JP7076728B2

JP7076728B2 - 静電容量型センサ

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Publication number: JP7076728B2
Application number: JP2017179511A
Authority: JP
Inventors: 史郎岩田; 直人今若; 健一野村; 美徳堀井; 良作鍛冶; 典孝山本; 洋史牛島
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP2019056570A

Description

本発明は、従来よりも検出感度を向上させた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、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。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されている。

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、サセプタンスＢ、静電容量値などを算出している。

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１に示されるような従来の静電容量型センサ１０では、物体の接近や人の呼吸による胸部の動き等は検出できるものの、心拍等のより細かい人体の動きを検出できるほどの検出感度を有していなかった。また、物体の接近や生体信号についても、より遠方から、より精度良く検出することが求められている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも検出感度を向上させた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、検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する静電容量型センサ部であって、静電容量形成部、抵抗及びコイルを含む静電容量型センサ部と、所定の周波数で、前記静電容量形成部、前記抵抗及び前記コイルに交流電圧を印加する高周波電源とを含み、前記高周波電源と、前記静電容量形成部と、前記抵抗と、前記コイルとが並列接続されることにより共振回路を構成した静電容量型センサにおいて、前記静電容量型センサのインピーダンス、レジスタンス及びリアクタンスを含むパラメータの変化量を測定する測定部と、前記測定部が測定した前記パラメータの測定値の変化量に基づいて、前記検出対象となる動作がなされたか否かを判定する処理部とを備え、前記高周波電源は、前記共振回路の共振周波数近傍において、前記リアクタンスの変化量の絶対値が最大となる周波数を測定周波数とする前記交流電圧を印加し、前記処理部は、前記測定周波数において前記パラメータのいずれかの測定値が所定の閾値を超えているか否かを判定して、前記動作がなされたか否かを判定することを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る静電容量型センサは、検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する静電容量型センサ部であって、静電容量形成部、抵抗及びコイルを含む静電容量型センサ部と、所定の周波数で、前記静電容量形成部、前記抵抗及び前記コイルに交流電圧を印加する高周波電源とを含み、前記高周波電源と、前記静電容量形成部と、前記抵抗と、前記コイルとが直列接続されることにより共振回路を構成した静電容量型センサにおいて、前記静電容量型センサのアドミタンス、コンダクタンス及びサセプタンスを含むパラメータの変化量を測定する測定部と、前記測定部が測定した前記パラメータの測定値の変化量に基づいて、前記検出対象となる動作がなされたか否かを判定する処理部とを備え、前記高周波電源は、前記共振回路の共振周波数近傍において、前記サセプタンスの変化量の絶対値が最大となる周波数を測定周波数とする前記交流電圧を印加し、前記処理部は、前記測定周波数において前記パラメータのいずれかの測定値が所定の閾値を超えているか否かを判定して、前記動作がなされたか否かを判定することを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも検出感度を向上させた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示す図である。本発明の実施例１に係る静電容量型センサを示す図である。呼吸の吸い込み時と吐き出し時における静電容量型センサ１００の共振周波数の変化を例示する図である。本発明の実施例２に係る静電容量型センサを示す図である。本発明の実施例３に係る静電容量型センサを示す図である。周期的呼吸信号の検出試験結果を例示する図である。本実施例３に係る静電容量型センサにおけるＺ、Ｒ及びＸの周波数特性を示す図である。本実施例３に係る静電容量型センサにおけるＺ、Ｒ及びＸの周波数特性を示す図である。本発明の実施例４に係る静電容量型センサを示す図である。本実施例４に係る静電容量型センサにおけるＹ、Ｇ及びＢの周波数特性を示す図である。本実施例４に係る静電容量型センサにおけるＹ、Ｇ及びＢの周波数特性を示す図である。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る静電容量型センサを示す。図２には、高周波電源１１０と、静電容量型センサ部１２０と、測定部１３０と、処理部１４０と、を備えた静電容量型センサ１００が示されている。静電容量型センサ部１２０は、静電容量形成部１２１と、抵抗１２２と、コイル１２３と、を備える。静電容量型センサ１００は、検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する。

静電容量形成部１２１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２つの平板電極で構成することができる。また、抵抗１２２及びコイル１２３は、それぞれ、例えば、表面実装された小さなチップ抵抗及びチップコイルや、基板表面に印刷された印刷抵抗及び印刷コイルとすることができる。

図２に示されるように、本実施例１では、静電容量形成部１２１は、高周波電源１１０と、抵抗１２２と、コイル１２３とに並列接続されている。静電容量型センサ１００では、静電容量型センサ部１２０において、コイル１２３と、静電容量形成部１２１と、抵抗１２２とを、それぞれ、ＬＣＲ共振回路のＬ、Ｃ及びＲに対応する構成要素として用いて並列接続することにより、ＬＣＲ並列共振回路を構成している。

静電容量形成部１２１、抵抗１２２、コイル１２３は別々の基板上に形成されたものを導線でつないでもよいし、一部、あるいは全てを同一の基材上に形成しても構わない。その場合、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、その場合は、静電容量形成部１２１、抵抗１２２及びコイル１２３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。

高周波電源１１０は、静電容量型センサ部１２０の静電容量形成部１２１と、抵抗１２２と、コイル１２３とに所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する。

測定部１３０は、例えば、静電容量型センサ部１２０のインピーダンス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つのパラメータを測定することができる。測定部１３０としては、例えばＬＣＲメータなどを用いることができる。実施例１のようなＬＣＲ並列共振回路の場合、測定部１３０は、インピーダンスＺ、レジスタンスＲ及びリアクタンスＸのうちの少なくとも１つを測定することが好ましい。

処理部１４０は、測定部１３０から、測定部１３０で測定された各パラメータの測定値が時系列的に入力され、各パラメータの時系列データを記憶する。処理部１４０は、後述するように、記憶した時系列データに基づいて物体の近接や生体信号の検出を判断することができる。

以下、人の呼吸を検出対象の動作とした場合を例に、本発明に係る静電容量型センサ１００の検出原理を説明する。

静電容量型センサ１００の検出範囲内で被験者が呼吸すると、その呼吸により被験者の胸等が動いて静電容量型センサ１００と被験者との間の距離が周期的に変化し、静電容量型センサ１００の静電容量値も周期的に変化する。それに伴い、静電容量型センサ１００が構成するＬＣＲ並列共振回路（静電容量型センサ部１２０）の共振周波数にも変化が生じる。

図３は、呼吸の吸い込み状態と吐き出し状態における静電容量型センサ部１２０のリアクタンスＸの周波数特性を例示する。図３には、吸い込み状態におけるリアクタンスＸの波形１と、吐き出し状態におけるリアクタンスＸの波形２と、が示されている。図３では、説明の簡潔化の目的で、リアクタンスＸのみを例にその周波数特性を示しているが、インピーダンスＺ、レジスタンスＲ、アドミタンスＹ、コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢ等の他のパラメータにおいても同様のことがいえる。ここで、図３中の横軸の周波数は、高周波電源１１０の印加電圧の周波数に対応している。

図３に示されるように、吸い込み状態から吐き出し状態へ移行すると、静電容量型センサ１００の静電容量値の変化により静電容量型センサ部１２０の共振周波数が変化し、それに伴い、リアクタンスＸの波形が波形１から波形２へシフトしている。当該波形のシフトにより、吸い込み状態又は吐き出し状態の共振周波数近傍の周波数においてリアクタンスＸが大きく変化していることがわかる。

本発明では、吸い込み状態から吐き出し状態へ移行した場合における静電容量値の変化量を測定するのではなく、静電容量型センサ部１２０が構成するＬＣＲ共振回路の共振周波数の変化に伴って大きく変化したリアクタンスＸの変化量ΔＸ等の各パラメータの変化量を測定することにより、より高感度の検出を実現することができる。

次に、上記と同様に人の呼吸の検出を例に、本実施例１に係る静電容量型センサ１００における処理について説明する。

静電容量型センサ１００の検出範囲内で被験者が呼吸すると、静電容量型センサ１００の静電容量値の変化に伴い、静電容量型センサ部１２０の共振周波数も変化する。本実施例１では、測定部１３０は、高周波電源１１０の印加電圧の周波数における、静電容量型センサ部１２０のインピーダンスＺ、レジスタンスＲ及びリアクタンスＸを測定し、各パラメータの測定値を処理部１４０に時系列的に出力する。本実施例では、例示の目的で、測定部１３０がＺ、Ｒ及びＸの３つのパラメータを測定した場合について説明するが、これに限定されず、測定部１３０は、Ｚ、Ｒ、Ｘ、Ｙ、Ｇ及びＢを含むパラメータのグループのうちの少なくとも１つのパラメータを測定してその測定値を出力するように構成することができる。

処理部１４０は、測定部１３０から出力されたＺ、Ｒ及びＸの各パラメータの測定値を時系列データとして記憶し、各パラメータの時系列データの変化量ΔＺ、ΔＲ及びΔＸを求め、当該求めた変化量ΔＺ、ΔＲ及びΔＸに基づいて、呼吸がなされたか否かを判定することができる。ここで求める各パラメータの時系列データの変化量は、例えば、微小な期間内における各パラメータの時系列データの最小値から最大値への変化量や、各パラメータの時系列データにおける予め設定した所定の基準値（例えば呼吸を止めている状態等の所定の状態における予め測定した時系列データの平均値や標準偏差）からの変化量とすることができる。

例えば、処理部１４０は、時系列データの変化量の絶対値|ΔＺ|、|ΔＲ|及び|ΔＸ|のいずれかが所定の閾値を超えているか否かを判定し、いずれかのパラメータの変化量の絶対値が所定の閾値を越えている場合、呼吸が行われたと判断することができる。

あるいは、処理部１４０は、測定部１３０から出力された各パラメータの測定値を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）して、周波数成分毎に各パラメータの変化量を算出して、その算出結果に基づいて、吸い込みや吐き出しなどの特定の生体信号の種類を区別しながらその検出を判断してもよい。例えば、処理部１４０は、その算出結果に係る各パラメータの周波数成分毎の変化量の絶対値が所定の閾値を超えているかどうかを判定し、当該変化量の絶対値が所定の閾値を超えている場合に、当該周波数成分に対応する動作がなされたことを判定することができる。

呼吸が行われたか否かを判断するための基準となる上記所定の閾値は、予め実験により吸い込み状態又は吐き出し状態における各パラメータの出力の平均値又は標準偏差を求め、それに基づいて適切に設定することができる。あるいは、上記所定の閾値は、物体の検出用や生体信号の取得用など用途別に適宜設定してもよい。

また、処理部１４０は、測定部１３０から出力された各パラメータの測定値を例えば移動平均処理や微分処理することによってノイズ処理してもよい。

ここで、各パラメータの変化量は、高周波電源１１０の印加電圧の周波数によって異なるが、高周波電源１１０の印加電圧の周波数は、例えばそのパラメータの種類、検出対象、静電容量型センサの静電容量値、インダクタンス及び抵抗値、並びにこれらの組み合わせなどに応じて適宜設定することができる。例えば、高周波電源１１０の印加電圧の周波数は、吸い込み状態又は吐き出し状態の共振周波数近傍に設定すれば、従来よりも検出感度を向上することができるが、これに限定されず、様々な周波数において従来よりも検出感度を向上することができる。

本発明に係る静電容量型センサにおいて、最適なパラメータ及び周波数を用いて検出する場合には、使用する静電容量型センサの静電容量値、インダクタンス、抵抗値及び検出対象を決定した後に、吸い込み状態及び吐き出し状態の各パラメータの周波数特性を事前に測定して、その測定値が最大となるパラメータ及び周波数を事前に記憶しておき、当該記憶したパラメータ及び周波数を用いて検出すればよい。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２に係る静電容量型センサを示す。図４に示される静電容量型センサ２００は、高周波電源２１０と、静電容量型センサ部２２０と、測定部２３０と、処理部２４０と、を備える。

静電容量型センサ部２２０は、静電容量形成部２２１と、抵抗２２２と、コイル２２３と、を備える。高周波電源２１０、静電容量形成部２２１、抵抗２２２及びコイル２２３は、直列接続されている。本発明の実施例２に係る静電容量型センサ部２２０は、この直列接続されている点を除き、実施例１における静電容量型センサ部１２０と同様の構成を有する。

本実施例２に係る静電容量型センサ２００では、静電容量型センサ部２２０において、コイル２２３と、静電容量形成部２２１と、抵抗２２２とを、それぞれ、ＬＣＲ共振回路のＬ、Ｃ及びＲに対応する構成要素として用いて直列接続することにより、ＬＣＲ直列共振回路を構成している。

実施例２に係る静電容量型センサ２００における検出原理及び処理は、実施例１と同様である。ただし、実施例１に係る静電容量型センサ１００はＬＣＲ並列共振回路であるためインピーダンスＺは共振点で極大値となるのに対し、実施例２に係る静電容量型センサ２００はＬＣＲ直列共振回路であるためインピーダンスＺは共振点で極小値となる。そのため、測定部２３０は、アドミタンスＹ、コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢのうちの少なくとも１つを測定することが好ましい。

また、実施例２に係る静電容量型センサ２００は、動作時に静電容量型センサ部に電流を流す用途の場合に用いることが好ましい。

実施例２のようなＬＣＲ直列共振回路で構成された静電容量型センサ２００によっても、従来よりも高感度な静電容量型センサを実現することができる。

（実施例３）
図５は、本発明の実施例３に係る静電容量型センサを示す。図５には、高周波電源３１０と、静電容量型センサ部３２０と、測定部３３０と、処理部３４０と、を備えた静電容量型センサ３００が示されている。静電容量型センサ３００は、検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する。

静電容量型センサ部３２０は、基材３２４と、静電容量形成部３２１と、基材３２４の第１の表面に形成された抵抗３２２と、基材３２４の第１の表面に形成されたコイル３２３と、を備える。静電容量形成部３２１は、基材３２４の第１の表面に形成された第１の印刷電極３２１₁と、基材３２４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３２１₂と、第１の表面において引き出されて第１の印刷電極３２１₁に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線３２１₃と、第２の表面において引き出されて第２の印刷電極３２１₂に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線３２１₄と、を含む。

図５に示されるように、第１及び第２の印刷電極３２１₁及び３２１₂は、第１及び第２の引き出し配線３２１₃及び３２１₄を介して、高周波電源３１０と、抵抗３２２と、コイル３２３とに接続されている。第２の表面に形成された第２の引き出し印刷配線３２１₄は、例えばビアを介して、第１の表面に形成された抵抗３２２及びコイル３２３の端部と接続することができる。このような構成により、本実施例３に係る静電容量型センサ３００では、高周波電源３１０と、第１及び第２の印刷電極３２１₁及び３２１₂と、抵抗３２２と、コイル３２３とが並列接続されている。

第１及び第２の印刷電極３２１₁及び３２１₂により、コンデンサが構成される。本実施例３に係る静電容量型センサ３００では、静電容量型センサ部３２０において、コイル３２３と、第１及び第２の印刷電極３２１₁及び３２１₂と、抵抗３２２とを、それぞれ、ＬＣＲ共振回路のＬ、Ｃ及びＲに対応する構成要素として用いて並列接続することにより、ＬＣＲ並列共振回路を構成している。

また、抵抗３２２及びコイル３２３は、それぞれ、例えば、表面実装された小さなチップ抵抗及びチップコイルや、基板表面に印刷された印刷抵抗及び印刷コイルとすることができる。

静電容量形成部３２１を構成する第１の印刷電極３２１₁、第２の印刷電極３２１₂、第１の引き出し印刷配線３２１₃及び第２の引き出し印刷配線３２１₄と、抵抗３２２と、コイル３２３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３２１₁をシグナル電極とし、第２の印刷電極３２１₂をグラウンド電極として、検出対象がシグナル電極である第１の印刷電極３２１₁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３２１₂の方が第１の印刷電極３２１₁よりも面積が大きくなるように構成されている。

高周波電源３１０は、静電容量型センサ部３２０の第１及び第２の印刷電極３２１₁及び３２１₂と、抵抗３２２と、コイル３２３とに所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する。

測定部３３０は、例えば、静電容量型センサ部３２０のインピーダンス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つを測定することができる。測定部３３０としては、例えばＬＣＲメータなどを用いることができる。

処理部３４０は、測定部３３０から、測定部３３０で測定された各パラメータの測定値が時系列的に入力され、各パラメータの時系列データを記憶する。処理部３４０は、記憶した時系列データに基づいて物体の近接や生体信号の検出を判断することができる。

実施例３に係る静電容量型センサ３００における検出原理及び処理は、実施例１と同様である。

図６に、周期的呼吸信号の検出試験結果を例示する。図６において、試験結果１は図１に示す従来の静電容量型センサに高周波電源を接続しただけの構成における周期的呼吸信号の検出試験結果を示し、試験結果２は本実施例３に係る静電容量型センサ３００における周期的呼吸信号の検出試験結果を示す。図６では、静電容量形成部３２１の第１の印刷電極のサイズを１２[ｍｍφ]、第２の印刷電極のサイズを１８[ｍｍφ]、抵抗３２２の抵抗値を１[ＭΩ]、コイル３２３のインダクタンスを１００[ｍＨ]、周波数を共振周波数付近に固定して、Ｘを計測した。

なお、図６では、試験結果１ならびに試験結果２の差異を分かりやすくするため、縦軸を対数表示しているが、実際に計測されたＸの値は負の値であった。負の値は対数表示できないため、図６では、実際に計測された数値にそれぞれ一定量の足し算を行い、グラフとして視認しやすい領域にオフセットされた数値を試験結果１ならびに試験結果２として表示した。

図６に示されるように、従来の静電容量型センサによる試験結果１では、リアクタンスの変化量ΔＸは約０．０２ｋΩであるのに対し、本実施例３に係る静電容量型センサによる試験結果２では、リアクタンスの変化量ΔＸは約２．５ｋΩであるため、従来よりも検出感度が約１００倍向上していることが理解される。

図７及び図８を用いて、本実施例３に係る静電容量型センサ３００において、最適なパラメータ及び周波数を用いて検出する方法を説明する。図７は、呼吸を検出する際の本実施例３に係る静電容量型センサ３００におけるＺ、Ｒ及びＸの周波数特性を示す。図７（ａ）は吸い込み時の各パラメータの周波数特性を示し、図７（ｂ）は吐き出し時の各パラメータの周波数特性を示し、図７（ｃ）及び図７（ｄ）は吸い込み時と吐き出し時の各パラメータの差分の絶対値の周波数特性を示す。図７に示す周波数特性では、抵抗３２２の抵抗値を１[ＭΩ]とし、コイル３２３のインダクタンスを１００[ｍＨ]とした。

本実施例３に係る静電容量型センサ３００では、吸い込み時と吐き出し時で、静電容量値が２５．７０[ｐＦ]から２５．６９[ｐＦ]に変化するが、それに伴って、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、共振周波数も９９．２８[ｋＨｚ]から９９．３０[ｋＨｚ]に変化する。図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示すように、Ｚ、Ｒ及びＸのうち、変化量の絶対値が６．２４[ｋΩ]で最大となるＸを用い、Ｘの変化量の絶対値|ΔＸ|が最大となる時の周波数９９．３０[ｋＨｚ]を高周波電源３１０の印加電圧の周波数として使用すればよい。

図８は、人体の近接を検出する際の本実施例３に係る静電容量型センサにおけるＺ、Ｒ及びＸの周波数特性を示す。図８（ａ）は人体の近接前の各パラメータの周波数特性を示し、図８（ｂ）は人体の近接時の各パラメータの周波数特性を示し、図８（ｃ）及び図８（ｄ）は人体近接時と人体近接前の各パラメータの差分の絶対値の周波数特性を示す。図８に示す周波数特性でも同様に、抵抗３２３の抵抗値を１[ＭΩ]とし、コイル３２４のインダクタンスを１００[ｍＨ]とした。

本実施例３に係る静電容量型センサ３００では、近接前と近接時で、静電容量値が２５．８８[ｐＦ]から２５．６９[ｐＦ]に変化し、それに伴い、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、共振周波数も９８．９３[ｋＨｚ]から９９．３０[ｋＨｚ]に変化する。図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示すように、Ｚ、Ｒ及びＸのうち、変化量の絶対値が１１７．９２[ｋΩ]で最大となるＸを用い、Ｘの変化量の絶対値|ΔＸ|が最大となる時の周波数９９．１３[ｋＨｚ]を高周波電源３１０の印加電圧の周波数として使用すればよい。

ただし、測定するのに最適な周波数は、計算上では上記のように求められるが、寄生容量等の影響により、実際の最適周波数がずれる場合があるため、実験系を組んだ上で上記のように求めた周波数を調整して決定することがさらに好ましい。

（実施例４）
図９は、本発明の実施例４に係る静電容量型センサを示す。図９に示される静電容量型センサ４００は、高周波電源４１０と、静電容量型センサ部４２０と、測定部４３０と、処理部４４０と、を備える。

静電容量型センサ部４２０は、基材４２４と、静電容量形成部４２１と、基材４２４の第１の表面に形成された抵抗４２２と、基材４２４の第１の表面に形成されたコイル４２３と、を備える。静電容量形成部４２１は、基材４２４の第１の表面に形成された第１の印刷電極４２１₁と、基材４２４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４２１₂と、第１の表面において引き出されて第１の印刷電極４２１₁に電圧を印加する第１の引き出し印刷配線４２１₃と、第２の表面において引き出されて第２の印刷電極４２１₂に電圧を印加する第２の引き出し印刷配線４２１₄と、を含む。

図９に示されるように、高周波電源４１０、静電容量形成部４２１、抵抗４２２及びコイル４２３は、直列接続されている。本実施例４に係る静電容量型センサ４００では、静電容量型センサ部４２０において、コイル４２３と、第１及び第２の印刷電極４２１₁及び４２１₂と、抵抗４２２とを、それぞれ、ＬＣＲ共振回路のＬ、Ｃ及びＲに対応する構成要素として用いて直列接続することにより、ＬＣＲ直列共振回路を構成している。本実施例４に係る静電容量型センサ部４２０は、この直列接続されている点を除き、実施例３における静電容量型センサ部３２０と同様の構成を有する。ただし、実施例４に係る静電容量型センサ４００はＬＣＲ直列共振回路であるため、測定部４３０は、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つを測定することが好ましい。

図１０及び図１１を用いて、本実施例４に係る静電容量型センサ４００において、最適なパラメータ及び周波数を用いて検出する方法を説明する。図１０は、呼吸を検出する際の本実施例４に係る静電容量型センサ４００におけるＹ、Ｇ及びＢの周波数特性を示す。図１０（ａ）は吸い込み時の各パラメータの周波数特性を示し、図１０（ｂ）は吐き出し時の各パラメータの周波数特性を示し、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）は吸い込み時と吐出し時の各パラメータの差分の絶対値の周波数特性を示す。図１０に示す周波数特性では、抵抗４２２の抵抗値を１[ｋΩ]とし、コイル４２３のインダクタンスを１００[ｍＨ]とした。

本実施例４に係る静電容量型センサ４００では、吸い込み時と吐き出し時で、静電容量値が２５．７０[ｐＦ]から２５．６９[ｐＦ]に変化し、それに伴い、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、共振周波数も９９．２８[ｋＨｚ]から９９．３０[ｋＨｚ]に変化する。図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に示すように、Ｙ、Ｇ及びＢのうち、変化量の絶対値が０．０２４[ｍＳ]で最大となるＢを用い、Ｂの変化量の絶対値|ΔＢ|が最大となる時の周波数９９．２８[ｋＨｚ]を高周波電源４１０の印加電圧の周波数として使用すればよい。

図１１は、人体の近接を検出する際の本実施例４に係る静電容量型センサ４００におけるＹ、Ｇ及びＢの周波数特性を示す。図１１（ａ）は人体の近接前の各パラメータの周波数特性を示し、図１１（ｂ）は人体の近接時の各パラメータの周波数特性を示し、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）は人体近接時と人体近接前の各パラメータの差分の絶対値の周波数特性を示す。図１１に示す周波数特性でも同様に、抵抗４２２の抵抗値を１[ｋΩ]とし、コイル４２３のインダクタンスを１００[ｍＨ]とした。

本実施例４に係る静電容量型センサ４００では、近接前と近接時で、静電容量値が２５．８８[ｐＦ]から２５．６９[ｐＦ]に変化し、それに伴い、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、共振周波数も９８．９３[ｋＨｚ]から９９．３０[ｋＨｚ]に変化する。図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示すように、Ｙ、Ｇ及びＢのうち、変化量の絶対値が０．４３６[ｍＳ]で最大となるＢを用い、Ｂの変化量の絶対値|ΔＢ|が最大となる時の周波数９９．１２[ｋＨｚ]を高周波電源４１０の印加電圧の周波数として使用すればよい。

実施例４のようなＬＣＲ直列共振回路で構成された静電容量型センサ４００によっても、従来よりも高感度な静電容量型センサを実現することができる。

上記実施例では、本発明について呼吸の検出及び人体の近接を例に説明したが、本発明に係る原理は、心拍等の他の生体信号や任意の物体の近接等を検出対象の動作とした場合にも適用可能である。

また、上記実施例では、静電容量型センサ部のインピーダンス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つのパラメータを測定することとしたが、当該パラメータのグループは、静電容量型センサ部の共振周波数をさらに含んでもよい。この場合、静電容量型センサ部の静電容量値の変化による当該共振周波数の変化量の絶対値が予め設定された所定の閾値を超えた場合に、検出対象となる動作がなされたと判定するように構成してもよい。

Claims

検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する静電容量型センサ部であって、静電容量形成部、抵抗及びコイルを含む静電容量型センサ部と、所定の周波数で、前記静電容量形成部、前記抵抗及び前記コイルに交流電圧を印加する高周波電源とを含み、前記高周波電源と、前記静電容量形成部と、前記抵抗と、前記コイルとが並列接続されることにより共振回路を構成した静電容量型センサにおいて、
前記静電容量型センサのインピーダンス、レジスタンス及びリアクタンスを含むパラメータの変化量を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記パラメータの測定値の変化量に基づいて、前記検出対象となる動作がなされたか否かを判定する処理部とを備え、
前記高周波電源は、前記共振回路の共振周波数近傍において、前記リアクタンスの変化量の絶対値が最大となる周波数を測定周波数とする前記交流電圧を印加し、
前記処理部は、前記測定周波数において前記パラメータのいずれかの測定値が所定の閾値を超えているか否かを判定して、前記動作がなされたか否かを判定することを特徴とする静電容量型センサ。
検出対象となる動作がなされたか否かに応じて静電容量値が変化する静電容量型センサ部であって、静電容量形成部、抵抗及びコイルを含む静電容量型センサ部と、所定の周波数で、前記静電容量形成部、前記抵抗及び前記コイルに交流電圧を印加する高周波電源とを含み、前記高周波電源と、前記静電容量形成部と、前記抵抗と、前記コイルとが直列接続されることにより共振回路を構成した静電容量型センサにおいて、
前記静電容量型センサのアドミタンス、コンダクタンス及びサセプタンスを含むパラメータの変化量を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記パラメータの測定値の変化量に基づいて、前記検出対象となる動作がなされたか否かを判定する処理部とを備え、
前記高周波電源は、前記共振回路の共振周波数近傍において、前記サセプタンスの変化量の絶対値が最大となる周波数を測定周波数とする前記交流電圧を印加し、
前記処理部は、前記測定周波数において前記パラメータのいずれかの測定値が所定の閾値を超えているか否かを判定して、前記動作がなされたか否かを判定することを特徴とする静電容量型センサ。
前記静電容量形成部は、
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又は２に記載の静電容量型センサ。
前記抵抗は、前記基材の前記第１の表面に形成された印刷抵抗であることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型センサ。
前記コイルは、前記基材の前記第１の表面に形成された印刷コイルであることを特徴とする請求項３又は４に記載の静電容量型センサ。