JP2536632B2 - 静電センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被検出体との微小静電容量の変化を検出す
る静電センサ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来からごく一般的に用いられている静電センサ装置
は、発振回路のタンク回路に用いられている静電容量を
外部静電容量の変化として発振周波数を変化させるもの
であるが、感度が低く、このため、近年においてはより
感度の高いRCA方式（発振回路の発振周波数からわずか
にずれた共振周波数をもった共振回路のコンデンサ容量
を変化させAM変調波を得る方式）の装置が使用されるよ
うになってきている。このRCA方式の静電センサ装置
は、第６図に示すように、発振回路部１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部３と、
検波部４と、増幅回路５とからなる。前記発振回路部１
と共振回路２はそれぞれ共振器を含み、例えば、第７図
に示すように、発振回路部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、検出部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
として共振回路２から出力させ、これを検波部４と増幅
回路５で検波増幅して取り出すものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者等は、共振回路２の共振器の周りの回路を高
インピーダンス化回路とすることにより、微小静電容量
の検出感度を高めることができることに着目し、高感度
の静電センサ装置の開発に成功した。

しかしながら、この高感度の開発装置にあっても、被
検出体のインピーダンスやＱが低い場合、例えば、人体
や水中のイオン成分を検出しようとすると、これらの被
検出体のインピーダンスが低いために検出部３における
被検出体検出用電極と共振器が直接結合されていると共
振回路２の共振器のＱを著しく低下させてしまい、この
Ｑの大きさに出力電圧が依存するRCA方式の静電センサ
装置においては、この検出出力の大幅な低下のため、検
出能が低下して使用に耐えなくなるという問題があっ
た。

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、インピーダンスやＱが低い被検出体と
の微小静電容量の検出に際しても、共振回路の共振器の
Ｑの低下を招くことがない高感度の静電センサ装置を提
供することにある。

〔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、発振周波数信号を出
力する共振器保有の発振回路部と、被検出体との静電容
量変化を検出する検出部と、前記発振回路部の共振器と
は別個独立の共振器を持ち前記検出部で検出される静電
容量の微小変化で共振周波数が変化する共振回路とを有
する静電センサ装置において、前記発振回路部の共振器
と、共振回路の共振器とはともにセラミック共振器によ
り構成され、発振回路部と共振回路の間には高インピー
ダンス回路が接続されており、前記検出器と共振回路と
の間には検出部で検出される静電容量の変化をインダク
タンスの変化に変換して共振回路に伝えるＣ−Ｌ変換回
路が介設されていることを特徴として構成されており、
また、共振回路からの信号を検波する検波部が設けら
れ、検波部は共振回路からの信号を高インピーダンス化
回路を通して検波する構成としたことも本発明の特徴と
するところである。

〔作用〕 本発明では、検出部によって被検出体との微小静電容
量の変化を検出すると、この微小静電容量の変化はＣ−
Ｌ変換回路によってインピーダンスの変換が行われる。
このインピーダンスの変換はインダクタンスの変換とし
て行われ、このインダクタンスの変化が共振回路の共振
器に加えられる。このように本発明では、検出される微
小静電容量の変化がＣ−Ｌのインピーダンス変換回路に
よりインダクタンスの変化に変換されるので、被検出体
のインピーダンスやＱが低い場合においても、これが共
振回路の共振器のＱを低下させる要因として作用するこ
とはなく、共振回路から静電容量の変化に対応する高出
力の検出信号が取り出されるのである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第１図には本発明に係る静電センサ装置の一実施例の回
路図が示されている。本実施例の装置は、発振回路部１
と、高インピーダンス変換回路６と、セラミック共振器
12からなる共振回路２と、Ｃ−Ｌ変換回路７と、検波部
４と、増幅回路５と、安定化制御回路としてのAFC回路
８とからなる。この第１図で厳密に考えれば、共振回路
２はセラミック共振器12とＣ−Ｌ変換回路７によって構
成されるものとして考えることもできるが、本明細書で
は共振回路２はＣ−Ｌ変換回路７を除いたセラミック共
振器12のみによって構成されるものとして話を進めてい
る。なお、これら第１図の回路中逆三角形▽の記号の頭
部は接地点を示している。

前記発振回路部１は周知の回路であり、本実施例で
は、この回路の共振器には超高周波、本実施例では1GHz
〜10GHzの範囲内で固定された一定の発振周波数を発振
するセラミック共振器10が用いられている。この発振回
路部１は前記高周波の発振信号を発振し、これを高イン
ピーダンス変換回路６を介して共振回路２に加える。こ
の共振回路２のセラミック共振器12は第４図に示すよう
な周波数特性を有しており、このセラミック共振器12の
共振周波数f₀に対して発振回路部１の発振周波数f₁はわ
ずかにずらした位置に設定される。この発振周波数f₁の
設定方式としては、発振周波数をセラミック共振器12の
共振周波数f₀の右側の周波数f₂の位置に設定するいわゆ
るアップポーチ方式と共振周波数f₀よりも左側の周波数
f₁の位置に設定するバックポーチ方式とがあり、仕様に
応じそのいずれかの方式が採用されるが、本実施例の説
明では、説明の都合上、バックポーチ方式の場合で説明
する。

このセラミック共振器12にはＣ−Ｌ変換回路７を介し
て検出部３が接続されている。そして、この検出部３に
は被検出体との静電容量の変化を検出する板、針、イオ
ン電極、絶縁被覆電極、熱遮断電極等の所望の電極が接
続されている。

前記Ｃ−Ｌ変換回路７はホール素子、導波管等の素子
や非相反回路を用いたインピーダンスジャイレータによ
って構成できるものであり、その回路の一例が第２図に
示されている。この第２図の回路はトランジスタジャイ
レータと呼ばれるもので、３個のトランジスタ14,15,16
と抵抗器との組み合わせによって構成されており、その
入力側はセラミック共振器12側に接続され、出力側は検
出部３側に接続されている。このインピーダンスジャイ
レータはインピーダンス反転作用を行い、出力側から見
た静電容量変化を入力側から見てインダクタンスの変化
に変換するものである。

一般に、セラミック誘導体はＱが高く（大きく）、共
振回路の共振器をセラミック共振器10,12によって構成
することにより、高い検出感度を期待できるのである
が、セラミック共振器12と発振回路部１とを直接接続す
ると、発振回路部１のインピーダンスがセラミック共振
器12の動作点でのインピーダンスよりも低いため、セラ
ミック共振器12のＱが低下してしまい、共振点（同調
点）での出力電圧が低くなってセラミック共振器12の本
来の性能（Ｑが高いという性能）を十分に発揮できなく
なるという問題が生じる。このような問題を解消するた
めに、本実施例では、発振回路部１と共振回路２との間
に高インピーダンス変換回路６を介設している。この高
インピーダンス変換回路６はトランジスタ13と、抵抗
器、コンデンサ等の回路素子を結合して高インピーダン
ス回路として構成されており、トランジスタ13はエミッ
タホロワ接続でセラミック共振器12に高インピーダンス
を付加するとともに、セラミック共振器10側の発振回路
部１とセラミック共振器12側の共振回路２との相互干渉
を遮断している。

検波部４は結合コンデンサ25を介してセラミック共振
器12に接続されており、この検波部４はインダクタンス
素子21と、ダイオード22と、コンデンサ23と、抵抗器24
とによって構成されており、前記セラミック共振器12か
らの出力信号は結合コンデンサ25を介して検波部４に加
えられるようになっている。前記ダイオード22と、コン
デンサ23と、抵抗器24は検波回路を構成するが、本実施
例ではこのダイオード22の動作点は０電圧よりも負側に
十分深くバイアス点が設定されている。前記検波回路は
セラミック共振器12から出力される超高周波の出力信号
（画像信号）を包絡線検波し、被検出体の信号帯域の信
号に変換するものである。このように、検波回路はセラ
ミック共振器12からの超高周波信号を検波するが、この
とき、ダイオード22の特性インピーダンスを考察すれ
ば、このダイオード22の順方向のインピーダンスがセラ
ミック共振器12に大きな影響を与え、このダイオード22
を直接共振器12に接続すると共振器12のＱが低下すると
いう不都合が生じる。この不都合を防止するために、前
記インダクタンス素子21がダイオード22のアノード側に
接続されている。つまり、コンデンサ25とこのインダク
タンス素子21は高インピーダンス化回路として機能す
る。

増幅回路５はトランジスタ27と抵抗器等の素子を用い
て構成され、この増幅回路５は検波部４から加えられる
信号を増幅し図示されていない信号処理回路に供給する
一方、同時にAFC回路８に加える。

このAFC回路８は、オペアンプ28と、コンデンサ26,2
9,30と、可変抵抗器31と、抵抗器32,35と、可変容量ダ
イオード33と、結合コンデンサ34とを主要回路素子にも
って構成されている。前記オペアンプ28の一側端子は増
幅回路５の出力端に接続されており、同オペアンプ28の
＋側端子は前記可変抵抗器31の摺動端子に接続されてい
る。オペアンプ28の−側端子と出力端間にはコンデンサ
29が接続されており、また、オペアンプ28の出力端には
抵抗器32を介してコンデンサ30の一端側が接続され、同
コンデンサ30の他端側はアースに接続されている。さら
に、オペアンプ28の出力端は抵抗器32,35と結合コンデ
ンサ34を介してセラミック共振器12の出力端側に接続さ
れている。そして、結合コンデンサ34と抵抗器35との接
続部には可変容量ダイオード33のカソード側が接続さ
れ、同可変容量ダイオード33のアノード側は接地されて
いる。

このAFC回路８は増幅回路５から加えられる信号をオ
ペアンプ28により増幅するがこの信号を増幅するに際
し、コンデンサ29,30の平滑作用により、オペアンプ28
からの出力信号は周波数の低いほぼ直流の信号とするの
が一般的であるが、被検出体の動作速度に対応した時定
数が設定される。またオペアンプ28からの出力信号はコ
ンデンサ30と抵抗器32、コンデンサ26と抵抗器35の２個
の積分回路を通ることによって、必要なレベルまで増幅
されるとともに、非常に低い信号成分が可変容量ダイオ
ード33に印加される。

可変容量ダイオード33は逆バイアス状態で用いられて
おり、本実施例では電源電圧を12Vとした場合、この可
変容量ダイオード33に6V以上の逆バイアス電圧を与え、
同ダイオード33の動作点を０電圧から負側の深いバイア
ス点に設定している。なお、この可変容量ダイオード33
の動作点の位置調整は可変抵抗器31の抵抗値を可変する
ことにより直流レベルで調整できるようになっている。
換言すれば、AFC回路の中心動作点を可変設定できるこ
とである。前記可変容量ダイオード33は前記積分回路か
ら印加される電圧に応じて容量を変化させ、この容量変
化を結合コンデンサ34を介してセラミック共振器12に伝
え、同共振器12の共振周波数を変える。すなわち、何ら
かの原因でセラミック共振器12の共振周波数が、例え
ば、第４図のバックポーチ方式で設定したf₀よりも右側
にずれた場合には共振器12からの出力が低下し、共振周
波数特性曲線上の直線領域に定めた例えば、V₀〜V₁の設
定領域から外れてしまうという不都合が生じる。このよ
うな場合、AFC信号を共振器12に付加することによって
発振周波数f₁を自動的に右側にずらし、共振器12からの
出力がV₀〜V₁の設定領域から外れないようにするもので
あり、この意味においてこのAFC回路は１種のAGC回路と
しても機能するものである。

本発明は以上説明したように構成されており、以下、
その動作について説明する。

例えば、第７図に示すように、セラミック共振器12の
共振周波数（同調周波数）f₀に対して発振回路部１の発
振周波数f₁をわずかに外れた位置に設定されている状態
において、検出部３によって検出される被検出体との静
電容量の変化がない場合にはセラミック共振器12からV₀
の一定電圧が出力される。これに対し、検出部の電極部
に人が近づいたり、VHDディスクのような面の凹凸が検
出部の電極の近傍を通過することにより、検出部によっ
て検出される静電容量がΔＣだけ変化すると、このΔＣ
の変化は、Ｃ−Ｌ変換回路７によって次のようにインダ
クタンスの変化に変換される。

第３図に示すように、電気回路の４端子回路定数を集
中定数で表すときのＹパラメータ（Ｙマトリックス）を
用いてＣ−Ｌ変換回路７をブラックボックスとして表
し、ジャイレータのコンダクタンスをＧ、入力側（セラ
ミック共振器12側）の電圧を部V₁、電流をi₁とし、出力
側（検出部３側）の電圧をV₂、電流をi₂とすると、i₁、
i₂はジャイレータの全体を示す次の式で表される。

このインピーダンスジャイレータは出力側にコンデンサ
を接続すると、入力側はインダクタンス成分として働く
ので、出力側の静電容量の変化ΔＣに対して入力側はイ
ンピーダンスの変化ΔZ_iとして表される。

ΔZ_i＝V₁／i₁＝ｊωΔC/G² ただし、ωは角周波数 上記のように出力側で検出される静電容量の微小変化
ΔＣはＣ−Ｌ変換回路７によりインピーダンスの微小変
化ΔZ_iに変換され、このΔZ_iの変化がセラミック共振器
12へ加えられる。このＣ−Ｌ変換に際し、ΔZ_iの式から
分かるように、被検出体の静止状態のインピーダンスは
直接共振回路の共振に影響をおよぼすことがない。この
インピーダンスの変化ΔZ_iを受けて、セラミック共振器
12の共振周波数は例えば第７図でf₀からf₀₁に移行す
る。このとき、発振周波数f₁は一定値に保たれているか
ら、セラミック共振器12から取り出される出力電圧はV₀
にΔＶだけ加算されたV₀＋ΔＶの電圧として取り出され
る。

一般に、第５図に示すように、あるレスポンスｆ
（Ｇ）を持った回路に信号ｆ（ｘ）を通すと出力信号ｆ
（out）として、 ｆ（out）＝ｆ（Ｇ）ｆ（ｘ）の信号が得られることが
知られており、これを本実施例に当てはめれば、ｆ
（ｘ）をｊωt₁の単一周波数、すなわち、発振周波数で
固定し、ｆ（Ｇ）を画像信号や人の動きに対応したP_xの
信号で与えるとすれば、 ｆ（out）＝ｊωt₁±P_xとなり、振幅変調された出力が
取り出される。本実施例において、発振周波数を超高周
波数、例えばIGHzとすれば、ｆ（out）は1GHzを中心と
した±P_xの帯域幅を持った超高周波の信号になり、この
超高周波の信号が検波回路に加えられる。検波回路では
この超高周波信号を包絡線検波を行って被検出体の信号
帯域（本実施例では3MHzの信号）に変換する。この帯域
変換された信号は増幅回路５によって増幅され、その出
力信号の一部は図示されていない信号処理回路に送ら
れ、他の一部の信号はAFC回路８に分岐供給される。

AFC回路８ではこの入力されてくる信号をコンデンサ2
9と30の平滑作用によりほぼ直流に近い400mHzに落と
し、さらに積分回路で必要レベルまで信号増幅してこれ
を可変容量ダイオード33に加える。可変容量ダイオード
33はこの加えられる信号に従い容量を変化させ、この容
量変化でセラミック共振器12の共振周波数f₀を最適に調
整する。

本実施例によれば、発振回路部１の共振器と、共振回
路２の共振器とを共にセラミック共振器10,12により構
成しているから、Ｑを大きな値にすることが可能とな
る。しかも、セラミック共振器12の周囲部の回路、つま
り、インピーダンス変換回路６と、インダクタンス素子
21とコンデンサ25の共振回路と、AFC回路８とを高イン
ピーダンス化回路により構成しているから、セラミック
共振器の動作時にＱが低下することがなく、高感度のも
とで静電容量の微小変化を検出することが可能となる。

その上、本実施例では、検出部３で検出される静電容
量の微小変化をＣ−Ｌ変換回路７によりインダクタンス
の微小変化に変換してセラミック共振器12へ加えている
から、Ｑあるいはインピーダンスが低い被検出体の静電
容量の変化を検出する場合においても、セラミック共振
器12のインピーダンスやＱを低下させるということがな
く、被検出体のＱやインピーダンスの高低に関係なく高
感度のもとで静電容量の微小変化を検出することが可能
となる。

さらに、共振器をストリップラインを使用せずにセラ
ミック共振器10,12により構成したから、装置の超小型
が可能となる。すなわち、共振器をストリップラインで
構成すると、このストリップライン長として少くとも発
振周波数波長の1/4の長さを確保しなければならないた
め、ストリップラインの長さが長くなり、装置の小型化
を図ることが困難になるという問題がある。共振器を誘
電体を用いて構成すれば、共振器の長さをストリップラ
インを用いたもののε^-1/Zにすることができる。この誘
電体を本実施例のようにセラミックにより構成すれば、
セラミックの誘電率εは40〜90であるので、大幅な装置
の小型化が図れることになる。本実施例では縦20mm×横
20mm×高さ20mmという非常に小型の装置とすることがで
きた。

本実施例の装置によれば１×10^-3〜１×10^-5PFの微小
静電容量の検出を高感度のもとで検出することが可能と
なり、したがって、本実施例の装置を、従来の一般的な
用途であるビデオディスクとスタイラス間の静電容量変
化等の検出装置としてはもとより、さらに微小容量の高
感度検出により始めて可能となる用途、例えば、人体容
量センサ（人の室内侵入センサ）、微小位置検出セン
サ、高温位置センサ（例えば800℃雰囲気中での極限位
置検出センサ）、高分解能ロータリーエンコーダ、微小
部品検出素子（例えばキャリアテープ上のチップコンデ
ンサ等の検出素子）、ガスセンサ（ガスの種類によって
静電容量の違いが生じることを利用したガスの識別セン
サ）、脈拍センサ（血液中に含まれる鉄分の通過量の変
化を利用した脈拍の検出センサ）、液体相と固体相の相
転移点検出センサ（固体、液体、気体の状態図における
液体相と固体相との転移点での誘電率変化の検出セン
サ）、イオン検出センサ、湿度検出センサ等の全く新し
い機能、かつ、用途を持った高感度で信頼性のある超小
型の静電センサ装置を安価に提供することが可能とな
る。

また、本実施例では、ダイオード22の動作点を０電圧
から負側に充分離れた位置に設定しているから、ダイオ
ード22の信号の振幅成分が正側領域に入り込んで導通す
るということがなく、この可変容量ダイオード33のイン
ピーダンスを常時高い値に維持させることが可能とな
り、セラミック共振器12のＱダンプを防止することが可
能となる。

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ものである。例えば、上記
実施例では、AFC回路８のAFC信号を結合コンデンサ34を
介してセラミック共振器12に加えているが、これとは異
なり、このAFC信号を例えば第１図の鎖線で示すように
Ｃ−Ｌ変換回路７へ加えて、同様に共振回路２の共振周
波数と発振回路部１の発振周波数との同調点の安定化を
図るようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、Ｃ−Ｌ変換回路をトランジ
スタジャイレータで形成したが、これを他の受動非相反
素子を用いて構成してもよい。

さらに、発振周波数は１〜10GHzの範囲に限定される
ものではない。使用態様によってMHz帯やGHz帯の中から
最適周波数が選択される。

〔発明の効果〕

本発明は、微小静電容量の検出部と共振回路の共振器
との間にＣ−Ｌ変換回路を介設したものであるから、被
検出体のＱやインピーダンスが低い場合にも、この低イ
ンピーダンスの影響が共振回路の共振器に及ぶことがな
い。したがって、常時、共振器のＱおよびインピーダン
スを高くした状態で静電容量の検出を行うことができ、
これにより、高感度のもとで微小静電容量の変化を検出
することが可能となる。

また、発振回路部の共振器と共振回路の共振器とを共
にセラミック共振器により構成することにより、Ｑの高
い共振器が得られるとともに、装置の大幅な軽量化およ
び小型化を図ることが可能となる。

さらに、発振回路部と共振回路の間に高インピーダン
ス回路を接続したことにより、低インピーダンス側の発
振回路部側の影響が共振回路側におよぶのを防止でき
る。このとにより、発振回路部側の影響を受けて共振回
路のＱが低下するのを防止できる結果、高いＱを持つセ
ラミック共振器の特性を損なうことなく、十分にそのＱ
の高い特性を発揮させることができるとともに、共振回
路と発振回路部との相互干渉による弊害を回避できる。

さらに、共振回路からの信号を高インピーダンス化回
路を通して検波する構成とした発明においては、低イン
ピーダンス側となる検波部側の影響が共振回路におよぶ
のを防止できることとなり、このことにより、検波部側
の影響を受けて共振回路のＱが低下するのを防止できる
結果、同様に、高いＱを持つ共振回路のセラミック共振
器の特性を損なうことなく、十分にそのＱを高い特性を
発揮させることができ、微小静電容量の高感度検出が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る静電センサ装置の一実施例の回路
図、第２図は同実施例におけるＣ−Ｌ変換回路の回路
図、第３図は同Ｃ−Ｌ変換回路の動作説明図、第４図は
発振周波数と共振周波数との同調点の設定方式を示す説
明図、第５図は信号のレスポンス変換例を示す説明図、
第６図はRCA方式の一般的な静電センサ装置のブロック
図、第７図はRCA方式の静電センサ装置の微小静電容量
の検出動作の説明図である。 １…発振回路部、２…共振回路、３…検出部、４…検波
部、５…増幅回路、６…高インピーダンス変換回路、７
…Ｃ−Ｌ変換回路、８…AFC回路、10…セラミック共振
器、12…セラミック共振器、13,14,15,16…トランジス
タ、21…インダクタンス素子、22…ダイオード、23…コ
ンデンサ、24…抵抗器、25…結合コンデンサ、26…コン
デンサ、27…トランジスタ、28…オペアンプ、29,30…
コンデンサ、31…可変抵抗器、32…抵抗器、33…可変容
量ダイオード、34…結合コンデンサ、35…抵抗器。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振周波数信号を出力する共振器保有の発
   振回路部と、被検出体との静電容量変化を検出する検出
   部と、前記発振回路部の共振器とは別個独立の共振器を
   持ち前記検出部で検出される静電容量の微小変化で共振
   周波数が変化する共振回路とを有する静電センサ装置に
   おいて、前記発振回路部の共振器と、共振回路の共振器
   とはともにセラミック共振器により構成され、発振回路
   部と共振回路の間には高インピーダンス回路が接続され
   ており、前記検出部と共振回路との間には検出部で検出
   される静電容量の変化をインダクタンスの変化に変換し
   て共振回路に伝えるＣ−Ｌ変換回路が介設されているこ
   とを特徴とする静電センサ装置。
2. 【請求項２】共振回路からの信号を検波する検波部が設
   けられ、検波部は共振回路からの信号を高インピーダン
   ス化回路を通して検波する構成とした特許請求の範囲第
   １項の静電センサ装置。