JPH0755501A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 発振回路１の発振出力に同期してブリッジ回
路４の交流出力の通過を制御する位相検出回路６を設
け、回路６を通過した交流出力を直流出力に変換して検
出出力を得る。位相検出回路６によりブリッジ回路４の
正負いずれかの出力のみを取り出すので、同じ電圧値に
より１つの状態のみが表される。そして、直流増幅した
アナログ出力をＡ／Ｄコンバータ２０によりデジタル値
に変換する。さらに、マイクロコンピュータ２１でデジ
タル値を平均化し、さらに、その平均値をＤ／Ａコンバ
ータ２２でアナログ値に変換し、出力端子２３から出力
する。 【効果】 センサの出力を平均化することができるの
で、安定した制御運転が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検出電極とこれに対向
する接地電極との間に被検出物体が接近することにより
生じる両電極間の静電容量の変化に基づいて被検出物体
の有無，厚さ，枚数などを検出し、アナログ電圧として
出力する静電容量式センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９に従来の静電容量式センサの構成の
一例を示す。

【０００３】ここで、１は発振回路である。検出電極３
はコイルＬ２に接続され、接地電極２は回路の０Ｖライ
ン（大地電位）に接続され、両電極２と３とによってコ
ンデンサＣ２を形成する。このコンデンサＣ２と基準コ
ンデンサＣ１とコイルＬ１とコイルＬ２とはＬＣブリッ
ジ回路４を構成している。そして、発振回路１によりコ
イルＬ３を介してコイルＬ１およびＬ２を励磁する。こ
のブリッジ回路４の出力は、交流増幅回路５に供給さ
れ、その増幅出力は平滑回路７で直流電圧に変換された
後、直流増幅回路８で増幅され、出力回路９よりアナロ
グ電圧として出力される。

【０００４】ブリッジ回路４からは、コンデンサＣ１と
Ｃ２の静電容量の大小関係によって、図１０に示す発振
回路１の発振電圧と同相または位相反転した交流電圧信
号が出力される。ブリッジ回路４の出力としては、コン
デンサＣ１とＣ２の静電容量が等しい状態から、図示し
ない被検出物体が検出電極３と接地電極２との間に挿入
され、Ｃ１＜Ｃ２の状態になったとき、図１１に実線で
示す波形ａが出力される。他方、これら両電極２および
３の設定ズレによりコンデンサＣ２の静電容量が小さく
Ｃ１＞Ｃ２の状態にある場合には、図１１に破線で示す
波形ｂのように出力ａとは反転した位相を持つ電圧信号
が出力される。

【０００５】ブリッジ回路４の出力を交流増幅回路５に
て増幅した後、平滑回路７を通して直流化した電圧信号
を出力する。すなわち、図１２に示すように、Ｃ１＜Ｃ
２、またはＣ１＞Ｃ２のいずれかの状態においても、出
力回路９からの出力は正の電圧となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の静
電容量式センサにおいては、両電極間の容量Ｃ２が基準
コンデンサＣ１より大きい場合でも、小さい場合でも、
出力電圧は正の電圧である。すなわち、電極設置時の電
極間距離のズレに起因して、非検出状態で容量Ｃ２が基
準容量Ｃ１より小さいとき出力電圧は正電圧となり、電
極間に挿入される、例えばＣの枚数が増加することによ
って出力電圧がいったん０Ｖまで低下した後に電圧が再
び増加するため、図１２に示すように同じ電圧値で２つ
の状態を表すことになるという問題があった。

【０００７】そこで、このような問題点を解決し、同じ
電圧値で２つの状態を表すことなく適切な検出出力を得
るようにした静電容量式センサとして、本出願人は、平
成５年４月３０日付けをもって（特願平５−１０４６３
１号）、下記の発明を提案した。

【０００８】本出願人による上記出願では、従来技術の
問題を解決するために、図１３に示すように、検出電極
３と、該検出電極３に対向して設けた接地電極２とによ
り構成した測定コンデンサＣ２と基準コンデンサＣ１と
を含むブリッジ回路４に発振回路１からの発振出力を供
給し、前記ブリッジ回路４からの交流出力を直流出力に
変換して、アナログ検出出力を取り出すようにして、前
記検出電極３と接地電極２との間に、被検出物体が接近
することにより生じる前記検出電極３と前記接地電極２
との間の静電容量の変化に応じて被検出物体の有無，厚
さ，枚数などを検出するようにした静電容量式センサに
おいて、前記発振回路１の発振出力の位相を検出し、そ
の検出された位相に同期して、前記ブリッジ回路４から
の交流出力を通過させる位相検出回路６を設け、該位相
検出回路６の出力を直流出力に変換してアナログ検出出
力を得るようにした。

【０００９】また、前記直流出力が、予め定めたしきい
値内にあるときにのみ出力を生じるコンパレータ回路１
０と、該コンパレータ１０の出力により付勢されて、前
記電極間の距離が予め定めたしきい値内にあるときのみ
表示を行う表示手段１１とを備えた。

【００１０】このことにより、発振電圧の半サイクルに
同期して、ブリッジ出力の状態が正か負かを判定するた
め、基準コンデンサＣ１と検出容量Ｃ２との関係がＣ１
＜Ｃ２のときは、発振が正のときブリッジ出力は正とな
り、その正のブリッジ出力が位相検出回路から取り出さ
れる。他方、Ｃ１＞Ｃ２のときは発振が正のとき、ブリ
ッジ出力は負となり、その負のブリッジ出力が位相検出
回路から取り出される。すなわち、両コンデンサＣ１と
Ｃ２の大小によって正または負のいずれか一方の出力を
持ったアナログ出力電圧が得られる。

【００１１】さらにまた、このようにして得られたアナ
ログ出力電圧を入力とするコンパレータ回路１０により
出力電圧が所定値、たとえば０Ｖ付近に所定のしきい値
内にあれば、表示手段１１によりその旨を表示たとえば
点灯させることにより、電極間の設定距離が予め定めた
しきい値内にあることの確認を容易に行うことができ
る。

【００１２】しかしながら、かかる静電容量式センサに
おいても、未だ以下に列挙する問題が存在している。

【００１３】 被検出物体が電極間で振動すると、検
出出力が変動するという問題があった。

【００１４】 検出出力を得るための平均化時間が固
定されていたので、応答特性を調整することができなか
った。

【００１５】 複数の静電容量式センサを近接して設
置すると、電界の相互回り込みに起因した相互干渉を起
こすことがあった。

【００１６】よって本発明の第１の目的は、被検出物体
の物理的振動に起因して検出出力にゆらぎが生じないよ
うにした静電容量式センサを提供することにある。

【００１７】また本発明の第２の目的は、検出出力を得
るための応答特性を可変制御できるようにした静電容量
式センサを提供することにある。

【００１８】さらに本発明の第３の目的は、複数の静電
容量式センサを近接配置した場合に生じる相互を防止で
きるようにした静電容量式センサを提供することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】 本発明の第１の目的を達成するために、検出電極
と、該検出電極に対向して設けた接地電極とにより構成
した測定コンデンサと基準コンデンサとを含むブリッジ
回路に発振回路からの発振出力を供給し、前記ブリッジ
回路からの交流出力を直流出力に変換してアナログ検出
出力を取り出し、前記検出電極と接地電極との間に、被
検出物体が接近することにより生じる前記検出電極と前
記接地電極との間の静電容量の変化に応じて被検出物体
の有無，厚さ，枚数などを検出する静電容量式センサに
おいて、前記発振回路の発振出力の位相を検出し、その
検出された位相に同期して、前記ブリッジ回路からの交
流出力を通過させる位相検出手段と、前記位相検出手段
の出力を直流電圧に変換する平滑手段と、前記直流電圧
をデジタル信号に変換する際に、所定数のデジタルデー
タについて平均化処理を施すデジタル処理手段とを備
え、前記デジタル処理手段の平均化出力に基づいてアナ
ログ検出出力を得るものである。

【００２０】 また本発明の第２の目的を達成するた
めに、前記デジタル処理手段は、平均化するデジタルデ
ータの個数を可変設定するための設定手段を有する。

【００２１】 さらに、本発明の第３の目的を達成す
るために、さらに加えて、前記発振回路の発振動作を停
止させる発振制御手段を備える。

【００２２】

【作用】 本発明では、平滑手段のアナログ出力をデジタルデ
ータ化し、プロセッサ等により平均値を求めるので、た
とえ被検出物体が振動したとしても、安定したアナログ
検出出力を得ることができる。

【００２３】 また、上記平均値を求める際のデータ
数を調整できるので、適切な検出応答性を得ることが可
能となる。

【００２４】 さらに、外部からの発振回路の動作と
停止を制御できるので、不要な相互干渉を防止すること
ができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２６】実施例１ 図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。図
１において、図１３と同様の個所には同一符号を付す。
すなわち、コイルＬ３を有する発振回路１、基準コンデ
ンサＣ１、接地電極２と検出電極３とからなるコンデン
サＣ２、コンデンサＣ１およびＣ２とコイルＬ１および
Ｌ２により構成されるブリッジ回路４、交流増幅回路
５、平滑回路７、直流増幅回路８は図１３と同様であ
る。

【００２７】本実施例による回路では、Ａ／Ｄコンバー
タ２０、マイクロコンピュータ（以下、マイコンとい
う）２１およびＤ／Ａコンバータ２２が設けられている
点で図１３と異なる。

【００２８】位相検出回路６は、発振回路１の出力をコ
イルＬ３を介して受けており、この発振回路１と同期し
て、ブリッジ回路４の出力を通すか否かを制御するアナ
ログ・スイッチの如きゲート回路を有し、図２の（Ａ）
に示すように、発振電圧が正のときのみ、図２の（Ｂ）
に示すように位相検出回路６を動作させ、そのアナログ
・スイッチを用い、ブリッジ回路４の出力を交流増幅回
路５で増幅して得た出力のうち、発振電圧が正の期間に
対応する部分の交流信号のみを通過させ、平滑して直流
電圧を出力する。

【００２９】このような構成において、コンデンサＣ１
とＣ２の大小関係により、ブリッジ回路４の出力は、図
３に示すように、Ｃ１＜Ｃ２の状態では、実線ａで示す
ように、発振回路１と同位相となり、位相検出回路６が
動作しているとき、正の電圧のみ平滑される。Ｃ１＞Ｃ
２の状態では、図３の破線ｂで示すように、発振電圧と
逆位相となり、位相検出回路６が動作しているとき、負
の電圧のみ平滑されることになる。

【００３０】以上により、図４に示すように、コンデン
サＣ１とＣ２との大小関係に応じて、直流増幅回路８か
らは正または負のアナログ電圧を出力することができ
る。

【００３１】次に、図５に示したフローチャートを参照
して、Ａ／Ｄコンバータ２０，マイコン２１，Ｄ／Ａコ
ンバータ２２の動作を説明する。

【００３２】まずステップＳ１においては、ブリッジ回
路４により静電容量値Ｃ２を計測し、次のステップＳ２
において、直流増幅したアナログ出力をＡ／Ｄコンバー
タ２０によりデジタル値に変換する。さらに、次のステ
ップＳ３においてマイコン２１でデジタル値を平均化
し、さらに、ステップＳ４では、その平均値をＤ／Ａコ
ンバータ２２でアナログ値に変換し、出力端子２３から
出力する。

【００３３】このことにより、アナログ出力をデジタル
データ化し、プロセッサ等により平均値を求めるので、
たとえ被検出物体が振動したとしても、安定したアナロ
グ検出出力を得ることができる。

【００３４】実施例２ 図６は、本発明の第２の実施例を示す。図６は、図５の
構成に加えて、直流電圧源３１および可変抵抗器３２を
付加したものである。

【００３５】次に、図７を参照して、本実施例の動作を
説明する。

【００３６】まず、可変抵抗器３２により分圧した直流
電圧値をＡ／Ｄコンバータ２０によりデジタル化する
（Ｓ５）。次に、静電容量値Ｃ２をブリッジ回路４によ
り計測し（Ｓ６）、その計測値をＡ／Ｄコンバータ２０
によりデジタル値に変換する（Ｓ７）。さらに、可変抵
抗器３２の分圧値の大きさによって平均値のサンプル数
を可変して、計測値を平均化する（Ｓ８）。そして、平
均化した値をＤ／Ａコンバータ２２でアナログ値に変換
し、出力端子２３から出力する（Ｓ９）。

【００３７】このことにより、平均値を求める際のデー
タ数を調整できるので、適切な検出応答性を得ることが
可能となる。

【００３８】実施例３ 図８は、本発明の第３の実施例を示す。本実施例では、
コイルＬ３と直列にアナログスイッチ３５を挿入し、外
部制御端子３７を介して、アナログスイッチ３５のＯＮ
／ＯＦＦを制御する。これにより、発振回路１の発振
を、必要に応じて、停止させることができる。

【００３９】すなわち、外部制御端子３７に印加する制
御信号がハイレベルであればアナログスイッチ３５をオ
ンさせて発振回路１を動作させ、外部制御端子３７に印
加する制御信号がロウレベルであればアナログスイッチ
３５をＯＦＦさせて発振回路１を停止させる。

【００４０】なお、図８に示した出力回路３３は、図１
および図６に示したＡ／Ｄコンバータ２０，マイコン２
１，Ｄ／Ａコンバータ２２をまとめて表したものであ
る。

【００４１】かくして、外部からの発振回路の動作と停
止を制御できるので、不要な相互干渉を防止することが
できる。

【００４２】

【発明の効果】本発明を実施することにより、以下に列
挙する効果を得ることができる。

【００４３】 センサの出力を平均化することができ
るので、安定した制御運転が可能となる。

【００４４】 平均化するデータの数を外部から調整
できるので、検出応答性の調整が可能となる。

【００４５】 発振の動作と停止が制御できるのでセ
ンサ同士の相互干渉がなくなり、近接設置が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】図１における発振回路の出力電圧（Ａ）および
位相検出回路の出力（Ｂ）の説明図である。

【図３】図１におけるブリッジ回路の出力電圧の説明図
である。

【図４】図１におけるコンデンサＣ１およびＣ２と検出
出力電圧との関係の説明図である。

【図５】図１の動作を示すフローチャートである。

【図６】本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図７】図６の動作を示すフローチャートである。

【図８】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図９】従来例の一例を示すブロック図である。

【図１０】図９における発振回路の出力電圧の説明図で
ある。

【図１１】図９におけるブリッジ回路の出力電圧の説明
図である。

【図１２】図９におけるコンデンサＣ１およびＣ２と検
出出力電圧との関係の説明図である。

【図１３】本発明の前提となる静電容量式センサの一例
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 発振回路 ２ 接地電極 ３ 検出電極 ４ ブリッジ回路 ５ 交流増幅回路 ６ 位相検出回路 ７ 平滑回路 ８ 直流増幅回路 ９ 出力回路 １０ コンパレータ回路 １１ 表示灯 ２０ Ａ／Ｄコンバータ ２１ マイクロコンピュータ ２２ Ｄ／Ａコンバータ ２３ 出力端子 ３１ 直流電圧源 ３２ 可変抵抗器 ３３ 出力回路 ３５ アナログスイッチ ３７ 外部制御端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 9208−2Ｆ Ｇ０１Ｄ 5/24 Ｗ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出電極と、該検出電極に対向して設け
   た接地電極とにより構成した測定コンデンサと基準コン
   デンサとを含むブリッジ回路に発振回路からの発振出力
   を供給し、前記ブリッジ回路からの交流出力を直流出力
   に変換してアナログ検出出力を取り出し、前記検出電極
   と接地電極との間に、被検出物体が接近することにより
   生じる前記検出電極と前記接地電極との間の静電容量の
   変化に応じて被検出物体の有無，厚さ，枚数などを検出
   する静電容量式センサにおいて、 前記発振回路の発振出力の位相を検出し、その検出され
   た位相に同期して、前記ブリッジ回路からの交流出力を
   通過させる位相検出手段と、 前記位相検出手段の出力を直流電圧に変換する平滑手段
   と、 前記直流電圧をデジタル信号に変換する際に、所定数の
   デジタルデータについて平均化処理を施すデジタル処理
   手段とを備え、前記デジタル処理手段の平均化出力に基
   づいてアナログ検出出力を得ることを特徴とする静電容
   量式センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記デジタル処理手
   段は、平均化するデジタルデータの個数を可変設定する
   ための設定手段を有することを特徴とする静電容量式セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記発振回路の発振
   動作を停止させる発振制御手段をさらに備えたことを特
   徴とする静電容量式センサ。