WO2011125725A1 - 静電容量型センサ装置および静電容量型センサの静電容量計測装置 - Google Patents

静電容量型センサ装置および静電容量型センサの静電容量計測装置 Download PDF

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WO2011125725A1
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PCT/JP2011/057991
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哲好 柴田
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東海ゴム工業株式会社
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    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/146—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors for measuring force distributions, e.g. using force arrays
    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitance sensor device that can measure the capacitance of a capacitance sensor, and a capacitance measurement device of a capacitance sensor.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-177895
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-306679
  • the capacitance-voltage conversion circuit cannot be provided at the installation position of the capacitance-type sensor, and the position away from the capacitance-type sensor. Must be installed in. Then, the wiring that connects the capacitive sensor and the capacitive voltage conversion circuit becomes long, and the capacitance measurement accuracy may be reduced due to an increase in the wiring capacitance and noise on the wiring. Therefore, in order to enable highly accurate measurement of capacitance, a capacitance-voltage conversion circuit that is less susceptible to the above-described influence is required. Therefore, if the capacitance voltage conversion circuit can be reduced in size, the capacitance type sensor and the capacitance voltage conversion circuit can be formed as an integrated unit. The wiring connecting the circuit can be made very short. That is, the wiring capacitance can be reduced and the influence of noise on the wiring can be reduced.
  • the capacitance-voltage conversion circuit constituting the measuring device described in Patent Documents 1 and 2 uses various elements, the capacitance-type sensor and the capacitance-voltage conversion circuit are integrated into a unit. Cannot be done and has the above-mentioned problems.
  • the device for measuring a potential described in Patent Document 3 is used for measuring a change in potential, and is not a device for measuring a capacitance.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and can measure the capacitance with high accuracy while reducing the size of the capacitance-voltage conversion circuit that converts the capacitance into voltage. It is an object of the present invention to provide a capacitance type sensor device and a capacitance type measurement device for a capacitance type sensor.
  • the present inventors have come up with the idea that if the amount of charge discharged can be measured after applying a constant voltage to the capacitor and then charged, the capacitance of the capacitor can be measured. That is, in the present invention, since the amount of charge for one charge / discharge is very small, charge / discharge is repeated by using a transmitter that generates a rectangular wave, and charge / discharge is performed to obtain a charge amount (current) per unit time. The flow of electric charge was made unidirectional with a rectifier, only the intermittently discharged electric charge was smoothed (integrated) with a capacitor, and the electric charge amount was measured as a voltage with a current measuring shunt resistor. Specifically, it is as follows.
  • the present invention relating to a capacitive sensor device includes first and second electrodes that are provided to face each other at a distance, and the first and second electrodes are applied in response to the application of external force or the approach or contact of an operator.
  • a capacitance-type sensor in which the capacitance between the capacitance-type sensor and the first electrode of the capacitance-type sensor is connected in series, and a voltage applying means for applying a periodic rectangular wave voltage to the capacitance-type sensor;
  • a rectifier that is connected to the second electrode of the capacitive sensor and rectifies the charge that is charged and discharged to the capacitive sensor when the voltage application means applies a periodic rectangular wave voltage, and is connected in parallel to the rectifier.
  • a smoothing capacitor, a current measuring shunt resistor connected in parallel to the smoothing capacitor, and voltage measuring means for measuring a voltage across the current measuring shunt resistor are provided.
  • the rectifier, the smoothing capacitor, and the shunt resistor for current measurement serve as a capacitive voltage conversion circuit that converts the capacitance of the capacitive sensor into a voltage. That is, according to the present invention, the capacitance-voltage conversion circuit has a very simple configuration, specifically, a configuration with a very small number of elements. Therefore, the capacitance-voltage conversion circuit in the capacitance type sensor device can be formed very small. Here, there is a possibility that the capacitance measurement accuracy may be lowered due to the simple configuration, but the capacitance can be measured with high accuracy by applying the rectangular wave voltage by the voltage applying means. It became so.
  • the present invention applies a concept of measuring the amount of charge to be charged / discharged at a constant voltage to an apparatus for measuring capacitance, and is small in size by a combination of a simple rectangular wave voltage applying means and rectifying and smoothing means.
  • the capacitance of the capacitance type sensor can be measured with high accuracy.
  • the voltage applying means can use an element for applying a voltage such as an oscillator, or can use the timer output of the oscillation circuit and the control unit (microcomputer).
  • the voltage measuring means can also measure the voltage across the shunt resistor for current measurement itself, or can measure the voltage input via the amplifier.
  • the voltage measuring means is a voltage across the shunt resistor for current measurement based on the charging voltage of the capacitive sensor, the frequency of the rectangular wave voltage applied by the voltage applying means, and the resistance value of the shunt resistor for current measurement. May be measured as the capacitance of the capacitive sensor. Accordingly, it is possible to reliably measure the voltage obtained by converting the capacitance of the capacitance type sensor and calculate the capacitance of the capacitance type sensor.
  • the capacitive sensor, the voltage applying means, the rectifier, the smoothing capacitor, and the current measuring shunt resistor may be formed as an integrated unit.
  • a capacitive voltage conversion circuit that converts the electrostatic capacity into a voltage. It is desired to be small.
  • the first and second electrodes of the capacitance type sensor are electrodes having flexibility and stretchability, and the capacitance type sensor has flexibility and stretchability. It is advisable to have such properties. That is, it means that the capacitive sensor has a flexible shape. As a result, the capacitive sensor can be used for various applications.
  • the capacitive sensor and the capacitive voltage conversion circuit are formed as an integral unit in the capacitive sensor device, and the capacitive sensor is flexible, By downsizing the capacitance-voltage conversion circuit in the capacitance-type sensor device, it is possible to make it relatively difficult to feel the firmness of the circuit board including the capacitance-voltage conversion circuit. Therefore, according to the present invention, the entire unit including the capacitive sensor and the capacitive voltage conversion circuit can be recognized as a flexible shape.
  • the capacitive sensor is a capacitive sensor formed in a surface shape.
  • the capacitive sensor is a dielectric sensor provided between the first and second electrodes and the first and second electrodes provided to face each other with a distance in the surface normal direction of the capacitive sensor.
  • the first electrode and the second electrode by deformation of the dielectric layer in accordance with the compressive force in the surface normal direction of the capacitive sensor or the tensile force in the surface tangential direction of the capacitive sensor. It is good also as a sensor from which the separation distance of this, an electrode area, or both change. Thereby, various external forces can be grasped.
  • the capacitive sensor is a capacitive sensor formed in a surface shape
  • the first and second electrodes are provided facing each other at a distance in the surface normal direction of the capacitive sensor.
  • Two electrodes, a dielectric layer provided between the first and second electrodes, and an insulating layer provided on the surface side of the capacitive sensor, as a conductor to the surface of the capacitive sensor It is good also as a sensor from which the electrostatic capacitance between 1st, 2nd electrodes changes according to an operator's approach or contact state.
  • the electrode located on the surface side of the first electrode and the second electrode and the operator itself form a capacitor.
  • the capacitance of the capacitor formed by the first electrode and the second electrode is affected. Therefore, by measuring the current flowing through the second electrode, it is possible to grasp the approach, contact, or degree of contact of the operator.
  • the contact state is used to include the presence or absence of contact and the degree of contact.
  • the capacitance type sensor is a capacitance type sensor formed in a surface shape
  • the first and second electrodes provided at a distance in the surface direction of the capacitance type sensor and the electrostatic sensor.
  • an insulating layer provided on the surface side of the capacitive sensor, and depending on the approach or contact state of the operator as a conductor to the surface of the capacitive sensor, It is good also as a sensor from which electric capacity changes.
  • the first electrode and the operator themselves form the first capacitor and the second electrode and the operator themselves form the second capacitor.
  • the capacitance of the capacitor formed by the first electrode and the second electrode is affected. Therefore, by measuring the current flowing through the second electrode, it is possible to grasp the approach, contact, or degree of contact of the operator.
  • the rectifier, the smoothing capacitor, and the shunt resistor for current measurement are composed of a plurality connected to a plurality of locations of the second electrode, respectively, and the plurality of rectifiers are connected to different positions of the second electrode, respectively,
  • the apparatus is an operator that approaches or contacts the capacitive sensor based on the voltage across each of the current measuring shunt resistors measured by the plurality of voltage measuring means when a rectangular wave voltage is applied by the voltage applying means.
  • a state estimation unit that estimates at least one of the approach position, the contact position, and the contact state may be further provided.
  • the voltages output from the plurality of capacitance voltage conversion circuits have different values depending on the approach position, contact position, or contact state of the operator.
  • a plurality of output side capacitance voltage conversion circuits are connected to different positions of the second electrode, and are measured by the voltage measurement means of each output side capacitance voltage conversion circuit.
  • the approach position, the contact position, or the contact state of the operator can be calculated by the voltage between both ends.
  • the capacitance type sensor includes a plurality of first electrodes, and the capacitance type sensor includes, for each first electrode, a first state in which the first electrode is connected to the voltage application unit and the first electrode.
  • An input side switching circuit for switching between a second state of grounding and an input side switching circuit so as to set the first state for one selected first electrode and the second state for the remaining first electrode
  • a switching control means for controlling.
  • the term “ground” includes not only the case of connecting to the ground (earth) but also the state where the charging voltage is applied.
  • Capacitance measuring device for capacitive sensor Capacitance measuring device for capacitive sensor
  • the present invention relating to the capacitance measuring device of the capacitance type sensor includes the first and second electrodes provided to face each other at a distance, and is accompanied by the application of external force or the approach or contact of the operator.
  • a voltage measuring device that measures the capacitance of a capacitive sensor in which the capacitance between the first and second electrodes changes, and that applies a periodic rectangular wave voltage to the capacitive sensor
  • a rectifier connected to the second electrode of the capacitive sensor and rectifying the charge and discharge of the capacitive sensor when the voltage applying means applies a periodic rectangular wave voltage
  • a smoothing capacitor connected in parallel, a current measuring shunt resistor connected in parallel to the smoothing capacitor, and voltage measuring means for measuring a voltage across the shunt resistor for current measurement are provided.
  • FIG. 9 is an electric circuit diagram showing a configuration of an input side switching circuit 311.
  • FIG. 3rd embodiment It is sectional drawing of an electrostatic capacitance type sensor apparatus. It is a top view of an electrostatic capacitance type sensor device. It is sectional drawing of the electrostatic capacitance type sensor apparatus in the state which increased the pressing force of the finger
  • Fourth Embodiment It is a perspective view of a capacitive sensor device.
  • 5th embodiment It is an electric circuit diagram of an electrostatic capacitance type sensor apparatus.
  • FIG. 6th embodiment It is an electric circuit diagram of a capacitive sensor apparatus.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along line BB in FIG. 7th embodiment: It is an electrical circuit diagram of a capacitive sensor device.
  • the capacitive sensor device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the capacitance type sensor device can be used as, for example, a pressure sensor, or can be used for measuring a tension applied to a seat belt that is attached to a seat belt of a vehicle.
  • the electrostatic capacity sensor device when viewed as a component unit, is configured to include each of the electrostatic capacity sensor unit 1, the power source 100, and the voltage measuring instrument 200. Therefore, first, a part mainly related to the shape of the capacitive sensor unit 1 will be described with reference to FIGS. 1A and 1B, and later, an electric circuit of the capacitive sensor device will be described with reference to FIG. This will be described in detail.
  • the capacitive sensor unit 1 includes a capacitive sensor 10, a circuit board 20, and a wiring part 30, and these are formed as an integral unit.
  • the capacitance type sensor 10 has a flexible and stretchable property, and is formed of a soft material such as rubber.
  • the capacitive sensor 10 can be applied to a sensor other than one having flexibility.
  • the capacitance type sensor 10 is formed in the surface shape, as shown to Fig.1 (a) (b).
  • the capacitance type sensor 10 includes first and second electrodes 11 and 12 which are provided to face each other at a distance in a surface normal direction (vertical direction in FIG. 1B).
  • the dielectric layer 13 provided between the electrodes 11 and 12 and the insulating layers 14 and 15 provided so as to cover the surface on the second electrode 12 side and the back surface on the first electrode 11 side are configured.
  • the distance between the first electrode 11 and the second electrode 12, the electrode area, or both change according to the applied external force, and the change between the first electrode 11 and the second electrode 12 is accompanied by this change.
  • the capacitance changes. Since it is well known that the capacitance is proportional to the separation distance, the electrode area, or both, detailed description is omitted.
  • the first and second electrodes 11 and 12 constituting the capacitive sensor 10 are made of the same material and have the same shape. Specifically, the first and second electrodes 11 and 12 are formed in a thin-film rectangular shape.
  • the material of the 1st, 2nd electrodes 11 and 12 is shape
  • the first and second electrodes 11 and 12 are flexible and extendable and contractible.
  • Examples of the elastomer constituting the first and second electrodes 11 and 12 include silicone rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, and epichlorohydride. Rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, urethane rubber, etc. can be applied. Moreover, the electroconductive filler mix
  • the dielectric layer 13 is formed of an elastomer and has the property of being flexible and stretchable, like the first and second electrodes 11 and 12.
  • the elastomer constituting the dielectric layer 13 include silicone rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, and urethane rubber.
  • the dielectric layer 13 has a set thickness and is formed in a rectangular shape similar to the first and second electrodes 11 and 12.
  • the insulating layers 14 and 15 are flexible and extendable and contractible, like the first and second electrodes 11 and 12. As the elastomer constituting the insulating layers 14 and 15, for example, the material described as the elastomer constituting the dielectric layer 13 is applied.
  • the capacitance type sensor 10 including the first and second electrodes 11 and 12, the dielectric layer 13, and the insulating layers 14 and 15 described above has an arbitrary shape having a predetermined thickness as a whole (in FIG. 1A). For example, it is formed as a rectangular shape). Further, the capacitive sensor 10 has flexibility and a property of being stretchable.
  • the capacitive sensor 10 When the capacitive sensor 10 receives a compressive force in the surface normal direction of the capacitive sensor 10, the dielectric layer 13 compresses and deforms in the surface normal direction, thereby The separation distance between the two electrodes 11 and 12 is shortened. In this case, the capacitance of the capacitive sensor 10 increases. When the capacitive sensor 10 receives a tensile force in the surface tangential direction of the capacitive sensor 10, the dielectric layer 13 expands and deforms in the surface tangential direction, so that the first and second electrodes The electrode areas of 11 and 12 are increased. Also in this case, the capacitance of the capacitive sensor 10 increases. Thus, when the capacitive sensor 10 receives an external force, the capacitance of the capacitor formed by the first electrode 11 and the second electrode 12 changes according to the external force.
  • the circuit board 20 includes a voltage application element 21 and a capacitance / voltage conversion circuit 22, which are formed on the same board.
  • the voltage application element 21 is an element (for example, an oscillator) that applies a periodic rectangular wave voltage to the capacitive sensor 10.
  • an oscillator as the voltage applying element 21 is used as a means for applying the rectangular wave voltage is taken as an example.
  • a timer output of an oscillation circuit and a control unit can be used. It can also be used.
  • the capacitance-voltage conversion circuit 22 is a circuit that can extract the capacitance as a voltage by converting the capacitance of the capacitance-type sensor 10 into a voltage.
  • the capacitance voltage conversion circuit 22 is on the output side of the capacitance type sensor 10 when a periodic rectangular wave voltage is applied to the first electrode 11 of the capacitance type sensor 10. This is a circuit that converts the current charged / discharged by the second electrode 12 into a voltage and outputs the voltage.
  • Detailed description of the voltage applying element 21 and the capacitance-voltage conversion circuit 22 will be described later with reference to FIG.
  • the wiring unit 30 electrically connects the capacitive sensor 10 and the circuit board 20.
  • the wiring unit 30 has substantially the same configuration as that of the capacitive sensor 10.
  • the wiring part 30 includes first and second electrodes 31 and 32 and insulating layers 33, 34 and 35.
  • the first and second electrodes 31 and 32 are formed of the same material integrally with the first and second electrodes 11 and 12 of the capacitance type sensor 10, respectively. It is connected.
  • the intermediate insulating layer 33 is formed of the same material integrally with the dielectric layer 13 of the capacitive sensor 10.
  • the insulating layers 34 and 35 are formed of the same material integrally with the insulating layers 14 and 15 of the capacitive sensor 10.
  • the first electrode 31 of the wiring part 30 is electrically connected to the voltage applying element 21 of the circuit board 20, and the second electrode 32 of the wiring part 30 is electrically connected to the capacitance / voltage conversion circuit 22 of the circuit board 20. It is connected.
  • the capacitive sensor unit 1 described above is connected to the power supply 100 and the voltage measuring instrument 200 via a harness.
  • the capacitance type sensor 10 functions as a variable capacitance
  • the capacitance type sensor 10 is illustrated as a variable capacitance.
  • the capacitive sensor device includes a capacitive sensor 10 and a capacitance measuring device 2 when viewed from the functional viewpoint of an electric circuit.
  • the capacitance measuring device 2 of the capacitance type sensor device includes a power source 100, a voltage applying element 21, a capacitance / voltage conversion circuit 22, and a voltage measuring device 200.
  • the power source 100 is a DC power source.
  • the voltage applying element 21 is an element that generates a periodic rectangular wave voltage, and applies the rectangular wave voltage to the capacitive sensor 10. Specifically, the output terminal of the voltage application element 21 is connected to the first electrode 11 of the capacitive sensor 10, and the ground terminal of the voltage application element 21 is connected to the negative electrode side of the power supply 100. A voltage is applied to the power supply terminal 21 from the power supply 100. The voltage applying element 21 generates a periodic rectangular wave voltage by being connected in this way.
  • the voltage applied by the voltage applying element 21 is, for example, a frequency of 250 kHz, a maximum voltage of 5 V, and an ON duty ratio of 50%. Of course, it is possible to appropriately change the frequency, the maximum voltage, and the ON duty ratio.
  • the capacitance-voltage conversion circuit 22 constituting the capacitance measuring device 2 includes a rectifier 22a, a smoothing capacitor C1, and a current measuring shunt resistor R1.
  • the rectifier 22 a is connected to the output side of the capacitance type sensor 10, and the capacitance is applied when the voltage application element 21 applies a periodic rectangular wave voltage to the first electrode 11 of the capacitance type sensor 10.
  • the charge charged and discharged on the second electrode 12 of the mold sensor 10 is rectified.
  • the rectifier 22a includes a first diode D1 and a second diode D2.
  • the first diode D1 is connected in series to the capacitive sensor 10, and the second diode D2 is connected in parallel to the capacitive sensor 10.
  • the anode of the first diode D1 is connected to the second electrode 12 of the capacitive sensor 10.
  • the anode of the second diode D2 is connected to the negative electrode side of the power supply 100, and the cathode of the second diode D2 is connected to the second electrode 12 of the capacitive sensor 10 and the anode of the first diode D1.
  • the rectangular wave voltage of the voltage applying element 21 when the rectangular wave voltage of the voltage applying element 21 is ON, the second electrode 12 of the capacitive sensor 10 is charged through the second diode D2. On the other hand, when the rectangular wave voltage of the voltage applying element 21 is OFF, the electric charge is discharged from the second electrode 12 of the capacitive sensor 10 via the first diode D1.
  • the smoothing capacitor C1 is connected in parallel to the output side of the rectifier 22a, and smoothes the current flowing through the rectifier 22a. That is, one end of the smoothing capacitor C1 is connected to the cathode of the first diode D1, and the other end is connected to the anode of the second diode D2. As described above, since the flow of charge differs between the rectifier 22a when the second electrode 12 of the capacitive sensor 10 is charged and discharged, the time change of the current on the output side of the rectifier 22a is intermittent. It becomes a shape. Therefore, the smoothing capacitor C1 has a role of smoothing the rectangular wave current.
  • the current measuring shunt resistor R1 is connected in parallel to the output side of the smoothing capacitor C1. That is, both ends of the current measuring shunt resistor R1 are connected to both ends of the smoothing capacitor C1, respectively.
  • the capacitance type is measured by measuring the voltage Vx across the current measuring shunt resistor R1. The discharge current by the second electrode 12 of the sensor 10 can be measured.
  • the voltage measuring device 200 constituting the capacitance measuring device 2 includes a voltage amplifier 210 and a capacitance calculating unit 220 (corresponding to “voltage measuring means” of the present invention).
  • the voltage amplifier 210 is connected in parallel to the output side of the current measuring shunt resistor R1, and amplifies the voltage Vx across the current measuring shunt resistor R1.
  • the electrostatic capacitance measuring apparatus 2 in the present embodiment is configured to include the voltage amplifier 210, it may be configured to include only the electrostatic capacitance calculation unit 220 without including the voltage amplifier 210.
  • the capacitance calculating unit 220 measures the voltage Vx across the current measuring shunt resistor R1 amplified by the voltage amplifier 210, and calculates the capacitance Cx of the capacitive sensor 10 from the measured voltage Vx across the measured voltage Vx.
  • the both-ends voltage Vx of the current measuring shunt resistor R1 is expressed as in Expression (1).
  • (V ⁇ Vf) corresponds to the charging voltage by the capacitive sensor 10 when a voltage is applied by the voltage applying element 21.
  • Vx Cx ⁇ (V-Vf) ⁇ Freq ⁇ R1 (1)
  • Vx Voltage across the shunt resistor R1 for current measurement
  • Cx Variable capacitance of the capacitive sensor 10
  • V Maximum voltage applied by the voltage application element 21
  • Freq Square wave voltage applied by the voltage application element 21
  • Vf Forward voltage of first and second diodes D1, D2 R1: Shunt resistor for current measurement
  • the capacitance Cx of the capacitance type sensor 10 is expressed by the equation (2) from the equation (1).
  • the capacitance Cx since values other than the capacitance Cx are known, the capacitance Cx can be calculated.
  • the capacitance Cx of the capacitance type sensor 10 can be calculated with a very simple electric circuit, that is, a configuration with a very small number of elements. Accordingly, the capacitance-voltage conversion circuit 22 in the capacitance-type sensor device can be formed very small. Accordingly, the circuit board 20 including the capacitance-voltage conversion circuit 22 can also be reduced in size.
  • the voltage applying element 21 applies a periodic rectangular wave voltage
  • the frequency Freq and the maximum voltage V of the rectangular wave voltage can be applied with high accuracy as shown in the equation (2). That is, by applying a periodic rectangular wave voltage to the capacitance type sensor 10, the capacitance Cx can be measured with high accuracy. In this way, the capacitance Cx can be measured with high accuracy while being small.
  • the capacitance type sensor unit 1 is formed as a unit integrated with the capacitance type sensor 10, the voltage application element 21, the capacitance voltage conversion circuit 22, and the wiring part 30.
  • the capacitance-voltage conversion circuit 22 can be reduced in size, even when the entire capacitance-type sensor unit 1 is formed as an integrated unit, the capacitance-type The entire sensor unit 1 can be reduced in size.
  • the length of the wiring portion 30 can be remarkably shortened compared to the conventional case.
  • the wiring capacity of the wiring unit 30 can be reduced, and noise on the wiring unit 30 can be reduced. Therefore, it is possible to measure the capacitance with high accuracy.
  • the capacitive sensor 10 is flexible and stretchable.
  • the applications of sensors having such flexible shape properties are very diverse.
  • the capacitance / voltage conversion circuit 22 is large, the circuit board 20 on which the capacitance / voltage conversion circuit 22 is mounted becomes large.
  • the rigidity of the circuit board 20 is relatively conspicuous.
  • the capacitance-type voltage conversion circuit 22 can be miniaturized with the capacitance-type sensor device of the present embodiment, the unit is integrated with the capacitance-type sensor unit 1.
  • the rigidity of the circuit board 20 can be made relatively hard to feel. Therefore, the entire capacitive sensor unit 1 of the present embodiment can be recognized as a flexible shape.
  • the capacitance type sensor device of the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the capacitive sensor device of this embodiment is an example when applied as a wide range of pressure sensitive sensors. Since the capacitive sensor 10 of the first embodiment functions as a single pressure-sensitive sensor, in the second embodiment, the capacitive sensor 10 of the first embodiment is provided at a plurality of locations. . However, since it is not easy to dispose the capacitance-voltage conversion circuit 22 simply by providing a plurality, the configuration as shown in FIG. In addition, in 2nd embodiment, the same code
  • the capacitive sensor device of the second embodiment includes a capacitive sensor 110, a power source 100, a voltage application element 21, and a plurality of capacitance voltage conversion circuits 122a to 122d.
  • the first and second connection switching units 310 and 320, the voltage measuring instrument 200, the switching control unit 330, and the state estimation unit 340 are configured. Further, the voltage application element 21, the first and second connection switching units 310 and 320, the voltage measuring device 200, the switching control unit 330, and the state estimation unit 340 control all or some of these functions. It may be replaced by an equivalent function installed in the unit (microcomputer).
  • the capacitive sensor 110 is formed in a rectangular plate shape as a whole.
  • the capacitance type sensor 110 includes a plurality of long plate-shaped first electrodes 111a to 111d, a plurality of long plate-shaped second electrodes 112a to 112d, and a dielectric layer 113. In FIG. 3, the front and back insulating layers are not shown.
  • the first and second electrodes 111a to 111d and 112a to 112d are formed of the same material as the first and second electrodes 11 and 12 of the capacitive sensor 10 of the first embodiment.
  • the plurality of first electrodes 111a to 111d are arranged in parallel at a distance in the surface tangential direction (the vertical direction in FIG. 3).
  • the plurality of second electrodes 112a to 112d are arranged in parallel at a distance in the surface tangential direction (left-right direction in FIG. 3), respectively.
  • the direction in which each of the first electrodes 111a to 111d is arranged in parallel (the vertical direction in FIG. 3) is orthogonal to the direction in which each of the second electrodes 112a to 112d is arranged in parallel (the horizontal direction in FIG. 3).
  • the dielectric layer 113 is disposed so as to be interposed between the plurality of first electrodes 111a to 111d and the plurality of second electrodes 112a to 112d.
  • the dielectric layer 113 is made of a material that can expand and contract in the normal tangential direction.
  • the input side switching circuit 310 is composed of a plurality of switches 310a to 310d. One end of each of the switches 310a to 310d is configured to be switchable by selecting an output end of the voltage applying element 21 and a ground end to the ground (earth). On the other hand, the other ends of the switches 310a to 310d are connected to the corresponding first electrodes 111a to 111d. That is, the switches 310a to 310d of the input side switching circuit 310 switch between a first state in which the first electrodes 111a to 111d are connected to the voltage application element 21 and a second state in which the first electrodes 111a to 111d are grounded.
  • the switching control unit 330 described later connects one selected from the first electrodes 111a to 111d and the voltage applying element 21 (first state), and grounds the rest of the first electrodes 111a to 111d ( Second state).
  • the power supply terminal of the voltage application element 21 is connected to the positive side of the power supply 100 as described with reference to FIG. 2, and the ground terminal of the voltage application element 21 is connected to the power supply 100. Connected to the negative terminal.
  • the plurality of capacitance voltage conversion circuits 122a to 122d are connected to the respective ends of the corresponding second electrodes 112a to 112d.
  • the electrostatic capacity voltage conversion circuits 122a to 122d have the same configuration as the electrostatic capacity voltage conversion circuit 22 of the first embodiment.
  • the output side switching circuit 320 includes a plurality of switches 320a to 320d. One end of each switch 320a to 320d is connected to the corresponding electrostatic capacitance voltage conversion circuit 122a to 122d, and the other end of each switch 320a to 320d is connected to the voltage measuring instrument 200. Then, the switching control unit 330 connects one of the capacitance voltage conversion circuits 122a to 122d and the voltage measuring device 200, and disconnects the rest of the capacitance voltage conversion circuits 122a to 122d.
  • the switching control unit 330 performs control to switch ON / OFF operations of the input side switching circuit 310 and the output side switching circuit 320.
  • the ON / OFF operation timing chart of the input side switching circuit 310 and the output side switching circuit 320 will be described.
  • the first switch 310a of the input side switching circuit 310 is turned ON.
  • ON of the switches 310a to 310d of the input side switching circuit 310 means a state (first state) in which the switches 310a to 310d are connected to the voltage applying element 21 side.
  • the second, third, and fourth switches 310b, 310c, and 310d of the input side switching circuit 310 are grounded (second state). That is, a periodic rectangular wave voltage is applied only to the first electrode 111a.
  • the first switch 320a of the output side switching circuit 320 is turned on (connected state).
  • the second, third, and fourth switches 320b, 320c, and 320d of the output side switching circuit 320 are OFF (disconnected state).
  • the voltage measuring device 200 measures a voltage corresponding to the capacitance between the first electrode 111a and the second electrode 112a.
  • the first electrodes 111a to 111d may function as a capacitor. That is, there is a possibility that the charge charged and discharged on the second electrodes 112a to 112d may be affected.
  • the second, third, and fourth switches 310b, 310c, and 310d of the input side switching circuit 310 are grounded. Therefore, in the above state, when a voltage is applied only to the first electrode 111a, the capacitor does not function between the first electrode 111a and the other first electrodes 111b to 111d. Therefore, the first electrode 111a functions as a capacitor only between the second electrodes 112a to 112d.
  • the voltage measuring device 200 can measure the voltage according to the electrostatic capacitance between the first electrode 111a and the second electrode 112a with high accuracy.
  • the voltage measuring device 200 measures a voltage corresponding to the capacitance between the first electrode 111a and the second electrode 112b.
  • the switches 320a to 320d of the output side switching circuit 320 are sequentially switched ON and OFF. Go. Subsequently, the first switch 310a of the input side switching circuit 310 is switched to ground (second state), and the second switch 310b is switched to the voltage applying element 21 side (first state). In this state, as described above, the switches 320a to 320d of the output side switching circuit 320 are sequentially switched. Then, the switches 310a to 310d of the input side switching circuit 310 are sequentially switched between ON and ground.
  • the voltage measuring instrument 200 acquires the voltage corresponding to the electrostatic capacitance at each position where the first electrodes 111a to 111d and the second electrodes 112a to 112d intersect in FIG. Can do. Therefore, the state estimation unit 340 can estimate the deformation state of each part of the dielectric layer 113 using these voltages. Based on the estimated deformation state of the dielectric layer 113, the position where the external force is applied and the magnitude of the external force can be estimated. That is, the state estimation unit 340 can calculate the distribution of the surface pressure applied to the capacitive sensor 110.
  • the capacitance between the electrodes changes as the distance between the first electrodes 111a to 111d and the second electrodes 112a to 112d changes due to the deformation of the dielectric layer 113.
  • the present invention can be applied to a touch panel that detects a position where a human (operator) touches a finger.
  • a human finger functions as a conductor
  • a capacitor is formed between the second electrodes 112a to 112d and the finger when the conductor approaches or comes into contact with the capacitive sensor 110. Become.
  • the state estimation unit 340 can calculate the approach position, the contact position, or the contact degree of a human finger as a conductor regardless of whether or not the dielectric layer 113 is deformed.
  • one end of each of the switches 310a to 310d of the input side switching circuit 310 is configured to be able to be switched by selecting the output end of the voltage applying element 21 and the ground end to the ground (earth). It was. Another aspect will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, one end of each of the switches 311 a to 311 d of the input side switching circuit 311 is configured to be switchable by selecting the output end of the voltage application element 21 and the positive electrode side terminal of the power supply 100. . On the other hand, the other ends of the switches 311a to 311d are connected to the corresponding first electrodes 111a to 111d.
  • the terminal on the positive electrode side of the power supply 100 is a terminal to which a constant voltage is applied, and corresponds to high-voltage grounding.
  • the switching operation of the switches 311a to 311d of the input side switching circuit 311 is the same as the switching operation of the switches 310a to 310d of the input side switching circuit 310 described above.
  • ON of the switches 311a to 311d of the input side switching circuit 311 means a state (first state) in which the switches 311a to 311d are connected to the voltage applying element 21 side. Accordingly, in this case as well, the same effects as those of the above embodiment can be obtained.
  • the capacitive sensor 10 of the present embodiment uses a capacitive sensor 10 having substantially the same configuration as that of the first embodiment.
  • the shape of the capacitive sensor 10 is long.
  • the output terminal of the voltage application element 21 is connected to one end of the first electrode 11.
  • the first capacitance voltage conversion circuit 222 a is connected to one end of the second electrode 12, and the second capacitance voltage conversion circuit 222 b is connected to the other end of the second electrode 12.
  • the power supply 100 and the voltage measuring device 200 are also provided.
  • the voltage output from the first capacitance-voltage conversion circuit 222a and the voltage output from the second capacitance-voltage conversion circuit 222b differ depending on the position where the finger is in contact with or in proximity. This is due to the influence of the resistance component of the second electrode 12. Therefore, by measuring the voltage output from the first capacitance voltage conversion circuit 222a and the voltage output from the second capacitance voltage conversion circuit 222b, the position where the finger is in contact with or close to the position. Can be calculated.
  • the state of FIG. 8 can be understood as a change in the area of the capacitor electrode compared to the state of FIG. Therefore, the voltage output by the first capacitance voltage conversion circuit 222a and the voltage output by the second capacitance voltage conversion circuit 222b change according to the force with which the finger is pressed. Therefore, the pressing state by the finger can be estimated based on both voltages.
  • a capacitive sensor device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the shape of the capacitive sensor 10 is long.
  • the case where the idea of the third embodiment is applied to the rectangular capacitive sensor 10 is the present embodiment. That is, as shown in FIG. 9, the capacitive sensor 10 has a rectangular shape, and the configuration of each layer is the same as that of the first embodiment.
  • Capacitance-voltage conversion circuits 322a to 322d are connected to the respective corners of the second electrode 12.
  • the voltage output by each of the electrostatic capacitance voltage conversion circuits 322a to 322d varies depending on the position where the finger is in contact with or close to the finger, and also depending on the force with which the finger is pressed. Therefore, by measuring the voltage output from each of the electrostatic capacitance voltage conversion circuits 322a to 322d, it is possible to estimate the position where the finger is in contact with or in close proximity and the pressing state by the finger.
  • the first electrode and the second electrode are provided to face each other in the surface normal direction of the capacitive sensor.
  • the first electrode and the second electrode can be provided so as to face the surface direction of the capacitive sensor (corresponding to the surface tangential direction if it is a plane). An embodiment in this case will be described with reference to FIGS.
  • the capacitive sensor 410 includes first electrodes 411a and 411b, second electrodes 412a and 412b, and an insulating layer 413.
  • the insulating layer 413 is made of the same material as the insulating layer 14 of the first embodiment. Although the insulating layer 413 made of the material has flexibility, a material that does not have flexibility can also be used.
  • the first electrodes 411a and 411b and the second electrodes 412a and 412b are made of the same material as the first and second electrodes 11 and 12 of the first embodiment.
  • the first electrodes 411a and 411b and the second electrodes 412a and 412b are arranged in parallel on the back surface side of the insulating layer 413 with a distance in the plane direction of the insulating layer 413 (vertical direction in FIG. 10).
  • the first electrodes 411a and 411b and the second electrodes 412a and 412b are alternately arranged.
  • the voltage meter 200 (shown in FIGS. 1 and 2) includes a capacitance between the first electrode 411a and the second electrode 412a, a capacitance between the first electrode 411b and the second electrode 412a, A voltage according to the total amount of capacitance between the first electrode 411b and the second electrode 412b can be measured.
  • the first electrodes 411a and 411b and the second electrodes 412a and 412b are formed in a long shape and arranged in parallel.
  • This embodiment is the case where the idea of the fifth embodiment is applied to the first and second electrodes formed in an annular shape. That is, as shown in FIGS. 12 and 13, the first electrode 511 in the capacitive sensor 510 is formed in an annular shape and disposed on the back side of the insulating layer 513.
  • the second electrode 512 is formed in an annular shape having a smaller diameter than the first electrode 511, and is concentrically disposed on the back surface side of the insulating layer 513 and radially inward of the first electrode 511.
  • the output terminal of the voltage application element 21 is connected to the first electrode 511, and the capacitance-voltage conversion circuit 522 is connected to the second electrode 512.
  • the voltage output from the capacitance-voltage conversion circuit 522 changes. Approach can be detected.
  • a capacitive sensor device will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
  • the capacitive sensor 610 has substantially the same configuration as the capacitive sensor 410 in the fifth embodiment (shown in FIG. 10).
  • the voltage application element 21 is connected to one end of the first electrode 611.
  • the first capacitance voltage conversion circuit 622 a is connected to one end of the second electrode 612
  • the second capacitance voltage conversion circuit 622 b is connected to the other end of the second electrode 612.
  • the voltage application element 21, the first and second connection switching units 310 and 320, the voltage measuring device 200, the switching control unit 330, and the position calculation unit 340 are all or all of them. Some functions can be replaced by equivalent functions installed in the control unit (microcomputer).
  • the capacitive sensor 10 has a flexible and stretchable property. However, when the direction of stretching according to the measurement target is limited or applied to a touch panel or the like, The capacitance type sensor 10 that does not need to have flexibility or stretchability has stretchability for some or all of the materials of the first and second electrodes 11 and 12, the dielectric layer 13, and the insulating layers 14 and 15. It can be replaced with non-use materials such as wood, resin, paper, cloth, etc.
  • Capacitance type sensor unit 2 Capacitance measuring devices 10, 110, 410, 510, 610: Capacitance type sensors 11, 111a to 111d, 411a to 411b, 511, 611: First electrode 12, 121a to 121d, 421a to 421b, 521, 621: second electrode 13, 113: dielectric layer 20: circuit board, 21: voltage applying element 22, 122a to 122d, 222a to 222b, 322a to 322d, 422a, 522, 622a 622b: Capacitance voltage conversion circuit 22a: Rectifier 30: Wiring part 31: First electrode 32: Second electrode 33: Insulating layer 100: Power supply 200: Voltage measuring instrument 210: Voltage amplifier 220: Static Capacitance calculation sections 310, 311, 312, 313: input side switching circuits 320, 322, 323, 324: output side switching circuits 33 0: switching control unit, 340: state estimation unit C1: smoothing capacitor, D1: first dielectric capacitor

Abstract

　小型化を図りつつ、高精度に静電容量を計測することができる静電容量型センサ装置を提供する。　静電容量型センサ１０の第一電極１１に直列接続され、静電容量型センサ１０に周期性の矩形波電圧を印加する電圧印加素子２１と、静電容量型センサ１０の第二電極１２に接続され、電圧印加素子２１が周期性の矩形波電圧を印加した場合に静電容量型センサ１０に充放電される電荷を整流する整流器２２ａと、整流器２２ａに並列接続される平滑コンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ１に並列接続される電流計測用シャント抵抗Ｒ１と、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧Vxを計測する電圧計測部２２０を備える。

Description

静電容量型センサ装置および静電容量型センサの静電容量計測装置
　本発明は、静電容量型センサの静電容量を計測することができる静電容量型センサ装置、および、静電容量型センサの静電容量計測装置に関するものである。
　静電容量の変化を計測する装置として、特開２００６－１７７８９５号公報（特許文献１）および特開２００８－３０６６７９号公報（特許文献２）に記載されたものがある。また、静電容量の変化を計測するものではないが、電位を計測する装置として、特開２００２－６３９９９号公報（特許文献３）に記載されたものがある。
特開２００６－１７７８９５号公報 特開２００８－３０６６７９号公報 特開２００２－６３９９９号公報
　ここで、静電容量を電圧に変換する回路が大型であると、当該静電容量電圧変換回路を静電容量型センサの設置位置に設けることができず、静電容量型センサから離れた位置に設置しなければならない。そうすると、静電容量型センサと静電容量電圧変換回路とを接続する配線が長くなり、配線容量の増加および配線に乗るノイズによって静電容量の計測精度が低下することがある。そこで、高精度な静電容量の計測を可能とするために、上記影響を受けにくい静電容量電圧変換回路が求められている。そこで、静電容量電圧変換回路を小型にできると、静電容量型センサと静電容量電圧変換回路とを一体のユニットとして形成することができるため、静電容量型センサと静電容量電圧変換回路とを接続する配線を非常に短くできる。つまり、配線容量を低減することができ、かつ、配線に乗るノイズの影響を低減することができる。
　しかしながら、特許文献１，２に記載の計測装置を構成する静電容量電圧変換回路は、多種の素子を用いているため、静電容量型センサと静電容量電圧変換回路とを一体のユニットとすることができず、上述した問題を有する。なお、特許文献３に記載の電位を計測する装置は、電位の変化を計測するために用いるものであり、静電容量を計測する装置ではない。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、静電容量を電圧に変換する静電容量電圧変換回路の小型化を図りつつ、高精度に静電容量を計測することができる静電容量型センサ装置および静電容量型センサの静電容量計測装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、鋭意研究した結果、キャパシタに定電圧を印加して充電した後、放電する電荷量が計測できれば、そのキャパシタの静電容量が計測できることを思いつき、本発明に至った。つまり、本発明は、充放電1回分の電荷量は極めて小さいため矩形波を発生させる発信子を使って充放電を繰り返させ、単位時間当たり電荷量（電流）にするために、充放電させた電荷の流れを整流器で一方向とし、断続的に放電した電荷のみをコンデンサで平滑化（積分）し、電流計測用シャント抵抗により電圧として電荷量を計測することとした。具体的には、以下の通りである。
　（静電容量型センサ装置）
　静電容量型センサ装置に係る本発明は、距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極を備え、外力の付与もしくは操作者の接近または接触に伴って第一，第二電極間の静電容量が変化する静電容量型センサと、静電容量型センサの第一電極に直列接続され、静電容量型センサに周期性の矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、静電容量型センサの第二電極に接続され、電圧印加手段が周期性の矩形波電圧を印加した場合に静電容量型センサに充放電される電荷を整流する整流器と、整流器に並列接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに並列接続される電流計測用シャント抵抗と、電流計測用シャント抵抗の両端電圧を計測する電圧計測手段とを備える。
　ここで、本発明の静電容量型センサ装置において、整流器と平滑コンデンサと電流計測用シャント抵抗が、静電容量型センサの静電容量を電圧に変換する静電容量電圧変換回路となる。つまり、本発明によれば、静電容量電圧変換回路が、非常に簡易的な構成、具体的には素子の数の非常に少ない構成からなる。従って、静電容量型センサ装置における静電容量電圧変換回路を非常に小型に形成することができる。ここで、簡易な構成としたことにより静電容量の計測精度が低下するおそれがあるが、電圧印加手段により矩形波電圧を印加するようにしたことにより、高精度に静電容量の計測ができるようになった。つまり、本発明は、一定の電圧で充放電する電荷量を計測する考え方を静電容量を計測する装置に適用し、簡素な矩形波電圧印加手段と整流、平滑手段の組合せにより、小型でありつつ高精度に静電容量型センサの静電容量を計測することができるようになった。
　なお、本発明の静電容量型センサ装置において、電圧印加手段は、発振子などの電圧を印加する素子を用いることもでき、発振回路およびコントロールユニット（マイコン）のタイマ出力を用いることもできる。また、電圧計測手段は、電流計測用シャント抵抗の両端電圧そのものを計測対象とすることもできるし、増幅器を介して入力された電圧を計測対象とすることもできる。
　また、電圧計測手段は、静電容量型センサの充電電圧、電圧印加手段により印加する矩形波電圧の周波数、および、電流計測用シャント抵抗の抵抗値に基づいて、電流計測用シャント抵抗の両端電圧を静電容量型センサの静電容量として計測するようにしてもよい。これにより、確実に、静電容量型センサの静電容量を変換した電圧を計測し、静電容量型センサの静電容量を算出することができる。
　また、静電容量型センサ、電圧印加手段、整流器、平滑コンデンサおよび電流計測用シャント抵抗は、一体のユニットとして形成されるようにしてもよい。このように、一体のユニットとして形成される場合には、特に、静電容量型センサ装置における静電容量型センサ以外の部分、特に、静電容量を電圧に変換する静電容量電圧変換回路が小型であることが望まれる。本発明を適用することにより、静電容量電圧変換回路の構成部品が整流ダイオード、平滑コンデンサおよび電流計測用シャント抵抗のみと簡素なため、静電容量電圧変換回路の小型化を図ることができる。
　このとき、静電容量型センサの第一，第二電極は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する電極であり、静電容量型センサは、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにするとよい。つまり、静電容量型センサが柔軟な形状からなることを意味する。これにより、静電容量型センサを種々の用途に用いることができるようになる。そして、静電容量型センサ装置のうち静電容量型センサと静電容量電圧変換回路を一体のユニットとして形成する場合であって、静電容量型センサが可撓性を有する場合には、静電容量型センサ装置における静電容量電圧変換回路を小型化することで、静電容量電圧変換回路が含まれる回路基板の堅さを相対的に感じにくくすることができる。従って、本発明によれば、静電容量型センサと静電容量電圧変換回路とを含む一体のユニット全体として、柔軟な形状として認識することができる。
　また、静電容量型センサは、面形状に形成された静電容量型センサであるとする。このとき、静電容量型センサは、静電容量型センサの面法線方向に距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極と第一，第二電極間に設けられた誘電層とを備え、静電容量型センサの面法線方向の圧縮力、または、静電容量型センサの面接線方向の引張力に応じて、誘電層の変形により第一電極と第二電極との離間距離、電極面積、またはその両方が変化するセンサとしてもよい。これにより、各種の外力を把握することができる。
　また、静電容量型センサは、面形状に形成された静電容量型センサである場合に、静電容量型センサの面法線方向に距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極と、第一，第二電極間に設けられた誘電層と、静電容量型センサの表面側に設けられた絶縁層とを備え、静電容量型センサの表面への導電体としての操作者の接近または接触状態に応じて、第一，第二電極間の静電容量が変化するセンサとしてもよい。この場合、操作者が電極を構成することで、第一電極と第二電極のうち表面側に位置する電極と操作者自身とがキャパシタを形成する。その結果、第一電極と第二電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に影響を与える。従って、第二電極に流れる電流を計測することにより、操作者の接近、接触または接触度合を把握することができる。なお、接触状態とは、接触の有無、接触度合を含む意味で用いている。
　また、静電容量型センサは、面形状に形成された静電容量型センサである場合に、静電容量型センサの面方向に距離を隔てて設けられた第一，第二電極と、静電容量型センサの表面側に設けられた絶縁層とを備え、静電容量型センサの表面への導電体としての操作者の接近または接触状態に応じて、第一，第二電極間の静電容量が変化するセンサとしてもよい。この場合、操作者が電極を構成することで、第一電極と操作者自身とが第一のキャパシタを形成し、かつ、第二電極と操作者自身とが第二のキャパシタを形成する。その結果、第一電極と第二電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に影響を与える。従って、第二電極に流れる電流を計測することにより、操作者の接近、接触または接触度合を把握することができる。
　また、整流器、平滑コンデンサおよび電流計測用シャント抵抗は、第二電極の複数箇所にそれぞれに接続した複数からなり、複数の整流器は、第二電極のそれぞれ異なる位置に接続され、静電容量型センサ装置は、電圧印加手段により矩形波電圧を印加した場合に複数の電圧計測手段により計測されたそれぞれの電流計測用シャント抵抗の両端電圧に基づいて、静電容量型センサに接近または接触した操作者の接近位置、接触位置または接触状態の少なくとも何れかを推定する状態推定手段をさらに備えるようにしてもよい。ここで、第二電極の抵抗成分の影響によって、複数の静電容量電圧変換回路から出力される電圧は、操作者の接近位置、接触位置または接触状態に応じて異なる値となる。このことを利用して、複数の出力側の静電容量電圧変換回路を第二電極のそれぞれ異なる位置に接続することで、それぞれの出力側の静電容量電圧変換回路の電圧計測手段により計測される両端電圧によって、操作者の接近位置、接触位置または接触状態を算出することができる。
　また、静電容量型センサは、複数の第一電極を備え、静電容量型センサは、それぞれの第一電極に対して、第一電極を電圧印加手段に接続する第一状態と第一電極を接地する第二状態とを切り換える入力側切換回路と、選択された１つの第一電極に対して第一状態とし、残りの第一電極に対して第二状態とするように入力側切換回路を制御する切換制御手段と、を備えるようにしてもよい。
　複数の第一電極がある場合には、電圧印加手段に接続する第一電極を順次切り換える必要がある。このとき、電圧印加手段に接続していない第一電極が接地されていない場合には、近接する第一電極同士がキャパシタを形成してしまい、第二電極に充放電される電荷に影響を与えてしまう。そのため、所定の第一電極と第二電極との静電容量を高精度に計測することができない。そこで、電圧印加手段に接続していない第一電極を接地することで、所定の第一電極と第二電極との静電容量を高精度に計測することができる。ここで、接地とは、グランド（アース）に接続する場合の他、充電電圧が印加されている状態を含む。
　（静電容量型センサの静電容量計測装置）
　上記においては、本発明を静電容量型センサ装置として把握した場合について説明したが、この他に、静電容量型センサ装置のうち計測装置部分のみを抽出して把握することができる。
　すなわち、静電容量型センサの静電容量計測装置に係る本発明は、距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極を備え、外力の付与もしくは操作者の接近または接触に伴って第一，第二電極間の静電容量が変化する静電容量型センサの静電容量を計測する計測装置であって、静電容量型センサに周期性の矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、静電容量型センサの第二電極に接続され、電圧印加手段が周期性の矩形波電圧を印加した場合に静電容量型センサに充放電される電荷を整流する整流器と、整流器に並列接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに並列に接続される電流計測用シャント抵抗と、電流計測用シャント抵抗の両端電圧を計測する電圧計測手段とを備える。
　これにより、上述した静電容量型センサ装置における効果と同一の効果を奏することができる。また、上述した静電容量型センサ装置における他の特徴部分について、当該静電容量計測装置に適用することができ、同一の効果を奏する。
第一実施形態：（ａ）は静電容量型センサ装置の平面図である。（ｂ）は、静電容量型センサ装置の正面図である。 第一実施形態：静電容量型センサ装置の電気回路図である。 第二実施形態：静電容量型センサ装置の模式的な平面構成図である。 切換制御部による制御動作のタイミングチャートである。 第二実施形態の変形態様：入力側切換回路３１１の構成を示す電気回路図である。 第三実施形態：静電容量型センサ装置の断面図である。 静電容量型センサ装置の平面図である。 指の押付力を大きくした状態における静電容量型センサ装置の断面図である。 第四実施形態：静電容量型センサ装置の斜視図である。 第五実施形態：静電容量型センサ装置の電気回路図である。 図１０のＡ－Ａ断面図である。 第六実施形態：静電容量型センサ装置の電気回路図である。 図１２のＢ－Ｂ断面図である。 第七実施形態：静電容量型センサ装置の電気回路図である。 図１４のＣ－Ｃ断面図である。 第一，第二の静電容量電圧変換回路の出力電圧を示すグラフである。
　以下、本発明の静電容量型センサ装置および静電容量計測装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　＜第一実施形態＞
　第一実施形態の静電容量型センサ装置について、図１および図２を参照して説明する。静電容量型センサ装置は、例えば、感圧センサとして用いたり、車両のシートベルトに貼り付けられ、シートベルトに付与される張力を計測することに用いたりすることができる。
　静電容量型センサ装置は、部品ユニットとして捉えた場合には、静電容量型センサユニット１と、電源１００と、電圧計測器２００のそれぞれの各部品ユニットを備えて構成される。そこで、まずは、図１（ａ）（ｂ）を参照して主として静電容量型センサユニット１の形状に関する部分について説明し、後に、図２を参照して静電容量型センサ装置の電気回路について詳細に説明する。
　静電容量型センサユニット１は、静電容量型センサ１０と、回路基板２０と、配線部３０とを備えて構成され、これらを一体的なユニットとして形成している。静電容量型センサ１０は、本実施形態においては、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質からなり、ゴムのような柔軟な材質により形成している。ただし、本発明において、静電容量型センサ１０は、可撓性を有するもの以外にも適用可能である。
　そして、静電容量型センサ１０は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、面形状に形成されている。この静電容量型センサ１０は、面法線方向（図１（ｂ）の上下方向）に距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極１１，１２と、第一，第二電極１１，１２間に設けられた誘電層１３と、第二電極１２側の表面および第一電極１１側の裏面を被覆するように設けられた絶縁層１４，１５を備えて構成される。そして、付与される外力に応じて第一電極１１と第二電極１２との離間距離、電極面積、またはその両方が変化し、この変化に伴って第一電極１１と第二電極１２の間の静電容量が変化する。なお、静電容量が離間距離、電極面積、またはその両方に比例する関係にあることは周知であるため、詳細な説明は省略する。
　静電容量型センサ１０を構成する第一，第二電極１１，１２は、同一材質でありかつ同一形状により形成されている。具体的には、第一，第二電極１１，１２は、薄膜状の矩形状に形成されている。第一，第二電極１１，１２の材質は、エラストマー中に導電性フィラーを配合させることにより成形している。そして、第一，第二電極１１，１２は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにしている。
　第一，第二電極１１，１２を構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、エチレン－プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン－ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル－ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、第一，第二電極１１，１２に配合される導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、例えば、炭素材料や金属等の微粒子を適用できる。
　誘電層１３は、エラストマーにより成形され、第一，第二電極１１，１２と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この誘電層１３を構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、アクリロニトリル－ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。この誘電層１３は、設定された厚みを有し、第一，第二電極１１，１２と同程度の矩形状に形成されている。絶縁層１４，１５は、第一，第二電極１１，１２と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この絶縁層１４，１５を構成するエラストマーは、例えば、誘電層１３を構成するエラストマーとして記載した材料が適用される。
　以上説明した第一，第二電極１１，１２、誘電層１３および絶縁層１４，１５からなる静電容量型センサ１０は、全体として、所定の厚みを有する任意の形状（図１（ａ）では例えば矩形状として図示する）に形成されている。さらに、静電容量型センサ１０は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。
　そして、静電容量型センサ１０が静電容量型センサ１０の面法線方向に圧縮力を受けた場合には、誘電層１３が当該面法線方向に圧縮変形することにより、第一，第二電極１１，１２間の離間距離が短くなる。この場合、静電容量型センサ１０の静電容量は大きくなる。また、静電容量型センサ１０が静電容量型センサ１０の面接線方向に引張力を受けた場合には、誘電層１３が当該面接線方向に伸張変形することにより、第一，第二電極１１，１２それぞれの電極面積が広がる。この場合も、静電容量型センサ１０の静電容量は大きくなる。このように、静電容量型センサ１０が外力を受けた場合に、その外力に応じて第一電極１１と第二電極１２とにより形成されるキャパシタの静電容量が変化する。
　回路基板２０は、電圧印加素子２１と静電容量電圧変換回路２２とを備え、これらを同一の基板上に形成している。電圧印加素子２１は、静電容量型センサ１０に対して周期性の矩形波電圧を印加する素子（例えば、発振子）である。なお、本実施形態においては、矩形波電圧を印加する手段として、電圧印加素子２１としての発振子を用いる場合を例に挙げるが、その他に例えば発振回路およびコントロールユニット（マイコン）のタイマ出力などを用いることもできる。
　静電容量電圧変換回路２２は、静電容量型センサ１０の静電容量を電圧に変換することにより、当該静電容量を電圧として取り出すことができる回路である。概要としては、静電容量電圧変換回路２２は、静電容量型センサ１０の第一電極１１に対して周期性の矩形波電圧を印加した場合に、静電容量型センサ１０の出力側である第二電極１２で充放電される電流を電圧に変換して出力する回路である。電圧印加素子２１および静電容量電圧変換回路２２の詳細な説明については、図２を用いて後述する。
　配線部３０は、静電容量型センサ１０と回路基板２０とを電気的に接続する。配線部３０は、実質的に、静電容量型センサ１０と同様な構成をなしている。この配線部３０は、第一，第二電極３１，３２と、絶縁層３３，３４，３５とを備えて構成される。第一，第二電極３１，３２は、それぞれ、静電容量型センサ１０の第一，第二電極１１，１２と一体的に同一材質により形成されたものであり、当然にそれぞれに電気的に接続されている。中間の絶縁層３３は、静電容量型センサ１０の誘電層１３と一体的に同一材質により形成されたものである。また、絶縁層３４，３５は、静電容量型センサ１０の絶縁層１４，１５と一体的に同一材質により形成されたものである。そして、配線部３０の第一電極３１が回路基板２０の電圧印加素子２１に電気的に接続され、配線部３０の第二電極３２が回路基板２０の静電容量電圧変換回路２２に電気的に接続されている。
　以上説明した静電容量型センサユニット１は、ハーネスを介して、電源１００および電圧計測器２００に接続される。
　次に、静電容量型センサ装置の電気回路について、図２を参照して詳細に説明する。ここで、静電容量型センサ１０は可変静電容量として機能するため、図２において、静電容量型センサ１０は可変静電容量として図示している。
　図２に示すように、静電容量型センサ装置は、電気回路の機能的に捉えた場合には、静電容量型センサ１０と、静電容量計測装置２とを備えて構成される。静電容量型センサ装置の静電容量計測装置２は、電源１００と、電圧印加素子２１と、静電容量電圧変換回路２２と、電圧計測器２００とを備えて構成される。
　電源１００は、直流電源である。電圧印加素子２１は、周期性の矩形波電圧を発生する素子であって、静電容量型センサ１０に当該矩形波電圧を印加する。具体的には、電圧印加素子２１の出力端は、静電容量型センサ１０の第一電極１１に接続され、電圧印加素子２１の接地端は、電源１００の負極側に接続され、電圧印加素子２１の電源端は、電源１００から電圧が印加される。電圧印加素子２１は、このように接続されることで周期性の矩形波電圧を発生する。この電圧印加素子２１により印加される電圧は、例えば、周波数２５０ｋＨｚで、最大電圧５Ｖで、ＯＮデューティ比５０％とする。もちろん、周波数、最大電圧、および、ＯＮデューティ比を適宜変更することは可能である。
　静電容量計測装置２を構成する静電容量電圧変換回路２２は、整流器２２ａと、平滑コンデンサＣ１と、電流計測用シャント抵抗Ｒ１とにより構成される。整流器２２ａは、静電容量型センサ１０の出力側に接続され、電圧印加素子２１が静電容量型センサ１０の第一電極１１に対して周期性の矩形波電圧を印加した場合に静電容量型センサ１０の第二電極１２に充放電される電荷を整流する。この整流器２２ａは、第一ダイオードD1と第二ダイオードD2とから構成される。第一ダイオードD1は、静電容量型センサ１０に直列接続され、第二ダイオードD2は、静電容量型センサ１０に並列接続されている。具体的には、第一ダイオードD1のアノードは、静電容量型センサ１０の第二電極１２に接続されている。第二ダイオードD2のアノードは、電源１００の負極側に接続され、第二ダイオードD2のカソードは、静電容量型センサ１０の第二電極１２および第一ダイオードD1のアノードに接続されている。
　従って、電圧印加素子２１の矩形波電圧がＯＮの場合に、第二ダイオードD2を介して静電容量型センサ１０の第二電極１２に電荷が充電される。一方、電圧印加素子２１の矩形波電圧がＯＦＦの場合に、第一ダイオードD1を介して静電容量型センサ１０の第二電極１２から電荷が放電される。
　平滑コンデンサＣ１は、整流器２２ａの出力側に並列接続され、整流器２２ａに流れる電流を平滑化する。つまり、平滑コンデンサＣ１は、一端が第一ダイオードD1のカソードに接続され、他端が第二ダイオードD2のアノードに接続されている。上述したように、整流器２２ａには、静電容量型センサ１０の第二電極１２に充電される際と放電する際において電荷の流れが異なるため、整流器２２ａの出力側の電流の時間変化は断続形状となる。そこで、平滑コンデンサＣ１がこの矩形波状の電流を平滑化する役割を有する。
　電流計測用シャント抵抗Ｒ１は、平滑コンデンサＣ１の出力側に並列接続されている。つまり、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端は、平滑コンデンサＣ１の両端にそれぞれ接続されている。ここで、静電容量型センサ１０の第二電極１２による放電電荷は全て電流計測用シャント抵抗Ｒ１を通過するため、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧Vxを計測することで、静電容量型センサ１０の第二電極１２による放電電流を計測できる。
　静電容量計測装置２を構成する電圧計測器２００は、電圧増幅器２１０と、静電容量算出部２２０（本発明の「電圧計測手段」に相当）とから構成される。電圧増幅器２１０は、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の出力側に並列接続されており、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧Vxを増幅する。なお、本実施形態における静電容量計測装置２は、電圧増幅器２１０を備える構成としたが、電圧増幅器２１０を備えずに静電容量算出部２２０のみにより構成されるものとしてもよい。
　静電容量算出部２２０は、電圧増幅器２１０により増幅された電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧Vxを計測し、計測した当該両端電圧Vxから静電容量型センサ１０の静電容量Cxを算出する。ここで、電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧Vxは、式（１）のように示される。なお、式（１）において、（V－Vf）は、電圧印加素子２１により電圧を印加された場合の静電容量型センサ１０による充電電圧に相当する。
［数１］
　　Vx＝Cx・(V－Vf)・Freq・R1　　　　・・・　（１）
　　　　Vx：電流計測用シャント抵抗Ｒ１の両端電圧
　　　　Cx：静電容量型センサ１０の可変静電容量
　　　　V ：電圧印加素子２１により印加される最大電圧
　　　　Freq：電圧印加素子２１により印加される矩形波電圧の周波数
　　　　Vf：第一，第二ダイオードD1,D2の順方向電圧
　　　　R1：電流計測用シャント抵抗
　そして、静電容量型センサ１０の静電容量Cxは、式（１）より、式（２）のように表される。そして、式（２）において、静電容量Cx以外の値は既知であるため、静電容量Cxを算出することができる。
［数２］
　　Cx＝Vx／{(V－Vf)・Freq・R1}　　　・・・　（２）
　以上説明したように、非常に簡易的な電気回路、つまり素子の数が非常に少ない構成により静電容量型センサ１０の静電容量Cxを算出することができる。従って、静電容量型センサ装置における静電容量電圧変換回路２２は、非常に小型に形成することができる。従って、この静電容量電圧変換回路２２を備える回路基板２０も小型化することができる。
　ここで、電圧印加素子２１が周期的な矩形波電圧を印加するようにしたため、式（２）に示すように矩形波電圧の周波数Freqと最大電圧Vを高精度に適用することができる。つまり、周期的な矩形波電圧を静電容量型センサ１０に印加することにより、高精度に静電容量Cxを計測することができるようになる。このように、小型でありながら、高精度に静電容量Cxを計測することができる。
　また、静電容量型センサユニット１は、静電容量型センサ１０、電圧印加素子２１、静電容量電圧変換回路２２および配線部３０と一体とするユニットとして形成している。上述したように、静電容量電圧変換回路２２の小型化を図ることができるようになったため、静電容量型センサユニット１全体を一体のユニットとして形成した場合であっても、静電容量型センサユニット１全体の小型化を図ることができる。特に、静電容量電圧変換回路２２の小型化を図り、静電容量型センサユニット１のユニット化を行うことで、配線部３０の長さを従来に比べて格段に短くできる。その結果、配線部３０の配線容量を低減することができ、かつ、配線部３０に乗るノイズの低減を図ることができる。従って、高精度な静電容量の計測が可能となる。
　また、本実施形態においては、静電容量型センサ１０が可撓性且つ伸縮自在な性質を有するものとした。このような柔軟な形状性質を有するセンサの用途は非常に多様である。ところが、静電容量電圧変換回路２２が大型であると、静電容量電圧変換回路２２を搭載する回路基板２０が大型化してしまう。そうすると、静電容量型センサユニット１をユニット化した場合に、静電容量型センサ１０の柔軟な性質があっても、相対的に回路基板２０の堅さが際立ってしまう。しかし、本実施形態の静電容量型センサ装置であれば、静電容量電圧変換回路２２の小型化を図ることができるため、静電容量型センサユニット１と一体のユニットとした場合であっても、回路基板２０の部分の堅さを相対的に感じにくくすることができる。従って、本実施形態の静電容量型センサユニット１全体として、柔軟な形状として認識することができる。
　＜第二実施形態＞
　第二実施形態の静電容量型センサ装置について、図３を参照して説明する。本実施形態の静電容量型センサ装置は、広範囲の感圧センサとして適用した場合の例である。第一実施形態の静電容量型センサ１０は一箇所の感圧センサとして機能するため、第二実施形態では第一実施形態の静電容量型センサ１０を複数箇所に設けるようにしたものである。ただし、単に複数設けるのでは静電容量電圧変換回路２２の配置が容易ではないため、図３に示すように構成した。なお、第二実施形態において、第一実施形態の静電容量型センサ装置の各構成と実質的に同一の構成については同一符号を付している。
　図３に示すように、第二実施形態の静電容量型センサ装置は、静電容量型センサ１１０と、電源１００と、電圧印加素子２１と、複数の静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄと、第一，第二接続切換部３１０，３２０と、電圧計測器２００と、切換制御部３３０と、状態推定部３４０とを備えて構成される。また、電圧印加素子２１と、第一，第二接続切換部３１０，３２０と、電圧計測器２００と、切換制御部３３０と、状態推定部３４０は、それら全て、または、それら一部機能をコントロールユニット（マイコン）に搭載された同等の機能により置き換えて構成してもよい。
　静電容量型センサ１１０は、全体として矩形板状に形成されている。静電容量型センサ１１０は、複数の長尺板状の第一電極１１１ａ～１１１ｄと、複数の長尺板状の第二電極１１２ａ～１１２ｄと、誘電層１１３とから構成される。なお、図３においては、表面および裏面の絶縁層は図示していない。第一，第二電極１１１ａ～１１１ｄ，１１２ａ～１１２ｄは、第一実施形態の静電容量型センサ１０の第一，第二電極１１，１２と同一材質により形成されている。そして、複数の第一電極１１１ａ～１１１ｄは、それぞれ面接線方向（図３の上下方向）に距離を隔てて平行に配置されている。複数の第二電極１１２ａ～１１２ｄは、それぞれ面接線方向（図３の左右方向）に距離を隔てて平行に配置されている。そして、第一電極１１１ａ～１１１ｄのそれぞれが平行に配置される方向（図３の上下方向）と第二電極１１２ａ～１１２ｄのそれぞれが平行に配置される方向（図３の左右方向）とは直交するように配置されている。つまり、静電容量型センサ１１０の面法線方向から見た場合に、第一電極１１１ａ～１１１ｄと第二電極１１２ａ～１１２ｄとにより格子状を形成するように、第一電極１１１ａ～１１１ｄおよび第二電極１１２ａ～１１２ｄが配置されている。誘電層１１３は、複数の第一電極１１１ａ～１１１ｄと複数の第二電極１１２ａ～１１２ｄとの間に介在するように配置されている。この誘電層１１３は、法接線方向に伸縮可能な材質により形成されている。
　入力側切換回路３１０は、複数のスイッチ３１０ａ～３１０ｄにより構成されている。各スイッチ３１０ａ～３１０ｄの一端は、電圧印加素子２１の出力端と、グランド（アース）への接地端とを選択して切換可能に構成されている。一方、各スイッチ３１０ａ～３１０ｄの他端は、対応する第一電極１１１ａ～１１１ｄに接続されている。つまり、入力側切換回路３１０の各スイッチ３１０ａ～３１０ｄは、第一電極１１１ａ～１１１ｄを電圧印加素子２１に接続する第一状態と、第一電極１１１ａ～１１１ｄを接地する第二状態とを切り換える。そして、後述する切換制御部３３０により、第一電極１１１ａ～１１１ｄの中から選択された１つと電圧印加素子２１とを接続し（第一状態）、第一電極１１１ａ～１１１ｄの残りを接地する（第二状態）。また、図３には図示しないが、電圧印加素子２１の電源端は、図２を用いて説明したように、電源１００の正極側に接続され、電圧印加素子２１の接地端は、電源１００の負極端に接続される。
　複数の静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄは、対応する第二電極１１２ａ～１１２ｄのそれぞれの端部に接続されている。静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄは、第一実施形態の静電容量電圧変換回路２２と同一構成からなる。出力側切換回路３２０は、複数のスイッチ３２０ａ～３２０ｄにより構成されている。各スイッチ３２０ａ～３２０ｄの一端は、対応する静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄに接続され、各スイッチ３２０ａ～３２０ｄの他端は、電圧計測器２００に接続される。そして、切換制御部３３０により、静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄの中から選択された１つと電圧計測器２００とを接続し、静電容量電圧変換回路１２２ａ～１２２ｄの残りを切断する。
　切換制御部３３０は、入力側切換回路３１０および出力側切換回路３２０のＯＮ／ＯＦＦ動作を切り換える制御を行う。図４を参照して、入力側切換回路３１０および出力側切換回路３２０のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイミングチャートを参照して説明する。電圧印加素子２１が周期性の矩形波電圧を印加した後に、入力側切換回路３１０の第一スイッチ３１０ａがＯＮする。ここで、入力側切換回路３１０の各スイッチ３１０ａ～３１０ｄのＯＮとは、各スイッチ３１０ａ～３１０ｄが電圧印加素子２１側に接続される状態（第一状態）を意味する。このとき、入力側切換回路３１０の第二，第三，第四スイッチ３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄは、グランドに接地されている（第二状態）。つまり、第一電極１１１ａのみに周期性の矩形波電圧が印加される。
　同時に、出力側切換回路３２０の第一スイッチ３２０ａがＯＮする（接続状態）。このとき、出力側切換回路３２０の第二，第三，第四スイッチ３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄは、ＯＦＦである（切断状態）。この状態において、電圧計測器２００は、第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとの間の静電容量に応じた電圧を計測することになる。
　ここで、第一電極１１１ａ～１１１ｄ同士は、平行に設けられているため、キャパシタとして機能するおそれがある。つまり、第二電極１１２ａ～１１２ｄに充放電される電荷に影響を与えるおそれがある。しかし、上述したように、当該状態において、入力側切換回路３１０の第二，第三，第四スイッチ３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄは、接地されている。そのため、上記状態において、第一電極１１１ａのみに電圧が印加された場合に、第一電極１１１ａと他の第一電極１１１ｂ～１１１ｄとの間で、キャパシタは機能しない。従って、第一電極１１１ａは、第二電極１１２ａ～１１２ｄとの間にのみ、キャパシタとして機能する。従って、他の第一電極１１１ｂ～１１１ｄが、第二電極１１２ａ～１１２ｄに充放電される電荷に影響を与えることを防止できる。その結果、電圧計測器２００は、高精度に第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとの間の静電容量に応じた電圧を計測することができる。
　続いて、出力側切換回路３２０の第一スイッチ３２０ａをＯＦＦに切り換え、第二スイッチ３２０ｂをＯＮに切り換える。従って、電圧計測器２００は、第一電極１１１ａと第二電極１１２ｂとの間の静電容量に応じた電圧を計測することになる。
　このように、入力側切換回路３１０の第一スイッチ３１０ａが電圧印加素子２１側（第一状態）の間、出力側切換回路３２０のスイッチ３２０ａ～３２０ｄに対して、ＯＮとＯＦＦとを順次切り換えていく。続いて、入力側切換回路３１０の第一スイッチ３１０ａをグランドへの接地（第二状態）に切り換え、第二スイッチ３１０ｂを電圧印加素子２１側（第一状態）へ切り換える。この状態で、上述したように、出力側切換回路３２０のスイッチ３２０ａ～３２０ｄを順次切り換える。そして、入力側切換回路３１０のスイッチ３１０ａ～３１０ｄに対して、ＯＮとグランドとを順次切り換えていく。
　上記のようにすることで、電圧計測器２００は、図３において、第一電極１１１ａ～１１１ｄと第二電極１１２ａ～１１２ｄとが交差するそれぞれの位置における静電容量に応じた電圧を取得することができる。そこで、状態推定部３４０は、これらの電圧を用いて、誘電層１１３の各部位の変形状態を推定することができる。推定した誘電層１１３の変形状態に基づいて、外力が付与された位置および外力の大きさを推定することができる。すなわち、状態推定部３４０は、静電容量型センサ１１０に付与された面圧の分布を算出することができる。
　＜第二実施形態の第一変形態様＞
　ここで、上記実施形態において、誘電層１１３が変形することにより、第一電極１１１ａ～１１１ｄと第二電極１１２ａ～１１２ｄとの離間距離が変化することに伴って、電極間の静電容量が変化すると説明した。この態様の他に、本発明は、人間（操作者）が指を接触した位置を検出するタッチパネルなどに適用することができる。この場合、人間の指が導電体として機能するため、導電体が静電容量型センサ１１０に接近または接触した場合には、第二電極１１２ａ～１１２ｄと指との間でキャパシタを形成することになる。その結果、指が接触または近接した位置における第一電極１１１ａ～１１１ｄと第二電極１１２ａ～１１２ｄとの静電容量は、指が接触および近接していない位置における当該静電容量とは異なる。つまり、状態推定部３４０は、誘電層１１３が変形するか否かに関わらず、導電体としての人間の指が接近位置、接触位置または接触度合を算出することができる。
　＜第二実施形態の第二変形態様＞
　上記実施形態において、入力側切換回路３１０の各スイッチ３１０ａ～３１０ｄの一端は、電圧印加素子２１の出力端と、グランド（アース）への接地端とを選択して切換可能に構成されているものとした。この他の態様について、図５を参照して説明する。図５に示すように、入力側切換回路３１１の各スイッチ３１１ａから３１１ｄの一端は、電圧印加素子２１の出力端と、電源１００の正極側の端子とを選択して切換可能に構成されている。一方、各スイッチ３１１ａ～３１１ｄの他端は、対応する第一電極１１１ａ～１１１ｄに接続されている。
　つまり、電源１００の正極側の端子は、一定電圧が印加されている端子であり、高圧側接地に相当する。この場合、入力側切換回路３１１の各スイッチ３１１ａ～３１１ｄの切換動作は、上述した入力側切換回路３１０の各スイッチ３１０ａ～３１０ｄの切換動作と同一である。ただし、入力側切換回路３１１の各スイッチ３１１ａ～３１１ｄのＯＮとは、各スイッチ３１１ａ～３１１ｄが電圧印加素子２１側に接続される状態（第一状態）を意味する。従って、この場合も、上記実施形態と同様の効果を奏する。
　＜第三実施形態＞
　次に、第三実施形態の静電容量型センサ装置について図６～図８を参照して説明する。図６および図７に示すように、本実施形態の静電容量型センサ１０は、第一実施形態と実質的同一の構成からなる静電容量型センサ１０を用いる。ただし、静電容量型センサ１０の形状を長尺状とする。また、第一電極１１の一端に電圧印加素子２１の出力端を接続する。さらに、第二電極１２の一端に、第一の静電容量電圧変換回路２２２ａを接続し、第二電極１２の他端に、第二の静電容量電圧変換回路２２２ｂを接続する。なお、図６～図８には図示しないが、電源１００および電圧計測器２００も備える。
　そして、静電容量型センサ１０の表面側に、図６および図７に示すように、人間の指を接触または近接させる。ここで、第一の静電容量電圧変換回路２２２ａにより出力される電圧と、第二の静電容量電圧変換回路２２２ｂにより出力される電圧とは、指が接触または近接している位置によって異なる。これは、第二電極１２の抵抗成分の影響によるものである。従って、第一の静電容量電圧変換回路２２２ａにより出力される電圧と、第二の静電容量電圧変換回路２２２ｂにより出力される電圧とを計測することにより、指が接触または近接している位置を算出することができる。
　さらに、図８に示すように、人間の指を静電容量型センサ１０に強く押し付ける場合を考える。この場合には、人間の指が導電体として機能するため、図６の状態に比べて図８の状態は、キャパシタの電極の面積が変化すると捉えることができる。そのため、指を押し付けた力に応じて、第一の静電容量電圧変換回路２２２ａにより出力される電圧、および第二の静電容量電圧変換回路２２２ｂにより出力される電圧が変化する。従って、両電圧に基づいて、指による押付状態を推定することができる。
　＜第四実施形態＞
　次に、第四実施形態の静電容量型センサ装置について図９を参照して説明する。第三実施形態では、静電容量型センサ１０の形状を長尺状とした。第三実施形態の考え方を、矩形状の静電容量型センサ１０に適用した場合が、本実施形態である。つまり、図９に示すように、静電容量型センサ１０は矩形状からなり、各層の構成は、第一実施形態と同一構成からなる。
　第一電極１１の１つの角部に、電圧印加素子２１の出力端が接続されている。第二電極１２のそれぞれの角部に、静電容量電圧変換回路３２２ａ～３２２ｄが接続されている。この場合、それぞれの静電容量電圧変換回路３２２ａ～３２２ｄにより出力される電圧は、指が接触または近接している位置によって、さらには、指を押し付けた力によって異なる。従って、それぞれの静電容量電圧変換回路３２２ａ～３２２ｄにより出力される電圧を計測することにより、指が接触または近接している位置、並びに、指による押付状態を推定することができる。
　＜第五実施形態＞
　上記実施形態においては、第一電極と第二電極を静電容量型センサの面法線方向に対向して設けられることとした。この他に、第一電極と第二電極を静電容量型センサの面方向（平面であれば面接線方向に相当）に対向するように設けることもできる。この場合の実施形態について、図１０および図１１を参照して説明する。
　図１０および図１１に示すように、静電容量型センサ４１０は、第一電極４１１ａ，４１１ｂと、第二電極４１２ａ，４１２ｂと、絶縁層４１３とを備える。絶縁層４１３は、第一実施形態の絶縁層１４と同一材質により形成されている。当該材料からなる絶縁層４１３は、可撓性を有するが、可撓性を有しない材料を適用することもできる。
　第一電極４１１ａ，４１１ｂおよび第二電極４１２ａ，４１２ｂは、第一実施形態の第一，第二電極１１，１２と同一材質により形成されている。第一電極４１１ａ，４１１ｂおよび第二電極４１２ａ，４１２ｂは、絶縁層４１３の裏面側に、絶縁層４１３の面方向（図１０の上下方向）に距離を隔てて平行に配置されている。そして、第一電極４１１ａ，４１１ｂと第二電極４１２ａ，４１２ｂとが交互に配置されている。
　さらに、電圧計測器２００（図１，２に示す）は、第一電極４１１ａと第二電極４１２ａとの間の静電容量、第一電極４１１ｂと第二電極４１２ａとの間の静電容量、第一電極４１１ｂと第二電極４１２ｂとの間の静電容量の総量に応じた電圧を計測することができる。
　この場合、第一電極４１１ａ，４１１ｂと第二電極４１２ａ，４１２ｂとを跨ぐようにして、導電体として機能する人間の指が絶縁層４１３に接触または接近した場合に、当該指が、該当する第一電極４１１ａ，４１１ｂおよび第二電極４１２ａ，４１２ｂに対してキャパシタの他方の電極として機能する。そのため、第三実施形態同様に指を押し付けた力に応じて、電極間の静電容量が変化する。従って、指による押付状態を推定することができる。
　＜第六実施形態＞
　第五実施形態では、第一電極４１１ａ，４１１ｂおよび第二電極４１２ａ，４１２ｂを長尺状に形成し、それぞれ平行に配置した。第五実施形態の考え方を、環状に形成した第一，第二電極に適用した場合が、本実施形態である。つまり、図１２および図１３に示すように、静電容量型センサ５１０における第一電極５１１は、環状に形成され、絶縁層５１３の裏面側に配置されている。また、第二電極５１２は、第一電極５１１よりも小径の環状に形成され、絶縁層５１３の裏面側であって、第一電極５１１の径方向内側に同心的に配置されている。そして、第一電極５１１に電圧印加素子２１の出力端が接続され、第二電極５１２に静電容量電圧変換回路５２２が接続されている。この場合、第一電極５１１と第二電極５１２とを跨ぐように人間の指が接触または接近した場合には、静電容量電圧変換回路５２２から出力される電圧が変化するため、指の接触または接近を検知することができる。
　＜第七実施形態＞
　第七実施形態の静電容量型センサ装置について図１４および図１５を参照して説明する。静電容量型センサ６１０は、第五実施形態（図１０に示す）における静電容量型センサ４１０とほぼ同様の構成からなる。そして、電圧印加素子２１が、第一電極６１１の一端に接続されている。また、第二電極６１２の一端に、第一の静電容量電圧変換回路６２２ａを接続し、第二電極６１２の他端に、第二の静電容量電圧変換回路６２２ｂを接続する。
　この場合、第二電極６１２の抵抗成分の影響により、図１６に示すように、第一，第二の静電容量電圧変換回路６２２ａ，６２２ｂが接続される第二電極６１２の位置から遠ざかるほど、出力電圧が低下する。このことを利用して、第一，第二の静電容量電圧変換回路６２２ａ，６２２ｂの出力電圧の差を用いて、第一電極６１１などの長手方向における指の位置を算出することができる。
　＜その他＞
　なお、本実施形態において、電圧印加素子２１と、第一，第二接続切換部３１０，３２０と、電圧計測器２００と、切換制御部３３０と、位置算出部３４０は、それら全て、または、それら一部機能をコントロールユニット（マイコン）に搭載された同等の機能により置き換えて構成することもできる。本実施形態においては、静電容量型センサ１０が可撓性且つ伸縮自在な性質を有するものとしたが、計測する対象に合わせて伸縮する方向を制限する、または、タッチパネルなどに適用する場合、可撓性または伸縮性を有する必要がない静電容量型センサ１０は、第一，第二電極１１，１２、誘電層１３、絶縁層１４，１５の一部または全ての材料を伸縮性が有しない材料、例えば、木材、樹脂、紙、布などで置き換えることができる。
１：静電容量型センサユニット、　２：静電容量計測装置
１０，１１０，４１０，５１０，６１０：静電容量型センサ
１１，１１１ａ～１１１ｄ，４１１ａ～４１１ｂ，５１１，６１１：第一電極
１２，１２１ａ～１２１ｄ，４２１ａ～４２１ｂ，５２１，６２１：第二電極
１３，１１３：誘電層
２０：回路基板、　２１：電圧印加素子
２２，１２２ａ～１２２ｄ，２２２ａ～２２２ｂ，３２２ａ～３２２ｄ，４２２，５２２，６２２ａ～６２２ｂ：静電容量電圧変換回路
２２ａ：整流器
３０：配線部、　３１：第一電極、　３２：第二電極、　３３：絶縁層
１００：電源
２００：電圧計測器、　２１０：電圧増幅器、　２２０：静電容量算出部
３１０，３１１，３１２，３１３：入力側切換回路
３２０，３２２，３２３，３２４：出力側切換回路
３３０：切換制御部、　３４０：状態推定部
C1：平滑コンデンサ、　D1：第一ダイオード、　D2：第二ダイオード
Ｒ１：電流計測用シャント抵抗

Claims (10)

  1. 　距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極を備え、外力の付与もしくは操作者の接近または接触に伴って前記第一，第二電極間の静電容量が変化する静電容量型センサと、
    　前記静電容量型センサの前記第一電極に直列接続され、前記静電容量型センサに周期性の矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、
    　前記静電容量型センサの前記第二電極に接続され、前記電圧印加手段が周期性の前記矩形波電圧を印加した場合に前記静電容量型センサに充放電される電荷を整流する整流器と、
    　前記整流器に並列接続される平滑コンデンサと、
    　前記平滑コンデンサに並列接続される電流計測用シャント抵抗と、
    　前記電流計測用シャント抵抗の両端電圧を計測する電圧計測手段と、
    　を備える静電容量型センサ装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記電圧計測手段は、前記静電容量型センサの充電電圧、前記電圧印加手段により印加する前記矩形波電圧の周波数、および、前記電流計測用シャント抵抗の抵抗値に基づいて、前記電流計測用シャント抵抗の両端電圧を前記静電容量型センサの静電容量として計測する静電容量型センサ装置。
  3. 　請求項１または２において、
    　前記静電容量型センサ、前記電圧印加手段、前記整流器、前記平滑コンデンサおよび前記電流計測用シャント抵抗は、一体のユニットとして形成される静電容量型センサ装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記静電容量型センサの前記第一，第二電極は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する電極であり、
    　前記静電容量型センサは、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する静電容量型センサ装置。
  5. 　請求項１～４の何れか一項において、
    　前記静電容量型センサは、
    　面形状に形成された静電容量型センサであり、
    　前記静電容量型センサの面法線方向に距離を隔てて対向して設けられた前記第一，第二電極と前記第一，第二電極間に設けられた誘電層とを備え、
    　前記静電容量型センサの前記面法線方向の圧縮力、または、前記静電容量型センサの面接線方向の引張力に応じて、前記誘電層の変形により前記第一電極と前記第二電極との離間距離または電極面積が変化するセンサである静電容量型センサ装置。
  6. 　請求項１～４の何れか一項において、
    　前記静電容量型センサは、
    　面形状に形成された静電容量型センサであり、
    　前記静電容量型センサの面法線方向に距離を隔てて対向して設けられた前記第一，第二電極と、前記第一，第二電極間に設けられた誘電層と、前記静電容量型センサの表面側に設けられた絶縁層とを備え、
    　前記静電容量型センサの表面への導電体としての操作者の接近または接触状態に応じて、前記第一，第二電極間の静電容量が変化するセンサである静電容量型センサ装置。
  7. 　請求項１～４の何れか一項において、
    　前記静電容量型センサは、
    　面形状に形成された静電容量型センサであり、
    　前記静電容量型センサの面方向に距離を隔てて設けられた前記第一，第二電極と、前記静電容量型センサの表面側に設けられた絶縁層とを備え、
    　前記静電容量型センサの表面への導電体としての操作者の接近または接触状態に応じて、前記第一，第二電極間の静電容量が変化するセンサである静電容量型センサ装置。
  8. 　請求項６または７において、
    　前記整流器、前記平滑コンデンサおよび前記電流計測用シャント抵抗は、前記第二電極の複数箇所にそれぞれに接続した複数からなり、
    　複数の前記整流器は、前記第二電極のそれぞれ異なる位置に接続され、
    　前記静電容量型センサ装置は、前記電圧印加手段により前記矩形波電圧を印加した場合に前記電圧計測手段により計測されたそれぞれの前記電流計測用シャント抵抗の前記両端電圧に基づいて、前記静電容量型センサに接近または接触した操作者の接近位置、接触位置および接触状態の少なくとも何れかを推定する状態推定手段をさらに備える静電容量型センサ装置。
  9. 　請求項１～８の何れか一項において、
    　前記静電容量型センサは、複数の前記第一電極を備え、
    　前記静電容量型センサは、
    　それぞれの前記第一電極に対して、前記第一電極を前記電圧印加手段に接続する第一状態と前記第一電極を接地する第二状態とを切り換える入力側切換回路と、
    　選択された１つの前記第一電極に対して前記第一状態とし、残りの前記第一電極に対して前記第二状態とするように前記入力側切換回路を制御する切換制御手段と、
    　を備える静電容量型センサ装置。
  10. 　距離を隔てて対向して設けられた第一，第二電極を備え、外力の付与もしくは操作者の接近または接触に伴って前記第一，第二電極間の静電容量が変化する静電容量型センサの前記静電容量を計測する計測装置であって、
    　前記静電容量型センサの前記第一電極に直列接続され、前記静電容量型センサに周期性の矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、
    　前記静電容量型センサの前記第二電極に接続され、前記電圧印加手段が周期性の前記矩形波電圧を印加した場合に前記静電容量型センサに充放電される電荷を整流する整流器と、
    　前記整流器に並列接続される平滑コンデンサと、
    　前記平滑コンデンサに並列に接続される電流計測用シャント抵抗と、
    　前記電流計測用シャント抵抗の両端電圧を計測する電圧計測手段と、
    　を備える静電容量型センサの静電容量計測装置。
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