JP2018072031A

JP2018072031A - 静電容量型センサ

Info

Publication number: JP2018072031A
Application number: JP2016208825A
Authority: JP
Inventors: 史郎岩田; Shiro Iwata; 直人今若; Naoto Imawaka; 忍大峠; Shinobu Otoge; 野村　健一; Kenichi Nomura; 健一野村; 洋史牛島; Yoji Ushijima; 良作鍛冶; Ryosaku Kaji
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: JP6775800B2

Abstract

【課題】本発明は、上下引き出し印刷電極に起因した誤検出を防止するための静電容量型センサを提供する。【解決手段】本発明に係る静電容量型センサは、基材と、前記基材の上部表面に形成された上部印刷電極と、前記基材の前記上部表面とは反対側の下部表面に形成され、前記上部印刷電極よりも面積が大きい下部印刷電極と、前記上部印刷電極に電圧を印加する上部引き出し印刷配線と、前記下部印刷電極に電圧を印加する下部引き出し印刷配線と、を備えた静電容量型センサであって、前記上部引き出し印刷配線及び前記下部引き出し印刷配線は、同じ方向に引き出されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量型センサに関し、より詳細には、上下引き出し印刷電極に起因した誤検出を防止するための静電容量型センサに関する。

空間内の導電物質の存否又は導電物質の動きの情報を検出する近接センサ、パック内の内容物の有無を検出する内包センサ、温度又は湿度を検出する温湿度センサとして、静電容量型センサが利用されている。このような静電容量型センサにおいては、製造コストを低減するために、製造プロセスに印刷技術を適用したものが実現されている。また、基材の片面のみに検出電極層等の積層構造を印刷した場合には、製造バラツキが生じるため、これを防止するために、薄膜基材の両面に薄膜電極を配置した静電容量型センサも現れている（例えば、特許文献１及び２参照）。

図１（ａ）は、特許文献１に示されるような、両面に薄膜電極を配置した従来の静電容量型センサを示し、図１（ｂ）はその断面図を示す。図１（ａ）及び（ｂ）には、基材１１と、基材１１の上部表面に形成された上部印刷電極１２と、基材１１の上部表面とは反対側の下部表面に形成された下部印刷電極１３と、上部表面において引き出されて上部印刷電極１２に電圧を印加する上部引き出し印刷配線１４と、下部表面において上部引き出し印刷配線１４とは反対方向に引き出されて下部印刷電極１３に電圧を印加する下部引き出し印刷配線１５と、を備えた静電容量型センサ１０が示されている。上部印刷電極１２、下部印刷電極１３、上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５は、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を用いて基材１１上に形成されている。上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３は、下部印刷電極１３の方が上部印刷電極１２よりも面積が大きくなるように構成されている。

図１に示されるような従来の静電容量型センサ１０では、上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３は、それぞれ、上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５を介して所定の周波数及び所定の振幅の交流電圧が印加されている。それにより、上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３間の電流及び電圧を測定し、当該測定値に基づいて静電容量型センサ１０の静電容量値を算出している。静電容量型センサ１０では、上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３の一方から他方に向かう電気力線を利用して検出範囲を定めている。静電容量型センサ１０の検出範囲内に物体が入ると、当該物体により電気力線の一部が吸収されて静電容量型センサ１０の静電容量値が減少する。静電容量値の減少量は、物体が静電容量型センサ１０に近づくほど増加する。このように、静電容量型センサ１０の静電容量値の変化を検出することにより、物体の存否や動き情報を取得することができる。

特開２０１６−１９５８８号公報特開２０１４−１３７２４０号公報

図２は、図１に示される従来の静電容量型センサにおける電界強度分布（電圧印加条件：周波数２００ｋＨｚ、振幅１Ｖ）を示す。図２では、電界強度３０Ｖ／ｍの面を立体表示している。静電容量型センサの感度域は、電界強度分布と等価とみなすことができる。図２（ａ）に示される従来の静電容量型センサでは、ｘ−ｚ平面において、電界強度がｚ軸に関して対称且つ上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３近傍に分布している。一方で、図２（ｂ）に示される従来の静電容量型センサでは、ｙ−ｚ平面において、上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５の引き出し方向であるｙ軸方向に沿って、上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３近傍に収まらずに上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５にわたって電界強度がなだらかに分布している。また、図２（ｃ）に示される電界強度３０Ｖ／ｍの面の立体表示では、上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５が互いに反対方向に引き出されて形成されているため、ｙ軸方向全体に沿って電界強度が分布している。上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３を円盤形状とし、上部印刷電極１２の半径を０．５ｍｍ、下部印刷電極１３の半径を９ｍｍ、上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５の幅を０．５ｍｍとし、基材１１の厚みを０．１ｍｍ、比誘電率を３．０６としているが、これに限定されない。

このように、電界が広がって分布するため、従来の静電容量型センサは指向性（空間分解能）が低く、本来の検出範囲である上部印刷電極１２及び下部印刷電極１３近傍だけでなく上部引き出し印刷配線１４及び下部引き出し印刷配線１５近傍も検出範囲となってしまうことから、これに起因して誤検出が生じやすいという問題が生じていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上下引き出し印刷電極に起因した誤検出を防止するための静電容量型センサを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る静電容量型センサは、基材と、前記基材の上部表面に形成された上部印刷電極と、前記基材の前記上部表面とは反対側の下部表面に形成され、前記上部印刷電極よりも面積が大きい下部印刷電極と、前記上部印刷電極に電圧を印加する上部引き出し印刷配線と、前記下部印刷電極に電圧を印加する下部引き出し印刷配線と、を備えた静電容量型センサであって、前記上部引き出し印刷配線及び前記下部引き出し印刷配線は、同じ方向に引き出されていることを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る静電容量型センサでは、前記下部引き出し印刷配線は、前記上部引き出し印刷配線よりも配線幅が大きいことを特徴とする。

本発明のさらに他の実施形態に係る静電容量型センサでは、（前記上部引き出し印刷配線の幅）／（前記下部引き出し印刷配線の幅）が、０．５以上１未満であることを特徴とする。

本発明によれば、上下引き出し印刷電極の方向依存性に起因する誤検出を抑制することが可能となる。

両面に薄膜電極を配置した従来の静電容量型センサを示す図である。従来の静電容量型センサにおける電界強度分布を示す図である。本発明の実施例１に係る、両面に薄膜電極を配置した静電容量型センサを示す図である。本発明の実施例１に係る静電容量型センサにおける電界強度分布を示す図である。引き出し印刷配線の幅を変えた場合の本発明に係る静電容量型センサにおける電界強度分布を示す図である。誤検出距離と（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）との関係を示す図である。誤検出距離及びセンサ検出距離を例示的に示した図である。センサ検出距離と（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）との関係を示す図である。

＜実施例１＞
図３は、本発明の実施例１に係る静電容量型センサを示す。図３には、基材１１１と、基材１１１の上部表面に形成された上部印刷電極１１２と、基材１１１の上部表面とは反対側の下部表面に形成された下部印刷電極１１３と、上部印刷電極１１２に電圧を印加する上部引き出し印刷配線１１４と、下部印刷電極１１３に電圧を印加する下部引き出し印刷配線１１５と、を備えた静電容量型センサ１１０が示されている。上部印刷電極１１２、下部印刷電極１１３、上部引き出し印刷配線１１４及び下部引き出し印刷配線１１５は、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を用いて基材１１１上に形成されている。基材１１１としては、例えば、薄膜フィルムを用いることができる。

上部印刷電極１１２及び下部印刷電極１１３は、下部印刷電極１１３のほうが上部印刷電極１１２よりも面積が大きくなるように構成されている。また、図３に示されるように、本発明の実施例１に係る静電容量型センサ１１０では、上部引き出し印刷配線１１４と下部引き出し印刷配線１１５とは、上下表面に互いに対向して同じ方向に引き出されている。

本実施例１では、上部印刷電極１１２及び下部印刷電極１１３を円盤形状とし、上部印刷電極１１２の半径を０．５ｍｍ、下部印刷電極１１３の半径を９ｍｍ、上部引き出し印刷配線１１４及び下部引き出し印刷配線１１５の幅を０．５ｍｍとし、基材１１１の厚みを０．１ｍｍ、比誘電率を３．０６、電圧印加条件を周波数２００ｋＨｚ、振幅１Ｖとしているが、これに限定されない。

図４は、本発明の実施例１に係る静電容量型センサ１１０における電界強度分布を示す。図４では、電界強度３０Ｖ／ｍの面を立体表示している。ここでは、静電容量型センサの感度域を例示するために、立体表示する電界強度を便宜的に３０Ｖ／ｍとした。図４（ｂ）に示されるように、本発明の実施例１に係る静電容量型センサ１１０では、中央から上部引き出し印刷配線１１４及び下部引き出し印刷配線１１５が引き出されているｙ軸に沿って図２に示される電界強度分布よりも電界強度分布が縮小しているため、従来の静電容量型センサよりも検出領域の指向性が向上している。

一方で、図４（ａ）に示される電界強度分布と図２（ａ）に示される電界強度分布とを比較しても同様の電界強度分布となっている。また、図４（ｃ）に示される電界強度分布は、図２（ｃ）に示される電界強度分布と比較して上部引き出し印刷配線１１４及び下部引き出し印刷配線１１５が形成されているｙ軸方向のみ電界強度分布が縮小している。従って、本発明の実施例１に係る静電容量型センサ１１０と従来の静電容量型センサとでは、実効的な検出感度は変わっていない。

本発明の実施例１に係る静電容量型センサによると、検出感度を変えずに検出領域の指向性（空間分解能）を向上することができるため、検出感度を保ったまま上下引き出し印刷電極の方向依存性に起因する誤検出を抑制することが可能となる。

＜実施例２＞
以下、本発明の実施例２に係る静電容量型センサを説明する。本発明の実施例２に係る静電容量型センサでは、下部引き出し印刷配線１１５の配線幅を上部引き出し印刷配線１１４の配線幅よりも大きくすることにより、さらに誤検出を抑制することができる。

図５は、引き出し印刷配線の幅を変えた場合の本発明に係る静電容量型センサにおける電界強度分布（電圧印加条件：周波数２００ｋＨｚ、振幅１Ｖ）を示す。図５では、電界強度３０Ｖ／ｍの面を立体表示している。図５でも同様に、立体表示する電界強度を便宜的に３０Ｖ／ｍとしている。図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｅ）、及び図５（ｆ）は、それぞれ、上部引き出し印刷配線１１４の幅が０．７ｍｍ、０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍであり、下部引き出し印刷配線１１５の幅が０．５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍであり、基材１１１の厚みが０．１ｍｍ、比誘電率が３．０６である場合を示す。ここで、図５で用いた静電容量型センサでは、上部印刷電極１１２及び下部印刷電極１１３を円盤形状とし、上部印刷電極１１２の半径を０．５ｍｍ、下部印刷電極１３の半径を９ｍｍとしている。

図５に示されるように、下部引き出し印刷配線１１５の幅が上部引き出し印刷配線１１４よりも大きくなると、上下引き出し印刷配線幅が両方とも０．５ｍｍの場合と比較して引き出し印刷配線が形成されている部分の電界強度分布が縮小しているため、誤検出をさらに抑制できることが理解される。

図６は、引き出し配線部分におけるｚ方向の検出距離（以下、誤検出距離）と（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）との関係を示す。図６では、上部引き出し印刷配線１１４の幅がそれぞれ０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍであり、基材１１１の厚みが０．１ｍｍ、比誘電率が３．０６である場合を示している。また、図７には、誤検出距離が例示的に図示されている。図７に示されるように、本実施例では、センサ中心から１２ｍｍの位置の引き出し配線部分におけるｚ方向の検出距離を誤検出距離としている。

図６に示されるように、上部引き出し印刷配線１１４の幅が０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍのいずれの場合であっても、（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）が１の場合よりも、（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）が１未満の場合の方が誤検出距離が小さくなっている。従って、上部引き出し印刷配線１１４の幅に関わらず、下部引き出し印刷配線１１５の配線幅を上部引き出し印刷配線１１４の配線幅よりも大きくした方が、上下の引き出し印刷配線の幅が同じ場合よりも誤検出を抑制できることがわかる。

図８は、センサ部分におけるｚ方向の検出距離（以下、センサ検出距離）と（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）との関係を示す。図８では、上部引き出し印刷配線１１４の幅がそれぞれ０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍであり、基材１１１の厚みが０．１ｍｍ、比誘電率が３．０６である場合を示している。また、図７には、センサ検出距離が例示的に図示されている。

図８に示されるように、上部引き出し印刷配線１１４の幅が０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍのいずれであっても、（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）が０．５程度までは、（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）が１の場合と同程度のセンサ検出距離を保っている。従って、（上部引き出し印刷配線の幅／下部引き出し印刷配線の幅）を０．５以上とすることにより、上部引き出し印刷配線１１４の幅に関わらず、センサの検出感度を変えずに、誤検出を抑制できることがわかる。

以上のように、本発明によると、上下引き出し印刷電極に起因した誤検出を防止するための静電容量型センサを提供することが可能となる。

静電容量型センサ１０、１１０
基材１１、１１１
上部印刷電極１２、１１２
下部印刷電極１３、１１３
上部引き出し印刷配線１４、１１４
下部引き出し印刷配線１５、１１５

Claims

基材と、
前記基材の上部表面に形成された上部印刷電極と、
前記基材の前記上部表面とは反対側の下部表面に形成され、前記上部印刷電極よりも面積が大きい下部印刷電極と、
前記上部印刷電極に電圧を印加する上部引き出し印刷配線と、
前記下部印刷電極に電圧を印加する下部引き出し印刷配線と、
を備えた静電容量型センサであって、
前記上部引き出し印刷配線及び前記下部引き出し印刷配線は、同じ方向に引き出されていることを特徴とする静電容量型センサ。
前記下部引き出し印刷配線は、前記上部引き出し印刷配線よりも配線幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
（前記上部引き出し印刷配線の幅）／（前記下部引き出し印刷配線の幅）が、０．５以上１未満であることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型センサ。