アトライズヨドガワでは、静電容量センサを活用した製品開発のサポートを行っています。
こちらの記事では、その静電容量センサの原理と実際の製品事例をご紹介いたします。
静電容量センサとは
静電容量センサは、”電界”を利用したセンサで、感度次第で直接触れることなく非接触センサとして利用できます。
さらに物体の存在や位置の検出などにも応用できる技術です。
センサから発している電界に物体が近づき“静電容量が変化する”ことで導体である金属、誘電体である水、油、ガラス、プラスチック、紙など様々な物体の検知が可能で、非常に多くのアプリケーションで利用されています。
感度と閾値を調整することで、人と物質の区別、さらに近接距離なども変えることができ、様々なアプリケーションへの展開が図られています。
静電容量センサの原理
静電容量センサの基本的な原理は、センサ電極から発する電界により物体が静電誘導を起こし、
センサ電極に静電容量の変化となってあらわれます。
1.センサの構造
大きく分けて２つの検知方式があります。
相互容量式静電容量センサは、2つの電極(エレクトロード)から構成され、平行平板コンデンサを模したトランスファー側とレシーブ側を相互に交番させて、トランスファー側とレシーブ側の間にある物体の静電容量を計測します。
自己容量式静電センサは、１つの電極で構成され、物体が近づくと静電誘導を起こし電荷をチャージします。
それによりチャージされた電荷量を計測します。
2.静電容量の変化の検出
物体が近づくことによって静電容量変化が起こると、センサ内の高感度アナログセンサ回路がこの変化を検出し、さらに不要なノイズ除去を行った後、容量変化量をデジタル値に変換し出力します。
近接距離に応じた変化量を知りたい場合は、デジタル出力値で判断できます。
単純なON/OFF制御であれば閾値を設け、センサ側設定すればON/OFF状態を知ることができます。
3.信号の処理
検出されたアナログ信号をデジタル信号に変換することにより、物体の近接情報や位置情報が得られ、物体がセンサからどれだけ近いか、または触れているかなどの情報が把握できます。
このような原理に基づいて、静電容量センサは物体の近接や直接触れずに、物体の存在や位置を検出することが可能となります。
静電容量センサのメリット
・対象物に触れずに検知できるため、風呂場、トイレ、台所などの水まわりでの使用ができ、腐食リスクが無くメンテナンスフリーです。
・赤外線センサの黒窓のようなものが必要なく、デザイン性を維持できます。
・周囲に金属があってもピンポイントでスイッチ化できます。
・赤外線センサのような外光の影響による誤動作がありません。
・直接触れる事がないため、衛生的な環境を維持できます。
静電容量センサのデメリット
・物理的な触感がないため、オンオフの状態を目視や音で確認する必要があります。
・液量センサとして用いる場合、フローティング方式では無電源で稼働しますが、静電容量センサに置き換えた場合は電源が必ず必要となります。
静電容量センサの採用事例
1.近接スイッチ
自動ドアのセンサやエレベーターのボタン、自動販売機の選択ボタンなどで使用されています。
物体の近接を検出して動作のトリガーとなる役割を果たします。
2.ジェスチャー認識
デバイスの操作や制御をジェスチャーで行うアプリケーションで利用されています。
手の動きやジェスチャーを検出し、それに対応する操作を実行します。
3.プロックスミティセンシング(SAR)
デバイスが物体に近づいたかどうかを検出するために使用されます。
例えば、スマートフォンを耳に近づけると画面が自動的にオフになるなどの機能で利用されます。
4.照明制御
屋内照明の点灯や消灯を、手の近づきやスワイプジェスチャーによって制御するシステムで使用されています。
省エネルギーや快適性の向上を実現します。
5.自動車の内外装
自動車のドアハンドル、エアコンの制御パネル、ステアリングホイール上のコントロールなど、内外装の操作インターフェースとして使用されています。
6.産業用機器
工業用マシンや装置の操作パネルに組み込まれ、スイッチ等の操作性や耐久性の向上を図っています。
7.セキュリティアプリケーション
セキュリティシステムやアクセス制御システムで、物体や人物の近接を検出してセキュリティを強化するために使用されます。
8.タッチスクリーン
スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなどのデバイスで広く使用されています。
指やスタイラスによるタッチ操作を検出し、ユーザーとのインタラクションを実現しています。
これらの例は、静電容量センサが幅広いアプリケーションで使用されていることを示しています。
当社の静電容量センサの特長
当社では非接触センサを用いて様々なサービスを提供しております。
一例を短い動画にて紹介しておりますので、是非ご覧下さい。
・タッチレス操作パネル
当社の静電容量センサの事例
・住宅設備リモコン
住宅設備リモコンには、デザイン性と使いやすさが求められており、静電容量センサ技術が次世代の操作技術として注目されています。
この技術は、軽いタッチで高精度な操作が可能で、物理ボタン不要の洗練されたデザインや耐久性・防水性・衛生面の利点を備えています。
具体的な応用例として、キッチンのタッチパネル式コンロ、浴室の防水リモコン、スマートホーム対応の照明スイッチなどが挙げられ、快適で便利な住宅環境の実現に貢献します。
・水栓
静電容量センサを搭載した水栓は、手を近づけるだけで非接触操作が可能になり、衛生性と利便性を向上させます。病院や介護施設などでの感染症予防や、レバーの劣化・汚染防止にも貢献します。
また、手の動きを検知して水流のオン/オフや水量調整を自動で切り替える機能により、快適な操作性を実現。必要な時だけ水を使うことで省エネにもつながり、公共施設などでの節水効果が期待されます。
さらに、温度調節やシャワーモード切替、音声認識との連携など、よりスマートな操作への応用も可能です。
・赤外線センサ（IRセンサ）からの代替
タッチパネル技術の進化に伴い、従来主流だった赤外線センサ（IRセンサ）の限界が指摘される中、静電容量センサが注目されています。
この技術は、指などの接触による静電容量の変化を検知することで、高精度・高感度な操作を実現し、誤動作が少なく、マルチタッチ対応や低消費電力などの特長を持ちます。
透明な電極の使用によりディスプレイ一体型の設計も可能であり、通信技術との融合による遠隔操作や多様な業種への応用が期待されています。
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電容量センサの原理についてご紹介いたしました。
当社では、静電容量センサに関して、開発～試作～量産までワンストップ対応が可能です。
また、相互容量方式、自己容量方式、いずれもお客様のアプリケーションに合わせ最適なソリョーションをご提案させていただきます。
一般に、静電容量センサはいかに電極設計を最適化していくか、ノイズ、温度特性など外乱の影響をどのように取り除いていくか、アルゴリズムをどのように組んでいくかなど、多くの課題を抱え開発までの道のりが長く難しいとされています。
静電容量センサに関する豊富な知見と経験を持つアトライズにお任せいただければ責任もってお客様のニーズに応えさせていただきます。
最後までお読みいただき、ありがとうございました！