静电电容型检知传感器、静电电容型检知传感器模块以及使用静电电容型检知传感器的状态判定方法

1.本发明涉及静电电容型检知传感器。


背景技术：

2.提出有用于防止由附着于静电开关的水滴等引起的误检知，并且同时检知向静电开关的接触(接近)以及对静电开关的按压的程度(压力)的技术方法(例如，参照专利文献1)。例如，根据垫片电极与一个配线电极之间的静电电容的变化来检知手指等人体的接近，并根据电流在该垫片电极、导电性橡胶以及其他配线电极流动时的电阻值来检知从人体施加于该导电性橡胶的压力。
3.在先技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2016-173299号公报(特别是第0037段～第0039段以及图11)


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.然而，由于导电性橡胶的导电特性的偏差或变化，因此存在尽管在从人体向该导电性橡胶开始施加压力的阶段却未检知到电阻值的变化而误检知为人体从导电性橡胶分离的可能性。
8.于是，本发明的目的在于提供能够实现人体等物体的接近的有无以及从该物体承受的压力的检知精度的提高的静电电容型检知传感器。
9.用于解决课题的方案
10.本发明的第一方案的静电电容型检知传感器的特征在于，具备：基材，其由电介体构成；一对第一电极，它们以三维地分离、将电极间相连的电力线通过所述电介体的接触表面、且所述一对第一电极与所述基材至少局部相接的状态配置；以及一对第二电极，以在相对于所述基材的表面垂直的方向上，所述一对第二电极在比所述一对第一电极远离所述基材的表面的位置与所述一对第一电极中的至少一方的第一电极至少局部重叠，并且夹着所述基材的状态对置地配置。
11.本发明的第一方案的静电电容型检知传感器模块的特征在于，具备：本发明的第一方案的静电电容型检知传感器；以及检知处理装置，其向所述一对第一电极之间施加电压，根据所述一对第一电极之间的静电电容来检知物体相对于所述基材的表面的接近状态，并且向所述一对第二电极之间施加电压，根据所述一对第二电极之间的静电电容来检知从接触于所述基材的表面的物体作用于所述基材的压力。
12.根据本发明的第一方案的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，测定所述一对第一电极之间的静电电容c1，测定所述一对第二电极之间的静电电容c2。并且，基于不存在物体相对于所述基材的接近以及接触的状态下的所述一对第一电极之间的
静电电容值cp、物体相对于所述基材接触的状态下的所述一对第一电极之间的静电电容值cp_min、以及不存在从物体对所述基材的压力的状态下的所述一对第二电极之间的静电电容值cf，来判别多个状态。
13.具体而言，(1)在c1＝cp且c2＝cf的情况下，判定为是不存在物体相对于所述基材的接近以及接触的状态。(2)在cp_min＜c1＜cp且c2＝cf的情况下，判定为是物体相对于所述基材接近的状态。(3)在c1＝cp_min且c2＝cf的情况下，判定为是物体相对于所述基材接触的状态。(4)在cp_min＜c1＜cp且c2＞cf的情况以及c1＞cp且c2＞cf的情况下，判定为是从物体对所述基材作用有压力的状态。基材具有电绝缘性，能够与其导电特性几乎无关且稳定地以高精度判定各状态。
14.在本发明的第一方案的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块中，优选的是，还具备静电屏蔽构件，所述静电屏蔽构件在相对于所述基材的表面垂直的方向上，以相对于所述一对第一电极以及所述一对第二电极分别至少局部重叠的方式在被接地的状态下配置于所述一对第一电极与所述一对第二电极之间。
15.根据该结构的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，避免由于向基材接近的物体与一对第二电极静电相互作用而该一对第二电极之间的静电电容c2的测定精度降低的情况，由此实现各状态的判定精度的提高。
16.本发明的第二方案的静电电容型检知传感器的特征在于，具备：基材，其由电介体构成；基准电极以及第一电极，它们以三维地分离、将电极间相连的电力线通过所述电介体的接触表面、且所述基准电极以及所述第一电极与所述基材至少局部相接的状态配置；以及第二电极，其在相对于所述基材的表面垂直的方向上在比所述第一电极远离所述基材的表面的位置以与所述基准电极一起夹着所述基材的方式与所述基准电极对置地配置。
17.本发明的第二方案的静电电容型检知传感器模块的特征在于，具备：本发明的第二方案的静电电容型检知传感器；以及检知处理装置，其交替地切换向所述基准电极与所述第一电极之间施加有电压的第一检知期间以及向所述基准电极与所述第二电极之间施加有电压的第二检知期间，在所述第一检知期间根据所述基准电极与所述第一电极之间的静电电容来检知物体相对于所述基材的表面的接近状态，并且在所述第二检知期间根据所述基准电极与所述第二电极之间的静电电容来检知从接触于所述基材的表面的物体作用于所述基材的压力。
18.根据本发明的第二方案的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，在向所述基准电极与所述第一电极之间施加有电压的第一检知期间，测定所述基准电极与所述第一电极之间的静电电容c1。在向所述基准电极与所述第二电极之间施加有电压的第二检知期间，测定所述基准电极与所述第二电极之间的静电电容c2。并且，基于不存在物体相对于所述基材的接近以及接触的状态下的所述基准电极与所述第一电极之间的静电电容值cp、物体相对于所述基材接触的状态下的所述基准电极与所述第一电极之间的静电电容值cp_min、以及不存在从物体对所述基材的压力的状态下的所述基准电极与所述第二电极之间的静电电容值cf，来判别多个状态。
19.具体而言，在(1)c1＝cp且c2＝cf的情况下，判定为是不存在物体相对于所述基材的接近以及接触的状态。(2)在cp_min＜c1＜cp且c2＝cf的情况下，判定为是物体相对于所述基材接近的状态。(3)在c1＝cp_min且c2＝cf的情况下，判定为是物体相对于所述基材接
触的状态。(4)在c2＞cf的情况下，判定为是从物体对所述基材作用有压力的状态。基材具有电绝缘性，能够与其导电特性几乎无关且稳定地以高精度判定各状态。
20.在本发明的第二方案的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块中，优选的是，还具备静电屏蔽构件，所述静电屏蔽构件在相对于所述基材的表面平行的方向上，在被接地的状态下配置于所述基准电极与所述第一电极之间。
21.根据该结构的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，避免由于向基材接近的物体与第二电极静电相互作用而基准电极与该第二电极之间的静电电容c2的测定精度降低的情况，由此实现各状态的判定精度的提高。
附图说明
22.图1是关于作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器以及静电电容型检知传感器模块的结构的说明图。
23.图2是关于作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器的功能的说明图。
24.图3是关于作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器以及静电电容型检知传感器模块的结构的说明图。
25.图4a是关于作为本发明的一实施例的静电电容型检知传感器的结构的说明图。
26.图4b是关于作为本发明的一实施例的静电电容型检知传感器的结构的说明图。
27.图5a是关于作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器的第一检知期间的功能的说明图。
28.图5b是关于作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器的第二检知期间的功能的说明图。
29.图6a是关于多个手指在抚摸物体的表面后逐渐从物体的表面离开的情形的说明图。
30.图6b是关于多个手指与物体的平均间隔以及平均剪切力的变化方式的说明图。
31.图7a是关于作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器分散配置于物体的表面的情况下的静电电容c1(合计值)以及c2(合计值)的变化方式的说明图。
32.图7b是关于作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器分散配置于物体的表面的情况下的静电电容c1(合计值)以及c2(合计值)的变化方式的说明图。
具体实施方式
33.(静电电容型检知传感器的结构(第一实施方式))
34.图1所示的作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器具备基材10、一对第一电极111、112、一对第二电极121、122以及静电屏蔽构件140。作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器模块具备作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器、以及检知处理装置200。静电屏蔽构件140也可以省略。
35.基材10由pvc凝胶、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅系树脂、聚氨酯系树脂或环氧系树脂、或者它们的任意的组合的复合材料等的电介体构成。一对第一电极111、112在如下状态下埋设于基材10，即，在相对于基材10的接触表面102平行的方向上分
离地配置，并且在需要提高剪切方向的灵敏度的方向上在与构成基材10的电介体之间夹设有空隙。一对第二电极121、122在如下状态下埋设于基材10，即，在相对于基材10的接触表面102垂直的方向上在比一对第一电极111、112远离基材10的接触表面102的位置对置地配置。静电屏蔽构件140在如下状态下埋设于基材10，即，相对于基材10的接触表面102垂直的方向上以相对于一对第一电极111、112以及一对第二电极121、122分别至少局部地重叠的方式配置于一对第一电极111、112与一对第二电极121、122之间，并且被接地。一对第一电极111、112、一对第二电极121、122以及静电屏蔽构件140各自由碳、银、金或液体金属等金属，噻吩系导电性高分子或pss等导电性树脂，pvc凝胶、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅系树脂、聚氨酯系树脂或环氧系树脂、或者它们的任意的组合的复合材料等的电介体，或者它们的任意的组合的复合材料构成。例如，也可以通过以规定的图案印刷于电介体的片的导电性糊剂而分别构成第一电极111、112、第二电极121、122以及静电屏蔽构件140，并通过将多个该电介体片重合而一体化来制作静电电容型检知传感器。
36.检知处理装置200通过由微处理器以及存储器等构成的计算机而构成。检知处理装置200具备第一静电电容测定要素210、第二静电电容测定要素220以及状态判定要素240。第一静电电容测定要素210向一对第一电极111、112之间施加电压，并测定此时的该一对第一电极111、112之间的电位差，进而测定静电电容c1。状态判定要素240根据一对第一电极111、112之间的静电电容c1的测定结果，来检知物体q相对于基材10的接触表面102的接近状态。第二静电电容测定要素220向一对第二电极121、122之间施加电压，并测定此时的该一对第二电极121、122之间的电位差，进而测定静电电容c2。状态判定要素240根据一对第二电极121、122之间的静电电容c2的测定结果，来检知从接触于基材10的接触表面102的物体q作用于基材10的压力。
37.(静电电容型检知传感器的功能(第一实施方式))
38.根据作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，向一对第一电极111、112之间施加电压(参照由图1的曲线箭头表示的电力线)，并基于此时的一对第一电极111、112的电位差，来测定一对第一电极111、112之间的静电电容c1。向一对第二电极121、122之间施加电压(参照由图1的向上箭头表示的电力线)，并基于此时的一对第二电极121、122的电位差，来测定一对第二电极121、122之间的静电电容c2。除了以使下侧的第二电极121与上侧的第二电极122相比成为高电位的方式向一对第二电极121、122施加电压以外，也可以以使下侧的第二电极121与上侧的第二电极122相比成为低电位的方式向一对第二电极121、122施加电压。
39.并且，基于不存在例如作为手指等人体的一部分的物体q相对于基材10的接近以及接触的状态下的一对第一电极111、112之间的静电电容值cp、物体q相对于基材10接触的状态下的一对第一电极111、112之间的静电电容值cp_min、以及不存在从物体q对基材10的压力的状态下的一对第二电极121、122之间的静电电容值cf，来判别多个状态。
40.具体而言，(1)在c1＝cp且c2＝cf的情况下，判定为是不存在物体q相对于基材10的接近以及接触的状态。(2)在cp_min＜c1＜cp且c2＝cf的情况下，判定为是物体q相对于基材10接近的状态。(3)在c1＝cp_min且c2＝cf的情况下，判定为是物体q相对于所述基材10接触的状态。(4)在cp_min＜c1＜cp且c2＞cf的情况下，判定为是从物体q对基材10作用有比较弱的压力的状态。(5)在c1＞cp且c2＞cf的情况下，判定为是从物体q对基材10作用
有比较强的压力的状态。在表1中汇总示出与一对第一电极111、112之间的静电电容c1的测定结果、以及一对第二电极121、122之间的静电电容c2的测定结果相应的状态的判定结果。
41.[表1]
[0042]
c1c2状态c1＝cpc2＝cf不存在接近、接触cp_min＜c1＜cpc2＝cf接近c1＝cp_minc2＝cf抵接cp_min＜c1＜cpcf＜c2压力弱cp＜c1cf＜c2压力强
[0043]
在图2中示出状态呈(1)
→
(2)
→
(3)
→
(4)
→
(5)过渡的情况下的一对第一电极111、112之间的静电电容c1、以及一对第二电极121、122之间的静电电容c2的变化方式。通过静电屏蔽构件140，从而避免由于与基材10接近的物体q与一对第二电极121、122静电相互作用导致该一对第二电极121、122之间的静电电容c2的测定精度降低的情况，由此实现各状态的判定精度的提高。
[0044]
(静电电容型检知传感器的功能(第二实施方式))
[0045]
图3所示的作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器具备基材10、基准电极100、第一电极110以及第二电极120。作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器模块具备作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器、以及检知处理装置200。静电屏蔽构件140也可以省略。
[0046]
基材10由pvc凝胶、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅系树脂、聚氨酯系树脂或环氧系树脂、或者它们的任意的组合的复合材料等的电介体构成。基准电极100以及第一电极110分别在如下状态下埋设于基材10，即，在相对于基材10的接触表面102平行的方向上分离地配置，并且在需要提高剪切方向的灵敏度的方向上在与构成基材10的电介体之间夹设有空隙。第二电极120在如下状态下埋设于基材10，即，在相对于基材10的接触表面102垂直的方向上在比第一电极110远离基材10的接触表面102的位置与基准电极100对置地配置。静电屏蔽构件140在如下状态下埋设于基材10，即，在相对于基材10的接触表面102平行的方向上配置于基准电极100与第一电极110之间，并且接地。基准电极100、第一电极110、第二电极120以及静电屏蔽构件140各自由碳、银、金或液体金属等金属，噻吩系导电性高分子或pss等导电性树脂，pvc凝胶、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、硅系树脂、聚氨酯系树脂或环氧系树脂、或者它们的任意的组合的复合材料等的电介体，或者它们的任意的组合的复合材料构成。例如，也可以通过以规定的图案印刷于电介体的片的导电性糊剂而分别构成基准电极100、第一电极110、第二电极120以及静电屏蔽构件140，并通过将多个该电介体片重合而一体化来制作静电电容型检知传感器。
[0047]
在第一实施方式中在基材10的距接触表面102的距离不同的三个部位或三个层分别配置有一对第一电极111、112、一方的第二电极122以及另一方的第二电极121的各自(参照图1)，但在第二实施方式中在距表面102的距离不同的两个部位或两个层分别配置有基准电极100以及第一电极110和第二电极120的各自(参照图3)。因此，在第二实施方式中，与第一实施方式相比，在与基材10的接触表面102垂直的方向上实现多个电极的配置空间的紧凑化、静电电容型检知传感器的薄型化。
[0048]
如图5a以及图5b所示，针对如下情况进行考虑，即，配置为十字状的五个大致正方形形状的电极在配置于基材10的第一层的状态下埋设、且大面积的大致正方形形状的电极以与该五个大致正方形形状的电极重叠的方式在配置于基材10的第二层的状态下埋设的结构为现有的。在该情况下，也可以是，配置于第一层的中央的电极被用作静电屏蔽构件140，与该中央的电极相邻的第一对电极被用作基准电极100，与该中央的电极相邻的第二对电极被用作第一电极110，并且配置于第二层的电极被用作第二电极120。通过像这样利用现有的结构，从而构成作为按照第二实施方式的一实施例的静电电容型检知传感器。
[0049]
检知处理装置200通过由微处理器以及存储器等构成的计算机而构成。检知处理装置200具备静电电容测定要素230以及状态判定要素240。静电电容测定要素230交替地切换向基准电极100与第一电极110之间施加有电压的第一检知期间、以及向基准电极100与第二电极120之间施加有电压的第二检知期间。静电电容测定要素230在第一检知期间测定基准电极100与第一电极110之间的静电电容c1。状态判定要素240根据该测定结果来检知物体q相对于基材10的接触表面102的接近状态。静电电容测定要素230在第二检知期间测定基准电极100与第二电极120之间的静电电容c2。状态判定要素240根据该测定结果来检知从接触于基材10的接触表面102的物体q作用于基材10的压力。
[0050]
(静电电容型检知传感器的功能(第二实施方式))
[0051]
根据作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器或静电电容型检知传感器模块，在第一检知期间，向基准电极100与第一电极110之间施加电压(参照由图4a的曲线箭头表示的电力线)。除了以使基准电极100与第一电极110相比成为高电位的方式向基准电极100与第一电极110之间施加电压以外，也可以以使基准电极100与第一电极110相比成为低电位的方式向基准电极100与第一电极110之间施加电压。测定此时的基准电极100与第一电极110之间的电位差，进而测定静电电容c1。
[0052]
在第二检知期间，向基准电极100与第二电极120之间施加电压(参照由图4b的向下箭头表示的电力线)。除了以使基准电极100与第二电极120相比成为高电位的方式向基准电极100与第二电极120之间施加电压以外，也可以以使基准电极100与第二电极120相比成为低电位的方式向基准电极100与第二电极120之间施加电压。测定此时的基准电极100与第二电极120之间的电位差，进而测定静电电容c2。
[0053]
并且，基于不存在物体q相对于基材10的接近以及接触的状态下的基准电极100与第一电极110之间的静电电容值cp、物体相对于基材10接触的状态下的基准电极100与第一电极110之间的静电电容值cp_min、以及不存在从物体对基材10的压力的状态下的基准电极100与第二电极120之间的静电电容值cf，来判别多个状态。该判定方法与表1所示的第一实施方式的判定方法相同。
[0054]
通过静电屏蔽构件140，而避免由于向基材10接近的物体q与第二电极120静电相互作用而基准电极100与该第二电极120之间的静电电容c2的测定精度降低的情况，由此实现各状态的判定精度的提高。
[0055]
例如，如图6a中示意性地示出的那样，针对如下情况进行考察，即，在用单手的四根手指抚摸在表面配置有多个本发明的静电电容型检知传感器的物体后，该四根手指从物体离开。在该情况下，如图6b中单点划线所示的那样，所有手指与物体的平均间隔d在所有手指抚摸物体的期间为0，之后随着一部分手指从物体离开而逐渐增加。另外，如图6b中双
点划线所示的那样，从指作用于物体的平均剪切力f在所有手指抚摸物体的期间大致一定，之后当一部分手指从物体离开时逐渐减小，当所有手指从物体离开时成为0。
[0056]
在作为本发明的第一实施方式的静电电容型检知传感器配置于该物体的表面的情况下，如图7a中单点划线所示的那样，一对第一电极111、112之间的静电电容c1的合计值在所有手指抚摸物体的期间为0，之后随着一部分手指从物体离开而逐渐增加，并在某一值饱和。另外，如图7a中双点划线所示的那样，一对第二电极121、122之间的静电电容c2的合计值在所有手指抚摸物体的期间大致一定，之后当一部分手指从物体离开时逐渐减小，当所有手指从物体离开一定间隔以上时收敛为一定值。
[0057]
在作为本发明的第二实施方式的静电电容型检知传感器配置于该物体的表面的情况下，如图7b中单点划线所示的那样，第一检知期间的断续的基准电极100与第一电极110之间的静电电容c1的合计值在所有手指抚摸物体的期间为0，之后随着一部分手指从物体离开而逐渐增加，并在某一值饱和。另外，如图7b中双点划线所示那样，第二检知期间的断续的基准电极100与第二电极120之间的静电电容c2的合计值在所有手指抚摸物体的期间大致一定，之后当一部分手指从物体离开时逐渐减小，当所有手指从物体离开一定间隔以上时收敛为一定值。
[0058]
(本发明的其他实施方式)
[0059]
在第一实施方式中，一对第一电极111以及112在相对于基材10的接触表面102平行的方向上分离的状态下，均整体地埋设于基材10(参照图2)，但在其他实施方式中，也可以是一对第一电极111以及112中的至少一方以局部地(例如平板电极的一方的主面)露出的方式贴附于基材10的表面或局部地埋设于基材10，一对第一电极111以及112也可以不在平行的方向上分离，只要三维地分离且将电极间相连的电力线通过所述电介体的接触表面102即可。该露出部位也可以由绝缘性片保护。在第一实施方式中，一对第二电极121以及122均整体地埋设于基材10(参照图1)，但在其他实施方式中，也可以是一对第二电极121以及122中的至少一方以局部地(例如平板电极的一方的主面的一部分)露出的方式贴附于基材10的表面或局部地埋设于基材10。该露出部位也可以由绝缘性片保护。
[0060]
在第二实施方式中，基准电极100、第一电极110以及第二电极120分别整体地埋设于基材10(参照图3)，但在其他实施方式中，也可以是至少任一个电极以局部地(例如平板电极的一方的主面)露出的方式贴附于基材10的表面或局部地埋设于基材10。该露出部位也可以由绝缘性片保护。
[0061]
附图标记说明
[0062]
10基材，102接触表面，100基准电极，110、111、112第一电极，120、121、122第二电极，140静电屏蔽构件，200检知处理装置，210第一静电电容测定要素，220第二静电电容测定要素，230静电电容测定要素，240状态判定要素。