WO2019187515A1 - 静電容量検出装置 - Google Patents

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WO2019187515A1
WO2019187515A1 PCT/JP2019/001225 JP2019001225W WO2019187515A1 WO 2019187515 A1 WO2019187515 A1 WO 2019187515A1 JP 2019001225 W JP2019001225 W JP 2019001225W WO 2019187515 A1 WO2019187515 A1 WO 2019187515A1
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voltage
sensor element
capacitance
sensor
control line
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PCT/JP2019/001225
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French (fr)
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博伸 浮津
祐太 森浦
古屋　博之
玄 松本
唯 沢田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0004—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using variations in inductance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—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

Definitions

  • the present disclosure relates to a capacitance detection device that detects the capacitance of a sensor element.
  • Patent Document 1 discloses a capacitance type sensor device that can measure the capacitance of a capacitance type sensor.
  • This capacitance type sensor device includes first and second electrodes that are provided facing each other at a distance, and a static force between the first and second electrodes is applied when an external force is applied or an operator approaches or contacts.
  • a capacitance type sensor that varies in capacitance, a voltage application unit that is connected in series to the first electrode of the capacitance type sensor, and that applies a periodic rectangular wave voltage to the capacitance type sensor; and a capacitance type A rectifier connected to the second electrode of the sensor and configured to rectify the charge charged and discharged to the capacitive sensor when the voltage application means applies a periodic rectangular wave voltage; and a smoothing capacitor connected in parallel to the rectifier; And a current measuring shunt resistor connected in parallel to the smoothing capacitor and a voltage measuring means for measuring the voltage across the current measuring shunt resistor.
  • the capacitive sensor and the voltage applying means or the voltage measuring means are connected by a control line.
  • This control line receives a noise signal from the outside, and the measurement accuracy may be reduced.
  • the control line becomes long, it is easy to receive an external noise signal, and the measurement accuracy tends to be lowered.
  • the present disclosure aims to provide a capacitance detection device that can accurately measure a change in capacitance in order to solve the above-described problems.
  • a capacitance detection device includes a sensor unit including at least one sensor element whose capacitance changes, and a control for applying a predetermined charging voltage for detecting the capacitance of the sensor element to the sensor element.
  • the equipotential circuit can reduce the effect of charge accumulation on the parasitic capacitance caused by the shield line. For this reason, the electrostatic capacitance detection apparatus which can measure the change of an electrostatic capacitance accurately can be provided.
  • the figure for demonstrating the concept of the electrostatic capacitance detection apparatus of this indication A diagram explaining the parasitic capacitance that can be generated by shielded wires
  • the figure explaining the time change of the sensing voltage Vc measured from a sensor element Capacitance detection device timing chart (when time measurement method is used) Timing chart of capacitance detection device when voltage measurement method is adopted Flow chart showing the capacity measurement process in the microcomputer when using the time measurement method and the voltage measurement method together Flowchart showing another example of capacity measurement processing in a microcomputer when using a time measurement method and a voltage measurement method together
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conceptual configuration of a capacitance detection device of the present disclosure.
  • the capacitance detection apparatus 100 includes a sensor unit C including a plurality of sensor elements whose capacitance changes, a measurement circuit 10 that measures the capacitance of each sensor element in the sensor unit C, and a capacitance measurement.
  • the power supply 14 which outputs the voltage Vin for 1 and the resistance R are provided.
  • the sensor unit C includes a plurality of sensor elements that change the electrostatic capacity by touching or bringing their hands close and output a voltage corresponding to the electrostatic capacity.
  • the measurement circuit 10 calculates the capacitance by measuring the voltage of each sensor element in the sensor unit C.
  • the measurement circuit 10 and the sensor unit C are connected to respective terminals X, Y and X ', Y' via control lines 40a and 40b. Further, the control line 40 a on the high voltage side is electrically shielded (shielded) by the shield line 30.
  • the shield wire 30 is configured, for example, by arranging a plurality of coated conductors around the control line 40a.
  • the configuration of the shield wire 30, that is, the shield means for the control line 40a is not limited to this.
  • parasitic capacitances Cp1 and Cp2 are generated between the control lines 40a and 40b and the shield line 30, as shown in FIG. Due to the parasitic capacitances Cp1 and Cp2, a value greatly different from the value of the capacitance of the sensor element to be originally measured is measured, and the measurement accuracy may be lowered.
  • the capacitance detection device 100 further includes an equipotential circuit 18.
  • the equipotential circuit 18 is composed of an OP amplifier whose output is fed back to the negative input terminal ( ⁇ ), and outputs a signal having a potential equal to the potential of the signal input to the positive input terminal (+). Since the OP amplifier of the equipotential circuit 18 is supplied with power from the outside, the equipotential circuit 18 does not draw current from the positive input terminal (+), and the potential of the signal input to the positive input terminal (+). Output signals with equal potential.
  • the equipotential circuit 18 controls the potential of the shield line 30 to be equal to the potential of the control line 40a, that is, the potential applied to the sensor element to be measured in the sensor unit C. Thereby, the influence of the parasitic capacitances Cp1 and CP2 due to the shield line 30 is eliminated, and the measurement accuracy of the capacitance of the sensor element is improved.
  • FIG. 3 is a diagram showing a more specific embodiment of the capacitance detection device 100.
  • a microcomputer 20 a is shown as a specific example of the measurement circuit 10 and the power supply 14.
  • the sensor unit C includes three capacitive sensor elements C1 to C3 connected in parallel whose capacitance changes.
  • the sensor elements C1 to C3 are capacitive tactile sensors. When the sensor elements C1 to C3 are touched or pressed, the capacitance value changes according to the touched strength or the pressed strength.
  • the sensor element is not necessarily a tactile sensor, and any sensor such as a pressure sensor can be used as long as it is a capacitive sensor.
  • Each control line 40a is connected to each of the sensor elements C1 to C3.
  • the three control lines 40a are collectively shielded by one shield line 30, but a shield line may be provided for each control line 40a.
  • the capacitance detection device 100 includes a multiplexer MP for selecting any one of the sensor elements C1 to C3 as a measurement target.
  • the microcomputer 20a is a control circuit that realizes a predetermined function in cooperation with software (program).
  • the microcomputer 20 a includes a charge control terminal 21, an input terminal 22, a discharge control terminal 23, a multiplexer (MPX) control terminal 24, and a ground (GND) terminal 25.
  • MPX multiplexer
  • GND ground
  • the charging control terminal 21 is a terminal that outputs a charging voltage for measuring the potential of the sensor elements C1 to C3.
  • the output (potential) of the charging control terminal 21 is controlled to “H” (High) or “L” (Low).
  • the input terminal 22 is a terminal for inputting a measurement voltage (sensing voltage) of the sensor elements C1 to C3 to be measured.
  • the microcomputer 20a includes an AD converter, and converts an analog value of the sensing voltage input via the input terminal 22 into a digital value using the AD converter.
  • the discharge control terminal 23 is a terminal for discharging charges accumulated in the sensor elements C1 to C3.
  • the discharge control terminal 23 is controlled to high impedance during the measurement of the capacitance.
  • the discharge control terminal 23 is controlled to “L” when discharging the sensor elements C1 to C3.
  • the MPX control terminal 24 outputs a control signal for switching the input of the multiplexer MP.
  • the MPX control terminal 24 is an MPX control 1 signal for controlling connection between the input of the multiplexer MP and the sensor element C1, an MPX control 2 signal for controlling connection between the input of the multiplexer MP and the sensor element C2, and an input of the multiplexer MP.
  • MPX control 3 signal for controlling connection of the sensor element C3.
  • the ground terminal 25 is a terminal for connecting to the ground potential.
  • Each of the sensor elements C1 to C3 has one end connected to the microcomputer charging control terminal 21 via the resistor R or the multiplexer MP, and the other end connected to the ground terminal 25 via the control line 40b.
  • a node N between the sensor elements C 1 to C 3 and the resistor R is connected to the input terminal 22 and the discharge control terminal 23.
  • the voltages (sensing voltages) of the sensor elements C1 to C3 are measured. That is, the sensing voltage Vc is a voltage of the sensor element in the RC circuit configured by the resistor R and any one of the sensor elements C1 to C3.
  • the electric charge accumulated in the sensor elements C1 to C3 can be discharged by setting the node N to “L”.
  • a multiplexer MP is inserted between the sensor elements C1 to C3 and the resistor R. Sensor elements C1 to C3 are connected to an input of the multiplexer MP through a control line 40a. A node N is connected to the output of the multiplexer MP. The multiplexer MP selects any one of the sensor elements C1 to C3 according to the control signal from the MPX control terminal 24 of the microcomputer 20a and connects it to the node N. Thus, the sensing voltage of one sensor element C1 to C3 selected by the multiplexer MP can be detected or measured via the node N.
  • the positive input terminal (+) of the equipotential circuit 18 is connected to the node N, and its output is connected to the shield line 30 (conductor portion). Thereby, the potential of the shield line 30 can be controlled to be equal to the potential of the node N, that is, the potential of the control line 40a.
  • the microcomputer 20a measures the electrostatic capacitances of the sensor elements C1 to C3 of the sensor unit C based on the sensing voltage Vc of the sensor elements C1 to C3. Specifically, the microcomputer 20a supplies a predetermined charging voltage Vin from the charging control terminal 21 to one sensor element C1 to C3 to be measured. The microcomputer 20a measures the voltage (sensing voltage Vc) of the sensor elements C1 to C3 to be measured via the input terminal 22. At this time, the sensing voltage Vc is obtained by the following equation.
  • R is the resistance value of the resistor R
  • C is the capacitance of the sensor to be measured
  • t the charging time
  • Vin is the value of the charging voltage.
  • FIG. 4 is a diagram showing a time change of the sensing voltage Vc according to the above equation (1).
  • the microcomputer 20a measures the time t until the sensing voltage Vc reaches the predetermined voltage value V0.
  • the microcomputer 20a obtains the capacitance C according to the above equation (1) from the measured time t.
  • FIG. 5 is a timing chart of the capacitance detection device 100.
  • the operation of the capacitance detection apparatus 100 will be described with reference to FIG.
  • the input terminal 22 and the discharge control terminal 23 are set in a discharge state (each “L”), and the charge accumulated in the sensor element (sensor element C3 in the example of FIG. 5) of the previous measurement is discharged.
  • the discharge control terminal 23 is set to high impedance to enter the measurement voltage input state, and voltage measurement is started at the input terminal 22.
  • the multiplexer MP selects one sensor element to be measured from the sensor elements C1 to C3 according to the control signal from the MPX control terminal 24, and sets the control line 40a of the selected sensor elements C1 to C3. Connect to node N. In the example of FIG. 5, the sensor element C1 is selected.
  • the capacitance C of the sensor element C1 is obtained.
  • the equipotential circuit 18 controls the shield line 30 so that the potential of the shield line 30 is the same as the potential of the node N (the potential of the control line 40a).
  • the equipotential circuit 18 controls the shield line 30 so that the potential of the shield line 30 is the same as the potential of the node N (the potential of the control line 40a).
  • there is no charge accumulated in the parasitic capacitance Cp1 between the shield line 30 and the control line 40a there is no charge accumulated in the parasitic capacitance Cp1 between the shield line 30 and the control line 40a, and it is possible to avoid measuring an extra capacitance between the control line 40a and the shield line 30.
  • the charge accumulated in the parasitic capacitance Cp2 between the shield line 30 and the control line 40b (ground) is not charged through the resistor R but is supplied from the power source of the equipotential circuit 18. .
  • the microcomputer 20a discharges the charge accumulated in the sensor element C1 to be measured by setting the input terminal 22 and the discharge control terminal 23 to “L”.
  • the input terminal 22 and the discharge control terminal 23 are set in the input state, switched to the next sensor element C2 by the multiplexer MP, and charged with the voltage Vin from the charge control terminal 21, thereby electrostatically charging the next sensor element C2.
  • Capacitance can be measured.
  • the capacitance of each sensor element is measured while sequentially switching the sensor elements C1 to C3 to be measured.
  • the time t T until the sensing voltage Vc reaches the constant voltage V0 is measured, and the equation ( The example which calculates
  • a method for measuring the time t when the sensing voltage Vc reaches the constant voltage V0 and obtaining the capacitance C based on the time t is hereinafter referred to as a “time measurement method”.
  • the sensing voltage Vc when the sensor elements C1 to C3 are charged for a predetermined time t0 can be measured, and the electrostatic capacitance C can be obtained from the equation (1) based on the measured voltage Vc.
  • the microcomputer 20a includes a timer therein, and measures a predetermined time (t0) using this timer.
  • a method for obtaining the capacitance C from the equation (1) based on the measured voltage Vc is referred to as a “voltage measurement method”.
  • the microcomputer 20a may calculate the capacitance by this voltage measurement method instead of the time measurement method.
  • FIG. 6 shows a timing chart in the case of obtaining the capacitance by the voltage measurement method.
  • the amplitude of the sensing voltage Vc is constant, and its width changes according to the capacitance of the sensor element.
  • the voltage measurement method as shown in FIG. 6, the width of the sensing voltage Vc is substantially constant, but the amplitude of the sensing voltage Vc changes according to the capacitance of the sensor element.
  • the microcomputer 20a may use both the time measurement method and the voltage measurement method. That is, when the potentials of the sensor elements C1 to C3 are measured by the voltage measurement method, there is a problem that an error in the capacitance value obtained from the calculation formula (1) becomes large when the capacitance is small. On the other hand, in the time measurement method, a linear value can be measured with a small capacitance, but there is a problem that the measurement takes time when the capacitance increases.
  • the time measurement method and the voltage measurement method may be used in combination.
  • the sensing voltage Vc when a fixed time has elapsed is measured by the voltage measurement method.
  • Adopt the result (measurement result by voltage measurement method).
  • the sensing voltage Vc is large that is, when the capacitance is small
  • the measurement result by the time measurement method is adopted.
  • FIG. 7 shows a flowchart in this case.
  • the microcomputer 20a starts measuring the sensing voltage Vc of the sensor elements C1 to C3 (S11). After elapse of the predetermined time (t0) (S12), the sensing voltage Vc is compared with a predetermined value (S13). When the sensing voltage Vc is smaller than the predetermined value (YES in S13), the capacitance is calculated based on the sensing voltage Vc measured when the predetermined time (t0) has elapsed (S14). On the other hand, when the sensing voltage Vc is equal to or higher than the predetermined value (NO in S13), the measurement is continued until the sensing voltage Vc reaches the predetermined voltage (V0) (S15). The capacitance is calculated based on the elapsed time until the sensing voltage Vc reaches the predetermined voltage (V0) (S16).
  • FIG. 8 shows a flowchart in this case.
  • the microcomputer 20a measures the sensing voltage Vc by both the voltage measurement method and the time measurement method (S21). When both measurements are completed (S22), the microcomputer 20a determines that the measured capacitance value calculated based on the measurement result (measurement voltage) by the voltage measurement method is within a predetermined range where an accurate result is obtained. Whether it is a value or not is determined (S23). When the measured value of capacitance is a value within a predetermined range where an accurate result can be obtained (YES in S23), the measured value of capacitance by the voltage measurement method is adopted. On the other hand, when the measured value of the capacitance is not within a predetermined range where an accurate result is obtained (NO in S23), the measured value of the capacitance by the time measurement method is adopted (S25).
  • the capacitance detection device 100 includes the sensor elements C1 to C3 including the sensor unit C including the sensor elements C1 to C3 whose capacitance changes, and the sensor elements C1 to C3.
  • a control line 40a for applying a predetermined charging voltage for detecting the electrostatic capacity of the sensor, a shield line 30 for electrically shielding the control line, and supplying the charging voltage to the sensor elements C1 to C3 via the control line 40a
  • the microcomputer 20a that measures the voltage change of the sensor elements C1 to C3 when the charging voltage is applied to the sensor elements C1 to C3 and detects the capacitance of the sensor elements C1 to C3 based on the voltage change, and the shield wire 30 And an equipotential circuit 18 for setting the potential of the control line 40a equal to the potential of the control line 40a.
  • the equipotential circuit 18 sets the shield line 30 to the same potential as the control line 40a, it is possible to reduce the influence of charge accumulation on the parasitic capacitances Cp1 and Cp2 caused by the shield line 30.
  • the electrostatic capacitance detection apparatus which can measure the change of an electrostatic capacitance accurately can be provided.
  • the capacitance (C) in the RC circuit is measured by measuring the potential of the capacitive sensor element.
  • the sensor Some devices measure and measure the electric potential accumulated in the sensor elements C1 to C3 when measuring the potential of the element. If charge is sucked out, the potential of the sensor elements C1 to C3 drops, and there is a problem that correct measurement cannot be performed.
  • the potentials generated via the equipotential circuit are measured instead of directly measuring the potentials of the sensor elements C1 to C3.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device 100b according to the second embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 9, the capacitance detection device 100 b of the present embodiment further includes a second equipotential circuit 19 between the node N and the input terminal 22 in addition to the configuration of the first embodiment. ing.
  • the second equipotential circuit 19 has the same configuration as the equipotential circuit 18 (first equipotential circuit), and outputs a potential equal to the potential input to the positive input terminal.
  • the second equipotential circuit 19 has a positive input terminal connected to the node N and an output connected to the input terminal 22. With this configuration, a sensing voltage is input to the input terminal 22 of the microcomputer 20 a via the second equipotential circuit 19. In this case, even if the charge is sucked out by the AD converter or the like, since the charge is replenished from the second equipotential circuit 19, it is possible to prevent the potential of the sensor elements C1 to C3 from being lowered.
  • a plurality of charge control terminals to which resistors having different resistance values are connected are provided in the microcomputer 20a, and the charge control terminals, that is, the resistance values can be switched according to the capacitance value to be measured.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the microcomputer 20a includes two charge control terminals 21 and 21b.
  • a resistor R1 is connected to the charge control terminal 21, and a resistor R2 having a resistance value different from that of the resistor R1 is connected to the charge control terminal 21b.
  • the sensor element is charged through a resistor and the potential thereof is examined.
  • the measurement accuracy can be further improved by changing the resistance value according to the magnitude of the capacitance value.
  • the resistance value may be switched as follows. When the capacitance is small: Increase the resistance value. This increases the measurement time, but can increase the time resolution. When the capacitance is large: Decrease the resistance value. Thereby, measurement time can be shortened.
  • an optimum resistance value can be selected and measured according to the situation.
  • the sensor unit C having a configuration in which the three sensor elements C1 to C3 are connected in parallel has been described as an example.
  • the idea of each of the above embodiments is not limited to the configuration of the sensor unit C, and can be applied to the sensor unit C having other configurations.
  • the present invention can be applied to a sensor unit in which a plurality of sensor elements are two-dimensionally arranged.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the capacitance detection device 100d when the configuration of the first embodiment is applied to a sensor unit in which a plurality of sensor elements are two-dimensionally arranged.
  • the capacitance detection device 100d includes a sensor unit C ′ including a plurality of sensor elements C1 to C9 whose capacitance changes, and a microcomputer 20b that calculates the capacitances of the sensor elements C1 to C9 of the sensor unit C ′. , Multiplexers MP1 to MP6 and an equipotential circuit 18 are provided.
  • the sensor unit C ′ includes sensor elements C1 to C9 arranged in a matrix of 3 rows ⁇ 3 columns.
  • FIG. 11 for convenience of explanation, a configuration in which sensor elements are arranged in 3 rows ⁇ 3 columns has been described.
  • the number of sensor elements of the sensor unit C ′ is not limited to this, and the sensor elements are M rows ⁇ N. They may be arranged in rows (M and N are arbitrary natural numbers).
  • One input of the multiplexers MP1 to MP3 is connected to the output of the equipotential circuit 18.
  • the other inputs of the multiplexers MP1 to MP3 are connected to the charge control terminal 21 via the resistor R1. Further, the other inputs of the multiplexers MP1 to MP3 are also connected to the input terminal 22 and the discharge control 1 terminal 23a via the resistor R3.
  • the outputs of the multiplexers MP1 to MP3 are connected to the row control lines 41 to 43, respectively.
  • One input of the multiplexers MP4 to MP6 is connected to the ground terminal 25.
  • the other inputs of the multiplexers MP4 to MP6 are connected to the output of the equipotential circuit 18. Further, the other inputs of the multiplexers MP4 to MP6 are also connected to the discharge control 2 terminal 23b via the resistor R4.
  • the outputs of the multiplexers MP4 to MP6 are connected to column control lines 44 to 46, respectively.
  • the MPX control terminal 24 of the microcomputer 20b outputs a control signal for controlling switching of the inputs of the multiplexers MP1 to MP3 and MP4 to MP6.
  • the capacitance detection device 100d includes shield lines 31 to 33 and shield lines 34 to 36 that shield the row control lines 41 to 43 and the column control lines 44 to 46, respectively.
  • the equipotential circuit 18 has a positive input terminal (+) connected to the node N and an output connected to the shield lines 31 to 36.
  • the potentials of the shield lines 31 to 36 can be controlled to be equal to the potential of the node N, that is, the potentials of the row control lines 41 to 43 and the column control lines 44 to 46, respectively.
  • the multiplexer MP1 is configured such that the charge control terminal 21 is connected to the row control line of the sensor element to be measured, and the ground terminal 25 is connected to the column control line.
  • ... MP6 is controlled.
  • the multiplexers MP1 to MP6 are controlled so that the output of the equipotential circuit 18 is connected to the row control line and the column control line other than the row control line and the column control line connected to the sensor element to be measured.
  • the multiplexers MP1 and MP4 are controlled so that the charge control terminal 21 is connected to the row control line 41 of the sensor element C1 and the ground terminal 25 is connected to the column control line 44.
  • the row control lines 42 and 43 and the column control lines 45 and 46 other than the row control line 41 and the column control line 44 connected to the sensor element C1 to be measured are multiplexed so that the output of the equipotential circuit 18 is connected.
  • MP2, MP3, MP5, and MP6 are controlled.
  • FIG. 12 is a timing chart of the capacitance detection device 100d according to the fourth embodiment.
  • the sensor elements are measured in the order of C1, C2, C3,.
  • the input terminal 22 and the discharge control terminals 23a and 23b are respectively discharged and discharged.
  • the input terminal 22 and the discharge control terminals 23a and 23b are set to the measurement voltage input state
  • the multiplexer MP1 is controlled to connect the row control line 41 to the charge control terminal 1
  • the multiplexer MP4 is controlled to control the column control line 44. Connect to the ground terminal 25.
  • the sensor element C1 is charged from the charge control terminal 1.
  • the equipotential circuit 18 sets the potentials of the shield lines 31 to 36 to be the same as the potential of the control line 41.
  • the shield lines 31 to 36 are equal to the potentials of the control lines 41 to 46.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device 100e according to the fifth embodiment.
  • the resistor R is connected to the charge control terminal 21 side, but the resistor R is not necessarily required to be on the charge control terminal 21 side.
  • the resistor R may be connected to the ground terminal (GND) 25 side.
  • the node between the resistor R and the multiplexer MP is set as a node N and connected to the input terminal 22 to measure the voltages of the sensor elements C1 to C3.
  • the node N is connected to the positive input terminal (+) of the equipotential circuit 18 to generate a potential equal to the node N and apply it to the shield line 30.
  • the capacitance C can be obtained according to the equation (1).
  • Embodiments 1 to 5 have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to embodiments in which changes, replacements, additions, omissions, and the like have been made as appropriate. Also, it is possible to combine the components described in the first to fifth embodiments to form a new embodiment.
  • the microcomputers 20a and 20b have described the example in which the capacitance of the sensor element is calculated based on the sensing voltage Vc of the sensor element. However, the calculation of the capacitance based on the sensing voltage Vc is performed by the microcomputers 20a and 20b. Other devices (or circuits) may be used.
  • control circuit is not limited to the microcomputer, and may be realized by other types of devices.
  • the function of the control circuit may be realized by cooperation of hardware and software, or may be realized only by hardware designed exclusively. That is, the control circuit can be realized by various processors such as a microcomputer, CPU, MPU, GPU, FPGA, DSP, and ASIC.
  • the present disclosure can be applied to a capacitance detection device including a capacitance type sensor.

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Abstract

静電容量検出装置（１００）は、静電容量が変化する少なくとも１つのセンサ素子（Ｃ１～Ｃ３）を含むセンサ部（Ｃ）と、センサ素子に、センサ素子の静電容量を検出するための所定の充電電圧を印加する制御線（４０ａ）と、制御線を電気的に遮蔽するシールド線（３０）と、制御線を介してセンサ素子に充電電圧を供給し、センサ素子に充電電圧を印加したときのセンサ素子の電圧変化を測定し、電圧変化に基づきセンサ素子の静電容量を検出する制御回路（２０ａ）と、シールド線の電位を制御線の電位と等電位に設定する等電位回路（１８）と、を備える。

Description

静電容量検出装置
　本開示は、センサ素子の静電容量を検出する静電容量検出装置に関する。
　特許文献１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を開示する。この静電容量型センサ装置は、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。
特許５３２６０４２号公報
　上記の静電容量型センサ装置において、静電容量型センサと、電圧印加手段または電圧計測手段との間は制御線により接続される。この制御線は外部からのノイズ信号を受け、測定精度が低下する可能性がある。特に、静電容量型センサと、電圧印加手段または電圧計測手段とが離れて配置された場合に、制御線が長くなり、外部からのノイズ信号を受け易くなり、測定精度が低下しやすくなる。
　本開示は、上記のような課題を解決すべく、精度よく静電容量の変化を測定できる静電容量検出装置を提供することを目的とする。
　本開示の静電容量検出装置は、静電容量が変化する少なくとも１つのセンサ素子を含むセンサ部と、センサ素子に、センサ素子の静電容量を検出するための所定の充電電圧を印加する制御線と、制御線を電気的に遮蔽するシールド線と、制御線を介してセンサ素子に充電電圧を供給し、センサ素子に充電電圧を印加したときのセンサ素子の電圧変化を測定し、電圧変化に基づきセンサ素子の静電容量を検出する制御回路と、シールド線の電位を制御線の電位と等電位に設定する等電位回路と、を備える。
　本開示によれば、等電位回路によって、シールド線に起因する寄生容量への電荷蓄積の影響を低減できる。このため、精度よく静電容量の変化を測定できる静電容量検出装置を提供できる。
本開示の静電容量検出装置の概念を説明するための図 シールド線により生じ得る寄生容量を説明した図 本開示の実施の形態１の静電容量検出装置の構成を示す図 センサ素子から測定されるセンシング電圧Ｖｃの時間変化を説明した図 静電容量検出装置のタイミングチャート（時間測定方式を採用した場合） 電圧測定方式を採用した場合の静電容量検出装置のタイミングチャート 時間測定方式と電圧測定方式を併用する場合のマイコンにおける容量の測定処理を示すフローチャート 時間測定方式と電圧測定方式を併用する場合のマイコンにおける容量の測定処理の別の例を示すフローチャート 本開示の実施の形態２の静電容量検出装置の構成を示す図 本開示の実施の形態３の静電容量検出装置の構成を示す図 本開示の実施の形態４の静電容量検出装置の構成を示す図 実施の形態４の静電容量検出装置のタイミングチャート 本開示の実施の形態５の静電容量検出装置の構成を示す図
　以下、適宜図面を参照しながら、本開示の静電容量検出装置の実施の形態を詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　１．構成
　図１は、本開示の静電容量検出装置の概念的な構成を説明した図である。静電容量検出装置１００は、静電容量が変化する複数のセンサ素子を備えたセンサ部Ｃと、センサ部Ｃにおける各センサ素子の静電容量を測定する測定回路１０と、静電容量の測定のための電圧Ｖinを出力する電源１４と、抵抗Ｒとを備える。
　センサ部Ｃは、触れたり手を近づけたりすることで静電容量が変化し、静電容量に応じた電圧を出力する複数のセンサ素子を備える。測定回路１０は、センサ部Ｃ内の各センサ素子の電圧を測定することで静電容量を算出する。
　測定回路１０とセンサ部Ｃとは、それぞれの端子Ｘ、Ｙ及びＸ’、Ｙ’と制御線４０ａ、４０ｂを介して接続されている。さらに、高圧側の制御線４０ａはシールド線３０によって電気的に遮蔽（シールド）されている。シールド線３０は、例えば、制御線４０ａを中心とし、その周囲に、被服された複数の導線を配置することで構成される。なお、シールド線３０の構成、すなわち、制御線４０ａに対するシールド手段は、これに限定されるものではない。このように、制御線４０ａをシールドすることで、制御線４０ａに対する外部からのノイズの影響を低減でき、測定回路１０で測定される、センサ部Ｃの各センサ素子の電圧がノイズにより変動することを低減できる。
　ここで、このようなシールド線３０を設けた場合、図２に示すように、制御線４０ａ、４０ｂとシールド線３０との間に寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２が生じる。この寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２により、本来測定したいセンサ素子の静電容量の値とは大きく異なる値が測定されてしまい、測定精度が低下する場合がある。
　このような問題を解決すべく、図１に示すように、静電容量検出装置１００はさらに等電位回路１８を備えている。
　等電位回路１８は、出力が負入力端子（－）にフィードバックされたＯＰアンプで構成され、正入力端子（＋）に入力する信号の電位と等しい電位の信号を出力する。等電位回路１８のＯＰアンプには外部から電源が供給されるため、等電位回路１８は、正入力端子（＋）から電流を引き込まずに、正入力端子（＋）に入力する信号の電位と等しい電位の信号を出力する。この等電位回路１８により、シールド線３０の電位を、制御線４０ａの電位、すなわち、センサ部Ｃ内の測定対象のセンサ素子に印加する電位と等しい電位に制御する。これにより、シールド線３０による寄生容量Ｃｐ１、ＣＰ２の影響を排除して、センサ素子の静電容量の測定精度を向上している。
　図３は、静電容量検出装置１００のさらに具体的な実施の形態を示した図である。図３において、測定回路１０及び電源１４の具体的な実施例としてマイコン２０ａが示されている。
　センサ部Ｃは、静電容量が変化する並列に接続された３つの静電容量式のセンサ素子Ｃ１～Ｃ３を備えている。センサ素子Ｃ１～Ｃ３は静電容量式触覚センサである。センサ素子Ｃ１～Ｃ３は触れられたり、押されたりすると、触れた強さまたは押された強さに応じて、その静電容量の値が変化する。センサ素子は、必ずしも触覚センサである必要はなく、静電容量式センサであれば、圧力センサ等、任意の用途のものが使用できる。
　センサ素子Ｃ１～Ｃ３のそれぞれに対してそれぞれの制御線４０ａが接続される。図３の例では、３つの制御線４０ａをまとめて１つのシールド線３０でシールドしているが、それぞれの制御線４０ａに対してそれぞれシールド線を設けてもよい。
　また、静電容量検出装置１００は、測定対象として、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の中からいずれか１つを選択するためのマルチプレクサＭＰを備える。
　マイコン２０ａは、ソフトウェア（プログラム）と協働して、所定の機能を実現する制御回路である。マイコン２０ａは、充電制御端子２１と、入力端子２２と、放電制御端子２３と、マルチプレクサ（ＭＰＸ）制御端子２４と、グランド（ＧＮＤ）端子２５とを備える。
　充電制御端子２１は、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の電位測定のための充電電圧を出力する端子である。充電制御端子２１の出力（電位）は、「Ｈ」（Ｈｉｇｈ）または「Ｌ」（Ｌｏｗ）に制御される。
　入力端子２２は、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の測定電圧（センシング電圧）を入力する端子である。マイコン２０ａはＡＤコンバータを備えており、入力端子２２を介して入力されたセンシング電圧のアナログ値をＡＤコンバータによりデジタル値に変換する。
　放電制御端子２３は、センサ素子Ｃ１～Ｃ３に蓄積された電荷を放電させるための端子である。放電制御端子２３は、静電容量の測定中はハイインピーダンスに制御される。放電制御端子２３は、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の放電を行う時には「Ｌ」に制御される。
　ＭＰＸ制御端子２４は、マルチプレクサＭＰの入力を切り替えるための制御信号を出力する。ＭＰＸ制御端子２４は、マルチプレクサＭＰの入力とセンサ素子Ｃ１の接続を制御するＭＰＸ制御１信号と、マルチプレクサＭＰの入力とセンサ素子Ｃ２の接続を制御するためのＭＰＸ制御２信号と、マルチプレクサＭＰの入力とセンサ素子Ｃ３の接続を制御するためのＭＰＸ制御３信号とを出力する。
　グランド端子２５はグランド電位に接続するための端子である。
　センサ素子Ｃ１～Ｃ３はそれぞれ、一端が抵抗ＲあるいはマルチプレクサＭＰ等を介して、マイコンの充電制御端子２１に接続され、他端が制御線４０ｂを介してグランド端子２５に接続されている。センサ素子Ｃ１～Ｃ３と抵抗Ｒの間のノードＮは入力端子２２と放電制御端子２３に接続される。このノードＮにおいて、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の電圧（センシング電圧）が測定される。すなわち、センシング電圧Ｖｃは、抵抗Ｒとセンサ素子Ｃ１～Ｃ３のいずれかで構成されるＲＣ回路におけるセンサ素子の電圧である。放電時には、ノードＮを「Ｌ」にすることで、センサ素子Ｃ１～Ｃ３に蓄積された電荷を放電することができる。
　センサ素子Ｃ１～Ｃ３と抵抗Ｒの間にマルチプレクサＭＰが挿入されている。マルチプレクサＭＰの入力には制御線４０ａを介してセンサ素子Ｃ１～Ｃ３が接続される。また、マルチプレクサＭＰの出力にはノードＮが接続される。マルチプレクサＭＰは、マイコン２０ａのＭＰＸ制御端子２４からの制御信号にしたがいセンサ素子Ｃ１～Ｃ３のいずれかを選択してノードＮに接続する。これにより、ノードＮを介して、マルチプレクサＭＰにより選択された１つのセンサ素子Ｃ１～Ｃ３のセンシング電圧を検出あるいは測定することができる。
　等電位回路１８の正入力端子（＋）はノードＮに接続され、その出力がシールド線３０（導体部分）に接続される。これにより、シールド線３０の電位をノードＮの電位、すなわち、制御線４０ａの電位と等しい電位に制御できる。
　２．動作
　以上のように構成される静電容量検出装置１００の動作を以下に説明する。
　静電容量検出装置１００においてマイコン２０ａは、センサ部Ｃの各センサ素子Ｃ１～Ｃ３の静電容量を各センサ素子Ｃ１～Ｃ３のセンシング電圧Ｖｃに基づき測定する。具体的には、マイコン２０ａは、充電制御端子２１から測定対象とする１つのセンサ素子Ｃ１～Ｃ３に所定の充電電圧Ｖinを供給する。そして、マイコン２０ａは、測定対象とするセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の電圧（センシング電圧Ｖｃ）を、入力端子２２を介して測定する。このとき、センシング電圧Ｖｃは次式で求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Ｒは抵抗Ｒの抵抗値、Ｃは測定対象のセンサの静電容量、ｔは充電時間、Ｖinは充電電圧の値である。図４は、上式（１）にしたがったセンシング電圧Ｖｃの時間変化を示した図である。マイコン２０ａは、センシング電圧Ｖｃが所定電圧値Ｖ０になるまでの時間ｔを測定する。マイコン２０ａは、測定した時間ｔから上式（１）にしたがい静電容量Ｃを求める。
　図５は、静電容量検出装置１００のタイミングチャートである。以下、図５を参照して、静電容量検出装置１００の動作を説明する。
　最初に、入力端子２２及び放電制御端子２３を放電状態（それぞれ「Ｌ」）にし、前回の測定対象のセンサ素子（図５の例では、センサ素子Ｃ３）に蓄積された電荷を放電させる。
　次に、放電制御端子２３をハイインピーダンスにして測定電圧入力状態にし、入力端子２２において電圧測定を開始する。このとき、マルチプレクサＭＰは、ＭＰＸ制御端子２４からの制御信号にしたがい、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の中から測定対象となる１つのセンサ素子を選択し、選択したセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の制御線４０ａをノードＮに接続する。図５の例では、センサ素子Ｃ１が選択される。
　これにより、選択したセンサ素子Ｃ１が充電制御端子２１からの充電電圧Ｖinにより充電される。マイコン２０ａは、入力端子２２を介してセンサ素子Ｃ１のセンシング電圧Ｖｃを取得し、充電開始からセンシング電圧Ｖｃが所定電圧値Ｖ０になるまでの時間ｔ＝Ｔを測定し、時間ｔ＝Ｔに基づきセンサ素子Ｃ１の静電容量Ｃを求める。
　この測定時において、等電位回路１８により、シールド線３０の電位がノードＮの電位（制御線４０ａの電位）と同じになるように制御される。これにより、シールド線３０と制御線４０ａの間の寄生容量Ｃｐ１に蓄積される電荷がなくなり、制御線４０ａとシールド線３０間の余計な静電容量を測定しないようにできる。なお、シールド線３０と制御線４０ｂ（グランド）の間の寄生容量Ｃｐ２に蓄積される電荷は、抵抗Ｒを介して充電されるものではなく、等電位回路１８の電源から供給されるものである。このため、抵抗Ｒとセンサ素子Ｃ１～Ｃ３で構成されるＲＣ回路に対する静電容量の計算には影響がない。このように、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の測定時において、制御線４０ａ、４０ｂとシールド線３０による寄生容量に蓄積される電荷の影響を低減することができる。
　測定が終了すると、マイコン２０ａは、入力端子２２及び放電制御端子２３を「Ｌ」にすることで測定対象のセンサ素子Ｃ１に蓄積された電荷を放電させる。
　次に、入力端子２２及び放電制御端子２３を入力状態にし、マルチプレクサＭＰにより次のセンサ素子Ｃ２に切り替えて、充電制御端子２１からの電圧Ｖｉｎで充電することで、次のセンサ素子Ｃ２の静電容量を測定することができる。同様にして、以下、順次、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ３を切り替えながら、各センサ素子の静電容量を測定する。
　上記の制御において、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の静電容量を求める際に、センシング電圧Ｖｃが一定電圧Ｖ０に達するまでの時間ｔ＝Ｔを測定し、時間ｔ＝Ｔを用いて式（１）に基づき、センサ素子の静電容量を求める例を説明した。このようなセンシング電圧Ｖｃが一定電圧Ｖ０に達する時間ｔを測定し、時間ｔに基づき静電容量Ｃを求める方式を以下「時間測定方式」という。これに対して、センサ素子Ｃ１～Ｃ３を一定時間ｔ０だけ充電したときのセンシング電圧Ｖｃを測定し、測定した電圧Ｖｃに基づき式（１）から静電容量Ｃを求めることもできる。この場合、マイコン２０ａは、内部にタイマを備え、このタイマにより一定時間（ｔ０）を計測する。このような測定した電圧Ｖｃに基づき式（１）から静電容量Ｃを求める方式を「電圧測定方式」という。マイコン２０ａは、時間測定方式に代えて、この電圧測定方式により静電容量を算出してもよい。図６は、電圧測定方式による静電容量を求める場合のタイミングチャートを示している。時間測定方式の場合、図５に示すように、センシング電圧Ｖｃの振幅は一定であり、その幅がセンサ素子の静電容量に応じて変化していた。これに対して、電圧測定方式の場合、図６に示すように、センシング電圧Ｖｃの幅は略一定であるが、センシング電圧Ｖｃの振幅はセンサ素子の静電容量に応じて変化している。
　また、マイコン２０ａは時間測定方式と電圧測定方式とを併用してもよい。すなわち、電圧測定方式でセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の電位を測定する場合、静電容量が小さい場合、計算式（１）から求められる静電容量の値の誤差が大きくなるという問題がある。一方、時間測定方式では、小さな静電容量ではリニアな値を測定できるが、静電容量が大きくなると、測定に時間がかかるという問題がある。
　そこで、時間測定方式と電圧測定方式とを併用してもよい。例えば、測定時間を優先するときは、まず、電圧測定方式で一定時間経過時のセンシング電圧Ｖｃを測定し、その結果、センシング電圧Ｖｃが小さいとき（すなわち、静電容量が大きいとき）は、その結果（電圧測定方式での測定結果）を採用する。一方、センシング電圧Ｖｃが大きいとき（すなわち、静電容量が小さいとき）は、時間測定方式での測定結果を採用する。図７に、この場合のフローチャートを示す。
　図７において、マイコン２０ａは、センサ素子Ｃ１～Ｃ３のセンシング電圧Ｖｃの測定を開始する（Ｓ１１）。所定時間（ｔ０）の経過後（Ｓ１２）、センシング電圧Ｖｃを所定値と比較する（Ｓ１３）。センシング電圧Ｖｃが所定値よりも小さい場合（Ｓ１３でＹＥＳ）、所定時間（ｔ０）の経過時に測定されたセンシング電圧Ｖｃに基づき静電容量を算出する（Ｓ１４）。一方、センシング電圧Ｖｃが所定値以上の場合（Ｓ１３でＮＯ）、センシング電圧Ｖｃが所定電圧（Ｖ０）に達するまで測定を継続する（Ｓ１５）。センシング電圧Ｖｃが所定電圧（Ｖ０）に達するまでの経過時間に基づき静電容量を算出する（Ｓ１６）。
　また、測定精度を優先するときは、例えば、時間測定方式と電圧測定方式の双方でそれぞれ測定し、電圧測定方式による結果が精度の良い範囲内の値である場合、電圧測定方式による結果を採用してもよい。図８に、この場合のフローチャートを示す。
　マイコン２０ａは、電圧測定方式及び時間測定方式の双方でセンシング電圧Ｖｃの測定を行う（Ｓ２１）。双方での測定が終了すると（Ｓ２２）、マイコン２０ａは、電圧測定方式による測定結果（測定電圧）に基づいて算出した静電容量の測定値が、精度のよい結果が得られる所定の範囲内の値か否かを判断する（Ｓ２３）。静電容量の測定値が、精度のよい結果が得られる所定の範囲内の値である場合（Ｓ２３でＹＥＳ）、電圧測定方式による静電容量の測定値を採用する。一方、静電容量の測定値が、精度のよい結果が得られる所定の範囲内の値でない場合（Ｓ２３でＮＯ）、時間測定方式による静電容量の測定値を採用する（Ｓ２５）。
　３．効果等
　以上のように、本実施の形態の静電容量検出装置１００は、静電容量が変化するセンサ素子Ｃ１～Ｃ３を含むセンサ部Ｃと、センサ素子Ｃ１～Ｃ３に、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の静電容量を検出するための所定の充電電圧を印加する制御線４０ａと、制御線を電気的に遮蔽するシールド線３０と、制御線４０ａを介してセンサ素子Ｃ１～Ｃ３に充電電圧を供給し、センサ素子Ｃ１～Ｃ３に充電電圧を印加したときのセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の電圧変化を測定し、電圧変化に基づきセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の静電容量を検出するマイコン２０ａと、シールド線３０の電位を制御線４０ａの電位と等電位に設定する等電位回路１８と、を備える。
　上記構成によれば、等電位回路１８によりシールド線３０を制御線４０ａと同電位にすることから、シールド線３０に起因して生じる寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２への電荷蓄積の影響を低減できる。これにより、精度よく静電容量の変化を測定できる静電容量検出装置を提供できる。
　（実施の形態２）
　実施の形態１の構成において、静電容量式のセンサ素子の電位を測定することで、ＲＣ回路での静電容量（Ｃ）を測定するが、マイコン２０ａに内蔵のＡＤコンバータ等によっては、センサ素子の電位の測定時にセンサ素子Ｃ１～Ｃ３に蓄積された電荷を吸い出して測定するものがある。電荷の吸出しがあるとセンサ素子Ｃ１～Ｃ３の電位が下がってしまい、正しい測定ができなくなるという問題がある。
　そこで、本実施の形態では、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の電位を直接測定するのではなく、等電位回路を介して生成した電位を測定するようにする。
　図９は、本開示の実施の形態２の静電容量検出装置１００ｂの構成を示す図である。図９に示すように、本実施の形態の静電容量検出装置１００ｂは、実施の形態１の構成に加えて、ノードＮと入力端子２２との間に第２の等電位回路１９をさらに備えている。
　第２の等電位回路１９は、等電位回路１８（第１の等電位回路）と同様の構成を有し、正入力端子に入力される電位と等しい電位を出力する。第２の等電位回路１９は、その正入力端子がノードＮに接続され、出力が入力端子２２に接続されている。この構成により、マイコン２０ａの入力端子２２には第２の等電位回路１９を介してセンシング電圧が入力される。この場合、ＡＤコンバータ等による電荷の吸出しがあっても、第２の等電位回路１９から電荷が補充されるため、センサ素子Ｃ１～Ｃ３の電位の低下させることを防止できる。
　（実施の形態３）
　センサ素子Ｃ１～Ｃ３の測定したい容量値によって、その充電に必要な電圧が変化し、測定精度および測定時間が変化する。センサ素子Ｃ１～Ｃ３の容量値が大きい場合、十分な精度を持たせるためには、充電・測定時間が長くなってしまう。
　そこで、本実施の形態では、マイコン２０ａに、異なる抵抗値を有する抵抗が接続された充電制御端子を複数設け、測定したい容量値によって充電制御端子すなわち抵抗値を切り替え可能にしている。
　図１０は、本開示の実施の形態３の静電容量検出装置の構成を示す図である。図１０に示すように、本実施の形態の静電容量検出装置１００ｃにおいて、マイコン２０ａは２つの充電制御端子２１、２１ｂを備える。充電制御端子２１には抵抗Ｒ１が接続され、充電制御端子２１ｂには抵抗Ｒ１と異なる抵抗値を有する抵抗Ｒ２が接続される。
　例えば、時間測定方式では、抵抗を通してセンサ素子を充電してその電位を調べるが、その際、静電容量値の大きさに応じて抵抗値を変更することでより測定精度を高めることができる。例えば下記のように抵抗値を切替えてもよい。
　　静電容量が小さい場合：抵抗値を大きくする。これにより、測定時間が長くなるが、時間の分解能を大きくできる。
　　静電容量が大きい場合：抵抗値を小さくする。これにより、測定時間を短縮できる。
　以上のように、異なる抵抗が接続された複数の充電制御端子を用意することで、状況に応じて最適な抵抗値を選択して測定することができる。
　また、最初に、低い抵抗値で高速に測定し、前回の測定時と比べて変化があったセンサ素子を高い抵抗値で精度高く測定することもできる。
　（実施の形態４）
　上記の実施の形態では、３つのセンサ素子Ｃ１～Ｃ３が並列に接続された構成を有したセンサ部Ｃを例として説明した。しかし、上記の各実施の形態の思想は、このようなセンサ部Ｃの構成に限定されず、他の構成を有するセンサ部Ｃについても適用できる。例えば、複数のセンサ素子が二次元的に配置されたセンサ部に対しても適用することができる。
　図１１は、実施の形態１の構成を、複数のセンサ素子が二次元的に配置されたセンサ部に対して適用した場合の静電容量検出装置１００ｄの構成を示す図である。
　静電容量検出装置１００ｄは、静電容量が変化する複数のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９を備えるセンサ部Ｃ’と、センサ部Ｃ’の各センサ素子Ｃ１～Ｃ９の静電容量を算出するマイコン２０ｂと、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６と、等電位回路１８とを備える。
　センサ部Ｃ’は、３行×３列のマトリクス状に配置されたセンサ素子Ｃ１～Ｃ９を備えている。なお、図１１では、説明の便宜状、センサ素子を３行×３列に配置した構成を説明したが、センサ部Ｃ’のセンサ素子数はこれに限定されず、センサ素子をＭ行×Ｎ列に配置してもよい（Ｍ、Ｎは任意の自然数）。
　マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の一方の入力は、等電位回路１８の出力に接続される。マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の他方の入力は、抵抗Ｒ１を介して充電制御端子２１に接続される。さらに、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の他方の入力は、入力端子２２と、抵抗Ｒ３を介して放電制御１端子２３ａとにも接続される。マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の出力はそれぞれ行制御線４１～４３に接続される。
　マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の一方の入力はグランド端子２５に接続される。マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の他方の入力は、等電位回路１８の出力に接続される。さらに、マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の他方の入力は、抵抗Ｒ４を介して放電制御２端子２３ｂにも接続される。マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の出力はそれぞれ列制御線４４～４６に接続される。
　マイコン２０ｂのＭＰＸ制御端子２４は、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３、ＭＰ４～ＭＰ６それぞれの入力の切り替えを制御する制御信号を出力する。
　さらに、静電容量検出装置１００ｄは、行制御線４１～４３及び列制御線４４～４６のそれぞれをシールドするシールド線３１～３３及びシールド線３４～３６を備えている。
　等電位回路１８は、正入力端子（＋）がノードＮに接続され、出力がシールド線３１～３６に接続される。これにより、各シールド線３１～３６の電位を、ノードＮの電位、すなわち、行制御線４１～４３及び列制御線４４～４６のそれぞれの電位と等しい電位に制御することができる。
　以上のように構成される静電容量検出装置１００ｄでは、測定対象のセンサ素子の行制御線には充電制御端子２１が接続され、列制御線にはグランド端子２５が接続されるようにマルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６が制御される。同時に、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線と列制御線以外の行制御線と列制御線は、等電位回路１８の出力が接続されるようにマルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６が制御される。
　例えば、センサ素子Ｃ１が測定対象である場合、センサ素子Ｃ１の行制御線４１に充電制御端子２１が接続され、列制御線４４にグランド端子２５が接続されるようにマルチプレクサＭＰ１、ＭＰ４が制御される。同時に、測定対象のセンサ素子Ｃ１に接続する行制御線４１と列制御線４４以外の行制御線４２、４３と列制御線４５、４６は、等電位回路１８の出力が接続されるようにマルチプレクサＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ５、ＭＰ６が制御される。
　図１２は、本実施の形態４の静電容量検出装置１００ｄのタイミングチャートである。センサ素子はＣ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・、Ｃ９の順に測定されていく。
　例えば、最初に、入力端子２２及び放電制御端子２３ａ、２３ｂをそれぞれ放電状態にして放電しておく。次に、入力端子２２及び放電制御端子２３ａ、２３ｂを測定電圧入力状態にし、マルチプレクサＭＰ１を制御して行制御線４１を充電制御端子１に接続し、マルチプレクサＭＰ４を制御して列制御線４４をグランド端子２５に接続する。これにより、センサ素子Ｃ１を充電制御端子１から充電する。このとき、等電位回路１８によりシールド線３１～３６の電位が制御線４１の電位と同じに設定される。これにより、シールド線３１～３６と制御線４１間の間に蓄積される電荷がなくなり、制御線４１とシールド線３１間の余計な静電容量を測定しないようにできる。また、シールド線３１～３６とグランド間に蓄積される電荷は、抵抗Ｒ１を介して充電されたものではなく、等電位回路１８の電源から供給されるため、ＲＣ回路で静電容量の計算に影響はしない。
　以上のように、マトリクス状にセンサ素子Ｃ１～Ｃ９が配置されたセンサ部Ｃ’を備えた静電容量検出装置１００ｄにおいても、各シールド線３１～３６を制御線４１～４６の電位と等しい電位に設定することで、実施の形態１と同様に、シールド線３１～３６の寄生容量への電荷蓄積による測定精度の低下の問題を解決することができる。
（実施の形態５）
図１３は、本実施の形態５の静電容量検出装置１００ｅの構成を示す図である。上記の実施の形態では、抵抗Ｒは充電制御端子２１側に接続したが、必ずしも抵抗Ｒは充電制御端子２１側にある必要はない。図１３に示すように、抵抗Ｒはグランド端子（ＧＮＤ）２５側に接続されていてもよい。そして、抵抗ＲとマルチプレクサＭＰの間をノードＮとし、入力端子２２に接続して各センサ素子Ｃ１～Ｃ３の電圧を測定する。ノードＮを等電位回路１８の正入力端子（＋）に接続して、ノードＮと等しい電位を生成し、シールド線３０に印加する。この回路を使い上記の実施の形態と同様の制御を行うことで、式（１）にしたがい静電容量Ｃを求めることができる。
　（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１～５を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１～５で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　上記の実施の形態では、マイコン２０ａ、２０ｂがセンサ素子のセンシング電圧Ｖｃに基づきセンサ素子の静電容量を算出する例を説明したが、センシング電圧Ｖｃに基づく静電容量の算出はマイコン２０ａ、２０ｂ以外のデバイス（または回路）が行ってもよい。
　制御回路としてマイコン２０ａ、２０ｂを例示したが、制御回路はマイコンに限定されず、他の種類のデバイスで実現してもよい。制御回路の機能はハードウェアとソフトウェアとが協働して実現されてもよいし、専用に設計されたハードウェアのみで実現されてもよい。すなわち、制御回路は、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等の種々のプロセッサで実現できる。
　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
　したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
　また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、静電容量式センサを備えた静電容量検出装置に適用可能である。

Claims (6)

  1. 　静電容量が変化する少なくとも１つのセンサ素子を含むセンサ部と、
    　前記センサ素子に、前記センサ素子の静電容量を検出するための所定の充電電圧を印加する制御線と、
    　前記制御線を電気的に遮蔽するシールド線と、
    　前記制御線を介して前記センサ素子に充電電圧を供給し、前記センサ素子に充電電圧を印加したときの前記センサ素子の電圧変化を測定し、前記電圧変化に基づき前記センサ素子の静電容量を検出する制御回路と、
    　前記シールド線の電位を前記制御線の電位と等電位に設定する等電位回路と、
    を備えた静電容量検出装置。
  2. 　前記制御回路は、前記センサ素子の電圧変化として、前記センサ素子に所定時間、前記充電電圧を供給したときの前記センサ素子の電圧、及び／又は、前記センサ素子の充電開始から前記センサ素子の電圧が所定電圧に達するまでの時間を測定する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  3. 　入力端子と出力端子を含み、前記入力端子から電流を引き込まずに、前記入力端子から入力した信号と同じ電位の信号を生成して前記出力端子から出力する第２の等電位回路をさらに備え、
    　前記制御回路は、前記センサ素子の電圧を入力するための電圧入力端子を備え、
    　前記第２の等電位回路は、前記入力端子が前記制御線に接続され、前記制御線の電位と等しい電位の信号を生成して前記電圧入力端子に出力する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  4. 　前記制御回路は、前記制御線に対して充電電圧を供給する端子であって、互いに異なる抵抗値を有する抵抗が接続された複数の充電制御端子を含む、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  5. 　前記センサ部は複数のセンサ素子を含む、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  6. 　複数のセンサ素子が二次元的に配置された、請求項５に記載の静電容量検出装置。
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