特開 2024-11392 容量式静電センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024011392

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】容量式静電センサ

(51)【国際特許分類】

   H01H 36/00 20060101AFI20240118BHJP

【ＦＩ】

H01H36/00 V

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022113335

(22)【出願日】2022-07-14

(71)【出願人】

【識別番号】000242633

【氏名又は名称】北陸電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004059

【氏名又は名称】弁理士法人西浦特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100091443

【弁理士】

【氏名又は名称】西浦 ▲嗣▼晴

(74)【代理人】

【識別番号】100130432

【弁理士】

【氏名又は名称】出山 匡

(72)【発明者】

【氏名】加地 義治

【テーマコード（参考）】

5G046

【Ｆターム（参考）】

5G046AA02

5G046AB01

5G046AC24

5G046AD15

(57)【要約】

【課題】シールド電極と検出電極との間の電気力線の量を大幅に減少させることなく、検出電極と被測定対象との間の距離を延ばすことができる容量式静電センサを提供する。
【解決手段】絶縁性基板２Ａ乃至２Ｃを積層して形成された多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの表面上に検出電極３を形成する。最上層の絶縁性基板２Ａの裏面には、検出電極３と多層絶縁性基板２の積層方向に対向する非接地のシールド電極４を設ける。さらに、多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの表面上に、接着層５を介して誘電性を有する操作パネル１４を接合する。操作パネル１４に、接着層５に向かって開口し、且つ検出電極３の外周縁及びシールド電極４の外周縁に沿うように、シールド電極４の外周縁と積層方向に対向する環状の溝部７を設ける。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の絶縁性基板が重合して形成された多層絶縁性基板の最上層の絶縁性基板の表面上に形成された検出電極と、
前記多層絶縁性基板の前記最上層の絶縁性基板の前記表面以外の前記絶縁性基板の面上に形成され、前記検出電極と前記多層絶縁性基板の積層方向に対向する非接地のシールド電極と、
前記最上層の絶縁性基板の前記表面上に接着層を介して接合された誘電性を有する操作パネルと、
前記接着層に向かって開口し且つ前記検出電極の外周縁及び前記シールド電極の外周縁に沿うように前記操作パネルに形成されて、前記シールド電極の前記外周縁と前記積層方向に対向する環状の溝部とを備えていることを特徴とする容量式静電センサ。

【請求項2】

前記検出電極と前記シールド電極とが前記積層方向に完全に対向している請求項１に記載の容量式静電センサ。

【請求項3】

前記シールド電極の前記外周縁は、前記検出電極の外周縁の外側に位置している請求項１に記載の容量式静電センサ。

【請求項4】

前記シールド電極の前記外周縁は、前記検出電極の外周縁の外側に０．５ｍｍ～１ｍｍ外側に位置している請求項３に記載の容量式静電センサ。

【請求項5】

前記環状の溝部は、前記検出電極とは前記積層方向に対向しない請求項１に記載の容量式静電センサ。

【請求項6】

前記環状の溝部は、記検出電極と前記積層方向に完全に対向しないが、一部が前記検出電極と前記積層方向に対向する請求項２に記載の容量式静電センサ。

【請求項7】

前記環状の溝部は、前記検出電極とは前記積層方向に対向しない請求項２に記載の容量式静電センサ。

【請求項8】

前記環状の溝部は、記検出電極と前記積層方向に完全に対向しないが、一部が前記検出電極と前記積層方向に対向する請求項２に記載の容量式静電センサ。

【請求項9】

前記環状の溝部の深さが０．５ｍｍ以上である請求項１に記載の容量式静電センサ。

【請求項10】

前記環状の溝部は完全な閉ループを呈している請求項１に記載の容量式静電センサ。

【請求項11】

請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の容量式静電センサの複数個が、被検出対象に沿って列を成すように配置されてなる容量式静電センサ装置。

【請求項12】

請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の容量式静電センサの前記検出電極及び前記シールド電極が、被検出対象と対向し且つ前記被検出対象の全長に沿って延びる形状を有している容量式静電センサユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、容量式静電センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許第６６０６１７５号公報（特許文献１）には、相互容量式静電センサまたは自己静電容量式静電センサとして使用可能な容量式静電センサが開示されている。この公報の図７ｃには、検出電極１５０の周囲を囲むように接地された遮蔽電極（シールド電極）２７０を配置した静電センサが開示されている。特許文献１の図７ｃに示された静電センサでは、接地された遮蔽電極２７０と検出電極１５０との間の相互静電容量の変化を検出している。

【0003】

また特開２０００－４８６９４号公報（特許文献２）には、第１層の絶縁性基板の表面に検出電極が形成され、第２層の絶縁性基板の表面にシールド電極が形成され、第２層の絶縁性基板の裏面に接地電極が形成された静電容量形近接センサが開示されている。

【0004】

特開２０１３－１０５４４４号公報（特許文献３）には、検出電極を形成する基板の表面に誘電材料からなる操作パネルを接合し、基板の表面に形成された二つの検出電極の間または配線電極に対向する操舵パネルの部分に、基板に向かって開口する溝部を備えた静電容量型タッチセンサが開示されている。この溝部は、基板と操作パネルとの間を真空接着するための空気溝であり、この空気溝を検出電極の間または配線電極が設けられている領域に形成して、静電ノイズの影響により回路が破壊されることを防止している。

【0005】

さらに特開２０１３－２５７８０７号公報（特許文献４）に示されたタッチセンサでは、基板の裏面に検出電極と配線を設け、基板の表面に操作パネルを配置し、さらに操作パネルに配線と対応する位置に溝部を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第６６０６１７５号公報

【特許文献2】特開２０００－４８６９４号公報

【特許文献3】特開２０１３－１０５４４４号公報

【特許文献4】特開２０１３－２５７８０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に示された容量式の静電センサでは、遮蔽電極が接地されているため、接地された遮蔽電極２７０と検出電極１５０との間の静電容量の変化が、検出結果に影響を与えることになり、検出電極と非測定対象との間の距離を延ばすことの障害になっていた。

【0008】

また特許文献２に示された静電センサのように、遮蔽電極が検出電極と積層方向に対向している場合には、検出電極と遮蔽電極との間の電気力線の量を有効に活用することができず、これも検出電極と非測定対象との間の距離を延ばすことの障害になっていた。

【0009】

さらに引用文献３及び４に示された静電容量センサに示された操作パネルに形成する溝部は、ノイズ対策や誤動作を防止対策で形成されているものである。しかしながら引用文献３及び４に示された静電容量センサでは、感度を高めるために非接地のシールド電極を用いるときに、隣合う検出電極間でノイズが発生することを防止する必要性がある場合や、検出電極と被測定対象との間の検出距離を延ばすために、シールド電極に対して溝部をどのように形成するかについては、開示も示唆もない。

【0010】

本発明の目的は、非接地のシールド電極と検出電極との間の電気力線の量を大幅に減少させることなく、検出電極と被測定対象との間の距離を延ばすことができる静電センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明が改良の対象とする容量式静電センサは、複数の絶縁性基板が重合して形成された多層絶縁性基板の最上層の絶縁性基板の表面上に形成された検出電極と、多層絶縁性基板の最上層の絶縁性基板の表面以外の絶縁性基板の面上に形成され、検出電極と多層絶縁性基板の積層方向に対向する非接地のシールド電極と、最上層の絶縁性基板の表面上に接着層を介して接合された誘電性を有する操作パネルとを有している。本発明においては、検出電極が多層絶縁性基板の最上層の絶縁性基板の表面に形成され、シールド電極が多層絶縁性基板の最上層の絶縁性基板以外の絶縁性基板の面に形成されているので、検出電極と非接地のシールド電極との間を通る電気力線を遮蔽して感度を高めることが可能となり、外来ノイズの影響を受け難いという効果が得られる。その上、接着層に向かって開口し且つ検出電極の外周縁及びシールド電極の外周縁に沿うように操作パネルに形成されて、シールド電極の外周縁と積層方向に対向する環状の溝部を設ける。このように操作パネルに環状の溝部を設けると、シールド電極を設けることにより高めた感度を低下させることなく、ノイズの進入を防止することができる。また隣接する検出電極間の距離が短い場合において、このような環状の溝部を設けると、隣り合う検出電極間に対応する操作パネル部分に操作者の指先が位置しても、２つの検出電極が同時に検出動作をすることを防止できる。

【0012】

検出電極とシールド電極とが積層方向に完全に対向していてもよい。このようにすると、多層絶縁性基板の背面側からのノイズの影響を阻止することができる。

【0013】

またシールド電極の外周縁が、検出電極の外周縁の外側に位置しているのが好ましい。このようにすると環状の溝部の存在により外部からのノイズの進入を防止した上で、多層絶縁性基板の裏面側からのノイズの影響を最大限阻止することができる。したがって複数の検出電極間の距離を短くしても誤検出することを防止することができる。

【0014】

なお、シールド電極の外周縁は、検出電極の外周縁の外側に０．５ｍｍ～１ｍｍ外側に位置しているのが好ましい。この範囲であれば、上述の効果を得て、しかも複数の検出電極間の距離を短くして高密度化を実現できる。

【0015】

なお環状の溝部は、検出電極と積層方向に対向してもよいが、検出電極と積層方向に完全に対向せずに、一部が検出電極と積層方向に対向しても良い。環状の溝部が検出電極と積層方向に対向する領域の広がりと、検出電極の有効検出領域の関係は逆比例の関係になる。その結果、環状の溝部を検出電極と積層方向に対向させることにより、１つの検出電極の見掛け上の大きさを変更することができる。

【0016】

なお、環状の溝部の深さは、０．５ｍｍ以上あるのが好ましい。

【0017】

環状の溝部は完全な閉ループを呈しているのが好ましい。環状の溝部に一部、欠けた部分があると、その分、上述の効果は低下するが、隣接する検出電極間の距離が十分に長ければ、実用上の問題は生じない。

【0018】

本発明の容量式静電センサを複数個、被検出対象に沿って列を成すように配置して静電容量式センサユニットを構成すれば、複数のセンサを用いて、検出範囲を広げて、液面レベルセンサ装置等を構成することができる。なお容量式静電センサの検出電極及びシールド電極を、被検出対象と対向し且つ被検出対象の全長に沿って延びる形状にすれば、一つの検出電極を用いて検出範囲を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施の形態の容量式静電センサを用いた容量式静電センサユニットの概略断面図である。

【図2】検出電極とシールド電極の配置関係を示す概略図である。

【図3】（Ａ）及び（Ｂ）は、シールド電極の外周縁と検出電極の外周縁との位置関係を説明するための図である。

【図4】（Ａ）は検出電極とシールド電極と環状の溝部の位置関係の代表例の断面図であり、（Ｂ）はこの代表例における検出電極と環状の溝部の配置関係を示す図であり、（Ｃ）は本実施の形態における環状の溝部と検出電橋との配置関係の許容範囲を示す断面図である。

【図5】（Ａ）は本実施の形態の容量式静電センサユニットを３個用いたセンサユニットの例を示す図であり、（Ｂ）は本実施の形態の容量式静電センサユニットの検出電極とシールド電極を多層絶縁性基板の長手方向全体に長く形成した例を示す図である。

【図6】本実施の形態の容量式静電センサユニットを樹脂製のタンクに適用した一例を示す図である。

【図7】本実施の形態の容量式静電センサユニットを樹脂製のタンクに適用した別の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付の図面を参照して本発明の容量式静電センサを容量式静電センサユニットに適用した実施の形態について説明する。図１は本実施の形態の容量式静電センサを用いた容量式静電センサユニット１の概略断面図を示しており、図２は検出電極３とシールド電極４の配置関係を示す概略図である。なお図１では、断面であることを示すハッチングは省略してある。また図２では、多層絶縁性基板２は輪郭のみを示してある。図１及び図２に示した容量式静電センサを用いたセンサユニット１は、例えば、電化製品の操作パネル（スイッチ）やエレベーターのスイッチ等に用いられるものである。

【0021】

本実施の形態では、多層絶縁性基板２は、３枚の絶縁性基板２Ａ～２Ｃを積層して形成されている。多層絶縁性基板２を構成する３枚の絶縁性基板のうちの最上層の絶縁性基板２Ａの表面上には、３つの矩形状の検出電極３が形成されている。本実施の形態では、３つの検出電極３は銅箔によって形成されている。本実施の形態では、３つの検出電極３は共通の配線パターンＰ１によって相互に接続されている。配線パターンには所定の電圧が印加される。

【0022】

また、多層絶縁性基板２に含まれる最上層の絶縁性基板２Ａの裏面上には、３つの検出電極３と多層絶縁性基板２の積層方向に対向する非接地の３つのシールド電極４が形成されている。３つのシールド電極４は、検出電極３を保護するためのシールドで、相互に配線パターンＰ２によって接続されているものの接地はされていない。

【0023】

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、理解を容易にするために、シールド電極４の外周縁と検出電極３の外周縁との位置関係を説明するための図である。これらの図に示すように、シールド電極４の寸法は、シールド電極４と検出電極３の中心を一致させた状態で、シールド電極４の外周縁が検出電極３の外周縁の外側に１ｍｍ（設計値）張り出すように定められている。なお本実施の形態では、シールド電極４は非接地としているが、一般的な容量式センサの場合にはシールド電極４は接地されている。

【0024】

本実施の形態では、さらに、多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの表面上には、オーバコートとしてのレジスト層６を形成している。なお図１においては、作図の都合上、レジスト層６は平板状に描いているが、実際上は最上層の絶縁性基板２Ａの表面を完全に覆っている。

【0025】

多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの上のレジスト層６の上には、接着層５を介してアクリル板８に切削加工を施して環状の溝部７を形成した操作パネル１４が接合されている。アクリル製の操作パネル１４は、透明または不透明のいずれでもよい。また本実施の形態では、接着層５をスリーエムジャパン株式会社がＹ４１８０－１２の製品番号で販売する両面接着テープによって形成してある。

【0026】

操作パネル１４には、接着層５である両面接着テープに向かって開口し、且つ検出電極３の外周縁及びシールド電極４の外周縁に沿うように環状の溝部７が、各検出電極３及びシールド電極４に対応して設けられている。環状の溝部７は、アクリル板８を削る（ザグル）ことにより、アクリル板８に空気層が形成された部分である。環状の溝部７の深さは、アクリル板８の厚みの半分程度あればよい。環状の溝部７が検出電極３と積層方向に対向する領域の広がりと、検出電極３の有効検出領域の関係は逆比例の関係になる。その結果、環状の溝部７を検出電極３と積層方向に対向させることにより、１つの検出電極の見掛け上の大きさを変更することができる。言い換えると、環状の溝部７によって、検出電極３の検出幅が定まることになる。すなわち環状の溝部７によって囲まれた検出電極３の上方領域が、１つの検出電極３の検出領域となる。検出電極３から出る理論上の電気力線が非直線的に延びて広がっても、環状の溝部７の設け方によって検出領域を制限することができる。したがって検出電極３が複数個並設される場合でも、各検出電極３間に操作者の指が入っても、２個の検出電極３が同時に検知する誤検知を防止することができる。

【0027】

なお環状の溝部７は完全な閉ループを呈しているのが好ましいが、環状の溝部７に一部、欠けた部分があるときでも、その分、上述の効果は低下するが、隣接する検出電極間の距離が十分に長ければ、実用上の問題は生じない。

【0028】

図４（Ａ）は検出電極３とシールド電極４と環状の溝部７の位置関係の代表例の断面図を示しており、図４（Ｂ）はこの代表例における検出電極３と環状の溝部の配置関係を示している。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す代表例では、矩形状の検出電極３と輪郭が矩形をなす環状の溝部７が、多層絶縁性基板２の積層方向には重なっていないが、環状の溝部７の内周縁はシールド電極４の外周縁と、積層方向において、ほぼ一致している。

【0029】

図４（Ａ）に示す例では、シールド電極４の断面の幅が３０ｍｍであり、検出電極３の断面の幅が２９ｍｍである。そしてシールド電極４の外周縁に一致するように、多層絶縁性基板２の積層方向に対向する溝部７の内周縁の位置が定められている。図４（Ａ）に示す例では、設計上、シールド電極４の外周縁が検出電極３の外周縁の０．５ｍｍ外側に位置しており、シールド電極４の外周縁と環状の溝部７の内周縁が一致するように環状の溝部７が形成されている。シールド電極４の外周縁が検出電極３の外周縁よりも１ｍｍまで外側に位置している場合でも、本発明の効果が得られることが確認されている。

【0030】

図４（Ｃ）は、本実施の形態における環状の溝部７と検出電橋３との配置関係の許容範囲を示す断面図である。図４（Ｃ）の例では、図４（Ａ）の例とは異なり、環状の溝部７の内周縁は、検出電極３の上方において、検出電極３のかなり内側の位置まで入り込んでいる。すなわち環状の溝部７の内周縁間の間隔が５ｍｍ（設計値）になるまで、検出電極３と環状の溝部７の重なり割合を大きくしている。その結果、面積的には、検出電極３の９５％以上が溝部７と積層方向と対向している。同様に、環状の溝７とシールド電極４の配置関係においても、環状の溝部７の内周縁が、シールド電極４の上方において、シールド電極４のかなり内側の位置まで入り込んでおり、面積的には、シールド電極４の９５％以上が溝部７と積層方向に対向している。図４（Ｃ）の例のように、環状の溝部７と検出電橋３及びシールド電極４の積層方向の重なり割合を大きくすると、実質的な検出電極３の幅が狭くなったのと同様の効果が得られる。すなわち、検出幅が狭くなる分、より誤検出が発生しにくく隣り合う検出電極３の間に対応する操作パネル１４の部分に操作者の指先が位置したとしても、２つの検出電極３が同時に検出動作をすることを防止する効果を大きくできる。なお本実施の形態では、検出電極３上の環状の溝部７の内縁部間の距離を５ｍｍまで短くすることができる。これよりも距離を短くすると、検出距離が短くなって好ましくない。

【0031】

本実施の形態では、検出電極３が多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの表面に形成され、非接地のシールド電極４が多層絶縁性基板２の最上層の絶縁性基板２Ａの裏面に形成されているので、検出電極３とシールド電極４との間を通る電気力線を遮蔽して感度を高めることが可能となる。また操作パネル１４に、検出電極３の外周縁及びシールド電極４の外周縁と対向する環状の溝部７を設けると、シールド電極４を設けることにより高めた感度を低下させることなく、操作パネル１４側からのノイズの進入を抑制することができる。また本実施の形態のように、シールド電極４の外周縁が、検出電極３の外周縁の外側に位置していると、シールド電極４の背面側から検出電極３に侵入するノイズの影響を低減することができる。

【0032】

図１及び図２に示した実施の形態は、容量式静電センサを用いたセンサユニット１に本発明を適用する場合に用いる基板２を示したものであるが、シールド電極を接地するタイプの容量式静電センサを３個用いたセンサユニットにも本発明を適用することができる。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示したセンサユニットの多層絶縁性基板２では、多層絶縁性基板２は輪郭だけを示してあり、図示しないシールド電極は、検出電極３と同じ大きさを有しているものである。図５（Ａ）の実施の形態では、図示しないシールド電極を接地するための配線パターンＰ２と検出用電極に電圧を印加する配線パターンＰ１とが、３つの検出電極３の両側にそれぞれ配置されているので、図１に示したセンサユニット１と比べて幅寸法が大きくなる。

【0033】

また図５（Ｂ）は、１つの容量式静電センサの検出電極３及びシールド電極を多層絶縁性基板の長手方向全体に長く形成した例である。このようにすると１つの容量式静電センサで、液面の変位を検出ことが可能になる。

【0034】

図１のセンサユニット１を用いて例えば、樹脂製のタンク１１内の水量を測定する場合には、図６に示すように、樹脂製のタンク１１に沿ってセンサユニット１を配置する。このように構成することによって、例えば、ＦＵＬＬ、ＭＩＤ、ＥＭＰＴＹの３段階のように、段階的にタンク等の水量の残量を検知することができる。

【0035】

樹脂製のタンク１１の壁をそのまま操作パネル１４の代用として利用することができる。図７は、例えばアクリル樹脂製のタンク１１の外面に両面接着テープからなる接着層５を用いて多層絶縁性基板２を貼り付ける場合の例を示している。この場合には、タンク１１の該側面には検出電極３に対応して環状の溝部を形成しておけばよい。

【0036】

なお、上記実施の形態では、検出電極３及びシールド電極４をそれぞれ矩形状にしているが、各電極の形状は矩形に限定されるものではなく、丸形、楕円形等種々の形状を使用することができる。電極の形状に合わせて、環状の溝部７の形状も変えるのは勿論である。

【0037】

上記実施の形態は、３つの検出電極を備えた容量式静電センサユニットの複数の容量式静電センサに本発明を適用したものであるが、１つの検出電極を備えた単体としての容量式静電センサに本発明を適用できるのは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明によれば、接着層に向かって開口し且つ検出電極の外周縁及びシールド電極の外周縁に沿うように操作パネルに形成されて、シールド電極の外周縁と積層方向に対向する環状の溝部を設けるため、シールド電極を設けることにより高めた感度を低下させることなく、ノイズの進入を防止することができる。また隣接する検出電極間の距離が短い場合において、このような環状の溝部を設けると、隣り合う検出電極間に対応する操作パネル部分に操作者の指先が位置しても、２つの検出電極が同時に検出動作をすることを防止できる。

【符号の説明】

【0039】

１ 容量式静電センサユニット
２ 多層絶縁性基板
２Ａ乃至２Ｃ 絶縁性基板
３ 検出電極
４ シールド電極
５ 接着層
６ レジスト層
７ 環状の溝部
８ アクリル板
１１ タンク
１４ 操作パネル
Ｐ１ 検出電極用配線パターン
Ｐ２ シールド電極用配線パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】