JP7058409B2 - 設置自由度の高い静電容量型センサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型センサに関し、より詳細には、従来よりも設置自由度が高い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、薄膜フィルムなどからなる基材１１と、基材１１の第１の表面に形成された第１の印刷電極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の印刷電極１３と、第１の表面において引き出されて第１の印刷電極１２に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線１４と、第２の表面において引き出されて第２の印刷電極１３に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線１５と、を備えた静電容量型センサ１０が示されている。

第１の印刷電極１２、第２の印刷電極１３、第１の引き出し印刷配線１４及び第２の引き出し印刷配線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。例えば第１の印刷電極１２をシグナル電極とし、第２の印刷電極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の印刷電極１３の方がシグナル電極として機能する第１の印刷電極１２よりも面積が大きくなるように構成することができる。

図１に示されるような従来の静電容量型センサ１０では、第１の印刷電極１２及び第２の印刷電極１３は、それぞれ、第１の引き出し印刷配線１４及び第２の引き出し印刷配線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、第１の印刷電極１２及び第２の印刷電極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、第１の印刷電極１２及び第２の印刷電極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（ａ）及び図２（ｂ）は、従来の静電容量型センサを円筒台座上及び球面台座上にそれぞれ配置した例を示す。図２（ａ）に示されるように、従来の静電容量型センサ１０は、基材１１等が可撓性のある材料で形成されているため、可展面を有する円筒台座に設置する場合には、基材１１等が円筒台座の設置面に沿って変形して、全面が円筒台座の設置面に接触するように安定的に固定設置することができる。

しかしながら、図２（ｂ）に示されるように、直線的要素を有さない複曲面を有する球面台座に従来の静電容量型センサ１０を設置する場合、従来の静電容量型センサ１０では図２中のようにＸＹ平面から選ばれる任意の一軸周りにしか曲がらないため、基材１１等が部分的にしか球面台座に設置面に接触せず、当該非接触部分については安定的な固定設置ができなかった。また、ねじれ面からなる箇所に従来の静電容量型センサ１０を設置する場合も同様に、安定的な固定設置ができなかった。

そのため、従来の静電容量型センサ１０を複曲面又はねじれ面（以下、複曲面又はねじれ面を「非可展面」と総称する）に設置した場合、その不安定な設置により、周囲の微細な振動や周囲からの圧力の影響を受けて静電容量型センサ１０に揺れが生じ、電気力線の分布が安定せず、測定確度の高いセンシングを実現できなかった。

一方で、静電容量型センサの基材としてエラストマーなどの伸縮可能な材料を用いることにより、非可展面に静電容量型センサを設置することも可能ではある。しかし、エラストマー等の伸縮可能な材料はその伸び縮みにより非可展面に一時的に設置可能である一方で、元に戻ろうとする力が常に働いて少しずつ設置位置がずれていくため、安定的な固定設置が困難であり、結果的に信頼度の高いセンシングを実現できないことになる。

以上のように、従来の静電容量型センサでは、非可展面上に安定的に固定設置することができず、設置自由度が制限されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも設置自由度が高い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、円形状の基材と、前記基材の第１の表面に同心円状に形成された第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の表面に同心円状に形成され、前記第１の印刷電極よりも面積が大きい第２の印刷電極と、前記第１の印刷電極に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線と、前記第２の印刷電極に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線と、を備え、非可展面上に固定設置される静電容量型センサであって、前記基材は、前記第１及び第２の引き出し印刷配線に並行して直線的に形成され、前記第１及び第２の引き出し印刷配線を分断しないように形成された１又は複数の第１の切込み部を有し、前記第２の印刷電極は、前記第２の引き出し印刷配線に並行して直線的に形成され、前記第２の引き出し印刷配線を分断しないように形成された１又は複数の第２の切込み部を有していることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも設置自由度の高い静電容量型センサを提供することが可能となる。

従来の静電容量型センサを例示する図である。 従来の静電容量型センサの配置例を示す図である。 本発明の実施例に係る静電容量型センサを例示する図である。 本発明の実施例に係る静電容量型センサを配置した場合における配置例を示す図である。 本発明の実施例に係る静電容量型センサを配置した場合における電界強度分布を示す図である。 導体接近時の静電容量型センサにおける静電容量値の変化量ΔＣを示す図である。

（実施例）
図３は、本発明の実施例に係る静電容量型センサを示す。図３には、基材１０１と、基材１０１の第１の表面に形成された第１の印刷電極１０２と、基材１０１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１０３と、第１の印刷電極１０２に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線１０４と、第２の印刷電極１０３に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線１０５と、を備えた静電容量型センサ１００が示されている。

第１の印刷電極１０２、第２の印刷電極１０３、第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５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基材１０１上に形成されている。基材１０１としては、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。

第１の印刷電極１０２をシグナル電極とし、第２の印刷電極１０３をグラウンド電極とした。第１の印刷電極１０２及び第２の印刷電極１０３は、グラウンド電極として機能する第２の印刷電極１０３の方がシグナル電極として機能する第１の印刷電極１０２よりも面積が大きくなるように構成されている。本実施例では、基材１０１、第１の印刷電極１０２及び第２の印刷電極１０３を円形状とした。

図３に示されるように、基材１０１は１又は複数の第１の切込み部１０１ａを有し、グラウンド電極として機能する第２の印刷電極１０３は１又は複数の第２の切込み部１０３ａを有する。基材１０１の第１の切込み部１０１ａ及び第２の印刷電極１０３の第２の切込み部１０３ａは、線状に形成され、第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５に対して並行となるように直線的に設けられている。また、基材１０１の第１の切込み部１０１ａは少なくとも第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５を分断しない部位に配置されており、第２の印刷電極１０３の第２の切込み部１０３ａは、第２の印刷電極１０３を分断しない部位に配置されている。

本実施例の静電容量型センサは、第１の切込み部１０１ａ及び第２の切込み部１０３ａを有することにより、平面状の基材１０１および第２の印刷電極１０３が球面などの非可展面に沿って変形する際に、第１の切込み部１０１ａ及び第２の切込み部１０３ａが拡がるため、球面などの非可展面と平面状の基材１０１および第２の印刷電極１０３との間に生ずる歪みを吸収することができる。このような観点から、第１及び第２の切込み部１０１ａ及び１０３ａは、第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５に対して「並行となるように直線的に」設けることに限らず、第２の印刷電極１０３、第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５を少なくとも分断しなければ、設置面に応じて例えば曲線的に設ける等、どのような形態で設けてもよい。さらに、第１及び第２の切込み部１０１ａ及び１０３ａは、線状の切込みに限らず、面状の切込みで形成してもよく、さらに線状の切込みと面状の切込みとの組合せで形成してもよい。第１及び第２の切込み部１０１ａ及び１０３ａを線状の切込みにした場合、第２の印刷電極１０３の面積は切り込み前後で等しいため検出感度を維持することが可能となる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施例に係る静電容量型センサを円筒台座上及び球面台座上にそれぞれ配置した場合における配置例を示す。図４で用いた静電容量型センサでは、第１の印刷電極１０２の直径を５ｍｍ、第２の印刷電極１０３の直径を５４ｍｍ、１又は複数の第１の切込み部１０１ａ間及び１又は複数の第２の切込み部１０３ａ間の間隔を２．５ｍｍ、第１の引き出し印刷配線１０４及び第２の引き出し印刷配線１０５の幅を０．５ｍｍとし、基材１０１の厚みを０．１２５ｍｍとしたが、これに限定されない。

図４（ｂ）に示すように、本実施例に係る静電容量型センサ１００は、第１及び第２の切込み部１０１ａ及び１０３ａが図４中Ｘ軸方向に拡がることにより、ＸＹ平面内の任意の一軸であるＸ軸周りだけでなくＹ軸周りにも平面状態をほぼ保ったまま曲げることが可能であるため、球面台座上に配置してもその接触面積を従来よりも大幅に増やすことができる。そのため、本実施例に係る静電容量型センサ１００は、非可展面からなる球面台座上に設置した場合であっても、従来の静電容量型センサ１０と比較して安定的に固定設置が可能である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、図４（ａ）及び図４（ｂ）でそれぞれ説明した配置状態の静電容量型センサにおける電界強度分布を示す。この例では、印刷電極１０２および引き出し印刷配線１０４と、印刷電極１０３および引き出し印刷電極１０５に印加する電圧条件を、周波数２００ｋＨｚ、振幅１Ｖとし、基材１０１の比誘電率を３．０６と設定した。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施例に係る静電容量型センサ１００では、球面台座上に配置した場合であっても円筒台座上に配置した場合の電界強度分布と同様の電界強度分布を得ることができているため、設置面に関わらず従来と同等の検出領域を確保できていることが判る。

図６は、導体接近時の静電容量型センサにおける静電容量値の変化量ΔＣを示す。ここで、静電容量値の変化量ΔＣは、｜（導体検出後の静電容量値）－（導体検出前の静電容量値）｜を指す。図６に示されるように、本発明に係る静電容量型センサ１００では、円筒面配置及び球面配置のいずれの場合であっても、従来の静電容量型センサ１０と同等の変化量ΔＣを得ることができているため、設置面に関わらず従来と同等の検出感度を確保できていることが判る。

以上のように、本発明によると、従来よりも設置自由度が高い静電容量型センサを提供することが可能となるため、非可展面に設置した場合であっても安定的な固定設置を容易に実現可能である。

本実施例では、基材１０１、第１の印刷電極１０２及び第２の印刷電極１０３を円形状としたが、これに限定されず、例えば四角形状等、設置面に合わせて適宜構成することができる。

また、本実施例では、設置面が球面である場合を例に挙げて説明したが、設置面がドーナツ型などその他の形態の非可展面であっても本実施例と同様に従来と同等の検出感度を確保できる。

さらに、本実施例では、第２の印刷電極１０３の第２の切込み部１０３ａを第２の印刷電極１０３が分断されないように配置したが、これに限定されず、第２の切込み部１０３ａにより第２の印刷電極１０３を部分的に分断することによって、当該分断した電極により浮遊電極を形成してもよい。当該浮遊電極の形状を調整するように第２の印刷電極１０３を切り込んで分断することにより、第２の印刷電極１０３の面積を減少させて検出感度を簡易に調整することが可能となる。

Claims (2)

1. 円形状の基材と、
   前記基材の第１の表面に同心円状に形成された第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の表面に同心円状に形成され、前記第１の印刷電極よりも面積が大きい第２の印刷電極と、
   前記第１の印刷電極に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線と、
   前記第２の印刷電極に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線と、
   を備え、非可展面上に固定設置される静電容量型センサであって、
   前記基材は、前記第１及び第２の引き出し印刷配線に並行して直線的に形成され、前記第１及び第２の引き出し印刷配線を分断しないように形成された１又は複数の第１の切込み部を有し、
   前記第２の印刷電極は、前記第２の引き出し印刷配線に並行して直線的に形成され、前記第２の引き出し印刷配線を分断しないように形成された１又は複数の第２の切込み部を有していることを特徴とする静電容量型センサ。
2. 前記第２の切込み部によって前記第２の印刷電極を部分的に分断することによって形成された浮遊電極をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。

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