WO2019187516A1 - 静電容量検出装置 - Google Patents

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WO2019187516A1
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voltage
capacitance
measured
sensor
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PCT/JP2019/001229
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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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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
    • G01L5/228—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping using tactile array force sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
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    • 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
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    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/144—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors with associated circuitry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

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 is two-dimensionally arranged.
  • the capacitance of other sensors connected to the control line connected to the sensor to be measured is also measured, resulting in a measurement error. There is a problem that arises.
  • the present disclosure aims to provide a capacitance detection device that can accurately measure capacitance in order to solve the above-described problems.
  • a capacitance detection device includes a sensor unit that includes a plurality of sensor elements that are two-dimensionally arranged and whose capacitance changes, and the sensor elements are connected in a row direction to A plurality of row control lines for applying a predetermined charging voltage to the sensor element for detecting the capacitance; a plurality of column control lines for connecting the sensor element in the column direction and connecting the sensor element to the ground potential side; A control circuit for supplying a charging voltage to the sensor element to be measured via the row control line, measuring a voltage change of the sensor element, and detecting a capacitance of the sensor element based on the voltage change; And an equipotential circuit that outputs a signal having a potential equal to the potential of the target sensor element.
  • the control circuit applies a charging voltage to the row control line connected to the sensor element to be measured, and connects the column control line connected to the sensor element to the ground potential side. Furthermore, the control circuit is an equipotential circuit, and is at least one of a row control line other than the row control line connected to the sensor element to be measured and a column control line other than the column control line connected to the sensor element to be measured. One potential is set equal to the potential of the sensor element to be measured.
  • the present disclosure it is possible to reduce the influence of the electrostatic capacitance on the sensor element that is not a measurement target, and therefore it is possible to improve the capacitance measurement accuracy.
  • the figure which shows the structure of the electrostatic capacitance detection apparatus of Embodiment 1 of this indication The figure explaining how sensor elements other than the sensor element to be measured are charged Timing chart of capacitance detection device when time measurement method is adopted. The figure explaining the time change of the measurement voltage of the sensor element 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 The figure which shows the structure of the electrostatic capacitance detection apparatus of Embodiment 2 of this indication. The figure which shows the structure of the electrostatic capacitance detection apparatus of Embodiment 3 of this indication.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a capacitance detection device of the present disclosure.
  • the capacitance detection device 100 includes a sensor unit C including a plurality of sensor elements C1 to C9 whose capacitance changes, and a measurement unit 10 that measures the capacitances of the sensor elements C1 to C9 of the sensor unit C. Prepare.
  • the measurement unit 10 and the sensor unit C are connected by row control lines 41 to 43 and column control lines 44 to 46.
  • the row control lines 41 to 43 connect the terminals X1 to X3 of the measuring unit 10 and the terminals X1 'to X3' of the sensor unit C, respectively.
  • the column control lines 44 to 46 connect the terminals Y1 to Y3 of the measuring unit 10 and the terminals Y1 'to Y3' of the sensor unit C, respectively.
  • the sensor unit C includes nine capacitance type sensor elements C1 to C9 whose capacitance changes.
  • the sensor elements C1 to C9 are two-dimensionally arranged in 3 rows ⁇ 3 columns. Each sensor element is connected to one row control line 41-43 and one column control line 44-46.
  • Sensor elements C1 to C9 are capacitive tactile sensors. When the sensor elements C1 to C9 are touched or pressed, their capacitance values change 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 capacitance detection device.
  • FIG. 1 for convenience of explanation, the configuration in which the sensor elements are arranged in 3 rows ⁇ 3 columns has been described. However, the number of sensor elements in 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).
  • the measurement unit 10 includes a microcomputer 20 that measures the capacitances of the sensor elements C1 to C9 in the sensor unit C, multiplexers MP1 to MP6, an equipotential circuit 18, and a resistor R1.
  • the microcomputer 20 is a control circuit that realizes a predetermined function in cooperation with software (program).
  • the microcomputer 20 includes a charge control terminal 21, an input terminal 22, a multiplexer (MPX) control terminal 23, discharge control terminals 24 a and 24 b, and a ground (GND) terminal 25.
  • MPX multiplexer
  • GND ground
  • the charging control terminal 21 is a terminal that outputs a charging voltage (Vin) for measuring the potential of the sensor elements C1 to C9.
  • the potential of the charging control terminal 21 is controlled to “H” (High) or “L” (Low).
  • the input terminal 22 is a terminal for inputting the voltage (sensing voltage) of the sensor elements C1 to C9 to be measured.
  • the microcomputer 20 can also convert the analog value of the sensing voltage input via the input terminal 22 by the AD converter into a digital value.
  • the discharge control terminals 24a and 24b are terminals for discharging the charges accumulated in the sensor elements C1 to C9.
  • the discharge control terminals 24a and 24b are controlled to high impedance during the measurement of the capacitance, and are controlled to “L” when discharging the sensor elements C1 to C9.
  • the MPX control terminal 23 outputs a control signal for switching the inputs of the multiplexers MP1 to MP6.
  • a signal that controls switching of the input of the multiplexer MPx is referred to as an MPX control x signal.
  • the ground terminal 25 is a terminal for connecting to the ground potential.
  • 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 positive input terminal (+) of the equipotential circuit 18 is connected to the node N.
  • the node N is a node where the potentials of the sensor elements C1 to C9 to be measured are detected.
  • the output of the equipotential circuit 18 is connected to the inputs of the multiplexers MP1 to MP6. Thereby, the equipotential circuit 18 can control the potentials of the row control lines 41 to 43 and the column control lines 44 to 46 to be equal to the potentials of the sensor elements C1 to C9 to be measured.
  • the node N between the sensor elements C1 to C9 and the resistor R1 is connected to the charge control terminal 21, the input terminal 22, and the discharge control terminal 24a via the resistor R1.
  • the voltages (sensing voltages) of the sensor elements C1 to C9 are measured. That is, the sensing voltage Vc is the voltage of the sensor element in the RC circuit configured by the resistor R1 and any of the sensor elements C1 to C9.
  • the multiplexers MP1 to MP6 are two-input and one-output multiplexers.
  • the charge control terminal 21 is connected to one input through a resistor R, and the output of the equipotential circuit 18 is connected to the other input.
  • the ground terminal 25 is connected to one input of the multiplexers MP4 to MP6, and the output of the equipotential circuit 18 is connected to the other input.
  • the outputs of the multiplexers MP1 to MP3 are connected to row control lines 41 to 42, respectively.
  • the outputs of the multiplexers MP4 to MP6 are connected to column control lines 44 to 46, respectively.
  • the discharge control terminal 24a is connected to one input of the multiplexers MP1 to MP3.
  • the discharge control terminal 24b is connected to the other inputs of the multiplexers MP4 to MP6.
  • the electric charges accumulated in the sensor elements C1 to C9 can be discharged by setting the discharge control terminals 24a and 24b to “L”.
  • the multiplexers MP1 to MP3 and MP4 to MP5 switch the input in response to a control signal from the MPX control terminal 23.
  • the capacitance detection device 100 measures the capacitance of each sensor element while sequentially switching the sensor elements to be measured in the sensor unit C. A charging voltage is supplied to the sensor element to be measured via the row control lines 41 to 43. At this time, the charging voltage is also supplied to sensor elements other than the sensor element to be measured. For this reason, in addition to the capacitance of the sensor element to be measured, there is a problem that the capacitance of other sensor elements is also measured.
  • the row control line 41 and the column control line 44 are selected. Thereby, a charging voltage for measurement is applied between the node X1 'and the node Y1'.
  • a current path passing through the sensor elements C4, C5, and C2 is formed, and a voltage is also supplied to the sensor elements C4, C5, and C2.
  • the capacitances of the sensor elements C2, C4, and C5 are also measured, resulting in a decrease in measurement accuracy.
  • the charging voltage is supplied to the sensor element to be measured, and the control lines 41 to 41 other than the row control line and the column control line connected to the sensor element to be measured.
  • the output of the equipotential circuit 18 is connected to 43 and 44 to 46.
  • the equipotential circuit 18 outputs the potential of the node N, that is, the sensor element to be measured.
  • the potentials of the control lines 41 to 43 and 44 to 46 other than the row control line and the column control line connected to the measurement target sensor element are equal to the potential of the measurement target sensor element. Thereby, the electric charge accumulate
  • 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 output of the equipotential circuit 18 is connected to 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.
  • the potentials of the row control lines 42 and 43 and the column control lines 45 and 46 are equal to the potential of the sensor element C1 to be measured. Therefore, it is possible to prevent charges from being accumulated in the electrostatic capacitances of the sensor elements C2, C4, and C5. Therefore, measurement accuracy can be improved.
  • FIG. 3 is a timing chart of the capacitance detection device 100 of the present embodiment. Hereinafter, the operation of the capacitance detection apparatus 100 will be described with reference to FIG.
  • the microcomputer 20 sets the input terminal 22 and the discharge control terminals 24a and 24b to the discharge state (each “L”), and discharges the charge accumulated in the sensor element to be measured last time.
  • the charge accumulated in the sensor element C9 or the like is discharged.
  • the microcomputer 20 puts the input terminal 22 and the discharge control terminals 24a and 24b into the voltage input state, controls the multiplexer MP1, and connects the row control line 41 to the charge control terminal 1.
  • the microcomputer 20 controls the multiplexer MP4 to connect the column control line 44 to the ground terminal 25.
  • the multiplexers MP1 and MP4 are controlled by an MPX control 1 signal and an MPX control 4 signal, respectively.
  • the charging voltage Vin is supplied from the charging control terminal 1 to the sensor element C1 to be measured.
  • the microcomputer 20 controls the multiplexers MP2 and MP3 to connect the outputs of the equipotential circuit 18 to the row control lines 42 and 43, and controls the multiplexers MP5 and MP6 to control the multiplexers MP5 and MP6 to the column control lines 45 and 46.
  • the multiplexers MP2, MP3, MP5, and MP6 are controlled by an MPX control 2 signal, an MPX control 3 signal, an MPX control 5 signal, and an MPX control 6 signal, respectively.
  • the potentials of the row control lines 42 and 43 and the column control lines 45 and 46 become the same as the potential of the node N, that is, the potential of the sensor element C1 to be measured, thereby preventing charge accumulation in the sensor elements C2 to C9. it can.
  • the sensor element C1 is charged by the charging voltage Vin from the charging control terminal 21.
  • the microcomputer 20 acquires the sensing voltage Vc of the sensor element C1 through the input terminal 22, measures the time t from the start of charging until the sensing voltage Vc reaches a predetermined voltage value, and based on the time t, detects the static voltage of the sensor element C1. Obtain the capacitance C.
  • FIG. 4 is a diagram showing a time change of the sensing voltage Vc according to the above equation (1).
  • the microcomputer 20 measures the time t until the sensing voltage Vc reaches the predetermined voltage value V0.
  • the microcomputer 20 calculates the capacitance C from the measured time t according to the above equation (1).
  • the microcomputer 20 sets the input terminal 22 and the discharge control terminals 24a and 24b to “L” to discharge the charge accumulated in the sensor element C1 and the like.
  • the microcomputer 20 sets the input terminal 22 and the discharge control terminals 24a and 24b to the voltage input state, switches to the next sensor element C2 by the multiplexer MP2, and charges with the voltage Vin from the charge control terminal 21, thereby
  • the capacitance of the sensor element C2 can be measured.
  • the capacitance of each sensor element is measured while sequentially switching the sensor elements C1 to C9 to be measured.
  • the “L” level is changed to the “H” level during charging, but it is not always necessary to do so.
  • the “H” and “L” levels of charge control and discharge control may be reversed so that they are set to “H” during normal operation and controlled to “L” during charge control, and measurement can be performed in the same manner.
  • the time t until the sensing voltage Vc reaches the constant voltage V0 is measured, and based on the formula (1) using the time t.
  • the example of obtaining the capacitance of the sensor element has been described.
  • 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 microcomputer 20 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 20 may calculate the capacitance by this voltage measurement method instead of the time measurement method.
  • FIG. 5 shows a timing chart in the case of obtaining the capacitance by the voltage measurement method. In the case of the time measurement method, as shown in FIG.
  • the amplitude of the sensing voltage Vc is constant, and its width changes according to the capacitance of the sensor element.
  • the width of the sensing voltage Vc is constant, but the amplitude of the sensing voltage Vc changes according to the capacitance of the sensor element.
  • the microcomputer 20 may use both the time measurement method and the voltage measurement method. That is, when measuring the potentials of the sensor elements C1 to C9 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. 6 shows a flowchart in this case.
  • the microcomputer 20 starts measuring the sensing voltage Vc of the sensor elements C1 to C9 (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. 7 shows a flowchart in this case.
  • the microcomputer 20 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 20 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 a sensor unit C that includes a plurality of sensor elements C1 to C9 that are two-dimensionally arranged and vary in capacitance, and a row direction.
  • the sensor elements are connected to each other, and a plurality of row control lines 41 to 43 for applying a predetermined charging voltage for detecting the capacitance of the sensor elements to the sensor elements are connected to the sensor elements in the column direction.
  • a plurality of column control lines 44 to 46 for connection to the ground potential side and a sensor element to be measured are supplied with a charging voltage via a row control line, a voltage change of the sensor element is measured, and a voltage change And an equipotential circuit 18 that outputs a signal having a potential equal to the potential of the sensor element to be measured.
  • the microcomputer 20 applies a charging voltage to the row control line connected to the sensor element to be measured, and connects the column control line connected to the sensor element to the ground potential side.
  • the microcomputer 20 uses the equipotential circuit 18 to at least one of a row control line other than the row control line connected to the sensor element to be measured and a column control line other than the column control line connected to the sensor element to be measured.
  • One of the potentials is set equal to the potential of the sensor element to be measured.
  • the equipotential circuit 18 makes 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 have the same potential as the potential of the sensor element to be measured. Therefore, the influence of the electrostatic capacitance of sensor elements other than the measurement object is reduced, and the measurement accuracy of the electrostatic capacitance can be improved.
  • 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 C9 when measuring the potential of the element. If the charge is sucked out, the potential of the sensor elements C1 to C9 is lowered, 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 C9.
  • FIG. 8 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. 8, 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 via the second equipotential circuit 19. In this case, even if the charge is sucked out by the AD converter or the like, the charge is replenished from the second equipotential circuit 19, so that the potential of the sensor elements C1 to C9 can be prevented from being lowered due to the suction. Thereby, measurement accuracy can be improved.
  • the microcomputer 20 is provided with a plurality of charge control terminals to which resistors having different resistance values are connected, and the charge control terminal, that is, the resistance value can be switched according to the capacitance value to be measured.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the microcomputer 20 includes two charge control terminals 21a and 21b.
  • a resistor R1 is connected to the charge control terminal 21a, 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.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device according to the fourth embodiment of the present disclosure.
  • shield lines 31 to 36 that electrically shield (shield) the row control lines 41 to 43 and the column control lines 44 to 46 between the sensor unit C and the measurement unit 10. Is further provided.
  • the shield lines 31 to 36 are configured by, for example, arranging a plurality of coated conductors around the control lines 41 to 46 around the control lines 41 to 46, respectively.
  • the configuration of the shield lines 31 to 36, that is, the shield means for the control lines 41 to 46 is not limited to this.
  • control lines 41 to 46 By shielding the control lines 41 to 46, the influence of external noise on the control lines 41 to 46 can be reduced, and the voltage of each sensor element of the sensor unit C measured by the measuring unit 10 can be reduced. Fluctuation due to noise can be reduced.
  • shield wires 31 to 36 are connected to the output of the equipotential circuit 18 as shown in FIG.
  • the equipotential circuit 18 sets the potentials of the shield lines 31 to 36 equal to the potentials of the sensor elements C1 to C9 to be measured while measuring the capacitances of the sensor elements C1 to C9. Thereby, the influence of the parasitic capacitance between the control lines 41 to 46 and the shield lines 31 to 36 is reduced.
  • the influence of external noise on the control lines 41 to 46 can be reduced, and the capacitance can be accurately measured.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device according to the fifth embodiment of the present disclosure.
  • the multiplexers MP1 to MP3 connected to the row control lines 41 to 43 have one input connected to the charge control terminal 22 via the resistor R1, and the other input connected to the ground. Terminal 25 is connected.
  • the multiplexers MP4 to MP6 connected to the column control lines 44 to 46 have one input connected to the output of the equipotential circuit 18 and the other input connected to the ground terminal 25.
  • the row control lines 41 to 43 connected to the sensor element to be measured are connected to the charge control terminal 21 and the row control is connected to a sensor element other than the measurement object.
  • Lines 41 to 43 are connected to the ground terminal 25.
  • the column control lines 44 to 46 connected to the sensor element to be measured are connected to the ground terminal 25, and the row control lines 41 to 43 connected to the sensor elements other than the measurement object are connected to the equipotential circuit 18.
  • the equipotential circuit 18 outputs the potential of the node N, that is, the sensor element to be measured. For this reason, the potentials of the control lines 44 to 46 other than the column control line connected to the sensor element to be measured are equal to the potential of the sensor element to be measured. Thereby, the electric charge accumulate
  • the control lines 41 to 46 at the time of measuring the capacitance may be switched in the order shown in FIG. That is, the position of the sensor to be measured is sequentially switched in the column direction, and is changed to the row direction when the sensor cannot be switched in the column direction. In this way, by changing the row control line prior to the column control line, the charge can easily escape (that is, easily return to the ground potential level), and the discharge failure is improved.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of the capacitance detection device 100g according to the seventh embodiment.
  • the resistor R1 is connected to the charge control terminal 21 side, but the resistor R1 does not necessarily need to be on the charge control terminal 21 side.
  • the resistor R1 may be connected to the ground terminal (GND) 25 side.
  • GND ground terminal
  • a node N between the resistor R1 and the multiplexers MP4 to MP6 is connected to the input terminal 22, and the voltages of the sensor elements C1 to C9 are measured.
  • the node N is connected to the positive input terminal (+) of the equipotential circuit 18 to generate a potential equal to the node N.
  • the capacitance C can be obtained according to the equation (1).
  • Embodiments 1 to 7 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 above first to seventh embodiments to form a new embodiment.
  • the microcomputer 20 calculates the capacitance of the sensor element based on the sensing voltage Vc of the sensor element.
  • the calculation of the capacitance based on the sensing voltage Vc is performed by a device other than the microcomputer 20 ( Or a circuit).
  • 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 detection device.

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Abstract

静電容量検出装置は、二次元的に配置された、静電容量が変化する複数のセンサ素子を含むセンサ部（Ｃ）と、行制御線（４１～４３）と、列制御線（４４～４６）と、測定対象のセンサ素子に対して行制御線を介して充電電圧を供給し、その電圧変化を測定し、当該センサ素子の静電容量を検出する制御回路（２０）と、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位の信号を出力する等電位回路（１８）とを備える。制御回路は、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線に充電電圧を印加し、当該センサ素子に接続する列制御線をグランド電位側に接続する。さらに、等電位回路により、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線以外の行制御線と測定対象のセンサ素子に接続する列制御線以外の列制御線のうちの少なくともいずれかを、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に設定する。

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、静電容量型センサは二次元的に配置されている。このような構成の場合、測定対象の静電容量型センサの電圧を測定する場合に、測定対象のセンサに接続する制御線に接続する他センサの静電容量も測定してしまい、測定誤差が生じるという問題がある。
　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。
　本開示の一態様の静電容量検出装置は、二次元的に配置された、静電容量が変化する複数のセンサ素子を含むセンサ部と、行方向においてセンサ素子を接続し、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センサ素子に印加する複数の行制御線と、列方向においてセンサ素子を接続し、センサ素子をグランド電位側に接続するための複数の列制御線と、測定対象のセンサ素子に対して行制御線を介して充電電圧を供給し、当該センサ素子の電圧変化を測定し、電圧変化に基づき当該センサ素子の静電容量を検出する制御回路と、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位の信号を出力する等電位回路と、を備える。制御回路は、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線に充電電圧を印加し、当該センサ素子に接続する列制御線をグランド電位側に接続する。さらに、制御回路は、等電位回路により、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線以外の行制御線及び測定対象のセンサ素子に接続する列制御線以外の列制御線のうちの少なくともいずれか一方の電位を、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に設定する。
　本開示によれば、測定対象でないセンサ素子に対する静電容量の影響を低減できるため、静電容量の測定精度を向上できる。
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 測定対象のセンサ素子以外のセンサ素子が充電される様子を説明した図 時間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 センサ素子の測定電圧の時間変化を説明した図 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 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 実施の形態５の静電容量検出装置におけるセンサ素子の電位測定順序を説明した図 本開示の実施の形態６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構成を示す図である。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Ｃ１～Ｃ９を備えたセンサ部Ｃと、センサ部Ｃのセンサ素子Ｃ１～Ｃ９の静電容量を測定する測定部１０とを備える。
　測定部１０とセンサ部Ｃは行制御線４１～４３と列制御線４４～４６により接続される。行制御線４１～４３は測定部１０の端子Ｘ１～Ｘ３とセンサ部Ｃの端子Ｘ１’～Ｘ３’をそれぞれ接続する。列制御線４４～４６は測定部１０の端子Ｙ１～Ｙ３とセンサ部Ｃの端子Ｙ１’～Ｙ３’をそれぞれ接続する。
　センサ部Ｃは、静電容量が変化する静電容量式の９つのセンサ素子Ｃ１～Ｃ９を備えている。センサ素子Ｃ１～Ｃ９は３行×３列に二次元的に配置される。各センサ素子は１つの行制御線４１～４３と１つの列制御線４４～４６に接続される。
　センサ素子Ｃ１～Ｃ９は静電容量式触覚センサである。センサ素子Ｃ１～Ｃ９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、静電容量検出装置であれば、圧力センサ等、任意の用途のものが使用できる。なお、図１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のセンサ素子の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）。
　測定部１０は、センサ部Ｃにおける各センサ素子Ｃ１～Ｃ９の静電容量を測定するマイコン２０と、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６と、等電位回路１８と、抵抗Ｒ１とを備える。
　マイコン２０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２０は、充電制御端子２１と、入力端子２２と、マルチプレクサ（ＭＰＸ）制御端子２３と、放電制御端子２４ａ、２４ｂ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～Ｃ９の電位測定のための充電電圧（Ｖin）を出力する端子である。充電制御端子２１の電位は、「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～Ｃ９の電圧（センシング電圧）を入力する端子である。マイコン２０はＡＤコンバータを備えることによって、ＡＤコンバータにより入力端子２２を介して入力されたセンシング電圧のアナログ値をデジタル値に変換させることもできる。
　放電制御端子２４ａ、２４ｂは、センサ素子Ｃ１～Ｃ９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２４ａ、２４ｂは、静電容量の測定中はハイインピーダンスに制御され、センサ素子Ｃ１～Ｃ９の放電を行う時には「Ｌ」に制御される。
　ＭＰＸ制御端子２３は、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６それぞれの入力を切り替えるための制御信号を出力する。以下では、マルチプレクサＭＰｘの入力の切替えを制御する信号をＭＰＸ制御ｘ信号と称する。
　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。
　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。等電位回路１８の正入力端子（＋）はノードＮに接続される。ここで、ノードＮは、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９の電位が検出されるノードである。等電位回路１８の出力は各マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６の入力に接続される。これにより、等電位回路１８は、行制御線４１～４３及び列制御線４４～４６の電位を、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９の電位と等しい電位に制御できる。
　センサ素子Ｃ１～Ｃ９と抵抗Ｒ１の間のノードＮは、抵抗Ｒ１を介して充電制御端子２１と、入力端子２２と、抵抗Ｒ３を介して放電制御端子２４ａとに接続される。このノードＮにおいて、センサ素子Ｃ１～Ｃ９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Ｒ１とセンサ素子Ｃ１～Ｃ９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。
　マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ６は二入力、一出力のマルチプレクサである。マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３は、一方の入力に抵抗Ｒを介して充電制御端子２１が接続され、他方の入力には等電位回路１８の出力が接続される。また、マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の一方の入力には、グランド端子２５が接続され、他方の入力には等電位回路１８の出力が接続される。
　マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の出力はそれぞれ行制御線４１～４２に接続される。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。
　また、マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３の一方の入力には放電制御端子２４ａが接続される。マルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６の他方の入力には放電制御端子２４ｂが接続される。放電時には、放電制御端子２４ａ、２４ｂを「Ｌ」にすることで、センサ素子Ｃ１～Ｃ９に蓄積された電荷を放電することができる。
　マルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３、ＭＰ４～ＭＰ５はＭＰＸ制御端子２３からの制御信号を受けて入力を切り替える。
　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は、センサ部Ｃにおける測定対象のセンサ素子を順に切り替えながら各センサ素子の静電容量を測定する。測定対象のセンサ素子には行制御線４１～４３を介して充電電圧が供給されるが、このとき、測定対象のセンサ素子以外のセンサ素子にも充電電圧が供給される。このため、測定対象のセンサ素子の静電容量に加えて、それ以外のセンサ素子の静電容量も測定されてしまうという問題がある。
　例えば、センサ素子Ｃ１が測定対象である場合、行制御線４１と列制御線４４が選択される。これによりノードＸ１’とノードＹ１’間に測定のための充電電圧が印加される。このとき、図２に示すように、センサ素子Ｃ１以外に例えばセンサ素子Ｃ４、Ｃ５、Ｃ２を通る電流経路が形成され、センサ素子Ｃ４、Ｃ５、Ｃ２にも電圧が供給される。このため、測定対象のセンサ素子Ｃ１の静電容量に加えて、センサ素子Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５の静電容量も測定されてしまい、測定精度が低下する。
　そこで、本実施の形態の静電容量検出装置１００においては、測定対象のセンサ素子に充電電圧を供給するとともに、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制御線４１～４３、４４～４６に等電位回路１８の出力を接続する。等電位回路１８は、ノードＮすなわち測定対象のセンサ素子の電位を出力する。このため、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制御線４１～４３、４４～４６の電位は、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位となる。これにより、測定対象のセンサ素子以外のセンサ素子の静電容量に蓄積される電荷が低減される。
　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を接続し、列制御線４４にグランド端子２５を接続する。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には、等電位回路１８の出力を接続する。これにより、行制御線４２、４３及び列制御線４５、４６の電位は、測定対象のセンサ素子Ｃ１の電位と等しい電位となる。よって、センサ素子Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５の静電容量に電荷が蓄積されることを防止できる。よって、測定精度を向上できる。
　図３は、本実施の形態の静電容量検出装置１００のタイミングチャートである。以下、図３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、マイコン２０は、入力端子２２及び放電制御端子２４ａ、２４ｂをそれぞれ放電状態（それぞれ「Ｌ」）にし、前回の測定対象のセンサ素子に蓄積された電荷を放電させる。図３の例では、センサ素子Ｃ９などに蓄積された電荷が放電される。
　次に、マイコン２０は入力端子２２及び放電制御端子２４ａ、２４ｂを電圧入力状態にし、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に接続する。これとともに、マイコン２０は、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。マルチプレクサＭＰ１、ＭＰ４はそれぞれＭＰＸ制御１信号、ＭＰＸ制御４信号により制御される。これにより、測定対象であるセンサ素子Ｃ１には充電制御端子１から充電電圧Ｖinが供給される。
　同時に、マイコン２０は、マルチプレクサＭＰ２、ＭＰ３を制御して行制御線４２、４３に等電位回路１８の出力を接続し、マルチプレクサＭＰ５、ＭＰ６を制御して列制御線４５、４６に等電位回路１８の出力を接続する。マルチプレクサＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ５、ＭＰ６はそれぞれＭＰＸ制御２信号、ＭＰＸ制御３信号、ＭＰＸ制御５信号、ＭＰＸ制御６信号により制御される。これにより、行制御線４２、４３及び列制御線４５、４６の電位は、ノードＮの電位すなわち測定対象であるセンサ素子Ｃ１の電位と同じになり、センサ素子Ｃ２～Ｃ９への電荷蓄積が防止できる。
　センサ素子Ｃ１は充電制御端子２１からの充電電圧Ｖinにより充電される。マイコン２０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が所定電圧値になるまでの時間ｔを測定し、時間ｔに基づきセンサ素子Ｃ１の静電容量Ｃを求める。
　静電容量Ｃとセンシング電圧Ｖｃの関係は次式で表される。
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２０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２０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。
　センサ素子Ｃ１の測定が終了すると、マイコン２０は入力端子２２及び放電制御端子２４ａ、２４ｂを「Ｌ」にすることでセンサ素子Ｃ１などに蓄積された電荷を放電させる。
　次に、マイコン２０は入力端子２２及び放電制御端子２４ａ、２４ｂを電圧入力状態にし、マルチプレクサＭＰ２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。以下、同様に、順次、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９を切り替えながら、各センサ素子の静電容量を測定する。
　上記の制御では、図３のフローチャートのように充電時に「Ｌ」から「Ｈ」レベルに変化させたが、必ずしもそうする必要はない。通常時に「Ｈ」にしておき充電制御時に「Ｌ」に制御するように、充電制御や放電制御の「Ｈ」と「Ｌ」レベルを反転させてもよく、同様に測定することができる。
　上記の制御において、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９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を測定し、時間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～Ｃ９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２０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２０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５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３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５に示すように、センシング電圧Ｖｃの幅は一定であるが、センシング電圧Ｖｃの振幅がセンサ素子の静電容量に応じて変化する。
　また、マイコン２０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～Ｃ９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６に、この場合のフローチャートを示す。
　図６において、マイコン２０は、センサ素子Ｃ１～Ｃ９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７に、この場合のフローチャートを示す。
　マイコン２０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２０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、二次元的に配置された、静電容量が変化する複数のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９を含むセンサ部Ｃと、行方向においてセンサ素子を接続し、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センサ素子に印加する複数の行制御線４１～４３と、列方向においてセンサ素子を接続し、センサ素子をグランド電位側に接続するための複数の列制御線４４～４６と、測定対象のセンサ素子に対して行制御線を介して充電電圧を供給し、当該センサ素子の電圧変化を測定し、電圧変化に基づき当該センサ素子の静電容量を検出するマイコン２０（制御回路の一例）と、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位の信号を出力する等電位回路１８と、を備える。マイコン２０は、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線に充電電圧を印加し、当該センサ素子に接続する列制御線をグランド電位側に接続する。同時に、マイコン２０は、等電位回路１８により、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線以外の行制御線及び測定対象のセンサ素子に接続する列制御線以外の列制御線のうちの少なくともいずれか一方の電位を、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に設定する。
　上記構成によれば、等電位回路１８により、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線及び列制御線以外の行制御線及び列制御線を測定対象のセンサ素子の電位と同電位にする。これにより、測定対象以外のセンサ素子の静電容量の影響が低減され、静電容量の測定精度を向上できる。
　（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２０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～Ｃ９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～Ｃ９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～Ｃ９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８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８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２０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、吸い出しによるセンサ素子Ｃ１～Ｃ９の電位の低下を防止できる。これにより、測定精度を向上できる。
　（実施の形態３）
　センサ素子Ｃ１～Ｃ９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～Ｃ９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２０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９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９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２０は２つの充電制御端子２１a、２１ｂを備える。充電制御端子２１a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）
　図１０は、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である。本実施の形態の静電容量検出装置１００ｅは、センサ部Ｃと測定部１０の間の行制御線４１～４３及び列制御線４４～４６を電気的に遮蔽（シールド）するシールド線３１～３６をさらに設けている。
　各シールド線３１～３６は、例えば、各制御線４１～４６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３１～３６の構成、すなわち、制御線４１～４６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、各制御線４１～４６をシールドすることで、各制御線４１～４６に対する外部からのノイズの影響を低減でき、測定部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。
　しかし、このようなシールド線３１～３６を設けた場合、制御線４１～４６とシールド線３１～３６の間に寄生容量が生じる。この寄生容量により、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。
　そこで、本実施の形態では、図１０に示すように、等電位回路１８の出力にシールド線３１～３６を接続している。等電位回路１８は、センサ素子Ｃ１～Ｃ９の静電容量を測定中において、シールド線３１～３６の電位を、測定対象のセンサ素子Ｃ１～Ｃ９の電位と等しい電位に設定する。これにより、制御線４１～４６とシールド線３１～３６の間の寄生容量の影響を低減する。
　以上のように、本実施の形態の静電容量検出装置１００ｅによれば、制御線４１から４６に対する外部からのノイズの影響を低減し、静電容量を精度よく測定することができる。
　（実施の形態５）
　上記の実施の形態では、静電容量の測定中において、測定対象以外のセンサ素子に接続する行制御線４１～４３と列制御線４４～４６の双方を等電位回路１８により測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に制御した。しかし、静電容量の測定中において、測定対象以外のセンサ素子に接続する行制御線４１～４３と列制御線４４～４６のいずれか一方のみを、等電位回路１８により測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に制御してもよい。本実施の形態では、列制御線４４～４６のみを等電位回路１８により測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に制御する構成を説明する。
　図１１は、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である。本実施の形態の静電容量検出装置１００ｆは、行制御線４１～４３に接続するマルチプレクサＭＰ１～ＭＰ３は、一方の入力に抵抗Ｒ１を介して充電制御端子２２が接続され、他方の入力にグランド端子２５が接続される。また、列制御線４４～４６に接続するマルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６は、一方の入力に等電位回路１８の出力が接続され、他方の入力にグランド端子２５が接続される。
　上記の構成において、センサ素子の静電容量を測定する場合、測定対象のセンサ素子に接続する行制御線４１～４３を充電制御端子２１に接続し、測定対象以外のセンサ素子に接続する行制御線４１～４３はグランド端子２５に接続する。また、測定対象のセンサ素子に接続する列制御線４４～４６をグランド端子２５に接続し、測定対象以外のセンサ素子に接続する行制御線４１～４３は等電位回路１８に接続する。
　等電位回路１８は、ノードＮすなわち測定対象のセンサ素子の電位を出力する。このため、測定対象のセンサ素子に接続する列制御線以外の制御線４４～４６の電位は、測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位となる。これにより、測定対象のセンサ素子以外のセンサ素子の静電容量に蓄積される電荷が低減され、測定精度を向上できる。
　（実施の形態６）
上記の実施の形態の静電容量検出装置の構成において、センサ素子Ｃ１～Ｃ９の放電は放電制御端子２４ａ、２４ｂから行うが、充電電荷が多くなりすぎて放電時に充放電不良が発生する場合がある。その放電不良のセンサ素子から他のセンサ素子へ電荷が回り込むことで、計測精度が悪化すると言う問題がある。そこで、この問題を解決するために、静電容量の測定時の制御線４１～４６を図１２に示すような順で切り替えるようにしてもよい。すなわち、測定対象のセンサの位置を、列方向に順に切り替え、列方向に切り替えられなくなったときに行方向に替えるようにする。このように、行制御線を列制御線よりも優先して先に変更することで、電荷が逃げやすくなり（すなわち、グランド電位レベルに戻り易い）、放電不良が改善される。
　（実施の形態７）
図１３は、本実施の形態７の静電容量検出装置１００ｇの構成を示す図である。上記の実施の形態では、抵抗Ｒ１は充電制御端子２１側に接続したが、必ずしも抵抗Ｒ１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Ｒ１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Ｒ１とマルチプレクサＭＰ４～ＭＰ６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～Ｃ９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１～７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１～７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２０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２０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２０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、静電容量検出装置を備えた静電容量検出装置に適用可能である。

Claims (6)

  1. 　二次元的に配置された、静電容量が変化する複数のセンサ素子を含むセンサ部と、
    　行方向において前記センサ素子を接続し、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前記センサ素子に印加する複数の行制御線と、
    　列方向において前記センサ素子を接続し、前記センサ素子をグランド電位側に接続するための複数の列制御線と、
    　測定対象のセンサ素子に対して前記行制御線を介して充電電圧を供給し、当該センサ素子の電圧変化を測定し、前記電圧変化に基づき当該センサ素子の静電容量を検出する制御回路と、
    　前記測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位の信号を出力する等電位回路と、
    を備え、
    　前記制御回路は、
    　　前記測定対象のセンサ素子に接続する行制御線に充電電圧を印加し、当該センサ素子に接続する列制御線をグランド電位側に接続するとともに、
    　　前記等電位回路により、前記測定対象のセンサ素子に接続する行制御線以外の行制御線及び前記測定対象のセンサ素子に接続する列制御線以外の列制御線のうちの少なくともいずれか一方の電位を、前記測定対象のセンサ素子の電位と等しい電位に設定する、
    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、
    　前記制御回路は、前記第２の等電位回路を介して、前記測定対象のセンサ素子の電圧を前記電圧入力端子に入力する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  4. 　前記制御回路は、前記行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. 　前記等電位回路の出力に接続され、前記行制御線及び前記列制御線を電気的に遮蔽するシールド線をさらに備えた、請求項１に記載の静電容量検出装置。
  6. 　前記等電位回路は前記列制御線に接続され、
    　前記制御回路は、測定対象のセンサ素子の位置を、列方向に順に切り替えていき、列方向に切り替えられなくたったときは行方向に替えることにより変更する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
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