WO2005108912A1 - 可視化センサ - Google Patents

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。

Description

明 細 書

可視化センサ

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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 。）。

[0003] 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。

[0004] 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、 VZF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。

[0005] 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 、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。

[0006] 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、入力電極力 前記キャリア信号を入力し、このキャリア信号の振幅力 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力 Sインピ 一ダンス (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 号ィ匕することにより、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。

[0007] し力しながら、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。 [0008] 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。

[0009] 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つてしまう。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。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 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ぐ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。

[0011] 〔本発明の原理〕

本発明による物体の可視化は、「テルミン」 t 、う楽器の動作原理に基づ 、て 、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。

[0012] まず、前述の「テルミン」の動作原理に基づ!/、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。

[0013] 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

2

。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

2

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

2

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= lZ27u (L X 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

2

発振する固定周波数 f とは同一であるものとする。

[0014] 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 flで

2

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 +

1 2 1 2 1 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 (L

2 1 2

ow 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

2 1 2 1 2の信号成分を除去し、周波数 f f

1 2の信号のみを出力する。

[0015] 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

1 2

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

1 2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 つて、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 電容量力ゝ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 )を画像ィ匕することができる。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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ー致するように第 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の同期回路力 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。 [0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 前記可視化センサにカ卩えて、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ィ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力もみて物体に 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。

[0023] 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、前記アンテナ電極力 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。

[0024] 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。

発明の効果

[0025] 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ぐ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 ぐ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、ミクロン力も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。

[0026] 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 響が少なぐ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、物体とァ 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。

[0027] 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。

図面の簡単な説明

[図 1]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。

[図 2]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。

[図 3]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。

[図 4]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。

[図 5]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。

[図 6]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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]図 10は、 Cgndの影響による誤差率 εと P ( = CgrdZCpr)との間の関係を示 す図である。

[図 11]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 12]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。

[図 13]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 14]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。

[図 15]図 15は、センサ電極の静電容量を示すための図である。

[図 16]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。

[図 17]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。 [図 18]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。

[図 19]図 19は、アンテナ電極を lcm角の面積に配置した場合の画素数を示すグラフ である。

[図 20]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。

[図 21]図 21は、 CMOSO. 09 /z mを使用した場合の数値換算グラフである。

[図 22]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。

[図 23]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。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 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、物体の形状を画像ィ匕する 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。

[0030] 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 数のアンテナ電極力も構成され、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。 [0031] 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

2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

2 1 あるちのとする。

[0032] 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 ,

1 2 1 2 1 2

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

1 2

、周波数 f f

1 2の信号のみを出力する。

[0033] 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

1 2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個のァ

1 2

ンテナ電極を特定するためのアドレス信号を PC 17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。

[0034] 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のァレ ィ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のァ 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 像ィ匕することができる。 [0035] 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、

2

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

2 1

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

1 2

ーブアレイ 11から見た物体の形状 (物体像)を画像ィ匕することができる。

[0036] また、実施例 1の可視化センサ 30において、発振器 12, 13としてコルピッツ発振回 路のような LC発振回路を用いることができる。この場合、コルピ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、コルピ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。

[0037] 〔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 f 2 と発振器 13の発振周波数 fl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。

[0038] 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エ 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 、る。

[0039] 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。

[0040] 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 X fr (N= l, 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力もの出 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。

[0041] 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 、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力 周波 数制御電圧信号 C2の変化 (C2= β )に現れることになる。

[0042] 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 13 2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 1 32 - 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 Cl (= α )を出力する。

[0043] 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 Α2の周波数 foに対して 1倍の周波数比の信号 Β2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 (= |8 )を入力する。

[0044] 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 14 0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 (= j8 )をインタフェース 140へ出力する。

[0045] 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 PC 117へ出力する。

[0046] 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 1 41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 1 11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、プローブァレ ィ 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、プローブァレ ィ 111から見た物体の形状を画像ィ匕することができる。

[0047] 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、 P C117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。

[0048] 〔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とプローブァレ ィ 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 Cgndl、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 C s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とァ 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。

[0049] ここで、 Cgnd=∑Cgndi+Ct (i= l, 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 X CgndZ (Cpr + Cgnd) + Cd + Cs

となり、全体の静電容量 Cのうちの Cpr X 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 X CgndZ (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。

[0050] 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)に示したダラ 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 X CgndZ (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。

[0051] 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： C 1 = Cpr X 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 C l = Cprの場合 (Cgndの影響を全く受けない 場合）、曲線 bは Cgnd= 10 X Cprの場合、曲線 cは Cgnd = Cprの場合、曲線 dは C gnd= 0. I X 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、 Cgn d< Cprでは大きぐ 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、 C pr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。

[0052] 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 = (C 1-Cpr) /Cpr =-l/ ( l + 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 ( = CgndZCpr)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、 Ν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^N— 1 |

[0053] 現実には、物体がアンテナ電極間よりも十分に大き 、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。

[0054] 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ぐグランド電極を配置しない例に比 ベて、 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。

[0055] 〔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力 すると小さくなつてしまい、 発振器 12による周波数 f の変化も小さくなつてしまう。つまり、実施例 1では、高感度

2

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。

[0056] 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に備えた複数のァ 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 PC21 7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 2 37、当該アンテナ電極 237【こ対応する発振器 232, 233、アンテナ電極 237【こ対応 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。

[0057] 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

2 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 エース 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、インタフエ一 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, 2 33及びミキサ 234のうちの一つの組が選択される。

[0058] 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 状を画像ィ匕することができる。

[0059] 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ぐかつトランジスタ 236の容量の

2

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

2

ができる。

[0060] 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

2 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。

[0061] 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

2 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 OF)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

2

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

2 2

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力 S38. 5 /ζ πι Χ 38. 5 /ζ πι、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 レー卜の面積力 38. 5 ^ πι Χ 38. 5 ^ πι,アンテナ電極 237の下咅に発振器 232, 23 3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 :

[0062] 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 、物体を 1 μ mの距離に 置いた場合の値であり、： m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、 CMOSO. 35 /z m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. 09 /z m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 : 製造技術を CMOS 0.35μητιから CMOS 0.09μΓΠに比例縮小換算

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！/ヽる。

[0063] 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

2

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。

[0064] 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, 23 4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。

[0065] 〔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が複数のァ 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 23 7、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力 実施 例 3では、センサ 330力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 ィ匕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。

[0066] 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 3 40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 PC 317とを備えて! /、る。センサ 330は、デコーダ 331、フイノレタ 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 一 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。 [0067] 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 3

2 1

33、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 に置力れる。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-L 1一 LMのうちの一つを、 C用デコーダが横方向の配線 338— C1一 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— L1一 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。

[0068] 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。

[0069] 図 14は、図 13に示した実施例 3による測定の仕^ &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

2

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 C 、配線 338— C1と配線 338-L1との間の静電容量を C 、配線 338—C1と配線 338— L2との間の静電容量を C 、配線 338— LI, C1が重なり合う位置における配 g2

線 338— L1と物体との間の静電容量を C 、配線 338— L2, C1が重なり合う位置に ol

おける配線 338— L2と物体との間の静電容量を C 、物体とグランドとの間の静電容 ο2

量を Cとする。

s [0070] ここで、 PC317が、配線 338— LI, 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、 C , C 一 C は物体と配 o2 g2 gM

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 C )はアンテナ電極 337に影響を与えず、配線 338— LI, C1の交点に ο2

おける静電容量 C , C 、及び C , C のみが発振器 332に影響を与えることになる ol gl s pi

。このように、発振器 332は、配線 338-L1, C1の交点上の静電容量 C に応じた周 ol 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 34

2

2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— LI, 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。

[0071] 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 33 7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 C 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 ο2 2

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ィ匕することができる

[0072] 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。

[0073] 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 ることがでさる。

[0074] 〔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が設けられている力 本例では、図 16に示すように 、細長状のアンテナ電極 337— 1一 Mが縦方向の配線 338— L1一 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 33 2力 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 3 37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。

[0075] 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— 1一 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、ァ ンテナ電極 337— iは、縦方向の配線 338— L1一 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ぐ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。

[0076] 次に、図 19に、アンテナ電極を lcm角の面積に配置した場合における画素数 (ァ 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 、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、 CMOSO. 35 mテクノロジに お!、て設計した最適値に基づ!、た計算結果である。

[0077] 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 れるものではなぐ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 力 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 、。

[0078] 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ぐ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カも構成される発振器を用いてもよ 、。また 、上記実施例 2, 3及び変形例 1一 3の発振器に LC発振回路を用いてもよいし、図 1 2に示した発振器を用いてもょ ヽ。

[0079] 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力 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 て外部力 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 状の画像ィ匕を実現できる。

[0080] 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。

[0081] 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 力 3段に限定するものではなぐ 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 収される力 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。

[0082] 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— C1一 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 成してちょい。

[0083] 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一 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 1 62— 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 C s、物体 160内部の静電容量 Cb, Ccが存在する。

[0084] 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 X Cb X Cgnd/ (Cpr X Cb + Cb X Cgnd + Cgnd X Cpr) + 2Cd + Cs となり、全体の静電容量 Cのうちの Cpr X Cb X Cgnd/ (Cpr X Cb + Cb X Cgnd + C gnd X 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。

[0085] 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 力 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。

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 ヽ。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。

Claims

請求の範囲

[1] 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。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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 択するためのスィッチを備えたことを特徴とする可視化センサ。

[7] 請求項 5または 6に記載の可視化センサにお ヽて、

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。

[8] 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 、ることを特徴とする可視化センサ。

[9] 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。

[10] 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。 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。