JP3161716B2 - 容量検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、静電容量値を電気信号に変換する容量検出
回路に係り、静電容量式荷重センサ等の静電容量の測定
等に利用できる。

〔背景技術〕

従来より、静電容量型センサによる測定等の際には、
静電容量値の大きさに応じた電気信号を出力する容量検
出回路が利用されている。

このような容量検出回路としては、測定の対象となる
静電容量の値を電気信号に変換するものが用いられ、例
えば、容量を検出すべき静電容量に対して充電する回路
あるいは放電する回路を有するものがある（特公平１−
4124号公報等）。このような容量検出器では、充電ある
いは放電回路の特性によって静電容量の充電時定数ある
いは放電時定数が決定されることを利用して、充電時ま
たは放電時における静電容量の両端の電圧の変化時間を
計測すること等により静電容量の値を検出していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前述の容量検出回路では、静電容量に湿度や
汚れ等の外的要因で直流抵抗分が生じると、前記静電容
量の両極間にリーク電流が生じ、この電流によって静電
容量の電圧上昇時間および下降時間が変動し、静電容量
の検出に誤差が生じるという問題があった。

本発明の目的は、静電容量の直流抵抗分による誤差を
防止できる容量検出回路を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１発明は、直流抵抗分を含む可能性のある
静電容量の静電容量値を計測するための容量検出回路で
あって、振幅の中心が0Vに設定されているとともに、一
定の割合で直線的に変化を繰り返す三角波状電圧を、前
記静電容量に印加する発信器と、前記静電容量に流れる
電流を計測する計測回路とを有し、前記計測回路には、
前記静電容量に流れる電流を平滑化することにより、前
記直流抵抗分による電流を相殺し、前記静電容量に流れ
る電流から前記直流抵抗分による電流を消去する低域通
過フィルタと、前記静電容量および前記低域通過フィル
タとの間に設けられたスイッチング素子を有するととも
に、前記発信器の前記三角波状電圧が上昇および下降の
一方から他方に転じたときに、前記静電容量を前記低域
通過フィルタ側に接続し、前記発信器の前記三角波状電
圧が上昇および下降の他方から一方に転じたときに、前
記静電容量を接地する選択回路とが設けられ、前記計測
回路は、前記選択回路の動作により、前記三角波状電圧
が上昇状態および下降状態のいずれか一方の状態のとき
に、静電容量に流れる電流が入力され、この電流の電流
値を測定するものであることを特徴とする。

以上のような本第１発明において、前記選択回路は、
前記一対の静電容量および前記低域通過フィルタとの間
に設けられたスイッチング素子を有するとともに、前記
発信器の前記三角波状電圧が上昇および下降の一方から
他方に転じたときに、前記静電容量の前記低域通過フィ
ルタとの接続を切り替えるものとされ、前記計測回路
は、前記選択回路の動作により、前記一対の静電容量に
流れる電流が交互に入力され、これらの電流の電流値を
比較するものであることが望ましい。

また、本発明の第２発明は、直流抵抗分を含む可能性
のある静電容量の静電容量値を計測するための容量検出
回路であって、振幅の中心が0Vに設定されているととも
に、一定の割合で直線的に変化を繰り返す三角波状電圧
を、前記静電容量に印加する発信器と、前記静電容量に
流れる電流を計測する計測回路とを有し、前記計測回路
には、前記静電容量に流れる電流を平滑化することによ
り、前記直流抵抗分による電流を相殺し、前記静電容量
に流れる電流から前記直流抵抗分による電流を消去する
低域通過フィルタと、前記静電容量に流れる電流が入力
されるアンプと、前記アンプおよび前記低域通過フィル
タとの間に設けられたスイッチング素子を有するととも
に、前記発信器の前記三角波状電圧が上昇および下降の
一方から他方に転じたときに、前記アンプの出力を前記
低域通過フィルタに接続し、前記発信器の前記三角波状
電圧が上昇および下降を他方から一方に転じたときに、
前記アンプおよび前記低域通過フィルタの接続を遮断す
る選択回路とが設けられ、前記計測回路は、前記選択回
路の動作により、前記三角波状電圧が上昇状態および下
降状態のいずれか一方の状態のときに、前記アンプの出
力に基づいて前記静電容量に流れる電流の電流値を測定
するものであることを特徴とする。

以上のような本第２発明において、前記静電容量とし
て一対の静電容量が設けられ、前記選択回路は、前記一
対の静電容量がそれぞれ接続される一対のアンプを備
え、前記一対のアンプおよび前記低域通過フィルタとの
間に設けられたスイッチング素子を有するとともに、前
記発信器の前記三角波状電圧が上昇および下降の一方か
ら他方に転じたときに、前記アンプの前記低域通過フィ
ルタとの接続を切り替えるものとされ、前記計測回路
は、前記選択回路の動作により、前記一対のアンプの出
力を比較するものであることが望ましい。

［作用］ このような本発明では、一定の割合で直線的に変化を
繰り返す三角波状電圧を、静電容量に印加するので、前
記電圧が静電容量で微分され、静電容量にはその容量値
に比例した直流抵抗分を有する矩形波形状の電流が流れ
る。この電流の値を測定すれば、前記電圧の変化率との
関係から静電容量の値が検出される。

この際、静電容量に直流抵抗分が含まれていても、静
電容量に印加される三角波状電圧は、振幅の中心が0Vに
設定されているので、出力に現れる直流抵抗分の電流の
正側部分と負側部分は、低域通過フィルタで相殺され、
直流抵抗分による誤差が消去されるようになる。これら
により、前記目的が達成される。

［実施例］ 第１図には本発明の第１実施例が示されている。

図において、容量検出回路１は、静電容量である静電
容量型センサ２で圧力等の物理量を静電容量値に変換す
るものであり、この静電容量値を検出して前記物理量を
測定する装置に組み込まれるものである。

静電容量型センサ２は、面積の大きい電極2Aと、この
電極2Aに対向する二つの小さい電極2B,2Cを備え、この
うち電極2Aおよび2Bで可変容量コンデンサ３が形成さ
れ、電極2Aおよび2Cで基準容量コンデンサ４が形成され
ている。これにより、二つのコンデンサ3,4の容量値の
差が検出可能になっている。また、二つのコンデンサ3,
4のうち可変容量コンデンサ３は自身に加わる圧力等の
物理量に応じて静電容量値が変化するものである。

コンデンサ3,4の共通の電極2Aには、発振器５が接続
されている。発振器５は、第２図に示すような三角波形
状の電圧を静電容量型センサ２に印加するものであり、
この三角波形状の電圧は振幅の中心が0Vに設定されてい
る。

また、この発振器５は、入力される電圧によって振幅
もしくは発信周波数を制御する電圧制御型発振器であ
る。そして発振器５には、第１図の通り、その振幅また
は周波数を制御するための内部基準精密電圧源６が備え
られ、この電圧源６に入力される信号の大きさに応じて
振幅もしくは発振器の周波数が変化するようになってい
る。

一方、可変容量コンデンサ３および基準容量コンデン
サ４の電極2B,2Cは各々計測回路10に接続され、それぞ
れコンデンサ3,4に流れる電流値が計測回路10で計測さ
れるようになっている。

計測回路10は、電流を計測すべきコンデンサ3,4を選
択する選択回路11と、選択されたコンデンサ3,4の電流
を増幅するアンプ12と、アンプ12で増幅された電流を平
滑化する低域通過フィルタ13とを備えている。

選択回路11は、スイッチング素子11A〜11Cを備えてい
る。これらのスイッチング素子11A〜11Cは図示しない制
御回路により発振器５の電圧が上昇から下降、下降から
上昇に転じる度に開閉されるものである。

すなわち、発振器５の電圧上昇時には素子11Aがコン
デンサ３側に閉じられ、かつ、素子11Bが開かれるとと
もに素子11Cが閉じられ、また、発振器５の電圧下降時
には素子11Aがコンデンサ４側に閉じられ、かつ、素子1
1Bが閉じられるとともに素子11Cが開かれるようになっ
ている。これにより、発振器５の電圧上昇時にはコンデ
ンサ３側の電流が、発振器５の電圧下降時にはコンデン
サ４側の電流が、それぞれアンプ12へ入力されるように
なっている。

なお、アンプ12に入力されない電流は素子11B,11Cを
通ってアースへ流れるようになっている。これにより、
コンデンサ3,4にはアンプ12との接続時および非接続時
にかかわらず常に同一の条件で電流が流れるようになっ
ている。

低域通過フィルタ13は、コンデンサ3,4に流れる電流
を平滑化することにより、コンデンサ3,4に含まれる直
流抵抗分による電流を相殺し、コンデンサ3,4に流れる
電流から直流抵抗分による電流を消去するものである。
この低域通過フィルタ13には、前記電流平滑化して得た
信号を計測回路10に接続された次の回路等へ発信するた
めの出力OPと、これと同じ信号を発信器５に帰還するた
めの出力FBとが設けられている。

低域通過フィルタ13の出力OPには、出力変換器14が接
続されている。この出力変換器14は、計測回路10の出力
信号を図示しないデジタル表示回路等に入力可能な信号
に変換するものである。

一方、低域通過フィルタ13の出力FBには、帰還先とマ
ッチングさせるための帰還ゲイン調整回路15が接続さ
れ、この帰還ゲイン調整回路15を介して出力FBが電圧源
６の入力に接続されている。これにより、低域通過フィ
ルタ13の出力FBから発信される信号が大きくなるにつれ
て発振器５の振幅または周波数を低下させる補正回路16
が構成されている。

次に、本実施例における測定動作について説明する。

まず、静電容量型センサ２のコンデンサ3,4の各々に
は、湿度や汚れ等の外的要因によって直流抵抗分R1,R2
が生じており、センサ２は第３図に示される等価回路の
ように表される。

このような静電容量型センサ２に発振器５が出力する
三角波形の電圧を印加する。これにより、コンデンサ3,
4および直流抵抗分R1,R2の各々には、それぞれ電流i1〜
i4が流れる。

このうち、コンデンサ3,4に流れる電流i1,i2は、第４
図（Ａ）に示されるように、それぞれ三角波形の電圧を
微分した波形となり、その静電容量値の大きさに比例し
た直流電流分を有する矩形波状となる。

一方、直流抵抗分R1,R2に流れる電流i3,i4は、それぞ
れ元の電圧波形と同様に三角波形状に変化するととも
に、第４図（Ｂ）に示されるように、0Aを振幅の中心と
して変化して正側部分と負側部分との面積が等しいもの
となる。

これらの各電流i1〜i4は、コンデンサ3,4が選択回路1
1により交互にアンプ12に接続されるため、第４図
（Ｃ）に示すように、発振器５の電圧上昇時にはコンデ
ンサ３側の電流i1＋i3が、発振器５の電圧下降時にはコ
ンデンサ４側の電流i2＋i4がアンプ12に入力される。

アンプ12で増幅された電流i1＋i3,i2＋i4は、低域通
過フィルタ13で平滑化される。これにより、低域通過フ
ィルタ13からコンデンサ3,4の静電容量値の差に比例し
た信号が出力される。すなわち、コンデンサ3,4の静電
容量値が同一の場合には、第５図に示すように、正側部
分と負側部分との振幅が同じ信号が入力され、第５図
（Ｂ）に示されるように出力が０になる。一方、コンデ
ンサ3,4の静電容量値が異なる場合には、第５図（Ｃ）
に示されるように、正側部分と負側部分との振幅が異な
る信号が入力され、第５図（Ｄ）に示されるように、コ
ンデンサ３の静電容量値の変化分に比例した値が出力さ
れる。

この際、コンデンサ3,4の直流抵抗分R1,R2に流れる電
流i3,i4は、それぞれの正側部分と負側部分との面積が
等しいので、低域通過フィルタ13で平滑化することで電
流i3,i4は各々の正側部分と負側部分とが相殺しあって
消滅する。これにより、コンデンサ3,4に直流抵抗分R1,
R2があるために発生する誤差が消去され、コンデンサ3,
4に応じて電流i1,i2のみが検出されることとなる。

なお、本実施例の静電容量型センサ２は、第６図に示
されるように、圧力等の入力に対する静電容量値が二次
曲線状に変化する出力特性を有している。このような出
力特性は補正回路16によって改善される。

すなわち、補正回路16によって低域通過フィルタ13の
出力の増大に伴って発振器５の振幅もしくは周波数が低
下するので、低域通過フィルタ13の出力が大きい時に
は、発振器５の振幅の低下によりコンデンサ3,4に流れ
る電流値の大きさが直接抑制される、もしくは、周波数
の低下により三角波形状の電圧の上昇および下降が緩や
かになり、この電圧の微分値である可変容量コンデンサ
３および基準容量コンデンサ４に流れる電流値の大きさ
が抑制される。この抑制により、静電容量型センサ２の
出力特性は、第６図に示すように、直線状に補正され
る。

前述のような本実施例によれば、次のような効果があ
る。

すなわち、静電容量型センサ２のコンデンサ3,4に直
流抵抗分R1,R2があっても、これらの直流抵抗分R1,R2に
流れる電流を相殺するようにしたので、直流抵抗分R1,R
2による誤差を消去でき、容量検出回路１から出力され
る検出値の精度を高めることができる。

また、発振器５の振幅もしくは周波数を変えることで
出力補正を行えるので、静電容量型センサ２に印加する
電圧の周波数を一定にする必要がある等の場合には、発
振器５の振幅を変化させて補正を行うことができ、前記
電圧の振幅を一定にする必要がある等の場合には、発振
器５の周波数を変化させて補正を行うことができる。従
って、振幅変化による補正と周波数変化による補正とを
目的に応じて選択できる。

さらに、静電容量型センサ２に測定対象となるコンデ
ンサ３とは別に基準容量コンデンサ４を備え、各コンデ
ンサ3,4の静電容量値の差を測定する比較測定を行うよ
うにしたので、経年変化等による静電容量値のシフト等
を相殺でき、この点からも容量検出回路１から出力され
る検出値の精度を高めることができる。

第７図には、本発明の第２実施例が示されている。本
実施例は、前記第１実施例の計測回路10に対し、アンプ
を複数備えた計測回路20を用いたものである。

すなわち、計測回路20は、コンデンサ3,4に対応した
二つのアンプ21,22を備えている。これらのアンプ21,22
の各入力にはコンデンサ3,4の一端が接続され、アンプ2
1,22の各出力にはスイッチング素子23Aからなる選択回
路23が接続されている。選択回路23はアンプ21,22の出
力を低域通過フィルタ24に交互に入力させるものであ
る。この選択回路23により、発振器５の電圧上昇時にア
ンプ21の信号が、発振器５の電圧下降時にアンプ22の信
号が、低域通過フィルタ24に入力されるようになってい
る。

このような、本実施例においても前記第１実施例と同
様な作用、効果が得られる他、静電容量型センサ２を含
んだループからスイッチング素子が省略され、スイッチ
ング素子の開閉による電流の乱れを防止できる。

第８図には、本発明の第３実施例が示されている。こ
こで、前記第１および第２実施例が基準容量コンデンサ
を用いた比較測定であるのに対し、本実施例は測定対象
のコンデンサの容量を直接測定するものである。

すなわち、静電容量型センサ2Dは一個の可変容量コン
デンサ3Aのみからなるものであり、このセンサ2Dの一端
には発振器５が接続され、他端には計測回路30が接続さ
れている。

計測回路30は前記第１実施例における計測回路10の選
択回路11を一個のスイッチング素子31Aからなる選択回
路31に置き換えたものである。選択回路31は発振器５の
電圧上昇時にのみスイッチング素子31Aをアンプ12側に
閉じるものである。この選択回路31により、コンデンサ
3Aに流れる電流の正側部分のみが低域通過フィルタ13に
入力されるようになっている。

このような本実施例においても前記第１および第２実
施例と同様な作用、効果を得ることができる他、基準容
量コンデンサを備えない静電容量型センサや一般のコン
デンサ等の静電容量値の検出等にも適用できる。

なお、本発明は前述の各実施例に限定されるものでは
なく、本発明を達成できる範囲での変形、改良等は本発
明に含まれるものである。

例えば、前記各実施例では、アンプ12,21,22の後に低
域通過フィルタ13,24を接続していたが、これらの接続
順序はこれに限らず、低域通過フィルタ13,24の後にア
ンプ12,21,22を接続してもよく、要するに、静電容量型
センサ2,2Dに流れる電流を計測回路10〜30の低域通過フ
ィルタ13,24で平滑化できれば、計測回路10〜30内での
接続順序は限定しない。

また、前記各実施例では、静電容量型センサ2,2Dに流
れる電流を低域通過フィルタ13,24で平滑化していた
が、平滑化はこれに限らず、例えばセンサ2,2Dに流れる
電流をサンプリングするとともに、これらの平均値を演
算する演算回路で行ってもよく、平滑化を行う具体的な
回路は、実施にあたり適宜選択すればよい。

さらに、前記第２実施例では、アンプ21,22の出力を
選択回路23で切り替えていたが、選択回路23の代わりに
ダイオードをアンプ21,22の各々に接続し、アンプ21の
出力の正側部分とアンプ22の出力の負側部分とを低域通
過フィルタ24に入力するようにしてもよい。このように
すれば、開閉タイミング制御が必要なスイッチング素子
を有する選択回路23を省略して計測回路20を簡略化でき
る。

また、前記第１実施例の発信器５の電圧波形は、二等
辺三角形状の三角波であったが、これに限らず、鋸歯状
に形成された直角三角形状の三角波でもよく、要する
に、電圧波形としては、振幅の中心が0Vに設定されてい
るとともに、一定の割合で直線的に変化を繰り返す三角
波状電圧であって、直流抵抗分による電流が平滑化によ
り相殺されるものであればよい。

〔発明の効果〕

前述のように、本発明の容量検出回路によれば、静電
容量の直流抵抗分による誤差を消去することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す概略回路図、第２図
は同実施例に係る発振器の電圧波形を示すグラフ、第３
図は同実施例に係る静電容量の等価回路を示す回路図、
第４図（Ａ）〜（Ｃ）、第５図（Ａ）〜（Ｄ）および第
６図は同実施例の動作を説明するためのグラフ、第７図
は本発明の第２実施例を示す概略回路図、第８図は本発
明の第３実施例を示す概略回路図、第９図は本発明の変
形例に係る発振器の電圧波形を示すグラフである。 １……容量検出回路、2,2D……静電容量としての静電容
量型センサ、５……発振器、10,20,30……計測回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 27/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流抵抗分を含む可能性のある静電容量の
   静電容量値を計測するための容量検出回路であって、 振幅の中心が0Vに設定されているとともに、一定の割合
   で直線的に変化を繰り返す三角波状電圧を、前記静電容
   量に印加する発信器と、前記静電容量に流れる電流を計
   測する計測回路とを有し、前記計測回路には、 前記静電容量に流れる電流を平滑化することにより、前
   記直流抵抗分による電流を相殺し、前記静電容量に流れ
   る電流から前記直流抵抗分による電流を消去する低域通
   過フィルタと、 前記静電容量および前記低域通過フィルタとの間に設け
   られたスイッチング素子を有するとともに、前記発信器
   の前記三角波状電圧が上昇および下降の一方から他方に
   転じたときに、前記静電容量を前記低域通過フィルタ側
   に接続し、前記発信器の前記三角波状電圧が上昇および
   下降の他方から一方に転じたときに、前記静電容量を接
   地する選択回路と、 が設けられ、 前記計測回路は、前記選択回路の動作により、前記三角
   波状電圧が上昇状態および下降状態のいずれか一方の状
   態のときに、静電容量に流れる電流が入力され、この電
   流の電流値を測定するものであることを特徴とする容量
   検出回路。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記静電
   容量として一対の静電容量が設けられ、 前記選択回路は、前記一対の静電容量および前記低域通
   過フィルタとの間に設けられたスイッチング素子を有す
   るとともに、前記発信器の前記三角波状電圧が上昇およ
   び下降の一方から他方に転じたときに、前記静電容量の
   前記低域通過フィルタとの接続を切り替えるものとさ
   れ、 前記計測回路は、前記選択回路の動作により、前記一対
   の静電容量に流れる電流が交互に入力され、これらの電
   流の電流値を比較するものであることを特徴とする容量
   検出回路。
3. 【請求項３】直流抵抗分を含む可能性のある静電容量の
   静電容量値を計測するための容量検出回路であって、 振幅の中心が0Vに設定されているとともに、一定の割合
   で直線的に変化を繰り返す三角波状電圧を、前記静電容
   量に印加する発信器と、前記静電容量に流れる電流を計
   測する計測回路とを有し、前記計測回路には、 前記静電容量に流れる電流を平滑化することにより、前
   記直流抵抗分による電流を相殺し、前記静電容量に流れ
   る電流から前記直流抵抗分による電流を消去する低域通
   過フィルタと、 前記静電容量に流れる電流が入力されるアンプと、 前記アンプおよび前記低域通過フィルタとの間に設けら
   れたスイッチング素子を有するとともに、前記発信器の
   前記三角波状電圧が上昇および下降の一方から他方に転
   じたときに、前記アンプの出力を前記低域通過フィルタ
   に接続し、前記発信器の前記三角波状電圧が上昇および
   下降を他方から一方に転じたときに、前記アンプおよび
   前記低域通過フィルタの接続を遮断する選択回路と、 が設けられ、 前記計測回路は、前記選択回路の動作により、前記三角
   波状電圧が上昇状態および下降状態のいずれか一方の状
   態のときに、前記アンプの出力に基づいて前記静電容量
   に流れる電流の電流値を測定するものであることを特徴
   とする容量検出回路。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項において、前記静電
   容量として一対の静電容量が設けられ、 前記選択回路は、前記一対の静電容量がそれぞれ接続さ
   れる一対のアンプを備え、前記一対のアンプおよび前記
   低域通過フィルタとの間に設けられたスイッチング素子
   を有するとともに、前記発信器の前記三角波状電圧が上
   昇および下降の一方から他方に転じたときに、前記アン
   プの前記低域通過フィルタとの接続を切り替えるものと
   され、 前記計測回路は、前記選択回路の動作により、前記一対
   のアンプの出力を比較するものであることを特徴とする
   容量検出回路。