JP4161873B2 - 静電容量型距離センサ - Google Patents

Description

本発明は、電磁波によって検出対象物の存在／非存在や距離を検出する、静電容量型距離センサに関する。

従来より、送信電極から放射された電磁界を受信電極で受信することによって検出対象物を検出するセンサが知られており、静電容量型距離センサと称されている。静電容量型距離センサを開示する文献としては、例えば、下記特許文献１がある。

下記特許文献１の図１にも示されているように、従来の静電容量型距離センサでは、送信電極および受信電極の電位を検出し、これらの電位を比較器で比較することによって、検出対象物の存在／非存在や距離を判定していた。

静電容量型距離センサでは、送信電極と受信電極とが対向して配置されており、送信電極と受信電極との間の空間または絶縁物が誘電体となる。そして、この誘電体の比誘電率が温度等の影響で変化すると、結果的に送信電極と受信電極間の静電容量が変化し、このため、検出対象物が存在しないときにセンサ出力が変動したり、検出距離に誤差が生じたりする場合があった。

このように、従来の静電容量型距離センサには、例えば温度変化等によって比誘電率が変化した場合に、検出精度が悪化してしまうという欠点があった。
特開２００１−２０８５０４号公報（段落００１２、図１）

本発明の課題は、比誘電率の変化によって検出精度が悪化しない静電容量型距離センサを提供する点にある。

本発明に係る静電容量型距離センサは、電磁界を発生する送信電極と、送信電極で発生した電磁界を受信する受信電極と、送信電極に交流電圧を供給する発振回路と、発振回路と送信電極との間に設けられた第１抵抗と、受信電極とグランド線との間に設けられた第２抵抗と、第１、第２抵抗を流れる電流の差に応じた値の信号を出力する距離検出回路とを備える静電容量型距離センサに関する。
そして、距離検出回路が、第１抵抗の電流入力側端子の電位、第２抵抗の電流入力側端子の電位またはグランド線の電位を選択的に出力する第１スイッチと、第１抵抗の電流出力側端子の電位、第２抵抗の電流出力側端子の電位またはグランド線の電位を選択的に出力する第２スイッチと、第１、第２スイッチから出力された電位の差に応じた電圧を出力する第３増幅回路と、第３増幅回路の出力電圧を直流電圧に変換する第３検波回路と、第３検波回路の出力を一方の入力端子から入力する第２差動増幅回路と、第１、第２スイッチの選択切り換えを制御するとともに、第２差動増幅回路の出力電圧に応じて差動増幅回路の他方の入力端子の電圧を制御する制御回路とを備える。

本発明の静電容量型距離センサによれば、送信電極および受信電極の電位差を用いるのではなく、これらの電極に流れる電流の差を用いて、検出対象物の距離を測定することができる。これにより、静電容量型距離センサの、環境条件等の変化による検出精度の悪化を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、図中、各構成成分の大きさ、形状および配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的条件は単なる例示にすぎない。

第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す回路図である。

図１に示したように、本実施形態の静電容量型距離センサ１００は、送信電極１０１、受信電極１０２、発振回路１０３、増幅回路１０４，１０７，１０９、抵抗１０５，１０６、検波回路１０８，１１０、差動増幅回路１１１を備えている。回路１０７〜１１１が、本発明の距離検出回路に相当する。

送信電極１０１および受信電極１０２は、図示しない支持手段で移動体２００に支持されている。送信電極１０１と受信電極１０２とは、一定の空間を隔てて、並行に配置される。送信電極１０１は、高周波電圧を入力して、電磁界を発生させる。受信電極１０２は、送信電極１０１が発生させた電磁界の強度を検出するために使用される。

発振回路１０３は、周波数ｆ、電圧Ｅの高周波電圧を発生させる。

増幅回路１０４は、発振回路１０３で発生した高周波電圧を増幅する。

抵抗１０５は、増幅回路１０４と送信電極１０１との間に設けられている。この抵抗１０５を介して、増幅回路１０４から出力された高周波電圧が送信電極１０１に印加される。この高周波電圧により、送信電極１０１が、上述の電磁界を発生する。抵抗１０５には、送信電極１０１で発生する電磁界の強度に応じた電流が流れる。

抵抗１０６は、受信電極１０２とグランド線との間に設けられている。この抵抗１０６を介して、受信電極１０２に受信された電磁界の強度に応じた電流が、グランドに放出される。

増幅回路１０７は、一方の入力端子が抵抗１０５の一端に接続され且つ他方の入力端子が抵抗１０５の他端に接続されている。これにより、増幅回路１０７は、抵抗１０５の電圧降下によって発生した電圧（交流）を入力して、増幅する。

検波回路１０８は、増幅回路１０７から入力された交流電圧を、直流電圧に変換する。

増幅回路１０９は、一方の入力端子が抵抗１０６の一端に接続され且つ他方の入力端子が抵抗１０６の他端に接続されている。これにより、増幅回路１０９は、抵抗１０６の電圧降下によって発生した電圧（交流）を入力して、増幅する。

検波回路１１０は、増幅回路１０９から入力された交流電圧を、直流電圧に変換する。

差動増幅回路１１１は、検波回路１０８，１１０から直流電圧を入力し、これらの電圧の差を所定の増幅率で増幅する。増幅後の電圧は、検出信号Ｓとして、差動増幅回路１１１から出力される。

本実施形態では、抵抗１０５，１０６に流れる電流が等しいときに、差動増幅回路１１１の両入力端子の入力電圧が等しくなるように、抵抗１０５，１０６の抵抗値や増幅回路１０７，１０９の増幅率が設定される。以下、抵抗１０５，１０６の抵抗値を同一にし且つ増幅回路１０７，１０９の増幅率を同一にした場合を例に採って説明する。

次に、図１に示した静電容量型距離センサ１００の動作原理について、図２および図３を用いて説明する。

図２において、図１と同じ符号は、それぞれ図１と同じ構成要素を示している。

まず、移動体２００の近くに障害物（検出対象）３００が存在しない場合の動作を説明する。

発振回路１０３で発生した高周波電圧は、増幅回路１０４で増幅され、抵抗１０５を介して、送信電極１０１に印加される。これにより、送信電極１０１は、電磁界を発生させる。このとき、抵抗１０５には、電流Ｉｏが流れる。

移動体２００の近くに障害物３００が存在しない場合、送信電極１０１で発生する電磁界はすべて受信電極１０２に受信される。送信電極１０１と受信電極１０２とはコンデンサの電極として働くので、高周波電圧が送信電極１０１に印加されている場合、このコンデンサの静電容量Ｃｏは印加電圧Ｅに比例する。したがって、送信電極１０１と受信電極１０２との間には、静電容量Ｃｏに応じた電流が流れる。

ここで、このコンデンサＣｏは、抵抗１０５，１０６と直列に接続されているので、抵抗１０５に流れる電流Ｉｏと、抵抗１０６に流れる電流Ｉｒとは、等しくなる。したがって、抵抗１０５，１０６による電圧降下も、等しくなる。また、上述のように、抵抗１０５，１０６の抵抗値は同一であり且つ増幅回路１０７，１０９の増幅率は同一である。このため、電流Ｉｏ，Ｉｒが等しいとき、増幅回路１０７，１０９の出力電圧は同一である。これにより、差動増幅回路１１１の出力電圧Ｓは、零ボルトになる。

次に、移動体２００の近くに障害物（検出対象）３００が存在する場合の動作を説明する。図２に示されたように、障害物３００は、例えば人体等の、接地された誘電体である。

上述の場合と同様、発振回路１０３で発生した高周波電圧は、増幅回路１０４で増幅され、抵抗１０５を介して、送信電極１０１に印加される。これにより、送信電極１０１は、電磁界を発生させる。

移動体２００の近くに障害物３００が存在する場合、送信電極１０１で発生した電磁界の一部を障害物３００が受信し、残りの電磁界を受信電極１０２が受信する。このとき、障害物３００は、送信電極１０１とグランドとの間に設けられたコンデンサとして作用する。このコンデンサの静電容量をＣｓとすると、電極１０１，１０２および障害物３００は、図３のような等価回路で表すことができる。

ここで、増幅回路１０４の出力電流容量が上述の電流Ｉｏ（したがって電流Ｉｒ）よりも十分に大きく、且つ、抵抗１０５，１０６の抵抗値がコンデンサＣｏのインピーダンスよりも十分に小さいとする。この場合、抵抗１０５に流れる電流はＩｏ＋Ｉｓに変化し（ＩｓはコンデンサＣｓに流れる電流）、且つ、抵抗１０６に流れる電流はＩｒに維持される。したがって、増幅回路１０７は電流Ｉｏ＋Ｉｓの電圧降下に応じた電圧を出力し、且つ、増幅回路１０９は電流Ｉｒの電圧降下に応じた電圧を出力する。上述のようにＩｏ＝Ｉｒであり、したがって、差動増幅回路１１１の出力電圧Ｓは、電流Ｉｓの大きさに応じた値になる。

障害物３００が形成するコンデンサの静電容量Ｃｓは、送信電極１０１と障害物３００との距離が近いほど、大きくなる。このため、送信電極１０１と障害物３００との距離が近いほど、電流Ｉｓも大きくなり、したがって、差動増幅回路１１１の出力電圧Ｓも高くなる。逆に、送信電極１０１と障害物３００との距離が遠いほど、電流Ｉｓは小さくなり、したがって、差動増幅回路１１１の出力電圧Ｓは低くなる。このようにして、静電容量型センサ１００の送信電極１０１と障害物３００との距離を、非接触で測定することができる。

ここで、誘電体の比誘電率は、温度等の環境変化に応じて変化することが知られている。このため、移動体の温度上昇などによって送信電極１０１と受信電極１０２との間の温度等が変化すると、この部分の比誘電率が変化するので、上述の静電容量Ｃｏも変化する。したがって、従来の静電容量型距離センサでは、温度等の環境変化のために、検出対象物が存在しないときにセンサ出力が変動してしまう場合や検出距離に誤差が発生する場合があった（上述）。これに対して、本実施形態に係る静電容量型距離センサ１００では、送信電極１０１に供給される電流Ｉｏ＋Ｉｓと受信電極１０２から放電される電流Ｉｒとの差を利用しているため、静電容量Ｃｏの変化の影響をキャンセルすることができる。すなわち、電流Ｉｏ，Ｉｒの温度依存性が同一であるため、これらの電流が変動しても、その影響はキャンセルされる。したがって、温度等の環境変化によって静電容量Ｃｏが変化しても、検出対象物の検出精度に影響が及ばないことになる。また、例えば送信電極１０１と受信電極１０２との間に誘電体が設けられている場合であって、この誘電体の比誘電率に経年変化が生じたような場合にも、本実施形態により検出精度の低下を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の静電容量型距離センサによれば、送信電極１０１に供給される電流と受信電極１０２から放電される電流との差を利用して、送信電極１０１と検出対象物との間の静電容量Ｃｓを検出する構成としたので、環境変化や経年変化による電極１０１，１０２間の静電容量Ｃｏの変動の影響を排除して、高精度の距離測定を行うことができる。

第２実施形態
図４は、本発明の第２実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す回路図である。なお、図４において、図１と同じ符号を付した構成要素は、それぞれ図１と同じものである。

本実施形態に係る静電容量型距離センサ４００は、スイッチ４０１，４０２と、増幅回路４０３と、検波回路４０４と、差動増幅回路４０５と、Ａ／Ｄ変換器４０６と、ＣＰＵ(Central Processing Unit) ４０７と、Ｄ／Ａ変換器４０８とを備えている。

スイッチ４０１は、抵抗１０５の電流入力側端子（Ｓ１）、抵抗１０６の電流入力側端子（Ｓ２）またはグランド線（Ｓ３）を、選択的に、増幅回路４０３の一方の入力端子に接続する。また、スイッチ４０２は、抵抗１０５の電流出力側端子（Ｓ１）、抵抗１０６の電流出力側端子（Ｓ２）またはグランド線（Ｓ３）を、選択的に、増幅回路４０３の他方の入力端子に接続する。スイッチ４０１，４０２の切り換えは、ＣＰＵ４０７によって制御される。

増幅回路４０３は、スイッチ４０１，４０２から入力された電位の差を増幅する。増幅回路４０３としては、インスツルメンテーションアンプ等の、入力インピーダンスが高い増幅回路が使用される。これにより、スイッチ４０１，４０２のオン抵抗を無視することができるようになる。

検波回路４０４は、増幅回路４０３から入力された交流電圧を直流電圧に変換する。

差動増幅回路４０５は、正入力端子から検波回路４０４の出力電圧を入力し、且つ、負入力端子からＤ／Ａ変換器４０８の出力電圧を入力する。そして、差動増幅回路４０５は、これらの入力電圧の差を増幅して出力する。一定条件下における差動増幅回路４０５の出力は、検出信号Ｓとして外部に出力される（後述）。

Ａ／Ｄ変換器４０６は、差動増幅回路４０５の出力電圧を、アナログ／デジタル変換する。

ＣＰＵ４０７は、Ａ／Ｄ変換器４０６から入力されたデジタルデータを補正して、Ｄ／Ａ変換器４０８に出力する。加えて、ＣＰＵ４０７は、スイッチ４０１，４０２の切り換えを制御する。

Ｄ／Ａ変換器４０８は、ＣＰＵ４０７からデータ入力し、デジタル／アナログ変換して出力する。

次に、図４に示した静電容量型距離センサ４００の動作原理について、図５のタイミングチャートを用いて説明する。

第１実施形態と同様、発振回路１０３で発生した高周波電圧は、増幅回路１０４で増幅され、抵抗１０５を介して送信電極１０１に印加される。これにより、抵抗１０５，１０６には、電流が流れる。

ＣＰＵ４０７には、一定の時間間隔で、タイマ割り込みが発生する。タイマ割り込みが発生すると、ＣＰＵ４０７は、まず、第１操作Ａを行う。この操作Ａでは、最初に、ＣＰＵ４０７が、スイッチ４０１，４０２に端子Ｓ３を選択させる。これにより、増幅回路４０３の両入力端子は、グランドに接続される。Ａ／Ｄ変換器４０６は、このときの差動増幅回路４０５の出力電圧をデジタルデータに変換して、ＣＰＵ４０７に送る。このデジタルデータが零ボルトを示す値でないとき、ＣＰＵ４０７は、予め定められたアルゴリズムにしたがって、差動増幅回路４０５の出力電圧が零ボルトに近づくような値にこのデジタルデータを補正する。補正後のデジタルデータは、Ｄ／Ａ変換器４０８によって電圧に変換され、差動増幅回路４０５に入力される。ＣＰＵ４０７は、入力デジタルデータが零ボルトを示す値になるまで、このデータ補正を繰り返す。これにより、差動増幅回路４０５のオフセット電圧は、零ボルトに収束する。

次に、ＣＰＵ４０７は、第２操作Ｂを行う。この操作Ｂでは、まず、ＣＰＵ４０７が、スイッチ４０１，４０２に端子Ｓ２を選択させる。これにより、増幅回路４０３には、抵抗１０６の両端子の電位が入力される。したがって、増幅回路４０３からは、抵抗１０６を流れる電流Ｉｒの電圧降下に対応する電圧が、出力される。増幅回路４０３の出力電圧は、検波回路４０４で直流電圧に変換されて、差動増幅回路４０５の正入力端子に入力される。Ａ／Ｄ変換器４０６は、このときの差動増幅回路４０５の出力電圧をデジタルデータに変換して、ＣＰＵ４０７に送る。ＣＰＵ４０７は、上述の第１操作Ａと同様、予め定められたアルゴリズムにしたがって、このデジタルデータを補正する。すなわち、ＣＰＵ４０７は、このデジタルデータが零ボルトを示す値でないときに、差動増幅回路４０５の出力電圧が零ボルトに近づくような値にこのデジタルデータを補正する。補正後のデジタルデータは、Ｄ／Ａ変換器４０８によって電圧に変換され、差動増幅回路４０５に入力される。ＣＰＵ４０７は、入力デジタルデータが零ボルトを示す値になるまで、このデータ補正を繰り返す。

続いて、ＣＰＵ４０７は、第３操作Ｃを行う。この操作Ｃでは、まず、ＣＰＵ４０７が、スイッチ４０１，４０２に端子Ｓ１を選択させる。これにより、増幅回路４０３には、抵抗１０５の両端子の電位が入力される。したがって、増幅回路４０３からは、抵抗１０５を流れる電流の電圧降下に対応する電圧が、出力される。第１実施形態で説明したように、抵抗１０５を流れる電流は、検出対象物（図２の障害物３００に相当）が存在しないときはＩｏとなり、検出対象物が存在するときはＩｏ＋Ｉｓとなる（Ｉｏは電流Ｉｒと等しい電流、Ｉｓは検出対象物が形成する静電容量に流入する電流）。また、上述の第２操作Ｂによって、増幅回路４０３の両入力電圧の差が電流Ｉｒ（すなわち電流Ｉｏ）に等しいときには差動増幅回路４０５の出力電圧は零ボルトになるように、差動増幅回路４０５の負入力端子電圧が調整されている。したがって、第３操作Ｃにおいては、検出対象物が存在しないときには差動増幅回路４０５の出力は零ボルトであり、また、検出対象物が存在するときには差動増幅回路４０５の出力は電流Ｉｓに対応する電圧となる。このときの差動増幅回路４０５の出力は、検出信号Ｓとして、外部に出力される。

上述の第２操作Ｂでは、検出対象物の有無によって補正結果が相違することはない。第１実施形態で説明したように、増幅回路１０４の出力電流容量が電流Ｉｏよりも十分に大きく且つ抵抗１０５，１０６の抵抗値が検出対象物（コンデンサＣｏ）のインピーダンスよりも十分に小さい場合、電流Ｉｒは検出対象物の有無に依存しないからである。したがって、第２操作Ｂは、検出対象物の存在／非存在に拘わらず、行うことができる。

その一方で、第１実施形態で説明したように、抵抗１０６を流れる電流Ｉｒは、送信電極１０１および受信電極１０２が形成するコンデンサの比誘電率の変化に伴って、変動する。これに対して、本実施形態の静電容量型距離センサでは、第２操作Ｂによって、この変動の影響を排除している。すなわち、本実施形態では、電流Ｉｒが流れているときの差動増幅回路４０５の出力が零ボルトになるように調整するので、その後の第３操作Ｃで生成される検出電圧Ｓは、電流Ｉｒの変動の影響を受けない。

以上説明したように、本実施形態の静電容量型距離センサによれば、送信電極１０１に供給される電流と受信電極１０２から放電される電流との差を用いて、送信電極１０１と検出対象物との間の静電容量Ｃｓを検出する構成とした。したがって、環境変化や経年変化による電極１０１，１０２間の静電容量Ｃｏの変動の影響を排除して、高精度の距離測定を行うことができる。

加えて、本実施形態の静電容量型距離センサによれば、差動増幅回路４０５のオフセットを零ボルトに調整することができ、この点でも距離測定の精度を向上させることができる。

本発明に係る静電容量型距離センサは、例えば、自動車などの移動体に搭載して、障害物の検出に使用することができる。但し、本発明の静電容量型距離センサを非移動体に搭載して測定対象物を測定することも可能である。

第１実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す回路図である。 第１実施形態に係る静電容量型距離センサの動作を説明するための概念図である。 第１実施形態に係る静電容量型距離センサの動作を説明するための等価回路図である。 第２実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を説明するための概念図である。 第２実施形態に係る静電容量型距離センサの動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１００，４００ 静電容量型距離センサ
１０１ 送信電極
１０２ 受信電極
１０３ 発振回路
１０４，１０７，１０９，４０３ 増幅回路
１０５，１０６ 抵抗
１０８，１１０，４０４ 検波回路
１１１，４０５ 差動増幅回路
４０１，４０２ スイッチ
４０６ Ａ／Ｄ変換器
４０７ ＣＰＵ
４０８ Ｄ／Ａ変換器

Claims (2)

1. 電磁界を発生する送信電極と、
   該送信電極で発生した電磁界を受信する受信電極と、
   前記送信電極に交流電圧を供給する発振回路と、
   該発振回路と前記送信電極との間に設けられた第１抵抗と、
   前記受信電極とグランド線との間に設けられた第２抵抗と、
   前記第１、第２抵抗を流れる電流の差に応じた値の信号を出力する距離検出回路と、
   を備える静電容量型距離センサであって、
   該距離検出回路が、
   前記第１抵抗の電流入力側端子の電位、前記第２抵抗の電流入力側端子の電位または前記グランド線の電位を選択的に出力する第１スイッチと、
   前記第１抵抗の電流出力側端子の電位、前記第２抵抗の電流出力側端子の電位または前記グランド線の電位を選択的に出力する第２スイッチと、
   前記第１、第２スイッチから出力された電位の差に応じた電圧を出力する第３増幅回路と、
   該第３増幅回路の出力電圧を直流電圧に変換する第３検波回路と、
   該第３検波回路の出力を一方の入力端子から入力する第２差動増幅回路と、
   前記第１、第２スイッチの選択切り換えを制御するとともに、前記第２差動増幅回路の出力電圧に応じて該差動増幅回路の他方の入力端子の電圧を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とする静電容量型距離センサ。
2. 前記制御回路が、
   前記第１、第２スイッチに前記グランドラインの電位を選択させた状態で、前記第２差動増幅回路の出力電位が零ボルトになるような電位を該第２差動増幅回路の他方の入力端子に供給する第１操作を行い、
   前記第１、第２スイッチの選択を前記第２抵抗の電流入力側端子および電流出力側端子に切り換えさせた後で、前記第２差動増幅回路の出力電位が零ボルトになるような電位を該第２差動増幅回路の他方の入力端子に供給する第２操作を行い、
   その後、前記第２差動増幅回路の他方の入力端子の電圧を前記第２操作で設定された値に固定したままの状態で、前記第１、第２スイッチの選択を前記第１抵抗の電流入力側端子および電流出力側端子に切り換えさせる第３操作を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型距離センサ。

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