JP4356570B2

JP4356570B2 - 静電容量型距離センサ

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Publication number: JP4356570B2
Application number: JP2004269238A
Authority: JP
Inventors: 守鴇田; 裕二太田; 竜也猪木
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2006084318A

Description

この発明は、被検出物との間に形成された電磁界の強度に基づいて当該被検出物までの距離を検出する、非接触型の静電容量型距離センサに関する。

従来より、電磁波を用いて被検出物の有無や該被検出物までの距離を測定する非接触型センサが知られており、例えば静電容量型距離センサと呼ばれている。静電容量型距離センサでは、当該センサと被検出物の接地面との間に形成される静電容量から、該被検出物までの距離を検出する。

静電容量型距離センサについて開示する文献としては、例えば下記特許文献１が知られている。この特許文献１に記載された静電容量型距離センサ１１は、検知電極１２ａと、同相シールドパターン１２ｂと、アースパターン１２ｃとを備えている（特許文献１の段落０００８、図１参照）。そして、検知電極１２ａと同相シールドパターン１２ｂとは相互に接続されているので、該検知電極１２ａおよび該同相シールドパターン１２ｂの電圧および位相は、常に同一となる。これにより、検知電極１２ａと同相シールドパターン１２ｂとの間の静電容量の影響を排除することができるので、センサ部１１と電子回路部１４とを分離することが可能になる（特許文献１の段落００１２参照）。

特許文献１の技術では、センサ部１１と被検出物の接地面との間に形成される静電容量の値を、発振回路１７の発振周波数から検出する。このため、特許文献１の技術には、被検出物までの距離が長距離の場合に、当該被検出物を精度良く検出することが困難になるという欠点がある。

また、特許文献１では、センサ部１１をプリント基板で構成しているため、当該センサ部１１に柔軟性が無く、曲面への設置が困難であるという欠点がある。
特開平７−２９４６７号公報

この発明の解決課題は、被検出物までの距離が長い場合も検出精度が十分に高い静電容量型距離センサを提供することにある。

本発明は、被検出物に流入する検出電流の大きさに基づいて被検出物の有無および距離を検出する、非接触型の静電容量型距離センサに関する。

そして、被検出物に検出電流を供給するための電磁波を放射する送信電極と、送信電極の裏面側から放射される電磁波を遮蔽するために送信電極に対向して配置されたシールド電極と、送信電極とシールド電極との間に流れる電流を遮断するためにこれらの電極の間に配置された補助電極とを有するセンサ部と、発振器で生成された交流電圧を送信電極および補助電極に供給するための１個のバッファ回路と、検出電流を端子間電圧として検出するための電流検出抵抗素子と、電流検出抵抗素子を介してバッファ回路の出力端と送信電極とを接続する第１配線と、電流検出抵抗素子を介さずにバッファ回路の出力端と補助電極とを接続する第２配線とを備える。

この発明によれば、異なる配線を介してバッファ回路から送信電極および補助電極に交流電圧を供給し、送信電極を流れる電流のみを電流検出抵抗素子で検出するので、被検出物の検出精度を向上させることができる。

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の実施の形態
以下、この発明の第１実施形態に係る静電容量型距離センサについて、図１〜図３を用いて説明する。

図１は、この実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す概略図である。

図１に示したように、この実施形態の静電容量型距離センサ１００は、センサ部１０１と、発振回路１０２と、バッファ回路１０３と、電流検出抵抗素子１０４と、シールドケーブル１０５と、第１差動増幅器１０６と、バンドパスフィルタ１０７と、検波回路１０８と、ローパスフィルタ１０９と、第２差動増幅器１１０と、アナログ／デジタル変換器１１１と、ＣＰＵ(Central Processing Unit) １１２と、デジタル／アナログ変換器１１３とを備えている。

センサ部１０１は、送信電極１０１ａ、シールド電極１０１ｂおよび補助電極１０１ｃを備えている。送信電極１０１ａは、被検出物（図示せず）との間に電磁界を形成するための電磁波を放射する。シールド電極１０１ｂは、送信電極１０１ａの裏面側から放射される電磁波を遮蔽するための電極である。また、補助電極１０１ｃは、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に流れる電流を遮断するための電極である。この実施形態では、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に補助電極１０１ｃを設け、且つ、異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給することとしたので、被検出物の検出精度を高めることができる（後述）。図１に示したように、シールド電極１０１ｂは、接地される。

発振回路１０２は、送信電極１０１ａに電磁界を放射させるための交流電圧を生成・出力する。以下の説明では、この発振回路１０２の、発振周波数をｆ［Ｈｚ］とする。

バッファ回路１０３は、発振回路１０２が出力する交流電圧を、センサ部１０１に供給するためのバッファである。図１に示したように、この実施形態では、バッファ回路１０３を、１個の電圧フォロア回路で構成した。すなわち、この実施形態では、送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに、同じ電圧フォロア回路で交流電圧を供給することとした。これにより、バッファ回路１０３の出力側の変動が発振回路１０２の出力に与える影響を抑えて、被検出物の検出精度を高めることができる（後述）。

電流検出抵抗素子１０４は、センサ部１０１に流れる電流を電圧に変換するための抵抗素子である（後述）。電流検出抵抗素子１０４は、バッファ回路１０３の出力端とシールドケーブル１０５との間に接続される。

シールドケーブル１０５は、バッファ回路１０３が出力する交流電圧をセンサ部１０１に供給する。このシールドケーブル１０５は、芯線１０５ａと被覆線１０５ｂとを有している。芯線１０５ａの一端は、抵抗素子１０４を介して、バッファ回路１０３の出力端に接続される。また、この芯線１０５ａの他端は、送信電極１０１ａに接続される。被覆線１０５ｂの一端は、バッファ回路１０３の出力端に、抵抗素子１０４を介さずに直接接続される。この被覆線１０５ｂの他端は、補助電極１０１ｃに接続される。

第１差動増幅器１０６は、計装用アンプであり、非反転入力端子（＋）、反転入力端子（−）とも入力インピーダンスが高く、これら非反転入力端子と反転入力端子との電位差に応じた電圧を出力する。差動増幅器１０６の非反転入力端子は、抵抗素子１０４の一端（すなわちバッファ回路１０３側の端部）に接続される。また、この差動増幅器１０６の反転入力端子は、抵抗素子１０４の他端（すなわち送信電極１０１ａ側の端部）に接続される。したがって、差動増幅器１０６は、抵抗素子１０４の端子間電圧に応じた値の交流電圧信号を出力する。後述するように、抵抗素子１０４を流れる電流は送信電極１０１ａと被検出物との距離に依存し、したがって、この抵抗素子１０４の端子間電圧も当該距離に依存して変化する。

バンドパスフィルタ１０７は、入力された交流電圧信号のうち、周波数ｆの信号成分（すなわち発振回路１０２と同じ周波数の成分）のみを通過させる。このバンドパスフィルタ１０７により、差動増幅器１０６が出力する交流電圧信号からノイズ成分を取り除くことができる。例えば、静電容量型距離センサ１００の近傍にモータ等のノイズ源が配置されている場合、このモータ等が発生する電磁波によって交流電圧信号にノイズが混入し、誤検出の原因になる場合があるので、このようなノイズをバンドパスフィルタ１０７で除去する。

検波回路１０８は、入力された交流電圧信号を直流電圧信号に変換する。この実施形態では、検波回路１０８としては、時定数τを１／ｆ程度に設定した全波整流回路を使用する（ｆは発振回路１０２の出力周波数）。図４は、検波回路１０８の時定数と出力信号との関係を概念的に示す波形図であり、Ａは入力信号波形、Ｂは時定数τが１／ｆの場合の出力信号波形、Ｃは時定数τを非常に大きくした場合の出力信号波形である。ここで、入力信号波形Ａは、本来の信号波形中にノイズ成分Ａｎが混入している場合を示している。図４から解るように、時定数τが非常に大きい場合、本来の入力信号波形が入力されたときには変動の小さい平坦な出力信号波形（すなわちリップル成分が小さい出力信号波形）Ｃを得ることができるものの、ノイズ成分Ａｎが入力されたときには出力信号レベルがノイズレベルに維持されてしまう。これに対して、時定数τが１／ｆ程度の場合、本来の入力信号波形が入力されたときに変動の大きい出力信号波形（すなわちリップル成分が大きい出力信号波形）Ｂとなるものの、ノイズ成分Ａｎが入力されたときに当該ノイズの影響が小さい。ここで、リップル成分は、検波回路１０８の後段にローパスフィルタを設けて除去することも可能である。このため、この実施形態では、時定数τを１／ｆ程度に設定するとともに、後段にローパスフィルタ１０９を設けることとした。

ローパスフィルタ１０９は、入力信号から、高周波成分を除去する。このローパスフィルタ１０９により、検波回路１０８が出力した直流電圧信号から、リップル成分を取り除くことができる。

第２差動増幅器１１０は、非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）との電位差に応じた電圧を出力する。差動増幅器１１０の非反転入力端子は、ローパスフィルタ１０９の出力端に接続される。また、この差動増幅器１１０の反転入力端子は、デジタル／アナログ変換器１１３の出力端に接続される。後述するように、この差動増幅器１１０により、被検出物が検出されていないときの値が零となるように、検波回路１０８の出力信号が補正される。差動増幅器１１０が出力した直流電圧信号は、検出信号Ｓｄとして、外部に出力される。

アナログ／デジタル変換器１１１は、差動増幅器１１０が出力した直流電圧信号（すなわち検出信号Ｓｄ）を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。

ＣＰＵ１１２は、アナログ／デジタル変換器１１１から入力されたデジタル信号に所定のアルゴリズムによる演算処理を施すことによって補正信号Ｓａを生成し、内部に保存するとともに、デジタル／アナログ変換器１１３に出力する。後述するように、この補正信号Ｓａによって、検出信号Ｓｄが補正される。

デジタル／アナログ変換器１１３は、ＣＰＵ１１２の出力信号を、デジタル信号からアナログ信号に変換する。

図２および図３はセンサ部１０１の構成を示す概念図であり、図２は側面図、図３は分解斜視図である。

図２、図３に示したように、センサ部１０１は、プリント基板２０１を有している。プリント基板２０１の表面には送信電極１０１ａとしての金属薄膜が、裏面には補助電極１０１ｃとしての金属薄膜が、それぞれプリントされる。このため、プリント基板２０１の基材２０２は、送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃが構成するコンデンサの誘電体となる。基材２０２としては、十分な柔軟性のある絶縁板が使用される。例えば、厚さ０．２〜０．４ｍｍのテフロン（登録商標）板を、基材２０２として使用することができる。

シールド電極１０１ｂは、十分な柔軟性および伸縮性を有する導電性材料で形成される。例えば、導電性ゴム、導電性布等を、シールド電極１０１ｂとして使用することができる。

補助電極１０１ｃとシールド電極１０１ｂとは、スペーサ２０３を介して固定される。このスペーサ２０３は、補助電極１０１ｃとシールド電極１０１ｂとを所定の均一な間隔で固定するために、使用される。このため、スペーサ２０３は、補助電極１０１ｃおよびシールド電極１０１ｂに、導電性の接着剤等（図示せず）を用いて接着される。スペーサ２０３は、柔軟性がある絶縁材料（例えば樹脂）で形成される。図３に示したように、スペーサ２０３は、格子状に形成され、空洞部分２０３ａは貫通している。この空洞部分２０３ａが、補助電極１０１ｃおよびシールド電極１０１ｂが構成するコンデンサの絶縁層となる。スペーサ２０３の高さｄ１は、大きすぎるとセンサ部１０１全体としての十分な柔軟性を確保することができず、また、小さすぎるとコンデンサの静電容量が大きくなりすぎる。したがって、スペーサ２０３の高さｄ１（図３参照）は、例えば１ｍｍ程度とする。また、格子状部分の厚さｄ２（図３参照）は、スペーサ２０３と電極１０１ｂ，１０１ｃとを十分な強度で接着するために必要な面積が得られるように、決定される。

次に、この実施形態に係る静電容量型距離センサ１００の動作について、図１および図５を用いて説明する。図５において、（Ａ）はセンサ部１０１の検出可能範囲内に被検出物が存在しない場合を示す概念図であり、（Ｂ）はかかる検出可能範囲内に被検出物が存在する場合を示す概念図である。

まず、静電容量型距離センサ１００の初期調整の動作について、図１および図５（Ａ）を用いて説明する。この調整は、検出可能範囲内に被検出物が存在しないときに行われる。

バッファ回路１０３が交流電圧の出力を開始すると、この交流電圧は、抵抗素子１０４を介して送信電極１０１ａに印加される。ここでは被検出物が存在しないので、被検出物が構成するコンデンサに送信電極１０１ａから電流が流れることはない。したがって、被検出物の存在に起因して抵抗素子１０４の電圧降下が発生することもない。

また、バッファ回路１０３から出力された交流電圧は、補助電極１０１ｃにも印加される。その一方で、シールド電極１０１ｂは接地されている。したがって、補助電極１０１ｃおよびシールド電極１０１ｂが構成するコンデンサには端子間電圧が発生し、これにより、補助電極１０１ｃからシールド電極１０１ｂに電流Ｉ１が流れる。補助電極１０１ｃに電流Ｉ１が流れると、シールドケーブル１０５の被覆線１０５ｂの配線抵抗に起因して、当該補助電極１０１ｃの電圧が若干低下する。このため、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとの間に、非常に小さい電位差が発生する。したがって、送信電極１０１ａから補助電極１０１ｃに微少電流Ｉ０が流れ、これにより抵抗素子１０４で微少な電圧降下が発生する。このため、差動増幅器１０６の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）との間には、微少な電位差が発生する。

差動増幅器１０６は、この電位差に応じた交流電圧信号を出力する。この電圧信号は、バンドパスフィルタ１０７でノイズ成分を除去され、検波回路１０８で交流信号から直流信号に変換され、ローパスフィルタ１０９でリップル成分を除去された後、差動増幅器１１０の非反転入力端子（＋）に入力される。このとき、ＣＰＵ１１２からは、補正信号Ｓａとして、零が出力されている。したがって、デジタル／アナログ変換器１１３から差動増幅器１１０の反転入力端子へは、零ボルトが出力される。このため、この差動増幅器１１０は、ローパスフィルタ１０９が出力した直流電圧信号を、そのまま検出信号Ｓｄとして出力する。

ここで、センサ部１０１が被検出物を検出するときに十分な検出精度を得るためには、被検出物が存在しない場合の信号値が所定値（ここでは零ボルト）となるように、検出信号Ｓｄを補正することが望ましい。この補正は、ＣＰＵ１１２等により、以下のようにして行われる。

検出信号Ｓｄは、アナログ／デジタル変換器１１１でデジタル化されて、ＣＰＵ１１２に送られる。ＣＰＵ１１２は、このデジタル検出信号Ｓｄの実際の信号値と目標値（ここでは零ボルト）との差を所定のアルゴリズムによって演算し、演算結果を内部に保存するとともに、補正信号Ｓａの値としてデジタル／アナログ変換器１１３に送る。デジタル／アナログ変換器１１３は、この補正信号Ｓａに応じた値に、出力電圧を変更する。これにより、差動増幅器１１０の反転入力端子に供給される信号の値が、変更される。このようにして、当該反転入力端子の入力電圧は、非反転入力端子の入力電圧（すなわちローパスフィルタの出力信号値）と同じになり、差動増幅器１１０の出力が零ボルトになる。

次に、センサ部１０１の検出可能範囲内に被検出物が存在する場合の動作について、図１および図５（Ｂ）を用いて説明する。

人間や動物等の被検出物５０１は、誘電体であるとみなすことができる。さらに、被検出物５０１が床や地面等と接している場合には、この誘電体の一端が接地されているとみなすことができる。このため、被検出物５０１が送信電極１０１ａに十分に近づいた場合、この送信電極１０１ａと地面等との間には、コンデンサ（静電容量をＣｓとする）が存在すると考えることができる。このため、バッファ回路１０３から送信電極１０１ａに交流電圧が印加されると、被検出物５０１を介して、送信電極１０１ａと地面等との間に電流Ｉｓが流れる。被検出物５０１がセンサ部１０１に近づいていくと、送信電極１０１ａと被検出物５０１との距離が短くなっていくので、静電容量Ｃｓは増大し、したがって電流Ｉｓも増大する。逆に、被検出物５０１がセンサ部１０１から遠ざかっていくと、送信電極１０１ａと被検出物５０１との距離が長くなっていくので、静電容量Ｃｓは減少し、したがって電流Ｉｓも減少する。

この電流Ｉｓは、抵抗素子１０４を介して、バッファ回路１０３から送信電極１０１ａに供給される。すなわち、抵抗素子１０４を流れる電流は、送信電極１０１ａから補助電極１０１ｃに流れる電流Ｉ０と、送信電極１０１ａから被検出物５０１に流れる電流Ｉｓとの和になる。これにより、差動増幅器１０６の入力電位差（反転入力端子と非反転入力端子との電位差）は、電流Ｉｓが発生したことに起因して、増大する。

上述のように、差動増幅器１０６は、この電位差に応じた交流電圧信号を出力する。この電圧信号は、バンドパスフィルタ１０７でノイズ成分を除去され、検波回路１０８で交流信号から直流信号に変換され、ローパスフィルタ１０９でリップル成分を除去された後、差動増幅器１１０の非反転入力端子に入力される。差動増幅器１１０は、この直流信号と補正信号Ｓａとの差に応じた電圧を、検出信号Ｓｄとして出力する。上述のように、補正信号Ｓａは、被検出物５０１が存在しないときの検出信号Ｓｄが零ボルトとなるように設定されている。したがって、検出信号Ｓｄは、被検出物５０１に流れる電流Ｉｓに対応した値となる。

このような理由により、この実施形態に係る静電容量型距離センサは、被検出物５０１の有無および距離を、非接触で検出することができる。

上述のように、この実施形態では、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に補助電極１０１ｃを設けるとともに、１個のバッファ回路１０３から、異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給することとした。したがって、以下のような理由により、被検出物に対する検出精度を高めることができる。

まず、バッファ回路１０３を１個にした理由を説明する。

図１に示したように、この実施形態の静電容量型距離センサ１００では、センサ部１０１と、電子回路部分（回路１０２〜１０４、１０６〜１１２）とが、シールドケーブル１０５によって接続されている。このため、センサ部１０１と電子回路部分とを離して設置する場合、シールドケーブル１０５が他の装置等に近接する場合がある。ここで、シールドケーブル１０５と接地された金属とが近接している場合、この金属と被覆線１０５ｂとの間に静電容量（ここではＣ_Lとする）が発生する。したがって、バッファ回路１０３から被覆線１０５ｂに交流電圧が供給されると、この被覆線１０５ｂからこの金属に電流（ここではＩ_Lとする）が流れる。このため、この静電容量Ｃ_Lは、バッファ回路１０３の負荷となる。一般に、オペアンプは、容量性の負荷が大きくなると、入力に対する出力の位相遅れが増大する。このため、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとに別々の電圧フォロア回路から交流電圧が供給される場合には、これらの電極１０１ａ，１０１ｃに供給される交流電圧間で位相差が生じ、これにより、これらの電極１０１ａ，１０１ｃ間に電位差が発生することになる。このため、静電容量Ｃ_Lに起因して抵抗素子１０４に流れる電流が増大することになる。ここで、静電容量Ｃ_Lの値が一定であれば、この電流の影響は補正信号Ｓａ（図１参照）によって排除される。しかしながら、静電容量Ｃ_Lの値が一定でない場合（すなわち、接地された金属とシールドケーブル１０５との距離が変動するような場合）には、この静電容量Ｃ_Lの変動は検出誤差の原因になる。これに対して、送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに同一のバッファ回路１０３から交流電圧が供給される場合、静電容量Ｃ_Lに起因する位相遅れが発生しても、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとの間で位相差が生じることはない。このため、バッファ回路１０３を１個とすることにより、被検出物の検出精度を向上させることができる。

次に、補助電極１０１ｃを設ける理由と、異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給する理由とを説明する。

センサ部１０１が被検出物の検出を行うのは、本来は、送信電極１０１ａの表面方向のみである。しかし、実際には、送信電極１０１ａの裏面方向にも電磁波が放出される。したがって、この送信電極１０１ａの裏面方向に何らかの物体が存在する場合でも、その物体と送信電極１０１ａとの間に電界が形成されないようにする必要がある。裏面方向の物体と送信電極１０１ａとの間に電界が形成されると、その物体に位置変化に起因して抵抗素子１０４を流れる電流が変動してしまい、誤検出や検出精度悪化の原因になるからである。このため、送信電極１０１ａの裏面側には、接地されたシールド電極１０１ｂが設けられる。しかしながら、シールド電極１０１ｂのみを設けた場合（すなわち、補助電極１０１ｃを設けない場合）には、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に電流が流れてしまうことになる。通常は、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間の静電容量は、送信電極１０１ａと被検出物との間の静電容量と比べて非常に大きくなり、したがって、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に流れる電流も、送信電極１０１ａと被検出物との間を流れる電流と比較して非常に大きくなる。このため、送信電極１０１ａ・シールド電極１０１ｂ間に電流が流れると、送信電極１０１ａ・被検出物間の電流を精度良く検出することは非常に困難になる。これに対して、送信電極１０１ａとシールド電極１０１ｂとの間に補助電極１０１ｃを設けるとともにこれらの電極１０１ａ，１０１ｃの電位をほぼ同電位にした場合、送信電極１０１ａの裏面側に存在する物体の影響を無くしつつ当該裏面側に流れる電流を非常に小さく抑えることができる。

加えて、この実施形態では、異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給しており、バッファ回路１０３と送信電極１０１ａとを接続する配線に抵抗素子１０４が設けられている。すなわち、送信電極１０１ａはシールドケーブル１０５の芯線１０５ａおよび抵抗素子１０４を介してバッファ回路１０３に接続され、補助電極１０１ｃはシールドケーブル１０５の被覆線１０５ｂを介してバッファ回路１０３に接続されている。すなわち、送信電極１０１ａを流れる電流と補助電極１０１ｃを流れる電流とは分離されており、補助電極１０１ｃを流れる電流が抵抗素子１０４を流れることはない。このため、抵抗素子１０４を流れる電流を小さくすることができ、したがって、送信電極１０１ａから被検出物に流出する電流の検出精度が向上する。

以上説明したように、この実施形態に係る静電容量型距離センサ１００によれば、１個のバッファ回路１０３から異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給するので、送信電極１０１ａから被検出物に流出する電流を精度良く検出することができ、したがって、被検出物の検出精度を向上させることができる。

また、被検出物が検出されていないときの検出信号値を用いて、被検出物が検出されたときの検出信号Ｓｄを補正するので、被検出物の検出精度をさらに向上させることができる。

加えて、プリント基板２０１およびスペーサ２０３を柔軟性のある材料で形成し且つシールド電極１０１ｂを柔軟性および伸縮性のある材料で形成したので、曲面等へのセンサ部１０１の取り付けが容易になる。

第２の実施の形態
以下、この発明の第２の実施形態に係る静電容量型距離センサについて、図６を用いて説明する。この実施形態は、温度補正を行うことができる静電容量型距離センサの例である。

図６は、この実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す概略図である。図６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と同じものを示している。

この実施形態に係る静電容量型距離センサ６００は、温度補正回路６１０を備えている。温度補正回路６１０は、本来のセンサ（１０１〜１１０，１１３）の等価回路を成す。また、正確な温度補正を行うためには、温度補正回路６１０は、本来のセンサの検出回路部分（１０２〜１０４，１０６〜１１０，１１３）と同じ温度であることが望ましく、したがって、かかる検出回路部分と同じ基板上に形成されることが望ましい。

図６に示したように、温度補正回路６１０は、温度補正用擬似センサ部６１１と、温度補正用バッファ回路６１２と、温度補正用電流検出抵抗素子６１３と、温度補正用第１差動増幅器６１４と、温度補正用バンドパスフィルタ６１５と、温度補正用検波回路６１６と、温度補正用ローパスフィルタ６１７と、温度補正用第２差動増幅器６１８と、温度補正用デジタル／アナログ変換器６１９とを備えている。また、この実施形態の静電容量型距離センサ６００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit) ６３０と、アナログ／デジタル変換器６２０とを備えている。この実施形態の温度補正回路６１０では、温度補正用擬似センサ部６１１を他の回路部分（６１１，６１２等）と離して配置する必要はなく、このため、シールドケーブルは使用されない。

温度補正用擬似センサ部６１１は、第１コンデンサ６１１ａおよび第２コンデンサ６１１ｂを備えている。第１コンデンサ６１１ａは、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとの間の静電容量と同一の静電容量を有している。また、第２コンデンサ６１１ｂは、補助電極１０１ｃとシールド電極１０１ｂの間の静電容量と同一の静電容量を有している。第２コンデンサ６１１ｂは、一端で接地されている。なお、本願において、回路や素子が「同一」（或いは「同じ」）とは、回路或いは素子の構成或いは特性（特に温度依存性）が設計上同一であるという意味である。

温度補正用バッファ回路６１２は、発振回路１０２が出力する交流電圧を、擬似センサ部６１１に供給するためのバッファである。この温度補正用バッファ回路６１２としては、バッファ回路１０３と同じものが使用される。図６に示したように、温度補正用バッファ回路６１２は、バッファ回路１０３と同様、１個の電圧フォロア回路で構成されている。

温度補正用電流検出抵抗素子６１３は、第１コンデンサ６１１ａに流れる電流を電圧に変換するための抵抗素子である（後述）。この温度補正用電流検出抵抗素子６１３としては、電流検出抵抗素子１０４と同じものが使用される。この温度補正用電流検出抵抗素子６１３は、一端でバッファ回路６１２の出力端に接続され、他端で第１コンデンサ６１１ａの一端に接続される。

温度補正用第１差動増幅器６１４は、非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）との電位差に応じた電圧を出力する。この温度補正用第１差動増幅器６１４としては、第１差動増幅器１０６と同じものが使用される。温度補正用差動増幅器６１４の非反転入力端子は、温度補正用抵抗素子６１３の一端（すなわち温度補正用バッファ回路６１２側の端部）に接続される。また、この温度補正用差動増幅器６１４の反転入力端子は、温度補正用抵抗素子６１３の他端（すなわち第１コンデンサ６１１ａ側の端部）に接続される。したがって、差動増幅器６１４は、抵抗素子６１３の端子間電圧に応じた値の交流電圧信号を出力する。

温度補正用バンドパスフィルタ６１５としては、バンドパスフィルタ１０７と同じものが使用される。すなわち、温度補正用バンドパスフィルタ６１５は、周波数ｆの信号成分（すなわち発振回路１０２と同じ周波数の成分）のみを通過させることにより、交流電圧信号からノイズ成分を取り除く。

温度補正用検波回路６１６としては、検波回路１０８と同じもの（時定数τ≒１／ｆ）が使用される。温度補正用検波回路６１６は、温度補正用バンドパスフィルタ６１５から入力された交流電圧信号を直流電圧信号に変換する。

温度補正用ローパスフィルタ６１７としては、ローパスフィルタ１０９と同じものが使用される。温度補正用ローパスフィルタ６１７は、温度補正用検波回路６１６から直流電圧信号を入力して、高周波成分を除去する。これにより、かかる直流電圧信号からリップル成分を取り除くことができる。

温度補正用第２差動増幅器６１８としては、第２差動増幅器１１０と同じものが使用される。この温度補正用第２差動増幅器６１８は、非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）との電位差に応じた電圧を出力する。温度補正用第２差動増幅器６１８の非反転入力端子は、ローパスフィルタ６１７の出力端に接続される。また、この温度補正用第２差動増幅器６１８の反転入力端子は、デジタル／アナログ変換器６１９の出力端に接続される。温度補正用第２差動増幅器６１８が出力した直流電圧信号は、アナログ／デジタル変換器６２０に送られる。

温度補正用デジタル／アナログ変換器６１９は、ＣＰＵ６３０の出力信号を、デジタル信号からアナログ信号に変換する。この温度補正用デジタル／アナログ変換器６１９としては、デジタル／アナログ変換器１１３と同じものが使用される。

アナログ／デジタル変換器６２０は、差動増幅器１１０，６１８が出力した直流電圧信号（すなわち検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２）を、それぞれアナログ信号からデジタル信号に変換する。

ＣＰＵ６３０は、アナログ／デジタル変換器６２０から入力したデジタル信号を用いて補正信号Ｓａ１，Ｓａ０を生成し、内部に保存するとともに、デジタル／アナログ変換器１１３，６１９に出力する。これにより、後述のような温度補正を行うことができる。

次に、この実施形態に係る静電容量型距離センサ６００の動作を説明する。

まず、静電容量型距離センサ６００の初期調整の動作について説明する。この調整は、検出可能範囲内に被検出物が存在しないときに行われる。

バッファ回路１０３が交流電圧の出力を開始すると、第１実施形態と同様にして、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとの間に、非常に小さい電位差が発生する。この電位差は、第１実施形態と同様にして直流電圧信号Ｓｄ１に変換され、アナログ／デジタル変換器６２０でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ６３０に入力される。ＣＰＵ６３０は、第１実施形態のＣＰＵ１１２と同様にして、補正信号Ｓａ１を生成・出力する。この補正信号Ｓａ１は、デジタル／アナログ変換器１１３でアナログ信号に変換されて、差動増幅器１１０の反転入力端子に供給される。これにより、検出信号Ｓｄ１の値は、零に補正される。

また、バッファ回路１０３の動作開始と同時に、温度補正用バッファ回路６１２も、交流電圧の出力を開始する。この交流電圧は、補正用抵抗素子６１３を介して、第１コンデンサ６１１ａの一端に印加される。また、温度補正用バッファ回路６１２の出力は、第１、第２コンデンサ６１１ａ，６１１ｂの他端に、抵抗素子６１３を介さずに直接印加される。これにより、第２コンデンサ６１１ｂに端子間電圧が発生し、電流Ｉ２（図示せず）が流れる。電流Ｉ２が流れると、補正用バッファ回路６１２と第２コンデンサ６１１ｂ間の配線抵抗に起因して、当該第２コンデンサ６１１ｂの他端の電圧が若干低下する。このため、第１コンデンサ６１１ａの端子間に、非常に小さい電位差が発生する。したがって、第１コンデンサ６１１ａに微少電流Ｉ３（図示せず）が流れ、温度補正用抵抗素子６１３で微少な電圧降下が発生する。これにより、温度補正用第１差動増幅器６１４の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）との間には、微少な電位差が発生する。差動増幅器６１４の出力信号は、後段の回路素子６１５〜６１７で、回路素子１０７〜１０９の場合と同様の処理を施され、温度補正用第２差動増幅器６１８に供給される。そして、温度補正用第２差動増幅器６１８からは、直流電圧信号Ｓｄ０が出力される。直流電圧信号Ｓｄ０は、アナログ／デジタル変換器６２０でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ６３０に入力される。ＣＰＵ６３０は、上述の信号Ｓｄ１の場合と同様にして、補正信号Ｓａ０を生成・出力する。この補正信号Ｓａ０は、デジタル／アナログ変換器６１９でアナログ信号に変換されて、差動増幅器６１８の反転入力端子に供給される。これにより、信号Ｓｄ０の値は、零に補正される。

次に、初期調整後の、静電容量型距離センサ６００動作について説明する。

被検出物がセンサ部１０１の検出可能範囲内に入ると、上述の第１実施形態と同様にして、抵抗素子１０４に流れる電流Ｉ０が変動し、Ｉ０＋Ｉｓとなる（図５（Ｂ）参照）。これにより、第１実施形態と同様にして、検出信号Ｓｄ１が、零ボルトから、被検出物に流れる電流Ｉｓに対応した値に変化する。

一方、温度補正用擬似センサ部６１１に流れる電流は、被検出物の有無や距離に応じて変化しない。したがって、環境温度が変化しなければ、信号Ｓｄ０の値は、上述の初期調整時のまま維持される。

ここで、静電容量型距離センサ６００の回路部分（すなわち、センサ部１０１およびシールドケーブル１０５以外の部分）の環境温度が変化した場合、この温度変化に起因して、回路１０３，１０６〜１１０を構成する各オペアンプ等のオフセット電圧等が変動する。上述のように、この実施形態では、差動増幅器１１０の出力が零ボルトになるように初期調整するので、環境温度が初期調整時のままであれば、オフセット電圧等に起因する検出信号Ｓｄ１の誤差は問題とならない。しかし、環境温度の変化によるオフセット電圧等が変動が大きい場合には、当該オフセット電圧等に起因する検出信号Ｓｄ１の誤差が無視できなくなる。

この実施形態に係る静電容量型距離センサ６００は、本来のセンサと等価な温度補正回路６１０を備えている。本来のセンサ部分でオフセット電圧等が変動した場合、温度補正回路６１０でも同等の変動が生じる。したがって、温度補正回路６１０の出力電圧Ｓｄ０の変動量を用いて検出信号Ｓｄ１を補正すれば、この検出信号Ｓｄ１の誤差をキャンセルすることができる。

このために、この実施形態に係る静電容量型距離センサ６００では、ＣＰＵ６３０が、所定時間毎に信号Ｓｄ０の値をチェックする。そして、信号Ｓｄ０の値が零ボルトからΔＳｄだけ変化した場合、ＣＰＵ６３０は、予め定められたアルゴリズムによる演算を行い、この信号Ｓｄ０が零ボルトになるように補正信号Ｓａ０の値を調整する。これにより、信号Ｓｄ０は零ボルトに戻る。上述のように本来のセンサと温度補正回路６１０とは等価なので、信号Ｓｄ０に誤差ΔＳｄが発生したとき、検出信号Ｓｄ１にも誤差ΔＳｄが発生しているはずである。このため、ＣＰＵは、信号Ｓｄ０の誤差がキャンセルされたときの補正信号Ｓａ０と同じ値となるように、補正信号Ｓａ１の値を制御する。これにより、検出信号Ｓｄ１は、誤差ΔＳｄが補正されることとなり、環境温度の変化による誤差がキャンセルされる。このような補正処理は、被検出物がセンサ部１０１の検出可能範囲内に存在しないときだけでなく、被検出物の検出中においても行うことができる。

この実施形態では、被検出物が存在しないときの検出信号Ｓｄ１の値を零ボルトに設定したが、他の値に設定しても良いことはもちろんである。

以上説明したように、この実施形態に係る静電容量型距離センサ６００によれば、環境温度の変化による検出信号の誤差を補正することができるので、上述の第１実施形態の静電容量型距離センサ１００と比較して、さらに検出精度を高めることができる。

また、１個のバッファ回路１０３から異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給するので検出精度が向上する点、被検出物が検出されていないときの検出信号値を用いて被検出物が検出されたときの検出信号を補正するので検出精度が向上する点、および、プリント基板２０１およびスペーサ２０３を柔軟性のある材料で形成し且つシールド電極１０１ｂを柔軟性および伸縮性のある材料で形成することにより曲面等へのセンサ部１０１の取り付けが容易になる点は、第１実施形態と同様である。

第３の実施の形態
以下、この発明の第３の実施形態に係る静電容量型距離センサについて、図７を用いて説明する。この実施形態は、複数個の検出系を有し、各検出系の温度補正を行うことができる静電容量型距離センサの例である。

図７は、この実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を示す概略図である。図７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と同じものを示している。

図７に示したように、この実施形態の静電容量型距離センサ７００は、二個の検出系７１０，７２０と、１個の温度補正回路７３０と、３入力１出力のスイッチ７４１，７４２と、ＣＰＵ７５０とを備えている。

検出系７１０は、センサ部７１１と、バッファ回路７１２と、電流検出抵抗素子７１３と、シールドケーブル７１４とを備えている。同様に、検出系７２０は、センサ部７２１と、バッファ回路７２２と、電流検出抵抗素子７２３と、シールドケーブル７２４とを備えている。また、温度補正回路７３０は、温度補正用擬似センサ部７３１と、温度補正用バッファ回路７３２と、温度補正用電流検出抵抗素子７３３とを備えている。

センサ部７１１，７２１は、第１実施形態のセンサ部１０１と同様の構成を有している。すなわち、センサ部７１１は送信電極７１１ａ、シールド電極７１１ｂおよび補助電極７１１ｃを備えており、センサ部７２１は送信電極７２１ａ、シールド電極７２１ｂおよび補助電極７２１ｃを備えている。

温度補正用擬似センサ部７３１は、第２実施形態の擬似センサ部６１１と同じ構成を有している。すなわち、温度補正用擬似センサ部７３１は、第１、第２コンデンサ７３１ａ，７３１ｂを備えている。第１コンデンサ７３１ａの静電容量は、電極７１１ａ，７１１ｃ間および電極７２１ａ，７２１ｃ間の静電容量と同一である。また、第２コンデンサ７３１ｂの静電容量は、電極７１１ｂ，７１１ｃ間および電極７２１ｂ，７２１ｃ間の静電容量と同一である。

バッファ回路７１２，７２２，７３２は、第１実施形態のバッファ回路１０３と同様の構成を有している。これらのバッファ回路７１２，７２２，７３２の構成や特性は、相互に同一である。

電流検出抵抗素子７１３，７２３は、第１実施形態の電流検出抵抗素子１０４と同様、対応する送信電極７１１ａ，７２１ａに流れる電流を電圧に変換するための抵抗素子である。また、温度補正用電流検出抵抗素子７３３は、第２実施形態の温度補正用電流検出抵抗素子６１３と同様、第１コンデンサ７３１に流れる電流を電圧に変換するための抵抗素子である。これらの抵抗素子７１３，７２３，７３３の抵抗値は、同一に設定される。

シールドケーブル７１４，７２４としても、第１実施形態のシールドケーブル１０５と同じものが使用される。シールドケーブル７１４において、芯線７１４ａは抵抗素子７１３と送信電極７１１ａとを接続し、被覆線７１４ｂはバッファ回路７１２の出力端と補助電極７１１ｃとを接続する。同様に、シールドケーブル７２４において、芯線７２４ａは抵抗素子７２３と送信電極７２１ａとを接続し、被覆線７２４ｂはバッファ回路７２２の出力端と補助電極７２１ｃとを接続する。

スイッチ７４１は、入力端子Ｓ１１で抵抗素子７１３の一端（バッファ回路７１２側の端部）に接続され、入力端子Ｓ１２で抵抗素子７２３の一端（バッファ回路７２２側の端部）に接続され、且つ、入力端子Ｓ１３で抵抗素子７３３の一端（バッファ回路７３２側の端部）に接続される。また、スイッチ７４１の出力端子は、差動増幅器１０６の非反転入力端子に接続される。

スイッチ７４２は、入力端子Ｓ２１で抵抗素子７１３の他端（送信電極７１１ａ側の端部）に接続され、入力端子Ｓ２２で抵抗素子７２３の他端（送信電極７２１ａ側の端部）に接続され、且つ、入力端子Ｓ２３で抵抗素子７３３の他端（第１コンデンサ７３１ａ側の端部）に接続される。また、スイッチ７４２の出力端子は、差動増幅器１０６の反転入力端子に接続される。

ＣＰＵ７５０は、アナログ／デジタル変換器１１１から入力したデジタル信号を用いて補正信号Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ０を生成し、内部に保存するとともに、デジタル／アナログ変換器１１３に出力する。これにより、後述のような温度補正を行うことができる。加えて、ＣＰＵ７５０は、スイッチ７４１，７４２の入力切換等の制御を行う。

次に、この実施形態に係る静電容量型距離センサ７００の動作について、図８を用いて説明する。

まず、静電容量型距離センサ７００の初期調整の動作について説明する。この調整は、検出可能範囲内に被検出物が存在しないときに行われる。

バッファ回路７１２，７２２，７３２が交流電圧の出力を開始すると、第１実施形態と同様にして、電極７１１ａ，７１１ｃ間および電極７２１ａ，７２１ｃ間に、非常に小さい電位差が発生する。また、第２コンデンサ７３１ｂにも、微少電流が流れるようになる。

ＣＰＵ７５０がスイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１１，Ｓ２１を選択させると、抵抗素子７１３の端子間電圧が、差動増幅器１０６に入力されるようになる。そして、差動増幅器１０６が出力する交流電圧信号は、第１実施形態と同様にして、ノイズ等が除去され、直流電圧信号Ｓｄ１に変換され、デジタル信号に変換されて、ＣＰＵ７５０に送られる。ＣＰＵ７５０は、第１実施形態のＣＰＵ１１２と同様にして、補正値を演算し、演算結果を内部に保存するとともに、補正信号Ｓａ１として出力する。これにより、差動増幅器１１０が出力する検出信号は零ボルトになる。

次に、ＣＰＵ７５０がスイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１２，Ｓ２２を選択させると、抵抗素子７２３の端子間電圧が、差動増幅器１０６に入力されるようになる。そして、差動増幅器１０６が出力する交流電圧信号は、上述の場合と同様にして、差動増幅器１１０から直流電圧信号Ｓｄ２が出力され、デジタル信号に変換されて、ＣＰＵ７５０に送られる。ＣＰＵ７５０は、上述の場合と同様にして、補正値を演算し、演算結果を内部に保存するとともに、補正信号Ｓａ２として出力する。これにより、差動増幅器１１０が出力する検出信号は零ボルトになる。

さらに、ＣＰＵ７５０がスイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１３，Ｓ２３を選択させると、抵抗素子７３３の端子間電圧が、差動増幅器１０６に入力されるようになる。そして、上述の場合と同様にして、差動増幅器１０６が出力する交流電圧信号が、差動増幅器１１０から直流電圧信号Ｓｄ０が出力され、デジタル信号に変換されて、ＣＰＵ７５０に送られる。ＣＰＵ７５０は、上述の場合と同様にして、補正値を演算し、演算結果を内部に保存するとともに、補正信号Ｓａ０として出力する。これにより、差動増幅器１１０が出力する検出信号は零ボルトになる。

初期調整の終了後、ＣＰＵ７５０は、内部のタイマを起動して、一定の時間間隔で割り込みを発生させる。

この割り込みタイミングｔ１（図８参照）で、ＣＰＵ７５０は、まず、スイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１１，Ｓ２１を選択させるとともに（図８のＰ１参照）、デジタル／アナログ変換器１１３に補正信号Ｓａ１を出力する。これにより、差動増幅器１１０からは、補正された検出信号Ｓｄ１が出力される。

この処理が終了すると、次に、ＣＰＵ７５０は、スイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１２，Ｓ２２を選択させるとともに（図８のＰ２参照）、デジタル／アナログ変換器１１３に補正信号Ｓａ２を出力する。これにより、差動増幅器１１０からは、補正された検出信号Ｓｄ２が出力される。

続いて、ＣＰＵ７５０は、スイッチ７４１，７４２に入力端子Ｓ１３，Ｓ２３を選択させるとともに（図８のＰ３参照）、デジタル／アナログ変換器１１３に補正信号Ｓａ０を出力する。これにより、ＣＰＵ７５０には、アナログ／デジタル変換器１１１を介して、補正後の電圧信号Ｓｄ０が入力される。ＣＰＵ７５０は、第２実施形態と同様、所定のアルゴリズムによる演算を行い、信号Ｓｄ０が零ボルトになるような調整値ΔＳａを演算する。ＣＰＵ７５０が補正信号の値をＳａ０＋ΔＳａに変更すると、信号Ｓｄ０は零ボルトに戻る。

さらに、ＣＰＵ７５０は、内部に保存された補正信号値Ｓａ１，Ｓａ２を、Ｓａ１＋ΔＳａ，Ｓａ２＋ΔＳａに書き換える。これにより、次回の割り込み発生時の検出では、このΔＳａを用いて検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２を温度補正できることになる。

割り込みタイミングｔ２以降も、同様の処理Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が繰り返される（図８参照）。

以上説明したように、この実施形態によれば、２個の検出系を有する係る静電容量型距離センサ７００において、環境温度の変化による検出信号の誤差を補正することができ、検出精度を高めることができる。

また、１個のバッファ回路から異なる配線を介して送信電極および補助電極に交流電圧を供給するので検出精度が向上する点、被検出物が検出されていないときの検出信号値を用いて被検出物が検出されたときの検出信号Ｓｄを補正するので検出精度が向上する点、および、プリント基板２０１およびスペーサ２０３を柔軟性のある材料で形成し且つシールド電極を柔軟性および伸縮性のある材料で形成することにより曲面等へのセンサ部の取り付けが容易になる点は、第１実施形態と同様である。

なお、この実施形態では２個の検出系７１０，７２０を設けた場合を説明したが、３個以上の検出系を設けることも可能である。さらには、１個の検出系のみが設けられる場合に、この実施形態を適用することも可能である。検出系が１個のみの場合でも、この実施形態を適用することにより、第１差動増幅器１０６以降の回路を共通化することができるので、回路の規模やコストを低減することができる。

第４の実施の形態
以下、この発明の第４の実施形態に係る静電容量型距離センサについて、図９および図１０を用いて説明する。この実施形態は、センサ部の温度変化に起因する誤差を補正できる静電容量型距離センサの他の例である。

図９は、この実施形態に係る静電容量型距離センサ９００の構成を示す概略図である。図９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と同じものを示している。

この実施形態の静電容量型距離センサ９００は、温度補正回路９１０を備えている。温度補正回路９１０は、温度補正用抵抗素子９１１，９１２，９１３を備えている。

温度補正用抵抗素子９１１は、電流検出抵抗素子１０４（抵抗値をＲｓ１とする）の一端（バッファ回路１０３側の端部）と、第１差動増幅器１０６の非反転入力端子（＋）との間に設けられる。この抵抗素子９１１の抵抗値を、Ｒｓ２とする。

温度補正用抵抗素子９１２は、電流検出抵抗素子１０４の他端（送信電極１０１ａ側の端部）に一端で接続され、且つ、他端で接地される。この抵抗素子９１２の抵抗値を、Ｒｆ１とする。

温度補正用抵抗素子９１３は、第１差動増幅器１０６の非反転入力端子に一端で接続され、且つ、他端で接地される。この抵抗素子９１２の抵抗値を、Ｒｆ２とする。

ここで、抵抗素子１０４，９１１〜９１３の抵抗値Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｆ１，Ｒｆ２は、下式（１），（２）を満たすように決定される。
Ｒｓ１／Ｒｆ１＝Ｒｓ２／Ｒｆ２・・・（１）
Ｒｓ１＝Ｒｆ１，Ｒｓ２＝Ｒｆ２・・・（２）

式（１），（２）を満たすように各抵抗値を設定することにより、環境温度の変動による誤差を抑制することが可能になる。以下、この理由を説明する。

センサ部１０１の環境温度が変化すると、センサ部１０１を構成する誘電体の比誘電率が変化する。そのため、送信電極１０１ａと補助電極１０１ｃとの間および補助電極１０１ｃとシールド電極１０１ｂとの間の静電容量が変化する。特に、補助電極１０１ｃとシールド電極１０１ｂとの間の静電容量には、バッファ回路１０３から抵抗を介さずに電流が流れるために、バッファ回路１０３の負荷は大きくなる。図９に示したように、バッファ回路１０３は、オペアンプの電圧フォロア回路である。ここで、オペアンプの出力電流が変動すると、かかるオペアンプの温度が変動し、結果的に電圧フォロア回路の利得が変化する。このため、バッファ回路１０３の出力振幅は、センサ部１０１の環境温度の変動に応じて変動する。したがって、第１差動増幅器１０６の非反転入力端子および反転入力端子に入力される交流電圧の振幅も、センサ部１０１の環境温度に依存して変動することになる。

第１差動増幅器１０６は、計装用アンプであり、非反転入力端子、反転入力端子とも入力インピーダンスが高くなっているが、かかる非反転入力端子および反転入力端子には微少電流が流入する。そして、この流入電流は、入力電圧の振幅変化に依存して変化する。例えば、環境温度の変化によって振幅が増大した場合、この流入電流も増大することになる。

ここで、温度補正回路９１０を有さない静電容量型距離センサ（図１参照）の場合、差動増幅器１０６の非反転入力端子（＋）は、抵抗素子を介さずに、バッファ回路１０３の出力端子と接続されている。したがって、バッファ回路１０３から当該非反転入力端子までの経路における電気抵抗は零であるとみなせるので、電圧降下は零ボルトである。一方、差動増幅器１０６の反転入力端子（−）は、抵抗素子１０４を介して、バッファ回路１０３の出力端子と接続されている。このため、抵抗素子１０４を流れる電流のために電圧降下が発生し、当該反転入力端子の電位が低下する。このような理由から、差動増幅器１０６では、非反転入力端子・反転入力端子間の電位差が発生する。この電位差に起因する検出誤差は、補正信号Ｓａを用いた初期調整により、キャンセルされる。このため、環境温度が変化しなければ（すなわちバッファ回路１０３の出力振幅が変化しなければ）、検出信号Ｓｄの誤差発生原因にはならない。しかしながら、環境温度が変動した場合には、バッファ回路１０３の出力振幅も変動し、これにより抵抗素子１０４による電圧降下量も変動する。したがって、非反転入力端子・反転入力端子間の電位差も初期調整時の値からずれる。この‘ずれ’は、検出信号Ｓｄの誤差となって現れる。

これに対して、この実施形態では、温度補正回路９１０を設けることにより、非反転入力端子・反転入力端子間の電位差が生じないようにした。この実施形態では、バッファ回路１０３の出力電位をＶ０とすると、差動増幅器１０６の反転入力端子の電位Ｖ(-) および非反転入力端子の電位Ｖ(+) は、下式（３）、（４）で与えられる。したがって、上式（１），（２）が満たされるとき、Ｖ(-) ＝Ｖ(+) となる。Ｖ(-) ＝Ｖ(+) の場合、環境温度に拘わらず差動増幅器１０６の入力端子間の電位差が発生せず、したがって、環境温度の変動に起因して検出信号Ｓｄの誤差が発生することもない。
Ｖ(-) ＝（Ｒｆ１／（Ｒｓ１＋Ｒｆ１））・Ｖ０・・・（３）
Ｖ(+) ＝（Ｒｆ２／（Ｒｓ２＋Ｒｆ２））・Ｖ０・・・（４）

図１０は、環境温度と検出信号Ｓｄとの関係の測定結果を示すグラフである。図１０において、縦軸は検出信号Ｓｄの電圧値［Ｖ］および環境温度［℃］、横軸は経過時間［hour］である。また、図１０において、曲線Ｔは環境温度、曲線Ａはこの実施形態に係る静電容量型距離センサ９００の検出信号Ｓｄ、曲線Ｂは温度補正回路９１０を有さない静電容量型距離センサ（図１参照）の検出信号Ｓｄを示している。なお、Ａ，Ｂともに、センサ部１０１の検出可能範囲内に被検出物が存在しない場合の値である。

図１０から解るように、温度補正回路９１０を有さない静電容量型距離センサでは、環境温度Ｔを１０℃〜７０℃まで変化させると、これにほぼ追随して、検出信号Ｓｄの値が変化する（曲線Ｂ参照）。これに対して、この実施形態の静電容量型距離センサ９００は、環境温度Ｔが変化しても、検出信号Ｓｄの変動はほとんど無かった。

以上説明したように、この実施形態に係る静電容量型距離センサ９００によれば、環境温度変化による検出信号の誤差を無くすことができるので、上述の第１実施形態の静電容量型距離センサ１００と比較して、さらに検出精度を高めることができる。

また、１個のバッファ回路１０３から異なる配線を介して送信電極１０１ａおよび補助電極１０１ｃに交流電圧を供給するので検出精度が向上する点、被検出物が検出されていないときの検出信号値を用いて被検出物が検出されたときの検出信号Ｓｄを補正するので検出精度が向上する点、および、プリント基板２０１およびスペーサ２０３を柔軟性のある材料で形成し且つシールド電極１０１ｂを柔軟性および伸縮性のある材料で形成することにより曲面等へのセンサ部１０１の取り付けが容易になる点は、第１実施形態と同様である。

第５の実施の形態
次に、この発明の第５の実施形態に係る静電容量型距離センサについて、図１１および図１２を用いて説明する。この実施形態では、センサ部の他の例を説明する。

図１１は、この実施形態に係るセンサ部１１００を概念的に示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。

図１１に示したように、プリント基板１１１０は、絶縁基材１１１１を有している。そして、この絶縁基材１１１１の表面には送信電極１１１２が、裏面には補助電極１１１３が、それぞれプリントされている。

送信電極１１１２の表面には、接着剤１１５１によって、カーボンファイバー板１１４１が接着されている。カーボンファイバー板１１４１の面積は、例えば、送信電極１１１２の面積の数倍〜数十倍である。

補助電極１１１３の裏面には、接着剤１１５２によって、カーボンファイバー板１１４２が接着されている。カーボンファイバー板１１４２の面積は、カーボンファイバー板１１４１と同じでよい。

カーボンファイバー板１１４２の裏面には、接着剤１１５３によって、スペーサ１１２０が接着されている。スペーサ１１２０としては、例えば第１実施形態のスペーサ２０３（図３参照）と同様のものを使用できる。

スペーサ１１２０の裏面には、接着剤１１５４によって、カーボンファイバー板１１４３が接着される。カーボンファイバー板１１４３の面積は、カーボンファイバー板１１４１，１１４２と同じでよい。

カーボンファイバー板１１４３の裏面には、接着剤１１５５によって、シールド電極１１３０が接着されている。このシールド電極１１３０は、例えば導電性ゴム、導電性布等で形成することができる。

次に、このセンサ部１１００の動作原理について、図１２を用いて説明する。図１２は、この実施形態に係る静電容量型距離センサ１２００の要部構成を示している。図１２において、センサ部１１００以外の構成は第１実施形態に係る静電容量型距離センサ１００（図１参照）と同じであるので、一部を省略している。

カーボンファイバー板１１４１〜１１４３は、内部は導電性であるが、表面は絶縁性であり、且つ、非常に薄い接着剤層１１５１，１１５２，１１５５を介して電極１１１２，１１１３，１１３０に接続されているため、容量性の結合になる。この実施形態では、接着剤１１５１〜１１５５として、絶縁性のものを使用する場合を説明する。ここで、接着剤層１１５１，１１５２，１１５５は非常に薄いので、結合容量は非常に大きくなる。

カーボンファイバー板１１４１の前方に被検出物１２０１が存在する場合、送信電極１１１２とグランドとの間に、コンデンサが存在すると考えることができる。このとき、接着剤層１１５１、カーボンファイバー板１１４１、被検出物１２０１、および、当該カーボンファイバー板１１４１と当該被検出物１２０１との間の空間が、当該コンデンサの誘電体を構成する。ここでは、接着剤層１１５１の静電容量をＣｃとし、カーボンファイバー板１１４１、被検出物１２０１および空間からなる部分の静電容量をＣｓとする。静電容量Ｃｃ，Ｃｓは直列接続であるため、合成容量Ｃは、下式（４）で与えられる。

Ｃ＝Ｃｓ・Ｃｃ／（Ｃｓ＋Ｃｃ）・・・（４）
上述のように、接着剤層１１５１は非常に薄く、したがって静電容量Ｃｃは非常に大きくなる。これと比較して、カーボンファイバー板１１４１、被検出物１２０１および空間からなる部分の静電容量Ｃｓは、非常に小さい。すなわち、Ｃｃ＞＞Ｃｓである。ここで、Ｃｃ＞＞Ｃｓの場合、Ｃｃ／（Ｃｓ＋Ｃｃ）≒１となるので、上式（４）よりＣ≒Ｃｓとなる。したがって、カーボンファイバー板１１４１を用いて、被検出物の有無や距離を検出することが可能になる。

この実施形態に係る静電容量型距離センサ１２００では、被検出物１２０１の位置がカーボンファイバー板１１４１と平行にずれても、検出信号Ｓｄ（図１参照）の値は変化しない。すなわち、図１２において、被検出物１２０１が存在するときと、被検出物１２０２が存在するときとで、検出信号Ｓｄの値は、同じである。送信電極１１１２とグランドとの間に流れる電流値は、カーボンファイバー板１１４１と被検出物１２０１との距離や、カーボンファイバー板１１４１に対する被検出物１２０１の投影面積には依存するが、被検出物１２０１の位置がカーボンファイバー板１１４１と平行にずれても変化しないからである。

なお、カーボンファイバー板１１４１の裏面方向にカーボンファイバー板１１４２，１１４３を設けたのは、当該カーボンファイバー板１１４１の裏面方向にある物体が検出信号Ｓｄに影響を与えないようにするためである。

以上説明したように、この実施形態によれば、電極１１１２，１１１３，１１３０等の面積を広げることなく、センサ部１１００の検出可能面積を広げることができる。したがって、この実施形態によれば、検出可能面積が広い静電容量型距離センサ１２００を、低コストで提供することができる。

また、１個のバッファ回路１０３から異なる配線を介して送信電極１１１２および補助電極１１１３に交流電圧を供給するので検出精度が向上する点、被検出物が検出されていないときの検出信号値を用いて被検出物が検出されたときの検出信号Ｓｄを補正するので検出精度が向上する点、および、プリント基板１１１０およびスペーサ１１２０を柔軟性のある材料で形成し且つシールド電極１１３０を柔軟性および伸縮性のある材料で形成することにより曲面等へのセンサ部１１００の取り付けが容易になる点は、第１実施形態と同様である。

第１の実施の形態に係る静電容量型距離センサの構成を概略的に示す回路図である。第１実施形態に係るセンサ部の構成を概略的に示す側面図である。第１実施形態に係るセンサ部の構成を概略的に示す分解斜視図である。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電圧波形図である。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２実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を概略的に示す回路図である。第３実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を概略的に示す回路図である。第３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。第４実施形態に係る静電容量型距離センサの構成を概略的に示す回路図である。第４実施形態に係る静電容量型距離センサの特性測定結果を示すグラフである。第５実施形態に係るセンサ部の構成を概略的に示す回路図である。第５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。

符号の説明

１００静電容量型距離センサ
１０１センサ部
１０２発振回路
１０３バッファ回路
１０４電流検出抵抗素子
１０５シールドケーブル
１０６第１差動増幅器
１０７バンドパスフィルタ
１０８検波回路
１０９ローパスフィルタ
１１０第２差動増幅器
１１１アナログ／デジタル変換器
１１２ＣＰＵ
１１３デジタル／アナログ変換器

Claims

被検出物に流入する検出電流の大きさに基づいて当該被検出物の有無および距離を検出する、非接触型の静電容量型距離センサであって、
前記被検出物に前記検出電流を供給するための電磁波を放射する送信電極と、該送信電極の裏面側から放射される電磁波を遮蔽するために当該送信電極に対向して配置されたシールド電極と、前記送信電極と前記シールド電極との間に流れる電流を遮断するためにこれらの電極の間に配置された補助電極とを有するセンサ部と、
発振器で生成された交流電圧を前記送信電極および前記補助電極に供給するための１個のバッファ回路と、
前記検出電流を端子間電圧として検出するための電流検出抵抗素子と、
前記電流検出抵抗素子を介して前記バッファ回路の出力端と前記送信電極とを接続する第１配線と、
前記電流検出抵抗素子を介さずに前記バッファ回路の前記出力端と前記補助電極とを接続する第２配線と、
を備えることを特徴とする静電容量型距離センサ。
前記電流検出抵抗素子の前記端子間電圧に応じた電圧を出力する第１差動増幅器と、
該第１差動増幅器の出力信号を直流信号に変換する検波回路と、
該検波回路の出力信号を一方の入力端子から入力し且つ検出信号を出力端子から出力する第２差動増幅器と、
前記被検出物が検出されないときの前記検出信号の値に基づいて生成された補正信号を前記第２差動増幅器の他方の入力端子に供給する演算処理器と、
をさらに備える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。
前記被検出物が存在しないときの前記検出信号と一致し且つ当該検出信号と同じ温度依存性を有する電圧信号を生成して、温度補正用検出信号として出力する温度補正回路をさらに備え、
前記演算処理器が、当該温度補正用検出信号の変動に応じて、前記補正信号をさらに補正することを特徴とする請求項２に記載の静電容量型距離センサ。
前記温度補正回路が、
前記送信電極と前記補助電極との間の静電容量と同一の静電容量を有する第１コンデンサと、前記補助電極と前記シールド電極の間の静電容量と同一の静電容量を有し且つ一端が接地される第２コンデンサとを有する温度補正用擬似センサ部と、
前記発振器で生成された交流電圧を前記第１、第２コンデンサの一端に供給する、前記バッファ回路と同一構成の温度補正用バッファ回路と、
当該温度補正用バッファ回路から前記第１コンデンサの他端に供給される電流を端子間電圧として検出する、前記電流検出抵抗素子と同じ温度依存性の温度補正用電流検出素子と、
前記温度補正用電流検出抵抗素子の前記端子間電圧に応じた電圧を出力する、前記第１差動増幅器と同じ構成の温度補正用第１差動増幅器と、
該温度補正用第１差動増幅器の出力信号を直流信号に変換する、前記検波回路と同じ構成の温度補正用検波回路と、
該温度補正用検波回路の出力信号を一方の入力端子から入力し且つ前記温度補正用検出信号を出力端子から出力する、前記第２差動増幅器と同じ構成の温度補正用第２差動増幅器と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型距離センサ。
前記センサ部、前記バッファ回路、前記電流検出抵抗素子および前記第１、第２配線を含む１個または複数個の検出系と、
前記被検出物が存在しないときに前記電流検出抵抗素子に発生する端子間電圧と同一の端子間電圧を生成し且つ当該電流検出抵抗素子と同じ温度依存性の温度補正回路と、
前記検出系の前記電流検出抵抗素子で発生した前記端子間電圧および前記温度補正回路で生成された前記端子間電圧のいずれかを選択的に前記第１差動増幅器に供給するスイッチと、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型距離センサ。
前記温度補正回路が、
前記送信電極と前記補助電極との間の静電容量と同一の静電容量を有する第１コンデンサと、前記補助電極と前記シールド電極の間の静電容量と同一の静電容量を有し且つ一端が接地される第２コンデンサとを有する温度補正用擬似センサ部と、
前記発振器で生成された交流電圧を前記第１、第２コンデンサの一端に供給する、前記バッファ回路と同一構成の温度補正用バッファ回路と、
当該温度補正用バッファ回路から前記第１コンデンサの他端に供給される電流を端子間電圧として検出する、前記電流検出抵抗素子と同じ温度依存性の温度補正用電流検出素子と、
と備えることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型距離センサ。
前記電流検出抵抗素子の前記バッファ回路側電位を前記第１差動増幅器の一方の入力端子に供給するための配線上に設けられた第１の温度補正抵抗素子と、
前記第１差動増幅器の前記一方の入力端子とグランドとの間に設けられた第２の温度補正抵抗素子と、
前記第１差動増幅器の他方の入力端子とグランドとの間に設けられた第３の温度補正抵抗素子と、
を有する温度補正回路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型距離センサ。
前記送信電極が、プリント基板の表面にプリントされた導電性薄膜であり、
前記補助電極が、前記プリント基板の裏面にプリントされた導電性薄膜であり、
前記シールド電極が、スペーサを介して前記補助電極上に接着された導電板である、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の静電容量型距離センサ。
前記シールド電極が導電性柔軟材料で形成され、且つ、前記スペーサが絶縁性柔軟伸縮材料で形成されたことを特徴とする請求項８に記載の静電容量型距離センサ。
前記送信電極上に接着されることにより当該送信電極と容量結合された第１の導電板と、
前記補助電極と前記スペーサとの間に接着されることにより当該補助電極と容量結合された第２の導電板と、
前記スペーサと前記シールド電極との間に接着されることにより当該シールド電極と容量結合された第３の導電板と、
をさらに備えることを特徴とする請求項８または９に記載の静電容量型距離センサ。