(57)【要約】【課題】静電容量センサから離れた位置にある被検知物の検知と、静電容量センサの近くにある被検知物の動きの検知との両方を単一の素子で行うことができる静電容量センサを提供する。【解決手段】本発明に係る静電容量センサ１１０は、送信電極１２０と、受信電極１３０と、前記送信電極１２０及び前記受信電極１３０の少なくとも１つの自己容量の変化を測定して被検知物の検知を行う自己容量検知モードと、前記送信電極１２０及び前記受信電極１３０の間の相互容量の変化を測定して被検知物の検知を行う相互容量検知モードとの切り替えを行う切替部１７０とを備える。【選択図】図１
2015031552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信電極と、
受信電極と、
前記送信電極及び前記受信電極の少なくとも１つの自己容量の変化を測定して被検知物の検知を行う自己容量検知モードと、前記送信電極及び前記受信電極の間の相互容量の変化を測定して被検知物の検知を行う相互容量検知モードとの切り替えを行う切替部と
を備える静電容量センサ。
【請求項２】
前記送信電極又は受信電極とグランドとの間に電気的に接続された接地容量をさらに備える、請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記自己容量及び前記相互容量の測定は、前記自己容量、前記相互容量、前記接地容量の少なくとも１つに電圧を印加したときに充電される電荷の充電時間を測定することによって行われる、請求項２に記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記送信電極又は受信電極は複数であって、複数の前記送信電極又は受信電極のそれぞれに接続された複数の開閉器をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記相互容量検知モードの測定において、前記複数の開閉器を順番に閉にすることで、各送信電極と前記受信電極の間の相互容量の測定を行う、請求項４に記載の静電容量センサ。
【請求項６】
前記送信電極と前記受信電極は電極間間隙を挟んで同一基体の同一平面上に並置されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項７】
前記受信電極は前記送信電極の周囲を包囲するように、又は前記送信電極は前記受信電極の周囲を包囲するように、配置されている、請求項６に記載の静電容量センサ。
【請求項８】
前記送信電極は、円形の形状を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項９】
前記電極間間隙は、幅が一様な円環形状を有する、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項１０】
前記切替部は前記自己容量検知モードによる検知時に前記被検知物の接近を検知したことをトリガーとして前記相互容量検知モードへの切り替えを行う、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項１１】
前記切替部は前記相互容量検知モードによる検知時に前記被検知物の動きが検知されないことをトリガーとして前記自己容量検知モードへの切り替えを行う、請求項１乃至１０のいずれか１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、静電容量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検知物の位置又は動作を静電容量の変化として検知する静電容量センサが知られている。静電容量センサは検知用の１つ又は複数の電極を有する。被検知物の接近、移動に伴い、電極の静電容量の容量値が変化する。静電容量センサはこの容量値の変化を電気信号として測定することによって、被検知物の動作を検知することができる。近年、このような静電容量センサが物体の非接触検知装置、ディスプレイ用タッチパネルなど幅広い用途に用いられている。
【０００３】
特許文献１には、検知電極を有するセンサ部と、静電容量の変化を出力する発振回路と、検知回路とを備えた静電容量センサとが開示されている。発信回路は、静電容量Ｃｄと、帰還抵抗Ｒと、バッファ回路と、シュミットトリガインバータとにより構成され、静電容量Ｃｄ、帰還抵抗Ｒの時定数で決定される周波数の信号を出力する。検知電極に被検知物が接近すると、検知電極と被検知物との間の静電容量Ｃｄが変化し、発振回路から出力される信号の発振周波数が変化する。このようにして被検知物が検知電極に近接しているかどうかを検知することができる。
【０００４】
特許文献２には、タッチセンサを備えたディスプレイに使用される静電容量センサが開示されている。静電容量センサは交差する複数の信号配線Ｔｘ及び複数の信号配線Ｒｘを含み、それぞれの信号配線Ｔｘ、Ｒｘの間には静電容量が形成されている。信号線ＴｘとＲｘとの間には電圧が印加することにより、信号配線Ｔｘ、Ｒｘの間には電界が形成される。この電界が操作者の指によって遮られると、信号配線Ｔｘ、Ｒｘの間に蓄えられた電荷が減少する。この電荷の変化を測定することで、指の接近、すなわち指によるディスプレイへの近接が検知される。また、複数の信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘの間には多数の検知箇所が形成されているので、タッチ位置の座標値データも取得可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２９４６７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係る単一の電極による静電容量（以下、自己容量という）を検知する方式の静電容量センサにおいては、被検知物が検知電極の近くにあるかどうかを判別することが可能である。具体的には、自己容量を検知する方式の静電容量センサは、電極と被検知物との間の容量変化を検知することで、被検知物が存在することを検知することが可能である。しかし、電界が広範囲に分布するため、測定された自己容量から被検知物の位置を１点に特定することが難しく、被検知物の位置を正確に検知することが困難である。例えば、静電容量センサの近くにある被検知物の動き（モーション）を検知するために用いられるモーションセンサなどの、位置の変化を検知する必要がある用途への適用が難しい。
【０００７】
一方、特許文献２に係る２種の電極間の静電容量（以下、相互容量という）を検知する方式の静電容量センサにおいては、電極間の近傍に電界が集中するため位置検知感度が良好である。したがって、特許文献２のように複数の検知箇所を設け、検知された箇所を特定することで位置の検知が可能となる。さらに、連続的に繰り返し測定を行うことで、検知された箇所の変化を特定することにより、モーションセンサなどの動きを検知する必要がある用途にも適用可能である。しかし、測定可能な距離の範囲が狭いので、例えば遠距離にある被検知物の検知が難しい。
【０００８】
以上の理由により、静電容量センサから離れた位置にある被検知物と、静電容量センサの近くにある被検知物の動きとの両方を検知する必要がある用途に対しては、特許文献１及び２のいずれの静電容量センサも問題点を有する。したがって、このような用途に対しては特許文献１及び２のような従来の静電容量センサを単独で用いることができない。特許文献１及び２の両方の静電容量センサを同時に使用した場合には、複数のセンサ素子及び検知回路が必要になり、静電容量センサの装置規模が大型化する。このため、設置面積が増加し、経済性も悪くなる。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、静電容量センサから離れた位置にある被検知物の検知と、静電容量センサの近くにある被検知物の動きの検知との両方を単一の素子で行うことが可能な静電容量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明は、送信電極と、受信電極と、前記送信電極及び前記受信電極の少なくとも１つの自己容量の変化を測定して被検知物の検知を行う自己容量検知モードと、前記送信電極及び前記受信電極の間の相互容量の変化を測定して被検知物の検知を行う相互容量検知モードとの切り替えを行う切替部とを備える静電容量センサを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により提供される静電容量センサは、静電容量センサから離れた位置にある被検知物の検知と、静電容量センサの近くにある被検知物の動きの検知との両方を単一の素子で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る静電容量センサのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るセンサ素子部の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るセンサ素子部のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る静電容量センサにおける自己容量検知モードでの動作を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る静電容量センサにおける相互容量検知モードでの動作を説明するための図である。
【図６】容量測定回路の一例を示す図である。
【図７】電圧源により印加される電圧の時間変化を示す図である。
【図８】電圧計により測定される電圧の時間変化を示す図である。
【図９】自己容量検知モードの等価回路図である。
【図１０】相互容量検知モードの等価回路図である。
【図１１】図３の断面図において、自己容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。
【図１２】図３の断面図において、被検知物が接近した場合の自己容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。
【図１３】図３の断面図において、相互容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。
【図１４】図３の断面図において、被検知物が接近した場合の相互容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。
【図１５】相互容量検知モードにおける電界分布を示すセンサ素子部の斜視図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る静電容量センサのブロック図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係るセンサ素子部の概略図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係るセンサ素子部のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図１９】自己容量検知モードと相互容量検知モードの切り替えに係るアルゴリズムのフローチャートである。
【図２０】本発明の一実施形態に係る静電容量センサのブロック図である。
【図２１】本発明の一実施形態に係る静電容量センサにおける第２の自己容量検知モードによる動作図である。
【図２２】トランジスタを用いてリセット回路を構成した一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の一実施形態に係る静電容量センサのブロック図を示す。静電容量センサ１００は、センサ素子部１１０、センサ回路部１４０、及び制御装置１９０を備え、センサ素子部１１０とセンサ回路部１４０とは配線により接続されている。センサ素子部１１０は送信電極１２０及び受信電極１３０を備える。送信電極１２０、受信電極１３０はそれぞれセンサ回路部１４０に接続されている。送信電極１２０は、センサ回路部１４０から印加された電圧により、送信電極１２０と被検知物２００又は受信電極１３０との間に電界を発生させるための電極である。受信電極１３０は送信電極１２０によって発生した電界を受信するための電極である。
【００１５】
センサ回路部１４０は送信回路１５０、受信回路１６０、切替部１７０、接地容量１４２及び整流素子１４４を備える。送信回路１５０は電圧源１５２及び内部抵抗１５４を備え、センサ素子部１１０に電圧を印加する。受信回路１６０は電圧計１６２及び開閉器１６４を備え、センサ素子部１１０又は接地容量に蓄積された電荷によって発生する電圧を測定する。
【００１６】
切替部１７０は、開閉器１７２及び１７４を備えている。開閉器１７２及び１７４は外部からの信号によってその接続状態をＯＮ（短絡）又はＯＦＦ（開放）に切り替えることができる。開閉器１７２及び開閉器１７４は例えば半導体スイッチ素子などを用いて構成される。開閉器１７２は受信電極１３０と受信回路１６０との間の配線に配置されており、受信電極１３０と受信回路１６０との間の電気的接続の開閉を行うことができる。開閉器１７４は送信電極１２０と受信回路１６０との間の配線に配置されており、送信電極１２０と受信回路１６０との間の電気的接続の開閉を行うことができる。また、送信電極１２０と整流素子１４４との間は短絡されている。
【００１７】
制御装置１９０は、受信回路１６０及び切替部１７０と接続されている。制御装置１９０は受信回路１６０及び切替部１７０と通信し、制御を行う。制御装置１９０は受信回路１６０に検知の指令を行って検知データを取得し、該検知データに基づいて検知状態の判断を行う。該判断結果に基づいて、制御装置１９０は、切替部１７０に備えられた開閉器１７２及び１７４の開閉の制御を行う。
【００１８】
接地容量１４２は受信電極１３０と切替部１７０との間の配線とグランドとの間に接続されている。接地容量１４２は、静電容量センサの使用時に送信電極１２０又は受信電極１３０に発生した電荷を一時的に蓄える機能を有する。接地容量１４２はコンデンサなどの容量素子を用いて構成してもよく、配線等を等価的に接地容量１４２として機能させてもよい。例えば受信電極１３０と切替部１７０との間の配線とグランドとの間に意図的に寄生容量を発生させて、接地容量として用いることが可能である。
【００１９】
整流素子１４４は半導体ダイオード等からなり、送信回路１５０と切替部１７０との間に接続されている。整流素子１４４のアノードは送信回路１５０に接続され、カソードは切替部１７０に接続されている。整流素子１４４は、送信電極１２０、受信電極１３０及び接地容量１４２に蓄えられた電荷が送信回路１５０に流れるのを防止する。本実施形態では整流回路１４４は送信回路１５０と切替部１７０の間に電気的に接続されているが、整流回路１４４は、例えば送信回路１５０の内部又は切替部１７０の内部に備えられていてもよい。
【００２０】
図２に本発明の一実施形態に係るセンサ素子部１１０の概略図を示す。センサ素子部１１０は、上面視において円形の形状であり、それぞれ同一平面上に並置された送信電極１２０、受信電極１３０を備える。送信電極１２０は円形をなし、受信電極１３０は円環状をなしている。送信電極１２０と受信電極１３０の間には電極間間隙１１２が形成されている。送信電極１２０及び受信電極１３０は電流を流すために金属などの導体材料を含む。
【００２１】
図３は図２に示したセンサ素子部１１０のＡ−Ａ’線における断面図である。送信電極１２０及び受信電極１３０は基体１１４上に形成され、送信電極１２０、受信電極１３０及び基体１１４は保護層１１６で被覆されている。保護層１１６は電極１２０、１３０への接触などによる汚染及び故障を防止する。さらに、保護層１１６を設けることにより、被検知物２００が電極に接触した際に電極上の電荷が被検知物２００に流出して測定不能となることを防止することができる。基体１１４及び保護層１１６には非導電性の材料が用いられる。検知感度を高めるためには送信電極１２０と受信電極１３０の間に発生する電界を基体１１４及び保護層１１６の内部に集中させず、電極間間隙１１２の近傍又は電極上方の空間に広く分布させることが好ましい。したがって、基体１１４及び保護層１１６には誘電率及び電気伝導率が小さい材料を用いることが好適である。具体的には、例えば、樹脂、ガラスなどの低誘電率かつ低電気伝導率の材料を用いることができる。送信電極１２０及び受信電極１３０は内部配線を介して送信電極端子１２２及び受信電極端子１３２としてセンサ素子１１０の外部に引き出され、センサ回路部１４０にそれぞれ電気的に接続される。
【００２２】
なお、図２及び図３の説明において、送信電極と受信電極の機能が逆であってもよい。すなわち、図中の符号１２０の電極が受信電極であり、符号１３０の電極が送信電極であってもよい。この例では、受信電極１２０は円形をなし、送信電極１３０は電極間間隙１１２を挟んで円環状をなしている。すなわち、送信電極１３０は受信電極１２０の周囲を包囲するように配置される。
【００２３】
図４は、本発明の一実施形態に係る静電容量センサにおける自己容量検知モードでの動作を説明するための図である。図１の回路において、開閉器１７２をＯＦＦ、開閉器１７４をＯＮに設定することにより、静電容量センサ１００は自己容量検知モードで動作する。送信回路１５０から送信電極１２０に電圧を印加すると、送信電極１２０に電荷が蓄えられ、送信電極１２０の周囲に電界２２０が発生する。すなわち、送信電極１２０には自己容量２４０が発生する。送信電極１２０は受信回路１６０と短絡しているので、自己容量２４０は等価的に受信回路１６０とグランドとの間に形成された容量と考えることができる。ここで、電界２２０の近傍に被検知物２００が接近すると、電界２２０は送信電極１２０と被検知物２００との間に集中し、自己容量２４０は被検知物２００が無い場合と比べて増加する。受信回路１６０を容量測定回路とすることにより、自己容量２４０の測定ができ、被検知物２００の位置の変化による容量の変化を検知することができる。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態に係る静電容量センサにおける相互容量検知モードでの動作を説明するための図である。図１の回路において、開閉器１７２をＯＮ、開閉器１７４をＯＦＦに設定することにより、静電容量センサ１００は相互容量検知モードで動作する。送信回路１５０から送信電極１２０に電圧を印加すると、送信電極１２０と受信電極１３０の間に電荷が蓄えられ、周囲に電界２６０が発生する。すなわち、受信電極１３０には相互容量２８０が発生する。相互容量２８０は等価的に送信回路１５０と受信回路１６０との間に形成された容量と考えることができる。電界２６０の近傍に被検知物２００が接近すると、電界２６０はその一部が被検知物２００に向かうので、相互容量２８０は被検知物２００が無い場合と比べて減少する。ここで、受信回路１６０を容量測定回路とすることにより、相互容量２８０を測定することができ、被検知物２００の位置の変化による容量の変化を検知することができる。
【００２５】
このようにして、図１に示す静電容量センサ１００は、開閉器１７２及び開閉器１７４を切り替えることにより、自己容量２４０の変化に基づく自己容量検知モードと、相互容量２８０の変化に基づく相互容量検知モードとの２つのモードでの検知が可能である。
【００２６】
次に、自己容量検知モード及び相互容量検知モードにおける容量の測定方法の一例を説明する。図６に容量の測定原理を説明するための簡略化した容量測定回路の一例を示す。容量測定回路３００は被測定容量１８４の測定を行うための回路であり、送信回路１５０及び受信回路１６０を備える。送信回路１５０は電圧源１５２及び内部抵抗１５４を備える。電圧源１５２及び内部抵抗１５４は直列に接続されており、電圧を印加することにより、被測定容量１８４に電荷を蓄積させるための電流１５６をノード１８２に出力することができる。受信回路１６０は電圧計１６２及び開閉器１６４を備える。ノード１８２に電気的に接続された電圧計１６２により、被測定容量１８４に蓄積した電荷によって発生する回路のノード１８２の電圧を測定することができる。開閉器１６４は被測定容量１８４に蓄積された電荷を開放して容量測定回路３００を初期状態に戻すためのものである。
【００２７】
次に、容量測定回路３００を用いた容量測定の原理を説明する。測定を開始するために、電圧源１５２から電圧の印加を開始した時刻ｔをｔ＝０とする。このとき、横軸を時刻、縦軸を電圧源１５２により印加される電圧Ｖとしたグラフは図７のような階段関数となる。すなわち、ｔ＜０においてＶ＝０、ｔ≧０においてＶ＝Ｖ０となる。ここで、内部抵抗１５４の抵抗値をＲ、電流１５６をＩ（ｔ）、被測定容量１８４の静電容量をＣ、被測定容量１８４に蓄えられた電荷をＱ（ｔ）とすると、キルヒホッフの第２法則により、以下の式（１）が成り立つ。
【００２８】
【数１】
2015031552.tif 000003
【００２９】
ここで、電流Ｉ（ｔ）は一般に電荷Ｑ（ｔ）の時間微分によって定義されることから、以下の式（２）が成り立つ。
【００３０】
【数２】
2015031552.tif 000004
【００３１】
式（２）を式（１）に代入すると、以下の式（３）が得られる。
【００３２】
【数３】
2015031552.tif 000005
【００３３】
時刻ｔに関する微分方程式である式（３）を被測定容量１８４に蓄えられた電荷Ｑ（ｔ）について解くと、電荷Ｑ（ｔ）の時間変化が以下の式（４）のように得られる。
【００３４】
【数４】
2015031552.tif 000006
【００３５】
電圧計１６２で測定されるノード１８２の電圧をＶＲ（ｔ）とすると、ＶＲ（ｔ）ＶＲ（ｔ）＝Ｑ（ｔ）／Ｃであることから、ＶＲ（ｔ）は以下の式（５）で与えられる。
【００３６】
【数５】
2015031552.tif 000007
【００３７】
式（５）により、横軸を時刻ｔ、縦軸を電圧計１６２で測定される電圧ＶＲ（ｔ）として示すグラフを図８に示す。図８より、時間の経過により徐々に電荷が蓄えられて電圧が一定の値に向かって上昇することが理解できる。また、電圧が上昇する早さは時定数ｔ０＝ＣＲをパラメータとして決定されることも理解できる。当該回路は静電容量センサの測定回路であるから、Ｒは定数であり、Ｃは変数であることを考慮すると、被測定容量１８４の静電容量Ｃが大きくなるほど電荷の蓄積が遅くなり電圧の上昇が遅くなるといえる。逆に、被測定容量１８４の静電容量Ｃが小さくなるほど電荷の蓄積が早くなり電圧の上昇が早くなる。つまり、被測定容量１８４の静電容量Ｃの値に基づいて被測定容量１８４の充電時間、すなわち電圧の印加を開始してから所定の電圧に到達するまでの所要時間が変化する。以上より、充電時間を測定することで、被測定容量１８４の静電容量を算出することが可能であるといえる。
【００３８】
上述の測定を行い、経過時間を測定した後、開閉器１６４をＯＮにして回路全体をグランドと同電位にして被測定容量１８４に蓄積した電荷をグランドへと開放する。その後、開閉器１６４を再びＯＦＦにすることで、再度測定を行うことが可能な状態に戻す（リセットする）ことができる。自動的に測定とリセットとを繰り返すように構成し、繰り返し被測定容量１８４の静電容量を測定することで静電容量の変化をリアルタイムに測定することができる。
【００３９】
自己容量検知モードの等価回路を図９に示す。図９の等価回路は図６の被測定容量１８４を自己容量２４０で置き換えたものと同一である。したがって、自己容量２４０の静電容量の値をＣＳとおくと、自己容量検知モードにおける式（５）のＣにＣＳを代入することにより、電圧計１６２で測定される電圧ＶＲ（ｔ）は以下の式（６）で与えられる。
【００４０】
【数６】
2015031552.tif 000008
【００４１】
自己容量検知モードにおいて、被検知物が接近すると自己容量２４０の静電容量の値ＣＳは大きくなる。すると式（６）より、時定数ｔ０＝ＣＳＲは大きくなるため、電圧の充電時間は長くなる。したがって、充電時間を測定することで、被検知物の接近を検知することができる。
【００４２】
相互容量検知モードの等価回路を図１０に示す。図１０の等価回路は被測定容量１８４を前述の接地容量１４２で置き換え、相互容量２８０を直列に付加したものとなる。したがって、接地容量１４２の静電容量の値をＣＧ、相互容量２８０の静電容量の値をＣＭとして、同様に電圧計１６２で測定される電圧ＶＲ（ｔ）を導出すると、以下の式（７）となる。ただし、式（７）中のＣＣは式（８）によって算出される接地容量１４２と相互容量２８０との直列合成容量である。
【００４３】
【数７】
2015031552.tif 000009
【００４４】
【数８】
2015031552.tif 000010
【００４５】
相互容量検知モードにおいて、被検知物が接近すると相互容量２４０の静電容量の値ＣＭは小さくなる。すると式（７）及び式（８）より、時定数ｔ０＝ＣＣＲは小さくなるため、電圧の印加を開始してから所定の電圧に到達するまでの経過時間は短くなる。したがって、該経過時間を測定することで、被検知物の接近を検知することができる。
【００４６】
このようにして、切替部１７０の切り替えのみにより自己容量検知モード、相互容量検知モードの切り替えが可能となる。そして、いずれの検知モードにおいても、自己容量又は相互容量の変化により電圧印加の開始から所定の電圧に到達するまでの経過時間が変化することを測定して、被検知物２００の接近を検知することができる。したがって、同一の回路構成で複数のモードによる検知が実現可能である。
【００４７】
自己容量検知モード及び相互容量検知モードの２つのモードにおいて、被検知物２００による静電容量の変化を測定する方法として、充電時間の変化によって測定する方法を一例として説明したが、さらに測定精度を高めるための構成や手段を追加してもよい。例えば、受信電極１３０を複数設けて、各受信電極１３０を用いて複数の電圧値を測定し、差分を求めることで、バックグラウンドの容量などによる系統誤差を算出し、補正することができる。また、該複数の電圧値の平均値を求めることにより誤差を低減することも可能である。別の例としては、受信回路１４０にオペアンプ等の増幅器を追加することにより、測定される電圧値を増幅し、計測分解能を高めることで、精度を向上することも可能である。
【００４８】
各モードでの静電容量の測定はその他の種々の公知の方法に置き換えて行うことも可能である。例えば、発振回路を接続して容量によって変化する発振周波数を測定することによって容量を算出する方式を用いることができる。他の例としては、被測定容量に蓄えた電荷を別の既知の容量を持つ容量素子に移すステップをスイッチ回路により繰り返し行い、所定の電荷が蓄えられるまでのステップ回数に基づいて容量を算出する方式を用いることもできる。
【００４９】
本実施形態では、送信回路１５０及び受信回路１６０が１つずつである例を示したが、送信回路１５０及び／又は受信回路１６０が複数備えられていてもよい。自己容量検知モードと相互容量検知モードの各モードで、異なる送信回路１５０及び／又は受信回路１６０を使用することにより、モードごとに最適な回路を使用することができる。
【００５０】
次に、本発明の一実施形態に係る静電容量センサのセンサ素子部の素子構造を参照して、電界の分布を示すことにより自己容量検知モードと相互容量検知モードの特徴をさらに詳細に説明する。図１１はセンサ素子部のＡ−Ａ’線断面図において、自己容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。送信回路１５０から送信電極１２０に電圧を印加すると、送信電極１２０には電荷が蓄積され、センサ素子部１１０の上面に向かって電界２２０が放射される。
【００５１】
図１２は図１１に示したセンサ素子部に被検知物２００を接近させたときの電界分布を示す模式図である。被検知物２００が送信電極１２０に接近すると、電界２２０は被検知物２００と送信電極１２０との間に集中し、電束密度が高くなる。そのため、送信電極１２０に蓄積することが可能な電荷量が増加し、送信電極１２０の自己容量が増加する。
【００５２】
図１３はセンサ素子部のＡ−Ａ‘線断面図において、相互容量検知モードにおける電界分布を示す模式図である。送信回路１５０から送信電極１２０に電圧を印加すると、送信電極１２０には電荷が蓄積され、受信回路１６０に向かって電界２６０が放射される。
【００５３】
図１４は図１３に示したセンサ素子部１１０に被検知物２００を接近させたときの電界分布を示す模式図である。被検知物２００が送信電極１２０又は受信電極１３０の近傍に接近すると、被検知物２００は送信電極１２０と受信電極１３０の間に発生した電界２６０を遮蔽し、受信電極１３０に到達する電界が減少する。そのため、送信電極１２０と受信電極１３０との間に蓄積することが可能な電荷量が増加し、送信電極１２０と受信電極１３０との間の相互容量が減少する。
【００５４】
図１５は相互容量検知モードにおける電界２６０の分布を示すセンサ素子部１１０の斜視図である。送信電極１２０を軸対象である円形をなすため、電界２６０は全周囲にわたって一様な分布となる。これにより、送信電極１２０から出力される電界２６０の合成ベクトルは送信電極１２０に対し垂直な向きとなり、電極の全周囲にわたる感度のばらつきを小さくすることができる。また、電界２６０の垂直方向の成分を大きくすることができるので、静電容量センサ１００の垂直方向の検知可能距離を長くすることが可能となる。
なお、円形の送信電極１２０の外周と、受信電極１３０の内周とは、円の中心軸が一致すること、すなわち同心円であることが望ましい。これにより、電極間間隙１１２の幅が一定となり、電気力線の密度が円周全体にわたってさらに一様となる。
【００５５】
前述のとおり、自己容量検知モードと相互容量検知モードとは、いずれも被検知物２００の接近による静電容量の変化を検知するという点では一致するが、電界の空間分布に大きな差異がある。自己容量検知モードにおいては、送信電極１２０及びから発生する電界２２０が放射状に分布するので離れた場所にある被検知物２００を検知することができる。これに対し、相互容量検知モードにおいては、送信電極１２０から受信電極１３０に向かうように電界２６０が分布するので、送信電極１２０の近傍において高い検知感度を得ることができる。本実施形態によれば、このような異なる特徴を有する自己容量検知モードと相互容量検知モードを必要に応じて切り替えて使用することが可能となる。
【００５６】
（第２の実施形態）
続いて、他の実施形態に係る静電容量センサを図１６から図１８に示す。
【００５７】
図１６は本発明の他の実施形態に係る静電容量センサ６００のブロック図である。本実施形態に係る静電容量センサ６００は複数個の送信電極６２０ａ〜６２０ｉと、開閉器６７６ａ〜６７６ｉからなる複合開閉器６７６を備えている。開閉器６７６ａ〜６７６ｉは送信電極６２０ａ〜６２０ｉと送信回路６５０との間に接続されている。開閉器６７２、開閉器６７４及び複合開閉器６７６のＯＮ又はＯＦＦを切り替えることにより自己容量検知モードと相互容量検知モードとの切り替えが可能である。
【００５８】
開閉器６７２をＯＦＦ、開閉器６７４をＯＮ、開閉器６７６ａ〜６７６ｉをすべてＯＮとすることにより、静電容量センサ６００は自己容量検知モードとなる。送信電極６２０のすべてが自己容量２４０を検知する電極として動作する。複数の送信電極６２０のすべてが同電位であるため、自己容量２４０の値を大きくすることができるので、検知感度が良好となる。したがって、静電容量センサ６００は自己容量検知モードで用いることにより離れた場所にある被検知物２００を検知することができる。なお、複合開閉器６７６は必ずしもすべてがＯＮでなくてもよく、その一部をＯＦＦにすることにより検知感度を適切な強さに調整することも可能である。
【００５９】
開閉器６７２をＯＮ、開閉器６７４をＯＦＦ、開閉器６７６ａ〜６７６ｉの内の１つをＯＮとすることにより、静電容量センサ６００は相互容量検知モードとなる。そうすることにより、送信電極６２０ａ〜６２０ｉの内の一つと受信電極６３０との間の相互容量を検知することができる。複数の送信電極６２０ａ〜６２０ｉの内、ＯＮになっている１つの開閉器に接続された１つの電極のみが受信感度を有するので、該電極の近傍に被検知物２００がある場合に限り検知が行われる。開閉器６７６ａ〜６７６ｉの内のＯＮにする１つを順番に切り替えて各送信電極６２０ａ〜６２０ｉによる測定を順次行うことで、どの電極の近くに被検知物２００が存在するかが検知される。このようにして、静電容量センサ６００は相互容量検知モードで用いることにより、被検知物２００の位置を検知することができる。また、この検知を繰り返し連続的に行うことで、被検知物２００の動きを検知するモーションセンサとして使用することが可能である。
【００６０】
図１７に本発明の第２実施形態に係るセンサ素子部６１０の概略図を示す。センサ素子部６１０は複数の送信電極６２０ａ〜６２０ｉ、受信電極６３０を備え、複数の送信電極６２０ａ〜６２０ｉと受信電極６３０との間に複数の電極間間隙６１２ａ〜６１２ｉを有する。複数の送信電極６２０ａ〜６２０ｉは放射状に配置されている。各送信電極６２０ａ〜６２０ｉの間隔は均一であることが望ましく、例えば格子状に配置してもよい。各送信電極６２０ａ〜６２０ｉによる相互容量検知モードでの測定を順番に行うことで、どの電極の近傍に被検知物２００があるかを検知することができる。
【００６１】
図１８は図１７に示したセンサ素子部のＢ−Ｂ’線断面図である。電極の配置以外の素子の構造は図１０に示したセンサ素子部と同様である。各送信電極６２０ａ〜６２０ｉ及び受信電極６３０は内部配線を介して各送信電極端子６２２ａ〜６２２ｉ及び受信電極端子６３２としてセンサ素子６１０の外部に引き出され、センサ回路部６４０にそれぞれ電気的に接続される。
【００６２】
なお、図１６から図１８の説明において、送信電極と受信電極の機能が逆であってもよい。すなわち、図中の符号６２０ａ〜６２０ｉの電極が受信電極であり、符号６３０の電極が送信電極であってもよい。この場合、受信電極６２０ａ〜６２０ｉが複数となるため、開閉器６７６ａ〜６７６ｉは複数の受信電極に対して接続される。
【００６３】
本実施形態によれば、静電容量センサから離れた位置にある被検知物の検知と、静電容量センサの近くにある被検知物の動きの検知との両方を行うことが可能となる。
【００６４】
なお、自己容量検知モードと相互容量検知モードの切り替えは、使用者の操作に基づいて手動で行われてもよく、所定のアルゴリズムを実行可能な制御装置６９０により自動的に実行されてもよい。該制御装置６９０は、論理回路やプログラム等によって、検知結果に基づいて開閉器６７２、６７４、６７６ａ〜６７６ｉの開閉制御を行うように構成する。
【００６５】
自己容量検知モードと相互容量検知モードの切り替えに係るアルゴリズムのフローチャートの例を図１９に示す。初期状態において、静電容量センサ６００は自己容量検知モードによって検知を行う（Ｓ７１０）。その検知データに基づき、制御装置６９０は被検知物２００が所定の距離よりも接近しているかどうかを判定する（Ｓ７２０）。被検知物２００が検知された場合、制御装置６９０は開閉器６７２、６７４、６７６ａ〜６７６ｉの開閉制御を行い、相互容量検知モードに切り替える（Ｓ７３０）。被検知物２００が検知されない場合は静電容量センサ６００の近くに被検知物２００が存在しないと制御装置６９０は判断して、自己容量検知モードでの検知を継続する。
【００６６】
被検知物２００が検知された場合、相互容量検知モードでの検知が開始される。制御装置６９０は検知データに基づいて被検知物２００の動きが検知可能な状態かどうかを判定する（Ｓ７４０）。被検知物２００の動きの検知が可能であると制御装置６９０が判断した場合、静電容量センサ６００は被検知物２００の動きの検知を継続する（Ｓ７５０）。被検知物２００の動きが検知不能、すなわち送信電極端子６２２ａ〜６２２ｉのいずれを送信電極とした場合でも被検知物２００が静電容量センサ６００によって検知されない場合、制御装置６９０は被検知物２００が静電容量センサ６００から離れたと判断して、静電容量センサ６００を自己容量検知モードに再び切り替える。このようにして、被検知物２００と静電容量センサ６００との距離等に応じて、制御装置６９０は自動的に最適な検知モードを選択する。その結果、静電容量センサ６００は最適な検知モードにより被検知物２００の接近又は動きの検知を行うことができる。
【００６７】
（その他の実施形態）
図２０に本発明の他の実施形態に係る静電容量センサ８００のブロック図を示す。図１の静電容量センサのブロック図においては、受信電極１３０と切替部１７０との間に接地容量１４２が配置されていたが、図２０に係る実施形態では切替部１７０と受信回路１６０との間に接地容量１４２が配置されている。本ブロック図において、図１の場合と同様に開閉器１７２及び開閉器１７４を設定して自己容量検知モード又は相互容量検知モードにより使用することも可能であるが、本実施形態ではさらに開閉器１７２及び開閉器１７４の両方をＯＮに設定することによって、第２の自己容量検知モードにより使用することも可能である。第２の自己容量検知モードによる動作図を図２１に示す。開閉器１７２及び開閉器１７４の両方をＯＮに設定することで送信電極１２０及び受信電極１３０の両方が等電位となる。そのため、送信電極１２０及び受信電極１３０の両方が自己容量２４０を発生する電極として機能することになり、自己容量２４０の値は図２に示した自己容量検知モードの場合と比べて大きくすることができる。したがって、当該実施形態は第２の自己容量検知モードにおいて静電容量センサの検知感度がさらに向上するという効果を奏する。
【００６８】
図２２にトランジスタを用いてリセット回路を構成した一例を示すブロック図を示す。上述した図１及び図６等の実施形態では、受信回路１６０は開閉器１６４を備えており、該開閉器１６４を開閉することで、蓄えられた電荷をグランドに流すことで回路を初期状態に戻す（リセットする）。これに対し、図２２の例では開閉器１６４をトランジスタ１６６に置き換えてリセット回路を構成している。トランジスタ１６６はＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであり、エミッタ端子１６６ａ、ベース端子１６６ｂ、コレクタ端子１６６ｃを備える。エミッタ端子１６６ａは受信回路１６０内の電圧源１６２と接続され、ベース端子１６６ｂは送信回路１５０内の電圧源１５２と接続され、コレクタ端子１６６ｃはグランドと接続されている。
【００６９】
静電容量センサ１００を用いて検知を行なっている間は、ベース端子１６６ｂには送信回路１５０から電圧が印加されているため、エミッタ端子１６６ａからコレクタ端子１６６ｃの方向には電荷はほとんど流れない。回路のリセットを行うときは、送信電極１５０から印加する電圧を小さくすると、エミッタ端子１６６ａよりもベース端子１６６ｂの方が低電圧になり、エミッタ端子１６６ａからコレクタ端子１６６ｃの方向に電流が流れるようになる。すなわち、送信電極１２０、受信電極１３０、設置容量１４２等に蓄えられた電荷をグランドに流して、回路をリセットすることができる。このようにして、送信回路から印加される電圧によってトランジスタ１６６を操作することができる。
【００７０】
以上のようにして、図２２の例では回路のリセットが実現可能である。この構成を用いることで、送信回路１５０から印加する電圧をトランジスタ１６６の操作に用いることができるため、回路のリセットのために追加の信号用回路を設ける必要がないという利点がある。なお、説明を容易にするために、トランジスタ１６６にはバイポーラトランジスタを用いた例を示したが、電界効果トランジスタ等、別の種類のトランジスタを用いた場合においても同様に回路のリセットが実現できる。
【符号の説明】
【００７１】
１００  ６００  ８００    静電容量センサ
１１０  ６１０    センサ素子部
１２０  ６２０ａ〜６２０ｉ    送信電極
１３０  ６３０    受信電極
１４０  ６４０    センサ回路部
１４２  ６４２    接地容量
１４４  ６４４    整流素子
１５０  ６５０    送信回路
１６０  ６６０    受信回路
１６４  １７２、１７４  ６７２、６７４、６７６ａ〜６７６ｉ    開閉器
１７０  ６７０    切替部
２００    被検知物
【図１】
2015031552.tif 000011
【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】
2015031552.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2015031552.tif 000024
【図１５】
2015031552.tif 000025
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2015031552.tif 000030
【図２１】
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【図２２】
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