JP2019095356A - 電極拡張型静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも検出領域の設計自由度を向上させた電極拡張型静電容量式センサを提供すること。【解決手段】本発明に係る静電容量式センサは、被検出対象の接近に応じて静電容量値が変化する静電容量式センサであって、静電容量を形成する静電容量式センサ部と、グラウンドに接地接続されておらず、導電性を有する拡張電極と、を備え、前記拡張電極は、前記静電容量式センサ部の初期検出領域内に少なくとも一部が存在するように配置されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、従来よりも検出領域の設定自由度を向上させた電極拡張型静電容量式センサに関する。

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、静電容量式センサが利用されている。

このような静電容量式センサとして、基材の片面のみに互いの櫛歯が対向するように２つの櫛歯型の検出電極を配置した静電容量式センサが知られている。また、基材の片面のみに検出電極を配置した場合には、製造バラツキが生じるため、これを防止するために、薄膜基材の両面に検出電極を配置した静電容量式センサも知られている（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、両面に検出電極を配置した従来の静電容量式センサを示し、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の第１の表面に形成された第１の電極１２と、基材１１の第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の電極１３と、第１の表面において引き出されて第１の電極１２に電圧を印加する第１の引き出し配線１４と、第２の表面において引き出されて第２の電極１３に電圧を印加する第２の引き出し配線１５と、を備えた静電容量式センサ１０が示されている。

第１の電極１２、第２の電極１３、第１の引き出し配線１４及び第２の引き出し配線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。基材１１としては、例えば、薄膜フィルムを用いることができる。例えば第１の電極１２をシグナル電極とし、第２の電極１３をグラウンド電極とした場合、グラウンド電極として機能する第２の電極１３の方がシグナル電極として機能する第１の電極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式センサ１０では、第１及び第２の電極１２及び１３は、それぞれ、第１及び第２の引き出し配線１４及び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、第１及び第２の電極１２及び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式センサ１０の静電容量値を算出している。

静電容量式センサ１０では、第１及び第２の電極１２及び１３の一方から他方に向かう電気力線を利用して検出領域を定めている。静電容量式センサ１０の検出領域内に物体が入ると、当該物体により電気力線の一部が吸収されて静電容量式センサ１０の静電容量値が減少する。静電容量値の減少量は、物体が静電容量式センサ１０に近づくほど増加する。このように、静電容量式センサ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

K．Nomura，R．kaji，S．iwata，外８名，"A flexible proximity sensor formed by duplex screen/screen-offset printing and its application to non-contact detection of human breathing"，Scientific Reports 6，19947 (2016)．

上述のように、静電容量式センサでは、２つの検出電極の一方から他方に向かう電気力線を利用して検出領域を定めているため、その検出領域は２つの検出電極の形状、配置や印加電圧に応じて変化する。しかし、このような電極形状、電極配置、印加電圧は設定自由度が低く、そのため検出領域の設定自由度も制限されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも検出領域の設定自由度を向上させた静電容量式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式センサは、被検出対象の接近に応じて静電容量値が変化する静電容量式センサであって、静電容量を形成する静電容量式センサ部と、グラウンドに接地接続されておらず、導電性を有する拡張電極と、を備え、前記拡張電極は、前記静電容量式センサ部の初期検出領域内に少なくとも一部が存在するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも検出領域の設定自由度を向上させた静電容量式センサを提供することが可能となる。

従来の静電容量式センサを例示する図である。 本発明の実施例１に係る静電容量式センサを例示する図である。 本発明に係る静電容量式センサの原理を説明するための図である。 本発明に係る静電容量式センサの原理を説明するための図である。 本発明に係る静電容量式センサの原理を説明するための図である。 本発明に係る静電容量式センサの原理を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る静電容量式センサを例示する図である。 静電容量式センサの導体接近試験結果を例示する図である。 図８に示す導体接近試験の試験条件を示す図である。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る電極拡張型静電容量式センサを示す。図２（ａ）は本発明の実施例１に係る静電容量式センサの側面概略図であり、図２（ｂ）は本発明の実施例１に係る静電容量式センサの上面概略図である。図２（ａ）には、静電容量を形成する静電容量式センサ部１１０と、拡張電極１２０と、を備えた電極拡張型静電容量式センサ１００が示されている。電極拡張型静電容量式センサ１００は、被検出対象の接近に応じて静電容量値が変化する。

静電容量式センサ部１１０は、例えば、基材の片面に互いの櫛歯が対向するように形成された２つの櫛歯型電極や、基材の両面に互いに対向するように形成されたそれぞれ面積が異なる非対称な２つの平板電極で構成することができる。基材として、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどで構成された薄膜フィルムを用いることができる。また、静電容量式センサ部１１０で使用される検出電極は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、錫、カーボンなどの導電材料で構成され、スクリーン印刷法などの印刷法、あるいは蒸着法やスパッタリング法など、種々の方法を用いて形成することができる。

また、図２（ｂ）に示されるように、電極拡張型静電容量式センサ１００は、静電容量式センサ部１１０と、所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する高周波電源１０１と、電極拡張型静電容量式センサ１００の静電容量値を測定する例えばＬＣＲメータなどの測定部１０２と、電極拡張型静電容量式センサ１００における各種処理を実行する制御部１０３と、後述する初期検出閾値範囲及び設定検出閾値範囲を記憶する記憶部１０４と、を備える。

拡張電極１２０は、後述する静電容量式センサ部１１０の初期検出領域内に、浮遊電極として設置される。拡張電極１２０は、静電容量式センサ部１１０と接続されておらず、また接地されていない。拡張電極１２０は、例えば、電解質を含有した導電性を有する溶液や金属材料等の導電性を有する材料で構成されている。拡張電極１２０は、例えば、平板型、棒型、星型、円盤型、曲面型等、その大きさ及び形状を含めて種々の形態を採ることができる。また、拡張電極１２０として電解質を含有した導電性を有する溶液を利用する場合には、使用する電解質としては、例えば塩化ナトリウム、水酸化カリウム、塩酸などとすることができ、好ましい濃度範囲は、電解質の種類によって異なるが、例えば１０μＭ以上とすることができる。

拡張電極１２０は、拡張電極１２０の少なくとも一部が静電容量式センサ部１１０の初期検出領域内に存在するように配置されている。それにより、静電容量式センサ部１１０が形成する電気力線の一部が拡張電極１２０に吸収され、拡張電極１２０自体からも電気力線が発せられる。拡張電極１２０の形態および配置位置により、電極拡張型静電容量式センサ１００の検出領域を拡縮することが可能となる。

静電容量式センサ部１１０の「初期検出領域」とは、拡張電極１２０が静電容量式センサ部１１０の近傍に設けられていない状態で静電容量式センサ部１１０に向かって被検出対象を遠方から接近させたときに、その測定された静電容量値が初期検出閾値範囲を超える領域をいう。ここで、「初期検出閾値範囲」とは、例えば、被検出対象が検出されていない状態（未検出状態）であって拡張電極１２０が初期検出領域内に設けられていない状態で、ＬＣＲメータを用いて静電容量式センサ部１１０の静電容量値の測定を行い、得られた静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から求まる（μ±３σ）を基準に設定した範囲とすることができる（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、本実施例１に係る電極拡張型静電容量式センサ１００では、拡張電極１２０を初期検出領域内に設置した状態で、設定検出閾値範囲を設定する。ここで、「設定検出閾値範囲」とは、例えば、被検出対象が検出されていない状態（未検出状態）であって拡張電極１２０の少なくとも一部が初期検出領域内に設けられている状態で、ＬＣＲメータを用いて静電容量式センサ部１１０の静電容量値の測定を行い、得られた静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から求まる（μ±３σ）を基準に設定した範囲とすることができる（例えば、非特許文献１参照）。

本実施例１に係る電極拡張型静電容量式センサ１００において、制御部１０３は、測定した静電容量値が設定検出閾値範囲を超えた場合に、被検出対象を検出することができる。

図３乃至図６を用いて、本発明に係る電極拡張型静電容量式センサの原理について説明する。図３（ｂ）に示すように、静電容量式センサ部１１０から離れた位置に導電体をグラウンドに接地接続した上で配置し、その後に接地接続を解除して浮遊状態としても、図３（ａ）に示すように、静電容量値を示す信号は応答しない。このとき、当該導電体は、初期検出領域外にある状態といえる。この状態において、制御部１０３は、ＬＣＲメータから静電容量式センサ部１１０の静電容量値の測定値を取得し、得られた静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から（μ±３σ）を求めることにより、（μ±３σ）を基準として初期検出閾値範囲を設定し、記憶部１０４に記憶する。

図４（ｂ）に示すように、当該導電体を初期検出領域外に配置して接地解除した状態で、浮遊状態の当該導電体の上端に向かって被検出対象を遠方から接近させても、図４（ａ）に示すように、信号は応答せず、初期検出閾値範囲を超えない。

一方、図５（ｂ）に示すように、静電容量式センサ部１１０の近傍に導電体をグラウンドに接地接続した上で配置し、その後に接地接続を解除して浮遊状態とすると、図５（ａ）に示すように、信号が応答してその静電容量値は初期検出閾値範囲を超えて増加する。このとき、当該導電体は、初期検出領域内にある状態である。この状態において、制御部１０３は、ＬＣＲメータから静電容量式センサ部１１０の静電容量値の測定値を取得し、得られた静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から（μ±３σ）を求めることにより、（μ±３σ）を基準として設定検出閾値範囲を設定し、記憶部１０４に記憶する。

図６（ｂ）に示すように、当該導電体を初期検出領域内に配置して接地解除した状態で、浮遊状態の当該導電体の上端に向かって被検出対象を遠方から接近させる動作と離脱する動作を繰り返すと、図６（ａ）に示すように、接近時には静電容量値が設定検出閾値範囲を超え、離脱時には静電容量値が設定検出閾値範囲内に収まっていることから、被検出対象を検出できており、配置された浮遊状態の当該導電体は初期検出領域を拡縮する拡張電極として作用していることがわかる。

本発明に係る電極拡張型静電容量式センサは、例えば被検出対象の存在／不在を検知する用途や、被検出対象との近接距離を計測する用途、被検出対象との距離が一定であれば被検出対象の大きさや比誘電率などの物理特性を測定する用途で使用することができる。例えば、被検出対象との近接距離を計測する用途のような厳密な検出が必要とされる場合、装置起動時に被検出対象ごとに閾値補正（初期キャリブレーション）を行うことにより、設定検出閾値範囲を被検出対象ごとに調整することが好ましい。また、被検出対象の存在／不在を検知する用途のように厳密な検出を必要としない場合、例えば人体のある程度の個体差を包含する形で設定検出閾値範囲を（μ±３σ）を基準に調整することが好ましい。

本実施例１に係る電極拡張型静電容量式センサ１００によると、拡張電極として作用する導電性物質の大小、形状等を変更することにより検出領域を自由に制御することが可能になる。また、拡張電極を静電容量式センサ部の初期検出領域内に配置するだけで検出領域の拡縮が可能であるため、ケーブルフリーで且つ設置及び設計自由度が高い静電容量式センサを実現することが可能となる。

（実施例２）
図７は、本発明の実施例２に係る静電容量式センサを示す。図７（ａ）は本発明の実施例２に係る静電容量式センサの側面概略図であり、図７（ｂ）は本発明の実施例１に係る静電容量式センサの上面概略図である。図７（ａ）には、静電容量式センサ部２１０と、拡張電極２２０と、を備えた電極拡張型静電容量式センサ２００が示されている。

図７（ａ）に示されるように、静電容量式センサ部２１０は、基材２１１と、基材２１１の第１の表面に形成された第１の印刷電極２１２₁と、基材２１１の第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の印刷電極２１２₂と、第１の表面において引き出されて第１の印刷電極２１２₁に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線２１３₁と、第２の表面において引き出されて第２の印刷電極２１２₂に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線２１３₂と、を含む。

また、図７（ｂ）に示されるように、電極拡張型静電容量式センサ２００は、静電容量式センサ部２１０と、所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する高周波電源２０１と、電極拡張型静電容量式センサ２００の静電容量値を測定する例えばＬＣＲメータなどの測定部２０２と、電極拡張型静電容量式センサ２００における各種処理を実行する制御部２０３と、初期検出閾値範囲及び設定検出閾値範囲を記憶する記憶部２０４と、を備える。第１及び第２の印刷電極２１２₁及び２１２₂は、第１及び第２の引き出し印刷配線２１３₁及び２１３₂を介して、高周波電源２０１と、測定部２０２と、に接続されている。

第１の印刷電極２１２₁、第２の印刷電極２１２₂、第１の引き出し印刷配線２１３₁及び第２の引き出し印刷配線２１３₂とは、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、錫、カーボンなどの導電材料で構成することができ、スクリーン印刷法などの印刷法を用いて形成することができる。

例えば第１の印刷電極２１２₁をシグナル電極とし、第２の印刷電極２１２₂をグラウンド電極として、被検出対象がシグナル電極である第１の印刷電極２１２₁側にある場合、グラウンド電極として機能する第２の印刷電極２１２₂の方が第１の印刷電極２１２₁よりも面積が大きくなるように構成されている。

拡張電極２２０は、実施例１で上述したように、静電容量式センサ部２１０の初期検出領域内に少なくとも一部が存在するように、静電容量式センサ部２１０の周囲に設けられた透明スチロールケースなどの任意の支持体（不図示）上に配置されている。

本実施例２に係る電極拡張型静電容量式センサ２００でも実施例１と同様にして、拡張電極２２０を静電容量式センサ部２１０の初期検出領域内に配置した状態で測定した静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から（μ±３σ）を求めることにより（μ±３σ）を基準として設定検出閾値範囲を設定した。

本実施例２に係る電極拡張型静電容量式センサ２００において、制御部２０３は、測定した静電容量値が設定検出閾値範囲を超えた場合に、被検出対象を検出することができる。

図８は、静電容量式センサについての導体接近試験結果を例示する。また、図９は、当該導体接近試験の試験条件を示す。図９に示すように、本試験では、静電容量式センサを高さ１７ｍｍの台上に設置し、拡張電極を設置するための支持体として１５９ｍｍ角、高さ３５ｍｍの透明スチロールケースを用いてその周囲を覆い、図９に示す透明スチロールケースのセンサ直上の位置３０１（指先−センサ中央間距離が約１８ｍｍ）と透明スチロールケースの角部分の位置３０２（指先−センサ中央間距離が約１１４ｍｍ）とに、被検出対象としての実験者の指を接近させた。基材２１１として厚さ０．１ｍｍのポリエチレンナフタレートフィルムを用い、第１の印刷電極２１２₁の直径を１ｍｍとし、第２の印刷電極２１２₂の直径を１８ｍｍとし、２００ｋＨｚ、振幅１Ｖの交流電圧を印加し、ＬＣＲメータを用いて静電容量値を測定した。

図８では、それぞれ、支持体としての透明スチロールケースに、何も配置しなかった場合、ステンレス板を配置した場合、ガラス材を配置した場合、水道水を含む容器を配置した場合、及び電解質を含有する水溶液を含む容器を配置した場合において、配置した物体に触れないように上方から位置３０１又は３０２に指先を近づけることにより、静電容量値の所定の基準値からの変化量の絶対値｜ΔＣ｜を求めた。

図８に示すように、透明スチロールケース上に何も配置しない場合、位置３０１での変化量の絶対値｜ΔＣ｜は位置３０２での変化量の絶対値｜ΔＣ｜よりも大きく、位置３０２では位置３０１に比べて検出感度が低下していることがわかる。

また、透明スチロールケース上にガラスを配置した場合、位置３０２における静電容量値の変化量の絶対値｜ΔＣ｜は、拡張電極を配置しない場合の位置３０２における静電容量値の変化量の絶対値｜ΔＣ｜と同等の値となっており、位置３０２では位置３０１に比べて検出感度が低下していることがわかる。これは、ガラスが導電性を有しておらず、検出領域の拡大に寄与しなかったためである。

また、透明スチロールケース上に水道水を含む容器を配置した場合、水道水は導電性が低いため、若干の｜ΔＣ｜の増大はあるものの、拡張電極を配置しない場合の位置３０２における静電容量値の変化量の絶対値｜ΔＣ｜とほぼ同等の値となっており、位置３０２では位置３０１に比べて検出感度が低下していることがわかる。

一方で、透明スチロールケース上にステンレス板や電解質を含有する水溶液を含む容器を配置した場合、位置３０２においても位置３０１と同等の静電容量値の変化量の絶対値｜ΔＣ｜が得られる。従って、透明スチロールケース上にステンレス板や電解質を含有する水溶液を含む容器のような十分な導電性のある拡張電極を配置することにより、検出領域が拡大したことが理解される。

本実施例２に係る電極拡張型静電容量式センサ２００によると、製造プロセスに印刷技術を適用することにより、より安価な製造コストを実現しつつ、検出領域を自由に制御することが可能になる。

上記実施例では、ＬＣＲメータにより静電容量式センサ部の静電容量値を測定することにより対象を検出する例を示したが、これに限定されず、例えば、静電容量式センサ部の静電容量値、インピーダンスＺ、レジスタンスＲ、リアクタンスＸ、アドミタンスＹ、コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢを含むパラメータのグループのうちの少なくとも１つを測定値として当該パラメータの測定値が設定検出閾値範囲を超えたか否かを判定することにより対象を検出するように構成してもよい。また、上記実施例において、静電容量式センサは静電容量式センサ部に直列又は並列接続されたコイルをさらに含んでもよく、この場合、上記パラメータのグループは、静電容量式センサ部とコイルとで構成するＬＣ共振回路における共振周波数をさらに含んでもよい。

また、上記実施例２では、支持体としての透明スチロールケース上に拡張電極を配置した例を示したが、これに限定されず、例えば、金魚鉢のような容器の中に、拡張電極としての電解質を含有した溶液を充填するように構成してもよく、その他本発明の原理・概念に逸脱しないように種々の組み合わせの構成が可能である。

Claims (7)

1. 被検出対象の接近に応じて静電容量値が変化する静電容量式センサであって、
   静電容量を形成する静電容量式センサ部と、
   グラウンドに接地接続されておらず、導電性を有する拡張電極と、
   を備え、
   前記拡張電極は、前記静電容量式センサ部の初期検出領域内に少なくとも一部が存在するように配置されていることを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記静電容量式センサ部は、
   基材と、
   前記基材の第１の表面に形成された第１の印刷電極と、
   前記基材の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成され、前記第１の印刷電極とは面積が異なる第２の印刷電極と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 前記静電容量式センサ部の静電容量値、インピーダンス、レジスタンス、リアクタンス、アドミタンス、コンダクタンス及びサセプタンスを含むパラメータのグループのうちの少なくとも１つのパラメータを測定する測定部をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量式センサ。
4. 前記静電容量式センサは、前記静電容量式センサ部に直列又は並列接続されたコイルをさらに含み、
   前記パラメータのグループは、前記静電容量式センサ部と前記コイルとで構成するＬＣ共振回路における共振周波数をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。
5. 前記静電容量式センサは、前記パラメータの測定値が設定検出閾値範囲を超えた場合に、前記被検出対象を検出するように構成され、
   前記設定検出閾値範囲は、前記被検出対象が検出されていない状態であって前記拡張電極の少なくとも一部が前記初期検出領域内に設けられている状態で測定した前記静電容量式センサ部の測定値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から求まる（μ±３σ）を基準に設定された範囲であることを特徴とする請求項３又は４に記載の静電容量式センサ。
6. 前記初期検出領域は、前記拡張電極が設けられていない状態において、前記静電容量式センサ部に向かって前記被検出対象を接近させたときに、前記パラメータの測定値が所定の初期検出閾値範囲を超える領域であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の静電容量式センサ。
7. 前記所定の初期検出閾値範囲は、前記被検出対象が検出されていない状態であって前記拡張電極が前記初期検出領域内に設けられていない状態で測定した前記パラメータの測定値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から求まる（μ±３σ）を基準に設定された範囲であることを特徴とする請求項６に記載の静電容量式センサ。

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