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WO2023223625A1 - 静電容量検出装置 - Google Patents

静電容量検出装置 Download PDF

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WO2023223625A1
WO2023223625A1 PCT/JP2023/007312 JP2023007312W WO2023223625A1 WO 2023223625 A1 WO2023223625 A1 WO 2023223625A1 JP 2023007312 W JP2023007312 W JP 2023007312W WO 2023223625 A1 WO2023223625 A1 WO 2023223625A1
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WO
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electrode
voltage
sensor electrode
capacitance
adjustment
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/007312
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English (en)
French (fr)
Inventor
朋輝 山田
Original Assignee
アルプスアルパイン株式会社
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Publication date
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    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means

Definitions

  • the present disclosure relates to a capacitance detection device.
  • a shield electrode is arranged around the lower electrode, and a ground electrode is arranged around the shield electrode, so that the capacitance value of the lower electrode becomes smaller than the surrounding area.
  • a proximity/contact sensor capactance detection device
  • Patent Document 1 a proximity/contact sensor (capacitance detection device) that can perform measurements without being affected by the noise.
  • a capacitance detection device includes a sensor electrode, a shield electrode disposed close to the sensor electrode, a first voltage output section that outputs a first AC voltage to the sensor electrode, and a first voltage output section that outputs a first AC voltage to the sensor electrode.
  • a second voltage output unit that applies a second AC voltage having the same frequency and phase as the first AC voltage and a larger amplitude than the first AC voltage to the shield electrode;
  • FIG. 1 is a diagram showing a capacitance detection device according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a planar configuration of a portion of the sensor section that includes a sensor electrode and an insulating layer.
  • FIG. 3 is a diagram showing a planar configuration of a portion of the sensor section that includes a shield electrode, an adjustment electrode, and an insulating layer.
  • 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a sensor section 110.
  • FIG. It is a figure explaining self-capacitance detection.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating absolute self-capacitance detection.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating absolute self-capacitance detection. It is a figure explaining absolute self-capacitance detection of an embodiment. It is a figure which shows the modification of an adjustment electrode.
  • FIG. 1 is a diagram showing a capacitance detection device 100 according to an embodiment.
  • the XYZ coordinate system will be defined and explained. Further, for convenience of explanation, the ⁇ Z direction side is referred to as the lower side or lower side, and the +Z direction side is referred to as the upper side or upper side, but this does not represent a universal vertical relationship. Furthermore, viewing in the XY plane is referred to as planar viewing.
  • the capacitance detection device 100 includes a top panel 101, a sensor section 110, AC voltage output sections 121 and 122, and a detection circuit 130.
  • the AC voltage output section 121 is an example of a first voltage output section
  • the AC voltage output section 122 is an example of a second voltage output section
  • the detection circuit 130 is an example of a detection section.
  • the capacitance detection device 100 detects the proximity or contact of a human body, such as a hand, to the top panel 101.
  • the upper surface of the top panel 101 is an operation surface for input devices and the like including the capacitance detection device 100.
  • a human body such as a hand is an example of an object to be detected by the capacitance detection device 100.
  • the top panel 101 may be a component of an input device including the capacitance detection device 100.
  • the sensor section 110 includes a sensor electrode (Rx) 111, a shield electrode (AS) 112, an adjustment electrode (AJ) 113, and insulating layers 115A and 115B.
  • the sensor section 110 is realized by a wiring board having a laminated structure in which an insulating layer 115B, a shield electrode 112, an adjustment electrode 113, an insulating layer 115A, and a sensor electrode 111 are laminated from the bottom to the top. There is.
  • the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are provided on the second surface of the insulating layer 115A on the opposite side to the first surface on the +Z direction side.
  • the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are provided on the -Z direction side (second side) opposite to the +Z direction side (first side) of the sensor electrode 111 where the fingertip FT is close to the sensor electrode 111. Since the insulating layer 115A is very thin, the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are arranged close to the sensor electrode 111.
  • FIG. 2A is a diagram showing a planar configuration of a portion of the sensor section 110 that includes the sensor electrode 111 and the insulating layer 115A.
  • FIG. 2B is a diagram showing a planar configuration of a portion of the sensor section 110 that includes the shield electrode 112, the adjustment electrode 113, and the insulating layer 115B.
  • FIG. 2A shows six sensor electrodes 111
  • FIG. 2B shows one shield electrode 112 and six adjustment electrodes 113.
  • the sensor electrode 111 is included in the first layer of the wiring board that implements the sensor section 110.
  • the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are included in the second layer of the wiring board that realizes the sensor section 110. Therefore, the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are provided in the same layer, which is different from the sensor electrode 111. Note that the sizes of the insulating layer 115A shown in FIG. 2A and the insulating layer 115B shown in FIG. 2B in plan view (the length in the X direction and the length in the Y direction) are equal.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the sensor section 110.
  • the cross section in FIG. 3 corresponds to the cross section taken along the line AA in FIG. 2A and the cross section taken along the line B-B in FIG. 2B.
  • the portion shown in FIG. 1 corresponds to the portion of the cross section shown in FIG. 3 that includes one shield electrode 112 and one adjustment electrode 113.
  • the sensor section 110 includes, for example, six sensor electrodes 111 (see FIG. 2A), one shield electrode 112 (see FIG. 2B), and six adjustment electrodes 113 (see FIG. 2B).
  • the six sensor electrodes 111 are arranged in a matrix of two rows and three columns, for example. Each sensor electrode 111 is connected to a wiring 114A.
  • the sensor electrode 111 is an electrode that detects the capacitance between the fingertip FT using a self-capacitance method, and is made of a conductive material such as an ITO (Indium Tin Oxide) film, zinc oxide, tin oxide, titanium oxide, etc. Created.
  • the insulating layer 115A may be a transparent substrate.
  • the sensor electrode 111 is connected to the AC voltage output section 121 and the detection circuit 130 via a wiring 114A (see FIG. 2A). Although one sensor electrode 111 is shown in FIG. 1, there are actually six sensor electrodes 111 as shown in FIG. 2A. For this reason, for example, a selection section such as a multiplexer is provided between six sensor electrodes 111 and one AC voltage output section 121 and between six sensor electrodes 111 and one detection circuit 130. It may be connected in sections. Each sensor electrode 111 is connected to the detection circuit 130 when detecting the capacitance with the fingertip FT using a self-capacitance method, and is also connected to the AC voltage output section 121 to apply an AC voltage. The AC voltage applied from the AC voltage output section 121 to each sensor electrode 111 is an example of the first AC voltage.
  • the shield electrode 112 is connected to the AC voltage output section 122, and when each sensor electrode 111 detects the capacitance between the fingertip FT using a self-capacitance method, the AC voltage is applied.
  • the AC voltage applied to the shield electrode 112 from the AC voltage output section 122 is an example of the second AC voltage.
  • the shield electrode 112 is made of a conductive material such as an ITO film, zinc oxide, tin oxide, titanium oxide, etc., for example.
  • the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 may also be made of an ITO film, and the insulating layers 115A and 115B may be transparent substrates.
  • the AC voltage applied to each sensor electrode 111 from the AC voltage output unit 121 and the AC voltage applied to the shield electrode 112 from the AC voltage output unit 122 have the same frequency and phase.
  • the amplitude Vas of the AC voltage applied from the AC voltage output unit 122 to the shield electrode 112 is larger than the amplitude Vrx of the AC voltage applied to each sensor electrode 111 from the AC voltage output unit 121.
  • the AC voltage output section 121 to each sensor electrode 111 and the AC voltage applied to the shield electrode 112 from the AC voltage output section 122 have the same frequency and phase
  • the AC voltage output instead of sections 121 and 122, one AC voltage output section is used, a variable amplifier is provided between the AC voltage output section and the sensor electrode 111, and a variable amplifier is provided between the AC voltage output section and the shield electrode 112.
  • An amplifier may be provided to adjust the amplification factor so that the amplitude Vas becomes larger than the amplitude Vrx.
  • the rectangular outer edge of the shield electrode 112 shown in FIG. 2B includes the rectangular outer edges of the six sensor electrodes 111 shown in FIG. 2A.
  • the first region 111A where each sensor electrode 111 is provided is located inside (inside) the second region 112A where the shield electrode 112 is provided.
  • the first region 111A is shown outside the outer edge of the sensor electrode 111, but the outer edge of the first region 111A is equal to the outer edge of the sensor electrode 111.
  • the second region 112A is shown outside the outer edge of the shield electrode 112, the outer edge of the second region 112A is equal to the outer edge of the shield electrode 112. Since the six adjustment electrodes 113 are arranged inside the rectangular outer edge of the shield electrode 112, the shield electrode 112 has a non-forming portion 112B that is patterned to avoid the six adjustment electrodes 113.
  • the adjustment electrode 113 is grounded via a wiring 114B.
  • the wiring 114B is an example of a voltage setting unit that sets the adjustment electrode 113 to a ground potential (ground potential) as a fixed potential.
  • the adjustment electrode 113 is made of a conductive material such as an ITO film, zinc oxide, tin oxide, titanium oxide, etc., for example.
  • the sensor electrode 111 is an ITO film
  • the adjustment electrode 113 and the shield electrode 112 may also be made of an ITO film, and the insulating layers 115A and 115B may be transparent substrates.
  • the adjustment electrode 113 is provided inside the rectangular outer edge of the shield electrode 112 as shown in FIG. 2B in a plan view, and is arranged so as to fit inside the outer edge of each sensor electrode 111. In plan view, the adjustment electrode 113 is smaller than the sensor electrode 111. In plan view, the six third regions 113A in which the six adjustment electrodes 113 are provided are located inside the six first regions 111A in which the six sensor electrodes 111 are provided. Here, for the sake of clarity, the third region 113A is shown outside the outer edge of the adjustment electrode 113, but the outer edge of the third region 113A is equal to the outer edge of the adjustment electrode 113.
  • all the sensor electrodes 111 are arranged inside the rectangular outer edge of the shield electrode 112 in plan view, all the third regions 113A where all the adjustment electrodes 113 are arranged are It is located inside (inside) the second area where it is placed. Note that the details of the function of the adjustment electrode 113 will be described later.
  • the AC voltage output units 121 and 122 are AC voltage sources that output AC voltages to be applied to the sensor electrode 111 and the shield electrode 112, respectively.
  • the AC voltage output unit 121 applies an AC voltage with an amplitude Vrx to the sensor electrodes 111 selected by a not-shown multiplexer or the like in a time-division manner.
  • the AC voltage output unit 122 applies an AC voltage with an amplitude Vas to the shield electrode 112.
  • the amplitude Vas is larger than the amplitude Vrx. That is, an AC voltage having a larger amplitude than that of the sensor electrode 111 is applied to the shield electrode 112 .
  • the detection circuit 130 detects the self-capacitance value of the connected sensor electrode 111. Specifically, the detection circuit 130 detects the capacitance between each sensor electrode 111 and the fingertip FT in a time-sharing manner. Further, the detection circuit 130 detects the XY coordinates and Z coordinates of the fingertip FT when the fingertip FT is close to the top panel 101, and detects the XY coordinates of the fingertip FT when the fingertip FT is in contact with the top panel 101. can be detected.
  • proximity means that the operation surface of the top panel 101 and the fingertip FT are not in contact with each other, but it is possible to determine that the operation surface of the top panel 101 is close to the operation surface based on the capacitance between each sensor electrode 111 and the fingertip FT. It is in a state of
  • FIGS. 4A, 4B, and 4C a capacitance detection method will be described using FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • the contents shown in FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are not conventional techniques, but are diagrams explaining the principles of each detection method.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a self-capacitance type capacitance detection method (self-capacitance detection).
  • FIG. 4A is a diagram showing a state in which the capacitance of the fingertip FT is detected using a self-capacitance method using only the sensor electrode Rx without using a shield electrode. This is equivalent to having a capacitor Crf with a coupling capacitance Crf between the fingertip FT and the sensor electrode Rx, and it is equivalent to having a capacitor Crg with a coupling capacitance Crg between the sensor electrode Rx and the ground GND.
  • the coupling capacitance Crf changes.
  • the main purpose of the self-capacitance detection sensor is to detect this capacitance Crf as a numerical value and measure the positional relationship between the sensor electrode Rx and the fingertip FT.
  • a value proportional to the charge generated on the sensor electrode Rx side that is, a value proportional to Crf+Crg is detected.
  • the capacitance of capacitor Crg has a large proportion of base capacitance, such as the capacitance between metals in the wiring board and the capacitance between the electrodes of the touch panel, and the base capacitance tends to drift due to environmental changes. Therefore, it is not easy to accurately detect the capacitance Crf between the fingertip FT and the sensor electrode Rx.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an absolute self-capacitance type capacitance detection method (absolute self-capacitance detection).
  • FIG. 4B is a diagram showing a state in which the capacitance of the fingertip FT is detected using the absolute self-capacitance method using the sensor electrode Rx and the shield electrode AS. This is equivalent to having a capacitor Crf with a coupling capacitance Crf between the fingertip FT and the sensor electrode Rx, and it is equivalent to having a capacitor Crs with a coupling capacitance Crs between the sensor electrode Rx and the shield electrode AS. .
  • the frequency, amplitude Vrx, and phase of the AC voltage applied to the sensor electrode Rx are respectively equal to the frequency, amplitude Vas, and phase of the AC voltage applied to the shield electrode AS.
  • FIG. 4C is a diagram illustrating an absolute self-capacitance type capacitance detection method (absolute self-capacitance detection).
  • absolute self-capacitance detection shown in FIG. 4C, the frequency and phase of the AC voltage applied to the sensor electrode Rx are equal to the frequency and phase of the AC voltage applied to the shield electrode AS. This differs from the absolute self-capacitance detection shown in FIG. 4B in that the amplitude Vas is larger than the amplitude Vrx of the AC voltage applied to the sensor electrode Rx.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating absolute self-capacitance detection according to the embodiment.
  • the amplitude of the AC voltage applied to the sensor electrode (Rx) 111 is set to Vrx
  • the amplitude of the AC voltage applied to the shield electrode (AS) 112 is set to Vrx.
  • the amplitude of the AC voltage is Vas
  • the fixed potential of the adjustment electrode (AJ) 113 is Va
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the shield electrode 112 is Crs
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is Cra.
  • One example is to shift the area ratio.
  • the capacitance detection device 100 includes the sensor electrode 111, the shield electrode 112 disposed close to the sensor electrode 111, and the AC voltage output section 121 that outputs the first AC voltage Vrx to the sensor electrode 111.
  • an AC voltage output unit 122 that applies a second AC voltage Vas having the same frequency and phase as the first AC voltage Vrx and a larger amplitude than the first AC voltage Vrx to the shield electrode 112; It includes a detection circuit 130 that detects a self-capacitance value, an adjustment electrode 113 disposed close to the sensor electrode 111, and a voltage setting section that sets the adjustment electrode 113 to a fixed potential Va.
  • an adjustment electrode 113 capacitively coupled to the sensor electrode 111 is provided, and the adjustment electrode 113 Since it is set to a fixed potential (here, ground potential), it is possible to suppress the influence of drift in the capacitance value between the sensor electrode 111, the shield electrode 112, and the adjustment electrode 113 due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the amplitude of the first AC voltage is Vrx
  • the amplitude of the second AC voltage is Vas
  • the fixed potential is Va
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the shield electrode 112 is Crs
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is determined based on the relational expression (1).
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is adjusted so as to satisfy the condition of equation (1), so the capacitance It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can more reliably suppress the influence of drift due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the adjustment electrode 113 can be easily set to the fixed potential Va, and the capacitance value can be adjusted in the environment such as temperature and humidity with a simple configuration. It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can suppress the influence of drift due to changes.
  • the sensor electrode 111 is provided on the first surface (the surface on the +Z direction side) of the insulating layer 115A, and the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are provided on the first surface (the surface on the +Z direction side) of the insulating layer 115A. It is provided on the second surface (the surface on the -Z direction side) on the opposite side.
  • the first surface (the surface on the +Z direction side) of the insulating layer 115A is located on the side where the fingertip FT approaches the sensor electrode 111. Even if there is a ground potential member etc. that is held at ground potential in the -Z direction from the shield electrode 112, the influence of the ground potential member etc.
  • the sensor electrode 111, the shield electrode 112, and the adjustment electrode 113 are provided on a wiring board having a laminated structure, and the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are provided on the same layer different from the sensor electrode 111. Therefore, the inter-electrode distance between the shield electrode 112 and the sensor electrode 111 and the inter-electrode distance between the adjustment electrode 113 and the sensor electrode 111 can be made equal, and the condition of equation (1) can be set. It becomes easier. Therefore, it is possible to provide the capacitance detection device 100 that can more reliably and easily suppress the influence of drift on capacitance values due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the sensor electrode 111 and the shield electrode 112 are arranged to face each other, and the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 are arranged to face each other, it is possible to reliably set the condition of formula (1). It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can more reliably and easily suppress the influence of drift on capacitance values due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the first region 111A where the sensor electrode 111 is provided is located inside the second region 112A where the shield electrode 112 is provided, and in the plan view, the third region 113A where the adjustment electrode 113 is provided. Since it is located inside the first region 111A and the second region 112A, the condition of equation (1) can be set reliably, and the influence of drift due to environmental changes such as temperature and humidity on the capacitance value can be more reliably and easily set. It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can suppress
  • the shield electrode 112 is provided on the second side opposite to the first side of the sensor electrode 111 where the fingertip FT is close to the sensor electrode 111, the shield electrode 112 is held at the ground potential in the ⁇ Z direction than the shield electrode 112. Even if there is a ground potential member etc. that is present, the influence of the ground potential member etc. on the detection of the fingertip FT by the sensor electrode 111 can be effectively suppressed, and the drift of the capacitance value due to environmental changes such as temperature and humidity can be suppressed. It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can suppress the influence more reliably and easily.
  • the shield electrode 112 and the adjustment electrode 113 are located at a position that is not visible to the user. 112 and adjustment electrodes 113 can be arranged.
  • the adjustment electrode 113 is arranged on the back side of the sensor electrode 111, it is possible to suppress an increase in the coupling capacitance between the fingertip FT and the adjustment electrode 113 as the fingertip FT approaches. This also makes it possible to provide the capacitance detection device 100 that can more reliably and easily suppress the influence of drift on capacitance values due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the voltage applied to the adjustment electrode 113 is smaller than the amplitude Vrx of the AC voltage applied to the sensor electrode 111 and is applied to the sensor electrode 111.
  • An alternating current voltage Va having the same frequency and phase as the alternating current voltage may be applied.
  • the AC voltage Va applied to the adjustment electrode 113 in this way is an example of the third AC voltage.
  • the third AC voltage may be output from an AC voltage output section (an example of a voltage setting section) similar to the AC voltage output sections 121 and 122.
  • the amplitude of the first AC voltage is Vrx
  • the amplitude of the second AC voltage is Vas
  • the amplitude of the third AC voltage having the same phase as the first AC voltage is Va
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the shield electrode 112 is Crs.
  • Cra is the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is determined based on the relational expression (2).
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is adjusted so as to satisfy the condition of equation (2), so the capacitance It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can more reliably suppress the influence of drift due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • an AC voltage having the same frequency as the AC voltage applied to the sensor electrode 111 and having an opposite phase to the AC voltage applied to the sensor electrode 111 may be applied to the adjustment electrode 113.
  • Such a reverse phase AC voltage is also an example of the third AC voltage.
  • the amplitude of the third AC voltage does not need to be smaller than the amplitude Vrx of the AC voltage, and the amplitude of the third AC voltage is It can be any size.
  • the third AC voltage may be output from an AC voltage output section (an example of a voltage setting section) similar to the AC voltage output sections 121 and 122.
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 may be adjusted so as to satisfy the following equation (3), which is a modification of equation (2).
  • the amplitude of the first AC voltage is Vrx
  • the amplitude of the second AC voltage is Vas
  • the amplitude of the third AC voltage having the opposite phase to the first AC voltage is Va
  • the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the shield electrode 112 is Crs.
  • Cra is the coupling capacitance between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is determined based on the following relational expression (3).
  • the coupling capacitance Cra between the sensor electrode 111 and the adjustment electrode 113 is adjusted so as to satisfy the condition of equation (2), so the capacitance It is possible to provide a capacitance detection device 100 that can more reliably suppress the influence of drift due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the shield electrode 112 surrounding the sensor electrode 111 on the upper surface of the insulating layer 115A may be provided.
  • the shield electrode 112 By providing the shield electrode 112 around the sensor electrode 111, the coupling capacitance with surrounding ground potential metal members, etc. is reduced, and the influence of drift due to environmental changes such as temperature and humidity on the capacitance value is more reliably suppressed.
  • a suppressible capacitance sensing device 100 can be provided.
  • FIG. 6 is a diagram showing a modification of the adjustment electrode 113. Similar to FIG. 2B, FIG. 6 shows a planar configuration of a portion of the sensor section 110 that includes the shield electrode 112, the adjustment electrode 113, and the insulating layer 115B.
  • the adjustment electrode 113 may be a plurality of striped electrodes extending along the X-axis.
  • the ends of seven adjustment electrodes 113 arranged in the Y direction on the +X direction side are connected by a wiring 114B extending in the Y direction.
  • Capacitance detection device 101
  • Top panel 110
  • Sensor section 111
  • Sensor electrode 111A First region 112
  • Shield electrode 112A
  • Second region Adjustment electrode 113A
  • Third region 115A, 115B Insulating layer 121, 122 AC voltage output section 130 Detection circuit

Landscapes

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Abstract

静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制可能な静電容量検出装置を提供する。　静電容量検出装置は、センサ電極と、前記センサ電極に近接して配置されたシールド電極と、前記センサ電極に第１交流電圧を出力する第１電圧出力部と、前記第１交流電圧と同一の周波数及び位相と、前記第１交流電圧よりも大きい振幅とを有する第２交流電圧を前記シールド電極に印加する第２電圧出力部と、前記センサ電極の自己容量値を検出する検出部と、前記センサ電極に近接して配置された調整電極と、前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧と同一の位相と、前記第１交流電圧の振幅よりも小さい振幅とを有する第３交流電圧、若しくは、前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧とは逆の位相とを有する第３交流電圧を前記調整電極に出力する、又は、前記調整電極を固定電位に設定する電圧設定部とを含む。

Description

静電容量検出装置
　本開示は、静電容量検出装置に関する。
　従来より、上部電極（センサ電極）と下部電極の他に、下部電極の周囲にシールド電極を配設し、かつグランド電極をシールド電極の周囲に配設することで、下部電極の容量値が周囲の影響を受けずに測定可能な近接・接触センサ（静電容量検出装置）がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１９－１４９２０７号公報
　ところで、センサ電極とシールド電極とに異なる電圧を印加する静電容量検出装置において、検出される静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制することは開示されていない。
　そこで、静電容量値の温度ドリフトの影響を抑制可能な静電容量検出装置を提供することを目的とする。
　本開示の実施形態の静電容量検出装置は、センサ電極と、前記センサ電極に近接して配置されたシールド電極と、前記センサ電極に第１交流電圧を出力する第１電圧出力部と、前記第１交流電圧と同一の周波数及び位相と、前記第１交流電圧よりも大きい振幅とを有する第２交流電圧を前記シールド電極に印加する第２電圧出力部と、前記センサ電極の自己容量値を検出する検出部と、前記センサ電極に近接して配置された調整電極と、前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧と同一の位相と、前記第１交流電圧の振幅よりも小さい振幅とを有する第３交流電圧、若しくは、前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧とは逆の位相とを有する第３交流電圧を前記調整電極に出力する、又は、前記調整電極を固定電位に設定する電圧設定部とを含む。
　静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制可能な静電容量検出装置を提供することができる。
実施形態の静電容量検出装置を示す図である。 センサ部のうちのセンサ電極及び絶縁層を含む部分の平面構成を示す図である。 センサ部のうちのシールド電極、調整電極、及び絶縁層を含む部分の平面構成を示す図である。 センサ部１１０の断面構成を示す図である。 自己容量検出を説明する図である。 絶対自己容量検出を説明する図である。 絶対自己容量検出を説明する図である。 実施形態の絶対自己容量検出を説明する図である。 調整電極の変形例を示す図である。
　以下、本開示の静電容量検出装置を適用した実施形態について説明する。
　＜実施形態＞
　図１は、実施形態の静電容量検出装置１００を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。また、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が、普遍的な上下関係を表すものではない。また、ＸＹ面視することを平面視と称す。
　静電容量検出装置１００は、トップパネル１０１、センサ部１１０、交流電圧出力部１２１、１２２、及び検出回路１３０を含む。交流電圧出力部１２１は第１電圧出力部の一例であり、交流電圧出力部１２２は第２電圧出力部の一例であり、検出回路１３０は検出部の一例である。
　静電容量検出装置１００は、手等の人体のトップパネル１０１への近接又は接触を検出する。トップパネル１０１の上面は、静電容量検出装置１００を含む入力装置等の操作面である。手等の人体は、静電容量検出装置１００の検出対象となる対象物の一例である。以下では、利用者が指先ＦＴをトップパネル１０１に近づける場合について説明する。なお、ここでは、トップパネル１０１が静電容量検出装置１００の構成要素である形態について説明するが、トップパネル１０１は、静電容量検出装置１００を含む入力装置の構成要素であってもよい。
　センサ部１１０は、センサ電極（Ｒｘ）１１１、シールド電極（ＡＳ）１１２、調整電極（ＡＪ）１１３、及び絶縁層１１５Ａ及び１１５Ｂを有する。センサ部１１０は、一例として、絶縁層１１５Ｂと、シールド電極１１２及び調整電極１１３と、絶縁層１１５Ａと、センサ電極１１１とが下側から上側にかけて積層された積層構造を有する配線基板によって実現されている。
　シールド電極１１２及び調整電極１１３は、絶縁層１１５Ａの＋Ｚ方向側の第１面とは反対側の第２面に設けられている。シールド電極１１２及び調整電極１１３は、センサ電極１１１に指先ＦＴが近接するセンサ電極１１１の＋Ｚ方向側（第１側）とは反対の－Ｚ方向側（第２側）に設けられている。絶縁層１１５Ａは非常に薄いため、センサ電極１１１に対してシールド電極１１２及び調整電極１１３は近接して配置されている。
　また、以下では、図１に加えて図２Ａ、図２Ｂ、及び図３を用いて説明する。図２Ａは、センサ部１１０のうちのセンサ電極１１１及び絶縁層１１５Ａを含む部分の平面構成を示す図である。図２Ｂは、センサ部１１０のうちのシールド電極１１２、調整電極１１３、及び絶縁層１１５Ｂを含む部分の平面構成を示す図である。図２Ａには６個のセンサ電極１１１を示し、図２Ｂには１個のシールド電極１１２と６個の調整電極１１３を示す。センサ電極１１１は、センサ部１１０を実現する配線基板の第１層に含まれる。シールド電極１１２及び調整電極１１３は、センサ部１１０を実現する配線基板の第２層に含まれる。このため、シールド電極１１２及び調整電極１１３は、センサ電極１１１とは異なる同一の層に設けられている。なお、図２Ａに示す絶縁層１１５Ａと、図２Ｂに示す絶縁層１１５Ｂとの平面視におけるサイズ（Ｘ方向の長さとＹ方向の長さ）は等しい。
　図３は、センサ部１１０の断面構成を示す図である。図３の断面は、図２ＡのＡ－Ａ矢視断面と、図２ＢのＢ－Ｂ矢視断面とに相当する断面である。図１に示す部分は、図３の断面のうちの１個のシールド電極１１２と１個の調整電極１１３とを含む部分に相当する。
　センサ部１１０は、一例として６個のセンサ電極１１１（図２Ａ参照）と、１個のシールド電極１１２（図２Ｂ参照）と、６個の調整電極１１３（図２Ｂ参照）とを含む。
　図２Ａに示すように、６個のセンサ電極１１１は、一例としてマトリクス状に２行×３列で配置されている。各センサ電極１１１には、配線１１４Ａが接続されている。センサ電極１１１は、指先ＦＴとの間の静電容量を自己容量式で検出する電極であり、一例としてＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン等のような導電材料で作製される。センサ電極１１１がＩＴＯ膜である場合は、絶縁層１１５Ａは透明な基板であればよい。
　センサ電極１１１は、配線１１４Ａ（図２Ａ参照）を介して交流電圧出力部１２１及び検出回路１３０に接続されている。図１には１個のセンサ電極１１１を示すが、実際には図２Ａに示すようにセンサ電極１１１は６個ある。このため、例えば６個のセンサ電極１１１と１個の交流電圧出力部１２１との間と、６個のセンサ電極１１１と１個の検出回路１３０との間にマルチプレクサ等の選択部を設けて時分割的に接続してもよい。各センサ電極１１１は、指先ＦＴとの間の静電容量を自己容量式で検出する際に検出回路１３０に接続されるとともに、交流電圧出力部１２１に接続されて交流電圧が印加される。交流電圧出力部１２１から各センサ電極１１１に印加される交流電圧は、第１交流電圧の一例である。
　図１に示すように、シールド電極１１２は、交流電圧出力部１２２に接続されており、各センサ電極１１１が指先ＦＴとの間の静電容量を自己容量式で検出する際に、交流電圧が印加される。交流電圧出力部１２２からシールド電極１１２に印加される交流電圧は、第２交流電圧の一例である。シールド電極１１２は、一例としてＩＴＯ膜、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン等のような導電材料で作製される。センサ電極１１１がＩＴＯ膜である場合は、シールド電極１１２及び調整電極１１３もＩＴＯ膜で作製すればよく、絶縁層１１５Ａ及び１１５Ｂは透明な基板であればよい。
　一例として、交流電圧出力部１２１から各センサ電極１１１に印加される交流電圧と、交流電圧出力部１２２からシールド電極１１２に印加される交流電圧とは、同一の周波数及び位相を有する。この場合において、交流電圧出力部１２２からシールド電極１１２に印加される交流電圧の振幅Ｖａｓは、交流電圧出力部１２１から各センサ電極１１１に印加される交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも大きい。なお、交流電圧出力部１２１から各センサ電極１１１に印加される交流電圧と、交流電圧出力部１２２からシールド電極１１２に印加される交流電圧とは、同一の周波数及び位相を有するため、交流電圧出力部１２１及び１２２の代わりに、１個の交流電圧出力部を用いて、交流電圧出力部とセンサ電極１１１との間に可変増幅器を設けるとともに、交流電圧出力部とシールド電極１１２との間に可変増幅器を設けて、振幅Ｖａｓが振幅Ｖｒｘよりも大きくなるように増幅率を調整してもよい。
　平面視において、図２Ｂに示すシールド電極１１２の矩形状の外縁は、図２Ａに示す６個のセンサ電極１１１の矩形状の外縁を含んでいる。各センサ電極１１１が設けられる第１領域１１１Ａは、シールド電極１１２が設けられる第２領域１１２Ａの内部（内側）に位置する。ここでは、分かり易くするために第１領域１１１Ａをセンサ電極１１１の外縁の外側に示すが、第１領域１１１Ａの外縁は、センサ電極１１１の外縁に等しい。同様に、第２領域１１２Ａを、シールド電極１１２の外縁の外側に示すが、第２領域１１２Ａの外縁は、シールド電極１１２の外縁に等しい。シールド電極１１２の矩形状の外縁の内側には、６個の調整電極１１３が配置されるため、シールド電極１１２は、６個の調整電極１１３を避けるためにパターニングされた非形成部１１２Ｂを有する。
　調整電極１１３は、図１に示すように、配線１１４Ｂを介して接地されている。配線１１４Ｂは、調整電極１１３を固定電位としての接地電位（グランド電位）に設定する電圧設定部の一例である。実際には、図２Ｂに示すように６個の調整電極１１３が設けられるが、すべての調整電極１１３は、配線１１４Ｂを介して接地されている。調整電極１１３は、一例としてＩＴＯ膜、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン等のような導電材料で作製される。センサ電極１１１がＩＴＯ膜である場合は、調整電極１１３及びシールド電極１１２もＩＴＯ膜で作製すればよく、絶縁層１１５Ａ及び１１５Ｂは透明な基板であればよい。
　調整電極１１３は、平面視において、図２Ｂに示すようにシールド電極１１２の矩形状の外縁の内側に設けられ、かつ、各センサ電極１１１の外縁の内側に収まるように配置される。平面視において、調整電極１１３は、センサ電極１１１よりも小さい。平面視において、６個の調整電極１１３が設けられる６個の第３領域１１３Ａは、６個のセンサ電極１１１が設けられる６個の第１領域１１１Ａの内側部にそれぞれ位置する。ここでは、分かり易くするために第３領域１１３Ａを調整電極１１３の外縁の外側に示すが、第３領域１１３Ａの外縁は、調整電極１１３の外縁に等しい。また、すべてのセンサ電極１１１は、平面視において、シールド電極１１２の矩形状の外縁の内側に配置されるため、すべての調整電極１１３が配置されるすべての第３領域１１３Ａは、シールド電極１１２が配置される第２領域の内部（内側）に位置する。なお、調整電極１１３の機能の詳細については後述する。
　交流電圧出力部１２１及び１２２は、それぞれ、センサ電極１１１及びシールド電極１１２に印加する交流電圧を出力する交流電圧源である。交流電圧出力部１２１は、振幅Ｖｒｘの交流電圧を図示しないマルチプレクサ等で選択されるセンサ電極１１１に時分割的に印加する。交流電圧出力部１２２は、シールド電極１１２に振幅Ｖａｓの交流電圧を印加する。振幅Ｖａｓは、振幅Ｖｒｘよりも大きい。すなわち、シールド電極１１２には、センサ電極１１１よりも振幅の大きい交流電圧が印加される。
　検出回路１３０は、接続されたセンサ電極１１１の自己容量値を検出する。具体的には、検出回路１３０は、各センサ電極１１１と指先ＦＴとの間の静電容量を時分割的に検出する。また、検出回路１３０は、指先ＦＴがトップパネル１０１に近接した状態において、指先ＦＴのＸＹ座標とＺ座標を検出するとともに、指先ＦＴがトップパネル１０１に接触した状態において、指先ＦＴのＸＹ座標を検出することができる。なお、近接とは、トップパネル１０１の操作面と指先ＦＴとが接触していないが、操作面に近づいていることを各センサ電極１１１と指先ＦＴとの間の静電容量に基づいて判断可能な状態である。
　＜静電容量の検出方式＞
　ここでは、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを用いて静電容量の検出方式について説明する。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示す内容は、従来技術ではなく、各検出方式の原理を説明する図である。
図４Ａは、自己容量式の静電容量の検出方式（自己容量検出）を説明する図である。図４Ａは、シールド電極を用いずに、センサ電極Ｒｘのみで指先ＦＴの静電容量を自己容量式で検出する状態を示す図である。指先ＦＴとセンサ電極Ｒｘとの間には結合容量ＣｒｆのコンデンサＣｒｆがあるのと等価であり、センサ電極ＲｘとグランドＧＮＤとの間には結合容量ＣｒｇのコンデンサＣｒｇがあるのと等価である。センサ電極Ｒｘに対する指先ＦＴの位置が変化すると、結合容量Ｃｒｆが変化する。自己容量検出センサの主な目的はこの静電容量Ｃｒｆを数値として検出し、センサ電極Ｒｘと指先ＦＴの位置関係を計測することである。
　センサ電極Ｒｘに振幅Ｖｒｘの交流電圧が印加されて、センサ電極Ｒｘの電位がＶｒｘであるときには、コンデンサＣｒｇのセンサ電極Ｒｘ側の電極に正電荷が発生し、グランドＧＮＤ側の電極に負電荷が発生する。このとき、コンデンサＣｒｆの指先ＦＴ側の電極に負電荷が発生し、センサ電極Ｒｘ側の電極に正電荷が発生する。
　図４Ａに示す自己容量検出では、センサ電極Ｒｘ側に発生した電荷に比例した数値、すなわちＣｒｆ＋Ｃｒｇに比例した数値が検出される。またコンデンサＣｒｇの静電容量には、配線基板内の金属同士の静電容量や、タッチパネルの電極同士の静電容量等のベース容量が占める割合が多く、ベース容量には環境変化によるドリフトが生じるため、指先ＦＴとセンサ電極Ｒｘとの間の静電容量Ｃｒｆを正確に検出するのは容易ではない。
　図４Ｂは、絶対自己容量式の静電容量の検出方式（絶対自己容量検出）を説明する図である。図４Ｂは、センサ電極Ｒｘとシールド電極ＡＳを用いて指先ＦＴの静電容量を絶対自己容量式で検出する状態を示す図である。指先ＦＴとセンサ電極Ｒｘとの間には結合容量ＣｒｆのコンデンサＣｒｆがあるのと等価であり、センサ電極Ｒｘとシールド電極ＡＳとの間には結合容量ＣｒｓのコンデンサＣｒｓがあるのと等価である。センサ電極Ｒｘに印加する交流電圧の周波数、振幅Ｖｒｘ、及び位相は、それぞれ、シールド電極ＡＳに印加する交流電圧の周波数、振幅Ｖａｓ、及び位相と等しい。
　センサ電極Ｒｘに印加する交流電圧の周波数、振幅Ｖｒｘ、及び位相と、シールド電極ＡＳに印加する交流電圧の周波数、振幅Ｖａｓ、及び位相とがそれぞれ等しい場合には、コンデンサＣｒｓに電荷が生じないため、グランドＧＮＤの影響が排除され、指先ＦＴとセンサ電極Ｒｘとの間の静電容量を正確に検出することができる。
　図４Ｃは、絶対自己容量式の静電容量の検出方式（絶対自己容量検出）を説明する図である。図４Ｃに示す絶対自己容量検出は、センサ電極Ｒｘに印加する交流電圧の周波数及び位相と、シールド電極ＡＳに印加する交流電圧の周波数及び位相とそれぞれ等しいが、シールド電極ＡＳに印加する交流電圧の振幅Ｖａｓが、センサ電極Ｒｘに印加する交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも大きい点が図４Ｂに示す絶対自己容量検出と異なる。
　シールド電極ＡＳに印加する交流電圧の振幅Ｖａｓは、センサ電極Ｒｘに印加する交流電圧の振幅Ｖｒｘと異なるため、コンデンサＣｒｓの２つの電極には正電荷と負電荷が生じている。このようにコンデンサＣｒｓの２つの電極に正電荷と負電荷が存在すると、図４Ａに示す自己容量検出よりは影響が少ないが、指先ＦＴの位置検出に影響が生じ、環境変化によるドリフトが僅かながら生じる。
　実施形態の静電容量検出装置１００は、シールド電極１１２に印加する交流電圧の振幅Ｖａｓと、センサ電極１１１に印加する交流電圧の振幅Ｖｒｘと異なる前提で、環境変化によるドリフトを抑制する。ここでは、図１に電荷の＋、―の符号を追加した図５を用いて説明する。図５は、実施形態の絶対自己容量検出を説明する図である。
　図５に示すように、調整電極（ＡＪ）１１３を含む静電容量検出装置１００において、センサ電極（Ｒｘ）１１１に印加される交流電圧の振幅をＶｒｘ、シールド電極（ＡＳ）１１２に印加される交流電圧の振幅をＶａｓ、調整電極（ＡＪ）１１３の固定電位をＶａ、センサ電極１１１とシールド電極１１２との結合容量をＣｒｓ、センサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量をＣｒａとする。結合容量ＣｒｓのコンデンサをコンデンサＣｒｓ、結合容量ＣｒａのコンデンサをコンデンサＣｒａと称して説明する。なお、調整電極１１３の固定電位をＶａとして説明するが、ここではＶａ＝０Ｖである。
　シールド電極１１２に印加する交流電圧の振幅Ｖａｓが、センサ電極１１１に印加する交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも大きいため、コンデンサＣｒｓのシールド電極１１２側の電極（下側の電極）には正電荷が生じ、コンデンサＣｒｓのセンサ電極１１１側の電極（上側の電極）には負電荷が生じる。逆に、調整電極１１３に印加する交流電圧の振幅（ＧＮＤのため０Ｖ）が、センサ電極１１１に印加する交流電圧Ｖｒｘよりも小さいため、コンデンサＣｒａのセンサ電極１１１側の電極（上側の電極）には正電荷が生じ、コンデンサＣｒａの調整電極１１３側の電極（下側の電極）には負電荷が生じる。また、コンデンサＣｒｆのセンサ電極Ｒｘ１１１側の電極（下側の電極）には正電荷が生じ、コンデンサＣｒｆの指先ＦＴ側の電極（上側の電極）には負電荷が生じる。
　コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷を相殺すれば、コンデンサＣｒｆの電荷（容量）のみに比例した数値を検出することが可能になる。そのためには、コンデンサＣｒｓのセンサ電極１１１側の電極（上側の電極）の負電荷と、コンデンサＣｒａのセンサ電極１１１側の電極（上側の電極）の正電荷とを足してゼロになればよいため、次式（１）が成り立てばよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（１）が成り立てば、コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷を相殺することができるため、センサ電極１１１と、シールド電極１１２及び調整電極１１３との間に電荷が生じないようにすることができる。これは、図４Ｂにおいて、コンデンサＣｒｓに電荷が生じない状態と同様である。
　なお、センサ電極１１１と、シールド電極１１２及び調整電極１１３との間に電荷が生じないようにする式（１）の条件を完全に満たさなくても、式（１）を満たすＣｒａの値に近い値を用いても、コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷を相殺する効果が得られる。
　結合容量Ｃｒａについて、式（１）の関係式に基づいて決定されるセンサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量Ｃｒａを有するとは、このように式（１）から求まる値から少しずらした値に設定することを含む趣旨である。
　なお、一例として、Ｖｒｘ＝０．９５Ｖａｓの場合には、Ｃｒｓ：Ｃｒａ＝０．９５×Ｖａｓ：０．０５×Ｖａｓとなり、Ｃｒｓ：Ｃｒａ＝１９：１となる。このような比を満たす結合容量Ｃｒａを式（１）から求めて、センサ電極１１１、シールド電極１１２、及び調整電極１１３を設計すればよい。コンデンサＣｒｓ及びＣｒａは、１つの配線基板の中に存在し、電極間距離が等しいため、Ｃｒｓ：Ｃｒａ＝１９：１の関係は、コンデンサＣｒｓ及びＣｒａの面積の比で容易に実現できる。
　また、上述のように式（１）から求まる値から少しずらした値に設定することは、例えば、式（１）から得られるＣｒｓ：Ｃｒａ＝１９：１という比におけるＣｒａの割合を１よりも低減することであり、一例として面積比をずらすことである。
　＜効果＞
　以上のように、静電容量検出装置１００は、センサ電極１１１と、センサ電極１１１に近接して配置されたシールド電極１１２と、センサ電極１１１に第１交流電圧Ｖｒｘを出力する交流電圧出力部１２１と、第１交流電圧Ｖｒｘと同一の周波数及び位相と、第１交流電圧Ｖｒｘよりも大きい振幅とを有する第２交流電圧Ｖａｓをシールド電極１１２に印加する交流電圧出力部１２２と、センサ電極１１１の自己容量値を検出する検出回路１３０と、センサ電極１１１に近接して配置された調整電極１１３と、調整電極１１３を固定電位Ｖａに設定する電圧設定部とを含む。
　シールド電極１１２に印加される交流電圧の振幅Ｖａｓが、センサ電極１１１に印加される交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも大きい前提の下で、センサ電極１１１と容量結合する調整電極１１３を設け、調整電極１１３を固定電位（ここではグランド電位）に設定するので、センサ電極１１１と、シールド電極１１２及び調整電極１１３との間の静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制できる。
　したがって、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、第２交流電圧の振幅をＶａｓ、固定電位をＶａ、センサ電極１１１とシールド電極１１２との結合容量をＣｒｓ、センサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量をＣｒａとすると、式（１）の関係式に基づいて決定されるセンサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量Ｃｒａを有する。コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷が相殺されるようにするために、式（１）の条件を満たすように、センサ電極１１１と調整電極１１３との間の結合容量Ｃｒａを調整するので、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、固定電位Ｖａは、接地電位（Ｖａ＝０Ｖ）であるので、調整電極１１３を容易に固定電位Ｖａに設定することができ、容易な構成で、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響を抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、センサ電極１１１は、絶縁層１１５Ａの第１面（＋Ｚ方向側の面）に設けられており、シールド電極１１２及び調整電極１１３は、絶縁層１１５Ａの第１面（＋Ｚ方向側の面）とは反対側の第２面（－Ｚ方向側の面）に設けられている。絶縁層１１５Ａの第１面（＋Ｚ方向側の面）は、センサ電極１１１に対して指先ＦＴが近づいてくる側に位置する。シールド電極１１２よりも－Ｚ方向にグランド電位に保持されるグランド電位部材等が存在しても、センサ電極１１１による指先ＦＴの検出に対するグランド電位部材等の影響を効果的に抑制可能で、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、センサ電極１１１、シールド電極１１２、及び調整電極１１３は、積層構造を有する配線基板に設けられており、シールド電極１１２及び調整電極１１３は、センサ電極１１１とは異なる同一の層に設けられているので、シールド電極１１２とセンサ電極１１１との間の電極間距離と、調整電極１１３とセンサ電極１１１との間の電極間距離とを等しくすることができ、式（１）の条件を設定しやすくなる。このため、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。シールド電極１１２及び調整電極１１３によるコンデンサを追加するだけなら、例えばチップコンデンサ等を配線基板の外に設けることも可能であるが、そのような場合には、配線基板とチップコンデンサとで温度や湿度等の環境変化による誘電率の変化等の特性が異なるため、式（１）による調整が困難になる。これに対して、センサ電極１１１、シールド電極１１２、及び調整電極１１３を同一の配線基板に設ければ、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響が揃うため、より確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、センサ電極１１１とシールド電極１１２とは対向して配置されており、センサ電極１１１と調整電極１１３とは対向して配置されているので、式（１）の条件を確実に設定可能で、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、平面視において、センサ電極１１１が設けられる第１領域１１１Ａは、シールド電極１１２が設けられる第２領域１１２Ａの内部に位置し、平面視において、調整電極１１３が設けられる第３領域１１３Ａは、第１領域１１１Ａ及び第２領域１１２Ａの内部に位置するので、式（１）の条件を確実に設定可能で、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、シールド電極１１２は、センサ電極１１１に指先ＦＴが近接するセンサ電極１１１の第１側とは反対の第２側に設けられているので、シールド電極１１２よりも－Ｚ方向にグランド電位に保持されるグランド電位部材等が存在しても、センサ電極１１１による指先ＦＴの検出に対するグランド電位部材等の影響を効果的に抑制可能で、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。また、シールド電極１１２及び調整電極１１３が、センサ電極１１１に指先ＦＴが近接するセンサ電極１１１の第１側とは反対の第２側に設けられることにより、利用者からは見えない位置にシールド電極１１２及び調整電極１１３を配置することができる。特に、調整電極１１３をセンサ電極１１１の裏側に配置することで、指先ＦＴの接近に伴って指先ＦＴと調整電極１１３との間の結合容量が増大することを抑制できる。このことによっても、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実かつ容易に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　なお、以上では、調整電極１１３の電位を固定電位にする形態について説明したが、調整電極１１３に、センサ電極１１１に印加される交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも振幅が小さく、センサ電極１１１に印加される交流電圧と周波数及び位相が同一の交流電圧Ｖａを印加してもよい。このように調整電極１１３に印加される交流電圧Ｖａは、第３交流電圧の一例である。第３交流電圧は、交流電圧出力部１２１及び１２２と同様の交流電圧出力部（電圧設定部の一例）から出力すればよい。センサ電極１１１に印加される交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも振幅が小さい交流電圧を印加するのであれば、センサ電極１１１、シールド電極１１２、及び調整電極１１３に図５と同様の電荷分布を生じさせることができる。このため、式（１）と同一の次式（２）を満たすようにセンサ電極１１１と調整電極１１３との間の結合容量Ｃｒａを調整すれば、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、第２交流電圧の振幅をＶａｓ、第１交流電圧と同位相の第３交流電圧の振幅をＶａ、センサ電極１１１とシールド電極１１２との結合容量をＣｒｓ、センサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量をＣｒａとすると、式（２）の関係式に基づいて決定されるセンサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量Ｃｒａを有する。コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷が相殺されるようにするために、式（２）の条件を満たすように、センサ電極１１１と調整電極１１３との間の結合容量Ｃｒａを調整するので、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、調整電極１１３に、センサ電極１１１に印加される交流電圧と周波数が同一で、センサ電極１１１に印加される交流電圧と逆位相の交流電圧を印加してもよい。このような逆位相の交流電圧も第３交流電圧の一例である。なお、逆位相の交流電圧を第３交流電圧として調整電極１１３に印加する場合には、第３交流電圧の振幅は交流電圧の振幅Ｖｒｘよりも小さくなくてもよく、第３交流電圧の振幅はどのような大きさでもよい。第３交流電圧は、交流電圧出力部１２１及び１２２と同様の交流電圧出力部（電圧設定部の一例）から出力すればよい。逆位相の場合は、式（２）を変形した次式（３）を満たすようにセンサ電極１１１と調整電極１１３との間の結合容量Ｃｒａを調整すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　逆位相の交流電圧を調整電極１１３に印加することにより、図５に示すような電荷分布になるときに、調整電極１１３がグランド電位のときに比べて、コンデンサＣｒａでさらに電荷を相殺することができ、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより効果的かつ確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、第２交流電圧の振幅をＶａｓ、第１交流電圧と逆位相の第３交流電圧の振幅をＶａ、センサ電極１１１とシールド電極１１２との結合容量をＣｒｓ、センサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量をＣｒａとすると、次式（３）の関係式に基づいて決定されるセンサ電極１１１と調整電極１１３との結合容量Ｃｒａを有する。コンデンサＣｒｓとコンデンサＣｒａの電荷が相殺されるようにするために、式（２）の条件を満たすように、センサ電極１１１と調整電極１１３との間の結合容量Ｃｒａを調整するので、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　また、以上では、絶縁層１１５Ａの上面にはセンサ電極１１１のみが設けられる形態について説明したが、図２Ｂに示すシールド電極１１２と同様に、絶縁層１１５Ａの上面のセンサ電極１１１を囲むシールド電極１１２を設けてもよい。センサ電極１１１の周囲にシールド電極１１２を設けることによって、周囲のグランド電位の金属部材等との結合容量が低減され、静電容量値の温度や湿度等の環境変化によるドリフトの影響をより確実に抑制可能な静電容量検出装置１００を提供することができる。
　＜調整電極１１３の変形例＞
　図６は、調整電極１１３の変形例を示す図である。図６には、図２Ｂと同様に、センサ部１１０のうちのシールド電極１１２、調整電極１１３、及び絶縁層１１５Ｂを含む部分の平面構成を示す。
　図６に示すように、調整電極１１３は、Ｘ軸に沿って延在する複数本のストライプ状の電極であってもよい。図６では、Ｙ方向に配列される７本の調整電極１１３の＋Ｘ方向側の端部が、Ｙ方向に延在する配線１１４Ｂによって接続されている。
　このような調整電極１１３において、調整電極１１３同士の間のシールド電極１１２の幅Ｗ１と、調整電極１１３のＹ方向の幅Ｗ２との比を１９：１に設定すれば、Ｃｒｓ：Ｃｒａ＝１９：１という比を容易かつ正確に実現することができる。
　以上、本開示の例示的な実施形態の静電容量検出装置について説明したが、本開示は、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。
　なお、本国際出願は、２０２２年５月１６日に出願した日本国特許出願２０２２－０８００１３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。
　１００　静電容量検出装置
　１０１　トップパネル
　１１０　センサ部
　１１１　センサ電極
　１１１Ａ　第１領域　１１２　シールド電極
　１１２Ａ　第２領域
　１１３　調整電極
　１１３Ａ　第３領域
　１１５Ａ、１１５Ｂ　絶縁層
　１２１、１２２　交流電圧出力部
　１３０　検出回路

Claims (10)

  1. 　センサ電極と、
    　前記センサ電極に近接して配置されたシールド電極と、
    　前記センサ電極に第１交流電圧を出力する第１電圧出力部と、
    　前記第１交流電圧と同一の周波数及び位相と、前記第１交流電圧よりも大きい振幅とを有する第２交流電圧を前記シールド電極に印加する第２電圧出力部と、
    　前記センサ電極の自己容量値を検出する検出部と、
    　前記センサ電極に近接して配置された調整電極と、
    　前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧と同一の位相と、前記第１交流電圧の振幅よりも小さい振幅とを有する第３交流電圧、若しくは、前記第１交流電圧と同一の周波数と、前記第１交流電圧とは逆の位相とを有する第３交流電圧を前記調整電極に出力する、又は、前記調整電極を固定電位に設定する電圧設定部と
    　を含む、静電容量検出装置。
  2. 　前記第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、前記第２交流電圧の振幅をＶａｓ、前記固定電位をＶａ、前記センサ電極と前記シールド電極との結合容量をＣｒｓ、前記センサ電極と前記調整電極との結合容量をＣｒａとすると、次式（１）の関係式に基づいて決定される前記センサ電極と前記調整電極との結合容量Ｃｒａを有する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  3. 　前記固定電位は、接地電位である、請求項２に記載の静電容量検出装置。
  4. 　前記第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、前記第２交流電圧の振幅をＶａｓ、前記第１交流電圧と同位相の前記第３交流電圧の振幅をＶａ、前記センサ電極と前記シールド電極との結合容量をＣｒｓ、前記センサ電極と前記調整電極との結合容量をＣｒａとすると、次式（２）の関係式に基づいて決定される前記センサ電極と前記調整電極との結合容量Ｃｒａを有する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  5. 　前記第１交流電圧の振幅をＶｒｘ、前記第２交流電圧の振幅をＶａｓ、前記第１交流電圧と逆位相の前記第３交流電圧の振幅をＶａ、前記センサ電極と前記シールド電極との結合容量をＣｒｓ、前記センサ電極と前記調整電極との結合容量をＣｒａとすると、次式（３）の関係式に基づいて決定される前記センサ電極と前記調整電極との結合容量Ｃｒａを有する、請求項１に記載の静電容量検出装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  6. 　前記センサ電極は、絶縁層の第１面に設けられており、
    　前記シールド電極及び前記調整電極は、前記絶縁層の前記第１面とは反対側の第２面に設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
  7. 　前記センサ電極、前記シールド電極、及び前記調整電極は、積層構造を有する配線基板に設けられており、前記シールド電極及び前記調整電極は、前記センサ電極とは異なる同一の層に設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
  8. 　前記センサ電極と前記シールド電極とは対向して配置されており、前記センサ電極と前記調整電極とは対向して配置されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
  9. 　平面視において、前記センサ電極が設けられる第１領域は、前記シールド電極が設けられる第２領域の内部に位置し、
    　平面視において、前記調整電極が設けられる第３領域は、前記第１領域及び前記第２領域の内部に位置する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
  10. 　前記シールド電極及び前記調整電極は、前記センサ電極に対象物が近接する前記センサ電極の第１側とは反対の第２側に設けられている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電容量検出装置。
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WO2018116706A1 (ja) * 2016-12-21 2018-06-28 アルプス電気株式会社 静電容量検出装置及び入力装置
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