(57)【要約】【課題】静電容量型センサの初期容量を低減するとともに配線容量等の影響を低減し、これによって静電容量型距離測定装置の測定精度を向上させる。【解決手段】静電容量型センサは、並列接続された測定用コンデンサ１１０および負性容量回路１２０を備えている。負性容量回路１２０により、静電容量型センサの初期容量が実質的に零に設定され、検出対象物２００の静電容量のみが出力される。静電容量型センサの出力は容量増幅回路１３０によって増幅される。容量増幅回路１３０が出力する静電容量と抵抗１５０とによってＲＣ回路が構成される。このＲＣ回路の時定数により、発振回路１４０から出力される矩形波電圧が閾値電圧に達するまでの立ち上がり時間が変動する。比較回路１６０および時定数測定回路１８０は、この変動から、ＲＣ回路の時定数を測定する。変換回路１９０は、この時定数を静電容量値に変換する。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を介して対向配置された送信電極および受信電極を有する測定用コンデンサと、
該測定用コンデンサと並列に接続され、負の静電容量を発生させる負性容量回路と、
を備える静電容量型センサ。
【請求項２】
前記負性容量回路が、
正入力端子が第１抵抗を介して前記送信電極に接続され且つ負入力端子が第２抵抗を介して前記受信電極に接続された差動増幅回路と、
一端が前記送信電極に接続され且つ他端が前記差動増幅回路の出力端子に接続された負性容量用コンデンサと、
一端が前記差動増幅回路の負入力端子に接続され且つ他端が該差動増幅回路の出力端子に接続された可変抵抗と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項３】
前記測定用コンデンサが筐体の内側に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型センサ。
【請求項４】
誘電体を介して対向配置された送信電極および受信電極を有する測定用コンデンサと、該測定用コンデンサと並列に接続され、負の静電容量を発生させる負性容量回路とを備える静電容量型センサと、
該静電容量型センサの出力を増幅する容量増幅回路と、
所定電圧且つ所定周期の矩形波電圧を出力する発振回路と、
一端が前記発振回路の出力に接続され且つ他端が前記容量増幅回路の出力端子に接続された第３抵抗と、
一方の入力端子から前記第３抵抗を介して前記矩形波電圧を入力し且つ他方の入力端子から閾値電圧を入力する比較回路と、
該比較回路の出力電位に基づいて、前記容量増幅回路および前記第３抵抗によって構成されるＲＣ回路の時定数を測定する時定数測定回路と、
該時定数測定回路に測定された前記時定数を前記静電容量型センサの静電容量に変換する変換回路と、
を備えることを特徴とする静電容量型距離測定装置。
【請求項５】
前記容量増幅回路が、
正入力端子が前記送信電極に接続された差動増幅回路と、
一端が前記差動増幅回路の出力端子に接続され且つ他端が前記第３抵抗の他端に接続された第４抵抗と、
一端が前記差動増幅回路の正入力端子に接続され且つ他端が前記第４抵抗の他端に接続された第５抵抗と、
一端が前記差動増幅回路の負入力端子に接続され且つ他端が該差動増幅回路の出力端子に接続された第６抵抗と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型距離測定装置。
【請求項６】
前記第３抵抗が、検出対象物と前記測定用コンデンサとの距離に応じて複数の抵抗値を切り換える可変抵抗であることを特徴とする請求項４または５に記載の静電容量型距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型センサと、これを用いて検出対象物の存在／非存在の検出や距離測定を行う静電容量型距離測定装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、静電容量型センサを用いて検出対象物の存在／非存在の検出や距離測定を行う距離測定装置が知られている。この種の距離測定装置を開示する文献としては、例えば下記特許文献１が知られている。
【０００３】
この特許文献で開示された距離測定装置は、測定用の静電容量Ｃｓと検出回路の静電容量Ｃｉとを備えている。各静電容量において、一方の電極は接地され、他方の電極はインダクタンスＬに接続されている。これにより、直列共振回路が構成されている。
【０００４】
人体等の検出対象物が静電容量Ｃｓに接近すると、静電容量Ｃｓの容量値が変化する。したがって、直列共振回路の共振周波数も変化するので、特定周波数における出力電圧が変化する。この電圧変化を検出回路で直流成分に変換し、さらに、微分回路で変化状態を示す信号に変換する。微分回路の出力信号は、人体等の動作を表す信号になる。加えて、比較器を用いて微分回路の出力信号と基準電圧とを比較することにより、人体等が設定距離よりも近づいたことを検出できる。共振周波数は、検出回路の静電容量Ｃｉを変化させることによって、調節することができる。
【０００５】
このように、静電容量型距離測定装置では、合成容量Ｃｓ＋Ｃｉの変化によって、人体等の検出を行っている。この合成容量Ｃｓ＋Ｃｉの初期容量（すなわち、検出対象物が存在しないときの容量）は、零にはならない。したがって、人体等が検出されたときの静電容量も、初期容量を含んだ値になる。このため、検出された静電容量を増幅するときに、初期容量分も増幅されてしまうことになる。
【０００６】
また、初期容量には、静電容量の電極とインダクタンスＬ等とを接続する配線の容量も含まれている。
【０００７】
しかしながら、静電容量型距離測定装置の測定精度を高めるためには、この初期容量の影響を可能な限り小さくすることが望ましい。
【特許文献１】特開２００２−３９７０８号公報（段落００２７〜００２９、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、静電容量型センサの初期容量を低減するとともに配線容量等の影響を低減し、これによって静電容量型距離測定装置の測定精度を向上させる点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係る静電容量型センサは、誘電体を介して対向配置された送信電極および受信電極を有する測定用コンデンサと、該測定用コンデンサと並列に接続され、負の静電容量を発生させる負性容量回路とを備える。
【００１０】
第２の発明に係る静電容量型距離測定装置は、誘電体を介して対向配置された送信電極および受信電極を有する測定用コンデンサと測定用コンデンサと並列に接続されて負の静電容量を発生させる負性容量回路とを備える静電容量型センサと、静電容量型センサの出力を増幅する容量増幅回路と、所定電圧且つ所定周期の矩形波電圧を出力する発振回路と、一端が発振回路の出力に接続され且つ他端が容量増幅回路の出力端子に接続された第３抵抗と、一方の入力端子から第３抵抗を介して矩形波電圧を入力し且つ他方の入力端子から閾値電圧を入力する比較回路と、比較回路の出力電位に基づいて容量増幅回路および第３抵抗によって構成されるＲＣ回路の時定数を測定する時定数測定回路と、時定数測定回路で測定された時定数を静電容量型センサの静電容量に変換する変換回路とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、負の静電容量を発生させる負性容量回路を測定用コンデンサと並列に接続したので、静電容量型センサの初期容量を減少させることができる。これにより、初期容量を低減するとともに、配線等の影響を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、図中、各構成成分の大きさ、形状および配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的条件は単なる例示にすぎない。
【００１３】
第１実施形態
以下、第１実施形態に係る静電容量型距離測定装置について、図１〜図６を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る静電容量型距離測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１に示したように、この静電容量型距離測定装置１００は、測定用コンデンサ１１０、負性容量回路１２０、容量増幅回路１３０、発振回路１４０、抵抗１５０、比較回路１６０、閾値電圧発生回路１７０、時定数測定回路１８０および変換回路１９０を備えている。測定用コンデンサ１１０および負性容量回路１２０によって、本実施形態の静電容量型センサが構成されている。なお、図１において、コンデンサ２００は、検出対象物である。
【００１５】
測定用コンデンサ１１０は、受信電極１１１および送信電極１１２を備えている。受信電極１１１は、接地されている。一方、送信電極１１２は、ノードＮ２に接続されている。図２（Ａ）に示したように、電極１１１，１１２の間は、導通しないように、不導体１１３で満たされている。また、受信電極１１１は、筐体（接地された不導体）１１４に、支持部材１１５によって固定されている。送信電極１１２は、支持部材１１６によって、受信電極１１１と等間隔になるように、固定されている。
【００１６】
負性容量回路１２０は、測定用コンデンサ１１０の初期容量を低減するための回路である。図３の回路図に示したように、負性容量回路１２０は、測定用コンデンサと並列に接続されており、差動増幅器３０１、コンデンサ３０２、抵抗３０３〜３０５および可変抵抗３０６を備えている。差動増幅器３０１の正入力端子は、抵抗３０３を介してコンデンサ１１０の送信電極１１２と接続され、且つ、コンデンサ３０２を介して差動増幅器３０１の出力端子と接続される。また、差動増幅器３０１の負入力端子は、抵抗３０４を介してコンデンサ１１０の受信電極１１１と接続され、且つ、抵抗３０５および可変抵抗３０６を介して差動増幅器３０１の出力端子と接続される。
【００１７】
容量増幅回路１３０は、測定用コンデンサ１１０、負性容量回路１２０および検出対象物２００によって得られる合成容量Ｃｔ（後述）を増幅する。図４の回路図に示したように、容量増幅回路１３０は、差動増幅器４０１と、抵抗４０２〜４０４とを備えている。差動増幅器４０１の正入力端子は、ノードＮ２に接続され、且つ、抵抗４０２，４０３を介して差動増幅器４０１の出力端子に接続されている。差動増幅器４０１の負入力端子は、抵抗４０４を介して差動増幅器４０１の出力端子に接続されている。また、抵抗４０２，４０３の接続点は、ノードＮ３に接続されている。
【００１８】
発振回路１４０は、所定電圧且つ所定周波数の矩形波電圧を生成・出力する。
【００１９】
抵抗１５０は、一端が発振回路１４０の出力端子に接続され、他端がノードＮ３に接続されている。抵抗１５０の抵抗値を、Ｒとする。
【００２０】
比較回路１６０は、ノードＮ３の電圧Ｖと、閾値電圧発生回路１７０で生成された閾値電圧Ｖthとを比較する。比較回路１６０の出力電圧は、Ｖ＞Ｖthのときハイレベルになり、Ｖ＜Ｖthのときローレベルになる。
【００２１】
閾値電圧発生回路１７０は、閾値電圧Ｖthを生成・出力する。閾値電圧Ｖthの値は、発振回路１４０で生成される矩形波電圧のハイレベルの、例えば０．６３２倍である。上述のように、閾値電圧Ｖthは、矩形波電圧のハイレベル／ローレベルを判定するための、閾値電圧として使用される。
【００２２】
時定数測定回路１８０は、比較回路１６０の出力電圧を用いて、容量増幅回路１３０による静電容量値と抵抗１５０とから構成されるＲＣ回路の時定数を測定する（後述）。
【００２３】
変換回路１９０は、時定数測定回路１８０から入力された時定数を、所定の関数を用いて、静電容量に変換する（後述）。これにより、測定用コンデンサ１１０と検出対象物２００との距離に応じた静電容量値が、出力される。
【００２４】
次に、本実施形態に係る静電容量型距離測定装置１００の動作原理を説明する。
【００２５】
測定用コンデンサ１１０は、固定の静電容量Ｃｉを有している。この静電容量Ｃｉには、電極１１１，１１２に接続された配線などによる静電容量も含まれている。
【００２６】
負性容量回路１２０の静電容量Ｃｊは、コンデンサ３０２の静電容量をＣｎ、抵抗３０５と可変抵抗３０６との合成抵抗値をｒ１、抵抗３０４の抵抗値をｒ２とすると、Ｃｊ＝−（ｒ２／ｒ１）×Ｃｎで与えられる。
【００２７】
静電容量型センサの初期容量（検出対象物２００が存在しないときの静電容量）は、Ｃｉ＋ＣｊすなわちＣｉ−（ｒ２／ｒ１）・Ｃｎで与えられる。上述のように、抵抗ｒ１は、可変抵抗３０６（図３参照）によって調整することができる。したがって、可変抵抗３０６の抵抗値を変化させることによって、初期容量を調整することができる。初期容量は、可能な限り小さい値に設定することが望ましい。但し、初期容量を完全に零にすると、検出対象物２００が存在しないときに、時定数測定回路１８０が時定数を測定できなくなる（後述）。このため、初期容量は、零以外の値に設定される。
【００２８】
次に、測定用コンデンサ１１０から距離Ｄの位置に検出対象物２００（静電容量Ｃｏ）が存在する場合を考える（図２（Ｂ）参照）。このとき、コンデンサ１１０、負性容量回路１２０および検出対象物２００の合成容量Ｃｔは、Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｏである。上述のように、Ｃｉ＋Ｃｊ≒０であるので、合成容量Ｃｔ≒Ｃｏとなる。
【００２９】
図５（Ａ）に、距離Ｄと合成容量Ｃとの関係を示す。図５（Ａ）から解るように、距離Ｄが近くなるほど、合成容量Ｃｔも大きくなる。したがって、静電容量の変化量を測定することにより、検出対象物２００が近づいたことを検出できる。また、上述のように初期容量Ｃｉ＋Ｃｊ≒０なので、距離Ｄが長くなるにしたがって合成容量Ｃｔは零に近づく。但し、距離Ｄが非常に長くなって検出対象物２００が検出されなくなっても、合成容量Ｃｔは完全な零にはならない。
【００３０】
このように、本実施形態では、負性容量回路１２０を設けたので、距離Ｄが非常に長い場合の合成容量Ｃｔを、零に近い値にすることができる。図５（Ｂ）に、負性容量回路１２０を設けていないときの、距離Ｄと合成容量Ｃｔとの関係を示す。この場合の合成容量Ｃｔは、Ｃｉ＋Ｃｏである。図５（Ｂ）から解るように、負性容量回路１２０を設けていない場合、合成容量Ｃｔは、距離Ｄが長くなるにしたがって初期容量Ｃｉに近づく。
【００３１】
上述のように、合成容量Ｃｔは、距離Ｄが大きい場合には非常に小さい値になる。したがって、本実施形態では、この合成容量Ｃｔを、容量増幅回路１３０によって増幅する。容量増幅回路１３０の増幅率ｋは、ｋ＝（ｒ３＋ｒ４）／ｒ３で与えられる。上述のように、本実施形態では、Ｃｔ≒Ｃｏである。したがって、容量増幅回路１３０は、実質的に、検出対象物２００の容量Ｃｏのみを増幅することになる。以下、容量増幅回路１３０で増幅された後の静電容量をＣ（＝ｋ・Ｃｔ≒ｋ・Ｃｏ）とする。
【００３２】
この静電容量Ｃのコンデンサと抵抗１５０（抵抗値Ｒ）とにより、ＲＣ回路が構成される。このＲＣ回路の時定数Ｔthは、Ｒ×Ｃで与えられる。発振回路１４０から出力された矩形波電圧は、このＲＣ回路を介して、比較回路１６０に入力される。図６は、矩形波電圧が立ち上がる際の過渡現象を示している。図６において、αは時定数Ｔthが小さい場合の一例であり、βは時定数Ｔthが大きい場合の一例である。時定数Ｔthは、矩形電圧波が上昇を開始してから閾値電圧Ｖthに達するまでの所要時間と一致する。
【００３３】
上述のように、比較回路１６０は、一方の入力端子から矩形波電圧Ｖを入力し、他方の入力端子から閾値電圧Ｖthを入力する。そして、比較回路１６０の出力電圧は、Ｖ＞Ｖthのときハイレベルになり、Ｖ＜Ｖthのときローレベルになる。時定数測定回路１８０は、比較回路１６０がローレベルからハイレベルに遷移するタイミングを検出することによって、時定数Ｔthを測定する。
【００３４】
変換回路１９０は、時定数測定回路１８０から入力した時定数Ｔthを、検出対象物２００の静電容量Ｃｏに変換する。ＲＣ回路の時定数Ｒ×Ｃ（＝Ｔth）のうち、抵抗Ｒは固定値である。また、上述のように、静電容量Ｃは、検出対象物２００の静電容量Ｃｏのｋ倍（すなわちｋ・Ｃｏ）と近似的に一致する。したがって、時定数Ｔthの測定値から、検出対象物２００の静電容量Ｃｏを知ることができる。
【００３５】
上述のように、静電容量Ｃｏは、コンデンサ１１０から検出対象物２００までの距離Ｄに依存して変化する（図５（Ａ）参照）。したがって、変換回路１９０の出力値によって、距離Ｄを知ることができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、負性容量回路１２０を設けたので、初期容量を非常に小さい値にすることができる。このため、実質的に、合成容量Ｃｔの変化分（すなわち検出対象物２００による静電容量Ｃｏ）のみを、容量増幅回路１３０で増幅することができる。このため、本実施形態によれば、距離Ｄの測定精度を向上させることができる。
【００３７】
加えて、負性容量回路１２０の可変抵抗３０６を調整することによって、配線容量の装置間ばらつき等に起因する初期容量のばらつきを無くすことができ、この点でも、距離Ｄの測定精度を向上させることができる。
【００３８】
第２実施形態
以下、第２実施形態に係る静電容量型距離測定装置について、図７〜図９を用いて説明する。
【００３９】
図７は、本実施形態に係る静電容量型距離測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。図７において、図１と同じ符号を付した構成要素は、それぞれ図１と同じものである。
【００４０】
図７に示したように、この静電容量型距離測定装置７００は、図１の抵抗１５０に代えて、可変抵抗を備えている。この可変抵抗は、スイッチ７１０と抵抗７２１，７２２，７２３とを有する。
【００４１】
本実施形態では、抵抗７２１，７２２，７２３の抵抗値をＲ１，Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３）とする。これらの抵抗７２１〜７２３は、それぞれ、一端でスイッチ７１０の出力側端子に接続され、ノードＮ３に接続される。したがって、スイッチ７１０が抵抗７２１〜７２３のいずれかを選択することによって、上述のＲＣ回路の抵抗値ＲをＲ１，Ｒ２，Ｒ３のいずれかに設定することができる。
【００４２】
図８に示したように、このスイッチ７１０は、コンデンサ１１０から検出対象物２００間での距離Ｄが、Ｄ２以上のときは抵抗７２１（抵抗値Ｒ１）を選択し、距離ＤがＤ１以上Ｄ２未満のときは抵抗７２２（抵抗値Ｒ２）を選択し、また、距離ＤがＤ１未満のときは抵抗７２３（抵抗値Ｒ３）を選択する。
【００４３】
このように、本実施形態では、距離Ｄが長い場合ほど、ＲＣ回路の抵抗値Ｒは大きい値に設定される。これに対して、ＲＣ回路の静電容量Ｃ（≒Ｃｏ）は、距離Ｄが長い場合ほど、小さくなる（図８参照）。したがって、抵抗値Ｒをスイッチ７１０で切り換えることにより、ＲＣ回路の時定数Ｒ×Ｃと距離Ｄとの関係を、図９に示したような線形関係に近づけることができる。
【００４４】
スイッチ７１０は、図示しない制御回路によって制御される。制御回路は、例えば時定数測定回路１８０または変換回路１９０の出力信号値に応じてスイッチ７１０を切り換える。
【００４５】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様、負性容量回路１２０を設けたので、実質的に合成容量Ｃｔの変化分のみを容量増幅回路１３０で増幅することができ、さらに、配線容量の装置間ばらつき等に起因する初期容量のばらつきを無くすことができる。したがって、第１実施形態と同様、距離Ｄの測定精度を向上させることができる。
【００４６】
加えて、本実施形態によれば、ＲＣ回路の時定数Ｒ×Ｃと距離Ｄとの関係を近似的に線形関係にすることができるので、測定データ（変換回路１９０の出力信号）の取り扱いが容易である。
【００４７】
なお、本実施形態では、３個の抵抗７２１，７２２，７２３を設けることとしたが、２個或いは４個以上としてもよいことはもちろんである。
【００４８】
第３実施形態
以下、第３実施形態に係る静電容量型距離測定装置について、図１０を用いて説明する。
【００４９】
図１０は、本実施形態に係る測定用コンデンサ１０１０の構成を概略的に示す側面図である。
【００５０】
図１０に示したように、受信電極１０１１および送信電極１０１２は、絶縁筐体１０１４の内側すなわち検出対象物２００とは逆側の面に設置される。
【００５１】
第１実施形態の測定用コンデンサ１１０と同様、電極１０１１，１０１２の間は、導通しないように、不導体１０１３で満たされている。
【００５２】
送信電極１０１２は、筐体１０１４に、支持部材１０１５によって固定されている。また、受信電極１０１１は、支持部材１０１６によって、送信電極１０１２と等間隔になるように、固定されている。
【００５３】
他の構成要素は、第１、第２実施形態（図１、図７参照）と同様である。
【００５４】
このように測定用コンデンサ１０１０を筐体１０１４の内側に設けた場合にも、第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、変換回路１９０（図１、図７参照）の出力信号から距離Ｄを判定する際に、筐体１０１４の静電容量を考慮する必要がある。
【００５５】
測定用コンデンサ１０１０を筐体１０１４の内側に配置することにより、この筐体１０１４で測定用コンデンサ１０１０を保護することが可能になる。加えて、静電容量型距離測定装置が設けられていることを隠すことができる。例えば、建物の不法侵入を検出するためのセンサとして光センサを使用する場合、光線やレンズによって不法侵入者にセンサの存在を気づかれるおそれがある。これに対して、本実施形態の静電容量型距離測定装置を使用することにより、不法侵入者に対してセンサを隠すことができ、したがって、不法侵入検知の信頼性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る静電容量型距離測定装置は、検出対象物の存在／非存在や検出対象物までの距離を測定する用途であれば、検出対象物が移動体であるか静止体であるかに拘わらず、あらゆる用途に使用することができる。例えば、上述のように建物の不法侵入検出装置に適用することができ、また、自動車等の移動体における障害物検出装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１実施形態に係る静電容量型距離測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の測定用コンデンサの構成を概念的に示す側面図である。
【図３】図１の負性容量回路の内部構成を示す回路図である。
【図４】図１の容量増幅回路の内部構成を示す回路図である。
【図５】図１の静電容量型距離測定装置の動作を説明するためのグラフである。
【図６】図１の静電容量型距離測定装置の動作を説明するためのグラフである。
【図７】第２実施形態に係る静電容量型距離測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図８】図７の静電容量型距離測定装置の動作を説明するためのグラフである。
【図９】図７の静電容量型距離測定装置の動作を説明するためのグラフである。
【図１０】第３実施形態に係る測定用コンデンサの構成を概略的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００，７００  静電容量型距離測定装置
１１０  測定用コンデンサ
１１１  受信電極
１１２  送信電極
１２０  負性容量回路
１３０  容量増幅回路
１４０  発振回路
１５０，７２１，７２２，７２３  抵抗
１６０  比較回路
１７０  閾値電圧発生回路
１８０  時定数測定回路
１９０  変換回路
２００  検出対象物
７１０  スイッチ
【図１】
2005134130.tif 000003
【図２】
2005134130.tif 000004
【図３】
2005134130.tif 000005
【図４】
2005134130.tif 000006
【図５】
2005134130.tif 000007
【図６】
2005134130.tif 000008
【図７】
2005134130.tif 000009
【図８】
2005134130.tif 000010
【図９】
2005134130.tif 000011
【図１０】
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