JP2016130656A - 静電容量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】極めて小さい比誘電率の物体やアースされた金属板の接近を安定して検出することができ、周囲温度の変化によって検出特性が影響を受けることが無く、マイクロコンピュータを用いなくても装置構成が可能である静電容量センサを提供する。【解決手段】検出用電極２０が接続されそれへの被検出体の接近に伴って発生する静電容量に従って発振周波数が変化する第１の発振回路１４と、発振周波数が固定された第２の発振回路１６と、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数とを混合し検出用電極への被検出体の接近に伴って変化する第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の固定された発振周波数との周波数差の絶対値を示すビート周波数を検出するビート周波数検出回路部１８と、検出されたビート周波数の変化から検出用電極への被検出体の接近を判別する判別回路部とを備えてセンサを構成した。【選択図】図１

Description

この発明は、発振回路の一部に電極を設け、発振回路を用いて電極に対象物が接近することを検出する静電容量センサに関する。

この種の静電容量センサとしては、例えば、検出電極が接続された発振回路の発振出力を積分回路によって積分し、弁別回路によって弁別し、論理処理回路を介して出力回路より物体検知信号を出力する構成であって、積分回路、弁別回路、論路処理回路および出力回路に一定の電圧を供給する電源回路の定電圧出力を、電圧可変回路を介して発振回路に供給し、発振回路に供給する電圧を調整することによって感度調整を行うことができるようにした静電容量型近接センサ（例えば、特許文献１参照。）、検出電極が接続された発振回路として、検出物体の緩和周波数の１／１０〜１０倍の周波数で発振し検出電極と設置端間の静電容量の増加および誘電損の増加によって同一方向に発振周波数が変化する発振回路を用い、検出電極に対する検出物体の近接を発振回路の発振周波数に基づいてマイクロコンピュータで判別するように構成され、誘電率の小さい物体に対してもその有無を判別することができ、高誘電率の他の物体を介しても検出物体の有無を検出することができるようにした静電容量型近接センサ（例えば、特許文献２参照。）などが提案されている。また、同一の発振方式を用いて構成されまた温度特性および周波数特性が同一である電子部品および電子材料を用いて構成され同一の発振周波数を出力する第１発振器および第２発振器と、対象物との間の静電容量を検出する検出電極としてのアンテナと、発振周波数と静電容量とにより定まる位相量に応じて、第１発振器からの出力の位相を変更する移相手段と、この移相手段の出力と第２発振器からの出力との位相差を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段の出力する位相差に基づいて、アンテナと対象物との間の静電容量を判定する判定手段とを備えて構成された静電容量センサが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平１１−４００２１号公報（第３−４頁、図１） 特開２０００−１４７１３５号公報（第３−４頁、図１） 特開２００６−１６２３４７号公報（第４−６頁、図１）

しかしながら、従来の静電容量センサはいずれも、極めて小さい比誘電率（εｓ）の物体を高感度で安定して検出したりアースされた金属板等の接近を比較的長い検出距離でしかも周囲温度等の使用環境の変化に拘わらず安定して検出することは困難であった。また、特許文献２に開示された静電容量型センサでは、検出電極に対する検出物体の近接を判別するのにマイクロコンピュータが用いられ、また、特許文献３に開示された静電容量センサでも、対象物との間に検出された静電容量を判定するのに、通常はマイクロコンピュータが用いられる。このため、高価なパーツの使用やソフト開発費用が必要になって、装置コストが高くなる、といった問題がある。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、極めて小さい比誘電率の物体であっても高感度で安定して検出することができ、アースされた金属板等であればその接近を比較的長い検出距離で安定して検出することができ、また、周囲温度等の使用環境の変化によって検出特性が影響を受けることが無く信頼性の高くて、マイクロコンピュータを用いなくても装置構成を可能にすることができる静電容量センサを提供することを目的とする。

この発明では、上記目的を達成するために、静電容量を検出するための検出回路として発振回路を用い、その発振回路の発振コンデンサに検出用電極を接続し、検出用電極と電源ＧＮＤ間の静電容量が増加すると発振回路の発振周波数が低下することを利用して、被検出体の検出を行うようにした。
すなわち、請求項１に係る発明は、発振回路の一部（発振コンデンサ）に検出用電極を接続し、発振回路を用いて検出用電極に被検出体が接近することを検出する静電容量センサにおいて、検出用電極が一部に接続され、その検出用電極への被検出体の接近に伴って検出用電極に発生する静電容量に従って発振周波数が変化する第１の発振回路と、前記検出用電極への被検出体の接近の有無に関係なく発振周波数が固定された第２の発振回路と、前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数とを混合して、前記検出用電極への被検出体の接近に伴って変化する第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の固定された発振周波数との周波数差の絶対値を示すビート周波数を検出するビート周波数検出手段と、このビート周波数検出手段によって検出されたビート周波数の変化から前記検出用電極への被検出体の接近を判別する判別手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の静電容量センサにおいて、第１の発振回路に設けられた検出用電極を、第１の発振回路の一部とコンデンサを介して接続したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の静電容量センサにおいて、第２の発振回路の回路方式を第１の発振回路の回路方式と同一にしたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量センサにおいて、第１の発振回路および第２の発振回路がそれぞれ発生する各信号波の発振波形をそれぞれ正弦波としたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静電容量センサにおいて、検出用電極に被検出体が接近しない状態における第１の発振回路の発振周波数を、第２の発振回路の固定された発振周波数と同一またはそれより低い発振周波数に設定したことを特徴とする。

請求項１に係る発明の静電容量センサにおいては、被検出体が検出用電極に接近するのに伴って検出用電極に静電容量が発生し、その発生した静電容量が、検出用電極が接続された第１の発振回路の発振コンデンサの静電容量の増加分となり、その静電容量の増加によって第１の発振回路の発振周波数が低下する。この低くなった第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の固定された発振周波数とを混合することによって発生する周波数差の絶対値を示す周波数をビート周波数と言う（その信号波形を以下では「ビート波形」と言う）が、ビート周波数は発振周波数より低い周波数となる。このビート周波数がビート周波数検出手段によって検出され、検出されたビート周波数の変化から検出用電極への被検出体の接近が判別手段により判別されて、被検出体が検出用電極に接近することが検出される。したがって、被検出体が検出用電極に接近していないときのビート周波数と、被検出体が検出用電極に接近したときのビート周波数とを比較することにより、検出用電極への被検出体の接近状態を正確に検知することができる。このように、第１の発振回路に接続された検出用電極に被検出体が接近したときに第１の発振回路の発振周波数が僅かに変化することを利用して被検出体の検出を行うようにするが、その発振周波数の極めて小さい変化そのものではなく、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数とを混合することによって発生する周波数差の絶対値を示すビート周波数、すなわち検出用電極への被検出体の接近に伴って変化した周波数を用い、その変化した周波数分だけが検出信号として取り出される。
したがって、この静電容量センサを使用すると、極めて小さい比誘電率の物体であっても高感度で安定して検出することができ、アースされた金属板等であればその接近を比較的長い検出距離で安定して検出することができる。また、第１の発振回路および第２の発振回路のそれぞれの回路方式を同一にすることにより、周囲温度等の使用環境の変化によって検出特性が影響を受けることが無くて信頼性の高いセンサを構成することが可能となり、さらに、マイクロコンピュータを用いなくても装置構成を可能にすることができる。

請求項２に係る発明の静電容量センサでは、検出用電極がそれと直列にコンデンサを介して第１の発振回路の発振コンデンサに接続されていることにより、検出用電極に対する被検出体の接近距離に反比例して変化する静電容量、特に検出用電極に被検出体が極めて接近したときの静電容量の急激な変化がなだらかになり、したがって第１の発振回路の発振周波数の変化がなだらかになる。このため、近距離の検出点から遠距離の検出点までにわたって検出信号がなだらかな出力変化となるので、検出用電極に対する被検出体の接近距離をより正確に検出することができる。

請求項３に係る発明の静電容量センサでは、第２の発振回路の回路方式が第１の発振回路の回路方式と同一であることにより、使用環境による影響を無くし、被検出体をより安定して正確に検出することができる。
すなわち、一般的に発振回路の発振周波数は、周囲温度の影響や電源投入後における時間の経過によるドリフトの影響を受け、第１の発振回路に接続された検出用電極への被検出体の接近とは関係なく僅かな変化を生じる。この発振周波数の変化は、発振回路の方式によりそれぞれ異なった特性を持つ。この静電容量センサでは、第２の発振回路の回路方式を第１の発振回路の回路方式と同一にしているので、第１の発振回路と第２の発振回路との間において、周波数変化特性の傾向が揃えられ相互に補正される。したがって、使用環境による影響を受けて被検出体の誤検出が発生する、といったことが避けられる。

請求項４に係る発明の静電容量センサでは、第１の発振回路および第２の発振回路がそれぞれ発生する各信号波の発振波形がそれぞれ正弦波とされていることにより、高調波を少なくすることができる。
ここで、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数とを混合したときに高調波が多く含まれると、センサの品質や信頼性に対し大きな影響が及ぼされるので、そのような影響が出るのを避けるためには、それら高調波を除去する必要がある。高調波の除去のためには、一般的に用いられるアクティブフィルタ回路等の追加が必要となり、回路の複雑化を招くだけでなく形状を大型化することも必要となり、装置の製作コストも非常に高くなる。この静電容量センサでは、高調波を少なくすることができるので、そのような問題点が無くなる。

請求項５に係る発明の静電容量センサでは、検出用電極に被検出体、例えばアースされた金属板が接近しない状態における第１の発振回路の発振周波数が、第２の発振回路の固定された発振周波数と同一またはそれより低い発振周波数に設定されていることにより、判別手段による金属板の接近の判別が簡易になる。
ここで、アースされた金属板が検出用電極に接近するのに伴って第１の発振回路の発振周波数は低くなるが、検出用電極に被検出体が接近しない状態における第１の発振回路の発振周波数が、第２の発振回路の発振周波数より高く設定されていると、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との周波数差の絶対値を示すビート周波数（検出周波数）は、アースされた金属板が離間位置から検出用電極に接近するのに従って、次第に小さくなって一旦０（ゼロ）となった後、反転して上昇することになる。このため、検出周波数の変化による金属板接近の判別が複雑になる。この静電容量センサでは、検出用電極に金属板が接近しない状態における第１の発振回路の発振周波数が第２の発振回路の発振周波数と同一またはそれより低く設定されているので、検出周波数は、アースされた金属板が検出用電極に接近するのに従って上昇する一方であり、このため金属板接近の判別が簡易になる。

この発明の実施形態の１例を示し、静電容量センサの検出部の回路構成を示すブロック図である。 図１に示した検出部を含む静電容量センサの全体構成を示すブロック図である。 図１および図２に示した静電容量センサの構成要素の１つである第１の発振回路の構成の１例を示し、ハートレー発振回路の発振コンデンサに検出用電極を直接に接続した例を示す回路構成図である。 図１に示した検出部を構成する各回路からそれぞれ出力される信号波形を示す図である。 静電容量センサの一般的な構造例を示し、カバーを外した状態を背面側から見た平面図である。 図５に示した静電容量センサの縦断面図である。 図３に示した第１の発振回路のＧＮＤと大地間の高周波結合を示す回路構成図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近した場合における発振周波数の変化を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近した場合における、金属板の接近距離と、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との周波数差（絶対値）を示す検出周波数（ビート周波数）との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数と同一に設定された場合の、金属板の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数より２，０００Ｈｚだけ低く設定された場合の、金属板の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数より２，０００Ｈｚだけ高く設定された場合の、金属板の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。 検出周波数と、１，０００Ｈｚ＝１，０００ｍＶのＦ／Ｖコンバータの出力電圧との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数と同一に設定された場合の、金属板の接近距離と、１，０００Ｈｚ＝１，０００ｍＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数より２，０００Ｈｚだけ低く設定された場合の、金属板の接近距離と、１，０００Ｈｚ＝１，０００ｍＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。 アースされた金属板が検出用電極に接近していない状態における第１の発振回路の発振周波数が、それと混合される第２の発振回路の発振周波数より２，０００Ｈｚだけ高く設定された場合の、金属板の接近距離と、１，０００Ｈｚ＝１，０００ｍＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。 図１および図２に示した静電容量センサの構成要素の１つである第１の発振回路の構成の１例を示し、ハートレー発振回路の発振コンデンサにコンデンサを介して検出用電極を接続した例を示す回路構成図である。 第１の発振回路の発振コンデンサに検出用電極を直接に接続した場合、および、第１の発振回路の発振コンデンサに容量５ｐＦのコンデンサを介して検出用電極を接続した場合の、検出用電極へのアースされた金属板の接近距離と第１の発振回路への入力容量との関係（金属板との接近距離が１０ｍｍで１ｐＦの容量を発生したとき）をそれぞれ示す図である。

以下、この発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
この静電容量センサは、図２に示すように、検出部１０と判別回路部１２とから構成され、検出部１０は、図１に示すように、２つの発振回路１４、１６とビート周波数検出回路部１８とを備えて構成されている。

２つの発振回路のうちの一方は、所定の発振周波数ＦＤの信号波を発生させる第１の発振回路１４である。第１の発振回路１４は、ＬＣ発振回路あるいはＣＲ発振回路やオペアンプを用いた帰還発振回路で構成され、その発振波形は、高調波分が少ない正弦波であることが好ましい。ＬＣ発振回路としては、一般的に良く知られているコルピッツ発振回路やハートレー発振回路が用いられる。この第１の発振回路１４の一部に、被検出体、例えば比誘電率（εｓ）の小さい物体や大地にアースされた金属板との間の静電容量を検出するための検出用電極２０が接続されている。図３に、第１の発振回路１４をハートレー発振回路で構成した例を示しているが、検出用電極２０は、発振コンデンサＣＡに接続されている。図３において（図１６および図１８においても）各符号は、Ｑ：発振トランジスタ、Ｒ１：フィードバック抵抗、Ｒ２：バイアス抵抗、Ｒ３：負荷抵抗、ＣＢ：直流カットコンデンサ、ＣＣ：デカップリングコンデンサ、Ｌ：発振コイルをそれぞれ示す。

そして、検出用電極２０は、その電極と大地間で発生した静電容量が発振コンデンサＣＡと並列となるように接続されていて、静電容量が増加すると発振コンデンサＣＡの容量が増加する。この結果、検出用電極２０によって検出された静電容量の増加に従って、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤが低下することとなる。例えば、第１の発振回路１４をＬＣ発振回路で構成した場合において、発振コンデンサＣＡのキャパシタンス（容量）をＣ（Ｆ）、発振コイルＬのインダクタンスをＬ（Ｈ）とすると、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ（Ｈｚ）は、数１に示す式で表される。この数式において、発振コンデンサＣＡの容量Ｃが大きくなるため、発振周波数ＦＤが小さくなるのである。

２つの発振回路のうちのもう一方は、第１の発振回路１４と同一のまたは異なる固定された発振周波数ＦＫの信号波を発生させる第２の発振回路１６である。この第２の発振回路１６は、その発振周波数ＦＫが第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと混合されて、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤとの周波数差の絶対値を示すビート周波数を検出するために設けられる。この場合において、正弦波を発生する第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとを混合したときに含まれる高調波を少なくするためには、第２の発振回路１６が発生する信号波の発振波形も正弦波とすることが好ましい。なお、第２の発振回路１６を安価で簡易なインバータ発振回路を用いて構成することもできるが、インバータ発振回路には大きな高調波が含まれ、僅かな周波数変化を検出するためには、高調波に含まれる色々な周波数を排除しなければならない。このためには、複雑な周波数を処理するアクティブフィルタ回路等を必要とするので、回路構成が複雑化し、センサの製作コストも高くなる。したがって、第２の発振回路１６が発生する信号波の発振波形は、これを正弦波とすることが好ましい。

また、一般的な容量の変化によって発振周波数を変化させることのできるＬＣ発振回路やＣＲ発振回路あるいはオペアンプを用いた帰還発振回路の発振周波数は、電源投入後における時間の経過によるドリフトや周囲温度の影響を受けて変化しやすい。さらにまた、静電容量センサにより、微小な比誘電率（εｓ）の物体を検出したりアースされた金属板の接近を比較的長い検出距離で検出するためには、微小な周波数の変化を安定して検出しなければならない。そこで、第２の発振回路１６の回路方式は、これを第１の発振回路１４と同一方式の発振回路とすることが好ましい。また、発振回路の発振周波数の変化は、発振回路に用いられるパーツの各種定数によってもそれぞれ異なった特性を持つので、第１の発振回路１４と第２の発振回路１６とで、パーツ定数もおよそ同一とすることが好ましい。さらに、第１の発振回路１４および第２の発振回路１６の各発振周波数も、凡そ同一の周波数に設定することが好ましく、その場合にはそれぞれ発振回路定数もほぼ同一となる。以上のような構成とすることにより、第１の発振回路１４と第２の発振回路との間において、両者の発振周波数の混合によって周波数変化特性の傾向が揃えられ相互に補正されることとなる。この結果、温度の影響や電源投入後における時間の経過によるドリフトの影響を受けることが避けられ、検出用電極２０への被検出体の接近によって生じる静電容量に従った周波数変化を捉え、信頼性の高い安定した高感度の検出信号を出力することができる。

ビート周波数検出回路部１８は、第１の発振回路１４から結合コンデンサ２２を介して入力される発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６から結合コンデンサ２４を介して入力される発振周波数ＦＫとを混合する混合回路２６、この混合回路２６から出力される信号波形を検波する検波回路２８、この検波回路２８から出力される信号波形を平滑化して高周波分を除去する平滑回路３０、この平滑回路３０から出力される信号波形を増幅する増幅回路３２、および、この増幅回路３２から出力される信号波形から、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとの周波数差の絶対値を示すビート波形を作成する波形整形回路３４から構成されている。なお、第１の発振回路１４から出力される信号波形および第２の発振回路１６から出力される信号波形をそれぞれ別々の検波回路で検波した後に混合し平滑化する回路構成とすることもできるが、半波波形での混合には、検波ダイオードの非直線特性やダイオードの順方向残留電圧等の影響もあって、混合後の波形には複雑な高調波が含まれることとなる。このため、混合後の信号波形を平滑化し大きな増幅率で増幅し直流パルスに変換して検出周波数とした場合に、高調波が影響して正確なビート周波数とすることが困難となる。そのような高調波の除去のためには、一般的に用いられるアクティブフィルタ回路等の追加が必要となり、回路の複雑化を招くだけでなく形状を大型化することも必要となり、センサの製作コストも非常に高くなる。したがって、この実施形態のように、第１の発振回路１４から結合コンデンサ２２を介して入力される発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６から結合コンデンサ２４を介して入力される発振周波数ＦＫとを混合回路２６で混合し、その後に検波回路２８で検波し、続いて平滑回路３０で平滑化し、結合コンデンサ４２を介して増幅回路３２で増幅し、波形整形回路３４で波形を整形して検出周波数信号を得るような回路構成とすることが好ましい。

判別回路部１２は、ビート周波数検出回路部１８において第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとを混合して検出された周波数差の絶対値を示す検出周波数（ビート周波数）ＦＭの変化から、検出用電極２０への被検出体の接近を判別する。この判別回路部１２は、ビート周波数検出回路部１８によって検出された検出周波数ＦＭを電圧に変換するＦ／Ｖコンバータ回路３６を備えている。このＦ／Ｖコンバータ回路３６から出力される電圧信号は、例えば、コンパレータ回路３８において予め設定された電圧値と比較され、設定値以上の電圧、したがって設定値以上の検出周波数ＦＭに変化しているときに、パワー増幅回路４０を経て、被検出体の検出信号としてスイッチングされ、デジタル信号として出力される。あるいは、検出用電極２０に対する被検出体の接近位置をアナログ的に感知し、センサの外部から自由にスイッチングレベルを制御したいような場合には、図２中に二点差線で示すように、Ｆ／Ｖコンバータ回路３６から出力される電圧信号を直接に、被検出体の接近距離を示すアナログ信号として出力することもできる。

なお、ビート周波数検出回路部１８から出力される検出周波数ＦＭの変化を、マイクロコンピュータ等を用いてデータ処理することにより、検出用電極２０への被検出体の接近を判別することも可能である。但し、静電容量センサを使用して被検出体の検出を行う場合には、高い検出応答スピードが要求されるが、マイクロコンピュータによる周波数変化の検出には長時間のステータスタイムを必要とするので、クロック周波数がかなり高いマイクロコンピュータを使用しても、検出応答スピードの速いセンサを製作することは非常に困難であり、またセンサの製作コストも非常に高価なものとなる。これに対し、Ｆ／Ｖコンバータは、周波数１サイクルごとに周波数を電圧に変換することができ、応答スピードの速い静電容量センサを製作することができるので、実施形態に示すように、Ｆ／Ｖコンバータ回路３６を設けて検出周波数ＦＭを電圧に変換する回路構成とすることが好ましい。

次に、上記したように構成された静電容量センサにおける処理動作や検出原理について具体的に説明する。
最初に、検出部１０の各処理回路における信号処理について図４を参照しながら説明する。

検出部１０の第１の発振回路１４の出力側のＡ１点における信号波形を図４の（Ａ１）に示し、第２の発振回路１６の出力側のＡ２点における信号波形を図４の（Ａ２）に示す。これらの第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとが、それぞれ結合コンデンサ２２、２４を介して混合回路２６に入力されて混合されると、混合回路２６の出力側のＢ点では、図４の（Ｂ）に示すように、ビート波形状で高周波の波高値が変化する信号波形が発生する。この信号波形を検波回路２８で検波すると、検波回路２８の出力側のＣ点において、図４の（Ｃ）に示すように、波高値が変化する高周波で構成される半波状の波形に加工された信号波となる。この加工された信号波形を平滑回路３０で平滑化すると、平滑回路３０の出力側のＤ点において、図４の（Ｄ）に示すように、高周波分が除去され低周波となった正弦波状の脈流波形の信号波が発生する。この脈流電圧信号は、直流バイアス電圧を含んでいるので、結合コンデンサ４２を用いて直流分をカットし、増幅回路３２で交流分のみを増幅すると、増幅回路３２の出力側のＥ点において、図４の（Ｅ）に示すように、ＧＮＤからＶＣＣまで変化する直流のパルス状波形が得られる。このパルス状波形には、僅かではあるが発振周波数の高周波分が含まれるので、パルス数を計数して被検出体の接近信号とするときに誤動作の要因となることを避けるために、波形整形回路３４で波形整形して、波形整形回路３４の出力側のＦ点において、図４の（Ｆ）に示すように、立上りおよび立下りの鋭いパルス波形の信号波とし、これを検出周波数として検出部１０から出力している。

ところで、静電容量センサの一般的な構造としては、図５にカバーを外した状態を背面側から見た平面図を、図６に縦断面図をそれぞれ示しているように、前面側に検出面部４４が形設されたケース４６の内部に、検出面部４４に沿うように検出用電極４８が配設され、また、プリント基板５０が収納されており、ケースの背面側の開口部がカバー５２によって気密に閉塞されている。図５および図６中の符号５４はＯ−リングであり、５６は基板止めねじ、５８は接続ケーブルである。このような構造の静電容量センサの検出面部４４に被検出物が接触したりアースされた金属板等が接近したりすると、検出用電極４８と大地間に静電容量が発生し、その発生した静電容量の変化が、プリント基板５０に設けられた電子回路により電圧のデータに変換されて、接続ケーブル５８を通して出力されることになる。

図１に示した静電容量センサの第１の発振回路１４に説明を戻して、第１の発振回路１４は、例えば発振周波数が数１００ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚで発振波形が正弦波である信号波を発生させている。この第１の発振回路１４に接続された検出用電極２０に、所定の比誘電率を持つ物体が接触しあるいはアースされた金属板が接近すると、検出用電極２０と大地間に静電容量が発生する。図７に示すように、静電容量センサの電源ＧＮＤは、電気配線の分布容量や電源回路の電源トランスＴＲの２次−１次間の巻線間結合容量を介して、１次側である商用電源ＡＣ側のアースを経由し、高周波的には大地に接続されている。したがって、検出用電極２０と大地間に発生した静電容量は、およそ等価的に発振コンデンサＣＡの両端に接続されるため、検出用電極２０と大地間に静電容量ΔＣが発生すると、発振コンデンサＣＡの静電容量がΔＣだけ増加したことになる。図７中の符号ＣＸは、配線による大地との分布容量を示し、ＣＹは巻線間結合容量を示す。

第１の発振回路１４の上記発振状態において、検出用電極２０に被検出体、例えばアースされた金属板６０が接近していない状態における第１の発振回路１４の発振周波数をＦＤ_０とし、第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡの容量をＣＡ（Ｆ）とした場合において、発振周波数ＦＤ_０は、数２の式で表される。また、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近することによって、上述したように第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡの容量がΔＣだけ増加したとすると、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤは、数３の式で表される。そして、第１の発振回路１４の発振周波数の変化ΔＦは、ＦＤ_０−ＦＤとなる。

例えば図８に示すように、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近していない状態における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が１，０００．００ｋＨｚであり、アースされた金属板６０が検出用電極２０の前面１０ｍｍまでの距離に接近した時点における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤが９９８．４０ｋＨｚに低下したとすると、第１の発振回路１４の発振周波数の下降分ΔＦは、１．６０ｋＨｚである。したがって、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０＝１，０００．００ｋＨｚに対する発振周波数の下降分ΔＦ＝１．６０ｋＨｚの比率は、（１．６０÷１，０００．００）×１００％であるから、その変化率は０．１６％に過ぎない。このため、第１の発振回路１４の発振周波数の変化を直接に検出信号とすることは技術的にみて非常に困難である。また、一般的な発振回路においては、被検出体の有無に関係なく、センサが使用される周囲の温度変化によっても、上記変化率の数値程度の周波数の変化を避けることができない。

一方、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近していない状態における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が１，０００．００ｋＨｚで、第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫが１，０００．００ｋＨｚであった場合において、第１の発振回路１４および第２の発振回路１６からそれぞれ結合コンデンサ２２、２４を介して混合回路２６に入力され混合されて発生するビート周波数ＦＭは、第１の発振回路１４の発振周波数と第２の発振回路１６の発振周波数との間に差が無いので、およそ０Ｈｚとなる。そして、アースされた金属板６０が検出用電極２０の前面１０ｍｍまでの距離に接近したときに、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ＝９９８．４０ｋＨｚと第２の発振回路１６の固定された発振周波数ＦＫ＝１，０００．００ｋＨｚとを混合して発生するビート周波数ＦＭは、第１の発振回路１４の発振周波数と第２の発振回路１６の発振周波数との周波数差（ＦＤ−ＦＫ）の絶対値であるΔＦ＝１．６０ｋＨｚとなる。このように、ビート周波数は、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近していない状態におけるおよそ０Ｈｚから、アースされた金属板６０が検出用電極２０の前面１０ｍｍまでの距離に接近した時点における１．６ｋＨｚへと大きく変化することとなる。したがって、ビート周波数を検出周波数として出力信号とすることにより、信頼性の高い検出信号による処理が可能となる。なお、ビート周波数検出回路部１８からは、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとの周波数差の絶対値のみが検出周波数（ビート周波数）として出力されるので、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近するのに従って、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤは低下するが、検出周波数ＦＭは増加することとなる。図９に、検出用電極２０へのアースされた金属板６０の接近距離に対する検出周波数の変化の状態を示す。

この静電容量センサにおいては、検出部１０において上記したような信号処理を行い、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとの周波数差の絶対値を示す検出周波数ＦＭを得て、これを検出部１０から出力するようにしている。したがって、例えば第２の発振回路１６の固定された発振周波数ＦＫを、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近しない状態における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤと同一周波数に設定しておくと、検出周波数ＦＭは、アースされた金属板６０が検出用電極２０に接近していないときは０Ｈｚ近辺の周波数となり、金属板６０が検出用電極２０に接近することにより、検出周波数ＦＭがΔＦに増加することとなる。

図９に示したような検出周波数ＦＭの変化は、そのままでは検出信号として制御用に用いることは非常に難しい。そこで、図２に示すように、判別回路部１２のＦ／Ｖコンバータ回路３６により、検出周波数ＦＭの変化をアナログの電圧の変化に変換するようにしている（図１４〜図１６参照）。そして、Ｆ／Ｖコンバータ回路３６から出力される電圧信号をコンパレータ回路３８で所定の設定電圧と比較し、設定値以上の電圧の変化があったときに、被検出体の検出信号としてスイッチングさせデジタル信号として出力するなどしている。

次に、アースされた金属板が検出用電極２０に接近しない状態における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０の設定値と、第２の発振回路１６の固定された発振周波数ＦＫとの大小関係による検出周波数および出力電圧の変化について説明する。

最初に、アースされた金属板が検出用電極２０に接近していない待機状態においては、検出部１０から出力される検出周波数（ビート周波数）ＦＭ_０と、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０および第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫ（一定値）との関係は、ＦＭ_０＝ＦＤ_０−ＦＫ、ＦＫ＝ＦＤ_０−ＦＭ_０となる。次に、アースされた金属板が検出用電極２０に接近したときは、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤがＦＤ_０からΔＦだけ増加した周波数となり（ＦＤ＝ＦＤ_０＋ΔＦ）、検出周波数ＦＭと発振周波数ＦＤ、ＦＫとの関係は、ＦＭ＝ＦＤ−ＦＫ＝ＦＤ_０＋ΔＦ−ＦＫとなる。ＦＫ＝ＦＤ_０−ＦＭ_０であるから、ＦＭ＝ＦＤ_０＋ΔＦ−ＦＤ_０＋ＦＭ_０＝ＦＭ_０＋ΔＦとなる。

上記したように、アースされた金属板が検出用電極２０に接近するとＦＭ＝ＦＭ_０＋ΔＦとなることから、検出周波数ＦＭは、金属板が検出用電極２０に接近していない待機状態における検出周波数ＦＭ_０から検出周波数分だけプラス側に増加することが分かる。ところが、実際に発生している検出周波数（ビート周波数）ＦＭにはプラスやマイナスの波形が無く、絶対値の周波数が発生するだけである。したがって、アースされた金属板が検出用電極２０に接近する場合において、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０と第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫとが等しい（ＦＤ_０＝ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭがゼロからの変化となり、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫより低い（ＦＤ_０＜ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭはプラス側に変化し、一方、第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が第２の発振回路の発振周波数ＦＫより高い（ＦＤ_０＞ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭはマイナス側に変化することとなる。

すなわち、
１）ＦＤ_０＝ＦＫの場合、検出周波数ＦＭは、周波数ゼロの状態からアースされた金属板の接近に伴ってΔＦだけ増加した周波数となる。この条件における検出用電極２０に対する金属板の距離と検出周波数との関係を図１０に示す。
２）ＦＤ_０＜ＦＫ（ＦＤ_０−ＦＫ＝−２，０００Ｈｚ）の場合、検出周波数ＦＭは、待機状態のビート周波数ＦＤ_０とＦＫとの周波数差に相当する周波数からアースされた金属板の接近に伴ってΔＦだけ加算された周波数に増加する。この条件における検出用電極２０に対する金属板の距離と検出周波数との関係を図１１に示す。
３）ＦＤ_０＞ＦＫ（ＦＤ_０−ＦＫ＝２，０００Ｈｚ）の場合、検出周波数ＦＭは、周波数ＦＭ_０の状態からアースされた金属板の接近に伴ってΔＦだけ減算された周波数に減少した後、検出距離が約８．８ｍｍでＦＤ＝ＦＫとなると一旦ゼロとなり、さらに金属板が接近すると、検出周波数ＦＭは増加に転じることとなる。この条件における検出用電極２０に対する金属板の距離と検出周波数との関係を図１２に示す。

ＦＤ_０＞ＦＫの場合には、図１２から分かるように、アースされた金属板との各距離に対して検出周波数の値が１つだけにはならないため、金属板の検出信号を正常に出力することが難しい。この問題を避けるためには、金属板の接近していない待機状態における第１の発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０は、第２の発振回路１６の発振周波数ＦＫに対してＦＤ_０≦ＦＫとなるように設定することが望ましい。

一般的に、周波数の入力を電圧出力に変換するＦ／Ｖコンバータは、図１３に検出周波数と出力電圧との関係を示すように、入力周波数と出力電圧とが比例するように設計されている。図１０〜図１２に示した金属板との距離と検出周波数との関係を、金属板との距離とＦ／Ｖコンバータ回路３６の出力電圧との関係に変換したものを図１４〜図１６にそれぞれ示す。

以上、静電容量センサにおける処理動作や検出原理について説明したが、検出用電極２０への被検出体の接近に伴って検出用電極２０に発生する静電容量の値は、検出用電極２０と被検出体との間の距離に反比例する。このことは、検出用電極２０に被検出体が接近するのに連れて急激に静電容量が増加することを意味する。ところが、静電容量センサにおいて精密な検出点の設定や検出制御を簡易にするためには、使用検出距離範囲内において検出距離と検出出力とが可能な限り比例に近いスムーズでリニアな関係になることが望ましい。

検出用電極２０の大きさにもよるが、例えば、アースされた金属板と検出用電極２０との間の距離が１０ｍｍであるときに検出用電極２０に発生する静電容量が１ｐＦであったとすると、距離が１ｍｍだけ変化して９ｍｍとなったときに検出容量は１．１ｐＦとなり、距離の変化１ｍｍに対して容量は０．１ｐＦだけしか変化しない。一方、アースされた金属板が検出用電極２０に２ｍｍの距離まで接近したときに検出用電極２０に発生する静電容量は、５ｐＦと急激に大きくなり、その検出点からさらに距離が１ｍｍだけ変化して金属板が１ｍｍの距離まで接近したときに検出容量は１０ｐＦとなり、距離の変化１ｍｍに対して容量は５ｐＦも変化することになる。このように、同じ１ｍｍの距離の変化で、静電容量の変化率は約５０倍も大きくなる。図３に示すように、第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡに検出用電極２０を直接に接続した場合の、検出用電極２０へのアースされた金属板の接近距離と第１の発振回路１４への入力容量との関係曲線を図１８の実線Ｉに示す。

上記したような問題を解決して金属板との距離と第１の発振回路１４への入力容量との関係曲線をなだらかにするためには、図１７に示すように、第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡに、例えば容量５ｐＦのコンデンサＣＳを介して検出用電極２０を接続するように回路構成するとよい。この場合において、検出用電極２０によって検出される静電容量をΔＣとし、第１の発振回路１４に入力される静電容量をＣＤとすると、コンデンサの直列接続の計算式から、ＣＤ＝（５×ΔＣ）÷（５＋ΔＣ）となる。

したがって、上記した場合と同一の条件において、コンデンサＣＳに５ｐＦのものを用いたとき、第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡへの入力容量は、距離１０ｍｍにときに０．８３ｐＦ、距離９ｍｍのときに０．９０ｐＦと変化して、距離の変化１ｍｍに対して容量は０．０７ｐＦだけ変化する。一方、アースされた金属板が検出用電極２０により接近した場合における発振コンデンサＣＡへの入力容量の変化は、距離２ｍｍのときに２．５ｐＦ、距離１ｍｍのときに３．３３ｐＦとなり、距離の変化１ｍｍに対して容量は０．８３ｐＦだけ変化する。このように、同じ１ｍｍの距離の変化における静電容量の変化率は約１２倍となり、変化率が約１／４に改善される。第１の発振回路１４の発振コンデンサＣＡに容量５ｐＦのコンデンサＣＳを介して検出用電極２０を接続した場合の、検出用電極２０へのアースされた金属板の接近距離と第１の発振回路１４への入力容量との関係曲線を図１８の破線IIに示す。

この発明に係る静電容量センサは、半導体シリコンウエハや絶縁体であるプラスチック成形品からなる物体等の有無を検出したり、アースされた金属板が電極に接近するときに金属板と電極間に発生する静電容量を利用して金属板の接近を検知したり、収穫された穀物や肥料など、非金属製の物体が持つ比誘電率に比例して発生する静電容量を検出してそれらの有無を検出したりする場合など、産業機械、工業、農業などの分野において広く利用されるものである。

１０ 検出部
１２ 判別回路部
１４ 第１の発振回路
１６ 第２の発振回路
１８ ビート周波数検出回路部
２０ 検出用電極
２２、２４、４２ 結合コンデンサ
２６ 混合回路
２８ 検波回路
３０ 平滑回路
３２ 増幅回路
３４ 波形整形回路
３６ Ｆ／Ｖコンバータ回路
３８ コンパレータ回路
４０ パワー増幅回路
６０ アースされた金属板
ＣＡ 第１の発振回路の発振コンデンサ
ＣＳ コンデンサ

Claims (5)

1. 発振回路の一部に検出用電極を接続し、発振回路を用いて検出用電極に被検出体が接近することを検出する静電容量センサにおいて、
   検出用電極が一部に接続され、その検出用電極への被検出体の接近に伴って検出用電極に発生する静電容量に従って発振周波数が変化する第１の発振回路と、
   前記検出用電極への被検出体の接近の有無に関係なく発振周波数が固定された第２の発振回路と、
   前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数とを混合して、前記検出用電極への被検出体の接近に伴って変化する第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の固定された発振周波数との周波数差の絶対値を示すビート周波数を検出するビート周波数検出手段と、
   このビート周波数検出手段によって検出されたビート周波数の変化から前記検出用電極への被検出体の接近を判別する判別手段と、
   を備えたことを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記第１の発振回路に設けられた検出用電極は、第１の発振回路の一部とコンデンサを介して接続された請求項１に記載の静電容量センサ。
3. 前記第２の発振回路の回路方式は、前記第１の発振回路の回路方式と同一である請求項１または請求項２に記載の静電容量センサ。
4. 前記第１の発振回路および前記第２の発振回路がそれぞれ発生する各信号波の発振波形はそれぞれ正弦波である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量センサ。
5. 前記検出用電極に被検出体が接近しない状態における前記第１の発振回路の発振周波数は、前記第２の発振回路の固定された発振周波数と同一またはそれより低い発振周波数に設定された請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静電容量センサ。

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