(57)【要約】【課題】リークに起因する出力変化を抑制できる静電容量センサを提供する。【解決手段】静電容量センサ１は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とを含むセンサ回路３０と、ＣＶ変換回路４０と、制御回路とを備える。制御回路は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０との接続状態を第１〜第３接続状態の間を切り替える。第１接続状態では、両コンデンサ３１，３２が接続され、両コンデンサ３１，３２間の電位が規定電位に設定され、かつ両コンデンサ３１，３２とＣＶ変換回路４０との間の導通が遮断される。第２接続状態では、両コンデンサ３１，３２が接続され、両コンデンサ３１，３２間の電位の設定が解除され、かつ両コンデンサ３１，３２とＣＶ変換回路４０との間の導通が遮断される。第３接続状態では、両コンデンサ３１，３２間の導通が遮断されて、第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが接続される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物の存否に基づいて容量が変化する第１コンデンサと、前記第１コンデンサに接続されて前記物の存否に基づいて容量が変化しない第２コンデンサとを含むセンサ回路と、
前記センサ回路から搬送される電荷を電圧に変換するＣＶ変換回路と、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路との接続状態を第１接続状態、第２接続状態、第３接続状態の順で切り替える制御回路とを備え、
前記第１接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが接続され両コンデンサ間の電位が規定電位に設定され、かつ前記両コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態であり、
前記第２接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが接続され両コンデンサ間の電位の設定が解除され、かつ前記両コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態であり、
前記第３接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通が遮断されて、かつ前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路とが接続される状態である、静電容量センサ。
【請求項２】
前記接続状態として、前記第２接続状態から前記第３接続状態への遷移の間に形成され得る中間接続状態を更に備え、
前記中間接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通が遮断され、かつ前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態である
請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路とを接続する配線には、前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路とを接続しまたは前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路との間の導通を遮断する第１制御スイッチが設けられ、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間には、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続しまたは前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通を遮断する第２制御スイッチが設けられ、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の中間部には、前記規定電位に設定する電位設定手段が接続され、
前記制御回路は、前記第１制御スイッチの制御、前記第２制御スイッチの制御、及び前記電位設定手段の制御により前記第１接続状態、前記第２接続状態及び前記第３接続状態を形成する
請求項１または請求項２に記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記電位設定手段は、前記中間部に接続される前記規定電位の配線と、前記中間部と前記配線との間に介在する第３制御スイッチとを備え、
前記制御回路は、前記第１接続状態のとき、前記第３制御スイッチを接続状態にして前記中間部の電位を前記規定電位に設定し、前記第２接続状態のとき、前記第３制御スイッチを遮断状態にして前記中間部の電位の設定を解除する
請求項３に記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記ＣＶ変換回路は、オペアンプと、前記オペアンプの反転入力端子と前記オペアンプの出力端子との間に接続される帰還コンデンサと、前記帰還コンデンサに並列接続される第４制御スイッチとを備え、
前記制御回路は、前記第３接続状態のとき、前記第４制御スイッチの動作により前記帰還コンデンサに並列接続される配線の導通を遮断する
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量変化を検出する静電容量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量変化を検出する静電容量センサとして、特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の静電容量センサは、一対の検出電極から構成される第１コンデンサと、一対の参照電極から構成される第２コンデンサと、オペアンプ及び帰還コンデンサを有するＣＶ変換回路とを備える。第１コンデンサには、感湿膜が設けられている。静電容量センサには、第１コンデンサの電荷と第２コンデンサの電荷を帰還コンデンサに移動させる搬送波が入力される。この搬送波により、帰還コンデンサには、第１コンデンサの電荷量と第２コンデンサの電荷量との差分に対応する電荷が蓄えられる。ＣＶ変換回路は、帰還コンデンサの電荷量に対応する出力信号を出力する。出力信号は、第１コンデンサの容量変化を示すため、この出力信号に基づいて湿度の変化が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５８０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の静電容量センサは、湿度を検出するためのセンサであるが、その回路構造は、物体検知にも適用可能である。しかし、物体検知に上述の回路を用いると、静電容量センサとグランドとの間でリークがあると物体検出時の出力値が変化する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記課題を解決する静電容量センサは、物の存否に基づいて容量が変化する第１コンデンサと、前記第１コンデンサに接続されて前記物の存否に基づいて容量が変化しない第２コンデンサとを含むセンサ回路と、前記センサ回路から搬送される電荷を電圧に変換するＣＶ変換回路と、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路との接続状態を第１接続状態、第２接続状態、第３接続状態の順で切り替える制御回路とを備え、前記第１接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが接続され両コンデンサ間の電位が規定電位に設定され、かつ前記両コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態であり、前記第２接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが接続され両コンデンサ間の電位の設定が解除され、かつ前記両コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態であり、前記第３接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通が遮断されて、かつ前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路とが接続される状態である。
【０００６】
この構成によれば、第１接続状態と第２接続状態との間で第１の電荷移動があり、第２接続状態と第３接続状態との間で第２の電荷移動がある。第２の電荷移動が行われる第２接続状態及び第３接続状態の回路は、第１コンデンサに接続されていないため、第２の電荷移動では、第１コンデンサを介するリークの影響を受けない。このため、上記構成によれば、従来回路すなわち、センサ回路からＣＶ変換回路への電荷搬送過程の全般において第１コンデンサを介してリークの影響を受け得る従来回路に比べて、リークの影響を低減することができる。これにより、リークに起因する出力変化が抑制される。
【０００７】
（２）上記静電容量センサにおいて、前記接続状態として、前記第２接続状態から前記第３接続状態への遷移の間に形成され得る中間接続状態を更に備え、前記中間接続状態は、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通が遮断され、かつ前記第２コンデンサと前記ＣＶ変換回路との間の導通が遮断される状態である。
【０００８】
上記構成によれば、第２接続状態から第３接続状態への遷移の途中において、第２コンデンサは、第１コンデンサとＣＶ変換回路とのいずれにも接続されていない状態（すなわち中間接続状態）になる。このため、第１コンデンサと第２コンデンサとＣＶ変換回路とが電気的に連通することがない。これにより、リークに起因する出力変化がさらに抑制される。
【０００９】
（３）上記静電容量センサにおいて、前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路とを接続する配線には、前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路とを接続しまたは前記センサ回路と前記ＣＶ変換回路との間の導通を遮断する第１制御スイッチが設けられ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間には、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続しまたは前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の導通を遮断する第２制御スイッチが設けられ、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の中間部には、前記規定電位に設定する電位設定手段が接続され、前記制御回路は、前記第１制御スイッチの制御、前記第２制御スイッチの制御、及び前記電位設定手段の制御により前記第１接続状態、前記第２接続状態及び前記第３接続状態を形成する。この構成によれば、スイッチング制御及び電位設定制御により、第１接続状態、第２接続状態及び第３接続状態が形成される。
【００１０】
（４）上記静電容量センサにおいて、前記電位設定手段は、前記中間部に接続される前記規定電位の配線と、前記中間部と前記配線との間に介在する第３制御スイッチとを備え、前記制御回路は、前記第１接続状態のとき、前記第３制御スイッチを接続状態にして前記中間部の電位を前記規定電位に設定し、前記第２接続状態のとき、前記第３制御スイッチを遮断状態にして前記中間部の電位の設定を解除する。この構成によれば、スイッチング制御により、中間部の電位が制御される。
【００１１】
（５）上記静電容量センサにおいて、前記ＣＶ変換回路は、オペアンプと、前記オペアンプの反転入力端子と前記オペアンプの出力端子との間に接続される帰還コンデンサと、前記帰還コンデンサに並列接続される第４制御スイッチとを備え、前記制御回路は、前記第３接続状態のとき、前記第４制御スイッチの動作により前記帰還コンデンサに並列接続される配線の導通を遮断する。この構成によれば、オペアンプを使用しないで構成する他のＣＶ変換回路に比べて、ＣＶ変換回路の構造が簡潔になる。
【発明の効果】
【００１２】
上記静電容量センサによれば、リークに起因する出力変化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】参考に係る静電容量センサのブロック図。
【図２】参考に係る静電容量センサの回路図。
【図３】参考例に係る静電容量センサについて、各信号のタイミングチャート。
【図４】実施形態に係る静電容量センサのブロック図。
【図５】実施形態に係る静電容量センサの回路図。
【図６】第１位相に対応する第１接続状態を示す模式回路図。
【図７】第２位相に対応する第２接続状態を示す模式回路図。
【図８】第３位相に対応する中間接続状態を示す模式回路図。
【図９】第４位相に対応する第３接続状態を示す模式回路図。
【図１０】実施形態に係る静電容量センサについて、各信号のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図１０を参照して、静電容量センサについて説明する。
実施形態に係る静電容量センサ１は、例えば、車両ドアの取手に搭載されるタッチセンサとして用いられ得る。静電容量センサ１は、その静電容量センサ１の付近に物（例えば、身体の一部である手、身体に装着された物、または雨滴等の付着物）が配置されたことに基づいて、その存在を検出する。静電容量センサ１が検出する物の存否に関する情報は、例えば、車両ドアの施錠解錠の許可のために使用される。
【００１５】
図１を参照して、本実施形態に係る静電容量センサ１と比較され得る、参考の静電容量センサ１ｘの回路について説明する。
静電容量センサ１ｘは、物を検出するセンサ回路１０と、センサ回路１０に接続されるＣＶ変換回路２０と、制御回路２９とを備える。センサ回路１０は、物の配置に基づいて変化する静電容量変化を検出する。ＣＶ変換回路２０は、静電容量変化を電圧に変換する。制御回路２９は、センサ回路１０とＣＶ変換回路２０とを制御する。
【００１６】
図２に示されるように、センサ回路１０は、物を検出するための第１コンデンサ１１と、第２コンデンサ１２とを備える。
第１コンデンサ１１は、物の存否により容量を変化させ得る。例えば、第１コンデンサ１１は、センサ回路１０において、第１コンデンサ１１の付近に物に配置されることにより、その容量（第１コンデンサ１１の容量）が変化し得るようなところに配置される。「第１コンデンサ１１の付近に配置される」とは、第１コンデンサ１１に物が接触するように配置されること、第１コンデンサ１１を覆うカバー等を介して第１コンデンサ１１の付近に配置されること、空間を介して第１コンデンサ１１の近くに物が配置されること、第１コンデンサ１１の近くを通過すること、第１コンデンサ１１に接近することを含む。また、第１コンデンサ１１は、物が第１コンデンサ１１の付近に配置されることに基づいて第１コンデンサ１１の容量が変化するように構成されている。例えば、第１コンデンサ１１を構成する一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、センサ回路１０の付近に配置される物（例えば手）と電極とが対向するとき、第１コンデンサ１１の容量が変化し得る程度の大きさに構成される。
【００１７】
第２コンデンサ１２は、所定容量を有する。第２コンデンサ１２としては、物の存否に基づいてその容量が変化しないものが用いられる。第２コンデンサ１２は、第１コンデンサ１１に接続される。
【００１８】
第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２との間の中間部１３は、ＣＶ変換回路２０のオペアンプ２１の反転入力端子２４に接続される。第１コンデンサ１１において中間部１３とは反対側の第１端部１４には、第１入力信号ＶＡが入力される。
【００１９】
第２コンデンサ１２において中間部１３とは反対側の第２端部１５には、第２入力信号ＶＢが入力される。
第１入力信号ＶＡは、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との間を所定周期で往復する矩形波信号として構成される。第１電位Ｖ１は、第２電位Ｖ２よりも大きい。第２電位Ｖ２は、例えば、グランドと等しい電位に設定される。第２入力信号ＶＢは、第１入力信号ＶＡを反転した信号として構成される。
【００２０】
例えば、第１端部１４への第１入力信号ＶＡの入力及び第２端部１５への第２入力信号ＶＢの入力は次のように形成される。第１コンデンサ１１側の第１端部１４は、第１スイッチ１６を介して、第１電位Ｖ１の配線または第２電位Ｖ２の配線に接続される。第２コンデンサ１２側の第２端部１５は、第２スイッチ１７を介して、第１電位Ｖ１の配線または第２電位Ｖ２の配線に接続される。第１スイッチ１６の切替動作により第１入力信号ＶＡが第１端部１４に入力される。第２スイッチ１７の切替動作により第２入力信号ＶＢが第２端部１５に入力される。
【００２１】
第１入力信号ＶＡが第１端部１４に入力され、第２入力信号ＶＢが第２端部１５に入力されることにより、第１コンデンサ１１及び第２コンデンサ１２が周期的に充放電を繰り返すようになる。そして、第１入力信号ＶＡ及び第２入力信号ＶＢの入力と後述の第３スイッチ２３のスイッチング動作により、センサ回路１０の電荷がＣＶ変換回路２０に搬送される。
【００２２】
ＣＶ変換回路２０は、センサ回路１０から搬送される電荷を電圧に変換する。例えば、ＣＶ変換回路２０は、オペアンプ２１（演算増幅器）と、オペアンプ２１の反転入力端子２４と出力端子２６との間に接続される帰還コンデンサ２２と、帰還コンデンサ２２に並列に接続される配線２７の導通を遮断し得る第３スイッチ２３とを備える。オペアンプ２１の非反転入力端子２５には、基準電位Ｖｒが入力される。
【００２３】
第３スイッチ２３は、オン（配線２７を導通可能にする状態）とオフ（配線２７の導通を遮断する状態）との間で動作する。第３スイッチ２３のオンオフ動作は、第１入力信号ＶＡ及び第２入力信号ＶＢに同期する。第３スイッチ２３がオンのとき、帰還コンデンサ２２は、電荷を蓄えない状態に初期化される。第３スイッチ２３がオフのとき、帰還コンデンサ２２が充電される。オペアンプ２１の出力端子２６における電位（以下、「出力電位Ｖｓ」という。）は、帰還コンデンサ２２の充電状態に基づいて変化する。
【００２４】
制御回路２９は、第１スイッチ１６、第２スイッチ１７、及び第３スイッチ２３を制御する。これにより、センサ回路１０とＣＶ変換回路２０とを含む回路が所定状態（以下、これを「位相」という。）になる。制御回路２９は、第１スイッチ１６、第２スイッチ１７及び第３スイッチ２３それぞれについて、各スイッチに対応する動作信号を出力する。
【００２５】
図３を参照して、参考例に係る静電容量センサ１ｘの動作を説明する。図３は、静電容量センサ１ｘの各信号についてのタイミングチャートである。
【００２６】
センサ回路１０とＣＶ変換回路２０とを含む回路は、第１位相ＰＨ１及び第２位相ＰＨ２のいずれかの位相に設定される。
第１位相ＰＨ１は、第１コンデンサ１１側の第１端部１４に第１電位Ｖ１の信号が入力され、第２コンデンサ１２側の第２端部１５に第２電位Ｖ２の信号が入力され、第３スイッチ２３がオンであるときの状態である。第１位相ＰＨ１のとき、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２との間の中間部１３の電位（以下、「中間電位Ｖｍｘ」という。）は基準電位Ｖｒになっており、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とが充電される。
【００２７】
第２位相ＰＨ２は、第１コンデンサ１１側の第１端部１４に第２電位Ｖ２の信号が入力され、第２コンデンサ１２側の第２端部１５に第１電位Ｖ１の信号が入力され、第３スイッチ２３がオフであるときの状態である。第２位相ＰＨ２のとき、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とが放電し、帰還コンデンサ２２が充電される。すなわち、センサ回路１０からＣＶ変換回路２０に電荷が搬送される。このとき中間電位Ｖｍｘは電荷の搬送に伴って変化する。
【００２８】
オペアンプ２１の出力電位Ｖｓは、帰還コンデンサ２２に蓄えられる電荷量に応じて変化する。帰還コンデンサ２２の電荷量は、第１コンデンサ１１の容量変化に応じて変化する。第１コンデンサ１１の容量は、上述したように第１コンデンサ１１の付近に物が配置されることにより変化する。すなわち、第１コンデンサ１１の付近に物が配置されて第１コンデンサ１１の容量が変化すると、帰還コンデンサ２２の電荷量が変化し、オペアンプ２１の出力電位Ｖｓの変化するようになる。
【００２９】
図３の中間電位Ｖｍｘのチャート及び出力電位Ｖｓのチャートにおいて、実線は、第１コンデンサ１１の付近に物が配置されているときの出力電位Ｖｓの波形を示し、破線は、第１コンデンサ１１の付近に物が配置されていないときの出力電位Ｖｓの波形を示す。このように、オペアンプ２１の出力電位Ｖｓは、第１コンデンサ１１の付近に物が配置されているか否かにより変化する。したがって、出力電位Ｖｓは、物の検出の判定のために使用される。
【００３０】
ところで、センサ回路１０の電荷をＣＶ変換回路２０に搬送するようなセンサでは、センサ回路１０でのリーク（電荷漏れ）が問題となる。
例えば、雨滴、雪等により、第１コンデンサ１１がグランドに接続され得る。雨滴、雪等の付着に起因するリーク回路１００は、図２において、２点鎖線で示されている。このようなリーク回路１００が形成されると、センサ回路１０からＣＶ変換回路２０への電荷搬送時に、電荷の一部がリーク回路１００を通じて放電されるため、センサ回路１０に蓄えられた電荷の一部がＣＶ変換回路２０に搬送されないという事態が生じる。この結果、図３に示されるように、リークがあるとき第１コンデンサ１１の付近に物が配置されたときの出力電位Ｖｓ（二点鎖線参照）は、リークがないときの出力電位Ｖｓ（実線参照）比べて小さくなる。この結果、この出力電位Ｖｓを用いて物の存否を判定する演算では、物の存否について誤判定を起こすようになる。
【００３１】
したがって、リークがあるときでも出力電位Ｖｓは、そのリークに影響されないことが好ましい。すなわち、リークがあるときの出力電位Ｖｓと、リークのないときの出力電位Ｖｓとが差は小さいことが望ましい。以下、リークの影響を小さくする例を説明する。
【００３２】
図４及び図５を参照して、本実施形態に係る静電容量センサ１の回路について説明する。静電容量センサ１は、物を検出するセンサ回路３０と、センサ回路３０に接続されるＣＶ変換回路４０と、制御回路７０と、第４スイッチ６１と、第５スイッチ６２と、第６スイッチ６３とを備える。
【００３３】
センサ回路３０は、物の配置に基づいて変化する静電容量変化を検出する。ＣＶ変換回路４０は、静電容量の変化を電圧に変換する。制御回路７０は、センサ回路３０とＣＶ変換回路４０とを制御する。
【００３４】
図５に示されるように、センサ回路３０は、物を検出するための第１コンデンサ３１と、第２コンデンサ３２とを備える。第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とは配線（後述の第１配線５１）を介して接続される。第１コンデンサ３１は、物の存否により容量を変化し得る。第１コンデンサ３１の配置及び電極構造は参考例と同様である。第２コンデンサ３２は、所定容量を有する。第２コンデンサ３２としては、物の存否に基づいてその容量が変化しないものが用いられる。
【００３５】
第１コンデンサ３１及び第２コンデンサ３２への電圧入力構造は、参考例と同じである。すなわち、第１コンデンサ３１の第１端部３４は、第１スイッチ３６を介して、第１電位Ｖ１の配線または第２電位Ｖ２の配線に接続される。第２コンデンサ３２側の第２端部３５は、第２スイッチ３７を介して、第１電位Ｖ１の配線または第２電位Ｖ２の配線に接続される。
【００３６】
第１スイッチ３６は、所定周期で、第１端部３４と第１電位Ｖ１の配線との接続（以下、この状態を「オン」という。）と、第１端部３４と第２電位Ｖ２の配線との接続（以下、この状態を「オフ」という。）とを切り替える。これにより、第１コンデンサ３１側の第１端部３４には、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２とが交互に切り替わる第１入力信号ＶＡが入力される。
【００３７】
第２スイッチ３７は、所定周期で、第２端部３５と第２電位Ｖ２の配線との接続（以下、この状態を「オフ」という。）と、第２端部３５と第１電位Ｖ１の配線との接続（以下、この状態を「オン」という。）とを切り替える。この切り替えは、第１スイッチ３６に連動する。すなわち、第１スイッチ３６がオンのとき、第２スイッチ３７はオフにされ、第１スイッチ３６がオフのとき、第２スイッチ３７はオンにされる。これにより、第２コンデンサ３２側の第２端部３５には、第１入力信号ＶＡが反転した第２入力信号ＶＢが入力される。
【００３８】
第１入力信号ＶＡ及び第２入力信号ＶＢの入力により、第１コンデンサ３１及び第２コンデンサ３２が周期的に充放電を繰り返すようになる。そして、第１入力信号ＶＡ及び第２入力信号ＶＢの入力と後述のスイッチング制御により、センサ回路３０の電荷がＣＶ変換回路４０に搬送される。
【００３９】
ＣＶ変換回路４０は、センサ回路３０から搬送される電荷を電圧に変換する。例えば、ＣＶ変換回路４０は、オペアンプ４１（演算増幅器）と、オペアンプ４１の反転入力端子４４と出力端子４６との間に接続される帰還コンデンサ４２と、帰還コンデンサ４２に並列接続される配線４７の導通を遮断し得る第３スイッチ４３とを備える。オペアンプ４１の非反転入力端子４５には、基準電位Ｖｒが入力される。
【００４０】
第３スイッチ４３は、所定の周期（第１スイッチ３６及び第２スイッチ３７とは異なる周期）で、オン（接続状態）とオフ（遮断状態）とを切り替える。第３スイッチ４３がオンのとき、帰還コンデンサ４２は初期化（電荷を蓄積しない状態）される。
【００４１】
第４スイッチ６１、第５スイッチ６２及び第６スイッチ６３は、参考例に係る静電容量センサ１ｘにない構成である。ここで、静電容量センサ１の各配線及び各配線の接続点を定義する。
【００４２】
第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とを接続する配線を「第１配線５１」という。第１配線５１とオペアンプ４１の反転入力端子４４とを接続する配線を「第２配線５２」という。第１配線５１において第２配線５２が接続される部位を「第１接続点ＣＰ１」という。また、本実施形態では、第２配線５２の電位を基準電位Ｖｒにするための配線（以下、「第３配線５３」）が設けられている。基準電位Ｖｒの配線（以下、「第４配線５４」）は、オペアンプ４１の非反転入力端子４５に接続される。第３配線５３は、この第４配線５４と第２配線５２とを接続する。第２配線５２において第３配線５３が接続される部位を「第２接続点ＣＰ２」という。第２配線５２において、第２接続点ＣＰ２と反転入力端子４４との間には、帰還コンデンサ４２から延びる配線が接続される。第２配線５２において、帰還コンデンサ４２から延びる配線が接続される部位を「第３接続点ＣＰ３」という。上述の第４配線５４において第３配線５３が接続される部位を「第４接続点ＣＰ４」という。
【００４３】
第４スイッチ６１は、センサ回路３０とＣＶ変換回路４０との間の導通を遮断するためのスイッチである。具体的には、第４スイッチ６１は、第２配線５２において第２接続点ＣＰ２と第３接続点ＣＰ３との間に配置される。第４スイッチ６１は、オン（第２配線５２を導通可能にする状態）とオフ（第２配線５２の導通を遮断する状態）との間で動作する。
【００４４】
第５スイッチ６２は、第１コンデンサ３１の放電を制御するためのスイッチである。第５スイッチ６２は、第１コンデンサ３１とオペアンプ４１との間の導通遮断が可能であり、かつ第５スイッチ６２の動作により第２コンデンサ３２とオペアンプ４１とが維持されるところに、配置される。具体的には、第５スイッチ６２は、第１配線５１において第１接続点ＣＰ１と第１コンデンサ３１との間に配置される。第５スイッチ６２は、オン（第１配線５１を導通可能にする状態）とオフ（第１配線５１の導通を遮断する状態）との間で動作する。
【００４５】
第６スイッチ６３は、第２配線５２の電位を基準電位Ｖｒと等電位にするためのスイッチである。第６スイッチ６３は、第３配線５３において第２接続点ＣＰ２と第４接続点ＣＰ４との間に配置される。第６スイッチ６３は、オン（第３配線５３を導通可能にする状態）とオフ（第３配線５３の導通を遮断する状態）との間で動作する。
【００４６】
図６〜図１０を参照して、静電容量センサ１を動作させるスイッチング制御の一例を説明する。図６〜図９は、各位相に対応する回路状態を模式的に示したものである。図６〜図９では、便宜的に、第３配線５３と第４配線５４とは切り離されて図視されている。
【００４７】
センサ回路３０とＣＶ変換回路４０とを含む回路の位相は、制御回路７０のスイッチング制御により、第１位相ＰＨ１〜第４位相ＰＨ４の順に切り替わる。また、第１位相ＰＨ１〜第４位相ＰＨ４の切替制御は所定周期で実行される。
【００４８】
図６に示されるように、第１位相ＰＨ１は、各スイッチの第１接続状態として構成される。
第１接続状態では、第１スイッチ３６がオンにされ、第２スイッチ３７がオフにされ、第３スイッチ４３がオンにされ、第４スイッチ６１がオフにされ、第５スイッチ６２がオンにされ、第６スイッチ６３がオンにされる。すなわち、第１位相ＰＨ１では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とが接続され、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の第１接続点ＣＰ１の電位が基準電位Ｖｒ（規定電位）に設定される。また、センサ回路３０とＣＶ変換回路４０との導通が遮断されている。このとき、第１コンデンサ３１及び第２コンデンサ３２が充電される。
【００４９】
図７に示されるように、第２位相ＰＨ２は、各スイッチの第２接続状態として構成される。
第２接続状態は、第１接続状態から次のスイッチ変更が行われた状態である。すなわち、第１スイッチ３６がオンからオフにされ、第２スイッチ３７がオフからオンにされる。そして、第６スイッチ６３がオンからオフにされ、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の第１接続点ＣＰ１の電位設定が解除される。これにより、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間で電荷移動が生じる。このため、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１が変化する。第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１は、第１コンデンサ３１の容量に応じた値になる。
【００５０】
図８に示されるように、第３位相ＰＨ３は、各スイッチの中間接続状態として構成される。
中間接続状態は、第２接続状態から次のスイッチの変更が行われた状態である。すなわち、第５スイッチ６２がオンからオフにされ、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の導通が遮断される。これにより、第１コンデンサ３１を含む回路と第２コンデンサ３２を含む回路との導通が遮断されるようになる。このため、このタイミング以降、第１コンデンサ３１を介するリークが、第２コンデンサ３２を含む回路に電気的影響を及ぼすことが抑制されるようになる。
【００５１】
図９に示されるように、第４位相ＰＨ４は、各スイッチの第３接続状態として構成される。
第３接続状態は、中間接続状態から次のスイッチの変更が行われた状態である。すなわち、第３スイッチ４３がオンからオフに切り替えられ、かつ第４スイッチ６１がオフからオンに切り替えられる。すなわち、第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが接続され、帰還コンデンサ４２が充電可能状態にされる。これにより、第２コンデンサ３２の電荷がＣＶ変換回路４０に搬送される。帰還コンデンサ４２には、第２コンデンサ３２の電荷に応じた電荷が蓄えられる。ＣＶ変換回路４０は、帰還コンデンサ４２の電荷に応じた出力電位Ｖｓの信号を出力する。
【００５２】
図１０を参照して、静電容量センサ１の作用及び効果を説明する。図１０には、オペアンプ４１の反転入力端子４４の電位ＶＭ２と、出力電位Ｖｓとが示されている。
【００５３】
第１位相ＰＨ１では、第１コンデンサ３１及び第２コンデンサ３２が充電される。
第２位相ＰＨ２では、第６スイッチ６３のオフにより第１接続点ＣＰ１の電位設定が解除される。また、第１スイッチ３６及び第２スイッチ３７の切り替わりにより、第１コンデンサ３１側の第１端部３４の電位と第２コンデンサ３２側の第２端部３５の電位とが入れ替わる。このため、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間で電荷移動が生じ、第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１が変化する。
【００５４】
第３位相ＰＨ３では、第５スイッチ６２がオフになり、第１コンデンサ３１が、第２コンデンサ３２を含む回路から電気的に切り離される。
第４位相ＰＨ４では、第４スイッチ６１がオンになり、第３スイッチ４３がオフになる。このため、第２コンデンサ３２から帰還コンデンサ４２への電荷の搬送が実行される。図１０に示される、反転入力端子４４の電位ＶＭ２及び出力電位Ｖｓから分かるように、電荷搬送は第４位相ＰＨ４において行われる。そして、上述のように第４位相ＰＨ４では、第２コンデンサ３２及び帰還コンデンサ４２を含む回路と、外部との接続によりリークを生じさせ得る第１コンデンサ３１とは電気的に遮断されているため、第４位相ＰＨ４では、リークの影響が低減される。
【００５５】
簡単に纏めると、第１位相ＰＨ１から第４位相ＰＨ４までの電荷の流れは次のようになる。（ｉ）第１位相ＰＨ１では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とが充電される。（ｉｉ）第２位相ＰＨ２では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間での電荷移動が生じる。（ｉｉｉ）第３位相ＰＨ３では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の導通が遮断される。（ｉｖ）第４位相ＰＨ４では、第２コンデンサ３２と帰還コンデンサ４２との間での電荷移動が生じる。
【００５６】
次に、静電容量センサ１の消費電力について説明する。
静電容量センサ１の効果は、第１コンデンサ３１の容量変化の検出においてリークの影響を低減させることである。一方、次に示す技術により、リークの影響を低減させることが可能である。すなわち、上述の参考例に係る静電容量センサ１ｘにおいて第１位相ＰＨ１及び第２位相ＰＨ２の周期を短くすることで、リークの影響を低減させる（以下、この技術を「高周波化技術」という。）。しかし、アンプを含む回路において高周期で動作させると、アンプでの消費電力（以下、「アンプ消費電力」）が増大する。これに対して、本実施形態に係る静電容量センサ１では、高周期で動作させることなくすなわちアンプ消費電力を増大させることなく、リークの影響を低減させることが可能である。以下、この点について詳述する。
【００５７】
図１０に示されるように、第５スイッチ（図５の第５スイッチ６２）時間は第４スイッチ（図５の第４スイッチ６１）のオン時間（以下、「パルス幅」）よりも短い。このことによって、オペアンプ４１のアンプ消費電力の低減を図ることができる。すなわち、本技術では、センサ回路３０及びＣＶ変換回路４０の周期を、参考技術（図２及び図３）の回路における周期よりも短くする必要がない。上記のパルス幅を変えることで、すなわちセンサ回路３０側の第５スイッチ６２のパルス幅を第４スイッチ６１のパルス幅よりも短くすることで、リーク量が増大する前にセンサ回路３０への入力電荷をＣＶ変換回路４０に取り込むことを可能とする。更に、第５スイッチ６２のオフ動作によって、オペアンプ４１の反転入力端子４４へのセンサ信号（センサ回路３０からＣＶ変換回路４０に搬送される電荷）の伝達経路とリークパス（リーク回路１００）とを切り離し、リークに起因するセンサ信号の経時低減を回避する。したがって、ＣＶ変換回路４０の周期が従来のＣＶ変換回路の周期と等しい場合であっても、リークによる影響が低減されるため、ＣＶ変換回路４０は、劣化の少ないセンサ信号（リークの影響により経時低減が少ないセンサ信号）を取り込むことができるようになる。
【００５８】
上記高周波化技術では、リーク回路１００を介するリーク量を抑制するために回路を高周波で動作させて、センサ信号におけるリークの影響を低減させるが、この高周波駆動の結果、アンプ消費電力が増大する。また、参考技術の回路は第５スイッチ６２のような構成を有するものではないため、周波数に比例して増大するアンプ消費電力を低減することは難しい。この点、第５スイッチ６２を有している本技術（静電容量センサ１に係る技術）では、上記のようにアンプ消費電力を増大させることなく、リークの影響の回避が可能になる。
【００５９】
次に、出力電位Ｖｓと各コンデンサの容量との関係を説明する。出力電位Ｖｓは、次のようにして導出される。
【００６０】
第１コンデンサ３１の容量をＣ１とし、第２コンデンサ３２の容量をＣ２とし、帰還コンデンサ４２の容量をＣｆとする。
第１位相ＰＨ１において、第１コンデンサ３１に蓄えられる電荷をＱ１とし、第２コンデンサ３２に蓄えられる電荷をＱ２とする。第１位相ＰＨ１では、第６スイッチ６３がオンであり第２配線５２が第４配線５４に接続されているため、第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１は、基準電位Ｖｒである。
【００６１】
第２位相ＰＨ２（または第３位相ＰＨ３）において、第１コンデンサ３１に蓄えられる電荷をＱ１ｘとし、第２コンデンサ３２に蓄えられる電荷をＱ２ｘとし、帰還コンデンサ４２に蓄えられる電荷をＱ３ｘとする。また、第２位相ＰＨ２における第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１を電位Ｖｍとする。
【００６２】
第４位相ＰＨ４において、第２コンデンサ３２に蓄えられる電荷をＱ２ｙとし、帰還コンデンサ４２に蓄えられる電荷をＱ３ｙとする。第４位相ＰＨ４では、第４スイッチ６１がオンになっており第２配線５２はオペアンプ４１に接続されているため、第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１は、基準電位Ｖｒとなる。
【００６３】
第１位相ＰＨ１から第２位相ＰＨ２（または第３位相ＰＨ３）への遷移では、電荷保存則により、次の式が成立する。
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｑ１ｘ＋Ｑ２ｘ・・・・・（１）
【００６４】
第１位相ＰＨ１では、コンデンサの容量と電圧との関係より次の式が成立する。
・Ｑ１＝Ｃ１×（Ｖｒ−Ｖ１）・・・・・（２）
・Ｑ２＝Ｃ２×Ｖｒ・・・・・・・・・・（３）
第２位相ＰＨ２では、コンデンサの容量と電圧との関係より次の式が成立する。
・Ｑ１ｘ＝Ｃ１×Ｖｍ・・・・・・・・・（４）
・Ｑ２ｘ＝Ｃ２×（Ｖｍ−Ｖ１）・・・・（５）
そうすると、上記（１）〜（５）式より、次の（６）式が成立する。
Ｖｍ＝（Ｃ２−Ｃ１）×Ｖ１／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｒ・・・（６）
【００６５】
第３位相ＰＨ３から第４位相ＰＨ４への遷移では、電荷保存則により、次の式が成立する。
Ｑ２ｘ＋Ｑ３ｘ＝Ｑ２ｙ＋Ｑ３ｙ・・・（７）
第３位相ＰＨ３では、コンデンサの容量と電圧との関係より次の式が成立する。
・Ｑ２ｘ＝Ｃ２×（Ｖｍ−Ｖ１）・・・・（８）
・Ｑ３ｘ＝０・・・・・・・・・・・・・（９）
第４位相ＰＨ４では、コンデンサの容量と電圧との関係より次の式が成立する。
・Ｑ２ｙ＝Ｃ２×（Ｖｒ−Ｖ１）・・・・（１０）
・Ｑ３ｙ＝Ｃｆ×（Ｖｒ−Ｖｓ）・・・・（１１）
【００６６】
そうすると、上記（７）〜（１１）式及び（６）式より、次の（１２）式が成立する。
Ｖｓ＝（Ｃ１−Ｃ２）×Ｃ２×Ｖ１／（Ｃｆ×（Ｃ１＋Ｃ２））＋Ｖｒ・・・（１２）
【００６７】
（１２）式から、出力電位Ｖｓは、第１コンデンサ３１の容量変化に応じて変化することが分かる。すなわち、上述の回路構成において、第１位相ＰＨ１〜第４位相ＰＨ４の順に切り替える制御により、第１コンデンサ３１の容量変化を検出することが可能である。
【００６８】
また、第３位相ＰＨ３から第４位相ＰＨ４への遷移では、第２コンデンサ３２を含む回路から第１コンデンサ３１が切り離されていることから、この遷移期間においてリークの影響はなく電荷は保存される。出力電位Ｖｓにおけるリークの影響が小さくなる。
【００６９】
次に、静電容量センサ１の作用及び効果について説明する。
（１）静電容量センサ１の制御回路７０は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０との接続状態を、第１接続状態、第２接続状態、第３接続状態の順で切り替える。
【００７０】
第１接続状態では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とが接続され、両コンデンサ３１，３２間の電位（すなわち第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１）が規定電位（基準電位Ｖｒ）に設定され、かつ両コンデンサ３１，３２とＣＶ変換回路４０との間の導通が遮断される。第２接続状態は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２が接続され、両コンデンサ３１，３２間の電位（すなわち第１接続点ＣＰ１の電位ＶＭ１）の設定が解除され、かつ両コンデンサ３１，３２とＣＶ変換回路４０との間の導通が遮断される。第３接続状態は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の導通が遮断されて、かつ第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが接続される。
【００７１】
この構成によれば、次の作用がある。すなわち、第１接続状態と第２接続状態との間で第１の電荷移動があり、第２接続状態と第３接続状態との間で第２の電荷移動がある。第２の電荷移動が行われる第２接続状態及び第３接続状態の回路は、第１コンデンサ３１に接続されていないため、第２の電荷移動では、第１コンデンサ３１を介するリークの影響を受けない。このため、センサ回路３０からＣＶ変換回路４０への電荷搬送過程の全般において第１コンデンサ３１を介してリークの影響を受け得る従来の回路に比べて、リークの影響を低減することができる。これにより、静電容量センサ１によれば、リークに起因する出力変化が抑制される。
【００７２】
また、上述したように、上記構成によれば、第１接続状態、第２接続状態、及び第３接続状態が存在することで、リーク回路１００とＣＶ変換回路４０とを切り離すことができることから、高周波駆動によってリークの影響を低減する技術に比べて、低消費電力でリークの影響を低減できる。
【００７３】
（２）第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０との接続状態の一つとして、中間接続状態があることが好ましい。中間接続状態は、第２接続状態から第３接続状態への遷移の間に形成され得る。中間接続状態では、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間の導通が遮断され、かつ第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０との間の導通が遮断される。
【００７４】
第２接続状態は、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とが接続されている状態である。第３接続状態は、第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが接続されている状態である。すなわち、第２接続状態及び第３接続状態では、第２コンデンサ３２は、第１コンデンサ３１及びＣＶ変換回路４０のいずれか一方に接続されている。そうすると、第２接続状態から第３接続状態への遷移において、瞬間的に、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが接続されるおそれがある。この点、上記構成によれば、第２接続状態から第３接続状態への遷移の途中において、第２コンデンサ３２は、第１コンデンサ３１とＣＶ変換回路４０とのいずれにも接続されていない状態すなわち中間接続状態になる。このため、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２とＣＶ変換回路４０とが電気的に連通することがない。これにより、リークに起因する出力変化がさらに抑制される。
【００７５】
（３）センサ回路３０とＣＶ変換回路４０とを接続する第２配線５２には、両回路を接続または両回路の導通を遮断する第１制御スイッチ（実施形態では、第４スイッチ６１）が設けられる。第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との間には、両コンデンサ３１，３２を接続しまたは両コンデンサ３１，３２の導通を遮断する第２制御スイッチ（実施形態では、第５スイッチ６２）が設けられる。また、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ３２との中間部には、この中間部（実施形態では、第１接続点ＣＰ１を含む部分、すなわち第２配線５２）を規定電位に設定する電位設定手段（実施形態では、第６スイッチ６３及び第４配線５４）が接続される。この構成によれば、スイッチング制御及び電位設定制御により、第１接続状態、第２接続状態及び第３接続状態が形成される。
【００７６】
（４）例えば、電位設定手段は、中間部（実施形態では、第２配線５２）に接続される第４配線５４と、当該中間部と第４配線５４との間に介在する第３制御スイッチ（実施形態では、第６スイッチ６３）とを備える。第４配線５４は、規定電位（実施形態では、基準電位Ｖｒ）に設定されている。制御回路７０は、第１接続状態のとき、第３制御スイッチ（第６スイッチ６３）をオンにして中間部の電位ＶＭ１を規定電位（基準電位Ｖｒ）に設定する。第２接続状態のとき、第３制御スイッチ（第６スイッチ６３）をオフにして中間部の電位ＶＭ１の設定を解除する。この構成によれば、スイッチング制御により、中間部の電位ＶＭ１が制御される。
【００７７】
なお、電位設定手段は実施形態の例に限定されない。例えば、第３配線５３は、第４配線５４とは別に設けられる配線に接続され得る。ここでの配線の電位は、基準電位Ｖｒと等しい電位に設定され得るし、また基準電位Ｖｒとは異なる電位に設定され得る。すなわち、この変形例では、中間部（実施形態では、第２配線５２）の電位を、基準電位Ｖｒとは異なる規定電位に設定することが可能である。
【００７８】
（５）ＣＶ変換回路４０は、オペアンプ４１と、帰還コンデンサ４２と、帰還コンデンサ４２に並列接続される第４制御スイッチ（実施形態では、第３スイッチ４３）とを備える。制御回路７０は、第３接続状態のとき、第４制御スイッチ（第３スイッチ４３）の動作により帰還コンデンサ４２に並列接続される配線４７の導通を遮断する。この構成により、帰還コンデンサ４２の充電が可能である。また、オペアンプ４１を使用しないで構成する他のＣＶ変換回路に比べて、ＣＶ変換回路４０の構造が簡潔になる。
【００７９】
＜その他の実施形態＞
・上記実施形態では、第１位相ＰＨ１〜第３位相ＰＨ３において、第３スイッチ４３がオンになっているが、第３スイッチ４３は、第４スイッチ６１がオンになるまでに帰還コンデンサ４２が初期化されるように制御されればよい。したがって、第３スイッチ４３は、第３位相ＰＨ３の期間だけ第３スイッチ４３がオンにしてもよい。
【００８０】
・上記実施形態において、第３位相ＰＨ３は省略され得る。すなわち、静電容量センサ１の接続状態において、中間接続状態は省略され得る。具体的には、静電容量センサ１の回路状態は、第２位相ＰＨ２から直接、第４位相ＰＨ４に遷移され得る。中間接続状態は、上記（２）の効果を得るための構成であり、この中間接続状態が省略されたとしても、少なくとも上記（１）の効果が得られるからである。
【００８１】
・上記実施形態では、上記第１入力信号及び第２入力信号は、第１スイッチ１６及び第２スイッチ１７のスイッチング制御により形成されているが、これら信号の形成はこれに限定されない。これら信号は信号形成回路により形成され得る。
【符号の説明】
【００８２】
１…静電容量センサ、１ｘ…静電容量センサ、１０…センサ回路、１１…第１コンデンサ、１２…第２コンデンサ、１３…中間部、１４…第１端部、１５…第２端部、１６…第１スイッチ、１７…第２スイッチ、２０…ＣＶ変換回路、２１…オペアンプ、２２…帰還コンデンサ、２３…第３スイッチ、２４…反転入力端子、２５…非反転入力端子、２６…出力端子、２７…配線、２９…制御回路、３０…センサ回路、３１…第１コンデンサ、３２…第２コンデンサ、３４…第１端部、３５…第２端部、３６…第１スイッチ、３７…第２スイッチ、４０…ＣＶ変換回路、４１…オペアンプ、４２…帰還コンデンサ、４３…第３スイッチ、４４…反転入力端子、４５…非反転入力端子、４６…出力端子、４７…配線、５１…第１配線、５２…第２配線、５３…第３配線、５４…第４配線、ＣＰ１…第１接続点、ＣＰ２…第２接続点、ＣＰ３…第３接続点、ＣＰ４…第４接続点、６１…第４スイッチ、６２…第５スイッチ、６３…第６スイッチ、７０…制御回路、１００…リーク回路、ＰＨ１…第１位相、ＰＨ２…第２位相、ＰＨ３…第３位相、ＰＨ４…第４位相、Ｖ１…第１電位、Ｖ２…第２電位、ＶＭ１…電位、ＶＭ２…電位、Ｖｍｘ…中間電位、Ｖｒ…基準電位、Ｖｓ…出力電位、ＶＡ…第１入力信号、ＶＢ…第２入力信号。
【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】
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【図１０】
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