(57)【要約】【課題】検出対象物を精度良く検出することが可能な電極装置、半導体装置及び半導体システムを提供すること。【解決手段】一実施の形態によれば、電極装置１１は、相互容量方式の静電容量検出に用いられ、受信電極ＰＲ１と、受信電極ＰＲ１に対向配置された送信電極ＰＸ１と、受信電極ＰＲ１に送信電極ＰＸ１を挟んで対向配置された送信電極ＰＸ２と、送信電極ＰＸ１と送信電極ＰＸ２との間に設けられ、送信電極ＰＸ１及び送信電極ＰＸ２間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板１０１と、を備える。【選択図】図１
2020180864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信電極と、
前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、
前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、
前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、
を備えた、相互容量方式の静電容量検出に用いられる電極装置。
【請求項２】
前記第１送信電極と前記受信電極との間には、検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている、
請求項１に記載の電極装置。
【請求項３】
前記第１送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、前記第２送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、を用いて算出された前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の算出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かが判定される、
請求項２に記載の電極装置。
【請求項４】
前記検出対象物は、紙である、
請求項２に記載の電極装置。
【請求項５】
前記第１送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、前記第２送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、を用いて算出された前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の算出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間の距離の変動を引き起こす検出対象物の接触の有無が判定される、
請求項１に記載の電極装置。
【請求項６】
前記誘電体基板は、ガラスエポキシ基板である、
請求項１に記載の電極装置。
【請求項７】
受信電極と、前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、を備えた電極装置の前記第１送信電極及び前記第２送信電極の何れかに対して選択的にパルス信号を出力するパルス信号出力回路と、
前記第１送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、前記第２送信電極のみに前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、を用いて、前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の変化量を算出する容量検出回路と、
前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記電極装置に検出対象物が配置されたか否かを判定する演算処理部と、
を備えた、半導体装置。
【請求項８】
前記第１送信電極と前記受信電極との間には、前記検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成され、
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かを判定するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間の距離の変動を引き起こす検出対象物の接触の有無を判定するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記パルス信号出力回路は、前記第２送信電極に前記パルス信号を出力する場合、前記第１送信電極をハイインピーダンス状態に設定するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記パルス信号出力回路は、前記第１送信電極に前記パルス信号を出力する場合、前記第２送信電極をハイインピーダンス状態に設定するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記パルス信号出力回路は、前記第１送信電極に前記パルス信号を出力する場合、前記第１送信電極に加えて前記第２送信電極に対しても共通の前記パルス信号を出力するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記パルス信号出力回路は、第１クロック信号に応じた前記パルス信号を出力するように構成され、
前記容量検出回路は、
定電圧を生成する定電圧生成回路と、
前記第１クロック信号に基づいて、前記受信電極に対して前記定電圧を印可するか、前記受信電極に蓄積された電荷を放電するか、を切り替えるスイッチ回路と、
前記受信電極に前記定電圧が印可された場合に前記定電圧生成回路から前記スイッチ回路に流れる電流、に応じた周波数の第２クロック信号を生成する電流制御発振回路と、
前記第２クロック信号の所定期間当たりの発振回数をカウントするカウンタと、
を有し、
前記演算処理部は、前記カウンタのカウント値に基づいて、前記電極装置に前記検出対象物が配置されたか否かを判定するように構成されている、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１４】
電極装置と、
半導体装置と、を備え、
前記電極装置は、
受信電極と、
前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、
前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、
前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、
を有し、
前記半導体装置は、
前記第１送信電極及び前記第２送信電極の何れかに対して選択的にパルス信号を出力するパルス信号出力回路と、
前記第１送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、前記第２送信電極のみに前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、を用いて、前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の変化量を算出する容量検出回路と、
前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記電極装置に検出対象物が配置されたか否かを判定する演算処理部と、
を有する、半導体システム。
【請求項１５】
前記第１送信電極と前記受信電極との間には、前記検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成され、
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かを判定するように構成されている、
請求項１４に記載の半導体システム。
【請求項１６】
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記受信電極との間の距離の変動を引き起こす検出対象物の接触の有無を判定するように構成されている、
請求項１４に記載の半導体システム。
【請求項１７】
前記パルス信号出力回路は、前記第２送信電極に前記パルス信号を出力する場合、前記第１送信電極をハイインピーダンス状態に設定するように構成されている、
請求項１４に記載の半導体システム。
【請求項１８】
前記パルス信号出力回路は、前記第１送信電極に前記パルス信号を出力する場合、前記第２送信電極をハイインピーダンス状態に設定するように構成されている、
請求項１４に記載の半導体システム。
【請求項１９】
前記演算処理部は、
前記電極装置に前記検出対象物が配置されたか否かを判定するとともに、その判定結果に基づいて、前記検出対象物に対する処理を決定するように構成されている、
請求項１４に記載の半導体システム。
【請求項２０】
前記検出対象物の種類に応じた前記容量検出回路の検出結果の違いを機械学習する機械学習部をさらに備え、
前記演算処理部は、前記検出対象物に対する処理を、前記機械学習部による学習結果から予測された前記検出対象物の種類に応じた処理に決定するように構成されている、
請求項１９に記載の半導体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電極装置、半導体装置、及び、半導体システムに関し、例えば検出対象物を精度良く検出するのに適した電極装置、半導体装置、及び、半導体システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、相互容量方式のセンサを用いて、紙などの検出対象物が電極間に挿入されたり、指などの検出対象物によってタッチ電極がタッチされたりしたことを精度良く検出することが求められている。例えば、特許文献１には、指によってタッチ電極がタッチされたか否かを検出する相互容量方式のタッチセンサの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０４９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、関連技術の構成では、わずかな振動等によって電極間距離が意図せず変動した場合、検出対象物の有無に関わらず、若しくは検出対象物の検出時において、意図しない数値変動が発生してしまい、誤検出や検出誤差が生じる可能性があった。つまり、関連技術の構成では、依然として検出対象物を精度良く検出することができない、という問題があった。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施の形態によれば、電極装置は、相互容量方式の静電容量検出に用いられ、受信電極と、前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、を備える。
【０００６】
一実施の形態によれば、半導体装置は、受信電極と、前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、を備えた電極装置の前記第１送信電極及び前記第２送信電極の何れかに対して選択的にパルス信号を出力するパルス信号出力回路と、前記第１送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、前記第２送信電極のみに前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、を用いて、前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の変化量を算出する容量検出回路と、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記電極装置に検出対象物が配置されたか否かを判定する演算処理部と、を備える。
【０００７】
一実施の形態によれば、半導体システムは、電極装置と、半導体装置と、を備え、前記電極装置は、受信電極と、前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、を有し、前記半導体装置は、前記第１送信電極及び前記第２送信電極の何れかに対して選択的にパルス信号を出力するパルス信号出力回路と、前記第１送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、前記第２送信電極のみに前記パルス信号が印可された場合に前記受信電極において消費される電流と、を用いて、前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の変化量を算出する容量検出回路と、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記電極装置に検出対象物が配置されたか否かを判定する演算処理部と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
前記一実施の形態によれば、検出対象物を精度良く検出することが可能な電極装置、半導体装置及び半導体システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる電極装置の構成例を示す断面模式図である。
【図２】図１に示す電極装置を備えた半導体システムの構成例を示す図である。
【図３】実施の形態２にかかる電極装置の構成例を示す断面模式図である。
【図４】図３に示す電極装置の電極間に紙が挿入された状態を示す断面模式図である。
【図５】図３に示す電極装置を備えた半導体システムの構成例を示す図である。
【図６】図３に示す電極装置の第１の変形例を示す断面模式図である。
【図７】図３に示す電極装置の第２の変形例を示す断面模式図である。
【図８】実施の形態１にかかる半導体システムの適用事例を示す図である。
【図９】実施の形態１に至る前の構想にかかる電極装置の構成例を示す断面模式図である。
【図１０】図９に示す電極装置の電極間に紙が挿入された状態を示す断面模式図である。
【図１１】電極間に形成される容量の容量値を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１１】
また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【００１２】
＜事前検討＞
まず、図９を用いて、本発明者によって事前検討された電極装置６０について説明する。図９は、実施の形態１に至る前の構想にかかる電極装置６０の構成例を示す断面模式図である。
【００１３】
電極装置６０は、相互容量方式の静電容量検出に用いられ、例えば、紙等の検出対象物が電極間に挿入されることによって電極間の静電容量を変化させる。電極装置６０を用いたセンサは、電極装置６０から得られた静電容量の変化量に基づいて、紙等の検出対象物が電極間に挿入されたか否かを検出する。以下、具体的に説明する。
【００１４】
図９に示すように、電極装置６０は、送信電極ＰＸ１と、受信電極ＰＲ１と、誘電体基板１０１，１０２と、を備える。
【００１５】
具体的には、送信電極ＰＸ１は、誘電体基板１０１の主面上に配置されている。受信電極ＰＲ１は、誘電体基板１０１に対向配置された誘電体基板１０２の主面上において、送信電極ＰＸ１に所定の間隔ｄを空けて対向配置されている。各誘電体基板１０１，１０２は、例えば、ガラスエポキシ基板である。また、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、静電容量Ｃ１が形成されている。
【００１６】
なお、図９の例では、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、紙等の検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている。以下では、検出対象物が紙Ｐ１である場合を例に説明する。
【００１７】
図１０は、電極装置６０の電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入された状態を示す断面模式図である。図１０に示すように、紙の厚みをｄ１（＜ｄ）とすると、電極ＰＸ１，ＰＲ１間の距離ｄの空間領域のうち厚みｄ１に相当する領域には、空気の代わりに、空気と誘電率の異なる紙Ｐ１が挿入されることになる。
【００１８】
ここで、図１１を参照すると、電極間に発生する静電容量Ｃの容量値は、一般的に以下の式（１）のように表される。但し、Ｃは静電容量Ｃの容量値、ｄは電極間距離、ｋは電極間領域の比誘電率、Ａは電極面積、ε０は電気定数を示している。
【００１９】
Ｃ＝ｋ×ε０×Ａ／ｄ  ・・・（１）
【００２０】
式（１）から分かるように、静電容量Ｃは、電極面積Ａに比例し、電極間領域の比誘電率ｋに比例し、かつ、電極間距離ｄに反比例する。
【００２１】
そのため、空気と誘電率の異なる紙Ｐ１が電極間に挿入されることにより、静電容量Ｃ１の容量値は変化する。電極装置６０を用いたセンサは、この容量値の変化量に基づいて、紙Ｐ１が電極間に挿入された否かを検出することができる。
【００２２】
ここで、紙Ｐ１の厚みが９０ｕｍ、紙Ｐ１の誘電率が空気の誘電率の２倍と仮定すると、電極間に紙Ｐ１が挿入されることによる静電容量Ｃ１の容量値の変化は、電極間距離ｄが４５ｕｍ短くなった場合の静電容量Ｃ１の容量値の変化と等価である。そのため、わずかな振動等によって意図せずに電極間距離ｄが変動した場合、電極装置６０を用いたセンサは、紙Ｐ１が電極間に挿入されたと誤検出してしまう可能性がある。
【００２３】
そこで、このような問題を解決することが可能な、実施の形態１にかかる電極装置１１、制御装置（半導体装置）１２、及び、センサシステム（半導体システム）ＳＹＳ１が見いだされた。
【００２４】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかる電極装置１１の構成例を示す断面模式図である。電極装置１１は、相互容量方式の静電容量検出に用いられ、例えば、紙等の検出対象物が電極間に挿入されることによって電極間の静電容量を変化させる。電極装置１１を用いたセンサ（後述する制御装置１２）は、電極装置１１から得られた静電容量の変化量に基づいて、紙等の検出対象物が電極間に挿入されたか否かを検出する。以下、具体的に説明する。
【００２５】
図１に示すように、電極装置１１は、２つの送信電極ＰＸ１，ＰＸ２と、受信電極ＰＲ１と、誘電体基板１０１，１０２と、を備える。
【００２６】
具体的には、送信電極ＰＸ１は、誘電体基板１０１の一方の主面上に配置され、送信電極ＰＸ２は、誘電体基板１０１の他方の主面上に配置されている。受信電極ＰＲ１は、誘電体基板１０１に対向配置された誘電体基板１０２の主面上において、送信電極ＰＸ１に所定間隔ｄを空けて対向配置され、かつ、送信電極ＰＸ２に送信電極ＰＸ１及び誘電体基板１０１を挟んで対向配置されている。なお、各誘電体基板１０１，１０２は、例えば、ガラスエポキシ基板である。
【００２７】
また、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、静電容量Ｃ１が形成されている。送信電極ＰＸ１，ＰＸ２間には、静電容量Ｃ２が形成されている。
【００２８】
なお、図１の例では、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、紙等の検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている。以下では、検出対象物が紙Ｐ１である場合を例に説明する。
【００２９】
それに対し、送信電極ＰＸ１，ＰＸ２間には、誘電体基板１０２が設けられている。そのため、送信電極ＰＸ１，ＰＸ２間の距離及び誘電率は固定される。
【００３０】
＜静電容量Ｃ１の算出方法＞
続いて、電極装置１１の静電容量Ｃ１の容量値の算出方法について説明する。ここでは、電極装置１１の静電容量Ｃ１の容量値を、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間の距離ｄに換算して算出する場合について説明する。
【００３１】
まず、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間の静電容量Ｃ１の容量値をＣａ、送信電極ＰＸ２及び受信電極ＰＲ１間の静電容量の容量値をＣｂとすると、以下の式（２）及び式（３）が成り立つ。但し、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させている場合（即ち、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電圧を印加させている場合）には、送信電極ＰＸ２はＨｉＺ（ハイインピーダンス）状態に設定される。また、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させている場合（即ち、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電圧を印加させている場合）には、送信電極ＰＸ１はＨｉＺ状態に設定される。
【００３２】
【数１】
2020180864.tif 000003
・・・（２）
【００３３】
【数２】
2020180864.tif 000004
・・・（３）
【００３４】
ここで、Ｉを消費電流（後述する電流Ｉ１の電流値）、Ｆを動作周波数（後述するクロック信号ＣＬＫ１の発振周波数）、Ｃを容量値、Ｖを電極間電圧とすると、Ｉ＝ＦＣＶが成り立つ。そのため、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流Ｉ１ａは、式（２）より、以下の式（４）のように表される。また、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流Ｉ１ｂは、式（３）より、以下の式（５）のように表される。
【００３５】
Ｉ１ａ＝Ｆ・Ｃ１・Ｖ  ・・・（４）
【数３】
2020180864.tif 000005
・・・（５）
【００３６】
式（４）及び式（５）より、以下の式（６）が成り立つ。
【数４】
2020180864.tif 000006
・・・（６）
【００３７】
式（６）を変形すると、式（７）のように表される。
【数５】
2020180864.tif 000007
【数６】
2020180864.tif 000008
Ｉ１ａ・Ｃ２＝Ｉ１ｂ・（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｉ１ａ・Ｃ２＝Ｉ１ｂ・Ｃ１＋Ｉ１ｂ・Ｃ２
（Ｉ１ａ−Ｉ１ｂ）Ｃ２＝Ｉ１ｂ・Ｃ１
【数７】
2020180864.tif 000009
・・・（７）
【００３８】
ここで、
【数８】
2020180864.tif 000010
であるため、距離ｄは以下の式（８）のように表される。但し、ε０は電気定数、εｒは電極間領域の比誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離を示している。
【００３９】
【数９】
2020180864.tif 000011
【数１０】
2020180864.tif 000012
【数１１】
2020180864.tif 000013
・・・（８）
【００４０】
εｒ＝１より、距離ｄは、以下の式（９）のように表される。
【数１２】
2020180864.tif 000014
・・・（９）
【００４１】
式（９）から分かるように、電流値Ｉ１ａ及び電流値Ｉ１ｂを計測することにより、距離ｄを算出することができる。この距離ｄの算出結果の変化から、静電容量Ｃ１の容量値の変化が明らかになる。つまり、この距離ｄの算出結果の変化から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入に伴って変化する静電容量Ｃ１の容量値の変化量を求めることができる。そのため、電極装置１１を用いたセンサは、この距離ｄの算出結果から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、電極装置１１を用いたセンサは、検出精度の向上に伴って、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【００４２】
＜電極装置１１を備えたセンサシステムＳＹＳ１の説明＞
続いて、図２を用いて、電極装置１１を備えたセンサシステムについて説明する。
図２は、電極装置１１を備えたセンサシステム（半導体システム）ＳＹＳ１の構成例を示す図である。
【００４３】
図２に示すように、センサシステムＳＹＳ１は、電極装置１１と、制御装置（半導体装置）１２と、を備える。制御装置１２は、所謂マイコンであって、電極装置１１から検出された静電容量Ｃ１の変化量に基づいて電極装置１１の電極間に紙Ｐ１が挿入されたか否かを検出するセンサとしての機能を有する。さらに、制御装置１２は、電極装置１１から検出された静電容量Ｃ１の容量絶対値に基づいて、挿入された紙Ｐ１の材質を特定するセンサとしての機能を有しても良い。
【００４４】
具体的には、制御装置１２は、容量検出部１３と、演算処理部（ＣＰＵ）１４と、端子ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＲ１と、を備える。容量検出部１３は、カレントミラー回路１５と、スイッチ回路１６と、電流制御発振回路（ＣＣＯ；Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１７と、カウンタ１８と、バッファＢ１，Ｂ２と、平滑コンデンサＣｓと、を有する。なお、バッファＢ１，Ｂ２によって、パルス信号出力回路が構成されている。また、容量検出部１３の構成要素のうち、パルス信号出力回路以外の構成要素によって、容量検出回路が構成されている。
【００４５】
端子ＴＸ１には、電極装置１１の送信電極ＰＸ２が接続されている。端子ＴＸ２には、電極装置１１の送信電極ＰＸ１が接続されている。また、端子ＴＲ１には、電極装置１１の受信電極ＰＲ１が接続されている。
【００４６】
電源電圧降下回路ＶＤＣは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、単にトランジスタと称す）ＭＰ１１と、アンプＡＭＰと、を有する。トランジスタＭＰ１１では、ソースが電源電圧端子ＶＤＤに接続され、ドレインがノードＮＲに接続され、ゲートにアンプＡＭＰの出力電圧が印加される。アンプＡＭＰは、ノードＮＲの電圧ＶＤＤＲと基準電圧Ｖｒｅｆとの電位差を増幅し、その増幅電圧をトランジスタＭＰ１１のゲートに印加する。つまり、アンプＡＭＰは、ノードＮＲの電圧ＶＤＤＲが基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるようにトランジスタＭＰ１１のゲート電圧を制御する。
【００４７】
トランジスタＭＰ１２では、ソースが電源電圧端子ＶＤＤに接続され、ゲートにアンプＡＭＰの出力電圧が印加される。つまり、トランジスタＭＰ１１，ＭＰ１２は、カレントミラー回路を構成している。そのため、トランジスタＭＰ１２のソース及びドレイン間には、トランジスタＭＰ１１のソース及びドレイン間に流れる電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２が流れる。なお、各トランジスタＭＰ１１，ＭＰ１２の電流駆動能力（トランジスタサイズ）は、設計仕様に応じて任意の値に設定される。
【００４８】
スイッチ回路１６は、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を有する。スイッチ素子ＳＷ１は、ノードＮＲとノードＮＳとの間に設けられ、クロック信号ＣＬＫ１に基づいてオンオフを切り替える。スイッチ素子ＳＷ２は、ノードＮＳと接地電圧端子ＧＮＤとの間に設けられ、クロック信号ＣＬＫ１に基づいてスイッチ素子ＳＷ１と相補的にオンオフを切り替える。ノードＮＳは、端子ＴＲ１に接続されている。
【００４９】
例えば、クロック信号ＣＬＫ１がＬレベルの場合、スイッチ素子ＳＷ１はオンし、スイッチ素子ＳＷ２はオフする。そのため、端子ＴＲ１には、ノードＮＲの電圧ＶＤＤＲが印加される。つまり、受信電極ＰＲ１には、端子ＴＲ１を介して、ノードＮＲの電圧ＶＤＤＲが印加される。それにより、受信電極ＰＲ１には、電荷が蓄積される。
【００５０】
それに対し、クロック信号ＣＬＫ１がＨレベルの場合、スイッチ素子ＳＷ１はオフし、スイッチ素子ＳＷ２はオンする。そのため、端子ＴＲ１には、接地電圧ＧＮＤが印加される。つまり、受信電極ＰＲ１には、端子ＴＲ１を介して、接地電圧ＧＮＤが印加される。それにより、受信電極ＰＲ１に蓄積された電荷は放電される。
【００５１】
即ち、スイッチ回路１６は、クロック信号ＣＬＫ１の論理レベルを反転させた駆動パルスＤＲＶを生成し、端子ＴＲ１を介して、受信電極ＰＲ１に印加する。
【００５２】
バッファＢ１は、所謂トライステートバッファであって、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ１として出力するか、出力をＨｉＺ状態に設定するか、を切り替える。バッファＢ２は、所謂トライステートバッファであって、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ２として出力するか、出力をＨｉＺ状態にするか、をバッファＢ１と相補的に切り替える。
【００５３】
例えば、バッファＢ１がクロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ１として出力する場合、バッファＢ２の出力はＨｉＺ状態に設定される。それにより、送信電極ＰＸ１には、パルス信号ＰＳ１が印可される。他方、送信電極ＰＸ２は、ＨｉＺ状態に設定される。また、このとき、受信電極ＰＲ１には、駆動パルスＤＲＶが印可されている。そのため、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には電界が発生する。
【００５４】
それに対し、バッファＢ２がクロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ２として出力する場合、バッファＢ１の出力はＨｉＺ状態に設定される。それにより、送信電極ＰＸ２には、パルス信号ＰＳ２が印可される。他方、送信電極ＰＸ１は、ＨｉＺ状態に設定される。また、このとき、受信電極ＰＲ１には、駆動パルスＤＲＶが印可されている。そのため、送信電極ＰＸ２及び受信電極ＰＲ１間には電界が発生する。
【００５５】
カレントミラー回路１５は、電源電圧降下回路（定電圧生成回路）ＶＤＣと、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、単にトランジスタと称す）ＭＰ１２と、を有する。電源電圧降下回路ＶＤＣは、電源電圧ＶＤＤを降圧させた電圧ＶＤＤＲをノードＮＲに生成する。平滑コンデンサＣｓは、ノードＮＲと接地電圧端子ＧＮＤとの間に設けられ、検知された容量に伴ってスイッチ回路１６のスイッチドキャパシタフィルタ（ＳＣＦ；Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｆｉｌｔｅｒ）によって発生した充電電流波形を平滑し、電流制御発振回路１７に送る。
【００５６】
電流制御発振回路１７は、電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２に応じた周波数のクロック信号ＣＬＫ２を出力する。具体的には、電流制御発振回路１７は、リング発振器と、バッファ回路と、を備える。リング発振器では、電流Ｉ２に応じて遅延時間が変化する複数のインバータ回路がリング状に接続されている。バッファ回路は、複数のインバータ回路の最終段のインバータ回路の出力を増幅して、クロック信号ＣＬＫ２として出力する。カウンタ１８は、所定期間当たりのクロック信号ＣＬＫ２の発振回数をカウントし、カウント値ＮＣ２を出力する。
【００５７】
例えば、電流Ｉ２の値が増加すると、電流制御発振回路１７に設けられた各インバータ回路の遅延時間が減少するため、クロック信号ＣＬＫ２の周波数は大きくなり、その結果、カウント値ＮＣ２は増加する。それに対し、電流Ｉ２の値が減少すると、電流制御発振回路１７に設けられた各インバータ回路の遅延時間が増加するため、クロック信号ＣＬＫ２の周波数は小さくなり、その結果、カウント値ＮＣ２は減少する。
【００５８】
演算処理部１４は、このときのカウント値ＮＣ２に基づいて、電流Ｉ１の値を算出する。具体的には、演算処理部１４は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（Ｉ１ａ）と、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（Ｉ１ｂ）と、をそれぞれ算出する。そして、演算処理部１４は、電流値Ｉ１ａ，Ｉ１ｂの算出結果を上述の式（９）に代入することによって距離ｄを算出する。ここで、この距離ｄの算出結果の変化から、静電容量Ｃ１の容量値の変化が明らかになる。そのため、演算処理部１４は、距離ｄの算出結果の変化量から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入に伴って変化する静電容量Ｃ１の容量値の変化量を求めることができる。つまり、演算処理部１４は、この距離ｄの算出結果から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、演算処理部１４は、この距離ｄの算出結果から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【００５９】
＜センサシステムＳＹＳ１の動作＞
続いて、センサシステムＳＹＳ１の動作について説明する。
【００６０】
まず、センサシステムＳＹＳ１は、電極装置１１に設けられた送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ａ）の計測を行う。
【００６１】
このとき、バッファＢ１は、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ１として出力し、バッファＢ２は、出力をＨｉＺ状態に設定する。それにより、送信電極ＰＸ１には、パルス信号ＰＳ１が印加される。他方、送信電極ＰＸ２は、ＨｉＺ状態に設定される。また、このとき、スイッチ回路１６は、クロック信号ＣＬＫ１の論理レベルを反転させた駆動パルスＤＲＶを出力する。それにより、受信電極ＰＲ１には、駆動パルスＤＲＶが印加される。そのため、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には電界が発生する。
【００６２】
ここで、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されることによる静電容量Ｃ１の変化は、電流Ｉ１（Ｉ１ａ）の積分値の変化となって現れる。
【００６３】
電流制御発振回路１７は、電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２に応じた周波数のクロック信号ＣＬＫ２を出力する。カウンタ１８は、所定期間当たりのクロック信号ＣＬＫ２の発振回数をカウントし、カウント値ＮＣ２を出力する。
【００６４】
演算処理部１４は、このときのカウント値ＮＣ２に基づいて、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させている場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ａ）を算出する。
【００６５】
次に、センサシステムＳＹＳ１は、電極装置１１に設けられた送信電極ＰＸ２及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ｂ）の計測を行う。
【００６６】
このとき、バッファＢ１は、出力をＨｉＺ状態に設定し、バッファＢ２は、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ２として出力する。それにより、送信電極ＰＸ１は、ＨｉＺ状態に設定される。他方、送信電極ＰＸ２には、パルス信号ＰＳ２が印加される。また、このとき、スイッチ回路１６は、クロック信号ＣＬＫ１の論理レベルを反転させた駆動パルスＤＲＶを出力する。それにより、受信電極ＰＲ１には、駆動パルスＤＲＶが印加される。そのため、送信電極ＰＸ２及び受信電極ＰＲ１間には電界が発生する。
【００６７】
ここで、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されることによる静電容量Ｃ２の変化は、電流Ｉ１（Ｉ１ｂ）の積分値の変化となって現れる。
【００６８】
電流制御発振回路１７は、電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２に応じた周波数のクロック信号ＣＬＫ２を出力する。カウンタ１８は、所定期間当たりのクロック信号ＣＬＫ２の発振回数をカウントし、カウント値ＮＣ２を出力する。
【００６９】
演算処理部１４は、このときのカウント値ＮＣ２に基づいて、送信電極ＰＸ２及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させている場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ｂ）を算出する。
【００７０】
その後、演算処理部１４は、電流値Ｉ１ａ，Ｉ１ｂの算出結果を上述の式（９）に代入することによって距離ｄを算出する。ここで、この距離ｄの算出結果の変化から、静電容量Ｃ１の容量値の変化が明らかになる。そのため、演算処理部１４は、距離ｄの算出結果の変化量から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入に伴って変化する静電容量Ｃ１の容量値の変化量を求めることができる。つまり、演算処理部１４は、この距離ｄの算出結果から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、演算処理部１４は、検出精度の向上に伴って、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【００７１】
このように、本実施の形態にかかる電極装置１１は、受信電極ＰＲ１と、受信電極ＰＲ１に対向配置された送信電極ＰＸ１，ＰＸ２と、送信電極ＰＸ１，ＰＸ２間に設けられ誘電体基板１０１と、を備える。そして、センサシステムＳＹＳ１は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ａと、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ｂと、に基づいて、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する。それにより、センサシステムＳＹＳ１は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、この制御装置１２は、検出精度の向上に伴って、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【００７２】
本実施の形態では、送信電極ＰＸ１，ＰＸ２に印加されるパルス信号と、受信電極ＰＲ１に印加される駆動パルスＤＲＶとが、逆相の関係となっている場合について説明したが、これに限られない。送信電極ＰＸ１，ＰＸ２に印加されるパルス信号と、受信電極ＰＲ１に印加される駆動パルスＤＲＶとは、同相の関係になっていてもよい。或いは、逆相及び同相のそれぞれにおける電流値Ｉ１ａの差分と、逆相及び同相のそれぞれにおける電流値Ｉ１ｂの差分とが、静電容量Ｃ１の容量値の変化量の計測に用いられてもよい。それにより、電流Ｉ１ａ，Ｉ１ｂのそれぞれに含まれる送受信電極間以外の外的成分（寄生容量など）に起因するアイドル電流成分が相殺されるため、送信電極ＰＸ１，ＰＸ２と受信電極ＰＲ１間のみにおける静電容量Ｃ１，Ｃ２の容量値の変化量の計測精度が向上する。
【００７３】
また、本実施の形態では、バッファＢ１がパルス信号ＰＳ１を出力している場合に、バッファＢ２の出力がＨｉＺ状態に設定される場合を例に説明したが、これに限られない。バッファＢ１がパルス信号ＰＳ１を出力している場合、バッファＢ２はパルス信号ＰＳ１と同相のパルス信号ＰＳ２を出力していてもよい。このとき、電極ＰＸ１，ＰＸ２間の電位差が実質的に０Ｖになるため、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に発生した電界が電極ＰＸ１，ＰＸ２間に発生した電界から受ける干渉は、無視できる程度に抑制される。
【００７４】
また、本実施の形態では、制御装置１２が、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流値と、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流値と、を計測し、その計測結果から、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、制御装置１２は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電極間電圧と、電極ＰＸ２，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電極間電圧と、を計測し、その計測結果から、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する構成であってもよい。
【００７５】
さらに、本実施の形態では、制御装置１２が、電極装置１１の電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されたか否かを検出する場合を例に説明したが、これに限られない。制御装置１２は、電極装置１１の電極ＰＸ１，ＰＲ１間の距離ｄの変動を引き起こす電極ＰＸ１又は電極ＰＲ１へのタッチを検出することもできる。
【００７６】
＜実施の形態２＞
図３は、実施の形態２にかかる電極装置２１の構成例を示す断面模式図である。電極装置２１は、電極装置６０の場合と比較して、送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒによって構成されるリファレンス電極対をさらに備える。以下、具体的に説明する。
【００７７】
図３に示すように、電極装置２１は、送信電極ＰＸ１と、受信電極ＰＲ１と、送信電極ＰＸｒと、受信電極ＰＲｒと、誘電体基板１０１，１０２と、を備える。なお、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１によって、電極間に紙等の検出対象物の挿入が可能な第１電極対が構成されている。また、送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒによって、リファレンス電極対が構成されている。
【００７８】
具体的には、送信電極ＰＸ１，ＰＸｒは、誘電体基板１０１の一方の主面上に配置されている。受信電極ＰＲ１，ＰＲｒは、それぞれ誘電体基板１０１に対向配置された誘電体基板１０２の主面上において、送信電極ＰＸ１，ＰＸｒに所定間隔ｄを空けて対向配置されている。ここで、第１電極対及びリファレンス電極対は、互いの電界の影響を無視できる程度に隣接して配置されている。なお、各誘電体基板１０１，１０２は、例えば、ガラスエポキシ基板である。
【００７９】
また、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、静電容量Ｃ１が形成されている。送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒ間には、静電容量Ｃｒｆが形成されている。
【００８０】
なお、図３の例では、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には、紙等の検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている。以下では、検出対象物が紙Ｐ１である場合を例に説明する。他方、送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒ間には、紙等の検出対象物は挿入されない。
【００８１】
図４は、電極装置１１の電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入された状態を示す断面模式図である。図４に示すように、紙の厚みをｄ１（＜ｄ）とすると、電極ＰＸ１，ＰＲ１間の距離ｄの空間領域のうち厚みｄ１に相当する領域には、空気の代わりに、空気と誘電率の異なる紙Ｐ１が挿入されることになる。それにより、電極ＰＸ１，ＰＲ１間の静電容量Ｃ１の容量値は変化する。
【００８２】
ここで、紙Ｐ１の厚みが９０ｕｍ、紙Ｐ１の誘電率が空気の誘電率の２倍と仮定すると、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されることによる静電容量Ｃ１の容量値の変化は、電極間距離ｄが４５ｕｍ短くなった場合の静電容量Ｃ１の容量値の変化と等価である。つまり、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に形成された静電容量Ｃ１の容量値は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入された場合に限られず、電極間距離ｄが変動した場合にも変化する。
【００８３】
それに対し、電極ＰＸｒ，ＰＲｒ間に形成された静電容量Ｃｒｆの容量値は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入された場合には変化しないが、電極間距離ｄが変動した場合には静電容量Ｃ１の容量値と共に変化する。
【００８４】
そのため、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されることによる静電容量Ｃ１の容量値の変化は、静電容量Ｃ１の容量値から静電容量Ｃｒｆの容量値を減算し、電極間距離ｄの変動による静電容量Ｃ１の変動成分を取り除くことで求めることができる。
【００８５】
このように、本実施の形態にかかる電極装置２１は、電極間に紙Ｐ１の挿入が可能な第１電極対と、それに対応するリファレンス電極対と、を備える。ここで、第１電極値の静電容量Ｃ１の容量値からリファレンス電極対の静電容量Ｃｒｆの容量値を減算することによって、電極間距離ｄの変動による静電容量Ｃ１の変動成分が取り除かれる。そのため、電極装置２１を用いたセンサは、第１電極対及びリファレンス電極対のそれぞれに電界を発生させた場合の消費電流値の差分に基づいて静電容量Ｃ１の変化を算出することにより、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、電極装置２１を用いたセンサは、検出精度の向上に伴って、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【００８６】
＜電極装置２１を備えたセンサシステムＳＹＳ２の説明＞
続いて、電極装置２１を備えたセンサシステムＳＹＳ２について説明する。
図５は、電極装置２１を備えたセンサシステム（半導体システム）ＳＹＳ２の構成例を示す図である。
【００８７】
図５に示すように、センサシステムＳＹＳ２は、電極装置２１と、制御装置（半導体装置）２２と、を備える。制御装置２２は、容量検出部２３と、演算処理部１４と、端子ＴＸ１，ＴＲ１，ＴＲｒと、を備える。端子ＴＸ１には、電極装置２１の送信電極ＰＸ１，ＰＸｒが接続されている。端子ＴＲ１には、電極装置２１の受信電極ＰＲ１が接続されている。また、端子ＴＲｒには、電極装置２１の受信電極ＰＲｒが接続されている。
【００８８】
容量検出部２３は、容量検出部１３と比較して、バッファＢ１，Ｂ２のうちバッファＢ１のみを備え、かつ、スイッチ回路ＳＷ３をさらに備える。スイッチ回路ＳＷ３は、スイッチ回路１６から出力された駆動パルスＤＲＶを端子ＴＲ１，ＴＲｒの何れかに向けて選択的に出力する。
【００８９】
容量検出部２３のその他の構成については、容量検出部１３の場合と同様であるため、その説明を省略する。
【００９０】
＜センサシステムＳＹＳ２の動作＞
続いて、センサシステムＳＹＳ２の動作について説明する。
【００９１】
まず、センサシステムＳＹＳ２は、電極装置２１に設けられた送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（電流値Ｉ１ｃ）の計測を行う。このとき、バッファＢ１は、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ１として端子ＴＸ１に向けて出力する。それにより、送信電極ＰＸ１には、パルス信号ＰＳ１が印可される。また、スイッチ回路ＳＷ３は、スイッチ回路１６から出力された駆動パルスＤＲＶを端子ＴＲ１に向けて出力する。それにより、受信電極ＰＲ１には、駆動パルスＤＲＶが印可される。そのため、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間には電界が発生する。
【００９２】
ここで、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されたり、意図せずに電極間距離ｄが変化したりすることによる、静電容量Ｃ１の変化は、電流Ｉ１（Ｉ１ｃ）の積分値の変化となって現れる。
【００９３】
電流制御発振回路１７は、電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２に応じた周波数のクロック信号ＣＬＫ２を出力する。カウンタ１８は、所定期間当たりのクロック信号ＣＬＫ２の発振回数をカウントし、カウント値ＮＣ２を出力する。
【００９４】
演算処理部１４は、このときのカウント値ＮＣ２に基づいて、送信電極ＰＸ１及び受信電極ＰＲ１間に電界を発生させている場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ｃ）を算出する。
【００９５】
次に、センサシステムＳＹＳ２は、電極装置２１に設けられた送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒ間に電界を発生させた場合の電流Ｉ１の値（電流値Ｉ１ｒ）の計測を行う。このとき、バッファＢ１は、クロック信号ＣＬＫ１をパルス信号ＰＳ１として端子ＴＸ１に向けて出力する。それにより、送信電極ＰＸｒには、パルス信号ＰＳ１が印可される。また、スイッチ回路ＳＷ３は、スイッチ回路１６から出力された駆動パルスＤＲＶを端子ＴＲｒに向けて出力する。それにより、受信電極ＰＲｒには、駆動パルスＤＲＶが印可される。そのため、送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒ間には電界が発生する。
【００９６】
ここで、意図せずに電極間距離ｄが変化することによる静電容量Ｃｒｆの変化は、電流Ｉ１（Ｉ１ｒ）の積分値の変化となって現れる。
【００９７】
電流制御発振回路１７は、電流Ｉ１に比例する電流Ｉ２に応じた周波数のクロック信号ＣＬＫ２を出力する。カウンタ１８は、所定期間当たりのクロック信号ＣＬＫ２の発振回数をカウントし、カウント値ＮＣ２を出力する。
【００９８】
演算処理部１４は、このときのカウント値ＮＣ２に基づいて、送信電極ＰＸｒ及び受信電極ＰＲｒ間に電界を発生させている場合の電流Ｉ１の値（即ち、電流値Ｉ１ｒ）を算出する。
【００９９】
その後、演算処理部１４は、電流値Ｉ１ｃから電流値Ｉ１ｒを減算することにより、意図しない電極間距離ｄの変動によって生じる電流値の変動成分を取り除く。ここで、電流値Ｉ１ｃ−Ｉ１ｒの変化から、静電容量Ｃ１の容量値の変化が明らかになる。そのため、演算処理部１４は、電流値Ｉ１ｃ−Ｉ１ｒの変化量から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入に伴って変化する静電容量Ｃ１の容量値の変化量を求めることができる。つまり、演算処理部１４は、電流値Ｉ１ｃ−Ｉ１ｒの変化量から、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、演算処理部１４は、検出精度向上に伴って、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【０１００】
このように、本実施の形態にかかる電極装置２１は、電極間に紙Ｐ１が挿入可能な第１電極対と、それに対応するリファレンス電極対と、を備える。そして、センサシステムＳＹＳ２は、第１電極対に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ｃと、リファレンス電極対に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ｒと、の差分に基づいて、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する。それにより、センサシステムＳＹＳ１は、意図しない電極間距離ｄの変動によって生じる静電容量Ｃ１の変動成分を取り除くことができるため、電極ＰＸ１，ＰＲ１間への紙Ｐ１の挿入の有無を精度良く検出することができる。また、この制御装置１２は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に挿入された紙Ｐ１の材質を判定することも可能である。
【０１０１】
本実施の形態では、送信電極ＰＸ１に印加されるパルス信号と、受信電極ＰＲ１に印加される駆動パルスＤＲＶとが、逆相の関係となっている場合について説明したが、これに限られない。送信電極ＰＸ１に印加されるパルス信号と、受信電極ＰＲ１に印加される駆動パルスＤＲＶとは、同相の関係になっていてもよい。或いは、逆相及び同相のそれぞれにおける電流値Ｉ１ｃの差分と、逆相及び同相のそれぞれにおける電流値Ｉ１ｒの差分とが、静電容量Ｃ１の容量値の変化量の計測に用いられてもよい。それにより、電流Ｉ１ｃ，Ｉ１ｒのそれぞれに含まれるアイドル電流の変動成分が相殺されるため、静電容量Ｃ１の容量値の変化量の計測精度が向上する。
【０１０２】
また、本実施の形態では、第１電極対に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ｃと、リファレンス電極対に電界を発生させた場合の消費電流値Ｉ１ｒと、が交互に測定される場合を例に説明したが、これに限られない。第１電極対に対する電流供給経路と、リファレンス電極ついに対する電流供給経路と、を別々に設けることによって、消費電流値Ｉ１ｃ，Ｉ１ｒは並行して測定されてもよい。
【０１０３】
また、本実施の形態では、制御装置２２が、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の消費電流値と、電極ＰＸｒ，ＰＲｒ間に電界を発生させた場合の消費電流値と、を計測し、その計測結果から、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、制御装置２２は、電極ＰＸ１，ＰＲ１間に電界を発生させた場合の電極間電圧と、電極ＰＸｒ，ＰＲｒ間に電界を発生させた場合の電極間電圧と、を計測し、その計測結果から、静電容量Ｃ１の容量値の変化量を算出する構成であってもよい。
【０１０４】
さらに、本実施の形態では、制御装置２２が、電極装置２１の電極ＰＸ１，ＰＲ１間に紙Ｐ１が挿入されたか否かを検出する場合を例に説明したが、これに限られない。制御装置２２は、電極装置２１の電極ＰＸ１，ＰＲ１間の距離ｄの変動を引き起こす電極ＰＸ１又は電極ＰＲ１へのタッチを検出することもできる。但し、この場合、電極装置２１は、電極ＰＸ１又は電極ＰＲ１へのタッチによっては、電極ＰＸｒ及び電極ＰＲｒ間の距離が変動しないように構成される必要がある。
【０１０５】
＜第１の変形例＞
図６は、電極装置２１の第１の変形例を電極装置２１ａとして示す断面模式図である。
図６に示すように、電極装置２１ａは、電極装置２１と比較して、リファレンス電極対の電極間に、空間領域の代わりに固体の誘電体層１０３を備える。電極装置２１ａのその他の構造については、電極装置２１の場合と同様であるため、その説明を省略する。
【０１０６】
電極装置２１ａは、リファレンス電極対の電極間に固体の誘電体層１０３を設けることにより、リファレンス電極対の電極間への紙Ｐ１の挿入を防ぐことができる。
【０１０７】
＜第２の変形例＞
図７は、電極装置２１の第２の変形例を電極装置２１ｂとして示す断面模式図である。
図７に示すように、電極装置２１ｂは、電極装置２１ａと比較して、一対のリファレンス電極対の代わりに二対のリファレンス電極対を備える。
【０１０８】
第１のリファレンス電極対は、電極ＰＸｒ，ＰＲｒに対応する電極ＰＸｒａ，ＰＲｒａと、誘電体層１０３に対応する誘電体層１０３ａと、を備える。第２のリファレンス電極対は、電極ＰＸｒ，ＰＲｒに対応する電極ＰＸｒｂ，ＰＲｒｂと、誘電体層１０３に対応する誘電体層１０３ｂと、を備える。
【０１０９】
第１及び第２のリファレンス電極対は、例えば、紙Ｐ１が挿入される領域を挟むようにして配置される。電極装置２１ｂのその他の構造については、電極装置２１の場合と同様であるため、その説明を省略する。
【０１１０】
電極装置２１ｂは、電極装置２１ａの場合と同等程度の効果を奏することができる。さらに、電極装置２１ｂは、第１電極対の電極間距離と、第１及び第２のリファレンス電極対の電極間距離と、のそれぞれの変動の偏りを抑制することができる。
【０１１１】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、センサシステムＳＹＳ１の適用事例について説明する。
図８は、センサシステムＳＹＳ１の適用事例を示す図である。図８の例では、センサシステムＳＹＳ１がコピー機Ｍ１に適用されている。また、図８の例では、制御装置２２が機械学習部１９をさらに備える。
【０１１２】
機械学習部１９は、例えばコピー機Ｍ１に用いられる紙Ｐ１の種類に応じて容量検出部１３から出力される検出結果の違いを機械学習する。演算処理部１４は、機械学習部１９による学習結果から予測された紙Ｐ１の種類に応じた処理を行うように各種装置に指示する。
【０１１３】
ここで、紙Ｐ１の誘電率は含水率に応じて変化する。そのため、演算処理部１４は、コピー機Ｍ１に用いられる紙Ｐ１の種類が確定している場合、コピー機Ｍ１に用いられる紙Ｐ１の誘電率から当該紙Ｐ１の含水率を見積もることができる。そして、演算処理部１４は、その見積もった値に基づいて、例えばコピー機Ｍ１に搭載されたヒーターに対して紙Ｐ１の乾燥温度及び乾燥時間を指示する。それにより、紙Ｐ１のカール現象の発生が適切に抑えられるため、コピー機Ｍ１の紙詰まり等が解消される。
【０１１４】
本実施の形態では、センサシステムＳＹＳ１がコピー機Ｍ１に適用された場合について説明したが、これに限られない。当然ながら、センサシステムＳＹＳ２がコピー機Ｍ１に適用されても良い。
【０１１５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【０１１６】
例えば、上記の実施の形態に係る半導体装置では、半導体基板、半導体層、拡散層（拡散領域）などの導電型（ｐ型もしくはｎ型）を反転させた構成としてもよい。そのため、ｎ型、及びｐ型の一方の導電型を第１の導電型とし、他方の導電型を第２の導電型とした場合、第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型とすることもできるし、反対に第１の導電型をｎ型、第２の導電型をｐ型とすることもできる。
【０１１７】
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【０１１８】
（付記１）
検出対象物が配置可能に構成された第１電極対と、
当該第１電極対に対応して設けられたリファレンス電極対と、を備え、
前記第１電極対は、
第１送信電極と、
前記第１送信電極に所定の間隔を空けて対向配置された第１受信電極と、
を有し、
前記リファレンス電極対は、
前記第１送信電極と同一基板上に配置された第２送信電極と、
前記第１受信電極と同一基板上に配置され、かつ、前記第２送信電極に前記所定の間隔を空けて対向配置された第２受信電極と、
を有する、相互容量方式の静電容量検出に用いられる電極装置。
【０１１９】
（付記２）
前記第１電極対において、前記第１送信電極と前記第１受信電極との間には、前記検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている、
付記１に記載の電極装置。
【０１２０】
（付記３）
前記第１送信電極及び前記第１受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、前記第２送信電極及び前記第２受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、の差分を用いて算出された前記第１送信電極及び前記第１受信電極間の静電容量の容量値の算出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記第１受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かが判定される、
付記２に記載の電極装置。
【０１２１】
（付記４）
前記検出対象物は、紙である、
付記２に記載の電極装置。
【０１２２】
（付記５）
前記第１送信電極及び前記第１受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、前記第２送信電極及び前記第２受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、の差分を用いて算出された前記第１送信電極及び前記第１受信電極間の静電容量の容量値の算出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記第１受信電極との間の距離の変動を引き起こす前記検出対象物の接触の有無が判定される、
付記１に記載の電極装置。
【０１２３】
（付記６）
前記リファレンス電極対は、前記第１電極対に隣接して配置されている、
付記１に記載の電極装置。
【０１２４】
（付記７）
前記リファレンス電極対は、
前記第２送信電極と前記第２受信電極との間に形成された固体の誘電体層をさらに有する、
付記１に記載の電極装置。
【０１２５】
（付記８）
前記リファレンス電極対は、第１及び第２リファレンス電極対によって構成され、
前記第１電極対は、前記第１リファレンス電極対と前記第２リファレンス電極対との間に設けられている、
付記７に記載の電極装置。
【０１２６】
（付記９）
電極装置と、
半導体装置と、を備え、
前記電極装置は、
第１送信電極と、前記第１送信電極に所定の間隔を空けて対向配置された第１受信電極と、を有し、検出対象物が配置可能に構成された第１電極対と、
前記第１送信電極と同一基板上に配置された第２送信電極と、前記第１受信電極と同一基板上に配置され、かつ、前記第２送信電極に前記所定の間隔を空けて対向配置された第２受信電極と、を有するリファレンス電極対と、
を備え、
前記半導体装置は、
前記第１送信電極及び前記第２送信電極のそれぞれにパルス信号を出力するパルス信号出力回路と、
前記第１送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記第１受信電極において消費された電流と、前記第２送信電極に前記パルス信号が印可された場合に前記第２受信電極において消費された電流と、を用いて、前記第１送信電極及び前記第１受信電極間の静電容量の容量値の変化量を算出する容量検出回路と、
前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記電極装置の前記第１電極対に前記検出対象物が配置されたか否かを判定する演算処理部と、
を有する、半導体システム。
【０１２７】
（付記１０）
前記第１送信電極と前記第１受信電極との間には、前記検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成され、
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記第１受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かを判定するように構成されている、
付記９に記載の半導体システム。
【０１２８】
（付記１１）
前記演算処理部は、前記容量検出回路による検出結果に基づいて、前記第１送信電極と前記第１受信電極との間の距離の変動を引き起こす前記検出対象物の接触の有無を判定するように構成されている、
付記９に記載の半導体システム。
【０１２９】
（付記１２）
前記演算処理部は、
前記電極装置の前記第１電極対に前記検出対象物が配置されたか否かを判定するとともに、その判定結果に基づいて、前記検出対象物に対する処理を決定するように構成されている、
付記９に記載の半導体システム。
【０１３０】
（付記１３）
前記検出対象物の種類に応じた前記容量検出回路の検出結果の違いを機械学習する機械学習部をさらに備え、
前記演算処理部は、前記検出対象物に対する処理を、前記機械学習部による学習結果から予測された前記検出対象物の種類に応じた処理に決定するように構成されている、
付記１２に記載の半導体システム。
【０１３１】
（付記１４）
受信電極と、
前記受信電極に対向配置された第１送信電極と、
前記受信電極に前記第１送信電極を挟んで対向配置された第２送信電極と、
前記第１送信電極と前記第２送信電極との間に設けられ、前記第１送信電極及び前記第２送信電極間の距離及び誘電率を固定させる誘電体基板と、
を備えた、相互容量方式の静電容量検出に用いられる電極装置。
【０１３２】
（付記１５）
前記第１送信電極と前記受信電極との間には、検出対象物の挿入が可能な空間領域が形成されている、
付記１４に記載の電極装置。
【０１３３】
（付記１６）
前記第１送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、前記誘電体基板を含んだ前記第２送信電極及び前記受信電極間に電界を発生させた場合の消費電流値と、を用いて算出された前記第１送信電極及び前記受信電極間の静電容量の容量値の算出結果に基づいて、前記第１送信電極及び前記受信電極間の距離に換算した値が算出され、その算出結果から、前記第１送信電極と前記受信電極との間に前記検出対象物が挿入されたか否かが判定され、又は、挿入された前記検出対象物の材質が特定される、
付記１５に記載の電極装置。
【符号の説明】
【０１３４】
１１  電極装置
１２  制御装置
１３  容量検出部
１４  演算処理部
１５  カレントミラー回路
１６  スイッチ回路
１７  電流制御発振回路
１８  カウンタ
１９  機械学習部
２１  電極装置
２１ａ  電極装置
２１ｂ  電極装置
２２  制御装置
２３  容量検出部
１０１  誘電体基板
１０２  誘電体基板
１０３  誘電体層
１０３ａ，１０３ｂ  誘電体層
ＡＭＰ  アンプ
Ｂ１，Ｂ２  バッファ
Ｃ１，Ｃ２  静電容量
Ｃｒｆ  容量
Ｃｒｆａ，Ｃｒｆｂ  容量
Ｃｓ  平滑コンデンサ
Ｍ１  コピー機
ＭＰ１１，ＭＰ１２  トランジスタ
Ｐ１  紙
ＰＲｒ  受信電極
ＰＲ１  受信電極
ＰＲｒａ，ＰＲｒｂ  受信電極
ＰＸ１  送信電極
ＰＸ２  送信電極
ＰＸｒ  送信電極
ＰＸｒａ，ＰＸｒｂ  送信電極
ＳＷ１  スイッチ素子
ＳＷ２  スイッチ素子
ＳＷ３  スイッチ回路
ＳＹＳ１  センサシステム
ＳＹＳ２  センサシステム
ＴＸ１  端子
ＴＸ２  端子
ＴＲ１  端子
ＴＲｒ  端子
ＶＤＣ  電源電圧降下回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020180864.tif 000023
【図１０】
2020180864.tif 000024
【図１１】
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