JP6171866B2 - Distance sensor - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量を測定することにより、被測定物までの距離を検出する距離センサーに関する。 The present invention relates to a distance sensor that detects a distance to an object to be measured by measuring a capacitance.
静電容量方式の距離を測定する装置は、近接センサーなどとして古くから知られているが、精度向上のための提案が行われている (例えば特許文献1参照) 。 An apparatus for measuring a capacitance-type distance has long been known as a proximity sensor or the like, but a proposal for improving accuracy has been made (for example, see Patent Document 1).
特許文献1では、発信回路から発生する交流信号を、抵抗を介してセンサー電極に入力している。センサー電極と被検出物との間に静電容量が形成されるため、センサーの構成は抵抗と容量とによる1次のローパスフィルタとなる。被検出物とセンサー電極との距離が変化すると静電容量が変化し、それに伴いローパスフィルタ特性も変化する。この1次のローパスフィルタの特性変化を利用して静電容量の変化を検出している。
しかし、測定可能な被測定物までの距離は、たかだが数センチであり、これを超えると精度が低下すると問題があった。
In Patent Document 1, an AC signal generated from a transmission circuit is input to a sensor electrode via a resistor. Since a capacitance is formed between the sensor electrode and the object to be detected, the sensor configuration is a first-order low-pass filter based on resistance and capacitance. When the distance between the object to be detected and the sensor electrode changes, the capacitance changes, and the low-pass filter characteristic changes accordingly. A change in capacitance is detected by using the characteristic change of the primary low-pass filter.
However, the measurable distance to the object to be measured is at most several centimeters.
本発明は、被測定物までの距離が長く、静電容量の小さな変化を精度良く検出できる距離センサーを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a distance sensor that can detect a small change in capacitance with a long distance to an object to be measured.
本発明は、被測定物と検出電極との静電容量変化により、被測定物までの距離を検出する距離センサーであって、
演算増幅器が設けられ、前記演算増幅器の+端に検出電極と第一の抵抗の一端が接続され、前記演算増幅器の−端と前記演算増幅器の出力と第一のコンデンサーの一端が接続され、第二の抵抗の一端と前記第一のコンデンサーの他端と前記第一の抵抗の他端が接続され、前記第二の抵抗の他端に交流信号源が接続されることを特徴とする距離センサーに関する。
The present invention is a distance sensor for detecting the distance to the object to be measured by a change in capacitance between the object to be measured and the detection electrode,
An operational amplifier is provided, a detection electrode and one end of a first resistor are connected to a positive end of the operational amplifier, a negative end of the operational amplifier, an output of the operational amplifier, and one end of a first capacitor are connected, A distance sensor, wherein one end of a second resistor, the other end of the first capacitor, and the other end of the first resistor are connected, and an AC signal source is connected to the other end of the second resistor About.
また、本発明は、前記演算増幅器の出力が前記検出電極を取り囲むように設置されているシールド電極と接続されていることを特徴とする上記距離センサーに関する。 The present invention also relates to the distance sensor, characterized in that the output of the operational amplifier is connected to a shield electrode installed so as to surround the detection electrode.
本発明の距離センサーは、被測定物との間に形成される静電容量がアクティブフィルタ回路の構成素子の一部として機能する検出電極と、アクティブフィルタ回路の出力電圧が印加されるシールド電極とを有する電極部とを備え、前記検出電極の静電容量に応じた値を検出する信号検出部を備え、前記信号検出部には前記検出電極で形成された静電容量に応じて、周波数特性が変化するアクティブフィルタ回路と、を備えることを特徴とする距離センサーである。 The distance sensor of the present invention includes a detection electrode in which an electrostatic capacitance formed between the object to be measured functions as a part of a component of the active filter circuit, a shield electrode to which an output voltage of the active filter circuit is applied, And a signal detection unit that detects a value corresponding to the capacitance of the detection electrode, and the signal detection unit has a frequency characteristic according to the capacitance formed by the detection electrode. And an active filter circuit that changes.
この構成によれば、検出電極と被測定物との間に形成されている静電容量の変化により変化するアクティブフィルタ回路の周波数特性を利用した距離センサーを実現できる。また、従来技術である一次ローパスフィルタ特性では阻止帯域の減衰率は6[dB/oct]だが、本発明のアクティブフィルタ回路は2次のローパスフィルタ特性を持つため阻止帯域の減衰率は12[dB/oct]となる。減衰率が大きいためわずかな静電容量の変化でも大きくフィルタ特性に影響するため精度が向上する。また、アクティブフィルタ回路の出力をシールド電極に接続することで、検出電極と同電位をシールド電極に印加できるとともに、検出電極とシールド電極をインピーダンス的に分離することができ、シールド性と検出精度を向上させることができる。 According to this configuration, it is possible to realize a distance sensor using the frequency characteristics of the active filter circuit that changes due to a change in capacitance formed between the detection electrode and the object to be measured. Further, in the first-order low-pass filter characteristic which is the prior art, the stopband attenuation is 6 [dB / oct]. However, since the active filter circuit of the present invention has a second-order lowpass filter characteristic, the stopband attenuation is 12 [dB]. / oct]. Since the attenuation rate is large, even a slight change in capacitance greatly affects the filter characteristics, so that the accuracy is improved. In addition, by connecting the output of the active filter circuit to the shield electrode, the same potential as the detection electrode can be applied to the shield electrode, and the detection electrode and the shield electrode can be separated from each other in terms of impedance. Can be improved.
本発明により、被測定物までの距離が長く、静電容量の小さな変化を精度良く検出できる距離センサーを提供することができた。 According to the present invention, it is possible to provide a distance sensor that can detect a small change in capacitance with a long distance to an object to be measured.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。図1に、本発明の好ましい形態の一つである距離センサーの構成図を示す。当該距離センサーは、被測定物を検出する電極部01と検知信号を処理する信号検出部11を備えている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of a distance sensor which is one of the preferred embodiments of the present invention. The distance sensor includes an
電極部01は検出電極02とシールド電極03を備えている。
The
信号検出部11は、アクティブフィルタ回路04と交流信号発生器05と検波回路06と積分回路07と位相調整回路08とアナログ/デジタル変換回路09とインターフェース回路10とを備えている。
The signal detection unit 11 includes an
検出電極02は信号検出部11に内蔵されたアクティブフィルタ回路04に接続されており、被測定物と検出電極02との間で形成される静電容量はアクティブフィルタ回路04の構成素子の一部として機能する。シールド電極03はアクティブフィルタ回路04から出力される電圧が印加されシールドとして作用する。
The
アクティブフィルタ回路04には交流信号発生器05から発生する正弦波が入力され、フィルタ処理された信号はシールド電極03を印加するとともに、検波回路06へ入力される。検波回路06には、交流信号発生器05からの出力信号を位相調整回路08で位相調整した信号が入力され、アクティブフィルタ回路04の出力信号に対して同期検波処理を行う。同期検波処理された信号は積分回路07に入力され積分処理され交流信号から直流信号に変換される。積分処理した信号はアナログ/デジタル変換回路09に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル信号はインターフェース回路10を介して外部システムへ伝送される。
A sine wave generated from the
図2(a)に本実施の形態の電極部01の電極配置の上面図を示す。中央に検出電極02を配置し、その周囲に一定の距離をあけて、検出電極02を取り囲むようにシールド電極03を設置する。
FIG. 2A shows a top view of the electrode arrangement of the
図2(b)に電極部01の断面図を示す。絶縁基板12の上面に検出電極02を配置する。シールド電極03は、絶縁基板12の上面以外の面を取り囲むように設置する。被測定物13は、アースされた導電性物質であるかアースされた導電性物質で少なくとも一部を被覆されていることが必要である。検出電極02は、被測定物13との間に静電容量Caを形成する。検出電極02と被測定物03との距離が変化すると前記静電容量Caが変化する。この静電容量Caの変化をもとに被測定物03までの距離を検出できる。
FIG. 2B shows a cross-sectional view of the
図3に信号検出部11内のアクティブフィルタ回路04の構成を図示する。同図に示すアクティブフィルタ回路04は演算アンプ14と抵抗R1、R2と容量C1と、そして、検出電極02と被測定物13との間に形成される静電容量Caとから構成される。このアクティブフィルタ回路04は入力される交流信号発生器05からの信号をフィルタ処理し出力する。フィルタ特性は検出電極02と被測定物13との間に形成される静電容量Caにより決まる。すなわち、検出電極02と被測定物13との距離変化に対応しフィルタ特性が変化する。フィルタ特性が変化すると、アクティブフィルタ回路04の処理結果である出力波形の振幅と位相に変化が発生する。この変化を積分回路07で処理し電圧値として検知される。
FIG. 3 illustrates the configuration of the
次にアクティブフィルタ回路04の周波数特性を説明する。先ず、検出電極02と被測定物13との間に形成される静電容量Caの値をえるための実験を行った。次に実験よりえられた静電容量値をアクティブフィルタ回路04に適用し、フィルタの周波数特性をシミュレーションより確認することで本発明の有効性を示す。
Next, frequency characteristics of the
図4(a)、(b)を参照して電極間の静電容量を測定した実験について説明する。図4(a)は静電容量の測定概要を示している。10cm×10cmの電極A、電極Bを対向させ電極間距離dを変化させた時の電極A、電極B間に形成される静電容量を静電容量計で測定した。なお、電極間の誘電体領域は空気である。図4(b)に実験結果グラフを示す。電極間距離dが大きくなると静電容量が小さくなっていることが確認できる。静電容量は以下の式(1)で導出される。 An experiment in which the capacitance between the electrodes is measured will be described with reference to FIGS. FIG. 4A shows an outline of measurement of capacitance. The capacitance formed between the electrode A and the electrode B when the electrode A and the electrode B of 10 cm × 10 cm were opposed to each other and the inter-electrode distance d was changed was measured with a capacitance meter. The dielectric region between the electrodes is air. An experimental result graph is shown in FIG.4 (b). It can be confirmed that the capacitance decreases as the inter-electrode distance d increases. The capacitance is derived by the following formula (1).
式(1)中のCは静電容量、ε0は真空中の誘電率、εrは電極間誘電体の比誘電率、Sは電極面積、dは電極間距離である。 In the formula (1), C is an electrostatic capacity, ε0 is a dielectric constant in vacuum, εr is a relative dielectric constant of an interelectrode dielectric, S is an electrode area, and d is an interelectrode distance.
式(1)から電極間距離dが大きくなると静電容量が小さくなることと、電極間距離dが小さい領域では電極間距離dの変化に対する静電容量の変化が大きい、一方、電極間距離dが大きい領域では静電容量の変化は小さいことが分かる。図4(b)はこれらの特性が現れているため、静電容量を精度よく測定できていると考えられる。なお実験結果の静電容量値には実験環境に起因する寄生容量が付加されている。 From equation (1), the capacitance decreases as the inter-electrode distance d increases, and in the region where the inter-electrode distance d is small, the change in the electrostatic capacitance with respect to the change in the inter-electrode distance d is large. It can be seen that the change in capacitance is small in the region where is large. Since these characteristics appear in FIG. 4B, it is considered that the capacitance can be accurately measured. In addition, the parasitic capacitance resulting from an experimental environment is added to the electrostatic capacitance value of an experimental result.
上記実験結果を用いて、アクティブフィルタ回路04の周波数特性変化を確認するAC解析シミュレーションを行った。図5(a)、(b)、図6を参照して詳細を説明する。図5(a)はシミュレーションを行ったアクティブフィルタ回路04の回路図を示す。なお、素子定数は限定されるものではなく例示である。図(b)は比較のため一次ローパスフィルタ回路の回路図を示す。なお、図5(a)、(b)、中のCaには検出電極と被測定物との間に形成される静電容量値として、実験結果より得られた41p[F]と46p[F]をあてる。なお、素子定数は限定されるものではなく例示である。図6はAC解析シミュレーション結果を示している。
An AC analysis simulation for confirming a change in frequency characteristics of the
上記実験結果より、検出電極02の面積を10cm×10cmとしたときに、被対象物との間に形成される静電容量と近接距離の関係は2cmのとき41p[F]、13cmのとき46p[F]と想定できる。回路図中のCaを41[pF]、46[pF]とした時の波数特性を図5(a)から比較すると、アクティブフィルタ回路04の特性変化が一次ローパスフィルタ回路より大きいことが分かる。以上の結果より、本発明は10cm×10cmの検出電極02を設置ことで13cmまでの距離を従来方式に比べ精度よく検知することができる。
From the above experimental results, when the area of the
01・・・電極部
02・・・検出電極
03・・・シールド電極
04・・・アクティブフィルタ回路
05・・・交流信号発生器
06・・・検波回路
07・・・積分回路
08・・・位相調整回路
09・・・アナログ/デジタル変換回路
10・・・インターフェース回路
11・・・信号検出部
11・・・信号検出部
12・・・絶縁基板
13・・・被測定物
14・・・演算アンプ
Ca・・・検出電極02と被測定物との間に形成される静電容量
DESCRIPTION OF
Ca: Capacitance formed between the
Claims (2)
演算増幅器が設けられ、前記演算増幅器の+端に検出電極と第一の抵抗の一端が接続され、前記演算増幅器の−端と前記演算増幅器の出力と第一のコンデンサーの一端が接続され、第二の抵抗の一端と前記第一のコンデンサーの他端と前記第一の抵抗の他端が接続され、前記第二の抵抗の他端に交流信号源が接続されることを特徴とする距離センサー。 A distance sensor that detects the distance to the object to be measured by changing the capacitance between the object to be measured and the detection electrode,
An operational amplifier is provided, a detection electrode and one end of a first resistor are connected to a positive end of the operational amplifier, a negative end of the operational amplifier, an output of the operational amplifier, and one end of a first capacitor are connected, A distance sensor, wherein one end of a second resistor, the other end of the first capacitor, and the other end of the first resistor are connected, and an AC signal source is connected to the other end of the second resistor .
The distance sensor according to claim 1, wherein an output of the operational amplifier is connected to a shield electrode installed so as to surround the detection electrode.
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