(57)【要約】【課題】測定静電容量誤差を小さくし、且つ感度を向上させることが可能な静電容量センサを提供する。【解決手段】正弦波発振回路１と、その正弦波信号を、同一位相の信号と位相が１８０度シフトしている位相反転信号に変換する回路手段２と、被測定静電容量Ｃｘ及び基準となる比較静電容量の直列回路３であって、一端に前記同一位相の信号が、他端に前記位相反転信号がそれぞれ印加されるものと、被測定静電容量Ｃｘと比較静電容量との接続点から差動検知信号を取り出し、インピーダンス変換するインピーダンス変換手段４と、その出力に、位相を略９０度ずらせた前記発振回路１の正弦波信号の一部を付加信号として加える付加手段５と、付加信号を加えた後の出力を増幅する増幅手段６と、その出力を前記発振回路１からの信号によって位相検波する位相検波手段７と、その出力を平滑化する平滑手段８とを備える。【選択図】　　　　図１
2004028719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波発生信号源と、
該正弦波発生信号源の正弦波信号を、同一位相の信号と位相が１８０度シフトしている位相反転信号に変換する回路手段と、
被測定静電容量及び基準となる比較静電容量の直列回路であって、一端に前記同一位相の信号が、他端に前記位相反転信号がそれぞれ印加されるものと、
前記被測定静電容量と比較静電容量との接続点から差動検知信号を取り出し、インピーダンス変換するインピーダンス変換手段と、
該インピーダンス変換手段の出力に、位相を略９０度ずらせた前記正弦波発生源の正弦波信号の一部を付加信号として加える付加手段と、
前記付加信号を加えた後の出力を増幅する増幅手段と、
該増幅手段の出力を前記正弦波発生源からの信号によって位相検波する位相検波手段と、
前記位相検波手段の出力を平滑化して直流出力を得る平滑手段とを備えることを特徴とする静電容量センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量の変化を検出するための静電容量センサに係り、とくに微小な静電容量の変化、例えば物体検知、水分検知、湿度検知、あるいは近接する物体の監視等にも好適な静電容量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２つのペアとなる静電容量があり、１つは検出対象となる静電容量で、通常は適当に配置された２つの電極の静電容量と対象となる物体の接近による微小な静電容量が加算されたもので、他は基準となる一定の静電容量で構成される。この２つの静電容量差を検知するために特許第３０３６６８０号公報、特開平６−２２２０３２号にあるような差動増幅を用いて検知する方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２つの静電容量の差を捕らえるために、１つの基準信号を抵抗と前記２つの静電容量を直列に接続したものに加え、それぞれの静電容量に生じる１次遅れの信号の差分を差動増幅器から出力させるのが一般的であるが、前記静電容量の変化は非常に小さいため、回路の温度変動、ドリフトなどの影響を大きく受け、あまり精度がとれないのが実情である。
【０００４】
通常、最適感度を得るため抵抗と静電容量のインピーダンスをほぼ同じに設定した場合、比較基準側と検出容量側の位相は元の基準信号に対し４５度遅れており、検出容量側の容量が増加するとわずかな位相ずれによる振幅の差を演算増幅器（オペアンプ）で増幅するので、演算増幅器の増幅度と位相ずれによる変化の積が出力に表れる。
【０００５】
しかしながら、この従来方式は元の基準信号の大きさ、外部交流ノイズ信号の影響を大きく受けるため、静電容量の微小変化を捕らえるには問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑み、測定静電容量誤差を小さくし、且つ感度を向上させることが可能な静電容量センサを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量センサは、正弦波発生信号源と、
該正弦波発生信号源の正弦波信号を、同一位相の信号と位相が１８０度シフトしている位相反転信号に変換する回路手段と、
被測定静電容量及び基準となる比較静電容量の直列回路であって、一端に前記同一位相の信号が、他端に前記位相反転信号がそれぞれ印加されるものと、
前記被測定静電容量と比較静電容量との接続点から差動検知信号を取り出し、インピーダンス変換するインピーダンス変換手段と、
該インピーダンス変換手段の出力に、位相を略９０度ずらせた前記正弦波発生源の正弦波信号の一部を付加信号として加える付加手段と、
前記付加信号を加えた後の出力を増幅する増幅手段と、
該増幅手段の出力を前記正弦波発生源からの信号によって位相検波する位相検波手段と、
前記位相検波手段の出力を平滑化させて直流出力を得る平滑手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電容量センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る静電容量センサの実施の形態を示す。この図において、電源入力端子Ｖｉｎとコモン端子ＣＯＭＭＯＮ（グランド端子）間に直流電源電圧が供給されている。正弦波発生信号源としての自励発振器１はエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１、コイルＬ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、及び抵抗Ｒ１，Ｒ２を有しており、コイルＬ１、コンデンサＣ１，Ｃ２の共振回路で定まる周波数、例えば５００ｋＨｚ程度で発振するものである。
【００１１】
前記自励発振器１の信号波形は図２に示され、図２の電圧波形図中、波形Ｌ１（２）はコイルＬ１が接続されたＥＸ１の入力端子▲２▼側の電圧波形、波形Ｒ１（３）は抵抗Ｒ１が接続されたＥＸ１の出力端子▲３▼側の電圧波形であり、いずれも端子ＣＯＭＭＯＮを基準としている。
【００１２】
同相及び反転信号変換回路手段２は、正弦波発生信号源としての自励発振器１の正弦波信号を受けて同一位相の信号と位相が１８０度シフトしている位相反転信号に変換する回路手段であり、トランジスタＱ２、ベース側の抵抗Ｒ３，Ｒ４、コレクタ側の抵抗Ｒ５、エミッタ側の抵抗Ｒ６を有している。トランジスタＱ２のベースに抵抗Ｒ２を介して自励発振器１の正弦波信号が印加され、トランジスタＱ２のエミッタと抵抗Ｒ６との接続点と端子ＣＯＭＭＯＮ間（つまり抵抗Ｒ６両端）に前記正弦波信号と同一位相の同相信号が得られ、抵抗Ｒ５とトランジスタＱ２のコレクタとの接続点と端子Ｖｉｎ間に前記正弦波信号と位相が１８０°シフトした反転信号が得られる。
【００１３】
図３の電圧波形図中、波形Ｌ１（２）はコイルＬ１が接続されたＥＸ１の入力端子▲２▼側の電圧波形、波形Ｒ４はトランジスタＱ２のベースと抵抗Ｒ４との接続点の電圧波形であり、端子ＣＯＭＭＯＮを基準としている。両者の電圧波形は同相である。また、図４の電圧波形図中、波形Ｒ５はトランジスタＱ２のコレクタと抵抗Ｒ５との接続点の電圧波形であり、波形Ｒ６はトランジスタＱ２のエミッタと抵抗Ｒ６との接続点の電圧波形（図３の波形Ｌ１（２）と同相）であり、いずれも端子ＣＯＭＭＯＮを基準としている。両者の位相は互いに１８０度シフトしていることが判る。
【００１４】
被測定静電容量Ｃｘ及び基準となる比較静電容量（一定容量）としてのコンデンサＣ５の直列回路３がトランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間に接続されている。つまり、直列回路３の一端（コンデンサＣ５の一端）に前記同相信号が、他端（被測定静電容量Ｃｘの一端）に前記位相反転信号がそれぞれ印加される。
【００１５】
インピーダンス変換手段４は、トランジスタＱ１、及び抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９を有しており、前記被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５との接続点から差動検知信号を取り出し、インピーダンス変換（入力側がハイインピーダンス、出力側がローインピーダンスとなるように）するものである。
【００１６】
ここで、トランジスタＱ２のエミッタ側の同相信号とコレクタ側の位相反転信号の振幅を等しくし、かつ初期設定において被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５の静電容量を一致させておけば、当初被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５との接続点の差動検知信号が零となるため、このように設定しておくことが最も好ましい。
【００１７】
インピーダンス変換手段４の出力に略９０度位相をずらせた自励発振器１の正弦波信号の一部を付加信号として加える付加手段５は抵抗Ｒ２とコンデンサＣ６の直列回路で構成され、トランジスタＱ１のエミッタ側より取り出された出力信号に、元の正弦波信号を抵抗Ｒ２とコンデンサＣ６を介して低インピーダンスの抵抗Ｒ９に約９０度位相を遅らせた付加信号として付加（重畳）している。
【００１８】
前記付加信号を加えた後の出力を増幅する増幅手段６は、エクスクルーシブ・オア回路ＥＸ２、コンデンサＣ４及び抵抗Ｒ１０を有し、コンデンサＣ４を介して前記付加信号を加えた後の出力はＥＸ２の入力端子▲２▼に印加される。なお、エクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１，ＥＸ２の入力端子▲１▼には電源入力端子Ｖｉｎの直流供給電圧が印加されている。この増幅手段６は入力信号を波形整形した出力信号をＥＸ２の出力端子に出す。
【００１９】
前記増幅手段６の出力を前記自励発振器１の信号によって位相検波する位相検波手段７は、エクスクルーシブ・オア回路ＥＸ３で構成され、自励発振器１の波形整形された信号（ＥＸ１の出力端子▲３▼の信号）がＥＸ３の入力端子▲１▼に印加され、前記増幅手段６の波形整形された出力（ＥＸ２の出力端子▲３▼の出力）がＥＸ３の入力端子▲２▼に印加される。位相検波手段７の位相検波出力はＥＸ３の出力端子▲３▼に得られる。
【００２０】
前記位相検波手段７の出力を平滑化して直流出力を得る平滑手段８は、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ７とで構成され、ＥＸ３の出力が抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ７とで平滑化（平均値化）されてセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１に出力される。
【００２１】
次に、この実施の形態の動作説明を行う。ここでは、同相及び反転信号変換回路手段２のトランジスタＱ２のエミッタ側の同相信号とコレクタ側の位相反転信号の振幅を等しくし、かつ初期設定において被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５（一定の比較静電容量）の静電容量値を一致させ、当初被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５との接続点の差動検知信号が零となるように設定してあるものとする。
【００２２】
前記被測定静電容量Ｃｘに変化がなければ、インピーダンス変換手段４への入力信号となる前記差動検知信号は零であり、元の正弦波信号を約９０度位相を遅らせた付加信号のみが増幅手段６で波形整形され、図２のＥＸ１の出力端子▲３▼側の信号波形Ｒ１（３）を用いて位相検波手段７で位相検波される。従って、前記被測定静電容量Ｃｘに変化がなければ、９０度位相遅れ分の直流電圧がセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１に出力される。
【００２３】
何らかの原因（物体の近接又は離間、水分付着又は消失、湿度変化等）で被測定静電容量Ｃｘが初期設定値よりも増加した場合、前記差動検知信号として位相が１８０度シフトした位相反転信号が現れ、図５の波形図のように、ＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）に対し１８０度シフトした信号波形Ｒ９ａがインピーダンス変換手段４の出力に得られる。この信号波形Ｒ９ａは位相検波手段７の一方の入力信号（ＥＸ１の出力端子▲３▼の信号であって、ＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）を１８０度シフトした波形）と同相であるから、この結果、元の正弦波信号を約９０度位相を遅らせた付加信号のみの場合よりも位相検波手段７の検波出力は、図７の信号波形Ｒ１１ａ（端子ＣＯＭＭＯＮを基準としたＥＸ３の出力端子▲３▼の電圧波形）のように増加し、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ７の平滑手段８で平滑化されたセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧は大きくなる。つまり、被測定静電容量Ｃｘの増加の度合いが大きいほど、センサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧も増大する。
【００２４】
逆に、何らかの原因（物体の近接又は離間、水分付着又は消失、湿度変化等）で被測定静電容量Ｃｘが初期設定値よりも減少した場合、前記差動検知信号として位相が元の正弦波信号と一致した同相信号が現れ、図６の波形図のように、ＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）と同相の信号波形Ｒ９ｂがインピーダンス変換手段４の出力に得られる。この信号波形Ｒ９ａは位相検波手段７の一方の入力信号（ＥＸ１の出力端子▲３▼の信号であって、ＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）を１８０度シフトした波形）と１８０度位相がずれているから、元の正弦波信号を約９０度位相を遅らせた付加信号のみの場合よりも位相検波手段７の検波出力は、図８の信号波形Ｒ１１ｂ（端子ＣＯＭＭＯＮを基準としたＥＸ３の出力端子▲３▼の電圧波形）のように減少し、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ７の平滑手段８で平滑化されたセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧は小さくなる。つまり、被測定静電容量Ｃｘの減少の度合いが大きいほど、センサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧も減少する。
【００２５】
図９は被測定静電容量Ｃｘとセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧との関係を示す検知容量−出力電圧特性図である。但し、比較静電容量Ｃ５＝３ｐＦとした。
【００２６】
この図１の回路の特長は、被測定静電容量Ｃｘの変化を増幅する検知感度が、Ｃｘ、Ｃ５、Ｒ２、Ｃ６のパラメーター、すなわちトランジスタＱ１のエミッタに得られる差動検知信号の大きさと、約９０度位相遅れの信号の大きさとの比で決定され、また、位相検波方式を採用しているため、元の信号の大きさや外部ノイズの影響をほとんど受けない特長を持つ。
【００２７】
なお、被測定静電容量ＣｘとコンデンサＣ５の直列回路において、被測定静電容量Ｃｘの一端をトランジスタＱ２のエミッタに、コンデンサＣ５の一端をコレクタに接続する構成としてもよく、この場合は被測定静電容量Ｃｘが増大するとセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧が小さくなることで容量変化を検知できる。
【００２８】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電容量センサによれば、微小な静電容量の変化を安定かつ高精度で検知でき、外部ノイズの影響に対しても強く、Ｓ／Ｎ比が大きく取れる利点がある。また、動作が安定であり、回路のシールドが不要である。さらに、回路構成が簡易であり、コスト低減を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量センサの実施の形態を示す回路図である。
【図２】実施の形態における自励発振器のエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及び出力端側の電圧波形｛Ｒ１（３）｝を示す電圧波形図である。
【図３】実施の形態におけるエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及びトランジスタＱ２のベースと抵抗Ｒ４との接続点の電圧波形（Ｒ４）を示す電圧波形図である。
【図４】実施の形態におけるトランジスタＱ２のコレクタと抵抗Ｒ５との接続点の電圧波形（Ｒ５）、及びトランジスタＱ２のエミッタと抵抗Ｒ６との接続点の電圧波形（Ｒ６）を示す電圧波形図である。
【図５】実施の形態におけるエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及びＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）に対し１８０度シフトしたインピーダンス変換手段の出力電圧波形Ｒ９ａを示す電圧波形図である。
【図６】実施の形態におけるエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及びＥＸ１の入力端子▲２▼側の信号波形Ｌ１（２）と同相のインピーダンス変換手段の出力電圧波形Ｒ９ｂを示す電圧波形図である。
【図７】実施の形態におけるエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及び被測定静電容量Ｃｘが増大したときの位相検波出力電圧波形（Ｒ１１ａ）を示す電圧波形図である。
【図８】実施の形態におけるエクスクルーシブ・オア回路ＥＸ１の入力端側電圧波形｛Ｌ１（２）｝、及び被測定静電容量Ｃｘが減少したときの位相検波出力電圧波形（Ｒ１１ｂ）を示す電圧波形図である。
【図９】実施の形態における被測定静電容量Ｃｘ（検知容量）とセンサ出力端子Ｖｏｕｔ１の直流電圧（出力電圧）との関係を示す検知容量−出力電圧特性図である。
【符号の説明】
１　自励発振器
２　同相及び反転信号変換回路手段
３　直列回路
４　インピーダンス変換手段
５　付加手段
６　増幅手段
７　位相検波手段
８　平滑手段
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７　コンデンサ
Ｃｘ　被測定静電容量
ＥＸ１，ＥＸ２，ＥＸ３　エクスクルーシブ・オア回路
Ｌ１　コイル
Ｑ１，Ｑ２　トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ１１　抵抗
【図１】
2004028719.tif 000003
【図２】
2004028719.tif 000004
【図３】
2004028719.tif 000005
【図４】
2004028719.tif 000006
【図５】
2004028719.tif 000007
【図６】
2004028719.tif 000008
【図７】
2004028719.tif 000009
【図８】
2004028719.tif 000010
【図９】
2004028719.tif 000011