JP2015094598A

JP2015094598A - 距離センサー

Info

Publication number: JP2015094598A
Application number: JP2013232212A
Authority: JP
Inventors: 健二郎丸山; Kenjiro Maruyama; 石川　崇; Takashi Ishikawa; 崇石川
Original assignee: Toyo Ink SC Holdings Co Ltd
Current assignee: Artience Co Ltd
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-18
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: JP6171866B2

Abstract

【課題】被測定物までの距離が長く、静電容量の小さな変化を精度良く検出できる距離センサーを提供する。
【解決手段】被測定物と検出電極との静電容量変化により、被測定物までの距離を検出する距離センサーであって、演算増幅器１４が設けられ、前記演算増幅器１４の＋端に検出電極と第一の抵抗Ｒ２の一端が接続され、前記演算増幅器１４の−端と前記演算増幅器１４の出力と第一のコンデンサーＣ１の一端が接続され、第二の抵抗Ｒ１の一端と前記第一のコンデンサーＣ１の他端と前記第一の抵抗Ｒ２の他端が接続され、前記第二の抵抗Ｒ１の他端に交流信号源が接続されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量を測定することにより、被測定物までの距離を検出する距離センサーに関する。

静電容量方式の距離を測定する装置は、近接センサーなどとして古くから知られているが、精度向上のための提案が行われている (例えば特許文献1参照) 。

特許文献１では、発信回路から発生する交流信号を、抵抗を介してセンサー電極に入力している。センサー電極と被検出物との間に静電容量が形成されるため、センサーの構成は抵抗と容量とによる１次のローパスフィルタとなる。被検出物とセンサー電極との距離が変化すると静電容量が変化し、それに伴いローパスフィルタ特性も変化する。この１次のローパスフィルタの特性変化を利用して静電容量の変化を検出している。
しかし、測定可能な被測定物までの距離は、たかだが数センチであり、これを超えると精度が低下すると問題があった。

特開２００６−８４３１８号公報

本発明は、被測定物までの距離が長く、静電容量の小さな変化を精度良く検出できる距離センサーを提供することを目的とする。

本発明は、被測定物と検出電極との静電容量変化により、被測定物までの距離を検出する距離センサーであって、
演算増幅器が設けられ、前記演算増幅器の＋端に検出電極と第一の抵抗の一端が接続され、前記演算増幅器の−端と前記演算増幅器の出力と第一のコンデンサーの一端が接続され、第二の抵抗の一端と前記第一のコンデンサーの他端と前記第一の抵抗の他端が接続され、前記第二の抵抗の他端に交流信号源が接続されることを特徴とする距離センサーに関する。

また、本発明は、前記演算増幅器の出力が前記検出電極を取り囲むように設置されているシールド電極と接続されていることを特徴とする上記距離センサーに関する。

本発明の距離センサーは、被測定物との間に形成される静電容量がアクティブフィルタ回路の構成素子の一部として機能する検出電極と、アクティブフィルタ回路の出力電圧が印加されるシールド電極とを有する電極部とを備え、前記検出電極の静電容量に応じた値を検出する信号検出部を備え、前記信号検出部には前記検出電極で形成された静電容量に応じて、周波数特性が変化するアクティブフィルタ回路と、を備えることを特徴とする距離センサーである。

この構成によれば、検出電極と被測定物との間に形成されている静電容量の変化により変化するアクティブフィルタ回路の周波数特性を利用した距離センサーを実現できる。また、従来技術である一次ローパスフィルタ特性では阻止帯域の減衰率は６[dB/oct]だが、本発明のアクティブフィルタ回路は２次のローパスフィルタ特性を持つため阻止帯域の減衰率は１２[dB/oct]となる。減衰率が大きいためわずかな静電容量の変化でも大きくフィルタ特性に影響するため精度が向上する。また、アクティブフィルタ回路の出力をシールド電極に接続することで、検出電極と同電位をシールド電極に印加できるとともに、検出電極とシールド電極をインピーダンス的に分離することができ、シールド性と検出精度を向上させることができる。

本発明により、被測定物までの距離が長く、静電容量の小さな変化を精度良く検出できる距離センサーを提供することができた。

本発明の実施の形態に係わる距離センサーの構成図。（ａ）上記実施形態における電極配置の上面図、（ｂ）図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図。本発明の実施形態に係わる静電容量を検知するアクティブフィルタ回路の構成図。電極間の静電容量を測定した実験結果アクティブフィルタ回路04の周波数特性変化を確認するＡＣ解析シミュレーション回路図アクティブフィルタ回路04の周波数特性変化を確認するＡＣ解析シミュレーション結果

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。図１に、本発明の好ましい形態の一つである距離センサーの構成図を示す。当該距離センサーは、被測定物を検出する電極部０１と検知信号を処理する信号検出部１１を備えている。

電極部０１は検出電極０２とシールド電極０３を備えている。

信号検出部１１は、アクティブフィルタ回路０４と交流信号発生器０５と検波回路０６と積分回路０７と位相調整回路０８とアナログ／デジタル変換回路０９とインターフェース回路１０とを備えている。

検出電極02は信号検出部１１に内蔵されたアクティブフィルタ回路０４に接続されており、被測定物と検出電極０２との間で形成される静電容量はアクティブフィルタ回路０４の構成素子の一部として機能する。シールド電極０３はアクティブフィルタ回路０４から出力される電圧が印加されシールドとして作用する。

アクティブフィルタ回路０４には交流信号発生器０５から発生する正弦波が入力され、フィルタ処理された信号はシールド電極０３を印加するとともに、検波回路０６へ入力される。検波回路０６には、交流信号発生器０５からの出力信号を位相調整回路０８で位相調整した信号が入力され、アクティブフィルタ回路０４の出力信号に対して同期検波処理を行う。同期検波処理された信号は積分回路０７に入力され積分処理され交流信号から直流信号に変換される。積分処理した信号はアナログ／デジタル変換回路０９に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル信号はインターフェース回路１０を介して外部システムへ伝送される。

図２（ａ）に本実施の形態の電極部０１の電極配置の上面図を示す。中央に検出電極０２を配置し、その周囲に一定の距離をあけて、検出電極０２を取り囲むようにシールド電極０３を設置する。

図２（ｂ）に電極部０１の断面図を示す。絶縁基板１２の上面に検出電極０２を配置する。シールド電極０３は、絶縁基板１２の上面以外の面を取り囲むように設置する。被測定物１３は、アースされた導電性物質であるかアースされた導電性物質で少なくとも一部を被覆されていることが必要である。検出電極０２は、被測定物１３との間に静電容量Caを形成する。検出電極０２と被測定物０３との距離が変化すると前記静電容量Caが変化する。この静電容量Caの変化をもとに被測定物０３までの距離を検出できる。

図３に信号検出部１１内のアクティブフィルタ回路０４の構成を図示する。同図に示すアクティブフィルタ回路０４は演算アンプ１４と抵抗Ｒ１、Ｒ２と容量Ｃ１と、そして、検出電極０２と被測定物１３との間に形成される静電容量Caとから構成される。このアクティブフィルタ回路０４は入力される交流信号発生器０５からの信号をフィルタ処理し出力する。フィルタ特性は検出電極０２と被測定物１３との間に形成される静電容量Caにより決まる。すなわち、検出電極０２と被測定物１３との距離変化に対応しフィルタ特性が変化する。フィルタ特性が変化すると、アクティブフィルタ回路０４の処理結果である出力波形の振幅と位相に変化が発生する。この変化を積分回路０７で処理し電圧値として検知される。

次にアクティブフィルタ回路０４の周波数特性を説明する。先ず、検出電極02と被測定物１３との間に形成される静電容量Caの値をえるための実験を行った。次に実験よりえられた静電容量値をアクティブフィルタ回路04に適用し、フィルタの周波数特性をシミュレーションより確認することで本発明の有効性を示す。

図４（a）、（b）を参照して電極間の静電容量を測定した実験について説明する。図４（a）は静電容量の測定概要を示している。10ｃｍ×10ｃｍの電極A、電極Ｂを対向させ電極間距離dを変化させた時の電極Ａ、電極Ｂ間に形成される静電容量を静電容量計で測定した。なお、電極間の誘電体領域は空気である。図４（b）に実験結果グラフを示す。電極間距離ｄが大きくなると静電容量が小さくなっていることが確認できる。静電容量は以下の式（１）で導出される。

式（１）中のＣは静電容量、ε0は真空中の誘電率、εrは電極間誘電体の比誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。

式（１）から電極間距離ｄが大きくなると静電容量が小さくなることと、電極間距離ｄが小さい領域では電極間距離ｄの変化に対する静電容量の変化が大きい、一方、電極間距離ｄが大きい領域では静電容量の変化は小さいことが分かる。図４（ｂ）はこれらの特性が現れているため、静電容量を精度よく測定できていると考えられる。なお実験結果の静電容量値には実験環境に起因する寄生容量が付加されている。

上記実験結果を用いて、アクティブフィルタ回路04の周波数特性変化を確認するＡＣ解析シミュレーションを行った。図５（a）、（b）、図６を参照して詳細を説明する。図５（a）はシミュレーションを行ったアクティブフィルタ回路04の回路図を示す。なお、素子定数は限定されるものではなく例示である。図（b）は比較のため一次ローパスフィルタ回路の回路図を示す。なお、図５（a）、（b）、中のＣaには検出電極と被測定物との間に形成される静電容量値として、実験結果より得られた41p[F]と46p[F]をあてる。なお、素子定数は限定されるものではなく例示である。図６はＡＣ解析シミュレーション結果を示している。

上記実験結果より、検出電極02の面積を10cm×10cmとしたときに、被対象物との間に形成される静電容量と近接距離の関係は２cmのとき41p[F]、13cmのとき46p[F]と想定できる。回路図中のCaを41[pF]、46[pF]とした時の波数特性を図5（a）から比較すると、アクティブフィルタ回路04の特性変化が一次ローパスフィルタ回路より大きいことが分かる。以上の結果より、本発明は10cm×10cmの検出電極０２を設置ことで１３ｃｍまでの距離を従来方式に比べ精度よく検知することができる。

０１・・・電極部
０２・・・検出電極
０３・・・シールド電極
０４・・・アクティブフィルタ回路
０５・・・交流信号発生器
０６・・・検波回路
０７・・・積分回路
０８・・・位相調整回路
０９・・・アナログ/デジタル変換回路
１０・・・インターフェース回路
１１・・・信号検出部
１１・・・信号検出部
１２・・・絶縁基板
１３・・・被測定物
１４・・・演算アンプ
Ca・・・検出電極02と被測定物との間に形成される静電容量

Claims

被測定物と検出電極との静電容量変化により、被測定物までの距離を検出する距離センサーであって、
演算増幅器が設けられ、前記演算増幅器の＋端に検出電極と第一の抵抗の一端が接続され、前記演算増幅器の−端と前記演算増幅器の出力と第一のコンデンサーの一端が接続され、第二の抵抗の一端と前記第一のコンデンサーの他端と前記第一の抵抗の他端が接続され、前記第二の抵抗の他端に交流信号源が接続されることを特徴とする距離センサー。
前記演算増幅器の出力が前記検出電極を取り囲むように設置されているシールド電極と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の距離センサー