JP4358679B2 - 静電容量式近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体の近接を静電容量の変化で検出する静電容量式近接センサに関する。

従来、この種の静電容量式近接センサとして、絶縁基板上の一方の面（検出面）に検出電極と接地電極とを形成し、他方の面（背面）に検出電極及び接地電極の形成領域を覆うようにシールド電極を形成することにより、検出面側に電気力線を集中させて、検出面の側方や背面の物体の影響を排除するようにした静電容量式近接センサが知られている（例えば特許文献１）。

このような静電容量式近接センサでは、検出電極と接地電極との間の静電容量に基づく周波数で発振する発振回路と、この発振回路の発振周波数を判別する判定回路とを含んだ検知回路を備え、この検知回路によって検出電極と接地電極とに物体が近接することによる静電容量の変化を検出して、物体の有無や距離を判別するようにしている。
特開２０００−４８６９４号公報（段落０００６，００１２、図１，図２）

上述した従来の静電容量式近接センサでは、シールド効果を期待して接地電極が検出電極を取り囲むように形成されている。しかしながら、本発明者の実験によると、物体の検知感度が高いのは検出電極の近傍であり、接地電極の近傍ではないことが明らかとなった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、検出感度の高い静電容量式近接センサを提供することを目的とする。

本発明に係る静電容量式近接センサは、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に所定のパターンで形成された検知電極及び接地電極と、前記検知電極と接地電極との間の静電容量を検出して前記検知電極及び接地電極に物体が接近したことを検出する検知回路とを備えた静電容量式近接センサにおいて、前記絶縁基板の他方の面に配置された第１の絶縁材からなるスペーサと、前記スペーサの前記絶縁基板側とは反対側の面に、該スペーサを介して該絶縁基板と所定間隔離れるように配置されたシールド材と、前記シールド材の前記スペーサ側とは反対側の面に配置された第２の絶縁材とを更に備え、前記検知電極は、前記接地電極を取り囲む形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の一つの実施形態において、検知電極は、接地電極を取り囲むコの字状のパターンからなる。また本発明の他の実施形態において、検知電極は、接地電極を中心として対称に分離された第１の検知電極及び第２の検知電極からなり、検知回路は、第１の検知電極と接地電極との間の容量と、第２の検知電極と接地電極との間の容量とにより、物体が接近した方向を判定する。本発明の更に他の実施形態において、シールド材は、絶縁基板の他方の面側に、検知電極及び接地電極の形成領域全体を覆うように形成されている。

本発明によれば、検知電極が接地電極を取り囲むように形成されているので、検知電極と接地電極との間の静電容量を高くすることができ、これにより外部ノイズの影響を排除することができると共に、物体の近接の有無による静電容量の変化も大きくとることができ、もって検出感度が高く、広範囲な領域での検知が可能な静電容量式近接センサを提供することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。この近接センサは、センサ部１０と、検知回路２０とにより構成されている。

センサ部１０は、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）、リジットプリント回路（ＲＰＣ）等により構成されたもので、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、又はエポキシ樹脂などの絶縁体からなる絶縁基板１１と、この絶縁基板１１上にパターン形成された銅、銅合金又はアルミニウムなどからなる検知電極１２及び接地電極１３とを備えて構成されている。接地電極１３は、正方形又は長方形で、検知電極１２は、この接地電極１３の両側及び上辺を取り囲むコの字形に形成されている。

検知回路２０は、図２に示すように、検知電極１２及び接地電極１３の間の静電容量に応じて発振周波数が変化する発振回路２１と、この発振回路２１の発振出力周波数の大きさを検知する周波数検知回路２２と、この周波数検知回路２２で検知された周波数の大きさに基づいて物体の近接、距離等を判定する判定回路２３と、これらの回路を制御する制御回路２４とを備えて構成されている。ここで発振回路２１に接続された検知電極１２には、発振出力に対応した交番電圧が与えられるが、接地電極１３は接地電位に固定される。周波数検知回路２２は、ローパスフィルタのような周波数を電圧に変換する周波数−電圧変換器、発振出力の例えば立ち上がりエッジを計数する周波数計数器等により構成することができる。判定回路２３は、電圧コンパレータやＣＰＵ等のプログラマブルデバイスにより構成することができる。制御回路２４は、例えば発振回路、周波数検知回路２２及び判定回路２３に使用される増幅器のゲイン調整用、及び温度、湿度等の外部環境の補正用の回路であり、判定回路２３と一緒に構成されていても良い。

なお、以上は検知回路２０の一例であって、この他にも、例えば一定の周波数で発振する発振回路と、この発振回路の出力パルスのデューティーを検知電極及び接地電極の静電容量で変化させる単安定マルチバイブレータと、この単安定マルチバイブレータの出力の平均値を出力するローパスフィルタとにより検知回路を構成することもできる。

次に、上述のように構成された静電容量式近接センサの効果について説明する。

実施例１
図３に示すような４０ｍｍ角の電極１の上辺及び左右辺の周りに１０ｍｍのギャップを介して幅４０ｍｍのコの字形の電極２を形成した。電極１を接地電位に接続して接地電極とし、電極２を検知電極として、図２の回路の所定のフィードバック経路に接続し、３０ｍｍ角の平板の接地電極を、図３の各ポイントＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにそれぞれ近づけたときの各ポイントまでの距離と電極１，２間の静電容量との関係を測定した。その結果を図４（ａ）に示す。図示のように、中央の電極１よりも小さな３０ｍｍ角の平板の接地電極を中央の接地電極となる電極１のポイントＡに近づけた場合、静電容量の変化は全く観測されなかった。これに対し、検知電極となるコの字形の電極２の各ポイントＢ，Ｃ，Ｄは、距離２０ｍｍまで近づいてから以降の静電容量自体及びその変化が６〜１０ｐＦと大きく、検出感度が良好であることが確認された。

実施例２
図３の電極１，２に近づける接地電極を５０ｍｍ角に変えて、実施例１と同様の測定を行った。その結果を図４（ｂ）に示す。このように近づける接地電極を電極１より大きくした場合には、電極１のポイントＡにおいても静電容量の変化がわずかながら観測された。また、検知電極となるコの字形の電極２の各ポイントＢ，Ｃ，Ｄは、距離２０ｍｍまで近づいてから以降の静電容量変化が７．５〜１２ｐＦとなり、実施例１よりも大きな静電容量及びその変化が観測された。

比較例１
電極１を検知電極、電極２を接地電極とする以外は、実施例１と同様の測定を行った。その結果を図５（ａ）に示す。

比較例２
電極１を検知電極、電極２を接地電極とする以外は、実施例２と同様の測定を行った。その結果を図５（ｂ）に示す。
図５（ａ），（ｂ）からも明らかなように、静電容量の変化が観測されたのは、電極１のポイントＡのみであり、その静電容量及びその変化は、比較例１で６〜７．５ｐＦ、比較例２で６〜８ｐＦと小さく、検出感度、検出範囲共に実施例１，２よりも劣っていた。

比較例３
図６に示すように、４０ｍｍ角の３つの電極３，４，５を１０ｍｍのギャップを空けて一列に配設し、電極３を接地電極、電極４を検知電極、電極５には何も接続しない状態とし、３０ｍｍ角の平板状の接地電極を各ポイントＡ，Ｂ，Ｃに近づけて静電容量の変化を測定した。その結果を図７（ａ）に示す。

比較例４
比較例３と同様の３つの電極３，４，５のうち、電極３を接地電極、電極５を検知電極、電極４には何も接続しない状態とし、比較例３と同様の測定をした。その結果を図７（ｂ）に示す。
図７（ａ），（ｂ）から明らかなように、静電容量の変化が観測されるのは、検知電極のポイントＢ，Ｃのみであり、静電容量自体が３．５〜６．５ｐＦ、３．８〜６．８ｐＦと小さかった。

以上のように、本実施形態の静電容量式近接センサによれば、高い検出感度を有し、外部雑音にも強いという効果を奏することができる。

なお、図１において、検知電極１２による検知感度を高めるためには、電極の裏面に対するシールドが効果的である。
図８は、図１のセンサ部１０のＩ−Ｉ′断面図である。絶縁基板１１の下面には、検知電極１２及び接地電極１３の形成範囲の全体を覆うようにシールド材１４が形成されている。これにより、絶縁基板１１の裏面側からの電気力線の影響を無くして耐ノイズ性を高めることができる。

図９は、絶縁基板１１の下面に、絶縁体からなるスペーサ１５を介して、シールド材１４が形成された絶縁材１６を配置した例である。即ち、絶縁基板１１が例えば７５μｍ程度のメンブレンシートである場合、検知電極１２とシールド材１４とが近接しすぎて両者の間に電気力線が集中してしまうので、スペーサ１５を介在させることで、上面側の電気力線を増加させて検出感度を更に向上させることができる。

図１０は、図８のシールド材１４を絶縁基板１１の下面だけでなく電極１２，１３の側面を囲む高さまで延ばした例、図１１は、図９のシールド材１４及び絶縁材１６を電極１２，１３の側面を囲む高さまで延ばした例である。これらの例のように、シールド材１４で電極１２，１３の側面も覆うようにすると、下面側からの影響を更に完全に排除することができる。

図１２及び図１３は、本発明の他の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。この実施形態では、センサ部３０を構成する検知電極が２つに分割されている点と、検知回路４０が２つの検知電極で物体の近接、距離及び移動方向を判定する点が先の実施形態とは異なっている。

センサ部３０は、絶縁基板３１と、この絶縁基板３１上にパターン形成された検知電極３２ａ，３２ｂ及び接地電極３３とを備えて構成されている。接地電極１３は、正方形又は長方形で、検知電極３２ａは、この接地電極３３の左側及び上辺の左半分を取り囲み、検知電極３２ｂは、この接地電極３３の右側及び上辺の右半分を取り囲むくの字形に形成されている。

検知回路４０は、図１３に示すように、検知電極３２ａ及び接地電極３３の間の静電容量に応じて発振周波数が変化する発振回路４１ａと、検知電極３２ｂ及び接地電極３３の間の静電容量に応じて発振周波数が変化する発振回路４１ｂと、これら発振回路４１ａ，４１ｂの発振出力周波数の大きさをそれぞれ検知する周波数検知回路４２ａ，４２ｂと、これらの周波数検知回路４２ａ，４２ｂで検知された周波数の大きさに基づいて物体の近接、距離及び移動方向等を判定する判定回路４３と、これらの回路を制御する制御回路４４とを備えて構成されている。

この実施形態では、物体が図１２の左から右に移動してきた場合には、検知電極３２ａの静電容量が変化した後、検知電極３２ｂの静電容量が変化し、逆に、物体が図１２の右から左に移動してきた場合には、検知電極３２ｂの静電容量が変化した後、検知電極３２ａの静電容量が変化するので、物体の移動方向を検出することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、電極の形態としては、図１４に示すように、円形の接地電極５１と、この接地電極５１の周りを取り囲むような円環状の検知電極５２とを同心円上に配置させたパターンとしても良いし、また、図１５に示すように、矩形波状の接地電極６１と、その周りを取り囲む矩形の検知電極６２とによるパターンでも良い。

要するに、本発明は、検知電極が、接地電極を取り囲む形状に形成されていることを特徴とするものであり、その趣旨を変更しない限度で種々の変形実施が可能である。

本発明の一実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。 同近接センサの検知回路の詳細を示すブロック図である。 同近接センサの実施例１，２及び比較例１，２の電極の平面図である。 同実施例１，２の測定結果である検出対象の距離と電極の静電容量との関係を示すグラフである。 同比較例１，２の測定結果である検出対象の距離と電極の静電容量との関係を示すグラフである。 近接センサの比較例３，４の電極の平面図である。 同比較例３，４の測定結果である検出対象の距離と電極の静電容量との関係を示すグラフである。 図１のＩ−Ｉ′断面の一例を示す断面図である。 図１のＩ−Ｉ′断面の他の例を示す断面図である。 図１のＩ−Ｉ′断面の更に他の例を示す断面図である。 図１のＩ−Ｉ′断面の更に他の例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。 同近接センサの検知回路の詳細を示すブロック図である。 本発明の更に他の実施形態に係る電極を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る電極を示す平面図である。

符号の説明

１０，３０…センサ部、１１，３１…絶縁基板、１２，３２ａ，３２ｂ，５２，６２…検知電極、１３，３３，５１，６１…接地電極、１４…シールド材、１５…スペーサ、１６…絶縁材、２０，４０…検知回路、２１，４１ａ，４１ｂ…発振回路、２２，４２ａ，４２ｂ…周波数検知回路、２３，４３…判定回路、３４，４４…制御回路。

Claims (4)

1. 絶縁基板と、
   この絶縁基板の一方の面に所定のパターンで形成された検知電極及び接地電極と、
   前記検知電極と接地電極との間の静電容量を検出して前記検知電極及び接地電極に物体が接近したことを検出する検知回路と
   を備えた静電容量式近接センサにおいて、
   前記絶縁基板の他方の面に配置された第１の絶縁材からなるスペーサと、
   前記スペーサの前記絶縁基板側とは反対側の面に、該スペーサを介して該絶縁基板と所定間隔離れるように配置されたシールド材と、
   前記シールド材の前記スペーサ側とは反対側の面に配置された第２の絶縁材とを更に備え、
   前記検知電極は、前記接地電極を取り囲む形状に形成されていることを特徴とする静電容量式近接センサ。
2. 前記検知電極は、前記接地電極を取り囲むコの字状のパターンからなることを特徴とする請求項１記載の静電容量式近接センサ。
3. 前記検知電極は、前記接地電極を中心として対称に分離された第１の検知電極及び第２の検知電極からなり、
   前記検知回路は、前記第１の検知電極と接地電極との間の容量と、前記第２の検知電極と接地電極との間の容量とにより、前記物体が接近した方向を判定するものである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量式近接センサ。
4. 前記シールド材は、前記絶縁基板の他方の面側に、前記検知電極及び接地電極の形成領域全体を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の静電容量式近接センサ。

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