JP7007640B2 - Electrode expansion type capacitance type sensor - Google Patents

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JP7007640B2 JP2017226313A JP2017226313A JP7007640B2 JP 7007640 B2 JP7007640 B2 JP 7007640B2 JP 2017226313 A JP2017226313 A JP 2017226313A JP 2017226313 A JP2017226313 A JP 2017226313A JP 7007640 B2 JP7007640 B2 JP 7007640B2
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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。 The present invention relates to an electrode expansion type capacitance type sensor having an improved degree of freedom in setting a detection region as compared with the conventional case.

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。 Capacitance sensors are used as proximity sensors to detect the presence or absence of conductive substances in space or movement information of conductive substances, inclusion sensors to detect the presence or absence of contents in packs, and temperature / humidity sensors to detect temperature or humidity. It's being used.

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)。 As such a capacitance type sensor, a capacitance type sensor in which two comb tooth type detection electrodes are arranged so that the comb teeth face each other on only one side of the base material is known. Further, when the detection electrode is arranged on only one side of the base material, manufacturing variation occurs. In order to prevent this, a capacitance type sensor in which the detection electrode is arranged on both sides of the thin film base material is also known. (See, for example, Patent Documents 1 and 2).

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。 FIG. 1A shows a conventional capacitive sensor in which detection electrodes are arranged on both sides as shown in Patent Document 1, and FIG. 1B shows a cross-sectional view thereof. 1 (a) and 1 (b) show the base material 11, the first electrode 12 formed on the first surface of the base material 11, and the second electrode 12 on the side opposite to the first surface of the base material 11. A second electrode 13 formed on the surface of 2, a first lead-out wiring 14 drawn out on the first surface and applying a voltage to the first electrode 12, and a second lead-out wiring 14 drawn out on the second surface. A capacitance type sensor 10 comprising a second lead-out wire 15 for applying a voltage to the electrode 13 of the above is shown.

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。 The first electrode 12, the second electrode 13, the first lead-out wiring 14, and the second lead-out wiring 15 are formed on the base material 11 by using a printing method such as a screen printing method. As the base material 11, for example, a thin film can be used. For example, when the first electrode 12 is a signal electrode and the second electrode 13 is a ground electrode, the area of the second electrode 13 that functions as a ground electrode is larger than that of the first electrode 12 that functions as a signal electrode. It is configured to be large.

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。 In the conventional capacitive sensor 10 as shown in FIG. 1, the first and second electrodes 12 and 13 have a predetermined frequency and a predetermined frequency via the first and second lead-out wires 14 and 15, respectively. The AC voltage of the amplitude of is applied. As a result, the current and voltage between the first and second electrodes 12 and 13 are measured, and the capacitance value of the capacitance type sensor 10 is calculated based on the measured value.

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。 In the capacitance type sensor 10, a detection region is defined by using electric lines of force from one of the first and second electrodes 12 and 13 toward the other. When an object enters the detection area of the capacitance type sensor 10, a part of the electric lines of force is absorbed by the object and the capacitance value of the capacitance type sensor 10 decreases. The amount of decrease in the capacitance value increases as the object approaches the capacitance type sensor 10. In this way, by detecting the change in the capacitance value of the capacitance type sensor 10, it is possible to acquire the presence / absence and motion information of the object.

特開2016-19588号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-19588 特開2014-137240号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-137240

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).K. Nomura, R. kaji, S. iwata, 8 outsiders, “A flexible proximity sensor formed by duplex screen / screen-offset printing and its application to non-contact detection of human breathing”, Scientific Reports 6, 1947 (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。 As described above, in the capacitive sensor, the detection area is defined by using the electric lines of force from one of the two detection electrodes to the other, so that the detection area is defined by the shape and arrangement of the two detection electrodes. It changes according to the applied voltage. However, such an electrode shape, an electrode arrangement, and an applied voltage have a low degree of freedom in setting, and therefore the degree of freedom in setting the detection region is also limited.

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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitance type sensor having an improved degree of freedom in setting a detection region as compared with the conventional case.

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であって、前記静電容量式センサ部が形成する電気力線の一部が前記拡張電極に吸収され、前記拡張電極からも電気力線が発せられるように浮遊状態で配置される、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前記静電容量式センサ部の初期検出領域を拡縮することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the capacitance type sensor according to the embodiment of the present invention is a capacitance type sensor whose capacitance value changes according to the approach of the object to be detected, and is static. The capacitance type sensor part that forms the capacitance and the expansion electrode that is not connected to the ground and has conductivity, and a part of the electric power line formed by the capacitance type sensor part is said. It comprises an expansion electrode that is absorbed by the expansion electrode and is arranged in a floating state so that an electric power line is also emitted from the expansion electrode , and the expansion electrode is within the initial detection region of the capacitance type sensor unit. It is characterized in that the initial detection area of the capacitance type sensor unit is expanded or contracted by being arranged so that at least a part thereof is present.

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。 According to the present invention, it is possible to provide a capacitance type sensor having an improved degree of freedom in setting a detection region as compared with the conventional case.

従来の静電容量式センサを例示する図である。It is a figure which illustrates the conventional capacitance type sensor. 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。It is a figure which illustrates the capacitance type sensor which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is a figure for demonstrating the principle of the capacitance type sensor which concerns on this invention. 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。It is a figure for demonstrating the principle of the capacitance type sensor which concerns on this invention. 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。It is a figure for demonstrating the principle of the capacitance type sensor which concerns on this invention. 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。It is a figure for demonstrating the principle of the capacitance type sensor which concerns on this invention. 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。It is a figure which illustrates the capacitance type sensor which concerns on Example 2 of this invention. 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。It is a figure which illustrates the conductor approach test result of the capacitance type sensor. 図8に示す導体接近試験の試験条件を示す図である。It is a figure which shows the test condition of the conductor approach test shown in FIG.

(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。
(Example 1)
FIG. 2 shows an electrode expansion type capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic side view of the capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a schematic top view of the capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention. be. FIG. 2A shows an electrode expansion type capacitance type sensor 100 including a capacitance type sensor unit 110 forming a capacitance and an expansion electrode 120. In the electrode expansion type capacitance type sensor 100, the capacitance value changes according to the approach of the object to be detected.

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。 The capacitance type sensor unit 110 is, for example, two comb-tooth type electrodes formed so that the comb teeth face each other on one side of the base material, or formed so as to face each other on both sides of the base material. It can be composed of two asymmetrical flat plates with different areas. As the base material, for example, a thin film composed of polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyimide, or the like can be used. Further, the detection electrode used in the capacitance type sensor unit 110 is made of a conductive material such as copper, silver, gold, aluminum, nickel, tin, and carbon, and is printed by a printing method such as a screen printing method or vapor deposition. It can be formed by using various methods such as a method and a sputtering method.

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。 Further, as shown in FIG. 2B, the electrode expansion type capacitance type sensor 100 includes a capacitance type sensor unit 110 and a high frequency power supply 101 that applies an AC voltage having a predetermined amplitude at a predetermined frequency. , A measuring unit 102 such as an LCR meter for measuring the capacitance value of the electrode expansion type capacitance type sensor 100, and a control unit 103 for executing various processes in the electrode expansion type capacitance type sensor 100, which will be described later. A storage unit 104 for storing an initial detection threshold range and a set detection threshold range is provided.

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。 The expansion electrode 120 is installed as a floating electrode in the initial detection region of the capacitance type sensor unit 110 described later. The expansion electrode 120 is not connected to the capacitive sensor unit 110 and is not grounded. The expansion electrode 120 is made of a conductive material such as a conductive solution containing an electrolyte or a metal material. The expansion electrode 120 can take various forms including its size and shape, such as a flat plate type, a rod type, a star type, a disk type, and a curved surface type. When a conductive solution containing an electrolyte is used as the expansion electrode 120, the electrolyte to be used may be, for example, sodium chloride, potassium hydroxide, hydrochloric acid, or the like, and the preferred concentration range is the electrolyte. Although it depends on the type of the above, it can be, for example, 10 μM or more.

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。 The expansion electrode 120 is arranged so that at least a part of the expansion electrode 120 exists in the initial detection region of the capacitive sensor unit 110. As a result, a part of the electric lines of force formed by the capacitance type sensor unit 110 is absorbed by the expansion electrode 120, and the electric lines of force are also emitted from the expansion electrode 120 itself. Depending on the form and arrangement position of the expansion electrode 120, the detection area of the electrode expansion type capacitance type sensor 100 can be expanded or contracted.

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)。 The "initial detection area" of the capacitance type sensor unit 110 means that the detection target is directed toward the capacitance type sensor unit 110 in a state where the expansion electrode 120 is not provided in the vicinity of the capacitance type sensor unit 110. The region where the measured capacitance value exceeds the initial detection threshold range when approached from a distance. Here, the "initial detection threshold range" is, for example, a state in which the object to be detected is not detected (undetected state) and the expansion electrode 120 is not provided in the initial detection region. The capacitance value of the capacitance type sensor unit 110 is measured using this, and set based on (μ ± 3σ) obtained from the average value (μ) and sample standard deviation (σ) of the obtained capacitance value. (See, for example, Non-Patent Document 1).

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)。 Further, in the electrode expansion type capacitance type sensor 100 according to the first embodiment, the setting detection threshold range is set with the expansion electrode 120 installed in the initial detection region. Here, the "set detection threshold range" is, for example, a state in which the object to be detected is not detected (undetected state) and at least a part of the expansion electrode 120 is provided in the initial detection region. , The capacitance value of the capacitance type sensor unit 110 is measured using an LCR meter, and can be obtained from the average value (μ) and sample standard deviation (σ) of the obtained capacitance value (μ ± 3σ). Can be set as a reference (see, for example, Non-Patent Document 1).

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。 In the electrode expansion type capacitance type sensor 100 according to the first embodiment, the control unit 103 can detect the object to be detected when the measured capacitance value exceeds the set detection threshold range.

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。 The principle of the electrode expansion type capacitance type sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6. As shown in FIG. 3 (b), even if the conductor is placed at a position away from the capacitance type sensor unit 110 after being grounded to the ground and then the ground connection is released, the conductor is placed in a floating state. As shown in (a), the signal indicating the capacitance value does not respond. At this time, it can be said that the conductor is outside the initial detection region. In this state, the control unit 103 acquires the measured value of the capacitance value of the capacitance type sensor unit 110 from the LCR meter, and the average value (μ) and the sample standard deviation (σ) of the obtained capacitance value. ), The initial detection threshold range is set with reference to (μ ± 3σ) and stored in the storage unit 104.

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。 As shown in FIG. 4B, even if the conductor to be detected is brought closer to the upper end of the floating conductor from a distance while the conductor is placed outside the initial detection region and the ground is released. As shown in FIG. 4A, the signal does not respond and does not exceed the initial detection threshold range.

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。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the conductor is placed in the vicinity of the capacitance type sensor unit 110 after being grounded and connected to the ground, and then the ground connection is released to bring the conductor into a floating state, FIG. As shown in (a), the signal responds and its capacitance value increases beyond the initial detection threshold range. At this time, the conductor is in a state within the initial detection region. In this state, the control unit 103 acquires the measured value of the capacitance value of the capacitance type sensor unit 110 from the LCR meter, and the average value (μ) and the sample standard deviation (σ) of the obtained capacitance value. ), The set detection threshold range is set with reference to (μ ± 3σ) and stored in the storage unit 104.

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。 As shown in FIG. 6B, with the conductor placed in the initial detection region and ungrounded, the operation and withdrawal of the object to be detected approaching from a distance toward the upper end of the floating conductor. As shown in FIG. 6A, when the operation is repeated, the capacitance value exceeds the set detection threshold range at the time of approaching, and the capacitance value is within the set detection threshold range at the time of leaving. It can be seen that the detection target can be detected, and that the arranged conductor in the floating state acts as an expansion electrode for expanding / contracting the initial detection region.

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。 The electrode expansion type capacitance type sensor according to the present invention is used, for example, for detecting the presence / absence of a detected object, for measuring a close distance to a detected object, or for a constant distance to the detected object. For example, it can be used for measuring physical characteristics such as the size of the object to be detected and the relative permittivity. For example, when strict detection is required such as for measuring the close distance to the detected target, the set detection threshold range is set by performing threshold correction (initial calibration) for each detected target when the device is started. Is preferably adjusted for each detection target. In addition, when strict detection is not required as in the case of detecting the presence / absence of the object to be detected, for example, the set detection threshold range is set based on (μ ± 3σ) so as to include some individual differences in the human body. It is preferable to adjust.

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。 According to the electrode expansion type capacitance type sensor 100 according to the first embodiment, the detection region can be freely controlled by changing the size, shape, etc. of the conductive substance acting as the expansion electrode. In addition, since the detection area can be expanded or contracted simply by arranging the expansion electrode within the initial detection area of the capacitance type sensor unit, a cable-free and highly flexible installation and design capacitance type sensor can be realized. It becomes possible.

(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。
(Example 2)
FIG. 7 shows a capacitance type sensor according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7A is a schematic side view of the capacitance type sensor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a schematic top view of the capacitance type sensor according to the first embodiment of the present invention. be. FIG. 7A shows an electrode expansion type capacitance type sensor 200 including a capacitance type sensor unit 210 and an expansion electrode 220.

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。 As shown in FIG. 7A, the capacitance type sensor unit 210 includes the base material 211, the first printing electrode 212 1 formed on the first surface of the base material 211, and the base material 211. A first drawer that is drawn out on the first surface and applies a voltage to the first print electrode 212 1 formed on the second surface opposite to the first surface. It includes a print wire 213 1 and a second drawer print wire 213 2 that is drawn out on the second surface and applies a voltage to the second print electrode 212 2 .

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。 Further, as shown in FIG. 7B, the electrode expansion type capacitance type sensor 200 includes a capacitance type sensor unit 210 and a high frequency power supply 201 that applies an AC voltage having a predetermined amplitude at a predetermined frequency. , For example, a measuring unit 202 such as an LCR meter for measuring the capacitance value of the electrode expansion type capacitance type sensor 200, a control unit 203 for executing various processes in the electrode expansion type capacitance type sensor 200, and initial detection. A storage unit 204 for storing a threshold range and a setting detection threshold range is provided. The first and second print electrodes 212 1 and 212 2 are connected to the high frequency power supply 201 and the measuring unit 202 via the first and second drawer print wirings 213 1 and 213 2 .

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。 The first print electrode 212 1 , the second print electrode 212 2 , the first drawer print wiring 213 1 and the second drawer print wiring 213 2 are, for example, copper, silver, gold, aluminum, nickel, tin, and the like. It can be made of a conductive material such as carbon, and can be formed by using a printing method such as a screen printing method.

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。 For example, when the first print electrode 212 1 is used as a signal electrode, the second print electrode 212 2 is used as a ground electrode, and the object to be detected is on the side of the first print electrode 212 1 which is a signal electrode, it functions as a ground electrode. The area of the second print electrode 212 2 is larger than that of the first print electrode 212 1 .

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。 As described above in the first embodiment, the expansion electrode 220 is transparent provided around the capacitance type sensor unit 210 so that at least a part of the expansion electrode 220 is present in the initial detection region of the capacitance type sensor unit 210. It is placed on an arbitrary support (not shown) such as a styrene case.

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。 Also in the electrode expansion type capacitance type sensor 200 according to the second embodiment, the capacitance measured in a state where the expansion electrode 220 is arranged in the initial detection region of the capacitance type sensor unit 210 in the same manner as in the first embodiment. The set detection threshold range was set with reference to (μ ± 3σ) by obtaining (μ ± 3σ) from the mean value (μ) and the sample standard deviation (σ).

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。 In the electrode expansion type capacitance type sensor 200 according to the second embodiment, the control unit 203 can detect the object to be detected when the measured capacitance value exceeds the set detection threshold range.

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。 FIG. 8 illustrates the conductor proximity test results for a capacitive sensor. Further, FIG. 9 shows the test conditions of the conductor proximity test. As shown in FIG. 9, in this test, the capacitance type sensor was installed on a table with a height of 17 mm, and a transparent styrene case with a square size of 159 mm and a height of 35 mm was used as a support for installing the expansion electrode. Covering the periphery, the position 301 (distance between fingertip and sensor center is about 18 mm) directly above the sensor of the transparent styrene case and the position 302 of the corner of the transparent styrene case (distance between fingertip and sensor center is about 114 mm) shown in FIG. Then, the experimenter's finger as the object to be detected was brought close to it. A polyethylene naphthalate film having a thickness of 0.1 mm is used as the base material 211, the diameter of the first printing electrode 212 1 is 1 mm, the diameter of the second printing electrode 212 2 is 18 mm, and an AC voltage of 200 kHz and an amplitude of 1 V is used. Was applied, and the capacitance value was measured using an LCR meter.

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。 In FIG. 8, when nothing is placed, a stainless steel plate is placed, a glass material is placed, a container containing tap water is placed, and an electrolyte is placed in the transparent styrene case as a support, respectively. When a container containing the contained aqueous solution is placed, by bringing the fingertip close to the position 301 or 302 from above so as not to touch the placed object, the absolute value of the amount of change in the capacitance value from the predetermined reference value | ΔC | was calculated.

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。 As shown in FIG. 8, when nothing is placed on the transparent styrol case, the absolute value | ΔC | of the amount of change at position 301 is larger than the absolute value | ΔC | of the amount of change at position 302, and at position 302. It can be seen that the detection sensitivity is lower than that of the position 301.

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。 Further, when the glass is arranged on the transparent styrene case, the absolute value | ΔC | of the change amount of the capacitance value at the position 302 is the absolute value of the change amount of the capacitance value at the position 302 when the expansion electrode is not arranged. The value is equivalent to the value | ΔC |, and it can be seen that the detection sensitivity is lower at the position 302 than at the position 301. This is because the glass does not have conductivity and does not contribute to the expansion of the detection area.

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。 In addition, when a container containing tap water is placed on the transparent styrene case, since tap water has low conductivity, there is a slight increase in | ΔC |, but the capacitance at position 302 when the expansion electrode is not placed. The value is almost the same as the absolute value | ΔC | of the amount of change in the value, and it can be seen that the detection sensitivity is lower at the position 302 than at the position 301.

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。 On the other hand, when a stainless steel plate or a container containing an aqueous solution containing an electrolyte is placed on the transparent styrene case, the absolute value | ΔC | of the amount of change in the capacitance value equivalent to that of the position 301 can be obtained even at the position 302. Therefore, it is understood that the detection region is expanded by arranging a sufficiently conductive expansion electrode such as a stainless steel plate or a container containing an aqueous solution containing an electrolyte on the transparent styrene case.

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。 According to the electrode expansion type capacitance type sensor 200 according to the second embodiment, by applying the printing technology to the manufacturing process, it is possible to freely control the detection area while realizing a lower manufacturing cost. Become.

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。 In the above embodiment, an example of detecting an object by measuring the capacitance value of the capacitance type sensor unit with an LCR meter has been shown, but the present invention is not limited to this, and for example, the static capacity type sensor unit is static. Whether or not the measured value of the parameter exceeds the set detection threshold range with at least one of a group of parameters including the capacitance value, impedance Z, resistance R, reactors X, admittance Y, conductance G and susceptance B as the measured value. It may be configured to detect the target by determining whether or not. Further, in the above embodiment, the capacitance type sensor may further include a coil connected in series or in parallel to the capacitance type sensor unit, and in this case, the group of the above parameters includes the capacitance type sensor unit and the coil. The resonance frequency in the LC resonance circuit composed of and may be further included.

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。 Further, in Example 2 above, an example in which the expansion electrode is arranged on a transparent styrene case as a support is shown, but the present invention is not limited to this, and the electrolyte as the expansion electrode is placed in a container such as a fishbowl, for example. It may be configured to be filled with a solution containing the above, and various combinations may be configured so as not to deviate from the principle / concept of the present invention.

Claims (7)

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であって、前記静電容量式センサ部が形成する電気力線の一部が前記拡張電極に吸収され、前記拡張電極からも電気力線が発せられるように浮遊状態で配置される、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前記静電容量式センサ部の初期検出領域を拡縮することを特徴とする静電容量式センサ。
It is a capacitance type sensor whose capacitance value changes according to the approach of the object to be detected.
Capacitance type sensor unit that forms capacitance and
It is an expansion electrode that is not connected to the ground and has conductivity, and a part of the electric power line formed by the capacitance type sensor unit is absorbed by the expansion electrode, and the electric force is also obtained from the expansion electrode. An expansion electrode, which is arranged in a floating state so that a line can be emitted ,
Equipped with
The expansion electrode is arranged so that at least a part thereof exists in the initial detection region of the capacitance type sensor unit, and is characterized in that the initial detection region of the capacitance type sensor unit is expanded or contracted. Capacitive sensor.
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。
The capacitance type sensor unit is
With the base material
A first printed electrode formed on the first surface of the substrate, and a first printed electrode.
Claim 1 is characterized by comprising a second printed electrode formed on a second surface of the base material opposite to the first surface and having an area different from that of the first printed electrode. Capacitive sensor described in.
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。 It is further provided with a measuring unit for measuring at least one parameter in a group of parameters including the capacitance value, impedance, resistance, reactance, admittance, conductance and susceptance of the capacitance type sensor unit. The capacitive sensor according to claim 1 or 2. 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。
The capacitance type sensor further includes a coil connected in series or in parallel to the capacitance type sensor unit.
The capacitance type sensor according to claim 3, wherein the parameter group further includes a resonance frequency in an LC resonance circuit composed of the capacitance type sensor unit and the coil.
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。
The capacitance type sensor is configured to detect the object to be detected when the measured value of the parameter exceeds the set detection threshold range.
The set detection threshold range is the capacitance type sensor unit measured in a state where the object to be detected is not detected and at least a part of the expansion electrode is provided in the initial detection region. The capacitance type sensor according to claim 3 or 4, wherein the range is set with reference to (μ ± 3σ) obtained from the average value (μ) of the measured values and the sample standard deviation (σ).
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。 In the initial detection region, when the object to be detected is brought close to the capacitance type sensor unit in a state where the expansion electrode is not provided, the measured value of the parameter is within a predetermined initial detection threshold range. The capacitance type sensor according to any one of claims 3 to 5, wherein the area exceeds. 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。 The predetermined initial detection threshold range is an average value (μ) of the measured values of the parameters measured in a state where the object to be detected is not detected and the expansion electrode is not provided in the initial detection region. ) And the capacitance type sensor according to claim 6, wherein the range is set with reference to (μ ± 3σ) obtained from the sample standard deviation (σ).
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