JP2002090401A - 静電容量センサ回路 - Google Patents
静電容量センサ回路Info
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- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
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Abstract
(57)【要約】
【課題】最近の電磁環境の悪化等により静電容量センサ
やケーブル等から入力するノイズにより誤動作すること
のない信頼性のある、また静電容量センサの静電容量の
温度や時間的な静電容量の偏差による影響の受けないで
静電容量の変化を検出することのできる、防犯警報に使
用するのに適したセンサ回路を提供する。 【解決手段】移相型正弦波発信器１と、移相型正弦波発
信器１からの信号を受けて静電容量調整部３に伝達する
１８０度位相の異なる二相バッファ２と、その静電容量
調整部３と、静電容量調整部３に接続したＩ−Ｖ変換部
４と、Ｉ−Ｖ変換部４に接続したＢＰＦ（バンドパスフ
ィルタ）５と、ＢＰＦ５に接続した交流増幅６と、交流
増幅６に接続した同期検波部７と、移相型正弦波発信器
１に接続され、同期検波部７に信号を伝達する同期信号
作成部８と、同期検波部７に接続したＬＰＦ（ローパス
フィルタ）９と、ＬＰＦ９に接続した直流増幅ｌ０と、
直流増幅ｌ０に付設したＤＣサーボ１１と、直流増幅ｌ
０に接続した電圧比較ドライバ１２を備えたことを特徴
とする静電容量センサ回路である。
やケーブル等から入力するノイズにより誤動作すること
のない信頼性のある、また静電容量センサの静電容量の
温度や時間的な静電容量の偏差による影響の受けないで
静電容量の変化を検出することのできる、防犯警報に使
用するのに適したセンサ回路を提供する。 【解決手段】移相型正弦波発信器１と、移相型正弦波発
信器１からの信号を受けて静電容量調整部３に伝達する
１８０度位相の異なる二相バッファ２と、その静電容量
調整部３と、静電容量調整部３に接続したＩ−Ｖ変換部
４と、Ｉ−Ｖ変換部４に接続したＢＰＦ（バンドパスフ
ィルタ）５と、ＢＰＦ５に接続した交流増幅６と、交流
増幅６に接続した同期検波部７と、移相型正弦波発信器
１に接続され、同期検波部７に信号を伝達する同期信号
作成部８と、同期検波部７に接続したＬＰＦ（ローパス
フィルタ）９と、ＬＰＦ９に接続した直流増幅ｌ０と、
直流増幅ｌ０に付設したＤＣサーボ１１と、直流増幅ｌ
０に接続した電圧比較ドライバ１２を備えたことを特徴
とする静電容量センサ回路である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は静電容量センサ回
路に関し、特に、静電容量センサを電磁波ノイズや温度
変動の大なる場所に備え付けて防犯警報等に使用するの
に適した静電容量センサ回路に関する。
路に関し、特に、静電容量センサを電磁波ノイズや温度
変動の大なる場所に備え付けて防犯警報等に使用するの
に適した静電容量センサ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の静電容量測定回路としては、静電
容量に比例した電圧が得られるキャパシタンスメータ
（トランジスタ技術 １９８３年９月号 Ｐ３１８−Ｐ
３２２）がある。この回路の構成図を図６に示す。すな
わち、図６に示すように移相型正弦波発信器１の信号を
被測定用コンデンサ１５に印可し、この被測定用コンデ
ンサ１５に流れる電流をＩ−Ｖ変換部４によりＩ−Ｖ変
換して電圧に変換し、同期検波部７によって移相型正弦
波発信器１で作成された同期信号作成部８の信号に同期
した検波出力を作成し、この信号をＬＰＦ９（ローパス
フィルタ）により直流に変換し、直流増幅１０により所
定の電圧まで増幅して、被測定用コンデンサ１５の静電
容量に比例した電圧の出力電圧を得るものである。ここ
で、移相型正弦波発信器１の出力信号振幅は同期検波部
７によって検波した後、ＬＰＦ９ｓにより直流電圧に変
換し、移相型正弦波発信器１の内部にある基準電圧と比
較され、この誤差電圧によりダイオードリミッタ回路の
リミッタ電圧が設定されることにより安定化している。
容量に比例した電圧が得られるキャパシタンスメータ
（トランジスタ技術 １９８３年９月号 Ｐ３１８−Ｐ
３２２）がある。この回路の構成図を図６に示す。すな
わち、図６に示すように移相型正弦波発信器１の信号を
被測定用コンデンサ１５に印可し、この被測定用コンデ
ンサ１５に流れる電流をＩ−Ｖ変換部４によりＩ−Ｖ変
換して電圧に変換し、同期検波部７によって移相型正弦
波発信器１で作成された同期信号作成部８の信号に同期
した検波出力を作成し、この信号をＬＰＦ９（ローパス
フィルタ）により直流に変換し、直流増幅１０により所
定の電圧まで増幅して、被測定用コンデンサ１５の静電
容量に比例した電圧の出力電圧を得るものである。ここ
で、移相型正弦波発信器１の出力信号振幅は同期検波部
７によって検波した後、ＬＰＦ９ｓにより直流電圧に変
換し、移相型正弦波発信器１の内部にある基準電圧と比
較され、この誤差電圧によりダイオードリミッタ回路の
リミッタ電圧が設定されることにより安定化している。
【０００３】上記従来回路の基本原理を説明する回路を
図７に示す。正弦波発信器ＯＳＣ１i−２０１の電圧を
Ｖｒi、角速度をωとすると、オペアンプ２０４の出力
電圧Ｖoutは基準コンデンサＣｒi−２０３と被測定静電
容量（コンデンサ）Ｃｘi−２０２により、式（１）及
び（２）のような関係式で表される。
図７に示す。正弦波発信器ＯＳＣ１i−２０１の電圧を
Ｖｒi、角速度をωとすると、オペアンプ２０４の出力
電圧Ｖoutは基準コンデンサＣｒi−２０３と被測定静電
容量（コンデンサ）Ｃｘi−２０２により、式（１）及
び（２）のような関係式で表される。
【０００４】
【数１】
【０００５】
【数２】
【０００６】このように被測定静電容量Ｃｘi−２０２
の静電容量に比例した出力電圧Ｖoutが得られる。ま
た、出力電圧Ｖoutは角速度ω、すなわち正弦波発信器
ＯＳＣ１i−２０１の発信周波数に無関係であることの
他、被測定静電容量Ｃｘi−２０２はオペアンプ２０４
の反転入力に接続されているため、仮想接地されている
状態であるから、シールド線を使用して接続しても測定
結果に対する影響が小さくなる。
の静電容量に比例した出力電圧Ｖoutが得られる。ま
た、出力電圧Ｖoutは角速度ω、すなわち正弦波発信器
ＯＳＣ１i−２０１の発信周波数に無関係であることの
他、被測定静電容量Ｃｘi−２０２はオペアンプ２０４
の反転入力に接続されているため、仮想接地されている
状態であるから、シールド線を使用して接続しても測定
結果に対する影響が小さくなる。
【０００７】移相型正弦波発信器１の出力振幅の制御
は、被測定用コンデンサ１５に加える制限を、信号を同
期検波してＬＰＦ９で直流電圧に変換し、この電圧を基
準電圧と比較して移相型制限波発振器1の回路にリミッ
タをかけて振幅を制限することにより行なわれている。
このリミッタ回路はダイオードを用いたリミッタで、オ
ペアンプによるフィードバックが設けられていない。
は、被測定用コンデンサ１５に加える制限を、信号を同
期検波してＬＰＦ９で直流電圧に変換し、この電圧を基
準電圧と比較して移相型制限波発振器1の回路にリミッ
タをかけて振幅を制限することにより行なわれている。
このリミッタ回路はダイオードを用いたリミッタで、オ
ペアンプによるフィードバックが設けられていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の測定
方式では、式（１）に示されているように、出力電圧Ｖ
outはＣｘi／Ｃｒiに比例する関係があるが、オペアン
プの出力電圧は電源電圧などで制限された有限値である
ため、Ｃｒiを固定値にした場合にＣｘiが大きい静電容
量を持つと出力電圧が飽和してしまい、飽和しないよう
にＣｒiを大きくするとゲインが小さくなり、Ｃｘiが大
きい静電容量を持つ場合に、被測定静電容量の変化値Δ
Ｃｘiを高感度に検出できないと言う問題があった。ま
た被測定用コンデンサが長いケーブルを介してオペアン
プに接続されている場合には、ケーブルの長さの増加に
よる静電容量の増加やケーブルへの誘導ノイズの増加が
あり、安定な出力電圧Ｖoutを得られないという問題が
あった。このため被測定静電容量（コンデンサ）が静電
容量センサである場合に並列接続して使用することがで
きないという問題もあった。
方式では、式（１）に示されているように、出力電圧Ｖ
outはＣｘi／Ｃｒiに比例する関係があるが、オペアン
プの出力電圧は電源電圧などで制限された有限値である
ため、Ｃｒiを固定値にした場合にＣｘiが大きい静電容
量を持つと出力電圧が飽和してしまい、飽和しないよう
にＣｒiを大きくするとゲインが小さくなり、Ｃｘiが大
きい静電容量を持つ場合に、被測定静電容量の変化値Δ
Ｃｘiを高感度に検出できないと言う問題があった。ま
た被測定用コンデンサが長いケーブルを介してオペアン
プに接続されている場合には、ケーブルの長さの増加に
よる静電容量の増加やケーブルへの誘導ノイズの増加が
あり、安定な出力電圧Ｖoutを得られないという問題が
あった。このため被測定静電容量（コンデンサ）が静電
容量センサである場合に並列接続して使用することがで
きないという問題もあった。
【０００９】被測定静電容量が静電容量重量センサであ
る場合のように、センサを設置する環境の温度の変化や
雨量などの比較的時間的に緩やかな変化であってもセン
サの静電容量の変化が大きいと出力電圧が大きく変動し
て、静電容量重量センサによって人と小動物の識別を誤
動作なく行うことができないという問題があった。
る場合のように、センサを設置する環境の温度の変化や
雨量などの比較的時間的に緩やかな変化であってもセン
サの静電容量の変化が大きいと出力電圧が大きく変動し
て、静電容量重量センサによって人と小動物の識別を誤
動作なく行うことができないという問題があった。
【００１０】移相型正弦波発信器１の出力振幅を安定化
する回路に同期検波出力を用いてフィードバックをかけ
ており、回路が複雑で部品点数が多いといった問題や、
振幅の制御にダイオードリミッタ回路を使用しているた
め、温度による出力変動が大きく、発振出力のオフセッ
ト電圧も大きいといった問題があった。このため、同期
信号作成８の回路において同期検波部の同期信号の波形
のデュティが移相型正弦波発振器１と一致せず、同期検
波出力電圧が温度に対して不安定になっていた。
する回路に同期検波出力を用いてフィードバックをかけ
ており、回路が複雑で部品点数が多いといった問題や、
振幅の制御にダイオードリミッタ回路を使用しているた
め、温度による出力変動が大きく、発振出力のオフセッ
ト電圧も大きいといった問題があった。このため、同期
信号作成８の回路において同期検波部の同期信号の波形
のデュティが移相型正弦波発振器１と一致せず、同期検
波出力電圧が温度に対して不安定になっていた。
【００１１】この発明は、従来の技術が有するこのよう
な問題点に鑑みてなされたものであり、最近の電磁環境
の悪化等により静電容量センサやケーブル等から入力す
るノイズにより誤動作することのない信頼性のある、ま
た静電容量センサの静電容量の温度や時間的な静電容量
の偏差による影響の受けないで静電容量の変化を検出す
ることのできる、防犯警報に使用するのに適したセンサ
回路を提供することである。
な問題点に鑑みてなされたものであり、最近の電磁環境
の悪化等により静電容量センサやケーブル等から入力す
るノイズにより誤動作することのない信頼性のある、ま
た静電容量センサの静電容量の温度や時間的な静電容量
の偏差による影響の受けないで静電容量の変化を検出す
ることのできる、防犯警報に使用するのに適したセンサ
回路を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の静電容量セン
サ回路は、移相型正弦波発信器１と、移相型正弦波発信
器１からの信号を受けて静電容量調整部３に伝達する１
８０度位相の異なる二相バッファ２と、その静電容量調
整部３と、静電容量調整部３に接続したＩ−Ｖ変換部４
と、Ｉ−Ｖ変換部４に接続したＢＰＦ（バンドパスフィ
ルタ）５と、ＢＰＦ５に接続した交流増幅６と、交流増
幅６に接続した同期検波部７と、移相型正弦波発信器１
に接続され、同期検波部７に信号を伝達する同期信号作
成部８と、同期検波部７に接続したＬＰＦ（ローパスフ
ィルタ）９と、ＬＰＦ９に接続した直流増幅ｌ０と、直
流増幅ｌ０に付設したＤＣサーボ１１と、直流増幅ｌ０
に接続した電圧比較ドライバ１２を備えたことを特徴と
するものである。このような構成とすることにより、セ
ンサ等の静電容量の大きさに関係なく静電容量の変化を
検出できるようになり、同時に信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）
を改善できるようになった。
サ回路は、移相型正弦波発信器１と、移相型正弦波発信
器１からの信号を受けて静電容量調整部３に伝達する１
８０度位相の異なる二相バッファ２と、その静電容量調
整部３と、静電容量調整部３に接続したＩ−Ｖ変換部４
と、Ｉ−Ｖ変換部４に接続したＢＰＦ（バンドパスフィ
ルタ）５と、ＢＰＦ５に接続した交流増幅６と、交流増
幅６に接続した同期検波部７と、移相型正弦波発信器１
に接続され、同期検波部７に信号を伝達する同期信号作
成部８と、同期検波部７に接続したＬＰＦ（ローパスフ
ィルタ）９と、ＬＰＦ９に接続した直流増幅ｌ０と、直
流増幅ｌ０に付設したＤＣサーボ１１と、直流増幅ｌ０
に接続した電圧比較ドライバ１２を備えたことを特徴と
するものである。このような構成とすることにより、セ
ンサ等の静電容量の大きさに関係なく静電容量の変化を
検出できるようになり、同時に信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）
を改善できるようになった。
【００１３】前述の直流出力には、時間的に緩やかな変
動をするセンサの静電容量に対応する直流電圧が発生す
るが、これを除去するために直流増幅１０とＤＣサーボ
１１からなる回路を設けた。この回路は直流増幅１０の
出力電圧を積分して直流増幅１０の基準電圧入力にフィ
ードバックして時間的に緩やかな直流電圧を除去し、前
述の直流出力に時間的に速いかつ大きな変化がある時は
直流増幅１０の出力が積分回路の入力に入らないようリ
ミットする回路（ＤＣサーボ１１）からなり、時間的に
速いかつ大きな変化のみの直流出力を得ることができ
る。したがって、出力電圧の大きさの比較をすることに
より、センサの静電容量の変化の大きさをセンサの温度
や時間的な静電容量の偏差による影響を受けないで識別
検出することができる。
動をするセンサの静電容量に対応する直流電圧が発生す
るが、これを除去するために直流増幅１０とＤＣサーボ
１１からなる回路を設けた。この回路は直流増幅１０の
出力電圧を積分して直流増幅１０の基準電圧入力にフィ
ードバックして時間的に緩やかな直流電圧を除去し、前
述の直流出力に時間的に速いかつ大きな変化がある時は
直流増幅１０の出力が積分回路の入力に入らないようリ
ミットする回路（ＤＣサーボ１１）からなり、時間的に
速いかつ大きな変化のみの直流出力を得ることができ
る。したがって、出力電圧の大きさの比較をすることに
より、センサの静電容量の変化の大きさをセンサの温度
や時間的な静電容量の偏差による影響を受けないで識別
検出することができる。
【００１４】また、上記移相型正弦波発信器１の出力振
幅を安定化するために、オペアンプを用いたリミッタ回
路を使用し、このリミッタ電圧を精密基準電圧より設定
する単純な回路構成に変更した。このことにより、部品
点数を削減するとともに、移相型正弦波発信器１の出力
振幅とオフセット電圧の温度安定性を改善することがで
きた。またこの結果、同期信号作成部８の回路の信号出
力のデュティが改善され、同期検波部が精度良く安定的
に動作するようになる。
幅を安定化するために、オペアンプを用いたリミッタ回
路を使用し、このリミッタ電圧を精密基準電圧より設定
する単純な回路構成に変更した。このことにより、部品
点数を削減するとともに、移相型正弦波発信器１の出力
振幅とオフセット電圧の温度安定性を改善することがで
きた。またこの結果、同期信号作成部８の回路の信号出
力のデュティが改善され、同期検波部が精度良く安定的
に動作するようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の静電容量センサ
回路における実施の形態につき、図面に基づいて詳細に
説明する。この発明においては、静電容量センサの静電
容量と、静電容量センサとセンサ回路を接続するケーブ
ルの静電容量の大きさに関係なく使用できるようにする
と同時に、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善できるように
するため、図１に示すように、静電容量センサ１３と、
ケーブル１４と、移相型正弦波発信器１と、１８０度位
相の異なる二相バッファ２と、静電容量調整部３と、Ｉ
−Ｖ変換部４からなる構成の回路を備える。そして、移
相型正弦波発信器１により作成された正弦波信号から１
８０度位相のことなる二つの正弦波発振出力を持つ二相
バッファ２を作成し、この信号の一方を、ケーブル１４
を介して静電容量センサ１３に接続し、他方の信号を可
変コンデンサに接続して、当該可変コンデンサの接続さ
れていない他方の電極を結合コンデンサに接続する。こ
の構成よりなる静電容量調整部３の出力をＩ−Ｖ変換器
４により、結合コンデンサに流れる電流を電圧に変換す
る。以上の構成の回路により、静電容量調整部３の可変
コンデンサの静電容量調整によりセンサの静電容量の大
きさによって飽和することのない、交流信号が得られ
る。上記回路の動作原理を、図２を用いて説明する。正
弦波発信器ＯＳＣ１…１０１に静電容量センサとケーブ
ルからなる被測定静電容量Ｃｘ…１０３を接続し、正弦
波発信器ＯＳＣ１…１０１の位相反転出力を持つ正弦波
発信器ＯＳＣ２…１０２ に可変コンデンサＣvari…１
０４を接続して、被測定静電容量Ｃｘ…１０３と可変コ
ンデンサＣvari…１０４の他方を点Ａで接続する。この
接続点Ａとオペアンプ…１０７の逆相入力の間を結合コ
ンデンサＣｃ…１０５で接続し、オペアンプのフィード
バックループには基準コンデンサＣｒ…１０６を接続す
る。ただし、結合コンデンサＣｃと被測定静電容量Ｃｘ
の静電容量はＣｘ＞Ｃｃの関係を満足するものとする。
この回路構成において、被測定静電容量Ｃｘに流れる電
流をＩｘ、可変コンデンサＣvariに流れる電流をＩvar
i、結合コンデンサＣｃに流れる電流をＩｃとすると以
下のようになる。
回路における実施の形態につき、図面に基づいて詳細に
説明する。この発明においては、静電容量センサの静電
容量と、静電容量センサとセンサ回路を接続するケーブ
ルの静電容量の大きさに関係なく使用できるようにする
と同時に、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善できるように
するため、図１に示すように、静電容量センサ１３と、
ケーブル１４と、移相型正弦波発信器１と、１８０度位
相の異なる二相バッファ２と、静電容量調整部３と、Ｉ
−Ｖ変換部４からなる構成の回路を備える。そして、移
相型正弦波発信器１により作成された正弦波信号から１
８０度位相のことなる二つの正弦波発振出力を持つ二相
バッファ２を作成し、この信号の一方を、ケーブル１４
を介して静電容量センサ１３に接続し、他方の信号を可
変コンデンサに接続して、当該可変コンデンサの接続さ
れていない他方の電極を結合コンデンサに接続する。こ
の構成よりなる静電容量調整部３の出力をＩ−Ｖ変換器
４により、結合コンデンサに流れる電流を電圧に変換す
る。以上の構成の回路により、静電容量調整部３の可変
コンデンサの静電容量調整によりセンサの静電容量の大
きさによって飽和することのない、交流信号が得られ
る。上記回路の動作原理を、図２を用いて説明する。正
弦波発信器ＯＳＣ１…１０１に静電容量センサとケーブ
ルからなる被測定静電容量Ｃｘ…１０３を接続し、正弦
波発信器ＯＳＣ１…１０１の位相反転出力を持つ正弦波
発信器ＯＳＣ２…１０２ に可変コンデンサＣvari…１
０４を接続して、被測定静電容量Ｃｘ…１０３と可変コ
ンデンサＣvari…１０４の他方を点Ａで接続する。この
接続点Ａとオペアンプ…１０７の逆相入力の間を結合コ
ンデンサＣｃ…１０５で接続し、オペアンプのフィード
バックループには基準コンデンサＣｒ…１０６を接続す
る。ただし、結合コンデンサＣｃと被測定静電容量Ｃｘ
の静電容量はＣｘ＞Ｃｃの関係を満足するものとする。
この回路構成において、被測定静電容量Ｃｘに流れる電
流をＩｘ、可変コンデンサＣvariに流れる電流をＩvar
i、結合コンデンサＣｃに流れる電流をＩｃとすると以
下のようになる。
【数３】
【数４】
【数５】 ここで、基準コンデンサＣｒに流れる電流は、結合コン
デンサＣｃに流れる電流に等しく、以下のようになる。
デンサＣｃに流れる電流に等しく、以下のようになる。
【数６】 （５）、（６）式は等しいので、ＶｒとＶoutの間には
以下の関係式が成立する。
以下の関係式が成立する。
【数７】 （５）式から、被測定静電容量Ｃｘと可変コンデンサＣ
variの静電容量がー致するように可変コンデンサＣvari
を可変すると、結合コンデンサＣｃに流れる電流は０
（ゼロ）になることがわかる。このとき基準コンデンサ
Ｃｒに流れる電流も０になり、式（７）の関係式からオ
ペアンプ…１０７の出力電圧Ｖoutは０となる。このよ
うに様々な被測定静電容量Ｃｘに対して可変コンデンサ
Ｃvariを可変とすることによって出力電圧を０に調整す
ることにより、静電容量センサの静電容量と、静電容量
センサとセンサ回路を接続するケーブルの静電容量の大
きさに関係なく使用できるようにする。さらに式（７）
を変形して、
variの静電容量がー致するように可変コンデンサＣvari
を可変すると、結合コンデンサＣｃに流れる電流は０
（ゼロ）になることがわかる。このとき基準コンデンサ
Ｃｒに流れる電流も０になり、式（７）の関係式からオ
ペアンプ…１０７の出力電圧Ｖoutは０となる。このよ
うに様々な被測定静電容量Ｃｘに対して可変コンデンサ
Ｃvariを可変とすることによって出力電圧を０に調整す
ることにより、静電容量センサの静電容量と、静電容量
センサとセンサ回路を接続するケーブルの静電容量の大
きさに関係なく使用できるようにする。さらに式（７）
を変形して、
【数８】 ここで、Ｃｘ＝Ｃvariとなるように可変コンデンサＣva
riを調整する。ここで検知コンデンサの被測定静電容量
Ｃｘが∇Ｃｘだけ増加すると、Ｃｘ‐Ｃvari＝∇Ｃｘで
あるから、式（８）は検知コンデンサの被測定静電容量
の変化∇Ｃｘを用いて、以下のように表せる。
riを調整する。ここで検知コンデンサの被測定静電容量
Ｃｘが∇Ｃｘだけ増加すると、Ｃｘ‐Ｃvari＝∇Ｃｘで
あるから、式（８）は検知コンデンサの被測定静電容量
の変化∇Ｃｘを用いて、以下のように表せる。
【数９】 ここで、Ｃvari＞Ｃｃ、かつ∇Ｃｘ＜＜Ｃｃとなる条件
では、式（９）は以下のように近似できる。
では、式（９）は以下のように近似できる。
【数１０】 このように、検知コンデンサの静電容量の変化∇Ｃｘに
比例した出力電圧Ｖoutを得ることができる。また、正
弦波電圧を最大の大きさに設定してもＣvari／Ｃｃを調
整することによりＶoutが飽和しないようにできる。一
方図７の回路の場合、センサやケーブルに誘導したノイ
ズ電圧を∇Ｖｎとすると、出力電圧 Ｖoutiは、基準コ
ンデンサＣｒi、検知コンデンサの被測定静電容量Ｃｘ
i、正弦波信号電圧Ｖｒiを用いて次のように表せる。
比例した出力電圧Ｖoutを得ることができる。また、正
弦波電圧を最大の大きさに設定してもＣvari／Ｃｃを調
整することによりＶoutが飽和しないようにできる。一
方図７の回路の場合、センサやケーブルに誘導したノイ
ズ電圧を∇Ｖｎとすると、出力電圧 Ｖoutiは、基準コ
ンデンサＣｒi、検知コンデンサの被測定静電容量Ｃｘ
i、正弦波信号電圧Ｖｒiを用いて次のように表せる。
【数１１】 図２の回路の場合、ノイズ電圧∇Ｖｎを考慮すると、式
（１０）より、
（１０）より、
【数１２】 式（１２）において、Ｃvari＞Ｃｃの関係を満足し、仮
に１＋Ｃvari／Ｃｃ＝４ とすれば、出力電圧 Ｖoutに
現れるノイズ電圧∇Ｖｎは、式（８）に示す出力電圧
Ｖoutiに現れるノイズ電圧∇Ｖｎの約１／１６の影響と
なる。このようにＣｘ＞ＣｃあるいはＣvari＞Ｃｃの関
係をもつ結合コンデンサＣｃと、大きな正弦波信号電圧
Ｖｒのパラメータ設定条件によりＳ／Ｎを改善する。な
お、式（１２）においてＣvari／Ｃｃは回路のゲインに
影響するので、可変コンデンサＣvariの容量の変化に応
じて結合コンデンサＣｃも変化させて、Ｃvari／Ｃｃ＝
定数となるように調整するか、あるいは連動して変化す
る回路を備える。
に１＋Ｃvari／Ｃｃ＝４ とすれば、出力電圧 Ｖoutに
現れるノイズ電圧∇Ｖｎは、式（８）に示す出力電圧
Ｖoutiに現れるノイズ電圧∇Ｖｎの約１／１６の影響と
なる。このようにＣｘ＞ＣｃあるいはＣvari＞Ｃｃの関
係をもつ結合コンデンサＣｃと、大きな正弦波信号電圧
Ｖｒのパラメータ設定条件によりＳ／Ｎを改善する。な
お、式（１２）においてＣvari／Ｃｃは回路のゲインに
影響するので、可変コンデンサＣvariの容量の変化に応
じて結合コンデンサＣｃも変化させて、Ｃvari／Ｃｃ＝
定数となるように調整するか、あるいは連動して変化す
る回路を備える。
【００１６】図２の回路の具体的実施例を図８に示す。
図８において二相バッファ２は、移相型正弦波発信器１
の信号をオペアンプ４０１を用いて反転増幅する回路と
正相増幅するオペアンプ４０２からなり、オペアンプ４
０１の回路の増幅率は抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値により調
整ができる。なお、ここで使用しているオペアンプ４０
１，４０２は大きな容量負荷を駆動可能なＯＰ２７９等
のＩＣである。正相増幅のオペアンプ４０２の出力はケ
ーブル１４を介して静電容量センサ１３を通って結合コ
ンデンサＣｃ…１０５に接続される。反転増幅のオペア
ンプ４０１の出力はケーブル１４を介して可変コンデン
サＣvari…１０４を通って結合コンデンサＣｃ…１０５
に接続される。なお、ケーブル１４の内部では外部の誘
導ノイズの影響を小さくするためとケーブルの静電容量
の影響をキャンセルさせるため、オペアンプ４０１の出
力とオペアンプ４０２の出力線はツイストペアされてい
る。結合コンデンサＣｃ…１０５を介して静電容量調整
部３とＩ−Ｖ変換器４は接続されており、この接続点に
は基準コンデンサＣｒ…１０６と、Ｒ３が接続されてい
る。このＲ３と、Ｒ４と、Ｒ５と、Ｒ６と、Ｃ１はオペ
アンプ４０３によるＡＣ増幅においてＤＣ帰還をかけ、
出力オフセットを最小にするために設けたものである。
このＤＣ帰還回路により、ケーブル１４、静電容量セン
サ１３などを介して誘導してくる商用周波数等の低周波
ノイズによる出力電圧の変動を抑圧している。なお、正
弦波発信器１の発振周波数として、実施例では、回路の
設計上有利なので１０ＫＨｚを用いており、商用周波数
の５０Ｈｚ、６０Ｈｚやラジオ放送周波数の５００ＫＨ
ｚ以上の周波数からの誘導妨害の影響を受けないように
しているが、別の周波数を使用してもよい。図８の回路
の調整方法は、Ｉ−Ｖ変換器４の出力電圧をオシロスコ
ープで観測し、可変コンデンサＣvari…１０４の静電容
量を静電容量センサ１３の静電容量に近づけていくと、
Ｉ−Ｖ変換器４の出力電圧の振幅が小さくなり、最小に
なるところに合わせる。その後、静電容量センサ１３に
重量静電容量センサを用いた場合には、最大重量をかけ
てＩ−Ｖ変換器４の出力電圧が飽和してパルス波形にな
らないよう、結合コンデンサＣｃ…１０５を調整する。
静電容量センサ１３が複数並列接続される場合や、静電
容量センサ１３を大きな静電容量のものに交換する場合
には、可変コンデンサＣvari…１０４の静電容量を増加
させればよいが、このとき結合コンデンサＣｃ…１０５
の静電容量も増加させて、なるべくＣvari／Ｃｃ＝一定
となるように注意する。この実施例の場合、可変コンデ
ンサとして温度特性の良い固定コンデンサの並列接続を
スイッチにより切り替えることによってコンデンサの容
量の可変を行っている。図８の回路において静電容量調
整部３の可変コンデンサＣvari…１０４を静電容量セン
サ１３と同じ場所に設置して、可変コンデンサＣvari…
１０４と静電容量センサ１３のコンデンサとを温度特性
を同じものを使用することにより、温度特性を改善する
ように考案した実施例を図９に示す。この場合、調整は
センサ回路の基板外の静電容量センサの側で行うが、調
整方法は図８と同じである。ただし、図８、図９の調整
は、その後直流増幅１０の出力電圧により、交流増幅６
のゲイン調整、直流増幅１０のゲイン調整時に再度確認
する必要がある。
図８において二相バッファ２は、移相型正弦波発信器１
の信号をオペアンプ４０１を用いて反転増幅する回路と
正相増幅するオペアンプ４０２からなり、オペアンプ４
０１の回路の増幅率は抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値により調
整ができる。なお、ここで使用しているオペアンプ４０
１，４０２は大きな容量負荷を駆動可能なＯＰ２７９等
のＩＣである。正相増幅のオペアンプ４０２の出力はケ
ーブル１４を介して静電容量センサ１３を通って結合コ
ンデンサＣｃ…１０５に接続される。反転増幅のオペア
ンプ４０１の出力はケーブル１４を介して可変コンデン
サＣvari…１０４を通って結合コンデンサＣｃ…１０５
に接続される。なお、ケーブル１４の内部では外部の誘
導ノイズの影響を小さくするためとケーブルの静電容量
の影響をキャンセルさせるため、オペアンプ４０１の出
力とオペアンプ４０２の出力線はツイストペアされてい
る。結合コンデンサＣｃ…１０５を介して静電容量調整
部３とＩ−Ｖ変換器４は接続されており、この接続点に
は基準コンデンサＣｒ…１０６と、Ｒ３が接続されてい
る。このＲ３と、Ｒ４と、Ｒ５と、Ｒ６と、Ｃ１はオペ
アンプ４０３によるＡＣ増幅においてＤＣ帰還をかけ、
出力オフセットを最小にするために設けたものである。
このＤＣ帰還回路により、ケーブル１４、静電容量セン
サ１３などを介して誘導してくる商用周波数等の低周波
ノイズによる出力電圧の変動を抑圧している。なお、正
弦波発信器１の発振周波数として、実施例では、回路の
設計上有利なので１０ＫＨｚを用いており、商用周波数
の５０Ｈｚ、６０Ｈｚやラジオ放送周波数の５００ＫＨ
ｚ以上の周波数からの誘導妨害の影響を受けないように
しているが、別の周波数を使用してもよい。図８の回路
の調整方法は、Ｉ−Ｖ変換器４の出力電圧をオシロスコ
ープで観測し、可変コンデンサＣvari…１０４の静電容
量を静電容量センサ１３の静電容量に近づけていくと、
Ｉ−Ｖ変換器４の出力電圧の振幅が小さくなり、最小に
なるところに合わせる。その後、静電容量センサ１３に
重量静電容量センサを用いた場合には、最大重量をかけ
てＩ−Ｖ変換器４の出力電圧が飽和してパルス波形にな
らないよう、結合コンデンサＣｃ…１０５を調整する。
静電容量センサ１３が複数並列接続される場合や、静電
容量センサ１３を大きな静電容量のものに交換する場合
には、可変コンデンサＣvari…１０４の静電容量を増加
させればよいが、このとき結合コンデンサＣｃ…１０５
の静電容量も増加させて、なるべくＣvari／Ｃｃ＝一定
となるように注意する。この実施例の場合、可変コンデ
ンサとして温度特性の良い固定コンデンサの並列接続を
スイッチにより切り替えることによってコンデンサの容
量の可変を行っている。図８の回路において静電容量調
整部３の可変コンデンサＣvari…１０４を静電容量セン
サ１３と同じ場所に設置して、可変コンデンサＣvari…
１０４と静電容量センサ１３のコンデンサとを温度特性
を同じものを使用することにより、温度特性を改善する
ように考案した実施例を図９に示す。この場合、調整は
センサ回路の基板外の静電容量センサの側で行うが、調
整方法は図８と同じである。ただし、図８、図９の調整
は、その後直流増幅１０の出力電圧により、交流増幅６
のゲイン調整、直流増幅１０のゲイン調整時に再度確認
する必要がある。
【００１７】Ｉ−Ｖ変換器４の出力である交流電圧はさ
らに、正弦波信号Ｖｒの周波数を中心周波数とするバン
ドパスフィルタ（ＢＰＦ…５）回路により誘導してきた
低周波ノイズ及び高周波ノイズを除去する。その後、交
流増幅６により、増幅して感度を上げたあと、同期検波
部７により検波する。この同期検波回路は正弦波信号Ｖ
ｒに同期させて検波するもので、同期信号作成部８によ
り、正弦波信号Ｖｒと同期した位相調整信号により、静
電容量成分のみが、検波出力となるよう調整する。この
検波出力はＬＰＦ…９により直流電圧に変換する。この
同期検波部７とＬＰＦ…９の働きにより、Ｓ／Ｎを改善
することができる。これらの回路の具体的な実施例を図
１１に示す。
らに、正弦波信号Ｖｒの周波数を中心周波数とするバン
ドパスフィルタ（ＢＰＦ…５）回路により誘導してきた
低周波ノイズ及び高周波ノイズを除去する。その後、交
流増幅６により、増幅して感度を上げたあと、同期検波
部７により検波する。この同期検波回路は正弦波信号Ｖ
ｒに同期させて検波するもので、同期信号作成部８によ
り、正弦波信号Ｖｒと同期した位相調整信号により、静
電容量成分のみが、検波出力となるよう調整する。この
検波出力はＬＰＦ…９により直流電圧に変換する。この
同期検波部７とＬＰＦ…９の働きにより、Ｓ／Ｎを改善
することができる。これらの回路の具体的な実施例を図
１１に示す。
【００１８】この発明はセンサを設置する環境の温度の
変化や雨量などの比較的時間的に緩やかな環境の変化に
よる静電容量重量センサ等の静電容量の変化を出力電圧
として出力するのを抑圧するために、図１の直流増幅１
０にＤＣサーボ…１１を設けて、時間的に緩やかな電圧
変動を抑圧除去した直流電圧出力を得る回路を備える。
この回路の動作原理は図３に示すように差動アンプ…３
０１の出力にＬＰＦ（積分回路）を設けてその出力を差
動アンプ…３０１のＲＥＦ入力に接続した構成よりなる
ゼロ点補正回路の機能に、時間的に速いかつ大きな電圧
の信号が差動アンプ…３０１に入力した場合に、この差
動アンプ…３０１の出力に取り付けられたＬＰＦの入力
電圧を基準電圧に近いリミッタ電圧に制限するリミッタ
回路を追加することにより、時間的に緩やかな電圧変動
を抑圧除去した直流電圧出力を差動アンプ…３０１の出
力より得ることができる。このリミッタ電圧及びリミッ
タ回路は差動アンプ…３０１の入力が時間的に速いかつ
大きな電圧の変化をするときに差動アンプ…３０１の出
力がプラス方向の電圧の変化を検出する場合にはプラス
のリミッタ電圧とし、プラス側でリミッタするリミッタ
回路を使用し、マイナス方向の電圧の変化を検出する場
合はマイナスのリミッタ電圧とし、マイナス側でリミッ
タするリミッタ回路を使用する。ここでリミッタ電圧は
差動アンプ…３０１の最大出力電圧の１／５０程度を選
んでいる。これは、時間的に緩やかな静電容量の変化が
あるときに差動アンプ…３０１の出力電圧がサーボされ
てこの最大変化出力電圧の１／５０程度の範囲に入ると
いう実験的事実によって決めたもので、その電圧値は最
大出力が５Ｖの場合１００ｍＶ程度となる。ここで基準
電圧は通常０Ｖに設定するがそれ以外の０Ｖに近い電圧
にすることもできる。図３のリミッタ回路はリミッタ電
圧、オペアンプ…３０３、ダイオード…３０８、抵抗…
３０７，３０４、及びアナログスイッチ…３０９からな
り、アナログスイッチ…３０９は、リミッタ機能をＯＮ
‐ＯＦＦするときに用いるもので、センサ回路の可変コ
ンデンサＣvari…１０４を調整する場合には、ＯＦＦす
る。回路の電源電圧が起動するときにゼロ点補正回路の
機能が先に働いて出力電圧が基準電圧に近い値になった
後、リミッタ回路がＯＮするようにした回路を備えてい
る。図３の回路は差動アンプ…３０１の出力がプラス方
向の電圧の変化を検出する場合の回路構成例を示してお
り、プラス側でリミッタするリミッタ回路を使用してい
る。図３においてリミッタ電圧を負にしてダイオード…
３０８のアノードとカソードを逆にすればマイナス側で
リミッタするリミッタ回路となり、差動アンプ…３０１
の出力がマイナス方向の電圧の変化を検出する場合の回
路構成となる。図４は図３の回路のリミッタ回路を、コ
ンパレータ…３１１を使用して置き換えたものである。
この場合リミッタ開始電圧はリミッタ電圧となるが、オ
ペアンプ…３０２を用いた積分回路の入力電圧は基準電
圧に一致する。図５は、図３の回路の差動アンプ…３０
１をオペアンプ…３１６を用いて実現したもので、抵抗
…３１２、３１３、３１４、３１５により差動アンプを
構成している。この回路ではオペアンプ…３０２の出力
は、抵抗…３１５に接続されていて、図３の回路のＲＥ
Ｆ入力に相当するところに接続していないことが特徴で
ある。図３の具体的な実施例の１例を図１２に示す。図
１２のＤＣサーボ１１回路においてＳ１は通常ＯＮに設
定されていて、静電容量調整時等にＯＦＦして終了後、
もとのＯＮ状態にする。図１２の回路には電源の瞬断時
や電源の起動時にはパワーＯＮリセット回路が接続され
ているので、Ｓ１がＯＮの状態でもリミッタ回路はＯＦ
Ｆとなる。
変化や雨量などの比較的時間的に緩やかな環境の変化に
よる静電容量重量センサ等の静電容量の変化を出力電圧
として出力するのを抑圧するために、図１の直流増幅１
０にＤＣサーボ…１１を設けて、時間的に緩やかな電圧
変動を抑圧除去した直流電圧出力を得る回路を備える。
この回路の動作原理は図３に示すように差動アンプ…３
０１の出力にＬＰＦ（積分回路）を設けてその出力を差
動アンプ…３０１のＲＥＦ入力に接続した構成よりなる
ゼロ点補正回路の機能に、時間的に速いかつ大きな電圧
の信号が差動アンプ…３０１に入力した場合に、この差
動アンプ…３０１の出力に取り付けられたＬＰＦの入力
電圧を基準電圧に近いリミッタ電圧に制限するリミッタ
回路を追加することにより、時間的に緩やかな電圧変動
を抑圧除去した直流電圧出力を差動アンプ…３０１の出
力より得ることができる。このリミッタ電圧及びリミッ
タ回路は差動アンプ…３０１の入力が時間的に速いかつ
大きな電圧の変化をするときに差動アンプ…３０１の出
力がプラス方向の電圧の変化を検出する場合にはプラス
のリミッタ電圧とし、プラス側でリミッタするリミッタ
回路を使用し、マイナス方向の電圧の変化を検出する場
合はマイナスのリミッタ電圧とし、マイナス側でリミッ
タするリミッタ回路を使用する。ここでリミッタ電圧は
差動アンプ…３０１の最大出力電圧の１／５０程度を選
んでいる。これは、時間的に緩やかな静電容量の変化が
あるときに差動アンプ…３０１の出力電圧がサーボされ
てこの最大変化出力電圧の１／５０程度の範囲に入ると
いう実験的事実によって決めたもので、その電圧値は最
大出力が５Ｖの場合１００ｍＶ程度となる。ここで基準
電圧は通常０Ｖに設定するがそれ以外の０Ｖに近い電圧
にすることもできる。図３のリミッタ回路はリミッタ電
圧、オペアンプ…３０３、ダイオード…３０８、抵抗…
３０７，３０４、及びアナログスイッチ…３０９からな
り、アナログスイッチ…３０９は、リミッタ機能をＯＮ
‐ＯＦＦするときに用いるもので、センサ回路の可変コ
ンデンサＣvari…１０４を調整する場合には、ＯＦＦす
る。回路の電源電圧が起動するときにゼロ点補正回路の
機能が先に働いて出力電圧が基準電圧に近い値になった
後、リミッタ回路がＯＮするようにした回路を備えてい
る。図３の回路は差動アンプ…３０１の出力がプラス方
向の電圧の変化を検出する場合の回路構成例を示してお
り、プラス側でリミッタするリミッタ回路を使用してい
る。図３においてリミッタ電圧を負にしてダイオード…
３０８のアノードとカソードを逆にすればマイナス側で
リミッタするリミッタ回路となり、差動アンプ…３０１
の出力がマイナス方向の電圧の変化を検出する場合の回
路構成となる。図４は図３の回路のリミッタ回路を、コ
ンパレータ…３１１を使用して置き換えたものである。
この場合リミッタ開始電圧はリミッタ電圧となるが、オ
ペアンプ…３０２を用いた積分回路の入力電圧は基準電
圧に一致する。図５は、図３の回路の差動アンプ…３０
１をオペアンプ…３１６を用いて実現したもので、抵抗
…３１２、３１３、３１４、３１５により差動アンプを
構成している。この回路ではオペアンプ…３０２の出力
は、抵抗…３１５に接続されていて、図３の回路のＲＥ
Ｆ入力に相当するところに接続していないことが特徴で
ある。図３の具体的な実施例の１例を図１２に示す。図
１２のＤＣサーボ１１回路においてＳ１は通常ＯＮに設
定されていて、静電容量調整時等にＯＦＦして終了後、
もとのＯＮ状態にする。図１２の回路には電源の瞬断時
や電源の起動時にはパワーＯＮリセット回路が接続され
ているので、Ｓ１がＯＮの状態でもリミッタ回路はＯＦ
Ｆとなる。
【００１９】前述の差動アンプ…３０１の出力は図１の
ＣＯＭＰ（電圧比較）ドライバ…１２に入力して任意に
調整できる基準電圧と比較して、警報等に利用できる信
号を出力する機能を有する回路からなり、センサの静電
容量の変化の検出信号レベルを調整可能にする。これに
よって静電容量センサに重量センサを使用した場合、検
出レベル調整によって人と小動物を識別検出できるた
め、防犯警報等の用途に優れる。検出されたセンサ信号
出力はＬＥＤ表示やタイマを使用して一定時間出力した
りするインターフェイス機能、リセットなどの設定機能
を有する。
ＣＯＭＰ（電圧比較）ドライバ…１２に入力して任意に
調整できる基準電圧と比較して、警報等に利用できる信
号を出力する機能を有する回路からなり、センサの静電
容量の変化の検出信号レベルを調整可能にする。これに
よって静電容量センサに重量センサを使用した場合、検
出レベル調整によって人と小動物を識別検出できるた
め、防犯警報等の用途に優れる。検出されたセンサ信号
出力はＬＥＤ表示やタイマを使用して一定時間出力した
りするインターフェイス機能、リセットなどの設定機能
を有する。
【００２０】移相型正弦波発信器１の具体的な実施例を
図１０に示す。移相型正弦波発信器１はバタワースフィ
ルタ回路…５０１と、積分回路…５０２と、リミッタ回
路…５０３からなり、バタワースフィルタ回路…５０１
と積分回路…５０２の接続により、移相型の正弦波発信
回路となる。この発信器の出力振幅はオペアンプを用い
たリミッタ回路…５０３の正、負のリミッタ電圧により
安定化される。このオペアンプを用いたリミッタ回路は
ダイオードの順方向電圧の影響が非常に小さく、その結
果温度変化によるリミッタ電圧の変化がほとんどないの
が特徴で、発振波形のオフセット電圧が小さく、温度安
定性の良い回路を実現できる。また、正弦波発振出力
は、ＯＵＴＰＵＴ１と、ＯＵＴＰＵＴ２の出力があり、
互いに９０度位相が違うので、この位相差を利用して同
期信号作成８の位相調整回路を構成すると回路を簡素化
できるため、有利である。
図１０に示す。移相型正弦波発信器１はバタワースフィ
ルタ回路…５０１と、積分回路…５０２と、リミッタ回
路…５０３からなり、バタワースフィルタ回路…５０１
と積分回路…５０２の接続により、移相型の正弦波発信
回路となる。この発信器の出力振幅はオペアンプを用い
たリミッタ回路…５０３の正、負のリミッタ電圧により
安定化される。このオペアンプを用いたリミッタ回路は
ダイオードの順方向電圧の影響が非常に小さく、その結
果温度変化によるリミッタ電圧の変化がほとんどないの
が特徴で、発振波形のオフセット電圧が小さく、温度安
定性の良い回路を実現できる。また、正弦波発振出力
は、ＯＵＴＰＵＴ１と、ＯＵＴＰＵＴ２の出力があり、
互いに９０度位相が違うので、この位相差を利用して同
期信号作成８の位相調整回路を構成すると回路を簡素化
できるため、有利である。
【００２１】
【発明の効果】この発明は静電容量センサおよびケーブ
ルの静電容量を減算圧縮するなどの静電容量調整回路３
を備えているため、様々な静電容量の静電容量センサや
ケーブルを使用することができる他、静電容量センサの
多数並列接続による検知や１００ｍ以上の長さのケーブ
ルを使用しての検知が可能である。またこの静電容量調
整回路３と二相バッファ２により静電容量センサ１３に
比較的大きな電圧を印可できるため、Ｓ／Ｎ（信号対雑
音比）を向上させることができる。またＢＰＦ５を備え
ているためセンサからの外来ノイズを除去でき、雑音除
去能力のある同期検波部７とＬＰＦ９の機能によりノイ
ズに強い回路となっている。また、静電容量センサが温
度などの時間的に緩やかな環境変化によって静電容量が
時間的に緩やかに変化する場合にこれを抑圧除去できる
ので、静電容量センサとして感圧式の重量センサを使用
すると、温度変化や降雨や緩やかな降雪などによる誤作
動がない、小動物と人間等の識別の可能なセンサ回路出
力が実現できる。さらに、移相型正弦波発信器１の出力
振幅の温度安定性が改善されているため、センサ回路の
使用動作温度範囲を広くすることができ、センサ回路の
設置場所の温度変化がセンサの検知出力に影響して誤動
作することがなくなる。
ルの静電容量を減算圧縮するなどの静電容量調整回路３
を備えているため、様々な静電容量の静電容量センサや
ケーブルを使用することができる他、静電容量センサの
多数並列接続による検知や１００ｍ以上の長さのケーブ
ルを使用しての検知が可能である。またこの静電容量調
整回路３と二相バッファ２により静電容量センサ１３に
比較的大きな電圧を印可できるため、Ｓ／Ｎ（信号対雑
音比）を向上させることができる。またＢＰＦ５を備え
ているためセンサからの外来ノイズを除去でき、雑音除
去能力のある同期検波部７とＬＰＦ９の機能によりノイ
ズに強い回路となっている。また、静電容量センサが温
度などの時間的に緩やかな環境変化によって静電容量が
時間的に緩やかに変化する場合にこれを抑圧除去できる
ので、静電容量センサとして感圧式の重量センサを使用
すると、温度変化や降雨や緩やかな降雪などによる誤作
動がない、小動物と人間等の識別の可能なセンサ回路出
力が実現できる。さらに、移相型正弦波発信器１の出力
振幅の温度安定性が改善されているため、センサ回路の
使用動作温度範囲を広くすることができ、センサ回路の
設置場所の温度変化がセンサの検知出力に影響して誤動
作することがなくなる。
【図１】本発明の構成を示す図である。
【図２】本発明の静電容量調整３と、二相バッファ２
と、Ｉ−Ｖ変換器４の動作説明回路図である。
と、Ｉ−Ｖ変換器４の動作説明回路図である。
【図３】本発明の直流増幅１０と、ＤＣサーボ１１の動
作説明回路図である。
作説明回路図である。
【図４】図３の回路のリミッタ回路を、コンパレータを
使用して置き換えた回路図である。
使用して置き換えた回路図である。
【図５】図３の回路の差動アンプをオペアンプを用いて
実現した状態を示す回路図である。
実現した状態を示す回路図である。
【図６】従来技術の構成図である。
【図７】従来回路の基本原理を説明する回路図である。
【図８】図２の回路の具体的な実施例を示した図であ
る。
る。
【図９】温度特性を改善するように考案した実施例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図１０】移相型正弦波発信器１の具体的な実施例を示
した回路図である。
した回路図である。
【図１１】ＢＰＦ５、ＡＣＡＭＰ（交流増幅）６、同期
検波部７、ＬＰＦ９の具体的な実施例を示した回路図で
ある。
検波部７、ＬＰＦ９の具体的な実施例を示した回路図で
ある。
【図１２】図３の具体的な実施例を示した回路図であ
る。
る。
１…正弦波発信器 ２…二相バッファ ３…静電容量調整部 ４…Ｉ−Ｖ変換器 ５…ＢＰＦ ６…交流増幅 ７…同期検波部 ８…同期信号作成 ９…ＬＰＦ １０…直流増幅 １１…ＤＣサーボ １２…電圧比較ドライバ １３…静電容量センサ １４…ケーブル １５…被測定用コンデンサ １０１…正弦波発信器１（ＯＳＣ１） １０２…正弦波発信器２（ＯＳＣ２） １０３…被測定静電容量 Ｃｘ １０４…可変コンデンサ Ｃvari １０５…結合コンデンサ Ｃｃ １０６…基準コンデンサ Ｃｒ １０７…オペアンプ ２０１…正弦波発信器 （ＯＳＣ１ｉ） ２０２…被測定静電容量 Ｃｘｉ ２０３…基準コンデンサ Ｃｒｉ ２０４…オペアンプ ３０１…計装用差動増幅器 ３０２…オペアンプ（積分用） ３０３…オペアンプ（リミッタ用） ３０４…抵抗（リミッタ用） ３０５…抵抗（積分用） ３０６…コンデンサ（積分用） ３０７…抵抗 ３０８…ダイオード ３０９…スイッチ ３１１…コンパレータ ３１２…抵抗 ３１３…抵抗 ３１４…抵抗 ３１５…抵抗 ３１６…オペアンプ ４０１…反転増幅オペアンプ ４０２…正相増幅オペアンプ ４０３…Ｉ−Ｖ変換用交流増幅オペアンプ ５０１…バタワースフィルタ回路 ５０２…積分回路 ５０３…リミッタ回路
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G028 AA01 CG07 DH05 DH21 FK01 FK07 FK09 GL03 GL12 LR04 5C084 AA02 AA07 BB05 BB34 DD10 GG22 GG23 GG35 GG38 GG56 GG63 GG73
Claims (7)
- 【請求項１】移相型正弦波発信器１と、移相型正弦波発
信器１からの信号を受けて静電容量調整部３に伝達する
１８０度位相の異なる二相バッファ２と、その静電容量
調整部３と、静電容量調整部３に接続したＩ−Ｖ変換部
４と、Ｉ−Ｖ変換部４に接続したＢＰＦ（バンドパスフ
ィルタ）５と、ＢＰＦ５に接続した交流増幅６と、交流
増幅６に接続した同期検波部７と、移相型正弦波発信器
１に接続され、同期検波部７に信号を伝達する同期信号
作成部８と、同期検波部７に接続したＬＰＦ（ローパス
フィルタ）９と、ＬＰＦ９に接続した直流増幅ｌ０と、
直流増幅ｌ０に付設したＤＣサーボ１１と、直流増幅ｌ
０に接続した電圧比較ドライバ１２を備えたことを特徴
とする静電容量センサ回路。 - 【請求項２】請求項１の静電容量調整部３とＩ−Ｖ変換
部４は、前記の二相バッファ２の出力の一方に静電容量
センサ１３とケーブル１４からなる被検出静電容量の電
極を接続し、他方に可変コンデンサの電極を接続して、
この被検出静電容量と可変コンデンサの他方の電極は接
続し、結合コンデンサの電極に接続されており、この結
合コンデンサの他方の電極はオペアンプの反転入力に接
続され、このオペアンプのフィードバックには基準コン
デンサが接続されていることを特徴とする請求項１に記
載の静電容量センサ回路。 - 【請求項３】請求項１の直流増幅１０と、ＤＣサーボ１
１は計装用差動増幅器の出力をリミッタ回路を介してＬ
ＰＦ（ローパスフィルタ）の入力に接続し、このＬＰＦ
の出力を前記の計装用差動増幅器のＲＥＦ（電圧リフア
レンス入力）に接続しており、前記のリミッタ回路のリ
ミッタ電圧は直流増幅１０の最大変化出力電圧の１／５
０程度であり、プラス方向の電圧の変化を検出する場合
にはプラスのリミッタ電圧とし、マイナス方向の電圧の
変化を検出する場合はマイナスのリミッタ電圧として、
静電容量調整部３の調整する場合と回路の電源電圧が起
動する場合にリミッタ回路のリミッタ機能を解除する機
能を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量
センサ回路。 - 【請求項４】請求項３に記載のリミッタ回路をコンパレ
ータとアナログスイッチからなる回路で構成したリミッ
タ回路に置き換えることにより、プラス方向の電圧の変
化を検出する場合にはプラスのリミッタ電圧とし、マイ
ナス方向の電圧の変化を検出する場合はマイナスのリミ
ッタ電圧として、リミッタ電圧を超えたら前項のＬＰＦ
の入力電圧を基準電圧とするものであり、なおかつリミ
ッタ電圧は直流増幅１０の最大変化出力電圧の１／５０
程度であり、また静電容量調整部３の調整する場合と回
路の電源電圧が起動する場合にリミッタ回路のリミッタ
機能を解除する機能を有することを特徴とする請求項１
に記載の静電容量センサ回路。 - 【請求項５】請求項１の移相型正弦波発信器１はオペア
ンプを用いた２次のバタワースフィルタの出力に１次の
積分回路の入力を接続し、この積分回路の出力にオペア
ンプによるリミッタ回路を接続して、発振振幅調整機能
を備え、固定周波数を発振することを特徴とする請求項
１に記載の静電容量センサ回路。 - 【請求項６】請求項１のＢＰＦ５は移相型正弦波発信器
１の発信周波数を通過周波数帯域に持つバンドパスフィ
ルタであることを特徴とし、交流増幅６はゲイン調整機
能を持つ交流増幅回路であることを特徴とする請求項１
に記載の静電容量センサ回路。 - 【請求項７】請求項１の同期信号作成部８は移相型正弦
波発信器１からの信号の位相調整回路と信号レベルをパ
ルスに変換するインターフェイス回路を備えることを特
徴とし、同期検波部７は交流増幅６からの信号を、同期
信号作成部８からの信号で切り替えるスイッチにより検
波する機能を持つことを特徴とし、ＬＰＦ９ は同期検
波部７による検波信号を直流に変換する機能を有するＬ
ＰＦであることを特徴とする請求項１に記載の静電容量
センサ回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000278968A JP2002090401A (ja) | 2000-09-14 | 2000-09-14 | 静電容量センサ回路 |
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|---|---|
| JP2002090401A true JP2002090401A (ja) | 2002-03-27 |
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ID=18764050
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000278968A Pending JP2002090401A (ja) | 2000-09-14 | 2000-09-14 | 静電容量センサ回路 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002090401A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2000-09-14 JP JP2000278968A patent/JP2002090401A/ja active Pending
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