(57)【要約】【課題】振器の発振周波数自体を変化させることなく、発振器を利用して対象物との間の静電容量を検出する静電容量センサを提供する。【解決手段】対象物Ｘとの間の静電容量を検出する静電容量センサであって、一つ以上の発振器を有して、少なくとも二つ以上の経路Ｓ０、Ｓ２で同一の発振周波数を出力するように構成された発振手段２と、対象物Ｘとの間の静電容量を検出する容量電極１と、発振周波数と静電容量とにより定まる位相量に応じて、少なくとも発振手段２の一つの経路からの出力Ｓ０の位相を変更する移相手段３と、この移相手段３の出力と発振手段２の他の経路からの出力Ｓ２との位相差を検出する位相差検出手段４と、位相差より静電容量を判定する判定手段５と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物との間の静電容量を検出する静電容量センサであって、
一つ以上の発振器を有して、少なくとも二つ以上の経路で同一の発振周波数を出力するように構成された発振手段と、
前記対象物との間の静電容量を検出する容量電極と、
前記発振周波数と前記静電容量とにより定まる位相量に応じて、少なくとも前記発振手段の一つの経路からの出力の位相を変更する移相手段と、
この移相手段の出力と前記発振手段の他の経路からの出力との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差より前記静電容量を判定する判定手段と、
を備える静電容量センサ。
【請求項２】
前記発振手段が前記発振器を複数有する場合、各発振器は、少なくとも温度特性及び周波数特性の一方又は双方が同一である電子部品及び電子材料を用いて構成されている請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記位相差検出手段は、前記発振手段及び移相手段からの出力をデジタル化するデジタル変換部と、これらデジタル変換された出力の論理演算を行う論理回路部とを有し、
前記判定手段は、前記位相差を示す前記論理回路部の出力パルスのデューティー比及びパルス幅の一方又は双方に基づいて判定する請求項１又は２に記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記位相差検出手段は、前記発振手段及び移相手段からの出力をデジタル化するデジタル変換部と、これらデジタル変換された出力の論理演算を行う論理回路部と、この論理回路部の出力パルスを積分する積分回路とを有し、
前記判定手段は、前記積分回路の出力電圧に基づいて判定する請求項１又は２に記載の静電容量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物との間の静電容量を検出する静電容量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに離間した２つの物体間の距離を検出するようなセンサは、種々のものが利用されている。例えば、自動車を後退させる際に後方の障害物との距離を検出するバックソナーには、超音波センサが用いられている。検出距離が数十ｍｍ程度のいわゆる近接センサには、高周波発振型、差動コイル型、磁気型等の方式が用いられ、主として金属の検出に使用されている。また、静電容量型の近接センサは、金属だけではなく非金属の検出にも対応している。例えば、特許文献１には、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を容量の変化として測定する容量式変位センサの技術が開示されている。これは、ＬＣ発振器の発振周波数を容量センサにより検出した静電容量（Ｃ）によって可変とすることによって、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を測定するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−４４３１号公報（第２−３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、比較的近距離（特許文献１第２図参照）の２０ｍｍ程度を検出範囲としている。また、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位等、予め定められたものの変位を検出することを目的としている。即ち、予め測定対象として定めた物体の増減あるいは、存在位置を比較的近距離の範囲内で検出する技術である。従って、人や人の体の部位が出入り可能な開閉する装置（例えば、ドアや窓）において、その開閉状態や開閉時の障害物の有無を検出する用途には、必ずしも適したものとはいえない。つまり、人や人の体の部位を出入り可能とする装置では、通常、離間時の距離が２０ｍｍを遥かに超えるので、この程度の検出距離では好ましくない。
【０００５】
このため、検出の分解能、即ち精度を保持した上で、より大きな検出範囲を有するセンサの提供が望まれる。検出範囲を拡大するということは、ＬＣ発振器の発振周波数の帯域を広げることとなる。つまり、低周波数から高周波数に亘る広い周波数帯域に対応する必要がある。これをマイクロコンピュータ等に直接、あるいはデジタル変換して入力して処理すると、処理能力の高いマイクロコンピュータや高分解能のデジタル変換器を要する。このような高性能の素子は高価でもあり、製造費用上も好ましくない。また、静電容量の変化をＬＣ発振器の発振周波数の変化によって検出する構成では、温度等環境変化によっても発振周波数が変化する。対応する周波数範囲が広くなると、この温度等環境変化による誤差が無視できなくなるほど大きくなる。そして、この誤差に対応するために、温度補償回路を設ける等、新たな構成を必要とする。
【０００６】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、発振器の発振周波数自体を変化させることなく、発振器を利用して対象物との間の静電容量を検出する静電容量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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る対象物との間の静電容量を検出する静電容量センサの特徴構成は、
一つ以上の発振器を有して、少なくとも二つ以上の経路で同一の発振周波数を出力するように構成された発振手段と、
前記対象物との間の静電容量を検出する容量電極と、
前記発振周波数と前記静電容量とにより定まる位相量に応じて、少なくとも前記発振手段の一つの経路からの出力の位相を変更する移相手段と、
この移相手段の出力と前記発振手段の他の経路からの出力との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差より前記静電容量を判定する判定手段と、
を備える点にある。
【０００８】
この特徴構成によれば、対象物との間で変化する静電容量に基づいて、発振器の発振周波数を変更することなく、位相だけを変更する。従って、対象物との距離等、検出範囲を拡大しても発振器の周波数帯域が広がることはない。その結果、複雑な回路を要することなく、良好に対象物との間の静電容量変化を検出することができる。
【０００９】
尚、発振手段は、少なくとも二つ以上の経路で同一の発振周波数を出力するように構成されていれば充分であり、発振手段が有する発振器は、一つでもよい。発振器が一つであると、発振手段からの複数の出力は、同じ発振器を起源とするものであるから当然に同じ発振周波数となる。その結果、温度変化等の環境変化が生じても、位相差検出手段において比較する信号同士に環境変化を原因とする誤差が生じず、静電容量の変化を正確に検出することができる。
【００１０】
また、発振手段が複数の発振器を有する場合は、各発振器が同一の発振方式であることが望ましい。つまり、移相手段によって位相を変更される経路へ出力する発振器と、変更されない経路へ出力する発振器とが同一の発振方式であると好ましい。同一の発振方式とは、使用する電子部品や材料の観点では以下のようなものである。例えば、水晶発振や、セラミック発振、コンデンサと抵抗器とを用いたＣＲ発振、インダクタとコンデンサとを用いたＬＣ発振等である。また、発振原理や回路構成の観点では以下のようなものである。例えば、ウィーンブリッジ発振、コルピッツ発振、ハートレー発振、クラップ発振等である。このような、電子部品や材料、及び発振原理や回路構成が同一の発振方式を用いて複数の発振器を構成すると、以下の利点がある。即ち、温度変化等の環境変化に対して、複数の発振器が共通して同一方向への誤差を生じる。従って、位相差検出手段において、比較する際にこの環境変化に起因する誤差を相殺できる可能性が高くなり、静電容量の変化を正確に検出することができる。その結果、精度のよい静電容量センサを得ることができる。
【００１１】
さらに、前記発振手段が前記発振器を複数有する場合、各発振器は、少なくとも温度特性及び周波数特性の一方又は双方が同一である電子部品及び電子材料を用いて構成されていると好適である。
【００１２】
例えば、電子部品には、同一の定数を示すものであっても、温度係数（温度特性）が異なるものが存在する。しかし、上記のように構成されていると、温度変化等の環境変化に対して、複数の発振器が共通して同一方向への誤差を生じる。従って、位相差検出手段において、比較する際にこの環境変化に起因する誤差を相殺できる可能性が高くなる。その結果、静電容量の変化を正確に検出することができ、精度のよい静電容量センサを得ることができる。
【００１３】
また、前記位相差検出手段が、前記発振手段及び移相手段からの出力をデジタル化するデジタル変換部と、これらデジタル変換された出力の論理演算を行う論理回路部とを有し、前記判定手段が、前記位相差を示す前記論理回路部の出力パルスのデューティー比及びパルス幅の一方又は双方に基づいて判定するものであると好適である。
【００１４】
上記のように構成すると、位相の違いをデジタル信号の論理演算によって簡潔に検出することができる。
例えば、論理演算が論理積や論理和であると好適である。これは、どちらか一方でもよいし、双方を用いてもよい。論理積及び論理和は、それを実現する回路が簡潔であり、専用の部品（集積回路：ＩＣ）も種々実用化されている。論理積及び論理和の何れも、発振器の出力をデジタル化した信号のデューティー比が５０％程度の場合には、約１８０度の位相差までを検出することができる。従って、簡単な回路構成で、広い範囲の位相差を検出することができる。
【００１５】
また、前記位相差検出手段が、前記発振手段及び移相手段からの出力をデジタル化するデジタル変換部と、これらデジタル変換された出力の論理演算を行う論理回路部と、この論理回路部の出力パルスを積分する積分回路とを有し、前記判定手段が、前記積分回路の出力電圧に基づいて判定するものであると好適である。
【００１６】
上記のように構成すると、位相の違いを論理演算によって検出することができると共に、その検出結果を積分回路の出力電圧によって簡潔且つ定量的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本発明に係る静電容量センサは、対象物Ｘとの間の静電容量を、容量電極としてのアンテナ１で検出するものである。発振手段２は、一つ以上の発振器を有して、少なくとも二つ以上の経路（図１のＳ０及びＳ２に相当する。）で同一の発振周波数を出力するように構成されている。本実施形態では、第一発振器２ａと第二発振器２ｂとを備えて構成されている。勿論、発振手段２を発振器２ａのみで構成し、その出力Ｓ０を二つに分岐して、出力Ｓ０とＳ２とを得るようにしてもよい。発振手段２を発振器２ａのみで構成すると、発振手段２からの複数の出力は、同じ発振器２ａを起源とするものとなる。従って、温度変化等の環境変化が生じても、発振手段２からの複数の出力に差が生じない。そして、後述する位相差検出手段４において比較する信号同士の環境変化に起因する誤差が生じない。その結果、静電容量の変化を正確に検出することができ、精度のよい静電容量センサを得ることができる。
【００１８】
但し、発振器２ａの出力容量が充分ではなく、複数の経路に分岐すると出力が減衰する等、好ましくない場合もある。このような場合には、図１に示すように発振手段２に複数の発振器２ａ及び２ｂを備えることが望ましく、本実施形態ではこの形態を採っている。ここで、発振手段２が有する発振器２ａ及び２ｂは、同一の発振方式を用いて構成されている。即ち、移相手段３によって出力の位相を変更される発振器２ａと、変更されない発振器２ｂとは同一の発振方式である。
【００１９】
同一の発振方式とは、使用する電子部品や材料の観点では以下のようなものである。例えば、水晶発振や、セラミック発振、コンデンサと抵抗器とを用いたＣＲ発振、インダクタとコンデンサとを用いたＬＣ発振等である。また、発振原理や回路構成の観点では以下のようなものである。例えば、ウィーンブリッジ発振、コルピッツ発振、ハートレー発振、クラップ発振等である。夫々の構成については、公知のものであるので説明を省略する。
【００２０】
このように同一の発振方式を用いて発振手段２が有する発振器を構成すると、温度変化等の環境変化に対して、夫々の発振器が共通して同一方向への誤差を生じる。従って、後述する位相差検出手段４において、比較する際にこの環境変化に起因する誤差を良好に相殺できる。その結果、同じ発振器からの出力を分岐した場合と同様に、静電容量の変化を正確に検出することができ、精度のよい静電容量センサを得ることができる。
【００２１】
さらに、発振手段２が有する発振器２ａ及び２ｂは、少なくとも温度特性及び周波数特性の一方又は双方が同一である電子部品及び電子材料を用いて構成されている。電子部品には、同一の定数を示すものであっても、温度係数（温度特性）が異なるものが存在する。しかし、特性が同一である電子部品及び電子材料を用いて構成されていると、環境変化に対して、複数の発振器が共通して同一方向への誤差を生じる。従って、上記と同様に位相差検出手段４において、この環境変化に起因する誤差を良好に相殺できて、静電容量センサの精度を向上することができる。
【００２２】
移相手段３は、発振手段２の発振周波数と、対象物Ｘとの間の静電容量とにより定まる位相量に応じて、移相手段３への入力信号の位相を変更するものである。即ち、少なくとも発振手段２からの一つの経路（図１のＳ０に該当）からの出力の位相を変更するものである。この移相手段３は、図６から８に示すように、抵抗器やコンデンサ等の受動部品を組み合わせて回路構成されている。そして、その回路の一部にアンテナ１で得られた対象物Ｘとの距離に応じた静電容量を組み込み、移相手段３を構成している。
【００２３】
位相差検出手段４は、移相手段３の出力Ｓ１と発振手段２からの他の出力Ｓ２との位相差を検出するものである。そして、判定手段５は、この位相差検出手段４の出力する位相差に基づいて、対象物Ｘとの間の静電容量を判定する。これら位相差検出手段４及び判定手段５について下記に詳述する。
【００２４】
図２は、位相差検出手段４の一例を示すブロック図である。位相差検出手段４は、発振器２ｂ、及び移相手段３の出力をデジタル化するデジタル変換部６を備えている。移相手段３の出力は、移相手段３を経由した発振器２ａの出力ということもでき、デジタル変換部６は、発振手段２の出力をデジタル化しているといえる。デジタル変換部６は、本実施形態では、発振器２ａ及び２ｂに対応して符号６ａと６ｂとの二つが備えられている。このデジタル変換部６ａ及び６ｂは、、コンパレータで構成されており、それぞれの出力は方形波状のパルスとなる。
【００２５】
位相差検出手段４は、論理回路部７を備えており、デジタル変換部６ａ及び６ｂの出力Ｓ３及びＳ４は、デジタル信号処理（論理演算）される。図２に示した実施形態では、これら両信号の論理積を得るためにＡＮＤゲートで論理回路部７を構成している。尚、論理演算は、論理積及び論理和の一方又は双方であるとよい。論理和を得るためには、論理回路部７をＡＮＤゲートに替えて、ＯＲゲートを用いて構成すればよい。論理積及び論理和の双方を用いる場合には、並行して、二つのゲートを備えて構成すればよい。
【００２６】
図３に論理回路部７におけるデジタル信号波形を示す。符号Ｓ３は、移相された発振器２ａの出力のデジタル変換後のパルス波形である。符号Ｓ４は、発振器２ｂの出力のデジタル変換後のパルス波形である。図より明らかなように移相手段３によって、位相Ｔ１（＝約９０度）だけ、発振器２ａを起源とする信号が遅れている。これら二つの信号Ｓ３とＳ４との論理積を演算すると、符号Ｓ５のような波形となる。また、論理和を演算すると、符号Ｓ６のような波形となる。何れの波形も元の発振手段２からの出力波形と比べると、デューティー比が変わったものとなっている。
【００２７】
判定手段５は、これら位相差を示す論理回路部７の出力パルス（符号Ｓ５、Ｓ６）のデューティー比及びパルス幅の一方又は双方に基づいて判定を行う。即ち、論理積の演算を行った場合には、符号Ｓ５のパルス幅が狭いほど、又はデューティー比でＬｏｗ期間が長いほど、位相差が大きい。また、論理和の演算を行った場合には、符号Ｓ５のパルス幅が広いほど、又はデューティー比でＬｏｗ期間が短いほど、位相差が大きい。例えば位相差が大きいと、対象物Ｘとの間に検出された静電容量が大きいことになり、これにより静電容量が判定できる。
【００２８】
このような判定は、判定手段５をマイクロコンピュータや論理回路を用いて構成し、パルス幅やデューティー比を計算することによって得ることができる。また、パルス幅やデューティー比に対して、静電容量がリニアに対応していない場合は、補正の計算を行うようにしてもよい。あるいは、パルス幅やデューティー比との相関をテーブル化して、別途記憶手段に記憶させておいて、それを参照するようにしてもよい。
【００２９】
〔位相差検出手段の他の実施形態〕
以上、位相差検出手段４及び、判定手段５の実施形態を説明したが、これらは下記に示すように他の実施形態をもって構成することもできる。図４に示すように、論理回路部７の後段に、論理回路部の出力パルスを積分する積分回路８を備えて構成する。この積分回路８を経由した後のデジタル波形は、図５に示すように再びアナログ波形となる。
【００３０】
図５において、符号Ｓ７は、図３の符号Ｓ３及びＳ４とに位相差がない場合、即ち、発振手段２の出力のデューティー比と同等のデジタル波形を積分したものである。このデューティー比は約５０％であり、積分後の電圧は、デジタル波形のＨｉｇｈレベルの約１／２の値となる。
【００３１】
符合Ｓ８は、論理回路部７で論理積演算を行った後のデジタル波形（図３の符号Ｓ５に相当する。）を積分したものである。符号Ｓ５は、位相が９０度ずれているために、デューティー比のＬｏｗ期間が長い。従って、積分後の電圧は、デジタル波形のＨｉｇｈレベルの約１／４の値となる。
【００３２】
符合Ｓ９は、論理回路部７で論理和演算を行った後のデジタル波形（図３の符号Ｓ６に相当する。）を積分したものである。符号Ｓ６は、位相が９０度ずれているために、デューティー比のＬｏｗ期間が短い。従って、積分後の電圧は、デジタル波形のＨｉｇｈレベルの約３／４の値となる。
【００３３】
このように、デューティー比に応じて積分後の電圧が変化するので、この電圧によって、位相差が判り、静電容量を判別することができる。その結果、判定手段８を、高価なマイクロコンピュータ等を用いて構成しなくとも、コンパレータや減算回路等を用いて構成することができる。
【００３４】
以上、説明したように、発振器の発振周波数自体を変化させることなく、発振器を利用して対象物との間の静電容量を検出する静電容量センサを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、開閉する装置の開閉状態を検出するための静電容量センサや、静電容量センサを利用した開閉状態監視装置に適用することができる。開閉装置としては、例えば自動車のパワーウィンドウ、パワースライドドア、バックドアや、建物や鉄道の自動ドア、回転ドア等に適用することができる。また、プリンタ等の用紙搬送機構における用紙検出装置、水槽等の水面の高さを検出する装置等において、近接センサとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る静電容量センサの構成を示すブロック図
【図２】図１の位相差検出手段の一例を示すブロック図
【図３】図２の論理回路部におけるデジタル信号波形の一例を示す波形図
【図４】図１の位相差検出手段の他の例を示すブロック図
【図５】図４の積分回路の出力波形の一例を示す波形図
【図６】図１の移相手段の一例を示す概略回路図
【図７】図１の移相手段の第二の例を示す概略回路図
【図８】図１の移相手段の第三の例を示す概略回路図
【符号の説明】
【００３７】
１    容量電極（アンテナ）
２    発振手段
２ａ  第一発振器、  ２ｂ  第二発振器
３    移相手段
４    位相差検出手段
５    判定手段
Ｓ０  （発振手段の）出力
Ｓ１  （発振手段の）出力
Ｘ    対象物
【図１】
2006162347.tif 000003
【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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【図７】
2006162347.tif 000009
【図８】
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