JP2002014174A

JP2002014174A - 静電容量センサ

Info

Publication number: JP2002014174A
Application number: JP2000196229A
Authority: JP
Inventors: Kin Kajita; 欣梶田
Original assignee: Sunx Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】検知電極の小形化を図りながら、シュミット
トリガ・インバータ回路が検知電極の充放電による電圧
変化に確実に追従して発振回路が安定して発振すること
ができるようにする。【解決手段】シュミット回路１４の出力がハイレベル
状態では帰還抵抗１５を介して検知電極１６に充電され
るので、検知電極１６の電圧が上昇する。また、シュミ
ット回路１４の出力がロウレベル状態では帰還抵抗１５
を介して検知電極１６から放電されるので、検知電極１
６の電圧が低下する。ここで、分圧手段１７は、検知電
極１６の電圧を分圧した状態でシュミット回路１４に与
えるので、シュミット回路１４の仮想的に上限閾値を高
めると共に下限閾値を低めることになる。このことは、
シュミット回路１４のヒステリスを仮想的に拡大するこ
とになり、発振回路１２の発振周波数を低下させること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出物体との間
で静電容量を生じる検知電極の充放電による電圧変化に
応じて発振する発振回路の発振状態に基づいて被検出物
体の有無などを検出する静電容量センサに関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来より、この種の静
電容量センサとしては、特許第３０４４９３８号公報に
示されたものがある。このものは、図１０に示すように
被検出物体と接近される検知電極１と、この検知電極１
からの出力電圧を受けるシュミットトリガ・インバータ
回路（以下、シュミット回路と略称）２と、このシュミ
ット回路２からの出力端子と検知電極１との間に介在さ
れる帰還抵抗３とからなる発振回路４を主体として構成
されている。

【０００３】発振回路４の発振状態を示す図１１（ａ）
において、シュミット回路２からの出力がハイレベルの
状態では、シュミット回路２の出力端子から帰還抵抗３
を介して検知電極１に充電されるので、検知電極１の電
圧が上昇する。そして、検知電極１の電圧がシュミット
回路２に設定された上限閾値を上回ると、シュミット回
路２の出力がハイレベルからロウレベルに反転する。す
ると、検知電極１から帰還抵抗３を介してシュミット回
路２の出力端子に放電されるので、検知電極１の電圧が
低下する。そして、検知電極１の電圧がシュミット回路
２に設定された下限閾値を下回ると、シュミット回路２
の出力がロウレベルからハイレベルに反転する。以上の
ような動作が繰返して行われる結果、発振回路４の発振
動作が行われる。

【０００４】そして、検知電極１に被検出物体が接近す
ると、検知電極１の静電容量が大きくなることから、図
１１（ｂ）に示すように発振回路４の発振周波数は低く
なる。これにより、発振回路４の発振周波数に基づいて
被検出物体の有無或いは物体までの距離を検出すること
ができる。即ち、発振回路４における発振周波数ｆは、
検知電極１の静電容量Ｃ及び帰還抵抗３の抵抗値Ｒの積
（時定数ＣＲ）に基づいて決定される。

【０００５】検知電極１の静電容量Ｃは具体的には、検
知電極１と被検出物体との間に介在する物質（空気）の
誘電率ε、検知電極１の電極面積Ｓ、検知電極１から被
検出物体までの距離ｄｘから次のように求めることがで
きる。Ｃ＝ε（Ｓ／ｄｘ）但し、検知電極１の誘電率ε及び検知電極１の電極面積
Ｓは、検知電極１の材質や形状により決定されるもので
あり、固定値である。

【０００６】従って、上記式から、検知電極１から被検
出物体までの距離ｄｘが変化すると、検知電極１の静電
容量Ｃが変化するので、静電容量Ｃの変化を検出するこ
とにより被検出物体の有無或いは被検出物体までの距離
を求めることができる。

【０００７】ところで、近年、センサの小形化が要求さ
れており、静電容量センサに関しても小形化が望まれて
いるものの、静電容量センサを小形化するということ
は、検知電極１の電極面積Ｓを小さくするということで
あるから、検知電極１の静電容量Ｃは小さくなる。この
ため、帰還抵抗３の抵抗値Ｒを固定とすると、検知電極
１の静電容量Ｃが小さくなるほど、発振回路４の発振周
波数は高くなる。

【０００８】しかしながら、発振回路４の発振周波数が
高くなると、シュミット回路２が検知電極１の充放電に
よる電圧変化に追従できなくなり、この結果、発振回路
４の発振が安定せず、被検出物体を正確に検出できなく
なるという問題が生じる。

【０００９】この場合、検知電極１の静電容量Ｃが小さ
くなる分、帰還抵抗３の抵抗値Ｒを大きくして、検知電
極１の充放電による電圧変化をシュミット回路２が追従
できるように調整することが考えられるが、帰還抵抗３
の抵抗値Ｒを過度に大きくしてしまうと、シュミット回
路２の入力インピーダンスに帰還抵抗３の抵抗値Ｒが接
近するので、検知電極１の電圧がシュミット回路２の入
力インピーダンスと帰還抵抗３により分圧されてしま
い、シュミット回路２に十分な帰還がかからなくなり、
発振回路４が発振できない状態となってしまう虞があ
る。

【００１０】以上のような理由から、静電容量センサの
発振回路４としては、帰還抵抗３の抵抗値Ｒを調整する
ことなくシュミット回路２が検知電極１の充放電による
電圧変化に追従できるように発振周波数を設定する必要
があり、このような制約の結果、検知電極１の静電容量
Ｃを小さくした場合には、静電容量センサの小形化が困
難であるのが実情である。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、検知電極の充放電による電圧変化に応
じてシュミットトリガ・インバータ回路の出力を反転さ
せるこにとより発振回路を発振状態とする構成におい
て、検知電極の小形化を図りながら、シュミットトリガ
・インバータ回路が検知電極の充放電による電圧変化に
確実に追従して発振回路が安定して発振することができ
る静電容量センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、検知電極と被
検出物体との間に発生する静電容量に応じて発振状態が
変化する発振回路を備え、前記発振回路の発振状態に基
づいて被検出物体の有無などを検出する静電容量センサ
において、前記発振回路は、入力電圧が上限閾値を上回
ったときに出力をハイレベルからロウレベルに切替える
と共に、入力電圧が下限閾値を下回ったときに出力をロ
ウレベルからハイレベルに切替えるシュミットトリガ・
インバータ回路と、このシュミットトリガ・インバータ
回路の出力と検知電極との間に介在される帰還抵抗と、
前記検知電極の電圧を分圧した状態で前記シュミットト
リガ・インバータ回路に与える分圧手段とから構成され
ているものである（請求項１）。

【００１３】このような発明によれば、シュミットトリ
ガ・インバータ回路からの出力がハイレベルの状態で
は、シュミットトリガ・インバータ回路の出力端子から
帰還抵抗を介して検知電極に充電されるので、検知電極
の電圧が上昇する。また、シュミットトリガ・インバー
タ回路からの出力がロウレベルの状態では、検知電極か
ら帰還抵抗を介してシュミットトリガ・インバータ回路
の出力端子に放電されるので、検知電極の電圧が低下す
る。

【００１４】ここで、分圧手段は、検知電極の電圧を分
圧した状態でシュミットトリガ・インバータ回路に与え
るので、シュミットトリガ・インバータ回路のヒステリ
ス幅を仮想的に拡大することができる。このことは、発
振回路の発振周波数を低下させることを意味するので、
検知電極を小形化するにしても、発振回路の発振周波数
が上昇してしまうことを防止して発振回路を安定して発
振させることができる。

【００１５】上記構成において、前記分圧手段は、前記
検知電極の電圧を所定の基準電圧との間で分圧する分圧
回路から構成されているものである（請求項２）。この
ような構成によれば、検知電極の電圧は所定の基準電圧
との間で分圧された状態でシュミットトリガ・インバー
タ回路に与えられるので、分圧手段を簡単な構成で実施
することができる。

【００１６】また、前記シュミットトリガ・インバータ
回路からハイレベルが出力された状態で前記分圧回路の
基準電圧をロウレベルとし、前記シュミットトリガ・イ
ンバータ回路からロウレベルが出力された状態で前記分
圧回路の基準電圧をハイレベルとする基準電圧変更手段
を設けるのが望ましい（請求項３）。

【００１７】このような構成によれば、シュミットトリ
ガ・インバータ回路からハイレベルが出力された状態で
は、シュミットトリガ・インバータ回路の出力端子から
帰還抵抗を介して検知電極に充電されるので、検知電極
の電圧が上昇する。

【００１８】このとき、基準電圧変更手段により分圧回
路の基準電圧はロウレベルとなるので、分圧回路による
分圧電圧は、検知電極の電圧をロウレベルとの間で分圧
した値となる。そして、分圧回路により与えられる分圧
電圧がシュミットトリガ・インバータ回路に設定された
上限閾値を上回ると、シュミットトリガ・インバータ回
路の出力はロウレベルとなる。

【００１９】この場合、分圧回路により与えられる分圧
電圧がシュミットトリガ・インバータ回路に設定された
上限閾値を上回るには、検知電極の電圧が上限閾値を大
きく上回る必要がある。このことは、シュミットトリガ
・インバータ回路の上限閾値が仮想的に上昇したことを
意味する。

【００２０】そして、シュミットトリガ・インバータ回
路の出力がロウレベルとなると、検知電極から帰還抵抗
を介してシュミットトリガ・インバータ回路の出力端子
に放電されるので、検知電極の電圧が低下する。

【００２１】このとき、基準電圧変更手段により分圧回
路の基準電圧はハイレベルとなるので、分圧回路による
分圧電圧は、検知電極の電圧をハイレベルとの間で分圧
した値となる。そして、分圧回路により与えられる分圧
電圧がシュミットトリガ・インバータ回路に設定された
下限閾値を下回ると、シュミットトリガ・インバータ回
路の出力はハイレベルとなる。

【００２２】この場合、分圧回路により与えられる分圧
電圧がシュミットトリガ・インバータ回路に設定された
下限閾値を下回るには、検知電極の電圧が下限閾値を大
きく下回る必要がある。このことは、シュミットトリガ
・インバータ回路の下限閾値が仮想的に低下したことを
意味する。

【００２３】以上のように分圧手段が分圧回路からなる
構成においては、基準電圧変更手段を設けることによ
り、シュミットトリガ・インバータ回路のヒステリス幅
を効果的に拡大することができる。

【００２４】また、前記分圧手段は、前記検知電極から
の出力を受ける電圧フォロワ回路を備えて構成されてい
るのが望ましい（請求項４）。このような構成によれ
ば、分圧手段の入力インピーダンスを電圧フォロワ回路
により極めて高くすることができるので、分圧手段の存
在による発振回路に対する影響を簡単に回避することが
できる。

【００２５】また、前記検知電極の非検出側をシールド
するガード電極を備え、前記ガード電極は、前記電圧フ
ォロワ回路の出力端子と接続されているようにしてもよ
い（請求項５）。

【００２６】このような構成によれば、検知電極の電圧
を受ける電圧フォロワ回路の出力端子とガード電極とを
接続することにより、検知電極とガード電極とを同電位
とすることができるので、検知電極における非検出側に
位置する物体との間の静電容量による影響をガード電極
により防止することができる。

【００２７】この場合、検知電極の電圧を受けるために
電圧フォロワ回路が設けられている構成では、検知電極
とガード電極とを同電位とするための特別な手段を新規
に設ける必要がないので、全体構成を簡単化することが
できる。

【００２８】また、前記検知電極と前記ガード電極との
間に空気層を介在するのが望ましい（請求項６）。検知
電極とガード電極とは電圧フォロワ回路により同電位と
なるものの、発振回路の動作状態では、電圧フォロワ回
路の入出力の僅かな時間的な差により入力と出力との間
で瞬間的に電位差が生じ、それに起因して検知電極とガ
ード電極との間に静電容量が生じ、誤検出の要因とな
る。

【００２９】しかしながら、上記のような構成によれ
ば、検知電極とガード電極との間に誘電率が最も小さな
空気を用いることにより、検知電極とガード電極との間
に発生する静電容量を最も小さくできるので、検知電極
とガード電極との間の静電容量による影響を極力回避す
ることができる。

【００３０】また、前記電圧フォロワ回路の温度特性に
よる前記発振回路の発振周波数の変動を打消すように前
記分圧手段が前記シュミットトリガ・インバータ回路に
与える電圧を補正する温度補償手段を設けるのが望まし
い（請求項７）。

【００３１】温度が変化したときは、電圧フォロワ回路
の利得が変動してしまって発振回路の発振周波数が変動
することがある。しかしながら、温度補償手段は、電圧
フォロワ回路の温度特性による発振回路の発振周波数の
変動を打消すように分圧手段がシュミットトリガ・イン
バータ回路に与える電圧を補正するので、温度変化によ
り発振回路の発振周波数が変動してしまうことを防止で
きる。

【００３２】前記温度補償手段として所定の温度特性を
示すサーミスタを用いるようにしてもよい（請求項
８）。このような構成によれば、簡単な構成で温度補償
手段を実現することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】（発明の概要）以下、本発明の概
要を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の
構成を概略的に示している。この図１において、静電容
量センサ１１は、発振回路１２と制御手段１３とから構
成されており、制御手段１３が発振回路１２の発振状態
を判断することにより被検出物体の有無或いは被検出物
体までの距離を検出するようになっている。

【００３４】発振回路１２において、シュミットトリガ
・インバータ回路（以下、シュミット回路と略称）１４
の出力端子は帰還抵抗１５を介して検知電極１６と接続
されている。このシュミット回路１４はヒステリシスを
有しており、入力電圧が上限閾値を上回ると、出力電圧
がハイレベルからロウレベルに反転し、入力電圧が下限
閾値を下回ると、出力電圧がロウレベルからハイレベル
に反転するようになっている。

【００３５】ここで、検知電極１６は分圧手段１７を介
してシュミット回路１４の入力端子と接続されている。
この分圧手段１７は、検知電極１６の電圧を分圧した状
態でシュミット回路１４に与えるもので、シュミット回
路１４の上限閾値と下限閾値との間のレベル、つまりヒ
ステリシス幅を仮想的に拡大させるために設けられてい
る。尚、分圧手段１７の入力インピーダンスは帰還抵抗
１５に比較して十分に大きく設定されているものとす
る。以上のように、発振回路１２は、検知電極１６、シ
ュミット回路１４、帰還抵抗１５及び分圧手段１７から
構成されている。

【００３６】次に、上記分圧手段１７によりシュミット
回路１４のヒステリシス幅を仮想的に拡大させることが
できる原理について説明する。図２はシュミット回路１
４の出力と検知電極１６の電圧と分圧手段１７の出力と
の関係を示している。この図２において、電源投入直後
でシュミット回路１４の入力電圧が低い状態では、シュ
ミット回路１４の出力はハイレベルとなる。

【００３７】このようにシュミット回路１４の出力がハ
イレベルとなった状態では、シュミット回路１４の出力
端子から帰還抵抗１５を介して検知電極１６に充電され
るので、検知電極１６の電圧が徐々に上昇する。この場
合、分圧手段１７の入力インピーダンスは帰還抵抗１５
よりも十分に大きく設定されているので、充電の時定数
は、帰還抵抗１５の抵抗値と検知電極１６の容量との積
により決まる。

【００３８】検知電極１６の電圧が上昇する状態では、
分圧手段１７は検知電極１６の電圧を分圧した状態でシ
ュミット回路１４に与えるので、シュミット回路１４の
入力電圧は検知電極１６の電圧上昇に比較してゆっくり
と上昇する。

【００３９】そして、分圧手段１７からの出力がシュミ
ット回路１４に設定された上限閾値ＳLTを上回ると、シ
ュミット回路１４からの出力がハイレベルからロウレベ
ルに反転する。つまり、シュミット回路１４の上限閾値
ＳLTを仮想的に図２中に示すＳLT´に高めたことに相当
する。

【００４０】このようにしてシュミット回路１４の出力
がロウレベルとなった状態では、検知電極１６から帰還
抵抗１５を介してシュミット回路１４の出力端子に放電
されるので、検知電極１６の電圧が徐々に低下する。こ
の場合、放電の時定数は、帰還抵抗１５の抵抗値と検知
電極１６の容量との積により決まる。

【００４１】検知電極１６の電圧が低下する状態では、
分圧手段１７は検知電極１６の電圧を分圧した状態でシ
ュミット回路１４に与えるので、シュミット回路１４の
入力電圧は検知電極４の電圧低下に比較してゆっくりと
低下する。

【００４２】そして、分圧手段１７からの出力がシュミ
ット回路１４に設定された下限閾値ＳLBを下回ると、シ
ュミット回路１４の出力がロウレベルからハイレベルに
反転する。つまり、シュミット回路１４の下限閾値ＳLB
を仮想的に図２中に示すＳLB´に低めたことに相当す
る。

【００４３】このような動作が繰返して行われる結果、
発振回路１２の発振周期Ｔは、分圧手段１７が設けられ
ていない構成に比較して長くなるので、シュミット回路
１４が検知電極１６の充放電に伴う電圧変化に確実に追
従でき、発振回路１２は安定して発振することができ
る。

【００４４】しかるに、検知電極１６に被検出物体が接
近することにより、発振回路１２の発振周波数が変化す
るので、その発振周波数に基づいて被検出物体の有無或
いは被検出物体までの距離を検出することが可能とな
る。

【００４５】このような発明によれば、分圧手段１７を
設けることによりシュミット回路１４のヒステリス幅を
仮想的に拡大するようにしたので、発振回路１２の発振
周波数を低下させることができる。従って、検知電極１
６の小形化を図るにしても発振回路１２の発振周波数が
高くなることを防止することができるので、シュミット
回路１４が検知電極１６の電圧変化に追従できるように
なり、発振回路１２を安定して発振させることができ
る。

【００４６】尚、図２から分るように分圧手段１７によ
り検知電極１６の電圧上昇若しくは電圧低下の何れか一
方の変化時の電圧を分圧すれば、シュミット回路１４の
ヒステリス幅を仮想的に拡大することができる。

【００４７】（第１の実施の形態）次に本発明をガード
電極を有した静電容量センサに適用した第１の実施の形
態を図３乃至図５を参照して説明する。図３は全体の電
気的構成を概略的に示している。この図３において、静
電容量センサ２１は、ヘッド部２２とコントローラ部２
３とから構成されている。ヘッド部２２は、検知電極２
４の前面以外の非検出側をシールド用のガード電極２５
で覆って構成されている。

【００４８】図４はヘッド部２２の断面を示している。
この図４において、例えば樹脂ケース２６には略円形状
の検知電極２４と当該検知電極２４よりも面積が大きな
略円形状のガード電極２５とが収納されており、検知電
極２４は、例えばＯリング２７等の絶縁物によりガード
電極２５から離間した形態で支持されている。この場
合、樹脂ケース２６は空気の封入状態で密閉されてお
り、このような構成により、検知電極２４とガード電極
２５との間には空気層２８が介在している。上記検知電
極２４及びガード電極２５にはシールドケーブル２９が
接続されており、そのシールドケーブル２９がコントロ
ーラ部２３と接続されている。

【００４９】ここで、ヘッド部２２にガード電極２５が
設けられている理由について説明する。即ち、検知電極
２４に発生する静電容量には指向性がなくあらゆる方向
に発生するため、検知電極２４の静電容量は、検出側に
発生する静電容量と非検出側の静電容量との和となる。
このため、検出側の静電容量の変化のみを検出したいの
にもかかわらず、非検出側の静電容量の影響を受けてし
まうことから、検出側に位置する被検出物体を正確に検
出することができない虞がある。

【００５０】そこで、検知電極２４の非検出側にシール
ド用のガード電極２５を設けて確実に検出側に位置する
被検出物体のみの検出を行うというものである。この場
合、検知電極２４とガード電極２５との間に電位差が生
じると、検知電極２４とガード電極２５との間でも静電
容量が発生することから、検知電極２４とガード電極２
５とは同電位である必要がある。従って、後述するよう
にコントローラ部２３に設けられている電圧フォロワ回
路３０（図３参照）を用いて、検知電極２４とガード電
極２５とが同電位となるようにしている。

【００５１】次に、検知電極２４とガード電極２５との
間に空気層２８を介在させている理由について説明す
る。即ち、コントローラ部２３の電圧フォロワ回路３０
により検知電極２４とガード電極２５とを同電位とする
にしても、発振回路３１の動作状態では、電圧フォロワ
回路３０において入力と出力との間に電位差が瞬間的に
生じ、それに起因して検知電極２４とガード電極２５と
の間に電位差が生じる。このため、検知電極２４とガー
ド電極２５との間に静電容量が発生してしまい、誤検出
の要因となる。

【００５２】従来においては、検知電極２４及びガード
電極２５として例えばガラスエポキシ樹脂基板上に電極
をプリント形成したものを用い、それらをガラスエポキ
シ樹脂基板により保持するようにしていた。このガラス
エポキシ樹脂基板の比誘電率は空気の比誘電率（ε_r＝
１）に比較して数倍大きい。

【００５３】ここで、検知電極２４とガード電極２５と
の間の静電容量ＣＳを求めると、ＣＳ＝ε（Ｓ／ｄ）但し、ε＝ε₀・ε_r となることから、静電容量ＣＳは、検知電極２４の電極
面積Ｓと、検知電極２４とガード電極２５との間隔ｄ、
及び検知電極２４とガード電極２５との間に介在する誘
電体の誘電率εにより決定されることが分る。

【００５４】ところで、静電容量ＣＳは、検知電極２４
において非検出側の静電容量であることから、極力小さ
い方が望ましい。しかしながら、静電容量センサ２１の
ヘッド部２２を小形化（薄形化）した場合、検知電極２
４とガード電極２５との間の間隔ｄが小さくなる。この
場合、静電容量ＣＳは、間隔ｄに反比例することから、
ヘッド部２２を薄形化するほど、静電容量ＣＳは大きく
なってしまう。

【００５５】このような場合の対処として、検知電極２
４の電極面積Ｓを小さくすることで静電容量ＣＳを小さ
くすることが考えられるが、電極面積Ｓを小さくする
と、静電容量ＣＳは小さくなるものの、それに伴って検
出側の静電容量Ｃ自体も小さくなってしまう。このた
め、被検出物体までの距離が変化するにしても、静電容
量Ｃの変化が小さくなり、非検出側の静電容量ＣＳ自体
による影響が大きくなることから、正確な検出を行うこ
とはできない。

【００５６】以上の理由から、検知電極２４とガード電
極２５との間に発生する静電容量ＣＳは極力小さくする
のが望ましい。この場合、静電容量ＣＳは、検知電極２
４とガード電極２５との間の誘電体の誘電率εに依存し
て比例関係にあることから、検知電極２４とガード電極
２５との間に介在する誘電体としては誘電率εが最も小
さな空気（ε_r＝１）を用いるのが望ましい。従って、
本実施の形態では、検知電極２４とガード電極２５との
間の誘電体として、支持部材であるＯリング２７を除い
て空気層２８を介在させるようにしている。

【００５７】図３に戻って、コントローラ部２３は、発
振回路３１と制御手段３２とから構成されている。発振
回路３１において、電圧フォロワ回路３０の非反転入力
端子はヘッド部２２の検知電極２４と接続されていると
共に、反転入力端子は電圧フォロワ回路３０の出力端子
及びヘッド部２２のガード電極２５と接続されている。

【００５８】また、電圧フォロワ回路３０の出力端子
は、第１の分圧抵抗３３を介してシュミット回路３４の
入力端子と接続されていると共に、第２の分圧抵抗３５
及び図示極性のインバータ回路３６を介してシュミット
回路３４の出力端子と接続されている。

【００５９】シュミット回路３４の出力端子は帰還抵抗
３７を介してヘッド部２２の検知電極２４及び電圧フォ
ロワ回路３０の非反転入力端子と接続されている。この
シュミット回路３４はヒステリスを有しており、入力電
圧が上限閾値を上回ると、出力電圧がハイレベルからロ
ウレベルに反転し、入力電圧が下限閾値を下回ると、出
力電圧がロウレベルからハイレベルに反転するようにな
っている。

【００６０】ここで、第１の分圧抵抗３３及び第２の分
圧抵抗３５は、後述するように検知電極２４の電圧を分
圧した状態でシュミット回路３４に与えるために設けら
れているもので、（第１の分圧抵抗３３の抵抗値）／
（第２の分圧抵抗３５の抵抗値）の値が大きいほど、そ
の分圧値が大きくなる。

【００６１】この実施の形態では、上述した電圧フォロ
ワ回路３０、第１の分圧抵抗３３、第２の分圧抵抗３５
及びインバータ回路３６から分圧手段３８が構成され、
第１の分圧抵抗３３及び第２の分圧抵抗３５から分圧回
路３９が構成されている。また、インバータ回路３６が
基準電圧変更手段に相当する。この場合、分圧回路３９
の基準電圧はインバータ回路３６の出力電圧であり、シ
ュミット回路３４の出力電圧がハイレベルの状態でロウ
レベルとなり、シュミット回路３４の出力電圧がロウレ
ベルの状態でハイレベルとなる。また、分圧手段３８の
入力インピーダンスは電圧フォロワ回路３０により極め
て大きくなっているので、帰還抵抗３７の抵抗値と検知
電極２４の容量とからなる時定数が分圧手段３８の影響
を受けることはない。以上のように、発振回路３１は、
検知電極２４、シュミット回路３４、帰還抵抗３７及び
分圧手段３８から構成されている。

【００６２】上記構成の発振回路３１からのパルス信号
を受ける制御手段３２はマイクロコンピュータを主体と
してなり、計数手段４０、比較手段４１及び出力手段４
２から構成されている。計数手段４０は、単位時間当た
りに発振回路３１から出力されるパルス信号を計数する
ことにより発振回路３１の発振周波数を求める。比較手
段４１は、計数手段４０が計数した計数値を所定値と比
較することにより被検出物体の接近状態を判断する。出
力手段４２は、比較手段４１による検出結果に基づいて
検出信号を出力する。従って、制御手段３２からの検出
信号に基づいて被検出物体の有無を判断することができ
る。

【００６３】次に上記構成の作用について説明する。シ
ュミット回路３４の出力及び検知電極の２４の電圧並び
に分圧回路３９による分圧電圧の時間経過を示す図５に
おいて、静電容量センサ１１に電源を投入すると、シュ
ミット回路３４の電源電圧が立上がる。このシュミット
回路３４はヒステリシスを有しているので、電源投入直
後でシュミット回路３４の入力電圧が低い状態では、シ
ュミット回路３４の出力はハイレベルとなる。

【００６４】ここで、検知電極２４は被検出物体の離間
状態であっても小容量のコンデンサを形成しているの
で、シュミット回路３４の出力端子から帰還抵抗３７を
介して検知電極２４に充電され、検知電極２４の電圧が
徐々に上昇する。

【００６５】電圧フォロワ回路３０は入力電圧を高イン
ピーダンスで受けて入力電圧と同電圧を出力するので、
電圧フォロワ回路３０の出力電圧は検知電極２４の電圧
と同一となる。

【００６６】ここで、ガード電極２５は電圧フォロワ回
路３０の出力端子と接続されているので、ガード電極２
５は検知電極２４と同電位となる。従って、ガード電極
２５により検知電極２４における非検出側に位置する物
体の影響を防止することができる。

【００６７】さて、シュミット回路３４からの出力がハ
イレベルの状態では、インバータ回路３６の出力はロウ
レベルとなっているので、分圧回路３９の基準電圧はロ
ウレベルとなっている。これにより、分圧回路３９は、
検知電極２４の電圧をロウレベルとの間で分圧した電圧
をシュミット回路３４に与えている。このことは、検知
電極２４が充電されて電圧が上昇している状態では、シ
ュミット回路３４の上側閾値ＳLTが図５中に示すＳLT´
に仮想的に高められたことと同等となる。

【００６８】そして、分圧回路３９による分圧電圧がシ
ュミット回路３４の上限閾値ＳLTを上回ると、シュミッ
ト回路３４の出力がハイレベルからロウレベルに反転す
る。これにより、検知電極２４から帰還抵抗３７を介し
てシュミット回路３４の出力端子に放電されるので、検
知電極２４の電圧が徐々に低下する。

【００６９】このとき、インバータ回路３６の出力はハ
イレベルとなっているので、分圧回路３９の基準電圧は
ハイレベルとなっている。これにより、分圧回路３９
は、検知電極２４の電圧をハイレベルとの間で分圧した
電圧をシュミット回路３４に与えている。このことは、
検知電極２４が放電して電圧が低下している状態では、
シュミット回路３４の下限閾値ＳLBが図５中に示すＳLB
´に仮想的に低められたことと同等となる。

【００７０】そして、分圧回路３９による分圧電圧がシ
ュミット回路３４の下限閾値ＳLBを下回ると、シュミッ
ト回路３４の出力がロウレベルからハイレベルに反転す
る。これにより、検知電極２４が再び充電されて電圧が
上昇するようになる。

【００７１】以上のようにして、発振回路３１が発振す
ると、制御手段３２は、発振回路３１の発振状態に基づ
いて被検出物体の有無の判断を行う。この場合、被検出
物体の離間状態では、検知電極２４の静電容量は小さい
ので、発振回路３１は高い周波数で発振する。

【００７２】ここで、ヘッド部２２に被検出物体が接近
した場合、検知電極１６から被検出物体までの距離をＤ
とすると、発振周期Ｔは検知電極１６と被検出物体まで
の距離Ｄに反比例している。

【００７３】従って、検知電極２４に被検出物体が接近
するほど、発振回路３１の発振周波数は小さくなるの
で、制御手段３２は、発振回路３１からの単位時間当た
りのパルス信号を計数し、その計数値が設定値を下回っ
たときは被検出物体を検出したと判断して検出信号を出
力する。

【００７４】ところで、本実施の形態のように、検知電
極２４の小形化を図った構成において、検知電極２４の
電圧をシュミット回路３４に直接与えるように構成した
場合には、発振回路３１の発振状態では検知電極２４は
極めて短時間で充放電を繰返すことになる。このため、
シュミット回路３４が検知電極２４の充放電に伴う電圧
変化に追従できず、発振回路３１の発振が不安定とな
り、被検出物体の検出が不確実となる虞がある。

【００７５】しかしながら、本実施の形態においては、
分圧手段３８により検知電極２４の充電状態では当該検
知電極２４の電圧が分圧された状態でシュミット回路３
４に与えられると共に、検知電極２４の放電状態では当
該検知電極２４の電圧低下が分圧された状態でシュミッ
ト回路３４に与えられるので、シュミット回路３４のヒ
ステリス幅を仮想的に拡大することができ、発振回路３
１の発振周波数を低下させることができる。従って、検
知電極２４の充放電に伴う電圧変化にシュミット回路３
４が確実に追従することができ、発振回路３１を安定し
て発振させることができるので、検知電極の電圧をシュ
ミット回路に直接与える従来例のものに比較して、検知
電極２４の小形化を図ることにしても、被検出物体を確
実に検出することができる。

【００７６】また、電圧フォロワ回路３０は分圧手段３
８の入力インピーダンスを高めるために機能する一方
で、ガード電極２５の電位を検知電極２４と同一にする
ためにも機能することから、１つの電圧フォロワ回路３
０を利用して両方の機能を同時に実現することができ、
全体構成を大幅に簡単化して小形化に寄与することがで
きる。

【００７７】（第２の実施の形態）次に本発明の第２の
実施の形態を図６及び図７を参照して説明するに、第１
の実施の形態と同一部分には同一符号を付して説明を省
略する。この第２の実施の形態は、分圧回路の基準電圧
を固定したことを特徴とする。

【００７８】全体の電気的構成を概略的に示す図６にお
いて、分圧回路３９を構成する第２の分圧抵抗３５は静
電容量センサ２１における０Ｖラインと接続されてい
る。

【００７９】さて、検知電極２４に充電されて電圧が上
昇する場合は、その変動は第１の分圧抵抗３３と第２の
分圧抵抗３５との抵抗値の比率で分圧されるので、検知
電極２４の電圧が上昇する際はゆっくり上昇することに
より上限閾値が仮想的に上昇するのに対して、検知電極
２４の電圧が低下する際は早く低下することにより下限
閾値も仮想的に上昇することになる。この場合、図７に
示すように仮想的な上限閾値ＳLT´の上昇幅の方が仮想
的な下限閾値ＳLB´の上昇幅よりも大きいので、全体と
してはシュミット回路３４のヒステリス幅を仮想的に拡
大することができる。

【００８０】このような実施の形態によれば、分圧回路
３９の基準電圧を０Ｖに固定するようにしたので、シュ
ミット回路３４のヒステリス幅を仮想的に拡大すること
により発振回路３１の発振周波数を低下させながら、イ
ンバータ回路３６を削減することができる。

【００８１】尚、分圧回路３９を構成する第２の分圧抵
抗３５を基準電圧として正の電源電圧と接続するように
してもよい。この場合、仮想的な上限閾値ＳLT´及び下
限閾値ＳLB´の両方とも低下するものの、仮想的な下限
閾値ＳLB´の低下幅の方が仮想的な上限閾値ＳLT´の低
下幅よりも大きいので、全体としてはシュミット回路３
４のヒステリス幅を拡大することができる。また、基準
電圧として電源電圧以外の所定の任意の電圧を選択する
ようにしてもよい。

【００８２】（第３の実施の形態）次に本発明の第３の
実施の形態を図８及び図９を参照して説明する。この第
３の実施の形態は、温度変化による発振回路３１の発振
周波数の変動を防止したことを特徴とする。

【００８３】即ち、上記各実施の形態のものでは、静電
容量センサ２１の内部温度が上昇すると、図９（ａ）中
に示すように発振回路３１の発振周期が短くなる。これ
は、発振回路３１に用いられる電圧フォロワ回路３０の
利得が温度特性により高くなることにより生じるもので
ある（但し、電圧フォロワ回路によっては温度上昇によ
り低くなる場合もある）。つまり、電圧フォロワ回路３
０の利得は通常は１であるものの、電圧フォロワ回路３
０の温度が上昇すると、電圧フォロワ回路３０の利得が
１よりも大きくなり、シュミット回路３４には本来の入
力電圧より高い電圧が与えられることになる。この結
果、シュミット回路３４の入力電圧が上限閾値ＳLTを上
回ったり、下限閾値ＳLBを下回るまでの時間が短くなる
ことから、図９（ａ）に示すように発振回路３１の発振
周期が短くなるのである。

【００８４】通常、被検出物体が存在しない状態では発
振回路３１の発振周期は短く、被検出物体が存在する状
態では発振回路３１の発振周期は長くなることから、上
述したように温度変化によって電圧フォロワ回路３０の
利得が変動したときは、被検出物体が存在しているにも
かかわらず、被検出物体が存在することを示す検出信号
が出力されないことがあり、正確な検出動作を行えない
虞がある。

【００８５】そこで、本実施の形態においては、図８に
示すように第２の分圧抵抗３５を固定抵抗４３と負の温
度特性を示すサーミスタ（温度補償手段に相当）４４と
を直列接続して構成するようにした。この場合、サーミ
スタ４４の温度特性は、温度変化に伴う発振回路３１の
発振周期の変動を打消すような特性を有するように設定
されている。

【００８６】さて、静電容量センサ２１の内部温度が上
昇して発振回路３１の発振周期が短くなるような場合に
おいては、サーミスタ４４は負の温度特性を有している
ことから、サーミスタ４４の抵抗値が低下する。これに
より、検知電極２４の充電状態では分圧回路３９の分圧
電圧が低下し、検知電極２４の放電状態では分圧電圧が
上昇するので、シュミット回路３４のヒステリス幅が仮
想的に拡大したことになり（図９（ｂ）参照）、発振回
路３１の発振周期が短くなることを防止できる。

【００８７】このような実施の形態によれば、温度変化
により発振回路３１の発振周波数が変動するような場合
であっても、その変動をサーミスタ４４の温度補償動作
により打消すようにしたので、温度変化による影響を受
けることなく被検出物体を確実に検出することができ
る。

【００８８】尚、環境温度が上昇した場合に発振回路３
１の発振周波数が低くなるような場合は、負の温度特性
のサーミスタ４４に代えて、正の温度特性のサーミスタ
を用いるようにする。

【００８９】また、第２の分圧抵抗３５を固定抵抗４３
と負の温度特性を示すサーミスタ４４とから構成するの
に代えて、第１の分圧抵抗３３を固定抵抗と正の温度特
性を示すサーミスタとを直列接続して構成するようにし
てもよい。

【００９０】さらに、第２の分圧抵抗３５を、抵抗及び
アナログスイッチからなる異なる抵抗値の直列回路を並
列接続して構成し、温度変化に応じて所定のアナログス
イッチをオンすることにより第２の分圧抵抗３５の抵抗
値を調整するようにしてもよい。

【００９１】本発明は、上記各実施の形態に限定される
ものではなく、次のように変形または拡張できる。ガー
ド電極２５を省略するようにしてもよい。インバータ回
路３６に代えてシュミット回路を用いるようにしてもよ
い。この場合、ＩＣが有する複数のシュミット回路を利
用することができ、ＩＣの有効利用を図ることができ
る。

【００９２】シュミット回路３４の出力端子と制御手段
３２との間にインバータ回路を介在し、そのインバータ
回路からの出力端子とシュミット回路３４の入力端子と
の間に第２の分圧抵抗３５を接続するようにしてもよ
い。

【００９３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の静電容量センサによれば、分圧手段により検知電極の
電圧を分圧した状態でシュミットトリガ・インバータ回
路に与えることにより、シュミットトリガ・インバータ
回路のヒステリスを仮想的に拡大するようにしたので、
検知電極を小形化しながら、シュミットトリガ・インバ
ータ回路が検知電極の充放電に伴う電圧変化に確実に追
従して発振回路が安定して発振することができ、被検出
物体を確実に検出することができるという優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概要を説明するための静電容量センサ
を示す概略図

【図２】各信号の波形図

【図３】本発明の第１の実施の形態における静電容量セ
ンサの電気的構成を示す概略図

【図４】ヘッド部の断面図

【図５】各信号の波形図

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す図３相当図

【図７】図５相当図

【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図３相当図

【図９】発振周期の変動時と温度補償時における各信号
の波形図

【図１０】従来例における静電容量センサの発振回路を
示す電気回路図

【図１１】被検出時と検出時における各信号の波形図

【符号の説明】

１１は静電容量センサ、１２は発振回路、１４はシュミ
ットトリガ・インバータ回路、１５は帰還抵抗、１６は
検知電極、１７は分圧手段、２１は静電容量センサ、２
２はヘッド部、２３はコントローラ部、２４は検知電
極、２５はガード電極、２８は空気層、３０は電圧フォ
ロワ回路、３１は発振回路、３２は制御手段、３３は第
１の分圧抵抗、３４はシュミット回路、３５は第２の分
圧抵抗、３６はインバータ回路（基準電圧変更手段）、
３８は分圧手段、３９は分圧回路、４３は固定抵抗、４
４はサーミスタ（温度補償手段）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検知電極と被検出物体との間に発生する
静電容量に応じて発振状態が変化する発振回路を備え、
前記発振回路の発振状態に基づいて被検出物体の有無な
どを検出する静電容量センサにおいて、前記発振回路は、入力電圧が上限閾値を上回ったときに出力をハイレベル
からロウレベルに切替えると共に、入力電圧が下限閾値
を下回ったときに出力をロウレベルからハイレベルに切
替えるシュミットトリガ・インバータ回路と、このシュミットトリガ・インバータ回路の出力と検知電
極との間に介在される帰還抵抗と、前記検知電極の電圧を分圧した状態で前記シュミットト
リガ・インバータ回路に与える分圧手段とから構成され
ていることを特徴とする静電容量センサ。
【請求項２】前記分圧手段は、前記検知電極の電圧を
所定の基準電圧との間で分圧する分圧回路から構成され
てい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】前記シュミットトリガ・インバータ回路
からハイレベルが出力された状態で前記分圧回路の基準
電圧をロウレベルとし、前記シュミットトリガ・インバ
ータ回路からロウレベルが出力された状態で前記分圧回
路の基準電圧をハイレベルとする基準電圧変更手段を備
えていることを特徴とする請求項２記載の静電容量セン
サ。
【請求項４】前記分圧手段は、前記検知電極からの出
力を受ける電圧フォロワ回路を備えて構成されているこ
とを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の静電容
量センサ。
【請求項５】前記検知電極の非検出側をシールドする
ガード電極を備え、前記ガード電極は、前記電圧フォロワ回路の出力端子と
接続されていることを特徴とする請求項４記載の静電容
量センサ。
【請求項６】前記検知電極と前記ガード電極との間に
空気層を介在したことを特徴とする請求項５記載の静電
容量センサ。
【請求項７】前記電圧フォロワ回路の温度特性による
前記発振回路の発振周波数の変動を打消すように前記分
圧手段が前記シュミットトリガ・インバータ回路に与え
る電圧を補正する温度補償手段を備えたことを特徴とす
る請求項４乃至６の何れかに記載の静電容量センサ。
【請求項８】前記温度補償手段は所定の温度特性を示
すサーミスタであることを特徴とする請求項７記載の静
電容量センサ。