JP2019105604A - Electrostatic capacity type sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は静電容量型センサに関し、測定対象物に接触させて測定する静電容量型センサに関する。 The present invention relates to a capacitive sensor, and more particularly to a capacitive sensor that measures an object to be measured.
測定対象物に接触させて測定する静電容量型センサは、図1に示すように、基材101上に電極対102が形成され、電極対102に測定対象物が直接接しないように電極対102を覆う絶縁層103が形成された構成を備えている。この静電容量型センサでは、電極対102の間に形成される電界部分105に、図1(a)に示すように測定対象物106がない状態と図1(b)に示すように測定対象物106がある状態との2つの状態において、電極対102における静電容量値を測定している。かかる状態における静電容量値を測定することによって、測定対象物の比誘電率を算出することができる。すなわち、測定対象物がない状態では既知である空気の比誘電率(ε=1)の時の静電容量値を測定することになるが、測定対象物がある状態となったときの静電容量値を測定することにより、これらの比や差分をとることで測定対象物の比誘電率を算出することができる。このようにして算出された測定対象物の比誘電率に基づき測定対象物の物性等を知ることができる。
As shown in FIG. 1, in the case of a capacitance type sensor which is brought into contact with a measurement object and measured, the
このような静電容量型センサの応用例としては、肌水分量を測定する肌水分量測定装置などが知られている(特許文献1)。この肌水分量測定装置は、筒の先端にセンサが形成されており、このセンサ部分を肌に押し当てて測定を行う。センサ部分は、図1に示す静電容量型センサと同様の構成を備えている。すなわち、基材101である基板上に形成された電極対102が絶縁層103であるガラスで覆われた構成を備えている。このガラスの部分を肌に押し当てることによって測定を行う。こうしたタイプの肌センサは、この他にもさまざまな構成のものが知られている(特許文献2、3、4)。
As an application example of such a capacitance type sensor, a skin moisture amount measuring device which measures skin moisture amount, etc. are known (patent document 1). In this skin moisture content measuring device, a sensor is formed at the tip of a tube, and this sensor portion is pressed against the skin to perform measurement. The sensor portion has the same configuration as the capacitive sensor shown in FIG. That is, the
上述した肌センサなどに使用される従来の静電容量型センサでは、絶縁層を測定対象物に繰り返し押し当てて使用されるため、耐久性の観点から、絶縁層はガラスなどの硬くて丈夫な素材が用いられていた。しかしながら、硬くて丈夫な素材は、加工性が悪いため、図2に示すように、電極対102を一様に覆うように絶縁層103が形成されることとなる。この場合、静電容量値の測定領域となる部分はAで示す絶縁層の表面側の領域のみになり、本来であれば電界が形成されるはずの隣接する電極同士の間の領域(Bで示す領域)は絶縁層で埋まってしまい、測定領域として機能しなかった。
In the conventional capacitance type sensor used for the skin sensor etc. mentioned above, since the insulating layer is repeatedly pressed against the object to be measured, the insulating layer is hard and durable such as glass from the viewpoint of durability. The material was used. However, since a hard and strong material has poor processability, as shown in FIG. 2, the
本発明者らは、例えば肌のような非剛性の測定対象物であるとき、絶縁膜の構成を工夫すれば、従来は絶縁膜で覆われていた領域を測定領域として機能させることにより、センサの測定領域を拡大することができ、結果として、測定精度および測定感度を飛躍的に向上させることができることを見出し、本発明に至った。 The present inventors, for example, when the object is a non-rigid measurement object such as skin, if the configuration of the insulating film is devised, the sensor by causing the region conventionally covered with the insulating film to function as the measurement region. It has been found that it is possible to expand the measurement area of the above, and as a result, it is possible to dramatically improve the measurement accuracy and the measurement sensitivity, leading to the present invention.
本発明の課題は、従来よりもセンサの測定領域を拡大することにより、測定精度および測定感度の向上を実現することができる静電容量型センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a capacitance type sensor capable of realizing improvement in measurement accuracy and measurement sensitivity by expanding the measurement area of the sensor more than in the past.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、基材の主面に形成された電極対と該電極対を覆う絶縁膜とを備え、該電極対に所定の電圧を印加することにより形成される電界領域を測定領域として、非剛性の測定対象物を前記測定領域に挿入して前記絶縁膜に押し当てて前記電極対における静電容量を測定する静電容量型センサであって、前記電極対は基材の主面において対となる電極同士が所定間隔を有するようにパターニングされ、前記絶縁膜は基材の主面において前記電極対を覆うように前記パターニングの形状に沿って形成され、前記電極対に所定の電圧を印加することによって形成される電界は、前記電極対を覆う絶縁膜の前記基材の主面と反対側の領域のみならず、隣接する電極対を覆う絶縁膜が対向する領域にも形成されることを特徴とする静電容量型センサである。 In order to solve the above problems, the invention described in one embodiment includes an electrode pair formed on the main surface of a substrate and an insulating film covering the electrode pair, and a predetermined voltage is applied to the electrode pair. An electrostatic capacitance type sensor which measures an electrostatic capacitance in the electrode pair by inserting a non-rigid measurement object into the measurement area with the electric field area formed by applying as a measurement area and pressing the object against the insulating film The electrode pair is patterned such that the electrodes forming the pair have a predetermined distance on the main surface of the substrate, and the insulating film has the shape of the patterning so as to cover the electrode pair on the main surface of the substrate The electric field formed by applying a predetermined voltage to the electrode pair is not only the region opposite to the main surface of the base of the insulating film covering the electrode pair, but also the adjacent electrodes. The area where the insulating film covering the pair is opposite A capacitive sensor, characterized in that also formed.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本実施形態の静電容量型センサは、基材の主面に形成された電極対と該電極対を覆う絶縁膜とを備え、該電極対に所定の電圧を印加することにより形成される電界領域を測定領域として、非剛性の測定対象物を前記測定領域に挿入して前記絶縁膜に押し当てて前記電極対における静電容量を測定する静電容量型センサである。この静電容量型センサにおいて、前記電極対は基材の主面において対となる電極同士が所定間隔を有するようにパターニングされ、前記絶縁膜は基材の主面において前記電極対を覆うように前記パターニングの形状に沿って形成され、前記電極対に所定の電圧を印加することによって形成される電界は、前記電極対を覆う絶縁膜の前記基材の主面と反対側の領域のみならず、隣接する電極対を覆う絶縁膜が対向する領域にも形成される。 The capacitive sensor according to the present embodiment includes an electrode pair formed on the main surface of a substrate and an insulating film covering the electrode pair, and an electric field formed by applying a predetermined voltage to the electrode pair. It is an electrostatic capacitance type sensor which inserts a non-rigid measurement object into the measurement area by pressing the area as the measurement area and presses it against the insulating film to measure the capacitance of the electrode pair. In this capacitance type sensor, the electrode pair is patterned so that the pair of electrodes on the main surface of the base has a predetermined distance, and the insulating film covers the electrode pair on the main surface of the base The electric field formed along the shape of the patterning and formed by applying a predetermined voltage to the electrode pair is not only a region on the opposite side to the main surface of the base of the insulating film covering the electrode pair. The insulating film covering the adjacent electrode pair is also formed in the opposing region.
この構成により、電極対に所定の電圧を印加することによって形成される電界は、電極対を覆う絶縁膜の基材の主面と反対側の領域のみならず、隣接する電極対を覆う絶縁膜が対向する領域にも形成されるので、非剛性の測定対象物を絶縁膜に押し当てた際に、この領域にも非剛性の測定対象物が配置されることとなり、測定領域が拡大され、センサ応答性を向上させることができる。 With this configuration, the electric field formed by applying a predetermined voltage to the electrode pair is not only the region on the opposite side of the main surface of the insulating film covering the electrode pair but also the insulating film covering the adjacent electrode pair Since the non-rigid measurement object is pressed against the insulating film, the non-rigid measurement object is also disposed in this region, and the measurement region is expanded. Sensor responsiveness can be improved.
図3は本実施形態の静電容量型センサを組み込んだセンサ装置の概略構成例を示す図である。センサ装置1は、図3に示すように、電極対が設けられた静電容量型センサ10と、静電容量型センサ10に対して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20と、静電容量型センサ10における静電容量値を測定する例えばLCRメータなどの測定部30と、測定部30で測定した静電容量値に基づいて測定対象物の比誘電率および比誘電率に基づく物性等を算出する算出部40とを備えて構成される。なお、センサ装置1において測定対象物の静電容量値のみを測定する場合は、算出部40は設けなくてもかまわない。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a sensor device incorporating the capacitance type sensor of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the
本実施形態の静電容量型センサ10を組み込んだセンサ装置1は、高周波電源20において所定の電圧が印加された状態で静電容量型センサ10を測定対象物に押し当てて測定を行う。測定対象物は非剛性材料、すなわち柔軟性のある材料を用いることができる。柔軟性のある材料とは、静電容量型センサ10が押し当てられたときにある程度の変形をおこす材料である。測定対象物を配置する前の静電容量値と押し当てた時の静電容量値とを測定することにより、測定対象物の物性等を算出することができる。
The
図4は本実施形態の静電容量型センサ10の一例の概略構成を示す斜視図であり、図5は図4のV−V断面図である。ここで本実施形態の静電容量型センサ10の構成についてさらに詳細に説明する。図5に示すように、静電容量型センサ10は、基材11上に、第1の電極12aおよび第2の電極12bからなる電極対12(以下、第1の電極12aと第2の電極12bとを互いに区別しない場合は、「電極12」または「電極対12」ともいう)と、この電極対12を形成する第1の電極12aおよび第2の電極12bをそれぞれ覆う絶縁膜13a、13bとを備えて構成されている。
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of an example of the
基材11は、静電容量型センサ10の土台となる部分であり、絶縁性の材料、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。
The
電極12a、12bは、高周波電源20により電圧が印加されることによって電界を形成する電極対であり、形成された電界部分を測定領域として測定対象物がある時とない時の静電容量値が測定部30で測定される。電極対12a、12b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所定のパターンに形成することができる。この例では、図4に示すように、電極対12a、12bが所定の距離だけ離間して櫛歯型となるパターンに形成されている。電極対12a、12bのパターン形状は、櫛歯型に限らず、円形櫛歯型、空間充填曲線など、その他、電極対12a、12bの対向する表面積をできるだけ大きくしつつ等方性のある形状に形成することができる。
The
また、電極対12a、12bを、高密度に配置すると、電極近傍に電界領域が集中するため、電極近傍は極めて強く、遠方は極めて弱い電界が形成され、電極に近接した部位の感度が比較的高くなると考えられる。一方で、低密度に配置すると、電極周囲に広く電界領域が分布するため、高密度配置に比べて、近傍は強くなく、遠方も弱くない電界が形成されると考えられる。したがって、必ずしも高密度(狭ピッチ)が好ましいとは限らず、好ましい電界領域、すなわち検出領域はセンサ用途によって変わる。 Further, when the electrode pairs 12a and 12b are arranged at high density, the electric field region is concentrated near the electrodes, so the electric field is extremely strong near the electrodes and extremely weak electric fields are formed far away. It is considered to be higher. On the other hand, when arranged at low density, the electric field region is widely distributed around the electrode, so it is considered that an electric field which is not strong near and not weak at distant places is formed as compared with high density arrangement. Therefore, high density (narrow pitch) is not always preferable, and the preferred electric field area, ie, detection area, varies depending on the sensor application.
絶縁膜13a、13bは、電極対12a、12bと測定対象物とを絶縁し、電極対12a、12bの表面を保護するための保護膜である。絶縁膜は、厚すぎると、電極対と測定対象物の距離が離れ、電極対が形成する電界領域に測定対象物が入らなくなる恐れがあるので、絶縁が確保できる範囲で絶縁膜は薄い方が好ましい。絶縁膜13a、13bは、測定対象物に押し当てられたときに、電極対12a、12bと導通しないように、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、二液硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、シリコンゴムを含む樹脂や、酸化物ペースト、窒化物ペースト、ガラス粉末ペーストなどを含む易加工性の絶縁材料で構成され、スクリーン印刷法などの印刷法、あるいはディスペンス法やスプレー法やスピンコート法など、種々の方法を用いて、基材11に対して電極対12a、12bを覆うように形成することができる。すなわち絶縁膜13a、13bは、電極対12a、12bを被覆しつつ、基材11上の電極対12a、12bのない領域が断面凹形状となるように形成される。したがって、絶縁膜13a、13bのパターン形状は、電極対12a、12bのパターン形状を被覆したものとなる。
The insulating
絶縁膜13a、13bのパターン形状は電極対12a、12bのパターン形状を被覆したものとなるので、基材11上には電極対12a、12bのない断面凹形状の領域が形成されて、従来は絶縁膜が充填されていた領域にも電界が形成されることになる。さらに、絶縁膜13a、13bに、非剛性の測定対象物が押し当てられると、図6に示すように測定対象物106は変形して断面凹形状の部分にも侵入することができる。すなわち、測定する静電容量値に影響する電界領域105が拡大されるとともに、拡大された電界領域105も測定対象物106で満たされるので、測定対象物106を含む電界領域105が拡大されることとなる。したがって、測定領域が拡大し、測定精度および測定感度が飛躍的に向上するといえる。
Since the pattern shape of the insulating
本実施形態の静電容量型センサ10を組み込んだセンサ装置1における測定について説明する。まず、静電容量型センサ10の測定領域に測定対象物がない状態で、高周波電源20により静電容量型センサ10に対して所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加して、測定部30により静電容量型センサ10の電極対における静電容量値を測定する。このとき測定される静電容量値は空気の比誘電率(εaとする)に対する静電容量値(Caとする)である。次に静電容量型センサ10の絶縁膜13a、13bに対して測定対象物を押し当てた状態で高周波電源20により静電容量型センサ10に対して所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加して、測定部30により静電容量型センサ10の電極対における静電容量値を測定する。このとき測定される静電容量値は測定対象物の比誘電率(εxとする)に対する静電容量値(Cxとする)である。
The measurement in the
これらの静電容量値Ca、Cxが測定されると、算出部40は、測定対象物の静電容量値Cxの、空気の静電容量値Caに対する差分(ΔC=Cx−Ca)または比(δ=(Cx/Ca))をとることによって測定対象物の物性等を算出することができる。
When these capacitance values Ca and Cx are measured, the
本実施形態のセンサ装置においては、この算出部40における算出手法は、測定対象物によってさまざまである。例えば、センサ装置1が肌の水分量を測定する肌センサとして構成される場合は、算出した肌水分率xに基づき肌の水分量を知ることができる。
In the sensor device of the present embodiment, the calculation method in the
なお、本実施形態の静電容量型センサなどのように空気と測定対象物の静電容量値の差分または比とる手法で測定対象物の物性xを算出する場合、厳密には、環境温度、環境湿度、測定対象物の硬さなどの条件にも影響を受けるが、測定領域が拡大の影響の方が大きく、これらの条件による影響はほとんど無視できるといってよい。 In the case of calculating the physical property x of the object to be measured by the method of calculating the difference or the ratio between the capacitance value of air and the object to be measured, such as the capacitance type sensor of this embodiment, Although it is influenced by the conditions such as the environmental humidity and the hardness of the object to be measured, the effect of the expansion of the measurement area is larger, and the influence of these conditions can be almost ignored.
本実施形態のセンサ装置は、肌水分量を測定する肌センサ以外にも、タッチセンサ、パック内の液体容量の監視センサなどとして構成することができる。これら本実施形態のセンサ装置を具体的なセンサとして構成した例について算出部40における処理について説明する。
The sensor device of the present embodiment can be configured as a touch sensor, a monitoring sensor of the liquid volume in the pack, or the like, in addition to the skin sensor that measures the amount of skin moisture. The process in the
(肌センサ)
図7は本実施形態のセンサ装置を肌センサとして構成する場合の測定領域の状態の一例を示す図である。図7に示すように、肌センサの場合、測定対象物106は肌T1となる。肌センサの場合は、センサ装置の測定領域に測定対象物がない状態すなわち、空気が測定領域に存在するときの静電容量値Ca(=εa×S/d)と、十分乾燥した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C1(=ε1×S/d)と、十分湿潤した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C2(=ε2×S/d)とを予め測定しておく必要がある。ここでSは静電容量を構成する電極面積に相当し、dは電極間距離に相当する。
(Skin sensor)
FIG. 7 is a view showing an example of the state of the measurement area when the sensor device of the present embodiment is configured as a skin sensor. As shown in FIG. 7, in the case of the skin sensor, the
センサ装置が肌センサである場合は算出部40における算出手法は2つある。
When the sensor device is a skin sensor, there are two calculation methods in the
1つ目の手法としては、肌T1の静電容量値Cxの空気の静電容量値Caに対する比δを求めることによって、肌の水分量を算出することができる。この場合は、未知の水分量の肌が測定対象物として測定領域に存在する場合の静電容量値Cxは、空気の静電容量値Caと、十分乾燥した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C1と、十分湿潤した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C2とを用いて、
Cx/Ca={(C2−C1)/Ca}x+C1/Ca・・・(式1)で与えられる。ここでxは肌水分量の目安となる肌水分率を示しており、x=0で十分乾燥状態、x=1で十分湿潤状態の肌であることを示している。
As the first method, the moisture content of the skin can be calculated by determining the ratio δ of the capacitance value Cx of the skin T1 to the capacitance value Ca of air. In this case, the capacitance value Cx when the skin of unknown water content is present in the measurement area as the measurement object is the capacitance value of air Ca and when the sufficiently dried skin is present in the measurement area Using capacitance value C 1 and capacitance value C 2 when sufficiently moist skin exists in the measurement area,
Cx / Ca = is given by {(C 2 -C 1) / Ca} x +
したがって、測定対象物の静電容量値Cxを測定し、上記(式1)に代入することにより、肌の水分率xを算出することができるので、すなわち肌水分量を算出することができる。 Therefore, the moisture content x of the skin can be calculated by measuring the capacitance value Cx of the measurement object and substituting it into the above (formula 1), that is, the skin moisture amount can be calculated.
別の手法としては、肌T1の静電容量値Cxの空気の静電容量値Caに対する差分ΔCを求めることによって、肌の水分量を算出することができる。この場合は、未知の水分量の肌が測定対象物として測定領域に存在する場合の静電容量値Cxは、空気の静電容量値Caと、十分乾燥した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C1と、十分湿潤した肌が測定領域に存在するときの静電容量値C2とを用いて、
Cx−Ca=(C2−C1)x+C1−Ca・・・(式2)で与えられる。
As another method, the moisture amount of the skin can be calculated by obtaining the difference ΔC of the capacitance value Cx of the skin T1 with respect to the capacitance value Ca of air. In this case, the capacitance value Cx when the skin of unknown water content is present in the measurement area as the measurement object is the capacitance value of air Ca and when the sufficiently dried skin is present in the measurement area Using capacitance value C 1 and capacitance value C 2 when sufficiently moist skin exists in the measurement area,
Cx-Ca = (C 2 -C 1) is given by x + C 1 -Ca ··· (Equation 2).
したがって、測定対象物の静電容量値Cxを測定し、上記(式2)に代入することにより、肌の水分率xを算出することができるので、すなわち肌水分量を算出することができる。 Therefore, the moisture content x of the skin can be calculated by measuring the capacitance value Cx of the measurement object and substituting it in the above (formula 2), that is, the skin moisture amount can be calculated.
(タッチセンサ)
図8は本実施形態のセンサ装置をタッチセンサとして構成する場合の測定領域の状態の一例を示す図である。タッチセンサの場合、通常の測定対象物106は手であるが、図8に示すように、測定対象物106が手袋T3を着用した手T2となることもある。
(Touch sensor)
FIG. 8 is a view showing an example of the state of the measurement region when the sensor device of the present embodiment is configured as a touch sensor. In the case of a touch sensor, the
タッチセンサの場合、静電容量型センサ10の検出領域内に、手袋T3を着用した手T2が進入した場合(検出状態)の静電容量値を予め求めておき、検出状態において測定した静電容量値を閾値としてこの静電容量値を超えたか否かでタッチを検出する。 In the case of a touch sensor, the capacitance value in the case where the hand T2 wearing the glove T3 enters the detection area of the capacitance type sensor 10 (detection state) is determined in advance, and the electrostatic capacitance measured in the detection state A touch is detected depending on whether or not the capacitance value is exceeded with the capacitance value as a threshold value.
タッチセンサとして構成する場合は、検出状態とする前に、測定領域に空気が存在するときの静電容量値を測定して、センサの校正(閾値の修正)を行なうことによってタッチの検出精度を向上することができる。 When configured as a touch sensor, measure the capacitance value when air is present in the measurement area before making it into the detection state, and calibrate the sensor (correct the threshold value) to determine the touch detection accuracy. It can be improved.
タッチセンサとして本実施形態の静電容量型センサ10を用いる場合は、手袋T3をした状態でのタッチの検出感度が上昇する。例えば、手袋は絶縁材料であるので、従来の平坦な絶縁層の構成では、手袋T3の厚みが邪魔をして、検出領域に導体である手T2が侵入する量が少なくなってしまうので、タッチの不検出または弱信号となってしまうが、本実施形態の静電容量型センサ10の構成、すなわち断面凹形状の絶縁層の構成では、断面凹形状の部位に手袋T3が押し込まれ、検出が可能あるいは強信号となる。
When the
(液体容量監視センサ)
図9は本実施形態のセンサ装置を液体容量監視センサとして構成する場合の測定領域の状態の一例を示す図である。図9に示すように、液体容量監視センサの場合、測定対象物106は液体の容器となるパックT4とパック内の液体T5となる。液体容量監視センサの場合は、センサ装置の測定領域に測定対象物がない状態すなわち、空気が測定領域に存在するときの静電容量値Ca(=εa×S/d)と、空パック(空状態)が測定領域に存在するときの静電容量値C1(=ε1×S/d)と、満液状態のパックが測定領域に存在するときの静電容量値C2(=ε2×S/d)とを予め測定しておく必要がある。ここでSは静電容量を構成する電極面積に相当し、dは電極間距離に相当する。
(Liquid volume monitoring sensor)
FIG. 9 is a view showing an example of the state of the measurement area when the sensor device of the present embodiment is configured as a liquid volume monitoring sensor. As shown in FIG. 9, in the case of a liquid volume monitoring sensor, the
センサ装置が液体容量監視センサである場合は算出部40における算出手法は2つある。
When the sensor device is a liquid volume monitoring sensor, the
1つ目の手法としては、パックT4と液体T5との合成された静電容量値Cxの空気の静電容量値Caに対する比δを求めることによって、パック内の液体量、すなわちパック内の水位を算出することができる。この場合は、未知の水位のパックが測定対象物として測定領域に存在する場合の静電容量値Cxは、空気の静電容量値Caと、空状態であるときの静電容量値C1と、満液状態ときの静電容量値C2とを用いて、
Cx/Ca={(C2−C1)/Ca}x+C1/Ca・・・(式3)で与えられる。ここでxはパック内の水位率を示しており、x=0で空状態、x=1で満液状態の水位であることを示している。
As the first method, the amount of liquid in the pack, ie, the water level in the pack, is obtained by determining the ratio δ of the combined capacitance value Cx of the pack T4 and the liquid T5 to the capacitance value Ca of air. Can be calculated. In this case, the capacitance value Cx in the case where a pack with an unknown water level exists in the measurement area as the measurement object is the capacitance value Ca of air and the capacitance value C 1 in the empty state. Using the capacitance value C 2 when the liquid is full,
Cx / Ca = is given by {(C 2 -C 1) / Ca} x +
したがって、測定対象物の静電容量値Cxを測定し、上記(式3)に代入することにより、パック内の水位率xを算出することができるので、すなわちパックの液体容量を算出することができる。 Therefore, the water level rate x in the pack can be calculated by measuring the capacitance value Cx of the object to be measured and substituting it in the above (Equation 3), that is, calculating the liquid volume of the pack it can.
別の手法としては、パックT4と液体T5との合成された静電容量値Cxの空気の静電容量値Caに対する差分ΔCを求めることによって、パックの水位、すなわち液体容量を算出することができる。この場合は、未知の水位のパックが測定対象物として測定領域に存在する場合の静電容量値Cxは、空気の静電容量値Caと、空状態のパックの静電容量値C1と、満液状態のパックの静電容量値C2とを用いて、
Cx−Ca=(C2−C1)x+C1−Ca・・・(式4)で与えられる。
As another method, the water level of the pack, that is, the liquid volume can be calculated by determining the difference ΔC of the combined capacitance value Cx of the pack T4 and the liquid T5 with respect to the capacitance value Ca of air. . In this case, the electrostatic capacitance value Cx when the pack of unknown water level present in the measuring region of the measuring object, and the capacitance value Ca of air, the capacitance value C 1 of the pack of empty, Using the capacitance value C 2 of the pack in the full liquid state,
Cx-Ca = (C2-C1) x + C1-Ca (Equation 4).
したがって、測定対象物の静電容量値Cxを測定し、上記(式4)に代入することにより、パック内の水位率xを求めることができるので、すなわちパックの液体容量を算出することができる。 Therefore, the water level ratio x in the pack can be obtained by measuring the capacitance value Cx of the object to be measured and substituting it in the above (Equation 4), that is, the liquid volume of the pack can be calculated. .
本実施例では、上記実施形態で説明した静電容量型センサの効果を例証するために従来の構成の静電容量型センサと比較して検出応答量ΔC(測定対象物の静電容量値Cxと空気の静電容量値Caの差分)を測定した。本実施例では、測定対象物は皮膚とした。 In this embodiment, in order to illustrate the effect of the capacitive sensor described in the above embodiment, the detection response amount ΔC (the capacitance value Cx of the object to be measured is compared with the capacitive sensor of the conventional configuration. Of air and the capacitance value Ca of the air) were measured. In the present embodiment, the measurement object is skin.
本実施例で用いた静電容量型センサ10は図4および図5に示すような構成を備え、静電容量型センサ10における電極対12a、12bは、Line/Space=200μm/200μm、櫛歯の数が12ペア(図4、5では3ペア)であり電極長が8.6mmとなるように導電性ペーストにより形成した。静電容量型センサ10における絶縁膜13a、13bは、Line/Space=240μm/160μmとなるように絶縁性のある紫外線硬化性樹脂により形成した。
The
比較例として、従来の構成、すなわち絶縁膜を基材の電極対形成面に均一塗布して、基材上に断面凹部が形成されないようにした以外は上記の静電容量型センサ10と同様の構成を有する静電容量型センサを用いて検出応答量ΔCを測定した。
As a comparative example, the same as the above-described
測定条件は、静電容量型センサに対して、測定周波数10kHz、印加電圧振幅1Vの交流電圧を印加し、Keysight社製LCRメータE4980ALにより3回測定をおこなった。 The measurement conditions were such that an alternating current voltage with a measurement frequency of 10 kHz and an applied voltage amplitude of 1 V was applied to the capacitance type sensor, and measurement was performed three times by using a Keysight LCR meter E4980AL.
図10は、実施例の静電容量型センサと比較例である従来の静電容量型センサとのそれぞれにおける検出応答量ΔCの測定結果を示す図である。図10から明らかなように、本実施例の静電容量型センサを用いた場合の検出応答量ΔCは、比較例の約10倍となることが判る。すなわち、測定感度が飛躍的に向上しているといえる。 FIG. 10 is a diagram showing measurement results of the detection response amount ΔC in each of the capacitance type sensor of the embodiment and the conventional capacitance type sensor as a comparative example. As apparent from FIG. 10, it is understood that the detection response amount ΔC in the case of using the capacitance type sensor of the present embodiment is about 10 times that of the comparative example. That is, it can be said that the measurement sensitivity is dramatically improved.
このように、本実施例の静電容量型センサによれば、従来の静電容量型センサよりもセンサの測定領域を拡大することができ、その結果、測定精度および測定感度の飛躍的な向上を実現することができるといえる。 As described above, according to the capacitance type sensor of the present embodiment, the measurement area of the sensor can be expanded more than that of the conventional capacitance type sensor, and as a result, the measurement accuracy and the measurement sensitivity are dramatically improved. Can be realized.
1 センサ装置
10 静電容量型センサ
11 基材
12a、12b 電極
13a、13b 絶縁膜
20 高周波電源
30 測定部
40 算出部
101 基材
102 電極対
103 絶縁層
105 電界部分
106 測定対象物
Claims (4)
前記電極対は基材の主面において対となる電極同士が所定間隔を有するようにパターニングされ、前記絶縁膜は基材の主面において前記電極対を覆うように前記パターニングの形状に沿って形成され、
前記電極対に所定の電圧を印加することによって形成される電界は、前記電極対を覆う絶縁膜の前記基材の主面と反対側の領域のみならず、隣接する電極対を覆う絶縁膜が対向する領域にも形成されることを特徴とする静電容量型センサ。 A non-rigid measurement target having an electric field region formed by applying a predetermined voltage to an electrode pair formed on the main surface of a substrate and an insulating film covering the electrode pair. A capacitance type sensor that inserts an object into the measurement area and presses it against the insulating film to measure the capacitance of the electrode pair,
The electrode pair is patterned so that the pair of electrodes on the main surface of the base has a predetermined distance, and the insulating film is formed along the shape of the patterning to cover the electrode pair on the main surface of the base And
The electric field formed by applying a predetermined voltage to the electrode pair is not only the region on the opposite side of the main surface of the base of the insulating film covering the electrode pair but also the insulating film covering the adjacent electrode pair A capacitive sensor characterized in that it is also formed in opposing regions.
前記静電容量型センサの電極対に交流電圧を印加する高周波電源と、
前記交流電圧を印加された前記静電容量型センサの電極対における静電容量を測定する測定部とを備えたことを特徴とするセンサ装置。 A capacitive sensor according to claim 1 or 2;
A high frequency power supply for applying an alternating voltage to an electrode pair of the capacitive sensor;
What is claimed is: 1. A sensor device comprising: a measuring unit that measures a capacitance of an electrode pair of the capacitive sensor to which the alternating voltage is applied.
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