JP7122687B2 - 静電容量検出装置 - Google Patents

Description

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。

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 (5)

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、
   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の等電位回路を備えた静電容量検出装置であって、
   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し、
   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. 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。
4. 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。
5. 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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