JP2822876B2

JP2822876B2 - 表面電位センサ

Info

Publication number: JP2822876B2
Application number: JP6036167A
Authority: JP
Inventors: 修秋山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: US5600251A; JPH07244102A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面電位センサに関
し、特に表面電位センサのオンサからの電気信号の処理
回路の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、表面電位センサは被測定物から
放射される電気力線を一定の周期でチョッピングするチ
ョッパ部と、チョッパ部によって切られた電気力線を交
流信号として取り出すための電極と、この交流信号を増
幅しインピーダンス変換するプリアンプとから構成され
ている（例えば、特開昭６０−２３１１７６号公報）。

【０００３】図４および図５は、従来の表面電位センサ
の構造であり、それぞれ上面図と側面断面図により示さ
れている。オンサ２には駆動用および検出用の圧電セラ
ミックス６ａ、６ｂがそれぞれ固着されており、オンサ
２の先端にあるチョッパ部２ａで電気力線７が一定の周
期で切られる。検出電極３およびオンサ２は基板８に固
定され、基板８にはプリアンプ１１が設けられている。
この基板８は、電気力線７を内部に導入するための検出
孔１０を有するケース１に収容されている。また、基板
８には、所定の位置にオンサ駆動用端子４ａ、オンサ検
出用端子４ｂ、出力端子５、プリアンプ電源端子１２、
および接地端子９が取付けられている。オンサ駆動用端
子４ａおよび検出用端子４ｂと、駆動用セラミックス６
ａおよび検出用セラミックス６ｂとの間にはそれぞれ内
部配線が施されている。

【０００４】上記構成からなる表面電位センサは、使用
時には外部にオンサ発振回路がオンサ駆動用端子４ａな
らびに検出用端子４ｂに接続され、オンサにが共振周波
数で駆動される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面電位センサ
は、駆動用圧電セラミックス６ａおよび検出用圧電セラ
ミックス６ｂに印加される信号がセンサ内部の空間を介
して検出電極３に誘導雑音（ノイズ）を生じさせること
になる。通常、検出電極３は微小な信号をとらえて増幅
するためにハイインピーダンスに保持されているため、
圧電セラミックス６ａ、６ｂからの雑音の影響を受けや
すい。この雑音が表面電位センサのオフセット出力にな
り、電気力線が遮断されて測定電圧が０Ｖのときでも、
交流電圧信号が検出されてしまう。

【０００６】上記オフセット出力は検出信号と同じ周波
数成分であるため、周波数フィルタ回路を付加しても取
り除くことはできない。また、図４に示すように、低電
圧測定時には入出力特性にずれを生じ、正確に測定する
ことが困難になるという欠点がある。さらに、入出力特
性は高圧帰還型の電位測定を行う場合には、被測定物と
センサの電位をゼロにする必要があることからオフセッ
ト出力により測定制度を低下させることとなる。

【０００７】本発明は上述の欠点に鑑み、駆動回路から
検出電極への誘導雑音を除去し、高精度で表面電位を検
出することができる表面電位センサを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るため、本発明の表面電位センサは、被測定物から放射
される電気力線を一定の周期で切るチョッパ部と、前記
電気力線を受けて交流電圧信号を送出する検出電極と、
前記検出電極に接続されて、前記交流電圧信号を増幅し
て増幅交流電圧信号を送出する前置増幅器回路と、前記
チョッパ部の駆動電極に駆動信号を印加して、前記チョ
ッパ部を励振させる駆動回路とを備え、前記駆動信号か
ら前記交流電圧信号に重畳される誘導雑音を除去する誘
導雑音除去手段を備えたことを特徴とする表面電位セン
サにおいて、前記検出電極は、２点支持のベンディング
（屈曲１次モード）のオンペン振動子の振動部分に固定
されて前記検出電極自体が前記電気力線を受けて前記交
流電圧信号を送出することを特徴としている。

【０００９】特に上記構成において、チョッパ部は電気
力線と平行に振動するオンサまたはオンペン型振動子で
あり、検出電極は、振動子の振動部分に絶縁体を介して
固定されている。

【００１０】また、誘導雑音除去手段は、増幅交流電圧
信号と駆動信号を入力信号とする差動増幅回路であるこ
とを特徴としている。

【００１１】さらに、前置増幅回路の出力側と誘導雑音
除去手段の間に、増幅交流電圧信号の振幅を、駆動信号
の振幅にほぼ等しくなるように調整する増幅交流電圧信
号調整手段を含むことを特徴としている。

【００１２】また、増幅回路の出力側と前記誘導雑音除
去手段の間に、前記増幅交流電圧信号の位相を、駆動信
号の位相と反転するように位相調整する増幅交流電圧信
号位相調整手段を含むことを特徴としている。

【００１３】上記構成において、具体的には、増幅交流
電圧信号調整手段が、減衰器であり、増幅交流電圧信号
位相調整手段が、反転増幅器であることを特徴としてい
る。

【００１４】

【作用】本発明の表面電位センサは、検出電極から取り
出された交流電圧信号を増幅するプリアンプ回路の出力
とチョッパ部に駆動信号を印加するための駆動回路の出
力を差動増幅器に入力して、交流電圧信号に重畳される
駆動回路からの誘導雑音を打ち消している。特に、プリ
アンプ回路の出力部には、増幅された交流電圧信号のレ
ベルを駆動回路からの信号のレベルにほぼ一致させるよ
うに減衰器を設けている。また、位相がずれている場合
には、これを一致させるために反転増幅器を設けてい
る。これにより、プリアンプ回路から出力された交流電
圧信号は、駆動回路から重畳された誘導雑音が有効に除
去されて出力され、高精度な測定が可能となる。

【００１５】

【実施例】次に、本説明について図面を参照して詳細に
説明する。

【００１６】図１は、本発明の表面電位センサの第１の
実施例のオンサ部および処理回路を示している。本発明
の表面電位センサは、電気力線を切るチョッパ部２ａを
有するオンサ２、検出電極３とプリアンプ回路１１を搭
載した基板、オンサを駆動する駆動回路１４、アッテネ
ータ回路１６、差動増幅回路１７から構成されており、
これらはケース１に収容されている。なお、ケース１の
オンサ２のチョッパ部２ａの近傍には外部の被測定物か
らの電気力線を内部に導入するための検出孔を有してい
る。本実施例の表面電位センサは、センサの外形自体は
従来のものと同様であり、信号処理回路もセンサ本体の
ケース１の中に組み込まれている。

【００１７】本実施例の表面電位センサは、電気力線を
切るチョッパとしてオンサ２を備えている。オンサ２
は、外部にある被測定物から放射される電気力線７を一
定の周期で遮断するチョッパ部２ａと、オンサ２を駆動
信号により励振させる圧電セラミックス６ａ、６ｂを備
えている。チョッパ部２ａを通過した電気力線７は検出
電極３に入り、交流電圧信号として検出され、プリアン
プ回路１１で信号増幅される。一方、オンサ２の両側に
は圧電セラミックス６ａ、６ｂが固着されており、ここ
に駆動回路１４から駆動信号が印加され、オンサ２が励
振される。

【００１８】本発明では、特に上記構成に加えて、駆動
信号が検出された交流電圧信号に影響を及ぼすことがあ
る誘導雑音を除去するために、差動増幅器１７を備えて
いる。この差動増幅器の入力は、駆動回路１４の出力端
がプラス側に、プリアンプ回路１１の出力側がマイナス
側に接続されている。また、駆動回路１４と差動増幅器
１７の間には、プリアンプ回路からの増幅交流電圧信号
のレベルにほぼ等しくなるように、駆動回路１４からの
信号レベルを減衰させるアッテネータ回路１６が付加さ
れている。

【００１９】次に、本実施例の表面電位センサの動作に
ついて説明する。

【００２０】まず、電気力線がない場合、すなわち測定
電圧が０Ｖのときの図１中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ各点におけ
る電圧信号を図３に示す。オンサ２は駆動回路１４によ
って励振され、固有の周期で振動する。このとき、セラ
ミックス６ａ、６ｂに印加される電圧、電流により駆動
周波数に等しい誘導雑音が検出電極３に発生する。この
雑音を含む信号は、プリアンプ回路１１でインピダンス
変換された後、さらにコンデンサ１５により直流成分が
カットされて信号Ｂとなる。一方、オンサ２の駆動信号
はアッテネータ回路１６によって振幅が調整され、信号
Ｄとなる。信号Ｂと信号Ｄは、信号Ｂがマイナス側、信
号Ｄがプラス側として差動増幅回路１７に入力され比較
される。ここで、信号Ｄの位相および振幅がアッテネー
タ回路１６により信号Ｂに等しくなるように調整されて
いれば、誘導雑音の成分は完全委キャンセルされるの
で、差動増幅回路１７からの出力も正確に０Ｖになる。
なお、信号Ｄの位相が信号Ｂと反転している場合は、駆
動回路１４の出力端に反転増幅器を付加すればよい。

【００２１】次に、電気力線がある場合、すなわち被測
定物がある電位に帯電しているときにも、上記と同様、
差動増幅回路１７により誘導雑音を除去することができ
る。この場合、オフセット電圧が０であるため、＋電
位、−電位ともに低電圧測定時のリニアリティが大幅に
改善されることになる。この結果、高圧フィードバック
方式測定の精度を向上させることになる。

【００２２】なお、オフセット電圧を低減するために信
号Ｂまたは、差動増幅回路１７からの出力をバンドパス
フィルタに通したり、信号Ｄを位相シフト回路に通して
もよい。

【００２３】次に、本発明の表面電位センサの第２の実
施例について説明する。

【００２４】第２の実施例は、図１に示す第１の実施例
におけるオンサ２および検出電極３を、図２に示される
ように、振動子として絶縁物１９を介して一体化された
オンペン１８が用いられている。本実施例は、オンペン
１８は電気力線１７と平行に励振される構造を有してい
る。

【００２５】上述のオンペン型の場合、一般に、検出電
極自体が振動するため、電極へのゴミ付着が少なく、誤
動作を起こしにくいという特長がある。しかしながら、
検出電極から処理回路までの配線がおのずと長くなり、
第１の実施例にくらべて駆動回路からの影響を受けやす
く誘導雑音が大きくなるという欠点がある。

【００２６】ところが、第１の実施例で用いられる本発
明に係る処理回路を適用することにより、オフセット電
圧を大幅に抑制することができるので、オンペン型の表
面電位センサに対しても上記欠点なく使用することがで
きる。なお、図２にはオンペン型振動子を例示したが、
オンサ型の片側を電極とした振動子を用いても同様の効
果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面電位
センサはオンサを駆動させる駆動信号により、検出電極
で検出された交流電圧信号に生じる誘導雑音を差動増幅
回路により差動増幅することにより大幅に低減すること
ができるという効果がある。

【００２８】特に、電気力線が遮断された状態の時には
測定電圧が０Ｖとなるが、このとき表面電位センサの出
力信号を正確にゼロにすることが可能になる。また、低
電位測定時、および高圧フィードバック方式による測定
を行ったときの測定値の精度を向上させることができ、
入出力測定値のリニアリティを改善するできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面電位デンサの第１の実施例を示す
回路図

【図２】本発明の表面電位デンサの第２の実施例を示す
回路図

【図３】本発明の表面電位センサの実施例の動作を説明
するためのタイミングチャート

【図４】従来の電位センサの一例を示す上面図

【図５】従来の電位センサの一例を示す側面断面図

【図６】従来の電位センサの動作特性を示す図

【符号の説明】

１・・・ケース２・・・オンサ３・・・検出電極４・・・オンサ駆動用端子５・・・出力端子６・・・圧電セラミックス７・・・電気力線８・・・基板９・・・接地端子１０・・・検出孔１１・・・プリアンプ（前置増幅器）１２・・・電源端子１３・・・抵抗１４・・・駆動回路１５・・・コンデンサ１６・・・アッテネータ（減衰回路）１７・・・差動増幅回路１８・・・オンペン１９・・・絶縁体２０・・・配線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物から放射される電気力線を切る
ように配置され、前記被測定物との距離が周期的に変化
するように運動するチョッパ部と、前記電気力線を受けて交流電圧信号を送出する検出電極
と、前記検出電極に接続されて、前記交流電圧信号を増幅し
て増幅交流電圧信号を送出する前置増幅器回路と、前記チョッパ部の駆動電極に駆動信号を印加して、前記
チョッパ部を励振させる駆動回路とを備え、前記駆動信号から前記交流電圧信号に重畳される誘導雑
音を除去する誘導雑音除去手段を備えたことを特徴とす
る表面電位センサにおいて、前記チョッパ部が、２点支持であって屈曲１次モードの
ベンディングを呈するオンペン振動子を含んで構成さ
れ、前記検出電極は、前記オンペン振動子の振動部分に固定
されて前記検出電極自体が前記電気力線を受けて前記交
流電圧信号を送出することを特徴とする表面電位セン
サ。
【請求項２】前記誘導雑音除去手段は、前記増幅交流
電圧信号と前記駆動信号を入力信号とする差動増幅回路
であることを特徴とする「請求項１」記載の表面電位セ
ンサ。
【請求項３】前記駆動回路と前記誘導雑音除去手段の
間に、被測定電圧が０ボルトのときに前記駆動信号振幅
を、前記増幅交流電圧信号の振幅にほぼ等しくなるよう
に調整する駆動信号調整手段を含むことを特徴とする
「請求項１」記載の表面電位センサ。
【請求項４】前記駆動回路の出力側と前記誘導雑音除
去手段の間に、前記駆動信号の位相を、前記交流電圧信
号の位相と反転するように位相調整する増幅交流電圧信
号位相調整手段を含むことを特徴とする「請求項１」記
載の表面電位センサ。
【請求項５】前記オンペン振動子の振動に圧電セラミ
ックスを用いることを特徴とする「請求項１」記載の表
面電位センサ。
【請求項６】前記前置増幅回路と前記誘導雑音除去手
段の間に、前記増幅交流電圧信号の振幅を、前記駆動信
号の振幅にほぼ等しくなるように調整する駆動信号調整
手段を含むことを特徴とする「請求項１」記載の表面電
位センサ。
【請求項７】前記前置増幅回路と前記誘導雑音除去手
段の間に、前記増幅交流電圧信号の位相を、前記駆動信
号の位相と反転するように位相調整する駆動信号位相調
整手段を含むことを特徴とする「請求項１」記載の表面
電位センサ。
【請求項８】前記増幅交流電圧信号調整手段が、減衰
器であることを特徴とする「請求項３」または「請求項
６」記載の表面電位センサ。
【請求項９】前記増幅交流電圧信号位相調整手段が、
反転増幅回路であることを特徴とする「請求項４」また
は「請求項７」記載の表面電位センサ。