(57)【要約】【課題】外乱に影響されず正確な被検知物体と検知電極との距離を検出する。【解決手段】静電容量センサは、検知電極１を備えて構成されており、被検知物体２の近接によって変化する検知電極１の対接地静電容量Ｃｘを検出値として出力する。静電容量センサは、検知電極１が接続された信号線等に初期静電容量Ｃ０を有しており、検出値として出力される合成静電容量Ｃは検知電極１と被検知物体２との間の静電容量Ｃｘと初期静電容量Ｃ０の和となる。予め既知又は算出可能である少なくとも２点の距離において、静電容量Ｃｘと初期静電容量Ｃ０の和である合成静電容量Ｃを計測すれば、この２点での合成静電容量Ｃの差分から、検知電極１と被検知物体２との距離Ｌを計測することができる。【選択図】図１
2008046080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知物体の近接によって静電容量が変化する検知電極と、
この検知電極の静電容量を検知する静電容量検知回路と、
この静電容量検知回路で検知された静電容量に基づいて前記被検知物体と前記検知電極との距離を検出する制御回路と
を備えた静電容量センサにおいて、
前記制御回路は、
前記被検知物体が測定開始点に位置しているときに前記静電容量検知回路で検出された第１の静電容量と、前記被測定物体を前記測定開始点から所定距離移動させた点に位置したときに前記静電容量検知回路で検出された第２の静電容量との差分値から、前記被検知物体の位置を検出するものである
ことを特徴とする静電容量センサ。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記静電容量検知回路で検知された静電容量が、予め設定されたしきい値を超えたときに所定の処理を実行するものであり、
前記第１の静電容量と第２の静電容量との差分値から、初期静電容量を含めた前記静電容量の変動分を求め、前記しきい値を前記変動分だけ補正するものである
ことを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記測定開始点は既知であり、
前記制御回路は、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から前記被検知物体の誘電率を求めるものである
ことを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記測定開始点は既知であり、
前記制御回路は、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から前記被検知物体の面積を求めるものである
ことを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記制御回路は、
前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から、前記被検知物体の位置と前記検出される静電容量との関係を求めて記憶するものである
ことを特徴とする請求項１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、被検知物体と検知電極との間の静電容量に基づいて被検知物体の位置を検出する静電容量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被検知物体と検知電極との間の静電容量を、この静電容量変化を電圧や発振周波数などの検出値に変換し、この検出値に基づいて被検知物体の位置を検知する静電容量センサが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−２９４６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような静電容量センサでは、被検知物体が水分を含んでいたり、外部から金属が検知電極に近接していると、これらの外乱によって検出される静電容量が変化し、正確な被検知物体の位置を検出することができない。この結果、静電容量センサの誤動作を招くという問題が生じる。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、外乱に対する計測精度向上を実現した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】
【０００５】
本発明に係る静電容量センサは、被検知物体の近接によって静電容量が変化する検知電極と、この検知電極の静電容量を検知する静電容量検知回路と、この静電容量検知回路で検知された静電容量に基づいて前記被検知物体と前記検知電極との距離を検出する制御回路とを備えた静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記被検知物体が測定開始点に位置しているときに前記静電容量検知回路で検出された第１の静電容量と、前記被測定物体を前記測定開始点から所定距離移動させた点に位置したときに前記静電容量検知回路で検出された第２の静電容量との差分値から、前記被検知物体の位置を検出するものであることを特徴とする。
【０００６】
また、上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記静電容量検知回路で検知された静電容量が、予め設定されたしきい値を超えたときに所定の処理を実行するものであり、前記第１の静電容量と第２の静電容量との差分値から、初期静電容量を含めた前記静電容量の変動分を求め、前記しきい値を前記変動分だけ補正するように構成することができる。
【０００７】
更に、上記静電容量センサにおいて、前記測定開始点は既知であり、  前記制御回路は、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から前記被検知物体の誘電率を求めるように構成することができる。更に、前記測定開始点は既知であり、前記制御回路は、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から前記被検知物体の面積を求めるように構成することができる。
【０００８】
更に、上記静電容量センサにおいて、前記制御回路は、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分値から、前記被検知物体の位置と前記検出される静電容量との関係を求めて記憶するように構成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の静電容量センサによれば、被検知物体が近接する際に第１の距離及び第２の距離の差分値から検出値を得ることによって、信号線などが有する初期静電容量や、外乱によって発生する静電容量の影響をオフセットすることができる。これによって正確な被検知物体と検知電極との距離を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る静電容量センサを示す模式図である。
【００１２】
第１の実施形態に係る静電容量センサは、検知電極１を備えて構成されており、被検知物体２の近接によって変化する検知電極１の対接地静電容量Ｃｘを検出値として出力するものである。また、静電容量センサは検知電極１が接続された信号線等に初期静電容量Ｃ０を有しており、検出値として出力される合成静電容量Ｃは検知電極１と被検知物体２との間の静電容量Ｃｘと初期静電容量Ｃ０の和となる。
Ｃ＝Ｃｘ＋Ｃ０    …（１）
ここで、被検知物体２の近接によって変化する検知電極１の対接地静電容量Ｃｘは、ε：誘電率、Ｓ：被検知物体２が覆う検知電極１の面積、Ｌ：検知電極１と被検知電極２との間の距離、を用いて以下のように示すことができる。
Ｃｘ＝εＳ／Ｌ  …（２）
式（２）を式（１）に代入し下式が得られる。
Ｃ（Ｌ）＝（εＳ／Ｌ）＋Ｃ０  …（３）
よって、検知電極１と被検知物体２との間の距離がＬａ、Ｌｂであるときに出力される合成静電容量Ｃ（Ｌａ）、Ｃ（Ｌｂ）は次式となる。
Ｃ（Ｌａ）＝（εＳ／Ｌａ）＋Ｃ０  …（４）
Ｃ（Ｌｂ）＝（εＳ／Ｌｂ）＋Ｃ０  …（５）
ここで、距離ＬａとＬｂとの間の距離を距離ΔＬとすると、距離Ｌａと距離Ｌｂとの関係式は次のようになる。
Ｌｂ＝Ｌａ−ΔＬ  …（６）
式（４）から式（５）を減じて、式（６）を代入すると、
Ｃ（Ｌａ−ΔＬ）−Ｃ（Ｌａ）＝｛εＳ／（Ｌａ−ΔＬ）｝−（εＳ／Ｌａ）
…（７）
となり、更に、この式を展開すると次式が得られる。
Ｌａ２−ΔＬａ−〔εＳΔＬ／｛Ｃ（Ｌａ−ΔＬ）−Ｃ（Ｌａ）｝〕＝０  …（８）
式（８）において、静電容量Ｃ（Ｌａ−ΔＬ）及び静電容量Ｃ（Ｌａ）は、検知電極１と被検知物体２との距離が距離Ｌａ及びＬｂであるときに出力される合成静電容量Ｃであり、実測することにより得ることができる。ここで、距離ΔＬ、誘電率ε、面積Ｓが既知であれば距離Ｌａを算出することができる。なお、被検知物体２と検知電極１とが近接する速度ｖは予め既知であるとし、距離ΔＬは、この近接速度ｖに距離Ｌａから距離Ｌｂを移動するまでの時間ｔを掛け合わせることにより求めることができる。
【００１３】
これにより、図２に示すように、初期静電容量Ｃ０がＣ０１やＣ０２であっても初期静電容量Ｃ０には依存せずに、検出される合成静電容量Ｃから被検知物体の距離Ｌａを求めることができる。
【００１４】
次に、この静電容量センサに外乱による影響が加わった場合について説明する。被検知物体２に水分が含まれていたり、検知電極１に外部から金属などが近接する等の外乱が生じると、静電容量センサから出力される静電容量が変化する。このような外乱の影響によって増加した静電容量を静電容量Ｃ１とすると、出力される静電容量は静電容量Ｃｘ、初期静電容量Ｃ０及び外乱による静電容量Ｃ１の和となる。
Ｃ’（Ｌ）＝（εＳ／Ｌ）＋Ｃ０＋Ｃ１  …（９）
ここで、外乱による影響による静電容量Ｃ１が定常状態となったとき、距離Ｌａ、Ｌｂにおいて出力される合成静電容量Ｃ’は、以下のように表すことができる。
Ｃ’（Ｌａ）＝（εＳ／Ｌａ）＋Ｃ０＋Ｃ１  …（１０）
Ｃ’（Ｌｂ）＝（εＳ／Ｌｂ）＋Ｃ０＋Ｃ１  …（１１）
次に、式（１０）から式（１１）を減じて、式（６）を代入して式を展開すると、
Ｌａ２−ΔＬａ−〔εＳΔＬ／｛Ｃ’（Ｌａ−ΔＬ）−Ｃ’（Ｌａ）｝〕＝０
…（１２）
が得られる。ここで、静電容量Ｃ’（Ｌａ−ΔＬ）及び静電容量Ｃ’（Ｌａ）は、距離Ｌｂ、Ｌａにおいて出力される静電容量Ｃ’（Ｌｂ）、Ｃ’（Ｌａ）であり、実測することにより得ることができる。ここで、距離ΔＬ、誘電率ε、面積Ｓが既知であれば式（１２）から距離Ｌａを算出することができる。これによって、外乱が生じた場合であっても、初期静電容量Ｃ０及び外乱による静電容量Ｃ１に依存せずに、検出される静電容量Ｃ’から距離Ｌを求めることができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る静電容量センサの概略図である。第２の実施形態は、第１の実施形態における静電容量センサをセンサ部として備え、被検知物体２の近接による静電容量変化に応じて、アラーム出力等の検知信号を出力するように構成されたものである。
【００１５】
この静電容量センサは、検知電極１と、静電容量検知回路３と、制御回路４と、を備えて構成されている。検知電極１は、静電容量検知回路３に接続されている。静電容量検知回路３は、例えば発振回路を内蔵し、被検知物体の近接による静電容量Ｃｘ、初期静電容量Ｃ０、及び外乱によって生じる静電容量Ｃ１を含む合成静電容量Ｃに応じてデューティ比が変化するパルス信号Ｐoを生成して制御回路４に出力する。制御回路４は、静電容量検知回路３から入力されるパルス信号Ｐoを平滑化してデジタル値である検出値Ｖout変換する。
【００１６】
また、制御回路４は、距離が既知又は算出可能である少なくとも２点の合成静電容量Ｃに基づいた検出値Ｖoutから、その系の初期静電容量Ｃ０及び外乱による静電容量Ｃ１を算出し、任意の位置において予測される静電容量Ｃ（Ｌ）を算出する。更に、制御回路４は得られた式Ｃ（Ｌ）に検出したい距離Ｌthを代入することによって、検出したい距離Ｌthでのしきい値Ｃthを得て、後述する方法により電圧Ｖthに変換する。制御回路４は、しきい値Ｖthと検出値Ｖoutとの大小関係を比較して、その判定結果に応じて外部にアラーム出力を行うよう構成されている。
【００１７】
図５は、静電容量検知回路３の具体的な構成例を示す回路図である。
【００１８】
静電容量検知回路３は、２つのコンパレータ５、６と、これらコンパレータ５、６の出力がそれぞれリセット端子Ｒ、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）７と、このＲＳ−ＦＦ７の出力ＤＩＳを出力するバッファ８と、ＲＳ−ＦＦ７の出力ＤＩＳでＯＮ／ＯＦＦ制御されるトランジスタ９と、一定のパルス信号を発生するトリガ信号生成回路１０とを備えて構成されている。
【００１９】
コンパレータ６は、トリガ信号発生回路１０から出力される図６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Ｖth１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−ＦＦ７のＱ出力をセットする。
【００２０】
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９をＯＦＦ状態にする。トランジスタ９がオフ状態において、検知電極１と接地との間は、合成静電容量Ｃ、及び入力端と電源ラインＶＤＤ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される。
【００２１】
これにより、図６に示すように、入力信号Ｖinの電位が合成静電容量Ｃによって決まる速度で上昇する。ここで、入力信号Ｖinが抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で決まるしきい値Ｖth２を超えると、コンパレータ６の出力が反転してＲＳ−ＦＦ７の出力を反転させる。
【００２２】
この結果、トランジスタ９がＯＮ状態となり、検知電極２のチャージされた電荷がトランジスタ９を介して放電される。したがって、静電容量検知回路３は、検知電極１と接地との間の静電容量Ｃに基づくデューティ比で発振する検知パルス信号Ｐoを出力する。このように生成された検知パルス信号Ｐoは制御回路４に出力され電圧等の検出値Ｖoutに変換される。
【００２３】
図７は、このように構成された静電容量センサの動作を示すタイミングチャートである。
【００２４】
センサ電源がＯＮになると、静電容量センサは時間Ｔ１の間に検知電極１が正常に機能するか自己診断を行う。次に、自己診断が完了すると、距離Ｌａにおいて合成静電容量Ｃ（Ｌａ）の計測を行い検出値Ｖａを得る。検出値Ｖａを取得後、時間Ｔ２が経過すると、再度合成静電容量Ｃの計測を行って検出値Ｖｂを得る。取得された静電容量Ｃ（Ｌａ）及びＣ（Ｌｂ）は、制御回路４において式（８）又は式（１２）に代入され、計測を行った系における初期静電容量Ｃ０及び外乱による静電容量Ｃ１を含むオフセット量（Ｃ０又は（Ｃ０＋Ｃ１））が算出される。
【００２５】
ここで、この静電容量センサが、被検知物体１と検知電極２との間の距離Ｌが１５ｍｍのときにアラーム出力を行うよう設定されていると仮定すると、制御回路４は、上記より求められたオフセット量（Ｃ０又は（Ｃ０＋Ｃ１））と距離１５ｍｍを式（３）又は式（９）に代入して、しきい値とする静電容量Ｃ（１５ｍｍ）を得る。このように制御回路４は、しきい値となる静電容量Ｃ（１５ｍｍ）を得て、この静電容量Ｃ（１５ｍｍ）を検出値Ｖoutと同様の方法によってしきい値電圧Ｖth15mmに変換する。更に制御回路４は、このように得られたしきい値電圧Ｖth15mmと検出値Ｖoutとの大小関係を比較し、検出値Ｖoutがしきい値Ｖth15mmより大きくなると検知信号を出力して外部の電気回路（図示せず）にアラーム出力を行う。
【００２６】
図８に、この静電容量センサのフローチャートを示す。
【００２７】
はじめにｔ＝０において１回目の静電容量Ｃ（Ｌａ）を計測して検出値Ｖａを求め、経過時間ｔのカウントをはじめる（Ｓ１）。ここで、計測された検出値Ｖａと計測できる最大検出値Ｖlimとの大小関係を比較し（Ｓ２）、検出値Ｖａが最大検出値Ｖlimより大きいときは、アラーム出力を行い動作を終了する（Ｓ１３）。一方、検出値Ｖａが最大検出値Ｖlimより小さいときは、経過時間ｔと予め設定された時間Ｔ２との大小関係を比較する（Ｓ３）。
【００２８】
ここで、経過時間ｔが時間Ｔ２より小さいときは経過時間ｔが時間Ｔ２を超えるまで経過時間ｔのカウントを継続し（Ｓ４）、ｔが時間Ｔ２を超えると経過時間ｔのカウントを停止して（Ｓ５）、経過時間ｔ＝Ｔ２における静電容量を計測して検出値Ｖｂを出力する（Ｓ６）。ここで、Ｔ２に予め予測される被検知物体２の近接速度ｖを乗じることにより、距離Ｌａと距離Ｌｂの差である距離ΔＬを得ることができる。
【００２９】
次に、検出値Ｖｂから検出値Ｖａを減じた差分電圧Ｖｃを求め、この差分電圧Ｖｃが検出できる最小検出値Ｖminより大きいか判定を行い（Ｓ７）、差分電圧Ｖｃが最小検出値Ｖminより小さいときは、差分電圧Ｖｃが最小検出値Ｖminを超えるまで経過時間ｔのカウントを行う（Ｓ８）。
【００３０】
ここで、差分電圧Ｖｃが最小検出値Ｖminより大きくなると、差分電圧Ｖｃと予め設定された最大しきい値Ｖth20mmとの大小関係を比較し（Ｓ９）、差分電圧Ｖｃが最大しきい値Ｖth20mmより大きければアラーム出力を行って動作を終了する（Ｓ１３）。なお、最大しきい値Ｖth20mmは、例えば検出したい距離Ｌが１５ｍｍ±５ｍｍであるときの最大距離２０ｍｍにおいて、上記したしきい値設定方法によって算出されたものである。
【００３１】
一方、差分電圧Ｖｃが最大しきい値Ｖth20mmより小さければ原理において説明したように、２点の計測によって得られた検出値Ｃ（Ｌａ）及びＣ（Ｌｂ）を用いてしきい値Ｖth15mmを演算し（Ｓ１０）、検出値Ｖoutがしきい値Ｖth15mmを超えるまで検出値Ｖoutの測定を行う（Ｓ１１）。ここで、検出値Ｖoutがしきい値Ｖth15mmを超えると（Ｓ１２）、アラーム出力を行い動作を終了する（Ｓ１３）。
【００３２】
このように、２点における静電容量Ｃ（Ｃ’）を計測し、その差分電圧Ｖｃから初期静電容量Ｃ０や外乱による静電容量Ｃ１を求めることで、その系に応じたしきい値Ｖthを設定することができる。そのため、初期静電容量Ｃ０や外乱による静電容量Ｃ１を考慮したしきい値Ｖthと検出値Ｖoutを比較することにより、初期静電容量Ｃ０や外乱の影響に左右されずに正確な被検知物体２の近接を検知することができる。
【００３３】
なお、実施形態の説明では、検知電極１の電極面積Ｓが既知であるとして説明したが、電極面積Ｓが未知である場合には、以下のような動作を加えることで、しきい値Ｖthを設定することが可能である。
【００３４】
はじめに、距離Ｌが既知である２点において静電容量の計測を行う。例えば、距離Ｌが０ｍｍのところから被検知物体２又は検知電極１を移動させて距離Ｌを１０ｍｍ、２０ｍｍとし、このときの静電容量検知回路３の出力を取得する。ここで、距離１０ｍｍ及び２０ｍｍによって出力される静電容量Ｃは以下のようになる。
Ｃ（１０ｍｍ）＝（εＳ／１０ｍｍ）＋Ｃｘ  …（１３）
Ｃ（２０ｍｍ）＝（εＳ／２０ｍｍ）＋Ｃｘ  …（１４）
また、式（１３）から式（１４）を引いて面積Ｓについて解くと、
Ｓ＝｛Ｃ（１０ｍｍ）−Ｃ（２０ｍｍ）｝／｛（ε／１０ｍｍ）−（ε／２０ｍｍ）｝
…（１５）
となり、誘電率εが既知であれば面積Ｓを求めることができる。この動作を更に加えることにより、面積Ｓが未知であってもしきい値Ｖthを算出することができる。
【００３５】
一方、面積Ｓが既知であるときは、式（１３）から誘電率εを計測することができる。また、誘電率εの変化は、例えば水分の含有量の変化によって変動するため、本発明の静電容量センサを湿度の計測にも利用することができる。
【００３６】
本実施形態では、検知電極１に被検知物体２が近接するよう構成されているが、被検知物体２に検知電極１又は静電容量センサが近接するよう構成してもよい。  また、静電容量を検出値として電圧に変換する代わりに、検出値に応じたデューティ比を有するパルス波を出力したり、検出値に応じた発振周波数を出力する発振回路を構成してもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、演算処理によって距離Ｌや誘電率εを算出しているが、制御回路４に例えば、データテーブルを格納したメモリを接続し、任意の位置Ｌにおいて静電容量Ｃ又は検出値Ｖをモニタリングするように構成することもできる。このようにデータテーブルを基に現在の距離やしきい値の判定を行うことで、瞬時に被検知物体の位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の系における静電容量センサのセンサ部の模式図である。
【図２】距離と静電容量の関係を示す図である。
【図３】第２の系における静電容量センサのセンサ部の模式図である。
【図４】本発明に係る静電容量センサの構成を示す図である。
【図５】同静電容量センサの静電容量式検知回路の具体的構成を示す図である。
【図６】同静電容量センサの静電容量式検知回路のタイミングチャートを示す図である。
【図７】静電容量センサのタイミングチャートを示す図である。
【図８】静電容量センサのフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…検知電極、２…被検知物体、３…静電容量検出回路、４…制御回路、５，６…コンパレータ、７…ＲＳフリップフロップ回路、８…バッファ、９…トランジスタ、１０…トリガ信号発生回路。
【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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【図７】
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【図８】
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