JP2002157671A - センシングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微少な物理量の変化を常に正確に検出するこ
とのできる高性能なセンシングシステムを提供する。 【解決手段】 センサヘッド１０１は、第１電極１１１
と、第１電極１１１と所定の距離をおいて相対面するよ
う配置された第２電極１１２とを備える。測定装置１０
２は、信号端子５、シールド端子６、バイアス端子７を
備える。信号端子５の電圧とシールド端子６の電圧と
は、常に等しくなるよう測定回路が構成される。３重同
軸ケーブル１２０の中心軸線１０３により、第１電極１
１１が信号端子５に接続される。同ケーブル１２０の外
側被覆線１０５により、第２電極１１２がバイアス端子
７に接続される。同ケーブル１２０の内側被覆線１０４
は、シールド端子６に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、測定対象となる
物理量を電気的に測定するのに適したセンシングシステ
ムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】容量センサのようなセンサ部を備え、検
知した温度・湿度等の物理量をこのセンサ部で電気的特
性に変換し、これを測定回路で検出することが従来から
行われている。図１１は、このような検出を行う従来の
センシングシステムを示すブロック図である。このセン
シングシステムはセンサ部として容量センサ２０１を備
えている。この容量センサ２０１は２つの電極を有し、
受けた物理量によって両電極間の容量を変化させるもの
である。そして各電極はケーブル２０３、２０４によっ
て測定回路２０２に接続され、各ケーブル２０３、２０
４を介して測定信号が容量センサ２０１から測定回路２
０２に伝送される。この測定回路は容量−電圧変換器と
して機能するものであり、容量センサ２０１の容量を電
圧に変換して前記物理量を検出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来例に
おいては、ケーブル２０３、２０４間に不可避的に寄生
容量が生じる。これを回避するためケーブル２０３、２
０４をそれぞれシールドされた同軸ケーブルとすること
が用いられているが、寄生容量は同軸ケーブルの軸線と
この軸線を包囲する被覆線との間にも生じてしまう。容
量センサ２０１での容量変化が十分に大きく、かつケー
ブル長が極端に短い場合に限っては、かかる寄生容量の
影響もある程度無視し得る。しかし近年のように、微少
な物理量変化の正確な検出が多様な環境下で要求される
中にあって、上記のような従来例はこの要求に十分に応
え得るものではなかった。なぜなら、このような要求に
応えるには微少な物理量変化を正確に捉える必要がある
し、また測定装置を設置できないような場所・環境に、
センサ部を測定装置から離隔して取り付け、そこから長
いケーブルを測定装置まで引き回す必要が生じるからで
ある。

【０００４】また長いケーブルを引き回すと、このケー
ブル中で電圧降下が生じ、これによって信号の劣化及び
寄生容量の悪影響が大きくなるという問題もある。その
ためセンサ部に増幅回路を設け、センサ部から出力され
る電流を増幅することも従来なされている。しかしなが
らこのような構成によると、センサ部を取り付ける場所
の環境によって前記増幅回路の動作が悪影響を受けてし
まい、結局のところ高精度な測定ができなくなるという
問題があった。

【０００５】この発明は、上記従来の課題を解決するた
めになされたものであって、その目的は、微少な物理量
の変化を常に正確に検出することのできる高性能なセン
シングシステムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明のセンシン
グシステムは、第１電極と第２電極とを備えて測定対象
物理量を両電極間の電気的特性に変換するセンサ部を備
え、前記第１電極又は第２電極のいずれか一方を、所定
の測定回路の信号端子に、少なくともその一部がシール
ド手段で電気的にシールドされた信号線で接続し、前記
第１電極又は第２電極のうち他方の電極を、所定のバイ
アス電圧を印加する任意のバイアス印加手段に接続し、
前記シールド手段を、前記信号端子と同電位に成された
前記測定回路のシールド端子に接続するよう成されてい
ることを特徴としている。

【０００７】また本発明のセンシングシステムは、信号
端子、所定のバイアス電圧を印加されたバイアス端子、
及び前記信号端子と同電位になるよう成されたシールド
端子を備えた測定回路と、第１電極及び第２電極を備え
て測定対象物理量を両電極間の電気的特性に変換するセ
ンサ部とを有し、前記第１電極又は第２電極のいずれか
一方が、少なくともその一部がシールド手段で電気的に
シールドされた信号線で前記信号端子に接続され、前記
第１電極又は第２電極のうち他方の電極が前記バイアス
端子に接続され、前記シールド手段が前記シールド端子
に接続されて成ることを特徴としている。

【０００８】さらに本発明のセンシングシステムは、前
記バイアス端子が電位固定されていることことを特徴と
している。

【０００９】そしてまた本発明のセンシングシステム
は、前記センサ部が、前記測定回路とは別体に成され、
この測定回路の設置箇所と離隔した箇所に設置できるこ
とを特徴としている。

【００１０】ここで前記測定回路は、たとえば次のよう
な構成とすることができる。すなわち、ボルテージフォ
ロワと一方の入力端子を所定の第１電圧に接続した演算
増幅器とを含み、かつ入力電圧を増幅した電圧を前記ボ
ルテージフォロワの出力端子から出力させる増幅回路
と、前記ボルテージフォロワの入力端子にその一端が接
続され他端が前記信号端子に接続された接続線と、前記
ボルテージフォロワの出力電圧に基づくシールド電圧を
前記シールド端子に印加するシールド電圧印加手段とを
備え、測定信号を前記演算増幅器の出力端子に接続され
た信号出力端子から出力する構成である。

【００１１】また前記測定回路は、たとえば次のような
構成とすることもできる。すなわち、両入力端子がイマ
ジナリ・ショートの状態にある演算増幅器と、この演算
増幅器の一方の入力端子にその一端を接続し他端に前記
信号端子を接続した接続線と、前記演算増幅器の他方の
入力端子に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、前
記交流電圧を位相振幅補償して成るシールド電圧を前記
シールド端子に印加するシールド電圧印加手段とを備
え、前記信号端子に接続したセンサ部に前記交流電圧に
応じた電圧を印加し、当該センサ部に流れる電流に基づ
いて形成された測定信号を出力する構成である。

【００１２】さらに前記測定回路は、たとえば次のよう
な構成とすることができる。すなわち、第１の演算増幅
器と、第２の演算増幅器と、第１の演算増幅器の一方の
入力端子と第２の演算増幅器の出力端子との間に設けら
れた第１のインピーダンスと、第１の演算増幅器の前記
入力端子にその一端が接続され他端に前記信号端子を接
続する接続線と、第１の演算増幅器の出力端子と前記接
続線との間に設けられた第２のインピーダンスとを備
え、前記信号端子に接続したセンサ部に第１の演算増幅
器の出力端子から第２のインピーダンスを介して所定の
電流を供給するとともに第１の演算増幅器の他方の入力
端子電圧に基づくシールド電圧を前記シールド端子に印
加するシールド電圧印加手段とを設け、第２の演算増幅
器の出力端子から測定信号を出力する構成である。

【００１３】これらのセンシングシステムでは、物理量
の測定を行うセンサ部の２つの電極を、それぞれ測定回
路の信号端子と、所定のバイアス電圧を印加するバイア
ス印加手段とに接続するようにしている。また測定信号
は、前記２つの電極のいずれかと直接的に信号端子に接
続された信号線を介して伝送され、さらにこの信号線
と、これを電気的にシールドするシールド手段とを同電
位としている。そのためセンサ部に増幅回路を設ける等
の構成を採る必要がなくなり、従ってたとえ信号線を長
く引き回したとしても、この信号線に寄生容量が発生し
て信号劣化等が生じるのを防止することが可能となる。
とくにバイアス端子を固定電位とすれば、より回路動作
が安定し高精度に物理量を検出することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、この発明のセンシングシス
テムの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ
詳細に説明する。

【００１５】図１は、上記センシングシステムの概略構
成を示すブロック図である。このセンシングシステムは
センサヘッド（センサ部）１０１を備え、このセンサヘ
ッド１０１を測定装置１０２に接続して構成されてい
る。センサヘッド１０１は、第１電極１１１と、この第
１電極１１１と所定の距離をおいて相対面するよう配置
された平板状の第２電極１１２とを備えている。そして
両電極１１１、１１２間に形成した静電容量Ｃｓを、両
電極１１１、１１２間の相対位置変化又は誘電率変化等
によって変化させ、これにより容量センサとして機能す
るものである。そして前記第１電極１１１は、概略の形
状が有底筒状に成された絶縁体１１６の底部に固定さ
れ、また前記第２電極１１２は、その側周部分が前記絶
縁体１１６の開口部に取り付けられている。さらに前記
絶縁体１１６は、その側面外周及び底部裏側（図におけ
る上側）を、シールド電極１１３で覆われている。この
シールド電極１１３も、その側面外周及び底部裏側（図
における上側）を、絶縁体１１４で覆われている。

【００１６】上記センサヘッド１０１には、コネクタ１
１５が設けられている。このコネクタ１１５には、前記
絶縁体１１４、１１６及びシールド電極１１３の底部を
貫いて、前記第１電極１１１が電気的に接続されてい
る。また前記コネクタ１１５には、前記絶縁体１１４の
底部を貫いて、シールド電極１１３が電気的に接続され
ている。さらに前記第２電極１１２も、前記絶縁体１１
４、１１６等の中に埋設された配線を介してコネクタ１
１５に接続されている。そしてこのコネクタ１１５に、
３重同軸ケーブル（トライアキシャル・ケーブル）１２
０が接続されている。３重同軸ケーブル１２０は、中心
軸線（信号線）１０３と、この中心軸線１０３の周囲を
覆い中心軸線１０３を電気的にシールドする内側被覆線
（シールド手段）１０４と、この内側被覆線１０４の外
周を覆い内側被覆線１０４を電気的にシールドする外側
被覆線１０５とから構成されるものである。そして前記
コネクタ１１５を介して、前記第１電極１１１が前記中
心軸線１０３に接続され、前記第２電極１１２が前記外
側被覆線１０５に接続され、前記シールド電極１１３が
内側被覆線１０４に接続されている。

【００１７】上記３重同軸ケーブル１２０は、測定装置
１０２に接続される。そこで次に、この測定装置１０２
について説明する。図３は、この測定装置１０２に設け
られた測定回路のコア部１の回路図の一例である。この
コア部１は、第１演算増幅器１１及び第２演算増幅器１
２を備えて構成されている。第１演算増幅器１１は、反
転入力端子と出力端子とが短絡され、ボルテージフォロ
ワを構成している。ここでボルテージフォロワとは、入
力インピーダンスが高い一方、出力インピーダンスが低
く、入出力ゲインが１であって、インピーダンス変換器
として機能するものをいう。また第１演算増幅器１１の
非反転入力端子には、接続線１９が接続されている。そ
してこの接続線１９に設けた接続端子２４に、センサ部
１８の一端が接続できるようになっている。このセンサ
部１８の他端は、ＤＣバイアス端子２３に接続される。
また第２演算増幅器１２は、その非反転入力端子が接地
される一方、反転入力端子には第１抵抗（抵抗値Ｒ１）
１５及び第２抵抗（抵抗値Ｒ２）１６のそれぞれ一端が
接続されている。好ましくはこのように非反転入力端子
が接地されるが、いってみれば機能的にはゼロ電位等に
一定に保持されればよく、例えばバイアス電圧が印加さ
れても一定に保持さえされれば、いわゆる電気的なゆら
ぎを抑制できるので、そういった方法が採られてもよ
い。そして第１抵抗１５の他端は交流電圧発生器（発生
交流電圧Ｖｉｎ、各周波数ω）１４に接続され、第２抵
抗１６の他端は前記第１演算増幅器１１の出力端子に接
続されている。

【００１８】また第２演算増幅器１２の出力端子は、第
３抵抗（抵抗値Ｒ３）１７を介して前記第１演算増幅器
１１の非反転入力端子に接続されている。さらに、第２
演算増幅器１２の出力端子、第１演算増幅器１１の非反
転入力端子、及び前記センサ部を互いに接続する前記接
続線１９は、シールド線２０で被覆されている。このシ
ールド線２０は、外部から前記接続線１９を電気的に遮
蔽するものである。そしてこのシールド線２０は、補償
回路（シールド電圧印加手段）１３を介して前記第１演
算増幅器１１の出力端子に接続されている。また前記第
２演算増幅器１２の出力端子に信号出力端子２１が接続
され、第１演算増幅器１１の出力端子に交流出力端子２
２が接続されている。さらに、図が煩雑になるのを避け
るため図示していないが、第１演算増幅器１１の非反転
入力端子には、正負電源間に接続されたＮ型ＭＯＳＦＥ
Ｔ、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴがアナログバッファとして設けら
れている。そしてこのアナログバッファの入力で前記接
続線１９を受けることにより、接続線１９側からみたイ
ンピーダンスをきわめて高いものとしている。

【００１９】図４は、前記コア部１に設けた補償回路１
３の一例を示す回路図である。この補償回路１３は、位
相調整部４８と振幅調整部４９とから構成されている。
位相調整部４８は、演算増幅器７１を用いた全域通過フ
ィルタとして構成されている。すなわち、入力端子３０
と演算増幅器７１の反転入力端子との間には抵抗７３が
設けられるとともに、前記入力端子３０と非反転入力端
子との間には可変抵抗７４が設けられている。また演算
増幅器７１の出力端子と反転入力端子との間に抵抗７５
が設けられ、さらに演算増幅器７１の非反転入力端子に
はコンデンサ７６が接続されている。抵抗７３と抵抗７
５との抵抗値は、互いに等しいものとされている。そし
てこの位相調整部４８の出力側は、振幅調整部４９の入
力側に接続されている。振幅調整部４９は、演算増幅器
７２を用いた反転増幅器として構成されている。すなわ
ち、その入力側と演算増幅器７２の反転入力端子との間
に抵抗７７が設けられ、また演算増幅器７２の出力端子
と反転入力端子との間に可変抵抗７８が設けられてい
る。そして演算増幅器７２の非反転入力端子は接地され
ている。

【００２０】図５は、上記コア部１を含む測定回路のよ
り大きな部分を示す回路図である。図３の回路図で示す
コア部１では補償回路１３の入力側を第１演算増幅器１
１の出力端子に接続していたが、この回路図に示すコア
部１では、補償回路１３の入力側は交流電圧発生器１４
に接続している。後述するように、このような接続とし
ても第１演算増幅器１１の出力電圧を位相振幅補償して
シールド線２０に印加することができる。上記コア部１
の信号出力端子２１には、第３演算増幅器３６を備えた
反転増幅部２が接続される。前記信号出力端子２１は、
抵抗値可変の第４抵抗（抵抗値Ｒ４）３２を介して第３
演算増幅器３６の反転入力端子に接続される。そしてこ
の反転入力端子と前記第３演算増幅器３６の出力端子と
の間には、反転入力端子側から順に第５抵抗（抵抗値Ｒ
５）３３及び抵抗値可変の第６抵抗（抵抗値Ｒ６）３４
が直列に接続され、さらにこの第６抵抗３４と並列にコ
ンデンサ３５が接続されている。また前記第３演算増幅
器３６の非反転入力端子は接地されている。

【００２１】さらに上記コア部１の交流出力端子２２及
び前記反転増幅部２の反転出力端子４２は、第４演算増
幅器４０を備えた加算部３に接続されている。前記交流
出力端子２２は第７抵抗（抵抗値Ｒ７）３７を介して、
また前記反転出力端子４２は第８抵抗（抵抗値Ｒ８）３
８を介して、それぞれ第４演算増幅器４０の反転入力端
子に接続されている。そしてこの第４演算増幅器４０の
反転入力端子と出力端子とが第９抵抗（抵抗値Ｒ９）３
９で接続され、出力端子は加算出力端子４１に接続され
ている。また第４演算増幅器４０の非反転入力端子は接
地されている。

【００２２】図６は、上記測定回路を備えた測定装置を
示す模式透過斜視図である。測定回路が実装された基板
４４は、その内部を電気的に遮蔽するシールドケース４
５内に設けられ、さらにその内部を電気的に遮蔽する装
置ケーシング４内に配置されている。この装置ケーシン
グ４には、信号端子５、シールド端子６、及びバイアス
端子７が、それぞれケーシング４の外部に露出して設け
られている。そして前記基板４４からは、接続端子２４
に接続された接続線１９が延び、信号端子５に接続され
ている。この接続線１９はシールド線２０で被覆されて
いるが、このシールド線２０はさらに外部から第２シー
ルド線４６によって被覆され、この第２シールド線４６
によって電気的に遮蔽されている。シールド線２０は、
前記シールドケース４５及びシールド端子６に接続され
ている。また前記装置ケーシング４及び第２シールド線
４６は接地されている。バイアス端子７は、前記測定回
路のＤＣバイアス端子２３に接続されている。このＤＣ
バイアス端子２３は、接地されている。しかしながらこ
のＤＣバイアス端子２３には、接地電圧以外に所定のバ
イアス電圧を与えることができる。バイアス電圧を与え
る回路は前記した測定回路の内部にあってもよいが、測
定回路の外部に設けて外部からバイアス電圧を与えるよ
うにしてもよい。このようにして前記バイアス端子７
が、シールド電圧印加手段の電圧印加端子として機能す
る。

【００２３】そして上記のように構成された測定装置に
対し、前記３重同軸ケーブル１２０の中心軸線１０３が
前記信号端子５に接続され、また内側被覆線１０４がシ
ールド端子６に接続され、さらに外側被覆線１０５がバ
イアス端子７に接続される。これにより、前記センサヘ
ッド１０１がセンサ部１８としてコア部１の端子２３、
２４間に接続されることになる。

【００２４】上記のように構成されたセンシングシステ
ムの動作について説明する前提として、まず測定装置１
０２の動作について説明する。

【００２５】前記センサヘッド１０１のインピーダンス
をＺとする。また前記コア部１において、交流出力端子
２２の電圧Ｖｏは、 Ｖｏ＝−（Ｒ２／Ｒ１）・Ｖｉｎ で表される。つまり、第２演算増幅器１２、第１演算増
幅器１１で構成されたボルテージフォロワ、第１抵抗１
５、第２抵抗１６によって、入力電圧Ｖｉｎを増幅した
電圧Ｖｏをボルテージフォロワの出力端子から出力させ
る増幅回路が構成されているということである。

【００２６】第３抵抗１７を前記容量センサに向かって
流れる電流をｉとすると、ボルテージフォロワの機能に
よって電流ｉのほぼ全量が前記容量センサに流れること
になるからＶｏ＝Ｚ・ｉとなり、信号出力端子２１から
出力される測定信号の電圧Ｖｃは、 Ｖｃ＝ｉ・Ｒ３＋Ｖｏ ＝（１＋Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏ で表される。

【００２７】そして反転増幅部２のゲインが−１となる
ように抵抗３２、３３、３４を設定すると、反転出力端
子４２の電圧Ｖｂは、 Ｖｂ＝−Ｖｃ ＝−（１＋Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏ で表される。

【００２８】さらに前記加算部３の加算出力端子４１の
電圧Ｖａは、 Ｖａ＝−Ｒ９・（（Ｖｏ／Ｒ７）＋（Ｖｂ／Ｒ８）） となるから、各抵抗値をＲ７＝Ｒ８＝Ｒ９と等しくして
おくと、Ｖａは Ｖａ＝−（Ｖｏ＋Ｖｂ） ＝Ｖｃ−Ｖｏ となる。

【００２９】上式を変形すると、 Ｖａ＝（Ｒ３／Ｚ）・Ｖｏ ＝−（Ｒ３・Ｒ２／（Ｚ・Ｒ１））・Ｖｉｎ となる。 Ｚ＝１／（ｊωＣｓ） であるから、電圧Ｖａは結局、 Ｖａ＝−（ｊωＣｓ・Ｒ３・Ｒ２／Ｒ１）・Ｖｉｎ と表される。従って加算出力端子４１からは、前記セン
サヘッド１０１の容量値Ｃｓに比例した電圧値Ｖａが得
られることになる。従って、加算出力端子４１から電圧
Ｖａを取り出し、その後このＶａに基づいて種々の信号
処理を行うことにより、容量値Ｃｓを得ることができ
る。

【００３０】前記第１演算増幅器１１は、その反転入力
端子と非反転入力端子とをイマジナリ・ショートの状態
として動作している。しかしながら第１演算増幅器１１
の入力インピーダンスも理想的な無限大ではないため、
反転入力端子の電圧Ｖｏｍと非反転入力端子の電圧Ｖｏ
ｐとの間には微小な振幅差及び位相差が発生する。この
ＶｏｍとＶｏｐとは、いずれも交流電圧Ｖｉｎに同期し
た信号である。そこで前記補償回路１３の位相調整部４
８に設けられた可変抵抗７４によってＶｉｎの位相を調
整するとともに、振幅調整部４９に設けられた可変抵抗
７８によってＶｉｎの振幅を調整し、Ｖｏｐと位相及び
振幅の等しいシールド電圧Ｖｏｓを形成する。図３に示
す回路においては補償回路１３の入力側を第１演算増幅
器１１の出力端子に接続していたが、これは第１演算増
幅器１１の出力電圧Ｖｏが、その非反転入力端子、すな
わち接続線１９の電圧とイマジナリ・ショートによって
ほぼ等しいからである。しかしながら交流電圧Ｖｉｎも
前記出力電圧Ｖｏと同期した信号であるから、Ｖｉｎを
位相振幅補償してシールド線２０に印加すると、出力電
圧Ｖｏ又はこれを位相振幅補償した信号をシールド線２
０に印加したことになる。そしてそうであれば、ボルテ
ージフォロワの出力であるＶｏよりも検出回路の入力信
号であるＶｉｎの方がノイズ成分が少ないから、上記で
はＶｉｎを位相振幅補償してＶｏｓを形成し、シールド
線２０に印加している。これによってシールド線２０の
電圧は瞬時においても接続線１９の電圧と等しくなり、
ひいては信号端子５の電圧とシールド端子６の電圧とを
常に等しくすることになる。

【００３１】上記センシングシステムでは、センサヘッ
ド１０１の信号端子１１１が中心軸線１０３を介して信
号端子５に接続され、バイアス端子１１２は外側被覆線
１０５を介して接地されたバイアス端子７に接続され
る。従ってセンサヘッド１０１から得られる測定信号
は、中心軸線１０３を介して測定装置１０２に伝送され
ることになる。そしてこの測定信号は一般に微少信号で
あるが、中心軸線１０３と内側被覆線１０４とは瞬時に
おいても常に等しい電圧を有する信号端子５とシールド
端子６とに接続されている。従って微少信号を伝送する
中心軸線１０３と内側被覆線１０４との間に寄生容量を
生じさせることがない。このように寄生容量の発生が防
止されているので、ケーブル１２０を長く引き回してセ
ンサヘッド１０１を測定場所に取り付けたような場合に
も、寄生容量や外乱雑音の悪影響を受けることなく、微
少な容量変化を正確に検出することができる。しかも第
２電極１１２とバイアス端子７とを接続する外側被覆線
１０５は電位固定されているので、よりシールド効果を
高めることができる。

【００３２】またセンサヘッド１０１内においても、第
１電極１１１と第２電極１１２との周囲を第１電極１１
１と同電位のシールド電極１１３によって遮蔽してい
る。従ってより正確な容量の検出をすることができる。

【００３３】上記ではコネクタ１１５を介して第１電極
１１１を中心軸線１０３に接続し、第２電極１１２を外
側被覆線１０５に接続した。これにより第１電極１１１
が信号端子５に接続され、第２電極１１２がバイアス端
子７に接続されることになった。しかしながらこれは、
コネクタ１１５を介して第１電極１１１を外側被覆線１
０５に接続し、第２電極１１２を中心軸線１０３に接続
して、第１電極１１１がバイアス端子７に接続され、第
２電極１１２が信号端子５に接続されるようにしてもよ
い。

【００３４】また上記では３重同軸ケーブル１２０でセ
ンサヘッド１０１と測定装置１０２とを接続したが、２
重同軸ケーブルとリード線との組み合わせによってセン
サヘッド１０１と測定装置１０２とを接続してもよい。
この場合には２重同軸ケーブルの中心軸線でセンサヘッ
ド１０１の第１電極１１１と信号端子５とを接続し、中
心軸線を覆うシールド被覆線をシールド端子６に接続
し、リード線によって第２電極１１２とバイアス端子７
とを接続する。また前記中心軸線でセンサヘッド１０１
の第２電極１１２と信号端子５とを接続し、前記シール
ド被覆線をシールド端子６に接続し、リード線によって
第１電極１１１とバイアス端子７とを接続するようにし
てもよい。

【００３５】図２は、他の実施形態のセンシングシステ
ムを示すブロック図である。このセンシングシステムが
上記のものと異なるのは、センサヘッドの構造のみであ
る。そこで、ここではセンサヘッド１０９について説明
する。このセンサヘッド１０９は、図１に示すセンサヘ
ッド１０１と異なり、シールド電極１１３が設けられて
いない。つまり、第１電極１１１は有底筒状に成された
絶縁体１１４の底部に固定され、また第２電極１１２は
前記絶縁体１１４の開口部に取り付けられている。従っ
てコネクタ１１５には、３重同軸ケーブル１２０の内側
被覆線１０４は結線されない。このような構造であって
も、センサヘッド１０１内で発生する寄生容量は比較的
に小さいので、３重同軸ケーブル１２０の中心軸線１０
３がこれと同電位の内側被覆線１０４によってシールド
されている限り、簡素な構造で微少な容量変化を正確に
検出できる。

【００３６】さらに上記では、電極１１１、１１２を互
いに平行に配置された平板電極として構成した。しかし
ながらこれは、互いに相対するよう配置された任意の形
状の対となった電極として構成することができる。図９
は、他の形態のセンサヘッドに設けられた電極１１１、
１１２を示す模式斜視図である。このセンサヘッドで
は、第１電極１１１と第２電極１１２とを巻回して互い
に相対するよう配置されている。また図１０は、さらに
他の形態のセンサヘッドに設けられた電極１１１、１１
２を示す模式断面図である。このセンサヘッドでは、波
板状に形成された第１電極１１１と第２電極１１２とを
並置して相対するよう配置されている。いずれも両電極
１１１、１１２の間には、所定の誘電体、気体等を充填
することができる。さらにこれらの形状に限らず、電極
１１１、１１２はさまざまな形状に構成することができ
る。

【００３７】また図７は、上記測定回路の他の実施形態
を示している。この測定回路は簡易型として構成された
ものであって、単一の演算増幅器４０１が用いられてい
る。演算増幅器４０１の反転入力端子には、センサ部
（容量値Ｃ）４０２を接続することのできる接続線４０
６が接続されている。この接続線４０６は、シールド線
４０７によって電気的に遮蔽されている。また前記演算
増幅器４０１の反転入力端子と出力端子との間には帰還
抵抗（抵抗値Ｒ）４０５が接続され、非反転入力端子に
は交流電圧源（交流電圧印加手段、出力電圧Ｖｉｎ、角
周波数ω）４０４が接続されて、交流電圧Ｖｉｎを増幅
した電圧を前記演算増幅器４０１の出力端子から出力す
る増幅回路が構成されている。さらにこの交流電圧源４
０４は、補償回路（シールド電圧印加手段）４０３を介
して前記シールド線４０７に接続されている。そして前
記演算増幅器４０１の出力端子が信号出力端子４０９に
接続されている。補償回路４０３は、図４を用いて説明
したものと同様の構成を有するものである。

【００３８】この測定回路では、演算増幅器４０１の両
入力端子が実質的にイマジナリショート状態にあるの
で、印加されている交流電圧Ｖｉｎが演算増幅器４０１
の反転入力端子側に現れ、現れたこの電圧及びセンサ部
４０２の容量Ｃに応じた電流ｉがセンサ部４０２に流れ
る。このときの電流ｉは、 ｉ＝−Ｖｉｎ・ｊωＣ となるから、前記信号出力端子４０９からは、 Ｖｃ＝Ｖｉｎ・（１＋ｊωＣＲ） の電圧Ｖｃを得ることができる。従ってこのＶｃを測定
信号として取り出し後段の信号処理を行うことにより、
センサ部４０２の容量値Ｃを検出することができる。

【００３９】この回路においても、互いにイマジナリ・
ショートの関係にある演算増幅器４０１の反転入力端子
電圧Ｖｍと非反転入力端子電圧Ｖｐとの間に、微妙なズ
レが発生する。しかしながら非反転入力端子に印加する
交流電圧Ｖｉｎに対して補償回路４０３で位相及び振幅
を調整し、Ｖｍと位相及び振幅の等しいシールド電圧Ｖ
ｓを形成している。そしてこのＶｓをシールド線４０７
に印加しているから、接続線４０６とシールド線４０７
との電位差を正確にゼロとすることができる。そして接
続線４０６が測定装置１０２の信号端子５に接続され、
シールド線４０７がシールド端子６に接続される。セン
サ部４０２としては上記と同様のセンサヘッド１０１、
１０９を用いることができ、上記と同様に３重同軸ケー
ブル１２０で信号端子５、シールド端子６、バイアス端
子７に接続する（同図では回路の理解を容易とするため
模式的に示している）。この場合にもシールド端子６は
信号端子５と常に同電位となるので、中心軸線１０３と
内側被覆線１０４との電位も常に等しくなる。そのため
３重同軸ケーブル１２０を長く引き回してセンサヘッド
１０１、１０９を測定場所に取り付けたような場合に
も、寄生容量の悪影響を受けることなく、微少な容量変
化を正確に検出することができる。

【００４０】図８は、上記測定回路のさらに他の実施形
態を示している。この測定回路は、第１演算増幅器３０
１及び第２演算増幅器３０２を含む増幅回路を備えて構
成されている。第１演算増幅器３０１の非反転入力端子
には、シールド線３２０でシールドされた接続線３０９
の一端が接続されている。この接続線３０９の他端は、
測定装置１０２の信号端子５に接続されている。

【００４１】第２演算増幅器３０２は、非反転入力端子
が接地される一方、反転入力端子には第１抵抗（抵抗値
Ｒ１）３０５及び第２抵抗（抵抗値Ｒ２）３０６の一端
がそれぞれ接続されている。第１抵抗３０５の他端は交
流電圧発生器（発生交流電圧Ｖｉｎ、角周波数ω）３０
４に接続され、第２抵抗３０６の他端は前記第１演算増
幅器３０１の反転入力端子に接続されている。第２演算
増幅器３０２の出力端子は、第１コンデンサ（第１のイ
ンピーダンス、容量値Ｃｆ）３０７を介して第１演算増
幅器３０１の非反転入力端子に接続されている。また第
１演算増幅器３０１の反転入力端子と出力端子との間に
は第３抵抗（抵抗値Ｒ３）３１１が接続され、非反転入
力端子と出力端子との間に設けた電路３１７には第２コ
ンデンサ（第２のインピーダンス、容量値Ｃｃ）３１２
が介設されている。そして第２演算増幅器３０２の出力
端子が信号出力端子３１３に接続されている。またボル
テージフォロワ又はバッファ（シールド電圧印加手段）
３０３を介して、第１演算増幅器３０１の反転入力端子
電圧を前記シールド線３２０及びシールド端子６に接続
している。さらにここでは測定装置１０２のバイアス端
子７を接地している。

【００４２】次に、上記のように構成された測定回路の
動作について説明する。まず上記のように構成された増
幅回路を準備する。そして信号端子５とバイアス端子７
との間にセンサ部（センサヘッド）３０８を接続する。
このセンサ部３０８の全静電容量Ｃｓは、基礎容量値を
Ｃｄ、容量変化分をΔＣとすると、 Ｃｓ＝Ｃｄ＋ΔＣ ―――（１） で表すことができる。そして交流電圧発生器３０４から
角周波数ωの交流入力電圧Ｖｉｎを与える。各演算増幅
器３０１、３０２の入力端子間がイマジナリ・ショート
状態にあることから、第２演算増幅器３０２の反転入力
端子電圧Ｖ１＝０である。これにより第１演算増幅器３
０１の反転入力端子電圧Ｖ２は、 Ｖ２＝−（Ｒ２／Ｒ１）・Ｖｉｎ ―――（２） ＝Ｖｐ となり、また第１演算増幅器３０１の出力端子電圧Ｖ３は、 Ｖ３＝−（（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１）・Ｖｉｎ ―――（３） となる。つまり、第１演算増幅器３０１の非反転入力端
子電圧Ｖｐ及び出力端子電圧Ｖ３は、それぞれ入力電圧
Ｖｉｎに比例した電圧になるということである。そして
Ｖ３／Ｖ２＝（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ２であるから、第１演
算増幅器３０１の入出力端子間では信号増幅が行われ、
そのための帰還回路網が第２抵抗３０６及び第３抵抗３
１１を用いて構成されていると言える。

【００４３】センサ部３０８を流れる電流値Ｉｓは、 Ｉｓ＝ｊωＣｓ・Ｖｐ ＝ｊωＣｓ・Ｖ２ ―――（４） で表される。また第２コンデンサ３１２を流れる電流をＩｃは、 Ｉｃ＝ｊωＣｃ・（Ｖ３−Ｖ２） ―――（５） であり、第１コンデンサ３０７を流れる電流Ｉｆは、 Ｉｆ＝Ｉｓ−Ｉｃ ―――（６） である。つまり電路３１７が、センサ部３０８に所定の
電流Ｉｃを供給する電流路として機能する。

【００４４】一方、信号出力端子電圧（測定信号）Ｖｏ
ｕｔは、 Ｖｏｕｔ＝Ｉｆ／ｊωＣｆ＋Ｖ２ ―――（７） で表される。そこでこの式（７）に上式（２）〜（６）を代入すると、次式 Ｖｏｕｔ＝−（Ｒ２＋Ｃｓ・Ｒ２／Ｃｆ−Ｃｃ・Ｒ３／Ｃｆ）・Ｖｉｎ／Ｒ１ ―――（８） が得られる。さらにこの式（８）に式（１）を代入して、 Ｖｏｕｔ＝−（Ｒ２＋Ｃｄ・Ｒ２／Ｃｆ＋ΔＣ・Ｒ２／Ｃｆ −Ｃｃ・Ｒ３／Ｃｆ）・Ｖｉｎ／Ｒ１ ―――（９） を得ることができる。

【００４５】センサ部３０８の基礎容量値Ｃｄは既知で
ある。そこで上記測定回路では、Ｃｄ・Ｒ２＝Ｃｃ・Ｒ
３となるように抵抗３０５、３０６及びコンデンサ３１
２を選択している。すると前記電圧Ｖｏｕｔは、 Ｖｏｕｔ＝−（１＋ΔＣ／Ｃｆ）・Ｖｉｎ・Ｒ２／Ｒ１ ―――（１０） となる。そこで信号出力端子３１３からＶｏｕｔを検出
することにより、センサ部３０８の容量変化分ΔＣを知
得することができる。

【００４６】上記測定回路では、第１コンデンサ３０７
を流れる電流Ｉｆに応じた値の電圧Ｖｏｕｔが得られ
る。センサ部３０８を流れる電流Ｉｓは、式（６）の通
り、前記電流Ｉｆと第２コンデンサ３１２を流れる電流
Ｉｃとの和で表される。 Ｉｓ＝Ｉｆ＋Ｉｃ ―――（１１） 一方、この電流Ｉｓは、センサ部３０８の容量Ｃｓのう
ち基礎容量値Ｃｄに相当する部分に流れる電流Ｉｄと、
容量変化分ΔＣに相当する部分に流れる電流ΔＩとに分
解できる。 Ｉｓ＝Ｉｄ＋ΔＩ ―――（１２） そして、このうちの電流Ｉｄを、すべて第２コンデンサ
３１２を介して第１演算増幅器３０１の出力端子から供
給するようにしている。 Ｉｄ＝Ｉｃ ―――（１３） そのため第１コンデンサ３０７に流れる電流Ｉｆは電流ΔＩに等しくなり、 Ｉｆ＝ΔＩ ―――（１４） 基礎容量値Ｃｄの大きさに依存しない電圧Ｖｏｕｔを得
ることができるのである。従って基礎容量値Ｃｄに比べ
て容量変化分ΔＣがきわめて微少である場合にも、容量
変化分ΔＣを高感度で検出することができる。また第１
コンデンサ３０７の容量Ｃｆを小さくして検出感度をよ
り高くしても、電流Ｉｆには電流Ｉｄの分を含まないの
で、基礎容量値Ｃｄの大きさにかかわらず、電圧Ｖｏｕ
ｔが容易に飽和するのを回避することができる。そして
上記電流Ｉｃは、増幅回路中の第１演算増幅器１から供
給するようにしている。従って測定回路のコンパクト化
を図ることができる。

【００４７】また第１演算増幅器３０１の両入力端子は
イマジナリ・ショートしているので、非反転入力端子電
圧に等しいシールド電圧をシールド端子６に印加するこ
とができる。これによって信号線１０３の電圧と内側被
覆線１０４の電圧とが等しくなり、両者間に寄生容量が
発生するのを回避することができる。また接続線３０９
とシールド線３２０との電圧が等しくなるので、寄生容
量を発生させることなく接続線３０９をシールドするこ
とができる。さらに入力インピーダンスの高いボルテー
ジフォロワ３０３を用いてシールド電圧を印加している
ので、増幅回路の帰還回路網からボルテージフォロワ３
０３側へ電流が流れ込むのを回避し、第１演算増幅器３
０１の出力電圧Ｖ３が変動して信号出力端子電圧Ｖｏｕ
ｔに誤差が生じるのを防止することができる。

【００４８】またここでは、シールド電圧印加手段とし
てボルテージフォロワ３０３を用いることにより、回路
構成の簡素化を図っている。しかしながら回路規模にこ
だわらない場合には、シールド電圧印加手段として第１
演算増幅器３０１の反転入力端子電圧を位相・振幅補償
できる例えば図４に示すような回路を用いてもよい。こ
のような回路を用いると、入力電圧周波数ωがきわめて
高いような場合にも、信号線１０３と内側被覆線１０４
との間を確実に同電位にして寄生容量の発生を防止する
ことができる。そしてこの位相・振幅補償回路の入力段
として、その入力インピーダンスが演算増幅器の入力イ
ンピーダンス又はＭＯＳＦＥＴのゲート入力インピーダ
ンスと同程度に高いものを用いると、電圧Ｖｏｕｔに誤
差が生じるのを確実に防止することができる。さらにシ
ールド電圧印加手段として位相振幅補償回路を用いるよ
うな場合には、これをシールド端子６と交流電圧発生器
３０４との間に接続し、交流電圧発生器３０４の電圧Ｖ
ｉｎを位相振幅補償してシールド端子６に印加するよう
にしてもよい。第１演算増幅器３０１の反転入力端子電
圧Ｖ２は前記電圧Ｖｉｎに基づいて形成されているの
で、このようにしても第１演算増幅器３０１の反転入力
端子電圧Ｖ２に基づくシールド電圧を前記シールド端子
６に印加することができるからである。

【００４９】さらに前記センサヘッド１０１は、測定対
象が何であるか等によって、種々の構造を採ることがで
きる。たとえばセンサヘッド１０１を圧力センサとして
機能させる場合には、第２電極１１２を圧力によって変
形しやすいダイヤフラムとすることが好ましい。また温
度センサとして機能させる場合には、第１電極１１１と
第２電極１１２との間に熱膨張係数の高い誘電体を充填
することが好ましい。さらに湿度センサとして機能させ
る場合には、第１電極１１１と第２電極１１２との間に
水吸着性を有し吸着量で誘電率を変化させる高分子誘電
体又は温度で誘電率の変化する気体等を充填するととも
に、小孔を介設しておくなどして第２電極１１２を水透
過性としておくことが好ましい。ガスセンサとして機能
させる場合にも、同様に第１電極１１１と第２電極１１
２との間にガス吸着性を有し吸着量で誘電率を変化させ
る高分子誘電体又は気体等を充填するとともに、小孔を
介設しておくなどして第２電極１１２をガス透過性とし
ておくことが好ましい。またこのような湿度センサやガ
スセンサとして機能させる場合には第２電極１１２が変
形しない方がよいので、固形平板からなる非変形型の平
板電極として第２電極１１２を構成するのが好ましい。

【００５０】加えて上記では容量センサとして機能する
センサヘッド１０１を用いたが、抵抗センサとして機能
するセンサヘッドを用いてもよいし、起電力を発生させ
るセンサとして機能するセンサヘッドを用いてもよい。
たとえばセンサヘッドを磁気センサとして機能させる場
合には両電極間に磁気抵抗効果を有する半導体を充填
し、またセンサヘッドを光センサとして機能させる場合
には両電極間に光起電力を有する半導体素子を介設す
る。もちろんこれらの場合には、図５で示す測定回路を
そのまま用いることはできない。しかしながら上記と同
様にボルテージフォロワと補償回路とを用いたり、演算
増幅器のイマジナリショートを利用したりすることによ
り、シールド端子６の電位を常に信号端子５の電位と等
しくしておけば、中心軸線１０３と内側被覆線１０４と
の電位も常に等しくなる。従ってケーブル１２０を長く
引き回してセンサヘッドを測定場所に取り付けたような
場合にも、寄生容量の悪影響を受けることなく微少な容
量変化を正確に検出することができる。

【００５１】以上にこの発明の種々の具体的な実施の形
態について説明したが、この発明は上記各実施形態に限
定されるものではなく、この発明の範囲内でさらに種々
変更して実施することができるのは勿論である。

【００５２】

【発明の効果】本発明のセンシングシステムでは、セン
サ部の一方の電極と測定回路の端子との間で測定信号を
伝送する信号線が、この信号線と同電位を有するシール
ド手段で電気的に遮蔽される。従って信号線を長く引き
回してセンサ部を測定場所に取り付けたような場合に
も、寄生容量の悪影響を受けることなく微少な容量変化
を正確に検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態のセンシングシステムを
示すブロック図である。

【図２】この発明の他の実施形態のセンシングシステム
を示すブロック図である。

【図３】上記センシングシステムにおける測定回路のコ
ア部を示す回路図である。

【図４】上記測定回路の補償回路を示す回路図である。

【図５】上記測定回路を示す回路図である。

【図６】上記センシングシステムにおける測定回路を示
す回路図である。

【図７】上記測定回路の他の実施形態を示す回路図であ
る。

【図８】上記測定回路のさらに他の実施形態を示す回路
図である。

【図９】センサヘッドの他の実施形態を示す模式斜視図
である。

【図１０】センサヘッドのさらに他の実施形態を示す模
式断面図である。

【図１１】従来例のセンシングシステムを示すブロック
図である。

【符号の説明】

５ 信号端子 ６ シールド端子 ７ バイアス端子 １０１ センサヘッド １０２ 測定装置 １０３ 中心軸線 １０４ 内側被覆線 １０５ 外側被覆線 １１１ 第１電極 １１２ 第２電極 １２０ ３重同軸ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 宗生 兵庫県尼崎市扶桑町１番８号 住友金属工 業株式会社エレクトロニクス技術研究所内 Ｆターム(参考） 2F073 AA21 AB07 AB14 BB04 BC01 CC02 CD02 EF04 EF10 GG02 GG04 2F077 AA15 HH00 2G011 AA01 AB06 AB08 AC33

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１電極と第２電極とを備えて測定対象
   物理量を両電極間の電気的特性に変換するセンサ部を備
   え、前記第１電極又は第２電極のいずれか一方を、所定
   の測定回路の信号端子に、少なくともその一部がシール
   ド手段で電気的にシールドされた信号線で接続し、前記
   第１電極又は第２電極のうち他方の電極を、所定のバイ
   アス電圧を印加するバイアス印加手段に接続し、前記シ
   ールド手段を、前記信号端子と同電位に成された前記測
   定回路のシールド端子に接続するよう成されていること
   を特徴とするセンシングシステム。
2. 【請求項２】 信号端子、所定のバイアス電圧を印加さ
   れたバイアス端子、及び前記信号端子と同電位になるよ
   う成されたシールド端子を備えた測定回路と、第１電極
   及び第２電極を備えて測定対象物理量を両電極間の電気
   的特性に変換するセンサ部とを有し、前記第１電極又は
   第２電極のいずれか一方が、少なくともその一部がシー
   ルド手段で電気的にシールドされた信号線で前記信号端
   子に接続され、前記第１電極又は第２電極のうち他方の
   電極が前記バイアス端子に接続され、前記シールド手段
   が前記シールド端子に接続されて成ることを特徴とする
   センシングシステム。
3. 【請求項３】 前記バイアス端子が電位固定されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のセンシングシ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記センサ部は、前記測定回路とは別体
   に成され、この測定回路の設置箇所と離隔した箇所に設
   置できることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれ
   かのセンシングシステム。