JP2518170B2 - 静電センサ装置 - Google Patents

静電センサ装置

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JP2518170B2
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/955Proximity switches using a capacitive detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、外部静電容量の変化を
検出して、その検出信号を出力するセンサ回路が複数並
設されている静電センサ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】出願人は先に1×10-5PFという微小静電
容量の変化を検出することができる高精度の静電センサ
装置を例えば特願平1-126234号において提案している。
【0003】この提案装置は、図6に示すように、発振
回路1と、この発振回路1の出力側に接続される高イン
ピーダンス化回路1aと、共振回路2と、被検出体との
静電容量変化を検出する検出電極3と、検波回路4と、
増幅回路5とを有している。前記発振回路1と共振回路
2はそれぞれ別個独立の誘電体共振器としてのセラミッ
ク共振器を含み、例えば、図7に示すように、発振回路
1の固定発振周波数f1に対して共振回路2の共振周波数
f0をわずかにずれた位置に設定しておき、検出電極3に
よって検出される微小静電容量の変化ΔCに対応させて
共振周波数をf0からΔfだけ偏倚させ、前記静電容量の
変化ΔCを出力電圧ΔVの変化に変換し、これを検波増
幅して取り出すものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】最近、静電センサ装置
で検出される複数の静電容量の検出信号を並行処理した
いという要望がある。この信号の並行処理を達成するた
めには、発振回路1から増幅回路5に至る一系列のセン
サ回路を複数系列隣接配置することが考えられる。
【0005】しかし、これらの発振回路1から増幅回路
5に至る多系列のセンサ回路を複数隣接配置する場合、
各系列の発振周波数が少しでもずれると、各系列の発振
周波数が互いに共鳴等の相互干渉を引き起こし、正確な
信号処理ができなくなるという問題が生じる。
【0006】このような問題を解消するために、出願人
は、図8に示すように、複数のセンサ回路6a,6b,
6cを1個の発振回路1を共有して動作する多系列の静
電センサ装置を特願平1-261756号において提案してい
る。この提案装置によれば、1個の発振回路1から高イ
ンピーダンス化回路1aを経て各系列のセンサ回路6
a,6b,6cの共振回路2にマイクロストリップライ
ンや同軸ケーブルを介して加えられる発振周波数信号に
ずれが生じるということがなく、前記発振周波数のずれ
に起因する相互干渉の問題を解消することができる。
【0007】しかしながら、1個の発振回路1を共有し
て各系列の共振回路2に発振周波数信号を分配供給する
方式は、発振回路1側から見た各系列の共振回路2側の
インピーダンスとの不整合が生じ、このインピーダンス
不整合部分からの反射波の影響で、各系列の共振回路2
に加えられる発振周波数にばらつきが生じ、これに伴
い、共振回路2の出力に出力変動や波形歪みが現れ、例
えば、センサ回路6aでは共振回路2の共振周波数特性
が図9に示すような波形となり、センサ回路6bの共振
回路2の共振周波数特性は図10に示すような波形とな
り、各系列ごとに共振回路2の出力や波形が異なってし
まい、静電センサ装置の各系列のセンサ回路の感度にば
らつきが生じてしまうという問題があった。
【0008】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、共通の発振回路から各系列
のセンサ回路に発振周波数信号を分配供給するときに、
各系列の共振回路に均一な発振周波数信号を分配供給す
ることによって各系列のセンサ回路の感度にばらつきが
生じることのない静電センサ装置を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明は、周波数信号を発振する1個の発振回路を共有し
て外部静電容量の変化に対して共振周波数を変化させる
誘電体共振器を含む複数系列の共振回路が形成されてい
る静電センサ装置であって、前記発振回路の出力側には
高インピーダンス化回路が接続されるとともに、この高
インピーダンス化回路の出力側には発振回路側から見た
各系列全体の共振回路側に対するインピーダンスの整合
をとるインピーダンス整合回路(第1のインピーダンス
整合回路)が設けられていることを特徴として構成され
ており、また、前記構成に加えて、各系列の共振回路の
入力側には共振回路側から見た発振回路側に対するイン
ピーダンスの整合をとる第2のインピーダンス整合回路
がそれぞれ設けられていることも本発明の特徴的な構成
とされている。
【0010】
【作用】上記構成の本発明において、発振回路から出力
される発振周波数信号は高インピーダンス化回路とイン
ピーダンス整合回路を経て各系列の共振回路に加えられ
る。この発振周波数信号の各系列の共振回路への分配供
給に際し、発振回路側から見た各系列の共振回路側に対
するインピーダンスの整合が図られることで、発振回路
1側から各系列の共振回路に均一な発振周波数信号が分
配供給され、各系列の共振回路には波形歪みや出力変動
のない出力が得られ、各系列のセンサ回路の感度のばら
つきがなくなる。
【0011】さらに、各系列の共振回路の入力側に第2
のインピーダンス整合回路を設けた構成にあっては、発
振回路側と各系列の共振回路側との両側から見たインピ
ーダンスの整合がとられることになる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1には本発明に係る静電センサ装置の一実施例
のブロック構成が示されている。本実施例の静電センサ
装置は、前記各提案装置と同様に、発振回路1と、高イ
ンピーダンス化回路1aと、共振回路2と、検出電極3
と、検波回路4と、増幅回路5とを有している。本実施
例において特徴的なことは、高インピーダンス化回路1
aの出力側に第1のインピーダンス整合回路7を設け、
各系列のセンサ回路6a,6b,6cの各共振回路2の
入力側に第2のインピーダンス整合回路8a,8b,8
cを設け、第1のインピーダンス整合回路7と第2のイ
ンピーダンス整合回路8a,8b,8cとをマイクロス
トリップラインあるいは同軸ケーブルにより接続したこ
とであり、それ以外の構成は前記図8に示す回路と同様
である。
【0013】図2は本実施例の静電センサ装置の一系列
のセンサ回路の詳細を示したもので、発振回路1は誘電
体共振器としてのセラミック共振器10を有しており、本
実施例では0.5 GHz〜10GHzの高周波数の発振周波数信
号を出力する。発振回路1の出力側には高インピーダン
ス化回路1aが接続されており、この高インピーダンス
化回路1aの出力側に第1のインピーダンス整合回路7
が接続されている。
【0014】この第1のインピーダンス整合回路7は様
々な回路構成を採り得るもので、例えば、図3に示すよ
うな各種の回路を使用することができる。これらの回路
で、11はコンデンサ、12はインダクタンス、13は抵抗
器、14は可変容量ダイオードをそれぞれ示している。こ
の第1のインピーダンス整合回路7の出力側には各系列
の共振回路2側に接続する例えば同軸ケーブル15の一端
側が接続されており、同軸ケーブル15の出力端側には同
様に図3に示すような回路からなる第2のインピーダン
ス整合回路8が接続され、この第2のインピーダンス整
合回路8の出力側には共振回路2が接続されている。
【0015】共振回路2は誘電体共振器としてのセラミ
ック共振器16を有しており、このセラミック共振器16の
入出力端子には被検出体との静電容量の変化を検出する
検出電極3が接続されている。そして、必要に応じ、検
波回路4の出力側と共振回路2との間には環境変化等に
よる共振回路2の共振周波数の変動を補正して共振周波
数の安定化を図るAFC(Automatic Frequency Contro
l )回路18が設けられる。
【0016】前記第1のインピーダンス整合回路7は発
振回路1側から見た各系列全体の共振回路2側に対する
インピーダンスの整合をとるように回路条件が設定され
ており、また、各系列の第2のインピーダンス整合回路
8(8a,8b,8c)は各系列の共振回路2側から見
た発振回路1側に対するインピーダンスの整合をとるよ
うに回路条件が設定されている。
【0017】このように、発振回路1側から見た各系列
の共振回路2の全体に対するインピーダンスの整合をと
ることにより、発振回路1から出力される発振周波数信
号はインピーダンスの不整合部で反射波が生じるという
ことがなく1個の発振回路1側から均一な発振周波数信
号が各系列の共振回路2に分配供給されることとなる。
このことから、各系列の共振回路2の出力が一定とな
り、しかも、波形歪みも生じることがなく、各系列でば
らつきのない出力が得られ、各系列のセンサ回路とも、
感度にばらつきなく1×10-5PFという微小静電容量の変
化を高感度、かつ、高精度のもとで検出することが可能
になるのである。
【0018】図4および図5は本実施例の静電センサ装
置の第1の系列の共振回路2の共振周波数特性(図4)
と、第2の系列の共振回路2の共振周波数特性(図5)
の波形を求めて示したものである。これらの図が示すよ
うに、第1の系列の共振回路と、第2の系列の共振回路
2の周波数特性の出力はほぼ同一となり、いずれも波形
歪みのない好適な波形が得られており、インピーダンス
マッチング回路を設けなかった場合の前記図9および図
10の共振周波数特性の波形と比較することにより、本実
施例のインピーダンス整合回路を設けることによる格段
の効果を確認することができた。
【0019】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、高インピーダンス化回路1aの出力側に第
1のインピーダンス整合回路7を設け、各系列の共振回
路2の入力側に第2のインピーダンス整合回路8a,8
b,8cを設けたが、第2のインピーダンス整合回路8
a,8b,8cを必要に応じ省略することができる。こ
の第2のインピーダンス整合回路8a,8b,8cを省
略しても、発振回路1側から見た各系列の共振回路2に
対するインピーダンスの整合を図ることができるので、
発振周波数信号がインピーダンスの不整合部から反射し
て悪影響を受けるということがなく、各系列の共振回路
2の出力のばらつきや波形歪みをなくし、各系列ごとに
感度のばらつきのないセンサ回路を構成することができ
る。ただ、本実施例のように、各系列の共振回路2の入
力側に第2のインピーダンス整合回路8a,8b,8c
を設けることにより、各系列の共振回路2側から見た発
振回路1側のインピーダンスの整合を併せてとることが
でき、よりいっそう効果的に各系列のセンサ回路の感度
のばらつきを防止することができる。
【0020】
【発明の効果】本発明は、1個の発振回路を共有して複
数系列のセンサ回路の共振回路に発振周波数信号を分配
供給するようにし、発振回路の出力側に接続される高イ
ンピーダンス化回路と各系列の共振回路との間に発振回
路側から見た各系列全体の共振回路側に対するインピー
ダンスの整合をとるインピーダンス整合回路を設けたも
のであるから、発振回路から各系列の共振回路に均一な
発振周波数信号を供給することが可能となり、各系列の
共振回路の共振周波数信号における出力のばらつきや波
形歪みの発生を防止することができ、これに伴い、各セ
ンサ回路の感度にばらつきのない高性能の静電センサ装
置を提供することが可能となる。
【0021】また、各系列の共振回路の入力側に各系列
の共振回路側から見た発振回路側に対するインピーダン
スの整合をとる第2のインピーダンス整合回路を設けた
構成にあっては、発振回路側と各系列の共振回路側との
両側から見たインピーダンスの整合を図ることができ、
より優れた性能の静電センサ装置を提供できることにな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る静電センサ装置の一実施例のブロ
ック図である。
【図2】同実施例の静電センサ装置の一系列の回路図で
ある。
【図3】同実施例を構成するインピーダンス整合回路の
各種例の説明図である。
【図4】同実施例の静電センサ装置の第1の系列の共振
周波数特性の波形図である。
【図5】同実施例の静電センサ装置の第2の系列の共振
回路の共振周波数特性の波形図である。
【図6】出願人が先に提案した静電センサ装置のブロッ
ク図である。
【図7】外部静電容量の変化を共振回路の共振周波数信
号の変化によって検出する前記提案装置および本実施例
の装置における微小静電容量の検出動作の説明図であ
る。
【図8】出願人が先に提案した多系列タイプの静電セン
サ装置のブロック図である。
【図9】図8に示す提案装置の第1の系列の共振周波数
特性の波形図である。
【図10】図8に示す提案装置の第2の系列の共振周波数
特性の波形図である。
【符号の説明】
1 発振回路1a 高インピーダンス化回路 2 共振回路 3 検出電極 4 検波回路 5 増幅回路 6a,6b,6c センサ回路 7 第1のインピーダンス整合回路 8,8a,8b,8c 第2のインピーダンス整合回路

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数信号を発振する1個の発振回路を
    共有して外部静電容量の変化に対して共振周波数を変化
    させる誘電体共振器を含む複数系列の共振回路が形成さ
    れている静電センサ装置であって、前記発振回路の出力
    側には高インピーダンス化回路が接続されるとともに、
    この高インピーダンス化回路の出力側には発振回路側か
    ら見た各系列全体の共振回路側に対するインピーダンス
    の整合をとるインピーダンス整合回路が設けられている
    静電センサ装置。
  2. 【請求項2】 周波数信号を発振する1個の発振回路を
    共有して外部静電容量の変化に対して共振周波数を変化
    させる誘電体共振器を含む複数系列の共振回路が形成さ
    れている静電センサ装置であって、前記発振回路の出力
    側には高インピーダンス化回路が接続されるとともに、
    この高インピーダンス化回路の出力側には発振回路側か
    ら見た各系列全体の共振回路側に対するインピーダンス
    の整合をとる第1のインピーダンス整合回路が設けられ
    ており、各系列の共振回路の入力側には共振回路側から
    見た発振回路側に対するインピーダンスの整合をとる第
    2のインピーダンス整合回路がそれぞれ設けられている
    静電センサ装置。
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