特許 7460435 静電容量型近接検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】静電容量型近接検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20240326BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 101C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020077043

(22)【出願日】2020-04-24

(65)【公開番号】P2021173615

(43)【公開日】2021-11-01

【審査請求日】2023-03-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000219602

【氏名又は名称】住友理工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】110000604

【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】栗熊 甫

(72)【発明者】

【氏名】新枦 雄介

(72)【発明者】

【氏名】張 雲偉

【審査官】眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】特表２０００－５１３８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２０２３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１３１２３７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出対象の近接を検出するためのセンサ電極と、
前記センサ電極における前記検出対象とは反対側に配置されたグランド電極と、
前記センサ電極と前記グランド電極との間に配置されたアクティブガード電極と、
前記センサ電極に励起電圧を印加すると共に、前記センサ電極に励起電圧を印加させたときの前記センサ電極における電荷移動量に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘを検出する静電容量検出回路と、
入力端子が前記静電容量検出回路における前記センサ電極への電圧印加端子に接続され、出力端子が前記アクティブガード電極に接続される複数のバッファ回路と、
を備え、
前記アクティブガード電極への励起電圧が前記センサ電極への励起電圧に対して遅れる時間ｔｄと、当該遅れ時間ｔｄの間に前記センサ電極に流れる電流Ｉと、前記センサ電極への励起電圧Ｅとに基づいて、測定オフセット値が算出され、
前記静電容量検出回路の測定レンジは、前記測定オフセット値の分だけオフセットされた状態において、前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘを検出可能なレンジに設定されている、静電容量型近接検出装置。

【請求項2】

前記複数のバッファ回路は、並列に接続されている、請求項１に記載の静電容量型近接検出装置。

【請求項3】

前記測定レンジＣ_rangeは、下記式を満たす、請求項１又は２に記載の静電容量型近接検出装置。
１／２×Ｃ_range ＞ Ｉ×ｔｄ／Ｅ

【請求項4】

検出可能な前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘの変化の大きさは、前記アクティブガード電極への励起電圧が前記センサ電極への励起電圧に対して遅れる場合における前記センサ電極と前記グランド電極との間の寄生容量Ｃｙより小さい、請求項１－３の何れか１項に記載の静電容量型近接検出装置。

【請求項5】

検出可能な前記静電容量Ｃｘの変化の大きさは、前記遅れる場合における前記寄生容量Ｃｙの１／１０００以下である、請求項４に記載の静電容量型近接検出装置。

【請求項6】

前記アクティブガード電極と前記グランド電極との間の寄生容量Ｃｚは、１０００ｐＦ以上であり、
検出可能な前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘの変化の大きさは、１ｐＦ以下である、請求項１－５の何れか１項に記載の静電容量型近接検出装置。

【請求項7】

前記センサ電極、前記グランド電極、及び、前記アクティブガード電極は、人協働ロボットに配置され、
前記静電容量検出回路は、前記センサ電極と前記検出対象としての人との間の静電容量Ｃｘを検出する、請求項１－６の何れか１項に記載の静電容量型近接検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量型近接検出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、人協働ロボットに設置された近接センサにより、ロボットと人との距離を検出することが記載されている。近接センサの例として、超音波センサが主の例として記載されており、光学センサ、静電容量センサ、電波センサについても記載されている。

【0003】

特許文献２には、自己容量方式のタッチ検出装置が記載されている。当該検出装置は、センサ電極とアクティブガード電極（シールド電極とも称する）とを備えており、アクティブガード電極への電圧の励起回路としてバッファ回路及び駆動補助回路を備える。特許文献３には、センサ電極と検出対象との間に形成される静電容量を検知することで検出対象の形状を測定する装置が記載されている。当該測定装置は、アクティブガード電極となる電極に、センサ電極の電圧を印加するバッファ回路を備える。バッファ回路により、センサ電極とアクティブガード電極との間の電位差が一定に保たれるため、寄生容量の影響を低減できるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１８／１３１２３７号

【文献】特開２０１９－２１１８９８号公報

【文献】特開２０１５－０９４５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、静電容量を用いた近接検出装置としては、特許文献２，３に記載されているように、センサ電極と検出対象（人の指や形状測定対象物）との距離は、極めて短い距離である。距離が短いほど、センサ電極と検出対象との間の静電容量の変化は大きくなるため、検出対象の検出が容易である。しかし、人協働ロボット等のように検出対象との距離が遠い場合には、静電容量の変化が非常に小さい。小さな静電容量の変化を検出することは、容易ではない。

【0006】

アクティブガード電極は、センサ電極とグランド電極との間の寄生容量を低減すると共に、検出範囲の指向性を高める機能を有する。アクティブガード電極によるシールド効果が十分でない場合には、センサ電極から発せられた電界がグランド電極へ回り込むことによってセンサ電極とグランド電極との間で寄生容量を持ってしまう。その結果、センサ電極と検出対象との間の静電容量の変化の検出感度が低下する。

【0007】

また、アクティブガード電極の面積はセンサ電極の面積よりも大きく、且つ、アクティブガード電極とグランド電極との層間距離が近い方が、アクティブガード電極のシールド効果が高くなる。さらに、アクティブガード電極のシールド効果が十分に機能している状態において、センサ電極とアクティブガード電極との層間距離が近い方が、センサ電極と検出対象との間の静電容量の変化を検出する指向性が高くなる。

【0008】

しかし、センサ電極とアクティブガード電極との距離、及び、アクティブガード電極とグランド電極との距離が近くなると、それぞれの電極間の寄生容量が大きくなってしまい、その結果、励起電圧の波形がひずみ、検出対象との静電容量の変化を検出することができない。

【0009】

特許文献２，３に記載のように、アクティブガード電極を設けると共に、アクティブガード電極と検出回路との間にバッファ回路（ボルテージフォロワ）を設けることにより、センサ電極とグランド電極との間の寄生容量の影響を小さくすることができる。しかし、これらは、検出対象との距離が近い場合を対象としており、例えば、人協働ロボット等のように検出対象との距離が遠く、検出対象との間の静電容量の変化が非常に小さな場合には十分ではない。

【0010】

本発明は、極めて小さな静電容量の変化を高精度に検出することができる静電容量型近接検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、検出対象の近接を検出するためのセンサ電極と、前記センサ電極における前記検出対象とは反対側に配置されたグランド電極と、
前記センサ電極と前記グランド電極との間に配置されたアクティブガード電極と、
前記センサ電極に励起電圧を印加すると共に、前記センサ電極に励起電圧を印加させたときの前記センサ電極における電荷移動量に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘを検出する静電容量検出回路と、
入力端子が前記静電容量検出回路における前記センサ電極への電圧印加端子に接続され、出力端子が前記アクティブガード電極に接続される複数のバッファ回路と、を備え、
前記アクティブガード電極への励起電圧が前記センサ電極への励起電圧に対して遅れる時間ｔｄと、当該遅れ時間ｔｄの間に前記センサ電極に流れる電流Ｉと、前記センサ電極への励起電圧Ｅとに基づいて、測定オフセット値が算出され、
前記静電容量検出回路の測定レンジは、前記測定オフセット値の分だけオフセットされた状態において、前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量Ｃｘを検出可能なレンジに設定されている、静電容量型近接検出装置にある。

【0012】

上記のように、静電容量型近接検出装置は、アクティブガード電極へ励起電圧を印加する回路として、複数のバッファ回路が設けられている。仮に、１個のバッファ回路のみが設けられている場合には、アクティブガード電極とグランド電極との間の寄生容量が大きいと、センサ電極への励起電圧とアクティブガード電極への励起電圧とのずれが大きくなる。センサ電極とアクティブガード電極の電位差が生じることにより、センサ電極とグランド電極との間の寄生容量が大きくなってしまう。特に、検出対象とセンサ電極との間の静電容量が小さい場合には、センサ電極とグランド電極との間の寄生容量の影響により、対象の静電容量を検出できない。

【0013】

しかし、上記のように、静電容量型近接検出装置は、アクティブガード電極へ励起電圧を印加する回路として、複数のバッファ回路が設けられている。複数のバッファ回路によって、センサ電極への励起電圧とアクティブガード電極への励起電圧とのずれを小さくできる。その結果、センサ電極とグランド電極との間の寄生容量を小さくできる。従って、検出対象とセンサ電極との間の静電容量が小さい場合であっても、高精度に検出対象の近接を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】静電容量型近接検出装置の適用例を示す図である。

【図2】静電容量型近接検出装置の構成図である。

【図3】理想状態を示し、検出対象がセンサ電極に近接した状態において、センサ電極に矩形励起電圧が印加され、且つ、アクティブガード電極にセンサ電極と完全に同一の矩形励起電圧が印加されたときに、検出回路に流れる電流を示す模式図である。細破線は、太実線に対して、検出対象が近接した状態の挙動を示す。

【図4】センサ電極への矩形励起電圧に対してアクティブガード電極への励起電圧のずれを示す模式図である。

【図5】検出対象がセンサ電極に近接した状態において、センサ電極に矩形励起電圧が印加され、且つ、アクティブガード電極に図４に示す励起電圧が印加されたときに、検出回路に流れる電流を示す模式図である。

【図6】人が人協働ロボットに近づいている場合に、検出静電容量の推移を示すグラフである。

【図7】本例のシミュレーション回路図であって、２個のバッファ回路を備え、且つ、アクティブガード電極とグランド電極との間の寄生容量Ｃｚが大きな値（１００００ｐＦ）の場合についての回路図である。

【図8】比較例１のシミュレーション回路図であって、１個のみのバッファ回路を備え、且つ、アクティブガード電極とグランド電極との間の寄生容量Ｃｚが小さな値（１００ｐＦ）の場合についての回路図である。

【図9】比較例２のシミュレーション回路図であって、１個のみのバッファ回路を備え、且つ、アクティブガード電極とグランド電極との間の寄生容量Ｃｚが大きな値（１００００ｐＦ）の場合についての回路図である。

【図10】本例、及び、比較例１，２のそれぞれについてのシミュレーション結果であって、アクティブガード電極への励起電圧を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（１．静電容量型近接検出装置１の適用例）
静電容量型近接検出装置１（以下、「検出装置」と称する）の適用例について図１を参照して説明する。検出装置１は、例えば、人協働ロボット２に配置され、検出対象３の一例である人が人協働ロボット２に近接したことを検出する装置として適用できる。そして、検出対象３である人が人協働ロボット２に対して所定距離以内に近接していると判定された場合には、人協働ロボット２を停止させたり、警告を発したりすることができる。

【0016】

ここで、人協働ロボット２と検出対象３との所定距離は、タッチパネルと人の指との距離に比べて極めて遠い。そのため、対象とする人協働ロボット２と検出対象３との間の静電容量Ｃｘは、非常に小さい。つまり、検出装置１は、検出対象３である人の近接を、極めて小さな静電容量Ｃｘの変化に基づいて検出することができる装置である。本例において、検出装置１により検出可能な静電容量Ｃｘの変化の大きさは、例えば、１ｐＦ以下、特に、数１０～数１００ｆＦの範囲とする。

【0017】

また、検出装置１の検出対象３は、人の他に、導電体であれば、全てを対象とできる。例えば、検出装置１の検出対象３をロボットとし、検出装置１の設置対象を他のロボットとして、検出装置１は、ロボット同士の近接を検出する装置としても適用できる。

【0018】

また、検出装置１を設置する対象は、人協働ロボット２の他に、任意の位置に設置することができる。例えば、検出装置１を、検出対象３である人の侵入禁止エリアに設置することで、人の侵入を検出することもできる。

【0019】

図１に示す人協働ロボット２は、任意の作業を行うためのシリアルリンク型ロボットである。人協働ロボット２は、複数の関節を有しており、先端に作業ユニットを備える。例えば、人協働ロボット２は、搬送対象物（図示せず）を搬送するロボットであって、先端に搬送対象物を把持するハンドを有する。ただし、人協働ロボット２は、上記構成に限られず、任意の構成とすることができる。

【0020】

検出装置１は、図１に示すように、センサ本体１０と、回路ユニット２０とを備える。センサ本体１０は、人協働ロボット２の表面に設置されている。例えば、センサ本体１０は、人協働ロボット２における作業ユニット付近（先端付近）に設置されている。センサ本体１０は、シート状に形成されており、人協働ロボット２の円筒外周部を構成する枠体に塗装やメッキにより形成されたものや、金属などの導電体により形成された枠体そのものとすることができる。なお、枠体とは別体に形成された部材とし、枠体に張り付けるようにしてもよい。回路ユニット２０は、センサ本体１０に電気的に接続されており、静電容量Ｃｘを取得する。回路ユニット２０は、例えば、センサ本体１０に励起電圧を印加すると共に、励起電圧を印加した際に流れる電流を検出することで、静電容量Ｃｘの相当値を取得する。

【0021】

（２．静電容量型近接検出装置１の構成）
検出装置１の構成について図２を参照して説明する。検出装置１は、センサ本体１０と回路ユニット２０とを備える。センサ本体１０は、シート状に形成されている。センサ本体１０は、センサ電極１１、グランド電極１２、および、アクティブガード電極１３を備える。

【0022】

センサ電極１１は、面状（平面、曲面を含む）に形成されており、検出対象３（例えば、人）の近接を検出するための電極である。センサ電極１１の表面、すなわち検出対象３側の面には、絶縁層（図示せず）を備える。

【0023】

グランド電極１２は、センサ電極１１から距離を有してセンサ電極１１に対向可能な形状に形成されており、センサ電極１１における検出対象３とは反対側に配置される。グランド電極１２は、例えば、面状に形成されている場合には、センサ電極１１と同等の大きさに形成されている。また、センサ電極１１が筒状に形成されている場合には、グランド電極１２は、筒の中心軸を構成する芯材とすることもできる。グランド電極１２は、接地されている。

【0024】

アクティブガード電極１３は、面状（平面、曲面を含む）に形成されており、センサ電極１１とグランド電極１２との間に配置されている。アクティブガード電極１３は、検出対象３との静電容量Ｃｘの検出において、センサ電極１１とグランド電極１２との電位差の影響を抑制するための電極である。

【0025】

アクティブガード電極１３とセンサ電極１１との間には、絶縁層（図示せず）を備える。また、アクティブガード電極１３とグランド電極１２との間にも、絶縁層（図示せず）を備える。また、アクティブガード電極１３は、センサ電極１１およびグランド電極１２よりも大きく形成されており、センサ電極１１およびグランド電極１２の全周から外に張り出している。

【0026】

ここで、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量は、Ｃｘである。センサ電極１１とグランド電極１２との間の寄生容量は、Ｃｙである。アクティブガード電極１３とグランド電極１２との間の寄生容量は、Ｃｚである。

【0027】

そして、理想的な状態として、センサ電極１１に印加される励起電圧とアクティブガード電極１３に印加される励起電圧とが一致している場合には、センサ電極１１とグランド電極１２との間の見かけ上の寄生容量Ｃｙ＊を０（ゼロ）とみなすことができる。従って、センサ電極１１は、検出対象３との間の静電容量Ｃｘによる変化のみに影響を受けることができ、高精度に静電容量Ｃｘの検出が可能となる。つまり、理想的な状態においては、高精度に、検出対象３の近接を検出することができる。なお、以下において、見かけ上の寄生容量をＣｙ＊とし、実際の寄生容量をＣｙとする。

【0028】

また、アクティブガード電極１３とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｚは、１０００ｐＦ以上、特に１００００ｐＦ以上である。また、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘの変化の大きさは、上述したように、例えば、１ｐＦ以下、特に数１０～数１００ｆＦの範囲を検出可能範囲とする。このように、寄生容量Ｃｚが、静電容量Ｃｘの変化の大きさの検出可能範囲に対して非常に大きいことが分かる。

【0029】

回路ユニット２０は、静電容量検出回路２１（以下、「検出回路」と称する）と、複数のバッファ回路２２，２３とを備える。検出回路２１は、センサ電極１１に励起電圧を印加する。さらに、検出回路２１は、センサ電極１１に励起電圧を印加させたときのセンサ電極１１における電荷の移動量に基づいて、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘを検出する。詳細には、検出回路２１は、検出対象３が存在しない場合と比較して、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘの変化の大きさを検出する。

【0030】

複数のバッファ回路２２，２３は、検出回路２１とアクティブガード電極１３との間に接続されている。特に、複数のバッファ回路２２，２３は、オペアンプにより構成されている。また、複数のバッファ回路２２，２３は、並列に接続されている。

【0031】

つまり、複数のバッファ回路２２，２３の入力端子は、検出回路２１におけるセンサ電極１１への電圧印加端子に接続されている。特に、オペアンプの非反転入力を、バッファ回路２２，２３の入力端子としている。複数のバッファ回路２２，２３の出力端子は、アクティブガード電極１３に接続されている。さらに、オペアンプの出力と反転入力とを接続している。

【0032】

従って、複数のバッファ回路２２，２３は、原理的には、入力端子の電圧と出力端子の電圧とを同一にすることができる。すなわち、複数のバッファ回路２２，２３は、センサ電極１１への印加電圧と同一の電圧をアクティブガード電極１３に印加することができる。

【0033】

ただし、実際には、センサ電極１１に矩形励起電圧を印加した場合において、寄生容量Ｃｚが静電容量Ｃｘの変化の大きさの検出可能範囲に対して非常に大きいことに起因して、アクティブガード電極１３への励起電圧が、センサ電極１１に印加される矩形励起電圧に対して遅れ（ずれ）を生じることが分かった。そこで、本例においては、複数のバッファ回路２２，２３を並列に設けることによって、遅れを小さくすることとしている。

【0034】

（３．静電容量型近接検出装置１の動作）
（３－１．基本原理の説明）
検出装置１による静電容量Ｃｘの検出における基本原理について図３を参照して説明する。検出回路２１が、センサ電極１１に対して矩形励起電圧を印加する。検出回路２１とアクティブガード電極１３との間には、複数のバッファ回路２２，２３が接続されている。従って、理想的な状態としては、アクティブガード電極１３への励起電圧が、センサ電極１１への矩形励起電圧に一致する。

【0035】

そのため、センサ電極１１とグランド電極１２との間の見かけ上の寄生容量Ｃｙ＊は、０（ゼロ）とみなすことができる。従って、センサ電極１１に流れる電流は、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘのみの影響を受けることになる。

【0036】

センサ電極１１およびアクティブガード電極１３に同一の励起電圧Ｅが印加された場合において、センサ電極１１における電荷の移動量Ｑは、式（１）により表される。ここで、Ｒは、バッファ回路２２，２３の出力端子とアクティブガード電極１３との間の電気抵抗である。

【0037】

【数1】

【0038】

このとき、センサ電極１１に流れる電流Ｉは、式（２）により表される。

【0039】

【数2】

【0040】

センサ電極１１に流れる電流Ｉは、図３に示すように変化する。そして、センサ電極１１に流れる電流Ｉは、静電容量Ｃｘに応じて変化する。静電容量Ｃｘが大きくなると、図３における電流Ｉの傾きが緩やかになる。つまり、励起電圧Ｅが印加された時刻ｔ１において、電流Ｉは、Ｒ／Ｅに一気に立上り、その後は、静電容量Ｃｘに応じて徐々に減少する。

【0041】

図３における電流Ｉの積分値（囲まれた部分の面積）が、電荷の総移動量Ｑｘであって、静電容量Ｃｘに相当する値となる。従って、検出回路２１にて、電荷の総移動量Ｑｘを演算することによって、静電容量Ｃｘを取得することができる。

【0042】

（３－２．実際の動作）
ただし、実際には、センサ電極１１に矩形励起電圧を印加した場合において、寄生容量Ｃｚが静電容量Ｃｘの変化の大きさの検出可能範囲に対して非常に大きいことに起因して、アクティブガード電極１３への励起電圧が、センサ電極１１に印加される矩形励起電圧に対して遅れ（ずれ）を生じることが分かった。

【0043】

センサ電極１１に印加される励起電圧Ｖ１、および、アクティブガード電極１３に印加される励起電圧Ｖ２は、図４に示すとおりである。つまり、センサ電極１１に印加される励起電圧Ｖ１は、時刻ｔ１の時点から一定の電圧Ｅとなる。一方、アクティブガード電極１３に印加される励起電圧Ｖ２は、時刻ｔ１からｔ２までの遅れ時間ｔｄだけ遅れて、一定の電圧Ｅとなる。このように、時刻ｔ１からｔ２までの間、アクティブガード電極１３に印加される励起電圧Ｖ２は、センサ電極１１に印加される励起電圧Ｖ１に対してずれた状態となる。

【0044】

そのため、遅れ時間ｔｄにおいて、センサ電極１１における電荷Ｑは、グランド電極１２側へも移動することになる。特に、検出可能な静電容量Ｃｘの変化の大きさは、アクティブガード電極１３への励起電圧Ｖ２がセンサ電極１１への励起電圧Ｖ１に対して遅れる場合におけるセンサ電極１１とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｙより遥かに小さい。例えば、検出可能な静電容量Ｃｘの変化の大きさは、遅れにおける寄生容量Ｃｙの１／１０００以下である。そうすると、センサ電極１１における電荷は、グランド電極１２との移動が支配的となる。

【0045】

従って、図５に示すように、センサ電極１１に流れる電流Ｉは、遅れ時間ｔｄにおいて、グランド電極１２との間に流れる電流となり、ほぼ一定値Ｒ／Ｅとなる。遅れ時間ｔｄ経過後においては、センサ電極１１に流れる電流Ｉは、理想的な状態として示した図３と同様の挙動となる。つまり、センサ電極１１に流れる電流Ｉは、静電容量Ｃｘに応じて減少していく。

【0046】

図５において、遅れ時間ｔｄにおける電流Ｉの積分値（囲まれた部分の面積）が、センサ電極１１とグランド電極１２との間の電荷の総移動量Ｑｙとなる。一方、遅れ時間ｔｄ以降における電流Ｉの積分値が、センサ電極１１と検出対象３との間の電荷の総移動量Ｑｘとなり、静電容量Ｃｘに相当する値となる。

【0047】

そして、電流Ｉの積分値は、遅れ時間ｔｄにおける電荷の総移動量Ｑｙと、遅れ時間ｔｄ以降における電荷の総移動量Ｑｘの合計値となる。従って、検出回路２１にて、遅れ時間ｔｄにおける電荷の総移動量Ｑｙを除いた電荷の総移動量Ｑｘを演算することによって、静電容量Ｃｘを取得することができる。

【0048】

（３－３．検出装置１の設計）
上述したように、遅れ時間ｔｄを考慮した上で、検出対象３との静電容量Ｃｘを検出できるようにするために、以下のように検出装置１の設計を行う。図５に加えて、検出回路２１における測定レンジを示す図６を参照して説明する。なお、図６の検出値を示す黒点は、検出対象３である人が、人協働ロボット２に近づいてきて、一定の距離の位置に停止している状態を示す。

【0049】

検出回路２１が取得する静電容量Ｃは、図５における遅れ時間ｔｄの電荷の総移動量Ｑｙの影響分と、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘとの合計値となる。以下、検出回路２１が取得する静電容量Ｃを、検出静電容量と称する。

【0050】

図５において、遅れ時間ｔｄにおける電荷の総移動量Ｑｙは、一定値である。そこで、検出静電容量Ｃにおいて、遅れ時間ｔｄにおける電荷の総移動量Ｑｙの影響分を一定値としての測定オフセット値Ｃ_offsetと考える。つまり、図６に示すように、検出回路２１の測定レンジは、測定オフセット値Ｃ_offsetの分だけオフセットされた状態において、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘを検出可能なレンジに設定する必要がある。

【0051】

従って、測定オフセット値Ｃ_offsetが測定レンジＣ_rangeを逸脱しないことが必須条件である。ただし、静電容量Ｃｘを検出することが目的であることから、測定オフセット値Ｃ_offsetが、測定レンジＣ_rangeの半分より小さくすることが求められる。つまり、測定レンジＣ_rangeは、式（３）を満たすようにする。式（３）において右辺が、測定オフセット値Ｃ_offsetである。測定オフセット値Ｃ_offsetは、電流Ｉ、励起電圧Ｅ、遅れ時間ｔｄに基づいて算出される。

【0052】

【数3】

【0053】

式（３）より、遅れ時間ｔｄを短くすることにより、測定オフセット値Ｃ_offsetを小さくすることができる。つまり、式（３）を満たすような遅れ時間ｔｄを設定するために、バッファ回路２２，２３の並列数を設計することになる。

【0054】

以下には、より具体的な数値を例にあげて説明する。例えば、センサ電極１１と検出対象３との距離を６００ｍｍ程度とし、各電極１１，１２，１３を一辺２００ｍｍの正方形（センサ電極１１の大きさを４００００ｍｍ^２）とする。この場合に、検出対象３が存在しない場合と比較して、静電容量Ｃｘが数１０～数１００ｆＦの範囲で変化する場合を対象とする。

【0055】

対象の静電容量Ｃｘの変化（例えば、２０ｆＦ）を検出するためには、検出回路２１は、有効ビット数を考慮した上で、対象の静電容量Ｃｘの変化の１／１００程度の最小分解能を必要とする。例えば、分解能が２４ビットの場合に２２ｍｓｅｃの変換時間で使用した場合には、有効ビット数は１６．４ビットとなる。測定レンジＣ_rangeを、１６ｐＦ、すなわち±８ｐＦとした場合に、最小分解能は、１８５ａＦ（＝１６ｐＦ÷２^１６．４）となる。この最小分解能１８５ａＦは、対象の静電容量Ｃｘの変化である２０ｆＦの１／１００以下となるため、当該静電容量Ｃｘの変化を検出可能と言える。

【0056】

ただし、上述した式（３）を満たす必要がある。つまり、測定オフセット値Ｃ_offsetが、１６ｐＦの半分より小さな値（８ｐＦ未満）に設定する必要がある。測定オフセット値Ｃ_offsetが８ｐＦ未満となるように、バッファ回路２２，２３の並列数を設計する。なお、以下に説明するが、バッファ回路２２，２３の並列数を増加すればするほど、遅れ時間ｔｄは短くなる。

【0057】

（４．シミュレーション）
次に、本例と比較例１，２とについて、センサ電極１１への励起電圧Ｖ１に対するアクティブガード電極１３への励起電圧Ｖ２の遅れについて、図７－図１０を参照して説明する。

【0058】

本例における２個のバッファ回路２２，２３を含む回路構成は、図７に示すとおりである。図７に示すように、同種のバッファ回路２２，２３が並列に接続されている。また、寄生容量Ｃｚは、１００００ｐＦとする。この回路構成において、アクティブガード電極１３への励起電圧は、Ｖ２ａとする。

【0059】

比較例１における１個のバッファ回路を備える回路構成は、図８に示すとおりである。このバッファ回路は、本例におけるバッファ回路２２と同種である。また、寄生容量Ｃｚは、本例と同様に、１００００ｐＦとする。この回路構成において、アクティブガード電極１３への励起電圧は、Ｖ２ｂとする。

【0060】

比較例２における１個のバッファ回路を備える回路構成は、図９に示すとおりである。このバッファ回路は、本例におけるバッファ回路２２と同種である。また、寄生容量Ｃｚは、本例および比較例１に比べて極めて小さな値１０ｐＦとする。この回路構成において、アクティブガード電極１３への励起電圧は、Ｖ２ｃとする。

【0061】

上記それぞれにおいて、アクティブガード電極１３への励起電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂ，Ｖ２ｃは、図１０に示すようになる。寄生容量Ｃｚが小さな値１０ｐＦの場合の比較例２において、励起電圧Ｖ２ｃは、遅れ時間がほとんどなく、矩形波形を示している。一方、寄生容量Ｃｚが大きな値１００００ｐＦの本例および比較例１においては、遅れ時間を有している。ただし、本例と比較例１とを比較した場合には、本例における遅れ時間ｔｄａが、比較例１における遅れ時間ｔｄｂに比べて、十分に短いことが分かる。

【0062】

上述したように、遅れ時間ｔｄを短くすることが、測定オフセット値Ｃ_offsetを小さくすることにつながる。従って、回路ユニット２０が複数のバッファ回路２２，２３を備えることにより、寄生容量Ｃｚが大きいとしても、静電容量Ｃｘを検出することができる。

【0063】

（５．効果）
上記のように、検出装置１は、アクティブガード電極１３へ励起電圧Ｖ２を印加する回路として、複数のバッファ回路２２，２３が設けられている。仮に、１個のバッファ回路のみが設けられている場合には、アクティブガード電極１３とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｚが大きいと、センサ電極１１への励起電圧Ｖ１とアクティブガード電極１３への励起電圧Ｖ２とのずれが大きくなる。センサ電極１１とアクティブガード電極１３の電位差が生じることにより、センサ電極１１とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｙが大きくなってしまう。特に、検出対象３とセンサ電極１１との間の静電容量Ｃｘが小さい場合には、センサ電極１１とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｙの影響により、検出対象３の静電容量Ｃｘを検出できない。

【0064】

しかし、検出装置１は、アクティブガード電極１３へ励起電圧Ｖ２を印加する回路として、複数のバッファ回路２２，２３が設けられている。複数のバッファ回路２２，２３によって、センサ電極１１への励起電圧Ｖ１とアクティブガード電極１３への励起電圧Ｖ２とのずれを小さくできる。その結果、センサ電極１１とグランド電極１２との間の寄生容量Ｃｙを小さくできる。従って、検出対象３とセンサ電極１１との間の静電容量Ｃｘが小さい場合であっても、高精度に検出対象３の近接を検出することができる。

【符号の説明】

【0065】

１：静電容量型近接検出装置、 ２：人協働ロボット、 ３：検出対象、 １０：センサ本体、 １１：センサ電極、 １２：グランド電極、 １３：アクティブガード電極、 ２０：回路ユニット、 ２１：静電容量検出回路、 ２２，２３：バッファ回路、 Ｃ_range：測定レンジ、 Ｃｘ：センサ電極と検出対象との間の静電容量、 Ｃｙ：センサ電極とグランド電極との間の実際の寄生容量、Ｃｙ＊：センサ電極とグランド電極との間の見かけ上の寄生容量、 Ｃｚ：アクティブガード電極とグランド電極との間の寄生容量、 Ｖ１：センサ電極への励起電圧、 Ｖ２：アクティブガード電極への励起電圧、 ｔｄ：遅れ時間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】