(57)【要約】【課題】構成が簡単であり、製造が容易かつ検出回路との接続も容易な電界センサを提供する。【解決手段】電界センサ１は、電界出力電極１１と、電界出力電極１１との間に電界Ｅを形成するグランド電極１３と、電界Ｅの強度変化を検出する受信電極１２と、を備える電極部３を有する。また、各電極１１〜１３のそれぞれと個々に接続される接点部４と、接点部４と各電極１１〜１３との間をそれぞれ接続するＴＸパターン１４、ＲＸパターン１５、ＧＮＤパターン１６を備える配線部５と、を有する。電極部３及び配線部５は、絶縁基材２上に平面的に分布され、一層に配置される。検出空間Ｄ内に形成された電界Ｅ中に物体が進入すると、電界Ｅの強度変化に基づいて物体の三次元的な動作が検出される。【選択図】図１
2018006036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界中の物体による電界の強度変化に基づいて、物体の動作を検出する電界センサであって、
電界出力電極と、該電界出力電極との間に電界を形成する接地電極と、前記電界の強度変化を検出する受信電極と、を備える電極部と、
前記電界出力電極、前記受信電極、前記接地電極のそれぞれと個々に接続される接点部と、
該接点部と前記電界出力電極、前記受信電極、前記接地電極との間をそれぞれ接続する配線部と、を有し、
前記電極部及び前記配線部を、平面的に分布させ一層に配置したことを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
請求項１記載の電界センサにおいて、
前記接点部は前記電極部の外側に配置され、前記配線部は前記電極部の外側に引き出されてなることを特徴とする電界センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電界センサにおいて、
前記電界出力電極と前記受信電極は複数個設けられ、
複数の前記電界出力電極と複数の前記受信電極はそれぞれ対称に配置されることを特徴とする電界センサ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の電界センサにおいて、
前記受信電極は、前記電界出力電極と前記接地電極との間に配置されることを特徴とする電界センサ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の電界センサにおいて、
前記接地電極は、前記電界出力電極及び前記受信電極と隣接して配置されることを特徴とする電界センサ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の電界センサにおいて、
前記接地電極は、前記電界出力電極及び前記受信電極を取り囲むように配置されることを特徴とする電界センサ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の電界センサにおいて、
前記電極部及び前記配線部は、絶縁基材上にそれぞれ複数設けられ、
前記接地電極は、外形が正方形に形成され、
前記電界出力電極及び前記受信電極は、前記接地電極の四辺に沿って該接地電極の内側にそれぞれ配置されることを特徴とする電界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間内の電界の歪みから物体の三次元的な動作を検出する電界センサに関し、特に、人の手の平や指先などの動きをリアルタイムで検出可能な電界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体の三次元的な変位を捉える手段として、空間内に形成された電界（静電容量）の変化を検出する電界測定方式のセンサ（電界センサ）が知られている。このような電界センサは、誘電体である人間の手の動きを非接触にて検出できることから、一般家電製品や自動車の内装電装品などの操作パネルへの応用が検討されている。例えば、パネルに手をかざすだけで操作が可能なエアコンやカーナビゲーションなど、従来、ボタンやタッチパネルにて操作を行っていた製品への適用が想定されている。特に、電界センサを用いた非接触パネルは、現行のタッチパネルにおける指紋汚れの問題が解消されるため、モバイル製品のヒューマンインターフェースなどにも好適である。
【０００３】
特許文献１には、このような電界センサの電極構造が示されている。そこでは、伝送電極と受信電極が絶縁層を挟んで層状に配置されており、伝送電極によって形成された電界（検出空間）内に人の手などが入ると、電界が歪みその重心が変位する。そして、この電界の歪みを受信電極にて検知し、それを検出回路にて捉えることにより、検出空間内における手の位置追跡やジェスチャ認識を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１６−５０６０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような電界センサは、電極が層状に配置されており、電極層（導電パターン層）と絶縁層の多層構成となる。このため、汎用樹脂フィルムやファブリックなどに応用しようとするとセンサの内部構造が複雑となり、その分、製造工程が多く、生産コストや歩留まりの点で問題があった。また、電界センサと検出回路との間の接続についても、センサの内部構造が複雑なため、接続配線が取り出しにくいという問題もあった。
【０００６】
本発明の目的は、製造が容易であり、検出回路との接続も容易な電界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】
【０００７】
本発明の電界センサは、電界中の物体による電界の強度変化に基づいて、物体の動作を検出する電界センサであって、電界出力電極と、該電界出力電極との間に電界を形成する接地電極と、前記電界の強度変化を検出する受信電極と、を備える電極部と、前記電界出力電極、前記受信電極、前記接地電極のそれぞれと個々に接続される接点部と、該接点部と前記電界出力電極、前記受信電極、前記接地電極との間をそれぞれ接続する配線部と、を有し、前記電極部及び前記配線部を、平面的に分布させ一層に配置したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の電界センサにあっては、電極部と配線部が平面的な分布で一層に配置されているため、１回のパターン印刷工程にて電極部と配線部を形成できる。このため、多層構造のセンサに比して、製造工程を大幅に減らすことができ、生産コストの低減や歩留まりの改善が図られる。また、電界センサと検出回路との間の接続についても、センサ構造が簡単なため、接点部の取り出しや検出回路との接続が容易となる。
【０００９】
前記電界センサにおいて、前記接点部を前記電極部の外側に配置し、前記配線部を前記電極部の外側に引き出すようにしても良い。また、前記電界出力電極と前記受信電極を複数個設け、これらの複数の前記電界出力電極と複数の前記受信電極をそれぞれ対称に配置しても良い。さらに、前記受信電極を、前記電界出力電極と前記接地電極との間に配置したり、前記接地電極を、前記電界出力電極及び前記受信電極と隣接して配置したりしても良く、前記接地電極を、前記電界出力電極及び前記受信電極を取り囲むように配置しても良い。
【００１０】
加えて、前記電極部及び前記配線部を絶縁基材上にそれぞれ複数設ける共に、前記接地電極の外形を正方形に形成し、前記電界出力電極及び前記受信電極を、前記接地電極の四辺に沿って該接地電極の内側にそれぞれ配置するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電界センサによれば、電界出力電極、接地電極、受信電極を備える電極部と、接点部と各電極との間をそれぞれ接続する配線部と、を平面的な分布で一層に配置したので、多層構造のセンサに比して少ない工程にてセンサを形成することが可能となる。また、センサ構造が簡素化されるため、検出回路と接続される接点部の取り出しも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１である電界センサの構成を示す説明図である。
【図２】図１の電界センサを用いたセンシング動作の説明図であり、（ａ）は検出対象がない状態、（ｂ）は検出空間内に人の手が入っている状態をそれぞれ示している。
【図３】本発明の実施形態２である電界センサの構成を示す説明図である。
【図４】本発明の電界センサの変形例を示す説明図である。
【図５】本発明の電界センサの変形例を示す説明図である。
【図６】本発明の電界センサの変形例を示す説明図である。
【図７】本発明の電界センサの変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態１である電界センサ１の構成を示す説明図である。図１に示すように、電界センサ１は、絶縁基材２上に、電極部３、接点部４、配線部５の各部を、平面的な分布にて同一層に配した構成となっている。電界センサ１では、物体のＸ,Ｙ方向の二次元的変位に加え、例えば手の位置や動きのようなＺ方向の変位も検出可能となっており、一般家電製品や自動車の内装電装品などのスイッチや操作パネルに使用される。
【００１４】
絶縁基材２は、絶縁材料にて形成されたシート状の部材にて形成されている。絶縁基材２としては、板状やブロック状、球状のものを用いることも可能であり、電極１１〜１３を形成する基材は、絶縁部材であればその形状は任意である。この場合、電界センサ１をフィルム状やファブリック状に形成することにより、センサを目立たない形で配置することが可能となる。
【００１５】
電極部３は、電界出力電極１１と、受信電極１２、グランド電極（接地電極）１３を備えており、グランド電極１３は正方形に形成されており、電界出力電極１１と受信電極１２を取り囲むように配置されている。グランド電極１３の内側には、一組の電界出力電極１１と受信電極１２が、グランド電極１３の四辺に沿って配置されている。電極部３は、手の平や指の動きを認識しやすいように、絶縁基材２上に３００ｍｍ四方程度に形成されている。
【００１６】
各電極１１〜１３と接点部４との間は、配線部５によって接続されている。各電極１１〜１３と配線部５により、ＴＸパターン１４、ＲＸパターン１５、ＧＮＤパターン１６がそれぞれ形成される。各パターン１４〜１６は、絶縁基材２上に、平面的な分布にて一層に配置されている。電極部３の内側の各パターン１４〜１６以外の部分は、電極の形成されていない領域である。この領域に、各パターン１４〜１６の何れの電極とも接続されていない浮きパターン１７を形成しても良い（図４参照）。浮きパターン１７は検出対象との距離に対する利得特性を向上させる作用を有する。
【００１７】
各パターン１４〜１７は、絶縁基材２上に導電性材料を含有するインクを用いて印刷形成される。各パターン１４〜１７の形成方法としては、金属箔を所定形状に切り出して接着する方法や、絶縁基材表面にメッキ触媒を印刷した後、特定の金属メッキを行う方法、絶縁基材表面の全面に金属膜を形成し、必要な部分を残してエッチングする方法など、一般的な導電パターン形成方法を広く採用可能である。
【００１８】
図１の電界センサ１では、電極の形状や面積が上下左右対称となるように、各電極１１〜１３は四方に等分に配置されている。接点部４は、上下左右に配置された各電極１１〜１３から等距離となるよう、電極部３の中央に配置されている。接点部４には、各電極１１〜１３と接続された回路接続用ランド１８〜２０（ＴＸ用ランド１８，ＲＸ用ランド１９，ＧＮＤ用ランド２０）が設けられている。各ランド１８〜２０は、電界センサ１とは別途設けられた検出回路２１と接続される。ここでは、電界センサ１の裏面側に図示しない回路接続部を介して、検出回路２１と接続される。検出回路２１には、例えば、マイクロチップ社製コントローラＭＧＣ３１３０等が使用される。
【００１９】
電界センサ１では、電界出力電極１１と接地電極１３との間に電界Ｅが生じ、その電界強度を受信電極１２によって検出する。受信電極１２は、電界強度の検出が容易なように、電界出力電極１１と接地電極１３との間に配置される。電界出力電極１１と受信電極１２の面積は、検出回路のインピーダンスや外来ノイズの混入レベルを大きくしないため、必要以上には大きくしないことが望ましい。接地電極１３は、電界出力電極１１と受信電極１２のそれぞれ一部と隣接するように配置する（図１のＰ部）。Ｐ部における間隙２２の寸法、すなわち、電界出力電極１１と接地電極１３の間、及び、受信電極１２と接地電極１３との間の距離を適宜調整することにより、センサパターンのインピーダンスをコントロールする。この場合、インピーダンスが高いとノイズを拾い易くなる一方、低いとセンサ感度が落ちるため、両者のバランスを考慮して間隙２２の寸法を設定する。
【００２０】
図２は、電界センサ１を用いたセンシング動作の説明図であり、（ａ）は検出対象がない状態、（ｂ）は検出空間Ｄ内に人の手が入っている状態をそれぞれ示している。図２（ａ）に示すように、電界センサ１では、電界出力電極１１と接地電極１３との間の検出空間Ｄに電界Ｅが生じている。電界Ｅの大きさ（電界強度）は受信電極１２によって検出され、検出回路２１では、電界センサ１から得られた信号を三次元変位検出データに変換し、その変化を常時モニタしている。このような電界Ｅの中に、誘電体である人の手が検出空間Ｄ内に進入すると、図２（ｂ）のように電界Ｅが変化する（歪む）。この変化は受信電極１２を介して検出回路２１によって把握され、人の手の位置が認識される。また、人の手が動くと、それに連れて電界Ｅの状態も変化し、手の位置追跡（トラッキング）やジェスチャ認識（ジェスチャセンシング）を行うことが可能となる。
【００２１】
このように、本発明による電界センサ１は、従来のセンサと同様にトラッキングやジェスチャセンシングが可能でありながら、各パターン１４〜１６,（１７）が、絶縁基材２上に、平面的な分布で一層に配置されているため、センサ自体を１回のパターン印刷工程にて形成することができる。このため、多層構造のセンサに比して、製造工程を大幅に減らすことができ、生産コストの低減や歩留まりの改善を図ることが可能となる。また、電界センサ１と検出回路２１との間の接続についても、センサ構造が簡単なため、センサ中央部に接点部４を容易に集約することができ、接続配線の取り出しや検出回路２１との接続を容易に行うことが可能となる。
【００２２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２である電界センサ３１について説明する。図３は、本発明の実施形態２である電界センサ３１の構成を示す説明図である。なお、以下の実施の形態では、実施の形態１と同様の部分、部材等については同一の符号を付し、その説明は省略する。実施の形態２の電界センサ３１は、先の電界センサ１が接点部４を中央に配しているのに対し、接点部４は電極部３の外側に配置されており、接点部４が絶縁基材２の端部に集約されている。配線部５は、電極部３の一辺３ａ側にて、電極部３の外側に引き出されており、配線部５の先端に接点部４が配置されている。接点部４には、電界センサ１と同様に、ＴＸランド１８、ＲＸランド１９、ＧＮＤランド２０が設けられている。
【００２３】
電界センサ３１の場合、配線部５を引き出すため、図３において一辺３ａ側に配された受信電極１２ａ（第１受信電極）は上下に分割される。また、電界出力電極１１の配線パターンも、４つのエリアから配線部５まで個別に引き出される。このため、接点部４では、ＴＸランド１８が４つ、ＲＸランド１９が５つ形成されるが、これらのランドは、図３の右側に記載（破線囲み部）したような形で、接続される回路側で集約することができる。すなわち、４つのＴＸランド１８は集約されてＴＸ接点３２に、５つのＲＸランド１９は、上下に分割された受信電極１２ａのランドが集約されて４つのＲＸ接点３３とされ、検出回路２１側に接続される。
【００２４】
前述のように、電界センサ３１では、一辺３ａ側に配された受信電極１２ａは上下に分割されるが、電界Ｅの状態検知のためには、受信電極１２の面積は４つエリアにて均等であることが好ましい。そこで、電界センサ３１では、上下に分断された受信電極１２ａの合計面積が、他の各受信電極１２ｂ〜１２ｄ（第２〜第４受信電極）と同じ面積となるように形成されている。すなわち、受信電極１２ａは、その幅Ｗａが他の受信電極１２ｂ〜１２ｄの幅Ｗｂ〜Ｗｄ（全て等しい）よりも広くなっており、受信電極１２の面積の均等化が図られている。
【００２５】
また、一辺３ａ側の電界出力電極１１ａ（第１電界出力電極）も、配線部５を引き出す関係で、図中上下方向の長さが他の電界出力電極１１ｂ〜１１ｄ（第２〜第４電界出力電極）よりも短くなる。受信電極１２と同様に、電界出力電極１１もその面積が４つエリアで均等となることが好ましい。このため、電界センサ３１では、電界出力電極１１ａのＱ部の幅Ｗｑが、他の電界出力電極１１ｂ〜１１ｄの同様部分の幅Ｗｒよりも若干広くなっており、各エリアにおける電界出力電極１１の面積の均等化が図られている。
【００２６】
このように、電界センサ３１においては、電界出力電極１１や受信電極１２の機能を損なうことなく、接点部４をセンサの一端側に集約して引き出している。このため、電極１１等と同じ平面上で検出回路２１側と接続することが可能となる。また、検出回路２１側との接続部も平面的な配置が可能となり、検出回路２１側との接続が容易となる。なお、電界センサ３１においても、各パターン１４〜１６,（１７）を絶縁基材２上に平面的な分布で一層に配置しているため、センサ自体を１回のパターン印刷工程にて形成することができ、製造工程を大幅に減らすことが可能である。
【００２７】
（実施の形態３）
さらに、実施の形態３として、電極１１〜１３のパターン構成の変形例を示す。図４〜７は、各変形例の構成を示す説明図である。なお、図４〜７では、電極部３の構成のみを示し、絶縁基材２は省いて記載する。図４〜７の電界センサ４１〜４４においても、各パターン１４〜１６は、絶縁基材２上に平面的な分布で一層に配置されている。従って、前述同様、製造工程を大幅に減らすことができ、生産コストの低減や歩留まりの改善を図ることが可能となる。
【００２８】
ここで、図４の電界センサ４１は、全体が長方形となっており、短辺側に配された電界出力電極１１と受信電極１２の形状が図１,３のものとは異なっている。図５の電界センサ４２は、図３における配線部５の引き出し位置が正方形の角部となっている。図６の電界センサ４３は、全体が円形となっており、配線部５が一端側に引き出されている。図７の電界センサ４４は、三次元変位検出においては受信電極が最低３個あれば足りることから、全体を三角形とし、配線部５をその一辺側から引き出している。
【００２９】
図４〜７の何れの電界センサ４１〜４４も、電極パターンは対称形状となるよう構成されており、電界出力電極１１と受信電極１２の面積も、実施の形態２の電界センサ３１と同様に、分散配置されたが各部位にて均等となるように構成されている。また、センサ全体も対称形状が好ましいため、電界センサ４１〜４４では全体形状も対称になっている。この場合、センサ全体の形状は必ずしも対称である必要はないが、センサ性能上、対称性を有することが望ましいことから、電極パターン形状と共にセンサ全体の形状も対称であることが好ましい。
【００３０】
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態に記載した数値や形状はあくまでも一例であり、本発明は前記の形態には限定されず、例えば、全体を５角形以上の多角形に形成することも可能である。また、配線部５の引き出し位置も前述の例には限られず、例えば、図４〜７の電界センサ４１〜４４においても、図１の電界センサ１のように中央に接点部４を配することも可能である。さらに、電界センサ１等の検出対象は人の手には限られず、例えば、人が持った導電性の物体やアースされている物体などの検出にも用いることができる。なお、本発明による電界センサにおいては、細長い棒状の導体（指も含む）がセンサに対し垂直となるように操作する場合が最も検出精度が良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の電界センサは、家電製品や自動車の内装電装品などのスイッチや操作パネルに使用可能である。当該電界センサを用いた操作パネルは、例えば自動車内装品では、ステアリングやダッシュボード、シートの肘掛けなどに配置され、これにより、直接手を触れることなく操作可能なカーナビゲーションやエアコンなどが実現できる。また、本発明の電界センサは、冷蔵庫やテレビ、照明などの一般家電や、パーソナルコンピュータ、スマートフォン等の操作パネルやスイッチ類にも広く適用可能である。なお、当該電界センサを操作パネルに使用する場合、それ自体を外部に露出した状態で配置することも可能であるが、導光板等を介して操作パネルの内部に配置することも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    電界センサ
２    絶縁基材
３    電極部
３ａ  一辺
４    接点部
５    配線部
１１    電界出力電極
１１ａ〜１１ｄ    電界出力電極
１２    受信電極
１２ａ〜１２ｄ    受信電極
１３    グランド電極（接地電極）
１４    ＴＸパターン
１５    ＲＸパターン
１６    ＧＮＤパターン
１７    浮きパターン
１８    回路接続用ランド（ＴＸ用ランド）
１９    回路接続用ランド（ＲＸ用ランド）
２０    回路接続用ランド（ＧＮＤ用ランド）
２１    検出回路
２２    間隙（Ｐ部）
３１    電界センサ
３２    ＴＸ接点
３３    ＲＸ接点
４１    電界センサ
４２    電界センサ
４３    電界センサ
４４    電界センサ
Ｗａ〜Ｗｄ    受信電極幅
Ｗｑ    電界出力電極幅（電界出力電極１１ａのＱ部）
Ｗｒ    電界出力電極幅（電界出力電極１１ｂ〜１１ｄの幅）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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