静電容量型センサ装置
【課題】外力の位置および大きさを高精度に検出することができる静電容量型センサ装置を提供する。
【解決手段】距離を隔てて対向して設けられた電極対Ｅｓ（１１，１２）をマトリックス状に配置し、電極対Ｅｓ（１１，１２）の間に弾性変形可能な誘電層１３を配置してなる静電容量型センサ１０を用いる。静電容量計測部５０が、選択された電極対Ｅｓを含む複数の電極対Ｅｓからなる電極対群Ｅｇの間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる電極対群Ｅｇについて行う。このようにして計測された複数の静電容量に基づいて、外力算出部６０が、選択された電極対Ｅｓの位置に付与された外力Ｆの大きさを算出する。
【解決手段】距離を隔てて対向して設けられた電極対Ｅｓ（１１，１２）をマトリックス状に配置し、電極対Ｅｓ（１１，１２）の間に弾性変形可能な誘電層１３を配置してなる静電容量型センサ１０を用いる。静電容量計測部５０が、選択された電極対Ｅｓを含む複数の電極対Ｅｓからなる電極対群Ｅｇの間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる電極対群Ｅｇについて行う。このようにして計測された複数の静電容量に基づいて、外力算出部６０が、選択された電極対Ｅｓの位置に付与された外力Ｆの大きさを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する電極対の間に弾性変形可能な誘電層を介在して形成された静電容量型センサに外力が付与された場合に、当該誘電層の変形に伴って変化する静電容量を計測することにより、当該外力の位置および大きさを計測することができる静電容量型センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ところで、静電容量を用いたタッチセンサが特許文献１に記載されている。このタッチセンサは、配列された電極とアースとの間の静電容量を検出することが記載されている。例えば、人間の指を接近させることで、接近した電極とアースとの静電容量が変化することを利用して、接近した指の位置を検出することとしている。
【０００３】
電極とアースとの間の静電容量を計測する装置ではなく、電極対をマトリックス状に配置し、外力の付与によって誘電層が弾性変形することにより当該電極対の間の距離が変化する静電容量型センサを対象とし、電極対間の静電容量を計測することで付与された外力の分布を計測する装置が、特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２００９／０１３９６５号
【特許文献２】特公平６−５２２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載されている誘電層が弾性変形することにより電極対の間の距離が変化する装置においては、誘電層は、外力を受けたときに弾性変形することができる程度に厚みを有する必要がある。誘電層の厚みを確保すると、電極対の離間距離が大きくなる。電極対の離間距離が大きくなると、外力が付与されて誘電層が弾性変形した場合に、電極対の離間距離が小さくなることに伴って電極対の間の静電容量が変化するが、その静電容量の変化が小さい。そのため、検出できる外力の大きさの分解能が低くなり、外力の大きさを高精度に検出することができない。
【０００６】
そのことを解決するために、それぞれの電極対の面積を大きくすることで、同一の外力が付与された場合に静電容量の変化を大きくすることができる。しかしながら、それぞれの電極対の面積を大きくすると、同一の電極対内において、外力が付与された位置を検出することができない。つまり、センサ全体として見た場合に、外力の位置を高精度に検出することができないという問題を有する。このように、従来は、外力の位置を高精度に検出しつつ、外力の大きさを高精度に検出することは容易ではない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外力の位置および大きさを高精度に検出することができる静電容量型センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明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電極対をマトリックス状に配置し、前記電極対の間に弾性変形可能な誘電層を配置してなる静電容量型センサと、選択された前記電極対を含む複数の前記電極対からなる電極対群の間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる前記電極対群について行う静電容量計測手段と、計測された複数の前記静電容量に基づいて、前記選択された前記電極対の位置に付与された外力の大きさを算出する外力算出手段とを備える。
【０００９】
本発明によれば、外力により誘電層が弾性変形することに伴って電極対の離間距離が変化することで、電極対の間の静電容量が変化する。このことを利用して、外力の位置および大きさを取得している。そして、本発明の静電容量計測手段は、それぞれの電極対ごとの静電容量を計測するのではなく、複数の電極対から構成される電極対群の静電容量を計測している。従って、計測する際の電極対の面積が、１つの電極対の面積ではなく、複数の電極対の面積となる。ここで、静電容量は、電極対の面積が大きいほど、大きな値となる。従って、電極対群の静電容量を計測することで、計測される静電容量は、１つの電極対の静電容量を計測する場合に比べて、大きな値を出力する。従って、計測される静電容量は、高精度となる。
【００１０】
しかし、単に、複数の電極対から構成される電極対群の静電容量を計測するのでは、従来のように、電極対の面積を大きくしたことに相当する。つまり、このままでは、電極対群の中で、外力が付与された位置を検出することができない。しかし、本発明によれば、以下により、電極対群の中で、外力が付与された位置を検出することができるようにしている。
【００１１】
本発明によれば、選択された電極対を含む電極対群の複数の組み合わせについて静電容量を計測する。つまり、選択された電極対は、複数の組合せからなる電極対群に含まれている。従って、これらの電極対群の静電容量は、全て、当該選択された電極対の静電容量の影響を受けた値となる。
【００１２】
そして、複数の組合せからなる電極対群の静電容量に基づいて、選択された電極対の位置に付与された外力の大きさを算出している。ここで、選択された電極対の静電容量は、当該選択された電極対に付与された外力の大きさに比例する。そこで、外力算出手段は、複数の電極対群の静電容量を用いて、当該選択された電極対の静電容量に比例する値としての外力を算出している。例えば、電極対群の中で当該選択された電極対の影響度を考慮して、それぞれの電極対群の静電容量の影響度を決定し、当該選択された電極対に付与された外力の大きさを算出する。従って、電極対群を構成するそれぞれの電極対が受ける外力を検出することができる。つまり、マトリックス状の静電容量型センサに付与される外力の大きさおよび位置を高精度で且つ高分解能で得ることができる。
【００１３】
また、前記静電容量型センサは、第一方向に延びる第一電極を前記第一方向に直交する第二方向に複数配列した第一電極群と、前記第二方向に延びる第二電極を第一方向に複数配列し、前記第一電極群に対して距離を隔てて対向して配置された第二電極群と、前記第一電極群と前記第二電極群との間に配置された前記誘電層とを備えるようにしてもよい。これにより、電極数および配線数を減らすことができる。
【００１４】
また、前記静電容量計測手段において静電容量を計測する前記電極対群は、連続した複数の前記電極対からなるようにしてもよい。これにより、電極対群の中で当該選択された電極対の影響度を、比較的容易に決定できる。つまり、簡易的な計算で高精度に得ることができる。
【００１５】
また、前記静電容量計測手段において計測する前記電極対群は、直前に計測した前記電極対群を構成する前記電極対を含まない前記電極対群であるとしてもよい。ここで、静電容量の計測により、電極対群は帯電する。そして、直前に計測した電極対群と今回計測する電極対群とが重なっていると、今回計測する電極対群の静電容量に、前回計測により電極対群に帯電した電荷の影響を受けるおそれがある。これに対して、本発明によれば、直前に計測した電極対群と今回計測する電極対群とは、重なっていない。従って、今回計測する電極対群の静電容量は、前回計測により電極対群に帯電した電荷の影響を小さくできる。その結果、今回計測する電極対群の静電容量を高精度に計測することができる。ひいては、静電容量型センサに付与された外力の位置および大きさを高精度に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一実施形態：静電容量型センサ装置の構成を示す図であり、静電容量型センサの断面図を示す。
【図２】静電容量型センサ装置の構成を示す図であり、静電容量型センサ、入力側切替回路および出力側切替回路の詳細構成を示す図である。特に、静電容量型センサは、絶縁層を取り除いた状態における平面図である。
【図３】静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。（ａ）〜（ｄ）は、静電容量計測部による計測順序に対応する。
【図４】第二実施形態：静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。（ａ）〜（ｆ）は、静電容量計測部による計測順序に対応する。
【図５】第三実施形態：静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第一実施形態＞
第一実施形態の静電容量型センサ装置について、図１および図２を参照して説明する。静電容量型センサ装置は、シート状に形成された静電容量型センサの表面に付与された外力の分布、すなわち外力の位置および大きさを検出することができる。静電容量型センサ装置について以下に詳細に説明する。
【００１８】
静電容量型センサ装置は、静電容量型センサ１０と、交流電源２０と、入力側切換回路３０と、出力側切換回路４０と、静電容量計測部５０と、外力算出部６０とを備える。静電容量型センサ１０は、シート状に形成されており、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。従って、静電容量型センサ１０は、平面形状のみならず、曲面形状に形成することもできる。ただし、以下において、図１を参照して、平面形状の静電容量型センサ１０について説明する。
【００１９】
静電容量型センサ１０は、面法線方向（図１の上下方向）に距離を隔てて対向して設けられた電極対Ｅｓ（第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉにより構成）をマトリックス状に配置し、電極対Ｅｓの間に弾性変形可能な誘電層１３を配置している。図２においては、電極対Ｅｓを、横方向（以下、「Ｘ方向」）に９列、縦方向（以下、「Ｙ方向」）に９列のマトリックス状に配置している静電容量型センサ１０を示す。図２において、Ａで囲む部位は、電極対Ｅｓの一つを示している。
【００２０】
ただし、静電容量型センサ１０は、マトリックス状に電極対Ｅｓを点在させると、電極数および配線数が多くなるため、以下のように構成している。すなわち、静電容量型センサ１０は、第一電極群１１、第二電極群１２と、第一，第二電極群１１，１２間に設けられた誘電層１３と、第二電極群１２側の表面および第一電極群１１側の裏面を被覆するように設けられた絶縁層１４，１５を備えて構成される。
【００２１】
第一電極群１１は、Ｘ方向に延びる長尺板形状の第一電極１１ａ〜１１ｉをＹ方向（Ｘ軸方向に直交する方向）に平行に複数（例えば、９列）配列する。第二電極群１２は、Ｙ方向に延びる長尺板形状の第二電極１２ａ〜１２ｉをＸ方向に平行に複数（例えば、９列）配列し、第一電極群１１に対して面法線方向に距離を隔てて対向して配置される。ここでは、第二電極群１２は、第一電極群１１に対して静電容量型センサ１０の表面側に配置される。ここで、第一電極群１１と第二電極群１２とが交差する部位のそれぞれが、電極対Ｅｓを構成する。
【００２２】
そして、静電容量型センサ１０の表面に付与される外力Ｆに応じて第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉとの離間距離が変化し、この変化に伴って第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉの間の静電容量が変化する。なお、静電容量が電極間距離に反比例する関係にあることは周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００２３】
第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉは、同一材質により形成されている。具体的には、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉの材質は、エラストマー中に導電性フィラーを配合させることにより成形している。そして、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉは、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにしている。
【００２４】
第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉを構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉに配合される導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、例えば、炭素材料や金属等の微粒子を適用できる。
【００２５】
誘電層１３は、エラストマーまたは樹脂により成形され、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉと同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この誘電層１３を構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、誘電層１３を構成する樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン（架橋発泡ポリスチレンを含む）、ポリ塩化ビニル−ポリ塩化ビニリデン共重合体、エチレン−酢酸共重合体などが適用できる。
【００２６】
この誘電層１３は、設定された厚みを有し、第一，第二電極群１１，１２の外形状と同程度または大きく形成されている。絶縁層１４，１５は、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉと同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この絶縁層１４，１５を構成するエラストマーまたは樹脂は、例えば、誘電層１３を構成するエラストマーまたは樹脂として記載した材料が適用される。
【００２７】
そして、静電容量型センサ１０が静電容量型センサ１０の面法線方向に圧縮する外力Ｆを受けた場合には、誘電層１３が当該面法線方向に圧縮変形することにより、外力Ｆが付与された部位に位置する第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ間の離間距離が短くなる。この場合、当該第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ間の静電容量は大きくなる。
【００２８】
交流電源２０は、交流電圧を発生し、静電容量型センサ１０の第一電極群１１に対して印加する。
【００２９】
入力側切換回路３０は、複数のスイッチ３０ａ〜３０ｉにより構成されている。各スイッチ３０ａ〜３０ｉの一端は、交流電源２０に接続されており、各スイッチ３０ａ〜３０ｉの他端は、対応する第一電極１１ａ〜１１ｉに接続されている。そして、第一電極１１ａ〜１１ｉの中から選択された複数と交流電源２０とを接続し、第一電極１１ａ〜１１ｉの残りは交流電源に対して切断する。なお、図２においては、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂを短絡（ＯＮ）させ、他のスイッチ３０ｃ〜３０ｉを切断（ＯＦＦ）している。
【００３０】
出力側切換回路４０は、複数のスイッチ４０ａ〜４０ｉにより構成されている。各スイッチ４０ａ〜４０ｉの一端は、対応する第二電極１２ａ〜１２ｉに接続され、各スイッチ４０ａ〜４０ｉの他端は、静電容量計測部５０に接続される。そして、第二電極１２ａ〜１２ｉの中から選択された複数と静電容量計測部５０とを接続し、第二電極１２ａ〜１２ｉの残りを切断する。なお、図２においては、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂを短絡（ＯＮ）させ、他のスイッチ４０ｃ〜４０ｉを切断（ＯＦＦ）している。
【００３１】
静電容量計測部５０は、第一電極群１１のうち交流電圧が印加されている第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極群１２のうち出力側切換回路４０により接続されている第二電極１２ａ〜１２ｉとの間の静電容量を計測する。ただし、実際には、静電容量計測部５０は、当該静電容量に応じた電圧を計測する。ここで、図２には、静電容量計測部５０は、第一電極１１ａ，１１ｂと第二電極１２ａ，１２ｂとの間の静電容量に応じた電圧を計測する状態を示している。
【００３２】
ここで、図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照して、静電容量計測部５０による静電容量を計測する手順について説明する。ここで、図３（ａ）〜図３（ｄ）において、電極対Ｅｓを破線の正方形にて表している。つまり、当該電極対Ｅｓは、図２に示す第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉとが交差する部位に対応している。
【００３３】
最初に、静電容量計測部５０は、図３（ａ）のハッチングの範囲（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ３０ｃ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ４０ｃ〜４０ｉがＯＦＦされる。続いて、図３（ｂ）のハッチングの範囲（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第二，第三スイッチ３０ｂ，３０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ３０ａ，３０ｄ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ４０ｃ〜４０ｉがＯＦＦされる。
【００３４】
続いて、図３（ｃ）のハッチングの範囲（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ３０ｃ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第二，第三スイッチ４０ｂ，４０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ４０ａ，４０ｄ〜４０ｉがＯＦＦされる。続いて、図３（ｄ）のハッチングの範囲（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第二，第三スイッチ３０ｂ，３０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ３０ａ，３０ｄ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第二，第三スイッチ４０ｂ，４０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ４０ａ，４０ｄ〜４０ｉがＯＦＦされる。
【００３５】
このように、静電容量計測部５０により同時に計測する電極対群Ｅｇは、連続した正方形状となる４つの電極対Ｅｓとしている。そして、マトリックス状の電極対Ｅｓの中から、選択可能な全ての電極対群Ｅｇを対象として、静電容量計測部５０が静電容量を計測する。例えば、選択された電極対Ｅｓを、図３の座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓであるとする。この場合、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、当該選択された電極対Ｅｓ（Ｘ２，Ｙ２）を含む４種類の電極対群Ｅｇ（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）についての静電容量を計測する。
【００３６】
図１および図２に示す外力算出部６０は、静電容量計測部５０により計測された複数の電極対群Ｅｇの静電容量に基づいて、それぞれの電極対Ｅｓに対して付与されている外力の大きさを算出する。図３における座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓにおける外力を算出する場合について説明する。
【００３７】
静電容量計測部５０により計測された電極対群Ｅｇ（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の静電容量をそれぞれ、Ｃ12,12＋Ｃ12,23＋Ｃ23,12＋Ｃ23,23とする。ここで、電極対群Ｅｇは、連続した４つの正方形状となる４つの電極対Ｅｓとしている。従って、計測対象の座標（Ｘ２,Ｙ２）の電極対Ｅｓによるそれぞれの電極対群Ｅｇに対する影響度は、均等とする。そこで、式（１）に示すようにして、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22を計測する。
【００３８】
【数１】
【００３９】
算出した座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22は、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓに付与される外力の大きさに応じた値となる。そこで、予め静電容量の大きさと外力の大きさの関係を設定しておくことで、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓに付与される外力の大きさを算出できる。
【００４０】
ここで、上記式（１）は、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22について示した。他の座標の電極対Ｅｓの静電容量Ｃkmについては、式（２）のように表される。
【００４１】
【数２】
【００４２】
以上説明したように、外力Ｆにより誘電層１３が弾性変形することに伴って電極対Ｅｓの離間距離が変化することで、電極対Ｅｓの間の静電容量が変化する。このことを利用して、外力Ｆの位置および大きさを取得している。そして、静電容量計測部５０は、それぞれの電極対Ｅｓごとの静電容量を計測するのではなく、複数の電極対Ｅｓから構成される電極対群Ｅｇの静電容量を計測している。従って、計測する際の電極対の面積が、１つの電極対Ｅｓの面積ではなく、複数の電極対Ｅｓの面積となる。ここで、静電容量は、電極対の面積が大きいほど、大きな値となる。従って、電極対群Ｅｇの静電容量を計測することで、計測される静電容量は、１つの電極対Ｅｓの静電容量を計測する場合に比べて、大きな値を出力する。従って、計測される静電容量は、高精度となる。
【００４３】
しかし、単に、複数の電極対Ｅｓから構成される電極対群Ｅｇの静電容量を計測するのでは、従来のように、電極対Ｅｓの面積を大きくしたことに相当する。つまり、このままでは、電極対群Ｅｇの中で、外力Ｆが付与された位置を検出することができない。これに対して、静電容量計測部５０は、選択された電極対Ｅｓを含む電極対群Ｅｇの複数の組み合わせについて静電容量を計測する。つまり、選択された電極対Ｅｓは、複数の組合せからなる電極対群Ｅｇに含まれている。従って、これらの電極対群Ｅｇの静電容量は、全て、当該選択された電極対Ｅｓの静電容量の影響を受けた値となる。
【００４４】
そして、複数の組合せからなる電極対群Ｅｇの静電容量に基づいて、選択された電極対Ｅｓの位置に付与された外力Ｆの大きさを算出している。ここで、選択された電極対Ｅｓの静電容量は、当該選択された電極対Ｅｓに付与された外力Ｆの大きさに比例する。そこで、外力算出部６０は、複数の電極対群Ｅｇの静電容量を用いて、当該選択された電極対Ｅｓの静電容量に比例する値としての外力Ｆを算出している。例えば、電極対群Ｅｇの中で当該選択された電極対Ｅｓの影響度を考慮して、それぞれの電極対群Ｅｇの静電容量の影響度を決定し、当該選択された電極対Ｅｓに付与された外力Ｆの大きさを算出する。従って、電極対群Ｅｇを構成するそれぞれの電極対Ｅｓが受ける外力Ｆを検出することができる。つまり、マトリックス状の静電容量型センサに付与される外力Ｆの大きさおよび位置を高精度で且つ高分解能で得ることができる。
【００４５】
また、静電容量計測部５０において静電容量を計測する電極対群Ｅｇは、連続した複数の電極対Ｅｓからなるようにしている。これにより、上述したように、電極対群Ｅｇの中で当該選択された電極対Ｅｓの影響度を、比較的容易に決定できる。上記においては、均等割とした。つまり、簡易的な計算で高精度に得ることができる。
【００４６】
＜第二実施形態＞
第一実施形態において、静電容量計測部５０により計測する電極対群Ｅｇは、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）→（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の順として説明した。この他に、図４（ａ）〜図４（ｆ）に示す順序で静電容量の計測を行っても良い。
【００４７】
つまり、静電容量計測部５０（図１，２に示す）は、電極対群Ｅｇの座標（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ３〜Ｙ４）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ５〜Ｙ６）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ７〜Ｙ８）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ４〜Ｙ５）の順に静電容量を計測する。この後は、例えば、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ６〜Ｙ７）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ８〜Ｙ９）の順に静電容量を計測し、続いて、上記の電極対群のＸ座標を（Ｘ２〜Ｘ３）とした電極対群について静電容量を計測する。
【００４８】
このように、静電容量計測部５０において計測する電極対群Ｅｇは、直前に計測した電極対群Ｅｇを構成する電極対Ｅｓを含まない電極対群Ｅｇとしている。ここで、静電容量の計測により、電極対群Ｅｇは帯電する。そして、直前に計測した電極対群Ｅｇと今回計測する電極対群Ｅｇとが重なっていると、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量に、前回計測により電極対群Ｅｇに帯電した電荷の影響を受けるおそれがある。そこで、上述したように、直前に計測した電極対群Ｅｇと今回計測する電極対群Ｅｇとが重ならないようにする従って、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量は、前回計測により電極対群Ｅｇに帯電した電荷の影響を小さくできる。その結果、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量を高精度に計測することができる。ひいては、静電容量型センサ１０に付与された外力Ｆの位置および大きさを高精度に算出することができる。
【００４９】
＜第三実施形態＞
また、上記第一，第二実施形態においては、電極対群Ｅｇを４つの正方形状の電極対Ｅｓとして説明した。電極対群Ｅｇは、例えば、図５に示すように、９つの正方形状の電極対Ｅｓとしてもよく、その他に、任意の複数の電極対Ｅｓにより構成することもできる。
【００５０】
図５に示すような９つの正方形状の電極対Ｅｓにより電極対群Ｅｇを構成する場合には、外力算出部６０（図１，２に示す）は、それぞれの電極対群Ｅｇに対する係数を、算出したい電極対Ｅｓの影響度に応じた係数に設定する。例えば、式（３）に従って、算出した電極対Ｅｓの静電容量を算出する。式（３）の右辺第一項は、９つの電極対の中心座標が算出したい電極対Ｅｓに一致する場合の静電容量であり、右辺第二項は、９つの電極対の中心座標が算出したい電極対Ｅｓの左右または上下に１つずれた位置における静電容量であり、右辺第三項は、９つの電極対の角部が算出したい電極対Ｅｓに一致する場合の静電容量である。なお、係数ａ，ｂ，ｃは、以下に限られず、適宜調整することができる。
【００５１】
【数３】
【符号の説明】
【００５２】
１０：静電容量型センサ、 １１：第一電極群、 １１ａ〜１１ｉ：第一電極
１２：第二電極群、 １２ａ〜１２ｉ：第二電極
１３：誘電層、 １４，１５：絶縁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する電極対の間に弾性変形可能な誘電層を介在して形成された静電容量型センサに外力が付与された場合に、当該誘電層の変形に伴って変化する静電容量を計測することにより、当該外力の位置および大きさを計測することができる静電容量型センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ところで、静電容量を用いたタッチセンサが特許文献１に記載されている。このタッチセンサは、配列された電極とアースとの間の静電容量を検出することが記載されている。例えば、人間の指を接近させることで、接近した電極とアースとの静電容量が変化することを利用して、接近した指の位置を検出することとしている。
【０００３】
電極とアースとの間の静電容量を計測する装置ではなく、電極対をマトリックス状に配置し、外力の付与によって誘電層が弾性変形することにより当該電極対の間の距離が変化する静電容量型センサを対象とし、電極対間の静電容量を計測することで付与された外力の分布を計測する装置が、特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２００９／０１３９６５号
【特許文献２】特公平６−５２２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載されている誘電層が弾性変形することにより電極対の間の距離が変化する装置においては、誘電層は、外力を受けたときに弾性変形することができる程度に厚みを有する必要がある。誘電層の厚みを確保すると、電極対の離間距離が大きくなる。電極対の離間距離が大きくなると、外力が付与されて誘電層が弾性変形した場合に、電極対の離間距離が小さくなることに伴って電極対の間の静電容量が変化するが、その静電容量の変化が小さい。そのため、検出できる外力の大きさの分解能が低くなり、外力の大きさを高精度に検出することができない。
【０００６】
そのことを解決するために、それぞれの電極対の面積を大きくすることで、同一の外力が付与された場合に静電容量の変化を大きくすることができる。しかしながら、それぞれの電極対の面積を大きくすると、同一の電極対内において、外力が付与された位置を検出することができない。つまり、センサ全体として見た場合に、外力の位置を高精度に検出することができないという問題を有する。このように、従来は、外力の位置を高精度に検出しつつ、外力の大きさを高精度に検出することは容易ではない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外力の位置および大きさを高精度に検出することができる静電容量型センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明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電極対をマトリックス状に配置し、前記電極対の間に弾性変形可能な誘電層を配置してなる静電容量型センサと、選択された前記電極対を含む複数の前記電極対からなる電極対群の間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる前記電極対群について行う静電容量計測手段と、計測された複数の前記静電容量に基づいて、前記選択された前記電極対の位置に付与された外力の大きさを算出する外力算出手段とを備える。
【０００９】
本発明によれば、外力により誘電層が弾性変形することに伴って電極対の離間距離が変化することで、電極対の間の静電容量が変化する。このことを利用して、外力の位置および大きさを取得している。そして、本発明の静電容量計測手段は、それぞれの電極対ごとの静電容量を計測するのではなく、複数の電極対から構成される電極対群の静電容量を計測している。従って、計測する際の電極対の面積が、１つの電極対の面積ではなく、複数の電極対の面積となる。ここで、静電容量は、電極対の面積が大きいほど、大きな値となる。従って、電極対群の静電容量を計測することで、計測される静電容量は、１つの電極対の静電容量を計測する場合に比べて、大きな値を出力する。従って、計測される静電容量は、高精度となる。
【００１０】
しかし、単に、複数の電極対から構成される電極対群の静電容量を計測するのでは、従来のように、電極対の面積を大きくしたことに相当する。つまり、このままでは、電極対群の中で、外力が付与された位置を検出することができない。しかし、本発明によれば、以下により、電極対群の中で、外力が付与された位置を検出することができるようにしている。
【００１１】
本発明によれば、選択された電極対を含む電極対群の複数の組み合わせについて静電容量を計測する。つまり、選択された電極対は、複数の組合せからなる電極対群に含まれている。従って、これらの電極対群の静電容量は、全て、当該選択された電極対の静電容量の影響を受けた値となる。
【００１２】
そして、複数の組合せからなる電極対群の静電容量に基づいて、選択された電極対の位置に付与された外力の大きさを算出している。ここで、選択された電極対の静電容量は、当該選択された電極対に付与された外力の大きさに比例する。そこで、外力算出手段は、複数の電極対群の静電容量を用いて、当該選択された電極対の静電容量に比例する値としての外力を算出している。例えば、電極対群の中で当該選択された電極対の影響度を考慮して、それぞれの電極対群の静電容量の影響度を決定し、当該選択された電極対に付与された外力の大きさを算出する。従って、電極対群を構成するそれぞれの電極対が受ける外力を検出することができる。つまり、マトリックス状の静電容量型センサに付与される外力の大きさおよび位置を高精度で且つ高分解能で得ることができる。
【００１３】
また、前記静電容量型センサは、第一方向に延びる第一電極を前記第一方向に直交する第二方向に複数配列した第一電極群と、前記第二方向に延びる第二電極を第一方向に複数配列し、前記第一電極群に対して距離を隔てて対向して配置された第二電極群と、前記第一電極群と前記第二電極群との間に配置された前記誘電層とを備えるようにしてもよい。これにより、電極数および配線数を減らすことができる。
【００１４】
また、前記静電容量計測手段において静電容量を計測する前記電極対群は、連続した複数の前記電極対からなるようにしてもよい。これにより、電極対群の中で当該選択された電極対の影響度を、比較的容易に決定できる。つまり、簡易的な計算で高精度に得ることができる。
【００１５】
また、前記静電容量計測手段において計測する前記電極対群は、直前に計測した前記電極対群を構成する前記電極対を含まない前記電極対群であるとしてもよい。ここで、静電容量の計測により、電極対群は帯電する。そして、直前に計測した電極対群と今回計測する電極対群とが重なっていると、今回計測する電極対群の静電容量に、前回計測により電極対群に帯電した電荷の影響を受けるおそれがある。これに対して、本発明によれば、直前に計測した電極対群と今回計測する電極対群とは、重なっていない。従って、今回計測する電極対群の静電容量は、前回計測により電極対群に帯電した電荷の影響を小さくできる。その結果、今回計測する電極対群の静電容量を高精度に計測することができる。ひいては、静電容量型センサに付与された外力の位置および大きさを高精度に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一実施形態：静電容量型センサ装置の構成を示す図であり、静電容量型センサの断面図を示す。
【図２】静電容量型センサ装置の構成を示す図であり、静電容量型センサ、入力側切替回路および出力側切替回路の詳細構成を示す図である。特に、静電容量型センサは、絶縁層を取り除いた状態における平面図である。
【図３】静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。（ａ）〜（ｄ）は、静電容量計測部による計測順序に対応する。
【図４】第二実施形態：静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。（ａ）〜（ｆ）は、静電容量計測部による計測順序に対応する。
【図５】第三実施形態：静電容量型センサの平面図を示し、ハッチングにて静電容量計測部により計測する際の静電容量型センサの電極対群を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第一実施形態＞
第一実施形態の静電容量型センサ装置について、図１および図２を参照して説明する。静電容量型センサ装置は、シート状に形成された静電容量型センサの表面に付与された外力の分布、すなわち外力の位置および大きさを検出することができる。静電容量型センサ装置について以下に詳細に説明する。
【００１８】
静電容量型センサ装置は、静電容量型センサ１０と、交流電源２０と、入力側切換回路３０と、出力側切換回路４０と、静電容量計測部５０と、外力算出部６０とを備える。静電容量型センサ１０は、シート状に形成されており、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。従って、静電容量型センサ１０は、平面形状のみならず、曲面形状に形成することもできる。ただし、以下において、図１を参照して、平面形状の静電容量型センサ１０について説明する。
【００１９】
静電容量型センサ１０は、面法線方向（図１の上下方向）に距離を隔てて対向して設けられた電極対Ｅｓ（第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉにより構成）をマトリックス状に配置し、電極対Ｅｓの間に弾性変形可能な誘電層１３を配置している。図２においては、電極対Ｅｓを、横方向（以下、「Ｘ方向」）に９列、縦方向（以下、「Ｙ方向」）に９列のマトリックス状に配置している静電容量型センサ１０を示す。図２において、Ａで囲む部位は、電極対Ｅｓの一つを示している。
【００２０】
ただし、静電容量型センサ１０は、マトリックス状に電極対Ｅｓを点在させると、電極数および配線数が多くなるため、以下のように構成している。すなわち、静電容量型センサ１０は、第一電極群１１、第二電極群１２と、第一，第二電極群１１，１２間に設けられた誘電層１３と、第二電極群１２側の表面および第一電極群１１側の裏面を被覆するように設けられた絶縁層１４，１５を備えて構成される。
【００２１】
第一電極群１１は、Ｘ方向に延びる長尺板形状の第一電極１１ａ〜１１ｉをＹ方向（Ｘ軸方向に直交する方向）に平行に複数（例えば、９列）配列する。第二電極群１２は、Ｙ方向に延びる長尺板形状の第二電極１２ａ〜１２ｉをＸ方向に平行に複数（例えば、９列）配列し、第一電極群１１に対して面法線方向に距離を隔てて対向して配置される。ここでは、第二電極群１２は、第一電極群１１に対して静電容量型センサ１０の表面側に配置される。ここで、第一電極群１１と第二電極群１２とが交差する部位のそれぞれが、電極対Ｅｓを構成する。
【００２２】
そして、静電容量型センサ１０の表面に付与される外力Ｆに応じて第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉとの離間距離が変化し、この変化に伴って第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉの間の静電容量が変化する。なお、静電容量が電極間距離に反比例する関係にあることは周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００２３】
第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉは、同一材質により形成されている。具体的には、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉの材質は、エラストマー中に導電性フィラーを配合させることにより成形している。そして、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉは、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにしている。
【００２４】
第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉを構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉに配合される導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、例えば、炭素材料や金属等の微粒子を適用できる。
【００２５】
誘電層１３は、エラストマーまたは樹脂により成形され、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉと同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この誘電層１３を構成するエラストマーは、例えば、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、誘電層１３を構成する樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン（架橋発泡ポリスチレンを含む）、ポリ塩化ビニル−ポリ塩化ビニリデン共重合体、エチレン−酢酸共重合体などが適用できる。
【００２６】
この誘電層１３は、設定された厚みを有し、第一，第二電極群１１，１２の外形状と同程度または大きく形成されている。絶縁層１４，１５は、第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉと同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この絶縁層１４，１５を構成するエラストマーまたは樹脂は、例えば、誘電層１３を構成するエラストマーまたは樹脂として記載した材料が適用される。
【００２７】
そして、静電容量型センサ１０が静電容量型センサ１０の面法線方向に圧縮する外力Ｆを受けた場合には、誘電層１３が当該面法線方向に圧縮変形することにより、外力Ｆが付与された部位に位置する第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ間の離間距離が短くなる。この場合、当該第一，第二電極１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ間の静電容量は大きくなる。
【００２８】
交流電源２０は、交流電圧を発生し、静電容量型センサ１０の第一電極群１１に対して印加する。
【００２９】
入力側切換回路３０は、複数のスイッチ３０ａ〜３０ｉにより構成されている。各スイッチ３０ａ〜３０ｉの一端は、交流電源２０に接続されており、各スイッチ３０ａ〜３０ｉの他端は、対応する第一電極１１ａ〜１１ｉに接続されている。そして、第一電極１１ａ〜１１ｉの中から選択された複数と交流電源２０とを接続し、第一電極１１ａ〜１１ｉの残りは交流電源に対して切断する。なお、図２においては、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂを短絡（ＯＮ）させ、他のスイッチ３０ｃ〜３０ｉを切断（ＯＦＦ）している。
【００３０】
出力側切換回路４０は、複数のスイッチ４０ａ〜４０ｉにより構成されている。各スイッチ４０ａ〜４０ｉの一端は、対応する第二電極１２ａ〜１２ｉに接続され、各スイッチ４０ａ〜４０ｉの他端は、静電容量計測部５０に接続される。そして、第二電極１２ａ〜１２ｉの中から選択された複数と静電容量計測部５０とを接続し、第二電極１２ａ〜１２ｉの残りを切断する。なお、図２においては、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂを短絡（ＯＮ）させ、他のスイッチ４０ｃ〜４０ｉを切断（ＯＦＦ）している。
【００３１】
静電容量計測部５０は、第一電極群１１のうち交流電圧が印加されている第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極群１２のうち出力側切換回路４０により接続されている第二電極１２ａ〜１２ｉとの間の静電容量を計測する。ただし、実際には、静電容量計測部５０は、当該静電容量に応じた電圧を計測する。ここで、図２には、静電容量計測部５０は、第一電極１１ａ，１１ｂと第二電極１２ａ，１２ｂとの間の静電容量に応じた電圧を計測する状態を示している。
【００３２】
ここで、図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照して、静電容量計測部５０による静電容量を計測する手順について説明する。ここで、図３（ａ）〜図３（ｄ）において、電極対Ｅｓを破線の正方形にて表している。つまり、当該電極対Ｅｓは、図２に示す第一電極１１ａ〜１１ｉと第二電極１２ａ〜１２ｉとが交差する部位に対応している。
【００３３】
最初に、静電容量計測部５０は、図３（ａ）のハッチングの範囲（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ３０ｃ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ４０ｃ〜４０ｉがＯＦＦされる。続いて、図３（ｂ）のハッチングの範囲（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第二，第三スイッチ３０ｂ，３０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ３０ａ，３０ｄ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第一，第二スイッチ４０ａ，４０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ４０ｃ〜４０ｉがＯＦＦされる。
【００３４】
続いて、図３（ｃ）のハッチングの範囲（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第一，第二スイッチ３０ａ，３０ｂがＯＮされ、残りのスイッチ３０ｃ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第二，第三スイッチ４０ｂ，４０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ４０ａ，４０ｄ〜４０ｉがＯＦＦされる。続いて、図３（ｄ）のハッチングの範囲（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の電極対群Ｅｇの静電容量を計測する。このとき、入力側切換回路３０の第二，第三スイッチ３０ｂ，３０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ３０ａ，３０ｄ〜３０ｉはＯＦＦされる。また、出力側切換回路４０の第二，第三スイッチ４０ｂ，４０ｃがＯＮされ、残りのスイッチ４０ａ，４０ｄ〜４０ｉがＯＦＦされる。
【００３５】
このように、静電容量計測部５０により同時に計測する電極対群Ｅｇは、連続した正方形状となる４つの電極対Ｅｓとしている。そして、マトリックス状の電極対Ｅｓの中から、選択可能な全ての電極対群Ｅｇを対象として、静電容量計測部５０が静電容量を計測する。例えば、選択された電極対Ｅｓを、図３の座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓであるとする。この場合、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、当該選択された電極対Ｅｓ（Ｘ２，Ｙ２）を含む４種類の電極対群Ｅｇ（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）についての静電容量を計測する。
【００３６】
図１および図２に示す外力算出部６０は、静電容量計測部５０により計測された複数の電極対群Ｅｇの静電容量に基づいて、それぞれの電極対Ｅｓに対して付与されている外力の大きさを算出する。図３における座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓにおける外力を算出する場合について説明する。
【００３７】
静電容量計測部５０により計測された電極対群Ｅｇ（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）、（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の静電容量をそれぞれ、Ｃ12,12＋Ｃ12,23＋Ｃ23,12＋Ｃ23,23とする。ここで、電極対群Ｅｇは、連続した４つの正方形状となる４つの電極対Ｅｓとしている。従って、計測対象の座標（Ｘ２,Ｙ２）の電極対Ｅｓによるそれぞれの電極対群Ｅｇに対する影響度は、均等とする。そこで、式（１）に示すようにして、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22を計測する。
【００３８】
【数１】
【００３９】
算出した座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22は、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓに付与される外力の大きさに応じた値となる。そこで、予め静電容量の大きさと外力の大きさの関係を設定しておくことで、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓに付与される外力の大きさを算出できる。
【００４０】
ここで、上記式（１）は、座標（Ｘ２，Ｙ２）の電極対Ｅｓの静電容量Ｃ22について示した。他の座標の電極対Ｅｓの静電容量Ｃkmについては、式（２）のように表される。
【００４１】
【数２】
【００４２】
以上説明したように、外力Ｆにより誘電層１３が弾性変形することに伴って電極対Ｅｓの離間距離が変化することで、電極対Ｅｓの間の静電容量が変化する。このことを利用して、外力Ｆの位置および大きさを取得している。そして、静電容量計測部５０は、それぞれの電極対Ｅｓごとの静電容量を計測するのではなく、複数の電極対Ｅｓから構成される電極対群Ｅｇの静電容量を計測している。従って、計測する際の電極対の面積が、１つの電極対Ｅｓの面積ではなく、複数の電極対Ｅｓの面積となる。ここで、静電容量は、電極対の面積が大きいほど、大きな値となる。従って、電極対群Ｅｇの静電容量を計測することで、計測される静電容量は、１つの電極対Ｅｓの静電容量を計測する場合に比べて、大きな値を出力する。従って、計測される静電容量は、高精度となる。
【００４３】
しかし、単に、複数の電極対Ｅｓから構成される電極対群Ｅｇの静電容量を計測するのでは、従来のように、電極対Ｅｓの面積を大きくしたことに相当する。つまり、このままでは、電極対群Ｅｇの中で、外力Ｆが付与された位置を検出することができない。これに対して、静電容量計測部５０は、選択された電極対Ｅｓを含む電極対群Ｅｇの複数の組み合わせについて静電容量を計測する。つまり、選択された電極対Ｅｓは、複数の組合せからなる電極対群Ｅｇに含まれている。従って、これらの電極対群Ｅｇの静電容量は、全て、当該選択された電極対Ｅｓの静電容量の影響を受けた値となる。
【００４４】
そして、複数の組合せからなる電極対群Ｅｇの静電容量に基づいて、選択された電極対Ｅｓの位置に付与された外力Ｆの大きさを算出している。ここで、選択された電極対Ｅｓの静電容量は、当該選択された電極対Ｅｓに付与された外力Ｆの大きさに比例する。そこで、外力算出部６０は、複数の電極対群Ｅｇの静電容量を用いて、当該選択された電極対Ｅｓの静電容量に比例する値としての外力Ｆを算出している。例えば、電極対群Ｅｇの中で当該選択された電極対Ｅｓの影響度を考慮して、それぞれの電極対群Ｅｇの静電容量の影響度を決定し、当該選択された電極対Ｅｓに付与された外力Ｆの大きさを算出する。従って、電極対群Ｅｇを構成するそれぞれの電極対Ｅｓが受ける外力Ｆを検出することができる。つまり、マトリックス状の静電容量型センサに付与される外力Ｆの大きさおよび位置を高精度で且つ高分解能で得ることができる。
【００４５】
また、静電容量計測部５０において静電容量を計測する電極対群Ｅｇは、連続した複数の電極対Ｅｓからなるようにしている。これにより、上述したように、電極対群Ｅｇの中で当該選択された電極対Ｅｓの影響度を、比較的容易に決定できる。上記においては、均等割とした。つまり、簡易的な計算で高精度に得ることができる。
【００４６】
＜第二実施形態＞
第一実施形態において、静電容量計測部５０により計測する電極対群Ｅｇは、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）→（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ２〜Ｘ３，Ｙ２〜Ｙ３）の順として説明した。この他に、図４（ａ）〜図４（ｆ）に示す順序で静電容量の計測を行っても良い。
【００４７】
つまり、静電容量計測部５０（図１，２に示す）は、電極対群Ｅｇの座標（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ１〜Ｙ２）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ３〜Ｙ４）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ５〜Ｙ６）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ７〜Ｙ８）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ２〜Ｙ３）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ４〜Ｙ５）の順に静電容量を計測する。この後は、例えば、（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ６〜Ｙ７）→（Ｘ１〜Ｘ２，Ｙ８〜Ｙ９）の順に静電容量を計測し、続いて、上記の電極対群のＸ座標を（Ｘ２〜Ｘ３）とした電極対群について静電容量を計測する。
【００４８】
このように、静電容量計測部５０において計測する電極対群Ｅｇは、直前に計測した電極対群Ｅｇを構成する電極対Ｅｓを含まない電極対群Ｅｇとしている。ここで、静電容量の計測により、電極対群Ｅｇは帯電する。そして、直前に計測した電極対群Ｅｇと今回計測する電極対群Ｅｇとが重なっていると、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量に、前回計測により電極対群Ｅｇに帯電した電荷の影響を受けるおそれがある。そこで、上述したように、直前に計測した電極対群Ｅｇと今回計測する電極対群Ｅｇとが重ならないようにする従って、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量は、前回計測により電極対群Ｅｇに帯電した電荷の影響を小さくできる。その結果、今回計測する電極対群Ｅｇの静電容量を高精度に計測することができる。ひいては、静電容量型センサ１０に付与された外力Ｆの位置および大きさを高精度に算出することができる。
【００４９】
＜第三実施形態＞
また、上記第一，第二実施形態においては、電極対群Ｅｇを４つの正方形状の電極対Ｅｓとして説明した。電極対群Ｅｇは、例えば、図５に示すように、９つの正方形状の電極対Ｅｓとしてもよく、その他に、任意の複数の電極対Ｅｓにより構成することもできる。
【００５０】
図５に示すような９つの正方形状の電極対Ｅｓにより電極対群Ｅｇを構成する場合には、外力算出部６０（図１，２に示す）は、それぞれの電極対群Ｅｇに対する係数を、算出したい電極対Ｅｓの影響度に応じた係数に設定する。例えば、式（３）に従って、算出した電極対Ｅｓの静電容量を算出する。式（３）の右辺第一項は、９つの電極対の中心座標が算出したい電極対Ｅｓに一致する場合の静電容量であり、右辺第二項は、９つの電極対の中心座標が算出したい電極対Ｅｓの左右または上下に１つずれた位置における静電容量であり、右辺第三項は、９つの電極対の角部が算出したい電極対Ｅｓに一致する場合の静電容量である。なお、係数ａ，ｂ，ｃは、以下に限られず、適宜調整することができる。
【００５１】
【数３】
【符号の説明】
【００５２】
１０：静電容量型センサ、 １１：第一電極群、 １１ａ〜１１ｉ：第一電極
１２：第二電極群、 １２ａ〜１２ｉ：第二電極
１３：誘電層、 １４，１５：絶縁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離を隔てて対向して設けられた電極対をマトリックス状に配置し、前記電極対の間に弾性変形可能な誘電層を配置してなる静電容量型センサと、
選択された前記電極対を含む複数の前記電極対からなる電極対群の間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる前記電極対群について行う静電容量計測手段と、
計測された複数の前記静電容量に基づいて、前記選択された前記電極対の位置に付与された外力の大きさを算出する外力算出手段と、
を備える静電容量型センサ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記静電容量型センサは、
第一方向に延びる第一電極を前記第一方向に直交する第二方向に複数配列した第一電極群と、
前記第二方向に延びる第二電極を第一方向に複数配列し、前記第一電極群に対して距離を隔てて対向して配置された第二電極群と、
前記第一電極群と前記第二電極群との間に配置された前記誘電層と、
を備える静電容量型センサ装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記静電容量計測手段において静電容量を計測する前記電極対群は、連続した複数の前記電極対からなる静電容量型センサ装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記静電容量計測手段において計測する前記電極対群は、直前に計測した前記電極対群を構成する前記電極対を含まない前記電極対群である静電容量型センサ装置。
【請求項１】
距離を隔てて対向して設けられた電極対をマトリックス状に配置し、前記電極対の間に弾性変形可能な誘電層を配置してなる静電容量型センサと、
選択された前記電極対を含む複数の前記電極対からなる電極対群の間の静電容量の計測を、複数の組み合わせからなる前記電極対群について行う静電容量計測手段と、
計測された複数の前記静電容量に基づいて、前記選択された前記電極対の位置に付与された外力の大きさを算出する外力算出手段と、
を備える静電容量型センサ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記静電容量型センサは、
第一方向に延びる第一電極を前記第一方向に直交する第二方向に複数配列した第一電極群と、
前記第二方向に延びる第二電極を第一方向に複数配列し、前記第一電極群に対して距離を隔てて対向して配置された第二電極群と、
前記第一電極群と前記第二電極群との間に配置された前記誘電層と、
を備える静電容量型センサ装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記静電容量計測手段において静電容量を計測する前記電極対群は、連続した複数の前記電極対からなる静電容量型センサ装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記静電容量計測手段において計測する前記電極対群は、直前に計測した前記電極対群を構成する前記電極対を含まない前記電極対群である静電容量型センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２５７２７（Ｐ２０１２−２２５７２７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９２７１２（Ｐ２０１１−９２７１２）
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１９日（２０１１．４．１９）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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