JP2618822B2

JP2618822B2 - 静電容量センサ

Info

Publication number: JP2618822B2
Application number: JP3791294A
Authority: JP
Inventors: 裕利土屋
Original assignee: 裕利土屋
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPH07225137A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】静電容量センサとして、図８および図９
に示す静電容量センサ１ｆおよび１ｇが知られている。
図８に示す静電容量センサ１ｆでは、パルス信号発生回
路２１から出力される一定周波数のパルス信号（電圧ｖ
_f1、角周波数ω_f1）と、抵抗５１および検出電極４１か
ら成る減衰器からの出力信号（電圧ｖ_f2）とを、それぞ
れ、作動増幅器３１へ入力し、この作動増幅器３１の出
力信号（電圧ｖ_f3）をＡＣ−ＤＣ変換器７１によって交
流から直流に変換することにより、検出電極４１の実質
上の静電容量Ｃ_f1に応じた出力信号（直流電圧Ｖ_f4）を
得るように構成されている。

【０００３】この場合、検出電極４１に被検物が接近す
ると検出電極４１の実質上の静電容量Ｃ_f1が増加し、そ
れにより、減衰器からの出力信号の電圧ｖ_f2が減少す
る。その結果、作動増幅器３１からの出力信号の電圧ｖ
_f3の振幅が増加し、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信
号の電圧Ｖ_f4が増加する。そのため、この電圧値Ｖ
_f4や、電圧値Ｖ_f4の変化または変化量を検出することに
より、被検物の接近を感知できるようになっている。

【０００４】また、図９に示す静電容量センサ１ｇで
は、パルス信号発生回路２１から出力される一定周波数
のパルス信号と、抵抗５１および検出電極４１から成る
遅延回路からの出力信号とを、それぞれ、位相比較器７
２へ入力し、この位相比較器７２により、遅延回路から
の出力信号とパルス信号発生回路２１からのパルス信号
との位相差に対応する出力信号（直流電圧）を得るよう
に構成されている。

【０００５】この場合、検出電極４１に被検物が接近す
ると検出電極４１の実質上の静電容量Ｃ_g1が増加し、遅
延回路からは前記検出電極４１の静電容量Ｃ_g1に応じた
量だけ位相が遅延した信号が出力され、位相比較器７２
へ入力される。これにより位相比較器７２からの出力信
号の電圧値が増加するので、この電圧値や、電圧値の変
化または変化量を検出することにより、被検物の接近を
感知できるようになっている。

【０００６】このような従来の静電容量センサを、例え
ば、距離（近接）センサに適用する場合、検出電極４１
を外部に露出するように配置する。そして、検出電極４
１の実質上の静電容量（検出電極４１固有の静電容量
と、被検物の接近による静電容量との合計の静電容量）
を直流電圧に変換して検出することにより、被検物の接
近を感知するようになっている。

【０００７】具体的には、検出電極４１に被検物が接近
すると、検出電極４１の実質上の静電容量は被検物が接
近した分だけ増加し、検出電極４１固有の静電容量と、
被検物の接近による静電容量との合計の静電容量に対応
する電圧値の出力信号が得られる。従って、この出力信
号の電圧値に基づいて、被検物の接近を検出するように
なっている。

【０００８】しかしながら、前記検出電極４１の実質上
の静電容量は、温度や湿度、あるいは振動等の何らかの
外的環境の変化により変動するので、外的環境が変動す
ると前記センサからの出力電圧値が変動し、このためセ
ンサの検出精度が低下する。これにより、センサが誤動
作するおそれがある。この誤動作は、センサによって被
検物を検出し得るセンサから被検物までの最大距離（最
大検出距離）が長い程生じ易くなるので、最大検出距離
に限界がある。

【０００９】特に、センサを屋外で使用する場合には、
季節や時間帯、あるいは天候等によって温度や湿度が大
幅に変動するので、この温度や湿度の変動によって前記
センサからの出力電圧はより激しく変動し、このためセ
ンサの検出精度は極めて低くなり、誤動作が生じ安く、
また、最大検出距離がさらに低下してしまうといった問
題がある。

【００１０】本発明者の実験によれば、例えば、前記図
９に示す静電容量センサ１ｇを近接センサに適用した場
合、温度２２℃では検出距離２００mmで人体を検出する
が、温度３０℃では検出距離が１８０mmに減少してしま
い、８℃の温度上昇により検出距離に２０mm（１０％）
の誤差を生じることが確認された。また、検出電極４１
の静電容量Ｃ_g1は、温度２２℃では４２．５７７ｐＦ、
温度３０℃では４２．５１５ｐＦであり、温度が８℃上
昇するとＣ_g1は０．０６２ｐＦ（０．１５％）減少する
ことも確認された。

【００１１】なお、温度や湿度、あるいは振動等の何ら
かの外的環境の変化により、静電容量センサの検出精度
が低下するといった問題は、静電容量センサを前記近接
センサに適用した場合に限らず、例えば、変位計および
厚み計等の他の各種センサに適用した場合にも同様に生
じるものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、検出
精度が高い静電容量センサを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１２）の本発明により達成される。

【００１４】（１）第１のパルス信号発生回路と、被
検物の接近または接触を検出する静電容量型の検出素子
と、前記第１のパルス信号発生回路からの出力信号を前
記検出素子からの情報に基づいて処理する信号処理回路
と、前記信号処理回路からの出力信号に基づいて、前記
信号処理回路からの出力信号が所定値を保持するよう作
動する第１の補正手段と、前記第１の補正手段が作動す
る状態と作動しない状態とを切り換える切換手段とを有
し、前記切換手段は、前記信号処理回路からの出力信号
がしきい値を超えた場合には、前記第１の補正手段が作
動しない状態に切り換えるよう構成したことを特徴とす
る静電容量センサ。

【００１５】（２）前記信号処理回路は、前記検出素
子の静電容量に対応する信号を出力する第１の信号抽出
手段を有している上記（１）に記載の静電容量センサ。

【００１６】（３）さらに、前記検出素子と実質的に
同一の素子と、前記第１の信号抽出手段と実質的に同一
であって、前記素子の静電容量に対応する信号を出力
し、かつ前記第１の信号抽出手段と並列的に接続された
第２の信号抽出手段とを含む第２の補正手段を有し、前
記信号処理回路は、前記第１の信号抽出手段からの出力
信号と、前記第２の信号抽出手段からの出力信号との差
に相当する信号を出力するよう構成されている上記
（２）に記載の静電容量センサ。

【００１７】（４）前記第１の信号抽出手段は、前記
検出素子の静電容量に対応する電圧値を有する信号を出
力するよう構成されている上記（２）または（３）に記
載の静電容量センサ。

【００１８】（５）前記第１の補正手段は、増幅率
（増幅率≦１を含む）を変更し得る増幅手段を有し、前
記増幅手段の増幅率の変更により、前記信号処理回路か
らの出力信号が所定値を保持するよう構成されている上
記（４）に記載の静電容量センサ。

【００１９】（６）前記第１の信号抽出手段は、前記
検出素子の静電容量に応じた量だけ位相が遅れた信号を
出力するよう構成されている上記（２）または（３）に
記載の静電容量センサ。

【００２０】（７）前記第１の補正手段は、信号を遅
延させ、かつその遅延量を調整し得る遅延回路を有し、
前記遅延回路により、前記信号処理回路からの出力信号
が所定値を保持するよう構成されている上記（６）に記
載の静電容量センサ。

【００２１】（８）前記第１の補正手段は、前記信号
処理回路からの出力信号の増幅率（増幅率≦１を含む）
を変更し得る増幅手段を有し、前記増幅手段の増幅率の
変更により、増幅後の出力信号が所定値を保持するよう
構成されている上記（６）に記載の静電容量センサ。

【００２２】（９）被検物の接近または接触を検出す
る静電容量型の検出素子と、前記検出素子からの情報に
基づいて所定の周波数のパルス信号を発生する周波数可
変の第１のパルス信号発生回路と、前記第１のパルス信
号発生回路からの出力信号の周波数に応じた信号を出力
する信号処理回路と、前記信号処理回路からの出力信号
に基づいて、前記信号処理回路からの出力信号が所定値
を保持するよう作動する第１の補正手段と、前記第１の
補正手段が作動する状態と作動しない状態とを切り換え
る切換手段とを有し、前記切換手段は、前記信号処理回
路からの出力信号がしきい値を超えた場合には、前記第
１の補正手段が作動しない状態に切り換えるよう構成し
たことを特徴とする静電容量センサ。

【００２３】（１０）前記第１のパルス信号発生回路
は、出力されるパルス信号の周波数を調整し得る周波数
調整部を有し、前記第１の補正手段は、前記周波数調整
部に作用して前記パルス信号の周波数を調整することに
より、前記信号処理回路からの出力信号が所定値を保持
するよう構成されている上記（９）に記載の静電容量セ
ンサ。

【００２４】（１１）前記第１の補正手段は、前記信
号処理回路からの出力信号の増幅率（増幅率≦１を含
む）を変更し得る増幅手段を有し、前記増幅手段の増幅
率の変更により、増幅後の出力信号が所定値を保持する
よう構成されている上記（９）に記載の静電容量セン
サ。

【００２５】（１２）前記切換手段は、第２のパルス
信号発生回路を有し、前記信号処理回路からの出力信号
が前記しきい値を超えない場合には、前記第２のパルス
信号発生回路からのパルス信号に同期して、前記第１の
補正手段が作動する状態と作動しない状態とを交互に切
り換えるよう構成されている上記（１）ないし（１１）
のいずれかに記載の静電容量センサ。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の静電容量センサを添付図面に
示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、本
発明の静電容量センサの構成例を示す回路図である。同
図に示すように、静電容量センサ１ａは、第１のパルス
信号発生回路（以下、パルス信号発生回路という）２１
と、抵抗５１および検出電極（静電容量型の検出素子）
４１により構成された減衰器と、差動増幅器３１と、交
流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換器７１とを
有している。前記パルス信号発生回路２１、減衰器、差
動増幅器３１およびＡＣ−ＤＣ変換器７１は、この順序
で電気的に接続されている。以下、「電気的に接続」を
単に「接続」という。

【００２７】この場合、前記抵抗５１および差動増幅器
３１により第１の信号抽出手段が構成され、この第１の
信号抽出手段およびＡＣ−ＤＣ変換器７１により信号処
理回路が構成されている。

【００２８】なお、前記抵抗５１の抵抗値はＲ_a1、検出
電極４１の実質上の静電容量（以下、静電容量という）
はＣ_a1、差動増幅器３１の増幅率はＡ_a1、ＡＣ−ＤＣ変
換器７１の伝達関数はＢ_a1である。ここに、前記「検出
電極４１の実質上の静電容量」とは、検出電極４１固有
の静電容量と、被検物の接近または接触による静電容量
との合計の静電容量をいう。

【００２９】静電容量センサ１ａにおけるＡＣ−ＤＣ変
換器７１には、切換手段３と、第１の補正手段（以下、
補正手段という）２ａとが、この順序で接続されてい
る。切換手段３は、切換スイッチ６１、切換スイッチ６
２、第２のパルス信号発生回路（以下、パルス信号発生
回路という）２２、比較器（増幅率が実質的に無限大の
差動増幅器）３４および電源８２により構成されてい
る。

【００３０】前記切換スイッチ６１は、図示しない切換
制御端子を有し、切換制御端子にハイレベルの信号（以
下、Ｈ信号という）が入力された場合には、端子Ｓ２に
接続し、ローレベルの信号（以下、Ｌ信号という）が入
力された場合には、端子Ｓ１に接続するよう構成されて
いる。また、前記切換スイッチ６２も前記切換スイッチ
６１と同様に、切換制御端子にＨ信号が入力された場合
には、端子Ｓ４に接続し、Ｌ信号が入力された場合に
は、端子Ｓ３に接続するよう構成されている。この場
合、切換スイッチ６１は、ＡＣ−ＤＣ変換器７１の出力
側に接続されており、この切換スイッチ６１の端子Ｓ２
は、オープン状態である。

【００３１】また、ＡＣ−ＤＣ変換器７１の出力側は、
出力端子９１および比較器３４のプラス端子にそれぞれ
接続されている。比較器３４のマイナス端子には、電源
８２が接続されている。また、比較器３４は、切換スイ
ッチ６２の切換制御端子に接続されており、切換スイッ
チ６２は、切換スイッチ６１の切換制御端子に接続され
ている。この場合、切換スイッチ６２の端子Ｓ３には、
第２のパルス信号発生回路（以下、パルス信号発生回路
という）２２が接続され、端子Ｓ４には、図示しない電
源から直流電圧Ｖ_DDが印加されている。

【００３２】なお、前記電源８２の電圧は、ＶＥ_a2であ
り、この電圧ＶＥ_a2は、後述する「しきい値」である。
この場合、ＶＥ_a2の値は、静電容量センサ１ａの用途、
被検物の種類、検出電極４１の構成等の諸条件に応じて
適宜決定されるものであり、特に限定されないが、通
常、後述する検出期間において、ＡＣ−ＤＣ変換器７１
からの出力信号の電圧Ｖ_a5が外的環境の変化によって変
動したときのＶ_a5の最大値より大きく、検出電極４１に
被検物が接近することによるＶ_a5の変化（増加）後の値
より十分小さい値とされる。

【００３３】静電容量センサ１ａにおける補正手段２ａ
は、ホールド用のコンデンサ４２、電源８１、差動増幅
器３３および増幅手段である増幅器３２により構成され
ている。増幅器３２は、図示しない増幅率制御端子を有
し、外部入力により増幅率（増幅率≦１を含む）を直線
的に変更し得るよう構成されている。

【００３４】差動増幅器３３のマイナス端子には、切換
スイッチ６１の端子Ｓ１が接続され、プラス端子には、
電源８１が接続されている。また、差動増幅器３３のマ
イナス端子と、切換スイッチ６１の端子Ｓ１との間に
は、一方の電極が接地されたコンデンサ４２の他方の電
極が接続されている。

【００３５】また、差動増幅器３３は増幅器３２の増幅
率制御端子に接続され、この増幅器３２は、パルス信号
発生回路２１と、減衰器との間に設置（接続）されてい
る。なお、前記コンデンサ４２の静電容量はＣ_a2、電源
８１の電圧はＶＥ_a1、差動増幅器３３の増幅率はＡ_a3で
ある。また、差動増幅器３３からの出力信号の電圧をＶ
_a8とすると、増幅器３２の増幅率はＡ_a2・Ｖ_a8（Ｖ_a8に
よって増幅率が可変）である。

【００３６】次に、前述した静電容量センサ１ａの動作
について説明する。図１に示すように、パルス信号発生
回路２１からは、電圧ｖ_a1、角周波数ω_a1のパルス信号
が出力されている。このパルス信号発生回路２１からの
出力信号は、増幅器３２により増幅（増幅率≦１を含
む）されて、抵抗５１および検出電極４１により構成さ
れた減衰器と、差動増幅器３１のマイナス端子とに入力
される。この場合、増幅器３２からの出力信号の電圧を
ｖ_a2とする。なお、前記検出電極４１は、被検物の接近
または接触を検出するための電極であり、その静電容量
Ｃ_a1は、検出電極４１に被検物が接近すると増加し、検
出電極４１から被検物が遠ざかると減少する。

【００３７】また、減衰器においては、増幅器３２から
の出力信号を、検出電極４１の静電容量Ｃ_a1の値に応じ
て減衰して出力する。この減衰器からの出力信号は、差
動増幅器３１のプラス端子に入力される。この場合、減
衰器からの出力信号の電圧、すなわち検出電極４１の片
端電圧をｖ_a3とする。

【００３８】差動増幅器３１は、前記ｖ_a2とｖ_a3との差
を増幅し、電圧ｖ_a4の信号を出力する。この差動増幅器
３１からの出力信号は、ＡＣ−ＤＣ変換器７１に入力さ
れ、ＡＣ−ＤＣ変換器７１において、交流から直流に変
換される。この場合、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力
信号の電圧をＶ_a5とする。

【００３９】ここで、切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接
続している場合には、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力
信号は、切換スイッチ６１を経て、差動増幅器３３のマ
イナス端子に入力される。差動増幅器３３のプラス端子
には、電源８１から電圧ＶＥ_a1が印加されており、差動
増幅器３３は、Ｖ_a5とＶＥ_a1との差を増幅し、電圧Ｖ_a8
の信号を出力する。

【００４０】差動増幅器３３からの出力信号は、増幅器
３２の増幅率制御端子に入力され、この差動増幅器３３
からの出力信号により増幅器３２の増幅率が調整され
る。なお、コンデンサ４２には、ＡＣ−ＤＣ変換器７１
からの出力信号により、Ｖ_a5に応じた量の電荷が蓄積さ
れる。

【００４１】このように切換スイッチ６１が端子Ｓ１に
接続している場合において、温度や湿度、あるいは振動
等の何らかの外的環境の変化により、検出電極４１の静
電容量Ｃ_a1が変化した場合には、静電容量センサ１ａは
下記のように作動する。例えば、静電容量センサ１ａの
検出電極４１の静電容量Ｃ_a1が外的環境の変化により増
加した場合には、検出電極４１の片端電圧ｖ_a3は減少
し、これにより差動増幅器３１からの出力信号の電圧ｖ
_a4の絶対値が増加して、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出
力信号の電圧Ｖ_a5が増加する。

【００４２】Ｖ_a5が増加すると、差動増幅器３３からの
出力信号の電圧Ｖ_a8が減少して、増幅器３２の増幅率が
下がり、増幅器３２からの出力信号の電圧ｖ_a2が減少す
る。これにより、ｖ_a4の絶対値が減少して、Ｖ_a5が減少
するので、Ｖ_a5はＣ_a1が増加する前の元の値に戻る。

【００４３】逆に、静電容量センサ１ａの検出電極４１
の静電容量Ｃ_a1が外的環境の変化により減少した場合に
は、検出電極４１の片端電圧ｖ_a3は増加し、これにより
差動増幅器３１からの出力信号の電圧ｖ_a4の絶対値が減
少して、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の電圧Ｖ
_a5が減少する。

【００４４】Ｖ_a5が減少すると、差動増幅器３３からの
出力信号の電圧Ｖ_a8が増加して、増幅器３２の増幅率が
上がり、増幅器３２からの出力信号の電圧ｖ_a2が増加す
る。これにより、ｖ_a4の絶対値が増加して、Ｖ_a5が増加
するので、Ｖ_a5はＣ_a1が減少する前の元の値に戻る。

【００４５】すなわち、静電容量センサ１ａでは、切換
スイッチ６１が端子Ｓ１に接続している場合、前述した
補正手段２ａによる負帰還ループが形成され、フィード
バック制御がなされるため、ＡＣ−ＤＣ変換器７１から
の出力信号の電圧Ｖ_a5は、検出電極４１の静電容量Ｃ_a1
の変動にかかわらず、一定値（ＶＥ_a1）に保たれる。

【００４６】また、切換スイッチ６１が端子Ｓ２に接続
している場合には、前述した補正手段２ａによる負帰還
ループは形成されず、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力
信号は、差動増幅器３３へは入力されないが、コンデン
サ４２には、切換スイッチ６１が端子Ｓ２に切り換わる
直前のＶ_a5に応じた量の電荷が蓄積されており、このコ
ンデンサ４２により、差動増幅器３３からの出力信号の
電圧Ｖ_a8が一定値に保たれ、これにより増幅器３２の増
幅率は、切換スイッチ６１が端子Ｓ２に切り換わる直前
の増幅率に保たれる。

【００４７】ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号は、
出力端子９１から出力されるとともに、比較器３４のプ
ラス端子に入力される。比較器３４のマイナス端子に
は、電源８２から電圧ＶＥ_a2が印加されており、比較器
３４は、Ｖ_a5とＶＥ_a2との差を増幅し、電圧Ｖ_a7の信号
を出力する。

【００４８】この場合、前記電源８２の電圧ＶＥ_a2が
「しきい値」となり、比較器３４は、Ｖ_a5がＶＥ_a2を超
えた場合には、Ｈ信号を出力し、Ｖ_a5がＶＥ_a2を超えな
い場合には、Ｌ信号を出力する。

【００４９】比較器３４からの出力信号は、切換スイッ
チ６２の切換制御端子に入力される。切換スイッチ６２
は、切換制御端子にＨ信号が入力された場合には、端子
Ｓ４に接続し、Ｌ信号が入力された場合には、端子Ｓ３
に接続する。

【００５０】パルス信号発生回路２２からは、電圧Ｖ_a9
の一定周期（例えば、周波数１０Ｈｚ程度）のパルス信
号、すなわち一定の周期でＨ信号とＬ信号とが交互に出
力されている。このパルス信号発生回路２２からの出力
信号は、切換スイッチ６２の端子Ｓ３に入力されてい
る。また、切換スイッチ６２の端子Ｓ４には、直流電圧
Ｖ_DD、すなわちＨ信号が常時入力されている。

【００５１】従って、切換スイッチ６２の端子Ｓ３が接
続されている場合には、パルス信号発生回路２２からの
パルス信号、すなわちＨ信号とＬ信号とが交互に切換ス
イッチ６１の切換制御端子に入力される。また、切換ス
イッチ６２の端子Ｓ４が接続されている場合には、Ｈ信
号が切換スイッチ６１の切換制御端子に入力される。切
換スイッチ６１は、切換制御端子にＨ信号が入力された
場合には、端子Ｓ２に接続し、Ｌ信号が入力された場合
には、端子Ｓ１に接続する。

【００５２】前述した切換スイッチ６１の動作をまとめ
ると下記のようになる。比較器３４のプラス端子に入力
される信号の電圧Ｖ_a5が電圧ＶＥ_a2以下の場合、すなわ
ちＶ_a5がしきい値を超えない場合には、切換スイッチ６
１は、パルス信号発生回路２２からのパルス信号に同期
して、端子Ｓ１と端子Ｓ２とを交互に切り換える。ま
た、比較器３４のプラス端子に入力される信号の電圧Ｖ
_a5が電圧ＶＥ_a2より大きい場合、すなわちＶ_a5がしきい
値を超えた場合には、切換スイッチ６１は端子Ｓ２に接
続する。

【００５３】このように切換スイッチ６１が切り換わ
り、前述したように、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力
信号は、切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続されている
場合にのみ、差動増幅器３３に入力される。

【００５４】ここで、前記「信号処理回路からの出力信
号（ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の電圧Ｖ_a5）
がしきい値を超えた場合」とは、本実施例の静電容量セ
ンサ１ａようにＶ_a5がしきい値より小から大になった場
合に限らず、後述する静電容量センサ１ｅのように信号
処理回路からの出力信号がしきい値より大から小になっ
た場合（被検物が接近していないときには、信号処理回
路からの出力信号はしきい値より大）も含む意味であ
る。

【００５５】次に、前述した静電容量センサ１ａの動作
を、タイミングチャートに基づいて、より具体的に説明
する。この場合、代表的に、検出電極４１の静電容量Ｃ
_a1が徐々に増加するような何らかの外的環境の変化があ
る場合における動作を説明する。図２は、検出電極４１
の静電容量Ｃ_a1が徐々に増加するような外的環境の変化
がある場合において、静電容量センサ１ａの動作を示す
タイミングチャートである。

【００５６】同図に示すように、パルス信号発生回路２
２からは、電圧Ｖ_a9の一定周期のパルス信号、すなわち
Ｈ信号とＬ信号とが一定の周期で交互に出力されてい
る。この場合、時間ｔ₀ とｔ₁ との間、ｔ₂ とｔ₃ との
間、ｔ₄ とｔ₅ との間、ｔ₇ とｔ₈ との間およびｔ₁₀と
ｔ₁₁との間がそれぞれＬ信号、ｔ₁ とｔ₂ との間、ｔ₃
とｔ₄ との間、ｔ₅ とｔ₇ との間、ｔ₈ とｔ₁₀との間お
よびｔ₁₁とｔ₁₂との間がそれぞれＨ信号となっている。

【００５７】また、時間ｔ₆ 〜ｔ₉ のみ検出電極４１の
近傍に被検物が位置し、これによりｔ₆ 〜ｔ₉ は検出電
極４１の静電容量Ｃ_a1が極端に大きくなっている。以
下、時間ｔを、ｔ₀ ≦ｔ＜ｔ₆ 、ｔ₆ ≦ｔ＜ｔ₉ および
ｔ₉ ≦ｔ≦ｔ₁₂に分けて説明する。

【００５８】［ｔ₀ ≦ｔ＜ｔ₆ ］ｔ₀ ≦ｔ＜ｔ₆ において、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの
出力信号の電圧Ｖ_a5は、しきい値である電圧ＶＥ_a2より
低いので、比較器３４からはＬ信号が出力され、これに
より切換スイッチ６２は端子Ｓ３に接続される。

【００５９】切換スイッチ６２が端子Ｓ３に接続されて
いる場合には、切換スイッチ６１は、パルス信号発生回
路２２からのパルス信号に同期して交互に切り換わる。
すなわち、切換スイッチ６１は、ｔ₀ とｔ₁ との間、ｔ
₂ とｔ₃ との間およびｔ₄ とｔ₅ との間は、それぞれ、
端子Ｓ１に接続され、ｔ₁ とｔ₂ との間およびｔ₃ とｔ
₄ の間は、それぞれ、端子Ｓ２に接続される。

【００６０】ｔ₀ 〜ｔ₆ において、検出電極４１の静電
容量Ｃ_a1は、外的環境の変化により徐々に増加するが、
前述したように、切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続さ
れている場合には、Ｖ_a5は補正手段２ａにより一定値
（ＶＥ_a1）に保持される。また、切換スイッチ６１が端
子Ｓ２に接続されている場合には、補正手段２ａは作動
せず、Ｖ_a5はＣ_a1の増加に伴って徐々に増加する。

【００６１】すなわち、Ｖ_a5は、ｔ₀ とｔ₁ との間はＶ
Ｅ_a1に保持され、ｔ₁ とｔ₂ との間はＣ_a1の増加に伴っ
て徐々に増加し、切換スイッチ６１が端子Ｓ２から端子
Ｓ１に切り換わるｔ₂ において再びＶＥ_a1に戻り、ｔ₂
とｔ₃ との間はＶＥ_a1に保持される。以下、ｔ₆ までは
前記と同様の動作が繰り返される。

【００６２】なお、前記切換スイッチ６１が端子Ｓ２に
接続されている期間が、Ｃ_a1の変化に応じてＶ_a5が変化
し得る期間、すなわちＣ_a1の変化により被検物の接近ま
たは接触等を検出し得る「検出期間」である。また、前
記切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続されている期間
が、Ｃ_a1が変化してもＶ_a5が一定値に保持される期間、
すなわちＶ_a5に基づいてＣ_a1の変化を監視し、補正手段
２ａによりＶ_a5が一定値になるよう補正を行う「補正期
間」である。

【００６３】［ｔ₆ ≦ｔ＜ｔ₉ ］ｔ₆ （検出期間）において、検出電極４１に被検物が接
近してＣ_a1が急激に増加し、Ｖ_a5がＶＥ_a2より高くなる
と、比較器３４からはＨ信号が出力される。これにより
切換スイッチ６２は端子Ｓ４に接続され、切換スイッチ
６１の切換制御端子には電圧Ｖ_DDの信号、すなわちＨ信
号が入力されるので、切換スイッチ６１は端子Ｓ２に接
続された状態を保持する。

【００６４】この場合には、出力電圧Ｖ_a5はＣ_a1の変化
に応じて変化する。従って、出力端子９１からの出力信
号を利用して被検物の接近または接触を検出する。前記
の状態は、パルス信号発生回路２２からのパルス信号に
関係なく、Ｖ_a5がＶＥ_a2以下になるｔ₉ まで保持され
る。

【００６５】［ｔ₉ ≦ｔ≦ｔ₁₂］ｔ₉ において、検出電極４１から被検物が遠ざかりＣ_a1
が減少し、Ｖ_a5がＶＥ_a2以下になると、比較器３４から
はＬ信号が出力され、これにより切換スイッチ６２は端
子Ｓ３に接続される。

【００６６】切換スイッチ６２が端子Ｓ３に接続されて
いる場合には、前述したｔ₀ ≦ｔ＜ｔ₆ の期間と同様
に、切換スイッチ６１は、パルス信号発生回路２２から
のパルス信号に同期して交互に切り換わる。

【００６７】ｔ₉ 〜ｔ₁₂において、Ｃ_a1は、外的環境の
変化により徐々に増加するが、切換スイッチ６１が端子
Ｓ１に接続されている場合には、Ｖ_a5は補正手段２ａに
より一定値（ＶＥ_a1）に保持され、端子Ｓ２に接続され
ている場合には、補正手段２ａは作動せず、Ｖ_a5はＣ_a1
の増加に伴って徐々に増加する。

【００６８】以下、検出期間において再びＶ_a5がＶＥ_a2
より高くなると、前述したｔ₆ ≦ｔ＜ｔ₉ の期間と同様
に、切換スイッチ６２は端子Ｓ４に接続され、これによ
り切換スイッチ６１は端子Ｓ２に接続された状態を保持
する。そして、出力電圧Ｖ_a5がＣ_a1の変化に応じて変化
する。

【００６９】このように本実施例の静電容量センサ１ａ
では、一定周期で、検出電極４１の静電容量Ｃ_a1の微少
変化を監視し、センサ出力を一定に保つ動作を行い、急
激なＣ_a1の変化については、センサ出力を一定に保つ動
作を行わずにセンサ出力を出力する。なお、本実施例で
は、切換スイッチ６１の切換周期は比較的短いので、被
検物の接近または接触の検出には、前記切換スイッチ６
１の切り換えによる影響はない。

【００７０】次に、前述した静電容量センサ１ａについ
て、検出期間および補正期間それぞれにおけるＡＣ−Ｄ
Ｃ変換器７１からの出力信号の電圧Ｖ_a5の理論式を求
め、作用を確認する。

【００７１】［補正期間（図２においてｔ₀ とｔ₁ との
間）］図１において、切換スイッチ６１がＳ１、切換ス
イッチ６２がＳ３にそれぞれ接続され、パルス信号発生
回路２２からＬ信号が出力されている場合には、下記数
１に示す（１）〜（５）式が成立する。

【００７２】

【数１】

【００７３】上記（１）〜（４）式より下記数２に示す
（６）式が得られる。

【００７４】

【数２】

【００７５】上記（５）および（６）式より下記数３に
示す（７）式が得られる。

【００７６】

【数３】

【００７７】上記（７）式を変形すると下記数４に示す
（８）式が得られる。

【００７８】

【数４】

【００７９】上記（８）式において、下記数５に示す
（９）式が成立すれば、Ｖ_a5≒ＶＥ_a1となり、これより
補正期間におけるＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力電圧
Ｖ_a5は、一定電圧ＶＥ_a1となる。

【００８０】

【数５】

【００８１】［検出期間（図２においてｔ₁ とｔ₂ との
間）］図１において、切換スイッチ６１がＳ２、切換ス
イッチ６２がＳ３にそれぞれ接続され、パルス信号発生
回路２２からＨ信号が出力されている場合、または、切
換スイッチ６１がＳ２、切換スイッチ６２がＳ４にそれ
ぞれ接続されている場合には、上記（６）式が成立し、
（６）式のＶ_a5が出力端子９１からの出力電圧となる。

【００８２】次に、前述した静電容量センサ１ａの理論
上の検出誤差と、図８に示す従来の静電容量センサ１ｆ
の理論上の検出誤差とを求め、両者を比較する。［従来の静電容量センサ１ｆ］図８に示す従来の静電容
量センサ１ｆのＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の
電圧Ｖ_f4は、下記数６に示す（１０）式のように表され
る。

【００８３】

【数６】

【００８４】検出電極４１に被検物が接近することによ
り、検出電極４１の静電容量Ｃ_f1が△Ｃ増加したとする
と、その際のＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の電
圧Ｖ_f4△は下記数７に示す（１１）式のように表され
る。

【００８５】

【数７】

【００８６】また、外的環境の変化により検出電極４１
の静電容量Ｃ_f1がα倍、すなわちαＣ_f1に変化したとす
ると、その際のＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の
電圧Ｖ_f4’は下記数８に示す（１２）式のように表され
る。

【００８７】

【数８】

【００８８】この状態で、検出電極４１に被検物が接近
することにより、検出電極４１の静電容量αＣ_f1が△Ｃ
増加したとすると、その際のＡＣ−ＤＣ変換器７１から
の出力信号の電圧Ｖ_f4△’は下記数９に示す（１３）式
のように表される。

【００８９】

【数９】

【００９０】ここで、上記（１０）〜（１３）式に下記
の数値を代入し、Ｖ_f4、Ｖ_f4△、Ｖ_f4’およびＶ_f4△’
をそれぞれ求めると下記のようになる。Ｂ_f1＝１、Ａ_f1＝１００、｜ｖ_f1｜＝１Ｖ、ω_f1＝１０
００rad/sec 、Ｃ_f1＝５０ｐＦ、Ｒ_f1＝２００ｋΩ、α
＝１．００２、△Ｃ＝１ｐＦＶ_f4＝９９９．９５ｍＶ、Ｖ_f4△＝１０１９．９５ｍ
Ｖ、Ｖ_f4’＝１０００．１５ｍＶ、Ｖ_f4△’＝１０２
１．９５ｍＶ従って、従来の静電容量センサ１ｆの場合、検出電極４
１に被検物が接近したときの検出誤差は、Ｖ_f4△−Ｖ_f4
△’＝−２ｍＶとなる。

【００９１】［本実施例の静電容量センサ１ａ］図１に
示す本実施例の静電容量センサ１ａにおいて、外的環境
の変化により検出電極４１の静電容量Ｃ_a1がα倍、すな
わちαＣ_a1に変化したとすると、その際のＡＣ−ＤＣ変
換器７１からの出力信号の電圧Ｖ_a5’は、差動増幅器３
３のからの出力信号の電圧をＶ_a8’とすると、下記数１
０に示す（１４）式のように表される。

【００９２】

【数１０】

【００９３】前述したように、補正期間においては
Ｖ_a5’＝Ｖ_a5となるので、上記（６）および（１４）式
からＶ_a8’を求めると、Ｖ_a8’は下記数１１に示す（１
５）式のように表される。

【００９４】

【数１１】

【００９５】この状態で、検出電極４１に被検物が接近
することにより、検出電極４１の静電容量αＣ_a1が△Ｃ
増加したとすると、その際のＡＣ−ＤＣ変換器７１から
の出力信号の電圧Ｖ_a5△’は下記数１２に示す（１６）
式のように表される。

【００９６】

【数１２】

【００９７】ここで、上記（６）、（１４）〜（１６）
式と、下記の数値とを用いて、Ｖ_a5、Ｖ_a5’、Ａ_a2・Ｖ
_a8’、Ｖ_a5△およびＶ_a5△’をそれぞれ求めると下記の
ようになる。Ｂ_a1＝Ｂ_f1＝１、Ａ_a1＝Ａ_f1＝１００、｜ｖ_a1｜＝｜ｖ
_f1｜＝１Ｖ、ω_a1＝ω_f1＝１０００rad/sec 、Ｃ_a1＝Ｃ
_f1＝５０ｐＦ、Ｒ_a1＝Ｒ_f1＝２００ｋΩ、α＝１．００
２、△Ｃ＝１ｐＦ、Ａ_a2Ｖ_a8＝１Ｖ_a5＝９９９．９５ｍＶ、Ｖ_a5’＝９９９．９５ｍＶ、
Ａ_a2・Ｖ_a8’＝０．９９８、Ｖ_a5△＝１０１９．９５ｍ
Ｖ、Ｖ_a5△’＝１０１９．９０６ｍＶ

【００９８】従って、本実施例の静電容量センサ１ａの
場合、検出電極４１に被検物が接近したときの検出誤差
は、Ｖ_a5△−Ｖ_a5△’＝０．０４４ｍＶとなる。この静
電容量センサ１ａの検出誤差（０．０４４ｍＶ）と、前
記従来の静電容量センサ１ｆの検出誤差（−２ｍＶ）と
を比較すると、本実施例の静電容量センサ１ａにより、
検出誤差が従来の約１／４５に改善されることが分か
る。

【００９９】なお、図１０に示す従来の静電容量センサ
１ｇの場合、温度２２℃および３０℃では、それぞれ、
検出距離２００mmおよび１８０mmで人体を検出し、温度
が８℃上昇した場合の検出誤差は２０mmであった。この
場合、前記理論上の検出誤差の比較から、静電容量セン
サ１ａによれば、温度が２２℃から３０℃に上昇した際
の検出誤差は、２０mm／４５＝０．４４mmとなることが
予想される。

【０１００】このように本実施例の静電容量センサ１ａ
によれば、温度や湿度、あるいは振動等の何らかの外的
環境の変動により検出電極４１の静電容量Ｃ_a1が変動し
ても、補正手段２ａによりＡＣ−ＤＣ変換器７１からの
出力信号の電圧Ｖ_a5が一定値を保つように補正されるの
で、従来の静電容量センサに比較して検出精度が高い。

【０１０１】このため、例えば、静電容量センサ１ａを
距離センサに適用した場合には、従来の静電容量センサ
に比較して、安定かつ正確に被検物の接近を検出でき、
また、前記のように検出精度が向上するので、静電容量
センサ１ａによって被検物を検出し得るセンサから被検
物までの最大距離（以下、最大検出距離という）を長く
することができるといった利点がある。

【０１０２】次に、本発明の静電容量センサの他の構成
例について説明する。なお、前述した静電容量センサ１
ａとの共通点については説明を省略し、相違点について
のみ説明する。図３は、本発明の静電容量センサの他の
構成例を示す回路図である。同図に示すように、静電容
量センサ１ｂは、パルス信号発生回路２１と、抵抗５１
および被検物の接近または接触を検出する検出電極４１
により構成された第１の減衰器と、差動増幅器３１と、
抵抗５２および基準電極４３により構成された第２の減
衰器と、差動増幅器３５と、差動増幅器３６と、ＡＣ−
ＤＣ変換器７１と、切換手段３と、第１の補正手段（以
下、補正手段という）２ｂとを有している。

【０１０３】パルス信号発生回路２１には、２つのライ
ン９２、９３が互いに並列的に接続されている。前記ラ
イン９２は第１の減衰器に接続され、第１の減衰器には
差動増幅器３１が接続されている。また、前記ライン９
３は後述する増幅器３２に接続され、増幅器３２には第
２の減衰器が接続され、第２の減衰器には差動増幅器３
５が接続されている。

【０１０４】差動増幅器３１および３５は、それぞれ、
差動増幅器３６のプラス端子およびマイナス端子に接続
されている。そして、この差動増幅器３６はＡＣ−ＤＣ
変換器７１に接続されている。この場合、抵抗５１およ
び差動増幅器３１により第１の信号抽出手段が構成さ
れ、この第１の信号抽出手段、差動増幅器３６およびＡ
Ｃ−ＤＣ変換器７１により信号処理回路が構成されてい
る。

【０１０５】また、抵抗５２および差動増幅器３５によ
り第２の信号抽出手段が構成され、この第２の信号抽出
手段および基準電極４３により第２の補正手段（以下、
補正手段という）４ｂが構成されている。ここで、前記
補正手段４ｂの基準電極４３、抵抗５２および差動増幅
器３５は、それぞれ、前記検出電極４１、抵抗５１およ
び差動増幅器３１と特性が実質的に同一となるよう構成
されている。このため、外的環境の変動により検出電極
４１の静電容量Ｃ_b1が変動した場合には、基準電極４３
の静電容量Ｃ_b3もＣ_b1と同じように変動し、これによ
り、外的環境の変動による影響を打ち消し合うようにな
っている。

【０１０６】しかしながら、検出電極４１は装置の外部
に配置され、基準電極４３は装置の内部に配置されてい
るので、外的環境の変動により前記両電極が受ける影響
は微妙に異なるとともに、両電極、抵抗および作動増幅
器をそれぞれ完全に同一にするのは不可能であるため、
前記補正手段４ｂのみでは、外的環境の変動による影響
を完全に解消することはできない。

【０１０７】従って、本実施例の静電容量センサ１ｂで
は、さらに補正手段２ｂを設け、この補正手段２ｂによ
り、前記補正手段４ｂへの入力信号の電圧を調整するこ
とで、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の電圧Ｖ_b6
が一定に保たれるように構成されている。

【０１０８】前記補正手段２ｂは、ホールド用のコンデ
ンサ４２、電源８１、差動増幅器３３および増幅器３２
により構成され、この増幅器３２は、前記のとおり第２
の減衰器の直前、すなわちライン９３に接続されてい
る。

【０１０９】次に、前述した静電容量センサ１ｂの動作
について説明する。図３に示すように、パルス信号発生
回路２１からは、電圧ｖ_b0、角周波数ω_b0のパルス信号
が出力されている。このパルス信号発生回路２１からの
出力信号は、ライン９２を経て抵抗５１および検出電極
４１により構成された第１の減衰器と、差動増幅器３１
のマイナス端子とに入力される。第１の減衰器において
は、パルス信号発生回路２１からの出力信号を、検出電
極４１の静電容量Ｃ_b1の値に応じて減衰して出力する。
この第１の減衰器からの出力信号は、差動増幅器３１の
プラス端子に入力される。この場合、第１の減衰器から
の出力信号の電圧、すなわち検出電極４１の片端電圧を
ｖ_b1とする。

【０１１０】また、パルス信号発生回路２１からの出力
信号は、ライン９３を経て増幅器３２により増幅（増幅
率≦１を含む）された後、抵抗５２および基準電極４３
により構成された第２の減衰器と、差動増幅器３５のマ
イナス端子とに入力される。第２の減衰器においては、
パルス信号発生回路２１からの出力信号を、基準電極４
３の静電容量Ｃ_b3の値に応じて減衰して出力する。この
第２の減衰器からの出力信号は、差動増幅器３５のプラ
ス端子に入力される。この場合、第２の減衰器からの出
力信号の電圧、すなわち基準電極４３の片端電圧をｖ_b2
とする。

【０１１１】差動増幅器３１からの出力信号は差動増幅
器３６のプラス端子に入力され、差動増幅器３５からの
出力信号は差動増幅器３６のマイナス端子に入力され、
これにより差動増幅器３６からは、検出電極４１の静電
容量Ｃ_b1の変化量に応じた信号が出力される。なお、外
的環境の変動によりＣ_b1が変動した場合でも、ノイズ性
の変動等のように基準電極４３の静電容量Ｃ_b3がＣ_b1と
同様の変動を受けるものについては、差動増幅器３６に
おいてキャンセルされる。

【０１１２】差動増幅器３１からの出力信号は、ＡＣ−
ＤＣ変換器７１に入力され、ＡＣ−ＤＣ変換器７１にお
いて、交流から直流に変換される。なお、差動増幅器３
１、３５、３６およびＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力
信号の電圧を、それぞれ、ｖ_b3、ｖ_b4、ｖ_b5およびＶ_b6
とする。

【０１１３】切換手段３の動作は、前述した静電容量セ
ンサ１ａの切換手段３と同様であるので説明を省略し、
以下、補正手段２ｂの動作を説明する。切換スイッチ６
１が端子Ｓ１に接続している場合には、ＡＣ−ＤＣ変換
器７１からの出力信号は、切換スイッチ６１を経て、差
動増幅器３３のプラス端子に入力され、差動増幅器３３
からは電圧Ｖ_b7の信号が出力される。

【０１１４】差動増幅器３３からの出力信号は、増幅器
３２の増幅率制御端子に入力され、この差動増幅器３３
からの出力信号により増幅器３２の増幅率が調整され
る。切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続している場合に
おいて、外的環境の変化により、検出電極４１の静電容
量Ｃ_b1が変化した場合には、静電容量センサ１ｂは下記
のように作動する。この場合、代表的に、Ｃ_b1が増加し
た場合について説明する。

【０１１５】外的環境の変化によりＣ_b1が増加すると、
検出電極４１の片端電圧ｖ_b1は減少し、これにより差動
増幅器３１からの出力信号の電圧ｖ_b3の絶対値が増加す
る。そして、差動増幅器３６からの出力信号の電圧ｖ_b5
が増加し、ＡＣ−ＤＣ変換器７１からの出力信号の電圧
Ｖ_b6が増加する。Ｖ_b6が増加すると、差動増幅器３３か
らの出力信号の電圧Ｖ_b7が増加して、増幅器３２の増幅
率が上がる。これにより、ｖ_b4の絶対値が増加し、ｖ_b5
が減少して、Ｖ_b6が減少するので、Ｖ_b6はＣ_b1が増加す
る前の元の値に戻る。

【０１１６】このように切換スイッチ６１が端子Ｓ１に
接続している場合には、補正手段２ｂによる負帰還ルー
プが形成され、これによりＡＣ−ＤＣ変換器７１からの
出力信号の電圧Ｖ_b6は、検出電極４１の静電容量Ｃ_b1の
変動にかかわらず、一定値に保たれる。なお、基準電極
４３の静電容量Ｃ_b3が変動した場合も前記と同様にＶ_b6
は一定値に保たれる。

【０１１７】次に、本発明の静電容量センサの他の構成
例について説明する。なお、前述した静電容量センサ１
ａとの共通点については説明を省略し、相違点について
のみ説明する。図４は、本発明の静電容量センサの他の
構成例を示す回路図である。同図に示すように、静電容
量センサ１ｃは、パルス信号発生回路２１と、第１の信
号抽出手段である抵抗５１および被検物の接近または接
触を検出する検出電極４１により構成された遅延回路５
と、位相比較器７２と、切換手段３と、第１の補正手段
（以下、補正手段という）２ｃとを有している。

【０１１８】パルス信号発生回路２１には、２つのライ
ン９２、９３が互いに並列的に接続されており、前記ラ
イン９２および９３は、それぞれ、遅延回路５および後
述する遅延回路７３に接続されている。また、遅延回路
５および遅延回路７３には位相比較器７２が接続されて
いる。この場合、抵抗５１および位相比較器７２により
信号処理回路が構成されている。

【０１１９】補正手段２ｃは、ホールド用のコンデンサ
４２、電源８１、差動増幅器３３および遅延回路７３に
より構成されている。前記遅延回路７３は、図示しない
遅延量制御端子を有し、外部入力により信号の遅延量を
調整し得るよう構成され、前記のとおり位相比較器７２
の直前、すなわちライン９３に接続されている。また、
差動増幅器３３は、遅延回路７３の遅延量制御端子に接
続されている。

【０１２０】次に、前述した静電容量センサ１ｃの動作
について説明する。図４に示すように、パルス信号発生
回路２１からの出力信号は、ライン９２を経て遅延回路
５に入力される。遅延回路５においては、パルス信号発
生回路２１からの出力信号を、検出電極４１の静電容量
Ｃ_c1の値に応じて位相を遅延して出力する。この遅延回
路５からの出力信号は、位相比較器７２へ入力される。

【０１２１】また、パルス信号発生回路２１からの出力
信号は、ライン９３を経て遅延回路７３に入力され、こ
の遅延回路７３において遅延される。遅延回路５からの
出力信号は、位相比較器７２へ入力される。位相比較器
７２は、遅延回路５からの出力信号と、遅延回路７３か
らの出力信号との位相差に対応する直流電圧値Ｖ_c5の信
号を出力する。

【０１２２】切換手段３の動作は、前述した静電容量セ
ンサ１ａの切換手段３と同様であるので説明を省略し、
以下、補正手段２ｃの動作を説明する。切換スイッチ６
１が端子Ｓ１に接続している場合には、位相比較器７２
からの出力信号は、切換スイッチ６１を経て、差動増幅
器３３のマイナス端子に入力され、差動増幅器３３から
は電圧Ｖ_c8の信号が出力される。

【０１２３】差動増幅器３３からの出力信号は、遅延回
路７３の遅延量制御端子に入力され、この差動増幅器３
３からの出力信号により遅延回路７３が制御され、これ
によりライン９３を通る信号の遅延量が調整される。

【０１２４】切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続してい
る場合において、外的環境の変化により、検出電極４１
の静電容量Ｃ_c1が変化した場合には、静電容量センサ１
ｃは下記のように作動する。この場合、代表的に、Ｃ_c1
が増加した場合について説明する。外的環境の変化によ
りＣ_c1が増加すると、遅延回路５からの出力信号の遅延
量が増加し、これにより位相比較器７２からの出力信号
の電圧Ｖ_c5が増加する。

【０１２５】Ｖ_c5が増加すると、差動増幅器３３からの
出力信号の電圧Ｖ_c8が減少して、遅延回路７３による信
号の遅延量が増加する。すなわち、遅延回路７３からの
出力信号の遅延量が増加し、これによりＶ_c5が減少する
ので、Ｖ_c5はＣ_c1が増加する前の元の値に戻る。このよ
うに切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続している場合に
は、補正手段２ｃによる負帰還ループが形成され、これ
により位相比較器７２からの出力信号の電圧Ｖ_c5は、検
出電極４１の静電容量Ｃ_c1の変動にかかわらず、一定値
に保たれる。

【０１２６】次に、本発明の静電容量センサの他の構成
例について説明する。なお、前述した静電容量センサ１
ａとの共通点については説明を省略し、相違点について
のみ説明する。図５は、本発明の静電容量センサの他の
構成例を示す回路図である。同図に示すように、静電容
量センサ１ｄは、パルス信号発生回路２１と、第１の信
号抽出手段である抵抗５１および被検物の接近または接
触を検出する検出電極４１により構成された遅延回路５
と、第２の信号抽出手段である抵抗５２および基準電極
４３により構成された遅延回路６と、位相比較器７２
と、切換手段３と、第１の補正手段（以下、補正手段と
いう）２ｄとを有している。この場合、遅延回路６によ
り第２の補正手段が構成されている。

【０１２７】ここで、前記静電容量センサ１ｂと同様、
第２の補正手段の基準電極４３および抵抗５２は、それ
ぞれ、前記検出電極４１および抵抗５１と特性が実質的
に同一となるよう構成され、これにより外的環境の変動
による影響を打ち消し合うようになっているが、第２の
補正手段のみでは、外的環境の変動による影響を完全に
解消することはできない。

【０１２８】従って、本実施例の静電容量センサ１ｄで
は、さらに補正手段２ｄを設け、この補正手段２ｄによ
り、前記第２の補正手段（遅延回路６）への入力信号の
位相の遅延量を調整することで、位相比較器７２からの
出力信号の電圧Ｖ_d6が一定に保たれるように構成されて
いる。

【０１２９】パルス信号発生回路２１には、２つのライ
ン９２、９３が互いに並列的に接続されており、前記ラ
イン９２および９３は、それぞれ、遅延回路５および後
述する遅延回路７３に接続されている。遅延回路５には
位相比較器７２が接続されている。また、遅延回路７３
には遅延回路６が接続され、遅延回路６には位相比較器
７２が接続されている。この場合、抵抗５１および位相
比較器７２により信号処理回路が構成されている。

【０１３０】補正手段２ｄは、ホールド用のコンデンサ
４２、電源８１、差動増幅器３３および遅延回路７３に
より構成されている。前記遅延回路７３は、図示しない
遅延量制御端子を有し、外部入力により信号の遅延量を
調整し得るよう構成され、前記のとおり遅延回路６の直
前、すなわちライン９３に接続されている。また、差動
増幅器３３は、遅延回路７３の遅延量制御端子に接続さ
れている。

【０１３１】次に、前述した静電容量センサ１ｄの動作
について説明する。図５に示すように、パルス信号発生
回路２１からの出力信号は、ライン９２を経て遅延回路
５に入力される。遅延回路５においては、パルス信号発
生回路２１からの出力信号を、検出電極４１の静電容量
Ｃ_d1の値に応じて位相を遅延して出力する。この遅延回
路５からの出力信号は、位相比較器７２へ入力される。

【０１３２】また、パルス信号発生回路２１からの出力
信号は、ライン９３を経て遅延回路７３に入力され、こ
の遅延回路７３において遅延されて、遅延回路６に入力
される。遅延回路６においては、遅延回路７３からの出
力信号を、基準電極４３の静電容量Ｃ_d3の値に応じて位
相を遅延して出力する。この遅延回路６からの出力信号
は、位相比較器７２へ入力される。

【０１３３】位相比較器７２は、遅延回路５からの出力
信号と、遅延回路６からの出力信号との位相差に対応す
る直流電圧値Ｖ_d6の信号を出力する。なお、前述した静
電容量センサ１ｂと同様に、外的環境の変動によりＣ_d1
が変動した場合でも、ノイズ性の変動等のように基準電
極４３の静電容量Ｃ_d3がＣ_d1と同様の変動を受けるもの
については、位相比較器７２においてキャンセルされ
る。

【０１３４】切換手段３の動作は、前述した静電容量セ
ンサ１ａの切換手段３と同様であるので説明を省略し、
以下、補正手段２ｄの動作を説明する。切換スイッチ６
１が端子Ｓ１に接続している場合には、位相比較器７２
からの出力信号は、切換スイッチ６１を経て、差動増幅
器３３のマイナス端子に入力され、差動増幅器３３から
は電圧Ｖ_d7の信号が出力される。

【０１３５】差動増幅器３３からの出力信号は、遅延回
路７３の遅延量制御端子に入力され、この差動増幅器３
３からの出力信号により遅延回路７３が制御され、これ
によりライン９３を通る信号の遅延量が調整される。

【０１３６】切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続してい
る場合において、外的環境の変化により、検出電極４１
の静電容量Ｃ_d1が変化した場合には、静電容量センサ１
ｄは下記のように作動する。この場合、代表的に、Ｃ_d1
が増加した場合について説明する。外的環境の変化によ
りＣ_d1が増加すると、遅延回路５からの出力信号の遅延
量が増加し、これにより位相比較器７２からの出力信号
の電圧Ｖ_d6が増加する。

【０１３７】Ｖ_d6が増加すると、差動増幅器３３からの
出力信号の電圧Ｖ_d7が減少して、遅延回路７３による信
号の遅延量が増加する。すなわち、遅延回路７３からの
出力信号の遅延量が増加し、これによりＶ_d6が減少する
ので、Ｖ_d6はＣ_d1が増加する前の元の値に戻る。このよ
うに切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続している場合に
は、補正手段２ｄによる負帰還ループが形成され、これ
により位相比較器７２からの出力信号の電圧Ｖ_d6は、検
出電極４１の静電容量Ｃ_d1の変動にかかわらず、一定値
に保たれる。なお、基準電極４３の静電容量Ｃ_d3が変動
した場合も前記と同様にＶ_d6は一定値に保たれる。

【０１３８】次に、本発明の静電容量センサの他の構成
例について説明する。なお、前述した静電容量センサ１
ａとの共通点については説明を省略し、相違点について
のみ説明する。図６は、本発明の静電容量センサの他の
構成例を示す回路図である。同図に示すように、静電容
量センサ１ｅは、被検物の接近または接触を検出する検
出電極４１と、この検出電極４１が接続された第１のパ
ルス信号発生回路（以下、パルス信号発生回路という）
２３と、信号の周波数を直流電圧に変換するＦ−Ｖ変換
器７４と、切換手段３と、第１の補正手段（以下、補正
手段という）２ｅとを有している。この場合、Ｆ−Ｖ変
換器７４が信号処理回路である。

【０１３９】パルス信号発生回路２３は、周波数を調整
し得る周波数調整部と周波数制御端子とを有し（いずれ
も図示せず）、該周波数制御端子から信号を入力するこ
とによりパルス信号（出力信号）の周波数を調整でき、
かつ検出電極４１の静電容量Ｃ_e1の値に応じた周波数の
パルス信号を出力し得るよう構成されている。パルス信
号発生回路２３にはＦ−Ｖ変換器７４が接続され、Ｆ−
Ｖ変換器７４には切換手段３の切換スイッチ６１が接続
されている。

【０１４０】切換手段３は、差動増幅器３４の極性が前
記静電容量センサ１ａの場合とは逆になっており、この
点を除き、静電容量センサ１ａの切換手段３と同様であ
る。補正手段２ｅは、ホールド用のコンデンサ４２、電
源８１および差動増幅器３３により構成され、前記差動
増幅器３３は、パルス信号発生回路２３の周波数制御端
子に接続されている。

【０１４１】次に、前述した静電容量センサ１ｅの動作
について説明する。図６に示すように、パルス信号発生
回路２３からは検出電極４１の静電容量Ｃ_e1の値に応じ
た周波数のパルス信号が出力されている。パルス信号発
生回路２１からの出力信号は、Ｆ−Ｖ変換器７４に入力
され、このＦ−Ｖ変換器７４において、周波数に対応す
る直流電圧Ｖ_e5の信号に変換されて出力される。

【０１４２】切換手段３の差動増幅器３４は、Ｆ−Ｖ変
換器７４からの出力信号の電圧Ｖ_e5がしきい値以上であ
る場合（被検物が検出電極４１に接近していない場合）
にはＬ信号を出力する。また、差動増幅器３４は、被検
物が検出電極４１に接近して、Ｆ−Ｖ変換器７４からの
出力信号の電圧Ｖ_e5がしきい値より小さくなると、すな
わち、Ｖ_e5がしきい値を超えるとＨ信号を出力する。

【０１４３】切換手段３の動作は、上記の点を除き、前
述した静電容量センサ１ａの切換手段３と同様であるの
で説明を省略し、以下、補正手段２ｅの動作を説明す
る。切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続している場合に
は、Ｆ−Ｖ変換器７４からの出力信号は、切換スイッチ
６１を経て、差動増幅器３３のマイナス端子に入力さ
れ、差動増幅器３３からは電圧Ｖ_e8の信号が出力され
る。

【０１４４】差動増幅器３３からの出力信号は、パルス
信号発生回路２３の周波数制御端子に入力され、この差
動増幅器３３からの出力信号により、パルス信号発生回
路２３から出力されるパルス信号の周波数が調整され
る。

【０１４５】切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続してい
る場合において、外的環境の変化により、検出電極４１
の静電容量Ｃ_e1が変化した場合には、静電容量センサ１
ｅは下記のように作動する。この場合、代表的に、Ｃ_e1
が増加した場合について説明する。外的環境の変化によ
りＣ_e1が増加すると、パルス信号発生回路２３からのパ
ルス信号の周波数が減少し、これによりＦ−Ｖ変換器７
４からの出力信号の電圧Ｖ_e5が減少する。

【０１４６】Ｖ_e5が減少すると、差動増幅器３３からの
出力信号の電圧Ｖ_e8が増加して、パルス信号発生回路２
３からのパルス信号の周波数が増加する。これによりＶ
_e5が増加するので、Ｖ_e5はＣ_e1が増加する前の元の値に
戻る。このように切換スイッチ６１が端子Ｓ１に接続し
ている場合には、補正手段２ｅによる負帰還ループが形
成され、これによりＦ−Ｖ変換器７４からの出力信号の
電圧Ｖ_e5は、検出電極４１の静電容量Ｃ_e1の変動にかか
わらず、一定値に保たれる。

【０１４７】なお、前記各実施例において、切換手段３
は、図示の構成に限定されない。例えば、図７に示すよ
うに、切換手段３を、切換スイッチ６１、オワ回路６
３、比較器３４およびパルス発生回路２２により構成し
てもよい。この場合、比較器３４およびパルス発生回路
２２はオワ回路６３の入力端子に接続され、オワ回路６
３の出力端子は切換スイッチ６１の切換制御端子に接続
される。

【０１４８】また、本実施例の静電容量センサ１ａにお
いて、増幅器３２の位置は、図１に示す位置に限定され
ず、例えば、増幅器３２は、差動増幅器３１のプラス端
子と減衰器との間、差動増幅器３１のマイナス端子と減
衰器との間、差動増幅器３１とＡＣ−ＤＣ変換器７１と
の間、ＡＣ−ＤＣ変換器７１と切換スイッチ６１との間
等に接続されていてもよい。また、本実施例の静電容量
センサ１ａにおいて、差動増幅器３１の極性は図示の極
性と逆であってもよい。

【０１４９】また、本実施例の静電容量センサ１ｂにお
いて、増幅器３２の位置は、図３に示す位置に限定され
ず、例えば、増幅器３２は、第１の減衰器の直前（ライ
ン９２上）、差動増幅器３１のプラス端子と第１の減衰
器との間、差動増幅器３１のマイナス端子と第１の減衰
器との間、差動増幅器３５のプラス端子と第２の減衰器
との間、差動増幅器３５のマイナス端子と第２の減衰器
との間、差動増幅器３１と差動増幅器３６との間、差動
増幅器３５と差動増幅器３６との間、差動増幅器３６と
ＡＣ−ＤＣ変換器７１との間、ＡＣ−ＤＣ変換器７１と
切換スイッチ６１との間等に接続されていてもよい。

【０１５０】また、本実施例の静電容量センサ１ｃにお
いて、遅延回路７３の位置は、図４に示す位置に限定さ
れず、例えば、遅延回路７３は、遅延回路５の直前（ラ
イン９２上）、遅延回路５と位相比較器７２との間等に
接続されていてもよい。また、静電容量センサ１ｃにお
いては、例えば、遅延回路７３を静電容量センサ１ａに
おける増幅器３２に換え、この増幅器３２を、例えば、
位相比較器７２と切換スイッチ６１との間等に接続して
もよい。

【０１５１】また、本実施例の静電容量センサ１ｄにお
いて、遅延回路７３の位置は、図５に示す位置に限定さ
れず、例えば、遅延回路７３は、遅延回路５の直前（ラ
イン９２上）、遅延回路５と位相比較器７２との間、遅
延回路６と位相比較器７２との間等に接続されていても
よい。また、静電容量センサ１ｄにおいては、例えば、
遅延回路７３を静電容量センサ１ａにおける増幅器３２
に換え、この増幅器３２を、例えば、位相比較器７２と
切換スイッチ６１との間等に接続してもよい。

【０１５２】また、静電容量センサ１ｅにおいては、例
えば、図６に示す補正手段２ｅと、静電容量センサ１ａ
における増幅器３２とにより補正手段を構成してもよ
い。この場合、例えば、Ｆ−Ｖ変換器７４と切換スイッ
チ６１との間に増幅器３２を接続し、この増幅器３２の
増幅率制御端子に差動増幅器３３を接続する。また、本
発明では、例えば、前述したように補正手段の接続位置
を変更する場合等、回路を変更する場合には、差動増幅
器、比較器等の極性は、必要に応じて変更される。

【０１５３】本発明の静電容量センサの用途は特に限定
されないが、例えば、近接スイッチ等の距離センサ、タ
ッチセンサ、変位計、厚み計などの各種センサに適用さ
れる。以上、本発明の静電容量センサを、図示の構成例
に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。

【０１５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の静電容量
センサによれば、信号処理回路からの出力信号に基づ
き、第１の補正手段により補正されるので、温度や湿
度、あるいは振動等の何らかの外的環境の変化により静
電容量型の検出素子の静電容量が変動しても、信号処理
回路からの出力信号は、所定値に保持される。このた
め、本発明の静電容量センサは、従来の静電容量センサ
に比較して検出精度が高い。特に、第１の補正手段と、
第２の補正手段とを設けた場合には、さらに検出精度が
向上する。

【０１５５】従って、本発明の静電容量センサによれ
ば、屋内はもちろんのこと、屋外に設置しても被検物の
接近または接触を正確かつ安定的に検出することができ
る。また、例えば、本発明の静電容量センサを距離セン
サに適用した場合、前述のように検出精度が向上するの
で、従来の静電容量センサに比較して、最大検出距離を
長くすることができ、距離センサとしての用途が極めて
広いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電容量センサの構成例を示す回路図
である。

【図２】本発明の静電容量センサの動作を示すタイミン
グチャートである。

【図３】本発明の静電容量センサの構成例を示す回路図
である。

【図４】本発明の静電容量センサの構成例を示す回路図
である。

【図５】本発明の静電容量センサの構成例を示す回路図
である。

【図６】本発明の静電容量センサの構成例を示す回路図
である。

【図７】本発明における切換手段の構成例を示す回路図
である。

【図８】従来の静電容量センサの構成例を示す回路図で
ある。

【図９】従来の静電容量センサの構成例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１ａ〜１ｇ静電容量センサ２ａ〜２ｅ第１の補正手段３切換手段４ｂ第２の補正手段５遅延回路６遅延回路２１、２３第１のパルス信号発生回路２２第２のパルス信号発生回路３１、３３、３５、３６差動増幅器３２増幅器３４比較器４１検出電極４２コンデンサ４３基準電極５１、５２抵抗６１、６２切換スイッチ６３オワ回路７１ＡＣ−ＤＣ変換器７２位相比較器７３遅延回路７４Ｆ−Ｖ変換器８１、８２電源９１出力端子９２、９３ラインＳ１〜Ｓ４端子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のパルス信号発生回路と、被検物の
接近または接触を検出する静電容量型の検出素子と、前
記第１のパルス信号発生回路からの出力信号を前記検出
素子からの情報に基づいて処理する信号処理回路と、前
記信号処理回路からの出力信号に基づいて、前記信号処
理回路からの出力信号が所定値を保持するよう作動する
第１の補正手段と、前記第１の補正手段が作動する状態
と作動しない状態とを切り換える切換手段とを有し、前記切換手段は、前記信号処理回路からの出力信号がし
きい値を超えた場合には、前記第１の補正手段が作動し
ない状態に切り換えるよう構成したことを特徴とする静
電容量センサ。
【請求項２】前記信号処理回路は、前記検出素子の静
電容量に対応する信号を出力する第１の信号抽出手段を
有している請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項３】さらに、前記検出素子と実質的に同一の
素子と、前記第１の信号抽出手段と実質的に同一であっ
て、前記素子の静電容量に対応する信号を出力し、かつ
前記第１の信号抽出手段と並列的に接続された第２の信
号抽出手段とを含む第２の補正手段を有し、前記信号処理回路は、前記第１の信号抽出手段からの出
力信号と、前記第２の信号抽出手段からの出力信号との
差に相当する信号を出力するよう構成されている請求項
２に記載の静電容量センサ。
【請求項４】前記第１の信号抽出手段は、前記検出素
子の静電容量に対応する電圧値を有する信号を出力する
よう構成されている請求項２または３に記載の静電容量
センサ。
【請求項５】前記第１の補正手段は、増幅率（増幅率
≦１を含む）を変更し得る増幅手段を有し、前記増幅手
段の増幅率の変更により、前記信号処理回路からの出力
信号が所定値を保持するよう構成されている請求項４に
記載の静電容量センサ。
【請求項６】前記第１の信号抽出手段は、前記検出素
子の静電容量に応じた量だけ位相が遅れた信号を出力す
るよう構成されている請求項２または３に記載の静電容
量センサ。
【請求項７】前記第１の補正手段は、信号を遅延さ
せ、かつその遅延量を調整し得る遅延回路を有し、前記
遅延回路により、前記信号処理回路からの出力信号が所
定値を保持するよう構成されている請求項６に記載の静
電容量センサ。
【請求項８】被検物の接近または接触を検出する静電
容量型の検出素子と、前記検出素子からの情報に基づい
て所定の周波数のパルス信号を発生する周波数可変の第
１のパルス信号発生回路と、前記第１のパルス信号発生
回路からの出力信号の周波数に応じた信号を出力する信
号処理回路と、前記信号処理回路からの出力信号に基づ
いて、前記信号処理回路からの出力信号が所定値を保持
するよう作動する第１の補正手段と、前記第１の補正手
段が作動する状態と作動しない状態とを切り換える切換
手段とを有し、前記切換手段は、前記信号処理回路からの出力信号がし
きい値を超えた場合には、前記第１の補正手段が作動し
ない状態に切り換えるよう構成したことを特徴とする静
電容量センサ。
【請求項９】前記第１のパルス信号発生回路は、出力
されるパルス信号の周波数を調整し得る周波数調整部を
有し、前記第１の補正手段は、前記周波数調整部に作用
して前記パルス信号の周波数を調整することにより、前
記信号処理回路からの出力信号が所定値を保持するよう
構成されている請求項８に記載の静電容量センサ。
【請求項１０】前記切換手段は、第２のパルス信号発
生回路を有し、前記信号処理回路からの出力信号が前記
しきい値を超えない場合には、前記第２のパルス信号発
生回路からのパルス信号に同期して、前記第１の補正手
段が作動する状態と作動しない状態とを交互に切り換え
るよう構成されている請求項１ないし９のいずれかに記
載の静電容量センサ。