WO2016113840A1 - 静電容量計測装置、静電容量型面状センサ装置および静電容量型液位検出装置 - Google Patents

静電容量計測装置、静電容量型面状センサ装置および静電容量型液位検出装置 Download PDF

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WO2016113840A1
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capacitance
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electrode
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哲好 柴田
一之助 前田
雄紀 齋藤
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住友理工株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitance measuring device, a capacitance type surface sensor device using the measuring device, and a capacitance type liquid level detecting device.
  • Patent Document 1 An apparatus for determining whether or not a change in measured capacity is due to an event to be detected is described in International Publication No. 2011/004727 (Patent Document 1).
  • the apparatus has a reference capacitor Cs connected in series to the first potential source V1 side with respect to the measured capacitor Cx1, and one end is disposed between both ends of the reference capacitor connected to the first potential source V1.
  • Patent Document 2 describes that each of the electrodes in a plurality of rows and the electrodes in a plurality of columns is opposed to measure the capacitance at each measurement target position in a matrix form. Yes.
  • the apparatus outputs a pulse signal to one of the capacitances at the measurement target position, the device measures the capacitance by measuring the current flowing through the other capacitance.
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 3379388
  • Patent Document 4 Japanese Patent No. 2561040
  • Patent Document 5 International Publication No. 2011/125725
  • Patent Document 7 apparatuses for detecting a liquid level using capacitance are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-311562 (Patent Document 6) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-337173 (Patent Document 7).
  • the capacitance of the measurement target is measured by measuring the potential between the capacitances. Can be calculated. That is, the measurement object in this case is not a current value but a voltage value.
  • the potential between the two capacitances is indefinite, the capacitance measured using the potential between the capacitances is not highly accurate.
  • the above-described conventional technique is a very complicated measuring device. Further, in the apparatus described in Patent Document 5, it takes time until the capacitor C1 is charged, so it is not easy to measure the capacitance of the measurement target at high speed.
  • the present invention employs a method of measuring a potential between a capacitance to be measured and another predetermined capacitance connected in series, thereby improving measurement speed and noise resistance.
  • An object of the present invention is to provide a capacitance measuring device capable of measuring a capacitance to be measured with high accuracy even when a potential between capacitances is measured. It is another object of the present invention to provide a capacitance type planar sensor device and a capacitance type liquid level detection device using the measurement device. That is, a capacitive surface sensor device and a capacitive liquid level detection device capable of measuring a capacitance to be measured at high speed and with high accuracy are provided.
  • the present inventors measure the capacitance of the measurement target by measuring the potential between the two capacitances by setting the state where the potential between the two capacitances is discharged to the ground potential as a reference state. I found it possible to do. That is, the capacitance measuring device according to this means includes an input voltage applying means for applying an input voltage that is a constant voltage to one end side of the capacitance to be measured, and a capacitance other than the capacitance to be measured.
  • a bridge capacitor connected in series with the end side and connected between the other end side of the capacitance to be measured and a ground potential, and in series with the other end side of the capacitance to be measured
  • a charge / discharge switching element that is connected in parallel to the bridge capacitor and discharges the charge on the other end of the capacitance to be measured to a ground potential in a closed state; and the input voltage is applied.
  • the charge / discharge switch after the step of discharging the charge of the capacitance to be measured to the ground potential and the step of discharging by making the charge / discharge switching element closed N
  • a controller that performs a step of charging the capacitance of the measurement target, and in the charging step by the controller,
  • a measuring instrument that acquires a capacitance-corresponding value to be measured based on a potential between a capacitance and the bridge capacitor.
  • the bridge capacitor is connected in series to the capacitance to be measured, and the measuring instrument has a potential (intermediate potential) between the capacitance to be measured and the bridge capacitor, that is, the capacitance to be measured.
  • the capacitance equivalent value is acquired based on the electric potential on the other end side.
  • the intermediate potential of the two capacitors is indefinite, the capacitance measured using the intermediate potential is not highly accurate.
  • the electrostatic charge of the measurement target is discharged. That is, the intermediate potential becomes the ground potential.
  • This state is set as a reference state. That is, the intermediate potential in the reference state is equal to the ground potential. In other words, the intermediate potential can be calibrated by closing the charge / discharge switching element.
  • the measuring instrument measures the potential on the other end side of the capacitance to be measured when the charging / discharging switching element is opened and the input voltage is applied after being discharged. That is, the potential measured by the measuring instrument is a potential corresponding to the capacitance of the measurement target. Therefore, the measuring device of this means can measure the capacitance of the measuring object with high accuracy.
  • the above means is a method of measuring the capacitance using an intermediate potential, it is less susceptible to noise than in the case of current measurement, and the capacitance can be measured with high accuracy. . Furthermore, the measurement using the intermediate potential enables high-speed measurement. Further, the calibration for closing the charge / discharge switching element can be performed in a short time. This also makes it possible to measure the capacitance at high speed as a whole.
  • the input voltage application means is connected to a constant voltage power source capable of applying the input voltage, one end side to one end side of the capacitance to be measured, and the other end side to the constant voltage power source and a ground potential.
  • a constant voltage power source capable of applying the input voltage, one end side to one end side of the capacitance to be measured, and the other end side to the constant voltage power source and a ground potential.
  • Switching for switching between a state in which the input voltage is applied to the capacitance of the measurement target by the constant voltage power source and a state in which the input voltage is not applied to the capacitance of the measurement target An element.
  • the intermediate potential can be reliably set to the reference state potential, and a state in which the input voltage is applied to the capacitance to be measured can be reliably formed.
  • a highly accurate capacitance equivalent value is acquired.
  • the capacitance measuring device is applied with a second input voltage as a constant voltage on one end side, and the other end side is connected to the other end side of the capacitance to be measured. Is further provided. Thereby, the capacitance equivalent value of the measurement object with high accuracy is acquired.
  • the first state in which the input voltage and the second input voltage are not applied the second state in which one of the input voltage and the second input voltage is applied and the other is not applied, the input voltage and the first
  • the instrument is switched in the order of a third state in which two input voltages are applied, and a fourth state in which the one of the input voltage and the second input voltage is not applied and the other is applied.
  • the capacitance equivalent value of the measurement target is acquired based on the potential on the other end side of the capacitance of the measurement target in the third state or the fourth state. Thereby, the capacitance equivalent value of the measurement object with high accuracy can be obtained with certainty.
  • the capacitance of the bridge capacitor is larger than the capacitance between the other end of the capacitance to be measured and the ground potential. This reliably reduces the degree of influence of the capacitance existing between the other end side of the capacitance to be measured and the ground potential. Therefore, a highly accurate capacitance equivalent value of the measurement target can be obtained.
  • the capacitance measuring device obtains each of a plurality of measurement target capacitance equivalent values in the sensor body
  • the sensor body equivalent circuit includes a plurality of rows of first electrodes and the plurality of rows.
  • a plurality of columns of second electrodes arranged so as to form a matrix with respect to the first electrodes of the rows, and the plurality of rows of first electrodes and the plurality of columns of second electrodes are provided at a plurality of positions where the three-dimensional intersections are respectively provided
  • a plurality of dielectric layers, and a capacitance equivalent value of a plurality of measurement objects in the sensor body is between the first electrode and the second electrode corresponding to each position of the plurality of dielectric layers. It is a capacitance equivalent value.
  • each of the matrix-like capacitance equivalent values to be measured can be obtained with high accuracy.
  • the measuring instrument applies the input voltage to one first electrode of the plurality of first electrodes, and the selected first electrode is connected to the ground potential.
  • each capacitance equivalent value as an unknown is acquired.
  • the measurement device When measuring the potential on the other end side of the capacitance of a certain measurement target, it may be affected by other capacitance. Therefore, as described above, the measurement device is represented by the capacitance of each measurement target and the capacitance that affects the capacitance of the measurement target, with the capacitances of the plurality of measurement targets as unknowns. Solve simultaneous equations. Therefore, each capacitance equivalent value as an unknown can be obtained with high accuracy.
  • the capacitive surface sensor device includes a plurality of rows of first electrodes formed in a strip shape and arranged in parallel to each other, and a plurality of rows of second electrodes formed in a strip shape and arranged in parallel with each other.
  • Each of the second electrodes in the plurality of columns and the first electrodes in the plurality of rows provided so as to face the first electrodes so that the positions facing the first electrodes in the plurality of rows are in a matrix.
  • a dielectric layer provided between the first electrode and the second electrodes of the plurality of rows of second electrodes, and a matrix corresponding to the opposing positions of the first electrodes and the second electrodes.
  • the planar sensor device has a plurality of measurement target capacitances arranged in a matrix. In this case, by using the capacitance measuring device described above, each of the matrix-like measurement target capacitance equivalent values can be obtained with high accuracy.
  • the capacitance-type planar sensor device further includes a third electrode that is provided to face the second electrode opposite to the first electrode, and is connected to a ground potential.
  • a capacitor formed by the second electrode and the third electrode is the bridge capacitor.
  • the third electrode is applied as one electrode of the bridge capacitor. Therefore, the structure becomes easy.
  • the capacitance type planar sensor device further includes a third electrode provided so as to face the second electrode on the opposite side to the first electrode, and the capacitance measuring device includes: A second capacitor that is applied with a second input voltage as a constant voltage on one end side and is connected to the other end side of the capacitance to be measured on the other end side; A capacitor formed by the electrodes constitutes the second capacitor. Since the capacitor formed by the second electrode and the third electrode constitutes the second capacitor, a dedicated second capacitor becomes unnecessary.
  • the capacitance-type liquid level detection device includes a plurality of electrodes arranged in a height direction in a tank that stores liquid, and two electrodes selected from the plurality of electrodes.
  • the above-described capacitance measuring device that acquires a capacitance equivalent value between the measurement target as a capacitance equivalent value of the measurement target, and determining the liquid level in the tank based on the capacitance equivalent value of the measurement target A determination unit.
  • the determination unit determines the liquid quality based on a capacitance equivalent value of the measurement target.
  • the capacitance is a value corresponding to the liquid quality. Therefore, the liquid quality of the liquid in the tank can be obtained with high accuracy.
  • the capacitance measuring device further includes a second capacitor to which a second input voltage as a constant voltage is applied to one end side and the other end side is connected to the other end side of the capacitance to be measured.
  • a capacitor formed by the lower electrode and the lower electrode of the two electrodes to be measured constitutes the second capacitor, and the determination unit includes the measurement object.
  • the boundary between different types of liquids is determined based on the capacitance equivalent value. By comparing the capacitance between adjacent electrodes in the height direction, it can be seen that the same type of liquid exists if they match, and that different liquids exist if they are different. Therefore, when different types of liquid exist, the boundary can be obtained with high accuracy.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance measuring apparatus 10 of 1st embodiment is shown.
  • 5 is a timing chart of operations of switching elements SW10 and SW11, a potential Vin1 on one end side of a capacitance Cn to be measured, and an output voltage Vout in the first embodiment.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance measuring apparatus 20 of 2nd embodiment is shown.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance measuring apparatus 30 of 3rd embodiment is shown.
  • 12 is a timing chart of operations of the switching elements SW10, SW11, SW12, the potential Vin1 on one end side of the capacitance Cn to be measured, the potential Vin2 on one end side of the second capacitor, and the output voltage Vout in the third embodiment.
  • a measurement circuit when SW10 is in a closed state (ON) and SW11 and SW12 are connected to the ground potential is shown.
  • a measurement circuit when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to a ground potential, and SW12 is connected to a power source is shown.
  • a measurement circuit when SW10 is in an open state (OFF) and SW11 and SW12 are connected to a power source is shown.
  • a measurement circuit when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to a power source, and SW12 is connected to a ground potential is shown.
  • the structure of the electrostatic capacitance type planar sensor apparatus 100 of 1st embodiment is shown, and the sensor main body 110 is shown as a top view.
  • the structure of the capacitive surface sensor device 100 of FIG. 11 is shown, and the sensor body 110 is shown as a sectional view. It is a circuit diagram at the time of taking out a part of sensor main body 110 of FIG. 11 and FIG. The entire measurement circuit when the capacitance at the measurement target position is C1 is shown.
  • FIG. 14 shows The structure of the electrostatic capacitance type planar sensor apparatus 200 of 2nd embodiment.
  • the sensor main body 110 is shown as sectional drawing.
  • FIG. 16 shows a measurement circuit when the capacitance at the measurement target position is C1.
  • a measurement circuit when the capacitance at the measurement target position is C1 is shown.
  • the capacitance values of the capacitances C1 to C9 for explaining the capacitance type planar sensor device of the fourth embodiment are shown. It is a graph which shows the difference in the electrostatic capacitance obtained by the method by simultaneous equations in the fourth embodiment, and the method by non-simultaneous equations.
  • the structure of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 600 of 1st embodiment is shown.
  • the detailed structure of the sensor main body 621 of FIG. 21 is shown.
  • the equivalent circuit of the sensor main body 621 of the first embodiment is shown.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 600 of 1st embodiment is shown.
  • the detailed structure of the sensor main body 721 of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 700 of 2nd embodiment is shown.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 700 of 2nd embodiment is shown.
  • the detailed structure of the sensor main body 721 of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 800 of 3rd embodiment is shown.
  • the circuit structure of the electrostatic capacitance type liquid level detection apparatus 800 of 3rd embodiment is shown.
  • the capacitance measuring device 10 in the first embodiment is a device that measures an equivalent value of a capacitance Cn to be measured.
  • the capacitance measuring device 10 includes a constant voltage power supply 11, a first input switching element SW11, a bridge capacitor 12, a charge / discharge switching element SW10, a controller 13, and a measuring instrument 14.
  • the constant voltage power supply 11 is a power supply that can apply the input voltage Vin that is a constant voltage.
  • the first input switching element SW11 (input voltage applying means) has one end connected to one end of the capacitance Cn to be measured and the other end switched to one of the constant voltage power supply 11 and the ground potential. Connecting. That is, when the first input switching element SW11 is connected to the constant voltage power supply 11 side, the input voltage Vin is applied to one end side of the capacitance Cn to be measured. On the other hand, when the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side, the input voltage Vin is not applied to one end side of the capacitance Cn to be measured.
  • the bridge capacitor 12 is connected in series to the other end side of the capacitance Cn to be measured (a side different from the constant voltage power supply 11), and the other end side of the capacitance Cn to be measured and the ground potential. Connected between. That is, the capacitance Cn to be measured and the bridge capacitor 12 constitute a bridge circuit.
  • the capacitance of the bridge capacitor 12 is Cb.
  • the charging / discharging switching element SW10 is connected in series to the other end of the capacitance Cn to be measured, and is connected in parallel to the bridge capacitor 12. Furthermore, the charging / discharging switching element SW10 discharges the electric charge on the other end side of the capacitance Cn to be measured to the ground potential in the closed state.
  • the controller 13 alternately executes the following discharging process and charging process.
  • the controller 13 connects the first input switching element SW11 to the ground potential side and closes the charge / discharge switching element SW10 to thereby close the charge of the capacitance Cn to be measured to the ground.
  • Discharge to potential discharge process
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side corresponds to a state in which the input voltage Vin is not applied to the capacitance Cn to be measured.
  • Calibration can be performed by setting the electric charge of the capacitance Cn to be measured to the ground potential as a reference state by the discharging step.
  • the controller 13 connects the first input switching element SW11 to the constant voltage power supply 11 side and opens the charging / discharging switching element SW10, so that the measurement target The electrostatic capacity Cn is charged (charging process).
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the constant voltage power supply 11 side corresponds to a state in which the input voltage Vin is applied to the capacitance Cn to be measured.
  • the measuring instrument 14 is based on the potential Vout (hereinafter also referred to as “output voltage”) between the capacitance Cn to be measured and the bridge capacitor 12.
  • the capacitance equivalent value of is acquired.
  • the output voltage Vout corresponds to the potential on the other end side of the capacitance Cn to be measured.
  • the electrostatic capacitance Cn to be measured, the electrostatic capacitance Cb of the bridge capacitor 12, the input voltage Vin, and the output voltage Vout have a relationship of Expression (1).
  • the measuring instrument 14 can acquire the equivalent value of the capacitance Cn to be measured based on the output voltage Vout.
  • the charging / discharging switching element SW10 is turned on (closed state).
  • the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side. Therefore, the potential Vin1 on one end side of the capacitance Cn to be measured becomes the ground potential.
  • the charge of the capacitance Cn to be measured is discharged through the charging / discharging switching element SW10.
  • the potential (output voltage) Vout between the capacitance Cn to be measured and the bridge capacitor 12 becomes the ground potential as the reference state. That is, the output voltage Vout is indefinite before the above operation, but the output voltage Vout is set to the ground potential by the above operation.
  • the charging / discharging switching element SW10 is turned off (opened), and the first input switching element SW11 is connected to the constant voltage power supply 11 side. Accordingly, the potential Vin1 on one end side of the capacitance Cn to be measured becomes the input voltage Vin.
  • the measuring instrument 14 measures the output voltage Vout. In FIG. 2, the measuring instrument 14 measures the output voltage Vout from t3 to t4.
  • the charging / discharging switching element SW10 is turned on (closed), and the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side.
  • the potential Vin1 on one end side of the capacitance Cn to be measured becomes a ground potential, and the charge of the capacitance Cn to be measured is discharged. That is, the output voltage Vout becomes the ground potential.
  • the same operation as the above-described t1 to t5 is repeated.
  • the bridge capacitor 12 is connected in series to the capacitance Cn to be measured, and the measuring instrument 14 has a potential on the other end side of the capacitance Cn to be measured, that is, the measurement target and the bridge.
  • a capacitance equivalent value is acquired based on the potential (output voltage) Vout between the capacitor 12 and the capacitor 12.
  • the intermediate potential between the two capacitors is indefinite, the capacitance measured using the intermediate potential is not highly accurate.
  • the output voltage (intermediate potential) Vout becomes the ground potential as the reference state. That is, the output voltage Vout can be calibrated by closing the charge / discharge switching element SW10.
  • the measuring instrument 14 is opened when the charge / discharge switching element SW10 is opened and the input voltage Vin is applied to one end of the capacitance Cn to be measured.
  • the potential on the other end side of the capacitance Cn is measured. That is, the potential measured by the measuring instrument 14 is a potential corresponding to the capacitance Cn to be measured. Therefore, the capacitance measuring device 10 can measure the capacitance Cn to be measured with high accuracy.
  • the capacitance measuring device 20 of the second embodiment includes a power source 11, a bridge capacitor 12, a charging / discharging switching element SW ⁇ b> 10, a controller 13, and a measuring instrument 14.
  • the capacitance measuring device 20 of the second embodiment adds a capacitance Cy to the capacitance measuring device 10 of the first embodiment.
  • the electrostatic capacity Cy is an electrostatic capacity that exists between the other end side of the electrostatic capacity Cn to be measured and the ground potential.
  • the capacitance Cy is formed between the electrode on the other end side of the capacitance Cn to be measured and an electrode existing nearby.
  • the bridge capacitor 12 is connected in parallel to the capacitance Cy.
  • the capacitance Cb of the bridge capacitor 12 is set to be larger than the capacitance Cy.
  • the capacitance Cy can be estimated in advance to some extent. Therefore, the capacitance Cb of the bridge capacitor 12 is set.
  • the capacitance Cb of the bridge capacitor 12 may be set to 100 times or more of the capacitance Cy.
  • the electrostatic capacitance Cn to be measured, the electrostatic capacitance Cb of the bridge capacitor 12, the input voltage Vin, the output voltage Vout, and the electrostatic capacitance Cy have a relationship of Expression (2).
  • the capacitance measuring device 30 of the third embodiment includes a constant voltage power supply 11, a bridge capacitor 12, a charging / discharging switching element SW ⁇ b> 10, a controller 13, a measuring instrument 14, and a first input switching element.
  • SW11, second capacitor 31, and second input switching element SW12 are provided.
  • the capacitance measuring device 30 of the third embodiment adds a second capacitor 31 and a second input switching element SW12 to the capacitance measuring device 20 of the second embodiment.
  • the second capacitor 31 is applied with a second input voltage Vin (the same as the input voltage Vin in the present embodiment) as a constant voltage at one end, and the other end is connected to the other end of the capacitance Cn to be measured. Connected.
  • the second input switching element SW12 has one end connected to one end of the second capacitor 31 and the other end connected to one of the constant voltage power supply 11 and the ground potential in a switchable manner. That is, when the second input switching element SW12 is connected to the constant voltage power supply 11 side, the second input voltage Vin is applied to one end side of the second capacitor 31. On the other hand, when the second input switching element SW12 is connected to the ground potential side, the second input voltage Vin is not applied to one end side of the second capacitor 31.
  • the charging / discharging switching element SW10 is turned on (closed) for t1 to t2, t5 to t6, and is turned off (opened) for t2 to t5 and t6 to t9.
  • t1 to t3 and t5 to t7 are connected to the ground potential
  • t3 to t5 and t7 to t9 are connected to the constant voltage power supply 11.
  • t1 to t2, t4 to t6, t8 to t9 are connected to the ground potential
  • t2 to t4 and t6 to t8 are connected to the constant voltage power supply 11.
  • a state in which the input voltage Vin is not applied to one end side of the capacitance Cn to be measured and the second input voltage Vin is not applied to one end side of the second capacitor 31 is defined as a first state.
  • a state in which the input voltage Vin is not applied to one end side of the capacitance Cn to be measured and the second input voltage Vin is applied to one end side of the second capacitor 31 is a second state.
  • a state in which the input voltage Vin is applied to one end side of the capacitance Cn to be measured and the second input voltage Vin is applied to one end side of the second capacitor 31 is referred to as a third state.
  • a state in which the input voltage Vin is applied to one end side of the capacitance Cn to be measured and the second input voltage Vin is not applied to one end side of the second capacitor 31 is defined as a fourth state.
  • the measuring instrument 14 switches in order of a 1st state, a 2nd state, a 3rd state, and a 4th state.
  • the output voltage Vout is as shown in the bottom column of FIG.
  • the measuring instrument 14 has a potential Vo2 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the second state (t2 to t3) and a potential Vo3 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the third state.
  • the equivalent value of the capacitance Cn to be measured is acquired based on the difference (Vo2 ⁇ Vo3).
  • the measuring instrument 14 acquires an equivalent value of the capacitance Cn to be measured based on the potential Vo4 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the fourth state (t4 to t5).
  • the configuration of the equivalent circuit and the output voltage Vout in each of the first state to the fourth state will be described with reference to FIGS.
  • the charging / discharging switching element SW10 is in a closed state, and the first and second input switching elements SW11, SW12 are connected to the ground potential. Therefore, the circuit in this state is as shown in FIG.
  • all of the capacitances Ca, Cn, Cy, Cb are all connected to the ground potential, and the other of these capacitances Ca, Cn, Cy, Cb is connected to the measuring instrument 14.
  • the other potential of the capacitances Ca, Cn, Cy, Cb is a ground potential (here, 0 (zero)).
  • the potential Vo1 (output voltage Vout) measured by the measuring instrument 14 at this time is expressed by Expression (3). That is, the potential Vo1 is 0 as the reference state potential.
  • the charging / discharging switching element SW10 is in the open state, the first input switching element SW11 is connected to the ground potential, and the second input switching element SW12 is the constant voltage power source. 11 is connected.
  • one of the capacitances Ca is connected to the constant voltage power supply 11, and one of the other capacitances Cn, Cy, Cb is connected to the ground potential.
  • the potential Vo2 measured by the measuring instrument 14 is an intermediate potential between the capacitance Ca and the total value of the capacitances Cn, Cy, Cb.
  • the potential Vo2 measured by the measuring instrument 14 at this time is expressed by Expression (4). That is, the potential Vo2 is a potential corresponding to the electrostatic capacitance Ca of the second capacitor 31.
  • the charging / discharging switching element SW10 is in an open state, and the first and second input switching elements SW11 and SW12 are both connected to the constant voltage power supply 11.
  • one of the capacitances Ca and Cn is connected to the constant voltage power source 11, and one of the other capacitances Cy and Cn is connected to the ground potential.
  • the other of Cn, Cy, and Cb is connected to the measuring instrument 14. That is, the potential Vo3 measured by the measuring instrument 14 is an intermediate potential between the total value of the capacitances Ca and Cn and the total value of the capacitances Cy and Cb.
  • the potential Vo3 measured by the measuring instrument 14 at this time is expressed by Expression (5). That is, the potential Vo3 is a potential corresponding to the total value of the capacitances Ca and Cn.
  • the charging / discharging switching element SW10 is in an open state, the first input switching element SW11 is connected to the constant voltage power supply 11, and the second input switching element SW12 is grounded. Connected to potential.
  • one of the capacitances Cn is connected to the constant voltage power supply 11, and one of the other capacitances Ca, Cy, Cb is connected to the ground potential.
  • the other of Cn, Cy, and Cb is connected to the measuring instrument 14. That is, the potential Vo4 measured by the measuring instrument 14 is an intermediate potential between the capacitance Cn and the total value of the capacitances Ca, Cy, and Cb.
  • the potential Vo4 measured by the measuring instrument 14 at this time is expressed by Expression (6). That is, the potential Vo4 is a potential corresponding to the capacitance Cn to be measured.
  • the measuring instrument 14 has an equivalent value of the capacitance Cn to be measured based on the potential Vo4 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the fourth state (t4 to t5). Can be obtained. In the case of measurement using the potential Vo4, switching between the first state and the fourth state is sufficient. However, since the potential Vo4 is a value close to the ground potential, it may be affected by noise.
  • the measuring instrument 14 has a potential Vo2 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the second state (t2 to t3) and a potential Vo3 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the third state.
  • a more accurate capacitance equivalent value can be obtained. That is, by switching the timing of the first input switching element SW11 and the second input switching element SW12 in the order of the first state ⁇ second state ⁇ third state ⁇ fourth state as shown in FIG. The difference between the two-state output voltage Vo2 and the third-state output voltage Vo3 can be used.
  • the capacitance measuring device of the fourth embodiment differs from the capacitance measuring device 30 of the third embodiment only in the switching operation of the charging / discharging switching element SW10.
  • t1 to t2, t3 to t6, and t7 to t9 are OFF (open state), and t2 to t3 and t6 to t7 are ON (closed state). It is said.
  • the first and second input switching elements SW11 and SW12, the potential Vin1 on one end side of the capacitance Cn to be measured, and the potential Vin2 on one end side of the second capacitor 31 are the same as in the third embodiment.
  • Calibration is performed using the second state where the charging / discharging switching element SW10 is in the closed state as a reference state. That is, the output voltage Vout indicates a value in which the output voltage Vo2 in the second state (t2 to t3, t6 to t7) is zero. Therefore, the measuring instrument 14 can acquire the equivalent value of the capacitance Cn to be measured only by measuring the output voltage Vo3 in the third state.
  • the electrostatic capacitance type planar sensor device 100 includes a sensor main body 110 formed in a sheet shape (planar shape), and electrostatic capacitance between electrodes in the sensor main body 110. (Capacitance to be measured) is measured.
  • the sensor main body 110 can be applied as a pressure-sensitive sensor that detects a position and size to which an external force is applied, and is applied as a touch panel that detects a position where a conductor such as a human finger contacts or approaches. You can also.
  • the capacitance type planar sensor device 100 includes a sensor main body 110 and a capacitance measuring device 160.
  • the sensor main body 110 is formed in a sheet shape and has a flexible and stretchable property.
  • the sensor body 110 can have a curved shape as well as a planar shape.
  • a planar sensor body 110 is taken as an example. As described above, when the sensor body 110 is applied as a touch panel, flexibility and stretchability are not necessarily required.
  • the sensor body 110 includes a plurality of rows of first electrodes 120 (121 to 128), a plurality of columns of second electrodes 130 (131 to 138), a dielectric layer 141, and insulating layers 142 and 143 (shown in FIG. 12). Is provided.
  • Each of the first electrodes 121 to 128 of the plurality of rows of first electrodes 120 is formed in a band shape, and is arranged so as to extend in the vertical direction of FIG.
  • Each of the second electrodes 131 to 138 of the plurality of rows of the second electrodes 130 is formed in a belt shape, and is arranged so as to extend in the left-right direction in FIG.
  • the plurality of rows of the first electrodes 120 and the plurality of columns of the second electrodes 130 are illustrated with 8 rows and 8 columns, but the present invention is not limited thereto.
  • the plurality of rows of the first electrodes 120 and the plurality of columns of the second electrodes 130 are provided to face each other at a distance in the surface normal direction (the front-rear direction in the drawing of FIG. 11 and the up-down direction in FIG. 12). And both are arrange
  • each of the first electrodes 121 to 128 and each of the second electrodes 131 to 138 is formed by blending a conductive filler in an elastomer or resin.
  • the first and second electrodes 120 and 130 are flexible and extendable and contractible.
  • Examples of the elastomer constituting the first and second electrodes 120 and 130 include silicone rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, and epichloro. Hydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, urethane rubber, etc. can be applied.
  • the conductive filler blended in the first and second electrodes 120 and 130 may be particles having conductivity, and for example, fine particles such as carbon materials and metals can be applied.
  • Examples of the resin constituting the first and second electrodes 120 and 130 include polyester resin, modified polyester resin, polyether urethane resin, polycarbonate urethane resin, vinyl chloride-vinyl acetate copolymer, phenol resin, and acrylic resin. Polyamideimide resin, polyamide resin, nitrocellulose, modified cellulose and the like can be applied.
  • the dielectric layer 141 is provided between the first electrodes 121 to 128 and the second electrodes 131 to 138, respectively.
  • the dielectric layer 141 can be compressed and deformed so that the thickness varies depending on an external force.
  • the dielectric layer 141 is formed of an elastomer or a resin, and has a flexible and stretchable property like the first and second electrodes 120 and 130.
  • the elastomer constituting the dielectric layer 141 include silicone rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, and urethane rubber.
  • Examples of the resin constituting the dielectric layer 141 include polyethylene resin, polypropylene resin, polyurethane resin, polystyrene resin (including crosslinked foamed polystyrene resin), polyvinyl chloride-polyvinylidene chloride copolymer, ethylene-acetic acid copolymer. Coalescence etc. can be applied.
  • the insulating layers 142 and 143 are provided so as to cover the surface on the first electrode 120 side and the back surface on the second electrode 130 side, respectively.
  • the insulating layers 142 and 143 have the property of being flexible and stretchable, like the first and second electrodes 120 and 130.
  • the elastomer or resin constituting the insulating layers 142 and 143 for example, the materials described as the elastomer or resin constituting the dielectric layer 141 are applied.
  • the dielectric layer 141 faces. Compresses and deforms in the normal direction. As a result, the separation distance between the first and second electrodes 120 and 130 located at the site to which the external force F is applied is reduced. In this case, it changes so that the electrostatic capacitance between the 1st, 2nd electrodes 120 and 130 in the said part may become large. Therefore, the position where the external force F is received can be measured by measuring the change in capacitance for each of the matrix positions where the first electrodes 121 to 128 and the second electrodes 131 to 138 face each other. Furthermore, the magnitude of the external force F can be measured by measuring the absolute value of each capacitance at the matrix position.
  • the sensor main body 110 includes, for example, eight rows of first electrodes 120 and eight columns of second electrodes 130.
  • first electrode 120 121 to 123 in three rows
  • second electrode 130 131 to 133 in three columns
  • the circuit diagram of the sensor main body 110 in this case is expressed as shown in FIG. That is, capacitances C1 to C9 are formed between the first electrodes 121 to 123 and the second electrodes 131 to 133, respectively.
  • the capacitance between the first electrode 121 and the second electrode 131 is C1
  • the capacitance between the first electrode 122 and the second electrode 132 is C5.
  • the terminals of the first electrodes 121 to 123 are Pi1 to Pi3
  • the terminals of the second electrodes 131 to 133 are Po1 to Po3.
  • the capacitance measuring device 160 of the present embodiment employs the circuit configuration of the capacitance measuring device 30 of the third embodiment described with reference to FIG.
  • the terminals Pi1 to Pi3 of the first electrodes 121 to 123 in the sensor body 110 are switched in order, and the terminals Po1 to Po3 of the second electrodes 131 to 133 are switched in order. It is done. However, for ease of explanation, first, a case where the capacitance C1 is measured with the opposed position of the first electrode 121 and the second electrode 131 as a measurement target position will be described with reference to FIG.
  • the capacitance measuring device 160 includes a constant voltage power supply 11, a bridge capacitor 12, a charging / discharging switching element SW10, a controller 13, a measuring instrument 14, a first input switching element SW11, and a second capacitor. 31, a second input switching element SW12, measurement target change switches SW121 to SW123, SW131 to SW133.
  • the same components as those of the capacitance measuring device 30 of the third embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • the measurement target change switches SW121 to SW123 connect one of the terminals Pi1 to Pi3 of the first electrodes 121 to 123 to the constant voltage power supply 11 and connect the remaining two to the ground potential.
  • the measurement object change switches SW121 to SW123 can switch the terminals connected to the constant voltage power supply 11.
  • the measurement target change switches SW131 to SW133 connect one of the terminals Po1 to Po3 of the second electrodes 131 to 133 to the measuring instrument 14, and connect the remaining two to the ground potential. Then, the measurement object change switches SW131 to SW133 can switch the terminals connected to the measuring instrument 14.
  • the measurement object change switch SW121 is connected to the constant voltage power supply 11
  • the switch SW131 is connected to the measuring instrument 14, and the other switches SW122, SW123, SW132, SW133 are connected to the ground potential.
  • the bridge capacitor 12 has a set constant capacitance Cb.
  • One of the bridge capacitors 12 is connected to each of the second electrodes 131 to 133 via the measurement object change switches SW131 to SW133.
  • the other of the bridge capacitor 12 is connected to the ground potential.
  • the capacitance Cb of the bridging capacitor 12 is a constant that is larger than the capacitance at other positions in the matrix-like position located between the second electrode 131 at the measurement target position and the ground potential. Set to a value.
  • the capacitance Cb of the bridge capacitor 12 is set to a constant value that is, for example, 100 times or more of the capacitance at the other position.
  • the capacitance at the measurement target position is C1
  • the capacitance at other positions in the matrix-like position is the total value of C2 and C3. That is, the capacitance Cb of the bridge capacitor 12 is set to be 100 times or more the total value of C2 and C3.
  • the capacitances C4 and C7 between the first electrode 121 and the ground potential hardly affect the potential Vout measured by the measuring instrument 14.
  • the capacitances C5, C6, C8, C9 between the other first electrodes 122, 123 connected to the ground potential and the other second electrodes 132, 133 connected to the ground potential are also potentials. It has little effect on Vout. Accordingly, the electric circuit of the sensor main body 110 in FIG. 14 can be represented by being replaced as shown in FIG. In FIG. 15, for generalization, the capacitance C1 is represented as Cn representing the capacitance to be measured, and the total of the capacitances C2 and C3 is represented as Cy. Each symbol is the same as the symbol in the capacitance measuring device 30 of the third embodiment.
  • the circuit shown in FIG. 15 corresponds to the circuit shown in FIG. Therefore, as described with reference to FIG. 4, by operating each of the switching elements SW10, SW11, and SW12, the measuring instrument 14 can acquire the capacitance C1 at the measurement target position with high accuracy.
  • a capacitance type planar sensor device 200 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
  • the sensor main body 210 of the capacitive surface sensor device 200 has a third electrode 220 added to the sensor main body 110 shown in FIG. 12.
  • the third electrode 220 is provided so as to face the second electrode 130 on the opposite side to the first electrode 120, and is connected to the ground potential. That is, the third electrode 220 is provided on the back surface side (the lower side in FIG. 16) of the second electrode 130 via the insulating layer 230.
  • the third electrode 220 is approximately the same size as the insulating layer 143.
  • the back side of the third electrode 220 is covered with an insulating layer 143.
  • FIG. A capacitor formed by the second electrode 130 and the third electrode 220 functions as the bridge capacitor 12 in FIG. That is, the electrostatic capacitance between the second electrode 130 and the third electrode 220 is Cb.
  • the bridge capacitor 12 is configured using the third electrode 220, it is not necessary to provide a dedicated capacitor. Therefore, the structure becomes easy.
  • the capacitances Cn and Cb are formed as an integral member, both follow the temperature change, for example. Therefore, even if the temperature changes, the capacitance Cn to be measured can be measured with high accuracy.
  • a capacitance type planar sensor device 300 according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
  • the sensor main body of the capacitive surface sensor device 300 is configured in the same manner as the sensor main body 210 shown in FIG.
  • the third electrode 220 is not connected to the ground potential, but is connected to the second input switching element SW12.
  • the capacitor formed by the second electrode 130 and the third electrode 220 constitutes the second capacitor 31. That is, the capacitance between the second electrode 130 and the third electrode 220 is Ca. Therefore, a dedicated second capacitor is not necessary. Furthermore, since the capacitances Cn and Ca are formed as an integral member, both follow the temperature change, for example. Therefore, even if the temperature changes, the capacitance Cn to be measured can be measured with high accuracy.
  • the measuring instrument 14 includes the potential Vo2 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the second state (t2 to t3) and the other end side of the capacitance Cn to be measured in the third state. Based on the difference (Vo2 ⁇ Vo3) from the potential Vo3, the equivalent value of the capacitance Cn to be measured is obtained. Alternatively, the measuring instrument 14 acquires an equivalent value of the capacitance Cn to be measured based on the potential Vo4 on the other end side of the capacitance Cn to be measured in the fourth state (t4 to t5).
  • the measuring instrument 14 acquires the capacitance Cn to be measured by solving simultaneous equations.
  • the simultaneous equations when the unknowns are the capacitances Cn1, Cn2, and Cn3 are expressed by Expression (7).
  • the simultaneous equations of Equation (7) are obtained as follows: the input voltage Vin, the respective voltages Vout1, Vout2, and Vout3 at the selected second electrode 131, and the selected second electrode 131 and the first of a plurality of rows as unknowns. It is represented by electrostatic capacitances Cn1, Cn2, Cn3 at a plurality of positions that three-dimensionally intersect with each of the electrodes 121, 122, 123.
  • Capacitances Cn1, Cn2, and Cn3 are obtained by solving the simultaneous equations of Equation (7).
  • the other capacitances Cn4 to Cn9 can be obtained by solving simultaneous equations.
  • a white circle is a set capacity
  • a white square is a result of the method for solving the simultaneous equations of the present embodiment
  • a black circle is a result of the method of the non-simultaneous equations in the above embodiment.
  • the method for solving simultaneous equations has higher capacitance than the method using non-simultaneous equations.
  • the method based on the non-simultaneous equations it is considered that this is because when the potential on the other end side of the capacitance of a certain measurement target is measured, it is influenced by other capacitance. Therefore, since the method for solving simultaneous equations is an operation that takes into account other capacitances, a highly accurate capacitance can be obtained.
  • the capacitances Cn and Cb or the capacitances Cn and Ca are formed as an integral member.
  • the capacitances Cn, Ca, Cb may be formed as an integral member.
  • a capacitance type liquid level detection device using the above-described capacitance measuring device will be described.
  • the liquid level detection device detects the liquid level and liquid quality in the fuel tank 610 of the vehicle. As shown in FIG. 21, the fuel tank 610 is mounted on a vehicle and stores gasoline as fuel.
  • the supplied liquid may contain water and methanol in addition to gasoline.
  • the liquid level detection device determines the liquid quality in the fuel tank 610, that is, whether the liquid is gasoline, water, methanol, or the like. Further, the liquid level detection device determines the liquid level, that is, the gasoline level, the water level, and the methanol level. Note that, for example, the present invention can also be applied to the determination of other liquids or when floating substances are present.
  • the fuel tank 610 has a recess 611 at the center bottom in the left-right direction of the vehicle, and has a recess 612 on the top surface corresponding to the recess 611. That is, the bottom recess 611 and the top recess 612 face each other in the vertical direction.
  • An opening hole 613 is formed on the upper surface of the fuel tank 610.
  • a detachable connector is connected to the opening hole 613.
  • the fuel tank 610 is provided with an electrode unit 620 constituting the capacitance type liquid level detection device 600.
  • the electrode unit 620 is positioned at the center in the left-right direction of the vehicle in the fuel tank 610, and is fixed between the upper and lower portions of the bottom recess 611 and the top recess 612 in the fuel tank 610.
  • the electrode unit 620 includes a sensor main body 621 formed in a rod shape, and an urging member 622 provided at the upper end of the sensor main body 621 so as to be extendable from the upper end surface of the sensor main body 621.
  • the sensor body 621 is disposed at the lower end in a recess 611 at the bottom of the fuel tank 610.
  • the biasing member 622 biases the recess 612 on the top surface of the fuel tank 610 (relative to the extension direction) in the extended state. In this way, the electrode unit 620 is fixed between the bottom recess 611 and the top recess 612 of the fuel tank 610.
  • the sensor body 621 includes a plurality of electrode pairs 626a to 626i that are arranged in the fuel tank 610 while being shifted in the vertical direction (height direction).
  • the capacitance between each of the plurality of electrode pairs 626a to 626i varies depending on the type of fluid present.
  • the liquid level detection device 600 includes a capacitance measuring device 630 and a determination unit 640 that are electrically connected to the plurality of electrode pairs 626a to 626i of the electrode unit 620.
  • the capacitance measuring device 630 is disposed outside the fuel tank 610, and the above-described capacitance measuring device is substantially applied.
  • the determination unit 640 determines the liquid level and quality of the liquid in the fuel tank 610 based on the capacitances C1 to C9 obtained by the capacitance measuring device 630.
  • the sensor main body 621 of the electrode unit 620 will be described in detail with reference to FIG.
  • a plurality of electrode pairs 626a to 626i are arranged on the base material surface of the sensor main body 621 while being shifted in the height direction.
  • the capacitances of the electrode pairs 626a to 626i are C1 to C9 in order from the bottom.
  • Wirings 627a to 627c (hereinafter referred to as application-side wirings) that are electrically connected are formed on one electrode of each of the plurality of electrode pairs 626a to 626i. Further, wirings 628a to 628c (hereinafter referred to as output-side wirings) that are electrically connected are formed on the other electrode of each electrode pair.
  • the first application side wiring 627a is connected to the electrode pairs 626a, 626d and 626g
  • the second application side wiring 627b is connected to the electrode pairs 626b, 626e and 626h
  • the third application side wiring 627c is an electrode. Connected to pairs 626c, 626f, 626i.
  • the first output side wiring 628a is connected to the electrode pair 626a, 626b, 626c
  • the second output side wiring 628b is connected to the electrode pair 626d, 626e, 626f
  • the third output side wiring 628c is connected to the electrode Connected to pairs 626g, 626h, 626i.
  • the terminals connected to the application side wirings 627a, 627b, and 627c are Pi1, Pi2, and Pi3, respectively, and the terminals connected to the output side wirings 628a, 628b, and 628c are Po1, Po2, and Po3, respectively. To do.
  • the equivalent circuit of the sensor body 621 described above is represented as shown in FIG. Therefore, the circuit of the liquid level detection device 600 is expressed as shown in FIG. That is, the liquid level detection device 600 is equivalent to a matrix-like circuit, like the capacitance type planar sensor device 200. If it does so, the electrostatic capacitance type planar sensor apparatus 200 mentioned above can be applied to the liquid level detection apparatus 600 similarly.
  • the determination unit 640 determines the liquid level at each height based on the capacitances C1 to C9 at each height acquired by the measuring instrument 14. At the same time, the determination unit 640 can determine the liquid quality at each height based on the capacitances C1 to C9 at each height.
  • the electrodes constituting each electrode pair are positioned at the same height.
  • the electrodes 726a to 726t are arranged so as to be shifted in the height direction.
  • the electrodes connected to the application side wirings 727a to 727c and the electrodes connected to the output side wirings 728a to 728c are alternately arranged in the height direction.
  • the equivalent circuit in this case is as shown in FIG. In FIG. 26, the capacitance of the measurement target is Cn1, and the capacitance of the second capacitor 31 (corresponding to reference numeral 31 in FIG. 24) is Ca1.
  • the capacitor formed by the lower electrode 726b and the lower electrode 726a of the two electrodes 726b and 726c to be measured constitutes the second capacitor 31 described above.
  • the determination unit 740 determines the boundary between different types of liquids based on the equivalent values of the capacitances Cn1 to Cn8 to be measured. For example, if the same kind of liquid exists at positions 726b to 726c and 726a to 726b between the electrodes adjacent in the height direction, Cn1 and Ca1 are the same. Then, the difference between the potential corresponding to Cn1 and the potential corresponding to Ca1 becomes zero.
  • Cn1 and Ca1 have different values. Then, the difference between the potential corresponding to Cn1 and the potential corresponding to Ca1 is not zero.
  • the determination unit 740 determines the boundary of the liquid based on this difference.
  • the liquid level detection apparatus 800 of 3rd embodiment is demonstrated with reference to FIG. 27 and FIG.
  • the liquid level detection device 800 according to this embodiment is different from the liquid level detection device 700 according to the second embodiment in that the output-side wirings 828a to 828c are used as the bridge capacitor 12.
  • the output-side wirings 828a, 828b, and 828c are formed sufficiently long in the height direction of the electrode unit 620. By doing so, as shown in FIG. 28, the output-side wirings 828 a, 828 b, and 828 c constitute the electrode of the bridge capacitor 12. Therefore, the liquid level detection device 800 of the present embodiment does not need to be provided with a dedicated bridge capacitor 12.

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Abstract

　高速化、耐ノイズ性の向上、および、高精度化を図ることができる静電容量計測装置を提供する。静電容量計測装置（１０）は、計測対象の静電容量（Ｃｎ）の他端側に対して直列接続されるブリッジ用キャパシタ（１２）と、計測対象の静電容量（Ｃｎ）の他端側に対して直列接続されると共に、ブリッジ用キャパシタ（１２）に対して並列接続される充放電用スイッチング素子（ＳＷ１０）とを備える。計測対象の静電容量（Ｃｎ）は、充放電用スイッチング素子（ＳＷ１０）が閉状態となることで放電され、充放電用スイッチング素子（ＳＷ１０）を開状態にすることで充電する。計測器（１４）は、充電工程のときに、計測対象の静電容量（Ｃｎ）の他端側の電位（Ｖｏｕｔ）に基づいて、計測対象の静電容量（Ｃｎ）の相当値を取得する。

Description

静電容量計測装置、静電容量型面状センサ装置および静電容量型液位検出装置
　本発明は、静電容量計測装置、当該計測装置を用いた静電容量型面状センサ装置、静電容量型液位検出装置に関するものである。
　被測定容量の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する装置が、国際公開第２０１１／００４７２７号（特許文献１）に記載されている。当該装置は、被測定容量Ｃｘ１に対して基準容量Ｃｓを第１の電位源Ｖ１側に直列接続し、一方端が第１の電位源Ｖ１に接続された基準容量の両端間に配置された第１スイッチと、一方端が第２の電位源もしくは自由空間に接続された被測定容量の他方端と前記基準容量の他方端との間に配置された第２スイッチと、前記被測定容量の両端間に配置された第３スイッチとを備える。
　そして、第１スイッチを閉状態にした後に開状態にする第１スイッチ操作の後に、第２スイッチの閉状態への操作と、第３スイッチの閉状態への操作とを交互に繰り返したときに、基準容量Ｃｓの端子の電位が設定電位Ｖｒｅｆまで変化するまでの繰り返し回数をカウントする。そして、第２スイッチの操作を行う時間を異ならしめた場合のそれぞれの繰り返し回数Ｎ１，Ｎ２に基づいて、被測定容量の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する。
　また、複数行の電極と複数列の電極とを対向させてマトリックス状の計測対象位置のそれぞれの静電容量を計測することが、特開２００５－３０９０１号公報（特許文献２）に記載されている。当該装置は、計測対象位置の静電容量の一方に対してパルス信号を出力した場合に、静電容量の他方に流れる電流を計測することにより、静電容量を計測している。
　また、静電容量の計測装置は、特許第３３７９３８８号公報（特許文献３）、特許第２５６１０４０号公報（特許文献４）、国際公開第２０１１／１２５７２５号（特許文献５）などに記載されている。また、静電容量を用いて液位を検出する装置が、特開平１１－３１１５６２号公報（特許文献６）、特開２００６－３３７１７３号公報（特許文献７）に記載されている。
国際公開第２０１１／００４７２７号 特開２００５－３０９０１号公報 特許第３３７９３８８号公報 特許第２５６１０４０号公報 国際公開第２０１１／１２５７２５号 特開平１１－３１１５６２号公報 特開２００６－３３７１７３号公報
　ところで、従来、静電容量の計測は、静電容量の一方に交流電圧を印加した場合に、静電容量の他方に流れる電流を計測することにより行われることが一般的であった。しかしながら、電流値に基づいて静電容量を計測した場合には、電流値が小さな値となってしまうため、ノイズの影響を受けることにより高精度な静電容量を計測することができない。
　また、計測対象の静電容量に対して別の既定の静電容量を直列に接続し、定電圧を印加した場合において、静電容量間の電位を計測することにより、計測対象の静電容量を算出することが可能である。つまり、この場合の計測対象は、電流値ではなく電圧値である。しかし、２つの静電容量間の電位は不定であるため、当該静電容量間の電位を用いて計測された静電容量は高精度ではない。また、上述した従来の技術では、非常に複雑な計測装置である。
　また、特許文献５に記載の装置では、コンデンサＣ１に蓄電されるまでの時間を要するため、計測対象の静電容量を高速に計測することが容易ではない。
　本発明は、計測対象となる静電容量と直列接続された別の既定の静電容量との間の電位を計測する方法を採用することにより計測の高速化および耐ノイズ性の向上を図ると共に、静電容量間の電位を計測した場合であっても計測対象の静電容量を高精度に計測できる静電容量計測装置を提供することを目的とする。
　また、当該計測装置を用いた静電容量型面状センサ装置および静電容量型液位検出装置を提供することを目的とする。すなわち、高速かつ高精度に計測対象の静電容量を計測することができる静電容量型面状センサ装置および静電容量型液位検出装置を提供する。
　＜静電容量計測装置＞
　そこで、本発明者らは、２つの静電容量間の電位をグランド電位に放電した状態を基準状態とすることで、２つの静電容量間の電位の計測により計測対象の静電容量を計測することが可能であることを発見した。
　すなわち、本手段に係る静電容量計測装置は、計測対象の静電容量の一端側に対して、定電圧である入力電圧を印加する入力電圧印加手段と、前記計測対象の静電容量の他端側に対して直列接続され、前記計測対象の静電容量の他端側とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、前記計測対象の静電容量の他端側に対して直列接続されると共に、前記ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測対象の静電容量の他端側の電荷をグランド電位に放電する充放電用スイッチング素子と、前記入力電圧を印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測対象の静電容量の電荷をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を印加する状態にすることで、前記計測対象の静電容量に充電する工程とを実行するコントローラと、前記コントローラによる前記充電する工程において、前記計測対象の静電容量と前記ブリッジ用キャパシタとの間の電位に基づいて、前記計測対象の静電容量相当値を取得する計測器と、を備える。
　ブリッジ用キャパシタが計測対象の静電容量に対して直列接続されており、計測器が、計測対象の静電容量とブリッジ用キャパシタとの間の電位（中間電位）、すなわち計測対象の静電容量の他端側の電位に基づいて静電容量相当値を取得している。ここで、２つのキャパシタの中間電位は不定であるため、当該中間電位を用いて計測された静電容量は高精度ではない。
　しかし、充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、計測対象の静電容量の電荷が放電される。すなわち、上記中間電位がグランド電位になる。そして、この状態を基準状態とする。つまり、基準状態における中間電位は、グランド電位に等しい。換言すると、充放電用スイッチング素子を閉状態にすることによって、中間電位のキャリブレーションを行うことができる。
　そして、計測器は、放電された後に、充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ入力電圧を印加した状態にされた時に、計測対象の静電容量の他端側の電位を計測する。つまり、計測器が計測する電位は、計測対象の静電容量に応じた電位となる。従って、本手段の計測装置は、計測対象の静電容量を高精度に計測できる。
　さらに、上記手段は、中間電位を用いて静電容量を計測する手法であるため、電流計測の場合に比べて、ノイズの影響を受けにくくなり、高精度な静電容量の計測が可能となる。さらに、中間電位を用いた計測であることは、高速な計測を可能とするものである。また、充放電用スイッチング素子を閉状態にするキャリブレーションは、短時間で行うことができる。このことからも、全体として、高速な静電容量の計測が可能となる。
　以下に、本手段に係る静電容量計測装置の好適な態様について説明する。
　好ましくは、前記入力電圧印加手段は、前記入力電圧を印加可能な定電圧電源と、一端側を前記計測対象の静電容量の一端側に接続し、他端側を前記定電圧電源とグランド電位との一方に接続し、前記定電圧電源により前記入力電圧を前記計測対象の静電容量に印加する状態と、前記計測対象の静電容量に前記入力電圧を印加しない状態とを切り替える入力用スイッチング素子と、を備える。これにより、中間電位を基準状態の電位に確実にできると共に、計測対象の静電容量に入力電圧を印加する状態を確実に形成できる。その結果、高精度な静電容量相当値が取得される。
　また、好ましくは、前記静電容量計測装置は、一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備える。これにより、高精度な計測対象の静電容量相当値が取得される。
　また、好ましくは、前記入力電圧と前記第二入力電圧とを印加しない第一状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧の一方を印加し他方を印加しない第二状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧とを印加する第三状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧の前記一方を印加せず前記他方を印加する第四状態、の順に切り替えて、前記計測器は、前記第二状態、前記第三状態または前記第四状態における前記計測対象の静電容量の他端側の電位に基づいて、前記計測対象の静電容量相当値を取得する。
　これにより、確実に、高精度な計測対象の静電容量相当値が得られる。
　また、好ましくは、前記ブリッジ用キャパシタの静電容量は、前記計測対象の静電容量の他端側とグランド電位との間における静電容量に対して、大きな静電容量とする。これにより、計測対象の静電容量の他端側とグランド電位との間に存在する静電容量の影響度が確実に小さくなる。従って、高精度な計測対象の静電容量相当値が得られる。
　また、好ましくは、前記静電容量計測装置は、センサ本体における複数の計測対象の静電容量相当値のそれぞれを取得し、前記センサ本体の等価回路は、複数行の第一電極と、前記複数行の第一電極に対してマトリックス状となるように配置される複数列の第二電極と、前記複数行の第一電極と前記複数列の第二電極とがそれぞれ立体交差する複数位置に設けられる複数の誘電層とを備え、前記センサ本体における複数の計測対象の静電容量相当値は、前記複数の誘電層のそれぞれの位置に対応する前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量相当値である。
　つまり、等価回路において、複数の計測対象の静電容量が、マトリックス状に配置される。そして、上述した静電容量計測装置を用いて、マトリックス状の計測対象の静電容量相当値のそれぞれが高精度に得られる。
　また、好ましくは、前記計測器は、前記複数行の第一電極のうち一つの第一電極に前記入力電圧を印加し、残りの第一電極をグランド電位に接続した場合に、選択された第二電極におけるそれぞれの電圧と、未知数としての、前記選択された第二電極と前記複数行の第一電極のそれぞれと立体交差する複数位置の静電容量と、により表される連立方程式を解くことにより、未知数としてのそれぞれの静電容量相当値を取得する。
　ある計測対象の静電容量の他端側の電位を計測する場合に、他の静電容量の影響を受ける場合がある。そこで、上記のように、計測装置は、複数の計測対象の静電容量を未知数として、それぞれの計測対象の静電容量と、当該計測対象の静電容量影響を及ぼす静電容量とにより表される連立方程式を解く。従って、未知数としてのそれぞれの静電容量相当値が高精度に得られる。
　＜静電容量型面状センサ装置＞
　次に、上述した静電容量計測装置を用いた静電容量型面状センサ装置について説明する。
　本手段に係る静電容量型面状センサ装置は、帯状に形成され相互に平行に配置された複数行の第一電極と、帯状に形成され相互に平行に配置される複数列の第二電極であり、前記複数行の第一電極との対向位置がマトリックス状となるように前記第一電極に対向して設けられた前記複数列の第二電極と、前記複数行の第一電極のそれぞれの第一電極と前記複数列の第二電極のそれぞれの第二電極との間に設けられた誘電層と、それぞれの前記第一電極とそれぞれの前記第二電極との対向位置に対応するマトリックス状位置のそれぞれにおける静電容量相当値を取得する上述した前記静電容量計測装置と、を備え、前記計測対象の静電容量の一端側は、前記第一電極であり、前記計測対象の静電容量の他端側は、前記第二電極である。
　当該面状センサ装置は、マトリックス状に配置される複数の計測対象の静電容量を有することになる。この場合に、上述した静電容量計測装置を用いることで、マトリックス状の計測対象の静電容量相当値のそれぞれが高精度に得られる。
　以下に、本手段に係る静電容量型面状センサ装置の好適な態様について説明する。
　好ましくは、前記静電容量型面状センサ装置は、前記第二電極に対して前記第一電極とは反対側に対向するように設けられ、グランド電位に接続された第三電極をさらに備え、前記第二電極と前記第三電極とにより形成されるキャパシタが、前記ブリッジ用キャパシタである。
　第三電極がブリッジ用キャパシタの一方の電極として適用されることになる。従って、構造が容易となる。
　好ましくは、前記静電容量型面状センサ装置は、前記第二電極に対して前記第一電極とは反対側に対向するように設けられる第三電極をさらに備え、前記静電容量計測装置は、一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備え、前記第二電極と前記第三電極とにより形成されるキャパシタが、前記第二キャパシタを構成する。
　第二電極と第三電極とにより形成されるキャパシタが第二キャパシタを構成するため、専用の第二キャパシタが不要となる。
　＜静電容量型液位検出装置＞
　次に、上述した静電容量計測装置を用いた静電容量型液位検出装置について説明する。
　本手段に係る静電容量型液位検出装置は、液体を貯留するタンク内に、高さ方向にずらして配置される複数の電極と、前記複数の電極のうち選択された２個の電極の間の静電容量相当値を前記計測対象の静電容量相当値として取得する上述した前記静電容量計測装置と、前記計測対象の静電容量相当値に基づいて前記タンク内の液位を判定する判定部と、を備える。
　上述した静電容量計測装置を用いることで、計測対象の静電容量相当値のそれぞれが高精度に得られる。従って、高精度な液位が得られる。
　以下に、本手段に係る静電容量型液位検出装置の好適な実施態様について説明する。
　好ましくは、前記判定部は、前記計測対象の静電容量相当値に基づいて液質を判定する。静電容量は、液質に応じた値となる。従って、タンク内の液体の液質が、高精度に得られる。
　好ましくは、前記静電容量計測装置は、一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備え、前記計測対象の２個の電極のうち下側に位置する電極とさらに下側に位置する電極とにより形成されるキャパシタが、前記第二キャパシタを構成し、前記判定部は、前記計測対象の静電容量相当値に基づいて異なる種類の液体の境界を判定する。
　高さ方向で隣り合う電極間の静電容量を比べることにより、一致すれば、同種の液体が存在することが分かり、異なれば、異なる液体が存在することが分かる。従って、異なる種類の液体が存在する場合に、その境界が高精度に得られる。
第一実施形態の静電容量計測装置１０の回路構成を示す。 第一実施形態において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１および出力電圧Ｖｏｕｔの動作のタイミングチャートである。 第二実施形態の静電容量計測装置２０の回路構成を示す。 第三実施形態の静電容量計測装置３０の回路構成を示す。 第三実施形態において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１，ＳＷ１２、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１、第二キャパシタの一端側の電位Ｖｉｎ２および出力電圧Ｖｏｕｔの動作のタイミングチャートである。 ＳＷ１０を閉状態（ＯＮ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の計測回路を示す。 ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１をグランド電位、ＳＷ１２を電源に接続した場合の計測回路を示す。 ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２を電源に接続した場合の計測回路を示す。 ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１を電源に、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の計測回路を示す。 第四実施形態において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１，ＳＷ１２、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１、第二キャパシタの一端側の電位Ｖｉｎ２および出力電圧Ｖｏｕｔの動作のタイミングチャートである。 第一実施形態の静電容量型面状センサ装置１００の構成を示し、センサ本体１１０を平面図として示す。 図１１の静電容量型面状センサ装置１００の構成を示し、センサ本体１１０を断面図として示す。 図１１および図１２のセンサ本体１１０の一部分を取り出した場合の回路図である。 計測対象位置の静電容量をＣ１とした場合における計測回路全体を示す。 図１４の計測回路を置換した回路を示す。 第二実施形態の静電容量型面状センサ装置２００の構成を示し、センサ本体１１０を断面図として示す。 図１６において、計測対象位置の静電容量をＣ１とした場合における計測回路を示す。 第三実施形態の静電容量型面状センサ装置３００において、計測対象位置の静電容量をＣ１とした場合における計測回路を示す。 第四実施形態の静電容量型面状センサ装置を説明するための各静電容量Ｃ１～Ｃ９の静電容量値を示す。 第四実施形態において連立方程式による手法と、非連立方程式による手法により得られる静電容量の違いを示すグラフである。 第一実施形態の静電容量型液位検出装置６００の構成を示す。 図２１のセンサ本体６２１の詳細構成を示す。 第一実施形態のセンサ本体６２１の等価回路を示す。 第一実施形態の静電容量型液位検出装置６００の回路構成を示す。 第二実施形態の静電容量型液位検出装置７００のセンサ本体７２１の詳細構成を示す。 第二実施形態の静電容量型液位検出装置７００の回路構成を示す。 第三実施形態の静電容量型液位検出装置８００のセンサ本体７２１の詳細構成を示す。 第三実施形態の静電容量型液位検出装置８００の回路構成を示す。
　＜第一実施形態の静電容量計測装置＞
　第一実施形態における静電容量計測装置１０は、図１に示すように、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を計測する装置である。静電容量計測装置１０は、定電圧電源１１、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１、ブリッジ用キャパシタ１２、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０、コントローラ１３、計測器１４を備える。
　定電圧電源１１（入力電圧印加手段）は、定電圧である入力電圧Ｖｉｎを印加可能な電源である。第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１（入力電圧印加手段）は、一端側を計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に接続し、他端側を定電圧電源１１とグランド電位との一方に切り替え可能に接続する。つまり、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１が定電圧電源１１側に接続されている場合には、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に入力電圧Ｖｉｎが印加される状態となる。一方、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１がグランド電位側に接続されている場合には、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側には入力電圧Ｖｉｎが印加されない状態となる。
　ブリッジ用キャパシタ１２は、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側（定電圧電源１１とは異なる側）に対して直列接続され、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側とグランド電位との間に接続される。つまり、計測対象の静電容量Ｃｎとブリッジ用キャパシタ１２とが、ブリッジ回路を構成する。ここで、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量は、Ｃｂである。
　充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側に対して直列接続されると共に、ブリッジ用キャパシタ１２に対して並列接続される。さらに、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は、閉状態時に計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電荷をグランド電位に放電する。
　コントローラ１３は、以下に示す放電工程と充電工程とを交互に実行する。すなわち、コントローラ１３は、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることで、計測対象の静電容量Ｃｎの電荷をグランド電位に放電する（放電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態とは、計測対象の静電容量Ｃｎに対して入力電圧Ｖｉｎを印加していない状態に相当する。上記放電工程により、計測対象の静電容量Ｃｎの電荷を基準状態としてのグランド電位に設定することで、キャリブレーションを行うことができる。
　また、コントローラ１３は、上記放電工程の後に、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を定電圧電源１１側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にすることで、計測対象の静電容量Ｃｎに充電する（充電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を定電圧電源１１側に接続した状態とは、計測対象の静電容量Ｃｎに対して入力電圧Ｖｉｎを印加する状態に相当する。
　計測器１４は、コントローラ１３が充電工程を実行する場合において、計測対象の静電容量Ｃｎとブリッジ用キャパシタ１２との間の電位Ｖｏｕｔ（以下、「出力電圧」とも称する）に基づいて、計測対象の静電容量相当値を取得する。なお、出力電圧Ｖｏｕｔは、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位に相当する。
　ここで、計測対象の静電容量Ｃｎ、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂ、入力電圧Ｖｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔは、式（１）の関係を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂおよび入力電圧Ｖｉｎは、既知である。従って、式（１）より、計測器１４は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得できる。
　次に、コントローラ１３が実行する充放電用スイッチング素子ＳＷ１０の開閉のタイミングと、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１および出力電圧Ｖｏｕｔの関係について、図２を参照して説明する。ｔ１～ｔ２において、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０がＯＮ（閉状態）とされる。また、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１がグランド電位側に接続される。従って、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１が、グランド電位となる。
　上記動作によって、計測対象の静電容量Ｃｎの電荷が、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を介して、放電される。その結果、計測対象の静電容量Ｃｎとブリッジ用キャパシタ１２との間の電位（出力電圧）Ｖｏｕｔが基準状態としてのグランド電位となる。つまり、上記動作前においては、出力電圧Ｖｏｕｔが不定であったが、上記動作によって、出力電圧Ｖｏｕｔがグランド電位に設定される。
　続いて、ｔ２～ｔ４において、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０がＯＦＦ（開状態）とされ、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１が定電圧電源１１側に接続される。従って、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１が、入力電圧Ｖｉｎとなる。上記動作によって、計測対象の静電容量Ｃｎに電荷が充電される。充電に要する時間を経過した後に、計測器１４が、出力電圧Ｖｏｕｔを計測する。図２においては、ｔ３～ｔ４において、計測器１４が出力電圧Ｖｏｕｔを計測する。
　続いて、ｔ４～ｔ５において、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０はＯＮ（閉状態）とされ、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１がグランド電位側に接続される。この動作によって、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１はグランド電位となり、計測対象の静電容量Ｃｎの電荷が放電される。すなわち、上記出力電圧Ｖｏｕｔがグランド電位になる。続いて、ｔ５～ｔ９は、上述したｔ１～ｔ５と同様の動作を繰り返す。
　上記のとおり、ブリッジ用キャパシタ１２が計測対象の静電容量Ｃｎに対して直列接続されており、計測器１４が、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位、すなわち計測対象とブリッジ用キャパシタ１２との間の電位（出力電圧）Ｖｏｕｔに基づいて静電容量相当値を取得している。ここで、単なる２つのキャパシタの中間電位は不定であるため、当該中間電位を用いて計測された静電容量は高精度ではない。
　しかし、上記の通り、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることで、計測対象の静電容量Ｃｎの電荷が放電される。すなわち、上記出力電圧（中間電位）Ｖｏｕｔが基準状態としてのグランド電位になる。つまり、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることによって、出力電圧Ｖｏｕｔのキャリブレーションを行うことができる。
　そして、計測器１４は、放電された後に、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にし、且つ、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に入力電圧Ｖｉｎを印加した状態にされた時に、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位を計測する。つまり、計測器１４が計測する電位は、計測対象の静電容量Ｃｎに応じた電位となる。従って、静電容量計測装置１０は、計測対象の静電容量Ｃｎを高精度に計測できる。
　＜第二実施形態の静電容量計測装置＞
　第二実施形態の静電容量計測装置２０は、図３に示すように、電源１１、ブリッジ用キャパシタ１２、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０、コントローラ１３、計測器１４を備える。
　第二実施形態の静電容量計測装置２０は、第一実施形態の静電容量計測装置１０に対して、静電容量Ｃｙを追加している。静電容量Ｃｙは、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側とグランド電位との間に存在する静電容量である。例えば、静電容量Ｃｙは、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電極と、近くに存在する電極との間に形成される。
　つまり、ブリッジ用キャパシタ１２は、当該静電容量Ｃｙに対して並列接続される。ここで、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂは、静電容量Ｃｙより大きくなるように設定される。静電容量Ｃｙは、ある程度、予め推定することができる。そこで、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂを設定する。特に、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂは、静電容量Ｃｙの１００倍以上に設定するとよい。
　ここで、計測対象の静電容量Ｃｎ、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂ、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔおよび静電容量Ｃｙは、式（２）の関係を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）から明らかなように、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂが静電容量Ｃｙに対して十分に大きい場合には、（Ｃｂ＋Ｃｙ）は、Ｃｂに近似した値となる。従って、計測対象の静電容量Ｃｎは、式（１）と同様の関係から導き出される。このように、計測対象の静電容量Ｃｎの他端側とグランド電位との間の静電容量Ｃｙの影響度が確実に小さくなる。従って、高精度な計測対象の静電容量Ｃｎの相当値が得られる。
　＜第三実施形態の静電容量計測装置＞
　第三実施形態の静電容量計測装置３０は、図４に示すように、定電圧電源１１、ブリッジ用キャパシタ１２、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０、コントローラ１３、計測器１４、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１、第二キャパシタ３１、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２を備える。
　第三実施形態の静電容量計測装置３０は、第二実施形態の静電容量計測装置２０に対して、第二キャパシタ３１および第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２を追加している。第二キャパシタ３１は、一端側に定電圧としての第二入力電圧Ｖｉｎ（本実施形態においては入力電圧Ｖｉｎと同一）を印加され、他端側を計測対象の静電容量Ｃｎの他端側に接続される。
　第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２は、一端側を第二キャパシタ３１の一端側に接続し、他端側を定電圧電源１１とグランド電位との一方に切り替え可能に接続する。つまり、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２が定電圧電源１１側に接続されている場合には、第二キャパシタ３１の一端側に第二入力電圧Ｖｉｎが印加される状態となる。一方、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２がグランド電位側に接続されている場合には、第二キャパシタ３１の一端側には第二入力電圧Ｖｉｎが印加されない状態となる。
　ここで、コントローラ１３が実行する各スイッチング素子ＳＷ１０，ＳＷ１１，ＳＷ１２の切替タイミングと、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１、第二キャパシタ３１の一端側の電位Ｖｉｎ２および出力電圧Ｖｏｕｔの関係は、図５に示すとおりである。
　図５に示すように、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は、ｔ１～ｔ２、ｔ５～ｔ６は、ＯＮ（閉状態）にされ、ｔ２～ｔ５、ｔ６～ｔ９は、ＯＦＦ（開状態）にされる。第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１は、ｔ１～ｔ３、ｔ５～ｔ７は、グランド電位に接続され、ｔ３～ｔ５、ｔ７～ｔ９は、定電圧電源１１に接続される。第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２は、ｔ１～ｔ２、ｔ４～ｔ６、ｔ８～ｔ９は、グランド電位に接続され、ｔ２～ｔ４、ｔ６～ｔ８は、定電圧電源１１に接続される。
　ここで、入力電圧Ｖｉｎを計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に印加せず、かつ、第二入力電圧Ｖｉｎを第二キャパシタ３１の一端側に印加しない状態を、第一状態とする。入力電圧Ｖｉｎを計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に印加せず、かつ、第二入力電圧Ｖｉｎを第二キャパシタ３１の一端側に印加する状態を、第二状態とする。入力電圧Ｖｉｎを計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に印加し、かつ、第二入力電圧Ｖｉｎを第二キャパシタ３１の一端側に印加する状態を、第三状態とする。入力電圧Ｖｉｎを計測対象の静電容量Ｃｎの一端側に印加し、かつ、第二入力電圧Ｖｉｎを第二キャパシタ３１の一端側に印加しない状態を、第四状態とする。
　そして、図５に示すように、第一状態、第二状態、第三状態、第四状態の順に切り替える。このとき、出力電圧Ｖｏｕｔは、図５の最下欄に示すようになる。そして、計測器１４は、第二状態（ｔ２～ｔ３）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ２と、第三状態における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ３との差（Ｖｏ２－Ｖｏ３）に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得する。または、計測器１４は、第四状態（ｔ４～ｔ５）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ４に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得する。
　ここで、第一状態から第四状態までのそれぞれにおける等価回路の構成および出力電圧Ｖｏｕｔについて、図６～図９を参照して説明する。
　第一状態（図５のｔ１～ｔ２）では、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は閉状態であり、第一，第二入力用スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、グランド電位に接続される。従って、この状態の回路は、図６に示すようになる。図６に示すように、静電容量Ｃａ，Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの一方の全てがグランド電位に接続され、これら静電容量Ｃａ，Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの他方が計測器１４に接続される。さらに、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０が閉状態であるため、静電容量Ｃａ，Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの他方の電位はグランド電位（ここでは、０（ゼロ））となる。このときの計測器１４により計測される電位Ｖｏ１（出力電圧Ｖｏｕｔ）は、式（３）に表される。つまり、電位Ｖｏ１は、基準状態の電位として０となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第二状態（図５のｔ２～ｔ３）では、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は開状態であり、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１がグランド電位に接続され、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２が定電圧電源１１に接続される。このとき、図７に示すように、静電容量Ｃａの一方が定電圧電源１１に接続され、他の静電容量Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの一方がグランド電位に接続される。つまり、計測器１４により計測される電位Ｖｏ２は、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの合計値との中間電位となる。このときの計測器１４により計測される電位Ｖｏ２は、式（４）に表される。つまり、電位Ｖｏ２は、第二キャパシタ３１の静電容量Ｃａに相当する電位となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　第三状態（図５のｔ３～ｔ４）では、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は開状態であり、第一、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２共に定電圧電源１１に接続されている。このとき、図８に示すように、静電容量Ｃａ，Ｃｎの一方が定電圧電源１１に接続され、他の静電容量Ｃｙ，Ｃｎの一方がグランド電位に接続され、これら静電容量Ｃａ，Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの他方が計測器１４に接続される。つまり、計測器１４により計測される電位Ｖｏ３は、静電容量Ｃａ，Ｃｎの合計値と静電容量Ｃｙ，Ｃｂの合計値との中間電位となる。このときの計測器１４により計測される電位Ｖｏ３は、式（５）に表される。つまり、電位Ｖｏ３は、静電容量Ｃａ，Ｃｎの合計値に相当する電位となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　第四状態（図５のｔ４～ｔ５）では、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は開状態であり、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１は定電圧電源１１に接続され、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２はグランド電位に接続されている。このとき、図９に示すように、静電容量Ｃｎの一方が定電圧電源１１に接続され、他の静電容量Ｃａ，Ｃｙ，Ｃｂの一方がグランド電位に接続され、これら静電容量Ｃａ，Ｃｎ，Ｃｙ，Ｃｂの他方が計測器１４に接続される。つまり、計測器１４により計測される電位Ｖｏ４は、静電容量Ｃｎと静電容量Ｃａ，Ｃｙ，Ｃｂの合計値との中間電位となる。このときの計測器１４により計測される電位Ｖｏ４は、式（６）に表される。つまり、電位Ｖｏ４は、計測対象の静電容量Ｃｎに相当する電位となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、上述したように、計測器１４は、第四状態（ｔ４～ｔ５）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ４に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得することができる。電位Ｖｏ４を用いる計測の場合には、第一状態と第四状態との切替で足りる。しかし、電位Ｖｏ４は、グランド電位に近い値であるため、ノイズの影響を受ける可能性がある。
　そこで、計測器１４は、第二状態（ｔ２～ｔ３）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ２と、第三状態における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ３との差（Ｖｏ２－Ｖｏ３）に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得することで、より高精度な静電容量相当値を得ることができる。つまり、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１と第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２のタイミングを、図５に示すように、第一状態→第二状態→第三状態→第四状態の順に切り替えることにより、第二状態の出力電圧Ｖｏ２と第三状態の出力電圧Ｖｏ３との差を利用することができる。
　＜第四実施形態の静電容量計測装置＞
　次に、第四実施形態の静電容量計測装置は、第三実施形態の静電容量計測装置３０に対して、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０の切替動作のみ相違する。図１０に示すように、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は、ｔ１～ｔ２、ｔ３～ｔ６、ｔ７～ｔ９は、ＯＦＦ（開状態）とされ、ｔ２～ｔ３、ｔ６～ｔ７は、ＯＮ（閉状態）とされる。第一、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２、計測対象の静電容量Ｃｎの一端側の電位Ｖｉｎ１、第二キャパシタ３１の一端側の電位Ｖｉｎ２は、第三実施形態と同様である。
　充放電用スイッチング素子ＳＷ１０が閉状態とされる第二状態のときを基準状態として、キャリブレーションが行われる。つまり、出力電圧Ｖｏｕｔは、第二状態（ｔ２～ｔ３、ｔ６～ｔ７）のときの出力電圧Ｖｏ２をゼロとした値を示す。従って、計測器１４は、第三状態の出力電圧Ｖｏ３を計測するのみで、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得することができる。
　＜第一実施形態の静電容量型面状センサ装置＞
　次に、上述した静電容量計測装置を用いた静電容量型面状センサ装置について説明する。
　（静電容量型センサ装置の全体構造）
　図１１および図１２に示すように、静電容量型面状センサ装置１００は、シート状（面状）に形成されたセンサ本体１１０を備えており、当該センサ本体１１０における電極間の静電容量（計測対象の静電容量）を計測する。
　ここで、センサ本体１１０は、外力が付与された位置および大きさを検出する感圧センサとして適用することができ、人間の指などの導電体が接触または接近した位置を検出するタッチパネルとして適用することもできる。そして、図１１および図１２に示すように、静電容量型面状センサ装置１００は、センサ本体１１０と、静電容量計測装置１６０とを備える。
　（センサ本体１１０の詳細構成）
　本実施形態においては、センサ本体１１０は、シート状に形成されており、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。このセンサ本体１１０は、平面形状のみならず、曲面形状とすることもできる。ただし、以下において、図１１および図１２を参照して、平面形状のセンサ本体１１０を例に挙げる。なお、上述したように、センサ本体１１０をタッチパネルとして適用する場合には、可撓性および伸縮性は必ずしも必要ではない。
　センサ本体１１０は、複数行の第一電極１２０（１２１～１２８）と、複数列の第二電極１３０（１３１～１３８）と、誘電層１４１と、絶縁層１４２，１４３（図１２に示す）とを備える。複数行の第一電極１２０のそれぞれの第一電極１２１～１２８は、帯状に形成され、図１１の上下方向に延びるように、かつ相互に平行に配置されている。
　複数列の第二電極１３０のそれぞれの第二電極１３１～１３８は、帯状に形成され、図１１の左右方向に延びるように、かつ相互に平行に配置されている。なお、図１１には、複数行の第一電極１２０および複数列の第二電極１３０は、８行、８列で図示するが、これに限られるものではない。
　複数行の第一電極１２０と複数列の第二電極１３０とは、面法線方向（図１１の紙面前後方向、図１２の上下方向）に距離を隔てて対向して設けられている。そして、複数行の第一電極１２０と複数列の第二電極１３０との対向位置がマトリックス状となるように、両者が配置されている。つまり、それぞれの第一電極１２１～１２８は、それぞれの第二電極１３１～１３８に対して対向しており、両者の対向位置が、８行×８列のマトリックス状となる。８行×８列のマトリックス状位置のそれぞれが、静電容量の計測対象位置となり得る。
　また、それぞれの第一電極１２１～１２８およびそれぞれの第二電極１３１～１３８は、エラストマーまたは樹脂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１２０，１３０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１２０，１３０を構成するエラストマーには、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１２０，１３０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。また、第一，第二電極１２０，１３０を構成する樹脂には、例えば、ポリエステル樹脂、変性ポリエステル樹脂、ポリエーテルウレタン樹脂、ポリカーボネートウレタン樹脂、塩化ビニル－酢酸ビニル共重合体、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ニトロセルロース、変性セルロース類などが適用できる。
　誘電層１４１は、それぞれの第一電極１２１～１２８とそれぞれの第二電極１３１～１３８との間に設けられている。センサ本体１１０を感圧センサとして適用する場合には、誘電層１４１は、外力によって厚みを異ならせるように圧縮変形可能とされている。
　誘電層１４１は、エラストマーまたは樹脂により成形され、第一，第二電極１２０，１３０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１４１を構成するエラストマーには、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。また、誘電層１４１を構成する樹脂には、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂（架橋発泡ポリスチレン樹脂を含む）、ポリ塩化ビニル－ポリ塩化ビニリデン共重合体、エチレン－酢酸共重合体などが適用できる。
　絶縁層１４２，１４３は、第一電極１２０側の表面および第二電極１３０側の裏面をそれぞれ被覆するように設けられる。絶縁層１４２，１４３は、第一，第二電極１２０，１３０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１４２，１４３を構成するエラストマーまたは樹脂は、例えば、誘電層１４１を構成するエラストマーまたは樹脂として記載した材料が適用される。
　図１２に示すように、上記のように構成されるセンサ本体１１０がセンサ本体１１０の面法線方向（図１２の上下方向）に圧縮する外力Ｆを受けた場合には、誘電層１４１が面法線方向に圧縮変形する。その結果、外力Ｆが付与された部位に位置する第一，第二電極１２０，１３０間の離間距離が小さくなる。この場合、当該部位における第一，第二電極１２０，１３０間の静電容量が大きくなるように変化する。そこで、それぞれの第一電極１２１～１２８およびそれぞれの第二電極１３１～１３８が対向するマトリックス状位置のそれぞれについて、静電容量の変化を計測することにより、外力Ｆを受けた位置を計測できる。さらに、マトリックス状位置のそれぞれの静電容量の絶対値を計測することにより、外力Ｆの大きさを計測することができる。
　（センサ本体の回路）
　ここで、図１１に示すように、センサ本体１１０は、例えば８行の第一電極１２０と８列の第二電極１３０とにより構成される。ただし、以下において、静電容量計測装置の説明の容易化のため、３行の第一電極１２０（１２１～１２３）と３列の第二電極１３０（１３１～１３３）について説明する。
　この場合のセンサ本体１１０の回路図は、図１３のように表される。つまり、それぞれの第一電極１２１～１２３とそれぞれの第二電極１３１～１３３との間に、静電容量Ｃ１～Ｃ９が形成される。例えば、第一電極１２１と第二電極１３１との間の静電容量がＣ１であり、第一電極１２２と第二電極１３２との間の静電容量がＣ５である。ここで、それぞれの第一電極１２１～１２３の端子は、Ｐｉ１～Ｐｉ３とし、それぞれの第二電極１３１～１３３の端子は、Ｐｏ１～Ｐｏ３とする。
　（静電容量計測装置の構成）
　次に、静電容量計測装置１６０の構成について、図１４および図１５を参照して説明する。ここで、本実施形態の静電容量計測装置１６０は、図４を参照して説明した第三実施形態の静電容量計測装置３０の回路構成を採用する。
　図１３において、センサ本体１１０におけるそれぞれの第一電極１２１～１２３の端子Ｐｉ１～Ｐｉ３は、接続を順に切り替えられ、さらに、それぞれの第二電極１３１～１３３の端子Ｐｏ１～Ｐｏ３は、接続を順に切り替えられる。ただし、説明の容易化のために、まず、第一電極１２１と第二電極１３１との対向位置を計測対象位置とし、静電容量Ｃ１を計測する場合について図１４を参照して説明する。
　図１４に示すように、静電容量計測装置１６０は、定電圧電源１１、ブリッジ用キャパシタ１２、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０、コントローラ１３、計測器１４、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１、第二キャパシタ３１、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２、計測対象変更スイッチＳＷ１２１～ＳＷ１２３，ＳＷ１３１～ＳＷ１３３を備える。ここで、本実施形態の静電容量計測装置１６０のうち第三実施形態の静電容量計測装置３０と同一構成は、同一符号を付す。
　計測対象変更スイッチＳＷ１２１～ＳＷ１２３は、第一電極１２１～１２３の端子Ｐｉ１～Ｐｉ３のうち一つを定電圧電源１１に接続し、残りの二つをグランド電位に接続する。そして、計測対象変更スイッチＳＷ１２１～ＳＷ１２３は、定電圧電源１１に接続する端子を切り替えることができる。計測対象変更スイッチＳＷ１３１～ＳＷ１３３は、第二電極１３１～１３３の端子Ｐｏ１～Ｐｏ３のうち一つを計測器１４に接続し、残りの二つをグランド電位に接続する。そして、計測対象変更スイッチＳＷ１３１～ＳＷ１３３は、計測器１４に接続する端子を切り替えることができる。ここでは、計測対象変更スイッチＳＷ１２１を定電圧電源１１に接続し、スイッチＳＷ１３１を計測器１４に接続し、他のスイッチＳＷ１２２，ＳＷ１２３，ＳＷ１３２，ＳＷ１３３をグランド電位に接続する。
　ブリッジ用キャパシタ１２は、設定された一定の静電容量Ｃｂを有する。ブリッジ用キャパシタ１２の一方は、計測対象変更スイッチＳＷ１３１～ＳＷ１３３を介して、それぞれの第二電極１３１～１３３に接続される。ブリッジ用キャパシタ１２の他方は、グランド電位に接続される。ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂは、計測対象位置の第二電極１３１とグランド電位との間に位置するマトリックス状位置の中の他の位置の静電容量に対して大きな静電容量の一定値に設定される。ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂは、上記他の位置の静電容量に対して例えば１００倍以上の静電容量の一定値とする。計測対象位置の静電容量がＣ１の場合には、マトリックス状位置の中の他の位置の静電容量は、Ｃ２，Ｃ３の合計値となる。つまり、ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量Ｃｂは、Ｃ２，Ｃ３の合計値の１００倍以上とする。
　ここで、静電容量Ｃ１を計測する場合において、第一電極１２１とグランド電位との間の静電容量Ｃ４，Ｃ７は、計測器１４により計測される電位Ｖｏｕｔにほとんど影響を及ぼさない。さらに、グランド電位に接続されている他の第一電極１２２、１２３とグランド電位に接続されている他の第二電極１３２、１３３との間の静電容量Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ９も、電位Ｖｏｕｔにほとんど影響を及ぼさない。従って、図１４におけるセンサ本体１１０の電気回路は、図１５のように置換して表すことができる。図１５において、一般化するために、静電容量Ｃ１を計測対象の静電容量を表すＣｎとし、静電容量Ｃ２，Ｃ３の合計をＣｙとして表す。各記号は、上記第三実施形態の静電容量計測装置３０における記号と同様である。
　従って、図１５に示す回路は、図４に示す回路に相当する。従って、図４にて説明したように、各スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２を動作させることにより、計測器１４は、計測対象位置の静電容量Ｃ１を高精度に取得することができる。
　＜第二実施形態の静電容量型面状センサ装置＞
　第二実施形態の静電容量型面状センサ装置２００について、図１６および図１７を参照して説明する。図１６に示すように、静電容量型面状センサ装置２００のセンサ本体２１０は、図１２に示すセンサ本体１１０に対して、第三電極２２０を追加されている。第三電極２２０は、第二電極１３０に対して第一電極１２０とは反対側に対向するように設けられ、グランド電位に接続される。つまり、第三電極２２０は、第二電極１３０の裏面側（図１６の下側）に、絶縁層２３０を介して設けられる。第三電極２２０は、絶縁層１４３とほぼ同程度の大きさである。そして、第三電極２２０の裏面側は、絶縁層１４３により被覆される。
　この場合の回路図は、図１７に示す。第二電極１３０と第三電極２２０とにより形成されるキャパシタが、図１５におけるブリッジ用キャパシタ１２として機能する。つまり、第二電極１３０と第三電極２２０との間の静電容量がＣｂとなる。このように、ブリッジ用キャパシタ１２が、第三電極２２０を用いて構成されるため、専用のキャパシタを設ける必要がない。従って、構造が容易となる。さらに、静電容量Ｃｎ，Ｃｂが一体的な部材として形成されているため、例えば温度変化に対して、両者が追従する。従って、温度が変化したとしても、計測対象の静電容量Ｃｎを高精度に計測できる。
　＜第三実施形態の静電容量型面状センサ装置＞
　第三実施形態の静電容量型面状センサ装置３００について、図１８を参照して説明する。図１８に示すように、静電容量型面状センサ装置３００のセンサ本体は、図１６にて示したセンサ本体２１０と同様に構成される。ただし、第三電極２２０は、グランド電位に接続されるのではなく、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２に接続される。
　つまり、図１８に示すように、第二電極１３０と第三電極２２０とにより形成されるキャパシタが第二キャパシタ３１を構成する。つまり、第二電極１３０と第三電極２２０との間の静電容量がＣａとなる。従って、専用の第二キャパシタが不要となる。さらに、静電容量Ｃｎ，Ｃａが一体的な部材として形成されているため、例えば温度変化に対して、両者が追従する。従って、温度が変化したとしても、計測対象の静電容量Ｃｎを高精度に計測できる。
　＜第四実施形態の静電容量型面状センサ装置＞
　第四実施形態の静電容量型面状センサ装置について、図１９および図２０を参照して説明する。上記実施形態において、計測器１４は、第二状態（ｔ２～ｔ３）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ２と、第三状態における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ３との差（Ｖｏ２－Ｖｏ３）に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得することとした。または、計測器１４は、第四状態（ｔ４～ｔ５）における計測対象の静電容量Ｃｎの他端側の電位Ｖｏ４に基づいて、計測対象の静電容量Ｃｎの相当値を取得することとした。
　本実施形態においては、計測器１４は、当該算出方法とは異なり、連立方程式を解くことにより、計測対象の静電容量Ｃｎを取得する。未知数を静電容量Ｃｎ１，Ｃｎ２，Ｃｎ３とした場合の連立方程式は、式（７）により表される。つまり、式（７）の連立方程式は、入力電圧Ｖｉｎ、選択された第二電極１３１におけるそれぞれの電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３と、未知数としての、選択された第二電極１３１と複数行の第一電極１２１，１２２，１２３のそれぞれと立体交差する複数位置の静電容量Ｃｎ１，Ｃｎ２，Ｃｎ３と、により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（７）の連立方程式を解くことで、静電容量Ｃｎ１，Ｃｎ２，Ｃｎ３が得られる。他の静電容量Ｃｎ４～Ｃｎ９についても、同様に、連立方程式を解くことにより得られる。
　ここで、Ｃ１～Ｃ９の静電容量を、１ｐＦ～９ｐＦとした場合に、本実施形態の連立方程式を解く手法と、上記実施形態における手法とを比べる。結果は、図２０に示すとおりである。図２０において、白丸は、設定容量であり、白四角は、本実施形態の連立方程式を解く手法の結果であり、黒丸は、上記実施形態における非連立方程式による手法の結果である。
　図２０に示すように、連立方程式を解く手法は、非連立方程式による手法に比べて、静電容量が高精度となる。ここで、非連立方程式による手法では、ある計測対象の静電容量の他端側の電位を計測する場合に、他の静電容量の影響を受けるためであると考えられる。そこで、連立方程式を解く手法は、他の静電容量を考慮した演算であるため、高精度な静電容量を得ることができる。
　＜静電容量型面状センサ装置のその他＞
　上記第二、第三実施形態のセンサ装置においては、静電容量Ｃｎ，Ｃｂ、または、静電容量Ｃｎ，Ｃａを一体的な部材として形成した。この他に、静電容量Ｃｎ，Ｃａ，Ｃｂを一体的な部材として形成してもよい。これにより、温度が変化したとしても、計測対象の静電容量Ｃｎをより高精度に計測できる。なお、全ての電極を重ね合わせる必要はなく、同一の基板上にそれぞれの電極を形成したとしても、上記効果を奏する。
　＜第一実施形態の静電容量型液位検出装置＞
　次に、上述した静電容量計測装置を用いた静電容量型液位検出装置について説明する。
　（静電容量型液位検出装置の全体構造）
　図２１を参照して、静電容量型液位検出装置（以下、液位検出装置と称する）の構造について説明する。液位検出装置は、車両の燃料タンク６１０内の液位および液質を検出する。図２１に示すように、燃料タンク６１０は、車両に搭載され、燃料としてのガソリンを貯留する。
　ここで、供給される液体には、ガソリンの他に、水やメタノールが混在している場合がある。液位検出装置は、燃料タンク６１０内の液体の液質、すなわち当該液体がガソリンであるか、水かあるか、それともメタノールなどであるかを判定する。さらに、液位検出装置は、液体の液位、すなわちガソリンの液位、水の液位およびメタノールの液位を判定する。なお、例えば、その他の液体が存在する場合や、浮遊物が存在する場合にも、これらを判定することにも適用できる。
　燃料タンク６１０は、車両の左右方向の中央の底部に凹所６１１を有し、凹所６１１に対応する天面に凹所６１２を有する。つまり、底部の凹所６１１と天面の凹所６１２が上下方向に対向している。また、燃料タンク６１０のうち上面には、開口穴６１３が形成されている。当該開口穴６１３には、着脱可能なコネクタが連結される。
　燃料タンク６１０には、静電容量型液位検出装置６００を構成する電極ユニット６２０が設けられている。電極ユニット６２０は、燃料タンク６１０において車両の左右方向の中央に位置し、燃料タンク６１０における底部の凹所６１１と天面の凹所６１２との上下間に固定される。
　電極ユニット６２０は、棒状に形成されるセンサ本体６２１と、センサ本体６２１の上端に設けられセンサ本体６２１の上端面から伸張可能に設けられた付勢部材６２２とを備える。センサ本体６２１は、下端を燃料タンク６１０の底部の凹所６１１に配置される。付勢部材６２２は、伸張されている状態において、燃料タンク６１０の天面の凹所６１２に対して（伸張方向に対して）付勢する。このようにすることで、電極ユニット６２０が、燃料タンク６１０の底部の凹所６１１と天面の凹所６１２との間に固定される。
　さらに、センサ本体６２１は、燃料タンク６１０内において、上下方向（高さ方向）にずらして配置される複数の電極対６２６ａ～６２６ｉを備える。複数の電極対６２６ａ～６２６ｉのそれぞれの電極対の間の静電容量は、存在する流体の種類に応じて異なる。
　液位検出装置６００は、電極ユニット６２０の複数の電極対６２６ａ～６２６ｉに電気的に接続される静電容量計測装置６３０と判定部６４０とを備える。
　静電容量計測装置６３０は、燃料タンク６１０の外に配置されており、上述した静電容量計測装置を実質的に適用される。判定部６４０は、静電容量計測装置６３０により得られた静電容量Ｃ１～Ｃ９に基づいて、燃料タンク６１０内の液体の液位および液質を判定する。
　（電極ユニットのセンサ本体）
　次に、図２２を参照して、電極ユニット６２０のセンサ本体６２１について詳細に説明する。センサ本体６２１の基材表面に、複数の電極対６２６ａ～６２６ｉが、高さ方向にずれて配置されている。それぞれの電極対６２６ａ～６２６ｉの静電容量は、下方から順に、Ｃ１～Ｃ９とする。
　複数の電極対６２６ａ～６２６ｉのそれぞれの電極対の一方の電極に、電気的に接続される配線６２７ａ～６２７ｃ（以下、印加側配線と称する）が形成されている。また、それぞれの電極対の他方の電極に、電気的に接続される配線６２８ａ～６２８ｃ（以下、出力側配線と称する）が形成されている。
　第一の印加側配線６２７ａは、電極対６２６ａ，６２６ｄ，６２６ｇに接続され、第二の印加側配線６２７ｂは、電極対６２６ｂ，６２６ｅ，６２６ｈに接続され、第三の印加側配線６２７ｃは、電極対６２６ｃ，６２６ｆ，６２６ｉに接続される。第一の出力側配線６２８ａは、電極対６２６ａ，６２６ｂ，６２６ｃに接続され、第二の出力側配線６２８ｂは、電極対６２６ｄ，６２６ｅ，６２６ｆに接続され、第三の出力側配線６２８ｃは、電極対６２６ｇ，６２６ｈ，６２６ｉに接続される。
　ここで、印加側配線６２７ａ，６２７ｂ，６２７ｃに接続されている端子は、それぞれＰｉ１，Ｐｉ２，Ｐｉ３とし、出力側配線６２８ａ，６２８ｂ，６２８ｃに接続されている端子は、それぞれＰｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３とする。
　上述したセンサ本体６２１の等価回路は、図２３のように表される。従って、液位検出装置６００の回路は、図２４のように表される。つまり、液位検出装置６００は、静電容量型面状センサ装置２００と同様に、マトリックス状の回路と等価である。そうすると、液位検出装置６００は、上述した静電容量型面状センサ装置２００を同様に適用できる。
　そして、判定部６４０は、計測器１４が取得したそれぞれの高さにおける静電容量Ｃ１～Ｃ９に基づいて、それぞれの高さにおける液位を判定する。同時に、判定部６４０は、それぞれの高さにおける静電容量Ｃ１～Ｃ９に基づいて、それぞれの高さにおける液体の液質を判定できる。
　＜第二実施形態の静電容量型液位検出装置＞
　第一実施形態の液位検出装置６００においては、各電極対を構成する電極が、同一高さに位置するようにした。本実施形態の液位検出装置７００は、図２５に示すように、各電極７２６ａ～７２６ｔを高さ方向にずらして配置する。そして、印加側配線７２７ａ～７２７ｃに接続される電極と、出力側配線７２８ａ～７２８ｃに接続される電極とが、高さ方向に交互に配置される。
　この場合の等価回路は、図２６に示すようになる。図２６は、計測対象の静電容量をＣｎ１とし、第二キャパシタ３１（図２４の符号３１に相当）の静電容量をＣａ１とする。このように、計測対象の２個の電極７２６ｂ，７２６ｃのうち下側に位置する電極７２６ｂとさらに下側に位置する電極７２６ａとにより形成されるキャパシタが、上述した第二キャパシタ３１を構成する。
　判定部７４０は、計測対象の静電容量Ｃｎ１～Ｃｎ８の相当値に基づいて異なる種類の液体の境界を判定する。例えば、高さ方向に隣り合う電極間７２６ｂ～７２６ｃ、７２６ａ～７２６ｂの位置に同種の液体が存在していれば、Ｃｎ１とＣａ１が同一となる。そうすると、Ｃｎ１に相当する電位とＣａ１に相当する電位との差がゼロとなる。
　一方、高さ方向に隣り合う電極間７２６ｂ～７２６ｃ、７２６ａ～７２６ｂの位置に異なる種類の液体が存在していれば、Ｃｎ１とＣａ１が異なる値となる。そうすると、Ｃｎ１に相当する電位とＣａ１に相当する電位との差がゼロではなくなる。判定部７４０は、この差に基づいて、液体の境界を判定する。
　＜第三実施形態の静電容量型液位検出装置＞
　次に、第三実施形態の液位検出装置８００について、図２７および図２８を参照して説明する。本実施形態の液位検出装置８００は、第二実施形態の液位検出装置７００に対して、ブリッジ用キャパシタ１２として出力側配線８２８ａ～８２８ｃを利用する点が相違する。
　つまり、出力側配線８２８ａ、８２８ｂ、８２８ｃを電極ユニット６２０の高さ方向に十分に長く形成する。このようにすることで、図２８に示すように、出力側配線８２８ａ、８２８ｂ、８２８ｃが、ブリッジ用キャパシタ１２の電極を構成する。従って、本実施形態の液位検出装置８００は、専用のブリッジ用キャパシタ１２を設ける必要がない。
１０、２０、３０、１６０、６３０：静電容量計測装置、　１１：定電圧電源、　１２：ブリッジ用キャパシタ、　１３：コントローラ、　１４：計測器、　３１：第二キャパシタ、　１００、２００、３００：静電容量型面状センサ装置、　１１０、２１０：センサ本体、　１２０：第一電極、　１３０：第二電極、　１４１：誘電層、　１４２，１４３、２３０：絶縁層、　２２０：第三電極、　６００、７００、８００：静電容量型液位検出装置、　６２１、７２１：センサ本体、　６２６ａ～６２６ｉ、７２６ａ～７２６ｔ：電極、　６４０、７４０：判定部、　ＳＷ１０：充放電用スイッチング素子、　ＳＷ１１：第一入力用スイッチング素子、　ＳＷ１２：第二入力用スイッチング素子、　Ｃｎ，Ｃｎ１：計測対象の静電容量、　Ｃｂ：ブリッジ用キャパシタ１２の静電容量、　Ｃａ，Ｃａ１：第二キャパシタ３１の静電容量

Claims (13)

  1. 　計測対象の静電容量の一端側に対して、定電圧である入力電圧を印加する入力電圧印加手段と、
    　前記計測対象の静電容量の他端側に対して直列接続され、前記計測対象の静電容量の他端側とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、
    　前記計測対象の静電容量の他端側に対して直列接続されると共に、前記ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測対象の静電容量の他端側の電荷をグランド電位に放電する充放電用スイッチング素子と、
    　前記入力電圧を印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測対象の静電容量の電荷をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を印加する状態にすることで、前記計測対象の静電容量に充電する工程とを実行するコントローラと、
    　前記コントローラによる前記充電する工程において、前記計測対象の静電容量と前記ブリッジ用キャパシタとの間の電位に基づいて、前記計測対象の静電容量相当値を取得する計測器と、
    　を備える、静電容量計測装置。
  2. 　前記入力電圧印加手段は、
    　前記入力電圧を印加可能な定電圧電源と、
    　一端側を前記計測対象の静電容量の一端側に接続し、他端側を前記定電圧電源とグランド電位との一方に接続し、前記定電圧電源により前記入力電圧を前記計測対象の静電容量に印加する状態と、前記計測対象の静電容量に前記入力電圧を印加しない状態とを切り替える第一入力用スイッチング素子と、
    　を備える、
    　請求項１の静電容量計測装置。
  3. 　前記静電容量計測装置は、
    　一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備える、
    　請求項１または２の静電容量計測装置。
  4. 　前記入力電圧と前記第二入力電圧とを印加しない第一状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧の一方を印加し他方を印加しない第二状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧とを印加する第三状態、前記入力電圧と前記第二入力電圧の前記一方を印加せず前記他方を印加する第四状態、の順に切り替えて、
    　前記計測器は、前記第二状態、前記第三状態または前記第四状態における前記計測対象の静電容量の他端側の電位に基づいて、前記計測対象の静電容量相当値を取得する、
    　請求項３の静電容量計測装置。
  5. 　前記ブリッジ用キャパシタの静電容量は、前記計測対象の静電容量の他端側とグランド電位との間における静電容量に対して、大きな静電容量とする、請求項１～４の何れか一項の静電容量計測装置。
  6. 　前記静電容量計測装置は、センサ本体における複数の計測対象の静電容量相当値のそれぞれを取得し、
    　前記センサ本体の等価回路は、複数行の第一電極と、前記複数行の第一電極に対してマトリックス状となるように配置される複数列の第二電極と、前記複数行の第一電極と前記複数列の第二電極とがそれぞれ立体交差する複数位置に設けられる複数の誘電層とを備え、
    　前記センサ本体における複数の計測対象の静電容量相当値は、前記複数の誘電層のそれぞれの位置に対応する前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量相当値である、
    　請求項１～５の何れか一項の静電容量計測装置。
  7. 　前記計測器は、
    　前記複数行の第一電極のうち一つの第一電極に前記入力電圧を印加し、残りの第一電極をグランド電位に接続した場合に、選択された第二電極におけるそれぞれの電圧と、
    　未知数としての、前記選択された第二電極と前記複数行の第一電極のそれぞれと立体交差する複数位置の静電容量と、
    　により表される連立方程式を解くことにより、
    　未知数としてのそれぞれの静電容量相当値を取得する、請求項６の静電容量計測装置。
  8. 　帯状に形成され相互に平行に配置された複数行の第一電極と、
    　帯状に形成され相互に平行に配置される複数列の第二電極であり、前記複数行の第一電極との対向位置がマトリックス状となるように前記第一電極に対向して設けられた前記複数列の第二電極と、
    　前記複数行の第一電極のそれぞれの第一電極と前記複数列の第二電極のそれぞれの第二電極との間に設けられた誘電層と、
    　それぞれの前記第一電極とそれぞれの前記第二電極との対向位置に対応するマトリックス状位置のそれぞれにおける静電容量相当値を取得する請求項１の前記静電容量計測装置と、
    　を備え、
    　前記計測対象の静電容量の一端側は、前記第一電極であり、
    　前記計測対象の静電容量の他端側は、前記第二電極である、静電容量型面状センサ装置。
  9. 　前記静電容量型面状センサ装置は、前記第二電極に対して前記第一電極とは反対側に対向するように設けられ、グランド電位に接続された第三電極をさらに備え、
    　前記第二電極と前記第三電極とにより形成されるキャパシタが、前記ブリッジ用キャパシタである、請求項８の静電容量型面状センサ装置。
  10. 　前記静電容量型面状センサ装置は、前記第二電極に対して前記第一電極とは反対側に対向するように設けられる第三電極をさらに備え、
    　前記静電容量計測装置は、一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備え、
    　前記第二電極と前記第三電極とにより形成されるキャパシタが、前記第二キャパシタを構成する、請求項８の静電容量型面状センサ装置。
  11. 　液体を貯留するタンク内に、高さ方向にずらして配置される複数の電極と、
    　前記複数の電極のうち選択された２個の電極の間の静電容量相当値を前記計測対象の静電容量相当値として取得する請求項１の前記静電容量計測装置と、
    　前記計測対象の静電容量相当値に基づいて前記タンク内の液位を判定する判定部と、
    　を備える、静電容量型液位検出装置。
  12. 　前記判定部は、前記計測対象の静電容量相当値に基づいて液質を判定する、請求項１１の静電容量型液位検出装置。
  13. 　前記静電容量計測装置は、一端側に定電圧としての第二入力電圧を印加され、他端側を前記計測対象の静電容量の他端側に接続される第二キャパシタをさらに備え、
    　前記計測対象の２個の電極のうち下側に位置する電極とさらに下側に位置する電極とにより形成されるキャパシタが、前記第二キャパシタを構成し、
    　前記判定部は、前記計測対象の静電容量相当値に基づいて異なる種類の液体の境界を判定する、
    　請求項１１の静電容量型液位検出装置。
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