JPH0425771A - 容量検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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か用いられ、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］、　
−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か変動し、静電容量の
検出に誤差か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〕

本発明は、静電容量に一定の割合で変化を繰り返す電圧
を印加する発振器と、前記静電容量に流れる電流を平滑
化して計測する計測回路とを含んで容量検出回路を構成
するものである。

ここで、前記発振器としては、三角波形や鋸歯状波形等
の電圧を出力するものか採用できる。また、これらの電
圧波形は振幅の中心がＯＶになるように設定されること
か望ましい。

〔作用〕

このような本発明では、一定の割合で変化を繰り返す電
圧を静電容量に印加することにより、前記電圧か静電容
量で微分され、静電容量にはその容量値に比例した直流
電流分を有する矩形波形状の電流か流れる。この電流の
値を測定することで前記電圧の変化率との関係から静電
容量の値か検出される。

この際、静電容量に直流抵抗分が含まれていても、例え
ば、前記発振器における電圧波形の振幅中心をＯＶに設
定する等により、出力に現れる直流抵抗分の電流の正側
部分と負側部分とか相殺され、直流抵抗分による誤差が
消去される。これ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か形成され、電極２Ａおよび２Ｃで基準容量コンデン
サ４か形成されている。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して静電容量値か変化す
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か接
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に印加するものてあり
、この三角波形状の電圧は振幅の中心がＯｖ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
しくは発振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１
０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１１．　Ａ〜ＩＩＣ
を備えている。これらのスイッチング素子１１Ａ　−１
１Ｃ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、下降から上昇に転し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ｌｌＡがコン
デンサ３側に閉じられ、かつ、素子１１Ｂか開かれると
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かコンデンサ４側に閉じられ、かつ
、素子１１Ｂ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。

１１、　Ｃを通ってアースへ流れるようなっている。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、前記電流を平滑化して得た信
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振器５に帰還する
ための出力ＦＢとを備えている。

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１
３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、帰還光と
マツ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Ｉ３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か構成されている。

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性Ｒ１，
Ｒ２が生じており、センサ２は第３図に示される等何回
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か出力する三
角波形の電圧を印加する。これにより、コンデンサ３，
４および直流抵抗性Ｒ１，Ｒ２の各々には、それぞれ電
流１１〜ｉ４か流れる。

このうち、コンデンサ３，４に流れる電流１１゜１２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、直流抵抗性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、ＯＡ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１１〜ｉ４は、コンデンサ３，４が選択
回路１１により交互にアンプ】２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か入力され、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の直流抵抗性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に直流抵抗性Ｒ１，Ｒ２かあるために発生
する誤差が消去され、コンデンサ３゜４に応じて電流ｉ
１．　　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か
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か
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
流抵抗骨Ｒ１，Ｒ２があっても、これらの直流抵抗骨Ｒ
１，Ｒ２に流れる電流を相殺するようにしたので、直流
抵抗骨Ｒ１，Ｒ２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かでき、前記電
圧の振幅を一定にする必要かある等の場合には、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ｌから出力され
る検出値の精度を高めることかできる。

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の一端か接
続され、アンプ２１．２２の各出力にはスイッチング素
子２３Ａからなる選択回路２３か接続されている。選択
回路２３はアンプ２］、、　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か
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、効果を得ることかできる他、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を接続していたか、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で切り替えていたか、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、開閉タイミンク制御が必要な
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３実施例の発振器５の電圧波形は三角波形
であったか、これに限らず、例えば第９図に示すような
鋸歯状の電圧波形でもよく、要するに、電圧波形として
は、一定の割合で変化を繰り返すものであって、かつ、
直流抵抗分による電流の相殺が行われるように設定され
ていればよい。

〔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。 ■・・・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、１０．２０．３
０・・・計測回路。 出願人　株式会社　長野計器製作所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）静電容量に一定の割合で変化を繰り返す電圧を印
   加する発振器と、前記静電容量に流れる電流を平滑化し
   て計測する計測回路とを有することを特徴とする容量検
   出器。
2. （２）複数の静電容量と、各静電容量に所定波形の電圧
   を印加する発振器と、前記各静電容量に流れる電流値を
   比較する計測回路とを有することを特徴とする容量検出
   回路。