精度化を実現できない。さらに、この静電容量式変位センサでは、分圧検出回路、増幅回路、電圧周波数変換回路等の多くの回路が必要になるため、回路規模が大きくなってしまう。また、前述の指紋センサでは、静電容量式変位センサと同様に、電子回路のSN比により感度が制限され高精度化を実現できない。   In the above-described capacitance type displacement sensor, since the change in capacitance is converted into the change in AC voltage, the sensitivity is limited by the SN ratio of the electronic circuit, and high accuracy cannot be realized. Furthermore, this electrostatic capacitance type displacement sensor requires many circuits such as a partial pressure detection circuit, an amplification circuit, and a voltage frequency conversion circuit, so that the circuit scale becomes large. Further, in the above-described fingerprint sensor, the sensitivity is limited by the S / N ratio of the electronic circuit as in the capacitance type displacement sensor, and high accuracy cannot be realized.

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その第1の目的は、真空状態を用意する必要がなく、小型でかつ簡易な構成により物体の可視化を実現可能な可視化センサを提供することにある。また、本発明の第2の目的は、高感度化及び高精度化を実現する可視化センサを提供することにある。さらに、本発明の第3の目的は、高解像度化を実現する可視化センサを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made to solve such problems. The first object of the present invention is to make it possible to visualize an object with a small and simple configuration without having to prepare a vacuum state. Is to provide a simple visualization sensor. A second object of the present invention is to provide a visualization sensor that achieves high sensitivity and high accuracy. Furthermore, a third object of the present invention is to provide a visualization sensor that realizes high resolution.

〔本発明の原理〕
本発明による物体の可視化は、「テルミン」という楽器の動作原理に基づいている。この「テルミン」は、当該楽器に設けられた2つのアンテナを手で遮ることによってアンテナと手との間の静電容量を変化させ、発生楽音の音程及び音量を変化させるものである。具体的には、静電容量がアンテナと手との間の距離に反比例することから、当該静電容量に応じた周波数の信号を発振させ、その発振周波数を音程及び音声に変換する。
[Principle of the present invention]
Visualization of an object according to the present invention is based on the operating principle of a musical instrument called “Theremin”. This “termin” is to change the pitch and volume of the generated musical sound by changing the capacitance between the antenna and the hand by blocking the two antennas provided on the musical instrument with the hand. Specifically, since the capacitance is inversely proportional to the distance between the antenna and the hand, a signal having a frequency corresponding to the capacitance is oscillated, and the oscillation frequency is converted into a pitch and sound.

まず、前述の「テルミン」の動作原理に基づいた本発明による物体の観測原理について、図1を参照して詳細に説明する。図1において、本システムは、プローブアレイ1、発振器2,3、ミキサ4、フィルタ5、カウンタ6及びPC(パーソナルコンピュータ)7を備えている。プローブアレイ1は、格子状に配置された複数のアンテナ電極8から構成され、当該プローブアレイ1上に観測対象の物体(図示せず)が置かれる。アンテナ電極8は、物体との間で静電容量を有するキャパシタの電極である。   First, the observation principle of an object according to the present invention based on the above-described “thermin” operation principle will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 1, the system includes a probe array 1, oscillators 2 and 3, a mixer 4, a filter 5, a counter 6, and a PC (personal computer) 7. The probe array 1 is composed of a plurality of antenna electrodes 8 arranged in a lattice shape, and an object to be observed (not shown) is placed on the probe array 1. The antenna electrode 8 is an electrode of a capacitor having a capacitance with an object.

発振器2は、物体とプローブアレイ1の1点であるアンテナ電極8との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数fの信号を発振する。この場合、物体とアンテナ電極8との間の距離が変化すると静電容量が変化し、静電容量が変化すると発振周波数fも変化するという関係がある。発振器2は、静電容量に応じた周波数fの信号を発振する回路であり、例えば、LC発振回路を用いた場合には、静電容量Cと発振周波数fとは次式の関係になる。
式:f=1/2π√(L×C)
また、発振器3は、常に固定周波数fの信号を発振する。尚、物体がプローブアレイ1上に置かれていない場合には、発振器2が発振する信号の周波数fと発振器3が発振する固定周波数fとは同一であるものとする。
Oscillator 2, captures the distance between the antenna electrode 8 is one point of the object and the probe array 1 as an electrostatic capacitance of the capacitor oscillates a signal of frequency f 2 in accordance with the capacitance. In this case, relationship of the distance between the object and the antenna electrode 8 is the capacitance is changed when changing the capacitance is the oscillation frequency f 2 also changes vary. The oscillator 2 is a circuit that oscillates a signal having a frequency f 2 corresponding to the capacitance. For example, when an LC oscillation circuit is used, the capacitance C and the oscillation frequency f have the following relationship. .
Formula: f = 1 / 2π√ (L × C)
Furthermore, the oscillator 3 is always oscillates a signal of fixed frequency f 1. The object is when not placed on the probe array 1, a signal of frequency f 2 and oscillator 3 oscillator 2 oscillates is assumed to be the same as the fixed frequency f 1 to oscillate.

ミキサ4は、発振器2から周波数fで発振した信号と、発振器3から固定周波数f1で発振した信号とを入力し、乗算処理を施し、その結果として周波数f,f,f−f,f+f,2f,2fの信号を出力する。フィルタ5は、高周波の信号成分を除去するLPF(Low Pass Filter)である。フィルタ5は、ミキサ4から入力した信号について周波数f,f,f+f,2f,2fの信号成分を除去し、周波数f−fの信号のみを出力する。The mixer 4 receives the signal oscillated from the oscillator 2 at the frequency f 2 and the signal oscillated from the oscillator 3 at the fixed frequency f 1 , and performs multiplication processing. As a result, the frequencies f 1 , f 2 , f 1 −f 2 , f 1 + f 2 , 2f 1 , 2f 2 signals are output. The filter 5 is an LPF (Low Pass Filter) that removes a high-frequency signal component. The filter 5 removes signal components of frequencies f 1 , f 2 , f 1 + f 2 , 2f 1 , 2f 2 from the signal input from the mixer 4 and outputs only a signal of frequency f 1 −f 2 .

カウンタ6は、フィルタ5から入力した周波数f−fの信号について周波数のカウントを行い、単位時間当たりのカウント値すなわち周波数f−fを算出する。PC7は、カウンタ6からカウント値を入力し、当該カウント値に基づいて物体とプローブアレイ1におけるアンテナ電極8との間の距離を算出する。この場合、物体とアンテナ電極8との間の静電容量は、プローブアレイ1のアレイ面に対して垂直方向における物体の面であって、プローブアレイ1のアンテナ電極8の電極面から垂直方向に存在する物体面における当該物体面付近とアンテナ電極8の電極面との間の静電容量であるため、静電容量から算出される距離は、アンテナ電極8の電極面と物体面付近との間の平均距離になる。そして、物体とプローブアレイ1におけるアンテナ電極との間の距離を、アンテナ電極毎に算出することにより、プローブアレイ1から見た物体の形状(物体像)を画像化することができる。The counter 6 counts the frequency of the signal having the frequency f 1 -f 2 input from the filter 5 and calculates a count value per unit time, that is, the frequency f 1 -f 2 . The PC 7 inputs the count value from the counter 6 and calculates the distance between the object and the antenna electrode 8 in the probe array 1 based on the count value. In this case, the capacitance between the object and the antenna electrode 8 is the surface of the object in the direction perpendicular to the array surface of the probe array 1, and is perpendicular to the electrode surface of the antenna electrode 8 of the probe array 1. Since the electrostatic capacity is between the vicinity of the object surface in the existing object surface and the electrode surface of the antenna electrode 8, the distance calculated from the electrostatic capacitance is between the electrode surface of the antenna electrode 8 and the vicinity of the object surface. The average distance. And the shape (object image) of the object seen from the probe array 1 can be imaged by calculating the distance between the object and the antenna electrode in the probe array 1 for each antenna electrode.

このように、発振器を用いて、物体とプローブアレイ1におけるアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数で発振させ、当該周波数に基づいて距離を算出することにより、物体の形状を画像化することができる。   In this way, an oscillator is used to oscillate at a frequency corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode in the probe array 1, and the distance is calculated based on the frequency, thereby imaging the shape of the object. can do.

発振器2,3にLC発振回路を用いた場合において、発振周波数に基づいて算出された距離と周波数変化の割合との関係を、図2に示す。図2から、距離が長くなるに従って周波数変化の割合が小さくなり、距離が短くなるに従って周波数変化の割合が大きくなることがわかる。また、周波数が高くなる程、距離の感度が良くなることがわかる。実験によって、5GHz付近まで周波数を上げると発振しなくなる結果が得られている。5GHzに近い周波数であって、かつ発振する周波数を用いることにより、感度の良い距離の算出が可能になる。   FIG. 2 shows the relationship between the distance calculated based on the oscillation frequency and the rate of frequency change when LC oscillators are used for the oscillators 2 and 3. FIG. 2 shows that the frequency change rate decreases as the distance increases, and the frequency change rate increases as the distance decreases. It can also be seen that the higher the frequency, the better the distance sensitivity. Experiments have shown that oscillation does not occur when the frequency is increased to around 5 GHz. By using a frequency close to 5 GHz and oscillating, a highly sensitive distance can be calculated.

前述の原理に基づいて、本発明による可視化センサは、物体に対向して設けられたアンテナ電極、該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第1の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第2の発振器、及び、前記第1の発振器により出力された信号の発振周波数と、第2の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段を備えたことを特徴とする。静電容量は物体とアンテナ電極との間の距離に依存するから、出力手段から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。   Based on the above-described principle, the visualization sensor according to the present invention has an antenna electrode provided opposite to an object, connected to the antenna electrode, and having an oscillation frequency corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode. A first oscillator that outputs a signal, a second oscillator that outputs a signal having a reference oscillation frequency, an oscillation frequency of the signal output by the first oscillator, and a signal output by the second oscillator Output means for generating and outputting a signal having a frequency corresponding to the difference from the reference oscillation frequency. Since the electrostatic capacitance depends on the distance between the object and the antenna electrode, the distance between the object and the antenna electrode can be calculated based on the signal output from the output means.

前記出力手段に代えて、前記第1の発振器により出力された信号について、その発振周波数を1倍の周波数比に分周した周波数を生成し、該周波数の信号と入力する基準周波数信号とが一致するように第1の発振器に対する制御用周波数信号を生成して出力する第1の同期回路、及び、前記第2の発振器により出力された基準発振周波数の信号を入力し、該基準発振周波数を所定の周波数比に分周した周波数を生成し、該分周した周波数の信号を前記基準周波数信号として出力する第2の同期回路を備えるように構成するのが好適である。これにより、第1の同期回路から出力される信号及び第2の同期回路から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。この場合、より高い周波数を用いて制御用周波数信号を出力することができ、物体とアンテナ電極との間の距離を感度良く算出することが可能となる。   Instead of the output means, for the signal output from the first oscillator, a frequency obtained by dividing the oscillation frequency by a frequency ratio of 1 is generated, and the signal of the frequency coincides with the input reference frequency signal. A first synchronizing circuit that generates and outputs a control frequency signal for the first oscillator, and a reference oscillation frequency signal output by the second oscillator, and inputs the reference oscillation frequency to a predetermined value. It is preferable to include a second synchronization circuit that generates a frequency divided into a frequency ratio of the frequency and outputs a signal of the divided frequency as the reference frequency signal. As a result, the distance between the object and the antenna electrode can be calculated based on the signal output from the first synchronization circuit and the signal output from the second synchronization circuit. In this case, the control frequency signal can be output using a higher frequency, and the distance between the object and the antenna electrode can be calculated with high sensitivity.

前記可視化センサの構成に加えて、物体に対向して設けられ、接地状態に保持されたグランド電極を備えるようにするのが好適である。これにより、物体とアンテナ電極との間の静電容量以外に物体に依存して変化する静電容量を考慮しなくて済むから、グランド電極を備えない場合に比べて、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することが可能となる。前記可視化センサにおいて、アンテナ電極を複数備え、第1の発振器、第2の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられるように構成するのが好適である。   In addition to the configuration of the visualization sensor, it is preferable to provide a ground electrode provided facing the object and held in a grounded state. This eliminates the need to consider the capacitance that varies depending on the object other than the capacitance between the object and the antenna electrode. It is possible to calculate the distance between them with high accuracy. The visualization sensor preferably includes a plurality of antenna electrodes, and the first oscillator, the second oscillator, and the output means are provided for each of the plurality of antenna electrodes.

また、本発明に係る可視化センサは、物体に対向して設けられたアンテナ電極、該アンテナ電極に接続されて物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第1の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第2の発振器、及び、前記第1の発振器により出力された信号の発振周波数と、第2の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段を備えたことを特徴とする。これにより、出力手段から出力される信号に基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。前記可視化センサにおいて、アンテナ電極を複数備え、第1の発振器、第2の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられるように構成するのが好適である。   In addition, the visualization sensor according to the present invention outputs a signal having an oscillation frequency corresponding to an electrostatic capacity between an antenna electrode provided opposite to an object and the antenna electrode connected to the antenna electrode. 1 oscillator, a second oscillator that outputs a signal having a reference oscillation frequency, an oscillation frequency of a signal output by the first oscillator, and a reference oscillation frequency of a signal output by the second oscillator Output means for generating and outputting a signal having a frequency corresponding to the difference between the two. This makes it possible to calculate the distance between the object and the antenna electrode based on the signal output from the output means. The visualization sensor preferably includes a plurality of antenna electrodes, and the first oscillator, the second oscillator, and the output means are provided for each of the plurality of antenna electrodes.

前記可視化センサに加えて、アンテナ電極毎に設けられた出力手段のうちの一つの出力手段を選択するためのスイッチを備えるようにするのが好適である。また、前記第1の発振器、第2の発振器及び出力手段を、複数のアンテナ電極からみて物体に対して反対側に設けるように構成するのが好適である。また、前記第1の発振器及び第2の発振器は、奇数個のインバータが直列にそれぞれ接続され、コモンセントロイド配置に構成されているのが好適である。   In addition to the visualization sensor, it is preferable that a switch for selecting one of the output means provided for each antenna electrode is provided. Further, it is preferable that the first oscillator, the second oscillator, and the output means are provided on the opposite side to the object when viewed from the plurality of antenna electrodes. In addition, it is preferable that the first oscillator and the second oscillator are configured in a common centroid arrangement in which an odd number of inverters are respectively connected in series.

また、本発明に係る可視化センサは、物体に対向して設けられた単一のアンテナ電極、該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第1の発振器、基準となる発振周波数の信号を出力する第2の発振器、前記第1の発振器により出力された信号の発振周波数と、第2の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段、及び、前記アンテナ電極からみて物体が存在する側に設けられた部材であって、該部材により複数の交点が構成され、該複数の交点のうちの一つの交点が選択された場合に、該交点を構成する2つの部材が開放状態に保持され、他の部材が接地状態に保持される複数の線状部材を備えたことを特徴とする。これにより、出力手段から出力される信号に基づいて、線状部材の交点における物体とアンテナ電極との間の距離を算出することが可能となる。   In addition, the visualization sensor according to the present invention includes a single antenna electrode provided to face an object, a signal having an oscillation frequency that is connected to the antenna electrode and that corresponds to the capacitance between the object and the antenna electrode. A first oscillator that outputs a signal having a reference oscillation frequency, an oscillation frequency of the signal output by the first oscillator, and a reference oscillation of the signal output by the second oscillator Output means for generating and outputting a signal having a frequency corresponding to the difference between the frequency and a member provided on the side where the object is present as viewed from the antenna electrode, wherein the member constitutes a plurality of intersections When one intersection of the plurality of intersections is selected, a plurality of linear members in which the two members constituting the intersection are held open and the other members are held grounded With the features That. Thereby, based on the signal output from the output means, it is possible to calculate the distance between the object and the antenna electrode at the intersection of the linear members.

前記複数の線状部材は、アンテナ電極の面に対して縦方向の複数の線状部材及び横方向の複数の線状部材を含み、前記記単一のアンテナ電極の代わりに、縦方向または横方向の複数の線状部材にそれぞれ対抗した複数のアンテナ電極を備えるように構成するのが好適である。また、可視化センサまたはアンテナ電極を、物体に対して移動させる手段を備えるように構成するのが好適である。   The plurality of linear members include a plurality of linear members in the vertical direction and a plurality of linear members in the horizontal direction with respect to the surface of the antenna electrode. It is preferable that a plurality of antenna electrodes respectively opposed to the plurality of linear members in the direction are provided. In addition, it is preferable that the visualization sensor or the antenna electrode is provided with a means for moving the visualization sensor or the antenna electrode.

本発明によれば、物体との距離を算出し、物体の可視化を実現する場合に、真空状態を用意する必要がなく、物体に電子線を照射する必要もないため、生体物質を生きたまま観測することができる。また、高度な雑音対策や精密な機械制御が必要なく、光や電子線等の光学系も必要ないから、小型でかつ簡易な構成により物体の可視化を実現することができる。また、ミクロンからサブミクロン領域における物体の可視化が可能となり、走査電子顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡等と同等な解像度を得ることができる。このように、第1の目的を達成することが可能となる。   According to the present invention, when calculating the distance to the object and realizing the visualization of the object, it is not necessary to prepare a vacuum state and it is not necessary to irradiate the object with an electron beam. It can be observed. In addition, since advanced noise countermeasures and precise machine control are not required, and an optical system such as light or an electron beam is not required, visualization of an object can be realized with a small and simple configuration. Further, an object in the micron to submicron region can be visualized, and a resolution equivalent to that of a scanning electron microscope or a scanning probe microscope can be obtained. In this way, the first object can be achieved.

また、本発明によれば、アンテナ電極と第1の発振器とが接続され、第1の発振器と出力手段とが接続されるように構成したから、アンテナ電極と出力手段との間にアンテナ電極を選択するためのトランジスタ等が存在しない。これにより、配線容量の影響が少なく、かつトランジスタ等の容量の影響を受けることがない。従って、物体とアンテナ電極との間の距離を算出する際に、第2の目的である高感度化及び高精度化を実現することが可能となる。   Further, according to the present invention, the antenna electrode and the first oscillator are connected, and the first oscillator and the output means are connected, so that the antenna electrode is provided between the antenna electrode and the output means. There are no transistors or the like for selection. Thereby, there is little influence of wiring capacity and it does not receive influence of capacity, such as a transistor. Therefore, when calculating the distance between the object and the antenna electrode, it is possible to achieve the second object of high sensitivity and high accuracy.

また、本発明によれば、アンテナ電極に対して複数の線状部材を設け、その線状部材の交点における物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数に基づいて、その距離を算出するようにした。これにより、画素毎にアンテナ電極を設ける必要がない。従って、第3の目的である高解像度化を実現することが可能となる。   Further, according to the present invention, a plurality of linear members are provided for the antenna electrode, and the distance is determined based on the frequency according to the capacitance between the object and the antenna electrode at the intersection of the linear members. Calculated. Thereby, it is not necessary to provide an antenna electrode for each pixel. Therefore, it is possible to realize the third object, high resolution.

図1は、「テルミン」の動作原理に基づいた本発明による物体の観測原理を説明するブロック構成図である。FIG. 1 is a block diagram for explaining the observation principle of an object according to the present invention based on the operation principle of “Theremin”. 図2は、LC発振回路を用いた場合の距離と周波数変化の割合と間の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the distance and the rate of frequency change when the LC oscillation circuit is used. 図3は、本発明による可視化センサの実施例1の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the visualization sensor according to the first embodiment of the present invention. 図4は、図3に示した実施例1の変形例の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a modification of the first embodiment shown in FIG. 図5は、図4に示したPLL回路の構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the PLL circuit shown in FIG. 図6は、グランド電極を配置した場合におけるプローブアレイの上面図である。FIG. 6 is a top view of the probe array when the ground electrode is arranged. 図7は、物体(導体)とプローブアレイとの間の静電容量を説明するための断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the capacitance between the object (conductor) and the probe array. 図8は、物体(導体)、プローブアレイ及び発振器の等価回路図である。FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of an object (conductor), a probe array, and an oscillator. 図9は、発振周波数を決定する静電容量C1とCprとの間の関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the capacitances C1 and Cpr that determine the oscillation frequency. 図10は、Cgndの影響による誤差率εとP(=Cgrd/Cpr)との間の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the error rate ε due to the influence of Cgnd and P (= Cgrd / Cpr). 図11は、本発明による可視化センサの実施例2の構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a visualization sensor according to a second embodiment of the present invention. 図12は、図11に示した発振器の構成を示す論理回路図である。12 is a logic circuit diagram showing a configuration of the oscillator shown in FIG. 図13は、本発明による可視化センサの実施例3の構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a visualization sensor according to a third embodiment of the present invention. 図14は、図13に示した実施例3による測定の仕組みを説明するためのアンテナ電極及び配線の断面側面図である。FIG. 14 is a cross-sectional side view of an antenna electrode and wiring for explaining a measurement mechanism according to the third embodiment shown in FIG. 図15は、センサ電極の静電容量を示すための図である。FIG. 15 is a diagram for illustrating the capacitance of the sensor electrode. 図16は、図13に示した実施例3の変形例の概要を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing an outline of a modification of the third embodiment shown in FIG. 図17は、物体(絶縁体)とプローブアレイとの間の静電容量及び等価回路を説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining a capacitance and an equivalent circuit between an object (insulator) and a probe array. 図18は、センサまたはアンテナ電極を移動させる例を説明するための概略構成図である。FIG. 18 is a schematic configuration diagram for explaining an example of moving a sensor or an antenna electrode. 図19は、アンテナ電極を1cm角の面積に配置した場合の画素数を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the number of pixels when antenna electrodes are arranged in an area of 1 cm square. 図20は、図11に示した可視化センサの回路配置を説明するための模式図である。FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the circuit arrangement of the visualization sensor shown in FIG. 11. 図21は、CMOS0.09μmを使用した場合の数値換算グラフである。FIG. 21 is a numerical value conversion graph when a CMOS of 0.09 μm is used. 図22は、センサ位置と発振器の周波数との関係を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the relationship between the sensor position and the frequency of the oscillator. 図23は、アンテナ電極の寸法の見積りを示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing an estimate of the dimensions of the antenna electrode.

以下、本発明による可視化センサの実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
〔実施例1〕
図3は、本発明による可視化センサの実施例1の構成を示すブロック図である。このシステム10は、物体との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ(可視化センサ)30と、当該センサ30に備えたプローブアレイ11におけるアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース40と、物体とセンサ30との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するPC17とを備えている。センサ30は、プローブアレイ11、発振器12,13、ミキサ14、フィルタ15及びデコーダ31を備えている。また、インタフェース40は、カウンタ16及び入出力部41を備えている。
Hereinafter, embodiments of the visualization sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the visualization sensor according to the first embodiment of the present invention. The system 10 captures the distance between the object as the capacitance of the capacitor, outputs a signal having a frequency corresponding to the capacitance (visualization sensor) 30, and the probe array 11 provided in the sensor 30. Output an address signal for specifying an antenna electrode, and an interface 40 for calculating a count value of the frequency, and a PC 17 for calculating a distance between the object and the sensor 30 and imaging the shape of the object. ing. The sensor 30 includes a probe array 11, oscillators 12 and 13, a mixer 14, a filter 15, and a decoder 31. The interface 40 includes a counter 16 and an input / output unit 41.

センサ30に備えたプローブアレイ11は、図1に示したプローブアレイ1と同様に、複数のアンテナ電極から構成され、当該プローブアレイ11上に観測対象の物体(図示せず)が置かれる。デコーダ31は、アンテナ電極を選択するためのトランジスタがアンテナ電極毎に設けられ、プローブアレイ11における複数のアンテナ電極のうちの1個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース40から入力し、当該アドレス信号に基づいて1個のトランジスタを動作させ、1個のアンテナ電極を特定して選択する。   Similar to the probe array 1 shown in FIG. 1, the probe array 11 provided in the sensor 30 includes a plurality of antenna electrodes, and an object to be observed (not shown) is placed on the probe array 11. In the decoder 31, a transistor for selecting an antenna electrode is provided for each antenna electrode, and an address signal for specifying one antenna electrode of the plurality of antenna electrodes in the probe array 11 is input from the interface 40. One transistor is operated based on the address signal, and one antenna electrode is specified and selected.

発振器12は、図1に示した発振器2と同様の機能を有し、物体とデコーダ31により特定された1個のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数fの信号を発振する。また、発振器13は、図1に示した発振器3と同等の機能を有し、常に固定周波数fの信号を発振する。尚、物体がプローブアレイ11上に置かれていない場合には、発振器12が発振する信号の周波数fと発振器13が発振する固定周波数fとは同一であるものとする。Oscillator 12 has the same function as that of the oscillator 2 shown in FIG. 1 oscillates a signal of frequency f 2 corresponding to the electrostatic capacitance between the one antenna electrode, which is specified by the object decoder 31 . Further, the oscillator 13 has the same function as the oscillator 3 shown in FIG. 1, always oscillates a signal of fixed frequency f 1. The object is when not placed on the probe array 11, the frequency f 2 and the oscillator 13 of the signal oscillator 12 oscillates is assumed to be the same as the fixed frequency f 1 to oscillate.

ミキサ4は、図1に示したミキサ4と同様の機能を有し、周波数f,f,f−f,f+f,2f,2fの信号を出力する。フィルタ5は、図1に示したフィルタ5と同様の機能を有し、周波数f−fの信号のみを出力する。The mixer 4 has the same function as the mixer 4 shown in FIG. 1, and outputs signals of frequencies f 1 , f 2 , f 1 −f 2 , f 1 + f 2 , 2f 1 and 2f 2 . The filter 5 has the same function as the filter 5 shown in FIG. 1, and outputs only a signal having a frequency f 1 -f 2 .

インタフェース40に備えたカウンタ16は、図1に示したカウンタ6と同様の機能を有し、周波数f−fの信号について周波数のカウントを行い、そのカウント値すなわち周波数f−fを算出する。入出力部41は、物体との間の距離を算出するための1個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をPC17から入力し、当該アドレス信号をセンサ30のデコーダ31へ出力する。また、入出力部41は、そのアドレス信号により特定された1個のアンテナ電極における周波数のカウント値をカウンタ16から入力し、そのアドレス信号及び周波数のカウント値をPC17へ出力する。Counter 16 with the interface 40 has the same function as that of the counter 6 shown in FIG. 1, counts the frequency for the signal of the frequency f 1 -f 2, the count value or frequency f 1 -f 2 calculate. The input / output unit 41 inputs an address signal for specifying one antenna electrode for calculating the distance to the object from the PC 17, and outputs the address signal to the decoder 31 of the sensor 30. The input / output unit 41 inputs a frequency count value at one antenna electrode specified by the address signal from the counter 16, and outputs the address signal and the frequency count value to the PC 17.

PC17は、アンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース40の入出力部41へ出力し、当該アドレス信号及び周波数のカウント値を入出力部41から入力する。そして、PC17は、当該カウント値に基づいて物体とプローブアレイ11におけるアンテナ電極との間の距離を算出する。この場合、物体とアンテナ電極との間の静電容量は、前述のように、特定されたアンテナ電極からみて、プローブアレイ11のアレイ面に対して垂直方向における物体面付近と当該アンテナ電極との間の静電容量である。従って、アドレス信号の情報は、アンテナ電極からみて、プローブアレイ11のアレイ面に対して垂直方向における物体面に対応することになる。PC17は、プローブアレイ11における全てのアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を順次出力し、周波数のカウント値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出することにより、プローブアレイ11から見た物体の形状を画像化することができる。   The PC 17 outputs an address signal for specifying the antenna electrode to the input / output unit 41 of the interface 40, and inputs the address signal and the frequency count value from the input / output unit 41. Then, the PC 17 calculates the distance between the object and the antenna electrode in the probe array 11 based on the count value. In this case, the capacitance between the object and the antenna electrode is, as described above, between the vicinity of the object surface in the direction perpendicular to the array surface of the probe array 11 and the antenna electrode as viewed from the specified antenna electrode. Capacitance between. Therefore, the address signal information corresponds to the object surface in the direction perpendicular to the array surface of the probe array 11 as viewed from the antenna electrode. The PC 17 sequentially outputs an address signal for specifying one of the antenna electrodes in the probe array 11, inputs a frequency count value, and calculates the distance between the object and the antenna electrode, respectively. By doing so, the shape of the object viewed from the probe array 11 can be imaged.

以上説明したように、実施例1の可視化センサ30によれば、発振器12が物体とプローブアレイ11のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数fの信号を発振し、ミキサ14が周波数fと基準周波数fとの差を出力するようにした。これにより、周波数の差f−fに基づいて、物体とアンテナ電極との間の距離を算出することができ、プローブアレイ11から見た物体の形状(物体像)を画像化することができる。As described above, according to the visualization sensor 30 of Example 1, the oscillator 12 oscillates a signal of frequency f 2 corresponding to the capacitance between the antenna electrode of the object and the probe array 11, the mixer 14 is The difference between the frequency f 2 and the reference frequency f 1 is output. Thus, based on the difference between f 1 -f 2 frequency, it is possible to calculate the distance between the object and the antenna electrode, and imaging the shape of the object as viewed from the probe array 11 (the object image) it can.

また、実施例1の可視化センサ30において、発振器12,13としてコルビッツ発振回路のようなLC発振回路を用いることができる。この場合、コルビッツ発振回路よりも低利得で発振する発振回路を用いることもできるが、コルビッツ発振回路はその回路構成が単純だから、センサ30全体として小型でかつ簡易な構成を実現することができる。   In the visualization sensor 30 according to the first embodiment, LC oscillators such as a Corbitz oscillation circuit can be used as the oscillators 12 and 13. In this case, an oscillation circuit that oscillates at a lower gain than the Corbitz oscillation circuit can be used. However, since the Corbitz oscillation circuit has a simple circuit configuration, the sensor 30 as a whole can have a small and simple configuration.

〔変形例1〕
次に、実施例1の変形例について、図4及び5を用いて詳細に説明する。図4に示す変形例1は、図1の「テルミン」の動作原理に示したブロック構成とは異なる構成を有するが、物体とアンテナ電極との間の静電容量に着目し、その間の距離を算出する点において共通する。図3に示した「テルミン」の動作原理に基づいた実施例1では、プローブアレイ11上に物体が置かれていない状態で、発振器12の発振周波数f2と発振器13の発振周波数f1とを同一にする必要がある。この場合、発振器12及び発振器13は別々の回路であるため、同一になるように精度高く設計することは極めて困難である。そこで、本変形例1は、このような設計上の問題を解決するためになされたものである。
[Modification 1]
Next, a modification of the first embodiment will be described in detail with reference to FIGS. Modification 1 shown in FIG. 4 has a configuration different from the block configuration shown in the operation principle of “Theremin” in FIG. 1, but paying attention to the capacitance between the object and the antenna electrode, Common in calculation. In the first embodiment based on the operation principle of “Theremin” shown in FIG. 3, the oscillation frequency f2 of the oscillator 12 and the oscillation frequency f1 of the oscillator 13 are made the same with no object placed on the probe array 11. There is a need to. In this case, since the oscillator 12 and the oscillator 13 are separate circuits, it is extremely difficult to design with high accuracy so as to be the same. Therefore, the first modification is made to solve such a design problem.

図4を参照して、このシステム100は、物体との間の距離をキャパシタの静電容量として捉え、当該静電容量に応じた周波数制御電圧を出力するセンサ130と、当該センサ130に備えたプローブアレイ111におけるアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数制御電圧信号をセンサ130から入力するインタフェース140と、物体との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するPC117と、センサ130へ高精度な基準発振周波数の信号を出力する発振器150とを備えている。センサ130は、プローブアレイ111、デコーダ131及びPLL(Phase Locked Loop/位相同期ループ)回路132,133を備えている。また、インタフェース140は、入出力部141及び比較部142を備えている。   Referring to FIG. 4, this system 100 includes a sensor 130 that captures a distance between an object as a capacitance of a capacitor and outputs a frequency control voltage corresponding to the capacitance, and the sensor 130. The PC 117 outputs an address signal for specifying an antenna electrode in the probe array 111, calculates a distance between the interface 140 that inputs a frequency control voltage signal from the sensor 130, and the object, and images the shape of the object. And an oscillator 150 that outputs a signal of a reference oscillation frequency with high accuracy to the sensor 130. The sensor 130 includes a probe array 111, a decoder 131, and PLL (Phase Locked Loop / phase-locked loop) circuits 132 and 133. The interface 140 includes an input / output unit 141 and a comparison unit 142.

センサ130に備えたプローブアレイ111は、図1に示したプローブアレイ1及び図3に示したプローブアレイ11と同様である。デコーダ131は、図3に示したデコーダ31と同様の機能を有し、プローブアレイ111における複数のアンテナ電極のうちの1個のアンテナ電極を特定するアドレス信号をインタフェース140から入力し、当該アドレス信号に基づいて1個のアンテナ電極を特定して選択する。   The probe array 111 provided in the sensor 130 is the same as the probe array 1 shown in FIG. 1 and the probe array 11 shown in FIG. The decoder 131 has the same function as that of the decoder 31 shown in FIG. 3, and receives an address signal for specifying one antenna electrode of the plurality of antenna electrodes in the probe array 111 from the interface 140. One antenna electrode is specified and selected based on the above.

PLL回路132は、発振器150から高精度な基準発振周波数frの信号A1を入力する。PLL回路132は、発振器150から入力した信号A1の基準周波数frを所定の周波数比に分周した周波数fo(fo=N×fr(N=1,2,4,8,・・・))の信号B1を出力すると共に、信号B2を生成するための基準周波数制御電圧信号C1を出力する。ここで、PLL回路は、一般に、入力信号に対して周波数や位相のズレのない出力信号を生成する回路である。具体的には、外部からの入力信号と内蔵した発振器からの出力信号とを比較し、周波数や位相の誤差分を検出し、発振器にフィードバックすることにより、両信号を一致させ、入力信号に対してズレのない出力信号を得る回路である。   The PLL circuit 132 inputs a signal A1 having a highly accurate reference oscillation frequency fr from the oscillator 150. The PLL circuit 132 has a frequency fo (fo = N × fr (N = 1, 2, 4, 8,...)) Obtained by dividing the reference frequency fr of the signal A1 input from the oscillator 150 into a predetermined frequency ratio. The signal B1 is output and the reference frequency control voltage signal C1 for generating the signal B2 is output. Here, the PLL circuit is generally a circuit that generates an output signal having no frequency or phase shift with respect to an input signal. Specifically, the external input signal and the output signal from the built-in oscillator are compared, and the frequency and phase error are detected and fed back to the oscillator to match the two signals. This is a circuit that obtains an output signal without misalignment.

PLL回路133は、PLL回路132から周波数foの信号B1すなわち信号A2を入力し、1倍の周波数比に分周した周波数foの信号B2を出力する。物体がプローブアレイ111上に存在しない場合(物体がプローブアレイ111から無限大の位置に存在する場合)は、信号B2を生成するための周波数制御電圧信号C2(=α)を出力する。この場合、周波数制御電圧信号C2(=α)は、PLL回路132により出力された信号C1と同一の信号になる。一方、物体がプローブアレイ111上に存在する場合は、物体とプローブアレイ111のアンテナ電極との間の距離を静電容量としたキャパシタ負荷の存在により、信号B2が変化する。そうすると、PLL回路133は、信号B2と信号A2とが同一になるように、信号B2を生成するための周波数制御電圧信号C2が変化する。すなわち、物体とプローブアレイ111のアンテナ電極との間の距離の変化が、周波数制御電圧信号C2の変化(C2=β)に現れることになる。   The PLL circuit 133 receives the signal B1 having the frequency fo, that is, the signal A2 from the PLL circuit 132, and outputs the signal B2 having the frequency fo divided by a frequency ratio of 1 times. When the object does not exist on the probe array 111 (when the object exists at an infinite position from the probe array 111), the frequency control voltage signal C2 (= α) for generating the signal B2 is output. In this case, the frequency control voltage signal C2 (= α) is the same signal as the signal C1 output from the PLL circuit 132. On the other hand, when an object exists on the probe array 111, the signal B2 changes due to the presence of a capacitor load whose capacitance is the distance between the object and the antenna electrode of the probe array 111. Then, in the PLL circuit 133, the frequency control voltage signal C2 for generating the signal B2 changes so that the signal B2 and the signal A2 are the same. That is, the change in the distance between the object and the antenna electrode of the probe array 111 appears in the change in the frequency control voltage signal C2 (C2 = β).

PLL回路132,133の具体的な構成を示すブロック図を図5に示す。PLL回路132は、基準用の回路であり、発振器132−1、分周器132−2、位相比較器132−3及びフィルタ132−4を備えている。PLL回路133は、測定用の回路であり、発振器133−1、分周器133−2、位相比較器133−3及びフィルタ133−4を備えている。PLL回路132の分周器132−2は、入力する信号の周波数を定数倍(N倍)に変化させる。位相比較器132−3は、外部の発振器150から入力した基準周波数frの信号A1と、分周器132−2から入力した信号とを入力し、当該周波数の差を出力する。フィルタ132−4は、入力した周波数の差を電圧(周波数制御電圧)に変換して出力する。発振器132−1は、周波数制御電圧(基準周波数電圧)を入力し、当該電圧に応じた周波数foの信号B1(基準周波数frを所定の定数倍に分周した信号)を出力する。つまり、PLL回路132は、発振器150から基準周波数frの信号A1を入力し、N倍に分周した高周波信号である周波数foの信号B1を出力するとともに、周波数foの信号を生成するための基準周波数電圧信号C1(=α)を出力する。   A block diagram showing a specific configuration of the PLL circuits 132 and 133 is shown in FIG. The PLL circuit 132 is a reference circuit, and includes an oscillator 132-1, a frequency divider 132-2, a phase comparator 132-3, and a filter 132-4. The PLL circuit 133 is a circuit for measurement, and includes an oscillator 133-1, a frequency divider 133-2, a phase comparator 133-3, and a filter 133-4. The frequency divider 132-2 of the PLL circuit 132 changes the frequency of the input signal to a constant multiple (N times). The phase comparator 132-3 receives the signal A1 of the reference frequency fr input from the external oscillator 150 and the signal input from the frequency divider 132-2, and outputs the difference between the frequencies. The filter 132-4 converts the input frequency difference into a voltage (frequency control voltage) and outputs the voltage. The oscillator 132-1 receives a frequency control voltage (reference frequency voltage), and outputs a signal B1 (a signal obtained by dividing the reference frequency fr by a predetermined constant multiple) having a frequency fo corresponding to the voltage. That is, the PLL circuit 132 receives the signal A1 having the reference frequency fr from the oscillator 150, outputs the signal B1 having the frequency fo that is a high-frequency signal divided by N times, and generates a signal having the frequency fo. The frequency voltage signal C1 (= α) is output.

PLL回路133の発振器133−1、分周器133−2、位相比較器133−3及びフィルタ133−4は、PLL回路132の発振器132−1、分周器132−2、位相比較器132−3及びフィルタ132−4とそれぞれ同様の機能を有する。PLL回路133の分周器133−2は、入力した信号A2の周波数foに対して1倍の周波数比の信号B2を出力する。このようにして、PLL回路133は、PLL回路132から周波数foの信号A2を入力し、周波数foに対して1倍の周波数比の信号B2を出力すると共に、信号B2を生成するための周波数制御電圧C2を出力する。この場合、前述のように、物体とプローブアレイ111のアンテナ電極との間の距離に応じて信号B2の周波数が変化するので、発振器133−1は、信号B2の周波数foを一定に保つように、当該距離に応じた周波数制御電圧信号C2(=β)を入力する。   The oscillator 133-1, the frequency divider 133-2, the phase comparator 133-3, and the filter 133-4 of the PLL circuit 133 are the oscillator 132-1, the frequency divider 132-2, and the phase comparator 132- of the PLL circuit 132, respectively. 3 and the filter 132-4 have the same functions. The frequency divider 133-2 of the PLL circuit 133 outputs a signal B2 having a frequency ratio of 1 with respect to the frequency fo of the input signal A2. In this way, the PLL circuit 133 receives the signal A2 having the frequency fo from the PLL circuit 132, outputs the signal B2 having a frequency ratio that is one time the frequency fo, and generates the signal B2. The voltage C2 is output. In this case, as described above, since the frequency of the signal B2 changes according to the distance between the object and the antenna electrode of the probe array 111, the oscillator 133-1 keeps the frequency fo of the signal B2 constant. The frequency control voltage signal C2 (= β) corresponding to the distance is input.

つまり、PLL回路132は、基準周波数制御電圧信号C1(=α)をインタフェース140へ出力し、PLL回路133は、物体とプローブアレイ111のアンテナ電極との間の静電容量に応じた周波数の信号であって、信号C1を基準とした周波数制御電圧信号C2(=β)をインタフェース140へ出力する。   That is, the PLL circuit 132 outputs the reference frequency control voltage signal C1 (= α) to the interface 140, and the PLL circuit 133 has a frequency signal corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode of the probe array 111. The frequency control voltage signal C2 (= β) with the signal C1 as a reference is output to the interface 140.

図4に戻って、インタフェース140に備えた比較部142は、PLL回路132から基準周波数制御電圧信号C1と、PLL回路133から周波数制御電圧信号C2とを入力し、両信号を比較して、両信号の差を算出する。そして、比較部142は、当該差の信号を入出力部141へ出力する。入出力部141は、物体との間の距離を算出するための1個のアンテナ電極を特定するためのアドレス信号をPC117から入力し、当該アドレス信号をセンサ130のデコーダ131へ出力する。また、入出力部141は、そのアドレス信号により特定された1個のアンテナ電極における周波数制御電圧の差の値を比較部142から入力し、そのアドレス信号及び差の値をPC117へ出力する。   Returning to FIG. 4, the comparison unit 142 included in the interface 140 inputs the reference frequency control voltage signal C <b> 1 from the PLL circuit 132 and the frequency control voltage signal C <b> 2 from the PLL circuit 133, compares both signals, Calculate the signal difference. Then, the comparison unit 142 outputs the difference signal to the input / output unit 141. The input / output unit 141 inputs an address signal for specifying one antenna electrode for calculating the distance to the object from the PC 117, and outputs the address signal to the decoder 131 of the sensor 130. In addition, the input / output unit 141 inputs a frequency control voltage difference value at one antenna electrode specified by the address signal from the comparison unit 142, and outputs the address signal and the difference value to the PC 117.

PC117は、アンテナ電極を特定するためのアドレス信号をインタフェース140の入出力部141へ出力し、当該アドレス信号及び周波数制御電圧の差の値を入出力部141から入力する。そして、PC117は、当該差の値に基づいて物体とプローブアレイ111におけるアンテナ電極との距離を算出する。この場合、前述の実施例1において説明したように、アドレス信号の情報は、その1個のアンテナ電極により観測される物体の観測面における位置情報、すなわち当該アンテナ電極からみて、プローブアレイ111のアレイ面に対して垂直方向における物体面に対応することになる。従って、PC117は、プローブアレイ111における全てのアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極を特定するためのアドレス信号を順次出力し、周波数制御電圧の差の値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出することにより、プローブアレイ111から見た物体の形状を画像化することができる。   The PC 117 outputs an address signal for specifying the antenna electrode to the input / output unit 141 of the interface 140, and inputs the value of the difference between the address signal and the frequency control voltage from the input / output unit 141. Then, the PC 117 calculates the distance between the object and the antenna electrode in the probe array 111 based on the difference value. In this case, as described in the first embodiment, the address signal information is the position information on the observation plane of the object observed by the one antenna electrode, that is, the array of the probe array 111 as viewed from the antenna electrode. It corresponds to the object plane in the direction perpendicular to the plane. Therefore, the PC 117 sequentially outputs an address signal for specifying one antenna electrode among all the antenna electrodes in the probe array 111, inputs a value of the difference in frequency control voltage, and determines between the object and the antenna electrode. , The shape of the object viewed from the probe array 111 can be imaged.

以上説明したように、変形例1の可視化センサ130によれば、PLL回路133が、基準周波数frよりも高い周波数foの信号B1を生成し、PLL回路133が、信号A2の周波数foと信号B2の周波数が同一になるように周波数制御電圧信号C2を出力し、PC117が、当該周波数制御電圧C2によりアンテナ電極と物体との間の距離を算出するようにした。図2に示したように、周波数が高くなる程、距離の感度が良くなることから、2つのPLL回路132,133を用いて基準周波数frよりも高い周波数foの信号B1を用いることにより、物体とアンテナ電極との間を距離を感度良く算出することができる。   As described above, according to the visualization sensor 130 of the first modification, the PLL circuit 133 generates the signal B1 having the frequency fo higher than the reference frequency fr, and the PLL circuit 133 uses the frequency fo and the signal B2 of the signal A2. The frequency control voltage signal C2 is output so that the frequencies of the antennas are the same, and the PC 117 calculates the distance between the antenna electrode and the object by the frequency control voltage C2. As shown in FIG. 2, the higher the frequency, the better the sensitivity of the distance. Therefore, by using the signal B1 having the frequency fo higher than the reference frequency fr using the two PLL circuits 132 and 133, the object The distance between the antenna electrode and the antenna electrode can be calculated with high sensitivity.

〔変形例2〕
次に、前述の実施例1及びその変形例1のプローブアレイ11,111に、グランド電極を配置した実施例について、図6から図10を用いて詳細に説明する。図6は、プローブアレイにグランド電極を配置した場合の上面図である。図6(1)は、アンテナ電極151間に点状グランド電極150を配置した例であり、(2)は、アンテナ電極153間に格子状グランド電極152を配置した例である。図7は、物体160,170とプローブアレイ164,173のアンテナ電極との間の静電容量を説明する断面図である。図7(1)において、グランド電極を配置した場合、物体160とアンテナ電極163との間に静電容量Cpr、物体160とグランド電極162−1との間に静電容量Cgnd1、物体160とグランド電極162−2との間に静電容量Cgnd2、アンテナ電極163とグランド電極162−1,160−2との間の静電容量Cd、物体全体の浮遊容量(グランド電極以外の周辺の金属等との間の意図しない静電容量の合計)Ct、及び発振器161等による配線容量Csが存在する。また、図7(2)において、グランド電極を配置しない場合、物体170とアンテナ電極172との間に静電容量Cpr、物体全体の浮遊容量Ct、及び発振器171等による配線容量Csが存在する。
[Modification 2]
Next, an embodiment in which ground electrodes are arranged in the probe arrays 11 and 111 of the first embodiment and the first modification thereof will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 6 is a top view when the ground electrode is arranged on the probe array. FIG. 6A is an example in which the dotted ground electrodes 150 are arranged between the antenna electrodes 151, and FIG. 6B is an example in which the grid-like ground electrodes 152 are arranged between the antenna electrodes 153. FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the capacitance between the objects 160 and 170 and the antenna electrodes of the probe arrays 164 and 173. In FIG. 7A, when the ground electrode is arranged, the electrostatic capacity Cpr between the object 160 and the antenna electrode 163, and the electrostatic capacity Cgnd1 between the object 160 and the ground electrode 162-1, the object 160 and the ground. The capacitance Cgnd2 between the electrode 162-2, the capacitance Cd between the antenna electrode 163 and the ground electrodes 162-1 and 160-2, the stray capacitance of the entire object (the surrounding metal other than the ground electrode, etc. The total unintended capacitance between Ct) and the wiring capacitance Cs due to the oscillator 161 and the like. In FIG. 7B, when the ground electrode is not disposed, the capacitance Cpr, the floating capacitance Ct of the entire object, and the wiring capacitance Cs due to the oscillator 171 and the like exist between the object 170 and the antenna electrode 172.

ここで、Cgnd=ΣCgndi+Ct(i=1,2・・・)とすると、図7(1)及び(2)に示した断面図の等価回路は、図8(1)に示す回路になる。Cpr及びCgnd(Ctを含む)は物体により変化する静電容量であり、Cd及びCsは物体により変化しない固定の静電容量であってプローブアレイ164,173固有の静電容量である。従って、全体の静電容量は、図8(2)に示すように、
式:C=Cpr×Cgnd/(Cpr+Cgnd)+Cd+Cs
となり、全体の静電容量CのうちのCpr×Cgnd/(Cpr+Cgnd)部分が変化すると、発振器161が発振する信号の発振周波数が変化することになる。つまり、物体160,170との間の距離は、Cpr×Cgnd/(Cpr+Cgnd)に応じた発振周波数を用いて算出される。尚、図7(2)に示したグランド電極を配置しない場合には、Cgnd=Ctである。
Here, assuming that Cgnd = ΣCgndi + Ct (i = 1, 2,...), The equivalent circuit of the cross-sectional views shown in FIGS. 7A and 7B is the circuit shown in FIG. Cpr and Cgnd (including Ct) are capacitances that vary depending on the object, and Cd and Cs are fixed capacitances that do not vary depending on the object and are inherent to the probe arrays 164 and 173. Therefore, the overall capacitance is as shown in FIG.
Formula: C = Cpr × Cgnd / (Cpr + Cgnd) + Cd + Cs
Thus, when the Cpr × Cgnd / (Cpr + Cgnd) portion of the entire capacitance C changes, the oscillation frequency of the signal oscillated by the oscillator 161 changes. That is, the distance between the objects 160 and 170 is calculated using an oscillation frequency corresponding to Cpr × Cgnd / (Cpr + Cgnd). When the ground electrode shown in FIG. 7B is not arranged, Cgnd = Ct.

このように、図7(1)に示したグランド電極を配置した場合及び図7(2)に示したグランド電極を配置しない場合のいずれの場合も、Cgndは物体毎に異なるから、発振周波数に変換される静電容量Cpr×Cgnd/(Cpr+Cgnd)にCgndを含む限り、Cprに基づいて物体とアンテナ電極との間の距離を算出する原理を適用できないことになる。しかしながら、Cgnd>Cprの場合(図9及び図10を参照、詳細については後述する。)は、発振周波数を決定する静電容量はCgndを無視することができ、Cprにほぼ等しくなるから、前述した問題を解消することができる。すなわち、Cgnd>Cprの場合は、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することができる。以下、詳細に説明する。   As described above, in both cases where the ground electrode shown in FIG. 7 (1) is arranged and in the case where the ground electrode shown in FIG. 7 (2) is not arranged, Cgnd differs for each object. As long as Cgnd is included in the converted capacitance Cpr × Cgnd / (Cpr + Cgnd), the principle of calculating the distance between the object and the antenna electrode based on Cpr cannot be applied. However, when Cgnd> Cpr (see FIGS. 9 and 10, details will be described later), the capacitance that determines the oscillation frequency can ignore Cgnd and is almost equal to Cpr. Can be solved. That is, when Cgnd> Cpr, the distance between the object and the antenna electrode can be calculated with high accuracy. Details will be described below.

物体とアンテナ電極との間の距離を算出するための発振周波数を決定する静電容量をC1とすると、前述したように、
式:C1=Cpr×Cgnd/(Cpr+Cgnd)
となる。この場合、C1とCprとがほぼ等しいときに、Cgndを無視でき、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することが可能になる。図9は、C1とCprとの間の関係を示す図である。図中、曲線aはC1=Cprの場合(Cgndの影響を全く受けない場合)、曲線bはCgnd=10×Cprの場合、曲線cはCgnd=Cprの場合、曲線dはCgnd=0.1×Cprの場合をそれぞれ示している。図9より、C1とCprとのズレは、Cgnd<Cprでは大きく、Cgnd>Cprでは小さくなる。図9に示した静電容量のスケールにおいて、CgndがCprの10倍程度になると、C1は、Cgndにほとんど影響されず、Cprのみに影響されることになる。この場合、図7(2)に示したグランド電極を配置しない場合はCgnd=Ctであり、一般に浮遊容量CtはCprに比べて小さい値だから、図7(1)に示したグランド電極を配置した場合の方が(2)よりも誤差が少なくなり、精度高く距離を算出することができる。
Assuming that the capacitance for determining the oscillation frequency for calculating the distance between the object and the antenna electrode is C1, as described above,
Formula: C1 = Cpr × Cgnd / (Cpr + Cgnd)
It becomes. In this case, when C1 and Cpr are substantially equal, Cgnd can be ignored, and the distance between the object and the antenna electrode can be calculated with high accuracy. FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between C1 and Cpr. In the drawing, curve a is C1 = Cpr (when Cgnd is not affected at all), curve b is Cgnd = 10 × Cpr, curve c is Cgnd = Cpr, curve d is Cgnd = 0.1. The case of × Cpr is shown. From FIG. 9, the difference between C1 and Cpr is large when Cgnd <Cpr and small when Cgnd> Cpr. In the capacitance scale shown in FIG. 9, when Cgnd is about 10 times Cpr, C1 is hardly influenced by Cgnd, but only by Cpr. In this case, when the ground electrode shown in FIG. 7 (2) is not arranged, Cgnd = Ct, and since the stray capacitance Ct is generally smaller than Cpr, the ground electrode shown in FIG. 7 (1) is arranged. In the case, the error is smaller than in (2), and the distance can be calculated with high accuracy.

また、Cgndの影響による誤差率εは、以下の式に表される。
式:ε=(C1−Cpr)/Cpr=−1/(1+P)、P=Cgnd/Cpr
図10は、上式におけるCgndの影響による誤差率εとP(=Cgnd/Cpr)との間の関係を示す図である。図10より、CgndがCprに対して大きい程Cgndの影響による誤差率εはゼロに近くなる。上式より、Nビットの精度を必要とする場合は、次式を満たす必要がある。
式:P=Cgnd/Cpr≧|2−1|
Further, the error rate ε due to the influence of Cgnd is expressed by the following equation.
Formula: ε = (C1-Cpr) / Cpr = −1 / (1 + P), P = Cgnd / Cpr
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between the error rate ε due to the influence of Cgnd and P (= Cgnd / Cpr) in the above equation. From FIG. 10, the error rate ε due to the influence of Cgnd becomes closer to zero as Cgnd is larger than Cpr. From the above formula, when N-bit accuracy is required, the following formula must be satisfied.
Formula: P = Cgnd / Cpr ≧ | 2 N −1 |

現実には、物体がアンテナ電極間よりも十分に大きい場合は、Cgndの影響を無視することができるが、同程度の場合は、Cgndの値が異なれば、物体とアンテナ電極との距離は一意的に決定できず、ノイズになってしまう。この場合、ローパスフィルタ等の画像処理によりノイズを除去することができる。つまり、物体がアンテナ電極間の距離と同程度の大きさの場合は、物体との距離を算出することができないため、物体を可視化することができず、解像度は、アンテナ電極間の距離の数倍程度まで下がることになる。   In reality, when the object is sufficiently larger than between the antenna electrodes, the influence of Cgnd can be ignored, but in the same case, if the value of Cgnd is different, the distance between the object and the antenna electrode is unique. Cannot be determined automatically, resulting in noise. In this case, noise can be removed by image processing such as a low-pass filter. In other words, if the object is as large as the distance between the antenna electrodes, the distance to the object cannot be calculated, so the object cannot be visualized, and the resolution is the number of distances between the antenna electrodes. It will go down to about twice.

以上説明したように、変形例2の可視化センサによれば、プローブアレイにグランド電極を配置するようにしたから、物体とアンテナ電極との間の静電容量以外に物体に依存して変化する静電容量を考慮する必要がなく、グランド電極を配置しない例に比べて、Cgnd>Cprの場合に発振周波数を決定する静電容量C1がCgndの影響を受けない限り、物体とアンテナ電極との間の距離を精度高く算出することができる。   As described above, according to the visualization sensor of Modification Example 2, since the ground electrode is arranged in the probe array, the static electricity that changes depending on the object other than the electrostatic capacitance between the object and the antenna electrode can be obtained. Compared to an example in which the capacitance is not considered and the ground electrode is not disposed, the capacitance C1 that determines the oscillation frequency when Cgnd> Cpr is not affected by Cgnd. Can be calculated with high accuracy.

〔実施例2〕
図11は、本発明による可視化センサの実施例2の構成を示すブロック図である。図3に示した実施例1と実施例2を比較すると、実施例1では、トランジスタを含むデコーダ31により、プローブアレイを構成する複数のアンテナ電極のうちのいずれか一つを選択するが、実施例2では、デコーダ231及びトランジスタ236により、複数のアンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234のうちのいずれか一つを選択する点で相違する。図3に示した実施例1では、発振器12からデコーダ31を介してプローブアレイ11のアンテナ電極までの間の配線容量、及び、アンテナ電極に対してそれぞれ設けられたデコーダ31内のトランジスタの静電容量が存在するため、アンテナ電極と物体との間の静電容量の変化は全体の静電容量からすると小さくなってしまい、発振器12による周波数fの変化も小さくなってしまう。つまり、実施例1では、高感度化及び高精度化を十分に実現することができない。そこで、本実施例2は、このような問題を解決するため、アンテナ電極237毎に発振器232,233及びミキサ234を備えるように構成したものである。
[Example 2]
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a visualization sensor according to a second embodiment of the present invention. Comparing Example 1 and Example 2 shown in FIG. 3, in Example 1, any one of a plurality of antenna electrodes constituting a probe array is selected by a decoder 31 including a transistor. Example 2 is different in that any one of a plurality of antenna electrodes 237, oscillators 232 and 233, and a mixer 234 is selected by the decoder 231 and the transistor 236. In the first embodiment shown in FIG. 3, the wiring capacitance from the oscillator 12 to the antenna electrode of the probe array 11 via the decoder 31 and the electrostatic capacitance of the transistor in the decoder 31 provided for the antenna electrode, respectively. the capacitance is present, the change in capacitance between the antenna electrode and the object becomes small when the total capacitance becomes smaller changes in the frequency f 2 by the oscillator 12. That is, in Example 1, it is not possible to sufficiently achieve high sensitivity and high accuracy. Therefore, in order to solve such a problem, the second embodiment is configured to include the oscillators 232 and 233 and the mixer 234 for each antenna electrode 237.

図11を参照して、このシステム200は、物体とアンテナ電極237との間の静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ230と、当該センサ230に備えた複数のアンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234のうちの一つの組を選択するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース240と、物体とアンテナ電極237との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するPC217とを備えている。センサ230は、デコーダ231、フィルタ235、複数のアンテナ電極237、当該アンテナ電極237に対応する発振器232,233、アンテナ電極237に対応するミキサ234、及びアンテナ電極237に対応するトランジスタ236を備えている。また、インタフェース240は、入出力部241及び比較部242を備えている。   Referring to FIG. 11, this system 200 includes a sensor 230 that outputs a signal having a frequency corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode 237, a plurality of antenna electrodes 237 provided in the sensor 230, and an oscillator. An address signal for selecting one of the pair 232, 233 and the mixer 234, the distance between the object 240 and the antenna electrode 237, and the interface 240 for calculating the frequency count value; And a PC 217 for imaging the shape. The sensor 230 includes a decoder 231, a filter 235, a plurality of antenna electrodes 237, oscillators 232 and 233 corresponding to the antenna electrodes 237, a mixer 234 corresponding to the antenna electrodes 237, and a transistor 236 corresponding to the antenna electrodes 237. . The interface 240 includes an input / output unit 241 and a comparison unit 242.

センサ230において、物体とアンテナ電極237との間の静電容量に応じた周波数fの信号を発振する発振器232、固定周波数fの信号を発振するアンテナ電極237、ミキサ234、フィルタ235、インタフェース240の入出力部241、入出力部242、及びPC217は、図3に示したセンサ30の発振器12,13、ミキサ14、フィルタ15、インタフェース40の入出力部41、カウンタ16及びPC17とそれぞれ同等の機能を有する。センサ230のアンテナ電極237は、図3に示したプローブアレイ11のアンテナ電極と同様に構成され、観測対象の物体がその上に置かれる。デコーダ231は、インタフェース240の入出力部241からアドレス信号を入力し、複数のトランジスタ236のうちの一つのトランジスタを動作させる。これにより、複数のアンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234のうちの一つの組が選択される。In the sensor 230, the antenna electrode 237 for oscillating an object and a signal of oscillator 232, a fixed frequency f 1 for oscillating a signal of a frequency f 2 corresponding to the capacitance between the antenna electrode 237, a mixer 234, a filter 235, an interface 240, the input / output unit 241, the input / output unit 242, and the PC 217 are equivalent to the oscillators 12 and 13, the mixer 14, the filter 15, the input / output unit 41 of the interface 40, the counter 16, and the PC 17 shown in FIG. It has the function of. The antenna electrode 237 of the sensor 230 is configured in the same manner as the antenna electrode of the probe array 11 shown in FIG. 3, and an object to be observed is placed thereon. The decoder 231 receives an address signal from the input / output unit 241 of the interface 240 and operates one of the plurality of transistors 236. Accordingly, one set of the plurality of antenna electrodes 237, the oscillators 232 and 233, and the mixer 234 is selected.

PC217は、アンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234の組を特定するためのアドレス信号を順次出力し、その周波数のカウント値を入力し、物体とアンテナ電極との間の距離をそれぞれ算出する。これにより、アンテナ電極から見た物体の形状を画像化することができる。   The PC 217 sequentially outputs an address signal for specifying a set of the antenna electrode 237, the oscillators 232 and 233, and the mixer 234, inputs the count value of the frequency, and calculates the distance between the object and the antenna electrode, respectively. . Thereby, the shape of the object seen from the antenna electrode can be imaged.

以上説明したように、実施例2の可視化センサ230によれば、アンテナ電極237毎に発振器232,233及びミキサ234を備え、デコーダ231及びトランジスタ236が、複数のアンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234のうちの一つの組を選択するようにした。これにより、発振器232からアンテナ電極237までの間にはデコーダ231及びトランジスタ236が存在しないから、物体とアンテナ電極237との間の静電容量に応じた周波数fは、配線容量の影響が少なく、かつトランジスタ236の容量の影響がない。従って、アンテナ電極237と物体との間の静電容量の変化は全体の静電容量からすると、図3に示した実施例1に比べて大きくなる。つまり、発振器232による周波数fの変化を大きくすることができ、高感度化及び高精度化を実現することができる。As described above, according to the visualization sensor 230 of the second embodiment, each antenna electrode 237 includes the oscillators 232 and 233 and the mixer 234, and the decoder 231 and the transistor 236 include the plurality of antenna electrodes 237, the oscillators 232 and 233, and One set of the mixers 234 is selected. Thus, because the decoder 231 and the transistor 236 during the period from the oscillator 232 to the antenna electrode 237 is not present, frequency f 2 corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode 237, less affected by the wiring capacitance And the capacitance of the transistor 236 is not affected. Therefore, the change in capacitance between the antenna electrode 237 and the object is larger than that in the first embodiment shown in FIG. That is, it is possible to increase the change of the frequency f 2 by the oscillator 232, it is possible to realize high sensitivity and a high accuracy.

ここで、図11に示した実施例2の可視化センサ230における発振器232,233、ミキサ234及びトランジスタ236の回路配置の模式図を図20に示す。発振器232−1,233−1、ミキサ234−1及びトランジスタ236−1はアンテナ電極237−1の下部に、発振器232−2,233−2、ミキサ234−2及びトランジスタ236−2はアンテナ電極237−2の下部に、行選択線及び列選択線を介してそれぞれ配置される。このように配置することにより、配線容量の影響をさらに抑えることができるから、より一層、周波数fの変化を大きくすることができ、高感度化及び高精度化を実現することができる。Here, FIG. 20 shows a schematic diagram of a circuit arrangement of the oscillators 232 and 233, the mixer 234, and the transistor 236 in the visualization sensor 230 of the second embodiment shown in FIG. The oscillators 232-1 and 233-1, the mixer 234-1, and the transistor 236-1 are disposed below the antenna electrode 237-1. The oscillators 232-2, 233-2, the mixer 234-2, and the transistor 236-2 are disposed at the antenna electrode 237. -2 are respectively arranged via a row selection line and a column selection line. With this arrangement, since it is possible to further suppress the influence of the wiring capacity, further, it is possible to increase the change of the frequency f 2, it is possible to realize high sensitivity and a high accuracy.

図3に示した実施例1と図11に示した実施例2との間における発振周波数fの変化の比較を表1に示す。表1は、物体がアンテナ電極上に置かれていない場合(静電容量0F)と置かれた場合(46.5F)における発振周波数fを示している。実施例1の周波数fの変化は4MHzであり、実施例2の周波数fの変化は52MHzであるから、実施例2の方が変化が大きいことがわかる。尚、実施例1の条件は、アンテナ電極であるセンサプレートの面積が38.5μm×38.5μm、アンテナ電極と発振器12,13との間の配線長が4mmであり、実施例2の条件は、アンテナ電極237であるセンサプレートの面積が38.5μm×38.5μm、アンテナ電極237の下部に発振器232,233及びミキサ234を配置した場合である。また、両者ともアンテナ電極は1つである。
表1:

Figure 2005108912
The comparison of the change in the oscillation frequency f 2 between the second embodiment shown in Example 1 and 11 shown in FIG. 3 are shown in Table 1. Table 1 shows the oscillation frequency f 2 when the object is placed and when not placed on the antenna electrode (capacitance 0F) (46.5F). Change in frequency f 2 of Example 1 is 4 MHz, the change of the frequency f 2 of the second embodiment because it is 52 MHz, it can be seen that better in Example 2 is large variation. The conditions of Example 1 are that the area of the sensor plate as the antenna electrode is 38.5 μm × 38.5 μm, the wiring length between the antenna electrode and the oscillators 12 and 13 is 4 mm, and the condition of Example 2 is In this case, the area of the sensor plate which is the antenna electrode 237 is 38.5 μm × 38.5 μm, and the oscillators 232 and 233 and the mixer 234 are disposed below the antenna electrode 237. Both have one antenna electrode.
Table 1:
Figure 2005108912

表1に示したセンサ検出容量は、アンテナ電極よりも大きい物体を1μmの距離に置いた場合の値であり、1μm付近の物体を検出するための能力でもある。また、表1の数値は、CMOS0.35μmの製造技術のパラメータに基づいて算出したものであり、この数値は製造技術に依存する。CMOSの場合、一般に、トランジスタのサイズと発振器の最高周波数とは、ほぼ反比例する関係にある。現在の量産レベルにおけるCMOS0.09μmを使用した場合、表1に示す数値に換算される。また、テクノロジノード(製造技術の技術世代)との関係を図21に示す。
表2:

Figure 2005108912

また、図22に、図3に示した実施例1と同じ条件の下で、4mm角に80個のアンテナ電極を配置して行ったシミュレーションの結果を示す。図22において、各位置における周波数の差は時間変化しないため、雑音が混入しても後に取り除くことが可能であるが、周波数の測定精度が十分に高くない場合は大きな誤差になる。尚、図11に示した実施例2の場合は、アンテナ電極の数(画素数)の影響は全くない。また、図23に、アンテナ電極の寸法の見積りを示す。図23には、表1に示した実施例2から予想されるアンテナ電極の寸法、発振器を内蔵した場合のアンテナ電極の最小寸法、及び、発振器を外部に設けた場合のアンテナ電極の最小寸法が示されている。The sensor detection capacity shown in Table 1 is a value when an object larger than the antenna electrode is placed at a distance of 1 μm, and is also an ability to detect an object near 1 μm. The numerical values in Table 1 are calculated based on the manufacturing technology parameters of CMOS 0.35 μm, and this numerical value depends on the manufacturing technology. In the case of CMOS, in general, the transistor size and the maximum frequency of the oscillator are in an inversely proportional relationship. When CMOS of 0.09 μm at the current mass production level is used, it is converted to the numerical values shown in Table 1. FIG. 21 shows the relationship with the technology node (technical generation of manufacturing technology).
Table 2:
Figure 2005108912

FIG. 22 shows the result of a simulation performed by arranging 80 antenna electrodes on a 4 mm square under the same conditions as in Example 1 shown in FIG. In FIG. 22, since the frequency difference at each position does not change with time, even if noise is mixed in, it can be removed later. However, if the frequency measurement accuracy is not sufficiently high, a large error occurs. In the case of the second embodiment shown in FIG. 11, there is no influence of the number of antenna electrodes (number of pixels). FIG. 23 shows an estimate of the dimensions of the antenna electrode. FIG. 23 shows the dimensions of the antenna electrode expected from Example 2 shown in Table 1, the minimum dimension of the antenna electrode when the oscillator is built in, and the minimum dimension of the antenna electrode when the oscillator is provided outside. It is shown.

図12は、図11に示した実施例2の発振器232−1,233−1の構成を示す論理回路図である。尚、他の発振器232−2,233−2等も同様の構成である。物体とアンテナ電極237との間の距離に応じた周波数fの信号を発振する発振器232−1は、3つのインバータ232−1−1,232−1−2,232−1−3により構成される。同様に、基準となる固定周波数fの信号を発振する発振器233−1も、3つのインバータ233−1−1,233−1−2,233−1−3により構成される。このような構成をコモンセントロイド配置(共通中心形配置)といい、発振器232−1,233−1は近接配置され、発振器232−1のインバータ232−1−2及び発振器233−1のインバータ233−1−2の配置が入れ替わった構成になっている。FIG. 12 is a logic circuit diagram showing the configuration of the oscillators 232-1 and 233-1 of the second embodiment shown in FIG. The other oscillators 232-2, 233-2 and the like have the same configuration. Oscillator 232-1 for oscillating a signal of a frequency f 2 corresponding to the distance between the object and the antenna electrode 237 is composed of three inverters 232-1-1,232-1-2,232-1-3 The Similarly, oscillator 233-1 for oscillating a signal of a fixed frequency f 1 to be a reference is also composed of three inverters 233-1-1,233-1-2,233-1-3. Such a configuration is called a common centroid arrangement (common central arrangement), and the oscillators 232-1 and 233-1 are arranged close to each other, and the inverter 232-1-2 of the oscillator 232-1 and the inverter 233 of the oscillator 233-1 are arranged. The arrangement of -1-2 is changed.

このように、発振器232−1と発振器233とを近接配置させることにより、二つの発振器の周波数は同じようにばらつくことになる。実施例1及び2において、ミキサ14,234が周波数の差の信号を出力するから、前記周波数のばらつきを吸収することができる。また、コモンセントロイド配置に構成することにより、一層周波数のばらつきを吸収することができ、周波数の誤差を小さくすることができる。尚、図12は、発振器232−1,233−1の構成の一例を示した論理回路図であり、本発明は、このような構成の発振器に限定するものではない。   Thus, by arranging the oscillator 232-1 and the oscillator 233 close to each other, the frequencies of the two oscillators vary in the same manner. In the first and second embodiments, the mixers 14 and 234 output a frequency difference signal, so that the frequency variation can be absorbed. Further, by configuring in a common centroid arrangement, it is possible to further absorb frequency variations and reduce frequency errors. FIG. 12 is a logic circuit diagram showing an example of the configuration of the oscillators 232-1 and 233-1, and the present invention is not limited to the oscillator having such a configuration.

〔実施例3〕
図13は、本発明による可視化センサの実施例3の構成を示すブロック図である。図11に示した実施例2と実施例3を比較すると、実施例2では、センサ230が複数のアンテナ電極237を備え、デコーダ231及びトランジスタ236が複数のアンテナ電極237、発振器232,233及びミキサ234のうちのいずれか一つの組を選択するが、実施例3では、センサ330が単一のアンテナ電極337、発振器332,333及びミキサ334をそれぞれ備え、当該アンテナ電極337の上部(物体方向)に微細な配線(線状部材)338が格子上に設けられ、デコーダ331及びトランジスタ336が列(縦)方向の配線338−Lのうちの一つを、及び行(横)方向の配線338−Cのうちの一つを選択する点で相違する。図11に示した実施例2では、アンテナ電極237の下部に発振器232,233及びミキサ234を配置することにより、高感度化及び高精度化を実現するようにしたが、1画素に相当するアンテナ電極237のプレート面積が大きくなり高解像度化の実現が困難になってしまう。そこで、本実施例3は、このような問題を解決するため、一つのアンテナ電極337の上に、位置検出用の微細な配線338を縦方向及び横方向に配置し、各交点における物体の距離を算出するように構成したものである。
Example 3
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a visualization sensor according to a third embodiment of the present invention. When the second embodiment and the third embodiment shown in FIG. 11 are compared, in the second embodiment, the sensor 230 includes a plurality of antenna electrodes 237, the decoder 231 and the transistor 236 include a plurality of antenna electrodes 237, oscillators 232 and 233, and a mixer. In the third embodiment, the sensor 330 includes a single antenna electrode 337, oscillators 332 and 333, and a mixer 334, and an upper portion (object direction) of the antenna electrode 337 is selected. Are arranged on the lattice, and the decoder 331 and the transistor 336 select one of the wirings 338-L in the column (vertical) direction and the wiring 338- in the row (horizontal) direction. The difference is that one of C is selected. In the second embodiment shown in FIG. 11, high sensitivity and high accuracy are realized by disposing the oscillators 232 and 233 and the mixer 234 below the antenna electrode 237. However, an antenna corresponding to one pixel is used. The plate area of the electrode 237 becomes large and it becomes difficult to achieve high resolution. Therefore, in the third embodiment, in order to solve such a problem, the fine wiring 338 for position detection is arranged on the single antenna electrode 337 in the vertical direction and the horizontal direction, and the distance of the object at each intersection point. Is calculated.

図13を参照して、このシステム300は、物体とアンテナ電極337との間の静電容量に応じた周波数の信号を出力するセンサ330と、配線338の交点位置を選択するためのアドレス信号を出力すると共に、周波数のカウント値を算出するインタフェース340と、物体とアンテナ電極237との間の距離を算出し、物体の形状を画像化するPC317とを備えている。センサ330は、デコーダ331、フィルタ335、単一のアンテナ電極337、当該アンテナ電極237の上面に、縦方向に配置されたM本の配線338−L1〜LM、横方向に配置されたN本の配線338−C1〜CN、これらの配線338を選択するトランジスタ336−L1〜LM,C1〜CN、ミキサ234、発振器332,333を備えている。また、インタフェース340は、入出力部341及び比較部342を備えている。   Referring to FIG. 13, this system 300 outputs a sensor 330 that outputs a signal having a frequency corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode 337, and an address signal for selecting the intersection position of the wiring 338. An interface 340 for calculating the frequency count value and a PC 317 for calculating the distance between the object and the antenna electrode 237 and imaging the shape of the object are provided. The sensor 330 includes a decoder 331, a filter 335, a single antenna electrode 337, M wirings 338-L1 to LM arranged in the vertical direction on the upper surface of the antenna electrode 237, and N pieces of wiring arranged in the horizontal direction. Wirings 338-C1 to CN, transistors 336-L1 to LM and C1 to CN for selecting these wirings 338, a mixer 234, and oscillators 332 and 333 are provided. The interface 340 includes an input / output unit 341 and a comparison unit 342.

センサ330において、物体とアンテナ電極337との間の静電容量に基づいた周波数fの信号を発振する発振器332、固定周波数fの信号を発振するアンテナ電極333、ミキサ334、フィルタ335、インタフェース340の入出力部341、入出力部342、及びPC317は、図11に示したセンサ230の発振器232,233、ミキサ234、フィルタ235、インタフェース240の入出力部241、入出力部242、及びPC217とそれぞれ同等の機能を有する。センサ330のアンテナ電極337は、観測対象の物体がその上に置かれる。デコーダ331は、インタフェース340の入出力部341からアドレス信号を入力し、L用デコーダが縦方向の配線338−L1〜LMに対応するトランジスタ336−L1〜LMのうちの一つを、C用デコーダが横方向の配線338−C1〜CNに対応するトランジスタ336−C1〜CNのうちの一つをそれぞれ動作させる。これにより、縦方向の配線338−L1〜LMのうちの一つ、及び横方向の配線338−C1〜CNのうちの一つが選択され、その選択された配線は解放状態になり、その他の配線はグランド状態に保持される。つまり、観測される物体に対するアンテナ電極337のプレート面内の位置が選択される。In the sensor 330, the antenna electrode 333 for oscillating the object and the oscillator 332, the signal of the fixed frequency f 1 that oscillates a signal of frequency f 2 based on the capacitance between the antenna electrode 337, a mixer 334, a filter 335, an interface The input / output unit 341, the input / output unit 342, and the PC 317 of the 340 include the oscillators 232 and 233, the mixer 234, the filter 235, the input / output unit 241, the input / output unit 242, and the PC 217 of the interface 240 shown in FIG. Have the same functions. The antenna electrode 337 of the sensor 330 has an object to be observed placed thereon. The decoder 331 receives an address signal from the input / output unit 341 of the interface 340, and the L decoder uses one of the transistors 336-L1 to LM corresponding to the vertical wirings 338-L1 to LM as the C decoder. Operates one of the transistors 336-C1 to CN corresponding to the horizontal wirings 338-C1 to CN, respectively. As a result, one of the vertical wirings 338-L1 to LM and one of the horizontal wirings 338-C1 to CN are selected, and the selected wiring is released, and the other wirings are selected. Is held in the ground state. That is, the position of the antenna electrode 337 in the plate plane with respect to the observed object is selected.

PC317は、アンテナ電極337のプレート面内の位置(配線338の交点)を特定するためのアドレス信号を順次出力し、その交点位置における周波数のカウント値を入力し、その交点位置における物体とアンテナ電極337との間の距離をそれぞれ算出する。全ての交点位置における距離を算出することにより、アンテナ電極337から見た物体の形状を画像化することができる。   The PC 317 sequentially outputs an address signal for specifying the position of the antenna electrode 337 in the plate surface (intersection of the wiring 338), inputs the count value of the frequency at the intersection, and the object and antenna electrode at the intersection Each of the distances to 337 is calculated. By calculating the distances at all the intersection positions, the shape of the object viewed from the antenna electrode 337 can be imaged.

図14は、図13に示した実施例3による測定の仕組みを説明するためのアンテナ電極337及び配線338の断面側面図である。以下、アンテナ電極337及び配線338とこれらの上に置かれた物体との間の距離に応じた周波数fを発振する原理について説明する。尚、図14において、アンテナ電極337と配線338−C1との間の静電容量をCp1、配線338−C1と配線338−L1との間の静電容量をCg1、配線338−C1と配線338−L2との間の静電容量をCg2、配線338−L1,C1が重なり合う位置における配線338−L1と物体との間の静電容量をCo1、配線338−L2,C1が重なり合う位置における配線338−L2と物体との間の静電容量をCo2、物体とグランドとの間の静電容量をCとする。FIG. 14 is a sectional side view of the antenna electrode 337 and the wiring 338 for explaining the measurement mechanism according to the third embodiment shown in FIG. Hereinafter, a description is given of a principle of oscillating a frequency f 2 corresponding to the distance between the antenna electrode 337 and the wiring 338 is placed on these objects. 14, the capacitance between the antenna electrode 337 and the wiring 338-C1 is C p1 , the capacitance between the wiring 338-C1 and the wiring 338-L1 is C g1 , and the wiring 338-C1 is The capacitance between the wiring 338-L2 is C g2 , the capacitance between the wiring 338-L1 and the object at the position where the wiring 338-L1, C1 overlaps is C o1 , and the wiring 338-L2, C1 is overlapping. The capacitance between the wiring 338-L2 at the position and the object is C o2 , and the capacitance between the object and the ground is C s .

ここで、PC317が、配線338−L1,C1の交点における物体とアンテナ電極337との間の距離を算出するために、その交点を特定するためのアドレス信号を、入出力部341を介してデコーダ331へ出力する。デコーダ331は、当該アドレス信号を入力し、L用デコーダがトランジスタ336−L1を動作させて配線338−L1を開放し、C用デコーダがトランジスタ336−C1を動作させて配線338−C1を開放する。これにより、配線338−L2〜LM,C2−CNがグランドに接続されるから、Co2,Cg2〜CgMは物体と配線338−C1との間をシールドする。従って、配線338−L1,C1以外の交点上の静電容量(例えばCo2)はアンテナ電極337に影響を与えず、配線338−L1,C1の交点における静電容量Co1,Cg1、及びC,Cp1のみが発振器332に影響を与えることになる。このように、発振器332は、配線338−L1,C1の交点上の静電容量Co1に応じた周波数fの信号を発振する。そして、PC317は、ミキサ334、フィルタ335、カウンタ342及び入出力部341を介して周波数のカウント値を入力し、当該カウント値に基づいて、配線338−L1,C1の交点における物体とアンテナ電極337との間の距離(当該交点における垂直上部に位置する物体と垂直下部に位置するアンテナ電極337面との間の距離)を算出する。Here, in order for the PC 317 to calculate the distance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338 -L 1 and C 1, an address signal for specifying the intersection is decoded via the input / output unit 341. To 331. The decoder 331 inputs the address signal, the L decoder operates the transistor 336-L1 to open the wiring 338-L1, and the C decoder operates the transistor 336-C1 to open the wiring 338-C1. . Accordingly, the wiring 338-L2~LM, since C2-CN is connected to the ground, C o2, C g2 ~C gM is shielded between the object and the wiring 338-C1. Therefore, the capacitance (for example, C o2 ) at the intersection other than the wirings 338-L1, C1 does not affect the antenna electrode 337, and the capacitances C o1 , C g1 at the intersections of the wirings 338-L1, C1 and Only C s and C p1 will affect the oscillator 332. Thus, the oscillator 332 oscillates a signal of frequency f 2 corresponding to the capacitance C o1 on the intersection of lines 338-L1, C1. The PC 317 inputs a frequency count value via the mixer 334, the filter 335, the counter 342, and the input / output unit 341, and based on the count value, the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338-L1 and C1. (The distance between the object located in the vertical upper part and the surface of the antenna electrode 337 located in the vertical lower part at the intersection).

同様にして、PC317が、配線338−L2,C1の交点における物体とアンテナ電極337との間の距離を算出するためにその交点のアドレス信号を出力し、その交点における静電容量Co2のみに応じた周波数fの信号に対応するカウント値を入力し、距離を算出する。このように、配線338の交点のアドレス信号を順次出力し、周波数のカウント値を入力し、その交点における物体とアンテナ電極337との間の距離をそれぞれ算出することにより、アンテナ電極337から見た物体の形状を画像化することができる。Similarly, the PC 317 outputs an address signal at the intersection in order to calculate the distance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338-L2 and C1, and only the capacitance C o2 at the intersection. enter the count value corresponding to the frequency f 2 of the signal corresponding to calculate the distance. In this way, the address signal at the intersection of the wiring 338 is sequentially output, the frequency count value is input, and the distance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection is calculated from the antenna electrode 337. The shape of the object can be imaged.

図15は、図14におけるセンサ電極337の静電容量を示すための図である。ここで、アンテナ電極337の静電容量(センサ電極容量)は、配線338の交点における物体とアンテナ電極337との間の静電容量である。配線338−Li,Cjの交点における物体とアンテナ電極337との間のセンサ電極容量は、図15に示す式により表される。ここで、Csは、センサ電極337上の物体の浮遊容量、Coijは、物体とi列配線(配線338−Li)との間に発生する容量、Cgijは、i列配線(配線338−Li)とj行配線(配線338−Cj)との間に発生する容量、Cpjは、j行配線(配線338−Cj)とアンテナ電極337との間に発生する容量、Cpkは、k行配線(配線338−Ck)とアンテナ電極337との間に発生する容量であり、全ての(i,j)に対して、Cpj=Cpk=Cp、Cgij=Cgが成り立つ。尚、検出対象である物体の座標は、アンテナ電極337の座標と、配線338のアンテナ電極337に対する相対座標とを加算したものとなる。   FIG. 15 is a diagram for illustrating the capacitance of the sensor electrode 337 in FIG. Here, the electrostatic capacitance (sensor electrode capacitance) of the antenna electrode 337 is the electrostatic capacitance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338. The sensor electrode capacitance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338-Li and Cj is expressed by the equation shown in FIG. Here, Cs is the stray capacitance of the object on the sensor electrode 337, Coij is the capacitance generated between the object and the i-row wiring (wiring 338-Li), and Cgij is the i-row wiring (wiring 338-Li). , Cpj is a capacitance generated between the j-row wiring (wiring 338-Cj) and the antenna electrode 337, and Cpk is a k-row wiring (wiring 338-Cj). 338−Ck) and the antenna electrode 337, and Cpj = Cpk = Cp and Cgij = Cg hold for all (i, j). Note that the coordinates of the object to be detected are the sum of the coordinates of the antenna electrode 337 and the relative coordinates of the wiring 338 with respect to the antenna electrode 337.

以上説明したように、実施例3の可視化センサ330によれば、単一のアンテナ電極337上に、位置検出用の微細な配線338を縦方向及び横方向に配置し、各交点における物体とアンテナ電極337との間の静電容量に応じた周波数を検出するようにした。これにより、画素毎にアンテナ電極を設ける必要がないから高解像度化を実現することができる。   As described above, according to the visualization sensor 330 of the third embodiment, the fine wiring 338 for position detection is arranged on the single antenna electrode 337 in the vertical direction and the horizontal direction, and the object and antenna at each intersection point are arranged. A frequency corresponding to the capacitance between the electrode 337 and the electrode 337 was detected. Thereby, since it is not necessary to provide an antenna electrode for each pixel, high resolution can be realized.

〔変形例3〕
次に、実施例3の変形例について、図16を用いて説明する。図13に示した実施例3では、単一のアンテナ電極337が設けられているが、本例では、図16に示すように、細長状のアンテナ電極337−1〜Mが縦方向の配線338−L1〜LMに対向してそれぞれ設けられている。このような構成の下で、デコーダ331及びトランジスタ336が、配線338及びアンテナ電極337を選択し、これらを切り換えることにより、発振器332が、配線338の各交点における物体とアンテナ電極337との間の静電容量に応じた周波数の信号を発振する。配線338−Li,Cjの交点における物体とアンテナ電極337との間のセンサ電極容量は、図16に示す式により表される。
[Modification 3]
Next, a modification of the third embodiment will be described with reference to FIG. In the third embodiment shown in FIG. 13, a single antenna electrode 337 is provided, but in this example, as shown in FIG. 16, the elongated antenna electrodes 337-1 to 337 -M are longitudinal wirings 338. -L1 to LM are provided to face each other. Under such a configuration, the decoder 331 and the transistor 336 select the wiring 338 and the antenna electrode 337 and switch them, so that the oscillator 332 is connected between the object at each intersection of the wiring 338 and the antenna electrode 337. A signal having a frequency corresponding to the capacitance is oscillated. The sensor electrode capacitance between the object and the antenna electrode 337 at the intersection of the wirings 338-Li and Cj is expressed by the equation shown in FIG.

以上説明したように、変形例3の可視化センサによれば、細長形状のアンテナ電極337−1〜Mを備えることにより、センサ電極容量は図16に示した式になり、また、アンテナ電極337−iは、縦方向の配線338−L1〜LMのうち、配線338−Li,Cjの交点以外の縦方向の配線との間で重なりがなく、物体の有無に関係しない静電容量の発生を防ぐことができるから、物体の検出感度が高くなる。   As described above, according to the visualization sensor of the modification example 3, by providing the elongated antenna electrodes 337-1 to 337 -M, the sensor electrode capacitance becomes the equation shown in FIG. 16, and the antenna electrode 337- i is the vertical wiring other than the intersection of the wirings 338-Li and Cj among the vertical wirings 338-L1 to LM, and prevents the generation of capacitance not related to the presence or absence of an object. Therefore, the object detection sensitivity is increased.

次に、図19に、アンテナ電極を1cm角の面積に配置した場合における画素数(アンテナ電極の数)のグラフを示す。図中、図3に示した実施例1、図11に示した実施例2、及び実施例2の説明において示した表1の条件における例の予想限界が示されている。尚、図11に示した実施例2の予想限界は、CMOS0.35μmテクノロジにおいて設計した最適値に基づいた計算結果である。   Next, FIG. 19 shows a graph of the number of pixels (number of antenna electrodes) when the antenna electrodes are arranged in an area of 1 cm square. In the figure, the expected limit of the example in the conditions of Table 1 shown in the description of Example 1 shown in FIG. 3, Example 2 shown in FIG. 11, and Example 2 is shown. In addition, the prediction limit of Example 2 shown in FIG. 11 is a calculation result based on the optimum value designed in the CMOS 0.35 μm technology.

以上、実施例及び変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記例に限定されるものではなく、本発明の精神及び意図を逸脱しない限り、種々変形が可能である。例えば、上記変形例1では、2つのPLL回路132,133を備え、2つの周波数制御電圧信号の差C1−C2により物体とアンテナ電極との間の距離を算出するようにしたが、PLL回路133が外部の発振器150から基準周波数の信号を入力し、当該PLL回路133から出力される周波数制御電圧信号C2のみにより距離の変化を算出し、物体の形状を画像化するようにしてもよい。   The present invention has been described with reference to the examples and the modifications. However, the present invention is not limited to the above examples, and various modifications can be made without departing from the spirit and the intention of the present invention. For example, in the first modification, the two PLL circuits 132 and 133 are provided, and the distance between the object and the antenna electrode is calculated based on the difference C1-C2 between the two frequency control voltage signals. May receive a reference frequency signal from the external oscillator 150, calculate a change in distance only by the frequency control voltage signal C2 output from the PLL circuit 133, and image the shape of the object.

また、上記実施例1では、発振器12,13としてLC発振回路を例示したが、これに限定されるのものではなく、種々の発振回路に適用できる。例えば、図12に示したコモンセントロイド配置の複数のインバータから構成される発振器を用いてもよい。また、上記実施例2,3及び変形例1〜3の発振器にLC発振回路を用いてもよいし、図12に示した発振器を用いてもよい。   In the first embodiment, the LC oscillation circuit is exemplified as the oscillators 12 and 13; however, the present invention is not limited to this and can be applied to various oscillation circuits. For example, you may use the oscillator comprised from the some inverter of common centroid arrangement | positioning shown in FIG. Further, an LC oscillation circuit may be used for the oscillators of the above-described embodiments 2 and 3 and modifications 1 to 3, and the oscillator shown in FIG. 12 may be used.

また、上記変形例1では、PLL回路132において所定の周波数比に分周し、高周波の信号B1を出力するようにしたが、PLL回路132における分周器132−2の周波数比を設定可能な周波数比設定手段を外部に設け、当該周波数比設定手段に対して外部から周波数比を設定できるようにしてもよい。この場合、周波数比を設定変更することにより、距離の検出感度を変更または調整することができる。これにより、物体の形状に応じた検出感度を設定することができ、より精度の高い距離の算出及び形状の画像化を実現できる。   In the first modification, the PLL circuit 132 divides the frequency to a predetermined frequency ratio and outputs the high-frequency signal B1, but the frequency ratio of the frequency divider 132-2 in the PLL circuit 132 can be set. A frequency ratio setting unit may be provided outside, and the frequency ratio may be set from the outside with respect to the frequency ratio setting unit. In this case, the distance detection sensitivity can be changed or adjusted by changing the frequency ratio setting. Thereby, the detection sensitivity according to the shape of the object can be set, and more accurate distance calculation and shape imaging can be realized.

また、上記変形例1では、センサ130において、PLL回路132が基準周波数制御電圧信号C1を出力し、PLL回路133が周波数制御電圧信号C2を出力するようにしたが、センサ130がこれらの信号を入力し、その差を出力する手段を備えようにしてもよい。   In the first modification, in the sensor 130, the PLL circuit 132 outputs the reference frequency control voltage signal C1 and the PLL circuit 133 outputs the frequency control voltage signal C2. However, the sensor 130 outputs these signals. Means for inputting and outputting the difference may be provided.

また、図12では、発振器232−1,233−1が3段のインバータにより構成されているが、3段に限定するものではなく、1,5,7等の奇数段のインバータにより構成されるようにしてもよい。この場合、段数が多いほど、周波数は安定してばらつきは一層吸収されるが、感度が下がってしまう。従って、図12に示したように3段のインバータにより構成されるのが好適である。   In FIG. 12, the oscillators 232-1 and 233-1 are configured by three stages of inverters, but are not limited to three stages, and are configured by odd-numbered inverters such as 1, 5, and 7 stages. You may do it. In this case, the greater the number of stages, the more stable the frequency and the more the variation is absorbed, but the sensitivity is lowered. Therefore, as shown in FIG. 12, it is suitable to be constituted by three stages of inverters.

また、図6に示したグランド電極を実施例2,3または変形例3に適用するように構成してもよいし、図16に示した細長状のアンテナ電極337−1〜Mの代わりに、横方向の配線338−C1〜CNに対向した細長状のアンテナ電極をそれぞれ備えるように構成してもよい。   Further, the ground electrode shown in FIG. 6 may be configured to be applied to the second or third embodiment or the third modification, and instead of the elongated antenna electrodes 337-1 to 33-M shown in FIG. You may comprise so that the elongate antenna electrode facing the wiring 338-C1-CN of the horizontal direction may be provided, respectively.

また、上記実施例及び変形例では、観察物体が導体の場合を説明したが、絶縁体であってもよい。図7及び図8に対応した図17を用いて、絶縁体である物体とプローブアレイとの間の静電容量、及びその等価回路について説明する。図17(1)は、物体160とプローブアレイ164のアンテナ電極との間の静電容量を説明する断面図である。物体160とアンテナ電極163との間に静電容量Cpr、物体160とグランド電極162−2との間に静電容量Cgnd、アンテナ電極163とグランド電極162−1,160−2との間の静電容量Cd、物体全体の浮遊容量Ct、及び発振器161等による配線容量Cs、物体160内部の静電容量Cb,Ccが存在する。   Moreover, although the said Example and modification demonstrated the case where an observation object was a conductor, an insulator may be sufficient. With reference to FIG. 17 corresponding to FIG. 7 and FIG. 8, the capacitance between the object which is an insulator and the probe array and its equivalent circuit will be described. FIG. 17A is a cross-sectional view illustrating the capacitance between the object 160 and the antenna electrode of the probe array 164. A capacitance Cpr between the object 160 and the antenna electrode 163, a capacitance Cgnd between the object 160 and the ground electrode 162-2, and a static between the antenna electrode 163 and the ground electrodes 162-1 and 160-2. There are a capacitance Cd, a floating capacitance Ct of the entire object, a wiring capacitance Cs by the oscillator 161, and electrostatic capacitances Cb and Cc inside the object 160.

ここで、容量Ctは小さい浮遊容量であり、容量Ccはこの容量Ctと直列に接続されているから、容量Ct,Ccを無視することができる。従って、図17(1)に示した断面図の等価回路は、図17(2)に示す回路になる。Cpr、Cb及びCgndは物体により変化する静電容量であり、Cd及びCsは物体により変化しない固定の静電容量であってプローブアレイ164固有の静電容量である。従って、全体の静電容量は、図17(2)に示すように、
式:C=Cpr×Cb×Cgnd/(Cpr×Cb+Cb×Cgnd+Cgnd×Cpr)+2Cd+Cs
となり、全体の静電容量CのうちのCpr×Cb×Cgnd/(Cpr×Cb+Cb×Cgnd+Cgnd×Cpr)部分が変化すると、発振器161が発振する信号の発振周波数が変化することになる。つまり、物体160との間の距離は、前記部分に応じた発振周波数を用いて算出される。
Here, since the capacitance Ct is a small stray capacitance, and the capacitance Cc is connected in series with the capacitance Ct, the capacitances Ct and Cc can be ignored. Accordingly, the equivalent circuit of the cross-sectional view shown in FIG. 17A is the circuit shown in FIG. Cpr, Cb, and Cgnd are capacitances that vary depending on the object, and Cd and Cs are fixed capacitances that do not vary depending on the object, and are inherent to the probe array 164. Therefore, the total capacitance is as shown in FIG.
Formula: C = Cpr * Cb * Cgnd / (Cpr * Cb + Cb * Cgnd + Cgnd * Cpr) + 2Cd + Cs
Thus, when the Cpr × Cb × Cgnd / (Cpr × Cb + Cb × Cgnd + Cgnd × Cpr) portion of the entire capacitance C changes, the oscillation frequency of the signal oscillated by the oscillator 161 changes. That is, the distance to the object 160 is calculated using the oscillation frequency corresponding to the part.

また、上記実施例及び変形例では、センサ及びアンテナ電極を固定して構成したが、これらと観察物体との間の相対位置を変化させるように構成してもよい。図18(1)は、センサを移動させる場合を説明するための概略構成図である。本例は、観察物体を載せるための簡便な指示フィルムが設けられ、センサの下部に圧電素子等の横方向に振動可能な部材が設けられている。この圧電素子等を横方向に振動させることにより、観察物体を静止させたままセンサを横方向に移動させることができる。また、図18(2)は、アンテナ電極を移動させる場合を説明するための概略構成図である。図において、センサの上部にはアンテナ電極を覆う保護膜が設けられ、アンテナ電極周辺にはアンテナ電極が移動できるように空間が設けられ、さらに、アンテナ電極を移動させるためのコンタクト電極が設けられている。このような構成の下で、アンテナ電極は、MEMS(マイクロマシン)技術等を用いることにより移動させることができる。このようにして、センサまたはアンテナ電極と観察物体との間の相対位置を変化させ、それぞれの位置における観測物体との間の距離を算出し、画像データを生成する。そして、これらの画像を重ね合わせることにより、より一層高解像度化を実現することが可能となる。   Moreover, in the said Example and modification, although comprised, the sensor and the antenna electrode were fixed, you may comprise so that the relative position between these and an observation object may be changed. FIG. 18A is a schematic configuration diagram for explaining a case where the sensor is moved. In this example, a simple instruction film for placing an observation object is provided, and a member capable of vibrating in the lateral direction such as a piezoelectric element is provided below the sensor. By vibrating the piezoelectric element or the like in the lateral direction, the sensor can be moved in the lateral direction while the observation object is stationary. FIG. 18B is a schematic configuration diagram for explaining a case where the antenna electrode is moved. In the figure, a protective film covering the antenna electrode is provided on the upper part of the sensor, a space is provided around the antenna electrode so that the antenna electrode can be moved, and a contact electrode for moving the antenna electrode is further provided. Yes. Under such a configuration, the antenna electrode can be moved by using MEMS (micromachine) technology or the like. In this way, the relative position between the sensor or antenna electrode and the observation object is changed, the distance between the observation object at each position is calculated, and image data is generated. Then, by superimposing these images, it is possible to achieve higher resolution.

また、可視化センサにおいて、複数のアンテナ電極を、実施例3に示した例(縦)方向の配線338−L及び行(横)方向の配線388−Cのように、縦方向のアンテナ電極及び横方向のアンテナ電極として設けるように構成してもよい。縦方向及び横方向に設けられた複数のアンテナ電極のうち、それぞれ一つのアンテナ電極が選択されると、選択された交点におけるいずれか一方のアンテナ電極が発振器に接続されて、物体とその交点との間の距離が算出される。   In the visualization sensor, a plurality of antenna electrodes are arranged in the vertical direction such as the wiring 338-L in the example (vertical) direction and the wiring 388-C in the row (horizontal) direction shown in the third embodiment. You may comprise so that it may provide as a direction antenna electrode. When one antenna electrode is selected from each of the plurality of antenna electrodes provided in the vertical direction and the horizontal direction, one of the antenna electrodes at the selected intersection is connected to the oscillator, and the object and its intersection The distance between is calculated.

Claims (11)

物体との間の静電容量を発振周波数に変換し、該物体の可視化を実現するセンサであって、
物体に対向して設けられたアンテナ電極、
該アンテナ電極に接続され、物体とアンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第1の発振器、
基準となる発振周波数の信号を出力する第2の発振器、及び、
前記第1の発振器により出力された信号の発振周波数と、第2の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段を備えたことを特徴とする可視化センサ。
A sensor that converts capacitance between an object to an oscillation frequency and realizes visualization of the object,
An antenna electrode provided facing the object,
A first oscillator connected to the antenna electrode and outputting a signal having an oscillation frequency corresponding to a capacitance between the object and the antenna electrode;
A second oscillator that outputs a signal having a reference oscillation frequency; and
Output means for generating and outputting a signal having a frequency corresponding to a difference between an oscillation frequency of the signal output from the first oscillator and a reference oscillation frequency of the signal output from the second oscillator; Visualization sensor characterized by that.
請求項1に記載の可視化センサにおいて、
前記第1の発振器により出力された信号について、その発振周波数を1倍の周波数比に分周した周波数を生成し、該周波数の信号と入力する基準周波数信号とが一致するように第1の発振器に対する制御用周波数信号を生成して出力する第1の同期回路、及び、
前記第2の発振器により出力された基準発振周波数の信号を入力し、該基準発振周波数を所定の周波数比に分周した周波数を生成し、該分周した周波数の信号を前記基準周波数信号として出力する第2の同期回路を備え、
前記出力手段に代えて第1の同期回路及び第2の同期回路を備えたことを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 1,
For the signal output from the first oscillator, a frequency obtained by dividing the oscillation frequency by a frequency ratio of 1 is generated, and the first oscillator is set so that the signal of the frequency matches the input reference frequency signal. A first synchronization circuit for generating and outputting a control frequency signal for
The reference oscillation frequency signal output from the second oscillator is input, a frequency obtained by dividing the reference oscillation frequency into a predetermined frequency ratio is generated, and the divided frequency signal is output as the reference frequency signal. A second synchronization circuit that
A visualization sensor comprising a first synchronization circuit and a second synchronization circuit in place of the output means.
請求項1または2に記載の可視化センサにおいて、
さらに、物体に対向して設けられ、接地状態に保持されたグランド電極を備えたことを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 1 or 2,
Furthermore, the visualization sensor characterized by including the ground electrode provided facing the object and held in a grounded state.
請求項1から3までのいずれか一項に記載の可視化センサにおいて、
前記アンテナ電極を複数備え、前記第1の発振器は、複数のアンテナ電極のうちの一つのアンテナ電極に順次接続されることを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to any one of claims 1 to 3,
A visualization sensor comprising a plurality of the antenna electrodes, wherein the first oscillator is sequentially connected to one of the plurality of antenna electrodes.
請求項1に記載の可視化センサにおいて、
前記アンテナ電極を複数備え、前記第1の発振器、第2の発振器及び出力手段は、複数のアンテナ電極毎に設けられることを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 1,
A visualization sensor comprising a plurality of the antenna electrodes, wherein the first oscillator, the second oscillator, and the output means are provided for each of the plurality of antenna electrodes.
請求項5に記載の可視化センサにおいて、
さらに、前記アンテナ電極毎に設けられた出力手段のうちの一つの出力手段を選択するためのスイッチを備えたことを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 5,
The visualization sensor further comprises a switch for selecting one of the output means provided for each antenna electrode.
請求項5または6に記載の可視化センサにおいて、
前記第1の発振器、第2の発振器及び出力手段を、複数のアンテナ電極からみて物体に対して反対側に設けたことを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 5 or 6,
A visualization sensor characterized in that the first oscillator, the second oscillator, and the output means are provided on the opposite side to an object when viewed from a plurality of antenna electrodes.
請求項5から7までのいずれか一項に記載の可視化センサにおいて、
前記第1の発振器及び第2の発振器は、奇数個のインバータが直列にそれぞれ接続され、コモンセントロイド配置に構成されていることを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to any one of claims 5 to 7,
The visualization sensor, wherein the first oscillator and the second oscillator are configured in a common centroid arrangement in which an odd number of inverters are respectively connected in series.
物体との間の静電容量を発振周波数に変換し、該物体の可視化を実現するセンサであって、
物体に対向して設けられた単一のアンテナ電極、
該アンテナ電極に接続され、物体と該アンテナ電極との間の静電容量に応じた発振周波数の信号を出力する第1の発振器、
基準となる発振周波数の信号を出力する第2の発振器、
前記第1の発振器により出力された信号の発振周波数と、第2の発振器により出力された信号の基準発振周波数との間の差に相当する周波数の信号を生成して出力する出力手段、及び、
前記アンテナ電極からみて物体が存在する側に設けられた部材であって、該部材により複数の交点が構成され、該複数の交点のうちの一つの交点が選択された場合に、該交点を構成する2つの部材が開放状態に保持され、他の部材が接地状態に保持される複数の線状部材を備えたことを特徴とする可視化センサ。
A sensor that converts capacitance between an object to an oscillation frequency and realizes visualization of the object,
A single antenna electrode provided opposite the object,
A first oscillator connected to the antenna electrode and outputting a signal having an oscillation frequency corresponding to the capacitance between the object and the antenna electrode;
A second oscillator that outputs a signal having a reference oscillation frequency;
Output means for generating and outputting a signal having a frequency corresponding to the difference between the oscillation frequency of the signal output by the first oscillator and the reference oscillation frequency of the signal output by the second oscillator; and
A member provided on the side where the object is present when viewed from the antenna electrode, wherein a plurality of intersections are formed by the members, and the intersection is formed when one of the plurality of intersections is selected. A visualization sensor comprising a plurality of linear members in which two members are held in an open state and the other members are held in a grounded state.
請求項9に記載の可視化センサにおいて、
前記複数の線状部材は、アンテナ電極の面に対して縦方向の複数の線状部材及び横方向の複数の線状部材を含み、
前記単一のアンテナ電極の代わりに、縦方向または横方向の複数の線状部材にそれぞれ対向した複数のアンテナ電極を備えたことを特徴とする可視化センサ。
The visualization sensor according to claim 9.
The plurality of linear members include a plurality of linear members in the vertical direction and a plurality of linear members in the lateral direction with respect to the surface of the antenna electrode,
A visualization sensor comprising a plurality of antenna electrodes opposed to a plurality of linear members in a vertical direction or a horizontal direction instead of the single antenna electrode.
請求項1から10までのいずれか一項に記載の可視化センサにおいて、
前記可視化センサまたはアンテナ電極を、物体に対して移動させる手段を備えたことを特徴とする可視化センサ。
In the visualization sensor according to any one of claims 1 to 10,
A visualization sensor comprising means for moving the visualization sensor or antenna electrode relative to an object.
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