JP2017134010A - Electrostatic capacitance sensor - Google Patents

Electrostatic capacitance sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2017134010A
JP2017134010A JP2016015921A JP2016015921A JP2017134010A JP 2017134010 A JP2017134010 A JP 2017134010A JP 2016015921 A JP2016015921 A JP 2016015921A JP 2016015921 A JP2016015921 A JP 2016015921A JP 2017134010 A JP2017134010 A JP 2017134010A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
electrode
phase
reception
capacitance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016015921A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6650281B2 (en
Inventor
明 霜越
Akira Shimokoshi
明 霜越
馨 藤野
Kaoru Fujino
馨 藤野
徹 柳澤
Toru Yanagisawa
徹 柳澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Sensor Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Sensor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Sensor Co Ltd filed Critical Tokyo Sensor Co Ltd
Priority to JP2016015921A priority Critical patent/JP6650281B2/en
Publication of JP2017134010A publication Critical patent/JP2017134010A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6650281B2 publication Critical patent/JP6650281B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic capacitance sensor that can suppress a temperature drift of an output signal, and has high resolution power.SOLUTION: An electrostatic capacitance sensor includes: a first and second charge amplifiers 5A and 5B that amplify a first reception electrode 4A, a second reception electrode 4B, and a reception signal; a first integration circuit 7A that integrates a signal form an oscillator 2A; an inversion amplifier 12A that inverts a phase of an AC signal; a second integration circuit 7B that integrates the AC signal having the phase inverted; a first synthesis unit 15A that synthesizes the first charger amplification 5A and an output of the first integration circuit 7A; a second synthesis unit 15B that synthesizes the second charger amplification 5B and an output of the second integration circuit 7B; a wave detector 9A that outputs s signal of an exclusive negative sum of a first synthesis signal synthesized by the first synthesis unit 15A and the second synthesis signal synthesized by the second synthesis unit 15B; and a phase detection unit 10 that counts a detection signal by the number of the AC signals from the oscillator 13, and outputs the counted detection signal as a detection signal of a detected area where an object O exists.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、物体の位置を検出する静電容量センサに関するものであり、詳しくは、送受信電極部のもつインピーダンスの影響を受けることがなく、出力信号の温度ドリフトを抑えることが可能で、高い分解能を備えた静電容量センサに関するものである。   The present invention relates to a capacitance sensor that detects the position of an object. Specifically, it is possible to suppress temperature drift of an output signal without being affected by impedance of a transmission / reception electrode section, and to achieve high resolution. It is related with the electrostatic capacitance sensor provided with.

物体の位置を検出する用途に用いる静電容量を利用した検出手段、すなわち、静電容量センサとして、例えば物体の接近による静電容量の変化を検出する近接センサが多数提案されている。   A number of proximity sensors that detect changes in capacitance due to the approach of an object have been proposed as detection means using capacitance used for detecting the position of an object, that is, a capacitance sensor.

特許文献1には、図10に示すような近接センサ51が提案されている。   Patent Document 1 proposes a proximity sensor 51 as shown in FIG.

この近接センサ51は、交流信号発生源52と、交流信号発生源52とバッファ56Aを介して接続された送信電極(アンテナ)53と、第1の受信電極(アンテナ)54Aと、第1の受信電極54Aと同じ温度特性を有する第2の受信電極(アンテナ)54Bと、前記送信電極53と第1の受信電極54Aとの間に設けられた第1の移相部と、前記送信電極53と第2の受信電極54Bとの間に設けられた第2の移相部と、前記送信電極53と第2の受信電極54Bとの間に設けられた信号移相部62と、第1の移相部で移相された信号と第1の受信電極54Aで受信した信号とを合成する第1の合成部と、第2の移相部及び信号移相部で移相された信号と第2の受信電極54Bで受信した信号とを合成する第2の合成部と、LPF(ローパスフィルタ)60とを有している。   The proximity sensor 51 includes an AC signal generation source 52, a transmission electrode (antenna) 53 connected to the AC signal generation source 52 via a buffer 56A, a first reception electrode (antenna) 54A, and a first reception. A second receiving electrode (antenna) 54B having the same temperature characteristics as the electrode 54A, a first phase shifter provided between the transmitting electrode 53 and the first receiving electrode 54A, the transmitting electrode 53, A second phase shift portion provided between the second reception electrode 54B, a signal phase shift portion 62 provided between the transmission electrode 53 and the second reception electrode 54B, and a first phase shift portion. A first synthesizing unit that synthesizes the phase-shifted signal and the signal received by the first receiving electrode 54A, and the second phase-shifting unit and the signal phase-shifted by the signal phase-shifting unit and the second A second synthesizing unit that synthesizes the signal received by the receiving electrode 54 </ b> B, and LPF (low And a pass filter) 60.

前記第1の移相部は、抵抗57A及びコンデンサ55Aにより構成されるローパスフィルタとして機能する。前記第2の移相部は、抵抗57B及びコンデンサ55Bにより構成されるローパスフィルタとして機能する。   The first phase shift unit functions as a low-pass filter including a resistor 57A and a capacitor 55A. The second phase shift unit functions as a low-pass filter including a resistor 57B and a capacitor 55B.

前記信号位相部62は例えばインバータにより構成する。   The signal phase unit 62 is constituted by an inverter, for example.

前記第1の合成部にはコンパレータ58Aが付加され、前記第2の合成部にはコンバレータ58Bが付加され、前記位相検出部59Aは例えばEXOR素子で構成されている。   A comparator 58A is added to the first synthesis unit, a comparator 58B is added to the second synthesis unit, and the phase detection unit 59A is composed of, for example, an EXOR element.

図10において、物体Oは、被検出領域内で移動する、例えば、人間の指等の適度な誘電率を持つ被検出物体である。   In FIG. 10, an object O is a detected object having an appropriate dielectric constant such as a human finger that moves within the detected area.

次に、前記近接センサ51の動作について説明する。   Next, the operation of the proximity sensor 51 will be described.

第1の受信電極54Aで受信する受信信号Eb1、第2の受信電極54Bで受信する受信信号Eb2は、物体Oの有無により、その振幅が変化する。
以下の説明では、物体Oが近接センサ51から遠く離れた状態(近接していない状態)を第1の状態とする。また、物体Oが近接センサ51に近接した状態を第2の状態とする。
The amplitudes of the reception signal Eb1 received by the first reception electrode 54A and the reception signal Eb2 received by the second reception electrode 54B change depending on the presence or absence of the object O.
In the following description, a state in which the object O is far from the proximity sensor 51 (a state in which the object O is not in proximity) is referred to as a first state. The state in which the object O is close to the proximity sensor 51 is referred to as a second state.

第1の受信電極54Aの受信信号Eb1は、第1の状態における、小さな振幅を持つ矩形波である。   The reception signal Eb1 of the first reception electrode 54A is a rectangular wave having a small amplitude in the first state.

また、第2の受信電極54Bの受信信号Eb2は、第1の状態と比較して振幅が増加した第2の状態の矩形波である。
矩形波である発振信号Eaは、抵抗57A及びコンデンサ55Aで構成される。
ローパスフィルタとして機能する第1の移相部により変形され、小さな振幅の三角波信号LPF(Ea)となる。
Further, the reception signal Eb2 of the second reception electrode 54B is a rectangular wave in the second state with an amplitude increased as compared with the first state.
The oscillation signal Ea which is a rectangular wave is composed of a resistor 57A and a capacitor 55A.
It is deformed by the first phase shifter functioning as a low-pass filter, and becomes a triangular wave signal LPF (Ea) having a small amplitude.

三角波信号LPF(Ea)は、破線で示す中間電位を中心に再度2値化することにより発振信号Eaから90°位相の遅れた矩形波信号DLPF(Ea)となる(図示せず)。   The triangular wave signal LPF (Ea) is converted into a rectangular wave signal DLPF (Ea) that is delayed by 90 ° from the oscillation signal Ea by being binarized again around the intermediate potential indicated by the broken line (not shown).

この例では、抵抗57Aとコンデンサ55Aとの値を位相の遅れが90°となるように設定している。   In this example, the values of the resistor 57A and the capacitor 55A are set so that the phase delay is 90 °.

第1の状態では、第1の受信電極54Aと、抵抗57Aとコンデンサ55Aの接続点において、受信信号Eb1と三角波信号LPF(Ea)は合成され、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))が生成される。   In the first state, the reception signal Eb1 and the triangular wave signal LPF (Ea) are combined at the connection point of the first reception electrode 54A, the resistor 57A, and the capacitor 55A, and the combined signal D1 (Eb1 + LPF (Ea) in the first state is combined. )) Is generated.

第2の状態では、第1の受信電極54Aと、抵抗57Aとコンデンサ55Aの接続点において、受信信号Eb2と三角波信号LPF(Ea)は合成され、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))が生成される。   In the second state, the reception signal Eb2 and the triangular wave signal LPF (Ea) are combined at the connection point of the first reception electrode 54A, the resistor 57A and the capacitor 55A, and the combined signal D2 (Eb2 + LPF (Ea) in the second state is combined. )) Is generated.

図11において、F1、F2は再2値化信号である。   In FIG. 11, F1 and F2 are re-binarized signals.

前記再2値化信号F1は、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))をコンパレータ58Aにより、破線で示す中間電位を基準として、再度2値化した信号である。   The re-binarized signal F1 is a signal obtained by binarizing the synthesized signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)) in the first state again with the comparator 58A using the intermediate potential indicated by the broken line as a reference.

前記再2値化信号F2は、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))をコンパレータ58Aにより、破線で示す中間電位を基準として、再度2値化した信号である。   The re-binarized signal F2 is a signal obtained by binarizing the composite signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the second state again with the comparator 58A using the intermediate potential indicated by the broken line as a reference.

図11に示すように、再2値化信号F2は、再2値化信号F1に対して、位相が、P1だけ、僅かに進むことになる。   As shown in FIG. 11, the phase of the re-binarized signal F2 slightly advances by P1 with respect to the re-binarized signal F1.

再2値化信号F1と、再2値化信号F2の位相の違いP1は、物体Oの近接の度合いに相関する検出量である。   The phase difference P1 between the re-binarized signal F1 and the re-binarized signal F2 is a detection amount that correlates with the degree of proximity of the object O.

図12においては、発振信号Eaを180度移相することにより反転発振信号Ea’を生成してこれを前記発振信号Eaの代わりに用いた場合の各部の波形を示しており、この場合は、再2値化信号F2’は、再2値化信号F1’に対して、位相がP2だけ、僅かに遅れることになる。   FIG. 12 shows the waveforms of the respective parts when the inverted oscillation signal Ea ′ is generated by shifting the oscillation signal Ea by 180 degrees and used in place of the oscillation signal Ea. The re-binarized signal F2 ′ is slightly delayed in phase by P2 from the re-binarized signal F1 ′.

再2値化信号F1’と再2値化信号F2’の位相の違いP2は、物体Oの近接の度合いに相関する検出量であり、既述した位相の違いP1と逆向きである。
図13には、各々移相方向が反対になった、再2値化信号F1及びF2と、再2値化反転信号F1’及び再2値化反転信号F2’から直流電圧を得る仕組みが示されている。
図13の最上段には、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))及びこれを二値化した再2値化信号F1を示し、次段には、第1の状態の反転合成信号D1’(Eb1+LPF(Ea’))及びこれを2値化した再2値化反転信号F1’を示している。
The phase difference P2 between the re-binarized signal F1 ′ and the re-binarized signal F2 ′ is a detection amount that correlates with the degree of proximity of the object O, and is opposite to the phase difference P1 described above.
FIG. 13 shows a mechanism for obtaining a DC voltage from the re-binarized signals F1 and F2, the re-binarized inverted signal F1 ′, and the re-binarized inverted signal F2 ′, each of which has the opposite phase shift direction. Has been.
The uppermost stage of FIG. 13 shows the synthesized signal D1 in the first state (Eb1 + LPF (Ea)) and the re-binarized signal F1 obtained by binarizing it, and the next stage shows the inverted synthesis of the first state. A signal D1 ′ (Eb1 + LPF (Ea ′)) and a re-binarized inverted signal F1 ′ obtained by binarizing the signal D1 ′ are shown.

前記パルス信号G1は、第1の状態において、コンパレータ58Aから出力される再2値化信号F1及びコンパレータ58Bから出力される再2値化反転信号F1’に基づいて、位相検出部(検波器)59Aから出力される信号である。   In the first state, the pulse signal G1 is based on the re-binarized signal F1 output from the comparator 58A and the re-binarized inverted signal F1 ′ output from the comparator 58B, and a phase detector (detector). This is a signal output from 59A.

前記パルス信号G1は、再2値化信号F1及び再2値化反転信号F1‘が互いに一致する部分において、パルス幅P3を持つパルスが発生するように生成される。   The pulse signal G1 is generated such that a pulse having a pulse width P3 is generated in a portion where the re-binarized signal F1 and the re-binarized inverted signal F1 ′ coincide with each other.

すなわち、パルス信号G1は、再2値化信号F1及び再2値化反転信号F1’を位相検出部59AによりEXOR演算した結果に相当する。   That is, the pulse signal G1 corresponds to a result of performing an EXOR operation on the re-binarized signal F1 and the re-binarized inverted signal F1 'by the phase detection unit 59A.

図13において、パルス信号G1の次段には、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))及びこれを二値化した再2値化信号F2を示し、その次段には、第2の状態の反転合成信号D2’(Eb2+LPF(Ea’))及びこれを2値化した再2値化反転信号F2’を示している。   In FIG. 13, the next stage of the pulse signal G1 shows the synthesized signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the second state and the binarized signal F2 obtained by binarizing the synthesized signal D2. Inverted composite signal D2 ′ (Eb2 + LPF (Ea ′)) in state 2 and re-binarized inverted signal F2 ′ obtained by binarizing this signal are shown.

更に、その次段に示すパルス信号G2は、第2の状態において、コンパレータ58Aから出力される再2値化信号F2及びコンパレータ58Bから出力される再2値化反転信号F2’に基づいて、位相検出部59Aから出力される信号である。   Further, in the second state, the pulse signal G2 shown in the next stage is based on the re-binarized signal F2 output from the comparator 58A and the re-binarized inverted signal F2 ′ output from the comparator 58B. This is a signal output from the detector 59A.

パルス信号G2は、再2値化信号F2及び再2値化反転信号F2’が互いに一致する部分において、パルス幅P4を持つパルスが発生するように生成されている。   The pulse signal G2 is generated so that a pulse having a pulse width P4 is generated at a portion where the re-binarized signal F2 and the re-binarized inverted signal F2 'coincide with each other.

すなわち、パルス信号G2は、再2値化信号F2及び再2値化反転信号F2’を位相検出部59AによりEXOR演算した結果に相当する。   That is, the pulse signal G2 corresponds to a result of performing an EXOR operation on the re-binarized signal F2 and the re-binarized inverted signal F2 'by the phase detection unit 59A.

受信信号Eb2の振幅は受信信号Eb1の振幅より大きいので、各々の矩形波信号が反対方向に移相する量が増加して、互いに信号が一致しない部分が増加する。   Since the amplitude of the reception signal Eb2 is larger than the amplitude of the reception signal Eb1, the amount by which each rectangular wave signal shifts in the opposite direction increases, and the portions where the signals do not match each other increase.

したがって、パルス幅P4は、パルス幅P3と比較して、幅が広いパルスとなっている。
前記パルス信号G1及びパルス信号G2の論理演算結果は、LPF60により平滑化され、パルス幅P3及びP4等に比例した直流電圧に変換され、出力端子61から出力される。
Therefore, the pulse width P4 is a pulse having a wider width than the pulse width P3.
The logical operation results of the pulse signal G1 and the pulse signal G2 are smoothed by the LPF 60, converted into a DC voltage proportional to the pulse widths P3, P4, etc., and output from the output terminal 61.

国際公開第2013/058332号公報International Publication No. 2013/058332

上述した従来における技術では、以下のような問題がある。   The conventional techniques described above have the following problems.

すなわち、送信電極53、第1の受信電極54A及び第2の受信電極54Bは、一般に物体Oの性質及びその取付け部の形状により様々なバリエーションが予想される。   That is, the transmission electrode 53, the first reception electrode 54A, and the second reception electrode 54B are generally expected to have various variations depending on the nature of the object O and the shape of its mounting portion.

このために、送信電極53、第1の受信電極54A及び第2の受信電極54Bは、その形状や大きさにより異なる容量を持つことになる。   For this reason, the transmission electrode 53, the first reception electrode 54A, and the second reception electrode 54B have different capacities depending on their shapes and sizes.

本願発明者らの実験によると前記各電極の静電容量に関しては、数pfから数百pfに亘って異なるものに対処しなければならず、前記抵抗57A及び57B等の値は電極部の設計に依存してその都度変更しなければならない。   According to the experiments by the inventors of the present application, the capacitance of each electrode must be different from several pf to several hundred pf, and the values of the resistors 57A and 57B are the design of the electrode section. It must be changed each time depending on.

このことは、検出回路を異なる電極部に対してその都度用意しなければならないことを意味する。これでは汎用的な検出回路とすることが困難である。   This means that a detection circuit must be prepared for each different electrode part. This makes it difficult to obtain a general-purpose detection circuit.

また、検出する静電容量値は、数pFを分解能とする非常に小さな値であり、この回路で検出するパルスを平滑化して電圧に変換した場合、回路系の電源の温度変化を反映したドリフトを無視することができず、これを解決するには、現実には存在しないレベルの電圧に温度変化のない理想的電源回路を用いなければならないことになり、また、アナログ回路のダイナミックレンジの制限からSN比を向上させる手段には限界が伴う。   The capacitance value to be detected is a very small value with a resolution of several pF, and when the pulse detected by this circuit is smoothed and converted to a voltage, a drift that reflects the temperature change of the power supply of the circuit system is reflected. In order to solve this problem, it is necessary to use an ideal power supply circuit that does not change in temperature at a voltage level that does not exist in reality, and the dynamic range of analog circuits is limited. Therefore, there is a limit to the means for improving the SN ratio.

本発明は、上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、送受信電極部のもつインピーダンスの影響を受けることがなく、出力信号の温度ドリフトを抑えることが可能であり、高い分解能を備えた高性能な静電容量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 the above-described conventional circumstances, is not affected by the impedance of the transmission / reception electrode section, can suppress the temperature drift of the output signal, and has high resolution. An object is to provide a high-performance capacitive sensor.

本発明に係る静電容量センサは、交流信号を発生する第1の交流信号発生源と、該交流信号発生源と接続され、物体に送信信号を放射する送信電極と、前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第1の受信電極と、第1の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第1の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第1のチャージアンプと、前記第1の受信電極と同じ形状及び特性を有し、前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第2の受信電極と、前記第2の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第2の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第2のチャージアンプと、前記第1の交流信号発生源からの信号を積分する第1の積分回路と、前記第1の交流信号発生源と第2の積分回路との間に設けられた交流信号の位相を反転する信号移相部と、前記位相を反転された交流信号を積分する第2の積分回路と、前記第1のチャージアンプと前記第1の積分回路の出力とを合成する第1の合成部と、前記第2のチャージアンプと前記第2の積分回路の出力とを合成する第2の合成部と、前記第1の合成部で合成された第1の合成信号と前記第2の合成部で合成された第2の合成信号とを入力し、第1、第2の合成信号の排他的否定和の信号を出力する検波器と、第1の交流信号発生源の交流信号と異なる周波数の交流信号を発生する第2の交流信号発生源と、前記検波器からの信号を入力し、前記検波器からの信号がアクティブの時の値を第2の交流信号発生源からの交流信号の数で計数し、前記物体の存在する被検出領域の検出信号として出力する位相検出部と、を有することを最も主要な特徴とする。   A capacitance sensor according to the present invention includes a first AC signal generation source that generates an AC signal, a transmission electrode that is connected to the AC signal generation source and radiates a transmission signal to the object, and a capacitance of the object. First reception electrode for receiving a reception signal corresponding to the first reception amplifier, and a first charge amplifier for amplifying a signal received by the first reception electrode without being affected by parasitic capacitance of the transmission electrode and the first reception electrode A second receiving electrode that has the same shape and characteristics as the first receiving electrode, receives a received signal corresponding to the capacitance of the object, and receives a signal received by the second receiving electrode. A second charge amplifier that amplifies the signal without being affected by parasitic capacitances of the transmission electrode and the second reception electrode; a first integration circuit that integrates a signal from the first AC signal generation source; Between the AC signal source and the second integrating circuit A signal phase shifter for inverting the phase of the AC signal, a second integration circuit for integrating the AC signal whose phase has been inverted, and outputs of the first charge amplifier and the first integration circuit. A first synthesis unit to synthesize, a second synthesis unit to synthesize the second charge amplifier and the output of the second integration circuit, and a first synthesized signal synthesized by the first synthesis unit; And a second synthesized signal synthesized by the second synthesizing unit, a detector for outputting an exclusive negative sum of the first and second synthesized signals, and a first AC signal generation source A second AC signal generation source that generates an AC signal having a frequency different from that of the AC signal and a signal from the detector are input, and a value when the signal from the detector is active is generated as a second AC signal. Counted by the number of AC signals from the source, as a detection signal of the detection area where the object exists And most important, comprising a phase detector for force, the.

請求項1記載の発明によれば、第1、第2のチャージアンプの構成により送受信電極部のもつインピーダンスの影響を無くし、位相検出部の構成により出力信号の温度ドリフトを抑えることが可能である高性能な静電容量センサを実現し提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, it is possible to eliminate the influence of the impedance of the transmission / reception electrode unit by the configuration of the first and second charge amplifiers, and to suppress the temperature drift of the output signal by the configuration of the phase detection unit. A high-performance capacitive sensor can be realized and provided.

請求項2記載の発明によれば、第1のチャージアンプの構成により送受信電極部のもつインピーダンスの影響を無くし、位相検出部の構成により出力信号の温度ドリフトを抑えることが可能である高性能な静電容量センサを実現し提供することができる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to eliminate the influence of the impedance of the transmission / reception electrode unit by the configuration of the first charge amplifier, and to suppress the temperature drift of the output signal by the configuration of the phase detection unit. A capacitance sensor can be realized and provided.

請求項3記載の発明によれば、第1の受信電極と第2の受信電極を、フレキシブルフラットコード形態で、同等の温度特性を有する対をなす2個の電線により構成したことにより、請求項1に記載の発明の効果を奏し、かつ、第1の受信電極、第2の受信電極を検出対象物体の形状に対応した形状とすることが容易であり、更に、第1の受信電極、第2の受信電極の検出特性の均等化により検出信号の分解能向上に寄与し得る高性能な静電容量センサを実現し提供することができる。   According to the invention described in claim 3, the first receiving electrode and the second receiving electrode are constituted by two electric wires forming a pair having the same temperature characteristic in the form of a flexible flat cord. 1 and the first receiving electrode and the second receiving electrode can be easily formed in a shape corresponding to the shape of the object to be detected. Further, the first receiving electrode, It is possible to realize and provide a high-performance capacitive sensor that can contribute to improvement in resolution of the detection signal by equalizing the detection characteristics of the two receiving electrodes.

請求項4記載の発明によれば、前記請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、疑似的な移動平均を行う移動平均手段を採用することにより、回路規模の小規模化、検出信号の分解能向上をも図ることができる高性能な静電容量センサを実現し提供することができる。   According to the invention of claim 4, in the invention of any one of claims 1 to 3, the circuit scale can be reduced by employing moving average means for performing pseudo moving average, It is possible to realize and provide a high-performance capacitive sensor capable of improving the resolution of the detection signal.

請求項5記載の発明によれば、前記請求項2に記載の発明において、第1の受信電極は、フレキシブルフラットコード形態の電線としたことにより、請求項2に記載の発明と同様な効果を奏し、かつ、第1の受信電極を検出対象物体の形状に対応した形状とすることが容易な高性能な静電容量センサを実現し提供することができる。   According to the invention of claim 5, in the invention of claim 2, the first receiving electrode is an electric wire in the form of a flexible flat cord, so that the same effect as that of the invention of claim 2 can be obtained. It is possible to realize and provide a high-performance capacitive sensor that is easy to play and can easily form the first receiving electrode in a shape corresponding to the shape of the detection target object.

図1は本発明の実施例1に係る静電容量センサの一例である近接センサの構成を示す概略回路図である。FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a configuration of a proximity sensor which is an example of a capacitance sensor according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は本実施例1に係る近接センサの動作を説明する波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the operation of the proximity sensor according to the first embodiment. 図2は本実施例1に係る近接センサの別の動作を説明する波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram illustrating another operation of the proximity sensor according to the first embodiment. 図2は本実施例1に係る近接センサの更に別の動作を説明する波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram illustrating still another operation of the proximity sensor according to the first embodiment. 図5は本実施例1に係る近接センサにおけるチャージアンプの構成を模式的に示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram schematically illustrating the configuration of the charge amplifier in the proximity sensor according to the first embodiment. 図6は図5に示すチャージアンプの等価的に変換したチャージアンプの構成を模式的に示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram schematically showing the structure of the charge amplifier converted equivalently to the charge amplifier shown in FIG. 図7は本実施例1に係る近接センサにおける積分回路の構成を模式的に示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram schematically illustrating a configuration of an integration circuit in the proximity sensor according to the first embodiment. 図8は本実施例1におけるゲート信号及び発信信号の論理演算結果である信号をカウントする方法を説明するための波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram for explaining a method of counting signals that are logical operation results of the gate signal and the transmission signal in the first embodiment. 図9は本発明の実施例2に係る近接センサの構成を示す概略回路図である。FIG. 9 is a schematic circuit diagram showing the configuration of the proximity sensor according to Embodiment 2 of the present invention. 図10は従来の近接センサの構成を示す概略回路図である。FIG. 10 is a schematic circuit diagram showing the configuration of a conventional proximity sensor. 図11は従来の近接センサの動作を説明する波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram for explaining the operation of a conventional proximity sensor. 図12は従来の近接センサの別の動作を説明する波形図である。FIG. 12 is a waveform diagram for explaining another operation of the conventional proximity sensor. 図13は従来の近接センサの更に別の動作を説明する波形図である。FIG. 13 is a waveform diagram for explaining still another operation of the conventional proximity sensor.

本発明は、送受信電極部のもつインピーダンスの影響を受けることがなく、出力信号の温度ドリフトを抑えることが可能であり、高い分解能を備えた高性能な静電容量センサを提供するという目的を、交流信号を発生する第1の交流信号発生源と、該交流信号発生源と接続され、物体に送信信号を放射する送信電極と、前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第1の受信電極と、第1の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第1の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第1のチャージアンプと、前記第1の受信電極と同じ形状及び特性を有し、前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第2の受信電極と、前記第2の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第2の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第2のチャージアンプと、前記第1の交流信号発生源からの信号を積分する第1の積分回路と、前記第1の交流信号発生源と第2の積分回路との間に設けられた交流信号の位相を反転する信号移相部と、前記位相を反転された交流信号を積分する第2の積分回路と、前記第1のチャージアンプと前記第1の積分回路の出力とを合成する第1の合成部と、前記第2のチャージアンプと前記第2の積分回路の出力とを合成する第2の合成部と、前記第1の合成部で合成された第1の合成信号と前記第2の合成部で合成された第2の合成信号とを入力し、第1、第2の合成信号の排他的否定和の信号を出力する検波器と、第1の交流信号発生源の交流信号と異なる周期の交流信号を発生する第2の交流信号発生源と、前記検波器からの信号を入力し、前記検波器からの信号がアクティブの時の値を第2の交流信号発生源からの交流信号の数で計数し、前記物体の存在する被検出領域の検出信号として出力するとともに、前記移動平均手段を備える位相検出部と、を有する構成により実現した。   The object of the present invention is to provide a high-performance capacitive sensor with high resolution, which is capable of suppressing temperature drift of the output signal without being affected by the impedance of the transmission / reception electrode section. A first AC signal generation source that generates an AC signal, a transmission electrode that is connected to the AC signal generation source and radiates a transmission signal to the object, and a first signal that receives a reception signal corresponding to the capacitance of the object Receiving electrode, a first charge amplifier that amplifies a signal received by the first receiving electrode without being affected by parasitic capacitance of the transmitting electrode, the first receiving electrode, and the same as the first receiving electrode A second receiving electrode having a shape and characteristics and receiving a received signal corresponding to the capacitance of the object; and a signal received by the second receiving electrode is parasitic on the transmitting electrode and the second receiving electrode. Being affected by capacity A second charge amplifier for amplifying, a first integration circuit for integrating a signal from the first AC signal generation source, and a first integration circuit provided between the first AC signal generation source and the second integration circuit. A signal phase shifter that inverts the phase of the alternating current signal, a second integrating circuit that integrates the alternating current signal that has been inverted in phase, and outputs of the first charge amplifier and the first integrating circuit. A first synthesis unit to synthesize, a second synthesis unit to synthesize the second charge amplifier and the output of the second integration circuit, and a first synthesized signal synthesized by the first synthesis unit; And a second synthesized signal synthesized by the second synthesizing unit, a detector for outputting an exclusive negative sum of the first and second synthesized signals, and a first AC signal generation source A second AC signal generation source for generating an AC signal having a different period from the AC signal of the detector, and from the detector And the value when the signal from the detector is active is counted by the number of AC signals from the second AC signal generation source, and is output as a detection signal of the detection area where the object exists And a phase detector provided with the moving average means.

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る静電容量センサについて説明する。   Hereinafter, a capacitance sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施例1)
図1は、本実施例1に係る静電容量センサである近接センサ1の構成を示す概略回路図である。
Example 1
FIG. 1 is a schematic circuit diagram illustrating a configuration of a proximity sensor 1 that is a capacitance sensor according to the first embodiment.

図1に示すように、前記近接センサ1は、第1の交流信号発生源である発振器2Aと、バッファ(増幅器)6Aと、送信電極(アンテナ)3とを有し、発振器2Aで生成した交流信号をバッファ6Aにより充分なエネルギーにして送信電極3に供給し、発振信号Eaを被検出領域へ放射するように構成している。   As shown in FIG. 1, the proximity sensor 1 includes an oscillator 2A that is a first AC signal generation source, a buffer (amplifier) 6A, and a transmission electrode (antenna) 3, and an AC generated by the oscillator 2A. The signal is supplied to the transmission electrode 3 with sufficient energy by the buffer 6A, and the oscillation signal Ea is radiated to the detection region.

前記発振器2Aは、第1の交流信号発生源であり、例えば水晶振動子を用いて構成するが、本実施例1においては本回路を外部から制御する図示しないCPUから交流信号を供給するものとしている。   The oscillator 2A is a first AC signal generation source and is configured by using, for example, a crystal resonator. In the first embodiment, an AC signal is supplied from a CPU (not shown) that controls the circuit from the outside. Yes.

前記送信電極3から放射される発信信号Eaの周波数及び強度の安定性は、近接センサ1の出力の安定性を左右する。特に前記発振信号Eaは、後述する位相検出部10に使用する第2の交流信号発生源である発振器13の発信信号の周期以上の波長の変化があってはならない。   The stability of the frequency and intensity of the transmission signal Ea radiated from the transmission electrode 3 affects the stability of the output of the proximity sensor 1. In particular, the oscillation signal Ea should not have a wavelength change longer than the period of the transmission signal of the oscillator 13 which is the second AC signal generation source used in the phase detector 10 described later.

前記近接センサ1は、被検出領域からの受信信号Ebを受信する第1の受信電極(アンテナ)4Aと、前記受信信号Ebを増幅する増幅器である第1のチャージアンプ5Aと、を有している。   The proximity sensor 1 includes a first reception electrode (antenna) 4A that receives a reception signal Eb from a detection area, and a first charge amplifier 5A that is an amplifier that amplifies the reception signal Eb. Yes.

同様に、前記近接センサ1は、被検出領域からの受信信号Ebを受信する第2の受信電極(アンテナ)4Bと、前記受信信号Ebを増幅する増幅器である第2のチャージアンプ5Bと、を有している。   Similarly, the proximity sensor 1 includes a second reception electrode (antenna) 4B that receives the reception signal Eb from the detection region, and a second charge amplifier 5B that is an amplifier that amplifies the reception signal Eb. Have.

更に、前記近接センサ1は、前記発振器2Aからの発振信号を積分する第1の積分回路7Aと、前記発振器2Aからの発振信号を反転増幅し後述する検波器9Aで検波を行う参照信号を生成するための反転増幅器12Aと、この反転増幅器12Aの出力信号を積分する第2の積分回路7Bと、を有している。   Further, the proximity sensor 1 generates a first integration circuit 7A that integrates the oscillation signal from the oscillator 2A, and a reference signal that inverts and amplifies the oscillation signal from the oscillator 2A and detects by the detector 9A described later. And a second integrating circuit 7B for integrating the output signal of the inverting amplifier 12A.

図1に示す近接センサ1では、発振器2Aからの交流信号を第1の積分回路7Aにより積分して三角波を生成するが、この三角波の振幅と第1の受信電極4Aからの入力信号の振幅との比率は増幅率を決定する。前記第2の積分回路7Bに関しても同様である。   In the proximity sensor 1 shown in FIG. 1, the AC signal from the oscillator 2A is integrated by the first integrating circuit 7A to generate a triangular wave. The amplitude of this triangular wave and the amplitude of the input signal from the first receiving electrode 4A The ratio determines the amplification factor. The same applies to the second integration circuit 7B.

本願発明者の実験の結果、これらを同程度とすることがSN比向上に最適であることが判明した。   As a result of the inventor's experiment, it has been found that it is optimal to improve the S / N ratio to the same level.

なお、本実施例1においては、三角波をデューティー50%でコンパレートすると、コンパレートされた矩形波信号の位相は、第1の交流信号発生源である前記発振器2Aが生成する矩形波信号の位相を90°遅らせたものとなることを仮定しておく。   In the first embodiment, when the triangular wave is compared at a duty of 50%, the phase of the compared rectangular wave signal is the phase of the rectangular wave signal generated by the oscillator 2A that is the first AC signal generation source. Is assumed to be delayed by 90 °.

前記近接センサ1は、更に前記第1のチャージアンプ5A、及び、第1の積分回路7Aの各出力信号を合成する第1の合成器15Aと、コンパレータ8Aと、前記第2のチャージアンプ5B、及び、第2の積分回路7Bの各出力信号を合成する第2の合成器15Bと、コンパレータ8Bと、前記コンパレータ8A、8Bの出力信号を検波する検波器9Aと、この検波器9Aの出力信号を時間軸方向に検出(計数)する位相検出部10と、この位相検出部10に交流信号である発信信号を供給する第2の交流信号発生源としての発振器13と、出力端子11を有している。   The proximity sensor 1 further includes a first synthesizer 15A that synthesizes each output signal of the first charge amplifier 5A and the first integration circuit 7A, a comparator 8A, and the second charge amplifier 5B. And a second synthesizer 15B for synthesizing the respective output signals of the second integration circuit 7B, a comparator 8B, a detector 9A for detecting the output signals of the comparators 8A and 8B, and an output signal of the detector 9A. A phase detector 10 for detecting (counting) the signal in the time axis direction, an oscillator 13 as a second AC signal generating source for supplying a transmission signal that is an AC signal to the phase detector 10, and an output terminal 11 ing.

前記コンパレータ8A、8Bは、各々第1、第2の合成器15A、15Bの出力信号を各々2値化し参照信号として検波器9Aに供給する。   The comparators 8A and 8B binarize the output signals of the first and second combiners 15A and 15B, respectively, and supply them to the detector 9A as reference signals.

前記第1の受信電極4Aと第2の受信電極4Bは、それぞれ同じ温度特性を有するように設定している。   The first receiving electrode 4A and the second receiving electrode 4B are set to have the same temperature characteristics.

また、前記第1の受信電極4Aと第2の受信電極4Bは、例えば、形状変更、加工が容易なVFF(ビニルフレキシブルフラット)コードを用いて構成するとともに、対をなし、同じ長さを有して平行に配置された直線状の電極、又は同心円状に配置されたリング状の電極等に構成している。なお、信号を増強するために容量を増加させたい場合は、アルペット板を矩形に切り抜いたものを重ね、又はこれらを曲げたものを用いて構成してもよい。   Further, the first receiving electrode 4A and the second receiving electrode 4B are configured using, for example, a VFF (vinyl flexible flat) cord that can be easily changed in shape and processed, paired, and have the same length. Thus, it is configured as a linear electrode arranged in parallel or a ring-shaped electrode arranged concentrically. In addition, when it is desired to increase the capacity in order to enhance the signal, it may be configured by using a product obtained by superposing or cutting the alpet plates in a rectangular shape.

このような前記第1の受信電極4A、第2の受信電極4Bの構成により、第1の受信電極4A、第2の受信電極4Bを物体Oの形状に対応した形状とすることが容易であり、更に、これらの検出特性の均等化により検出信号の分解能向上に寄与することが可能となる。   With the configuration of the first receiving electrode 4A and the second receiving electrode 4B, it is easy to make the first receiving electrode 4A and the second receiving electrode 4B have a shape corresponding to the shape of the object O. Furthermore, it is possible to contribute to improving the resolution of the detection signal by equalizing these detection characteristics.

前記反転増幅器12Aは、信号移相部の一例であり、前記コンパレータ8Aは第1の合成部15Aの一部として、前記コンパレータ8Bは第2の合成部15Bの一部として構成している。   The inverting amplifier 12A is an example of a signal phase shift unit. The comparator 8A is configured as a part of the first synthesis unit 15A, and the comparator 8B is configured as a part of the second synthesis unit 15B.

前記物体Oは、被検出領域内で移動する、例えば、人間の指等の適度な誘電率を持つ被検出物体である。   The object O is a detected object having an appropriate dielectric constant such as a human finger that moves within the detected area.

次に、本実施例1の近接センサ1の動作を、図2乃至図4を参照して説明する。ここに、図2乃至図4は、近接センサ1の動作を説明するための波形図である。   Next, the operation of the proximity sensor 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 to FIG. 4 are waveform diagrams for explaining the operation of the proximity sensor 1.

本実施例1の近接センサ1において、前記発振器2Aが生成した交流信号をバッファ6Aにより増幅し、送信電極3により被検出領域へ発振信号Eaとして放射する。   In the proximity sensor 1 of the first embodiment, the AC signal generated by the oscillator 2A is amplified by the buffer 6A, and is radiated as the oscillation signal Ea to the detection region by the transmission electrode 3.

前記送信電極3から放射された発振信号Eaは、送信電極3で生成された電荷によって、被検出領域に電界を形成する。   The oscillation signal Ea radiated from the transmission electrode 3 forms an electric field in the detection region by the electric charge generated by the transmission electrode 3.

第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bは、被検出領域に存在する大気、誘電体及び物体O等による分極からの寄与を含めた電界から、電荷を生成する。   The first receiving electrode 4A and the second receiving electrode 4B generate charges from an electric field including contributions from polarization due to the atmosphere, dielectric, object O, etc. existing in the detection region.

すなわち、第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bは、被検出領域に形成される電界に応じた受信信号Ebを受信する。
この時、被検出領域に存在する物体Oが一切動かなければ、送信電極3が送信する発振信号Eaが形成する電界は定常的な状態となり、第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bが受信する受信信号Ebは安定した位相と振幅を持つ。
That is, the first reception electrode 4A and the second reception electrode 4B receive the reception signal Eb corresponding to the electric field formed in the detection region.
At this time, if the object O existing in the detection region does not move at all, the electric field formed by the oscillation signal Ea transmitted from the transmission electrode 3 becomes a steady state, and the first reception electrode 4A and the second reception electrode 4B. Received signal Eb has a stable phase and amplitude.

一方、被検出領域内で、例えば、人間の指等の適度な誘電率を持つ物体Oが移動すると、第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bが受信する受信信号Ebの振幅が変化する。   On the other hand, for example, when an object O having an appropriate dielectric constant such as a human finger moves within the detection region, the amplitude of the reception signal Eb received by the first reception electrode 4A and the second reception electrode 4B changes. To do.

前記近接センサ1が、一般に使用上想定するような物体Oの距離(例えば、リング状アンテナの直径又は棒状アンテナの長さと同程度)では、物体Oが移動しても、第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bが受信する受信信号Ebの位相の変化は殆ど無い。
本実施例1の近接センサ1において、前記発振信号Eaは、前記バッファ6Aで増幅され、回路内では電源電圧を振幅とする矩形波の発振信号であり、送信電極3により空間に放出される。
Even if the object O moves at the distance of the object O that the proximity sensor 1 generally assumes in use (for example, the diameter of the ring antenna or the length of the rod antenna), the first receiving electrode 4A And there is almost no change in the phase of the reception signal Eb received by the second reception electrode 4B.
In the proximity sensor 1 according to the first embodiment, the oscillation signal Ea is amplified by the buffer 6A and is a rectangular wave oscillation signal whose amplitude is the power supply voltage in the circuit, and is emitted to the space by the transmission electrode 3.

この場合に、第1の受信電極4A及び第2の受信電極4Bが受信する受信信号Ebは、物体Oの有無により、その振幅が変化する。
以下の説明では、物体Oが近接センサ1から遠く離れた状態(近接していない状態)を第1の状態とし、物体Oが近接センサ1に近接した状態を第2の状態とする。
In this case, the amplitude of the reception signal Eb received by the first reception electrode 4A and the second reception electrode 4B varies depending on the presence or absence of the object O.
In the following description, a state where the object O is far from the proximity sensor 1 (a state where the object O is not close) is referred to as a first state, and a state where the object O is close to the proximity sensor 1 is referred to as a second state.

図2に示す受信信号Eb1は、第1の状態における、小さな振幅を持つ矩形波である。また、受信信号Eb2は、第1の状態と比較して振幅が増加した第2の状態の矩形波である。   The reception signal Eb1 shown in FIG. 2 is a rectangular wave having a small amplitude in the first state. The reception signal Eb2 is a rectangular wave in the second state with an amplitude increased as compared with the first state.

前記発振器2Aからの矩形波である発振信号は、前記第1の積分回路7Aにより、小さな振幅の三角波信号LPF(Ea)となる。   An oscillation signal which is a rectangular wave from the oscillator 2A is converted into a triangular wave signal LPF (Ea) having a small amplitude by the first integrating circuit 7A.

この三角波信号LPF(Ea)は、図2に破線で示す中間電位を中心に再度2値化することにより、発振信号Eaから90°位相の遅れた矩形波信号DLPF(Ea)となる(図示せず)。   This triangular wave signal LPF (Ea) is binarized again around the intermediate potential indicated by the broken line in FIG. 2 to become a rectangular wave signal DLPF (Ea) delayed by 90 ° from the oscillation signal Ea (not shown). )

この位相の遅れは一例であって、前記第1の積分回路7Aの定数で決まるものである。
この例では、三角波の振幅が、チャージアンプ5Aにより増幅された第1の受信電極4Aからの信号振幅と同程度、かつ、受信信号からの位相遅れが90°程度となるように設定している。
This phase delay is an example, and is determined by the constant of the first integrating circuit 7A.
In this example, the amplitude of the triangular wave is set to be about the same as the signal amplitude from the first receiving electrode 4A amplified by the charge amplifier 5A, and the phase delay from the received signal is set to about 90 °. .

第1の状態では、第1のチャージアンプ5A及び第1の積分回路7Aの接続点において、前記第1の合成器15Aにより増幅された受信信号Eb1と三角波信号LPF(Ea)は合成され、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))が生成される。   In the first state, the reception signal Eb1 amplified by the first combiner 15A and the triangular wave signal LPF (Ea) are combined at the connection point of the first charge amplifier 5A and the first integration circuit 7A, and the first A composite signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)) in the state 1 is generated.

第2の状態では、第1のチャージアンプ5A及び第1の積分回路7Aの接続点において、増幅された受信信号Eb2と三角波信号LPF(Ea)は合成器15Aにより合成されて、第前記第1の合成器15Aにより2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))が生成される。   In the second state, the amplified received signal Eb2 and the triangular wave signal LPF (Ea) are synthesized by the synthesizer 15A at the connection point of the first charge amplifier 5A and the first integrating circuit 7A, and the first The combined signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the state 2 is generated by the combiner 15A.

図2に示す再2値化信号F1は、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))をコンパレータ8Aにより、破線で示す中間電位を基準として、再度2値化した信号である。   The re-binarized signal F1 shown in FIG. 2 is a signal obtained by binarizing the synthesized signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)) in the first state again with the comparator 8A using the intermediate potential indicated by the broken line as a reference.

また、再2値化信号F2は、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))をコンパレータ8Aにより、破線で示す中間電位を基準として、再度2値化した信号である。   The re-binarized signal F2 is a signal obtained by binarizing the composite signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the second state again with the comparator 8A using the intermediate potential indicated by the broken line as a reference.

図2に示すように、再2値化信号F2は、再2値化信号F1に対して、位相がP1だけ、僅かに進むことになる。
再2値化信号F2の位相が僅かに進む理由は、次の通りである。
As shown in FIG. 2, the re-binarized signal F2 slightly advances in phase by P1 with respect to the re-binarized signal F1.
The reason why the phase of the re-binarized signal F2 slightly advances is as follows.

すなわち、LPF(Ea)と、第1の状態の受信信号Eb1及び第2の状態の受信信号Eb2とでは位相が90°異なる。   That is, the phase of the LPF (Ea) is different by 90 ° between the reception signal Eb1 in the first state and the reception signal Eb2 in the second state.

また、第1の状態の受信信号Eb1より第2の状態の受信信号Eb2の方が、振幅が大きい。更に、第2の状態の方が、LPF(Ea)に対して位相の異なる信号を加算する割合が大きい。   Further, the received signal Eb2 in the second state has a larger amplitude than the received signal Eb1 in the first state. Furthermore, in the second state, the ratio of adding signals having different phases to LPF (Ea) is larger.

後述するように、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))と、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))の位相の違いは、物体Oの近接の度合いに相関する検出量である。   As will be described later, the phase difference between the synthesized signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)) in the first state and the synthesized signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the second state correlates with the degree of proximity of the object O. It is a detected amount.

すなわち、位相の違いは、近接センサ1のSN比を決定するものであることから、できるだけ大きく取れるようにするのが望ましい。   That is, since the difference in phase determines the SN ratio of the proximity sensor 1, it is desirable to take it as large as possible.

図3において、反転発振信号Ea’は、反転増幅器12Aの出力信号であり、発振信号Eaの180°移相信号である。以下、反転発振信号Ea’とEb1,Eb2の合成について述べる。   In FIG. 3, an inverted oscillation signal Ea ′ is an output signal of the inverting amplifier 12A and is a 180 ° phase shift signal of the oscillation signal Ea. Hereinafter, the synthesis of the inverted oscillation signals Ea ′ and Eb1 and Eb2 will be described.

矩形波の反転発振信号Ea’は、積分回路7Bにより変形され、小さな振幅の三角波信号LPF(Ea’)となる。   The square wave inverted oscillation signal Ea 'is transformed by the integrating circuit 7B to become a triangular wave signal LPF (Ea') having a small amplitude.

三角波信号LPF(Ea’)は、2値化することにより反転発振信号Ea’から90°位相の遅れた矩形波信号DLPF(Ea’)となる(図示せず)。   The triangular wave signal LPF (Ea ′) becomes a rectangular wave signal DLPF (Ea ′) delayed by 90 ° from the inverted oscillation signal Ea ′ by binarization (not shown).

ここで、矩形波信号DLPF(Ea’)は、Eaから90°位相の進んだ矩形波と見ることもできる。
第1の状態では、チャージアンプ5B及び積分回路7Bの接続点において、受信信号Eb1と三角波信号LPF(Ea’)は合成され、第1の状態の反転合成信号D1’(Eb1+LPF(Ea’))が生成される。
Here, the rectangular wave signal DLPF (Ea ′) can be regarded as a rectangular wave having a phase advanced by 90 ° from Ea.
In the first state, the reception signal Eb1 and the triangular wave signal LPF (Ea ′) are combined at the connection point of the charge amplifier 5B and the integration circuit 7B, and the inverted combined signal D1 ′ (Eb1 + LPF (Ea ′)) in the first state. Is generated.

第2の状態では、チャージアンプ5B及び積分回路7Bの接続点において、受信信号Eb2と三角波信号LPF(Ea’)は合成され、第2の状態の反転合成信号D2’(Eb2+LPF(Ea’))が生成される。   In the second state, the reception signal Eb2 and the triangular wave signal LPF (Ea ′) are combined at the connection point of the charge amplifier 5B and the integration circuit 7B, and the inverted combined signal D2 ′ (Eb2 + LPF (Ea ′)) in the second state. Is generated.

再2値化反転信号F1’は、第1の状態の反転合成信号D1’(Eb1+LPF(Ea’))を、破線で示す中間電位を基準として、合成器15B及びコンパレータ8Bにより再度2値化した信号である。再2値化反転信号F2’は、第2の状態の反転合成信号D2’(Eb2+LPF(Ea’))を、破線で示す中間電位を基準として、合成器15B及びコンパレータ8Bにより再度2値化した信号である。   The re-binarized inverted signal F1 ′ is obtained by binarizing the inverted combined signal D1 ′ (Eb1 + LPF (Ea ′)) in the first state again by the combiner 15B and the comparator 8B with reference to the intermediate potential indicated by the broken line. Signal. The re-binarized inverted signal F2 ′ is obtained by binarizing the inverted composite signal D2 ′ (Eb2 + LPF (Ea ′)) in the second state again with the synthesizer 15B and the comparator 8B using the intermediate potential indicated by the broken line as a reference. Signal.

図3に示すように、再2値化反転信号F2’は、再2値化反転信号F1’に対して、位相がP2だけ、僅かに遅れることになる。   As shown in FIG. 3, the re-binarized inverted signal F2 'is slightly delayed in phase by P2 with respect to the re-binarized inverted signal F1'.

位相が僅かに遅れる理由は、次の通りである。
すなわち、第1の状態の増幅された受信信号Eb1より第2の状態の増幅された受信信号Eb2の方が振幅が大きく、第2の状態の方が、LPF(Ea)に対して位相の異なる信号を加算する割合が大きいためである。
第1の状態の反転合成信号D1’(Eb1+LPF(Ea’))と第2の状態の反転合成信号D2’(Eb2+LPF(Ea’))の位相の違いは、物体Oの近接の度合いに相関する検出量である。すなわち、位相の違いは、近接センサ1のSN比を決定するものなので、できるだけ大きく取れるようにするのが望ましい。
The reason why the phase is slightly delayed is as follows.
That is, the amplitude of the amplified received signal Eb2 in the second state is larger than that of the amplified received signal Eb1 in the first state, and the phase of the second state is different from that of the LPF (Ea). This is because the ratio of adding signals is large.
The phase difference between the inverted composite signal D1 ′ (Eb1 + LPF (Ea ′)) in the first state and the inverted composite signal D2 ′ (Eb2 + LPF (Ea ′)) in the second state correlates with the degree of proximity of the object O. It is a detection amount. That is, since the difference in phase determines the SN ratio of the proximity sensor 1, it is desirable to take it as large as possible.

図2及び図3に示したように、発振信号Eaと増幅された受信信号Ebを合成した場合と、反転発振信号Ea’と増幅された受信信号Ebを合成した場合では、同じ増幅された受信信号Ebを合成したとしても、増幅された受信信号Ebの振幅の変化に対する各々の合成信号の移相方向は反対になる。   As shown in FIGS. 2 and 3, when the oscillation signal Ea and the amplified received signal Eb are combined, and when the inverted oscillation signal Ea ′ and the amplified received signal Eb are combined, the same amplified reception is performed. Even if the signal Eb is synthesized, the phase shift direction of each synthesized signal is opposite to the change in the amplitude of the amplified received signal Eb.

次に、図4を用いて、各々移相方向が反対になった、再2値化信号F1及びF2と、再2値化反転信号F1’及びF2’から直流電圧を得る仕組みを説明する。
図4の最上段には、第1の状態の合成信号D1(Eb1+LPF(Ea))及びこれを二値化した再2値化信号F1を示し、次段には、第1の状態の反転合成信号D1’(Eb1+LPF(Ea’))及びこれを2値化した再2値化反転信号F1’を示した。
Next, a mechanism for obtaining a DC voltage from the re-binarized signals F1 and F2 and the re-binarized inverted signals F1 ′ and F2 ′, which are opposite in phase shift direction, will be described with reference to FIG.
4 shows the synthesized signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)) in the first state and the rebinarized signal F1 obtained by binarizing the synthesized signal D1 (Eb1 + LPF (Ea)). A signal D1 ′ (Eb1 + LPF (Ea ′)) and a rebinarized inverted signal F1 ′ obtained by binarizing the signal D1 ′ are shown.

パルス信号G1は、第1の状態において、第1の合成器15A及びコンパレータ8Aから出力される再2値化信号F1及び第2の合成器15B及びコンパレータ8Bから出力される再2値化反転信号F1’に基づいて、検波器9Aから出力される信号である。   In the first state, the pulse signal G1 is a rebinarized signal F1 output from the first combiner 15A and the comparator 8A, and a rebinarized inverted signal output from the second combiner 15B and the comparator 8B. This is a signal output from the detector 9A based on F1 ′.

パルス信号G1は、再2値化信号F1及び再2値化反転信号F1’が互いに一致する部分において、パルス幅P3を持つパルスが発生するように生成されている。   The pulse signal G1 is generated so that a pulse having a pulse width P3 is generated at a portion where the re-binarized signal F1 and the re-binarized inverted signal F1 'coincide with each other.

すなわち、パルス信号G1は、再2値化信号F1及び再2値化反転信号F1’をEXOR演算した結果に相当する。   That is, the pulse signal G1 corresponds to the result of performing an EXOR operation on the re-binarized signal F1 and the re-binarized inverted signal F1 '.

図4において、パルス信号G1の次段には、第2の状態の合成信号D2(Eb2+LPF(Ea))及びこれを二値化した再2値化信号F2を示し、次段には、第2の状態の反転合成信号D2’(Eb2+LPF(Ea’))及びこれを2値化した再2値化反転信号F2’を示した。   In FIG. 4, the next stage of the pulse signal G1 shows the synthesized signal D2 (Eb2 + LPF (Ea)) in the second state and the re-binarized signal F2 obtained by binarizing the synthesized signal D2. Inverted composite signal D2 ′ (Eb2 + LPF (Ea ′)) in the state of 2 and a re-binarized inverted signal F2 ′ obtained by binarizing this signal are shown.

パルス信号G2は、第2の状態において、第1の合成器15Aから出力される再2値化信号F2及び第2の合成器15Bから出力される再2値化反転信号F2’に基づいて、検波器9Aから出力される信号である。   In the second state, the pulse signal G2 is based on the re-binarized signal F2 output from the first combiner 15A and the re-binarized inverted signal F2 ′ output from the second combiner 15B. This is a signal output from the detector 9A.

パルス信号G2は、再2値化信号F2及び再2値化反転信号F2’が互いに一致する部分において、パルス幅P4を持つパルスが発生するように生成されている。   The pulse signal G2 is generated so that a pulse having a pulse width P4 is generated at a portion where the re-binarized signal F2 and the re-binarized inverted signal F2 'coincide with each other.

すなわち、パルス信号G2は、再2値化信号F2及び再2値化反転信号F2’をEXOR演算した結果に相当する。   That is, the pulse signal G2 corresponds to the result of performing an EXOR operation on the re-binarized signal F2 and the re-binarized inverted signal F2 '.

受信信号Eb2の振幅は受信信号Eb1の振幅より大きいので、各々の矩形波信号が反対方向に移相する量が増加して、互いに信号が一致しない部分が増加する。   Since the amplitude of the reception signal Eb2 is larger than the amplitude of the reception signal Eb1, the amount by which each rectangular wave signal shifts in the opposite direction increases, and the portions where the signals do not match each other increase.

したがって、パルス幅P4は、パルス幅P3と比較して、幅が広いパルスとなっている。
図4に示すパルス信号G1及びパルス信号G2の論理演算結果は、前記位相検出部10により、第1の交流信号発生源である前記発振器2Aの発信信号に比べて非常に大きな周波数を持つ第2の交流信号発生源である前記発振器13の発信信号29の波数として計数され、計数結果はパルス幅に比例した数値又は直流電圧に変換され、出力端子11に出力される。
Therefore, the pulse width P4 is a pulse having a wider width than the pulse width P3.
The logical operation results of the pulse signal G1 and the pulse signal G2 shown in FIG. 4 are obtained by the phase detection unit 10 with the second frequency having a very large frequency compared to the transmission signal of the oscillator 2A that is the first AC signal generation source. Is counted as the wave number of the transmission signal 29 of the oscillator 13 which is an AC signal generation source, and the count result is converted into a numerical value or a DC voltage proportional to the pulse width and output to the output terminal 11.

この場合の計数手段としては、例えば図8に示すように、発振器2Aの一周期あたり、ゲート信号28(パルス信号G1又はG2)の値が1(アクティブ)になっている間だけ第2の交流信号発生源である発振器13の出力する発信信号29の数を計数する論理回路で実現することができる。   As a counting means in this case, for example, as shown in FIG. 8, the second alternating current is used only while the value of the gate signal 28 (pulse signal G1 or G2) is 1 (active) per cycle of the oscillator 2A. It can be realized by a logic circuit that counts the number of transmission signals 29 output from the oscillator 13 that is a signal generation source.

すなわち、ゲート信号28及び発信信号29の論理演算結果である信号30を計数する論理回路を前記位相検出部10に構成すればよい。
この手段では、前記発信信号29の数を計数するという構成とすることで、従来のゲート信号28をLPFにより平滑化した電圧レベルを見る方法に比べて、結果が電源電圧に影響されないという利点がある。
That is, a logic circuit that counts the signal 30 that is a logical operation result of the gate signal 28 and the transmission signal 29 may be configured in the phase detection unit 10.
In this means, the number of the transmission signals 29 is counted, so that the result is not influenced by the power supply voltage as compared with the conventional method of viewing the voltage level obtained by smoothing the gate signal 28 with the LPF. is there.

一般に電源電圧は温度などで変動するが、電源電圧に比べて非常に小さな出力しか得られない本実施例1の近接センサ1では大きな特徴となる。   In general, the power supply voltage fluctuates depending on the temperature or the like, but the proximity sensor 1 according to the first embodiment, which can obtain only a very small output compared to the power supply voltage, is a great feature.

この方法においては、計数結果の分解能は発信信号29の周波数を大きくすればいくらでも上げることができるが、回路系の位相ノイズの大きさ以上の分解能を得ることはできない。   In this method, the resolution of the counting result can be increased as much as the frequency of the transmission signal 29 is increased, but it is not possible to obtain a resolution higher than the phase noise of the circuit system.

しかしながら、発振器2Aの発信信号の1回の周期に対して、ゲートされた発振器13の波数としてある計数値を得たとして、これを指定した回数だけ発振器2Aの何周期かに亘り、移動平均回路により移動平均すればその平均値は精度の良い、すなわち、分解能の高いものとすることができる。但し、時間分解能は平均回数だけ失われる。   However, if a certain count value is obtained as the wave number of the gated oscillator 13 with respect to one cycle of the oscillation signal of the oscillator 2A, the moving average circuit over the cycles of the oscillator 2A for the designated number of times. If the moving average is performed, the average value can be made with high accuracy, that is, with high resolution. However, the time resolution is lost an average number of times.

移動平均は、一般に平均回数分のデータを記憶しておき、最近のデータを加算する代わりに最古のデータを減算し、この結果を平均回数で除算することにより成されるが、平均回数が多くなるにつれて記憶しておくデータ量が大きくなる。   The moving average is generally performed by storing the data for the average number of times, subtracting the oldest data instead of adding the latest data, and dividing the result by the average number of times. The amount of data to be stored increases as the number increases.

本実施例1においては、前記発振器2Aの発信信号の数を積算する積算回路と、平均化回路とを前記位相検出部10に組み込み、ある期間に亘って新しい値を積算回路により積算し続け、平均化回路により、平均値を求めた後、新しい値を加える都度、積算した値を指定した数値で割った値を減算して位相ずれの量を求めることで前記パルス信号G1又はG2のパルス幅に比例した高分解能の数値又は直流電圧として出力端子11に出力する。   In the first embodiment, an integration circuit for integrating the number of transmission signals of the oscillator 2A and an averaging circuit are incorporated in the phase detection unit 10, and new values are continuously integrated by the integration circuit over a certain period. After the average value is obtained by the averaging circuit, each time a new value is added, the value obtained by dividing the integrated value by the specified numerical value is subtracted to obtain the amount of phase shift, thereby obtaining the pulse width of the pulse signal G1 or G2. Is output to the output terminal 11 as a high-resolution numerical value or a DC voltage proportional to.

ここで、従来の移動平均法について、簡単の為4回の移動平均を例にとって説明すると、データをXiとすれば移動平均値Siは、
Si =Xi+Xi+1+Xi+2+Xi+3 (1)
Si+1=Xi+1+Xi+2+Xi+3+Xi+4 (2)
したがって、(2)−(1)により、Si+1−Si = Xi+4 − Xi、すなわち、
Si+1 = Si + Xi+4 − Xiとなる。
この場合の移動平均法においては移動平均値Si+1の値はその前のSiに新しいデータXi+4を加え、最初(4回平均なら4個前)のデータXiを減じて行けば得られる。
Here, for the sake of simplicity, the conventional moving average method will be described taking four moving averages as an example. If the data is Xi, the moving average value Si is
Si = Xi + Xi + 1 + Xi + 2 + Xi + 3 (1)
Si + 1 = Xi + 1 + Xi + 2 + Xi + 3 + Xi + 4 (2)
Therefore, according to (2)-(1), Si + 1-Si = Xi + 4-Xi, that is,
Si + 1 = Si + Xi + 4−Xi.
In the moving average method in this case, the value of the moving average value Si + 1 can be obtained by adding new data Xi + 4 to the previous Si and subtracting the first data (i.e., the previous four times) Xi.

本発明が採用する擬似的な移動平均法においては、データXiの値を記憶するのではなく、データXiの値はSi/4とさほど変わらないであろうという予測に基づき、減算するデータXiの値をSi/4で代替するものである。
したがつて、上述した擬似的な移動平均法においては、
Si+1 = Si + Xi+4 − Si/4として、この式により移動平均値Si+1を求めるものであり、この擬似的な移動平均法による実験の結果は良好であることを確認した。
In the pseudo moving average method employed by the present invention, the value of the data Xi is not stored, but based on the prediction that the value of the data Xi will not change so much as Si / 4. The value is replaced with Si / 4.
Therefore, in the pseudo moving average method described above,
As Si + 1 = Si + Xi + 4−Si / 4, the moving average value Si + 1 is obtained by this equation, and it was confirmed that the result of the experiment by the pseudo moving average method is good.

更に、計算機の仕組みから、/2は数値を1ビット右シフト、/4は数値を2ビット右シフト、/256は8ビット右シフトで計算すると除算よりはるかに早く計算できることが判明した(ただし、平均回数は2のn乗とする)。
例えば、1100(12)を1ビットシフトすると0110(6)となり、更に1ビットシフトすると0011(3)となる。
Furthermore, it has been found from the calculation mechanism that / 2 can be calculated much faster than division when calculated by 1-bit right shift, / 4 by 2-bit right shift, and / 256 by 8-bit right shift (however, The average number of times is 2 to the nth power).
For example, if 1100 (12) is shifted by 1 bit, it becomes 0110 (6), and if further shifted by 1 bit, it becomes 0011 (3).

数1に256回の移動平均を行う場合における本実施例1の擬似的な移動平均法の数式を示す。   Formula 1 shows a mathematical expression of the pseudo moving average method of the first embodiment in the case where 256 moving averages are performed.

Figure 2017134010
Figure 2017134010

この場合には、データXiを256個記憶する必要がなく前記位相検出部10の構成の簡略化を図ることができるという利点がある。   In this case, there is an advantage that it is not necessary to store 256 pieces of data Xi and the configuration of the phase detector 10 can be simplified.

数2に256回の移動平均を行う場合における従来の移動平均法の数式を示す。   Equation 2 shows a mathematical expression of the conventional moving average method when performing the moving average 256 times.

Figure 2017134010
Figure 2017134010

この場合には、データXiを256個記憶する記憶容量が必要であり、位相検出部10の回路構成が大規模化する。   In this case, a storage capacity for storing 256 pieces of data Xi is required, and the circuit configuration of the phase detection unit 10 becomes large.

ここで、前記積算した値を割る指定値は、2の累乗からなる値とする。   Here, the specified value that divides the integrated value is a value that is a power of 2.

このような構成によれば、前記位相検出部10に大量のデータを記憶しておく必要は無くなり、前記位相検出部10の回路構成の小規模化を図ることができるとともに、結果として高感度の検出信号を得ることが可能となる。   According to such a configuration, it is not necessary to store a large amount of data in the phase detection unit 10, the circuit configuration of the phase detection unit 10 can be reduced, and as a result, a high sensitivity can be achieved. A detection signal can be obtained.

図5は、本実施例1における前記第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bの構成を模式的に記したものである。   FIG. 5 schematically shows the configuration of the first or second charge amplifier 5A or 5B in the first embodiment.

図5において、出力端子20は、送信電極3の導線部を示し、入力端子21は第1の受信電極4A又は第2の受信電極4Bの導線部を示し、送信電極3の導線部と、第1の受信電極4A又は第2の受信電極4Bの導線部との間の空間の被測定容量C1をコンデンサ17で示している。   In FIG. 5, the output terminal 20 indicates the conducting wire portion of the transmitting electrode 3, the input terminal 21 indicates the conducting wire portion of the first receiving electrode 4 </ b> A or the second receiving electrode 4 </ b> B, the conducting wire portion of the transmitting electrode 3, A measured capacitance C1 in the space between the first receiving electrode 4A and the conducting wire portion of the second receiving electrode 4B is indicated by a capacitor 17.

また入力端子21とグランドの間には模式上寄生容量(送信電極3、第1の受信電極4A又は第2の受信電極4Bが構成する容量)C2を有するコンデンサ18が形式上挿入されるのと等価である。   In addition, a capacitor 18 having a parasitic capacitance (capacitance formed by the transmission electrode 3, the first reception electrode 4A, or the second reception electrode 4B) C2 is inserted between the input terminal 21 and the ground in terms of form. Is equivalent.

被測定容量C1を増幅する前記第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bは、入力端子21の電荷を反転入力とするオペアンプ19及び帰還容量C3を有するコンデンサ16により構成され、オペアンプ19の出力端子を第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bの出力部23で示す。   The first or second charge amplifier 5A or 5B that amplifies the capacitance C1 to be measured is composed of an operational amplifier 19 using the charge of the input terminal 21 as an inverting input and a capacitor 16 having a feedback capacitor C3. Is shown by the output section 23 of the first or second charge amplifier 5A or 5B.

この構成において前記第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bの入力部は前記出力端子20となる。   In this configuration, the input portion of the first or second charge amplifier 5A or 5B serves as the output terminal 20.

図5に模式的に示した第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bにおいて、その入力部(前記出力端子20)よりの入力信号をVinとし、出力部23の出力信号Voutとして、増幅率Vout/Vinを計算すると以下のようになる。   In the first or second charge amplifier 5A or 5B schematically shown in FIG. 5, the input signal from the input unit (the output terminal 20) is Vin, and the output signal Vout of the output unit 23 is the amplification factor Vout. / Vin is calculated as follows.

図5に模式的に示した第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bにおいて、入力信号Vinと出力信号Voutとの間に鳳テブナンの定理を適用すると、図5に示す回路は図6に示す回路に等価的に変換される。   In the first or second charge amplifier 5A or 5B schematically shown in FIG. 5, when the Thevenin theorem is applied between the input signal Vin and the output signal Vout, the circuit shown in FIG. 5 is shown in FIG. It is equivalently converted to a circuit.

すなわち、図6において、第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bの入力部(前記出力端子20)とオペアンプ19との間には、被測定容量C1を表すコンデンサ17ではなく、被測定容量C1を示すコンデンサ17及び寄生容量C2を示すコンデンサ18が並列で配置され、寄生容量C2を表すコンデンサ18はもはや接地されない。   That is, in FIG. 6, not the capacitor 17 representing the measured capacitance C1, but the measured capacitance C1 between the input section (the output terminal 20) of the first or second charge amplifier 5A or 5B and the operational amplifier 19. The capacitor 17 indicating the parasitic capacitance C2 and the capacitor 18 indicating the parasitic capacitance C2 are arranged in parallel, and the capacitor 18 indicating the parasitic capacitance C2 is no longer grounded.

ただし、入力部(前記出力端子20)における入力信号Vinは、C1/(C1+C2)倍されたもので置き換えられる。   However, the input signal Vin at the input unit (the output terminal 20) is replaced with a signal multiplied by C1 / (C1 + C2).

ここに、第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bの増幅率Vout/Vinは、次のように容易に計算される。   Here, the amplification factor Vout / Vin of the first or second charge amplifier 5A or 5B is easily calculated as follows.

すなわち、入力部(前記出力端子20)のインピーダンスを、Zi=1/jω(C1+CC2)及び帰還部のインピーダンスZr=1/jωC3とすると、反転増幅器19の増幅率はZr/Zi=(C1+C2)/C3となるが、入力電圧はC1/(C1+C2)倍されているので、増幅率Vout/Vin=(C1+C2)/(C3×C1)/(C1+C2)=C1/C3となる。   That is, if the impedance of the input unit (the output terminal 20) is Zi = 1 / jω (C1 + CC2) and the impedance of the feedback unit Zr = 1 / jωC3, the amplification factor of the inverting amplifier 19 is Zr / Zi = (C1 + C2) / Although it is C3, since the input voltage is multiplied by C1 / (C1 + C2), the amplification factor Vout / Vin = (C1 + C2) / (C3 × C1) / (C1 + C2) = C1 / C3.

再記すると、出力信号Vout=(C1/C3)×Vinとなり、これは寄生容量C2の値に依存しないことを示している。   When rewritten, the output signal Vout = (C1 / C3) × Vin, which indicates that it does not depend on the value of the parasitic capacitance C2.

したがって、上述した構成の第1又は第2のチャージアンプ5A又は5Bを用いることにより、本実施例1の近接センサ1は、前記寄生容量C2に影響されることなく、すなわち、前記送信電極3、第1、第2の受信電極4A、4Bの静電容量の変化に影響されることなく、物体Oからの受信信号Ebを増幅した受信信号Eb1又はEb2を得ることが可能となる。   Therefore, by using the first or second charge amplifier 5A or 5B having the above-described configuration, the proximity sensor 1 according to the first embodiment is not affected by the parasitic capacitance C2, that is, the transmission electrode 3, The reception signal Eb1 or Eb2 obtained by amplifying the reception signal Eb from the object O can be obtained without being affected by the change in capacitance of the first and second reception electrodes 4A and 4B.

図7に前記積分回路7A又は積分回路7Bに相当する積分回路7Cの構成を模式的に示す。   FIG. 7 schematically shows a configuration of an integration circuit 7C corresponding to the integration circuit 7A or the integration circuit 7B.

前記積分回路7Cの入力部24には、第1の交流信号発生源である発振器2Aの発信信号を入力し、また、オペアンプ19の入力部には抵抗26を接続し、オペアンプ19の入力部と出力部25との間にはコンデンサ27を接続して、積分結果を出力部25より得るように構成したものである。   An input signal of the oscillator 2A, which is the first AC signal generation source, is input to the input unit 24 of the integration circuit 7C. A resistor 26 is connected to the input unit of the operational amplifier 19; A capacitor 27 is connected between the output unit 25 and an integration result is obtained from the output unit 25.

この場合、前記発振器2Aの発信信号は矩形波信号なので、積分回路7Cの出力信号は三角波信号となる。   In this case, since the transmission signal of the oscillator 2A is a rectangular wave signal, the output signal of the integrating circuit 7C is a triangular wave signal.

そして、前記三角波信号の傾斜部の傾きは、前記抵抗26及びコンデンサ27の値により自由に設定することが可能である。   The inclination of the inclined portion of the triangular wave signal can be freely set by the values of the resistor 26 and the capacitor 27.

(実施例2)
次に、図9を参照して、本発明の実施例2に係る近接センサ1Aについて説明する。
(Example 2)
Next, with reference to FIG. 9, a proximity sensor 1A according to Embodiment 2 of the present invention will be described.

なお、図9に示す実施例2の近接センサ1Aにおいて、既述した実施例1の近接センサ1の場合と同一要素には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。   In addition, in the proximity sensor 1A of Example 2 shown in FIG. 9, the same code | symbol is attached | subjected to the same element as the case of the proximity sensor 1 of Example 1 mentioned above, and the detailed description is abbreviate | omitted.

本発明の実施例2に係る近接センサ1Aにおいて、既述した実施例1の近接センサ1では、合成信号(Eb+LPF(Ea))と反転合成信号(Eb+LPF(Ea’))の位相を比較することにより、その一方の変化のみを見る場合に比べてSN比が向上し、大きな出力信号を得ることができるが、回路規模が大きくなることを考慮して、反転信号側の各回路要素を省略し、全体として簡略構成としたことが特徴である。   In the proximity sensor 1A according to the second embodiment of the present invention, the proximity sensor 1 according to the first embodiment described above compares the phases of the combined signal (Eb + LPF (Ea)) and the inverted combined signal (Eb + LPF (Ea ′)). As a result, the S / N ratio can be improved and a large output signal can be obtained as compared with the case where only one of the changes is observed, but each circuit element on the inverted signal side is omitted in consideration of an increase in circuit scale. The overall configuration is simplified.

すなわち、前記近接センサ1Aにおいては、前記第2の受信電極4B、第2のチャージアンプ5B、第2の積分回路7B、コンパレータ8B、反転増幅器12A、第2の合成器15Bを省略している。   That is, in the proximity sensor 1A, the second receiving electrode 4B, the second charge amplifier 5B, the second integrating circuit 7B, the comparator 8B, the inverting amplifier 12A, and the second combiner 15B are omitted.

このような構成の実施例2によれば、出力信号のSN比が厳しく要求されないような用途に適用して好適な簡略構成の近接センサ1Aを実現することができる。
但し、本発明の技術的範囲は上述した実施例の内容に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
According to the second embodiment having such a configuration, it is possible to realize the proximity sensor 1 </ b> A having a simple configuration suitable for use in applications where the S / N ratio of the output signal is not strictly required.
However, the technical scope of the present invention is not limited to the contents of the above-described embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.

本発明の静電容量センサは、種々の物品を製造する工場のベルトコンベア上の物品の検出、流通分野の貨物検出、自動車における近接物体の検出等の用途に広範に適用可能である。   The capacitance sensor of the present invention can be widely applied to uses such as detection of articles on a belt conveyor in a factory that manufactures various articles, cargo detection in the distribution field, and detection of proximity objects in automobiles.

1 近接センサ
1A 近接センサ
2A 発振器
3 送信電極
4A 第1の受信電極
4B 第2の受信電極
5A 第1のチャージアンプ
5B 第2のチャージアンプ
6A バッファ
7A 第1の積分回路
7B 第2の積分回路
7C 積分回路
8A コンパレータ
8B コンパレータ
9A 検波器
10 位相検出部
11 出力端子
12A 反転増幅器
13 発振器
15A 第1の合成器
15B 第2の合成器
16 コンデンサ
17 コンデンサ
18 コンデンサ
19 オペアンプ
19 反転増幅器
20 出力端子
21 入力端子
23 出力部
24 入力部
25 出力部
26 抵抗
27 コンデンサ
28 ゲート信号
29 発信信号
30 信号
C1 被測定容量
C2 寄生容量
C3 帰還容量
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Proximity sensor 1A Proximity sensor 2A Oscillator 3 Transmission electrode 4A 1st receiving electrode 4B 2nd receiving electrode 5A 1st charge amplifier 5B 2nd charge amplifier 6A Buffer 7A 1st integration circuit 7B 2nd integration circuit 7C Integration circuit 8A Comparator 8B Comparator 9A Detector 10 Phase detector 11 Output terminal 12A Inverting amplifier 13 Oscillator 15A First combiner 15B Second combiner 16 Capacitor 17 Capacitor 18 Capacitor 19 Operational amplifier 19 Inverting amplifier 20 Output terminal 21 Input terminal 23 output unit 24 input unit 25 output unit 26 resistor 27 capacitor 28 gate signal 29 transmission signal 30 signal C1 measured capacitance C2 parasitic capacitance C3 feedback capacitance

Claims (5)

交流信号を発生する第1の交流信号発生源と、
該交流信号発生源と接続され、物体に送信信号を放射する送信電極と、
前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第1の受信電極と、
第1の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第1の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第1のチャージアンプと、
前記第1の受信電極と同じ形状及び特性を有し、前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第2の受信電極と、
前記第2の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第2の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第2のチャージアンプと、
前記第1の交流信号発生源からの信号を積分する第1の積分回路と、
前記第1の交流信号発生源と第2の積分回路との間に設けられた交流信号の位相を反転する信号移相部と、
前記位相を反転された交流信号を積分する第2の積分回路と、
前記第1のチャージアンプと前記第1の積分回路の出力とを合成する第1の合成部と、
前記第2のチャージアンプと前記第2の積分回路の出力とを合成する第2の合成部と、
前記第1の合成部で合成された第1の合成信号と前記第2の合成部で合成された第2の合成信号とを入力し、第1、第2の合成信号の排他的否定和の信号を出力する検波器と、
前記第1の交流信号発生源の交流信号と異なる周期の交流信号を発生する第2の交流信号発生源と、
前記検波器からの信号を入力し、前記検波器からの信号がアクティブの時の値を第2の交流信号発生源からの交流信号の数で計数し、前記物体の存在する被検出領域の検出信号として出力する位相検出部と、
を有することを特徴とする静電容量センサ。
A first AC signal source for generating an AC signal;
A transmission electrode connected to the AC signal source and emitting a transmission signal to an object;
A first receiving electrode that receives a received signal corresponding to the capacitance of the object;
A first charge amplifier that amplifies a signal received by a first reception electrode without being affected by parasitic capacitance of the transmission electrode and the first reception electrode;
A second receiving electrode having the same shape and characteristics as the first receiving electrode and receiving a received signal corresponding to the capacitance of the object;
A second charge amplifier that amplifies a signal received by the second reception electrode without being affected by parasitic capacitance of the transmission electrode and the second reception electrode;
A first integrating circuit for integrating a signal from the first alternating signal generation source;
A signal phase shifter for inverting the phase of the AC signal provided between the first AC signal generation source and the second integrating circuit;
A second integrating circuit for integrating the AC signal having the inverted phase;
A first synthesis unit for synthesizing the first charge amplifier and the output of the first integration circuit;
A second synthesis unit for synthesizing the second charge amplifier and the output of the second integration circuit;
The first synthesized signal synthesized by the first synthesizing unit and the second synthesized signal synthesized by the second synthesizing unit are inputted, and an exclusive negative sum of the first and second synthesized signals is inputted. A detector for outputting a signal;
A second AC signal generation source for generating an AC signal having a different period from the AC signal of the first AC signal generation source;
The signal from the detector is input, the value when the signal from the detector is active is counted by the number of AC signals from the second AC signal generation source, and the detection area where the object exists is detected. A phase detector that outputs as a signal;
A capacitance sensor comprising:
交流信号を発生する第1の交流信号発生源と、
該交流信号発生源と接続され、物体に送信信号を放射する送信電極と、
前記物体の静電容量に応じた受信信号を受信する第1の受信電極と、
第1の受信電極で受信した信号を前記送信電極、第1の受信電極の寄生容量の影響を受けることなく増幅する第1のチャージアンプと、
前記第1の交流信号発生源からの交流信号を積分する第1の積分回路と、
前記第1のチャージアンプと前記第1の積分回路の出力とを合成する第1の合成部と、
前記第1の合成部で合成された第1の合成信号と第1の交流信号発生源からの交流信号との排他的否定和の信号を出力する検波器と、
前記第1の交流信号発生源の交流信号と異なる周期の交流信号を発生する第2の交流信号発生源と、
前記検波器からの信号を入力し、前記検波器からの信号がアクティブの時の値を
第2の交流信号発生源からの交流信号の数で計数し、前記物体の存在する被検出領域の検出信号として出力する位相検出部と、
を有することを特徴とする静電容量センサ。
A first AC signal source for generating an AC signal;
A transmission electrode connected to the AC signal source and emitting a transmission signal to an object;
A first receiving electrode that receives a received signal corresponding to the capacitance of the object;
A first charge amplifier that amplifies a signal received by a first reception electrode without being affected by parasitic capacitance of the transmission electrode and the first reception electrode;
A first integrating circuit for integrating an AC signal from the first AC signal source;
A first synthesis unit for synthesizing the first charge amplifier and the output of the first integration circuit;
A detector for outputting an exclusive negative sum signal of the first synthesized signal synthesized by the first synthesis unit and the AC signal from the first AC signal generation source;
A second AC signal generation source for generating an AC signal having a different period from the AC signal of the first AC signal generation source;
The signal from the detector is input, the value when the signal from the detector is active is counted by the number of AC signals from the second AC signal generation source, and the detection area where the object exists is detected. A phase detector that outputs as a signal;
A capacitance sensor comprising:
前記第1の受信電極と第2の受信電極は、フレキシブルフラットコード形態で、同等の温度特性を有する対をなす2個の電線であることを特徴とする請求項1に記載の静電容量センサ。   2. The capacitance sensor according to claim 1, wherein the first receiving electrode and the second receiving electrode are two electric wires that form a pair of flexible flat cords and have equivalent temperature characteristics. . 前記位相検出部で検出する前記第1の合成信号と前記第2の合成信号との位相ずれ量は、ある期間に亘って新しい値を積算して平均値を求め、新しい値を加える都度、求めた平均値を平均回数に相当する数値で割った値を減算する擬似的な移動平均手段により求めることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の静電容量センサ。   The amount of phase shift between the first combined signal and the second combined signal detected by the phase detection unit is obtained every time a new value is added over a period to obtain an average value and a new value is added. 4. The capacitance sensor according to claim 1, wherein the capacitance value is obtained by pseudo moving average means for subtracting a value obtained by dividing the average value by a numerical value corresponding to the average number of times. 5. 前記第1の受信電極は、フレキシブルフラットコード形態の電線であることを特徴とする請求項2に記載の静電容量センサ。   The capacitance sensor according to claim 2, wherein the first receiving electrode is an electric wire in a flexible flat cord form.
JP2016015921A 2016-01-29 2016-01-29 Capacitance sensor Active JP6650281B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016015921A JP6650281B2 (en) 2016-01-29 2016-01-29 Capacitance sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016015921A JP6650281B2 (en) 2016-01-29 2016-01-29 Capacitance sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017134010A true JP2017134010A (en) 2017-08-03
JP6650281B2 JP6650281B2 (en) 2020-02-19

Family

ID=59502746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016015921A Active JP6650281B2 (en) 2016-01-29 2016-01-29 Capacitance sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6650281B2 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0765261A (en) * 1993-08-26 1995-03-10 Matsushita Electric Works Ltd Human body detecting device
JP2002243865A (en) * 2001-02-19 2002-08-28 Hitachi Cable Ltd Cable for capacitance detection and capacitance detection sensor
JP2006162347A (en) * 2004-12-03 2006-06-22 Aisin Seiki Co Ltd Capacitance sensor
EP1791260A1 (en) * 2005-11-24 2007-05-30 Holylite Microelectronics Corporation Object proximity or position detector
WO2010053013A1 (en) * 2008-11-05 2010-05-14 アルプス電気株式会社 Proximity sensing device and input-aiding device using same
JP2011210038A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Renesas Sp Drivers Inc Touch determination device and data processing system
WO2013058332A1 (en) * 2011-10-18 2013-04-25 シチズンホールディングス株式会社 Capacitance sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0765261A (en) * 1993-08-26 1995-03-10 Matsushita Electric Works Ltd Human body detecting device
JP2002243865A (en) * 2001-02-19 2002-08-28 Hitachi Cable Ltd Cable for capacitance detection and capacitance detection sensor
JP2006162347A (en) * 2004-12-03 2006-06-22 Aisin Seiki Co Ltd Capacitance sensor
EP1791260A1 (en) * 2005-11-24 2007-05-30 Holylite Microelectronics Corporation Object proximity or position detector
WO2010053013A1 (en) * 2008-11-05 2010-05-14 アルプス電気株式会社 Proximity sensing device and input-aiding device using same
JP2011210038A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Renesas Sp Drivers Inc Touch determination device and data processing system
WO2013058332A1 (en) * 2011-10-18 2013-04-25 シチズンホールディングス株式会社 Capacitance sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JP6650281B2 (en) 2020-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU729354B2 (en) Impedance-to-voltage converter
KR101830796B1 (en) Capacitive Proximity Sensor as well as Method for Capacitive Proximity Detection
JP6343984B2 (en) Non-contact voltage measuring device
JP2011525323A5 (en)
KR20160109121A (en) Inductive Displacement Sensor Using Frequency Modulation
JP2009503471A (en) Distance measuring method and apparatus using capacitive or inductive sensor
RU2586269C2 (en) Detection of concealed dielectric object
EP3940735B1 (en) Detection device
US9429672B2 (en) Locator
JP5502597B2 (en) Impedance detection circuit and impedance detection method
JP6650281B2 (en) Capacitance sensor
JP5984827B2 (en) Capacitance sensor
US9857496B2 (en) Positioning device
TWI490505B (en) Voltage measurement apparatus
JP2013036880A (en) Position-measuring device for human body site and electronic device system
JP5968305B2 (en) Eddy current sensor
US10054709B2 (en) Object locater and method for locating a metallic and/or magnetizable object
Schlegl et al. Sensor interface for multimodal evaluation of capacitive sensors
JP5582986B2 (en) Proximity sensor
JP2002090401A (en) Capacitance sensor circuit
JP2016099207A (en) Voltage measuring device
EP2733468B1 (en) Capacitive position encoder
JP4161873B2 (en) Capacitance type distance sensor
JP5758229B2 (en) Magnetic field detector
JP5660301B2 (en) Detection circuit, physical quantity measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181220

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20190612

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20190613

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190731

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190827

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200114

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200120

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6650281

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150