JP2006145413A - Capacitance-type proximity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の近接を静電容量の変化で検出する静電容量式近接センサに関し、特に温度、湿度等の環境特性の補正機能を有する静電容量式近接センサに関する。 The present invention relates to a capacitive proximity sensor that detects proximity of an object by a change in capacitance, and more particularly to a capacitive proximity sensor having a function of correcting environmental characteristics such as temperature and humidity.
従来より、被検出物体の近接による検知電極と接地電極との間の静電容量変化を発振回路の発振周波数の変化に変換し、この発振回路の発振周波数を測定し、直線化すると共に、比較回路で所定の閾値と比較して物体の近接の有無を判別するようにした静電容量式近接センサが知られている(特許文献1)。この静電容量式センサでは、温度変化によって発振回路の電圧フォロワ回路の利得が変化し、これによって発振回路の発振周波数が変動する。そこで、上記静電容量式センサでは、温度変化による発振周波数の変動を防止するため、発振回路を構成する分圧回路の抵抗に温度特性を有するサーミスタを使用して発振周波数の変動を打ち消すようにしている。
しかし、温度特性や湿度特性といった環境特性は、電極の形状、個々の電子部品によってそれぞれ異なるため、上述したサーミスタを使用した従来の静電容量式近接センサでは、パラメータの設定が難しく、温度変動を良好に打ち消すことが不可能である。 However, environmental characteristics such as temperature characteristics and humidity characteristics vary depending on the shape of the electrode and the individual electronic components. Therefore, it is difficult to set parameters in the conventional capacitive proximity sensor using the thermistor described above, and temperature fluctuations are difficult. It is impossible to negate well.
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、温度特性及び湿度特性などの環境特性に対して良好な補償を行うことができる静電容量式近接センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a capacitive proximity sensor that can satisfactorily compensate for environmental characteristics such as temperature characteristics and humidity characteristics. .
本発明に係る静電容量式近接センサは、検知エリア内に配置された検知電極と、前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第1の検知信号を出力する第1の検知回路と、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第2の検知信号を出力する第2の検知回路と、前記第1の検知回路の出力から前記第2の検知回路の出力を減算して補償済み検知信号を出力する減算回路とを備えたことを特徴とする。 The capacitive proximity sensor according to the present invention includes a detection electrode arranged in a detection area, a reference electrode arranged outside the detection area and formed in the same manner as the detection electrode, and the detection electrode and ground. A first detection circuit that outputs a first detection signal based on the capacitance between the second detection circuit and a second detection circuit that outputs a second detection signal based on the capacitance between the reference electrode and the ground; And a subtracting circuit for subtracting the output of the second detection circuit from the output of the first detection circuit and outputting a compensated detection signal.
本発明に係る静電容量式近接センサは、また、検知エリア内に配置された検知電極と、前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続されるスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続され、前記検知電極と接続されているときには、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第1の検知信号を出力し、前記参照電極と接続されているときには、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第2の検知信号を出力する検知回路と、 前記第1の検知信号から前記第2の検知信号を減算して補償済み検知信号を出力する演算手段とを備えたことを特徴とする。 The capacitive proximity sensor according to the present invention also includes a detection electrode arranged in a detection area, a reference electrode arranged outside the detection area and formed in the same manner as the detection electrode, the detection electrode, A switch circuit selectively connected to a reference electrode, and the detection electrode and ground when selectively connected to the detection electrode and the reference electrode via the switch circuit and connected to the detection electrode And outputs a second detection signal based on the capacitance between the reference electrode and the ground when connected to the reference electrode. It is characterized by comprising: a detection circuit; and calculation means for subtracting the second detection signal from the first detection signal to output a compensated detection signal.
検知エリア内に配置された検知電極によって検出される第1の検知信号には、被検出物の近接による静電容量変化分に加えて、環境変動による静電容量変化分が含まれている。これに対し、検知エリア外に配置された参照電極によって検出される第2の検知信号は、環境変動による静電容量変化分のみを含む信号である。検知電極と参照電極が同様に形成され、第1及び第2の検知回路が同様の電子部品から構成されていれば、又は同一の検知回路を時分割で使用すれば、検知回路による環境変動分は、殆ど同じ値になる。 The first detection signal detected by the detection electrodes arranged in the detection area includes a capacitance change due to environmental fluctuations in addition to a capacitance change due to the proximity of the detection object. On the other hand, the second detection signal detected by the reference electrode arranged outside the detection area is a signal including only the change in capacitance due to environmental fluctuation. If the detection electrode and the reference electrode are formed in the same manner and the first and second detection circuits are composed of the same electronic components, or if the same detection circuit is used in a time-sharing manner, the environmental variation caused by the detection circuit can be reduced. Are almost the same value.
本発明によれば、検知エリア内に配置された検知電極によって検出された第1の検知信号から、検知エリア外に配置された参照電極によって検出された第2の検知信号を減算することにより、補償済み検知信号を得るようにしているので、電極及び回路構成部品に生じる環境特性による変動分を良好に補償することができ、検出感度を向上させることができる。 According to the present invention, by subtracting the second detection signal detected by the reference electrode arranged outside the detection area from the first detection signal detected by the detection electrode arranged in the detection area, Since the compensated detection signal is obtained, it is possible to satisfactorily compensate for variations due to environmental characteristics occurring in the electrodes and circuit components, and to improve detection sensitivity.
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a capacitive proximity sensor according to the first embodiment of the present invention.
この近接センサは、一対のセンサ部10,20と、主回路部30とを備えて構成されている。 The proximity sensor includes a pair of sensor units 10 and 20 and a main circuit unit 30.
センサ部10は、被検出物を検知可能な検知エリアD内に配置されている。このセンサ部10は、フレキシブルプリント回路(FPC)、リジットプリント回路(RPC)等により構成されたもので、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、又はエポキシ樹脂などの絶縁体からなる絶縁基板と、この絶縁基板上にパターン形成された銅、銅合金又はアルミニウムなどからなる電極、すなわち検知電極11、ガード電極12及び接地電極13とにより構成されている。接地電極13は、正方形又は長方形で、検知電極11は、この接地電極13の両辺及び他の一辺を取り囲むコの字形に形成されている。また、ガード電極12は、検知電極11と接地電極13との間に両者に対して絶縁状態でコの字状に配置されている。
The sensor unit 10 is disposed in a detection area D that can detect an object to be detected. This sensor unit 10 is composed of a flexible printed circuit (FPC), a rigid printed circuit (RPC), etc., and is an insulating material made of an insulator such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), or epoxy resin. A substrate and electrodes made of copper, copper alloy, or aluminum patterned on the insulating substrate, that is, a
一方、センサ部20は、被検出物の影響を受けないように、検知エリアDの外に配置されている。センサ部20もセンサ部10と同様の絶縁基板と電極とからなるが、電極は、参照電極21,ガード電極22及び接地電極23からなる。参照電極21は、検知電極13と同じ形状及び大きさに設定され、ガード電極22及び接地電極23は、それぞれガード電極12及び接地電極13と同様の形状及び大きさに設定されている。
On the other hand, the sensor unit 20 is disposed outside the detection area D so as not to be affected by the detected object. The sensor unit 20 also includes an insulating substrate and electrodes similar to the sensor unit 10, but the electrodes include a
なお、これらセンサ部10,20は、例えばメンブレンスイッチの一部として構成されたり、メンブレンスイッチの一部として接触センサと併用されるものでも良い。 In addition, these sensor parts 10 and 20 may be comprised, for example as a part of membrane switch, or may be used together with a contact sensor as a part of membrane switch.
主回路部30は、次のように構成されている。検知電極11及びガード電極12と接続される主回路部30側の接続端の間に、検知電極11側を入力、ガード電極12側を出力とするバッファ31が接続されている。バッファ31は、検知電極11及びガード電極12と主回路部30との間を接続するシールドケーブルにおける芯線とシールド線とを常に同電位として両者の間の充放電を防止する。検知電極11からの信号は、検知回路32に入力されている。検知回路32は、検知電極11及び接地電極13の間の静電容量に応じたデューティーのパルス信号を出力する。このパルス信号はローパスフィルタ(LPF)33に入力されている。LPF33は、検知回路32からのパルス信号を平滑化して第1の検知信号を出力する。
The main circuit unit 30 is configured as follows. A
一方、参照電極21及びガード電極22の主回路部30側の接続端の間にもバッファ35が接続されている。参照電極21からの信号は、検知回路36に入力されている。検知回路36は、参照電極21及び接地電極23の間の静電容量に応じたデューティーのパルス信号を出力する。このパルス信号はLPF37に入力されている。LPF37は、検知回路36からのパルス信号を平滑化して第2の検知信号を出力する。減算回路34は、LPF33からの第1の検知信号からLPF37からの第2の検知信号を減算し、補償済み検知信号を出力する。
On the other hand, the
ここで、検知回路32とLPF33は第1の検知回路を構成し、検知回路36とLPF37は第2の検知回路を構成する。両者の構成は、ほぼ等しいことが望ましい。検知回路32,36は、検知電極11及び接地電極13の間の静電容量並びに参照電極21及び接地電極23の間の静電容量に応じて周波数又はデューティー比が変化するもの等を使用することができる。
Here, the
図2は、静電容量Cに応じてデューティー比が変化する検知回路32(36も同様)の一例を示す回路図である。検知回路32は、一定周期のトリガ信号TGを出力するトリガ信号発生回路321と、入力端に接続された静電容量の大きさによってデューティー比が変化するパルス信号Poを出力するタイマー回路322とを備えて構成されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the detection circuit 32 (same for 36) whose duty ratio changes according to the capacitance C. The
タイマー回路322は、例えば2つの比較器3221,3222と、これら比較器3221,3222の出力がそれぞれリセット端子R及びセット端子Sに入力されるRSフリップフロップ回路(以下、「RS−FF」と呼ぶ)3223と、このRS−FF3223の出力DISをLPF33に出力するバッファ3224と、RS−FF3223の出力DISでオンオフ制御されるトランジスタ3225とを備えて構成されている。
The
比較器3222は、トリガ信号発生回路321から出力される図3に示すようなトリガ信号TGを、抵抗R1,R2,R3によって分割された所定のしきい値Vth2と比較して、トリガ信号TGに同期したセットパルスを出力する。このセットパルスは、RS−FF3223のQ出力をセットする。このQ出力は、ディスチャージ信号DISとしてトランジスタ3225をオフ状態にし、検知電極11及び接地電極13の間を、両電極11,13間の静電容量C及び入力端と電源ラインとの間に接続された抵抗R4による時定数で決まる速度で充電する。これにより、図3に示すように、入力信号Vinの電位が静電容量によって決まる速度で上昇する。入力信号Vinが、抵抗R1,R2,R3で決まるしきい値Vth1を超えたら、比較器3221の出力が反転してRS−FF2123の出力を反転させる。この結果、トランジスタ3225がオン状態となって検知電極11に蓄積された電荷がトランジスタ3225を介して放電される。従って、このタイマー回路322は、図3に示すように、検知電極11及び接地電極13間の静電容量に基づくデューティー比で発振するパルス信号Poを出力する。LPF33は、この出力を平滑化することにより、図3に示すような、直流の検知信号Vout(第1の検知信号)を出力する。なお、図4中、実線で示す波形と点線で示す波形は、前者が後者よりも静電容量が小さいことを示しており、例えば後者が物体近接状態を示している。
The
なお、検知回路36も基本的にはこれと同様の構成とすれば良いが、トリガ信号発生回路321については、検知回路32,36で共有することも可能である。この場合、図2の点線矢印で示すように、検知回路32から検知回路36にトリガ信号TGを供給するようにすれば良い。
The
このように構成された本実施形態の静電容量式近接センサによれば、センサ部10で被検出物の近接による変動分と温度特性、湿度特性等の環境特性に起因する変動分との加算分が検出され、センサ部20で環境特性に起因する変動分のみが検出される。従って、LPF33からの第1の検知信号からLPF37からの第2の検知信号を減算回路34で減算することにより、環境特性分が除去された補償済み検知信号を得ることができる。
According to the capacitive proximity sensor of the present embodiment configured as described above, the sensor unit 10 adds the variation due to the proximity of the object to be detected and the variation due to environmental characteristics such as temperature characteristics and humidity characteristics. Minutes are detected, and the sensor unit 20 detects only fluctuations due to environmental characteristics. Therefore, by subtracting the second detection signal from the
図4は、本発明の第2の実施形態に係る静電容量式近接センサのブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram of a capacitive proximity sensor according to the second embodiment of the present invention.
この実施形態では、センサ部20が被検出物の影響を受けないようにシールドSにより、シールドされている点が先の実施形態とは異なる。他の構成は先の実施形態と同様である。 This embodiment is different from the previous embodiment in that the sensor unit 20 is shielded by the shield S so as not to be affected by the object to be detected. Other configurations are the same as in the previous embodiment.
図5は、本発明の第3の実施形態に係る静電容量式近接センサのブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram of a capacitive proximity sensor according to the third embodiment of the present invention.
この実施形態では、先の実施形態における2つの検知回路32,36及び2つのLPF33,37を、それぞれ共通の1つの検知回路32及び1つのLPF33とし、これらをセンサ部10とセンサ部20とで時分割で使用するように主回路部40を構成した例である。切り換え回路42は、外部からの制御信号に基づき、スイッチ回路41を切り替える。スイッチ回路41は、検知回路32の入力が検知電極11に接続され、バッファ31の出力がガード電極12に接続される第1状態と、検知回路32の入力が参照電極21に接続され、バッファ31の出力がガード電極22に接続される第2状態とを選択的に切り替える。信号保持回路44は、第1の状態でLPF33から出力される第1の検知信号と、第2状態でLPF33から出力される第2の検知信号とをそれぞれ保持し、減算回路34は、これら保持された第1及び第2の検知信号を減算処理して補償済み検知信号を出力する。
In this embodiment, the two
このような構成によれば、共通の検知回路32及びLPF33から2つの検知信号を得ることができるので、回路構成要素の相違による誤差成分が削除されて、更に精度良く環境特性分を除去することができる。
According to such a configuration, since two detection signals can be obtained from the
なお、上述した実施形態では、時分割で得られる2つの検知信号を、信号保持回路44に一旦保持して減算回路34で減算処理したが、例えば図6に示す主回路部50のように、2つの検知信号を、直接A/D変換機能を有するCPU51に供給し、CPU51の内部演算処理で補償済み検知信号を得るようにしても良い。
In the above-described embodiment, the two detection signals obtained by time division are temporarily held in the
10,20…センサ部、11…検知電極、12,22…ガード電極、13,23…接地電極、21…参照電極、30,40,50…主回路部、31,35…バッファ、32,36…検知回路、33,37…LPF、34…減算回路、41…スイッチ回路、42…切り換え回路、44…信号保持回路、51…CPU。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 ... Sensor part, 11 ... Detection electrode, 12, 22 ... Guard electrode, 13, 23 ... Ground electrode, 21 ... Reference electrode, 30, 40, 50 ... Main circuit part, 31, 35 ... Buffer, 32, 36 Detecting
Claims (6)
前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、
前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第1の検知信号を出力する第1の検知回路と、
前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第2の検知信号を出力する第2の検知回路と、
前記第1の検知回路の出力から前記第2の検知回路の出力を減算して補償済み検知信号を出力する減算回路と
を備えたことを特徴とする静電容量式近接センサ。 A sensing electrode arranged in the sensing area;
A reference electrode disposed outside the detection area and formed in the same manner as the detection electrode;
A first detection circuit that outputs a first detection signal based on a capacitance between the detection electrode and ground;
A second detection circuit that outputs a second detection signal based on a capacitance between the reference electrode and ground;
A capacitance-type proximity sensor comprising: a subtraction circuit that subtracts the output of the second detection circuit from the output of the first detection circuit and outputs a compensated detection signal.
前記参照電極と対をなす第2の接地電極とを更に備えたことを特徴とする請求項1記載の静電容量式近接センサ。 A first ground electrode paired with the sensing electrode;
The capacitive proximity sensor according to claim 1, further comprising a second ground electrode paired with the reference electrode.
前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、
前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続されるスイッチ回路と、
このスイッチ回路を介して前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続され、前記検知電極と接続されているときには、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第1の検知信号を出力し、前記参照電極と接続されているときには、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第2の検知信号を出力する検知回路と、
前記第1の検知信号から前記第2の検知信号を減算して補償済み検知信号を出力する演算手段と
を備えたことを特徴とする静電容量式近接センサ。 A sensing electrode arranged in the sensing area;
A reference electrode disposed outside the detection area and formed in the same manner as the detection electrode;
A switch circuit selectively connected to the sensing electrode and the reference electrode;
A first detection signal based on a capacitance between the detection electrode and the ground is selectively connected to the detection electrode and the reference electrode via the switch circuit and is connected to the detection electrode. And a detection circuit that outputs a second detection signal based on a capacitance between the reference electrode and ground when connected to the reference electrode;
An electrostatic capacity proximity sensor comprising: an arithmetic means for subtracting the second detection signal from the first detection signal and outputting a compensated detection signal.
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