特許 7421686 静電容量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-16

(45)【発行日】2024-01-24

(54)【発明の名称】静電容量センサ

(51)【国際特許分類】

   H01H 36/00 20060101AFI20240117BHJP

【ＦＩ】

H01H36/00 V

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023508653

(86)(22)【出願日】2022-01-11

(86)【国際出願番号】 JP2022000584

(87)【国際公開番号】W WO2022201747

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-02-14

(31)【優先権主張番号】P 2021048247

(32)【優先日】2021-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】藤由 達巳

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 徹也

(72)【発明者】

【氏名】樋口 真一

(72)【発明者】

【氏名】谷口 義尚

【審査官】関 信之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１９５０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４３５６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ ３６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１以上の検出電極を含む１又は複数の表側電極と、
前記１又は複数の表側電極の下方に設けられた弾性誘電体と、
前記１又は複数の表側電極との間に前記弾性誘電体を挟んで設けられたシールド電極と、
前記１以上の検出電極との間に容量を介して結合された駆動部に第１交流電圧を出力する第１電圧出力部と、
前記第１交流電圧の周波数と略等しい周波数を有し前記１以上の検出電極に印加される第２交流電圧を出力する第２電圧出力部と、
前記第１交流電圧及び前記第２交流電圧の周波数と略等しい周波数の第３交流電圧を前記シールド電極に出力する第３電圧出力部と、
前記１以上の検出電極に対する検出対象物の近接、接触、及び押圧を検出する検出部とを備え、
前記第１電圧出力部、前記第２電圧出力部、及び前記第３電圧出力部は、前記第１交流電圧の振幅が前記第２交流電圧の振幅以上であり、かつ前記第３交流電圧の振幅が前記第２交流電圧の振幅未満となる、前記第１交流電圧、前記第２交流電圧、及び前記第３交流電圧をそれぞれ出力することを特徴とする静電容量センサ。

【請求項2】

前記１又は複数の表側電極は、複数の表側電極であり、
前記駆動部は、前記複数の表側電極に含まれる前記１以上の検出電極以外の表側電極のうちの少なくとも１つの表側電極であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量センサ。

【請求項3】

前記１又は複数の表側電極から前記１以上の検出電極を選択する選択部をさらに備え、
前記第２電圧出力部は、前記選択部により選択された前記１以上の検出電極に前記第２交流電圧を出力することを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量センサ。

【請求項4】

前記検出部は、前記１以上の検出電極に接続される反転入力端子と前記第２交流電圧が印加される非反転入力端子とを有する演算増幅回路を有することを特徴とする、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】

前記検出電極と前記検出対象物との容量をＣｆ、前記検出電極と前記駆動部との容量をＣｐ、前記検出電極と前記シールド電極との容量をＣｓ、前記第１交流電圧をＶ_Ａ、前記第２交流電圧をＶ _Ｂ 、前記第３交流電圧をＶ_Ｃ、前記演算増幅回路の出力端子と前記反転入力端子との間に接続されるコンデンサの容量をＣｑ、前記出力端子の出力電圧をＶ_０とすると、前記出力電圧Ｖ_０は次式（１）で表される、請求項４に記載の静電容量センサ。

【数1】

【請求項6】

前記第１交流電圧、前記第２交流電圧、及び前記第３交流電圧の振幅は、前記検出対象物による前記近接、前記接触、及び前記押圧が行われていない状態において、前記式（１）における、（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ａ）×Ｃｐの項と、（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ｃ）×Ｃｓの項とが打ち消し合うような振幅Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、及びＶ_Ｃに設定される、請求項５に記載の静電容量センサ。

【請求項7】

前記第１交流電圧、前記第２交流電圧、及び前記第３交流電圧は、正弦波であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電容量センサ。

【請求項8】

前記第１交流電圧、前記第２交流電圧、及び前記第３交流電圧は、矩形波であることを特徴とする、請求項１乃至６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。

【背景技術】

【0002】

従来より、一の方向に通電する複数の上電極を有するシート状の上電極層、及び、前記上電極と絶縁され、前記上電極の通電方向と異なる他の方向に通電し、前記上電極と交差して配設される複数の下電極を有するシート状の下電極層を含む第１検出手段と、前記第１検出手段の下方に配設され、対象物の接触又は圧力に応じて変形する中間層と、前記中間層の下方に配設され、前記対象物の接触又は押圧力に応じた電気的な変化を検出する第２検出手段と、前記第１検出手段に前記対象物が接近した場合に、前記上電極及び前記下電極間の電気的な変化に基づいて、前記対象物の接近を判定すると共に、前記対象物が前記第１検出手段に接触又は押圧力を加えた場合に、前記第２検出手段で検出された前記電気的な変化に基づいて、前記対象物の接触又は押圧力を加えた位置及びその圧力の値を特定する演算手段と、前記第１検出手段又は前記第２検出手段のいずれか一方がグラウンドに接続するように所定の間隔で回路の切り替えを行う切替手段とを備えることを特徴とする近接・接触センサがある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１４－０８０９２４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、従来の近接・接触センサは、近接や接触を検出するために、切替手段で回路の切替を行う必要があり、検出のための処理が煩雑である。

【0005】

そこで、検出対象物の近接、接触、及び押圧を容易に検出可能な静電容量センサ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】

【0006】

本発明の実施形態の静電容量センサは、1以上の検出電極を含む１又は複数の表側電極
と、前記１又は複数の表側電極の下方に設けられた弾性誘電体と、前記１又は複数の表側電極との間に前記弾性誘電体を挟んで設けられたシールド電極と、前記1以上の検出電極
との間に容量を介して結合された駆動部に第１交流電圧を出力する第１電圧出力部と、前記第１交流電圧の周波数と略等しい周波数を有し前記１以上の検出電極に印加される第２交流電圧を出力する第２電圧出力部と、前記第１交流電圧及び前記第２交流電圧の周波数と略等しい周波数の第３交流電圧を前記シールド電極に出力する第３電圧出力部と、前記１以上の検出電極に対する検出対象物の近接、接触、及び押圧を検出する検出部とを備え、前記第１電圧出力部、前記第２電圧出力部、及び前記第3電圧出力部は、前記第１交流
電圧の振幅が前記第２交流電圧の振幅以上であり、かつ前記第３交流電圧の振幅が前記第２交流電圧の振幅未満となる、前記第１交流電圧、前記第２交流電圧、及び前記第３交流電圧をそれぞれ出力することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

検出対象物の近接、接触、及び押圧を容易に検出可能な静電容量センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１の静電容量センサ１００の平面構成を示す図である。

【図2】静電容量センサ１００の一部分の断面構造を示す図である。

【図3】静電容量センサ１００の等価回路を示す図である。

【図4】第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃの波形の一例を示す図である。

【図5】実施形態２の静電容量センサ２００を示す図である。

【図6】実施形態３の静電容量センサ３００を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の静電容量センサを適用した実施形態について説明する。

【0010】

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１の静電容量センサ１００の平面構成を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。Ｘ軸に平行な方向（Ｘ方向）、Ｙ軸に平行な方向（Ｙ方向）、Ｚ軸に平行な方向（Ｚ方向）は、互いに直交する。また、以下では、説明の便宜上、－Ｚ方向側を下側又は下、＋Ｚ方向側を上側又は上と称す場合があるが、普遍的な上下関係を表すものではない。また、平面視とはＸＹ面視することをいう。また、以下では構成が分かり易くなるように各部の長さ、太さ、厚さ等を誇張して示す場合がある。

【0011】

静電容量センサ１００は、トップパネル１０１と複数の表側電極１１０とを含む。静電容量センサ１００は、これらの他にトップパネル１０１への利用者の指先等の近接、接触、及び押圧を検出する検出部等を含むが、図１では省略し、トップパネル１０１と複数の表側電極１１０との平面的な構成を示す。

【0012】

トップパネル１０１は、一例として、透明なガラス製又は樹脂製で上面から押された時に撓む事が可能で、平面視において矩形状の板状部材であり、上面は利用者が指先等を接触させて操作入力を行う操作面である。利用者はトップパネル１０１の上面を下方に押圧することもできる。

【0013】

複数の表側電極１１０は、トップパネル１０１の下面側に配置され、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配列されている。複数の表側電極１１０は、一例として互いに独立しており、平面視で互いの間に引き回される図示しない配線を介して後述する検出部等に接続されている。

【0014】

図１では複数の表側電極１１０を透過的に示す。複数の表側電極１１０は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極によって構成される。なお、ここでは静電容量センサ１００の下方に液晶や有機ＥＬ(Electroluminescence)等のディスプレイパネルが配置さ
れることを想定してトップパネル１０１及び複数の表側電極１１０が透明である形態について説明するが、例えばディスプレイパネルが配置されないような場合には、トップパネル１０１及び複数の表側電極１１０は透明ではなくてもよく導電性を持つ材質であればよい。この場合には複数の表側電極１１０は金属板等であってもよい。

【0015】

図２は、静電容量センサ１００の一部分の断面構造を示す図である。図２には、Ｘ方向に配列される３つの表側電極１１０が存在する部分の断面構造を示す。ここでは、一例として利用者が指先ＦＴで静電容量センサ１００に対して操作入力を行う形態について説明する。利用者は指先ＦＴでトップパネル１０１に触れる（接触する）ことで操作入力を行う。なお、図２において逆三角形はグランド（接地）を表す。

【0016】

静電容量センサ１００は、トップパネル１０１及び表側電極１１０の他に、さらに、弾性誘電体１２０、シールド電極１３０、第１電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃ、及び検出部１５０を含む。また、静電容量センサ１００は、さらに基板１０２を含む。

【0017】

図２に示す３つの表側電極１１０のうち、中央の表側電極１１０は検出電極１１１であり、検出電極１１１の両側にある２つの表側電極１１０は、駆動電極１１２である。駆動電極１１２は、駆動部の一例である。このため、検出電極１１１及び駆動電極１１２には括弧書きで符号１１０を記す。なお、以下において、表側電極１１０と記す場合は、検出電極１１１及び駆動電極１１２を特に区別しない場合と、検出電極１１１及び駆動電極１１２以外の表側電極１１０について説明する場合である。

【0018】

検出電極１１１は、利用者の指先ＦＴのトップパネル１０１への近接、接触、及び押圧を検出する電極である。静電容量センサ１００は、複数の表側電極１１０を１つずつ順番に検出電極１１１として選択して静電容量を検出することにより、指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出する。この際に、検出電極１１１には第２電圧出力部１４０Ｂから検出部１５０を介して第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加される。選択した検出電極１１１で接触又は押圧を検出した場合には、その検出電極１１１に対応する位置（座標）で操作入力が行われたことになる。

【0019】

ここでは複数の表側電極１１０を１つずつ順番に検出電極１１１として選択する形態について説明するが、互いに隣接しない２つ以上の表側電極１１０を同時に検出電極１１１として選択して、２つ以上の検出電極１１１で指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を同時に検出してもよい。このため、複数の表側電極１１０は、１以上の検出電極１１１を含むことになる。

【0020】

駆動電極１１２は、検出電極１１１のＸ方向における両隣に位置する表側電極１１０である。静電容量センサ１００は、複数の表側電極１１０を１つずつ順番に検出電極１１１として選択する際に、検出電極１１１のＸ方向における両隣に位置する２つの表側電極１１０を２つの駆動電極１１２として選択する。

【0021】

検出電極１１１で指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出する際に、駆動電極１１２には第１電圧出力部１４０Ａから第１交流電圧Ｖ_Ａが印加される。第１交流電圧Ｖ_Ａは振幅がＶ_Ａ（Ｖ）の交流電圧である。なお、ここでは、検出電極１１１のＸ方向における両隣に位置する２つの表側電極１１０を駆動電極１１２とする形態について説明するが、検出電極１１１のＸ方向における両隣に位置する２つの表側電極１１０と、検出電極１１１のＹ方向における両隣に位置する２つの表側電極１１０との合計４つの表側電極１１０を駆動電極１１２としてもよい。

【0022】

また、例えばＸ方向の端に位置する表側電極１１０を検出電極１１１として用いる場合には、検出電極１１１のＹ方向における両隣の２つの表側電極１１０を２つの駆動電極１１２として用いてもよいし、検出電極１１１の＋Ｘ方向側の隣の表側電極１１０と、－Ｙ方向側又は＋Ｙ方向側の隣の表側電極１１０とを２つの駆動電極１１２として用いてもよい。また、マトリクス状に配列される複数の表側電極１１０の角に位置する表側電極１１０を検出電極１１１として用いる場合には、検出電極１１１のＸ方向における隣の表側電極１１０と、Ｙ方向における隣の表側電極１１０とを２つの駆動電極１１２として用いればよい。

【0023】

弾性誘電体１２０は、複数の表側電極１１０（図１及び図２参照）の下方に設けられている。弾性誘電体１２０は、透明で弾性変形可能な誘電体であり、例えばウレタン樹脂で構成される。弾性誘電体１２０は、平面視ですべての複数の表側電極１１０と重なる位置に設けられており、Ｚ方向の厚さは均一である。弾性誘電体１２０が弾性変形可能であるため、トップパネル１０１の上面のうちの検出電極１１１の真上の部分を利用者が指先ＦＴで下方に押圧すると、弾性誘電体１２０が撓んで収縮することにより、検出電極１１１が下方に僅かに変位する。

【0024】

シールド電極１３０は、基板１０２の上面に設けられた状態で、弾性誘電体１２０の下方に設けられている。すなわち、シールド電極１３０は、複数の表側電極１１０との間に弾性誘電体１２０を挟んで設けられている。シールド電極１３０は、複数の表側電極１１０をノイズから遮蔽するためと、グランドとの間の寄生容量を抑制するために設けられており、第３電圧出力部１４０Ｃから出力される第３交流電圧Ｖ_Ｃが印加される。シールド電極１３０は、一例としてＩＴＯ膜のような透明な導電材料で構成される。なお、基板１０２は、シールド電極１３０を保持する透明基板である。例えばディスプレイパネルが下に配置されないなどの場合は、シールド電極１３０及びシールド電極１３０を保持する基板１０２は透明ではなくてもよい。

【0025】

第１電圧出力部１４０Ａは、駆動電極１１２に第１交流電圧Ｖ_Ａを出力する。第１電圧出力部１４０Ａは、一例として、すべての複数の表側電極１１０に接続可能に構成されており、すべての複数の表側電極１１０との間の配線の接続を切り替えることによって駆動電極１１２として選択された２つの表側電極１１０に接続され、第１交流電圧Ｖ_Ａを出力する。なお、互いに隣接しない２つ以上の表側電極１１０を同時に検出電極１１１として選択して指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を同時に検出してもよいため、第１電圧出力部１４０Ａは、1以上の検出電極１１１との間に容量を介して結合された駆動電極１１２に
第１交流電圧Ｖ_Ａを出力することになる。

【0026】

検出部１５０は、１以上の検出電極１１１に接続される反転入力端子（－）と第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加される非反転入力端子（＋）とを有する演算増幅回路（オペアンプ）１５２を有する。第２電圧出力部１４０Ｂは、検出部１５０のオペアンプ１５２の非反転入力端子（＋）に接続されており、第２交流電圧Ｖ_Ｂを出力する。第２交流電圧Ｖ_Ｂは、振幅がＶ_Ｂの交流電圧であり、第１交流電圧Ｖ_Ａ以下（Ｖ_Ａ≧Ｖ_Ｂ）の電圧である。また、第２交流電圧Ｖ_Ｂの周波数は第１交流電圧Ｖ_Ａの周波数と等しい。

【0027】

オペアンプ１５２の反転入力端子（－）は、検出部１５０の入力端子１５１を介して検出電極１１１に接続されている。コンデンサ１５３は、オペアンプ１５２の反転入力端子（－）と出力端子との間に接続されている。コンデンサ１５３の容量（静電容量）はＣｑである。抵抗器１５４は、コンデンサ１５３に並列に接続されている。抵抗器１５４の抵抗値はＲｑである。出力端子１５５は、オペアンプ１５２の出力端子に接続されている。出力端子１５５の出力電圧はＶ_０である。オペアンプ１５２は、フィードバック要素であるコンデンサ１５３、抵抗器１５４により負帰還動作を行うため、仮想短絡によって反転入力端子（－）の電圧は非反転入力端子（＋）に印加される電圧と等しくなる。このため、検出電極１１１には第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加される。すなわち、第２電圧出力部１４０Ｂは、検出電極１１１として選択された表側電極１１０に印加される第２交流電圧Ｖ_Ｂを出力する。

【0028】

検出部１５０の入力端子１５１は、一例として、すべての複数の表側電極１１０に接続可能に構成されており、すべての複数の表側電極１１０との間の配線の接続を切り替えることによって検出電極１１１として選択された表側電極１１０に接続され、第２交流電圧Ｖ_Ｂを出力する。

【0029】

第３電圧出力部１４０Ｃは、シールド電極１３０に接続されており、第３交流電圧を出力する。第３交流電圧Ｖ_Ｃの振幅Ｖ_Ｃは、第２交流電圧Ｖ_Ｂの振幅Ｖ_Ｂ未満（Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃ）であり、第１交流電圧及び第２交流電圧と等しい周波数を有する。第３交流電圧Ｖ_Ｃは、振幅がＶ_Ｃの交流電圧である。

【0030】

検出部１５０は、入力端子１５１、オペアンプ１５２、コンデンサ１５３、抵抗器１５４、及び出力端子１５５を有する。検出部１５０は、検出電極１１１を利用して、利用者の指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出する。

【0031】

入力端子１５１は、上述のように一例としてすべての複数の表側電極１１０に接続可能に構成されており、配線を切り替えることにより、選択された検出電極１１１に接続される。

【0032】

オペアンプ１５２は、検出部１５０の入力端子１５１を介して検出電極１１１に接続される反転入力端子（－）と、第２電圧出力部１４０Ｂに接続され、第２交流電圧Ｖ_Ｂが入力される非反転入力端子（＋）とを有する。オペアンプ１５２は、フィードバック要素であるコンデンサ１５３、抵抗器１５４により負帰還動作を行うため、反転入力端子（－）と非反転入力端子（＋）との電圧差がゼロになるように増幅動作を行う。このため、非反転増幅回路としてのオペアンプ１５２の仮想短絡によって反転入力端子（－）の電圧は非反転入力端子（＋）に印加される電圧と等しくなる。このため、検出電極１１１には第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加される。

【0033】

ここで、複数の表側電極１１０は、Ｘ方向及びＹ方向に等間隔で配列されており、隣り合う表側電極１１０同士の間には容量（静電容量）が存在する。すなわち、検出電極１１１と駆動電極１１２とは、容量を介して結合している。換言すれば、駆動電極１１２は、容量を介して検出電極１１１に結合されている。ここで、検出電極１１１と、－Ｘ方向側の駆動電極１１２との容量をＣｐ１とし、検出電極１１１と、＋Ｘ方向側の駆動電極１１２との容量をＣｐ２とする。

【0034】

また、検出電極１１１と指先ＦＴとの間に生じる容量（静電容量）をＣｆとする。容量Ｃｆは、検出電極１１１に指先ＦＴが近づくほど大きくなる。検出電極１１１と指先ＦＴとの間にはトップパネル１０１があるため、トップパネル１０１の上面のうちの検出電極１１１の真上に指先ＦＴが接触した状態で、容量Ｃｆは最大になる。指先ＦＴでトップパネル１０１を下方に押圧する押圧操作を行っても、容量Ｃｆは略一定である。

【0035】

また、検出電極１１１とシールド電極１３０との間の容量（静電容量）をＣｓとする。トップパネル１０１の上面のうちの検出電極１１１の真上の部分を利用者が指先ＦＴで下方に押圧すると、弾性誘電体１２０が撓んで収縮することにより、検出電極１１１とシールド電極１３０との間の距離ｄが短くなる。このため、押圧操作が行われると、検出電極１１１とシールド電極１３０との間の距離ｄに応じて容量Ｃｓは増大する。

【0036】

図３は、静電容量センサ１００の等価回路を示す図である。容量Ｃｆは指先ＦＴと検出電極１１１との間の距離によって変化するため可変容量として示してある。同様に、容量Ｃｓは押圧操作による検出電極１１１とシールド電極１３０との間の距離ｄに応じて変化するため可変容量として示してある。

【0037】

このような構成の静電容量センサ１００において、次式（１）が成り立つ。式（１）は、検出電極１１１、駆動電極１１２、及びシールド電極１３０の間において電荷保存則によって成り立つ式であり、容量Ｃｑのコンデンサ１５３で積分した電圧が出力電圧Ｖ_０であることを意味する。なお、容量Ｃｐ＝Ｃｐ１＋Ｃｐ２である。４つの駆動電極１１２を用いる場合には、容量Ｃｐは、検出電極１１１と、４つの駆動電極１１２との間に生じる４つの容量の合計値になる。

【0038】

【数1】

【0039】

式（１）を変形すると、出力端子１５５の出力電圧Ｖ_０は、次式（２）で表される。

【0040】

【数2】

【0041】

また、検出電極１１１とシールド電極１３０との間の容量Ｃｓは、概次式（３）で表される。なお、ε０は真空中における誘電率であり、εｒは弾性誘電体１２０の比誘電率であり、ｓは検出電極１１１の面積であり、ｄは検出電極１１１とシールド電極１３０との間の距離（ギャップ）である。距離ｄが小さくなると容量Ｃｆは増大する。

【0042】

【数3】

【0043】

図４は、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃの波形の一例を示す図である。静電容量センサ１００では、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃの間にＶ_Ａ≧Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの関係を持たせる。すなわち、第１交流電圧Ｖ_Ａの振幅が第２交流電圧Ｖ_Ｂの振幅以上であり、かつ第３交流電圧Ｖ_Ｃの振幅が第２交流電圧の振幅Ｖ_Ｂ未満となる。

【0044】

ここでは、一例として、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃが互いに異なるようにして、図４に示すようにＶ_Ａ＞Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの関係を持たせるが、Ｖ_Ａ≧Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの関係を持たせる理由について説明する。

【0045】

式（２）において、各部の容量のうち、容量Ｃｆと容量Ｃｓは近接度合と押圧度合によって変動する。出力電圧Ｖ_０だけで、検出電極１１１上のトップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出するには、近接、接触、及び押圧の順に出力電圧Ｖ_０が増大するようになればよい。

【0046】

近接用の判定閾値Ｖ１、接触用の判定閾値Ｖ２、及び押圧用の判定閾値Ｖ３としたときに、これらがＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３の関係を有することとする。そして、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０がＶ１以上Ｖ２未満になったときに近接を検出し、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０がＶ２以上Ｖ３未満になったときに接触を検出し、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０がＶ３以上になったときに押圧を検出すればよい。このようにして、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0047】

なお、ここでは、第１交流電圧Ｖ_Ａの周波数と、第２交流電圧Ｖ_Ｂの周波数と、第３交流電圧Ｖ_Ｃの周波数とが等しい形態について説明するが、第１交流電圧Ｖ_Ａの周波数と、第２交流電圧Ｖ_Ｂの周波数と、第３交流電圧Ｖ_Ｃの周波数とは略等しければよい。第１交流電圧Ｖ_Ａの周波数と、第２交流電圧Ｖ_Ｂの周波数と、第３交流電圧Ｖ_Ｃの周波数とが略等しいとは、出力電圧Ｖ_０に基づくトップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧の検出に影響が生じない範囲で、第１交流電圧Ｖ_Ａの周波数と、第２交流電圧Ｖ_Ｂの周波数と、第３交流電圧Ｖ_Ｃの周波数とが微小な差を有することをいう。

【0048】

ここで、式（２）におけるＣｆ×Ｖ_Ｂの項の値は、指先ＦＴがトップパネル１０１に近接するにつれて増大する。また、式（２）における（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ｃ）×Ｃｓの項の値が指先ＦＴによってトップパネル１０１が押圧されるにつれて増大するようにするには、第２交流電圧Ｖ_Ｂ＞第３交流電圧Ｖ_Ｃであればよい。これらより、第２交流電圧Ｖ_Ｂ＞第３交流電圧Ｖ_Ｃが成り立つ。

【0049】

また、駆動電極１１２に印加する第１交流電圧Ｖ_Ａを第２交流電圧Ｖ_Ｂよりも大きくすることによって、検出電極１１１とグランドとの間の寄生容量の影響や検出電極１１１とその直下のシールド電極１３０との容量結合以外の容量結合を低減している。また、検出電極１１１とグランドとの間の寄生容量の影響が小さい場合には第１交流電圧Ｖ_Ａと第２交流電圧Ｖ_Ｂとは等しくてもよい。このため、第１交流電圧Ｖ_Ｂ≧第２交流電圧Ｖ_Ｂであればよい。

【0050】

このような第１交流電圧Ｖ_Ｂ≧第２交流電圧Ｖ_Ｂという関係を用いることにより、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧が行われる過程で、式（２）におけるＣｆ×Ｖ_Ｂの項の値と、式（２）における（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ｃ）×Ｃｓの項の値との増大を安定的に出力電圧Ｖ_０に反映させることができる。ここでは一例として、第１交流電圧Ｖ_Ｂ＞第２交流電圧Ｖ_Ｂの関係を満たすようにしている。

【0051】

以上より、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃについては、Ｖ_Ａ≧Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの関係があればよい。また、このような関係を有する第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃを用いることにより、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３の関係を有する近接用の判定閾値Ｖ１、接触用の判定閾値Ｖ２、及び押圧用の判定閾値Ｖ３を用いて、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0052】

したがって、指先ＦＴ（検出対象物）のトップパネル１０１への近接、接触、及び押圧を容易に検出可能な静電容量センサ１００を提供することができる。静電容量センサ１００は、第１電圧出力部１４０Ａと駆動電極１１２として選択された２つの表側電極１１０とを接続するために配線の接続を切り替えるとともに、入力端子１５１を検出電極１１１として選択された表側電極１１０とを接続するために配線の接続を切り替えた状態では、選択した検出電極１１１及び選択した駆動電極１１２についての回路の切り替え等を行うことなく、検出部１５０の出力端子１５５の出力電圧Ｖ_０に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0053】

また、近接、接触、及び押圧を検出するための信号が出力電圧Ｖ_０に一元化されているため、複数の表側電極１１０と、第１電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃ、及び検出部１５０とを結ぶ配線が最小限で済み、検出部１５０の小形化を図ることもできるため、構成を簡略化した静電容量センサ１００を提供することができる。

【0054】

また、近接、接触、及び押圧を検出するための信号が出力電圧Ｖ_０に一元化されているため、近接、接触、及び押圧を検出する処理に必要な時間の増大を最小限に抑えることができ、近接、接触、及び押圧を検出する処理時間の短縮化を図ることができる。

【0055】

また、第１交流電圧Ｖ_Ａを印加する駆動部として、複数の表側電極１１０に含まれる検出電極１１１以外の表側電極１１０のうちの検出電極１１１の隣の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いるので、検出電極１１１と駆動電極１１２との間の容量Ｃｐを利用して、出力電圧Ｖ_０に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。検出電極１１１と駆動電極１１２との間の容量Ｃｐを利用するため、隣り合う表側電極１１０同士の容量Ｃｐを用いることで、出力電圧Ｖ_０に基づいて、安定的にトップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0056】

また、検出部１５０は、検出電極１１１に接続される反転入力端子と第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加される非反転入力端子とを有し、負帰還動作を行うオペアンプ１５２を有する。オペアンプ１５２の仮想短絡によって反転入力端子（－）の電圧は非反転入力端子（＋）に印加される電圧と等しくなるため、検出電極１１１には第２交流電圧Ｖ_Ｂが印加され、第２電圧出力部１４０Ｂが出力する第２交流電圧Ｖ_Ｂを検出電極１１１として選択された表側電極１１０に印加することができる。

【0057】

また、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、及び第３交流電圧Ｖ_Ｃは、正弦波であるので、第１電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃを用いて、式（２）に基づいて容易に出力電圧Ｖ_０を求めることができる。また、このようにして求まる出力電圧Ｖ_０に基づいて、安定的にトップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0058】

なお、以上では第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、及び第３交流電圧Ｖ_Ｃが正弦波である形態について説明したが、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、及び第３交流電圧Ｖ_Ｃは、矩形波であってもよい。正弦波の代わりに矩形波を用いても、出力電圧Ｖ_０の振幅Ｖ_０に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を同様に検出することができる。第１電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃの代わりに矩形波発生器を用いればよい。

【0059】

また、以上では、第１交流電圧Ｖ_Ａの振幅が第２交流電圧Ｖ_Ｂの振幅以上であり、かつ第３交流電圧Ｖ_Ｃの振幅が第２交流電圧の振幅Ｖ_Ｂ未満となる形態のうち、第１交流電圧Ｖ_Ａ＞第２交流電圧Ｖ_Ｂ＞第３交流電圧Ｖ_Ｃが成立する形態について説明した。しかしながら、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃについては、例えば、次のような関係を持たせてもよい。

【0060】

静電容量センサ１００は、指先ＦＴが存在しない状態においても、検出電極１１１及び駆動電極１１２と周囲の物体との間に生じる容量に応じた出力電圧Ｖ_０を出力する。このような状態を無操作状態と称す。

【0061】

ここで、無操作状態から指先ＦＴが検出電極１１１に近接し始めるときに、指先ＦＴの近接を検出しやすくするには、容量Ｃｆのダイナミックレンジを増大させればよい。無操作状態において、式（２）における（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ａ）×Ｃｐの項と、（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ｃ）×Ｃｓの項とが打ち消し合う関係を第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃに持たせれば、式（２）において容量Ｃｆのダイナミックレンジを増大させることができる。

【0062】

したがって、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、及び第３交流電圧Ｖ_Ｃを、無操作状態において、（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ａ）×Ｃｐの項と、（Ｖ_Ｂ－Ｖ_Ｃ）×Ｃｓの項とが打ち消し合うような振幅Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、及びＶ_Ｃに設定してもよい。無操作状態においてトップパネル１０１への指先ＦＴの近接を検出しやすくなる。

【0063】

なお、以上では、図１に示すようにマトリクス状に配置される複数の表側電極１１０を用いる形態について説明した。しかしながら、静電容量センサ１００が含む複数の表側電極１１０は、このような構成のものに限られない。複数の表側電極１１０は、例えば、行方向（Ｘ方向）に延在しＹ方向に配列される複数の電極と、列方向（Ｙ方向）に延在しＸ方向に配列される複数の電極との静電容量の変化に基づいて、トップパネル１０１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出する構成であってもよい。行方向（Ｘ方向）に延在しＹ方向に配列される複数の電極と、列方向（Ｙ方向）に延在しＸ方向に配列される複数の電極とは、平面視でダイアモンド型にパターニングされた電極であってもよい。

【0064】

＜実施形態２＞
図５は、実施形態２の静電容量センサ２００を示す図である。静電容量センサ２００は、検出電極１１１、駆動電極１１２、弾性誘電体１２０、シールド電極１３０、電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃ、検出部１５０、及び切替スイッチ２６１、２６２を含む。切替スイッチ２６１、２６２は、表側電極１１０から１以上の検出電極１１１を選択する選択部の一例である。図５では、検出電極１１１、駆動電極１１２、弾性誘電体１２０、シールド電極１３０については、ＸＹ平面内での平面的な構成を示す。また、図５ではトップパネル１０１を省略する。

【0065】

実施形態２では、静電容量センサ２００が２つの表側電極１１０を含み、一方を検出電極１１１として用い、他方を駆動電極１１２として用いる形態について説明する。なお、実施形態１の静電容量センサ１００と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

【0066】

切替スイッチ２６１、２６２は、ともに３端子型のスイッチであり、第１電圧出力部１４０Ａと入力端子１５１との接続先を検出電極１１１と駆動電極１１２とで切り替えることができる。図５には、切替スイッチ２６１、２６２によって、－Ｘ方向側の表側電極１１０を検出電極１１１として用いて入力端子１５１に接続し、＋Ｘ方向側の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いて第１電圧出力部１４０Ａに接続した状態を示す。しかしながら、切替スイッチ２６１、２６２を切り替えることにより、＋Ｘ方向側の表側電極１１０を入力端子１５１に接続し、－Ｘ方向側の表側電極１１０を第１電圧出力部１４０Ａに接続すれば、－Ｘ方向側の表側電極１１０を検出電極１１１として用いるとともに、＋Ｘ方向側の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いることができる。

【0067】

検出電極１１１と駆動電極１１２との間の容量（静電容量）をＣｐとすると、実施形態１の静電容量センサ１００と同様に、式（２）が成立する。このため、第１交流電圧Ｖ_Ａ、第２交流電圧Ｖ_Ｂ、第３交流電圧Ｖ_Ｃの間にＶ_Ａ≧Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの関係を持たせれば、実施形態１の静電容量センサ１００と同様に、検出部１５０の出力端子１５５の出力電圧Ｖ_０に基づいて、指先ＦＴの検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知することができる。

【0068】

また、－Ｘ方向側の表側電極１１０を検出電極１１１として用いるとともに、＋Ｘ方向側の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いた場合においても同様に、検出部１５０の出力端子１５５の出力電圧Ｖ_０に基づいて、指先ＦＴの検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知することができる。

【0069】

このため、２つの表側電極１１０の一方を検出電極１１１として用い、他方を駆動電極１１２として用いることにより、指先ＦＴの検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知することができる。

【0070】

したがって、指先ＦＴ（検出対象物）のトップパネル１０１への近接、接触、及び押圧を容易に検出可能な静電容量センサ２００を提供することができる。また、静電容量センサ２００は、表側電極１１０から検出電極１１１を選択する選択部としての切替スイッチ２６１、２６２を含み、第２電圧出力部１４０Ｂは、切替スイッチ２６１、２６２により選択された検出電極１１１に第２交流電圧Ｖ_Ｂを出力する。このため、最小限の回路としての切替スイッチ２６１、２６２の追加で、２つの表側電極１１０の一方と他方を検出電極１１１又は駆動電極１１２のいずれかに切り替え的に設定して、出力電圧Ｖ_０に基づいて指先ＦＴ（検出対象物）のトップパネル１０１への近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0071】

なお、実施形態２では、２つの表側電極１１０の一方を検出電極１１１として用い、他方を駆動電極１１２として用いる形態について説明したが、例えば、静電容量センサ２００がＸ方向に配列される３つの表側電極１１０を含む場合には、次のようにすればよい。３つの表側電極１１０に切替スイッチ２６１、２６２と同様の３つの切替スイッチを接続し、－Ｘ方向側の表側電極１１０を検出電極１１１として用いる場合には、Ｘ方向における中央の表側電極１１０と＋Ｘ方向側の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いて、指先ＦＴの検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知すればよい。＋Ｘ方向側の表側電極１１０を検出電極１１１として用いる場合には、この逆にすればよい。

【0072】

Ｘ方向における中央の表側電極１１０を検出電極１１１として用いる場合には、－Ｘ方向側と＋Ｘ方向側の表側電極１１０を駆動電極１１２として用いて、指先ＦＴの検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知すればよい。また。検出電極１１１以外の表側電極１１０のうち１つを駆動電極１２０として用いて、残りの表側電極１１０はフローティングにして用いる事も可能である。

【0073】

また、表側電極１１０の数が４つ以上の場合には、例えば、図５に示す静電容量センサ２００を複数設けることによって、検出電極１１１として選択した表側電極１１０への近接、接触、及び押圧を検知すればよい。

【0074】

＜実施形態３＞
図６は、実施形態３の静電容量センサ３００を示す図である。静電容量センサ３００は、トップパネル１０１、基板１０２、検出電極１１１、弾性誘電体１２０、シールド電極１３０、電圧出力部１４０Ａ、第２電圧出力部１４０Ｂ、第３電圧出力部１４０Ｃ、検出部１５０、コンデンサ３７０、及び端子３８０を含む。

【0075】

実施形態３では、静電容量センサ３００が１つの表側電極１１０を含み、検出電極１１１として用いる形態について説明する。なお、実施形態１の静電容量センサ１００と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

【0076】

コンデンサ３７０は、実施形態１における検出電極１１１と２つの駆動電極１１２との間の容量Ｃｐの代わりに設けられており、容量Ｃｐ３を有する。容量Ｃｐ３は、一例として実施形態１における容量Ｃｐに等しい。

【0077】

端子３８０は、駆動部の一例であり、検出電極１１１との間に容量Ｃｐ３を介して結合されている。本実施形態における端子３８０は、実施形態１における２つの駆動電極１１２の代わりに、第１電圧出力部１４０Ａから第１交流電圧Ｖ_Ａが出力される構成要素である。

【0078】

検出電極１１１と指先ＦＴとの間の容量Ｃｆ、及び、検出電極１１１とシールド電極１３０との間の容量Ｃｓは、実施形態１の容量Ｃｆ及び容量Ｃｓとそれぞれ同様であるため、検出部１５０の出力端子１５５の出力電圧Ｖ_０は、実施形態１と同様に式（２）で表すことができる。

【0079】

このため、実施形態３の静電容量センサ３００は、実施形態１の静電容量センサ１００と同様に、検出電極１１１への指先ＦＴの近接、接触、及び押圧を検出することができる。

【0080】

したがって、指先ＦＴ（検出対象物）のトップパネル１０１への近接、接触、及び押圧を容易に検出可能な静電容量センサ３００を提供することができる。

【0081】

なお、実施形態３では、１つの表側電極１１０を検出電極１１１として用いる静電容量センサ３００について説明したが、表側電極１１０が複数ある場合には、例えば、図６に示す静電容量センサ３００を複数設けることによって、各表側電極１１０を検出電極１１１として用いて、各検出電極１１１への近接、接触、及び押圧を検知すればよい。

【0082】

以上、本発明の例示的な実施形態の静電容量センサについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0083】

なお、本国際出願は、２０２１年３月２３日に出願した日本国特許出願２０２１－０４８２４７に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

【符号の説明】

【0084】

１００、２００、３００ 静電容量センサ
１０１ トップパネル
１０２ 基板
１１０ 表側電極
１１１ 検出電極
１１２ 駆動電極
１２０ 弾性誘電体
１３０ シールド電極
１４０Ａ 第１電圧出力部
１４０Ｂ 第２電圧出力部
１４０Ｃ 第３電圧出力部
１５０ 検出部
１５１ 入力端子
１５２ オペアンプ
１５３ コンデンサ
１５４ 抵抗器
１５５ 出力端子
２６１、２６２ 切替スイッチ
３７０ コンデンサ
３８０ 端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】