JPH0251073A - 容量変化検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、容量変化検出装置に関し、位相差をもつ２出
力を生じる発振回路の各出力端に、検出用の第１のコン
デンサ及び基準用の第２のコンデンサの各一端をそれぞ
れ接続すると共に、これらのコンデンサの他端側を共通
に接続して位相比較回路に導き、位相比較回路において
、発振回路から与えられる信号と比較して、その位相差
を検出することにより、回路構成が簡単で、動作の安定
に優れ、しかもデッドキャパシティの大きさによる影響
を受けることなく、微小容量変化を高感度で検出し得る
容量変化検出装置を提供できるようにしたものである。

〈従来の技術〉 容量変化検出装置は、例えば容量変化形の湿度センサま
たは各種の変位センサ等に幅広く使用されている。従来
の容量変化検出装置の代表例としては、ブリッジ法及び
周波数法が知られている。

第６図はブリッジ法による容量変化検出装置の電気回路
図である。図において、１は発振回路、２はコンデンサ
によるブリッジ回路、３は増幅回路である。ブリッジ回
路２はコンデンサＣｘと、コンデンサＣＲＩ〜ＣＲｓに
よって構成されている。コンデンサＣＸは、湿度または
変位等の測定対象の状態変化に応じてその容量値が変化
する。

コンデンサＣＸの容量変化に伴うブリッジの不平衡出力
を増幅回路３で増幅し出力する。

第７図は周波数法による容量変化検出装置である。４は
コイル、５は増幅回路、Ｃｘはコンデンサであり、これ
らは発振回路を構成している。コンデンサＣＸは、第６
図の場合と同様に、湿度または変位等の測定対象の状態
変化に応じてその容量値が変化する。コンデンサＣ×の
容量が変化すると、発振周波数ｆは、 ｆ＝１／２πｆｆで７ ただし、Ｌはコイル４のインダクタンスとなり、周波数
変調が加わる。この周波数変調信号を受信器によって受
信して復調することにより、コンデンサＣ１の容量変化
分を検出し、湿度または変位量等を測定する。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上述した従来の容量変化検出装置には次
のような問題点がある。

（イ）ブリッジ法において、微小容量変化を感度良く検
出するためには、高性能のオペアンプ等が必要であり、
高価格になり易く、実用性に欠ける面がある。

（ロ）周波数法は、検出部の回路構成は簡単になるけれ
ども、微小容量変化を検出するにめには周波数を上げな
ければならず、動作が不安定になり易い。また、復調回
路が面倒になる等の欠点もある。更に、周波数ｆがコン
デンサＣｘの容量値によって定まるため、容量値に対す
る変化量の比が小さい場合、つまり、デッドキャパシテ
ィが大きい場合には適用できなくなる。

そこで、本発明の課題は、上述する従来技術の問題点を
解決し、回路構成が簡単で、動作の安定に優れ、しかも
デッドキャパシティの大きさによる影響を受けることな
く、微小容量変化を高感度で検出し得る容量変化検出装
置を提供することである。

〈課題を解決するための手段〉 上述する課題解決のため、本発明は、第１図に示すよう
に、発振回路６と、第１のンデンサ７と、第２のコンデ
ンサ８と、位相比較回路９とを含み、前記第１のコンデ
ンサ７の容量変化を検出する装置であって、 前記発振回路６は、位相差をもつ２出力ａ、　ｂを生じ
る回路でなり、 前記第１のコンデンサ７は、測定対象の状態変化に応じ
て容量が変化するコンデンサであって、一端が前記発振
回路６の出力の一方ａに接続されており、 前記第２のコンデンサ８は、測定対象の状態変化によっ
ては実質的に容量の変化しないコンデンサであって、一
端が前記発振回路６の出力の他方すに接続され、他端側
か前記第１のコンデンサ７の他端側に接続Ｃされており
、 前記位相比較回路９は、前記第１のコンデンサ７及び第
２のコンデンサ８の他端側で得られる信号及び前記発振
回路６の出力信号が入力され、その位相差を検出して出
力する回路でなることを特徴とする。第１図において、
１０は増幅回路、１１はローパスフィルタである。

く作用〉 第１のコンデンサ７の容量をＣＸ％Ｘ２Ｏ３ンデンサ８
の容量をＣＲとする。湿度または変位等の測定対象の状
態が変化した場合、第１のコンデンサ７の容量ＣＸは、
それに応じて変化するが、第２のコンデンサ８の容量Ｃ
Ｒは変化しない。

測定対象の状態の変化に応じて、第１のコンデンサ７の
容量Ｃｘが変化すると、第１のコンデンサ７及び第２の
コンデンサ８の結合点Ｃの位相もそれに対応して変化す
る。結合点Ｃの位相は、ＣＸ＞ＣＲとなる範囲では、発
振回路６の出力ａ側の位相とほぼ同位相であり、Ｃｘ　
＜　Ｃ＊の範囲では発振回路６の出力ａ側の位相とばば
逆位相となる。結合点Ｃの位相情報は、増幅回路１０を
介して、位相比較器９に人力され、発振回路６の出力ａ
の位相と比較され、位相比較出力が得られる。位相比較
回路９の出力は、ＣＸ＞ＣＲのとき高レベルであるとす
ると、ＣｘくＣ１Ｉのときは低レベルとなる。測定対象
の状態変化に伴う第１のコンデンサ７の容量ＣＸの変化
は連続的であるから、Ｃｘ　＞　ＣＲの領域からＣｘく
ＣＲの領域への変化、または、ＣＸくＣＲの領域からＣ
ｘ　＞　ＣＭの領域への変化は連続的である。従って、
位相比較回路９の出力レベルもアナログ的に連続的に変
化する。

もし、発振回路６の２出力ａ、ｂの位相差が完全に１８
０度であるとすると、位相比較回路９の出力は、Ｃｘ＞
ＣＲのときは論理１、Ｃｘ　＜　ＣＲのときは論理Ｏの
ように、ディジタル的に変化する。発振回路６の２出力
ａ％ｂの位相差が１８０度からずれているときは、位相
比較回路９の出力は、Ｃｘ　＞＞Ｃｎ　、　ＣＸ　＞Ｃ
Ｒ、Ｃｘ　＝ＣＲ−ＣｘくＣＲ％ＣＸ＜＜ＣＲのように
変化するにつれて、高レベルと低レベルとの間でアナロ
グ的に変化する。

ここで、容量Ｃｘのデッドキャパシティが大きく、 ＣＸ　＝Ｃ０＋△Ｃｘ ただし、Ｃ０は固定容量 △ＣＸは変化容量 とした場合に、Ｃ０〉〉△ＣＸであるとしても、Ｃ０＝
ＣＲ とすることにより、結合点Ｃにはほぼ△Ｃｘに依存した
位相の信号が得られる。従って、デッドキャパシティに
よる影響を受けることなく、微小な変化容量△ＣＸを確
実に検出することができる。

また、位相比較回路９によって位相比較を行なっている
ために、発振回路６の発振レベル、増幅回路１０の増幅
度等には殆ど無関係に、出力が得られ、極めて安定な動
作をする。

更に、例えばＩＰＦ程度の微小容量変化を検出する場合
でも、発振回路６の発振周波数は数１０にＨｚ〜数１０
０　ＫＦＩｚで充分である。

〈実施例〉 第２図は本発明に係る容量変化検出装置の具体通な回路
図を示している。発振回路６は、増幅器６１、インダク
タ６２及びコンデンサ６３．６４より構成されている。

この回路構成はコルピッツ形発振回路として周知である
９発振回路６の２出力ａ、ｂの間には約１８０度の位相
差がある。

第１のコンデンサ７の一端側には発振回路６の出力ａが
接続されており、第２のコンデンサ８の一端側には発振
回路６の出力すが接続されている。第１のコンデンサ７
及び第２のコンデンサ８は他端側で共通に接続Ｃされて
いる。共通の接続点Ｃは、増幅回路１０を介して、位相
比較回路９の入力端に結ばれている。位相比較回路９の
他の入力端には発振回路６を構成する増幅回路６１の出
力側が接続されている。位相比較回路９は、第１図で説
明したように、２つの入力の位相差に応じた出力を生じ
る。

ローパスフィルタ１１は、抵抗１１１とコンデンサ１！
２とで構成されている。位相比較回路９から出力される
信号に含まれる不要な高周波成分は、このローパスフィ
ルタ１１によって除去される。

第２図の実施例において、第１図にはない特徴の１つは
、共振回路１２を有することである。共振回路１２は、
インダクタ１２１とコンデンサ１２２との並列共振回路
となっていて、第１のコンデンサ７及び第２のコンデン
サ８の共通の接続点Ｃから、位相比較回路９の入力端に
至る回路に接続されている。共振回路１２の共振周波数
は、発振回路６の発振周波数から少しずれた値に選定す
る。例えば、発振回路９の発振周波数を８００にＨｚと
した場合には、７００Ｋ）ＩＺ　〜７５０にＨｚ程度の
共振周波数となるように、インダクタ１２１のインダク
タンス値及びコンデンサ１２２の容量値を設定する。

上述のような共振回路１２があると、第１のコンデンサ
７及び第２のコンデンサ８を通ってきた信号のうち、発
振回路６の発振周波数から大きく外れた周波数の不要雑
音を除去できること、第１のコンデンサ７及び第２のコ
ンデンサ８を通すことによって減衰した信号を、共振回
路１２の共振作用により大きくできること、従って増幅
回路１０を簡単化できること、第１のコンデンサ７及び
第２のコンデンサ８との間に発生する固定的な位相変化
を、共振特性に伴なう位相推移によって相殺できること
等の作用効果が得られる。

この実施例のもう１つの特徴は、第２のコンデンサ８に
、可変容量ダイオード１４を含む回路が並列に接続され
ていることである。可変容量ダイオード１４は、外部か
ら与えられる直流電圧の制御信号により容量が可変調整
される。従って、この可変容量ダイオード１４の容量調
整により、第２のコンデンサ８の容量ＣＲに加算される
容量を可変調整し、検出回路を最適な条件で動作させる
ことができる。可変容量ダイオード１４は第１のコンデ
ンサ７と並列に設けてもよい。１３は交流結合用コンデ
ンサ、１５は容量調整用コンデンサである。

第２図の実施例によると、発振回路６の発振周波数８０
０にＨｚのとき、第１のコンデンサ７の容量Ｃｘの変化
ＩＰＦ当りＩＶの位相比較出力が得られた。

本発明に係る容量変化検出装置は、湿度センサまたは位
置センサ、回転角センサもしくは圧力センサ等の変位セ
ンサとして使用できる。第３図及び第４図は当該容量変
化検出装置を湿度センサとして用いる場合の第１のコン
デンサ７の具体的構造例を示す図である。図において、
７１は絶縁基板、７２．７３は電極、７４は吸湿性誘電
体層である。電極７２．７３はギャップを介して対向す
る櫛歯状に形成しである。吸湿性誘電体層７４は電Ｖｉ
７２−７３間のギャップを覆うように被着させである。

湿度が変化すると、吸湿性誘電体層７４に含まれる水分
が変化して誘電率が変化するので、電極７２−７３間で
得られる容量Ｃ×が変化する。

第５図は湿度センサとして用いる場合の第１のコンデン
サ７と第２のコンデンサ８との配置構造を示す図で、１
６．１７はケースである。ケース１６は通気孔１６１を
有し、その内部に第１のコンデンサ７を内蔵させである
。ケース１７は密閉構造とし、その内部に第２のコンデ
ンサ８を内蔵させである。

図示は省略したが、第１のコンデンサ７の容量可変構造
を変えることにより、変位センサとしても応用できる。

〈発明の効果〉 以上述べたように、本発明は、発振回路と、第１のコン
デンサと、第２のコンデンサと、位相比較回路とを含み
、第１のコンデンサの容量変化を検出する装置であって
、 発振回路は、位相差をもつ２出力を生じる回路でなり、
第１のコンデンサは、測定対象の状態変化に応じて容量
が変化するコンデンサであって、一端が発振回路の出力
の一方に接続されており、第２のコンデンサは、測定対
象の状態変化によっては実質的に容量の変化しないコン
デンサであって、一端が発振回路の出力の他方に接続さ
れ、他端側か第１のコンデンサの他端側に接続されてお
り、位相比較回路は、第１のコンデンサ及び第２のコン
デンサの他端側で得られる信号及び発振回路の出力信号
が入力され、その位相差を検出して出力する回路でなる
こと、を特徴とするから、回路構成が簡単で、動作の安
定に優れ、しかもデッドキャパシティの大きさによる影
響を受けることなく、微小容量変化を高感度で検出し得
る容量変化検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る容量変化検出装置の構成を示すブ
ロック図、第２図は同じく具体的な実施例における電気
回路図、第３図は本発明に係る容量変化検出装置を湿度
センサとして用いる場合の第１のコンデンサの具体的構
造例を示す平面部分破断面図、第４図は第３図ＡｌＡｌ
線上における断面図、第５図は湿度センサとして用いる
場合の第１のコンデンサと第２のコンデンサとの配置構
造を示す図、第６図は従来の容量変化検出装置の電気回
路図、第７図は同じく別の従来例における電気回路図で
ある。 ６・・・発振回路 ７・・・第１のコンデンサ ８・・・第２のコンデンサ 第 図 第２図 ・・位相比較回路 ｂ・・・発振回路６の出力 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発振回路と、第１のコンデンサと、第２のコンデ
   ンサと、位相比較回路とを含み、前記第１のコンデンサ
   の容量変化を検出する装置であって、 前記発振回路は、位相差をもつ２出力を生じる回路でな
   り、 前記第１のコンデンサは、測定対象の状態変化に応じて
   容量が変化するコンデンサであって、一端が前記発振回
   路の出力の一方に接続されており、 前記第２のコンデンサは、測定対象の状態変化によって
   は実質的に容量の変化しないコンデンサであって、一端
   が前記発振回路の出力の他方に接続され、他端側が前記
   第１のコンデンサの他端側に接続されており、 前記位相比較回路は、前記第１のコンデンサ及び第２の
   コンデンサの他端側で得られる信号及び前記発振回路の
   出力信号が入力され、その位相差を検出して出力する回
   路でなること を特徴とする容量変化検出装置。
2. （２）前記第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの他
   端側から、前記位相比較回路の入力端に至る回路に、共
   振回路が接続されており、この共振回路は、前記発振回
   路の発振周波数付近の共振周波数を持つことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の容量変化検出装置。
3. （３）前記第１のコンデンサまたは第２のコンデンサの
   少なくとも一方に、可変容量ダイオードを含む回路が並
   列に接続されており、前記可変容量ダイオードは、外部
   から与えられる制御信号により容量が可変調整できるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の容量変化検出装置。