JP7122686B2

JP7122686B2 - 静電容量検出装置

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Publication number: JP7122686B2
Application number: JP2020509700A
Authority: JP
Inventors: 博伸浮津; 祐太森浦; 博之古屋; 玄松本; 唯沢田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2022-08-22
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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。

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

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であって、
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、静電容量検出装置。
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。
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。
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。
複数のセンサ素子が二次元的に配置された、請求項４に記載の静電容量検出装置。