(57)【要約】【課題】検知感度を向上させることが可能な相互容量型の静電容量センサ用電極を提供する。【解決手段】基材の主面上に配置される第１の電極と、主面上に第１の電極と間隙を隔てて配置される第２の電極とを備え、第１の電極は第２の電極の両側に位置する形状を少なくとも有する。【選択図】図１Ａ
2015122141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の主面上に配置される第１の電極と、
前記主面上に前記第１の電極と間隙を隔てて配置される第２の電極と
を備え、
前記第１の電極は前記第２の電極の両側に位置する形状を少なくとも有する、静電容量センサ電極。
【請求項２】
前記第１の電極の面積と前記第２の電極の面積の比の値は２以上である、請求項１に記載の静電容量センサ電極。
【請求項３】
前記第２の電極の外周形状は、少なくとも一部が曲線形状である、請求項１又は２に記載の静電容量センサ電極。
【請求項４】
前記第２の電極の外周形状は、少なくとも一部が下記数式（１）で定義されるラメ曲線の一部である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量センサ電極。
【数１】
2015122141.tif 000004
【請求項５】
前記数式（１）において、α＝２である、請求項４に記載の静電容量センサ電極。
【請求項６】
前記数式（１）において、さらにａ≠ｂである、請求項５に記載の静電容量センサ電極。
【請求項７】
前記数式（１）において、１＜α＜２である、請求項４に記載の静電容量センサ電極。
【請求項８】
前記数式（１）において、α＞２である、請求項４に記載の静電容量センサ電極。
【請求項９】
前記第１の電極の外周形状は少なくとも一部が曲線形状である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量センサ電極。
【請求項１０】
前記第１の電極の外周形状は少なくとも一部が下記数式（１）で定義されるラメ曲線の一部である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量センサ電極。
【数２】
2015122141.tif 000005
【請求項１１】
前記数式（１）において、α＝２である、請求項１０に記載の静電容量センサ電極。
【請求項１２】
前記数式（１）において、さらにａ≠ｂである、請求項１１に記載の静電容量センサ電極。
【請求項１３】
前記数式（１）において、１＜α＜２である、請求項１０に記載の静電容量センサ電極。
【請求項１４】
前記数式（１）において、α＞２である、請求項１０に記載の静電容量センサ電極。
【請求項１５】
前記基材の前記主面上又は前記主面と対向する他の主面上にグラウンド電位を有する第３の電極をさらに備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の静電容量センサ電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量センサ電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検知物の位置又は動作を静電容量の変化として検知する静電容量センサが知られている。静電容量センサは検知用の１つ又は複数の電極を有する。被検知物の接近、移動に伴い、電極の静電容量の容量値が変化する。静電容量センサはこの容量値の変化を電気信号として測定することによって、被検知物の動作を検知する装置である。近年、このような静電容量センサが物体の非接触検知装置、ディスプレイ用タッチパネルなど幅広い用途に用いられている。
【０００３】
特許文献１には、タッチセンサを備えたディスプレイに使用される静電容量センサが開示されている。静電容量センサは交差する複数の信号配線Ｔｘ及び複数の信号配線Ｒｘを含み、信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘの間には静電容量が形成されている。信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘの間に電圧が印加されると、信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘの間には電界が発生する。この電界が操作者の指によって遮られると、信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘとの間に蓄えられた電荷が減少する。この電荷の変化を測定することで、指の接近、すなわち指によるディスプレイへの近接が検知される。このような静電容量センサは、信号配線Ｔｘと信号配線Ｒｘの間の相互容量の変化を計測するものであるため、相互容量型と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている相互容量型の静電容量センサは、例えば特許文献１の図１Ａ及び図１Ｂ等に記載されているように、信号配線Ｔｘとの信号配線Ｒｘとの間の電界が遮られたときに静電容量が変化することを検知するものである。信号配線Ｔｘから発生した電界は信号配線Ｔｘとの信号配線Ｒｘとの間に集中する。よって、静電容量の変化が検知された場合、被検知物の位置はＴｘとＲｘの配線間の直上付近であると特定される。このように、相互容量型の静電容量センサは検知可能範囲が所定の方向又は範囲に限局されており、指向性が良いという特徴を有する。
【０００６】
しかし、前述のように電界が配線間に集中しているため、センサと被検知物との距離が離れると、検知感度が急激に低下する。そのため、例えば、車両用近接センサのように、センサと被検知物の距離が離れている場合がある用途では検知感度が不足するため、相互容量型の静電容量センサの適用が困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、相互容量型の静電容量センサの検知感度を向上させることが可能な静電容量センサ用電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基材の主面上に配置される第１の電極と、主面上に第１の電極と間隙を隔てて配置される第２の電極とを備え、第１の電極は第２の電極の両側に位置する形状を少なくとも有する、静電容量センサ電極を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により提供される静電容量センサ電極を用いて相互容量型の静電容量センサを構成することで、検知感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の平面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の断面図及び静電容量センサの駆動回路を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極に電圧を印加したときの電気力線の分布を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極に被検知物が接近したときの電気力線の変化を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極に用いる駆動回路の変形例を示す図である。
【図６Ａ】送信／受信構造の静電容量センサ電極の平面図である。
【図６Ｂ】送信／受信／送信構造の静電容量センサ電極の平面図である。
【図７】送信／受信構造と送信／受信／送信構造の検知感度の違いを示す実験結果のグラフである。
【図８Ａ】送信／受信構造の静電容量センサ電極の幅方向断面図と、静電容量センサの検知感度を示したグラフである。
【図８Ｂ】送信／受信／送信構造の静電容量センサ電極の幅方向断面図と、静電容量センサの検知感度を示したグラフである。
【図９】送信電極と受信電極の幅の比率による検知感度の違いを示す実験結果のグラフである。
【図１０Ａ】受信電極が楕円形状をなしている静電容量センサ電極の模式図である。
【図１０Ｂ】受信電極が真円形状をなしている静電容量センサ電極の模式図である。
【図１０Ｃ】受信電極が長方形形状をなしている静電容量センサ電極の模式図である。
【図１１】静電容量センサ電極の形状の違いによる検知感度の違いを示すシミュレーション結果のグラフである。
【図１２】ラメ曲線（スーパー楕円）の形状を示す図である。
【図１３】送信電極の外形が長方形で、受信電極の外形が楕円形である静電容量センサ電極を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る静電容量センサ電極の断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る静電容量センサ電極の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための例示的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に説明される実施形態で具体的に記載された形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃに本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の構造を示す。図１Ａは静電容量センサ電極の斜視図、図１Ｂは静電容量センサ電極の平面図、図１Ｃは図１ＢのＡ−Ａ’線断面図である。
【００１３】
静電容量センサ電極１００は基板１０１の主面上に、第１の電極として送信電極１０２を、第２の電極として受信電極１０３を備える。基板１０１は絶縁体製の基材であり、例えば樹脂やガラスなどを用いることができる。送信電極１０２及び送信電極１０３は基板１０１の同一の主面上に配置される。送信電極１０２及び受信電極１０３は導電性を有する金属などを材料とする。なお、基板１０１は静電容量センサ電極が形成される面を備えていればよく、板状でない形態であってもよい。
【００１４】
受信電極１０３は楕円形状の外周を有する。送信電極１０２は内周と外周を有する環状の形状であり、間隙１０４を隔てて受信電極１０３を囲むように配置されている。すなわち、間隙１０４は、送信電極１０２と受信電極１０４の間に環状の抜きパターンとして形成されている。送信電極１０２の外周は楕円形状である。送信電極１０２の外周をなす楕円形状の長軸と、受信電極１０３の外周をなす楕円形状の長軸とは互いに垂直となる位置関係である。以上より、図１Ｃに示される静電容量センサ電極１００の、送信電極１０２の長軸を通る垂直断面Ａ−Ａ’において、送信電極１０２は間隙１０４を隔てて受信電極１０３の両側に位置している。電極寸法の一例は、送信電極１０２の長軸が１００ｍｍ、短軸が６０ｍｍ、受信電極の長軸が５０ｍｍ、短軸が３０ｍｍである。
【００１５】
静電容量センサ電極１００は、送信電極１０２及び受信電極１０３の少なくとも一部を覆う絶縁膜をさらに備えてもよい。絶縁膜を備えることにより、送信電極１０２及び受信電極１０３が腐食等の劣化から保護される。
【００１６】
図２に、本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の断面図及びこれを用いる静電容量センサの駆動回路を示す。静電容量センサ電極１００には、その駆動回路として電圧制御部２１０及び容量検出部２２０が配線を介して接続される。
【００１７】
電圧制御部２１０は電源２１１、開閉器２１２及びセンサ制御部２１３を備える。電源２１１は直流電圧を供給する。開閉器２１２は静電容量センサ電極１００の送信電極１０２と電源２１１の間に接続される。開閉器２１２はセンサ制御部２１３の制御信号に基づいて、送信電極１０２へ電圧の供給をＯＮ（接続）又はＯＦＦ（非接続）に切り替える。開閉器２１２がＯＮに切り替えられると、送信電極１０２に電源２１１から直流電圧が供給される。開閉器２１２がＯＦＦに切り替えられると、送信電極１０２はグラウンドに接続され、送信電極１０２に蓄積された電荷が開放される。センサ制御部２１３は開閉器２１２を制御する信号を送信する機能を有していればよく、その機能はソフトウェアプログラム又はハードウェア素子として静電容量センサ電極１００を駆動するためのＩＣ等（不図示）に実装することができる。なお、本明細書の説明では、電源２１１から供給される電圧は正であるものとするが、負であってもよく、その場合は、図中における電気力線の向きが逆になる。
【００１８】
容量検出部２２０は比較器２２１、参照容量２２２、参照電源２２３及び検知部２２４を備える。比較器２２１は非反転入力端子、反転入力端子、出力端子を備える。比較器２２１の反転入力端子は、受信電極１０３及び参照容量２２２に接続される。なお、図２には前述の３つの端子のみが図示されているが、実際には比較器２２１は不図示の１つ以上の電源端子をさらに備える。
【００１９】
参照容量２２２は比較器２２１の反転入力端子とグラウンドの間に接続される。参照容量２２２は送信電極１０２と受信電極１０３の間の静電容量と共に電源電圧を分圧するための容量である。したがって、参照容量２２２の容量値は送信電極１０２と受信電極１０３の間の容量値と同程度の容量値となるように設定することが好ましい。
【００２０】
参照電源２２３は比較器２２１の非反転入力端子とグラウンドの間に接続される。参照電源２２３の電圧は受信電極の電圧と比較するための参照用電源であるため、例えば電源２１１の電圧の１／２程度の電圧値とすることが好ましい。参照電源２２３は、電源２１１の電圧を分圧することで同一の電源装置から供給されてもよく、電圧が異なる別の電源装置から供給されてもよい。
【００２１】
検知部２２４は比較器２２１の出力端子と接続される。検知部２２４は、比較器２２１の出力電圧を計測し、電圧値に基づいて静電容量センサ電極１００の近くに、送信電極１０２と受信電極１０３の間の容量を変動させる物体が存在するかどうかを判断する。検知部２２４は比較器２２１の出力電圧を計測し、出力電圧に基づいて他の装置に対し制御信号を送信する等の機能を有していればよい。その機能はソフトウェアプログラム又はハードウェア素子としてＩＣ等（不図示）に実装することができる。
【００２２】
図３は、電圧印加時の電気力線の分布を示す模式図である。開閉器２１２をＯＮにすると、電源２１１の電圧が送信電極１０２に印加され、送信電極１０２から受信電極１０３へと向かう電気力線が生成される。
【００２３】
図４は、静電容量センサ電極に被検知物が接近したときの電気力線の変化を示す模式図である。被検知物４０１が静電容量センサ電極１００の近くに接近すると、送信電極１０２から受信電極１０３へと向かう電気力線の一部が被検知物４０１に向かうようになる。したがって、受信電極１０３で受け取る電気力線の本数が減少する。
【００２４】
静電容量センサ電極１００への被検知物４０１の接近を検知する静電容量センサ電極１００及びその制御回路の動作を説明する。電源２１１から送信電極１０２に供給される電圧値をＶｄｄとする。上述のように、送信電極１０２と受信電極１０３の間には電気力線が生成されるので、送信電極１０２と受信電極１０３の間には静電容量が発生する。この静電容量の容量値をＣｓとする。受信電極１０３は容量検出部２２０の参照容量２２２を介してグラウンドへと接続されている。参照容量２２２の容量値をＣｒｅｆとする。
【００２５】
電圧Ｖｄｄは容量ＣｓとＣｒｅｆによって分圧されて比較器２２１の反転入力端子に入力される。すなわち、比較器２２１の反転入力端子に入力される電圧Ｖｉｎは、Ｖｉｎ＝｛Ｃｓ／（Ｃｒｅｆ＋Ｃｓ）｝・Ｖｄｄとなる。一方、比較器２２１の非反転入力端子に入力される電圧は参照電源２２３の電圧である。この電圧をＶｒｅｆとする。
【００２６】
比較器２２１は反転入力端子と非反転入力端子の電圧を比較してハイレベル又はローレベルの信号を出力する素子である。非反転入力端子の電圧の方が高いときはハイレベル、反転入力端子の電圧の方が高いときはローレベルの電圧が出力される。すなわち、比較器２２１の出力端子から出力される電圧は、Ｖｉｎ＜Ｖｒｅｆのとき、ハイレベルとなり、Ｖｉｎ＞Ｖｒｅｆのとき、ローレベルとなる。例えば、Ｖｒｅｆ＝Ｖｄｄ／２と設定すれば、比較器２２１の出力端子から出力される電圧は、Ｃｓ＜Ｃｒｅｆのとき、ハイレベルとなり、Ｃｓ＞Ｃｒｅｆのとき、ローレベルとなる。したがって、比較器２２１は送信電極１０２と受信電極１０３の間の静電容量と参照容量２２２との大小関係を示す、ハイレベル又はローレベルの電圧信号を、検知部２２４に出力する。
【００２７】
被検知物４０１がない初期状態において、Ｃｓ＞ＣｒｅｆとなるようにＣｓを設定する。このとき、検知部２２４にはローレベルの電圧が入力されている。前述したように被検知物４０１が接近すると、送信電極１０２と受信電極１０３の間の電気力線が遮られ静電容量Ｃｓが減少する。被検知物４０１の接近によりＣｓが減少し、Ｃｓ＜Ｃｒｅｆになると、検知部２２４に入力される電圧はローレベルからハイレベルに変化する。この電圧レベルの変化を検知することにより、被検知物４０１の接近を検知することができる。
【００２８】
上述のように、本願発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極１００は送信電極１０２と受信電極１０３の間に発生した電気力線が遮蔽されたときの静電容量の変化を検知する、相互容量型の静電容量センサに採用できる。相互容量型を採用しているため、電界が空隙１０４の周囲に集中している。したがって、被検知物４０１が空隙１０４の近くにある場合にのみ検知される。よって、大きな物体が静電容量センサ電極１００から離れた位置にある場合に、空隙１０４の近くに小さな物体がある場合と同じように検知されてしまうというような、誤検知が起こりにくい。このように検知可能範囲が所定の方向又は範囲に限局されている性質を、本願明細書では、検知感度の「指向性が良い」と表現する。
【００２９】
容量検出部２２０の回路として比較器２２１を用いた比較回路を例示して説明したが、送信電極１０２と受信電極１０３の間の静電容量の変化を測定可能であれば他の回路を用いてもよい。例えば、図５に示すような差動増幅器５２１によるボルテージフォロワ回路のような負帰還部を有する回路を用いてもよい。図５の例では非反転入力端子を受信電極１０３に接続し、反転入力端子を出力端子と接続する。このとき、非反転入力端子の電圧をＶｉｎとすると、出力端子の電圧、すなわち、検知部２２４に入力される電圧もＶｉｎとなる。検知部２２４に入力される電圧信号はハイレベルとローレベルの２値ではなく、連続値を持つアナログデータである。よって、送信電極１０２と受信電極１０３の間の静電容量の変化を、２値の場合よりもさらに詳細に検知することができる。この例において、比較器２２１の出力端子の後段にＡ／Ｄ変換器を配置して、電圧信号を信号処理に適したデジタルデータに変換してもよい。なお、抵抗素子などを負帰還部等にさらに追加することで、ボルテージフォロワ回路ではなく、電圧増幅回路としてもよい。
【００３０】
上述した第１の実施形態に係る静電容量センサ電極の構造を検討するために本願発明者が行った実験及びシミュレーションの結果を示しながら、本発明の第１の実施形態の効果及び技術的根拠を説明する。
【００３１】
＜送信電極と受信電極の配置について＞
図６Ａ及び図６Ｂは、送信電極と受信電極が並置された構造と送信電極が受信電極の両側に位置する構造の比較実験結果を説明する図である。図６Ａは静電容量センサ電極６００ａの平面図である。送信電極６０２ａと受信電極６０３ａが間隙６０４ａを隔てて並置されている（以下、この構造を送信／受信構造と呼ぶ）。図６Ｂは図６Ａと対比する静電容量センサ電極６００ｂの平面図である。送信電極１０２は間隙１０４を隔てて受信電極１０３を挟むよう配置されている（以下、この構造を送信／受信／送信構造と呼ぶ）。これらの静電容量センサ電極６００ａ及び６００ｂを作製し、被検知物が接近したときの静電容量の変化を測定する実験を行った。なお、本実験においては、電極の構造は第１の実施形態で示した楕円形ではなく、現象の理解と試料作製を容易にするために、図のように長方形に簡略化されている。
【００３２】
図７は、送信／受信構造と送信／受信／送信構造の検知感度の違いを示す実験結果のグラフである。グラフの横軸は静電容量センサ電極６００ａ、６００ｂと被検知物との距離（ｍｍ）であり、縦軸は被検知物が接近したときの静電容量の変化量（任意単位）である。なお、静電容量の変化量を任意単位としている理由は、静電容量の測定装置から取得した静電容量のデータが装置固有のパラメータに基づくものであり、ＳＩなどの一般的な単位系に変換できないためである。図７のグラフにおいて、破線で示したデータが送信／受信構造の測定値であり、実線で示したデータが送信／受信／送信構造の測定値である。グラフより、送信／受信／送信構造の方が１．４〜２倍程度静電容量の変化量が大きく、検知感度が良好であることが理解できる。なお、本実験において、両構造とも、送信電極６０２ａ、６０２ｂ及び受信電極６０３ａ、６０３ｂが配置される領域の全寸法は１００×６０ｍｍ、送信電極と受信電極の面積比は４：１に揃えている。
【００３３】
図８Ａ及び図８Ｂは、送信／受信構造と送信／受信／送信構造の検知感度の違いを説明する模式図である。図８Ａは図６Ａに示した送信／受信構造の静電容量センサ電極６００ａの幅方向断面図と、幅方向の各位置における静電容量センサ電極６００ａの検知感度を示したグラフである。送信電極６０２ａから受信電極６０３ａに向かう電気力線を被検知物が遮ると、静電容量の変化として検知されるので、送信電極６０２ａと受信電極６０３ａの間の間隙６０４ａの付近が最も高感度となる。したがって、検知感度は間隙６０４ａの付近にピークを持つ山状のグラフとなると考えられる。
【００３４】
これと対比する、送信／受信／送信構造の静電容量センサの検知感度を図８Ｂに示す。図とグラフの説明は図８Ａと同様であるので省略する。送信／受信構造と同様に、送信／受信／送信構造でも送信電極６０２ｂと受信電極６０３ｂの間の間隙６０４ｂの付近が最も高感度となる。しかし、２つの間隙が近接しているため、検知感度のピークが互いに強め合う。よって、検知感度が向上するとともに、検知可能範囲も広くなると考えられる。このようなメカニズムにより、図７に示した実験結果では送信／受信／送信構造の方が静電容量の変化量が大きくなったものと考えられる。以上の理由により、送信／受信／送信構造、すなわち、送信電極が間隙を隔てて受信電極を挟む構成とすることで、静電容量センサの受信感度が向上する。
【００３５】
なお、上述の図８Ｂ及びその説明から理解できるように、２つの間隙の距離を調整することで、検知感度のピークの強さと範囲を調整することができる。間隙の間隔を狭くすれピークがより強め合うのでさらに検知感度が向上し、間隙同士の間隔を広くすれば、検知感度は小さくなるものの、検知可能範囲がさらに広くなる。このように、間隙同士の間隔によって、検知感度と検知可能範囲の関係を調整することができる。図６Ｂから理解されるように、間隙同士の間隔は受信電極６０３ｂの幅によって決定される。そこで、受信電極の幅について検討した実験結果を説明する。
【００３６】
＜送信電極と受信電極の面積の比率について＞
図９は、送信電極と受信電極の面積の比率による検知感度の違いを示す実験結果のグラフである。グラフの横軸はセンサと被検知物との距離（ｍｍ）であり、縦軸は被検知物が接近したときの静電容量の変化量（任意単位）である。なお、本実験結果において、「送信電極の面積」とは受信電極を挟む送信電極の面積の合計値を意味する。このグラフより、送信電極と受信電極の面積の比率を２：１〜４：１の範囲にした場合、１：１の場合と比べて静電容量の変化量が約２倍となる。しかしながら、４：１よりもさらに送信電極の面積を大きくすると、静電容量の変化量は小さくなる傾向がみられる。すなわち、送信電極と受信電極の面積の比率は、２：１〜４：１の範囲が特に好ましい。このような結果となる理由は、送信電極の面積を大きくすると、送信電極から発生する電気力線が広範囲に分布するようになるが、受信電極が小さくなりすぎると受信電極で受信できる電気力線の本数が少なくなってしまうためと考えられる。なお、本実験において、静電容量センサ電極の構造は、図６Ｂと同様の送信／受信／送信構造であり、全体の寸法は１００ｍｍ×６０ｍｍで一定とした上で、送信電極と受信電極の面積の比を変えている。静電容量センサ電極と被検知物との距離は８０ｍｍである。
【００３７】
＜送信電極及び受信電極の形状について＞
送信電極及び受信電極の上面視形状の違いによる検知感度の変化を、有限要素法に基づく電界シミュレーションプログラムを用いて、シミュレーションした。シミュレーションの対象とした電極形状の平面図の模式図を図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示す。なお、これらの図面は、電極の形状を図示して説明するための概念的なものであり、実際のシミュレーションモデルと同一ではない。
【００３８】
図１０Ａは、受信電極１００４ａが楕円形状をなしている静電容量センサ電極のモデル１０００ａの形状を示す模式図である。受信電極１００３ａは楕円形状である。送信電極１００２ａは中空を有する形状であり、間隙１００４ａを隔てて受信電極１００３ａを囲むように配置される。送信電極１００２ａの外周は楕円形状である。その外側には空隙１００５を隔ててグラウンド電極１００１が配置されている。グラウンド電極１００１は実際に静電容量センサ電極１０００ａが設置されるときに静電容量センサ電極１０００ａの周囲に存在しうる金属部材がグラウンドとして作用した場合等の影響を考慮するためのものである。また、実際に静電容量センサ電極１０００ａを製造する場合においても、周囲のグラウンド配線等による誤差を低減するために静電容量センサ１０００ａの外周にグラウンド電極１００１を配置する場合がある。
【００３９】
図１０Ｂは、受信電極１００４ｂが真円形状をなしている静電容量センサ電極のモデル１０００ｂの形状を示す模式図である。図１０Ｃは、受信電極１００４ｃが長方形形状をなしている静電容量センサ電極のモデル１０００ｃの形状を示す模式図である。各電極の形状の違い以外は図１０Ａに示した静電容量センサ電極のモデル１０００ａと同様であるため詳細な説明は省略する。
【００４０】
図１１は、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示した静電容量センサの電極形状の違いによる検知感度の違いを示すシミュレーション結果のグラフである。グラフの横軸はセンサと被検知物との距離（ｍｍ）であり、縦軸は被検知物が接近したときの静電容量の変化量（任意単位）である。実線のグラフが図１０Ａに示した楕円形状の電極とした場合の結果であり、破線のグラフが図１０Ｂに示した真円形状の電極とした場合の結果である。グラフに示した各静電容量の変化量のデータは、シミュレーション固有の誤差要因を除くため、図１０Ｃに示した長方形形状の電極の場合の測定データを差し引いて補正したものを用いている。すなわち、このグラフは長方形電極の場合を基準（ゼロ）とした相対比較値としたデータをプロットしたものである。よって、各グラフにおいて値が正の場合、長方形形状の場合よりも被検知物が接近したときの静電容量の変化が大きく、高感度な静電容量センサであることを示す。この結果より、受信電極が楕円形状の場合と真円形状の場合のいずれにおいても、受信電極が長方形形状の場合と比較して静電容量の変化量が大きくなっていることが理解できる。
【００４１】
受信電極の形状が長方形の場合、送信電極と受信電極の間の空隙が直線状のため、生成される電気力線はほぼ平行となり、集中しにくい。これに対し、楕円形状又は真円形状では、送信電極と受信電極の間の空隙が弧状又は曲線形状となっているため、長方形形状の場合と比べて電気力線がより集中する。これにより、被検知物が接近したときの静電容量の変化量が大きくなったものと考えられる。以上の理由により、受信電極の形状は弧状又は曲線形状の端部を有する楕円形状又は真円形状とすることがより好ましい。
【００４２】
楕円は長軸及び短軸の長さという２つのパラメータによって形状が決定される図形である。これに対し、真円は半径（又は直径）という１つのパラメータのみによって形状が決定される。前述のように、送信電極と受信電極の面積の比率は静電容量センサの検知感度を決定づけるパラメータの１つである。しかしながら、真円形状の電極は面積を一定にして幅を変えることができないため、設計自由度が低い。これに対し、楕円形状の電極は長軸と短軸の長さの比率を変えることで、面積を一定にして幅を変えることが可能であるため、設計自由度が高い。したがって、受信電極の形状は楕円形状を用いることがさらに好ましい。
【００４３】
受信電極の形状としては長方形よりも楕円形状とした場合に検知感度が良好であることをシミュレーション結果を参照しつつ説明したが、長方形であっても本願発明の効果を少なくとも一部得ることができる。よって、長方形を用いることを本発明から除外することを意図するものではない。
【００４４】
送信電極と受信電極の間の空隙が弧状又は曲線形状となっていれば、電気力線がより集中するというメカニズムが達成され、楕円形状の電極を用いた場合のように検知感度を向上させる効果を得ることができる。弧状又は曲線形状の端部を有する図形の具体例としては、完全な楕円だけではなく、長方形と楕円の中間的な形状や、菱型と楕円の中間的な形状を用いても良い。例えば、電極形状が、円、楕円、長方形、菱型等を一般化した図形であるラメ曲線（スーパー楕円）［数１］であっても良い。
【００４５】
【数１】
2015122141.tif 000003
【００４６】
図１２に、［数１］のラメ曲線において、α＝１、１．６、２、３、及び無限大（∞）の場合の各曲線を示す。α＝１の場合が菱形、α＝２かつａ≠ｂの場合が楕円、α＝２かつａ＝ｂの場合が真円、α＝∞の場合が長方形である。α＝１．６の場合は菱型と楕円の中間的な形状であり、α＝３の場合は楕円と長方形の中間的な形状となっている。例えば、２＜α＜∞とすることで、楕円の場合よりも長方形に近い形状となるので、デッドスペースが減り、素子面積の利用効率が向上する。例えば、１＜α＜２とすることで、楕円の場合よりもさらに電気力線を集中させることができる。なお、ラメ曲線において、ａ及びｂは短軸及び長軸の長さを決めるパラメータであり、前述のようにａ≠ｂであることが好ましい。
【００４７】
送信電極の外周形状について説明する。受信電極の形状とその周囲を覆う送信電極の内周形状については上述のとおり、楕円とすることが好ましい。これに対し、送信電極の外周形状も、図１Ａ〜図１Ｃなどに示されるように楕円であることが好ましい。例えば、図１３に示すように、静電容量センサ電極１３００の受信電極１３０３が楕円形状であり、送信電極１３０２が長方形の場合送信電極の角部１３０１付近は受信電極からの距離が、他の部分に比べ離れている。そのため、角部１３０１から発生した電気力線が受信電極１３０３で受け取られる割合は少ない。これにより検知感度が劣化し得るため、角部１３０１が無い形状が好ましい。受信電極が楕円形状であれば送信電極の外周形状も楕円形状とすることで、上記の問題を解決できる。同様の理由により受信電極の外周形状が長方形であれば、送信電極の外周形状も長方形とすることが好適であり、受信電極の外周形状がある係数αのラメ曲線であれば送信電極の外周形状もαに近い係数のラメ曲線とすることが好ましい。すなわち、受信電極と送信電極の外周は同様の形状とすることが好適である。
【００４８】
以上の実験及びシミュレーション結果により、送信電極は間隙を隔てて受信電極を挟むよう配置され、送信電極幅／受信電極幅の比は２〜９の範囲であり、受信電極は楕円形状であって、送信電極の外周形状も楕円形状であることが好ましいことを説明した。第１の実施形態として説明した静電容量センサ電極１００はこれらの条件を考慮して構成されているので、被検知物が接近したときの静電容量の変化が大きく、検知感度が高い。また、相互容量型を採用しているため、検知感度の指向性も良い。以上により、本願発明の第１の実施形態に係る静電容量センサ電極１００を用いた静電容量センサは指向性の良さと、検知感度の向上を両立することができる。
【００４９】
なお、本実施形態の効果を得るためには前段落で示した条件のすべてを満たしていることは必ずしも必要ではなく、そのうちの一部だけを満たしている場合であっても、同様の効果を得ることができる。したがって、本願発明は実施形態として具体的に記載された形態に限定されるものではない。例えば、送信電極及び受信電極の形状は具体的に示した形状以外の種々の形状に変更可能である。例えば上下又は左右に非対称な形状であってもよい。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る静電容量センサ電極は、図１０ａ〜図１０ｃに既に示したシミュレーションモデルと同様に、送信電極の周囲に空隙を挟んでグラウンド電極を備える。送信電極の周囲にグラウンド電極を配置すると静電容量センサ電極の周囲に向かって広がる電気力線がグラウンド電極に吸収され、周囲に拡散しなくなる。これにより、導電体材料からなる物体が接近したときに送信電極から発生する電気力線の分布が変化して誤検知するという問題を防ぐことができる。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係る静電容量センサ電極を図１４に示す。図１４は図１Ｂに示したＡ−Ａ’線に相当する箇所の静電容量センサ電極の断面を示す図であり、図１Ｃを変形したものである。図１４に示す静電容量センサ電極１４００は基板１４０１の送信電極１４０２及び受信電極１４０３が配置された主面と反対側の主面（以下裏面と呼ぶ）にさらにグラウンド電極１４０５を備える。グラウンド電極１４０５は送信電極１４０２及び受信電極１４０３が基板１４０１を挟んで少なくとも一部が対向するように配置されていることが好ましい。このようにグラウンド電極１４０５を配置することで、送信電極１４０２から裏面電極１４０３に基板の裏面側を介した電気力線がグラウンド電極１４０５に吸収され、基板１０１の裏面側方向への感度が大幅に低減される。したがって、基板１４０１の裏面側の物体の有無等の影響を受けにくくなり、静電容量センサ電極１４００による検知が安定化する。なお、第２の実施形態に示した送信電極の周囲にグラウンド電極を備えた構成と第３の実施形態の構成を併用してもよい。
【００５２】
静電容量センサを車両の外装部分等に用いた場合、静電容量センサ電極の裏側からの物体の接近や、車両内の部品やワイヤハーネスの揺れなどによる静電容量の変動を誤検知する可能性が考えられる。第３の実施形態に係る静電容量センサ電極１４００を備えた静電容量センサは、裏面にグラウンド電極を備えており、静電容量センサ電極１４００の裏面側方向の検知感度が大幅に低減されている。このグラウンド電極による裏面側の検知感度低減は、自己容量型よりも相互容量型の静電容量センサの方が効果が大きい。本実施形態に係る静電容量センサ電極１４００は相互容量型の静電容量センサに用いられるものであり、裏面側の検知感度を効果的に低減可能である。したがって、上述の原因による誤検知の可能性は大幅に低減又は防止される。
【００５３】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態に係る静電容量センサ電極の平面図を図１５に示す。図１４に示す静電容量センサ電極１５００は受信電極１５０３の両側に２つの送信電極１５０２が配置された構造となっている。送信電極１５０２同士は不図示の引き出し配線によってセンサの駆動回路に引き出される配線上で接続されており、同電位である。送信電極が分割されていても、２つの受信電極１５０２が同電位になるように接続されていれば、第１乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
＜その他の実施形態＞
本願発明の各実施形態に係る静電容量センサ電極を用いた静電容量センサは車両のスライドドア、バックドア等の開閉体を動作させるための非接触スイッチとして好適に用いることができる。本願発明の各実施形態に係る静電容量センサは、受信感度が向上されているので表面を樹脂等で被覆保護したとしても十分な感度を得ることができ、自動車のスライドドア等の外装部分にも設置することができる。さらに、相互容量型の静電容量センサであるため、検知可能領域がセンサの直上に限定されており、誤検知が発生しにくく、金属製の車体が近くに存在することによる感度劣化も起こりにくい。また、前述のように静電容量センサの表面を樹脂等で覆うことができるので、ユーザに非接触スイッチの存在を知らせるための表示用装飾を静電容量センサの上部に施すことができる。静電容量センサを車両のエンブレム部の内側に配置することで、メーカや車種などの表示機能と非接触スイッチの表示機能を兼ねることもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１００  静電容量センサ電極
１０１  基板
１０２  送信電極（第１の電極）
１０３  受信電極（第２の電極）
１０４  間隙  
【図１Ａ】
2015122141.tif 000006
【図１Ｂ】
2015122141.tif 000007
【図１Ｃ】
2015122141.tif 000008
【図２】
2015122141.tif 000009
【図３】
2015122141.tif 000010
【図４】
2015122141.tif 000011
【図５】
2015122141.tif 000012
【図６Ａ】
2015122141.tif 000013
【図６Ｂ】
2015122141.tif 000014
【図７】
2015122141.tif 000015
【図８Ａ】
2015122141.tif 000016
【図８Ｂ】
2015122141.tif 000017
【図９】
2015122141.tif 000018
【図１０Ａ】
2015122141.tif 000019
【図１０Ｂ】
2015122141.tif 000020
【図１０Ｃ】
2015122141.tif 000021
【図１１】
2015122141.tif 000022
【図１２】
2015122141.tif 000023
【図１３】
2015122141.tif 000024
【図１４】
2015122141.tif 000025
【図１５】
2015122141.tif 000026