JP2003232823A - 電位測定素子 - Google Patents
電位測定素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】表面電位を測定するための素子を提供する。
【解決手段】本発明の電位測定素子10においては,固
体誘電体15を被測定物の表面1aに接触させ,被測定
物の表面1aの信号が印加される誘電体の誘電率を,発
振部34が発生する励振波に応じて変化させ,検出電極
11に接続された検出部の端子間に,被測定物の表面1
aの表面電位が変調された交流電圧信号を発生する。こ
の素子を用いて表面電位を計測する例を以下に記述す
る。検出部の端子間に発生した交流電圧信号を濾波部3
1,交流増幅部32を介し同期検波部33に入力し,発
振部34の励振波に同期したクロックを発生させるクロ
ック発生部35の出力を参照信号として同期検波,増幅
する。この電位測定素子10を用いることにより,被測
定物と測定用電極間の接触電位差の影響を受けることな
く,被測定物の表面電位を測定することができる。
体誘電体15を被測定物の表面1aに接触させ,被測定
物の表面1aの信号が印加される誘電体の誘電率を,発
振部34が発生する励振波に応じて変化させ,検出電極
11に接続された検出部の端子間に,被測定物の表面1
aの表面電位が変調された交流電圧信号を発生する。こ
の素子を用いて表面電位を計測する例を以下に記述す
る。検出部の端子間に発生した交流電圧信号を濾波部3
1,交流増幅部32を介し同期検波部33に入力し,発
振部34の励振波に同期したクロックを発生させるクロ
ック発生部35の出力を参照信号として同期検波,増幅
する。この電位測定素子10を用いることにより,被測
定物と測定用電極間の接触電位差の影響を受けることな
く,被測定物の表面電位を測定することができる。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,植物や生体などを
含む導体および半導体表面の電位を測定することに関す
る。 【0002】 【従来の技術】電極を被測定物に接触させて表面電位の
直流成分を検出する場合,その電極として,甘汞電極も
しくは銀−塩化銀電極が用いられる。(例えば,大熊輝
雄著「臨床脳波学」,医学書院,467頁−468頁を
参照)。 【0003】また,被測定物の表面電位の直流成分を検
出する場合,振動容量型電位センサを被測定物に押し当
てて用いることもある(特許出願公開公報「特開平8−
38437号」参照)。 【0004】センサを被測定物に接触させずに物体の表
面電位の直流成分を測定する方法として,切り込みを入
れた誘電体を被測定物と測定用電極間の空間に置き,そ
の誘電体を回転させて被測定物と測定用電極間の静電容
量を変化させることにより測定用電極に誘起される電圧
を測定し,被測定物の表面電位の直流成分を非接触で知
る方法がある(特許出願公開公報「特開平6−3468
7号」参照)。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】物体の表面電位の直流
成分および低周波成分を測定する際,従来の電極を被測
定物に接触させると,被測定物と電極間に接触電位差が
生じ,それが測定誤差の原因となる。その接触電位差を
なくすために電極面を絶縁物で覆うと,被測定物と電極
間が容量性となり,直流成分および低周波成分の計測は
難しかった。 【0006】物体の表面電位の直流成分および低周波成
分を測定するために振動容量型電位センサを用いる場
合,そのセンサは機械的な振動を利用するので寿命が短
く,また被測定物との接触面が導体である場合は接触電
位差の影響が避けられないことが予想される。また,振
動部に大きな振幅の振動を与えられないため,振動部の
振動による静電容量の変化が小さく,感度が優れないと
いう問題も予想される。また,振動容量型電位センサで
は被測定物と振動部の距離を一定にするのが難しいとい
う問題も予想される。 【0007】また,特許出願公報「特開平6−3468
7号」の方法を生体信号計測に用いる場合は,誘電体の
回転部が存在するため安全性の面で問題が生じる場合が
あることが予想される。 【0008】本発明の目的は,これらの問題を解決し,
被測定物の表面電位の直流成分および交流成分を正確に
測定することのできる電位測定素子を提供することであ
る。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに,本発明の電位測定素子は,被測定物に接触した固
体誘電体と,検出電極と,前記検出電極に接続された検
出部とを有し,前記被測定物の信号が印加される誘電体
の誘電率を変化させることにより,被測定物の信号に応
じた交流電圧信号を前記検出部の端子間に発生するよう
にした。 【0010】 【実施の形態】生体表面で検出する生体信号計測に,本
発明の電位測定素子を用いる実施例を示す。 【0011】図1は本発明の電位測定素子を含む表面電
位測定装置を生体信号計測に応用する一実施例の構成図
である。この装置は,電位測定素子10と,濾波部31
と,交流増幅部32と,同期検波部33と,発振部34
と,クロック発生部35と,表示部36とから構成され
ている。 【0012】電位測定素子10は,生体と接触する誘電
体と検出電極からなる変調用静電容量を有する。また,
その静電容量を励振波により変化させるための電極とし
て補助電極を設ける場合と,補助電極を設けずに検出電
極を用いてその静電容量を変化させる場合が考えられ
る。その静電容量に生体信号を印加すると,検出電極に
接続した検出部に交流電流が流れ,検出部の端子間には
生体信号電圧に応じた交流電圧が発生する。 【0013】濾波部31は,生体と検出電極間に存在す
る誘電体による静電容量の変化の周波数以外の周波数成
分を除去する。ただし高調波を変調信号とする場合,濾
波部31は,信号とする高調波成分以外の周波数成分を
除去する。 【0014】交流増幅部32は,濾波部31を通過した
交流電圧を増幅して,同期検波部33へ送る。 【0015】発振部34は,電位測定素子10で用いる
励振波を発生する。 【0016】クロック発生部35は,発振部34の発振
電圧に同期したクロックを発生し,同期検波部33に参
照信号を供給する。 【0017】同期検波部33は,クロック発生部35か
らのクロックを参照信号として,交流増幅部32の出力
を同期検波し,交流信号成分を直流に変換する。 【0018】表示部36は,同期検波部33の出力を表
示する。 【0019】次に,電位測定素子10の構造および原理
を説明する。 【0020】図2と図3と図4に,電位測定素子10の
構成例を示す。 【0021】図2は補助電極を設ける場合の電位測定素
子10の一構成例である。 【0022】電極14の表面に存在する強誘電体層11
a,12a,13a,15の誘電率は強い印加電圧依存
性を有する。強誘電体層11a,12a,13aはつな
がっていてもよい。 【0023】検出電極11は強誘電体層11aの外側に
取り付けられた電極であり,電極14に発生する交流電
圧成分を外部出力として取り出すための電極となる。静
電容量C1は電極14,強誘電体層11a,検出電極1
1により構成される。 【0024】電極12および電極13は補助電極であ
り,検出電極11と同様に強誘電体層の外側に取り付け
られ,電極14との間の強誘電体層を介して生じる静電
容量C2およびC3が存在する。 【0025】電極14のもう一方の側には強誘電体層1
5が存在し,電気的な導体として作用する被測定物の表
面1aに密着する。 【0026】被測定物の表面1aの電位は接地に対して
生じるものと考えられる。また,電極14の接地に対す
る電圧VSは,被測定物の表面1aの接地に対する電圧
VS´および電極14と被測定物1間の静電容量CSに
よって発生する。 【0027】補助電極12および13には,交流励振源
の中点を接地し,接地に対して逆バイアスされた互いに
逆位相の交流電圧を印加する。電極14の接地に対する
電圧は中点と等しく,接地に対して全静電容量CT=C
2+C3を生じる。 【0028】補助電極12および13と電極14間の静
電容量C2およびC3は強誘電体層12a,13aの誘
電率の印加電圧依存性により変化する。これらそれぞれ
の変化分をΔC2,ΔC3とすると,静電容量CTはそ
の変化分ΔCT=ΔC2+ΔC3を生じる。 【0029】被測定物の表面1aの接地に対する電圧V
S´による,電極14の接地に対する電圧VSはVS=
{CS/(CT+CS)}・VS´となり,静電容量C
Tには電荷QS=CT・VS=CT・{CS/(CT+
CS)}・VS´が蓄えられる。 【0030】今,QSが変化できない位の早さでC2お
よびC3を変化させると,静電容量ΔCTの変化に伴
い,その変化に等しい速度の端子間電圧の変化ΔVC=
−(ΔCT/CT)・(QS/CT)が電極14と接地
間に発生する。 【0031】VSによるQSの関係およびVS´による
VSの関係を用いると,ΔVCはVS´に比例する値Δ
VC=−(ΔCT/CT)・{CS/(CT+CS)}
VS´となる。これを出力信号として増幅,検波するこ
とにより被測定物の表面1aの接地に対する電圧を測定
することができる。 【0032】また,静電容量CSは印加電圧依存性によ
り,その電荷は印加電圧に対して非直線的特性を持つこ
とから,この特性を利用して,入力信号電圧の偏移電圧
に対する高調波成分の増減を出力信号とすることも可能
である。 【0033】図3は補助電極を設けない場合の電位測定
素子10の構成例であり,電極14の表面に存在する強
誘電体層11aおよび15の誘電率は強い印加電圧依存
性を有する。 【0034】検出電極11は強誘電体層の外側に取り付
けられた電極であり,電極14に発生する交流電圧成分
を外部出力として取り出すための電極となり,静電容量
C1は電極14および強誘電体層11aおよび検出電極
11により構成される。 【0035】電極14のもう一方の側には強誘電体層1
5が存在し,電気的な導体として作用する被測定物の表
面1aに密着する。 【0036】被測定物の表面1aの電位は接地に対して
生じるものと考えられる。 【0037】検出電極11は接地に対して電圧が印加さ
れると,被測定物の表面1aと電極14間の静電容量C
Sおよび電極14と検出電極11間の静電容量C1はそ
れぞれ誘電率の印加電圧依存性により変化する。 【0038】静電容量C1と静電容量CSの直列合成静
電容量をCS´とおくと,被測定物の表面1aに電圧V
Sが発生する場合,静電容量CS´には電荷QS´=C
S´×VSが蓄えられる。 【0039】今,QS´が変化できない位の早さでCS
´を変化させると,その変化に伴ってCS´の端子間に
は,CS´の変化,すなわちΔCS´による電圧VC=
−(ΔCS´/CS´)×QS´が発生する。 【0040】従ってVSによるQS´を代入すると,V
CはVSに比例する値VC=−(ΔCS´/CS´)×
VSとなる。 【0041】これを出力VCとして検出し,増幅,検波
することにより表面電位を測定することができ,図2の
例と同様に,静電容量CS´に偏移電圧を印加し,静電
容量CS´対電荷特性が非直線となる部分を用いれば,
高調波成分を変調出力とすることも可能である。 【0042】また,補助電極と電極14を設けない電位
測定素子10の構成例(図4)においても,図3の電位
測定素子の構成例と同様の変調作用により表面電位を検
出することができる。 【0043】また,本発明の範囲内で種々の変更が可能
である。例えば,静電容量の変化は温度,音波,光によ
って起こすことも可能である。また,検出電極11に接
続された検出部は電位検出素子10の内部に配置しなく
てもよい。 【0044】また,本発明の実施例の範囲内で種々の変
更が可能である。例えば,濾波部31もしくは交流増幅
部32を電位測定素子10と一体化することが可能であ
る。また,濾波部31と交流増幅部32の順序を入れ替
えることも可能である。また,本発明の素子を複数個用
いて,被測定物の表面1aに誘導される信号を差動検出
することも可能である。 【0045】 【発明の効果】本発明は,以上説明したように構成され
ているので,以下に記載するような効果を奏する。 【0046】被測定物と測定用電極間の接触電位差の影
響を受けることなく,被測定物の表面電位を測定するこ
とができる。
含む導体および半導体表面の電位を測定することに関す
る。 【0002】 【従来の技術】電極を被測定物に接触させて表面電位の
直流成分を検出する場合,その電極として,甘汞電極も
しくは銀−塩化銀電極が用いられる。(例えば,大熊輝
雄著「臨床脳波学」,医学書院,467頁−468頁を
参照)。 【0003】また,被測定物の表面電位の直流成分を検
出する場合,振動容量型電位センサを被測定物に押し当
てて用いることもある(特許出願公開公報「特開平8−
38437号」参照)。 【0004】センサを被測定物に接触させずに物体の表
面電位の直流成分を測定する方法として,切り込みを入
れた誘電体を被測定物と測定用電極間の空間に置き,そ
の誘電体を回転させて被測定物と測定用電極間の静電容
量を変化させることにより測定用電極に誘起される電圧
を測定し,被測定物の表面電位の直流成分を非接触で知
る方法がある(特許出願公開公報「特開平6−3468
7号」参照)。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】物体の表面電位の直流
成分および低周波成分を測定する際,従来の電極を被測
定物に接触させると,被測定物と電極間に接触電位差が
生じ,それが測定誤差の原因となる。その接触電位差を
なくすために電極面を絶縁物で覆うと,被測定物と電極
間が容量性となり,直流成分および低周波成分の計測は
難しかった。 【0006】物体の表面電位の直流成分および低周波成
分を測定するために振動容量型電位センサを用いる場
合,そのセンサは機械的な振動を利用するので寿命が短
く,また被測定物との接触面が導体である場合は接触電
位差の影響が避けられないことが予想される。また,振
動部に大きな振幅の振動を与えられないため,振動部の
振動による静電容量の変化が小さく,感度が優れないと
いう問題も予想される。また,振動容量型電位センサで
は被測定物と振動部の距離を一定にするのが難しいとい
う問題も予想される。 【0007】また,特許出願公報「特開平6−3468
7号」の方法を生体信号計測に用いる場合は,誘電体の
回転部が存在するため安全性の面で問題が生じる場合が
あることが予想される。 【0008】本発明の目的は,これらの問題を解決し,
被測定物の表面電位の直流成分および交流成分を正確に
測定することのできる電位測定素子を提供することであ
る。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに,本発明の電位測定素子は,被測定物に接触した固
体誘電体と,検出電極と,前記検出電極に接続された検
出部とを有し,前記被測定物の信号が印加される誘電体
の誘電率を変化させることにより,被測定物の信号に応
じた交流電圧信号を前記検出部の端子間に発生するよう
にした。 【0010】 【実施の形態】生体表面で検出する生体信号計測に,本
発明の電位測定素子を用いる実施例を示す。 【0011】図1は本発明の電位測定素子を含む表面電
位測定装置を生体信号計測に応用する一実施例の構成図
である。この装置は,電位測定素子10と,濾波部31
と,交流増幅部32と,同期検波部33と,発振部34
と,クロック発生部35と,表示部36とから構成され
ている。 【0012】電位測定素子10は,生体と接触する誘電
体と検出電極からなる変調用静電容量を有する。また,
その静電容量を励振波により変化させるための電極とし
て補助電極を設ける場合と,補助電極を設けずに検出電
極を用いてその静電容量を変化させる場合が考えられ
る。その静電容量に生体信号を印加すると,検出電極に
接続した検出部に交流電流が流れ,検出部の端子間には
生体信号電圧に応じた交流電圧が発生する。 【0013】濾波部31は,生体と検出電極間に存在す
る誘電体による静電容量の変化の周波数以外の周波数成
分を除去する。ただし高調波を変調信号とする場合,濾
波部31は,信号とする高調波成分以外の周波数成分を
除去する。 【0014】交流増幅部32は,濾波部31を通過した
交流電圧を増幅して,同期検波部33へ送る。 【0015】発振部34は,電位測定素子10で用いる
励振波を発生する。 【0016】クロック発生部35は,発振部34の発振
電圧に同期したクロックを発生し,同期検波部33に参
照信号を供給する。 【0017】同期検波部33は,クロック発生部35か
らのクロックを参照信号として,交流増幅部32の出力
を同期検波し,交流信号成分を直流に変換する。 【0018】表示部36は,同期検波部33の出力を表
示する。 【0019】次に,電位測定素子10の構造および原理
を説明する。 【0020】図2と図3と図4に,電位測定素子10の
構成例を示す。 【0021】図2は補助電極を設ける場合の電位測定素
子10の一構成例である。 【0022】電極14の表面に存在する強誘電体層11
a,12a,13a,15の誘電率は強い印加電圧依存
性を有する。強誘電体層11a,12a,13aはつな
がっていてもよい。 【0023】検出電極11は強誘電体層11aの外側に
取り付けられた電極であり,電極14に発生する交流電
圧成分を外部出力として取り出すための電極となる。静
電容量C1は電極14,強誘電体層11a,検出電極1
1により構成される。 【0024】電極12および電極13は補助電極であ
り,検出電極11と同様に強誘電体層の外側に取り付け
られ,電極14との間の強誘電体層を介して生じる静電
容量C2およびC3が存在する。 【0025】電極14のもう一方の側には強誘電体層1
5が存在し,電気的な導体として作用する被測定物の表
面1aに密着する。 【0026】被測定物の表面1aの電位は接地に対して
生じるものと考えられる。また,電極14の接地に対す
る電圧VSは,被測定物の表面1aの接地に対する電圧
VS´および電極14と被測定物1間の静電容量CSに
よって発生する。 【0027】補助電極12および13には,交流励振源
の中点を接地し,接地に対して逆バイアスされた互いに
逆位相の交流電圧を印加する。電極14の接地に対する
電圧は中点と等しく,接地に対して全静電容量CT=C
2+C3を生じる。 【0028】補助電極12および13と電極14間の静
電容量C2およびC3は強誘電体層12a,13aの誘
電率の印加電圧依存性により変化する。これらそれぞれ
の変化分をΔC2,ΔC3とすると,静電容量CTはそ
の変化分ΔCT=ΔC2+ΔC3を生じる。 【0029】被測定物の表面1aの接地に対する電圧V
S´による,電極14の接地に対する電圧VSはVS=
{CS/(CT+CS)}・VS´となり,静電容量C
Tには電荷QS=CT・VS=CT・{CS/(CT+
CS)}・VS´が蓄えられる。 【0030】今,QSが変化できない位の早さでC2お
よびC3を変化させると,静電容量ΔCTの変化に伴
い,その変化に等しい速度の端子間電圧の変化ΔVC=
−(ΔCT/CT)・(QS/CT)が電極14と接地
間に発生する。 【0031】VSによるQSの関係およびVS´による
VSの関係を用いると,ΔVCはVS´に比例する値Δ
VC=−(ΔCT/CT)・{CS/(CT+CS)}
VS´となる。これを出力信号として増幅,検波するこ
とにより被測定物の表面1aの接地に対する電圧を測定
することができる。 【0032】また,静電容量CSは印加電圧依存性によ
り,その電荷は印加電圧に対して非直線的特性を持つこ
とから,この特性を利用して,入力信号電圧の偏移電圧
に対する高調波成分の増減を出力信号とすることも可能
である。 【0033】図3は補助電極を設けない場合の電位測定
素子10の構成例であり,電極14の表面に存在する強
誘電体層11aおよび15の誘電率は強い印加電圧依存
性を有する。 【0034】検出電極11は強誘電体層の外側に取り付
けられた電極であり,電極14に発生する交流電圧成分
を外部出力として取り出すための電極となり,静電容量
C1は電極14および強誘電体層11aおよび検出電極
11により構成される。 【0035】電極14のもう一方の側には強誘電体層1
5が存在し,電気的な導体として作用する被測定物の表
面1aに密着する。 【0036】被測定物の表面1aの電位は接地に対して
生じるものと考えられる。 【0037】検出電極11は接地に対して電圧が印加さ
れると,被測定物の表面1aと電極14間の静電容量C
Sおよび電極14と検出電極11間の静電容量C1はそ
れぞれ誘電率の印加電圧依存性により変化する。 【0038】静電容量C1と静電容量CSの直列合成静
電容量をCS´とおくと,被測定物の表面1aに電圧V
Sが発生する場合,静電容量CS´には電荷QS´=C
S´×VSが蓄えられる。 【0039】今,QS´が変化できない位の早さでCS
´を変化させると,その変化に伴ってCS´の端子間に
は,CS´の変化,すなわちΔCS´による電圧VC=
−(ΔCS´/CS´)×QS´が発生する。 【0040】従ってVSによるQS´を代入すると,V
CはVSに比例する値VC=−(ΔCS´/CS´)×
VSとなる。 【0041】これを出力VCとして検出し,増幅,検波
することにより表面電位を測定することができ,図2の
例と同様に,静電容量CS´に偏移電圧を印加し,静電
容量CS´対電荷特性が非直線となる部分を用いれば,
高調波成分を変調出力とすることも可能である。 【0042】また,補助電極と電極14を設けない電位
測定素子10の構成例(図4)においても,図3の電位
測定素子の構成例と同様の変調作用により表面電位を検
出することができる。 【0043】また,本発明の範囲内で種々の変更が可能
である。例えば,静電容量の変化は温度,音波,光によ
って起こすことも可能である。また,検出電極11に接
続された検出部は電位検出素子10の内部に配置しなく
てもよい。 【0044】また,本発明の実施例の範囲内で種々の変
更が可能である。例えば,濾波部31もしくは交流増幅
部32を電位測定素子10と一体化することが可能であ
る。また,濾波部31と交流増幅部32の順序を入れ替
えることも可能である。また,本発明の素子を複数個用
いて,被測定物の表面1aに誘導される信号を差動検出
することも可能である。 【0045】 【発明の効果】本発明は,以上説明したように構成され
ているので,以下に記載するような効果を奏する。 【0046】被測定物と測定用電極間の接触電位差の影
響を受けることなく,被測定物の表面電位を測定するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】表面電位測定装置の接続構成図である。
【図2】本発明の電位測定素子の構成例である。
【図3】本発明の電位測定素子の構成例である。
【図4】本発明の電位測定素子の構成例である。
【符号の説明】
1 被測定物
1a 被測定物の表面
10 電位測定素子
11 検出電極
11a,12a,13a,15 強誘電体層
12,13 補助電極
14 電極
31 濾波部
32 交流増幅部
33 同期検波部
34 発振部
35 クロック発生部
36 表示部
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】被測定物に接触した固体誘電体と,前記固
体誘電体により絶縁された電極が存在する場合にはその
電極を含む,検出電極と,前記検出電極に接続された検
出部と,を有するセンサにおいて,被測定物の信号が印
加される誘電体の誘電率を変化させることにより,前記
検出部の端子間に交流電圧信号を発生することを特徴と
した電位計測素子。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-02-12 JP JP2002073238A patent/JP2003232823A/ja active Pending
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