JP5176108B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、静電容量変化によって人体などの検知対象物の近接あるいは接触を検知して、検知対象物の位置や距離を判定し検出する位置検出装置に関する。

人体などの検知対象物の近接等を検知するものとして、例えば次のようなものが知られている。下記特許文献１に開示されている照明点滅装置は、物体の接近を検知する電極と、この電極の静電容量の変化を検知する静電容量型センサと、この静電容量型センサの５０ミリ秒から１２０ミリ秒までの時間幅を有する出力変化に応答する時間選択回路と、この時間選択回路の出力に基づいて点灯および消灯信号を出力する制御回路と、この制御回路の出力に基づいて開閉する開閉器とを有し、操作者の手の動きに反応するとされている。

また、下記特許文献２に開示されている静電容量式近接センサは、被検出体が近接することにより静電容量が変化するセンサ部と、このセンサ部の静電容量に基づく検知信号を出力する検知回路とを備え、被検出体の非検出時に、較正命令に基づいて回路に固有の初期容量値に対応した検知信号を観測し、これを相殺する減算電圧を減算電圧発生回路から発生させ、減算回路は、減算電圧を検知信号から減算して較正後検知信号を出力するとされている。

そして、これら特許文献１および２の静電容量型センサ（あるいは静電容量式センサ）にて、物体（被検出体）の位置検出分解能を向上するためには、次のような構成が考えられる。すなわち、図１０（ａ）に示すように、複数の検知電極３０１〜３０５を高密度で配置し、各検知電極３０１〜３０５に対してそれぞれ静電容量検知回路３１１〜３１５を設けたり、同図（ｂ）に示すように、回路数を減らすために複数の検知電極３０１〜３０４と一つの静電容量検知回路３１１との間に、電極数と同等（あるいは電極数よりも少ない数）の切替器（メカニカルリレー、アナログスイッチ、フォトＭＯＳリレー等）ＳＷ１〜ＳＷ４を設けて、各検知電極３０１〜３０４に接続される静電容量検知回路３１１を走査（スキャン）して測定することなどが行われる。

特開平８−６４３６４号公報 特開２００６−１７７８３８号公報

しかしながら、上述したような構成のセンサでは、静電容量検知回路の増加は回路自体が高価であり配線等も複雑になることから、コストアップに繋がってしまうという問題がある。また、切替器を複数設けて静電容量検知回路の数を減らしても、配線等が複雑になることに変わりはなく、かつ一つの検知電極あたりの測定時間が増加してしまうという問題がある。

また、検知領域の範囲の下方にセンサが配置されるため、検知領域の範囲の構造が複雑となり、例えば検知領域の範囲に透明性のあるデザインを施した場合には検知電極が可視状態となってしまい設計自由度を向上させることができず、この検知電極を隠すためには隠蔽するための部品が別途必要となったり構造が複雑化したりして、やはりコストアップに繋がってしまうという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、簡単な構造で安価に検知領域の範囲に近接等する検知対象物の位置や距離を確実に検出することができるとともに、設計自由度を向上させることができる位置検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明に係る位置検出装置は、検知領域の範囲を画定する検知面を有する誘電体と、前記検知面上に形成された前記検知領域の範囲に存して前記誘電体に近接あるいは接触する検知対象物を静電容量により検知可能に設けられた複数の検知電極と、前記複数の検知電極からの検知信号に基づく静電容量値を検出する検出回路と、前記検出回路からの検出結果に基づいて、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離のうちの少なくとも一つを判定して検出する判定検出手段とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る位置検出装置は、上記のように構成することにより、簡単な構造で安価に検知領域の範囲に近接等する検知対象物の位置や距離を確実に検出することができる。

なお、例えば前記判定検出手段からの判定検出結果に関する情報を出力する情報出力手段を備えてもよい。

また、例えば前記複数の検知電極のそれぞれを、前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路とのセンサ電位による接続、または前記センサ電位とは異なる接地電位あるいは所定の固定電位との接続に切り替え可能な複数の切替スイッチを備えてもよい。

そして、例えば前記複数の検知電極のうちの少なくとも一の検知電極が、前記複数の切替スイッチのうちの少なくとも一の切替スイッチによって前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路との接続に切り替えられ、前記複数の検知電極のうちの他の検知電極が、前記複数の切替スイッチのうちの他の切替スイッチによって前記接地電位あるいは前記固定電位との接続に切り替えられた場合に、前記判定検出手段は、前記検知対象物の位置を判定して検出する。

また、例えば前記複数の検知電極それぞれが、前記複数の切替スイッチによって前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路との接続に切り替えられた場合に、前記判定検出手段は、前記検知対象物の前記検知面からの距離を判定して検出する。

なお、前記判定検出手段は、例えば前記複数の切替スイッチの切替状態を所定時間ごとに制御して、前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離それぞれを判定して検出するとよい。

前記検出回路は、例えば前記複数の検知電極とそれぞれ前記複数の切替スイッチを介して一対一に接続され、各検知電極により検知された静電容量を示す情報を出力する複数の静電容量検知回路を備え、前記判定検出手段は、例えば前記複数の静電容量検知回路からの前記情報に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離の少なくとも一つを判定して検出する演算処理回路からなる。

また、前記検出回路は、例えば前記複数の検知電極とそれぞれ前記複数の切替スイッチを介して接続され、各切替スイッチの切替制御により各検知電極にてそれぞれ異時的に検知された静電容量を示す情報を出力する静電容量検知回路を備え、前記判定検出手段は、例えば前記静電容量検知回路からの前記情報に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離の少なくとも一つを判定して検出する演算処理回路からなる。

前記複数の検知電極は、例えば前記検知領域の範囲を形成する前記検知面を間に挟むようにその電極面がそれぞれ対向する状態で配置されるとよい。

前記誘電体は、例えば透明または半透明材料からなり、円柱状、角柱状または平板状に形成される。これにより、例えばデザイン面などにおける設計自由度を向上させることができる。

例えば、前記複数の検知電極は２つであり、前記誘電体の一対の側面にそれぞれ接続配置されるとよい。

また、例えば、前記複数の検知電極は４つであり、前記誘電体の一の周方向の側面にそれぞれ接続配置されるとよい。

前記複数の検知電極は、例えば前記検知面に対してそれぞれの電極面が直交するように接続配置されてもよい。

また、前記複数の検知電極は、例えば前記検知面に対してそれぞれの電極面が前記検知領域の範囲の方向に向けて鈍角となるように接続配置されてもよい。

前記複数の検知電極の電極面とは反対側の裏面側に、例えばそれぞれ検知電極に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、前記複数の検知電極の裏面側の検知をシールドする第１シールド電極を備えてもよい。

また、前記複数の検知電極の電極面と同一平面上の周囲に、例えばそれぞれ検知電極に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、前記複数の検知電極の周囲をシールドする第２シールド電極を備えてもよい。

この発明によれば、簡単な構造で安価に検知領域の範囲に近接等する検知対象物の位置や距離を確実に検出することができるとともに、設計自由度を向上させることができる位置検出装置を提供することができる。

以下に、添付の図面を参照して、この発明に係る位置検出装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の全体構成の例を示す説明図、図２は同位置検出装置の一部の他の構成例を示す斜視図、図３および図４は同位置検出装置の位置検出動作を説明するための説明図、図５は同位置検出装置の全体構成の他の例を示す説明図である。

図１に示すように、位置検出装置１００は、主に人体の指などの検知対象物を検知する箇所などに配置される静電容量センサ部１０と、この静電容量センサ部１０と図示しない基板などを介して一体に、あるいは別体に配置される検出回路部２０とから構成されている。

静電容量センサ部１０は、検知対象物の近接や接触を静電容量により検知するものであり、例えば第１検知電極１１および第２検知電極１２の複数の検知電極と、これら第１および第２検知電極１１，１２間に配置された誘電体１９とを備えて構成されている。誘電体１９は、例えば一の側面に検知領域の範囲Ｌを画定する検知面１９ａを有し、ここでは透明または半透明性の角柱状に成形されたプラスチックやセラミック、その他の材料からなる。また、誘電体１９は、比誘電率が１を超えるものであり、本例では比誘電率は１より十分大きく（例えば３に）なっている。

第１および第２検知電極１１，１２は、誘電体１９による検知領域の範囲Ｌ内やその近傍に配置され、検知面１９ａ上に形成された検知領域の範囲Ｌに存して誘電体１９に近接あるいは接触する検知対象物を静電容量により検知可能に設けられている。ここでは、第１および第２検知電極１１，１２の電極面（図示せず）が誘電体１９の長手方向の一対の側面にてそれぞれ対向し、かつ検知面１９ａを間に挟むとともにこの検知面１９ａと直交する状態で誘電体１９と接続されて配置されている。

一方、検出回路部２０は、ここでは、静電容量センサ部１０の各検知電極１１，１２からの検知信号に基づく静電容量値を検出し、検知領域の範囲Ｌにおける検知対象物の位置および検知対象物の検知面１９ａからの距離の少なくとも一つを判定して検出するものである。

この検出回路部２０は、各検知電極１１，１２をセンサ電位にて駆動し、例えば静電容量センサ部１０の第１検知電極１１からの入力を静電容量検知回路２１またはセンサ電位とは異なる接地電位（あるいは所定の固定電位）に切り替える切替スイッチＳＷＡと、第２検知電極１２からの入力を同様に静電容量検知回路２２またはセンサ電位とは異なる接地電位（あるいは所定の固定電位）に切り替える切替スイッチＳＷＢとを備える。

また、検出回路部２０は、これら切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢを介してそれぞれ電気的に接続され、各検知電極１１，１２からの検知信号に基づく静電容量値を検出する静電容量検知回路２１，２２と、これら静電容量検知回路２１，２２からのアナログ信号出力をそれぞれディジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換器２３，２４と、これらＡ／Ｄ変換器２３，２４からのディジタル信号に基づいて静電容量値を比較演算し、上述したように検知対象物の位置や距離を判定して検出する演算処理回路２５とを備えて構成されている。

なお、演算処理回路２５は、判定検出手段として機能し、本例では検出回路部２０内に備えられているが、この検出回路部２０とは別体に設けられていてもよい。また、演算処理回路２５は、位置検出装置１００全体の制御を司るとともに、例えば各切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの切替動作を制御する。これら切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの切替動作は、例えば人体の指の動く速さよりも十分に速く（例えば、１００ｍｓ以下の速さで）行われる。

さらに、演算処理回路２５は、ここでは、情報出力手段としての機能を有し、判定して検出された検知対象物の位置や距離（すなわち、判定検出結果）に関する情報を、外部の表示装置（図示せず）にて表示可能な状態で出力したり、印刷可能な状態で出力したり、その他、利用可能な種々の形態に適用できるように出力する。また、各静電容量検知回路２１，２２の静電容量値の検出に関する動作等については、後述する。

ここで、静電容量センサ部１０は、次のように構成されていてもよい。すなわち、図２（ａ）に示すように、静電容量センサ部１０は、誘電体１９の一対の側面にそれぞれ接続配置された第１および第２検知電極１１，１２の電極面とは反対側の裏面側に、それぞれ検知電極１１，１２に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、各検知電極１１，１２の裏面側の検知をシールドする第１シールド電極１５を備えてもよい。

このようにすれば、各検知電極１１，１２の裏面側に人体の指Ｆなどが近接しても、誘電体１９の検知面１９ａによる検知対象物の検知には影響を与えないようにすることが可能となる。

また、図２（ｂ）に示すように、静電容量センサ部１０は、上述した第１シールド電極１５とともに、各検知電極１１，１２の電極面と同一平面上の周囲に、それぞれ検知電極１１，１２に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、各検知電極１１，１２の周囲の検知をシールドする第２シールド電極１６を備えてもよい。

このようにすれば、各検知電極１１，１２の裏面側のみならず、各検知電極１１，１２の電極面の周囲においても誘電体１９の検知面１９ａによる検知対象物の検知には影響を与えないように構成することが可能となる。

なお、第１および第２シールド電極１５，１６をセンサ電位で駆動するためには、例えば各検知電極１１，１２に与えられるセンサ電位から高い入力インピーダンスで１倍のアンプ（バッファ）を通して生成したものを与えたり、各静電容量検知回路２１，２２が差動動作するタイプのものであれば、例えばオペアンプの非反転入力部分を第１および第２シールド電極１５，１６に接続したりすればよい。

さらに、静電容量センサ部１０は、上述した第１および第２検知電極１１，１２の電極面が検知面１９ａに対してそれぞれ直交する状態で接続配置されるのみならず、例えば検知面１９ａ上の検知領域の範囲Ｌの方向に向けてそれぞれ鈍角となるように接続配置されていてもよい。このようにすれば、人体の指Ｆ（または掌）の接近を検出し易くなるからである。例えば、鈍角の角度が大きくなればなるほど、人体の指Ｆの接近を検出し易くなるため、後述する検知領域の範囲Ｌへの指Ｆの近接を検出する距離判定検出状態において、指Ｆの接近の感度を上げたいときは角度を１８０°に近くし、感度をあまり上げたくないときは角度を９０°もしくは９０°付近にすればよい。このようにして、鈍角の角度を変えることで人体の指Ｆの接近の感度を調整することができる。

次に、このように構成された位置検出装置１００の動作について説明する。まず、演算処理回路２５の切替制御により、切替スイッチＳＷＡによって第１検知電極１１と静電容量検知回路２１とが接続され、切替スイッチＳＷＢによって第２検知電極１２が接地電位となった場合の動作（動作１）について説明する。

この動作１の場合、位置検出装置１００の検出回路部２０内における各接続状態は図１に示すような状態となる。ここで、図３（ａ）に示すように、検知対象物（指）が誘電体１９の検知面１９ａ上に近接あるいは接触していない場合は、上述したように、各検知電極１１，１２の裏面側が第１シールド電極１５によってシールドされているため、第１検知電極１１から出る電気力線Ｐはそのほとんどが誘電体１９内へ入る。

この誘電体１９は、上述したように比誘電率が１より十分大きく、例えば３程度で、周囲の空気よりも十分大きい誘電率に設定されているため、誘電体１９内の電気力線Ｐは検知領域の範囲Ｌにわたって大部分が外部へ漏れずに、接地電位となった第２検知電極１２に結合する。なお、このような条件で、例えばこの検知領域の範囲Ｌにおいて、第１検知電極１１の近傍位置をＸ方向の０（ゼロ）とすると、第２検知電極１２の近傍位置がＸ方向の最大位置（最大量）として検出することができる。

そして、このような状態で同図（ｂ）〜（ｄ）に示すように、指Ｆによって誘電体１９の検知面１９ａ上の任意の位置を接触すると、指Ｆ（人体）は接地（グランド：ＧＮＤ）と同等とみなせるため、電気力線Ｐのうちの少なくとも一部の電気力線Ｐ’は指Ｆにも結合することとなる。

この場合、同図（ａ）のときの状態よりもこれら（ｂ）〜（ｄ）の状態のときの方が、静電容量検知回路２１にて検出される静電容量値は大きくなる（すなわち、静電容量が増加する）。したがって、指Ｆが検知領域の範囲Ｌ内にて検知面１９ａに非近接あるいは非接触のとき（図３（ａ）のとき）を基準にすると、例えば検知面１９ａに接触したとき（図３（ｂ）〜（ｄ））のときは基準よりも検出される静電容量値が大きくなるように設定されているといえる。

まず、図３（ｂ）の場合は、指Ｆが第２検知電極１２に近い側の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量が少なく、増加する静電容量も小さいため、検出される静電容量値は上記基準よりは大きいが小さいこととなる。このとき、指ＦのＸ方向の位置は、Ｘ＞Ｌ／２とみることができる。

また、図３（ｃ）の場合は、指Ｆが第１および第２検知電極１１，１２の中間近傍の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量は上記（ａ）の場合より多く、増加する静電容量も大きくなる。このため、検出される静電容量値は上記（ａ）の場合よりも大きくなり、このときの指ＦのＸ方向の位置は、検知領域の範囲Ｌのほぼ中間であるため、例えばＸ≒Ｌ／２とみることができる。

そして、図３（ｄ）の場合は、指Ｆが第１検知電極１１に近い側の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量は多く、増加する静電容量も大きいため、検出される静電容量値は最も大きいこととなる。このとき、指ＦのＸ方向の位置は、Ｘ＜Ｌ／２とみることができる。

このように、図３に示した動作１の場合では、検知面１９ａに接触した指ＦのＸ方向の位置と検出された静電容量値との関係は、単調減少関数により関係づけられているため、演算処理回路２５は、この単調減少関数により動作１の場合の指Ｆの位置を判定し検出することができる。

次に、演算処理回路２５の切替制御により、切替スイッチＳＷＡによって第１検知電極が接地電位となり、切替スイッチＳＷＢによって第２検知電極１２と静電容量検知回路２２とが接続された場合の動作（動作２）について説明する。この動作２の場合、位置検出装置１００の検出回路部２０内における各接続状態は図１に示したものと比べると、特に切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの接続が逆となった状態となる。

ここで、図４（ａ）に示すように、検知対象物（指）が誘電体１９の検知面１９ａ上に近接あるいは接触していない場合は、各検知電極１１，１２の裏面側が第１シールド電極１５によってシールドされているため、第２検知電極１２から出る電気力線Ｐはそのほとんどが誘電体１９内へ入る。

この誘電体１９は、上記と同様に比誘電率が１より十分大きく設定されているため、誘電体１９内の電気力線Ｐは検知領域の範囲Ｌにわたって大部分が外部へ漏れずに、接地電位となった第１検知電極１１に結合する。なお、ここでも検知領域の範囲Ｌにおいて、第１検知電極１１の近傍位置をＸ方向の０（ゼロ）とし、第２検知電極１２の近傍位置をＸ方向の最大位置としておく。

そして、このような状態で同図（ｂ）〜（ｄ）に示すように、指Ｆによって誘電体１９の検知面１９ａ上の任意の位置を接触すると、上記と同様に電気力線Ｐのうちの少なくとも一部の電気力線Ｐ’は指Ｆにも結合し、この場合も同図（ａ）のときの状態よりもこれら（ｂ）〜（ｄ）の状態のときの方が静電容量検知回路２２にて検出される静電容量値は大きくなる。

まず、図４（ｂ）の場合は、指Ｆが第２検知電極１２に近い側の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量は多く、増加する静電容量も大きいため、検出される静電容量値は最も大きいこととなる。このとき、指ＦのＸ方向の位置は、Ｘ＞Ｌ／２とみることができる。

また、図４（ｃ）の場合は、指Ｆが第１および第２検知電極１１，１２の中間近傍の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量は上記（ａ）の場合よりは多いが上記（ｂ）の場合よりは少なくなる。このため、検出される静電容量値は上記（ｂ）の場合よりも小さくなり、このときの指ＦのＸ方向の位置は、検知領域の範囲Ｌのほぼ中間であるため、例えばＸ≒Ｌ／２とみることができる。

そして、図４（ｄ）の場合は、指Ｆが第１検知電極１１に近い側の検知面１９ａ上に接触しているため、結合する電気力線Ｐ’の量は上記（ａ）の場合よりは多いが上記（ｃ）の場合よりもさらに少なくなる。このため、検出される静電容量値は上記（ｃ）の場合よりも小さくなり、このときの指ＦのＸ方向の位置は、Ｘ＜Ｌ／２とみることができる。

このように、図４に示した動作２の場合では、検知面１９ａに接触した指ＦのＸ方向の位置と検出された静電容量値との関係は、単調増加関数により関係づけられているため、演算処理回路２５は、この単調増加関数により動作２の場合の指Ｆの位置を判定し検出することができる。

そして、より具体的には、演算処理回路２５は、動作１の場合の検出値をＣ１（ｘ）とし、動作２の場合の検出値をＣ２（ｘ）とすると、これらを比較演算することによって指Ｆの検知面１９ａ上の検知領域の範囲Ｌにおける位置を正確に判定し検出することができる。この場合、指Ｆの位置は、例えばＣ１（ｘ）とＣ２（ｘ）との比として、Ｃ１（ｘ）／Ｃ２（ｘ）の関数や、Ｃ１（ｘ）／（Ｃ１（ｘ）＋Ｃ２（ｘ））の関数で表わすことができる。

図５は、本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の全体構成の他の例を示す説明図である。なお、以降において、既に説明した部分と重複する箇所には同一の符号を付して説明を省略することがあるとし、本発明に特に関係しない部分については明記しないことがあるとする。

図５に示すように、この例の位置検出装置１００は、上述したように静電容量センサ部１０と検出回路部２０Ａとから構成されている点は先の例と同様であるが、検出回路部２０Ａの構成が異なっている点が先の例の検出回路部２０と相違している。

すなわち、この検出回路部２０Ａは、第１および第２検知電極１１，１２とそれぞれ接続される複数の切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢと、一つの演算処理回路２８を備える点は同様であるが、これら切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの接続先が一つの静電容量検知回路２６であり、その先に一つのＡ／Ｄ変換器２７が接続されている点が相違している。

この場合、切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢの静電容量検知回路２６との接続、および接地電位との接続の切り替えは、演算処理回路２８からの切替制御により所定時間ごとに交互に行われ（すなわち、各検知電極１１，１２が同時に静電容量検知回路２６に接続されないように行われ）、上述したような動作１のときの検出値Ｃ１（ｘ）および動作２のときの検出値Ｃ２（ｘ）を得て、指Ｆの検知面１９ａ上の検知領域の範囲Ｌにおける位置を正確に判定し検出することができる。

そして、この構成によれば、検出回路部２０と比べて静電容量検知回路およびＡ／Ｄ変換器の数を少なく構成することができるので、さらに安価に指Ｆの位置検出を正確かつ確実に行うことができる。

図６は、本発明の第２実施形態に係る位置検出装置の全体構成の一部の例を示す説明図である。図６に示すように、この例の位置検出装置１００Ａは、第１実施形態に係る位置検出装置１００と同様に、静電容量センサ部１０Ａと検出回路部２０Ｂ（一部のみ図示）とから構成されている点は同じであるが、静電容量センサ部１０Ａおよび検出回路部２０Ｂの構成が異なっており、指Ｆの位置をＸ方向のみならずＹ方向でも判定し検出して、二次元的に位置検出ができるようになっている点が第１実施形態と相違している。

すなわち、静電容量センサ部１０Ａは、誘電体１９Ａが平板状に形成されて、主面である検知面１９ａを囲む４つの側面にそれぞれ第１検知電極１１、第２検知電極１２、第３検知電極１３および第４検知電極１４が接続配置された構成からなる。そして、検知回路部２０Ｂは、これらの検知電極１１〜１４とそれぞれ接続された切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＣ，ＳＷＤを備え、これらは一つの静電容量検知回路２９に接続されている。なお、デザイン性などを考えて、第１検知電極１１〜第４検知電極１４は、誘電体１９の各側面の内部に配置されていてもよい。

このように構成された位置検出装置１００Ａでは、例えば次のような動作が行われる。まず、図示しない演算処理回路によって、検知面１９ａ上に形成された矩形状の検知領域の範囲における原点（ｘ０，ｙ０）を設定し、検知面１９ａ上の検知領域に範囲において指Ｆが近接あるいは接触した場合に、各切替スイッチＳＷＡ〜ＳＷＤの切り替えを同時に制御することをこの場合であれば少なくとも４回行って、各検出値を得る。

すなわち、動作Ａとして、例えば切替スイッチＳＷＡが第１検知電極１１と静電容量検知回路２９とを接続するように切り替えられた場合は、他の切替スイッチＳＷＢ，ＳＷＣ，ＳＷＤは、第２検知電極１２〜第４検知電極１４を接地電位（あるいは所定の固定電位、以下同じ。）との接続に切り替える。このときの第１検知電極１１からの静電容量に基づき静電容量検知回路２９にて検出された静電容量値は、演算処理回路にて検出値Ｃ１（ｘ，ｙ）として記憶される。

次に、動作Ｂとして、例えば切替スイッチＳＷＢが第２検知電極と静電容量検知回路２９とを接続するように切り替えられた場合は、他の切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＣ，ＳＷＤは、第１検知電極、第３検知電極１３および第４検知電極１４を接地電位との接続に切り替える。このときの第２検知電極１２からの静電容量に基づき静電容量検知回路２９にて検出された静電容量値は、演算処理回路にて検出値Ｃ２（ｘ，ｙ）として記憶される。

さらに、動作Ｃとして、例えば切替スイッチＳＷＣが第３検知電極１３と静電容量検知回路２９とを接続するように切り替えられた場合は、他の切替スイッチＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＤは、第１検知電極１１、第２検知電極１２および第４検知電極１４を接地電位との接続に切り替える。このときの第３検知電極１３からの静電容量に基づき静電容量検知回路２９にて検出された静電容量値は、演算処理回路にて検出値Ｃ３（ｘ，ｙ）として記憶される。

最後に、動作Ｄとして、例えば切替スイッチＳＷＤが第４検知電極１４と静電容量検知回路２９とを接続するように切り替えられた場合は、他の切替スイッチＳＷＡ〜ＳＷＣは、第１検知電極１１〜第３検知電極１３を接地電位との接続に切り替える。このときの第４検知電極１４からの静電容量に基づき静電容量検知回路２９にて検出された静電容量値は、演算処理回路にて検出値Ｃ４（ｘ、ｙ）として記憶される。

そして、演算処理回路にて、これらの検出値Ｃ１〜Ｃ４を比較演算することによって、検知面１９ａ上の検知領域の範囲における指ＦのＸ方向およびＹ方向の二次元的な位置を判定し検出する。このように、第２実施形態に係る位置検出装置１００Ａによれば、指Ｆの検知面１９ａ上の検知領域の範囲における位置を二次元的に正確に判定し検出することができる。

なお、上述した第１および第２実施形態に係る位置検出装置１００，１００Ａおいては、検知領域の範囲における指Ｆの位置の判定を行う位置判定検出状態について説明したが、これら位置検出装置１００，１００Ａでは、検知領域の範囲における近接する指Ｆの検知面１９ａからの距離の判定を行う距離判定検出状態をも実施することができる。

すなわち、位置検出装置１００，１００Ａは、距離判定検出状態のときは、演算処理回路２５等の切替制御によって、検出回路部２０，２０Ａ，２０Ｂのすべての切替スイッチＳＷＡ等を静電容量センサ部１０，１０Ａのすべての検知電極１１等がすべての静電容量検知回路２１等に接続されるようにして、これらすべての検知電極１１等で検知された誘電体１９，１９Ａを介して検知電極１１等と結合した指Ｆとの静電容量に基づく静電容量値を利用して演算処理回路２５等で比較演算し、検知面１９ａからの指Ｆ（検知対象物）の距離を算出する。この距離に関する静電容量を用いた算出方法については公知技術であるため、ここでは説明を省略する。

そして、上記位置判定検出状態と距離判定検出状態とを、例えば所定時間ごとに切り替えて行えば、検知領域の範囲における検知対象物の位置と検知面からの距離を一つの位置検出装置にて複合的に検出することが可能となる。次に、距離判定検出状態の別の距離の判別方法を説明する。図１または図５の形態では検出される静電容量はＣ１（あるいはＣ２）、またはこれらの和Ｃ１＋Ｃ２で評価するが、これは誘電体１９のＸ方向の位置と誘電体１９までの距離の両方に依存する。このとき、は、Ｃ１／Ｃ２やＣ１／（Ｃ１＋Ｃ２）などは誘電体１９までの距離にほぼ依存せず、Ｘのみに依存するので、先にＣ１／Ｃ２やＣ１／（Ｃ１＋Ｃ２）を算出してＸを求めておいてから、そのＸに対応した距離を求めればよい。

このように、本発明に係る位置検出装置によれば、検知電極の数が少なく検出回路部の構成が簡素であるため、簡単な構造で安価に検知領域の範囲に近接等する検知対象物の位置や距離を確実に検出することができる。また、誘電体を透明あるいは半透明性の材料にて構成したり、検知電極の配置スペースがほぼ不要となるため（誘電体に接続あるいは内蔵配置されているため）、位置検出装置の設計自由度を向上させることができる。

図７は、静電容量検知回路の内部構成の例を示すブロック図、図８は同静電容量検知回路の動作波形の例を示す動作波形図である。図７に示すように、静電容量検知回路２１（２２，２６，２９、以下同じ。）は、ここでは第１検知電極１１等によって検知された静電容量（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）に変換する、いわゆるＣ−Ｖ変換型回路からなる。

この静電容量検知回路２１は、例えば図７に示すように、静電容量Ｃに応じてデューティー比が変化するものであり、例えば一定周期のトリガ信号ＴＧを出力するトリガ信号発生回路１０１と、入力端に接続された静電容量Ｃの大きさによってデューティー比が変化するパルス信号Ｐｏを出力するタイマー回路１０２と、このパルス信号を平滑化するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０３とを備えて構成されている。

タイマー回路１０２は、例えば２つの比較器２０１，２０２と、これら２つの比較器２０１，２０２の出力がそれぞれリセット端子Ｒおよびセット端子Ｓに入力されるＲＳフリップフロップ回路（以下、「ＲＳ−ＦＦ」と呼ぶ。）２０３と、このＲＳ−ＦＦ２０３の出力ＤＩＳをＬＰＦ１０３に出力するバッファ２０４と、ＲＳ−ＦＦ２０３の出力ＤＩＳでオン／オフ制御させるトランジスタ２０５とを備えて構成されている。

比較器２０２は、トリガ信号発生回路１０１から出力される図８に示すようなトリガ信号ＴＧを、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって分割された所定のしきい値Ｖｔｈ２と比較して、トリガ信号ＴＧに同期したセットパルスを出力する。このセットパルスは、ＲＳ−ＦＦ２０３のＱ出力をセットする。

このＱ出力は、ディスチャージ信号ＤＩＳとしてトランジスタ２０５をオフ状態にし、各検知電極１１等および接地（グランド）の間を、各検知電極１１等の対接地静電容量Ｃおよび入力端と電源ラインとの間に接続された抵抗Ｒ４による時定数で決まる速度で充電する。これにより、入力信号Ｖｉｎの電位が静電容量Ｃによって決まる速度で上昇する。

入力信号Ｖｉｎが、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で決まるしきい値Ｖｔｈ１を超えたら、比較器２０１の出力が反転してＲＳ−ＦＦ２０３の出力を反転させる。この結果、トランジスタ２０５がオン状態となって、例えば検知電極１１に蓄積された電荷がこのトランジスタ２０５を介して放電される。

したがって、このタイマー回路１０２は、図８に示すように、検知電極１１等との間の静電容量Ｃに基づくデューティー比で発振するパルス信号Ｐｏを出力する。ＬＰＦ１０３は、この出力を平滑化することにより、図８に示すような直流の検知信号Ｖｏｕｔを出力する。

こうして、静電容量検知回路２１から出力された検知信号Ｖｏｕｔは、上述したようにＡ／Ｄ変換器２３等にてディジタル信号に変換される。なお、図８中において、実線で示す波形と点線で示す波形は、前者が後者よりも静電容量が小さいことを示しており、例えば後者が物体接近状態を示している。

なお、上述した位置検出装置１００，１００Ａにおいて、検出回路部２０，２０Ａ，２０Ｂの構成として、静電容量検知回路２１等がＣ−Ｖ変換型にて抵抗とコンデンサにより出力パルスのデューティー比が変化する周知のタイマーＩＣを利用するものを説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ＣＲ直列回路の充電時間を測定する方式の他に、静電容量検知回路２１等では、次のようなものが知られている。

例えば、正弦波を印加して静電容量値による電圧変化あるいは電流値から直接インピーダンスを測定する方式、測定する静電容量を含めて発振回路を構成して発振周波数を測定する方式、ＲＣ充放電回路を構成して充放電時間を測定する方式、既知の電圧で充電した電荷を既知の容量に移動してその電圧を測定する方式、または未知の容量に既知電圧で充電し、その電荷を既知容量に移動させることを複数回行い、既知容量が所定電圧に充電されるまでの回数を測定する方式などがある。そして、検出した静電容量値にしきい値を設け、または静電容量の信号波形を解析して該当する静電容量波形になったときにトリガとするなどの処理を行ってスイッチとして機能させてもよい。

また、検知回路部２０，２０Ａ，２０Ｂの静電容量検知回路２１等が静電容量を電圧に変換することを前提としたが、電気的にあるいはソフトウェアとして扱いやすいデータに変換できればよく、例えば静電容量をパルス幅に変換したり直接ディジタル値に変換したりしてもよい。

さらに、上述した位置検出装置１００，１００Ａでは、第１検知電極１１や第２検知電極１２等を誘電体１９等に配置して、検出値Ｃ１と検出値Ｃ２とを比較等して検知対象物を判定し検出するものを例に挙げて説明したが、例えば次のようなものであってもよい。

図９は、静電容量検知回路の内部構成の他の例を示すブロック図である。図９に示すように、この例の静電容量検知回路２１（２２，２６，２９、以下同じ。）には、差動増幅回路２１ａが含まれて差動動作するものとして構成されている。この静電容量検知回路２１では、上述したような既知の電圧で充電した電荷を既知の容量に移動してその電圧を測定する方式が採用される。なお、検知電極は第１および第２検知電極１１，１２を例に挙げて説明する。

具体的には、図９に示すように、例えば差動増幅回路２１ａのマイナス側入力端に第１検知電極１１を接続し、プラス側入力端に第２検知電極１２を接続して、静電容量Ｃ２の値から静電容量Ｃ１の値を減算し、その出力値をコンパレータなどでしきい値と比較して検知対象物を判定し検出するようにしたものである。

このような静電容量検知回路２１の動作としては、例えばスイッチＳ１がオープン（ＯＦＦ）で、スイッチＳ２が接地（ＧＮＤ）され、スイッチＳ３がクローズ（ＯＮ）となっているときに、スイッチＳ３をオープン（ＯＦＦ）にし、スイッチＳ２をＶｒに切り替え、スイッチＳ１をオペアンプの反転入力に接続すると、静電容量Ｃ２とＣｆにＣ２Ｖｒが充電され、静電容量Ｃ１とＣｆにＣ１Ｖｒが充電される。

次に、スイッチＳ１をオープン（ＯＦＦ）およびスイッチＳ２を接地（ＧＮＤ）した後に、スイッチＳ１を接地（ＧＮＤ）したときの出力電圧Ｖを測定する。このときの電圧は、Ｖ／Ｖｒ＝｛（Ｃｆ＋Ｃ１）／Ｃｆ｝−｛（Ｃｆ＋Ｃ２）／Ｃｆ｝となり、静電容量Ｃ２と静電容量Ｃ１の割合に応じた電圧が出力される。

このように、静電容量検知回路２１を差動動作する構成とすることにより、回路の温度特性を相殺したりコモンモードノイズを低減したりすることができる。なお、検知対象物が人体である場合、この人体を検出する検知電極として利用するのは、第１および第２検知電極１１，１２のうちの一方とし、他方は検知電極の検知領域の範囲側（すなわち、検知面１９ａ側）にシールド電極（図示せず）を配置することで、人体との感度をなくし、人体との静電容量の結合が一方の検知電極のみになるように構成すればよい。

また、上述した切替スイッチＳＷＡ等は、電気的な接続を切り替えられる構造であればよく、例えばＦＥＴやフォトＭＯＳリレーなどの電子回路スイッチでも、接点切替器などの機械的なスイッチでも採用することができる。また、誘電体１９，１９Ａの形状は、角柱状、平板状のみならず、円柱状でもよく、三角柱状や五角柱状に形成されたり、三角形や多角形、円、楕円などの形状であってもよい。さらに、誘電体１９，１９Ａの断面形状は平行な矩形辺で構成されていることなく、傾いた辺や曲面により構成されていてもよく、この場合はあらかじめ形状ごとのプロファイルをとって位置検出動作の設定に反映しておけばよい。

また、検知電極の数を２つあるいは４つとして説明したが、例えば３つや５つなどの異なる数によっても上述した位置検出動作を実現することができる。さらに、誘電体１９，１９Ａは、アクリルやガラスなどの透明性あるいは半透明性材料により構成してもよく、この場合は検知電極１１等により構成される検知領域の範囲が外部から視認し難い構成とすることができるため、デザイン性や設計自由度において有利である。

本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の全体構成の例を示す説明図である。 同位置検出装置の一部の他の構成例を示す斜視図である 同位置検出装置の位置検出動作を説明するための説明図である。 同位置検出装置の位置検出動作を説明するための説明図である。 同位置検出装置の全体構成の他の例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る位置検出装置の全体構成の一部の例を示す説明図である。 静電容量検知回路の内部構成の例を示すブロック図である。 同静電容量検知回路の動作波形の例を示す動作波形図である。 静電容量検知回路の内部構成の他の例を示すブロック図である。 従来の静電容量型センサの一部の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１０…静電容量センサ部、１１…第１検知電極、１２…第２検知電極、１３…第３検知電極、１４…第４検知電極、１５…第１シールド電極、１６…第２シールド電極、１９，１９Ａ…誘電体、１９ａ…検知面、２０，２０Ａ，２０Ｂ…検出回路部、２１，２２，２６，２９…静電容量検知回路、２３，２４，２７…Ａ／Ｄ変換器、２５，２８…演算処理回路、１００，１００Ａ…位置検出装置、ＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＣ，ＳＷＤ…切替スイッチ。

Claims (14)

1. 検知領域の範囲を画定する検知面を有する誘電体と、
   前記検知面上に形成された前記検知領域の範囲に存して前記誘電体に近接あるいは接触する検知対象物を静電容量により検知可能に設けられた複数の検知電極と、
   前記複数の検知電極からの検知信号に基づく静電容量値を検出する検出回路と、
   前記検出回路からの検出結果に基づいて、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離の少なくとも一つを判定して検出する判定検出手段と、
   前記複数の検知電極のそれぞれを、前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路とのセンサ電位による接続、または前記センサ電位とは異なる接地電位あるいは所定の固定電位との接続に切り替え可能な複数の切替スイッチとを備え、
   前記複数の検知電極のうちの少なくとも一の検知電極が、前記複数の切替スイッチのうちの少なくとも一の切替スイッチによって前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路との接続に切り替えられ、前記複数の検知電極のうちの他の検知電極が、前記複数の切替スイッチのうちの他の切替スイッチによって前記接地電位あるいは前記固定電位との接続に切り替えられた場合には、位置判定検出状態として前記検知対象物の位置を判定して検出し、
   前記複数の検知電極それぞれが、前記複数の切替スイッチによって前記検知領域の範囲に存する前記検知対象物を検知可能となるように前記検出回路との接続に切り替えられた場合には、距離判定検出状態として前記検知対象物の前記検知面からの距離を判定して検出し、
   前記位置判定検出状態と距離判定検出状態とを所定時間ごとに切り替えた場合には、前記検知対象物の位置及び前記検知面からの距離を検出する
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記判定検出手段は、前記位置判定検出状態において、前記切替スイッチによって前記検出回路と接続される検知電極及び前記接地電位或いは前記固定電位に接続される検知電極の接続状態を切り替えた場合における前記検出回路からの各検知信号に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置を判定して検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記判定検出手段からの判定検出結果に関する情報を出力する情報出力手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の位置検出装置。
4. 前記検出回路は、前記複数の検知電極とそれぞれ前記複数の切替スイッチを介して一対一に接続され、各検知電極により検知された静電容量を示す情報を出力する複数の静電容量検知回路を備え、
   前記判定検出手段は、前記複数の静電容量検知回路からの前記情報に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離の少なくとも一つを判定して検出する演算処理回路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の位置検出装置。
5. 前記検出回路は、前記複数の検知電極とそれぞれ前記複数の切替スイッチを介して接続され、各切替スイッチの切替制御により各検知電極にてそれぞれ異時的に検知された静電容量を示す情報を出力する静電容量検知回路を備え、
   前記判定検出手段は、前記静電容量検知回路からの前記情報に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置および前記検知対象物の前記検知面からの距離の少なくとも一つを判定して検出する演算処理回路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の位置検出装置。
6. 前記複数の検知電極は、前記検知領域の範囲を形成する前記検知面を間に挟むようにその電極面がそれぞれ対向する状態で配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の位置検出装置。
7. 前記誘電体は、透明または半透明材料からなり、円柱状、角柱状または平板状に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の位置検出装置。
8. 前記複数の検知電極は２つであり、前記誘電体の一対の側面にそれぞれ接続配置されていることを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
9. 前記複数の検知電極は４つであり、前記誘電体の一の周方向の側面にそれぞれ接続配置されていることを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
10. 前記判定検出手段は、前記４つの検知電極のうち対向する一対の検知電極毎に前記検出回路からの各検知信号に基づく静電容量値を比較演算して、前記検知領域の範囲における前記検知対象物の位置を判定して検出する
    ことを特徴とする請求項９記載の位置検出装置。
11. 前記複数の検知電極は、前記検知面に対してそれぞれの電極面が直交するように接続配置されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項記載の位置検出装置。
12. 前記複数の検知電極は、前記検知面に対してそれぞれの電極面が前記検知領域の範囲の方向に向けて鈍角となるように接続配置されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項記載の位置検出装置。
13. 前記複数の検知電極の電極面とは反対側の裏面側に、それぞれ検知電極に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、前記複数の検知電極の裏面側の検知をシールドする第１シールド電極を備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の位置検出装置。
14. 前記複数の検知電極の電極面と同一平面上の周囲に、それぞれ検知電極に対して絶縁された上でセンサ電位で駆動され、前記複数の検知電極の周囲の検知をシールドするシールド電極を備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の位置検出装置。

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