JP6989814B2

JP6989814B2 - 静電容量検出装置および静電容量センサ

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Publication number: JP6989814B2
Application number: JP2017047888A
Authority: JP
Inventors: 佐長田; 康二中澤
Original assignee: Nipro Corp
Current assignee: Nipro Corp
Priority date: 2016-03-12
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2022-01-12
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: JP2017167143A

Description

本発明は、対象物の物理量に応じた静電容量を電気信号に変換する静電容量検出装置である。変換部に、電圧の周波数特性を急峻化する共振回路の、インピーダンス変化型の静電容量検出装置に関するものである。例えば対象物の微小変位量による静電容量の変化などの計測に適している。

平行板コンデンサの静電容量Ｃは、絶縁物を隔て２つの極板を対向させたときの容量で（１）式に示す。

Ｃ：静電容量[Ｆ]、ε：誘電率[Ｆ／ｍ]、Ｓ：極板の有効面積[ｍ^２]、ｄ：極板間距離[ｍ]

極板を対向させ、極板に電位Ｖを与えると、極板に電荷Ｑが蓄えられる。一般に電位を高めると、これと比例して蓄えられる電荷も多くなる。多量の電荷を蓄えられる導体を、静電容量Cが大きいと言う。
この関係を（２）式に示す。
Ｑ＝ＣＶ
∴Ｃ＝Ｑ／Ｖ[Ｆ]・・・（２）
ここで、Ｑ:電気量(電荷)[Ｃ]、Ｖ：電位[Ｖ]

極板間距離ｄを微小変化すると、静電容量Ｃの変化は次式となる。

極板間距離ｄ＋Δｄのとき静電容量Ｃの変化率ΔＣ／Ｃは（４）式となる。

すなわち、極板間距離の変位は容量の変化となる。

振動型または共振型静電容量センサは、抵抗ＲとコイルＬとコンデンサＣで構成され、対象物の変位の容量成分が共振周波数に寄与することの応用で、ある特定の共振点の移動を追尾するもので、この方式は検出回路が複雑となる。

上記の問題を解決するものとして、たとえば再表２００９－５３７８２２号では、一定周波数の基準位相信号と、共振回路のインピーダンスの容量成分が位相に寄与するので、両者の信号の位相差から静電容量検出装置が開示されている。

前記によると、位相差検出回路が複雑となる。静電容量の変化に応じた位相の変化が正確に検出できない。速い応答速度で得られないなどの問題がある。

再表２００９－５３７８２２号公報

前記参考文献１に記載された静電容量検出装置では、基準となる位相信号と、対象物の物理量に応じた静電容量で変化する位相を比較して、位相差から物理量を測定するものである。この方式は、複雑な位相検出回路が不可欠という欠点がある。解決しようとする課題は、位相検出回路などの複雑な回路が不要で、簡単な共振回路で測定対象物と極板間の距離に逆比例する静電容量を、電圧の周波数特性の振幅から検出する方法である。

本発明は、共振回路の共振点近傍の周波数における、インピーダンス変化を検出する原理の応用によるものである。前記したように、検出回路が簡単であり、励振電流振幅を一定に保てば、極板より発振する電界により、測定対象物と極板間に静電容量が形成される。当該静電容量は電圧の周波数特性の振幅変化として変位や厚さを計測できる。

図１にＲＬＣ直列共振回路の共振周波数特性を示す。共振点ｆ_０より低い低周波数領域ｆ_１のとき、ｆ_１を中心にした電流波形の傾きから、周波数が±Δｆ変化すると、電流ｌｍ_１も同様に変化する。たとえば、低周波数領域ｆ_１＋Δｆでは、中心電流ｌｍ_１より増加する。また、周波数ｆ_１－Δｆでは、中心電流ｌｍ_１より減少する。同様に共振点ｆ_０より高い高周波数領域ｆ_２では、ｆ_２を中心にした電流波形の傾きから周波数が±Δｆ変化すると、電流ｌｍ_２も同様に変化する。本発明は、以上の観点と知見に基づいてなされている。

上記実施には、共振点を中心に高周波領域と低周波領域の傾きを用いるので、共振周波数特性が接近した第一共振回路と第二共振回路の２つを必要とする。ここで、第一共振回路の共振周波数特性を第一共振周波数と、第二共振回路の共振周波数特性を第二共振周波数と呼ぶ。図２に円筒型プローブの概略図を示す。図示したように４層の極板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を積層にした構造とした。極板間は絶縁体であり、４層の極板から静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が形成される。円筒の４層極板と２層極板を接続してアース（ゼロ電位）とする。図示したようにＥ_Ｃ２端子とアース間の静電容量はＣ２＋Ｃ３の合成容量であり、Ｅ_Ｃ１端子とアース間の静電容量はＣ１となる。以上の構造により、プローブ内には異なった静電容量が生成される。

抵抗ＲとコイルＬとコンデンサＣの直列共振回路の共振周波数ｆ_０は（５）式となる。

上式から共振周波数ｆ_０はコイルＬが一定のとき、コンデンサＣの静電容量で決まる。上記プローブは、静電容量Ｃ１の第一共振回路と合成容量（Ｃ２＋Ｃ３）の第二共振回路から成っている。

図３に２つの共振周波数特性を模式的に示した。図示した、第一共振のコンデンサの容量が第二共振のコンデンサの容量より小さいとき、２つの共振回路に同時に一定振幅の正
弦波電流の周波数ｆ_Ａで励振した。周波数ｆ_Ａ点のときの静電容量Ｃを中心にΔＣだけ容量が減少すると図中の（Ｃ－ΔＣ）線上に移動する。共振周波数特性の傾きから、第一共振の電流は増加する。一方、第二共振では電流は減少する。同様にΔＣだけ容量が増加すると図中の（Ｃ＋ΔＣ）線上に移動して、共振周波数特性の傾きから、第一共振の電流は減少と同時に、第二共振の電流は増加する。以上の結果、容量変化に対して共振周波数特性の電流の変化は拡大され、高い感度で変位や厚さが計測できる。なお、第一共振と第二共振は図示したように、適当に共振周波数特性の重複することが不可欠となる。ここで周波数ｆ_Aは、本発明における所定周波数に相当する。

本発明は、静電容量素子の静電容量の変化を検出することで、該静電容量に影響を及ぼす測定対象物の変化を検出する静電容量検出装置であって、
静電容量素子を含む複数の共振回路と、
所定周波数の入力に対する前記複数の共振回路による前記所定周波数の出力を検出する検出手段と、
を備え、
前記検出手段は、
前記複数の共振回路における前記静電容量素子の静電容量の変化に基づく前記出力の変化を検出する変化検出手段と、
前記複数の共振回路において、前記静電容量素子の静電容量の変化に伴う前記所定周波数の出力の変化の方向が異なることを利用して、前記変化検出手段が検出する前記出力の変化を増大させる出力増大手段を更に備えることを特徴とする、静電容量検出装置である。

これによれば、複数の共振回路において、例えば、静電容量素子の静電容量が増加した場合に、所定周波数の出力が増加するものと、減少するものが存在することを利用して、静電容量素子の静電容量の同じ量の変化に対して、より大きな出力を得ることが可能となる。従って、より高い感度とＳＮ比をもって、静電容量素子の静電容量の変化を検出することができる。その結果、測定対象物の変化をより高い感度とＳＮ比をもって、検出することが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の共振回路は、
第一の静電容量素子を含み、所定の第一共振周波数において共振する周波数特性を有する第一の共振回路と、
第二の静電容量素子を含み、所定の第二共振周波数において共振する周波数特性を有する第二の共振回路と、
を有し、
前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路に、前記第一共振周波数及び前記第二共振周波数とは異なる前記所定周波数を入力して励振する周波数発振手段を備え、
前記変化検出手段は、前記測定対象物の変化による前記第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量の変化に基づく、前記第一の共振回路と前記第二の共振回路の出力の変化を検出し、
前記出力増大手段は、前記第一の共振回路の出力と、前記第二の共振回路の出力の差分を導出することで、前記出力の変化を増大させるようにしてもよい。

これによれば、第一の共振回路と、第二の共振回路の出力の差分をとるという、簡単な処理で、より高い感度とＳＮ比をもって、静電容量の変化を検出することができる。その結果、簡単な処理で、測定対象物の変化をより高い感度とＳＮ比をもって、検出することが可能となる。

また、本発明においては、前記共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続
した直列回路と、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路の少なくともいずれか一方を含むこととしてもよい。これによれば、より一般的な簡単な構成の共振回路を用いて、静電容量素子の静電容量の変化を検出することが可能となる。なお、本発明における第一の共振回路及び第二の共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路を含む直列共振回路であってもよいし、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路を含む、並列共振回路であってもよい。また前記直列回路と前記並列回路の両方を含む複合的な共振回路であってもよい。

また、本発明においては、前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路を含む直列共振回路であり、
前記第一共振周波数は、前記第二共振周波数より高く、
前記所定周波数は、
前記第一の共振回路の周波数特性における、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第一の共振回路の出力が増加する周波数領域に属するとともに、
前記第二の共振回路の周波数特性における、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第二の共振回路の出力が減少する周波数領域に属するようにしてもよい。

これによれば、第一の共振回路及び、第二の共振回路における静電容量素子の静電容量が変化した場合に、より確実に、第一の共振回路及び、第二の共振回路における出力の増減の方向を逆にすることができる。その結果、第一の共振回路と第二の共振回路の出力の差分をとることにより、より確実に、出力を増大させることが可能となる。なお、ここにおいて、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して第一の共振回路の出力が増加する周波数領域とは、第一の共振回路の周波数特性における波形の立ち上りの部分を意味する。また、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して第二の共振回路の出力が減少する周波数領域とは、第二の共振回路の周波数特性における立ち下りの部分を意味する。

また、本発明においては、前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路を含む並列共振回路であり、
前記第一共振周波数は、前記第二共振周波数より高く、
前記所定周波数は、
前記第一の共振回路の周波数特性における、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第一の共振回路の出力が減少する周波数領域に属するとともに、
前記第二の共振回路の周波数特性における、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第二の共振回路の出力が増加する周波数領域に属するようにしてもよい。

これによっても、第一の共振回路及び、第二の共振回路における静電容量素子の静電容量が変化した場合に、より確実に、第一の共振回路及び、第二の共振回路における出力の増減の方向を逆にすることができる。その結果、第一の共振回路と第二の共振回路の出力の差分をとることにより、より確実に、出力を増大させることが可能となる。なお、ここにおいて、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して第一の共振回路の出力が減少する周波数領域とは、第一の共振回路の周波数特性における波形の立ち下りの部分を意味する。また、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して第二の共振回路の出力が増加する周波数領域とは、第二の共振回路の周波数特性における立ち上りの部分を意味する。

また、本発明においては、前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路の一方は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路を含む直列共振回路であるとともに、他方は、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路を含む並列共振回路であり、
前記所定周波数は、
前記第一共振周波数及び第二共振周波数より高い周波数領域または、前記第一共振周波数及び第二共振周波数より低い周波数領域に属するようにしてもよい。

これによっても、第一の共振回路及び、第二の共振回路における静電容量素子の静電容量が変化した場合に、より確実に、第一の共振回路及び、第二の共振回路における出力の増減の方向を逆にすることができる。その結果、第一の共振回路と第二の共振回路の出力の差分をとることにより、より確実に、出力を増大させることが可能となる。

また、本発明では、前記第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量の変化前においては、
前記所定の周波数における前記第一の共振回路の出力と、前記第二の共振回路の出力の差分は略零としてもよい。

これによれば、前記第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量の変化前において、前記第一の共振回路の出力と、前記第二の共振回路の出力の差分を略零とすることができ、第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量が変化した際に、差分信号の測定値をそのまま、静電容量の変化値として読み取ることが可能となる。その結果、静電容量素子の静電容量の変化をより容易に検出することが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、少なくとも４枚以上の互いに対向する極板を有し、
前記複数の静電容量素子は、隣り合う前記極板の組み合わせによりまたは、隣り合う極板の組み合わせを直列結合または並列結合することにより、形成されるようにしてもよい。

これによれば、測定プローブを構成する極板を適宜、組み合わせて、静電容量が異なる複数の静電容量素子をより容易に形成することが可能となる。その結果、複数の共振回路における共振周波数を適切に異ならしめることができ、複数の共振回路において、前記静電容量素子の静電容量の変化に伴う前記所定周波数の出力の変化の方向が異なる状況を、より容易に実現することが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、
設置された第一電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第二電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第三電極と、を有し、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は、各々の電極で前記測定対象物を囲うように並べられるようにしてもよい。

これによれば、より確実に、第一電極、第二電極及び、第三電極で囲まれた測定対象物の変化を検出することができる。

また、本発明は、上記の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極によって囲われる領域に、医療用の薬液が通過するチューブが配置されたことを特徴とする、医療用薬液検査装置としてもよい。これによれば、より簡単にまたは、より精度よく、医療用薬液の成分の変化や相違を検査することが可能である。

また、本発明においては、前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、
設置された第一電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第二電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第三電極と、を有し、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は直線状に並べられるようにしてもよい。

これによれば、例えば、第一電極、第二電極及び、第三電極の並び方向に流れる液体の成分が変化したことを、より容易に検出することができる。また、第一電極、第二電極及び、第三電極の並び方向に測定対象を移動させることで、当該測定対象の移動量を測定することができる。

また、本発明においては、前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は、環状の形状または、環の一部をなす形状を有し、同軸上に並べられるようにしてもよい。これによれば、測定対象を、第一電極、第二電極及び、第三電極における前記環の軸上を移動させるようにし、当該測定対象の移動量をより確実に検出することができる。また、測定対象を液体とすることで、より確実に、当該液体の成分が変化したことを検出することができる。なお、ここにおける“環”は必ずしも円環を意味しない。多角形状や、それ以外の閉じた形状の全てを含む趣旨である。

また、本発明は、第一電極、第二電極及び、第三電極が、各々の電極で測定対象物を囲うように並べられた上記の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極で囲われた空間を通過するように、医療用の薬液が通過するチューブが配置されたことを特徴とする、医療用薬液検査装置であってもよい。

これによれば、より簡単にまたは、より精度よく、医療用薬液の成分の変化や相違を検査することが可能である。

また、本発明は、第一電極、第二電極及び、第三電極は直線状に並べられた上記の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極の並びに沿うように、医療用の薬液が通過するチューブが配置されたことを特徴とする、医療用薬液検査装置であってもよい。これによっても、より簡単にまたは、より精度よく、医療用薬液の成分の変化や相違を検査することが可能である。

また、本発明は、第一電極、第二電極及び、第三電極が、環状の形状または、環の一部をなす形状を有し、同軸上に並べられた上記の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極を、医療用の薬液が通過するチューブが前記環内を貫通するように配置したことを特徴とする、医療用薬液検査装置であってもよい。これによっても、より簡単に、より精度よく、医療用薬液の成分の変化や相違を検査することが可能である。

また、本発明は、静電容量素子の静電容量の変化を検出することで、該静電容量に影響を及ぼす測定対象物の変化を検出する検出方法であって、
静電容量素子を含む２つ共振回路を、該２つの共振回路の共振周波数とは異なる所定周波数の入力で励振し、
前記２つの共振回路の各々の出力の変化の差分を取得することで、前記２つの共振回路の静電容量素子の静電容量の変化を検出する、検出方法であってもよい。

また、本発明は、前記医療用の薬液が通過するチューブ上に、２つの静電容量素子を配置し、
前記２つの静電容量素子の各々を含む２つ共振回路を、該２つの共振回路の共振周波数とは異なる所定周波数の入力で励振し、
前記２つの共振回路の各々の出力の変化の差分を取得することで、前記２つの共振回路の静電容量素子の静電容量の変化を検出し、
前記静電容量の変化から、前記医療用の薬液の状態を検査することを特徴とする、医療用薬液検査方法であってもよい。

また、本発明は、対象物の変化に応じた静電容量を電圧に変換する静電容量検出装置であって、対象物に対向する測定プローブ内は、電圧の周波数特性を急峻化する共振回路で形成した電圧振幅検出手段と、共振回路を一定周波数、一定振幅の正弦波電流で励振する周波数発信手段と、静電容量変化を電圧に変換する検出手段を備えることを特徴とする静電容量検出装置であってもよい。

また、本発明は、前記共振回路は、対象物と対向する測定プローブ内に具備し、電圧の周波数特性を急峻化するコイルとキャパシタ成分と直列接続した第一共振回路と、第一共振より共振周波数特性の共振点が異なる第二共振回路と、電圧の周波数特性を急峻化するコイルとキャパシタ成分と並列接続した第三共振回路と、第三共振より共振周波数特性の共振点が異なる第四共振回路を有することを特徴の上記の静電容量検出装置であってもよい。

また、本発明は、前記急峻化手段は、対象物の変化に応じた静電容量が増大して検出する手段であり、第一共振回路と第二共振回路の組み合わせと、第三共振回路と第四共振回路の組み合わせと、直列共振回路のいずれかの一つと、並列共振回路のいずれかの一つが組み合わせであることを特徴の上記の静電容量検出装置であってもよい。

また、本発明は、前記測定プローブは、少なくとも４層の極板の構成から成り、第一層と第二層の静電容量Ｃ１と、第二層と第三層の静電容量Ｃ２と、第三層と第四層の静電容量Ｃ３である。第二層と第四層を接続してアースとすると、Ｃ１がつかさどる第一共振と合成容量Ｃ２＋Ｃ３がつかさどる第二共振が形成され、第一共振と第二共振の共振周波数の共振点が異なることを特徴とする上記の静電容量検出装置であってもよい。

また、本発明は、前記共振回路で、共振周波数特性の共振点より低い低周波領域の電流と、共振周波数特性の共振点より高い高周波領域の電流から、対象物とプローブ間に形成された静電容量が増大して変換されることを特徴した上記の静電容量検出装置であってもよい。

また、本発明は、測定の基準点(原点)は、周波数発信手段の周波数で第一共振回路と第二共振回路を同時に一定振幅の電流で励振して、２つの共振回路の出力電圧により任意に設定できることを特徴とする上記の静電容量検出装置であってもよい。

なお、本発明においては、上記した課題を解決するための手段を、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明は、対象物の物理量に応じた静電容量を電気信号に変換する静電容量検出装置である。変換部には、電圧の周波数特性を急峻化した共振特性を採用したインピーダンス変化型である。測定対象物と極板間の距離に逆比例して、静電容量で変化する電圧の周波数特性の振幅から変位量を検出できることを特徴とする。

本発明の静電容量検出装置は、対象物と対向する測定プローブ内に２回路の急峻化した周波数特性を有する第一共振回路と第二共振回路を備えた構造である。また、この第一共振回路と第二共振回路は共振周波数の共振点が僅かに異なることが特徴である。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、極板より発振する電界により、測定対象物とプローブ間に形成された静電容量の検出に基づくものであり、第一共振周波数と第二共振周波数の傾きから、静電容量が増大されと同等の効果を生み出し、高い検出感度が得られる静電容量検出装置が提供できる。

本発明の測定の基準点(原点)設定は、共振周波数の異なる共振回路に、同時に周波数発信手段で励振する周波数で設定できる。図３で示した第一共振と第二共振の波形の一致点のｆ_Ａ（図３参照）となる周波数では、第一共振と第二共振の電流が等しい値となり、原点の設定は周波数発信手段の周波数で任意に調整ができる。すなわち別途に、基準点(測
定原点)の設定回路を不要とすることを特徴とした静電容量検出装置が提供できる。

対象物と対向する測定プローブ内部は、抵抗５、９とコイル６、１０と電圧振幅検出回路７、８の簡単な回路構成である。プローブの主たる静電容量は先端部で形成され、検出感度を左右する寄生容量の増大をもたらすことのない構造とした。電圧振幅変換回路に緩衝増幅器を備え、検出部とケーブル間の緩衝の役割であり、ケーブルの長さが検出感度に影響を与えないことを特徴とする静電容量検出装置。

図１はＲＬＣ直列共振回路の共振周波数特性の説明図である。図２は検出プローブの説明図である。図３は本発明の測定原理を模式的に示す説明図である。図４はＲＬＣ共振回路の測定原理を示した説明図である。図５はＲＬＣ共振回路の測定原理を示した説明図である。図６は実施形態の等価回路を示した説明図である。図７は実施例の周波数―出力電圧の関係を示した。図８は実施例のブロック線図を示した。図９は実施例の変位―出力電圧の関係を示した。図１０は実施例２の静電容量検出装置のブロック線図である。図１１は実施例２の静電容量検出装置のブロック線図の第２の例である。図１２は実施例２の静電容量検出装置のブロック線図の第３の例である。図１３は実施例３における検出部の概略図である。図１４は実施例３における周波数の出力電圧の関係をプロットした結果である。図１５は実施例３における薬液Ａと薬液Ａ＋薬液Ｂに対する、静電容量検出装置の出力電圧を比較した結果である。図１６は実施例４における検出部の概略図である。図１７は実施例５における検出部の概略図である。図１８は実施例６における検出部の概略図である。図１９は実施例におけるＲＬＣ共振回路の構成のバリエーションと、共振周波数特性を示した図である。図２０は実施例におけるＲＬＣ共振回路の構成の第２のバリエーションと、共振周波数特性を示した図である。

測定プローブの概略図を図２に示した。図示したように４層の極板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の極板が接触しないように極板間を絶縁して積層した構造とした。プローブ内では静電容量Ｃ１と、静電容量Ｃ２、静電容量Ｃ３が形成される。第二層Ｐ２と第四層Ｐ４を接続してアース（ゼロ電位）とした。図示したように第三層Ｐ３のＥ_Ｃ２端子とアース間の静電容量は（Ｃ２＋Ｃ３）の合成容量となる。第二層Ｐ２のＥ_Ｃ１端子とアース間の静電容量はＣ１となり、プローブ内には異なった静電容量Ｃ１と（Ｃ２＋Ｃ３）を形成され、第一共振回路と第二共振回路を具備した測定プローブにより静電容量検出センサが提供できる。

本発明の図４に実施形態の第一共振回路の等価回路を示した。第一共振回路は抵抗５とコイル６と静電容量Ｃ１の直列共振回路で構成した。周波数発振手段４で当該共振回路を励振し、対象物の物理量に応じた静電容量Ｃ１の変化を電圧振幅検出回路７で電圧に変換した。また、急峻化手段としてはコイルに限定されることなく、インダクタンス成分を有する素子であればよい。なお、ここで周波数発振手段４は本実施例において周波数発振手段に相当する。また、電圧振幅検出回路７は変化検出手段に相当する。

図５に実施形態の第二共振回路の等価回路を示す。第二共振回路は抵抗９とコイル１０とプローブ内の合成静電容量Ｃ２、Ｃ３の直列共振回路で構成した。周波数発振手段４で当該共振回路を励振し、対象物の物理量に応じた合成静電容量Ｃ２、Ｃ３の変化を電圧振幅検出回路８で電圧に変換した。また、急峻化手段としてはコイルに限定されることなく、インダクタンス成分を有する素子であればよい。なお、電圧振幅検出回路８は変化検出手段に相当する。

図６に本発明の実施形態の等価回路を示す。対象物と対向する測定プローブは、図中の抵抗５、９とコイル６、１０と電圧振幅検出回路７、８の構成である。第一共振回路と第二共振回路の電流を電圧振幅検出回路７、８で取り出し、差動増幅器を備えた検出手段１１の出力電圧差から変位を計測できる静電容量検出装置を提供する。ここで、検出手段１１は、本実施例において出力増大手段に相当する。本実施例においては、電圧振幅検出回路７、８及び検出手段１１によって、本実施例における検出手段が構成する。

高感度の静電容量検出には、配線などの寄生容量を含む全体の静電容量Ｃと、対象物の変化に伴う静電容量ΔＣとの比が小さいことが望ましい。インピーダンス変化による電圧の周波数特性の振幅変化を明確にするために、周波数発振手段４と直列接続したＲＬＣ共振回路の抵抗Ｒの値により、共振周波数特性の先鋭度が調整できる。

＜実施例１＞
プローブの外形１０ｍｍ、第一共振回路に抵抗５はＲ＝１００Ω、コイル６はＬ＝１．５ｍＨと静電容量Ｃ１を直列接続し、第二共振回路に抵抗９はＲ＝１００Ω、コイル１０はＬ＝１．５ｍＨと静電容量Ｃ２＋Ｃ３を直列接続して共振特性を求めた。一定振幅の正弦波電流で励振周波数を１．１０ＭＨ_Ｚから１０ｋＨ_Ｚステップごとに、周波数と電圧の関係をプロットした結果を図７に示す。図示したように急峻化した第一共振周波数と第二共振周波数の、２つの共振周波数特性が得られた。

本発明の静電容量検出装置のブロック線図を図８に示した。周波数発信は可変抵抗ＶＲからの直流電圧を、１６ビットのＡ／Ｄ変換器１２に印加した。１６ビットＡ／Ｄ変換のデータがダイレクト・ディジタル・シンセサイザ１３の入力となり、正弦波波形を出力する。定電流回路１４により、一定電流、一定振幅の正弦波電流を第一共振回路と第二共振回路に印加した。なお、この際に印加された正弦波電流の周波数は、本実施例において所定周波数に相当する。また、ここにおいて、定電流回路１４を含んで周波数発振手段が構成される。

上記実施形態により、変位と出力電圧の関係を図９に示す。測定条件は、前述の共振回路によって構成されたプローブ先端と、平坦なアルミ板５０×５０ｍｍとの間隙を５００μｍを基準点（中心）として対向設置した。基準点から１μｍ単位で変化したときの出力電圧―変位特性を図９に示した。図示したように、変位に応じて出力電圧は直線的に変化し、静電容量検出装置として良好な結果が得られた。

以上、上記実施形態について説明してきたが、その他、応用例として絶縁体の厚さ測定や２個のプローブを対向して、導体の厚み測定に好適である。また、測定面積に応じてプローブを複数個使用できる。実施例では、静電容量とコイルの直列接続としているが、静電容量とコイルを並列接続した、第三共振回路と第四共振回路も同様の効果が得られる。

緩衝増幅器を備えた電圧振幅変換回路により、静電容量検出プローブのケーブル長さや引き回し等で検出感度に影響を与えることなく、ノイズ低減にも好適な静電容量検出装置として良好な結果が得られた。

＜実施例２＞
図１０に本実施例における静電容量検出装置のブロック線図を示す。本実施例における共振回路を励振する周波数は、定電圧回路と多回転抵抗器２１によるアナログ電圧を、Ａ／Ｄ変換器２２によってディジタル量に変換している。そして、ディジタルデータにより正弦波発生回路のダイレクト・ディジタル・シンセサイザ２３から正弦波波形を出力する。なお、共振回路の励振周波数はアナログ電圧を可変して設定している。さらに、回路のインピーダンス変化を精確に得るため、発明者の検討によれば定電流回路（定電流増幅回路）２４を採用することが好適である。ここで、本実施例の周波数発振手段は定電流回路（定電流増幅回路）２４を含んで構成される。

測定プローブは、図中の抵抗２７、２８とコイル２９、３０と静電容量素子３１、３２により構成されている。急峻化手段としては、共振特性のＱ値を大きくするインピーダンス成分やリアクタンス成分を有する素子であればよい。抵抗２７とコイル２９と静電容量素子（Ｃ１）３１で構成する第一共振回路と、抵抗２８とコイル３０と静電容量素子（Ｃ２）３２で構成する第二共振回路の電流を電圧の振幅検出回路２５、２６でそれぞれ出力する。そして、差動増幅器３３によって、振幅検出回路２５、２６からの出力の差分を増幅する検出手段を介して、測定対象物の誘電率を第一共振回路と第二共振回路の静電容量変化として計測するものである。ここで、振幅検出回路２５、２６は、本実施例において変化検出手段に相当する。また、差動増幅器３３は、出力増大手段に相当する。また、振幅検出回路２５、２６及び差動増幅器３３を含んで、本実施例における検査手段が構成される。

なお、図１０に示した静電容量検出装置は、第一共振回路と第二共振回路における静電容量素子３１、３２両端の電圧値を出力として、その出力の差分を取得するために好適な回路構成であった。これに対し、第一共振回路と第二共振回路における静電容量素子３１、３２両端における電流値を出力として、その出力の差分を取得する場合には、図１１に示した回路構成が好適である。図１１に示す静電容量検出装置の回路構成は、図１０に示
したものに比較して、抵抗２７、２８とコイル２９、３０と静電容量素子３１、３２の順番が異なる。

すなわち、第一共振回路においては、ＧＮＤから、抵抗２７、静電容量素子３１、コイル３０の順番で直列接続されている。また、第二共振回路においては、ＧＮＤから、抵抗２７、静電容量素子３１、コイル３０の順番で直列接続されている。図１１に示す回路構成によれば、静電容量素子３１、３２両端における電流値を抵抗２７、２８の両端電圧として、より好適に検出可能となっている。

また、本実施例においては、静電容量素子３１、３２の静電容量の変化を、第一共振回路と第二共振回路における共振周波数の変化として直接検出することも可能である。図１２には、この場合に好適な静電容量検出装置の回路構成を示す。図１２に示した回路構成において、２０１は周波数自動スイープ機能を含む周波数設定器、２０２は周波数カウンタ、２０３は周波数記憶装置である。図１２に示した回路構成では、周波数設定器２０１によって周波数スイープを行い、振幅検出回路２５と２６との間の出力差を差動増幅器３３にて検出し出力増大する。そして、増大された差分出力であるＥ_０が零になるような周波数を自動で設定する。さらに、その周波数を周波数カウンタ２０２で検出し、周波数記憶装置２０３において記憶する。この状態で静電容量素子３１、３２の静電容量の変化により、差分出力Ｅ_０が零になるような周波数ｆ_Ａが変化する。この周波数変化に基づいて静電容量素子３１、３２の静電容量の変化を検出する。この回路構成によっても、静電容量素子３１、３２の静電容量の変化を好適に検出することが可能である。

＜実施例３＞（ダブルバッグ未開通検出）
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例におけるダブルバッグは医療用の薬液Ａが下室に、薬液Ｂが上室に分離した状態で充填されたものであり、使用時には、薬液Ａと薬液Ｂを分離している隔壁を破ることで分離を解き、薬液Ａと薬液Ｂを混合する。本発明に係る第一共振回路と第二共振回路で構成した静電容量検出装置を用いることで、ダブルバッグにおける隔壁が開通し、薬液Ａと薬液Ｂが確実に混合しているか否かを静電容量の変化として検出することができる。

（検出部）
図１３（ａ）には、本実施例における検出部の概略図を示す。本実施例における検出部は、外径１８ｍｍ、長さ１１０ｍｍのガラス製の試験管に、幅８ｍｍのアルミ箔電極を外周に接着固定して、電極Ｅ１と電極Ｅ２とした構成である。なお、試験管の中心部にアルミ箔電極の幅１０ｍｍを外周に接着固定してアース（ＧＮＤ）電極を設けている。アース電極と電極Ｅ１の間隙は１５ｍｍ、アース電極と電極Ｅ２の間隙は１０ｍｍ程度とした。図１３（ｂ）は、外径１５ｍｍのガラス製試験管、長さ１００ｍｍに薬液Ａを１０ｍｌ充填し、測定のサンプルとした。図１３（ｃ）は、外径１５ｍｍのガラス製試験管に、薬液Aを５ｍｌと薬液Bを５ｍｌを混合した測定サンプルとした。本発明の静電容量検出装置は第一共振回路と第二共振回路の出力電圧の差異から静電容量の変化を検証したものである。なお、本実施例において、アース電極は第一電極に相当する。電極Ｅ１は第二電極に相当する。電極Ｅ２は第三電極に相当する。

（共振特性）
本発明は、第一共振周波数特性と第二共振周波数特性を利用することを見出し、この知見に基づいているものである。図１３（ａ）の測定プローブに抵抗Ｒ、コイルＬ、と静電容量素子Ｃ１を直列接続した第一共振回路と、抵抗Ｒ、コイルＬ、と静電容量素子Ｃ２を直列接続した第二共振回路の、直列共振周波数特性を求めた。図１４は、一定振幅の正弦波電流で１０ｋＨ_Ｚステップごとの、周波数と電圧の関係をプロットした結果を示す。

図１４に示したように急峻化した、第一共振周波数特性と第二共振周波数特性の二つの共振周波数特性が得られた。また、同図から第一共振周波数特性と第二共振周波数特性に交差点が存在することが確認できる。発明者の検討によれば、第一共振周波数特性および第二共振周波数特性の微調整は、各電極間の距離またはコイルのインダクタンスまたは静電容量素子（コンデンサー）の静電容量などで行うことが可能である。本実施例においても、第一共振周波数特性と第二共振周波数特性の交点近傍の周波数を所定周波数とし、第一共振回路及び第二共振回路を励振してもよい。

なお、本実施例では、共振周波数特性のピーク周波数のオーダーは１ＭＨ_Ｚ程度であったが、このピーク周波数は、１ｋＨ_Ｚ程度から１ＧＨ_Ｚ程度で使用可能であり、好適には１００ｋＨ_Ｚから１０ＭＨ_Ｚである。また、図１４においては測定値として電圧を示しているが、図１１や図１２に示した静電容量検出装置を用いることで、測定値としては他の物理量を選択することも可能である。図１２に示した静電容量検出装置を用いれば、電流測定を行うことが可能であり、図１３に示した静電容量検出装置を用いれば、周波数として測定を行うことが可能である。

（検証実験結果）
図１５には本実施例における実験結果を示す。実験は、薬液Ａと薬液Ａ＋薬液Ｂに対する、静電容量検出装置の出力電圧を比較することによって行った。まず、薬液Ａを検出部（測定プローブ）の試験管内に挿入する。この状態で、多回転抵抗器２１によりの直流電圧をディジタル変換し、このディジタル量により、正弦波発生回路のダイレクト・ディジタル・シンセサイザ２３からディジタル設定した正弦波波形出力を得た。この出力波形に定電流増幅回路２４を経させた後、一定振幅且つ一定周波数の正弦波電流で第一共振回路と第二共振回路を励振した。つぎに薬液Ａ＋薬液Ｂの混合液を検出部（測定プローブ）の試験管内に挿入し、同様の測定を行った。

実験は、薬液Ａと薬液Ａ＋薬液Ｂとを静電容量検出装置で測定した際の、出力電圧を比較することを目的とした。なお、本実施例では、比較検討を明確にするため、薬液Ａに対する測定出力電圧が負電圧を示すように、共振回路の正弦波周波数を多回転抵抗器２１で設定した。

本発明は、たとえば図１４の直列共振周波数特性に示してあるように、第一共振周波数特性と第二共振周波数特性の両者が交差するようにしている。換言すると、第一共振周波数特性と第二共振周波数特性の両者が交差するように、各構成要素のパラメータを調整している。そして、この交差点近傍の励振周波数により、正負の静電容量検出装置の出力電圧が得られる。

薬液Ａと薬液Ａ＋薬液Ｂとを静電容量検出装置で測定した際の、静電容量検出装置の出力電圧をプロットした結果を図１５に示す。本実施例における測定では、静電容量検出装置の安定性を確認する目的で、午前に２時間間隔で２回、午後に２時間間隔で２回の平均値を、１０日間の測定した値を示している。図示したように、薬液Ａと薬液Ａと薬液Ｂの混合に応じて、正負に出力電圧が変化することが確認でき、ダブルバッグ未開通検出に本発明に係る静電容量検出装置が有効であることが実証された。なお、本実施例においては、具体的な測定対象として、濾過型人工腎臓用補液サブパックＢｉ（ニプロ社製）を使用した。しかしながら、本発明は、高カロリー薬液や腹膜透析液などの全てのダブルバッグ製剤に適用することが可能である。なお、本実施例においては上述のように、薬液Ａに対する測定出力電圧が負電圧を示し、薬液Ａ＋薬液Ｂに対する測定出力電圧が正電圧を示すように、共振回路の正弦波周波数を多回転抵抗器２１で設定した。しかしながら、２種類の薬液についての測定出力電圧を比較する場合に、必ずしも一方が負電圧、他方が正電圧を示すように設定する必要はない。両方の薬液についての測定出力電圧が正電圧になって
もよいし、負電圧になっても構わない。

＜実施例４＞
次に本発明の実施例４について説明する。実施例３においては、ガラス製の試験管に、アルミ箔電極を外周に接着固定して、電極Ｅ１と電極Ｅ２とし、試験管の中心部にアルミ箔電極を接着固定してアース（ＧＮＤ）電極を設けることにより、薬液Ａと薬液Ａと薬液Ｂの混合に応じて、出力電圧が変化することが確認された。その結果、本発明がダブルバッグ未開通検出に対して有効であることが実証された。

それに対し、本実施例においては、試験管を用いるのではなく、ダブルバッグ中の薬液が通過するチューブに電極Ｅ１、電極Ｅ２及びＧＮＤを設け、直接、ダブルバッグが正常に開通され、ダブルバッグ中の薬液が混合されているか否かを検出可能な構成について説明する。

図１６に、本実施例における静電容量検出装置の検出部（測定プローブ）の構成を示す。図１６（ａ）に示す例は、ダブルバッグに接続され、ダブルバッグ内の薬液Ａ、Ｂが通過するチューブ３８に、環状の金属箔電極を外周に接着固定して、電極Ｅ１と電極Ｅ２とした構成である。なお、電極Ｅ１と電極Ｅ２との中心部に更に環状の金属箔電極を外周に接着固定してアース（ＧＮＤ）電極を設けている。アース電極と電極Ｅ１によって静電容量素子３１が形成され、アース電極と電極Ｅ２によって静電容量素子３２が形成される。

図１６（ｂ）に示す例も、ダブルバッグに接続され、ダブルバッグ内の薬液Ａ、Ｂが通過するチューブ３８に、金属箔電極を外周に接着固定して、電極Ｅ１、アース電極及び電極Ｅ２とした構成である。図１６（ａ）に示す例との相違点は、電極Ｅ１、アース電極及び電極Ｅ２が環状ではなく、環の一部を構成する形状を有する点である。図１６（ｂ）に示す例では、電極Ｅ１、アース電極及び電極Ｅ２は半円形状を有している。この場合においても、アース電極と電極Ｅ１によって静電容量素子３１が形成され、アース電極と電極Ｅ２によって静電容量素子３２が形成される。

本実施例の構成によれば、ダブルバッグから流出する薬液が、薬液Ａだけか、薬液Ａと薬液Ｂの混合液かを、チューブ３８に設けられた検出部によって、リアルタイムに検出することが可能である。これにより、より確実に、ダブルバッグの未開通による不都合を防止することが可能である。本実施例において、アース電極は第一電極に相当する。電極Ｅ１は第二電極に相当する。電極Ｅ２は第三電極に相当する。なお、本実施例においては、電極Ｅ１、アース電極及び、電極Ｅ２は、チューブ３８の軸方向に平行に直線状に配置されており、また、環状または半円形状の各電極の軸は、チューブ３８の軸方向を向いている例について説明した。しかしながら、本発明における第一電極、第二電極及び第三電極はそのような構成に限られない。電極Ｅ１、アース電極及び、電極Ｅ２は、チューブ３８の軸方向に平行に並んでいる必要は無く、チューブ３８の軸方向に対して斜め方向に並んでいてもよい。また、直線状に配置されている必要はなく、例えばジグザグに配置されていてもよい。

また、環状または半円形状の各電極の軸は、チューブ３８の軸方向を向いている必要はなく、各電極の軸はチューブ３８の軸方向に対して斜め方向を向いていてもよく、さらに、各電極の軸方向が異なる方向を向いていてもよい。さらに本発明における“環”は必ずしも“円環”を意味しない。よって、電極Ｅ１、アース電極及び、電極Ｅ２は、必ずしも円形やまたは半円形状である必要はない。多角形状や、多角形の一部を構成する形状であってもよいし、さらに異なる形状を採用しても構わない。

＜実施例５＞
次に本発明の実施例５について説明する。本実施例においては、ダブルバッグ中の薬液が通過するチューブに直接、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びＧＮＤを設けるのではなく、チューブが内側に配置されるように設けられたホルダに、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びＧＮＤを設ける例について説明する。

図１７には、本実施例における検出部（測定プローブ）の概略構成を示す。図１７（ａ）は検出部（測定プローブ）の斜視図、図１７（ｂ）は検出部（測定プローブ）を、薬液が通過する上流側となる側から見た平面図である。本実施例においては、ダブルバッグに接続されたチューブが内側に配置されるホルダ３９が設けられている。ホルダ３９は、内部に凹部を有する樋状の形状を有している。ホルダ３９を構成する三方の壁面の外側には、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びアース電極が固定されている。そして、ホルダ３９の凹部にダブルバッグのチューブを挿入して配置して薬液を通過させることで、測定対象物である薬液を、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びアース電極によって三方から囲うことが可能になる。

本実施例のような構成によっても、アース電極と電極Ｅ１によって静電容量素子３１が形成され、アース電極と電極Ｅ２によって静電容量素子３２が形成される。そして、本実施例の構成によれば、ダブルバッグから流出する薬液が、薬液Ａだけか、薬液Ａと薬液Ｂの混合液かを、チューブのホルダ３９に設けられた検出部（測定プローブ）によって、リアルタイムに検出することが可能である。これにより、より確実またはより簡単に、ダブルバッグの未開通による不都合を防止することが可能である。本実施例において、アース電極は第一電極に相当する。電極Ｅ１は第二電極に相当する。電極Ｅ２は第三電極に相当する。

＜実施例６＞
次に本発明の実施例６について説明する。本実施例においては、ダブルバッグ中の薬液が通過するチューブが内部を通過するように設けられたホルダに、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びＧＮＤを設ける例であって、各電極の配置が実施例５とは異なる例について説明する。

図１８には、本実施例における検出部（測定プローブ）の概略構成を示す。図１８（ａ）は検出部（測定プローブ）の斜視図、図１８（ｂ）は検出部（測定プローブ）を、薬液が通過する場合の進行方向に垂直な方向から見た側面図である。本実施例においても、ホルダ３９は、内部に凹部を有する樋状の形状を有している。そして、本実施例においては、電極Ｅ１、電極Ｅ２及びアース電極の各々が、ホルダ３９を形成する三つの壁面を外周から囲うような同じ形状を有しており、ホルダ３９の長手方向すなわち、チューブ内の薬液の進行方向に並ぶように配置されている。なお、本実施例における電極Ｅ１、電極Ｅ２及びアース電極は断面“コ”の字状の形状を有していることになるが、この場合の電極Ｅ１、電極Ｅ２及びアース電極の形状も、環の一部をなす形状に相当する。この場合の環は、例えば四角形の断面を有する。

なお、上記の実施例においては、第一共振回路及び、第二共振回路が、抵抗Ｒと、コイルＬと、静電容量素子Ｃ１またはＣ２とが直列接続される、直列共振回路を構成する場合
について説明した。この場合には、図３、図７、図１４に示したように、第一共振回路及び、第二共振回路の共振特性がともに、上に凸状となる特性を示した。しかしながら、本発明の静電容量検出装置における第一共振回路及び第二共振回路の構成は上記に限られない。

例えば、図１９（ａ）に示すように、第一共振回路及び第二共振回路を、コイルＬと、静電容量素子Ｃ１またはＣ２とが並列接続される並列共振回路としてもよい。この場合には、図１９（ｂ）に示すように、第一共振回路及び第二共振回路の共振特性は下に凸状となる特性を示す。このような構成によっても、第一共振回路及び第二共振回路を、コイルＬと、静電容量素子Ｃ１またはＣ２とが直列接続される直列共振回路とした場合と同様、より高い感度またはより高い精度で、静電容量の変化を検出することができ、測定対象物の変化を検出することが可能である。この場合にも、第一共振回路及び第二共振回路の共振特性の交点となる周波数を所定周波数とし、この周波数で第一共振回路及び第二共振回路を励振してもよい。

また、例えば、図２０（ａ）に示すように、第一共振回路及び第二共振回路のいずれか一方を直列共振回路とし、他方を並列共振回路としてもよい。図２０（ａ）の例では、第一共振回路を、コイルＬと、静電容量素子Ｃ１とが直列接続される直列共振回路とし、第二共振回路を、コイルＬと、静電容量素子Ｃ２とが並列接続される並列共振回路としている。この場合には、図２０（ｂ）に示すように、第一共振回路の共振特性は上に凸状となり、第二共振回路の共振特性は下に凸状となる特性を示す。このような構成では、図２０（ｂ）に示すように、第一共振回路の共振特性と、第二共振回路の共振特性とを二箇所で交差させることができる。

よって、第一共振回路及び第二共振回路を励振する所定周波数をいずれの交点に合わすことも可能であり、構成上の自由度を向上させることができる。また、この場合には必ずしも第一共振回路及び第二共振回路の共振周波数を相違させる必要がなく、共振周波数を共通としてもよい。この観点からも回路構成上の自由度を向上させることが可能である。

なお、図２０に示す場合には、直列共振回路と並列共振回路を図１２に示したタイプの静電容量検出装置に組み込んで使用しても構わない。すなわち、たとえば図１２における振幅検出回路２５と２６の出力を監視しながら、周波数設定器２０１で周波数をスイープする。そうすることにより、図２０における第一共振回路及び第二共振回路の共振周波数より、低い周波数領域の交点を使うのか、高い周波数領域の交点を使うのかを、周波数カウンタ２０２で設定することができる。この制御はコントローラ（マイコン）によって実行してもよい。

なお、上記の実施例では、第一共振回路及び第二共振回路における、静電容量素子の静電容量の変化に伴う所定周波数近傍の出力の変化の方向が異なることを前提としていた。しかしながら、仮に第一共振回路及び第二共振回路における、静電容量素子の静電容量の変化に伴う所定周波数近傍の出力の変化の方向が同じ場合であっても、上記の静電容量検出装置や医療用薬液検査装置を使用することができる。第一共振回路及び第二共振回路における出力の差分を導出することで、ノイズの軽減などの効果は充分に期待できる。

なお、本発明の実施態様としては以下の態様も可能であるので、ここに列挙する。
〔実施態様１〕
対象物の変化に応じた静電容量を電圧に変換する静電容量検出装置であって、対象物に対向する測定プローブ内は、電圧の周波数特性を急峻化する共振回路で形成した電圧振幅検出手段と、共振回路を一定周波数、一定振幅の正弦波電流で励振する周波数発信手段と、静電容量変化を電圧に変換する検出手段を備えることを特徴とする静電容量検出装置。
〔実施態様２〕
前記共振回路は、対象物と対向する測定プローブ内に具備し、電圧の周波数特性を急峻化するコイルとキャパシタ成分と直列接続した第一共振回路と、第一共振より共振周波数特性の共振点が異なる第二共振回路と、電圧の周波数特性を急峻化するコイルとキャパシタ成分と並列接続した第三共振回路と、第三共振より共振周波数特性の共振点が異なる第四共振回路を有することを特徴の実施態様１の静電容量検出装置。
〔実施態様３〕
前記急峻化手段は、対象物の変化に応じた静電容量が増大して検出する手段であり、第一共振回路と第二共振回路の組み合わせと、第三共振回路と第四共振回路の組み合わせと、直列共振回路のいずれかの一つと、並列共振回路のいずれかの一つが組み合わせであることを特徴の実施態様２の静電容量検出装置。
〔実施態様４〕
前記測定プローブは、少なくとも４層の極板の構成から成り、第一層と第二層の静電容量Ｃ１と、第二層と第三層の静電容量Ｃ２と、第三層と第四層の静電容量Ｃ３である。第二層と第四層を接続してアースとすると、Ｃ１がつかさどる第一共振と合成容量Ｃ２＋Ｃ３がつかさどる第二共振が形成され、第一共振と第二共振の共振周波数の共振点が異なることを特徴とする実施態様１ないし実施態様３に記載の静電容量検出装置。
〔実施態様５〕
前記共振回路で、共振周波数特性の共振点より低い低周波領域の電流と、共振周波数特性の共振点より高い高周波領域の電流から、対象物とプローブ間に形成された静電容量が増大して変換されることを特徴した実施態様１ないし実施態様４のいずれか１つに記載の静電容量検出装置。
〔実施態様６〕
測定の基準点(原点)は、周波数発信手段の周波数で第一共振回路と第二共振回路を同時に一定振幅の電流で励振して、２つの共振回路の出力電圧により任意に設定できることを特徴とする実施態様１ないし実施態様５のいずれか１つに記載の静電容量検出装置。

本発明は、医療用の薬液等の液体の成分の検査・測定の他、真円度、偏心、半導体ウェハーやシート、絶縁物のコーティングの厚みの測定などに用いても好適である。

１…静電容量Ｃ１
２…静電容量Ｃ２
３…静電容量Ｃ３
４…周波数発信手段
５…抵抗Ｒ
６…コイルＬ
７…電圧振幅変換回路
８…電圧振幅変換回路
９…抵抗Ｒ
１０…コイルＬ
１１…検出手段
１２…Ａ／Ｄ変換回路
１３…ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ
１４…定電流回路
２１…定電圧回路と多回転抵抗
２２…Ａ／Ｄ変換回路
２３…ダイレクト・ディジタル・シンセサイダ回路（ＤＤＳ回路）
２４…定電流回路
２５…振幅検出回路
２６…振幅検出回路
２７…抵抗Ｒ
２８…抵抗Ｒ
２９…コイルＬ
３０…コイルＬ
３１…静電容量素子Ｃ１
３２…静電容量素子Ｃ２
３３…差動増幅回路
３４…出力端子
３８…チューブ
３９…ホルダ
２０１…周波数設定器
２０２…周波数カウンタ
２０３…周波数記憶装置
Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…極板

Claims

静電容量素子の静電容量の変化を検出することで、該静電容量に影響を及ぼす測定対象物の変化を検出する静電容量検出装置であって、
静電容量素子を含む複数の共振回路と、
所定周波数の入力に対する前記複数の共振回路による前記所定周波数の出力を検出する検出手段と、
を備え、
前記検出手段は、
前記複数の共振回路における前記静電容量素子の静電容量の変化に基づく前記出力の変化を検出する変化検出手段と、
前記複数の共振回路において、前記静電容量素子の静電容量の変化に伴う前記所定周波数の出力の変化の方向が異なることを利用して、前記変化検出手段が検出する前記出力の変化を増大させる出力増大手段を更に備え、
前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、少なくとも３枚以上の互いに対向する極板を有し、
前記複数の静電容量素子は、隣り合う前記極板の組み合わせによりまたは、隣り合う極板の組み合わせを直列結合または並列結合することにより、形成されることを特徴とする、静電容量検出装置。
静電容量素子の静電容量の変化を検出することで、該静電容量に影響を及ぼす測定対象物の変化を検出する静電容量検出装置であって、
静電容量素子を含む複数の共振回路と、
所定周波数の入力に対する前記複数の共振回路による前記所定周波数の出力を検出する検出手段と、
を備え、
前記検出手段は、
前記複数の共振回路における前記静電容量素子の静電容量の変化に基づく前記出力の変化を検出する変化検出手段と、
前記複数の共振回路において、前記静電容量素子の静電容量の変化に伴う前記所定周波数の出力の変化の方向が異なることを利用して、前記変化検出手段が検出する前記出力の変化を増大させる出力増大手段を更に備え、
前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、
設置された第一電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第二電極と、
前記第一電極との組み合わせで静電容量素子を形成する第三電極と、を有し、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は、各々の電極で前記測定対象物を囲うように、または直線状に並べられたことを特徴とする、静電容量検出装置。
前記複数の共振回路は、
第一の静電容量素子を含み、所定の第一共振周波数において共振する周波数特性を有する第一の共振回路と、
第二の静電容量素子を含み、所定の第二共振周波数において共振する周波数特性を有する第二の共振回路と、
を有し、
前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路に、前記第一共振周波数及び前記第二共振周波数とは異なる前記所定周波数を入力して励振する周波数発振手段を備え、
前記変化検出手段は、前記測定対象物の変化による前記第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量の変化に基づく、前記第一の共振回路と前記第二の共振回路の出力の変化を検出し、
前記出力増大手段は、前記第一の共振回路の出力と、前記第二の共振回路の出力の差分を導出することで、前記出力の変化を増大させることを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量検出装置。
前記共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路と、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路の少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静電容量検出装置。
前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路を含む直列共振回路であり、
前記第一共振周波数は、前記第二共振周波数より高く、
前記所定周波数は、
前記第一の共振回路の周波数特性における、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第一の共振回路の出力が増加する周波数領域に属するとともに、
前記第二の共振回路の周波数特性における、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第二の共振回路の出力が減少する周波数領域に属することを特徴とする、請求項３に記載の静電容量検出装置。
前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路は、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路を含む並列共振回路であり、
前記第一共振周波数は、前記第二共振周波数より高く、
前記所定周波数は、
前記第一の共振回路の周波数特性における、第一共振周波数より低い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第一の共振回路の出力が減少する周波数領域に属するとともに、
前記第二の共振回路の周波数特性における、第二共振周波数より高い周波数領域であって、周波数の増加に対して前記第二の共振回路の出力が増加する周波数領域に属すること
を特徴とする、請求項３に記載の静電容量検出装置。
前記第一の共振回路及び前記第二の共振回路の一方は、前記静電容量素子とインダクタを直列接続した直列回路を含む直列共振回路であるとともに、他方は、前記静電容量素子とインダクタを並列接続した並列回路を含む並列共振回路であり、
前記所定周波数は、
前記第一共振周波数及び第二共振周波数より高い周波数領域または、前記第一共振周波数及び第二共振周波数より低い周波数領域に属することを特徴とする、請求項３に記載の静電容量検出装置。
前記第一の静電容量素子及び前記第二の静電容量素子の静電容量の変化前においては、
前記所定の周波数における前記第一の共振回路の出力と、前記第二の共振回路の出力の差分は略零であることを特徴とする、請求項３及び、請求項５から７のいずれか一項に記載の静電容量検出装置。
前記複数の静電容量素子を収納した測定プローブを更に備え、
前記測定プローブは、少なくとも４枚以上の互いに対向する極板を有し、
前記複数の静電容量素子は、隣り合う前記極板の組み合わせによりまたは、隣り合う極板の組み合わせを直列結合または並列結合することにより、形成されることを特徴とする、請求項1に静電容量検出装置。
請求項２に記載の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は、各々の電極で前記測定対象物を囲うように並べられ
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極によって囲われる領域に、医療用の薬液が通過するチューブが配置されたことを特徴とする、医療用薬液検査装置。
請求項２に記載の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は直線状に並べられ、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極の並びに沿うように、医療用の薬液が通過するチューブが配置されたことを特徴とする、医療用薬液検査装置。
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は直線状に並べられ、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極は、環状の形状または、環の一部をなす形状を有し、同軸上に並べられたことを特徴とする請求項２に記載の静電容量検出装置。
請求項１２に記載の静電容量検出装置を用いた医療用薬液検査装置であって、
前記第一電極、前記第二電極及び、前記第三電極を、医療用の薬液が通過するチューブが前記環内を貫通するように配置したことを特徴とする、医療用薬液検査装置。
複数の静電容量素子の静電容量の変化を検出することで、該静電容量に影響を及ぼす測定対象物の変化を検出する検出方法であって、
静電容量素子を含む２つ共振回路を、該２つの共振回路の共振周波数とは異なる所定周波数の入力で励振し、
前記２つの共振回路の各々の出力の変化の差分を取得することで、前記２つの共振回路の静電容量素子の静電容量の変化を検出し、
前記複数の静電容量素子は、３枚以上の互いに対向する極板のうちの隣り合う前記極板の組み合わせによりまたは、隣り合う極板の組み合わせを直列結合または並列結合することにより、形成されることを特徴とする、検出方法。
医療用の薬液が通過するチューブ上に、２つの静電容量素子を配置し、
前記２つの静電容量素子の各々を含む２つ共振回路を、該２つの共振回路の共振周波数とは異なる所定周波数の入力で励振し、
前記２つの共振回路の各々の出力の変化の差分を取得することで、前記２つの共振回路の静電容量素子の静電容量の変化を検出し、
前記静電容量の変化から、前記医療用の薬液の状態を検査することを特徴とする、医療用薬液検査方法。