(57)【要約】【課題】  回路構成を簡素化した静電容量センサを提供する。    【解決手段】  コンデンサＣxが測定対象となる静電容量である。この静電容量が変化すると、発振回路を構成するトランジスタＱ10の動作状態が変化する。したがって、電源ＰからトランジスタＱ10に供給される電流Ｉも変化する。比較器３６は、この電流Ｉの変化を検出する。上記のようにして、コンデンサＣxの静電容量の変化を検出することができる。センサ本体部３２の回路構成を簡素にすることができ、その小型化を図ることができる。【選択図】  図３
2006010594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力側端子、入力側端子、接地側端子を備えた増幅回路素子と、
増幅回路素子の出力側端子に動作電流を供給する電源と、
増幅回路素子の出力側端子からの出力信号を、増幅回路素子の入力側端子に帰還する帰還回路と、
増幅回路素子の接地側端子と接地点との間に設けた検出用静電容量を含むインピーダンスと、
増幅回路素子の出力側端子に供給される前記動作電流の変化に基づいて、検出用静電容量の変化を検出する検出回路と、
を備えたことを特徴とする静電容量センサ。
【請求項２】
請求項１の静電容量センサにおいて、
前記インピーダンスには、検出用静電容量と並列に接続されたインダクタンスが含まれていることを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項１または請求項２の静電容量センサにおいて、
前記検出回路は、動作電流の直流成分の大きさの変化に基づいて、検出用静電容量の変化を検出することを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの静電容量センサにおいて、
前記電源、検出回路を、増幅回路素子、帰還回路、インピーダンスと離して設けたことを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの静電容量センサにおいて、
前記増幅回路素子と帰還回路はコルピッツ型発振回路を構成していることを特徴とするもの。
【請求項６】
増幅回路素子と帰還回路を備えた発振回路を用いたインピーダンス検出方法であって、
検出対象であるインピーダンスを、前記発振回路の発振ループの外側であって、そのインピーダンス変化が前記増幅回路素子の動作に影響を与えるように設けたことを特徴とするインピーダンス検出方法。
【請求項７】
出力側端子、入力側端子、接地側端子を備えた増幅回路素子と、
増幅回路素子の出力側端子に動作電流を供給する電源と、
増幅回路素子の出力側端子からの出力信号を、増幅回路素子の入力側端子に帰還する帰還回路と、
増幅回路素子の接地側端子と接地点との間に設けた検出用インダクタンスを含むインピーダンスと、
増幅回路素子の出力側端子に供給される前記動作電流の変化に基づいて、検出用インダクタンスの変化を検出する検出回路と、
を備えたことを特徴とする誘導センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電容量センサに関するものであり、特にその構成の簡素化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２などに示されるように、液面のレベルを計測したり、人体の近接を検出したりするために静電容量センサが用いられている。
【０００３】
図１ａに、従来の静電容量センサの回路構成例を示す。コンデンサＣxは、測定対象の静電容量である。たとえば、図１ｂに示すように、収納タンク８と測定電極１０の間の静電容量とすることができる。収納タンク８内の収納物（粉体、液体など）のレベル（図中のａやｂ）が変化すると、静電容量Ｃxも変化する。したがって、この静電容量の変化を検出すれば、レベルを検出することができる。
【０００４】
また、油などの液体に含まれる水分量により、当該油の静電容量が変化する。したがって、このような水分量の検出なども行うことができる。
【０００５】
図１ａの回路は、上記コンデンサＣxの静電容量の変化を検出するための回路である。コンデンサＣx、コンデンサＣ1、コイルＬ1、トランジスタＱ1、コンデンサＣ2、コイルＬ2、コンデンサＣ3によって、発振回路が構成されている。コンデンサＣx、コンデンサＣ1、コイルＬ1と、コンデンサＣ2、コイルＬ2、コンデンサＣ3によって、トランジスタＱ1のコレクタから、発振信号が出力される。
【０００６】
コンデンサＣxの静電容量がコンデンサＣ3の静電容量を下回っている時には、発振信号は出力されない。しかし、コンデンサＣxの静電容量がコンデンサＣ3の静電容量を超えると、発振が起こり、トランジスタＱ1のコレクタに発振信号が現れる。この発振出力は、オペアンプＡ1を介して、検波回路２において、直流にされる。検出回路６は、この振幅変化（直流電圧）を見て、コンデンサＣxの静電容量の変化を検出する。
【０００７】
なお、図１ｂに示すように、測定電極１０だけを検出対象部位であるタンク８に設け、その他の回路７を離して設ける場合が多い。タンク８などの検出対象部分に取付のための空間的余裕がない場合がある等のためである。この場合、測定電極１０と回路７との間は、雑音などの影響を避けるため、同軸ケーブル１３にて接続される。
【０００８】
また、図２ａ、図２ｂに示すように、検出対象部位にセンサ本体部４を設け、検出回路６を離して設ける場合もある。この場合、センサ本体部４と検出回路６とは、接続線１２によって接続される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０９０４０１
【００１０】
【特許文献２】特開２００１−１８３２１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１ａ、図１ｂに示すような従来の静電容量センサにおいては、同軸ケーブル１３を用いるため、当該同軸ケーブル１３の浮遊静電容量によって、検出感度が著しく低下するという問題があった。つまり、図１ａに示すように、同軸ケーブル１３の浮遊コンデンサＣFの静電容量が大きくなると、コンデンサＣxの静電容量が変化しても、全体としての静電容量が余り大きく変化しないこととなる。これによって、検出感度の低下が生じていた。
【００１２】
上記のような問題点があるため、図１ａ、図１ｂのような回路においては、同軸ケーブル１３の長さに制限があった。つまり、検出対象部位と回路７との間をあまり離すことができないという問題があった。
【００１３】
一方、図２ａ、図２ｂに示すような静電容量センサでは、上記のような問題はない。しかし、センサ本体部４の回路構成が複雑であり、センサ本体部４が物理的に大きくなってしまうという問題があった。なお、センサ本体部４の回路構成を簡素にするため、オペアンプＡ1や検波回路２を、検出回路６の側に持ってくることも考えられる。しかし、このような構成にすると、接続線１２のインダクタンスやキャパシタが発振回路に影響を与え、検出出力が低下したり、誤検出を起こしたりするおそれがあった。
【００１４】
そこで、この発明では、検出精度を維持しつつ、回路構成を簡素化してコンパクト化を図ることのでき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】
【００１５】
(1)この発明に係る静電容量センサは、出力側端子、入力側端子、接地側端子を備えた増幅回路素子と、増幅回路素子の出力側端子に動作電流を供給する電源と、増幅回路素子の出力側端子からの出力信号を、増幅回路素子の入力側端子に帰還する帰還回路と、増幅回路素子の接地側端子と接地点との間に設けた検出用静電容量を含むインピーダンスと、増幅回路素子の出力側端子に供給される前記動作電流の変化に基づいて、検出用静電容量の変化を検出する検出回路とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
発振ループの外側に、増幅回路素子の動作点を変化させるように検出用静電容量を挿入しているので、検出用静電容量の変化に応じて、発振回路に供給される電流を変化させることができる。また、発振回路に供給される電流の変化を検出することによって、検出用静電容量の変化を検出している。したがって、検出回路と発振回路とを長い接続線によって接続しても、発振回路に対する影響が少ない。これにより、センサ本体部と検出回路を離して設ける場合において、従来のように検波回路などをセンサ本体部に設ける必要がなく、回路構成が簡単でコンパクトなセンサ本体部を持つ静電容量センサを実現できる。
【００１７】
(2)この発明に係る静電容量センサは、インピーダンスには、検出用静電容量と並列に接続されたインダクタンスが含まれていることを特徴としている。
【００１８】
したがって、検出用静電容量を構成する電極間に直流電位が実質的に生じることがなく、電気腐食等のおそれが少ない。
【００１９】
(3)この発明に係る静電容量センサは、検出回路が、動作電流の直流成分の大きさの変化に基づいて、検出用静電容量の変化を検出することを特徴としている。
【００２０】
したがって、より正確に動作電流の変化を検出することができる。
【００２１】
(4)この発明に係る静電容量センサは、電源、検出回路を、増幅回路素子、帰還回路、インピーダンスと離して設けたことを特徴としている。
【００２２】
したがって、センサ本体部をコンパクトに構成することができ、その取付などが容易である。
【００２３】
(5)この発明に係る静電容量センサは、増幅回路素子と帰還回路が、コルピッツ型発振回路を構成していることを特徴としている。
【００２４】
したがって、増幅回路素子の浮遊容量を発振回路のコンデンサとして用いることができ、回路構成をさらに簡素化することができる。
【００２５】
(6)この発明に係る静電容量検出方法は、増幅回路素子と帰還回路を備えた発振回路を用いたインピーダンス検出方法であって、検出対象であるインピーダンスを、前記発振回路の発振ループの外側であって、そのインピーダンス変化が前記増幅回路素子の動作に影響を与えるように設けたことを特徴としている。
【００２６】
したがって、検出回路と発振回路とを長い接続線によって接続しても、発振回路に対する影響が少ない。これにより、センサ本体部と検出回路を離して設ける場合において、従来のように検波回路などをセンサ本体部に設ける必要がなく、回路構成が簡単でコンパクトなセンサ本体部を持つインピーダンスセンサを実現できる。
【００２７】
(7)この発明に係る誘導センサは、出力側端子、入力側端子、接地側端子を備えた増幅回路素子と、増幅回路素子の出力側端子に動作電流を供給する電源と、増幅回路素子の出力側端子からの出力信号を、増幅回路素子の入力側端子に帰還する帰還回路と、増幅回路素子の接地側端子と接地点との間に設けた検出用インダクタンスを含むインピーダンスと、増幅回路素子の出力側端子に供給される前記動作電流の変化に基づいて、検出用インダクタンスの変化を検出する検出回路とを備えたことを特徴としている。
【００２８】
発振ループの外側に、増幅回路素子の動作点を変化させるように検出用インダクタンスを挿入しているので、検出用インダクタンスの変化に応じて、発振回路に供給される電流を変化させることができる。また、発振回路に供給される電流の変化を検出することによって、検出用インダクタンスの変化を検出している。したがって、検出回路と発振回路とを長い接続線によって接続しても、発振回路に対する影響が少ない。これにより、センサ本体部と検出回路を離して設ける場合において、従来のように検波回路などをセンサ本体部に設ける必要がなく、回路構成が簡単でコンパクトなセンサ本体部を持つ誘導センサを実現できる。
【発明の実施するための形態】
【００２９】
図３に、この発明の一実施形態による静電容量センサ３０の回路図を示す。センサ本体部３２と、制御部３４とに分離されている。増幅回路素子であるトランジスタＱ10は、入力側端子であるベース、出力側端子であるコレクタ、接地側端子であるエミッタを備えている。トランジスタＱ10のコレクタ・ベース間には、コイルＬ10、コンデンサＣ10が直列に接続されている。このコイルＬ10、コンデンサＣ10は、トランジスタＱ10のコレクタ・エミッタ間の浮遊容量、ベース・エミッタ間の浮遊容量とともに、コルピッツ型発振回路を構成している。つまり、トランジスタＱ10が増幅器であり、コイルＬ10、コンデンサＣ10、トランジスタＱ10のコレクタ・エミッタ間の浮遊容量、ベース・エミッタ間の浮遊容量が帰還回路であるような発振回路（発振ループ）を構成している。
【００３０】
抵抗Ｒ10、Ｒ11は、バイアス抵抗である。トランジスタＱ10のエミッタと接地との間には、コイルＬ11が接続されている。このコイルＬ11と並列に、検出用静電容量であるコンデンサＣxが接続されている。
【００３１】
制御部３４には、電源Ｐが設けられている。電源Ｐの電流をトランジスタＱ10に供給するため、接続線５１ａ、５１ｂが設けられている。接続線５１ａはバイアス抵抗Ｒ10、Ｒ11の一端に接続され、接続線５１ｂは接地ラインである。なお、ここで、接地とは、大地へのアースだけでなく、電源の基準電位（０Ｖ）を含む概念である。
【００３２】
また、電源Ｐと接続線５１ａとの間には、電流測定のための抵抗Ｒ21が設けられている。比較器３６は、抵抗Ｒ21の両端の電圧が所定値を超えると（下回ると）、検出出力を出す。
【００３３】
ここで、コンデンサＣxの静電容量が変化すると、発振回路を構成するトランジスタＱ10の動作状態が変化する。したがって、電源ＰからトランジスタＱ10に供給される電流Ｉも変化する。比較器３６は、この電流Ｉの変化を検出する。上記のようにして、コンデンサＣxの静電容量の変化を検出することができる。
【００３４】
また、この実施形態では、コンデンサＣxの静電容量の変化に応じて変化するトランジスタＱ10への供給電流を検出するようにしている。したがって、接続線５１ａ、５１ｂを長くしても、発振回路の発振状態に与える影響がほとんどない。このため、従来のように、センサ本体部３２の側に、複雑な検波回路などを設ける必要がなく、単に、トランジスタＱ10への電源供給ラインを延長するだけでよい。結果として、感度を低下させることなくセンサ本体部３２の回路を簡素化でき、その小型化を図ることができる。
【００３５】
また、コンデンサＣxを、発振ループの外であって、トランジスタＱ10のエミッタと接地との間に設けている。発振ループの中にコンデンサＣxを設けた場合には、調整が困難であるばかりでなく、容量変化に対して、供給電流の変化が顕著ではない。これに対し、本実施形態によれば、発振ループの外にコンデンサＣxを設けており、調整の複雑さを回避でき、さらに、容量変化に対して、大きな供給電流の変化を得ることができる。
【００３６】
図４〜図７に、上記回路において、コンデンサＣxの静電容量を、２pFから３６pFまで変化させた場合の、点Ａ（トランジスタＱ10のエミッタ）および点Ｂ（トランジスタＱ10のコレクタ）の電圧波形を示す。さらに、その時トランジスタＱ10に供給されるの電流Ｉの実効値を示す。
【００３７】
まず、静電容量を２pFとした場合を図４Ａに示す。エミッタと接地との間にコイルＬ11とコンデンサＣxが接続されているので、エミッタの電位は、図のように発振波形となる。コレクタにおける発振波形は、エミッタの電位の変化により、αの部分においてひずみを生じている。このときの供給電流Ｉは、１３ｍＡであった。
【００３８】
コンデンサＣxの静電容量を、３pFとした場合も、同様の波形が観測される（図４Ｂ）。このときの供給電流Ｉは、１２．８１ｍＡであった。コンデンサＣxの静電容量を、４pFとした場合も、同様の波形が観測される（図５C）。このときの供給電流Ｉは、１２．６５ｍＡであった。
【００３９】
静電容量を６ｐFとした場合の波形が、図５Ｄである。図から明らかなように、βの部分において、エミッタ電位がコレクタ電位よりも高くなっている。このため、供給電流Ｉが９．７５ｍＡと急激に低下する現象が起こっている。さらに、静電容量を６ｐＦとすると、図５Ｅのように、電流Ｉは８．１６ｍＡに低下する。
【００４０】
さらに、コンデンサＣxの静電容量を、７ｐＦ、８ｐＦ、１０ｐＦと増やすと、図６Ｆ、Ｇ、Ｈに示すように、電流Ｉが減少していく。
【００４１】
さらに静電容量を増やすと、今度は、供給電流Ｉが増加に転じる。図７Ｉ、Ｊ、Ｋに示すように、２０ｐＦ、３３ｐＦ、３６ｐＦの静電容量に対して、供給電流Ｉは、９．３５ｍＡ、１１．９０ｍＡ、１２．４１ｍＡと増加している。
【００４２】
上記のように、コンデンサＣxの静電容量の増加に応じて、供給電流Ｉが小さくなっていくことがわかる。
【００４３】
原理的には、静電容量の増加につれて電流が減少する領域、静電容量の増加につれて電流が増加する領域のいずれもセンサの動作領域として利用することができる。図４〜図７に示すように、電流が減少する領域のほうが電流の変化が大きく、感度がよいといえる。しかし、ドリフトが生じるため、この実施形態では、図７Ｊと図７Ｋの近傍をセンサの動作領域として用いている。
【００４４】
なお、この実施形態では、図３に示すように、コレクタ・エミッタ間に、ダイオードＤ10を接続している。これにより検出用静電容量の変化に対する供給電流Ｉの変化が大きくなるからである。図７Ｊ、図７Ｋに示すように、電流Ｉは、１１．９０ｍＡから１２．４１ｍＡに増加し、０．５１ｍＡの変化が生じている。これに対し、ダイオードＤ10を設けない回路においては、図７Ｊ、図７Ｋと同じ条件にて、１２．３３ｍＡから１２．８０ｍＡに増加し、０．４７ｍＡしか変化しなかった。このように、感度を向上させるため、コレクタ・エミッタ間に、ダイオードＤ10を接続している。
【００４５】
図８に、この発明の一実施形態による静電容量センサを、オイルの水分量検出に用いた例を示す。水中ポンプ２０は、メカニカルシール用の潤滑オイルを収納したオイル室２２を有している。このオイル室２２にセンサ本体部２４が取り付けられている。センサ本体部２４からは、オイル室２２の中に向けて検出電極２６が突出している。この検出電極２６とオイル室２０の筐体との間の静電容量を検出する。
【００４６】
潤滑オイルが水分を吸収すると、その潤滑性能が低下するため好ましくない。電極間にあるオイルに含有される水分量が増加すると、電極間の静電容量も増加する。そこで、この実施形態では、潤滑オイルで満たされた、検出電極２６とオイル室２０の筐体との間の静電容量を測定することにより、潤滑オイルの劣化を検出するようにしたものである。
【００４７】
図９に、上記静電容量センサの回路図を示す。基本的な構成は図３と同じである。ただし、検出電極２６と、トランジスタＱ10のエミッタとの間には、コンデンサＣ5が接続されている。このコンデンサＣ5は、検出電極２６が検出した直流分（ハムなど）をカットするためのものである。また、検出電極２６と接地が短絡をした場合であっても、このコンデンサＣ5の存在により、コンデンサＣ6の両端の短絡を防止することができる。
【００４８】
さらに、静電気を放電して悪影響をさけるために、検出電極２６と接地との間に放電管４０が設けられている。
【００４９】
エミッタと接地との間にコンデンサＣ6が設けられている。したがって、コイルＬ11に並列に接続される静電容量は、Ｃ5とＣxの直列合成静電容量と、Ｃ6の静電容量を足したものとなる。
【００５０】
コイルＬ11のインダクタンスは、温度上昇とともに上昇する。したがって、温度上昇があると、コンデンサＣxの静電容量が変わっていないにもかかわらずご検出を生じるおそれがある。そこで、この実施形態では、温度上昇とともに静電容量が低下するコンデンサＣ6を用いるようにして、上記の問題を解決している。コンデンサＣ6としては、たとえば、太陽誘電社製のアキシャルリード型セラミックコンデンサＵＰ０５０ＳＬ０１０Ｍ−Ａ−Ｂを用いることができる。
【００５１】
フィルタ用コンデンサＣ7が、抵抗Ｒ10の一端と接地との間に設けられている。このコンデンサＣ7により、交流成分がカットされ、直流成分だけが制御部３４に伝えられる。
【００５２】
抵抗Ｒ21とコンデンサＣ21によって、ローパスフィルタを構成している。このフィルタによって、交流分をさらにカットしている。フィルタの出力は、比較器３６に与えられる。比較器３６は、所定値以上の電流（電圧）であれば、リレーを駆動させる。
【００５３】
上記実施形態では、エミッタと接地との間にコイルＬ11を設けている。しかし、このコイルＬ11に代えて、抵抗を用いるようにしてもよい。ただし、抵抗を用いた場合には、図５、図６、図７に示すようなエミッタ電位とコレクタ電位の逆転現象は起こらず、供給電流Ｉの変化がそれほど大きくない。
【００５４】
また、上記実施形態では、コルピッツ型の発振回路を採用しているが、図１０に示すようにハートレイ型など、他の発振回路を採用してもよい。この場合においても、発振ループの外（エミッタと接地との間）に検出用静電容量（コンデンサＣx）を接続することが好ましい。検出用静電容量の変換に対する供給電流Ｉの変化が大きいからである。
【００５５】
さらに、上記各実施形態では、発振ループの外に検出用静電容量を接続するようにしているが、発振ループの中（つまり発振回路の周波数を決定する要素として）に検出用静電容量を接続してもよい。ただし、この場合には、検出用静電容量の変換に対する供給電流Ｉの変化は、発振ループの外に検出用静電容量を接続した場合に比べて、小さくなる。
【００５６】
上記実施形態では、増幅用回路素子としてトランジスタを用いているが、オペアンプなど他の増幅素子を用いてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、静電容量センサを、油中の水分量を検出するためのセンサとして用いているが、レベルセンサや近接センサなど静電容量センサ一般として用いることができる。
【００５８】
さらにまた、上記各実施形態では、コイルＬ11の値を固定し、コンデンサＣxの値の変化を検出するようにしている。しかし、コンデンサＣxの値を固定し、コイルＬ11（測定用インダクタンス）の値の変化を検出するようにしてもよい。たとえば、Ｌの増加（減少）などを検出する誘導センサとしてもよい。また、コイルＬ11とコンデンサＣxの双方の変化を検出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１ａ】従来技術による静電容量センサの回路図である。
【図１ｂ】図１ａの静電容量センサの実装状態を示す図である。
【図２ａ】従来技術による静電容量センサの回路図である。
【図２ｂ】図２ａの静電容量センサの実装状態を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による静電容量センサの回路図である。
【図４】図３の静電容量センサの動作波形図である。
【図５】図３の静電容量センサの動作波形図である。
【図６】図３の静電容量センサの動作波形図である。
【図７】図３の静電容量センサの動作波形図である。
【図８】この発明の一実施形態による静電容量センサの実装状態を示す図である。
【図９】図８の静電容量センサの回路図である。
【図１０】他の実施形態による静電容量センサの回路図である。
【符号の説明】
【００６０】
コンデンサ（検出用静電容量）・・・Ｃx
コイル・・・Ｌ11
トランジスタ・・・Ｑ10
【図１ａ】
2006010594.tif 000003
【図１ｂ】
2006010594.tif 000004
【図２ａ】
2006010594.tif 000005
【図２ｂ】
2006010594.tif 000006
【図３】
2006010594.tif 000007
【図４】
2006010594.tif 000008
【図５】
2006010594.tif 000009
【図６】
2006010594.tif 000010
【図７】
2006010594.tif 000011
【図８】
2006010594.tif 000012
【図９】
2006010594.tif 000013
【図１０】
2006010594.tif 000014