(57)【要約】【課題】  温度特性及び湿度特性などの環境特性に対して良好な補償を行うことを可能とする。【解決手段】  検知エリアＤ内に配置された検知電極１１と、検知エリアＤ外に配置され検知電極１１と同様に形成された参照電極２１と、検知電極１１と接地との間の静電容量に基づく第１の検知信号を出力する第１の検知回路３２，３３と、参照電極２１と接地との間の静電容量に基づく第２の検知信号を出力する第２の検知回路３６，３７と、第１の検知信号から第２の検知信号を減算して補償済み検知信号を出力する減算回路３４とを備える。【選択図】  図１
2006145413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知エリア内に配置された検知電極と、
前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、
前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第１の検知信号を出力する第１の検知回路と、
前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第２の検知信号を出力する第２の検知回路と、
前記第１の検知回路の出力から前記第２の検知回路の出力を減算して補償済み検知信号を出力する減算回路と
を備えたことを特徴とする静電容量式近接センサ。
【請求項２】
前記参照電極は、前記検知エリアからシールドされていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式近接センサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の検知回路は、共用可能な部品を除き同様の部品にて構成されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式近接センサ。
【請求項４】
前記検知電極と対をなす第１の接地電極と、
前記参照電極と対をなす第２の接地電極とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式近接センサ。
【請求項５】
前記検知電極と第１の接地電極との間及び前記参照電極と第２の接地電極との間にそれぞれ第１のガード電極及び第２のガード電極をそれぞれ配置してなることを特徴とする請求項４記載の静電容量式近接センサ。
【請求項６】
検知エリア内に配置された検知電極と、
前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、
前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続されるスイッチ回路と、
このスイッチ回路を介して前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続され、前記検知電極と接続されているときには、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第１の検知信号を出力し、前記参照電極と接続されているときには、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第２の検知信号を出力する検知回路と、
前記第１の検知信号から前記第２の検知信号を減算して補償済み検知信号を出力する演算手段と
を備えたことを特徴とする静電容量式近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の近接を静電容量の変化で検出する静電容量式近接センサに関し、特に温度、湿度等の環境特性の補正機能を有する静電容量式近接センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検出物体の近接による検知電極と接地電極との間の静電容量変化を発振回路の発振周波数の変化に変換し、この発振回路の発振周波数を測定し、直線化すると共に、比較回路で所定の閾値と比較して物体の近接の有無を判別するようにした静電容量式近接センサが知られている（特許文献１）。この静電容量式センサでは、温度変化によって発振回路の電圧フォロワ回路の利得が変化し、これによって発振回路の発振周波数が変動する。そこで、上記静電容量式センサでは、温度変化による発振周波数の変動を防止するため、発振回路を構成する分圧回路の抵抗に温度特性を有するサーミスタを使用して発振周波数の変動を打ち消すようにしている。
【特許文献１】特開平１４−１４１７４号公報（段落００８２〜００８９，図８，図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、温度特性や湿度特性といった環境特性は、電極の形状、個々の電子部品によってそれぞれ異なるため、上述したサーミスタを使用した従来の静電容量式近接センサでは、パラメータの設定が難しく、温度変動を良好に打ち消すことが不可能である。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、温度特性及び湿度特性などの環境特性に対して良好な補償を行うことができる静電容量式近接センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る静電容量式近接センサは、検知エリア内に配置された検知電極と、前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第１の検知信号を出力する第１の検知回路と、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第２の検知信号を出力する第２の検知回路と、前記第１の検知回路の出力から前記第２の検知回路の出力を減算して補償済み検知信号を出力する減算回路とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る静電容量式近接センサは、また、検知エリア内に配置された検知電極と、前記検知エリア外に配置され前記検知電極と同様に形成された参照電極と、前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続されるスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して前記検知電極と前記参照電極とに選択的に接続され、前記検知電極と接続されているときには、前記検知電極と接地との間の静電容量に基づく第１の検知信号を出力し、前記参照電極と接続されているときには、前記参照電極と接地との間の静電容量に基づく第２の検知信号を出力する検知回路と、  前記第１の検知信号から前記第２の検知信号を減算して補償済み検知信号を出力する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
検知エリア内に配置された検知電極によって検出される第１の検知信号には、被検出物の近接による静電容量変化分に加えて、環境変動による静電容量変化分が含まれている。これに対し、検知エリア外に配置された参照電極によって検出される第２の検知信号は、環境変動による静電容量変化分のみを含む信号である。検知電極と参照電極が同様に形成され、第１及び第２の検知回路が同様の電子部品から構成されていれば、又は同一の検知回路を時分割で使用すれば、検知回路による環境変動分は、殆ど同じ値になる。
【０００８】
本発明によれば、検知エリア内に配置された検知電極によって検出された第１の検知信号から、検知エリア外に配置された参照電極によって検出された第２の検知信号を減算することにより、補償済み検知信号を得るようにしているので、電極及び回路構成部品に生じる環境特性による変動分を良好に補償することができ、検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す図である。
【００１１】
この近接センサは、一対のセンサ部１０，２０と、主回路部３０とを備えて構成されている。
【００１２】
センサ部１０は、被検出物を検知可能な検知エリアＤ内に配置されている。このセンサ部１０は、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）、リジットプリント回路（ＲＰＣ）等により構成されたもので、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、又はエポキシ樹脂などの絶縁体からなる絶縁基板と、この絶縁基板上にパターン形成された銅、銅合金又はアルミニウムなどからなる電極、すなわち検知電極１１、ガード電極１２及び接地電極１３とにより構成されている。接地電極１３は、正方形又は長方形で、検知電極１１は、この接地電極１３の両辺及び他の一辺を取り囲むコの字形に形成されている。また、ガード電極１２は、検知電極１１と接地電極１３との間に両者に対して絶縁状態でコの字状に配置されている。
【００１３】
一方、センサ部２０は、被検出物の影響を受けないように、検知エリアＤの外に配置されている。センサ部２０もセンサ部１０と同様の絶縁基板と電極とからなるが、電極は、参照電極２１，ガード電極２２及び接地電極２３からなる。参照電極２１は、検知電極１３と同じ形状及び大きさに設定され、ガード電極２２及び接地電極２３は、それぞれガード電極１２及び接地電極１３と同様の形状及び大きさに設定されている。
【００１４】
なお、これらセンサ部１０，２０は、例えばメンブレンスイッチの一部として構成されたり、メンブレンスイッチの一部として接触センサと併用されるものでも良い。
【００１５】
主回路部３０は、次のように構成されている。検知電極１１及びガード電極１２と接続される主回路部３０側の接続端の間に、検知電極１１側を入力、ガード電極１２側を出力とするバッファ３１が接続されている。バッファ３１は、検知電極１１及びガード電極１２と主回路部３０との間を接続するシールドケーブルにおける芯線とシールド線とを常に同電位として両者の間の充放電を防止する。検知電極１１からの信号は、検知回路３２に入力されている。検知回路３２は、検知電極１１及び接地電極１３の間の静電容量に応じたデューティーのパルス信号を出力する。このパルス信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３に入力されている。ＬＰＦ３３は、検知回路３２からのパルス信号を平滑化して第１の検知信号を出力する。
【００１６】
一方、参照電極２１及びガード電極２２の主回路部３０側の接続端の間にもバッファ３５が接続されている。参照電極２１からの信号は、検知回路３６に入力されている。検知回路３６は、参照電極２１及び接地電極２３の間の静電容量に応じたデューティーのパルス信号を出力する。このパルス信号はＬＰＦ３７に入力されている。ＬＰＦ３７は、検知回路３６からのパルス信号を平滑化して第２の検知信号を出力する。減算回路３４は、ＬＰＦ３３からの第１の検知信号からＬＰＦ３７からの第２の検知信号を減算し、補償済み検知信号を出力する。
【００１７】
ここで、検知回路３２とＬＰＦ３３は第１の検知回路を構成し、検知回路３６とＬＰＦ３７は第２の検知回路を構成する。両者の構成は、ほぼ等しいことが望ましい。検知回路３２，３６は、検知電極１１及び接地電極１３の間の静電容量並びに参照電極２１及び接地電極２３の間の静電容量に応じて周波数又はデューティー比が変化するもの等を使用することができる。
【００１８】
図２は、静電容量Ｃに応じてデューティー比が変化する検知回路３２（３６も同様）の一例を示す回路図である。検知回路３２は、一定周期のトリガ信号ＴＧを出力するトリガ信号発生回路３２１と、入力端に接続された静電容量の大きさによってデューティー比が変化するパルス信号Ｐoを出力するタイマー回路３２２とを備えて構成されている。
【００１９】
タイマー回路３２２は、例えば２つの比較器３２２１，３２２２と、これら比較器３２２１，３２２２の出力がそれぞれリセット端子Ｒ及びセット端子Ｓに入力されるＲＳフリップフロップ回路（以下、「ＲＳ−ＦＦ」と呼ぶ）３２２３と、このＲＳ−ＦＦ３２２３の出力ＤＩＳをＬＰＦ３３に出力するバッファ３２２４と、ＲＳ−ＦＦ３２２３の出力ＤＩＳでオンオフ制御されるトランジスタ３２２５とを備えて構成されている。
【００２０】
比較器３２２２は、トリガ信号発生回路３２１から出力される図３に示すようなトリガ信号ＴＧを、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって分割された所定のしきい値Ｖth2と比較して、トリガ信号ＴＧに同期したセットパルスを出力する。このセットパルスは、ＲＳ−ＦＦ３２２３のＱ出力をセットする。このＱ出力は、ディスチャージ信号ＤＩＳとしてトランジスタ３２２５をオフ状態にし、検知電極１１及び接地電極１３の間を、両電極１１，１３間の静電容量Ｃ及び入力端と電源ラインとの間に接続された抵抗Ｒ４による時定数で決まる速度で充電する。これにより、図３に示すように、入力信号Ｖinの電位が静電容量によって決まる速度で上昇する。入力信号Ｖinが、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で決まるしきい値Ｖth1を超えたら、比較器３２２１の出力が反転してＲＳ−ＦＦ２１２３の出力を反転させる。この結果、トランジスタ３２２５がオン状態となって検知電極１１に蓄積された電荷がトランジスタ３２２５を介して放電される。従って、このタイマー回路３２２は、図３に示すように、検知電極１１及び接地電極１３間の静電容量に基づくデューティー比で発振するパルス信号Ｐoを出力する。ＬＰＦ３３は、この出力を平滑化することにより、図３に示すような、直流の検知信号Ｖout（第１の検知信号）を出力する。なお、図４中、実線で示す波形と点線で示す波形は、前者が後者よりも静電容量が小さいことを示しており、例えば後者が物体近接状態を示している。
【００２１】
なお、検知回路３６も基本的にはこれと同様の構成とすれば良いが、トリガ信号発生回路３２１については、検知回路３２，３６で共有することも可能である。この場合、図２の点線矢印で示すように、検知回路３２から検知回路３６にトリガ信号ＴＧを供給するようにすれば良い。
【００２２】
このように構成された本実施形態の静電容量式近接センサによれば、センサ部１０で被検出物の近接による変動分と温度特性、湿度特性等の環境特性に起因する変動分との加算分が検出され、センサ部２０で環境特性に起因する変動分のみが検出される。従って、ＬＰＦ３３からの第１の検知信号からＬＰＦ３７からの第２の検知信号を減算回路３４で減算することにより、環境特性分が除去された補償済み検知信号を得ることができる。
【００２３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る静電容量式近接センサのブロック図である。
【００２４】
この実施形態では、センサ部２０が被検出物の影響を受けないようにシールドＳにより、シールドされている点が先の実施形態とは異なる。他の構成は先の実施形態と同様である。
【００２５】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る静電容量式近接センサのブロック図である。
【００２６】
この実施形態では、先の実施形態における２つの検知回路３２，３６及び２つのＬＰＦ３３，３７を、それぞれ共通の１つの検知回路３２及び１つのＬＰＦ３３とし、これらをセンサ部１０とセンサ部２０とで時分割で使用するように主回路部４０を構成した例である。切り換え回路４２は、外部からの制御信号に基づき、スイッチ回路４１を切り替える。スイッチ回路４１は、検知回路３２の入力が検知電極１１に接続され、バッファ３１の出力がガード電極１２に接続される第１状態と、検知回路３２の入力が参照電極２１に接続され、バッファ３１の出力がガード電極２２に接続される第２状態とを選択的に切り替える。信号保持回路４４は、第１の状態でＬＰＦ３３から出力される第１の検知信号と、第２状態でＬＰＦ３３から出力される第２の検知信号とをそれぞれ保持し、減算回路３４は、これら保持された第１及び第２の検知信号を減算処理して補償済み検知信号を出力する。
【００２７】
このような構成によれば、共通の検知回路３２及びＬＰＦ３３から２つの検知信号を得ることができるので、回路構成要素の相違による誤差成分が削除されて、更に精度良く環境特性分を除去することができる。
【００２８】
なお、上述した実施形態では、時分割で得られる２つの検知信号を、信号保持回路４４に一旦保持して減算回路３４で減算処理したが、例えば図６に示す主回路部５０のように、２つの検知信号を、直接Ａ／Ｄ変換機能を有するＣＰＵ５１に供給し、ＣＰＵ５１の内部演算処理で補償済み検知信号を得るようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す回路図である。
【図２】同近接センサの検知回路の一構成例を示す回路図である。
【図３】同近接センサの動作波形図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る静電容量式近接センサの概略構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０，２０…センサ部、１１…検知電極、１２，２２…ガード電極、１３，２３…接地電極、２１…参照電極、３０，４０，５０…主回路部、３１，３５…バッファ、３２，３６…検知回路、３３，３７…ＬＰＦ、３４…減算回路、４１…スイッチ回路、４２…切り換え回路、４４…信号保持回路、５１…ＣＰＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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