JP2016038220A - 静電容量センサおよび該静電容量センサを備えた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】雑音による誤動作を抑制可能な静電容量センサを提供する。【解決手段】本発明に係る静電容量センサ（１）は、検出電極（２）と、雑音を検出するための電極であるダミー電極（４）と、検出電極（２）から混入した雑音に基づく第１雑音成分を含む信号およびダミー電極（４）から混入した雑音に基づく第２雑音成分から成る信号を演算することによって演算信号を生成する演算部（６）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、検出電極の静電容量またはその変化を検出する静電容量センサに関し、より詳細には、発振回路を用いた静電容量センサおよび該静電容量センサを備えた電気機器に関する。

従来、静電容量の変化を検出することにより物体の接近を検出する静電容量形近接センサが知られている。例えば特許文献１には、静電容量形近接センサを用いて、流体の有無、構成、状態変化などを検出する流体検知センサが開示されている。

一般的に、静電容量形近接センサは、検出電極と、該検出電極の静電容量の変化を検出する回路として発振回路とを備えている。発振回路は、物体が接近すると、検出電極の静電容量Ｃ_Ｘが増加して、発振周波数ｆ_ＯＳＣが変化する。そして、静電容量形近接センサは、発振回路の発振周波数ｆ_ＯＳＣが所定の基準値に達したか否かを判定する判定回路を備えており、判定回路の判定結果により、物体の接近を検出している。

図２２は、従来の静電容量形近接センサの概略構成を示す回路図である。図２２に示すように、静電容量形近接センサ２０１は、検出電極２０２、発振回路２０３、および判定回路２０７を備えている。図示の例では、発振回路２０３は、演算増幅器Ａ、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_４を備えたウィーンブリッジ型の発振回路である。このウィーンブリッジ型の発振回路の発振周波数ｆ_ＯＳＣは次の式（１）で表される。
ｆ_ＯＳＣ＝（２π×（Ｃ_Ｘ×Ｃ_２×Ｒ_１×Ｒ_２）^１／２）^−１・・・（１）。

なお、本願では、抵抗素子の符号は各抵抗素子の抵抗値でもあり、静電容量素子の符号は静電容量素子の容量でもある。

したがって、静電容量Ｃ_Ｘが減少すると、発振周波数ｆ_ＯＳＣは増加する。発振回路１０３は、上記式（１）を満たす発振周波数ｆ_ＯＳＣの信号を判定回路２０７に出力する。

また、発振回路２０３が発振するための条件は、発振周波数ｆ_ＯＳＣにおいて、正帰還の帰還率Ｃ_２×Ｒ_２／（Ｃ_Ｘ×Ｒ_２＋Ｃ_２×Ｒ_２＋Ｃ_２×Ｒ_１）が、負帰還の帰還率Ｒ_４／（Ｒ_３＋Ｒ_４）以上となることであり、整理すると次の式（２）で表される。
Ｒ_３／Ｒ_４≧（Ｃ_Ｘ／Ｃ_２）＋（Ｒ_１／Ｒ_２） ・・・（２）。

判定回路２０７は、発振回路２０３からの信号の発振周波数ｆ_ＯＳＣの変化を監視し、目的に応じて所要の信号に変換して出力する。例えば、判定回路２０７は、発振周波数ｆ_ＯＳＣ、発振振幅（出力電圧）Ｖ_ＯＳＣをそれらに比例する直流電圧に変換する周期／電圧変換回路、変換した直流電圧を所定の基準値と比較するコンパレータ、直流電圧が基準値よりも大きいまたは小さい場合に、所定の警報を発したり制御信号を発したりする出力回路、などで構成される。

特開平１１−２３０８１５号公報（１９９９年０８月２７日公開）

しかしながら、従来の静電容量形近接センサ２０１では、発振回路２０３において上記式（２）を満たしていない状態、つまり発振回路２０３が発振し得ない条件であっても、発振回路２０３に混入した雑音（ノイズ）などの外乱の影響により、静電容量センサとして所望の動作を示さない場合がある。

判定回路２０７は、発振回路２０３の出力信号の周波数・振幅電圧値に応じて、発振回路２０３が“発振している”状態か、または“発振していない”状態かを判定している。ところが、検出電極２０２から雑音が混入した場合、雑音成分が発振回路２０３からの出力信号に含まれるため、判定回路２０７は、本来ならば発振回路２０３が“発振していない”と判定すべき場面で、発振回路２０３が“発振している”と判定してしまう結果、静電容量形近接センサ２０１が誤動作を起こす場合がある。

例えば静電容量形近接センサ２０１を静電容量式水位センサや人感センサとして使用する場合、静電容量差が１ｐＦ程度の感度が必要となる。そのため、雑音の混入による静電容量形近接センサ２０１への影響は大きい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、検出電極から混入した雑音による誤動作を抑制可能な静電容量センサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る静電容量センサは、対象物と検出電極との間の静電容量またはその変化を検出する静電容量センサであって、前記検出電極に接続された帰還回路を含む発振回路と、雑音を検出するための電極である雑音電極と、前記検出電極から混入した雑音に基づく信号成分である第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から混入した雑音に基づく信号成分である第２雑音成分から成る信号とを演算することによって演算信号を生成する演算部とを備え、前記演算信号を用いて前記静電容量またはその変化を検出することを特徴としている。

上記の構成では、検出電極から混入した雑音に基づく信号成分である第１雑音成分を含む信号と、雑音電極から混入した雑音に基づく信号成分である第２雑音成分から成る信号とを用いて、演算部において任意の演算処理を行うことができる。そのため、演算部において、例えば検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を含む信号から第２雑音成分を減算する処理を行った場合、検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を低減させた演算信号を生成することができる。

したがって、上記の構成によれば、第１雑音成分を低減させた演算信号を用いて検出電極の静電容量またはその変化を検出することが可能となるため、検出電極から混入した雑音による誤動作を抑制可能な静電容量センサを実現することができる。

本発明の一態様によれば、検出電極から混入した雑音による誤動作を抑制可能な静電容量センサを提供することができるという効果を奏する。

実施形態１に係る静電容量センサの概略構成を示すブロック図である。 図１に示される静電容量センサの具体的構成の一例を示す回路図である。 ダミー電極および演算回路を備えない従来の静電容量センサの構成を示す回路図である。 図２に示される静電容量センサに雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図３に示される比較例に雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図４および図５に示される静電容量センサに対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施形態２に係る静電容量センサの概略構成を示すブロック図である。 図７に示される静電容量センサの具体的構成の一例を示す回路図である。 図８に示される静電容量センサに雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図９に示される静電容量センサに対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施形態３に係る静電容量センサの概略構成を示すブロック図である。 図１１に示される静電容量センサの具体的構成の一例を示す回路図である。 図１１に示される静電容量センサの具体的構成の他の一例を示す回路図である。 図１１に示される静電容量センサの具体的構成のさらに他の一例を示す回路図である。 図１２に示される静電容量センサに雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図１３に示される静電容量センサに雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図１４に示される静電容量センサに雑音源を接続した構成を示す回路図である。 図１５〜図１７に示される静電容量センサに対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施形態４に係る自動給水装置の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、タンク内の水位が所定レベル以上の状態を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、タンク内の水位が所定レベル未満の状態を示す模式図である。 従来の静電容量形近接センサの概略構成を示す回路図である。

〔実施形態１〕
本発明の実施の形態について、図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本発明に係る静電容量センサは、検出電極の静電容量またはその変化を検出することにより物体（対象物）の接近などを検知するものであり、例えば水位センサ、タッチセンサ、近接センサなどの各種センサに利用される。

図１は、本実施形態に係る静電容量センサ１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、静電容量センサ１は、検出電極２、センサ回路（発振回路）３、ダミー電極（雑音電極）４、ダミー回路（処理回路）５、演算部６、および評価回路７を備えている。

検出電極２はセンサ回路３に接続されており、ダミー電極４はダミー回路５に接続されている。また、センサ回路３およびダミー回路５の出力側は演算部６に接続されており、演算部６の出力側はさらに評価回路７に接続されている。

この静電容量センサ１は、検出電極２から混入した雑音成分（第１雑音成分）を含むセンサ回路３からの入力信号と、ダミー電極４から混入した雑音に基づく雑音成分（第２雑音成分）から成るダミー回路５からの入力信号とを演算部６において演算することで生成した信号（演算信号）を用いることにより、従来の雑音の影響による誤動作を抑制するものである。

ここで、検出電極２から演算部６の出力までの伝達関数をＨ_１（ｓ）、ダミー電極４から演算部６の出力までの伝達関数をＨ_２（ｓ）とし、検出電極２とダミー電極４とに同一の雑音信号Ｖ_ｎが与えられたとする。この場合、演算部６において、センサ回路３からの入力信号から、ダミー回路５からの入力信号を減算すると、演算部６の出力信号に含まれる雑音信号（雑音成分）はＨ_１（ｓ）Ｖ_ｎ−Ｈ_２（ｓ）Ｖ_ｎと与えられる。

したがって、例えばＨ_１（ｓ）＝Ｈ_２（ｓ）となるように、静電容量センサ１における伝達関数Ｈ_１（ｓ）および伝達関数Ｈ_２（ｓ）をそれぞれ設定することにより、演算部６から評価回路７への出力信号に含まれる雑音信号Ｈ_１（ｓ）Ｖ_ｎ−Ｈ_２（ｓ）Ｖ_ｎをゼロにすることができ、雑音の影響を好適に低減することが可能となる。

なお、伝達関数Ｈ_１（ｓ）および伝達関数Ｈ_２（ｓ）は、必ずしもＨ_１（ｓ）＝Ｈ_２（ｓ）である必要はなく、雑音の影響を低減できる程度に伝達関数Ｈ_１（ｓ）および伝達関数Ｈ_２（ｓ）が互いに近似していれば、雑音の影響を低減する効果を得ることが可能である。

また、図１は、本発明の構成を概念的に示したものである。したがって、例えばダミー回路５を用いることなく雑音の影響を低減できるように、伝達関数Ｈ_１（ｓ）と伝達関数Ｈ_２（ｓ）とを設定することが可能であれば、ダミー回路５を省略してもよい。

＜静電容量センサ１ａの構成＞
図２は、図１に示される静電容量センサ１の具体的構成の一例を示す回路図である。図１に示すように、静電容量センサ１ａは、検出電極２、センサ回路３、ダミー電極４、演算回路（演算部）６ａ、および評価回路７を備えている。

（検出電極２）
検出電極２は、物体の接近などを検出するための電極である。検出電極２は、物体の接近などに応じて、物体と検出電極２との間の静電容量Ｃ_Ｘが変化し、この静電容量Ｃ_Ｘの変化に応じた信号（電流）がセンサ回路３へ入力される。

（センサ回路３）
センサ回路３は、差動増幅器ＯＰ１、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_４で構成されるウィーンブリッジ型の発振回路である。センサ回路３は、帰還回路の一部が検出電極２に接続されており、差動増幅器ＯＰ１が増幅した信号のうち、所定の周波数帯域の信号を所定の帰還率で差動増幅器ＯＰ１に帰還させる。これにより、センサ回路３は、所定の周波数帯域に含まれる発振周波数ｆ_ＯＳＣで発振する。

このセンサ回路３の発振周波数ｆ_ＯＳＣは次の式（１）で表される。
ｆ_ＯＳＣ＝（２π×（Ｃ_Ｘ×Ｃ_２×Ｒ_１×Ｒ_２）^１／２）^−１・・・（１）。

したがって、物体の接近に伴い検出電極２の静電容量Ｃ_Ｘが減少すると、センサ回路３の発振周波数ｆ_ＯＳＣは増加し発振状態となる。センサ回路３は、上記式（１）を満たす発振周波数ｆ_ＯＳＣの信号を演算回路６ａへ出力する。

また、センサ回路３が発振するための条件は、発振周波数ｆ_ＯＳＣにおいて、正帰還の帰還率Ｃ_２×Ｒ_２／（Ｃ_Ｘ×Ｒ_２＋Ｃ_２×Ｒ_２＋Ｃ_２×Ｒ_１）が、負帰還の帰還率Ｒ_４／（Ｒ_３＋Ｒ_４）以上となることであり、整理すると次の式（２）で表される。
Ｒ_３／Ｒ_４≧（Ｃ_Ｘ／Ｃ_２）＋（Ｒ_１／Ｒ_２）・・・（２）。

センサ回路３は、上記式（２）の性質を利用して、検出対象である検出電極２の静電容量Ｃ_Ｘの容量値が所定の値未満であれば発振状態、検出対象である静電容量Ｃ_Ｘが所定の値以上であれば発振停止状態になるように動作する。

（ダミー電極４）
ダミー電極４は、雑音を検出するための電極である。ダミー電極４は、ダミー電極４から混入した雑音量に応じて静電容量Ｃ_Ｘが変化する。ダミー電極４から混入した雑音量に応じた信号（電流）がダミー電極４から演算回路６ａへ入力される。

なお、静電容量センサ１ａでは、ダミー回路５を用いずに、検出電極２から演算回路６ａの出力までの伝達関数Ｈ_１（ｓ）と、ダミー電極４から演算回路６ａの出力までの伝達関数Ｈ_２（ｓ）とが、雑音の影響を低減可能なように設定されている。このように、静電容量センサ１ａでは、必要に応じてダミー回路５を適宜省略してもよい。

（演算回路６ａ）
演算回路６ａは、検出電極２から混入した雑音成分を含むセンサ回路３からの入力信号と、ダミー電極４から混入した雑音成分に基づくダミー電極４からの入力信号とを演算する回路である。演算回路６ａは、差動増幅器ＯＰ２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_３・Ｒ_４で構成されている。

センサ回路３からの信号は差動増幅器ＯＰ２の反転入力端子（−）に入力され、ダミー電極４からの信号は差動増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）に入力される。

この演算回路６ａにおいて、センサ回路３からの入力信号から、ダミー電極４から混入した雑音に基づくダミー電極４からの入力信号が減算される。すなわち、センサ回路３からの入力信号に含まれる雑音成分と、ダミー電極４からの雑音成分とが互いに打ち消される。これにより、演算回路６ａにおいて、検出電極２から混入した雑音成分が低減された信号（演算信号）が生成される。演算回路６ａは、生成した信号を評価回路７へ出力する。

（評価回路７）
評価回路７は、演算回路６ａから入力された信号に基づいて、センサ回路３が発振状態にあるか、または発振停止状態にあるかを評価する回路である。評価回路７は、演算回路６ａからの入力信号が、所定の周波数において所定の振幅電圧以上であれば、センサ回路３が発振状態であることを示す“Ｈｉｇｈ”の信号を制御部などの外部装置などへ出力する。一方、評価回路７は、演算回路６ａからの入力信号が、所定の周波数において所定の振幅電圧未満であれば、センサ回路３が発振停止状態であることを示す“Ｌｏｗ”の信号を上記外部装置などへ出力する。

＜静電容量センサ１ａの動作＞
次に、静電容量センサ１ａの動作について説明する。

図３は、ダミー電極４および演算回路６ａを備えない従来の静電容量センサ１０１の構成を示す回路図である。この静電容量センサ１０１は、図２に示される静電容量センサ１ａからダミー電極４および演算回路６ａを取り除いた比較例である。

図３に示すように、静電容量センサ１０１では、検出電極２はセンサ回路３に接続されている。また、センサ回路３の出力側は評価回路７に接続されている。

静電容量センサ１０１では、評価回路７は、センサ回路３からの入力信号に基づいてセンサ回路３の発振状態を評価する。そのため、検出電極２から雑音が混入した場合、雑音成分がセンサ回路３からの入力信号に含まれるので、該入力信号が変化する。そのため、静電容量センサ１０１では、評価回路７が、本来ならばセンサ回路３が“発振していない”と評価すべき場面で、センサ回路３が“発振している”と評価してしまう結果、誤動作が生じ得る。

そこで、静電容量センサ１ａでは、ダミー電極４および演算回路６ａを設け、センサ回路３の後段（下流）側に設けられた演算回路６ａにおいて、センサ回路３から入力信号に含まれる雑音成分と、ダミー電極４からの雑音成分とを互いに打ち消すことにより、センサ回路３からの入力信号に含まれる雑音成分を低減した信号を生成し、該信号を評価回路７へ出力している。これにより、評価回路７は、雑音成分が低減された信号に基づいてセンサ回路３の発振状態を評価することが可能となるため、上述のような雑音の影響による誤動作を抑制することができる。

このような静電容量センサ１ａの動作を確認するために、図２に示される静電容量センサ１ａと、図３に示される静電容量センサ１０１とを用いて、周波数応答のシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、検出電極２の静電容量Ｃ_Ｘが所定の値以上である状態、つまりセンサ回路３が発振停止状態であるときに、検出電極２を介して雑音が混入した際のそれぞれの動作をシミュレーションした。

図４は、図２に示される静電容量センサ１ａに雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図である。図４に示すように、静電容量センサ１ａにおいて、検出電極２およびダミー電極４に共通の雑音源Ｎを接続した。静電容量センサ１ａの検出電極２と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、検出電極２と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。同様に、静電容量センサ１ａのダミー電極４と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、ダミー電極４と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。

この静電容量センサ１ａにおいて、検出電極２から雑音電流Ｉ_ｎ１が混入し、静電容量センサ１ａのダミー電極４から雑音電流Ｉ_ｎ２が混入したものとする。なお、以下では、説明の便宜上、Ｉ_ｎ１およびＩ_ｎ２はＤＣ電流であるものとする。

まずＩ_ｎ１について検討する。静電容量センサ１ａのセンサ回路３では、差動増幅器ＯＰ１の非反転入力端子（＋）にＩ_ｎ１＊Ｒ_１＋Ｖ_ｃｍの電圧が印加される。ここで、Ｉ_ｎ１はＤＣ電流であるのでＲ_２，Ｃ_２の影響については考慮しない。この場合、静電容量センサ１のセンサ回路３の出力電圧Ｖｏｓｃは、

より、

と与えられる。

次に、Ｉ_ｎ２について検討する。演算回路６ａは、差動増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）にＩ_ｎ２＊Ｒ_１＋Ｖ_ｃｍの電圧が印加され、非反転増幅回路を形成している。その出力電圧（出力信号）Ｖ_ｏｕｔは、

より、上述したセンサ回路３の出力電圧Ｖ_ｏｓｃを代入して、

となる。

この式（数４）では、Ｉ_ｎ２と−Ｉ_ｎ１の係数が一致することから、検出電極２から演算回路６ａの出力までの伝達関数Ｈ_１（ｓ）と、ダミー電極４から演算回路６ａの出力までの伝達関数Ｈ_２（ｓ）が、Ｈ_１（ｓ）＝−Ｈ_２（ｓ）の関係となっていることを示している。

ここで、Ｉ_ｎ１＝Ｉ_ｎ２となるように検出電極２とダミー電極４とを設計すれば、演算回路６ａの出力電圧Ｖ_ｏｕｔから雑音に起因する信号を取り除くことができ、静電容量センサ１ａの誤動作を抑制することができる。

図５は、図３に示される静電容量センサ１０１に雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図である。図５に示すように、静電容量センサ１０１では、検出電極２に雑音源Ｎを接続した。検出電極２と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、検出電極２と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。この静電容量センサ１０１において、検出電極２から雑音電流Ｉ_ｎが混入するものとする。

これらの静電容量センサ１ａおよび静電容量センサ１０１に対し、Ｖｉｒｔｕｏｓｏ Ｓｐｅｃｔｒｅ（登録商標）を用いて周波数応答のシミュレーションを行った。

検出電極２の静電容量Ｃ_Ｘは２つの状態を取り、第１状態が６ｐＦ、第２状態が７ｐＦであるとする。これは、静電容量センサ１ａを例えば水位センサに応用した際の水の検出条件を想定したものである。

なお、差動増幅器ＯＰ１・ＯＰ２には理想アンプを用い、Ｒ_１＝Ｒ_２＝１ＭΩ、Ｒ_３＝４７０ｋΩ、Ｒ_４＝Ｒ＝１００ｋΩ、Ｃ_２＝２ｐＦ、Ｃ_ｎ＝１ｐＦとした。また、検出電極２の静電容量Ｃ_Ｘの２つの状態は上記と同様６ｐＦと７ｐＦとであり、雑音源Ｎは、ある周波数、振幅電圧を持った正弦波であるものとする。

静電容量センサ１ａおよび静電容量センサ１０１の両センサについて、雑音源Ｎの振幅電圧がゼロである場合、第１状態では発振状態、第２状態では発振停止状態、発振時のセンサ回路３の発振周波数ｆ_ＯＳＣは約４０ｋＨｚであり、両センサにおいて雑音を考慮しない場合の正常な動作を確認した。

次に、第２状態において、雑音源ＮのＡＣ振幅電圧１Ｖとし、１ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数領域におけるＡＣ解析を行った。

図６は、静電容量センサ１ａおよび静電容量センサ１０１に対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。図６では、横軸が、雑音源Ｎの周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸が、静電容量センサ１ａの演算回路６ａおよび静電容量センサ１０１のセンサ回路３の出力信号強度（ｄＢ）を示す。

図６に示すように、静電容量センサ１ａおよび静電容量センサ１０１の両センサ共に、センサ回路３の発振周波数付近の周波数を有する雑音信号の出力信号強度が大きく、この領域付近で最もが誤動作を起こしやすいことが分かる。

また、ダミー電極４および演算回路６ａを備えていない従来の静電容量センサ１０１と比較して、雑音信号の減算をセンサ回路３の後段側に位置する演算回路６ａで行う静電容量センサ１ａのほうが、出力信号強度が小さくなった。これは、静電容量センサ１ａでは、演算回路６ａにおいて、センサ回路３からの入力信号から雑音成分が減算されたためである。

このように、静電容量センサ１ａは、ダミー電極４および演算回路６ａを備えていない静電容量センサ１０１と比較して、雑音の影響を低減し、誤動作を抑制することが可能である。

なお、静電容量センサ１ａでは、センサ回路３において、上記式（１）で表される発振周波数付近の雑音成分が増幅された信号が演算回路６ａに入力される。そのため、この信号をダミー電極４から演算回路６ａへ入力された雑音成分で相殺する場合、打ち消し切れない周波数成分（雑音成分）が生じ得る。ただし、この場合であっても、図６に示すように、ダミー電極４および演算回路６ａを備えない静電容量センサ１０１と比較して、雑音の影響を低減する効果を得ることができる。

また、本実施形態では、演算回路６ａにおいて減算処理を行う構成について説明したが、演算回路６ａにおいて減算処理以外の任意の演算処理を必要に応じて行ってもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図７〜図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図７は、本実施形態に係る静電容量センサ１１の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る静電容量センサ１１は、検出電極２から混入した雑音成分の減算をセンサ回路１３の差動増幅器ＯＰ１の前段（上流）側で行う構成である。すなわち、静電容量センサ１１は、検出電極２から混入した雑音成分を含む検出電極２からの入力信号と、ダミー電極４から混入した雑音成分に基づくダミー回路５からの入力信号を演算部６において演算することで生成した信号（演算信号）に基づいて、センサ回路１３を発振させる構成である。

図７に示すように、静電容量センサ１１は、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路１５、演算部１６、センサ回路１３、および評価回路７を備えている。

検出電極２は演算部１６に接続されており、ダミー電極４はダミー回路１５を介して演算部１６に接続されている。また、演算部１６の出力側はセンサ回路１３に接続されており、センサ回路１３の出力側は評価回路７に接続されている。

静電容量センサ１１では、検出電極２から演算部１６の出力までの伝達関数をＨ_１（ｓ）、ダミー電極４から演算部１６の出力までの伝達関数Ｈ_２（ｓ）とし、Ｈ_１（ｓ）＝−Ｈ_２（ｓ）またはこれに近似するように設定することで、雑音の影響を好適に低減することが可能となる。

＜静電容量センサ１１ａの構成＞
図８は、図７に示される静電容量センサ１１の具体的構成の一例を示す回路図である。図８に示すように、静電容量センサ１１ａは、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路１５、センサ回路１３、および評価回路７を備えている。

（ダミー回路１５）
ダミー回路１５は、差動増幅器ＯＰ２、および抵抗素子Ｒ_１で構成される回路である。ダミー回路１５は、帰還回路の一部がダミー電極４に接続されており、ダミー電極４からの信号は差動増幅器ＯＰ２の反転入力端子（−）に入力される。

（センサ回路１３）
センサ回路１３は、差動増幅器ＯＰ１、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_４で構成されるウィーンブリッジ型の発振回路である。センサ回路１３では、帰還回路の一部に検出電極２およびダミー回路１５が接続されており、該帰還回路が、差動増幅器ＯＰ１の非反転入力端子（＋）に接続されている。

静電容量センサ１１ａでは、センサ回路１３の帰還回路の一部に検出電極２およびダミー回路１５を接続することにより、検出電極２からの入力信号に含まれる、検出電極２から混入した雑音に基づく雑音成分（第１雑音成分）と、ダミー回路１５からの入力信号を成す、ダミー電極４から混入した雑音に基づく雑音成分（第２雑音成分）とを互いに打ち消して、検出電極２からの入力信号に含まれる雑音成分を低減した信号（演算信号）を生成している。すなわち、静電容量センサ１１ａは、センサ回路１３が有する帰還回路の一部に検出電極２およびダミー回路１５を接続することにより、センサ回路１３の前段（上流）側を演算部６として機能させる構成である。

これにより、演算を行うための演算回路を別途設ける必要がないため、静電容量センサ１１ａの構成を簡略化することができる。ただし、独立した演算回路を設けて、センサ回路１３の前段（上流）側に接続する構成であってもよい。

＜静電容量センサ１１ａの動作＞
次に、静電容量センサ１１ａの動作について説明する。

図９は、図８に示される静電容量センサ１１ａに雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図である。

図９に示すように、静電容量センサ１１ａにおいて、検出電極２およびダミー電極４に共通の雑音源Ｎを接続した。静電容量センサ１１ａの検出電極２と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、検出電極２と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。同様に、静電容量センサ１１ａのダミー電極４と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、ダミー電極４と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。

この静電容量センサ１１ａにおいて、検出電極２から雑音電流Ｉ_ｎ１が混入し、ダミー電極４から雑音電流Ｉ_ｎ２が混入したものとする。なお、以下では、説明の便宜上、Ｉ_ｎ１およびＩ_ｎ２はＤＣ電流であるものとする。

ダミー回路１５の出力電圧（出力信号）Ｖ_ｎは、

で与えられる。

また、センサ回路１３の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、

より、

となる。

この式（数７）では、Ｉ_ｎ１と−Ｉ_ｎ２の係数が一致することから、検出電極２からセンサ回路１３の出力までの伝達関数Ｈ_１（ｓ）とダミー電極４からセンサ回路１３の出力までの伝達関数Ｈ_２（ｓ）が、Ｈ_１（ｓ）＝−Ｈ_２（ｓ）の関係となっていることを示している。

ここで、Ｉ_ｎ１＝Ｉ_ｎ２となるように検出電極２とダミー電極４とを設計すれば、センサ回路１３の出力電圧Ｖ_ｏｕｔから雑音起因の成分を取り除くことができ、静電容量センサ１１ａの誤動作を防ぐことができる。

この静電容量センサ１１ａの動作を確認するために、図９に示される静電容量センサ１１を用いて、上記実施形態と同一の条件で、周波数応答のシミュレーションを行った。

雑音源Ｎの振幅電圧がゼロである場合、静電容量センサ１１の正常な動作（Ｃ_Ｘ＝６ｐＦで発振、Ｃ_Ｘ＝７ｐＦで発振停止）を確認した。発振時におけるセンサ回路１３の発振周波数ｆ_ＯＳＣは約４０ｋＨｚであった。

次に、上記第２状態において、雑音源ＮのＡＣ振幅電圧１Ｖとし、１ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数領域におけるＡＣ解析を行った。

図１０は、静電容量センサ１１ａに対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０では、横軸が雑音源Ｎの周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸が、静電容量センサ１１ａのセンサ回路１３の出力信号強度（ｄＢ）を示す。また、図１０には、比較例として、図３に示される静電容量センサ１０１に対して行った周波数応答のシミュレーション結果を併せて示す。

図１０に示すように、静電容量センサ１１ａのセンサ回路１３の出力信号強度は雑音信号の周波数に比例して増加するが、シミュレーション範囲内では、静電容量センサ１０１と比較して、出力信号強度が非常に小さくなった。これは、静電容量センサ１１ａでは、センサ回路１３の差動増幅器ＯＰ１への入力信号から雑音成分が減算されたためである。

このように、静電容量センサ１１ａによれば、従来の静電容量センサ１０１と比較して、雑音の影響を低減し、誤動作を抑制することができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図１１〜図１４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図１１は、本実施形態に係る静電容量センサ２１の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る静電容量センサ２１は、検出電極２から混入した雑音成分の減算をセンサ回路２３内で行う構成である。すなわち、静電容量センサ２１は、センサ回路２３を演算部として機能させる構成である。

図１１に示すように、静電容量センサ２１は、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路２５、センサ回路２３、および評価回路７を備えている。

静電容量センサ２１では、検出電極２はセンサ回路２３に接続されており、ダミー電極４はダミー回路２５を介してセンサ回路２３に接続されている。また、センサ回路２３の出力側は評価回路７に接続されている。

静電容量センサ２１では、検出電極２からセンサ回路２３の出力までの伝達関数をＨ_１（ｓ）、ダミー電極４からセンサ回路２３の出力までの伝達関数をＨ_２（ｓ）とし、Ｈ_１（ｓ）＝−Ｈ_２（ｓ）またはこれに近似するように設定することで、雑音成分の影響を好適に低減することが可能となる。

＜静電容量センサ２１ａの構成＞
図１２は、図１１に示される静電容量センサ２１の具体的構成の一例を示す回路図である。

図１２に示すように、静電容量センサ２１ａは、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路２５ａ、センサ回路２３ａ、および評価回路７を備えている。静電容量センサ２１ａでは、検出電極２はセンサ回路２３ａに接続されており、ダミー電極４はダミー回路２５ａを介してセンサ回路２３ａに接続されている。センサ回路２３ａの出力側は評価回路７に接続されている。

（ダミー回路２５ａ）
ダミー回路２５ａは、差動増幅器ＯＰ２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_３・Ｒ_４で構成される回路である。ダミー電極４からの信号は差動増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）に入力され、差動増幅器ＯＰ２の出力端子からセンサ回路２３ａへ出力される。

（センサ回路２３ａ）
センサ回路２３ａは、差動増幅器ＯＰ１、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_４で構成されるウィーンブリッジ型の発振回路である。センサ回路２３ａでは、検出電極２からの信号は差動増幅器ＯＰ１の非反転入力端子（第１入力端子）（＋）に入力される。また、ダミー電極４からの信号は、ダミー回路２５ａを介して差動増幅器ＯＰ１の反転入力端子（第２入力端子）（−）に入力される。

静電容量センサ２１ａでは、このようなセンサ回路２３ａを備えることにより、検出電極２からの入力信号に含まれる、検出電極２から混入した雑音に基づく雑音成分（第１雑音成分）と、ダミー回路２５ａからの入力信号を成す、ダミー電極４から混入した雑音に基づく雑音成分（第２雑音成分）とをセンサ回路２３ａ内において互いに打ち消して、検出電極２からの入力信号に含まれる雑音成分を低減した信号（演算信号）を生成している。すなわち、静電容量センサ２１ａは、センサ回路２３ａを演算部６として機能させる構成である。

＜静電容量センサ２１ｂの構成＞
図１３は、図１１に示される静電容量センサ２１の具体的構成の他の一例を示す回路図である。

図１３に示すように、静電容量センサ２１ｂは、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路２５ｂ、センサ回路２３ｂ、および評価回路７を備えている。静電容量センサ２１ｂでは、検出電極２はセンサ回路２３ｂに接続されており、ダミー電極４はダミー回路２５ｂを介してセンサ回路２３ｂに接続されている。センサ回路２３ｂの出力側は評価回路７に接続されている。

（ダミー回路２５ｂ）
ダミー回路２５ｂは、差動増幅器ＯＰ２、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_４で構成される回路である。ダミー電極４からの信号は、差動増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）に入力され、差動増幅器ＯＰ２の出力端子からセンサ回路２３ｂへ出力される。

なお、センサ回路２３ｂの構成は、上述したセンサ回路２３ａの構成と同一であるため、その説明は省略する。

＜静電容量センサ２１ｃの構成＞
図１４は、図１１に示される静電容量センサ２１の具体的構成のさらに他の一例を示す回路図である。

図１４に示すように、静電容量センサ２１ｃは、検出電極２、ダミー電極４、ダミー回路２５ｃ、センサ回路２３ｃ、および評価回路７を備えている。静電容量センサ２１ｃでは、検出電極２はセンサ回路２３ｃに接続されており、ダミー電極４はダミー回路２５ｃを介してセンサ回路２３ｃに接続される。センサ回路２３ｃの出力側は評価回路７に接続されている。

（ダミー回路２５ｃ）
ダミー回路２５ｃは、差動増幅器ＯＰ２、差動増幅器ＯＰ３、静電容量素子Ｃ_２、および抵抗素子Ｒ_１・Ｒ_２・Ｒ_３・Ｒ_３・Ｒ_４で構成される回路である。ダミー電極４からの信号は、差動増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）に入力され、差動増幅器ＯＰ２の出力端子から差動増幅器ＯＰ３の非反転入力端子（＋）に入力された後、差動増幅器ＯＰ３の出力端子からセンサ回路２３ｃへ出力される。

なお、センサ回路２３ｃの構成は、上述したセンサ回路２３ａの構成と同一であるため、その説明は省略する。

このような構成の静電容量センサ２１ａ〜２１ｃによれば、ウィーンブリッジ型の発振回路であるセンサ回路２３ａ〜２３ｃを本発明に係る演算部として機能させることができる。

＜静電容量センサ２１ａ〜２１ｃの動作＞
次に、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃの動作について説明する。

図１５は、図１２に示される静電容量センサ２１ａに雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図であり、図１６は、図１３に示される静電容量センサ２１ｂに雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図であり、図１７は、図１４に示される静電容量センサ２１ｃに雑音源Ｎを接続した構成を示す回路図である。

図１５〜図１７に示すように、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃのそれぞれにおいて、検出電極２およびダミー電極４に共通の雑音源Ｎを接続した。検出電極２と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、検出電極２と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。同様に、ダミー電極４と雑音源Ｎとの間のＣ_ｎは、ダミー電極４と雑音源Ｎとの間の静電容量を示す。

この静電容量センサ２１ａ〜２１ｃにおいて、検出電極２から雑音電流Ｉ_ｎ１が混入し、ダミー電極４から雑音電流Ｉ_ｎ２が混入したものとする。なお、以下では、説明の便宜上、Ｉ_ｎ１およびＩ_ｎ２はＤＣ電流であるものとする。

ここでは、静電容量センサ２１ａについて検討する。ダミー回路２５ａの出力電圧Ｖ_ｎは、

より、

と与えられる。

次に、センサ回路２３ａの出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、

より、ダミー回路２５ａの出力電圧Ｖ_ｎを代入して、

となる。

この式（数１１）では、Ｉ_ｎ１と−Ｉ_ｎ２の係数が一致することから、検出電極２からセンサ回路２３の出力までの伝達関数Ｈ_１（ｓ）とダミー電極４からセンサ回路２３ａの出力までの伝達関数Ｈ_２（ｓ）が、Ｈ_１（ｓ）＝−Ｈ_２（ｓ）の関係となっていることを示している。

ここで、Ｉ_ｎ１＝Ｉ_ｎ２となるように検出電極２とダミー電極４とを設計すれば、センサ回路２３ａの出力電圧Ｖ_ｏｕｔから雑音起因の成分を取り除くことができ、静電容量センサ２１ａの誤動作を防ぐことができる。

これらの静電容量センサ２１ａ〜２１ｃの動作を確認するために、図１５〜図１７に示される静電容量センサ２１ａ〜２１ｃを用いて、上記実施形態と同一の条件で、周波数応答のシミュレーションを行った。

雑音源Ｎの振幅電圧がゼロである場合、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃの正常な動作（Ｃ_Ｘ＝６ｐＦで発振、Ｃ_Ｘ＝７ｐＦで発振停止）を確認した。発振時における各センサ回路２３ａ〜２３ｃの発振周波数ｆ_ＯＳＣは約４０ｋＨｚであった。

次に、上記第２状態において、雑音源ＮのＡＣ振幅電圧１Ｖとし、１ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数領域におけるＡＣ解析を行った。

図１８は、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃに対して行った周波数応答のシミュレーション結果を示すグラフである。図１８では、横軸が雑音源Ｎの周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸が、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃの各センサ回路２３ａ〜２３ｃの出力信号強度（ｄＢ）を示す。また、図１８には、比較例として、図３に示される静電容量センサ１０１に対して行った周波数応答のシミュレーション結果を併せて示す。

図１８に示すように、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃのセンサ回路２３ａ〜２３ｃの出力信号強度は、静電容量センサ１０１と比較して、出力信号強度が小さくなった。これは、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃでは、センサ回路２３ａ〜２３ｃ内において雑音成分が打ち消し合って減算されたためである。

また、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃを比較すると、静電容量センサ２１ａ、静電容量センサ２１ｂ、静電容量センサ２１ｃの順で出力信号強度が小さくなった。これは、ダミー回路２５ａ〜２５ｃの構成の違いにより、静電容量センサ２１ｃの伝達関数Ｈ_２（ｓ）がＨ_１（ｓ）に最も近似するように設定されたためである。したがって、静電容量センサ２１ｃが、最も大きな雑音の低減効果を奏すると言える。

このように、静電容量センサ２１ａ〜２１ｃによれば、従来の静電容量センサ１０１と比較して、雑音の影響を低減し、誤動作を抑制することができる。

なお、雑音が直流である場合には、静電容量センサ２１ａのダミー回路２５ａと静電容量センサ２１ｂのダミー回路２５ｂによる雑音の低減効果は変わらないが、高い周波数に対してはＲ_２，Ｃ_２の影響が無視できなくなる。そのため、静電容量センサ２１ａでは伝達関数Ｈ_１（ｓ），Ｈ_２（ｓ）に差が生じ得る。

また、静電容量センサ２１ｃのダミー回路２５ｃは、センサ回路２３ｃと同様にフィードバック構成となっているため、差動増幅器ＯＰ２のゲインが十分高くない場合にも雑音の低減効果が期待できる。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図１９〜図２１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施形態では、本発明に係る静電容量センサを備えた電気機器の一例について説明する。

なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

＜自動給水装置３０の構成＞
図１９は、本実施形態に係る自動給水装置３０の概略構成を示すブロック図である。この自動給水装置（電気機器）３０は、タンクＴ内の水（対象物）が一定量を下回った場合に、自動でタンクＴ内に水を供給するものである。

図１９に示すように、自動給水装置３０は、静電容量センサ３１、電磁弁３７、制御部３８、およびスイッチング電源３９を備えている。

（静電容量センサ３１）
静電容量センサ３１は、タンクＴ内の水位を検出するものである。静電容量センサ３１は、検出電極２およびダミー電極４が水を貯めるタンクＴに取り付けられており、タンクＴ内の水位が所定レベル以下になったことを検出する。

具体的には、静電容量センサ３１では、演算部３６において、センサ回路３３から入力された雑音成分を含む信号から、ダミー電極４から入力された雑音成分から成る信号を減算した信号（演算信号）を生成し、評価回路７へ出力する。これにより、評価回路７は、検出電極２から混入した雑音成分が低減された信号に基づいて、センサ回路３３の発振状態を検出することが可能となる。

評価回路７は、演算部３６からの入力信号に基づいて、センサ回路３３が発振状態を評価し、その評価結果を制御部３８へ出力する。

（電磁弁３７）
電磁弁３７は、制御部３８からの制御信号に基づいて開閉動作を行うものである。電磁弁３７は給水装置に取り付けられており、例えば制御部３８からの制御信号が”開”を示すものである場合、電磁弁３７が開くことで給水装置からタンクＴへの給水が行われる。

（制御部３８）
制御部３８は、静電容量センサ３１の出力に応じて電磁弁３２を制御するものである。具体的には、制御部３８は、タンクＴの水位が所定レベル以下であることを示す信号が静電容量センサ３１から入力された場合、電磁弁３２を開くことでタンクＴへの給水を制御する。

（スイッチング電源３９）
スイッチング電源３９は、交流の商用電源から直流電圧を得るものである。スイッチング電源３９は、商用電源に接続されており、交流電圧を直流電圧に変換して、静電容量センサ３１、電磁弁３７、制御部３８へ供給する。

＜自動給水装置３０の動作＞
図２０の（ａ）および（ｂ）は、タンクＴ内の水位が所定レベル以上の状態を示す模式図であり、図２１の（ａ）および（ｂ）は、タンクＴ内の水位が所定レベル未満まで低下した状態を示す模式図である。なお、図２０の（ａ）および図２１の（ａ）はタンクＴの正面を示し、図２０の（ｂ）および図２１の（ｂ）はタンクＴの側面を示す。

図２０の（ａ）および（ｂ）に示すように、タンクＴ内の水位が検出電極２およびダミー電極４より上にある状態では、水Ｗを導体とみなし、検出電極２およびダミー電極４と水Ｗとの間でそれぞれ静電容量Ｃ_Ｘの平行平板コンデンサが形成される。

一方、図２１の（ａ）および（ｂ）に示すように、タンクＴ内の水位が検出電極２より下にある場合、水Ｗと検出電極２との距離が長くなるため、静電容量Ｃ_Ｘは小さくなる。すなわち、静電容量センサ３１は、検出電極２と水Ｗとの間の静電容量Ｃ_Ｘを測定することで、水位が検出電極２より上にあるか下にあるかを検出する。

水位が検出電極２より下にあると静電容量センサ３１によって検出された場合、制御部３８は、給水装置からタンクＴへ水を供給されるように電磁弁３２の開閉を制御する。

ここで、自動給水装置３０を駆動するために一般的な交流の商用電源を用いる場合、多くはスイッチング電源３９などにより所望の直流電圧を得ているが、交流電圧から直流電圧への変換の過程で高周波の雑音が発生する。

この雑音が水Ｗを介して検出電極２に混入した場合、雑音の影響により、静電容量センサ３１が誤動作を起こしてしまう場合がある。

そこで、静電容量センサ３１では、ダミー電極４を設置し、検出電極２から混入した雑音成分を含む信号から、ダミー電極４から混入した雑音成分を減算することにより、検出電極２から混入した雑音の影響を低減している。したがって、静電容量センサ３１を水位センサとして用いることにより、雑音の影響による誤動作を抑制することができる。

なお、静電容量センサ３１では、検出電極２とダミー電極４とに略同量の雑音が混入することが望ましい。すなわち、対象物を介して雑音が混入する場合、検出電極２と対象物との間の静電容量値と、ダミー電極４と対象物との間の静電容量値が等しくなるように設計・配置することが望ましい。

本実施形態では、対象物である水Ｗの水面に対して、検出電極２とダミー電極４がと平行になるように配置することで、それぞれの静電容量値が等しくなるようにしている。

また、本実施形態では本発明に係る静電容量センサを水位センサとして使用する例を示したが、例えば検出電極２と人体との間に形成される静電容量を検出する人感センサや流体検知センサなど、本発明は種々のセンサとして利用することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る静電容量センサは、対象物（水Ｗ）と検出電極との間の静電容量またはその変化を検出する静電容量センサであって、前記検出電極に接続された帰還回路を含む発振回路（センサ回路３，１３，２３，２３ａ〜２３ｃ）と、雑音を検出するための電極である雑音電極（ダミ−電極４）と、前記検出電極から混入した雑音に基づく信号成分である第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から混入した雑音に基づく信号成分である第２雑音成分から成る信号とを演算することによって演算信号を生成する演算部（演算回路６ａ）と備え、前記演算信号を用いて前記静電容量またはその変化を検出することを特徴としている。

上記の構成では、検出電極から混入した雑音に基づく信号成分である第１雑音成分を含む信号と、雑音電極から混入した雑音に基づく信号成分である第２雑音成分から成る信号とを用い、演算部において任意の演算処理を行うことができる。そのため、演算部において、例えば検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を含む信号から第２雑音成分を減じる処理を行った場合、検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を低減させた演算信号を生成することができる。

したがって、上記の構成によれば、第１雑音成分を低減させた演算信号を用いて、検出電極の静電容量またはその変化を検出することが可能となるため、検出電極から混入した雑音による誤動作を抑制可能な静電容量センサを実現することができる。

また、本発明の態様２に係る静電容量センサは、上記態様１において、前記発振回路の出力側に前記演算部が接続されており、前記演算部は、前記発振回路から入力された前記第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から直接、または所定の信号処理を実行する処理回路（ダミー回路５，１５，２５，２５ａ〜２５ｃ）を介して入力された前記第２雑音成分から成る信号とを演算する構成であってもよい。

上記の構成では、演算部は、発振回路から入力された第１雑音成分を含む信号と、雑音電極から直接、または処理回路を介して入力された第２雑音成分から成る信号とを演算する。

したがって、上記の構成によれば、発振回路の後段側に接続された演算部において、演算信号を好適に生成することができる。

また、本発明の態様３に係る静電容量センサは、上記態様１において、前記演算部は、前記検出電極から入力された前記第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から直接、または所定の信号処理を実行する処理回路を介して入力された前記第２雑音成分から成る信号とを演算して生成した前記演算信号を前記発振回路へ出力する構成であってもよい。

上記の構成では、演算部は、検出電極から入力された第１雑音成分を含む信号と、雑音電極から直接、または処理回路を介して入力された第２雑音成分から成る信号とを演算して生成した演算信号を発振回路へ出力する。

したがって、上記の構成によれば、発振回路の前段側において演算信号を好適に生成し、該演算信号に基づいて発振回路を動作させることができる。

また、本発明の態様４に係る静電容量センサは、上記態様３において、前記発振回路が有する前記帰還回路の一部に、前記検出電極と、前記雑音電極または前記処理回路とが接続されている構成であってもよい。

上記の構成によれば、発振回路が有する帰還回路を利用して演算信号を生成することが可能となるため、発振回路を演算部として機能させることができる。そのため、演算を行うための独立した演算回路などを別途設ける必要がないため、静電容量センサの構成を簡略化することができる。

また、本発明の態様５に係る静電容量センサは、上記態様１において、前記発振回路は、少なくとも第１入力端子および第２入力端子を有し、前記検出電極が前記第１入力端子に接続され、且つ、前記雑音電極が所定の信号処理を実行する処理回路を介して前記第２入力端子に接続されることによって、前記発振回路において前記演算信号を生成する構成であってもよい。

上記の構成では、発振回路の第１入力端子に検出電極が接続され、且つ、発振回路の第２入力端子に雑音電極が処理回路を介して接続されることにより演算信号を生成する。

したがって、上記の構成によれば、発振回路を演算部として機能させることができる。そのため、演算を行うための独立した演算回路などを別途設ける必要がないため、静電容量センサの構成を簡略化することができる。

また、本発明の態様６に係る静電容量センサは、上記態様１〜５のいずれかにおいて、前記演算部は、前記第１雑音成分を含む信号から、前記第２雑音成分を減じる構成であってもよい。

上記の構成によれば、演算部において、検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を低減させた演算信号を好適に生成することができる。

また、本発明の態様７に係る静電容量センサは、上記態様１〜６のいずれかにおいて、前記検出電極および前記雑音電極は、各々から略同量の雑音が混入するように設計または配置されている構成であってもよい。

上記の構成では、検出電極から混入する第１雑音成分量と、雑音電極から混入する第２雑音成分量とを略程度にすることができる。そのため、演算部において、例えば検出電極から混入した雑音に基づく第１雑音成分を含む信号から第２雑音成分を減じる処理を行った場合、第１雑音成分と第２雑音成分とを互いに打ち消し合うことが可能となる。

したがって、上記の構成によれば、検出電極から混入した雑音による誤動作を効果的に抑制することができる。

また、本発明の態様８に係る電気機器（自動給水装置３０）は、上記態様１〜７のいずれかの静電容量センサを備えることを特徴としている。

したがって、上記の構成によれば、検出電極から混入した雑音による誤動作を抑制可能な電気機器を実現することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

〔補足〕
なお、本発明は、以下のように表現することもできる。すなわち、本発明に係る静電容量センサは、ウィーンブリッジ型発振回路によって検出電極の静電容量またはその変化を検出する静電容量センサであって、検出電極とは別の第二の電極を備え、前記検出電極から混入する雑音信号と前記第二の電極から混入する雑音信号との間の演算結果を含む信号を得ることを特徴としている。

また、本発明に係る静電容量センサでは、検出電極を静電容量またはその変化を検出するセンサ回路に接続し、前記センサ回路を演算回路に接続し、前記第二の電極を直接、もしくは発振回路とは別のダミー回路を介して演算回路に接続することで前記演算結果を得る構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、前記検出電極と前記第二の電極に混入した信号が、前記演算回路の出力でそれぞれ打ち消し合う関係になるように設計される構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、検出電極を演算回路、もしくは静電容量又はその変化を検出するセンサ回路に接続し、前記第二の電極を直接、もしくはダミー回路を介して前記演算回路、もしくは静電容量又はその変化を検出するセンサ回路に接続し、前記演算回路を静電容量又はその変化を検出するセンサ回路に接続することで前記演算結果を得る構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、前記検出電極と前記第二の電極に混入した信号が、前記演算回路の出力でそれぞれ打ち消し合う関係になるように設計される構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、前記検出電極と前記第二の電極に混入した信号が、前記センサ回路の出力でそれぞれ打ち消し合う関係になるように設計される構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、検出電極を静電容量又はその変化を検出するセンサ回路に接続し、前記第二の電極をダミー回路に接続し、前記ダミー回路の出力信号を前記センサ回路に与えることで前記演算結果を得る構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、前記検出電極と前記第二の電極に混入した信号が、前記センサ回路の出力でそれぞれ打ち消し合う関係になるように設計される構成であってもよい。

また、本発明に係る静電容量センサでは、前記検出電極と前記第二の電極がそれぞれの電極に同一の雑音信号が混入するように設計された電極である構成であってもよい。

また、本発明に係る電気機器は、本発明に係る静電容量センサを備えることを特徴としている。

本発明は、例えば水位センサ、タッチセンサ、近接センサなどの各種センサに好適に利用することができる。

１ 静電容量センサ
１ａ 静電容量センサ
２ 検出電極
３ センサ回路（発振回路）
４ ダミー電極（雑音電極）
５ ダミー回路（処理回路）
６ 演算部
６ａ 演算回路（演算部）
７ 評価回路
１１ 静電容量センサ
１３ センサ回路（発振回路）
１５ ダミー回路（処理回路）
１６ 演算部
２１ 静電容量センサ
２１ａ〜２１ｃ 静電容量センサ
２３ センサ回路（発振回路）
２３ａ〜２３ｃ センサ回路（発振回路）
２５ ダミー回路（処理回路）
２５ａ〜２５ｃ ダミー回路（処理回路）
３０ 自動給水装置（電気機器）
３１ 静電容量センサ
３７ 電磁弁
３８ 制御部
３９ スイッチング電源（雑音源）
１０１ 静電容量センサ
ＯＰ１ 差動増幅器
ＯＰ２ 差動増幅器
Ｔ タンク
Ｗ 水（対象物）

Claims (5)

1. 対象物と検出電極との間の静電容量またはその変化を検出する静電容量センサであって、
   前記検出電極に接続された帰還回路を含む発振回路と、
   雑音を検出するための電極である雑音電極と、
   前記検出電極から混入した雑音に基づく信号成分である第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から混入した雑音に基づく信号成分である第２雑音成分から成る信号とを演算することによって演算信号を生成する演算部とを備え、
   前記演算信号を用いて前記静電容量またはその変化を検出することを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記発振回路の出力側に前記演算部が接続されており、
   前記演算部は、前記発振回路から入力された前記第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から直接、または所定の信号処理を実行する処理回路を介して入力された前記第２雑音成分から成る信号とを演算することを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
3. 前記演算部は、前記検出電極から入力された前記第１雑音成分を含む信号と、前記雑音電極から直接、または所定の信号処理を実行する処理回路を介して入力された前記第２雑音成分から成る信号とを演算して生成した前記演算信号を前記発振回路へ出力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。
4. 前記発振回路は、少なくとも第１入力端子および第２入力端子を有し、
   前記検出電極が前記第１入力端子に接続され、且つ、前記雑音電極が所定の信号処理を実行する処理回路を介して前記第２入力端子に接続されることによって、前記発振回路において前記演算信号を生成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。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の静電容量センサを備えることを特徴とする電気機器。

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